JP2012161853A

JP2012161853A - 切削工具

Info

Publication number: JP2012161853A
Application number: JP2011021980A
Authority: JP
Inventors: Akiyuki Honda; 晃之本田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-02-03
Filing date: 2011-02-03
Publication date: 2012-08-30

Abstract

【課題】特別な装置を付加することなく、ＤＬＣ膜付き切削工具で鉄系材料が切削できる技術を提供することを課題とする。
【解決手段】非晶質炭素被膜２０は、緻密に集合された炭素元素２１を主体とする。これらの炭素原子２１のうち最表層の炭素原子２１Ｔは１本のダングリングボンド２２を有している。そして、このダングリングボンド２２の先端に、例えばフッ素原子２３が結合している。
【効果】ダングリングボンドが鉄以外の元素で終端されているため、ダングリングボンドに鉄が化学的に結合する心配はない。結果、ＤＬＣ膜中のＣがＦｅ中に拡散するのを防止し、ＤＬＣ膜の摩耗が抑制されるため、切削工具の寿命が確保される。
【選択図】図２

Description

本発明は、鉄系材料の切削に好適な切削工具に関する。

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。

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。

被切削材の大半が鉄系材料であるから、ＤＬＣ膜付き切削工具で鉄系材料が切削できることが望まれる。
そこで、ＤＬＣ膜付き切削工具で鉄系材料を切削することができるようにする技術が、各種提案されてきた（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。

特許文献１の請求項１に「−４０〜−２００℃の範囲の超低温度とすることによる被切削物を脆弱化させると共にダイヤモンド刃先における化学反応を鈍化させた状態とし、固体潤滑剤を用いて切削することを特徴とするダイヤモンド工具による鉄鋼材料の切削方法。」の記載がある。
しかし、−４０〜−２００℃の範囲の超低温度を得るには、高価な液体窒素などを使用する必要があり、高価な超低温冷却装置が不可欠となるため、切削コストが高騰する。

また、特許文献２の請求項１第３行〜第５行に「前記被加工材料と前記ダイヤモンド工具のそれぞれに電流電圧発生装置を接続し、前記ダイヤモンド工具には正極、前記被加工材料には負極を接続し、０〜２０Ｖ（ただし、０を除く）の電圧を印加した状態で加工することを特徴とする加工方法。」の記載がある。
しかし、電流電圧発生装置が必要であるため、切削コストが上がる。

製品コストの引き下げが求められる中、切削コストのアップは好ましくない。
そこで、超低温冷却装置や電流電圧発生装置などの特別な装置を付加することなく、ＤＬＣ膜付き切削工具で鉄系材料が切削できる技術が、望まれる。

特開平８−３２３５０１号公報特開２０１０−１７７８１公報

本発明は、特別な装置を付加することなく、ＤＬＣ膜付き切削工具で鉄系材料が切削できる技術を提供することを課題とする。

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最表層の炭素原子が有するダングリングボンドに、フッ素、水素、塩素、臭素、ヨウ素、水酸基の少なくとも１種が終端されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、非晶質炭素被膜の最表層の炭素原子が有するダングリングボンドに、フッ素、水素、塩素、臭素、ヨウ素、水酸基の少なくとも１種を終端させる。
ダングリングボンドが鉄以外の元素で終端されているため、ダングリングボンドに鉄が化学的に結合する心配はない。結果、ＤＬＣ膜中のＣがＦｅ中に拡散するのを防止し、ＤＬＣ膜の摩耗が抑制されるため、切削工具の寿命が確保される。
すなわち、本発明により、特別な装置を付加することなく、非晶質炭素被膜付き切削工具で鉄系材料が切削可能となる。

切削工具の一例を示す図である。図１の２部拡大模式図である。アークイオンプレーティング装置の原理図である。膜表面からの深さと検出強度の相関図である。束縛エネルギーと検出強度の相関図である。

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。

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。

図２は図１の２部拡大模式図であり、非晶質炭素被膜２０は、緻密に集合された炭素原子２１を主体とする。これらの炭素原子２１のうち最表層の炭素原子２１Ｔは１本のダングリングボンド２２を有している。そして、このダングリングボンド２２の先端に、例えばフッ素原子２３が結合している。このようにダングリングボンド２２の先端に、フッ素原子２３が結合することを、ダングリングボンド２２に、フッ素が終端されていると言う。以上により終端された非晶質炭素被膜２４が得られる。

なお、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。

非晶質炭素被膜２０は、ＤＬＣ膜が好適である。
また、フッ素原子２３は、水素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子、水酸基であってもよい。
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。

以上に述べた切削工具１０の製造に好適なアークイオンプレーティング装置、及び同装置を用いて実施する製造方法を次に説明する。
図３に示す通り、アークイオンプレーティング装置３０は、気密容器であるチャンバ３１と、このチャンバ３１内部を真空にする真空ポンプ３２と、チャンバ３１へフッ素を含むガス（又は水素、塩素、臭素を含むガス、水酸基生成ガス）を供給する添加元素ガス供給部３３と、チャンバ３１内に置かれる固体炭素３４とチャンバ３１間にアーク電流を供給するアーク電源３５と、チャンバ３１内に置かれる基板３６（図１に示すスローアウェイチップ１３など）とチャンバ３１間にバイアス電圧を掛けるバイアス電源３７と、チャンバ３１内に置かれるプラズマ発生器３８にプラズマ生成エネルギーを供給する商用高周波電源３９とからなる。

先ず、チャンバ３１へ基板３６を投入する。真空ポンプ３２を作動して、チャンバ３１内を高真空にする。以降を高真空を維持するために、真空ポンプ３２を運転し続ける。
バイアス電源３７により、基板３６に１００Ｖのバイアス電圧を印可する。同時にアーク電源３５により、固体炭素３４に５０Ａのアーク電流を流す。
すると、アークイオンプレーティング法に基づき、ＤＬＣ膜が基板３６に成膜される。成膜後、バイアス電源３７及びアーク電源３５を停止する（ＤＬＣ膜成膜工程）。

次に、チャンバ３１内を真空に保ったままで、添加元素ガス供給部３３により、毎分１００ｃｃの割合でチャンバ３１内へ添加元素ガスを導入する。ガス導入後に商用高周波電源３９により、プラズマ発生器３８に１３．５６ＭＨｚの周波数で、２００Ｗ程度の電力を１０分間程度印可する。すると、プラズマ発生器３８により添加元素ガスがプラズマ化し、結合反応が活性化され、炭素が持つダングリングボンドに添加原子または分子が終端される（終端処理工程）。

以上により、図２に示す、終端された非晶質炭素被膜２４ができあがる。
以上の製造方法で製造した切削工具の技術的評価を確認するために、次に述べる実験を行った。

（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。
○供試材１の作製：
アークイオンプレーティング法により、Ｋ１０種超硬合金表面にＤＬＣ膜を成膜し、チャンバの真空を維持した状態で、Ｃ_３Ｆ_８ガスを導入し、プラズマ化してＤＬＣ膜表面にフッ素原子を化学的に結合させ、供試材１を得た。

○質量分析：
供試材１のＤＬＣ膜表面を、ＴＯＦ−ＳＩＭＳ（飛行時間型質量分析計）で分析した。結果を図４に示す。
図４は横軸が膜表面からの深さ、縦軸がＩｎｔｅｎｓｉｔｙ（検出強度）を示し、表面はＦのみである。最表面（０〜４ｎｍ）は、Ｆ（フッ素）が主体であり、それ以外（４ｎｍより深い部位）は、Ｃ（炭素）が主体である。

○スペクトル分析：
また、供試材１のＤＬＣ膜表面を、ＸＰＳ（Ｘ線光電子分光法）で分析した。結果を図５に示す。
図５に示すように、Ｃ−Ｆ結合を示すスペクトルピークが認められた。
図４及び図５から、図２の構造が確認された。

供試材の種類を増やすために、導入ガスを変更した。
○供試材２の作製：
アークイオンプレーティング法により、Ｋ１０種超硬合金表面にＤＬＣ膜を成膜し、チャンバの真空を維持した状態で、水酸基発生ガスを導入し、プラズマ化してＤＬＣ膜表面に水酸基を化学的に結合させ、供試材２を得た。

○供試材３の作製：
アークイオンプレーティング法により、Ｋ１０種超硬合金表面にＤＬＣ膜を成膜し、チャンバの真空を維持した状態で、水素ガスを導入し、プラズマ化してＤＬＣ膜表面に水素原子を化学的に結合させ、供試材３を得た。

○供試材４の作製：
アークイオンプレーティング法により、Ｋ１０種超硬合金表面にＤＬＣ膜を成膜した。
プラズマ処理は行わない。

○摩擦試験：
供試材１〜４に対して、次の条件で摩擦試験を実施して、摩擦係数を調べた。
・方式：ボールオンディスク
・ボール材質：ＳＵＪ２
・荷重：５Ｎ
・回転半径：４ｍｍ
・摩擦速度：１ｃｍ／ｓｅｃ
・潤滑油：無し

得られた摩擦係数を、表１に示す。

本発明品（供試材１〜３）は、比較品（供試材４）より摩擦係数が小さかった。比較品（供試材４）を１として、相対比を調べたところ、供試材１は０．８３、供試材２は０．９８、供試材３は０．８６であった。摩擦係数は小さいほど好ましいので、評価は、供試材１、供試材３、供試材２、供試材４の順になる。

フッ素、水素、水酸基は何れも荷電子数が１である。荷電子数が１であり且つフッ素と同族のハロゲンには、塩素、臭素、ヨウ素が含まれる。塩素、臭素、ヨウ素にも同様の試験を施したところフッ素と同様な、好ましい結果が得られた。

このように、本発明は、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であって、非晶質炭素被膜の最表層の炭素原子が有するダングリングボンドに、フッ素、水素、塩素、臭素、ヨウ素、水酸基の少なくとも１種が終端されていることを特徴とする。
非晶質炭素被膜の最表層の炭素原子が有するダングリングボンドに、フッ素、水素、塩素、臭素、ヨウ素、水酸基の少なくとも１種を終端された。ダングリングボンドが鉄以外の元素で終端されているため、ダングリングボンドに鉄が化学的に結合する心配はない。結果、ＤＬＣ膜中のＣがＦｅ中に拡散するのを防止し、ＤＬＣ膜の摩耗が抑制されるため、切削工具の寿命が確保される。
すなわち、本発明により、特別な装置を付加することなく、非晶質炭素被膜付き切削工具で鉄系材料が切削可能となる。

本発明は、ＤＬＣ付き切削工具に好適である。

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（未終端）、２１…炭素原子、２１Ｔ…最表層の炭素原子、２２…ダングリングボンド、２３…フッ素原子、２４…終端された非晶質炭素被膜。

Claims

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最表層の炭素原子が有するダングリングボンドに、フッ素、水素、塩素、臭素、ヨウ素、水酸基の少なくとも１種が終端されていることを特徴とする切削工具。