JP2012125923A - Dlc被覆を有する切削工具の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 密着性の優れた硬質被膜を持つ切削工具の製造方法を提供すること。
【解決手段】 切削工具はアルゴンを含有するDLC被膜を有する。または、アルゴンを含有するシリコンからなる中間層の表面にアルゴンを含有するDLC被膜を有する。
DLC被膜および中間層が直流プラズマCVDによって形成されたものである。処理容器内に切削工具からなる処理物を置き、処理容器を真空状態にし、直流プラズマCVD装置を用いて、アルゴンガスと原料ガスとの混合ガスを流入させながら、前記ガスをプラズマ化して処理物に作用させ、アルゴンを含有するDLC被膜を処理物の表面に形成する。または、アルゴンガスとシリコンガスとの混合ガスを流入させながら、アルゴンを含有するシリコンからなる中間層を処理物の表面に形成させた後に、前記アルゴンを含有するDLC被膜を処理物の表面に形成する。
【選択図】 図1
【解決手段】 切削工具はアルゴンを含有するDLC被膜を有する。または、アルゴンを含有するシリコンからなる中間層の表面にアルゴンを含有するDLC被膜を有する。
DLC被膜および中間層が直流プラズマCVDによって形成されたものである。処理容器内に切削工具からなる処理物を置き、処理容器を真空状態にし、直流プラズマCVD装置を用いて、アルゴンガスと原料ガスとの混合ガスを流入させながら、前記ガスをプラズマ化して処理物に作用させ、アルゴンを含有するDLC被膜を処理物の表面に形成する。または、アルゴンガスとシリコンガスとの混合ガスを流入させながら、アルゴンを含有するシリコンからなる中間層を処理物の表面に形成させた後に、前記アルゴンを含有するDLC被膜を処理物の表面に形成する。
【選択図】 図1
Description
本発明は、ドリル,エンドミル,リーマ,タップ,非鉄金属用丸鋸刃物チップソー,メタルソー,旋盤加工用チップなどの切削工具表面に、耐摩耗性,低凝着性,低摩擦係数を有するDLC被覆を備えた工具部材の製造方法に関するものである。
DLC(ダイヤモンドライクカーボン)コーティング(被覆)は、耐摩耗性,低凝着性,低摩擦係数,潤滑性,離型性に優れていることから、各種切削工具,金型,機械部品へのコーティング材料として注目され、利用されている。これらへDLCコーティングを施す薄膜形成術は物理的体積法(PVD法)と化学的体積法(CVD法)に大別でき、これらの成膜方法を用いて成膜条件が検討され、各分野での応用が期待されている。
前記、PVD法の被覆形成においては、限られた成膜範囲で被膜形成を行う必要があり、決して広い成膜範囲が可能とは言えない。例えば、真空容器の中で被覆体を回転させながら被膜形成を行う方法、または、大面積へは成膜箇所を分割式で行う方法が用いられている。また、前記PVD法でDLC膜を切削工具に適用し、特に非鉄金属材料の加工特性の向上を図ったものとして、特許文献1の技術がある。即ち、軟質金属に切削加工をしても、バリが発生しないように、該切削工具のすべての刃先部分を覆った後に、該切削工具にDLCコーティングを施すものである。
また、前記CVD法に係わる特許文献2のものは、表面に原子比率がSi0.03〜0.25C0.30〜0.75H0.22〜0.50である珪素含有非晶質炭素膜を形成したものである。また、素材表面に中間層を形成し、活性化処理を施した後、プラズマCVDを用いて原子比率がSi0.03〜0.25C0.30〜0.75H0.22〜0.50である珪素含有非晶質炭素膜を形成するものである。
しかしながら、前記PVD法において回転させながら被覆形成を行うことは、装置が複雑化し、装置へ回転機構の設置が必要となり、設備費がかさむ。また、分割式では作業工程が増えるなど十分に生産性を満たすことができなかった。
前記CVD法による切削工具表面へのDLC被膜は、加工特性,寿命特性において優れた特性を持つが、DLC膜の摩耗,切削材料の凝着,DLC膜の剥離等が生じることがあった。また、基板とDLC膜の間にシリコン系中間層を形成することにより、基板およびDLC膜との密着性を向上させているが、それは十分なものではなかった。
さらに、異なる材質との一体化した工具部材,コーティング面積が大面積を必要とする工具部材(例えば鑞付けされている工具部材や、非鉄金属用丸鋸刃物の両側面および刃先切り屑排出ポケット)などへ一度に大面積コーティングを施すには、さらに成膜条件および成膜方法の検討が必要であり、これらの解決が望まれていた。
特に、大面積へのDLCコーティングを必要とする工具部材、例えば、外径300〜660mmからなる非鉄金属用丸鋸刃物チップソーは、非鉄金属材料の切断中に材料がもつ内部応力により、刃物の両側面は締め付けられ、刃物停止および刃物破損を生じ、切削加工の生産性を低下させることがある。これらの解決策として刃物全体へのDLC被覆形成が考えられていた。
そこで、一度に大面積および三次元への被覆可能な直流プラズマCVD法が考えられる。しかし、鉄系および非鉄金属系基板との密着力が十分ではなく、つまり、中間層と基板表面との密着性が低いことから、DLC膜の剥離が生じることがあり、それらの解決が望まれていた。
本発明は上記課題を解決するもので、密着性の優れた硬質被膜を持つ切削工具の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の第1解決手段の切削工具の製造方法は、処理容器内に切削工具からなる処理物を置き、前記処理容器を真空状態にし、直流プラズマCVD装置を用いて、アルゴンガスと原料ガスとの混合ガスを流入させながら、前記ガスをプラズマ化して処理物に作用させ、アルゴンを含有するDLC被膜を処理物の表面に形成することである。
本発明の第2解決手段の切削工具の製造方法は、処理容器内に切削工具からなる処理物を置き、前記処理物を真空状態にし、直流プラズマCVD装置を用いて、アルゴンガスとシリコンガスとの混合ガスを流入させながら、前記ガスをプラズマ化して処理物に作用させ、アルゴンを含有するシリコンからなる中間層を処理物の表面に形成させた後に、アルゴンガスと原料ガスとの混合ガスを流入させながら、アルゴンを含有するDLC被膜を前記中間層の表面に形成することである。
本発明の第3解決手段の切削工具の製造方法は、第1または第2解決手段に加え、前記直流プラズマCVD装置の運転条件が、電圧800〜1000Vの範囲であることである。 本発明の第4解決手段の切削工具の製造方法は、第1または第2または第3解決手段に加え、成膜温度は200〜500℃の範囲であることである。
本発明の第5解決手段の切削工具の製造方法は、第1または第2または第3または第4解決手段に加え、前記原料ガスは1以上の炭化水素系ガスであることである。
本発明の第6解決手段の切削工具の製造方法は、第5解決手段に加え、前記原料ガスはベンゼンガスを含むことである。
本発明に係わる切削工具は、アルゴン含有DLC被膜を形成したことを特徴とするものである。本発明によれば、ドリル,エンドミル,リーマ,タップ,チップソー,メタルソー,旋盤加工用チップ等のアルゴン含有DLC膜を被覆することにより特性が向上するものであればよい。
その中でも、超硬チップの切れ刃が鑞付けされたチップソー刃物へ適用し、その特性を向上させることを可能とした。このチップソーは主に非鉄金属切断加工および木材切断加工で使用されている丸鋸刃物である。
加工特性を考慮し、切削工具の母材としては、工具鋼,超硬合金からなる切削工具および、それらの母材からなる本体へ切れ刃チップが鑞付けされている切削工具へ用いることが望ましい。本発明による切削工具には、切れ刃チップ、切れ刃チップが鑞付けされた母材(本体、台金)および母材(本体、台金)なども含まれる。
本発明によるアルゴン含有DLC被膜は高硬度,耐摩耗性,耐凝着性に優れたDLC被膜である。その理由は次のように考えられる。即ち、アルゴンを添加することでミキシング効果により、膜の結合力が増加し密着性に優れ、耐摩耗性が向上する。また、表面平滑性,潤滑性に優れた低い摩擦係数を有することから相手材料との凝着が起こりにくい。
さらに、アルゴン含有シリコン被膜を切削工具表面とDLC膜の間の中間層膜として被覆形成すれば、更に効果が向上する。このアルゴン含有シリコン被覆は、鉄系基板および非鉄金属基板へのDLC被膜形成において中間層として形成することにより、基板およびDLC膜との結合がより強固となり高密着化につながる。しかし、超硬材料からなる切削工具部材に関しては、中間層を形成せず、切削工具部材に直接アルゴン含有DLC膜を被覆してもよい。
前記高密着性の理由は次のとおりと考えられる。シリコンは切削工具表面へ膜を形成していき、アルゴンはアルゴンボンバード効果により密着性の低いシリコン膜を取り除く効果がある。従って基板表面へは密着性に優れたシリコン膜が形成されると考えられる。
膜厚に関しては、中間層膜とDLC膜を合わせて0.1〜10ミクロンが望ましい。より望ましくは0.2〜3ミクロンである。膜厚が0.1ミクロン未満では耐摩耗性および潤滑性が十分でなく、膜厚が10ミクロンを超えると刃先が丸くなり、切れ味が悪くなるとともに、被膜が剥離しやすくなり、寿命向上につながらない
DLC膜の原料ガスとして、メタン,プロパン,ブタン,ヘキサン,ベンゼン,アセチレンなどの炭化水素系ガスの群より選ばれた1以上のガスを用いる。中間層膜の原料ガスとして、珪素を含有する揮発性有機化合物を用い、より望ましくは、テトラメチルシラン,テトラエトキシシラン,テトラメトキシシランのガスを用いる。
本発明におけるアルゴン含有DLC被膜およびアルゴン含有シリコン被膜形成には、直流プラズマCVD法を用いる。直流プラズマCVD法による成膜温度は200〜500℃程度の範囲であり、比較的低温でのコーティングが可能であるため、基板温度の上昇による基板強度を損なうことなく、さらに鑞付けされた工具部材へも鑞付け強度を損なうことなくDLC膜の被覆形成が可能である。
さらに、同法を用いることにより三次元に被覆形成が可能になることから、複雑形状および大面積へのコーティングを1工程で可能とした。これらを用いることにより、チップソーへの被覆形成において、刃先,刃先両側面,切り子排出ポケット,台金両側面への複雑形状および大面積へ一度にDLCコーティングを施すことが可能である。
切削工具表面へアルゴンを含有したDLC被膜を形成することにより、密着性,耐摩耗性および低凝着性,低摩擦に優れた被膜形成を図ることができることとなった。
アルゴンを含有するシリコンからなる中間層はDLC膜との密着性を向上させ、さらに鉄鋼材料および非鉄金属材料等の基板表面との高い密着性を図ることができることとなった。
これらの成膜方法は直流プラズマCVD法で被膜形成を行うことにより、大面積および複雑形状への三次元被膜形成を1工程で可能とし、従来の生産方法より容易に生産性良くDLC膜の被膜形成を図れることとなった。
これらにより、1工程で非鉄金属用丸鋸刃物の両側面および刃先,切り屑排出ポケットへの被膜が可能なため、被膜工具の生産性の向上が図れることとなった。また、耐摩耗性,低凝着性,低摩擦の優れた特性を有した丸鋸刃物の両側面は、被切削材料の内部応力による締め付け現象での刃物停止現象を軽減させ、非鉄金属材料の切削加工の生産性を向上させた。さらに、刃物への負荷を軽減させることにより刃物の寿命延長効果をもたらせ、コスト削減を図ることができることとなった。
以下に、本発明の一実施例を図面に基づき詳細に説明する。
図1に示す直流プラズマCVD装置において、処理容器1に排気口1aと処理ガス導入口1bが設けられ、各々図示外の真空排気装置とガス供給源(ガスボンベ)に接続される。処理容器1の内部には基板台2が設置され、その上面から基板(処理物)取付具3が立設され、その水平棒部3aに処理物Aが着脱自在に取り付けられる。
図1に示す直流プラズマCVD装置において、処理容器1に排気口1aと処理ガス導入口1bが設けられ、各々図示外の真空排気装置とガス供給源(ガスボンベ)に接続される。処理容器1の内部には基板台2が設置され、その上面から基板(処理物)取付具3が立設され、その水平棒部3aに処理物Aが着脱自在に取り付けられる。
そして、水平棒部3aを円中心としてその周りを囲むような円筒状電極(陽極)4が設置される。この円筒状電極には、容器外に設置された直流電源5からの陽極リード線5aが容器を絶縁貫通して接続され、陰極リード線5bは、容器1、基板台2および処理物取付具3を絶縁貫通して設けられ、処理物Aの取り付け部分でそれと電導状態となる。
次に本発明における切削工具等への成膜方法について説明する。直流プラズマCVD装置の容器1内を10-2Paまで、排気口1aを通して排気した後、アルゴンガスを5Paに到達するまで、処理ガス導入口1bから流入させる。その後、そのまま流入させながら、かつ、排気口1aより排気させながら、5Paの圧力一定を保ちつつ、直流方式のグロー放電により、アルゴンボンバードによる切削工具の表面処理を行う。このとき、電圧は500〜1000Vの範囲、電流範囲は基板(処理物)Aの大きさにより変わるが、チップで1〜10mA、丸鋸刃物の直径660mmのもので、0.1〜1A程度である。
このときのアルゴン流量は30〜60sccmの範囲であるが、圧力5Paを維持することが望ましい。アルゴンボンバード処理時間は特に限定されるものではなく、切削工具表面からの異常放電がないことが確認できる範囲でよい。
引き続きアルゴンガスを継続して流入させたまま、シリコンガスを真空容器1に処理ガス導入口1bから流入させる。このとき、アルゴンガスとシリコンガスからなる混合ガスの、真空容器内の圧力は8〜10Paの範囲内で制御する(シリコンガスの流量を調節する)。その後、直流プラズマCVD装置により電圧800〜1000V、前記電流の範囲で、アルゴン含有シリコン被膜を切削工具表面へ被覆する。膜厚は成膜時間を変えることで制御を行う。
引き続きアルゴンガスを継続して流入させたまま、シリコンガスの流入を止め、次に真空容器1にベンゼンガスを処理ガス導入口1bから流入させる。このときのアルゴンガスとベンゼンガスからなる混合ガスの、真空容器内の圧力は8〜10Paの範囲内で制御する(ベンゼンガスの流量を調節する)。その後、直流プラズマCVDにより電圧800〜1000V、前記電流の範囲で、アルゴン含有DLC被膜をアルゴン含有シリコン被膜の上に被覆形成を行う。
これらの成膜方法において、アルゴンガスは最初のアルゴンボンバード処理の5Paを維持したままの流量をシリコン被膜およびDLC被膜形成において継続して真空容器1内へ流入している。
これらの成膜方法を用いて切削工具への被膜形成を行うことにより、中間層膜およびDLC膜からアルゴン元素がEDX(エネルギー分散型X線分析装置)で検出される。さらに前記成膜方法を繰り返すことにより、アルゴン含有被膜の多層膜形成を図ることもできる。
以下に本発明の実施例を詳細に説明する。市販の旋盤加工用チップAに直流プラズマCVD法により、アルゴン含有DLC膜を形成した。切削チップAは超硬合金製のものを用いた。超硬合金製であることから中間層は形成せず直接チップ表面へアルゴン含有DLC膜を形成し、膜厚は0.2ミクロン(実施品1−1),0.4ミクロン(実施品1−2),1.2ミクロン(実施品1−3)のものを3種類用意した。
直流プラズマCVD装置の容器1の圧力を10-2Paまで排気したのち、アルゴンガスを5Paになるまで流入させ、その圧力のもとで直流方式のグロー放電により、電圧1000V,電流1〜10mAで、通電時間15分の条件でアルゴンボンバード処理を行った。
引き続きアルゴンガスを継続して流入させたまま、ベンゼンガスを真空容器1に流入させる。このとき、アルゴンガスとベンゼンガスからなる混合ガスの、真空容器1内の圧力は8〜10Paの範囲内で制御した。その後、直流プラズマCVDにより電圧800〜1000V、電流1〜10mAで、アルゴン含有DLC被膜を切削工具表面へ被覆した。膜厚は成膜時間を変えることで制御を行った。実施品1−1の通電時間は3分,実施品1−2の通電時間は5分,実施品1−3の通電時間は10分であった。
このようにして得られた実施品1−1から1−3に対して、汎用旋盤を用いて以下に示す切削条件で切削実験を行った。
・旋盤主軸の回転数(RPM):1000回/分
・切り込み量:2mm
・被削材:A6061(アルミ材)
・切削長さ:6000mm
・材料径:50mm
・切削油:なし(ドライ)
・切削チップA(三角形)(mm):15×15×15×4.8t
・旋盤主軸の回転数(RPM):1000回/分
・切り込み量:2mm
・被削材:A6061(アルミ材)
・切削長さ:6000mm
・材料径:50mm
・切削油:なし(ドライ)
・切削チップA(三角形)(mm):15×15×15×4.8t
上記条件による切削試験後、切削チップ表面の凝着面積を光学顕微鏡で観察した。その結果、1−1から1−3の各実施品のチップ先端から切り子排出面にかけての材料凝着範囲は、縦1.1〜1.8mm,横1.8〜2.5mmの範囲であった
〔比較例1〕
比較例として、アルゴン含有DLC膜の被覆は行わなかった実施例1と同一サイズの切削チップを用意し、実施例1と同様の試験を行った。その結果、比較品のチップ先端から切り子排出面にかけての材料凝着範囲は、縦2.2mm,横7.5mmであった。
比較例として、アルゴン含有DLC膜の被覆は行わなかった実施例1と同一サイズの切削チップを用意し、実施例1と同様の試験を行った。その結果、比較品のチップ先端から切り子排出面にかけての材料凝着範囲は、縦2.2mm,横7.5mmであった。
図2,3,4に示す市販の丸鋸刃物(チップソー)Aに対し、直流プラズマCVD法によりアルゴン含有シリコン膜を形成し、この表面にアルゴン含有DLC膜を形成した。この丸鋸刃物の刃先先端は超硬チップが鑞付けされている。そして、丸鋸刃物の刃先A1、刃先両側面A2、刃先内面A3、刃先上面A4、切り子排出ポケットA5、鑞A6および台金両側面A7に被膜を一度に形成した。
ここで、刃物直径D1(mm)の3種類 660,550,405に対し、中心部に円板絶縁シールB(マスキング)(アルミとポリイミドシール)の、各々直径D2(mm) 230,230,185のものを両側に介在させ、刃物Aを挟持した状態で処理物取り付け具3にセットした。
直流プラズマCVD装置の容器の圧力を10-2Paまで排気したのち、アルゴンガスを5Paになるまで流入させ、その圧力のもとで直流方式のグロー放電により、電圧1000V,通電時間30分の条件でアルゴンボンバード処理を行った。
引き続きアルゴンガスを継続して流入させたまま、シリコンガスを真空容器に流入させる。このとき、アルゴンガスとシリコンガスからなる混合ガスの、真空容器内の圧力は8〜10Paの範囲内で制御した後、直流プラズマCVDにより電圧800〜1000V範囲のもとで、アルゴン含有シリコン被膜(中間層)を丸鋸刃物表面へ被覆した。
引き続きアルゴンガスを継続して流入させたまま、シリコンガスの流入を止め、次に真空容器にベンゼンガスを流入させる。このときのアルゴンガスとベンゼンガスからなる混合ガスの、真空容器内の圧力は8〜10Paの範囲内で制御した後、直流プラズマCVDにより電圧800〜1000Vの範囲のもとで、アルゴン含有DLC被膜を前記中間層の表面に被覆形成した。
この結果で得られた被覆面積を表1に示す。刃物両側面の全体面積に対するDLC被膜の割合(パーセント)は、刃物直径D1(mm)の3種類 660,550,405に対し、各々87.8,82.5,79.1となった。
このようにして得られた丸鋸刃物で送り速度向上評価を行った。その比較条件は次の通りである。
・刃物外直径 660mm
・刃物回転速度 1,350/rpm(周速度 2,800/min)
・切断材料 アルミニウム5052
・材料寸法(mm) 厚さ 110(55の2枚重ね)、縦長さ 1,250、
横長さ 2,500
・切削油 有り
・刃物送り速度 300〜354mm/min
・従来の送り速度 272.7mm/min
・刃物外直径 660mm
・刃物回転速度 1,350/rpm(周速度 2,800/min)
・切断材料 アルミニウム5052
・材料寸法(mm) 厚さ 110(55の2枚重ね)、縦長さ 1,250、
横長さ 2,500
・切削油 有り
・刃物送り速度 300〜354mm/min
・従来の送り速度 272.7mm/min
従来の送り速度では、材料の内部応力が及ぼす刃物締め付け現象が起きることがあり、刃物停止および刃物破損が起きていた。そこで、NC切断機を用いて前記条件で送り速度を設定した。試験結果を表2に、材料の切断順序を図5に示す。この試験結果により、本発明のものは従来より切断速度の向上が図れることを示した。
しかも、切削騒音が極めて小さく、例えば、切断機の側でも作業者の会話が明瞭に聞き取れるものであった。刃物回転速度1,350/rpmは、周速度2,800/minに相当する。従来刃物では、材料との摩擦の他、空気抵抗による摩擦が大きくなり、騒音が耐え難いものであった。本発明による刃物では、実に30パーセントの速度向上が図られたのである。試験数を増やせば更なる速度向上の試験値が得られると予想される。
更に、上記切断試験後に刃物表面のアルゴン含有DLC被膜の密着性を確認するため、刃先側面及び台金側面にロックウェルスーパーフィシャル15N圧痕を打ち、その膜の周辺を光学顕微鏡で観察したところ、膜の剥離は見られなかった。
本発明は前記した実施例や実施態様に限定されず、特許請求の範囲および範囲を逸脱せずに種々の変形を含む。
本発明はDLC膜を備えた工具部材の製造方法に利用される。
A 処理物(基板)
B 絶縁円板
1 処理容器
1a 排気口
1b 処理ガス導入口
2 基板台
3 処理物取付具
3a 水平棒部
4 円筒状電極
5 直流電源
5a 陽極リード線
5b 陰極リード線
B 絶縁円板
1 処理容器
1a 排気口
1b 処理ガス導入口
2 基板台
3 処理物取付具
3a 水平棒部
4 円筒状電極
5 直流電源
5a 陽極リード線
5b 陰極リード線
Claims (6)
- 処理容器内に切削工具からなる処理物を置き、前記処理容器を真空状態にし、直流プラズマCVD装置を用いて、アルゴンガスと原料ガスとの混合ガスを流入させながら、前記ガスをプラズマ化して処理物に作用させ、アルゴンを含有するDLC被膜を処理物の表面に形成することを特徴とする切削工具の製造方法。
- 処理容器内に切削工具からなる処理物を置き、前記処理物を真空状態にし、直流プラズマCVD装置を用いて、アルゴンガスとシリコンガスとの混合ガスを流入させながら、前記ガスをプラズマ化して処理物に作用させ、
アルゴンを含有するシリコンからなる中間層を処理物の表面に形成させた後に、
アルゴンガスと原料ガスとの混合ガスを流入させながら、アルゴンを含有するDLC被膜を前記中間層の表面に形成することを特徴とする切削工具の製造方法。 - 前記直流プラズマCVD装置の運転条件が、電圧800〜1000Vの範囲であることを特徴とする請求項1または2記載の切削工具の製造方法。
- 成膜温度は200〜500℃の範囲であることを特徴とする請求項1または2または3記載の切削工具の製造方法。
- 前記原料ガスは1以上の炭化水素系ガスであることを特徴とする請求項1または2または3または4記載の切削工具の製造方法。
- 前記原料ガスはベンゼンガスを含むことを特徴とする請求項5記載の切削工具の製造方法。
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