(57)【要約】【課題】本発明の非晶質カーボン被覆工具は、摩擦係数が低く、高硬度と適度な靭性を有し、凝着低減に有効で、クラック進展を抑制する効果も併せ持つ非晶質カーボン被覆工具及び非晶質カーボン皮膜の被覆方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、非晶質カーボン皮膜を被覆した非晶質カーボン被覆工具において、前記非晶質カーボン皮膜は、σ結合に対するπ結合の強度比率であるπ結合／σ結合が０．３０以上、０．４２未満であることを特徴とする非晶質カーボン被覆工具である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非晶質カーボン皮膜を被覆した非晶質カーボン被覆工具において、前記非晶質カーボン皮膜は、σ結合に対するπ結合の強度比率であるπ結合／σ結合が０．３０以上、０．４２未満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】
請求項１記載の非晶質カーボン被覆工具において、前記非晶質カーボン皮膜中の水素含有量は原子％で、５％を越え１５原子％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】
請求項１又は２記載の非晶質カーボン被覆工具において、前記非晶質カーボン皮膜を、ＷＣ基超硬基体に直接被覆することを特徴とする非晶質カーボン被覆工具。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれかに記載の非晶質カーボン被覆工具を、物理蒸着法により被覆することを特徴とする非晶質カーボン皮膜の被覆方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、ドリル、エンドミル、リーマ、刃先交換型切削チップなどの切削工具の表面に耐摩耗性及び耐溶着性を有する非晶質カーボン皮膜を形成した工具及びその製法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム、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などの被削材を加工する場合、被削材の仕上げ表面形状維持、寸法精度維持などを高品位に行うことが切削工具に求められている。しかし、切削工具の切刃部分に被削材が凝着して切削抵抗が大きくなり、刃先が欠損するといった問題が生じる。これは、他の被削材に比べで工具表面への凝着をし易く、凝着による切刃のチッピングや加工精度の低下が著しいためである。そこでこれらの課題に関して、非晶質カーボン皮膜を備えた非晶質カーボン被覆工具が検討され、非晶質カーボン皮膜については特許文献１から３が開示されている。
特許文献１は、導電性多結晶ダイヤモンド膜がＳＰ２構造を有する欠陥を導入して形成されており、ラマンスペクトルのＳＰ２及びＳＰ３ピークの最大値の比（ＳＰ２／ＳＰ３）が、０．５以上、１０以下を示す皮膜の記載がある。
特許文献２は、ラマン散乱スペクトルにおいて、ダイヤモンド構造ＳＰ３（σ結合）成分のピークと、グラファイト構造ＳＰ２（π結合）成分のピークとが認められ、両者の比ＳＰ３／ＳＰ２が、０＜ＳＰ３／ＳＰ２≦０．３を満たす皮膜の記載がある。
特許文献３は、ＷＣ基超硬合金からなる基体の刃先に非晶質カーボン皮膜とを備えた非晶質カーボン被覆工具が開示され、この非晶質カーボン皮膜中における水素量が５原子％以下であることが記載されている。
特許文献４は、フィルタード・カソーディック・アーク法により形成されたアモルファス状のカーボンのみから成る硬質カーボン被膜であって、カーボンのＳＰ３（σ結合）−Ｃ比を求めている例が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】国際公開ＷＯ９７／４５８６７号公報
【特許文献２】特開平９−９１６８６号公報
【特許文献３】特開２００３−６２７０６号公報
【特許文献４】特開２００２−２８５３２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＤＬＣコーティング膜の耐摩耗性を発揮させるためには特別な工夫が必要である。耐摩耗性は、σ結合のピークを高めることにより向上させることができるが、σ結合を高めると様々な現象が生じ、例えば、皮膜自体の靱性が劣化し、工具として用いたときに剥がれやすくなり、皮膜表面の凹凸又は突起物が増加する、等々の課題がある。本願発明では、摩擦係数が低く、高硬度と適度な靭性を有し、凝着低減に有効で、クラック進展を抑制する効果も併せ持つ非晶質カーボン被覆工具及び非晶質カーボン皮膜の被覆方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明は、非晶質カーボン皮膜を被覆した非晶質カーボン被覆工具において、前記非晶質カーボン皮膜は、σ結合に対するπ結合の強度比率であるπ結合／σ結合が０．３０以上、０．４２未満であることを特徴とする非晶質カーボン被覆工具である。これらの上記構成を採用した非晶質カーボン皮膜は、凝着低減に有効で、クラック進展を抑制する効果があり、摩擦係数が低く、高硬度と適度な靭性を有することから、安定した切削性能を発揮することができる。
【０００６】
本発明の非晶質カーボン皮膜は、非晶質カーボン中の水素含有量が原子％で５％を越え１５％以下に制御することが好ましい。更に、非晶質カーボン皮膜を、ＷＣ基超硬基体に直接被覆することにより、特に表面平滑性に優れ、耐凝着性の改善に有効であり好ましい。非晶質カーボン皮膜を物理蒸着法により被覆することは、基体との密着強度の向上並びに表面平滑性の向上の観点から好ましく、成膜方法として適している。
【発明の効果】
【０００７】
本願発明の非晶質カーボン皮膜を被覆した切削工具は、極めて摩擦係数が低く、高硬度と適度な靭性を有し、凝着の低減に有効であり、クラック進展を抑制する効果も併せ持っている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の非晶質カーボン皮膜を被覆した切削工具は、基体との密着性がπ結合／σ結合の強度比率を本発明の規定範囲内とすることによって向上する。カーボン被膜のとり得る結晶構造としては種々あるが、本発明の皮膜はダイヤモンド結合とされるσ結合と、グラファイト結合とされるπ結合とを含み、皮膜と基体との界面付近のπ結合を多くすることによって、被膜の密着性を向上させることも可能である。σ結合は、最も強固な結合であるため、機械的な特性は優れるものの、π結合／σ結合の強度比率が０．４２以上と大きくなる場合は、著しく耐摩耗性が低下する。一方、π結合／σ結合が０．３０未満では皮膜の応力を分散する効果が得られない。従って、π結合／σ結合を０．３０以上、０．４２未満に制御することにより、応力を分散する効果が発揮され、基体との密着性が向上すると共に、耐摩耗性が得られる。π結合／σ結合が０．３０以上、０．４２未満では、基体との密着強度、耐摩耗性に加えて皮膜の耐チッピング性である靭性、表面平滑性のバランスが最適であり、優れた耐摩耗効果を発揮する。
【０００９】
本発明の非晶質カーボン皮膜中の水素含有量は、５％を超えて大きく、１５％以下に含有し、非晶質カーボン皮膜の摩擦係数が低くなる傾向にあり、また皮膜の脆化を抑制し、耐チッピング特性である靭性を改善することができる。非晶質カーボン皮膜中の水素含有量が５％以下の場合、チッピングの支配要因である、皮膜のクラック発生や凝着が発生し易くなり、切削寿命が不安定となる場合がある。非晶質カーボン中の水素が１５％を超える場合、切削過程で非晶質カーボン皮膜のグラファイト化が進行し易くなり、結果として耐摩耗性が悪くなる傾向にある。
本発明の非晶質カーボン皮膜は、成膜前後の成膜装置内の状態制御を行って水素含有量を調節することができる。例えば、非晶質カーボン皮膜中の水素含有量の調整方法は、炭化水素系ガスの調整によっても可能であり、固体炭素を原料とする場合には、被覆工程前後の減圧容器内の残留水素を調節することによっても制御することができる。この様にして水素含有量を減らし５％近傍に近づける程、σ結合の割合が高くなり高硬度になるとともに、π結合／σ結合の強度比率を０．３０近傍へ操作することができる。σ結合の割合が高くなることで、耐酸化特性も向上する。一方、水素量の制御を行って含有量を増やし、１５％近傍に近づける程、σ結合の割合が低下し硬度も低下して、π結合／σ結合の強度比率を０．４２近傍へ操作することができる。
本発明の非晶質カーボン皮膜をＷＣ基超硬基体に直接被覆することが好都合である。この理由は、表面平滑性に優れ、耐凝着性の改善に有効となるからである。皮膜硬度を高めることに有効であり、耐摩耗性を改善して加工面の品位の改善にも有効である。一方、非晶質カーボン皮膜と基体との間に中間層を設けると、非晶質カーボン皮膜表面の平滑性が悪くなる傾向にあり、凝着やチッピングの発生原因となり好ましくないからである。中間層は成膜前の金属ボンバード処理によっても形成される場合があるが、この場合も同様に非晶質カーボン皮膜の平滑性を阻害する要因になるため好ましくない。
被覆方法は、物理蒸着法や化学蒸着法によっても実現できるが、被覆材の蒸発粒子のエネルギーが高く、密着性の向上に好都合であるという観点からは物理蒸着法が好ましい。非晶質カーボン皮膜を物理蒸着法により被覆することは、表面平滑性の観点から好ましい。物理蒸着法としては、マグネトロンスパッタリング法、アーク放電式イオンプレーティング法、フィルター方式アーク放電式イオンプレーティング法が挙げられ、これらの被覆方法の組合せによっても被覆可能である。非晶質カーボン皮膜の原料は、炭化水素系ガス又は固体炭素を使用することができる。
【実施例】
【００１０】
図１に本発明皮膜を被覆する場合の１例を示すアーク放電式イオンプレーティング法を用いた成膜装置１の正面図を示す。図２に本発明皮膜を被覆する場合の１例を示す成膜装置１の上面図を示す。図１に示す様に、成膜装置１内にターゲット材料２を配置し、回転機構を有する基体保持具３に基体４を装着する。アーク電源５に電流を供給し、ターゲット材料１の蒸発量を制御しながら非晶質カーボン皮膜を成膜する。基体として、φ６ｍｍのＣｏを８質量％含有したＷＣ基超硬合金製２枚刃エンドミルを用意した。この基体表面にアーク放電式イオンプレーティング法を用いて表１に示す被覆条件によって本発明の非晶質カーボン被覆エンドミルを作成した。基体は十分に脱脂洗浄したものを成膜装置内へ装着した。
【００１１】
【表１】
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【００１２】
基体加熱ヒーター６を用いて基体温度が１５０度になるまで加熱させながら、成膜装置内を排気した。基体温度が１５０度到達後、ヒーターによる加熱を５分間継続後、ヒーターによる加熱を止め、基体の温度が８０度になるまで排気を継続した。その後、成膜装置内の真空度を５×１０―２Ｐａに達し、続いてアルゴンガスを導入して８×１０−１Ｐａの雰囲気に保持しながら、バイアス電源３により基体保持具に−５００Ｖの電圧をかけて基体をアルゴンプラズマにより洗浄を行った。その後、アルゴンガスの成膜装置内への流量を３０ｃｃ／分、真空度を５×１０―１Ｐａとし、アーク電源に電流を供給し、基体７にバイアス電源７により−１００Ｖのバイアス電圧を印加して、純度が９９．９９％の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被覆基体に非晶質カーボン皮膜を形成した。この時、グラファイトターゲットの外周を取り囲むように配置した磁場により、アークスポットを効率良く移動させ、グラファイトターゲットを溶融、イオン化させた。図１、図２に記載したアーク放電式蒸発源前面に配置した遮蔽板８により、ターゲットから蒸発したカーボン粒子は遮蔽板８に付着し、イオン化したカーボンイオンが選択的に被覆基体７に到達するように、ターゲット表面からの遮蔽板８の距離、ターゲット表面から被覆基体７までの距離、ターゲットに供給するアーク電流、アルゴン流量を設定し、皮膜形成を行った。遮蔽板８の形状はターゲット直径と同外径のステンレス材を用いた。遮蔽板８は完全に蒸発物質を遮蔽する必要もなく、成膜レート、皮膜の硬度、表面平滑性を調整するために、スリット形状の貫通溝等をつけても、非イオン化カーボン粒子を遮蔽するには十分であり、成膜レートを向上させることができる。
【００１３】
σ結合に対するπ結合の強度比率の測定方法は、走査型オージェ電子分光装置に電子エネルギー損失分光検出器を搭載し、電子エネルギー損失スペクトル（以下、ＥＥＬＳと記す。）を測定した。試料室は炭化水素等の表面汚染に極めて敏感な測定であるため、１０−８Ｐａ台の高真空とした。装置設定条件は、加速電圧１ｋＶ、試料照射電流を焼く１００ｎＡで電子線の入射角度を試料法線に対して４５度、ビーム径をφ２０μｍ、エネルギー分解能をＰａｓｓ  Ｅｎｅｒｇｙ固定モード、４０ｅＶとした。得られた電子線損失スペクトルより、バックグラウンド散乱成分を除いたＣＫ損失端近傍のスペクトルを図３に示す。図３は本発明例１を測定した結果である。図３中の点線Ａがカーボンのπ結合に帰属する強度を示し、点線Ｂがカーボンのσ結合に帰属する強度を示す。本発明におけるσ結合に対するπ結合の強度比率とは、π結合に対応する０．２８４から０．２８６ｋｅＶピーク位置における最大強度を、σ結合に対応する０．２９２から０．２９５ｋｅＶピーク位置における最大強度で除した値を意味する。本発明例１の場合、π結合／σ結合の数値が、０．３４４であった。表２にπ結合、σ結合に対応する最大ピーク位置における強度と、π結合／σ結合の数値を併記した。
【００１４】
【表２】
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【００１５】
本発明の非晶質カーボン皮膜中における水素含有量の定量には、ＲＢＳ（Ｒｕｔｈｏｅｒｆｏｒｄ  Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙの略。）、ＥＲＤＡ（Ｅｌａｓｔｉｃ  Ｒｅｃｏｉｌ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  Ａｎａｌｙｓｉｓの略。）により決定した。この時の測定条件は、ビームエネルギーを２．３ＭｅＶ、イオン種をＨｅイオン、散乱角を１７０度、３０度、試料電流を３０ｎＡ、ビーム照射量を４０μＣとした。
【００１６】
上記の方法で被覆した表１に示す各工具について、下記の条件で切削評価を行った。この時、工具のすくい面近傍に凝着が発生し、工具すくい面により形成される切り屑の自由曲面側にむしれが発生した時点の切削時間を評価基準とした。即ち、切削時間が長い程、工具すくい面における凝着、チッピングの発生が少なく、耐摩耗性に優れていることを示す。
（切削条件）
工具：超硬２枚刃エンドミル外径φ６ｍｍ
被覆基体：ＷＣ−Ｃｏ
切削方法：溝切削
被削材：ＡＤＣ１２
軸方向切り込み：６ｍｍ
切削速度：１８８ｍ／分
テーブル送り：４ｍ／分
切削油：なし、乾式エアーブロー
比較のため汎用のプラズマＣＶＤ成膜装置により、非晶質カーボン皮膜を形成し、同じ切削試験を行った。結果を表２に併記する。
【００１７】
表２より、本発明例１から４のエンドミルは比較例５から７に比べ、工具すくい面における凝着、チッピングの発生が少なく、耐摩耗性に優れていることが明らかである。本発明例１、２、３に示す様に成膜前後の成膜装置内の状態により、非晶質カーボン皮膜中の水素含有量、π、σ結合に対応するピーク強度を調整することができる。本発明例１、２と３とを比較すると、水素含有量は５原子％を越えることが好ましい。この理由は、本発明で規定する適切な水素含有量に制御することにより、非晶質カーボン皮膜の摩擦係数が低くなる傾向にあるからである。皮膜の脆化を抑制し、耐チッピング特性である靭性を改善する効果を有する。
本発明例１、２、３と４とを比較すると、中間層の無い方がエンドミルの切削時間が長くより好ましい。この理由は、非晶質カーボン皮膜表面の平滑性が良好となるからである。本発明例４の様に、非晶質カーボン皮膜と基体との間にＣｒの中間層を設けると、非晶質カーボン皮膜表面の平滑性が悪くなる傾向にあり、凝着やチッピングが発生する場合も確認された。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、成膜装置の正面図を示す。
【図２】図２は、成膜装置の上面図を示す。
【図３】図３は、本発明例１における電子エネルギー損失スペクトルを示す。
【符号の説明】
【００１９】
１：成膜装置
２：ターゲット
３：基体保持具
４：基体
５：アーク電源
６：ヒーター
７：バイアス電源
８：遮蔽板
Ａ：π結合に帰属する強度
Ｂ：σ結合に帰属する強度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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