JP7385223B2 - Composite hard carbon coating, composite hard carbon coating coated tool, and method for manufacturing composite hard carbon coating - Google Patents

Composite hard carbon coating, composite hard carbon coating coated tool, and method for manufacturing composite hard carbon coating Download PDF

Info

Publication number
JP7385223B2
JP7385223B2 JP2021529881A JP2021529881A JP7385223B2 JP 7385223 B2 JP7385223 B2 JP 7385223B2 JP 2021529881 A JP2021529881 A JP 2021529881A JP 2021529881 A JP2021529881 A JP 2021529881A JP 7385223 B2 JP7385223 B2 JP 7385223B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
hard carbon
carbon layer
coating
base material
composite
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2021529881A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPWO2021002027A1 (en
JPWO2021002027A5 (en
Inventor
功基 村澤
剛 吉武
モハメド アリ エブラヒム アブデルガワド アリ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kyushu University NUC
OSG Corp
Original Assignee
Kyushu University NUC
OSG Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kyushu University NUC, OSG Corp filed Critical Kyushu University NUC
Publication of JPWO2021002027A1 publication Critical patent/JPWO2021002027A1/ja
Publication of JPWO2021002027A5 publication Critical patent/JPWO2021002027A5/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7385223B2 publication Critical patent/JP7385223B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23BTURNING; BORING
    • B23B27/00Tools for turning or boring machines; Tools of a similar kind in general; Accessories therefor
    • B23B27/14Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23BTURNING; BORING
    • B23B5/00Turning-machines or devices specially adapted for particular work; Accessories specially adapted therefor
    • B23B5/16Turning-machines or devices specially adapted for particular work; Accessories specially adapted therefor for bevelling, chamfering, or deburring the ends of bars or tubes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23BTURNING; BORING
    • B23B51/00Tools for drilling machines
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)

Description

本発明は、高い硬度を有する厚膜の複合硬質炭素被膜、複合硬質炭素被膜被覆工具、および複合硬質炭素被膜の製造方法に関し、特に、被膜の付着力を向上させ、高い被膜硬さとしても剥離を抑制できる技術に関するものである。 The present invention relates to a thick composite hard carbon coating having high hardness, a composite hard carbon coating coated tool, and a method for manufacturing the composite hard carbon coating, and particularly to improving the adhesion of the coating and peeling even when the coating has high hardness. This is related to technology that can suppress this.

ドリルやエンドミル、フライス、バイト等の切削工具、盛上げタップ、転造工具、プレス金型等の非切削工具などの種々の加工工具、或いは耐摩耗性が要求される摩擦部品などの種々の工具部材において、超硬合金製或いは高速度工具鋼(HSS)製の母材の表面に、硬質炭素被膜をコーティングすることにより、耐摩耗性や耐久性を向上させることが種々提案されている。たとえば、特許文献1に提案されている硬質炭素被膜(DLC膜)がそれである。 Various processing tools such as cutting tools such as drills, end mills, milling cutters, and bits, non-cutting tools such as forming taps, rolling tools, press dies, etc., and various tool members such as friction parts that require wear resistance. Various proposals have been made to improve wear resistance and durability by coating the surface of a base material made of cemented carbide or high speed tool steel (HSS) with a hard carbon film. For example, a hard carbon film (DLC film) proposed in Patent Document 1 is such a film.

この特許文献1には、金属の基体表面にSiCなどの炭素を含む中間層が形成された成膜対象物であるWC(超硬合金)を真空槽内に配置し、真空槽内を水素ガス雰囲気にし、筒状のアノード電極内に配置したグラファイトから成るカソード電極と、カソード電極とは絶縁されたトリガ電極内にトリガ放電を発生させ、カソード電極とアノード電極の間に誘起したアーク放電をWC表面に到達させ、硬質炭素被膜の一種である、たとえば3から20nm程度の超ナノ微結晶ダイヤモンド被膜(ウルトラナノ結晶ダイヤモンド膜:UNCD膜)を形成するダイヤモンド膜製造方法が提案されている。このダイヤモンド膜製造方法では、たとえば、筒状のアノード電極と、アノード電極内に同軸に配置したグラファイトから成るカソード電極と、アノード電極内に同軸に配置したカソード電極にそれとは絶縁して配置されたトリガ電極内とを有する同軸プラズマジェットガンが用いられ、電荷質量比が小さな液滴はアノード電極から放出されず、電荷を有する微小なカーボン蒸気(カーボンイオン)がアノード電極から放出されることにより、超ナノ微結晶ダイヤモンドの膜であるUNCDが基体表面に形成される。 In Patent Document 1, WC (cemented carbide), which is a film-forming object in which an intermediate layer containing carbon such as SiC is formed on the surface of a metal base, is placed in a vacuum chamber, and the inside of the vacuum chamber is filled with hydrogen gas. A trigger discharge is generated in a cathode electrode made of graphite arranged in a cylindrical anode electrode and a trigger electrode insulated from the cathode electrode, and the arc discharge induced between the cathode electrode and anode electrode is WC. A method for producing a diamond film has been proposed in which a diamond film is formed on the surface to form an ultra-nano microcrystalline diamond film (UNCD film) of about 3 to 20 nm, which is a type of hard carbon film. In this diamond film manufacturing method, for example, a cylindrical anode electrode, a cathode electrode made of graphite arranged coaxially within the anode electrode, and a cathode electrode arranged coaxially within the anode electrode insulated from the cathode electrode. A coaxial plasma jet gun with a trigger electrode is used, and droplets with a small charge-to-mass ratio are not ejected from the anode electrode, but minute carbon vapor (carbon ions) with an electric charge are ejected from the anode electrode. UNCD, which is a film of ultra-nano microcrystalline diamond, is formed on the surface of the substrate.

上記特許文献1に提案されたUNCD膜は、ダイヤモンドとよく似た結晶構造を有するシード層であるSiCの中間層をWCの基材の表面に形成して密着性を高めているが、鉄系基材に対しては、上記SiCなどの炭化物を中間層として用いても、UNCD膜の密着性が充分に得られないので、耐摩耗性、耐熱性について望ましい性能が得られなかった。 In the UNCD film proposed in Patent Document 1, an intermediate layer of SiC, which is a seed layer having a crystal structure similar to that of diamond, is formed on the surface of a WC base material to improve adhesion. Even if a carbide such as SiC is used as an intermediate layer, sufficient adhesion of the UNCD film to the base material cannot be obtained, and therefore desirable performance in terms of wear resistance and heat resistance cannot be obtained.

これに対して、特許文献2では、鉄系基材と、それにWの中間層を介して積層したUNCD膜との間の密着性を向上させ、耐摩耗性および耐熱性に優れた超ナノ微結晶ダイヤモンド被膜被覆基材を提供するために、鉄系基材またはWC基材の表面に、真空中で前記同軸プラズマジェットガンにより成膜された第1硬質炭素層と、この第1硬質炭素層上に水素中で同軸プラズマジェットガンにより成膜された第2硬質炭素層とを含む硬質炭素被膜被覆基材が提案されている。これによれば、鉄系基材の上にW層を形成し、W層の上に前記同軸プラズマジェットガンにより真空中でWに対して付着性のよい第1硬質炭素層を成膜し、この第1硬質炭素層となじみのよい耐摩耗性に優れた第2硬質炭素層を前記同軸プラズマジェットガンにより水素中で成膜するので、密着性および耐摩耗性に優れた被膜が得られるとされている。上記特許文献2において、同軸プラズマジェットガンにより成膜された第1硬質炭素層および第2硬質炭素層は、超ナノ微結晶ダイヤモンド被膜(UNCD膜)であるが、正確には、数ナノサイズのダイヤモンド結晶と非晶質のアモルファスカーボンとの混合相被膜(UNCD/a-C膜)であって、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)等の硬質炭素被膜の一種である。 On the other hand, in Patent Document 2, the adhesion between an iron-based base material and a UNCD film laminated thereon via an intermediate layer of W is improved, and ultra-nano nanoparticles with excellent wear resistance and heat resistance are used. In order to provide a substrate coated with a crystalline diamond coating, a first hard carbon layer is formed on the surface of an iron-based substrate or a WC substrate by the coaxial plasma jet gun in a vacuum, and the first hard carbon layer is coated with a crystalline diamond coating. A hard carbon coated substrate has been proposed which includes a second hard carbon layer deposited thereon by a coaxial plasma jet gun in hydrogen. According to this, a W layer is formed on an iron-based base material, and a first hard carbon layer having good adhesion to W is formed on the W layer using the coaxial plasma jet gun in a vacuum. Since the second hard carbon layer, which is compatible with the first hard carbon layer and has excellent abrasion resistance, is formed in hydrogen using the coaxial plasma jet gun, a coating with excellent adhesion and abrasion resistance can be obtained. has been done. In the above Patent Document 2, the first hard carbon layer and the second hard carbon layer formed by a coaxial plasma jet gun are ultra-nano microcrystalline diamond coatings (UNCD films), but to be more precise, they are several nanocrystalline diamond coatings. It is a mixed phase film (UNCD/a-C film) of diamond crystals and amorphous carbon, and is a type of hard carbon film such as diamond-like carbon (DLC).

特開2007-247032号公報Japanese Patent Application Publication No. 2007-247032 特開2010-043347号公報Japanese Patent Application Publication No. 2010-043347

ところで、工具に対する耐摩耗性の要求は尽きることがなく、工具用の耐摩耗性被膜にはより高い硬さおよび膜厚が望まれる。このため、工具用の耐摩耗性被膜を50GPa以上の被膜硬さとし、そのような被膜硬さで高速度工具鋼のような鉄系金属やWCのような超硬合金の上に粗面化処理なしで1μmを超える厚さで成膜しようとすると、特許文献2で提案されている被膜は、剥離するために厚膜化ができず、早期に摩耗または剥離が発生するという問題があった。 Incidentally, the demand for wear resistance for tools never ends, and higher hardness and film thickness are desired for wear-resistant coatings for tools. For this reason, the wear-resistant coating for tools has a coating hardness of 50 GPa or more, and with such coating hardness, it is possible to roughen the surface of ferrous metals such as high-speed tool steel and cemented carbide such as WC. If an attempt is made to form a film with a thickness of more than 1 μm without using any of the above methods, the film proposed in Patent Document 2 will peel off, making it impossible to make the film thicker, and there is a problem in that wear or peeling will occur at an early stage.

本発明は以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、厚膜に成膜可能な高硬度を有する、複合硬質炭素被膜、複合硬質炭素被膜被覆工具、および複合硬質炭素被膜の製造方法を提供することにある。 The present invention has been made against the background of the above circumstances, and its objects are to provide a composite hard carbon coating, a composite hard carbon coating coated tool, and a composite hard carbon coating having high hardness that can be formed into a thick film. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a carbon film.

本発明者等は、以上の事情を背景として種々検討を重ねた結果、積層する第1の数ナノサイズのダイヤモンド結晶と非晶質のアモルファスカーボンとの混合相被膜および第2の数ナノサイズのダイヤモンド結晶と非晶質のアモルファスカーボンとの混合相被膜の密度に着目し、鉄系素材或いは超硬合金素材の上に、前記同軸プラズマジェットガンのアーク放電の電位やヒータの温度を調節しつつ成膜して、基材側の第1硬質炭素層の密度を、その上にある第2硬質炭素層の密度よりも小さくすると、被膜全体の硬さおよび厚みを大きくしても、相対的に密度の低い第1硬質炭素層が緩衝層として機能するので、全体として被膜の剥離が抑制され、高い耐摩耗性が得られることを見いだした。本発明は、斯かる知見に基づいて為されたものである。 As a result of various studies against the background of the above circumstances, the present inventors have discovered that the first layered mixed phase film of several nano-sized diamond crystals and amorphous carbon, and the second layered layer of several nano-sized diamond crystals and amorphous carbon Focusing on the density of the mixed phase coating of diamond crystals and amorphous carbon, we applied it to iron-based materials or cemented carbide materials while adjusting the arc discharge potential and heater temperature of the coaxial plasma jet gun. When a film is formed and the density of the first hard carbon layer on the base material side is lower than the density of the second hard carbon layer thereon, even if the hardness and thickness of the entire film are increased, the relative It has been found that since the first hard carbon layer with a low density functions as a buffer layer, peeling of the coating is suppressed as a whole and high wear resistance is obtained. The present invention has been made based on this knowledge.

すなわち、第1発明の要旨とするところは、複合硬質炭素被膜の製造方法であって、真空チャンバ内において、実質的に水素を含まない超真空中で、筒型アノード電極と前記筒型アノード電極内に同軸に配置されたグラファイトであるカソード電極との間に放電させる同軸アークプラズマガンを用いて、前記筒型アノード電極の先端に開く開口から放出された高エネルギのプラズマ化された粒子を工具母材の一部または全部に当てることで、前記工具母材上に第1硬質炭素層を形成する第1硬質炭素層形成工程と、前記真空チャンバ内において、実質的に水素を含まない超真空中で、前記第1硬質炭素層形成工程に対して前記工具母材の温度を低くした温度設定状態で、前記同軸アークプラズマガン、又は、前記同軸アークプラズマガンとは異なる同軸アークプラズマガンを用いて、高エネルギのプラズマ化された粒子を前記工具母材の一部または全部に当てることで、前記第1硬質炭素層の上に第2硬質炭素層を形成する第2硬質炭素層形成工程と、を含むことにある。That is, the gist of the first invention is a method for manufacturing a composite hard carbon film, in which a cylindrical anode electrode and the cylindrical anode are formed in a vacuum chamber in an ultra- high vacuum substantially free of hydrogen. Using a coaxial arc plasma gun that discharges between a graphite cathode electrode arranged coaxially within the electrode, high-energy plasma particles emitted from the opening at the tip of the cylindrical anode electrode are a first hard carbon layer forming step of forming a first hard carbon layer on the tool base material by applying it to part or all of the tool base material; and a step of forming a first hard carbon layer on the tool base material; In a high vacuum, the coaxial arc plasma gun, or a coaxial arc plasma gun different from the coaxial arc plasma gun, in a temperature setting state where the temperature of the tool base material is lower than the first hard carbon layer forming step. forming a second hard carbon layer on the first hard carbon layer by applying high-energy plasma particles to part or all of the tool base material using The purpose is to include the process and.

2発明の要旨とするところは、前記第1硬質炭素層は、0.2μmから3.0μmの厚みと2.1g/cm3から2.4g/cm3の密度とを有し、前記第2硬質炭素層は、1.0μmから9.0μmの厚みと2.5g/cm3から3.0g/cm3の密度とを有することにある。The gist of the second invention is that the first hard carbon layer has a thickness of 0.2 μm to 3.0 μm and a density of 2.1 g/cm 3 to 2.4 g/cm 3 , and The hard carbon layer has a thickness of 1.0 μm to 9.0 μm and a density of 2.5 g/cm 3 to 3.0 g/cm 3 .

第1発明の複合硬質炭素被膜の製造方法によれば、真空チャンバ内において、超高真空中で、筒型アノード電極と前記筒型アノード電極内に同軸に配置されたグラファイトであるカソード電極との間に放電させる同軸アークプラズマガンを用いて、前記筒型アノード電極の先端に開く開口から放出された高エネルギのプラズマ化された粒子を工具母材の一部または全部に当てることで、前記工具母材上に第1硬質炭素層を形成する第1硬質炭素層形成工程と、前記真空チャンバ内において、実質的に水素を含まない超高真空中で、前記第1硬質炭素層形成工程に対して前記工具母材の温度を低くした温度設定状態で、前記同軸アークプラズマガン、又は、前記同軸アークプラズマガンとは異なる同軸アークプラズマガンを用いて、高エネルギのプラズマ化された粒子を前記工具母材の一部または全部に当てることで、前記第1硬質炭素層の上に第2硬質炭素層を形成する第2硬質炭素層形成工程と、を含む。これにより、工具母材の表面に粗面化処理を必要とすることなく、被膜の剥離が抑制され、高い耐摩耗性が得られる。
また、第2発明の複合硬質炭素被膜によれば、前記第1硬質炭素層は、0.2μmから3.0μmの厚みと2.1g/cm3から2.4g/cm3の密度とを有し、前記第2硬質炭素層は、1.0μmから9.0μmの厚みと2.5g/cm3から3.0g/cm3の密度とを有する。このことから、工具母材側の第1硬質炭素層の密度が、その上にある第2硬質炭素層の密度よりも相対的に小さいので、被膜全体の固さおよび厚みを大きくしても、相対的に密度の低い第1硬質炭素層が緩衝層として機能するので、全体として被膜の剥離が抑制され、高い耐磨耗性返られる。
According to the method for manufacturing a composite hard carbon coating of the first invention, in a vacuum chamber, in an ultra-high vacuum, a cylindrical anode electrode and a cathode electrode made of graphite coaxially arranged in the cylindrical anode electrode are connected. By applying high-energy plasma particles emitted from the opening at the tip of the cylindrical anode electrode to part or all of the tool base material using a coaxial arc plasma gun that discharges electricity during the a first hard carbon layer forming step of forming a first hard carbon layer on a base material; and a step of forming a first hard carbon layer in an ultra-high vacuum that does not substantially contain hydrogen in the vacuum chamber. Using the coaxial arc plasma gun or a coaxial arc plasma gun different from the coaxial arc plasma gun, high-energy plasma particles are applied to the tool in a temperature setting state in which the temperature of the tool base material is lowered. A second hard carbon layer forming step of forming a second hard carbon layer on the first hard carbon layer by applying the method to part or all of the base material. Thereby, peeling of the coating is suppressed and high wear resistance is obtained without requiring roughening treatment on the surface of the tool base material.
Further, according to the composite hard carbon coating of the second invention, the first hard carbon layer has a thickness of 0.2 μm to 3.0 μm and a density of 2.1 g/cm3 to 2.4 g/cm3, The second hard carbon layer has a thickness of 1.0 μm to 9.0 μm and a density of 2.5 g/cm 3 to 3.0 g/cm 3 . From this, the density of the first hard carbon layer on the tool base material side is relatively lower than the density of the second hard carbon layer thereon, so even if the hardness and thickness of the entire coating are increased, Since the first hard carbon layer, which has a relatively low density, functions as a buffer layer, peeling of the coating is suppressed as a whole, and high abrasion resistance is achieved.

第3発明の要旨とするところは、前記第1硬質炭素層と前記第2硬質炭素層との合計厚みは、2~12μmである。このような被覆全体の厚みにより、硬さおよび厚みを大きくしても、相対的に密度の低い第1硬質炭素層が緩衝層として機能するので、全体として被膜の剥離が抑制され、高い耐磨耗性が得られる。 The gist of the third invention is that the total thickness of the first hard carbon layer and the second hard carbon layer is 2 to 12 μm. Due to the thickness of the entire coating, even if the hardness and thickness are increased, the first hard carbon layer, which has a relatively low density, functions as a buffer layer, so peeling of the coating as a whole is suppressed and high wear resistance is achieved. Provides wear resistance.

4発明の要旨とするところは、前記第1硬質炭素層と前記第2硬質炭素層とが、交互に清掃されている。これにより、積層された複数対のうちの上側の硬質炭素層と前記第2硬質炭素層との対が消耗しても、被膜の剥離がない。 The gist of the fourth invention is that the first hard carbon layer and the second hard carbon layer are alternately cleaned. Thereby, even if the upper pair of the hard carbon layer and the second hard carbon layer out of the plurality of laminated pairs is worn out, the coating will not peel off.

第5発明の要旨とするところは、前記第1硬質炭素層および前記第2硬質炭素層は、1nm以上20nm以下の超ナノ微結晶ダイヤモンドとアモルファスカーボンとの混合層である。これにより、アモルファスカーボンからなる炭素被膜と比較して、高い硬度が得られるので、被膜の耐久性が高められる。 The gist of the fifth invention is that the first hard carbon layer and the second hard carbon layer are a mixed layer of ultra-nano microcrystalline diamond of 1 nm or more and 20 nm or less and amorphous carbon. As a result, higher hardness can be obtained compared to a carbon coating made of amorphous carbon, so the durability of the coating can be improved.

第6発明の要旨とするところは、前記複合硬質炭素被膜は、実質的に水素を含まず、ナノインデンテーション法を用いた測定で50GPa以上の被膜硬さを有する。これにより、高い摩耗性や耐久性を有する工具が得られる。 The gist of the sixth invention is that the composite hard carbon film does not substantially contain hydrogen and has a film hardness of 50 GPa or more as measured using a nanoindentation method. As a result, a tool with high wear resistance and durability can be obtained.

第7発明の要旨とするところは、複合硬質炭素被膜が被着されている複合硬質被膜被覆工具の製造方法であって、真空チャンバ内において、実質的に水素を含まない超高真空中で、筒型アノード電極と前記筒型アノード電極内に同軸に配置されたグラファイトであるカソード電極との間に放電させる同軸アークプラズマガンを用いて、前記筒型アノード電極の先端に開く開口から放出された高エネルギのプラズマ化された粒子を工具母材の一部または全部に当てることで、鉄系素材又は超合金素材である工具母材上に第1硬質炭素層を形成する第1硬質炭素層形成工程と、前記真空チャンバ内において、実質的に水素を含まない超高真空中で、前記第1硬質炭素層形成工程に対して前記工具母材の温度を低くした温度設定状態で、前記同軸アークプラズマガン、又は、前記同軸アークプラズマガンとは異なる同軸アークプラズマガンを用いて、高エネルギのプラズマ化された粒子を前記工具母材の一部または全部に当てることで、前記第1硬質炭素層の上に第2硬質炭素層を形成する第2硬質炭素層形成工程と、を含み、前記工具母材の一部または全部が、前記複合硬質炭素被膜によって被覆されている。これにより、前記工具母材の一部又は全部が複合硬質炭素被膜によって覆われているので、被膜の剥離が抑制され、高い耐摩耗性を有する複合硬質炭素被膜被覆工具が得られる。The gist of the seventh invention is a method for manufacturing a composite hard coating tool coated with a composite hard carbon coating, which comprises: in a vacuum chamber, in an ultra-high vacuum substantially free of hydrogen; Using a coaxial arc plasma gun that discharges between a cylindrical anode electrode and a cathode electrode made of graphite coaxially arranged within the cylindrical anode electrode, plasma is emitted from an opening at the tip of the cylindrical anode electrode. Formation of a first hard carbon layer by applying high-energy plasma particles to part or all of the tool base material to form a first hard carbon layer on the tool base material, which is an iron-based material or a superalloy material. and in the vacuum chamber, in an ultra-high vacuum that does not substantially contain hydrogen, in a temperature setting state where the temperature of the tool base material is lower than that of the first hard carbon layer forming step, the coaxial arc is The first hard carbon layer is formed by applying high-energy plasma particles to part or all of the tool base material using a plasma gun or a coaxial arc plasma gun different from the coaxial arc plasma gun. a second hard carbon layer forming step of forming a second hard carbon layer on the tool base material, and part or all of the tool base material is covered with the composite hard carbon coating. As a result, part or all of the tool base material is covered with the composite hard carbon coating, so peeling of the coating is suppressed and a composite hard carbon coating coated tool having high wear resistance is obtained.

本発明の一実施例の複合硬質炭素被膜被覆工具が切削部の表面に被着されたドリルを示す正面図である。1 is a front view showing a drill in which a composite hard carbon coating tool according to an embodiment of the present invention is adhered to the surface of a cutting part. 図1のドリルを説明するためにその先端側から示す拡大底面図である。FIG. 2 is an enlarged bottom view of the drill shown in FIG. 1 from its tip side for explaining the drill. 図1のドリルの工具母材上に被着された複合硬質炭素被膜の積層構造を拡大して説明する拡大断面図である。FIG. 2 is an enlarged sectional view illustrating the laminated structure of a composite hard carbon coating deposited on the tool base material of the drill of FIG. 1; 図1の複合硬質炭素被膜を工具母材上に成膜する同軸型真空アーク蒸着装置の構成を説明する概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the configuration of a coaxial vacuum arc deposition apparatus for forming the composite hard carbon coating of FIG. 1 on a tool base material. 図5の同軸型真空アーク蒸着装置に用いられる同軸アークプラズマガンの構成を説明する概略図である。6 is a schematic diagram illustrating the configuration of a coaxial arc plasma gun used in the coaxial vacuum arc deposition apparatus of FIG. 5. FIG. 図4の同軸型真空アーク蒸着装置を用いて工具母材の表面に図3の複合硬質炭素被膜をコーティングする成膜工程を説明する図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a film forming process of coating the composite hard carbon film of FIG. 3 on the surface of a tool base material using the coaxial vacuum arc deposition apparatus of FIG. 4; 本発明の実施例品1から実施例品10、および、比較例品1から比較例品7の合計17種類の試料についての硬さおよび耐摩耗性の評価結果を示す図表である。It is a chart showing the hardness and wear resistance evaluation results for a total of 17 types of samples, including Example Products 1 to 10 of the present invention and Comparative Example Products 1 to Comparative Example Products 7. 図3に示す実施例の被膜構成と特許文献2等に記載された被膜構成との相違を説明する対比表である。4 is a comparison table illustrating the difference between the coating structure of the embodiment shown in FIG. 3 and the coating structure described in Patent Document 2 and the like. 本発明の他の実施例における、工具母材上に被着された複合硬質炭素被膜の積層構造を説明する拡大断面図であって、図3に相当する図である。FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view illustrating a laminated structure of a composite hard carbon coating deposited on a tool base material in another embodiment of the present invention, and is a view corresponding to FIG. 3. 本発明の他の実施例における、工具母材上に被着された複合硬質炭素被膜の積層構造を説明する拡大断面図であって、図3に相当する図である。FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view illustrating a laminated structure of a composite hard carbon coating deposited on a tool base material in another embodiment of the present invention, and is a view corresponding to FIG. 3.

以下、本発明の複合硬質炭素被膜被覆工具の一実施例について図面を参照して詳細に説明する。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, one embodiment of the composite hard carbon coating tool of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1および図2は、本発明の複合硬質炭素被膜被覆工具の一例であるドリル10を示す図である。図1は軸心Oと直角な方向から見た正面図、図2は切れ刃12が設けられた先端側から見た拡大底面図である。ドリル10は、高速度工具鋼(HSS)などの鉄系素材或いは超硬合金素材製の工具母材22から構成されている。このドリル10は、2枚刃のツイストドリルで、シャンク14およびボデー16を軸方向に一体に備えており、ボデー16には軸心Oの右まわりにねじれた一対の溝18が形成されている。ボデー16の先端には、溝18に対応して一対の切れ刃12が設けられており、シャンク14側から見て軸心Oの右まわりに回転駆動されることにより切れ刃12によって穴を切削加工するとともに、切屑が溝18を通ってシャンク14側へ排出される。図1において、斜線部分は、複合硬質炭素被膜24がコーティング(被着)された部分を示している。本実施例では、ドリル10の一部であるボデー16がコーティングされているが、ドリル10全体がコーティングされても差し支えない。 FIGS. 1 and 2 are views showing a drill 10 which is an example of a composite hard carbon coated tool of the present invention. FIG. 1 is a front view seen from a direction perpendicular to the axis O, and FIG. 2 is an enlarged bottom view seen from the tip side where the cutting edge 12 is provided. The drill 10 includes a tool base material 22 made of a ferrous material such as high-speed tool steel (HSS) or a cemented carbide material. This drill 10 is a two-blade twist drill, and includes a shank 14 and a body 16 that are integrated in the axial direction, and the body 16 has a pair of grooves 18 that are twisted clockwise around the axis O. . A pair of cutting edges 12 are provided at the tip of the body 16 in correspondence with the grooves 18, and when viewed from the shank 14 side, the cutting edges 12 cut a hole by rotating clockwise around the axis O. While machining, chips are discharged through the groove 18 to the shank 14 side. In FIG. 1, the shaded area indicates the area coated with the composite hard carbon film 24. In this embodiment, the body 16, which is a part of the drill 10, is coated, but the entire drill 10 may be coated.

図3は、ボデー16における表面付近の断面を拡大して示す図であって、粗面化処理していない工具母材22の表面には、複合硬質炭素被膜24がコーティングされている。複合硬質炭素被膜24は、工具母材22の表面の上に直接に被着された第1硬質炭素層26と、第1硬質炭素層26の表面の上に直接に被着された第1硬質炭素層26よりも高い密度を有する第2硬質炭素層28とが、順に積層されることにより構成されている。複合硬質炭素被膜24の最外層は、第1硬質炭素層26よりも密度が相対的に高い第2硬質炭素層28から構成されている。 FIG. 3 is an enlarged view showing a cross section near the surface of the body 16, and the surface of the tool base material 22 that has not been roughened is coated with a composite hard carbon film 24. The composite hard carbon coating 24 includes a first hard carbon layer 26 directly deposited on the surface of the tool base material 22 and a first hard carbon layer deposited directly on the surface of the first hard carbon layer 26. A second hard carbon layer 28 having a higher density than the carbon layer 26 is constructed by being laminated in this order. The outermost layer of the composite hard carbon coating 24 is composed of a second hard carbon layer 28 having a relatively higher density than the first hard carbon layer 26 .

第1硬質炭素層26は、0.2μmから3.0μmの厚みt1(0.2μm≦t1≦3.0μm)と、2.1g/cmから2.4g/cmの密度d1(2.1g/cm≦d1≦2.4g/cm)とを有している。また、第2硬質炭素層28は、1.0μmから9.0μmの厚みt2(1.0μm≦t2≦9.0μm)と2.5g/cmから3.0g/cmの密度d2(2.5g/cm≦d2≦3.0g/cm)とを有している。The first hard carbon layer 26 has a thickness t1 (0.2 μm≦t1≦3.0 μm) of 0.2 μm to 3.0 μm, and a density d1 (2.1 g/cm 3 to 2.4 g/cm 3 ). 1g/cm 3 ≦d1≦2.4g/cm 3 ). The second hard carbon layer 28 has a thickness t2 (1.0 μm≦t2≦9.0 μm) of 1.0 μm to 9.0 μm and a density d2 (2 .5g/cm 3 ≦d2≦3.0g/cm 3 ).

図4は、ドリル10の製造に用いられる同軸型真空アーク蒸着装置30を説明する概略構成図(模式図)である。同軸型真空アーク蒸着装置30は、ワーク保持具32と、温度制御装置36と、回転装置38と、工具母材22などを内部に収容している処理容器としての真空チャンバ40と、排気装置42と、複数の同軸アークプラズマガン、本実施例では1対の第1同軸アークプラズマガン44および第2同軸アークプラズマガン46と、第1同軸アークプラズマガン44を駆動してアークプラズマを先端部から放出させる第1アーク電源48と、第2同軸アークプラズマガン46を駆動して高エネルギのプラズマ化された粒子を先端部から放出させる第2アーク電源50と、工具母材22の電位をアース電位Eより持ち上げるバイアス電圧を工具母材22に付与するバイアス電源52とを、備えている。 FIG. 4 is a schematic configuration diagram (schematic diagram) illustrating a coaxial vacuum arc deposition apparatus 30 used for manufacturing the drill 10. The coaxial vacuum arc evaporation apparatus 30 includes a workpiece holder 32, a temperature control device 36, a rotation device 38, a vacuum chamber 40 serving as a processing container that houses a tool base material 22, etc., and an exhaust device 42. A plurality of coaxial arc plasma guns, in this embodiment, a pair of first coaxial arc plasma gun 44 and second coaxial arc plasma gun 46, and the first coaxial arc plasma gun 44 are driven to emit arc plasma from the tip. A first arc power source 48 for emitting, a second arc power source 50 for driving the second coaxial arc plasma gun 46 to emit high-energy plasma particles from the tip, and setting the potential of the tool base material 22 to the ground potential. The tool includes a bias power source 52 that applies a bias voltage higher than E to the tool base material 22.

ワーク保持具32は、多数のワークすなわち複合硬質炭素被膜24を被覆する前の、切れ刃12、溝18等が形成された工具母材22を、工具母材22の先端が外側へ突き出す姿勢で工具母材22のシャンク14を保持している。温度制御装置36は、ワーク保持具32に保持された工具母材22を加熱するシーズヒータ34およびシーズヒータ34の駆動電流を調節して工具母材22の温度を制御する。排気装置42は、真空チャンバ40内の気体を真空ポンプなどで排出して10-5Pa程度より高い超高真空に減圧し、真空チャンバ40内を実質的に水素を含まない超高真空状態とする。回転装置38は、ワーク保持具32を略垂直なその回転中心線まわりに回転駆動する。The workpiece holder 32 holds a tool base material 22 in which cutting edges 12, grooves 18, etc. are formed before coating a large number of workpieces, that is, a composite hard carbon coating 24, with the tip of the tool base material 22 protruding outward. It holds the shank 14 of the tool base material 22. The temperature control device 36 controls the temperature of the tool base material 22 by adjusting the sheathed heater 34 that heats the tool base material 22 held by the workpiece holder 32 and the drive current of the sheathed heater 34 . The exhaust device 42 exhausts the gas in the vacuum chamber 40 using a vacuum pump or the like to reduce the pressure to an ultra-high vacuum higher than about 10 −5 Pa, and brings the inside of the vacuum chamber 40 into an ultra-high vacuum state substantially free of hydrogen. do. The rotation device 38 rotates the workpiece holder 32 about its substantially vertical rotation center line.

上記同軸型真空アーク蒸着装置30では、その成膜動作はコンデンサCの充放電の繰り返しに同期して周期的に行なわれるので、カソードシャッタや基板シャッタを用いることなく、コンデンサCの充放電回数を設定することにより工具母材22に被着させられる炭素膜の膜厚を所望の値に制御できる。また、上記同軸型真空アーク蒸着装置30では、電子の発生にガスを用いていないので、10-5Pa程度より低い超高真空下において純度の高い非晶質炭素膜(DLC)を成膜できるとともに、プラズマのイオン化率が80%程度と高く、粒子の運動エネルギが高いため、緻密で密着性のよい硬質炭素被膜が形成できる。第1硬質炭素層26および第2硬質炭素層28は、その硬質炭素被膜であって、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)等の硬質炭素被膜の一種であるが、電荷質量比が小さな液滴は筒型アノード電極AEから放出されず、電荷を有する微小なカーボン蒸気(カーボンイオン)が筒型アノード電極AEから放出されることにより、超ナノ微結晶ダイヤモンド(UNCD)を含む。正確には、数ナノサイズのダイヤモンド結晶(UNCD)と非晶質のアモルファスカーボン(a-C)との混合相被膜(UNCD/a-C膜)である。In the coaxial vacuum arc deposition apparatus 30, the film forming operation is performed periodically in synchronization with the repeated charging and discharging of the capacitor C, so the number of charging and discharging of the capacitor C can be controlled without using a cathode shutter or a substrate shutter. By setting, the thickness of the carbon film deposited on the tool base material 22 can be controlled to a desired value. Furthermore, since the coaxial vacuum arc deposition apparatus 30 does not use gas to generate electrons, it is possible to form a highly pure amorphous carbon film (DLC) under an ultra-high vacuum of less than about 10 −5 Pa. In addition, since the ionization rate of the plasma is as high as about 80% and the kinetic energy of the particles is high, a dense hard carbon film with good adhesion can be formed. The first hard carbon layer 26 and the second hard carbon layer 28 are hard carbon films, and are a type of hard carbon film such as diamond-like carbon (DLC). Ultra-nano microcrystalline diamond (UNCD) is contained because microscopic carbon vapor (carbon ions) having an electric charge are emitted from the cylindrical anode electrode AE without being emitted from the anode electrode AE. To be precise, it is a mixed phase film (UNCD/aC film) of several nano-sized diamond crystals (UNCD) and amorphous carbon (aC).

第1同軸アークプラズマガン44およびそれを駆動する第1アーク電源48と第2同軸アークプラズマガン46およびそれを駆動する第2アーク電源50とは、相互に全く同様に構成されているので、共通の図5を用いて、一方の第1同軸アークプラズマガン44および第1アーク電源48の構成を代表させて説明する。第1同軸アークプラズマガン44では、カソード電極KEを構成する固体ターゲットがアンドープ炭素膜である第1硬質炭素層26および第2硬質炭素層28を形成するための純粋なグラファイトである。 The first coaxial arc plasma gun 44 and the first arc power supply 48 that drives it, and the second coaxial arc plasma gun 46 and the second arc power supply 50 that drives it are configured in exactly the same way, so they are common. The configurations of the first coaxial arc plasma gun 44 and the first arc power source 48 will be representatively explained using FIG. 5. In the first coaxial arc plasma gun 44, the solid target constituting the cathode electrode KE is pure graphite for forming the first hard carbon layer 26 and the second hard carbon layer 28, which are undoped carbon films.

図5に示すように、第1同軸アークプラズマガン44は、グラファイトから成る固体ターゲットである円柱状のカソード電極KEと、その外側を保持する絶縁体である筒状碍子CEと、筒状碍子CEの先端部に装着された円筒状のトリガ電極TEとを有する。第1同軸アークプラズマガン44は、トリガ電極TEが筒状碍子CEの外周に装着され且つカソード電極KEが筒状碍子CE内に挿通されてそれらトリガ電極TE、筒状碍子CEおよびカソード電極KEが同心に組立てられた内側電極組立体が、それよりも大径の筒型アノード電極AE内に、同心に配置されることで構成されている。第1アーク電源48は、カソード電極KEとアース電位Eとの間に接続されたアーク電源ASと、カソード電極KEとトリガ電極TEとの間に接続されたトリガ電源TSと、カソード電極KEとアース電位Eとの間に接続されたコンデンサCとを備えている。 As shown in FIG. 5, the first coaxial arc plasma gun 44 includes a cylindrical cathode electrode KE that is a solid target made of graphite, a cylindrical insulator CE that is an insulator that holds the outside of the cylindrical cathode electrode KE, and a cylindrical insulator CE that is an insulator that holds the outside of the cylindrical cathode electrode KE. It has a cylindrical trigger electrode TE attached to the tip of the trigger electrode TE. In the first coaxial arc plasma gun 44, the trigger electrode TE is attached to the outer periphery of the cylindrical insulator CE, and the cathode electrode KE is inserted into the cylindrical insulator CE. An inner electrode assembly assembled concentrically is arranged concentrically within a cylindrical anode electrode AE having a larger diameter than the inner electrode assembly. The first arc power source 48 includes an arc power source AS connected between the cathode electrode KE and the earth potential E, a trigger power source TS connected between the cathode electrode KE and the trigger electrode TE, and an arc power source TS connected between the cathode electrode KE and the earth potential E. and a capacitor C connected between the potential E and the capacitor C.

図6は、同軸型真空アーク蒸着装置30を用いて工具母材22の表面に複合硬質炭素被膜24をコーティングする成膜工程を説明する図である。図6において、上記のように構成された第1同軸アークプラズマガン44では、トリガ電極TEより沿面放電により電子を発生させ、それを契機にコンデンサCに充電された電荷を一気にカソード電極KEに放電させて、カソード電極KEを構成する固体ターゲットであるグラファイトを液化→気化→プラズマ化して筒型アノード電極AEの先端開口から高エネルギのプラズマ化された粒子Pを工具母材22に向かって飛散させ、工具母材22の表面に被着させる。このように、第1同軸アークプラズマガン44を駆動すると同時に、第2同軸アークプラズマガン46を駆動することで第1硬質炭素層26が成膜される。この第1硬質炭素層26を工具母材22に成膜する第1硬質炭素層形成工程P1は、ワーク保持具32が所定の成膜温度および所定のバイアス電圧に維持され、ワーク保持具32をその回転中心線まわりに一定の回転数にて回転駆動する状態で行なわれる。この第1硬質炭素層形成工程P1における成膜条件は、第1硬質炭素層26の厚みt1が、0.2μmから3.0μm(0.2μm≦t1≦3.0μm)となり、密度d1が、2.1g/cmから2.4g/cm(2.1g/cm≦d1≦2.4g/cm)となるように、設定されている。FIG. 6 is a diagram illustrating a film forming process of coating the composite hard carbon film 24 on the surface of the tool base material 22 using the coaxial vacuum arc deposition apparatus 30. In FIG. 6, in the first coaxial arc plasma gun 44 configured as described above, electrons are generated by creeping discharge from the trigger electrode TE, and using this as an opportunity, the electric charge charged in the capacitor C is discharged at once to the cathode electrode KE. Then, graphite, which is a solid target constituting the cathode electrode KE, is liquefied, vaporized, and turned into plasma, and high-energy plasma particles P are scattered toward the tool base material 22 from the tip opening of the cylindrical anode electrode AE. , is applied to the surface of the tool base material 22. In this way, the first hard carbon layer 26 is formed by driving the second coaxial arc plasma gun 46 at the same time as the first coaxial arc plasma gun 44 is driven. In the first hard carbon layer forming step P1 of forming the first hard carbon layer 26 on the tool base material 22, the workpiece holder 32 is maintained at a predetermined film forming temperature and a predetermined bias voltage. It is performed by rotating around the center line of rotation at a constant rotational speed. The film forming conditions in this first hard carbon layer forming step P1 are that the thickness t1 of the first hard carbon layer 26 is from 0.2 μm to 3.0 μm (0.2 μm≦t1≦3.0 μm), and the density d1 is as follows. It is set to be 2.1 g/cm 3 to 2.4 g/cm 3 (2.1 g/cm 3 ≦d1≦2.4 g/cm 3 ).

次いで、第2硬質炭素層形成工程P2においては、第1硬質炭素層形成工程P1でのワーク保持具32が、所定の成膜温度に対して成膜温度が低くされた他は、第1硬質炭素層形成工程P1と同様に、第1同軸アークプラズマガン44を駆動すると同時に、第2同軸アークプラズマガン46を駆動することで第2硬質炭素層28が成膜される。この第2硬質炭素層28を工具母材22に成膜する第2硬質炭素層形成工程P2は、第2硬質炭素層28の厚みt2が、1.0μmから9.0μm(1.0μm≦t2≦9.0μm)となり、密度d2が、2.5g/cmから3.0g/cmの(2.5g/cm≦d2≦3.0g/cm)となるように設定された成膜条件下で実行される。Next, in the second hard carbon layer forming step P2, the workpiece holder 32 in the first hard carbon layer forming step P1 is the same as the first hard carbon layer except that the film forming temperature is lower than the predetermined film forming temperature. Similarly to the carbon layer forming step P1, the second hard carbon layer 28 is formed by driving the first coaxial arc plasma gun 44 and simultaneously driving the second coaxial arc plasma gun 46. In the second hard carbon layer forming step P2 of forming the second hard carbon layer 28 on the tool base material 22, the thickness t2 of the second hard carbon layer 28 is from 1.0 μm to 9.0 μm (1.0 μm≦t2 ≦9.0 μm), and the density d2 is set to be from 2.5 g/cm 3 to 3.0 g/cm 3 (2.5 g/cm 3 ≦d2 ≦3.0 g/cm 3 ). Performed under membrane conditions.

図7は、実施例品1から実施例品10、および、比較例品1から比較例品7の合計17種類の試料についての硬さおよび耐摩耗性の評価結果を示す図表である。この17種類の試料は、直径が10mm、厚みが5mmの超硬合金又は高速度工具鋼(HSS)製のペレット状試験片を用いて、図3に示すものと同様の2層の膜構成、又は、後述の図10に示すものと同様の4層以上の膜構成で、層の膜厚が相互に異なるように製作されている。図7には、この17種類の試料における基材、複合硬質炭素被膜の層の膜種、層の膜厚(μm)、層の密度(g/cm)、総膜厚(μm)、膜構造、層間構造、水素含有量(at%)、ダイヤ結晶サイズ(nm)、被膜硬さ(GPa)、および、評価結果である摩耗試験における摩耗体積(μm)が、それぞれ示されている。FIG. 7 is a chart showing the hardness and abrasion resistance evaluation results for a total of 17 types of samples, Example Product 1 to Example Product 10 and Comparative Example Product 1 to Comparative Example Product 7. These 17 types of samples were made using pellet-shaped specimens made of cemented carbide or high-speed tool steel (HSS) with a diameter of 10 mm and a thickness of 5 mm, and had a two-layer film structure similar to that shown in Fig. 3. Alternatively, a film configuration of four or more layers similar to that shown in FIG. 10, which will be described later, is manufactured so that the film thicknesses of the layers are different from each other. Figure 7 shows the base material, type of composite hard carbon coating layer, layer thickness (μm), layer density (g/cm 3 ), total film thickness (μm), and film thickness for these 17 types of samples. The structure, interlayer structure, hydrogen content (at%), diamond crystal size (nm), film hardness (GPa), and wear volume (μm 3 ) in the wear test, which is the evaluation result, are shown.

以下に、上記試験片の作製方法、厚みおよび硬さの測定方法、評価方法を説明する。 Below, a method for producing the above test piece, a method for measuring thickness and hardness, and an evaluation method will be explained.

(膜厚の測定)
試験片の断面を走査型電子顕微鏡を用いて、その二次電子像(SEM)を観察し、その二次電子画像から得られた膜厚の寸法とその二次電子像の倍率とに基づいて膜厚を測定した。
(Measurement of film thickness)
Observe the secondary electron image (SEM) of the cross section of the test piece using a scanning electron microscope, and based on the film thickness dimension obtained from the secondary electron image and the magnification of the secondary electron image. The film thickness was measured.

(膜密度の測定)
浮沈法を用いて測定した。すなわち、密度が明らかで相互に異なる2種類の液体を混合し、投入された測定対象物(ペレット状試験片から剥がした粉状の膜)が浮き上がりもせず沈みもしない混合液の調整を行った。そして、その混合液の密度を測定し、その測定された密度から特定対象物の密度を特定した。
(Measurement of film density)
Measured using the float-sink method. In other words, two types of liquids with clearly different densities were mixed, and a mixed liquid was prepared in which the sample to be measured (powdered film peeled off from a pellet-like test piece) neither rose nor sank. . Then, the density of the mixed liquid was measured, and the density of the specific object was identified from the measured density.

(水素含有量の測定)
弾性反跳粒子検出法を用いて、以下に示す測定条件のSIMS分析およびERDA分析を用いて、複合硬質炭素被膜24に含まれる水素含有量(at%)を測定した。
○SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)分析条件
・測定装置:SIMS分析(二次イオン質量分析法)
・一次イオン種:Cs
・一次イオンビームの照射エネルギ:5.5MeV
・測定二次イオン特性:正イオン(CsM+法)
・測定元素:HおよびC(マトリックスモニター)
○ERDA(Elastic Recoil Detection Analysis)分析条件
・分析の種類:ERDA(HFS、前方散乱)
・入射イオンビームのイオン種:He++
・入射イオンビームのエネルギ:2.275MeV
・通常検出器角度:160°
・グレージング検出器角度:30°
・サンプル法線に対する入射イオンビームの角度:75°
(Measurement of hydrogen content)
Using the elastic recoil particle detection method, the hydrogen content (at%) contained in the composite hard carbon coating 24 was measured using SIMS analysis and ERDA analysis under the measurement conditions shown below.
○SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) analysis conditions ・Measurement device: SIMS analysis (Secondary Ion Mass Spectrometry)
・Primary ion species: Cs +
・Primary ion beam irradiation energy: 5.5 MeV
・Measurement secondary ion characteristics: Positive ions (CsM+ method)
・Measurement elements: H and C (matrix monitor)
○ERDA (Elastic Recoil Detection Analysis) analysis conditions ・Analysis type: ERDA (HFS, forward scattering)
・Ion species of incident ion beam: He ++
・Energy of incident ion beam: 2.275MeV
・Normal detector angle: 160°
・Glazing detector angle: 30°
・Angle of incident ion beam with respect to sample normal: 75°

先ず、上記SIMS分析では、エネルギを持ち且つ絞った一次イオンビームを試料表面上の150μm×150μmの面積にスキャンしつつ照射し、発生した二次イオンを質量分離して検出し、試料の深さ方向の水素Hおよび炭素Cの濃度分布を測定した。次に、上記ERDA分析を用いた分析結果でのトータルの水素量を既知濃度とし、この試料のSIMS分析測定データにおいて相対感度係数(RSF:Relative Sensitivity Factor)を導いて、水素濃度(at%)への換算を行なった。水素濃度の定量は、HFS(Hydrogen Forward Scattering)での定量は、2つの水素濃度が既知である標準試料(白雲母および水素イオンを注入したSiウエハ)と実試料とのそれぞれの材料阻止能を規格化した後、規格化した水素強度を比較することで濃度換算を行うことにより行なった。上記阻止能は、或る物質をある種類の荷電粒子が通過した時、物質原子の電離や励起によって粒子が失うエネルギの度合いを、その物質のその荷電粒子に対する阻止能という。ここで、SIMS分析における濃度換算には、炭化水素ガスが一定量(たとえば10at%以上)多く含有した試料のHFS分析で決定された水素濃度とSIMSでのイオン強度Ipが一致すると仮定し、相対感度係数(RSF)を導いた後、計算された相対感度係数(RSF)を測定試料のイオン強度に乗じることで、各試料の水素濃度Cr(Cr=Ip×RSF)を決定した。 First, in the SIMS analysis described above, an energetic and focused primary ion beam is scanned and irradiated onto an area of 150 μm x 150 μm on the sample surface, and the generated secondary ions are detected by mass separation, and the depth of the sample is determined. The concentration distribution of hydrogen H and carbon C in the direction was measured. Next, the total amount of hydrogen in the analysis results using the above ERDA analysis is taken as the known concentration, and the relative sensitivity factor (RSF) is derived from the SIMS analysis measurement data of this sample to determine the hydrogen concentration (at%). Conversion was carried out. Quantification of hydrogen concentration using HFS (Hydrogen Forward Scattering) involves determining the material stopping power of two standard samples (muscovite and a Si wafer implanted with hydrogen ions) and an actual sample, each of which has a known hydrogen concentration. After normalization, concentration conversion was performed by comparing the normalized hydrogen intensities. The above-mentioned stopping power refers to the degree of energy that a certain type of charged particle loses due to ionization or excitation of the material's atoms when a certain type of charged particle passes through the material, and is called the stopping power of that material for that charged particle. Here, for concentration conversion in SIMS analysis, it is assumed that the hydrogen concentration determined by HFS analysis of a sample containing a certain amount (for example, 10 at% or more) of hydrocarbon gas matches the ionic strength Ip in SIMS, and the relative After deriving the sensitivity factor (RSF), the hydrogen concentration Cr (Cr=Ip×RSF) of each sample was determined by multiplying the calculated relative sensitivity factor (RSF) by the ionic strength of the measurement sample.

(ダイヤモンド結晶サイズの測定)
透過型電子顕微鏡により得られた格子像を用いて、既知の方法により測定した。
(Measurement of diamond crystal size)
The measurement was performed by a known method using a lattice image obtained by a transmission electron microscope.

(被膜硬さの測定および評価)
ISO規格「ISO14577-4:2016」に準拠する薄膜硬度計を用いて測定を行った。すなわち、ISO規格「ISO14577-4:2016」に規定されるナノインデンテーション法を用い、以下に示す測定条件で複合硬質炭素被膜24の硬さ、正確には第2硬質炭素層28の硬さを測定した。測定された被膜硬さが50GPa以上のものを合格と判定した。
○測定条件
・試験荷重:5mN
・荷重到達時間:10sec.
・荷重保持時間: 5sec.
・除荷時間:10sec.
・試験箇所:10ポイント
(Measurement and evaluation of film hardness)
The measurement was performed using a thin film hardness meter that complies with the ISO standard "ISO14577-4:2016". That is, the hardness of the composite hard carbon coating 24, more precisely, the hardness of the second hard carbon layer 28, was measured using the nanoindentation method specified in the ISO standard "ISO14577-4:2016" under the measurement conditions shown below. It was measured. Those with a measured coating hardness of 50 GPa or more were judged to be acceptable.
○Measurement conditions/test load: 5mN
・Load arrival time: 10sec.
・Load holding time: 5sec.
・Unloading time: 10sec.
・Test location: 10 points

(耐摩耗量の測定および評価)
ピン状の円柱状試験片の一端に形成した部分球面に、前記ペレット状試験片と同様の、2層の膜構成であるが異なる膜厚に製作した14種類の円柱状試験片を作製した。そして、それら各円柱状試験片の一端に形成された部分球面上の膜に対して、以下に示す試験方法により一定の条件下で摩耗させ、その円柱状試験片の摩耗体積を、以下に示す測定方法で測定した。そして、測定された摩耗体積が60000μm以下或いは剥離の発生しないものを合格として判定した。
○摩耗試験条件
・円柱状試験片:長さ25mm、直径6mm、部分球面の曲率半径5mm
・摩耗試験機:ピンオンディスク摩擦摩耗試験機(RHESCA社製のFPR-2100)
・摩擦円板の材質:Al
・荷重:300g
・線速度:200mm/sec.
・試験(摩擦)時間:10min.
○摩擦量の測定方法
・レーザ顕微鏡(OLYMPUS社製のLEXT OLS4100)
レーザ顕微鏡の共焦点光学系およびレーザ走査を利用して3次元測定された摩耗円の摩耗深さ(μm)を走査毎に算出し、その走査毎の摩耗深さから摩耗体積(μm)を算出した。
(Measurement and evaluation of wear resistance)
Fourteen types of cylindrical test pieces were fabricated on a partially spherical surface formed at one end of a pin-shaped cylindrical test piece, each having a two-layer film structure similar to the pellet-like test piece, but with different film thicknesses. Then, the film formed on the partial spherical surface at one end of each of these cylindrical test pieces was abraded under certain conditions using the test method shown below, and the abrasion volume of the cylindrical test piece was calculated as shown below. Measured using the measurement method. Those with a measured abrasion volume of 60,000 μm 3 or less or no peeling were judged to be acceptable.
○Abrasion test conditions ・Cylindrical test piece: length 25mm, diameter 6mm, radius of curvature of partial sphere 5mm
・Abrasion tester: Pin-on-disk friction and wear tester (FPR-2100 manufactured by RHESCA)
・Material of friction disk: Al 2 O 3
・Load: 300g
・Linear speed: 200mm/sec.
・Test (friction) time: 10 min.
○Method for measuring the amount of friction - Laser microscope (LEXT OLS4100 manufactured by OLYMPUS)
The wear depth (μm) of the three-dimensionally measured wear circle is calculated for each scan using the confocal optical system of the laser microscope and laser scanning, and the wear volume (μm 3 ) is calculated from the wear depth for each scan. Calculated.

図7において、実施例品1から10は、いずれも被膜硬さ(第2硬質炭素層28)が50GPa以上、摩耗体積が60000μm以下、且つ、剥離が発生しないものであった。これに対して、比較例品1から7は、被膜硬さが50GPaを下回るか、摩耗体積が60000μmを上まわるか、或いは剥離が発生した。図7に示すように、実施例品1から10に示す試料は、本発明に含まれるものであって、0.2μmから3.0μmの範囲の厚みt1(0.2μm≦t1≦3.0μm)と、2.1g/cmから2.4g/cmの範囲の密度d1(2.1g/cm≦d1≦2.4g/cm)とを有する第1硬質炭素層26と、1.0μmから9.0μmの範囲の厚みt2(1.0μm≦t2≦9.0μm)と2.5g/cmから3.0g/cmの範囲の密度d2(2.5g/cm≦d2≦3.0g/cm)とを有する第2硬質炭素層28とを、備えている。In FIG. 7, Examples 1 to 10 all had a coating hardness (second hard carbon layer 28) of 50 GPa or more, a wear volume of 60,000 μm 3 or less, and no peeling. On the other hand, in Comparative Examples 1 to 7, the coating hardness was less than 50 GPa, the abrasion volume was more than 60,000 μm 3 , or peeling occurred. As shown in FIG. 7, the samples shown in Example Products 1 to 10 are included in the present invention, and have a thickness t1 ranging from 0.2 μm to 3.0 μm (0.2 μm≦t1≦3.0 μm). ) and a density d1 in the range of 2.1 g/cm 3 to 2.4 g/cm 3 (2.1 g/cm 3 ≦d1 ≦2.4 g/cm 3 ); Thickness t2 in the range of 0 μm to 9.0 μm (1.0 μm≦t2≦9.0 μm) and density d2 in the range of 2.5 g/cm 3 to 3.0 g/cm 3 (2.5 g/cm 3 ≦d2 3.0 g/cm 3 ).

これに対して、比較例品1は、その第1硬質炭素層の厚みt1が上記範囲の下限値である0.2μmを下まわり、密度d1が上記範囲の上限値である2.4g/cmを上回っている。比較例品2は、その第2硬質炭素層の密度d2が上記範囲の上限値3.0g/cmを上回っている。比較例品3は、その第1硬質炭素層の密度d1が上記範囲の下限値2.1g/cmを下回っている。比較例品4は、その第1硬質炭素層の厚みt1が上記範囲の上限値3.0μmを上まわり、その第2硬質炭素層の厚みt2が上記範囲の下限値1.0μmを下まわっている。比較例品5は、その第2硬質炭素層の厚みt2が上記範囲の9.0μmを上まわり、密度d2が上記範囲の下限値2.5g/cmを下回っている。比較例品6は、その第1硬質炭素層の密度d1が上記範囲の上限値2.4g/cmを上回り、その第2硬質炭素層の厚みt2が上記範囲の1.0μmを下回っている。比較例品7は、その第1硬質炭素層の密度d1が上記範囲の上限値2.4g/cmを上回っている。On the other hand, in Comparative Example Product 1, the thickness t1 of the first hard carbon layer is less than 0.2 μm, which is the lower limit of the above range, and the density d1 is 2.4 g/cm, which is the upper limit of the above range. It exceeds 3 . In Comparative Example Product 2, the density d2 of the second hard carbon layer exceeds the upper limit of 3.0 g/cm 3 in the above range. In Comparative Example Product 3, the density d1 of the first hard carbon layer is below the lower limit of 2.1 g/cm 3 in the above range. In Comparative Example Product 4, the thickness t1 of the first hard carbon layer exceeds the upper limit of 3.0 μm in the above range, and the thickness t2 of the second hard carbon layer falls below the lower limit of 1.0 μm in the above range. There is. In Comparative Example Product 5, the thickness t2 of the second hard carbon layer exceeds the above range of 9.0 μm, and the density d2 is below the lower limit of 2.5 g/cm 3 of the above range. In Comparative Example Product 6, the density d1 of the first hard carbon layer exceeds the upper limit of 2.4 g/cm 3 in the above range, and the thickness t2 of the second hard carbon layer is below 1.0 μm in the above range. . In Comparative Example Product 7, the density d1 of the first hard carbon layer exceeds the upper limit of the above range of 2.4 g/cm 3 .

図8は、実施例の第1硬質炭素層26および第2硬質炭素層28を有する複合硬質炭素被膜24と、特許文献2等に記載された硬質被膜との相違を説明する対比表である。図8に示すように、実施例の複合硬質炭素被膜24は、特許文献2に記載された超ナノ微結晶ダイヤモンド被膜に比較して、超ナノ微結晶ダイヤモンドとアモルファスカーボンとの混合相から構成されている点で共通する。しかし、実施例の複合硬質炭素被膜24は、実質的に水素を含まない点、硬さが50GPa以上である点、膜厚が大きい点、第1硬質炭素層26の密度よりも高い密度を有する第2硬質炭素層28を備える点で、相違する。特許文献2に記載された超ナノ微結晶ダイヤモンド被膜は、金型や切削工具の表面に被着されて寿命を高めることを目的とする。これに対して、実施例の複合硬質炭素被膜24は、上記相違点を備えているので、工具母材22側の第1硬質炭素層26の密度が、その上にある第2硬質炭素層28の密度よりも相対的に小さいので、被膜24全体の硬さおよび厚みを大きくしても、相対的に密度の低い第1硬質炭素層26が緩衝層として機能するので、全体として被膜の剥離が抑制され、高い耐摩耗性が得られ、ドリル(複合硬質炭素被膜被覆工具)10の耐摩耗性を好適に高めることができる。 FIG. 8 is a comparison table illustrating the difference between the composite hard carbon coating 24 having the first hard carbon layer 26 and the second hard carbon layer 28 of the example and the hard coating described in Patent Document 2 and the like. As shown in FIG. 8, the composite hard carbon coating 24 of the example is composed of a mixed phase of ultra-nano-microcrystalline diamond and amorphous carbon, compared to the ultra-nano-microcrystalline diamond coating described in Patent Document 2. They have one thing in common: However, the composite hard carbon coating 24 of the example does not substantially contain hydrogen, has a hardness of 50 GPa or more, has a large thickness, and has a density higher than that of the first hard carbon layer 26. The difference is that a second hard carbon layer 28 is provided. The ultra-nano microcrystalline diamond coating described in Patent Document 2 is intended to be applied to the surfaces of molds and cutting tools to increase their lifespan. On the other hand, since the composite hard carbon coating 24 of the embodiment has the above-mentioned differences, the density of the first hard carbon layer 26 on the tool base material 22 side is lower than that of the second hard carbon layer 26 thereon. Even if the hardness and thickness of the coating 24 as a whole are increased, the first hard carbon layer 26, which has a relatively low density, functions as a buffer layer, so that peeling of the coating as a whole is prevented. Therefore, high wear resistance can be obtained, and the wear resistance of the drill (composite hard carbon film coated tool) 10 can be suitably increased.

上述のように、本実施例のドリル(複合硬質炭素被膜被覆工具)10の複合硬質炭素被膜24には、工具母材22上に被着された第1硬質炭素層26と、第1硬質炭素層26の上に被着され、第1硬質炭素層26よりも高い密度を有する第2硬質炭素層28とが、含まれる。また、第1硬質炭素層26は、0.2μmから3.0μmの厚みt1(0.2μm≦t1≦3.0μm)と2.1g/cmから2.4g/cmの密度d1(2.1g/cm≦d1≦2.4g/cm)とを有し、第2硬質炭素層28は、1.0μmから9.0μmの厚みt2(1.0μm≦t2≦9.0μm)と2.5g/cmから3.0g/cmの密度d2(2.5g/cm≦d2≦3.0g/cm)とを有する。このことから、工具母材22側の第1硬質炭素層26の密度が、その上にある第2硬質炭素層28の密度よりも相対的に小さいので、被膜全体の硬さおよび厚みを大きくしても、相対的に密度の低い第1硬質炭素層26が緩衝層として機能するので、全体として被膜の剥離が抑制され、高い耐摩耗性が得られる。As described above, the composite hard carbon coating 24 of the drill (composite hard carbon coating coated tool) 10 of this embodiment includes the first hard carbon layer 26 deposited on the tool base material 22, and the first hard carbon layer 26 deposited on the tool base material 22. A second hard carbon layer 28 is included that is deposited over layer 26 and has a higher density than first hard carbon layer 26 . The first hard carbon layer 26 has a thickness t1 (0.2 μm≦t1≦3.0 μm) of 0.2 μm to 3.0 μm and a density d1 (2 .1g/ cm3 ≦d1≦2.4g/ cm3 ), and the second hard carbon layer 28 has a thickness t2 of 1.0 μm to 9.0 μm (1.0 μm≦t2≦9.0 μm). It has a density d2 of 2.5 g/cm 3 to 3.0 g/cm 3 (2.5 g/cm 3 ≦d2 ≦3.0 g/cm 3 ). From this, the density of the first hard carbon layer 26 on the tool base material 22 side is relatively smaller than the density of the second hard carbon layer 28 thereon, so the hardness and thickness of the entire coating can be increased. However, since the first hard carbon layer 26, which has a relatively low density, functions as a buffer layer, peeling of the coating is suppressed as a whole, and high wear resistance is obtained.

本実施例の複合硬質炭素被膜24によれば、第1硬質炭素層26と第2硬質炭素層28との合計厚みは、2から12μmである。このような被膜全体の厚みにより、硬さおよび厚みを大きくしても、相対的に密度の低い第1硬質炭素層26が緩衝層として機能するので、全体として被膜の剥離が抑制され、高い耐摩耗性が得られる。 According to the composite hard carbon coating 24 of this example, the total thickness of the first hard carbon layer 26 and the second hard carbon layer 28 is from 2 to 12 μm. Due to the thickness of the entire coating, even if the hardness and thickness are increased, the first hard carbon layer 26, which has a relatively low density, functions as a buffer layer, so peeling of the coating as a whole is suppressed and high resistance is achieved. Provides abrasion resistance.

本実施例の複合硬質炭素被膜24によれば、第1硬質炭素層26および第2硬質炭素層28は、膜中に1nm以上20nm以下の超ナノ微結晶ダイヤモンドとアモルファスカーボンとの混合相である。これにより、単なるアモルファスカーボンから成る炭素被膜と比較して、高い硬度が得られるので、被膜の耐久性が高められる。 According to the composite hard carbon coating 24 of this example, the first hard carbon layer 26 and the second hard carbon layer 28 have a mixed phase of ultra-nano microcrystalline diamond of 1 nm or more and 20 nm or less and amorphous carbon in the film. . This provides higher hardness than a carbon coating made of simple amorphous carbon, thereby increasing the durability of the coating.

本実施例の複合硬質炭素被膜24によれば、複合硬質炭素被膜24は、実質的に水素を含まず、ナノインデンテーション法を用いた測定で50GPa以上の被膜硬さを有する。これにより、高い耐摩耗性や耐久性を有するドリル(複合硬質炭素被膜被覆工具)10が得られる。 According to the composite hard carbon coating 24 of this example, the composite hard carbon coating 24 does not substantially contain hydrogen and has a coating hardness of 50 GPa or more as measured using the nanoindentation method. As a result, a drill (composite hard carbon coating tool) 10 having high wear resistance and durability is obtained.

本実施例の複合硬質炭素被膜24によれば、工具母材22の一部または全部が複合硬質炭素被膜24によって被覆されているドリル(複合硬質炭素被膜被覆工具)10である。これにより、被膜の剥離が抑制され、高い耐摩耗性を有するドリル(複合硬質炭素被膜被覆工具)10が得られる。 According to the composite hard carbon coating 24 of this embodiment, the drill (composite hard carbon coating tool) 10 is provided in which part or all of the tool base material 22 is coated with the composite hard carbon coating 24. Thereby, peeling of the coating is suppressed, and a drill (composite hard carbon coating tool) 10 having high wear resistance is obtained.

本実施例の複合硬質炭素被膜24の製造方法によれば、(1)真空チャンバ40内において、真空中で、筒型アノード電極AEと筒型アノード電極AE内に同軸に配置されたグラファイトであるカソード電極KEとの間に放電させる同軸アークプラズマガン44、46を用いて、筒型アノード電極AEの先端に開く開口から放出された高エネルギのプラズマ化された粒子を工具母材22の一部または全部に当てることで、工具母材22上に第1硬質炭素層26を形成する第1硬質炭素層形成工程P1と、(2)真空チャンバ40内において、真空中で、第1硬質炭素層形成工程P1に対して工具母材22の温度を低くした温度設定状態で、筒型アノード電極AEと筒型アノード電極AE内に同軸に配置されたグラファイトであるカソード電極KEとの間に放電させる同軸アークプラズマガン44、46を用いて、筒型アノード電極AEの先端に開く開口から放出された高エネルギのプラズマ化された粒子を工具母材22の一部または全部に当てることで、第1硬質炭素層26の上に第2硬質炭素層28を形成する第2硬質炭素層形成工程P2と、を含む。これにより、工具母材22の表面に粗面化処理を必要とすることなく、被膜の剥離が抑制され、高い耐摩耗性が得られる。 According to the method for manufacturing the composite hard carbon coating 24 of this embodiment, (1) graphite is coaxially arranged between the cylindrical anode electrode AE and the cylindrical anode electrode AE in vacuum in the vacuum chamber 40; Using coaxial arc plasma guns 44 and 46 that discharge between the cathode electrode KE and the cathode electrode KE, high-energy plasma particles emitted from the opening at the tip of the cylindrical anode electrode AE are transferred to a part of the tool base material 22. or the first hard carbon layer forming step P1 in which the first hard carbon layer 26 is formed on the tool base material 22 by applying the first hard carbon layer to the entire tool base material 22; In a temperature setting state in which the temperature of the tool base material 22 is lower than that in the forming process P1, a discharge is caused between the cylindrical anode electrode AE and the cathode electrode KE made of graphite coaxially arranged in the cylindrical anode electrode AE. The coaxial arc plasma guns 44 and 46 are used to apply high-energy plasma particles emitted from the opening at the tip of the cylindrical anode electrode AE to part or all of the tool base material 22. A second hard carbon layer forming step P2 of forming a second hard carbon layer 28 on the hard carbon layer 26 is included. Thereby, peeling of the coating is suppressed and high wear resistance is obtained without requiring roughening treatment on the surface of the tool base material 22.

次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の説明において前述の実施例と共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。 Next, another embodiment of the present invention will be described. In the following description, parts common to those in the above-described embodiments are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

図9は、本発明の他の実施例の複合硬質炭素被膜被覆工具であるドリル110の複合硬質炭素被膜124を拡大して説明する断面図である。本実施例のドリル110の表面に形成された複合硬質炭素被膜124を構成する第1硬質炭素層26と第2硬質炭素層28との境界は、第1硬質炭素層形成工程P1と第2硬質炭素層形成工程P2との間において工具母材22の温度が連続的に変化させられることで、密度が連続的に変化させられた傾斜構造とされている。これにより、第1硬質炭素層26と第2硬質炭素層28との間の層間剥離が好適に抑制される。 FIG. 9 is an enlarged sectional view illustrating the composite hard carbon coating 124 of the drill 110, which is a composite hard carbon coating coated tool according to another embodiment of the present invention. The boundary between the first hard carbon layer 26 and the second hard carbon layer 28 constituting the composite hard carbon coating 124 formed on the surface of the drill 110 of this embodiment is the boundary between the first hard carbon layer forming step P1 and the second hard carbon layer 28. The temperature of the tool base material 22 is continuously changed during the carbon layer forming step P2, resulting in a gradient structure in which the density is continuously changed. Thereby, delamination between the first hard carbon layer 26 and the second hard carbon layer 28 is suitably suppressed.

図10は、本発明の他の実施例の複合硬質炭素被膜被覆工具であるドリル210の複合硬質炭素被膜224を拡大して説明する断面図である。本実施例のドリル210の表面に形成された複合硬質炭素被膜224は、第1硬質炭素層26と第2硬質炭素層28とが交互に積層されて、工具母材22側には第1硬質炭素層26が成膜され、表層側には第2硬質炭素層28が成膜された4層以上の構造になっている。これにより、積層された表層の第2硬質炭素層28と第1硬質炭素層26との対が消耗しても、被膜の剥離が抑制され、ドリル210の耐久性が高められる。 FIG. 10 is an enlarged sectional view illustrating a composite hard carbon coating 224 of a drill 210, which is a composite hard carbon coating tool according to another embodiment of the present invention. The composite hard carbon coating 224 formed on the surface of the drill 210 of this embodiment has a first hard carbon layer 26 and a second hard carbon layer 28 laminated alternately, and a first hard carbon layer 22 is formed on the tool base material 22 side. A carbon layer 26 is formed, and a second hard carbon layer 28 is formed on the surface layer side, resulting in a structure of four or more layers. Thereby, even if the layered pair of the second hard carbon layer 28 and the first hard carbon layer 26 of the surface layer is worn out, peeling of the coating is suppressed and the durability of the drill 210 is increased.

以上、本発明の一実施例を図面に基づいて説明したが、本発明はその他の態様においても実施される。 Although one embodiment of the present invention has been described above based on the drawings, the present invention can also be implemented in other embodiments.

たとえば、前述の実施例では、複合硬質炭素被膜24,124,224がドリル10,110,210に適用されていたが、複合硬質炭素被膜24,124,224は、ドリルだけでなく、エンドミル、フライス、バイト等の切削工具、盛上げタップ、転造工具、プレス金型等の非切削工具などの種々の加工工具、或いは耐摩耗性が要求される摩擦部品などの種々の工具部材に、適用され得る。 For example, in the embodiments described above, the composite hard carbon coatings 24, 124, 224 were applied to the drills 10, 110, 210, but the composite hard carbon coatings 24, 124, 224 are applied not only to drills but also to end mills, milling machines, etc. It can be applied to various processing tools such as cutting tools such as cutting tools, build-up taps, rolling tools, non-cutting tools such as press dies, and various tool members such as friction parts that require wear resistance. .

また、前述の同軸型真空アーク蒸着装置30には、2つの第1同軸アークプラズマガン44および第2同軸アークプラズマガン46が設けられていたが、1個であってもよいし、3個以上であってもよい。 In addition, although the coaxial vacuum arc deposition apparatus 30 described above was provided with two first coaxial arc plasma guns 44 and a second coaxial arc plasma gun 46, it may be one, or three or more. It may be.

また、例えば、第1同軸アークプラズマガン44が専ら第1硬質炭素層26の形成に用いられ、および第2同軸アークプラズマガン46が専ら第2硬質炭素層28の形成に用いられてもよい。 Also, for example, the first coaxial arc plasma gun 44 may be used exclusively to form the first hard carbon layer 26 and the second coaxial arc plasma gun 46 may be used exclusively to form the second hard carbon layer 28.

以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、これ等はあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に母づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することができる。 Although the embodiments of the present invention have been described above in detail based on the drawings, these are just one embodiment, and the present invention can be implemented with various changes and improvements based on the knowledge of those skilled in the art. can do.

10,110,210:ドリル(複合硬質炭素被膜被覆工具)
22:工具母材
24,124,224:複合硬質炭素被膜
26:第1硬質炭素層
28:第2硬質炭素層
40:真空チャンバ
44:第1同軸アークプラズマガン(同軸アークプラズマガン)
46:第2同軸アークプラズマガン(同軸アークプラズマガン)
KE:カソード電極
AE:アノード電極
10, 110, 210: Drill (composite hard carbon coating tool)
22: Tool base material 24, 124, 224: Composite hard carbon coating 26: First hard carbon layer 28: Second hard carbon layer 40: Vacuum chamber 44: First coaxial arc plasma gun (coaxial arc plasma gun)
46: Second coaxial arc plasma gun (coaxial arc plasma gun)
KE: Cathode electrode AE: Anode electrode

Claims (7)

複合硬質炭素被膜の製造方法であって、
真空チャンバ内において、実質的に水素を含まない超高真空中で、筒型アノード電極と前記筒型アノード電極内に同軸に配置されたグラファイトであるカソード電極との間に放電させる同軸アークプラズマガンを用いて、前記筒型アノード電極の先端に開く開口から放出された高エネルギのプラズマ化された粒子を工具母材の一部または全部に当てることで、前記工具母材上に第1硬質炭素層を形成する第1硬質炭素層形成工程と、
前記真空チャンバ内において、実質的に水素を含まない超真空中で、前記第1硬質炭素層形成工程に対して前記工具母材の温度を低くした温度設定状態で、前記同軸アークプラズマガン、又は、前記同軸アークプラズマガンとは異なる同軸アークプラズマガンを用いて、高エネルギのプラズマ化された粒子を前記工具母材の一部または全部に当てることで、前記第1硬質炭素層の上に第2硬質炭素層を形成する第2硬質炭素層形成工程と、を含む、
ことを特徴とする複合硬質炭素被膜の製造方法。
A method for manufacturing a composite hard carbon coating, the method comprising:
A coaxial arc plasma gun that generates a discharge between a cylindrical anode electrode and a graphite cathode electrode disposed coaxially within the cylindrical anode electrode in an ultra-high vacuum substantially free of hydrogen in a vacuum chamber. By applying high-energy plasma particles emitted from the opening at the tip of the cylindrical anode electrode to part or all of the tool base material, the first hard carbon is deposited on the tool base material. a first hard carbon layer forming step of forming a layer;
In the vacuum chamber, in an ultra- high vacuum that does not substantially contain hydrogen, in a temperature setting state in which the temperature of the tool base material is lower than in the first hard carbon layer forming step, the coaxial arc plasma gun; Alternatively, a coaxial arc plasma gun different from the coaxial arc plasma gun may be used to apply high-energy plasma particles to part or all of the tool base material, thereby forming a carbon layer on the first hard carbon layer. a second hard carbon layer forming step of forming a second hard carbon layer;
A method for producing a composite hard carbon film, characterized by:
記第1硬質炭素層は、0.2μmから3.0μmの厚みと2.1g/cmから2.4g/cmの密度とを有し、
前記第2硬質炭素層は、1.0μmから9.0μmの厚みと2.5g/cmから3.0g/cmの密度とを有する
ことを特徴とする請求項1の複合硬質炭素被膜の製造方法。
The first hard carbon layer has a thickness of 0.2 μm to 3.0 μm and a density of 2.1 g/cm 3 to 2.4 g/cm 3 ,
The composite hard carbon coating according to claim 1, wherein the second hard carbon layer has a thickness of 1.0 μm to 9.0 μm and a density of 2.5 g/cm 3 to 3.0 g/cm 3 . Production method.
前記第1硬質炭素層と前記第2硬質炭素層との合計厚みは、2から12μmである
ことを特徴とする請求項2の複合硬質炭素被膜の製造方法。
The method for manufacturing a composite hard carbon coating according to claim 2 , wherein the total thickness of the first hard carbon layer and the second hard carbon layer is 2 to 12 μm.
前記複合硬質炭素被膜は、前記第1硬質炭素層と前記第2硬質炭素層とが、交互に積層されている
ことを特徴とする請求項2又は3の複合硬質炭素被膜の製造方法。
The method for manufacturing a composite hard carbon coating according to claim 2 or 3, wherein the composite hard carbon coating includes the first hard carbon layer and the second hard carbon layer stacked alternately.
前記第1硬質炭素層および第2硬質炭素層は、1nm以上20nm以下の超ナノ微結晶ダイヤモンドとアモルファスカーボンとの混合相である
ことを特徴とする請求項2から4のいずれか1の複合硬質炭素被膜の製造方法。
The composite hard carbon layer according to any one of claims 2 to 4, wherein the first hard carbon layer and the second hard carbon layer are a mixed phase of ultra-nano microcrystalline diamond of 1 nm or more and 20 nm or less and amorphous carbon. Method for producing carbon film.
前記複合硬質炭素被膜は、実質的に水素を含まず、ナノインデンテーション法を用いた測定で50GPa以上の被膜硬さを有する
ことを特徴とする請求項2から5のいずれか1の複合硬質炭素被膜の製造方法。
The composite hard carbon coating according to any one of claims 2 to 5, wherein the composite hard carbon coating substantially does not contain hydrogen and has a coating hardness of 50 GPa or more as measured using a nanoindentation method. Method of manufacturing the coating.
複合硬質炭素被膜が被着されている複合硬質被膜被覆工具の製造方法であって、
真空チャンバ内において、実質的に水素を含まない超高真空中で、筒型アノード電極と前記筒型アノード電極内に同軸に配置されたグラファイトであるカソード電極との間に放電させる同軸アークプラズマガンを用いて、前記筒型アノード電極の先端に開く開口から放出された高エネルギのプラズマ化された粒子を工具母材の一部または全部に当てることで、鉄系素材又は超合金素材である工具母材上に第1硬質炭素層を形成する第1硬質炭素層形成工程と、
前記真空チャンバ内において、実質的に水素を含まない超真空中で、前記第1硬質炭素層形成工程に対して前記工具母材の温度を低くした温度設定状態で、前記同軸アークプラズマガン、又は、前記同軸アークプラズマガンとは異なる同軸アークプラズマガンを用いて、高エネルギのプラズマ化された粒子を前記工具母材の一部または全部に当てることで、前記第1硬質炭素層の上に第2硬質炭素層を形成する第2硬質炭素層形成工程と、を含み、
前記工具母材の一部または全部が、前記複合硬質炭素被膜によって被覆されている
ことを特徴とする複合硬質炭素被膜被覆工具の製造方法。
A method for manufacturing a composite hard coating tool having a composite hard carbon coating applied thereto , the method comprising:
A coaxial arc plasma gun that generates a discharge between a cylindrical anode electrode and a graphite cathode electrode disposed coaxially within the cylindrical anode electrode in an ultra-high vacuum substantially free of hydrogen in a vacuum chamber. By applying high-energy plasma particles emitted from the opening at the tip of the cylindrical anode electrode to part or all of the tool base material, the tool is made of iron-based material or superalloy material. a first hard carbon layer forming step of forming a first hard carbon layer on the base material;
In the vacuum chamber, in an ultra- high vacuum that does not substantially contain hydrogen, in a temperature setting state in which the temperature of the tool base material is lower than in the first hard carbon layer forming step, the coaxial arc plasma gun; Alternatively, a coaxial arc plasma gun different from the coaxial arc plasma gun may be used to apply high-energy plasma particles to part or all of the tool base material, thereby forming a carbon layer on the first hard carbon layer. a second hard carbon layer forming step of forming a second hard carbon layer,
A method for manufacturing a composite hard carbon coating tool, characterized in that part or all of the tool base material is coated with the composite hard carbon coating.
JP2021529881A 2019-07-04 2019-07-04 Composite hard carbon coating, composite hard carbon coating coated tool, and method for manufacturing composite hard carbon coating Active JP7385223B2 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2019/026750 WO2021002027A1 (en) 2019-07-04 2019-07-04 Composite hard carbon coating film, tool coated with composite hard carbon coating film, and method for producing composite hard carbon coating film

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JPWO2021002027A1 JPWO2021002027A1 (en) 2021-01-07
JPWO2021002027A5 JPWO2021002027A5 (en) 2022-04-06
JP7385223B2 true JP7385223B2 (en) 2023-11-22

Family

ID=74100748

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021529881A Active JP7385223B2 (en) 2019-07-04 2019-07-04 Composite hard carbon coating, composite hard carbon coating coated tool, and method for manufacturing composite hard carbon coating

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP7385223B2 (en)
WO (1) WO2021002027A1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003175406A (en) 2001-12-11 2003-06-24 Osg Corp Hard anodic oxide coating coated machining tool
JP2007083382A (en) 2005-08-26 2007-04-05 Sumitomo Electric Hardmetal Corp Hard carbon coating tool
JP2010043347A (en) 2008-08-18 2010-02-25 Kyushu Univ Ultra nanocrystal diamond film laminate and its method for manufacturing
JP2017053435A (en) 2015-09-09 2017-03-16 株式会社リケン Slide member and piston ring

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003175406A (en) 2001-12-11 2003-06-24 Osg Corp Hard anodic oxide coating coated machining tool
JP2007083382A (en) 2005-08-26 2007-04-05 Sumitomo Electric Hardmetal Corp Hard carbon coating tool
JP2010043347A (en) 2008-08-18 2010-02-25 Kyushu Univ Ultra nanocrystal diamond film laminate and its method for manufacturing
JP2017053435A (en) 2015-09-09 2017-03-16 株式会社リケン Slide member and piston ring

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2021002027A1 (en) 2021-01-07
WO2021002027A1 (en) 2021-01-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11872636B2 (en) Surface-coated cutting tool and method for manufacturing same
CN108883481B (en) Coated cutting tool
US9782830B2 (en) Surface-coated cutting tool
JP2020531300A (en) Abrasion resistant PVD tool coating with TiAlN nanolayer film
JP6311700B2 (en) Hard coating, hard coating covering member, and manufacturing method thereof
KR102095344B1 (en) Coated cutting tool
JP2016032861A (en) Coated tool
JPWO2018216256A1 (en) Coatings and cutting tools
JP2010188512A (en) Cutting tool
KR102021623B1 (en) Cathodic arc deposition
JP6964289B2 (en) High hardness hard carbon composite film coating tool
JP7385223B2 (en) Composite hard carbon coating, composite hard carbon coating coated tool, and method for manufacturing composite hard carbon coating
JP4916021B2 (en) Film
JP5241538B2 (en) Cutting tools
JP5464494B2 (en) Surface coated cutting tool with excellent chipping resistance and peeling resistance of hard coating layer
WO2017179233A1 (en) Hard coating and cutting tool
US20220040769A1 (en) Coated cutting tool
US11524339B2 (en) Cutting tool
US11033969B2 (en) Cutting tool
JP2002126913A (en) High adhesion hard film-covered tool and its manufacturing method
CN114799286A (en) Drill bit
WO2016098217A1 (en) Amorphous carbon coating film and amorphous-carbon-coating-film-covered tool
JP2004202587A (en) Cutting tool made of surface coated cemented carbide having hard coating layer formed thereon, which is excellent in adhesion and wear resistance

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20211117

A529 Written submission of copy of amendment under article 34 pct

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A5211

Effective date: 20211117

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20211119

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20221206

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20230206

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20230509

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20230707

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20231010

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20231101

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7385223

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150