JP3719708B2 - Amorphous carbon coated tool and method for manufacturing the same - Google Patents

Amorphous carbon coated tool and method for manufacturing the same Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、転削工具(ドリル、エンドミル、リーマなど)、フライス工具や旋削工具に使用される刃先交換型切削チップ、切断工具(カッター、ナイフ、スリッターなど)の表面に耐摩耗性および耐溶着性を有する非晶質カーボン膜を形成した工具に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から、切削工具や耐摩耗工具などは、耐摩耗性および表面保護機能の改善のため、基材の表面に硬質被覆層を形成している。基材としては、WC基超硬合金、サーメット、高速度鋼などが知られている。硬質被覆層としては、PVD(Physical vapor deposition)法やCVD(Chemical vapor deposition)法によりTi(チタン)、Hf(ハフニウム)、Zr(ジルコニウム)の炭化物、窒化物、炭窒化物あるいはAlの酸化物の単層または複数層が知られている。
【0003】
しかし、最近の切削工具の動向として、加工能率を一層向上させるため切削速度が高速になってきていることなどから、工具の刃先温度はますます高温になる傾向にあり、工具材料に要求される特性は厳しくなる一方である。従って、工具材料の要求特性として、高温での被膜の安定性(耐酸化特性や被膜の密着性)はもちろんのこと、切削工具寿命に関係する耐摩耗性、すなわち被膜硬度の向上が重要となっている。
【0004】
特に、高温硬度と高温強度とを必要とする分野では、立方晶型窒化硼素(cBN)焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化珪素焼結体、酸化アルミニウム−炭化チタン焼結体のいずれかを基材とする工具が用いられている。また、この基材の表面に上記の硬質被覆層が形成された工具も提案されている。
【0005】
例えば、特開平7-18415号公報には、cBN基セラミック製切削工具の表面にTiC、TiN、TiCN、TiCO、TiCNO、およびAl2O3のうち1種の単層または2種以上の複数層からなる硬質被覆層を平均層厚5〜20μmに形成した工具が提案されている。また、特開平8-119774号公報には、cBN焼結体またはダイヤモンド焼結体からなる基材上にC、N、Oの少なくとも1種の元素と、Ti、Alを主成分とした少なくとも1層の硬質耐熱被膜を少なくとも切削に関与する箇所に有する工具が提案されている。
【0006】
また、アルミ合金などの軟金属や、チタン、マグネシウム、銅といった非鉄金属、有機材料、グラファイトなど硬質粒子を含有する材料、プリント回路基板加工や鉄系材料とアルミ共削り加工など近年被削材の材種は多技にわたっている。ここで、共削り加工とは鉄系材料とアルミ合金が一体になったものを同時に切削することをいう。上記のような材料を切削する場合、切削工具の切れ刃部分に被削材が凝着して切削抵抗が大きくなったり、場合によっては刃先が欠損するといった問題もある。これら特定被削材では、他の被削材に比べ工具摩耗が一層激しくなる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
このようなアルミニウムおよびその合金などの軟金属やチタン、マグネシウム、銅といった非鉄金属の場合、グラファイトなど硬質粒子を含有する材料、有機材料、プリント回路基板加工や鉄系材料とアルミの共削り加工といった特定用途では、従来、ダイヤモンド工具が用いられてきた。基材にダイヤモンド膜を形成した工具では、そのダイヤモンド膜が多結晶構造のため表面の凹凸が大きくなる。従って、精密加工工具として使用するためには表面を研磨する必要がある。
【0008】
しかし、ダイヤモンド膜は現存する材料で一番硬い材料であるため、その研磨に対しては高価なダイヤモンドを用いるよりほかなく、非常なコストアップ要因となっていた。
【0009】
さらに、TiNなど、PVDコーティングで得られるセラミックス被膜は、通常2〜3μmの厚さである。一方、ダイヤモンド膜の場合には、結晶成長速度が結晶方位によって大幅に異なるので、平滑な研磨面を得るためには、あらかじめ20〜30μmといった厚膜が必要である。その上、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成膜するので通常のセラミックス被膜のコーティング時の1/10以下といった非常に低い成膜速度となり、コーティング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。
【0010】
また、ダイヤモンド焼結体、cBN焼結体、窒化珪素焼結体、酸化アルミニウム−炭化チタン焼結体を基材にロー付けする工具では、複雑形状の工具や径が数ミリの小径工具を製作することが困難であるとの問題があった。さらに、切削工具とした場合、靭性が低いため刃先が欠けやすく突発的に低寿命になる場合があるなどの問題があった。
【0011】
従って、本発明の主目的は、軟金属、非鉄金属、有機材料、硬質粒子を含有する材料、プリント回路基板、鉄系材料と軟質金属材料との共削り加工などの切削加工用の非晶質カーボン被覆工具を提供することにある。また、本発明の他の目的は、前記非晶質カーボン被覆工具の製造方法を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基材の組成や非晶質カーボン膜の厚さを特定することで上記の目的を達成する。
【0013】
すなわち、本発明非晶質カーボン被覆工具は、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化珪素焼結体、及び酸化アルミニウムと炭化チタンとの焼結体から選ばれた1種類からなる基材と、この基材上の少なくとも刃先を被覆する非晶質カーボン膜とを具える非晶質カーボン被膜工具であって、この非晶質カーボン膜中における水素量が5原子%以下であり、この非晶質カーボン膜の刃先における最大厚みが0.05μm以上0.5μm以下であることを特徴とする。
また、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化珪素焼結体、及び酸化アルミニウムと炭化チタンとの焼結体から選ばれた1種類からなる基材と、この基材上の少なくとも刃先を被覆する非晶質カーボン膜とを具える非晶質カーボン被膜工具であって、前記非晶質カーボン膜はグラファイトを原料とした実質的に水素を含まない雰囲気下の物理的蒸着法により形成され、該非晶質カーボン膜の刃先における最大厚みが0.05μm以上0.5μm以下であることを特徴とする。
【0014】
本発明非晶質カーボン被覆工具の製造方法は、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化珪素焼結体、及び酸化アルミニウムと炭化チタンとの焼結体から選ばれた1種類からなる基材を真空容器内に保持する工程と、基材にゼロまたは負の直流バイアスを印加すると共に、原料となるグラファイトを蒸発させて非晶質カーボン膜を形成する工程とを具え、刃先における非晶質カーボン膜の最大厚みを0.05〜0.5μmに制御することを特徴とする。
【0015】
以下に本発明の構成要件を詳しく説明する。
【0016】
(焼結体基材)
<ダイヤモンド焼結体基材>
ダイヤモンド焼結体は、ダイヤモンドを40体積%以上含むものが好ましい。より好ましくは、以下の組成の焼結体である。
【0017】
(1)ダイヤモンドを50〜98体積%含有し、残部が鉄族金属、WCおよび不可避的不純物とからなる焼結体。特に、鉄族金属は、Coであることが好ましい。
【0018】
(2)ダイヤモンドを85〜99体積%含有し、残部が空孔、WCおよび不可避的不純物とからなる焼結体。
【0019】
(3)ダイヤモンドを60〜95体積%含有し、残部が鉄族金属および周期律表4a、5a、6a族元素の炭化物および炭窒化物から選択される1種以上と、WCおよび不可避的不純物とからなる焼結体。特に、残部の結合材がCo、TiC、WCおよび不可避的不純物であることが好ましい。
【0020】
(4)ダイヤモンドを60〜98体積%含有し、残部が珪素、炭化珪素の少なくとも1種、WCおよび不可避的不純物とからなる焼結体。
【0021】
<cBN焼結体基材>
cBN焼結体は、cBNを30体積%以上含むものが好ましい。より好ましくは、以下の組成の焼結体である。
【0022】
(1)cBNを30体積%以上80体積%以下含有し、残部が周期律表4a、5a、6a族元素の窒化物、硼化物、炭化物ならびにこれらの固溶体からなる群から選択される少なくとも1種と、アルミニウム化合物とからなる結合材と、鉄族金属および不可避的不純物とからなるcBN焼結体。
【0023】
上記組成のcBN焼結体においてcBN粒子は、主に鉄との親和性が低い前記結合材を介して結合される。この結合は、強固なので耐摩耗性と強度とを向上することができる。
【0024】
このcBN焼結体においてcBNの含有率を30体積%以上80体積%以下とする。30体積%未満となると、cBN焼結体の硬度が低下し、例えば焼入鋼のような高い硬度の被削材を切削するための硬度が不足するからである。cBNの含有率が80体積%を超えると、結合材を介してcBN粒子同士を結合することが困難になり、cBN焼結体の強度が低下するからである。
【0025】
(2)cBNを80体積%以上90体積%以下含有し、cBN粒子同士が結合しており、残部がAl化合物またはCo化合物を主成分とする結合材と、不可避的不純物とからなるcBN焼結体。このcBN焼結体は、触媒作用を有するAlまたはCoを含有する金属、或いは金属間化合物を出発原料として液相焼結を行うことで、cBN粒子同士を結合させたものである。この焼結により、cBN粒子の含有率を高めることができる。このcBN焼結体は、cBN粒子の含有率が高いことで耐摩耗性に劣るものの、cBN粒子同士が強固な骨格構造を形成しているため、耐欠損性に優れ、過酷な条件での切削が可能となる。
【0026】
このcBN焼結体においてcBNの含有率を80体積%以上90体積%以下とする。80体積%未満となると、cBN粒子同士の結合による骨格構造を形成するのが難しくなるためである。cBNの含有率が90体積%を超えると、触媒作用を有するAlまたはCoを含有する金属、或いは金属間化合物からなる結合材が不足し、cBN焼結体に未焼結部分を生じるため、cBN焼結体の強度が低下するからである。
【0027】
<窒化珪素焼結体基材>
窒化珪素焼結体は、窒化珪素を90体積%含むものが好ましい。より好ましくは、HIP(Hot Isostatic Pressing)法を用いて焼結した窒化珪素を90体積%以上含む焼結体である。この窒化珪素焼結体において残部は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、希土類、TiN、TiCの少なくとも1種から選ばれた結合材と不可避的不純物とからなることが好ましい。この窒化珪素焼結体において窒化珪素の含有率を90体積%とするのは、90体積%未満であると、硬度が不足するためである。
【0028】
<酸化アルミニウムと炭化チタンとの焼結体>
酸化アルミニウムと炭化チタンとの焼結体は、酸化アルミニウムを20〜80体積%、炭化チタンを15〜75体積%含むものが好ましい。この焼結体において残部は、Mg、Y、Ca、Zr、Ni、Ti、TiNの酸化物の少なくとも1種から選ばれた結合材と、不可避的不純物とからなることが好ましい。この焼結体において、酸化アルミニウムの含有率を20〜80体積%とするのは、20体積%未満であると、所定の密度を得ることが困難なためである。酸化アルミニウムの含有率が80体積%を超えると、硬度が不足し、耐摩耗性が悪くなるためである。また、炭化チタンの含有率を15〜75体積%とするのは、15体積%未満であると、硬度が不足し、耐摩耗性が悪くなるためである。炭化チタンの含有率が75体積%を超えると、所定の密度を得ることが困難なためである。
【0029】
(非晶質カーボン膜)
非晶質カーボン膜は、硬質炭素膜、ダイヤモンドライクカーボン膜、DLC膜、a−C:H、i−カーボン膜などと一般に呼ばれるものを含む。しかしながら、本発明の非晶質カーボン膜は、以下に説明する特徴を持つ。
【0030】
<成膜方法>
本発明は、グラファイトを原料とし、水素を含まない雰囲気下で物理的蒸着法により非晶質カーボン膜を形成したものである。この膜はダイヤモンドに匹敵する高い硬度と切削工具として優れた耐摩耗性を有する。一方、炭化水素を原料とする非晶質カーボン膜は水素を含有するので、本発明の非晶質カーボン膜とは異なるものである。
【0031】
この非晶質カーボン膜は、成膜中に不可避的に含まれる不純物を除いて炭素原子のみから構成される。その結果、水素を含む非晶質カーボン膜よりもsp3結合の割合が高くなることで硬度を高くすると同時に耐酸化特性もダイヤモンドと同等の約600℃近くにまで改善される。水素を含まない雰囲気下で成膜しても、できあがった非晶質カーボン膜には5原子%以下程度の極わずかながら水素が含有されることがある。これは、成膜時の真空度などにより、成膜装置中に残存する水素や水分が非晶質カーボン膜中に取り込まれるためと考えられる。
【0032】
グラファイトを出発原料とした物理的蒸着法の中でも、一般に工業的に用いられる陰極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であれば、成膜速度も高く、ダイヤモンド膜で問題となっていた製造コストの問題もなくなる。特に、被膜の密着力、膜硬度の点で、陰極アークイオンプレーティング法による成膜が好ましい。この陰極アークイオンプレーティング法は、原料のイオン化率が高いため、主にカーボンイオンが基材に照射されることにより非晶質カーボン膜が形成される。そのため、sp3結合の比率が高く、緻密で硬度の高い膜が得られ、工具寿命を大きく向上させることができる。
成膜時の基板の温度は、50℃から200℃である。基材の温度が350℃を越えると、グラファイトが析出しやすいからである。成膜時にはカーボンイオンが基材に照射され、非晶質カーボンが形成されるので、その時基材の温度は上昇する。従って、基材をヒーターによって加熱しなくても、実用上支障のない程度まで温度上昇する場合もある。また、加熱や冷却によって、基材の温度調整することもできる。
成膜時の基板温度は、更に好ましくは50℃から150℃である。
【0033】
<マクロパーティクル密度>
陰極アークイオンプレーティング法により形成した非晶質カーボン膜の表面には、マクロパーティクルと呼ばれる硬質粒子が存在する。この膜表面に存在するマクロパーティクル密度が小さいほど切削抵抗が小さくなるため望ましい。マクロパーティクル密度は、3×105個/mm2以下、より好ましくは1.5×105個/mm2以下である。もちろん、0個/mm2が最適であることは言うまでもない。マクロパーティクルの密度が3×105個/mm2よりも大きいと、被削材がこのマクロパーティクルに溶着して切削抵抗を上げるために好ましくない。
【0034】
マクロパーティクルの密度は、SEM(Scanning Electron Microscope)観察によって評価することができる。SEM観察は、マクロパーティクルを観察しやすくするために、PtやPdなどの貴金属を試料表面にイオンスパッタリングなどによって蒸著してから、観察すると良い。少なくとも1000倍以上の倍率で試料表面の写真撮影を行い、写真上でマクロパーティクルの数を数えることにより密度をもとめると良い。
【0035】
図2はマクロパーティクル21が生成する過程を、非晶質カーボン被覆面20の断面図で示したものである。工具の刃先23に、非晶質カーボン20を被覆するが、その過程でグラファイトの粒子22が飛散してきて、被覆面に付着する。表面を電子顕微鏡で見るといろいろな外径のまるい粒子21が観察できる。しかし、このような粒子は本発明においては望ましいものではない。グラファイト粒子22は膜の成長過程で飛散してくるので、図2に示すように非晶質カーボン20のいろいろな厚さの所に存在しているものと推定される。
さらに、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ような、例えば低エネルギーによる成膜や磁場によるフィルターを用いる方法も提案できる。
【0036】
<表面粗さ>
非晶質カーボン膜の表面粗さは、JIS規格B0601で定められたRaの表示で0.002μm以上0.05μm以下であることが望ましい。ここで、切削工具として見た場合、面粗さRaはできる限り小さいことが望ましい。しかし、実際にはゼロとすることはできないので、種々切削試験を行った結果、Raが0.05μm以下であった場合には刃先での溶着性が改善され切削性能が向上することを見いだした。また、JIS規格B0601で定められたRyの表示で0.02μm以上0.5μm以下であることも好ましい。ここで、Ryが0.5μmを越えると、非晶質カーボン膜の突起物(マイクロパーティクル)が被削材の溶着の起点となり切削抵抗上昇の原因となるため好ましくない。
【0037】
<厚み>
工具刃先における非晶質カーボン膜の最大膜厚を0.05μm〜0.5μmと特定する理由は、0.05μm未満の場合、耐摩耗性に問題があり、0.5μmを越えると被膜に蓄積される内部応力が大きくなって剥離しやすくなったり、被膜の欠けを生ずる問題があるからである。また、膜厚を0.5μm以下とすることにより、表面のマクロパーティクルの大きさと密度を小さくし、表面粗さを前記のRa表示で0.05μm以下、Ry表示で0.5μm以下に抑えることができるという効果もある。非晶質カーボン膜は、図2のTで示すように、工具の刃先部で厚くなる。この厚さが薄いと性能がよくなる。従って、非晶質カーボン膜の切削に関与する刃先部での最大厚みTが0.05μm以上0.25μm以下であることがより溶着性が小さいという観点から好ましい。
【0038】
<硬度>
非晶質カーボン膜のヌープ硬度は20GPa以上50GPa以下であることが好ましい。この硬度が20GPa未満であると耐摩耗性の点で問題があり、50GPaを超えると刃先の耐欠損性が低下するためである。さらに好ましくは、非晶質カーボン膜のヌープ硬度が25GPa以上40GPa以下である。
【0039】
<ラマンスペクトル>
非晶質カーボン膜は非晶質であるがゆえに膜構造を特定することが非常に難しい。種々の非晶質カーボン膜を評価した結果、ラマン分光分析を行うと構造の変化に伴い得られるラマンスペクトルに違いのあることをつきとめた。
【0040】
図3は、本発明の非晶質カーボンのラマンスペクトルであり、図4は従来の水素を含む非晶質カーボンのラマンスペクトルである。これらは、514.5nmの波長を持つアルゴンガスレーザーを用いたラマン分光分析により得られたものである。図4において、実線は測定結果を示すもので、1340cm 1近辺にふくらみが見られ、700cm 1近辺にはピークがない。
次に得られたスペクトルを二つに分離するために、スペクトル波形からバックグラウンドを除去した。次にふくらみを持つスペクトルは2つのガウス関数を加算したものと仮定して、非線形最小二乗法で近似し、二つのピークに分離した。その結果を鎖線で示す。1340cm 1付近に中心を持つピークの高さをI1340で示し、1560cm 1付近のピークの高さをI1560で示す。これに対して、本発明のラマンスペクトルは、図3に示すように1340cm 1付近のふくらみが実線では識別しにくく、700cm 1付近に幅の広いピークがある。前記したものと同様の方法によりピーク分離した結果を図3に鎖線で示す。I1340のピーク高さが、図3のものに比較すると弱いことが分かる。700cm 1付近のピーク高さをI700で示す。
同様に、それぞれのピークを積分した値を例えばS700などのように表現する。本発明工具の非晶質カーボン膜では、波数400cm 1以上1000cm 1以下の間、1340cm 1付近および1560cm 1付近の合計3箇所にピークが観測される。一方、これまでの水素を含有する被膜では低波数側の波数400cm 1以上1000cm 1以下の間ピークは観測されない。この波数400cm 1以上1000cm 1以下の間ピークを有する被膜構造をとることで、高硬度化が起こり耐摩耗性の向上が実現できる。
【0041】
さらに、波数400cm 1以上1000cm 1以下に存在するピークの強度(I700)と1340cm 1付近に存在するピークの強度(I1340)との強度比(I700/I1340)が0.01以上2.5以下であると耐摩耗性が向上する。これは、微小サイズのグラファイトや歪みを持ったsp3結合の量が増えることで、膜硬度が高くなるためと考えられる。
【0042】
ここではピーク高さを用いて示したが、ピーク積分強度比でも整理することができ、波数400cm 1以上1000cm 1以下に存在するピークの積分強度(S700)と1340cm 1付近に存在するピークの積分強度(S1340)との強度比(S700/S1340)が0.01以上2.5以下であることが好ましい。ピーク強度比が、0.01未満であれば耐摩耗性は従来被膜と同等である。後述するように、種々の成膜実験を実施したが、今回の実験ではピーク強度比が2.5以上のものは得られなかった。
【0043】
また、1560cm 1付近に存在するピークの強度(I1560)と1340cm 1付近に存在するピークの強度(I1340)との強度比(I1340/I1560)が0.1以上1.2以下であれば、高耐摩耗性を示すのでよい。1560cm 1付近に存在するピークの強度(I1560)と1340cm 1付近に存在するピークの強度(I1340)との比はsp2/sp3とも言われ被膜内部の炭素結合状態の存在量を表している。これらのピーク強度比が直接sp2の含有量を示している訳ではないが相対的には被膜構造のクラス分けをすることができる。1560cm 1付近に存在するピークの強度が高い場合に高硬度化することがわかった。つまり、sp3結合性が強い場合に、より耐摩耗性が向上する。ピーク強度だけではなく1560cm 1付近に存在するピークの積分強度(S1560)と1340cm 1付近に存在するピークの積分強度(S1340)との強度比(S1340/S1560)が0.3以上3以下であればよい。
【0044】
そして、1560cm 1付近に存在するピークが1560以上1580cm 1以下に存在すれば高耐摩耗性が実現できる。ラマンスペクトルのピーク位置は被膜内の応力の影響を受ける。一般的には、被膜内の応力が圧縮側に高い場合は、ラマンスペクトルのピークは高波数側にシフトし、逆に引っ張り側に高い場合は低波数側にシフトする。被膜の応力が圧縮側に高い場合に耐摩耗性が向上することを見いだした。
【0045】
<干渉色>
従来の技術で用いられている非晶質カーボン膜は、可視光域において不透明であり、褐色から黒色といった色調である。本発明工具の非晶質カーボン膜は、可視光域において透明で、干渉色を示すことを特徴とする。
【0046】
干渉色を示すということは、非晶質カーボン膜のsp3結合成分が非常に多く、屈折率、光学バンドギャップ、弾性率といった物性が、従来の非晶質カーボン膜よりもよりダイヤモンドに近いことを示している。このような非晶質カーボン膜を工具として用いた場合、膜硬度が高いため、優れた耐摩耗性と耐熱性を示す。本発明工具は干渉色を示すことを外観的特徴とする。
【0047】
非晶質カーボン膜の干渉色は、膜厚が厚くなるにつれて、(1)茶→(2)赤紫→(3)紫→(4)青紫→(5)青→(6)銀→(7)黄→(8)赤→(9)青→(10)緑→(11)黄色→(12)赤と変化し、以降は(8)の赤から(12)の赤までをくり返す。これらの色の変化は膜厚の変化に対して連続的であり、それぞれの中間の膜厚では、それらの中間の色となる。
【0048】
本発明者らが検討した結果、工具刃先における最大膜厚を0.05μm〜0.5μmと特定した場合にはコーティング被膜は、(2)の赤紫から(10)の緑の間の色となることを見いだした。また、単一色ではなく複数の色調からなる虹色であっても良い。また、これらの干渉色を呈する非晶質カーボン膜の上に、従来の褐色から黒色の非晶質カーボン膜を形成して用いても良い。
【0049】
(界面層)
本発明工具は、非晶質カーボン膜の密着力を強固なものにするために、基材と非晶質カーボン膜との間に界面層を設けることが好ましい。
【0050】
<材質>
この界面層は、周期律表IVa、Va、VIa、IIIb族元素およびC以外のIVb族元素の元素よりなる群から選択される少なくとも1種以上の元素、またはこれら元素群から選ばれた少なくとも1種以上の元素の炭化物が好適である。
【0051】
中でもTi、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Siの元素よりなる群から選ばれた少なくとも1種以上の元素、またはこの元素群から選ばれた少なくとも1種以上の元素の炭化物であることがさらに望ましい。これらの金属元素は炭素と強い結合を作りやすいため、これらの金属元素あるいは金属炭化物の界面層上に非晶質カーボン膜を形成することによって、より強固な密着力が得られる。
【0052】
<厚み>
界面層の厚さは0.5nm以上10nm未満とする。膜厚がこの範囲よりも薄いと、界面層としての役割を果たさず、この範囲よりも厚いと従来技術と同等の密着力しか得られない。このように極めて薄い界面層を形成することにより、従来技術では達成できなかった極めて強固な密着力が得られ工具寿命を大きく改善することが可能となる。
【0053】
<混合組成層・傾斜組成層>
界面層と非晶質カーボン膜との間に、各被膜の組成が混合した混合組成層または組成が連続的に変化した傾斜組成層を介在させれば、さらに強固な密着力が得られるため一層望ましい。この混合層と傾斜組成層とは、必ずしも明確に区別できるものではない。界面層の成膜から非晶質カーボン膜の成膜に製造条件を切り替える際、通常、わずかに界面層と非晶質カーボン膜との組成に混合が起こり、これら混合組成層や傾斜組成層が形成される。これらは、直接確認することは難しいが、XPS:(X‐ray Photo-electronic Spectroscopy)やAES:(Auger Electron Spectroscopy)などの結果から十分推定できる。
【0054】
(工具の用途)
本発明非晶質カーボン被覆工具は、その耐摩耗性と耐溶着性から、特にアルミニウムおよびその合金を加工するための工具に適する。また、チタン、マグネシウム、銅など非鉄材に使用することが最適である。さらに、グラファイトなどの硬質粒子を含有する材料、有機材料などの切削や、プリント回路基盤加工や鉄系材料とアルミニウムとの共削り加工などにも有効である。加えて、本発明工具の非晶質カーボン膜は非常に高硬度であることから、非鉄材だけではなく、ステンレス鋼などの鋼や鋳物などの加工にも用いることができる。
【0055】
(工具の具体例)
本発明非晶質カーボン被覆工具は、ドリル、エンドミル、エンドミル加工用刃先交換型チップ、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯きり工具、リーマおよびタップからなる群より選ばれた1種を含む用途に使用されると良い。
【0056】
【発明の実施の形態】
次に、本発明非晶質カーボン被覆工具について、実施例により具体的に説明する。ただし、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PVD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。
【0057】
(実施例1)
焼結体からなる基材を刃先にロー付けしたφ8mmの超硬製ドリルを用意した。本実施例で基材に用いた焼結体を以下に示す。
A:粒度0.1μm以上2μm以下のダイヤモンド粒子を93体積%含有し、残部がCo、WC、及び不可避的不純物からなるダイヤモンド焼結体である。
B:粒度0.1μm以上2μm以下のダイヤモンド粒子を80体積%含有し、残部が空孔、WC、及び不可避的不純物からなるダイヤモンド焼結体である。
C:粒度0.1μm以上2μm以下のダイヤモンド粒子を90体積%含有し、残部がCo、TiC、WC、及び不可避的不純物からなるダイヤモンド焼結体である。
D:粒度0.1μm以上2μm以下のダイヤモンド粒子を98体積%含有し、残部がSiC、WC、及び不可避的不純物からなるダイヤモンド焼結体である。
E:粒度0.1μm以上5μm以下のcBN粒子を70体積%含有し、残部がTiN、TiB2、AlN、AlB2、WC、Al203からなる結合材、Co、及び不可避的不純物からなる立方晶型窒化硼素焼結体である。
F:粒度0.1μm以上5μm以下のcBN粒子を80体積%含有し、残部がAlN、AlB2、Al203からなる結合材、及び不可避的不純物からなる立方晶型窒化硼素焼結体である。
G:平均粒度1.5μmの窒化珪素を95体積%含有し、残部がAl203、AlN、MgO、TiN、TiCからなる結合材、及び不可避的不純物からなる窒化珪素焼結体である。
H:平均粒度1.5μmの酸化アルミニウムを67体積%、平均粒度1.5μm炭化チタンを28体積%含有し、残部がMgO、CaOからなる結合材、及び不可避的不純物からなる酸化アルミニウムと炭化チタンとの焼結体である。
【0058】
これら基材表面に下記のように公知の陰極アークイオンプレーティング法を用いて表1に示す本発明品の非晶質カーボン被覆ドリル試料1〜21を用意した。表1において、界面層を表す化学式中のxは、金属元素1に対する非金属元素の割合を示す。
【0059】
すなわち、図1に示すように、成膜装置1内に複数個のターゲット2、3を配置し、ターゲットの中心点を中心としてターゲット間で回転する基材保持具4に、刃先に焼結体をロー付けした超硬製ドリル5を装着する。電源7、8を調整して陰極アークの放電電流を変え、ターゲット材料の蒸発量を制御しながら非晶質カーボンをコーティングする。
【0060】
まず、基材加熱ヒーター6を用いて100℃まで加熱させながら成膜装置1内の真空度を2×10 3Paの雰囲気とした。ついでアルゴンガスを導入して2×10 1Paの雰囲気に保持しながら、バイアス電源9により基材保持具4に−1000Vの電圧をかけてアルゴンプラズマ洗浄を行った後、アルゴンガスを排気した。成膜装置内へのガスの導入は供給口10より、排気は排気口11より行う。
【0061】
次に、非晶質カーボンの成膜に先立ち、周期律表IVa、Va、VIa、IIIb族金属元素のターゲットを蒸発・イオン化させながらバイアス電源9により基材保持具4に−1000Vの電圧をかけてメタルイオンボンバードメント処理を行い、被膜の密着性を高めるための表面エッチング処理を行った。
【0062】
さらに炭化水素ガスを導入するか、あるいは導入しないで、周期律表IVa、Va、VIa、IIIb族元素およびC以外のIVb族元素の元素よりなる群から選ばれたターゲットを蒸発・イオン化し、バイアス電源9により基材保持具4に負の数百Vの電圧をかけて、これらの金属あるいは金属炭化物の界面層の形成を行った。界面層から非晶質カーボン膜の形成は、ターゲットや雰囲気の切り替えにより行われ、この切り替え時には、通常、わずかながらも両層の組成の混合が生じる。このことから、両層の間には、原料の混合組成層や傾斜組成層が存在していると推定される。
【0063】
次に、陰極アーク放電によりグラファイトのターゲットを蒸発・イオン化させることにより超硬ドリル上に接して非晶質カーボン膜が形成される。このとき、バイアス電源9による電圧は、負の数百Vとした。非晶質カーボン膜の成膜時において基材である超硬ドリルの温度は100℃に設定した。
【0064】
また、比較のため表1に示す比較品1〜8のコーティングドリルも用意した。なお、焼結体は「焼結体A」のものを用い比較品1は、CHガスを原料とする通常のプラズマCVD成膜装置を使用して、上記と同じ超硬製ドリルに水素化非晶質カーボン膜を形成した。比較品2〜4は、グラファイトを原料にした陰極アークイオンプレーティング法により上記と同じ超硬製ドリルに非晶質カーボン膜を形成したもので、膜厚が本発明の範囲外である。比較品5は、雰囲気ガスにCH4を添加して陰極アークイオンプレーティング法により上記と同じ超硬製ドリルに水素化非晶質カーボン膜を形成したもので、膜中の水素量が本発明の範囲外となっている。比較品6、7は、陰極アークイオンプレーティング法により上記と同じ超硬製ドリルにTiN、TiAlNをそれぞれコーティングしたものである。比較品8は、コーティングなしのドリルである。
【0065】
次に、上記の方法で製造した各ドリルについて、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(比較品8のスラスト抵抗を基準として評価する)および切刃における凝着状況を測定した。上記の各切削試験の結果を表2に示す。なお、成膜した非晶質カーボン膜中の水素量は、ERDA(Elastic Recoil Detection Analysis:弾性反跳粒子検出法)により評価した。刃先先端での膜厚は、刃先断面のSEMにより評価した。
【0066】
【表1】

Figure 0003719708
【0067】
【表2】
Figure 0003719708
【0068】
【表3】
Figure 0003719708
【0069】
表2の結果から、従来からのTiN膜(比較品6)、TiAlN膜(比較品7)、本発明で規定する範囲から外れる非晶質カーボン膜を形成した比較品(1〜5)は、スラスト抵抗がノンコートと同等でかつ耐溶着性に劣る。これに対し、本発明例のドリル(本発明品1〜21)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、優れた耐溶着性を備えることがわかる。従って、穴開け加工後の穴加工精度も非常に高く、長寿命が可能であることがわかる。
【0070】
(実施例2)
実施例1と全く同じ方法により、φ4mmの超硬製リーマの表面に基材としてダイヤモンド焼結体Aをロー付けし、その上に実施例1の本発明品4の非晶質カーボン膜を被覆した。ダイヤモンド焼結体とモル濃度30%の硝酸とモル濃度45%のフッ化水素酸を4:1の割合で混合したフッ硝酸溶液とを密閉容器に投入し、温度130℃で12時間保持し、ダイヤモンド焼結体素材に含まれるダイヤモンド以外の成分を溶出させたものをダイヤモンド焼結体として用いた。比較品として、同様の超硬製リーマにCVD法による水素化非晶質カーボン膜(比較品1)、膜厚が本発明の範囲外である非晶質カーボン膜(比較品2〜4)、雰囲気ガスにCH4を添加して陰極アークイオンプレーティング法により作製した水素化非晶質カーボン膜(比較品5)、TiN膜(比較品6)、TiAlN膜(比較品7)を被覆したもの、およびノンコートのもの(比較品8)を用意した。
【0071】
次に、上記の方法により製造した各表面被覆リーマについて、表4の条件によるアルミダイキャスト(ADC12)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。
【0072】
【表4】
Figure 0003719708
【0073】
その結果、比較品1〜7は600穴あけたところで被削材の穴径にバラツキが生じため、リーマ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。また、ノンコートである比較品8では、穴開け初期の3穴目において刃先にチッピングが認められた。
【0074】
一方、本発明品4の非晶質カーボンを被覆したリーマでは9500穴あけた時点でも全く被削材の加工状況に問題がなく、リーマ刃先にも摩耗やチッピングは認められなかった。
【0075】
(実施例3)
実施例1と全く同じ方法により、超硬台金に立方晶型窒化硼素焼結体Eをロー付けしたエンドミル加工用のチップの表面に非晶質カーボン膜を被覆した(本発明品6の被膜)。チップは、内接円9.525mmの正三角形、チップ逃げ角11°(全周)、厚み3.18mmの超硬台金であり、1コーナーに立方晶型窒化硼素焼結体Eを超硬製基材にロー付けした形状である。刃先は、半径0.4mmのR形状を有する(ISO規格 TPGN160304)。比較品として、同様の超硬製チップにCVD法による水素化非晶質カーボン膜(比較品1)、膜厚が本発明の範囲外である非晶質カーボン膜(比較品2〜4)、雰囲気ガスにCH4を添加して陰極アークイオンプレーティング法により作製した水素化非晶質カーボン膜(比較品5)、TiN膜(比較品6)、TiAlN膜(比較品7)を被覆した。
【0076】
次に、上記の方法により製造した各表面被覆エンドミルについて、表5の条件によるアルミダイキャスト(ADC12)のエンドミル加工を行い、被削の表面粗さの規格から外れるまでの切削長と刃先の状態を評価した。
【0077】
【表5】
Figure 0003719708
【0078】
その結果、従来からの表面被覆切削エンドミルのうち、CVD法による水素化非晶質カーボン膜(比較品1)は切削長さ25mで、膜厚が本発明の範囲外である非晶質カーボン膜(比較品2〜4)は切削長さ80mで、雰囲気ガスにCH4を添加して陰極アークイオンプレーティング法により作製した水素化非晶質カーボン膜(比較品5)は35mの切削長さで、PVD法で形成した金属窒化物膜(比較品6および比較品7)はそれぞれ9m、5mの切削長さで表面粗さの規格から外れたため、工具の寿命と判断した。寿命になった表面被覆エンドミルの先端に溶着したアルミを除去して調べたところ、既に被覆した膜は存在せず、基材のcBN焼結体が露出していた。
【0079】
一方、本発明品6のエンドミルでは800m切削した時点でも被削材の表面粗さは規格内に維持できており、さらなる寿命延長が期待された。
【0080】
(実施例4)
実施例1と全く同じ方法により、超硬製の刃先交換型チップの上にダイヤモンド焼結体を基材としてロー付けし、その基材の表面に非晶質カーボン膜を被覆した(本発明品2の被膜)。本実施例では、基材としてダイヤモンド焼結体Aを用いた。比較材として、同様の超硬製チップにCVD法による水素化非晶質カーボン膜(比較品1)、TiN膜(比較品6)、TiAlN膜(比較品7)を被覆した。次に、上記の方法により製造した各表面被覆刃先型交換型チップ1つを工具径32mmのホルダーに付けて、表6の条件によるアルミダイキャスト(A390)のエンドミル加工を行い、被削の表面粗さの規格から外れるまでの切削長と刃先の状態を評価した。
【0081】
【表6】
Figure 0003719708
【0082】
その結果、従来からの表面被覆切削エンドミルのうち、CVDの水素化非晶質カーボン膜(比較品1)は切削長さ10mで、PVD法で形成した金属窒化物膜(比較品6、7)はそれぞれ切削長さ3m、4mで表面粗さの規格から外れたため、工具の寿命と判断した。寿命になった表面被覆ドリルの先端を溶着したアルミを除去して調べたところ、既に被覆した膜は存在せず、基材が露出していた。
【0083】
一方、本発明品2のエンドミルでは700m切削した時点で被削材の表面粗さの規格から外れたため、工具寿命と判断した。
【0084】
ここで開示された実施例は全ての点で例示的であって制限的なものでないと考えるべきである。本発明の範囲は、以上の実施例の説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものであることが意図させる。
【0085】
以上、本発明の具体例について説明したが、本発明は他の形状の転削工具(ドリル、エンドミル、リーマなど)、フライス工具や旋削工具に使用される刃先交換型切削チップ、切断工具(カッター、ナイフ、スリッターなど)にも適用することができる。
【0086】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の被覆工具によれば、基材の組成と非晶質カーボン膜の厚みを特定することで、耐摩耗性を維持し優れた耐溶着性を得ることができ、工具の切削・耐摩寿命を著しく延長させることができる。また、この工具は、工具表面の潤滑性が高いので突発的な刃先の欠損や被削材の凝着が生じ難く、さらに熱伝導性が高いので刃先の温度上昇が少なくドライ切削や高速加工といった過酷な切削環境下でも使用できる。特に、水素をほとんど含有しない非晶質カーボン膜とすることで、一層優れた耐摩耗性と耐溶着性を得ることができる。従って、転削工具(ドリル、エンドミル、リーマなど)、フライス工具や旋削工具に使用される刃先交換型切断チップ、切断工具(カッター、ナイフ、スリッターなど)への効果的な利用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明工具の被膜形成に用いる成膜装置の概略図である。
【図2】この発明工具の刃先部の断面図である。
【図3】本発明の非晶質カーボン被覆膜のラマンスペクトルである。
【図4】従来の非晶質カーボン被覆膜のラマンスペクトルである。
【符号の説明】
1 成膜装置
2、3 ターゲット
4 基材保持具
5 ドリル
6 基板加熱ヒーター
7,8 アーク電源
9 バイアス電源
10 供給口
11 排気口
20 非晶質カーボン
21 マクロパーティクル
22 グラファイト粒子
23 工具の刃先[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention provides wear resistance and welding resistance to the surfaces of turning tools (drills, end mills, reamers, etc.), cutting edge exchangeable cutting tips used for milling tools and turning tools, and cutting tools (cutters, knives, slitters, etc.). The present invention relates to a tool in which an amorphous carbon film having properties is formed.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, cutting tools, wear-resistant tools, and the like have formed a hard coating layer on the surface of a substrate in order to improve wear resistance and surface protection function. Known base materials include WC-based cemented carbide, cermet, high-speed steel, and the like. The hard coating layer can be Ti (titanium), Hf (hafnium), Zr (zirconium) carbide, nitride, carbonitride, or Al oxide by PVD (Physical vapor deposition) or CVD (Chemical vapor deposition). Single or multiple layers are known.
[0003]
However, as a recent trend of cutting tools, the cutting edge temperature of tools tends to become higher due to the fact that the cutting speed has been increased in order to further improve the machining efficiency, which is required for tool materials. The characteristics are getting stricter. Therefore, as a required property of the tool material, not only the stability of the coating at high temperature (oxidation resistance and coating adhesion), but also the wear resistance related to the cutting tool life, that is, the improvement of coating hardness is important. ing.
[0004]
In particular, in a field requiring high temperature hardness and high temperature strength, a cubic boron nitride (cBN) sintered body, a diamond sintered body, a silicon nitride sintered body, or an aluminum oxide-titanium carbide sintered body is used. A tool as a base material is used. A tool in which the hard coating layer is formed on the surface of the substrate has also been proposed.
[0005]
For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 7-18415, the surface of a cBN-based ceramic cutting tool has one single layer of TiC, TiN, TiCN, TiCO, TiCNO, and Al 2 O 3 or two or more multiple layers. There has been proposed a tool in which a hard coating layer made of is formed with an average layer thickness of 5 to 20 μm. Japanese Patent Laid-Open No. 8-119774 discloses at least one element containing at least one element of C, N, and O, and Ti and Al as a main component on a base material made of a cBN sintered body or a diamond sintered body. There has been proposed a tool having a hard heat-resistant coating of a layer at least at a location related to cutting.
[0006]
In addition, in recent years, it has been used for soft metals such as aluminum alloys, non-ferrous metals such as titanium, magnesium and copper, organic materials, materials containing hard particles such as graphite, printed circuit board processing and iron-based materials and aluminum co-machining. The grades are versatile. Here, the co-machining means simultaneous cutting of a combination of an iron-based material and an aluminum alloy. When cutting the above materials, there is a problem that the work material adheres to the cutting edge portion of the cutting tool to increase the cutting resistance, or the cutting edge is lost in some cases. In these specific work materials, tool wear becomes more severe than other work materials.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the case of soft metals such as aluminum and its alloys and non-ferrous metals such as titanium, magnesium, and copper, materials containing hard particles such as graphite, organic materials, printed circuit board processing, and co-machining processing of iron-based materials and aluminum Conventionally, diamond tools have been used for specific applications. In a tool in which a diamond film is formed on a base material, the surface of the diamond film becomes uneven due to the polycrystalline structure of the diamond film. Therefore, it is necessary to polish the surface for use as a precision machining tool.
[0008]
However, since the diamond film is the hardest material among the existing materials, the diamond film is no less than the use of expensive diamond for polishing, which has been a significant cost increase factor.
[0009]
Furthermore, the ceramic film obtained by PVD coating, such as TiN, is usually 2 to 3 μm thick. On the other hand, in the case of a diamond film, the crystal growth rate varies greatly depending on the crystal orientation, so that a thick film of 20 to 30 μm is required in advance to obtain a smooth polished surface. In addition, since the film is formed while etching away the graphite that grows simultaneously with the diamond growth, the film formation speed is very low, which is 1/10 or less of the normal ceramic film coating, and the manufacturing cost including the coating is very high. There was a problem of becoming.
[0010]
In addition, for tools that braze diamond sintered bodies, cBN sintered bodies, silicon nitride sintered bodies, and aluminum oxide-titanium carbide sintered bodies to a base material, we manufacture tools with complex shapes and small diameter tools with a diameter of several millimeters. There was a problem that it was difficult to do. Further, when the cutting tool is used, there is a problem that the cutting edge is likely to be chipped due to low toughness and the life may be suddenly shortened.
[0011]
Accordingly, the main object of the present invention is to provide a soft metal, a non-ferrous metal, an organic material, a material containing hard particles, a printed circuit board, and an amorphous material for cutting such as co-machining of a ferrous material and a soft metal material. It is to provide a carbon coated tool. Another object of the present invention is to provide a method for producing the amorphous carbon-coated tool.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The present invention achieves the above object by specifying the composition of the substrate and the thickness of the amorphous carbon film.
[0013]
That is, the amorphous carbon-coated tool of the present invention is selected from one type selected from a cubic boron nitride sintered body, a diamond sintered body, a silicon nitride sintered body, and a sintered body of aluminum oxide and titanium carbide. And an amorphous carbon film tool comprising at least a cutting edge on the substrate, wherein the amount of hydrogen in the amorphous carbon film is 5 atomic% or less. The maximum thickness at the blade edge of the amorphous carbon film is 0.05 μm or more and 0.5 μm or less.
In addition, a substrate made of one type selected from a cubic boron nitride sintered body, a diamond sintered body, a silicon nitride sintered body, and a sintered body of aluminum oxide and titanium carbide; An amorphous carbon film tool comprising at least an amorphous carbon film covering a blade edge, wherein the amorphous carbon film is a physical vapor deposition method in an atmosphere substantially free of hydrogen using graphite as a raw material. The maximum thickness at the blade edge of the amorphous carbon film is 0.05 μm or more and 0.5 μm or less.
[0014]
The method for producing an amorphous carbon-coated tool of the present invention is one type selected from a cubic boron nitride sintered body, a diamond sintered body, a silicon nitride sintered body, and a sintered body of aluminum oxide and titanium carbide. A step of holding the base material in a vacuum vessel and a step of applying a zero or negative DC bias to the base material and evaporating the raw material graphite to form an amorphous carbon film. The maximum thickness of the amorphous carbon film is controlled to 0.05 to 0.5 μm.
[0015]
The constituent elements of the present invention will be described in detail below.
[0016]
(Sintered substrate)
<Sintered diamond substrate>
The diamond sintered body preferably contains 40% by volume or more of diamond. More preferably, it is a sintered body having the following composition.
[0017]
(1) A sintered body containing 50 to 98% by volume of diamond, the balance being composed of iron group metal, WC and inevitable impurities. In particular, the iron group metal is preferably Co.
[0018]
(2) A sintered body containing 85 to 99% by volume of diamond, and the balance consisting of vacancies, WC and inevitable impurities.
[0019]
(3) containing 60 to 95% by volume of diamond, the balance being one or more selected from iron group metals and carbides and carbonitrides of periodic table group 4a, 5a and 6a elements, WC and inevitable impurities A sintered body consisting of In particular, the remaining binder is preferably Co, TiC, WC, and inevitable impurities.
[0020]
(4) A sintered body containing 60 to 98% by volume of diamond, the balance being at least one of silicon, silicon carbide, WC and inevitable impurities.
[0021]
<CBN sintered compact substrate>
The cBN sintered body preferably contains 30% by volume or more of cBN. More preferably, it is a sintered body having the following composition.
[0022]
(1) At least one selected from the group consisting of nitrides, borides, carbides, and solid solutions of group 4a, 5a, and 6a elements of the periodic table, containing cBN of 30 vol% to 80 vol% And a cBN sintered body comprising a binder composed of an aluminum compound, an iron group metal and inevitable impurities.
[0023]
In the cBN sintered body having the above composition, the cBN particles are mainly bonded through the binder having a low affinity with iron. Since this bond is strong, the wear resistance and strength can be improved.
[0024]
In this cBN sintered body, the content of cBN is set to 30% by volume to 80% by volume. This is because if it is less than 30% by volume, the hardness of the cBN sintered body is lowered, and the hardness for cutting a high-hardness work material such as hardened steel is insufficient. This is because when the content of cBN exceeds 80% by volume, it becomes difficult to bond the cBN particles through the binder, and the strength of the cBN sintered body decreases.
[0025]
(2) cBN sintering containing cBN in an amount of 80% by volume to 90% by volume, in which cBN particles are bonded to each other, the balance being a binder mainly composed of an Al compound or a Co compound, and inevitable impurities body. This cBN sintered body is obtained by bonding cBN particles by liquid phase sintering using a metal containing Al or Co having a catalytic action or an intermetallic compound as a starting material. By this sintering, the content of cBN particles can be increased. Although this cBN sintered body is inferior in wear resistance due to its high content of cBN particles, cBN particles form a strong skeletal structure, so they have excellent fracture resistance and cutting under harsh conditions Is possible.
[0026]
In this cBN sintered body, the content of cBN is set to 80% by volume or more and 90% by volume or less. This is because when the amount is less than 80% by volume, it is difficult to form a skeleton structure by bonding between cBN particles. If the content of cBN exceeds 90% by volume, the bonding material consisting of a metal containing Al or Co having a catalytic action or an intermetallic compound is insufficient, and an unsintered portion is generated in the cBN sintered body. This is because the strength of the sintered body is lowered.
[0027]
<Silicon nitride sintered base>
The silicon nitride sintered body preferably contains 90% by volume of silicon nitride. More preferably, it is a sintered body containing 90% by volume or more of silicon nitride sintered using a HIP (Hot Isostatic Pressing) method. The balance of the silicon nitride sintered body is composed of a binder selected from at least one of aluminum oxide, aluminum nitride, yttrium oxide, magnesium oxide, zirconium oxide, hafnium oxide, rare earth, TiN, and TiC, and unavoidable impurities. It is preferable. The reason why the silicon nitride content in this silicon nitride sintered body is 90 volume% is that the hardness is insufficient if it is less than 90 volume%.
[0028]
<Sintered body of aluminum oxide and titanium carbide>
The sintered body of aluminum oxide and titanium carbide preferably contains 20 to 80% by volume of aluminum oxide and 15 to 75% by volume of titanium carbide. The balance of the sintered body is preferably composed of a binder selected from at least one of Mg, Y, Ca, Zr, Ni, Ti, and TiN oxides, and unavoidable impurities. In this sintered body, the content of aluminum oxide is set to 20 to 80% by volume because it is difficult to obtain a predetermined density when the content is less than 20% by volume. This is because if the aluminum oxide content exceeds 80% by volume, the hardness is insufficient and the wear resistance deteriorates. Further, the reason why the content of titanium carbide is 15 to 75% by volume is that if it is less than 15% by volume, the hardness is insufficient and the wear resistance deteriorates. This is because it is difficult to obtain a predetermined density when the content of titanium carbide exceeds 75% by volume.
[0029]
(Amorphous carbon film)
Amorphous carbon films include what are commonly called hard carbon films, diamond-like carbon films, DLC films, aC: H, i-carbon films, and the like. However, the amorphous carbon film of the present invention has the characteristics described below.
[0030]
<Film formation method>
In the present invention, an amorphous carbon film is formed by physical vapor deposition using graphite as a raw material in an atmosphere not containing hydrogen. This film has high hardness comparable to diamond and excellent wear resistance as a cutting tool. On the other hand, an amorphous carbon film made of hydrocarbon as a raw material contains hydrogen and is different from the amorphous carbon film of the present invention.
[0031]
This amorphous carbon film is composed of only carbon atoms, excluding impurities inevitably included during film formation. As a result, the proportion of sp 3 bonds is higher than that of the amorphous carbon film containing hydrogen, so that the hardness is increased and at the same time the oxidation resistance is improved to about 600 ° C., which is equivalent to that of diamond. Even if the film is formed in an atmosphere containing no hydrogen, the resulting amorphous carbon film may contain a slight amount of hydrogen of about 5 atomic% or less. This is presumably because hydrogen and moisture remaining in the film formation apparatus are taken into the amorphous carbon film due to the degree of vacuum at the time of film formation.
[0032]
Among physical vapor deposition methods using graphite as a starting material, the cathode arc ion plating method, laser ablation method, sputtering method, etc., which are generally used industrially, have high film formation speeds and are problematic for diamond films. The problem of manufacturing cost is also eliminated. In particular, film formation by the cathodic arc ion plating method is preferable in terms of adhesion of the film and film hardness. In this cathodic arc ion plating method, since the ionization rate of the raw material is high, an amorphous carbon film is formed mainly by irradiating the substrate with carbon ions. Therefore, a dense and hard film having a high sp 3 bond ratio can be obtained, and the tool life can be greatly improved.
The temperature of the substrate during film formation is 50 ° C. to 200 ° C. This is because if the temperature of the substrate exceeds 350 ° C., graphite is likely to precipitate. At the time of film formation, the substrate is irradiated with carbon ions and amorphous carbon is formed. At this time, the temperature of the substrate rises. Therefore, even if the substrate is not heated by a heater, the temperature may rise to a level that does not hinder practical use. Further, the temperature of the substrate can be adjusted by heating or cooling.
The substrate temperature during film formation is more preferably 50 ° C. to 150 ° C.
[0033]
<Macro particle density>
Hard particles called macro particles exist on the surface of the amorphous carbon film formed by the cathodic arc ion plating method. The smaller the macroparticle density present on the film surface, the lower the cutting resistance, which is desirable. The macro particle density is 3 × 10 5 particles / mm 2 or less, more preferably 1.5 × 10 5 particles / mm 2 or less. Of course, it is needless to say that 0 piece / mm 2 is optimal. When the density of the macro particles is larger than 3 × 10 5 particles / mm 2 , the work material is welded to the macro particles to increase the cutting resistance, which is not preferable.
[0034]
The density of the macro particles can be evaluated by SEM (Scanning Electron Microscope) observation. In SEM observation, in order to facilitate observation of macro particles, it is preferable to observe after vaporizing a noble metal such as Pt or Pd on the sample surface by ion sputtering or the like. It is advisable to obtain the density by taking a photograph of the sample surface at a magnification of at least 1000 times and counting the number of macro particles on the photograph.
[0035]
FIG. 2 is a cross-sectional view of the amorphous carbon coated surface 20 showing the process of generating the macro particles 21. Amorphous carbon 20 is coated on the cutting edge 23 of the tool. In the process, graphite particles 22 scatter and adhere to the coated surface. When the surface is viewed with an electron microscope, round particles 21 having various outer diameters can be observed. However, such particles are not desirable in the present invention. Since the graphite particles 22 are scattered during the film growth process, it is presumed that the graphite particles 22 exist at various thicknesses of the amorphous carbon 20 as shown in FIG.
Furthermore, in order to improve the surface roughness of the amorphous carbon film, it is possible to propose a method that uses, for example, a low-energy film formation or a magnetic field filter that prevents particulate scattering from the graphite raw material.
[0036]
<Surface roughness>
The surface roughness of the amorphous carbon film is desirably 0.002 μm or more and 0.05 μm or less in terms of Ra defined by JIS standard B0601. Here, when viewed as a cutting tool, the surface roughness Ra is desirably as small as possible. However, since it cannot actually be zero, as a result of various cutting tests, it was found that when Ra is 0.05 μm or less, the weldability at the cutting edge is improved and the cutting performance is improved. Moreover, it is also preferable that it is 0.02 μm or more and 0.5 μm or less in terms of Ry defined by JIS standard B0601. Here, if Ry exceeds 0.5 μm, the projections (microparticles) of the amorphous carbon film become the starting point of welding of the work material and cause an increase in cutting resistance, which is not preferable.
[0037]
<Thickness>
The reason for specifying the maximum film thickness of the amorphous carbon film at the tool edge as 0.05 μm to 0.5 μm is that if it is less than 0.05 μm, there is a problem with wear resistance, and if it exceeds 0.5 μm, the internal stress accumulated in the film This is because there is a problem that the film becomes large and is easily peeled off or the film is chipped. Also, by setting the film thickness to 0.5 μm or less, the size and density of the surface macro particles can be reduced, and the surface roughness can be suppressed to 0.05 μm or less in the Ra display and 0.5 μm or less in the Ry display. There is also an effect. The amorphous carbon film becomes thicker at the cutting edge of the tool, as indicated by T in FIG. When this thickness is thin, the performance is improved. Therefore, the maximum thickness T at the cutting edge part involved in cutting of the amorphous carbon film is preferably 0.05 μm or more and 0.25 μm or less from the viewpoint of less weldability.
[0038]
<Hardness>
The Knoop hardness of the amorphous carbon film is preferably 20 GPa or more and 50 GPa or less. If the hardness is less than 20 GPa, there is a problem in terms of wear resistance, and if it exceeds 50 GPa, the chipping resistance of the cutting edge is lowered. More preferably, the Knoop hardness of the amorphous carbon film is 25 GPa or more and 40 GPa or less.
[0039]
<Raman spectrum>
Since the amorphous carbon film is amorphous, it is very difficult to specify the film structure. As a result of evaluating various amorphous carbon films, it was found that there was a difference in the Raman spectrum obtained with the structural change when the Raman spectroscopic analysis was performed.
[0040]
FIG. 3 is a Raman spectrum of the amorphous carbon of the present invention, and FIG. 4 is a Raman spectrum of conventional amorphous carbon containing hydrogen. These were obtained by Raman spectroscopic analysis using an argon gas laser having a wavelength of 514.5 nm. In FIG. 4, the solid line shows the measurement result, 1340 cm - 1 bulge near was observed, 700 cm - 1 has no peak in the vicinity.
The background was then removed from the spectrum waveform to separate the resulting spectrum into two. Next, the spectrum with bulges was approximated by the nonlinear least squares method, assuming that two Gaussian functions were added, and separated into two peaks. The result is shown by a chain line. The height of the peak centered around 1340 cm - 1 is denoted by I1340, and the height of the peak near 1560 cm - 1 is denoted by I1560. In contrast, the Raman spectrum of the present invention, 1340 cm 3 - 1 near bulge is hardly identified by the solid line, 700 cm - there is broad peak around 1. The results of peak separation by the same method as described above are shown by chain lines in FIG. It can be seen that the peak height of I1340 is weaker than that of FIG. The peak height near 700 cm - 1 is indicated by I700.
Similarly, a value obtained by integrating each peak is expressed as S700, for example. The amorphous carbon film of the present invention the tool, the wave number 400 cm - 1 or 1000 cm - 1 for less than, 1340 cm - 1 and near 1560 cm - 1 peak at a total of three places in the vicinity is observed. On the other hand, so far the wave number of the coating lower wavenumbers containing hydrogen of 400 cm - 1 or 1000 cm - 1 or less between the peak is not observed. By taking a film structure having a peak between the wave numbers of 400 cm - 1 and 1000 cm - 1 , it is possible to increase hardness and improve wear resistance.
[0041]
Further, the wave number 400 cm - 1 or 1000 cm - 1 intensity of peaks present below (I700) and 1340 cm - 1 peak intensity existing in the vicinity (I1340) and the intensity ratio of the (I700 / I1340) is 0.01 to 2.5 And wear resistance is improved. This is thought to be because the film hardness increases as the amount of fine sized graphite and sp 3 bonds with strain increases.
[0042]
Here is shown using the peak height, can also be organized in the peak integrated intensity ratio, the wave number 400 cm - 1 or 1000 cm - 1 integrated intensity of peaks present below (S700) and 1340 cm - present near 1 The intensity ratio (S700 / S1340) to the peak integrated intensity (S1340) is preferably 0.01 or more and 2.5 or less. If the peak intensity ratio is less than 0.01, the wear resistance is equivalent to the conventional coating. As will be described later, various film formation experiments were performed, but in this experiment, a peak intensity ratio of 2.5 or more was not obtained.
[0043]
Further, 1560 cm - 1 peak intensity existing near the (I1560) 1340cm - if the intensity of the peaks present in the vicinity of 1 (I1340) and the intensity ratio of the (I1340 / I1560) is 0.1 or more and 1.2 or less, high wear It shows good sex. 1560 cm - 1 peak intensity existing near the (I1560) 1340cm - 1 ratio of the intensity of a peak present in the vicinity (I1340) represents the presence of carbon bonding state of the inner coating is said that sp 2 / sp 3 ing. Although these peak intensity ratios do not directly indicate the content of sp 2 , the film structure can be classified relatively. It was found that the hardness increased when the intensity of the peak existing near 1560 cm - 1 was high. That is, when the sp 3 bond is strong, the wear resistance is further improved. In addition to the peak intensity, the intensity ratio (S1340 / S1560) of the integrated intensity of the peak near 1560 cm - 1 (S1560) and the integrated intensity of the peak near 1340 cm - 1 (S1340) (S1340 / S1560) should be between 0.3 and 3. That's fine.
[0044]
Then, 1560 cm - 1 peak present in the vicinity of 1560 or more 1580 cm - if present 1 below high wear resistance can be realized. The peak position of the Raman spectrum is affected by the stress in the film. In general, when the stress in the coating is high on the compression side, the peak of the Raman spectrum shifts to the high wave number side, and conversely, when the stress on the tension side is high, the peak shifts to the low wave number side. It has been found that the wear resistance is improved when the stress of the coating is high on the compression side.
[0045]
<Interference color>
The amorphous carbon film used in the conventional technique is opaque in the visible light region and has a color tone from brown to black. The amorphous carbon film of the tool of the present invention is characterized by being transparent in the visible light region and exhibiting an interference color.
[0046]
Interference color means that the amorphous carbon film has many sp 3 bonding components, and its physical properties such as refractive index, optical band gap, and elastic modulus are closer to diamond than the conventional amorphous carbon film. Is shown. When such an amorphous carbon film is used as a tool, since the film hardness is high, excellent wear resistance and heat resistance are exhibited. The tool of the present invention is characterized in that it exhibits an interference color.
[0047]
As the film thickness increases, the interference color of the amorphous carbon film is (1) brown → (2) magenta → (3) purple → (4) blue purple → (5) blue → (6) silver → (7 ) Yellow → (8) Red → (9) Blue → (10) Green → (11) Yellow → (12) Red, then repeat from (8) red to (12) red. These color changes are continuous with respect to the change in film thickness, and at each intermediate film thickness, an intermediate color is obtained.
[0048]
As a result of examination by the inventors, when the maximum film thickness at the tool edge is specified as 0.05 μm to 0.5 μm, the coating film has a color between (2) magenta and (10) green. I found. Moreover, the rainbow color which consists of a some color tone may be sufficient instead of a single color. Further, a conventional brown to black amorphous carbon film may be formed on these amorphous carbon films exhibiting interference colors.
[0049]
(Interface layer)
In the tool of the present invention, it is preferable to provide an interface layer between the base material and the amorphous carbon film in order to strengthen the adhesion of the amorphous carbon film.
[0050]
<Material>
This interfacial layer is at least one element selected from the group consisting of elements of Group IVa, Va, VIa, IIIb group elements and IVb group elements other than C, or at least one selected from these element groups A carbide of more than one element is preferred.
[0051]
Above all, at least one element selected from the group consisting of elements of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Si, or at least one element selected from this element group It is further desirable to be a carbide of Since these metal elements tend to form a strong bond with carbon, a stronger adhesion can be obtained by forming an amorphous carbon film on the interface layer of these metal elements or metal carbides.
[0052]
<Thickness>
The thickness of the interface layer is 0.5 nm or more and less than 10 nm. If the film thickness is thinner than this range, it does not play a role as an interface layer, and if it is thicker than this range, only the adhesion strength equivalent to that of the prior art can be obtained. By forming an extremely thin interface layer in this manner, an extremely strong adhesion force that cannot be achieved by the prior art can be obtained, and the tool life can be greatly improved.
[0053]
<Mixed composition layer / gradient composition layer>
If a mixed composition layer in which the composition of each film is mixed or a gradient composition layer in which the composition is continuously changed is interposed between the interface layer and the amorphous carbon film, a stronger adhesion can be obtained. desirable. The mixed layer and the gradient composition layer are not necessarily clearly distinguished. When the production conditions are switched from the formation of the interface layer to the formation of the amorphous carbon film, usually, the composition of the interface layer and the amorphous carbon film is slightly mixed. It is formed. These are difficult to confirm directly, but can be sufficiently estimated from results such as XPS: (X-ray Photo-electronic Spectroscopy) and AES: (Auger Electron Spectroscopy).
[0054]
(Use of tools)
The amorphous carbon-coated tool of the present invention is particularly suitable for a tool for processing aluminum and its alloys because of its wear resistance and welding resistance. Moreover, it is optimal to use it for non-ferrous materials such as titanium, magnesium and copper. Furthermore, it is also effective for cutting materials containing hard particles such as graphite, organic materials, printed circuit board processing, and co-machining processing of iron-based materials and aluminum. In addition, since the amorphous carbon film of the tool of the present invention has a very high hardness, it can be used not only for non-ferrous materials but also for processing of steel such as stainless steel and castings.
[0055]
(Specific examples of tools)
The amorphous carbon-coated tool according to the present invention comprises a group consisting of a drill, an end mill, an edge-changing tip for end milling, an edge-changing tip for milling, an edge-changing tip for turning, a metal saw, a toothing tool, a reamer, and a tap. It should be used for applications that include one selected.
[0056]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, the amorphous carbon-coated tool of the present invention will be specifically described with reference to examples. However, it is not limited to the manufacturing method used here, and any method may be used as long as the film is formed by the PVD method using graphite.
[0057]
(Example 1)
A φ8 mm cemented carbide drill in which a base material made of a sintered body was brazed to the cutting edge was prepared. The sintered body used for the substrate in this example is shown below.
A: A diamond sintered body containing 93 volume% of diamond particles having a particle size of 0.1 μm or more and 2 μm or less, with the balance being made of Co, WC, and inevitable impurities.
B: A diamond sintered body containing 80% by volume of diamond particles having a particle size of 0.1 μm or more and 2 μm or less, and the balance comprising pores, WC, and inevitable impurities.
C: A diamond sintered body containing 90% by volume of diamond particles having a particle size of 0.1 μm or more and 2 μm or less, with the balance being Co, TiC, WC, and inevitable impurities.
D: A diamond sintered body containing 98% by volume of diamond particles having a particle size of 0.1 μm or more and 2 μm or less, with the balance being composed of SiC, WC, and inevitable impurities.
E: Cubic particles containing 70% by volume of cBN particles having a particle size of 0.1 μm or more and 5 μm or less, the balance being TiN, TiB 2 , AlN, AlB 2 , WC, Al 2 0 3 , Co, and inevitable impurities It is a crystalline boron nitride sintered body.
F: A cubic boron nitride sintered body containing 80% by volume of cBN particles having a particle size of 0.1 μm or more and 5 μm or less, the balance being a binder composed of AlN, AlB 2 , Al 2 0 3 and inevitable impurities. .
G: A silicon nitride sintered body containing 95% by volume of silicon nitride having an average particle size of 1.5 μm, the balance being Al 2 0 3 , AlN, MgO, TiN, TiC, and inevitable impurities.
H: 67% by volume of aluminum oxide with an average particle size of 1.5 μm, 28% by volume of titanium carbide with an average particle size of 1.5 μm, and a balance of MgO and CaO with the balance, and aluminum oxide and titanium carbide with inevitable impurities It is a sintered body.
[0058]
On these substrate surfaces, amorphous carbon-coated drill samples 1 to 21 of the present invention shown in Table 1 were prepared by using a known cathodic arc ion plating method as described below. In Table 1, x in the chemical formula representing the interface layer represents the ratio of the nonmetallic element to the metallic element 1.
[0059]
That is, as shown in FIG. 1, a plurality of targets 2 and 3 are arranged in a film forming apparatus 1, and a sintered body at a cutting edge is formed on a base material holder 4 that rotates between targets around the center point of the target. Install a carbide drill 5 with brazing. The amorphous carbon is coated while adjusting the power sources 7 and 8 to change the discharge current of the cathode arc and controlling the evaporation amount of the target material.
[0060]
First, while heating to 100 ° C. using a substrate heating heater 6 degree of vacuum in the film forming apparatus 1 2 × 10 - was an atmosphere of 3 Pa. Then 2 × 10 argon gas was introduced - while maintaining the atmosphere of 1 Pa, after argon plasma cleaning by applying a voltage of -1000V to the substrate holder 4 by bias power supply 9 was evacuated with argon gas . The gas is introduced into the film forming apparatus through the supply port 10 and exhausted through the exhaust port 11.
[0061]
Next, prior to the formation of the amorphous carbon, a voltage of −1000 V is applied to the base material holder 4 by the bias power source 9 while evaporating and ionizing the targets of the periodic table IVa, Va, VIa, and IIIb metal elements. Then, a metal ion bombardment process was performed, and a surface etching process was performed to improve the adhesion of the film.
[0062]
Further, with or without introduction of hydrocarbon gas, a target selected from the group consisting of elements of group IVa, Va, VIa, IIIb and other elements of group IVb other than C is evaporated and ionized, and biased An interface layer of these metals or metal carbides was formed by applying a negative voltage of several hundred volts to the base material holder 4 by the power source 9. The formation of the amorphous carbon film from the interface layer is performed by switching the target and the atmosphere. At the time of switching, the composition of both layers is usually slightly mixed. From this, it is presumed that a mixed composition layer and a gradient composition layer of raw materials exist between both layers.
[0063]
Next, an amorphous carbon film is formed in contact with the carbide drill by evaporating and ionizing the graphite target by cathodic arc discharge. At this time, the voltage by the bias power supply 9 was set to several hundreds of negative. The temperature of the carbide drill as the base material was set to 100 ° C. during the formation of the amorphous carbon film.
[0064]
For comparison, coating drills of comparative products 1 to 8 shown in Table 1 were also prepared. The sintered body is “Sintered body A”, and comparative product 1 is hydrogenated to the same carbide drill as above using a normal plasma CVD film-forming device using CH 4 gas as a raw material. An amorphous carbon film was formed. Comparative products 2 to 4 were obtained by forming an amorphous carbon film on the same cemented carbide drill by the cathodic arc ion plating method using graphite as a raw material, and the film thickness was outside the scope of the present invention. Comparative product 5 is a hydrogenated amorphous carbon film formed on the same cemented carbide drill by the cathodic arc ion plating method by adding CH 4 to the atmospheric gas, and the amount of hydrogen in the film is the present invention. Is out of range. Comparative products 6 and 7 are obtained by coating the same cemented carbide drill with TiN and TiAlN, respectively, by the cathodic arc ion plating method. Comparative product 8 is an uncoated drill.
[0065]
Next, for each drill manufactured by the above method, a drilling test under the conditions in Table 3 (wet condition by external lubrication) was performed, and the thrust reduction rate with respect to the non-coated drill (evaluated based on the thrust resistance of the comparative product 8) and The adhesion state at the cutting edge was measured. Table 2 shows the results of the above cutting tests. The amount of hydrogen in the formed amorphous carbon film was evaluated by ERDA (Elastic Recoil Detection Analysis). The film thickness at the blade tip was evaluated by SEM of the blade cross-section.
[0066]
[Table 1]
Figure 0003719708
[0067]
[Table 2]
Figure 0003719708
[0068]
[Table 3]
Figure 0003719708
[0069]
From the results in Table 2, the conventional TiN film (Comparative product 6), TiAlN film (Comparative product 7), and the comparative product (1 to 5) in which the amorphous carbon film deviating from the range specified in the present invention was formed. Thrust resistance is equivalent to non-coated and poor in welding resistance. On the other hand, it can be seen that the drills according to the examples of the present invention (invention products 1 to 21) have excellent wear resistance while having excellent wear resistance in aluminum drilling. Therefore, it can be seen that the drilling accuracy after drilling is very high and a long life is possible.
[0070]
(Example 2)
In exactly the same manner as in Example 1, diamond sintered body A was brazed onto the surface of a φ4 mm cemented carbide reamer, and the amorphous carbon film of Invention 4 of Example 1 was coated thereon. did. A diamond sintered body, nitric acid with a molar concentration of 30% and hydrofluoric acid mixed with a hydrofluoric acid with a molar concentration of 45% at a ratio of 4: 1 are put into a sealed container and kept at a temperature of 130 ° C. for 12 hours. A material obtained by eluting components other than diamond contained in the diamond sintered body material was used as the diamond sintered body. As a comparative product, hydrogenated amorphous carbon film by CVD method on the same cemented carbide reamer (Comparative product 1), amorphous carbon film whose film thickness is outside the scope of the present invention (Comparative products 2-4), Covered with hydrogenated amorphous carbon film (Comparative product 5), TiN film (Comparative product 6), and TiAlN film (Comparative product 7) prepared by cathodic arc ion plating method with CH 4 added to atmospheric gas A non-coated product (Comparative product 8) was prepared.
[0071]
Next, each surface-coated reamer produced by the above method was subjected to aluminum die casting (ADC12) drilling under the conditions shown in Table 4, and the number of drilled holes and the state of the cutting edge were evaluated.
[0072]
[Table 4]
Figure 0003719708
[0073]
As a result, since the comparative products 1 to 7 had a variation in the hole diameter of the work material when 600 holes were drilled, the state of the reamer was examined. As a result, the cutting edge was worn and chipping was observed at the tip. Further, in comparative product 8 which was non-coated, chipping was recognized at the blade edge in the third hole at the initial stage of drilling.
[0074]
On the other hand, with the reamer coated with the amorphous carbon of the product 4 of the present invention, there was no problem in the processing state of the work material even when 9500 holes were drilled, and no wear or chipping was observed on the reamer blade edge.
[0075]
(Example 3)
In the same manner as in Example 1, an amorphous carbon film was coated on the surface of a chip for end mill processing in which a cemented carbide base metal was brazed with a cubic boron nitride sintered body E (the coating of the product 6 of the present invention). ). The tip is an inscribed triangle with an inscribed circle of 9.525 mm, a tip clearance angle of 11 ° (entire circumference), a carbide base metal with a thickness of 3.18 mm, and a cubic boron nitride sintered body E at one corner. The shape is brazed to the material. The cutting edge has an R shape with a radius of 0.4 mm (ISO standard TPGN160304). As a comparative product, a hydrogenated amorphous carbon film by CVD method (Comparative product 1) on the same cemented carbide chip, an amorphous carbon film having a film thickness outside the scope of the present invention (Comparative products 2 to 4), A hydrogenated amorphous carbon film (Comparative product 5), TiN film (Comparative product 6), and TiAlN film (Comparative product 7) prepared by cathodic arc ion plating with CH 4 added to the atmospheric gas were coated.
[0076]
Next, for each surface-coated end mill manufactured by the above method, end milling of aluminum die cast (ADC12) under the conditions of Table 5 is performed, and the cutting length and cutting edge state until the surface roughness of the workpiece is deviated Evaluated.
[0077]
[Table 5]
Figure 0003719708
[0078]
As a result, among the conventional surface-coated cutting end mills, the hydrogenated amorphous carbon film (comparative product 1) by the CVD method has a cutting length of 25 m and the film thickness is outside the scope of the present invention. (Comparative product 2-4) has a cutting length of 80m, and hydrogenated amorphous carbon film (Comparative product 5) prepared by cathodic arc ion plating method with CH 4 added to the atmospheric gas has a cutting length of 35m Thus, the metal nitride films (Comparative Product 6 and Comparative Product 7) formed by the PVD method deviated from the surface roughness standard at the cutting lengths of 9 m and 5 m, respectively, and thus were judged to be the tool life. When the aluminum deposited on the tip of the surface-coated end mill that had reached the end of its life was removed and examined, there was no film already coated and the cBN sintered body of the base material was exposed.
[0079]
On the other hand, in the end mill of the product 6 of the present invention, the surface roughness of the work material could be maintained within the standard even when 800 m was cut, and further life extension was expected.
[0080]
(Example 4)
In exactly the same manner as in Example 1, a diamond sintered body was brazed onto a cemented carbide cutting edge replaceable tip as a base material, and the surface of the base material was coated with an amorphous carbon film (product of the present invention). 2 coatings). In this example, sintered diamond A was used as the base material. As comparative materials, the same cemented carbide chip was coated with a hydrogenated amorphous carbon film (Comparative product 1), TiN film (Comparative product 6), and TiAlN film (Comparative product 7) by the CVD method. Next, each surface-coated cutting edge type replaceable tip manufactured by the above method is attached to a holder with a tool diameter of 32 mm, and aluminum die-casting (A390) end milling is performed according to the conditions in Table 6, and the surface of the work is cut The cutting length and the state of the cutting edge until the roughness was deviated were evaluated.
[0081]
[Table 6]
Figure 0003719708
[0082]
As a result, among the conventional surface-coated cutting end mills, the CVD hydrogenated amorphous carbon film (Comparative product 1) has a cutting length of 10 m and is a metal nitride film formed by the PVD method (Comparative products 6 and 7). Since the cutting lengths were 3m and 4m, respectively, and were out of the standard of surface roughness, the tool life was judged. When the aluminum on which the tip of the surface-coated drill, which had reached the end of its life, was deposited and removed was examined, there was no film already coated and the substrate was exposed.
[0083]
On the other hand, since the end mill of the product 2 of the present invention deviated from the standard of the surface roughness of the work material when 700 m was cut, the tool life was judged.
[0084]
The embodiments disclosed herein are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description of the above embodiments, and is intended to include any modifications and variations within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
[0085]
Although specific examples of the present invention have been described above, the present invention relates to other shapes of rolling tools (drills, end mills, reamers, etc.), cutting edge exchangeable cutting tips used for milling tools and turning tools, cutting tools (cutters) , Knife, slitter, etc.).
[0086]
【The invention's effect】
As described above, according to the coated tool of the present invention, by specifying the composition of the base material and the thickness of the amorphous carbon film, it is possible to maintain wear resistance and obtain excellent welding resistance, The cutting and wear life of the tool can be significantly extended. In addition, this tool has high lubricity on the surface of the tool, so it is difficult for sudden chipping of the cutting edge and adhesion of the work material, and because of its high thermal conductivity, the temperature of the cutting edge is low and dry cutting and high-speed machining are performed. Can be used in harsh cutting environments. In particular, by using an amorphous carbon film containing almost no hydrogen, it is possible to obtain even more excellent wear resistance and welding resistance. Therefore, it is expected to be effectively used for a cutting tool (drill, end mill, reamer, etc.), a cutting edge exchange type cutting tip used for a milling tool or a turning tool, and a cutting tool (cutter, knife, slitter, etc.).
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a film forming apparatus used for forming a film of the inventive tool.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a cutting edge portion of the inventive tool.
FIG. 3 is a Raman spectrum of the amorphous carbon coating film of the present invention.
FIG. 4 is a Raman spectrum of a conventional amorphous carbon coating film.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Film-forming apparatus 2, 3 Target 4 Base material holder 5 Drill 6 Substrate heater 7, 8 Arc power supply 9 Bias power supply
10 Supply port
11 Exhaust port
20 Amorphous carbon
21 Macro particles
22 Graphite particles
23 Tool edge

Claims (22)

立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化珪素焼結体、及び酸化アルミニウムと炭化チタンとの焼結体から選ばれた1種類からなる基材と、この基材上の少なくとも刃先を被覆する非晶質カーボン膜とを具える非晶質カーボン被覆工具であって、
前記非晶質カーボン膜は物理的蒸着法により形成され、
この非晶質カーボン膜中における水素量が5原子%以下であり、
この非晶質カーボン膜の刃先における最大厚みが0.05μm以上0.5μm以下で
前記非晶質カーボン膜表面に存在するマクロパーティクルの密度が 3 × 10 5 /mm 2 以下であることを特徴とする非晶質カーボン被覆工具。
A substrate made of one type selected from a cubic boron nitride sintered body, a diamond sintered body, a silicon nitride sintered body, and a sintered body of aluminum oxide and titanium carbide, and at least the cutting edge on the substrate An amorphous carbon coating tool comprising an amorphous carbon film for coating,
The amorphous carbon film is formed by physical vapor deposition,
The amount of hydrogen in the amorphous carbon film is 5 atomic% or less,
The maximum thickness at the cutting edge of this amorphous carbon film is 0.05 μm or more and 0.5 μm or less ,
Amorphous carbon coated tool, wherein the density of the macro particles present in the amorphous carbon film surface is 3 × 10 5 cells / mm 2 or less.
立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化珪素焼結体、及び酸化アルミニウムと炭化チタンとの焼結体から選ばれた1種類からなる基材と、この基材上の少なくとも刃先を被覆する非晶質カーボン膜とを具える非晶質カーボン被覆工具であって、
前記非晶質カーボン膜はグラファイトを原料とした実質的に水素を含まない雰囲気下の物理的蒸着法により形成され、
この非晶質カーボン膜の刃先における最大厚みが0.05μm以上0.5μm以下で
前記非晶質カーボン膜表面に存在するマクロパーティクルの密度が 3 × 10 5 /mm 2 以下であることを特徴とする非晶質カーボン被覆工具。
A substrate made of one type selected from a cubic boron nitride sintered body, a diamond sintered body, a silicon nitride sintered body, and a sintered body of aluminum oxide and titanium carbide, and at least the cutting edge on the substrate An amorphous carbon coating tool comprising an amorphous carbon film for coating,
The amorphous carbon film is formed by physical vapor deposition under an atmosphere substantially free of hydrogen using graphite as a raw material,
The maximum thickness at the cutting edge of this amorphous carbon film is 0.05 μm or more and 0.5 μm or less ,
Amorphous carbon coated tool, wherein the density of the macro particles present in the amorphous carbon film surface is 3 × 10 5 cells / mm 2 or less.
前記非晶質カーボン膜は実質的に炭素のみから形成されたことを特徴とする請求項1または2に記載の非晶質カーボン被覆工具。  3. The amorphous carbon-coated tool according to claim 1, wherein the amorphous carbon film is formed substantially only from carbon. 前記非晶質カーボン膜の切削に関与する刃先部での最大厚みが0.05μm以上0.25μm以下であることを特徴とする請求項1 3のいずれかに記載の非晶質カーボン被覆工具。Amorphous carbon coated tool according to any one of claims 1 to 3, the maximum thickness at the cutting edge portion involved in cutting of the amorphous carbon film is characterized in that at 0.05μm or 0.25μm or less. 前記非晶質カーボン膜の表面粗さRaが0.002μm以上0.05μm以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の非晶質カーボン被覆工具。Amorphous carbon coated tool according to any one of claims 1 to 4, the surface roughness Ra of said amorphous carbon film is characterized in that at 0.05μm or less than 0.002 .mu.m. 前記非晶質カーボン膜の表面粗さRyが0.02μm以上0.5μm以下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の非晶質カーボン被覆工具。Amorphous carbon coated tool according to any one of claims 1 to 5, the surface roughness Ry of said amorphous carbon film is characterized in that at 0.5μm or less than 0.02 [mu] m. 前記非晶質カーボン膜のヌープ硬度が20GPa以上50GPa以下であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の非晶質カーボン被覆工具。Amorphous carbon coated tool according to any one of claims 1 to 6, Knoop hardness of the amorphous carbon film is equal to or less than 50GPa least 20 GPa. 514.5nmの波長を持つアルゴンイオンレーザーを用いたラマン分光分析により得られるラマンスペクトルにおいて、波数400cm 1以上1000cm 1以下にピークを有することを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の非晶質カーボン被覆工具。The Raman spectrum obtained by Raman spectroscopic analysis using an argon ion laser having a wavelength of 514.5 nm has a peak at a wave number of 400 cm - 1 or more and 1000 cm - 1 or less, according to any one of claims 1 to 7 , Amorphous carbon coated tool. 波数400cm 1以上1000cm 1以下に存在するピークの強度(I700)と1340cm 1付近に存在するピークの強度(I1340)との強度比(I700/I1340)が0.02以上2.5以下であることを特徴とする請求項8に記載の非晶質カーボン被覆工具。The intensity of the peaks present in the vicinity of 1 (I1340) and the intensity ratio of the (I700 / I1340) is 0.02 to 2.5 - wavenumber 400 cm - 1 or 1000 cm - 1 peak intensity (I700) present below the 1340cm 9. The amorphous carbon-coated tool according to claim 8 , wherein 波数400cm 1以上1000cm−1以下に存在するピークの積分強度(S700)と1340cm 1付近に存在するピークの積分強度(S1340)との強度比(S700/S1340)が0.01以上2.5以下であることを特徴とする請求項8 9のいずれかに記載の非晶質カーボン被覆工具。Wavenumber 400 cm - 1 or 1000 cm -1 integrated intensity of peaks present below (S700) and 1340 cm - 1 present near the integrated intensity of the peaks (S1340) and the intensity ratio of (S700 / S1340) is 0.01 to 2.5 The amorphous carbon-coated tool according to any one of claims 8 to 9 , wherein 1560cm 1付近に存在するピークの強度(I1560)と1340cm 1付近に存在するピークの強度(I1340)との強度比(I1340/I1560)が0.1以上1.2以下であることを特徴とする請求項8 10のいずれかに記載の非晶質カーボン被覆工具。1560 cm - claims 1 intensities of peaks present in the vicinity (I1340) and the intensity ratio of the (I1340 / I1560) is characterized in that 0.1 to 1.2 - 1 exists near the intensity of peak (I1560) and 1340cm The amorphous carbon-coated tool according to any one of 8 to 10 . 1560cm 1付近に存在するピークの積分強度(S1560)と1340cm 1付近に存在するピークの積分強度(S1340)との強度比(S1340/S1560)が0.3以上3以下であることを特徴とする請求項8 11のいずれかに記載の非晶質カーボン被覆工具。1560 cm - 1 present near the integrated intensity of the peaks (S1560) and 1340 cm - the integrated intensity of the peaks present in the vicinity of 1 (S1340) and the intensity ratio of (S1340 / S1560) is characterized in that 0.3 to 3 The amorphous carbon-coated tool according to any one of claims 8 to 11 . 1560cm 1付近に存在するピークが1560cm 1以上1580cm 1以下に存在することを特徴とする請求項8 12のいずれかに記載の非晶質カーボン被覆工具。The amorphous carbon-coated tool according to any one of claims 8 to 12 , wherein a peak existing in the vicinity of 1560 cm - 1 is present at 1560 cm - 1 or more and 1580 cm - 1 or less. 前記非晶質カーボン膜が可視光域において透明で、干渉色を示すことを特徴とする請求項1〜13のいずれかに記載の非晶質力一ボン被覆工具。The amorphous carbon film is transparent in the visible light range, amorphous force one carbon coated tool according to any one of claims 1 to 13, characterized in that indicating an interference color. 前記非晶質カーボン膜が赤紫、紫、青紫、青、銀、黄、赤、緑の中から選ばれた1つ以上の干渉色を示すことを特徴とする請求項14に記載の非晶質カーボン被覆工具。The amorphous carbon film according to claim 14 , wherein the amorphous carbon film exhibits one or more interference colors selected from among magenta, purple, violet, blue, silver, yellow, red, and green. Quality carbon coated tool. 前記基材と非晶質カーボン膜との間に界面層を具え、
この界面層は、周期律表IVa、Va、VIa、IIIb族元素およびC以外のIVb族元素の元素よりなる群から選択される少なくとも1種以上の元素、またはこれら元素群から選択される少なくとも1種以上の元素の炭化物からなり、
界面層の厚さが0.5nm以上10nm未満であることを特徴とする請求項1〜15のいずれかに記載の非晶質カーボン被覆工具。
Comprising an interface layer between the substrate and the amorphous carbon film;
This interfacial layer is at least one element selected from the group consisting of elements of Group IVa, Va, VIa, Group IIIb and elements of Group IVb other than C, or at least one selected from these elements Consisting of carbides of more than seed elements,
16. The amorphous carbon-coated tool according to claim 1, wherein the thickness of the interface layer is 0.5 nm or more and less than 10 nm.
前記界面層がTi、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、WおよびSiよりなる元素群から選ばれた少なくとも1種以上の元素、またはこの元素群から選ばれた少なくとも1種以上の元素の炭化物であることを特徴とする請求項16に記載の非晶質カーボン被覆工具。The interface layer is at least one element selected from the element group consisting of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W and Si, or at least one element selected from this element group 17. The amorphous carbon-coated tool according to claim 16 , wherein the amorphous carbon-coated tool is a carbide of the element. 前記界面層と非晶質カーボン膜との間に、各被膜の組成が混合した混合組成層または組成が連続的に変化した傾斜組成層が介在することを特徴とする請求項16 または 17に記載の非晶質カーボン工具。Between the interfacial layer and the amorphous carbon film, according to claim 16 or 17 gradient composition layer mixed composition layer or composition composition of each coating were mixed is continuously changed, characterized in that the intervening Amorphous carbon tool. 前記非晶質カーボン工具は、軟質金属材料、非鉄金属材料、有機材料、硬質粒子を含有する材料、プリント回路基板、または鉄系材料と軟質金属材料との共削り加工をするための工具であることを特徴とする請求項1〜18のいずれかに記載の非晶質カーボン被覆工具。The amorphous carbon tool is a tool for co-machining a soft metal material, a non-ferrous metal material, an organic material, a material containing hard particles, a printed circuit board, or a ferrous material and a soft metal material. The amorphous carbon-coated tool according to any one of claims 1 to 18 , wherein 前記非晶質カーボン工具は、ドリル、マイクロドリル、エンドミル、エンドミル加工用刃先交換型チップ、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯きり工具、リーマおよびタップからなる群より選択される1種であることを特徴とする請求項1〜19のいずれかに記載の非晶質カーボン被覆工具。The amorphous carbon tool is a group consisting of a drill, a micro drill, an end mill, a tip replacement type tip for end milling, a tip replacement type tip for milling, a tip replacement type tip for turning, a metal saw, a toothing tool, a reamer, and a tap. The amorphous carbon-coated tool according to any one of claims 1 to 19 , wherein the tool is one selected from the above. 立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化珪素焼結体、及び酸化アルミニウムと炭化チタンとの焼結体から選ばれた1種類からなる基材を真空容器内に保持する工程と、
前記基材にゼロまたは負の直流バイアスを印加すると共に、実質的に水素を含まない雰囲気下で原料となるグラファイトを蒸発させて非晶質カーボン膜を形成する工程とを具え、
刃先における非晶質カーボン膜の最大厚みを0.05〜0.5μmにし、同カーボン膜表面に存在するマクロパーティクルの密度が 3 × 10 5 /mm 2 以下に制御することを特徴とする非晶質カーボン被覆工具の製造方法。
Holding a base material made of one type selected from a cubic boron nitride sintered body, a diamond sintered body, a silicon nitride sintered body, and a sintered body of aluminum oxide and titanium carbide in a vacuum vessel; ,
Applying a zero or negative DC bias to the substrate and evaporating graphite as a raw material in an atmosphere substantially free of hydrogen to form an amorphous carbon film,
Amorphous, characterized in that the maximum thickness of the amorphous carbon film at the cutting edge in the 0.05 to 0.5 [mu] m, the density of the macro particles present in the carbon film surface is controlled to be 3 × 10 5 cells / mm 2 or less A method for producing a carbon-coated tool.
前記非晶質カーボン膜を形成する工程は、陰極アークイオンプレーティングにより行われることを特徴とする請求項21に記載の非晶質カーボン被覆工具の製造方法。 22. The method for producing an amorphous carbon-coated tool according to claim 21 , wherein the step of forming the amorphous carbon film is performed by cathodic arc ion plating.
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