JP2007204820A

JP2007204820A - 硬質皮膜およびその成膜方法

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Publication number: JP2007204820A
Application number: JP2006026444A
Authority: JP
Inventors: Kenji Yamamoto; 兼司山本; Susumu Kujime; 進久次米
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2006-02-03
Filing date: 2006-02-03
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2026-02-03
Also published as: USRE44414E1; US7763366B2; JP4950499B2; KR20070079915A; KR100837031B1; CN102304692B; DE102007003272A1; DE102007003272B4; US20070184306A1; CN101012545A; CN102304692A

Abstract

【課題】従来知られている硬質皮膜の耐摩耗性をさらに向上させることのできる切削工具用硬質皮膜を提供することを目的とする。
【解決手段】工具の表面に被覆される硬質皮膜であって、（Ｃｒ_1-a-bＡｌ_aＳｉ_b）（Ｂ_xＣ_yＮ_1-x-y）からなり、それぞれの原子比が、
０＜ａ≦０．４
０．０５≦ｂ≦０．３５
０．２５≦１−ａ−ｂ≦０．９
０≦ｘ≦０．１５
０≦ｙ≦０．５
または、（Ｍ_1-a-bＡｌ_aＳｉ_b）（Ｂ_xＣ_yＮ_1-x-y）からなり、それぞれの原子比が、
０．０５≦ａ≦０．５
０．１＜ｂ≦０．３５
０≦ｘ≦０．１５
０≦ｙ≦０．５
（但し、Ｍは、ＴｉとＣｒ）
からなる硬質皮膜を提供する。
【選択図】図３

Description

本発明は、チップ、ドリル、エンドミル等の切削工具あるいは鍛造金型、打ち抜きパンチ等の工具の耐摩耗性を向上するための硬質皮膜およびその成膜方法に関するものである。

従来より、超硬合金、サーメットまたは高速度工具鋼を基材とする切削工具の耐摩耗性を向上させることを目的に、ＴｉＮやＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ等の硬質皮膜をコーティングすることが行われている。特に、特許文献１に開示されるようなＴｉとＡｌの複合窒化（ＴｉＡｌＮ）皮膜が、優れた耐摩耗性を示すことから、前記チタンの窒化物や炭化物、炭窒化物等からなる皮膜に代わって、高速切削用や焼き入れ鋼等の高硬度材切削用の切削工具に適用されつつある。また、特許文献２では、結晶構造や成分の異なる皮膜を積層させて耐摩耗性を向上させたり、特許文献３のように、ＴｉＡｌＳｉＮ皮膜にＣｒを添加して、硬度や耐酸化性をより高めた皮膜も開示されている。

特許第２６４４７１０号公報特開２００５−２１３６３７号公報特開２００３−７１６１１号公報

しかしながら、近年の被削材の高硬度化や切削速度の高速度化や、工具の表面温度が高温となる高速のドライ切削などの要求に伴い、工具の硬度や耐酸化性、すなわち耐摩耗性をさらに改善する硬質皮膜が求められている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来知られている硬質皮膜の耐摩耗性をさらに向上させることのできる工具用硬質皮膜およびその成膜方法を提供することを目的とする。

優れた耐摩耗性を有する（ＣｒＡｌＳｉ）（ＢＣＮ）系皮膜、または、これにＴｉを含む皮膜は、従来はＡｌの含有量の多い皮膜が開発されていたが、ＡｌやＳｉを多く添加した場合、皮膜の結晶構造が六方晶あるいは非晶質化による軟質化を引き起こすことが多かった。本発明者らは、Ａｌの含有量を従来よりも少なくし、Ｓｉ量を増加させることで、本質的に硬度や耐酸化性の優れた皮膜を得ることを見出し、さらに、その組成で好適な結晶構造を持つ皮膜を形成する方法に関しても検討を重ね、本発明を完成するに至った。

すなわち、請求項１に記載の硬質皮膜は、工具の表面に被覆される硬質皮膜であって、組成が（Ｃｒ_1-a-bＡｌ_aＳｉ_b）（Ｂ_xＣ_yＮ_1-x-y）からなり、それぞれの原子比が、
０＜ａ≦０．４
０．０５≦ｂ≦０．３５
０．２５≦１−ａ−ｂ≦０．９
０≦ｘ≦０．１５
０≦ｙ≦０．５
であることを特徴としている。
また、請求項２に記載の硬質皮膜は、工具の表面に被覆される硬質皮膜であって、組成が（Ｍ_1-a-bＡｌ_aＳｉ_b）（Ｂ_xＣ_yＮ_1-x-y）からなり、それぞれの原子比が、
０．０５≦ａ≦０．５
０．１＜ｂ≦０．３５
０≦ｘ≦０．１５
０≦ｙ≦０．５
（但し、Ｍは、ＴｉとＣｒ）
であることを特徴としている。

これにより、本質的に硬度や耐酸化性の優れた皮膜を得ることができ、また皮膜の結晶構造において、六方晶や非晶質の生成を抑えることができる。

請求項３に記載の硬質皮膜は、請求項１または請求項２に記載の硬質皮膜であって、皮膜中に酸素を含有していることを特徴としている。
また、請求項４に記載の硬質皮膜は、請求項３に記載の硬質皮膜であって、（Ｂ_xＣ_yＮ_1-x-y-zＯ_z）からなる部分の原子比が、
０≦ｘ≦０．１５
０≦ｙ≦０．５
０＜ｚ≦０．５
０．３５≦１−ｘ−ｙ−ｚ＜１
であり、かつ表面側に形成されていることを特徴としている。

これにより、皮膜は化学的に安定するので、工具の表面温度が高温となる高速・ドライ切削等においても、耐酸化性を向上させることができる。

請求項５に記載の硬質皮膜は、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の硬質皮膜であって、当該組成の範囲において互いに異なる組成の硬質皮膜が２層以上形成されていることを特徴としている。

これにより、工具の直上には硬度を重視した皮膜を、表面側には耐酸化性を重視した皮膜を被覆するなど、用途に応じて好適な皮膜を選定し、組み合わせることができる。

請求項６に記載の硬質皮膜は、請求項1から請求項５のいずれか１項に記載の硬質皮膜の片面側または両面側に、４Ａ族、５Ａ族、６Ａ族、ＡｌおよびＳｉから選択され、前記硬質皮膜とは組成の異なる金属窒化物層、金属炭化物層、金属ホウ化物層、金属炭窒化物層、金属炭ホウ化物層、金属ホウ窒化物層、金属炭ホウ化窒化物層よりなる群から選択される層が積層されていることを特徴としている。
また、請求項７に記載の硬質皮膜は、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の硬質皮膜の片面側または両面側に、４Ａ族、５Ａ族、６Ａ族、ＡｌおよびＳｉよりなる群から選択される少なくとも１種の金属を含む金属層または合金層が積層されていることを特徴としている。

これにより、工具基材に合せて密着性の高い皮膜を工具の直上に形成したり、利用環境に応じて耐食性の高い皮膜と積層するなど、本発明の特性を生かしつつ選択性をさらに広げることができる。また組成が異なれば、すなわち結晶構造の異なる皮膜が好適に積層され、さらに耐摩耗性が向上する場合も多い。

請求項８に記載の硬質皮膜は、請求項６または請求項７に記載の硬質皮膜が、さらに１以上積層されていることを特徴としている。
これにより、他の組成の皮膜が持つ特性を維持しながら、耐摩耗性をさらに向上させることができる。

請求項９に記載の硬質皮膜は、結晶構造が岩塩構造であることを特徴としている。
これにより、耐摩耗性に優れた好適な皮膜を得ることができる。

請求項１０に記載の硬質皮膜の成膜方法は、アンバランストスパッタリング法あるいは磁場を印加する機構を有したカソード型アークイオンプレーティング法であることを特徴としている。
また請求項１１に記載の硬質皮膜の成膜方法は、ターゲットの蒸発面にほぼ直交して前方に発散ないし平行に進行する磁力線を形成し、この磁力線によって被処理体近傍における成膜ガスのプラズマ化を促進しつつ成膜することを特徴としている。

これにより、耐摩耗性に優れた好適な結晶構造の皮膜を形成することができる。

本発明に係る硬質皮膜は、切削工具等の硬度や耐酸化性、すなわち耐摩耗性をさらに向上させることができる。また本発明に係る硬質皮膜の成膜方法は、耐摩耗性に優れた好適な結晶構造の皮膜を形成することができる。

以下、本発明に係る硬質皮膜を実施するための最良の形態について説明する。
本発明に係る硬質皮膜は、チップ、ドリル、エンドミル等の切削工具あるいは鍛造金型、打ち抜きパンチ等の工具の表面に被覆されて使用されるものである。ここで使用される工具は、超硬合金、サーメットまたは高速度工具鋼等を基材としている。

（皮膜の組成・構造）
まず（ＣｒＡｌＳｉ）（ＢＣＮ）系皮膜の組成について説明する。
アルミニウムＡｌの含有量は原子比で０．４以下とし、好ましくは０．３５以下である。全く添加しない場合は、耐酸化性や硬度が低くなることから、０．０５以上の添加が好ましく、０．１５以上がより望ましい。
珪素Ｓｉに関しても０．０５以上、０．３５以下とし、好ましくは０．１以上、０．２５以下である。
クロムＣｒについては、Ａｌ＋Ｓｉの残量に相当し、耐酸化性と結晶構造に強く影響を及ぼす。ＡｌとＳｉの合計量は、０．３以上、０．６以下が好ましく、０．４以上、０．５５以下がより望ましい。

同様に、チタンＴｉを含む（ＴｉＣｒＡｌＳｉ）（ＢＣＮ）系皮膜の組成は次の通りである。
Ａｌの含有量は０．０５以上、０．５以下とし、Ｓｉは０．１より大きく、０．３５以下である。ＡｌまたはＳｉが前記下限の量を下回った場合は、耐酸化性や硬度の改善効果が低くなる。また、ＡｌとＳｉの合計量は、０．２以上、０．７以下が好ましく、０．３以上、０．６以下がより望ましい。
ＴｉとＣｒの添加量は、前記のＡｌ＋Ｓｉの残量に相当し、０．１５以上とする。また、ＴｉとＣｒの比率は、特に制限はないが、ＴｉがＣｒよりも相対的に多い場合は、硬度がより高くなり、逆にＣｒの方が多い場合には、硬度はやや低下する一方で、耐酸化性は向上することから、目的に応じて使い分けることができる。

窒素Ｎは、本発明の硬質皮膜の基本成分となり、原子比で０．３５以上である。ホウ素Ｂあるいは炭素Ｃの添加は、硬質皮膜の特性を変化させ、目的に応じて制御可能である。
ホウ素Ｂは添加により、Ｎと結合して潤滑性を有するＢ−Ｎ結合を生成し、摩擦力を下げて耐摩耗性を向上させたり、金属と結合して硬質ホウ化物（ＴｉＢ２等）を形成し、硬度を上昇させる効果がある。過度に添加すると皮膜の非晶質化を招くので、Ｂの添加量は原子比で０．１５以下とし、好ましくは０．１以下である。
炭素Ｃに関しては、添加により硬質炭化物を形成し、皮膜の硬度を増加することができる。過度の添加は、未反応のＣや不安定なＡｌ−Ｃ結合を生成するため、Ｃの添加量は０．５以下とし、好ましくは０．４以下である。

上記により、本発明の硬質皮膜の組成に関する組合せは以下の通りとなり、それぞれの特性は後記する実施例の結果に示される。
（ＣｒＡｌＳｉ）Ｎ、（ＣｒＡｌＳｉ）（ＢＮ）、（ＣｒＡｌＳｉ）（ＣＮ）、（ＣｒＡｌＳｉ）（ＢＣＮ）、（ＴｉＣｒＡｌＳｉ）Ｎ、（ＴｉＣｒＡｌＳｉ）（ＢＮ）、（ＴｉＣｒＡｌＳｉ）（ＣＮ）、（ＴｉＣｒＡｌＳｉ）（ＢＣＮ）

前記した硬質皮膜に、その特性を損なわない範囲で、皮膜中に酸素を導入し、酸化物含有皮膜とすることができる。皮膜中に酸素が導入された場合、皮膜の硬度は低下するものの、化学的に安定するので、金属系材料の切削加工において、被削材との反応性が低下し、耐酸化性が向上する。従って、酸素導入層は皮膜の被削材に接する部分、すなわち表面側に形成するのが有効である。表面側に酸素導入層を形成する方法は、成膜中に導入する窒素を、最後に、窒素＋酸素に切り替えればよい。酸素を過度に添加すると皮膜硬度の極端な低下により耐摩耗性が劣化することから、酸素量は原子比で０．５以下とし、０．４以下であることが好ましい。なお酸素を導入した場合でも、基本成分である窒素の含有量は０．３５以上とする。

さらに本発明は、前記した硬質皮膜を、当該組成の範囲において互いに異なる組成で２層以上積層させて用いることもできる。また用途によっては、前記硬質皮膜または前記積層された皮膜と、４Ａ族、５Ａ族、６Ａ族およびＡｌ、Ｓｉから選択され、前記硬質皮膜とは組成の異なる金属窒化物層、金属炭化物層、金属ホウ化物層、金属炭窒化物層、金属炭ホウ化物層、金属ホウ窒化物層、金属炭ホウ化窒化物層よりなる群から選択される層とを積層させてもよい。これらの層は例えば、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＣｒＡｌＮ、ＣｒＡｌＳｉＮ、ＴｉＣｒＡｌＳｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＴｉＣｒＡｌＣＮ、ＴｉＣ、ＴｉＢ２、ＴｉＢＣＮ、ＴｉＣｒＡｌＢＮの皮膜が挙げられる。
また、前記積層皮膜を含む本発明の硬質皮膜は、その片面側または両面側に、４Ａ族、５Ａ族、６Ａ族、ＡｌおよびＳｉよりなる群から選択される少なくとも１種の金属を含む金属層または合金層が積層されていてもよい。前記４Ａ族、５Ａ族、６Ａ族の金属として、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｂ等が挙げられ、合金としてはＴｉ−Ａｌ等を用いることができる。

前記にて積層された皮膜は、当該積層をさらに１以上積層されるのが好ましい。それによって本発明の硬質皮膜や他の組成の皮膜の持つ特性をさらに向上させることができる。

本発明の硬質皮膜の結晶構造は、岩塩構造型が好ましい。軟質な六方晶構造や非晶質の形成を抑制して、岩塩型硬質皮膜を被覆することにより、耐摩耗性に優れた工具が得られる。

また、硬質皮膜の膜厚は、単層の場合であっても、複数の層を積層した場合でも、０．５μｍ以上、２０μｍ以下である。０．５μｍ未満の薄い膜厚の場合は耐摩耗性が弱く、一方２０μｍを超える膜厚の場合は、切削作業中に皮膜の欠損や剥離が発生してしまう。より望ましくは、１μｍ以上、１５μｍ以下である。なお積層の場合は、１層当りの膜厚は３０００ｎｍ未満とし、好ましくは１０００ｎｍ以下、より望ましくは５００ｎｍ以下である。

（成膜方法・装置）
さらに、結晶構造が好適な岩塩構造型の硬質皮膜を形成するための蒸発源としては、スパッタリング方式では図１に示すようなアンバランストマグネトロンスパッタリング蒸発源２Ｓあるいは、アーク方式では図２（ａ）または（ｂ）に示す磁場を印加する機構を付与したアーク式蒸発源２Ａが挙げられる。これらは図１または図２に示すように、蒸発源前方にターゲット６の垂線方向にほぼ平行に磁力線が形成されている。蒸発源前方に形成されるプラズマ中に存在する電子が磁力線によってサイクロトロン運動を行い、ガス種のイオン化が促進される。高いイオン密度は皮膜の緻密化、高硬度化に寄与する。スパッタリング法の場合は、従来のバランストマグネトロン方式では、本発明の皮膜を形成するのが困難であり、アーク法では従来のように磁場がターゲットの裏側に配置されたカソード蒸発源では本発明の皮膜を製作するのは困難であり、磁石がターゲットの横または前方に配置されて、ターゲット蒸発面にほぼ直交して前方に発散ないし平行に進行する磁力線を形成し、この磁力線によって成膜ガスのプラズマ化を促進することが本発明の硬質皮膜を形成する上で大変有効である。

本発明を実施する形態の一例として、図３にアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）装置を示しながら簡単に説明する。
このＡＩＰ装置は、真空排気する排気口１１と、成膜ガスおよび希ガスを供給するガス供給口１２とを有する真空容器１と、アーク放電によって陰極を構成するターゲットを蒸発させてイオン化するアーク式蒸発源２Ａと、コーティング対象である被処理体（切削工具）Ｗと支持する支持台３と、この支持台３と前記真空容器１との間で支持台３を通して被処理体Ｗに負のバイアス電圧を印加するバイアス電源４とを備えている。本発明の実施に際しては、供給するガスは、成膜成分に合せて窒素（Ｎ₂）、メタン（ＣＨ₄）、酸素（Ｏ₂）等の成膜ガスと、アルゴン等の希ガスとの混合ガスが使用される。
アーク式蒸発源２は、陰極を構成するターゲット６と、このターゲット６と陽極を構成する真空容器１との間に接続されたアーク電源７と、ターゲット６の蒸発面Ｓにほぼ直交して前方に発散ないし平行に進行し、被処理体Ｗの近傍まで伸びる磁力線を形成する磁界形成手段としての磁石（永久磁石）８とを備えている。被処理体Ｗの近傍付近における磁束密度としては、被処理体Ｗの中心部において磁束密度が１０Ｇ（ガウス）以上、好ましくは３０Ｇ以上とするのが良い。なお、蒸発面にほぼ直交するとは、蒸発面の垂線方向に対して０°を含み、３０°程度以下の角度をなすことを意味する。

図２（ｂ）は、本発明の実施に供するアーク式蒸発源要部の一例を拡大した断面概略図であるが、磁界形成手段としての磁石８は、ターゲット６の蒸発面Ｓを取り囲むように配置されている。磁界形成手段としては、前記磁石に限らず、コイルとコイル電源とを備えた電磁石でも良い。また、磁石の配置場所は、図２（ａ）に示すように、ターゲット６の蒸発面Ｓの前方（被処理体Ｗ側）を取り囲むように設けてもよい。

本発明で使用するＡＩＰ装置のアーク式蒸発源と、従来のそれとの磁場構造の違いは、成膜ガスのプラズマの広がり方の違いにある。
図２（ｂ）に示すように、放電で発生した電子ｅの一部が磁力線に巻き付くように運動を行い、この電子が成膜ガスを構成する窒素分子等と衝突することによって成膜ガスがプラズマ化する。従来の蒸発源では、磁力線がターゲット近傍に限られるため、上記のようにして生成された成膜ガスのプラズマの密度はターゲット近傍が最も高く、被処理体の近傍ではプラズマ密度がかなり低いものとなっている。これに対し、本発明で使用する蒸発源２Ａでは、磁力線が被処理体Ｗにまで伸びるため、被処理体Ｗ近傍における成膜ガスのプラズマ密度が従来の蒸発源に比べ格段に高いものとなっている。

以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。

（実施例１）
前記図３に示すＡＩＰ装置のカソードに金属元素〔Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ〕からなる合金ターゲット６を取り付け、被処理体Ｗとして鏡面研摩した超硬合金製チップ、白金箔（０．１ｍｍ厚み）および超硬合金製スクエアエンドミル（直径１０ｍｍ、６枚刃）を取り付け、真空容器１内を真空状態にした。その後、真空容器１内にあるヒータで被処理体Ｗの温度を５５０℃に加熱し、窒素ガスを導入して真空容器１内の圧力を４Ｐａにしてアーク放電を開始し、基板（被処理体Ｗ）の表面に膜厚３μｍの皮膜を形成した。皮膜中にＢを含有させるときは、前記合金ターゲットにＢを混合し、ＣおよびＯを含有させるときは、成膜ガス中に、各々ＣＨ₄およびＯ₂ガスを導入した。なお、成膜中にアース電位に対して基板（被処理体Ｗ）がマイナス電位となるよう−３０〜−１００Ｖのバイアス電圧を基板（被処理体Ｗ）に印加した。

成膜終了後、皮膜の成分組成、結晶構造、ビッカース硬度および酸化開始温度を調べた。皮膜の成分組成はＥＰＭＡ（質量吸収係数補正）により測定した。また、結晶構造はＸ線回折により同定した。さらに耐摩耗性を評価すべく、硬質皮膜を形成したエンドミルを用い、以下の条件で切削試験を行って刃先逃げ面の摩耗量（摩耗幅）を測定した。摩耗量（摩耗幅）が小さいほど、耐摩耗性に優れている。また、形成した皮膜の耐酸化性に関しては、白金箔上に形成したサンプルを人工空気（乾燥空気）中にて、４℃／分の速度で加熱し、酸化による重量増加曲線を作成し、その曲線上で、重量増加が生じる温度を、酸化開始温度とした。酸化開始温度が高いほど、被削材との反応性が低下し、耐酸化性に優れている。

切削条件
被削材：ＳＫＤ６１（ＨＲＣ５０）
切削速度：３００ｍ／分
刃送り：０．０５ｍｍ／刃
軸切り込み：５ｍｍ
径方向切り込み：１．０ｍｍ
切削長：１５０ｍ
その他：ダウンカット、ドライカット、エアブローのみ
評価：刃先逃げ面の摩耗量（摩耗幅）

表１に実施例１の評価結果を示す。表１の記載で、結晶構造のＣは岩塩型を指し、Ｈは六方晶、Ａは非晶質、Ｃ＋Ｈは岩塩型と六方晶の混合体の構造を示す。前記したように、岩塩型結晶構造の皮膜が最も好ましいが、Ｃ＋Ｈであっても高い硬度を持つ皮膜もある。
ここで番号１と２のサンプルは、従来型のＴｉＮやＴｉＡｌＮ系硬質皮膜である。
番号３から１９のサンプルは、Ｃｒを必須成分としＡｌとＳｉの量を変化させた金属窒化物の皮膜であるが、ここで明らかなように、Ａｌが相対的に多い場合は、一定量のＳｉを含んでいても、硬度も酸化開始温度も低く、すなわち摩耗量が多くなる。またＳｉが相対的に多い場合は、非晶質化を起こし、硬度は低い。
前記金属窒化物をベースとして、番号２０から２４はホウ素Ｂを、番号２５から２９は炭素Ｃを、また番号３１から３６は酸素Ｏの含有量を変化させたときのサンプルであり、これらから、それぞれの元素の好ましい含有量が得られる。

（実施例２）
上記と同様に、〔Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ〕からなるターゲット合金から成膜を行った。なおこの実施例２での切削条件は以下の通りである。
切削条件
被削材：ＳＫＤ１１（ＨＲＣ６０）
切削速度：１５０ｍ／分
刃送り：０．０５ｍｍ／分
軸切り込み：５ｍｍ
径方向切り込み：０．３ｍｍ
切削長：５０ｍ
その他：ダウンカット、ドライカット、エアブローのみ
評価：刃先逃げ面の摩耗量（摩耗幅）

実施例２の評価結果を表２に示す。Ｔｉを含む場合であっても、実施例１と同様の効果が得られた。

（実施例３）
前記図３に示すＡＩＰ装置に複数の本実施例におけるアーク式蒸発源（図示なし）を取り付け、各々の蒸発源には異なる合金ターゲットを取り付け、表３に示す積層型の皮膜を形成した。表３で、層２は本発明の請求項１または２に記載した組成の皮膜であり、層１は、請求項６から８に記載した、前記皮膜と積層される他の皮膜である。なお層１が基板（被処理体Ｗ）上の皮膜であり、その上（表面側）に層２の皮膜が形成される。また積層数とは、層１と層２との１対を積層数１と数えた。積層数が複数の皮膜は、前記の異なる合金ターゲットを交互に蒸発させ、成膜ガスを生成した。被処理体Ｗとして鏡面研摩した超硬合金製チップ、白金箔（０．１ｍｍ厚み）および超硬合金製スクエアエンドミル（直径１０ｍｍ、６枚刃）を取り付け、真空容器１内を真空状態にした。その後、真空容器１内にあるヒータで被処理体Ｗの温度を５５０℃に加熱し、窒素ガスを導入して真空容器１内の圧力を４Ｐａにして、アーク放電を開始し、基板（非処理体Ｗ）上に膜厚３μｍの積層皮膜を形成した（一部に、単層または６μｍの例外あり）。皮膜中にＣおよびＯを含有させるときは、各々ＣＨ₄およびＯ₂ガスを導入した。なお、成膜中にアース電位に対して基板（非処理体）がマイナス電位となるよう−３０〜−１００Ｖのバイアス電圧を基板（非処理体）に印加した。

成膜終了後、実施例１および２（番号１から１８のサンプルは実施例１、番号２１から３５のサンプルは実施例２）と同様の評価を行った結果を表３に示す。
ここで、番号３〜１２と番号２３〜３１のサンプルは、請求項６に関連し、番号１３〜１５と番号３２〜３４は請求項７に関連し、いずれも耐摩耗性に優れた硬質皮膜が得られている。また積層数が１より大きいサンプルは、請求項８の効果を示しており、特に、同じ組成で膜厚と積層数を変化させた番号６〜１２と番号２５〜３１の例を見ると、一層当りの膜厚を薄くしてある程度の積層数とすることは、硬度および耐酸化性を向上させる効果が伺える。

（実施例４）
図３に示すＡＩＰ装置に図１、図２に示す本発明および従来（図示なし）のスパッタおよびアーク蒸発源を取り付け、ターゲットとして表４に示す組成の各種＜Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ＞ターゲットを使用して、実施例１と同様の基材に成膜を実施した。アーク蒸発源使用時の成膜条件は実施例１および２と同様であり、スパッタ源使用時の成膜条件は、真空容器１内にあるヒータで被処理体Ｗの温度を５５０℃に加熱し、Ａｒ−窒素ガス（窒素比率３５ｖｏｌ％）を導入して真空容器１内の圧力を０．６Ｐａにしてスパッタ放電を開始して、皮膜を形成した。皮膜形成後、実施例１および２（番号１から１８のサンプルは実施例１、番号２１から３８のサンプルは実施例２）と同様の評価を実施した。

表４にて明らかなように、スパッタ法とアーク法のいずれの場合でも、同じ組成で本実施と従来例とを比較して、結晶構造、硬度、酸化開始温度および摩耗量の全ての要素において、本実施例が優れていることが分かる。

本発明の実施に供するスパッタリング式蒸発源要部の一例の断面概略図である。本発明の実施に供するアーク式蒸発源要部の一例の断面概略図である。本発明の実施形態の一例であるアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）装置の概略図である。

符号の説明

１真空容器
２Ａ、２Ｓアーク式蒸発源
３支持台
４バイアス電源
６ターゲット
７アーク電源
８磁石（磁界形成手段）
９電磁石（磁界形成手段）
１１排気口
１２ガス供給口
Ｗ被処理体
Ｓターゲットの蒸発面

Claims

工具の表面に被覆される硬質皮膜であって、組成が（Ｃｒ_1-a-bＡｌ_aＳｉ_b）（Ｂ_xＣ_yＮ_1-x-y）からなり、それぞれの原子比が、
０＜ａ≦０．４
０．０５≦ｂ≦０．３５
０．２５≦１−ａ−ｂ≦０．９
０≦ｘ≦０．１５
０≦ｙ≦０．５
であることを特徴とする硬質皮膜。
工具の表面に被覆される硬質皮膜であって、組成が（Ｍ_1-a-bＡｌ_aＳｉ_b）（Ｂ_xＣ_yＮ_1-x-y）からなり、それぞれの原子比が、
０．０５≦ａ≦０．５
０．１＜ｂ≦０．３５
０≦ｘ≦０．１５
０≦ｙ≦０．５
（但し、Ｍは、ＴｉとＣｒ）
であることを特徴とする硬質皮膜。
請求項１または２に記載の硬質皮膜であって、皮膜中に酸素を含有していることを特徴とする硬質皮膜。
請求項３に記載の硬質皮膜であって、（Ｂ_xＣ_yＮ_1-x-y-zＯ_z）からなる部分の原子比が、
０≦ｘ≦０．１５
０≦ｙ≦０．５
０＜ｚ≦０．５
０．３５≦１−ｘ−ｙ−ｚ＜１
であり、かつ表面側に形成されていることを特徴とする硬質皮膜。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の硬質皮膜であって、当該組成の範囲において互いに異なる組成の硬質皮膜が２層以上形成されていることを特徴とする硬質皮膜。
請求項1から請求項５のいずれか１項に記載の硬質皮膜の片面側または両面側に、４Ａ族、５Ａ族、６Ａ族、ＡｌおよびＳｉから選択され、前記硬質皮膜とは組成の異なる金属窒化物層、金属炭化物層、金属ホウ化物層、金属炭窒化物層、金属炭ホウ化物層、金属ホウ窒化物層、金属炭ホウ化窒化物層よりなる群から選択される層が積層されていることを特徴とする硬質皮膜。
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の硬質皮膜の片面側または両面側に、４Ａ族、５Ａ族、６Ａ族、ＡｌおよびＳｉよりなる群から選択される少なくとも１種の金属を含む金属層または合金層が積層されていることを特徴とする硬質皮膜。
請求項６または請求項７に記載の硬質皮膜は、当該積層された層がさらに１以上積層されていることを特徴とする硬質皮膜。
前記硬質皮膜は、結晶構造が岩塩構造であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の硬質皮膜。
請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の硬質皮膜の成膜方法であって、アンバランストスパッタリング法あるいは磁場を印加する機構を有したカソード型アークイオンプレーティング法であることを特徴とする硬質皮膜の成膜方法。
請求項１０に記載の成膜方法は、ターゲットの蒸発面にほぼ直交して前方に発散ないし平行に進行する磁力線を形成し、この磁力線によって被処理体近傍における成膜ガスのプラズマ化を促進しつつ成膜することを特徴とする硬質皮膜の成膜方法。