本発明者らは、前述の目的を達成すべく� ��鋭意研究を行った。その結果、金属元素と� ��てNbを必須元素とし、非金属元素ではCを必� ��としたNb炭化物ベースの化合物からなる皮� �が、耐摩耗性に優れると共に摩擦係数が低� �摺動性に優れ、高面圧下における摺動特性� �優れることを見出した。

 ここで、NbCは極めて高硬度であり、耐摩� ��性を維持するのに必要であることから、金� ��元素(Nb,M)中におけるNbの割合(原子比x)は0.2� �上であることが必要であり、0.5以上である� �とが好ましく、0.8以上であることが更に好� �しい。Nb以外の金属元素(M)については、上記 耐摩耗性を損なわない範囲で、4a、5a、6a族の 元素およびSi、Alのうち、1種以上の元素を添� ��することができる。Nb(CN)化合物は耐酸化性� ��高くない(使用上限温度:500℃程度)ことから� ��高温での耐酸化性を改善するためにTi、Al、 CrあるいはSi等の元素を0.8以下の範囲の割合� �添加することができる。また、低温側での� �動特性を改善するためには、V等の低融点の� ��化物を形成する元素の添加が有効である。

 非金属元素(B,C,N)に関しては、上記皮膜を 構成する化合物は基本的に摺動特性に優れる 炭化物をベースとしていることから、非金属 元素(B,C,N)中におけるCの割合(原子比b)は0.5以� ��である必要があり、0.7以上であると好まし� ��、0.8以上であると更に好ましい。BおよびN� �添加することにより皮膜中に高温での摺動� �に優れるBN化合物や金属元素と窒素の化合物 を形成することができるが、過度の添加は皮 膜硬度を低下させることから、Bの割合(原子� ��a)は0.3以下である必要があり、0.1以下であ� �と好ましく、Nの割合(原子比:1-a-b)は0.5以下� �ある必要があり、0.3以下であると好ましく� �0.2以下であると更に好ましい。

 非金属元素(B,C,N)と金属元素〔Nb,M(4a、5a、 6a族の元素およびSi、Alから選択した1種以上� �元素)〕の割合は量論組成に近い1:1が基本と� ��るが、炭化物の場合、非金属元素の割合(1-y )が0.4~0.9(即ち、0.4≦1-y≦0.9)の範囲にある場� �に優れた摺動特性を示すことが判明した。� �た、非金属元素の割合(1-y)が0.5を超える場合 に、摺動時の摩擦係数をより低減させること が可能であることが分かった。詳しいメカニ ズムは必ずしも明らかではないが、非金属元 素の割合が0.5を超える場合、その超えた部分 は金属元素と結合しないCで構成されており� �このC部分が潤滑性を高めていると推定され� ��。このように摺動時の摩擦係数をより低減� ��せるには、非金属元素の割合(1-y)が0.5超で� �ることが望ましく、さらに0.7以上であるこ� �が望ましく、0.8以上であることが更に望ま� �い。ただし、金属と結合しないC成分を有す� ��被膜は耐熱性が高くないことから、使用温� ��によってはC成分を調整する必要がある。な お、上記のような非金属元素の割合が0.5を超 える化合物は、炭化水素ガスのイオン化を促 進する成膜方法で形成可能である。このよう な成膜方法は、後述する炭化水素ガスを含有 する雰囲気ガス中でのカソード放電型アーク イオンプレーティング法による硬質皮膜の形 成方法である。

 本発明は、かかる知見に基づき完成された� ��のである。このようにして完成された本発� ��に係る硬質皮膜は、(Nb _x M _1-x ) _y  (B _a C _b N _1-a-b ) _1-y からなる硬質皮膜であって下記式(1)~(5)を満� �すことを特徴とする硬質皮膜である〔第1発� ��〕。本発明に係る硬質皮膜は、従来の表面� ��覆層よりも耐摩耗性に優れると共に摩擦係� ��が低くて摺動性に優れ、従って、金型や冶� ��具等の硬質皮膜として好適に用いることが� ��き、それらの耐久性の向上がはかれる。ま� ��、本発明に係る硬質皮膜は、高面圧下にお� ��る摺動特性にも優れているので、冷間塑性� ��工用金型の硬質皮膜としても好適に用いる� ��とができ、その耐久性の向上がはかれる。

     0.2≦x≦1.0 -------------------式(1)
     0≦a≦0.3 -----------------------式(2)
     0≦1-a-b≦0.5 ---------------式(3)
     0.5≦b≦1 -----------------------式(4)
     0.4≦1-y≦0.9 ---------------式(5)
但し、上記(Nb _x M _1-x ) _y  (B _a  C _b N _1-a-b ) _1-y において、Mは4a、5a、6a族の元素およびSi、Al� ��うち1種以上の元素である。上記式(1)~(5)に� �いて、xはNbの原子比、1-xはMの原子比、aはB� �原子比、bはCの原子比、1-a-bはNの原子比を示 し、yは(Nb _x M _1-x )の比、1-yは(B _a C _b N _1-a-b )の比を示す。

 なお、1-y(B _a C _b N _1-a-b の比、即ち、非金属元素の割合)が0.5超の場� �、摺動時の摩擦係数が低くなるが、高温で� �安定性が低くなる。このため、高温となる� �合には、1-yは0.5近傍(0.4~0.5)とするのがよく� �比較的低温での使用の場合には、1-yは0.5超� �するのがよい。このように用途によって1-y� �値を選択するとよい。1-yが0.5超の皮膜は、� �えば、下記方法により形成することができ� �。即ち、磁場印加機構を備えたアーク蒸発� �で、ターゲット表面での磁場強度が100ガウ� �(Gauss)以上であり、かつ、磁力線の向きがタ� ��ゲット表面にほぼ直行するものを使用して� ��炭化水素ガス分圧を1.33Pa以上として形成す� ��。

 本発明に係る硬質皮膜において、xが1の� �合、即ち、金属元素がNbのみである場合、低 温(おおむねの目安は使用温度300℃以下)での� ��動特性に最も優れる皮膜が得られる〔第2発 明〕。

 また、本発明に係る硬質皮膜は、膜厚方� ��にyが異なる構造とすることができる〔第3� �明〕。例えば、基材側から膜表面側に向か� �てyが小さく(即ち、1-yが大きく)なるような� �造とすることができる。この場合、基材側� �ら膜表面側に向かって傾斜的に金属成分が� �少し、非金属成分(具体的にはC)が増大し、� �摩耗性と摺動性の面からみて、より好適な� �造が得られる。

 本発明に係る硬質皮膜を2層以上積層して 多層構造とし、隣接する前記硬質皮膜の前記 yが互いに異なる構造とすることができる〔� �4発明〕。例えば、基材側ではyが大きい(1-y� �小さい)本発明に係る硬質皮膜を形成し、膜� ��面側ではyが小さい(1-yが大きい)本発明に係� ��硬質皮膜を形成した構造が可能である。こ� ��場合、基材側から膜表面側に向かって段階� ��(階段状)に金属成分が減少し、非金属成分(� ��体的にはC)が増大し、耐摩耗性と摺動性の� �からみて、より好適な構造が得られる。

 本発明に係る硬質皮膜被覆材の一つは、� ��材の表面に本発明に係る硬質皮膜が形成さ� ��ていることを特徴とする硬質皮膜被覆材で� ��る〔第5発明〕。この硬質皮膜被覆材は、耐 摩耗性に優れると共に摩擦係数が低く摺動性 に優れるため、金型材や冶工具材として好適 に用いることができ、それらの耐久性の向上 がはかれる。また、高面圧下における摺動特 性にも優れているので、冷間塑性加工用金型 の硬質皮膜としても好適に用いることができ 、その耐久性の向上がはかれる。

 また、本発明に係る硬質皮膜被覆材の一� ��は、鉄基合金よりなる基材の表面に4a、5a、 6a族の元素およびSi、Alのうち1種以上の元素� �窒化物よりなる皮膜層が形成され、その上� �本発明に係る硬質皮膜が形成されているこ� �を特徴とする硬質皮膜被覆材である〔第6発� ��〕。この硬質皮膜被覆材は、鉄基合金と硬� ��皮膜との間に形成された皮膜層(以下、下地 膜ともいう)により、硬質皮膜の密着性が向� �し、より密着性に優れて耐久性に優れてい� �。この下地膜は硬質皮膜の密着性を向上さ� �る効果があるが、中でもCrNよりなるものや� �TiAlNよりなるものが密着性向上の効果が大き いので、これらを用いることが望ましい。下 地膜の厚みは、密着性を向上させるためには 0.1μm以上が必要であり、1μm以上であること� �好ましいが、10μmを超えて形成しても密着性 向上の効果が少ないため、10μmを上限とする� ��がよい。

 本発明に係る冷間塑性加工用金型は、本� ��明に係る硬質皮膜被覆材を用いた冷間塑性� ��工用金型である〔第7発明〕。本発明に係る 冷間塑性加工用金型は、耐摩耗性に優れると 共に摩擦係数が低く摺動性に優れ、高面圧下 における摺動特性にも優れているので、耐久 性に優れている。

 本発明に係る硬質皮膜の形成方法は、本� ��明に係る硬質皮膜をカソード放電型アーク� ��オンプレーティング装置を用いて炭化水素� ��スを含有する雰囲気ガス中にて形成する硬� ��皮膜の形成方法であって、前記雰囲気ガス� ��の炭化水素ガス分圧を0.8Pa超4Pa以下とする� �とを特徴とする〔第8発明〕。この方法によ� ��ば、本発明に係る硬質皮膜を、表面が平滑� ��状態で形成することができる。

 即ち、上記のようにカソード放電型アー� ��イオンプレーティング装置を用いて成膜(即 ち、カソード放電型アークイオンプレーティ ング法により成膜)すると、Nbのような高融点 金属であっても、アーク放電による溶解蒸発 を利用して、高速での成膜が可能である。メ タンガス等の炭化水素ガスを含有する雰囲気 ガス中にて成膜すると、炭化水素ガスがイオ ン化し、炭化物を含有する皮膜を形成するこ とができる。ここで、この雰囲気ガスの調整 (窒素量を少なくするか、または全くなくす)� ��、蒸発源の調整(蒸発源にBが含有されない� �うにする)とを行うことによって、本発明に� ��る硬質皮膜を形成することができる。この� ��き、雰囲気ガス中の炭化水素ガス分圧が0.8P a超であると、本発明に係る硬質皮膜を形成� �ることができる。雰囲気ガス中の炭化水素� �ス分圧が4Pa以下であると、表面が平滑な膜� �形成される。従って、本発明に係る硬質皮� �の形成方法によれば、本発明に係る硬質皮� �を、表面が平滑な状態で、高速で形成する� �とができる。本発明に係る硬質皮膜の形成� �法により形成された硬質皮膜は、本発明に� �る硬質皮膜の中でも、摩擦係数が低く摺動� �に優れている。

 以上のことからわかるように、本発明に� ��る硬質皮膜を形成する際には、カソード放� ��型アークイオンプレーティング装置を用い� ��炭化水素ガスを含有する雰囲気ガス(炭化水 素ガス分圧:0.8Pa超4Pa以下)中にて、カソード� �電型アークイオンプレーティング法により� �成膜するとよい。

 上記のように、雰囲気ガス中の炭化水素� ��ス分圧が0.8Pa超であると、本発明に係る硬� �皮膜を形成することができる。この硬質皮� �は、硬度が高くて耐摩耗性に優れると共に� �摩擦係数が低く摺動性に優れている。これ� �対し、雰囲気ガス中の炭化水素ガス分圧が0. 8Pa以下であると、形成される皮膜中のCの原� �比bが低くなり、このため、硬度が低くなっ� ��耐摩耗性が低下すると共に摩擦係数が高く� ��って摺動性が低下する。雰囲気ガス中の炭� ��水素ガス分圧が0.8Pa超でないと、硬度が高� �耐摩耗性に優れると共に、摩擦係数が低く� �動性に優れる硬質皮膜は形成されない。こ� �点から、本発明に係る硬質皮膜の形成方法� �おいて、雰囲気ガス中の炭化水素ガス分圧� �0.8Pa超である。より一層、耐摩耗性に優れる と共に摩擦係数が低く摺動性に優れる硬質皮 膜を形成するという点からは、雰囲気ガス中 の炭化水素ガス分圧は1Pa以上であることが望 ましく、2Pa以上であることがさらに望ましい 。しかし、雰囲気ガス中の炭化水素ガス分圧 を増加させた場合、膜にマクロパーティクル と呼ばれるアークイオンプレーティング特有 の溶融したターゲットからのパーティクルが 多く発生し、表面の平滑性を損なう。炭化水 素ガス分圧が4Paを超えると、その傾向が顕著 になり、ひいては、硬質皮膜の耐摩耗性が低 下すると共に摩擦係数が低下して摺動性が低 下する。この点から、本発明に係る硬質皮膜 の形成方法において、雰囲気ガス中の炭化水 素ガス分圧の上限値は4Paである。この点から は、炭化水素ガス分圧は2Pa以下であることが 望ましい。

 本発明に係る硬質皮膜の形成方法におい� ��、炭化水素ガスとしてはカソード放電型ア� ��クイオンプレーティング法によりイオン化� ��るものであればよいので、その種類は特に� ��限定されず、種々のものを用いることがで� ��る。例えば、メタンガス、アセチレンガス� ��トルエンガスの1種以上を用いることができ る〔第9発明〕。

 炭化水素ガスを含有する雰囲気ガスとし� ��は、炭化水素ガスのみを含有するものと、� ��化水素ガスとその他のガス(不活性ガス等)� �の混合状態のものとがある。いずれも、炭� �水素ガス分圧が0.8Pa超4Pa以下であれば、用い ることができる。

 本発明に係る硬質皮膜の形成方法におい� ��、x(Nbの原子比)=1である硬質皮膜、つまり、 Nb炭化物主体の皮膜を形成する際には、ター� ��ット(蒸発源)としてNbを用いればよい。本発 明に係る硬質皮膜の形成方法ではカソード放 電型アークイオンプレーティング装置を用い るので、Nbのような高融点金属であっても、� ��ーク放電による溶解蒸発を利用して、高速� ��の成膜が可能である。