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1A1

Vol.

December/2003

創刊号■ 論文・報文・解説「DLC膜の切削工具への適用」
マシニング事業

Application of DLC Coatings
to Cutting Tools〈キーワード〉ドライ加工・コーティング工具・DLC（Diamond Like Carbon）膜PVD（Physical vapour deposition）法・アルミニウム合金

機械工具事業部／サーモテック課

園部 勝

「DLC膜の切削工具への適用」

1. はじめに

要 旨
環境問題への意識の高まりに伴って、切削油剤近年、環境問題への意識の高まりに伴って製造を使用しない「ドライ加工」の実現は大幅な省エネ業の分野でも省エネルギー、省資源、有害物質のルギー効果が得られるだけでなく、有害物質の削減低減への取り組みが行なわれつつある 。製造業にという点でも注目されている。

おける省エネルギーの取組みでは加工能率の向上※1※2

アルミニウムの切削加工の分野では被削材が刃1)が求められ、高能率加工

先に溶着しやすいため一般的なコーティング工具でが可能な工具が要求は「ドライ加工」はむずかしい。このような状況のなされてきた。ところ

かで、DLC（Diamond Like Carbon）膜の優れたが、図１に示すよう低摩擦係数に注目し、アルミニウム合金の「ドライ加工」に現状のマシニン用コーティング膜としてMe-DLC膜を開発したのでそグセンタ（ M C ）におの優位性に関して考察した。

ける消 費 電 力 の５０％

※3

※4

図1．
マシニングセンターの消費電力［出典：文献２ ］

近くはクーラントポンプの駆動に費やされており、実際の切削加工を行なうための主軸動力の消費電力
2,3)

Abstract
As awareness of environmental issues has intensified over the years, "dry cutting" which
does not require the use of cutting fluid, hasbeen attracting attention as it greatly reduces
both energy requirements and toxic substancelevels.
Dry cutting is difficult with standard coatings
when milling aluminum, because the material
being milled tends to weld to the cuttingedges. This paper studies diamond-like carbon(DLC) coatings, whose low friction coefficient
has caused them to gain much attention as acountermeasure to the situation describedabove, and the outstanding performance of theMe-DLC coating, which we developed as a
coating for dry milling of aluminum alloys.

1は２０％程度にすぎない 。
このため切削油剤を使用しない「ドライ加工」の実現は大幅な省エネルギー効果が得られるだけでなく、有害物質の削減という点でも注目されている。
現在、「ドライ加工」は歯切り工具の分野で急速な広がりを見せているが、他の切削工具においても「ドライ加工」への要求が高まってきている。表１に示す
ように、エンドミルを手始めとしてドリルやタップなどの「ドライ加工」が一部ですでに実施されており、今後、ますます普及するものと思われる。
表1．
被削材、工具別のドライ化の現状
工

具

鋼

鋳物

アルミニウム合金

ドリル可能

可能

困難

エンドミル可能

可能

困難

リーマ

不可

困難

不可

タップ困難

可能

不可

ホブ可能

−

−

シェービング不可

−

−

ブローチ

困難

困難

−

フォーミングラック

可能−−2. アルミニウム合金の「ドライ加工」
アルミニウムの切削加工の分野では、切削中に切削工具への適用を考えた場合、潤滑性と同時被削材が刃先に溶着しやすいため一般的なコーテに耐摩耗性も要求されるため高硬度なDLC膜が望ィング工具を用いた「ドライ加工」はむずかしい。このましいが、水素を含まない純粋なアモルファスDLCような状況のなかで、DLC（Diamond Like Carbon）

膜は膜硬度が高い反面、膜自身の内部応力も高く膜が開発され、その特性が明らかになっていくと同母材への密着力も低い。このため、切削工具への時に、DLC膜の優れた低摩擦係数が注目されるよ

適用には母材との密着性の高いTiやCr,Siなどのうになってきた

3〜7)

※5。

金属を添加した金属含有Me-DLC膜が使用される

ところが、DLC膜にはその製法や目的によってい場合が多い11〜14)。

ろいろな種類が存在し4〜14)、
たとえば硬さを例にとる

アルミニウム合金の「ドライ加工」用コーティング膜と1,000HV以下の軟質膜から8,000HV以上のほぼとしてのMe-DLC膜の優位性に関して、各種アルミダイヤモンド膜に相当する硬質膜まで存在する。図２

ニウム合金に対する従来の硬質膜とMe-DLC膜のに代表的なDLC膜とその特徴を示す。

摩擦特性を以下に述べる。

名 称単層DLC

被膜構成と膜厚〜2μm

組DLC膜
50A〜2μm
基板

成

硬さ［GPa］

a−C：H

15〜50

（主に超硬合金製）塑性加工金型、ガラス成形
金型、断裁刃物、各種しゅう動部品、治工具、切削工具、装飾部品、精密測定器部品

ta−C

50〜80

切削工具

（tetrahedral amorphous）

Me／a−C：H
中間層付き
DLC

〜2μm

傾斜組成
Me-DLC〜5μm

多層膜
Me-DLC

DLC膜〜2μm
中間層〜0.2μm
基板

Si
SiC
Cr／Ti
Cr
Nb
…

DLC膜

Me−C：H／a−C：H

傾斜組成層
中間層基板

Ti
Cr≦10at.%W…

〜0.05μm

多層膜（Me−C：H／a−C：H）nn：複層回数

中間層基板

Ti
Cr≦10at.%
W
…

〜5μm

15〜50

（主に工具鋼製）塑性加工金型、
プラスチック射出成形金型、ひげそり刃、弱電機部品、各種しゅう動部品、治工具、装飾部品

10〜25
燃料噴射ポンプ、歯車、軸受、ポンプスクリュー、ベーン、ピストンリング、ピストン、人工関節、プラスチック射出成形金型、各種しゅう動部品、治工具

10〜25

図2．
各種ＤＬＣ 膜の被膜構成と応用分野［出典：文献５ ］

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2

「DLC膜の切削工具への適用」（各種被膜とアルミニウム合金のしゅう動特性）※6

図３は、摩擦特性の測定に使用されたピンオンディスク試験装置の模式図である。ピンオンディスク試
験は表２に示す条件で２０秒間（４０ｍ）行ない、開始２秒後の時点での摩擦力から摩擦係数を求めた。
表２．
ピンオンディスク条件
ピン材種

ADC12、AC4A、5052、7075、2024

荷重

4.0kg

速度

1,000rpm（120m／min）

基材材料

SKH51

被膜

CrN、TiAIN、TiC、Si-DLC、Ti-DLC

図４．
アルミニウム合金ピンと各種被膜の摩擦係数

CrN膜の摩擦係数は0.6前後で高く、TiAlN膜の摩擦係数はそれより高く0.7前後を示した。これに対して、TiC膜はCrN膜と同等もしくは若干小さい摩擦係数を示した。従来の硬質膜はいずれの膜においても、ピンオンディスク試験後の膜表面に図５(c)の例に示す様にピン材質であるアルミニウムの凝着が観察され、結果として、摩擦係数が高い結果となった。これらに対して、Ti-DLCおよびSi-DLC膜は摩図３．
ピンオンディスク試験装置

擦係数が0.2〜0.5と小さく、しゅう動試験後の膜表

図４は、アルミニウム合金ピンと従来の硬質膜およ面にもアルミニウムの凝着がほとんど観察されなか

びMe-DLC膜の摩擦係数の測定結果であり、図５※7った。(図５(d))

は試験終了後のピンと被膜表面の観察例である。
従来の硬質膜は、アルミニウム合金の切削油剤を用いた「ウェット切削」によく用いられるCrN膜と鋼のドライ切削によく用いられるTiAlN膜、炭素系のTiC膜を、高速度工具鋼SKH51上に被覆した。Me-（a）5052ピン（CrN膜）（c）CrN膜（5052ピン）

DLC膜はTiおよびSiを下地とした傾斜組成DLC膜をPVD(Physical vapour deposition)法により被覆した。
（b）5052ピン（Si-DLC膜）（d）Si-DLC膜（5052ピン）

図５．
5052 しゅう動試験後のピンおよびディスク3

表層（DLC膜）

このように、Me-DLC膜はアルミニウム合金の耐中間層溶着性という観点で非常に優れた特性を示すが、工具への適用に当たっては、基材に対する密着性工具母材が従来の硬質膜に対して劣るという欠点も有している。このため、実際の工具への適用に当たっては、
図6．
切削初期における刃先損傷状態の模式図

DLC膜と基材との間に密着性を改善するための中7)間層を挟み込むことが必要となる 。
耐溶着性改善を目的としたDLC膜の厚さは、非常に薄くDLC膜自身が硬くてもろいため、工具の刃（DLCドリルの切削事例）

先では、切削の初期段階でDLC膜が摩耗して中間

図７と図８は、アルミニウム合金鋳物をDLCドリルφ層が一部露呈することになる。このため、実際の工5.5でドライ加工したときの超硬無処理ドリルとの比具刃先は中間層により保護されることとなり、中間層較結果の一例である。には耐摩耗性に優れると同時に、アルミニウム合金要求される。
従来の硬質膜のなかでTiC系膜は、比較的摩擦係 数が 小さく、特に高 S i 含 有アルミニウム合 金

加工穴数（穴）の溶着に関してもある程度の効果を発揮することが(ADC12,AC4A)に対する耐摩耗性が優れている。
これはTiC系膜の高い膜硬度（3,000HV）によると超硬無処理ドリル

ころが大きく、その成分の中に炭素（Ｃ）を含有してDLCドリル

図７．
ADC 1 2 のドリル切削試験結果※8

いることからDLC膜への親和性も他の膜に比してよ-1

い。実際の超硬チップを用いた旋削試験の結果でも、加工条件は、切削速度：100m/min(5,800min )、TiC系膜とSi-DLC膜の組合せが最もアルミニウム

送り量：0 . 0 8 m m / r e v ( 4 8 0 m m / m i n ) 、穴 深さ

溶着量が少なく、切削抵抗が小さかった。

16.5mm(L/D=3)、止まり穴として切削試験を行な

図６は刃先の初期摩耗状態の模式図である。表った。超硬無処理ドリルでは、溝面の凝着が大きく、面の凸部のDLC膜（破線部）は切削の初期で一部切りくず詰まりに摩耗するが、凹部には前述のピンオンディスク試験よりわずか２６穴後のしゅう動面〔図５(d)〕に観察されるように、DLCで 折 損したが 、膜（黒色部）が残って固体潤滑剤の役割を果たしDLCドリルでは、ている。

凝 着 がほとんど

また、中間層のTiC系膜はその優れた耐摩耗性発生せず、3,600により、工具刃先の摩耗損失を防ぐとともに、それ自穴以上の安定し身が、ある程度アルミニウム合金の溶着を低減するた加工が可能で役割を担う。

あった。

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図8．
ADC 1 2 を加工した後のドリル刃先の状態

4

「DLC膜の切削工具への適用」

図１１．
フライス切削シミュレーションによる切削抵抗の計算結果

図９は、アルミニウム圧延板(5052)を切削した際

図１１は、数値計算により得られた切削抵抗の推に得られた切りくずのすくい面側断面の観察例で移である。DLCドリルの切削抵抗（図中破線）は超ある。DLCドリルで得られた切りくずに比較して超硬硬無処理ドリル（図中実線）よりも小さく切削抵抗の無処理ドリルでの切りくずは加工変質層が厚く、切変動も少ない。すなわち、同様の加工をする場合のりくず厚さも厚い。

切削動力が少なくてすむことを意味しており、ＤＬＣ
コーティングは「ドライ加工」による省エネルギーだけでなく、切削動力も低減可能であることを示している。

（DLCエンドミルの切削事例）
図１２は、圧延アルミニウム合金(5052)をφ10mmの２枚刃エンドミルで「ドライ加工」したときの、ＤＬＣエンドミルと超硬無処理エンドミルのワーク加工状態
図９．
5052 切削後の切り屑（すくい面側）の比較結果の一例である。加工条件は、切削速度：628m/min、送り量：0.05mm/tooth、切込み：Ａ

図１０は、有限要素法を用いて切りくずの組成ひa=15mm、Ａr=2.5mmで切削を行なった。超硬無処ずみをシミュレーションした結果である。工具形状お理エンドミル〔図１２(a)〕では、切削開始直後にエンよび切削条件は図８で用いたドリルとほぼ同一とし、ドミルに被削材が溶着し折損したのに対して、ＤＬＣ表面の摩擦係数のみを超硬無処理：μ＝０．
５，ＤＬＣ：

エンドミルでは、〔図１２(b)〕の加工を２枚行うことがμ＝０．
１と仮定して計算した。超硬無処理〔図１０(a)〕できた。と比較してDLCを被覆した場合〔図１０(b)〕は、切りくずの厚さが薄く、組成ひずみの値が大きい領域（すくい面側の色の濃い部位）も少ない。また、DLCを被覆した場合は切りくずのカール径が小さく、切りくず離れが良好であることがわかる。

（a）超硬無処理ドリル（μ＝0.5）（b）DLCドリル（μ＝0.1）

図１０．
フライス切削シミュレーションによる組成ひずみの計算結果

5

図１２．
エンドミルによる5052「ドライ加工」結果

用語解説※1「ドライ加工」
切削油を全く使用しない加工法で、環境負荷の低減以外にも高能率加工、省エネルギーの観点から注目されている。
※2 有害物質
従来、不水溶性切削油には、塩素化パラフィンが使用されている。この塩
素化パラフィンには一部発癌性の疑いがあると言われている｡※3 DLC（Diamond Like Carbon）膜
ダイヤモンドのような炭素膜で、摩擦特性、電気特性、耐食性などの性質がダイヤモンドに似ている。色調は黒色。

図１３．
ワーク仕上げ面粗さ測定結果

また、図１３は、加工後のワーク仕上げ面の面粗さを測定した結果である。超硬無処理エンドミルに比べ、ＤＬＣエンドミルによる仕上げ面粗さは1/6と非常に小さい値を示した。これは、ＤＬＣコーティングにより工具刃先へのアルミニウムの溶着が低減されて、構成刃先の生成離脱が軽減されたためであると推定される。この事例から、
ＤＬＣコーティングがアルミニウム合金の切削に対して、「ドライ加工」の実現や切削抵抗の低減による省エネルギーだけでなく、切削※4 Me-DLC膜
DLC膜中に炭化物生成金属をドープすることによって内部応力を緩和したＤＬＣ膜の一種で、厚くて強固な膜を生成させることができる。
※5 アモルファスDLC膜
水素を含有しない／量が少ないDLC膜を指し、ダイヤモンド結合（ｓｐ３）が主体となるため、非常に硬い。
※6 ピンオンディスク試験
回転するディスク試験片に，ピン試験片を押しつけてすべり摩擦させ、摩擦係数、損傷状態を評価する試験。
※7 擬着
固体同士の接触面で，お互いの表面の原子が及ぼし合う結合力により固体同士がくっつく現象のこと。
※8 親和性
原子、分子の持つ電気的なプラスとマイナスの吸引力や、分子同士の引力に基づく力の事。
※9トライボマテリアル
相対運動下で相互作用を及ぼしあう表面において何らかの機能を持つ材料の事。

精度の向上も実現が可能であることがわかる。

3. まとめ
アルミニウム合金の「ドライ加工」を実現するためのコーティング膜の開発について、コーティング膜の機能と、実際の切削事例を紹介した。ＤＬＣ膜に代※9表されるトライボマテリアルのコーティングは、従来実現が困難であった切削加工を実現させるだけではなく、切削エネルギーの低減、加工精度の向上など数多くの効果を引き出すことが可能である。
しかしながら、このような効果を引き出すために必要なコーティング膜の機能や構成については、今なお不明な点が多い。実際に、切削して初めてその効果が確認されることがほとんどである。とくにドライ加工という観点では、切削点での温度や雰囲気で被膜が目的材料に対してどのようなトライボロジー特性を示すのかを明らかにしていく必要があり、さまざまな条件下でのトライボマテリアルのデータの蓄積が必要となる。

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参考文献
11) 幸田成堂：工作機械のトライボロジーと環境対策，トライボロジスト,
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第27回工作機械関連技術者会議, A2-2 (1997).
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15) 熊谷 泰：DLC応用技術の展開, ニューダイヤモンド,16, 4 (2000)66.
16) 熊谷 泰：DLC:ダイヤモンド状炭素, ニューダイヤモンド,16, 1 (2000)33.
17) A.Erdemiret al：Synthesis of superlow-friction carbon films fromhighly hydrogenated methane plasmas, Surface and Coating Technology, 133-134, (2000) 448.
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15) 堀 功：プロセス・トライボロジー分科会,
第９３回研究会「DLCコーティングの工具への適用」発表原稿

6

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