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WO2015079588A1 - 硬質潤滑被膜および硬質潤滑被膜被覆工具 - Google Patents

硬質潤滑被膜および硬質潤滑被膜被覆工具 Download PDF

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WO2015079588A1
WO2015079588A1 PCT/JP2013/082285 JP2013082285W WO2015079588A1 WO 2015079588 A1 WO2015079588 A1 WO 2015079588A1 JP 2013082285 W JP2013082285 W JP 2013082285W WO 2015079588 A1 WO2015079588 A1 WO 2015079588A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
hard
film
drill
coating
Prior art date
Application number
PCT/JP2013/082285
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
メイ ワン
博昭 杉田
正俊 櫻井
須藤　祐司
小池　淳一
Original Assignee
オーエスジー株式会社
国立大学法人東北大学
メイ ワン
博昭 杉田
正俊 櫻井
須藤　祐司
小池　淳一
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by オーエスジー株式会社, 国立大学法人東北大学, メイ ワン, 博昭 杉田, 正俊 櫻井, 須藤　祐司, 小池　淳一 filed Critical オーエスジー株式会社
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Priority to PCT/JP2013/082285 priority patent/WO2015079588A1/ja
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/40—Coatings including alternating layers following a pattern, a periodic or defined repetition
    • C23C28/42—Coatings including alternating layers following a pattern, a periodic or defined repetition characterized by the composition of the alternating layers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C28/04—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
    • C23C28/044—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material coatings specially adapted for cutting tools or wear applications

Definitions

  • the present invention relates to a hard lubricating coating provided on the surface of a base material and a hard lubricating coating-coated tool coated with the hard lubricating coating, and more particularly to an improvement for improving both the hardness and the wear resistance.
  • Cutting tools such as drills and taps that cut materials such as carbon steel, stainless steel, and mild steel have properties such as wear resistance that can increase the hardness and tool life required to cut the work material. Desired. Therefore, a hard coating is provided on the surface of the base material of the cutting tool so as to improve the wear resistance.
  • a hard coating for cutting tools coatings such as TiN, CrN, TiCN, and TiAlN are widely used, and improvements are made to further improve the performance.
  • the hard laminated film described in patent document 1 and patent document 2 is it.
  • Patent Document 1 first made of Ti a Cr b Al c Mo 1 -abc nitride or a first coating layer made of carbonitride, Ti d Cr e Al 1- de nitride or carbonitride A hard laminated film composed of a multilayer film in which two or more film layers are alternately laminated, and in Patent Document 2, from Ti a Cr b Al c Mo 1-abc nitride or carbonitride. A hard laminate coating composed of a single layer film is proposed.
  • the base material on which the hard multilayer coating is formed by the conventional technology as described above is still insufficient in lubricity and wear resistance. There was a problem that it might lead to. Accordingly, there has been a demand for the development of a hard laminate film that is hard and wear-resistant.
  • the present invention has been made against the background described above, and an object of the present invention is to provide a hard lubricant film and a hard lubricant film-coated tool that are hard and wear-resistant.
  • titanium (Ti) is easily oxidized, it is intended not to include Ti as an element constituting the coating, so that chromium (Cr), molybdenum ( Mo, tungsten (W), vanadium (V), and boron (B) are constituent elements of the A layer, and tungsten (W) is the constituent element of the B layer, and oxygen is introduced into the A layer, Cr, Mo, W, and V It has been found that a crystal microstructure composed of oxycarbide, oxynitride or oxycarbonitride is formed, so that higher lubricity can be obtained while having high hardness. The present invention has been made based on such findings.
  • the crystal of the A layer has a fine crystal structure in which crystal growth is suppressed by the thickness of the layer to increase the hardness of the coating, and the oxycarbide of Cr, Mo, W and V,
  • the crystal of oxynitride or oxycarbonitride has a solid lubricating structure similar to that of molybdenum sulfide or nitride, and thus it is estimated that the lubricity of the coating is improved.
  • the gist of the first invention is a hard lubricating coating coated on the surface of the base material, and (Cr a Mo b W c V d B e ) 1-xyz C x N y O z oxycarbide of the a layer made of oxynitride or oxycarbonitride thereof, and W f C (1-f) consist of B layer, a laminated hard lubricant film two or more layers alternately,
  • the atomic ratio a relating to the A layer is 0.2 ⁇ a ⁇ 0.7, b is 0.05 ⁇ b ⁇ 0.6, c is 0 ⁇ c ⁇ 0.3, and d is 0 ⁇ d ⁇ 0.05.
  • E 1-abcd is 0 ⁇ e ⁇ 0.05, x is 0 ⁇ x ⁇ 0.6, y is 0 ⁇ y ⁇ 0.6, and z is 0 ⁇ z ⁇ 0.2. , X + y + z is 0.3 ⁇ x + y + z ⁇ 0.6, the atomic ratio f related to the B layer is 0.3 ⁇ f ⁇ 0.7, and the film thickness of the A layer is 2 nm or more and 500 nm or less, The thickness of the B layer is 1 nm or less 500nm or less, the total film thickness is in a hard lubricant film coated tool hard lubricant film and hard lubricating coating is coated, characterized in that it is in the range of 0.1 ⁇ m or more 10.0 ⁇ m or less.
  • the gist of the second invention is that in the hard lubricating film of the first invention, the A layer has a multiphase structure in which a crystalline phase and an amorphous phase are mixed.
  • the hard lubricating coating of the first invention is an oxycarbide, oxynitride or oxycarbonitride of (Cr a Mo b W c V d B e ) 1-xyz C x N y O z Since the A layer made of a material and the B layer made of W f C (1-f) are alternately laminated, two or more layers are formed, so that the laminated A layer includes Mo, W and The microstructure of the oxide of V, oxycarbide, oxynitride or oxycarbonitride is formed to increase the hardness of the coating, and the oxide of Mo, W and V, oxycarbide, oxynitride or Since the oxycarbonitride has solid lubricity, the lubricity of the coating is enhanced, so that a hard lubricating coating and a hard lubricating coating-coated tool that are hard and wear resistant can be obtained.
  • the A layer has a multiphase structure in which a crystalline phase and an amorphous phase are mixed.
  • a fine NaCl phase crystal phase ( ⁇ - (Cr, Mo, W, V) N, ⁇ -Mo 2 N, etc.) composed of Mo, W and V oxycarbides, oxynitrides or oxycarbonitrides. ) And an amorphous phase are formed, whereby a hard lubricating coating and a hard lubricating coating-coated tool having hard and wear resistance can be obtained.
  • FIG. 2 is a conceptual cross-sectional view for explaining a laminated structure of a surface portion of a body in the drill of FIG. 1. It is a process chart for forming the drill of FIG. It is a schematic block diagram explaining the sputtering device used suitably when forming the drill of FIG. 7 is a graph showing the hardness H (GPa) of the hard coating film and the wear width (mm) obtained by the cutting test of the drill coated with the hard coating for each of the test products 1 to 35 and the comparative products 1 to 6. . It is a graph which shows transition of the wear width accompanying the increase in the number of processing holes in a cutting test. 2 is a photograph taken by a transmission electron microscope (TEM) of layer A in the hard coating of test product 1.
  • TEM transmission electron microscope
  • FIG. 1 is a view showing a drill 12 provided with a hard coating 10 according to the present invention, where (a) is a front view seen from a direction perpendicular to the axis O, and (b) is a tip side provided with a cutting edge 14. It is the enlarged bottom view seen from.
  • the drill 12 is a two-blade twist drill, and is integrally provided with a shank 16 and a body 18 in the axial direction. A pair of grooves 20 twisted clockwise around the axis O is formed in the body 18. .
  • a pair of cutting edges 14 are provided at the tip of the body 18 corresponding to the grooves 20, and a hole is cut by the cutting edges 14 by being driven to rotate clockwise around the axis O as viewed from the shank 16 side. While processing, chips are discharged through the groove 20 to the shank 16 side.
  • the hard coating 10 corresponds to the hard lubricating coating of the present invention
  • the drill 12 corresponds to the hard lubricating coating coated tool of the present invention
  • FIG. 2 is a conceptual cross-sectional view for explaining the laminated structure of the surface portion of the body 18 in the drill 12 of FIG.
  • a hard coating 10 is coated on the surface of a tool base material 22 made of cemented carbide that is a base material of the drill 12.
  • the hatched portion in FIG. 1 shows a portion of the drill 12 where the hard coating 10 is provided.
  • the hard coating 10 is preferably coated on the surface of the tool base material 22 corresponding to the body 18 in the drill 12.
  • the tool base material 22 corresponds to the base material of the present invention.
  • the hard coating 10 of this embodiment is a multilayer film in which two or more A layers 24 containing oxygen elements and B layers 25 containing tungsten (W) are alternately laminated.
  • the A layer 24 and the B layer 25 are made of a material that satisfies the chemical composition shown below.
  • bc-d is 0 ⁇ e ⁇ 0.05, x is 0 ⁇ x ⁇ 0.6, y is 0 ⁇ y ⁇ 0.6, z is 0 ⁇ z ⁇ 0.2, x + y + z is 0.3 ⁇ x + y + z ⁇ 0.6.
  • a microstructure made of oxides, oxycarbides, oxynitrides or oxycarbonitrides of Mo, W and V having a solid lubricating structure similar to molybdenum sulfide or nitride is formed.
  • the B layer 25 is W f C (1-f) , and the atomic ratio f is 0.3 ⁇ f ⁇ 0.7.
  • the B layer 25 in the hard coating 10 is composed of a fine crystal structure, and for example, W 0.50 C 0.50 is preferably exemplified.
  • the thickness D1 of the A layer 24 is in the range of 2 nm to 500 nm
  • the thickness D2 of the B layer 25 is in the range of 1 nm to 500 nm
  • the total thickness D of the hard coating 10 is 0. It is set within a range of 1 ⁇ m or more and 10.0 ⁇ m or less.
  • the number of layers of the A layer 24 and the B layer 25 is appropriately determined as long as it does not deviate from the above numerical range related to the total film thickness D of the hard coating 10 and the film thicknesses D1 and D2 of the coating layers 24 and 25. Since the hardness is higher when it is composed of multiple layers, a multilayer film having at least one A layer 24 and one B layer 25 is provided.
  • the film thicknesses D1 of the plurality of A layers 24 in the hard coating 10 may be all equal or may be different from each other within the above numerical range.
  • the film thicknesses D2 of the plurality of B layers 25 in the hard coating 10 may all be equal, or may be different from each other within the above numerical range.
  • the stacking order of the A layer 24 and the B layer 25 is preferably B layer 25, A layer 24,..., B layer 25 from the tool base material 22 side as shown in FIG.
  • the base layer of the hard coating 10 (the lowermost layer in contact with the tool base material 22) is the B layer 25. Since the B layer 25 is made of WC and has high hardness and high adhesive strength, the hard coating 10 is firmly coated on the surface of the tool base material 22 by using the B layer 25 as the base layer.
  • FIG. 3 is a process chart for forming the drill 12 of FIG. 1
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram (schematic diagram) for explaining a sputtering apparatus 26 suitably used for forming the drill 12 of FIG. .
  • the cemented carbide which is the base material of the tool base material 22, and the tool base material 22 is obtained.
  • the cemented carbide is first subjected to cylindrical grinding to form a rough shape of the tool base material 22, that is, a cylindrical shape that becomes the shank 16 and the body 18 having an axial center.
  • groove grinding is performed to form a groove 20 or the like twisted clockwise about the axis O on the outer peripheral side surface on one end in the longitudinal direction corresponding to the cylindrical body 18.
  • blade sharpening is applied to one end in the longitudinal direction so that a cutting edge 14 for cutting the work material is formed.
  • the surface of the tool base material 22 is cleaned prior to the coating of the hard coating 10.
  • the surface of the tool base material 22 is roughened as a pretreatment by the sputtering apparatus 26.
  • the drill 12 is formed by coating the hard coating 10 on the body 18 of the tool base material 22 by the sputtering device 26.
  • an inspection is performed to determine whether or not the drill 12 coated with the hard coating 10 satisfies the use standard as a cutting tool.
  • the sputtering apparatus 26 includes a chamber 28, a rotating shaft that passes through a substantially central through hole in the bottom surface of the chamber 28, and a disk-shaped base 30 that is fixed to one end of the rotating shaft inside the chamber 28. .
  • the tool base material 22 is heated to about 500 ° C.
  • argon (Ar) gas is introduced into the chamber 28 while the inside of the chamber 28 is maintained at a vacuum level equal to or lower than a predetermined pressure.
  • a bias voltage of ⁇ 200 to ⁇ 500 V for example, is applied to the tool base material 22 by the bias power source 32, and the surface of the tool base material 22 is etched by Ar ions generated by glow discharge generated in Ar gas. Is called.
  • Ar gas is exhausted from the chamber 28.
  • a film forming process P4 is subsequently performed.
  • a constant cathode voltage (for example, about ⁇ 100 to ⁇ 500 V) is applied to the targets 34 and 35 such as Cr, Mo, and W constituting the hard coating 10 by the power source 36, and the tool base material 22 is applied by the bias power source 32.
  • a constant negative bias voltage (for example, about ⁇ 100 V) to the argon gas, argon ions Ar + collide with the targets 34 and 35 to strike and ionize constituent materials such as Cr, Mo, and W.
  • the voltage applied by the power source 36 and the bias power source 32 is controlled by a controller 38.
  • a reactive gas such as nitrogen gas (N 2 ), hydrocarbon gas (CH 4 , C 2 H 2 ) or oxygen gas (O 2 ) in addition to argon gas is selectively selected at a predetermined flow rate and pressure.
  • the introduced nitrogen atom (N), carbon atom (C) or oxygen atom (O) is combined with Cr, Mo, W, etc. knocked out from the targets 34, 35 to form an A layer 24, for example (Cr 0.4 Mo 0.6 )
  • An oxynitride such as 0.48 N 0.42 O 0.1, an oxycarbide such as (Cr 0.25 Mo 0.45 W 0.28 V 0.02 ) 0.58 C 0.27 O 0.15 is formed, and W 0.50 C 0.50 is formed as the B layer 25, for example. .
  • the tool base material 22 is further rotated with respect to the base 30 on the base 30 rotated with respect to the chamber 28, they are coated on the surface of the tool base 22 as a homogeneous hard coating 10. It is done.
  • the A layer 24 and the B layer 25 are controlled only by controlling the composition ratios related to Cr, Mo, W, V, and B and various reaction gases during film formation, or only by controlling various reaction gases during film formation.
  • a coating of is formed. For example, nitrogen gas (N 2) as a reaction gas in the coating layer B 25 and the oxygen (O 2) for gas is not necessary, the nitrogen gas (N 2) and oxygen (O 2) in the chamber 28 of the gas
  • the B layer 25 is formed by turning off introduction into the substrate. Then, according to the switching of the reaction gas and the selection of the targets 34 and 35, the alternate coating of the tool base material 22 with the A layer 24 and the B layer 25 is repeated, and finally the hard coating 10 is coated.
  • a hard alloy drill 12 is formed.
  • the hard coating 10 thus coated on the drill 12 is made of (Cr a Mo b W c V d B e ) 1-xyz C x N y O z oxycarbide, oxynitride or oxycarbonitride Since the A layer 24 that is a product and the B layer 25 that is W f C (1-f) are alternately laminated, that is, the B layer 25 is inserted into the thin film interface of the A layer 24, Since the particle diameter of the coating particles constituting the A layer 24 and the B layer 25 is further reduced and a fine structure is formed, ultra-low friction is obtained in a water-soluble cutting process in which the cutting oil is water-soluble.
  • the wear resistance is excellent, and as a result, the tool life of the drill 12 used for water-soluble cutting is improved.
  • the wear life is excellent in low wear and welding resistance. As a result, the tool life of the drill 12 can be extended. .
  • the coating satisfying the required conditions was coated on a cemented carbide drill with a tool diameter of 6 mm ⁇ through steps P2, P3 and P4 of FIG. 3, and drills 12 to 35 of test samples 1 to 35 were formed.
  • a coating that does not satisfy the conditions of the hard coating 10 was similarly coated with a carbide drill with a tool diameter of 6 mm ⁇ through the steps P2, P3, and P4, and the drills of comparative products 1 to 6 were formed. .
  • the hardness H (GPa) of the film in Table 2 was determined as follows. The hardness of each film was measured according to the nanoindentation method for the test products 1 to 35 and the comparative products 1 to 6. That is, a triangular pyramid type indenter consisting of a diamond tip at the tip is pushed into the surface of each of the test products 1 to 35 and the comparative products 1 to 6 coated with a hard coating with a load P, and a projected area A under the indenter was calculated. The film hardness H (GPa) is calculated by dividing the load P by the area A. In the nanoindentation method, the hardness is evaluated as soft at 15 to 20 GPa, hard at 30 GPa or more, and brittle at 50 to 60 GPa.
  • the wear width (mm) after drilling 6000 holes in Table 2 was obtained by conducting a cutting test under the following cutting conditions on the drill 12 of the test products 1 to 35 and the drill of the comparative products 1 to 6.
  • the wear width after drilling 6000 holes shown in Table 2 is the outer peripheral portion of the cutting edge 14 in the drills 12 to 35 of the test products 1 to 35 and the drills of the comparative products 1 to 6 after drilling 6000 holes under the above cutting conditions.
  • “continuable” means that the drill after 6000 holes can be cut later, and if the subsequent cut is impossible, the state of the drill subjected to the cutting test is indicated. evaluated.
  • FIG. 5 shows the hardness H (GPa) of the film obtained by the nanoindentation method and the wear width (mm) after 6000 holes obtained by the cutting test for each of the test products 1 to 35 and the comparative products 1 to 6. It is a graph. That is, FIG. 5 is a graph showing the hardness H (GPa) and wear width (mm) after drilling 6000 holes in Table 2.
  • the horizontal axis represents the numbers of test products 1 to 35 and comparative products 1 to 6
  • the left horizontal axis represents the film hardness H (GPa) of test products 1 to 35 and comparative products 1 to 6, and the right
  • the horizontal axis shows the wear width (mm) after drilling 6000 holes for test products 1 to 35 and comparative products 1 to 6, respectively.
  • the hardness H (GPa) of the film is 27.5 GPa or more
  • the wear width (mm) after drilling 6000 holes was 0.199 mm or less, and was evaluated as passing in the cutting test. All of the test products 1 to 35 were able to continue the subsequent cutting because the wear width was small even after 6000 holes were drilled.
  • FIG. 6 is a graph showing the transition of the wear width associated with an increase in the number of holes in the cutting test.
  • the test products 4, 8 and 14, and the comparative products 2 and 5 are the test products 1 to 35 and the comparative products 1 to 5, respectively. Plotted on behalf of 6. As shown in FIG. 6, in the test products 4, 8 and 14, the wear width (mm) gradually increased as the number of drilled holes increased, and the wear width after drilling 6000 holes was about 0.150 mm. .
  • the atomic ratio f is
  • the drill 12 of the specimens 1 to 35 coated with the hard coating 10 in the range of ⁇ m or less has a hardness H of the film of 27.5 GPa or more and a wear width (mm) after drilling 6000 holes of 0.199 mm. The following were good values.
  • the comparative product 1 has two alternating layers of an A layer having a thickness of 600 nm made of (Ti 0.3 Cr 0.3 Mo 0.4 ) 0.45 C 0.05 N 0.2 O 0.3 and a B layer having a thickness of 1 nm made of W 0.8 C 0.2.
  • a drill in which a multilayer film having a total film thickness of 6.02 ⁇ m formed by laminating more than one layer is coated, and titanium (Ti) is contained in the A layer, and the atomic ratio z of oxygen is 0.3.
  • elemental titanium (Ti) different from the thin film composition related to the A layer 24 of the hard coating 10 is contained, and the atomic ratio z of oxygen (O) deviates from 0 ⁇ z ⁇ 0.2, respectively.
  • the atomic ratio f of tungsten (W) is 0.8
  • the atomic ratio f of tungsten (W) related to the B layer of the hard coating 10 deviates from 0.3 ⁇ f ⁇ 0.7.
  • the film thickness ranges from 2 nm to 500 nm of the film thickness D1 of the A layer 24 related to the hard coating 10. It is to be regarded as a departure.
  • the hardness H of the film of the drill of the comparative product 1 is 25.0 GPa, which is small compared to the test product, and the wear width after 6000 holes processing is 0.592 mm, which is a large value compared with the test product and is not good. It was determined to pass. In the cutting test, the corner portion of the drill broke after 1200 holes were drilled, and continuous use became impossible. From this result, in particular, the atomic ratio z of oxygen (O) related to the A layer 24 is 0.2 or less, the atomic ratio f of tungsten (W) related to the B layer 25 is 0.7 or less, and the film thickness D1 related to the A layer. was verified to be 500 nm or less, and the significance of the numerical range required for the hard coating 10 according to the present invention was confirmed.
  • Comparative product 2 is a total film thickness formed by alternately laminating two or more layers of a 550 nm thick A layer made of Mo 0.05 N 0.3 O 0.65 and a 600 nm thick B layer made of W 0.2 C 0.8. 11.
  • the sum x + y + z of the atomic ratios of carbon (C), nitrogen (N), and oxygen (O) is 0.95, so that the atomic ratio a of chromium (Cr) related to the A layer 24 of the hard coating 10 is a.
  • the total sum of x + y + z deviates from 0.3 ⁇ x + y + z ⁇ 0.6, respectively.
  • the atomic ratio f of tungsten (W) is 0.2, so that the atomic ratio f of tungsten (W) related to the B layer of the hard coating 10 deviates from 0.3 ⁇ f ⁇ 0.7.
  • Each film thickness and total film thickness of the B layer are 2 nm to 500 nm of the film thickness D1 of the A layer 24 related to the hard coating 10, 1 nm to 500 nm of the film thickness D2 of the B layer 25, and 0.1 ⁇ m of the total film thickness D. It deviates from the range of 10.0 ⁇ m or less. Therefore, the hardness H of the film of the drill of the comparative product 2 is 25.0 GPa, which is small compared to the test product, and the wear width after 6000 holes processing is 0.752 mm, which is a large value compared with the test product and is not good. It was determined to pass. As shown in FIG.
  • the wear width (mm) of the comparative product 2 increases rapidly with the increase in the number of holes processed, and the wear width after processing 1000 holes reaches a little less than 0.2 mm, resulting in 2030 holes. After machining, the wear width at the corner of the drill became too large at 0.752 mm, making it impossible to continue use. From this result, in particular, the atomic ratio a of chromium (Cr) in the A layer 24 is 0.2 or more, the atomic ratio b of molybdenum (Mo) is 0.6 or less, and the atomic ratio z of oxygen (O) is 0.2.
  • the total x + y + z of atomic ratios of carbon (C), nitrogen (N), and oxygen (O) is 0.6 or less
  • the atomic ratio f of tungsten (W) related to the B layer 25 is 0.3 or more
  • a The film thickness D1 related to the layer 24 should be 500 nm or less
  • the film thickness D2 related to the B layer 25 should be 500 nm or less
  • the total film thickness D should be 10.0 ⁇ m or less
  • the numerical range required for the hard coating 10 according to the present invention The significance of was confirmed.
  • Comparative product 3 is formed by alternately stacking two or more layers of a 20 nm thick A layer composed of (Ti 0.45 Mo 0.55 ) 0.4 C 0.1 N 0.2 O 0.3 and a 20 nm thick B layer composed of W 0.9 C 0.1.
  • the drill is coated with a multilayer film having a total film thickness of 0.08 ⁇ m formed in this manner, and the layer A contains titanium (Ti) and does not contain chromium (Cr).
  • Element Titanium (Ti) different from the thin film composition of the A layer 24 is contained, and the atomic ratio a of chromium (Cr) a deviates from 0.2 ⁇ a ⁇ 0.7.
  • the hardness H of the film of the drill of the comparative product 3 is 19.8 GPa, which is small compared to the test product, and the wear width after 6000 holes is 0.552 mm, which is a large value compared with the test product and is not good. It was determined to pass. In the cutting test, since the corner portion of the drill broke after 1000 holes were drilled, continuous use became impossible.
  • the atomic ratio a of chromium (Cr) in the A layer 24 is 0.2 or more
  • the atomic ratio f of tungsten (W) in the B layer is 0.7 or less
  • the total film pressure D is 0.1 ⁇ m. It was verified that this should be the case, and the significance of the numerical range required for the hard coating 10 according to the present invention was confirmed.
  • Comparative product 4 is a drill coated with a single-layer film composed of an A layer having a thickness of 11000 nm made of Ti 0.73 C 0.1 N 0.15 O 0.02 , and the A layer contains titanium (Ti). Cr) and molybdenum (Mo) are not contained, and the total x + y + z of atomic ratios of carbon (C), nitrogen (N), and oxygen (O) is 0.27.
  • the element contains titanium (Ti) different from the thin film composition, and the atomic ratio a of chromium (Cr) is 0.2 ⁇ a ⁇ 0.7, and the atomic ratio b of molybdenum (Mo) is 0.05 ⁇ .
  • the sum of atomic ratios of carbon (C), nitrogen (N), and oxygen (O) deviates from 0.3 ⁇ x + y + z ⁇ 0.6 of x + y + z, and B layer is inserted into the thin film interface of A layer Since it is not formed, the A layer 24 and the B layer 25 of the hard coating 10 are alternately stacked.
  • the film thickness and the total film thickness of the A layer are 2 nm or more and 500 nm or less, and the total film thickness D is 0.1 ⁇ m or more and 10.0 ⁇ m. It deviates from the following ranges.
  • the hardness H of the film of the drill of the comparative product 4 is 22.3 GPa, which is a small value compared to the test product, and the wear width (mm) after drilling 6000 holes is 0.480 mm, compared with the test product. It was a large value and was judged to be unacceptable. In the cutting test, the corner portion of the drill broke after 2910 holes were drilled, making continuous use impossible.
  • the atomic ratio a of chromium (Cr) in the A layer 24 is 0.2 or more
  • the atomic ratio b of molybdenum (Mo) is 0.05 or more
  • carbon (C), nitrogen (N), and oxygen The sum x + y + z of the atomic ratio of O) should be 0.3 or more
  • the film thickness D1 related to the A layer 24 should be 500 nm or less
  • the total film thickness D should be 10.0 ⁇ m or less
  • the B layer 25 It was verified that the A layer 24 and the B layer 25 should be laminated alternately by being inserted at the thin film interface, and the significance of the requirements required for the hard coating 10 according to the present invention was confirmed.
  • Comparative product 5 is made by alternately laminating two or more layers of a 700 nm thick A layer made of (Ti 0.1 Cr 0.5 Mo 0.4 ) 0.55 N 0.45 and a 550 nm thick B layer made of W 0.2 C 0.8.
  • the layer A of the hard coating 10 24 contains an elemental titanium (Ti) different from the thin film composition according to 24, deviates from the atomic ratio z of oxygen (O) 0 ⁇ z ⁇ 0.2, and the atomic ratio f of tungsten (W) in the B layer Since the atomic ratio f of tungsten (W) related to the B layer of the hard coating 10 deviates from 0.3 ⁇ f ⁇ 0.7, the film thickness related to the A layer and the B layer is 10 nm or less of the film thickness D1 related to the A layer 24, and the film thickness related to the B layer 25.
  • the hardness H of the film of the drill of the comparative product 5 is 26.9 GPa, which is a small value compared to the test product
  • the wear width (mm) after drilling 6000 holes is 0.638 mm, which is compared with the test product. It was a large value and was judged as rejected.
  • the wear width after drilling 2000 holes reached a little less than 0.1 mm, and then the wear width suddenly increased, and after drilling 4180 holes, the corner of the drill was broken, It became impossible.
  • the atomic ratio z of oxygen (O) related to the A layer 24 is larger than 0, the atomic ratio f of tungsten (W) related to the B layer 25 is 0.3 or more, and the film thickness related to the A layer 24. It was verified that D1 should be 500 nm or less and the film thickness D2 related to the B layer 25 should be 500 nm or less, and the significance of the numerical range required for the hard coating 10 according to the present invention was confirmed.
  • Comparative product 6 is a drill coated with a single-layer film composed of an A layer having a thickness of 4100 nm composed of (Ti 0.5 Cr 0.15 Mo 0.1 W 0.25 ) 0.25 C 0.1 N 0.2 O 0.45 , and titanium (Ti ),
  • the atomic ratio a of chromium (Cr) is 0.15
  • the atomic ratio z of oxygen (O) is 0.45
  • carbon (C), nitrogen (N), and oxygen (O ) Of the atomic ratio x + y + z is 0.75. Therefore, elemental titanium (Ti) different from the thin film composition related to the A layer 24 of the hard coating 10 is contained, and the atomic ratio a of chromium (Cr) is 0.
  • the hardness H of the film of the drill of the comparative product 6 is 25.4 GPa, which is a small value compared to the test product, and the wear width (mm) after drilling 6000 holes is 0.349 mm, which is compared with the test product. It was a large value and was judged as rejected. In the cutting test, the corner portion of the drill broke after 1400 holes were drilled, making continuous use impossible.
  • the atomic ratio a of chromium (Cr) in the A layer 24 is 0.2 or more, the atomic ratio z of oxygen (O) is 0.2 or less, carbon (C), nitrogen (N), and oxygen (
  • the sum x + y + z of the atomic ratio of O) should be 0.6 or less, the film thickness D1 related to the A layer 24 should be 500 nm or less, and the B layer 25 is inserted and formed at the thin film interface of the A layer 24. It was verified that the B layer 25 and the B layer 25 should be laminated alternately, and the significance of the requirements required for the hard coating 10 according to the present invention was confirmed.
  • the drills 12 of the test products 1 to 35 shown in Table 2 have a large value in the film hardness H and a small wear width (mm) after 6000 holes. A value was obtained, indicating high hardness and good wear resistance.
  • the drills of comparative products 1 to 6 that deviate from the range of the thin film composition, the atomic ratio of each element, each film thickness, and the total film thickness required for the hard coating 10 are compared with the drills 12 of the test products 1 to 35.
  • the hardness H of the film was small, and the wear width (mm) after 6000 holes processing was a large value, indicating that the hardness and wear resistance were not sufficient.
  • FIG. 6 is a photograph of a cross section of the A layer 24 in the hard coating 10 of the test product 1 taken with a transmission electron microscope (TEM).
  • crystal layers ( ⁇ - (Cr, Mo, W, V) N, ⁇ -Mo 2 N, etc.) 40 composed of fine crystal grains, which are regions where lattice fringes in FIG. 6 are observed.
  • oxygen multiphase structure of the amorphous phase 42 containing (O 2) has been formed which is the other area.
  • the hardness H of the film is as high as 29.0 GPa. 24, since the amorphous phase 42 containing oxygen (O 2 ) is present, formation of molybdenum (Mo), tungsten (W) and vanadium (V) oxide due to wear is promoted, so that low wear and welding resistance are achieved. As a result, the wear width after drilling 6000 holes is 0.122 mm and it has good wear resistance.
  • the hard coating 10 is provided on the surface of the tool base material 22 and (Cr a Mo b W c V d B e ) 1-x-y-z C x N y O z acids carbides, the a layer 24 made of oxynitride or oxycarbonitride thereof, and the B layer 25 made of W f C (1-f) , alternatively It is formed by laminating two or more layers.
  • the atomic ratio a relating to the A layer 24 is 0.2 ⁇ a ⁇ 0.7
  • b is 0.05 ⁇ b ⁇ 0.6
  • c is 0 ⁇ c ⁇ .
  • d is 0 ⁇ d ⁇ 0.05
  • x is 0 ⁇ x ⁇ 0.6
  • y is 0 ⁇ y ⁇ 0.05
  • z is 0 ⁇ z ⁇ 0.2
  • x + y + z is 0.3 ⁇ x + y + z ⁇ 0.6
  • the atomic ratio f related to the B layer 25 is 0.3 ⁇ f ⁇ 0.7
  • the thickness D1 of the A layer 24 is 2 nm or less.
  • the laminated A layer 24 includes Mo, W, and V.
  • the hardness of the film is increased by forming a microstructure composed of oxide, oxycarbide, oxynitride or oxycarbonitride, and oxides, oxycarbides, oxynitrides or oxycarbons of Mo, W and V are increased. Since the nitride has solid lubricity, the lubricity of the film is enhanced, so that the hard film 10 and the drill 12 having hardness and wear resistance can be obtained.
  • the A layer 24 has a multiphase structure in which the crystal phase 40 and the amorphous phase 42 are mixed.
  • a fine NaCl phase crystal phase ( ⁇ - (Cr, Mo, W, V) N, ⁇ -Mo 2 N, etc.) composed of Mo, W and V oxycarbides, oxynitrides or oxycarbonitrides. )
  • the stacking order of the A layer 24 and the B layer 25 in the hard coating 10 is B layer 25, A layer 24,..., B layer from the tool base material 22 side as shown in FIG. 25 and the A layer 24 in this order. That is, the base layer of the hard coating 10 (the lowermost layer in contact with the tool base material 22) is the B layer 25, and the surface layer (the uppermost layer of the hard coating 10) is the A layer 24. As long as it is 25, it is not necessarily limited to such a configuration, and the surface layer may be the B layer 25.
  • the hard coating 10 is coated with the drill 12, but is not limited to this.
  • a cutting tool such as an end mill, a die, particularly a rolling tap, It may be coated with a metal working tool such as a metal working die for bending.
  • the hard coating 10 is coated with the sputtering apparatus 26 when the drill 12 is formed.
  • the present invention is not limited to this.
  • PVD method physical coating method
  • CVD method chemical vapor deposition method
  • plasma CVD method or thermal CVD method may be used to coat the hard coating 10.
  • Hard coating hard lubricating coating
  • Drill hard lubricant coated tool

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Abstract

硬質且つ耐摩耗性を有する硬質潤滑被膜および硬質潤滑被膜被覆工具を提供する。 （ＣｒａＭｏｂＷｃＶｄＢｅ）１－ｘ－ｙ－ｚＣｘＮｙＯｚの酸炭化物、酸窒化物または酸炭窒化物から成るＡ層２４と、ＷｆＣ（１－ｆ）から成るＢ層２５とが、交互に２層以上積層されて形成されるものであり、Ａ層２４に係る原子比ａないしｅおよびｘ、ｙ、ｚおよびｘ＋ｙ＋ｚは所定の範囲内にあるものであり、Ｂ層２５に係る原子比ｆは０．３≦ｆ≦０．７であり、且つ、Ａ層２４の膜厚Ｄ１は２ｎｍ以上５００ｎｍ以下、Ｂ層２５の膜厚Ｄ２は１ｎｍ以上５００ｎｍ以下、総膜厚Ｄは０．１μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲内であるため、硬質且つ耐摩耗性を有する硬質被膜１０およびドリル１２を得ることができる。

Description

硬質潤滑被膜および硬質潤滑被膜被覆工具
　本発明は、母材の表面に被覆して設けられる硬質潤滑被膜およびその硬質潤滑被膜が被覆された硬質潤滑被膜被覆工具に関し、特に、硬質及び耐摩耗性を共に向上させるための改良に関する。
　炭素鋼、ステンレス、および軟鋼などの材料を切削加工するドリルやタップ等の切削用工具には、被削材を切削するに必要な硬度や工具寿命を長くすることつながる耐摩耗性などの性質が求められる。そのため、切削工具の母材表面には、耐摩耗性を向上させるために硬質被膜が被覆して設けられる。この切削工具用硬質被膜としては、ＴｉＮ系、ＣｒＮ系、ＴｉＣＮ系およびＴｉＡｌＮ系などのコーティングが広く用いられており、その性能を更に向上させるために改良が図られている。例えば、特許文献１および特許文献２に記載された硬質積層被膜がそれである。
　たとえば特許文献１においては、ＴｉaＣｒbＡｌcＭｏ1-a-b-cの窒化物又は炭窒化物から成る第１被膜層と、ＴｉdＣｒeＡｌ1-d-eの窒化物又は炭窒化物から成る第２被膜層とが、交互に２層以上積層された多層膜から構成される硬質積層被膜が、また特許文献２においては、ＴｉaＣｒbＡｌcＭｏ1-a-b-cの窒化物又は炭窒化物から成る単層膜から構成される硬質積層被膜がそれぞれ提案されている。
特開２０１２－１１５９２４ 特開２０１２－１１５９２３
　しかし、前述したような従来の技術により硬質積層被膜が形成された母材では、潤滑性や耐摩耗性が依然として十分ではなく、それ故に欠損や摩耗により母材から構成される切削工具は早期寿命に至る場合があるという問題があった。したがって、硬質且つ耐摩耗性を有する硬質積層被膜の開発が求められていた。
　本発明は、以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、硬質且つ耐摩耗性を有する硬質潤滑被膜および硬質潤滑被膜被覆工具を提供することにある。
　本発明者等は、以上の事情を背景として鋭意研究するうち、チタン（Ｔｉ）は酸化しやすいため、被膜を構成する元素としてＴｉを含めないことを意図して、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、バナジウム（Ｖ）およびホウ素（Ｂ）をＡ層、またタングステン（Ｗ）をＢ層の構成元素とし、さらにＡ層に酸素を導入すると、Ｃｒ、Ｍｏ、ＷおよびＶの酸炭化物、酸窒化物又は酸炭窒化物から成る結晶の微細組織が形成されるため、高硬度でありながら一層高潤滑性が得られるという事実を見出した。本発明はこのような知見に基づいて為されたものである。Ａ層の上記結晶はＢ層との積層構造において層の厚みにより結晶成長が抑制されて被膜の硬度を高める微細な結晶構造が生成されるとともに、上記Ｃｒ、Ｍｏ、ＷおよびＶの酸炭化物、酸窒化物又は酸炭窒化物の結晶は、モリブデン硫化物或いは窒化物と類似した固体潤滑構造を有しているために被膜の潤滑性が高められると推定される。
　すなわち、第１発明の要旨とするところは、母材の表面に被覆される硬質潤滑被膜であって、（ＣｒａＭｏｂＷｃＶｄＢｅ）１－ｘ－ｙ－ｚＣｘＮｙＯｚの酸炭化物、酸窒化物または酸炭窒化物から成るＡ層と、ＷｆＣ（１－ｆ）から成るＢ層とが、交互に２層以上積層された硬質潤滑被膜であって、前記Ａ層に係る原子比ａは０．２≦ａ≦０．７、ｂは０．０５≦ｂ≦０．６、ｃは０≦ｃ≦０．３、ｄは０≦ｄ≦０．０５、ｅ＝１－ａ－ｂ－ｃ－ｄは０≦ｅ≦０．０５、ｘは０≦ｘ≦０．６、ｙは０≦ｙ≦０．６、ｚは０＜ｚ≦０．２、ｘ＋ｙ＋ｚは０．３≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦０．６であり、前記Ｂ層に係る原子比ｆは０．３≦ｆ≦０．７であり、且つ、前記Ａ層の膜厚は２ｎｍ以上５００ｎｍ以下、前記Ｂ層の膜厚は１ｎｍ以上５００ｎｍ以下、総膜厚は０．１μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲内であることを特徴とする硬質潤滑被膜および硬質潤滑被膜が被覆された硬質潤滑被膜被覆工具にある。
　また、第２発明の要旨とするところは、第１発明の硬質潤滑被膜において、前記Ａ層は、結晶相とアモルファス相とが混在した複相組織であることを特徴とする。
　第１発明の硬質潤滑被膜は、上述のように、（ＣｒａＭｏｂＷｃＶｄＢｅ）１－ｘ－ｙ－ｚＣｘＮｙＯｚの酸炭化物、酸窒化物または酸炭窒化物から成るＡ層と、ＷｆＣ（１－ｆ）から成るＢ層とが、交互に２層以上積層されて形成されたものであることから、積層されたＡ層にはＭｏ、ＷおよびＶの酸化物、酸炭化物、酸窒化物または酸炭窒化物から成る微細組織が形成されることにより被膜の硬度が高められ、且つＭｏ、ＷおよびＶの酸化物、酸炭化物、酸窒化物または酸炭窒化物は固体潤滑性を有していることにより被膜の潤滑性が高められるので、硬質且つ耐摩耗性を有する硬質潤滑被膜および硬質潤滑被膜被覆工具を得ることができる。
　第２発明の硬質潤滑被膜によれば、Ａ層は結晶相とアモルファス相とが混在した複相組織である。このように、Ｍｏ、ＷおよびＶの酸炭化物、酸窒化物または酸炭窒化物から成る微細なＮａＣｌ構造の結晶相（δ－（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ）Ｎおよびγ－Ｍｏ２Ｎなど）とアモルファス相との複相組織が形成されることにより、硬質且つ耐摩耗性を有する硬質潤滑被膜および硬質潤滑被膜被覆工具を得ることができる。
本発明の硬質被膜が設けられたドリルを示す図で、(a)は正面図、(b)は先端側から見た拡大底面図である。 図１のドリルにおけるボデーの表面部分の積層構造を説明するための概念的な断面図である。 図１のドリルを形成するためのプロセスチャートである。 図１のドリルを形成する際に好適に用いられるスパッタリング装置を説明する概略構成図である。 硬質被膜の膜の硬さＨ（ＧＰａ）と硬質被膜が被覆されたドリルの切削試験により得られた摩耗幅（ｍｍ）を試験品１～３５および比較品１～６ごとに示したグラフである。 切削試験における加工穴数の増加に伴う摩耗幅の推移を示すグラフである。 試験品１の硬質被膜におけるＡ層の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により撮影した写真である。
　以下、本発明の硬質潤滑被膜の一実施例について図面を参照して詳細に説明する。
　図１は本発明の硬質被膜１０が設けられたドリル１２を示す図で、(a)は軸心Ｏと直角な方向から見た正面図、(b)は切れ刃１４が設けられた先端側から見た拡大底面図である。このドリル１２は、２枚刃のツイストドリルで、シャンク１６およびボデー１８を軸方向に一体に備えており、ボデー１８には軸心Ｏの右まわりにねじれた一対の溝２０が形成されている。ボデー１８の先端には、溝２０に対応して一対の切れ刃１４が設けられており、シャンク１６側から見て軸心Ｏの右まわりに回転駆動されることにより切れ刃１４によって穴を切削加工するとともに、切屑が溝２０を通ってシャンク１６側へ排出される。なお、硬質被膜１０は本発明の硬質潤滑被膜に、またドリル１２は本発明の硬質潤滑被膜被覆工具にそれぞれ相当する。
　図２は、図１のドリル１２におけるボデー１８の表面部分の積層構造を説明するための概念的な断面図である。図２に示されるように、ドリル１２の基材である超硬合金製の工具母材２２の表面には、その表面を被覆して硬質被膜１０がコーティングされている。図１の斜線部は、ドリル１２においてこの硬質被膜１０が設けられた部分が示されており、硬質被膜１０は、好適には、ドリル１２におけるボデー１８に対応する工具母材２２の表面に被覆して設けられる。なお、工具母材２２は本発明の母材に相当する。
　図２から明らかなように、本実施例の硬質被膜１０は、酸素元素を含むＡ層２４とタングステン（Ｗ）を含むＢ層２５とが交互に２層以上積層された多層膜であり、斯かるＡ層２４及びＢ層２５は、以下に示す化学組成を満足する材料から構成される。すなわち、Ａ層２４は、（ＣｒａＭｏｂＷｃＶｄＢｅ）１－ｘ－ｙ－ｚＣｘＮｙＯｚの酸炭化物、酸窒化物または酸炭窒化物であって、原子比ａは０．２≦ａ≦０．７、ｂは０．０５≦ｂ≦０．６、ｃは０≦ｃ≦０．３、ｄは０≦ｄ≦０．０５、ｅ＝１－ａ－ｂ－ｃ－ｄは０≦ｅ≦０．０５、ｘは０≦ｘ≦０．６、ｙは０≦ｙ≦０．６、ｚは０＜ｚ≦０．２、ｘ＋ｙ＋ｚは０．３≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦０．６である。硬質被膜１０におけるＡ層２４において、モリブデン硫化物或いは窒化物と類似した固体潤滑構造を有するＭｏ、ＷおよびＶの酸化物、酸炭化物、酸窒化物または酸炭窒化物から成る微細組織が形成される。Ａ層２４としては、たとえば（Ｃｒ0.4Ｍｏ0.6）0.48Ｎ0.42Ｏ0.1などが好適に例示される。また、Ｂ層２５は、ＷｆＣ（１－ｆ）であって、原子比ｆは０．３≦ｆ≦０．７である。硬質被膜１０におけるＢ層２５は微細な結晶組織から構成され、たとえばＷ0.50Ｃ0.50などが好適に例示される。
　また、硬質被膜１０において、Ａ層２４の膜厚Ｄ１は２ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内、Ｂ層２５の膜厚Ｄ２は１ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内、硬質被膜１０の総膜厚Ｄは０．１μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲内とされる。Ａ層２４及びＢ層２５の積層数は、硬質被膜１０の総膜厚Ｄ及び各被膜層２４、２５の膜厚Ｄ１、Ｄ２に係る上記数値範囲を逸脱しない限りにおいて適宜定められるが、単層よりも多層から構成される方がより硬度が上がるため、少なくともＡ層２４およびＢ層２５を１層ずつ有する多層膜とされる。また、硬質被膜１０における複数のＡ層２４の膜厚Ｄ１はすべて等しいものであってもよいし、上記数値範囲内で相互に異なるものであってもよい。同様に、硬質被膜１０における複数のＢ層２５の膜厚Ｄ２はすべて等しいものであってもよいし、上記数値範囲内で相互に異なるものであってもよい。
　また、硬質被膜１０において、Ａ層２４およびＢ層２５の積層順は、好適には、図２に示すように工具母材２２側からＢ層２５、Ａ層２４、・・・、Ｂ層２５、Ａ層２４の順で積層されたものであり、硬質被膜１０の基層（工具母材２２と接する最下層）はＢ層２５とされる。Ｂ層２５はＷＣから成り高硬度であるため接着強度が高いことからＢ層２５を上記基層とすることにより、硬質被膜１０が工具母材２２の表面により強固に被覆される。
　次に、工具母材２２のボデー１８に対応する部分が硬質被膜１０により被膜されたドリル１２を形成する工程を図３および図４を参照して詳細に説明する。図３は図１のドリル１２を形成するためのプロセスチャートであり、図４は図１のドリル１２を形成する際に好適に用いられるスパッタリング装置２６を説明する概略構成図（模式図）である。
　図３における母材の研削工程Ｐ１では、工具母材２２の基材である超硬合金に対して研削が施されて工具母材２２が得られる。たとえば、先ず工具母材２２の大まかな形すなわち軸心を有するシャンク１６およびボデー１８となる円柱状の形状を形成するために超硬合金に対して円筒研が施される。次に、円柱状形状のボデー１８に相当する長手方向の一端部側の外周側面に軸心Ｏの右回りにねじれた溝２０などを形成する溝研が施される。最後に、被削材を切削するための切れ刃１４が形成されるように上記長手方向の一端に対して刃研が施される。次に、洗浄工程Ｐ２では、硬質被膜１０の被覆に先立って工具母材２２の表面が洗浄される。エッチング工程Ｐ３では、スパッタリング装置２６により前処理として工具母材２２の表面が粗面化される。被膜１０の成膜工程Ｐ４では、スパッタリング装置２６により工具母材２２のボデー１８に対して硬質被膜１０が被覆されてドリル１２が形成される。検査工程Ｐ５では、硬質被膜１０が被覆されたドリル１２が切削工具としての使用基準を満たしているか否かの判定をするための検査が行われる。
　次に、スパッタリング装置２６により行われる上記エッチング工程Ｐ３および上記被膜の成膜工程Ｐ４に関して図４を参照してさらに詳細に説明する。スパッタリング装置２６はチャンバー２８とチャンバー２８の底面の略中心の貫通穴を通じて貫通される回転軸と回転軸のチャンバー２８内部側の一端部に固設された円盤状の基台３０とを備えている。先ず、円盤状の基台３０上には、基台３０の中心から等間隔の位置にある円周上において周方向に互いに等間隔で研削工程Ｐ１で得られた複数本の工具母材２２が基台３０に自転可能に設置される。図示しないヒーターにより工具母材２２が約５００℃まで昇温され、チャンバー２８内が所定の圧力以下の真空度に保たれつつチャンバー２８内にアルゴン（Ａｒ）ガスが導入される。この状態でバイアス電源３２により工具母材２２にたとえば－２００～－５００Ｖのバイアス電圧がかけられ、Ａｒガス中で発生したグロー放電により生じたＡｒイオンによる工具母材２２の表面のエッチング処理が行われる。エッチング処理終了後、チャンバー２８内からＡｒガスが排気される。上記のようにしてエッチング工程Ｐ３が終了した後、引き続き被膜の成膜工程Ｐ４が行われる。すなわち、硬質被膜１０を構成するＣｒ、Ｍｏ、Ｗ等のターゲット３４、３５に電源３６により一定のカソード電圧（たとえば－１００～－５００Ｖ程度）を印加するとともに、バイアス電源３２により前記工具母材２２に一定の負のバイアス電圧（例えば－１００Ｖ程度）を印加することにより、アルゴンイオンＡｒ+を上記ターゲット３４、３５に衝突させてＣｒ、Ｍｏ、Ｗ等の構成物質を叩き出しイオン化させる。上記電源３６及びバイアス電源３２により印加される電圧はコントローラ３８により制御される。チャンバー２８内には、アルゴンガスの他に窒素ガス（Ｎ2）、炭化水素ガス（ＣＨ4、Ｃ2Ｈ2）あるいは酸素ガス（Ｏ２）の反応ガスが所定の流量、圧力で選択的に導入され、その窒素原子（Ｎ）、炭素原子（Ｃ）あるいは酸素原子（Ｏ）がターゲット３４、３５から叩き出されたＣｒ、Ｍｏ、Ｗなどと結合してＡ層２４としてたとえば（Ｃｒ0.4Ｍｏ0.6）0.48Ｎ0.42Ｏ0.1ような酸窒化物、（Ｃｒ0.25Ｍｏ0.45Ｗ0.28Ｖ0.02）0.58Ｃ0.27Ｏ0.15のような酸炭化物が形成され、Ｂ層２５としてたとえばＷ0.50Ｃ0.50が形成される。そして、工具母材２２は、チャンバー２８に対して回転させられる基台３０上においてさらに基台３０に対して回転させられるため、それらは工具母材２２の表面に均質な硬質被膜１０として被覆させられる。ここで、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、ＶおよびＢに係る組成比の制御および成膜時の各種反応ガスの制御により、あるいは成膜時の各種反応ガスの制御のみで、Ａ層２４およびＢ層２５の被覆が成膜される。たとえば、Ｂ層２５の被覆の際には反応ガスとしての窒素ガス（Ｎ２）および酸素（Ｏ２）ガスは不要なため、窒素ガス（Ｎ２）および酸素（Ｏ２）ガスのチャンバー２８内への導入がオフとされることによりＢ層２５が形成される。そして、反応ガスの切替えおよびターゲット３４、３５の選択に応じてＡ層２４とＢ層２５との工具母材２２への交互の被覆が繰り返されて、最終的に硬質被膜１０が被覆された超硬合金製のドリル１２が形成される。
　このようにドリル１２に被覆された硬質被膜１０は、（ＣｒａＭｏｂＷｃＶｄＢｅ）１－ｘ－ｙ－ｚＣｘＮｙＯｚの酸炭化物、酸窒化物または酸炭窒化物であるＡ層２４とＷｆＣ（１－ｆ）であるＢ層２５とが交互に積層されて成る、すなわちＡ層２４の薄膜界面にＢ層２５が挿入されて成るものであるため、Ａ層２４およびＢ層２５を構成する被膜粒子の粒径がさらに小さくなり微細組織構造が形成されることから切削油が水溶性である水溶性切削加工での超低摩擦性が得られ、耐摩耗性に優れ、ひいては水溶性切削加工に用いられるドリル１２の工具寿命の向上に帰結する。また、摩耗された際にＭｏ、Ｗ、Ｖ酸化物の自己形成により固体潤滑粒子が生成するため、低摩耗性および耐溶着性に優れることから、結果としてドリル１２の工具寿命を延ばすことができる。
　続いて、硬質被膜１０が被覆されたドリル１２すなわち本発明の効果を検証するために本発明者等が行った試験について図５ないし図７、表１および表２に基づいて詳細に説明する。
　先ず、表１に示されるＡ層２４とＢ層２５の薄膜組成および表２に示されるＡ層２４とＢ層２５の各膜厚Ｄ１、Ｄ２および総膜厚Ｄを有する被膜すなわち硬質被膜１０に要求される条件を満たす被膜が図３の工程Ｐ２、Ｐ３およびＰ４を経て工具径６ｍｍφの超硬ドリルに被覆され、試験品１～３５のドリル１２が形成された。また、比較のため、硬質被膜１０の条件を満たさない被膜が、同様に前記工程Ｐ２、Ｐ３およびＰ４を経て工具径６ｍｍφの超硬ドリルに被覆され、比較品１～６のドリルが形成された。
　表２における膜の硬さＨ（ＧＰａ）は以下のようにして求めた。試験品１～３５および比較品１～６についてナノインデンテーション法にしたがってそれぞれの膜の硬さを測定した。すなわち、先端がダイヤモンドチップから成る三角錐型（バーコビッチ型）の圧子を硬質被膜が被覆された試験品１～３５および比較品１～６の表面に荷重Ｐで押し込み、圧子の下の射影面積Ａを算出した。荷重Ｐを面積Ａで割ることで膜の硬さＨ（ＧＰａ）が算出される。なお、ナノインデンテーション法において、硬さは１５～２０ＧＰａで柔らかい、３０ＧＰａ以上で硬い、５０～６０ＧＰａで脆いと評価される。
　また、表２における６０００穴加工後摩耗幅（ｍｍ）は、試験品１～３５のドリル１２および比較品１～６のドリルについて以下の切削条件で切削試験を行うことで求めた。
［切削条件］
・試験品および比較品：超硬ドリル　工具径６（ｍｍφ）
・被削材：ＳＣＭ４４０（３０ＨＲＣ）
・切削方法：穴加工
・切削速度：７５（ｍ／ｍｉｎ）
・送り速度：５９７（ｍｍ／ｍｉｎ）
・加工深さ：３０ｍｍ止まり
・切削油：水溶性
　上記切削試験において、表２に示される６０００穴加工後摩耗幅は、上記切削条件で６０００穴加工後の試験品１～３５のドリル１２および比較品１～６のドリルにおける切れ刃１４の外周部（コーナー部）の周方向の摩耗幅（ｍｍ）であり、摩耗幅が０．２ｍｍ以下の場合、合格と判定し、摩耗幅が０．２ｍｍよりも大きい場合、不合格と判定した。また、表２の備考において継続可能とは、６０００穴加工後のドリルにおいて、以後の切削が可能である場合であり、以後の切削が不可能な場合、切削試験に供されたドリルの状態を評価した。
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　図５はナノインデンテーション法により得られた膜の硬さＨ（ＧＰａ）と切削試験により得られた６０００穴加工後摩耗幅（ｍｍ）を試験品１～３５および比較品１～６ごとに示したグラフである。すなわち、図５は表２の膜の硬さＨ（ＧＰａ）および６０００穴加工後摩耗幅（ｍｍ）をグラフ化したものである。なお、図５の横軸は試験品１～３５および比較品１～６の番号を、左横軸は試験品１～３５および比較品１～６の膜の硬さＨ（ＧＰａ）を、右横軸は試験品１～３５および比較品１～６の６０００穴加工後摩耗幅（ｍｍ）をそれぞれ示す。表２および図５に示されるように、硬質被膜１０の要件を満たす被膜が被覆された試験品１～３５の全てのドリル１２において、その膜の硬さＨ（ＧＰａ）は２７．５ＧＰａ以上、６０００穴加工後摩耗幅（ｍｍ）は０．１９９ｍｍ以下であり切削試験において合格と評価された。なお、試験品１～３５の全ては６０００穴加工後においても、摩耗幅が小さいため以後の切削も継続可能であった。
　また、図６は切削試験における加工穴数の増加に伴う摩耗幅の推移を示すグラフであり、試験品４、８および１４、比較品２および５がそれぞれ試験品１～３５および比較品１～６を代表してプロットされている。図６に示されるように、試験品４、８および１４は加工穴数の増加に伴い、なだらかに摩耗幅（ｍｍ）が増加し、６０００穴加工後の摩耗幅は０．１５０ｍｍ程度に収まった。
　すなわち、上記の結果から、（ＣｒａＭｏｂＷｃＶｄＢｅ）１－ｘ－ｙ－ｚＣｘＮｙＯｚの酸炭化物、酸窒化物または酸炭窒化物から成るＡ層２４と、ＷｆＣ（１－ｆ）から成るＢ層２５とが、交互に２層以上積層されて成るものであり、Ａ層２４に係る原子比ａは０．２≦ａ≦０．７、ｂは０．０５≦ｂ≦０．６、ｃは０≦ｃ≦０．３、ｄは０≦ｄ≦０．０５、ｅ＝１－ａ－ｂ－ｃ－ｄは０≦ｅ≦０．０５、ｘは０≦ｘ≦０．６、ｙは０≦ｙ≦０．６、ｚは０＜ｚ≦０．２、ｘ＋ｙ＋ｚは０．３≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦０．６であり、Ｂ層２５に係る原子比ｆは０．３≦ｆ≦０．７であり、且つ、Ａ層２４の膜厚Ｄ１は２ｎｍ以上５００ｎｍ以下、Ｂ層２５の膜厚Ｄ２は１ｎｍ以上５００ｎｍ以下、総膜厚Ｄは０．１μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲内である硬質被膜１０が被覆された試験品１～３５のドリル１２はその膜の硬さＨが２７．５ＧＰａ以上、且つその６０００穴加工後摩耗幅（ｍｍ）は０．１９９ｍｍ以下であり、良好な値を示した。
　それに対して、比較品１は（Ｔｉ0.3Ｃｒ0.3Ｍｏ0.4）0.45Ｃ0.05Ｎ0.2Ｏ0.3から成る膜厚６００ｎｍのＡ層とＷ0.8Ｃ0.2から成る膜厚１ｎｍのＢ層とが、交互に２層以上積層されて形成された総膜厚６．０２μｍの多層膜が被覆されたドリルであり、Ａ層においてチタン（Ｔｉ）が含有されており、酸素の原子比ｚが０．３であるため、硬質被膜１０のＡ層２４に係る薄膜組成とは異なる元素チタン（Ｔｉ）が含有されており、且つ酸素（Ｏ）の原子比ｚの０＜ｚ≦０．２をそれぞれ逸脱し、Ｂ層においてタングステン（Ｗ）の原子比ｆが０．８であるため、硬質被膜１０のＢ層に係るタングステン（Ｗ）の原子比ｆの０．３≦ｆ≦０．７を逸脱し、Ａ層の膜厚が硬質被膜１０に係るＡ層２４の膜厚Ｄ１の２ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲を逸脱するものである。そのため、比較品１のドリルの膜の硬さＨは２５．０ＧＰａと試験品と比較して小さく、６０００穴加工後摩耗幅は０．５９２ｍｍであり、試験品と比較して大きな値であり不合格と判定された。なお、切削試験において、１２００穴加工後にドリルのコーナー部が折損し、継続使用は不可能となった。この結果から特に、Ａ層２４に係る酸素（Ｏ）の原子比ｚは０．２以下、Ｂ層２５に係るタングステン（Ｗ）の原子比ｆは０．７以下、Ａ層に係る膜厚Ｄ１は５００ｎｍ以下であることが検証され、本発明に係る硬質被膜１０に求められる数値範囲の意義が確かめられた。
　また、比較品２はＭｏ0.05Ｎ0.3Ｏ0.65から成る膜厚５５０ｎｍのＡ層とＷ0.2Ｃ0.8から成る膜厚６００ｎｍのＢ層とが、交互に２層以上積層されて形成された総膜厚１１．５０μｍの多層膜が被覆されたドリルであり、Ａ層において、クロム（Ｃｒ）が含有されておらず、モリブデン（Ｍｏ）の原子比ｂが１、酸素（Ｏ）の原子比ｚが０．６５であり、炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）と酸素（Ｏ）の原子比の総和ｘ＋ｙ＋ｚが０．９５であるため、硬質被膜１０のＡ層２４に係るクロム（Ｃｒ）の原子比ａの０．２≦ａ≦０．７、モリブデン（Ｍｏ）の原子比ｂの０．０５≦ｂ≦０．６、酸素（Ｏ）の原子比ｚの０＜ｚ≦０．２、炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）と酸素（Ｏ）の原子比の総和ｘ＋ｙ＋ｚの０．３≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦０．６をそれぞれ逸脱し、Ｂ層においてタングステン（Ｗ）の原子比ｆが０．２であるため、硬質被膜１０のＢ層に係るタングステン（Ｗ）の原子比ｆの０．３≦ｆ≦０．７を逸脱し、Ａ層およびＢ層の各膜厚と総膜厚が硬質被膜１０に係るＡ層２４の膜厚Ｄ１の２ｎｍ以上５００ｎｍ以下、Ｂ層２５の膜厚Ｄ２の１ｎｍ以上５００ｎｍ以下、総膜厚Ｄの０．１μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲を逸脱するものである。そのため、比較品２のドリルの膜の硬さＨは２５．０ＧＰａと試験品と比較して小さく、６０００穴加工後摩耗幅は０．７５２ｍｍであり、試験品と比較して大きな値であり不合格と判定された。なお、図６に示されるように、比較品２は加工穴数の増加に伴いその摩耗幅（ｍｍ）は急激に大きくなり、１０００穴加工後の摩耗幅は０．２ｍｍ弱まで達し、２０３０穴加工後にドリルのコーナー部の摩耗幅が０．７５２ｍｍと大きくなりすぎ、継続使用は不可能となった。この結果から特に、Ａ層２４に係るクロム（Ｃｒ）の原子比ａは０．２以上、モリブデン（Ｍｏ）の原子比ｂは０．６以下、酸素（Ｏ）の原子比ｚは０．２よりも小さく、炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）と酸素（Ｏ）の原子比の総和ｘ＋ｙ＋ｚが０．６以下、Ｂ層２５に係るタングステン（Ｗ）の原子比ｆは０．３以上、Ａ層２４に係る膜厚Ｄ１は５００ｎｍ以下、Ｂ層２５に係る膜厚Ｄ２は５００ｎｍ以下、総膜厚Ｄは１０．０μｍ以下とすべきであり、本発明に係る硬質被膜１０に求められる数値範囲の意義が確かめられた。
　また、比較品３は（Ｔｉ0.45Ｍｏ0.55）0.4Ｃ0.1Ｎ0.2Ｏ0.3から成る膜厚２０ｎｍのＡ層とＷ0.9Ｃ0.1から成る膜厚２０ｎｍのＢ層とが、交互に２層以上積層されて形成された総膜厚０．０８μｍの多層膜が被覆されたドリルであり、Ａ層において、チタン（Ｔｉ）が含有されており、クロム（Ｃｒ）が含有されていないため、硬質被膜１０のＡ層２４に係る薄膜組成とは異なる元素チタン（Ｔｉ）が含有されており、且つクロム（Ｃｒ）の原子比ａの０．２≦ａ≦０．７を逸脱し、Ｂ層においてタングステン（Ｗ）の原子比ｆが０．９であるため、硬質被膜１０のＢ層に係るタングステン（Ｗ）の原子比ｆの０．３≦ｆ≦０．７を逸脱し、総膜厚が硬質被膜１０に係る総膜厚Ｄの０．１μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲を逸脱するものである。そのため、比較品３のドリルの膜の硬さＨは１９．８ＧＰａと試験品と比較して小さく、６０００穴加工後摩耗幅は０．５５２ｍｍであり、試験品と比較して大きな値であり不合格と判定された。なお、切削試験において、１０００穴加工後にドリルのコーナー部が折損したことから、継続使用は不可能となった。この結果から特に、Ａ層２４に係るクロム（Ｃｒ）の原子比ａは０．２以上、Ｂ層に係るタングステン（Ｗ）の原子比ｆは０．７以下、総膜圧Ｄは０．１μｍ以上とすべきであることが検証され、本発明に係る硬質被膜１０に求められる数値範囲の意義が確かめられた。
　また、比較品４はＴｉ0.73Ｃ0.1Ｎ0.15Ｏ0.02から成る膜厚１１０００ｎｍのＡ層から成る単層膜が被覆されたドリルであり、Ａ層においてチタン（Ｔｉ）が含有されており、クロム（Ｃｒ）およびモリブデン（Ｍｏ）が含有されておらず、炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）と酸素（Ｏ）の原子比の総和ｘ＋ｙ＋ｚが０．２７であるため、硬質被膜１０のＡ層２４に係る薄膜組成とは異なる元素チタン（Ｔｉ）が含有されており、且つクロム（Ｃｒ）の原子比ａの０．２≦ａ≦０．７、モリブデン（Ｍｏ）の原子比ｂの０．０５≦ｂ≦０．６、炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）と酸素（Ｏ）の原子比の総和ｘ＋ｙ＋ｚの０．３≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦０．６を逸脱し、Ｂ層がＡ層の薄膜界面に挿入形成されていないため、硬質被膜１０のＡ層２４とＢ層２５とが交互に積層されて成るという要件から逸脱し、Ａ層の膜厚と総膜厚が硬質被膜１０に係るＡ層２４の膜厚Ｄ１の２ｎｍ以上５００ｎｍ以下、総膜厚Ｄの０．１μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲を逸脱するものである。そのため、比較品４のドリルの膜の硬さＨは２２．３ＧＰａと試験品と比較して小さな値となり、６０００穴加工後摩耗幅（ｍｍ）は０．４８０ｍｍであり、試験品と比較して大きな値であり不合格と判定された。なお、切削試験において、２９１０穴加工後にドリルのコーナー部が折損し、継続使用は不可能となった。この結果から特に、Ａ層２４に係るクロム（Ｃｒ）の原子比ａは０．２以上、モリブデン（Ｍｏ）の原子比ｂは０．０５以上、炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）と酸素（Ｏ）の原子比の総和ｘ＋ｙ＋ｚは０．３以上、Ａ層２４に係る膜厚Ｄ１は５００ｎｍ以下、総膜厚Ｄは１０．０μｍ以下とすべきであり、またＢ層２５はＡ層２４の薄膜界面に挿入形成され、Ａ層２４とＢ層２５とが交互に積層されるべきであることが検証され、本発明に係る硬質被膜１０に求められる要件の意義が確かめられた。
　また、比較品５は（Ｔｉ0.1Ｃｒ0.5Ｍｏ0.4）0.55Ｎ0.45から成る膜厚７００ｎｍのＡ層と、Ｗ0.2Ｃ0.8から成る膜厚５５０ｎｍのＢ層とが、交互に２層以上積層して形成された総膜厚７．２０μｍの多層膜が被覆されたドリルであり、Ａ層においてチタン（Ｔｉ）が含有されており、酸素（Ｏ）が含有されていないため、硬質被膜１０のＡ層２４に係る薄膜組成とは異なる元素チタン（Ｔｉ）が含有されており、酸素（Ｏ）の原子比ｚの０＜ｚ≦０．２を逸脱し、Ｂ層においてタングステン（Ｗ）の原子比ｆが０．２であるため、硬質被膜１０のＢ層に係るタングステン（Ｗ）の原子比ｆの０．３≦ｆ≦０．７を逸脱し、Ａ層およびＢ層に係る膜厚が硬質被膜１０のＡ層２４に係る膜厚Ｄ１の２ｎｍ以上５００ｎｍ以下、Ｂ層２５に係る膜厚Ｄ２の１ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲を逸脱するものである。そのため、比較品５のドリルの膜の硬さＨは２６．９ＧＰａであり試験品と比較して小さな値となり、６０００穴加工後摩耗幅（ｍｍ）は０．６３８ｍｍであり、試験品と比較して大きな値であり不合格と判定された。なお、図６に示されるように、２０００穴加工後の摩耗幅は０．１ｍｍ弱まで達し、その後、摩耗幅は急激に大きくなり、４１８０穴加工後にドリルのコーナー部が折損し、継続使用は不可能となった。この結果から特に、Ａ層２４に係る酸素（Ｏ）の原子比ｚは０よりも大きく、Ｂ層２５に係るタングステン（Ｗ）の原子比ｆは０．３以上、Ａ層２４に係る膜厚Ｄ１は５００ｎｍ以下、Ｂ層２５に係る膜厚Ｄ２は５００ｎｍ以下とすべきであることが検証され、本発明に係る硬質被膜１０に求められる数値範囲の意義が確かめられた。
　また、比較品６は（Ｔｉ0.5Ｃｒ0.15Ｍｏ0.1Ｗ0.25）0.25Ｃ0.1Ｎ0.2Ｏ0.45から成る膜厚４１００ｎｍのＡ層から成る単層膜が被覆されたドリルであり、Ａ層においてチタン（Ｔｉ）が含有されており、クロム（Ｃｒ）の原子比ａは０．１５であり、酸素（Ｏ）の原子比ｚは０．４５であり、炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）と酸素（Ｏ）の原子比の総和ｘ＋ｙ＋ｚは０．７５であるため、硬質被膜１０のＡ層２４に係る薄膜組成とは異なる元素チタン（Ｔｉ）が含有されており、クロム（Ｃｒ）の原子比ａの０．２≦ａ≦０．７、酸素（Ｏ）の原子比ｚの０＜ｚ≦０．２、炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）と酸素（Ｏ）の原子比の総和ｘ＋ｙ＋ｚの０．３≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦０．６を逸脱し、Ｂ層がＡ層の薄膜界面に挿入形成されていないため、硬質被膜１０のＡ層２４とＢ層２５とが交互に積層されて成るという要件から逸脱し、Ａ層に係る膜厚が硬質被膜１０のＡ層２４に係る膜厚Ｄ１の２ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲を逸脱するものである。そのため、比較品６のドリルの膜の硬さＨは２５．４ＧＰａであり試験品と比較して小さな値となり、６０００穴加工後摩耗幅（ｍｍ）は０．３４９ｍｍであり、試験品と比較して大きな値であり不合格と判定された。なお、切削試験において、１４００穴加工後にドリルのコーナー部が折損し、継続使用は不可能となった。この結果から特に、Ａ層２４に係るクロム（Ｃｒ）の原子比ａは０．２以上、酸素（Ｏ）の原子比ｚは０．２以下、炭素（Ｃ）と窒素（Ｎ）と酸素（Ｏ）の原子比の総和ｘ＋ｙ＋ｚは０．６以下、Ａ層２４に係る膜厚Ｄ１は５００ｎｍ以下とすべきであり、またＢ層２５はＡ層２４の薄膜界面に挿入形成され、Ａ層２４とＢ層２５とが交互に積層されるべきであることが検証され、本発明に係る硬質被膜１０に求められる要件の意義が確かめられた。
　前記膜の硬さ試験および前記切削試験の結果から、表２に示された試験品１～３５のドリル１２は、膜の硬さＨにおいて大きい値且つ６０００穴加工後摩耗幅（ｍｍ）において小さな値が得られ、高硬度且つ良好な耐摩耗性を有することが示された。一方、硬質被膜１０に要求される薄膜組成、各元素の原子比、各膜厚および総膜厚の範囲を逸脱する比較品１～６のドリルは、試験品１～３５のドリル１２と比較して膜の硬さＨが小さく、６０００穴加工後摩耗幅（ｍｍ）が大きな値であり、硬質および耐摩耗性が十分ではないことが示された。
　次に、高硬度且つ耐摩耗性に優れる試験品１～３５のそれぞれの硬質被膜１０におけるＡ層２４について、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察を行った。図６は試験品１の硬質被膜１０におけるＡ層２４の断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により撮影した写真である。その結果、Ａ層２４においては、図６における格子縞が観察される領域である微細な結晶粒から成る結晶層（δ－（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ）Ｎおよびγ－Ｍｏ２Ｎなど）４０と、それ以外の領域である酸素（Ｏ２）を含むアモルファス相４２との複相組織が形成されていた。このようなＡ層２４を有する硬質被膜１０が被覆されたドリル１２は、微細な結晶粒から成る結晶層４０が存在するため膜の硬さＨが２９．０ＧＰａと高硬度であると共に、Ａ層２４において酸素（Ｏ２）を含むアモルファス相４２が存在するため、摩耗によるモリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）およびバナジウム（Ｖ）酸化物の形成が促進されることから低摩耗性および耐溶着性に優れ、ひいては６０００穴加工後摩耗幅が０．１２２ｍｍと良好な耐摩耗性を有する。
　上述のように、本実施例の試験品１～３５のドリル１２に被覆された硬質被膜１０によれば、工具母材２２の表面に設けられ、（ＣｒａＭｏｂＷｃＶｄＢｅ）１－ｘ－ｙ－ｚＣｘＮｙＯｚの酸炭化物、酸窒化物または酸炭窒化物から成るＡ層２４と、ＷｆＣ（１－ｆ）から成るＢ層２５とが、交互に２層以上積層されて形成されるものであり、Ａ層２４に係る原子比ａは０．２≦ａ≦０．７、ｂは０．０５≦ｂ≦０．６、ｃは０≦ｃ≦０．３、ｄは０≦ｄ≦０．０５、ｅ＝１－ａ－ｂ－ｃ－ｄは０≦ｅ≦０．０５、ｘは０≦ｘ≦０．６、ｙは０≦ｙ≦０．６、ｚは０＜ｚ≦０．２、ｘ＋ｙ＋ｚは０．３≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦０．６であり、Ｂ層２５に係る原子比ｆは０．３≦ｆ≦０．７であり、且つ、Ａ層２４の膜厚Ｄ１は２ｎｍ以上５００ｎｍ以下、Ｂ層２５の膜厚Ｄ２は１ｎｍ以上５００ｎｍ以下、総膜厚Ｄは０．１μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲内であるため、積層されたＡ層２４にはＭｏ、ＷおよびＶの酸化物、酸炭化物、酸窒化物または酸炭窒化物から成る微細組織が形成されることにより被膜の硬度が高められ、且つＭｏ、ＷおよびＶの酸化物、酸炭化物、酸窒化物または酸炭窒化物は固体潤滑性を有していることにより被膜の潤滑性が高められるので、硬質且つ耐摩耗性を有する硬質被膜１０およびドリル１２を得ることができる。
　また、本実施例の試験品１～４０のドリル１２に被覆された硬質被膜１０によれば、Ａ層２４は結晶相４０とアモルファス相４２とが混在した複相組織である。このように、Ｍｏ、ＷおよびＶの酸炭化物、酸窒化物または酸炭窒化物から成る微細なＮａＣｌ構造の結晶相（δ－（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ）Ｎおよびγ－Ｍｏ２Ｎなど）４０とアモルファス相４２との複相組織が形成されることにより、硬質且つ耐摩耗性を有する硬質被膜１０およびドリル１２を得ることができる。
　以上、本発明を表及び図面を参照して詳細に説明したが、本発明は更に別の態様でも実施でき、その主旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るものである。
　たとえば、前述の実施例では、硬質被膜１０におけるＡ層２４及びＢ層２５の積層順は、図２に示すように工具母材２２側からＢ層２５、Ａ層２４、・・・、Ｂ層２５、Ａ層２４の順で積層されたものである。すなわち、硬質被膜１０の基層（工具母材２２と接する最下層）はＢ層２５とされ、表層（硬質被膜１０の最上層）はＡ層２４とされたものであるが、上記基層がＢ層２５とされるに限り必ずしも斯かる構成には限定されず、上記表層がＢ層２５とされたものであってもよい。
　また、前述の実施例では、硬質被膜１０はドリル１２に被覆されたものであったが、これに限定されるものではなく、たとえばエンドミル、ダイス、殊に転造タップなど切削工具や、打ち抜き、曲げなどの金属加工用金型などの金属加工工具に被覆されるものであってもよい。
　また、前述の実施例では、ドリル１２の形成に際し、硬質被膜１０はスパッタリング装置２６により被覆されるものであったが、これに限定されるものではなく、たとえば、アークイオンプレーティング法などの他の物理蒸着法（ＰＶＤ法）や、プラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法などの化学蒸着法（ＣＶＤ法）を用いて硬質被膜１０が被覆されてもよい。
１０：硬質被膜（硬質潤滑被膜）
１２：ドリル（硬質潤滑被膜被覆工具）
２４：Ａ層
２５：Ｂ層

Claims (3)

  1. 　母材の表面に被覆される硬質潤滑被膜であって、
    　（ＣｒａＭｏｂＷｃＶｄＢｅ）１－ｘ－ｙ－ｚＣｘＮｙＯｚの酸炭化物、酸窒化物または酸炭窒化物から成るＡ層と、ＷｆＣ（１－ｆ）から成るＢ層とが、交互に２層以上積層された硬質潤滑被膜であって、
    　前記Ａ層に係る原子比ａは０．２≦ａ≦０．７、ｂは０．０５≦ｂ≦０．６、ｃは０≦ｃ≦０．３、ｄは０≦ｄ≦０．０５、ｅ＝１－ａ－ｂ－ｃ－ｄは０≦ｅ≦０．０５、ｘは０≦ｘ≦０．６、ｙは０≦ｙ≦０．６、ｚは０＜ｚ≦０．２、ｘ＋ｙ＋ｚは０．３≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦０．６であり、
    　前記Ｂ層に係る原子比ｆは０．３≦ｆ≦０．７であり、
    　且つ、前記Ａ層の膜厚は２ｎｍ以上５００ｎｍ以下、前記Ｂ層の膜厚は１ｎｍ以上５００ｎｍ以下、総膜厚は０．１μｍ以上１０．０μｍ以下の範囲内であることを特徴とする硬質潤滑被膜。
  2. 　前記Ａ層は、結晶相とアモルファス相とが混在した複相組織であることを特徴とする請求項１に記載の硬質潤滑被膜。
  3. 　請求項１または２に記載の硬質潤滑被膜により被覆されたことを特徴とする硬質潤滑被膜被覆工具。
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