JP4780734B2 - Dlc被覆工具 - Google Patents
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Description
しかし、切削工具の切刃部分に被削材が凝着して切削抵抗が大きくなり、刃先が破損するといった問題が生じる。これは他の被削材に比べ、上記被削材の場合には、工具表面への凝着が発生し易く、凝着による切刃のチッピングや加工精度の低下が著しいことによるものと考えられる。
DLC膜は、sp2(グラファイト構造)成分とsp3(ダイヤモンド構造)成分との比率と、水素(H)含有であるかどうかにより、sp2成分を多く含むa−C((amorphous Carbon;アモルファスカーボン)、sp3成分を多く含むta−C(tetrahederal amorphous Carbon;テトラヘドラルアモルファスカーボン)、それぞれにHを含んだa−C:Hやta−Cの4種類に分類される。これらのうち、a−C:Hは、従来のDLCとして、金型や切削工具の硬質保護皮膜としてすでに実用化されている。なお、DLCはi−C(iカーボン)と呼ばれることもある。
しかし、これらの方法では、原料ガスに含まれる水素が膜中に混入し、炭素原子間の結合の終端となるため、硬さが低下する。
一方、特許文献2に、はナノインデンテーション法による圧痕の回復率が0.9以下、密度が3.0g/cm3以下、膜厚が0.18μm以下でないと刃先の欠損やチッピングが生じるとの記載がある。
これらのアルミニウム合金材料は、例えば自動車の軽量化を目的として、エンジンブロックを始めとする各部への採用が増加している。さらに、これらの材料を繊維材料等と複合化した材料についても、一部採用が始まっている。
すなわち、図1は、波長632.8nmのHe−Neレーザを用いて、T字状フィルタードアーク蒸着法によるDLC膜のラマンスペクトル(ラマンシフト)の一例を示すものである。なお、波長532nmの半導体グリーンレーザを用いた場合も、同様な結果を得ている。
さらに、DバンドとGバンドの面積強度比(Sd/Sg)が0.8以下であると、グラファイトとその微結晶状態が少なく、かつSバンドとDバンドとのピーク強度比(Is/Id)及び面積強度比(Ss/Sd)がいずれも0.15以下であると、当該DLC膜が極めて高硬度となり、優れた耐摩耗性を持つ工具用被膜となる。
また、凹部の個数については、単位面積当たりの直径0.1μm以上の個数Nh(個/mm2)の膜厚t(mm)に対する比Nh/tを1.0×108(個/mm3)以下に抑える必要がある。この比Nh/tが上記値を超えると、膜の横方向の弾性変形に対する抗力が不足し、膜の割れによる剥離の原因となる。膜の一部が剥離すると、そこに被加工材が凝着・溶着し、つまり、工具にピッチングが生じることになり、工具の摩耗・破損に繋がるため好ましくない。なお、凸凹数や凹凸の占有面積は低ければ低いほど望ましい。
そして、この程度であれば、保護膜としての密度や硬さ、耐熱性、耐摩耗性、耐凝着性などへの実質的な影響がないことから、具体的な水素含有量としては5原子%以下を意味する。なお、水素含有量が少ない方が基材との密着性がよく、0原子%により近い方がより優れた特性となり、より望ましいDLC膜であることは言うまでもない。
グロー放電発光分析法は、Arグロー放電領域内で被膜を高周波スパッタリングし、そのスパッタリングされた原子からの放射を分光分析することにより、被膜の深さ方向の元素分析を行う手法である。この方法では、定量的に水素を測定することは難しいが、膜の深さ方向の相対的な変化を知ることができる。
一般に、真空アーク放電では、陰極点から陰極材料イオン、電子、陰極材料中性粒子(原子及び分子)といった真空アークプラズマ構成粒子が放出されると同時に、サブミクロンから最大数百ミクロンの大きさのドロップレットが放出され、このようなドロップレットが基材表面に付着すると、基材表面に形成されるDLC膜の均一性や平坦性が大きく損なわれることになる。
なお、本発明において「異物粒子」とは、主にドロップレットを意味するが、これ以外にもハンドリング中にゴミなどが付着することがないとは言えず、これらのゴミ粒子をも含めて「異物粒子」と称するものとする。
単に平滑にするだけなら、成膜後に研磨することでドロップレットが抜けて、平滑度を上げることはできるが、ドロップレットが抜けた穴が残ってしまう。この凹も被削材の凝着が生じる原因となる他、剥離の原因となりやすく、また、摩擦係数も上がるため、これも極力少ない事が望ましい。
少なくとも3,000倍以上の倍率で、試料表面を鉛直から10±5度で傾けた方向から写真撮影を行い、画像処理等でドロップレットの占有面積比を求めると、凸凹の評価と面積を少ない誤差で評価することができる。
これらFE−SEM像から、T字状フィルタードアーク蒸着装置(T−FAD)によるDLC膜の表面(図2(a))が従来の真空アーク蒸着装置(NFA)や従来タイプのフィルタードアーク蒸着装置(従来FAD)による表面(図2(b)及び(c))と較べて平滑性が高いことが分かる。特に真空アーク蒸着装置によるDLCの表面(図2(b))には、黒丸で示した凸部以外に白丸で示した凹部が存在していることと共に、従来タイプのフィルタードアーク蒸着装置による表面(図2(c))には、粒子状の異物が極めて多数存在していることが分かる。
更にまた、フィルタードアーク蒸着法において、ドロップレットの発生を極力抑え、ドロップレットに起因する凹凸数を少なくする観点から、プラズマ磁気輸送ダクト内にバッフルやオリフィス板を設ける、陽極形状を変更してドロップレットの反射方向が回収ダクトに向かうようにするなどの装置上の工夫、プロセスチャンバ内へ進入したプラズマを電磁界によって屈曲させ、プラズマの進入軸とオフセットした位置で成膜するなどのプラズマ制御による工夫、あるいは、アーク電流の大きさや波形を勘案しドロップレットの発生自体を抑制するような成膜条件を採用することが重要である。
一般に、ダイヤモンドの密度は3.52g/cm3であり、従来の水素フリーDLCでは密度が3.0g/cm3以上になると、硬度が高くなり、内部に残留する圧縮応力が高くなって基材との密着性が損なわれ、皮膜が剥離しやすくなると考えられていた。また、界面の応力は膜厚に比例するため、膜厚が厚くなっていく場合も同じ理由で剥離しやすくなる。
ただし、当該DLC膜の密度が3.4g/cm3を超えると、ダイヤモンド結晶化し始め、結晶化することによって表面粗さが大きくなり、摩擦係数も増加するため好ましくない。このようなDLC膜の密度は、例えばX線反射率測定法(XRR)により求めることができる。
ナノインデンテーション法は、硬さ試験の一種であって、圧子の押し込み駆動部に変位計を設置し、押し込み深さを連続的に測定し、硬さやヤング率を求める方法であり、荷重範囲が0.1mN〜1N程度と極めて低加重で、100nm以下の押し込み深さでも正確に測定できる特徴を持つ手法である。本発明におけるDLC膜のように、1μm以下の膜厚で、しかも高い弾性率を示す膜の場合、塑性変形後の硬さしか評価できないマイクロビッカース硬度計やヌープ硬度計では正確な評価ができない。
さらに、従来の水素フリーDLCでは、これらの性質をもちつつ実用的な密着性を得ることは困難であったのに対し、T−FAD法によるDLCにおいては、十分な密着力が得られている。
また、測定には、ENT−1100型ナノインデンター装置を使用し、試験荷重:9.8mN、負荷ステップ:0.98mN、負荷除去速度:0.98μN/msec、測定数:10点の条件を採用した。
なお、前述の特許文献2には膜厚が薄い方が好ましく、0.18μm以上の膜厚では刃先の欠損やチッピング等が生じ易いとの記載があるが、後述する実施例に示すように、上記DLC膜を切削用チップに被覆しアルミニウム合金を切削した場合には、膜厚が0.2μm以上の方がむしろ優れた切削性能を示し、特に、Siを添加した比較的高硬度なアルミニウム合金の切削において、その傾向は顕著になることが確認されたが、この理由は未だ明確になっていない。
この値を超えて反りが大きい場合、チッピング等の欠陥を生じてしまい、この値に満たない場合、十分な膜の強度が得られず、耐摩耗性に問題を生じる。
なお、上記領域は、DLC膜の内部応力に換算すると、6GPa以上14GPa以下ということになる。
これをもとに、実際の被覆工具の刃先等の平面部位を数mm2程切り出して、X線応力測定を行うことにより、実際の工具の膜の応力を調べることができる。
ただし、測定したのは基材中WCのピークであって、超微粒子超硬基材が含むCoバインダーの部位は含まれない。また、基材の応力は膜の全応力に対して比例し、これより膜厚に比例して大きくなると考えられる。超硬基材の場合、バインダーとなる比較的柔らかいCoが基材中に含まれることなどから、WCの結晶に掛かる応力は膜中より下がるものの、基本的に比例すると考えられる。なお、鉄系基材であっても同様の手法により、内部応力を推定できる。
本発明におけるDLC膜の超硬基材のWC粒子に加わる応力をy(GPa)、膜厚をx(μm)とした場合、y/xが0.2以上2.0以下であることが望ましい。上記値に満たない場合、十分な膜の応力が得られてなく、膜強度が不十分であり、上記値を超える場合には、基材自身の靭性が不足し、基材内からチッピング等の欠陥を生じることがあるため望ましくない。
すなわち、図5は、WC平均粒度が0.8μm、Co含有量が10重量%、Cr含有量が0.3重量%、残WCから成る鏡面加工を施した超硬試験片を基材として、この上にT字状フィルタードアーク蒸着法(T−FAD)とプラズマCVD法(PECVD)とによってDLCを被覆したのち、大気中で、200℃から100℃ずつ600℃までの各温度でそれぞれ1時間保持し、加熱後室温にもどしてから各膜の表面形状を測定した結果をノンコートの場合と比較して示すものである。
工具用被膜は、切削工具に適用した場合、特にドライでの切削において、その刃先の温度上昇に耐えうることが極めて重要になる。アルミ合金の場合、通常600℃程度で溶解が始まるといわれており、刃先は局所的にこの温度まで上昇していると考えられる。したがって600℃の温度にも耐えるDLC膜を備えた工具は、無潤滑(ドライ)でのアルミニウム合金の切削工具として極めて有効である。
プラズモン励起スペクトルは、電子エネルギー損失分光法(EELS:Electron Energy−Loss Spectroscopy)で計測できる。EELSとは、数百eVのエネルギーの電子を試料表面に入射すると、入射電子は固体の電子密度や原子の並びによって非弾性散乱し、エネルギーを損失するため、その電子エネルギーの損失を分光する方法である。EELSで計測されるスペクトルをEELSスペクトルと言い、10〜50eVの範囲に現れる自由電子の集団振動に起因するプラズモン励起によるスペクトルをプラズモン励起スペクトルと呼ぶ。プラズモン励起スペクトルのピーク位置は、電子密度の平方根に比例するため、ピーク位置が高いということは、電子密度が高く、引いては、原子密度が高いことを示す。
上記下限値に満たない場合には密度が低く、十分な硬さが得られず、上限値を超えるとダイヤモンド結晶の領域となり、ダイヤモンド結晶では平滑な表面が得られず、また摩擦抵抗も高くなってしまう。
本発明に適用されるDLC膜は、ダイヤモンドに次ぐ高い弾性率を示すため、従来、困難であった高い靭性を持つコバルト量の多い超々微粒子超硬基材にも適用することができる。このようなDLC膜が剥離することなく、安定した密着性を示す基材のコバルト含有量としては、0〜25質量%、より好ましくは5〜15%である。また、WC平均粒度は1.5μm以下が好適である。なお、本発明の工具に用いられる基材は、超硬合金に限らず、鉄基合金の一種である、JIS G4403に規定されている高速度鋼や、炭素工具鋼(JIS G 4401)、合金工具鋼(JIS G4404)などの他、サーメット材、cBN含有焼結体への被覆も可能である。
上記DLC膜と基材との間に、0.1〜500nmの厚さを有する金属膜、非金属固体膜、窒化物膜、窒化水素化物膜、酸化物膜、酸化水素化物膜、酸化炭化物膜、酸化炭化水素化物膜、窒化酸化物膜、窒化酸化水素化物膜、窒化炭化物膜、窒化炭化水素化物膜、窒化酸化炭化物膜及び窒化酸化炭化水素化物膜から成る群より選ばれた少なくとも1種から成る中間層を備えていることが望ましく、さらに、上記中間層とDLC膜との間に、それぞれの被膜組成を混合した化学組成または連続的に変化した化学組成の被膜を介在させ、さらに強固な密着力得ることとが、一層望ましい。
このような混合化学組成層は、直接確認することは難しいが、例えばXPS(X−ray photo−electronic Spectroscopy)やAES(Auger Electron Spectroscopy)などによる膜の深さ方向のプロファイルの結果から十分推定することができる。
例えば、WC基超硬合金から成るチップ用基材(住友電工ハードメタル製チップ、型番:APET160508PDFR−S、チップ材質:H1)に上記のようなDLC被覆を施した本発明のチップとボディー(住友電工製 エンドミル、型番:WEM3025)を用いた場合、表1に示した基材工具の製作メーカが指定する推奨切削条件内での切削時に得られる切り屑カール半径が、DLC被覆未処理の同チップによる切り屑カール半径の0.7倍以下であれば、アルミの刃先への凝着が生じにくいことが分かった。
本発明のDLC被覆工具では、従来は困難であったSiを添加したAC4AやADC12といったアルミニウム合金に対しても、高い切り屑の排出性を持ち、上記条件工具を用いて得られる切り屑カール半径が、DLC被覆未処理の工具による切り屑カール半径の0.7倍以下であることが望ましい。
なお、切削抵抗は、例えば圧電式切削動力計(キスラー)によって測定することができる。また、「切削初期」とは、具体的には、切削開始から切削長0.1m以内のことを意味するものとする。
一方、上記基材上に、ドロップレットフィルターなしの従来の真空アーク蒸着装置(NFA、従来タイプのフィルタードアーク蒸着装置(従来FAD)、及びプラズマCVD装置(PECVD)により、それぞれDLC膜を成膜し、比較例に相当する試料5〜9を作製した。なお、試料9については、DLC膜を形成することなく、基材のままのスローアウェイチップとした。
そして、3種のアルミニウム合金の切削試験を表1に示す条件で実施し、7m切削後の切り屑を採取し、そのカール径を図6に示した要領によって測定する共に、刃先への凝着幅、及び切削抵抗をキスラーにより測定した。
また、切削試験による切り屑の代表例として、試料3、試料5及びDLC未被覆の試料9のチップを用いたアルミニウム合金ADC12の切り屑の外観を図7(a)(b)及び(c)にそれぞれ示す。
アルミ合金の切削において、摩擦係数は凝着のしやすさに比例すると示唆され、7m切削後の凝着幅も概ね、カール半径、切削抵抗に比例して少なくなっている。
Claims (9)
- 基材上に実質的に水素を含まないDLC膜を形成して成るDLC被覆工具であって、上記DLC膜が、波長632.8nmのレーザを用いたラマン分光スペクトルにおいて、1000〜1200cm−1の間にピークを有する特性バンドとしてSバンドを持ち、DバンドとGバンドの面積強度をそれぞれSd、Sgとするとき、これらの比Sd/Sgが0.8以下であり、SバンドとDバンドのピーク強度をそれぞれIs、Id、面積強度をそれぞれSs、Sdとするとき、これらピーク強度比Is/Id及び面積強度比Ss/Sdがいずれも0.15以上であると共に、上記DLC膜表面における異物粒子の付着及び/又は脱離に起因する凸凹のうち、直径0.1μm以上の凸部の個数Np(個/mm2)の膜厚t(mm)に対する比Np/tが1.5×108(個/mm3)以下、直径0.1μm以上の凹部の個数Nh(個/mm2)の膜厚t(mm)に対する比Nh/tが1.0×108(個/mm3)以下であることを特徴とするDLC被覆工具。
- 上記DLC膜の密度が3.0〜3.4g/cm3、ナノインデンテーション硬さが60〜100GPaであることを特徴とするDLC被覆工具。
- 上記DLC膜の膜厚が10nm〜1μmであることを特徴とする請求項1又は2に記載のDLC被覆工具。
- 上記DLC膜が圧縮応力を有し、その内部応力が6〜14GPaであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つの項に記載のDLC被覆工具。
- 600℃大気中で、1時間保持した後のDLC膜の算術平均粗さRaの変化量が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1つの項に記載のDLC被覆工具。
- 上記DLC膜のプラズモンロススペクトルのピークエネルギーが29〜33eVであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つの項に記載のDLC被覆工具。
- 上記基材が超硬合金であって、DLC膜を被覆したことによって超硬合金基材のWC粒子に加わる応力y(GPa)の膜厚x(μm)に対する比y/xが0.2〜2.0の範囲であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つの項に記載のDLC被覆工具。
- 上記基材とDLC膜との間に、0.1〜500nmの厚さを有する金属膜、非金属固体膜、窒化物膜、窒化水素化物膜、酸化物膜、酸化水素化物膜、酸化炭化物膜、酸化炭化水素化物膜、窒化酸化物膜、窒化酸化水素化物膜、窒化炭化物膜、窒化炭化水素化物膜、窒化酸化炭化物膜及び窒化酸化炭化水素化膜から成る群より選ばれた少なくとも1種から成る中間層を備えていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つの項に記載のDLC被覆工具。
- 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、旋削用刃先交換チップ、メタルソー、歯きり工具、リーマ、タップ、成型加工用パンチ又はダイであることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1つの項に記載のDLC被覆工具。
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