(57)【要約】【課題】主な用途として、微小ドリル等での微細加工を実現するため、基材である超硬合金およびサーメット合金との密着力に優れ、高硬度かつ被削材との接触抵抗が小さい被覆層を表面に備えた、表面被覆加工用工具を提供する。【解決手段】表面被覆加工用工具の基材である超硬合金およびサーメット合金の表面の少なくとも一部に、非晶質カーボン膜が形成されており、その基材合金の結合相の結晶構造が六方細密格子（ｈｃｐ）を含まないことを特徴とする。前記非晶質カーボン膜は物理的蒸着法により形成されており、その層厚が０．０１〜３．０μｍであることを特徴とする。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
硬質相と結合相からなる硬質材料を基材とし、前記基材の表面の少なくとも一部に非晶質カーボン膜が形成された表面被覆加工用工具であって、
前記基材の結合相の結晶構造が、六方細密格子（ｈｃｐ）を含まないことを特徴とする表面被覆加工用工具。
【請求項２】
前記基材が、▲１▼炭化タングステンおよび▲２▼鉄系金属の１種以上からなる結合相：１〜３０重量％、残部が不可避不純物からなる組成の超硬合金であることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆加工用工具。
【請求項３】
前記基材が、▲１▼炭化タングステンおよび▲２▼鉄系金属の１種以上からなる結合相：１〜３０重量％、▲３▼Ｃｒおよび／またはＣｒ炭化物および／またはＶおよび／またはＶ炭化物、残部が不可避不純物からなる組成の超硬合金であることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆加工用工具。
【請求項４】
前記基材が、▲１▼炭化タングステンおよび▲２▼鉄系金属の１種以上からなる結合相：１〜３０重量％、▲３▼Ｃｒおよび／またはＣｒ炭化物および／またはＶおよび／またはＶ炭化物、▲４▼周期律表  ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族遷移金属と炭素、窒素、酸素あるいは硼素から選択される１種以上との化合物または固溶体相の、１種以上を０．１〜５０重量％、残部が不可避不純物からなる組成の超硬合金であることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆加工用工具。
【請求項５】
前記基材が、▲１▼炭化タングステンおよび▲２▼鉄系金属の１種以上からなる結合相：１〜３０重量％、▲３▼周期律表  ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族遷移金属と炭素、窒素、酸素あるいは硼素から選択される１種以上との化合物または固溶体相の、１種以上を０．１〜５０重量％、残部が不可避不純物からなる組成の超硬合金であることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆加工用工具。
【請求項６】
前記基材が、▲１▼鉄系金属の１種以上からなる結合相：１〜３０重量％、▲２▼周期律表  ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族遷移金属と炭素、窒素、酸素あるいは硼素から選択される１種以上との化合物または固溶体相の、１種以上を７０〜９９重量％、残部が不可避不純物からなるサーメット合金であることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆加工用工具。
【請求項７】
前記基材が、▲１▼鉄系金属の１種以上からなる結合相：１〜３０重量％、▲２▼周期律表  ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族遷移金属と炭素、窒素、酸素あるいは硼素から選択される１種以上との化合物または固溶体相の、１種以上を０．１〜９５重量％、▲３▼Ｃｒおよび／またはＣｒ炭化物および／またはＶおよび／またはＶ炭化物、残部が不可避不純物からなるサーメット合金であることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆加工用工具。
【請求項８】
前記非晶質カーボン膜が、物理的蒸着法により形成されたことを特徴とする請求項１〜７に記載された表面被覆加工用工具。
【請求項９】
前記非晶質カーボン層の層厚が、０．０１〜３．０μｍであることを特徴とする請求項１〜８に記載された表面被覆加工用工具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、表面被覆加工用工具に関するものであり、より特定的には、集積回路や各種電子部品を実装するプリント回路用基板などの溝加工、切り抜き加工や穴明け加工などに用いられる表面被覆加工用工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、プリント基板穴明け用の極小径ドリル（以下、マイクロドリルと称す）に代表される電子機器類への加工用工具や、マイクロマシン製作時に用いる部品加工用工具などの、微細加工用途の工具の必要性が高まっている。
【０００３】
これらの超微細加工方法としては、レーザー加工や電解加工といった被削材との非接触加工による加工方法と、切削加工、超音波加工、ワイヤ放電加工といった被削材に対して直接工具を接触させ、塑性変形を起こす加工方法がある。後者の方法による超微細加工時に用いる工具の工具材料としては現在、超硬合金またはサーメットが一般的に用いられており、それらの合金は、高硬度の硬質相（ＷＣやＴｉＣ）と、これらを結合する結合相（鉄系金属：主としてコバルトやニッケルが用いられている）から構成されている。
【０００４】
上記従来の超硬合金やサーメットを基材に用いた工具に対し、合金の靭性を高めるための開発と同時に、昨今、市場では被削材の難削化が進んだこと、および加工能率を高めるためにより加工条件が過酷なものとなったことで、工具の耐摩耗性の改善が求められるようになってきた。
【０００５】
この様な要求に対して、従来、基材表面にＴｉやＺｒの炭化物、窒化物、炭窒化物などの化合物からなる被覆層を形成し、耐摩耗性を改善することが一般的に行われており、また、ダイヤモンドからなる被覆層を形成する技術がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平４−２７５８１２号（第１−４図参照）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の様な被覆層を有する表面被覆加工用工具では、以下の様な問題点があり、市場のニーズに対応すべく、更なる改善が求められている。
▲１▼  被覆層の硬度不足により、被覆層が使用初期に大きく摩耗して工具寿命を延長ができない。
▲２▼  基材との密着強度不足により、使用初期に被覆層が剥離することで、基材が大きく摩耗して工具寿命を延長ができい。
▲３▼  被覆層を形成したことで、切りくずや切り粉と工具との接触抵抗が高くなり、加工品質が劣化する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、目的達成のために研究を重ねた結果、高硬度かつ基材との密着力に優れ、かつ被削材との接触抵抗が低い被覆層を表面に備えた表面被覆加工用工具を発明した。本発明の表面被覆加工用工具に適した基材としては、硬度及び靭性、被削材との反応性の面から考えて、超硬合金及びサーメットが望ましい。
【０００９】
具体的には、現在工業的に広く用いられている超硬合金及びサーメットを基材とし、この基材に非晶質カーボンを被覆した場合に、該基材合金の結合相が六方細密格子（ｈｃｐ）を含まない状態とすることにより、高硬度かつ被覆層との密着力に優れ、かつ被削材との接触抵抗が低い表面被覆加工用工具が得られることを発見した。
【００１０】
現在、表面被覆加工用工具材料として工業的に広く用いられている超硬合金及びサーメットは、一般的に原料粉末を粉砕混合し、それをプレス成形し、焼結してから砥石等で目的形状・目的寸法精度まで加工する。この加工段階を行う前は結合相は面芯立方格子（ｆｃｃ）の結晶構造となっているが、加工時点で一部、結晶構造が六方細密格子（ｈｃｐ）に変化することが広く知られている。
【００１１】
本発明者は、この加工済みの基材を真空中で焼鈍し、ｈｃｐ構造の結合相を再度ｆｃｃ構造に変化させることで、基材中の結合相の結晶構造を全てｆｃｃ構造とした上で、この基材に非晶質カーボン被覆層を形成した場合に、非常に高い基材との密着強度が得られることを発見した。
【００１２】
上記の具体的な超硬合金及びサーメットとしては、下記が望ましい。
（１）▲１▼炭化タングステンおよび▲２▼鉄系金属の１種以上からなる結合相：１〜３０重量％、残部が不可避不純物からなる超硬合金
【００１３】
（２）▲１▼炭化タングステンおよび▲２▼鉄系金属の１種以上からなる結合相：１〜３０重量％、▲３▼Ｃｒおよび／またはＣｒ炭化物および／またはＶおよび／またはＶ炭化物、残部が不可避不純物からなる超硬合金
【００１４】
（３）▲１▼炭化タングステンおよび▲２▼鉄系金属の１種以上からなる結合相：１〜３０重量％、▲３▼Ｃｒおよび／またはＣｒ炭化物および／またはＶおよび／またはＶ炭化物、▲４▼周期律表  ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族遷移金属と炭素、窒素、酸素あるいは硼素から選択される１種以上との化合物または固溶体相の、１種以上を０．１〜５０重量％、残部が不可避不純物からなる超硬合金
【００１５】
（４）▲１▼炭化タングステンおよび▲２▼鉄系金属の１種以上からなる結合相：１〜３０重量％、▲３▼周期律表  ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族遷移金属と炭素、窒素、酸素あるいは硼素から選択される１種以上との化合物または固溶体相の、１種以上を０．１〜５０重量％、残部が不可避不純物からなる超硬合金
【００１６】
（５）▲１▼鉄系金属の１種以上からなる結合相：１〜３０重量％、▲２▼周期律表  ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族遷移金属と炭素、窒素、酸素あるいは硼素から選択される１種以上との化合物または固溶体相の、１種以上を７０〜９９重量％、残部が不可避不純物からなるサーメット
【００１７】
（６）▲１▼鉄系金属の１種以上からなる結合相：１〜３０重量％、▲２▼周期律表  ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族遷移金属と炭素、窒素、酸素あるいは硼素から選択される１種以上との化合物または固溶体相の、１種以上を０．１〜５０重量％、▲３▼Ｃｒおよび／またはＣｒ炭化物および／またはＶおよび／またはＶ炭化物、残部が不可避不純物からなるサーメット
【００１８】
上記超硬合金およびサーメットの組成範囲は、一般的に工業的に製造されている範囲を記述して限定したが、この範囲を逸脱しても本発明の効果は現れる。もちろん本発明は超硬合金およびサーメット以外の、例えばステライト合金等の鉄系金属を結合相とした硬質材料に対しても有効である。
【００１９】
また、その使用用途によって、非晶質カーボンの表面に化学蒸着法や物理蒸着法でさらに被覆層を形成する場合があるが、この場合でも本発明の効果は失われない。本発明の表面被覆加工用工具としては、一般的な工具の用途の他、プリント基板加工用のドリルやルーターカッター等を含む微細加工用途の工具に使用すれば、より優れた効果がある。
【００２０】
基材の結晶構造がｆｃｃのみとなり、かつ被覆層が非晶質カーボンであった場合、何故、被覆層と基材との密着強度が高くなるのかは明らかではないが、例えば被覆層形成初期の核発生頻度が、ｈｃｐ構造の結合相の上では低くなるのではないかと考えられる。
【００２１】
また形成する非晶質カーボン層は、グラファイトを原料とした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た被覆層、または実質的に炭素のみから形成された被覆層が、性能上望ましいことが判った。
【００２２】
非晶質カーボン層は硬質炭素膜、ダイヤモンドライクカーボン膜、ＤＬＣ膜、ａ−Ｃ：Ｈ、ｉ−カーボン膜などと呼ばれるものであるが、優れた耐摩耗性を示すべく、ダイヤモンドに匹敵する高い硬度を得るために、本発明の非晶質カーボン層はグラファイトを原料とした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るのが望ましい。
【００２３】
また、この非晶質カーボン層は故意に反応ガスを入れなければ、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こととなり、水素を含む非晶質カーボン層よりダイヤモンド構造に近い構造をとるので硬度が高くなる。また同時に、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。
【００２４】
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、例えば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であれば、成膜速度も早く、ダイヤモンド膜で問題となっていた製造コストにも問題はなくなる。
【００２５】
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最も好ましい。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、ｓｐ３結合の比率が高く緻密な膜が得られて硬度が高くなるため、工具として使用した場合、その寿命を大きく向上させることができる。
【００２６】
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層の表面には、マクロパーティクルと呼ばれる硬質粒子が存在するが、このマクロパーティクルは、その密度が小さいほど接触抵抗が小さくなり、切りくず排出性も改善されるために望ましい。その密度は３×１０５個／ｍｍ２以下、より好ましくは、１．５×１０５個／ｍｍ２以下であることが望ましい。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接触抵抗を上げるために好ましくない。
【００２７】
このマクロパーティクルの密度を小さくし、非晶質カーボン層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。
【００２８】
接触抵抗の点からは、非晶質カーボン層の表面粗さは、できるだけ平滑であることが望ましく、ＪＩＳ規格Ｒａの表示で０．０５μｍ以下であることが望ましい。また非晶質カーボン膜硬度は、耐摩耗性確保のため、ヌープ硬度で２０ＧＰａ以上、さらに好ましくは２５ＧＰａ以上であることが望ましい。
【００２９】
前記非晶質カーボン層の層厚は０．０１μｍ以下の場合は、耐摩耗性向上の効果が低く、また３．０μｍ以上としても大きな耐摩耗性の改善は認められないため、経済的ではない。また、非晶質カーボン層を形成後、この非晶質カーボン層の表面を平滑化する等の被覆後の後処理を実施しても、本発明の効果は失われない。
【００３０】
本発明の表面被覆加工用工具はその耐摩耗性と耐溶着性から、特にプリント基板の微細加工用のマイクロドリルやルーターとして用いるられるのが最も適当である。また、アルミニウムチタン、マグネシウム、銅およびその合金など非鉄材に使用することも可能であり、本発明の表面被覆加工用工具は非常に高硬度であることから、非鉄材だけではなく、ステンレス鋼など鋼や鋳物などの加工にも用いることができる。
【００３１】
本発明の表面被覆加工用工具はドリル、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、リーマーおよびタップなどの用途に使用することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の表面被覆加工用工具の効果について、実施例により具体的に説明する。ただし、非晶質カーボンの成膜方法は、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。以下に実施例を示す。
【００３３】
（実施例１）
＜表１＞に示した原料粉末の組成Ａ〜Ｋで湿式混合を１０Ｈｒ行なった後、１ｔｏｎ／ｃｍ２の圧力にてプレス成形し、真空中で４．０℃／ｍｉｎの昇温速度で＜表１＞に記載した温度まで昇温し、真空中でその温度で６０分間保持してから、同じく真空中で冷却した。
【００３４】
【表１】
2004181565.tif 000002
【００３５】
この合金をダイヤモンド砥石を用いて加工し、直径０．２ｍｍのマイクロドリルを製造した。これらをＸ線回折法を用いて結合相の結晶構造を調査したところ、ｈｃｐ結晶構造の存在が認められた。この加工済みのマイクロドリルを真空中で２．０℃／ｍｉｎの昇温速度で昇温し、真空中で８００℃にて１２０分保持してから真空中で室温まで冷却した。この焼鈍処理を行ったマイクロドリルについてＸ線回折法を用いて結合相の結晶構造を調査したところ、ｈｃｐ結晶構造の存在が消失していることを確認した。
【００３６】
この焼鈍済みマイクロドリルについて、公知の真空アーク放電によるイオンプレーティング法を用いて、その表面に０．２μｍの非晶質カーボン層を形成し、本発明マイクロドリルＡ〜Ｋを製造した。なお非晶質カーボン層を形成後、再度Ｘ線回折法を用いて基材の結合相の結晶構造を調査したところ、ｈｃｐ結晶構造の存在が消失した状態であることを確認した。
【００３７】
比較のため、８００℃での焼鈍を実施せずに、その表面に同様の方法で０．２μｍの非晶質カーボン層を形成した比較用マイクロドリルＡ〜Ｋを準備した。これらの比較マイクロドリルは非晶質カーボン層を形成後、再度Ｘ線回折法を用いて基材の結合相の結晶構造を調査したところ、ｈｃｐ結晶構造が存在していることを確認した。
【００３８】
さらに比較のために、本発明マイクロドリルＡと同一の製造方法で製造し、非晶質カーボン層の層厚のみを３．５μｍに変更した本発明ドリルＬ、および本発明マイクロドリルＡと同一の製造方法で製造し、非晶質カーボン層の層厚のみを０．００７μｍに変更した本発明ドリルＭも準備した。
【００３９】
これらのマイクロドリルに対して、
被削材  ：リジット基板（厚み０．４ｍｍ）
回転速度：１５０，０００  ｒ．ｐ．ｍ
送り    ：１５μｍ／ｒｅｖ．
の条件で、穴明け加工を行なったところ、本発明マイクロドリルは１０，０００穴目加工を行ったが刃先摩耗量は極めて小さく、加工穴品質も優れていた。但し、ドリルＭの刃先摩耗量は幾分大き目であった。これに対し、比較マイクロドリルは全てが２，０００穴目加工終了時点で非晶質カーボン層が大きく剥離して母材が露出し、露出した刃先の摩耗が大きく、寿命となっていた。また被削材の溶着も認められたのに対して、本発明マイクロドリルおよび比較マイクロドリルＬはいずれも非晶質カーボン層の剥離は認められず、被削材溶着も少ないことも確認できた。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の表面被覆加工用工具は、従来の製法で製造した工具と比べて優れた耐摩耗性、耐被削材溶着性を示し、従来ではなしえなかった様な微小な加工、例えば微細な穴明け加工においても、長期に渡り、良好な寸法精度の穴明け加工を行なうことができる。