JP6930446B2 - 硬質皮膜、硬質皮膜被覆工具及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、優れた潤滑性を発揮する（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜、硬質皮膜被覆工具及びその製造方法に関する。
被削材を高送りや高速で切削加工する工具や、過酷な成形条件に用いる金型等を長寿命化するために種々の硬質皮膜が提案がされている。
特開２００５−３３０５３９号公報（特許文献１）は、基材の表面に、組成式：（Ａｌ１−ｘＣｒｘ）（Ｎ１−ｙＢｙ）ｚにおいて０．３５≦ｘ≦０．６５、０．０３≦ｙ≦０．３及び０．８≦ｚ≦１．２を満たす硬質膜を被覆した耐摩耗性被覆部材を開示している。
特許第３６４０３１０号（特許文献２）は、（ＡｌｘＣｒ１−ｘ−ｙＳｉｙ）（Ｎ１−α−β−γＢαＣβＯγ）、但し、ｘ、ｙ、α、β及びγは夫々原子比率を示し、０．４５＜ｘ＜０．７５、０＜ｙ＜０．２０、０≦α＜０．１２、０≦β＜０．２０、０＜γ＜０．２５からなる組成の硬質皮膜を開示している。
特許第５３３１２１０号（特許文献３）は、ＡｌαＣｒｂＸｃαｄＮ［但し、Ｘは結合状態がＳＰ２又はＳＰ３の混成軌道のＢＮで、１０分子以上からなる直径が１〜１０００ｎｍの範囲内の塊であり、アモルファス状態のＢＮ、又はｃＢＮ、ｈＢＮの少なくとも一方の結晶を含むもので、αは周期律表のＩＶａ族、Ｖａ族、ＶＩａ族（Ｃｒを除く）、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ｙの中の一種類以上の元素であり、ａ、ｂ、ｃ、ｄはそれぞれ原子比で、０．３５≦ａ≦０．７６、０．１２≦ｂ≦０．４３、０．０２≦ｃ≦０．２０、０≦ｄ≦０．２０の範囲内であり、かつＡｌに対するＣｒの原子比の割合（ｂ／ａ）が０．２５≦ｂ／ａ≦０．６７の範囲内でアルミニウムリッチであり、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１である。］からなる硬質皮膜を開示している。
特許第５６８４８２９号（特許文献４）は、３．５Ｐａ及び５００℃のＮ２雰囲気中で陰極アーク蒸発（アークイオンプレーティング法）によりｆｃｃ構造のＡｌＣｒＢＮ皮膜を形成（段落００１４）している。
上記従来技術に記載のとおり、ＡｌＣｒＮにＢを添加することにより、高硬度の硬質皮膜が得られる。しかし、昨今の過酷な長寿命化の要求を満たす硬質皮膜を得るには、硬質皮膜の硬度向上による耐摩耗性の向上だけでなく、硬質皮膜の潤滑性の向上による耐チッピング性、耐摩耗性の向上が必要である。従って、上記要求を満たす新たな（ＡｌＣｒＢ）Ｎ皮膜及び当該皮膜を被覆した切削工具が求められている。
従って、本発明の目的は、従来より優れた潤滑性を発揮し、もって長寿命で高性能な（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜、当該硬質皮膜を基体上に形成した硬質皮膜被覆工具及びその製造方法を提供することである。
本発明の硬質皮膜は、（ＡｌｘＣｒ１−ｘ−ｙＢｙ）ＮａＯ１−ａ（ただし、ｘ、１−ｘ−ｙ、ｙ、ａ及び１−ａはそれぞれＡｌ、Ｃｒ、Ｂ、Ｎ及びＯの原子比を表し、０．３５≦ｘ≦０．７５、０．０１≦ｙ≦０．１、及び０．９９０≦ａ≦０．９９８を満たす数字である。）で表される組成を有し、Ｘ線回折パターンがｆｃｃの単一構造を有することを特徴とする。
上記の硬質皮膜において、Ｘ線光電子分光分析法で特定されたＢ−Ｎ結合とＢ−Ｏ結合とのピーク強度比（Ｂ−Ｎ）／（Ｂ−Ｏ）が０．４〜１．０であるのが好ましい。
本発明の硬質皮膜被覆工具は、前記硬質皮膜を基体上に形成したことを特徴とする。
本発明の硬質皮膜被覆工具の製造方法は、（ＡｌｘＣｒ１−ｘ−ｙＢｙ）ＮａＯ１−ａ（ただし、ｘ、１−ｘ−ｙ、ｙ、ａ及び１−ａはそれぞれＡｌ、Ｃｒ、Ｂ、Ｎ及びＯの原子比を表し、０．３５≦ｘ≦０．７５、０．０１≦ｙ≦０．１、及び０．９９０≦ａ≦０．９９８を満たす数字である。）で表される組成を有し、Ｘ線回折パターンがｆｃｃの単一構造を有する硬質皮膜を基体上に有する硬質皮膜被覆工具をアークイオンプレーティング法により製造する方法であって、アーク放電式蒸発源（ターゲット）として酸素含有量が２０００〜４０００μｇ／ｇのＡｌＣｒＢ焼結体合金を用いて、全圧２．７〜３．３Ｐａとした窒素ガス雰囲気中において、４００〜５５０℃の温度に保持した前記基体上に前記硬質皮膜を形成することを特徴とする。
上記製造方法において、前記硬質皮膜においてＸ線光電子分光分析法で特定されたＢ−Ｎ結合とＢ−Ｏ結合とのピーク強度比（Ｂ−Ｎ）／（Ｂ−Ｏ）が０．４〜１．０であり、かつ前記基体に−１６０Ｖ〜−１００Ｖのバイアス電圧を印加するのが好ましい。前記バイアス電圧として直流バイアス電圧又はパルスバイアス電圧が好ましい。
上記製造方法において、前記ターゲットの金属元素及び半金属元素の組成がＡｌαＣｒ１−α−βＢβ（ただし、α、１−α−β、及びβはそれぞれＡｌ、Ｃｒ及びＢの原子比であり、０．４≦α≦０．８、及び０．０４≦β≦０．１７を満たす数字である。）で表されるのが好ましい。
本発明の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜は、Ｘ線回折パターンがｆｃｃの単一構造を有し、かつ酸素含有量（１−ａ）が０．０１０〜０．００２であることにより、従来の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜に比べて優れた潤滑性を発揮し、もって長寿命で高性能である。
上記の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜において、Ｘ線光電子分光分析法で特定されたＢ−Ｎ結合とＢ−Ｏ結合とのピーク強度比（Ｂ−Ｎ）／（Ｂ−Ｏ）が０．４〜１．０であれば、従来の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜に比べてさらに優れた潤滑性を発揮し、もって長寿命で高性能な（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜となる。
本発明の硬質皮膜を有する硬質皮膜被覆工具は、従来の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜被覆工具に比べて顕著に優れた潤滑性を発揮し、もって長寿命で高性能なので、インサート、エンドミル、又はドリル等の切削工具として極めて有用である。
本発明の実施形態を以下詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて適宜変更又は改良を加えても良い。また、１つの実施形態に関する説明は、特に断りがなければ他の実施形態にもそのまま適用できる。
［１］ 硬質皮膜被覆工具
本実施形態の硬質皮膜被覆工具は、基体上に、（ＡｌｘＣｒ１−ｘ−ｙＢｙ）ＮａＯ１−ａ（ただし、ｘ、１−ｘ−ｙ、ｙ、ａ及び１−ａはそれぞれＡｌ、Ｃｒ、Ｂ、Ｎ及びＯの原子比を表し、０．３５≦ｘ≦０．７５、０．０１≦ｙ≦０．１、及び０．９９０≦ａ≦０．９９８を満たす数字である。）で表される組成を有する硬質皮膜が形成された硬質皮膜被覆工具である。前記硬質皮膜のＸ線回折パターンはｆｃｃの単一構造を有する。前記硬質皮膜においてＸ線光電子分光分析法で特定されたＢ−Ｎ結合とＢ−Ｏ結合とのピーク強度比（Ｂ−Ｎ）／（Ｂ−Ｏ）が０．４〜１．０であるのが好ましい。前記硬質皮膜はアークイオンプレーティング（ＡＩ）法により形成することができる。
本実施形態の硬質皮膜被覆工具は、基体上に、（ＡｌｘＣｒ１−ｘ−ｙＢｙ）ＮａＯ１−ａ（ただし、ｘ、１−ｘ−ｙ、ｙ、ａ及び１−ａはそれぞれＡｌ、Ｃｒ、Ｂ、Ｎ及びＯの原子比を表し、０．３５≦ｘ≦０．７５、０．０１≦ｙ≦０．１、及び０．９９０≦ａ≦０．９９８を満たす数字である。）で表される組成を有する硬質皮膜が形成された硬質皮膜被覆工具である。前記硬質皮膜のＸ線回折パターンはｆｃｃの単一構造を有する。前記硬質皮膜においてＸ線光電子分光分析法で特定されたＢ−Ｎ結合とＢ−Ｏ結合とのピーク強度比（Ｂ−Ｎ）／（Ｂ−Ｏ）が０．４〜１．０であるのが好ましい。前記硬質皮膜はアークイオンプレーティング（ＡＩ）法により形成することができる。
（Ａ） 基体
基体は耐熱性に富み、物理蒸着法を適用できる材質である必要がある。基体の材質として、例えば超硬合金、サーメット、高速度鋼、工具鋼、又は立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）等のセラミックスが挙げられる。強度、硬度、耐摩耗性、靱性及び熱安定性等の観点から、超硬合金基体又はセラミックス基体が好ましい。超硬合金は、炭化タングステン粒子と、Ｃｏ又はＣｏを主体とする合金の結合相とからなり、結合相の含有量は１〜１３．５質量％が好ましく、３〜１３質量％がより好ましい。結合相の含有量が１質量％未満では靭性が不十分であり、結合相が１３．５質量％超では硬度（耐摩耗性）が不十分である。焼結後の基体の未加工面、研磨加工面及び刃先処理加工面のいずれの表面にも本実施形態の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜を形成できる。
基体は耐熱性に富み、物理蒸着法を適用できる材質である必要がある。基体の材質として、例えば超硬合金、サーメット、高速度鋼、工具鋼、又は立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）等のセラミックスが挙げられる。強度、硬度、耐摩耗性、靱性及び熱安定性等の観点から、超硬合金基体又はセラミックス基体が好ましい。超硬合金は、炭化タングステン粒子と、Ｃｏ又はＣｏを主体とする合金の結合相とからなり、結合相の含有量は１〜１３．５質量％が好ましく、３〜１３質量％がより好ましい。結合相の含有量が１質量％未満では靭性が不十分であり、結合相が１３．５質量％超では硬度（耐摩耗性）が不十分である。焼結後の基体の未加工面、研磨加工面及び刃先処理加工面のいずれの表面にも本実施形態の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜を形成できる。
（Ｂ） 超硬合金基体の改質層
基体が超硬合金の場合、基体表面に後述のＴｉＢターゲットから発生したイオンを照射し（以降、イオンボンバードともいう。）、平均厚さ１〜１０ｎｍのｆｃｃ構造を有する改質層を形成するのが好ましい。超硬合金は主成分の炭化タングステンがｈｃｐ構造を有するが、当該改質層は上記（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜と同じｆｃｃ構造を有し、両者の境界（界面）における結晶格子縞の好ましくは３０％以上、より好ましくは５０％以上、さらに好ましくは７０％以上の部分が連続する。当該改質層を介して超硬合金基体と上記（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜とが強固に密着する。
基体が超硬合金の場合、基体表面に後述のＴｉＢターゲットから発生したイオンを照射し（以降、イオンボンバードともいう。）、平均厚さ１〜１０ｎｍのｆｃｃ構造を有する改質層を形成するのが好ましい。超硬合金は主成分の炭化タングステンがｈｃｐ構造を有するが、当該改質層は上記（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜と同じｆｃｃ構造を有し、両者の境界（界面）における結晶格子縞の好ましくは３０％以上、より好ましくは５０％以上、さらに好ましくは７０％以上の部分が連続する。当該改質層を介して超硬合金基体と上記（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜とが強固に密着する。
上記改質層はｆｃｃ構造を有し、高密度の薄層状に形成されるので破壊の起点になりにくい。上記改質層の平均厚さが、１ｎｍ未満では硬質皮膜の基体への密着力向上効果が十分に得られず、１０ｎｍ超では逆に密着力が悪化する。上記改質層の平均厚さは２〜９ｎｍがさらに好ましい。
（Ｃ） （ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜
（１） 組成
ＡＩ法により基体上に形成される本実施形態の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｂ、Ｎ及びＯを必須元素とする。この硬質皮膜の組成は、一般式：（ＡｌｘＣｒ１−ｘ−ｙＢｙ）ＮａＯ１−ａ（ただし、ｘ、１−ｘ−ｙ、ｙ、ａ及び１−ａはそれぞれＡｌ、Ｃｒ、Ｂ、Ｎ及びＯの原子比を表し、０．３５≦ｘ≦０．７５、０．０１≦ｙ≦０．１、及び０．９９０≦ａ≦０．９９８を満たす数字である。）により表される。本実施形態の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜はｆｃｃの単一構造を有することを特徴とする。本実施形態の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜は、Ｘ線光電子分光スペクトルにより特定されたＢ−Ｎ結合とＢ−Ｏ結合とのピーク強度比（Ｂ−Ｎ）／（Ｂ−Ｏ）が、０．４〜１．０であるのが好ましく、０．４〜０．９であるのがさらに好ましく、０．３〜０．９であるのが特に好ましい。
（１） 組成
ＡＩ法により基体上に形成される本実施形態の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｂ、Ｎ及びＯを必須元素とする。この硬質皮膜の組成は、一般式：（ＡｌｘＣｒ１−ｘ−ｙＢｙ）ＮａＯ１−ａ（ただし、ｘ、１−ｘ−ｙ、ｙ、ａ及び１−ａはそれぞれＡｌ、Ｃｒ、Ｂ、Ｎ及びＯの原子比を表し、０．３５≦ｘ≦０．７５、０．０１≦ｙ≦０．１、及び０．９９０≦ａ≦０．９９８を満たす数字である。）により表される。本実施形態の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜はｆｃｃの単一構造を有することを特徴とする。本実施形態の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜は、Ｘ線光電子分光スペクトルにより特定されたＢ−Ｎ結合とＢ−Ｏ結合とのピーク強度比（Ｂ−Ｎ）／（Ｂ−Ｏ）が、０．４〜１．０であるのが好ましく、０．４〜０．９であるのがさらに好ましく、０．３〜０．９であるのが特に好ましい。
本実施形態の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜のＡｌ、Ｃｒ及びＢの各原子比ｘ、１−ｘ−ｙ、ｙの総計を１として、Ａｌの原子比ｘの範囲は０．３５〜０．７５である。ｘが０．３５未満では硬質皮膜のＡｌ含有量が少なすぎるため、耐酸化性が損なわれる。一方、ｘが０．７５を超えると硬質皮膜中に軟質なｈｃｐ構造が形成されて耐摩耗性が損なわれる。ｘの下限は好ましくは０．４であり、ｘの上限は好ましくは０．７４である。
本実施形態の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜のＡｌ、Ｃｒ及びＢの各原子比ｘ、１−ｘ−ｙ、ｙの総計を１として、Ｃｒの原子比１−ｘ−ｙの範囲は０．６４〜０．１５である。１−ｘ−ｙが０．１５未満では硬質皮膜のＡｌ含有量が多すぎるため、硬質皮膜中に軟質なｈｃｐ構造が形成されて耐摩耗性が損なわれる。一方、１−ｘ−ｙが０．６４を超えると硬質皮膜のＡｌ含有量が過少になるため耐酸化性が損なわれる。１−ｘ−ｙの下限は好ましくは０．１７であり、１−ｘ−ｙの上限は好ましくは０．５８である。
本実施形態の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜のＡｌ、Ｃｒ及びＢの各原子比ｘ、１−ｘ−ｙ、ｙの総計を１として、Ｂの原子比ｙの範囲は０．０１〜０．１である。ｙが０．０１未満では添加効果が得られず、潤滑性が損なわれる。一方、ｙが０．１を超えると脆化するとともにｆｃｃの単一構造を保持できない。ｙの下限は好ましくは０．０２であり、ｙの上限は好ましくは０．０９である。
金属成分ＡｌＣｒ及び半金属成分Ｂの各原子比の合計ｐと、窒素及び酸素の各原子比の合計ｑとの総計を１として、ｐの範囲は０．４〜０．６（ｑの範囲は０．６〜０．４）である。すなわち、本実施形態の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜は、（ＡｌｘＣｒ１−ｘ−ｙＢｙ）ｐ（ＮａＯ１−ａ）ｑ［ただし、ｘ、１−ｘ−ｙ、ｙ、ａ、１−ａ、ｐ及びｑは、それぞれＡｌ、Ｃｒ、Ｂ、Ｎ、Ｏ、ＡｌＣｒＢ及びＮＯの原子比を表し、０．３５≦ｘ≦０．７５、０．０１≦ｙ≦０．１、０．９９０≦ａ≦０．９９８、０．４≦ｐ≦０．６、０．６≦ｑ≦０．４を満たす数字である。］で表される組成を有する。
ｐが０．４未満では（ＡｌＣｒＢ）Ｎ多結晶体の結晶粒界に不純物が取り込まれやすい。不純物は成膜装置の内部残留物に由来する。かかる場合、（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の強度が低下し、外部衝撃によって容易に皮膜破壊を招く。一方、ｐが０．６を超えると、金属成分ＡｌＣｒ及び半金属成分Ｂの比率が過多となって結晶歪が大きくなり、基体との密着力が低下し、（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜が剥離しやすくなる。ｐの下限は好ましくは０．４０であり、ｐの上限は好ましくは０．６０である。
ｐが０．４未満では（ＡｌＣｒＢ）Ｎ多結晶体の結晶粒界に不純物が取り込まれやすい。不純物は成膜装置の内部残留物に由来する。かかる場合、（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の強度が低下し、外部衝撃によって容易に皮膜破壊を招く。一方、ｐが０．６を超えると、金属成分ＡｌＣｒ及び半金属成分Ｂの比率が過多となって結晶歪が大きくなり、基体との密着力が低下し、（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜が剥離しやすくなる。ｐの下限は好ましくは０．４０であり、ｐの上限は好ましくは０．６０である。
本実施形態の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜に含まれる窒素（Ｎ）及び酸素（Ｏ）の各原子比の総計を１として、Ｎの原子比ａの範囲は０．９９０〜０．９９８である。ａが０．９９０未満では酸素含有量が過大になり、耐摩耗性が低下する。ａが０．９９８を超えると酸素含有量が過小になり、潤滑性が低下する。ａの下限は、０．９８１が好ましく、０．９８２がさらに好ましい。ａの上限は、０．９９７が好ましく、０．９９６がさらに好ましい。窒素（Ｎ）及び酸素（Ｏ）含有量は後述のＥＰＭＡ及びＴＥＭ−ＥＤＳを併用して分析することができる。
本実施形態の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜はＣを含有しても良い。その場合、高い耐摩耗性を保持するためにＣ含有量は、非金属元素のＮ、Ｏ及びＣの総含有量（原子比）を１とした場合に０．１以下であるのが好ましく、０．０５以下であるのがより好ましい。
（２） メカニズム
本実施形態の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜を基体上に有する硬質皮膜被覆工具が従来の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜被覆工具より顕著に良好な潤滑性を有し、もって長寿命で高性能になるメカニズムは必ずしも十分明らかになっていないが、以下のように考えられる。
後述の従来例１に例示するように、従来の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜被覆工具は短寿命であり、昨今の過酷な長寿命化、高性能化の要求に十分応えることができなかった。
本実施形態の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜を基体上に有する硬質皮膜被覆工具が従来の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜被覆工具より顕著に良好な潤滑性を有し、もって長寿命で高性能になるメカニズムは必ずしも十分明らかになっていないが、以下のように考えられる。
後述の従来例１に例示するように、従来の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜被覆工具は短寿命であり、昨今の過酷な長寿命化、高性能化の要求に十分応えることができなかった。
本発明者は、（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の長寿命化、高性能化を鋭意検討した結果、（ａ）（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の成膜に使用するターゲットとして２０００〜４０００μｇ／ｇの酸素含有量のＡｌＣｒＢ焼結体合金を用いること、（ｂ）成膜時の窒素ガス雰囲気の全圧を２．７〜３．３Ｐａにすることにより、成膜された（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜がｆｃｃの単一構造を有し、及び窒素含有量（原子比）を０．９９０〜０．９９８（酸素含有量（原子比）を０．０１０〜０．００２）に調整できることを発見した。さらに、得られた（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜においてＸ線光電子分光分析法で特定された結合状態にＢ−Ｎ結合及びＢ−Ｏ結合が共存し、前記Ｂ−Ｎ結合と前記Ｂ−Ｏ結合とのピーク強度比（Ｂ−Ｎ）／（Ｂ−Ｏ）を０．４〜１．０に調整できることを発見した。そして、かかる本実施形態の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜を工具基体上に形成してなる硬質皮膜被覆工具が顕著に優れた潤滑性を発揮し、もって長寿命で高性能な切削工具になることが分かった。
本発明者の詳細な検討から、本実施形態の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜において上記Ｂ−Ｏ結合部分が主に優れた潤滑性を分担し、及び上記Ｂ−Ｎ結合部分が主に優れた耐摩耗性を分担し、もって潤滑性と耐摩耗性とが両立された結果、本実施形態の硬質皮膜被覆工具が長寿命でかつ高性能になったと考えられる。
（３） 膜厚
本実施形態の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の厚さは０．５〜８μｍが好ましく、１〜５μｍがより好ましい。この範囲の膜厚により、基体から（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜が剥離するのが抑制され、優れた潤滑性及び耐摩耗性が発揮される。厚さが０．５μｍ未満では（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の被覆効果が十分に得られず、厚さが８μｍを超えると残留応力が過大になり、（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜が基体から剥離しやすくなる。ここで、平坦ではない（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の「厚さ」は「算術平均厚さ」を意味する。
本実施形態の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の厚さは０．５〜８μｍが好ましく、１〜５μｍがより好ましい。この範囲の膜厚により、基体から（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜が剥離するのが抑制され、優れた潤滑性及び耐摩耗性が発揮される。厚さが０．５μｍ未満では（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の被覆効果が十分に得られず、厚さが８μｍを超えると残留応力が過大になり、（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜が基体から剥離しやすくなる。ここで、平坦ではない（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の「厚さ」は「算術平均厚さ」を意味する。
（４） 結晶構造
本実施形態の硬質皮膜のＸ線回折パターンはｆｃｃの単一構造からなる。
Ｘ線回折ではｆｃｃ以外の微小相が存在していてもＸ線回折パターンに現れないため、硬質皮膜の微小相の検出が可能な透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による電子回折によれば、本実施形態の硬質皮膜は、ｆｃｃを主構造とし、副構造としてその他の構造（ｈｃｐ等）を有していても良い。実用性の点から、前記電子回折パターンはｆｃｃを主構造とし、ｈｃｐを副構造とするのが好ましく、ｆｃｃの単一構造からなるのがさらに好ましい。
本実施形態の硬質皮膜のＸ線回折パターンはｆｃｃの単一構造からなる。
Ｘ線回折ではｆｃｃ以外の微小相が存在していてもＸ線回折パターンに現れないため、硬質皮膜の微小相の検出が可能な透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による電子回折によれば、本実施形態の硬質皮膜は、ｆｃｃを主構造とし、副構造としてその他の構造（ｈｃｐ等）を有していても良い。実用性の点から、前記電子回折パターンはｆｃｃを主構造とし、ｈｃｐを副構造とするのが好ましく、ｆｃｃの単一構造からなるのがさらに好ましい。
（５） ピーク強度比（Ｂ−Ｎ）／（Ｂ−Ｏ）
Ｘ線光電子分光分析で特定されたＢ−Ｎ結合とＢ−Ｏ結合とのピーク強度比（Ｂ−Ｎ）／（Ｂ−Ｏ）は、０．４〜１．０であることが好ましく、０．５〜０．９であることがより好ましい。ピーク強度比（Ｂ−Ｎ）／（Ｂ−Ｏ）が上記範囲を満たすことで、耐摩耗性及び潤滑性を両立した長寿命の硬質皮膜が得られる。前記ピーク強度比が０．４未満ではＢ−Ｎ結合が相対的に低下するために耐摩耗性が低下する。一方、前記ピーク強度比が１．０を超えるとＢ−Ｏ結合が相対的に低下するため、潤滑性が低下する。
Ｘ線光電子分光分析で特定されたＢ−Ｎ結合とＢ−Ｏ結合とのピーク強度比（Ｂ−Ｎ）／（Ｂ−Ｏ）は、０．４〜１．０であることが好ましく、０．５〜０．９であることがより好ましい。ピーク強度比（Ｂ−Ｎ）／（Ｂ−Ｏ）が上記範囲を満たすことで、耐摩耗性及び潤滑性を両立した長寿命の硬質皮膜が得られる。前記ピーク強度比が０．４未満ではＢ−Ｎ結合が相対的に低下するために耐摩耗性が低下する。一方、前記ピーク強度比が１．０を超えるとＢ−Ｏ結合が相対的に低下するため、潤滑性が低下する。
［２］ 成膜装置
（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の形成にはＡＩ装置を使用することができ、積層硬質皮膜の形成にはＡＩ装置又はその他の物理蒸着装置（スパッタリング装置等）を使用することができる。ＡＩ装置は、例えば図１に示すように、減圧容器５と、絶縁物１４を介して減圧容器５に取り付けられたアーク放電式蒸発源１３，２７と、各アーク放電式蒸発源１３，２７に取り付けられたターゲット１０，１８と、各アーク放電式蒸発源１３，２７に接続されたアーク放電用電源１１，１２と、軸受け部４を介して減圧容器５の内部まで貫通する回転自在の支柱６と、基体７を保持するために支柱６に支持された保持具８と、支柱６を回転させる駆動部１と、基体７にバイアス電圧を印加するバイアス電源３とを具備する。減圧容器５には、ガス導入部２及び排気口１７が設けられている。アーク点火機構１６，１６は、アーク点火機構軸受部１５，１５を介して減圧容器５に取り付けられている。減圧容器５内に導入したガス（アルゴンガス、窒素ガス等）のイオン化のために、フィラメント型の電極２０が絶縁物１９，１９を介して減圧容器５に取り付けられている。ターゲット１０と基体７との間には、遮蔽板軸受け部２１を介して減圧容器５に遮蔽板２３が設けられている。遮蔽板２３は遮蔽板駆動部２２により例えば上下又は左右方向に移動し、遮蔽板２３がターゲット１０と基体７との間に存在しない状態にされた後に、本実施形態の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の形成が行われる。
（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の形成にはＡＩ装置を使用することができ、積層硬質皮膜の形成にはＡＩ装置又はその他の物理蒸着装置（スパッタリング装置等）を使用することができる。ＡＩ装置は、例えば図１に示すように、減圧容器５と、絶縁物１４を介して減圧容器５に取り付けられたアーク放電式蒸発源１３，２７と、各アーク放電式蒸発源１３，２７に取り付けられたターゲット１０，１８と、各アーク放電式蒸発源１３，２７に接続されたアーク放電用電源１１，１２と、軸受け部４を介して減圧容器５の内部まで貫通する回転自在の支柱６と、基体７を保持するために支柱６に支持された保持具８と、支柱６を回転させる駆動部１と、基体７にバイアス電圧を印加するバイアス電源３とを具備する。減圧容器５には、ガス導入部２及び排気口１７が設けられている。アーク点火機構１６，１６は、アーク点火機構軸受部１５，１５を介して減圧容器５に取り付けられている。減圧容器５内に導入したガス（アルゴンガス、窒素ガス等）のイオン化のために、フィラメント型の電極２０が絶縁物１９，１９を介して減圧容器５に取り付けられている。ターゲット１０と基体７との間には、遮蔽板軸受け部２１を介して減圧容器５に遮蔽板２３が設けられている。遮蔽板２３は遮蔽板駆動部２２により例えば上下又は左右方向に移動し、遮蔽板２３がターゲット１０と基体７との間に存在しない状態にされた後に、本実施形態の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の形成が行われる。
（Ａ） （ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜形成用ターゲット
（１） 焼結体合金の組成
本実施形態で使用する（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜形成用ターゲットは、例えばＡｌ粉末及び所定組成のＣｒＢ合金粉末を用いて、下記のＡｌＣｒＢ焼結体合金の組成になるように配合及び混合し、得られた混合粉末を成形し、得られた成形体を焼結して得られたＡｌＣｒＢ焼結体合金のターゲットである。前記ターゲットの含有酸素量は例えばＡｌ粉末及びＣｒＢ合金粉末の粒径を適宜選択して調整することができる。
（１） 焼結体合金の組成
本実施形態で使用する（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜形成用ターゲットは、例えばＡｌ粉末及び所定組成のＣｒＢ合金粉末を用いて、下記のＡｌＣｒＢ焼結体合金の組成になるように配合及び混合し、得られた混合粉末を成形し、得られた成形体を焼結して得られたＡｌＣｒＢ焼結体合金のターゲットである。前記ターゲットの含有酸素量は例えばＡｌ粉末及びＣｒＢ合金粉末の粒径を適宜選択して調整することができる。
ＡｌＣｒＢ焼結体合金の組成は、不可避的不純物以外、ＡｌαＣｒ１−α−βＢβ（ただし、α、１−α−β及びβはそれぞれＡｌ、Ｃｒ及びＢの原子比を表し、０．４≦α≦０．８、及び０．０４≦β≦０．１７を満たす数字である。）により表される組成を有するのが好ましい。α及びβをそれぞれ上記特定範囲内とすることで、本実施形態の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜を成膜することができる。
ＡｌＣｒＢ焼結体合金のＡｌ、Ｃｒ及びＢの各原子比の総計を１として、Ａｌの原子比αの範囲は０．４〜０．８であるのが好ましい。αが０．４未満では（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜のＡｌ含有量が少なすぎるため、耐酸化性が損なわれる。一方、αが０．８を超えると（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜中に軟質なｈｃｐ構造が形成されて耐摩耗性が損なわれる。αの下限はより好ましくは０．４５であり、αの上限はより好ましくは０．７８である。
ＡｌＣｒＢ焼結体合金のＡｌ、Ｃｒ及びＢの各原子比の総計を１として、Ｃｒの原子比１−α−βの範囲は０．５６〜０．０３であるのが好ましい。１−α−βが０．０３未満ではＣｒの添加効果が得られない。一方、１−α−βが０．５６を超えるとＡｌ含有量が過少になり耐酸化性が損なわれる。１−α−βの下限はより好ましくは０．１０であり、１−α−βの上限はより好ましくは０．５０である。
ＡｌＣｒＢ焼結体合金のＡｌ、Ｃｒ及びＢの各原子比の総計を１として、Ｂの原子比βの範囲は０．０４〜０．１７であるのが好ましい。βが０．０４未満ではＢの添加効果が得られない。一方、βが０．１７を超えると（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜においてｆｃｃの単一構造を保持できない。βの下限はより好ましくは０．０５であり、βの上限はより好ましくは０．１６である。
（２） 焼結体合金の酸素含有量
ＡｌＣｒＢ焼結体合金の酸素含有量は２０００〜４０００μｇ／ｇである。酸素含有量が２０００μｇ／ｇ未満及び４０００μｇ／ｇ超ではいずれも、（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の含有酸素量が０．００２未満及び０．０１０超になり、本実施形態の硬質皮膜の有利な効果を奏しない。さらに上記ピーク強度比（Ｂ−Ｎ）／（Ｂ−Ｏ）の特定範囲を満たさない。ＡｌＣｒＢ焼結体合金の酸素含有量の下限は、好ましくは２０５０μｇ／ｇであり、より好ましくは２１００μｇ／ｇである。一方、ＡｌＣｒＢ焼結体合金の酸素含有量の上限は、好ましくは３９００μｇ／ｇであり、より好ましくは３８００μｇ／ｇである。
ＡｌＣｒＢ焼結体合金の酸素含有量は２０００〜４０００μｇ／ｇである。酸素含有量が２０００μｇ／ｇ未満及び４０００μｇ／ｇ超ではいずれも、（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の含有酸素量が０．００２未満及び０．０１０超になり、本実施形態の硬質皮膜の有利な効果を奏しない。さらに上記ピーク強度比（Ｂ−Ｎ）／（Ｂ−Ｏ）の特定範囲を満たさない。ＡｌＣｒＢ焼結体合金の酸素含有量の下限は、好ましくは２０５０μｇ／ｇであり、より好ましくは２１００μｇ／ｇである。一方、ＡｌＣｒＢ焼結体合金の酸素含有量の上限は、好ましくは３９００μｇ／ｇであり、より好ましくは３８００μｇ／ｇである。
（Ｂ） 改質層形成用ＴｉＢターゲット
改質層形成用ＴｉＢターゲットは、不可避的不純物を除いて、ＴｉｆＢ１−ｆ（ただし、ｆはＴｉの原子比であり、０．５≦ｆ≦０．９を満たす。）で表される組成を有するのが好ましい。Ｔｉの原子比ｆが０．５未満ではｆｃｃ構造の改質層が得られず、またｆが０．９超では脱炭層が形成されて、やはりｆｃｃ構造の改質層が得られない。Ｔｉの原子比ｆの下限はより好まし範囲は０．７であり、Ｔｉの原子比ｆの上限はより好ましくは０．８８である。
改質層形成用ＴｉＢターゲットは、不可避的不純物を除いて、ＴｉｆＢ１−ｆ（ただし、ｆはＴｉの原子比であり、０．５≦ｆ≦０．９を満たす。）で表される組成を有するのが好ましい。Ｔｉの原子比ｆが０．５未満ではｆｃｃ構造の改質層が得られず、またｆが０．９超では脱炭層が形成されて、やはりｆｃｃ構造の改質層が得られない。Ｔｉの原子比ｆの下限はより好まし範囲は０．７であり、Ｔｉの原子比ｆの上限はより好ましくは０．８８である。
（Ｃ） アーク放電式蒸発源及びアーク放電用電源
図１に示すように、アーク放電式蒸発源１３，２７はそれぞれ陰極物質の改質層形成用ＴｉＢターゲット１０、及び（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜形成用ターゲット１８を備える。例えば、アーク放電用電源１１、１２から、ターゲット１０に直流アーク電流を通電し、ターゲット１８にパルスアーク電流を通電する。図示していないが、アーク放電式蒸発源１３、２７に磁場発生手段（電磁石及び／又は永久磁石とヨークとを有する構造体）を設け、（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜を形成する基体７の近傍に数十Ｇ（例えば１０〜５０Ｇ）の空隙磁束密度の磁場分布を形成するのが好ましい。
図１に示すように、アーク放電式蒸発源１３，２７はそれぞれ陰極物質の改質層形成用ＴｉＢターゲット１０、及び（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜形成用ターゲット１８を備える。例えば、アーク放電用電源１１、１２から、ターゲット１０に直流アーク電流を通電し、ターゲット１８にパルスアーク電流を通電する。図示していないが、アーク放電式蒸発源１３、２７に磁場発生手段（電磁石及び／又は永久磁石とヨークとを有する構造体）を設け、（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜を形成する基体７の近傍に数十Ｇ（例えば１０〜５０Ｇ）の空隙磁束密度の磁場分布を形成するのが好ましい。
（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜形成用ターゲットはドロップレットが発生しやすいＡｌを含む。ドロップレットは（ＡｌＣｒＢ）Ｎ多結晶粒の成長の分断を引き起こすとともに、（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の破壊の起点となる。そのため、１５０〜２５０Ａの直流アーク電流を前記ＡｌＣｒＢ焼結体合金ターゲット（蒸発源）に通電することにより、ドロップレットの過剰発生を抑えることができる。
（Ｄ） バイアス電源
図１に示すように、基体７にバイアス電源３から直流電圧又はパルスバイアス電圧を印加する。
図１に示すように、基体７にバイアス電源３から直流電圧又はパルスバイアス電圧を印加する。
［３］ 成膜条件
本実施形態の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜は、前記ＡｌＣｒＢ焼結体合金ターゲットを用いたＡＩ法により形成できる。本実施形態の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の成膜条件を工程ごとに以下詳述する。
本実施形態の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜は、前記ＡｌＣｒＢ焼結体合金ターゲットを用いたＡＩ法により形成できる。本実施形態の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の成膜条件を工程ごとに以下詳述する。
（Ａ） 基体のクリーニング工程
図１に示すＡＩ装置の保持具８上に基体７をセットした後、減圧容器５内を１〜５×１０−２Ｐａ（例えば１．５×１０−２Ｐａ）に保持しながら、ヒーター（図示せず）により基体７を２５０〜６５０℃の温度に加熱する。図１では円柱体で示されているが、基体７はソリッドタイプのエンドミル又はインサート等の種々の形状を取り得る。その後、アルゴンガスを減圧容器５内に導入して０．５〜１０Ｐａ（例えば２Ｐａ）のアルゴンガス雰囲気とする。この状態で基体７にバイアス電源３により−２５０〜−１５０Ｖの直流バイアス電圧又はパルスバイアス電圧を印加して基体７の表面をアルゴンイオンによりボンバードしてクリーニングする。
図１に示すＡＩ装置の保持具８上に基体７をセットした後、減圧容器５内を１〜５×１０−２Ｐａ（例えば１．５×１０−２Ｐａ）に保持しながら、ヒーター（図示せず）により基体７を２５０〜６５０℃の温度に加熱する。図１では円柱体で示されているが、基体７はソリッドタイプのエンドミル又はインサート等の種々の形状を取り得る。その後、アルゴンガスを減圧容器５内に導入して０．５〜１０Ｐａ（例えば２Ｐａ）のアルゴンガス雰囲気とする。この状態で基体７にバイアス電源３により−２５０〜−１５０Ｖの直流バイアス電圧又はパルスバイアス電圧を印加して基体７の表面をアルゴンイオンによりボンバードしてクリーニングする。
基体温度が２５０℃未満ではアルゴンイオンによるエッチング効果がなく、また６５０℃超では成膜工程時に基体温度を所定条件に設定することが困難である。基体温度は基体に埋め込んだ熱電対により測定する（以降の工程でも同様）。減圧容器５内のアルゴンガスの圧力が０．５〜１０Ｐａの範囲外であると、アルゴンイオンによるボンバード処理が不安定となる。直流バイアス電圧又はパルスバイアス電圧が−２５０Ｖ未満では基体にアーキングの発生が起こり、−１５０Ｖ超ではボンバードのエッチングによるクリーニング効果が十分に得られない。
（Ｂ） 改質層形成工程
改質層形成用ＴｉＢターゲットを用いたＷＣ基超硬合金製の基体７へのイオンボンバードは、基体７のクリーニング後に、流量が３０〜１５０ｓｃｃｍのアルゴンガス雰囲気中で行い、基体７の表面に改質層を形成する。アーク放電式蒸発源１３に取り付けたＴｉＢターゲットの表面にアーク放電用電源１１から５０〜１００Ａのアーク電流（直流電流）を通電する。基体７を４５０〜７５０℃の温度に加熱するとともに、バイアス電源３から基体７に−１０００〜−６００Ｖの直流バイアス電圧を印加する。ＴｉＢターゲットを用いたイオンボンバードにより、Ｔｉイオン及びＢイオンがＷＣ基超硬合金製の基体７に照射される。
改質層形成用ＴｉＢターゲットを用いたＷＣ基超硬合金製の基体７へのイオンボンバードは、基体７のクリーニング後に、流量が３０〜１５０ｓｃｃｍのアルゴンガス雰囲気中で行い、基体７の表面に改質層を形成する。アーク放電式蒸発源１３に取り付けたＴｉＢターゲットの表面にアーク放電用電源１１から５０〜１００Ａのアーク電流（直流電流）を通電する。基体７を４５０〜７５０℃の温度に加熱するとともに、バイアス電源３から基体７に−１０００〜−６００Ｖの直流バイアス電圧を印加する。ＴｉＢターゲットを用いたイオンボンバードにより、Ｔｉイオン及びＢイオンがＷＣ基超硬合金製の基体７に照射される。
基体７の温度が４５０〜７５０℃の範囲外ではｆｃｃ構造の改質層が形成されないか、若しくは基体７の表面に脱炭層が形成されて性能が著しく低下する。減圧容器５内のアルゴンガスの流量が３０ｓｃｃｍ未満では基体７に入射するＴｉイオン等のエネルギーが強すぎて、基体７の表面に脱炭層が形成され、硬質皮膜の密着性を損なう。一方、アルゴンガスの流量が１５０ｓｃｃｍ超では、Ｔｉイオン等のエネルギーが弱まり、改質層が形成されない。
アーク電流が５０Ａ未満ではアーク放電が不安定になり、また１００Ａ超では基体７の表面にドロップレットが多数形成されて密着性を損なう。直流バイアス電圧が−１０００Ｖ未満ではＴｉイオン等のエネルギーが強すぎて基体７の表面に脱炭層が形成され、また−６００Ｖ超では基体表面に改質層が形成されない。
（Ｃ） （ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の成膜工程
基体７の上、又は改質層を形成した場合は改質層の上に、（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜を形成する。この際、窒素ガスを使用し、アーク放電式蒸発源２７に取り付けたターゲット１８の表面にアーク放電用電源１２からアーク電流を通電する。同時に、下記温度に制御した基体７にバイアス電源３から直流バイアス電圧又はユニポーラパルスバイアス電圧を印加する。
基体７の上、又は改質層を形成した場合は改質層の上に、（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜を形成する。この際、窒素ガスを使用し、アーク放電式蒸発源２７に取り付けたターゲット１８の表面にアーク放電用電源１２からアーク電流を通電する。同時に、下記温度に制御した基体７にバイアス電源３から直流バイアス電圧又はユニポーラパルスバイアス電圧を印加する。
（１） 基体温度
（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の成膜時の基体温度を４００〜５５０℃にする。基体温度が４００℃未満では（ＡｌＣｒＢ）Ｎが十分に結晶化しないため、（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜が十分な潤滑性及び耐摩耗性を有さず、また残留応力の増加により皮膜剥離の原因となる。一方、基体温度が５５０℃超では結晶粒の微細化が促進されて潤滑性及び耐摩耗性が損なわれる。基体温度は４８０〜５４０℃が好ましい。
（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の成膜時の基体温度を４００〜５５０℃にする。基体温度が４００℃未満では（ＡｌＣｒＢ）Ｎが十分に結晶化しないため、（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜が十分な潤滑性及び耐摩耗性を有さず、また残留応力の増加により皮膜剥離の原因となる。一方、基体温度が５５０℃超では結晶粒の微細化が促進されて潤滑性及び耐摩耗性が損なわれる。基体温度は４８０〜５４０℃が好ましい。
（２） 窒素ガスの圧力
本実施形態の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜を形成するための成膜ガスとして窒素ガスを使用する。窒素ガスの圧力（全圧）は２．７〜３．３Ｐａにする。窒素ガスの圧力が２．７Ｐａ未満では（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の窒化（Ｂ−Ｎ結合の形成）が不十分になり、酸素含有量が過大になる他、窒化されないＡｌＣｒＢ合金相等の異相が存在する。一方、窒素ガスの圧力が３．３Ｐａ超では、酸素含有量が過小になる。さらに、Ｂ−Ｎ結合のピーク強度がＢ−Ｏ結合のピーク強度より大きくなる。窒素ガスの圧力の下限は、２．８Ｐａが好ましく、２．９Ｐａがより好ましい。窒素ガスの圧力の上限は、３．２Ｐａが好ましく、３．１Ｐａがより好ましい。
本実施形態の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜を形成するための成膜ガスとして窒素ガスを使用する。窒素ガスの圧力（全圧）は２．７〜３．３Ｐａにする。窒素ガスの圧力が２．７Ｐａ未満では（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の窒化（Ｂ−Ｎ結合の形成）が不十分になり、酸素含有量が過大になる他、窒化されないＡｌＣｒＢ合金相等の異相が存在する。一方、窒素ガスの圧力が３．３Ｐａ超では、酸素含有量が過小になる。さらに、Ｂ−Ｎ結合のピーク強度がＢ−Ｏ結合のピーク強度より大きくなる。窒素ガスの圧力の下限は、２．８Ｐａが好ましく、２．９Ｐａがより好ましい。窒素ガスの圧力の上限は、３．２Ｐａが好ましく、３．１Ｐａがより好ましい。
（３） 窒素ガスの流量
窒素ガスの流量は７５０〜９００ｓｃｃｍにするのが好ましい。窒素ガスの流量が７５０ｓｃｃｍ未満及び９００ｓｃｃｍ超ではいずれも上記窒素ガスの圧力（全圧）を２．７〜３．３Ｐａに調整することが困難になる。窒素ガスの流量の下限は７７０ｓｃｃｍがより好ましく、窒素ガスの流量の上限は８８０ｓｃｃｍがより好ましい。
窒素ガスの流量は７５０〜９００ｓｃｃｍにするのが好ましい。窒素ガスの流量が７５０ｓｃｃｍ未満及び９００ｓｃｃｍ超ではいずれも上記窒素ガスの圧力（全圧）を２．７〜３．３Ｐａに調整することが困難になる。窒素ガスの流量の下限は７７０ｓｃｃｍがより好ましく、窒素ガスの流量の上限は８８０ｓｃｃｍがより好ましい。
（４） 基体に印加するバイアス電圧
（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜を形成するために、基体に直流バイアス電圧又はユニポーラパルスバイアス電圧を印加する。直流バイアス電圧は−１６０〜−１００Ｖにするのが好ましい。直流バイアス電圧が−１６０Ｖ未満ではＢ含有量が著しく低下する。一方、直流バイアス電圧が−１００Ｖ超では（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜が短寿命になる。直流バイアス電圧のより好ましい範囲は−１５０〜−１１０Ｖである。
（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜を形成するために、基体に直流バイアス電圧又はユニポーラパルスバイアス電圧を印加する。直流バイアス電圧は−１６０〜−１００Ｖにするのが好ましい。直流バイアス電圧が−１６０Ｖ未満ではＢ含有量が著しく低下する。一方、直流バイアス電圧が−１００Ｖ超では（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜が短寿命になる。直流バイアス電圧のより好ましい範囲は−１５０〜−１１０Ｖである。
ユニポーラパルスバイアス電圧の場合、負バイアス電圧（ゼロから負側への立ち上がりの急峻な部分を除いた負のピーク値）は−１６０〜−１００Ｖにするのが好ましい。負バイアス電圧をこの範囲とすることで長寿命の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜を得られる。負バイアス電圧のより好ましい範囲は−１５０〜−１１０Ｖである。ユニポーラパルスバイアス電圧の周波数は好ましくは２０〜５０ｋＨｚであり、より好ましくは３０〜４０ｋＨｚである。
（４） アーク電流
（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の形成時にドロップレットを抑制するために、（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜形成用ターゲット（ＡｌＣｒＢ焼結体合金ターゲット）１８にアーク電流（直流電流）を通電するのが好ましい。アーク電流は１５０〜２５０Ａにするのが好ましい。アーク電流が１５０Ａ未満ではアーク放電が不安定になり、（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の形成が困難になる。一方、アーク電流が２５０Ａ超ではドロップレットが顕著に増加して耐摩耗性が悪化する。アーク電流は１６０〜２４０Ａにするのがより好ましい。
（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の形成時にドロップレットを抑制するために、（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜形成用ターゲット（ＡｌＣｒＢ焼結体合金ターゲット）１８にアーク電流（直流電流）を通電するのが好ましい。アーク電流は１５０〜２５０Ａにするのが好ましい。アーク電流が１５０Ａ未満ではアーク放電が不安定になり、（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の形成が困難になる。一方、アーク電流が２５０Ａ超ではドロップレットが顕著に増加して耐摩耗性が悪化する。アーク電流は１６０〜２４０Ａにするのがより好ましい。
本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明は勿論それらに限定されない。以下の実施例及び比較例において、ターゲットの金属元素及び半金属元素の組成は特に断りがなければ蛍光Ｘ線法による測定値であり、含有酸素量はキャリアガス法（carrier gas hot extraction method）による測定値である。また、実施例では硬質皮膜の基体としてインサートを用いたが、勿論本発明はそれらに限定される訳ではなく、インサート以外の切削工具（エンドミル、ドリル等）又は金型等にも適用可能である。
実施例１
（１） 基体のクリーニング
８．０質量％のＣｏを含有し、残部がＷＣ及び不可避的不純物からなる組成を有するＷＣ基超硬合金製の仕上げミーリングインサート基体（図６に示す形状を有する三菱日立ツール株式会社製のＺＤＦＧ３００−ＳＣ）、及び物性測定用インサート基体（三菱日立ツール株式会社製のＳＮＭＮ１２０４０８）を、図１に示すＡＩ装置の保持具８上にセットし、真空排気と同時にヒーター（図示せず）で５５０℃まで加熱した。その後、アルゴンガスを５００ｓｃｃｍ（１ａｔｍ及び２５℃におけるｃｃ／分）の流量で導入して減圧容器５内の圧力を２．０Ｐａに調整するとともに、前記各基体（以後、基体７ともいう。）に−２００Ｖの直流バイアス電圧を印加してアルゴンイオンのボンバードによるエッチングにより基体７のクリーニングを行った。
（１） 基体のクリーニング
８．０質量％のＣｏを含有し、残部がＷＣ及び不可避的不純物からなる組成を有するＷＣ基超硬合金製の仕上げミーリングインサート基体（図６に示す形状を有する三菱日立ツール株式会社製のＺＤＦＧ３００−ＳＣ）、及び物性測定用インサート基体（三菱日立ツール株式会社製のＳＮＭＮ１２０４０８）を、図１に示すＡＩ装置の保持具８上にセットし、真空排気と同時にヒーター（図示せず）で５５０℃まで加熱した。その後、アルゴンガスを５００ｓｃｃｍ（１ａｔｍ及び２５℃におけるｃｃ／分）の流量で導入して減圧容器５内の圧力を２．０Ｐａに調整するとともに、前記各基体（以後、基体７ともいう。）に−２００Ｖの直流バイアス電圧を印加してアルゴンイオンのボンバードによるエッチングにより基体７のクリーニングを行った。
（２） ＴｉＢターゲットを用いた改質層の形成
基体温度を５５０℃に保持したまま、アルゴンガスの流量を７０ｓｃｃｍとし、Ｔｉ０．８Ｂ０．２（原子比）で表される組成のターゲット１０をアーク放電用電源１１が接続されたアーク放電式蒸発源１３に配置した。バイアス電源３により基体７に−８００Ｖの直流電圧を印加するとともに、ターゲット１０の表面にアーク放電用電源１１から７５Ａの直流アーク電流を流し、基体７の表面に平均厚さ４ｎｍの改質層を形成した。前記改質層の平均厚さの測定は特許第５９６７３２９号に記載の方法で行った。
基体温度を５５０℃に保持したまま、アルゴンガスの流量を７０ｓｃｃｍとし、Ｔｉ０．８Ｂ０．２（原子比）で表される組成のターゲット１０をアーク放電用電源１１が接続されたアーク放電式蒸発源１３に配置した。バイアス電源３により基体７に−８００Ｖの直流電圧を印加するとともに、ターゲット１０の表面にアーク放電用電源１１から７５Ａの直流アーク電流を流し、基体７の表面に平均厚さ４ｎｍの改質層を形成した。前記改質層の平均厚さの測定は特許第５９６７３２９号に記載の方法で行った。
（３） （ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の形成
（Ａｌ）０．５９（Ｃｒ）０．３１（Ｂ）０．１０（原子比）の金属元素及び半金属元素の組成、及び酸素含有量が２２５０μｇ／ｇのＡｌＣｒＢ焼結体合金からなるターゲット１８を、図１のアーク放電用電源１２が接続されたアーク放電式蒸発源２７に配置した。基体７の温度を４５０℃に設定するとともに、窒素ガス雰囲気とした減圧容器５内の窒素ガスの全圧を３．０Ｐａにし、及び窒素ガスの流量を８００ｓｃｃｍに調整した。
（Ａｌ）０．５９（Ｃｒ）０．３１（Ｂ）０．１０（原子比）の金属元素及び半金属元素の組成、及び酸素含有量が２２５０μｇ／ｇのＡｌＣｒＢ焼結体合金からなるターゲット１８を、図１のアーク放電用電源１２が接続されたアーク放電式蒸発源２７に配置した。基体７の温度を４５０℃に設定するとともに、窒素ガス雰囲気とした減圧容器５内の窒素ガスの全圧を３．０Ｐａにし、及び窒素ガスの流量を８００ｓｃｃｍに調整した。
バイアス電源３により基体７に−１２０Ｖの直流電圧を印加するとともに、ターゲット１８にアーク放電用電源１２から２００Ａの直流アーク電流を流し、基体７の上に、（Ａｌ０．５４Ｃｒ０．４２Ｂ０．０４）Ｎ０．９９４Ｏ０．００６（原子比）の組成を有する厚さ３μｍの本実施例の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜を被覆した。こうして本実施例の硬質皮膜被覆工具（ミーリングインサート）を得た。成膜した硬質皮膜の組成は、硬質皮膜の厚さ方向の中心位置を電子プローブマイクロ分析装置ＥＰＭＡ（日本電子株式会社製ＪＸＡ−８５００Ｆ）により、加速電圧１０ｋＶ、照射電流０．０５Ａ、及びビーム径０．５μｍの条件で測定した。なお、ＥＰＭＡの測定条件は他の例でも同じである。さらに、上記（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜に含有されるＮ及びＯ元素の分析値は、前記のＥＰＭＡ分析とともに、透過型電子顕微鏡（日本電子株式会社製ＪＥＭ−２１００）に搭載のエネルギー分散型Ｘ線分光器（ＥＤＳ、ＮＯＲＡＮ社製ＵＴＷ型Ｓｉ（Ｌｉ）半導体検出器、ビーム径：約１μｍ）を使用したＴＥＭ−ＥＤＳ分析を併用して決定した。
図２は、上記（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜被覆ミーリングインサートの断面組織を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（倍率：２５，０００倍）である。図２において、３１はＷＣ基超硬合金基体を示し、３２は柱状結晶粒の多結晶組織からなる（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜を示す。なお、図２は低倍率なので、改質層は見えない。
（４） （ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜におけるＢの結合状態
Ｘ線光電子分光装置（ＰＨＩ社製ＰＨＩ−５０００Ｖｅｒｓａｐｒｏｂｅ ＩＩ）を用いて、アルゴンイオンにより上記断面組織の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜を表面から厚さ方向の１／２の深さ（表面側）までエッチングした後、直径１００μｍの範囲にＡｌＫα線（１４８６．７ｅＶ、２５ｋＶ、モノクロ）を照射し、Ｂの結合状態を示す図３のＸ線光電子分光スペクトルを得た。図３において、横軸は結合エネルギー（ｅＶ）であり、縦軸はｃ／ｓ（counts per second）である。図３中に検出されたＢ１ｓスペクトル、Ｂ１ｓスペクトルのピーク分離を行って得られたＢ−Ｏ結合及びＢ−Ｎ結合を示す。図３から、１９１ｅＶにＢ−Ｎ結合のピーク強度が、及び１９３ｅＶにＢ−Ｏ結合のピーク強度がそれぞれ観察され、前記Ｂ−Ｎ結合と前記Ｂ−Ｏ結合とのピーク強度比（Ｂ−Ｎ）／（Ｂ−Ｏ）は０．６であった。
Ｘ線光電子分光装置（ＰＨＩ社製ＰＨＩ−５０００Ｖｅｒｓａｐｒｏｂｅ ＩＩ）を用いて、アルゴンイオンにより上記断面組織の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜を表面から厚さ方向の１／２の深さ（表面側）までエッチングした後、直径１００μｍの範囲にＡｌＫα線（１４８６．７ｅＶ、２５ｋＶ、モノクロ）を照射し、Ｂの結合状態を示す図３のＸ線光電子分光スペクトルを得た。図３において、横軸は結合エネルギー（ｅＶ）であり、縦軸はｃ／ｓ（counts per second）である。図３中に検出されたＢ１ｓスペクトル、Ｂ１ｓスペクトルのピーク分離を行って得られたＢ−Ｏ結合及びＢ−Ｎ結合を示す。図３から、１９１ｅＶにＢ−Ｎ結合のピーク強度が、及び１９３ｅＶにＢ−Ｏ結合のピーク強度がそれぞれ観察され、前記Ｂ−Ｎ結合と前記Ｂ−Ｏ結合とのピーク強度比（Ｂ−Ｎ）／（Ｂ−Ｏ）は０．６であった。
（５） （ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜のＸ線回折パターン
物性測定用インサート基体上の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の結晶構造を観察するために、Ｘ線回折装置（Ｐａｎａｌｙｔｉｃａｌ社製のＥＭＰＹＲＥＡＮ）を使用し、当該（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の表面に以下の条件でＣｕＫα１線（波長λ：０．１５４０５ｎｍ）を照射してＸ線回折パターン（図４）を得た。
管電圧：４５ｋＶ
管電流：４０ｍＡ
入射角ω：３°に固定
２θ：２０〜９０°
物性測定用インサート基体上の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の結晶構造を観察するために、Ｘ線回折装置（Ｐａｎａｌｙｔｉｃａｌ社製のＥＭＰＹＲＥＡＮ）を使用し、当該（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の表面に以下の条件でＣｕＫα１線（波長λ：０．１５４０５ｎｍ）を照射してＸ線回折パターン（図４）を得た。
管電圧：４５ｋＶ
管電流：４０ｍＡ
入射角ω：３°に固定
２θ：２０〜９０°
図４において、（１１１）面、（２００）面、（２２０）面、（３１１）面、及び（２２２）面はいずれもｆｃｃ構造のＸ線回折ピークである。従って、実施例１の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜はｆｃｃの単一構造であることが分かる。なお、図４において、指数付けされていないＸ線回折ピークはＷＣ基超硬合金基体のＸ線回折ピークである。
（６） （ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜のミクロ構造
物性測定用インサートの（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の断面の厚さ方向の中央位置において、透過型電子顕微鏡（ＪＥＭ−２１００）により、２００ｋＶの加速電圧及び５０ｃｍのカメラ長の条件でナノビーム回折を行った。得られた回折像を図５に示す。図５において、ｆｃｃ構造の（１１１）面、（２００）面及び（２２０）面の回折パターンが観察されたことから、本実施例の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜は電子回折パターンもｆｃｃの単一構造であることが分かった。
物性測定用インサートの（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の断面の厚さ方向の中央位置において、透過型電子顕微鏡（ＪＥＭ−２１００）により、２００ｋＶの加速電圧及び５０ｃｍのカメラ長の条件でナノビーム回折を行った。得られた回折像を図５に示す。図５において、ｆｃｃ構造の（１１１）面、（２００）面及び（２２０）面の回折パターンが観察されたことから、本実施例の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜は電子回折パターンもｆｃｃの単一構造であることが分かった。
（７） 工具寿命の測定
図６、図７に示すように、上記（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜被覆ミーリングインサート（以後、インサート３０ともいう。）を、刃先交換式回転工具（三菱日立ツール株式会社製 ＡＢＰＦ３０Ｓ３２Ｌ１５０）４０の工具本体３６の先端部３８に止めねじ３７を用いて装着した。刃先交換式回転工具４０の刃径は３０ｍｍとした。刃先交換式回転工具４０を使用して下記の転削条件で切削加工を行い、単位時間ごとにサンプリングしたインサート３０の逃げ面を光学顕微鏡（倍率：１００倍）で観察し、逃げ面の摩耗幅又はチッピング幅が０．２ｍｍ以上になったときの加工時間を工具寿命と判定した。
図６、図７に示すように、上記（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜被覆ミーリングインサート（以後、インサート３０ともいう。）を、刃先交換式回転工具（三菱日立ツール株式会社製 ＡＢＰＦ３０Ｓ３２Ｌ１５０）４０の工具本体３６の先端部３８に止めねじ３７を用いて装着した。刃先交換式回転工具４０の刃径は３０ｍｍとした。刃先交換式回転工具４０を使用して下記の転削条件で切削加工を行い、単位時間ごとにサンプリングしたインサート３０の逃げ面を光学顕微鏡（倍率：１００倍）で観察し、逃げ面の摩耗幅又はチッピング幅が０．２ｍｍ以上になったときの加工時間を工具寿命と判定した。
切削加工条件
加工方法： 連続転削加工
被削材： １２０ｍｍ×２５０ｍｍのＳ５０Ｃ角材（ＨＢ２２０）
使用インサート： ＺＤＦＧ３００−ＳＣ（ミーリング用）
切削工具： ＡＢＰＦ３０Ｓ３２Ｌ１５０
切削速度： ３８０ｍ／分
１刃当たりの送り量： ０．３ｍｍ／刃
軸方向の切り込み量： ０．３ｍｍ
半径方向の切り込み量：０．１ｍｍ
切削液： なし（乾式加工）
加工方法： 連続転削加工
被削材： １２０ｍｍ×２５０ｍｍのＳ５０Ｃ角材（ＨＢ２２０）
使用インサート： ＺＤＦＧ３００−ＳＣ（ミーリング用）
切削工具： ＡＢＰＦ３０Ｓ３２Ｌ１５０
切削速度： ３８０ｍ／分
１刃当たりの送り量： ０．３ｍｍ／刃
軸方向の切り込み量： ０．３ｍｍ
半径方向の切り込み量：０．１ｍｍ
切削液： なし（乾式加工）
使用した（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜形成用ＡｌＣｒＢ焼結体合金ターゲットの組成を表１に示し、使用した（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の成膜条件を表２に示し、得られた（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の組成を表３に示し、並びに前記皮膜のＸ線回折及び電子回折による結晶構造の測定結果、Ｘ線光電子分光分析法により特定されたＢ−Ｏ結合及びＢ−Ｎ結合のピーク強度比（Ｂ−Ｎ）／（Ｂ−Ｏ）、及び工具寿命を表４に示す。
実施例２〜９
表１に示す各例のＡｌＣｒＢ焼結体ターゲットを使用し、及び表２に示す各例の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の成膜条件を使用した以外、実施例１と同様にして（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜被覆ミーリングインサート及び硬質皮膜被覆工具を製作した。実施例２、３では実施例１に対してＡｌ（Ｃｒ）添加量を変化させた。実施例４及び５では実施例１に対してＢ添加量を変化させた。実施例６及び９では実施例１に対して窒素ガスの全圧を変化させた。実施例７では実施例５に対してバイアス電圧を変化させた。実施例８では実施例１に対して焼結体ターゲットの含有酸素量を変化させた。前記各例のＡｌＣｒＢ焼結体合金ターゲットの組成を表１に示し、前記各例の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の成膜条件を表２に示し、得られた前記各例の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の組成を表３に示し、並びに前記各例の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜のＸ線回折及び電子回折による結晶構造の測定結果、前記各例のＸ線光電子分光分析法により特定されたＢ−Ｏ結合及びＢ−Ｎ結合のピーク強度比（Ｂ−Ｎ）／（Ｂ−Ｏ）、及び前記各例の工具寿命を表４に示す。
表１に示す各例のＡｌＣｒＢ焼結体ターゲットを使用し、及び表２に示す各例の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の成膜条件を使用した以外、実施例１と同様にして（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜被覆ミーリングインサート及び硬質皮膜被覆工具を製作した。実施例２、３では実施例１に対してＡｌ（Ｃｒ）添加量を変化させた。実施例４及び５では実施例１に対してＢ添加量を変化させた。実施例６及び９では実施例１に対して窒素ガスの全圧を変化させた。実施例７では実施例５に対してバイアス電圧を変化させた。実施例８では実施例１に対して焼結体ターゲットの含有酸素量を変化させた。前記各例のＡｌＣｒＢ焼結体合金ターゲットの組成を表１に示し、前記各例の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の成膜条件を表２に示し、得られた前記各例の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の組成を表３に示し、並びに前記各例の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜のＸ線回折及び電子回折による結晶構造の測定結果、前記各例のＸ線光電子分光分析法により特定されたＢ−Ｏ結合及びＢ−Ｎ結合のピーク強度比（Ｂ−Ｎ）／（Ｂ−Ｏ）、及び前記各例の工具寿命を表４に示す。
比較例１
（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の成膜時における減圧容器５内の窒素ガス雰囲気の全圧を２Ｐａに、及び窒素ガスの流量を７００ｓｃｃｍに調整した以外、実施例１と同様にして（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜被覆ミーリングインサート及び硬質皮膜被覆工具を製作した。
（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の成膜時における減圧容器５内の窒素ガス雰囲気の全圧を２Ｐａに、及び窒素ガスの流量を７００ｓｃｃｍに調整した以外、実施例１と同様にして（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜被覆ミーリングインサート及び硬質皮膜被覆工具を製作した。
比較例２
（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の成膜時における減圧容器５内の窒素ガス雰囲気の全圧を３．５Ｐａに、及び窒素ガスの流量を９００ｓｃｃｍに調整した以外、実施例１と同様にして（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜被覆ミーリングインサート及び硬質皮膜被覆工具を製作した。
（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の成膜時における減圧容器５内の窒素ガス雰囲気の全圧を３．５Ｐａに、及び窒素ガスの流量を９００ｓｃｃｍに調整した以外、実施例１と同様にして（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜被覆ミーリングインサート及び硬質皮膜被覆工具を製作した。
比較例３
過小な酸素含有量（４２０μｇ／ｇ）のＡｌＣｒＢ焼結体合金ターゲット（表１）を使用した以外、実施例１と同様にして（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜被覆ミーリングインサート及び硬質皮膜被覆工具を製作した。
過小な酸素含有量（４２０μｇ／ｇ）のＡｌＣｒＢ焼結体合金ターゲット（表１）を使用した以外、実施例１と同様にして（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜被覆ミーリングインサート及び硬質皮膜被覆工具を製作した。
比較例４
過大な酸素含有量（５３９０μｇ／ｇ）のＡｌＣｒＢ焼結体合金ターゲット（表１）を使用した以外、実施例１と同様にして（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜被覆ミーリングインサート及び硬質皮膜被覆工具を製作した。
過大な酸素含有量（５３９０μｇ／ｇ）のＡｌＣｒＢ焼結体合金ターゲット（表１）を使用した以外、実施例１と同様にして（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜被覆ミーリングインサート及び硬質皮膜被覆工具を製作した。
従来例１
＜特許文献１（特開２００５−３３０５３９）の表１中、試料番号４の第２層の成膜条件のトレース実験＞
（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の成膜時の窒素ガス流量：２００ｓｃｃｍ、窒素ガス全圧：１ Ｐａ、アーク電流：２００Ａ、及び基体のバイアス電圧：−５０Ｖ（表２）とした以外、実施例１と同様にして（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜被覆ミーリングインサート及び硬質皮膜被覆工具を製作した。
＜特許文献１（特開２００５−３３０５３９）の表１中、試料番号４の第２層の成膜条件のトレース実験＞
（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の成膜時の窒素ガス流量：２００ｓｃｃｍ、窒素ガス全圧：１ Ｐａ、アーク電流：２００Ａ、及び基体のバイアス電圧：−５０Ｖ（表２）とした以外、実施例１と同様にして（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜被覆ミーリングインサート及び硬質皮膜被覆工具を製作した。
実施例１０
ＷＣ基超硬合金基体にＴｉＢターゲットを用いた改質層を形成しない以外、実施例１と同様にして（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜被覆ミーリングインサート及び硬質皮膜被覆工具を製作した。使用したＡｌＣｒＢ焼結体合金ターゲットの組成を表１に示し、使用した（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の成膜条件を表２に示し、得られた（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の組成を表３に示し、並びに当該（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜のＸ線回折及び電子回折による結晶構造の測定結果、Ｘ線光電子分光分析法により特定されたＢ−Ｏ結合及びＢ−Ｎ結合のピーク強度比（Ｂ−Ｎ）／（Ｂ−Ｏ）、及び工具寿命を表４に示す。
ＷＣ基超硬合金基体にＴｉＢターゲットを用いた改質層を形成しない以外、実施例１と同様にして（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜被覆ミーリングインサート及び硬質皮膜被覆工具を製作した。使用したＡｌＣｒＢ焼結体合金ターゲットの組成を表１に示し、使用した（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の成膜条件を表２に示し、得られた（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の組成を表３に示し、並びに当該（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜のＸ線回折及び電子回折による結晶構造の測定結果、Ｘ線光電子分光分析法により特定されたＢ−Ｏ結合及びＢ−Ｎ結合のピーク強度比（Ｂ−Ｎ）／（Ｂ−Ｏ）、及び工具寿命を表４に示す。
（２） ＡｌＣｒＢ焼結体合金ターゲットへ印加する。
（３） 基体に印加する。
（２） 主構造。
（３） Ｘ線光電子分光分析法で特定されたＢ−Ｎ結合のピーク強度とＢ−Ｏ結合のピーク強度との比率。
（４）：測定していない。
（５）：Ｂ−Ｏ結合が観察されず、算出できなかった。
表４に示すとおり、得られた各例のＸ線光電子分光スペクトルから、実施例１〜１０の各（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜ではいずれも、含有酸素量（１−ａ）が０．９９０〜０．９９８の範囲内にあった。さらに、実施例１〜８及び１０の各（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜ではいずれも、Ｂ−Ｏ結合及びＢ−Ｎ結合が形成されているとともにＢ−Ｎ結合のピーク強度とＢ−Ｏ結合のピーク強度の比率（Ｂ−Ｎ／Ｂ−Ｏ）は０．４〜１．０の範囲内にあることが分かる。特に、実施例１の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜の含有酸素量（１−ａ）は０．００６であり、さらに前記ピーク強度比（Ｂ−Ｎ／Ｂ−Ｏ）は０．６であった。もって実施例１の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜被覆インサートを装着した刃先交換式回転工具の工具寿命は４００分であり、最も長寿命であった。ＴｉＢターゲットによる改質層を形成していない実施例１０の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜被覆インサートを装着した刃先交換式回転工具の工具寿命は３１０分であり、改質層を形成した実施例１〜９の各刃先交換式回転工具より短寿命であったが、各比較例及び従来例１の各刃先交換式回転工具より長寿命であった。
比較例１〜４及び従来例１の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜被覆インサートを装着した刃先交換式回転工具はいずれも短寿命であった。比較例１の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜では、含有酸素量（１−ａ）が０．０１２であり、さらに前記ピーク強度比（Ｂ−Ｎ／Ｂ−Ｏ）が０．３であったことにより良好な潤滑性及び耐摩耗性を両立できなかったと判断される。比較例２の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜では、含有酸素量（１−ａ）は０．００１であり、さらに前記ピーク強度比（Ｂ−Ｎ／Ｂ−Ｏ）が２．１であったことにより良好な潤滑性及び耐摩耗性を両立できなかったと判断される。比較例３の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜では、含有酸素量（１−ａ）は０．００１であり、さらにＢ−Ｏ結合が形成されていなかったことにより良好な潤滑性及び耐摩耗性を両立できなかったと判断される。比較例４の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜では、含有酸素量（１−ａ）は０．０１６であり、さらに前記ピーク強度比（Ｂ−Ｎ／Ｂ−Ｏ）が０．１であったことにより良好な潤滑性及び耐摩耗性を両立できなかったと判断される。従来例１の（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜では窒素ガスの流量及び圧力が低いことから、含有酸素量（１−ａ）は０．０１３であり、さらにＢ−Ｎ結合が形成されていなかったことにより良好な潤滑性及び耐摩耗性を両立できなかったと判断される。
１：駆動部
２：ガス導入部
３：バイアス電源
４：軸受け部
５：減圧容器
６：下部保持具（支柱）
７：基体
８：上部保持具
１０、１８：陰極物質（ターゲット）
１１、１２：アーク放電用電源
１３、２７：アーク放電式蒸発源
１４：アーク放電式蒸発源固定用絶縁物
１５：アーク点火機構軸受部
１６：アーク点火機構
１７：排気口
１９：電極固定用絶縁物
２０：電極
２１：遮蔽板軸受け部
２２：遮蔽板駆動部
２３：遮蔽板
３０：ミーリング用インサート
３１：ＷＣ基超硬合金基体
３２：（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜
３５：インサートのすくい面
３６：工具基体
３７：インサート用止めねじ
３８：工具本体の先端部
３９：刃先交換式回転工具
４６：工具本体
４７：インサート用止めねじ
４８：工具本体の先端部
２：ガス導入部
３：バイアス電源
４：軸受け部
５：減圧容器
６：下部保持具（支柱）
７：基体
８：上部保持具
１０、１８：陰極物質（ターゲット）
１１、１２：アーク放電用電源
１３、２７：アーク放電式蒸発源
１４：アーク放電式蒸発源固定用絶縁物
１５：アーク点火機構軸受部
１６：アーク点火機構
１７：排気口
１９：電極固定用絶縁物
２０：電極
２１：遮蔽板軸受け部
２２：遮蔽板駆動部
２３：遮蔽板
３０：ミーリング用インサート
３１：ＷＣ基超硬合金基体
３２：（ＡｌＣｒＢ）Ｎ硬質皮膜
３５：インサートのすくい面
３６：工具基体
３７：インサート用止めねじ
３８：工具本体の先端部
３９：刃先交換式回転工具
４６：工具本体
４７：インサート用止めねじ
４８：工具本体の先端部
Claims (6)
- （ＡｌｘＣｒ１−ｘ−ｙＢｙ）ＮａＯ１−ａ（ただし、ｘ、１−ｘ−ｙ、ｙ、ａ及び１−ａはそれぞれＡｌ、Ｃｒ、Ｂ、Ｎ及びＯの原子比を表し、０．３５≦ｘ≦０．７５、０．０１≦ｙ≦０．１、及び０．９９０≦ａ≦０．９９８を満たす数字である。）で表される組成を有する硬質皮膜であって、
Ｘ線回折パターンがｆｃｃの単一構造を有することを特徴とする硬質皮膜。 - 請求項１に記載の硬質皮膜において、Ｘ線光電子分光分析法で特定されたＢ−Ｎ結合とＢ−Ｏ結合とのピーク強度比（Ｂ−Ｎ）／（Ｂ−Ｏ）が０．４〜１．０であることを特徴とする硬質皮膜。
- 請求項１又は２に記載の硬質皮膜を基体上に形成したことを特徴とする硬質皮膜被覆工具。
- （ＡｌｘＣｒ１−ｘ−ｙＢｙ）ＮａＯ１−ａ（ただし、ｘ、１−ｘ−ｙ、ｙ、ａ及び１−ａはそれぞれＡｌ、Ｃｒ、Ｂ、Ｎ及びＯの原子比を表し、０．３５≦ｘ≦０．７５、０．０１≦ｙ≦０．１、及び０．９９０≦ａ≦０．９９８を満たす数字である。）で表される組成を有し、Ｘ線回折パターンがｆｃｃの単一構造を有する硬質皮膜を基体上に有する硬質皮膜被覆工具をアークイオンプレーティング法により製造する方法であって、
アーク放電式蒸発源（ターゲット）として酸素含有量が２０００〜４０００μｇ／ｇのＡｌＣｒＢ焼結体合金を用いて、全圧２．７〜３．３Ｐａとした窒素ガス雰囲気中において、４００〜５５０℃の温度に保持した前記基体上に前記硬質皮膜を形成することを特徴とする硬質皮膜被覆工具の製造方法。 - 請求項４に記載の硬質皮膜被覆工具の製造方法において、前記硬質皮膜においてＸ線光電子分光分析法で特定されたＢ−Ｎ結合とＢ−Ｏ結合とのピーク強度比（Ｂ−Ｎ）／（Ｂ−Ｏ）が０．４〜１．０であり、かつ前記基体に−１６０Ｖ〜−１００Ｖのバイアス電圧を印加することを特徴とする硬質皮膜被覆工具の製造方法。
- 請求項４又は５に記載の硬質皮膜被覆工具の製造方法において、前記ターゲットの金属元素及び半金属元素の組成がＡｌαＣｒ１−α−βＢβ（ただし、α、１−α−β及びβはそれぞれＡｌ、Ｃｒ及びＢの原子比を表し、０．４≦α≦０．８、及び０．０４≦β≦０．１７を満たす数字である。）で表されることを特徴とする硬質皮膜被覆工具の製造方法。
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