JP2003191107A - Amorphous carbon-coated tool and its manufacturing method - Google Patents
Amorphous carbon-coated tool and its manufacturing methodInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、旋削工具(ドリ
ル、エンドミル、リーマなど)、フライス工具に代表さ
れる刃先交換型切削チップ、切断工具(カッター、ナイ
フ、スリッターなど)の表面に耐摩耗性および耐溶着性
を有する非晶質カーボン膜を形成した工具に関するもの
である。また、このような工具の製造方法に関するもの
である。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a surface of a turning tool (drill, end mill, reamer, etc.), a cutting edge exchangeable cutting tip typified by a milling tool, and a cutting tool (cutter, knife, slitter, etc.) having wear resistance. And a tool having an amorphous carbon film having welding resistance. The present invention also relates to a method for manufacturing such a tool.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来から、工具表面の損傷を小さくして
高寿命・高能率加工を行うこと、および被削材の仕上げ
(表面形状維持、母材硬度維持、寸法精度維持など)を高
品位に行うことなどが切削工具に求められている。2. Description of the Related Art Conventionally, it has been possible to reduce the damage on the tool surface for long-life and high-efficiency machining, and to finish the work material.
Cutting tools are required to perform high quality (maintaining surface shape, maintaining base material hardness, maintaining dimensional accuracy, etc.).
【０００３】最近では、環境保全や省エネルギー化のニ
ーズから、切削抵抗を下げる工具や切削油剤を減らして
も寿命や切削能率が低下しない工具などの開発が強く求
められている。Recently, from the needs of environmental protection and energy saving, there has been a strong demand for the development of tools that reduce cutting resistance and tools that do not reduce the service life or cutting efficiency even if the cutting fluid is reduced.
【０００４】また、近年被削材の材種は多岐にわたり、
アルミ合金などの軟金属の場合や、チタン、マグネシウ
ム、銅といった非鉄金属の場合、あるいは有機材料の場
合、グラファイトなど硬質粒子を含有する材料の場合、
プリント回路基板加工や鉄系材料とアルミ共削り加工の
場合には、切削工具の切れ刃部分に被削材が凝着して切
削抵抗が大きくなったり、場合によっては刃先が欠損す
るといった問題もある。これら特定被削材では、他の被
削材に比べ工具摩耗が一層激しく起こる。Recently, there are various types of work materials,
In the case of soft metals such as aluminum alloys, non-ferrous metals such as titanium, magnesium and copper, in the case of organic materials, in the case of materials containing hard particles such as graphite,
In the case of printed circuit board processing and co-machining of ferrous materials and aluminum, there is also the problem that the work material adheres to the cutting edge of the cutting tool and the cutting resistance increases, and in some cases the cutting edge may be chipped. is there. Tool wear is more severe in these specific work materials than in other work materials.
【０００５】さらに、金属加工現場からは、性能は落す
ことなくコストを大幅に削減したいとの切実なニーズが
ある。例えば、従来の工具としては、特許文献１に記載
の工具が知られている。Further, there is an urgent need from the metal working site to significantly reduce the cost without deteriorating the performance. For example, as a conventional tool, the tool described in Patent Document 1 is known.
【０００６】[0006]
【特許文献１】特開2000-176705号公報[Patent Document 1] Japanese Patent Laid-Open No. 2000-176705
【０００７】[0007]
【発明が解決しようとする課題】このようなアルミニウ
ムおよびその合金や有機材料を加工する特定用途では、
従来、ダイヤモンド工具が用いられてきた。基材にダイ
ヤモンド膜を形成した工具では、そのダイヤモンド膜が
多結晶構造のため表面の凹凸が大きく、精密加工工具と
して使用するには複雑な形状の表面を研磨する必要があ
る。In particular applications for processing such aluminum and its alloys and organic materials,
Conventionally, diamond tools have been used. In a tool having a diamond film formed on a base material, the diamond film has a polycrystalline structure, so that the surface has large irregularities, and therefore a surface having a complicated shape needs to be polished in order to be used as a precision machining tool.
【０００８】しかし、ダイヤモンド膜は現存する材料で
一番硬い材料であるため、その研磨に対しては高価なダ
イヤモンドを用いるよりほかなく、非常なコストアップ
要因となっていた。However, since the diamond film is the hardest material among the existing materials, it has no choice but to use expensive diamond for polishing the diamond film, which causes a great cost increase.
【０００９】さらに、TiNなど、PVD(Physical vapor
deposition)コーティングで得られるセラミックス被膜
は、通常2〜3μmであるのに対して、ダイヤモンド膜の
場合には、最終的に表面を研磨するため、予め20〜30μ
mといった厚膜が必要である。その上、ダイヤモンド成
長時に同時成長するグラファイトをエッチング除去しな
がら成膜するので通常のコーティング時の1/10以下とい
った非常に低い成膜レートとなり、コーティングを含め
た製造コストが非常に高くなるという問題があった。Furthermore, PVD (Physical vapor) such as TiN
The ceramic film obtained by (deposition) coating is usually 2 to 3 μm, whereas in the case of a diamond film, it is necessary to add 20 to 30 μm in advance in order to polish the surface.
Thick film such as m is required. In addition, since the film is formed while etching and removing the graphite that grows at the same time as the diamond growth, the film formation rate will be very low, which is 1/10 or less of the normal coating, and the manufacturing cost including the coating will be very high. was there.
【００１０】また、ダイヤモンド焼結体を基材にロー付
けする工具では、複雑形状の工具や径が数ミリの小径工
具を製作することが困難であるとの問題があった。Further, there is a problem in that it is difficult to manufacture a tool having a complicated shape or a small diameter tool having a diameter of several millimeters with a tool for brazing a diamond sintered body to a base material.
【００１１】そこで、特許文献１では、工具上にTiN、T
iCN、TiAlN、Al２O３もしくはこれらの組み合わせを含
む硬質物質コーティングした後に、さらに硬質炭素系潤
滑膜を被覆した工具部材を提案している。ここで、発明
者らは、安定した耐久性を有し、かつ量産性に適した安
価な硬質炭素系潤滑被膜を形成するため、シリコンと炭
素もしくはシリコン、炭素および窒素を含む成分からな
る中間層を設け、中間層の下に界面と接する厚さ0.02μ
m以上0.5μm以下のシリコン単体の層を形成することを
提案している。Therefore, in Patent Document 1, TiN, T on the tool
A tool member has been proposed in which a hard material containing iCN, TiAlN, Al 2 O 3 or a combination thereof is coated and then further coated with a hard carbon-based lubricating film. Here, in order to form an inexpensive hard carbon-based lubricating coating that has stable durability and is suitable for mass production, the present inventors have proposed an intermediate layer composed of silicon and carbon or a component containing silicon, carbon and nitrogen. And the thickness of 0.02μ in contact with the interface under the intermediate layer
It has been proposed to form a layer of simple silicon having a thickness of m to 0.5 μm.
【００１２】しかし、この発明における最表面層の硬質
炭素被膜は、炭化水素系のガスを使いて、イオンプレー
ティングとプラズマCVD(Chemical vapor deposition)
の手法により形成されるため、被膜中に水素原子が含ま
れてしまう。通常、硬質炭素中の水素原子は大気中にお
いて約350℃の温度以上で膜中から脱離することが知ら
れており、水素が脱離した後に硬質炭素被膜はグラファ
イトに変態し、硬度が極端に低下する。このような被膜
は過酷な切削環境下で使用することが困難であると言わ
ざるを得ない。However, the hard carbon film as the outermost surface layer in the present invention uses a hydrocarbon-based gas to perform ion plating and plasma CVD (Chemical vapor deposition).
Since it is formed by the above method, hydrogen atoms are included in the film. Generally, it is known that hydrogen atoms in hard carbon are desorbed from the film in the atmosphere at a temperature of about 350 ° C or higher, and after desorption of hydrogen, the hard carbon film transforms into graphite, and the hardness is extremely high. Fall to. It must be said that such a coating is difficult to use in a severe cutting environment.
【００１３】従って、本発明の主目的は、軟金属、非鉄
金属、有機材料、硬質粒子を含有する材料、プリント回
路基板、鉄系材料と軟質金属材料との共削り加工などの
切削においても被削材の凝着や刃先の欠損が生じ難く、
さらに熱伝導性の高い非晶質カーボンを被覆することで
刃先の温度上昇を抑えてドライ切削や高速加工といった
過酷な切削環境下でも使用に耐える非晶質カーボン被覆
工具を提供することにある。また、その製造方法を提供
することにある。Therefore, the main object of the present invention is to be applied to cutting such as soft metal, non-ferrous metal, organic material, material containing hard particles, printed circuit board, co-cutting of ferrous material and soft metal material. It is difficult for adhesion of cutting material and chipping of the cutting edge to occur,
Another object of the present invention is to provide an amorphous carbon-coated tool that can be used even in a severe cutting environment such as dry cutting or high-speed machining by suppressing the temperature rise of the cutting edge by coating with amorphous carbon having high thermal conductivity. Moreover, it is providing the manufacturing method.
【００１４】[0014]
【課題を解決するための手段】本発明は、非晶質カーボ
ン膜の色調や明度を特定することで上記の目的を達成す
る。The present invention achieves the above object by specifying the color tone and brightness of an amorphous carbon film.
【００１５】すなわち、本発明非晶質カーボン被覆工具
は、基材と、この基材上に形成された非晶質カーボン膜
とを具える非晶質カーボン被覆工具であって、前記非晶
質カーボン膜の少なくとも一部が、JIS Z8729に準拠す
るL＊a＊b＊表色系で、b＊≦−a＊の色調を有すること
を特徴とする。That is, the amorphous carbon-coated tool of the present invention is an amorphous carbon-coated tool comprising a base material and an amorphous carbon film formed on the base material. At least a part of the carbon film is characterized by having an L * a * b * color system conforming to JIS Z8729 and having a color tone of b * ≦ −a * .
【００１６】また、本発明非晶質カーボン被覆工具の製
造方法は、基材表面を算術平均粗さRaで0.5μm以下に研
摩する工程と、研摩された基材表面にJIS Z8729に準拠
するL＊a＊b＊表色系で、b＊≦−a＊の色調を有する非
晶質カーボン膜を形成する工程とを具えることを特徴と
する。研摩の方法は特に限定されているものではなく、
基材表面の粗さを所定の値にできる方法であればよい。Further, the method for producing an amorphous carbon-coated tool of the present invention comprises a step of polishing the surface of the base material to an arithmetic average roughness Ra of 0.5 μm or less, and the polished surface of the base material according to JIS Z8729 * A * b * color system, and a step of forming an amorphous carbon film having a color tone of b * ≤-a * . The polishing method is not particularly limited,
Any method may be used as long as the surface roughness of the base material can be set to a predetermined value.
【００１７】以下に本発明の構成要件を詳しく説明す
る。
[非晶質カーボン膜]非晶質カーボン膜は、硬質炭素膜、
ダイヤモンドライクカーボン膜、DLC膜、a−C:H、i−カ
ーボン膜などと一般に呼ばれるものである。The constituent features of the present invention will be described in detail below. [Amorphous carbon film] The amorphous carbon film is a hard carbon film,
It is generally called a diamond-like carbon film, DLC film, aC: H, i-carbon film or the like.
【００１８】＜色調＞従来は、いかにして厚い非晶質カ
ーボン膜を形成するかが主な目標とされていた。例え
ば、1μm以上の厚膜では可視光域において不透明であ
り、褐色から黒色といった色調である。これに対し、本
発明工具の非晶質カーボン膜は、可視光域において透明
で、干渉色を示す。干渉色を示すということは、非晶質
カーボン膜のsp3結合成分が非常に多く、屈折率、光学
バンドギャップ、弾性率といった物性が、従来の非晶質
カーボン膜よりもよりダイヤモンドに近いことを示して
いる。このような非晶質カーボン膜を工具として用いた
場合、膜硬度が高いため、優れた耐摩耗性と耐熱性を示
す。<Color Tone> In the past, how to form a thick amorphous carbon film was the main goal. For example, a thick film having a thickness of 1 μm or more is opaque in the visible light range and has a color tone of brown to black. On the other hand, the amorphous carbon film of the tool of the present invention is transparent in the visible light region and exhibits an interference color. Having an interference color means that the amorphous carbon film has a large amount of sp 3 bond components, and the physical properties such as the refractive index, the optical bandgap, and the elastic modulus are closer to those of a diamond than the conventional amorphous carbon film. Is shown. When such an amorphous carbon film is used as a tool, the film hardness is high, so that it exhibits excellent wear resistance and heat resistance.
【００１９】特に、本発明工具に用いる非晶質カーボン
膜は、黒色以外の色彩を持った非晶質カーボン膜であ
り、中でもくすみのない光沢のある非晶質カーボン膜が
好適である。このとき、基材の表面粗さも重要で、くす
みのない光沢のある色調を得るためには、基材表面の測
定長0.1mmの算術平均粗さRaを0.5μm以下にする必要が
ある。JIS Z8729に準拠するL＊a＊b＊表色系で、b＊≦
−a＊の色調を有することで「赤紫〜紫〜青〜青緑〜緑
〜黄緑」といった色調の非晶質カーボン膜となる。併せ
てb＊≦a＊を満たすことで、「赤紫〜紫〜青〜青緑」と
いった色調の非晶質カーボン膜が得られる。また、a＊
≦0を満たすことで「赤紫〜紫〜青」といった色調の非
晶質カーボン膜が得られる。さらに（a＊）2＋（b＊）2
≧25を満たすことでくすみのない鮮やかな青系の色調が
得られる。より好ましい条件は（a＊）2＋（b＊）2≧10
0である。そして、10≦L＊≦90を満たすことで、明るい
青系の非晶質カーボン膜が得られる。In particular, the amorphous carbon film used in the tool of the present invention is an amorphous carbon film having a color other than black, and among them, a dull and glossy amorphous carbon film is preferable. At this time, the surface roughness of the substrate is also important, and in order to obtain a dull and glossy color tone, it is necessary to set the arithmetic average roughness Ra of the substrate surface having a measurement length of 0.1 mm to 0.5 μm or less. L * a * b * color system based on JIS Z8729, b * ≤
By having the color tone of -a * , an amorphous carbon film having a color tone of "red-purple-purple-blue-blue-green-green-yellow-green" is obtained. By satisfying b * ≦ a * at the same time, an amorphous carbon film having a color tone of “magenta-purple-blue-blue-green” can be obtained. Also, a *
By satisfying ≦ 0, an amorphous carbon film having a color tone of “magenta-purple-blue” can be obtained. Furthermore, (a * ) 2 + (b * ) 2
By satisfying ≧ 25, a vivid bluish tone without dullness can be obtained. More preferable conditions are (a * ) 2 + (b * ) 2 ≧ 10
It is 0. Then, by satisfying 10 ≦ L * ≦ 90, a bright bluish amorphous carbon film can be obtained.
【００２０】L＊a＊b＊表色系は、分光測定方法により
測定する場合にはJIS Z8729の4（分光測色方法）の規
定により、刺激値直読方法により測定する場合にはJIS
Z8729の5（刺激値直読方法）の規定による。ただし、
測定に用いる光電色彩計は計器の指示から直接L＊a＊b
＊を求めるものでも良い。例えば、株式会社ミノルタ製
分光測色計CM-2002、CR-321、CR-241などを用いて容易
に測定することができる。The L * a * b * color system is defined by JIS Z8729 4 (Spectroscopic colorimetry method) when measured by the spectroscopic measurement method, and JIS when measured by the stimulus value direct reading method.
According to 5 of Z8729 (Direct reading of stimulus values). However,
The photoelectric colorimeter used for measurement is L * a * b directly from the instrument
You can ask for * . For example, it can be easily measured using a spectrocolorimeter CM-2002, CR-321, CR-241 manufactured by Minolta Co., Ltd.
【００２１】黒以外の色彩を持った非晶質カーボン膜を
得る具体的な手法については後述するが、その重要な要
素の一つは膜厚が薄いことである。非晶質カーボン膜の
干渉色は、膜厚が厚くなるにつれて、(1)茶→(2)赤紫→
(3)紫→(4)青紫→(5)青→(6)銀→(7)黄→(8)赤→(9)青
→(10)緑→(11)黄色→(12)赤と変化し、以降は(8)の赤
から(12)の赤までをくり返す。これらの色の変化は膜厚
の変化に対して連続的であり、それぞれの中間の膜厚で
は、それらの中間の色となる。A specific method for obtaining an amorphous carbon film having a color other than black will be described later, but one of the important factors is that the film thickness is thin. The interference color of the amorphous carbon film becomes (1) brown → (2) magenta → as the film thickness increases.
(3) purple → (4) blue purple → (5) blue → (6) silver → (7) yellow → (8) red → (9) blue → (10) green → (11) yellow → (12) red It changes, and then repeats from (8) red to (12) red. The change in these colors is continuous with the change in the film thickness, and an intermediate film thickness is an intermediate color between them.
【００２２】このような黒色以外の色彩を持った非晶質
カーボン膜を用いることで、特にアルミニウムなどの溶
着性の被削材に対して非常に優れた耐摩耗性と耐溶着性
が得られ、工具寿命を延ばすことができる。By using such an amorphous carbon film having a color other than black, it is possible to obtain extremely excellent wear resistance and welding resistance especially to a weldable work material such as aluminum. The tool life can be extended.
【００２３】特に、b＊≦−｜a＊｜を満たす青色系の非
晶質カーボン膜は色むらが他の色相に比べて目立ち難
く、工業製品として量産する場合に品質のばらつきが少
なくて好ましい。中でも光沢のある濃青色は非常に美し
く、機能性が非常に重視されて美観が比較的軽視されて
いる切削工具などの分野において、既存製品と差別化す
るための明確な指標となり、商品価値を著しく高めるこ
とができる。このような光沢のある濃青色の非晶質カー
ボン膜を得るには、基材表面のうち、切削に関与する
部分の算術平均粗さRaを0.5μm以下とする、基材表面
における粗さ曲線の凸部の平均間隔を20μm以上とする
ことで実現できる。この凸部の平均間隔における特に好
ましい範囲は100μm以上である。ここで、最大粗さRmax
の規定では、このような光沢度合いを表現することが難
しいため、Raおよび粗さ曲線の凸部の平均間隔を用い
た。また、測定対象物はさまざまな形状があり、粗さ曲
線の中に凸部が少なくとも3つ入るようにして、測定長
は0.1〜0.4mmとする。In particular, a blue amorphous carbon film satisfying b * ≤- | a * | is less noticeable in color unevenness than other hues, and it is preferable because there is little variation in quality when mass-produced as an industrial product. . Among them, the glossy dark blue color is very beautiful, and in the field of cutting tools, where functionality is very important and aesthetics is relatively neglected, it becomes a clear indicator for differentiating from existing products, and the product value is It can be significantly increased. In order to obtain such a glossy dark blue amorphous carbon film, the arithmetic mean roughness Ra of the portion of the substrate surface involved in cutting is 0.5 μm or less, and the roughness curve on the substrate surface It can be realized by setting the average interval of the convex portions of 20 μm or more. A particularly preferable range of the average spacing of the convex portions is 100 μm or more. Where the maximum roughness Rmax
Since it is difficult to express such a degree of glossiness according to the definition of, the average spacing between Ra and the convex portion of the roughness curve was used. Moreover, the measurement object has various shapes, and at least three convex portions are included in the roughness curve, and the measurement length is 0.1 to 0.4 mm.
【００２４】美しい光沢を得る手法としてはバフ研磨な
どでRaを小さくすれば良いことはもちろんであるが、そ
の場合、高コストとなってしまう。そこで、本発明者ら
は粗さ曲線の凸部の平均間隔を20μm以上とするだけ
で、鏡面研磨を行わなくても低コストで美しい光沢を得
ることができることを見出した。その方法としては、例
えばブラストのような手法で遊離砥粒を噴射する方法を
用いることができる。It goes without saying that Ra can be reduced by buffing or the like as a method for obtaining a beautiful luster, but in that case, the cost becomes high. Therefore, the present inventors have found that a beautiful gloss can be obtained at low cost without mirror polishing only by setting the average interval of the convex portions of the roughness curve to 20 μm or more. As the method, for example, a method of spraying loose abrasive grains by a method such as blast can be used.
【００２５】さらに、実使用上のメリットとしては、黒
色以外の色彩を持った非晶質カーボン膜を用いること
で、チップにおける使用済みコーナーの識別が容易にな
る。そのため、照明の明るさが不十分な切削加工現場で
も、使用済みコーナーの識別が容易に行え、まだ使用可
能な工具を誤って廃棄したり、使用済みコーナーを再使
用して不良部品を製造するなどのトラブルを解消するこ
とができる。Further, as an advantage in actual use, by using an amorphous carbon film having a color other than black, it becomes easy to identify a used corner in a chip. Therefore, even in the cutting site where the lighting is not bright enough, the used corners can be easily identified, and the tools that are still usable can be accidentally discarded or the used corners can be reused to manufacture defective parts. Such troubles can be resolved.
【００２６】＜成膜方法＞本発明では、グラファイトを
原料とした水素を含まない雰囲気下の物理的蒸着法によ
り非晶質カーボン膜を形成することが好ましい。これに
より得られる非晶質カーボン膜は、ダイヤモンドに匹敵
する高い硬度を得て、切削工具として優れた耐摩耗性を
実現する。<Film Forming Method> In the present invention, it is preferable to form an amorphous carbon film by a physical vapor deposition method using graphite as a raw material in a hydrogen-free atmosphere. The amorphous carbon film thus obtained has a hardness as high as that of diamond and realizes excellent wear resistance as a cutting tool.
【００２７】この非晶質カーボン膜は故意に反応ガスを
入れなければ、成膜中に不可避的に含まれる不純物を除
いて炭素原子のみから構成されることとなる。その結
果、水素を含む非晶質カーボン膜よりもsp3結合の割合
が高くなることで硬度を高くすると同時に耐酸化特性も
ダイヤモンドと同等の約600℃近くにまで改善される。
また、水素を含まない雰囲気下で蒸着して非晶質カーボ
ン膜が被覆されることにより、非晶質カーボン膜自身の
色調は透明になり、光の干渉色を呈しやすくなる。実質
的に水素を含まない雰囲気下で成膜を行っても、できあ
がった非晶質カーボン膜には5at％以下程度の極わずか
ながら水素が含有されることがある。これは、成膜時の
真空度などにより、成膜装置中に残存する水素や水分が
非晶質カーボン膜中に取り込まれるためと考えられる。Unless the reaction gas is intentionally introduced, this amorphous carbon film is composed of only carbon atoms except for impurities which are inevitably contained during the film formation. As a result, the ratio of sp 3 bonds is higher than that of the amorphous carbon film containing hydrogen, so that the hardness is increased and at the same time, the oxidation resistance is improved to about 600 ° C., which is similar to that of diamond.
Further, by coating the amorphous carbon film by vapor deposition in an atmosphere containing no hydrogen, the color tone of the amorphous carbon film itself becomes transparent, and the interference color of light is easily exhibited. Even if the film formation is performed in an atmosphere that does not substantially contain hydrogen, the resulting amorphous carbon film may contain hydrogen in a very small amount of about 5 at% or less. It is considered that this is because hydrogen or moisture remaining in the film forming apparatus is taken into the amorphous carbon film due to the degree of vacuum during film formation.
【００２８】グラファイトを出発原料とした物理的蒸着
法の中でも、一般に工業的に用いられる陰極アークイオ
ンプレーティング法、レーザーアブレーション法やスパ
ッタリング法などであれば、成膜速度も高く、ダイヤモ
ンド膜で問題となっていた製造コストの問題もなくな
る。特に、被膜の密着力、膜硬度の点で、陰極アークイ
オンプレーティング法による成膜が好ましい。この陰極
アークイオンプレーティング法は、原料のイオン化率が
高いため、主にカーボンイオンが基材に照射されること
により非晶質カーボン膜が形成される。そのため、sp3
結合の比率が高く、緻密で硬度の高い膜が得られ、工具
寿命を大きく向上させることができる。Among the physical vapor deposition methods using graphite as a starting material, the cathodic arc ion plating method, the laser ablation method, the sputtering method and the like, which are generally used industrially, have a high film forming rate, which is a problem with diamond films. The problem of manufacturing cost, which has become a problem, disappears. In particular, the film formation by the cathodic arc ion plating method is preferable in terms of adhesion of the film and film hardness. In this cathodic arc ion plating method, since the ionization rate of the raw material is high, an amorphous carbon film is formed mainly by irradiating the substrate with carbon ions. Therefore, sp 3
A film having a high bond ratio, a dense and high hardness can be obtained, and the tool life can be greatly improved.
【００２９】＜厚み＞非晶質カーボン膜の膜厚は、0.01
μm以上0.18μm以下が好ましい。0.01μm未満の場合、
被覆必要個所の全体を確実に被覆することが難しく、0.
18μmを越えると被膜に蓄積される内部応力が大きくな
って剥離しやすくなったり、被膜の欠けを生ずる問題が
あるからである。また、膜厚を0.18μm以下とすること
により、表面のマクロパーティクル（詳細は後述）の大
きさと密度を小さくできるという効果もある。膜厚は薄
い方が望ましく、より好ましくは0.05μm以上0.1μm以
下である。この範囲であれば、干渉色が青色系となり美
しい色調を呈する。<Thickness> The thickness of the amorphous carbon film is 0.01
It is preferably not less than μm and not more than 0.18 μm. If less than 0.01 μm,
It is difficult to reliably cover the entire required coating area.
This is because if it exceeds 18 μm, the internal stress accumulated in the coating becomes large and peeling easily occurs, or the coating may be chipped. Further, by setting the film thickness to 0.18 μm or less, there is also an effect that the size and density of macro particles (details will be described later) on the surface can be reduced. The film thickness is preferably thin, and more preferably 0.05 μm or more and 0.1 μm or less. Within this range, the interference color becomes blue and a beautiful color tone is exhibited.
【００３０】＜マクロパーティクル密度＞陰極アークイ
オンプレーティング法により形成した非晶質カーボン膜
の表面には、マクロパーティクルと呼ばれる硬質粒子が
存在する。この膜表面に存在するマクロパーティクル密
度が小さいほど切削抵抗が小さくなるため望ましい。マ
クロパーティクル密度は、3×105個/mm2以下、より好ま
しくは1.5×105個/mm2以下である。もちろん、0個/mm2
が最適であることは言うまでもない。マクロパーティク
ルの密度が3×105個/mm2よりも大きいと、被削材がこの
マクロパーティクルに溶着して切削抵抗を上げるために
好ましくない。<Macroparticle Density> Hard particles called macroparticles are present on the surface of the amorphous carbon film formed by the cathode arc ion plating method. The smaller the density of macroparticles present on the surface of this film, the smaller the cutting resistance, which is desirable. The macroparticle density is 3 × 10 5 particles / mm 2 or less, more preferably 1.5 × 10 5 particles / mm 2 or less. Of course, 0 pieces / mm 2
Needless to say, is optimal. When the density of macro particles is higher than 3 × 10 5 particles / mm 2 , the work material is welded to the macro particles and the cutting resistance is increased, which is not preferable.
【００３１】マクロパーティクルの密度は、SEM（Scann
ing Electron Microscope）観察によって評価するこ
とができる。SEM観察は、マクロパーティクルを観察し
やすくするために、PtやPdなどの貴金属を試料表面にイ
オンスパッタリングなどによって蒸著してから、観察す
ると良い。少なくとも1000倍以上の倍率で試料表面の写
真撮影を行い、写真上でマクロパーティクルの数を数え
ることにより密度をもとめると良い。The density of macro particles is determined by SEM (Scann
ing Electron Microscope) observation. In SEM observation, in order to make macro particles easy to observe, it is advisable to vaporize a noble metal such as Pt or Pd on the sample surface by ion sputtering or the like, and then observe. It is advisable to take a photograph of the sample surface at a magnification of at least 1000 times and obtain the density by counting the number of macro particles on the photograph.
【００３２】さらに、非晶質カーボン膜の表面粗度をよ
くするために、グラファイト原料からの粒状飛散物を防
止するような、例えば低エネルギーによる成膜や磁場に
よるフィルターを用いる方法も提案できる。Further, in order to improve the surface roughness of the amorphous carbon film, it is possible to propose a method using a film by low energy or a filter by a magnetic field, for example, for preventing particulate scattering from the graphite raw material.
【００３３】＜硬度＞非晶質カーボン膜のヌープ硬度は
2000以上5000以下であることが好ましい。この硬度が20
00未満であると耐摩耗性の点で問題があり、5000を超え
ると刃先の耐欠損性が低下するためである。さらに好ま
しくは、非晶質カーボン膜のヌープ硬度が2500以上4000
以下である。<Hardness> The Knoop hardness of the amorphous carbon film is
It is preferably 2000 or more and 5000 or less. This hardness is 20
This is because if it is less than 00, there is a problem in wear resistance, and if it exceeds 5000, the fracture resistance of the cutting edge decreases. More preferably, the Knoop hardness of the amorphous carbon film is 2500 or more and 4000 or more.
It is the following.
【００３４】＜被覆個所＞基材上における非晶質カーボ
ン膜の被覆個所は、工具において少なくとも切削に関与
する部分とする。刃先交換型チップでは逃げ面とすくい
面の稜線として形成される刃先部周辺、特に刃先部周辺
のすくい面側、ドリルではフルート面などに非晶質カー
ボン膜を被覆することが好ましい。<Coating Location> The coating location of the amorphous carbon film on the base material is at least the portion involved in cutting in the tool. In the cutting edge exchangeable tip, it is preferable to coat the amorphous carbon film around the cutting edge portion formed as the ridgeline of the flank and the rake surface, particularly the rake surface side around the cutting edge portion, and the flute surface in the drill.
【００３５】[界面層]本発明工具は、非晶質カーボン膜
の密着力を強固なものにするために、基材と非晶質カー
ボン膜との間に界面層を設けることが好ましい。[Interface Layer] In the tool of the present invention, an interface layer is preferably provided between the base material and the amorphous carbon film in order to strengthen the adhesion of the amorphous carbon film.
【００３６】＜材質＞この界面層は、周期律表IVa、V
a、VIa、IIIb族元素およびC以外のIVb族元素の元素より
なる群から選択される少なくとも1種以上の元素、また
はこれら元素群から選ばれた少なくとも1種以上の元素
の炭化物が好適である。<Material> This interface layer is composed of periodic tables IVa and V
Preferred is at least one element selected from the group consisting of a, VIa, IIIb elements and IVb group elements other than C, or a carbide of at least one element selected from these element groups. .
【００３７】中でもTi、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、
W、Siの元素よりなる群から選ばれた少なくとも1種以上
の元素、またはこの元素群から選ばれた少なくとも1種
以上の元素の炭化物であることがさらに望ましい。これ
らの金属元素は炭素と強い結合を作りやすいため、これ
らの金属元素あるいは金属炭化物の界面層上に非晶質カ
ーボン膜を形成することによって、より強固な密着力が
得られる。Among them, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo,
More preferably, it is a carbide of at least one element selected from the group consisting of W and Si, or a carbide of at least one element selected from this element group. Since these metal elements easily form a strong bond with carbon, stronger adhesion can be obtained by forming an amorphous carbon film on the interface layer of these metal elements or metal carbides.
【００３８】＜厚み＞界面層の厚さは0.5nm以上10nm未
満とする。膜厚がこの範囲よりも薄いと、界面層として
の役割を果たさず、この範囲よりも厚いと従来技術と同
等の密着力しか得られない。このように極めて薄い界面
層を形成することにより、従来技術では達成できなかっ
た極めて強固な密着力が得られ工具寿命を大きく改善す
ることが可能となる。<Thickness> The thickness of the interface layer is 0.5 nm or more and less than 10 nm. When the film thickness is smaller than this range, it does not function as an interface layer, and when the film thickness is larger than this range, only the adhesive strength equivalent to that of the conventional technique is obtained. By forming such an extremely thin interface layer, it is possible to obtain an extremely strong adhesion force which cannot be achieved by the conventional technique, and it is possible to greatly improve the tool life.
【００３９】＜混合組成層・傾斜組成層＞界面層と非晶
質カーボン膜との間に、各被膜の組成が混合した混合組
成層または組成が連続的に変化した傾斜組成層を介在さ
せれば、さらに強固な密着力が得られるため一層望まし
い。この混合層と傾斜組成層とは、必ずしも明確に区別
できるものではない。界面層の成膜から非晶質カーボン
膜の成膜に製造条件を切り替える際、通常、わずかに界
面層と非晶質カーボン膜との組成に混合が起こり、これ
ら混合組成層や傾斜組成層が形成される。これらは、直
接確認することは難しいが、XPS（X‐ray Photo-elect
ronic Spectroscopy）やAES（Auger Electron Spect
roscopy）などの結果から十分推定できる。<Mixed composition layer / graded composition layer> A mixed composition layer in which the composition of each film is mixed or a gradient composition layer in which the composition is continuously changed is interposed between the interface layer and the amorphous carbon film. This is more desirable because it provides stronger adhesion. The mixed layer and the graded composition layer cannot always be clearly distinguished. When the manufacturing conditions are switched from the film formation of the interface layer to the film formation of the amorphous carbon film, a slight mixture of the composition of the interface layer and the amorphous carbon film usually occurs, and these mixed composition layers and gradient composition layers are It is formed. These are difficult to confirm directly, but XPS (X-ray Photo-elect
ronic Spectroscopy) and AES (Auger Electron Spect)
It can be sufficiently estimated from the results such as roscopy).
【００４０】[基材]
＜表面粗さ＞基材の表面粗さは、測定長0.1mmの算術平
均粗さRaの表示で0.5μm以下としておく。すなわち、成
膜の際に基材表面をRaが0.5μm以下となるように研摩し
ておく。基材表面を研摩しておいてから成膜することに
より、色調に関わらず、より確実にくすみのない光沢の
ある非晶質カーボン膜を形成することができる。より好
ましい基材の算術平均粗さRaは0.3μm以下である。[Substrate] <Surface Roughness> The surface roughness of the substrate is 0.5 μm or less in terms of the arithmetic mean roughness Ra of the measured length of 0.1 mm. That is, during film formation, the surface of the base material is polished so that Ra is 0.5 μm or less. By polishing the surface of the base material and then forming the film, it is possible to more reliably form a dull and glossy amorphous carbon film regardless of the color tone. A more preferable arithmetic average roughness Ra of the substrate is 0.3 μm or less.
【００４１】＜材質＞基材には、鋼、超硬合金、立方晶
型窒化硼素（cBN）焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化
珪素焼結体、酸化アルミニウムと炭化チタンなどが利用
できる。<Material> As the substrate, steel, cemented carbide, cubic boron nitride (cBN) sintered body, diamond sintered body, silicon nitride sintered body, aluminum oxide and titanium carbide, etc. can be used.
【００４２】（鋼）鋼にはハイス鋼とも呼ばれる高速度
鋼や、炭素工具鋼、合金工具鋼などが好適である。これ
らの鋼材質は、切削工具として必要な被削性及び耐摩耗
性を有しており、非晶質カーボン被覆工具の基材に望ま
しい。また、これらの鋼は、超硬合金などよりも靭性が
高くかつ安価であるため、信頼性が高く安価な非晶質カ
ーボン被覆工具を実現することができる。高速度鋼とし
て、例えば、JIS記号SKH2、SKH5、SKH10などのW系高速
度鋼、SKH9、SKH52、SKH56などのMo系高速度鋼などが挙
げられる。炭素工具鋼として、例えば、JIS記号SK1、SK
2、SK3などが挙げられる。合金工具鋼として、例えば、
JIS記号SKS1、SKS2、SKS5、SKS21、SKS51など一般に切
削用に用いられるものであればいずれも使用できる。こ
れらの中でも、被削性、耐摩耗性の点で高速度鋼が特に
望ましい。As the (steel) steel, high speed steel also called high speed steel, carbon tool steel, alloy tool steel and the like are suitable. These steel materials have machinability and wear resistance necessary for a cutting tool, and are desirable as a base material for an amorphous carbon-coated tool. Further, since these steels have higher toughness and are cheaper than cemented carbide or the like, it is possible to realize a highly reliable and inexpensive amorphous carbon-coated tool. Examples of high-speed steels include W-based high-speed steels such as JIS symbols SKH2, SKH5 and SKH10, Mo-based high-speed steels such as SKH9, SKH52 and SKH56. As carbon tool steel, for example, JIS symbols SK1, SK
2, SK3 and so on. As alloy tool steel, for example,
Any of those commonly used for cutting such as JIS symbols SKS1, SKS2, SKS5, SKS21, SKS51 can be used. Among these, high speed steel is particularly desirable in terms of machinability and wear resistance.
【００４３】（超硬合金）超硬合金は、一般に炭化タン
グステン（WC）を主成分とする硬質相と、コバルトなど
の鉄族金属を主成分とする結合相とからなる。非晶質カ
ーボン被膜が剥離することなく切削性能を安定化させる
には、コバルト含有量を12質量％以下とすることが好ま
しい。更に好ましくは基材のコバルト含有率を3質量％
以上7質量％以下とする。(Cemented Carbide) Cemented carbide is generally composed of a hard phase containing tungsten carbide (WC) as a main component and a binder phase containing an iron group metal such as cobalt as a main component. In order to stabilize the cutting performance without peeling off the amorphous carbon coating, the cobalt content is preferably 12 mass% or less. More preferably, the cobalt content of the base material is 3% by mass.
It should be 7 mass% or less.
【００４４】また、焼結後の炭化タングステンの平均結
晶粒径は0.1μm以上3μm以下であることが好ましい。平
均結晶粒径が0.1μm未満の場合には現状の評価方法で判
別困難である。逆に、平均結晶粒径が3μmを超えると膜
が摩耗した場合に基材中の大きな炭化タングステン粒子
が脱落して大欠損を起こしてしまう。更に好ましくは、
平均結晶粒径が0.1μm以上1μm以下であるとよい。これ
はWCの平均結晶粒径がこの範囲にあると、美しい光の干
渉色を得ることができるためである。The average grain size of the tungsten carbide after sintering is preferably 0.1 μm or more and 3 μm or less. When the average crystal grain size is less than 0.1 μm, it is difficult to distinguish by the current evaluation method. On the other hand, if the average crystal grain size exceeds 3 μm, when the film is worn, large tungsten carbide particles in the base material fall off, causing large defects. More preferably,
The average crystal grain size is preferably 0.1 μm or more and 1 μm or less. This is because when the average crystal grain size of WC is in this range, a beautiful interference color of light can be obtained.
【００４５】さらに、前記超硬合金の中に周期律表IV
a、Va、VIa族の金属元素よりなる群から選択される1種
以上の元素と、炭素および窒素よりなる群から選択され
る1種以上の元素とからなる化合物が0.01質量％以上3質
量％以下含まれていることが好ましい。添加化合物の具
体例としては、(Ta，Nb)C、VC、Cr2C2、NbCなどが挙げ
られる。Furthermore, the periodic table IV is included in the cemented carbide.
0.01% by mass or more and 3% by mass of a compound consisting of one or more elements selected from the group consisting of a, Va, and VIa metal elements and one or more elements selected from the group consisting of carbon and nitrogen It is preferable to include the following. Specific examples of the additive compound include (Ta, Nb) C, VC, Cr 2 C 2 and NbC.
【００４６】（ダイヤモンド焼結体）ダイヤモンド焼結
体は、ダイヤモンドを40体積％以上含むものが好まし
い。より好ましくは、ダイヤモンド焼結体の組成として
は次のものがある。(Diamond Sintered Body) The diamond sintered body preferably contains 40% by volume or more of diamond. More preferably, the composition of the diamond sintered body is as follows.
【００４７】(1)ダイヤモンドを50〜98体積％含有し、
残部が鉄族金属、WCおよび不可避的不純物とからなる焼
結体。特に、鉄族金属は、Coであることが好ましい。
(2)ダイヤモンドを85〜99体積％含有し、残部が空孔、W
Cおよび不可避的不純物とからなる焼結体。
(3)ダイヤモンドを60〜95体積％含有し、残部が鉄族金
属および周期律表4a、5a、6a族元素の炭化物および炭窒
化物から選択される1種以上と、WCおよび不可避的不純
物とからなる焼結体。特に、残部の結合材がCo、TiC、W
Cおよび不可避的不純物であることが好ましい。
(4)ダイヤモンドを60〜98体積％含有し、残部が珪素、
炭化珪素の少なくとも1種、WCおよび不可避的不純物と
からなる焼結体。(1) Containing 50 to 98% by volume of diamond,
A sintered body whose balance consists of iron group metal, WC and inevitable impurities. Particularly, the iron group metal is preferably Co. (2) Contains 85-99% by volume of diamond, the balance is voids, W
Sintered body consisting of C and inevitable impurities. (3) containing 60 to 95% by volume of diamond, the balance being one or more selected from iron group metals and carbides and carbonitrides of elements of groups 4a, 5a and 6a of the Periodic Table, WC and unavoidable impurities A sintered body consisting of. Especially, the remaining binder is Co, TiC, W
C and inevitable impurities are preferred. (4) Contains 60 to 98% by volume of diamond, the balance is silicon,
A sintered body comprising at least one kind of silicon carbide, WC and inevitable impurities.
【００４８】（cBN焼結体）cBN焼結体は、cBNを30体積
％以上含むものが好ましい。より好ましい組成として
は、次のものがある。(CBN Sintered Body) The cBN sintered body preferably contains 30% by volume or more of cBN. More preferable compositions are as follows.
【００４９】(1)cBNを30体積％以上80体積％以下含有
し、残部が周期律表4a、5a、6a族元素の窒化物、硼化
物、炭化物ならびにこれらの固溶体からなる群から選択
される少なくとも1種と、アルミニウム化合物とからな
る結合材と、鉄族金属および不可避的不純物とからなる
cBN焼結体。
(2)cBNを80体積％以上90体積％以下含有し、cBN粒子同
士が結合しており、残部がAl化合物またはCo化合物を主
成分とする結合材と、不可避的不純物とからなるcBN焼
結体。(1) The content of cBN is 30% by volume or more and 80% by volume or less, and the balance is selected from the group consisting of nitrides, borides, carbides of elements of the 4a, 5a and 6a elements of the periodic table and solid solutions thereof. Consists of at least one kind, a binder composed of an aluminum compound, an iron group metal and inevitable impurities
cBN sintered body. (2) cBN sintering that contains 80% by volume or more and 90% by volume or less of cBN, the cBN particles are bonded to each other, and the balance is a binder containing Al compound or Co compound as the main component, and inevitable impurities. body.
【００５０】（窒化珪素焼結体基材）窒化珪素焼結体
は、窒化珪素を90体積％含むものが好ましい。より好ま
しくは、HIP(Hot Isostatic Pressing)法を用いて焼
結した窒化珪素を90体積％以上含む焼結体である。この
窒化珪素焼結体において残部は、酸化アルミニウム、窒
化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化マグネシウ
ム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、希土類、Ti
N、TiCの少なくとも1種から選ばれた結合材と不可避的
不純物とからなることが好ましい。(Silicon Nitride Sintered Body Base Material) The silicon nitride sintered body preferably contains 90% by volume of silicon nitride. More preferably, it is a sintered body containing 90% by volume or more of silicon nitride sintered by the HIP (Hot Isostatic Pressing) method. The balance of this silicon nitride sintered body is aluminum oxide, aluminum nitride, yttrium oxide, magnesium oxide, zirconium oxide, hafnium oxide, rare earth, Ti.
It is preferable that the binder and the unavoidable impurities are selected from at least one of N and TiC.
【００５１】（酸化アルミニウムと炭化チタンとの焼結
体）酸化アルミニウムと炭化チタンとの焼結体は、酸化
アルミニウムを20〜80体積％、炭化チタンを15〜75体積
％含むものが好ましい。この焼結体において残部は、M
g、Y、Ca、Zr、Ni、Ti、TiNの酸化物の少なくとも1種か
ら選ばれた結合材と、不可避的不純物とからなることが
好ましい。(Sintered Body of Aluminum Oxide and Titanium Carbide) The sintered body of aluminum oxide and titanium carbide preferably contains 20 to 80% by volume of aluminum oxide and 15 to 75% by volume of titanium carbide. The balance of this sintered body is M
It is preferable to include a binder selected from at least one kind of oxides of g, Y, Ca, Zr, Ni, Ti, and TiN, and inevitable impurities.
【００５２】［工具の用途］本発明非晶質カーボン被覆
工具は、その耐摩耗性と耐溶着性から、特にアルミニウ
ムおよびその合金を加工するための工具に適する。ま
た、チタン、マグネシウム、銅など非鉄材に使用するこ
とが最適である。さらに、グラファイトなどの硬質粒子
を含有する材料、有機材料などの切削や、プリント回路
基板加工や鉄系材料とアルミニウムとの共削り加工など
にも有効である。加えて、本発明工具の非晶質カーボン
膜は非常に高硬度であることから、非鉄材だけではな
く、ステンレス鋼などの鋼や鋳物などの加工にも用いる
ことができる。[Use of Tool] The amorphous carbon-coated tool of the present invention is particularly suitable as a tool for processing aluminum and its alloy because of its wear resistance and welding resistance. Further, it is optimal to use it for non-ferrous materials such as titanium, magnesium and copper. Furthermore, it is also effective for cutting materials containing hard particles such as graphite, organic materials, etc., processing printed circuit boards, and co-machining iron-based materials and aluminum. In addition, since the amorphous carbon film of the tool of the present invention has a very high hardness, it can be used not only for processing non-ferrous materials but also for processing steel such as stainless steel and castings.
【００５３】［工具の具体例］本発明非晶質カーボン被
覆工具は、ドリル、エンドミル、エンドミル加工用刃先
交換型チップ、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削
用刃先交換型チップ、メタルソー、歯きり工具、リーマ
およびタップからなる群より選ばれた1種を含む用途に
使用されると良い。[Specific Example of Tool] The amorphous carbon-coated tool of the present invention is used for a drill, an end mill, an end mill machining edge exchangeable tip, a milling machining edge exchangeable tip, a turning edge exchangeable tip, a metal saw, and a toothpaste. It may be used for applications including one selected from the group consisting of tools, reamers and taps.
【００５４】[0054]
【発明の実施の形態】次に、本発明非晶質カーボン被覆
工具について、実施例により具体的に説明する。ただ
し、ここで用いた製法に限られるものではなく、グラフ
ァイトを用いたPVD法で成膜されたものであれば、いず
れの方法であってもよい。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Next, the amorphous carbon-coated tool of the present invention will be specifically described with reference to Examples. However, the manufacturing method used here is not limited, and any method may be used as long as it is formed by the PVD method using graphite.
【００５５】(実施例１)基材として、WC-5％CoのWC基超
硬合金製チップを作製した。まず、平均粒径0.8μmのWC
粉末と平均粒径1.0μmのCo粉末を用いて基材の材料粉末
を配合し、ボールミルにより10時間湿式混合し、乾燥し
た後、住友電気工業株式会社製APET160504PDFR-Sの形状
を有する圧粉体にプレス成形した。この圧粉体を焼結炉
内に挿入し1400℃の温度で1時間、真空焼結(1Pa)を行っ
て焼結体を作製した。得られた基材そのままのものと、
表面をラッピングして表面粗さの異なる複数種の基材を
用意した。基材の表面粗さは、測定長0.1mmの算術平均
粗さRaで評価した。そして、各基材表面に下記のように
公知の陰極アークイオンプレーティング法を用いて表1
に示す非晶質カーボン被覆チップ試料を用意した。表１
において、試料No.6は基材表面のラッピングを行ってい
ないサンプルである。Example 1 A WC-based cemented carbide chip of WC-5% Co was prepared as a base material. First, WC with an average particle size of 0.8 μm
Powder and material powder of the base material is blended using Co powder having an average particle size of 1.0 μm, wet mixed by a ball mill for 10 hours, dried, and then a green compact having the shape of APET160504PDFR-S manufactured by Sumitomo Electric Industries, Ltd. Was press molded. This green compact was inserted into a sintering furnace and vacuum-sintered (1 Pa) at a temperature of 1400 ° C. for 1 hour to produce a sintered body. With the obtained base material as it is,
A plurality of types of base materials having different surface roughness were prepared by lapping the surface. The surface roughness of the base material was evaluated by the arithmetic average roughness Ra with a measurement length of 0.1 mm. Then, using a known cathodic arc ion plating method on each substrate surface as shown in Table 1
An amorphous carbon-coated chip sample shown in 1 was prepared. Table 1
In No. 6, sample No. 6 is a sample in which the surface of the base material is not lapped.
【００５６】[0056]
【表１】 [Table 1]
【００５７】図1に示すように、成膜装置1内に複数個の
ターゲット2、3を配置し、ターゲットの中心点を中心と
してターゲット間で回転する円筒状の基材保持具4に超
硬合金製チップ5を装着する。電源7、8を調整して真空
アークの放電電流を変え、ターゲット材料の蒸発量を制
御しながら非晶質カーボンをコーティングする。As shown in FIG. 1, a plurality of targets 2 and 3 are arranged in a film forming apparatus 1, and a cylindrical base material holder 4 which rotates between the targets around a center point of the targets is used as a superhard material. Install alloy tip 5. The power supplies 7 and 8 are adjusted to change the discharge current of the vacuum arc, and the amorphous carbon is coated while controlling the evaporation amount of the target material.
【００５８】まず、基材加熱ヒーター6を用いて100℃ま
で加熱させながら成膜装置1内の真空度を2×10−3Paの
雰囲気とした。ついでアルゴンガスを導入して2×10−1
Paの雰囲気に保持しながら、バイアス電源9により基材
保持具4に−1000Vの電圧をかけてアルゴンプラズマ洗浄
を行った後、アルゴンガスを排気した。成膜装置内への
ガスの導入は供給口10より、排気は排気口11より行う。
次に、成膜装置1内にアルゴンガスを100cc/minの割合で
導入しながら、真空アーク放電によりグラファイトのタ
ーゲットを蒸発・イオン化させることにより超硬チップ
上に接して非晶質カーボン膜が形成される。このとき、
バイアス電源9による電圧は、−数百Vとした。First, the substrate heating heater 6 was used to heat the substrate to 100 ° C., and the inside of the film forming apparatus 1 was set to an atmosphere having a vacuum degree of 2 × 10 −3 Pa. Then, argon gas was introduced and 2 × 10 −1
While maintaining the atmosphere of Pa, the bias power source 9 applied a voltage of −1000 V to the substrate holder 4 to perform argon plasma cleaning, and then the argon gas was exhausted. The gas is introduced into the film forming apparatus through the supply port 10, and the gas is exhausted through the exhaust port 11.
Next, while introducing argon gas into the film forming apparatus 1 at a rate of 100 cc / min, a graphite target is evaporated and ionized by vacuum arc discharge to form an amorphous carbon film on the cemented carbide tip. To be done. At this time,
The voltage from the bias power supply 9 was set to −100V.
【００５９】ここで、サンプルによっては、非晶質カー
ボンの成膜に先立ち、周期律表IVa、Va、VIa族金属元素
のターゲットを蒸発・イオン化させながらバイアス電源
9により基材保持具4に−1000Vの電圧をかけてメタルイ
オンボンバードメント処理を行い、被膜の密着性を高め
るための表面エッチング処理を行った。Here, depending on the sample, a bias power supply is performed while vaporizing and ionizing the targets of the metal elements of the group IVa, Va, and VIa of the periodic table prior to the film formation of the amorphous carbon.
A voltage of −1000 V was applied to the base material holder 4 by 9 to perform a metal ion bombardment treatment, and a surface etching treatment was performed to enhance the adhesion of the coating.
【００６０】また、サンプルによっては、さらに炭化水
素ガスを導入するか、あるいは導入しないで、周期律表
IVa、Va、VIa、IIIb族元素およびC以外のIVb族元素の元
素よりなる群から選ばれたターゲットを蒸発・イオン化
し、バイアス電源9により基材保持具4に−数百Vの電圧
をかけて、これらの金属あるいは金属炭化物の界面層の
形成を行った。界面層から非晶質カーボン膜の形成は、
ターゲットや雰囲気の切り替えにより行われ、この切り
替え時には、通常、わずかながらも両層の組成の混合が
生じる。このことから、両層の間には、原料の混合組成
層や傾斜組成層が存在していると推定される。Depending on the sample, a hydrocarbon gas may or may not be further introduced into the periodic table.
A target selected from the group consisting of IVa, Va, VIa, IIIb group elements and IVb group elements other than C is vaporized and ionized, and a voltage of several hundreds V is applied to the substrate holder 4 by the bias power source 9. Then, the interface layer of these metals or metal carbides was formed. The formation of the amorphous carbon film from the interface layer
It is carried out by switching the target and atmosphere, and at the time of this switching, the composition of both layers is usually slightly mixed. From this, it is presumed that a mixed composition layer of raw materials and a gradient composition layer exist between both layers.
【００６１】さらに、比較例として、上記と同様の基材
にCVD法による水素化非晶質カーボン膜(試料No.5)を被
覆した。比較例に用いた基材の表面粗さはRa＝0.12であ
る。Further, as a comparative example, a hydrogenated amorphous carbon film (Sample No. 5) prepared by the CVD method was coated on the same substrate as described above. The surface roughness of the base material used in the comparative example is Ra = 0.12.
【００６２】得られた被覆チップについて、非晶質カー
ボン膜の色調、明度、水素含有量、マクロパーティクル
密度、ヌープ硬度を測定した。色調、明度は株式会社ミ
ノルタ製分光測色計CR-241を用いて測定し、JIS Z8729
に準拠するL＊a＊b＊表色系により評価した。水素量
は、ERDA(Elastic Recoil Detection Analysis：弾
性反跳粒子検出法)により評価した。マクロパーティク
ル密度は、Ptを試料表面にイオンスパッタリングによっ
て蒸著し、SEMによって試料表面の写真撮影を行い、写
真上でマクロパーティクルの数を数えることにより評価
した。With respect to the obtained coated chip, the color tone, brightness, hydrogen content, macroparticle density and Knoop hardness of the amorphous carbon film were measured. Color tone and lightness are measured using a spectrophotometer CR-241 manufactured by Minolta Co., Ltd., JIS Z8729
It was evaluated by the L * a * b * color system conforming to. The amount of hydrogen was evaluated by ERDA (Elastic Recoil Detection Analysis). The macroparticle density was evaluated by evaporating Pt on the sample surface by ion sputtering, taking a photograph of the sample surface by SEM, and counting the number of macroparticles on the photograph.
【００６３】本発明例のチップ(試料No.1〜4)は、非晶
質カーボン被膜の水素含有量がいずれも5at％以下であ
った。また、試料No.1〜4,6のマクロパーティクル密度
は3×105個/mm2以下であった。ヌープ硬度は本発明例で
ある試料No.1〜4,6が2500〜3500の間であり、比較例で
ある試料No.5では1800であった。The chips of the present invention (Sample Nos. 1 to 4) all had a hydrogen content of 5 at% or less in the amorphous carbon film. The macroparticle density of Samples Nos. 1 to 4 and 6 was 3 × 10 5 particles / mm 2 or less. The Knoop hardness was between 2500 and 3500 for sample Nos. 1 to 4 and 6 of the present invention, and 1800 for sample No. 5 of the comparative example.
【００６４】次に、上記の方法により製造した各表面被
覆刃先型交換型チップ1つを工具径32mmのホルダーに付
けて、下記の条件によるエンドミル加工を行い、被削材
の表面粗さの規格から外れるまでの切削長と刃先の状態
を評価した。Next, one surface-coated cutting edge type exchangeable type tip manufactured by the above method was attached to a holder having a tool diameter of 32 mm, and end milling was performed under the following conditions to determine the surface roughness of the work material. The state of the cutting length and the cutting edge until it came off was evaluated.
【００６５】被削材：アルミダイキャスト(ADC12) 切削速度：350m/min 送り：0.15mm/rev 取りしろ：Ad＝Rd＝5mmWork Material: Aluminum Die Cast (ADC12) Cutting speed: 350m / min Feed: 0.15mm / rev Take away: Ad ＝ Rd ＝ 5mm
【００６６】その結果、従来からの表面被覆切削エンド
ミルのうち、CVDの水素化非晶質カーボン膜(試料No.4)
は15mで表面粗さの規格から外れたため、工具の寿命と
判断した。寿命になった表面被覆チップの先端に溶着し
たアルミを除去して調べたところ、既に被覆した膜は存
在せず、基材のWC基超硬合金が露出していた。As a result, among the conventional surface-coated cutting end mills, CVD hydrogenated amorphous carbon film (Sample No. 4)
Since it was out of the standard of surface roughness at 15 m, it was judged as the tool life. When the aluminum deposited on the tip of the surface-coated chip, which had reached the end of its life, was removed and examined, no film was already coated, and the WC-based cemented carbide of the base material was exposed.
【００６７】一方、本発明品である試料No.1〜4のエン
ドミルでは各々1200m、1500m、800m、890m切削した時点
で被削材の表面粗さの規格から外れたため、工具寿命と
判断した。On the other hand, in the end mills of Sample Nos. 1 to 4 which are the products of the present invention, the tool life was judged to have exceeded the standard of the surface roughness of the work material at the time of cutting 1200 m, 1500 m, 800 m and 890 m, respectively.
【００６８】中でも、濃い青色の非晶質カーボン膜（N
o.1〜2）は、色むらが目立ち難く量産向きであり、切削
試験結果も好ましかった。なお、基材表面をラッピング
していない試料No.6は、試料No.2とほぼ同等の切削寿命
を持つことが確認されたが、非晶質カーボン膜の色がく
すんだ青色で美観に劣るものであった。Among them, a dark blue amorphous carbon film (N
In o.1 to 2), color unevenness was not noticeable and it was suitable for mass production, and the cutting test result was also favorable. It was confirmed that Sample No. 6 in which the base material surface was not lapped had a cutting life almost equal to that of Sample No. 2, but the amorphous carbon film had a dull blue color and was inferior in appearance. It was a thing.
【００６９】さらに、青色の非晶質カーボン膜を成膜す
るために膜厚の目標値を0.1μmとし、黄緑色の非晶質カ
ーボン膜を成膜するために膜厚の目標値を0.15μmとし
て各々100個ずつ生産して外観検査により色むらの不良
品数を比較した。その結果、不良品数が青色の非晶質カ
ーボン膜の工具では2個、黄緑色非晶質カーボン膜の工
具では20個となっており、青色の被膜の方が量産向きで
あることがわかった。Further, the target value of the film thickness is 0.1 μm for forming the blue amorphous carbon film, and the target value of the film thickness is 0.15 μm for forming the yellow green amorphous carbon film. As a result, 100 each were produced and the number of defective products with color unevenness was compared by visual inspection. As a result, the number of defective products was 2 for tools with blue amorphous carbon film and 20 for tools with yellow green amorphous carbon film, and it was found that the blue film is more suitable for mass production. .
【００７０】以上、本発明の具体例について説明した
が、本発明は他の形状の旋削工具(ドリル、エンドミ
ル、リーマなど)、フライス工具に代表される刃先交換
型切削チップ、切断工具(カッター、ナイフ、スリッタ
ーなど)にも適用することができる。Although specific examples of the present invention have been described above, the present invention is directed to turning tools of other shapes (drills, end mills, reamers, etc.), cutting edge exchange type cutting tips typified by milling tools, and cutting tools (cutters, It can also be applied to knives, slitters, etc.).
【００７１】(実施例２)実施例１と同様にして、WC-5重
量％CoのWC基超硬合金製チップAPET160504PDFR-S（住友
電気工業株式会社製）を準備した。この基材のすくい面
側から平均粒径10μmのダイヤモンド粒子を含む弾性体
をブラスト装置で噴射し、面粗さの異なる基材を準備し
た。本例では、粒径約1mmのウレタン製ゴム粒に前記ダ
イヤモンド粒子が分散混合されたブラスト材を用いた。
そして、基材の表面粗さRaを測定した。測定長は0.4m
m、縦方向の測定倍率は50000倍である。さらに、この測
定時に得られた粗さ曲線より、凸部の平均間隔を求め
た。凸部の平均間隔は、粗さ曲線において隣接する凸部
同士の間隔を3箇所以上測定し、その平均値より求め
た。図2に試料No.10の粗さ曲線測定例を示す。このグラ
フに示すように、粗さ曲線にいくつか認められるピーク
（凸部）の間隔を３箇所以上測定して、それらの平均値
を算出する。この測定例では、凸部の平均間隔は123μm
であった。凸部の平均間隔を大きくするには、ブラスト
条件における処理時間を長くすればよい。Example 2 In the same manner as in Example 1, a WC-based cemented carbide tip APET160504PDFR-S (manufactured by Sumitomo Electric Industries, Ltd.) containing WC-5 wt% Co was prepared. An elastic body containing diamond particles having an average particle size of 10 μm was jetted from the rake face side of the base material by a blasting device to prepare base materials having different surface roughness. In this example, a blast material in which the diamond particles are dispersed and mixed in urethane rubber particles having a particle diameter of about 1 mm is used.
Then, the surface roughness Ra of the substrate was measured. Measuring length is 0.4m
The measurement magnification in the m and vertical directions is 50000 times. Further, the average spacing of the convex portions was determined from the roughness curve obtained during this measurement. The average spacing of the convex portions was obtained by measuring the spacing between adjacent convex portions on the roughness curve at three or more points and calculating the average value thereof. Figure 2 shows an example of roughness curve measurement for sample No. 10. As shown in this graph, the intervals between the peaks (protrusions) observed in some of the roughness curves are measured at three or more points, and the average value thereof is calculated. In this measurement example, the average distance between the convex portions is 123 μm.
Met. To increase the average interval of the convex portions, the processing time under the blast condition may be lengthened.
【００７２】この基材の表面に公知のアークイオンプレ
ーティング法を用いて表２に示す厚み0.1μmの非晶質カ
ーボン被覆チップ試料を準備した。表２中の試料No.７
は、基材すくい面の平滑化処理を行っていないサンプ
ル、試料No.11はバフ研磨装置によりすくい面を鏡面研
磨した基材に非晶質カーボン被覆を行ったチップであ
る。On the surface of this base material, an amorphous carbon-coated chip sample having a thickness of 0.1 μm shown in Table 2 was prepared by a known arc ion plating method. Sample No. 7 in Table 2
Is a sample in which the rake surface of the base material has not been smoothed, and sample No. 11 is a chip in which the base material having the rake surface mirror-polished by a buffing device is coated with amorphous carbon.
【００７３】[0073]
【表２】 [Table 2]
【００７４】粗さ曲線における凸部の平均間隔が20μm
を越える試料No.8〜11のサンプルは光沢を示し、特に凸
部の平均間隔が100μmを越える試料No.10、11のサンプ
ルは特に優れた光沢を示した。試料No.8、9、10は試料N
o.11ほど表面粗さRaは小さくないが、光沢を示すことが
確認できる。The average interval of the convex portions in the roughness curve is 20 μm
Samples Nos. 8 to 11 exceeding 10 .mu.m exhibited gloss, and particularly samples No. 10 and 11 having an average convex interval of more than 100 .mu.m exhibited excellent gloss. Sample No.8, 9, 10 is sample N
Although the surface roughness Ra is not so small as o.11, it can be confirmed that it shows gloss.
【００７５】[0075]
【発明の効果】以上説明したように、本発明の被覆工具
によれば、非晶質カーボン膜の色調や明度あるいは厚み
を特定することで、耐摩耗性を維持し優れた耐溶着性を
得ることができ、工具の切削・耐摩寿命を著しく延長さ
せることができる。特に、水素を含有しない非晶質カー
ボン膜とすることで、一層優れた耐摩耗性と耐溶着性を
得ることができる。また、非常に美しい外観の非晶質カ
ーボン膜を得ることができ、既存製品との差別化が容易
にできる。従って、旋削工具(ドリル、エンドミル、リ
ーマなど)、フライス工具に代表される切削スローアウ
ェイチップ、切断工具(カッター、ナイフ、スリッター
など)への効果的な利用が期待される。As described above, according to the coated tool of the present invention, the wear resistance is maintained and the excellent welding resistance is obtained by specifying the color tone, lightness or thickness of the amorphous carbon film. It is possible to remarkably extend the cutting and wear life of the tool. In particular, by using a hydrogen-free amorphous carbon film, it is possible to obtain more excellent wear resistance and welding resistance. Moreover, an amorphous carbon film having a very beautiful appearance can be obtained, and differentiation from existing products can be easily achieved. Therefore, it is expected to be effectively used for turning tools (drills, end mills, reamers, etc.), cutting throw-away tips typified by milling tools, and cutting tools (cutters, knives, slitters, etc.).
【図1】この発明工具の被膜形成に用いる成膜装置の概
略図である。FIG. 1 is a schematic view of a film forming apparatus used for forming a film on a tool of the present invention.
【図2】試料No.10の表面粗さ曲線を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing a surface roughness curve of sample No. 10.
１ 成膜装置 ２、３ ターゲット ４ 基材保持具 ５ チップ ６ 基板加熱ヒーター ７、８ アーク電源 ９ バイアス電源 10 供給口 11 排気口 1 film deposition equipment A few targets 4 Base material holder 5 chips 6 Substrate heating heater 7, 8 arc power supply 9 Bias power supply 10 Supply port 11 Exhaust port
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２３Ｃ 14/06 Ｃ２３Ｃ 14/06 Ｆ 14/24 14/24 Ｆ (72)発明者 津田 圭一 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内 Ｆターム(参考） 3C037 BB00 CC01 CC04 3C046 FF12 FF17 FF19 FF25 FF38 FF57 3C051 GG08 4K029 BA34 BA55 BA56 BA57 BB02 BB10 BD05 DB02 DD06 EA01─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) C23C 14/06 C23C 14/06 F 14/24 14/24 F (72) Inventor Keiichi Tsuda Itami City, Hyogo Prefecture Kunyo Kita 1-1-1 Sumitomo Electric Industries Itami Factory F-term (reference) 3C037 BB00 CC01 CC04 3C046 FF12 FF17 FF19 FF25 FF38 FF57 3C051 GG08 4K029 BA34 BA55 BA56 BA57 BB02 BB10 BD05 DB02 DD06 EA01
Claims (16)
カーボン膜とを具える非晶質カーボン被覆工具であっ
て、 前記非晶質カーボン膜の少なくとも一部が、JIS Z8729
に準拠するL＊a＊b＊表色系で、b＊≦−a＊の色調を有
することを特徴とする非晶質カーボン被覆工具。1. A non-crystalline carbon coated tool comprising a base material and an amorphous carbon film formed on the base material, wherein at least a part of the amorphous carbon film is JIS Z8729.
An amorphous carbon-coated tool characterized by having a color tone of b * ≦ −a * in a L * a * b * color system conforming to the above.
＊を満たすことを特徴とする請求項１に記載の非晶質カ
ーボン被覆工具。2. The amorphous carbon film further comprises b * ≦ a
The amorphous carbon-coated tool according to claim 1, which satisfies * .
を満たすことを特徴とする請求項１に記載の非晶質カー
ボン被覆工具。3. The amorphous carbon film further has a * ≦ 0.
The amorphous carbon-coated tool according to claim 1, which satisfies the following condition.
（a＊）2＋（b＊）2≧25を満たすことを特徴とする請求
項１〜３のいずれかに記載の非晶質カーボン被覆工具。4. The amorphous carbon coating according to claim 1, wherein the amorphous carbon film further satisfies (a * ) 2 + (b * ) 2 ≧ 25. tool.
＊≦90を満たすことを特徴とする請求項１〜４のいずれ
かに記載の非晶質カーボン被覆工具。5. The amorphous carbon film further has 10 ≦ L.
The amorphous carbon-coated tool according to any one of claims 1 to 4, which satisfies * ≤ 90.
みからなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに
記載の非晶質カーボン被覆工具。6. The amorphous carbon-coated tool according to claim 1, wherein the amorphous carbon film is substantially composed of carbon.
以上0.18μm以下であることを特徴とする請求項１〜６
のいずれかに記載の非晶質カーボン被覆工具。7. The amorphous carbon film has a thickness of 0.01 μm
It is more than 0.18 μm and less than 1-6.
The amorphous carbon-coated tool according to any one of 1.
術平均粗さRaが0.5μm以下であることを特徴とする請求
項１〜７のいずれかに記載の非晶質カーボン被覆工具。8. The amorphous carbon-coated tool according to claim 1, wherein the arithmetic mean roughness Ra of the portion of the surface of the base material involved in cutting is 0.5 μm or less.
における粗さ曲線において、凸部の平均間隔が20μm以
上であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記
載の非晶質カーボン被覆工具。9. The amorphous material according to claim 1, wherein the roughness curve of at least a part of the rake face of the base material has an average interval of the convex portions of 20 μm or more. Carbon coated tool.
ることを特徴とする請求項９に記載の非晶質カーボン被
覆工具。10. The amorphous carbon-coated tool according to claim 9, wherein the average interval between the convex portions is 100 μm or more.
界面層を具え、 この界面層は、周期率表IVa、Va、VIa、IIIb族元素およ
びC以外のIVb族元素からなる元素群より選択される少な
くとも１種類以上、またはこれら元素群から選択される
少なくとも１種以上の元素の炭化物からなり、 界面層の厚みが0.5nm以上10nm未満であることを特徴と
する請求項１〜８のいずれかに記載の非晶質カーボン被
覆工具。11. An interface layer is provided between the base material and the amorphous carbon film, and the interface layer is an element composed of an IVb group element other than C and a group IVa, Va, VIa, IIIb of the periodic table. It consists of a carbide of at least one or more elements selected from the group or at least one or more elements selected from these element groups, and the thickness of the interface layer is 0.5 nm or more and less than 10 nm. 8. The amorphous carbon-coated tool according to any of 8.
a、Cr、Mo、WおよびSiよりなる元素群から選ばれた少な
くとも1種以上の元素、またはこの元素群から選ばれた
少なくとも1種以上の元素の炭化物であることを特徴と
する請求項１〜９のいずれかに記載の非晶質カーボン被
覆工具。12. The interface layer comprises Ti, Zr, Hf, V, Nb, T
It is a carbide of at least one element selected from the element group consisting of a, Cr, Mo, W and Si, or a carbide of at least one element selected from this element group. 10. The amorphous carbon-coated tool according to any one of 1 to 9.
1μm以下であることを特徴とする請求項１〜１０のいず
れかに記載の非晶質カーボン被覆工具。13. The base material contains WC, and the average particle size of the WC is
It is 1 micrometer or less, The amorphous carbon coating tool in any one of Claims 1-10 characterized by the above-mentioned.
下に研摩する工程と、 研摩された基材表面にJIS Z8729に準拠するL＊a＊b＊
表色系で、b＊≦−a＊の色調を有する非晶質カーボン膜
を形成する工程とを具えることを特徴とする非晶質カー
ボン被覆工具の製造方法。14. A step of polishing the arithmetic mean roughness Ra of the substrate surface to 0.5 μm or less, and L * a * b * conforming to JIS Z8729 on the polished substrate surface .
And a step of forming an amorphous carbon film having a color tone of b * ≤-a * in a color system.
グラファイトを原料とした水素を含まない雰囲気下で物
理的蒸着法により形成されることを特徴とする請求項１
４に記載の非晶質カーボン被覆工具の製造方法。15. The step of forming an amorphous carbon film comprises:
It is formed by physical vapor deposition in a hydrogen-free atmosphere using graphite as a raw material.
4. The method for producing an amorphous carbon-coated tool as described in 4 above.
の直流バイアスを印加すると共に、原料となるグラファ
イトを蒸発させて非晶質カーボン膜を形成する陰極アー
クイオンプレーティングにより行われることを特徴とす
る請求項１５に記載の非晶質カーボン被覆工具の製造方
法。16. The physical vapor deposition method is performed by applying a zero or negative DC bias to the base material and by cathodic arc ion plating for vaporizing graphite as a raw material to form an amorphous carbon film. The method for producing an amorphous carbon-coated tool according to claim 15, wherein.
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