(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化珪素焼結体、及び酸化アルミニウムと炭化チタンとの焼結体から選ばれた１種類からなる基材と、この基材上の少なくとも刃先を被覆する非晶質カーボン膜とを具える非晶質カーボン被覆工具であって、
前記非晶質カーボン膜は物理的蒸着法により形成され、
この非晶質カーボン膜中における水素量が5原子％以下であり、
この非晶質カーボン膜の刃先における最大厚みが0.05μm以上0.5μm以下で、
前記非晶質カーボン膜表面に存在するマクロパーティクルの密度が3×105個/mm2以下であることを特徴とする非晶質カーボン被覆工具。
【請求項２】
立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化珪素焼結体、及び酸化アルミニウムと炭化チタンとの焼結体から選ばれた１種類からなる基材と、この基材上の少なくとも刃先を被覆する非晶質カーボン膜とを具える非晶質カーボン被覆工具であって、
前記非晶質カーボン膜はグラファイトを原料とした実質的に水素を含まない雰囲気下の物理的蒸着法により形成され、
この非晶質カーボン膜の刃先における最大厚みが0.05μm以上0.5μm以下で、
前記非晶質カーボン膜表面に存在するマクロパーティクルの密度が3×105個/mm2以下であることを特徴とする非晶質カーボン被覆工具。
【請求項３】
前記非晶質カーボン膜は実質的に炭素のみから形成されたことを特徴とする請求項1または2に記載の非晶質カーボン被覆工具。
【請求項４】
前記非晶質カーボン膜の切削に関与する刃先部での最大厚みが0.05μm以上0.25μm以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の非晶質カーボン被覆工具。
【請求項５】
前記非晶質カーボン膜の表面粗さRaが0.002μm以上0.05μm以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の非晶質カーボン被覆工具。
【請求項６】
前記非晶質カーボン膜の表面粗さRyが0.02μm以上0.5μm以下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の非晶質カーボン被覆工具。
【請求項７】
前記非晶質カーボン膜のヌープ硬度が20GPa以上50GPa以下であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の非晶質カーボン被覆工具。
【請求項８】
514.5nmの波長を持つアルゴンイオンレーザーを用いたラマン分光分析により得られるラマンスペクトルにおいて、波数400cm−1以上1000cm−1以下にピークを有することを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の非晶質カーボン被覆工具。
【請求項９】
波数400cm−1以上1000cm−1以下に存在するピークの強度(I700)と1340cm−1付近に存在するピークの強度(I1340)との強度比(I700/I1340)が0.02以上2.5以下であることを特徴とする請求項8に記載の非晶質カーボン被覆工具。
【請求項１０】
波数400cm−1以上1000cm−１以下に存在するピークの積分強度(S700)と1340cm−1付近に存在するピークの積分強度(S1340)との強度比(S700/S1340)が0.01以上2.5以下であることを特徴とする請求項8〜9のいずれかに記載の非晶質カーボン被覆工具。
【請求項１１】
1560cm−1付近に存在するピークの強度(I1560)と1340cm−1付近に存在するピークの強度(I1340)との強度比(I1340/I1560)が0.1以上1.2以下であることを特徴とする請求項8〜10のいずれかに記載の非晶質カーボン被覆工具。
【請求項１２】
1560cm−1付近に存在するピークの積分強度(S1560)と1340cm−1付近に存在するピークの積分強度(S1340)との強度比(S1340/S1560)が0.3以上3以下であることを特徴とする請求項8〜11のいずれかに記載の非晶質カーボン被覆工具。
【請求項１３】
1560cm−1付近に存在するピークが1560cm−1以上1580cm−1以下に存在することを特徴とする請求項8〜12のいずれかに記載の非晶質カーボン被覆工具。
【請求項１４】
前記非晶質カーボン膜が可視光域において透明で、干渉色を示すことを特徴とする請求項1〜13のいずれかに記載の非晶質力一ボン被覆工具。
【請求項１５】
前記非晶質カーボン膜が赤紫、紫、青紫、青、銀、黄、赤、緑の中から選ばれた1つ以上の干渉色を示すことを特徴とする請求項14に記載の非晶質カーボン被覆工具。
【請求項１６】
前記基材と非晶質カーボン膜との間に界面層を具え、
この界面層は、周期律表IVa、Va、VIa、IIIb族元素およびC以外のIVb族元素の元素よりなる群から選択される少なくとも1種以上の元素、またはこれら元素群から選択される少なくとも1種以上の元素の炭化物からなり、
界面層の厚さが0.5nm以上10nm未満であることを特徴とする請求項1〜15のいずれかに記載の非晶質カーボン被覆工具。
【請求項１７】
前記界面層がTi、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、WおよびSiよりなる元素群から選ばれた少なくとも1種以上の元素、またはこの元素群から選ばれた少なくとも1種以上の元素の炭化物であることを特徴とする請求項16に記載の非晶質カーボン被覆工具。
【請求項１８】
前記界面層と非晶質カーボン膜との間に、各被膜の組成が混合した混合組成層または組成が連続的に変化した傾斜組成層が介在することを特徴とする請求項16または17に記載の非晶質カーボン工具。
【請求項１９】
前記非晶質カーボン工具は、軟質金属材料、非鉄金属材料、有機材料、硬質粒子を含有する材料、プリント回路基板、または鉄系材料と軟質金属材料との共削り加工をするための工具であることを特徴とする請求項1〜18のいずれかに記載の非晶質カーボン被覆工具。
【請求項２０】
前記非晶質カーボン工具は、ドリル、マイクロドリル、エンドミル、エンドミル加工用刃先交換型チップ、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯きり工具、リーマおよびタップからなる群より選択される1種であることを特徴とする請求項1〜19のいずれかに記載の非晶質カーボン被覆工具。
【請求項２１】
立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化珪素焼結体、及び酸化アルミニウムと炭化チタンとの焼結体から選ばれた１種類からなる基材を真空容器内に保持する工程と、
前記基材にゼロまたは負の直流バイアスを印加すると共に、実質的に水素を含まない雰囲気下で原料となるグラファイトを蒸発させて非晶質カーボン膜を形成する工程とを具え、
刃先における非晶質カーボン膜の最大厚みを0.05〜0.5μmにし、同カーボン膜表面に存在するマクロパーティクルの密度が3×105個/mm2以下に制御することを特徴とする非晶質カーボン被覆工具の製造方法。
【請求項２２】
前記非晶質カーボン膜を形成する工程は、陰極アークイオンプレーティングにより行われることを特徴とする請求項21に記載の非晶質カーボン被覆工具の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、転削工具(ドリル、エンドミル、リーマなど)、フライス工具や旋削工具に使用される刃先交換型切削チップ、切断工具(カッター、ナイフ、スリッターなど)の表面に耐摩耗性および耐溶着性を有する非晶質カーボン膜を形成した工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、切削工具や耐摩耗工具などは、耐摩耗性および表面保護機能の改善のため、基材の表面に硬質被覆層を形成している。基材としては、WC基超硬合金、サーメット、高速度鋼などが知られている。硬質被覆層としては、PVD(Physical  vapor  deposition)法やCVD(Chemical  vapor  deposition)法によりTi（チタン）、Hf（ハフニウム）、Zr（ジルコニウム）の炭化物、窒化物、炭窒化物あるいはAlの酸化物の単層または複数層が知られている。
【０００３】
しかし、最近の切削工具の動向として、加工能率を一層向上させるため切削速度が高速になってきていることなどから、工具の刃先温度はますます高温になる傾向にあり、工具材料に要求される特性は厳しくなる一方である。従って、工具材料の要求特性として、高温での被膜の安定性(耐酸化特性や被膜の密着性)はもちろんのこと、切削工具寿命に関係する耐摩耗性、すなわち被膜硬度の向上が重要となっている。
【０００４】
特に、高温硬度と高温強度とを必要とする分野では、立方晶型窒化硼素(cBN)焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化珪素焼結体、酸化アルミニウム−炭化チタン焼結体のいずれかを基材とする工具が用いられている。また、この基材の表面に上記の硬質被覆層が形成された工具も提案されている。
【０００５】
例えば、特開平7-18415号公報には、cBN基セラミック製切削工具の表面にTiC、TiN、TiCN、TiCO、TiCNO、およびAl2O3のうち1種の単層または2種以上の複数層からなる硬質被覆層を平均層厚5〜20μmに形成した工具が提案されている。また、特開平8-119774号公報には、cBN焼結体またはダイヤモンド焼結体からなる基材上にC、N、Oの少なくとも1種の元素と、Ti、Alを主成分とした少なくとも1層の硬質耐熱被膜を少なくとも切削に関与する箇所に有する工具が提案されている。
【０００６】
また、アルミ合金などの軟金属や、チタン、マグネシウム、銅といった非鉄金属、有機材料、グラファイトなど硬質粒子を含有する材料、プリント回路基板加工や鉄系材料とアルミ共削り加工など近年被削材の材種は多技にわたっている。ここで、共削り加工とは鉄系材料とアルミ合金が一体になったものを同時に切削することをいう。上記のような材料を切削する場合、切削工具の切れ刃部分に被削材が凝着して切削抵抗が大きくなったり、場合によっては刃先が欠損するといった問題もある。これら特定被削材では、他の被削材に比べ工具摩耗が一層激しくなる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このようなアルミニウムおよびその合金などの軟金属やチタン、マグネシウム、銅といった非鉄金属の場合、グラファイトなど硬質粒子を含有する材料、有機材料、プリント回路基板加工や鉄系材料とアルミの共削り加工といった特定用途では、従来、ダイヤモンド工具が用いられてきた。基材にダイヤモンド膜を形成した工具では、そのダイヤモンド膜が多結晶構造のため表面の凹凸が大きくなる。従って、精密加工工具として使用するためには表面を研磨する必要がある。
【０００８】
しかし、ダイヤモンド膜は現存する材料で一番硬い材料であるため、その研磨に対しては高価なダイヤモンドを用いるよりほかなく、非常なコストアップ要因となっていた。
【０００９】
さらに、TiNなど、PVDコーティングで得られるセラミックス被膜は、通常2〜3μmの厚さである。一方、ダイヤモンド膜の場合には、結晶成長速度が結晶方位によって大幅に異なるので、平滑な研磨面を得るためには、あらかじめ20〜30μmといった厚膜が必要である。その上、ダイヤモンド成長時に同時成長するグラファイトをエッチング除去しながら成膜するので通常のセラミックス被膜のコーティング時の1/10以下といった非常に低い成膜速度となり、コーティングを含めた製造コストが非常に高くなるという問題があった。
【００１０】
また、ダイヤモンド焼結体、cBN焼結体、窒化珪素焼結体、酸化アルミニウム−炭化チタン焼結体を基材にロー付けする工具では、複雑形状の工具や径が数ミリの小径工具を製作することが困難であるとの問題があった。さらに、切削工具とした場合、靭性が低いため刃先が欠けやすく突発的に低寿命になる場合があるなどの問題があった。
【００１１】
従って、本発明の主目的は、軟金属、非鉄金属、有機材料、硬質粒子を含有する材料、プリント回路基板、鉄系材料と軟質金属材料との共削り加工などの切削加工用の非晶質カーボン被覆工具を提供することにある。また、本発明の他の目的は、前記非晶質カーボン被覆工具の製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基材の組成や非晶質カーボン膜の厚さを特定することで上記の目的を達成する。
【００１３】
すなわち、本発明非晶質カーボン被覆工具は、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化珪素焼結体、及び酸化アルミニウムと炭化チタンとの焼結体から選ばれた１種類からなる基材と、この基材上の少なくとも刃先を被覆する非晶質カーボン膜とを具える非晶質カーボン被膜工具であって、この非晶質カーボン膜中における水素量が5原子％以下であり、この非晶質カーボン膜の刃先における最大厚みが0.05μm以上0.5μm以下であることを特徴とする。
また、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化珪素焼結体、及び酸化アルミニウムと炭化チタンとの焼結体から選ばれた１種類からなる基材と、この基材上の少なくとも刃先を被覆する非晶質カーボン膜とを具える非晶質カーボン被膜工具であって、前記非晶質カーボン膜はグラファイトを原料とした実質的に水素を含まない雰囲気下の物理的蒸着法により形成され、該非晶質カーボン膜の刃先における最大厚みが0.05μm以上0.5μm以下であることを特徴とする。
【００１４】
本発明非晶質カーボン被覆工具の製造方法は、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化珪素焼結体、及び酸化アルミニウムと炭化チタンとの焼結体から選ばれた１種類からなる基材を真空容器内に保持する工程と、基材にゼロまたは負の直流バイアスを印加すると共に、原料となるグラファイトを蒸発させて非晶質カーボン膜を形成する工程とを具え、刃先における非晶質カーボン膜の最大厚みを0.05〜0.5μmに制御することを特徴とする。
【００１５】
以下に本発明の構成要件を詳しく説明する。
【００１６】
(焼結体基材)
＜ダイヤモンド焼結体基材＞
ダイヤモンド焼結体は、ダイヤモンドを40体積％以上含むものが好ましい。より好ましくは、以下の組成の焼結体である。
【００１７】
(1)ダイヤモンドを50〜98体積％含有し、残部が鉄族金属、WCおよび不可避的不純物とからなる焼結体。特に、鉄族金属は、Coであることが好ましい。
【００１８】
(2)ダイヤモンドを85〜99体積％含有し、残部が空孔、WCおよび不可避的不純物とからなる焼結体。
【００１９】
(3)ダイヤモンドを60〜95体積％含有し、残部が鉄族金属および周期律表4a、5a、6a族元素の炭化物および炭窒化物から選択される1種以上と、WCおよび不可避的不純物とからなる焼結体。特に、残部の結合材がCo、TiC、WCおよび不可避的不純物であることが好ましい。
【００２０】
(4)ダイヤモンドを60〜98体積％含有し、残部が珪素、炭化珪素の少なくとも1種、WCおよび不可避的不純物とからなる焼結体。
【００２１】
＜cBN焼結体基材＞
cBN焼結体は、cBNを30体積％以上含むものが好ましい。より好ましくは、以下の組成の焼結体である。
【００２２】
(1)cBNを30体積％以上80体積％以下含有し、残部が周期律表4a、5a、6a族元素の窒化物、硼化物、炭化物ならびにこれらの固溶体からなる群から選択される少なくとも1種と、アルミニウム化合物とからなる結合材と、鉄族金属および不可避的不純物とからなるcBN焼結体。
【００２３】
上記組成のcBN焼結体においてcBN粒子は、主に鉄との親和性が低い前記結合材を介して結合される。この結合は、強固なので耐摩耗性と強度とを向上することができる。
【００２４】
このcBN焼結体においてcBNの含有率を30体積％以上80体積％以下とする。30体積％未満となると、cBN焼結体の硬度が低下し、例えば焼入鋼のような高い硬度の被削材を切削するための硬度が不足するからである。cBNの含有率が80体積％を超えると、結合材を介してcBN粒子同士を結合することが困難になり、cBN焼結体の強度が低下するからである。
【００２５】
(2)cBNを80体積％以上90体積％以下含有し、cBN粒子同士が結合しており、残部がAl化合物またはCo化合物を主成分とする結合材と、不可避的不純物とからなるcBN焼結体。このcBN焼結体は、触媒作用を有するAlまたはCoを含有する金属、或いは金属間化合物を出発原料として液相焼結を行うことで、cBN粒子同士を結合させたものである。この焼結により、cBN粒子の含有率を高めることができる。このcBN焼結体は、cBN粒子の含有率が高いことで耐摩耗性に劣るものの、cBN粒子同士が強固な骨格構造を形成しているため、耐欠損性に優れ、過酷な条件での切削が可能となる。
【００２６】
このcBN焼結体においてcBNの含有率を80体積％以上90体積％以下とする。80体積％未満となると、cBN粒子同士の結合による骨格構造を形成するのが難しくなるためである。cBNの含有率が90体積％を超えると、触媒作用を有するAlまたはCoを含有する金属、或いは金属間化合物からなる結合材が不足し、cBN焼結体に未焼結部分を生じるため、cBN焼結体の強度が低下するからである。
【００２７】
＜窒化珪素焼結体基材＞
窒化珪素焼結体は、窒化珪素を90体積％含むものが好ましい。より好ましくは、HIP(Hot  Isostatic  Pressing)法を用いて焼結した窒化珪素を90体積％以上含む焼結体である。この窒化珪素焼結体において残部は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、希土類、TiN、TiCの少なくとも1種から選ばれた結合材と不可避的不純物とからなることが好ましい。この窒化珪素焼結体において窒化珪素の含有率を90体積％とするのは、90体積％未満であると、硬度が不足するためである。
【００２８】
＜酸化アルミニウムと炭化チタンとの焼結体＞
酸化アルミニウムと炭化チタンとの焼結体は、酸化アルミニウムを20〜80体積％、炭化チタンを15〜75体積％含むものが好ましい。この焼結体において残部は、Mg、Y、Ca、Zr、Ni、Ti、TiNの酸化物の少なくとも1種から選ばれた結合材と、不可避的不純物とからなることが好ましい。この焼結体において、酸化アルミニウムの含有率を20〜80体積％とするのは、20体積％未満であると、所定の密度を得ることが困難なためである。酸化アルミニウムの含有率が80体積％を超えると、硬度が不足し、耐摩耗性が悪くなるためである。また、炭化チタンの含有率を15〜75体積％とするのは、15体積％未満であると、硬度が不足し、耐摩耗性が悪くなるためである。炭化チタンの含有率が75体積％を超えると、所定の密度を得ることが困難なためである。
【００２９】
（非晶質カーボン膜）
非晶質カーボン膜は、硬質炭素膜、ダイヤモンドライクカーボン膜、DLC膜、a−C:H、i−カーボン膜などと一般に呼ばれるものを含む。しかしながら、本発明の非晶質カーボン膜は、以下に説明する特徴を持つ。
【００３０】
＜成膜方法＞
本発明は、グラファイトを原料とし、水素を含まない雰囲気下で物理的蒸着法により非晶質カーボン膜を形成したものである。この膜はダイヤモンドに匹敵する高い硬度と切削工具として優れた耐摩耗性を有する。一方、炭化水素を原料とする非晶質カーボン膜は水素を含有するので、本発明の非晶質カーボン膜とは異なるものである。
【００３１】
この非晶質カーボン膜は、成膜中に不可避的に含まれる不純物を除いて炭素原子のみから構成される。その結果、水素を含む非晶質カーボン膜よりもsp3結合の割合が高くなることで硬度を高くすると同時に耐酸化特性もダイヤモンドと同等の約600℃近くにまで改善される。水素を含まない雰囲気下で成膜しても、できあがった非晶質カーボン膜には5原子％以下程度の極わずかながら水素が含有されることがある。これは、成膜時の真空度などにより、成膜装置中に残存する水素や水分が非晶質カーボン膜中に取り込まれるためと考えられる。
【００３２】
グラファイトを出発原料とした物理的蒸着法の中でも、一般に工業的に用いられる陰極アークイオンプレーティング法、レーザーアブレーション法やスパッタリング法などであれば、成膜速度も高く、ダイヤモンド膜で問題となっていた製造コストの問題もなくなる。特に、被膜の密着力、膜硬度の点で、陰極アークイオンプレーティング法による成膜が好ましい。この陰極アークイオンプレーティング法は、原料のイオン化率が高いため、主にカーボンイオンが基材に照射されることにより非晶質カーボン膜が形成される。そのため、sp3結合の比率が高く、緻密で硬度の高い膜が得られ、工具寿命を大きく向上させることができる。
成膜時の基板の温度は、50℃から200℃である。基材の温度が350℃を越えると、グラファイトが析出しやすいからである。成膜時にはカーボンイオンが基材に照射され、非晶質カーボンが形成されるので、その時基材の温度は上昇する。従って、基材をヒーターによって加熱しなくても、実用上支障のない程度まで温度上昇する場合もある。また、加熱や冷却によって、基材の温度調整することもできる。
成膜時の基板温度は、更に好ましくは50℃から150℃である。
【００３３】
＜マクロパーティクル密度＞
陰極アークイオンプレーティング法により形成した非晶質カーボン膜の表面には、マクロパーティクルと呼ばれる硬質粒子が存在する。この膜表面に存在するマクロパーティクル密度が小さいほど切削抵抗が小さくなるため望ましい。マクロパーティクル密度は、3×105個/mm2以下、より好ましくは1.5×105個/mm2以下である。もちろん、0個/mm2が最適であることは言うまでもない。マクロパーティクルの密度が3×105個/mm2よりも大きいと、被削材がこのマクロパーティクルに溶着して切削抵抗を上げるために好ましくない。
【００３４】
マクロパーティクルの密度は、SEM（Scanning  Electron  Microscope）観察によって評価することができる。SEM観察は、マクロパーティクルを観察しやすくするために、PtやPdなどの貴金属を試料表面にイオンスパッタリングなどによって蒸著してから、観察すると良い。少なくとも1000倍以上の倍率で試料表面の写真撮影を行い、写真上でマクロパーティクルの数を数えることにより密度をもとめると良い。
【００３５】
図2はマクロパーティクル21が生成する過程を、非晶質カーボン被覆面20の断面図で示したものである。工具の刃先23に、非晶質カーボン20を被覆するが、その過程でグラファイトの粒子22が飛散してきて、被覆面に付着する。表面を電子顕微鏡で見るといろいろな外径のまるい粒子21が観察できる。しかし、このような粒子は本発明においては望ましいものではない。グラファイト粒子22は膜の成長過程で飛散してくるので、図2に示すように非晶質カーボン20のいろいろな厚さの所に存在しているものと推定される。
さらに、非晶質カーボン膜の表面粗度をよくするために、グラファイト原料からの粒状飛散物を防止するような、例えば低エネルギーによる成膜や磁場によるフィルターを用いる方法も提案できる。
【００３６】
＜表面粗さ＞
非晶質カーボン膜の表面粗さは、JIS規格B0601で定められたRaの表示で0.002μm以上0.05μm以下であることが望ましい。ここで、切削工具として見た場合、面粗さRaはできる限り小さいことが望ましい。しかし、実際にはゼロとすることはできないので、種々切削試験を行った結果、Raが0.05μm以下であった場合には刃先での溶着性が改善され切削性能が向上することを見いだした。また、JIS規格B0601で定められたRyの表示で0.02μm以上0.5μm以下であることも好ましい。ここで、Ryが0.5μmを越えると、非晶質カーボン膜の突起物(マイクロパーティクル)が被削材の溶着の起点となり切削抵抗上昇の原因となるため好ましくない。
【００３７】
＜厚み＞
工具刃先における非晶質カーボン膜の最大膜厚を0.05μm〜0.5μmと特定する理由は、0.05μm未満の場合、耐摩耗性に問題があり、0.5μmを越えると被膜に蓄積される内部応力が大きくなって剥離しやすくなったり、被膜の欠けを生ずる問題があるからである。また、膜厚を0.5μm以下とすることにより、表面のマクロパーティクルの大きさと密度を小さくし、表面粗さを前記のRa表示で0.05μm以下、Ry表示で0.5μm以下に抑えることができるという効果もある。非晶質カーボン膜は、図2のTで示すように、工具の刃先部で厚くなる。この厚さが薄いと性能がよくなる。従って、非晶質カーボン膜の切削に関与する刃先部での最大厚みTが0.05μm以上0.25μm以下であることがより溶着性が小さいという観点から好ましい。
【００３８】
＜硬度＞
非晶質カーボン膜のヌープ硬度は20GPa以上50GPa以下であることが好ましい。この硬度が20GPa未満であると耐摩耗性の点で問題があり、50GPaを超えると刃先の耐欠損性が低下するためである。さらに好ましくは、非晶質カーボン膜のヌープ硬度が25GPa以上40GPa以下である。
【００３９】
＜ラマンスペクトル＞
非晶質カーボン膜は非晶質であるがゆえに膜構造を特定することが非常に難しい。種々の非晶質カーボン膜を評価した結果、ラマン分光分析を行うと構造の変化に伴い得られるラマンスペクトルに違いのあることをつきとめた。
【００４０】
図3は、本発明の非晶質カーボンのラマンスペクトルであり、図4は従来の水素を含む非晶質カーボンのラマンスペクトルである。これらは、514.5nmの波長を持つアルゴンガスレーザーを用いたラマン分光分析により得られたものである。図4において、実線は測定結果を示すもので、1340cm−1近辺にふくらみが見られ、700cm−1近辺にはピークがない。
次に得られたスペクトルを二つに分離するために、スペクトル波形からバックグラウンドを除去した。次にふくらみを持つスペクトルは2つのガウス関数を加算したものと仮定して、非線形最小二乗法で近似し、二つのピークに分離した。その結果を鎖線で示す。1340cm−1付近に中心を持つピークの高さをI1340で示し、1560cm−1付近のピークの高さをI1560で示す。これに対して、本発明のラマンスペクトルは、図3に示すように1340cm−1付近のふくらみが実線では識別しにくく、700cm−1付近に幅の広いピークがある。前記したものと同様の方法によりピーク分離した結果を図3に鎖線で示す。I1340のピーク高さが、図3のものに比較すると弱いことが分かる。700cm−1付近のピーク高さをI700で示す。
同様に、それぞれのピークを積分した値を例えばS700などのように表現する。本発明工具の非晶質カーボン膜では、波数400cm−1以上1000cm−1以下の間、1340cm−1付近および1560cm−1付近の合計3箇所にピークが観測される。一方、これまでの水素を含有する被膜では低波数側の波数400cm−1以上1000cm−1以下の間ピークは観測されない。この波数400cm−1以上1000cm−1以下の間ピークを有する被膜構造をとることで、高硬度化が起こり耐摩耗性の向上が実現できる。
【００４１】
さらに、波数400cm−1以上1000cm−1以下に存在するピークの強度(I700)と1340cm−1付近に存在するピークの強度(I1340)との強度比(I700/I1340)が0.01以上2.5以下であると耐摩耗性が向上する。これは、微小サイズのグラファイトや歪みを持ったsp3結合の量が増えることで、膜硬度が高くなるためと考えられる。
【００４２】
ここではピーク高さを用いて示したが、ピーク積分強度比でも整理することができ、波数400cm−1以上1000cm−1以下に存在するピークの積分強度(S700)と1340cm−1付近に存在するピークの積分強度(S1340)との強度比(S700/S1340)が0.01以上2.5以下であることが好ましい。ピーク強度比が、0.01未満であれば耐摩耗性は従来被膜と同等である。後述するように、種々の成膜実験を実施したが、今回の実験ではピーク強度比が2.5以上のものは得られなかった。
【００４３】
また、1560cm−1付近に存在するピークの強度(I1560)と1340cm−1付近に存在するピークの強度(I1340)との強度比(I1340/I1560)が0.1以上1.2以下であれば、高耐摩耗性を示すのでよい。1560cm−1付近に存在するピークの強度(I1560)と1340cm−1付近に存在するピークの強度(I1340)との比はsp2/sp3とも言われ被膜内部の炭素結合状態の存在量を表している。これらのピーク強度比が直接sp2の含有量を示している訳ではないが相対的には被膜構造のクラス分けをすることができる。1560cm−1付近に存在するピークの強度が高い場合に高硬度化することがわかった。つまり、sp3結合性が強い場合に、より耐摩耗性が向上する。ピーク強度だけではなく1560cm−1付近に存在するピークの積分強度(S1560)と1340cm−1付近に存在するピークの積分強度(S1340)との強度比(S1340/S1560)が0.3以上3以下であればよい。
【００４４】
そして、1560cm−1付近に存在するピークが1560以上1580cm−1以下に存在すれば高耐摩耗性が実現できる。ラマンスペクトルのピーク位置は被膜内の応力の影響を受ける。一般的には、被膜内の応力が圧縮側に高い場合は、ラマンスペクトルのピークは高波数側にシフトし、逆に引っ張り側に高い場合は低波数側にシフトする。被膜の応力が圧縮側に高い場合に耐摩耗性が向上することを見いだした。
【００４５】
＜干渉色＞
従来の技術で用いられている非晶質カーボン膜は、可視光域において不透明であり、褐色から黒色といった色調である。本発明工具の非晶質カーボン膜は、可視光域において透明で、干渉色を示すことを特徴とする。
【００４６】
干渉色を示すということは、非晶質カーボン膜のsp3結合成分が非常に多く、屈折率、光学バンドギャップ、弾性率といった物性が、従来の非晶質カーボン膜よりもよりダイヤモンドに近いことを示している。このような非晶質カーボン膜を工具として用いた場合、膜硬度が高いため、優れた耐摩耗性と耐熱性を示す。本発明工具は干渉色を示すことを外観的特徴とする。
【００４７】
非晶質カーボン膜の干渉色は、膜厚が厚くなるにつれて、(1)茶→(2)赤紫→(3)紫→(4)青紫→(5)青→(6)銀→(7)黄→(8)赤→(9)青→(10)緑→(11)黄色→(12)赤と変化し、以降は(8)の赤から(12)の赤までをくり返す。これらの色の変化は膜厚の変化に対して連続的であり、それぞれの中間の膜厚では、それらの中間の色となる。
【００４８】
本発明者らが検討した結果、工具刃先における最大膜厚を0.05μm〜0.5μmと特定した場合にはコーティング被膜は、(2)の赤紫から(10)の緑の間の色となることを見いだした。また、単一色ではなく複数の色調からなる虹色であっても良い。また、これらの干渉色を呈する非晶質カーボン膜の上に、従来の褐色から黒色の非晶質カーボン膜を形成して用いても良い。
【００４９】
（界面層）
本発明工具は、非晶質カーボン膜の密着力を強固なものにするために、基材と非晶質カーボン膜との間に界面層を設けることが好ましい。
【００５０】
＜材質＞
この界面層は、周期律表IVa、Va、VIa、IIIb族元素およびC以外のIVb族元素の元素よりなる群から選択される少なくとも1種以上の元素、またはこれら元素群から選ばれた少なくとも1種以上の元素の炭化物が好適である。
【００５１】
中でもTi、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Siの元素よりなる群から選ばれた少なくとも1種以上の元素、またはこの元素群から選ばれた少なくとも1種以上の元素の炭化物であることがさらに望ましい。これらの金属元素は炭素と強い結合を作りやすいため、これらの金属元素あるいは金属炭化物の界面層上に非晶質カーボン膜を形成することによって、より強固な密着力が得られる。
【００５２】
＜厚み＞
界面層の厚さは0.5nm以上10nm未満とする。膜厚がこの範囲よりも薄いと、界面層としての役割を果たさず、この範囲よりも厚いと従来技術と同等の密着力しか得られない。このように極めて薄い界面層を形成することにより、従来技術では達成できなかった極めて強固な密着力が得られ工具寿命を大きく改善することが可能となる。
【００５３】
＜混合組成層・傾斜組成層＞
界面層と非晶質カーボン膜との間に、各被膜の組成が混合した混合組成層または組成が連続的に変化した傾斜組成層を介在させれば、さらに強固な密着力が得られるため一層望ましい。この混合層と傾斜組成層とは、必ずしも明確に区別できるものではない。界面層の成膜から非晶質カーボン膜の成膜に製造条件を切り替える際、通常、わずかに界面層と非晶質カーボン膜との組成に混合が起こり、これら混合組成層や傾斜組成層が形成される。これらは、直接確認することは難しいが、XPS：（X‐ray  Photo-electronic  Spectroscopy）やAES：（Auger  Electron  Spectroscopy）などの結果から十分推定できる。
【００５４】
（工具の用途）
本発明非晶質カーボン被覆工具は、その耐摩耗性と耐溶着性から、特にアルミニウムおよびその合金を加工するための工具に適する。また、チタン、マグネシウム、銅など非鉄材に使用することが最適である。さらに、グラファイトなどの硬質粒子を含有する材料、有機材料などの切削や、プリント回路基盤加工や鉄系材料とアルミニウムとの共削り加工などにも有効である。加えて、本発明工具の非晶質カーボン膜は非常に高硬度であることから、非鉄材だけではなく、ステンレス鋼などの鋼や鋳物などの加工にも用いることができる。
【００５５】
（工具の具体例）
本発明非晶質カーボン被覆工具は、ドリル、エンドミル、エンドミル加工用刃先交換型チップ、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯きり工具、リーマおよびタップからなる群より選ばれた1種を含む用途に使用されると良い。
【００５６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明非晶質カーボン被覆工具について、実施例により具体的に説明する。ただし、ここで用いた製法に限られるものではなく、グラファイトを用いたPVD法で成膜されたものであれば、いずれの方法であってもよい。
【００５７】
(実施例１)
焼結体からなる基材を刃先にロー付けしたφ8mmの超硬製ドリルを用意した。本実施例で基材に用いた焼結体を以下に示す。
A:粒度0.1μm以上2μm以下のダイヤモンド粒子を93体積％含有し、残部がCo、WC、及び不可避的不純物からなるダイヤモンド焼結体である。
B：粒度0.1μm以上2μm以下のダイヤモンド粒子を80体積％含有し、残部が空孔、WC、及び不可避的不純物からなるダイヤモンド焼結体である。
C：粒度0.1μm以上2μm以下のダイヤモンド粒子を90体積％含有し、残部がCo、TiC、WC、及び不可避的不純物からなるダイヤモンド焼結体である。
D：粒度0.1μm以上2μm以下のダイヤモンド粒子を98体積％含有し、残部がSiC、WC、及び不可避的不純物からなるダイヤモンド焼結体である。
E：粒度0.1μm以上5μm以下のcBN粒子を70体積％含有し、残部がTiN、TiB2、AlN、AlB2、WC、Al203からなる結合材、Co、及び不可避的不純物からなる立方晶型窒化硼素焼結体である。
F：粒度0.1μm以上5μm以下のcBN粒子を80体積％含有し、残部がAlN、AlB2、Al203からなる結合材、及び不可避的不純物からなる立方晶型窒化硼素焼結体である。
G：平均粒度1.5μmの窒化珪素を95体積％含有し、残部がAl203、AlN、MgO、TiN、TiCからなる結合材、及び不可避的不純物からなる窒化珪素焼結体である。
H：平均粒度1.5μmの酸化アルミニウムを67体積％、平均粒度1.5μm炭化チタンを28体積％含有し、残部がMgO、CaOからなる結合材、及び不可避的不純物からなる酸化アルミニウムと炭化チタンとの焼結体である。
【００５８】
これら基材表面に下記のように公知の陰極アークイオンプレーティング法を用いて表1に示す本発明品の非晶質カーボン被覆ドリル試料1〜21を用意した。表1において、界面層を表す化学式中のxは、金属元素1に対する非金属元素の割合を示す。
【００５９】
すなわち、図1に示すように、成膜装置1内に複数個のターゲット2、3を配置し、ターゲットの中心点を中心としてターゲット間で回転する基材保持具4に、刃先に焼結体をロー付けした超硬製ドリル5を装着する。電源7、8を調整して陰極アークの放電電流を変え、ターゲット材料の蒸発量を制御しながら非晶質カーボンをコーティングする。
【００６０】
まず、基材加熱ヒーター6を用いて100℃まで加熱させながら成膜装置1内の真空度を2×10−3Paの雰囲気とした。ついでアルゴンガスを導入して2×10−1Paの雰囲気に保持しながら、バイアス電源9により基材保持具4に−1000Vの電圧をかけてアルゴンプラズマ洗浄を行った後、アルゴンガスを排気した。成膜装置内へのガスの導入は供給口10より、排気は排気口11より行う。
【００６１】
次に、非晶質カーボンの成膜に先立ち、周期律表IVa、Va、VIa、IIIb族金属元素のターゲットを蒸発・イオン化させながらバイアス電源9により基材保持具4に−1000Vの電圧をかけてメタルイオンボンバードメント処理を行い、被膜の密着性を高めるための表面エッチング処理を行った。
【００６２】
さらに炭化水素ガスを導入するか、あるいは導入しないで、周期律表IVa、Va、VIa、IIIb族元素およびC以外のIVb族元素の元素よりなる群から選ばれたターゲットを蒸発・イオン化し、バイアス電源9により基材保持具4に負の数百Vの電圧をかけて、これらの金属あるいは金属炭化物の界面層の形成を行った。界面層から非晶質カーボン膜の形成は、ターゲットや雰囲気の切り替えにより行われ、この切り替え時には、通常、わずかながらも両層の組成の混合が生じる。このことから、両層の間には、原料の混合組成層や傾斜組成層が存在していると推定される。
【００６３】
次に、陰極アーク放電によりグラファイトのターゲットを蒸発・イオン化させることにより超硬ドリル上に接して非晶質カーボン膜が形成される。このとき、バイアス電源9による電圧は、負の数百Vとした。非晶質カーボン膜の成膜時において基材である超硬ドリルの温度は100℃に設定した。
【００６４】
また、比較のため表1に示す比較品1〜8のコーティングドリルも用意した。なお、焼結体は「焼結体A」のものを用い比較品1は、CH４ガスを原料とする通常のプラズマCVD成膜装置を使用して、上記と同じ超硬製ドリルに水素化非晶質カーボン膜を形成した。比較品2〜4は、グラファイトを原料にした陰極アークイオンプレーティング法により上記と同じ超硬製ドリルに非晶質カーボン膜を形成したもので、膜厚が本発明の範囲外である。比較品5は、雰囲気ガスにCH4を添加して陰極アークイオンプレーティング法により上記と同じ超硬製ドリルに水素化非晶質カーボン膜を形成したもので、膜中の水素量が本発明の範囲外となっている。比較品6、7は、陰極アークイオンプレーティング法により上記と同じ超硬製ドリルにTiN、TiAlNをそれぞれコーティングしたものである。比較品8は、コーティングなしのドリルである。
【００６５】
次に、上記の方法で製造した各ドリルについて、表3の条件による穴あけ試験(外部給油による湿式条件)を行い、ノンコートドリルに対するスラスト低減率(比較品8のスラスト抵抗を基準として評価する)および切刃における凝着状況を測定した。上記の各切削試験の結果を表2に示す。なお、成膜した非晶質カーボン膜中の水素量は、ERDA(Elastic  Recoil  Detection  Analysis：弾性反跳粒子検出法)により評価した。刃先先端での膜厚は、刃先断面のSEMにより評価した。
【００６６】
【表１】
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【００６７】
【表２】
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【００６８】
【表３】
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【００６９】
表2の結果から、従来からのTiN膜(比較品6)、TiAlN膜(比較品7)、本発明で規定する範囲から外れる非晶質カーボン膜を形成した比較品(1〜5)は、スラスト抵抗がノンコートと同等でかつ耐溶着性に劣る。これに対し、本発明例のドリル(本発明品1〜21)は、アルミ穴あけ加工において優れた耐摩耗性を有すると同時に、優れた耐溶着性を備えることがわかる。従って、穴開け加工後の穴加工精度も非常に高く、長寿命が可能であることがわかる。
【００７０】
(実施例2)
実施例1と全く同じ方法により、φ4mmの超硬製リーマの表面に基材としてダイヤモンド焼結体Aをロー付けし、その上に実施例1の本発明品4の非晶質カーボン膜を被覆した。ダイヤモンド焼結体とモル濃度30％の硝酸とモル濃度45％のフッ化水素酸を4：1の割合で混合したフッ硝酸溶液とを密閉容器に投入し、温度130℃で12時間保持し、ダイヤモンド焼結体素材に含まれるダイヤモンド以外の成分を溶出させたものをダイヤモンド焼結体として用いた。比較品として、同様の超硬製リーマにCVD法による水素化非晶質カーボン膜(比較品1)、膜厚が本発明の範囲外である非晶質カーボン膜(比較品2〜4)、雰囲気ガスにCH4を添加して陰極アークイオンプレーティング法により作製した水素化非晶質カーボン膜(比較品5)、TiN膜(比較品6)、TiAlN膜(比較品7)を被覆したもの、およびノンコートのもの(比較品8)を用意した。
【００７１】
次に、上記の方法により製造した各表面被覆リーマについて、表4の条件によるアルミダイキャスト(ADC12)の穴開け加工を行い、穴開け個数と刃先の状態を評価した。
【００７２】
【表４】
0003719708.tif 000005
【００７３】
その結果、比較品1〜7は600穴あけたところで被削材の穴径にバラツキが生じため、リーマの状態を調べたところ、刃先に摩耗が生じ、その先端でチッピングが認められた。また、ノンコートである比較品8では、穴開け初期の3穴目において刃先にチッピングが認められた。
【００７４】
一方、本発明品4の非晶質カーボンを被覆したリーマでは9500穴あけた時点でも全く被削材の加工状況に問題がなく、リーマ刃先にも摩耗やチッピングは認められなかった。
【００７５】
(実施例3)
実施例1と全く同じ方法により、超硬台金に立方晶型窒化硼素焼結体Eをロー付けしたエンドミル加工用のチップの表面に非晶質カーボン膜を被覆した(本発明品6の被膜)。チップは、内接円9.525mmの正三角形、チップ逃げ角11°(全周)、厚み3.18mmの超硬台金であり、1コーナーに立方晶型窒化硼素焼結体Eを超硬製基材にロー付けした形状である。刃先は、半径0.4mmのR形状を有する（ISO規格  TPGN160304）。比較品として、同様の超硬製チップにCVD法による水素化非晶質カーボン膜(比較品1)、膜厚が本発明の範囲外である非晶質カーボン膜(比較品2〜4)、雰囲気ガスにCH4を添加して陰極アークイオンプレーティング法により作製した水素化非晶質カーボン膜(比較品5)、TiN膜(比較品6)、TiAlN膜(比較品7)を被覆した。
【００７６】
次に、上記の方法により製造した各表面被覆エンドミルについて、表5の条件によるアルミダイキャスト(ADC12)のエンドミル加工を行い、被削の表面粗さの規格から外れるまでの切削長と刃先の状態を評価した。
【００７７】
【表５】
0003719708.tif 000006
【００７８】
その結果、従来からの表面被覆切削エンドミルのうち、CVD法による水素化非晶質カーボン膜(比較品1)は切削長さ25mで、膜厚が本発明の範囲外である非晶質カーボン膜(比較品2〜4)は切削長さ80mで、雰囲気ガスにCH4を添加して陰極アークイオンプレーティング法により作製した水素化非晶質カーボン膜(比較品5)は35mの切削長さで、PVD法で形成した金属窒化物膜(比較品6および比較品7)はそれぞれ9m、5mの切削長さで表面粗さの規格から外れたため、工具の寿命と判断した。寿命になった表面被覆エンドミルの先端に溶着したアルミを除去して調べたところ、既に被覆した膜は存在せず、基材のcBN焼結体が露出していた。
【００７９】
一方、本発明品6のエンドミルでは800m切削した時点でも被削材の表面粗さは規格内に維持できており、さらなる寿命延長が期待された。
【００８０】
(実施例4)
実施例1と全く同じ方法により、超硬製の刃先交換型チップの上にダイヤモンド焼結体を基材としてロー付けし、その基材の表面に非晶質カーボン膜を被覆した(本発明品2の被膜)。本実施例では、基材としてダイヤモンド焼結体Aを用いた。比較材として、同様の超硬製チップにCVD法による水素化非晶質カーボン膜(比較品1)、TiN膜(比較品6)、TiAlN膜(比較品7)を被覆した。次に、上記の方法により製造した各表面被覆刃先型交換型チップ1つを工具径32mmのホルダーに付けて、表6の条件によるアルミダイキャスト(A390)のエンドミル加工を行い、被削の表面粗さの規格から外れるまでの切削長と刃先の状態を評価した。
【００８１】
【表６】
0003719708.tif 000007
【００８２】
その結果、従来からの表面被覆切削エンドミルのうち、CVDの水素化非晶質カーボン膜(比較品1)は切削長さ10mで、PVD法で形成した金属窒化物膜(比較品6、7)はそれぞれ切削長さ3m、4mで表面粗さの規格から外れたため、工具の寿命と判断した。寿命になった表面被覆ドリルの先端を溶着したアルミを除去して調べたところ、既に被覆した膜は存在せず、基材が露出していた。
【００８３】
一方、本発明品2のエンドミルでは700m切削した時点で被削材の表面粗さの規格から外れたため、工具寿命と判断した。
【００８４】
ここで開示された実施例は全ての点で例示的であって制限的なものでないと考えるべきである。本発明の範囲は、以上の実施例の説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものであることが意図させる。
【００８５】
以上、本発明の具体例について説明したが、本発明は他の形状の転削工具(ドリル、エンドミル、リーマなど)、フライス工具や旋削工具に使用される刃先交換型切削チップ、切断工具(カッター、ナイフ、スリッターなど)にも適用することができる。
【００８６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の被覆工具によれば、基材の組成と非晶質カーボン膜の厚みを特定することで、耐摩耗性を維持し優れた耐溶着性を得ることができ、工具の切削・耐摩寿命を著しく延長させることができる。また、この工具は、工具表面の潤滑性が高いので突発的な刃先の欠損や被削材の凝着が生じ難く、さらに熱伝導性が高いので刃先の温度上昇が少なくドライ切削や高速加工といった過酷な切削環境下でも使用できる。特に、水素をほとんど含有しない非晶質カーボン膜とすることで、一層優れた耐摩耗性と耐溶着性を得ることができる。従って、転削工具(ドリル、エンドミル、リーマなど)、フライス工具や旋削工具に使用される刃先交換型切断チップ、切断工具(カッター、ナイフ、スリッターなど)への効果的な利用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明工具の被膜形成に用いる成膜装置の概略図である。
【図２】この発明工具の刃先部の断面図である。
【図３】本発明の非晶質カーボン被覆膜のラマンスペクトルである。
【図４】従来の非晶質カーボン被覆膜のラマンスペクトルである。
【符号の説明】
１  成膜装置
２、３  ターゲット
４  基材保持具
５  ドリル
６  基板加熱ヒーター
７，８  アーク電源
９  バイアス電源
10  供給口
11  排気口
20  非晶質カーボン
21  マクロパーティクル
22  グラファイト粒子
23  工具の刃先
【図１】
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【図２】
0003719708.tif 000009
【図３】
0003719708.tif 000010
【図４】
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