JP2010001547A - 硬質皮膜被覆部材および成形用冶工具 - Google Patents

Abstract

【課題】耐摩耗性および密着性に優れた硬質皮膜被覆部材および成形用冶工具を提供する。
【解決手段】硬質皮膜被覆部材は、Ｃｒを含有する鉄基合金からなる基材と、基材の表面に膜厚１〜１０μｍで形成された第１皮膜層と、第１皮膜層の表面に膜厚２〜１０μｍで形成された第２皮膜層とを備え、第１皮膜層が、Ｃｒ_{１−ａ−ｂ}Ｍ_ａＢ_ｂ（Ｃ_ｃＮ_１−ｃ）からなり、ＭがＷ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ａｌから選ばれる１種以上の元素であり、ａ、ｂ、ｃが原子比であるときに、０≦ａ≦０．７、０≦ｂ≦０．１５、０≦ｃ≦０．５、０．３≦１−ａ−ｂを満足し、第２皮膜層が、Ｎｂ_{１−ｄ−ｅ−ｆ}Ｃｒ_ｄＡｌ_ｅＬ_ｆ（Ｃ_ｇＮ_１−ｇ）からなり、ＬがＳｉ、Ｙ、Ｂから選ばれる１種以上の元素であり、ｄ、ｅ、ｆ、ｇが原子比であるときに、０．０５≦１−ｄ−ｅ−ｆ≦０．５、０．０５≦ｄ≦０．５、０．４≦ｅ≦０．７、０≦ｆ≦０．１５、０≦ｇ≦０．５を満足する。
【選択図】図１

Description

本発明は、硬質皮膜が表面に被覆された硬質皮膜被覆部材およびこの部材を用いた成形用冶工具に関するものである。

従来、金型などの金属加工用の治工具は、窒化処理により耐摩耗性および耐焼き付き性の改善がなされてきた。また、近年では、窒化処理に代えて、ＰＶＤ等の気相コーティングによる耐摩耗性ならびに耐焼き付き性の改善が検討されている。例えば、特許文献1には、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｖの２種以上を含む複合窒化物の形成によって耐摩耗性が改善された硬質皮膜が記載されている。また、特許文献２、３には、Ｔｉ、Ｖ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉの１種以上の窒化物、炭化物、炭窒化物からなる被覆層を形成し、あるいは、さらにその上にＴｉ、Ｃｒを含み残部Ｍｏより構成される硫化物層を形成した耐摩耗性あるいは耐焼き付き性に優れる温熱間加工用被覆工具が記載されている。また、特許文献４には、高硬度皮膜の上にＭｏＳ_２を主成分とする表面層を備える耐摩耗性、耐焼き付き性に優れる硬質皮膜および皮膜付き物品が記載されている。さらに、特許文献５には、（Ｘ_ｃ、Ｍ_１−ｃ）（Ｂ_ａＣ_ｂＮ_{１−ａ−ｂ}）からなり、ＭがＷ、Ｖの１種以上、Ｘが４Ａ、５Ａ族の元素、Ａｌ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの１種以上である硬質皮膜およびその形成方法が記載されている。
特開２０００−１４４３７６号公報 特開２００２−３０７１２８号公報 特開２００２−３０７１２９号公報 特開２０００−１７６８号公報 特開２００６−１２４８１８号公報

しかしながら、特許文献１に記載されているＣｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｖの２種以上を含む複合窒化物からなる硬質皮膜は、高硬度であり、耐摩耗性には優れるが、耐焼き付き性が十分ではなく、高面圧で金属の塑性加工をする場合など、過酷な環境の使用には耐え得ないものである。また、特許文献３に記載のＴｉ、Ｖ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉの１種以上の窒化物、炭化物、炭窒化物からなる被覆層も、同様に高硬度ではあるが、耐焼き付き性に劣るものである。

そして、特許文献２または特許文献４に記載されるように硫化物層を形成した場合、硫化物は軟質であり、使用当初は摺動性（耐摩耗性）に優れるが、使用時間と共に摩滅し、長期にわたって耐摩耗性を維持することができない。また、特許文献５に記載された（Ｘ_Ｃ、Ｍ_Ｉ−Ｃ）（Ｂ_ａＣ_ｂＮ_{Ｉ−ａ−ｂ}）からなる硬質皮膜も、前記硫化物層の場合と同じく、使用当初は摺動性（耐摩耗性）に優れるが、長期にわたって耐摩耗性を維持することができない。

さらに、特許文献２、３のＴｉ、Ｖ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉの１種以上より選ばれる窒化物、炭化物ならびに炭窒化物からなる被覆層は、硬度の低い鉄系基材上に直接形成した場合には、基材との弾性および塑性変形挙動の差違により、剥離が生じやすくなる（密着性が低下する）という問題点がある。

そこで、本発明は、このような問題を解決すべく創案されたもので、その目的は、耐摩耗性および密着性に優れた硬質皮膜被覆部材およびこれを用いた成形用冶工具を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明に係る硬質皮膜被覆部材は、Ｃｒを含有する鉄基合金からなる基材と、前記基材の表面に膜厚１〜１０μｍで形成された第１皮膜層と、前記第１皮膜層の表面に膜厚２〜１０μｍで形成された第２皮膜層とを備え、前記第１皮膜層が、Ｃｒ_{１−ａ−ｂ}Ｍ_ａＢ_ｂ（Ｃ_ｃＮ_１−ｃ）からなり、ＭがＷ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ａｌから選ばれる１種以上の元素であり、ａ、ｂ、ｃが原子比であるときに、０≦ａ≦０．７、０≦ｂ≦０．１５、０≦ｃ≦０．５、０．３≦１−ａ−ｂを満足し、前記第２皮膜層が、Ｎｂ_{１−ｄ−ｅ−ｆ}Ｃｒ_ｄＡｌ_ｅＬ_ｆ（Ｃ_ｇＮ_１−ｇ）からなり、ＬがＳｉ、Ｙ、Ｂから選ばれる１種以上の元素であり、ｄ、ｅ、ｆ、ｇが原子比であるときに、０．０５≦１−ｄ−ｅ−ｆ≦０．５、０．０５≦ｄ≦０．５、０．４≦ｅ≦０．７、０≦ｆ≦０．１５、０≦ｇ≦０．５を満足することを特徴とする。

前記構成によれば、所定範囲の原子比を有するＣｒ_{１−ａ−ｂ}Ｍ_ａＢ_ｂ（Ｃ_ｃＮ_１−ｃ）（ＭがＷ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ａｌから選ばれた１種以上の元素）からなり、所定の膜厚を有する第１皮膜層を基材の表面に備えることによって、密着性に劣るＡｌ（ＡｌＮ）を含む第２皮膜層と基材との密着性が向上する。また、第１皮膜層が所定の膜厚を有することによって、第２皮膜層と基材の機械的特性の差異による外部応力下での変形挙動の差異が小さくなり、第２皮膜層の剥離が抑制され、第２皮膜層に対する第１皮膜層の密着性が向上する。そして、所定範囲の原子比を有するＮｂ_{１−ｄ−ｅ−ｆ}Ｃｒ_ｄＡｌ_ｅＬ_ｆ（Ｃ_ｇＮ_１−ｇ）（ＬがＳｉ、Ｙ、Ｂから選ばれる１種以上の元素）からなり、所定の膜厚を有する第２皮膜層を第１皮膜層の表面に備えることによって、第２皮膜層が硬質皮膜被覆部材における耐摩耗層として機能し、成形加工時の発熱による酸化摩耗、および、被加工材との摺動摩耗を抑制する。また、第２皮膜層が所定の膜厚を有することによって、第２皮膜層の剥離が抑制され密着性も向上する。

また、本発明に係る硬質皮膜被覆部材は、前記第１皮膜層が、Ｃｒ_{１−ａ−ｂ}Ｍ_ａＢ_ｂ（Ｃ_ｃＮ_１−ｃ）においてａ＝０、ｂ＝０、ｃ＝０としたＣｒＮからなり、前記第２皮膜層が、Ｎｂ_{１−ｄ−ｅ−ｆ}Ｃｒ_ｄＡｌ_ｅＬ_ｆ（Ｃ_ｇＮ_１−ｇ）においてｆ＝０、ｇ＝０としたＮｂ_{１−ｄ−ｅ}Ｃｒ_ｄＡｌ_ｅＮからなり、０．１≦１−ｄ−ｅ≦０．３、０．１≦ｄ≦０．３、０．５≦ｅ≦０．６を満足することを特徴とする。

前記構成によれば、第１皮膜層がＣｒＮからなることによって、基材と第１皮膜層および第２皮膜層との高い密着性が確保される。そして、第２皮膜層が所定範囲の原子比を有するＮｂ_{１−ｄ−ｅ}Ｃｒ_ｄＡｌ_ｅＮからなることによって、第２皮膜層の酸化摩耗を高水準に抑制すると共に、第２皮膜層が軟質化しにくくなり、摺動摩耗が高水準に抑制される。

また、本発明に係る硬質皮膜被覆部材は、前記第２皮膜層の結晶構造が、立方晶岩塩型構造のみからなる単相、または、立方晶岩塩型構造と六方晶型構造とが混合した複相であって、前記複相の場合には、Ｘ線回析装置で測定した立方晶の（１１１）面および（２００）面のピーク強度の大きい方のピーク強度を立方晶ピーク強度（Ｉｃ）、六方晶の（１００）面、（００２）面および（１０１）面のピーク強度のうち最も大きいピーク強度を六方晶ピーク強度（Ｉｈ）とした際に、ピーク強度比（Ｉｈ／Ｉｃ）≦１を満足することを特徴とする。

前記構成によれば、第２皮膜層の結晶構造が立方晶岩塩型構造のみからなる単相、または、立方晶岩塩型構造と六方晶型構造とが混合した複相からなり、複相の場合には、Ｘ線回析装置で測定される立方晶ピーク強度（Ｉｃ）と六方晶ピーク強度（Ｉｈ）とのピーク強度比（Ｉｈ／Ｉｃ）を所定範囲に限定することによって、立方晶に混合される六方晶の割合が限定され、具体的には、軟質で第２皮膜層の耐摩耗性を低下させる六方晶の混合割合が少なくなる。

また、本発明に係る硬質皮膜被覆部材は、前記第２皮膜層の結晶構造が立方晶岩塩型構造を含み、Ｘ線回析装置で測定した立方晶の（１１１）面および（２００）面のピーク強度の大きい方のピーク強度を立方晶ピーク強度（Ｉｃ）とした際に、金属Ｎｂの（１１０）面のピーク強度（Ｉｎ）と比較して、ピーク強度比（Ｉｎ／Ｉｃ）≦１を満足することを特徴とする。

前記構成によれば、第２皮膜層の結晶構造が立方晶岩塩型構造を含み、Ｘ線回析装置で測定される立方晶ピーク強度（Ｉｃ）と金属Ｎｂピーク強度（Ｉｎ）とのピーク強度比（Ｉｎ／Ｉｃ）を所定範囲に限定することによって、第２皮膜層中に取り込まれる金属Ｎｂ粒子の量が限定され、具体的には、軟質で第２皮膜層の耐摩耗性を低下させる金属Ｎｂ粒子の量が少なくなる。

また、本発明に係る硬質皮膜被覆部材は、前記第２皮膜層がカソード放電型アークイオンプレーティング蒸発法により形成され、前記第２皮膜層を形成する際、前記カソード放電型アークイオンプレーティング蒸発法に使用される装置内に設置された前記基板のバイアス電圧が−３０〜−２００Ｖであることを特徴とする。

前記構成によれば、第２皮膜層を形成する際、基板のバイアス電圧が所定範囲であることによって、Ｘ線回析装置で測定される第２皮膜層の立方晶ピーク強度（Ｉｃ）と六方晶ピーク強度（Ｉｈ）とのピーク強度比（Ｉｈ／Ｉｃ）が所定範囲に制御され、第２皮膜層中の六方晶の割合が少なくなる。

また、本発明に係る硬質皮膜被覆部材は、前記第２皮膜層がカソード放電型アークイオンプレーティング蒸発法により形成され、前記第２皮膜層を形成する際、前記カソード放電型アークイオンプレーティング蒸発法に使用される装置内の窒素圧が２〜１０Ｐａであることを特徴とする。

前記構成によれば、第２皮膜層を形成する際、装置内の窒素圧が所定範囲であることによって、Ｘ線回析装置で測定される第２皮膜層の立方晶ピーク強度（Ｉｃ）と金属Ｎｂピーク強度（Ｉｎ）とのピーク強度比（Ｉｎ／Ｉｃ）が所定範囲に制御され、第２皮膜層中に取り込まれる金属Ｎｂ粒子の量が少なくなる。

また、本発明に係る硬質皮膜被覆部材は、前記第１皮膜層が、Ｃｒ_{１−ａ−ｂ}Ｍ_ａＢ_ｂ（Ｃ_ｃＮ_１−ｃ）においてａ＝０、ｂ＝０、ｃ＝０としたＣｒＮからなり、前記第２皮膜層が、Ｎｂ_{１−ｄ−ｅ−ｆ}Ｃｒ_ｄＡｌ_ｅＬ_ｆ（Ｃ_ｇＮ_１−ｇ）においてｇ＝０、ＬをＳｉとしたＮｂ_{１−ｄ−ｅ−ｆ}Ｃｒ_ｄＡｌ_ｅＳｉ_ｆＮからなり、０．１≦１−ｄ−ｅ−ｆ≦０．３、０．１≦ｄ≦０．３、０．５≦ｅ≦０．６、０．０１≦ｆ≦０．０５を満足することを特徴とする。

前記構成によれば、第１皮膜層がＣｒＮからなることによって、基材と第１皮膜層および第２皮膜層との高い密着性が確保される。そして、第２皮膜層が所定範囲の原子比を有するＮｂ_{１−ｄ−ｅ−ｆ}Ｃｒ_ｄＡｌ_ｅＳｉ_ｆＮからなることによって、第２皮膜層の酸化摩耗を高水準に抑制すると共に、第２皮膜層が軟質化しにくくなり、摺動摩耗が高水準に抑制される。

また、本発明に係る硬質皮膜被覆部材は、前記第１皮膜層と前記第２皮膜層との間に、第３皮膜層と第４皮膜層とが交互に積み重ねられて形成された積層膜をさらに備え、前記第３皮膜層が、Ｃｒ_{１−ａ−ｂ}Ｍ_ａＢ_ｂ（Ｃ_ｃＮ_１−ｃ）からなり、前記第３皮膜層の膜厚が前記第１皮膜層の膜厚より薄く、前記第４皮膜層が、Ｎｂ_{１−ｄ−ｅ−ｆ}Ｃｒ_ｄＡｌ_ｅＬ_ｆ（Ｃ_ｇＮ_１−ｇ）からなり、前記第４皮膜層の膜厚が前記第２皮膜層の膜厚より薄く、前記積層膜の積層周期が３００ｎｍ以下、前記積層膜の合計膜厚が０．０５μｍ以上であることを特徴とする。

前記構成によれば、第１皮膜層と同様なＣｒ_{１−ａ−ｂ}Ｍ_ａＢ_ｂ（Ｃ_ｃＮ_１−ｃ）からなり、第１皮膜層と同一または異なる原子比を有する第３皮膜層と、第２皮膜層と同様なＮｂ_{１−ｄ−ｅ−ｆ}Ｃｒ_ｄＡｌ_ｅＬ_ｆ（Ｃ_ｇＮ_１−ｇ）からなり、第２皮膜層と同一または異なる原子比を有する第４皮膜層とが交互に積み重ねられて形成された積層膜を第１皮膜層と第２皮膜層との間に備え、かつ、積層膜の積層周期および合計膜厚が所定範囲であることによって、外部応力下における第２皮膜層の剥離が抑制され、第１皮膜層と第２皮膜層との間の密着性が向上する。

また、本発明に係る硬質皮膜被覆部材は、前記基材がＣｒ含有析出炭化物を含有し、前記基材のロックウエル硬度がＨＲＣ５０以上であることを特徴とする。

前記構成によれば、基材が所定範囲のロックウエル硬度を有することによって、基材にＣｒ含有析出炭化物が含有されていても、基材のマトリックスとＣｒ含有析出炭化物との機械的特性の差異が最小化されるため、外部応力下におけるマトリックスの変形挙動と、Ｃｒ含有析出炭化物の変形挙動とが近いものとなり、マトリックスとＣｒ含有析出炭化物との界面でのクラック等の発生が抑制される。その結果、基材と第１皮膜層との密着性が確保される。

また、本発明に係る硬質皮膜被覆部材は、前記基材と前記第１皮膜層との間に、前記基材の窒化、浸炭または窒化浸炭によって形成された拡散層をさらに備えることを特徴とする。

前記構成によれば、基材と第１皮膜層との間に拡散層を備えることによって、基材のマトリックスとＣｒ含有析出炭化物との機械的特性の差異が最小化されるため、外部応力下におけるマトリックスの変形挙動と、Ｃｒ含有析出炭化物の変形挙動とが近いものとなり、マトリックスとＣｒ含有析出炭化物との界面で生じるクラック等がより一層抑制される。その結果、基材と第１皮膜層との密着性がより一層確保される。

本発明に係る成形用冶工具は、前記の硬質皮膜被覆部材を有することを特徴とする。
前記構成によれば、前記の硬質皮膜被覆部材を有することによって、成形用冶工具の耐摩耗性および密着性が向上する。

本発明に係る硬質皮膜被覆部材は、耐摩耗性および密着性に優れ、金型等の成形用冶工具の部材として好適に用いることができ、それらの耐久性が向上する。また、本発明に係る成形用冶工具は、耐摩耗性および密着性に優れ、金型等の成形用冶工具として好適に用いることができ、それらの耐久性が向上する。

本発明に係る硬質皮膜被覆部材（部材）の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１（ａ）〜（ｃ）は、硬質皮膜被覆部材の構成を示す断面図である。
図１（ａ）に示すように、硬質皮膜被覆部材１ａは、基材２と、基材２の表面に形成された第１皮膜層３と、第１皮膜層３の表面に形成された第２皮膜層４とを備える。
なお、図１（ａ）では、基材２の片側に第１皮膜層３および第２皮膜層４を備える構成を示したが、基材２の両側に第１皮膜層３および第２皮膜層４を備える構成であってもよい。

（基材）
基材２は、Ｃｒを含有する鉄基合金からなる。Ｃｒを含有する鉄基合金としては、ＪＩＳ規定のＳＫＤ６１、ＳＫＤ１１等の金型用鋼、または、ＳＫＨ５１等の高速度工具用鋼等が挙げられる。なお、Ｃｒ含有量としては３ｍａｓｓ％程度以上が好ましい。

本発明においては、基材２がＣｒを含有する析出炭化物（以下、Ｃｒ含有析出炭化物ともいう）を含有する場合に、特に有効である。ここで、Ｃｒ含有析出炭化物とは、Ｍ_７Ｃ_３（Ｍ：Ｆｅ、Ｃｒ）のような析出炭化物中にＣｒが炭化物の形で含まれるもののことである。このようなＣｒ含有析出炭化物を有する基材２は、そのマトリックスとＣｒ含有析出炭化物との機械的特性（硬度、ヤング率）が異なるので、外部応力下において弾塑性変形挙動が異なる。このため、基材２の表面に皮膜層を備えた場合には、Ｃｒ含有析出炭化物とマトリックスの界面でクラックが生じ、皮膜層に剥離が起きやすい。しかしながら、本発明においては、基材２に比較して硬度の高い後記するような組成を有する第１皮膜層３を備えているため、第１皮膜層３が基材２の変形を抑制する役目を果たし、外部応力の基材２への影響を最小限にとどめることができる。その結果、基材２がＣｒ含有析出炭化物を含有する場合でも、基材２そのものの変形を抑制することができるため、変形挙動の差違による第１皮膜層３への損傷を抑制することができる。ただし、基材２そのものが柔らかい場合、やはり外部応力の影響を受けることから、基材２のロックウエル硬度はＨＲＣ５０以上あることが好ましく、より好ましくはＨＲＣ５５以上である。

（第１皮膜層）
第１皮膜層３は、一般式（１）：Ｃｒ_{１−ａ−ｂ}Ｍ_ａＢ_ｂ（Ｃ_ｃＮ_１−ｃ）からなり、ＭがＷ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ａｌから選ばれる１種以上の元素であり、ａ、ｂ、ｃが原子比であるときに、
０≦ａ≦０．７
０≦ｂ≦０．１５
０≦ｃ≦０．５
０．３≦１−ａ−ｂ
を満足する。そして、第１皮膜層３の膜厚は１〜１０μｍである。

前記一般式（１）に示すように、第１皮膜層３は、必須元素としてＣｒ、Ｎを含み、選択元素としてＭ、Ｂ、Ｃを含む。また、後記する第２皮膜層４は、原子比として０．４以上のＡｌを含有し、窒化物としてのＡｌＮを原子比として０．４以上含んでいる。このＡｌＮは、鉄基合金部材への密着性に劣ることから、鉄基合金からなる基材２との密着性を改善するために、第２皮膜層４の下地層として第１皮膜層３が配置されている。

（１−ａ−ｂ）はＣｒの原子比であり、０．３以上としている。これは、Ｃｒを含有する鉄基合金からなる基材２（以下、Ｃｒ含有鉄基合金基材ともいう）との密着性を向上させるためである。Ｃｒの原子比（１−ａ−ｂ）が０．３未満であると、Ｃｒ含有鉄基合金基材２との密着性が不十分となる。Ｃｒの原子比（１−ａ−ｂ）は０．４以上とすることが好ましい。

（ａ）はＭの原子比であり、０．７以下としている。ＭはＷ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ａｌから選ばれる１種以上であって、単独添加であってもよいし、複合添加であってもよい。Ｍの添加により、第１皮膜層３が高硬度化し、第２皮膜層４と基材２の外部応力下での変形挙動の差異が抑制されて、第２皮膜層４の密着性が向上する。Ｍの原子比（ａ）（Ｍが２種以上の場合は、各元素の原子比の合計）が０．７を超えると、Ｃｒの原子比（１−ａ−ｂ）が小さくなり、０．３以上とすることができなくなる。

（ｂ）はＢの原子比であり、０．１５以下としている。Ｂの添加により、第１皮膜層３が高硬度化し、前記Ｍと同様に第２皮膜層４の密着性が向上する。Ｂの原子比（ｂ）が０．１５を超えると、第１皮膜層３の高硬度化が不十分となる。Ｂの原子比（ｂ）は０．１以下とすることが好ましい。

（ｃ）はＣの原子比であり、０．５以下としている。Ｃの添加により、第１皮膜層３が高硬度化し、前記Ｍと同様に第２皮膜層４の密着性が向上する。Ｃの原子比（ｃ）が０．５を超えると、第１皮膜層３の高硬度化が不十分となる。Ｃの原子比（ｃ）は０．３以下とすることが好ましい。

（１−ｃ）はＮの原子比であり、０．５以上としている。Ｎは第１皮膜層３の高硬度化による第２皮膜層４の密着性向上のために必須の元素である。Ｎの原子比（１−ａ）が０．５未満であると、第１皮膜層３の高硬度化が不十分となる。

第１皮膜層３は、第１皮膜層３とＣｒ含有鉄基合金基材２との密着性を確保する役割に加えて、第２皮膜層４とＣｒ含有鉄基合金基材２の中間の機械的特性（硬度、ヤング率）を有することで、第２皮膜層４とＣｒ含有鉄基合金基材２の機械的特性の差異による外部応力下での変形挙動の差異を抑制し、第２皮膜層４の密着性を確保する役割がある。このような役割を発揮させるため、第１皮膜層３の膜厚は１μｍ以上であることが必要であり、より好ましくは３μｍ以上である。ただし、前記の変形挙動抑制効果は第１皮膜層３の膜厚が１０μｍを超えると飽和するため、第１皮膜層３の膜厚は、生産の効率から１０μｍ以下とする。

（第２皮膜層）
前記第２皮膜層４は、一般式（２）：Ｎｂ_{１−ｄ−ｅ−ｆ}Ｃｒ_ｄＡｌ_ｅＬ_ｆ（Ｃ_ｇＮ_１−ｇ）からなり、ＬがＳｉ、Ｙ、Ｂから選ばれる１種以上の元素であり、ｄ、ｅ、ｆ、ｇが原子比であるときに、
０．０５≦１−ｄ−ｅ−ｆ≦０．５
０．０５≦ｄ≦０．５
０．４≦ｅ≦０．７
０≦ｆ≦０．１５
０≦ｇ≦０．５
を満足する。そして、第２皮膜層４の膜厚は２〜１０μｍである。

前記一般式（２）に示すように、第２皮膜層４は、必須元素としてＮｂ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｎを含み、選択元素としてＬ（Ｓｉ、Ｙ、Ｂの１種以上）、Ｃを含む。また、第２皮膜層４は耐摩耗性に優れる皮膜であり、成形加工時の発熱による酸化摩耗および被加工材との摺動摩耗を抑制する効果がある。

（１−ｄ−ｅ−ｆ）はＮｂの原子比であり、０．０５〜０．５としている。Ｎｂは第２皮膜層４の酸化摩耗を抑制し耐摩耗性を向上させるために必須の元素である。Ｎｂの原子比（１−ｄ−ｅ−ｆ）が０．５を越えると、相対的にＡｌ量が減少し、酸化摩耗が抑制されないため、耐摩耗性が低下する。また、０．０５未満では、相対的にＡｌ量が増加し、第２皮膜層４が軟質化して摺動摩耗が抑制されないため、耐摩耗性が低下する。さらに、好ましい範囲は０．１〜０．３である。

（ｄ）はＣｒの原子比であり、０．０５〜０．５としている。第２皮膜層４は、Ａｌ単独では第２皮膜層４の結晶構造が軟質な六方晶になるため、Ｃｒを原子比で０．０５以上添加して、第２皮膜層４を高硬度化し、摺動摩耗を抑制する必要がある。ただし、Ｃｒを過度に添加するとＡｌ量が相対的に減少して酸化摩耗が抑制されないことから、Ｃｒ添加量は、原子比（ｄ）で０．５以下とする。また、Ｃｒの原子比（ｄ）は０．１〜０．３とすることが好ましい。

（ｅ）はＡｌの原子比であり、０．４〜０．７としている。Ａｌは第２皮膜層４に耐摩耗性を付与するために必須の元素である。Ａｌ原子比（ｅ）が０．４未満であると、第２皮膜層４の酸化摩耗が抑制されず、耐摩耗性が不十分となる。また、Ａｌ量が多くなると第２皮膜層４が軟質化して摺動摩耗が抑制されず、耐摩耗性が低下することから、Ａｌの原子比（ｅ）は０．７以下とする。Ａｌの原子比（ｅ）は０．５〜０．６とすることが好ましい。

（ｆ）はＬの原子比であり、０．１５以下としている。Ｌは第２皮膜層４の酸化摩耗を抑制して耐摩耗性をさらに向上させるために添加する元素である。ＬはＳｉ、Ｙ、Ｂから選ばれる１種以上であって、単独添加であってもよいし、複合添加でもよい。Ｌを過度に添加すると第２皮膜層４の硬度が低下するため、Ｌの原子比（ｆ）（Ｌが２種以上の場合は、各元素の原子比の合計）は０．１５以下とする。Ｌの原子比（ｆ）は０．１以下とすることが好ましく、さらに、０．０５以下とすることが好ましい。また、Ｌの原子比（ｆ）は、前記効果を十分に発揮させるためには、０．０１以上が好ましい。

（ｇ）はＣの原子比であり、０．５以下としている。Ｃの添加により、第２皮膜層４が高硬度化し、摺動摩耗が抑制され、耐摩耗性が向上する。Ｃの原子比（ｃ）が０．５を超えると、第２皮膜層４の硬度化が不十分となる。Ｃの原子比（ｃ）は０．３以下とすることが好ましい。

（１−ｇ）はＮの原子比であり、０．５以上としている。Ｎは第２皮膜層４を高硬度化して耐摩耗性を向上させるために必須の元素である。Ｎの原子比（１−ｇ）が０．５未満であると、第２皮膜層４の硬度化が不十分となり、摺動摩耗が抑制されず、耐摩耗性が低下する。

第２皮膜層４の膜厚に関しては、第２皮膜層４の耐摩耗性を維持させる役割がある。したがって、第２皮膜層４の膜厚は２μｍ以上とすることが必要であり、より好ましくは３μｍ以上である。ただし、第２皮膜層４の膜厚が１０μｍ超の場合には、膜応力が過大となり、第２皮膜層４の剥離が生じやすくなることから、第２皮膜層の膜厚は１０μｍ以下とする。

次に、本発明に係る硬質皮膜被覆部材の好ましい実施形態について説明する。
前記した硬質皮膜被覆部材１ａは、以下の構成の第１皮膜層３、第２皮膜層４を備えることが好ましい。基材２については同様であるので、説明を省略する。

（第１皮膜層）
第１皮膜層３が、ＣｒＮからなる。これは、前記一般式（１）：Ｃｒ_{ｌ−ａ−ｂ}Ｍ_ａＢ_ｂ（Ｃ_ｃＮ_１−ｃ）において、Ｍの原子比（ａ）、Ｂの原子比（ｂ）およびＣの原子比（ｃ）を０とし、Ｃｒの原子比（１−ａ−ｂ）およびＮの原子比（１−ｃ）を１としたものである。このように、第１皮膜層３をＣｒＮに限定することで、基材２との高い密着性が確保される。また、第１皮膜層３の膜厚は前記と同様に１〜１０μｍである。

（第２皮膜層）
第２皮膜層４が、一般式（３）：Ｎｂ_{１−ｄ−ｅ}Ｃｒ_ｄＡｌ_ｅＮからなり、
０．１≦１−ｄ−ｅ≦０．３
０．１≦ｄ≦０．３
０．５≦ｅ≦０．６
を満足する。また、第２皮膜層４の膜厚は前記と同様に２〜１０μｍである。

一般式（３）は、前記一般式（２）：Ｎｂ_{１−ｄ−ｅ−ｆ}Ｃｒ_ｄＡｌ_ｅＬ_ｆ（Ｃ_ｇＮ_１-ｇ）において、Ｌ（Ｓｉ、Ｙ、Ｂから選ばれる１種以上）の原子比（ｆ）およびＣの原子比（ｇ）を０とし、Ｎｂの原子比（１−ｄ−ｅ−ｆ）およびＣｒの原子比（ｄ）を０．１〜０．３、Ａｌの原子比（ｅ）を０．５〜０．６、Ｎの原子比（１−ｇ）を１としたものである。このように、第２皮膜層４でのＮｂ、Ｃｒ、ＡｌおよびＮの原子比を狭い範囲に限定することで、第２皮膜層４の酸化摩耗が高水準で抑制されると共に、第２皮膜層４の軟質化（摺動摩耗）が高水準で抑制される。

前記組成（Ｎｂ_{１−ｄ−ｅ}Ｃｒ_ｄＡｌ_ｅＮ）を有する第２皮膜層４は、その結晶構造が、立方晶岩塩型構造のみからなる単相、または、立方晶岩塩型構造と六方晶型構造とが混合した複相であることが好ましい。そして、六方晶成分は立方晶成分に比較して軟質であるため、六方晶成分の含有によって、第２皮膜層４の摺動摩耗が抑制されず、耐摩耗性が低下する傾向にある。したがって、複相の場合には、結晶構造中の六方晶成分の含有量を規定することが好ましい。

なお、結晶構造中に六方晶成分が含まれる場合には、Ｘ線回折装置で測定した回析パターンにおいて、（１００）面、（００２）面、（１０１）面などに回折線が観察される。また、結晶構造中に立方晶成分が含まれる場合には、（１１１）面、（２００）面に回析線が観察される。そして、回折線のピーク強度は、結晶構造中の各成分（立方晶成分または六方晶成分）の含有量に比例する。

したがって、本発明では、結晶構造が複相の場合には、Ｘ線回析装置で測定した立方晶の（１１１）面および（２００）面のピーク強度の大きい方のピーク強度を立方晶ピーク強度（Ｉｃ）、六方晶の（１００）面、（００２）面および（１０１）面のピーク強度のうち最も大きいピーク強度を六方晶ピーク強度（Ｉｈ）とした際に、ピーク強度比（Ｉｈ／Ｉｃ）≦１を満足することが好ましい。より好ましくはピーク強度比（Ｉｈ／Ｉｃ）≦０．５である。ピーク強度比（Ｉｈ／Ｉｃ）＞１では、結晶構造中の六方晶成分が多くなり、耐摩耗性が低下するため好ましくない。第２皮膜層４は、ピーク強度比（Ｉｈ／Ｉｃ）≦１を有することによって、結晶構造中の六方晶成分と立方晶成分の割合が適正なものとなり、優れた耐摩耗性が得られる。

第２皮膜層４のピーク強度比（Ｉｈ／Ｉｃ）≦１は、例えば、第２皮膜層４の形成条件を制御することによって達成される。具体的には、カソード放電型アークイオンプレーティング蒸発法により第２皮膜層４を形成する際、図２に示すような装置（成膜装置１０）を使用し、装置（成膜装置１０）内に設置された基材２のバイアス電圧を−３０〜−２００Ｖに制御する。また、バイアス電圧は、−５０〜−１００Ｖがより好ましい。バイアス電圧が−２００Ｖを超えると、第２皮膜層４の成膜中に入射するイオンのエネルギーが大きく、基材２の温度上昇が著しくなり、成膜（堆積）よりもエッチングが優先され、第２皮膜層４の膜厚が非常に薄いものとなるため好ましくない。また、バイアス電圧が−３０Ｖを下回ると、結晶構造中の六方晶成分が多くなり好ましくない。

また、第２皮膜層４は、高融点金属で蒸発しにくい金属Ｎｂ粒子が第２皮膜層４中に取り込まれることがある。金属Ｎｂ粒子は軟質であることから、第２皮膜層４中への金属Ｎｂの含有によって、第２皮膜層４の摺動摩耗が抑制されず、耐摩耗性が低下する傾向にある。そのため、第２皮膜層４に含有される金属Ｎｂ粒子の量を規定することが好ましい。そして、金属Ｎｂ粒子の含有量は、前記した六方晶成分の含有量と同様に、Ｘ線回析装置で測定した回析パターンにおいて、（１１０）面に観察される回析線のピーク強度に比例する。

したがって、前記したように立方晶岩塩構造を含む第２皮膜層４の結晶構造が、Ｘ線回析装置で測定した立方晶の（１１１）面および（２００）面のピーク強度の大きい方のピーク強度を立方晶ピーク強度（Ｉｃ）とした際に、金属Ｎｂの（１１０）面のピーク強度（Ｉｎ）と比較して、ピーク強度比（Ｉｎ／Ｉｃ）≦１を満足することが好ましい。より好ましくはピーク強度比（Ｉｎ／Ｉｃ）≦０．５である。ピーク強度比（Ｉｎ／Ｉｃ）＞１では、第２皮膜層４中に取り込まれた金属Ｎｂ粒子の量が多くなり、耐摩耗性が低下するため好ましくない。第２皮膜層４は、ピーク強度比（Ｉｎ／Ｉｃ）≦１を有することによって、第２皮膜層４中に取り込まれる金属Ｎｂ粒子が少なくなり、表面平滑性に優れると共に、優れた耐摩耗性が得られる。

第２皮膜層４のピーク強度比（Ｉｎ／Ｉｃ）≦１は、例えば、第２皮膜層４の形成条件を制御することによって達成される。具体的には、カソード放電型アークイオンプレーティング蒸発法により図２に示すような装置（成膜装置１０）を使用して第２皮膜層４を形成する際、ターゲット（蒸発源）１２としてＮｂＣｒＡｌターゲットを使用するため、形成条件によっては、ターゲット１２から金属Ｎｂ粒子が飛散して、基材２上に形成された第２皮膜層４中に取り込まれる。そして、ターゲット１２からの金属Ｎｂ粒子の飛散は、装置（成膜装置１０）内の窒素圧に強く影響される。

本発明では、装置（成膜装置１０）内の窒素圧を２Ｐａ以上とすることで、金属Ｎｂ粒子の飛散が少なく、第２皮膜層４中への金属Ｎｂ粒子の取り込み量が少なくなり、第２皮膜層４のピーク強度（Ｉｎ／Ｉｃ）≦１が達成できることを見出した。窒素圧は２Ｐａ以上が好ましいが、より好ましくは４Ｐａ以上である。ただし、窒素圧が１０Ｐａを超えると、金属Ｎｂ粒子の第２皮膜層４中への取り込み量は減少するものの、第２皮膜層４の形成速度が低下し、第２皮膜層４の膜厚が非常に薄いものとなるため、好ましくない。また、窒素圧は、８Ｐａ以下がより好ましい。

また、前記した硬質皮膜被覆部材１ａは、以下の構成の第１皮膜層３、第２皮膜層４を備えることが好ましい。基材２については同様であるので説明を省略する。

（第１皮膜層）
第１皮膜層３が、ＣｒＮからなる。これは、前記一般式（１）：Ｃｒ_{ｌ−ａ−ｂ}Ｍ_ａＢ_ｂ（Ｃ_ｃＮ_１−ｃ）において、Ｍの原子比（ａ）、Ｂの原子比（ｂ）およびＣの原子比（ｃ）を０とし、Ｃｒの原子比（１−ａ−ｂ）およびＮの原子比（１−ｃ）を１としたものである。このように、第１皮膜層３をＣｒＮに限定することで、基材２との高い密着性が確保される。また、第１皮膜層３の膜厚は前記と同様に１〜１０μｍである。

（第２皮膜層）
第２皮膜層４が、一般式（４）：Ｎｂ_{１−ｄ−ｅ−ｆ}Ｃｒ_ｄＡｌ_ｅＳｉ_ｆＮからなり、
０．１≦１−ｄ−ｅ−ｆ≦０．３
０．１≦ｄ≦０．３
０．５≦ｅ≦０．６
０．０１≦ｆ≦０．０５
を満足する。また、第２皮膜層４の膜厚は前記と同様に２〜１０μｍである。

一般式（４）は、前記一般式（２）：Ｎｂ_{１−ｄ−ｅ−ｆ}Ｃｒ_ｄＡｌ_ｅＬ_ｆ（Ｃ_ｇＮ_１-ｇ）において、Ｃの原子比（ｇ）を０とし、Ｎｂの原子比（１−ｄ−ｅ−ｆ）、Ｃｒの原子比（ｄ）を０．１〜０．３、Ａｌの原子比（ｅ）を０．５〜０．６、ＬをＳｉに限定すると共に原子比（ｆ）を０．０１〜０．０５とし、Ｎの原子比（１−ｇ）を１としたものである。このように、第２皮膜層４でのＮｂ、Ｃｒ、Ａｌ、ＳｉおよびＮの原子比を狭い範囲に限定することで、第２皮膜層４の酸化磨耗が高水準で抑制されると共に、第２皮膜層４の軟質化（摺動摩耗）が高水準で抑制される。

次に、本発明に係る硬質皮膜被覆部材の他の実施形態について説明する。
図１（ｂ）に示すように、硬質皮膜被覆部材１ｂは、基材２の表面に形成された第１皮膜層３と第２皮膜層４との間に積層膜７を備える。

積層膜７が、第１皮膜層３と第２皮膜層４との間に備えられていることによって、第１皮膜層３と第２皮膜層４との間の密着性を高めることができ、外部応力下での第１皮膜層３および第２皮膜層４の剥離を抑制することができ、密着性が向上する。
ここで、基材２、第１皮膜層３および第２皮膜層４は、前記硬質皮膜被覆部材１ａと同様であるので説明を省略し、以下では、積層膜７について説明する。

（積層膜）
積層膜７は、第３皮膜層５と第４皮膜層６とが交互に積み重ねられて形成されたものである。そして、第３皮膜層５は、前記第１皮膜層３と同様な組成Ｃｒ_{１−ａ−ｂ}Ｍ_ａＢ_ｂ（Ｃ_ｃＮ_１−ｃ）からなり、第１皮膜層３と同一または異なる原子比を有すると共に、第１皮膜層３より薄い膜厚を有するものである。また、第４皮膜層６は、前記第２皮膜層４と同様な組成Ｎｂ_{１−ｄ−ｅ−ｆ}Ｃｒ_ｄＡｌ_ｅＬ_ｆ（Ｃ_ｇＮ_１−ｇ）からなり、第２皮膜層４と同一または異なる原子比を有すると共に、第２皮膜層6より薄い膜厚を有するものである。

積層膜７は、その積層周期が３００ｎｍ以下、より好ましくは１００ｎｍ以下である。ここで、積層周期とは、第３皮膜層５と第４皮膜層６とが各一層ずつ積み重ねられたとき積層膜７の膜厚を意味する。積層周期が３００ｎｍ超であると、第１皮膜層３と第２皮膜層４との間の密着性の向上効果が得られない。

積層膜７は、その合計膜厚が０．０５μｍ以上、より好ましくは０．２μｍ以上である。合計膜厚が０．０５μｍ未満であると、外部応力下での第１皮膜層３および第２皮膜層４の剥離を抑制することができない。ただし、合計膜厚が５μｍを超えた場合でも、第１皮膜層３と第２皮膜層４との密着性の改善効果は５μｍ以下の場合と差がないことから、生産の効率を考えると合計膜厚は５μｍ以下が好ましい。

図１（ｃ）に示すように、硬質皮膜被覆部材１ｃは、前記した硬質皮膜被覆部材１ａ、１ｂ（図１（ａ）、（ｂ）参照）の基材２と第１皮膜層３との間に拡散層８をさらに備える。そして、基材２はＣｒ含有析出炭化物を含有する。なお、基材２、第１皮膜層３、第２皮膜層４、第３皮膜層５および第４皮膜層６は前記と同様であるので説明を省略する。

（拡散層）
拡散層８は、基材２を窒化、浸炭または窒化浸炭することによって形成する。そして、拡散層８の形成によって基材２のマトリックス部分が硬化するため、基材２の表面硬度が高まる。その結果、基材２のＣｒ析出炭化物とマトリックスとの機械的特性の差違が最小化し、外部応力下における基材２の変形（第１皮膜層３の剥離）が抑制され、基材２と第１皮膜層３との密着性が向上する。また、窒化、浸炭または窒化浸炭はブラズマを利用した処理方法が好ましい。この拡散層８の深さとしては、１０μｍ以上が好ましい。また、硬質皮膜被覆部材１ｃを負荷のかかる部分に使用する場合、外部応力の影響が基材２の深部に及ぶため、拡散層８の深さは５０μｍ以上がより好ましく、さらに負荷の高い場合には１００μｍ以上が必要である。

前記した硬質皮膜被覆部材１ａ、１ｂ、１ｃにおいて、第１皮膜層３、第２皮膜層４および積層膜７（第３皮膜層５、第４皮膜層６）の形成は、アークイオンプレーティング蒸発法によって形成することが好ましいが、アンバランスド・マグネトロン・スパッタリング蒸発法で形成してもよい。また、アークイオンプレーティング蒸発法を用いた成膜装置としては、例えば、以下のような成膜装置を用いる。図２は成膜装置の概略図である。

図２に示すように、成膜装置１０は、真空排気する排気口と、成膜ガスおよび希ガスを供給するガス供給口１５とを有するチャンバー１１と、アーク式蒸発源１２に接続されたアーク電源１３と、被処理体（基材２）を支持する基板ステージ１６上の支持台１７と、この支持台１７と前記チャンバー１１との間で支持台１７を通して被処理体に負のバイアス電圧を印加するバイアス電源１４とを備えている。また、ヒータ１８、放電用直流電源１９、フィラメント加熱用交流電源２０、フィラメント２１等を備えている。本発明の実施に際しては、ガス供給口１５からチャンバー１１内へ供給するガスは、成膜成分（皮膜層の組成）に合わせて窒素（Ｎ_２）、メタン（ＣＨ_４）等の成膜ガスと、これらとアルゴン等の希ガスとの混合ガスを使用する。

次に、本発明に係る成形用冶工具について説明する。
成形用冶工具は、図示しないが、前記硬質皮膜被覆部材１ａ、１ｂ、１ｃを有するものである。成形用冶工具は、硬質皮膜被覆部材１ａ、１ｂ、１ｃを有するため、耐摩耗性および密着性に優れ、金型等の成形用冶工具として好適に用いることができ、それらの耐久性が向上する。また、金型としては、プレス金型、鍛造型などの塑性加工型、打ち抜きパンチ、トリム等のせん断型あるいはダイカスト型などを挙げることができる。

本発明の実施例および比較例を以下に説明する。なお、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で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。

［例１］
複数のアーク蒸発源を有する成膜装置（図２参照）を用いて表１〜３に示す組成の皮膜層を作製した。なお、基材としてはＳＫＤ１１基板（熱処理して硬度をＨＲＣ６０としたもの）を使用した。
表１〜３に示す基材を成膜装置のチャンバー内に導入し、チャンバー内を真空引き（１×１０^−３Ｐａ以下に排気）した後、基材を約４００℃まで加熱し、この後、Ａｒイオンを用いてスパッタクリーニングを実施した。この後、φ１００ｍｍのターゲット（蒸発源）を用い、アーク電流１５０Ａとし、全圧力４ＰａのＮ_２雰囲気あるいはＮ_２＋ＣＨ_４の混合ガス中にて成膜を実施した。基材への印加バイアスは−７０Ｖである。この成膜に際しては、先ず第１皮膜層の組成を有するターゲットを使用して基材（基板）上に第１皮膜層を形成した後、蒸発源を切り替えて第２皮膜層の組成を有するターゲットにより、第２皮膜層を第１皮膜層上に形成した。

このようにして皮膜層が形成されたサンプルについて、皮膜層の組成、硬度、密着性および摩耗深さ（耐摩耗性）を測定した。その結果を表１〜３に示す。
このとき、皮膜層の組成は、ＥＰＭＡにより測定した。皮膜層の密着性は、先端半径２００μｍＲのダイヤモンド圧子をサンプル表面に押しつけて、後記するスクラッチ試験で評価した。皮膜層の硬度については、マイクロビッカース硬度計を用いて、測定荷重０．２５Ｎ、測定時間１５秒の条件で測定した。皮膜層の摩耗深さは、後記する高温下における摺動試験で評価した。

また、第２皮膜層の酸化開始温度を、別途白金上に第２皮膜層のみ形成したサンプルを使用して、熱天秤により測定した。乾燥空気中で４℃／分の速度で昇温しながら、酸化重量増加を測定し、急激に酸化重量増加が観察された温度を酸化開始温度と定義した。

（スクラッチ試験）
・圧子：ダイヤモンド（先端半径２００μｍＲ）
・スクラッチ速度：１０ｍｍ／分
・荷重増加速度：１００Ｎ／分
・スクラッチ距離：２０ｍｍ（０〜２００Ｎ）
・評価基準（密着性評価基準）：１００Ｎ以上を合格

（高温下における摺動試験）
・装置：ベーンオンディスク型摺動試験装置
・ベーン：ＳＫＤ６１（ＨＲＣ５０）
・ディスク：ＳＫＤ１１（ＨＲＣ６０）に皮膜形成したもの
・摺動速度：０．２ｍ／秒
・荷重：５００Ｎ
・摺動距離：２０００ｍ
・試験温度：５００℃
・評価基準：摩耗深さ４μｍ以下を合格

表１〜３の結果から、皮膜層の組成および膜厚が所定範囲内である実施例（Ｎｏ．４〜１８、２０〜２６、２８、２９、３２〜３６、３９〜４２、４５〜５０、５２〜５６、５８〜６１、６３、６４、６６〜６８）は、皮膜層の組成および膜厚が所定範囲外である比較例（Ｎｏ．１〜３、１９、２７、３０、３１、３７、３８、４３、４４、５１、５７、６２、６５、６９）に比較し、密着性および摩耗深さ（耐摩耗性）が優れていた。

［例２］
複数のアーク蒸発源を有する成膜装置（図２参照）を用いて表４に示す組成の皮膜層を作製した。なお、基材としては、ＳＫＤ１１基板（熱処理して硬度をＨＲＣ６０としたもの）を用いた。
表４に示す基材を成膜装置のチャンバー内に導入し、チャンバー内を真空引き（１×１０^−３Ｐａ以下に排気）した後、基材を約４００℃まで加熱し、この後、Ａｒイオンを用いてスパッタクリーニングを実施した。この後、φ１００ｍｍのターゲット（蒸発源）を用い、アーク電流１５０Ａとし、全圧力４ＰａのＮ_２雰囲気中にて成膜を実施した。基材への印加バイアスは−７０Ｖとした。

この成膜に際しては、先ず第１皮膜層の組成を有するターゲットを使用して基材（基板）上に第１皮膜層（膜厚５μｍ）を形成した後、第１皮膜層形成用の蒸発源と第２皮膜層形成用の蒸発源を同時に放電させて、第３皮膜層と第４皮膜層とからなる積層膜を形成した。なお、図２に示す成膜装置では、２つの蒸発源の位置が離れており、基材がーつの蒸発源の前を通過する時にのみ皮膜層が形成されることから、同時に放電をさせても混合皮膜層は形成されないようになっている。この積層膜の形成の後、蒸発源を切り替えて第２皮膜層の組成を有するターゲットにより、第２皮膜層（膜厚５μｍ）を積層膜上に形成した。なお、積層膜部分の積層周期は基板の回転速度で制御し（第３皮膜層および第４皮膜層のそれぞれの膜厚は半分ずつとした）、積層膜の合計膜厚は成膜時間で制御した。その結果を表４に示す。第１皮膜層および第３皮膜層は、ＣｒＮからなるものである。第２皮膜層および第４皮膜層は、Ｎｂ_０、２Ｃｒ_０．２Ａｌ_０．６Ｎからなるものである。

このようにして皮膜層が形成されたサンプルについて、［例１］と同じ条件でスクラッチ試験および摺動試験を実施し、密着性および摩耗深さ（耐摩耗性）を測定した。その結果を表４に示す。このとき、皮膜層の組成、積層膜の組成については、［例１］の場合と同様の方法で測定した。

表４の結果から、積層膜の積層周期および合計膜厚が所定範囲内である実施例（Ｎｏ．２Ａ〜１３Ａ）は、積層周期または合計膜厚が所定範囲外である実施例（Ｎｏ．１Ａ、１４Ａ）に比較し、密着性および摩耗深さ（耐摩耗性）が向上していた。

［例３］
複数のアーク蒸発源を有する成膜装置（図２参照）を用いて表５に示す組成の皮膜層を作製した。表５に示す基材を成膜装置のチャンバー内に導入し、チャンバー内を真空引き（１×１０^−３Ｐａ以下に排気）した後、基材を約４００℃まで加熱し、この後、Ａｒイオンを用いてスパッタクリーニングを実施した。この後、φ１００ｍｍのターゲット（蒸発源）を用い、アーク電流１５０Ａとし、全圧力４ＰａのＮ_２雰囲気にて成膜を実施した。基材への印加バイアスは−７０Ｖとした。なお、基材において、ＳＫＤ１１（生）は熱処理を行わず硬度がＨＲＣ３０のもの、ＳＫＤ１１は熱処理を行い硬度をＨＲＣ６０としたものである。

この成膜に際しては、先ず第１皮膜層の組成を有するターゲットを使用して基材（基板）上に第１皮膜層を形成した後、第１皮膜層形成用の蒸発源と第２皮膜層形成用の蒸発源を同時に放電させて、第３皮膜層と第４皮膜層とからなる積層膜を形成した。この積層膜の形成の後、蒸発源を切り替えて第２皮膜層の組成を有するターゲットにより、第２皮膜層を積層膜上に形成した。なお、積層膜部分の積層周期は基板の回転速度で制御し（第３皮膜層および第４皮膜層のそれぞれの膜厚は半分ずつとした）、合計膜厚は成膜時間で制御した。その結果を表５に示す。第１皮膜層および第３皮膜層は、ＣｒＮからなるものである。第２皮膜層および第４皮膜層は、Ｎｂ_０．２Ｃｒ_０．２Ａｌ_０．６Ｎからなるものである。なお、いくつかの基材については、第１皮膜層形成前に、プラズマ窒化またはプラズマ浸炭の拡散処理を下記の条件で実施し、その後、第１皮膜層を形成した。また、第１皮膜層および積層膜を形成せずに、基材上に第２皮膜層を形成することも行った。

（プラズマ窒化処理）
・温度：５５０℃
・時間：１〜１２時間
・雰囲気：窒素＋５％Ａｒ
・圧力：１００Ｐａ
・プラズマ源：直流ＤＣプラズマ（１５００Ｖ）

（プラズマ浸炭処理）
・温度：９５０℃
・時間：１〜１２時間
・雰囲気：Ａｒ＋５％メタン
・圧力：１００Ｐａ
・プラズマ源：直流ＤＣプラズマ（１５００Ｖ）

このようにして皮膜層が形成されたサンプルについて、［例１］の場合と同様の条件でスクラッチ試験および摺動試験を実施し、密着性および摩耗深さ（耐摩耗性）を測定した。その結果を表５に示す。このとき、皮膜層の組成、積層膜の組成、基材の硬度ついては、［例１］および［例２］の場合と同様の方法で測定した。

表５の結果から、基材の硬度が所定範囲内、拡散処理を行った実施例（Ｎｏ．２Ｂ、４Ｂ、６Ｂ、１３Ｂ〜２０Ｂ）は、基材の硬度が所定範囲外である実施例（Ｎｏ．８Ｂ、１２Ｂ）、拡散処理を行わなかった実施例（Ｎｏ．１０Ｂ）に比較し、密着性および摩耗深さ（耐摩耗性）が向上していた。また、第１皮膜層および積層膜を形成しなかった比較例（Ｎｏ．１Ｂ、３Ｂ、５Ｂ、７Ｂ、９Ｂ、１１Ｂ）は、密着性および摩耗深さ（耐摩耗性）に劣っていた。

［例４］
複数のアーク蒸発源を有する成膜装置（図２）を用いて皮膜層を作製した。なお、基材としては、ＳＫＤ１１基板（熱処理して硬度をＨＲＣ６０としたもの）を使用した。
表６に示す基板を成膜装置のチャンバー内に導入し、チャンバー内を真空引き（１×１０^−３Ｐａ以下に排気）した後、基材を約４００℃まで加熱し、この後、Ａｒイオンを用いてスパッタクリーニングを実施した。この後、φ１００ｍｍのターゲット（蒸発源）を用い、アーク電流１５０Ａとし、表６に示すバイアス電圧、窒素圧条件にて種々の皮膜層を形成した。

この成腹に際しては、先ず第１皮膜層の組成を有するターゲットを使用して基材（基板）上に第１皮膜層（膜厚５μｍ）を形成した後、第１皮膜層形成用の蒸発源と第２皮膜層形成用の蒸発源を同時に放電させて、第３皮膜層と第４皮膜層とからなる積層膜を形成した。この積層膜の形成の後、蒸発源を切り替えて第２皮膜層の組成を有するターゲットにより、第２皮膜層（膜厚５μｍ）を積層膜上に形成した。なお、積層膜部分の積層周期は基板の回転速度で制御し、合計膜厚は成膜時間で制御した。第１皮膜層および第３皮膜層は、ＣｒＮからなるものである。第２皮膜層および第４皮膜層は、Ｎｂ_０．２Ｃｒ_０．２Ａｌ_０．６Ｎからなるものである。積層膜の積層周期は５０ｎｍ（第３皮膜層、第４皮膜層のそれぞれの膜厚はその半分ずつ）、合計膜厚は１μｍとした。

このように皮膜層が形成されたサンプルについて、皮膜層および積層膜の組成、皮膜層の密着性、硬度、酸化開始温度、摩耗深さを［例１］および［例２］の場合と同様にして測定した。皮膜層の結晶構造（ピーク強度比）に関しては、Ｃｕｋαを線源に用いたＸ線回折装置により、θ−２θ法で六方晶、立方晶および金属Ｎｂに属する回折線のピーク強度を測定し、ピーク強度比（六方晶／立方晶、金属Ｎｂ／立方晶）を算出した。その結果を表６に示す。

表６の結果から、第２皮膜層のピーク強度比（バイアス電圧、窒素圧）が所定範囲内である実施例（Ｎｏ．４Ｃ〜８Ｃ、１１Ｃ〜１４Ｃ、１６Ｃ）は、ピーク強度比（バイアス電圧、窒素圧）が所定範囲外である実施例（Ｎｏ．１Ｃ〜３Ｃ、１０Ｃ）に比較し、密着性および摩耗深さ（耐摩耗性）が向上していた。

なお、表６の比較例（Ｎｏ．９Ｃ、１５Ｃ）については、バイアス電圧が高く、堆積よりもエッチングが優先されるため、あるいは、窒素圧が非常に高く成膜速度が遅いため、同じ時開成膜を行っても非常に薄い皮膜層しか形成できなかった（第１皮膜層および第２皮膜層の膜厚が所定範囲外となった）。

（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る硬質皮膜被覆部材の構成を示す断面図である。 成膜装置の概略図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ、１ｃ 硬質皮膜被覆部材（部材）
２ 基材
３ 第１皮膜層
４ 第２皮膜層
５ 第３皮膜層
６ 第４皮膜層
７ 積層膜
８ 拡散層

Claims (11)

1. Ｃｒを含有する鉄基合金からなる基材と、前記基材の表面に膜厚１〜１０μｍで形成された第１皮膜層と、前記第１皮膜層の表面に膜厚２〜１０μｍで形成された第２皮膜層とを備え、
   前記第１皮膜層が、Ｃｒ_{１−ａ−ｂ}Ｍ_ａＢ_ｂ（Ｃ_ｃＮ_１−ｃ）からなり、ＭがＷ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ａｌから選ばれる１種以上の元素であり、ａ、ｂ、ｃが原子比であるときに、
   ０≦ａ≦０．７
   ０≦ｂ≦０．１５
   ０≦ｃ≦０．５
   ０．３≦１−ａ−ｂ
   を満足し、
   前記第２皮膜層が、Ｎｂ_{１−ｄ−ｅ−ｆ}Ｃｒ_ｄＡｌ_ｅＬ_ｆ（Ｃ_ｇＮ_１−ｇ）からなり、ＬがＳｉ、Ｙ、Ｂから選ばれる１種以上の元素であり、ｄ、ｅ、ｆ、ｇが原子比であるときに、
   ０．０５≦１−ｄ−ｅ−ｆ≦０．５
   ０．０５≦ｄ≦０．５
   ０．４≦ｅ≦０．７
   ０≦ｆ≦０．１５
   ０≦ｇ≦０．５
   を満足することを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
2. 前記第１皮膜層が、Ｃｒ_{１−ａ−ｂ}Ｍ_ａＢ_ｂ（Ｃ_ｃＮ_１−ｃ）においてａ＝０、ｂ＝０、ｃ＝０としたＣｒＮからなり、
   前記第２皮膜層が、Ｎｂ_{１−ｄ−ｅ−ｆ}Ｃｒ_ｄＡｌ_ｅＬ_ｆ（Ｃ_ｇＮ_１−ｇ）においてｆ＝０、ｇ＝０としたＮｂ_{１−ｄ−ｅ}Ｃｒ_ｄＡｌ_ｅＮからなり、
   ０．１≦１−ｄ−ｅ≦０．３
   ０．１≦ｄ≦０．３
   ０．５≦ｅ≦０．６
   を満足することを特徴とする請求項１記載の硬質皮膜被覆部材。
3. 前記第２皮膜層の結晶構造が、立方晶岩塩型構造のみからなる単相、または、立方晶岩塩型構造と六方晶型構造とが混合した複相であって、
   前記複相の場合には、Ｘ線回析装置で測定した立方晶の（１１１）面および（２００）面のピーク強度の大きい方のピーク強度を立方晶ピーク強度（Ｉｃ）、六方晶の（１００）面、（００２）面および（１０１）面のピーク強度のうち最も大きいピーク強度を六方晶ピーク強度（Ｉｈ）とした際に、ピーク強度比（Ｉｈ／Ｉｃ）≦１を満足することを特徴とする請求項２に記載の硬質皮膜被覆部材。
4. 前記第２皮膜層の結晶構造が立方晶岩塩型構造を含み、Ｘ線回析装置で測定した立方晶の（１１１）面および（２００）面のピーク強度の大きい方のピーク強度を立方晶ピーク強度（Ｉｃ）とした際に、金属Ｎｂの（１１０）面のピーク強度（Ｉｎ）と比較して、ピーク強度比（Ｉｎ／Ｉｃ）≦１を満足することを特徴とする請求項２に記載の硬質皮膜被覆部材。
5. 前記第２皮膜層が、カソード放電型アークイオンプレーティング蒸発法により形成され、前記第２皮膜層を形成する際、前記カソード放電型アークイオンプレーティング蒸発法に使用される装置内に設置された前記基板のバイアス電圧が−３０〜−２００Ｖであることを特徴とする請求項２に記載の硬質皮膜被覆部材。
6. 前記第２皮膜層が、カソード放電型アークイオンプレーティング蒸発法により形成され、前記第２皮膜層を形成する際、前記カソード放電型アークイオンプレーティング蒸発法に使用される装置内の窒素圧が２〜１０Ｐａであることを特徴とする請求項２に記載の硬質皮膜被覆部材。
7. 前記第１皮膜層が、Ｃｒ_{１−ａ−ｂ}Ｍ_ａＢ_ｂ（Ｃ_ｃＮ_１−ｃ）においてａ＝０、ｂ＝０、ｃ＝０としたＣｒＮからなり、
   前記第２皮膜層が、Ｎｂ_{１−ｄ−ｅ−ｆ}Ｃｒ_ｄＡｌ_ｅＬ_ｆ（Ｃ_ｇＮ_１−ｇ）においてｇ＝０、ＬをＳｉとしたＮｂ_{１−ｄ−ｅ−ｆ}Ｃｒ_ｄＡｌ_ｅＳｉ_ｆＮからなり、
   ０．１≦１−ｄ−ｅ−ｆ≦０．３
   ０．１≦ｄ≦０．３
   ０．５≦ｅ≦０．６
   ０．０１≦ｆ≦０．０５
   を満足することを特徴とする請求項１に記載の硬質皮膜被覆部材。
8. 前記第１皮膜層と前記第２皮膜層との間に、第３皮膜層と第４皮膜層とが交互に積み重ねられて形成された積層膜をさらに備え、
   前記第３皮膜層が、Ｃｒ_{１−ａ−ｂ}Ｍ_ａＢ_ｂ（Ｃ_ｃＮ_１−ｃ）からなり、前記第３皮膜層の膜厚が前記第１皮膜層の膜厚より薄く、
   前記第４皮膜層が、Ｎｂ_{１−ｄ−ｅ−ｆ}Ｃｒ_ｄＡｌ_ｅＬ_ｆ（Ｃ_ｇＮ_１−ｇ）からなり、前記第４皮膜層の膜厚が前記第２皮膜層の膜厚より薄く、
   前記積層膜の積層周期が３００ｎｍ以下、前記積層膜の合計膜厚が０．０５μｍ以上であることを特徴とする請求項１から請求項７のうちのいずれか一項に記載の硬質皮膜被覆部材。
9. 前記基材がＣｒ含有析出炭化物を含有し、前記基材のロックウエル硬度がＨＲＣ５０以上であることを特徴とする請求項１から請求項８のうちのいずれか一項に記載の硬質皮膜被覆部材。
10. 前記基材と前記第１皮膜層との間に、前記基材の窒化、浸炭または窒化浸炭によって形成された拡散層をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の硬質皮膜被覆部材。
11. 請求項１から請求項１０のうちのいずれか一項に記載の硬質皮膜被覆部材を有することを特徴とする成形用冶工具。

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