JP7432105B2 - Ｄｌｃ被覆工具の表面処理方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ－Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）被覆切削工具（以下、ＤＬＣ被覆工具と云うことがある）のＤＬＣ皮膜の表面処理方法に関する。
ＤＬＣ皮膜は、高硬度と低摩擦係数を有するため、各種の摺動部品、機械部品、工具、磁気ディスク等の表面被覆皮膜として利用されており、その特性を改善するために種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、摩擦係数を低下させるために、ＤＬＣ皮膜上にグラファイト粒子堆積層を形成する方法が記載されている。
また、例えば、特許文献２には、摩擦係数を低下させるために、ＤＬＣ皮膜にＳｉを含有させる方法が記載されている。
さらに、例えば、特許文献３には、摩擦係数を低下させるために、ＤＬＣ皮膜の形成直後に水素ガスを導入し、該ＤＬＣ皮膜の形成時の余熱によってＤＬＣ皮膜を処理する方法が記載されている。
ＤＬＣ皮膜は、主に炭化水素系のガスを原料に成膜された水素含有ＤＬＣ皮膜と、固体グラファイトを原料に成膜された水素非含有（水素の含有量が５原子％以下）ＤＬＣ皮膜がある。切削工具用の皮膜には、硬さ及び耐摩耗性に優れる水素非含有ＤＬＣ皮膜の方が有利であって、凝着が起こりやすいＡｌ合金などの切削に用いられている。
しかし、水素非含有ＤＬＣ皮膜を用いたＤＬＣ被覆工具であっても、切削条件によっては工具上のＤＬＣ皮膜に被削材が凝着する場合があり、ＤＬＣ皮膜にさらなる耐凝着性が求められている。
しかし、水素非含有ＤＬＣ皮膜を用いたＤＬＣ被覆工具であっても、切削条件によっては工具上のＤＬＣ皮膜に被削材が凝着する場合があり、ＤＬＣ皮膜にさらなる耐凝着性が求められている。
しかし、特許文献１～３に記載されたＤＬＣ皮膜の特性改善方法をＤＬＣ被覆工具のＤＬＣ皮膜に適用しても、以下の理由により、ＤＬＣ被覆工具の切削性能を改善することは難しい。
すなわち、特許文献１、２に記載された方法では、グラファイト、Ｓｉが被削材となる金属との親和性が高いため、かえって凝着を促進してしまう。また、特許文献３に記載された方法では、余熱の利用のみでは水素ガスによる処理（水素化処理）が十分とはいえず、仮に、熱源を補ったとしても水素ガスによる処理には数百℃に加熱しなければならないため、工具基材の劣化やＤＬＣ皮膜の剥離を起こす可能性がある。
すなわち、特許文献１、２に記載された方法では、グラファイト、Ｓｉが被削材となる金属との親和性が高いため、かえって凝着を促進してしまう。また、特許文献３に記載された方法では、余熱の利用のみでは水素ガスによる処理（水素化処理）が十分とはいえず、仮に、熱源を補ったとしても水素ガスによる処理には数百℃に加熱しなければならないため、工具基材の劣化やＤＬＣ皮膜の剥離を起こす可能性がある。
そこで、本発明は、表面処理中に工具基材の劣化やＤＬＣ皮膜の剥離を起こすことなく、ＤＬＣ皮膜がすぐれた耐凝着性を発揮するＤＬＣ被覆工具のＤＬＣ皮膜の表面処理方法を提供することを目的とする。
本発明者は、切削加工によって生じた凝着物とＤＬＣ皮膜との界面に着目して鋭意検討を行ったところ、この界面に被削材の酸化物および窒化物が存在することを発見した。そこで、ＤＬＣ皮膜表面に酸素や窒素が結合しないように不活性化すれば耐凝着性が向上するとの考えに立ち、種々の表面処理方法を検討した。その結果、ＤＬＣ皮膜表面を、水素原子またはハロゲン原子等で終端処理し不活性化すれば、ＤＬＣ皮膜への耐凝着性が向上し、すぐれた切削性能を発揮するＤＬＣ被覆工具を得ることができるという新規な知見を得た。
すなわち、本発明はこの知見に基づくものであって、以下のとおりのものである。
「（１）工具基材表面にＤＬＣ皮膜が被覆されたＤＬＣ被覆切削工具の表面処理方法であって、
前記ＤＬＣ皮膜の表面の終端処理が水素ガスと希ガスの混合ガス雰囲気中で高周波電力を印加することによって発生させたプラズマに曝露する、
前記ＤＬＣ皮膜の表面を終端処理して不活性化するＤＬＣ被覆切削工具の表面処理方法。
（２）工具基材表面にＤＬＣ皮膜が被覆されたＤＬＣ被覆切削工具の表面処理方法であって、
前記ＤＬＣ皮膜の表面の終端処理がハロゲン元素を含むガスと希ガスの混合ガス雰囲気中で高周波電力を印加することによって発生させたプラズマに曝露する、
前記ＤＬＣ皮膜の表面を終端処理して不活性化するＤＬＣ被覆切削工具の表面処理方法。」
「（１）工具基材表面にＤＬＣ皮膜が被覆されたＤＬＣ被覆切削工具の表面処理方法であって、
前記ＤＬＣ皮膜の表面の終端処理が水素ガスと希ガスの混合ガス雰囲気中で高周波電力を印加することによって発生させたプラズマに曝露する、
前記ＤＬＣ皮膜の表面を終端処理して不活性化するＤＬＣ被覆切削工具の表面処理方法。
（２）工具基材表面にＤＬＣ皮膜が被覆されたＤＬＣ被覆切削工具の表面処理方法であって、
前記ＤＬＣ皮膜の表面の終端処理がハロゲン元素を含むガスと希ガスの混合ガス雰囲気中で高周波電力を印加することによって発生させたプラズマに曝露する、
前記ＤＬＣ皮膜の表面を終端処理して不活性化するＤＬＣ被覆切削工具の表面処理方法。」
本発明によれば、Ａｌ合金等の凝着性の高い金属を切削してもすぐれた耐凝着性を有するＤＬＣ皮膜を有するＤＬＣ被覆切削工具を得ることができる。
本発明について、以下の詳細に説明する。なお、明細書において、数値範囲を「Ａ～Ｂ」（Ａ、Ｂはともに数値）で表すとき、その範囲は、上限（Ｂ）および下限（Ａ）の数値を含んでいる。また、上限（Ｂ）と下限（Ａ）の単位は同じである。
本発明の表面処理方法を適用するＤＬＣ被覆工具のＤＬＣ皮膜は、水素非含有ＤＬＣ皮膜であって、公知のＦＣＶＡ（Ｆｉｌｔｅｒｄ Ｃａｔｈｏｄｉｃ Ｖａｃｕｕｍ Ａｒｃ）法で成膜したものが好ましい。
本発明のＤＬＣ被覆切削工具の表面処理方法は、そのＤＬＣ皮膜表面を、水素原子またはハロゲン原子で終端処理し不活性化するものであり、これらガスには、酸素、窒素、金属元素を含有しないことが好ましい。ここで、「含有しない」とは、全く含有しないと云うことではなく、市販されている水素ガス、ハロゲンガスに不純物として含まれる程度の量の含有は許容される。
終端処理に用いられるガスは、具体的には、水素、水素と希ガスの混合ガス、フルオロカーボンガス（ＣＦ４、ＣＨＦ３、ＣＣｌＦ３等）、無機ハロゲンガス（ＨＣｌ、ＨＢｒ等）が例示できる。
水素または水素と希ガスの混合ガスを用いる場合は、終端処理が確実になされるために一例として高周波電力を印加することによって発生させたプラズマに曝露するが、終端処理が確実になされるのであれば、高周波電力を印加することによって発生させたプラズマに曝露することに何ら限られない。また、フルオロカーボンガス、無機ハロゲンガスを用いる場合も同様であって、終端処理が確実になされる雰囲気であれば、その雰囲気に何ら制限はない。
次に、水素または水素と希ガスの混合ガスを高周波プラズマ処理雰囲気とする例を挙げて説明すると、以下の（１）～（３）の手順に従って処理することが好ましい。
（１）水素非含有ＤＬＣ皮膜を有するＤＬＣ被覆工具（工具基体は本発明の目的の達成を阻害しない限り、公知のものを使用できる）を、公知の高周波電力印加によるプラズマが発生可能な反応容器内に載置する。
（２）反応容器内には、水素ガス、または、水素ガスと希ガスの混合ガスを圧力が、例えば、０．１～１０．０Ｐａになるように導入する。
ここで、混合ガス中には、好ましくは、水素ガスが０．５体積％以上含まれるようにする。また、希ガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンのうち少なくとも１種類以上が好ましい。
ここで、混合ガス中には、好ましくは、水素ガスが０．５体積％以上含まれるようにする。また、希ガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンのうち少なくとも１種類以上が好ましい。
（３）高周波印加によってプラズマを発生させ、所定時間にわたって表面処理を行う。
プラズマの発生のために、例えば、高周波電源を用いて１３．５６ＭＨｚ、１００Ｗの電力を印加する。なお、周波数や電力は、プラズマを生成・維持できればよく、例示された数値に限定されるものではない。
次に、プラズマ中の水素イオンを工具基体に誘導するために、例えば、－１００～０Ｖのバイアス電圧を工具基体に印加する。また、処理時間は、例えば、１０秒～１００分とする。
プラズマの発生のために、例えば、高周波電源を用いて１３．５６ＭＨｚ、１００Ｗの電力を印加する。なお、周波数や電力は、プラズマを生成・維持できればよく、例示された数値に限定されるものではない。
次に、プラズマ中の水素イオンを工具基体に誘導するために、例えば、－１００～０Ｖのバイアス電圧を工具基体に印加する。また、処理時間は、例えば、１０秒～１００分とする。
次に、実施例を用いて本発明を説明するが、本発明は水素ガスまたは水素ガスと希ガスの混合ガスを利用する実施例に限定されるものではない。
グラファイトをターゲットとしたＡＩＰの一種であるＦＡＤ（Ｆｉｌｔｅｒｄ Ａｒｃ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により、超硬チップ（ＩＳＯ規格のＳＮＧＮ１２０４０８）にＤＬＣ皮膜を成膜した。
次に、このＤＬＣ皮膜が成膜されたＤＬＣ被覆工具に、表１に示す本発明工程１～８（ただし、本発明工程２は参考例である）のプラズマ処理を行い、本発明例のＤＬＣ被覆工具１～８を得た。高周波電源を用いて１３．５６ＭＨｚ、１００Ｗの電力を印加した。プラズマ処理の条件は、表１に示すとおりである。なお、表１に示す各工程（比較例工程を含む）では、水素濃度と希ガス濃度の和は１００体積％であり、雰囲気の圧力は１Ｐａである。
一方、比較のために、前述のとおりＦＡＤを用いてＤＬＣ皮膜を成膜し、ＤＬＣ皮膜が成膜されたままのプラズマ処理を行わなかった(比較例工程１）、および、前述条件を満足しないプラズマ処理（比較例工程２～５）を行った比較例のＤＬＣ被覆工具１～５を得た。
こうして得た本発明例のＤＬＣ被覆工具１～８および比較例のＤＬＣ被覆工具１～５について、以下の切削試験を行った後、刃先全体のマイクロスコープ像より凝着面積を求めた。結果を表２に示す。
切削試験（湿式切削試験）
切削方式：旋削加工
被削材：アルミニウム合金（Ａ６０６３）
切削速度：１０００ｍ／分
送り：０．４ｍｍ
切り込み深さ：１ｍｍ
切削試験時間：１０秒
切削方式：旋削加工
被削材：アルミニウム合金（Ａ６０６３）
切削速度：１０００ｍ／分
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切り込み深さ：１ｍｍ
切削試験時間：１０秒
表２から明らかなように、Ａｌ合金等の凝着性の高い金属を切削しても、比較例のＤＬＣ被覆工具１～５に比して、本発明例のＤＬＣ被覆工具１～８は凝着面積が小さくすぐれた耐凝着性を有することがわかる。
本発明のＤＬＣ被覆切削工具の表面処理方法は、Ａｌ合金等の凝着性の高い金属を切削してもすぐれた耐凝着性を発揮させることができ、その産業上の利用可能性はきわめて高い。
Claims (2)
- 工具基材表面にＤＬＣ皮膜が被覆されたＤＬＣ被覆切削工具の表面処理方法であって、
前記ＤＬＣ皮膜の表面の終端処理が水素ガスと希ガスの混合ガス雰囲気中で高周波電力を印加することによって発生させたプラズマに曝露する、
前記ＤＬＣ皮膜の表面を終端処理して不活性化するＤＬＣ被覆切削工具の表面処理方法。 - 工具基材表面にＤＬＣ皮膜が被覆されたＤＬＣ被覆切削工具の表面処理方法であって、
前記ＤＬＣ皮膜の表面の終端処理がハロゲン元素を含むガスと希ガスの混合ガス雰囲気中で高周波電力を印加することによって発生させたプラズマに曝露する、
前記ＤＬＣ皮膜の表面を終端処理して不活性化するＤＬＣ被覆切削工具の表面処理方法。
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