(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａｌｂ，[Ｃｒ１−αＶα]ｃ）（Ｃ１−ｄＮｄ）からなる硬質皮膜であって、
０．５≦ｂ≦０．８、
０．２≦ｃ≦０．５、
ｂ＋ｃ＝１、
０．０５≦α≦０．９５、
０．５≦ｄ≦１
（ｂ，ｃはそれぞれＡｌ，Ｃｒ＋Ｖの原子比、ｄはＮの原子比を示し、αはＶの原子比を示す。以下同じ）であることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
【請求項２】
（Ｍａ，Ａｌｂ，［Ｃｒ１―αＶα］ｃ）（Ｃ１−ｄＮｄ）からなる硬質皮膜であって、
Ｍは、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗ、ＴａおよびＭｏよりなる群から選択される少なくとも１種であり、かつ、
０．０２≦ａ≦０．３、
０．５≦ｂ≦０．８、
０．０５≦ｃ、
ａ＋ｂ＋ｃ＝１、
０．５≦ｄ≦１、
０≦α≦１
（ａ，ｂ，ｃはそれぞれＭ，Ａｌ，Ｃｒ＋Ｖの原子比、ｄはＮの原子比を示し、αはＶの原子比を示す。以下同じ）であることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。但し、ＭがＴｉのみの場合を除く。
【請求項３】
（Ｍａ，Ａｌｂ，［Ｃｒ１―αＶα］ｃ）（Ｃ１−ｄＮｄ）からなる硬質皮膜であって、
Ｍは、Ｔｉであり、かつ、
０．０２≦ａ≦０．３、
０．５≦ｂ≦０．８、
０．０５≦ｃ、
ａ＋ｂ＋ｃ＝１、
０．５≦ｄ≦１、
０．２≦α≦０．８
（ａ，ｂ，ｃはそれぞれＭ，Ａｌ，Ｃｒ＋Ｖの原子比、ｄはＮの原子比を示し、αはＶの原子比を示す。以下同じ）であることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
【請求項４】
前記ｄの値が１である請求項１〜３のいずれかに記載の切削工具用硬質皮膜。
【請求項５】
結晶構造が岩塩構造型を主体とするものである請求項１〜４のいずれかに記載の切削工具用硬質皮膜。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の要件を満たし、且つ相互に異なる硬質皮膜が２層以上形成されていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の硬質皮膜の片面側または両面側に、岩塩構造型主体の結晶構造を有し、且つ前記硬質皮膜とは異なる成分組成である金属窒化物層、金属炭化物層および金属炭窒化物層よりなる群から選択される少なくとも１層が積層されていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の硬質皮膜の片面側または両面側に、４Ａ族、５Ａ族、６Ａ族、ＡｌおよびＳｉよりなる群から選択される少なくとも１種の金属を含む金属層または合金層が１以上積層されていることを特徴とする切削工具用硬質皮膜。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の切削工具用硬質皮膜の製造方法であって、成膜ガス雰囲気中で金属を蒸発させイオン化して、前記金属とともに成膜ガスのプラズマ化を促進しつつ成膜することを特徴とする切削工具用硬質皮膜の製造方法。
【請求項１０】
ターゲットを構成する金属の蒸発およびイオン化をアーク放電にて行うアークイオンプレーティング法において、該ターゲットの蒸発面にほぼ直交して前方に発散ないし平行に進行する磁力線を形成し、この磁力線によって被処理体近傍における成膜ガスのプラズマ化を促進しつつ成膜する請求項９に記載の切削工具用硬質皮膜の製造方法。
【請求項１１】
前記被処理体に印加するバイアス電位をアース電位に対して−５０Ｖ〜−３００Ｖとする請求項１０に記載の切削工具用硬質皮膜の製造方法。
【請求項１２】
成膜時の前記被処理体温度を３００℃以上８００℃以下とする請求項１０または１１に記載の切削工具用硬質皮膜の製造方法。
【請求項１３】
成膜時の反応ガスの分圧または全圧を０．５Ｐａ以上６Ｐａ以下とする請求項１０〜１２のいずれかに記載の切削工具用硬質皮膜の製造方法。
【請求項１４】
請求項１、４〜８のいずれかに記載の切削工具用硬質皮膜の製造に用いるターゲットであって、
（Ａｌｙ，[Ｃｒ１−βＶβ]ｚ）からなり、
０．５≦ｙ≦０．８、
０．２≦ｚ≦０．５、
ｙ＋ｚ＝１、
０．０５≦β≦０．９５
（ｙ，ｚはそれぞれＡｌ，Ｃｒ＋Ｖの原子比を示し、βはＶの原子比を示す。以下同じ）であり、
且つ相対密度が９５％以上であることを特徴とする硬質皮膜形成用ターゲット。
【請求項１５】
請求項２、４〜８のいずれかに記載の切削工具用硬質皮膜の製造に用いるターゲットであって、
（Ｍｘ，Ａｌｙ，［Ｃｒ１−βＶβ］ｚ）からなり、Ｍは、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗ、ＴａおよびＭｏよりなる群から選択される少なくとも１種であり、かつ、
０．０２≦ｘ≦０．３、
０．５≦ｙ≦０．８、
０．０５≦ｚ、
ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、
０≦β≦１
（ｘ、ｙ、ｚはそれぞれＭ，Ａｌ，Ｃｒ＋Ｖの原子比を示し、βはＶの原子比を示す。以下同じ）であり、
且つ相対密度が９５％以上であることを特徴とする硬質皮膜形成用ターゲット。但し、ＭがＴｉのみの場合を除く。
【請求項１６】
請求項３〜８のいずれかに記載の切削工具用硬質皮膜の製造に用いるターゲットであって、
（Ｍｘ，Ａｌｙ，［Ｃｒ１−βＶβ］ｚ）からなり、Ｍは、Ｔｉであり、かつ、
０．０２≦ｘ≦０．３、
０．５≦ｙ≦０．８、
０．０５≦ｚ、
ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、
０．２≦β≦０．８
（ｘ、ｙ、ｚはそれぞれＭ，Ａｌ，Ｃｒ＋Ｖの原子比を示し、βはＶの原子比を示す。以下同じ）であり、
且つ相対密度が９５％以上であることを特徴とする硬質皮膜形成用ターゲット。
【請求項１７】
前記ターゲット中に存在する空孔の大きさが半径０．３ｍｍ未満である請求項１４〜１６のいずれかに記載の硬質皮膜形成用ターゲット。
【請求項１８】
酸素含有量が０．３質量％以下で、水素含有量が０．０５質量％以下であり、更に塩素含有量が０．２質量％以下である請求項１４〜１７のいずれかに記載の硬質皮膜形成用ターゲット。
【請求項１９】
Ｃｕ含有量が０．０５質量％以下で、Ｍｇ含有量が０．０３質量％以下である請求項１４〜１８のいずれかに記載の硬質皮膜形成用ターゲット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チップ、ドリル、エンドミル等の切削工具の耐摩耗性を向上するための硬質皮膜およびその製造方法、更には、この様な硬質皮膜の製造において蒸発源として使用されるターゲットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、超硬合金、サーメットまたは高速度工具鋼を基材とする切削工具の耐摩耗性を向上させることを目的に、ＴｉＮやＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ等の硬質皮膜をコーティングすることが行われている。特に、特許第２６４４７１０号に開示されるようなＴｉとＡｌの複合窒化皮膜［以下、ＴｉＡｌＮと記す］が、優れた耐摩耗性を示すことから、前記チタンの窒化物や炭化物、炭窒化物等からなる皮膜に代わって、高速切削用や焼き入れ鋼等の高硬度材切削用の切削工具に適用されつつある。しかしながら、近年の被削材高硬度化や切削速度の高速度化に伴い、更に耐摩耗性の高められた皮膜が求められている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、高速・高能率切削が可能な、ＴｉＡｌＮよりも高硬度であって耐摩耗性に優れた切削工具用硬質皮膜、およびこの様な硬質皮膜を得るための有用な製造方法、更には前記製造にて本発明の切削工具用硬質皮膜を効率よく得ることのできるターゲットを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る切削工具用硬質皮膜とは、（Ａｌb，[Ｃｒ1-αＶα]c）（Ｃ1-dＮd）からなる硬質皮膜であって、
０．５≦ｂ≦０．８、
０．２≦ｃ≦０．５、
ｂ＋ｃ＝１、
０．０５≦α≦０．９５、
０．５≦ｄ≦１
（ｂ，ｃはそれぞれＡｌ，Ｃｒ＋Ｖの原子比、ｄはＮの原子比を示し、αはＶの原子比を示す）であることを要旨とするものである（以下、第１の硬質皮膜ということがある）。
【０００５】
また本発明は、（Ｍa，Ａｌb，［Ｃｒ1-αＶα］c）（Ｃ1-dＮd）からなる硬質皮膜であって、Ｍが、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗ、ＴａおよびＭｏよりなる群から選択される少なくとも１種であり、かつ、
０．０２≦ａ≦０．３、
０．５≦ｂ≦０．８、
０．０５≦ｃ、
ａ＋ｂ＋ｃ＝１、
０．５≦ｄ≦１、
０≦α≦１
（ａ，ｂ，ｃはそれぞれＭ，Ａｌ，Ｃｒ＋Ｖの原子比、ｄはＮの原子比を示し、αはＶの原子比を示す）であることを要旨とする切削工具用硬質皮膜も含むものであって、ＭがＴｉの場合を好ましい形態とするが、ＭがＴｉであって、かつαの値が０の場合については、特願２００１−１８５４６４号として先に特許出願済み（但し、未公開）であるので、本発明からは除くこととする（上記皮膜を、以下、第２の硬質皮膜ということがある）。
【０００６】
本発明の切削工具用硬質皮膜は、更に、前記ｄの値が１であるものや、結晶構造が岩塩構造型を主体とするものを好ましい形態とする。
【０００７】
また本発明の切削工具用硬質皮膜には、上記要件を満たし、且つ相互に異なる硬質皮膜が２層以上形成されているものや、前記１層もしくは２層以上の本発明の硬質皮膜の片面側または両面側に、岩塩構造型を主体とする結晶構造を有し、且つ前記硬質皮膜とは異なる成分組成の金属窒化物層、金属炭化物層および金属炭窒化物層よりなる群から選択される少なくとも１層や、４Ａ族、５Ａ族、６Ａ族、ＡｌおよびＳｉよりなる群から選択される少なくとも１種の金属を含む金属層または合金層が１以上積層されているものも含まれる。
【０００８】
本発明は、上記切削工具用硬質皮膜を形成する方法も規定するものであって、成膜ガス雰囲気中で金属を蒸発させイオン化して被処理体上に本発明で規定する皮膜を形成する方法にて、前記金属とともに成膜ガスのプラズマ化を促進しつつ成膜することを要旨としている。また、アーク放電を行ってターゲットを構成する金属を蒸発およびイオン化して被処理体上に本発明で規定する皮膜を形成するアークイオンプレーティング法（ＡＩＰ法）において、前記ターゲットの蒸発面にほぼ直交して前方に発散ないし平行に進行する磁力線を形成し、この磁力線によって前記被処理体近傍における成膜ガスのプラズマ化を促進しつつ成膜することを好ましい形態とする。尚、この場合に前記被処理体に印加するバイアス電位は、アース電位に対して−５０Ｖ〜−３００Ｖとすることが好ましい。また、成膜時の被処理体温度（以下、基板温度ということがある）は３００℃以上８００℃以下の範囲内とすることが望ましく、成膜時の反応ガスの分圧または全圧は、０．５Ｐａ以上６Ｐａ以下の範囲内とすることが望ましい。
【０００９】
尚、本発明における上記反応ガスとは、窒素ガス、メタンガス、エチレンガス、アセチレンガス等の様な、皮膜の成分組成に必要な元素を含むガスをいい、それら以外に用いられるアルゴンなどの様な希ガス等をアシストガスといい、これらをあわせて成膜ガスということとする。
【００１０】
更に本発明は、Ａｌ、ＣｒおよびＶ、またはＭ（Ｍは、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗ、ＴａおよびＭｏよりなる群から選択される少なくとも１種）、Ａｌ、ＣｒおよびＶからなり、且つ相対密度が９５％以上であることを特徴とする硬質皮膜形成用ターゲットも含み、該ターゲット中に存在する空孔の大きさが半径０．３ｍｍ未満であることを好ましい形態とする。
【００１１】
前記（Ａｌb，[Ｃｒ1-αＶα]c）（Ｃ1-dＮd）で示される本発明の硬質皮膜（第１の硬質皮膜）の成膜には、ターゲットとして、その成分組成が（Ａｌy，[Ｃｒ1-βＶβ]z）からなるものであって、
０．５≦ｙ≦０．８、
０．２≦ｚ≦０．５、
ｙ＋ｚ＝１、
０．０５≦β≦０．９５
（ｙ，ｚはそれぞれＡｌ，Ｃｒ＋Ｖの原子比を示し、βはＶの原子比を示す）を満足するものを用いるのがよい。
【００１２】
また、前記（Ｍa，Ａｌb，［Ｃｒ1-αＶα］c，）（Ｃ1-dＮd）で示される本発明の硬質皮膜（第２の硬質皮膜）の成膜には、ターゲットとして、その成分組成が（Ｍx，Ａｌy，［Ｃｒ1-βＶβ］z）からなるものであって、Ｍは、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗ、ＴａおよびＭｏよりなる群から選択される少なくとも１種であり、かつ、
０．０２≦ｘ≦０．３、
０．５≦ｙ≦０．８、
０．０５≦ｚ、
ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、
０≦β≦１
（ｘ、ｙ、ｚはそれぞれＭ，Ａｌ，Ｃｒ＋Ｖの原子比を示し、βはＶの原子比を示す）を満たすものを用いるのがよく、本発明の好ましい形態であるＭがＴｉの硬質皮膜の形成には、上記ＭがＴｉであるターゲットを用いることが好ましい。
【００１３】
但し、本発明の硬質皮膜は、前記ＭがＴｉであって、かつ前記αの値が０の場合を除くものであることから、ターゲットについても、前記ＭがＴｉであって、かつ前記βの値が０のものを除くこととする。
【００１４】
また前記ターゲット中の酸素含有量が０．３質量％以下で、水素含有量が０．０５質量％以下であり、更に塩素含有量が０．２質量％以下であることが好ましく、更にＣｕ含有量が０．０５質量％以下で、Ｍｇ含有量が０．０３質量％以下であることが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、前述した様な状況の下で、より優れた耐摩耗性を発揮する切削工具用硬質皮膜の実現を目指して鋭意研究を進めた。その結果、指標として皮膜の硬度を高めることにより耐摩耗性が著しく向上することを見出した。
【００１６】
そして、その手段として（ＴｉＡｌ）（ＣＮ）膜のＡｌ濃度およびその他の添加元素の影響に着目して研究を進めた結果、Ａｌ濃度を増加させると共に、ＣｒあるいはＶを添加すること、更にはＴｉ、Ｎｂ、Ｗ、ＴａおよびＭｏよりなる群から選択される少なくとも１種（以下、単に元素Ｍと総称することがある）を添加することによって、膜の硬度が向上し、結果として耐摩耗性が飛躍的に向上することを突き止め、更に、これらＡｌ、元素Ｍ、ＣｒおよびＶの定量的作用効果について追求を重ねた結果、上記本発明に想到したのである。
【００１７】
即ち、本発明の硬質皮膜とは、
（Ａｌb，［Ｃｒ1-αＶα］c）（Ｃ1-dＮd）からなる硬質皮膜であって、該皮膜の成分組成が、
０．５≦ｂ≦０．８、
０．２≦ｃ≦０．５、
ｂ＋ｃ＝１、
０．０５≦α≦０．９５、
０．５≦ｄ≦１
（ｂ，ｃはそれぞれＡｌ，Ｃｒ＋Ｖの原子比、ｄはＮの原子比を示し、αはＶの原子比を示す）を満たすこと、
または、
（Ｍa，Ａｌb，［Ｃｒ1-αＶα］c）（Ｃ1-dＮd）からなる硬質皮膜であって、Ｍは、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗ、ＴａおよびＭｏよりなる群から選択される少なくとも１種であり、かつ、
０．０２≦ａ≦０．３、
０．５≦ｂ≦０．８、
０．０５≦ｃ、
ａ＋ｂ＋ｃ＝１、
０．５≦ｄ≦１、
０≦α≦１
（ａ，ｂ，ｃはそれぞれＭ，Ａｌ，Ｃｒ＋Ｖの原子比、ｄはＮの原子比を示し、αはＶの原子比を示す）を満たすことを特徴とするものであるが、この様に皮膜中のＭ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｖ、ＣおよびＮの組成を規定した理由について、以下詳細に説明する。
【００１８】
前記ＴｉＡｌＮ皮膜は岩塩構造型の結晶であり、岩塩構造型のＴｉＮのＴｉのサイトにＡｌが置換して入った岩塩構造型の複合窒化物である。ところで、岩塩構造型のＡｌＮ（格子定数４．１２Å）は高温高圧相であるため、高硬度物質であると予想されることから、岩塩構造を維持しながらＴｉＡｌＮ中のＡｌの比率を高めれば、前記ＴｉＡｌＮ皮膜の硬度をさらに高めることができると考えられる。しかしながら岩塩構造型のＡｌＮは、常温常圧、高温常圧では準安定相であることから、気相コーティングを行ってＡｌＮ単独の皮膜を形成しても、通常は軟質なＺｎＳ型ＡｌＮのみが形成され、岩塩構造型のＡｌＮは生成されない。ところで、ＴｉＮは常温常圧において岩塩構造型で、かつ岩塩構造型のＡｌＮと格子定数が近いことから、ＴｉにＡｌを添加して窒化物を形成することによって、ＴｉＮの構造にＡｌＮが引き込まれて岩塩構造型のＴｉＡｌＮ膜または（ＴｉＡｌ）（ＣＮ）膜を形成することができるのである。しかしながら前記公報では、ＴｉＡｌＮにおけるＡｌの比率が原子比で０．６〜０．７を越えると、軟質なＺｎＳ型ＡｌＮが析出するため硬度の低下が生じることが開示されている。これは、Ａｌ濃度が高くなると岩塩構造型のＴｉＮによる引き込み効果が弱くなり、軟質なＺｎＳ型のＡｌＮの形成が優勢になるためと考えられる。一方、ＣｒＮやＶＮは、ＴｉＮよりさらに岩塩構造型のＡｌＮに格子定数が近いことから（ＡｌＮ：４．１２Åに対し、ＴｉＮ：４．２４Å、ＣｒＮおよびＶＮ：４．１４Å）、ＴｉＡｌＮ中のＴｉをＣｒ、Ｖに置換することにより、さらに高Ａｌ濃度で岩塩構造型を維持することが可能であると考えられる。
【００１９】
そこで本発明では、まず、第１の硬質皮膜として、ＴｉのかわりにＣｒとＶを添加した（Ａｌ，Ｃｒ，Ｖ）（ＣＮ）膜について、前記引き込み効果を最大限に発揮させて、岩塩構造型のＡｌＮを析出させ、高Ａｌ濃度であっても岩塩構造型を主体とする皮膜を形成すべく、成分組成について検討した。
【００２０】
その結果、上記引き込み効果を有効に発揮させるには、Ｃｒ＋Ｖの原子比ｃを０．２以上で０．５以下とする必要があることが分かった。さらにＡｌ量を増加させて岩塩構造型のＡｌＮの比率を高めるには、前記Ｃｒ＋Ｖの原子比ｃの上限を０．４とすることが好ましく、より好ましくは０．３であることも分かった。尚、上記（Ｃｒ＋Ｖ）量が少なくなると、格子定数が岩塩構造型のＡｌＮに近い（ＣｒＮ＋ＶＮ）による上記引き込み効果が小さくなることから、Ｃｒ＋Ｖの原子比ｃの下限を０．２３とすることが好ましい。
【００２１】
また、（Ｃｒ＋Ｖ）中のＶの原子比αに関しては、ＣｒＮとＶＮで格子定数がほぼ等しく、Ｃｒを添加すると、鉄系の被削材料に対して耐摩耗性を高めることができ、Ｖを添加するとドライ切削状態にて潤滑効果をもたらすなど独自の効果を有することから、用途によりＣｒおよびＶの比率を調整すればよいが、切削工具として両者の特性を兼ね備えていることが望ましいので、αの下限を０．０５、上限を０．９５とした。αの下限は、好ましくは０．２で、より好ましくは０．３であり、αの上限は、好ましくは０．８で、より好ましくは０．７である。
【００２２】
Ａｌの原子比ｂは、前記（Ｃｒ＋Ｖ）の原子比ｃの値により定まるが、Ａｌの比率が小さすぎると、岩塩構造型のＡｌＮの析出量が少なく高硬度化の効果が得られないので、Ａｌの原子比ｂの下限を０．５とした。前記ｂの下限は、好ましくは０．６であり、より好ましくは０．６５である。一方、Ａｌの原子比の上限を０．８としたのは、Ａｌの比率が大きすぎると、相対的にＣｒ、Ｖの添加量が少なくなって前記引き込み効果が弱くなり、その結果、軟質なＺｎＳ型のＡｌＮ析出により皮膜が軟質化するからである。Ａｌの原子比ｂの上限は、好ましくは０．７７であり、より好ましくは０．７５である。
【００２３】
さらに本発明では、第２の硬質皮膜として、ＣｒＮおよびＶＮ（格子定数：４．１４Å）と格子定数の異なる窒化物を形成する元素Ｍ；Ｔｉ（ＴｉＮの格子定数：４．２４Å）、Ｎｂ（ＮｂＮの格子定数：４．３９Å）、Ｗ（Ｗ2Ｎの格子定数：４．１２Å）、Ｔａ（ＴａＮの４．３３Å）、Ｍｏ（Ｍｏ2Ｎの格子定数：４．１６Å）をＣｒ、Ｖと置換させることによって、高Ａｌ濃度による高硬度化に加え、格子歪みの効果により、更なる皮膜の高硬度化を図ることが可能であることを見い出した。
【００２４】
この様に（Ｍ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｖ）（ＣＮ）膜にて、ＣｒＮ、ＶＮと格子定数の異なる窒化物を形成する元素Ｍとして、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗ、ＴａおよびＭｏよりなる群から選択される少なくとも１種を添加して、ＣｒＮやＶＮの格子定数との違いにより結晶格子の歪みを生じさせて高硬度化を図るには、Ｍの原子比ａの下限を０．０２とする必要があり、好ましくは、０．０５以上であり、より好ましくは０．１以上であることが分かった。
【００２５】
一方、Ｍの原子比ａが大きすぎると、Ｃｒ、Ｖの添加量が抑えられ、前記引き込み効果が弱くなり、Ａｌ含有量が同一であってもＭの比率の高い皮膜では、ＺｎＳ型ＡｌＮが析出して皮膜が軟質化する。従って、Ｍの原子比ａの上限を０．３とした。Ｍの原子比ａの上限は、好ましくは０．２５であり、より好ましくは０．２である。
【００２６】
特に、元素ＭとしてＴｉ、ＮｂまたはＴａを添加する場合、これらの窒化物がＣｒＮあるいはＶＮと比較して格子定数が大きく、格子歪みによる高硬度化を有効に図ることができることから好ましく、元素ＭとしてＴｉを単独で用いる場合が最も好ましい。また、上記Ｔｉ、Ｎｂ、またはＴａを各々単独で添加する他、ＴｉとＮｂ、ＴｉとＴａ、ＴａとＮｂまたはＮｂとＴａといった２元素の組み合わせや、Ｔｉ、ＴａおよびＮｂといった３元素の組み合わせで添加することも有効である。２元素以上を同時に添加する場合、これらの元素間で特に比率を規定するものではないが、最も添加量の少ない元素が、原子比で０．０５ａ（ａは元素Ｍの原子比）以上含まれていることが好ましく、より好ましくは０．１ａ以上である。
【００２７】
Ｃｒ、Ｖに関しては、上述の通り、引き込み効果により岩塩構造型のＡｌＮを皮膜中に形成させるのに必要な元素であることから、本発明の（Ｍ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｖ）（ＣＮ）膜における（Ｃｒ＋Ｖ）の原子比ｃの下限を０．０５とした。好ましくは０．１以上であり、より好ましくは０．１５以上である。尚、上記（Ｃｒ＋Ｖ）量が少なくなると、格子定数が岩塩構造型のＡｌＮに近い（ＣｒＮ＋ＶＮ）による上記引き込み効果が小さくなることから、Ｃｒ＋Ｖの原子比ｃの下限を０．２３とすることが好ましい。
【００２８】
また、（Ｃｒ＋Ｖ）中のＶの原子比αに関しては、ＣｒＮとＶＮで格子定数がほぼ等しく、Ｃｒは鉄系の被削材料に対して耐摩耗性が優れ、Ｖはドライ切削状態にて潤滑効果をもたらすなど独自の効果を有することから、用途によって使い分ければよく、特に制限されるものではないが、両特性を確保する観点からは、αの下限を０．２とすることが好ましく、より好ましくは０．３である。また、αの上限を０．８とすることが好ましく、０．７とすることがより好ましい。
【００２９】
Ａｌの原子比ｂの下限を０．５としたのは、Ａｌの比率が小さすぎると、岩塩構造型のＡｌＮの析出量が少なく、結果として低硬度となるからであり、前記ｂの下限は、好ましくは０．６で、より好ましくは０．６５である。一方、Ａｌの原子比の上限を０．８としたのは、Ａｌの比率が大きすぎると、相対的にＣｒ、Ｖの添加量が少なくなることから前記引き込み効果が弱くなり、その結果、軟質なＺｎＳ型のＡｌＮ析出により皮膜が軟質化するからである。Ａｌの原子比ｂの上限は、好ましくは０．７７であり、より好ましくは０．７５である。
【００３０】
前記第１の硬質皮膜および第２の硬質皮膜にて、Ｃ、Ｎの量を規定した理由は次の通りである。即ち、皮膜中にＣを添加し、ＶＣ、またはＭとしてＴｉ、Ｎｂ、Ｔａを添加した場合のＴｉＣ、ＮｂＣ、ＴａＣ等の高硬度の炭化物を析出させて皮膜の硬度を高める場合、Ｃ量は、前記第１の硬質皮膜ではＶの添加量（原子比）と同量程度、また前記第２の硬質皮膜ではＭ＋Ｖの添加量（原子比）と同量程度存在させることが望ましい。しかしながら、Ｃを過剰に添加すると、水分と反応して容易に分解する不安定なアルミの炭化物を過度に析出させることになるので、Ｃの原子比（１−ｄ）は０．５未満、即ち、Ｎの原子比ｄを０．５以上とする必要がある。ｄは、０．７以上であることが好ましく、より好ましくは０．８以上であり、ｄ＝１の場合を最も望ましい形態とする。
【００３１】
尚、本発明の硬質皮膜の結晶構造は、実質的に岩塩構造型を主体とするものであることが好ましい。前述のようにＺｎＳ型構造が混入すると高強度を確保することができないからである。しかしながら皮膜の特性を損なわない範囲で若干のＺｎＳ型構造が構造中に含まれることは許容され、その目安として、以下にＸ線回折により測定した岩塩構造型とＺｎＳ型構造の望ましい範囲を示す。
【００３２】
即ち、上記岩塩構造型を主体とする結晶構造とは、θ−２θ法によるＸ線回折における岩塩構造を示すピークのうち、（１１１）面、（２００）面、（２２０）面のピーク強度をそれぞれ、ＩＢ（１１１）、ＩＢ（２００）、ＩＢ（２２０）とし、ＺｎＳ型構造を示すピークのうち、（１００）面、（１０２）面、（１１０）面のピーク強度をそれぞれ、ＩＨ（１００）、ＩＨ（１０２）、ＩＨ（１１０）とした場合に、下記式（１）の値が０．８以上となるような結晶構造のことをいう。０．８未満になると膜の硬度が本発明で好ましいとする硬度よりも低くなるのである。
【００３３】
前記ＺｎＳ型構造のピーク強度は、Ｘ線回折装置にてＣｕのＫα線を用い、（１００）面は２θ＝３２°〜３３°付近、（１０２）面は２θ＝４８°〜５０°付近、また（１１０）面は２θ＝５７°〜５８°付近に現れるピークの強度を測定して求める。尚、ＺｎＳ型の結晶はＡｌＮが主体であるが、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ等が混入すると、実測されるＺｎＳ型ＡｌＮのピーク位置は、ＪＣＰＤＳカードのＺｎＳ型ＡｌＮのピーク位置と若干ずれる。
【００３４】
【数１】
0004062583.tif 000002
【００３５】
本発明の皮膜としては、上記要件を満足する単層の皮膜の他、上記要件を満たし、且つ相互に異なる皮膜を複数積層させたものを用いることもできる。また用途によっては、前記１層または２層以上の本発明で規定する（Ａｌ，Ｃｒ，Ｖ）（ＣＮ）膜、または（Ｍ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｖ）（ＣＮ）膜の片面側または両面側に、岩塩構造型主体の結晶構造を有し、且つ前記硬質皮膜とは異なる成分組成の金属窒化物層、金属炭化物層および金属炭窒化物層よりなる群から選択される少なくとも１層が積層されていてもよい。
【００３６】
尚、ここでいう「岩塩構造型主体の結晶構造」も、前述の如く、θ−２θ法によるＸ線回折における岩塩構造を示すピークのうち、（１１１）面、（２００）面、（２２０）面のピーク強度をそれぞれ、ＩＢ（１１１）、ＩＢ（２００）、ＩＢ（２２０）とし、ＺｎＳ型構造を示すピークのうち、（１００）面、（１０２）面、（１１０）面のピーク強度をそれぞれ、ＩＨ（１００）、ＩＨ（１０２）、ＩＨ（１１０）とした場合に、上記式（１）の値が０．８以上となるような結晶構造のことをいうものとする。また、岩塩構造型であって、本発明の規定とは異なる成分組成の金属窒化物層、金属炭化物層または金属炭窒化物層として、例えばＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＣｒＡｌＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＴｉＣｒＡｌＣＮ、ＴｉＣ等の皮膜が挙げられる。
【００３７】
本発明の切削工具用硬質皮膜は、前記１層もしくは２層以上の本発明の硬質皮膜の片面側または両面側に、４Ａ族、５Ａ族、６Ａ族、ＡｌおよびＳｉよりなる群から選択される少なくとも１種の金属を含む金属層または合金層が１以上積層されているものであってもよく、前記４Ａ族、５Ａ族、６Ａ族の金属として、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｂ等が挙げられ、合金としてＴｉ−Ａｌ等を用いることができる。
【００３８】
上記（i）本発明の要件を満たし且つ相互に異なる皮膜や、（ii）岩塩構造型であって前記硬質皮膜とは異なる成分組成の金属窒化物層、金属炭化物層または金属炭窒化物層、（iii）４Ａ族、５Ａ族、６Ａ族、ＡｌおよびＳｉよりなる群から選択される少なくとも１種の金属を含む金属層または合金層を、複数層形成して本発明の硬質皮膜とする場合には、１層の膜厚が０．００５〜２μmの範囲内にあればよいが、本発明の硬質皮膜は、単層の場合であっても上記複数層の場合であっても、トータルとしての膜厚は、０．５μｍ以上で２０μｍ以下の範囲内とすることが望ましい。０．５μｍ未満だと膜厚が薄すぎて耐摩耗性が好ましくなく、一方、上記膜厚が２０μｍを超えると、切削中に膜の欠損や剥離が発生するからである。尚、より好ましい膜厚は、１μｍ以上で１５μｍ以下である。
【００３９】
更に、Ａｌの組成比が高くても結晶構造が実質的に岩塩構造型を主体とする本発明の硬質皮膜を作製するには、本発明で規定する様な方法で成膜することが大変有効である。即ち、成膜ガス雰囲気中でアーク放電を行ってターゲットを構成する金属を蒸発させてイオン化し、被処理体上に本発明の硬質皮膜を形成する方法にて、前記金属とともに成膜ガスのプラズマ化を促進しつつ成膜することが必要であり、このとき前記被処理体近傍における成膜ガスのプラズマ化を、ターゲットの蒸発面にほぼ直交して前方に発散ないし平行に進行するよう形成した磁力線によって促進しつつ成膜することを好ましい形態とする。
【００４０】
尚、本発明の成膜方法は、本発明で規定する岩塩構造型を主体とした（Ａｌ，Ｃｒ，Ｖ）（ＣＮ）皮膜または（Ｍ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｖ）（ＣＮ）皮膜の成膜に有効であるのは勿論のこと、それ以外の皮膜を成膜するにあたっても大変有効な方法であることは言うまでもない。
【００４１】
アークイオンプレーティング（ＡＩＰ）装置においては、従来のように磁場がターゲットの裏側に配置されたカソード蒸発源では本発明の皮膜を作製することが困難であり、磁石がターゲットの横または前方に配置されて、ターゲット蒸発面にほぼ直交して前方に発散ないし平行に進行する磁力線を形成し、この磁力線によって窒素ガスのプラズマ化を促進することが本発明の硬質皮膜を形成する上で大変有効なのである。
【００４２】
本発明を実施するための装置の一例として、図１にＡＩＰ装置を示しながら簡単に説明する。
【００４３】
このＡＩＰ装置は、真空排気する排気口１１および雰囲気ガスを供給するガス供給口１２とを有する真空容器１と、アーク放電によって陰極を構成するターゲットを蒸発させてイオン化するアーク式蒸発源２と、コーティング対象である被処理体（切削工具）Ｗを支持する支持台３と、この支持台３と前記真空容器１との間で支持台３を通して被処理体Ｗに負のバイアス電圧を印加するバイアス電源４とを備えている。
【００４４】
前記アーク式蒸発源２は、陰極を構成するターゲット６と、このターゲット６と陽極を構成する真空容器１との間に接続されたアーク電源７と、ターゲット６の蒸発面Ｓにほぼ直交して前方に発散ないし平行に進行し、被処理体Ｗの近傍まで伸びる磁力線を形成する磁界形成手段としての磁石（永久磁石）８とを備えている。被処理体Ｗの近傍付近における磁束密度としては、被処理体の中心部において磁束密度が１０Ｇ（ガウス）以上、好ましくは３０Ｇ以上とするのが良い。尚、蒸発面にほぼ直交するとは、蒸発面の法線方向に対して０°を含み、３０°程度以下の角度をなすことを意味する。
【００４５】
図２は、本発明の実施に供するアーク式蒸発源要部の一例を拡大した断面概略図であるが、前記磁界形成手段としての磁石８は、ターゲット６の蒸発面Ｓを取り囲むように配置されている。磁界形成手段としては、前記磁石に限らず、コイルとコイル電源とを備えた電磁石でも良い。また、磁石の配置場所は図３に示すように、ターゲット６の蒸発面Ｓの前方（被処理体側）を取り囲むように設けても良い。尚、図２では、チャンバーをアノードとしたが、例えばターゲット側面前方を取り囲むような円筒形状の専用アノードを設けても良い。
【００４６】
尚、図４に示す従来のＡＩＰ装置のアーク式蒸発源１０２にも、アーク放電をターゲット１０６上に集中させるための電磁石１０９を備えたものがあるが、電磁石１０９がターゲット１０６の裏側に位置しているため、磁力線がターゲット蒸発面近傍でターゲット表面と平行となり、磁力線が被処理体Ｗの近傍にまで伸びないようになっている。
【００４７】
本発明で使用するＡＩＰ装置のアーク式蒸発源と、従来のそれとの磁場構造の違いは、雰囲気ガスのプラズマの広がり方の違いにある。
【００４８】
前記図３に示すように、放電で発生した電子ｅの一部が磁力線に巻き付くように運動を行い、この電子が成膜ガスを構成する窒素分子等と衝突することによって成膜ガスがプラズマ化する。前記図４における従来の蒸発源１０２では、磁力線がターゲット近傍に限られるため、上記の様にして生成された成膜ガスのプラズマの密度はターゲット近傍が最も高く、被処理体Ｗの近傍ではプラズマ密度がかなり低いものとなっている。これに対し、図２および図３に示す様な本発明で使用する蒸発源では、磁力線が被処理体Ｗにまで伸びるため、被処理体Ｗ近傍における成膜ガスのプラズマ密度が従来の蒸発源に比べ格段に高いものとなっている。
【００４９】
そしてこの様なターゲット表面における磁力線配置、および基板（被処理体）近傍のプラズマ密度の違いが、生成される膜の結晶構造、ひいては得られる特性に大きく影響を与えると考えられる。図５はこのような影響を確認した一実施例であり、従来型の蒸発源と本発明者らのアーク蒸発源のそれぞれを用いて、本発明の（ＴｉＡｌＶ）（ＣＮ）を成膜したときの皮膜の表面電子顕微鏡写真である。成膜条件は、両蒸発源ともにアーク電流を１００Ａ、窒素ガスの圧力を２．６６Ｐａ、基板（被処理体）温度を５００℃とし、基板（被処理体）のバイアス電圧を１００Ｖとしている。尚、バイアスの電位は、アース電位に対してマイナスとなるように印加しており、例えばバイアス電圧１００Ｖとは、アース電位に対してバイアス電位が−１００Ｖであることを示す。
【００５０】
この図５（１）に示されるように、磁石がターゲットの横または前方に位置している本発明者らのＡＩＰ装置の蒸発源で形成した皮膜表面は、非常に平滑であるのに対し、磁石がターゲットの背面に位置している従来型の蒸発源で形成した皮膜は、図５（２）に示される様に、表面に「マクロパーティクル」と呼ばれる溶融したターゲット物質の付着が多く認められ、表面粗度（Ｒａ）が大きく、切削特性に悪影響を及ぼす。従って、成膜には本発明の蒸発源を用いることが大変有効なのである。
【００５１】
成膜時の基板（被処理体）に印可するバイアス電圧は、５０〜３００Ｖの範囲にあることが望ましい。もともと岩塩構造型のＡｌＮは、常温常圧では非平衡相であり生成しにくい物質であるが、本発明者等の蒸発源によって成膜ガスのプラズマ化が促進されて、成膜ガスがイオン化することから、基板にバイアス電圧を印可することで基体（被処理体）へのイオン衝撃が有効に行われ、岩塩構造型のＡｌＮの形成が促進されるものと考えられる。この様な効果を発揮させるには、前記バイアス電圧を５０Ｖ以上とすることが好ましく、より好ましくは７０Ｖ以上である。しかし前記バイアス電圧が高すぎると、イオン化した成膜ガスによって膜がエッチングされ、成膜速度が極端に小さくなることから、前記バイアス電圧は３００Ｖ以下とすることが好ましく、より好ましくは２６０Ｖ以下である。岩塩構造型のＡｌＮ形成の促進作用と成膜速度を勘案すれば、基板に印加するバイアス電圧は、７０Ｖ以上で２００Ｖ以下とすることが好ましい。
【００５２】
また本発明では、皮膜形成時の基板（被処理体）温度の範囲を３００℃以上８００℃以下とすることが好ましいとしているが、これは形成された皮膜の応力と関係している。図６は、一例として（Ｔｉ0.1Ａｌ0.7Ｃｒ0.1Ｖ0.1）Ｎ皮膜を形成した時の基板（被処理体）温度と形成した皮膜の残留応力の関係を示したものであり、成膜時の基板のバイアス電圧を１５０Ｖ、窒素ガスの圧力を２．６６Ｐａとして実験を行ったものである。この図６より、基板（被処理体）温度が上昇すれば皮膜の残留応力は低減する傾向にあることが分かる。得られた硬質皮膜に過大な残留応力が作用していると、成膜ままの状態で剥離が生じ易く、密着性に劣る。従って、基板（被処理体）温度の下限は３００℃とするのが好ましく、より好ましくは４００℃である。一方、基板（被処理体）温度を高めれば上記残留応力は低減するが、残留応力が小さすぎる場合には圧縮応力が小さくなり、基板の抗折力増加作用が損なわれ、また高温による基板の熱的変質も生じることとなる。従って基板（被処理体）温度の上限は８００℃とすることが好ましい。より好ましくは７００℃以下である。
【００５３】
更に本発明では、成膜時の反応ガスの分圧または全圧を０．５Ｐａ以上６Ｐａ以下の範囲とすることを好ましい成膜条件としている。ここで反応ガスの「分圧あるいは全圧」と表示しているのは、本発明が、前述のように窒素ガスやメタンガスといった皮膜の成分組成に必要な元素を含むガスを反応ガス、それ以外のアルゴンなどの様な希ガス等をアシストガスといい、これらをあわせて成膜ガスとしており、成膜ガスとして、アシストガスを用いず反応ガスのみを用いる場合には、反応ガスの全圧を制御することが有効で、また、反応ガスおよびアシストガスの両方を用いる場合には、反応ガスの分圧を制御することが有効だからである。この反応ガスの分圧または全圧が０．５Ｐａ未満の場合には、ターゲットをアーク蒸発させた場合に、前記マクロパーティクル（ターゲットの溶融物）が多量に付着して皮膜の表面粗度が大きくなり、用途によっては不都合を生じることから好ましくない。一方、反応ガスの分圧または全圧が６Ｐａを超える場合には、反応ガスがターゲット構成成分の蒸発粒子と衝突して該蒸発粒子の散乱が多くなり、成膜速度が低下するため好ましくない。尚、反応ガスの分圧または全圧は、下限を１Ｐａとし、上限を５Ｐａとすることがより好ましく、更に好ましくは下限を１．５Ｐａとし、上限を４Ｐａとすることである。
【００５４】
本発明では、成膜方法としてＡＩＰ法について述べたが、金属元素とともに成膜ガスのプラズマ化が促進される成膜方法であれば、ＡＩＰ法に限定されるものではなく、例えば、パルススパッタリング法や窒素のイオンビームアシストデポジション法で成膜することができる。
【００５５】
本発明の硬質皮膜は、上述の如くターゲットを蒸発またはイオン化させて、被処理体上に成膜するイオンプレーティング法やスパッタリング法等の気相コーティング法にて製造するのが有効であるが、該ターゲットの特性が好ましくない場合には、成膜時に安定した放電状態が保てず、得られる皮膜の成分組成が均一でない等の問題が生じる。そこで優れた耐摩耗性を発揮する本発明の切削工具用硬質皮膜を得るにあたり、使用するターゲットの特性についても検討したところ、下記の様な知見が得られた。
【００５６】
まず、ターゲットの相対密度を９５％以上とすることで、成膜時の放電状態が安定し、効率よく本発明の硬質皮膜が得られることが分かった。即ち、ターゲットの相対密度が９５％未満になると、ターゲット中にミクロポア等の合金成分の粗な部分が生じるようになり、この様なターゲットを成膜に用いた場合に該合金成分の蒸発が不均一となって、得られる皮膜の成分組成がばらついたり膜厚が不均一となったりしてしまう。また、空孔部分は成膜時に、局所的かつ急速に消耗するので、減耗速度が速くなりターゲットの寿命が短くなる。空孔が多数存在する場合には、局所的な減耗が急速に進むのみならず、ターゲットの強度が劣化して割れが生じる原因ともなるのである。
【００５７】
ターゲットの相対密度が９５％以上であっても、ターゲット中に存在する空孔が大きい場合には、放電状態が不安定となり良好に皮膜が成膜されないため好ましくない。ターゲット中に半径０．５ｍｍ以上の空孔が存在すると、ターゲットを構成する合金成分の蒸発またはイオン化のためのアーク放電が中断して成膜を行うことができないことが知られている。本発明者らが検討したところ、空孔の半径が０．３ｍｍ以上になると放電中断には至らずとも放電状態が不安定となることが分かった。従って、安定した放電状態を保ち、良好にかつ効率よく成膜を行うには、ターゲット中に存在する空孔の半径を０．３ｍｍ未満、好ましくは０．２ｍｍ以下とするのがよいのである。
【００５８】
ＡＩＰ法等の気相コーティング法では、使用するターゲットの成分組成が、形成される皮膜の成分組成を決定付けることから、ターゲットの成分組成は、目的とする皮膜の成分組成と同一であることが好ましい。即ち、耐摩耗性に優れた本発明の硬質皮膜として、組成が（Ａｌb，[Ｃｒ1-αＶα]c）（Ｃ1-dＮd）で示される前記第１の硬質皮膜を成膜する場合には、ターゲットとして、（Ａｌy，［Ｃｒ1-βＶβ］z）からなるものであって、
０．５≦ｙ≦０．８、
０．２≦ｚ≦０．５、
ｙ＋ｚ＝１、
０．０５≦β≦０．９５
（ｙ，ｚはそれぞれＡｌ，Ｃｒ＋Ｖの原子比を示し、βはＶの原子比を示す）を満足するものを用いるのがよい。
【００５９】
また組成が（Ｍa，Ａｌb，［Ｃｒ1-αＶα］c）（Ｃ1-dＮd）で示される第２の硬質皮膜を成膜する場合には、ターゲットとして、（Ｍx，Ａｌy，［Ｃｒ1-βＶβ］z）からなるターゲットであって、Ｍは、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗ、ＴａおよびＭｏよりなる群から選択される少なくとも１種であり、かつ、
０．０２≦ｘ≦０．３、
０．５≦ｙ≦０．８、
０．０５≦ｚ、
ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、
０≦β≦１
（ｘ、ｙ、ｚはそれぞれＭ，Ａｌ，Ｃｒ＋Ｖの原子比を示し、βはＶの原子比を示す）を満たすものを用いるのがよく、本発明の好ましい形態であるＭがＴｉの硬質皮膜の形成には、上記ＭがＴｉであるターゲットを用いることが好ましい。
【００６０】
上記ターゲットの成分組成を満足していても、ターゲットの成分組成分布がばらついていると、得られる硬質皮膜の成分組成分布も不均一となり、該皮膜の耐摩耗性が部分的に異なることとなってしまう。またターゲットの成分組成分布にばらつきがあると、ターゲットに局所的な電気伝導性や融点等の差異が生ずることとなり、これが放電状態を不安定にして良好に成膜されないのである。従って、本発明のターゲットは、組成分布のばらつきが０．５ａｔ％以内にあることが好ましい。
【００６１】
更に本発明者らは、ターゲットの製造に用いる原料あるいはターゲット製造時の雰囲気が原因で、ターゲット中に不可避的に混入する不純物（酸素、水素、塩素、銅およびマグネシウム）の含有量が、成膜時の放電状態等に及ぼす影響についても調べた。
【００６２】
その結果、酸素、水素および塩素がターゲット中に多量に含まれていると、成膜時にターゲットからこれらのガスが突発的に発生し、放電状態が不安定となったり最悪の場合にはターゲットそのものが破損して良好に成膜されないことが分かった。従って、ターゲット中に含まれる酸素は０．３質量％以下、水素は０．０５質量％以下、塩素は０．２質量％以下に抑えるのがよいのである。より好ましくは、酸素を０．２質量％以下、水素を０．０２質量％以下、塩素を０．０１５質量％以下に抑える。
【００６３】
また、銅やマグネシウムは、本発明のターゲットを構成する前記元素Ｍ、Ａｌ、ＣｒおよびＶよりも蒸気圧が高く気化しやすいので、多量に含まれる場合には、ターゲット製造時にガス化してターゲット内部に空孔が形成され、この様な欠陥が原因で成膜時の放電状態が不安定となるのである。従って、ターゲット中に含まれる銅の含有量は、０．０５質量％以下に抑えることが好ましく、より好ましくは０．０２質量％以下である。また、マグネシウムの含有量は、０．０３質量％以下に抑えることが好ましく、より好ましくは０．０２質量％以下である。
【００６４】
この様な不純物の含有量を本発明で規定する範囲にまで低減する方法として、例えば原料粉末の真空溶解や、清浄雰囲気で原料粉末の配合・混合を行うこと等が挙げられる。
【００６５】
ところで本発明は、ターゲットの製造方法についてまで特定するものではないが、例えば、量比や粒径等を適切に調整した原材料の元素Ｍの粉末や、Ｃｒ粉末、Ｖ粉末、Ａｌ粉末を、Ｖ型ミキサー等で均一に混合して混合粉末とした後、これに冷間静水圧加圧処理（ＣＩＰ処理）あるいは熱間静水圧加圧処理（ＨＩＰ処理）を施すことが本発明のターゲットを得る有効な方法として挙げられる。これらの方法の他、熱間押出法や超高圧ホットプレス法等によっても本発明のターゲットを製造することができる。
【００６６】
尚、上記の様にして混合粉末を調製した後、ホットプレス処理（ＨＰ）にてターゲットを製造する方法も挙げられるが、この方法では、本発明で用いるＶが高融点金属であるため相対密度の高いターゲットが得られ難いといった問題点がある。また、上記の様に混合粉末を用いて製造する方法の他、予め合金化させた粉末を用いて、ＣＩＰ処理やＨＩＰ処理を行ったり、溶解・凝固させてターゲットを得る方法も挙げられる。しかし前記合金化粉末を用いてＣＩＰ処理またはＨＩＰ処理を行う方法では、組成の均一なターゲットが得られるという利点があるものの、合金粉末が難焼結性であるため、高密度ターゲットが得られ難いといった問題点がある。また後者の合金化粉末を溶解・凝固させる方法では、組成が比較的均一なターゲットが得られるという利点があるが、凝固時に割れや引け巣が発生し易いといった問題があり、本発明のターゲットを得ることは難しい。
【００６７】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００６８】
［実施例１］
前記図１に示すＡＩＰ装置のカソードに〔Ａｌ，Ｃｒ，Ｖ〕または〔Ｍ（Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏの１種以上），Ａｌ，Ｃｒ，Ｖ〕からなる合金ターゲットを取り付け、さらに、支持台上に被処理体として超硬合金製チップ、超硬合金製エンドミル（直径１０ｍｍ、２枚刃）を取り付け、チャンバー内を真空状態にした。その後、チャンバー内にあるヒーターで被処理体の温度を５００℃に加熱し、窒素ガスを導入してチャンバー内の圧力を２．６６Ｐａにしてアーク放電を開始し、基板（被処理体）の表面に膜厚３μｍの皮膜を形成した。なお、成膜中にアース電位に対して基板（被処理体）がマイナス電位となるよう１００〜１５０Ｖのバイアス電圧を基板（被処理体）に印加した。
【００６９】
成膜終了後、膜中の金属成分組成、膜の結晶構造、ビッカース硬度を調べた。膜中の金属元素の成分組成はＥＰＭＡにより測定した。また皮膜中の金属元素および窒素以外の不純物元素量は、酸素が１ａｔ％以下で、炭素が２ａｔ％以下のレベルであった。膜の結晶構造はＸ線回折により同定した。前記式（１）の値は、前述のようにＸ線回折装置にてＣｕのＫα線を用いて各結晶面のピーク強度を測定して求めた。さらに耐摩耗性を評価すべく、硬質皮膜を形成したエンドミルを用い、以下の条件で切削試験を行って刃中部分の摩耗幅を測定した。
切削条件
被削材：ＳＫＤ６１（ＨＲＣ５０）
切削速度：２００ｍ／分
刃送り：０．０６ｍｍ／刃
軸切り込み：５ｍｍ
径方向切り込み：１ｍｍ
切削長：３０ｍ
その他：ダウンカット、ドライカット、エアブローのみ
得られた膜の成分組成、結晶構造、ビッカース硬度、前記式（１）および切削試験で測定した摩耗幅の値を表１〜３に示す。
【００７０】
【表１】
0004062583.tif 000003
【００７１】
【表２】
0004062583.tif 000004
【００７２】
【表３】
0004062583.tif 000005
【００７３】
表１〜３より、本発明の成分組成範囲を満たすＮｏ．５〜７、１６〜２４、および３０〜３６では、高いビッカース硬度を達成することができ、切削試験における摩耗も摩耗幅４０μｍ未満と抑えられている。これに対し、従来例として（ＴｉＡｌ）Ｎ膜、ＴｉＮ膜、およびＴｉＣＮ膜を形成したＮｏ．１〜３、および、本発明の硬質皮膜と構成元素を同じくするがその組成が本発明範囲を外れるＮｏ．４、８〜１５、２５〜２９、３７および３８は、硬度がＨＶ２９００以下と低く、切削試験でも摩耗幅が４０μｍ以上と摩耗の大きいものとなっている。
【００７４】
図７〜９は、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｖ）Ｎ膜、（Ｍ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｖ）Ｎ膜、および（Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｖ）Ｎ膜における金属元素の組成図にて、本発明範囲とＮｏ．４〜３８の実施例を示したものであり、図７〜９中の●と□の境界線で囲まれる領域は本発明の範囲を示し、□と○の境界線で囲まれる領域は好ましい本発明の範囲を示し、更に○と◎の境界線で囲まれる領域はより好ましい本発明の範囲を示す。これらの図及び表１〜３に示される様に、図７〜９にて◎、○および□で示される本発明の範囲内にあるＮｏ．５〜７、１６〜２４、および３０〜３６は、図７〜９にて●で示される本発明の規定成分組成を満たさないＮｏ．４、８、１１〜１５および２５〜２９と比較して皮膜硬度の高いものとなっており、特に、図７〜９にて◎および○で示される好ましい成分組成範囲内にあるＮｏ．６、７、１９〜２２および３３〜３６では、非常に硬度が高く、耐摩耗性に優れている結果となった。
【００７５】
［実施例２］
次に、前記図１に示すＡＩＰ装置のカソードに〔Ａｌ，Ｃｒ，Ｖ〕または〔Ｍ（Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏの１種以上），Ａｌ，Ｃｒ，Ｖ〕からなる合金ターゲットを取り付け、さらに、支持台上に被処理体として超硬合金製チップ、超硬合金製エンドミル（直径１０ｍｍ、２枚刃）を取り付け、チャンバー内を真空状態にした。その後、チャンバー内にあるヒーターで被処理体の温度を５００℃に加熱し、窒素とメタンの混合ガスを導入してチャンバー内の圧力を２．６６Ｐａにしてアーク放電を開始し、基板（被処理体）の表面に膜厚３μｍの各皮膜を形成した。なお、成膜中にアース電位に対して基板（被処理体）がマイナス電位となるよう１００〜１５０Ｖのバイアス電圧を基板（被処理体）に印加した。得られた皮膜中の金属元素の成分組成はＥＰＭＡにより測定した。皮膜中の金属元素、窒素および炭素以外の不純物元素量は、酸素が１ａｔ％以下のレベルであった。
【００７６】
【表４】
0004062583.tif 000006
【００７７】
表４より、本発明の要件を満たす皮膜をコーティングしたＮｏ．３９〜４１、４３〜４５、および４７〜４９のエンドミルは、皮膜中のＣ、Ｎの組成比が本発明の規定範囲外であるＮｏ．４２、４６および５０のエンドミルと比較して、切削試験における摩耗幅が小さく、耐摩耗性に優れていることがわかる。
【００７８】
［実施例３］
表５〜７にて皮膜１および皮膜２として示す、本発明の要件を満足する皮膜および種々の金属窒化物、金属炭化物、金属炭窒化物または金属膜の積層膜を超硬合金製エンドミル（直径１０ｍｍ、２枚刃）上に形成した。積層の仕方は、超硬合金製エンドミル上に、表５〜７における皮膜１、次に表５〜７における皮膜２の順に、表５〜７に示す厚みにて交互に積層した。表５〜７に示す積層数は、［皮膜１＋皮膜２］を１単位としたときの繰り返し数を示す。得られた皮膜の耐摩耗性は、前記実施例１と同様にして切削試験を行い評価した。これらの結果を表５〜７に併記する。
【００７９】
【表５】
0004062583.tif 000007
【００８０】
【表６】
0004062583.tif 000008
【００８１】
【表７】
0004062583.tif 000009
【００８２】
表５〜７のＮｏ．５１〜９２より、切削工具用硬質皮膜を複数層とする場合であっても、本発明の要件を満たす皮膜をコーティングしたものであれば、切削試験での摩耗幅が４０μm未満と優れた耐摩耗性を示すことが分かる。
【００８３】
［実施例４］
組成がＡｌ：７５ａｔ％、Ｃｒ：１５ａｔ％、およびＶ：１０ａｔ％の窒化物皮膜、またはＴｉ：５％、Ｔａ：５ａｔ％、Ａｌ：７０ａｔ％、Ｃｒ：１０ａｔ％、およびＶ：１０ａｔ％の窒化物皮膜、またはＴｉ：１０ａｔ％、Ａｌ：７０ａｔ％、Ｃｒ：１０ａｔ％、およびＶ：１０ａｔ％の窒化物皮膜を、それぞれ基板に印可するバイアス電圧を３０Ｖ〜４００Ｖ、基板（被処理体）の温度を３００℃〜１０００℃、および反応ガスである窒素ガスの圧力を０．３〜７Ｐａの範囲で変化させて、超硬合金チップまたは超硬合金製エンドミル（直径１０ｍｍ、２枚刃）上に形成した。得られた皮膜のビッカース硬度を測定するとともに、実施例１と同様にして切削試験を実施し、耐摩耗性について評価した。これらの結果を実験条件とともに、前記（Ａｌ，Ｃｒ，Ｖ）Ｎ膜については表８に、前記（Ｔｉ，Ｔａ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｖ）Ｎ膜については表９に、また前記（Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｖ）Ｎ膜については表１０に示す。
【００８４】
【表８】
0004062583.tif 000010
【００８５】
【表９】
0004062583.tif 000011
【００８６】
【表１０】
0004062583.tif 000012
【００８７】
表８〜１０より、本発明の要件を満たすＮｏ．９４〜９６、９９〜１０２、１０５、１０６、１０９〜１１１、１１４〜１１７、１１９〜１２１、１２４〜１２６、１２９〜１３２、１３５および１３６は、Ｎｏ．９３、９７、９８、１０３、１０４、１０７、１０８、１１２、１１３、１１８、１２２、１２３、１２７、１２８、１３３、１３４および１３７と比較して、高硬度の皮膜が得られ、切削試験時の摩耗幅も小さいものが得られていることから、耐摩耗性に優れた皮膜を得るには、基板に印加するバイアス電圧や基板（被処理体）温度、更には反応ガスの圧力（分圧または全圧）を本発明の規定範囲内とすることが好ましいことが分かる。
【００８８】
［実施例５］
ターゲットの相対密度や不純物含有量が成膜時の放電状態に及ぼす影響について調べた。
【００８９】
それぞれ１００メッシュ以下のＴｉ粉末、Ｎｂ粉末、Ｃｒ粉末、Ｖ粉末またはＡｌ粉末を所定量混合し、温度：９００℃かつ圧力：８×１０7Ｐａの条件でＨＩＰ処理を行って、表１１〜１３に示す各成分組成のターゲットを作製した。上記ターゲットの成分組成はＩＣＰ−ＭＳにて測定した。また得られたターゲットの放電特性を調べるため、外径２５４ｍｍ、厚さ５ｍｍに成形したターゲットをスパッタリング装置に装着し、反応性パルススパッタリング法により膜厚３μｍの皮膜を被処理体である超硬合金製チップ上に成膜した。成膜は、反応ガスとしてＮ2ガスを用い、出力５００Ｗで行った。
【００９０】
得られた硬質皮膜の成分組成はＡＰＳで測定し、耐摩耗性は、実施例１と同様の切削試験を行い下記の基準で評価した。また成膜時の放電状態については、表面における放電状況を目視で観察したり、放電電圧のモニターを観察して行った。これらの結果を表１１〜１３に併記する。
切削試験における評価基準
○：摩耗量が４０μｍ未満
×：摩耗量が４０μｍ以上
放電状態の評価基準
・安定      ：放電電圧の瞬間的な上昇や放電の場所的な偏りが認められないもの
・やや不安定：放電電圧の瞬間的な上昇や放電の場所的な偏りが多少認められるもの
・不安定    ：放電電圧の瞬間的な上昇や放電の場所的な偏りがかなり認められるもの
・放電中断  ：放電が停止するもの
【００９１】
【表１１】
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【００９２】
【表１２】
0004062583.tif 000014
【００９３】
【表１３】
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【００９４】
表１１〜１３より、Ｎｏ．１３８〜１４２、１４７〜１５１、および１５６〜１６０は、本発明で規定する相対密度を満足するものであることから放電状態は良好で、その結果、ターゲットと成分組成がほぼ同一で、良好な耐摩耗性を発揮する皮膜が得られていることが分かる。これに対し、Ｎｏ．１４３〜１４６、１５２〜１５５、および１６１〜１６４は、ターゲットの相対密度が本発明の要件を満足するものではないため、放電状態が不安定であったり継続不可能となり、その結果、得られる皮膜の成分組成がターゲットの成分組成と大きくずれ、耐摩耗性の好ましくない皮膜が得られる結果となった。
【００９５】
［実施例６］
次にターゲット中の不純物（酸素、水素、塩素、銅およびマグネシウム）の含有量が成膜時の放電状態に与える影響について調べた。
【００９６】
表１４に示す各成分組成のターゲットを実施例５と同様の方法で作製した。得られたターゲットの相対密度はいずれも９９％以上で、０．３ｍｍ以上の空孔や連続した欠陥はいずれにも存在しなかった。得られたターゲットを用い、実施例１で使用したＡＩＰ装置にて、窒素ガスを成膜ガスとして成膜を行った。ターゲット中の不純物の含有量は、ＩＣＰ−ＭＳで測定した。また成膜時の放電状態は、実施例５と同様にして評価した。これらの結果を表１４に併記する。
【００９７】
【表１４】
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【００９８】
表１４より、Ｎｏ．１６５、１６７〜１７３、１８０および１８１は、酸素、水素、塩素、銅およびマグネシウムのすべての不純物の含有量が本発明の要件を満足するものであることから、放電状態が良好となっていることが分かる。これに対し、Ｎｏ．１６６、１７４および１７５では酸素含有量、Ｎｏ．１７６では水素含有量、Ｎｏ．１７７では塩素含有量、Ｎｏ．１７８では銅含有量、Ｎｏ．１７９ではマグネシウム含有量、Ｎｏ．１８２では酸素およびマグネシウムの含有量、Ｎｏ．１８３では、塩素、銅およびマグネシウムの含有量が本発明で好ましいとする規定範囲を超えている。この結果より、成膜時の放電状態を良好にして効率よく本発明の切削工具用硬質皮膜を得るには、ターゲット中の不純物（酸素、水素、塩素、銅およびマグネシウム）の含有量を本発明の規定範囲内とすることが好ましいことが分かる。
【００９９】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、従来のＴｉＡｌＮにＣｒ、Ｖ、またはＭ元素として、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗ、ＴａおよびＭｏよりなる群から選択される少なくとも１種を添加し、かつこれらの成分組成を本発明の如く制御することによって、従来の切削工具用硬質皮膜よりも耐摩耗性に優れた硬質皮膜を得ることができた。こうした硬質皮膜の実現によって、高速切削や焼き入れ鋼など高硬度鋼の切削に用いることのできる長寿命の切削工具を供給できることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施に使用するアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）装置の一例を示した概略図である。
【図２】本発明の実施に供するアーク式蒸発源要部の一例を拡大した断面概略図である。
【図３】本発明の実施に供する別のアーク式蒸発源要部を拡大した断面概略図である。
【図４】従来の本発明の実施に供するアーク式蒸発源要部の一例を拡大した断面概略図である。
【図５】成膜した（Ｔｉ0.1Ａｌ0.7Ｃｒ0.1Ｖ0.1）Ｎ膜の表面電子顕微鏡写真を示したものであり、（１）は本発明者らの蒸発源、（２）は従来の蒸発源を用いて成膜した結果を示す。
【図６】一例として（Ｔｉ0.1Ａｌ0.7Ｃｒ0.1Ｖ0.1）Ｎ皮膜を成膜した場合の基板温度と皮膜の残留応力との関係を示したグラフである。
【図７】（Ａｌ，Ｃｒ，Ｖ）Ｎ膜における金属成分Ａｌ、ＣｒおよびＶの組成図にて本発明範囲と実施例を示したものである。
【図８】（Ｍ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｖ）Ｎ膜における金属成分Ｍ、Ａｌ、ＣｒおよびＶの組成図にて本発明範囲と実施例を示したものである。
【図９】（Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｖ）Ｎ膜における金属成分Ｔｉ、Ａｌ、ＣｒおよびＶの組成図にて本発明範囲と実施例を示したものである。
【符号の説明】
１  真空容器
２、２Ａ  アーク式蒸発源
３  支持台
４  バイアス電源
６  ターゲット
７  アーク電源
８  磁石（磁界形成手段）
９  電磁石（磁界形成手段）
１１  排気口
１２  ガス供給口
Ｗ  被処理体
Ｓ  ターゲットの蒸発面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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