(57)【要約】【課題】非鉄金属、またはそれらの合金、有機材料、複合材料などの切削に際し、高い耐凝着性と耐欠損性を有する硬質炭素被覆工具ならびにその工具を用いた切削加工方法を提供する。【解決手段】本発明工具は、基材と、この基材を被覆する硬質炭素皮膜21とを備える硬質炭素被覆工具である。この硬質炭素皮膜21の表面にはクレーター22を有し、そのクレーター22の密度が100個／mm2〜2×105個／mm2の範囲内である。このクレーター22に切削油剤を保持させることで、特に潤滑性・冷却性において高い特性を得ることができ、耐凝着性を改善して工具の寿命を延ばすことができる。【選択図】図１
2007083382.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、この基材を被覆する硬質炭素皮膜とを備える硬質炭素被覆工具であって、
前記硬質炭素皮膜の表面にはクレーターを有し、そのクレーターの密度が100個／mm2〜2×105個／mm2の範囲内であることを特徴とする硬質炭素被覆工具。
【請求項２】
前記クレーターは、平均直径が0.1〜5μmで、平均深さが0.1〜5μmであることを特徴とする請求項1に記載の硬質炭素被覆工具。
【請求項３】
前記クレーターの深さ分布は、中央部ほど深く、開口縁側ほど浅いことを特徴とする請求項1または2に記載の硬質炭素被覆工具。
【請求項４】
前記硬質炭素皮膜は、水素を含まない雰囲気条件下で、グラファイト原料を用いて物理的蒸着法により基材に被覆することにより形成され、実質的に炭素原子のみから形成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の硬質炭素被覆工具。
【請求項５】
前記硬質炭素皮膜の刃先部での最大厚みが0.1〜5μmの範囲内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硬質炭素被覆工具。
【請求項６】
前記硬質炭素皮膜は前記基材に直接被覆されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の硬質炭素被覆工具。
【請求項７】
さらに前記基材と硬質炭素皮膜との間に界面層が形成され、
その界面層は、周期表のIVa、Va、VIa、IIIb族元素およびC元素以外のIVb族元素からなる群より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から形成され、
この界面層の厚さが0.5〜10nmの範囲内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硬質炭素被覆工具。
【請求項８】
請求項1〜7のいずれかに記載の硬質炭素被覆工具を用い、切削油剤の存在下にて切削を行うことを特徴とする切削加工方法。
【請求項９】
切削油剤が、潤滑油を含むことを特徴とする請求項8に記載の切削加工方法。
【請求項１０】
切削油剤には、脂肪酸エステル系無灰摩擦調整剤および脂肪族アミン系無灰摩擦調整剤の少なくとも一方が潤滑油の総量に対して0.05〜3.0質量％含有され、この含有される無灰摩擦調整剤が炭素数6〜30の炭化水素基を有することを特徴とする請求項9に記載の切削加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硬質炭素皮膜が被覆された工具とその工具を用いた切削方法に関する。より詳細には、転削工具(ドリル、エンドミル、リーマなど)、旋削工具およびフライス工具などに代表される刃先交換型切削チップ、ならびに切断工具(カッター、ナイフ、スリッターなど)の表面に硬質炭素皮膜が成膜された工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、切削工具に関する技術分野において、高精度化および高能率化が要求されている。また、上述した産業上の要求に加えて、近年においては、被削材質の多様化から、切削工具の耐摩耗性の向上が求められている。たとえば、切削の対象となる被削材の材質として、部品の軽量化のため、アルミニウム合金などの軟金属や、チタン、マグネシウムおよび銅などの非鉄金属が産業素材として用いられ、さらに有機材料なども用いられるようになってきた。このような材質の被削材を切削する場合、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、凝着に伴って刃先が欠損するなどの工具摩耗が鉄系被削材料の場合と比べて大きくなるという問題があった。
【０００３】
さらに、近年においては、地球温暖化、ダイオキシンの問題など環境汚染に対する関心が高まる中で環境保全や省エネルギー化の観点から、切削油剤を用いないドライ加工化による切削加工が要求されている。このドライ加工化による切削加工の開発が進めば、切削油剤、クーラント装置設備および廃液処理などに要する経費をなくすことができるので、加工コストを大幅に低減できるためである。
【０００４】
しかし、機械加工で用いられる切削油剤は工具と被削材との間の潤滑作用、加工によって発生する熱を奪う冷却作用、切りくずを加工点から洗い出す排出作用、工具および加工対象の防錆作用などがあり、これらの作用を無視して急激にドライ化を進めると、生産効率や加工精度が低下するなどの新たな問題が生じる。特に、被削材がアルミニウム合金などの軟金属の場合には、実際問題としてドライ加工化は全く進んでいない。そこで、水溶性油剤を噴霧状にして加工点に吹き付けるミスト切削、ごく微量の切削油剤とエアーを混合させ、オイルミストとして加工点に供給しながら切削するMQL(Minimal  Quantity  Lubricant又はMinimum  Quantity  Lubrication)あるいは油膜で覆われた水滴を加工点に吹き付ける油膜付水滴加工と呼ばれるセミドライ加工法の有効性が近年注目されてきているが、まだ完全に実用化されるレベルではない。
【０００５】
従来から軟金属や非鉄金属さらには有機材料などを加工する場合には、ダイヤモンド工具が用いられていた。しかし、このダイヤモンド工具は、ダイヤモンドコーティングなどの工程に必要な費用が高く、製造コストが非常に大きいという問題があり、工業的には慣用的に用いられていなかった。そこで、ダイヤモンド工具の代替の工具として、非晶質の硬質炭素皮膜(DLC:ダイヤモンドライクカーボン)を被覆した硬質炭素被覆工具が提案されている。この硬質炭素皮膜は、低摩擦係数を有することから、ドライ加工に適していると考えられている。
【０００６】
たとえば、特許文献１は、工具上にTiN、TiCN、TiAlNなどの硬質物質をコーティングし、そのコーティング工具上に所定の硬質炭素系潤滑膜を被覆した工具部材が開示されている。また、特許文献２は、非晶質カーボン膜の膜厚を刃先の最大厚みで0.05μm〜0.5μmと非常に薄く限定し、工具切れ刃の先端での膜のチッピングを抑制し、切れ刃部分の耐凝着性能を向上させる技術を開示している。
【０００７】
【特許文献１】特開2000-176705号公報
【特許文献２】特開2003-62705号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１に開示された技術を用いて基材に硬質炭素を被覆し、アルミニウムの高速切削試験を行ったところ、切削初期に下層のTi系皮膜と硬質炭素皮膜の界面で膜が剥離し、下層のTi系皮膜にアルミニウムが凝着し、工具刃先が欠損したため、工具摩耗に関しては何ら有効性を確認することができなかった。
【０００９】
一方、特許文献２に記載の技術では、膜厚が0.5μm以下と非常に薄く設定されているため、特に、高Si含有率（例えば1質量％以上）のアルミ鋳物やアルミダイキャストを切削した場合など工具寿命が短いといった問題があった。また、特許文献２では非晶質カーボン膜の特徴である低摩擦特性を利用したドライ加工化については言及されてはいるものの、アルミニウム合金など軟質金属の切削加工において注目されているセミドライ加工法の有効性に関する検討はなされていなかった。
【００１０】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的の一つは、非鉄金属またはそれらの合金、有機材料、硬質粒子を含有する材料、あるいはこれらの複合材料、そのほか鉄系材料と軟質金属との複合材料などをセミドライ加工法にて切削加工する際に工具の長寿命化を実現できる硬質炭素被覆工具を提供することにある。
【００１１】
本発明の別の目的は、硬質炭素被覆工具にて切削を行なう際、工具の長寿命化を実現できる切削加工方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明工具は、基材と、この基材を被覆する硬質炭素皮膜とを備える硬質炭素被覆工具であって、前記硬質炭素皮膜の表面にはクレーターを有し、そのクレーターの密度が100個／mm2〜2×105個／mm2の範囲内であることを特徴とする。
【００１３】
このような密度のクレーターを硬質炭素皮膜の表面に備えることで、クレーターに切削油剤を保持させることができ、特に潤滑性・冷却性において高い特性を得ることができ、耐凝着性を改善して工具の寿命を延ばすことができる。
【００１４】
以下、本発明をより詳しく説明する。
【００１５】
＜クレーターについて＞
本発明において、クレーターとは、硬質炭素皮膜の表面に形成された複数の凹部で、その凹部に切削油剤の保持機能を有するものをいう。例えば、図１の模式図に示すように、硬質炭素皮膜21の表面に形成された半球状の凹部がクレーター22である。このクレーターは、通常、種々の深さのものが多数存在する。そのため、切削に伴い皮膜が摩耗しても全てのクレーターが消失することはなく、切削油剤の保持機能を維持し続けることができる。
【００１６】
このようなクレーターのサイズは、平均直径が0.1〜5μmで、平均深さが0.1〜5μmであることが好ましい。このようなサイズのクレーターであれば、切削油剤をクレーター内に保持しやすく、高い潤滑性を得ることができる。より好ましい平均直径は、0.9〜3.0μmである。特に、硬質炭素皮膜の最大厚みが後述する規定範囲の場合、クレーターの平均深さを0.1〜5μmとすることで、皮膜の厚さ方向のほぼ全域に及ぶ深さのクレーターが得られ、皮膜の摩耗に伴ってクレーターが消失することがない。例えば、クレーターの平均深さが硬質炭素皮膜の最大厚さの50％以上95％以下、さらには70％以上90％以下であることが好ましい。
【００１７】
クレーターの開口部の形状が非円形である場合、クレーターの直径は、硬質炭素皮膜の表面を写真撮影し、その画像解析を行って個々のクレーター面積を算出し、各クレーターを円とみなして前記面積から演算した直径とすれば良い。一方、クレーターの深さは、硬質炭素皮膜の断面をSEM(Scanning  Electron  Microscope)観察することで求めた値とすれば良い。そして、平均直径および平均深さは、それぞれ5個以上のクレーターの直径または深さを平均した値を用いればよい。
【００１８】
また、クレーターの形状は、特に限定されない。図１では、開口部が円形のクレーター22を示しているが円形に限定されるわけではなく、それ以外に、楕円形状や多角形状であってもよい。特に、中央部ほど深く、開口縁側ほど浅い深さ分布を持つクレーターであることが好ましい。このような形状のクレーターは、後述するように膜に形成されるマクロパーティクルを利用するなどして容易に形成でき、内部に切削油剤を保持しやすい。
【００１９】
＜クレーター密度＞
クレーターの密度は100個／mm2〜2×105個／mm2とする。クレーターの密度が100個／mm2未満であるとセミドライ加工時の切削油剤の保持能力が低下し、潤滑性の向上効果が小さい。逆に、2×105個／mm2よりも大きいと、クレーター間の距離が近くなって、かえって膜の強度や基材との密着性が低下し、その結果、膜が基材から剥離し、露出した基材に被削材が凝着して切削抵抗を上げるために好ましくない。より好ましくは12500個／mm2〜80000個／mm2である。
【００２０】
クレーターの密度は、SEM観察によって評価することができる。例えば、少なくとも1000倍以上の倍率で試料表面の写真撮影を行ない、写真上で単位面積当たりのクレーターの数を数えることにより密度を求める。しかし、硬質炭素は絶縁性であるので、表面のチャージアップを防ぐ必要があり、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着してから観察すると良い。
【００２１】
＜クレーターの形成方法＞
クレーターの形成は、硬質炭素皮膜を物理的蒸着法で成膜し、その際に発生するマクロパーティクルを利用して形成する方法や、レーザーなどにより硬質炭素皮膜の表面に穴加工を行って形成する方法がある。
【００２２】
まず、前者に関してであるが、物理的蒸着法で成膜を行うと、ターゲット（蒸発源）からイオン化されていないマクロパーティクルが発生する。マクロパーティクル（マクロ粒子）は、ターゲットが金属の場合は溶融粒子またはドロップレットなどと呼ばれ、カーボンの場合は材料が昇華するため溶融粒子ではないので、イオンとならずに飛散する巨大カーボン粒子のことである。
【００２３】
例えば、図２に示すように、基材23上に硬質炭素皮膜21を形成する過程において、マクロパーティクル24が膜内に取り込まれ、その取り込み箇所の膜表面に突起25が形成される。この突起25（マクロパーティクル24）を成膜後に各種研磨法で除くことにより、簡単にクレーターを形成することができる。マクロパーティクル24の上部に積層される硬質炭膜皮膜部分は、他の皮膜部分との間に粒界が形成されるため、マクロパーティクル24よりも上部の皮膜部分が脱落しやすく、この脱落を皮膜21の研磨により生じさせることで、脱落跡にクレーターが形成される。上記研磨法の具体例としては、ブラシで磨く方法、バレルで研磨する方法、砥粒や研磨剤で磨く方法などが挙げられる。また、硬質炭素皮膜のコーティング後にAr、Kr、Xeなどの希ガスまたは酸素ガスによるプラズマ処理(プラズマエッチング)を行うことで、マクロパーティクルを除去することも可能である。
【００２４】
この研磨加工やプラズマ処理により、膜表面の突起部分が削られたり、マクロパーティクルが脱落したりし、それらの除去跡として凹部が形成されてクレーターとなる。マクロパーティクルを利用してクレーターを形成する場合、クレーターの密度の制御は、例えば皮膜の厚さを制御することで実質的に制御できる。皮膜が厚くなればマクロパーティクルの量が増え、このマクロパーティクルの発生に伴う突起部分が削られることで、多くのクレーターが得られる。
【００２５】
一方、後者の場合は、硬質炭素皮膜は実質的に炭素から構成されているので、レーザー等を用いて皮膜の温度を局部的に600℃程度以上にすれば、膜が酸化してガス化することから穴加工を容易に行なうことができる。この形成された穴がクレーターとなる。この場合は、単にレーザーで加工した穴の数を調整することでマクロパーティクルの密度を制御できる。
【００２６】
＜硬質炭素皮膜の成分＞
上記のようなクレーターが形成される硬質炭素皮膜は、非晶質の炭素膜、つまりダイヤモンドライクカーボン膜のことである。特に、ダイヤモンドが有する密度と同程度の密度を有して、実質的に炭素原子のみからなる硬質炭素皮膜が好ましい。実質的に炭素原子のみからなる硬質炭素皮膜は、従来の水素を含有する硬質炭素皮膜(炭素原子が水素で終端されており、結合の手をもたない)に対して、切削油剤分子がファンデルワールス力により吸着しやすく、強固な油膜ができる。その結果、刃先近傍の切削油剤厚みが厚くなり、刃先表面の潤滑性が向上するとともに、被削材の凝着性能が著しく改善できる。
【００２７】
＜硬質炭素皮膜の密度＞
一般に、ダイヤモンドの密度は、3.52g／cm3であるが、従来の硬質炭素皮膜はメタン、アセチレンおよびベンゼンなどの炭化水素系ガスを原料として成膜していたため、成膜中には水素が多量に含まれ、その密度が2.5g／cm3より小さいものであった。その結果、このような低密度の硬質炭素皮膜の硬度は、ダイヤモンドの硬度に比べて大幅に低くなってしまい、十分な耐摩耗性を得ることができなかった。
【００２８】
本発明においては、硬質炭素皮膜は実質的に炭素原子のみから構成されることで、その膜の密度を2.5g／cm3〜3.0g／cm3の範囲内とし、所望の硬度を得ることができ、その結果十分な耐摩耗性を達成することができる。例えば、当該皮膜の硬度をナノインデンテーション硬さで30GPa〜80GPa程度にすることができる。
【００２９】
硬質炭素皮膜の密度が3.0g／cm3を超えると、得られる硬質炭素皮膜の硬度は高くなるが、膜中に蓄積される圧縮の残留応力値が大きくなり、膜と基材との密着性が損なわれ、皮膜が剥離しやすくなるので、工具寿命が安定しない。また、硬質炭素皮膜の密度が2.5g／cm3未満では、硬度が低下してしまうので、十分な耐摩耗性が得られないため不都合である。
【００３０】
この硬質炭素皮膜の密度は、斜入射X線分析法(GIXA：Grazing  Incidence  X-ray  Analysis)により行なうことができる。この方法は、X線を非常に浅い角度で試料に入射すると全反射が生じ、全反射臨界角近傍においてはX線の侵入深さは数nm〜数100nm程度と非常に小さくなるという現象を用いる方法である。ここで、上記全反射臨界角とは、全反射が生じる臨界の角度をいう。
【００３１】
＜硬質炭素皮膜の厚み＞
硬質炭素皮膜の厚みは、刃先の最大厚みで0.1μm以上5μm以下であることが好ましい。この厚みが0.1μm未満の場合は、基材の表面に被覆されない部位が生じる可能性があることや、耐摩耗性で問題があるため好ましくない。また、この膜厚が5μmを超えると、切削工程の初期において、刃先の皮膜がチッピングを起こしやすくなり、膜厚が厚いにもかかわらず、逆に寿命が短くなってしまうからである。より好ましい硬質炭素皮膜の厚みは、0.5〜2.5μmの範囲内である。
【００３２】
通常、図２に示すように、工具の刃先部分は尖っていることから、硬質炭素皮膜の厚みは刃先部分が最も厚くなる。この膜厚の測定方法としては、工具を切断し、その断面をSEM(走査型電子顕微鏡)を用いて観察して、最大の厚みtを求めればよい。
【００３３】
＜硬質炭素皮膜の成膜方法＞
本発明においては、実質的に炭素原子のみからなる硬質炭素皮膜が好ましいことは既に述べた。このような硬質炭素皮膜を得て、ダイヤモンドが有する程度の高い硬度を達成し、かつ切削工具として優れた耐摩耗性を示すためには、グラファイトを原料として水素を含まない雰囲気条件下で物理的蒸着法により成膜する。また、硬質炭素皮膜は、成膜の際に反応ガスを入れなければ、不可避的に含まれる不純物を除いて炭素原子から構成され、水素を含む従来の硬質炭素皮膜よりもダイヤモンド構造により近い構造、つまり、sp3結合成分を非常に多く含む構造を得ることができる。これにより、皮膜の硬度を高くすることができ、かつ耐酸化特性もダイヤモンドと同程度の約600℃付近にすることができる。
【００３４】
上記の物理的蒸着法としては、陰極アークイオンプレーティング法、レーザアブレーション法およびスパッタリング法などが挙げられる。これにより、非常に速い成膜速度を得ることができ、ダイヤモンド膜を製造するのに必要な製造コストよりも十分低くすることができる。本発明においては、皮膜の密着力および膜硬度を良好にする点で、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って硬質炭素皮膜が形成されるので、sp3結合の比率が高く、緻密な膜を得ることができる。それに伴い、従来の炭化水素ガスを用いたプラズマCVD法やイオン化蒸着法では成膜が困難であった2.5〜3.0g／cm3の密度を有する硬質炭素皮膜を得ることができる。これにより、硬度が高い皮膜を得ることができ、さらに工具寿命を著しく延長することができる。
【００３５】
＜硬質炭素皮膜の形成位置と界面層＞
本発明において、上記の硬質炭素皮膜は基材上に直接形成しても良いし、基材の上に界面層を設け、その界面層の上に形成してもよい。
【００３６】
硬質炭素皮膜を基材上に直接設けることで、単一のターゲットで成膜でき、界面層の形成工程を省略できるため、基材上に形成される膜の成膜時間を短縮できる。特に、後述するように基材をWC基超硬合金として所定のコバルト量を選択することで、基材に対して適切な密着力の皮膜を得ることができる。
【００３７】
一方、基材と硬質炭素皮膜との間に界面層を設けることで、基材と皮膜との密着力を強固なものにすることができて好ましい。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。
【００３８】
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硬質炭素皮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。
【００３９】
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皮膜の密着力向上効果が十分に得られない。このように極めて薄い界面層を形成することにより、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。
【００４０】
＜混合組成層＞
本発明において、界面層と硬質炭素皮膜との間に、両膜の組成が混合した化学組成層（混合組成層）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。界面層の成膜から硬質炭素皮膜の成膜に製造条件を切り替える際、通常、わずかに界面層と硬質炭素皮膜との組成に混合が起こり、かかる混合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。
【００４１】
＜工具の基材＞
本発明工具の基材としては、WC基超硬合金、サーメット、高速度鋼、炭素鋼、クロム合金鋼、クロムモリブデン合金鋼、ステンレス鋼、セラミックス(炭化硅素、窒化硅素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど)、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化硅素焼結体、酸化アルミニウムと炭化チタンの複合材が好適に利用できる。
【００４２】
特に、上記基材の中でも、炭化タングステン(WC)を主成分とする硬質相と、コバルトなどの鉄族金属を主成分とする結合相とからなるWC基超硬合金が好ましい。とりわけ、WC基超硬合金に含まれるコバルト量を適切に選択することが望ましい。これは、コバルト量が多くなると超硬合金基材の勒性が上がり、この基材の刃先の耐欠損特性は上がるものの、刃先に強い外力が加わった場合に基材の変形に高硬度な硬質炭素皮膜が追随できず、硬質炭素皮膜が基材との界面で剥離してしまうためである。皮膜が剥離することなく切削性能を安定化させるためには、基材中のコバルト含有量を12質量％以下とすることが好ましい。更に好ましくはこの含有量を3質量％以上7質量％以下とする。
【００４３】
また、WC基超硬合金基材の焼結後における炭化タングステンの平均結晶粒径は0.1μm以上3μm以下であることが好ましい。この平均結晶粒径が0.1μm未満の場合には現状の評価方法では判別困難である。逆に、平均結晶粒径が3μmを超えると膜が摩耗した場合に基材中の大きな炭化タングステン粒子が脱落して大欠損を起こしてしまうので好ましくない。
【００４４】
＜切削方法＞
本発明切削加工方法は、上述した本発明工具を用い、切削油剤の存在下にて切削を行なう。この切削加工方法により、クレーターに切削油剤を保持して高い潤滑性を得ることができる。切削油剤の存在下にて行う切削加工方法には、湿式切削法はもちろん、いわゆるセミドライ切削法が好適に利用できる。セミドライ切削法であれば、切削油剤の使用量を湿式切削法に比べて格段に低減できて好ましい。セミドライ切削法には、(1)水溶性油剤を噴霧状にして加工点に吹き付けるミスト切削、(2)ごく微量の切削油剤とエアーを混合させ、オイルミストとして加工点に供給しながら切削するMQL、(3)油膜で覆われた水滴を加工点に吹き付ける油膜付水滴加工などが挙げられる。これらセミドライ切削法では、クレーター部が油だまり(油を保持する)の役目を担って潤滑性を高めることができる。その結果、ドライ加工に比べてさらに工具寿命が延長されて好ましい。
【００４５】
このように切削油剤の存在下にて切削加工を行う場合、潤滑油を含む切削油剤を用いて加工することが好ましい。潤滑油は、切削油とは区別して分類されており、車両用潤滑油（車両用エンジン油、車両用ギヤー油など）、船舶用潤滑油、工業用潤滑油（作動油、工業用ギヤー油、絶縁油、油膜軸受油、タービン油、冷凍機油、エアコンプレッサ油など）などが含まれる。この潤滑油を含む切削油剤は、潤滑油のみで構成される場合は勿論、切削油と潤滑油との混合物で構成した場合でもよい。特に、この潤滑油としては、ジエステル、ポリオールエステル（ネオペンチルグリコール、トリメチロールプロパン、ペンタエリストール、ジペンタエリストールなど）、ポリ-α-オレフィン（PAO）などの合成潤滑油が好ましい。
【００４６】
本発明切削加工方法のさらに好ましい態様として、上記の潤滑油として、所定の摩擦調整剤を含有したものを用いることが挙げられる。具体的には、潤滑基油に脂肪酸エステル系無灰摩擦調整剤および脂肪族アミン系無灰摩擦調整剤の少なくとも一方が含有される潤滑油を用いる。通常、潤滑油は、所定の添加剤が基油に含有されて構成される。この添加剤として上記の摩擦調整剤を含有することで、切削加工時の摩擦抵抗を下げ、工具寿命を延長することができる。とりわけ、この摩擦調整剤を含有した潤滑油は、セミドライ加工において用いられることが好ましい。この効果の得られる原因は、必ずしも明らかではないが、次のように推測される。
【００４７】
(1)実質的に水素を含まない硬質炭素被膜と脂肪酸エステル系無灰摩擦調整剤および脂肪族アミン系無灰摩擦調整剤の少なくとも一方との反応により、何らかのトライボケミカル反応が生じ、この反応により形成される低せん断強度のトライボフィルムにより硬質炭素被膜の表面潤滑性が向上する。
【００４８】
(2)実質的に水素を含まない硬質炭素被膜は表面エネルギーが高く、切削油剤に添加された上記所定の摩擦調整剤が硬質炭素被膜の表面に吸着しやすくなる。
【００４９】
ここで、脂肪酸エステル系無灰摩擦調整剤および脂肪族アミン系無灰摩擦調整剤としては、炭素数6〜30の炭化水素基を有するものが好適に用いられる。より好ましい炭素数の範囲は8〜24であり、さらに好ましい炭素数の範囲は10〜20である。この炭素数が6〜30の範囲から外れると、摩擦低減効果が十分に得られない場合がある。この摩擦調整剤の具体例としては、直鎖状または分枝状炭化水素基を有する脂肪酸エステル、脂肪族アミン化合物およびこれらの任意の混合物を挙げることができる。
【００５０】
上記脂肪酸エステルとしては、炭素数6〜30の直鎖状または分枝状炭化水素基を有する脂肪酸と脂肪族1価アルコールまたは脂肪族多価アルコールとからなるエステルなどを例示できる。より具体的な好適例としては、グリセリンモノオレート、グリセリンジオレート、ソルビタンモノオレートおよびソルビタンジオレート等が挙げられる。
【００５１】
一方、上記脂肪族アミン化合物としては、脂肪族モノアミンまたはそのアルキレンオキシド付加物、脂肪族ポリアミン、イミダゾリン化合物、およびこれらの誘導体などを例示できる。より具体的な好適例としては、N,N-ジポリオキシエチレン-N-オレイルアミン等が挙げられる
【００５２】
また、上記の潤滑油に含まれる脂肪酸エステル系無灰摩擦調整剤および脂肪族アミン系無灰摩擦調整剤の少なくとも一方の含有量は、特に制限はない。ただし、これら摩擦調整剤の含有量を潤滑油に対して0.05〜3.0質量％とすることが好ましい。摩擦調整剤の含有量がこの下限値を下回ると摩擦低減効果が小さくなりやすく、上限値を超えると摩擦低減効果には優れるものの、摩擦調整剤の基油への溶解性や潤滑油の貯蔵安定性が著しく悪化し、沈殿物が発生しやすいので好ましくない。
【００５３】
その他、摩擦調整剤以外の添加剤としては、油性向上剤、極圧剤、酸化防止剤、清浄分散剤、粘度指数向上剤、流動点降下剤、さび止め剤、消泡剤などが挙げられる。上述した摩擦調整剤に加え、これらの添加剤を必要に応じて添加した潤滑油を用いてもよい。
【００５４】
一方、潤滑油の基油は、特に限定されるものではなく、通常、潤滑油の基油として用いられるものであれば、鉱油系基油、合成系基油を問わず使用することができる。
【００５５】
鉱油系基油としては、具体的には、原油を常圧蒸留および減圧蒸留して得られた潤滑油留分を溶剤脱れき、溶剤抽出、水素化分解、溶剤脱ろう、水素化精製、ワックス異性化などの処理を一つ以上行って精製したものなどが挙げられる。特に、水素化分解処理や水素化精製処理、或いはワックス異性化処理が施されて得られた各種の鉱油系基油を好適に用いることができる。
【００５６】
合成系基油としては、1-オクテンオリゴマー、1-デセンオリゴマーなどのポリ-α-オレフィンまたはその水素化物が好適例として挙げられる。
【００５７】
この潤滑油の基油は、鉱油系基油および合成系基油を単独或いは混合して用いる以外に、2種類以上の鉱油系基油の混合物あるいは2種類以上の合成系基油の混合物であっても差し支えない。また、これらの混合物における2種類以上の基油の混合比も特に限定されず、任意に選択することができる。
【００５８】
＜本発明工具の加工対象と具体的工具形態＞
本発明工具は、その耐摩耗性と耐凝着性から、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、銅など非鉄材の加工に使用することも好適である。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、各種複合材料の加工などにも有効である。より具体的には、プリント回路基板加工や鉄系材料とアルミニウムとの共削り加工などが挙げられる。その他、本発明工具の硬質炭素皮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。
【００５９】
また、本発明工具は、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などの用途に用いることができる。
【発明の効果】
【００６０】
本発明工具によれば、硬質炭素皮膜の表面にクレーターを設け、そのクレーター密度を特定することで、クレーターに切削油剤を保持させ、切削加工時の潤滑性を向上させることで被削材の工具への凝着を抑制する。それにより、凝着に伴って発生する工具の欠損も抑制することができ、工具寿命を向上させることができる。特に、硬質炭素皮膜を実質的に炭素原子のみからなる硬質の膜とすることで、高い耐摩耗性も合わせ持つことができる。
【００６１】
また、本発明切削加工方法によれば、切削油剤の存在下で切削を行なうことで、工具の皮膜に形成されたクレーターに切削油剤が保持され、加工時の潤滑性を高めることで工具の高寿命化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６２】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００６３】
(実施例1)
基材として、φ8mmのWC基超硬合金製ドリルを用意した。この基材はWC基超硬合金基材で、Coの含有量が5質量％、WCの平均結晶粒径は1.0μmである。その基材表面に下記のように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表1に示す本発明品の硬質炭素被覆ドリル試料1〜8を用意した。
【００６４】
すなわち、図３に示すように、ガス導入口2と排気口3とを有する成膜装置1内に複数個のターゲット6、7を配置し、ターゲット6,7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に超硬合金製ドリル5を装着する。各ターゲット6、7に直流電圧を印加するカソード電源8、9や基材保持具に接続される直流バイアス電源10を調整して真空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硬質炭素皮膜をコーティングした。
【００６５】
まず、図示してない基材加熱ヒーターを用いて一旦ドリル5を300℃まで加熱させながら成膜装置1内の真空度を1×10-4Paとした後、その真空度の状態で同ヒーターの投入電力を下げてドリル温度を150℃に低下させた。ドリル温度が150℃に下がったら、ガス導入口2からアルゴンガスを導入して2×10-1Paの雰囲気に保持させながら、直流バイアス電源10により基材保持具4に−2000Vの電圧をかけてアルゴンプラズマによる表面エッチングを行った後、排気口3よりアルゴンガスを排気した。
【００６６】
次に、成膜装置1内にガス導入口2からアルゴンガスを80cc／minの割合で導入しながら、真空アーク放電によりグラファイトのターゲット6を蒸発およびイオン化させることによりドリル5上に直接硬質炭素皮膜を形成した。このとき、バイアス電源10による電圧は、-50Vから徐々に電圧を上げて-100Vにあげていった。このようにバイアス電圧を時間的に傾斜させてコーティングすることで、表面の膜の硬度を向上させることができる。
【００６７】
次に、切削試験に入る前に皮膜表面を♯8000番のダイヤモンドシートにより研磨し、マクロパーティクルに伴う皮膜表面の突起を除去して、皮膜にクレーターを形成した。
【００６８】
また、比較のため、本発明の規定する皮膜条件から外れる比較品1〜3とメタンガスを用いた高周波プラズマCVD法で成膜した比較品4を準備した。比較品4の硬質炭素皮膜にはマクロパーティクルは生成されない。
【００６９】
次に、上記の方法で製造した各ドリルについて、切削材：AC4C-T6（Si含有量は6.5〜7.5％）、切削速度：150min、送り：0.15mm／rev、深さ：40mmの条件により、穴あけ試験(内部給油によるMQL条件：エステル系植物油、10mL/h)を行い、バリが発生するか又は穴径精度が製品規格を外れるまでの加工数の評価を行なった。この結果を表1に示す。表1において、「最大膜厚」は、刃先断面をSEMにより観察し、最大の膜厚を求めた。「クレーター数」は硬質炭素皮膜表面をSEMで拡大して観察することで評価した。また、「膜密度」は硬質炭素皮膜のクレーターの密度を斜入射X線分析法(GIXA：Grazing  Incidence  X-ray  Analysis)により求めた。なお、本発明品のクレーターは、いずれも平均直径が0.1〜5μmで、平均深さが0.1〜5μmであった。
【００７０】
【表１】
2007083382.tif 000003
【００７１】
表1の結果から、従来からのCVD法で形成した水素含有硬質炭素皮膜である比較品4は切削初期に折損したのに対して、本発明は優れた耐久性を有すると同時に、優れた耐凝着性を備えることがわかる。したがって、穴開け加工後の穴加工精度も非常に高く、工具寿命も延長することができる。
【００７２】
(実施例2)
φ5mmの超硬合金製(K20相当：Coの含有量6質量％、WCの平均結晶粒径3μm)ドリルの表面に、表2中の通り、上記実施例1と同一の手順で硬質炭素皮膜被覆工具を作製した。ここで、場合によっては、硬質炭素皮膜の成膜に先立ち、図３の装置で、周期律表IVa、Va、VIaおよびIIIb族元素およびC以外のIVb族元素の金属ターゲット7を蒸発およびイオン化させながら、バイアス電源10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、皮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。
【００７３】
また、一部の試料においては、さらに炭化水素ガス（CH4）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7を蒸発およびイオン化し、バイアス電源10により基材保持具4に-350V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。界面層から硬質炭素皮膜の形成は、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。
【００７４】
また、比較のために本発明の規定要件を外れる比較品5〜7と、Si界面層と水素を35at％含有した硬質炭素皮膜とを被覆した比較品8を準備した。この水素含有硬質炭素皮膜はCVD法で形成され、また水素含有量は、ERDA(Elastic  Recoil  Detection  Analysis：弾性反跳粒子検出法)により評価した。
【００７５】
次いで、コーティング後にArガスプラズマ処理を行い、マクロパーティクルに伴う皮膜表面の突起を除去して、硬質炭素皮膜にクレーターを形成させた。
【００７６】
得られた工具を用いて、切削材：ADC12（Si含有量は9.6〜12質量％）、切削速度：450min、送り：0.12mm／rev、深さ：40mmの条件により、穴あけ試験(内部給油によるMQL条件：エステル系植物油、10mL/h)を行い、バリが発生するかまたは穴径精度が製品規格を外れるまでの加工数の評価を行なった。結果を表2に示す。表2において、「界面層厚み」はオージェ電子分光法(AES：Auger  Electron  Spectroscopy)により測定した。「平均径」は硬質炭素皮膜の表面を写真撮影し、その画像解析を行って個々のクレーター面積を算出し、各クレーターを円とみなして前記面積から演算した直径を求め、5個以上のクレーターの直径の平均を求めることで算出し、「最大径」は求めた直径のうち最大の直径とした。「平均深さ」は硬質炭素皮膜の断面をSEM観察することから演算した深さを求め、5個以上のクレーターの深さの平均を求めることで算出し、「最大深さ」は測定したクレーターの深さのうち最大の深さとした。
【００７７】
【表２】
2007083382.tif 000004
【００７８】
表2の結果から、従来からのCVD法で形成した水素含有硬質炭素皮膜である比較品8は切削初期に折損したのに対して、本発明品は優れた耐久性を有すると同時に、優れた耐凝着性を備えることがわかる。したがって、穴開け加工後の穴加工精度も非常に高く、寿命も延長することができる。
【００７９】
(実施例3)
刃先交換型超硬製(K10相当：Coの含有量6質量％、WCの平均結晶粒径1.2μm)チップの表面に、上記実施例1と同一の手順で成膜した表2中の本発明品16と、比較材として、水素を35at％含有する硬質炭素皮膜をCVD法により被覆した硬質炭素被覆工具（比較品8）と、ノンコート品（比較品9）とを準備した。
【００８０】
次いで、上記の各刃先交換型チップを工具径32mmのホルダーに付けて、速度：500min、送り：0.15mm／rev、取りしろ：Ad＝Rd＝5mmの条件下で、アルミダイキャスト(A390：Si含有量は16〜18質量％)のMQL(エステル系植物油、10mL/h)によるエンドミル加工を行ない、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】
その結果、切削エンドミルのうち、ノンコートの比較品9は8mで、比較品8は12m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。一方、本発明の範囲内である本発明品16の被覆をしたエンドミルは、2.5km切削したときの被削材の表面粗さが規格値から外れたため、この際の長さを寿命とした。このように本発明品は著しく切削工具寿命を延長することができる。
【００８２】
（実施例4）
前記表2の本発明品11、16を用い、切削油剤を変えて実施例１と同様の条件でドリルによる穴あけ加工を行い、加工穴数の評価を行った。本例では、切削油剤として次の2種類の潤滑油を用いた。
【００８３】
切削油剤１：ポリオールエステル
切削油剤２：ポリ-α-オレフィンの基油に摩擦調整剤としてグリセリンモノオレートを1質量％添加したもの（基油と摩擦調整剤の総量を100質量％とする）
【００８４】
その結果、切削油剤1を用いた場合、本発明品11による加工穴数は2012穴、本発明品16による加工穴数は3897穴であった。この結果を、エステル系植物油を切削油剤とした実施例１での試験結果と比較してみると、格段に加工穴数が向上していることがわかる。
【００８５】
一方、切削油剤2を用いた場合、本発明品11による加工穴数は2543穴、本発明品16による加工穴数は4235穴であり、切削油剤1を用いた場合に比べてもさらに加工穴数が増加していることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明工具は、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、ルーターおよびタップの他、カッター、ナイフ、スリッターなどの切断工具などに利用することができる。特に、これらの切削工具は、わずかな切削油剤の存在下での加工に好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明工具の皮膜に形成されたクレーターを示し、（A）は平面図、（B）は断面図である。
【図２】本発明工具の皮膜形成過程におけるマクロパーティクルの状態を示す説明図である。
【図３】本発明工具の皮膜形成を行う成膜装置の概略図である。
【符号の説明】
【００８８】
1  成膜装置  2  ガス導入口  3  排気口  4  基材保持具
6、7  ターゲット  5  ドリル  8、9  カソード電源  10  バイアス電源
21  硬質炭素皮膜  22  クレーター  23  基材  24  マクロパーティクル
25  突起
【図１】
2007083382.tif 000005
【図２】
2007083382.tif 000006
【図３】
2007083382.tif 000007