(57)【要約】【課題】使用切刃と未使用切刃の判別を正確に行えるとともに、硬質炭素膜の優れた性能を十分に発揮することができる硬質炭素膜被覆工具を提供する。【解決手段】すくい面６と逃げ面７を有し、すくい面６と逃げ面７との交線部に切刃稜８を有する基体２の表面に、硬質炭素膜３を少なくとも１層成膜した硬質炭素膜被覆工具１において、硬質炭素膜被覆工具１の最表面にチタン化合物膜４を成膜するとともに、少なくとも切刃稜８のチタン化合物膜４を除去し、硬質炭素膜３を露出させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
すくい面と逃げ面を有し、すくい面と逃げ面との交線部に切刃稜を有する基体の表面に、硬質炭素膜を少なくとも１層成膜した硬質炭素膜被覆工具において、該硬質炭素膜被覆工具の最表面にチタン化合物膜を成膜するとともに、少なくとも前記切刃稜では前記チタン化合物膜が除去されて前記硬質炭素膜が露出していることを特徴とする硬質炭素膜被覆工具。
【請求項２】
前記すくい面全面の前記チタン化合物膜を除去して前記硬質炭素膜が露出していることを特徴とする請求項１に記載の硬質炭素膜被覆工具。
【請求項３】
前記チタン化合物膜が、ＪＩＳ  Ｚ８７２９に基づいた色調表示にて、色度ａ＊：０〜１０、ｂ＊：２０〜５０、明度Ｌ＊：４５〜８０となることを特徴とする請求項１または２に記載の硬質炭素膜被覆工具。
【請求項４】
前記チタン化合物膜が窒化チタン膜からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の硬質炭素膜被覆工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硬質炭素膜を表面に被覆した硬質炭素膜被覆工具に関し、特にアルミやチタン合金等の非鉄金属の加工に用いる切削工具として好適な硬質炭素膜被覆工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンド膜やダイヤモンドライクカーボン膜のような硬質炭素膜は、優れた摺動性、耐摩耗性を有するため、摺動部材や切削工具に用いられてきた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、特許文献２では、硬質炭素膜（ダイヤモンド膜）の表面に金属間化合物膜としてＴｉＮ膜とＴｉＡｌＮ膜を順次成膜することで鉄系材料を切削しても被削材とダイヤモンド膜とが接触して反応することなく、被覆膜の早期摩耗や早期剥離を防止できることが記載されている。
【０００４】
また、特許文献３には、一般的に可視光域において不透明で黒色、こげ茶色といった暗い色を呈している非晶質カーボン（ダイヤモンドライクカーボン）の色を可視光域において透明で干渉色を示す色とすることにより膜硬度と耐熱性を向上できることが記載されている。
【特許文献１】特許第３３３９９９４号公報
【特許文献２】特開２００３−１４５３０９号公報
【特許文献３】特開２００３−６２７０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１の構成では、切削工具として用いた際に硬質炭素膜が暗い色を呈しているため、切刃を使用したかどうかがわかりづらく、使用済み工具と未使用工具の判別がつきにくいという問題があった。
【０００６】
また、特許文献２に記載された硬質炭素膜の表面に窒化チタン（ＴｉＮ）膜やＴｉＡｌＮ膜を被覆した構成の工具では、硬質炭素膜の低摩擦性という効果が損なわれてしまい、切削時に前記ＴｉＮ膜やＴｉＡｌＮ膜と被削材とが接触することによる切削抵抗が大きくなってしまうため、硬質炭素膜の優れた摺動性が十分に発揮されない結果、切削抵抗により加工面粗度が悪かったり、切り屑が排出される際の摩擦抵抗が大きくて切り屑処理性が低下してしまうという問題点があった。
【０００７】
本発明の硬質炭素膜被覆工具は、上記の問題を解決するためのものであり、その目的は、使用切刃と未使用切刃の判別を容易にかつ正確に行えるとともに、硬質炭素膜の優れた摺動性能を十分に発揮することができる硬質炭素膜被覆工具を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、上記問題に対して、硬質炭素膜を成膜した工具の最表面にチタン化合物膜を成膜し、使用するとチタン化合物膜が確実に消失して切刃の色が変化する構成とすることにより使用の有無を容易かつ正確に認識でき、かつ切削に関与する部分の前記硬質炭素膜を露出させることで、硬質炭素膜の優れた摺動性能を十分に発揮でき、優れた加工面粗度と切り屑処理性を有する工具となることを知見した。
【０００９】
すなわち、本発明の硬質炭素膜被覆工具は、すくい面と逃げ面を有し、すくい面と逃げ面との交線部に切刃稜を有する基体の表面に、ダイヤモンドおよび／または、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）からなる硬質炭素膜を少なくとも１層成膜した硬質炭素膜被覆工具において、前記硬質炭素膜の表面にチタン化合物膜を成膜するとともに、少なくとも前記切刃稜では前記チタン化合物膜が除去されて前記硬質炭素膜が露出していることを特徴とする硬質炭素膜被覆工具である。
【００１０】
ここで、前記すくい面全面の前記チタン化合物膜を除去して前記硬質炭素膜が露出していることが、切り屑の排出経路であるすくい面上における摺動性が向上して切り屑の流れがスムーズになり、切り屑処理性が高まるため、更なる加工抵抗の低減による耐摩耗性の向上や切り屑を原因とするチッピングや欠損を抑えることができる点で望ましい。
【００１１】
また、前記チタン化合物膜のＪＩＳ  Ｚ８７２９に基づいた色調表示にて、色度ａ＊：０〜１０、ｂ＊：２０〜５０、明度Ｌ＊：４５〜８０となることが、切刃を使用した際に前記切刃周辺のチタン化合物膜の変色がわかりやすくなり、切刃の使用、未使用の判別が容易になるため望ましい。
【００１２】
さらに、前記チタン化合物膜の膜質が窒化チタンからなることが、切刃を使用した際の変色がよりわかりやすくなるとともに、耐摩耗性、摺動性において優れた性能を発揮することができるため望ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の硬質炭素膜被覆工具は、基体の表面に、硬質炭素膜を少なくとも１層成膜した硬質炭素膜被覆工具において、前記硬質炭素膜の表面にチタン化合物膜を成膜するとともに、少なくとも前記切刃稜で前記チタン化合物膜が除去され、前記硬質炭素膜を露出させることで、切削に関する切刃稜にて硬質炭素膜が被削材に接触することができるために、硬質炭素膜の低い摩擦係数による優れた摺動性および硬質炭素膜の非常に高硬度による高い耐摩耗性等の優れた切削性能を十分に発揮することができるとともに、切刃付近のチタン化合物膜が黒く変色するために切刃の使用、未使用が容易に判別することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明における硬質炭素膜被覆工具（以下、単に工具と略す。）１について、その一例についての概略斜視図である図１、および図１の工具の断面概略図である図２を用いて説明する。
【００１５】
図１によれば、本発明の工具は、すくい面６と逃げ面７を有し、さらに、すくい面６と逃げ面７の交線部に切刃稜８を有する形状をなしている。
【００１６】
本発明によれば、工具１の基体２の表面に硬質炭素膜３を成膜するとともに、その最表面にチタン化合物膜４を成膜して、かつ、切刃稜８においてチタン化合物膜４を除去して、硬質炭素膜３を露出させることが大きな特徴であり、この構成によって、切削した際に切刃稜８の近傍に存在するチタン化合物膜４が加工時に切刃稜８部とともに、剥離や摩耗して消滅し硬質被覆膜が表面に露出することで変色するため、直接切刃稜８の観察はできなくても切削によって切刃と同じようにダメージを受けるそのすぐ近傍のチタン化合物膜４の状態を観察することにより、切刃稜８の損耗状態を判別することができて、切刃の使用、未使用が容易に判別することができる。さらに、切削抵抗に最も影響する切刃稜８において硬質炭素膜３が露出しているため、硬質炭素膜３が切削の際に被削材と接触することができ、硬質炭素膜３の低い摩擦係数による優れた摺動性と耐摩耗性を切削時に十分に発揮することができ、優れた加工面粗度と耐摩耗性を有する工具となる。
【００１７】
すなわち、切刃稜８におけるチタン化合物膜４を除去し硬質炭素膜３を露出させていないと、切刃稜８の表面はチタン化合物膜４となり、切削の際に被削材と接触するのがチタン化合物膜４になってしまうため、切刃８の摩擦係数が高くなってしまい、切削抵抗が高くなるため工具1の加工面粗度や耐摩耗性が低下してしまう。
【００１８】
一方、チタン化合物膜４を最表面に成膜しないと、最表面に存在する硬質炭素膜３およびその下部に存在する基体２が暗い色を呈しているため、切削を行っても硬質炭素膜３の損耗状態を含めた切刃８の状態が目視では確認しにくく、切刃８の使用、未使用が判別しにくくなってしまう。ここで、チタン化合物膜４の膜厚は、膜剥離の防止、および、明るい色を鮮明に出し、切刃８の使用、未使用を容易に判別できるようにする点で０．１〜２μｍの範囲であることが望ましい。
【００１９】
ここで、チタン化合物膜４は、ＪＩＳ  Ｚ８７２９に基づく色調が、それぞれ色度ａ＊（赤方向）：０〜１０、特に０〜５、ｂ＊（黄方向）：２０〜５０、特に３０〜４０、明度Ｌ＊：４５〜８０、特に５５〜７０の範囲内であることが望ましく、この範囲内の色となることによって表面に存在するチタン化合物膜４の外観が鮮やかとなり、切刃を使用した際のチタン化合物膜４の消滅による色の変化がよりはっきりとわかることから、切刃の使用、未使用の判別が容易になるため望ましい。
【００２０】
また、上記チタン化合物膜４としては、炭化チタン、窒化チタン、酸化チタン、炭窒化チタン、炭酸化チタン、酸窒化チタン、炭窒酸化チタン、または、（ＴｉｘＭ１−ｘ）（Ｃ１−ｙ−ｚＮｙＯｚ）（ただし、ＭはＴｉ以外の周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属、Ａｌ、Ｓｉのうちの１種以上、０．４＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１１、０≦ｚ≦１）で表わされる化合物からなるあることが望ましい。中でも、明るい金色を呈するため、使用切刃の判別を容易にすることができる点で窒化チタンを使用することが望ましい。
【００２１】
なお、本発明によれば、上記基体２の表面に成膜される硬質炭素膜３とは、多結晶ダイヤモンド膜や非晶質炭素膜（ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ））さらにはテトラヘデラルアモルファスカーボン（ＴＡＣ）等の高硬度炭素膜のことをさす。さらに、硬質炭素膜３の膜厚は、膜剥離の防止、耐摩耗性の維持の点から０．０５〜１μｍ、特に０．１〜０．６μｍであることが耐摩耗性、耐欠損性等の切削性能が高いため、望ましい。
【００２２】
また、工具１における基体２は、炭化タングステン（ＷＣ）と、所望により周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種からなる硬質相をコバルト（Ｃｏ）および／またはニッケル（Ｎｉ）等の鉄属金属から成る結合相にて結合させた超硬合金、炭化チタン（ＴｉＣ）や炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）を主体として周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種からなる硬質相をコバルト（Ｃｏ）および／またはニッケル（Ｎｉ）等の鉄属金属からなる結合相にて結合させたサーメット、または、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）や酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等を主体としたセラミック焼結体、さらには、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）、および、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）等を主体とした超硬質焼結体等の硬質材料、または高速度鋼等の金属からなるものである（図１では超硬合金を使用）。特に、基体２の材質として耐摩耗性、耐欠損性の点から、硬質材料を使用することが望ましい。
【００２３】
さらに、耐摩耗性、および耐欠損性の向上のため、チタン化合物膜４と硬質炭素膜３の間に中間層（図示せず。）として４ａ、５ａ、６ａ族元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物、酸窒化物、炭酸窒化物、およびＴｉ、Ｓｉといった金属からなる膜を成膜してもよい。
【００２４】
また、硬質炭素膜３と基体２との間に４ａ、５ａ、６ａ族元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物、酸窒化物、炭酸窒化物、およびＴｉ、Ｓｉ等の金属からなる膜を下地層５として成膜することで硬質炭素膜３と基体２との密着性を向上させ、硬質炭素膜３の剥離を防止する点で望ましい。特に、炭化珪素（ＳｉＣ）および／または窒化チタン（ＴｉＮ）、さらには珪素（Ｓｉ），チタン（Ｔｉ）の金属を用いることが基体２と硬質炭素膜３との付着力を高める点で望ましい。
【００２５】
また、本発明によれば、すくい面６全面にわたってチタン化合物膜４を除去し、すくい面６に硬質炭素膜３を露出させる構成であってもよい。この構成によれば、すくい面６上での切り屑の流れがスムーズになり、切り屑処理性がさらに向上するため、切り屑が延びる加工の際には切削抵抗の更なる低減による耐摩耗性の向上や切り屑に起因する欠損、およびチッピング等の切刃８の損傷を抑えることができるため望ましい。ここで、逃げ面７におけるチタン化合物膜４を一部除去しても構わないが、逃げ面の切刃に近い部分のチタン化合物膜４は残しておくことが切刃の使用、未使用を判別しやすくなるため必要である。
【００２６】
（製造方法）
上述した硬質炭素膜被覆工具１を製造するには、まず、上述した硬質材料を焼成によって形成しうる金属炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物等の無機物粉末に、金属粉末、カーボン粉末等を適宜添加、混合し、プレス成形、鋳込成形、押出成形、冷間静水圧プレス成形等の公知の成形方法によって所定の工具形状に成形した後、真空中または非酸化性雰囲気中にて焼成することによって上述した硬質合金からなる基体２を作製する。
【００２７】
また、基体２がＣｏやＮｉ等の鉄族金属を多く含有する硬質合金である場合、硬質炭素膜３の基体２との付着力が著しく低下するため、硫酸、塩酸、王水等の酸や、プラズマエッチング、または熱処理等によってエッチングを行って基体２の表面の鉄族金属を除去することが望ましい。もしくは、エッチングを行う代わりに基体２と硬質炭素膜３の間に下地層５をＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法等の化学蒸着法、または、アークイオンプレーティング法、イオンプレーティング法、スパッタリング等の物理蒸着法といった一般的な薄膜形成法によって成膜してもよい。
【００２８】
次に、上記基体２の表面を所望によって研磨加工した後、その表面に硬質炭素膜３を成膜する。硬質炭素膜３としてＤＬＣ膜を成膜する場合は、例えば炭化水素（ＣｍＨｎ：ｍ、ｎは自然数）を雰囲気ガスとして用いたＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、炭素を原料、炭化水素ガスを雰囲気とするスパッタリング法、真空アーク蒸着法が利用される。特にスパッタリング法、真空アーク蒸着法はさらに水素比率を制御でき摩擦係数を低減できるので望ましい。
【００２９】
また、硬質炭素膜３としてダイヤモンド膜を使用する場合は、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法、ＰＣＶＤ法、あるいはこれらを組み合わせた方法等、各種のダイヤモンド類薄層気相合成法を使用することができ、これらの中でも、通常、ＥＡＣＶＤ法を含めた各種の熱フィラメント法、熱プラズマ法を含めた各種の直流プラズマＣＶＤ法、熱プラズマ法を含めたマイクロ波プラズマＣＶＤ法等を好適に使用することができる。
【００３０】
次に、チタン化合物膜４を成膜するには、ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法等の化学蒸着法、または、アークイオンプレーティング法、イオンプレーティング法、スパッタリング等の物理蒸着法によって成膜されるが、硬質炭素膜３を成膜した方法によって成膜することが製造工程を短縮させることができる点で望ましい。
【００３１】
最後に、切刃稜８およびすくい面６におけるチタン化合物膜４を除去する方法としては、弾性砥石、ブラシ、サンドブラスト等の研磨方法によって硬質炭素膜３が露出するまで研磨を行う。加工方法としては、すくい面形状が凹凸の大きな形状であっても研磨面の表面粗さを満遍なく滑らかに研磨することができるため特に、ブラシによる研磨が望ましい。
【００３２】
なお、本発明は上記実施態様に限定されるものではなく、その他の成膜方法によって作製されたものであってもよい。
【実施例１】
【００３３】
平均粒径１．５μｍのＷＣ粉末を８０．０質量％、平均粒径２μｍのＴｉＣ粉末を３．０質量％、平均粒径２μｍのＴａＣ粉末を１．０質量％、平均粒径１．２μｍのＣｏ粉末を１０．０質量％の割合で添加、混合して、プレス成形により切削工具形状に成形した後、脱バインダ処理を施し、０．０１Ｐａの真空中、１５００℃で１時間焼成して超硬合金を作製した。さらに、作製した超硬合金にブラシ加工にて刃先処理（ホーニングＲ）を施した。また、表面のＣｏを除去するためにプラズマエッチングを１時間行い、超硬合金基体を作製した。
【００３４】
上記超硬合金基体の表面に、プラズマＣＶＤ法にて下地層としてアモルファス炭化珪素（ＳｉＣ）膜を０．１μｍの膜厚で成膜した。
【００３５】
さらに下地層の表面にダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜をプラズマＣＶＤ法にてＣ２Ｈ２ガス流量１５０ｍ／ｍｉｎ、バイアス電圧６００Ｖ、放電電流１５Ａ、基体温度４５０℃の条件で０．１μｍの膜厚で成膜した後、その表面に上記ＤＬＣの成膜と同じプラズマＣＶＤ法にてチタン化合物層として窒化チタン（ＴｉＮ）膜を０．１μｍの膜厚で成膜した。
【００３６】
次に、作製した硬質炭素膜被覆工具についてすくい面から切刃にかけてブラシを用いて研磨し、切刃稜の部分のＴｉＮ膜をＤＬＣ膜が露出するまで研磨した。また、すくい面のＴｉＮ膜は研磨された形で残存させた。
【００３７】
上記方法にて作製した硬質炭素膜被覆工具の逃げ面について表面に被覆されたＴｉＮ膜の部分について分光測色計を用いＪＩＳ  Ｚ８７２９に基づいて色度（ａ＊、ｂ＊）および明度（Ｌ＊）を下記条件で測定した。
【００３８】
基準光源    ：Ｄ６５
波長範囲    ：３６０〜７４０ｎｍ
視野        ：１０°
測定反射率  ：全反射率
マスク      ：５×７ｍｍ（ＳＡＶ）
また、硬質炭素膜被覆工具を以下の条件で切削試験を行った。
【００３９】
＜切削条件＞
切削方法：ミリング
被削材  ：ＡＤＣ１２
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ
送り    ：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
切込み：５ｍｍ
切削状態：湿式
切削長３６ｍの時点での加工面粗度Ｒａ（算術平均粗さ）を測定し、切刃およびすくい面の状態を顕微鏡で観察した。
【００４０】
切削試験の結果、被削材の加工面粗度Ｒａは０．６μｍと非常に滑らかな加工面粗度で、あった。また、切削後の切刃およびすくい面の状態は、すくい面に被削材の溶着が見られたが、チッピング等の損傷は見られなかった。さらに、ＴｉＮ膜の分光測色計の測定ではａ＊：８．７、ｂ＊：２９．８、Ｌ＊：５６．３であり、切削後では切刃付近のＴｉＮ膜が剥離して黒く変色していたため、切刃を使用したことがはっきりと確認できた。
【実施例２】
【００４１】
すくい面と切刃稜のＴｉＮ膜を除去し、ＤＬＣ膜を露出させたこと以外は実施例１と同様の硬質炭素膜被覆工具を作成し、実施例１と同様の切削試験を行った。また、実施例１と同様におこなったＴｉＮ膜の分光測色計の測定では、ａ＊：７．９、ｂ＊：３０．８、Ｌ＊：６０．２であった。
【００４２】
切削試験の結果、被削材の加工面粗度Ｒａは０．４８μｍと非常に滑らかな加工面粗度であった。また、切削後の切刃およびすくい面の状態は、被削材の溶着やチッピング等の損傷は見られず、クレータ摩耗もほとんどない状態であった。さらに、切刃付近のＴｉＮ膜が剥離して黒く変色していたため、切刃を使用したことがはっきりと確認できた。
【００４３】
（比較例１）
硬質炭素膜被覆工具の最表面のＴｉＮ膜を全く除去しないこと以外は実施例１と同様の方法にて硬質炭素膜被覆工具を作製し、実施例１と同様に切削試験を行った。また、実施例１と同様に逃げ面のＴｉＮ膜の表面について分光測色計にて色の測定を行った。結果はａ＊：６．９、ｂ＊：３３．０、Ｌ＊：５７．３であった。
【００４４】
切削試験の結果、切刃付近の窒化ＴｉＮ膜が剥離して黒く変色していたため、切刃を使用したことは、はっきりと確認できたが、被削材の加工面粗度Ｒａは１．２μｍとやや粗雑な加工面粗度であった。また、切削後の切刃およびすくい面の状態は、すくい面に被削材の溶着が発生し、膜剥離やチッピング等の損傷がみられた。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の硬質炭素膜被覆工具の外観を示す概略斜視図である。
【図２】（ａ）は切刃のＴｉＮ膜のみを除去した本発明の硬質炭素膜被覆工具の概略断面図、  （ｂ）は切刃とすくい面の窒化ＴｉＮ膜のみを除去した本発明の硬質炭素膜被覆工具の概略断面図である
【符号の説明】
【００４６】
１：硬質炭素膜被覆工具
２：基体
３：硬質炭素膜
４：チタン化合物膜
５：下地層
６：すくい面
７：逃げ面
８：切刃稜
９：中間層
【図１】
2005279820.tif 000003
【図２】
2005279820.tif 000004