JP2001062605A

JP2001062605A - 非晶質カーボン被覆工具

Info

Publication number: JP2001062605A
Application number: JP24277399A
Authority: JP
Inventors: Haruyo Fukui; 治世福井
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1999-08-30
Filing date: 1999-08-30
Publication date: 2001-03-13

Abstract

(57)【要約】【課題】被膜した直後の工具表面粗度を良くすると共
に、成膜レートが高く、製造コストを低減でき、かつ耐
摩耗性のある非晶質カーボン被覆工具を提供する。【解決手段】軟質金属または硬質粒子含有材の加工用
の工具であって、該工具表面に非晶質カーボン膜が被覆
された非晶質カーボン被覆工具において、前記非晶質カ
ーボン膜は、グラファイトを含有する原料を用いた物理
的蒸着法によって形成されたことを特徴とする非晶質カ
ーボン被覆工具。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウムなど
の硬質金属およびその合金、またはグラファイトなどの
硬質粒子含有材を加工する工具の表面に、耐摩耗性およ
び耐溶着性を有する膜を被覆した非晶質カーボン被覆工
具に関するものである。特に、旋削工具（ドリル・エン
ドミル・リーマなど）、フライス工具に代表される切削
スローアウェイチップ、切断工具（カッター・ナイフ・
スリッターなど）として最適な工具に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より切削工具には、切削抵抗を小さ
くして高能率に加工できること、工具表面の損傷を小さ
くして高寿命に保つこと、および被加工物の仕上げ（表
面形状、母材硬度、寸法精度など）を高品位に行なうこ
となどが求められている。上記に加えて最近では、環境
保全のニーズから、切削を潤滑に行うために使用する切
削油剤を減少させる傾向にあり、切削油剤を用いなくて
も寿命や切削能率が低下しない工具の開発が強く望まれ
ている。そこで、耐摩耗性・潤滑性を改善するために、
これら切削工具の表面にTiN・TiC・TiCN・TiAlNなどのT
i系セラミックス被膜を施した工具が広く用いられてい
る。

【０００３】しかし、上記Ti系セラミックス膜を被覆し
た切削工具でも、被加工材がアルミ合金などの軟質金属
の場合は、切削工具の切れ刃部分に被加工材が溶着して
切削抵抗が大きくなるという問題があった。また、グラ
ファイトなど微細な硬質粒子を含む被加工材の場合に
は、切削性が高いため高速・高送り条件で加工が行われ
るので、他の被加工材に比べて工具摩耗が激しいという
問題があった。そこで、アルミニウムやその合金、また
はグラファイトを加工する工具には、従来、耐溶着性が
あり高硬度のダイヤモンド膜が用いられていた。

【０００４】また、被加工材が溶着しにくい加工工具と
しては、非晶質カーボン膜を被覆したものもある。この
工具の被膜の製法として、従来からよく用いられている
ものには、炭化水素系ガス（メタン・ベンゼン・アセチ
レンなど）を用いたプラズマ化学蒸着法によるものがあ
る。

【０００５】その他、炭素を原料としたアークイオンプ
レーティング法によって被覆する成膜方法を開示した、
特開平10-25565号公報の発明がある。この発明の特徴
は、粒径0.1μm以上の粒子を除くために原料と母材との
間に防御体を設けたことである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記ダイヤモ
ンド膜は、多結晶構造であるため表面の凹凸が大きく、
精密加工工具として使用するためには、その凹凸によっ
て複雑な形状を成す表面を研磨する必要がある。ところ
が、ダイヤモンド膜は、現存する材料で一番硬質である
ため、その研磨にもダイヤモンドを用いるより他なく、
非常なコストアップの要因となっていた。

【０００７】更に、通常のTiNなどのセラミックス被膜
の膜厚は、２〜３μｍであるのに対し、ダイヤモンド膜
の場合、最終的に表面を研磨するため、予め20〜30μｍ
程度の厚膜が必要である。また、成膜は、ダイヤモンド
成長時に同時成長するグラファイトをエッチング除去し
ながら行うので、非常に成膜レートが低い。具体的に
は、他のTiNなどのセラミックス被膜に対して、1/10未
満の成膜レートである。従って、研磨工程・成膜工程を
含めた製造コストが、非常に高くなるという問題があっ
た。

【０００８】一方、上記プラズマ化学蒸着法で作られた
非晶質カーボン膜では、水素含有ガスを原料に使用する
ため、被膜中に水素が15〜40at％含まれて、硬度が低く
なるという問題がある。実際、この製法による非晶質カ
ーボン膜のヌープ硬さ（Hk）は最大でもHk＝3000kg/mm²
程度であり、ダイヤモンド膜のHk＝10000kg/mm²と比較
してかなり硬度が低い。更に、加工時の摩擦によって被
膜の温度が上昇して350℃程度になると、被膜中の水素
は、被膜中から徐々に抜け出す。この結果、非晶質カー
ボン膜は、グラファイト膜に構造が変態する。すると、
著しく硬度が低下してしまう。従って、上記製法による
非晶質カーボン膜は、局部的に温度が上がる刃先などの
切削工具に被覆した場合、耐摩耗性という点で問題が残
る。

【０００９】また、上記特開平10-25565号公報の発明
は、原料と母材との間に防御体を設けているために、成
膜レートが200nm/minと遅い。そのため、膜厚を厚くす
るためには、長時間を要し現実的でない。更に、この発
明も成膜に水素含有ガスを用いるため、実際の硬度はHk
＝3000kg/mm²程度と低い。

【００１０】そこで、本発明の主目的は、被膜した直後
の工具表面粗度を良くすると共に、成膜レートが高く、
製造コストを低減でき、かつ耐摩耗性のある非晶質カー
ボン被覆工具を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、軟質金属、ま
たは硬質粒子含有材を加工する工具であって、工具表面
に非晶質カーボン膜が被覆された非晶質カーボン被覆工
具において、前記非晶質カーボン膜は、安価に被覆で
き、ダイヤモンドに近い特性を持つグラファイトを含有
する原料を用いた物理的蒸着法によって形成されたこと
を特徴とする非晶質カーボン被覆工具である。

【００１２】ここで、上記物理的蒸着法による非晶質カ
ーボン膜は、ダイヤモンドライクカーボン膜・DLC膜・a
-C：H膜・a-C膜・硬質炭素膜などとも呼ばれ、これら全
てを含むものである。そして、この非晶質カーボン膜
は、ダイヤモンドに匹敵する高硬度を得るために、グラ
ファイトを出発原料として、グラファイトの昇華反応を
利用した被覆方法により得られる。また、この非晶質カ
ーボン膜は、成膜中に故意に反応ガスを導入しなけれ
ば、成膜中に不可避的に含まれる不純物を除いて炭素原
子により構成されることになる。従って、上記非晶質カ
ーボン膜は、水素化非晶質カーボンよりダイヤモンドに
近い構造であり、硬度を高くできると同時に、耐酸化特
性もダイヤモンドと同様の600℃近くにまで改善され
る。

【００１３】上記グラファイトを出発原料とした物理的
蒸着法は、一般に工業的に用いられるアークイオンプレ
ーティング法・レーザーアブレーション法やスパッタリ
ング法などが好適である。これらの成膜方法は、成膜レ
ートが高く、またダイヤモンド膜のような製造コストの
問題もない。なお、本発明では、特に、アークイオンプ
レーティング法による成膜方法が好ましい。更に、高硬
度を得るために、水素含有量が少ないガスの雰囲気下で
行うことが好ましい。また、本発明では、特開平10-255
65号公報の発明のように、原料と工具表面との間には防
御体などを設けておらず、成膜レートは400nm/minと高
い。加えて、非晶質カーボン膜の表面粗度をよくするた
めに、グラファイト原料からの粒状飛散物を防止する方
法も提案できる。例えば、グラファイト原料に対するア
ーク電流を小さくすることで蒸発量を少なくして成膜す
る方法や曲管を用いアークプラズマを磁力で曲げて直線
的に移動する粒状飛散物を除く方法などがある。これら
の成膜方法により、平滑な膜が得られる。

【００１４】非晶質カーボン膜と工具表面との間には、
界面層を有することが望ましい。この界面層は、周期律
表IVa、Va、VIa族金属元素およびボロン、アルミニウ
ム、シリコン、ゲルマニウムの群から選択される１種以
上の元素からなるものが好ましい。或いは、非晶質カー
ボン膜と工具材料の間に、周期律表IVa、Va、VIa族金属
元素およびボロン、アルミニウム、シリコン、ゲルマニ
ウムの群から選択される１種以上の元素と、炭素、窒
素、酸素の群から選択される１種以上の元素からなる化
合物とで構成されるものでもよい。そして、界面層の膜
厚は、0.05μm〜１μmであることが望ましい。0.01μm
未満では、被膜との密着性の改善効果が不充分であり、
１μmを超えると密着性は余り変わり無いが、成膜時間
が長くなるため不経済である。このような界面層を介在
させることで、通常のTiNなどのセラミックス被膜に比
べ著しく低い被膜の密着性が高められ、工具寿命を延ば
すことが可能である。

【００１５】上記非晶質カーボン膜と界面層との合計膜
厚は、0.1μｍ〜５μｍであることが好適である。0.1μ
ｍ未満では摩耗し易く、５μｍを越えると被膜に蓄積さ
れる内部応力が大きくなり、剥離し易くなるからであ
る。

【００１６】被膜の硬度を高くするために、非晶質カー
ボン膜の水素含有量は、15at％を超えると膜の硬度が極
端に低下するため、15at％未満であることが好ましい。
また、水素含有量は少ないほどよい。そのため、より好
ましくは10at％未満、更に好ましい水素含有量は、０〜
５at％である。これより、Hk＝3500kg/mm²以上、特にHk
＝5000kg/mm²以上の硬度を有する。なお、水素含有量を
少なくするためには、非晶質カーボン膜を被覆する物理
的蒸着法において、水素を含まない雰囲気下で形成する
とよい。例えば、アルゴンガスや窒素ガスなどの不活性
ガスなどを用いるとよい。

【００１７】なお、上記非晶質カーボン膜の含有物にお
いて、硬度や耐酸化性を低下させない範囲、即ち、被膜
構成元素中において15at％未満の範囲で、より好ましく
は10at％未満の範囲で、水素・窒素・アルゴンなどの原
子が被膜中に含まれていてもよい。

【００１８】本発明非晶質カーボン被覆工具基材には、
超硬合金・各種セラミック・ハイス鋼などがよい。本発
明非晶質カーボン被覆工具は、ドリル・エンドミル・リ
ーマ・スローアウェイチップ・カッター・ナイフ・スリ
ッターなどに適する。また、これらの被削材として、ア
ルミニウム及びその合金などの軟質金属、またはグラフ
ァイトなどの硬質粒子含有材などがよい。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。本発明非晶質カーボン被覆工具の成膜は、図１に
示す成膜装置１によって行う。図１に示すように、成膜
装置１は、上部にガス導入口10を有し、下部には排気口
11を具え、この排気口11には真空排気ポンプ（図示せ
ず）を接続している。成膜装置１内の対向する位置に、
複数個のターゲット（原料）２・３を配置する。このタ
ーゲット２・３は、真空アーク電源７・８に接続させ
る。また、成膜装置内1中央部には、基材５を装着する
基材保持具４を設置している。この基材保持具４は、回
転することで装着した基材５に、ターゲット２・３から
発生するイオンを満遍なく付着できる構成である。基材
保持具４を中心として対向する位置に、基材５を加熱す
る基材加熱ヒーター６を配置している。

【００２０】上記装置を用いた真空アーク放電によるイ
オンプレーティング法は、以下の手順により行う。 (1) 成膜装置１内に複数個のターゲット２・３を配置
する。ターゲット２・３は、真空アーク電源７・８に接
続する。 (2) ターゲット２・３の中心点を中心として、これら
ターゲット２・３間で回転する基材保持具４に基材５を
装着する。

【００２１】(3) 真空アーク電源７・８の放電電流を
制御しながら界面層および非晶質カーボンを被覆する。
放電電流を制御することによって、アーク放電が変化
し、それによりターゲット２・３材料の蒸発量が増減す
ることで被覆される。成膜装置１内の真空度は、７×10
^−３Paの雰囲気とする。アルゴンガスをガス導入口10か
ら導入して１×10^−１Paの雰囲気に保持しながら、基材
加熱ヒーター６を用いて100℃まで加熱する。基材保持
具４に-1000Vの電圧（バイアス電源）９をかけて洗浄を
行った後、アルゴンガスを真空排気ポンプ11により排気
する。

【００２２】(4) 成膜装置１内に、N_２ガス・CH_４ガス
・アルゴンガスのいずれか一種類あるいは数種類を合計
流量100cc/minの割合で導入しながら、周期律表IVa・Va
・VIa族金属元素・アルミニウム・シリコンのターゲッ
ト２を真空アーク放電により蒸発・イオン化させること
によりドリル表面上に界面層を形成する。更に、その上
にグラファイトのターゲット３を蒸発・イオン化させる
ことで非晶質カーボン膜を形成する。

【００２３】以下、本発明非晶質カーボン被覆工具の実
施例により具体的に説明する。実施例では、水素含有量
が少ない（水素含有ガスを用いない場合も含む）雰囲気
下で非晶質カーボン膜を被覆した工具を使用した。ま
た、比較例においては、上記のガスに加え水素含有ガス
を含む雰囲気下で形成した被覆工具を使用した。なお、
本発明非晶質カーボン被覆工具の形成は、ここで用いた
製法に限られるものではなく、グラファイトを用いた物
理的蒸着法で成膜されたものであれば、いずれの方法で
あってもよい。

【００２４】（実施例１）工具基材として、組成がJIS
規格K10であるφ８mmの超硬合金製ドリルを用いて、表
１・２に示すように膜厚と界面層の成分とを変えた本発
明品１〜30を用意した。本発明品１〜28は、上記の方法
により被膜を施したドリルである。本発明品29・30は、
界面層を被覆していない工具である。また比較のため、
表２に示すように比較品１〜５の被覆ドリルも用意し
た。なお、比較品１〜３は、通常のプラズマCVD装置を
使用して、上記と同じドリル表面に水素を多く含有する
非晶質カーボン膜を形成したものである。

【００２５】上記のドリルに対し、表３の条件による穴
あけ試験（外部給油による湿式条件）を行い、ノンコー
トドリルに対するスラスト低減率および切刃における凝
着状況を測定した。なお、スラスト低減率は、従来品１
のスラスト抵抗を基準として評価する。上記の各切削試
験の結果を表１・２に示す。

【００２６】

【表１】

【００２７】

【表２】

【００２８】

【表３】

【００２９】表２に示すように、化学的蒸着法で形成し
た水素含有量が20at％以上である水素化非晶質カーボン
膜である比較品１・２は、スラスト抵抗がノンコートと
同程度で、かつ耐溶着性が悪い。TiN膜（比較品４）、T
iAlN膜（比較品５）は、切削抵抗が著しく大きく、比較
品４では10穴で、比較品５では、３穴空けたところで溶
着し始めた。それに対し、水素を殆ど含まない本発明例
のドリル（本発明品１〜30）は、アルミ穴あけ加工にお
いて優れた耐摩耗性を有すると同時に、優れた耐溶着性
を具えることが分かる。従って、穴開け加工後の穴加工
精度も非常に高い。また、界面層を施していない本発明
品29・30は、硬度が5500kg/mm^２と高く、耐摩耗性がよ
いが、比較品３においては、硬度が2000kg/mm^２と低
く、すぐに摩耗した。なお、本発明品は、切削抵抗が小
さいため作業性がよかった。

【００３０】上記試験から、被膜の密着性を良くするた
めの界面層の最適な厚みは、0.05〜１μｍであることが
分かる。0.05μｍより小さいと付着性が悪く、１μｍよ
り大きいと性能的な問題はないが、成膜時間が長くなる
ためコストアップ要因となる。

【００３１】（実施例２）実施例１と同じ方法により、
超硬製ドリルの表面に非晶質カーボン膜を被覆した本発
明品２と、化学蒸着法による水素化非晶質カーボン膜を
被覆した比較品１・TiN膜を被覆した比較品４・TiAlN膜
を被覆した比較品５とについて、表４の条件によるカー
ボンの穴開け加工を行い、穴開け個数と刃先の状態を評
価した。

【００３２】

【表４】

【００３３】その結果、物理的蒸着法により金属窒化物
膜を被覆した従来の被覆工具である比較品４・５は、10
00穴空けたところで被加工材の穴径にバラツキが生じた
ため、ドリルの状態を調べたところ、刃先に摩耗が生
じ、その先端でチッピングが認められた。一方、本発明
品２のドリルでは、5000穴空けた時点でも被加工材の加
工状況に全く問題がなく、ドリル刃先にも摩耗やチッピ
ングは認められなかった。

【００３４】

【発明の効果】本発明の非晶質カーボン被覆工具は、優
れた耐溶着性を有し、かつ耐摩耗性が高いため、工具寿
命を著しく延長させることができる。特に、旋削工具
（ドリル、エンドミル、リーマなど）、フライス工具に
代表される切削スローアウェイチップ、切断工具（カッ
ター、ナイフ、スリッターなど）の表面の耐摩耗性を維
持させることが可能である。また、被覆材料は、グラフ
ァイトを使用しているので、経済的であり、また成膜レ
ートが高いので作業効率も良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】工具表面に被覆を施す成膜装置の説明図であ
る。

【符号の説明】

１成膜装置２・３ターゲット４基材保持具
５基材６基材加熱ヒーター７・８アーク電源９バイ
アス電源 10 ガス導入口 11 排気口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軟質金属または硬質粒子含有材の加工用
の工具であって、該工具表面には、非晶質カーボン膜が
被覆された非晶質カーボン被覆工具において、前記非晶
質カーボン膜は、グラファイトを含有する原料を用いた
物理的蒸着法によって形成されたことを特徴とする非晶
質カーボン被覆工具。
【請求項２】非晶質カーボン膜と工具表面との間に
は、周期律表IVa・Va・VIa族金属元素およびボロン・ア
ルミニウム・シリコン・ゲルマニウムの群から選択され
る1種以上の元素からなる膜厚0.05μｍ〜１μｍの界面
層を有することを特徴とする請求項１記載の非晶質カー
ボン被覆工具。
【請求項３】非晶質カーボン膜と工具表面との間に
は、周期律表IVa・Va・Via族金属元素およびボロン・ア
ルミニウム・シリコン・ゲルマニウムの群から選択され
る１種以上の元素と、炭素・窒素・酸素の群から選択さ
れる１種以上の元素からなる化合物とで構成される膜厚
0.05μｍ〜１μｍの界面層を有することを特徴とする請
求項１記載の非晶質カーボン被覆工具。
【請求項４】非晶質カーボン膜と界面層との合計膜厚
は、0.1μｍ〜５μｍであることを特徴とする請求項２
または３記載の非晶質カーボン被覆工具。
【請求項５】非晶質カーボン膜の水素含有量は、15at
％未満であることを特徴とする請求項１記載の非晶質カ
ーボン被覆工具。
【請求項６】非晶質カーボン膜は、水素を含まない雰
囲気下で形成されたことを特徴とする請求項１記載の非
晶質カーボン被覆工具。