JP4663336B2 - 硬質皮膜及び硬質皮膜の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、超硬合金、サーメット、高速度鋼、ダイス鋼等に被覆する耐摩耗性、密着性及び耐高温酸化特性などの硬質膜の機械的特性に、極めて優れた潤滑特性を付与した硬質皮膜に関する。また本発明は、該硬質皮膜の被覆方法に関する。

金属加工の高能率化を目的とした切削速度の高速化、並びに切削条件における１刃当たりの送り量が０．３ｍｍを越えるような高送り切削加工に対し、従来の硬質皮膜を被覆した工具では、密着性、硬質皮膜の機械的特性である耐酸化性、耐摩耗性に満足のいく性能が得られていない。この様な背景から、硬質皮膜の耐酸化性、耐摩耗性をより向上させる事を目的とした技術の開示が行われている。
特許文献１、２には硬質皮膜に濃度分布を形成させる技術や、連続的に組成の変化する組成変化の繰り返し層を持った膜を形成することによって、耐摩耗性を向上させる技術が開示されている。しかし、何れも物理蒸着法におけるアーク放電型イオンプレーティング方式のみを利用した試みである。しかし、刃先などに溶着が発生しやすい鋼種の加工においては、摩耗発生の大小の議論よりも、まず、溶着特性の改善を行わなければ、安定加工は見込めない。最近の切削加工分野においては、まず、安定的に、無人で、安価で加工が行えることが絶対的条件になってきている傾向にある。このような背景から、硬質皮膜の潤滑特性を、密着性、硬度、耐熱特性を損なうことなく、著しく潤滑特性を向上させない限り、激しく繰り広げられている国際社会競争におけるニーズに対応できないのである。また、環境への配慮も厳しく問われ始め、切削加工分野において、例えば難削材と呼ばれるダイカスト金型用鋼加工においては、ＣｌやＳ、Ｐといった成分が含まれた切削油材を使用するのが一般的であったが、環境の問題、ＩＳＯ規格取得の背景から乾式環境下で使用できる工具に対する要望が高まっている。このような背景から、特許文献３、４に開示される潤滑特性を向上させる研究が行われている。
特許文献３には、機械加工用工具に潤滑性を得る目的で二硫化モリブデンを被覆する技術が開示されている。特許文献４には、二硫化モリブデンとＴｉＮとを組み合わせた被膜の例が開示されている。しかし、被膜の密着性、硬度が十分ではなく、切削工具の耐摩耗性に課題を残している。
更には、特許文献５、６には積層構造を有する硬質皮膜に関する研究や特許文献７の複合成膜方法についても開示されている。特許文献５、６の積層構造は主に超格子（人工格子）積層により、硬質皮膜を高硬度化させる手法ならびに、積層させた特定の層内において硬質膜の組成を意図的に変調させる研究である。また、特許文献７は、Ｂ_４Ｃ、ＢＮ、ＴｉＢ_２などといった硬質粒子を含有させる手法で高硬度硬質皮膜を得ており、特に潤滑に関する説明はない。

特開２００３−２２５８０７号公報 特許第３４６０２８８号公報 特開平５−２３９６１８号公報 特表平１１−５０９５８０号公報 特開平８−１２７８６３号公報 特許第３４１６９３８号公報 特開２００１−２９３６０１号公報

本発明の目的は、密着性が優れ、耐酸化性、耐摩耗性、特に潤滑特性、耐欠損性に優れた硬質皮膜を提供すること、及びその被覆方法を提供することである。

本発明は、物理蒸着法により被覆された柱状組織構造の硬質皮膜において、該硬質皮膜は、４ａ、５ａ、６ａ族、Ａｌ、Ｂ、Ｓｉから選択される１種以上の金属元素と、Ｓを含みＣ、Ｎ、Ｏから選択される１種以上の非金属元素によって構成され、該硬質皮膜は、複数の第１の層、第２の層からなる積層構造を有し、該柱状組織構造の結晶粒は、Ｓ含有量が少ない第１の層、Ｓ含有量が多い第２の層及び両者の境界領域を有し、少なくとも該積層構造における層間の境界領域で結晶格子縞が連続している領域があり、各第１の層、第２の層の厚みＴ（ｎｍ）が０．１≦Ｔ≦１００で、該硬質皮膜は、ＳとＯとの結合を有することを特徴とする硬質皮膜である。本発明の硬質皮膜を物理蒸着法により被覆する際には、物理蒸着法により被覆された柱状組織構造の硬質皮膜において、該物理蒸着法はアーク放電型イオンプレーティング法（以下、ＡＩＰ法と記す。）とマグネトロンスパッタリング法（以下、ＭＳ法と記す。）を併用し、該積層構造は、上記物理蒸着法の蒸着源を同一チャンバー内で同時に放電させることにより形成することを特徴とする硬質皮膜の製造方法である。本構成を採用することによって、密着性が優れ、硬質皮膜の耐酸化性、耐摩耗性を犠牲にすることなく、優れた潤滑特性や耐欠損性などの衝撃に対する強度を有する硬質皮膜を提供することができる。

本発明の硬質皮膜のＳ含有量は、原子％で、０．１％以上、１０％以下であるこが好ましい。

本発明の硬質皮膜は、密着性が優れ、耐酸化性、耐摩耗性と、特に潤滑特性、耐欠損性に優れた硬質皮膜であり、更に該硬質皮膜の製造方法を提供することができた。本発明の硬質皮膜を、例えば切削工具等に適用した場合、溶着の激しいダイカスト金型用鋼の乾式高能率切削加工をはじめ、金型加工時の断続切削状況下においても安定性と、長い工具寿命が得られ、切削加工における生産性の向上に極めて有効である。

本発明の硬質皮膜は、物理蒸着法によって柱状組織構造の硬質皮膜にＳを含有させることで、潤滑特性を改善することができる。硬質皮膜がＳを含有することによって、２００℃程度の比較的低温条件であっても硬質皮膜表面に酸化現象を発生する。この酸化現象が、硬質皮膜表面の保護膜として機能し、更に摩擦係数を低下させ、潤滑特性が著しく向上する。例えば本発明の硬質皮膜を切削工具に適用した場合を想定すると、大気中における切削温度近傍における硬質皮膜の摩擦係数は、Ｓを含有しない場合と比較して著しく低減する。更に酸化現象による保護膜は、被加工物の溶着を抑制し、切削熱など酸化雰囲気の高温下における被加工物の硬質皮膜中への内向拡散を防ぐことから、耐摩耗性や耐欠損性に優れ、安定した切削加工を可能にする効果がある。
本発明の硬質皮膜は、柱状組織構造の結晶粒成長方向に対して界面を形成することなく境界領域で結晶粒が連続的に成長している。ここで、柱状組織構造は、膜厚方向に伸びた縦長成長結晶組織である。該硬質皮膜は多結晶材料であるが、結晶粒１つ１つの単位で捉えれば、単結晶材料の成長に類似した形態となっている。しかも、該結晶粒は、透過電子顕微鏡による観察で、結晶粒はコントラストの異なる複数の第１の層、第２の層からなる積層構造であって、少なくとも該積層構造における層間の境界領域で結晶格子縞が連続している領域がある。該結晶粒は、Ｓ含有量が少ない第１の層、Ｓ含有量が多い第２の層及び両者が混在した境界領域を有する積層構造であることによって、硬質皮膜全体として靭性を持たせることができる。例えば、第２の層は、比較的軟らかい皮膜が形成される。この軟らかい層が、他の比較的硬い第１の層の層間に存在するとクッション効果を示し、硬質皮膜全体として靭性に富むようになる。更に、最適化された硬質皮膜を用いてＳの特徴である高潤滑特性と融合させることによって、強靭性による耐欠損性の向上、高潤滑特性を有する硬質皮膜を得ることができる。
本発明における硬質皮膜の各第１の層、第２の層の厚みＴ（ｎｍ）が０．１≦Ｔ≦１００、となっていることが好ましい。Ｔが１００ｎｍを超えると、各第１の層、第２の層の境界領域に歪が発生し、結晶粒中の格子縞が分断となり、硬質皮膜の機械的強度が低下するため不都合である。例えば本発明の硬質皮膜を切削工具に適用した場合、切削初期において硬質皮膜表面に切削衝撃による皮膜の層状破壊が発生し、硬質皮膜の機械的強度に問題が発生することを確認した。各第１の層、第２の層の境界領域の歪発生を回避することは、硬質皮膜と基体との密着性の改善に有効である。Ｔの下限値を０．１ｎｍとしたのは、第１の層、第２の層を確認する手段にＸ線回折装置や透過型電子顕微鏡が用いた場合、第１の層、第２の層の構造を確認できる最小厚みが０．１ｎｍであるからである。また、被覆を行う際に０．１ｎｍ未満の積層周期で被覆を行うと、皮膜特性のばらつきが発生し、安定品質の製品を供給することが出来ない。そこで、Ｔの下限値を０．１ｎｍに規定した。

本発明の硬質皮膜は、Ｓ−Ｏ結合を有することが好ましい。Ｓ−Ｏ結合の存在により優れた潤滑特性を発揮し、例えば切削加工初期における激しい溶着を抑制することができる。Ｓ−Ｏ結合は、硬質皮膜のＸＰＳ分析法により１６７〜１７４ｅＶの範囲にピークが存在することにより確認できる。ＸＰＳ分析法の測定条件は、Ｘ線源がＡｌ、Ｋα、分析領域がφ１００μｍ、電子中和銃の使用条件とした。
本発明硬質皮膜のＳ含有量は原子％で、０．１％以上、１０％以下であることが好ましい。０．１％未満の含有量では、汎用の分析機器を用いた検出が困難であり、量産管理性が乏しくなる。そのため、簡易的に検出可能な０．１％以上とした。Ｓ含有量が１０％を超えると、硬質皮膜の結晶組織が柱状組織構造からアモルファス状の微細組織に変化し、更に積層構造を有する各第１の層、第２の層の格子縞が分断されるといった不都合が生じる。その結果、硬質皮膜の機械的強度が低下すること、硬質皮膜の硬度低下や密着性低下に大きく影響を及ぼす残留圧縮応力が増大して外部からの強い衝撃により硬質皮膜の剥離が発生すること、などの不都合な現象が発生する。これらの理由から、Ｓ含有量は１０％以下であることが好ましい。より好ましくは、０．１％以上、７％以下である。

本発明の硬質皮膜の被覆方法として物理蒸着法を採用し、該物理蒸着法はＡＩＰ法とＭＳ法を併用し、両者の蒸着源を同一チャンバー内で同時に放電させることである。この理由は、ＡＩＰ法による柱状組織構造の結晶粒成長方向に対して界面を形成させることなくＭＳ法によるＳ含有することが可能となるからである。これにより、ＡＩＰ法による柱状組織構造の結晶粒内部の結晶そのものの機械的強度がより強固になり、ＭＳ法からのＳ含有を硬質皮膜全体に含有させることができる。また、プラズマ密度の異なる成膜方式を同時に使用すると、夫々の放電により発生したプラズマから価数の異なるイオンが同時に基体表面に到達する。プラズマ密度の高いＡＩＰ法の蒸発源近傍では、硬質結晶が主体の第１の層をなし、プラズマ密度の低いＭＳ法の蒸発源近傍では、軟質結晶が主体の第２の層をなす。更に両方の蒸着源からの影響を受ける第３の層が形成され、これらが積層構造を有する。即ち第１の層、第２の層と第３の層とが積層する。第２の層が第１の層間にサンドイッチされた状態で存在すると、第２の層がクッション効果を示し、硬質皮膜全体として靭性に富むようになる。更に、第３の層の存在によって、ＭＳ法の蒸発源から供給される成分が硬質皮膜中で組成変調することに、硬質皮膜の密着性の改善効果を有する。
またＳの添加方法としても、４ａ、５ａ、６ａ族、Ｂ、Ｓｉ、Ａｌから選択される元素が主体のターゲットを用いたＡＩＰ法による被覆工程と、Ｓを含有したターゲットを用いたＭＳ法による被覆工程とを両者同時に行うことである。この理由は、ＭＳ法の発生するプラズマ密度が比較的低いため、硬質皮膜に容易にＳを添加できるからである。ＭＳ法によってターゲット材より蒸発したＳ成分は、一旦はイオンレベルにまで分解される。この状態でＳ成分は基体表面に到達すると、ＡＩＰ法によって蒸発した他の金属イオンやガス成分のイオンとともに、結晶粒を構成する。この時、結晶粒は界面を形成することなく連続的に成長し、Ｓ成分は原子レベルで結晶粒の構造内に取り込まれてゆくのである。
次に、ＭＳ法の蒸着源の放電出力は、６．５ｋＷ以下に設定することが望ましい。ＭＳ法による蒸発源に設置される硫化物の放電によって得られる第２の層は、ＡＩＰ法主体で得られる第１の層よりも若干軟らかい。特にＳ含有量が多い領域では、比較的軟らかい第２の層が形成される。このように最適化された硬質皮膜を用いれば被覆部材の耐衝撃特性が向上して、強靭性且つ高潤滑特性を有する硬質皮膜を得ることが可能となる。
更に、プラズマ密度が比較的高いＡＩＰ法は、放電時のエネルギーが非常に大きく硬質皮膜にＳを添加させることが比較的難しい。更に、環境上の面、また安全性など取り扱いの面から、物理蒸着法は有効である。蒸発源に設置される金属ターゲット材にあらかじめＷＳ、ＣｒＳ、ＮｂＳ、ＴｉＳなどＳ添加したものを使用することが出来るからである。しかもＭＳ法は、ＷＳ、ＣｒＳ、ＮｂＳ、ＴｉＳターゲット材単体を用いることができる。ＡＩＰ法では、ＷＳ、ＣｒＳ、ＮｂＳ、ＴｉＳターゲット材単体は放電が非常に困難である理由から、４ａ、５ａ、６ａ族、Ｂ、Ｓｉ、Ａｌから選択される１種以上の金属マトリックス中にＳ添加したターゲット材を用いる必要がある。物理蒸着法に対して化学蒸着法では、Ｈ２Ｓを反応ガスとして用いる可能性もあるが、この場合環境上の面、また安全性など取り扱いの面から、問題がある。
ＡＩＰ法とＭＳ法とを同時に行うことにより得られる硬質皮膜は、第１の層の結晶格子縞が第２の層へ連続した積層構造を有する。しかし、両者を間欠的に用いた場合、例えばＡＩＰ法とＭＳ法とを交互に放電させることによってＳを添加すると、ＡＩＰによる皮膜と、ＭＳ法による皮膜とが別々に被覆されるため、界面をもつ積層となり、その界面に発生する歪が影響して、各層の接合が脆弱化するため好ましくない。
本発明の硬質皮膜を例えば切削工具等、高硬度が要求される耐摩耗部材や耐熱部材の表面に適用すると、硬質皮膜の密着性を改善し、耐酸化性、耐摩耗性を著しく向上する。特に、潤滑特性が著しく向上するため、切削加工の高温状態での耐溶着性、硬質皮膜への被削材元素の拡散を抑制することができる。更に、切削加工の乾式化、高速化、高送り化に対応する硬質皮膜被覆工具を提供することができる。ここでの高送り加工とは、切削条件における１刃当たりの送り量が０．３ｍｍ／刃を超えるような切削を言う。
本発明は、物理蒸着法により被覆された柱状組織構造の硬質皮膜において、該硬質皮膜は、４ａ、５ａ、６ａ族、Ａｌ、Ｂ、Ｓｉから選択される１種以上の金属元素と、Ｓを含みＣ、Ｎ、Ｏから選択される１種以上の非金属元素によって構成され、該硬質皮膜は複数の第１の層、第２の層からなる積層構造を有し、該積層構造の結晶粒は、Ｓ含有量が少ない第１の層、Ｓ含有量が多い第２の層及び両者の境界領域を有し、少なくとも該積層構造における層間の境界領域で結晶格子縞が連続している領域があり、各第１の層、第２の層の厚みＴ（ｎｍ）が０．１≦Ｔ≦１００で、該硬質皮膜は、ＳとＯとの結合を有することを特徴とする硬質皮膜である。また、本発明の硬質皮膜を物理蒸着法により被覆する際には、アーク放電型イオンプレーティング法（以下、ＡＩＰ法と記す。）とマグネトロンスパッタリング法（以下、ＭＳ法と記す。）を併用し、両者の蒸着源を同一チャンバー内で同時に放電させることにより多層構造を有する硬質皮膜を製造する方法である。本構成を採用することによって、密着性が優れ、硬質皮膜の耐酸化性、耐摩耗性を犠牲にすることなく、優れた潤滑特性や耐欠損性などの衝撃に対する強度を有する硬質皮膜を提供することができる。

本発明の硬質皮膜の被覆には、小型真空装置内にＡＩＰ方式の蒸発源と、ＭＳ方式の蒸発源とを併設した装置を用いて。基体は超硬合金製インサートを用い、反応ガスはＮ_２ガス、ＣＨ_４ガス、Ａｒ／Ｏ_２混合ガスから目的の皮膜が得られるものを選択した。反応圧力は、真空装置内で両者の成膜法が同時にプラズマを発生させることが可能な圧力範囲を選定し、２種の蒸発源を同時に放電させるために反応圧力は３．０Ｐａに設定した。基体温度は４００℃、バイアス電圧は−４０Ｖから−１５０Ｖの範囲の電圧を印加した。蒸発源は各種合金製ターゲットが選択可能であり、表１に示す、本発明例１〜１４、比較例１５〜２６のＡＩＰ蒸発源には所定組成の合金ターゲット材、ＭＳ蒸発源にはＷＳ２、ＮｂＳ、ＣｒＳ、ＴｉＳなどのターゲット材を用いた。尚、表２は、従来例２７〜３３に関する耐摩耗皮膜と潤滑皮膜及びその被覆方法を示す。

本発明例１〜１４、比較例１５〜２６及び従来例２７〜３３の評価は、以下に示す切削条件にて切削試験を行った。切削試験で用いた被削材は、ダイカスト金型用鋼種として用いられるＳＫＤ６１、硬さはＨＲＣ４５、を選択した。本鋼種は、切削加工初期に刃先部における溶着現象が発生し、被覆インサート刃先部の硬質皮膜尊損傷が激しくなる。評価方法は、この被削材表面を高能率加工条件にて切削を行う事により、インサートが切削初期に発生する溶着がもたらす摩耗やヒートクラックによって欠損に至るまでの切削可能長を評価した。表３に硬質皮膜の評価結果、切削試験の結果を示す。

（切削条件）
工具：正面フライス
インサート形状：ＳＤＥ５３タイプ特殊形状
切削方法：センターカット方式
被削材形状：巾１００ｍｍ×長さ２５０ｍｍ
被削材：ＳＫＤ６１、硬さ、ＨＲＣ４５
切り込み量：１．５ｍｍ
切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ
１刃送り量：０．６ｍｍ／刃
切削油：なし
表２より、本発明例１〜１４は、従来実現が困難であった切削加工を行うことが可能となった。本発明例９に示したＮｂＳによってＳが添加された硬質皮膜は、今回の評価の中で最も良い結果を示した。本発明例９の硬質皮膜を調査した結果、図１に示す様にＸＰＳ分析において１６７〜１７４ｅＶの範囲にＳ−Ｏ結合が確認された。このＳ−Ｏ結合の存在により、切削加工初期の激しい溶着が抑制されることが確認された。図２に示す様にＳ−Ｏ結合の他に２００〜２１５ｅＶにおいてＮｂ−Ｏ結合、図１に示す様に１６１〜１６４ｅＶに金属元素との硫化物が存在することを確認した。この様に、本発明例９の硬質皮膜表面付近には、潤滑特性の優れる硫化物の存在、酸化物が形成されるために、溶着が激しく発生する金属の加工において、著しい効果を発揮した。添加したＳはＮｂＳをＭＳ法蒸着源に設置し、放電出力を６．５ｋＷに設定した。その結果、硬質皮膜を全体的に見た場合、Ｓ含有量は４．８％であり、本発明で規定するＳ含有量の範囲内であった。
更に、硬質皮膜の破断面組織を観察した結果、図３に示す様に柱状組織構造であった。この結果、高送り加工などの衝撃の激しい切削加工において、せん断方向に対する機械的強度も得られていることを確認した。図４は、本発明例９の硬質皮膜の破面を透過電子顕微鏡により２万倍で観察した結果であり、硬質皮膜の柱状組織構造を有する結晶粒は多層構造を有していた。図５は、図４に示した結晶粒の１部を更に拡大して２０万倍で観察を行った結果であり、結晶粒はコントラストの異なる黒色層と灰色層とが複数存在している多層構造を有していることを確認した。ここで、１つ１つの結晶粒は同一方向に結晶成長したものであり、電子回折によって確認することができる。ここで、図４の観察で見られたコントラストの縞模様の数と、図５の観察で見られたコントラストの縞模様の数との間には、観察倍率が異なっている点から相関性は無い。また図５に示したコントラストの縞模様から、膜厚方向の層の厚さを得ることができる。測定の結果、各層の層厚は、４．４ｎｍであった。図５の観察状態から更に観察倍率を高くして、結晶格子縞の状態を２００万倍で観察した。この時の観察結果を図８に示す。図８は、図５の観察形態を参照しながら進めていった。即ち、図５で見られた黒色層と灰色層とが積層され、観察倍率を高くした場合でも観察視野には、常に黒色層、灰色層とその境界領域とが含まれるように配慮した。図８に便宜的に示した線は、夫々黒色層と灰色層とに対応を区別するために使用した。更に、図９に図８の概略図を示した。図８より、多層構造における層間の境界領域で結晶格子縞が連続している領域があることを確認した。ここで、格子縞の連続性はすべての境界領域で成立する必要はなく、透過電子顕微鏡により層の境界領域を観察した時に、格子縞の連続性が認められる領域が存在すれば本発明の優れた作用効果を得ることができる。図８には、左側の領域の１部に黒色のコントラストを示す領域が存在しているが、これは図５に示した黒色層、灰色層とは観察倍率が異なっている点から関連はない。更に、図８で観察した領域に配慮しながら、電子回折像を調べた。電子回折像を調べるにあたり、黒色層と灰色層との境界領域となるように配慮した。観察によって得られた電子回折像を図６に示す。図６では、略単一の電子回折像が得られた。この観察結果について考察を行うと、略単一の電子回折像が得られたことは、図７の概略図で示す様に、星印で示した黒色層の電子回折図形と、丸印で示した灰色層の電子回折図形とが一致していることを示し、これより、この調査領域ではエピタキシャルな関係により格子縞が連続していることを確認した。従って、多層構造を有する結晶粒について層の境界領域の電子回折を行った結果、マクロ的には多結晶構造ではあるが、ミクロ的な観察により単結晶の様な形態をなしていることを見いだしたのである。更に、表４は本発明例９の多層構造の各層における組成分析を行った結果である。

分析は透過型電子顕微鏡に付設されるエネルギー分散型Ｘ線分析装置（以下、ＥＤＸと記す。）にて行った。分析した領域は、図８の観察による黒色層と灰色層との領域に配慮した。表４の分析領域を図８の点Ｐ、点Ｑに示す。分析結果から、Ｓ含有量の差が確認された。Ｓ含有量が１０％を超えると、結晶組織が微細化するため、Ｓ含有量の差は、最大でも１０％以内に制御しなければならない。本発明例９は、放電させるＮｂＳの放電出力を６．５ｋＷに設定したため、その範囲内に制御できた。図８には、摩擦係数の測定結果を示す。摩擦係数の測定は、ボールオンディスク方式の摩擦摩耗試験機を用い、大気中６００度の高温下における摩擦係数の測定を行った。その結果、硬質皮膜にＳを添加することにより、潤滑特性が大幅に向上することが確認した。Ｃｒなどの硫化物の形も潤滑特性に優れることが確認された。切削が安定し、しかも優れた切削性能を発揮させるために、ターゲット材としてはＮｂＳが適している傾向にあった。また、ＣｒＳ、ＮｂＳ、ＴｉＳを使用した場合でも、潤滑特性が向上し切削特性が向上することを確認した。これより、溶着が激しく発生する金属の加工においては、本発明の構成要素を満たす硬質皮膜によって十分に満足の行くが結果が得られた。今回の切削試験価で最も良好な本発明例９は、他の条件として、金型で見られる固定穴等、切削加工においては断続となる部位の加工も行ってみた。その結果、適正な膜厚を有した多層構造を形成していたため、硬質皮膜の靭性が著しく向上し、激しい衝撃に対しても欠損することなく、安定した切削を行うことができた。これは、２種以上のプラズマ密度の異なる成膜方式を同時に使用すると、それぞれの放電により発生したプラズマから価数の異なるイオンが同時に基体表面に到達する。黒色層はＡＩＰ方式の蒸発源近傍で硬質な結晶の層をなし、灰色層はＭＳ方式の蒸発源近傍で軟質な結晶の層をなして多層構造を有する。黒色層と灰色層とが混在して基体表面で層として堆積する。その際に、灰色層が黒色層の結晶間に存在するとクッション効果を示し、その結果、皮膜全体として靭性に富むようになる。このようにして被覆部材の耐衝撃特性が向上するものであり、本発明の特徴である著しく優れた潤滑特性を有し、かつ耐欠損特性に優れた硬質皮膜を見出すに至った。

比較例１５、１６、１８から２０、２２から２４、２６はＳ含有量が多く、１０％以上であった。比較例２０はＳ含有量が１４％と多量に添加されていた。この破断面組織を確認した結果、図１１に示す様なアモルファス状の微細組織になっていた。硬質皮膜の硬度も２６ＧＰａ程度と軟質化傾向にあった。たとえＳ−Ｏ結合を有し、多層構造における１層の厚みが本発明規定範囲内であっても、切削特性に満足の行く結果は得られなかった。従って、Ｓ含有量の適正な制御も大切な項目であり、過酷な使用状況下に耐えるだけの機械的強度が得られなくなるのである。比較例１７は、Ｓ−Ｏ結合が表面付近に形成されて、硬質皮膜のＳ含有量が、本発明の規定範囲内の９．１％であった。しかし、ＡＩＰ方式とＭＳ方式とを同時に放電させて得られた硬質皮膜が有する多層構造の１層の厚みが１００ｎｍを超えてしまっていた。この時、ＭＳ方式の蒸着源の放電出力は６．６ｋＷであった。その結果、多層構造の各層の結晶格子縞に歪が発生し、格子縞が分断となり硬質皮膜の結晶組織が微細化し早期摩耗に至ったのである。比較例２１は、硬質皮膜のＳ含有量が本発明規定の範囲内にあるにも拘らず、成膜時に使用する反応ガス中にＯを添加しなかった。その結果多層構造の１層の厚みが、本発明の規定範囲の３０．６ｎｍであったにも拘らず、Ｓ−Ｏ結合が形成されていなかった。Ｓ添加の効果によってある程度の切削性能は得られたものの、切削初期に発生する溶着の抑制には不十分であった。

図１は、本発明例９のＸＰＳ分析結果を示す。 図２は、本発明例９のＸＰＳ分析結果を示す。 図３は、本発明例９の硬質皮膜の断面組織を示す。 図４は、本発明例９の硬質皮膜の透過型電子顕微鏡観察結果を示す。 図５は、図４の拡大した観察結果を示す。 図６は、本発明例９の電子回折結果を示す。 図７は、図６の模式図を示す。 図８は、本発明例９の硬質皮膜の観察結果を示す。 図９は、図８の模式図を示す。 図１０は、摩擦係数の測定結果を示す。 図１１は、比較例２０の硬質皮膜の断面組織を示す。

Claims (3)

1. 物理蒸着法により被覆された柱状組織構造の硬質皮膜において、該硬質皮膜は、４ａ、５ａ、６ａ族、Ａｌ、Ｂ、Ｓｉから選択される１種以上の金属元素と、Ｓを含みＣ、Ｎ、Ｏから選択される１種以上の非金属元素によって構成され、該硬質皮膜は、複数の第１の層、第２の層からなる積層構造を有し、該柱状組織構造の結晶粒は、Ｓ含有量が少ない第１の層、Ｓ含有量が多い第２の層及び両者の境界領域を有し、少なくとも該積層構造における層間の境界領域で結晶格子縞が連続している領域があり、各第１の層、第２の層の厚みＴ（ｎｍ）が０．１≦Ｔ≦１００で、該硬質皮膜は、ＳとＯとの結合を有することを特徴とする硬質皮膜。
2. 請求項１記載の硬質皮膜において、該硬質皮膜のＳ含有量が原子％で、０．１％以上、１０％以下であることを特徴とする硬質皮膜。
3. 物理蒸着法により被覆された柱状組織構造の硬質皮膜において、該物理蒸着法はアーク放電型イオンプレーティング法とマグネトロンスパッタリング法を併用し、該硬質皮膜は、４ａ、５ａ、６ａ族、Ａｌ、Ｂ、Ｓｉから選択される１種以上の金属元素と、Ｓを含みＣ、Ｎ、Ｏから選択される１種以上の非金属元素によって構成され、該硬質皮膜は、複数の第１の層、第２の層からなる積層構造を有し、該柱状組織構造の結晶粒は、Ｓ含有量が少ない第１の層、Ｓ含有量が多い第２の層及び両者の境界領域を有し、少なくとも該積層構造における層間の境界領域で結晶格子縞が連続している領域があり、各第１の層、第２の層の厚みＴ（ｎｍ）が０．１≦Ｔ≦１００で、該硬質皮膜は、ＳとＯとの結合を有し、該積層構造は、上記物理蒸着法の蒸着源を同一チャンバー内で同時に放電させることにより形成することを特徴とする硬質皮膜の製造方法。