CN115135439A - 切削工具 - Google Patents

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CN115135439A CN202080097229.5A CN202080097229A CN115135439A CN 115135439 A CN115135439 A CN 115135439A CN 202080097229 A CN202080097229 A CN 202080097229A CN 115135439 A CN115135439 A CN 115135439A
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carbon film
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cutting tool
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田林大二
福井治世
内海庆春
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Sumitomo Electric Hardmetal Corp
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Abstract

一种切削工具，具备：基材和配置在所述基材上的硬质碳膜，在利用高角度散射环形暗场扫描透射电子显微镜观察所述硬质碳膜的剖面的情况下，圆当量直径为10nm以上的黑色区域的面积比例为0.7％以下，所述硬质碳膜的氢含量为5原子％以下。

Description

切削工具
技术领域
本公开涉及切削工具。
背景技术
非晶质碳、类金刚石碳(Diamond-Like Carbon)等硬质碳膜的耐磨性、润滑性优异，因此被用作切削工具、模具、机械部件的涂层材料。
日本特开2003-62706号公报(专利文献1)公开了一种非晶质碳被覆工具，其具备由WC基构成的基材和被覆该基材的非晶质碳膜。
国际公开2016/190443号(专利文献2)公开了一种切削工具，其具备基体和位于该基体的表面且含有类金刚石碳的DLC层。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2003-62706号公报
专利文献2：国际公开2016/190443号
发明内容
本公开的切削工具具备：
基材和配置在所述基材上的硬质碳膜，
在利用高角度散射环形暗场扫描透射电子显微镜观察所述硬质碳膜的剖面的情况下，圆当量直径为10nm以上的黑色区域的面积比例为0.7％以下，
所述硬质碳膜的氢含量为5原子％以下。
附图说明
[图1]图1为本公开的一个实施方式涉及的切削工具的一个例子的剖面图。
[图2]图2为本公开的一个实施方式涉及的切削工具的其他例子的剖面图。
[图3]图3为示出利用高角度散射环形暗场扫描透射电子显微镜观察本公开的一个实施方式涉及的切削工具的硬质碳膜的剖面所得的结果的图像。
[图4]图4为示出利用高角度散射环形暗场扫描透射电子显微镜观察以往的切削工具的硬质碳膜的剖面所得的结果的图像。
[图5]图5为用于说明硬质碳膜的黑色区域的测定方法的图。
[图6]图6为示出在本公开的一个实施方式涉及的切削工具的制造中所使用的成膜装置的一个例子的示意图。
[图7]图7为示出在本公开的一个实施方式涉及的切削工具的制造中所使用的靶材的一个例子的图。
具体实施方式
[本公开所要解决的课题]
近年来，被切削材料的多样化不断发展，对铝合金等软金属、钛、镁、铜之类的非铁金属、有机材料、含有石墨等硬质粒子的材料、碳纤维增强塑料(CFRP：carbon fiberreinforced plastic)等进行了加工。
在使用具有硬质碳膜的切削工具切削上述材料的情况下，被切削材料凝着在工具的切削刃部分，切削阻力增大，或者切削刃缺损，从而工具寿命倾向于降低。当被切削材料为软金属时，特别容易发生这种情况。因此，即使在用于切削软金属的情况下，也需要能够具有长的工具寿命的切削工具。
因此，本目的在于提供特别是即使在用于切削软金属时也能够具有长的工具寿命的切削工具。
[本公开的效果]
根据本公开，可以提供特别是即使在用于切削软金属时也能够具有长的工具寿命的切削工具。
[本公开的实施方式的说明]
首先，列举本公开的实施方式并进行说明。
(1)本公开的切削工具具备：
基材和配置在所述基材上的硬质碳膜，
在利用高角度散射环形暗场扫描透射电子显微镜观察所述硬质碳膜的剖面的情况下，圆当量直径为10nm以上的黑色区域的面积比例为0.7％以下，
所述硬质碳膜的氢含量为5原子％以下。
本公开的切削工具特别是即使在用于切削软金属时也能够具有长的工具寿命。
(2)所述硬质碳膜的参与切削的部分的厚度优选为0.1μm以上3μm以下。由此，可以抑制硬质碳膜的剥离和缺损。
(3)优选的是，所述基材与所述硬质碳膜接触。由此，基材与硬质碳膜的密合性提高。
(4)优选的是，所述切削工具具备配置在所述基材与所述硬质碳膜之间的界面层，
所述界面层包含：
·选自由以下成分组成的组中的至少1种：选自由周期表的第4族元素、第5族元素、第6族元素、第13族元素以及除碳以外的第14族元素组成的第1组中的1种单体、包含选自所述第1组中的至少1种元素的合金或第1化合物、以及来自所述第1化合物的固溶体；或者
·由选自所述第1组中的至少1种元素和碳构成的第2化合物、以及来自所述第2化合物的固溶体中的一者或两者，
所述界面层的厚度为0.5nm以上且小于10nm。
由此，基材与硬质碳膜经由界面层而牢固地密合在一起，并且界面层起到平衡基材与硬质碳膜的硬度差的作用、即起到缓冲作用，从而耐冲击性也提高。
(5)所述基材优选由WC基硬质合金或金属陶瓷构成。由此，切削工具适用于非铁合金，特别是铝合金、铜合金、镁合金等的切削。
(6)所述基材优选由立方氮化硼构成。由此，切削工具适用于非铁合金，特别是铝合金、铜合金、镁合金等的切削。
[本公开的实施方式的详细情况]
以下，参照附图对本公开的切削工具的具体例进行说明。在本公开的附图中，相同的参照符号表示相同部分或相当部分。另外，为了使附图清晰和简化，适当改变了长度、宽度、厚度、深度等的尺寸关系，不一定表示实际的尺寸关系。
在本说明书中，“A～B”形式的表述是指范围的上限下限(即A以上B以下)，在A中没有记载单位而仅在B中记载单位的情况下，A的单位与B的单位相同。
[实施方式1：切削工具]
使用图1～图3对本公开的一个实施方式(以下，也记为“本实施方式”)涉及的切削工具进行说明。图1为本实施方式涉及的切削工具的一个例子的剖面图。图2为本实施方式涉及的切削工具的其他例子的剖面图。图3为示出利用高角度散射环形暗场扫描透射电子显微镜(以下，也记为“HADDF-STEM”)观察本公开的一个实施方式涉及的切削工具的硬质碳膜的剖面所得的结果的图像。
如图1所示，本实施方式的切削工具30是具备基材5和配置在该基材5上的硬质碳膜20的切削工具30，在利用高角度散射环形暗场扫描透射电子显微镜观察所述硬质碳膜的剖面的情况下，圆当量直径为10nm以上的黑色区域的面积比例为0.7％以下，硬质碳膜的氢含量为5原子％以下。
本实施方式的切削工具特别是即使在用于切削软金属时也能够具有长的工具寿命。其原因虽不清楚，但是推测如下述(i)和(ii)。
(i)在利用HADDF-STEM观察本实施方式的切削工具的硬质碳膜的剖面的情况下，圆当量直径为10nm以上的黑色区域的面积比例为0.7％以下。据认为，硬质碳膜中的圆当量直径为10nm以上的黑色区域是由存在于膜中的宏观颗粒、空隙、膜的异常生长部分等膜的缺陷引起的。因此，在本实施方式的切削工具的硬质碳膜中，可以认为缺陷量以面积为基准减少到0.7％以下。
当使用表面具有覆膜的切削工具对铝合金等软金属进行切削加工时，被切削材料向该覆膜表面反复熔接和脱离。据认为，当熔接后的被切削材料从覆膜脱离时，剥离覆膜的方向的应力、和与覆膜表面大致平行的剪切方向的应力作用于覆膜上。此时，据认为，当覆膜中存在缺陷时，以该缺陷为起点覆膜发生破坏，覆膜的损伤发展。
在本实施方式的切削工具中，由于硬质碳膜中的缺陷量减少，因此难以发生以缺陷为起点的破坏。因此，本实施方式的切削工具特别是即使在用于切削软金属时也能够具有长的工具寿命。
(ii)在本实施方式的切削工具中，硬质碳膜的氢含量为5原子％以下。由此，硬质碳膜中的sp3键的比例变高，硬度变高。此外，硬质碳膜的耐氧化性也提高。因此，本实施方式的切削工具能够具有长的工具寿命。
在图1中，基材5与硬质碳膜20接触，但是本实施方式的切削工具不限于此。例如，如图2所示，本实施方式的切削工具31可以具备配置在基材5与硬质碳膜20之间的界面层21。另外，在基材5与界面层21之间可以具备：将这些覆膜的组成混合而成的混合组成层(未图示)、或组成连续变化的倾斜组成层(未图示)。进一步，在基材5与界面层21之间可以具备：用于提高它们之间的密合性的基底层(未图示)。
硬质碳膜20可以以覆盖基材5的整个表面的方式配置，也可以以覆盖一部分的方式配置。在硬质碳膜以覆盖基材的一部分的方式配置的情况下，优选以覆盖基材的至少参与切削的部分的表面的方式配置。在本说明书中，基材的参与切削的部分是指：在基材中，由其切削刃棱线与从该切削刃棱线向基材侧的沿着该切削刃棱线的切线的垂线的距离为2mm的虚拟面包围的区域。
＜基材＞
作为基材5，可以使用金属系或陶瓷系的基材。具体而言，可以列举出：铁、热处理钢、WC基硬质合金、金属陶瓷、不锈钢、镍、铜、铝合金、钛合金、氧化铝、立方氮化硼、碳化硅制的基材。其中，优选使用由WC基硬质合金、金属陶瓷或立方氮化硼构成的基材。
＜硬质碳膜＞
(组成)
在本说明书中，硬质碳膜通常是指被称为类金刚石碳(DLC)、无定形碳、金刚石状碳等的名称的碳膜。据认为，硬质碳膜包含碳作为主要成分，在结构上被分类为非晶质而不是晶体，混合有在金刚石晶体中观察到的那样的单键(C-C)和在石墨晶体中观察到的那样的双键(C＝C)，并且根据制法的不同，有时也含有C-H这样的氢。
硬质碳膜包含碳作为主要成分是指硬质碳膜的碳含量为95原子％以上。硬质碳膜中的碳含量可以利用X射线光电子能谱分析装置(XPS测定装置：ULVAC-PHI,Inc制造的“PHI5000 VersaProbe III”(商标))进行测定。具体而言，通过对试样表面照射X射线，并测量从试样表面发射的光电子的动能来分析构成试样表面的元素的组成。需要说明的是，就申请人所测定的而言，可以确认：只要是在同一试样中进行测定，即使改变测定视野的选择位置来多次计算碳含量的测定结果，测定结果也几乎没有偏差，即使任意地设定测定视野，测定结果也不是随意的。
硬质碳膜是非晶质的情况例如可以通过X射线衍射测定来确认。具体的确认方法如下述说明。
(A1)在下述条件下对在基板上成膜的硬质碳膜进行X射线衍射测定(测定装置：Rigaku公司制造的“SmartLab”(商标))，得到X射线衍射图案。
X射线源：Cu-kα线
X射线输出功率：45kV、200mA
检测器：一维半导体检测器
衍射角2θ的测定范围：15～140°
扫描速度：0.2°/分钟
(A2)在所得的衍射图案中，将除了来自基板的峰以外不存在由石墨或金刚石引起的峰、且确认到宽峰的情况判断为硬质碳膜为非晶质相。
(黑色区域的面积比例)
在利用HADDF-STEM观察硬质碳膜20的剖面的情况下，圆当量直径为10nm以上的黑色区域的面积比例(以下，也记为“黑色区域的面积比例”)为0.7％以下。
当黑色区域的面积比例为0.7％以下时，硬质碳膜难以发生破坏，工具寿命提高。黑色区域的面积比例的上限为0.7％以下、优选为0.5％以下、更优选为0.3％以下、进一步优选为0.2％以下。黑色区域的面积比例的下限优选为0％以上。从制造上的观点来看，黑色区域的面积比例的下限可以设为0.05％以上。黑色区域的面积比例优选为0％以上0.7％以下、优选为0％以上0.5％以下、更优选为0％以上0.3％以下、进一步优选为0％以上0.2％以下。
硬质碳膜的黑色区域的面积比例可以利用HADDF-STEM进行观察来测定。具体的测定方法如下述说明。
(B1)沿着表面的法线方向切断切削工具，以制作包含硬质碳膜的剖面的样品。将切断的位置设定在包含切削工具的参与切削的部分的任意10处位置，制作10个样品。切断使用聚焦离子束装置、截面抛光装置等。
(B2)利用HADDF-STEM以20万倍的倍率观察各样品的剖面，以得到暗场图像。
(B3)在所得的暗场图像中指定硬质碳膜。通过利用HAADF-STEM附带的能量分散型X射线分析(EDX)进行剖面映射分析，可以指定以碳为主体的硬质碳膜、界面层、以及基材。
(B4)在暗场图像中的硬质碳膜区域内设定矩形的测定视野。该矩形的一组对边与基材的硬质碳膜侧的主面平行，长度为800nm。该对边的基材侧的边与基材的硬质碳膜侧的主面之间的距离为30nm。该对边的硬质碳膜的表面侧的边与硬质碳膜表面之间的距离为30nm。
使用图5对上述的测定视野进行具体地说明。图5是利用HADDF-STEM以20万倍的倍率观察切削工具的剖面而得的暗场图像。在该暗场图像中，由线段a、线段b、线段c以及线段d包围的区域对应于矩形的测定视野。该矩形的一组对边(线段a和线段b)与基材5的硬质碳膜侧的主面S1平行，长度为800nm。该对边的基材侧的边(线段b)与基材5的硬质碳膜20侧的主面S1之间的距离为30nm。该对边的硬质碳膜20的表面S2侧的边(线段a)与硬质碳膜20的表面S2之间的距离为30nm。
在基材5的硬质碳膜侧的主面具有凹凸的情况下，基材的硬质碳膜侧的主面S1如下设定。在测定视野中，指定基材向硬质碳膜侧的伸出量最大的部分。通过该部分作出与基材的主面的凹凸的平均线平行的线。将该线作为基材的硬质碳侧的主面S1。
在硬质碳膜20的表面具有凹凸的情况下，硬质碳膜的表面S2如下设定。在测定视野中，指定硬质碳膜的表面的凹陷最大的部分。通过该部分作出与硬质碳膜表面的凹凸的平均线平行的线。将该线作为硬质碳膜的表面S2。
在测定视野的设定中，排除硬质碳膜20距基材5的主面S1的距离为30nm以下的区域和硬质碳膜20距其表面S2的距离为30nm以下的区域的理由是为了排除样品调整的影响和界面层的影响。
(B5)使用图像分析软件(三谷商事(株)的“WinROOF”(商标))对暗场图像进行图像处理，将其转换为256灰度的单色图像。此时，在转换为256灰度的单色图像后的图像中，以使测定视野内的白色区域不产生对比度差的方式进行调整。
(B6)在上述单色图像中，求出上述测定视野内的平均浓度。将该平均浓度作为阈值，对单色图像进行2值化处理。
图3示出了对本公开的切削工具的硬质碳膜的剖面进行2值化处理后的图像的一个例子。如图3所示，在本公开的切削工具的硬质碳膜中，几乎没有确认到黑色区域。
图4示出了对以往的切削工具的硬质碳膜的剖面进行2值化处理后的图像的一个例子。如图4所示，在以往的切削工具的硬质碳膜中，存在由符号B所表示的黑色区域。
(B7)对2值化处理后的图像进行粒子分析，求出圆当量直径为10nm以上的黑色区域的面积。计算圆当量直径为10nm以上的黑色区域相对于测定视野的总面积的面积比例。
(B8)对于10个样品中的每一个测定黑色区域的面积比例。将在10个样品中所测定的黑色区域的面积比例的平均值作为“硬质碳膜的黑色区域的面积比例”。具体而言，将在10个样品中所测定的黑色区域的面积比例的平均值为0.7％以下的情况确认为“硬质碳膜的黑色区域的面积比例为0.7％以下”。
需要说明的是，就申请人所测定的而言，可以确认：只要是在同一试样中进行测定，即使改变切断面的选择位置、或测定视野的选择位置来多次计算黑色区域的面积比例的测定结果，测定结果也几乎没有偏差，即使任意地设定测定视野，测定结果也不是随意的。
(厚度)
硬质碳膜20的参与切削的部分的厚度(以下，也记为“硬质碳膜的厚度”)优选为0.1μm以上3μm以下。在本说明书中，硬质碳膜的参与切削的部分是指：在硬质碳膜中，由切削工具的切削刃棱线、与从该切削刃棱线向切削工具侧的沿着该切削刃棱线的切线的垂线的距离为2mm的虚拟面包围的区域。硬质碳膜的参与切削的部分的厚度是指：在硬质碳膜的参与切削的区域中，从硬质碳膜的表面开始沿着该表面的法线方向的厚度。
当硬质碳膜的厚度为0.1μm以上时，耐磨性提高。当硬质碳膜的厚度为3μm以下时，可以抑制积蓄在硬质碳膜内部的内部应力的增加，从而可以抑制硬质碳膜的剥离和缺损。
硬质碳膜的厚度的下限优选为0.1μm以上、更优选为0.5μm以上、进一步优选为1.0μm以上。硬质碳膜的厚度的上限优选为3μm以下、更优选为2.0μm以下、进一步优选为1.5μm以下。硬质碳膜的厚度可以设为0.1μm以上3μm以下、0.5μm以上2.0μm以下、1.0μm以上1.5μm以下。
硬质碳膜的厚度可以通过利用SEM(扫描电子显微镜、测定装置：日本电子株式会社制造的“JSM-6610series”(商标))观察硬质碳膜的剖面来测定。具体而言，将剖面样品的观察倍率设为5000～10000倍，观察面积设为100～500μm2，测定1个视野中任意选择的3处的厚度，并将其平均值作为“厚度”。需要说明的是，就申请人所测定的而言，可以确认：只要是在同一试样中进行测定，即使改变测定视野的选择位置来多次计算厚度的测定结果，测定结果也几乎没有偏差，即使任意地设定测定视野，测定结果也不是随意的。
(氢含量)
硬质碳膜20基本上由碳和不可避免的杂质构成，但是有时含有氢。据认为，该氢来自成膜时进入到硬质碳膜内的残留于成膜装置中的氢和水分。
硬质碳膜20的氢含量为5原子％以下。由此，硬质碳膜中的sp3键的比例变高，硬度变高。此外，硬质碳膜的耐氧化性也提高。硬质碳膜的氢含量的上限更优选为4原子％以下、进一步优选为2原子％以下。硬质碳膜的氢含量的下限优选为0原子％，但是从制造上的观点来看，可以为0原子％以上、1原子％以上、2原子％以上。硬质碳膜的氢含量可以设为0原子％以上5原子％以下、0原子％以上4原子％以下、0原子％以上2原子％以下、1原子％以上5原子％以下、1原子％以上4原子％以下、1原子％以上2原子％以下、2原子％以上5原子％以下、2原子％以上4原子％以下。
硬质碳膜的氢含量通过利用ERDA(弹性回弹粒子检测法、测定装置：神户制钢所公司制造的“HRBS500”)来测定。该方法是这样的方法：使与以低入射角度入射的He离子碰撞的氢离子朝前方向回弹，并对该回弹的氢粒子进行能量分析，从而测定氢量。需要说明的是，就申请人所测定的而言，可以确认：只要是在同一试样中进行测定，即使改变测定视野的选择位置来多次计算氢含量的测定结果，测定结果也几乎没有偏差，即使任意地设定测定视野，测定结果也不是随意的。
(硬度)
硬质碳膜20的硬度优选为35GPa以上75GPa以下。当硬质碳膜的硬度为35GPa以上时，耐磨性提高。当硬质碳膜的硬度为75GPa以下时，耐缺损性提高。硬质碳膜的硬度的下限优选为35GPa以上、更优选为45GPa以上、进一步优选为55GPa以上。硬质碳膜的硬度的上限优选为75GPa以下、进一步优选为73GPa以下。硬质碳膜的硬度优选为35GPa以上75GPa以下、更优选为45GPa以上73GPa以下、进一步优选为55GPa以上73GPa以下。
硬质碳膜的硬度可以利用纳米压痕法(测定装置：MTS公司制造的“Nano IndenterXP”(商标))来测定。具体而言，测定硬质碳膜的表面中的3处的硬度，并将其平均值作为“硬度”。需要说明的是，就申请人所测定的而言，可以确认：只要是在同一试样中进行测定，即使改变测定视野的选择位置来多次计算硬度的测定结果，测定结果也几乎没有偏差，即使任意地设定测定视野，测定结果也不是随意的。
＜界面层＞
如图2所示，本实施方式的切削工具31可以具备配置在基材5与硬质碳膜20之间的界面层21。由此，基材与硬质碳膜经由界面层而牢固地密合。
(组成)
界面层5的组成可以如下述(K1)或(K2)所述。
(K1)包含选自由以下成分组成的组中的至少1种：选自由周期表的第4族元素、第5族元素、第6族元素、第13族元素以及除碳以外的第14族元素组成的第1组中的1种单体、包含选自该第1组中的至少1种元素的合金、第1化合物、以及来自该第1化合物的固溶体；或者
(K2)包含由选自上述第1组中的至少1种元素和碳构成的第2化合物、以及来自该第2化合物的固溶体中的一者或两者。
即，界面层可以是下述(k1)～(k4)中的任一种方式。
(k1)由选自由以下成分组成的组中的至少1种构成：选自第1组中的1种单体、包含选自第1组中的至少1种元素的合金、第1化合物以及来自该第1化合物的固溶体。
(k2)包含选自由以下成分组成的组中的至少1种：选自第1组中的1种单体、包含选自第1组中的至少1种元素的合金、第1化合物以及来自该第1化合物的固溶体。
(k3)由选自第1组中的至少1种元素和碳构成的第2化合物、以及来自该第2化合物的固溶体的一者或两者构成。
(k4)包含由选自第1组中的至少1种元素和碳构成的第2化合物、以及来自该第2化合物的固溶体的一者或两者。
这里，周期表的第4族元素例如包括钛(Ti)、锆(Zr)及铪(Hf)。第5族元素例如包括钒(V)、铌(Nb)及钽(Ta)。第6族元素例如包括铬(Cr)、钼(Mo)及钨(W)。第13族元素例如包括硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)及铟(In)。除碳以外的第14族元素例如包括硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)。以下，第4族元素、第5族元素、第6族元素、第13族元素、除碳以外的第14族元素中所含的元素也记为“第1元素”。
包含第1元素的合金例如可以列举出Ti-Zr、Ti-Hf、Ti-V、Ti-Nb、Ti-Ta、Ti-Cr、Ti-Mo。包含第1元素的金属间化合物例如可以列举出TiCr2、Ti3Al。
包含第1元素的第1化合物例如可以列举出硼化钛(TiB2)、硼化锆(ZrB2)、硼化铪(HfB2)、硼化钒(VB2)、硼化铌(NbB2)、硼化钽(TaB2)、硼化铬(CrB)、硼化钼(MoB)、硼化钨(WB)、硼化铝(AlB2)。
上述的来自第1化合物的固溶体是指2种以上的这些第1化合物溶入到彼此的晶体结构内的状态，是指侵入型固溶体或置换型固溶体。
作为由第1元素和碳构成的第2化合物，例如可以列举出碳化钛(TiC)、碳化锆(ZrC)、碳化铪(HfC)、碳化钒(VC)、碳化铌(NbC)、碳化钽(TaC)、碳化铬(Cr3C2)、碳化钼(MoC)、碳化钨(WC)、碳化硅(SiC)。
上述的来自第2化合物的固溶体是指2种以上的这些第2化合物溶入到彼此的晶体结构内的状态，是指侵入型固溶体或置换型固溶体。
界面层中的选自第1组中的1种单体、包含选自该第1组中的至少1种的合金、第1化合物、以及来自该第1化合物的固溶体的总含有率(以下，也记为“第1化合物等含有率”)优选为70体积％以上100体积％以下、更优选为80体积％以上100体积％以下、进一步优选为90体积％以上100体积％以下、最优选为100体积％。
界面层中的第2化合物、以及来自所述第2化合物的固溶体的总含有率(以下，也记为“第2化合物等含有率”)优选为70体积％以上100体积％以下、更优选为80体积％以上100体积％以下、进一步优选为90体积％以上100体积％以下、最优选为100体积％。
界面层的组成、第1化合物等含有率及第2化合物等含有率可以利用透射电子显微镜-能量分散型X射线分析(TEM-EDX：Transmission Electron Microscopy-EnergyDispersive X-ray spectrometry)法来测定。具体而言，利用FIB(聚焦离子束装置)切断切削工具以露出界面层，在利用TEM观察剖面的同时测定构成界面层的元素的组成、第1化合物等含有率及第2化合物等含有率。需要说明的是，就申请人所测定的而言，可以确认：只要是在同一试样中进行测定，即使改变测定视野的选择位置来多次计算测定结果，测定结果也几乎没有偏差，即使任意地设定测定视野，测定结果也不是随意的。
(厚度)
界面层5的厚度优选为0.1nm以上且小于10nm。当界面层的厚度在该范围内时，提高基材与硬质碳膜的密合性的效果增大。界面层的厚度更优选为0.6nm以上8.0nm以下、进一步优选为1.0nm以上5.0nm以下。
界面层的厚度可以通过利用SEM(扫描电子显微镜)观察硬质碳膜的剖面来测定。具体而言，将剖面样品的观察倍率设为5000～10000倍，观察面积设为100～500μm2，测定1个视野内任意选择的3处的厚度，并将其平均值作为“厚度”。需要说明的是，就申请人所测定的而言，可以确认：只要是在同一试样中进行测定，即使改变测定视野的选择位置来多次计算厚度的测定结果，测定结果也几乎没有偏差，即使任意地设定测定视野，测定结果也不是随意的。
＜其他层＞
本实施方式的切削工具优选在界面层与硬质碳膜之间具备：将这些覆膜的组成混合而成的混合组成层、或组成连续变化的倾斜组成层。由此，基材与硬质碳膜的密合力进一步提高。
混合层和倾斜组成层不一定能够明确地区分开。当制造条件从界面层的成膜切换到硬质碳膜的成膜时，通常会导致界面层和硬质碳膜的组成轻微地混合在一起，从而形成混合组成层或倾斜组成层。虽然难以直接确认这些层，但是可以从XPS：(X射线光电子能谱：X-ray Photo-electronic Spectroscopy)或AES：(俄歇电子能谱：Auger ElectronSpectroscopy)等的结果充分地推定这些层的存在。
＜切削工具的用途＞
本实施方式的切削工具的耐磨性和耐熔接性优异，因此特别适用于铝及其合金的加工。另外，也适用于钛、镁、铜等非铁材料的加工。此外，还适用于含有石墨等硬质粒子的材料、有机材料等的切削、印刷电路基板加工、铁系材料与铝的共切削加工等。除此以外，本实施方式的切削工具的硬质碳膜具有非常高的硬度，因此不仅可以用于非铁材料，还可以用于不锈钢等钢或铸件等的加工。
＜切削工具的种类＞
本实施方式的切削工具例如可以用作钻头、端铣刀、端铣刀加工用切削刃可转位切削刀片、铣削加工用切削刃可转位切削刀片、车削用切削刃可转位切削刀片、金属锯、齿轮切削工具、铰刀以及丝锥。
[实施方式2：切削工具的制造方法]
本公开的切削工具例如可以通过使用图6所示的成膜装置1在基材上形成硬质碳膜来制作。以下，对本公开的切削工具的制造方法的一个例子进行说明。
(基材的准备)
准备基材5。基材的种类可以使用实施方式1中所记载的材料。例如，基材优选由WC基硬质合金、金属陶瓷或立方氮化硼构成。
将基材5安装在成膜装置1内的基材保持具4上。基材保持具4以靶材2、3的中心点为中心在靶材间旋转。
使用基材加热器6将基材5加热至200℃，同时将成膜装置1内的真空度设为5×10- 4Pa的气氛。随后，降低基材加热器6的设定温度，使基材温度成为100℃，然后导入氩气并保持为2×10-1Pa的气氛，同时通过成膜偏置电源9对基材保持具4施加-1000V的电压，以对基材表面进行氩等离子体清洗。然后，排出氩气。在成膜装置1中，气体的供给通过气体供给口10进行，气体的排出通过排气口11进行。
接着，在成膜装置1内配置由周期表第4族元素、第5族元素或第6族元素构成的靶材2。
使靶材2蒸发和离子化，同时通过偏置电源9对基材保持具4施加-600V的电压，以进行金属离子轰击处理。由此，基材的表面被蚀刻，与后续形成的界面层或硬质碳膜的密合性提高。
需要说明的是，可以在不对基材进行金属离子轰击处理的情况下进行后述的界面层的形成和硬质碳膜的形成。
(界面层的形成)
接下来，在成膜装置1内配置由选自由周期表的第4族元素、第5族元素、第6族元素、第13族元素以及除碳以外的第14族元素组成的组中的1种元素构成的靶材2。在导入或不导入烃类气体的情况下，通过真空电弧放电使靶材2蒸发和离子化，并通过偏置电源9对基材保持具4施加-100V～-800V的电压，以在基材上形成界面层。然后，排出烃类气体。
需要说明的是，可以在不在基材上形成界面层的情况下形成后述的硬质碳膜。
(硬质碳膜的形成)
接下来，在成膜装置1内配置由玻璃状碳构成的靶材3。以15cc/分钟的流量导入氩气，同时通过真空电弧放电(阴极电流120A)使靶材3蒸发和离子化，并通过偏置电源9对基材保持具4施加-100V的电压，以在界面层上形成硬质碳膜，从而得到切削工具。烃类气体可以与氩气一起导入。将成膜中的基材加热器6的温度设定为180℃。
玻璃状碳可以使用市售的。玻璃状碳是高纯度的碳质，与传统的阴极所使用的碳的烧结体(烧结石墨等)相比，没有被金属元素污染。特别是，日立化成社制造的玻璃状碳不含有铝(Al)，因此特别适合于铝合金的切削。另外，当使用玻璃状碳时，可以抑制硬质碳膜中的宏观颗粒的产生，从而得到平滑的硬质碳膜，切削性能提高。
靶材的形状通常使用圆筒状或圆盘状、矩形。但是，本发明人经过深入研究，结果新发现了：从提高硬质碳膜的膜质的观点来看，图7所示的三棱柱形状是优选的。有时需要高电流流过靶材，但是通过使用V字型的电极并使靶材的侧面与电极密合，可以向靶材稳定地供电。进一步，由于靶材与电极密合，因此也可以提高冷却效果。通过有效地冷却靶材，电阻降低，从而电弧点容易移动。由此，可以抑制硬质碳膜中的缺陷的产生，从而硬质碳膜的膜质提高。
从提高硬质碳膜的纯度的观点来看，优选不导入Ar气而是在真空中成膜。但是，本发明人经过深入研究，结果新发现了：与真空中相比，以15cc/分钟的流量流过Ar气时，电弧放电稳定，从而膜质提高。
实施例
通过实施例对本实施方式进行更具体的说明。但是，本实施方式不限于这些实施例。
《实施例1》
[切削工具的制作]
＜＜试样1～试样3＞＞
在试样1～试样3中，以玻璃状碳为原料，利用阴极电弧离子镀法(在表1中，记为“电弧法”)，在基材上形成硬质碳膜，从而制作了切削工具。
(基材的准备)
准备了Φ6mm的WC(粒径：1μm)基硬质合金制的钻头作为基材。该基材中含有8质量％的Co作为结合材料。
将基材安装在图6所示的成膜装置1内，使用基材加热器6将基材加热至200℃，同时将成膜装置1内的真空度设为5×10-4Pa的气氛。随后，降低基材加热器6的设定温度，使基材温度成为100℃，然后导入氩气并保持为2×10-1Pa的气氛，同时通过成膜偏置电源9对基材保持具4施加-1000V的电压，以对基材表面进行氩等离子体清洗。然后，排出氩气。
(硬质碳膜的形成)
接着，以15cc/分钟的流量将氩气导入到成膜装置1内，同时通过真空电弧放电(阴极电流120A)使由玻璃状碳(日立化成社制造的“玻璃状碳”)构成的三棱柱形状的靶材蒸发和离子化，并且通过偏置电源9对基材保持具4施加-100V的电压，以在基材上形成硬质碳膜，从而得到了切削工具。将硬质碳膜的成膜中的基材加热器6的设定温度设为180℃。各试样的硬质碳膜的厚度如表1的“硬质碳膜”的“厚度(μm)”一栏所示。
＜＜试样4～试样7＞＞
在试样4～试样7中，利用阴极电弧离子镀法，在基材上依次形成界面层和硬质碳膜，从而制作了切削工具。
＜试样4＞
(基材的准备)
以与试样1相同的方法准备了基材。
(界面层的形成)
接着，以15cc/分钟的流量将烃类气体导入到成膜装置1内，同时通过真空电弧放电(阴极电流80A)使由铬(Cr)构成的三棱柱形状的靶材蒸发和离子化，并且通过偏置电源9对基材保持具4施加-100V的电压，以在基材上形成由碳化铬(CrC)构成的厚度为5nm的界面层。然后，排出烃类气体。
(硬质碳膜的形成)
接着，将氩气以15cc/分钟的流量和烃类气体以5cc/分钟的流量导入到成膜装置1内，同时通过真空电弧放电(阴极电流120A)使由玻璃状碳(日立化成社制造的“玻璃状碳”)构成的三棱柱形状的靶材蒸发和离子化，并且通过偏置电源9对基材保持具4施加-100V的电压，以在界面上形成厚度为0.6μm的硬质碳膜，从而得到了切削工具。将硬质碳膜的成膜中的基材加热器6的设定温度设为180℃。
＜试样5＞
(基材的准备)
以与试样1相同的方法准备了基材。
(界面层的形成)
接着，在成膜装置1内不导入气体，通过真空电弧放电(阴极电流80A)使由铬(Cr)构成的靶材蒸发和离子化，并且通过偏置电源9对基材保持具4施加-800V的电压，以在基材上形成由(Cr)构成的厚度为5nm的界面层。
(硬质碳膜的形成)
接着，将氩气以15cc/分钟的流量和烃类气体以20cc/分钟的流量导入到成膜装置1内，同时通过真空电弧放电(阴极电流120A)使由玻璃状碳(日立化成社制造的“玻璃状碳”)构成的三棱柱形状的靶材蒸发和离子化，并且通过偏置电源9对基材保持具4施加-100V的电压，以在界面上形成厚度为0.4μm的硬质碳膜，从而得到了切削工具。将硬质碳膜的成膜中的基材加热器6的设定温度设为180℃。
＜试样6＞
(基材的准备)
以与试样1相同的方法准备了基材。
(界面层的形成)
接着，以15cc/分钟的流量将烃类气体导入到成膜装置1内，同时通过真空电弧放电(阴极电流80A)使由钛(Ti)构成的三棱柱形状的靶材蒸发和离子化，并且通过偏置电源9对基材保持具4施加-100V的电压，以在基材上形成由碳化钛(TiC)构成的厚度为5nm的界面层。然后，排出烃类气体。
(硬质碳膜的形成)
接着，以15cc/分钟的流量将氩气导入到成膜装置1内，同时通过真空电弧放电(阴极电流120A)使由玻璃状碳(日立化成社制造的“玻璃状碳”)构成的三棱柱形状的靶材蒸发和离子化，并且通过偏置电源9对基材保持具4施加-100V的电压，以在界面上形成厚度为0.6μm的硬质碳膜，从而得到了切削工具。将硬质碳膜的成膜中的基材加热器6的设定温度设为180℃。
＜试样7＞
(基材的准备)
以与试样1相同的方法准备了基材。
(界面层的形成)
接着，在成膜装置1内不导入气体，通过真空电弧放电(阴极电流80A)使由钛(Ti)构成的靶材蒸发和离子化，并且通过偏置电源9对基材保持具4施加-100V的电压，以在基材上形成由钛(Ti)构成的厚度为5nm的界面层。
(硬质碳膜的形成)
接着，以15cc/分钟的流量将氩气导入到成膜装置1内，同时通过真空电弧放电(阴极电流120A)使由玻璃状碳(日立化成社制造的“玻璃状碳”)构成的三棱柱形状的靶材蒸发和离子化，并且通过偏置电源9对基材保持具4施加-100V的电压，以在界面上形成厚度为0.9μm的硬质碳膜，从而得到了切削工具。将硬质碳膜的成膜中的基材加热器6的设定温度设为180℃。
＜＜试样8～试样11＞＞
在试样8～试样11中，以烧结石墨为原料，利用阴极电弧离子镀法在基材上形成硬质碳膜，从而制作了切削工具。
(基材的准备)
以与试样1相同的方法准备了基材。
(硬质碳膜的形成)
接着，将氩气以15cc/分钟的流量(试样8、10、11)，或者将氩气以15cc/分钟的流量和烃类气体以5cc/分钟的流量(试样9)导入到成膜装置1内，同时通过真空电弧放电(阴极电流：试样8为180A；试样9、10为120A；试样11为150A)使由烧结石墨(东洋碳素社制造的“IG-510”)构成的三棱柱形状的靶材蒸发和离子化，并且通过偏置电源9对基材保持具4施加-100V的电压，以在基材上形成厚度为0.5μm的硬质碳膜，从而得到了切削工具。将硬质碳膜的成膜中的基材加热器6的设定温度设为180℃。
＜＜试样12＞＞
在试样12中，利用以甲烷气体为原料的等离子体CVD法，在与试样1相同的基材上形成厚度为0.5μm的硬质碳膜，从而制作了切削工具。
[评价]
(黑色区域的面积比例的测定)
对各试样的硬质碳膜测定了黑色区域的面积比例。黑色区域的面积比例的测定方法记载在实施方式1中，因此不再重复其说明。结果如表1的“黑色区域的面积比例(％)”一栏所示。
(氢含量的测定)
对各试样的硬质碳膜测定了氢含量。氢含量的测定方法记载在实施方式1中，因此不再重复其说明。结果如表1的“氢含量(原子％)”一栏所示。
(硬度的测定)
对各试样的硬质碳膜测定了硬度。硬度的测定方法记载在实施方式1中，因此不再重复其说明。结果如表1的“硬度(GPa)”一栏所示。
(切削试验)
使用各试样的切削工具，根据下述切削条件进行钻孔加工。
被切削材料：ADC12(Al-Si-Cu系合金)
切削速度：200m/分钟
进给速度：0.4mm/转
孔深度：23mm停止
冷却液：内部给油1.9MPa
测定了在钻头前端磨损并发生铝合金的凝着后直至缺损(500μm以上)时的加工孔数。加工孔数越多，表示耐磨性越优异，工具寿命越长。结果如表1的“切削试验”的“加工孔数”一栏所示。
[表1]
Figure BDA0003806963120000211
<讨论>
试样1～试样7的切削工具对应于实施例。试样8～试样12的切削工具对应于比较例。
可以确认：与试样8～试样12(比较例)相比，试样1～试样7(实施例)的加工孔数多，耐磨性优异，工具寿命长。需要说明的是，试样1～试样3、试样6、7的硬质碳膜的成膜条件相同，但是黑色区域的面积比例不同。据认为，这是制造上的偏差。
据认为，由于试样8～试样11的硬质碳膜的黑色区域的面积比例超过0.7％，结晶度超过6.5％，因此硬度低，耐磨性降低，工具寿命短。
据认为，由于试样12的硬质碳膜的氢含量超过5原子％，因此硬度低，耐磨性降低，工具寿命短。
《实施例2》
＜＜试样2-1＞＞
(基材的准备)
作为基材，准备了刀片型号为DCGT11T308N-AG的金属陶瓷制的刀片(insert)。通过与试样1相同的方法，对基材表面进行氩等离子体清洗。
(硬质碳膜的形成)
接着，通过在与试样1相同的条件下在基材上成膜，以形成厚度为0.4μm的硬质碳膜，从而得到了切削工具。
＜＜试样2-2＞＞
试样2-2是与试样2-1中准备的金属陶瓷制的刀片相同的刀片。试样2-2不具有硬质碳膜。
[评价]
(黑色区域的面积比例的测定、氢含量的测定、硬度的测定)
对试样2-1的硬质碳膜进行了黑色区域的面积比例的测定、氢含量的测定、硬度的测定。各测定方法记载在实施方式1中，因此不再重复其说明。结果如表2的“黑色区域的面积比例(％)”、“氢含量(原子％)”、“硬度(GPa)”的栏所示。
(切削试验)
使用各试样的切削工具，根据下述切削条件进行圆棒车削加工。
被切削材料：ADC12(Al-Si-Cu系合金)圆棒
切削速度：300m/分钟
进给速度：0.2mm/转
切入量：2.0mm
切削油：干式
测定了直到因切削刃凝着而导致工具发生缺损(500μm以上)时的切削长度(km)。切削长度越长，表示耐缺损性越优异，工具寿命越长。结果如表2的“切削试验”的“切削长度”一栏所示。
[表2]
Figure BDA0003806963120000231
<讨论>
试样2-1的切削工具对应于实施例。试样2-2的切削工具对应于比较例。可以确认，与试样2-2(比较例)相比，试样2-1(实施例)的切削长度长，耐缺损性优异，工具寿命长。
《实施例3》
＜＜试样3-1＞＞
(基材的准备)
作为基材，准备了刀片型号为VBGW160408的立方氮化硼制的刀片。通过与试样1相同的方法，对基材表面进行氩等离子体清洗。
(硬质碳膜的形成)
接着，通过在与试样1相同的条件下在基材上成膜，以形成厚度为0.4μm的硬质碳膜，从而得到了切削工具。
＜＜试样3-2＞＞
试样3-2是与试样3-1中准备的立方氮化硼制的刀片相同的刀片。试样3-2不具有硬质碳膜。
[评价]
(黑色区域的面积比例的测定、氢含量的测定、硬度的测定)
对试样3-1的硬质碳膜进行了黑色区域的面积比例的测定、氢含量的测定、硬度的测定。各测定方法记载在实施方式1中，因此不再重复其说明。结果如表3的“黑色区域的面积比例(％)”、“氢含量(原子％)”、“硬度(GPa)”的栏所示。
(切削试验)
使用各试样的切削工具，根据下述切削条件进行圆棒车削加工。
被切削材料：ADC12(Al-Si-Cu系合金)圆棒
切削速度：400m/分钟
进给速度：0.05mm/转
切入量：2.0mm
切削油：湿式
测定了直到因切削刃凝着而导致工具发生缺损(500μm以上)时的切削长度(km)。切削长度越长，表示耐缺损性越优异，工具寿命越长。结果如表3的“切削试验”的“切削长度”一栏所示。
[表3]
Figure BDA0003806963120000241
<讨论>
试样3-1的切削工具对应于实施例。试样3-2的切削工具对应于比较例。可以确认：与试样3-2(比较例)相比，试样3-1(实施例)的切削长度长，耐缺损性优异，工具寿命长。
如上所述，对本公开的实施方式和实施例进行了说明，但是最初预定的是可以适当地组合上述各实施方式和各实施例的构成，或者进行各种变形。
应该认为本次公开的实施方式和实施例在所有方面都是示例性的，而不是限制性的。本发明的范围不限于上述实施方式和实施例，而是由权利要求书所表示，并且意图包括与权利要求书等同的意义和范围内的所有变化。
符号的说明
1成膜装置、2,3靶材、4基材保持具、5基材、6基材加热器、7,8电源、9成膜偏置电源、10气体供给口、11排气口、20硬质碳膜、21界面层、30,31切削工具、a,b,c,d线段、B黑色区域、S1基材的主面、S2硬质碳膜的表面

Claims (6)

1.一种切削工具，具备：
基材和配置在所述基材上的硬质碳膜，
在利用高角度散射环形暗场扫描透射电子显微镜观察所述硬质碳膜的剖面的情况下，圆当量直径为10nm以上的黑色区域的面积比例为0.7％以下，
所述硬质碳膜的氢含量为5原子％以下。
2.根据权利要求1所述的切削工具，其中，
所述硬质碳膜的参与切削的部分的厚度为0.1μm以上3μm以下。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的切削工具，其中，
所述基材与所述硬质碳膜接触。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的切削工具，
具备配置在所述基材与所述硬质碳膜之间的界面层，
所述界面层包含：
·选自由以下成分组成的组中的至少1种：选自由周期表的第4族元素、第5族元素、第6族元素、第13族元素以及除碳以外的第14族元素组成的第1组中的1种单体、包含选自所述第1组中的至少1种元素的合金或第1化合物、以及来自所述第1化合物的固溶体；或者
·由选自所述第1组中的至少1种元素和碳构成的第2化合物、以及来自所述第2化合物的固溶体中的一者或两者，
所述界面层的厚度为0.5nm以上且小于10nm。
5.根据权利要求1至权利要求4中任1项所述的切削工具，其中，
所述基材由WC基硬质合金或金属陶瓷构成。
6.根据权利要求1至权利要求4中任1项所述的切削工具，其中，
所述基材由立方氮化硼构成。
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