(57)【要約】【課題】溶着性の高い被削材に対してエアブローで切削加工を行う場合でも実用上満足できる工具寿命が得られるＤＬＣ被膜を提供する。【解決手段】ＤＬＣ被膜２０は、実質的に水素を含まないベース層２２と所定量の水素を含む表皮層２４との２層構造を成しており、ベース層２２により優れた耐摩耗性が得られるとともに表皮層２４により摩擦係数が小さくされ、優れた耐溶着性（潤滑性）が得られるようになる。これにより、アルミニウム合金等の溶着性の高い被削材に対してエアブローで切削加工を行う場合でも、溶着が抑制されて工具寿命が向上する。【選択図】図１
2007131893.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の部材の表面に設けられるＤＬＣ被膜であって、
実質的に水素を含まないベース層と、該ベース層の上に設けられるとともに２原子％〜２０原子％の範囲内で水素を含む水素含有層との２層構造を成している
ことを特徴とするＤＬＣ被膜。
【請求項２】
前記水素含有層の膜厚は、ＤＬＣ被膜全体の膜厚の５％〜５０％の範囲内で、該ＤＬＣ被膜全体の膜厚は０．０５μｍ〜１．０μｍの範囲内である
ことを特徴とする請求項１に記載のＤＬＣ被膜。
【請求項３】
工具母材の表面がＤＬＣ被膜で被覆されているＤＬＣ被膜被覆工具において、
前記ＤＬＣ被膜は、実質的に水素を含まないベース層と、該ベース層の上に設けられるとともに２原子％〜２０原子％の範囲内で水素を含む水素含有層との２層構造を成している
ことを特徴とするＤＬＣ被膜被覆工具。
【請求項４】
前記水素含有層の膜厚は、ＤＬＣ被膜全体の膜厚の５％〜５０％の範囲内で、該ＤＬＣ被膜全体の膜厚は０．０５μｍ〜１．０μｍの範囲内である
ことを特徴とする請求項３に記載のＤＬＣ被膜被覆工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＤＬＣ被膜に係り、特に、溶着性の高い被削材に対してドライ加工で切削加工を行う場合でも実用上満足できる工具寿命が得られるＤＬＣ被膜に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＤＬＣ（Diamond Like Carbon ；ダイヤモンド状カーボン）は緻密なアモルファス構造で、結晶学的にはダイヤモンドと異なるものであるが、高硬度で優れた耐摩耗性が得られるため、切削工具等の被膜として広く用いられている。特許文献１、２に記載の工具はその一例で、実質的に水素を含まない単層のＤＬＣ被膜で被覆されており、優れた耐摩耗性が得られる。また、特許文献３には、積極的に水素を含有させたＤＬＣ被膜を記録媒体の保護膜として用いる技術が提案されている。
【特許文献１】特開２００５−２２０７３号公報
【特許文献２】特開２００３−６２７０５号公報
【特許文献３】特開２００１−１４８１１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、実質的に水素を含まないＤＬＣ被膜で被覆した切削工具においては、アルミニウム合金や銅合金などの溶着性の高い被削材に対して潤滑油剤を全く使わないエアブローによるドライ加工や、最少量の潤滑油剤を使用するミスト噴霧により切削加工を行おうとすると、溶着により早期に加工精度が低下して工具寿命に達してしまうという問題があった。一方、積極的に水素を含有させたＤＬＣ被膜は、摩擦係数が小さくなって耐溶着性が向上するものの、硬度が低下して耐摩耗性が損なわれるため、記録媒体等の保護膜としては使用できるものの、工具の硬質被膜として使用するには適当でなかった。
【０００４】
本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、アルミニウム合金や銅合金などの溶着性の高い被削材に対してドライ加工やミスト噴霧により切削加工を行う場合でも実用上満足できる工具寿命が得られるＤＬＣ被膜を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
かかる目的を達成するために、第１発明は、所定の部材の表面に設けられるＤＬＣ被膜であって、実質的に水素を含まないベース層と、そのベース層の上に設けられるとともに２原子％〜２０原子％の範囲内で水素を含む水素含有層との２層構造を成していることを特徴とする。
【０００６】
第２発明は、第１発明のＤＬＣ被膜において、前記水素含有層の膜厚は、ＤＬＣ被膜全体の膜厚の５％〜５０％の範囲内で、そのＤＬＣ被膜全体の膜厚は０．０５μｍ〜１．０μｍの範囲内であることを特徴とする。
【０００７】
第３発明は、工具母材の表面がＤＬＣ被膜で被覆されているＤＬＣ被膜被覆工具において、前記ＤＬＣ被膜は、実質的に水素を含まないベース層と、そのベース層の上に設けられるとともに２原子％〜２０原子％の範囲内で水素を含む水素含有層との２層構造を成していることを特徴とする。
【０００８】
第４発明は、第３発明のＤＬＣ被膜被覆工具において、前記水素含有層の膜厚は、ＤＬＣ被膜全体の膜厚の５％〜５０％の範囲内で、そのＤＬＣ被膜全体の膜厚は０．０５μｍ〜１．０μｍの範囲内であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
このようなＤＬＣ被膜によれば、実質的に水素を含まないベース層により優れた耐摩耗性が得られるとともに、その上の水素含有層により摩擦係数が小さくされて優れた耐溶着性（潤滑性）が得られるようになる。すなわち、水素含有層はベース層に比べて硬度が低くなるが、高硬度のベース層の上に設けられることにより、変形が抑制されて優れた耐摩耗性が得られるのである。したがって、例えば第３発明のように工具の被膜として使用すれば、アルミニウム合金や銅合金などの溶着性の高い被削材に対してドライ加工やミスト噴霧により切削加工を行う場合でも、溶着が抑制されて工具寿命が向上する。
【００１０】
一方、水素含有層の膜厚が厚くなると、ベース層による耐摩耗性の効果が低下するとともに剥離し易くなるため、第２発明のように水素含有層の膜厚は、ＤＬＣ被膜全体の膜厚の５％〜５０％の範囲内とすることが望ましい。ＤＬＣ被膜全体の膜厚も、優れた耐摩耗性、耐溶着性を得る上で、０．０５μｍ〜１．０μｍの範囲内とすることが望ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明は、エンドミルやタップ、ドリルなどの回転切削工具の他、バイト等の非回転式の切削工具、或いは転造工具など、種々の加工工具のＤＬＣ被膜に適用されるが、表面保護膜など加工工具以外の部材の表面にコーティングされるＤＬＣ被膜にも適用できる。工具母材などＤＬＣ被膜が設けられる部材の材質としては、超硬合金や高速度工具鋼が好適に用いられるが、他の金属材料であっても良い。
【００１２】
本発明のＤＬＣ被膜被覆工具は、溶着性が高いアルミニウム合金や銅合金等に対してエアブローまたはミスト噴霧を行いながら切削加工を行うドライ加工やセミドライ加工に好適に使用されるが、他の非鉄金属やステンレス鋼、スチール等の鉄鋼材料など、種々の金属材料に対する切削加工に使用することができる。また、潤滑油剤を十分に供給しながら切削加工を行うウェット加工で用いることも可能である。
【００１３】
ＤＬＣ被膜のコーティング法としては、グラファイトをターゲットとして用いて成膜するアークイオンプレーティング法、スパッタリング法等のＰＶＤ（物理的蒸着）法が好適に用いられる。その場合に、水素を含まない雰囲気下で成膜すれば、実質的に水素を含まないベース層を形成できる一方、炭化水素ガスや水素ガス等を導入して水素を含む雰囲気下で成膜すれば、所定量の水素を含有する水素含有層を形成することができる。
【００１４】
上記ベース層と水素含有層との境界では、水素の含有量を段階的に増やしたり連続的に増やしたりすることも可能であるが、水素ガス等の有無を一気に切り換えるようにしても良い。
【００１５】
実質的に水素を含まないベース層は、成膜技術に応じて不可避的に混入する水素については含有しても止むを得ない趣旨で、少なくとも水素含有層よりも水素の含有量が少なく、通常は１．０原子％程度以下であれば良い。
【００１６】
水素含有層は、水素の含有量が２原子％より少ないと所定の耐溶着性の効果が得られない一方、２０原子％より多いと耐摩耗性が低下して剥離し易くなるため、２原子％〜２０原子％の範囲内である必要があり、５原子％〜１４原子％の範囲内が望ましい。
【００１７】
水素含有量は、例えばＥＲＤＡ(Elastic Recoil Detection Analysis：弾性反跳検出分析) 法などで検出できるが、表面部分では、炭化水素や水分などの付着物の影響で検出値が著しく高くなる場合があるため、そのような場合には表層部分を除く水素含有層の内部の水素含有量が前記数値範囲内であれば良い。検出精度や解析方法にもよるが、必ずしも水素含有層の全域でその数値範囲を満足している必要はなく、例えば水素含有層内の水素含有量の平均値がその数値範囲内であれば良い。
【００１８】
ＤＬＣ被膜全体の膜厚は、０．０５μｍより薄いと耐摩耗性、耐溶着性の効果が十分に得られず、１．０μｍより厚くなると剥離し易くなるため、０．０５μｍ〜１．０μｍの範囲内が適当である。成膜技術によりＤＬＣ被膜の膜厚にばらつきが生じる場合には、少なくとも切削に関与する切れ刃近傍部分で上記数値範囲を満たしておれば良く、切り屑排出溝などではこの数値範囲から外れていても良い。
【００１９】
ＤＬＣ被膜全体の膜厚に対する水素含有層の膜厚の比率は、５％より薄いと耐溶着性の向上効果が十分に得られず、５０％よりも厚くなると、ベース層による耐摩耗性の効果が低下するとともに剥離し易くなるため、５％〜５０％の範囲内が適当であり、優れた耐摩耗性を得る上で５％〜３０％の範囲内が一層望ましい。
【実施例】
【００２０】
以下、本発明の実施例の図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明のＤＬＣ被膜被覆工具の一例であるエンドミル１０を説明する図で、(a) は軸心と直角方向から見た概略正面図、(b) は先端側から見た底面図である。このエンドミル１０は、３枚刃のスクエアエンドミルで、超硬合金にて構成されている工具母材１２にはシャンクおよび刃部１４が一体に設けられている。刃部１４には、切れ刃として外周刃１６および底刃１８が設けられており、軸心まわりに回転駆動されることによりそれ等の外周刃１６および底刃１８によって切削加工が行われるとともに、その刃部１４の表面にはＤＬＣ被膜２０がコーティングされている。図１(a) の斜線部はＤＬＣ被膜２０を表しており、図１の(c) は、ＤＬＣ被膜２０がコーティングされた刃部１４の表面部分の断面図である。エンドミル１０は回転切削工具で、工具母材１２はＤＬＣ被膜２０が設けられる所定の部材に相当する。
【００２１】
図１(c) から明らかなように、ＤＬＣ被膜２０は、工具母材１２の表面に設けられたベース層２２、およびそのベース層２２の上に設けられた表皮層２４から成る２層構造を成している。ベース層２２は、ＤＬＣ被膜のコーティング技術において不可避的に混入した水素を除いて、実質的に水素を含んでいない層であり、その水素含有量は１．０原子％以下である。一方、表皮層２４は水素含有層に相当するもので、ＤＬＣ被膜をコーティングする際に積極的に水素を導入したもので、その水素含有量は２原子％〜２０原子％の範囲内である。また、ＤＬＣ被膜２０の全体の膜厚（総膜厚）Ｄ１は０．０５μｍ〜１．０μｍの範囲内で、そのうちの表皮層２４の膜厚Ｄ２は、総膜厚Ｄ１の５％〜５０％の範囲内である。
【００２２】
上記ＤＬＣ被膜２０は、本実施例ではグラファイトをターゲットとして用いて成膜するアークイオンプレーティング法によって形成されている。その場合に、ベース層２２は水素を含まない雰囲気下で成膜されるのに対し、表皮層２４は、所定量の炭化水素ガスや水素ガス等を導入して水素を含む雰囲気下で成膜され、これにより所定量の水素が含有させられている。
【００２３】
ここで、上記水素含有量は、例えばＥＲＤＡ法によって検出できるが、表面部分では、炭化水素や水分などの付着物の影響で検出値が著しく高くなる場合があるため、表皮層２４の表層部分を除く内部の水素含有量が前記２原子％〜２０原子％の範囲内であれば良い。また、必ずしも表皮層２４の全域でその数値範囲を満足している必要はなく、本実施例では表皮層２４内における水素含有量の平均値を用いている。
【００２４】
このようなＤＬＣ被膜２０により被覆されたエンドミル１０によれば、実質的に水素を含まないベース層２２により優れた耐摩耗性が得られるとともに、その上に設けられた所定量の水素を含む表皮層２４により摩擦係数が小さくされ、優れた耐溶着性（潤滑性）が得られるようになる。すなわち、表皮層２４は、ベース層２２に比べて硬度が低くなるが、高硬度のベース層２２の上に設けられることにより、変形が抑制されて優れた耐摩耗性が得られるのである。これにより、アルミニウム合金や銅合金などの溶着性の高い被削材に対してドライ加工やミスト噴霧により切削加工を行う場合でも、溶着が抑制されて工具寿命が向上する。
【００２５】
一方、表皮層２４の膜厚が厚くなると、ベース層２２による耐摩耗性の効果が低下するとともに剥離し易くなるが、本実施例では、表皮層２４の膜厚Ｄ２がＤＬＣ被膜２０の総膜厚Ｄ１の５％〜５０％の範囲内で、且つＤＬＣ被膜２０の総膜厚Ｄ１は０．０５μｍ〜１．０μｍの範囲内であるため、ベース層２２による優れた耐摩耗性を維持しつつ耐溶着性を向上させることができる。
【００２６】
因みに、図２に示す構成のＤＬＣ被膜で被覆した本発明品、比較品、および従来品の３種類のテストピンを用意し、図３に示す試験装置を用いて以下の試験条件で耐摩耗性試験を行ったところ、図４に示す結果が得られた。テストピンは、φ６×２５Ｌの円柱形状を成すもので、先端は５Ｒの球面とされている。なお、図２の「総膜厚に対する表皮層の比率」は、ＤＬＣ被膜２０の総膜厚Ｄ１に対する表皮層２４の膜厚Ｄ２の割合Ｄ２／Ｄ１のことである。また、表皮層２４の水素含有量は１０原子％で、ベース層２２の水素含有量は１．０原子％以下である。
（試験条件）
・被削材：Ａ７０７５（アルミニウム合金）
・荷重：５００ｇ
・線速度：１００ｍｍ／ｓ
・時間：１０００秒
【００２７】
図４は、テストピンの先端球面の摩耗痕を示す写真で、本発明品が最も小さく、優れた潤滑性および耐摩耗性が得られることが分かる。水素を含有する表皮層２４を有する比較品は、その膜厚Ｄ２の総膜厚Ｄ１に対する比率が６１％と高いため、ベース層２２による耐摩耗性の効果が十分に得られないとともに剥離し易くなり、表皮層２４を備えていない従来品よりも耐摩耗性が悪化し、摩耗痕が最も大きい。
【００２８】
また、図５および図６は、前記図２、図３と同じ試験品、試験装置を用いて以下の試験条件で摩擦係数を調べた結果である。図５は、本発明品と比較品とを比較したもので、本発明品の方が０．０５〜０．１程度摩擦係数が小さく、優れた潤滑性が得られることが分かる。比較品は、ＤＬＣ被膜２０が早期に剥離し、テストピンの本体（母材）が露出して急速に摩耗が進行し、その摩耗に伴って本発明品よりも大きな傾斜で摩擦係数が増加している。図６は、本発明品と従来品とを比較したもので、８００秒程度までは本発明品の方が従来品よりも摩擦係数が小さく、表皮層２４の存在で優れた潤滑性が得られることが分かる。
（試験条件）
・被削材：Ａ７０７５（アルミニウム合金）
・荷重：５０ｇ
・線速度：２５ｍｍ／ｓ
【００２９】
図７〜図１０は、前記実施例のエンドミル１０と同様のφ１０の超硬３枚刃スクエアエンドミルにおいて、「総膜厚に対する表皮層の比率」すなわち前記割合Ｄ２／Ｄ１、「表皮層の水素含有量」、およびＤＬＣ被膜２０の各層および全体の「膜厚」を種々変更したものを用意し、耐溶着性を調べた結果を説明する図である。図７の(a) は試験条件で、(b) は測定した「すくい面の溶着幅」を説明する図であり、溶着幅が小さい程耐溶着性が優れている。また、図８は、表皮層２４の水素含有量が１０原子％で、「総膜厚に対する表皮層の比率」を種々変更したＤＬＣ被膜２０で被覆した複数種類の試験品を用いて切削加工を行い、「すくい面の溶着幅」を測定した結果である。図９は、総膜厚Ｄ１に対する表皮層２４の膜厚Ｄ２の比率Ｄ２／Ｄ１が２５％で、「表皮層の水素含有量」を種々変更したＤＬＣ被膜２０で被覆した複数種類の試験品を用いて切削加工を行い、「すくい面の溶着幅」を測定した結果である。図１０は、表皮層２４の水素含有量が１０原子％で、ＤＬＣ被膜２０のベース層２２、表皮層２４、および全体の「膜厚」を種々変更したＤＬＣ被膜２０で被覆した複数種類の試験品を用いて切削加工を行い、「すくい面の溶着幅」を測定した結果である。なお、ベース層２２の水素含有量は何れも０．１原子％以下で、図８、図９における試験品のＤＬＣ被膜２０の総膜厚Ｄ１は、０．１５〜０．２μｍの範囲内である。また、図９の「表皮層の水素含有量」の欄の「％」は、「原子％」のことである。
【００３０】
図８の測定結果から、膜厚の比率Ｄ２／Ｄ１が５％〜５０％程度の範囲内であれば溶着幅が０．２ｍｍ程度以下になり、優れた耐溶着性が得られる。また、４０％以下では溶着幅が０．１０ｍｍ以下になり、５％〜３０％程度の範囲が特に望ましい。
【００３１】
図９の測定結果から、表皮層２４の水素含有量が２原子％〜２０原子％程度の範囲内であれば溶着幅が０．２ｍｍ程度以下になり、優れた耐溶着性が得られる。特に、５原子％〜１４原子％の範囲では、溶着幅が０．１０ｍｍ未満になり、一層優れた耐溶着性が得られる。
【００３２】
図１０の測定結果から、ＤＬＣ被膜２０の総膜厚が０．０５μｍ〜１．０μｍの範囲内であれば溶着幅が０．２ｍｍ程度以下になり、優れた耐溶着性が得られる。特に、０．１μｍ〜０．５μｍの範囲では、溶着幅が０．１ｍｍ程度以下になり、一層優れた耐溶着性が得られる。
【００３３】
以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、これ等はあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更，改良を加えた態様で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施例であるエンドミルを説明する図で、(a) は軸心と直角方向から見た概略正面図、(b) は先端側から見た底面図、(c) はＤＬＣ被膜が設けられた刃部の表面部分の断面図である。
【図２】膜厚等が異なる３種類のＤＬＣ被膜を説明する図である。
【図３】図２のＤＬＣ被膜で被覆されたテストピンを用いて耐摩耗性試験を行う試験装置を説明する図である。
【図４】図２のＤＬＣ被膜で被覆された３種類のテストピンを用いて図３の試験装置で耐摩耗性試験を行うことにより、それ等のテストピンの先端球面部分に生じた摩耗痕を示す写真である。
【図５】図２の本発明品および比較品のＤＬＣ被膜で被覆された２種類のテストピンについて、図３の試験装置により摩擦係数を調べた結果を示すグラフである。
【図６】図２の本発明品および従来品のＤＬＣ被膜で被覆された２種類のテストピンについて、図３の試験装置により摩擦係数を調べた結果を示すグラフである。
【図７】所定の切削加工を行って耐溶着性を調べる際の試験条件、および溶着幅を説明する図である。
【図８】ＤＬＣ被膜の総膜厚に対する表皮層の膜厚の比率を種々変更した複数種類の試験品を用意し、図７の試験条件で切削加工を行ってすくい面の溶着幅を調べた結果を示す図である。
【図９】ＤＬＣ被膜の表皮層の水素含有量を種々変更した複数種類の試験品を用意し、図７の試験条件で切削加工を行ってすくい面の溶着幅を調べた結果を示す図である。
【図１０】ＤＬＣ被膜の各層および全体の膜厚を種々変更した複数種類の試験品を用意し、図７の試験条件で切削加工を行ってすくい面の溶着幅を調べた結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０：エンドミル（ＤＬＣ被膜被覆工具）    １２：工具母材（部材）    ２０：ＤＬＣ被膜    ２２：ベース層    ２４：表皮層（水素含有層）
【図１】
2007131893.tif 000003
【図２】
2007131893.tif 000004
【図３】
2007131893.tif 000005
【図４】
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【図５】
2007131893.tif 000007
【図６】
2007131893.tif 000008
【図７】
2007131893.tif 000009
【図８】
2007131893.tif 000010
【図９】
2007131893.tif 000011
【図１０】
2007131893.tif 000012