(57)【要約】【課題】刃先に非晶質炭素被膜が施され、この非晶質炭素被膜に元素が添加される切削工具において、添加元素の添加量が少なくて済み且つ高硬度が保たれる切削工具を提供することを課題とする。【解決手段】図（ｂ）比較例での炭素被膜１００は、緻密に集合された炭素原子１０１を主体とする。これらの炭素原子１０１のうち最表層の炭素原子１０１Ｔは１本のダングリングボンド１０２を有している。そのため、ダングリングボンド１０２に鉄系ワーク中のＦｅが化学的に結合する。非晶質炭素被膜１００中の炭素原子１０１Ｔが剥ぎ取られ、結果、非晶質炭素被膜１００が摩耗し、短寿命となる。この点、図（ａ）に示す実施例の炭素被膜２０は、炭素原子２１中にタンタル原子２２が添加されている。このタンタル原子２２が炭素原子２１に化学的に結合する。結果、ダングリングボンドが発生しない。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも刃先に非晶質炭素被膜が施されている切削工具において、
前記非晶質炭素被膜の炭素原子構造内に、タンタル、ニオブ、モリブデン、タングステン、ケイ素、ゲルマニウム、リンの何れかが添加されており、この添加元素の添加量が０．５〜１０ａｔ％であることを特徴とする切削工具。
【請求項２】
前記非晶質炭素被膜は、固体カーボン材料を用いて成膜されたものであることを特徴とする請求項１記載の切削工具。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、鉄系材料の切削に好適な切削工具に関する。
【０００２】
近年、ＤＬＣ（Diamond-like  Carbon）膜を、コーティングした切削工具が実用に供されている。ＤＬＣ膜は極めて硬い膜であり、低摩耗及び低摩擦の特性を有する。切削工具の寿命を延ばすことができる。
【０００３】
ところで、ＤＬＣ膜に含まれるＣ（炭素）が、鉄系材料に含まれるＦｅ（鉄）と接触すると、化学反応を起こし、Ｆｅ中にＤＬＣ膜中のＣが拡散する。そのため、ＤＬＣ膜が摩耗し、切削工具の寿命が短くなる。そのため、ＤＬＣ膜付き切削工具は、鉄系材料の切削には適用できないと考えられてきた。
【０００４】
上記化学反応を、電気的に抑制することは可能である。しかし、電気設備が必要であり、設備費が嵩むため、採用し難い。
【０００５】
ＤＬＣ膜に、ある種の金属元素を添加し、この金属元素で上記化学反応を抑制する手法が考えられる。この場合、電気設備が不要であり、設備費を抑えることができる。
別目的ではあるが、ＤＬＣ膜に、ある種の金属元素を添加することが知られている（例えば、特許文献１（請求項１〜３、段落番号［００４４］）参照。）。
【０００６】
特許文献１は、摺動部材の低摩擦化を目的とする発明に係る。特許文献１の請求項１によれば、摺動部材は、硬質炭素皮膜で被覆され、同請求項２によれば、硬質炭素皮膜は、２５〜６０ａｔ％の金属元素を含有し、同請求項３によれば、金属元素は、モリブデン、タングステン、ニオブ、チタン又は鉄である。
【０００７】
また、特許文献１の段落番号［００４４］に掲げられる表１によれば、実施例１〜６は成膜法（表１、第４欄）がプラズマＣＶＤ法であり、実施例７はイオンプレーティング方である。
【０００８】
本発明者らが、検証したところ、特許文献１に開示される硬質炭素被膜（金属元素が添加されている硬質炭素被膜）を、切削工具に適用すると、金属元素の作用により、化学反応を抑制されることが分かった。
【０００９】
しかし、モリブデンなどの元素は、高価であり、２５〜６０ａｔ％の金属元素を含有させると、切削工具の製造コストが高騰し、広い普及が望めなくなる。
そこで、金属元素の添加量の低減が求められる。
【００１０】
また、特許文献１は、主たる成膜法にプラズマＣＶＤ法を採用する。プラズマＣＶＤ法では、不可避的に硬質炭素被膜に水素が含有される。この水素の存在により、硬度が低下する。摺動部材では問題にならないとしても、切削工具では、硬度が工具寿命に直結するために、硬度の低下は容認できない。
そこで、硬度低下を抑制することが求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００１−３１６６８６公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、刃先に非晶質炭素被膜が施され、この非晶質炭素被膜に元素が添加される切削工具において、添加元素の添加量が少なくて済み且つ高硬度が保たれる切削工具を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１に係る発明は、少なくとも刃先に非晶質炭素被膜が施されている切削工具において、前記非晶質炭素被膜の炭素原子構造内に、タンタル、ニオブ、モリブデン、タングステン、ケイ素、ゲルマニウム、リンの何れかが添加されており、この添加元素の添加量が０．５〜１０ａｔ％であることを特徴とする。
【００１４】
請求項２に係る発明では、非晶質炭素被膜は、固体カーボン材料を用いて成膜されたものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に係る発明では、添加元素の添加量は０．５〜１０ａｔ％の範囲から選択する。高価な添加元素を採用しても、添加量が少ないため、切削工具の製造コストの上昇を抑えることができる。
【００１６】
請求項２に係る発明では、非晶質炭素被膜は、固体カーボン材料を用いて成膜される。この成膜法であれば、被膜に水素が含まれる心配はなく、硬度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】切削工具の一例を示す図である。
【図２】図１の２部拡大模式図である。
【図３】第１の成膜装置の原理図である。
【図４】図３の平面図である。
【図５】第１の成膜装置で作製された膜の成分を示すグラフである。
【図６】第２の成膜装置の原理図である。
【図７】第２の成膜装置で作製された膜の成分を示すグラフである。
【図８】異元素の添加率と摩耗比の相関を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
【実施例】
【００１９】
本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１に示されるように、切削工具の一種であるバイト１０は、ホルダ１１と、このホルダ１１の一端に留め具１２で取り外し可能に固定されるスローアウェイチップ１３とからなる。さらに、スローアウェイチップ１３の少なくとも刃先１４には、次に述べる構成の非晶質炭素被膜が施されている。
【００２０】
図２（ａ）は図１の２部拡大模式図に相当する実施例であり、図２（ｂ）は比較例である。
先に（ｂ）に基づいて説明すると、比較例での非晶質炭素被膜１００は、緻密に集合された炭素原子１０１を主体とする。これらの炭素原子１０１のうち最表層の炭素原子１０１Ｔは１本のダングリングボンド１０２を有している。
【００２１】
ダングリングボンド（dangling  bond）は、次のように定義される。
表面の欠陥部位にある原子は、内部にある原子と異なり不飽和となるため、一部の結合が切れた状態になる。この切れた結合をダングリングボンドという。そこへ原子や分子が近づくと、容易に結合をつくる。
【００２２】
そのため、ダングリングボンド１０２に鉄系ワーク中のＦｅが化学的に結合する。非晶質炭素被膜１００中の炭素原子１０１Ｔが剥ぎ取られ、結果、非晶質炭素被膜１００が摩耗し、短寿命となる。
【００２３】
この点、（ａ）に示す実施例の非晶質炭素被膜２０は、炭素原子２１中に異元素、例えばタンタル（Ｔａ）原子２２が添加されている。このタンタル原子２２が炭素原子２１に化学的に結合する。結果、ダングリングボンドが発生しない。
ダングリングボンドが無い又は微量であるため、切削加工中に、炭素原子２１が鉄系ワーク中のＦｅに化学的に結合する心配はなく、非晶質炭素被膜２０の長寿命化が図れる。
【００２４】
なお、非晶質炭素被膜２０は、ＤＬＣ膜が好適である。
また、タンタル原子２２は、ニオブ原子、モリブデン原子、タングステン原子、ケイ素原子、ゲルマニウム原子であってもよい。
さらには、バイト１０はエンドミル、ドリル、フライス、リーマ、ブローチ、ダイス、タップであってもよく、切削工具であれば、種類は問わない。
【００２５】
以上に述べた非晶質炭素被膜２０の製造方法（成膜方法）を、次に説明する。
図３に示すように、第１の成膜装置３０を準備する。この第１の成膜装置３０は、密閉容器３１と、この密閉容器３１に収納され基板３２（図１に示すスローアウェイチップ１３など）を保持する基板ホルダ３３と、密閉容器３１に収納されるスパッタカソード３４及び固体カーボン材料３５と、密閉容器３１内へアルゴンガスを供給するガス源３６と、密閉容器３１内を真空引きする真空ポンプ３７と、固体カーボン材料３５と密閉容器３１間にアーク電流を供給するアーク電源３８と、基板３２と基板ホルダ３３間にバイアス電圧を掛けるバイアス電源３９と、スパッタカソード３４と基板ホルダ３３間にスパッタ電圧を掛けるスパッタ電源４１とからなる。
【００２６】
スパッタカソード３４には、ニオブ（Ｎｂ）などの異元素を用いる。
基板３２は、炭化タングステン（ＷＣ）を主成分とするＫ１０種超鋼合金工具とした。
【００２７】
好ましくは、図４に示すように、スパッタカソード３４は基板ホルダ３３を挟むように配置され、固体カーボン材料３５はスパッタカソード３４の隣に配置され且つ基板ホルダ３３を挟むように配置される。
処理中は、基板ホルダ３３は回転し、この基板ホルダ３３上の基板３２も独自に回転する。したがって、基板３２は公転しつつ自転することになる。これで、基板３２は多方位から満遍なく処理が施される。
【００２８】
図３において、真空ポンプ３７により密閉容器３１内を真空雰囲気にする。次に、密閉容器３１内にアルゴンガスを所定量封入する。
次に、固体カーボン材料３５と密閉容器３１間に５０Ａのアーク電流を流す。すると、固体カーボン材料３５から炭素イオンが放出される。
【００２９】
併せて、スパッタカソード３４に４７０Ｗのスパッタ電力を入力する。すると、アルゴンガスがイオン化され、発生したアルゴンイオンがスパッタカソード３４に衝突する。この衝突により、スパッタカソード３４を構成するニオブなどの異元素がイオンの形態で放出される。
【００３０】
結果、炭素イオンと異元素イオン（この例ではＮｂイオン）とが混合し、混合イオンが密閉容器３１内に充満する。
基板３２と基板ホルダ３３間に１００Ｖのバイアス電圧を掛けると、混合イオンが基板３２に到達する。結果、基板３２上に非晶質炭素被膜が成膜される。
【００３１】
得られた非晶質炭素被膜を、ＳＩＭＳ分析法（二次イオン質量分析法）で分析した。
図５（ａ）に示すように、表面から２μｍ強までが、非晶質炭素被膜であり、それより深い部位は炭化タングステン（ＷＣ）を主成分とするＫ１０種超鋼合金工具である。
表面から２μｍ強までの非晶質炭素被膜には、９８〜９９ａｔ％の炭素（Ｃ）元素が含有される。
【００３２】
図５（ｂ）にニオブ（Ｎｂ）の含有率が示され、表面から２μｍ強までの非晶質炭素被膜には、０．４〜１．６ａｔ％のニオブ（Ｎｂ）が含有される。
これで非晶質炭素被膜は、炭素原子が主体であり、これにニオブ（Ｎｂ）原子が添加されていることが確認された。
【００３３】
次に別の製造方法（成膜方法）を説明する。
図６に示すように、第２の成膜装置５０を準備する。この第２の成膜装置５０は、密閉容器５１と、この密閉容器５１に収納される基板５２と、この基板５２にバイアス電圧を掛けるバイアス電源５３と、密閉容器５１に収納されタンタル（Ｔａ）などの異元素が添加されている固体カーボン材料５４と、この固体カーボン材料５４と密閉容器５１との間にアーク電流を供給するアーク電源５５と、密閉容器５１内を真空引きする真空ポンプ５６とからなる。
【００３４】
固体カーボン材料５４は、炭素に異元素を添加するため、材料中に不可避的に空隙が増加し、体積密度が低下する。体積密度が低下するとアーク放電が不安定になる。
対策として、ホットプレス法とＣＩＰ法で緻密化を図ることにした。試料０１〜０３にＨＰ（ホットプレス）を施し、試料０４〜０６にＣＩＰを施し、体積密度を測定した。その結果を表１に示す。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
試料０１では、９９ａｔ％の炭素に１ａｔ％のＴａを添加して得られた固体カーボン材料を、ホットプレス（ＨＰ）法により、緻密化を図った。得られた体積密度は１．７９ｇ／ｃｍ３であった。この固体カーボン材料にアーク実験を行ったところ、放電結果はやや良（△）であった。
【００３７】
９９ａｔ％炭素＋１ａｔ％Ｔａの固体カーボン材料での理論密度は、２．８４ｇ／ｃｍ３である。相対密度＝（体積密度測定値／理論密度）×１００と定義する。（１．７９／２．８４）×１００＝６３．１の計算により、試料０１の相対密度は６３．１％であった。
【００３８】
試料０２では、９９ａｔ％の炭素に１ａｔ％のＮｂを添加して得られた固体カーボン材料を、ホットプレス（ＨＰ）法により、緻密化を図った。得られた体積密度は１．６１ｇ／ｃｍ３であった。この固体カーボン材料にアーク実験を行ったところ、放電結果はやや良（△）であった。
【００３９】
９９ａｔ％炭素＋１ａｔ％Ｎｂの固体カーボン材料での理論密度は、２．５２ｇ／ｃｍ３である。（１．６１／２．５２）×１００＝６４．０の計算により、試料０２の相対密度は６４．０％であった。
【００４０】
試料０３では、９９ａｔ％の炭素に１ａｔ％のＴａを添加して得られた固体カーボン材料を、ＣＩＰ法により、緻密化を図った。得られた体積密度は１．９５ｇ／ｃｍ３であった。この固体カーボン材料にアーク実験を行ったところ、放電結果は良（○）であった。
【００４１】
９９ａｔ％炭素＋１ａｔ％Ｔａの固体カーボン材料での理論密度は、２．８４ｇ／ｃｍ３である。（１．９５／２．８４）×１００＝６８．８の計算により、試料０３の相対密度は６８．８％であった。
【００４２】
試料０４では、９９ａｔ％の炭素に１ａｔ％のＮｂを添加して得られた固体カーボン材料を、ＣＩＰ法により、緻密化を図った。得られた体積密度は１．７３ｇ／ｃｍ３であった。この固体カーボン材料にアーク実験を行ったところ、放電結果は良（○）であった。
【００４３】
９９ａｔ％炭素＋１ａｔ％Ｎｂの固体カーボン材料での理論密度は、２．５２ｇ／ｃｍ３である。（１．７３／２．５２）×１００＝６８．７の計算により、試料０４の相対密度は６８．７％であった。
【００４４】
試料０５、０６については、表１記載の通りであり、説明を省略する。
アーク放電の良否が成膜に影響することから、相対密度は６８％以上が推奨され、処理法はＣＩＰ法が推奨される。
【００４５】
図６において、真空ポンプ５６で密閉容器５１内を真空引きする。次に、５０Ａのアーク電流を供給しながら１００Ｖのバイアス電圧を印可する。これで、固体カーボン材料５４から炭素イオンとタンタルイオンが発生する。炭素イオンとタンタルイオンの混合イオンが基板５２に到達し、結果、非晶質炭素被膜が成膜される。
【００４６】
得られた非晶質炭素被膜を、ＲＢＳ分析法（ラザフォード後方錯乱分光法）で分析した。
図７（ａ）に示すように、表面から１５０ｎｍ強までが、非晶質炭素被膜であり、それより深い部位は炭化タングステン（ＷＣ）を主成分とするＫ１０種超鋼合金工具である。
表面から１５０ｎｍ強までの非晶質炭素被膜には、９８〜９９ａｔ％の炭素（Ｃ）元素が含有される。
【００４７】
図７（ｂ）にタンタル（Ｔａ）の含有率が示され、表面から１５０ｎｍ強までの非晶質炭素被膜には、０．５〜１．５ａｔ％のタンタル（Ｔａ）が含有される。
これで非晶質炭素被膜は、炭素原子が主体であり、これにタンタル（Ｔａ）原子が添加されていることが確認された。
【００４８】
以上に説明した第１・第２の成膜装置で、切削工具を複数個作成し、鋳鉄を切削し、切削工具の耐摩耗性能を比較するために、次に述べる実験を実施した。
【００４９】
（実験例）
本発明に係る実験例を以下に述べる。なお、本発明は実験例に限定されるものではない。
【００５０】
○共通条件：
・母材：Ｋ１０種超鋼合金
・非晶質炭素被膜：ＤＬＣ膜
・成膜方法：図３又は図６に基づく。
・異元素：タンタル（Ｔａ）又はニオブ（Ｎｂ）
【００５１】
○切削実験：
・工具の形態：図１に基づく。
・被切削材：鋳鉄（ＦＣ２５０）丸棒
・被切削材の回転速度：１５０ｍ／分（切削面の周速）
・切削工具の送り速度：被切削材１回転当たり０．３ｍｍ
・切削長さ（延べ長さ）：５００ｍ
・摩耗量の測定：５００ｍ切削後に刃の摩耗量を測定する。
【００５２】
・実験番号０１：
比較対象のために、図２（ｂ）に示すサンプルを準備し、膜の硬度を測定し、切削を実施し、刃の摩耗量を求める。結果を、表２に示す。
【００５３】
【表２】
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【００５４】
摩耗量は、実験０２以降の基準とするために１．０とした。
【００５５】
○実験番号０２〜０６：
図３の成膜方法により、Ｔａの添加率を変更した切削工具につき、摩耗量を求め、摩耗比を算出する。
表２に示すように、実験０２は、図３に示す方法で、異元素であるＴａは０．３ａｔ％を含むサンプルを作製した。膜厚は１２００ｎｍ（１．２μｍ）であり、それの硬度は５１ＧＰａで、実験０１の摩耗量を１．０としたときに、摩耗比は０．９８であった。
【００５６】
同様に、異元素であるＴａの添加率を増加傾向に変更してサンプルを作製し、実験０３〜０６を実施し、表２に示す膜厚、硬度、摩耗比が得られた。
【００５７】
図８は異元素と摩耗比の相関を示すグラフであり、表２での異元素を横軸に、摩耗比を縦軸に取ったところ、黒点（・）を結んでなるＶ字グラフが得られた。
【００５８】
○実験番号０７〜１１：
図６の成膜方法により、Ｔａの添加率を変更した切削工具につき、摩耗量を求め、摩耗比を算出した。結果を、表３に示す。
【００５９】
【表３】
2013094914.tif 000005
【００６０】
表３での異元素を横軸に、摩耗比を縦軸に取ったところ、図８中、小丸（○）を結んでなるＶ字グラフが得られた。
【００６１】
○実験番号１２〜１６：
図３の成膜方法により、Ｎｂの添加率を変更した切削工具につき、摩耗量を求め、摩耗比を算出した。結果を、表４に示す。
【００６２】
【表４】
2013094914.tif 000006
【００６３】
表４での異元素を横軸に、摩耗比を縦軸に取ったところ、図８中、三角（△）を結んでなるＶ字グラフが得られた。
【００６４】
○実験番号１７〜２１：
図６の成膜方法により、Ｎｂの添加率を変更した切削工具につき、摩耗量を求め、摩耗比を算出した。結果を、表５に示す。
【００６５】
【表５】
2013094914.tif 000007
【００６６】
表５での異元素を横軸に、摩耗比を縦軸に取ったところ、図８中、プラス（＋）を結んでなるＶ字グラフが得られた。
【００６７】
切削工具では、摩耗量が少ないほど寿命が長くなり、好まれる。
従来よりも２０％摩耗量が少なければ、工具コストは２０％低減できる。
そこで、図８において、摩耗比＝０．８の線を横軸に平行に描き、これを「判定線」とする。この判定線よりも０に近ければ、摩耗量が少なくなり、良好である。判定線より１．０に近ければ、摩耗量が期待値に到達していないとして、不可とする。
図８にて、横軸目盛りで０．５〜１０ａｔ％の範囲であれば、異元素がＴａとＮｂの何れであっても且つ成膜方法が図３と図６の何れであっても、摩耗比が０．８以下となる。
【００６８】
したがって、Ｔａ（タンタル）又はＮｂ（ニオブ）の添加量は０．５〜１０ａｔ％の範囲に設定することが望まれる。
【００６９】
以上の実験により、異元素としてタンタルとニオブが有効であることが確認できた。異元素は、その他の元素でも代替が可能である。以下、その説明を行う。
【００７０】
既に説明したように、非晶質炭素被膜が施されている切削工具で、鉄系材料を切削することはできない。
一方、非晶質炭素被膜が施されている切削工具で、アルミニウムや銅系材料を切削することは差し支えない。
【００７１】
この点に注目して、本発明者らは添加元素と被切削材との間の化学結合エネルギーを、ケース１〜ケース１３について計算した。その結果を表６に示す。
【００７２】
【表６】
2013094914.tif 000008
【００７３】
ケース１に示すように、炭素−鉄間の化学結合エネルギーは、−８９０ｋＪ／ｍｏｌである。
ケース２に示すように、アルミニウム−鉄間の化学結合エネルギーは、−５４８ｋＪ／ｍｏｌである。
ケース３に示すように、銅−鉄間の化学結合エネルギーは、−６２９ｋＪ／ｍｏｌである。
ケース１は耐摩耗性が×であり、ケース２、３は○であることから、異元素（添加元素）−鉄間の化学結合エネルギーが、−６２９ｋＪ／ｍｏｌより０に近ければ、良いことが分かる。
【００７４】
ケース４に示すように、タンタル−鉄間の化学結合エネルギーは、−１３７ｋＪ／ｍｏｌで、−６２９ｋＪ／ｍｏｌより０に十分に近い。
ケース５に示すように、ニオブ−鉄間の化学結合エネルギーは、−２５７ｋＪ／ｍｏｌで、−６２９ｋＪ／ｍｏｌより０に十分に近い。
【００７５】
ケース６〜ケース１０に示すように、モリブデン、タングステン、ケイ素、ゲルマニウム、リンは鉄間の化学結合エネルギーが、−６２９ｋＪ／ｍｏｌより０に近い。したがって、モリブデン、タングステン、ケイ素、ゲルマニウム、リンは、添加元素に適していると言える。
【００７６】
一方、ケース１１〜ケース１３に示すように、チタン、窒素、ボロンなどは、鉄間の化学結合エネルギーが、−６２９ｋＪ／ｍｏｌより０に近くない。したがって、チタン、窒素、ボロンなどは、添加元素に適していないと言える。
【００７７】
尚、本発明の非晶質炭素被膜を、切削工具の刃先だけでなく、刃全体に施すことは差し支えない。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明は、刃先に非晶質炭素被膜が施されている切削工具に好適である。
【符号の説明】
【００７９】
１０…切削工具（バイト）、１３…スローアウェイチップ、１４…刃先、２０…非晶質炭素被膜、２１…炭素原子、２２…添加元素（タンタル原子）、３５、５４…固体カーボン材料。
【図１】
2013094914.tif 000009
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2013094914.tif 000013
【図６】
2013094914.tif 000014
【図７】
2013094914.tif 000015
【図８】
2013094914.tif 000016