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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024005336
(43)【公開日】2024-01-17
(54)【発明の名称】被覆切削工具
(51)【国際特許分類】
B23B 27/14 20060101AFI20240110BHJP
C23C 14/06 20060101ALI20240110BHJP
【ＦＩ】
B23B27/14 A
C23C14/06 A
C23C14/06 H
【審査請求】未請求
【請求項の数】3
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022105482
(22)【出願日】2022-06-30
(71)【出願人】
【識別番号】000233066
【氏名又は名称】株式会社ＭＯＬＤＩＮＯ
(74)【代理人】
【識別番号】100149548
【弁理士】
【氏名又は名称】松沼 泰史
(74)【代理人】
【識別番号】100175802
【弁理士】
【氏名又は名称】寺本 光生
(74)【代理人】
【識別番号】100142424
【弁理士】
【氏名又は名称】細川 文広
(74)【代理人】
【識別番号】100140774
【弁理士】
【氏名又は名称】大浪 一徳
(72)【発明者】
【氏名】伊坂 正和
【テーマコード（参考）】
3C046
4K029
【Ｆターム（参考）】
3C046FF03
3C046FF09
3C046FF10
3C046FF13
3C046FF16
3C046FF21
3C046FF23
3C046FF24
3C046FF25
3C046FF27
4K029AA02
4K029BA03
4K029BA07
4K029BA17
4K029BA54
4K029BA58
4K029BB02
4K029BB07
4K029BC02
4K029BD05
4K029CA04
4K029CA06
4K029CA13
4K029DD06
4K029JA02
(57)【要約】
【課題】被覆切削工具の耐久性を改善する。
【解決手段】実施形態の被覆切削工具は、基材と、硬質皮膜とを備える。硬質皮膜は、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、Ａｌを５５原子％以上、Ｃｒを２０原子％以上を含有する窒化物または炭窒化物のｂ１層と、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、Ａｌを５５原子％以上、Ｔｉを２０原子％以上を含有する窒化物または炭窒化物のｂ２層とがそれぞれ１００ｎｍ以下の膜厚で交互に積層した積層皮膜を有する。積層皮膜は、Ｉｈ×１００／（Ｉｈ＋Ｉｆ）≦１５の関係を満たし、積層皮膜の表層側領域では基材側領域よりもＡｌの含有比率が大きい。
【選択図】なし
【解決手段】実施形態の被覆切削工具は、基材と、硬質皮膜とを備える。硬質皮膜は、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、Ａｌを５５原子％以上、Ｃｒを２０原子％以上を含有する窒化物または炭窒化物のｂ１層と、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、Ａｌを５５原子％以上、Ｔｉを２０原子％以上を含有する窒化物または炭窒化物のｂ２層とがそれぞれ１００ｎｍ以下の膜厚で交互に積層した積層皮膜を有する。積層皮膜は、Ｉｈ×１００／（Ｉｈ＋Ｉｆ）≦１５の関係を満たし、積層皮膜の表層側領域では基材側領域よりもＡｌの含有比率が大きい。
【選択図】なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
基材と、前記基材上に形成される硬質皮膜とを備え、
前記硬質皮膜は、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、アルミニウム（Ａｌ）を５５原子％以上、クロム（Ｃｒ）を２０原子％以上を含有する窒化物または炭窒化物のｂ１層と、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、アルミニウム（Ａｌ）を５５原子％以上、チタン（Ｔｉ）を２０原子％以上を含有する窒化物または炭窒化物のｂ２層とがそれぞれ１００ｎｍ以下の膜厚で交互に積層した積層皮膜を有し、
前記積層皮膜は、透過型電子顕微鏡の制限視野回折パターンから求められる強度プロファイルにおいて、六方最密充墳構造のＡｌＮに起因する最大ピーク強度をＩｈ、面心立方格子構造の（１１１）面、（２００）面、（２２０）面に起因するピーク強度の合計をＩｆとした場合、Ｉｈ×１００／（Ｉｈ＋Ｉｆ）≦１５の関係を満たし、
前記積層皮膜の表層側領域では基材側領域よりもアルミニウム（Ａｌ）の含有比率が大きいことを特徴とする被覆切削工具。
前記硬質皮膜は、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、アルミニウム（Ａｌ）を５５原子％以上、クロム（Ｃｒ）を２０原子％以上を含有する窒化物または炭窒化物のｂ１層と、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、アルミニウム（Ａｌ）を５５原子％以上、チタン（Ｔｉ）を２０原子％以上を含有する窒化物または炭窒化物のｂ２層とがそれぞれ１００ｎｍ以下の膜厚で交互に積層した積層皮膜を有し、
前記積層皮膜は、透過型電子顕微鏡の制限視野回折パターンから求められる強度プロファイルにおいて、六方最密充墳構造のＡｌＮに起因する最大ピーク強度をＩｈ、面心立方格子構造の（１１１）面、（２００）面、（２２０）面に起因するピーク強度の合計をＩｆとした場合、Ｉｈ×１００／（Ｉｈ＋Ｉｆ）≦１５の関係を満たし、
前記積層皮膜の表層側領域では基材側領域よりもアルミニウム（Ａｌ）の含有比率が大きいことを特徴とする被覆切削工具。
【請求項2】
前記積層皮膜の前記基材側領域における前記ｂ１層とｂ２層の膜厚は前記表層側領域における前記ｂ１層とｂ２層の膜厚よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の被覆切削工具。
【請求項3】
前記積層皮膜の前記表層側領域は前記基材側領域よりも柱状粒子が微細であることを特徴とする請求項１または２に記載の被覆切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、被覆切削工具に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１にはミクロレベルで六方最密充墳構造（ｈｃｐ構造）のＡｌＮを低減したＡｌＣｒ窒化物とＡｌＴｉ窒化物がナノレベルで交互に積層したＡｌリッチの積層皮膜を適用した耐久性に優れる被覆切削工具を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】国際公開第２０１９／０９８３６３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明者の検討によると、従来から提案されている被覆切削工具について、耐久性に改善の余地があることを確認した。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明の一態様は、基材と、前記基材上に形成される硬質皮膜とを備え、前記硬質皮膜は、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、アルミニウム（Ａｌ）を５５原子％以上、クロム（Ｃｒ）を２０原子％以上を含有する窒化物または炭窒化物のｂ１層と、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、アルミニウム（Ａｌ）を５５原子％以上、チタン（Ｔｉ）を２０原子％以上を含有する窒化物または炭窒化物のｂ２層とがそれぞれ１００ｎｍ以下の膜厚で交互に積層した積層皮膜を有し、前記積層皮膜は、透過型電子顕微鏡の制限視野回折パターンから求められる強度プロファイルにおいて、六方最密充墳構造のＡｌＮに起因する最大ピーク強度をＩｈ、面心立方格子構造の（１１１）面、（２００）面、（２２０）面に起因するピーク強度の合計をＩｆとした場合、Ｉｈ×１００／（Ｉｈ＋Ｉｆ）≦１５の関係を満たし、前記積層皮膜の表層側領域では基材側領域よりもアルミニウム（Ａｌ）の含有比率が大きい被覆切削工具である。
【0006】
また、前記積層皮膜の前記基材側領域における前記ｂ１層とｂ２層の膜厚は前記表層側領域における前記ｂ１層とｂ２層の膜厚よりも大きいことが好ましい。
また、前記積層皮膜の前記表層側領域は前記基材側領域よりも柱状粒子が微細であることが好ましい。
また、前記積層皮膜の前記表層側領域は前記基材側領域よりも柱状粒子が微細であることが好ましい。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、耐久性に優れる被覆切削工具を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【0008】
本実施形態の被覆切削工具は、基材と、基材上に形成される硬質皮膜とを有する。硬質皮膜は、基材側から順に、必要に応じて設けられる中間皮膜と、積層皮膜と、必要に応じて設けられる保護皮膜と、を有する。以下、各層について詳細に説明する。
【0009】
≪基材≫
本実施形態の被覆切削工具においては、基材は特段限定されないが、強度と靭性に優れるＷＣ－Ｃｏ基超硬合金を基材とすることが好ましい。
本実施形態の被覆切削工具においては、基材は特段限定されないが、強度と靭性に優れるＷＣ－Ｃｏ基超硬合金を基材とすることが好ましい。
【0010】
≪積層皮膜≫
本実施形態に係る積層皮膜は、ＡｌＣｒ系のｂ１層とＡｌＴｉ系のｂ２層とがそれぞれ１００ｎｍ以下の膜厚で交互に積層したＡｌリッチな積層皮膜である。
具体的には、積層皮膜は、金属元素の総量に対して、アルミニウム（Ａｌ）を５５原子％以上、クロム（Ｃｒ）を２０原子％以上を含有する窒化物または炭窒化物のｂ１層と、金属部分の総量に対して、アルミニウム（Ａｌ）を５５原子％以上、チタン（Ｔｉ）を２０原子％以上を含有する窒化物または炭窒化物のｂ２層とが１００ｎｍ以下の膜厚で交互に積層した積層皮膜である。組成系が異なるＡｌリッチなＡｌＣｒＮ系の硬質皮膜とＡｌリッチなＡｌＴｉＮ系の硬質皮膜とがナノレベルで交互に積層することで、皮膜破壊の進展が抑制され易くなる。また、六方最密充墳構造（ｈｃｐ構造）のＡｌＮを含有し難くなり、硬質皮膜の全体で耐熱性が高まり被覆切削工具の耐久性が向上する。
ｂ１層とｂ２層の個々の膜厚は５０ｎｍ以下であることが好ましい。ｂ１層とｂ２層の個々の膜厚は２ｎｍ以上であることが好ましい。更にはｂ１層とｂ２層の個々の膜厚は５ｎｍ以上であることが好ましい。積層皮膜の全体の膜厚は１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。必要に応じて中間皮膜や保護皮膜を設ける場合でも、硬質皮膜を構成する複数の皮膜のうちで、積層皮膜の膜厚が最も厚膜であることが好ましい。
本実施形態に係る積層皮膜は、ＡｌＣｒ系のｂ１層とＡｌＴｉ系のｂ２層とがそれぞれ１００ｎｍ以下の膜厚で交互に積層したＡｌリッチな積層皮膜である。
具体的には、積層皮膜は、金属元素の総量に対して、アルミニウム（Ａｌ）を５５原子％以上、クロム（Ｃｒ）を２０原子％以上を含有する窒化物または炭窒化物のｂ１層と、金属部分の総量に対して、アルミニウム（Ａｌ）を５５原子％以上、チタン（Ｔｉ）を２０原子％以上を含有する窒化物または炭窒化物のｂ２層とが１００ｎｍ以下の膜厚で交互に積層した積層皮膜である。組成系が異なるＡｌリッチなＡｌＣｒＮ系の硬質皮膜とＡｌリッチなＡｌＴｉＮ系の硬質皮膜とがナノレベルで交互に積層することで、皮膜破壊の進展が抑制され易くなる。また、六方最密充墳構造（ｈｃｐ構造）のＡｌＮを含有し難くなり、硬質皮膜の全体で耐熱性が高まり被覆切削工具の耐久性が向上する。
ｂ１層とｂ２層の個々の膜厚は５０ｎｍ以下であることが好ましい。ｂ１層とｂ２層の個々の膜厚は２ｎｍ以上であることが好ましい。更にはｂ１層とｂ２層の個々の膜厚は５ｎｍ以上であることが好ましい。積層皮膜の全体の膜厚は１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。必要に応じて中間皮膜や保護皮膜を設ける場合でも、硬質皮膜を構成する複数の皮膜のうちで、積層皮膜の膜厚が最も厚膜であることが好ましい。
【0011】
ｂ１層は金属元素の総量に対してアルミニウム（Ａｌ）を５５原子％以上、クロム（Ｃｒ）を２０原子％以上を含有する窒化物または炭窒化物である。
ＡｌとＣｒをベースとする窒化物または炭窒化物は耐熱性に優れる膜種である。特にＡｌの含有比率が大きくなると硬質皮膜の耐熱性が向上する傾向にあり被覆切削工具の耐久性が向上する。ｂ１層は耐熱性と耐摩耗性に優れる窒化物であることが好ましい。硬質皮膜に高い耐熱性を付与するためにｂ１層のＡｌは５５原子％以上とする。更にはｂ１層のＡｌ含有比率は６０原子％以上とすることが好ましい。ミクロ組織に含有する脆弱なｈｃｐ構造のＡｌＮを低減するにはｂ１層のＡｌ含有比率は７５原子％以下とすることが好ましい。更にはｂ１層のＡｌ含有比率は７０原子％以下とすることが好ましい。
ＡｌとＣｒをベースとする窒化物または炭窒化物は耐熱性に優れる膜種である。特にＡｌの含有比率が大きくなると硬質皮膜の耐熱性が向上する傾向にあり被覆切削工具の耐久性が向上する。ｂ１層は耐熱性と耐摩耗性に優れる窒化物であることが好ましい。硬質皮膜に高い耐熱性を付与するためにｂ１層のＡｌは５５原子％以上とする。更にはｂ１層のＡｌ含有比率は６０原子％以上とすることが好ましい。ミクロ組織に含有する脆弱なｈｃｐ構造のＡｌＮを低減するにはｂ１層のＡｌ含有比率は７５原子％以下とすることが好ましい。更にはｂ１層のＡｌ含有比率は７０原子％以下とすることが好ましい。
【0012】
硬質皮膜に高い耐摩耗性を付与するためにｂ１層は、金属元素の総量に対するＣｒ含有比率を２０原子％以上とする。ｂ１層はＡｌＣｒ系の窒化物または炭窒化物とするためにＡｌに次いでＣｒを多く含有している。硬質皮膜の耐熱性をより高めるためにｂ１層のＣｒ含有比率は４０原子％以下とすることが好ましい。更にはｂ１層のＣｒ含有比率は３５原子％以下とすることが好ましい。
【0013】
ｂ１層は積層皮膜の耐熱性と耐摩耗性を高いレベルで両立させるために、金属元素の総量に対するＡｌとＣｒの合計の含有比率を８５原子％以上とすることが好ましい。
【0014】
ｂ１層とｂ２層はナノレベルで交互に積層しているため互いの組成が拡散し得る。そのためｂ１層にはｂ２層に必須で含まれるＴｉを含有し得る。但し、組成系が異なるＡｌリッチなＡｌＣｒＮ系の硬質皮膜とＡｌリッチなＡｌＴｉＮ系の硬質皮膜を積層させるために、ｂ１層のＴｉの含有比率はｂ２層のＴｉの含有比率よりも少なくする。
【0015】
ｂ１層はＡｌとＣｒ以外の金属元素を含有することができる。ｂ１層は、例えば、硬質皮膜の耐摩耗性や耐熱性や潤滑性などの向上を目的として、周期律表の４ａ族、５ａ族、６ａ族の元素およびＳｉ、Ｂ、Ｙ、Ｃｕから選択される１種または２種以上の元素を含有することができる。これらの元素は硬質皮膜の特性を改善するためにＡｌＴｉＮ系やＡｌＣｒＮ系の硬質皮膜に一般的に添加されている元素であり、含有比率が過多にならなければ被覆切削工具の耐久性を著しく低下させることはない。ｂ１層はＡｌとＣｒ以外の金属元素の合計が２５原子％以下とすることが好ましい。更にはｂ１層はＡｌとＣｒ以外の金属元素の合計が２０原子％以下とすることが好ましい。更にはｂ１層はＡｌとＣｒ以外の金属元素の合計が１５原子％以下とすることが好ましい。
【0016】
ＡｌとＣｒの窒化物または炭窒化物はＳｉ元素を含有することで皮膜組織が微細となって耐摩耗性と耐熱性がより向上するので好ましい。そのため、ｂ１層がＳｉを含有することで積層皮膜の全体の耐摩耗性と耐熱性がより高まり好ましい。ｂ１層はＳｉを１原子％以上で含有することが好ましい。但し、Ｓｉの含有比率が大きくなり過ぎるとミクロ組織に含まれるｈｃｐ構造のＡｌＮや非晶質相が増加する。そのためｂ１層のＳｉ含有比率は８原子％以下とすることが好ましい。
【0017】
ｂ２層は金属元素の総量に対してアルミニウム（Ａｌ）を５５原子％以上、チタン（Ｔｉ）を２０原子％以上を含有する窒化物または炭窒化物である。ＡｌとＴｉを主体とする窒化物または炭窒化物は耐摩耗性および耐熱性に優れる膜種である。特に、Ａｌの含有比率が大きくなると硬質皮膜の耐熱性が向上する傾向にあり被覆切削工具の耐久性が向上する。更には、耐熱性と耐摩耗性に優れる窒化物であることが好ましい。硬質皮膜に高い耐熱性を付与するためにｂ２層はＡｌを５５原子％以上とする。更にはｂ２層のＡｌは６０原子％以上とすることが好ましい。ミクロ組織に含有する脆弱なｈｃｐ構造のＡｌＮを低減するにはｂ２層のＡｌ含有比率は７５原子％以下とすることが好ましい。更にはｂ２層のＡｌ含有比率は７０原子％以下とすることが好ましい。
【0018】
硬質皮膜に高い耐摩耗性を付与するためにｂ２層はＴｉを２０原子％以上とする。ｂ２層はＡｌＴｉ系の窒化物または炭窒化物とするためにＡｌに次いでＴｉを多く含有している。硬質皮膜の耐熱性をより高めるためにｂ２層のＴｉ含有比率は４０原子％以下とすることが好ましい。更にはｂ２層のＴｉ含有比率は３５原子％以下とすることが好ましい。
【0019】
ｂ２層は積層皮膜の耐熱性と耐摩耗性を高いレベルで両立させるためにＡｌとＴｉの合計の含有比率を８０原子％以上とすることが好ましい。
【0020】
ｂ１層とｂ２層はナノレベルで交互に積層しているため互いの組成が拡散し得る。そのためｂ２層はｂ１層に必須で含まれるＣｒを含有し得る。但し、組成系が異なるＡｌリッチなＡｌＣｒＮ系の硬質皮膜とＡｌリッチなＡｌＴｉＮ系の硬質皮膜を積層させるために、ｂ２層のＣｒの含有比率はｂ１層のＣｒの含有比率よりも少なくする。
【0021】
ｂ２層はＡｌとＴｉ以外の金属元素を含有することができる。ｂ２層は、例えば、硬質皮膜の耐摩耗性や耐熱性や潤滑性などの向上を目的として、周期律表の４ａ族、５ａ族、６ａ族の元素およびＳｉ、Ｂ、Ｙ、Ｃｕから選択される１種または２種以上の元素を含有することができる。これらの元素は硬質皮膜の特性を改善するためにＡｌＴｉＮ系やＡｌＣｒＮ系の硬質皮膜に一般的に添加されている元素であり、含有比率が過多にならなければ被覆切削工具の耐久性を著しく低下させることはない。ｂ２層はＡｌとＴｉ以外の金属元素の合計が２５原子％以下とすることが好ましい。更にはｂ２層はＡｌとＴｉ以外の金属元素の合計が２０原子％以下とすることが好ましい。更にはｂ２層はＡｌとＴｉ以外の金属元素の合計が１５原子％以下とすることが好ましい。
【0022】
硬質皮膜にミクロ組織に存在するｈｃｐ構造のＡｌＮを定量的に求めるには、硬質皮膜の加工断面について、透過型電子顕微鏡を用いて制限視野回折パターンを求め制限視野回折パターンから求められる強度プロファイルを用いる。具体的には、透過型電子顕微鏡の制限視野回折パターンの強度プロファイルにおいて、Ｉｈ×１００／（Ｉｈ＋Ｉｆ）の関係を評価する。ＩｈおよびＩｆは以下のように定義される。
【0023】
Ｉｈ：六方最密充墳構造（ｈｃｐ構造）のＡｌＮに起因する最大ピーク強度。
Ｉｆ：面心立方格子構造（ｆｃｃ構造）の（１１１）面、（２００）面、（２２０）面に起因するピーク強度の合計。
Ｉｆ：面心立方格子構造（ｆｃｃ構造）の（１１１）面、（２００）面、（２２０）面に起因するピーク強度の合計。
【0024】
上記ＩｈとＩｆの関係を評価することで、Ｘ線回折によりｈｃｐ構造のＡｌＮに起因するピーク強度が確認されない硬質皮膜において、ミクロ組織に含まれるｈｃｐ構造のＡｌＮを定量的に評価することができる。Ｉｈ×１００／（Ｉｈ＋Ｉｆ）の値がより小さいことは、積層皮膜のミクロ組織に存在する脆弱なｈｃｐ構造のＡｌＮがより少ないことを意味する。本発明者は、積層皮膜におけるＩｈ×１００／（Ｉｈ＋Ｉｆ）の値が１５よりも大きい場合、過酷な使用環境下においては被覆切削工具の耐久性が低下し易くなることを確認した。本実施形態においては、積層皮膜がＩｈ×１００／（Ｉｈ＋Ｉｆ）≦１５を満たす構成とすることで、良好な耐久性を有する被覆切削工具を実現した。更には積層皮膜がＩｈ×１００／（Ｉｈ＋Ｉｆ）≦１０を満たす構成であることが好ましい。更には積層皮膜がＩｈ×１００／（Ｉｈ＋Ｉｆ）≦５を満たす構成であることが好ましい。更には積層皮膜においてｈｃｐ構造のＡｌＮに起因するピーク強度が確認されない構成、すなわち、積層皮膜がＩｈ×１００／（Ｉｈ＋Ｉｆ）＝０を満たす構成であることが好ましい。
【0025】
本実施形態では積層皮膜の表層側領域では基材側領域よりもアルミニウム（Ａｌ）の含有比率を大きくする。この構成により積層皮膜全体でミクロ組織に含まれるｈｃｐ構造のＡｌＮの増加を抑制しつつ表層側領域の耐熱性をより高めることができる。積層皮膜の表層側領域では基材側領域よりも２原子％以上１０原子％以下の範囲でアルミニウム（Ａｌ）の含有比率が大きいことが好ましい。更には積層皮膜の表層側領域では基材側領域よりも２原子％以上５原子％以下の範囲でアルミニウム（Ａｌ）の含有比率が大きいことが好ましい。
本実施形態において基材側領域とは基材と硬質皮膜の界面から膜厚方向に０．３μｍ以内の範囲の領域である。本実施例形態において表層側領域とは積層皮膜の最表面から深さ０．３μｍ以内の範囲の領域である。
積層皮膜の組成は、鏡面加工した断面試料をＥＰＭＡ等で分析することで確認することができる。積層皮膜の表層側領域と基材側領域のそれぞれで、直径が０．１～０．２μｍの分析範囲を5カ所分析して、得られた測定値の平均値から積層皮膜の表層側領域と基材側領域の組成を求めればよい。
本実施形態において基材側領域とは基材と硬質皮膜の界面から膜厚方向に０．３μｍ以内の範囲の領域である。本実施例形態において表層側領域とは積層皮膜の最表面から深さ０．３μｍ以内の範囲の領域である。
積層皮膜の組成は、鏡面加工した断面試料をＥＰＭＡ等で分析することで確認することができる。積層皮膜の表層側領域と基材側領域のそれぞれで、直径が０．１～０．２μｍの分析範囲を5カ所分析して、得られた測定値の平均値から積層皮膜の表層側領域と基材側領域の組成を求めればよい。
【0026】
本実施形態では積層皮膜の基材側領域におけるｂ１層とｂ２層の膜厚は表層側領域におけるｂ１層とｂ２層の膜厚よりも大きいことが好ましい。膜厚の大小は、ｂ１層同士、ｂ２層同士の平均膜厚の比較により判定する。より詳細には、基材側領域に含まれる全てのｂ１層の平均膜厚と、表層側領域に含まれる全てのｂ１層の平均膜厚とを比較する。また、基材側領域に含まれる全てのｂ２層の平均膜厚と、表層側領域に含まれる全てのｂ２層の平均膜厚とを比較する。基材側領域の表層側の境界を跨ぐｂ１層およびｂ２層、並びに表層側領域の基材側の境界を跨ぐｂ１層およびｂ２層は、平均膜厚の算出対象から除外する。
【0027】
基材側領域のｂ１層とｂ２層の膜厚が相対的に大きいことで基材と積層皮膜の密着性がより高まる。表層側領域のｂ１層とｂ２層の膜厚が相対的に小さいことでＡｌＣｒ系とＡｌＴｉ系の両方の硬質皮膜の効果がより再現され易くなる。積層皮膜の基材側領域におけるｂ１層とｂ２層の膜厚は表層側領域におけるｂ１層とｂ２層の膜厚の２倍以上１０倍以下にすることが好ましい。更には積層皮膜の基材側領域におけるｂ１層とｂ２層の膜厚は３倍以上６倍以下にすることが好ましい。
【0028】
本実施形態では積層皮膜のミクロ組織は微細な柱状粒子から構成される。積層皮膜を構成する柱状粒子は積層皮膜の膜厚方向（積層方向）に沿って延びる。積層皮膜が微粒な柱状粒子で構成されることで硬度と靭性が高まる傾向にある。積層皮膜の柱状粒子の平均幅は１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。積層皮膜の表層側領域は基材側領域よりも柱状粒子が微細であることが好ましい。表層側領域の柱状粒子が相対的に微細になることで耐摩耗性をより高めることができる。また、基材側領域の柱状粒子が相対的に粗粒になることで密着性をより高めることができる。積層皮膜の柱状粒子の平均幅は基材側領域が表層側領域の１．２倍以上３倍以下であることが好ましい。柱状粒子の幅は、透過型電子顕微鏡を用いた断面観察像により確認できる。柱状粒子の幅は、柱状粒子が延びる方向（概ね膜厚方向）と直交する方向における柱状粒子の長さである。柱状粒子の平均幅は、積層皮膜の膜厚方向の中央部分において測定される柱状粒子の幅を用いて算出する。膜厚方向の中央部分とは、積層皮膜の膜厚方向の中心から、膜厚方向の両側に１０％以内の範囲にある部分を指す。柱状粒子の平均幅は、断面観察像により確認した１０個以上の柱状粒子の幅の平均値として算出する。
【0029】
本実施形態では基材と積層皮膜の間に、必要に応じて、中間皮膜を設けてもよい。例えば、中間皮膜として金属、金属炭化物、金属窒化物または金属炭窒化物を設けても良い。また、基材の表面をメタルボンバードすることでメタルボンバード層を形成しても良い。
【0030】
本実施形態では積層皮膜の上層に、必要に応じて、保護皮膜を設けてもよい。例えば、保護皮膜として、耐摩耗性に優れる膜種であるＴｉとＳｉを含有する窒化物または炭窒化物を設けても良い。また、保護皮膜として、ＡｌＣｒ系やＡｌＴｉ系の窒化物または炭窒化物を設けても良い。また、保護皮膜として、ＴｉＳｉ系、ＡｌＣｒ系およびＡｌＴｉ系以外の組成系の金属窒化物や金属炭窒化物を設けても良い。また、保護皮膜として、金属窒化物や金属炭窒化物以外の金属、金属炭化物あるいは金属ホウ化物等を設けても良い。
【0031】
≪製造方法≫
本実施形態に係る硬質皮膜はターゲットのイオン化率が高いアークイオンプレーティング法で被覆することが好ましい。またターゲットのイオン化率が高い高出力スパッタリング法で被覆してもよい。Ａｌリッチの積層皮膜について、結晶性を高めてミクロ組織に含有されるｈｃｐ構造のＡｌＮを低減するためには、ターゲット中心付近の垂直方向における磁束密度が１０ｍＴ以上のカソードを用いることが好ましい。
本実施形態に係る硬質皮膜はターゲットのイオン化率が高いアークイオンプレーティング法で被覆することが好ましい。またターゲットのイオン化率が高い高出力スパッタリング法で被覆してもよい。Ａｌリッチの積層皮膜について、結晶性を高めてミクロ組織に含有されるｈｃｐ構造のＡｌＮを低減するためには、ターゲット中心付近の垂直方向における磁束密度が１０ｍＴ以上のカソードを用いることが好ましい。
【0032】
ＡｌＣｒ系の硬質皮膜を形成するためのカソードでは、カソード電圧が２０Ｖ以上３５Ｖ以下の範囲で成膜することが好ましい。カソード電圧が低すぎると積層皮膜のｈｃｐ構造のＡｌＮが多くなり耐久性が低下する。カソード電圧が高くなり過ぎると積層皮膜の皮膜組織が粗大になり過ぎて耐久性が低下し易くなる。
【0033】
ＡｌＴｉ系の硬質皮膜を形成するためのカソードでは、カソード電圧が２０Ｖ以上３０Ｖ以下の範囲で成膜することが好ましい。カソード電圧が低くなり過ぎると、ｈｃｐ構造のＡｌＮが多くなり耐久性が低下する。カソード電圧が高くなり過ぎると積層皮膜の皮膜組織が粗大になり過ぎて耐久性が低下し易くなる。カソード電流は、いずれのカソードにおいても１２０Ａ以上２００Ａ以下が好ましい。
【0034】
ターゲット中心付近の垂直方向における磁束密度とカソード電圧を上述した範囲になる成膜装置を選定した上で、基材に印加する負のバイアス電圧の絶対値を大きくすることで、ミクロ組織のｈｃｐ構造のＡｌＮの生成が抑制されＩｈ×１００／（Ｉｈ＋Ｉｆ）の値を１５よりも小さくすることができ好ましい。
基材に印加する負のバイアス電圧は－２００Ｖ以上－１００Ｖ未満が好ましい。更には－１２０Ｖ以下が好ましい。バイアス電圧の絶対値が大きくなり過ぎると成膜が安定し難く膜厚を調整することが困難となる。バイアス電圧の絶対値が小さくなり過ぎるとｈｃｐ構造のＡｌＮが多くなり耐久性が低下する。被覆温度は４００℃以上６００℃以下が好ましい。窒化物を被覆する場合、炉内に窒素ガスを導入して被覆する。被覆時の窒素ガス圧力は２．０Ｐａ以上８．０Ｐａ以下が好ましい。炭窒化物を被覆する場合には、例えば、窒素ガスの一部をメタンガスに置換すればよい。
基材に印加する負のバイアス電圧は－２００Ｖ以上－１００Ｖ未満が好ましい。更には－１２０Ｖ以下が好ましい。バイアス電圧の絶対値が大きくなり過ぎると成膜が安定し難く膜厚を調整することが困難となる。バイアス電圧の絶対値が小さくなり過ぎるとｈｃｐ構造のＡｌＮが多くなり耐久性が低下する。被覆温度は４００℃以上６００℃以下が好ましい。窒化物を被覆する場合、炉内に窒素ガスを導入して被覆する。被覆時の窒素ガス圧力は２．０Ｐａ以上８．０Ｐａ以下が好ましい。炭窒化物を被覆する場合には、例えば、窒素ガスの一部をメタンガスに置換すればよい。
【0035】
積層皮膜の表層側領域で基材側領域よりもアルミニウム（Ａｌ）の含有比率を高めたり、柱状粒子を微粒にするには、ターゲットに投入するコイル電流を基材側領域よりも表面側領域で高めることが好ましい。基材側領域と表面側領域で組成が異なるターゲットを利用してもよい。積層皮膜の個々の膜厚は被覆時のテーブル回転率やターゲットに投入するアーク電流を制御すればよい。