(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡｌおよびＣｒを必須成分として含有するカソード放電型アークイオンプレーティング用ターゲットであって、
当該ターゲット中に含有されるＣｒ粒とＡｌとの間に形成されるＡｌとＣｒの化合物層の厚みが５μm以下であり、相対密度が９２％以上であり、
原子比で下記の組成を有する、カソード放電型アークイオンプレーティング用ターゲット。
Ａｌa，Ｃｒb
０．１≦ａ≦０．９
ｂ＝１−ａ
【請求項２】
ＡｌおよびＣｒを必須成分として含有するカソード放電型アークイオンプレーティング用ターゲットであって、
ＣｕＫαを用いたθ＝２θ法のＸ線回折にて回折角度１０〜６０°の間に観察されるＡｌ−Ｃｒ化合物のピーク強度の総和がＡｌ、ＣｒおよびＡｌ−Ｃｒ化合物のピーク強度の総和に対して１％以下であり、相対密度が９２％以上であり、
原子比で下記の組成を有する、カソード放電型アークイオンプレーティング用ターゲット。
Ａｌa，Ｃｒb
０．１≦ａ≦０．９
ｂ＝１−ａ
【請求項３】
ＡｌおよびＣｒを必須成分として含有するカソード放電型アークイオンプレーティング用ターゲットであって、
当該ターゲット中に含有されるＣｒ粒とＡｌとの間に形成されるＡｌとＣｒの化合物層の厚みが０μmであり、相対密度が９２％以上であり、
原子比で下記の組成を有する、カソード放電型アークイオンプレーティング用ターゲット。
Ｔｉ1-a-b-c-d，Ａｌa，Ｃｒb，Ｓｉc，Ｂd
０．５５≦ａ≦０．８
０．０６≦ｂ
０．０２≦１−ａ−ｂ−ｃ−ｄ≦０．３
０≦ｃ＋ｄ≦０．１
ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＜１
【請求項４】
ＡｌおよびＣｒを必須成分として含有するカソード放電型アークイオンプレーティング用ターゲットであって、
ＣｕＫαを用いたθ＝２θ法のＸ線回折にて回折角度１０〜６０°の間に観察されるＡｌ−Ｃｒ化合物のピーク強度の総和がＡｌ、ＣｒおよびＡｌ−Ｃｒ化合物のピーク強度の総和に対して１％以下であり、相対密度が９２％以上であり、
原子比で下記の組成を有する、カソード放電型アークイオンプレーティング用ターゲット。
Ｔｉ1-a-b-c-d，Ａｌa，Ｃｒb，Ｓｉc，Ｂd
０．５５≦ａ≦０．８
０．０６≦ｂ
０．０２≦１−ａ−ｂ−ｃ−ｄ≦０．３
０≦ｃ＋ｄ≦０．１
ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＜１
【請求項５】
ターゲットを形成する元素の混合粉末を熱間鍛造法あるいはＨＩＰ法により一体的に形成した、請求項１から４のいずれか１項に記載したターゲット。
【請求項６】
ターゲット中に円相当直径が１５０μm以上のＣｒ粒子数が１．５ｍｍ2 の視野で５視野以上観察して平均１０個以下である、請求項１〜５のいずれか１項に記載したターゲット。
【請求項７】
ターゲットを形成する元素の混合粉末をＨＩＰ法により焼結形成した請求項１〜６のいずれか１項に記載したターゲットの製造方法であって、焼結温度を４８５℃以下、４２０℃以上とする、カソード放電型アークイオンプレーティング用ターゲットの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、切削工具や治工具などの基材の表面を硬質皮膜で被覆形成する際に使用される、カソード放電型アークイオンプレーティング用ターゲットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
カソード放電型アークイオンプレーティングは、アーク放電の際に真空中において大容量（数十〜数百Ａ）の電子流をカソードを構成するターゲットの表面よりアノードへ放電させ、カソードから電子が放出されるときのジュール加熱によりターゲットを蒸発、イオン化し、切削工具等の基材の表面に堆積する方法である。窒化物や炭窒化物などで形成された硬質皮膜を形成するためのカソード放電型アークイオンプレーティング用ターゲットとして、ＡｌＴｉ系ターゲットが主に用いられ、一部ではＡｌＴｉ系ターゲットのＴｉの代わりにＣｒを用いることで耐酸化性が向上することから、Ａｌ，Ｃｒを必須成分とするターゲットも硬質皮膜の形成に用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
アーク放電の際、ターゲットの表面には電子の放出点であるアークスポット（カソードスポット）が形成される。アークスポットの望ましい状態は、１点あるいは同時に複数点放電中に存在し、ターゲット上を高速（数〜数十ｍ／秒）かつ均一に移動することである。アークスポットの移動が滞留すると、その滞留部の近傍に溶融プールと呼ばれる溶解部分が生じ、その溶解した部分が爆発的な固体−気相の変換に伴う圧力上昇により飛散し、基材表面に付着する。この付着した溶融液滴はマクロパーティクルと呼ばれ、形成された皮膜の表面を荒らし、性能を劣化させる。
【０００４】
ターゲットが単一金属あるいは単一組織などの均質な場合には、スポットはターゲット表面を均一に移動する傾向があるために問題は生じ難い。一方、ターゲットが不均質すなわち組成が複数成分からなり、また組織が複数相から構成されている場合には、スポットが均一に移動しにくく、皮膜にマクロパーティクルが生じ易いという問題が起こる。
【０００５】
上記のとおり、カソード放電型アークイオンプレーティング用ターゲットとして、Ａｌ、Ｃｒを必須成分とするターゲットの使用が試みられているが、現状では品質の高い皮膜の形成が難しく、実用段階に至っていない。その理由は、ターゲットの成分が複数成分である上、ＣｒはＴｉなどに比してＡｌと反応し易く、ターゲットの製造過程でＡｌ−Ｃｒ化合物が生成されやすく、これが原因となってスポットの不均一移動が生じて、マクロパーティクルが生成し易いためである。
【０００６】
なお、関連技術として、特開平１０−６０６３６号公報には、スパッタリング用ターゲットとして、Ａｌを主成分とし、Ｔｉ、Ｚｒ等の化合物形成元素を含むが記載されているが、具体的にＡｌおよびＣｒを必須成分として含有するターゲットの開示はない。ＣｒはＴｉなどに比してＡｌと反応し易く、化合物を形成しやすいものであり、特にカソード放電型アークイオンプレーティングではスパッタリングと異なり、化合物の形成そのものがアーク放電に悪影響を与える。このため、Ａｌとマトリックス中の化合物形成元素が焼結の際に反応して形成された金属間化合物の加工時の割れが原因となって生じるスパッタ時の異常放電やスプラッシュを防止するには、Ａｌと化合物を形成する元素が金属あるいは元素状態としてターゲット中に残留させれば足りるとする当該公報の技術では、カソード放電型アークイオンプレーティング用ターゲットにおける問題の根本的解決にはならない。
【０００７】
本発明はかかる問題に鑑みなされたものであり、ＡｌおよびＣｒを必須成分として含有するカソード放電型アークイオンプレーティング用ターゲットにおいて、アークスポットの不均一移動が防止され、引いてはマクロパーティクルの生成が抑制された品質の高い硬質皮膜を形成することができるターゲットおよびその好適な製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、ＡｌとＣｒを主成分として含有するターゲットをアーク放電させたとき、ＡｌとＣｒとの間にＡｌ−Ｃｒ化合物が形成されていると、アークスポットは化合物の部分にて優先的に放電する傾向があることを見い出した。Ａｌ−Ｃｒ化合物の部分が優先的に放電する理由は明らかではないが、以下のように考えられる。アーク放電におけるスポットの移動は雰囲気（真空、Ａｒ、窒素などの導入ガス）、ターゲット材の融点や熱電子放出率などの因子により影響される。このようなターゲットで放電を行うと、ターゲットはＣｒ粒子の周囲に形成されたＡｌ−Ｃｒ化合物層の形状に応じた窪みが形成される。このような窪みが形成された場合、その部分にスポットが滞留し、集中放電が生じ易くなり、窪み部及びその周辺が優先的に放電する。このようにスポットが滞留して集中放電が生じた場合、その周辺での熱負荷はスポットが高速で移動しながら放電する場合に比較して大きくなり、マクロパーティクルがはるかに発生し易くなるとともに、Ｃｒ粒子近辺での優先的放電となるために組成にむらが生じる。従って、この問題を解消するには、Ａｌ−Ｃｒ化合物が形成されないように、あるいは形成されてもアーク放電（アークスポットの移動）に影響を与えない範囲に、Ａｌ−Ｃｒ化合物層の厚みを厳密に制御すればよい。
【０００９】
本発明はかかる技術的観点に立脚してなされたものであり、本発明のカソード放電型アークイオンプレーティング用ターゲットは、原子比で下記の組成(1) を有し、当該ターゲット中に含有されるＣｒ粒とＡｌとの間に形成されるＡｌとＣｒの化合物層の厚みが５μm以下であり、相対密度が９２％以上とされたものである。
また、本発明の他のカソード放電型アークイオンプレーティング用ターゲットは、原子比で下記の組成(2) を有し、当該ターゲット中に含有されるＣｒ粒とＡｌとの間に形成されるＡｌとＣｒの化合物層の厚みが０μmであり、相対密度が９２％以上とされたものである。
また、本発明の他のカソード放電型アークイオンプレーティング用ターゲットは、原子比で下記の組成(1) 又は(2) を有し、ＣｕＫαを用いたθ＝２θ法のＸ線回折にて回折角度１０〜６０°の間に観察されるＡｌ−Ｃｒ化合物のピーク強度の総和がＡｌ、ＣｒおよびＡｌ−Ｃｒ化合物のピーク強度の総和に対して１％以下であり、相対密度が９２％以上とされたものである。前記ターゲットとして、ターゲットを形成する元素の混合粉末を熱間鍛造法あるいはＨＩＰ法により一体的に形成したものは、相対密度を容易に高くすることができるため好適である。
ターゲット組成(1)
Ａｌa，Ｃｒb
０．１≦ａ≦０．９
ｂ＝１−ａ
ターゲット組成(2)
Ｔｉ1-a-b-c-d，Ａｌa，Ｃｒb，Ｓｉc，Ｂd
０．５５≦ａ≦０．８
０．０６≦ｂ
０．０２≦１−ａ−ｂ−ｃ−ｄ≦０．３
０≦ｃ＋ｄ≦０．１
ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＜１
また、前記ターゲットにおいて、ターゲット中に円相当直径が１５０μm以上のＣｒ粒子数が１．５ｍｍ2 の視野で５視野以上観察して平均１０個以下であるものが好ましい。
前記ターゲットの好適な製造方法は、ターゲットを形成する元素の混合粉末をＨＩＰ法により焼結形成する製造方法であって、焼結温度（以下、「処理温度」という。）を４８５℃以下、４２０℃以上とするものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明者は、Ｃｒ、Ａｌを必須成分として含有するカソード放電型アークイオンプレーティング用ターゲットとそれによる皮膜形成結果とを詳細に観察、検討したところ、上記のとおり、ターゲット製造時の温度履歴によってはＣｒ粒子の周りにＡｌ−Ｃｒ化合物層が形成され、その化合物層の部分をアーク放電が優先的に生じる傾向があり、結果として形成された皮膜にマクロパーティクルによる表面粗度の悪化や組成むらなどの問題が生じることを見出した。
【００１１】
この問題を解決するために、種々条件を変えて作製したターゲット中に含まれるＣｒとＡｌとの間に形成されたＡｌ−Ｃｒ化合物層の厚みと放電性状あるいは皮膜特性に関する検討を行った結果、以下の知見を得た。すなわち、Ａｌ−Ｃｒ化合物層の厚みが３０μm以下であれば、アーク放電時のアークスポットは化合物層部にて集中放電することなく、ターゲット全面に渡って均一に高速移動することが可能となる。以下、具体例を挙げて詳しく説明する。
【００１２】
図１はＨＩＰ法により５５０℃、１００ＭＰａ、保持時間２ｈｒの処理条件で作製したＡｌ、Ｃｒ及びＴｉ（原子比でＡｌ：Ｃｒ：Ｔｉ＝７２：１８：１０）からなるターゲット材（相対密度９９％以上）のミクロ組織を示す。これより、ＡｌとＣｒ粒との間にＡｌ−Ｃｒ化合物層が観察され、その平均厚みは５０μm と測定された。化合物層の厚みの測定方法としては、Ｃｒ粒を１０個程度、倍率２００〜４００倍の光学顕微鏡で観察し、Ｃｒ粒の表面に対して垂直な線を引き、化合物層の厚みを測定し、それを全測定結果で平均することで平均厚みを求めた。なお、この温度条件ではＡｌとＴｉとの間にＡｌ−Ｔｉ化合物層の形成は認められなかった。
【００１３】
このターゲット材を用いて、直径１００ｍｍのターゲット（厚み１６ｍｍ）を作製し、カソード放電型アークイオンプレーティング装置に取り付け、アーク電流１５０Ａ、窒素ガス圧２．６６Ｐａでごく短時間（０．５秒程度）アーク放電を行ったときの表面性状を観察した。その結果を図２に示す。同図において、黒く見える部分がアーク放電が通過した部分であり、明らかにＣｒを中心として形成されたＡｌ−Ｃｒ化合物部分にて優先的にアーク放電が生じ、その結果としてＣｒ粒の周辺部分に窪みが形成されていることが分かる。
【００１４】
一方、図３は上記組成のターゲット材をＨＩＰ法により５００℃、１００ＭＰａ、２ｈｒの条件で作製したものの組織を示す。この条件の場合、化合物層はＣｒ粒の周囲のごく一部にのみ観察されるだけであり、その厚みは前記と同様に測定した結果、１０〜１５μm程度である。この場合においても、Ａｌ−Ｃｒ化合物は形成されたのであるが、部分的であるため、アーク放電への影響は少ない。
【００１５】
また、図４は上記組成のターゲット材をＨＩＰ法にて１００ＭＰａ、４８５℃、２ｈｒの条件で作製したものの組織を示す。この条件では、ＡｌとＣｒとの間にＡｌ−Ｃｒ化合物層の形成は全く認められない。このターゲットを用いて、上記条件と同様の条件でカソード放電型アークイオンプレーティングを行い、アーク放電を実施した後の表面性状を図５に示す。この例では、ＡｌとＣｒとの間に化合物層が形成されていないため、放電の集中は生じておらず、アーク放電が均一に生じており、表面が均一に蒸発していることが分かる。もちろん、図２に認められるような放電集中による窪みの形成も観察されない。
【００１６】
これらの観察結果および後述の実施例から、アークスポットの均一な移動を確保し、マクロパーティクルの発生を抑制するには、Ａｌ−Ｃｒ化合物層の厚みをできるだけ薄くすることが必要であることがわかった。このため、本発明ではＡｌ−Ｃｒ化合物層の厚みを５μm 以下あるいは０μm にする。なお、Ａｌ−Ｃｒ化合物層が５μm 程度の場合、倍率５００倍程度の光学顕微鏡にて観察しても実質的に前記化合物層を観察することができないレベルである。
【００１７】
上記の光学顕微鏡による化合物層の厚みの測定方法は、実際に使用しているターゲットを調査する場合、ターゲットを切断し、研磨エッチング等の作業により組織観察を行うことが必要であり、実用上困難な時がある。このため、ターゲットを非破壊で上記Ａｌ−Ｃｒ化合物の形成状態を観察する方法として、Ｘ線回折によりＡｌ−Ｃｒ化合物を同定し、ターゲット中に存在するＡｌ−Ｃｒ化合物のマトリックスとなるＡｌ、Ｃｒに対する量（割合）をもって、Ａｌ−Ｃｒ化合物層の厚みに代えることがことができる。また、Ｘ線回折法では視野を限定した光学顕微鏡観察に比較して、大きな領域の平均情報を得ることが出来るために、Ｃｒ粒の周囲に部分的にＡｌ−Ｃｒ化合物が形成されている場合でも、定量化が可能である。
【００１８】
具体的には、ＣｕＫα線を線源としたθ−２θ法のＸ線回折法にて、回折角度１０−６０°に観察されるＡｌ−Ｃｒ化合物に起因する特定ピークの強度の総和をＡｌ、ＣｒおよびＡｌ−Ｃｒの化合物に起因する特定ピークの強度の総和で割り、１００倍した値をターゲット中に含まれるＡｌ−Ｃｒの化合物量（％）とする。図６は、図１に示したターゲットに対する回折角度１０−６０°のＸ線回折パターンを示す。Ｘ線回折パターンよりＡｌ、Ｃｒ、Ｔｉに加えて、Ａｌ−Ｃｒ化合物としてＡｌ13Ｃｒ2 が同定された。Ａｌ13Ｃｒ2 は上記の回折角度中にて多くの回折線が観察されるが、その多くは強度が弱く、また上記Ａｌ、Ｃｒのピークと重なっているものもあるために、強度が比較的強く、他の回折線との重なりが少ないＡｌ13Ｃｒ2 のピークとして（４０１）面、（６０２、５１１）面、（１３１，８００）面および（４２４、５１２）面を選定し、その強度の総和をもってＡｌ−Ｃｒ化合物に起因する回折線の強度総和とした。上記のピークはＪＣＰＳＤＳカード２９−１４に記載された標準の粉末パターンでは各々２θで１４．０８、２１．４９、３６．５６及び４１．４６°の回折角に観察される。Ａｌの回折線としては（１１１）面、（２００）面およびＣｒの回折線として（２１０）面を使用した。それぞれの回折線の強度をＩ（ｈｋｌ）として、下記式からＡｌ−Ｃｒ化合物量を求めた。
Ａｌ−Ｃｒ化合物量（％）＝[Al13Cr2 I(401)+I(602,511)+I(131,800)+I(424,512)]／([Al13Cr2 I(401)+I(602,511)+I(131,800)+I(424,512)]+[Al I(111)+I(200)]+[Cr I(210)])*100
【００１９】
前記Ｘ線回折法にて定義したＡｌ−Ｃｒ化合物量と放電性状あるいは皮膜特性に関する検討を行った結果、もっとも好ましいのは上記のＸ線回折法によりＡｌ13Ｃｒ2 によるピークがほとんど観察されない、すなわち最強線である（４２４、５１２）面よりのピークがバックグラウンドと同程度までになることである。この場合、計算により求まるＡｌ−Ｃｒ化合物量は１％以下となる。
【００２０】
本発明のターゲットは、前記Ａｌ−Ｃｒ化合物層の厚さ条件あるいはＸ線回折法によって求めたＡｌ−Ｃｒ化合物の量条件を満たしていればよく、その作製方法は問わず、例えば常圧焼結、熱間鍛造、ＨＩＰによって作製可能である。もっとも、熱間鍛造法あるいはＨＩＰ法を用いることが好ましい。特にＨＩＰ法が推奨される。その理由は、常圧焼結では圧力をほとんど付与しないために相対密度が低くなり、内部に生じた空孔により、放電時に空孔よりの脱ガスなどによってアーク放電が不安定になり易い。また、溶解法ではＡｌとＣｒの比重が大きく異なるために同一ターゲット中における組成のむらが大きくなり易い。これに対して、熱間鍛造、ＨＩＰ法では製造条件により密度は１００％近くまで上昇可能であり、かつ適切な粉末混合法を用いることで偏析の問題も生じない。もっとも、熱間鍛造法では、一般的に製造出来るターゲットのサイズが小さく、量産に適していないことがあるため、ＨＩＰ法がより推奨される。
【００２１】
いずれの製造法によっても、作製されたターゲットの相対密度は９２％以上であることが必要である。相対密度が９２％より低い場合、ターゲット中には多くの空孔が含まれることになるために、アーク放電を開始後、ターゲットが消耗し、空孔が表面に出てきた場合、空孔からのガス放出によりアーク放電が不安定になるので、プロセスの安定上望ましくない。好ましくは９５％以上であり、より好ましくは９８％以上、さらに好ましくは９９％以上とするのがよい。
相対密度の規定方法としては、例えばＡｌ、Ｃｒを原子比で５０：５０（質量比で３４．１６：６５．８４）からなるターゲットの場合、Ａｌ、Ｃｒの密度が各々２．７および７．２ｇ／ｃｍ3 であるから、空孔のない相対密度１００％の理論密度は４．７４ｇ／ｃｍ3 となる。相対密度は実際のターゲットの比重をアルキメデス法などにより測定した値を上記理論密度で割って１００を掛けた値となる。ターゲット中に他元素（Ｔｉ等）が含まれていても基本的には同様の計算方法で相対密度を算出することができる。実際にはターゲット中にＡｌ−Ｃｒなどの化合物が析出した場合、すべて純金属と仮定して計算した理論密度より若干外れるが、本発明では上記方法により定義した理論密度が指標として有効であることが確認されている。
【００２２】
本発明のターゲットは、ＡｌおよびＣｒを必須成分として含有するものであり、ＡｌおよびＣｒの二成分からなるターゲット組成としては、原子比で
Ａｌa，Ｃｒb、０．１≦ａ≦０．９、ｂ＝１−ａ
とすることができる。すなわち、このターゲットは、ＡｌとＣｒとの原子比がＡｌ：Ｃｒ＝１：９〜９：１であることを意味する。かかるＡｌ、Ｃｒを含有する場合、ターゲット中に前記Ａｌ−Ｃｒ化合物が生成するようになるからである。Ａｌ、Ｃｒ以外の含有元素については特に制限されず、後述するターゲット組成のように、Ａｌ、Ｃｒとともに窒化物、炭窒化物、複合窒化物等の硬質化合物を形成する金属元素、例えばＴｉ、Ｓｉ、Ｂ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｗなどを添加することができる。
前記ＡｌおよびＣｒからなるターゲット組成では、Ｃｒ量が１０原子％以上含まれ、特に有効である。その理由は、Ｃｒ量が数原子％程度では、ＣｒとＡｌとの間に反応が生じたとしても、化合物のターゲット全体に占める割合が小さくなり、放電性状や膜特性に与える影響も小さくなるからである。Ｃｒが５原子％以上含まれる場合、ターゲット中に占めるＡｌ−Ｃｒ化合物の割合も大きくなり、放電性状や形成された皮膜の特性に与える影響も大きくなる。逆にＡｌが少なくても同様のことが言えるので、Ｃｒ量が９０％以上ではその効果は小さい。
【００２３】
Ａｌ、Ｃｒの他、Ｔｉなどの元素を含むターゲット組成を下記に示す。このターゲット組成は硬質皮膜を形成するときに特に有効である。下記ａ〜ｄは原子比である。
Ｔｉ1-a-b-c-d，Ａｌa，Ｃｒb，Ｓｉc，Ｂd
０．５５≦ａ≦０．８
０．０６≦ｂ
０．０２≦１−ａ−ｂ−ｃ−ｄ≦０．３
０≦ｃ＋ｄ≦０．１
ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＜１
このターゲットを用いてカソード放電型アークイオンプレーティングにより形成される窒化物または炭窒化物皮膜は、特許第２６４４７１０号に開示された（Ｔｉ1-xＡｌx）（Ｃ1-yＮy）、［０．５５≦ｘ≦０．７６５、０．５≦ｙ≦１］（以下、ＴｉＡｌＣＮ）で示される皮膜のＴｉ部分をＣｒあるいはさらにＳｉ、Ｂで置き換えたもの（ｃ＝０、ｄ＝０の場合を含む。）であり、もとのＴｉＡｌＣＮ皮膜に対して硬度、耐酸化性の改善することができる。
【００２４】
前記特許公報によれば、上記ＴｉＡｌＣＮ膜は立方晶岩塩型構造をベースとするが、Ａｌ量を増加させてゆくと、Ａｌ量０．６〜０．７の間で軟質層である六方晶ウルツ鉱型に転移し、その皮膜硬度が極端に低下する。これに対して、上記ターゲットを使用して形成される皮膜は、Ｃｒを０．０６以上添加することで、ａ：０．５５以上、０．８以下という、より高いＡｌ濃度でも立方晶岩塩型構造を有するものとなり、上記ＴｉＡｌＣＮより高い硬度を発現する。さらに、耐酸化性を改善する元素であるＡｌ量を増加させたことと、Ｔｉに比較して耐酸化性に優れる元素であるＣｒあるいはＳｉ、Ｂを上記範囲で添加することで、酸化開始温度が従来のＴｉＡｌＣＮでは約８５０℃であるのに対し、上記ターゲットによる皮膜では１０００℃以上となり、きわめて耐酸化性に優れる皮膜となる。
【００２５】
前記皮膜と同組成のターゲットを使用して、前記皮膜を形成する場合、本発明者はＡｌ、Ｃｒを含有する窒化物皮膜あるいは炭窒化物皮膜の中でも、本皮膜の特性が、特にターゲット中に含まれるＡｌ−Ｃｒ化合物によって影響されることを見出した。当該皮膜は高Ａｌ濃度であって、硬質相である立方晶岩塩型構造を有しているところにその本質を有するものであるが、Ａｌ−Ｃｒ化合物層の厚さが３０μm 超のターゲットを使用すると、皮膜にマクロパーティクルが多く含まれるようになり、表面粗度が劣化するため、切削特性が劣化するとともに、軟質相である六方晶ウルツ鉱型構造の相が析出しやすくなる。軟質層が析出し易くなる詳細なメカニズムは不明であるが、以下のように考えられる。すなわち、アークイオンプレーティング法の場合、ターゲットより蒸発した原子は高度にイオン化（８０％程度）され、基材に印加された電圧によって加速され、成長中の皮膜にイオン衝撃を与える。当該皮膜の場合、特に立方晶岩塩型構造の相を析出させるためにはイオン衝撃が重要であることが判明しており、ターゲットより放出されるマクロパーティクルは溶融プールより放出された中性のクラスターであることから、皮膜中にそれが多く含まれるということはイオン化された粒子の割合を減らすことになり、その結果、軟質層が増加する。この傾向はＡｌ量の高いターゲットを使用した場合に特に顕著であり、Ａｌ量が０．６≦ａではＡｌ−Ｃｒ化合物層が５μm 以下のターゲットを用いることが特に有効であり、０．６５≦ａではさらに有効である。またＣｒ量が少ないと、Ａｌ−Ｃｒ化合物の形成割合が少ないことから、Ｃｒ量が６原子％以上、好ましくは１０％以上ではＡｌ−Ｃｒ化合物層が５μm 以下のターゲットを用いることが特に有効である。
【００２６】
さらに、Ａｌ、Ｃｒを必須成分として含有する、カソード放電型アークイオンプレーティング用ターゲットにおいて、ターゲット中に含まれるＣｒ粒子の円相当直径が１５０μm 以上の粒子が、１．５ｍｍ2 の視野で５視野以上観察して、平均１０個以下であることが好ましい。その理由は以下のとおりである。本発明者の知見によると、実質的にＡｌ−Ｃｒの化合物を含有しないターゲットであっても、Ｃｒの円相当直径が１５０μm 以上である場合、Ｃｒ粒子の部分が放電しにくく、結果としてＣｒ粒子の周りにアークが集中しやすい傾向があるが、円相当直径が１５０μm以上のＣｒ粒子が上記視野で観察して平均１０個以下であれば、皮膜特性への影響が少ないことが見出されたからである。Ｃｒの円相当直径については、上記基準により観察する場合、１０５μm以上のものが１０個以下であることがより好ましく、さらに好ましくは７５μm以上のものが１０個以下である。個数に関しては５個以下がより好ましい。ターゲットに使用される粉末は粒度に幅があり、かつ形状も必ずしも球状ではないため、Ｃｒ粒子のサイズについて、本発明ではターゲット切断面に現れるＣｒ粒子の面積を測定し、同面積を有する円の直径（円相当直径）によって規定することとした。
【００２７】
本発明のターゲットは、先に述べたように各種の方法で製造可能であるが、特に好ましいＨＩＰ法の場合、処理温度は４２５℃以上、４８５℃以下とすることが好ましい。図７は、処理圧力１００ＭＰａ、処理時間２ｈｒとして処理温度を変化させて作製したＡｌ、Ｃｒ及びＴｉ（原子比Ａｌ：Ｃｒ：Ｔｉ＝７２：１８：１０）を構成成分とするターゲットのＡｌ−Ｃｒ化合物層の厚みとＨＩＰ温度（処理温度）との関係を示す図であり、処理温度が５００℃では１０〜１５μm 程度の化合物層が部分的に形成するようになるため望ましくない。このため、処理温度を４８５℃以下にすることが好ましい。また処理温度が４２０℃を下回ると、ターゲットの相対密度が９２％未満になり、ターゲット中に多く空孔が含まれると共に、ターゲットの機械強度も低下するので望ましくない。より好ましい処理温度範囲は４５０〜４８５℃である。処理圧力は常法に従って５０〜２００ＭＰａ程度でよく、この場合処理時間は１〜３ｈｒ程度でよい。要は、相対密度が９２％以上、好ましくは９５％以上、より好ましくは９８％以上になるように前記処理温度範囲の下で適宜の処理圧力、処理時間を選択すればよい。
【００２８】
以下、本発明を実施例によってより具体的に説明するが、本発明はかかる実施例により限定的に解釈されるものではない。
【００２９】
【実施例】
［実施例１］
表１に示すように、ターゲット組成としてＡｌ−Ｃｒ、Ａｌ−Ｃｒ−Ｔｉを選定し、同表に示す条件でＨＩＰ、熱間鍛造あるいは溶解法にてターゲット材を作製した。作製されたターゲット中のＣｒとＡｌとの間に形成されるＡｌ−Ｃｒ化合物層の厚みを倍率２００倍の光学顕微鏡にて観察し、前記測定法によって測定した。また、相対密度を測定した。これらの測定結果を表１に併せて示す。
前記ターゲット材（素材）からターゲット（直径１００ｍｍ、厚み１６ｍｍ）を加工し、これをカソード放電型のアークイオンプレーティング装置に取り付け、アーク電流１５０Ａ、窒素圧２．６６Ｐａ、基板温度５５０℃、基板電圧５０〜１５０Ｖの範囲で鏡面の超硬合金基板（表面粗度Ｒａ０．０１μm程度）に約３μmの硬質皮膜を形成した。皮膜は、皮膜硬度（ビッカース硬度：荷重２５ｇｆ、保持時間１５秒）および表面粗度（Ｒａ）によって評価した。これらの評価結果も表１に併せて示す。
表１より、ＨＩＰ温度が４８５℃以下、４２０℃以上の発明例は化合物層は観察されておらず、良好な皮膜硬度、表面粗度が得られている。一方、処理温度が不適当な比較例No. １０〜１３ではＡｌとＣｒとの反応が活発に生じており、化合物の厚みが２５μm 以上となり、硬度劣化、表面粗度の低下が著しい。一方、ＨＩＰ温度が４２０℃未満のNo. ２および５では化合物層は生じていないものの、相対密度の低下が著しく、やはり皮膜硬度、表面粗度の劣化が大きい。また、溶解法で作製した試料No. １はＡｌとＣｒが全体的に反応してしまい、皮膜硬度、表面粗度の低下が著しい。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
［実施例２］
表２に示すように、ターゲット組成としてＡｌ−Ｃｒを選定し、ＨＩＰ法により製造条件を種々変化させてターゲットを作製した。ターゲット中に含まれるＡｌ−Ｃｒ化合物量（割合）を前記のＸ線回折法にて測定した。なおターゲットの相対密度はすべて９９％以上であった。
次に実施例１と同様、アークイオンプレーティング装置を用い、鏡面加工した超硬合金基板に各皮膜を約３μm形成し、皮膜の表面粗度を実施例１と同様の方法で評価した。これらの測定結果、評価結果を表２に併せて示す。
表２より、形成された皮膜の表面粗度は、一般的に低融点でありマクロパーティクルが放出されやすいＡｌを多く含む場合に悪い傾向を示すが、同一組成のターゲットを使用した場合の比較では、化合物割合が１％以下の実施例では、良好な表面粗度の皮膜が形成されている。
【００３２】
【表２】
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【００３３】
［実施例３］
表３に示すように、ターゲット組成としてＡｌ−Ｃｒ−Ｔｉ、Ａｌ−Ｃｒ−Ｔｉ−ＳｉおよびＡｌ−Ｃｒ−Ｔｉ−Ｓｉ−Ｂを選定し、ＨＩＰ法により表３に示すように種々温度条件（処理圧力１００ＭＰａ、処理時間２ｈｒ）でターゲットを作製した。作製したターゲット中に含まれるＡｌ−Ｃｒ化合物層の厚みを実施例１と同様に光学顕微鏡観察により決定した。ターゲットの相対密度はすべて９９％以上であった。
作製したターゲットを実施例１と同様の方法にてアークイオンプレーティング装置にて窒化物皮膜を形成し、θ−２θのＸ線回折により皮膜の結晶構造を同定すると共に、皮膜硬度、表面粗度を測定した。成膜時の条件はアーク電流１５０Ａ、窒素圧２．６６Ｐａ、基板温度５５０℃、基板電圧１５０Ｖとし、膜厚は約３μmで一定とした。
表３に測定結果を示す。同表より、同一組成のターゲット間で比較すると、Ａｌ−Ｔｉ化合物層の厚みが本発明の要件を満たさないターゲット（No. ３，４，６，７，１０，１１、１３）で形成した皮膜は、面粗度も悪く、皮膜の結晶構造も望ましい立方晶岩塩型に六方晶ウルツ鉱型が混在した皮膜となり、硬度も低い。
【００３４】
【表３】
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【００３５】
［実施例４］
表４に示すように、ターゲット組成としてＡｌ−Ｃｒ−Ｔｉ（７２：１８：１０原子％）を選定し、原料となるＣｒ粒子の粒径を種々変化させてＨＩＰ法によりターゲットを作製した。ＨＩＰ処理条件は各試料とも共通で、温度４８５℃、圧力１００ＭＰａ、処理時間２ｈｒとした。作製したターゲットを倍率１００倍程度の光学顕微鏡にて１０視野観察し、１．５ｍｍ2 の面積中に含まれるＣｒ粒子の円相当直径と個数を調査した。これらの試料（全て本発明の実施例）については、Ａｌ−Ｃｒ化合物の形成は一切認められなかった。また相対密度はすべて９９％以上であった。作製したターゲットを用いて、実施例１同様の方法で鏡面の超硬合金基板に約３μmの窒化膜を形成し、皮膜の表面粗度を測定した。
これらの測定結果を表４に示す。表４より、これらのターゲットを用いて形成した皮膜は総じて良好な表面性状を有しているが、特に粒径が円相当直径で１５０μm 以上のＣｒ粒子が１０個以下の試料No. ２〜１０、さらに１５０μm 以上のＣｒ粒子が０個で、１０５μm 以上のものが１０個以下のNo. ５〜１０は、表面粗度が優れている。
【００３６】
【表４】
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【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のターゲットによれば、Ａｌと反応し易いＣｒを必須成分として含有するにもかかわらず、特にＡｌ−Ｃｒ化合物層がアーク放電の集中が生じないレベルに抑制されるので、カソード放電型アークイオンプレーティングの際にターゲット表面にアークの集中的な放電が生じにくく、その結果、マクロパーティクルが発生し難く、均一組成の硬質皮膜を容易に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｃｒ粒の周りにＡｌ−Ｃｒ化合物層が形成されたＡｌＣｒＴｉターゲットの図面代用組織写真である。
【図２】図１のターゲットを用いてカソード放電型アークイオンプレーティングした後のターゲット表面の図面代用組織写真である。
【図３】Ｃｒ粒の周りの一部にＡｌ−Ｃｒ化合物層が形成されたＡｌＣｒＴｉターゲットの図面代用組織写真である。
【図４】Ａｌ−Ｃｒ化合物層が形成されていないＡｌＣｒＴｉターゲットの図面代用組織写真である。
【図５】図４のターゲットを用いてカソード放電型アークイオンプレーティングした後のターゲット表面の図面代用組織写真である。
【図６】ＡｌＣｒＴｉターゲットのＸ線回折パターン図である。
【図７】ターゲットをＨＩＰ法により作製した場合のＨＩＰ温度とＡｌ−Ｃｒ化合物層の厚みとの関係を示すグラフ図である。
【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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