JP5192642B2

JP5192642B2 - 表面被覆部材及びその製造方法ならびに工具及び工作装置

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Publication number: JP5192642B2
Application number: JP2005327374A
Authority: JP
Inventors: 一郎永野; 泰路菊池; 昌克藤田; 幸夫樹神; 豊明安井; 勇一郎村上
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2005-11-11
Filing date: 2005-11-11
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2025-11-11
Also published as: EP1785504A2; BRPI0604539A; KR20070050821A; CA2565734A1; KR100843525B1; CN1962263B; EP1785504A3; TWI346144B; JP2007131927A; CN1962263A; US20070111032A1; TW200718798A; MXPA06012593A

Description

本発明は、基材上に高硬度皮膜を成膜してなる耐酸化性に優れた表面被覆部材及びその製造方法ならびに工具及び工作装置に関する。

従来イオンプレーティング等の物理蒸着技術により基材上に高硬度皮膜を成膜する技術が開発され、ＴｉＮ皮膜に見られるように工具などに適用されていた。しかし、この皮膜は５００℃程度の温度で酸化され始めるので、高温に曝される切削条件の工具には使用できない問題点がある。その後開発されたＴｉＡｌＮ系高硬度皮膜は約８００℃の温度でも酸化されないので、数百℃まで使用できるようになった。近年これよりも高温になる切削条件で使用できる皮膜としてＡｌＣｒＮ系皮膜が開発され（例えば特許文献１及び特許文献２など）、約１０００℃から１２００℃の高温においても酸化されない高硬度皮膜が提供され、さらに厳しい工具の切削条件にも対応できるようになってきた。
特開平１０−２５５６６号公報特開２００３−３２１７６４号公報

近年、例えば自動車用部品製造等の際の歯切り加工等においては、環境保全やコスト削減の観点から、切削油を用いないいわゆるドライカット加工が求められるようになってきている。このようなドライカット加工用の切削工具は、切削油なしで用いられるため、より厳しい切削条件が求められる。このような厳しい切削条件に対応するためには、硬度が従来の高硬度皮膜と同等かそれ以上であり、かつ耐酸化性が従来の高硬度皮膜よりも高い高硬度皮膜が必要となる。

本発明は、上記技術課題を解決するため、ビッカース硬度（Ｈｖ）が従来の高硬度皮膜と同等かそれ以上であり、かつ耐酸化性を表す酸化開始温度が従来の高硬度皮膜より高い高硬度皮膜を有する、表面被覆部材を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の参考例とされる表面被覆部材は、基材と、前記基材上に形成された高硬度皮膜とを備え、前記高硬度皮膜はＡｌならびにＺｒ、Ｈｆ、Ｐｄ、Ｉｒ及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を主成分とする複合窒化物を含有するコーティング層を有し、前記コーティング層中の複合窒化物が、その陽性元素成分において、前記Ｚｒ、Ｈｆ、Ｐｄ、Ｉｒ及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素よりも前記Ａｌを多く含有し、且つ、陽性元素成分の総和が１００原子％以下となるよう、前記Ａｌを５０原子％以上、前記Ｚｒ、Ｈｆ、Ｐｄ、Ｉｒ及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を１０原子％以上５０原子％以下（ただし、５０原子％を除く）含有し、残りが不可避的不純物であることを特徴とする。
この表面被覆部材の高硬度皮膜は、高い硬度と優れた耐酸化性とを兼ね備えている。

また、本発明の表面被覆部材は、基材と、前記基材上に形成された高硬度皮膜とを備え、前記高硬度皮膜はＡｌ、ＳｉならびにＺｒ、Ｈｆ、Ｐｄ、Ｉｒ及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を主成分とする複合窒化物を含有するコーティング層を有し、前記コーティング層中の複合窒化物が、その陽性元素成分において、前記Ｚｒ、Ｈｆ、Ｐｄ、Ｉｒ及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素よりも前記Ａｌを多く含有し、且つ、陽性元素成分の総和が１００原子％以下となるよう、前記Ａｌを５０原子％以上、前記Ｚｒ、Ｈｆ、Ｐｄ、Ｉｒ及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を１０原子％以上５０原子％以下（ただし、２０原子％以下及び５０原子％を除く）、Ｓｉを１原子％以上３０原子％以下含有し、残りが不可避的不純物であることを特徴とするものであってもよい。
この表面被覆部材の高硬度皮膜は、高い硬度と優れた耐酸化性に加え、優れた耐磨耗性をも兼ね備えている。

本発明の表面被覆部材において、前記コーティング層中の複合窒化物は、その陽性元素成分において、陽性元素成分の総和が１００原子％以下となるよう、Ａｌを５０原子％以上、Ｚｒを１０原子％以上５０原子％以下（ただし、５０原子％を除く）含有し、残りは不可避的不純物である。（以下、特に断りのない場合、複合窒化物中の成分の含有量を示す「％」は、陽性元素成分のみにおける原子％を表す。）
Ｚｒの含有量が１０％未満の場合は、十分な硬度が得られないことがあるので好ましくない。また、Ｚｒの含有量が５０％を超えると、耐酸化性が低下することがあるので好ましくない。

また本発明の表面被覆部材において、コーティング層中の複合窒化物がＳｉを主成分の一つとして含有する場合は、Ｓｉの含有量は１％以上３０％以下であることが好ましい。
Ｓｉの含有量が１％未満の場合は、コーティング層の密着性が低下するので、耐磨耗性の向上効果が低い。また、Ｓｉの含有量が３０％を超えると、耐酸化性が不十分となり、また、密着性もかえって低下するために耐磨耗性も不十分となることがあるので、好ましくない。

本発明の表面被覆部材において、前記基材と前記コーティング層との間に、Ｚｒ、Ｔｉ及びＣｒからなる群より選択される少なくとも１種の元素の、窒化物、炭化物及び炭窒化物のうちの少なくとも１種を含有する結合層が設けられている。
このような結合層を設けることにより、前記基材と前記コーティング層との密着性が高まり、前記コーティング層が剥離しにくくなるので、本発明の表面被覆部材における高硬度皮膜の耐磨耗性が向上する。

さらに、前記結合層と前記コーティング層との間に、前記結合層の成分と前記コーティング層の成分とを含有する中間層を設ける。
このような中間層を設けることにより、前記結合層と前記コーティング層との密着性が高まり、前記コーティング層がさらに剥離しにくくなるので、本発明の表面被覆部材における高硬度皮膜の耐磨耗性がさらに向上する。

本発明の表面被覆部材において、前記基材は、高速度工具鋼または超硬合金であることが好ましい。
このように基材として高速度工具鋼または超硬合金を用いた場合、本発明の表面被覆部材は高い硬度と優れた耐酸化性を有する工具として好適に用いることができる。

本発明の表面被覆部材における高硬度皮膜の各層は、イオンプレーティング、高周波スパッタリングなどの物理蒸着法により形成することが好ましい。
物理蒸着法により形成される皮膜は密着性に優れるので、耐磨耗性に優れた高硬度皮膜が得られる。特にアークイオンプレーティング法により高硬度皮膜を形成すると、より優れた皮膜の密着性が得られるので、さらに好ましい。

本発明の参考例とされる表面被覆部材の製造方法においては、密閉可能な容器内に配置されたホルダーにより、基材を前記容器内に支持し、ＡｌならびにＺｒ、Ｈｆ、Ｐｄ、Ｉｒ及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を主成分とする合金またはその窒化物を含有するコーティング層形成用ターゲットを前記容器内に配置し、前記容器中に窒素を供給し、前記コーティング層形成用ターゲットを陽極とし、前記ホルダーを陰極として、該コーティング層形成用ターゲットと該ホルダー間に放電を生じさせて前記基材上に、陽性元素成分においてＡｌを５０原子％以上含有し、更に、前記Ｚｒ、Ｈｆ、Ｐｄ、Ｉｒ及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を１０原子％以上５０原子％以下（ただし、５０原子％を除く）含有し、残りが不可避的不純物であるコーティング層が形成される。
この製造方法により、高い硬度と優れた耐酸化性とを兼ね備えた高硬度皮膜を有する表面被覆部材が製造される。

本発明の表面被覆部材の製造方法において、前記コーティング層形成用ターゲットは、Ａｌ、ＳｉならびにＺｒ、Ｈｆ、Ｐｄ、Ｉｒ及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を主成分とする合金またはその窒化物を含有するものであってもよい。また、前記コーティング層形成用ターゲットは、陽性元素成分において、前記Ｚｒ、Ｈｆ、Ｐｄ、Ｉｒ及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素よりも前記Ａｌを多く含有し、且つ、その陽性元素成分の総和が１００原子％以下となるよう、Ａｌを５０原子％以上、前記Ｚｒ、Ｈｆ、Ｐｄ、Ｉｒ及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を１０原子％以上５０原子％以下、Ｓｉを１原子％以上３０原子％以下含有し、残りが不可避的不純物である。
このコーティング層形成用ターゲットを用いた場合、高い硬度と優れた耐酸化性に加え、優れた耐磨耗性をも兼ね備えた高硬度皮膜を有する表面被覆部材が製造される。

本発明の表面被覆部材の製造方法において、前記コーティング層中の複合窒化物は、陽性元素成分の総和が１００原子％以下となるよう、Ａｌを５０原子％以上、Ｚｒを１０％以上５０％以下（ただし、５０原子％を除く）含有し、残りは不可避的不純物であることが好ましい。
Ｚｒの含有量が１０％未満の場合は、十分な硬度を有する皮膜が形成できないことがあるので好ましくない。また、Ｚｒの含有量が５０％を超えると、耐酸化性の低い皮膜が形成されることがあるので好ましくない。

また本発明の表面被覆部材の製造方法において、コーティング層中の複合窒化物がＳｉを主成分の一つとして含有する場合は、Ｓｉの含有量は１％以上３０％以下であることが好ましい。
Ｓｉの含有量が１％未満の場合は、コーティング層の密着性が低下するので、形成される高硬度皮膜の耐磨耗性の向上効果は低い。また、Ｓｉの含有量が３０％を超えると、形成される高硬度皮膜の耐酸化性が不十分となり、また、密着性もかえって低下するために耐磨耗性も不十分となることがあるので、好ましくない

本発明の表面被覆部材の製造方法において、前記基材上に結合層を形成してから、この結合層上に前記コーティング層を形成する。結合層は、Ｚｒ、Ｔｉ及びＣｒからなる群より選択される少なくとも１種の元素を主成分として含有する結合層形成用ターゲットを前記容器内に配置し、前記容器中に窒素及び炭化水素のうちの少なくとも１種を供給し、前記結合層形成用ターゲットを陽極とし、前記ホルダーを陰極として、該結合層形成用ターゲットと該ホルダー間に放電を生じさることにより形成される。
このような結合層を形成する工程を設けることにより、前記基材と前記コーティング層との密着性が高まり、剥離しにくいコーティング層が形成されるので、耐磨耗性の優れた高硬度皮膜を有する表面被覆部材を製造できる。

さらに、前記結合層を形成した後に、この結合層上に中間層を形成し、その中間層上に前記コーティング層を形成する。この中間層は、前記結合層用ターゲット及び前記コーティング層用ターゲットを陽極とし、前記ホルダーを陰極として、該結合層用ターゲット及び該コーティング層用ターゲットのそれぞれと該ホルダーとの間に放電を生じさせて形成することができる。
このような中間層を形成する工程を設けることにより、前記結合層と前記コーティング層との密着性が高まり、さらに剥離しにくいコーティング層が形成されるので、より耐磨耗性の優れた高硬度皮膜を有する表面被覆部材を製造できる。

本発明の工具は、工具用基材と、この基材上に形成された前記本発明の高硬度皮膜とを有する。
この工具は、その表面に前記高硬度皮膜が形成されているので、高い硬度と優れた耐酸化性を兼ね備えている。特に高硬度皮膜のコーティング層中の複合窒化物にＳｉが含まれている場合は、この工具は優れた耐磨耗性も兼ね備えている。

本発明の工具は、特に切削工具として好適である。
特に、本発明の工具を切削工具として適用した場合は、高い切削速度での加工、長寿命化が達成できる。また、切削油を用いないドライカット加工用の工具として好適に用いることができる。本発明の切削工具は、ホブカッター、ピニオンカッター、ブローチ等の歯切り工具として好適に用いることができる。

本発明の工作装置は、前記本発明の工具を備えている。工作装置の代表例は、前記切削工具を用いた切削装置である。
この切削装置は、切削工具に高い硬度、優れた耐酸化性及び優れた耐磨耗性が要求される切削加工に好適に用いられる。従って、高い切削速度での加工を可能とし、加工能率が高い工作機械とすることができる。また、この切削装置は、切削油を用いないドライカット加工を行う切削装置として好適に用いることができる。また、本発明の切削装置は、ホブ盤等の歯切り装置として好適に用いることができる。

本発明の表面被覆部材は、高い硬度と優れた耐酸化性とを兼ね備えた高硬度皮膜を有しているので、工具や金型として好適に用いられ、工業上の利用価値が高い。さらに本発明の表面被覆部材は、高い硬度と優れた耐酸化性に加え、高い密着性により優れた耐磨耗性を有する高硬度皮膜を有しているので、切削油を用いないドライカット加工用の切削工具として好適に用いられる。特に本発明の表面被覆部材は、基材を高速度工具鋼または超硬材としたホブカッター、ピニオンカッター、ブローチ等の歯切り工具として好適に用いることができる。
本発明の表面被覆部材の製造方法によれば、高い硬度と優れた耐酸化性とを兼ね備えた高硬度皮膜を有する表面被覆部材が製造される。従って、本発明の表面被覆部材の製造方法は、工具や金型の製造に好適に採用される。また、本発明の表面被覆部材の製造方法によれば、高い硬度と優れた耐酸化性に加え、優れた耐磨耗性をも兼ね備えた高硬度皮膜を有する表面被覆部材が製造される。従って、本発明の表面被覆部材の製造方法は、切削油を用いないドライカット加工用の切削工具の製造に好適に採用される。特に本発明の表面被覆部材の製造方法は、ホブカッター等の歯切り工具の製造に好適に採用することができる。前記切削工具は、ドライカット加工用の切削装置に取り付けられる切削工具として好適であり、このような切削装置は切削油を用いないので、環境保全及びコストの点で優れている。

以下に本発明の実施の形態及び作用について説明する。
図１は、本発明の表面被覆部材の第１の参考実施形態を示す概略断面図である。
この参考実施形態の表面被覆部材は、被処理物である基材１と、この基材１の表面に形成された高硬度皮膜１０として、Ａｌ及びＺｒまたはＡｌ、Ｚｒ及びＳｉを主成分とする複合窒化物を含有するコーティング層２とを有している。基材１としては、高速度工具鋼または例えばタングステンカーバイド（ＷＣ）等の超硬合金が用いられる。ＡｌＺｒＮ系皮膜やＡｌＺｒＳｉＮ系皮膜は、従来の高硬度皮膜のように高温で分解し易いＣｒＮのような成分を含まないので、酸化開始温度が１２５０℃以上となる。

上記表面被覆部材において、コーティング層２中の複合窒化物はＺｒを１０％以上５０％以下（ただし、５０原子％を除く）含有することが好ましい。Ｚｒ含有量が１０％未満ではビッカース高度（Ｈｖ）が低下するとともに、５０％を超えると、酸化により皮膜が剥離し易くなる。また材料コストからも、Ｚｒの含有量は必要以上に多くない方がよい。
Ｓｉは皮膜の密着性を向上させる際には必要である。この場合、Ｓｉ含有量は１％以上３０％以下が好ましい。Ｓｉ含有量が１％未満では、密着性が不十分であり、膜が剥離し易くなる。Ｓｉ含有量が３０％を超えると、脆くなり、衝撃に対し弱くなり剥離の原因となる。

コーティング層２中の複合窒化物において、Ｚｒの一部または全部は、Ｈｆ、Ｐｄ及びＩｒならびにＥｒ、Ｈｏ及びＤｙ等の希土類元素からなる群より選ばれる元素と原子比１：１で置換可能である。このようにＺｒの一部または全部を前記他の元素と置き換えても、コーティング層２の硬度、耐酸化性及び耐磨耗性はほとんど変わらない。但し、これらの元素の中ではＺｒが安価であるので、Ｚｒを置換しないで用いることが好ましい。

図２は本発明の表面被覆部材の第２の参考実施形態を示す概略断面図である。
第２の参考実施形態の表面被覆部材においては、上記第１の参考実施形態のコーティング層２と基材１との間に、Ｚｒ、Ｔｉ及びＣｒ等のうちの少なくとも１種の元素の窒化物からなる層が結合層３として設けられている。この結合層３は、前記窒化物に代えて、炭化物、炭窒化物またはこれらの混合相としても
この第２の参考実施形態においては、基材１の上に結合層３を物理蒸着法で成膜し、その上に複合窒化物からなるコーティング層２を成膜して、高硬度皮膜１１を完成させている。結合層３は、基材１とコーティング層２の密着性を向上させる作用を有し、高硬度皮膜１１に高負荷がかかった時に、高硬度皮膜１１が剥離するのを防止する。

また、図３は本発明の表面被覆部材の第１の実施形態を示す概略断面図である。この実施形態においては、基材１の上に結合層３を物理蒸着法で成膜し、その上に結合層３の成分とコーティング層２の成分とを含有する中間層４を成膜し、その上に複合窒化物からなるコーティング層２を成膜して、高硬度皮膜１２を完成させている。中間層４は、結合層３とコーティング層２の密着性を向上させるために設けられている。中間層４の各成分含有量は、層の厚さ方向に対して略均一であっても良いが、結合層３に近い部分ほど各成分含有量が結合層３の各成分含有量に近く、コーティング層２に近い部分ほど各成分含有量がコーティング層２の各成分含有量に近くなるような濃度勾配を有している方が、結合層３とコーティング層２のなじみが良くなり、密着性がより向上するので好ましい。

さらに、上記第１及び第２の参考実施形態及び第１の実施形態において、結合層３、中間層４及びコーティング層２は、イオンプレーティング、高周波スパッタリングなどの物理蒸着法により形成される。高周波スパッタリングは窒化物薄膜を容易に形成できるので便利であり、硬度が高く、酸化開始温度が高い皮膜を形成するのにこの物理蒸着法を用いることができる。一方、イオンプレーティング法、なかでも特にアークイオンプレーティング法は、硬度が高く、酸化開始温度が高く、密着性（耐磨耗性）も優れた皮膜を形成できる。従って、工具などに使用する表面被覆部材の高硬度皮膜１０，１１，１２を形成する場合は、アークイオンプレーティング法をはじめとするイオンプレーティング法で成膜する方が好ましい。

図４は、上記第１及び第２の参考実施形態及び第１の実施形態において高硬度皮膜１０，１１，１２を基材表面に形成するためのアークイオンプレーティング装置２１の概略を示す。このアークイオンプレーティング装置２１は、大気と気密なケーシング２２を設け、その天井部には、ターゲット２３を配設し、ケーシング２２の室内３２にはテーブル状のホルダー２７が配設されている。ホルダー２７は、回転軸２９を介してモータ２８と連結され、ホルダー２７はその周方向に回転が可能である。そして、ターゲット２３とホルダー２７間には、直流電源３１が接続され、ターゲット２３は電源３１の＋側と接続され、ホルダー２７は電源３１の−側に接続されている。図４では、ターゲット２３が１つの場合を模式的に示しているが、必要に応じてターゲット２３は２以上設けることが可能である。その場合には、ホルダー２７から略同じ距離に２以上のターゲット２３設置する。
ケーシング２２の室内３２には、室内３２を真空にするための真空ポンプ２４が制御バルブ３３を介して接続されている。また、室内３２には、室内３２の不活性ガスを供給するためのアルゴンのガス源２５が制御バルブ３４を介して接続されている。さらに、室内３２には、室内３２に窒素を供給するための窒素ガス源２６が制御バルブ３５を介して接続されている。

上記各実施形態及び参考実施形態では、基材１上に設ける層毎に、ターゲット２３の種類及び数を調整して皮膜を形成していく。第１及び第２の参考実施形態及び第１の実施形態においてコーティング層２を形成する際には、ターゲット２３には例えばＡｌ及びＺｒまたはＡｌ、Ｚｒ及びＳｉからなる合金を用いる。基材１には、例えば高速度工具鋼であるＪＩＳＳＫＨ−５１や超硬材であるＪＩＳＴＨ−１０を用いることができる。第２の参考実施形態及び第１の実施形態において結合層３を形成する際には、ターゲット２３に純ジルコニウム（Ｚｒ：１００％）、純チタン（Ｔｉ：１００％）または純クロム（Ｃｒ：１００％）を用いる。また第１の実施形態において中間層４を形成する際には、通常、ターゲット２３を複数設置して、それらのうちの少なくとも１つのターゲット２３は結合層３を形成するためのターゲット２３と同じ金属からなるものとし、別の少なくとも１つのターゲット２３は外側表面のコーティング層２を形成するためのターゲット２３と同じ合金からなるものとする。
そして、ホルダー２７上に基材１を載置し、制御バルブ３３〜３５のうち、初めに制御バルブ３３，３４を開き、室内３２にアルゴンガスを供給するとともに、室内３２を真空引きする。真空引きが完了し、室内３２がアルゴン雰囲気になったら、モータ２８によりホルダー２７を回転させる。次いで、制御バルブ３３，３４を閉じてターゲット２３とホルダー２７間に直流電圧を印加させて、プラズマを発生して室内３２の温度を上昇させる。室内３２の温度が一定温度に達したときに、制御バルブ３５を開き窒素ガス源２６から室内３２へ窒素を供給してアーク放電を生じさせる。これにより、基材１の表面に各層が形成されて、耐高温酸化に優れた高硬度皮膜１０，１１，１２が得られる。
なお、上記実施形態及び参考実施形態において、結合層３はＺｒ、Ｔｉ及びＣｒ等のうちの少なくとも１種の元素の窒化物からなる層としたが、これに代えて同様の元素の炭化物もしくは炭窒化物または窒化物、炭化物及び炭窒化物のうちの２種以上を含有する混合相からなる層としても同様の効果が得られると考えられる。この場合、結合層３を形成するには、窒素の供給に代えてまたは窒素の供給とともに炭化水素を室内３２に供給すればよい。

高速度工具鋼や超硬合金等を基材１とし、その表面に上記高硬度皮膜１０，１１，１２を被覆した切削工具や金型は、硬度が高く、耐酸化性及び耐磨耗性に優れたものとなる。また、切削油を用いないドライカット加工に好適な、切削工具を得ることができる。このような切削工具としては、例えば基材１を高速度工具鋼または超硬材としたホブカッター、ピニオンカッター、ブローチ等の歯切り工具が挙げられる。前記工具は、ホブ盤等の工作機械に取り付けられて使用される。

（実施例、参考例及び比較例）
以下、実施例、参考例及び比較例により、本発明をさらに詳細に説明する。
ビッカース硬度：
（試料番号Ａ１〜Ａ１２、Ｓ１及びＲ１〜Ｒ３）
陽性元素の組成比が表１に示した値となるように、ＡｌＮ、ＺｒＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＴｉＮ及びＣｒＮから選択される窒化物粉末を量り取って混合した。この窒化物粉末混合物を窒素雰囲気中１２００℃で５時間熱処理し、複合窒化物仮焼体を作製した。高周波スパッタ法を用いて、この仮焼体をターゲットとし、基材温度２５０℃で超硬合金（ＴＨ−１０）基材上に膜厚約４μｍの厚さに複合窒化物皮膜を成膜した。ビッカース硬度計により複合窒化物皮膜のビッカース硬度（Ｈｖ）を測定した。結果を表１に示す。

（試料番号Ｍ１）
陽性元素の組成比が表１に示した値となるように、Ａｌ、Ｐｄ及びＳｉ粉末を量り取って混合したものを成形体とした。この成形体をターゲットとして、窒素雰囲気中で高周波スパッタ法により基材温度２５０℃で基材上に膜厚約４μｍの厚さに複合窒化物皮膜を成膜した。ビッカース硬度計により複合窒化物皮膜のビッカース硬度（Ｈｖ）を測定した。結果を表１に示す。

（試料番号Ｍ２）
陽性元素の組成比が表１に示した値となるように、Ａｌ、Ｉｒ及びＳｉ粉末を量り取って混合したものを成形体とした。この成形体をターゲットとして、窒素雰囲気中で高周波スパッタ法により基材温度２５０℃で基材上に膜厚約４μｍの厚さに複合窒化物皮膜を成膜した。ビッカース硬度計により複合窒化物皮膜のビッカース硬度（Ｈｖ）を測定した。結果を表１に示す。

（試料番号Ｍ３）
陽性元素の組成比が表１に示した値となるように、Ａｌ、Ｅｒ及びＳｉ粉末を量り取って混合したものを成形体とした。この成形体をターゲットとして、窒素雰囲気中で高周波スパッタ法により基材温度２５０℃で基材上に膜厚約４μｍの厚さに複合窒化物皮膜を成膜した。ビッカース硬度計により複合窒化物皮膜のビッカース硬度（Ｈｖ）を測定した。結果を表１に示す。

（試料番号Ｍ４）
陽性元素の組成比が表１に示した値となるように、Ａｌ、Ｈｏ及びＳｉ粉末を量り取って混合したものを成形体とした。この成形体をターゲットとして、窒素雰囲気中で高周波スパッタ法により基材温度２５０℃で基材上に膜厚約４μｍの厚さに複合窒化物皮膜を成膜した。ビッカース硬度計により複合窒化物皮膜のビッカース硬度（Ｈｖ）を測定した。結果を表１に示す。

（試料番号Ｍ５）
陽性元素の組成比が表１に示した値となるように、Ａｌ、Ｄｙ及びＳｉ粉末を量り取って混合したものを成形体とした。この成形体をターゲットとして、窒素雰囲気中で高周波スパッタ法により基材温度２５０℃で基材上に膜厚約４μｍの厚さに複合窒化物皮膜を成膜した。ビッカース硬度計により複合窒化物皮膜のビッカース硬度（Ｈｖ）を測定した。結果を表１に示す。

耐酸化性：
（試料番号Ａ１〜Ａ１１、Ｓ１及びＲ１〜Ｒ３）
陽性元素の組成比が表１に示した値となるように、ＡｌＮ、ＺｒＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＴｉＮ及びＣｒＮから選択される窒化物粉末を量り取って混合した。この窒化物粉末混合物を窒素雰囲気中１２００℃で５時間熱処理し、複合窒化物仮焼体を作製した。高周波スパッタ法を用いて、この仮焼体をターゲットとし、基材温度２５０℃でＰｔ薄板基材（１０×５×０．１ｍｍ）上に膜厚約４μｍの厚さに複合窒化物皮膜を成膜した。得られた試験片（複合窒化物皮膜が形成されたＰｔ基材）を１０℃／分の昇温速度で熱重量天秤を用いて１４００℃まで加熱し、加熱による重量変化を測定し、酸化開始温度を測定した。結果を表１に示す。

（試料番号Ｍ１）
陽性元素の組成比が表１に示した値となるように、Ａｌ、Ｐｄ及びＳｉ粉末を量り取って混合したものを成形体とした。この成形体をターゲットとして、窒素雰囲気中で高周波スパッタ法により基材温度２５０℃でＰｔ薄板基材（１０×５×０．１ｍｍ）上に膜厚約４μｍの厚さに複合窒化物皮膜を成膜した。得られた試験片（複合窒化物皮膜が形成されたＰｔ基材）を１０℃／分の昇温速度で熱重量天秤を用いて１４００℃まで加熱し、加熱による重量変化を測定し、酸化開始温度を測定した。結果を表１に示す。

（試料番号Ｍ２）
陽性元素の組成比が表１に示した値となるように、Ａｌ、Ｉｒ及びＳｉ粉末を量り取って混合したものを成形体とした。この成形体をターゲットとして、窒素雰囲気中で高周波スパッタ法により基材温度２５０℃でＰｔ薄板基材（１０×５×０．１ｍｍ）上に膜厚約４μｍの厚さに複合窒化物皮膜を成膜した。得られた試験片（複合窒化物皮膜が形成されたＰｔ基材）を１０℃／分の昇温速度で熱重量天秤を用いて１４００℃まで加熱し、加熱による重量変化を測定し、酸化開始温度を測定した。結果を表１に示す。

（試料番号Ｍ３）
陽性元素の組成比が表１に示した値となるように、Ａｌ、Ｅｒ及びＳｉ粉末を量り取って混合したものを成形体とした。この成形体をターゲットとして、窒素雰囲気中で高周波スパッタ法により基材温度２５０℃でＰｔ薄板基材（１０×５×０．１ｍｍ）上に膜厚約４μｍの厚さに複合窒化物皮膜を成膜した。得られた試験片（複合窒化物皮膜が形成されたＰｔ基材）を１０℃／分の昇温速度で熱重量天秤を用いて１４００℃まで加熱し、加熱による重量変化を測定し、酸化開始温度を測定した。結果を表１に示す。

（試料番号Ｍ４）
陽性元素の組成比が表１に示した値となるように、Ａｌ、Ｈｏ及びＳｉ粉末を量り取って混合したものを成形体とした。この成形体をターゲットとして、窒素雰囲気中で高周波スパッタ法により基材温度２５０℃でＰｔ薄板基材（１０×５×０．１ｍｍ）上に膜厚約４μｍの厚さに複合窒化物皮膜を成膜した。得られた試験片（複合窒化物皮膜が形成されたＰｔ基材）を１０℃／分の昇温速度で熱重量天秤を用いて１４００℃まで加熱し、加熱による重量変化を測定し、酸化開始温度を測定した。結果を表１に示す。

（試料番号Ｍ５）
陽性元素の組成比が表１に示した値となるように、Ａｌ、Ｄｙ及びＳｉ粉末を量り取って混合したものを成形体とした。この成形体をターゲットとして、窒素雰囲気中で高周波スパッタ法により基材温度２５０℃でＰｔ薄板基材（１０×５×０．１ｍｍ）上に膜厚約４μｍの厚さに複合窒化物皮膜を成膜した。得られた試験片（複合窒化物皮膜が形成されたＰｔ基材）を１０℃／分の昇温速度で熱重量天秤を用いて１４００℃まで加熱し、加熱による重量変化を測定し、酸化開始温度を測定した。結果を表１に示す。

表１に示した複合窒化物皮膜の硬度と酸化開始温度の測定結果から、Ｚｒ含有量が１０％以上５０％以下の範囲では、ＡｌＣｒＳｉＮ系の皮膜（Ｒ３）と略同等かそれ以上のビッカース硬度を有し、かつ１２５０℃以上の酸化開始温度を有することが分かる。またＺｒ含有量が１０％未満では硬度が低く、５０％よりも大きいと、耐酸化性が悪くなる傾向が認められた。Ｓｉ含有量は、１％未満では密着力が悪くなり、３０％よりも大きいと、耐酸化性と密着性が不十分となる傾向がある。
また、Ｚｒの一部をＰｄ、Ｉｒ、Ｅｒ、Ｈｏ、またはＤｙに置換しても、良好なビッカース硬度及び酸化開始温度が得られることが分かる。
また、ＨｆＮの生成自由エネルギーはＺｒＮよりわずかに大きいので、ＨｆＮはＺｒＮよりも安定である。このため、ＺｒをＨｆに置換したＨｆ含有窒化物の酸化開始温度は、Ｚｒ含有窒化物よりも高くなることが期待され、硬度と酸化開始温度ともに優れていることが期待される。

本発明の表面被覆部材の第１の参考実施形態を示す概略断面図である。本発明の表面被覆部材の第２の参考実施形態を示す概略断面図である。本発明の表面被覆部材の第１の実施形態を示す概略断面図である。第１及び第２の参考実施形態及び第１の実施形態において用いられるアークイオンプレーティング装置の概略図である。

符号の説明

１基材
２コーティング層
３結合層
４中間層
１０，１１，１２高硬度皮膜
２２ケーシング（容器）
２３ターゲット（コーティング層形成用ターゲット、結合層形成用ターゲット）
２７ホルダー

Claims

基材と、前記基材上に形成された高硬度皮膜とを備え、前記高硬度皮膜はＡｌ、ＳｉならびにＺｒ、Ｈｆ、Ｐｄ、Ｉｒ及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を主成分とする複合窒化物を含有するコーティング層を有し、
前記基材と前記コーティング層との間に、Ｚｒ、Ｔｉ及びＣｒからなる群より選択される少なくとも１種の元素の、窒化物、炭化物及び炭窒化物のうちの少なくとも１種を含有する結合層を有し、
前記結合層と前記コーティング層との間に、前記結合層の成分と前記コーティング層の成分とを含有する中間層を有し、
前記コーティング層中の複合窒化物が、その陽性元素成分において、前記Ｚｒ、Ｈｆ、Ｐｄ、Ｉｒ及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素よりも前記Ａｌを多く含有し、且つ、陽性元素成分の総和が１００原子％以下となるよう、前記Ａｌを５０原子％以上、前記Ｚｒ、Ｈｆ、Ｐｄ、Ｉｒ及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を１０原子％以上５０原子％以下（ただし、２０原子％以下及び５０原子％を除く）、Ｓｉを１原子％以上３０原子％以下含有し、残りが不可避的不純物であることを特徴とする表面被覆部材。
前記基材は、高速度工具鋼または超硬合金であることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆部材。
密閉可能な容器内に配置されたホルダーにより、基材を前記容器内に支持し、
Ｚｒ、Ｔｉ及びＣｒからなる群より選択される少なくとも１種の元素を主成分として含有する結合層形成用ターゲットを前記容器内に配置し、
前記容器中に窒素及び炭化水素のうちの少なくとも１種を供給し、
前記結合層形成用ターゲットを陽極とし、前記ホルダーを陰極として、該結合層形成用ターゲットと該ホルダー間に放電を生じさせて、前記ホルダーにより支持された前記基材上に結合層を形成し、
前記結合層を形成した後に、
前記結合層用ターゲット及び前記コーティング層用ターゲットを陽極とし、前記ホルダーを陰極として、該結合層用ターゲット及び該コーティング層用ターゲットのそれぞれと該ホルダーとの間に放電を生じさせて、前記結合層上に中間層を形成し、
前記中間層を形成した後に、
Ａｌ、ＳｉならびにＺｒ、Ｈｆ、Ｐｄ、Ｉｒ及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を主成分とする合金またはその窒化物を含有するコーティング層形成用ターゲットを前記容器内に配置し、
前記容器中に窒素を供給し、
前記コーティング層形成用ターゲットを陽極とし、前記ホルダーを陰極として、該コーティング層形成用ターゲットと該ホルダー間に放電を生じさせて前記基材上に、陽性元素成分において、前記Ｚｒ、Ｈｆ、Ｐｄ、Ｉｒ及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素よりも多く前記Ａｌを含有し、且つ、陽性元素成分の総和が１００原子％以下となるよう、前記Ａｌを５０原子％以上、前記Ｚｒ、Ｈｆ、Ｐｄ、Ｉｒ及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を１０原子％以上５０原子％以下（ただし、２０原子％以下及び５０原子％を除く）、Ｓｉを１原子％以上３０原子％以下含有し、残りが不可避的不純物であるコーティング層が形成することにより、前記基材と前記コーティング層とを備えた表面被覆部材を得ることを特徴とする表面被覆部材の製造方法。
工具用基材と、前記工具用基材上に形成された高硬度皮膜とを備え、前記高硬度皮膜は、陽性元素成分の総和が１００原子％以下となるようＡｌを５０原子％以上、Ｓｉを１原子％以上３０原子％以下ならびにＺｒ、Ｈｆ、Ｐｄ、Ｉｒ及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を１０原子％以上５０原子％以下（ただし、２０原子％以下及び５０原子％を除く）を含み、前記Ａｌを前記Ｚｒ、Ｈｆ、Ｐｄ、Ｉｒ及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素よりも多く含有する複合窒化物を含有するコーティング層を有し、
前記工具用基材と前記コーティング層との間に、Ｚｒ、Ｔｉ及びＣｒからなる群より選択される少なくとも１種の元素の、窒化物、炭化物及び炭窒化物のうちの少なくとも１種を含有する結合層を有し、
前記結合層と前記コーティング層との間に、前記結合層の成分と前記コーティング層の成分とを含有する中間層を有することを特徴とする工具。
工具用基材と、前記工具用基材上に形成された高硬度皮膜とを備えた工具を設けた工作装置であって、前記高硬度皮膜は、陽性元素成分の総和が１００原子％以下となるようＡｌを５０原子％以上、Ｓｉを１原子％以上３０原子％以下ならびにＺｒ、Ｈｆ、Ｐｄ、Ｉｒ及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を１０原子％以上５０原子％以下（ただし、２０原子％以下及び５０原子％を除く）を含み、前記Ａｌを前記Ｚｒ、Ｈｆ、Ｐｄ、Ｉｒ及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素よりも多く含有する複合窒化物を含有するコーティング層を有し、
前記工具用基材と前記コーティング層との間に、Ｚｒ、Ｔｉ及びＣｒからなる群より選択される少なくとも１種の元素の、窒化物、炭化物及び炭窒化物のうちの少なくとも１種を含有する結合層を有し、
前記結合層と前記コーティング層との間に、前記結合層の成分と前記コーティング層の成分とを含有する中間層を有することを特徴とする工作装置。