WO2016098217A1 - 非晶質炭素被膜および非晶質炭素被膜被覆工具 - Google Patents

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WO2016098217A1
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layer
thickness
film
hydrogen
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PCT/JP2014/083484
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正俊 櫻井
英修 権田
博昭 杉田
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オーエスジー株式会社
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B27/00—Tools for turning or boring machines; Tools of a similar kind in general; Accessories therefor
    • B23B27/14—Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23B27/20—Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material with cutting bits or tips or cutting inserts rigidly mounted, e.g. by brazing with diamond bits or cutting inserts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
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    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING 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
    • C23C—COATING 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
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material

Definitions

  • the present invention relates to an amorphous carbon film, and more particularly to an amorphous carbon film and an amorphous carbon film-coated tool that are excellent in wear resistance and welding resistance and that can provide high adhesion strength. .
  • Patent Document 1 describes a tool provided with DLC (Diamond Like Carbon) as a hard coating.
  • DLC Diamond Like Carbon
  • Patent Document 2 describes the use of carbon nitride as a hard coating and a method for producing the carbon nitride film. Carbon nitride has a small friction coefficient, a smooth surface and high hardness, and provides excellent wear resistance and welding resistance.
  • the amorphous carbon film is not always satisfactory in terms of wear resistance. For example, it is cut by dry processing by air blow that does not use any lubricant or by mist spray that uses a minimum amount of lubricant. In the semi-dry processing in which the processing is performed, sufficient durability cannot be obtained, and unbonded hands of C (carbon) are easily bonded to the work material to cause welding, which is particularly unsuitable for iron-based materials. Although it has been proposed to add H (hydrogen) to C dangling bonds to prevent bonding with the work material, other problems such as a decrease in hardness of the amorphous carbon film occur.
  • Carbon nitride on the other hand, has a structure in which N (nitrogen) is bonded to C dangling bonds, which is a problem of the amorphous carbon film, and provides excellent welding resistance. As a result, the adhesive strength is weak and the film is easily peeled off, so that there is a problem that a cutting tool or the like cannot always have sufficient durability.
  • the amorphous carbon coating takes advantage of the property that as the hydrogen content decreases, the coating hardness increases and the wear resistance improves.
  • An amorphous carbon coating that improves the durability of the tool by specifying a numerical value range of is proposed.
  • it is an amorphous carbon film described in Patent Document 3.
  • the present invention has been made against the background of the above circumstances, and the object of the present invention is that even when the indentation hardness is 50 GPa or more and the thickness of the coating exceeds 0.5 ⁇ m.
  • An object of the present invention is to provide a long-life amorphous carbon film and an amorphous carbon film-coated tool that do not peel off from a tool base material and can provide excellent wear resistance even in a cutting tool or the like.
  • a low hydrogen amorphous carbon layer having a relatively low hydrogen content and relatively high hardness and the low hydrogen amorphous carbon layer
  • an amorphous carbon film is formed by alternately laminating high-hydrogen amorphous carbon layers having a thickness equal to or less than the thickness and having a relatively high hydrogen content and relatively low hardness, A hardness of 50 GPa or more is obtained in hardness, and an amorphous carbon coating that does not peel from the tool base material even when the thickness of the amorphous carbon coating exceeds 0.5 ⁇ m is obtained. I found it.
  • the low hydrogen amorphous carbon layer having a relatively low hydrogen content and relatively high hardness increases the hardness of the amorphous carbon film, and the residual compressive stress due to the low hydrogen amorphous carbon layer is low. It is presumed that relaxation is caused by a relatively low-hardness high-hydrogen amorphous carbon layer interposed between the amorphous carbon layers.
  • the present invention has been made based on such knowledge.
  • the gist of the amorphous carbon coating of the present invention is that: (a) a low hydrogen amorphous carbon layer having a hydrogen content of 3 at% or less and a thickness of 0.01 ⁇ m to 0.03 ⁇ m; b) A high hydrogen amorphous carbon layer having a hydrogen content exceeding 6 at% and equal to or less than the thickness of the low hydrogen amorphous carbon layer is (c) alternately stacked.
  • the amorphous carbon film thus configured comprises (a) a low hydrogen amorphous carbon layer having a hydrogen content of 3 at% or less and a thickness of 0.01 ⁇ m to 0.03 ⁇ m, and (b) a hydrogen content. Since the high hydrogen amorphous carbon layer whose amount exceeds 6 at% and equal to or less than the thickness of the low hydrogen amorphous carbon layer is (c) alternately laminated, the indentation hardness is 50 GPa or more. The hardness is obtained, and the residual compressive stress due to the hardness difference between the low hydrogen amorphous carbon layer and the tool base material is relaxed by the high hydrogen amorphous carbon layer, and the amorphous material exceeds 0.5 ⁇ m.
  • the amorphous carbon film is formed by a physical vapor deposition method using graphite as a raw material, and the amorphous carbon film has a maximum film thickness of 0.6 ⁇ m to 3 ⁇ m. .
  • an indentation hardness of 50 GPa or more can be obtained, and an amorphous carbon film having a maximum thickness exceeding 0.5 ⁇ m, which could not be realized conventionally, can be obtained. It does not peel from the tool base material, and excellent wear resistance is obtained.
  • the amorphous carbon coating is characterized by having an indentation hardness of 50 GPa or more by a nanoindentation method. In this way, due to the excellent wear resistance of the amorphous carbon coating, the cutting tool in which the amorphous carbon coating is applied to the tool base material maintains the sharpness over a long period of time and obtains a long life.
  • the low hydrogen amorphous carbon layer and the high hydrogen amorphous carbon layer are alternately laminated in 10 to 55 cycles. In this way, the amorphous carbon film laminated in such a numerical range of the lamination period can obtain further excellent wear resistance.
  • the tool is a tool coated with an amorphous carbon film in which part or all of the tool base material is coated with any one of the amorphous carbon films.
  • the amorphous carbon film-coated tool thus obtained is coated with an amorphous carbon film having an indentation hardness of 50 GPa or more by a nanoindentation method, and a low hydrogen amorphous carbon layer.
  • the residual compressive stress resulting from the hardness difference between the tool base material and the tool base material is relieved by the high hydrogen amorphous carbon layer, and even the maximum film thickness exceeding 0.5 ⁇ m does not peel from the tool base material. Abrasion resistance is obtained, and a long-life tool is obtained.
  • the amorphous carbon coating of the present invention is preferably a non-rotating cutting tool such as a drill or a milling cutter, a non-rotating cutting tool such as a bite, or a non-cutting tool such as a raised tap, a rolling tool, or a press die.
  • the present invention is suitably applied to various hard film coating processing tools such as tools. However, in addition to such a processing tool, it can be applied as a hard coating for various wear-resistant members that require wear resistance such as bearing members.
  • the amorphous carbon coating of the present invention can be preferably formed by physical vapor deposition such as arc ion plating, ion beam assisted vapor deposition, PVD such as sputtering, etc.
  • physical vapor deposition such as arc ion plating, ion beam assisted vapor deposition, PVD such as sputtering, etc.
  • PVD ion beam assisted vapor deposition
  • the law can also be adopted.
  • the lower the hydrogen content of the low hydrogen amorphous carbon layer the better, but the actual hydrogen content value is 0.5 to 1.5 at%. Therefore, considering that the measurement accuracy is ⁇ 1%, it was set to 3 at% or less. Further, if the lower limit value of 0.01 ⁇ m for the thickness of the low hydrogen amorphous carbon layer is less than that, the hardness of the low hydrogen amorphous carbon layer and the entire amorphous carbon layer cannot be obtained. When the upper limit of 0.03 ⁇ m for the thickness of the low hydrogen amorphous carbon layer is exceeded, the hardness of the low hydrogen amorphous carbon layer and the entire amorphous carbon layer is improved, but the residual internal stress is reduced.
  • a high hydrogen amorphous carbon layer with a hydrogen content exceeding 6 at% has a sufficient stress relaxation effect if the difference between the hydrogen content and the low hydrogen content is too small. It is necessary to exceed 6 at%. Further, if the high hydrogen amorphous carbon layer is thicker than the low hydrogen amorphous carbon layer, the residual stress relaxation effect can be obtained, but it is difficult to obtain a hardness of 50 GPa or more in indentation hardness.
  • the film thickened by the lamination according to the present invention when the maximum thickness is less than 0.6 ⁇ m, the film can be formed without peeling, but the film thickness is not sufficient. Wear performance is not obtained. On the other hand, when the maximum thickness exceeds 3 ⁇ m, the internal stress relaxation effect due to the lamination is reduced.
  • the amorphous carbon coating is characterized by having an indentation hardness of 50 GPa or more.
  • the hardness of the amorphous carbon coating is less than 50 GPa in terms of indentation hardness, the film thickness can be increased, but the wear resistance is inferior.
  • the low hydrogen amorphous carbon layer and the high hydrogen amorphous carbon layer are alternately stacked at least in 10 to 55 cycles.
  • the wear resistance is inferior when the lamination period of the low hydrogen amorphous carbon layer and the high hydrogen amorphous carbon layer is less than 10 periods, and the man-hour is increased when the period exceeds 55 periods. The effect saturates for this.
  • the amorphous carbon film-coated tool in which a part or all of the tool base material is coated with the amorphous carbon film is coated with an amorphous carbon film having a hardness of 50 GPa or more in indentation hardness. Even when the maximum film thickness exceeds 0.5 ⁇ m, it does not peel off from the tool base material, so it is preferably applied to a hard coating of a cutting tool. It can change suitably according to etc.
  • cemented carbide or high-speed tool steel is preferably used as the base material to which the amorphous carbon coating of the present invention is applied.
  • Cermet, ceramics, polycrystalline diamond, single crystal diamond, polycrystalline CBN Various tool materials such as single crystal CBN can be employed.
  • FIG. 2 is an electron micrograph showing an enlarged cross section near the surface of the drill body of FIG. 1, showing a state in which an amorphous carbon film as a hard film is formed on the surface of a tool base material.
  • FIG. 2 is an electron micrograph showing an enlarged cross section near the surface of the drill body of FIG. 1, showing a state in which an amorphous carbon film as a hard film is formed on the surface of a tool base material.
  • FIG. 1 It is the schematic explaining the arc ion plating apparatus which forms the amorphous carbon film of FIG. 1 suitably for a drill.
  • the thicknesses of the A layer and B layer constituting the amorphous carbon film of the laminated structure, the film thickness of the amorphous carbon film, the hydrogen content of the A layer and the B layer, and the layer state of the A layer and the B layer were changed.
  • FIG. 2C shows a state in which the indentation is formed on the amorphous carbon film when the indenter is separated from the amorphous carbon film.
  • a pin-on-disk friction test apparatus when performing a friction wear test for evaluating the wear performance of each sample. It is a figure explaining the evaluation method of the friction abrasion test of each sample, Comprising: It is a figure explaining the pass determination example. It is a figure explaining the evaluation method of the friction abrasion test of each sample, Comprising: It is a figure explaining the example of a failure determination.
  • FIG. 1 and 2 are views showing a drill 10 which is an example of an amorphous carbon film-coated tool of the present invention.
  • 1 is a schematic view seen from a direction perpendicular to the axis O
  • FIG. 2 is a front view seen from the front end side where the cutting edge 12 is provided.
  • the drill 10 is a two-blade twist drill, and is integrally provided with a shank 14 and a body 16 in the axial direction.
  • the body 16 is formed with a pair of grooves 18 twisted clockwise around the axis O. .
  • a pair of cutting edges 12 are provided at the tip of the body 16 corresponding to the grooves 18, and holes are cut by the cutting edges 12 by being driven to rotate clockwise around the axis O as viewed from the shank 14 side. While processing, chips are discharged through the groove 18 to the shank 14 side.
  • the hatched portion indicates the coating portion of the amorphous carbon film 24 as a hard film.
  • the body 16 that is a part of the drill 10 is coated, but the entire drill 10 may be coated.
  • FIG. 3 is an electron micrograph showing an enlarged cross section near the surface of the body 16.
  • An amorphous carbon film 24 as a hard film is, for example, 0 on the surface of the tool base material 22 made of cemented carbide. .75 ⁇ m thick coated.
  • the amorphous carbon film (DLC film) 24 includes an A layer (low hydrogen amorphous carbon layer) 26 provided on the surface of the tool base material 22, and the A layer 26.
  • B layer (high hydrogen amorphous carbon layer) 28 provided on the substrate is preferably a multilayer structure in which a plurality of pairs are laminated within a range of 10 to 55 periods, and the outermost surface is formed by the B layer 28. It is configured. Note that the outermost surface of the amorphous carbon coating 24 may be constituted by the A layer 26, and the surface of the tool base material 22 may be constituted by the B layer 28.
  • the A layer 26 has a hydrogen content of 3 at (atomic)% or less and a thickness of 0.01 ⁇ m to 0.03 ⁇ m.
  • the B layer 28 has a hydrogen content exceeding 6 at% and a thickness equal to or less than that of the A layer 26.
  • the amorphous carbon film 24 formed by alternately laminating the A layer 26 and the B layer 28 has a maximum film thickness (that is, a total film thickness) of 0.6 ⁇ m to 3 ⁇ m, and has an indentation hardness. It has a hardness of 50 GPa or more.
  • FIG. 4 is an enlarged view showing an example of the amorphous carbon coating 24.
  • the surface of the tool base material 22 has an A layer 26 having a predetermined thickness, for example, 0.03 ⁇ m, and a B layer having a thickness of about 1/3 times that of the A layer 26, for example, 0.01 ⁇ m.
  • a plurality of pairs of layers 28 are sequentially stacked.
  • FIG. 5 is an enlarged view showing another example of the amorphous carbon coating 24.
  • a plurality of pairs of A layer 26 having a predetermined thickness, for example, 0.03 ⁇ m, and B layer 28 having a thickness that gradually decreases from 0.03 ⁇ m to 0.01 ⁇ m are sequentially stacked.
  • a gradation in which the hydrogen content continuously changes may be positively provided at the boundary between the A layer 26 and the B layer 28.
  • FIG. 6 is a schematic configuration diagram (schematic diagram) for explaining an arc ion plating apparatus 30 used for film formation of the drill 10.
  • a workpiece holder 32 holding the formed tool base material 22, a rotating device 34 that rotates the workpiece holder 32 around a substantially vertical rotation center, and a bias that applies a negative bias voltage to the tool base material 22.
  • a chamber 38 as a processing container containing a power source 36, a tool base material 22 and the like, a reaction gas supply device 40 for supplying a predetermined reaction gas into the chamber 38, and a gas in the chamber 38 are discharged by a vacuum pump or the like.
  • an exhaust device 42 for reducing pressure, a first arc power supply 44, a second arc power supply 46, and the like.
  • the workpiece holder 32 has a cylindrical shape or a polygonal column shape centered on the rotation center, and holds a large number of tool base materials 22 in a radial manner with the tip protruding outward in a substantially horizontal manner.
  • the reactive gas supply device 40 includes a tank for storing argon gas (Ar) and a tank for storing hydrocarbon gas. When forming the A layer 26 of the amorphous carbon coating 24, only the argon gas is supplied, Argon gas and hydrocarbon gas are supplied when forming the B layer 28.
  • the first arc power source 44 and the second arc power source 46 are both arced by passing a predetermined arc current between the anodes 50 and 54 using the first evaporation source 48 and the second evaporation source 52 made of graphite as cathodes.
  • carbon is evaporated from the evaporation sources 48 and 52, and the evaporated carbon becomes positive ions and is attached to the tool base material 22 to which a negative ( ⁇ ) bias voltage is applied.
  • the A layer 26 is formed when only argon gas is supplied
  • the B layer 28 is formed when both argon gas and hydrocarbon gas are supplied.
  • the arc current and the bias voltage are determined so that the A layer 26 and the B layer 28 having a predetermined hardness and composition are obtained, respectively, a temperature of 200 degrees or less, and a vacuum degree of 0.003 to 0.1 Pa.
  • the film forming conditions are determined.
  • the thicknesses of the A layer 26 and the B layer 28 can be adjusted by the film formation time.
  • FIG. 7 shows the maximum film thicknesses of the A layer 26, the B layer 28, and the amorphous carbon coating 24, the hydrogen contents of the A layer 26 and the B layer 28, and the lamination state of the A layer 26 and the B layer 28 of a predetermined sample.
  • the hydrogen content, laminated structure (lamination cycle and film thickness change), total film thickness, indentation hardness (GPa), presence or absence of peeling of the cutting edge, and evaluation of wear resistance are shown. It is a table.
  • FIG. 8 is a side view and a plan view illustrating an analysis method using SIMS
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an analysis method using RBS
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an analysis method using ERDA (HFS). 11 shows a measurement sample of the present invention No. 1 in FIG.
  • SIMS secondary ion mass spectrometry
  • Primary ion species Cs + Primary ion beam irradiation energy: 5.5 keV
  • Measurement elements H and C (matrix monitor)
  • Type of analysis RBS (backscatter)
  • Ion species of incident ion beam H ++ Incident ion beam energy: 2.275 MeV Normal detector angle: 160 ° Grazing detector angle: ⁇ 100 °
  • Analysis mode CC RR (ERDA analysis conditions)
  • Type of analysis ERDA (HFS, forward scattering)
  • Ion species of incident ion beam H ++ Incident ion beam energy: 2.275 MeV Normal detector angle: 160 ° Grazing detector angle: 30 ° Angle of
  • the concentration data by SIMS is also indicated by (atoms%).
  • the quantification of the hydrogen concentration is carried out by standardizing the material stopping power of each of the standard sample (Si wafer into which muscovite and hydrogen ions are implanted) and the actual sample with two known hydrogen concentrations. The concentration was converted by comparing the normalized hydrogen intensity.
  • stopping power refers to the degree of energy that a particle loses due to ionization or excitation of a substance atom when a certain kind of charged particle passes through a certain substance.
  • FIG. 12 illustrates a method for calculating the thickness of each layer from the results of the SIMS analysis shown in FIG.
  • 1/2 of the intensity difference between the valley A and the mountain A corresponds to Depth1
  • 1/2 of the intensity difference between the mountain A and the valley B corresponds to Depth2
  • the intensity difference between the valley B and the mountain B 1/2 corresponds to Depth3
  • the width of the mountain A is calculated as (Depth2-Depth1), calculated as the thickness of the B layer
  • the width of the valley B is calculated as (Depth3-Depth2), Calculated as the thickness of the A layer.
  • the total film thickness of the amorphous carbon film in which they are laminated is calculated by the total thickness of the A layer and the B layer.
  • GPa the indentation hardness
  • H IT N / mm 2
  • FIG. 13A shows an indenter I to which a triangular pyramid-shaped diamond indenter (Berkovic type) having an apex on the amorphous carbon film side is applied, and a non-coated material on the base material.
  • a sample T coated with a crystalline carbon coating is prepared, and then the indenter I presses the surface of the amorphous carbon coating of the sample T to the maximum test load Fmax as shown in FIG.
  • the maximum test load Fmax and the press-fit depth hmax at that time are stored, and when the indenter I is pulled away from the sample T and the pressing load F reaches zero as shown in FIG.
  • the indentation depth hr of the indenter I is stored. Since the triangular pyramid-shaped indentation K is formed, even if the pressing load F is zero, the indentation depth hr of the indenter I remains due to the depression of the triangular pyramid-shaped indentation K.
  • the projected contact area Ap of the indenter I is calculated from the following equation (1) based on the press-fit depth hmax at the maximum test load Fmax, the push-in depth hr when the press load F returns to zero, and ⁇ . is, then, nanoindentation hardness H iT is, the following equation (2), is calculated based on the contact projected area Ap and the maximum test load Fmax indenter I.
  • the press-fit depth hmax is set to be 1/10 or less of the thickness of the amorphous carbon film so that the base material is not affected.
  • ⁇ is a correction coefficient derived from the geometric shape of the indenter I, and is 0.75 in the case of a diamond indenter (Berkovic type).
  • the peelability of each sample was determined according to the product No. 1-No. 20 and comparative product no. 21-No.
  • the amorphous carbon coating 24 having the same film structure as 29 is applied to the base material 22 of the drill 10 using the arc ion plating apparatus 30 described above, it is the portion of the drill 10 that is most likely to be peeled off. The presence or absence of peeling at the cutting edge was observed to determine the presence or absence of peeling.
  • the abrasion resistance of each sample was determined by adding the pin No. disk type friction test apparatus shown in FIG. 1-No. 20 and comparative product no. 21-No. Evaluated by applying the same coating as the amorphous carbon coating of 29 on the surface of the pin made of the same material as the base material 22 and pressing it against the disk-shaped mating material under the following test conditions. did. (Test conditions) Opponent material: ADC12 Load: 5N Linear velocity: 100m / sec Time: 1000 seconds Test environment: Atmospheric room temperature: 25 ° C Humidity: 60%
  • FIG. 15 and FIG. 16 show examples of evaluation results of the wear resistance of each sample, using enlarged observation photographs showing pin wear marks according to the above test conditions.
  • FIG. 6 and no. No. 8 wear state is shown, and since the exposure of the base material and the peeling of the amorphous carbon film are not observed, the wear resistance is determined to be acceptable.
  • 16 shows a comparative product No. 25 and No. No. 26 is shown, and the amorphous carbon film is peeled off or the base material is exposed, so that the wear resistance is judged as rejected.
  • the A layer has a hydrogen content of 3 at% or less and a low hydrogen content of 0.01 ⁇ m to 0.03 ⁇ m.
  • the B layer is a high hydrogen amorphous carbon layer having a hydrogen content exceeding 6 at% and a thickness equal to or less than the thickness of the A layer in that it is an amorphous carbon layer.
  • the amorphous carbon film is formed by physical vapor deposition using graphite as a raw material, and is formed by laminating 10 to 55 periods of the A layer and the B layer, and has a maximum thickness of 0.6 ⁇ m to 3 ⁇ m. This is common in that it has a hardness of 50 GPa or more in indentation hardness by indentation method.
  • the comparative product No. No. 21 since the thickness of the A layer is 0.005 ⁇ m, which is below the lower limit of 0.01 ⁇ m of the thickness of the A layer and the thickness of the B layer exceeds the A layer, the indentation hardness by the nanoindentation method is 38 GPa Only a value lower than 50 GPa was obtained, and abrasion resistance was not obtained. Comparative product No. In No. 22, the thickness of the A layer is 0.07 ⁇ m, which exceeds the upper limit of 0.03 ⁇ m of the thickness of the A layer, so that the hardness of the amorphous carbon film can be obtained to some extent, but to increase the wear resistance.
  • the thickness of the A layer is 0.70 ⁇ m, which exceeds the upper limit of 0.03 ⁇ m of the thickness of the A layer, and the B layer is not provided.
  • the maximum film thickness of the amorphous carbon film was increased to 0.7 ⁇ m in order to enhance the wear resistance, peeling of the cutting edge portion of the amorphous carbon film occurred. Comparative product No. In No.
  • the thickness of the B layer is 0.59 ⁇ m, which exceeds the thickness of the A layer of 0.01 ⁇ m, and the stacking cycle is 1, the thickness of the amorphous carbon film should be as thick as 0.6 ⁇ m.
  • the thickness of the A layer is 0.58 ⁇ m, which exceeds the upper limit of 0.03 ⁇ m of the thickness of the A layer, and the lamination cycle is 1. Since it was sufficient, peeling occurred at the cutting edge portion. Test product No. No.
  • the thickness of the A layer is 0.15 ⁇ m, which exceeds the upper limit of 0.03 ⁇ m of the thickness of the A layer, and the stacking cycle is 1. Therefore, the maximum film thickness of the amorphous carbon coating is 0.00. Since 20 ⁇ m cannot be obtained sufficiently, wear resistance cannot be obtained.
  • the test result of this comparative product 26 was obtained in a test time of 300 seconds. This is because the comparative product 26 stopped measuring due to overload at 300 seconds.
  • Test product No. No. 27 the thickness of the A layer is 0.10 ⁇ m, which exceeds the upper limit of 0.03 ⁇ m of the thickness of the A layer, and the maximum film thickness of the amorphous carbon coating is increased to 1.20 ⁇ m with a lamination period of 6.
  • the thickness of the A layer and the thickness of the B layer are 0.03 ⁇ m, which is equivalent to the upper limit value of 0.03 ⁇ m of the thickness of the A layer. Since the maximum film thickness of the amorphous carbon coating was increased to 3.30 ⁇ m, peeling of the cutting edge portion occurred.
  • Test product No. 28 the thickness of the A layer and the thickness of the B layer are 0.03 ⁇ m, which is equivalent to the upper limit value of 0.03 ⁇ m of the thickness of the A layer. Since the maximum film thickness of the amorphous carbon coating was increased to 3.30 ⁇ m, peeling of the cutting edge portion occurred.
  • the thickness of the A layer and the thickness of the B layer are 0.01 ⁇ m, which is equivalent to the lower limit of 0.01 ⁇ m of the thickness of the A layer, but the maximum number of layers of the amorphous carbon coating film is 15 Is 0.30 ⁇ m, which is lower than the lower limit value of the total film thickness of the amorphous carbon coating, so that wear resistance cannot be obtained.
  • the amorphous carbon film 24 is formed of the A layer (low hydrogen amorphous carbon layer) having a hydrogen content of 3 at% or less and a thickness of 0.01 ⁇ m to 0.03 ⁇ m. ) 26 and B layers (high hydrogen amorphous carbon layers) 28 having a hydrogen content exceeding 6 at% and having a thickness equal to or less than the thickness of the A layer are alternately laminated.
  • a hardness of 50 GPa or more can be obtained, and the residual compressive stress due to the hardness difference between the A layer 26 and the tool base material 22 is relieved by the B layer 28, so that the tool thickness can exceed 0.5 ⁇ m. There is no peeling from the base material 22. For this reason, in the drill (cutting tool) 10 in which part or all of the tool base material 22 is covered with the amorphous carbon coating 24, excellent wear resistance is obtained, and a long-life tool is obtained.
  • the amorphous carbon film 24 is formed by a physical vapor deposition method using graphite as a raw material, and the amorphous carbon film 24 has a maximum thickness of 0.6 ⁇ m to 3 ⁇ m. For this reason, the indentation hardness by the nanoindentation method has a hardness of 50 GPa or more, and an amorphous carbon coating 24 having a thickness exceeding 0.5 ⁇ m, which could not be realized in the past, is obtained. 24 does not peel from the tool base material 22, and excellent wear resistance is obtained.
  • the amorphous carbon coating 24 has a hardness of 50 GPa or more in indentation hardness by a nanoindentation method. For this reason, in the drill (cutting tool) 10 in which the amorphous carbon coating 24 is applied to the tool base material 22 due to the excellent wear resistance of the amorphous carbon coating 24, the sharpness is maintained over a long period of time, and the long life is achieved. Is obtained.
  • the A layer (low hydrogen amorphous carbon layer) 26 and the B layer (high hydrogen amorphous carbon layer) 28 are alternately laminated in 10 to 55 cycles. For this reason, since the residual compressive stress resulting from the hardness difference between the A layer 26 and the tool base material 22 is relieved by the B layer 28 interposed between the A layers 26, in such a numerical range of the stacking period.
  • the laminated amorphous carbon film 24 does not peel off, and excellent wear resistance is obtained.
  • the drill 10 that is an amorphous carbon film-coated tool has the tool base material 22 covered with the amorphous carbon film 24 in the body 16 that is a part thereof.
  • the drill 10 thus obtained is coated with an amorphous carbon film having an indentation hardness of 50 GPa or more by a nanoindentation method, and particularly with a film thickness exceeding 0.5 ⁇ m In this case, since the tool base material 22 is not peeled, excellent wear resistance is obtained, and a long-life tool is obtained.
  • At least one selected from elements of group IVa, Va, VIa, IIIb, IVb (excluding C) in the periodic table at the interface between the amorphous carbon film and the base material More than one element or a carbide layer thereof may be provided. In this way, it is particularly effective for a base material whose hardness with the coating is large in an iron-based material such as high-speed tool steel or die steel.
  • Drill amorphous carbon film coated tool
  • 22 Tool base material (base material)
  • 24 Amorphous carbon coating
  • 26 A layer (low hydrogen amorphous carbon layer)
  • 28 B layer (high hydrogen amorphous carbon layer)

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Abstract

　５０ＧＰａ以上の硬さを有し、且つ被膜の最大厚みが０．５μｍを越えた場合でも工具母材から剥離することがなく、切削工具等においても優れた耐摩耗性が得られる非晶質炭素被膜を提供する。　水素含有量が３at％以下で且つ厚さが０．０１μｍ～０．０３μｍのＡ層(低水素非晶質炭素層)２６と、水素含有量が６at％を超え且つ前記Ａ層の厚さと同等以下のＢ層(高水素非晶質炭素層)２８とが、交互に積層されて成ることから、押し込み硬さで５０ＧＰａ以上の硬さが得られるとともに、Ａ層２６と工具母材２２との間の硬度差に起因する残留圧縮応力がＢ層２８によって緩和され、０．５μｍを越える被膜の最大厚みでも工具母材２２から剥離することがない。このため、その非晶質炭素被膜２４により工具母材２２の一部或いは全部が被覆されたドリル１０においては優れた耐摩耗性が得られ、長寿命の工具が得られる。

Description

非晶質炭素被膜および非晶質炭素被膜被覆工具
　本発明は、非晶質炭素被膜に係り、特に、耐摩耗性、および耐溶着性に優れているとともに高い付着強度が得られる非晶質炭素被膜および非晶質炭素被膜被覆工具に関するものである。
　ドリルやエンドミル、フライスカッタ、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、超硬合金製或いは工具鋼製の母材の表面に、硬質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提案されている。特許文献１には、硬質被膜としてＤＬＣ(Diamond Like Carbon ；非晶質炭素被膜)が設けられた工具が記載されている。ＤＬＣは緻密なアモルファス構造で、結晶学的にはダイヤモンドと異なるが、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ等の化合物被膜に比較して高い硬度を有する。また、特許文献２には、硬質被膜として窒化炭素を用いることや、その窒化炭素膜の製造方法について記載されている。窒化炭素は、摩擦係数が小さいとともに面が平滑で硬度も高く、優れた耐摩耗性や耐溶着性が得られる。
　しかしながら、上記非晶質炭素被膜は、耐摩耗性の点で必ずしも十分に満足できるものではなく、例えば潤滑油剤を全く使わないエアブローによるドライ加工や、最少量の潤滑油剤を使用するミスト噴霧により切削加工を行うセミドライ加工では、十分な耐久性が得られないとともに、Ｃ(炭素)の未結合手が被削材と結合して溶着を生じ易く、特に鉄系材料に対して不向きであった。Ｃの未結合手にＨ(水素)を添加することで、被削材との結合を防ぐことが提案されているが、非晶質炭素被膜の硬度低下等の別の問題が発生する。一方、窒化炭素は、上記非晶質炭素被膜の問題点であるＣの未結合手にＮ(窒素)を結合した構造で、優れた耐溶着性が得られるが、非晶質炭素被膜に比較して付着強度が弱くて剥離し易く、切削工具等においては必ずしも十分な耐久性が得られないという問題があった。
　これに対し、非晶質炭素被膜は水素含有量が少なくなるにつれて、被膜硬さが高くなり、耐摩耗性が向上するという性質を利用して、非晶質炭素被膜の水素含有量および膜厚の数値範囲を特定することで、工具の耐久性を改善する非晶質炭素被膜が提案されている。たとえば、特許文献３に記載された非晶質炭素被膜がそれである。
特開２００５－２２０７３号公報 特開２００２－３８２６９号公報 特許第３７１８６６４号公報
　しかしながら、上記特許文献３に記載の技術では、非晶質炭素被膜の硬さが高くなると、工具母材との間の硬度差がおおきくなるとともに残留圧縮応力が高くなるので、非晶質炭素被膜の厚さが０．５μｍを越えると、非晶質炭素被膜が母材から剥離する場合があった。水素含有量が３at(原子)％以下の高硬度の非晶質炭素被膜を０．５μｍを越える厚さで工具母材に剥離無く成膜することはきわめて困難であった。
　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、押し込み硬さで５０ＧＰａ以上の硬さを有し、且つ被膜の厚さが０．５μｍを越えた場合でも工具母材から剥離することがなく、切削工具等においても優れた耐摩耗性が得られる長寿命の非晶質炭素被膜および非晶質炭素被膜被覆工具を提供することにある。
　本発明者等は以上の事情を背景として種々研究を重ねた結果、水素含有量が比較的少なくて相対的に硬度の高い低水素非晶質炭素層と、その低水素非晶質炭素層の厚さと同等以下の厚みを有し、水素含有量が比較的多くて相対的に硬度の低い高水素非晶質炭素層とを、交互に積層して非晶質炭素被膜を成膜すると、押し込み硬さで５０ＧＰａ以上の硬さが得られ、且つその非晶質炭素被膜の厚さが０．５μｍを越えた場合でも工具母材から剥離することがない非晶質炭素被膜が得られることを見出した。すなわち、水素含有量が比較的少なくて相対的に硬度の高い低水素非晶質炭素層により非晶質炭素被膜の硬度が高められ、その低水素非晶質炭素層による残留圧縮応力が低水素非晶質炭素層間に介在させられた相対的に硬度の低い高水素非晶質炭素層により緩和されると推定される。本発明は斯かる知見に基づいてなされたものである。
　すなわち、本発明の非晶質炭素被膜の要旨とするところは、 (a) 水素含有量が３at％以下で且つ厚さが０．０１μｍ～０．０３μｍの低水素非晶質炭素層と、(b) 水素含有量が６at％を超え且つ前記低水素非晶質炭素層の厚さと同等以下の高水素非晶質炭素層とが、(c) 交互に積層されて成ることを特徴とする。
　このように構成された非晶質炭素被膜は、(a) 水素含有量が３at％以下で且つ厚さが０．０１μｍ～０．０３μｍの低水素非晶質炭素層と、(b) 水素含有量が６at％を超え且つ前記低水素非晶質炭素層の厚さと同等以下の高水素非晶質炭素層とが、(c) 交互に積層されて成ることから、押し込み硬さで５０ＧＰａ以上の硬さが得られるとともに、低水素非晶質炭素層と工具母材との間の硬度差に起因する残留圧縮応力が高水素非晶質炭素層によって緩和され、０．５μｍを越える非晶質炭素層の最大膜厚でも工具母材から剥離することがない。このため、その非晶質炭素被膜により工具母材の一部或いは全部が被覆された切削工具等においては優れた耐摩耗性が得られ、長寿命の工具が得られる。
　ここで、好適には、前記非晶質炭素被膜は、グラファイトを原料として物理的蒸着法により形成され、該非晶質炭素被膜は、０．６μｍ～３μｍの最大膜厚を有することを特徴とする。このようにすれば、押し込み硬さで５０ＧＰａ以上の硬さを有するとともに、従来では実現できなかった０．５μｍを越える最大膜厚の非晶質炭素被膜が得られるとともに、非晶質炭素被膜が工具母材から剥離することがなく、且つ優れた耐摩耗性が得られる。
　また、好適には、前記非晶質炭素被膜は、ナノインデンテーション法による押し込み硬さで５０ＧＰａ以上の硬度を有することを特徴とする。このようにすれば、非晶質炭素被膜の優れた耐摩耗性により、その非晶質炭素被膜が工具母材に適用された切削工具では、切れ味が長期にわたって維持され、長寿命が得られる。
　また、好適には、前記低水素非晶質炭素層と高水素非晶質炭素層とが、１０乃至５５周期で交互に積層されて成ることを特徴とする。このようにすれば、そのような積層周期の数値範囲で積層された非晶質炭素被膜は、一層優れた耐摩耗性が得られる。
　また、好適には、前記いずれか１の非晶質炭素被膜によって工具母材の一部または全部が被覆された非晶質炭素被膜被覆工具であることを特徴とする。このようにして得られた非晶質炭素被膜被覆工具は、ナノインデンテーション法による押し込み硬さで５０ＧＰａ以上の硬さを有する非晶質炭素被膜で被覆されるとともに、低水素非晶質炭素層と工具母材との間の硬度差に起因する残留圧縮応力が高水素非晶質炭素層によって緩和され、０．５μｍを越える最大膜厚でも工具母材から剥離することがないので、優れた耐摩耗性が得られ、長寿命の工具が得られる。
　また、本発明の非晶質炭素被膜は、好適には、ドリルやフライスカッタ等の回転切削工具、バイト等の非回転の切削工具、或いは盛上げタップ、転造工具、プレス金型等の非切削工具など、種々の硬質被膜被覆加工工具に好適に適用される。しかし、そのような加工工具以外でも軸受部材など耐摩耗性が要求される種々の耐摩耗性部材の硬質被膜として適用され得る。
　また、本発明の非晶質炭素被膜は、好適には、アークイオンプレーティング法やイオンビームアシスト蒸着法、スパッタリング法等のＰＶＤ法等の物理的蒸着法によって成膜できるが、他の成膜法を採用することもできる。
　また、本発明の非晶質炭素被膜において、前記低水素非晶質炭素層の水素含有量は、低ければ低いほどよいのであるが実際の水素含有量の値が０．５～１．５at％であったことから、その測定精度が±１％であることを考慮して３at％以下とした。また、低水素非晶質炭素層の厚みの下限値０．０１μｍは、それを下まわるとその低水素非晶質炭素層および全体の非晶質炭素層の硬度が得られない。低水素非晶質炭素層の厚みの上限値０．０３μｍは、それを上まわるとその低水素非晶質炭素層および全体の非晶質炭素層の硬さは向上するが、残留内部応力が高くなるので、積層して厚膜化したときに工具母材からの剥離を生じる。水素含有量が６at％を超える高水素非晶質炭素層は、低水素含有量との水素含有量の差が小さすぎると応力緩和効果が十分でなく、剥離の原因となるので、水素含有量は６at％を超えることが必要である。また、高水素非晶質炭素層は、低水素非晶質炭素層よりも厚みが大きいと、残留応力緩和効果は得られるが、押し込み硬さで５０ＧＰａ以上の硬度が得られ難くなる。
　また、本発明の積層によって厚膜化された非晶質炭素被膜において、その最大厚みが０．６μｍを下まわると、剥離することなく成膜可能であるが、膜厚が十分でないため、耐摩耗性能が得られない。反対に、最大厚みが３μｍを超えると、積層による内部応力緩和効果が低減する。
　また、前記非晶質炭素被膜は、押し込み硬さで５０ＧＰａ以上の硬度を有することを特徴とする。この非晶質炭素被膜の硬度が、押し込み硬さで５０ＧＰａを下まわる場合は厚膜化が可能であるが、耐摩耗性に劣る。
　また、前記低水素非晶質炭素層と高水素非晶質炭素層とが、少なくとも１０乃至５５周期で交互に積層されて成るものである。非晶質炭素被膜において、前記低水素非晶質炭素層と高水素非晶質炭素層との積層周期が１０周期を下まわると耐摩耗性に劣り、５５周期を上まわると、工数が増大する割に、効果が飽和する。
　また、前記非晶質炭素被膜によって工具母材の一部または全部が被覆された非晶質炭素被膜被覆工具は、押し込み硬さで５０ＧＰａ以上の硬さを有する非晶質炭素被膜で被覆されるとき、０．５μｍを越える最大膜厚でも工具母材から剥離することがないので、切削工具の硬質被膜に好適に適用されるが、それ等の硬さは、硬質被膜を設ける対象物や目的等に応じて適宜変更できる。
　また、本発明の非晶質炭素被膜が被着される母材としては、超硬合金や高速度工具鋼が好適に用いられるが、サーメット、セラミックス、多結晶ダイヤモンド、単結晶ダイヤモンド、多結晶ＣＢＮ、単結晶ＣＢＮなど、種々の工具材料を採用できる。
本発明の非晶質炭素被膜が設けられたドリルの軸心と直角方向から見た概略図である。 図１のドリルを説明するためにその先端側から示す正面図である。 図１のドリルのボデーにおける表面付近の断面を拡大して示す電子顕微鏡写真であって、工具母材の表面に、硬質被膜としての非晶質炭素被膜が成膜された状態を示している。 図１のドリルの工具母材上に被覆された非晶質炭素被膜の積層構造の一例を説明する拡大断面図である。 図１のドリルの工具母材上に被覆された非晶質炭素被膜の積層構造の他の一例を説明する拡大断面図である。 図１の非晶質炭素被膜をドリルに好適に成膜するアークイオンプレーティング装置を説明する概略図である。 積層構造の非晶質炭素被膜を構成するＡ層、Ｂ層、およびその非晶質炭素被膜の膜厚、Ａ層およびＢ層の水素含有量、Ａ層およびＢ層の層状態を変化させた本発明品Ｎｏ．１～Ｎｏ．２０および比較品Ｎｏ．２１～Ｎｏ．２９のサンプルのそれぞれについて、水素含有量、積層構造(積層周期および膜厚変化)、総膜厚、押し込み硬さ(ＧＰａ)、切れ刃の剥離の有無、耐摩耗性の評価を示す表である。 ＳＩＭＳ法による分析方法を説明する側面図および平面図である。 ＲＢＳ法による分析方法を説明する図である。 ＥＲＤＡ(ＨＦＳ)法による分析方法を説明する図である。 所定の試料の深さを表す軸とＳＩＭＳで測定された二次イオン濃度およびＥＲＤＡで測定された水素濃度を示す軸との二次元座標内において、所定の試料について、図７のＡ層、Ｂ層、およびその非晶質炭素被膜の膜厚、Ａ層およびＢ層の水素含有量、Ａ層およびＢ層の層状態を示す測定結果を示す図である。 図１１に示すＳＩＭＳ分析の結果から各層の膜厚算出する方法を説明する図である。 各試料の押し込み硬さＧＰａの測定方法を説明する概念図であって、(ａ)は圧子を非晶質炭素被膜に押圧する前の状態を示し、(ｂ)は所定の荷重で圧子を非晶質炭素被膜に押圧した状態を示し、(ｃ)は圧子を非晶質炭素被膜から引き離したときに圧痕が非晶質炭素被膜に形成された状態を示している。 各試料の摩耗性能を評価するための摩擦摩耗試験を行なう際の、ピンオンディスク式摩擦試験装置を説明する概念図である。 各試料の摩擦摩耗試験の評価方法を説明する図であって、合格判定例を説明する図である。 各試料の摩擦摩耗試験の評価方法を説明する図であって、不合格判定例を説明する図である。
以下、本発明の非晶質炭素被膜の一実施例について図面を参照して詳細に説明する。
　以下、本発明の実施例を、図面を参照しつつ詳細に説明する。
　図１および図２は、本発明の非晶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概略図、図２は切れ刃１２が設けられた先端側から見た正面図である。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、硬質被膜としての非晶質炭素被膜２４のコーティング部分を示している。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。
　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電子顕微鏡写真であって、超硬合金製の工具母材２２の表面には、硬質被膜としての非晶質炭素被膜２４がたとえば０．７５μｍの厚さでコーティングされている。非晶質炭素被膜(ＤＬＣ被膜)２４は、図４または図５に示すように、工具母材２２の表面に設けられたＡ層(低水素非晶質炭素層)２６と、そのＡ層２６の上に設けられたＢ層(高水素非晶質炭素層)２８とが、好適には１０乃至５５周期の範囲内で複数対積層された多層構造で、そのＢ層２８によって最外表面が構成されている。なお、非晶質炭素被膜２４の最外表面はＡ層２６によって構成されてもよいし、工具母材２２の表面にはＢ層２８によって構成されてもよい。
　Ａ層２６は、３at(原子)％以下の水素含有量と、０．０１μｍ～０．０３μｍの厚さを備えている。Ｂ層２８は、６at％を超える水素含有量と、Ａ層２６と同等以下の厚さを備えている。それらＡ層２６およびＢ層２８による交互の積層により成膜された非晶質炭素被膜２４は、０．６μｍ～３μｍの最大膜厚(すなわち総膜厚)を有し、且つ、押し込み硬さで５０ＧＰａ以上の硬さを有する。
　図４は、非晶質炭素被膜２４の一例を拡大して示す図である。図４において、工具母材２２の表面には、所定の厚みたとえば０．０３μｍの厚みを有するＡ層２６とそのＡ層２６よりも１／３倍程度の厚みたとえば０．０１μｍの厚みを有するＢ層２８とが複数対順次積層されている。
　図５は、非晶質炭素被膜２４の他の一例を拡大して示す図である。図５において、所定の厚みたとえば０．０３μｍの厚みを有するＡ層２６と、そのＡ層２６の厚みたとえば０．０３μｍから０．０１μｍまで順次減少する厚みを有するＢ層２８とが複数対順次積層されている。なお、上記Ａ層２６とＢ層２８との境界には、水素含有量が連続的に変化するグラデーションを積極的に設けてもよい。
　図６は、ドリル１０の成膜に用いられるアークイオンプレーティング装置３０を説明する概略構成図(模式図)で、多数のワークすなわち硬質被膜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を保持しているワーク保持具３２、そのワーク保持具３２を略垂直な回転中心まわりに回転駆動する回転装置３４、工具母材２２に負のバイアス電圧を印加するバイアス電源３６、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チャンバ３８、チャンバ３８内に所定の反応ガスを供給する反応ガス供給装置４０、チャンバ３８内の気体を真空ポンプなどで排出して減圧する排気装置４２、第１アーク電源４４、第２アーク電源４６等を備えている。ワーク保持具３２は、上記回転中心を中心とする円筒形状或いは多角柱形状を成しており、先端が略水平に外側へ突き出す姿勢で多数の工具母材２２を放射状に保持している。また、反応ガス供給装置４０は、アルゴンガス(Ａｒ)を貯えるタンクおよび炭化水素ガスを貯えるタンクを備えており、非晶質炭素被膜２４のＡ層２６を形成するときにはアルゴンガスのみを供給し、Ｂ層２８を形成するときにはアルゴンガスおよび炭化水素ガスを供給する。
　第１アーク電源４４および第２アーク電源４６は、何れもグラファイトから成る第１蒸発源４８、第２蒸発源５２をカソードとして、アノード５０、５４との間に所定のアーク電流を通電してアーク放電させることにより、それ等の蒸発源４８、５２から炭素を蒸発させるもので、蒸発した炭素は正イオンになって負(－)のバイアス電圧が印加されている工具母材２２に付着させられる。これにより、アルゴンガスのみを供給した時にはＡ層２６が形成され、アルゴンガスおよび炭化水素ガスの両方を供給した時にはＢ層２８が形成される。その場合に、所定の硬さや組成のＡ層２６およびＢ層２８が得られるように、それぞれアーク電流、バイアス電圧が定められるとともに、２００度以下の温度、０．００３～０．１Ｐａの真空度等の成膜条件が定められる。また、Ａ層２６およびＢ層２８の厚みについては、成膜時間で調整できる。
　図７は、所定の試料のＡ層２６、Ｂ層２８および非晶質炭素被膜２４の最大膜厚、Ａ層２６およびＢ層２８の水素含有量、Ａ層２６およびＢ層２８の積層状態を変化させた本発明品Ｎｏ．１～Ｎｏ．２０および比較品Ｎｏ．２１～Ｎｏ．２９のサンプル(試料)のそれぞれについて、水素含有量、積層構造(積層周期および膜厚変化)、総膜厚、押し込み硬さ(ＧＰａ)、切れ刃の剥離の有無、耐摩耗性の評価を示す表である。
　以下に、所定の試料のＡ層２６およびＢ層２８について、それらの水素含有量、厚み、積層数、および総膜厚などの積層構造の分析(測定)を、説明する。この分析には、以下に示す分析条件(測定条件)をそれぞれ用いて、ＳＩＭＳ(二次イオン質量分析法)、ＲＢＳ、ＥＲＤＡ(ＨＦＳ)にて行なわれた。図８は、ＳＩＭＳによる分析方法を説明する側面図および平面図、図９は、ＲＢＳによる分析方法を説明する図、図１０は、ＥＲＤＡ(ＨＦＳ)による分析方法を説明する図である。図１１は、測定試料が図７の本発明品Ｎｏ．３である場合の測定結果が、深さ軸と二次イオン濃度および水素イオン含有量との二次元座標を用いて示されている。
(ＳＩＭＳ分析条件)
測定装置：ＳＩＭＳ(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：５．５ｋｅＶ
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－)
(ＲＢＳ分析条件)
分析の種類：ＲＢＳ(後方散乱)
入射イオンビームのイオン種：Ｈ＋＋
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：～１００°
分析モード：ＣＣ ＲＲ
(ＥＲＤＡ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：Ｈ＋＋
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°
　先ず、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角の面積にスキャンしながら照射し、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。その値は、図１１において炭素Ｃは深さ方向において略一定の値として示され、水素Ｈは深さ方向において周期的に変化する値として示されている。それらの値は右側の縦軸に示される。次いで、ＥＲＤＡ(ＨＦＳ)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測定データにおいて相対感度係数(ＲＳＦ)ｗｏ導いて、水素濃度換算を実行した。ＥＲＤＡ(ＨＦＳ)での分析結果から導かれる水素濃度の単位が(atoms ％)であることから、ＳＩＭＳでの濃度データも(atoms ％)で標示した。水素濃度の定量は、ＨＦＳ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Ｃ(Ｃ＝Ｉｐ×ＲＳＦ)を決定した。
　図１２は、上記図１１に示すＳＩＭＳ分析の結果から各層の厚みを算出する方法を説明している。図１２において、谷Ａと山Ａの強度差の１／２がDepth１に相当し、山Ａと谷Ｂとの強度差の１／２がDepth２に相当し、谷Ｂと山Ｂとの強度差の１／２がDepth３に相当し、山Ａの幅は、(Depth２－Depth１)として算出され、前記Ｂ層の厚みとして算出され、谷Ｂの幅は、(Depth３－Depth２)として算出され、前記Ａ層の厚みとして算出される。また、それらＡ層の厚みおよびＢ層の厚みの合計によって、それらが積層された非晶質炭素被膜の全体膜厚が算出される。
　図１３は、ナノインデンテーション法を用いて各試料の押し込み硬さ(ＧＰａ)すなわちナノインデンテーション硬さＨＩＴ(ＭＰａ＝Ｎ／ｍｍ２)を、ナノインデンテーション法硬さ試験機を用いて測定する方法を説明する図である。この測定には、市販のナノインデンテーション法硬さ試験機が用いられる。この測定では、先ず、図１３の(ａ)に示すように、たとえば非晶質炭素被膜側に頂点を有する三角錐形状ダイヤモンド圧子(バーコビッチ型)が適用される圧子Ｉと、母材上に非晶質炭素被膜が被着された試料Ｔとが用意され、次に、図１３の(ｂ)に示すように、圧子Ｉが試料Ｔの非晶質炭素被膜の表面に最大試験荷重Ｆmaxまで押圧されてそのときの最大試験荷重Ｆmaxおよび圧入深さｈmaxが記憶され、そして、図１３の(ｃ)に示すように、圧子Ｉが試料Ｔから引き離されて、押圧荷重Ｆが零に到達したときの圧子Ｉの押し込み深さｈｒが記憶される。三角錐形状の圧痕Ｋが形成されるので、押圧荷重Ｆが零でも三角錐形状の圧痕Ｋの凹みのため、圧子Ｉの押し込み深さｈｒが残存する。そして、圧子Ｉの接触投影面積Ａｐが、次式(１)から、最大試験荷重Ｆmax時の圧入深さｈmax、押圧荷重Ｆが零に戻ったときの押し込み深さｈｒ、およびεに基づいて算出され、次いで、ナノインデンテーション硬さＨＩＴが、次式(２)から、圧子Ｉの接触投影面積Ａｐおよび最大試験荷重Ｆmaxに基づいて算出される。なお、圧入深さｈmaxは、母材の影響がでないように非晶質炭素被膜の厚みの１／１０以下となるように設定される。また、式(１)のεは、圧子Ｉの幾何学形状に由来する補正係数であって、ダイヤモンド圧子(バーコビッチ型)の場合は０．７５である。
Ａｐ＝２４．５０(ｈmax－ε(ｈmax－ｈｒ))２　　・・・　(１)
ＨＩＴ＝ｈmax／Ａｐ　　　　　　　　　　　　　・・・　(２)　
　次に、各試料の剥離性は、本発明品Ｎｏ．１～Ｎｏ．２０および比較品Ｎｏ．２１～Ｎｏ．２９と同じ膜構造の非晶質炭素被膜２４を前述のアークイオンプレーティング装置３０を用いてドリル１０の母材２２に被着させたとき、ドリル１０のうちの最も剥離を生じ易い部分である切れ刃における剥離の有無を観察して、剥離の有無を判定した。
　さらに、各試料の耐摩耗性は、図１４に示すピンオンディスク式摩擦試験装置に、本発明品Ｎｏ．１～Ｎｏ．２０および比較品Ｎｏ．２１～Ｎｏ．２９の非晶質炭素被膜と同じ被膜を、母材２２と同じ材質のピンの表面に被覆したものを適用して、以下の試験条件により円板状の相手材に押し付けて摩耗させることで評価した。
(試験条件)
相手材：ＡＤＣ１２
荷重：５Ｎ
線速度：１００ｍ／ｓｅｃ
時間：１０００秒
試験環境：大気
室温：２５℃
湿度：６０％
　図１５および図１６は、上試験条件によるピンの摩耗痕をそれぞれ示す拡大観察写真を用いて、各試料の耐摩耗性の評価結果の例を示している。図１５は、本発明品Ｎｏ．６およびＮｏ．８の摩耗状態が示されており、母材の露出および非晶質炭素被膜の剥離が観察されていないことから、耐摩耗性について合格判定されている。図１６は、比較品Ｎｏ．２５およびＮｏ．２６の摩耗状態を示されており、非晶質炭素被膜の剥離或いは母材の露出が観察されていることから、耐摩耗性について不合格判定されている。
　図７に示す各試料の評価では、非晶質炭素被膜のナノインデンデーション法による押し込み硬さすなわちナノインデンデーション硬さＨＩＴが５０ＧＰａ以上であり、非晶質炭素被膜の成膜後における切れ刃部分での剥離が無く、且つ、前記試料での耐摩耗性判定が合格であるものが、「合格判定」で表示された本発明品Ｎｏ．１～Ｎｏ．２０である。また、それら３つの合格判定条件のうちの少なくとも１つが満たされないものが、「不合格判定」で表示された比較品Ｎｏ．２１～Ｎｏ．２９である。
　本発明品Ｎｏ．１～Ｎｏ．２０では、非晶質炭素被膜を交互に積層されることにより構成するＡ層およびＢ層において、Ａ層が３at％以下の水素含有量で且つ厚さが０．０１μｍ～０．０３μｍの低水素非晶質炭素層である点で、Ｂ層が６at％を超える水素含有量で且つＡ層の厚さと同等以下の厚さの高水素非晶質炭素層である点で、共通している。また、非晶質炭素被膜は、グラファイトを原料として物理的蒸着法により形成され、Ａ層およびＢ層の１０乃至５５周期の積層により構成され、０．６μｍ～３μｍの最大厚みを有し、ナノインデンテーション法による押し込み硬さで５０ＧＰａ以上の硬度を有する点で、共通している。
　これに対して、比較品Ｎｏ．２１は、Ａ層の厚みが０．００５μｍであって上記Ａ層の厚みの下限値０．０１μｍを下回り且つＢ層の厚みがＡ層を上回ることから、ナノインデンテーション法による押し込み硬さが３８ＧＰａで５０ＧＰａよりも低い値しか得られず、且つ耐摩耗性が得られなかった。また、比較品Ｎｏ．２２は、Ａ層の厚みが０．０７μｍであって上記Ａ層の厚みの上限値０．０３μｍを上回ることから、非晶質炭素被膜の硬さはある程度得られるものの、耐摩耗性を高めるために非晶質炭素被膜の最大膜厚を１．６μｍと厚くしようとすると非晶質炭素被膜の切れ刃部分の剥離が発生した。比較品Ｎｏ．２３は、Ａ層の厚みが０．７０μｍであって上記Ａ層の厚みの上限値０．０３μｍを上回り且つＢ層が設けられないことから、非晶質炭素被膜の硬さはある程度得られるものの、耐摩耗性を高めるために非晶質炭素被膜の最大膜厚を０．７μｍと厚くしようとすると非晶質炭素被膜の切れ刃部分の剥離が発生した。比較品Ｎｏ．２４は、Ｂ層の厚みが０．５９μｍであって上記Ａ層の厚み０．０１μｍを上回り、且つ積層周期が１であることから、非晶質炭素被膜の膜厚を０．６μｍと厚くしようとすると、押し込み硬さＨＩＴが４０ＧＰａであって５０ＧＰａよりも低い値しか得られず、耐摩耗性が得られなかった。試験品Ｎｏ．２５は、Ａ層の厚みが０．５８μｍであって上記Ａ層の厚みの上限値０．０３μｍを上回り、且つ積層周期が１であることから、積層によるＢ層の残留圧縮応力緩和作用が不十分であるため、切れ刃部分に剥離が発生した。試験品Ｎｏ．２６は、Ａ層の厚みが０．１５μｍであって上記Ａ層の厚みの上限値０．０３μｍを上回り、且つ積層周期が１であることから、非晶質炭素被膜の最大膜厚が０．２０μｍと十分に得られないため、耐摩耗性が得られない。この比較品２６の試験結果は、試験時間が３００秒で得られたものである。これは、比較品２６は３００秒時点で過負荷により測定を停止したためである。試験品Ｎｏ．２７は、Ａ層の厚みが０．１０μｍであって上記Ａ層の厚みの上限値０．０３μｍを上回り、且つ積層周期を６として非晶質炭素被膜の最大膜厚を１．２０μｍと厚くしたものの、積層によるＢ層の残留圧縮応力緩和作用が不十分であるため、切れ刃部分の剥離が発生した。試験品Ｎｏ．２８は、Ａ層の厚みおよびＢ層の厚みが０．０３μｍであって前記Ａ層の厚みの上限値０．０３μｍと同等であるものの、積層数を５５と前記積層数の上限値よりも大きくして非晶質炭素被膜の最大膜厚を３．３０μｍと厚くしたことから、切れ刃部分の剥離が発生した。試験品Ｎｏ．２９は、Ａ層の厚みおよびＢ層の厚みが０．０１μｍであって前記Ａ層の厚みの下限値０．０１μｍと同等であるものの、積層数が１５で非晶質炭素被膜の最大膜厚が０．３０μｍと前記非晶質炭素被膜の総膜厚の下限値よりも低いことから、耐摩耗性が得られない。
　上述のように、本実施例によれば、非晶質炭素被膜２４は、水素含有量が３at％以下で且つ厚さが０．０１μｍ～０．０３μｍのＡ層(低水素非晶質炭素層)２６と、水素含有量が６at％を超え且つＡ層の厚さと同等以下の厚さのＢ層(高水素非晶質炭素層)２８とが、交互に積層されて成ることから、押し込み硬さで５０ＧＰａ以上の硬さが得られるとともに、Ａ層２６と工具母材２２との間の硬度差に起因する残留圧縮応力がＢ層２８によって緩和され、０．５μｍを越える被膜厚さでも工具母材２２から剥離することがない。このため、その非晶質炭素被膜２４により工具母材２２の一部或いは全部が被覆されたドリル(切削工具)１０においては優れた耐摩耗性が得られ、長寿命の工具が得られる。
　また、本実施例によれば、非晶質炭素被膜２４は、グラファイトを原料として物理的蒸着法により形成され、その非晶質炭素被膜２４は、０．６μｍ～３μｍの最大厚みを有する。このため、ナノインデンテーション法による押し込み硬さで５０ＧＰａ以上の硬さを有するとともに、従来では実現できなかった０．５μｍを越える厚みの非晶質炭素被膜２４が得られるとともに、非晶質炭素被膜２４が工具母材２２から剥離することがなく、且つ優れた耐摩耗性が得られる。
　また、本実施例によれば、非晶質炭素被膜２４は、ナノインデンテーション法による押し込み硬さで５０ＧＰａ以上の硬度を有する。このため、非晶質炭素被膜２４の優れた耐摩耗性により、その非晶質炭素被膜２４が工具母材２２に適用されたドリル(切削工具)１０では、切れ味が長期にわたって維持され、長寿命が得られる。
　また、本実施例によれば、Ａ層(低水素非晶質炭素層)２６とＢ層(高水素非晶質炭素層)２８とが、１０乃至５５周期で交互に積層されて成る。このため、Ａ層２６と工具母材２２との間の硬度差に起因する残留圧縮応力がＡ層２６の間に介在するＢ層２８によって緩和されるので、そのような積層周期の数値範囲で積層された非晶質炭素被膜２４は、剥離することがなく、優れた耐摩耗性が得られる。
　また、本実施例によれば、非晶質炭素被膜被覆工具であるドリル１０は、その一部であるボデー１６において、非晶質炭素被膜２４によって工具母材２２が被覆されているので、このようにして得られたドリル１０は、ナノインデンテーション法による押し込み硬さで５０ＧＰａ以上の硬さを有する非晶質炭素被膜で被覆されるとともに、０．５μｍを越える被膜厚さでも特に切れ刃部分において工具母材２２から剥離することがないので、優れた耐摩耗性が得られ、長寿命の工具が得られる。
　非晶質炭素被膜の付着力を強めるためにその非晶質炭素被膜と母材の界面に周期律表IVa、Va、VIa、IIIb、IVb(Ｃを除く)族の元素から選択される少なくとも１種以上の元素、または、これらの炭化物層を設けてもよい。このようにすれば、特に高速度工具鋼やダイス鋼などへの鉄系材料で被膜との硬さが大きくことなる母材に対しては、有効である。
　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。
 １０：ドリル(非晶質炭素被膜被覆工具)
 ２２：工具母材(母材)
 ２４：非晶質炭素被膜
 ２６：Ａ層(低水素非晶質炭素層)
 ２８：Ｂ層(高水素非晶質炭素層)
 

Claims (5)

  1. 　水素含有量が３at％以下で且つ厚さが０．０１μｍ～０．０３μｍの低水素非晶質炭素層と、水素含有量が６at％を超え且つ前記低水素非晶質炭素層の厚さと同等以下の高水素非晶質炭素層とが、交互に積層されて成る
    　ことを特徴とする非晶質炭素被膜。
  2. 　前記非晶質炭素被膜は、グラファイトを原料として物理的蒸着法により形成され、該非晶質炭素被膜は、０．６μｍ～３μｍの最大厚みを有する
    　ことを特徴とする請求項１に記載の非晶質炭素被膜。
  3. 　前記非晶質炭素被膜は、ナノインデンテーション法による押し込み硬さで５０ＧＰａ以上の硬度を有する
    　ことを特徴とする請求項１または２に記載の非晶質炭素被膜。
  4. 　前記低水素非晶質炭素層と高水素非晶質炭素層とが、１０乃至５５周期で交互に積層されて成る
    　ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の非晶質炭素被膜。
  5. 　請求項１乃至請求項４のいずれか１の非晶質炭素被膜によって工具母材の一部または全部が被覆された
    　ことを特徴とする非晶質炭素被膜被覆工具。 
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