JP5714214B2 - 金属塑性加工用工具およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、金型といった治工具においては、その他材と接する作業面に被覆される機能性皮膜について、潤滑性に優れた硬質皮膜およびその製造方法に関するものである。そして、これらの硬質皮膜を作業面に被覆してなる金属塑性加工用工具に関するものである。

従来、例えば金属の塑性加工に用いられる治工具の場合、その作業面は被加工材と激しく摺動することによって、表面が著しい損耗を起こす。このため、治工具の作業面には何らかの表面処理を施しておくことで、その耐摩耗性を高める対策が広く行われている。そして、その中でもコーティング（被覆）技術は、ビッカース硬度で１０００ＨＶを超えるような硬質皮膜を、基体表面に密着性よく形成できることから、金型や切削工具の寿命改善に大きく寄与している。

しかしながら、このような治工具においては、特に上記の塑性加工用工具の作業環境がそうであるように、表面の耐摩耗性を高めるだけではなく、被加工材が凝着を起こさないよう、その潤滑特性をも高めることが非常に効果的である。この課題においては、例えばチタン（Ｔｉ）の炭化物は、高い耐摩耗性と摺動特性を兼ね備えることから、皮膜として治工具の表面に積極的に利用されている。このチタン炭化物の皮膜は、主に化学蒸着法（ＣＶＤ法）によって形成されるものであるが（非特許文献１）、その他では、物理蒸着法（ＰＶＤ法）の一種であるアークイオンプレーティング法によっても形成される（非特許文献２）。また、バナジウム炭化物（ＶＣ）の皮膜においても、従来のＴＤ処理に加えては、上記のアークイオンプレーティング法による形成手段が提案されている（特許文献１）。
テクノナレッジ・ネットワーク（２００６）［独立行政法人産業技術総合研究所が運営する技術情報サイト］（インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｅｃｈｎｏ−ｑａｎｄａ．ｎｅｔ／ｄｓｗｅｂ／Ｇｅｔ／Ｄｏｃｕｍｅｎｔ−５２９４＞） 株式会社東洋硬化ホームページ（２００３）（インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｏｙｏｋｏｋａ．ｃｏｍ／ｂｕｍｏｎ／ａｒｋｉｏｎ／ａｒｋｉｏｎ．ｈｔｍ＞） 特開２００２−３７１３５２号公報

非特許文献１，２などで提案される、従来の硬質皮膜は、高い耐摩耗性と摺動特性を兼ね備えるものではある。しかしながら、原価低減のために製造コストの削減が強く要求される昨今の製造業においては、その治工具の使用に際し、より高いレベルの皮膜特性が求められるようになってきた。とりわけ、皮膜の潤滑特性をより一層高め、被加工材の凝着を抑制することが、治工具寿命を更に高めるための大きな課題となっている。

そこで本発明は、従来の方法では得られなかった、より高い潤滑特性を有する硬質皮膜と、その製造方法、そして、これらの硬質皮膜を作業面に被覆した金属塑性加工用工具を提供するものである。

本発明者らは、現状よりも更に高い潤滑特性を示す硬質皮膜を達成するために、詳細な検討を重ねた。その結果、従来提案されている硬質皮膜であっても、その皮膜中に炭素−炭素の結合構造を一定量以上存在させることで、皮膜の潤滑特性が飛躍的に改善されることを突きとめた。そして、この革新的な知見に併せては、皮膜中に一定量の炭素−炭素結合を存在せしめるために好ましい製造条件をも確立したことで、本発明に至った。

すなわち本発明は、他材と接する基体の表面に被覆される硬質皮膜であって、前記硬質皮膜はチタン炭化物またはチタン炭窒化物からなり、前記硬質皮膜には炭素同士の結合を有する炭素原子が１０原子％以上３０原子％以下で分散しており、前記炭素同士の結合を有する炭素原子には、ｓｐ ^２ の結晶構造を有した炭素原子と、ｓｐ ^３ の結晶構造を有した炭素原子の両方が含まれており、酸素濃度が１５原子％以下である硬質皮膜を、前記基体の表面と前記硬質皮膜との間に形成されたチタン窒化物からなる中間皮膜を介して作業面に被覆してなることを特徴とする金属塑性加工用工具である。

そして、このとき、硬質皮膜を形成する炭素量が２０原子％以上であることが好ましい。

更に本発明は、アークイオンプレーティングによる上記金属塑性加工用工具の製造方法であって、
Ｔｉターゲットを用いたアークイオンプレーティング装置内に窒素ガスを導入することによって、他材と接する基体の表面にチタン窒化物からなる中間皮膜を被覆し、
次いで、前記アークイオンプレーティング装置内に炭化水素系ガスを１．０×１０ ^−５ （ｍ ^３ ／ｓ）以上、かつ、前記アークイオンプレーティング装置の容積に対して、炭化水素系ガス流量／装置容積＝０．８×１０ ^−５ 〜１．５×１０ ^−５ （ｓ ^−１ ）とする流量で導入することによって、炭素同士の結合を有する炭素原子が１０原子％以上３０原子％以下で分散し、前記炭素同士の結合を有する炭素原子には、ｓｐ ^２ の結晶構造を有した炭素原子と、ｓｐ ^３ の結晶構造を有した炭素原子の両方が含まれており、酸素濃度が１５原子％以下であるチタン炭化物またはチタン炭窒化物からなる硬質皮膜を被覆することを特徴とする金属塑性加工用工具の製造方法である。

このとき、導入する炭化水素系ガスに混在する窒素ガスは、その混在比が窒素ガス流量／炭化水素系ガス流量において０．２以下になるように規制することが望ましい。あるいはさらに、導入する炭化水素系ガスの流量を、アークイオンプレーティング装置の容積に対して、炭化水素系ガス流量／装置容積＝０．８×１０^−５〜１．５×１０^−５（ｓ^−１）に調整することが望ましく、これに併せては、炭化水素系ガス自体の流量を、１．０×１０^−５（ｍ^３／ｓ）以上とすることが更に望ましい。更には、炭化水素系ガスとしてはメタンガスであることが好ましい。

そして、本発明は、これらの硬質皮膜を作業面に被覆してなることを特徴とする金属塑性加工用工具である。

本発明によれば、その基本構成自体は従来と同一成分の硬質皮膜を用いながらかつ、その製造方法も特別高価な装置を必要とせずに、従来よりも高い潤滑特性を有する硬質皮膜を作製することが可能となる。そして、この潤滑特性に優れた硬質皮膜を作業面に適用した金属塑性加工用工具であれば、より長い寿命を達成できる。

本発明の最大の特徴は、硬質皮膜に炭素同士の結合を有する炭素原子を存在させることで、皮膜の潤滑特性を飛躍的に向上できた点にある。そして、その皮膜の作製方法としては、ＰＶＤ法の一種であるアークイオンプレーティング法を採用したことと、さらにそれによる皮膜作製中のガス雰囲気には炭化水素系ガスを積極的に導入し、装置（反応チャンバ）の容積に応じては、その炭化水素系ガス自体の流量をも制御した点にある。

最初に、本発明の硬質皮膜に導入する「炭素同士の結合を有する炭素原子」の構成であるが、これはいわゆる、炭素原子のｓｐ^２および／またはｓｐ^３結合構造からなる、ダイヤモンドやグラファイト（黒鉛）、あるいはＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）のことを言う。そして、ｓｐ^３構造のダイヤモンドは高硬度にも優れる一方では、ｓｐ^２構造のグラファイトは特に潤滑性に優れることから、これらの結合構造を構成する炭素原子を、例えば従来の金属炭化物／窒化物／炭窒化物といった改質皮膜中に分散させれば、その基本特性の上に更なる高潤滑特性を付加することができる。この中でもチタン炭化物（ＴｉＣ）等の金属炭化物皮膜においては、後述する通りの、その皮膜形成中の雰囲気が炭素（Ｃ）リッチであることから、炭素同士の結合構造を得るのに有利であり、よって、その３０００ＨＶにも及ぶ高硬度と共に、優れた潤滑特性を達成できる形態として好ましい。

そして、本発明においては、この炭素同士の結合を有する炭素原子は、皮膜中に１０原子％以上を存在せしめることが、十分な潤滑特性を得るために必要である。なお、基地皮膜自体の特性を害しない範囲としては３０原子％以下が望ましい。この定性および定量測定においては、例えばラマン分光法とＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）を併用することよる皮膜表面の分析が利用できる。つまり、通常の硬質皮膜では表れない、それぞれの分析スペクトルピークにおいて、ラマン分光法ではｓｐ^２やｓｐ^３の炭素−炭素結合構造の存在を正確に把握することができる。ここで、本発明においては、この分析スペクトルピークにはｓｐ^２およびｓｐ^３の両方の結晶構造が出現していること、すなわち、炭素同士の結合を有する炭素原子の全量のうちでは、ｓｐ^２構造のグラファイトとｓｐ^３構造のダイヤモンドの両方が含まれているか、あるいは、ｓｐ^２とｓｐ^３の両構造を有するＤＬＣが含まれていることが望ましい。そして、これらの存在を確認した上では、その結合エネルギーに該当するＸＰＳスペクトルから、皮膜中に占める炭素−炭素結合を有する炭素原子量を定量すればよい。

また、基体表面において炭素−炭素結合を有する炭素原子が１０原子％以上存在するような硬質皮膜を形成しやすい条件としては、その硬質皮膜の種類に金属炭化物または金属炭窒化物を適用することで形成に有利な被覆環境とできることは、上記の通りである。この場合、形成後の硬質皮膜を金属炭化物または金属炭窒化物とすれば、使用中の機械的特性に優れるので、十分な作用効果を発揮できる。具体的には金属炭化物または金属炭窒化物を形成する炭素量が２０原子％以上を占める硬質皮膜であれば十分であるが、好ましくは２５原子％以上である。

そして、この炭化物または炭窒化物を構成する金属としてはチタンが好ましい。チタンは炭化物（炭窒化物）の形成能が高い上に、形成されたチタン炭化物（ＴｉＣ）や同炭窒化物（ＴｉＣＮ）も硬度が非常に高いため、このチタン炭化物（炭窒化物）中に炭素−炭素結合を担う炭素原子が存在することによって、潤滑特性と高硬度を併せ持つ皮膜とすることができる。そして、これらのうちでも、皮膜形成中の雰囲気がより炭素（Ｃ）リッチである金属炭化物（チタン炭化物）であれば、炭素同士の結合構造を得るのに更に有利であり、３０００ＨＶにも及ぶ高硬度と共に、優れた潤滑特性を達成できる形態としてより好ましい。

なお、硬質皮膜中に過多の酸素が混入すると、それは皮膜中に金属酸化物を多量に形成して皮膜が脆くなってしまう。よって、本発明では、不純物であることも含め、硬質皮膜の酸素濃度を１５原子％以下に規制することが望ましい。

また、本発明においては、上記の基体表面と硬質皮膜の間には、金属窒化物からなる中間皮膜を形成することが、それら相互間の更なる密着性の向上の点で好ましい。そしてこの場合、金属窒化物としては、チタンやクロムなどの金属元素が主体の窒化物が適用できるが、それ自体の硬度にも配慮すれば、チタン窒化物であることが望ましい。そして、これについては、硬質皮膜が金属炭化物や金属炭窒化物であるのであれば、それを構成する金属元素種に合わせることが、更なる密着性の向上に好ましい。

さらに、上記の中間皮膜にチタン窒化物を適用すれば、それは金色という特別な色を呈していることから、その上の硬質皮膜には異なる色の皮膜を被覆することで、使用中に硬質皮膜が摩耗すると金色の層が露出してくるため、皮膜自体の摩耗状況（寿命）を色で判断することができる。このような理由からも、基体表面と硬質皮膜との間には、チタン窒化物を適用することが好ましい。そして、その中でも、銀色を呈したチタン炭化物を硬質皮膜に採用する組合わせが、皮膜特性と色判断能の両機能を向上させる上で、より望ましい。

次に、皮膜の形成にアークイオンプレーティング法を用いる理由を述べる。従来より広く利用されているＣＶＤ法、そしてＴＤ処理に代表される塩浴処理法は、その処理温度が高温であることから、物質形成時の化学反応が平衡状態に近い形で進行し、安定な化合物が形成される。これに対して、プラズマ状態を利用するアークイオンプレーティング法では、物質形成反応が非平衡をも含む状態で進行する。よって、本来ならば安定に存在することのない炭素−炭素結合が、容易に発生する環境を得られることから、本発明においては他法への置換が困難な、装置要件である。そして、この炭素−炭素結合こそが、硬質皮膜に高い潤滑特性をもたらすのである。

そして、この通りの特殊な皮膜を実現するためには、アークイオンプレーティング中の雰囲気ガス成分を厳密に管理することも重要となる。すなわち、炭化水素系ガスを導入する本発明においては、その他に必要とされる混合ガス種や混合比のことであるが、特に窒素ガスは炭素−炭素結合の形成を阻害する作用があるので、窒素ガスを混ぜる必要があるときには注意が必要である。つまり、皮膜中に十分量の炭素−炭素結合構造を付与するためには、導入する炭化水素系ガスに対する窒素ガスの混在比が重量なポイントとして挙げられる。

本発明においては、上記の混在比を窒素ガスと炭化水素系ガスとのガス流量比（窒素ガス流量／炭化水素系ガス流量）で調整することが可能であって、この値を０．２以下に規制することが好ましい。この値が０．２以下であれば、プラズマの非平衡反応による炭素結合の生成量を十分に確保できるので、十分な摺動特性を持つ硬質皮膜とすることができる。なお、チタン炭化物といった金属炭化物皮膜中に炭素−炭素結合の構成を付与する場合においては、導入ガスを実質、炭化水素系ガスの一種とし、混在する窒素ガス（不純物の場合を含む）は極力低く管理することが望ましい。

しかし、皮膜中に十分量の炭素−炭素結合構造を付与できたとしても、硬質皮膜全体としては、その基地皮膜をも含めた総合特性（硬度と潤滑特性）が達成されなくては、意味がない。つまり、炭素同士の結合を有する炭素原子の一方では、基地皮膜そのもの（金属炭化物、金属炭窒化物）を形成する炭素原子量をも十分に確保することであり、好ましくは、上記の通りの、２０原子％以上の炭素原子である。そこで、この炭素バランスを良好に調整して、十分量の硬質基地皮膜中に、十分量の潤滑炭素原子を付与するために、本発明では、アークイオンプレーティング装置の容積に応じて、以下の炭化水素系ガス自体の流量制御を行うことが有効である。

導入する炭化水素系ガスの流量は、アークイオンプレーティング装置の容積（すなわち基体を装入するチャンバの容積）に対し、炭化水素系ガス流量／装置容積の値にて０．８×１０^−５〜１．５×１０^−５（ｓ^−１）とすることが好ましい。この値が０．８×１０^−５（ｓ^−１）未満となると、十分量の潤滑炭素原子は形成できたとしても、基地となる硬質皮膜としては好ましい種類である金属炭化物あるいは金属炭窒化物については、その十分な量が得られ難くなる。また、この値が１．５×１０^−５（ｓ^−１）を超えてしまうと、チャンバ内および皮膜表面に“すす”状の物質が発生し、製品外観を悪くするばかりか、アークイオンプレーティング中のアーク放電が不安定となり易く、生産性に影響を及ぼすことになる。

なお、炭化水素系ガス自体の流量については、上記のチャンバ容積との関係を満たした上では、１．０×１０^−５（ｍ^３／ｓ）以上とすることが、硬質皮膜としてのトータル特性を維持する上で好ましい。より望ましくは、１．１×１０^−５（ｍ^３／ｓ）以上である。これに併せては、２．０×１０^−５（ｍ^３／ｓ）を上限に管理することが、なお好ましい。

なお、炭化水素系ガスを導入する前には、窒素ガスを導入することによって、基体表面に金属窒化物からなる皮膜を被覆しておくことが、既に述べた通りの、密着性の向上の点では好ましい。そして、アークイオンプレーティングの際に使用される金属ターゲットとしては、Ｔｉターゲットが好ましい。これは先に述べたように、形成される硬質皮膜を、高硬度の点から望ましいチタン炭化物またはチタン炭窒化物とすることと、そして、その硬質皮膜の下には金属窒化物からなる皮膜を被覆する場合は、それをチタン窒化物とすることに基づくものである。

更には、硬質皮膜を被覆する際に用いる炭化水素系ガスとしては、メタンガスが好ましい。メタンガスはアークイオンプレーティング時の取り扱いが容易であり、硬質皮膜中に炭素−炭素結合を効率良く形成することができる。

表面処理を行う基体として、硬さ６４ＨＲＣに調整したＪＩＳ高速度工具鋼ＳＫＨ５１の板状試験片（幅１５ｍｍ×長さ１８ｍｍ×厚さ２ｍｍ）と、同円盤状試験片（直径２０ｍｍ×厚さ５ｍｍ）を準備した。板状試験片はコーティングした皮膜の分析用、円盤状試験片は潤滑特性の評価試験用である。そして、これらの平面を鏡面機械研磨した後、アルカリ超音波洗浄を行った。

次に、これら両基体を一対とした試料Ｎｏ．１〜９に対し、チャンバ容積が１．４ｍ^３（処理品の挿入空間は０．３ｍ^３）のアークイオンプレーティング装置内において、温度７７３Ｋ、１×１０^−３Ｐａの真空中で加熱脱ガスを行った後、７２３Ｋの温度においてＡｒプラズマによるクリーニングを行った。そして、装置内に各種の反応ガスを導入し、純Ｔｉターゲット上にアーク放電を発生させて、７２３Ｋのもとでアークイオンプレーティングによるコーティングを行った。コーティング時の基体には−１００Ｖのバイアス電圧を印加して、形成される硬質皮膜の厚さがおよそ２〜３μｍとなる様、コーティング時間を調整した。なお、試料Ｎｏ．１〜８においては、その硬質皮膜を被覆する前には、同じコーティング条件にて窒素ガスのみを導入し［流量４．１５（１０^−５ｍ^３／ｓ）］、基体直上にチタン窒化物からなる、厚さがおよそ１〜２μｍの中間皮膜を被覆している。試料Ｎｏ．１０はＣＶＤ法により、試料Ｎｏ．１１はＴＤ法により、皮膜を基体直上に形成したものである。各コーティング条件を表１に示す。

最初に、板状試験片の最表面に形成されたコーティング皮膜を使って、その構成を分析した。まず、ラマン分光法により皮膜表面に存在する炭素の結合構造の同定を行った。装置は日本電子株式会社製・型式ＪＲＳ−Ｓｙｓｔｅｍ２０００を使用した。そして、事前に高純度Ｓｉ標準試料の測定を行って、Ｈｅ−Ｎｅレーザ（波長６３３ｎｍ）によって５２０ｃｍ^−１のラマンシフトに現れるＳｉのラマンピーク強度が７０，０００から８０，０００の範囲内に収まることを確認した上で、その時のレーザ光出力を１００とした場合の２５％出力のレーザ光で測定を行い、１０００ｃｍ^−１から２０００ｃｍ^−１までのラマンシフト範囲を、４０秒かけて１回スキャンした。

次に、上記のラマン分光分析の結果（後述）を確認した後には、続けて同コーティング皮膜のＸＰＳによる表面分析を行った。装置はＫｒａｔｏｓ Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｌｉｍｉｔｅｄ社製・ＡＸＩＳ−ＨＳを使用した。Ｘ線源にはＡｌを用い、加速電圧１５ｋＶ、エミッション電流は７ｍＡとした。測定領域は０．５ｍｍ×０．２ｍｍで、測定直前にスパッタリングによって最表層から１０分（約１０ｎｍ；高純度ＳｉＯ_２標準試料にて１ｎｍ／分のスパッタを基準としている）を掘り下げて、表層不純物の除去を行った。

そして、板状試験片のものと同条件で形成した、円盤状試験片表面のコーティング皮膜により、相手材をＪＩＳ軸受鋼ＳＵＪ２とした時の動摩擦係数の測定を行って、潤滑特性を評価した。試験条件は、ボールオンディスク型摩擦試験機（ＣＳＭ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製Ｔｒｉｂｏｍｅｔｅｒ）を使用し、常温、大気中にて、コーティング皮膜にＳＵＪ２球（直径６ｍｍ）を２Ｎの荷重で押し付けながら、円盤状試験片を１５０ｍｍ／秒の速度で回転させた。試験距離は１００ｍとし、摩擦係数は試験距離１０ｍ，２０ｍ，３０ｍ，４０ｍ，５０ｍ，６０ｍ，７０ｍ，８０ｍ，９０ｍ，１００ｍでの値の平均値をとった。

表２に各試験片にコーティングされた最表面の硬質皮膜の組成（構成）と摩擦係数を示す。表中のＣ−Ｃとは、炭素同士の結合をしている炭素原子であり、またＣ−Ｔｉ（試料Ｎｏ．１１のみＣ−Ｖ）とは、金属Ｔｉ（試料Ｎｏ．１１のみＶ）と炭化物または炭窒化物を構成している炭素原子を表す。また図１には、本実施例で得られる同硬質皮膜の典型的なラマン分光法のスペクトルとして、本発明である試料Ｎｏ．１のものと、比較例である試料Ｎｏ．１０のものを代表に示す。本発明の試料Ｎｏ．１では、炭素同士の結合（矢印で示したｓｐ^２およびｓｐ^３結合）ピークが現れている。その他、試料Ｎｏ．２〜６，８においても、同様のピークが得られていることを確認している。一方、比較例の試料Ｎｏ．１０では、炭素同士の結合を示すピークは現れていない。その他、試料Ｎｏ．７，９，１１においても、炭素同士の結合を示すピークが現れていないことを確認している。

アークイオンプレーティングによって最表層の硬質皮膜を形成した試料Ｎｏ．１〜９において、そのコーティング中の雰囲気にメタンガスのみを導入した試料Ｎｏ．１および２は、皮膜中に存在する炭素−炭素結合が多く、摩擦係数も低い値が得られている。但し試料Ｎｏ．２については、皮膜内の酸素濃度が高めに推移しているため、試料Ｎｏ．１に比しては皮膜の密着性が弱い。試料Ｎｏ．３は、コーティング中の雰囲気に窒素が混在するものであるが、その（窒素ガス流量／炭化水素系ガス流量）の混在比は０．１２と低く規制しており、皮膜中の炭素−炭素結合量が多いことから、摩擦係数が低い。試料Ｎｏ．３に比しては混在する窒素ガスの比を高めた試料Ｎｏ．４は、その（Ｂ）／（Ａ）値こそ０．２３と高いものであるが、炭素−炭素結合を有する炭素原子を十分量付与できていることから、摩擦係数は低い値が得られている。

試料Ｎｏ．５は、同コーティング中の雰囲気に窒素が混在するものとしては、メタンガスの流量を少なくすると共に、窒素ガスの流量を多くしたことで、（Ｂ）／（Ａ）値が高くかつ、（Ａ）／（チャンバ容積）値も低いものである。このため、チタン炭窒化物の生成量が少ない皮膜ではあるが、十分量の炭素−炭素結合を有する炭素原子を付与できていることから、やはり摩擦係数は低い値が得られている。これとは逆に、メタンガスの流量を増やした試料Ｎｏ．６は、（Ａ）／（チャンバ容積）値が高く、このため皮膜中には炭素−炭素結合が多く存在することから、十分な摩擦特性が得られているが、試料表面にすす状物質が形成されるため、製品外観に影響するだけでなく、チャンバ内清掃が必要となることから、生産効率を考えた場合には実用的ではない。

一方、試料Ｎｏ．７は、メタンガス流量が少ないため、皮膜中には十分量の炭素−炭素結合が得られていない。また、チャンバ容積に対してはメタンガス流量が多く、（Ａ）／（チャンバ容積）値が高い試料Ｎｏ．８は、炭素−炭素結合は十分な量が得られているが、すす状物質の形成量が多く、膜性状が適切ではない。アークイオンプレーティング中にメタンガスを導入しなかった試料Ｎｏ．９は、主にＴｉＮで形成された皮膜であって、皮膜中には十分量の炭素−炭素結合が検出されず、摩擦係数も高い。

そして、ＣＶＤ法により形成された皮膜である試料Ｎｏ．１０は、皮膜中の炭素−炭素結合が少なく、十分な潤滑特性が得られていない。そして、ＴＤ法によって形成された皮膜である試料Ｎｏ．１１は、Ｖ炭化物を主体とする皮膜であって、この場合も皮膜中の炭素−炭素結合量が少なく、十分な潤滑特性が得られていない。

表面処理を行う基体としては、実施例１で用いた通りの２種を一組とした試験片を、試料Ｎｏ．１２として新たに準備した。

そして、これらの試料Ｎｏ．１２に対し、チャンバ容積が１．４ｍ^３（処理品の挿入空間は０．３ｍ^３）のアークイオンプレーティング装置内において、温度７７３Ｋ、１×１０^−３Ｐａの真空中で加熱脱ガスを行った後、７２３Ｋの温度においてＡｒプラズマによるクリーニングを行った。そして、装置内に反応ガスを導入し、純Ｔｉターゲット上にアーク放電を発生させて、７２３Ｋのもとでアークイオンプレーティングによるコーティングを行った。コーティング時の基体には−１００Ｖのバイアス電圧を印加して、基体直上に硬質皮膜を形成した。硬質皮膜の厚さは、およそ２〜３μｍとなる様、コーティング時間を調整した。コーティング条件を表３に示す。

最初に、実施例１に従ったラマン分光法によって、試料Ｎｏ．１２の硬質皮膜表面に存在する炭素の結合構造の同定を行った。その結果、炭素同士の結合を示すｓｐ^２とｓｐ^３の両結合ピークが現れた（図２）。

そして、上記に続けては、やはり実施例１に従ったＸＰＳにより、硬質皮膜の表面分析を行った。また同様に、実施例１で行った動摩擦係数の測定による潤滑特性の評価も行った。表４に硬質皮膜の組成（構成）と摩擦係数の評価結果を示す。表４には、実施例１で評価した比較例である、試料Ｎｏ．１０および１１の結果も併記しておく。

実施例１に同様、アークイオンプレーティングによって皮膜を形成した本発明の試料Ｎｏ．１２は、その硬質皮膜の表面においては存在する炭素−炭素結合が十分多く、低い摩擦係数が得られている。

本発明は、冷間ならびに温熱間における鍛造およびプレス加工など、金属の塑性加工に用いる工具の作業面に使用できる。また、その摺動特性を考慮すれば、ダイカストおよび鋳造に使用される金型、もしくは鋳抜きピンや、ダイカストの射出機に使用されるピストンリング等の、溶融金属に接して使用される鋳造用部材としても、その作業面への転用が可能である。更に、金型以外の治工具として、例えば機械の摺動部品や、切断刃などに適用することも可能である。

本発明および比較例の硬質皮膜で得られるラマン分光法のスペクトルの一例を示す図である。 本発明の硬質皮膜で得られるラマン分光法のスペクトルの一例を示す図である。

Claims (5)

1. 他材と接する基体の表面に被覆される硬質皮膜であって、前記硬質皮膜はチタン炭化物またはチタン炭窒化物からなり、前記硬質皮膜には炭素同士の結合を有する炭素原子が１０原子％以上３０原子％以下で分散しており、前記炭素同士の結合を有する炭素原子には、ｓｐ ^２ の結晶構造を有した炭素原子と、ｓｐ ^３ の結晶構造を有した炭素原子の両方が含まれており、酸素濃度が１５原子％以下である硬質皮膜を、前記基体の表面と前記硬質皮膜との間に形成されたチタン窒化物からなる中間皮膜を介して作業面に被覆してなることを特徴とする金属塑性加工用工具。
2. 前記チタン炭化物またはチタン炭窒化物からなる硬質皮膜を形成する炭素量が２０原子％以上であることを特徴とする請求項１に記載の金属塑性加工用工具。
3. アークイオンプレーティングによる請求項１に記載の金属塑性加工用工具の製造方法であって、
   Ｔｉターゲットを用いたアークイオンプレーティング装置内に窒素ガスを導入することによって、他材と接する基体の表面にチタン窒化物からなる中間皮膜を被覆し、
   次いで、前記アークイオンプレーティング装置内に炭化水素系ガスを１．０×１０ ^−５ （ｍ ^３ ／ｓ）以上、かつ、前記アークイオンプレーティング装置の容積に対して、炭化水素系ガス流量／装置容積＝０．８×１０ ^−５ 〜１．５×１０ ^−５ （ｓ ^−１ ）とする流量で導入することによって、炭素同士の結合を有する炭素原子が１０原子％以上３０原子％以下で分散し、前記炭素同士の結合を有する炭素原子には、ｓｐ^２の結晶構造を有した炭素原子と、ｓｐ^３の結晶構造を有した炭素原子の両方が含まれており、酸素濃度が１５原子％以下であるチタン炭化物またはチタン炭窒化物からなる硬質皮膜を被覆することを特徴とする金属塑性加工用工具の製造方法。
4. 前記アークイオンプレーティング装置内に導入する前記炭化水素系ガスに窒素ガスを混在させ、その混在比が窒素ガス流量／炭化水素系ガス流量において０．２以下になるよう規制して、前記硬質皮膜を被覆することを特徴とする請求項３に記載の金属塑性加工用工具の製造方法。
5. 前記アークイオンプレーティング装置内に導入する前記炭化水素系ガスは、メタンガスであることを特徴とする請求項３または４に記載の金属塑性加工用工具の製造方法。
   

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