JP2015063714A - 非晶質炭素含有皮膜 - Google Patents

Abstract

【課題】高硬度で基材との高い密着力を有し、加工用工具や機械部品の寿命を大幅に引き上げることが可能な極めて実用性に秀れた非晶質炭素含有皮膜の提供。【解決手段】基材上に形成される非晶質炭素含有皮膜であって、膜厚が夫々０．０５μｍ以上の非晶質炭素皮膜層［Ａ］と非晶質炭素皮膜層［Ｂ］とが、前記非晶質炭素皮膜層［Ａ］が基材側に、前記非晶質炭素皮膜層［Ｂ］が表層側に配置されるように積層して構成され、この非晶質炭素含有皮膜全体の膜厚が０．１μｍ以上１．５μｍ以下に設定され、前記非晶質炭素皮膜層［Ａ］及び前記非晶質炭素皮膜層［Ｂ］が所定の膜質を有する非晶質炭素含有皮膜。【選択図】図１

Description

本発明は、軟金属、非鉄金属若しくは有機材料などの加工用工具や機械部品である摺動部品に被覆する非晶質炭素含有皮膜に関するものである。

アルミニウムや銅などの軟金属、チタンやマグネシウムなどの非鉄金属若しくは樹脂などの有機材料などの被削材を、超硬合金や工具鋼などの鉄鋼、サーメット若しくはセラミックスで製作される切削工具を用いて切削加工する場合、切削工具材料が高硬度でないことから満足できる寿命を得られないだけでなく、切り屑が切削工具の刃先に凝着することにより切削抵抗が高くなって該切削工具の寿命を早めたり、切削加工を施した加工面の表面粗さを悪化させるという問題がある。

また、上述の軟金属、非鉄金属若しくは有機材料を成形材料として、超硬合金や金型用鋼などの鉄鋼で製作される金型を用いて鍛造加工を行う場合、金型表面に成形材料が凝着することで金型の寿命を早めたり、また、前記成形材料を前記金型で鋳造加工する場合には、潤滑性の悪さにより成形品が金型から外れ難くなる、いわゆる離型性が悪いという問題がある（以下、前記切削工具と前記金型を総称して加工用工具といい、前記被削材と前記成形材料を総称して被加工材という。）。

このような軟金属、非鉄金属若しくは有機材料などから成る加工用工具の表面処理では、被加工材に対する耐凝着性が重要な因子となる。

ところで、非晶質炭素皮膜は、金属材料及び有機材料との親和性が低く、耐凝着性、耐焼き付き性及び潤滑性に優れているため、軟金属、非鉄金属若しくは有機材料などの被加工材向けの加工用工具の表面処理として適しており、広く利用されてきている。

また、近年は軟金属、非鉄金属若しくは有機材料などの被加工材に対する切削加工において、超硬合金及び鉄鋼製工具の長寿命化や加工面品位の更なる向上が求められている。また、加工用工具の長寿命化や加工面品位の向上のための耐凝着性以外に、長寿命化のための耐摩耗性、高密着性も必要になる。

例えば特許文献１には、表面に耐摩耗性及び耐凝着性を有する非晶質炭素皮膜を形成した工具が開示されている。しかしながら、特許文献１に開示された方法を用いて、工具に非晶質炭素皮膜を被覆し高速切削試験を行なったところ、満足する工具寿命や加工面品位を得ることができないことがあった。具体的には、特許文献１に開示される非晶質炭素皮膜を被覆した際の工具寿命と加工面品位について検討した結果、超硬合金及び鉄鋼製工具の切れ刃の先端が摩耗を起こしているのではなく、非晶質炭素皮膜が剥離して基材が露出した部分に被削材が凝着して加工面品位を低下させていることや、被削材の凝着により切削抵抗が大きくなり切れ刃先端が破損して工具寿命を短くしていることがわかった。

また、自動車部品をはじめ情報機械、家電製品、産業機械の分野においては、地球温暖化防止、環境保護の観点から消費エネルギーの低減や潤滑油、グリスの使用削減が求められている。この問題を解決する１つの手段として摺動部品の摩擦を低減させる方法がある。非晶質炭素皮膜は、表面平滑性と高硬度という性質が無潤滑条件においても摺動部品の摩擦を低減することを可能とし、現在多くの機械部品の摺動面に適用され始めている。

最近まで非晶質炭素皮膜は摺動面である鉄鋼基材との密着性の問題で機械部品の摺動面に実用化されるものは少なかったが、ここ数年の成膜装置の進歩や成膜技術の向上で急速に適用部品が広がってきている。このように非晶質炭素皮膜の摺動面への成膜の需要が増加してきている一方で、さらに高面圧、高回転数、高温、無潤滑などの厳しい環境下での使用に耐え得る非晶質炭素皮膜の要求が高まっている。上述したような厳しい用途に耐え得るような高硬度で耐摩耗性に優れる非晶質炭素皮膜として水素を含まない高硬度な非晶質炭素皮膜が期待されている。

例えば特許文献２には、水素を含まない高硬度の非晶質炭素皮膜を各種機械装置の摺動部に形成する技術が開示されている。しかしながら、水素を含まない高硬度非晶質炭素皮膜は内部応力が大きく膜の剥離を容易にしてしまう。そのため、従来の非晶質炭素皮膜は高硬度で耐摩耗性に優れていても密着力が低いため、長期使用において十分な低摩擦性能が得られなかった。膜の密着性は摺動部品の低摩擦性を確保する上でも極めて重要な課題となる。

特開２００９−２４１２５２号公報 特開２００８−２９７４７７号公報

本発明は、上述のような現状に鑑み、発明者等が非晶質炭素皮膜の膜質及び皮膜層構成について研究した結果、この膜質及び皮膜層構成を工夫することで上記課題を解決できるとの知見を得て完成したもので、高硬度で基材との高い密着力を有し、加工用工具や機械部品の寿命を大幅に引き上げることが可能な極めて実用性に秀れた非晶質炭素含有皮膜を提供するものである。

本発明の要旨を説明する。

基材上に形成される非晶質炭素含有皮膜であって、膜厚が夫々０．０５μｍ以上の非晶質炭素皮膜層［Ａ］と非晶質炭素皮膜層［Ｂ］とが、前記非晶質炭素皮膜層［Ａ］が基材側に、前記非晶質炭素皮膜層［Ｂ］が表層側に配置されるように積層して構成され、この非晶質炭素含有皮膜全体の膜厚が０．１μｍ以上１．５μｍ以下に設定され、この非晶質炭素含有皮膜の断面に電子線を照射して電子エネルギー損失分光分析を行なった際、下記のように定義するＸが、前記非晶質炭素皮膜層［Ｂ］より前記非晶質炭素皮膜層［Ａ］の方が大きく、この非晶質炭素皮膜層［Ａ］のＸが０．２〜０．６であることを特徴とする非晶質炭素含有皮膜に係るものである。
記
前記電子エネルギー損失分光分析により測定された電子エネルギー損失分光スペクトルを、次の（１）〜（６）の６つのガウス関数の和であると仮定し、この電子エネルギー損失分光スペクトルをピーク分離した際、Ｊのピーク強度をＩＪ、Ｌのピーク強度をＩＬとしたとき、ＩＪ／ＩＬをＸと定義する。
（１）２７７〜２８７ｅＶにピークを持つＪ
（２）２８３〜２９３ｅＶにピークを持つＫ
（３）２８９〜２９９ｅＶにピークを持つＬ
（４）２９５〜３０５ｅＶにピークを持つＭ
（５）３１１〜３２１ｅＶにピークを持つＮ
（６）３２５〜３３５ｅＶにピークを持つＰ

また、請求項１記載の非晶質炭素含有皮膜において、前記非晶質炭素皮膜層［Ａ］のＸが０．３〜０．５であることを特徴とする非晶質炭素含有皮膜に係るものである。

また、請求項１，２いずれか１項に記載の非晶質炭素含有皮膜において、最表層に非晶質炭素皮膜層［Ｃ］が設けられ、非晶質炭素含有皮膜の断面に電子線を照射して電子エネルギー損失分光分析を行なった際、前記非晶質炭素皮膜層［Ｃ］のＸが、前記非晶質炭素皮膜層［Ｂ］のＸより小さいことを特徴とする非晶質炭素含有皮膜に係るものである。

また、請求項１〜３のいずれか１項に記載の非晶質炭素含有皮膜において、不可避不純物を除き、水素を含有しないことを特徴とする非晶質炭素含有皮膜に係るものである。

また、請求項１〜４のいずれか１項に記載の非晶質炭素含有皮膜において、最下層に金属皮膜層［Ｄ］が設けられ、この金属皮膜層［Ｄ］は周期表の４ａ，５ａ若しくは６ａ族元素のいずれか１つの金属または２つ以上の金属で構成され、この金属皮膜層［Ｄ］の膜厚は０．０１μｍ以上０．１μｍ以下に設定され、この金属皮膜層［Ｄ］の上に前記非晶質炭素皮膜層［Ａ］が設けられていることを特徴とする非晶質炭素含有皮膜に係るものである。

また、請求項５記載の非晶質炭素含有皮膜において、前記金属皮膜層［Ｄ］はＺｒで構成されていることを特徴とする非晶質炭素含有皮膜に係るものである。

また、請求項１〜６のいずれか１項に記載の非晶質炭素含有皮膜において、超硬合金、鉄鋼若しくはセラミックスのいずれかの基材に被覆されるものであることを特徴とする非晶質炭素含有皮膜に係るものである。

本発明は上述のように構成したから、高硬度で基材との高い密着力を有し、加工用工具や機械部品の寿命を大幅に引き上げることが可能な極めて実用性に秀れた非晶質炭素含有皮膜となる。

皮膜の構成パターンの概略説明図である。 成膜装置の概略説明図である。 切削工具（ルーター）についての実験条件及び実験結果を示す表である。 摺動部品（鉄鋼球）についての実験条件及び実験結果を示す表である。 電子エネルギー損失分光分析及びピーク分離の結果を示すグラフである。

好適と考える本発明の実施形態を本発明の作用を示して簡単に説明する。

前記した所定の膜質を有する非晶質炭素皮膜層［Ａ］と非晶質炭素皮膜層［Ｂ］とを積層して成る前記所定の構成の非晶質炭素皮膜は、保護膜として秀れた硬度及び密着性を有し、これを被覆した加工用工具の工具寿命若しくは機械部品の摺動寿命の向上を図ることが可能となる。

本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。

本実施例は、基材上に形成される非晶質炭素含有皮膜であって、膜厚が夫々０．０５μｍ以上の非晶質炭素皮膜層［Ａ］と非晶質炭素皮膜層［Ｂ］とが、前記非晶質炭素皮膜層［Ａ］が基材側に、前記非晶質炭素皮膜層［Ｂ］が表層側に配置されるように積層して構成され、この非晶質炭素含有皮膜全体の膜厚が０．１μｍ以上１．５μｍ以下に設定され、この非晶質炭素含有皮膜の断面に電子線を照射して電子エネルギー損失分光分析を行なった際、前記電子エネルギー損失分光分析により測定された電子エネルギー損失分光スペクトルを、２７７〜２８７ｅＶにピークを持つＪ、２８３〜２９３ｅＶにピークを持つＫ、２８９〜２９９ｅＶにピークを持つＬ、２９５〜３０５ｅＶにピークを持つＭ、３１１〜３２１ｅＶにピークを持つＮ、３２５〜３３５ｅＶにピークを持つＰの６つのガウス関数の和であると仮定し、この電子エネルギー損失分光スペクトルをピーク分離した際、Ｊのピーク強度をＩＪ、Ｌのピーク強度をＩＬとしたとき、Ｘ＝ＩＪ／ＩＬと定義する該Ｘが、前記非晶質炭素皮膜層［Ｂ］より前記非晶質炭素皮膜層［Ａ］の方が大きく、この非晶質炭素皮膜層［Ａ］のＸが０．２〜０．６であるものである。

本実施例は、基材として、ＷＣ（タングステンカーバイド）を主成分とする硬質粒子とＣｏ（コバルト）を主成分とする結合材とから成る超硬合金製のルーターを採用している。具体的には、前記ＷＣ粒子の平均粒径が０．１μｍ〜２μｍに設定され、前記Ｃｏの含有量が質量％で５〜１５％に設定されたものが採用されている。

この基材の直上には、金属皮膜層［Ｄ］が設けられる。この金属皮膜層［Ｄ］は周期表の４ａ，５ａ若しくは６ａ族元素のいずれか１つの金属または２つ以上の金属で構成されている。この金属皮膜層［Ｄ］の膜厚は０．０１μｍ以上０．１μｍ以下に設定されている。

金属皮膜層［Ｄ］上には、前記非晶質炭素皮膜層［Ａ］が基材側に、前記非晶質炭素皮膜層［Ｂ］が表層側に配置されるように、この非晶質炭素皮膜層［Ａ］及び非晶質炭素皮膜層［Ｂ］が少なくとも一層ずつ積層されている。金属皮膜層［Ｄ］としてはＺｒ（ジルコニウム）から構成されるものを採用している。

また、最表層には非晶質炭素皮膜層［Ｃ］が設けられている。この非晶質炭素皮膜層［Ｃ］は、非晶質炭素含有皮膜の断面に電子線を照射して電子エネルギー損失分光分析を行なった際、前記非晶質炭素皮膜層［Ｃ］のＸが前記非晶質炭素皮膜層［Ｂ］のＸより小さいものである。

また、本実施例は、不可避的不純物を除き、水素を含有しない構成としている。

上記構成を採用した理由及び上記構成による作用効果を以下に説明する。

まず、非晶質炭素皮膜と電子エネルギー損失分光法について述べる。炭素は原子間の結合形態によって構造が異なり、大別してダイヤモンド、グラファイト、非晶質炭素がある。ダイヤモンドは炭素原子間の結合がｓｐ^３混成軌道によるσ結合（以下、ｓｐ^３結合という。）で、炭素原子を中心とした正四面体の各頂点に他の炭素原子が配置されて立体的に広がっている。ダイヤモンドの硬さはｓｐ^３結合に由来し、高硬度である。グラファイトは層状の構造を持っている。炭素原子は層に平行な結晶面内ではｓｐ^２混成軌道によるπ結合（以下、ｓｐ^２結合という。）を形成し、層間はファンデルワールス力による結合によって結ばれている。グラファイトの硬度はダイヤモンドと比較して低い。非晶質炭素はｓｐ^２結合とｓｐ^３結合が混在している。ｓｐ^３結合を多く含む非晶質炭素皮膜はダイヤモンドの性質が強く現れ、高硬度になる。反対にｓｐ^２結合を多く含む非晶質炭素皮膜はグラファイトの性質が強く現れ、低硬度になる。

電子エネルギー損失分光法は炭素のｓｐ^２結合とｓｐ^３結合の比率を直接的に求めることができる方法である。一般的には、エネルギー損失スペクトルの２８４ｅＶ付近のピークはｓｐ^２結合に、２９１ｅＶ付近のピークはｓｐ^３結合に対応し、それぞれの結合比が非晶質炭素皮膜の評価値として良く用いられる。

本実施例では電子エネルギー損失分光スペクトルを２７７〜２８７ｅＶにピークを持つＪ、２８３〜２９３ｅＶにピークを持つＫ、２８９〜２９９ｅＶにピークを持つＬ、２９５〜３０５ｅＶにピークを持つＭ、３１１〜３２１ｅＶにピークを持つＮ、３２５〜３３５ｅＶにピークを持つＰ、の６つのガウス関数の和であると仮定してピーク分離した際、Ｊのピーク強度をＩＪ、Ｌのピーク強度をＩＬとしたとき、Ｘ＝ＩＪ／ＩＬと定義し、該Ｘを非晶質炭素皮膜の評価値とした。相対的にＸの値が小さいときはｓｐ^３結合を多く含み、Ｘの値が大きいときはｓｐ^２結合を多く含む。

本発明者等は、種々の成膜条件でルーターに非晶質炭素皮膜を被覆し、そのルーターを用いてアルミ板の切削試験を実施したところ、Ｘの値の異なる非晶質炭素皮膜を積層にすることでルーターの加工距離（ルーターが折損したり加工面にバリが発生したりせず良好に加工できる距離）が向上することを見出した。

具体的には、基材直上（最下層）に非晶質炭素皮膜層［Ａ］が配置され、その上に非晶質炭素皮膜層［Ｂ］が配置された場合で、Ｘの値が前記非晶質炭素皮膜層［Ｂ］より前記非晶質炭素皮膜層［Ａ］の方が大きく、非晶質炭素皮膜層［Ａ］のＸの値が０．２〜０．６であるとき、特にルーターの加工距離が向上する。

非晶質炭素皮膜層［Ａ］は基材との密着性を向上させる目的で、非晶質炭素皮膜層［Ｂ］は皮膜の摩耗による基材表面の露出を抑制させることを目的で、夫々成膜されるので、あまり薄すぎても意味がなく、双方とも０．０５μｍ以上の膜厚にすることが望ましい。

また、皮膜全体の膜厚は、薄すぎると工具寿命を長くすることが出来ず０．１μｍ以上が必要であり、一方、厚くしすぎると皮膜の内部応力が大きくなるためか剥離しやすくなるので１．５μｍ以下が望ましい。

非晶質炭素皮膜層［Ａ］のＸの値が０．２〜０．６である非晶質炭素含有皮膜は、切削工具の切削試験及び摩擦摩耗試験機による膜の耐久性試験において良好な実験結果が得られた。これは非晶質炭素皮膜層［Ａ］が非晶質炭素皮膜層［Ｂ］より小さい内部応力を有することで、非晶質炭素含有皮膜を剥離しにくくしていると考えられる。

具体的には、Ｘの値が０．２より小さいと高硬度になり、皮膜の内部応力が大きくなるため、基材から剥がれやすくなる。また、Ｘの値が０．６より大きいと低硬度となりすぎて皮膜自体の質が悪くなってしまい、非晶質炭素皮膜層［Ａ］内部で亀裂が入って、皮膜が基材から剥がれてしまう可能性がある。

後述する実験例（図３及び図４）からわかるように、非晶質炭素皮膜層［Ａ］のＸの値が０．３〜０．５であると加工距離や耐久距離（膜が剥離若しくは摩滅するまでの距離）が長くなり、更に望ましい（図３の実験例３〜１１、図４の実験例２３〜３１参照）。また、非晶質炭素皮膜層［Ａ］のＸの値と非晶質炭素皮膜層［Ｂ］のＸの値の差は０．３以下が望ましく、０．３より大きくなりすぎると非晶質炭素皮膜層［Ａ］と非晶質炭素皮膜層［Ｂ］の性質の差が大きくなり、皮膜層の境界で剥がれてしまう可能性がある。

また、最表層には非晶質炭素皮膜層［Ｃ］を設けるのが好ましい。非晶質炭素皮膜層［Ｂ］に比べてＸの値が小さいことを特徴とする非晶質炭素皮膜層［Ｃ］は、非晶質炭素皮膜層［Ｂ］と比較して相対的にｓｐ^３結合を多く含み、ダイヤモンドの性質に近くなるため高硬度な膜となる。最表層に非晶質炭素皮膜層［Ｃ］が配置された非晶質炭素含有皮膜は、最表層に非晶質炭素皮膜層［Ｂ］を持つ非晶質炭素含有皮膜と比較して、皮膜の摩耗による基材表面の露出をさらに抑制させることができ、工具寿命を長くすることができる。非晶質炭素皮膜層［Ｃ］の膜厚は、薄すぎると高硬度に起因する耐摩耗性の効果が明瞭に発揮されず、厚過ぎると内部応力が大きくなることから密着性が低下して剥離しやすくなり、結果的に耐摩耗性の効果が発揮されない。このため、非晶質炭素皮膜層［Ｃ］の膜厚は、０．０４μｍ以上１．０μｍ以下が望ましく、より好ましくは０．０４μｍ以上０．５μｍ以下である。更に、非晶質炭素皮膜層［Ａ］、［Ｂ］、［Ｃ］の密着性を向上させるため、非晶質炭素皮膜層［Ｃ］の膜厚は、非晶質炭素皮膜層［Ａ］及び［Ｂ］の膜厚の総和以下とすることがより好ましい。図３においては０．２μｍ（実験例５〜１１）、図４においては０．０４μｍ（実験例２９）と０．０７μｍ（実験例２５〜２８、３０及び３１）としている。

図１は皮膜の構成パターンの例を示している。図１（ａ）は基材直上に非晶質炭素皮膜層［Ａ］を１層設け、非晶質炭素皮膜層［Ａ］の上に最表層として非晶質炭素皮膜層［Ｂ］を１層設けた構成である。図１（ｂ）は基材直上に非晶質炭素皮膜層［Ａ］を１層設け、非晶質炭素皮膜層［Ａ］の上に非晶質炭素皮膜層［Ｂ］を１層設け、非晶質炭素皮膜層［Ｂ］の上に最表層として非晶質炭素皮膜層［Ｃ］を１層設けた構成である。図１（ｃ）は基材直上に金属皮膜層［Ｄ］を設け、金属皮膜層［Ｄ］の上に非晶質炭素皮膜層［Ａ］を１層設け、非晶質炭素皮膜層［Ａ］の上に非晶質炭素皮膜層［Ｂ］を１層設け、非晶質炭素皮膜層［Ｂ］の上に最表層として非晶質炭素皮膜層［Ｃ］を１層設けた構成である。

なお、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はいずれも非晶質炭素皮膜層［Ａ］と非晶質炭素皮膜層［Ｂ］を夫々１層ずつ設けた２層の構成としているが、非晶質炭素皮膜層［Ａ］と非晶質炭素皮膜層［Ｂ］とを交互に３層以上積層させた積層皮膜層としても良く、このような構成とすることで非晶質炭素皮膜層［Ｂ］の高硬度を保ちながら、当該積層皮膜層内の内部応力を緩和して層間の密着性を向上させることが可能となる。

図１（ｄ）は図１（ｃ）の構成に対して前記積層皮膜層を適用させた例であり、具体的には、基材直上に金属皮膜層［Ｄ］を設け、金属皮膜層［Ｄ］の上に非晶質炭素皮膜層［Ａ］を１層設け、非晶質炭素皮膜層［Ａ］の上に非晶質炭素皮膜層［Ｂ］を１層設けた２層構造（［Ａ］＋［Ｂ］）が複数設けられ、最表層として非晶質炭素皮膜層［Ｃ］を１層設けた構成である。具体的には、２層構造が２層設けられた場合は［Ｄ］＋［Ａ］＋［Ｂ］＋［Ａ］＋［Ｂ］＋［Ｃ］の６層構造になり、３層設けられた場合は［Ｄ］＋［Ａ］＋［Ｂ］＋［Ａ］＋［Ｂ］＋［Ａ］＋［Ｂ］＋［Ｃ］の８層構造となる。［Ａ］＋［Ｂ］の層は全体の膜厚が１．５μｍ以下であれば更に設けても良い。

また、本実施例の非晶質炭素皮膜は、実質的に水素を含まないもの（所謂水素フリーＤＬＣ）であるが、本実施例における「実質的に水素を含有しない」とは、成膜装置内に水素を含む分子で構成されるガスを意図的には導入しないで成膜したものであることを意味する。但し、成膜装置内の内壁や電極、炭素蒸発源、成膜基材等に浸透、吸着していた水素ガスや水などが成膜中に放出され、膜内に混入する場合もあるため、水素が全く含まれないようにすることは困難であるが、その程度は、通常５ａｔ％以下である。

実験例５の皮膜について反跳粒子検出法（ＥＲＤＡ）で水素含有量の分析を行った結果、不可避不純物として３ａｔ％が含まれていた。なお、水素含有量が少ない方が基材との密着性がよく、０ａｔ％により近い方がより優れた特性を有するため、より望ましい非晶質炭素皮膜であることは言うまでもない。

本実施例は上述のように構成したから、基材側の実質的に水素を含まない非晶質炭素皮膜層により優れた密着性が得られるとともに、その上の実質的に水素を含まない非晶質炭素皮膜層により摩擦係数が小さく優れた耐凝着性及び潤滑性が得られ、また高硬度であり耐摩耗性が得られるようになる。したがって、本実施例を工具の皮膜として使用すれば、アルミニウム合金や銅合金などの凝着性の高い被削材に対して、凝着が抑制されて工具寿命が向上すると同時に満足する加工面品位を得ることができる。

また、図１（ａ）及び（ｂ）に図示したように、非晶質炭素皮膜層［Ａ］及び［Ｂ］若しくは［Ａ］、［Ｂ］及び［Ｃ］が積層された構成の皮膜は、保護膜としての優れた硬度や密着性、耐熱性、耐摩耗性、耐凝着性を兼ね備えており、その皮膜を被覆した工具は軟金属や非鉄金属さらには有機材料などの加工において満足する工具寿命や加工面品位を得ることができる。

また、非晶質炭素皮膜を成膜する前にＡｒボンバードで基材表面をクリーニングすることで、基材と非晶質炭素皮膜の密着性を確保することができる。しかし、皮膜が剥離しない安定した切削加工を行なうためには、基材と非晶質炭素皮膜との密着性をより高くすることが望ましい。図１（ｃ）及び（ｄ）に図示したように、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｔａなどの周期表の４ａ、５ａ若しくは６ａ族元素のいずれか１つの金属または２つ以上の金属で構成される金属皮膜層［Ｄ］を基材直上に下地膜として成膜し、その上に非晶質炭素皮膜を成膜することで、基材と非晶質炭素皮膜の密着性をより高めることができる。下地膜は基材と非晶質炭素皮膜との密着性を向上させる目的で成膜されるので、あまり厚すぎても意味がなく、０．０１μｍ以上０．１μｍ以下の膜厚にすることが望ましい。

金属皮膜層［Ｄ］に周期表の４ａ族元素であるＺｒを用いたときに切削工具の切削試験及び摩擦摩耗試験機による膜の耐久性試験において良好な実験結果が得られた。これはＺｒの基材及び非晶質炭素皮膜に対する各結合力がともに良好であり、膜の密着性を充分に確保した結果と考えている。また、金属皮膜層［Ｄ］にＺｒを含む合金（実験例１１及び３１ではＴｉとの合金）を用いたときには、Ｚｒのみの場合と同等の効果があった。

なお、本実施例は、種々の基材に対し高い密着力を有しているため、超硬合金に限らず、高速度鋼や炭素工具鋼などの鉄鋼材、サーメット材、セラミックス、ｃＢＮ含有焼結体若しくは窒化物被覆基材に対しても被覆可能である。

本実施例の効果を裏付ける実験例について説明する。

成膜装置として図２のアークイオンプレーティング装置を用いた。本装置のチャンバー１には金属皮膜層成膜用の金属蒸発源２と非晶質炭素皮膜層成膜用の炭素蒸発源３、Ａｒボンバード用のイオンガン４、均一膜厚に成膜するための成膜冶具５が備え付けられている。図２中、符号６は成膜対象物、７はヒーター、８はターボ分子ポンプ、９はロータリーポンプである。金属皮膜層成膜にはＴｉ、Ｚｒ、若しくはＴｉとＺｒとの合金を、炭素蒸発源にはグラファイトを用いた。成膜対象物としてルーター（外径：２．０ｍｍ、溝長：８．０ｍｍ、全長：３８ｍｍ、シャンク径：３．１７５ｍｍ、材質：超硬合金）及び鉄鋼球（直径６ｍｍ、材質：高炭素クロム軸受鋼鋼材）を用いた。ルーター及び鉄鋼球を成膜冶具に設置した後、０．０２Ｐａ以下の真空度になるまで排気する。最初にＡｒボンバードでルーター表面及び鉄鋼球表面をクリーニングした後、非晶質炭素皮膜を成膜した。また、必要に応じて基材をＡｒボンバード後にＴｉやＺｒを成膜し、その上に非晶質炭素皮膜を成膜した。金属皮膜層成膜では、放電電流９０Ａ、バイアス電圧−５０Ｖの条件で成膜した。非晶質炭素皮膜の成膜に当たっては、放電電圧５０〜５００Ｖ、基材温度１００℃以下の条件とし、ルーター、鉄鋼球共に所定の膜厚（０．０８μｍ〜１．７μｍ）となるように成膜した。

図３に図示したように、所定の皮膜を被覆したルーターを用いて、次の切削条件で切削試験を行い、ルーターが折損若しくは加工面にバリが発生するまでの加工距離（工具寿命）を測定した。被削材にアルミ板（材料：Ａ５０５２ 厚さ：１．０ｍｍ）を用い、外径２．０ｍｍのルーターを３００００ｍｉｎ^−１の回転数で回転させ、送り速度１．０ｍ／ｍｉｎ、切削液なし（乾式）として試験を行った。

図３では本発明の実験例とともに、従来の非晶質炭素皮膜の結果を比較例として記載している。

図３から、比較例の非晶質炭素皮膜に比べて本実施例の非晶質炭素皮膜を被覆したルーターが、アルミ板の切削に対して優れた工具寿命と加工面品位を得られることが認められる。

また、図４に図示したように、所定の皮膜を被覆した鉄鋼球を用いて、ボールオンディスク摩擦摩耗試験機で膜が剥離または摩滅するまでの距離を測定した。摩擦摩耗試験機において鉄鋼球上の膜が剥離または摩滅すると摩擦係数が急激に上昇する。この摩擦係数が上昇するまでの距離を耐久距離と定義した。角板状の金型用鋼（材質：ＮＡＫ５５ サイズ：４０×４０ｍｍ、厚さ：４ｍｍ）をディスクとして用い、所定の速度で回転している当該ディスクに鉄鋼球を荷重１０Ｎで押しつけて潤滑剤なし（乾式）の条件下で摩擦摩耗試験を行った。なお、この試験において鉄鋼球とディスクとの相対速度（摺動速度）が５０ｃｍ／ｓとなるように設定した。具体的には、前記ディスクを回転速度１５９２ｍｉｎ^−１で回転させ、当該ディスクの回転半径３０ｍｍの位置に鉄鋼球を押しつけて摺動させた。

図４では本発明の実験例とともに、従来の非晶質炭素皮膜の結果を比較例として記載している。

図４から、比較例の非晶質炭素皮膜に比べて実験例の非晶質炭素皮膜を被覆した鉄鋼球が優れた耐摩耗性を得られることが認められる。

また、図５は図３中の実験例５における非晶質炭素皮膜層［Ａ］の電子エネルギー損失分光分析結果である。非晶質炭素皮膜の断面部（基材表面に対して垂直な面）にスポット径１．５ｎｍの電子線を照射して分析を行なった。図５（ａ）は電子エネルギー損失分光分析結果を示している。電子エネルギー損失分光スペクトルを２７７〜２８７ｅＶにピークを持つＪ、２８３〜２９３ｅＶにピークを持つＫ、２８９〜２９９ｅＶにピークを持つＬ、２９５〜３０５ｅＶにピークを持つＭ、３１１〜３２１ｅＶにピークを持つＮ、３２５〜３３５ｅＶにピークを持つＰ、の６つのガウス関数の和であると仮定してｓｅａｓｏｌｖｅ社製ソフト「ＰｅａｋＦｉｔ ｖｅｒ．４．１２」を用いてピーク分離した。図５（ｂ）において、Ｊのピーク強度ＩＪは２２４．８、Ｌのピーク強度ＩＬは６０１．０となり、Ｘの値は０．３７４となる。また、この図５（ｂ）にはピーク分離の妥当性を検証するために、Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎ、Ｐの６つのガウス関数の和をフィッティング関数として記載している。図５（ａ）に示されるスペクトルと図５（ｂ）に示されるフィッティング関数とが良く一致しており、ｓｅａｓｏｌｖｅ社製ソフト「ＰｅａｋＦｉｔ ｖｅｒ．４．１２」を用いたピーク分離の仕方が妥当であることがわかる。

Claims (7)

1. 基材上に形成される非晶質炭素含有皮膜であって、膜厚が夫々０．０５μｍ以上の非晶質炭素皮膜層［Ａ］と非晶質炭素皮膜層［Ｂ］とが、前記非晶質炭素皮膜層［Ａ］が基材側に、前記非晶質炭素皮膜層［Ｂ］が表層側に配置されるように積層して構成され、この非晶質炭素含有皮膜全体の膜厚が０．１μｍ以上１．５μｍ以下に設定され、この非晶質炭素含有皮膜の断面に電子線を照射して電子エネルギー損失分光分析を行なった際、下記のように定義するＸが、前記非晶質炭素皮膜層［Ｂ］より前記非晶質炭素皮膜層［Ａ］の方が大きく、この非晶質炭素皮膜層［Ａ］のＸが０．２〜０．６であることを特徴とする非晶質炭素含有皮膜。
   記
   前記電子エネルギー損失分光分析により測定された電子エネルギー損失分光スペクトルを、次の（１）〜（６）の６つのガウス関数の和であると仮定し、この電子エネルギー損失分光スペクトルをピーク分離した際、Ｊのピーク強度をＩＪ、Ｌのピーク強度をＩＬとしたとき、ＩＪ／ＩＬをＸと定義する。
   （１）２７７〜２８７ｅＶにピークを持つＪ
   （２）２８３〜２９３ｅＶにピークを持つＫ
   （３）２８９〜２９９ｅＶにピークを持つＬ
   （４）２９５〜３０５ｅＶにピークを持つＭ
   （５）３１１〜３２１ｅＶにピークを持つＮ
   （６）３２５〜３３５ｅＶにピークを持つＰ
2. 請求項１記載の非晶質炭素含有皮膜において、前記非晶質炭素皮膜層［Ａ］のＸが０．３〜０．５であることを特徴とする非晶質炭素含有皮膜。
3. 請求項１，２いずれか１項に記載の非晶質炭素含有皮膜において、最表層に非晶質炭素皮膜層［Ｃ］が設けられ、非晶質炭素含有皮膜の断面に電子線を照射して電子エネルギー損失分光分析を行なった際、前記非晶質炭素皮膜層［Ｃ］のＸが、前記非晶質炭素皮膜層［Ｂ］のＸより小さいことを特徴とする非晶質炭素含有皮膜。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の非晶質炭素含有皮膜において、不可避不純物を除き、水素を含有しないことを特徴とする非晶質炭素含有皮膜。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の非晶質炭素含有皮膜において、最下層に金属皮膜層［Ｄ］が設けられ、この金属皮膜層［Ｄ］は周期表の４ａ，５ａ若しくは６ａ族元素のいずれか１つの金属または２つ以上の金属で構成され、この金属皮膜層［Ｄ］の膜厚は０．０１μｍ以上０．１μｍ以下に設定され、この金属皮膜層［Ｄ］の上に前記非晶質炭素皮膜層［Ａ］が設けられていることを特徴とする非晶質炭素含有皮膜。
6. 請求項５記載の非晶質炭素含有皮膜において、前記金属皮膜層［Ｄ］はＺｒで構成されていることを特徴とする非晶質炭素含有皮膜。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の非晶質炭素含有皮膜において、超硬合金、鉄鋼若しくはセラミックスのいずれかの基材に被覆されるものであることを特徴とする非晶質炭素含有皮膜。