JP5681094B2 - 積層硬質皮膜 - Google Patents

Description

本発明は、成型用の金型、パンチなどの耐摩耗性が必要とされる治工具および機械部品などの、他の部材と摺動する摺動部材や切削工具などの基材の表面に形成される積層硬質皮膜（多層硬質皮膜）に関する。

摺動部材や切削工具などの基材の表面には、耐摩耗性を向上させて工具寿命を延ばすため、例えば、ＴｉＢ₂、Ｂ₄Ｃ、ＳｉＣなどの素材を用いて積層された皮膜が形成されることが一般的に行われている。これらの素材を用いて形成された皮膜はいずれも極めて硬い（〜４０ＧＰａ）ため、硬質皮膜や積層硬質皮膜（前記した層を複数積層させたものを特にこのように呼んでいる。）などと呼ばれている。ＴｉＢ₂、Ｂ₄Ｃ、ＳｉＣの少なくとも一層により硬質皮膜や積層硬質皮膜を形成する技術が特許文献１〜５に記載されている。

特許文献１には、立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料からなる工具基体の表面に、ＴｉＢ₂層と、ＴｉＢ₂相およびＴｉＮ相の２相混合層と、ＴｉＡｌＮ層とを順に積層してなる積層硬質皮膜を形成する旨が記載されている。

また、特許文献２には、所定の直径と長さを有する繊維状の粒が切削工具の表面に対して垂直に配向した繊維状微細組織を有する少なくとも１層のＴｉＢ₂層を含む硬質皮膜を基材の表面に形成する旨が記載されている。

特許文献３には、立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料からなる工具基体の表面に、ＢＣＮ層と、Ｂ₄Ｃ層と、ＴｉＡｌＮ層とを順に積層してなる積層硬質皮膜を形成する旨が記載されている。

特許文献４には、基材の表面にＳｉＣからなる硬質皮膜を形成する旨が記載されている。

特許文献５には、基材の表面に形成する４Ａ族元素、５Ａ族元素、６Ａ族元素およびＡｌからなる群の中から選択される１種以上の元素の窒化物または炭窒化物を主成分とする硬質皮膜中に、Ｂ₄Ｃ、ＢＮ、ＴｉＢ₂、ＴｉＢ、ＴｉＣ、ＷＣ、ＳｉＣ、ＳｉＮ_X（Ｘ＝０．５〜１．３３）およびＡｌ₂Ｏ₃よりなる群から選択される少なくとも１種の超微粒化合物を含ませる旨が記載されている。

特開２０１０−２２８０３２号公報 特許第４１８４６９１号公報 特開２０１０−２０７９２２号公報 特開２００７−０９０４８３号公報 特許第３９１４６８７号公報

特許文献１〜５のように硬質皮膜や積層硬質皮膜（以下では単に積層硬質皮膜という。）を形成すると、耐摩耗性などを向上させることが可能である。しかし、積層硬質皮膜の硬さと部材の表面の硬さとの間で著しく異なっている。そのため、積層硬質皮膜と基材の密着性が悪いという問題がある。結果として、部材の工具寿命が早く終わってしてしまうことが多い。

このような問題に対して、特許文献１では、立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料を使用することにより密着性の改善を図っている。また、特許文献３では、立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料からなる工具基体の表面とＢ₄Ｃ層の間にＢＣＮ層を形成することにより密着性のさらなる改善を図っている。特許文献５では、硬質皮膜中にＴｉＢ₂、Ｂ₄Ｃ、ＳｉＣなどを含ませることにより密着性の改善を図っている。

また、特許文献１〜５に記載されているＴｉＢ₂層およびＢ₄Ｃ層には、硬さに優れているものの、耐酸化性はそれほど高くないという欠点がある。このように、耐酸化性が低いと、摺動時や摩擦時の高温によって基材が酸化劣化してしまい、部材の寿命が減少する。また、特許文献４、５に記載されているＳｉＣ層には、硬さおよび耐酸化性に優れているものの、基材との密着性が低いという欠点があるとされている。

本発明は前記状況に鑑みてなされたものであり、部材の基材との密着性に優れ、部材の長寿命化を図ることのできる積層硬質皮膜を提供することを課題とする。

（１）本発明は、基材の表面に形成される積層硬質皮膜であって、Ｔｉ_1-xＳｉ_x（Ｂ_pＣ_qＮ_r）［ただし、０．０５≦ｘ≦０．４、ｐ≧０、ｑ≧０、ｒ＞０、ｐ＋ｑ＋ｒ＝１］からなり、少なくとも１００ｎｍの厚みを有するＡ層と、ＴｉＢ₂、ＳｉＣ、Ｂ₄Ｃから選ばれる少なくとも１種からなり、少なくとも５０ｎｍの厚みを有するＢ層と、を備え、前記表面上に前記Ａ層と前記Ｂ層をこの順で交互に１回以上繰り返して積層され、前記Ａ層と前記Ｂ層の厚みの合計が少なくとも５００ｎｍであり、かつ、最下の前記Ａ層が、最下の前記Ｂ層と前記表面との間にある。
ここで、「基材」は、治具、工具、機械部品（モールド、ダイおよびパンチを含む）のような摺動部材や切削工具の基材と定義される。また、「部材」は、積層硬質皮膜で被覆された基材と定義される。

Ａ層は耐酸化性に優れており、Ｂ層ほどではないが十分高い硬さを有している。また、Ａ層は、Ｂ層および基材との密着性が良好であるため、Ｂ層と基材の間に所定値以上の厚みを有するＡ層を介在させることによって、Ｂ層と基材の密着性を改善することができる。また、Ｂ層は極めて硬く、耐摩耗性に優れている。従って、Ａ層とＢ層をこの順で交互に積層し、その厚みの合計を所定値以上（少なくとも５００ｎｍ）とすることで、積層硬質皮膜としての耐摩耗性と耐酸化性を確実に向上させることができる。その結果、部材の長寿命化を図ることができる。

（２）前記（１）に記載の積層硬質皮膜は、前記Ｂ層がさらに窒素を含んでいるのが好ましい。
このように窒素を含むＢ層とすると、潤滑性が向上するため、部材の長寿命化を図ることができる。

（３）前記（１）に記載の積層硬質皮膜は、前記表面上に１つの前記Ａ層を配置し、このＡ層上に１つの前記Ｂ層を配置したものであるのが好ましい。

このような積層硬質皮膜とすれば、積層界面が小さくなる。そのため、密着性が低下し難く、部材の長寿命化を図ることができる。

（４）前記（１）から（３）のいずれか１つに記載の積層硬質皮膜は、前記表面と最下層となる前記Ａ層の間に、Ｍ_1-yＡｌ_y（Ｂ_aＣ_bＮ_cＯ_d）［ただし、０．０５≦ｙ≦０．８、０≦ａ≦０．２、０≦ｂ≦０．４、０．５≦ｃ≦１、０≦ｄ≦０．２、Ｍは４Ａ族元素、５Ａ族元素、６Ａ族元素およびＳｉ、Ｙから選ばれる１種以上の元素］からなる下地層が形成されているのが好ましい。

（５）前記（４）に記載の積層硬質皮膜は、前記下地層の組成に関する組み合わせが、ＡｌＣｒ（ＣＮ）、ＴｉＡｌ（ＣＮ）、ＴｉＣｒＡｌ（ＣＮ）、ＡｌＣｒＳｉ（ＣＮ）、ＴｉＡｌＳｉ（ＣＮ）、またはＴｉＣｒＡｌＳｉ（ＣＮ）であるのが好ましい。

このように、基材の表面と、この表面に最も近い最下層となるＡ層と、の間に（４）や（５）に記載した下地層を形成すると、これらの密着性をさらに向上させることができる。その結果、部材の長寿命化を図ることができる。

（６）前記（１）に記載の積層硬質皮膜は、前記基材が切削工具および／または摺動部材であるのが好ましく、（７）前記基材が切削工具であるのが好ましく、（８）前記基材が摺動部材であるのが好ましい。
このようにすると、基材の表面に密着性の高い積層硬質皮膜を形成するので、切削工具や摺動部材の長寿命化を図ることができる。

（９）前記（１）に記載の積層硬質皮膜は、前記Ａ層と前記Ｂ層を交互に含んでなるのが好ましい。
Ａ層とＢ層を交互に含むと、Ａ層により、Ｂ層と基材の密着性を改善することができ、Ｂ層により、耐摩耗性を向上させることができる。そのため、部材の長寿命化を図ることができる。

（１０）前記（４）または（５）に記載の積層硬質皮膜は、前記下地層と、前記Ａ層と、前記Ｂ層とでなるのが好ましい。
このようにすると、下地層により基材とＡ層の密着性をさらに向上させることができる。その結果、部材の長寿命化を図ることができる。

（１１）前記（１）に記載の積層硬質皮膜は、少なくとも１つの前記Ｂ層を、ＴｉＢＮ、ＳｉＣＮ、ＢＣＮからなる群のうちの少なくとも１つで形成することができる。
このようにすると、積層硬質皮膜は、一または複数のＢ層がＴｉＢＮ、ＳｉＣＮ、ＢＣＮ、ＴｉＢ₂、ＳｉＣ、Ｂ₄Ｃからなる群のうちの１または複数から選択され得る。この場合、Ｂ層は、極めて硬く、耐摩耗性に優れており、さらにＮを含む場合は潤滑性も優れているため、部材の長寿命化を図ることができる。

本発明によれば、部材の基材との密着性に優れ、部材の長寿命化を図ることのできる積層硬質皮膜を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る積層硬質皮膜を説明する模式断面図である。 本発明の第２実施形態に係る積層硬質皮膜を説明する模式断面図である。 本発明の第３実施形態に係る積層硬質皮膜を説明する模式断面図である。 本発明の第４実施形態に係る積層硬質皮膜を説明する模式断面図である。 成膜装置の概略構成図である。

以下、図１〜５を参照して本発明を実施するための形態（実施形態）について詳細に説明する。

本発明は、部材の表面に形成される積層硬質皮膜であり、その第１実施形態を図１に示す。
図１は、例えば、切削工具や摺動部材などの部材１０の断面図であり、部材１０の基材２の表面に本発明の第１実施形態に係る積層硬質皮膜１が形成されている。
第１実施形態に係る積層硬質皮膜１は、基材２の表面上にＡ層１１とＢ層１２をこの順で交互に１回以上繰り返して積層されている。つまり、積層硬質皮膜１の最下層がＡ層１１となるように、基材２の表面上に積層されている。

Ａ層１１は、Ｔｉ_1-xＳｉ_x（Ｂ_pＣ_qＮ_r）［ただし、０．０５≦ｘ≦０．４、ｐ≧０、ｑ≧０、ｒ＞０、ｐ＋ｑ＋ｒ＝１］からなり、少なくとも１００ｎｍの厚みを有する。

Ａ層１１は、高い硬さと耐酸化性を必要とすることから、前記したように、Ｔｉ_1-xＳｉ_xにおけるＳｉ（ケイ素）の原子比（原子分率）を０．０５〜０．４とする必要がある。Ｔｉ_1-xＳｉ_xにおけるＳｉの原子比が０．０５未満になるとＡ層１１の耐酸化性が低くなるため部材１０の長寿命化を図ることができない。また、Ｔｉ_1-xＳｉ_xにおけるＳｉの原子比が０．４を超えると非晶質化し、Ａ層１１の硬さが低下するため部材１０の長寿命化を図ることができない。Ｔｉ_1-xＳｉ_xにおけるＳｉの原子比は０．１〜０．３であるのが好ましい。

また、Ａ層１１は窒化物（−Ｎ）を基本とするが、Ｂ_p（ｐ≧０）やＣ_q（ｑ≧０）と規定しているように、Ｂ（ホウ素）およびＣ（炭素）を含ませることができる。なお、Ｂの原子比は０．２以下、Ｃの原子比は０．４以下とするのが好ましい。ＢおよびＣの原子比がともにこれ以下であれば十分な硬さを維持することができる。

Ａ層１１は、基材２とＢ層１２の密着性を改善することができる。かかる効果を確実に奏するため、Ａ層１１の厚みは少なくとも１００ｎｍとする必要がある。Ａ層１１の厚みが１００ｎｍ未満になると基材２とＢ層１２の密着性を改善することができない。なお、Ａ層１１の厚みは３０００ｎｍ以下とするのが好ましい。

また、Ａ層１１による基材２とＢ層１２の密着性改善効果は、Ａ層１１を積層硬質皮膜１の最下層、つまり、基材２の表面上に直接形成する必要がある。Ａ層１１を第１層としない場合、極めて硬いＢ層１２が基材２の表面に直接形成されることになるため、密着性が改善しない。

Ｂ層１２は、ＴｉＢ₂、ＳｉＣ、Ｂ₄Ｃから選ばれる少なくとも１種からなり、少なくとも５０ｎｍの厚みを有する。
Ｂ層１２は、前記した選択肢から選ばれる少なくとも１種であるので、これらの中から選択される１種類からなるもののほか、適宜に選択される２種類からなるもの、３種類全てからなるものとすることができる。
なお、Ｂ層１２が、前記した選択肢から２種類からなる場合としては、例えば、ＳｉＣとＴｉＢ₂の組み合わせ、ＳｉＣとＢ₄Ｃの組み合わせ、ＴｉＢ₂とＢ₄Ｃの組み合わせを挙げることができる。
Ｂ層１２は任意に、少なくとも一部に窒素（Ｎ）を含ませることができる。つまり、Ｂ層１２は、ＴｉＢＮ、ＳｉＣＮ、ＢＣＮ、ＴｉＢ₂、ＳｉＣ、Ｂ₄Ｃのうちの１つまたは複数使用して任意に形成することができる。なお、Ｎの量は、原子比で０．５以下、好ましくは０．３以下、より好ましくは０．２以下である。Ｎの量が原子比で０．５を超えると、密着性を改善することができず、部材１０の長寿命化を図ることができない。

例えば、ＳｉＣとＴｉＢ₂の２種類からなるＢ層１２を形成した積層硬質皮膜１の構成は、基材２の表面上にＴｉＳｉＮ（Ａ層１１）／ＴｉＢ₂（Ｂ層１２）／ＴｉＳｉＮ（Ａ層１１）／ＳｉＣ（Ｂ層１２）のようにすることができる。また、３種類全てからなるＢ層１２を形成した場合の構成は、基材２の表面上にＴｉＳｉＮ（Ａ層１１）／ＴｉＢ₂（Ｂ層１２）／ＴｉＳｉＮ（Ａ層１１）／ＳｉＣ（Ｂ層１２）／ＴｉＳｉＮ（Ａ層１１）／Ｂ₄Ｃ（Ｂ層１２）のようにすることができる。

ＴｉＢＮ、ＳｉＣＮ、ＢＣＮ、ＴｉＢ₂、ＳｉＣ、Ｂ₄Ｃから選ばれる少なくとも１種からなるＢ層１２は、極めて高い硬さを有する（〜４０ＧＰａ）。そのため、Ｂ層１２を形成することで部材１０の耐摩耗性を向上させることができる。部材１０の耐摩耗性を確実に向上させるため、その厚みは少なくとも５０ｎｍとする必要がある。Ｂ層１２の厚みが５０ｎｍ未満になると部材１０の耐摩耗性が向上しない。なお、Ｂ層１２の厚みは３０００ｎｍ以下とするのが好ましい。

前記したように、Ａ層１１とＢ層１２は、これらの層を基材２の表面上に、この順で交互に１回以上繰り返して積層される。Ａ層１１とＢ層１２の積層の繰り返し回数は１回以上であればよく、例えば、２回（合計４層）、４回（合計８層）、７回（合計１４層）などとすることができる。なお、図１には、積層の繰り返し回数が４回のものを例に示している。

本実施形態においては、積層の繰り返し回数は１回、つまり、基材２の表面上にＡ層１１とＢ層１２をそれぞれ１層ずつ形成するのが好ましい。この好ましい態様は、第２実施形態として図２に示している。積層硬質皮膜１を図２に示す第２実施形態のように構成すると、簡易な構成でありながら後述する実施例で示されるように、基材２に対して高い密着性を達成することができ、部材２０の長寿命化を得ることができる。

なお、図２に示す第２実施形態のように、基材２の表面上にＡ層１１とＢ層１２をそれぞれ１層ずつ形成する場合にあっては、Ａ層１１の厚みは少なくとも５００ｎｍとするのが好ましく、Ｂ層１２の厚みは少なくとも１００ｎｍとするのが好ましい。高い密着性と耐酸化性を確実に得ることができるため、部材２０の寿命を延ばすことができる。

Ａ層１１とＢ層１２の厚みの合計は、長寿命化の観点から少なくとも５００ｎｍとする必要がある。Ａ層１１とＢ層１２の厚みの合計が５００ｎｍ未満であると、部材２０の寿命を延ばすことができない。Ａ層１１とＢ層１２を積層した厚みの合計が大きいほど部材２０の寿命が延びるが、その効果は５０００ｎｍ程度に達すると低下する。そのため、Ａ層１１とＢ層１２を積層した厚みの合計は、５０００ｎｍ程度を上限とするのが好ましいが、６０００ｎｍ程度とすることもできる。

なお、本実施形態に係る積層硬質皮膜１においては、Ａ層１１とＢ層１２の組み合わせとして、ＳｉＣまたはＳｉＣＮを含むＢ層１２とするのが好ましい。このようにすると、Ｂ層１２に含まれるＳｉによってＡ層１１のＴｉＳｉ（ＢＣＮ）と親和性が高くなり、より密着性を高めることができる。

本発明においては、図３に示す第３実施形態および図４に示す第４実施形態のように、部材３０、４０の表面と最下層となるＡ層１１との間に、所定の下地層１３を形成するのが好ましい。
なお、図３は、第１実施形態（図１参照）と同様、基材２の表面上に形成されるＡ層１１とＢ層１２の積層の繰り返し回数が４回のものを例に示している。また、図４は、基材２の表面上にＡ層１１とＢ層１２をそれぞれ１層ずつ形成したものを示している。

前記した所定の下地層１３としては、Ｍ_1-yＡｌ_y（Ｂ_aＣ_bＮ_cＯ_d）［ただし、０．０５≦ｙ≦０．８、０≦ａ≦０．２、０≦ｂ≦０．４、０．５≦ｃ≦１、０≦ｄ≦０．２、Ｍは、元素の周期表の４Ａ族元素、５Ａ族元素、６Ａ族元素およびＳｉ、Ｙ（イットリウム）から選ばれる１種以上の元素］からなる層が挙げられる。

なお、４Ａ族元素としては、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）が挙げられる。５Ａ族元素としては、Ｖ（バナジウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）が挙げられる。６Ａ族元素としては、Ｃｒ（クロム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）が挙げられる。

このような下地層１３の組成に関する組み合わせの好ましい例として、ＡｌＣｒ（ＣＮ）、ＴｉＡｌ（ＣＮ）、ＴｉＣｒＡｌ（ＣＮ）、ＡｌＣｒＳｉ（ＣＮ）、ＴｉＡｌＳｉ（ＣＮ）、またはＴｉＣｒＡｌＳｉ（ＣＮ）などが挙げられる。なお、これらの中から選択される下地層１３は、前記した原子比をもって構成されることはいうまでもない。

下地層１３の組成に関する組み合わせの好ましい例は前記したとおりであるが、本発明で用いることのできる下地層１３はこれらに限定されるものではない。例えば、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＮ、ＡｌＣｒＮ、ＴｉＣｒＡｌＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＡｌＣｒＳｉＮ、ＴｉＣｒＡｌＳｉＮ、ＮｂＡｌＮまたはＨｆＡｌＮなどの組み合わせであってもよい。

かかる下地層１３は、硬さと耐酸化性の観点から、前記したように、Ｍ_1-yＡｌ_yにおけるＡｌ（アルミニウム）の原子比を０．０５〜０．８とするのが好ましい。下地層１３を形成することによって、基材２と最下層となるＡ層１１ひいては積層硬質皮膜１の密着性を更に高めることが可能となる。Ｍ_1-yＡｌ_yにおけるＡｌの原子比が０．０５未満の場合および０．８を超える場合ともに、Ｍ_1-yＡｌ_yにおけるＡｌの原子比が前記した数値範囲内である場合と比較して、硬さと耐酸化性が若干劣るため、長寿命化の効果が薄くなる。Ｍ_1-yＡｌ_yにおけるＡｌの原子比は、より好ましくは０．１〜０．６である。

下地層１３は、Ｎの原子比を０．５〜１とするＭの窒化物をベースとするものであり、任意にＢ、Ｃ、Ｏを含有することができる。Ｂの原子比は０〜０．２とすることができ、Ｃの原子比は０〜０．４とすることができ、Ｏ（酸素）の原子比は０〜０．２とすることができる。Ｂ、Ｃ、Ｏをこの原子比で含む場合、基材２と最下層となるＡ層１１ひいては積層硬質皮膜１の密着性をより更に高めることができる。

下地層１３の厚みは、少なくとも５０ｎｍとすることで積層硬質皮膜１の基材２に対する密着性が向上するが、好ましくは少なくとも１００ｎｍであり、より好ましくは少なくとも５００ｎｍである。なお、下地層１３の厚みは２０００ｎｍ以下とするのが好ましい。

以上に説明した積層硬質皮膜１は、スパッタリング、蒸着、アークイオンプレーティング、イオンビームデポジションなどのＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やこれらを適宜に複合させたＰＶＤ法により好適に形成することができる。

積層硬質皮膜１は、例えば、図５に示す成膜装置１００により好適に形成することができる。この成膜装置１００は、前記したアークイオンプレーティングとスパッタリングを複合させた装置である。かかる成膜装置１００は、Ａ層１１を形成するターゲットを取り付けた真空アーク蒸発源１０１と、Ｂ層１２を形成するターゲットを取り付けたスパッタリング蒸発源１０２と、を同一チャンバー１０３内に備えている。この成膜装置１００によれば、チャンバー１０３内で基材２を回転させながら真空アーク蒸発源１０１とスパッタリング蒸発源１０２を同時に放電し、基材２の表面にＡ層１１とＢ層１２を積層させることができる。
真空アーク蒸発源１０１は、カソード放電型のアークイオンプレーティング蒸発源であれば好適に用いることができる。
スパッタリング蒸発源１０２は、アンバランスドマグネトロンスパッタリング蒸発源とも呼ばれており、例えば、神戸製鋼所製ＵＢＭＳ２０２を好適に用いることができる。
なお、図５では、真空アーク蒸発源１０１とスパッタリング蒸発源１０２を２つ備えた成膜装置１００を示しているが、これらをそれぞれ３つ備え、かつ交互に配置したものであってもよい。

このようにして形成された積層硬質皮膜１は、Ａ層１１とＢ層１２の密着性を高くすることができる。また、基材２を回転させつつ、真空アーク蒸発源１０１を放電させてＡ層１１を形成した後に、真空アーク蒸発源１０１の放電を止めて、スパッタリング蒸発源１０２を放電させてＢ層１２を形成することで、Ａ層１１とＢ層１２を積層させることができる。なお、Ａ層１１とＢ層１２を形成する際に真空アーク蒸発源１０１とスパッタリング蒸発源１０２が同時に放電していてもよい。

なお、図５に示すように、成膜装置１００には、真空ポンプ（図示せず）と、ガス供給機構１０４と、ステージ１０５と、ヒータ１０６と、バイアス電源１０７と、スパッタ電源１０８と、アーク電源１０９とを備えている。

成膜装置１００では、実施する成膜プロセスに応じて、Ａｒ、Ｎ₂、ＣＨ₄などのガスがガス供給機構１０４からチャンバー１０３内に供給される。なお、図５に示されているＭＦＣ１〜ＭＦＣ４は、マスフローメータである。真空ポンプ（図示せず）によって、チャンバー１０３の内部は、必要な真空度に調節される。ステージ１０５に、Ａ層１１およびＢ層１２を形成するための基材２が取り付けられる。ステージ１０５に取り付けられた基材２は、ヒータ１０６によって加熱される。

一方のスパッタリング蒸発源１０２には、Ｂ層１２を形成するためのターゲットとして、例えば、ＴｉＢ₂、ＳｉＣおよびＢ₄Ｃから選ばれるいずれか１種以上が取り付けられる。そして、他方のスパッタリング蒸発源１０２には、これと同じかまたは前記選択肢から選ばれる異なるターゲットが取り付けられる。

真空アーク蒸発源１０１には、Ａ層１１を形成するためのターゲットや、下地層１３を形成する場合に備えて下地層１３のターゲットが取り付けられる。
例えば、一方の真空アーク蒸発源１０１には、Ｔｉ_0.8Ｓｉ_0.2、Ｔｉ_0.95Ｓｉ_0.05、Ｔｉ_0.9Ｓｉ_0.1、Ｔｉ_0.7Ｓｉ_0.3、Ｔｉ_0.6Ｓｉ_0.4およびＴｉ_0.7Ｓｉ_0.2Ｂ_0.1のいずれかからなるターゲットが取り付けられる。
また、例えば、他方の真空アーク蒸発源１０１には、Ｔｉ_0.5Ａｌ_0.5、Ｔｉ、Ｔｉ_0.9Ａｌ_0.1、Ｔｉ_0.1Ａｌ_0.9、Ａｌ_0.5Ｃｒ_0.5、Ｔｉ_0.2Ｃｒ_0.2Ａｌ_0.6、Ｔｉ_0.5Ａｌ_0.47Ｓｉ_0.03、Ａｌ_0.45Ｃｒ_0.5Ｓｉ_0.05、Ｔｉ_0.2Ｃｒ_0.2Ａｌ_0.55Ｓｉ_0.05、Ｎｂ_0.5Ａｌ_0.5、Ｈｆ_0.7Ａｌ_0.3および（Ｔｉ_0.5Ａｌ_0.5）Ｃのいずれかからなるターゲットが取り付けられる。

バイアス電源１０７によってステージ１０５にバイアス電圧が印加される。このバイアス電圧は、ステージ１０５に取り付けられた基材２に印加されることとなる。スパッタリング蒸発源１０２から原子、イオンまたはクラスタが発生するように、スパッタリング蒸発源１０２の電位がスパッタ電源１０８によって制御される。また、真空アーク蒸発源１０１から原子、イオンまたはクラスタが発生するように、真空アーク蒸発源１０１の電位がアーク電源１０９によって制御される。

なお、この成膜装置１００は、さらに、フィラメント型のイオン源１１０と、このイオン源１１０を交流加熱する際に用いられる加熱用交流電源１１１と、イオン源１１０に放電を生じさせるための放電用直流電源１１２とを備えているが、積層硬質皮膜１の形成にあたっては当該イオン源１１０を用いないで行うことができる。

また、Ａ層１１や下地層１３の形成にあたって、これらへのＣやＮの導入は、前記したガス供給機構１０４から供給されるＮ₂やＣＨ₄などのガスが分解されることによって行われる。

本発明に係る積層硬質皮膜１は、成型用の金型、パンチなどの耐摩耗性が必要とされる治工具および機械部品などの、他の部材と摺動する摺動部材や切削工具などの基材２の表面に形成すると、基材２との密着性に優れており、また、硬さと耐酸化性に優れていることもあり、これらの複合的な効果として、部材１０、２０、３０、４０の長寿命化を図ることができる。

以下、本発明の効果を確認した実施例を示して本発明の内容をより具体的に説明する。

基材の表面に、以下に説明する種々の皮膜を形成した。基材は、鏡面研磨した超硬合金製基板（ＪＩＳ−Ｐ種）と、超硬合金製インサート（ＩＳＣＡＲ社製 ＡＤＣＴ １５０５ ＰＤＦＲ−ＨＭ ｇｒａｄｅ ＩＣ２８）を用いた。

基材の表面への皮膜の形成は、複数のアークイオンプレーティング蒸発源（以下「ＡＩＰ蒸発源」という。）と、複数のスパッタリング蒸発源（以下「ＳＰ蒸発源」という。）と、を有する成膜装置（図５の成膜装置１００参照）を用いて行った。この成膜装置のＡＩＰ蒸発源に表１、２のＮｏ．１〜６０に示す組み合わせで下地層用ターゲットおよび／またはＡ層用ターゲットを取り付け、ＳＰ蒸発源に表１、２のＮｏ．１〜６０に示す組み合わせでＢ層用ターゲットを取り付けた。

そして、表３、４に示す厚み（ｎｍ）、Ａ層とＢ層の繰り返し回数、Ａ層とＢ層の厚みの合計（ｎｍ）をもって下地層、Ａ層およびＢ層を形成した。なお、表１、２中の「─」はターゲットを取り付けていないことを示し、表３、４中の「─」は層を形成していないことを示す。

これらの層の形成は次のようにして行った。先ず、洗浄した基材を装置に導入した後、チャンバー内を１×１０^-3Ｐａ以下に減圧し、５００℃まで基材を加熱した。その後、Ａｒ（アルゴン）イオンを用いたスパッタクリーニングを実施した。次いで、Ｎ₂ガスを導入してチャンバー内を４Ｐａにした。

この状態で下地層を形成し、または下地層を形成しないままＡ層とＢ層を表３、４に示すように形成した。
下地層とＡ層は、Ｎ₂ガス存在下（Ｎｏ．１４やＮｏ．１５においてはさらに少量のＣＨ₄ガスを導入して）で１５０Ａの電流値でアーク放電を実施して形成した。
Ｂ層は、Ａ層を形成した後、アーク放電を停止し、チャンバー内にＡｒガスを導入しつつ０．６Ｐａまで減圧し、スパッタリングを行って形成した。Ａ層とＢ層が各々２層以上の場合、Ａ層の形成とＢ層の形成を繰り返し実施した。

Ｎｏ．１〜６０に記載の条件で皮膜を形成した超硬合金製基板を用いて密着性を評価し、Ｎｏ．１〜６０に記載の条件で皮膜を形成した超硬合金製インサートを用いて工具としての寿命（工具寿命）を評価した。

密着性は、スクラッチ試験により評価した。スクラッチ試験は、皮膜を形成した超硬合金製基板に対し、２００μｍＲのダイヤモンド圧子を荷重増加速度１００Ｎ／分、圧子移動速度１０ｍｍ／分という条件で移動させて行った。臨界荷重値としては、スクラッチ試験後に、光学顕微鏡にてスクラッチ部分の観察を行い、皮膜に損傷が起こった部分を臨界荷重として採用した。表５、６ではこれを密着力（Ｎ）として記載している。

工具寿命は、皮膜の硬さや耐酸化性、基材と皮膜の密着性、基材の強度など、様々な要因による複合的効果で決定される。よって、工具寿命は切削試験により評価した。切削試験は、皮膜を形成した超硬合金製インサートをエンドミルに取り付け、下記条件で被削材をドライ旋削することにより行った。ドライ旋削の条件は次のとおりである。
＜ドライ旋削の条件＞
被削材 ：ＡＩＳＩ ３１６
切削速度 ：２００ｍ／分
送り ：０．１４ｍｍ／刃
深さ切り込み：４．５ｍｍ
潤滑 ：ドライ

密着性（密着力）と工具寿命の評価を表５、６に示す。なお、表５、６では、Ｎｏ．１の条件で皮膜を形成した超硬合金製インサートを標準試料とし、これの工具寿命を１００％とした場合における相対値を示している。つまり、相対値が高いほど長寿命であることを示している。

表５、６に示すように、Ｎｏ．７〜１１、１３〜１５、１７、１９、２１〜２５、２７〜５７、５９、６０は、本発明の要件を満たしていたので、Ａ層およびＢ層を形成しない標準試料（従来例）であるＮｏ．１と比較して基材と皮膜（積層硬質皮膜）の密着力が高く（つまり、密着性に優れ）、工具寿命が長くなった。
特に、Ｎｏ．３３〜５５は、基材とＡ層の間に下地層を形成したので、密着力と工具寿命がさらに良い結果となった。中でも、Ｎｏ．３３〜３５、３７、３９〜５５は、Ｍ_1-yＡｌ_y（Ｂ_aＣ_bＮ_cＯ_d）［ただし、０．０５≦ｙ≦０．８、０≦ａ≦０．２、０≦ｂ≦０．４、０．５≦ｃ≦１、０≦ｄ≦０．２、Ｍは４Ａ族元素、５Ａ族元素、６Ａ族元素およびＳｉ、Ｙから選ばれる１種以上の元素］からなる下地層であったので、密着力と工具寿命がさらにより良い結果となった。

これに対し、Ｎｏ．１〜６、１２、１６、１８、２０、２６、５８では、本発明の要件を少なくとも１つを満たしていなかったので、Ｎｏ．１と比較して密着力および／または工具寿命が良くない結果となった。

具体的には、Ｎｏ．２〜４は、Ａ層を形成しなかったので、Ｎｏ．１と比較して密着力が低く、工具寿命も短かった。
Ｎｏ．５は、Ｂ層を形成しなかったので、Ｎｏ．１と比較して密着力が低く、工具寿命も短かった。
Ｎｏ．６は、Ａ層がＳｉを含有しない（Ｓｉの原子比が０）ものであったため、Ｎｏ．１と比較して密着力が低く、工具寿命も短かった。
Ｎｏ．１２は、Ａ層中におけるＳｉの原子比が０．４を超えていたので、Ｎｏ．１と比較して工具寿命が短かった。
Ｎｏ．１６は、Ａ層の厚みが１００ｎｍ未満であったため、Ｎｏ．１と比較して密着力が低く、工具寿命も短かった。
Ｎｏ．１８は、Ｂ層の厚みが５０ｎｍ未満であったため、Ｎｏ．１と比較して密着力が低く、工具寿命も短かった。
Ｎｏ．２０は、Ａ層とＢ層の厚みの合計が５００ｎｍ未満であったため、Ｎｏ．１と比較して密着力が低く、工具寿命も短かった。
Ｎｏ．２６は、Ａ層とＢ層を入れ替えて皮膜を形成した（つまり、Ａ層の位置にＳｉＣ層を形成し、Ｂ層の位置にＴｉ_0.8Ｓｉ_0.2Ｎ層を形成した）ため、Ｎｏ．１と比較して密着力が低く、工具寿命も短かった。
Ｎｏ．５８は、Ｂ層に含まれるＮの量が多いので、Ｎｏ．１と比較して密着力が低く、工具寿命も短かった。

以上、発明を実施するための形態および実施例により本発明の内容を詳細に説明したが、本発明の内容は前記した内容に限定されるものではない。本発明の内容は、特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈されるべきであり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において改変、変更等することができる。なお、かかる改変、変更等した内容も本発明に含まれることはいうまでもない。

１ 積層硬質皮膜
１１ Ａ層
１２ Ｂ層
１３ 下地層
２ 基材
１０、２０、３０、４０ 部材

Claims (11)

1. 基材の表面に形成される積層硬質皮膜であって、
   Ｔｉ_1-xＳｉ_x（Ｂ_pＣ_qＮ_r）［ただし、０．０５≦ｘ≦０．４、ｐ≧０、ｑ≧０、ｒ＞０、ｐ＋ｑ＋ｒ＝１］からなり、少なくとも１００ｎｍの厚みを有するＡ層と、
   ＴｉＢ₂、ＳｉＣ、Ｂ₄Ｃから選ばれる少なくとも１種からなり、少なくとも５０ｎｍの厚みを有するＢ層と、を備え、
   前記表面側から、前記Ａ層と前記Ｂ層をこの順で交互に１回以上繰り返して積層され、
   前記Ａ層と前記Ｂ層の厚みの合計が少なくとも５００ｎｍであり、かつ、
   最下の前記Ａ層が、最下の前記Ｂ層と前記表面との間にある積層硬質皮膜。
2. 請求項１に記載の積層硬質皮膜であって、
   前記Ｂ層がさらに窒素を含んでいることを特徴とする積層硬質皮膜。
3. 請求項１に記載の積層硬質皮膜であって、
   前記表面上に１つの前記Ａ層を配置し、このＡ層上に１つの前記Ｂ層を配置したことを特徴とする積層硬質皮膜。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の積層硬質皮膜であって、
   前記表面と最下層となる前記Ａ層の間に、
   Ｍ_1-yＡｌ_y（Ｂ_aＣ_bＮ_cＯ_d）［ただし、０．０５≦ｙ≦０．８、０≦ａ≦０．２、０≦ｂ≦０．４、０．５≦ｃ≦１、０≦ｄ≦０．２、Ｍは４Ａ族元素、５Ａ族元素、６Ａ族元素およびＳｉ、Ｙから選ばれる１種以上の元素］からなる下地層が形成されていることを特徴とする積層硬質皮膜。
5. 請求項４に記載の積層硬質皮膜であって、
   前記下地層の組成に関する組み合わせが、ＡｌＣｒ（ＣＮ）、ＴｉＡｌ（ＣＮ）、ＴｉＣｒＡｌ（ＣＮ）、ＡｌＣｒＳｉ（ＣＮ）、ＴｉＡｌＳｉ（ＣＮ）、またはＴｉＣｒＡｌＳｉ（ＣＮ）であることを特徴とする積層硬質皮膜。
6. 請求項１に記載の積層硬質皮膜であって、
   前記基材が切削工具および／または摺動部材であることを特徴とする積層硬質皮膜。
7. 請求項１に記載の積層硬質皮膜であって、
   前記基材が切削工具であることを特徴とする積層硬質皮膜。
8. 請求項１に記載の積層硬質皮膜であって、
   前記基材が摺動部材であることを特徴とする積層硬質皮膜。
9. 請求項１に記載の積層硬質皮膜であって、
   前記Ａ層と前記Ｂ層を交互に含んでなることを特徴とする積層硬質皮膜。
10. 請求項４または請求項５に記載の積層硬質皮膜であって、
    前記下地層と、前記Ａ層と、前記Ｂ層とでなることを特徴とする積層硬質皮膜。
11. 請求項１に記載の積層硬質皮膜において、
    少なくとも１つの前記Ｂ層を、ＴｉＢＮ、ＳｉＣＮ、ＢＣＮからなる群のうちの少なくとも１つで形成したことを特徴とする積層硬質皮膜。

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