TW201606112A - 被覆工具的製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明的被覆工具的製造方法是藉由過濾電弧離子鍍法在基材的表面形成類鑽碳皮膜的被覆工具的製造方法，其包括：第一步驟，將對所述基材施加的負偏壓設為-2500 V以上且-1500 V以下，向爐內導入含有氫氣的混合氣體，而對所述基材的表面進行氣體撞擊處理；及第二步驟，在所述氣體撞擊處理後向所述爐內導入氮氣，於石墨靶材中投入電流而於所述基材的表面形成類鑽碳皮膜，且在所述第二步驟中，包括減少所述氮氣的流量的步驟、及增加於所述石墨靶材中投入的所述電流的步驟。

Description

被覆工具的製造方法
本發明是有關於一種被覆工具的製造方法，所述被覆工具是用於例如壓製加工用或鍛造用的模具、或者鋸條等切斷工具、以及鑽頭等切削工具等的被覆工具，其形成有類鑽碳皮膜（以下亦稱為｢DLC（diamond-like carbon）皮膜」）。
在藉由模具對鋁、銅及樹脂等被加工材進行成形加工的情形時，存在因被加工材的一部分附著於模具的表面導致產生擦傷、損傷等製品異常的情形。為了解決該問題，實際使用在模具的表面形成有DLC皮膜的被覆模具。實質上不含氫的DLC皮膜（四面體非晶碳（Tetrahedral amorphous carbon）皮膜：ta-C皮膜）硬度高，且耐磨耗性優異，因此廣泛應用於被覆模具。 然而，實質上不含氫的高硬度的DLC皮膜是藉由使用石墨靶材（graphite target）的電弧離子鍍法所形成，被稱為微滴（droplet）的、大小為數微米的粒子（石墨球）會不可避免地混入DLC皮膜中，DLC皮膜的表面粗糙度變差。
針對此種課題，專利文獻1揭示有藉由應用具有收集微滴的機構的過濾電弧離子鍍法（filtered arc ion plating method），可形成平滑且高硬度的實質上不含氫的DLC皮膜。 現有技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本專利特開2008-297171號公報
[發明所欲解決之課題]
若如專利文獻1般藉由過濾電弧離子鍍法來形成，則可達成高硬度且平滑的表面狀態的DLC皮膜。然而，高硬度的DLC皮膜有缺乏密合性的傾向，若僅應用過濾電弧離子鍍法，則有難以達成可滿足的密合性的傾向。 另外，為了進一步提高嚴酷的使用環境下被覆工具的耐久性，要求使高硬度的DLC皮膜更厚。然而，若為了形成厚的DLC皮膜而延長成膜時間，則電弧放電容易變得不穩定，難以在確保優異的密合性的基礎上將高硬度的DLC皮膜製成厚膜。
本發明是鑒於如以上所述的情況而完成者，其是有關於一種可在確保優異的密合性的基礎上將高硬度的DLC皮膜形成為厚膜的被覆工具的製造方法。 [解決課題之手段]
本發明是一種被覆工具的製造方法，其是藉由過濾電弧離子鍍法在基材的表面形成類鑽碳皮膜的被覆工具的製造方法，其包括：第一步驟，將對所述基材施加的負偏壓設為-2500 V以上且-1500 V以下，向爐內導入含有氫氣的混合氣體，而對所述基材的表面進行氣體撞擊（gas bombard）處理；及第二步驟，在所述氣體撞擊處理後向所述爐內導入氮氣，於石墨靶材中投入電流而於所述基材的表面形成類鑽碳皮膜，且 在所述第二步驟中，包括減少所述氮氣的流量的步驟、及增加於所述石墨靶材中投入的所述電流的步驟。
較佳為所述類鑽碳皮膜的膜厚為2.0 μm以上。 較佳為在增加於所述石墨靶材中投入的電流的步驟中，將於所述石墨靶材中投入的電流增加總計40 A以上。 [發明的效果]
根據本發明，可將具有優異的密合性的高硬度的DLC皮膜形成為厚膜。另外，成膜穩定，可穩定地製造耐久性優異的被覆工具。
本發明者對使密合性優異的高硬度的DLC皮膜的膜厚更厚的方法進行了研究。此外發現，在過濾電弧離子鍍法中，重要的是形成DLC皮膜之前對基材實施的氣體撞擊處理、形成DLC皮膜時的爐內氣體環境及於石墨靶材中投入的電流的控制，從而達成本發明的被覆工具的製造方法。以下，對本發明的詳細內容進行說明。
本發明可使用現有已知的過濾電弧離子鍍裝置。藉由應用過濾電弧離子鍍法，皮膜內部所含的微滴減少而成為平滑的表面狀態，可形成實質上不含氫的奈米壓痕硬度達50 GPa以上的高硬度的DLC皮膜。尤其是若使用T字型過濾電弧離子鍍裝置，則可形成更平滑且高硬度的DLC皮膜，故而較佳。
本發明的DLC皮膜為了提高被覆工具的耐磨耗性，較佳為奈米壓痕硬度為50 GPa以上。進而較佳為55 GPa以上，更佳為60 GPa以上。進而更佳為70 GPa以上。另一方面，若DLC皮膜的硬度變得過高，則有殘留壓縮應力變得過高，與基材的密合性降低的情形。因此，奈米壓痕硬度較佳為100 GPa以下。DLC皮膜的奈米壓痕硬度進而較佳為95 GPa以下。
所謂奈米壓痕硬度是將探針壓入試樣（DLC皮膜）而使其塑性變形時的塑性硬度，根據壓入荷重與壓入深度（位移）求出荷重-位移曲線，從而算出硬度。具體而言，使用埃林克斯（ELIONIX）股份有限公司製造的奈米壓痕裝置，在壓入荷重9.8 mN、最大荷重保持時間1秒、荷重負載後的去除速度0.49 mN/秒的測定條件下對皮膜表面的10處測定硬度，根據除了值大的2處與值小的2處以外的6處的平均值求出。
奈米壓痕硬度達50 GPa以上的高硬度的DLC皮膜有內部應力極高而缺乏與基材的密合性的傾向。作為自先前起改善密合性的方法，提出有設置硬度低於DLC皮膜的中間皮膜的技術。然而，根據本發明者的研究，於在基材與DLC皮膜之間介置有金屬、碳化物或氮化物等中間皮膜的情形時，DLC皮膜會以中間皮膜的表面缺陷為起點而優先剝離，因此確認到對於改善密合性而言並不充分。因此，在本發明中，對在形成DLC皮膜前進行的對基材實施的氣體撞擊處理進行研究，以使得即便在基材的正上方直接形成DLC皮膜亦不會損害密合性。
在本發明中，作為第一步驟，向爐內導入含有氫氣的混合氣體，從而對基材的表面進行氣體撞擊處理。 根據本發明者的研究，確認到在進行現有的利用氬氣的氣體撞擊處理的情形時，氧大量存在於皮膜與基材的界面，密合性降低。存在於該界面的氧主要是由最初形成於基材表面的氧化膜所導致，是無法藉由利用氬氣的氣體撞擊處理完全去除的殘存元素。 因此，在本發明中，向爐內（真空腔室）導入含有氫氣的混合氣體而對基材的表面進行氣體撞擊處理。藉由使用含有氫氣的混合氣體對基材的表面進行氣體撞擊處理，處於基材表面的氧化膜與氫離子進行反應而被還原，從而充分去除氧化膜及表面的污垢，形成於基材正上方的DLC皮膜的密合性提高。
含有氫氣的混合氣體較佳為相對於氬氣與氫氣的總質量而含有4質量%以上的氫氣的混合氣體。若氫氣少於4質量%，則存在難以藉由利用混合氣體的氣體撞擊處理去除氧化膜的情形。進而較佳為使用氫氣為5質量%以上的混合氣體，進而更佳為使用氫氣為7質量%以上的混合氣體。進而更佳為使用氫氣為10質量%以上的混合氣體。但若為氫氣超過30質量%的混合氣體，則有藉由氣體撞擊處理去除氧化膜及表面的污垢的效果變得恆定（即便將氫氣的濃度提高為該程度以上，亦不會提高效果）的傾向。因此，較佳為使用氫氣為30質量%以下的混合氣體。進而較佳為使用氫氣為25質量%以下的混合氣體。進而更佳為使用氫氣為15質量%以下的混合氣體。
在使用上述的混合氣體的氣體撞擊處理中，將對基材施加的負偏壓設為-2500 V以上且-1500 V以下。若對基材施加的負偏壓大於-1500 V（為-1500 V的正值側），則由於氣體離子的撞擊能量低，因此有去除氧化膜及表面的污垢的效果變小，基材與高硬度的DLC皮膜的密合性降低的傾向。另外，若對基材施加的負偏壓小於-2500 V（為-2500 V的負值側），則存在電漿容易變得不穩定而引起異常放電的情況。若產生異常放電，則會在工具表面形成異常放電（電弧）痕，因此存在工具表面產生凹凸的情形。進而，對基材施加的負偏壓較佳為-2400 V以上，進而較佳為-2300 V以上。另外，對基材施加的負偏壓較佳為-1600 V以下，進而較佳為-1700 V以下。 為了充分去除基材表面的氧化物，較佳為進行60分鐘以上的利用混合氣體的氣體撞擊處理。進而較佳為進行70分鐘以上。氣體撞擊處理的時間的上限較佳為根據基材的形狀或材質進行適當調整。但若利用混合氣體的氣體撞擊處理的時間成為180分鐘以上，則有藉由氣體撞擊處理去除氧化膜及表面的污垢的效果變得恆定（於該程度以上效果不會提高）的傾向。因此，較佳為進行180分鐘以下的利用混合氣體的氣體撞擊處理。
在本發明中，作為第二步驟，在氣體撞擊處理後向爐內導入氮氣，於石墨靶材中投入電流，而於經氣體撞擊處理的基材的表面形成DLC皮膜。 在藉由氣體撞擊處理充分去除處於基材表面的氧化膜的狀態下，形成含氮的DLC皮膜，藉此處於基材表面的DLC皮膜的殘留壓縮應力降低，而可進一步提高基材與DLC皮膜的密合性。為了降低處於基材側的DLC皮膜的殘留壓縮應力而進一步提高密合性，較佳為將氣體撞擊處理後向爐內導入的氮氣的流量設為5 sccm以上。若氮氣的流量少於5 sccm，則存在難以充分獲得密合性的改善效果的情形。進而較佳為設為10 sccm以上。 另一方面，若氣體撞擊處理後向爐內導入的氮氣的流量過大，則DLC皮膜中所含的氮的含量增加，皮膜硬度降低，從而耐磨耗性容易降低，另外在對非鐵系材料進行加工的情形時變得容易發生熔著。因此，氮氣的流量較佳為設為60 sccm以下。進而較佳為設為50 sccm以下。進而更佳為設為40 sccm以下。 若向爐內導入的氮氣的流量相對於爐內（真空腔室）的容積而過小，則存在難以充分獲得DLC皮膜的密合性的改善效果的情形。因此，爐內的容積（m3 ）/向爐內導入的氮氣的流量（sccm）較佳為設為10×10-2 （m3 /sccm）以下。進而較佳為設為5.0×10-2 （m3 /sccm）以下。另外，若相對於爐內的容積而向爐內導入的氮氣的流量過大，則變得容易在DLC皮膜中含有過多的氮。因此，爐內的容積（m3 ）/向爐內導入的氮氣的流量（sccm）較佳為設為0.1×10-2 （m3 /sccm）以上。進而較佳為設為1.0×10-2 （m3 /sccm）以上。
在本發明中，於第二步驟中設置如下步驟：減少氮氣的流量，於石墨靶材中投入電流而形成DLC皮膜。 為了提高與基材的密合性，有效的是導入氮氣而形成DLC皮膜，但若在DLC皮膜的整體中過多地含有氮原子，則硬度會降低。另外，在對非鐵系材料進行加工的情形時變得容易發生熔著。因此，在本發明中，減少氮氣的流量，於石墨靶材中投入電流而形成DLC皮膜，以避免在DLC皮膜的整體中含有過多的氮氣。藉由在成膜時設置減少氮氣的流量而形成DLC皮膜的步驟，基材側的DLC皮膜較多地含有氮原子，殘留壓縮應力降低，與基材的密合性提高，而表面側的DLC皮膜中氮原子的含量少，耐磨耗性及耐熔著性提高。 在第二步驟中，較佳為一面階段性地減少向爐內導入的氮氣的流量一面形成DLC皮膜。此外，較佳為最終停止導入氮氣，於石墨靶材中投入電流而形成DLC皮膜。藉由停止導入氮氣而形成DLC皮膜，可在與其他材料相接的表面形成硬度更高且被加工材的熔著少的DLC皮膜，故而較佳。為了達成硬度更高且被加工材的熔著少的DLC皮膜，較佳為最終停止導入氮氣，將爐內壓力設為5×10-3 Pa以下，而形成DLC皮膜。 在第二步驟中，可向爐內導入乙炔等烴氣，來增加處於基材側的DLC皮膜的氫含量。另外，亦可在第一步驟後，向爐內導入乙炔等烴氣，其後實施第二步驟。
在本發明中，於第二步驟中設置如下步驟：增加於石墨靶材中投入的電流，而形成DLC皮膜。 本發明者確認到，在藉由過濾電弧離子鍍法進行的DLC皮膜的形成中，伴隨DLC皮膜的形成過程，石墨靶材的表面產生大的凹凸，電弧放電變得不穩定。此外，發現即便靶材的表面產生大的凹凸，藉由於石墨靶材中投入更大的電流，而有電弧放電穩定的傾向。但即便將於石墨靶材中投入的電流設定為大電流，若投入功率恆定，則伴隨DLC成膜的形成過程，電弧放電逐漸變得不穩定，而變得難以以厚膜的形式形成密合性優異的高硬度的DLC皮膜。尤其是若在DLC成膜的形成的初期階段，在靶材表面平坦的狀態下投入高的電流值，則放電變得不穩定，而大量產生微滴，膜表面產生大的凹凸，因此膜表面的平滑性存在問題。本發明者發現，藉由將於石墨靶材中投入的電流設為恆定，以一定時間形成DLC皮膜，並且在電弧電流變得不穩定之前增加於石墨靶材中投入的電流，從而電弧放電穩定而可持續形成DLC皮膜。因此，在本發明中，設置在成膜時增加於石墨靶材中投入的電流而形成DLC皮膜的步驟。藉此，對裝置的負載少，而可穩定地將高硬度的DLC皮膜形成為更厚的膜。 於石墨靶材中投入的電流可階段性地增加，亦可連續增加。為了形成更厚的DLC皮膜，於石墨靶材中投入的電流較佳為階段性地增加。另外，較佳為將於石墨靶材中投入的電流增加總計40 A以上。進而較佳為總計55 A以上，進而更加為總計60 A以上。藉由以上述方式形成，可以厚膜的形式穩定地形成高硬度的DLC皮膜。 投入電流值視石墨靶材的表面狀態而有所不同，在初期的平坦的狀態的情形時電流值小者（30 A～50 A）為佳。其後，理想為階段性地增加電流值。 在第二步驟中，可將減少氮氣的流量的步驟與增加於石墨靶材中投入的電流的步驟同時實施，亦可分別實施。例如，可使減少氮氣的流量的時機與增加於石墨靶材中投入的電流的時機一致，亦可分開，亦可將減少氮氣的流量的時機與增加於石墨靶材中投入的電流的時機交替設置。另外，較佳為最終停止導入氮氣，增加於石墨靶材中投入的功率而形成DLC皮膜。藉由以上述方式形成，可將硬度更高的DLC皮膜製成更厚的膜。
若於石墨靶材中投入的電流變得過大，則電弧放電容易變得不穩定。在本發明的第二步驟中，設置有增加於石墨靶材中投入的電流的步驟，但為了持續進行穩定的成膜，於石墨靶材中投入的電流較佳為設為150 A以下。進而較佳為設為120 A以下。但若於石墨靶材中投入的電流變得過小，則存在無法充分進行DLC皮膜的成膜的情形。因此，於石墨靶材中投入的電流較佳為設為20 A以上。更佳為30 A以上。
即便為高硬度的DLC皮膜，若膜厚薄則存在難以獲得優異的耐久性的情形。為了在更嚴酷的使用環境下對被覆工具賦予優異的耐久性，DLC皮膜的膜厚較佳為設為1.0 μm以上，進而較佳為設為1.5 μm以上。進而更佳為將DLC皮膜的膜厚設為2.0 μm以上。 但若DLC皮膜的膜厚變得過厚，則存在皮膜表面的面粗度惡化的情形。另外，若高硬度的DLC皮膜的膜厚變得過厚，則DLC皮膜部分剝離的風險提高。因此，DLC皮膜的膜厚較佳為設為5.0 μm以下。進而，DLC皮膜的膜厚更佳為設為4.0 μm以下。
形成DLC皮膜時較佳為將基材溫度設為200℃以下。若基材溫度高於200℃，則進行DLC皮膜的石墨化，因此有硬度降低的傾向。另外，在形成DLC皮膜時較佳為將對基材施加的負偏壓設為-300 V以上且-50 V以下。若對基材施加的負偏壓變得大於-50 V（為-50 V的正值側），則碳離子的撞擊能量變小，變得容易於DLC皮膜產生孔隙等缺陷。另外，若對基材施加的負偏壓變得小於-300 V（為-300 V的負值側），則成膜中變得容易引起異常放電。在形成DLC皮膜時，對基材施加的負偏壓更佳為設為-200 V以上且-100 V以下。
在本發明中，用以形成DLC皮膜的基材（被覆工具的基材）並無特別限制，可根據用途或目的等進行適當選擇。例如，可應用超硬合金、冷作工具鋼、高速工具鋼、塑膠模具用鋼、熱作工具鋼等。在基材中，就密合性的提高效果高的方面而言，較佳為母材的碳化物多且容易產生皮膜剝離的碳含量為1%以上的高碳鋼、或超硬合金。作為高碳鋼的例，例如可列舉JIS-SKD11等。
即便為藉由過濾電弧離子鍍法形成的DLC皮膜，若膜厚變厚，則亦存在表面粗糙度降低的情形。於該情形時，較佳為在形成DLC皮膜後進行研磨處理而使其變得平滑。在本發明中，可藉由對DLC皮膜的表面進行研磨，而調整為更佳的平滑的表面狀態。 實施例
＜成膜裝置＞ 成膜裝置是使用T字型過濾電弧離子鍍裝置（爐內的真空腔室容積為0.49 m3 ）。 將裝置的概略圖示於圖2。具有：成膜腔室（6）、安裝設置有石墨靶材的碳陰極（cathode）（1）的電弧放電式蒸發源、及用於搭載基材的基材固定器（7）。在基材固定器的下方有旋轉機構（8），基材經由基材固定器（7）進行自轉且進行公轉。符號（2）表示碳成膜束，符號（3）表示球狀石墨（微滴）中性粒子。 若在石墨靶材表面上產生電弧放電，則僅具有電荷的碳被磁線圈（4）彎曲而到達成膜腔室（6），在基材上被覆皮膜。不具有電荷的微滴未被磁線圈彎曲而被收集於管道（5）內。
＜基材＞ 用於評價所形成的DLC皮膜的剝離狀態及評價熔著性的基材是使用尺寸為f20 mm×5 mm的調質為60 HRC（Rockwell Hardness Number, scale C，C標度洛氏硬度數）的相當於JIS-SKD11的鋼材基材。 另外，用於測定所形成的DLC皮膜的奈米壓痕硬度、進行皮膜分析、測定斷裂面的膜厚的基材是使用含有鈷含量為10質量%的碳化鎢（WC-10質量%Co）的超硬合金製基材（尺寸：4 mm×8 mm×25 mm，平均粒度：0.8 μm，硬度：91.2 HRA）。 另外，用於評價所形成的DLC皮膜的刮痕試驗（scratch  test）及藉由洛氏（Rockwell）硬度試驗機評價密合性的基材是使用尺寸為21 mm×17 mm×2 mm的相當於JIS-SKH51的鋼材基材。 所述的任一基材在形成DLC皮膜之前均以具有算術平均粗糙度Ra（依照JIS-B-0601-2001）為0.01 μm以下、最大高度粗糙度Rz（依照JIS-B-0601-2001）為0.07 μm以下的表面粗糙度的方式進行研磨。然後，在研磨後進行脫脂清洗，並固定於腔室內的基材固定器上。對於各基材，在以下的條件下形成DLC皮膜。
＜本發明例1＞ 對爐內（真空腔室）進行抽真空直至成為5×10-3 Pa為止，藉由加熱用加熱器將基材加熱為150℃附近並保持90分鐘。其後，將對基材施加的負偏壓設為-2000 V，藉由氬氣中含有5質量%的氫氣的混合氣體實施90分鐘的氣體撞擊處理。混合氣體的流量設為50 sccm～100 sccm。 氣體撞擊處理後，向爐內導入氮氣，對基材施加-150 V的偏壓，並將基材溫度設為100℃以下。然後，如以下所述將於石墨靶材中投入的電流自40 A階段性地增加為90 A，並將氮氣的流量自20 sccm階段性地減少為0而形成DLC皮膜。 首先，將向爐內導入的氮氣的流量設為20 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流設為40 A，以約30分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將氮氣的流量減少為10 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流增加為50 A，以約30分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將氮氣的流量減少為5 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流增加為60 A，以約40分鐘形成DLC皮膜。 繼而，停止導入氮氣，將爐內壓力設為5×10-3 Pa以下，並將於石墨靶材中投入的電流增加為70 A，以約40分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將於石墨靶材中投入的電流增加為80 A，以約40分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將於石墨靶材中投入的電流增加為90 A，以約60分鐘形成DLC皮膜。
＜本發明例2＞ 氣體撞擊處理是與本發明例1同樣地進行。氣體撞擊處理後，向爐內導入氮氣，對基材施加-150 V的偏壓，並將基材溫度設為100℃以下。然後，如以下所述將於石墨靶材中投入的電流自35 A階段性地增加為95 A，並將氮氣的流量自25 sccm階段性地減少為0而形成DLC皮膜。 首先，將向爐內導入的氮氣的流量設為25 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流設為35 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將氮氣的流量減少為20 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流增加為40 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將氮氣的流量減少為15 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流增加為45 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將氮氣的流量減少為10 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流增加為50 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將氮氣的流量減少為7 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流增加為55 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將氮氣的流量減少為5 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流增加為60 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，停止導入氮氣，將爐內壓力設為5×10-3 Pa以下，並將於石墨靶材中投入的電流增加為65 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將於石墨靶材中投入的電流階段性地增加為70 A、75 A、80 A、85 A、90 A，於各電流值下各以約20分鐘形成DLC皮膜。
＜本發明例3＞ 氣體撞擊處理是與本發明例1同樣地進行。氣體撞擊處理後，向爐內導入氮氣，對基材施加-150 V的偏壓，並將基材溫度設為100℃以下。然後，如以下所述將於石墨靶材中投入的電流自30 A階段性地增加為95 A，並將氮氣的流量自20 sccm階段性地減少為0而形成DLC皮膜。 首先，將向爐內導入的氮氣的流量設為20 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流設為30 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將氮氣的流量減少為15 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流增加為35 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將氮氣的流量減少為10 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流增加為40 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將氮氣的流量減少為5 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流增加為45 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，停止導入氮氣，將爐內壓力設為5×10-3 Pa以下，並將於石墨靶材中投入的電流增加為50 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將於石墨靶材中投入的電流階段性地增加為55 A、60 A、65 A、70 A、75 A、80 A、85 A、90 A，於各電流值下各以約20分鐘形成DLC皮膜。
＜本發明例4＞ 氣體撞擊處理是與本發明例1同樣地進行。氣體撞擊處理後，向爐內導入C2 H2 氣體與氮氣，對基材施加-150 V的偏壓，並將基材溫度設為100℃以下。然後，如以下所述將於石墨靶材中投入的電流自35 A階段性地增加為95 A，並將氮氣的流量自25 sccm階段性地減少為0而形成DLC皮膜。 首先，將於石墨靶材中投入的電流設為35 A，並將向爐內導入的氮氣的流量設為25 sccm，將C2 H2 氣體的流量設為25 sccm，以約10分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將於石墨靶材中投入的電流增加為40 A，並將C2 H2 氣體的流量減少為20 sccm，將氮氣的流量減少為20 sccm，以約10分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將於石墨靶材中投入的電流增加為45 A，並將C2 H2 氣體的流量減少為15 sccm，將氮氣的流量減少為15 sccm，以約10分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將於石墨靶材中投入的電流增加為50 A，並將C2 H2 氣體的流量減少為10 sccm，將氮氣的流量減少為10 sccm，以約10分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將於石墨靶材中投入的電流增加為55 A，並將C2 H2 氣體的流量減少為7 sccm，將氮氣的流量減少為7 sccm，以約10分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將於石墨靶材中投入的電流增加為60 A，並將C2 H2 氣體的流量減少為5 sccm，將氮氣的流量減少為5 sccm，以約10分鐘形成DLC皮膜。 繼而，停止導入C2 H2 氣體及氮氣，將爐內壓力設為5×10-3 Pa以下，並將於石墨靶材中投入的電流增加為65 A，以約25分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將於石墨靶材中投入的電流階段性地增加為70 A、75 A、80 A，於各電流值下各以約20分鐘形成DLC皮膜。
＜本發明例5＞ 氣體撞擊處理是與本發明例1同樣地進行。氣體撞擊處理後，向爐內導入C2 H2 氣體與氮氣，對基材施加-150 V的偏壓，並將基材溫度設為100℃以下。然後，如以下所述將於石墨靶材中投入的電流自50 A階段性地增加為80 A，並將氮氣的流量自15 sccm階段性地減少為0而形成DLC皮膜。 首先，將向爐內導入的氮氣的流量設為15 sccm，將C2 H2 氣體的流量設為10 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流設為50 A，以約6分鐘形成DLC皮膜。 繼而，停止導入C2 H2 氣體，將氮氣的流量設為15 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流增加為60 A，以約45分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將氮氣的流量減少為5 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流增加為70 A，以約45分鐘形成DLC皮膜。 繼而，停止導入氮氣，將爐內壓力設為5×10-3 Pa以下，並將於石墨靶材中投入的電流增加為80 A，以約100分鐘形成DLC皮膜。
＜本發明例6＞ 氣體撞擊處理是與本發明例1同樣地進行。氣體撞擊處理後，向爐內導入氮氣，對基材施加-150 V的偏壓，並將基材溫度設為100℃以下。然後，如以下所述將於石墨靶材中投入的電流自25 A階段性地增加為95 A，並將氮氣的流量自15 sccm階段性地減少為0而形成DLC皮膜。 首先，將向爐內導入的氮氣的流量設為15 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流設為25 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將氮氣的流量減少為10 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流增加為30 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將氮氣的流量減少為5 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流增加為35 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，停止導入氮氣，將爐內壓力設為5×10-3 Pa以下，並將於石墨靶材中投入的電流增加為40 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將於石墨靶材中投入的電流階段性地增加為45 A、50 A、55 A、60 A、65 A、70 A、75 A、80 A、85 A、90 A、95 A，於各電流值下各以約20分鐘形成DLC皮膜。
＜本發明例7＞ 氣體撞擊處理是將對基材施加的負偏壓設為-2000 V，藉由氬氣中含有10質量%的氫氣的混合氣體實施90分鐘的氣體撞擊處理。氣體撞擊處理後，向爐內導入氮氣，對基材施加-150 V的偏壓，並將基材溫度設為100℃以下。然後，如以下所述將於石墨靶材中投入的電流自35 A階段性地增加為95 A，並將氮氣的流量自25 sccm階段性地減少為0而形成DLC皮膜。 首先，將向爐內導入的氮氣的流量設為25 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流設為35 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將氮氣的流量減少為20 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流增加為40 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將氮氣的流量減少為15 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流增加為45 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將氮氣的流量減少為10 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流增加為50 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將氮氣的流量減少為5 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流增加為55 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，停止導入氮氣，將爐內壓力設為5×10-3 Pa以下，並將於石墨靶材中投入的電流增加為60 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將於石墨靶材中投入的電流階段性地增加為65 A、70 A、75 A、80 A、85 A、90 A、95 A，於各電流值下各以約20分鐘形成DLC皮膜。
＜本發明例8＞ 氣體撞擊處理是將對基材施加的負偏壓設為-2000 V，藉由氬氣中含有20質量%的氫氣的混合氣體實施90分鐘的氣體撞擊處理。氣體撞擊處理後，向爐內導入氮氣，對基材施加-150 V的偏壓，並將基材溫度設為100℃以下。然後，如以下所述將於石墨靶材中投入的電流自35 A階段性地增加為95 A，並將氮氣的流量自25 sccm階段性地減少為0而形成DLC皮膜。 首先，將向爐內導入的氮氣的流量設為25 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流設為35 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將氮氣的流量減少為20 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流增加為40 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將氮氣的流量減少為15 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流增加為45 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將氮氣的流量減少為10 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流增加為50 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將氮氣的流量減少為5 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流增加為55 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，停止導入氮氣，將爐內壓力設為5×10-3 Pa以下，並將於石墨靶材中投入的電流增加為60 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將於石墨靶材中投入的電流階段性地增加為65 A、70 A、75 A、80 A、85 A、90 A、95 A，於各電流值下各以約20分鐘形成DLC皮膜。
＜本發明例9＞ 氣體撞擊處理是與本發明例1同樣地進行。氣體撞擊處理後，向爐內導入氮氣，對基材施加-150 V的偏壓，並將基材溫度設為100℃以下。然後，如以下所述將於石墨靶材中投入的電流自35 A階段性地增加為95 A，並將氮氣的流量自40 sccm階段性地減少為0而形成DLC皮膜。 首先，將向爐內導入的氮氣的流量設為40 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流設為35 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將氮氣的流量減少為30 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流增加為40 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將氮氣的流量減少為20 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流增加為45 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將氮氣的流量減少為10 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流增加為50 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將氮氣的流量減少為5 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流增加為55 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，停止導入氮氣，將爐內壓力設為5×10-3 Pa以下，並將於石墨靶材中投入的電流增加為60 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將於石墨靶材中投入的電流階段性地增加為65 A、70 A、75 A、80 A、85 A、90 A、95 A，於各電流值下各以約20分鐘形成DLC皮膜。
＜本發明例10＞ 氣體撞擊處理是與本發明例1同樣地進行。氣體撞擊處理後，向爐內導入氮氣，對基材施加-350 V的偏壓，並將基材溫度設為100℃以下。然後，如以下所述將於石墨靶材中投入的電流自35 A階段性地增加為95 A，並將氮氣的流量自25 sccm階段性地減少為0而形成DLC皮膜。 首先，將向爐內導入的氮氣的流量設為25 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流設為35 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將對基材施加的負偏壓設為-300 V，將氮氣的流量減少為20 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流增加為40 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將對基材施加的負偏壓設為-250 V，將氮氣的流量減少為15 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流增加為45 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將對基材施加的負偏壓設為-200 V，將氮氣的流量減少為10 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流增加為50 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將對基材施加的負偏壓設為-150 V，將氮氣的流量減少為7 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流增加為55 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將氮氣的流量減少為5 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流增加為60 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，停止導入氮氣，將爐內壓力設為5×10-3 Pa以下，並將於石墨靶材中投入的電流增加為65 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將於石墨靶材中投入的電流階段性地增加為70 A、75 A、80 A、85 A、90 A、95 A，於各電流值下各以約20分鐘形成DLC皮膜。
＜本發明例11＞ 氣體撞擊處理是將對基材施加的負偏壓設為-2500 V，藉由氬氣中含有5質量%的氫氣的混合氣體實施90分鐘的氣體撞擊處理。氣體撞擊處理後，向爐內導入氮氣，對基材施加-150 V的偏壓，並將基材溫度設為100℃以下。然後，如以下所述將於石墨靶材中投入的電流自35 A階段性地增加為95 A，並將氮氣的流量自25 sccm階段性地減少為0而形成DLC皮膜。 首先，將向爐內導入的氮氣的流量設為25 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流設為35 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將氮氣的流量減少為20 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流增加為40 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將氮氣的流量減少為15 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流增加為45 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將氮氣的流量減少為10 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流增加為50 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將氮氣的流量減少為7 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流增加為55 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將氮氣的流量減少為5 sccm，並將於石墨靶材中投入的電流增加為60 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，停止導入氮氣，將爐內壓力設為5×10-3 Pa以下，並將於石墨靶材中投入的電流增加為65 A，以約20分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將於石墨靶材中投入的電流階段性地增加為70 A、75 A、80 A、85 A、90 A、95 A，於各電流值下各以約20分鐘形成DLC皮膜。
＜比較例1＞ 直至氣體撞擊處理為止是與實施例1同樣地進行。氣體撞擊處理後，向爐內導入氮氣，對基材施加-150 V的偏壓，並將基材溫度設為100℃以下。然後，將於石墨靶材中投入的電流設為50 A，並將氮氣的流量自10 sccm階段性地減少為0而形成DLC皮膜。 首先，將向爐內導入的氮氣的流量設為10 sccm，以約10分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將氮氣的流量減少為5 sccm，以約10分鐘形成DLC皮膜。 繼而，停止導入氮氣，將爐內壓力設為5×10-3 Pa以下，以30分鐘形成DLC皮膜。
＜比較例2＞ 直至氣體撞擊處理為止是與實施例1同樣地進行。氣體撞擊處理後，並不向爐內導入氮氣，對基材施加-150 V的偏壓，並將基材溫度設為100℃以下。然後，將爐內壓力設為5×10-3 Pa以下，並將於石墨靶材中投入的電流設為50 A，以約50分鐘形成DLC皮膜。
＜比較例3＞ 氣體撞擊處理是將對基材施加的負偏壓設為-2000 V，藉由氬氣實施90分鐘的氣體撞擊處理。 氣體撞擊處理後，向爐內導入氮氣，對基材施加-150 V的偏壓，並將基材溫度設為100℃以下。然後，將於石墨靶材中投入的電流設為50 A，並將氮氣的流量自10 sccm階段性地減少為0而形成DLC皮膜。 首先，將向爐內導入的氮氣的流量設為10 sccm，以約10分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將氮氣的流量減少為5 sccm，以約10分鐘形成DLC皮膜。 繼而，停止導入氮氣，將爐內壓力設為5×10-3 Pa以下，以約30分鐘形成DLC皮膜。
＜比較例4＞ 在與比較例3同樣的條件下，僅藉由氬氣進行氣體撞擊處理，其後，形成約3 μm的CrN作為中間皮膜。形成中間皮膜後，並不導入氮氣，對基材施加-150 V的偏壓，並將基材溫度設為100℃以下。 然後，將爐內壓力設為5×10-3 Pa以下，並將於石墨靶材中投入的電流設為恆定為50 A，以約50分鐘形成DLC皮膜。
＜比較例5＞ 直至氣體撞擊處理為止是與實施例1同樣地進行。氣體撞擊處理後，向爐內導入氮氣，對基材施加-150 V的偏壓，並將基材溫度設為100℃以下。然後，將於石墨靶材中投入的電流設為80 A，並將氮氣的流量自10 sccm階段性地減少為0而形成DLC皮膜。 首先，將向爐內導入的氮氣的流量設為10 sccm，以約25分鐘形成DLC皮膜。 繼而，將氮氣的流量減少為5 sccm，以約25分鐘形成DLC皮膜。 繼而，停止導入氮氣，將爐內壓力設為5×10-3 Pa以下，以70分鐘形成DLC皮膜。
＜比較例6＞ 氣體撞擊處理是將對基材施加的負偏壓設為-1300 V，藉由氬氣中含有5質量%的氫氣的混合氣體實施90分鐘的氣體撞擊處理。氣體撞擊處理後，對基材施加-150 V的偏壓，並將基材溫度設為100℃以下。然後，將於石墨靶材中投入的電流設為50 A，以約50分鐘形成DLC皮膜。
＜比較例7＞ 氣體撞擊處理是將對基材施加的負偏壓設為-1000 V，藉由氬氣中含有5質量%的氫氣的混合氣體實施90分鐘的氣體撞擊處理。氣體撞擊處理後，對基材施加-150 V的偏壓，並將基材溫度設為100℃以下。然後，將於石墨靶材中投入的電流設為50 A，以約50分鐘形成DLC皮膜。
再者，上述任一試樣均是以基材的溫度成為200℃以下的方式一面重複進行成膜與冷卻，一面形成DLC皮膜。 對於形成有DLC皮膜的各試樣，進行硬度測定、表面粗糙度測定、密合性評價、熔著性評價。以下，對其測定條件進行說明。
＜測定及評價＞ -奈米壓痕硬度的測定- 使用ELIONIX股份有限公司製造的奈米壓痕裝置，測定皮膜表面的硬度。在壓入荷重9.8 mN、最大荷重保持時間1秒、荷重負載後的去除速度0.49 mN/秒的測定條件下測定10處，根據除了值大的2處與值小的2處以外的6處的平均值而求出。確認到作為標準試樣的熔融石英的硬度為15 GPa，化學氣相沈積（Chemical Vapor Deposition，CVD）金剛石皮膜的硬度為100 GPa。
-表面粗糙度的測定- 使用東京精密股份有限公司製造的接觸式面粗糙度測定器SURFCOM480A，依照JIS-B-0601-2001測定算術平均粗糙度Ra與最大高度粗糙度Rz。測定條件設為評價長度：4.0 mm、測定速度：0.3 mm/s、截止值：0.8 mm。
-密合性的評價- 使用三豐（Mitutoyo）股份有限公司製造的光學顯微鏡，以約800倍的倍率觀察所形成的DLC皮膜表面，而對剝離情況進行評價。DLC皮膜的表面剝離的評價基準如以下所述。 ＜表面剝離的評價基準＞ A：無表面剝離 B：存在微小剝離 C：存在粗大剝離
使用CSM公司製造的刮痕試驗機（REVETEST）測定剝離荷重（刮痕荷重）。測定條件設為測定荷重：0 N～100 N、荷重速度：99.25 N/min、刮痕速度：10 mm/min、刮痕距離：10 mm、自動曝光（automatic exposure，AE）靈敏度：5、壓頭：洛氏、金剛石、尖端半徑：200 μm、硬體設定：Fn接觸0.9 N、Fn速度：5 N/s、Fn去除速度：10 N/s、接近速度：2%/s。對完全露出刮痕底部的基材時的荷重進行評價。
藉由洛氏硬度試驗機（Mitutoyo製造的AR-10），使用C標度的金剛石壓頭於各試樣的DLC皮膜上留下壓痕。然後，使用Mitutoyo股份有限公司製造的光學顯微鏡，以約800倍的倍率進行觀察，而對壓痕周邊的皮膜的剝離情況進行評價。藉由洛氏硬度（HRC）壓痕試驗而進行的密合性的評價基準如以下所述。 ＜HRC壓痕試驗的評價基準（HRC密合性）＞ A：無剝離，或為圓當量直徑小於5 μm的剝離 B：存在微小剝離（圓當量直徑為5 μm以上且小於10 μm的剝離） C：存在粗大剝離（圓當量直徑為10 μm以上的剝離）
-熔著性的試驗- 為了對熔著性進行評價，使用球對盤（ball-on-disc）試驗機（CSM儀器（CSM Instruments）公司製造的摩擦計（Tribometer））。一面以5 N的荷重將鋁A5052球（直徑6 mm）壓抵於形成有DLC皮膜的基材，一面使圓盤狀試驗片以100 mm/秒的速度旋轉。試驗距離設為100 m。
將製造條件與評價結果匯總於表1。本發明例1～本發明例11是皮膜硬度高的膜厚為1.0 μm以上的DLC皮膜，在表面剝離及HRC壓痕試驗的評價中幾乎沒有皮膜剝離，另外，刮痕荷重亦為50 N以上，在任一評價中均具有優異的密合性。另外，確認到在熔著試驗中亦未發生熔著或皮膜剝離。進而，本發明例1～本發明例11中，成膜中的電弧放電穩定，可持續實施穩定的成膜。 作為本發明例中被覆的DLC皮膜的剖面觀察照片的代表例，於圖1中示出本發明例4中被覆的DLC皮膜的剖面觀察照片的一例。在圖1中，確認到以約3.0 μm被覆有平滑且不含微滴的DLC皮膜。如上所述，藉由應用本發明例的製造方法，可被覆具有優異的密合性、為厚膜、硬度高、且皮膜缺陷少的DLC皮膜，而可穩定地製造耐久性優異的被覆工具。 比較例1與本發明例同為密合性及熔著性優異的DLC皮膜。但由於於石墨靶材中投入的電流恆定，因此電弧放電變得不穩定，難以被覆較該程度更厚的DLC皮膜。 比較例2是未導入氮氣而被覆DLC皮膜，因此與本發明例相比，有容易產生表面剝離的傾向。另外，在熔著性評價中確認到熔著或剝離。 比較例3中由於僅藉由氬氣進行氣體撞擊處理，因此與本發明例相比，密合性降低，在熔著性評價中確認到熔著或剝離。 比較例4中由於在僅藉由氬氣進行氣體撞擊處理後被覆CrN的中間皮膜，因此與本發明例相比，密合性降低，在熔著性評價中確認到熔著或剝離。 比較例5與本發明例同為密合性及熔著性優異的DLC皮膜。但由於於石墨靶材中投入的電流恆定，因此電弧放電變得不穩定，在中途電弧放電失火，成膜不穩定。另外，與本申請案發明相比，有刮痕荷重亦降低的傾向。 比較例6、比較例7中，由於在進行氣體撞擊處理時對基材施加的負偏壓為-1300 V、-1000 V，因此基材表面的殘留氧的去除不充分，與本發明例相比，密合性降低，在熔著性評價中確認到熔著或剝離。
1‧‧‧碳陰極
2‧‧‧碳成膜束
3‧‧‧球狀石墨（微滴）中性粒子
4‧‧‧磁線圈
5‧‧‧管道
6‧‧‧成膜腔室
7‧‧‧基材固定器
8‧‧‧旋轉機構
圖1是本發明例4中被覆的DLC皮膜的藉由掃描式電子顯微鏡而得的剖面觀察照片（×17,340倍）。 圖2是實施例所使用的T字型過濾電弧離子鍍裝置的概略圖。
1‧‧‧碳陰極
2‧‧‧碳成膜束
3‧‧‧球狀石墨(微滴)中性粒子
4‧‧‧磁線圈
5‧‧‧管道
6‧‧‧成膜腔室
7‧‧‧基材固定器
8‧‧‧旋轉機構

Claims (3)

  1. 一種被覆工具的製造方法，其是藉由過濾電弧離子鍍法在基材的表面形成類鑽碳皮膜的被覆工具的製造方法，其特徵在於包括： 第一步驟，將對所述基材施加的負偏壓設為-2500 V以上且-1500 V以下，向爐內導入含有氫氣的混合氣體，而對所述基材的表面進行氣體撞擊處理；及 第二步驟，在所述氣體撞擊處理後向所述爐內導入氮氣，於石墨靶材中投入電流而於所述基材的表面形成類鑽碳皮膜，且 在所述第二步驟中，包括減少所述氮氣的流量的步驟、及增加於所述石墨靶材中投入的電流的步驟。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的被覆工具的製造方法，其中所述類鑽碳皮膜的膜厚為2.0 μm以上。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的被覆工具的製造方法，其中在增加於所述石墨靶材中投入的電流的步驟中，將於所述石墨靶材中投入的電流增加總計40 A以上。
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