(57)【要約】【課題】耐溶着性及び耐摩耗性に優れた硬質皮膜及び当該硬質皮膜を備えた硬質皮膜被覆部材を提供する。【解決手段】硬質皮膜２０は、元素ＭとＢとの化学結合を含む領域であるホウ化物相を構成するホウ化物層７１と、元素ＭとＣとの化学結合を含む領域である炭化物相を構成する炭化物層７２と、が交互に積層された交互積層膜である。元素Ｍは、Ｔｉ、Ｗ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ及びＣｒからなる群より選択される少なくとも一種の元素である。硬質皮膜被覆部材１０は、基材１１と、基材１１の表面上に形成された硬質皮膜２０と、を備えている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
元素ＭとＢとの化学結合を含む領域であるホウ化物相と、元素ＭとＣとの化学結合を含む領域である炭化物相と、が形成されており、
元素Ｍは、Ｔｉ、Ｗ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ及びＣｒからなる群より選択される少なくとも一種の元素であることを特徴とする、硬質皮膜。
【請求項２】
ＭＢ２からなり、前記ホウ化物相を構成するホウ化物層と、
ＷａＣｂＣｕｃからなり、前記炭化物相を構成する炭化物層と、を備え、
ａ、ｂ、ｃは、前記炭化物層全体に対する各元素の原子比であり、ａ＋ｂ＋ｃ＝１であり、
前記ホウ化物層と前記炭化物層とが交互に積層された交互積層膜であることを特徴とする、請求項１に記載の硬質皮膜。
【請求項３】
Ｃの原子比ｂが０．４≦ｂ≦０．７の関係式を満たすことを特徴とする、請求項２に記載の硬質皮膜。
【請求項４】
前記ホウ化物層及び前記炭化物層の各々の膜厚が１００ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項２又は３に記載の硬質皮膜。
【請求項５】
ＭｄＢｅＣｆＣｕｇからなり、前記ホウ化物相及び前記炭化物相が形成された単層膜であり、
ｄ、ｅ、ｆ、ｇは、前記単層膜全体に対する各元素の原子比であり、ｄ＋ｅ＋ｆ＋ｇ＝１であることを特徴とする、請求項１に記載の硬質皮膜。
【請求項６】
Ｂの原子比ｅが０．１≦ｅ≦０．７の関係式を満たすことを特徴とする、請求項５に記載の硬質皮膜。
【請求項７】
Ｃの原子比ｆが０．０５≦ｆ≦０．５の関係式を満たすことを特徴とする、請求項５又は６に記載の硬質皮膜。
【請求項８】
Ｃｕの原子比ｃ，ｇが０．０３≦ｃ，ｇ≦０．２の関係式を満たすことを特徴とする、請求項２〜７の何れか１項に記載の硬質皮膜。
【請求項９】
基材と、
前記基材の表面上に形成された請求項１〜８の何れか１項に記載の硬質皮膜と、を備えた、硬質皮膜被覆部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硬質皮膜及び当該硬質皮膜を備えた硬質皮膜被覆部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属材料を加工するための工具として、物質の除去を伴う切削工具や物質の除去を伴わない金型などの塑性加工用工具が知られているが、これらの工具は、金属材料との激しい摺動環境下で使用されることから、高度な耐久性を備えることが要求されている。これに対して、下記特許文献１に開示されるように、切削工具における基材の表面に硬質なセラミックス皮膜をコーティングすることにより、工具の耐久性を向上させることがなされている。下記特許文献１には、ホウ化チタニウム（ＴｉＢ２）を含む硬質皮膜を切削工具における基材の表面に形成したものが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１２４４０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＴｉＢ２は、硬質で且つ摩擦係数も低い材料である。このため、上記特許文献１に開示されるようにＴｉＢ２の硬質皮膜によりコーティングされた切削工具は、ＴｉやＡｌなどの非鉄金属からなる被削材の加工など、工具と被削材の間の溶着が問題となる加工に適している。しかし、このような非鉄金属からなる被削材の加工においては、被削材の溶着だけでなく工具の摩耗を防ぐことも必要であるが、ＴｉＢ２のみの硬質皮膜では耐摩耗性が不足するという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、耐溶着性及び耐摩耗性に優れた硬質皮膜及び当該硬質皮膜を備えた硬質皮膜被覆部材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一局面に係る硬質皮膜は、元素ＭとＢとの化学結合を含む領域であるホウ化物相と、元素ＭとＣとの化学結合を含む領域である炭化物相と、が形成されたものである。元素Ｍは、Ｔｉ、Ｗ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ及びＣｒからなる群より選択される少なくとも一種の元素である。
【０００７】
上記硬質皮膜は、ＭＢ２からなり、前記ホウ化物相を構成するホウ化物層と、ＷａＣｂＣｕｃからなり、前記炭化物相を構成する炭化物層と、を備えていてもよい。ａ、ｂ、ｃは、前記炭化物層全体に対する各元素の原子比であり、ａ＋ｂ＋ｃ＝１である。上記硬質皮膜は、前記ホウ化物層と前記炭化物層とが交互に積層された交互積層膜であってもよい。
【０００８】
上記硬質皮膜において、Ｃの原子比ｂが０．４≦ｂ≦０．７の関係式を満たしていてもよい。
【０００９】
上記硬質皮膜において、前記ホウ化物層及び前記炭化物層の各々の膜厚が１００ｎｍ以下であってもよい。
【００１０】
上記硬質皮膜は、ＭｄＢｅＣｆＣｕｇからなり、前記ホウ化物相及び前記炭化物相が形成された単層膜であってもよい。ｄ、ｅ、ｆ、ｇは、前記単層膜全体に対する各元素の原子比であり、ｄ＋ｅ＋ｆ＋ｇ＝１である。
【００１１】
上記硬質皮膜において、Ｂの原子比ｅが０．１≦ｅ≦０．７の関係式を満たしていてもよい。
【００１２】
上記硬質皮膜において、Ｃの原子比ｆが０．０５≦ｆ≦０．５の関係式を満たしていてもよい。
【００１３】
上記硬質皮膜において、Ｃｕの原子比ｃ，ｇが０．０３≦ｃ，ｇ≦０．２の関係式を満たしていてもよい。
【００１４】
本発明の他局面に係る硬質皮膜被覆部材は、基材と、前記基材の表面上に形成された上記硬質皮膜と、を備えている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、耐溶着性及び耐摩耗性に優れた硬質皮膜及び当該硬質皮膜を備えた硬質皮膜被覆部材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態１に係る硬質皮膜被覆部材であるインサートを示す模式図である。
【図２】上記インサートにより被削材を切削加工する様子を示す模式図である。
【図３】本発明の実施形態１に係る硬質皮膜の構成を示す模式図である。
【図４】上記硬質皮膜の成膜に用いられる成膜装置の構成を示す模式図である。
【図５】本発明の実施形態２に係る硬質皮膜の構成を示す模式図である。
【図６】上記硬質皮膜の膜構造を拡大して示す模式図である。
【図７】本発明の実施形態３に係る硬質皮膜被覆部材である金型を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
まず、本発明の実施形態に係る硬質皮膜及び硬質皮膜被覆部材の概要について説明する。
【００１８】
本発明の一局面に係る硬質皮膜は、元素ＭとＢとの化学結合を含む領域であるホウ化物相と、元素ＭとＣとの化学結合を含む領域である炭化物相と、が形成された皮膜である。元素Ｍは、Ｔｉ、Ｗ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ及びＣｒからなる群より選択される少なくとも一種の元素である。
【００１９】
上記硬質皮膜には、皮膜の耐溶着性を向上させるホウ化物相及び皮膜の耐摩耗性を向上させる炭化物相の両方が存在している。このため、上記硬質皮膜は、従来の硬質皮膜と異なり、耐溶着性だけでなく耐摩耗性も飛躍的に向上している。つまり、上記硬質皮膜は、耐溶着性と耐摩耗性とが両立したものとなっている。このため、上記硬質皮膜は、ＴｉやＡｌなどの非鉄金属からなる材料を加工する場合など、工具と被加工材との間の溶着及び工具の摩耗が問題となる場面において好適に用いることができる。
【００２０】
上記硬質皮膜は、ＭＢ２からなり、前記ホウ化物相を構成するホウ化物層と、ＷａＣｂＣｕｃからなり、前記炭化物相を構成する炭化物層と、を備えていてもよい。上記硬質皮膜は、前記ホウ化物層と前記炭化物層とが交互に積層された交互積層膜であってもよい。前記炭化物層において、「ａ」は炭化物層全体に対するＷの原子比であり、「ｂ」は炭化物層全体に対するＣの原子比であり、「ｃ」は炭化物層全体に対するＣｕの原子比である。またａ＋ｂ＋ｃ＝１である。なお、Ｃｕは必須の元素ではなく、添加されなくてもよい。
【００２１】
この構成によれば、ホウ化物層及び炭化物層を交互積層することにより、ホウ化物相と炭化物相とが層状に分離された膜構造とすることができる。これにより、各層の膜厚を調整することで、硬質皮膜の特性を制御することができる。具体的には、ホウ化物層を炭化物層より厚く形成することで耐溶着性の効果をより顕著に発現させることができ、一方で炭化物層をホウ化物層より厚く形成することで耐摩耗性の効果をより顕著に発現させることができる。
【００２２】
上記硬質皮膜において、Ｃの原子比ｂが０．４≦ｂ≦０．７の関係式を満たしていてもよい。
【００２３】
原子比ｂが０．４未満である場合には、皮膜の硬さが低下し、耐摩耗性が劣化する。一方で、原子比ｂが０．７を超える場合には、皮膜中のＣ含有量が多くなり過ぎるため、耐摩耗性が低下する。このため、Ｃの原子比ｂは、０．４≦ｂ≦０．７であることが好ましい。またＣの原子比ｂの下限は、０．５≦ｂであることがより好ましい。なお、Ｃの原子比ｂは、例えばエネルギー分散型蛍光Ｘ線分析（ＥＤＸ）を用いて測定することができる（他元素も同様）。
【００２４】
上記硬質皮膜において、前記ホウ化物層及び前記炭化物層の各々の膜厚が１００ｎｍ以下であってもよい。
【００２５】
各層の膜厚が１００ｎｍを超えると、ホウ化物層では摩耗が顕著になり、一方で炭化物層では溶着が顕著になるため、摩耗速度が増加する。このため、各層の膜厚は、１００ｎｍ以下であることが好ましく、５０ｎｍ以下であることがより好ましく、１０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。なお、各層の膜厚が２ｎｍ以下になるまで層を薄く形成した場合には、ほぼ均一な単層膜として機能させることができる。
【００２６】
上記硬質皮膜は、ＭｄＢｅＣｆＣｕｇからなり、前記ホウ化物相及び前記炭化物相が形成された単層膜であってもよい。上記硬質皮膜において、「ｄ」は単層膜全体に対する元素Ｍの原子比を示し、「ｅ」は単層膜全体に対するＢの原子比を示し、「ｆ」は単層膜全体に対するＣの原子比を示し、「ｇ」は単層膜全体に対するＣｕの原子比を示している。また前記単層膜においては、ｄ＋ｅ＋ｆ＋ｇ＝１となる。なお、Ｃｕは必須の元素ではなく、添加されなくてもよい。また元素ＭとしてＴｉ、Ｗが含まれる場合、Ｔｉ，Ｗの各原子比は、０．０５以上であることが好ましく、０．１以上であることがより好ましい。
【００２７】
この構成によれば、上記の交互積層膜と同様の耐溶着性及び耐摩耗性向上の効果を単層膜により得ることができる。即ち、上記硬質皮膜は、金属元素として元素Ｍを含有し、半金属あるいは非金属元素としてＢ，Ｃを含有する皮膜であるため、Ｂが元素Ｍと主に結合してホウ化物相を形成することで耐溶着性を向上させ、Ｃが元素Ｍと主に結合して炭化物相を形成することで耐摩耗性を向上させる。
【００２８】
上記硬質皮膜において、Ｂの原子比ｅが０．１≦ｅ≦０．７の関係式を満たしていてもよい。
【００２９】
Ｂの原子比ｅが０．１未満である場合には皮膜の耐溶着性が劣化し、一方で原子比ｅが０．７を超える場合には皮膜が非晶質化するため耐摩耗性が劣化する。このため、Ｂの原子比ｅは、０．１≦ｅ≦０．７であることが好ましい。Ｂの原子比ｅの上限は、ｅ≦０．５であることがより好ましい。またＢの原子比ｅの下限は、０．３≦ｅであることがより好ましい。
【００３０】
上記硬質皮膜において、Ｃの原子比ｆが０．０５≦ｆ≦０．５の関係式を満たしていてもよい。
【００３１】
Ｃの原子比ｆが０．０５未満である場合には皮膜の耐摩耗性が低下し、一方で原子比ｆが０．５を超える場合にも耐摩耗性が低下する。このため、Ｃの原子比ｆは、０．０５≦ｆ≦０．５であることが好ましい。Ｃの原子比ｆの上限は、ｆ≦０．３であることがより好ましい。またＣの原子比ｆの下限は、０．１≦ｆであることがより好ましい。
【００３２】
上記硬質皮膜において、Ｃｕの原子比ｃ，ｇが０．０３≦ｃ，ｇ≦０．２の関係式を満たしていてもよい。
【００３３】
Ｃｕを添加することにより硬質皮膜の耐溶着性をさらに向上させることができ、工具寿命をより長くすることができる。この効果を得るため、原子比ｃ，ｇは０．０３≦ｃ，ｇ≦０．２であることが好ましい。Ｃｕの原子比ｃ，ｇの上限は、ｃ，ｇ≦０．１であることがより好ましい。またＣｕの原子比ｃ，ｇの下限は、０．０５≦ｃ，ｇであることがより好ましい。
【００３４】
本発明の他局面に係る硬質皮膜被覆部材は、基材と、前記基材の表面上に形成された上記硬質皮膜と、を備えている。
【００３５】
上記硬質皮膜被覆部材は、耐溶着性及び耐摩耗性の両方に優れた上記硬質皮膜が基材に形成されたものである。このため、上記硬質皮膜被覆部材は、ＴｉやＡｌなどの非鉄金属からなる材料を加工する工具など、耐溶着性及び耐摩耗性の両方の特性が要求される工具として好適に用いることができる。
【００３６】
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態につき詳細に説明する。
【００３７】
（実施形態１）
［硬質皮膜被覆部材］
まず、本発明の実施形態１に係る硬質皮膜被覆部材であるインサート１０について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、インサート１０の全体構造を模式的に示す斜視図である。図２は、インサート１０により被削材１００を切削加工する様子を模式的に示す図である。なお、本発明の硬質皮膜被覆部材は、以下に説明するインサート１０などの旋削加工用切削工具以外にも、例えばドリルなどの穴あけ加工用切削工具、タップなどのネジ切り加工用切削工具、エンドミルなどの転削加工用切削工具又はブレードなどの切断加工用工具などの種々の切削工具に適用することができる。
【００３８】
インサート１０は、例えばＴｉやＡｌなどの非鉄金属からなる被削材１００の切削加工に用いられる工具であり、不図示のシャンクの先端に取り付けて使用される。インサート１０は、工具の母材である基材１１と、基材１１の表面にコーティングされた硬質皮膜２０と、を有している。
【００３９】
基材１１は、例えば超硬合金、ダイヤモンド、金属炭化物を含む鉄基合金、サーメット又は高速度工具鋼などの硬質材料からなる。基材１１は、被削材１００に食い込んですくい上げる部分であるすくい面３１と、被削材１００との接触を避けるために逃がされた部分である逃げ面３２と、を有している。すくい面３１と逃げ面３２とが繋がる部分において、切れ刃３３が形成されている。
【００４０】
図２に示すように、切れ刃３３を被削材１００の表面に食い込ませるようにインサート１０を移動させることにより当該被削材１００の表面が切削され、これにより生じた切り屑１０１はすくい面３１上を通過する。このように、ＴｉやＡｌなどの非鉄金属からなる被削材１００の切削加工においては、インサート１０と被削材１００との間の激しい摺動により硬質皮膜２０の摩耗が進行する。またＴｉやＡｌは化学的に活性が高い材料であることから、切れ刃３３の周辺における切削温度が非常に高くなり、その結果インサート１０と被削材１００との間の溶着が問題となる。これに対して、本実施形態に係るインサート１０では、耐溶着性及び耐摩耗性の両方に優れた硬質皮膜２０が基材１１の表面にコーティングされている。以下、本実施形態に係る硬質皮膜２０について詳細に説明する。
【００４１】
［硬質皮膜］
次に、本実施形態に係る硬質皮膜２０について、図３を参照して説明する。図３は、インサート１０における基材１１及び硬質皮膜２０を含む厚さ方向の断面構造を部分的に示している。硬質皮膜２０は、耐溶着層及び耐摩耗層として基材１１の表面にコーティングされている。図３に示すように、硬質皮膜２０は、ＭＢ２からなるホウ化物層７１と、ＷａＣｂＣｕｃからなる炭化物層７２と、を有し、これらが交互に積層された交互積層膜である。ここで、元素Ｍは、Ｔｉ、Ｗ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ及びＣｒからなる群より選択される少なくとも一種の元素である。即ち、ホウ化物層７１は、ＴｉＢ２、ＺｒＢ２、ＨｆＢ２、ＶＢ２、ＮｂＢ２、ＴａＢ２、ＭｏＢ２又はＣｒＢ２からなる。特に、耐溶着性及び耐摩耗性を向上させる観点から、元素ＭとしてＭｏ及びＴａが選択されることが好ましい。また炭化物層７２において、ａ、ｂ、ｃは、炭化物層７２全体に対する各元素（Ｗ、Ｃ、Ｃｕ）の原子比であり、ａ＋ｂ＋ｃ＝１の関係が成立する。硬質皮膜２０は、例えばアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）やスパッタリングなどの物理蒸着法（ＰＶＤ）により、ホウ化物層７１と炭化物層７２を交互に成膜することにより形成される。
【００４２】
ホウ化物層７１は、ＭＢ２に基づく元素ＭとＢとの化学結合を含む。そして、ホウ化物層７１は、元素ＭとＢとの化学結合を含む領域であるホウ化物相を層全体で構成している。「元素ＭとＢとの化学結合」とは、例えばＴｉ−Ｂ結合、Ｚｒ−Ｂ結合、Ｈｆ−Ｂ結合、Ｖ−Ｂ結合、Ｎｂ−Ｂ結合、Ｔａ−Ｂ結合、Ｍｏ−Ｂ結合又はＣｒ−Ｂ結合などである。ホウ化物層７１は、硬質で且つ摩擦係数が低いため、硬質皮膜２０の耐溶着性を著しく向上させる作用を有する。
【００４３】
一方、炭化物層７２は、ＷａＣｂＣｕｃに基づくＷ−Ｃ結合（元素ＭとＣとの化学結合）を含む。そして、炭化物層７２は、Ｗ−Ｃ結合を含む領域である炭化物相を層全体で構成している。炭化物層７２は、摩耗性に優れ、硬質皮膜２０の耐摩耗性を著しく向上させる作用を有する。
【００４４】
このように、本実施形態に係る硬質皮膜２０は、ホウ化物層７１と炭化物層７２を交互積層することにより、ホウ化物相と炭化物相が層状に分離された膜構造を有している。このため、上記硬質皮膜２０は、ホウ化物相及び炭化物相の両方の化合物相が形成されたものとなっており、これにより耐溶着性及び耐摩耗性を両立したものとなっている。
【００４５】
炭化物層７２において、Ｃの原子比ｂは、０．４≦ｂ≦０．７の範囲に調整されている。Ｃの原子比ｂが０．４未満である場合には、硬質皮膜２０の硬さが低下するため、耐摩耗性が劣化する。一方で、Ｃの原子比ｂが０．７を超える場合には、炭化物層７２におけるＣの含有量が多くなり過ぎるため、耐摩耗性が低下する。このため、Ｃの原子比ｂは、０．４≦ｂ≦０．７の範囲に調整されている。またＣの原子比ｂの下限は、０．５≦ｂに調整されることが好ましい。
【００４６】
炭化物層７２において、Ｃｕの原子比ｃは、０．０３≦ｃ≦０．２の範囲に調整されている。炭化物層７２にＣｕを添加することにより、硬質皮膜２０の耐溶着性をさらに向上させることができる。この効果を得るため、Ｃｕの原子比ｃは、０．０３≦ｃ≦０．２の範囲に調整されている必要がある。Ｃｕの原子比ｃの上限は、ｃ≦０．１であることがより好ましい。またＣｕの原子比ｃの下限は、０．０５≦ｃであることがより好ましい。なお、Ｃｕは必須の元素ではなく、添加されなくてもよい。またＣｕは、炭化物層７２を成膜するためのＷＣターゲットに添加することができる。
【００４７】
ホウ化物層７１及び炭化物層７２の各々の膜厚Ｔ１，Ｔ２は、ＰＶＤの条件によって調整可能であるが、１００ｎｍ以下に調整されている。各層の膜厚Ｔ１，Ｔ２が１００ｎｍを超えると、ホウ化物層７１では摩耗が顕著になり、炭化物層７２では溶着が顕著になるため、硬質皮膜２０の摩耗速度が増加する。これを防ぐため、各層の膜厚Ｔ１，Ｔ２は、１００ｎｍ以下に調整されており、５０ｎｍ以下に調整されることが好ましく、１０ｎｍ以下に調整されることがより好ましい。なお、ホウ化物層７１及び炭化物層７２の繰り返し積層回数（１層のホウ化物層７１及び１層の炭化物層７２を含む積層単位の数）は、特に限定されないが、各層の膜厚Ｔ１，Ｔ２と硬質皮膜２０全体の膜厚とを考慮して適宜選択される。
【００４８】
ホウ化物層７１及び炭化物層７２の各々の膜厚Ｔ１，Ｔ２は、図３に示すように同じであってもよいが、互いに異なっていてもよい。具体的には、ホウ化物層７１の膜厚Ｔ１が炭化物層７２の膜厚Ｔ２より大きくてもよく、この場合、ホウ化物層７１による耐溶着性向上の効果をより顕著に発現させることができる。反対に、炭化物層７２の膜厚Ｔ２がホウ化物層７１の膜厚Ｔ１より大きくてもよく、この場合、炭化物層７２による耐摩耗性向上の効果をより顕著に発現させることができる。即ち、各層の膜厚Ｔ１，Ｔ２の大小関係は、被削材の性質や切削条件等に応じて、目的とする効果を得るために適宜選択することができる。
【００４９】
また図３に示すように、ホウ化物層７１が基材１１の表面に接触するように形成され、炭化物層７２が最表層として形成されてもよいが、これに限定されない。即ち、炭化物層７２が基材１１の表面に接触するように形成され、ホウ化物層７１が最表層として形成されてもよい。また基材１１の表面に硬質皮膜２０が直接形成される場合に限定されず、基材１１と硬質皮膜２０との間に下地層（不図示）が形成されていてもよい。この下地層としては、例えばＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ又はＴｉＮからなる層を形成することができ、これにより基材１１と硬質皮膜２０の密着性を向上させることができる。
【００５０】
［硬質皮膜の成膜プロセス］
次に、上記硬質皮膜２０の成膜プロセスについて説明する。図４は、硬質皮膜２０の成膜に使用される成膜装置２の装置構成を模式的に示している。まず、成膜装置２の構成について、図４を参照して説明する。
【００５１】
成膜装置２は、チャンバー２１と、複数（２つ）のアーク電源２２及びスパッタ電源２３と、基材ステージ２４と、バイアス電源２５と、複数（４つ）のヒータ２６と、放電用直流電源２７と、フィラメント加熱用交流電源２８と、を有する。チャンバー２１には、真空排気するためのガス排気口２１Ａと、チャンバー２１内にガスを供給するためのガス供給口２１Ｂと、が設けられている。アーク電源２２には、成膜用のターゲットが配置されるアーク蒸発源２２Ａが接続されている。スパッタ電源２３には、成膜用のターゲットが配置されるスパッタ蒸発源２３Ａが接続されている。基材ステージ２４は、回転可能に構成され、成膜対象である基材１１を支持するための支持面を有する。バイアス電源２５は、基材ステージ２４を通して基材１１に負バイアスを印加する。
【００５２】
次に、基材１１上への硬質皮膜２０の成膜手順について説明する。本実施形態では、アークイオンプレーティングにより硬質皮膜２０を成膜する場合について説明する。
【００５３】
まず、基材１１が準備され、基材ステージ２４上にセットされる。一方、ＴｉＢ２（ＭＢ２）ターゲット及びＷＣターゲットが準備され、それぞれアーク蒸発源２２Ａにセットされる。ＷＣターゲットは炭化物層７２と同じ成分組成を有し、Ｃの原子比が０．４以上０．７以下の範囲に調整されている。またＣｕを含有する炭化物層７２を成膜する場合には、ＷＣターゲットにＣｕが添加されたものが用いられる。
【００５４】
次に、ガス排気口２１Ａよりチャンバー２１内が所定の圧力まで減圧され、真空状態とされる。次に、ガス供給口２１ＢからＡｒガスがチャンバー２１内に導入され、ヒータ２６により基材１１が所定の温度に加熱される。そして、基材１１の表面がＡｒイオンのボンバードにより所定時間エッチングされる。これにより、基材１１の表面に形成された酸化皮膜などが除去される。
【００５５】
次に、Ａｒガスを導入することによりチャンバー２１内がアーク放電用の所定の成膜圧力に調整される。そして、所定のアーク電流を流すことにより、アーク蒸発源２２Ａにセットされた各ターゲットを蒸発させると共に、基材ステージ２４を所定の回転速度で回転させる。これにより、基材１１は、ＴｉＢ２ターゲットがセットされた一方のアーク蒸発源２２ＡとＷＣターゲットがセットされた他方のアーク蒸発源２２Ａの前を順に通過する。これにより、図３に示すように、基材１１の表面にＴｉＢ２からなるホウ化物層７１とＷＣからなる炭化物層７２が交互に積層される。なお、各層の膜厚Ｔ１，Ｔ２は基材ステージ２４の回転数により調整され、硬質皮膜２０全体の膜厚は成膜時間により調整される。
【００５６】
そして、硬質皮膜２０の膜厚が所望の値に達した後、アーク電流の供給及び基材ステージ２４の回転が停止される。その後、チャンバー２１内が大気開放され、成膜後の基材１１がチャンバー２１の外部に取り出される。以上のような手順により、基材１１上に硬質皮膜２０が形成される。
【００５７】
また、スパッタリングにより硬質皮膜２０を成膜する場合には、ＴｉＢ２ターゲット及びＷＣターゲットがそれぞれスパッタ蒸発源２３Ａにセットされる。そして、チャンバー２１内をスパッタリング用の所定の成膜圧力に調整し、スパッタ蒸発源２３Ａに所定の電力を投入して各ターゲットを蒸発させ、基材ステージ２４を回転させることにより、上記同様に硬質皮膜２０を形成することができる。なお、スパッタリングとアーク放電の複合放電により成膜を行ってもよい。この場合、ＴｉＢ２ターゲット及びＷＣターゲットのうち一方がアーク蒸発源２２Ａにセットされ、他方がスパッタ蒸発源２３Ａにセットされる。
【００５８】
［変形例］
上記実施形態１では、ＴｉＢ２層によりホウ化物相が構成され、ＷａＣｂＣｕｃ層により炭化物相が構成される場合について主に説明したがこれに限定されず、以下のような膜構造も例示することができる。
【００５９】
例えば、硬質皮膜２０は、ＷＢ層とＷＣ層の交互積層膜であり、Ｗ−Ｂ結合を含むホウ化物相とＷ−Ｃ結合を含む炭化物相が層状に分離されたものであってもよい。また硬質皮膜２０は、ＷＢ層とＴｉＣ層の交互積層膜であり、Ｗ−Ｂ結合を含むホウ化物相とＴｉ−Ｃ結合を含む炭化物相が層状に分離されたものであってもよい。また硬質皮膜２０は、ＴｉＢ２層とＴｉＣ層の交互積層膜であり、Ｔｉ−Ｂ結合を含むホウ化物相とＴｉ−Ｃ結合を含む炭化物相が層状に分離されたものであってもよい。また硬質皮膜２０は、ＷＢ層とＷＣ層とＴｉＢ２層の積層膜であり、Ｔｉ−Ｂ結合及びＷ−Ｂ結合を含むホウ化物相とＷ−Ｃ結合を含む炭化物相が層状に分離されたものであってもよい。また硬質皮膜２０は、ＷＢ層とＴｉＣ層とＴｉＢ２層とＴｉＣ層の積層膜であり、Ｔｉ−Ｂ結合及びＷ−Ｂ結合を含むホウ化物相とＴｉ−Ｃ結合を含む炭化物相が層状に分離されたものであってもよい。またこれらの皮膜においてＣｕを添加する場合には、ＷＣターゲット以外にも、ＴｉＢ２ターゲット、ＷＢターゲット又はＴｉＣターゲットにＣｕを添加してもよい。
【００６０】
（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２に係る硬質皮膜２０Ａについて、図５及び図６を参照して説明する。実施形態２に係る硬質皮膜２０Ａは、ホウ化物相と炭化物相が層状に分離されておらず、１つの層内に形成された単層膜である点で上記実施形態１と異なっている。以下、上記実施形態１と異なる点についてのみ詳細に説明する。
【００６１】
図５に示すように、硬質皮膜２０Ａは、ＭｄＢｅＣｆＣｕｇからなり、基材１１の表面に形成された単層膜である。ここで、「ｄ」は単層膜全体に対する元素Ｍの原子比を示し、「ｅ」は単層膜全体に対するＢの原子比を示し、「ｆ」は単層膜全体に対するＣの原子比を示し、「ｇ」は単層膜全体に対するＣｕの原子比を示している。またｄ＋ｅ＋ｆ＋ｇ＝１の関係が成立する。
【００６２】
この硬質皮膜２０Ａにおいて、元素ＭがＢ，Ｃとそれぞれ結合することにより、元素ＭとＢとの化学結合（Ｍ−Ｂ結合）及び元素ＭとＣとの化学結合（Ｍ−Ｃ結合）がそれぞれ形成されている。元素Ｍは、上記実施形態１と同様に、Ｔｉ、Ｗ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ及びＣｒからなる群より選択される少なくとも一種の元素である。硬質皮膜２０Ａにおいては、Ｍ−Ｂ結合として、Ｔｉ−Ｂ結合、Ｗ−Ｂ結合、Ｚｒ−Ｂ結合、Ｈｆ−Ｂ結合、Ｖ−Ｂ結合、Ｎｂ−Ｂ結合、Ｔａ−Ｂ結合、Ｍｏ−Ｂ結合又はＣｒ−Ｂ結合がが形成されている。またＭ−Ｃ結合として、Ｔｉ−Ｃ結合、Ｗ−Ｃ結合、Ｚｒ−Ｃ結合、Ｈｆ−Ｃ結合、Ｖ−Ｃ結合、Ｎｂ−Ｃ結合、Ｔａ−Ｃ結合、Ｍｏ−Ｃ結合又はＣｒ−Ｃ結合が形成されている。
【００６３】
図６は、硬質皮膜２０Ａの膜構造を部分的に拡大して示している。図６に示すように、硬質皮膜２０Ａには、Ｍ−Ｂ結合を含む領域であるホウ化物相４１と、Ｍ−Ｃ結合を含む領域である炭化物相４２と、が形成されている。つまり、硬質皮膜２０Ａは、ホウ化物相４１と炭化物相４２が層全体に亘って均一に混ざり合って形成されることにより、当該ホウ化物層４１及び炭化物相４２が混在した膜構造となっている。これにより、上記実施形態１の交互積層膜と同様に、優れた耐溶着性及び耐摩耗性が示される。
【００６４】
硬質皮膜２０Ａにおいて、Ｂの原子比ｅは０．１≦ｅ≦０．７の範囲に調整されている。Ｂの原子比ｅが０．１未満である場合には皮膜の耐溶着性が劣化し、一方で原子比ｅが０．７を超える場合には皮膜が非晶質化するため耐摩耗性が劣化する。このため、Ｂの原子比ｅは、０．１≦ｅ≦０．７の範囲に調整される必要がある。Ｂの原子比ｅの上限は、ｅ≦０．５であることが好ましい。またＢの原子比ｅの下限は、０．３≦ｅであることが好ましい。
【００６５】
硬質皮膜２０Ａにおいて、Ｃの原子比ｆは０．０５≦ｆ≦０．５の範囲に調整されている。Ｃの原子比ｆが０．０５未満である場合には皮膜の耐摩耗性が低下し、一方で原子比ｆが０．５を超える場合にも皮膜の耐摩耗性が低下する。このため、Ｃの原子比ｆは、０．０５≦ｆ≦０．５の範囲に調整される必要がある。Ｃの原子比ｆの上限は、ｆ≦０．３であることが好ましい。またＣの原子比ｆの下限は、０．１≦ｆであることが好ましい。
【００６６】
硬質皮膜２０Ａにおいて、Ｃｕの原子比ｇは、上記実施形態１と同様に０．０３≦ｇ≦０．２の範囲に調整されている。Ｃｕの原子比ｇの上限は、ｇ≦０．１であることが好ましい。またＣｕの原子比ｇの下限は、０．０５≦ｇであることが好ましい。これにより、硬質皮膜２０Ａの耐溶着性をさらに向上させることができる。なお、Ｃｕの添加は省略されてもよい。
【００６７】
また硬質皮膜２０Ａの成膜プロセスは、例えばＷ−Ｔｉ−Ｂ又はＷ−Ｔｉ−Ｂ−Ｃｕからなるターゲットを成膜装置２のアーク蒸発源２２Ａ又はスパッタ蒸発源２３Ａにセットし、炭素源であるメタン（ＣＨ４）を含むＡｒ−ＣＨ４雰囲気下で成膜する点で上記実施形態１と異なるが、それ以外は基本的に上記実施形態１と同様に行われる。
【００６８】
（実施形態３）
次に、本発明の実施形態３に係る硬質皮膜被覆部材である金型５０について、図７を参照して説明する。図７は、金型５０において被プレス部材である鋼板６０が設置された状態を示している。
【００６９】
金型５０は、例えば鋼板６０の熱間成形に用いられる金型であって、上下方向に互いに離間して配置された上金型５１（第１金型）及び下金型５２（第２金型）を有している。上金型５１は凸部５３を有し、下金型５２には凸部５３に沿った形状の凹部５４が形成されている。上金型５１及び下金型５２は、不図示の駆動源からの駆動力により互いに接近する方向又は互いに離間する方向に移動可能に構成されている。図７に示すように、加熱された鋼板６０が下金型５２の成形面上に設置された状態で上金型５１を下降させ、凸部５３によって鋼板６０がプレスされる。これにより、鋼板６０を下金型５２の凹部５４に沿った形状に成形することができる。
【００７０】
上金型５１及び下金型５２の各々は、金型の本体部分を構成する基材５５，５８と、ＰＶＤなどによって基材５５，５８の表面にコーティングされた硬質皮膜５６，５７と、を有している。この硬質皮膜５６，５７は、上記実施形態１，２と同様に、元素ＭとＢとの化学結合を含むホウ化物相と、元素ＭとＣとの化学結合を含む炭化物相と、が形成された膜構造となっている。このため、上記実施形態１，２のような切削工具だけでなく、金型５０のような塑性加工用治工具においても優れた耐溶着性及び耐摩耗性の効果を発現することができる。
【００７１】
なお、金型５０は、図７に示す曲げ型に限定されず、抜き型、絞り型又は圧縮型などの他のプレス金型であってもよい。また本発明の硬質皮膜被覆部材は、切削工具や金型以外にも、例えばピストンリングやバルブ等の摺動部品など、耐溶着性及び耐摩耗性が要求される種々の部材に対して適用することができる。
【００７２】
（その他実施形態）
上記実施形態１において、炭化物層７２におけるＣの原子比ｂが０．４≦ｂ≦０．７の範囲に調整される場合について説明したが、当該範囲外であってもよい。
【００７３】
上記実施形態１において、ホウ化物層７１及び炭化物層７２の各々の膜厚Ｔ１，Ｔ２が１００ｎｍ以下である場合について説明したが、各膜厚Ｔ１，Ｔ２が１００ｎｍを超えていてもよい。
【００７４】
上記実施形態２において、Ｂの原子比ｅが０．１≦ｅ≦０．７の範囲に調整される場合について説明したが、当該範囲外であってもよい。またＣの原子比ｆが０．０５≦ｆ≦０．５の範囲に調整される場合について説明したが、当該範囲外であってもよい。
【００７５】
上記実施形態１，２において、Ｃｕの原子比ｃ，ｇが０．０３≦ｃ，ｇ≦０．２の範囲に調整される場合について説明したが、当該範囲外であってもよい。
【実施例】
【００７６】
硬質皮膜の耐溶着性及び耐摩耗性について、本発明の効果を確認する試験を行った。
【００７７】
（実施例１）
［硬質皮膜の成膜］
まず、図４に示す成膜装置２のように複数個の蒸発源２２Ａ，２３Ａを有する成膜装置を用いて硬質皮膜の成膜を行った。まず、ＭＢ２ターゲット及びＷＣターゲット（又はＣｕを添加したＷＣターゲット）を準備し、アーク蒸発源２２Ａ又はスパッタ蒸発源２３Ａにそれぞれセットした。ＭＢ２ターゲットとしては下記表１に示す組成のものを準備し、ＷＣターゲット（又はＣｕを添加したＷＣターゲット）としてはＣ，Ｃｕの原子比ｂ，ｃが下記表１に示すものを準備した。また、基材１１として、鏡面の超硬試験片（１２ｍｍ角、三菱マテリアル株式会社製ＵＴｉ２０Ｔ）及び超硬合金製切削インサート（ＣＮＭＧ４３２）を準備した。そして、基材１１をエタノールにより洗浄した後、チャンバー２１内に導入し、基材ステージ２４上にセットした。
【００７８】
次に、ヒータ２６により基材１１を５００℃まで加熱した後、Ａｒイオンを用いたボンバードを５分間行うことにより基材１１の表面をエッチングした。その後、チャンバー２１内にＡｒガスを導入することにより、チャンバー２１内を所定の成膜圧力に調整した。スパッタリングにより成膜する場合には０．６Ｐａに調整し、アーク放電により成膜する場合には２．７Ｐａに調整し、スパッタリングとアーク放電の複合放電により成膜する場合には１．３Ｐａに調整した。そして、各ターゲットを蒸発させると共に基材ステージ２４を回転させ、各ターゲットがセットされた蒸発源２２Ａ，２３Ａの前に基材１１がセットされたテーブルを通過させることにより、ＭＢ２層とＷＣ層の交互積層膜を形成した。各層の膜厚は、基材ステージ２４の回転数により制御した。また上記のように硬質皮膜２０を成膜する前に、基材１１上に５００ｎｍの膜厚のＴｉＡｌＮ膜を下地層として形成した。
【００７９】
［硬質皮膜の評価方法］
硬質皮膜が成膜された鏡面の超硬試験片を用いて、ビッカース硬さを測定した。測定荷重は０．２５Ｎとし、保持時間は１５秒とした。また硬質皮膜が成膜された超硬合金製切削インサートを用いて下記条件で切削試験を行い、切削性能を評価した。評価結果は、下記表１に示す通りである。
【００８０】
＜切削試験条件＞
工具：ＣＮＭＧ４３２、材質Ｋ３１３
被削材：Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ
切削速度：４５ｍ／分
送り速度：０．１５ｍｍ／分
ＤＯＣ（Ｄｅｐｔｈ  Ｏｆ  Ｃｕｔ）：２ｍｍ
潤滑：湿式
評価：切削長５００ｍにおける逃げ面摩耗量
【００８１】
【表１】
2017166055.tif 000003
【００８２】
表１に示される通り、ＴｉＡｌＮの硬質皮膜を成膜した場合（Ｎｏ．１）、ＴｉＢ２層のみを硬質皮膜として成膜した場合（Ｎｏ．２）及びＷＣ層のみを硬質皮膜として成膜した場合（Ｎｏ．３）に比べて、ＷＣ層とＭＢ２層を交互積層した硬質皮膜（Ｎｏ．４〜３９）では摩耗量（μｍ）が大幅に低減した。これは、Ｎｏ．４〜３９では、元素ＭとＢとの化学結合を含む領域（ホウ化物相）と、Ｗ−Ｃ結合（元素ＭとＣとの化学結合）を含む領域（炭化物相）と、が形成されているためであると考えられる。特に、Ｎｏ．３１，３２，３５〜３９のように、元素ＭとしてＴａ及びＭｏの少なくとも一方が選択されたサンプルでは、摩耗量（μｍ）の低減が顕著であった。
【００８３】
（実施例２）
元素Ｍ−Ｂ又は元素Ｍ−Ｂ−Ｃｕからなるターゲットを使用し、Ａｒ−ＣＨ４雰囲気中で成膜を行った点以外は、上記実施例１と同様である。チャンバー２１内の成膜圧力は、スパッタリングの場合は０．６Ｐａ、アーク放電の場合は２．７Ｐａ、スパッタリングとアーク放電の複合放電の場合は１．３Ｐａとし、その中でＡｒとＣＨ４の分圧を変化させることにより、下記表２に示す組成を有する硬質皮膜を形成した。各ターゲットの成分組成は、下記表２に示す通りである。また硬質皮膜の評価としては、上記実施例１と同様に硬さ測定と摩耗量測定を行った。評価結果は、下記表２に示す通りである。
【００８４】
【表２】
2017166055.tif 000004
【００８５】
表２に示される通り、Ｃを含みＢを含まない場合（Ｎｏ．１）に比べて、Ｃ，Ｂの両方を含む場合（Ｎｏ．２〜２６）には摩耗量が大幅に低減された。また上記実施例１と同様に、元素ＭとしてＴａ及びＭｏの少なくとも一方が選択されたサンプルでは（Ｎｏ．２０、２１，２５，２６）、摩耗量（μｍ）の低減が顕著であった。
【００８６】
（実施例３）
下記表３に示す積層構造の硬質皮膜を成膜した点以外は、上記実施例１と同様である。ＷＢ／ＷＣ積層膜を成膜する場合には、ＷＢターゲット及びＷＣターゲットを準備し、それぞれ蒸発源２２Ａ，２３Ａにセットして蒸発させた。ＷＢ／ＴｉＣ積層膜を成膜する場合には、ＷＢターゲット及びＴｉＣターゲットを準備し、それぞれ蒸発源２２Ａ，２３Ａにセットして蒸発させた。ＴｉＢ２／ＴｉＣ積層膜を成膜する場合には、ＴｉＢ２ターゲット及びＴｉＣターゲットを準備し、それぞれ蒸発源２２Ａ，２３Ａにセットして蒸発させた。ＷＢ／ＷＣ／ＴｉＢ２積層膜を成膜する場合には、ＷＢターゲット、ＷＣターゲット及びＴｉＢ２ターゲットを準備し、それぞれ蒸発源２２Ａ，２３Ａにセットして蒸発させた。ＷＢ／ＴｉＣ／ＴｉＢ２／ＴｉＣ積層膜を成膜する場合には、ＷＢターゲット、ＴｉＣターゲット、ＴｉＢ２ターゲット及びＴｉＣターゲットを準備し、それぞれ蒸発源２２Ａ，２３Ａにセットして蒸発させた。各硬質皮膜について、上記実施例１と同様に硬さ測定及び摩耗量測定を行った。評価結果は、下記表３に示す通りである。
【００８７】
【表３】
2017166055.tif 000005
【００８８】
表３に示される通り、いずれの硬質皮膜もホウ化物（ＷＢ又はＴｉＢ２）及び炭化物（ＷＣ又はＴｉＣ）を含んでおり、これにより表１のＮｏ．１〜３及び表２のＮｏ．１に比べて摩耗量が大幅に低減した。
【００８９】
今回開示された実施形態及び実施例は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと解されるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなくて特許請求の範囲により示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００９０】
１０  インサート（硬質皮膜被覆部材）
１１，５５，５８  基材
２０，２０Ａ，５６，５７  硬質皮膜
４１  ホウ化物相
４２  炭化物相
５０  金型（硬質皮膜被覆部材）
７１  ホウ化物層
７２  炭化物層
Ｔ１，Ｔ２  膜厚
【図１】
2017166055.tif 000006
【図２】
2017166055.tif 000007
【図３】
2017166055.tif 000008
【図４】
2017166055.tif 000009
【図５】
2017166055.tif 000010
【図６】
2017166055.tif 000011
【図７】
2017166055.tif 000012