(57)【要約】【課題】  ターゲットの機械加工において、ターゲットの表面における炭化物の脱落を抑制でき、異常放電の発生を抑制するとともに、被処理材へのドロップレットの付着を抑制できる新規なＣｒ合金ターゲットを提供する。【解決手段】  原子比における組成式がＣｒ１００−ｘ−ｙ−ｚＣｘＭ１ｙＭ２ｚ、０．１≦ｘ≦１．５、０．１≦ｙ≦２１．０、０．１≦ｚ≦２３．０、Ｍ１がＴｉおよびＶから選択される一種以上の元素、Ｍ２がＭｏ、Ｍｎ、Ｂ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａから選択される一種以上の元素で表され、残部が不可避的不純物からなるＣｒ合金ターゲットであって、１２０００μｍ２あたりで５．０μｍ以上の内接円直径を有する炭化物相が１．０個未満であるＣｒ合金ターゲット。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子比における組成式がＣｒ１００−ｘ−ｙ−ｚＣｘＭ１ｙＭ２ｚ、０．１≦ｘ≦１．５、０．１≦ｙ≦２１．０、０．１≦ｚ≦２３．０、Ｍ１がＴｉおよびＶから選択される一種以上の元素、Ｍ２がＭｏ、Ｍｎ、Ｂ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａから選択される一種以上の元素で表され、残部が不可避的不純物からなるＣｒ合金ターゲットであって、１２０００μｍ２あたりで５．０μｍ以上の内接円直径を有する炭化物相が１．０個未満であるＣｒ合金ターゲット。
【請求項２】
０．２≦ｘ≦１．０である請求項１に記載のＣｒ合金ターゲット。
【請求項３】
前記Ｍ２の一種がＢであり、該Ｂを１．０〜１５．０原子％の範囲で含有する請求項１または請求項２に記載のＣｒ合金ターゲット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硬質皮膜を形成するために用いるＣｒ合金ターゲットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
切削工具、摺動部品、金型等の表面には、耐摩耗性、耐焼付き性の向上等を目的として、例えば、Ｃｒ合金からなる硬質皮膜が適用されている。そして、このＣｒ合金からなる硬質皮膜をコーティングするには、蒸発源としてＣｒ合金ターゲット（以下、単に「ターゲット」ともいう。）を使用したイオンプレーティング法を適用することが一般的である。
【０００３】
イオンプレーティング法の一種であるアークイオンプレーティング法は、減圧した反応ガス雰囲気中において、硬質皮膜の原料となるターゲットをアーク放電にて瞬時に溶解、イオン化し、負に印加した被処理材に付着させて硬質皮膜を形成する方法である。アークイオンプレーティング法は、電子銃等を用いたイオンプレーティング法に比べて、蒸発金属のイオン化率が高く、密着力に優れた硬質皮膜が得られることから、現在ではその適用が拡大している。
【０００４】
アークイオンプレーティング法に用いられるターゲットは、得ようとする硬質皮膜に近似した所望の成分組成からなる板材で構成されており、一般的には粉末焼結法によって製造されている。このターゲットを使用して成膜した硬質皮膜は、使用中に、切削工具や摺動部品から剥離してしまう場合があり、切削工具における切削スピードの高速化や、摺動部品に更なる信頼性が要求される昨今では、この改良が求められている。
【０００５】
そして、例えば、特許文献１においては、Ｃｒを主成分とし、アルミニウム、ケイ素およびチタニウム等を含有するスパッタリングターゲットにおいて、不純物元素として酸素、炭素、硫黄、水素の含有量を３０００質量ｐｐｍ以下に制限することが提案されている。この特許文献１に開示のあるスパッタリングターゲットは、密着力の高い硬質皮膜を形成するために有用な技術である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２２６９６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明者は、Ｃｒ合金で構成される硬質皮膜の耐摩耗性を向上させることを目的とし、Ｃｒ合金に、特許文献１では規制元素とされるＣ（炭素）を添加した、新規なＣｒ合金ターゲットの製造を試みた。そして、本発明者は、Ｃを含有したターゲットを得るために、熱間静水圧プレス（以下、「ＨＩＰ」という。）で加圧焼結して、得られた焼結体に、ターゲットの形状寸法にするための切削加工や研磨加工等の機械加工を行なうと、炭化物がターゲットの表面から脱落してしまい、表面に凹凸が生じる場合があることを確認した。
【０００８】
ターゲットの表面の中でも、特に、エロージョン（侵食）面となる面に凹凸がある場合は、アークイオンプレーティング法で被処理材に硬質皮膜を形成する際に、異常放電の誘発や、ドロップレットが飛散して被処理材に付着してしまう虞がある。
【０００９】
本発明の目的は、ターゲットの機械加工において、ターゲット表面における炭化物の脱落を抑制でき、異常放電の発生を抑制するとともに、被処理材へのドロップレットの付着を抑制できる、新規なＣｒ合金ターゲットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、原子比における組成式がＣｒ１００−ｘ−ｙ−ｚＣｘＭ１ｙＭ２ｚ、０．１≦ｘ≦１．５、０．１≦ｙ≦２１．０、０．１≦ｚ≦２３．０、Ｍ１がＴｉおよびＶから選択される一種以上の元素、Ｍ２がＭｏ、Ｍｎ、Ｂ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａから選択される一種以上の元素で表され、残部が不可避的不純物からなるＣｒ合金ターゲットであって、１２０００μｍ２あたりで５．０μｍ以上の内接円直径を有する炭化物相が１．０個未満であるＣｒ合金ターゲットの発明である。
【００１１】
Ｃ（炭素）の含有量は、上記組成式において、０．２≦ｘ≦１．０の範囲であることが好ましい。
【００１２】
前記Ｍ２の一種がＢ（ホウ素）であり、そのＢを１．０〜１５．０原子％の範囲で含有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、ターゲットの機械加工において、ターゲット表面における炭化物の脱落を抑制でき、表面が平滑なターゲットを提供できる。これにより、本発明は、Ｃｒ合金の硬質皮膜を被処理材にコーティングする際に、異常放電の発生を抑制できることに加え、被処理材へのドロップレットの付着を抑制できる。そして、本発明は、切削工具、摺動部品、金型等の表面への硬質皮膜の形成に有用な技術となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明例１となるターゲットの走査型電子顕微鏡による表面観察写真。
【図２】本発明例２となるターゲットの走査型電子顕微鏡による表面観察写真。
【図３】比較例となるターゲットの走査型電子顕微鏡による表面観察写真。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明のターゲットは、１２０００μｍ２あたりで５．０μｍ以上の内接円直径を有する炭化物相が１．０個未満である。本発明者は、内接円直径が５．０μｍ以上の炭化物相が焼結体の金属組織中に存在すると、ターゲットの形状寸法にするための切削加工や研磨加工といった機械加工を焼結体に施す際に、炭化物相の粒界を起点として、炭化物が脱落しやすくなることを確認した。
ターゲットから炭化物が脱落するという問題は、ターゲットの表面の中でも、特に、エロージョン面となる面に凹凸が形成されてしまうと、異常放電の誘発や、ドロップレットが飛散して被処理材に付着してしまう虞がある。このため、本発明のターゲットは、１２０００μｍ２あたりで５．０μｍ以上の内接円直径を有する炭化物相が１．０個未満とする。これにより、本発明のターゲットは、機械加工時にターゲット表面を平滑にすることができ、Ｃｒ合金の硬質皮膜を被処理材にコーティングする際に、異常放電の発生を抑制できることに加え、被処理材へのドロップレットの付着を抑制できる。
【００１６】
また、本発明の実施形態に係るターゲットは、上記と同様の理由から、金属組織中に内接円直径が４．０μｍを越える炭化物相が存在しないことが好ましい。そして、本発明の実施形態に係るターゲットに含まれる炭化物相は、内接円の直径が４．０μｍ以下の状態で存在していることがより好ましい。
尚、本発明でいう炭化物相の内接円直径は、例えば、ターゲットのエロージョン面となる面において、任意の１２０００μｍ２となる１視野を、走査型電子顕微鏡により反射電子像の濃灰色で示される各炭化物相を撮影して、一つの炭化物の断面内に描ける最大円を測定することにより得ることができる。
【００１７】
本発明のターゲットは、原子比における組成式がＣｒ１００−ｘ−ｙ−ｚＣｘＭ１ｙＭ２ｚ、０．１≦ｘ≦１．５、０．１≦ｙ≦２１．０、０．１≦ｚ≦２３．０、Ｍ１がＴｉおよびＶから選択される一種以上の元素、Ｍ２がＭｏ、Ｍｎ、Ｂ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａから選択される一種以上の元素で表され、残部が不可避的不純物からなる。
そして、本発明のターゲットは、得られる硬質皮膜の耐摩耗性を向上させることが可能な範囲として、Ｃ（炭素）を、０．１〜１．５原子％に規定する。また、硬質皮膜の硬度を向上させる観点から、Ｃは０．２原子％以上にすることが好ましい。また、本発明の主旨である、機械加工時のターゲット表面からの炭化物が脱落することを抑制する観点から、Ｃは１．０原子％以下が好ましい。
【００１８】
また、本発明のターゲットは、Ｍ１元素として、ＴｉおよびＶから選択される一種以上の元素を、得られる硬質皮膜の耐酸化性を向上させ、且つ、硬質皮膜の硬度を大きく損なわない範囲として、合計で０．１〜２１．０原子％に規定する。また、得られる硬質皮膜の耐酸化性を向上させる観点から、Ｍ１元素は合計で０．５原子％以上が好ましい。また、得られる硬質皮膜の硬度を向上させる観点から、Ｍ１元素は合計で１５．０原子％以下が好ましい。そして、本発明の実施形態に係るターゲットは、得られる硬質皮膜の耐酸化性を向上させる観点から、ＴｉおよびＶを複合添加することがより好ましい。
【００１９】
また、本発明のターゲットは、Ｍ２元素として、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｂ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａから選択される一種以上の元素の含有量を、得られる硬質皮膜の耐焼付き性を向上させることが可能な範囲として、合計で０．１〜２３．０原子％に規定する。そして、本発明では、ターゲットを粉末焼結法で製造する際に、焼結性の低下によって形成される空孔を抑制することが可能な範囲として、Ｍ２元素を合計で０．１〜２３．０原子％に規定する。また、得られる硬質皮膜の耐焼付き性を向上させる観点から、Ｍ２元素は合計で０．５原子％以上が好ましい。また、焼結性の向上といったターゲットの製造性を考慮すると、Ｍ２元素は合計で２０．０原子％以下が好ましい。
そして、本発明の実施形態に係るターゲットは、得られる硬質皮膜の耐摩耗性を向上させる観点から、Ｍ２元素の一種としてＢ（ホウ素）を選択することが好ましく、その含有量を１．０〜１５．０原子％の範囲にすることが好ましい。また、上記と同様の理由から、Ｂは５．０原子％以上含有させることがより好ましい。また、焼結体の密度向上といったターゲットの製造性を考慮すると、Ｂは１２．０原子％以下含有させることがより好ましい。
【００２０】
また、本発明の実施形態に係るターゲットは、上記の原子比における組成式で表される元素以外の残部を構成する不可避的不純物を、できる限り少なくすることが好ましい。
不可避的不純物の中でも、ＡｌやＳｉを多く含有したターゲットは、ドロップレットの飛散が助長されてしまい、そのドロップレットが被処理材に付着したり、硬質皮膜に取り込まれやすくなり、被処理材と硬質皮膜の密着性を低下させる場合がある。また、ガス成分である酸素を多く含有したターゲットは、その酸素が硬質皮膜中に取り込まれやすくなり、その酸素が硬質皮膜の内部に欠陥を生じさせてしまい、被処理材と硬質皮膜の密着性を低下させる場合がある。
このため、本発明の実施形態に係るターゲットは、純度が９９．９質量％以上であることが好ましい。そして、ＡｌおよびＳｉは、合計で２００質量ｐｐｍ以下が好ましく、１００質量ｐｐｍ以下がより好ましい。また、酸素は、７００質量ｐｐｍ以下が好ましく、３００質量ｐｐｍ以下がより好ましい。
【００２１】
本発明の実施形態に係るターゲットは、例えば、粉末焼結法で得ることができる。具体的には、本発明の実施形態に係るターゲットは、上記の原子比における組成式で表される最終組成となるように純金属粉末や合金粉末を混合した混合粉末、または、最終組成に調整した単一の粉末を原料粉末として準備して、その原料粉末を加圧焼結することにより得ることができる。そして、加圧焼結としては、例えば、ＨＩＰ法、ホットプレス法、通電焼結法等を適用することができる。
ここで、本発明では、機械加工におけるターゲット表面からの炭化物の脱落を抑制した上で、得られる硬質皮膜の耐摩耗性を向上させる観点から、Ｃ（炭素）は、Ｃ単体の粉末で添加するのではなく、例えば、Ｍ１元素とＣで構成されるＴｉＣ（炭化チタン）やＶＣ（炭化バナジウム）等の炭化物を含む粉末を用いることが好ましい。
また、本発明の実施形態に係るターゲットで、Ｍ２元素としてＢ（ホウ素）を選択する場合は、成分組成の調整のしやすさ等の観点から、Ｂ単体の粉末で添加するのではなく、例えば、ＣｒＢ等のホウ化物を含む粉末を用いることが好ましい。
そして、本発明では、機械加工におけるターゲット表面からの炭化物の脱落を抑制する観点から、加圧焼結に適用する原料粉末は、体積基準の累積粒度分布の５０％粒径（以下、「Ｄ５０」という。）が１μｍ〜１５０μｍの範囲のものを用いることが好ましい。
【００２２】
加圧焼結は、焼結温度９００〜１３００℃、加圧圧力５０〜２００ＭＰａ、３０分〜１０時間の条件で行なうことが好ましい。
焼結温度は、９００℃以上にすることで、粉末の焼結を進行させることができ、空孔の発生を抑制することができる。また、焼結温度は、１３００℃以下にすることで、粉末の溶解を抑制できる。
また、加圧圧力は、５０ＭＰａ以上にすることで、焼結の進行を促進し、空孔の発生を抑制することができる。また、加圧圧力は、２００ＭＰａ以下にすることで、焼結時にターゲットへの残留応力の導入が抑制され、焼結後の割れの発生を抑制することができる。
また、焼結時間は、３０分以上にすることで、焼結の進行を促進し、空孔の発生を抑制することができる。また、焼結時間は、１０時間以下にすることで、粗大な炭化物相や脆い金属間化合物相の形成が十分に抑制された焼結体を得ることができる。
【実施例】
【００２３】
本発明例１となるターゲットを得るために、Ｄ５０が１４０μｍの９９．９質量％Ｃｒ粉末、Ｄ５０が２６μｍの９９．５質量％Ｔｉ粉末、Ｄ５０が１４μｍの７０．６３質量％Ｃｒ−２９．３７質量％Ｂ粉末、Ｄ５０が７９μｍの９９．９質量％Ｖ粉末、Ｄ５０が４μｍの８０．９２質量％Ｖ−１９．０８質量％Ｃ粉末を準備した。
【００２４】
本発明例２となるターゲットを得るために、Ｄ５０が１４０μｍの９９．９質量％Ｃｒ粉末、Ｄ５０が２６μｍの９９．５質量％Ｔｉ粉末、Ｄ５０が１４μｍの７０．６３質量％Ｃｒ−２９．３７質量％Ｂ粉末、Ｄ５０が７９μｍの９９．９質量％Ｖ粉末、Ｄ５０が３μｍの７９．９５質量％Ｔｉ−２０．０５質量％Ｃ粉末を準備した。
【００２５】
比較例となるターゲットを得るために、Ｄ５０が１４０μｍの９９．９質量％Ｃｒ粉末、Ｄ５０が２６μｍの９９．５質量％Ｔｉ粉末、Ｄ５０が１４μｍの７０．６３質量％Ｃｒ−２９．３７質量％Ｂ粉末、Ｄ５０が７９μｍの９９．９質量％Ｖ粉末、Ｄ５０が４μｍの９９．９質量％Ｃ粉末を準備した。
【００２６】
原子比における組成式がＣｒ８６．９Ｃ０．８Ｍ１７．３Ｍ２５．０、具体的には、Ｃｒ８６．９Ｃ０．８Ｔｉ６．５Ｖ０．８Ｂ５．０となるように、上記で準備した各粉末を秤量した後に、Ｖ型混合機で混合し、軟鉄製のカプセルに充填して、４５０℃、４時間の条件で脱ガス封止をした。そして、上記カプセルを、１１８０℃、１００ＭＰａ、１時間の条件で、ＨＩＰによって加圧焼結して、焼結体を作製した。
【００２７】
直径１０５ｍｍ、厚さ１６ｍｍとなるように、上記で得た各焼結体に機械加工を施してターゲットを作製した。このとき、本発明例１および本発明例２となるターゲットは、いずれも、機械加工の際に、炭化物の脱落がなく、表面が平滑な状態であることが確認できた。
一方、比較例となるターゲットは、機械加工の際に、炭化物の脱落が生じ、ターゲットの表面に凹凸が確認された。
【００２８】
上記で得られた各ターゲットの表面を観察するために、１０ｍｍ×１０ｍｍ×５ｍｍの試験片を採取して、この内、エロージョン面となる面を研磨した後、走査型電子顕微鏡を用いてターゲットの金属組織を観察した。観察は、各試料のエロージョン面となる面の走査型電子顕微鏡の反射電子像で、任意の視野のうち１２０００μｍ２となる視野を１視野観察した。そして、視野内に存在する濃灰色で示される各炭化物相を撮影し、一つの炭化物の断面内に描ける最大円の内接円直径を測定し、その内接円直径が５．０μｍ以上の炭化物相をカウントした。その結果を表１に示す。
また、各試料について、金属組織中に炭化物相が存在する試料は、各炭化物相の領域内に描いた内接円の直径をそれぞれ測定し、各炭化物相の中で最大となる内接円の直径を、炭化物相の最大内接円直径として表１に示す。また、各試料の炭化物相の最大内接円直径を測定した例について、図１〜図３に示す。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
比較例となるターゲットは、図３に示すように、任意の１２０００μｍ２という単位面積を観察すると、５．０μｍ以上の内接円直径を有する炭化物相が３個も確認され、最大内接円の直径は５．２μｍであった。
一方、本発明例となるターゲットは、図１および図２に示すように、任意の１２０００μｍ２という単位面積を観察すると、いずれも、５．０μｍ以上の内接円直径を有する炭化物相は、なく、最大内接円の直径は４．０μｍ以下であり、硬質皮膜形成用のターゲットとして有用であることが確認できた。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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