JP5488878B2 - Hard carbon film coated cutting tool - Google Patents

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Description

本発明は、硬質炭素膜被覆切削工具に関し、特に、炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体と、この表面に被覆形成される硬質炭素膜との付着強度が高く、さらに、硬質炭素膜が、優れた潤滑性、摺動性、耐溶着性を備えることによって、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮する硬質炭素膜被覆切削工具に関するものである。   The present invention relates to a hard carbon film-coated cutting tool, in particular, a high adhesion strength between a tool substrate made of a tungsten carbide base cemented carbide and a hard carbon film formed on the surface of the tool base. The present invention relates to a hard carbon film-coated cutting tool that exhibits excellent wear resistance over a long period of use by having excellent lubricity, slidability, and welding resistance.

従来、炭化タングステン(以下、WCで示す)基超硬合金からなる工具基体に、硬質炭素膜を被覆した硬質炭素膜被覆工具が知られており、
例えば、特許文献1によれば、工具基体表面に、自形面を持つ多結晶ダイヤモンドないしはダイヤモンド状炭素膜を最内層として形成し、外層としてアモルファス状硬質炭素膜を被覆し表面を平滑化することにより、Al合金等の切削加工において、耐溶着性、耐剥離性を向上させた硬質炭素膜被覆工具が知られている。
また、特許文献2によれば、工具基体表面に、非ダイヤモンド炭素含有量の少ないダイヤモンド層5と、混合層6とを交互に積層形成することにより、ダイヤモンドのエピタキシャル成長を抑制し、Al合金等の切削加工において、ダイヤモンド膜の靭性、耐欠損性、耐摩耗性をさせた硬質炭素膜被覆工具が知られている。
Conventionally, a hard carbon film-coated tool in which a hard carbon film is coated on a tool base made of a tungsten carbide (hereinafter referred to as WC) base cemented carbide is known.
For example, according to Patent Document 1, a polycrystalline diamond or diamond-like carbon film having a self-shaped surface is formed as an innermost layer on the surface of a tool base, and an amorphous hard carbon film is coated as an outer layer to smooth the surface. Thus, a hard carbon film-coated tool having improved welding resistance and peel resistance in cutting of an Al alloy or the like is known.
According to Patent Document 2, diamond layers 5 having a small non-diamond carbon content and mixed layers 6 are alternately laminated on the surface of the tool base, thereby suppressing the epitaxial growth of diamond, such as an Al alloy or the like. A hard carbon film-coated tool in which the toughness, fracture resistance, and wear resistance of a diamond film in cutting is known.

特公平6−23431号公報Japanese Patent Publication No. 6-23431 特開平6−297207号公報JP-A-6-297207

近年の切削加工装置のFA化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴って、切削条件はますます厳しいものとなってきている。上記の従来の硬質炭素膜被覆工具は、これを通常条件での切削加工に用いた場合には特段の問題は生じないが、これを、一般の金属材料に比して、比強度、比剛性にすぐれるCFRPの切削加工、軟質で溶着性の高いAl合金等の切削加工に用いた場合には、工具基体と硬質炭素膜間の付着強度が満足できるものではないため、硬質炭素膜の欠損、剥離が生じ易く、さらに、CFRPは炭素繊維とエポキシ系樹脂の複合材であるため工具摩耗が激しく、また、Al合金等は、切削時の潤滑性が不足するため、切刃への溶着を生じやすく、工具寿命が短命となるという問題点があった。   In recent years, the FA of cutting devices has been remarkably improved. On the other hand, there is a strong demand for labor saving and energy saving and further cost reduction for cutting processing, and accordingly, cutting conditions have become increasingly severe. The above-mentioned conventional hard carbon film-coated tool does not cause any special problems when used for cutting under normal conditions, but it has specific strength and specific rigidity compared to general metal materials. When used for cutting CFRP, which is excellent in cutting, and soft and highly weldable Al alloys, etc., the adhesion strength between the tool base and the hard carbon film is not satisfactory. In addition, CFRP is a composite material of carbon fiber and epoxy resin, so tool wear is severe. Also, Al alloys and the like have insufficient lubricity at the time of cutting, so they are welded to the cutting edge. There was a problem that it was easy to occur and the tool life was shortened.

そこで、本発明者は、上述のような観点から、特に難削材であるCFRPあるいは溶着性の高いAl合金等の切削加工において、工具基体との付着強度に優れるばかりか、潤滑性、摺動性、耐溶着性をも備え、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮する硬質炭素膜被覆工具を開発すべく鋭意研究を行った結果、硬質炭素膜の積層構造について、以下の知見を得た。   In view of the above, the present inventor has not only excellent adhesion strength to the tool base, but also lubricity, sliding, in cutting of difficult-to-cut materials such as CFRP or highly weldable Al alloy. As a result of earnest research to develop a hard carbon film coated tool that has excellent wear resistance and long-term use, the following knowledge about the laminated structure of hard carbon film Got.

図1は、本発明の硬質炭素膜被覆工具の側断面の概略図を示す。
積層構造からなる硬質炭素膜の第1層として、WC基超硬合金で構成された工具基体表面に平均粒径0.1μm以下、膜厚0.5〜6μmの微粒ダイヤ層を形成する。
硬質炭素膜の第1層に前記微粒ダイヤ層を採用することで、硬質炭素膜成膜時に生じるWC基超硬合金と硬質炭素膜との熱膨張差を低減させる。それにより、WC基超硬合金界面での硬質炭素膜剥離を最小限に抑えることを目的としている。
純粋なダイヤモンドの熱膨張率は非常に低く、100〜1000℃において1.1(×10−6/K)である。しかし、これにグラファイト成分等、非ダイヤモンド成分が混入することにより、その熱膨張率は徐々に高くなっていく。
図3に波長512nmのArレーザーを用いたラマン分光分析結果を示す。
本微粒ダイヤ成膜法では、図3(a)のラマン分光分析結果が示すように、微粒ダイヤが生成していることを示す1140(cm−1)のピークと、欠陥が多い結晶であることを示す1350(cm−1)のピークが検出されている。1350(cm−1)のピークは欠陥由来であるため結晶性の低いアモルファスカーボンやナノ粒子が存在していることを示している。
このように本微粒ダイヤ膜はその結晶粒界に非ダイヤモンド成分を含む膜であり、純粋なダイヤモンドに比べ熱膨張率が高くなることを示している。
これにより、WC基超硬合金基体と硬質炭素膜との熱膨張差が小さくなり、熱膨張差に由来するWC基超硬合金と硬質炭素膜との剥離を低減させることが可能となる。
FIG. 1 shows a schematic diagram of a side cross section of a hard carbon film coated tool of the present invention.
As a first layer of a hard carbon film having a laminated structure, a fine diamond layer having an average particle size of 0.1 μm or less and a film thickness of 0.5 to 6 μm is formed on the surface of a tool base made of a WC-based cemented carbide.
By adopting the fine diamond layer as the first layer of the hard carbon film, the difference in thermal expansion between the WC-based cemented carbide alloy and the hard carbon film generated during the formation of the hard carbon film is reduced. Thereby, it aims at minimizing hard carbon film peeling at the WC base cemented carbide interface.
Pure diamond has a very low coefficient of thermal expansion, 1.1 (× 10 −6 / K) at 100 to 1000 ° C. However, when a non-diamond component such as a graphite component is mixed in this, the coefficient of thermal expansion gradually increases.
FIG. 3 shows the results of Raman spectroscopic analysis using an Ar laser with a wavelength of 512 nm.
In the present fine diamond film forming method, as shown in the Raman spectroscopic analysis result of FIG. 3A, the peak of 1140 (cm −1 ) indicating that a fine diamond is formed and a crystal having many defects. A peak at 1350 (cm −1 ) is detected. Since the peak at 1350 (cm −1 ) is derived from a defect, it indicates that amorphous carbon or nanoparticles having low crystallinity are present.
As described above, this fine diamond film is a film containing a non-diamond component in its crystal grain boundary, and shows a higher thermal expansion coefficient than that of pure diamond.
Thereby, the difference in thermal expansion between the WC-based cemented carbide substrate and the hard carbon film is reduced, and it is possible to reduce the peeling between the WC-based cemented carbide and the hard carbon film due to the difference in thermal expansion.

結晶性のよいダイヤ膜ほど耐摩耗性に優れるが、自形が発達しているため、被削材との接触面積が減少することになり、かえって耐摩耗性が低下し、さらに仕上げ面精度も劣化することになるので、硬質炭素膜の最表層としては、表面の平滑性、潤滑性に優れたDLC膜を形成することが必要である。
この場合、DLC膜の直下の膜が結晶質ダイヤ膜であると、DLC膜は、直下の結晶質ダイヤ膜の自形の形状をトレースしてしまうので、DLC膜の直下には微粒ダイヤ層を配置することが望ましい。
The diamond film with better crystallinity has better wear resistance, but the self-formation has developed, so the contact area with the work material will be reduced, and on the contrary, the wear resistance will be lowered and the finished surface accuracy will also be improved Since it deteriorates, it is necessary to form a DLC film having excellent surface smoothness and lubricity as the outermost layer of the hard carbon film.
In this case, if the film directly under the DLC film is a crystalline diamond film, the DLC film traces the self-shaped shape of the crystalline diamond film immediately below, so a fine diamond layer is formed directly under the DLC film. It is desirable to arrange.

工具基体の表面直上に微粒ダイヤ層を、また、硬質炭素膜の最表層としてDLC膜を形成するにあたり、硬質炭素膜の厚膜化による工具寿命の延長を狙うと同時に、厚膜化した際に硬質炭素膜中に形成される残留内部応力を軽減するという観点から、硬質炭素膜の積層構造は、図1に示すように、工具基体側から、第1層としての微粒ダイヤ層、第2層としての中粒ダイヤ層、第3層としての結晶質ダイヤ層、第4層(最表層の直下の層)としての微粒ダイヤ層および最表層としてのDLC層を、順次に形成することが望ましい。
このような積層構造にすることにより、硬質炭素膜内に発生する残留内部応力を緩和することができる。
When forming a fine diamond layer directly on the surface of the tool base and a DLC film as the outermost layer of the hard carbon film, aiming to extend the tool life by increasing the thickness of the hard carbon film, From the viewpoint of reducing the residual internal stress formed in the hard carbon film, the laminated structure of the hard carbon film has a fine diamond layer and a second layer as the first layer from the tool base side as shown in FIG. It is desirable to sequentially form a medium diamond layer, a crystalline diamond layer as a third layer, a fine diamond layer as a fourth layer (a layer immediately below the outermost layer), and a DLC layer as the outermost layer.
With such a laminated structure, residual internal stress generated in the hard carbon film can be relaxed.

工具基体とこの上に成膜される硬質炭素膜との付着強度をより一段と高めるためには、基体表面を粗面化することで、工具基体と硬質炭素膜との界面の付着強度を物理的に高めることができるが、この場合、界面に空隙を形成させないためには、硬質炭素膜は微粒ダイヤ層であることが必要である。   In order to further increase the adhesion strength between the tool substrate and the hard carbon film formed on the tool substrate, the adhesion strength at the interface between the tool substrate and the hard carbon film is physically increased by roughening the surface of the substrate. In this case, in order not to form voids at the interface, the hard carbon film needs to be a fine diamond layer.

この発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「(炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体表面に、硬質炭素膜が被覆された硬質炭素膜被覆切削工具において、
硬質炭素膜が、工具基体側から順に、第1層としての微粒ダイヤ層、第2層としての中粒ダイヤ層、第3層としての結晶質ダイヤ層、第4層としての微粒ダイヤ層および最表層としてのDLC層で構成され
上記第1層は、平均粒径0.1μm以下、平均膜厚0.5〜6μmの微粒ダイヤ層、
上記第2層は、柱状成長したダイヤ10〜50%が含有される中粒ダイヤ層、
上記第3層は、柱状成長したダイヤが50〜95%含有される結晶質ダイヤ層、
上記第4層は、平均粒径0.1μm以下、平均膜厚0.1〜5μmの微粒ダイヤ層、
上記最表層は、平均膜厚0.1〜6μmのDLC層で構成されていることを特徴とする質炭素膜被覆切削工具。
) 炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体の表面粗さが、Ra:0.01〜3.0μmであることを特徴とする前記(1)記載の硬質炭素膜被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。
This invention has been made based on the above findings,
“( 1 ) In a hard carbon film-coated cutting tool in which a hard carbon film is coated on the surface of a tool base made of a tungsten carbide base cemented carbide,
In order from the tool substrate side, the hard carbon film has a fine diamond layer as the first layer, a medium diamond layer as the second layer, a crystalline diamond layer as the third layer, a fine diamond layer as the fourth layer, and the outermost layer. It consists of a DLC layer as a surface layer ,
The first layer is a fine diamond layer having an average particle size of 0.1 μm or less and an average film thickness of 0.5 to 6 μm,
The second layer is a medium-diameter diamond layer containing 10 to 50% of diamonds grown in a columnar shape,
The third layer is a crystalline diamond layer containing 50% to 95% of columnar grown diamond,
The fourth layer is a fine diamond layer having an average particle size of 0.1 μm or less and an average film thickness of 0.1 to 5 μm,
The outermost layer, the hard matter carbon film coated cutting tool characterized in that it is composed of DLC layer with an average thickness of 0.1~6Myuemu.
( 2 ) The hard carbon film-coated cutting tool according to (1) , wherein the surface roughness of the tool base made of a tungsten carbide-based cemented carbide is Ra: 0.01 to 3.0 μm. "
It has the characteristics.

つぎに、この発明の硬質炭素膜被覆工具の被覆層について、詳細に説明する。   Next, the coating layer of the hard carbon film-coated tool of the present invention will be described in detail.

本発明の硬質炭素膜のうち、工具基体表面から順に(図1参照)、第1層の微粒ダイヤ層、第2層の中粒ダイヤ層、第3層の結晶質ダイヤ層および第4層の微粒ダイヤ層は、例えば、メタンと水素の混合ガス雰囲気中での熱フィラメントCVD法により成膜することができる。
また、第5層(最表層)のDLC層は、例えば、高周波プラズマCVD法により成膜することができる。
Among the hard carbon films of the present invention, in order from the surface of the tool base (see FIG. 1), the fine diamond layer of the first layer, the medium diamond layer of the second layer, the crystalline diamond layer of the third layer, and the fourth layer The fine diamond layer can be formed by, for example, a hot filament CVD method in a mixed gas atmosphere of methane and hydrogen.
In addition, the fifth (outermost layer) DLC layer can be formed by, for example, a high-frequency plasma CVD method.

微粒ダイヤ層(図1中の第1層):
WC基超硬合金からなる工具基体表面直上に、例えば、以下の条件の熱フィラメントCVD法により、微粒ダイヤ層(第1層)を蒸着形成する。
成膜圧力 : 20〜50 torr、
流量 : 3000sccm、
CH流量 : 130sccm、
フィラメント電圧値 : 180 V、
成膜温度 : 600〜1100 ℃、
上記条件で形成された微粒ダイヤ層(第1層)は、平均粒径0.1μm以下であって、その結晶粒間にはグラファイト成分やアモルファス成分が混入しているため、純粋なダイヤモンドに比してその熱膨張率は大きい(純粋なダイヤモンドの熱膨張率は約1.1×10−6(K))。
そのため、工具基体であるWC基超硬合金との熱膨張差は、純粋なダイヤモンドの場合より小さくなり、成膜後の工具基体−微粒ダイヤ層(第1層)間での残留応力が低減される結果として、工具基体−微粒ダイヤ層(第1層)間での付着強度が向上し、硬質炭素膜の剥離が低減される。
微粒ダイヤ層(第1層)の膜厚が0.5μm未満では、付着強度向上効果が少なく、一方、膜厚が6μmを超えると耐摩耗性に低下傾向がみられるようになることから、微粒ダイヤ層(第1層)の膜厚は、0.5〜6μmと定めた。好ましい膜厚は、1〜3μmである。
なお、本発明でいうダイヤモンド結晶粒の平均粒径とは、各層の膜厚の中心部分における結晶粒径を走査型電子顕微鏡(SEM)にて測定し、その平均値を各層の平均粒径であるとして定義した。
Fine diamond layer (first layer in FIG. 1):
A fine diamond layer (first layer) is formed by vapor deposition on the tool substrate surface made of a WC-based cemented carbide by, for example, hot filament CVD under the following conditions.
Deposition pressure: 20-50 torr,
H 2 flow rate: 3000 sccm,
CH 4 flow rate: 130 sccm,
Filament voltage value: 180 V,
Deposition temperature: 600-1100 ° C.
The fine diamond layer (first layer) formed under the above conditions has an average particle size of 0.1 μm or less, and a graphite component or an amorphous component is mixed between the crystal grains. The coefficient of thermal expansion is large (the coefficient of thermal expansion of pure diamond is about 1.1 × 10 −6 (K)).
Therefore, the thermal expansion difference from the WC-based cemented carbide, which is the tool base, is smaller than that of pure diamond, and the residual stress between the tool base and the fine diamond layer (first layer) after film formation is reduced. As a result, adhesion strength between the tool base and the fine diamond layer (first layer) is improved, and peeling of the hard carbon film is reduced.
If the thickness of the fine diamond layer (first layer) is less than 0.5 μm, the effect of improving the adhesion strength is small. On the other hand, if the thickness exceeds 6 μm, the wear resistance tends to decrease. The film thickness of the diamond layer (first layer) was set to 0.5 to 6 μm. A preferable film thickness is 1 to 3 μm.
In addition, the average particle diameter of the diamond crystal grain as used in the field of this invention measures the crystal grain diameter in the center part of the film thickness of each layer with a scanning electron microscope (SEM), and the average value is an average grain diameter of each layer. Defined as being.

条件を変えて成膜した微粒ダイヤ膜について、図2に示すbottom位置とmiddle位置をラマン分光分析した結果を図3に示す。
なお、使用したレーザー光の波長は512nmである。
図3(a)の成膜条件は、
「成膜圧力:30torr,メタン濃度:4.0%(CH流量:125sccm,H流量:3000sccm),フィラメント電圧値:180V」、
また、図3(b)の成膜条件は、
「成膜圧力:8torr,メタン濃度:4.1%(CH流量:65sccm,H流量:1500sccm),フィラメント電圧値:180V」
である。
本発明の硬質炭素膜は、重視項目の一つとして表面平滑性を挙げている。
しかし、バラスダイヤモンドが多量に発生した場合、その表面平滑性は損なわれることになる。よって、バラスダイヤモンドの発生を最小限に抑制することが必要となる。
ここで、本発明者はバラスダイヤモンドが発生する条件がダイヤモンド膜最下層の膜質に由来することを見出した。
バラスダイヤモンドは硬質炭素膜結晶粒が微粒ダイヤから成る場合に多く発生しやすいことはよく知られている。しかし、特に512nm波長のラマン分光分析において、硬質膜bottom位置が図3(b)のようなラマンスペクトルを示している場合、バラスダイヤモンドが発生する率が非常に高いのに対して、図3(a)のように1333(cm−1)のピークが検出される場合は、その発生率は低くなることを発見した。このとき硬質炭素膜middle位置のラマンスペクトルは成膜圧力が高い図3(a)の条件で1333(cm−1)のピークが検出されることを除いて、図3(a)、図3(b)両者のスペクトルはほぼ類似している。即ち、バラスダイヤモンドの発生起源はダイヤモンド膜最下層の膜質に影響されることを見出した。
補足として、図3(b)では1350(cm−1)のなだらかなピークが1333(cm−1)のピークを含有しているため、スペクトルとして1333(cm−1)のピークが確認できない。
以上の理由から、本発明の硬質炭素膜第1層に採用した微粒ダイヤ層は図3(a)のようなラマンスペクトルを示す条件で成膜した。
FIG. 3 shows the result of Raman spectroscopic analysis of the bottom and middle positions shown in FIG. 2 for the fine diamond film formed under different conditions.
In addition, the wavelength of the used laser beam is 512 nm.
The film forming conditions in FIG.
“Film formation pressure: 30 torr, methane concentration: 4.0% (CH 4 flow rate: 125 sccm, H 2 flow rate: 3000 sccm), filament voltage value: 180 V”,
Also, the film forming conditions in FIG.
“Film formation pressure: 8 torr, methane concentration: 4.1% (CH 4 flow rate: 65 sccm, H 2 flow rate: 1500 sccm), filament voltage value: 180 V”
It is.
The hard carbon film of the present invention mentions surface smoothness as one of the important items.
However, when a large amount of ballast diamond is generated, the surface smoothness is impaired. Therefore, it is necessary to minimize the generation of ballast diamond.
Here, the present inventor has found that the conditions for generating the ballast diamond are derived from the film quality of the lowermost layer of the diamond film.
It is well known that ballast diamonds are likely to occur when the hard carbon film crystal grains are composed of fine diamond. However, particularly in the case of 512 nm wavelength Raman spectroscopic analysis, when the hard film bottom position shows a Raman spectrum as shown in FIG. 3B, the rate of occurrence of ballast diamond is very high, whereas FIG. When a peak at 1333 (cm −1 ) is detected as in a), it has been found that the incidence is low. At this time, the Raman spectrum at the position of the hard carbon film middle indicates that the peak of 1333 (cm −1 ) is detected under the conditions of FIG. b) Both spectra are almost similar. That is, the inventors have found that the origin of ballast diamond is affected by the film quality of the lowermost diamond film.
As a supplement, for gentle peaks shown in FIG. 3 (b) in 1350 (cm -1) are contained the peak of 1333 (cm -1), can not be confirmed peaks of 1333 as spectrum (cm -1).
For the above reasons, the fine diamond layer employed in the first hard carbon film layer of the present invention was formed under the conditions showing a Raman spectrum as shown in FIG.

中粒ダイヤ層((図1中の第2層):
微粒ダイヤ層(第1層)の表面に、例えば、以下の条件の熱フィラメントCVD法により、中粒ダイヤ層(第2層)を蒸着形成する。
成膜圧力 : 20〜50 torr、
流量 : 3000sccm、
CH流量 : 95sccm、
フィラメント電圧値 : 180 V、
成膜温度 : 600〜1100 ℃、
上記の条件で成膜することにより、柱状成長したダイヤ10〜50%が含有される中粒ダイヤ層(第2層)が形成される。
ここで、柱状成長したダイヤ膜とは、「SEM−EDXにおけるIPFマップにおいて、1μm以上の連続した面積を持ち、かつ、長軸方向に2μm以上の長さを持つダイヤ膜」であるとして定義する。
中粒ダイヤ層は、この上に第3層として形成される結晶質ダイヤ層と、第1層である微粒ダイヤ層との間に介在形成されることにより、硬質炭素膜を厚膜として形成した場合にも、硬質炭素膜第1層、第3層間の残留応力を緩和し、層間付着強度の改善に寄与する。
中粒ダイヤ層は、第1層と第3層の中間の耐摩耗性を備えるが、その膜厚が1μm以下では、残留応力の緩和作用が小さく、一方、その膜厚が5μmを超えると硬質炭素膜全体としての膜厚が増大することにより膜応力が高くなり、硬質炭素膜が基体から剥離しやすくなることから、中粒ダイヤ層の膜厚は、1〜6μmであることが望ましい。
Medium grain diamond layer ((second layer in FIG. 1)):
An intermediate diamond layer (second layer) is deposited on the surface of the fine diamond layer (first layer) by, for example, a hot filament CVD method under the following conditions.
Deposition pressure: 20-50 torr,
H 2 flow rate: 3000 sccm,
CH 4 flow rate: 95 sccm,
Filament voltage value: 180 V,
Deposition temperature: 600-1100 ° C.
By forming a film under the above conditions, a medium-diameter diamond layer (second layer) containing 10 to 50% of diamonds grown in a columnar shape is formed.
Here, the diamond film grown in a columnar shape is defined as “a diamond film having a continuous area of 1 μm or more and a length of 2 μm or more in the major axis direction in the IPF map in SEM-EDX”. .
The medium grain diamond layer is formed between the crystalline diamond layer formed as the third layer thereon and the fine diamond diamond layer as the first layer, thereby forming a hard carbon film as a thick film. Even in this case, the residual stress between the first and third layers of the hard carbon film is relieved, which contributes to the improvement of the interlayer adhesion strength.
The medium-diamond diamond layer has intermediate wear resistance between the first layer and the third layer, but if the film thickness is 1 μm or less, the residual stress mitigating action is small, while if the film thickness exceeds 5 μm, it is hard. The film thickness increases as the entire carbon film increases, so that the film stress increases and the hard carbon film is easily peeled off from the substrate. Therefore, the film thickness of the medium grain diamond layer is preferably 1 to 6 μm.

結晶質ダイヤ層((図1中の第3層):
結晶質ダイヤ層は、中粒ダイヤ層(第2層)の表面に、例えば、以下の条件の熱フィラメントCVD法により形成する。
成膜圧力 : 20〜50 torr、
流量 : 3000sccm、
CH流量 : 75sccm、
フィラメント電圧値 : 180 V、
成膜温度 : 600〜1100 ℃、
上記の条件で成膜することにより、柱状成長したダイヤが50〜95%含有される結晶質ダイヤ層(第3層)が形成される。
結晶質ダイヤ層(第3層)は高硬度を有し、優れた耐摩耗性を示すが、その膜厚が1μm未満では、耐摩耗性向上効果が少なく、一方、その膜厚が5μmを超えると、結晶粒が粗大化しやすく、その結果、硬質炭素膜表面の平滑性が失われ、逆に耐摩耗性低下の原因となり、さらに、硬質炭素膜全体としての膜厚が増大することにより、硬質炭素膜が基体から剥離しやすくなるので、結晶質ダイヤ層(第3層)の膜厚は、1〜5μmとすることが望ましい。
Crystalline diamond layer ((third layer in FIG. 1)):
The crystalline diamond layer is formed on the surface of the medium grain diamond layer (second layer) by, for example, a hot filament CVD method under the following conditions.
Deposition pressure: 20-50 torr,
H 2 flow rate: 3000 sccm,
CH 4 flow rate: 75 sccm,
Filament voltage value: 180 V,
Deposition temperature: 600-1100 ° C.
By forming the film under the above conditions, a crystalline diamond layer (third layer) containing 50 to 95% of diamond grown in a columnar shape is formed.
The crystalline diamond layer (third layer) has high hardness and exhibits excellent wear resistance, but if its film thickness is less than 1 μm, the effect of improving wear resistance is small, while its film thickness exceeds 5 μm. As a result, the crystal grains are likely to be coarsened, resulting in loss of smoothness on the surface of the hard carbon film, conversely causing a decrease in wear resistance, and an increase in the film thickness of the hard carbon film as a whole. Since the carbon film is easily peeled off from the substrate, the thickness of the crystalline diamond layer (third layer) is preferably 1 to 5 μm.

微粒ダイヤ層((図1中の第4層):
微粒ダイヤ層((第4層)は、結晶質ダイヤ層(第3層)の表面に、例えば、前記微粒ダイヤ層((第1層)と同様な条件で形成することができる。
成膜圧力 : 20〜50 torr、
流量 : 3000sccm、
CH流量 : 75sccm、
フィラメント電圧値 : 180 V、
成膜温度 : 600〜1100 ℃、
微粒ダイヤ層((第4層)は、前記微粒ダイヤ層((第1層)と同様、結晶質ダイヤ層(第3層)とDLC層(第5層,最表層)との間に位置し、応力緩和作用を有すると同時に、結晶質ダイヤ層(第3層)の表面粗さがそのままDLC層(第5層,最表層)にトレースされ、DLC層(第5層,最表層)の表面平滑性が失われることを防止する。
また、微粒ダイヤ層(第4層)は、切削加工時に、硬質炭素膜の最表層(第5層)にクラック等が発生した場合に、これが微粒ダイヤ層(第4層)から内部の層(第3層→第2層→第1層)へ進展・伝播するのを阻止する作用を有する。
微粒ダイヤ層(第4層)の膜厚が0.1μm未満では、DLC層(第5層,最表層)の表面平滑性低下を防止することはできないと同時に内部の層へのクラックの進展・伝播を防止する効果が小さく、一方、その膜厚が5μmを超えると、硬質炭素膜全体としての耐摩耗性に低下傾向がみられるようになることから、微粒ダイヤ層(第4層)の膜厚は、0.1〜5μmと定めた。好ましい膜厚は、0.5〜2μmである。
Fine diamond layer ((fourth layer in FIG. 1)):
The fine diamond layer ((fourth layer)) can be formed on the surface of the crystalline diamond layer (third layer), for example, under the same conditions as the fine diamond layer ((first layer)).
Deposition pressure: 20-50 torr,
H 2 flow rate: 3000 sccm,
CH 4 flow rate: 75 sccm,
Filament voltage value: 180 V,
Deposition temperature: 600-1100 ° C.
The fine diamond layer ((fourth layer)) is located between the crystalline diamond layer (third layer) and the DLC layer (fifth layer, outermost layer) in the same manner as the fine diamond layer ((first layer)). The surface roughness of the crystalline diamond layer (third layer) is traced to the DLC layer (fifth layer, outermost layer) as it is, and the surface of the DLC layer (fifth layer, outermost layer) is simultaneously obtained. Prevents loss of smoothness.
In addition, the fine diamond layer (fourth layer) is formed when a crack or the like occurs in the outermost layer (fifth layer) of the hard carbon film during cutting. (3rd layer → 2nd layer → 1st layer) It has the function of preventing the propagation and propagation.
If the film thickness of the fine diamond layer (fourth layer) is less than 0.1 μm, it will not be possible to prevent the surface smoothness of the DLC layer (fifth layer, outermost layer) from being deteriorated. The effect of preventing propagation is small. On the other hand, if the film thickness exceeds 5 μm, the wear resistance of the hard carbon film as a whole tends to decrease, so the film of the fine diamond layer (fourth layer) The thickness was determined to be 0.1 to 5 μm. A preferable film thickness is 0.5 to 2 μm.

DLC層(図1中の第5層):
結晶性のよいダイヤ膜ほど耐摩耗性に優れているが、自形が発達しているため、被削材との接触面積が減少することによって、かえって耐摩耗性が低下する場合があり、また、特に難削材であるCFRPあるいは溶着性の高いAl合金等の切削加工においては、欠損、溶着等の発生により短寿命となり易い。
そこで、硬質炭素膜の最表面としては、被削材との潤滑性に優れ、かつ、被削材との溶着性の低いDLC層を形成する。
DLC層は、例えば、通常の高周波プラズマCVD装置を用いて、放電出力150(W)、成膜温度100〜200℃、反応ガスとしてCHを使用した条件で成膜することができる。
なお、DLC層はその直下の層の形状をトレースするので、表面の平滑性、潤滑性という点からは、DLC層の直下の層は前記微粒ダイヤ層(第4層)を配置することが望ましい。
DLC層の膜厚は、0.1μm未満では優れた潤滑性、耐溶着性を十分に発揮することができず、一方、その膜厚が6μmを超えると耐摩耗性が低下傾向を示すようになるので、DLC層の膜厚は、0.1〜6μmと定めた。好ましい膜厚は、0.1〜2μmである。
DLC layer (fifth layer in FIG. 1):
A diamond film with better crystallinity has better wear resistance, but because the self-shaped shape has developed, there may be a decrease in wear resistance due to a decrease in the contact area with the work material. In particular, in cutting of difficult-to-cut materials such as CFRP or a highly weldable Al alloy, it tends to have a short life due to the occurrence of defects, welding, and the like.
Therefore, as the outermost surface of the hard carbon film, a DLC layer having excellent lubricity with the work material and low weldability with the work material is formed.
The DLC layer can be formed using, for example, a normal high-frequency plasma CVD apparatus under the conditions that the discharge output is 150 (W), the film formation temperature is 100 to 200 ° C., and the reaction gas is CH 4 .
Since the DLC layer traces the shape of the layer immediately below it, it is desirable to dispose the fine diamond layer (fourth layer) as the layer immediately below the DLC layer in terms of surface smoothness and lubricity. .
When the film thickness of the DLC layer is less than 0.1 μm, the excellent lubricity and welding resistance cannot be sufficiently exhibited. On the other hand, when the film thickness exceeds 6 μm, the wear resistance tends to decrease. Therefore, the film thickness of the DLC layer was determined to be 0.1 to 6 μm. A preferred film thickness is 0.1 to 2 μm.

工具基体の表面性状:
WC超硬合金からなる工具基体表面に、前記微粒ダイヤ層(第1層)を形成することで、工具基体−硬質炭素膜の熱膨張差に由来する残留応力に基づく剥離発生を防止することができる。
しかし、CFRPあるいは溶着性の高いAl合金等の難削材の切削加工においては、切刃に大きな負荷が作用することから、工具基体−硬質炭素膜間には、より一段と強固な付着強度が必要となるが、WC超硬合金からなる工具基体の表面粗さを、Ra:0.01〜3.0μmに粗面化することで、この要求に応えることができる。
すなわち、工具基体表面の表面粗さが上記数値範囲内であれば、工具基体上の形成される第1層の微粒ダイヤが、基体表面の粗面空隙を充填し、物理的な結合によって、工具基体−硬質炭素膜(第1層の微粒ダイヤ層)間の付着強度を高めることができる。
なお、表面粗さが上記数値範囲を外れた場合には、微粒ダイヤ層(第1層)と工具基体表面との界面には空隙が形成されてしまうため、付着強度のより一層の向上は望めない。
Tool surface properties:
By forming the fine diamond layer (first layer) on the surface of the tool base made of WC cemented carbide, it is possible to prevent the occurrence of peeling based on the residual stress derived from the thermal expansion difference between the tool base and the hard carbon film. it can.
However, when cutting difficult-to-cut materials such as CFRP or highly weldable Al alloy, a large load acts on the cutting edge, so a stronger bond strength is required between the tool base and the hard carbon film. However, this requirement can be met by roughening the surface roughness of the tool base made of the WC cemented carbide to Ra: 0.01 to 3.0 μm.
That is, if the surface roughness of the tool base surface is within the above numerical range, the fine diamond of the first layer formed on the tool base fills the rough surface voids of the base surface, and the tool is physically bonded. The adhesion strength between the substrate and the hard carbon film (the fine diamond layer of the first layer) can be increased.
When the surface roughness is out of the above numerical range, voids are formed at the interface between the fine diamond layer (first layer) and the tool base surface, so that the adhesion strength can be further improved. Absent.

この発明の硬質炭素膜被覆工具は、WC超硬合金からなる所定の表面粗さの工具基体表面に、微粒ダイヤ層(第1層)、中粒ダイヤ層(第2層)、結晶質ダイヤ層(第3層)、微粒ダイヤ層(第4層)およびDLC層(第5層,最表層)の積層構造からなる硬質炭素膜を形成することにより、工具基体と硬質炭素膜間の付着強度が向上するばかりか、潤滑性、摺動性、耐溶着性をも備えることから、この発明の硬質炭素膜被覆工具を、比強度、非剛性の高いCFRPあるいは溶着性の高いAl合金等の切削加工に用いた場合でも、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮し、工具の長寿命化を図ることができる。   The hard carbon film-coated tool of the present invention has a fine diamond layer (first layer), a medium diamond layer (second layer), a crystalline diamond layer on a tool base surface having a predetermined surface roughness made of a WC cemented carbide. By forming a hard carbon film having a laminated structure of (third layer), fine diamond layer (fourth layer) and DLC layer (fifth layer, outermost layer), the adhesion strength between the tool base and the hard carbon film is increased. Not only is it improved, but it also has lubricity, slidability, and welding resistance, so the hard carbon film coated tool of this invention can be cut into CFRP with high specific strength, high rigidity, or Al alloy with high weldability. Even when used in the above, it exhibits excellent wear resistance over a long period of use, and the tool life can be extended.

本発明の硬質炭素膜被覆工具の層構造(断面)を示す概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing which shows the layer structure (cross section) of the hard carbon film | membrane coated tool of this invention. 図3に示すラマン分光分析結果の、ラマンスペクトル測定部位を示す硬質炭素膜の断面写真である。It is a cross-sectional photograph of the hard carbon film which shows the Raman spectrum measurement site | part of the Raman spectroscopic analysis result shown in FIG. (a)、(b)は、本発明の硬質炭素膜被覆工具の微粒ダイヤ層(第1層)について、それぞれ異なる条件で成膜した場合のラマンスペクトルチャートである。(A), (b) is a Raman spectrum chart at the time of forming into a film on different conditions about the fine diamond layer (1st layer) of the hard carbon film coating tool of this invention. 切削時間と逃げ面摩耗幅の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between cutting time and flank wear width.

つぎに、この発明の硬質炭素膜被覆工具を実施例により具体的に説明する。
ここでは、硬質炭素膜被覆工具を、インサートとして適用した場合について述べるが、本発明はこれに限定されるものではなく、各種の切削工具に適用することが可能である。
Next, the hard carbon film-coated tool of the present invention will be specifically described with reference to examples.
Here, although the case where a hard carbon film coating tool is applied as an insert is described, this invention is not limited to this, It is possible to apply to various cutting tools.

原料粉末として、平均粒径:0.8μmの微粒WC粉末、同1.3μmのTaC粉末、同1.2μmのNbC粉末、および同1.8μmのCo粉末を用意し、これら原料粉末を、Co:6質量%,TaC:0.5質量%,NbC:0.5質量%,残部:WCとなる配合組成に配合し、さらにワックスを加えてアセトン中で24時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、100MPaの圧力で所定形状の各種の圧粉体にプレス成形し、これらの圧粉体を、6Paの真空雰囲気中、7℃/分の昇温速度で1370〜1470℃の範囲内の所定の温度に昇温し、この温度に1時間保持後、炉冷の条件で焼結して、10mm×10mm×2.5mmのサイズのWC基超硬合金製の工具基体を製造した。   As the raw material powder, an average particle diameter: 0.8 μm fine WC powder, 1.3 μm TaC powder, 1.2 μm NbC powder, and 1.8 μm Co powder were prepared. : 6% by mass, TaC: 0.5% by mass, NbC: 0.5% by mass, balance: WC, added with wax, mixed by ball milling in acetone for 24 hours, and dried under reduced pressure The green compact is pressed into various green compacts of a predetermined shape at a pressure of 100 MPa, and these green compacts are subjected to a predetermined temperature in the range of 1370 to 1470 ° C. at a temperature increase rate of 7 ° C./min in a 6 Pa vacuum atmosphere. The temperature was raised to a temperature, held at this temperature for 1 hour, and then sintered under furnace cooling conditions to produce a WC-based cemented carbide tool substrate having a size of 10 mm × 10 mm × 2.5 mm.

ついで、この工具基体の表面をアセトン中で超音波洗浄し、乾燥した後、酸溶液によるエッチングおよび/またはアルカリ溶液によるエッチング処理を行ない、表面粗さRa:0.5〜1.0μmに調整した後、以下に示す成膜条件で、所定平均粒径、所定膜厚の微粒ダイヤ層(第1層)、中粒ダイヤ層(第2層)、結晶質ダイヤ層(第3層)、微粒ダイヤ層(第4層)およびDLC層(第5層、最表層)をそれぞれ積層することにより、
表1に示される積層構造の本発明の硬質炭素膜被覆切削工具(以下、本発明工具という)を製造した。
《成膜条件》熱フィラメント法
微粒ダイヤ層: 成膜圧力 30 torr、
反応ガス流量 CH 130 sccm、
3000 sccm、
フィラメント電圧値 180 V、
中粒ダイヤ層: 成膜圧力 30 torr、
反応ガス流量 CH 95 sccm、
3000 sccm、
フィラメント電圧値 180 V、
結晶質ダイヤ層:成膜圧力 30 torr、
反応ガス流量 CH 75 sccm、
3000 sccm、
フィラメント電圧値 180 V、
《成膜条件》高周波プラズマCVD法
DLC層: 成膜圧力 2 Pa、
原料ガス CH
高周波電力 100 W、
Next, the surface of the tool base was ultrasonically cleaned in acetone and dried, and then etching with an acid solution and / or etching with an alkali solution was performed to adjust the surface roughness Ra to 0.5 to 1.0 μm. Thereafter, a fine diamond layer (first layer), a medium diamond layer (second layer), a crystalline diamond layer (third layer), a fine diamond having a predetermined average particle diameter and a predetermined film thickness under the following film formation conditions By laminating a layer (fourth layer) and a DLC layer (fifth layer, outermost layer),
The hard carbon film-coated cutting tool of the present invention having a laminated structure shown in Table 1 (hereinafter referred to as the present tool) was produced.
<< Film formation conditions >> Hot filament method Fine diamond layer: Deposition pressure 30 torr,
Reaction gas flow rate CH 4 130 sccm,
H 2 3000 sccm,
Filament voltage value 180 V,
Medium grain diamond layer: Deposition pressure 30 torr,
Reaction gas flow rate CH 4 95 sccm,
H 2 3000 sccm,
Filament voltage value 180 V,
Crystal diamond layer: Deposition pressure 30 torr,
Reaction gas flow rate CH 4 75 sccm,
H 2 3000 sccm,
Filament voltage value 180 V,
<< Film Formation Conditions >> High Frequency Plasma CVD Method DLC Layer: Film Formation Pressure 2 Pa,
Source gas CH 4
High frequency power 100 W,

比較の目的で、上記の工具基体の表面に、以下に示す成膜条件で硬質炭素膜を形成することにより、
表2に示される積層構造の比較例の硬質炭素膜被覆切削工具(以下、比較例工具という)を製造した。
《成膜条件》熱フィラメント法
ダイヤ層: 成膜圧力 30 torr、
反応ガス流量 CH 95 sccm、
3000 sccm、
フィラメント電圧値 180 V、
For the purpose of comparison, by forming a hard carbon film on the surface of the above tool base under the following film formation conditions,
A hard carbon film-coated cutting tool (hereinafter referred to as a comparative example tool) of a comparative example having a laminated structure shown in Table 2 was produced.
<< Film formation conditions >> Hot filament method Diamond layer: Film formation pressure 30 torr,
Reaction gas flow rate CH 4 95 sccm,
H 2 3000 sccm,
Filament voltage value 180 V,

つぎに、上記本発明工具および上記比較例工具の硬質炭素膜について、各層の膜厚及び微粒ダイヤにおける平均粒径を走査型電子顕微鏡により測定した。
表1に、測定値の結果を示す。
Next, with respect to the hard carbon films of the tool of the present invention and the comparative tool, the thickness of each layer and the average particle diameter of the fine diamond were measured with a scanning electron microscope.
Table 1 shows the measurement results.

Figure 0005488878
Figure 0005488878

つぎに、上記本発明工具および上記比較例工具について、
被削材: A390−T6の丸棒、
切削速度: 600 m/min.、
切り込み: 0.15 mm、
の条件で、上記アルミシリコン合金A390の湿式旋削試験を行い、それぞれの工具についての切削時間(min)と逃げ面摩耗幅(mm)の関係を調べた。
その結果を図4に示す。
Next, for the tool of the present invention and the comparative tool,
Work material: A390-T6 round bar,
Cutting speed: 600 m / min. ,
Cutting depth: 0.15 mm,
Under the conditions, a wet turning test of the aluminum silicon alloy A390 was performed, and the relationship between the cutting time (min) and the flank wear width (mm) for each tool was examined.
The result is shown in FIG.

表1及び図4に示される結果から、本発明工具は、WC超硬合金からなる所定の表面粗さの工具基体表面に、微粒ダイヤ層(第1層)、中粒ダイヤ層(第2層)、結晶質ダイヤ層(第3層)、微粒ダイヤ層(第4層)およびDLC層(第5層,最表層)の積層構造からなる硬質炭素膜を形成することにより、工具基体と硬質炭素膜間の付着強度が向上するばかりか、潤滑性、摺動性、耐溶着性をも備えることから、比強度、非剛性の高いCFRPあるいは溶着性の高いAl合金等の切削加工に用いた場合でも、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮し、工具の長寿命化を図ることができる。
これに対して、本発明で規定する層構造を備えていない比較例工具は、Al合金の切削加工において、硬質炭素膜の剥離、欠損等が生じ、工具寿命が短命なものであった。
From the results shown in Table 1 and FIG. 4, the tool of the present invention has a fine diamond layer (first layer) and a medium diamond layer (second layer) on the surface of the tool base made of WC cemented carbide and having a predetermined surface roughness. ), Crystalline diamond layer (third layer), fine diamond layer (fourth layer), and DLC layer (fifth layer, outermost layer) to form a hard carbon film to form a tool base and hard carbon In addition to improving adhesion strength between films, it also has lubricity, slidability, and welding resistance, so when used for cutting specific strength, non-rigid CFRP or Al alloy with high weldability, etc. However, it has excellent wear resistance over a long period of use, and the tool life can be extended.
On the other hand, the comparative tool that does not have the layer structure defined in the present invention has a short tool life due to peeling or chipping of the hard carbon film in the cutting of the Al alloy.

上述のように、この発明の硬質炭素膜被覆工具は、通常条件での切削加工は勿論のこと、金属材料よりも比強度、比剛性の高いCFRPあるいは溶着性の高いAl合金等の切削加工においても、長期の使用に亘ってすぐれた耐剥離性、耐欠損性、耐摩耗性を発揮し、硬質炭素膜皮膜の厚膜化も可能となるものであるから、切削加工装置のFA化、並びに切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に十分満足に対応できるものである。   As described above, the hard carbon film-coated tool of the present invention is not only for cutting under normal conditions, but also for cutting of CFRP having a higher specific strength and specific rigidity than a metal material or Al alloy having a high weldability. However, since it exhibits excellent peeling resistance, fracture resistance, and wear resistance over a long period of use, and it is possible to increase the thickness of the hard carbon film, It can fully satisfy the labor-saving and energy-saving of cutting and cost reduction.

Claims (2)

炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体表面に、硬質炭素膜が被覆された硬質炭素膜被覆切削工具において、
硬質炭素膜が、工具基体側から順に、第1層としての微粒ダイヤ層、第2層としての中粒ダイヤ層、第3層としての結晶質ダイヤ層、第4層としての微粒ダイヤ層および最表層としてのDLC層で構成され
上記第1層は、平均粒径0.1μm以下、平均膜厚0.5〜6μmの微粒ダイヤ層、
上記第2層は、柱状成長したダイヤ10〜50%が含有される中粒ダイヤ層、
上記第3層は、柱状成長したダイヤが50〜95%含有される結晶質ダイヤ層、
上記第4層は、平均粒径0.1μm以下、平均膜厚0.1〜5μmの微粒ダイヤ層、
上記最表層は、平均膜厚0.1〜6μmのDLC層で構成されていることを特徴とする質炭素膜被覆切削工具。
In a hard carbon film coated cutting tool in which a hard carbon film is coated on the surface of a tool base made of a tungsten carbide base cemented carbide,
In order from the tool substrate side, the hard carbon film has a fine diamond layer as the first layer, a medium diamond layer as the second layer, a crystalline diamond layer as the third layer, a fine diamond layer as the fourth layer, and the outermost layer. It consists of a DLC layer as a surface layer ,
The first layer is a fine diamond layer having an average particle size of 0.1 μm or less and an average film thickness of 0.5 to 6 μm,
The second layer is a medium-diameter diamond layer containing 10 to 50% of diamonds grown in a columnar shape,
The third layer is a crystalline diamond layer containing 50% to 95% of columnar grown diamond,
The fourth layer is a fine diamond layer having an average particle size of 0.1 μm or less and an average film thickness of 0.1 to 5 μm,
The outermost layer, the hard matter carbon film coated cutting tool characterized in that it is composed of DLC layer with an average thickness of 0.1~6Myuemu.
炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体の表面粗さが、Ra:0.01〜3.0μmであることを特徴とする請求項1記載の硬質炭素膜被覆切削工具。
2. The hard carbon film-coated cutting tool according to claim 1 , wherein the surface roughness of the tool base made of a tungsten carbide-based cemented carbide is Ra: 0.01 to 3.0 μm.
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