JP2006188736A - 耐摩耗性膜被覆物品 - Google Patents

Abstract

【課題】 高温においても劣化し難く所望の耐摩耗性を維持、発揮し得る耐摩耗性膜で被覆された耐摩耗性膜被覆物品を提供する。
【解決手段】窒素、酸素、炭素及びホウ素のうち少なくとも窒素及び酸素を含むクロムアルミニゥムの化合物の層を最上層として含む耐摩耗性膜Ｆで被覆されており、該耐摩耗性膜Ｆの室温でのマイクロビッカース硬度が２０００以上である耐摩耗性膜被覆物品（例えばエンドミルＥＭ）。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば自動車部品、各種機械の部品、各種工具や、自動車部品、機械部品等の成形に用いる金型等の成形用型等の物品であって、耐摩耗性膜を被覆した耐摩耗性膜被覆物品に関する。

物品に耐摩耗性を付与する膜として、窒化チタン（ＴｉＮ）膜、窒化チタンアルミニゥム〔（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ〕膜のようなチタン系の窒化膜、炭化チタン（ＴｉＣ）膜のようなチタン系の炭化膜、さらには、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）膜、炭窒化チタンアルミニゥム〔（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｎ，Ｃ）〕膜のようなチタン系の炭窒化膜などが知られている。

また、クロム系の耐摩耗性膜として、例えば特開平６−８１９５２号公報は、ピストンリング等の摺動部材表面に形成する膜として、摺動相手部材との初期なじみ性のよい、クロム、窒素及び酸素からなるＣｒ−Ｎ−Ｏ系皮膜（酸窒化クロム膜）を開示している。

特開２０００−２７１６９９号公報は、機械部品等の鉄系部品、アルミニゥム合金部品等を得る金型、鋳型等の成形型の表面に、耐熱性、表面硬度を向上させるために形成する膜として（Ａｌ_1-x Ｃｒ_x ）Ｎ膜（1.0 ＞x ≧0.02）（窒化アルミニゥムクロム膜）を開示している。

特開平６−８１９５２号公報 特開２０００−２７１６９９号公報

ところで、今日では、高温においても耐摩耗性を維持できる皮膜の出現が要請されている。
何故なら、例えば、金属材料のエンドミル等の切削工具による切削加工を例にとると、今日においては、環境悪化を招く恐れのある潤滑剤を用いないで、或いは用いたとしても潤滑剤使用量を少量化するため液体のまま用いるのではなく噴霧して用いて切削加工を行うことが求められており、しかも、最終製品の一層の低コスト化のために、切削加工時間の短縮化、従って加工時に大きい熱を発する高速切削が求められている。

このような要請に応え得る切削工具は、高温においても十分耐摩耗性を維持、発揮し得るものでなければならず、従って、該工具に被覆する耐摩耗性膜は、潤滑剤を用いない、或いは潤滑剤を噴霧して用いる高速切削加工時の高熱に曝されても劣化し難く、耐摩耗性を発揮、維持できるものでなければならない。

いま切削工具を例にとったが、高温においても十分耐摩耗性を維持、発揮し得る膜で被覆されることが要請される物品は、切削工具に限定されず、前記の成形用型もその１例である。

しかしながら、前記の窒化チタン膜、窒化チタンアルミニゥム膜のようなチタン系窒化膜、炭化チタン膜のようなチタン系炭化膜、炭窒化チタン膜や炭窒化チタンアルミニゥム膜のようなチタン系炭窒化膜は、例えばこれらを切削工具表面に形成した場合、該膜は工具母材に比べて高硬度なので、該膜を形成することで工具の耐摩耗性を向上させることができるが、膜中のチタンが高温酸化しやすく、高温環境下で耐摩耗性が劣化する傾向がある。

前記のアルミニウムが添加されているチタン系窒化膜やチタン系炭窒化膜では、酸化されたアルミニウムが保護層を形成して酸化の進行を妨げるので、アルミニウム添加の無いチタン系膜よりは高温における耐摩耗性が向上するが、それでも過酷な高温環境（例えば８００℃以上の環境）では耐摩耗性が劣化する。

また、前記の酸窒化クロム膜や窒化アルミニゥムクロム膜は、チタン系膜と比べると耐熱性に優れているが、硬度がマイクロビッカース硬度にして高々２０００に近い程度の低いものであり、耐摩耗性の点で満足できるものではない。

そこで本発明は、高温においても劣化し難く所望の耐摩耗性を維持、発揮し得る耐摩耗性膜で被覆された耐摩耗性膜被覆物品を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため本発明は、
窒素、酸素、炭素及びホウ素のうち少なくとも窒素及び酸素を含むクロムアルミニゥムの化合物の層を最上層として含む耐摩耗性膜で被覆されており、該耐摩耗性膜のマイクロビッカース硬度が室温で２０００以上である耐摩耗性膜被覆物品を提供する。

本発明に係る耐摩耗性膜被覆物品は、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、炭素（Ｃ）及びホウ素（Ｂ）のうち少なくとも窒素（Ｎ）及び酸素（Ｏ）を含むクロムアルミニゥム（ＣｒＡｌ）の化合物からなり、高温においても劣化し難い層を最上層として含み、また、マイクロビッカース硬度が室温下で２０００以上である高硬度を有し、これらにより、高温下で使用しても所望の耐摩耗性を維持、発揮することができる耐摩耗性膜で被覆されている。従って、該膜で被覆された物品部分は高温環境下で使用される等してたとえ高温（例えば１０００℃程度の高温）に曝されても摩耗し難く、該物品部分の所期の性能を発揮できる。

本発明に係る耐摩耗性膜被覆物品における耐摩耗性膜の硬度は、マイクロビッカース硬度にして室温下（２５℃）で２０００以上あればよいが、２０００より大きい方がより好ましい。
また、高温（例えば１０００℃）加熱後でもマイクロビッカース硬度が１８００以上、或いは１９００以上であることが好ましい。

前記耐摩耗性膜における、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、炭素（Ｃ）及びホウ素（Ｂ）に対する酸素（Ｏ）の存在比率は、１０原子％より大きく１００原子％未満であることが望ましい。 特に、該耐摩耗性膜を構成する層のうち前記の最上層における窒素、酸素、炭素及びホウ素に対する酸素の存在比率は、１０原子％より大きく１００原子％未満であることが望ましい。

いずれにしても、かかる酸素の存在比率が１０原子％以下になってくると、それは不純物混入のレベルに近くなってきて、膜硬度が低下してくる。
かかる酸素の存在比率は大きくてもよいが、酸素のほか少なくとも窒素を含有させる関係上、１００原子％未満である。また、酸素の存在比率が大きくなると硬度は増してくるが、膜応力が高くなってくるので物品本体への膜密着性が低下してくる。従って、上限については７５原子％程度がより好ましい。或いは、例えば物品本体から遠ざかるにつれ次第に酸素濃度が増加するようにするなど、酸素濃度を膜中において傾斜させるとか、酸素濃度の異なる複数層を積層するなどしてもよい。

また、膜硬度を前記の硬度とするうえで、耐摩耗性膜中にはＣｒＮ＜１１１＞及びＣｒＮ＜２２０＞のうち少なくとも一方の結晶配向方位が存在していることが好ましい。
特に、耐摩耗性膜を構成する層のうち前記の最上層には、ＣｒＮ＜１１１＞及びＣｒＮ＜２２０＞のうち少なくとも一方の結晶配向方位が存在していることが好ましい。

前記耐摩耗性膜の厚さとしては、例えば０．１μｍ〜１０μｍ程度を挙げることができる。０．１μｍより薄くなってくると、耐摩耗性の効果が持続し難くなる。１０μｍを超えてくると、膜応力が高くなってきて物品本体への膜密着性が低下してきて、それが膜の耐摩耗性に悪影響を与える可能性がでてくる。

本発明に係る耐摩耗性膜被覆物品における耐摩耗性膜は、物品に応じて、その全体にわたり形成されていてもよく、部分的に形成されているだけでもよい。
また、該耐摩耗性膜は、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、炭素（Ｃ）及びホウ素（Ｂ）のうち少なくとも窒素（Ｎ）及び酸素（Ｏ）を含むクロムアルミニゥム（ＣｒＡｌ）の化合物の層の一層だけからなる膜でもよい。かかる膜の１例としてＣｒＡｌ（Ｏ_X Ｎ_1-X ）（原子比或いは原子％比ｘは、０．１＜x ＜１）を挙げることができる。

また、かかる層を複数積層した膜でもよく、或いはつぎのような膜でもよい。
(1) 前記クロムアルミニゥム（ＣｒＡｌ）の化合物からなる最上層と物品本体との間の下地層を含んでいる膜であり、該下地層は、クロム（Ｃｒ）からなる下地層、又は窒素、酸素、炭素及びホウ素のうちいずれかを含むクロムの化合物からなる下地層である膜。
かかる下地層を物品本体上に形成することで、前記クロムアルミニゥム（ＣｒＡｌ）の化合物からなる層の物品本体への密着性が向上する。
なお、下地層としてはこの他、クロムアルミニゥム、アルミニゥム、クロムの合金膜や、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮなども採用できる。

(2) 窒素、酸素、炭素及びホウ素のうち少なくとも窒素及び酸素を含むクロムアルミニゥムの化合物からなる層と、窒素、酸素、炭素及びホウ素のうちいずれかを含むクロムの化合物からなる層とを含む多層積層構造の膜であり、該膜を構成する層のうち最上層は窒素、酸素、炭素及びホウ素のうち少なくとも窒素及び酸素を含むクロムアルミニゥムの化合物からなる層である膜。

(3) 窒素、酸素、炭素及びホウ素のうち少なくとも窒素及び酸素を含むクロムアルミニゥムの化合物からなる層と、クロムアルミニゥムの窒化層とを含む多層積層構造の膜であり、該膜を構成する層のうち最上層は窒素、酸素、炭素及びホウ素のうち少なくとも窒素及び酸素を含む前記クロムアルミニゥムの化合物からなる層である膜。

(4) 窒素、酸素、炭素及びホウ素のうち少なくとも窒素及び酸素を含むクロムアルミニゥムの化合物からなる層と、チタンアルミニゥムの窒化層とを含む多層積層構造の膜であり、該膜を構成する層のうち最上層は窒素、酸素、炭素及びホウ素のうち少なくとも窒素及び酸素を含むクロムアルミニゥムの化合物からなる層である膜。

前記耐摩耗性膜はさらに少なくとも最上層にシリコンを含んでいてもよい。
シリコンを含有させることで、耐熱性と耐摩耗性が向上する。

また、本発明に係る耐摩耗性膜被覆物品における耐摩耗性膜はその表面を滑り性良好に平滑にして耐摩耗性を向上させるうえで、膜表面粗さＲａを０．２μｍ以下とすることが好ましい。例えば、本発明に係る耐摩耗性膜被覆物品が他の部材や物品と摺動したり、擦れ合う物品（例えば成形用型）であったり、切削工具等である場合は、耐摩耗性膜の表面粗さＲａが０．２μｍ以下であることが望ましい。

本発明に係る耐摩耗性膜被覆物品における物品本体の前記耐摩耗性膜で被覆された部分の材質は、耐摩耗性膜を密着性よく形成できるのであれば特に制限はないが、代表例としてＷＣ−Ｃｏ系、ＷＣ−ＴｉＣ−Ｃｏ系、ＴａＣ−Ｎｉ系、Ｃｒ₃ Ｃ−Ｎｉ系等の超硬合金を挙げることができる。超硬合金を前記の窒素、酸素、炭素及びホウ素のうち少なくとも窒素及び酸素を含むクロムアルミニゥムの化合物からなる層を最上層として含む膜で被覆することで、該超硬合金の特性を十分発揮させることができる。このほか、炭素工具鋼、合金工具鋼及び高速度鋼等も例示できる。

物品の種類は特に制限はないが、本発明に係る膜の特性が求められるものの例として切削工具（バイト、ドリル、リーマ、フライス、エンドミル等）や成形用型（例えば、冷間鍛造金型、温間鍛造金型、ダイカスト金型、プラスチック成形用金型、ゴム成形用金型等の成形金型）を挙げることができる。中でも、潤滑剤無しの条件下で（無潤滑で）又は潤滑剤の噴霧条件下で使用される切削工具や、４００℃以上の高温環境下で使用される成形用型（成形金型等）を挙げることができる。

本発明に係る耐摩耗性膜被覆物品における耐摩耗性膜を生産性よく形成し、ひいては該物品を生産性よく、安価に提供するために、該耐摩耗性膜或いはそれを構成する層について次のように形成されるものを例示できる。

(1) 前記耐摩耗性膜を構成する層のうち窒素、酸素、炭素及びホウ素のうち少なくとも窒素及び酸素を含むクロムアルミニゥムの化合物からなる層は、真空アークイオンプレーティング装置を用い、クロムとアルミニゥムの合金をカソード材料とし、又はクローム及びアルミニゥムをそれぞれカソード材料として該カソード材料を真空アーク放電より蒸発させ、窒素、酸素、炭素及びホウ素のうち少なくとも窒素及び酸素を含むガスと反応させることで形成された層である。

このようにして形成される窒素、酸素、炭素及びホウ素のうち少なくとも窒素及び酸素を含むクロムアルミニゥムの化合物からなる層は結晶性が高く、それより下の層或いは物品本体への密着性が高い。また、カソード材料の融点の違いによる蒸発量の変化が少なく、高い成膜速度が得られる利点がある。

(2) 前記のクロムからなる下地層、或いは窒素、酸素、炭素及びホウ素のうちいずれかを含むクロムの化合物からなる下地層を有する耐摩耗性膜の場合における該下地層は、真空アークイオンプレーティング装置を用い、クロムをカソード材料として該カソード材料を真空アーク放電より蒸発させて、或いはクロムをカソード材料として該カソード材料を真空アーク放電より蒸発させ、窒素、酸素、炭素及びホウ素のうちいずれかを含むガスと反応させることで形成された層である。
このようにして形成される下地層は、結晶性が高く、物品本体への密着性が高い。

上記(1) 、(2) のいずれの場合においても、例えば、耐摩耗性膜を構成する層のうち窒素、酸素、炭素及びホウ素のうち少なくとも窒素及び酸素を含むクロムアルミニゥムの化合物からなる層がクロムアルミニゥム（ＣｒＡｌ）の酸窒化層〔代表的にはＣｒＡｌ（Ｏ_X Ｎ_1-X ）（０．１＜ｘ＜１）〕である場合、該クロムアルミニゥム（ＣｒＡｌ）の酸窒化層を形成するための前記少なくとも窒素及び酸素を含むガスの例として、前記カソード材料に近い位置〔膜被覆対象物品よりはカソード材料に近く、好ましくは該カソード材料に臨む位置〕から導入される不活性ガス（Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ及びＸｅから選ばれた少なくとも一種のガス）及び窒素ガスを含むガスと、耐摩耗性膜被覆対象物品に近い位置〔カソード材料よりは膜被覆対象物品に近く、好ましくは該物品に臨む位置〕から導入される酸素ガスとを含むガスを挙げることができる。

なお、該窒素ガスに代えてアンモニアガス等の窒素含有ガスを用いることも可能である。
不活性ガスをカソード材料に近い位置から導入する理由は、カソード材料自身の酸化等を抑制するためである。
クロムアルミニゥムの酸窒化層にさらに炭素を含有させる場合は、例えば炭化水素ガス（例えばメタンガス、ブタンガス、プロパンガス等のメタン系炭化水素ガス、アセチレンガス等のアセチレン系炭化水素ガス、エチレン系炭化水素ガスから選ばれた少なくとも１種のガス）も採用すればよい。炭素を含有させてクロムアルミニゥムの炭酸窒化物の層を形成することでも硬度の高い耐摩耗性膜を得ることができる。ただ、このとき炭化水素ガスを使用すると、真空アークイオンプレーティング装置におけるアノードに炭化水素系の導電性不良の膜が形成されやすく、そのためアーク放電維持の点で不利になる。従って、この観点から言えば、クロムアルミニウムの酸窒化物の方が好ましい。

クロムアルミニゥムの酸窒化層にさらにホウ素（Ｂ）を含有させる場合は、例えばジボラン（Ｂ₂ Ｈ₆ ）ガスも採用すればよい。

また、前記の窒素、酸素、炭素及びホウ素のうちいずれかを含むクロムの化合物からなる下地層についても、例えばそれが窒化クロムからなる下地層であれば、それを形成するための反応性ガスとして、例えば窒素ガス、アンモニアガス等の窒素含有ガスを挙げることができる。

いずれにしても、前記真空アークイオンプレーディング装置におけるアノードのアーク放電面の面積は前記カソード材料のアーク放電面の面積より大きいことが望ましい。例えば、カソード材料のアーク放電面の面積ａに対するアノードのアーク放電面の面積ｂの比率ｂ／ａが２以上であることが望ましい。真空アークイオンプレーディング装置を構成する成膜チャンバの内壁面全体がアノードとなっていてもよい。

例えば酸素を含んだ雰囲気での前記の少なくとも窒素及び酸素を含むクロムアルミニゥムの化合物の層或いは膜を形成する場合においてアノードに絶縁皮膜が形成されることがあっても、このようにアノードのアーク放電面の面積をカソード材料のアーク放電面の面積より大きくすることで、かかるアノードへの絶縁皮膜の形成によって放電電圧（アーク電圧）が高くなり、ついには放電が持続できなくなるという事態の発生を遅らせることができる。

なお、かかるアノードへの絶縁皮膜の形成により放電電圧（アーク電圧）が高くなり、アーク放電が不安定になる場合でも、既述のように、導電性の下地層を形成する場合には、アノードが導電性膜で覆われ直されるため、耐摩耗性膜形成の繰り返し処理により膜形成の安定した環境が得られるという利点がある。

いずれにしても、前記真空アークイオンプレーディング装置は、前記真空アーク放電による前記カソード材料の蒸発に基づいて発生する真空アークプラズマを増強させる（プラズマを集束させプラズマ密度を上げ、カソード材料の溶融巨大粒子の分解を促す）磁場形成部材を有するものでもよい。

また、前記真空アークイオンプレーディング装置は、前記真空アーク放電により蒸発してイオン化されるカソード材料を耐摩耗性膜被覆対象物品へ飛翔させる偏向磁場形成部材を付設した湾曲フィルターダクトを有しているものでもよい。これにより、カソード材料の巨大溶融粒子をフィルターダクトに衝突させて、それが膜被覆対象物品へ飛来することを抑制できる。

このようにカソード材料の巨大溶融粒子（ドロップレット）が物品へ付着すること抑制する状態で形成された耐摩耗性膜は表面がそれだけ平滑であり、他の物品や部材との接触による摩擦抵抗がそれだけ低減され、それにより膜表面での摩擦発熱が抑制され、これらにより膜の耐摩耗性が維持される利点がある。

以上説明したように本発明によると、高温においても劣化し難く所望の耐摩耗性を維持、発揮し得る耐摩耗性膜で被覆された耐摩耗性膜被覆物品を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は耐摩耗性膜Ｆを被覆した物品の１例である切削工具（図示例ではエンドミルＥＭ）を示しており、図（Ａ）はその側面図、図（Ｂ）は図（Ａ）のＸ−Ｘ線に沿う切断拡大端面図である。図（Ｃ) は図（Ｂ）と同様の図であるが、下地層を有する耐摩耗性膜を形成したエンドミルを示している。
なお、図１に示すエンドミルＥＭはＪＩＳ Ｂ４１１６によるストレート２枚刃ストレートシャンク型のエンドミルである。

図１（Ｂ）に示す耐摩耗性膜Ｆは、クロム（Ｃｒ）とアルミニゥム（Ａｌ）の酸窒化膜〔ＣｒＡｌ（Ｏ_X Ｎ_1-X ）〕( 原子比x は0.1 ＜x ＜1.0)からなっている。
また図１（Ｃ）に示す耐摩耗性膜Ｆはかかるクロム（Ｃｒ）とアルミニゥム（Ａｌ）の酸窒化膜の下に、エンドミルＥＭの本体上に形成された下地層ｆを含んでいる。

この耐摩耗性膜Ｆを被覆したエンドミルＥＭは、潤滑剤無しでエアブローのみで、或いは潤滑剤を噴霧しながら、高速回転させて被削材を切削すると、該切削に伴って高熱が発生し、切削刃の部分Ｃが高温に曝される。にもかかわらず、耐摩耗性膜Ｆは劣化し難く、十分に耐摩耗性を維持、発揮する。従って、エンドミルＥＭは摩耗が抑制される状態でその所期の性能を十分発揮し得る。

次にかかるエンドミルＥＭの製造例について説明する。図２は耐摩耗性膜被覆エンドミルを得るための真空アーク蒸着装置（真空アークイオンプレーティング装置）の１例を上方から見て、且つ、一部を断面で示す図である。図３は同エンドミルを得るための真空アーク蒸着装置の他の例を上方から見て、且つ、一部を断面で示す図である。

図２、図３に示す装置は、カソードとアノード間の真空アーク放電によりカソード材料を蒸発させるとともにイオン化する蒸発源と、被成膜物品を支持するホルダと、該カソード材料構成元素を含む膜を該ホルダに支持される被成膜物品上に形成するために該蒸発源によりイオン化されたカソード材料を該ホルダに支持される被成膜物体へ向け導く磁場形成部材が付設されたダクトとを含んでいるタイプのものである。

図２に示す装置では磁場形成部材が付設されたダクトは真っ直ぐ延びるダクトである。図３に示す装置では、磁場形成部材が付設されたダクトは湾曲ダクトであり、磁場形成部材はこのダクトに沿う偏向磁場を形成する。

なお、このように磁場形成部材を付設したダクトを有しないタイプの真空アーク蒸着装置も本発明に係る耐摩耗性膜被覆物品の製造に用いることができる。

先ず、図２に示す装置とそれによる耐摩耗性膜被覆エンドミル〔図１（Ｂ）の耐摩耗性膜で被覆されたエンドミル〕の製造について説明する。
図２に示す装置Ａは、蒸発源１、成膜室２、蒸発源１と成膜室２を接続するダクト３及び成膜室２内に設置された、ここでの被成膜物品であるエンドミルＥＭを支持するホルダ４を備えている。

蒸発源１は、カソード１１、トリガー電極１２、アーク放電用電源１３、カソード１１背後のリング形状永久磁石ｍｇ等を備えている。ダクト３の後部にはカソード装着部３０が形成されており、カソード１１は該装着部３０に絶縁部材１４を介して装着されている。

カソード１１は形成しようとする膜に応じて選択した材料で形成される。ここでのカソード１１はクロムとアルミニウムの合金〔Ｃｒ_Y Ａｌ_1-Y ( 原子比ｙ＝０．５）〕である。
このカソードに対するアノードはここでは接地された成膜室２がこれを兼ねている。なお、アノードについては、例えば図１に鎖線で示すようにダクト３内においてカソード１１の端部を囲むアノードＡＮを設ける等してもよい。

トリガー電極１２はダクト３内においてカソード１１の端面（蒸発面）１１１に臨んでおり、図示を省略した往復駆動装置によりカソード蒸発面に対し接触離反可能である。図１においては、トリガー電極１２はカソード１１を貫通しているかの如く示されているが、カソード１１を貫通しているのではなく、図１には現れていないカソード周囲の壁体に往復動可能に通されている。

アーク放電用電源１３はカソード１１とアノードとの間にアーク放電用電圧を印加できるように、また、カソード１１とアノード間のアーク放電を誘発するためにカソード１１とトリガー電極１２との間にトリガー用電圧を印加できるように、カソード１１等に配線接続されている。トリガー電極１２はアーク電流が流れないように抵抗１５を介して接地されている。

ダクト３は一方では既述のように絶縁部材１４を介してカソード１１が装着されており、他方では絶縁部材２１を介して成膜室２に接続されている。ダクト３には磁場形成用コイル３１が周設されており、該コイルは電源３２に接続されている。該電源から通電することで、ダクト３に後述するプラズマ集束のための磁場を形成できる。
またダクト３にはガスを導入するガス導入部３３も設けられている。

成膜室２には、排気装置２２が接続されており、これにより成膜室２内及びこれに連通する前記ダクト３内を所定の成膜圧に減圧維持することができる。成膜室２にはガス導入部２３も設けられている。

ホルダ４は、図１に示す例では、図示省略の駆動装置により回転駆動可能の縦軸４１と、これに支持された回転台４２と、回転台４２上に配設され、図示省略の連動機構により回転台の回転に連動して公転しつつ自転する複数の保持穴部４３を備えたものである。各保持穴部４３はここに被成膜物品であるエンドミルＥＭをその切削刃部分を上に向けて差し込む穴部である。図示の例では保持穴部４３は一本のエンドミルＥＭを差し込み立設できるものであるが、穴部を例えば円状配列で複数有し、複数本のエンドミルを差し込み立設できるものとしてもよい。

以上説明した図１に示す真空アーク蒸着装置Ａによると、次のようにしてエンドミルＥＭの切削刃部分Ｃに耐摩耗性膜〔ＣｒＡｌ（Ｏ_X Ｎ_1-X ）〕( 0.1 ＜x ＜1.0 ）を被覆形成できる。
まず、ホルダ４上に成膜前のエンドミルＥＭを搭載する。次いで排気装置２２を運転して成膜室２及びダクト３内から排気し、それらを成膜圧力まで減圧する。

また、ホルダ４上のエンドミルＥＭには、膜形成用イオンを引き寄せるためのバイアス電圧を図示省略の電源から印加する。成膜中、ホルダ４上のエンドミルＥＭは回転台４２の回転により公転させつつ自転させる。

かかる状態で、蒸発源１におけるトリガー電極１２をカソード１１の蒸発面１１１に接触させ、引き続き引き離す。これにより電極１２とカソード１１間に火花が発生し、これが引き金となってアノード（成膜室２）とカソード１１との間に真空アーク放電が誘発される。このアーク放電によりカソード材料が加熱され、カソード材料が蒸発し、さらにカソード１１前方にイオン化カソード材料を含むプラズマが形成され始める。
カソード１１背後の永久磁石ｍｇは数ガウス程度のもので、蒸発面１１１におけるアークスポットの動きを制御し、アークスポットが蒸発面１１１における微小突起や割れ目等に集中することを抑制する。

また、磁場形成コイル３１へ電源３２から通電してダクト３内に磁場を形成しておく。さらに、ダクト３のガス導入部３３（すなわち、カソード１１に近い位置）からダクト３内へ不活性ガス（Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ及びＸｅから選ばれた少なくとも１種のガス）及び窒素含有ガス（例えば窒素ガス）をそれぞれ所定量導入するとともに、成膜室２のガス導入部２３（すなわち、耐摩耗性膜被覆対象物品であるエンドミルに近い位置）から酸素ガスを成膜室２内へ所定量導入する。
このとき導入する不活性ガス及び窒素含有ガスの各量、酸素ガス量は、それぞれ耐摩耗性膜〔ＣｒＡｌ（Ｏ_X Ｎ_1-X ）〕( 0.1 ＜x ＜1.0 ）を形成できる量である。

蒸発源１において生成された前記プラズマは磁場形成コイル３１により形成されたダクト内磁場により集束し、その後エンドミルＥＭへの膜形成のために適度に広がり、イオン化されたカソード材料（ここではクロムイオンとアルミニゥムイオン）がエンドミルＥＭの切削刃部分Ｃへ向け飛翔するとともに導入された窒素含有ガス及び酸素ガスと反応し、かくして各エンドミルＥＭの切削刃部分Ｃにクロム（Ｃｒ）とアルミニゥム（Ａｌ）の酸窒化膜〔ＣｒＡｌ（Ｏ_X Ｎ_1-X ）〕( 0.1 ＜x ＜1.0 ）が形成される。
以下の説明では〔ＣｒＡｌ（Ｏ_X Ｎ_1-X ）〕( 0.1 ＜x ＜1.0 ）の膜は「ＣｒＡｌＯＮ」と称することがある。

なお、成膜室２及び（又は）ダクト３内へ、さらに炭素含有ガス（代表的には炭化水素ガス）を導入することで、クロムアルミニゥム（ＣｒＡｌ）の炭酸窒化膜（以下「ＣｒＡｌＣＯＮ」という。）を形成したり、ホウ素含有ガス（例えばジボラン（Ｂ₂ Ｈ₆ ）ガス）を導入することでクロムアルミニゥム（ＣｒＡｌ）の硼酸窒化膜（以下「ＣｒＡｌＢＯＮ」という。）を形成したり、炭素含有ガス及びホウ素含有ガスを導入することでクロムアルミニゥム（ＣｒＡｌ）の硼炭酸窒化膜（以下「ＣｒＡｌＣＢＯＮ」という。）を形成することもできる。

以上の説明では、ＣｒＡｌＯＮ等の層或いは膜を形成するにあたり、カソード１１としてクロムとアルミニゥムの合金を用いたが、これに代えて、クロムからなるカソードを採用した蒸発源とアルミニウムからなるカソードを採用した蒸発原とをそれぞれ少なくとも一つずつ採用してＣｒＡｌＯＮ等の層或いは膜を形成することも可能である。

下地層ｆを形成するときは、かかるＣｒＡｌＯＮ膜等を形成するに先立って下地層を形成する。ここでは下地層ｆとしてＣｒ膜、又は窒素、酸素、炭素及びホウ素のいずれかを含むクロムの化合物膜を形成するが、この下地層形成においては、カソード１１としてクロムカソードを採用し、Ｃｒの化合物膜を形成するときは、さらに、反応性ガスとして窒素、酸素、炭素及びホウ素のいずれかを含むガスを成膜室２及び（又は）ダクト３内へ所定量導入する。

また、カソード１１として例えばクロムとアルミニウムの合金からなるカソードを用い、反応性ガスとして窒素ガス等の窒素含有ガスを採用することで、クロムアルミニゥムの窒化層を形成したり、カソード１１として例えばチタンとアルミニウムの合金からなるカソードを用い、反応性ガスとして窒素ガス等の窒素含有ガスを採用することで、チタンアルミニゥムの窒化層を形成したりすることもできる。

これらの手法を適宜組み合わせて、次の耐摩耗性膜を形成することも可能である。
(a) 窒素、酸素、炭素及びホウ素のうち少なくとも窒素及び酸素を含むクロムアルミニゥムの化合物からなる層と、窒素、酸素、炭素及びホウ素のうちいずれかを含むクロムの化合物（例えばＣｒＮ）からなる層とを含む多層積層構造の耐摩耗性膜であって、該膜を構成する層のうち最上層は窒素、酸素、炭素及びホウ素のうち少なくとも窒素及び酸素を含むクロムアルミニゥムの化合物からなる層である膜。

(b) 窒素、酸素、炭素及びホウ素のうち少なくとも窒素及び酸素を含むクロムアルミニゥムの化合物からなる層と、クロムアルミニゥムの窒化層（以下「ＣｒＡｌＮ」という。）とを含む多層積層構造の膜であり、該膜を構成する層のうち最上層は窒素、酸素、炭素及びホウ素のうち少なくとも窒素及び酸素を含む前記クロムアルミニゥムの化合物からなる層である膜。

(c) 窒素、酸素、炭素及びホウ素のうち少なくとも窒素及び酸素を含むクロムアルミニゥムの化合物からなる層と、チタンアルミニゥムの窒化層（以下「ＴｉＡｌＮ」という。）とを含む多層積層構造の膜であり、該膜を構成する層のうち最上層は窒素、酸素、炭素及びホウ素のうち少なくとも窒素及び酸素を含むクロムアルミニゥムの化合物からなる層である膜。

いずれにしても成膜中、コイル３１に通電してダクト３内に磁場を形成するときは、その磁場によりプラズマが集束した高密度プラズマ領域においては、その領域へ飛来することがあるカソード材料の巨大溶融粒子が該高密度プラズマにより分解され、それだけ被成膜物品への巨大溶融粒子の飛来を抑制して被成膜物品上に良質の膜を形成することができる。

以上説明した真空アーク蒸着装置Ａにおいては、ダクト３は真っ直ぐ延びたものであるが、図３に示す真空アーク蒸着装置Ｂのように、湾曲したダクト３’を採用してもよい。かかるダクト３’を採用するときにも、該ダクト３’に磁場形成コイル３１’を周設し、これに電源３２’から通電することでダクト内に磁場を形成することができる。
なお、装置Ｂでは、装置Ａにおけるダクト３のガス導入部３３に相当するものとして、ダクト３’のカソード近傍部位にガス導入部３３’を設けてある。

次に、図２に示すタイプの真空アーク蒸着装置においてエンドミルＥＭに、耐摩耗性膜として、
・ＣｒＡｌＯＮ膜を形成した実験例１〜３、
・ＣｒＡｌＢＯＮ膜を形成した実験例４、
・ＣｒＡｌＣＯＮ膜を形成した実験例５、
・ＣｒＡｌＣＢＯＮ膜を形成した実験例６、
・下地層（ＣｒＮ）上にＣｒＡｌＯＮ層を形成した実験例７、
・ＣｒＡｌＮ層とＣｒＡｌＯＮ層の積層構造膜を形成した実験例８、
・ＣｒＮ層とＣｒＡｌＯＮ層の交互積層構造膜を形成した実験例９、及び
・コイル３１に通電して磁場を形成してＣｒＡｌＯＮ膜を形成した実験例１０、並びに
・ＴｉＡｌＮ膜を形成した比較実験例１、
・ＣｒＯＮ膜を形成した比較実験例２及び
・ＣｒＡｌＮ膜を形成した比較実験例３について表１にまとめて示す。
なお、実験例１〜９及び比較実験例１〜３ではコイル３１に通電しなかった。

これらの膜形成は、いずれも成膜圧力を３．０Ｐａ、カソードへのアーク電流を１００アンペア、エンドミルへのバイアス電圧を−５０Ｖとして、全膜厚３μｍを得るように行った。実験例７におけるＣｒＮ層厚は１μｍ、ＣｒＡｌＯＮ層厚は２μｍであった。実験例８でのＣｒＡｌＮ層厚は１．２μｍ、ＣｒＡｌＯＮ層厚は２μｍであった。実験例９での各ＣｒＮ層の厚さは０．５μｍ、各ＣｒＡｌＯＮ層の厚さは１．０μｍであった。

以上の実験に用いたエンドミルＥＭの本体の詳細は以下のとおりである。
・ＪＩＳ Ｂ４１１６で定めるエンドミル
・切削刃の部分が超硬合金（ＷＣ−Ｃｏ系）で形成されている。
・切削刃の部分が１０ｍｍ径に形成されており、切削刃による切り込み深さは半径方向に１ｍｍ、軸方向に１０ｍｍである。

表１に示す各エンドミルについて評価するため、エンドミルに形成された耐摩耗性膜の大気中における室温及び１０００℃で１時間加熱後のそれぞれにおけるマイクロビッカース硬度（Ｈｍｖ）の測定、並びにダイヤモンド圧子に荷重を加えて引っ掻くスクラッチ試験による膜密着性評価（種々の荷重による膜剥離荷重による評価）及び切削性評価（逃げ面摩耗量による評価）を行った。また、膜表面粗さＲａについて表面粗さ計で測定し、結晶配向方位（ＣｒＮ＜１１１＞及び／又はＣｒＮ＜２２０＞の有無についてＸ線回折法で測定した。これらの結果も表１にまとめて示す。

切削性評価は次の条件で行った。
・被削材：ダイス鋼（ＳＫＤ６１）
・エンドミル回転速度：１０００回転／分
・エンドミル送り速度：１３４ｍｍ／分
・切削方式：ダウンカット、無潤滑、エアブロー

表１から、本発明に係る実験例１〜１０のそれぞれの耐摩耗性膜は比較実験例１〜３に示される従来タイプの膜より、高温においても劣化し難く、耐摩耗性を維持、発揮し得ることが分かる。

本発明は、例えば自動車部品、各種機械の部品、各種工具や、自動車部品、機械部品等の成形に用いる金型等の成形用型等の物品であって、たとえ高温に曝されてもなお耐摩耗性を維持、発揮し得る耐摩耗性膜で被覆された物品を提供することに適用できる。

図（Ａ）は耐摩耗性膜被覆物品の１例である耐摩耗性膜被覆エンドミルの側面図であり、図（Ｂ）は図（Ａ）のＸ−Ｘ線に沿う切断拡大端面図であり、図（Ｃ) は下地層を有する耐摩耗性膜を有するエンドミルの図（Ｂ）と同様の切断拡大端面図である。 真空アーク蒸着装置の１例を上方からみて、且つ、一部を断面で示す図である。 真空アーク蒸着装置の他の例を示す図である。

符号の説明

ＥＭ エンドミル
Ｃ エンドミルの切削刃部分
Ｆ 耐摩耗性膜
ｆ 下地層
Ａ 真空アーク蒸着装置
１ 蒸発源
１１ カソード
１１１ カソード蒸発面
１２ トリガー電極
１３ アーク放電用電源
１４ 絶縁部材
１５ 抵抗
ｍｇ 永久磁石
２ 成膜室
２１ 絶縁部材
２２ 排気装置
２３ ガス導入部
３ ダクト
３０ カソード装着部
３１ 磁場形成用コイル
３２ 電源
３３ ガス導入部
ＡＮ アノード
４ ホルダ
４１ 縦軸
４２ 回転台
４３ エンドミルの保持穴部
Ｂ 真空アーク蒸着装置
１’ 蒸発源
３’ 湾曲ダクト
３１’ 磁場形成コイル
３２’ 電源
３３’ ガス導入部

Claims (19)

1. 窒素、酸素、炭素及びホウ素のうち少なくとも窒素及び酸素を含むクロムアルミニゥムの化合物の層を最上層として含む耐摩耗性膜で被覆されており、該耐摩耗性膜のマイクロビッカース硬度が室温下で２０００以上であることを特徴とする耐摩耗性膜被覆物品。
2. 前記耐摩耗性膜における、窒素、酸素、炭素及びホウ素に対する酸素の存在比率が１０原子％より大きく１００原子％未満である請求項１記載の耐摩耗性膜被覆物品。
3. 前記耐摩耗性膜中にＣｒＮ＜１１１＞及びＣｒＮ＜２２０＞のうち少なくとも一方の結晶配向方位が存在している請求項１又は２記載の耐摩耗性膜被覆物品。
4. 前記耐摩耗性膜の厚さが０．１μｍ〜１０μｍである請求項１、２又は３記載の耐摩耗性膜被覆物品。
5. 前記耐摩耗性膜は、前記クロムアルミニゥムの化合物からなる最上層と物品本体との間の下地層を含んでおり、該下地層は、クロムからなる下地層、又は窒素、酸素、炭素及びホウ素のうちいずれかを含むクロムの化合物からなる下地層である請求項１から４のいずれかに記載の耐摩耗性膜被覆物品。
6. 前記耐摩耗性膜は、窒素、酸素、炭素及びホウ素のうち少なくとも窒素及び酸素を含むクロムアルミニゥムの化合物からなる層と、窒素、酸素、炭素及びホウ素のうちいずれかを含むクロムの化合物からなる層とを含む多層積層構造の膜であり、該膜を構成する層のうち最上層は窒素、酸素、炭素及びホウ素のうち少なくとも窒素及び酸素を含む前記クロムアルミニゥムの化合物からなる層である請求項１から４のいずれかに記載の耐摩耗性膜被覆物品。
7. 前記耐摩耗性膜は、窒素、酸素、炭素及びホウ素のうち少なくとも窒素及び酸素を含むクロムアルミニゥムの化合物からなる層と、クロムアルミニゥムの窒化層とを含む多層積層構造の膜であり、該膜を構成する層のうち最上層は窒素、酸素、炭素及びホウ素のうち少なくとも窒素及び酸素を含むクロムアルミニゥムの化合物からなる層である請求項１から４のいずれかに記載の耐摩耗性膜被覆物品。
8. 前記耐摩耗性膜は、窒素、酸素、炭素及びホウ素のうち少なくとも窒素及び酸素を含むクロムアルミニゥムの化合物からなる層と、チタンアルミニゥムの窒化層とを含む多層積層構造の膜であり、該膜を構成する層のうち最上層は窒素、酸素、炭素及びホウ素のうち少なくとも窒素及び酸素を含むクロムアルミニゥムの化合物からなる層である請求項１から４のいずれかに記載の耐摩耗性膜被覆物品。
9. 前記耐摩耗性膜はさらに、少なくとも最上層にシリコンを含んでいる請求項１から８のいずれかに記載の耐摩耗性膜被覆物品。
10. 前記耐摩耗性膜の表面粗さＲａが０．２μｍ以下である請求項１から９のいずれかに記載の耐摩耗性膜被覆物品。
11. 物品本体の前記耐摩耗性膜で被覆された部分の材質は超硬合金、炭素工具鋼、合金工具鋼及び高速度鋼から選ばれた少なくとも１種である請求項１から１０のいずれかに記載の耐摩耗性膜被覆物品。
12. 潤滑剤無しの条件下で又は潤滑剤の噴霧条件下で使用される切削工具である請求項１から１１のいずれかに記載の耐摩耗性膜被覆物品。
13. ４００℃以上の高温環境下で使用される成形用型である請求項１から１１のいずれかに記載の耐摩耗性膜被覆物品。
14. 前記耐摩耗性膜を構成する層のうち窒素、酸素、炭素及びホウ素のうち少なくとも窒素及び酸素を含むクロムアルミニゥムの化合物からなる層は、真空アークイオンプレーティング装置を用い、クロムとアルミニゥムの合金をカソード材料とし、又はクローム及びアルミニゥムをそれぞれカソード材料として該カソード材料を真空アーク放電により蒸発させ、窒素、酸素、炭素及びホウ素のうち少なくとも窒素及び酸素を含むガスと反応させることで形成された層である請求項１から１３のいずれかに記載の耐摩耗性膜被覆物品。
15. 前記耐摩耗性膜を構成する層のうち窒素、酸素、炭素及びホウ素のうち少なくとも窒素及び酸素を含むクロムアルミニゥムの化合物からなる層は、真空アークイオンプレーティング装置を用い、クロムとアルミニゥムの合金をカソード材料とし、又はクローム及びアルミニゥムをそれぞれカソード材料として該カソード材料を真空アーク放電により蒸発させ、窒素、酸素、炭素及びホウ素のうち少なくとも窒素及び酸素を含むガスと反応させることで形成された層であり、
    前記下地層は、真空アークイオンプレーティング装置を用い、クロムをカソード材料として該カソード材料を真空アーク放電より蒸発させて、或いはクロムをカソード材料として該カソード材料を真空アーク放電より蒸発させ、窒素、酸素、炭素及びホウ素のうちいずれかを含むガスと反応させることで形成された層である請求項５記載の耐摩耗性膜被覆物品。
16. 前記耐摩耗性膜を構成する層のうち窒素、酸素、炭素及びホウ素のうち少なくとも窒素及び酸素を含むクロムアルミニゥムの化合物からなる層はクロムアルミニゥムの酸窒化層であり、該クロムアルミニゥム酸窒化層を形成するための前記ガスは前記カソード材料に近い位置から導入される不活性ガス及び窒素含有ガスを含むガスと、耐摩耗性膜被覆対象物品に近い位置から導入される酸素ガスとを含むガスである請求項１４又は１５記載の耐摩耗性膜被覆物品。
17. 前記真空アークイオンプレーディング装置におけるアノードのアーク放電面の面積は前記カソード材料のアーク放電面の面積より大きい請求項１４、１５又は１６記載の耐摩耗性膜被覆物品。
18. 前記真空アークイオンプレーディング装置は、前記真空アーク放電による前記カソード材料の蒸発に基づいて発生する真空アークプラズマを増強させる磁場形成部材を有している請求項１４から１７のいずれかに記載の耐摩耗性膜被覆物品。
19. 前記真空アークイオンプレーディング装置は、前記真空アーク放電により蒸発してイオン化されるカソード材料を耐摩耗性膜被覆対象物品へ飛翔させる偏向磁場形成部材を付設した湾曲フィルターダクトを有している請求項１４から１７のいずれかに記載の耐摩耗性膜被覆物品。