JP4502475B2 - 硬質皮膜および耐摩耗部材並びにその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、切削工具、摺動部材、金型の如き耐摩耗部材に適用される耐摩耗性及び耐熱性に優れた硬質皮膜に関するものであり、詳細には、この様に耐摩耗性および耐熱性に優れた硬質皮膜を、上記切削工具や摺動部材等の基材の特性を損なうことのない低温条件で形成することのできる有用な硬質皮膜とその形成方法に関するものである。
【０００２】
尚、本発明の対象となる硬質皮膜は、上記した様々な用途に適用できるが、以下では代表例として切削工具に適用する場合を中心に説明を進める。
【０００３】
【従来の技術】
一般に、優れた耐摩耗性や摺動特性が求められる切削工具や摺動部材等においては、高速度鋼や超硬合金等の基材表面に、物理蒸着法（以下、ＰＶＤ法という）や化学蒸着法（以下、ＣＶＤ法という）等の方法で、チタン窒化物やチタンアルミニウム窒化物等の硬質皮膜を形成する方法が採用されているが、切削工具等の刃先は切削時に１０００℃以上の高温となる場合があるため、特に、硬質皮膜として酸化アルミニウムを形成して耐熱性を確保することが多い。
【０００４】
上記酸化アルミニウムは、温度によって様々な結晶構造をとるが、いずれも熱的に準安定状態にある。しかし、切削工具の如く切削時における刃先の温度が、常温から１０００℃以上にわたる広範囲で著しく変動する場合、上記酸化アルミニウムの結晶構造が変化して、皮膜に亀裂が生じたり剥離する等の問題を生じる。ところが、ＣＶＤ法を採用して基材温度を１０００℃以上に高めることによって生成されるコランダム構造の酸化アルミニウムだけは、一旦形成されると、以後、温度に関係なく熱的に安定な構造を維持する。したがって、切削工具等に耐熱性を付与するには、コランダム構造の酸化アルミニウムで被覆することが非常に有効な手段とされている。
【０００５】
しかしながら、上述の通りコランダム構造の酸化アルミニウムは、基材を１０００℃以上にまで加熱しなければ形成できないため、適用できる基材が限られてくる。即ち、基材の種類によっては、１０００℃以上の高温にさらされると軟質化し、耐摩耗部材用基材としての適性が失われることがあるからである。
【０００６】
この様な問題に対し、特開平５−２０８３２６号公報では、高硬度の（Ａｌ，Ｃｒ）2Ｏ3混合結晶を５００℃以下で得たことが報告されている。しかしながら、被削材が鉄を主成分とするものである場合、前記混合結晶皮膜の表面に存在するＣｒが、切削時に切削面で鉄と化学反応を起こし易いため、皮膜の消耗が激しく寿命を縮める原因となる。
【０００７】
また、O.Zywitzki，G.Hoetzschらは、高出力(11−17ｋＷ)のパルス電源を用いて反応性スパッタリングを行うことで、７５０℃以上でコランダム構造の酸化アルミニウム皮膜が形成されることを報告している（Surf.Coat.Technol.,86-87 (1996) 640-647）。しかし、この方法でコランダム構造の酸化アルミニウムを得るには、パルス電源の大型化が避けられず、また、製造にあたっては基材温度を７５０℃以上に高めねばならないため、切削工具等の基材として一般的に使用される高速度鋼が軟質化する等、基材特性が損なわれるといった問題が生じる。
【０００８】
現在、汎用されている切削工具では、耐摩耗性等を付与するため、基材表面にチタンの窒化物や炭化物、炭窒化物等からなる皮膜を形成し、該皮膜上に前記コランダム構造の酸化アルミニウムを形成している。さらに近年では、チタンとアルミニウムの複合窒化皮膜（以下、ＴｉＡｌＮと記す）が、より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切削工具等に適用されつつある。
【０００９】
しかしながら、前記ＴｉＡｌＮ皮膜は、ＰＶＤ法の一種であるアークイオンプレーディング法（以下、ＡＩＰ法という）でしか形成することができず、一方、前記コランダム構造の酸化アルミニウムはＣＶＤ法でしか形成できないため、積層皮膜を得るには、ＣＶＤ用装置とＰＶＤ用装置を用いて各々の皮膜を順次形成しなければならず、生産効率が非常に悪い。従って、前記コランダム構造の酸化アルミニウム、及び前記ＴｉＡｌＮ皮膜、更にその他の有用な皮膜等を、連続プロセスで効率よく形成し得るような技術の確立が望まれている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の様な事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、耐熱性、耐摩耗性等に優れた硬質皮膜を、基材の特性を損なわない低温で効率よく製造することのできる有用な方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る硬質皮膜とは、格子定数が４．７７９Å以上５．０００Å以下で膜厚が少なくとも０．００５μmであるコランダム構造の酸化物皮膜の一方の面に、コランダム構造の酸化アルミニウム皮膜が形成されていることを要旨とするものである。
【００１２】
前記酸化物皮膜の成分は、Ｃｒ2Ｏ3、（Ｆｅ，Ｃｒ)2Ｏ3又は（Ａｌ，Ｃｒ）2Ｏ3のいずれかであることが望ましく、該酸化物皮膜が、前記（Ｆｅ，Ｃｒ)2Ｏ3である場合には（Ｆｅx，Ｃｒ(1-x))2Ｏ3（ただし、ｘは０≦ｘ≦０．５４）であることが好ましく、また前記（Ａｌ，Ｃｒ)2Ｏ3である場合には（Ａｌy，Ｃｒ(1-y))2Ｏ3（ただし、ｙは０≦ｙ≦０．９０）であることが好ましい。
【００１３】
更に、前記コランダム構造の酸化物皮膜の他方の面には、中間層を介し又は介さずに、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｖよりなる群から選択される１種以上の元素とＡｌとの複合窒化皮膜が形成され、前記中間層としては（Ａｌz，Ｃｒ(1-z)）Ｎ（ただし、ｚは０≦ｚ≦０．９０）からなる皮膜が形成されていることが好ましい。
【００１４】
また本発明には、上記いずれかの硬質皮膜を、前記コランダム構造の酸化アルミニウムを表面側として基材上に形成した耐摩耗部材が包含される。
【００１５】
本発明で規定する耐摩耗部材の製法とは、前記コランダム構造の酸化アルミニウム、酸化物皮膜、複合窒化皮膜および必要に応じて形成される中間層を、物理蒸着法で形成する工程を含むところに要旨を有するものである。また、この製法を実施するに当たり、前記（Ａｌy，Ｃｒ(1-y)）2Ｏ3（ただし、ｙは０≦ｙ≦０．９０）皮膜を形成するには、中間層として前記（Ａｌz，Ｃｒ(1-z)）Ｎ（ただし、ｚは０≦ｚ≦０．９０）皮膜を形成した後、その表層側の少なくとも一部を酸化して酸化物に変えることによって形成することが好ましく、この場合の酸化は、酸素雰囲気下で基材温度を４５０℃以上に保持して行うことが望ましい。更に、前記コランダム構造の酸化アルミニウム皮膜の形成は、基材温度３００℃以上で行うことが好ましい。
【００１６】
【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、コランダム構造の酸化アルミニウムを、被覆すべき基材の特性を損ねない低温で形成することのできる方法について鋭意研究を進めた。その結果、結晶構造が酸化アルミニウムと同じコランダム構造であり且つ特定の格子定数を有する物質を、酸化物皮膜として予め形成しておけば、低温条件下であっても、該酸化物皮膜上にコランダム構造の酸化アルミニウムを容易に形成できることを見出した。以下、本発明のポイントである上記酸化物皮膜、および優れた特性を付与する他の有用な皮膜について詳細に説明する。
【００１７】
＜酸化物皮膜＞
被覆する酸化アルミニウムと同じコランダム結晶構造を有し、かつ格子定数が酸化アルミニウムに近い物質として、Ｃｒ2Ｏ3、Ｆｅ2Ｏ3、（Ｆｅ，Ｃｒ）2Ｏ3、（Ｃｒ，Ａｌ）2Ｏ3が挙げられる。そこで、これら種々の酸化物皮膜上に酸化アルミニウムを形成したところ、該酸化物の格子定数が、４．７７９〜５．０００Åの範囲内にある場合には、比較的低い温度条件（例えば３００℃〜７００℃）でもコランダム構造の酸化アルミニウムが形成されるのに対し、コランダム構造の酸化物皮膜であっても、格子定数が上記範囲を外れる場合は、コランダム構造の酸化アルミニウムが形成されないことが分かった。
【００１８】
即ち、酸化物皮膜の格子定数が５．０００Åを超える場合には、被覆する酸化アルミニウムの格子定数とのずれが大きくなるため、コランダム構造の酸化アルミニウムが形成されにくく、立方晶構造等の如きコランダム構造以外の構造が形成される。従って酸化物皮膜の格子定数は、５．０００Å以下に抑える必要があり、４．９８２Å以下にすることが好ましい。
【００１９】
尚、酸化物皮膜としてＦｅとＣｒの複合酸化物を用いる場合、Ｆｅの組成比が０．５４を超えると、上記複合酸化物の格子定数が５．０００Åを超え、該酸化物皮膜上にコランダム構造のみからなる酸化アルミニウムを形成できなくなる。従って、酸化物皮膜としてＦｅとＣｒの複合酸化物を用いる場合には、組成式（Ｆｅx，Ｃｒ(1-x)）2Ｏ3において、ｘを０≦ｘ≦０．５４、より好ましくは０≦ｘ≦０．３０の範囲とすべきである。
【００２０】
次に、酸化物皮膜の格子定数の下限を４．７７９Åに規定した理由について述べる。
【００２１】
Ｃｒ2Ｏ3とＦｅ2Ｏ3の格子定数は、共にＡｌ2Ｏ3の格子定数よりも大きいため、Ａｌ2Ｏ3の格子定数に近い格子定数のより小さな酸化物皮膜を得るには、ＣｒとＡｌの複合酸化物またはＦｅとＡｌの複合酸化物とすればよい。しかしながら、ＦｅとＡｌの複合酸化物は、スピネル構造となって純粋なコランダム構造が形成されないため、本発明の酸化物皮膜には適さない。
【００２２】
またＣｒとＡｌの複合酸化物の場合、上述の通りＡｌの組成比が増加するにつれて格子定数は小さくなるが、Ａｌの組成比が０．９０を超えると、コランダム構造の酸化物皮膜が高温でしか生成されなくなり、低温ではコランダム構造以外の結晶構造が生成して純粋なコランダム構造の酸化物皮膜が得られない。従って、（Ａｌ0.9，Ｃｒ0.1）2Ｏ3の格子定数である４．７７９Åを酸化物皮膜の格子定数の下限値とし、また、酸化物皮膜としてＣｒとＡｌの複合酸化物を用いる場合には、組成式（Ａｌy，Ｃｒ(1-y))2Ｏ3において、ｙを好ましくは０≦ｙ≦０．９０とすることとした。
【００２３】
本発明では、前記酸化物皮膜の膜厚を少なくとも０．００５μｍとする必要がある。この酸化物皮膜の膜厚が０．００５μｍより小さくなると、緻密な酸化物皮膜が形成されず、コランダム構造のみからなる酸化アルミニウムが形成されにくいためである。好ましくは０．０１μｍ以上であり、より好ましくは０．０２μｍ以上である。また上記膜厚が厚すぎると、切削中に皮膜に亀裂または剥離が生じ易くなるため、１０μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくは５μｍ以下、更に好ましくは３μｍ以下である。
【００２４】
＜複合窒化皮膜＞
本発明では、切削工具等として使用する際の耐摩耗性を一層高めるため、前記酸化物皮膜が、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｖよりなる群から選択される１種以上の元素とＡｌとの複合窒化皮膜の上に形成されていることが望ましい。
【００２５】
尚、該複合窒化皮膜の膜厚は、薄すぎると上記効果が発揮されないため、０．５μｍ以上とすることが好ましく、より好ましくは１μｍ以上である。また、膜厚が厚すぎると、切削時において膜に亀裂が生じるため、２０μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくは１０μｍ以下である。
【００２６】
＜中間層＞
更に、基材と上記酸化物皮膜の間に、中間層としてＡｌとＣｒの窒化物層を設けることによって、皮膜の密着性向上を図ることも有効である。尚、後述するように中間層の表層部を酸化処理して、コランダム構造のＡｌとＣｒの複合酸化物［（Ａｌy，Ｃｒ(1-y)）2Ｏ3（ただし、ｙは０≦ｙ≦０．９０）］皮膜を形成する場合には、前記ＡｌとＣｒの窒化物層は、組成式（Ａｌz，Ｃｒ(1-z)）Ｎにおいて、ｚを０≦ｚ≦０．９０とすることが好ましく、より好ましくは０≦ｚ≦０．７５である。
【００２７】
＜酸化アルミニウム皮膜＞
コランダム構造の酸化アルミニウムの膜厚は、０．１〜２０μｍであることが好ましい。前記酸化アルミニウムの膜厚が０．１μｍ未満の場合には、例えば切削工具に適用した場合に早期に摩耗してしまい、酸化アルミニウムの耐熱性等の効果を発揮させることができないためであり、より好ましくは、０．５μｍ以上、更に好ましくは１μｍ以上である。また、２０μｍを超えると、皮膜中に内部応力等が生じて亀裂等が発生し易くなるためであり、より好ましくは１０μｍ以下、更に好ましくは５μｍ以下である。
【００２８】
＜皮膜形成方法＞
本発明の硬質皮膜は、例えば次の様な方法で形成することができる。即ち、ＡＩＰ法とアンバランスドマグネトロンスパッタ法（以下、ＵＢＭＳ法という）を組み合わせたＰＶＤ装置を使用し、ＡＩＰ用固体状ターゲットとしてＴｉ−Ａｌ合金ターゲット、ＵＢＭＳ法用固体状スパッタターゲットとしてＣｒターゲットおよびＡｌターゲットを用い、順次各々の蒸発源を作動させることによって、一連の成膜プロセスで、ＴｉとＡｌの複合窒化皮膜、酸化物皮膜として酸化クロム皮膜、およびコランダム構造の酸化アルミニウム皮膜を基材表面に順次層状に形成することができる。
【００２９】
また、上記Ｃｒターゲットの代わりに、スパッタターゲットとしてＣｒ−Ｆｅ合金ターゲットまたはＣｒ−Ａｌ合金ターゲットを用いれば、酸化物皮膜として、ＣｒとＦｅの複合酸化物皮膜またはＣｒとＡｌの複合酸化物皮膜を得ることができる。
【００３０】
更に前記中間層は、前記複合窒化皮膜を形成した後に、例えばＡＩＰ法やＵＢＭＳ法等のＰＶＤ法で、Ａｌ−Ｃｒ合金をターゲットに用いて窒素雰囲気下で放電させることによって形成できる。
【００３１】
中間層として（Ａｌz，Ｃｒ(1-z)）Ｎ（ただし、ｚは０≦ｚ≦０．９０）皮膜を形成した後、該中間層上に、酸化物皮膜として（Ａｌy，Ｃｒ(1-y))2Ｏ3（ただし、ｙは０≦ｙ≦０．９０）皮膜を形成する場合には、酸素雰囲気下で基材温度を４５０℃以上に昇温して前記中間層の表面を酸化することで、上記（Ａｌ，Ｃｒ）2Ｏ3層を、中間層表層部に容易に形成することができる。前記基材温度は、好ましくは４９０℃以上である。尚、基材が高速度鋼の場合には、基材温度が高すぎると基材硬度が低下するため、前記酸化は５００℃以下で行うことが好ましい。
【００３２】
本発明では、上述の様にして予め酸化物皮膜を形成しておくことによって、基材温度を好ましくは３００℃以上にすれば、コランダム構造の酸化アルミニウムを該酸化物皮膜上に形成することができるのであり、上記基材温度は、より好ましくは４００℃以上であり、更に好ましくは４５０℃以上である。
【００３３】
また、上記基材温度が高すぎると、基材が高速度鋼の場合に軟質化する等、基材の特性を損ねることとなるので、基材温度５００℃以下で酸化アルミニウム皮膜を形成することが好ましい。
【００３４】
尚、前記酸化物皮膜等の成膜方法として示したＡＩＰ法やＵＢＭＳ法は、ＰＶＤ法の一例であって、本発明の硬質皮膜は、上記ＡＩＰ法やＵＢＭＳ法に限らず、ＰＶＤ法として広く行われているいずれの方法によっても形成され得るものである。
【００３５】
【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。
【００３６】
（１）以下に示す方法で、基材上に硬質皮膜を形成した。尚、コランダム構造の酸化アルミニウムは、それぞれ表１に示す基材温度にて形成した。
【００３７】
▲１▼表１に示すＮｏ．１〜２９および３１〜４４では、図１に概略例示するようなＰＶＤ成膜装置にて硬質皮膜を形成した。即ち、ＡＩＰ用ターゲットとしてＴｉ−Ａｌ合金ターゲット６、ＵＢＭＳ用ターゲットとしてＣｒターゲット４およびＡｌターゲット５をセットし、試料保持台３上に、基材２として超硬合金チップ（SNGN120408）または高速度鋼チップをセットし、チャンバ１内の排気８を行って真空状態にした後、以下の各皮膜の形成を各々のガス７を導入して行った。
【００３８】
即ち、チャンバ１内を窒素ガス雰囲気とし、Ｔｉ−Ａｌ合金ターゲット６を用いて、ＡＩＰ法で膜厚３μｍの窒化チタンアルミニウム硬質皮膜を形成し、続いてＣｒターゲット４を用い、アルゴンと酸素の混合ガス雰囲気下にてＵＢＭＳ法で酸化クロム皮膜を形成した。更に、Ａｌターゲット５を用い、アルゴンと酸素の混合ガス雰囲気下にてＵＢＭＳ法で酸化アルミニウム膜を形成した。
【００３９】
尚、酸化物皮膜として（Ａｌ，Ｃｒ）2Ｏ3皮膜や（Ｆｅ，Ｃｒ）2Ｏ3皮膜を形成する場合には、Ｃｒターゲット４に代えて、Ａｌ−Ｃｒ合金ターゲット、Ｆｅ−Ｃｒ合金ターゲットを用いた。
【００４０】
また、Ｎｏ．３３、３４および３９では、複合窒化皮膜（窒化チタンアルミニウム硬質皮膜）を設けず、基材表面に直接、酸化物皮膜を形成した。
【００４１】
▲２▼表１に示すＮｏ．３０、４５、４６、４８および４９では、図２に概略例示するようなＰＶＤ成膜装置にて硬質皮膜を形成した。即ち、ＡＩＰ用ターゲットとして、Ｔｉ−Ａｌ合金ターゲット６およびＣｒ−Ａｌ合金ターゲット９、ＵＢＭＳ用ターゲットとしてＡｌターゲット５をセットし、試料保持台３上に、基材２として超硬合金チップ（SNGN120408）または高速度鋼チップをセットし、チャンバ１内の排気８を行って真空状態にした後、以下の各皮膜の形成を各々のガス７を導入して行った。
【００４２】
即ち、チャンバ１内を窒素ガス雰囲気とし、Ｔｉ−Ａｌ合金ターゲット６を用いて、ＡＩＰ法で膜厚３μｍの窒化チタンアルミニウム硬質皮膜を形成し、続いてＣｒ−Ａｌ合金ターゲット９を用い、窒素雰囲気下にてＡＩＰ法で窒化クロムアルミニウム膜を形成した。その後、前記皮膜の形成された基材を装置内に保ったまま、酸素雰囲気下にて４５０℃で酸化してＡｌとＣｒの複合酸化物皮膜を形成した。次に、アルゴンと酸素の混合ガス雰囲気下Ａｌターゲット５を用い、ＵＢＭＳ法で酸化アルミニウム皮膜を形成した。尚、上記窒化クロムアルミニウム膜の膜厚は、いずれも０．５μｍであった。
【００４３】
また、Ｎｏ．４７では、図２に例示すような装置のチャンバ１内に、更にＦｅ−Ｃｒ合金ターゲットを設け、上記と同様にして窒化チタンアルミニウム硬質皮膜および窒化クロムアルミニウム皮膜を形成した後、アルゴンと酸素の混合ガス雰囲気下にて、ＵＢＭＳ法で鉄とクロムの複合酸化物皮膜を形成し、その後上記と同様にして酸化アルミニウム皮膜を形成した。
【００４４】
この様にして得られた酸化アルミニウム皮膜の結晶構造および酸化物皮膜の格子定数を薄膜Ｘ線回折装置または透過電子顕微鏡にて同定した。また酸化アルミニウム皮膜および酸化物皮膜の膜厚は、走査型電子顕微鏡または透過電子顕微鏡を用いて測定した。更に皮膜中の成分は、Ｘ線光電子分光法による深さ方向分析にて測定した。その結果を表１に示す。
【００４５】
【表１】
【００４６】
【表２】
【００４７】
表１および表２より、Ｎｏ．１〜１３、１５〜２０、２３、２５〜２７、３０〜３４、３７〜３９、４１〜４３および４５〜４７は、本発明の要件を満たしているため、結晶構造がコランダム構造のみからなる酸化アルミニウム皮膜を得ることができた。
【００４８】
これに対して、Ｎｏ．１４、２１、２２、２４、２８、２９、３５、３６、４０、４４、４８および４９では、コランダム構造のみからなる酸化アルミニウム皮膜が得られなかった。即ち、Ｎｏ．２１、２２、２８、４０及び４４は、酸化物皮膜の格子定数が本発明で規定する範囲を外れているため、またＮｏ．１４、２４、３５及び４８は、酸化物皮膜の膜厚が薄すぎるため、生成した酸化アルミニウム皮膜において、コランダム構造以外に立方晶構造も形成される結果となった。
【００４９】
上述の通り、酸化物皮膜の膜厚が薄すぎるＮｏ．１４、２４、３５及び４８では、形成された酸化アルミニウムが、コランダム構造と立方晶構造の混合結晶となったが、これを透過電子顕微鏡にて断面観察したところ、基材が十分に酸化物皮膜で覆われておらず、基材表面が露出している部分に、立方晶構造の酸化アルミニウムが形成していることがわかった。
【００５０】
更にＮｏ．２９、３６および４９は、酸化アルミニウム皮膜の形成を、いずれも本発明で好ましいとする温度よりも低温で行ったため、コランダム構造以外の結晶構造が形成されたものと考えられる。
【００５１】
（２）更に、Ｎｏ．５〜１０、１４および２９で得られたチップを用いて、以下に示す条件で丸棒（Ｓ５０Ｃ）の旋削試験を行い、旋削によってチップに生じたクレーター摩耗の深さを表面粗さ計を用いて測定した。その結果を表３に示す。
被削材：Ｓ５０Ｃ
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ.
送り速度：０．２ｍｍ／ｓｅｃ.
切り込み：２ｍｍ
乾式（エアーブローのみ）
切削時間 １０分
【００５２】
【表３】
【００５３】
表３より、Ｎｏ．５〜１０は、コランダム構造の酸化アルミニウムが形成されているため、摩耗量は小さく耐摩耗性に優れていることが分かる。これに対して、酸化アルミニウムの構造がコランダム構造以外であるＮｏ．１４および２９では、摩耗量が大きくなり、耐摩耗性に劣る結果となった。
【００５４】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、コランダム構造の酸化アルミニウムを積層する前に、コランダム構造であり且つ本発明で規定する格子定数の酸化物皮膜を予め形成しておくことで、耐熱性、耐摩耗性等に優れたコランダム構造の酸化アルミニウムを低温条件下で形成することができることとなった。そして、この様な硬質皮膜の形成方法の実現によって、多様な基材に対して、コランダム構造の酸化アルミニウムを形成し、優れた耐熱性、耐摩耗性等を付与できることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る硬質皮膜の形成に用いるＰＶＤ成膜装置を例示する概略断面説明図である。
【図２】本発明に係る硬質皮膜の形成に用いる別のＰＶＤ成膜装置を例示する概略断面説明図である。
【符号の説明】
１ チャンバ
２ 基材
３ 試料保持台
４ Ｃｒターゲット（ＵＢＭＳ用）
５ Ａｌターゲット（ＵＢＭＳ用）
６ Ｔｉ−Ａｌ合金ターゲット（ＡＩＰ用）
７ 導入ガス（窒素、酸素、アルゴン）
８ 排気
９ ＣｒターゲットまたはＣｒ−Ａｌ合金ターゲット（ＡＩＰ用）
【発明の属する技術分野】
本発明は、切削工具、摺動部材、金型の如き耐摩耗部材に適用される耐摩耗性及び耐熱性に優れた硬質皮膜に関するものであり、詳細には、この様に耐摩耗性および耐熱性に優れた硬質皮膜を、上記切削工具や摺動部材等の基材の特性を損なうことのない低温条件で形成することのできる有用な硬質皮膜とその形成方法に関するものである。
【０００２】
尚、本発明の対象となる硬質皮膜は、上記した様々な用途に適用できるが、以下では代表例として切削工具に適用する場合を中心に説明を進める。
【０００３】
【従来の技術】
一般に、優れた耐摩耗性や摺動特性が求められる切削工具や摺動部材等においては、高速度鋼や超硬合金等の基材表面に、物理蒸着法（以下、ＰＶＤ法という）や化学蒸着法（以下、ＣＶＤ法という）等の方法で、チタン窒化物やチタンアルミニウム窒化物等の硬質皮膜を形成する方法が採用されているが、切削工具等の刃先は切削時に１０００℃以上の高温となる場合があるため、特に、硬質皮膜として酸化アルミニウムを形成して耐熱性を確保することが多い。
【０００４】
上記酸化アルミニウムは、温度によって様々な結晶構造をとるが、いずれも熱的に準安定状態にある。しかし、切削工具の如く切削時における刃先の温度が、常温から１０００℃以上にわたる広範囲で著しく変動する場合、上記酸化アルミニウムの結晶構造が変化して、皮膜に亀裂が生じたり剥離する等の問題を生じる。ところが、ＣＶＤ法を採用して基材温度を１０００℃以上に高めることによって生成されるコランダム構造の酸化アルミニウムだけは、一旦形成されると、以後、温度に関係なく熱的に安定な構造を維持する。したがって、切削工具等に耐熱性を付与するには、コランダム構造の酸化アルミニウムで被覆することが非常に有効な手段とされている。
【０００５】
しかしながら、上述の通りコランダム構造の酸化アルミニウムは、基材を１０００℃以上にまで加熱しなければ形成できないため、適用できる基材が限られてくる。即ち、基材の種類によっては、１０００℃以上の高温にさらされると軟質化し、耐摩耗部材用基材としての適性が失われることがあるからである。
【０００６】
この様な問題に対し、特開平５−２０８３２６号公報では、高硬度の（Ａｌ，Ｃｒ）2Ｏ3混合結晶を５００℃以下で得たことが報告されている。しかしながら、被削材が鉄を主成分とするものである場合、前記混合結晶皮膜の表面に存在するＣｒが、切削時に切削面で鉄と化学反応を起こし易いため、皮膜の消耗が激しく寿命を縮める原因となる。
【０００７】
また、O.Zywitzki，G.Hoetzschらは、高出力(11−17ｋＷ)のパルス電源を用いて反応性スパッタリングを行うことで、７５０℃以上でコランダム構造の酸化アルミニウム皮膜が形成されることを報告している（Surf.Coat.Technol.,86-87 (1996) 640-647）。しかし、この方法でコランダム構造の酸化アルミニウムを得るには、パルス電源の大型化が避けられず、また、製造にあたっては基材温度を７５０℃以上に高めねばならないため、切削工具等の基材として一般的に使用される高速度鋼が軟質化する等、基材特性が損なわれるといった問題が生じる。
【０００８】
現在、汎用されている切削工具では、耐摩耗性等を付与するため、基材表面にチタンの窒化物や炭化物、炭窒化物等からなる皮膜を形成し、該皮膜上に前記コランダム構造の酸化アルミニウムを形成している。さらに近年では、チタンとアルミニウムの複合窒化皮膜（以下、ＴｉＡｌＮと記す）が、より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切削工具等に適用されつつある。
【０００９】
しかしながら、前記ＴｉＡｌＮ皮膜は、ＰＶＤ法の一種であるアークイオンプレーディング法（以下、ＡＩＰ法という）でしか形成することができず、一方、前記コランダム構造の酸化アルミニウムはＣＶＤ法でしか形成できないため、積層皮膜を得るには、ＣＶＤ用装置とＰＶＤ用装置を用いて各々の皮膜を順次形成しなければならず、生産効率が非常に悪い。従って、前記コランダム構造の酸化アルミニウム、及び前記ＴｉＡｌＮ皮膜、更にその他の有用な皮膜等を、連続プロセスで効率よく形成し得るような技術の確立が望まれている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の様な事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、耐熱性、耐摩耗性等に優れた硬質皮膜を、基材の特性を損なわない低温で効率よく製造することのできる有用な方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る硬質皮膜とは、格子定数が４．７７９Å以上５．０００Å以下で膜厚が少なくとも０．００５μmであるコランダム構造の酸化物皮膜の一方の面に、コランダム構造の酸化アルミニウム皮膜が形成されていることを要旨とするものである。
【００１２】
前記酸化物皮膜の成分は、Ｃｒ2Ｏ3、（Ｆｅ，Ｃｒ)2Ｏ3又は（Ａｌ，Ｃｒ）2Ｏ3のいずれかであることが望ましく、該酸化物皮膜が、前記（Ｆｅ，Ｃｒ)2Ｏ3である場合には（Ｆｅx，Ｃｒ(1-x))2Ｏ3（ただし、ｘは０≦ｘ≦０．５４）であることが好ましく、また前記（Ａｌ，Ｃｒ)2Ｏ3である場合には（Ａｌy，Ｃｒ(1-y))2Ｏ3（ただし、ｙは０≦ｙ≦０．９０）であることが好ましい。
【００１３】
更に、前記コランダム構造の酸化物皮膜の他方の面には、中間層を介し又は介さずに、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｖよりなる群から選択される１種以上の元素とＡｌとの複合窒化皮膜が形成され、前記中間層としては（Ａｌz，Ｃｒ(1-z)）Ｎ（ただし、ｚは０≦ｚ≦０．９０）からなる皮膜が形成されていることが好ましい。
【００１４】
また本発明には、上記いずれかの硬質皮膜を、前記コランダム構造の酸化アルミニウムを表面側として基材上に形成した耐摩耗部材が包含される。
【００１５】
本発明で規定する耐摩耗部材の製法とは、前記コランダム構造の酸化アルミニウム、酸化物皮膜、複合窒化皮膜および必要に応じて形成される中間層を、物理蒸着法で形成する工程を含むところに要旨を有するものである。また、この製法を実施するに当たり、前記（Ａｌy，Ｃｒ(1-y)）2Ｏ3（ただし、ｙは０≦ｙ≦０．９０）皮膜を形成するには、中間層として前記（Ａｌz，Ｃｒ(1-z)）Ｎ（ただし、ｚは０≦ｚ≦０．９０）皮膜を形成した後、その表層側の少なくとも一部を酸化して酸化物に変えることによって形成することが好ましく、この場合の酸化は、酸素雰囲気下で基材温度を４５０℃以上に保持して行うことが望ましい。更に、前記コランダム構造の酸化アルミニウム皮膜の形成は、基材温度３００℃以上で行うことが好ましい。
【００１６】
【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、コランダム構造の酸化アルミニウムを、被覆すべき基材の特性を損ねない低温で形成することのできる方法について鋭意研究を進めた。その結果、結晶構造が酸化アルミニウムと同じコランダム構造であり且つ特定の格子定数を有する物質を、酸化物皮膜として予め形成しておけば、低温条件下であっても、該酸化物皮膜上にコランダム構造の酸化アルミニウムを容易に形成できることを見出した。以下、本発明のポイントである上記酸化物皮膜、および優れた特性を付与する他の有用な皮膜について詳細に説明する。
【００１７】
＜酸化物皮膜＞
被覆する酸化アルミニウムと同じコランダム結晶構造を有し、かつ格子定数が酸化アルミニウムに近い物質として、Ｃｒ2Ｏ3、Ｆｅ2Ｏ3、（Ｆｅ，Ｃｒ）2Ｏ3、（Ｃｒ，Ａｌ）2Ｏ3が挙げられる。そこで、これら種々の酸化物皮膜上に酸化アルミニウムを形成したところ、該酸化物の格子定数が、４．７７９〜５．０００Åの範囲内にある場合には、比較的低い温度条件（例えば３００℃〜７００℃）でもコランダム構造の酸化アルミニウムが形成されるのに対し、コランダム構造の酸化物皮膜であっても、格子定数が上記範囲を外れる場合は、コランダム構造の酸化アルミニウムが形成されないことが分かった。
【００１８】
即ち、酸化物皮膜の格子定数が５．０００Åを超える場合には、被覆する酸化アルミニウムの格子定数とのずれが大きくなるため、コランダム構造の酸化アルミニウムが形成されにくく、立方晶構造等の如きコランダム構造以外の構造が形成される。従って酸化物皮膜の格子定数は、５．０００Å以下に抑える必要があり、４．９８２Å以下にすることが好ましい。
【００１９】
尚、酸化物皮膜としてＦｅとＣｒの複合酸化物を用いる場合、Ｆｅの組成比が０．５４を超えると、上記複合酸化物の格子定数が５．０００Åを超え、該酸化物皮膜上にコランダム構造のみからなる酸化アルミニウムを形成できなくなる。従って、酸化物皮膜としてＦｅとＣｒの複合酸化物を用いる場合には、組成式（Ｆｅx，Ｃｒ(1-x)）2Ｏ3において、ｘを０≦ｘ≦０．５４、より好ましくは０≦ｘ≦０．３０の範囲とすべきである。
【００２０】
次に、酸化物皮膜の格子定数の下限を４．７７９Åに規定した理由について述べる。
【００２１】
Ｃｒ2Ｏ3とＦｅ2Ｏ3の格子定数は、共にＡｌ2Ｏ3の格子定数よりも大きいため、Ａｌ2Ｏ3の格子定数に近い格子定数のより小さな酸化物皮膜を得るには、ＣｒとＡｌの複合酸化物またはＦｅとＡｌの複合酸化物とすればよい。しかしながら、ＦｅとＡｌの複合酸化物は、スピネル構造となって純粋なコランダム構造が形成されないため、本発明の酸化物皮膜には適さない。
【００２２】
またＣｒとＡｌの複合酸化物の場合、上述の通りＡｌの組成比が増加するにつれて格子定数は小さくなるが、Ａｌの組成比が０．９０を超えると、コランダム構造の酸化物皮膜が高温でしか生成されなくなり、低温ではコランダム構造以外の結晶構造が生成して純粋なコランダム構造の酸化物皮膜が得られない。従って、（Ａｌ0.9，Ｃｒ0.1）2Ｏ3の格子定数である４．７７９Åを酸化物皮膜の格子定数の下限値とし、また、酸化物皮膜としてＣｒとＡｌの複合酸化物を用いる場合には、組成式（Ａｌy，Ｃｒ(1-y))2Ｏ3において、ｙを好ましくは０≦ｙ≦０．９０とすることとした。
【００２３】
本発明では、前記酸化物皮膜の膜厚を少なくとも０．００５μｍとする必要がある。この酸化物皮膜の膜厚が０．００５μｍより小さくなると、緻密な酸化物皮膜が形成されず、コランダム構造のみからなる酸化アルミニウムが形成されにくいためである。好ましくは０．０１μｍ以上であり、より好ましくは０．０２μｍ以上である。また上記膜厚が厚すぎると、切削中に皮膜に亀裂または剥離が生じ易くなるため、１０μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくは５μｍ以下、更に好ましくは３μｍ以下である。
【００２４】
＜複合窒化皮膜＞
本発明では、切削工具等として使用する際の耐摩耗性を一層高めるため、前記酸化物皮膜が、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｖよりなる群から選択される１種以上の元素とＡｌとの複合窒化皮膜の上に形成されていることが望ましい。
【００２５】
尚、該複合窒化皮膜の膜厚は、薄すぎると上記効果が発揮されないため、０．５μｍ以上とすることが好ましく、より好ましくは１μｍ以上である。また、膜厚が厚すぎると、切削時において膜に亀裂が生じるため、２０μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくは１０μｍ以下である。
【００２６】
＜中間層＞
更に、基材と上記酸化物皮膜の間に、中間層としてＡｌとＣｒの窒化物層を設けることによって、皮膜の密着性向上を図ることも有効である。尚、後述するように中間層の表層部を酸化処理して、コランダム構造のＡｌとＣｒの複合酸化物［（Ａｌy，Ｃｒ(1-y)）2Ｏ3（ただし、ｙは０≦ｙ≦０．９０）］皮膜を形成する場合には、前記ＡｌとＣｒの窒化物層は、組成式（Ａｌz，Ｃｒ(1-z)）Ｎにおいて、ｚを０≦ｚ≦０．９０とすることが好ましく、より好ましくは０≦ｚ≦０．７５である。
【００２７】
＜酸化アルミニウム皮膜＞
コランダム構造の酸化アルミニウムの膜厚は、０．１〜２０μｍであることが好ましい。前記酸化アルミニウムの膜厚が０．１μｍ未満の場合には、例えば切削工具に適用した場合に早期に摩耗してしまい、酸化アルミニウムの耐熱性等の効果を発揮させることができないためであり、より好ましくは、０．５μｍ以上、更に好ましくは１μｍ以上である。また、２０μｍを超えると、皮膜中に内部応力等が生じて亀裂等が発生し易くなるためであり、より好ましくは１０μｍ以下、更に好ましくは５μｍ以下である。
【００２８】
＜皮膜形成方法＞
本発明の硬質皮膜は、例えば次の様な方法で形成することができる。即ち、ＡＩＰ法とアンバランスドマグネトロンスパッタ法（以下、ＵＢＭＳ法という）を組み合わせたＰＶＤ装置を使用し、ＡＩＰ用固体状ターゲットとしてＴｉ−Ａｌ合金ターゲット、ＵＢＭＳ法用固体状スパッタターゲットとしてＣｒターゲットおよびＡｌターゲットを用い、順次各々の蒸発源を作動させることによって、一連の成膜プロセスで、ＴｉとＡｌの複合窒化皮膜、酸化物皮膜として酸化クロム皮膜、およびコランダム構造の酸化アルミニウム皮膜を基材表面に順次層状に形成することができる。
【００２９】
また、上記Ｃｒターゲットの代わりに、スパッタターゲットとしてＣｒ−Ｆｅ合金ターゲットまたはＣｒ−Ａｌ合金ターゲットを用いれば、酸化物皮膜として、ＣｒとＦｅの複合酸化物皮膜またはＣｒとＡｌの複合酸化物皮膜を得ることができる。
【００３０】
更に前記中間層は、前記複合窒化皮膜を形成した後に、例えばＡＩＰ法やＵＢＭＳ法等のＰＶＤ法で、Ａｌ−Ｃｒ合金をターゲットに用いて窒素雰囲気下で放電させることによって形成できる。
【００３１】
中間層として（Ａｌz，Ｃｒ(1-z)）Ｎ（ただし、ｚは０≦ｚ≦０．９０）皮膜を形成した後、該中間層上に、酸化物皮膜として（Ａｌy，Ｃｒ(1-y))2Ｏ3（ただし、ｙは０≦ｙ≦０．９０）皮膜を形成する場合には、酸素雰囲気下で基材温度を４５０℃以上に昇温して前記中間層の表面を酸化することで、上記（Ａｌ，Ｃｒ）2Ｏ3層を、中間層表層部に容易に形成することができる。前記基材温度は、好ましくは４９０℃以上である。尚、基材が高速度鋼の場合には、基材温度が高すぎると基材硬度が低下するため、前記酸化は５００℃以下で行うことが好ましい。
【００３２】
本発明では、上述の様にして予め酸化物皮膜を形成しておくことによって、基材温度を好ましくは３００℃以上にすれば、コランダム構造の酸化アルミニウムを該酸化物皮膜上に形成することができるのであり、上記基材温度は、より好ましくは４００℃以上であり、更に好ましくは４５０℃以上である。
【００３３】
また、上記基材温度が高すぎると、基材が高速度鋼の場合に軟質化する等、基材の特性を損ねることとなるので、基材温度５００℃以下で酸化アルミニウム皮膜を形成することが好ましい。
【００３４】
尚、前記酸化物皮膜等の成膜方法として示したＡＩＰ法やＵＢＭＳ法は、ＰＶＤ法の一例であって、本発明の硬質皮膜は、上記ＡＩＰ法やＵＢＭＳ法に限らず、ＰＶＤ法として広く行われているいずれの方法によっても形成され得るものである。
【００３５】
【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。
【００３６】
（１）以下に示す方法で、基材上に硬質皮膜を形成した。尚、コランダム構造の酸化アルミニウムは、それぞれ表１に示す基材温度にて形成した。
【００３７】
▲１▼表１に示すＮｏ．１〜２９および３１〜４４では、図１に概略例示するようなＰＶＤ成膜装置にて硬質皮膜を形成した。即ち、ＡＩＰ用ターゲットとしてＴｉ−Ａｌ合金ターゲット６、ＵＢＭＳ用ターゲットとしてＣｒターゲット４およびＡｌターゲット５をセットし、試料保持台３上に、基材２として超硬合金チップ（SNGN120408）または高速度鋼チップをセットし、チャンバ１内の排気８を行って真空状態にした後、以下の各皮膜の形成を各々のガス７を導入して行った。
【００３８】
即ち、チャンバ１内を窒素ガス雰囲気とし、Ｔｉ−Ａｌ合金ターゲット６を用いて、ＡＩＰ法で膜厚３μｍの窒化チタンアルミニウム硬質皮膜を形成し、続いてＣｒターゲット４を用い、アルゴンと酸素の混合ガス雰囲気下にてＵＢＭＳ法で酸化クロム皮膜を形成した。更に、Ａｌターゲット５を用い、アルゴンと酸素の混合ガス雰囲気下にてＵＢＭＳ法で酸化アルミニウム膜を形成した。
【００３９】
尚、酸化物皮膜として（Ａｌ，Ｃｒ）2Ｏ3皮膜や（Ｆｅ，Ｃｒ）2Ｏ3皮膜を形成する場合には、Ｃｒターゲット４に代えて、Ａｌ−Ｃｒ合金ターゲット、Ｆｅ−Ｃｒ合金ターゲットを用いた。
【００４０】
また、Ｎｏ．３３、３４および３９では、複合窒化皮膜（窒化チタンアルミニウム硬質皮膜）を設けず、基材表面に直接、酸化物皮膜を形成した。
【００４１】
▲２▼表１に示すＮｏ．３０、４５、４６、４８および４９では、図２に概略例示するようなＰＶＤ成膜装置にて硬質皮膜を形成した。即ち、ＡＩＰ用ターゲットとして、Ｔｉ−Ａｌ合金ターゲット６およびＣｒ−Ａｌ合金ターゲット９、ＵＢＭＳ用ターゲットとしてＡｌターゲット５をセットし、試料保持台３上に、基材２として超硬合金チップ（SNGN120408）または高速度鋼チップをセットし、チャンバ１内の排気８を行って真空状態にした後、以下の各皮膜の形成を各々のガス７を導入して行った。
【００４２】
即ち、チャンバ１内を窒素ガス雰囲気とし、Ｔｉ−Ａｌ合金ターゲット６を用いて、ＡＩＰ法で膜厚３μｍの窒化チタンアルミニウム硬質皮膜を形成し、続いてＣｒ−Ａｌ合金ターゲット９を用い、窒素雰囲気下にてＡＩＰ法で窒化クロムアルミニウム膜を形成した。その後、前記皮膜の形成された基材を装置内に保ったまま、酸素雰囲気下にて４５０℃で酸化してＡｌとＣｒの複合酸化物皮膜を形成した。次に、アルゴンと酸素の混合ガス雰囲気下Ａｌターゲット５を用い、ＵＢＭＳ法で酸化アルミニウム皮膜を形成した。尚、上記窒化クロムアルミニウム膜の膜厚は、いずれも０．５μｍであった。
【００４３】
また、Ｎｏ．４７では、図２に例示すような装置のチャンバ１内に、更にＦｅ−Ｃｒ合金ターゲットを設け、上記と同様にして窒化チタンアルミニウム硬質皮膜および窒化クロムアルミニウム皮膜を形成した後、アルゴンと酸素の混合ガス雰囲気下にて、ＵＢＭＳ法で鉄とクロムの複合酸化物皮膜を形成し、その後上記と同様にして酸化アルミニウム皮膜を形成した。
【００４４】
この様にして得られた酸化アルミニウム皮膜の結晶構造および酸化物皮膜の格子定数を薄膜Ｘ線回折装置または透過電子顕微鏡にて同定した。また酸化アルミニウム皮膜および酸化物皮膜の膜厚は、走査型電子顕微鏡または透過電子顕微鏡を用いて測定した。更に皮膜中の成分は、Ｘ線光電子分光法による深さ方向分析にて測定した。その結果を表１に示す。
【００４５】
【表１】
【表２】
表１および表２より、Ｎｏ．１〜１３、１５〜２０、２３、２５〜２７、３０〜３４、３７〜３９、４１〜４３および４５〜４７は、本発明の要件を満たしているため、結晶構造がコランダム構造のみからなる酸化アルミニウム皮膜を得ることができた。
【００４８】
これに対して、Ｎｏ．１４、２１、２２、２４、２８、２９、３５、３６、４０、４４、４８および４９では、コランダム構造のみからなる酸化アルミニウム皮膜が得られなかった。即ち、Ｎｏ．２１、２２、２８、４０及び４４は、酸化物皮膜の格子定数が本発明で規定する範囲を外れているため、またＮｏ．１４、２４、３５及び４８は、酸化物皮膜の膜厚が薄すぎるため、生成した酸化アルミニウム皮膜において、コランダム構造以外に立方晶構造も形成される結果となった。
【００４９】
上述の通り、酸化物皮膜の膜厚が薄すぎるＮｏ．１４、２４、３５及び４８では、形成された酸化アルミニウムが、コランダム構造と立方晶構造の混合結晶となったが、これを透過電子顕微鏡にて断面観察したところ、基材が十分に酸化物皮膜で覆われておらず、基材表面が露出している部分に、立方晶構造の酸化アルミニウムが形成していることがわかった。
【００５０】
更にＮｏ．２９、３６および４９は、酸化アルミニウム皮膜の形成を、いずれも本発明で好ましいとする温度よりも低温で行ったため、コランダム構造以外の結晶構造が形成されたものと考えられる。
【００５１】
（２）更に、Ｎｏ．５〜１０、１４および２９で得られたチップを用いて、以下に示す条件で丸棒（Ｓ５０Ｃ）の旋削試験を行い、旋削によってチップに生じたクレーター摩耗の深さを表面粗さ計を用いて測定した。その結果を表３に示す。
被削材：Ｓ５０Ｃ
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ.
送り速度：０．２ｍｍ／ｓｅｃ.
切り込み：２ｍｍ
乾式（エアーブローのみ）
切削時間 １０分
【００５２】
【表３】
表３より、Ｎｏ．５〜１０は、コランダム構造の酸化アルミニウムが形成されているため、摩耗量は小さく耐摩耗性に優れていることが分かる。これに対して、酸化アルミニウムの構造がコランダム構造以外であるＮｏ．１４および２９では、摩耗量が大きくなり、耐摩耗性に劣る結果となった。
【００５４】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、コランダム構造の酸化アルミニウムを積層する前に、コランダム構造であり且つ本発明で規定する格子定数の酸化物皮膜を予め形成しておくことで、耐熱性、耐摩耗性等に優れたコランダム構造の酸化アルミニウムを低温条件下で形成することができることとなった。そして、この様な硬質皮膜の形成方法の実現によって、多様な基材に対して、コランダム構造の酸化アルミニウムを形成し、優れた耐熱性、耐摩耗性等を付与できることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る硬質皮膜の形成に用いるＰＶＤ成膜装置を例示する概略断面説明図である。
【図２】本発明に係る硬質皮膜の形成に用いる別のＰＶＤ成膜装置を例示する概略断面説明図である。
【符号の説明】
１ チャンバ
２ 基材
３ 試料保持台
４ Ｃｒターゲット（ＵＢＭＳ用）
５ Ａｌターゲット（ＵＢＭＳ用）
６ Ｔｉ−Ａｌ合金ターゲット（ＡＩＰ用）
７ 導入ガス（窒素、酸素、アルゴン）
８ 排気
９ ＣｒターゲットまたはＣｒ−Ａｌ合金ターゲット（ＡＩＰ用）
Claims (11)
- 格子定数が４．７７９Å以上５．０００Å以下で、膜厚が少なくとも０．００５μｍであるコランダム構造の酸化物皮膜の一方の面に、コランダム構造の酸化アルミニウム皮膜が形成されており、
前記酸化物皮膜の成分が（Ｆｅ x ，Ｃｒ (1-x) ） 2 Ｏ 3 （ただし、ｘは０＜ｘ≦０．５４）又は（Ａｌ y ，Ｃｒ (1-y) ） 2 Ｏ 3 （ただし、ｙは０＜ｙ≦０．９０）であることを特徴とする硬質皮膜。 - 前記コランダム構造の酸化物皮膜の他方の面に、中間層を介し又は介さずに、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｖよりなる群から選択される１種以上の元素とＡｌとの複合窒化皮膜が形成されている請求項１に記載の硬質皮膜。
- 前記複合窒化皮膜が前記中間層を介して形成されており、前記中間層が（Ａｌz，Ｃｒ(1-z)）Ｎ（ただし、ｚは０≦ｚ≦０．９０）皮膜である請求項２に記載の硬質皮膜。
- 請求項１〜３のいずれかの硬質皮膜が、前記コランダム構造の酸化アルミニウム皮膜を表面側として基材上に形成されていることを特徴とする耐摩耗部材。
- 請求項２に記載の硬質皮膜が、前記コランダム構造の酸化アルミニウム皮膜を表面側として基材上に形成されている耐摩耗部材を製造する方法であって、前記コランダム構造の酸化アルミニウム、酸化物皮膜、複合窒化皮膜および必要に応じて形成される中間層を、物理蒸着法で形成する工程を含むことを特徴とする耐摩耗部材の製造方法。
- 請求項３に記載の硬質皮膜であって前記酸化物皮膜の成分が（Ａｌ y ，Ｃｒ (1-y) ） 2 Ｏ 3 （ただし、ｙは０＜ｙ≦０．９０）である硬質皮膜が、前記コランダム構造の酸化アルミニウム皮膜を表面側として基材上に形成されている耐摩耗部材を製造する方法であって、前記（Ａｌz，Ｃｒ(1-z)）Ｎ（ただし、ｚは０＜ｚ≦０．９０）皮膜を形成した後、その表面を酸化して前記（Ａｌy，Ｃｒ(1-y)）2Ｏ3（ただし、ｙは０＜ｙ≦０．９０）からなる前記酸化物皮膜を形成する工程を含むことを特徴とする耐摩耗部材の製造方法。
- 前記（Ａｌz，Ｃｒ(1-z)）Ｎ（ただし、ｚは０＜ｚ≦０．９０）皮膜表面の酸化を、酸素雰囲気下にて基材温度４５０℃以上で行う請求項６に記載の耐摩耗部材の製造方法。
- 前記コランダム構造の酸化アルミニウム皮膜を基材温度３００℃以上で形成する請求項５〜７のいずれかに記載の耐摩耗部材の製造方法。
- 格子定数が４．７７９Å以上５．０００Å以下で、膜厚が少なくとも０．００５μｍであるコランダム構造の酸化物皮膜の一方の面に、コランダム構造の酸化アルミニウム皮膜が形成されており、
前記酸化物皮膜の成分がＣｒ 2 Ｏ 3 であり、
前記コランダム構造の酸化物皮膜の他方の面に、中間層を介し又は介さずに、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｖよりなる群から選択される１種以上の元素とＡｌとの複合窒化皮膜が形成されていることを特徴とする硬質皮膜。 - 格子定数が４．７７９Å以上５．０００Å以下で、膜厚が少なくとも０．００５μｍであるコランダム構造の酸化物皮膜の一方の面に、コランダム構造の酸化アルミニウム皮膜が形成されており、且つ前記酸化物皮膜の成分が（Ａｌ y ，Ｃｒ (1-y) ） 2 Ｏ 3 （ただし、ｙは０≦ｙ≦０．９０）である硬質皮膜が、前記コランダム構造の酸化アルミニウム皮膜を表面側として基材上に形成されていると共に、前記基材と前記酸化物皮膜との間に（Ａｌ z ，Ｃｒ (1-z) ）Ｎ（ただし、ｚは０≦ｚ≦０．９０）皮膜からなる中間層が設けられた耐摩耗部材を製造する方法であって、
前記（Ａｌ z ，Ｃｒ (1-z) ）Ｎ（ただし、ｚは０≦ｚ≦０．９０）皮膜を形成した後、その表面を酸化して前記（Ａｌ y ，Ｃｒ (1-y) ） 2 Ｏ 3 （ただし、ｙは０≦ｙ≦０．９０）からなる酸化物皮膜を形成する工程を含むことを特徴とする耐摩耗部材の製造方法。 - 前記耐摩耗部材は、前記コランダム構造の酸化物皮膜の他方の面に、中間層を介して、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｖよりなる群から選択される１種以上の元素とＡｌとの複合窒化皮膜が形成されている請求項１０に記載の耐摩耗部材の製造方法。
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