JP6964289B2

JP6964289B2 - High hardness hard carbon composite film coating tool

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Publication number: JP6964289B2
Application number: JP2017193888A
Authority: JP
Inventors: 功基村澤; 剛吉武; モハメドエギザ
Original assignee: Kyushu University NUC; OSG Corp
Current assignee: Kyushu University NUC; OSG Corp
Priority date: 2017-10-03
Filing date: 2017-10-03
Publication date: 2021-11-10
Anticipated expiration: 2037-10-03
Also published as: JP2019063958A

Description

本発明は、高硬度硬質炭素複合膜被覆工具、およびその製造方法に関し、特に、ＳｉおよびＢのうちの少なくとも１つの元素がドーピングされたドープド炭素膜を高硬度に維持して耐摩耗性に優れた高硬度硬質炭素複合膜を有する高硬度硬質炭素複合膜被覆工具を得る技術に関するものである。 The present invention relates to a high-hardness hard carbon composite film coating tool and a method for producing the same, and in particular, maintains a high hardness of a doped carbon film doped with at least one element of Si and B, and has excellent wear resistance. The present invention relates to a technique for obtaining a high-hardness hard carbon composite film coating tool having a high-hardness hard carbon composite film.

ドリルやエンドミル、フライス、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、超硬合金製或いは高速度工具鋼（ＨＳＳ）製の母材の表面に、硬質炭素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、硬質炭素被膜としてＤＬＣ（ＤｉａｍｏｎｄＬｉｋｅＣａｒｂｏｎ：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。 Various machining tools such as cutting tools such as drills, end mills, mills and cutting tools, hoisting taps, rolling tools, non-cutting tools such as press molds, and various tool members such as friction parts that require wear resistance. It has been proposed to improve wear resistance and durability by coating the surface of a base material made of superhard alloy or high-speed tool steel (HSS) with a hard carbon film. Patent Document 1 describes a tool provided with a DLC (Diamond Like Carbon: amorphous carbon) coating as a hard carbon coating. DLC has a dense amorphous structure and is crystallographically different from diamond, but has a higher hardness than a compound coating such as TiAlN or CrN.

しかしながら、上記硬質炭素被膜は、耐熱性および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。 However, the hard carbon coating is not always sufficiently satisfactory in terms of heat resistance and wear resistance. For example, dry processing by air blowing that does not use any lubricating oil or mist spraying that uses the minimum amount of lubricating oil is used. In semi-dry processing, which is a cutting process, sufficient durability cannot be obtained, and unbonded hands of C (carbon) are likely to bond with the work material to cause welding, which is particularly unsuitable for iron-based materials. ..

これに対し、硬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、耐磨耗性が向上するという性質を利用して、硬質炭素被膜内の水素の含有量を抑制し且つ珪素（Ｓｉ）やホウ素（Ｂ）を添加することで、工具の耐久性を改善するドープド炭素膜から成る硬質炭素被膜が提案されている。たとえば、特許文献２に記載された硬質炭素被膜がそれである。 On the other hand, the hard carbon coating suppresses the hydrogen content in the hard carbon coating by utilizing the property that the coating hardness increases and the abrasion resistance improves as the hydrogen content decreases. A hard carbon film made of a doped carbon film that improves the durability of a tool by adding silicon (Si) or boron (B) has been proposed. For example, the hard carbon coating described in Patent Document 2 is that.

特開２００５−２２０７３号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-22073 国際公開第２０１６／０２１６７１号公報International Publication No. 2016/021671

しかしながら、上記特許文献２に記載の技術では、未だ十分な硬度が得られず、耐摩耗性が十分に高いものではなかった。 However, the technique described in Patent Document 2 has not yet obtained sufficient hardness and has not sufficiently high wear resistance.

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、高い硬度を有する高硬度硬質炭素複合膜被覆工具、およびその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in the background of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a high hardness hard carbon composite film coating tool having high hardness and a method for producing the same.

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且つＳｉおよびＢの少なくとも一方の元素がドープ（添加）されたドープド炭素膜を解析すると、ドープド炭素膜にドープしていないコバルト（Ｃｏ）元素が見出されたことから、高い硬度が得られない理由はそのＣｏ元素が存在していること、および、そのＣｏ元素は工具母材中からドープド炭素膜内へ拡散されたものではないかと推察した。そして、本発明者等は、ＳｉおよびＢがドープされないアンドープ炭素膜を工具母材の表面に被着させて解析すると、アンドープ炭素膜内には工具母材中のＣｏ元素が殆ど拡散していないという点を発見した。すなわち、ＳｉおよびＢがドープされたドープド炭素膜は工具母材中のＣｏ元素の拡散を促進する事実を発見した。そこで、本発明者等は、上記の性質を利用して、この工具母材の表面にアンドープ炭素膜を介在させてドープド炭素膜を被着させると、ドープド炭素膜内にも工具母材中のＣｏ元素が殆ど拡散せず、硬度がきわめて高い高硬度硬質炭素複合膜が得られるという事実を見いだした。本発明は、このような知見に基づいて為されたものである。 As a result of conducting various studies against the background of the above circumstances, the present inventors have analyzed a doped carbon film having a relatively low hydrogen content and doped (added) at least one element of Si and B. Since an undoped cobalt (Co) element was found in the film, the reason why high hardness cannot be obtained is that the Co element exists, and the Co element is doped carbon from the tool base material. It was speculated that it might have been diffused into the membrane. Then, when the present inventors attach an undoped carbon film on which Si and B are not doped to the surface of the tool base material and analyze it, the Co element in the tool base material is hardly diffused in the undoped carbon film. I found that. That is, we have discovered the fact that the Si and B-doped doped carbon film promotes the diffusion of the Co element in the tool base material. Therefore, when the present inventors utilize the above-mentioned properties to deposit the doped carbon film on the surface of the tool base material by interposing an undoped carbon film, the dope carbon film is also contained in the tool base material. We have found the fact that a high-hardness hard carbon composite film with extremely high hardness can be obtained with almost no diffusion of the Co element. The present invention has been made based on such findings.

すなわち、第１発明の要旨とするところは、工具母材の表面に被着された高硬度硬質炭素複合膜被覆工具であって、前記工具母材上に位置し、元素が添加されないアンドープ炭素膜と、前記アンドープ炭素膜の上に被着され、ＳｉおよびＢのうちの少なくとも１つの元素がドーピングされたドープド炭素膜とを含む高硬度硬質炭素複合膜を備え、前記アンドープ炭素膜およびドープド炭素膜は、非晶質炭素と１０ｎｍ以下の超ナノ微結晶ダイヤモンドとが混在する混相膜であることにある。 That is, the gist of the first invention is a high-hardness hard carbon composite film-coated tool adhered to the surface of the tool base material, which is located on the tool base material and is an undoped carbon film to which no element is added. A high-hardness hard carbon composite film including a doped carbon film coated on the undoped carbon film and doped with at least one element of Si and B, and the undoped carbon film and the doped carbon film. Is a mixed-phase film in which amorphous carbon and ultra-nanomicrocrystalline diamond of 10 nm or less are mixed .

第２発明の要旨とするところは、前記アンドープ炭素膜およびドープド炭素膜の水素含有量は、弾性反跳法を用いる測定で５ａｔ％以下であり、前記高硬度硬質炭素複合膜は、ナノインデンテーション法を用いた測定で５４ＧＰａ以上の被膜硬さを有することにある。 The gist of the second invention is that the hydrogen content of the undoped carbon film and the doped carbon film is 5 at% or less as measured by the elastic rebound method, and the high-hardness hard carbon composite film is nanoindented. It is to have a film hardness of 54 GPa or more as measured by the method.

第３発明の要旨とするところは、前記アンドープ炭素膜の膜厚ｘは、０．１μｍ≦ｘ≦１０μｍで示される範囲内であることにある。 The gist of the third invention is that the film thickness x of the undoped carbon film is within the range indicated by 0.1 μm ≦ x ≦ 10 μm.

第４発明の要旨とするところは、前記ドープド炭素膜にドープされた元素の合計濃度ｂはＸ線光電子分光分析法を用いる測定で０．１ａｔ％≦ｂ≦２０ａｔ％で示される範囲内であることにある。 The gist of the fourth invention is that the total concentration b of the elements doped in the doped carbon film is within the range shown by 0.1 at% ≤ b ≤ 20 at% as measured by X-ray photoelectron spectroscopy. There is.

第５発明の要旨とするところは、前記アンドープ炭素膜は、前記工具母材の表面に直接被着され、前記ドープド炭素膜は、前記工具母材の表面に直接被着された前記アンドープ炭素膜の表面に直接被着され、且つ高硬度硬質炭素複合膜の最外側に位置していることにある。 The gist of the fifth invention is that the undoped carbon film is directly adhered to the surface of the tool base material, and the doped carbon film is directly adhered to the surface of the tool base material. It is directly adhered to the surface of the above and is located on the outermost side of the high hardness hard carbon composite film.

第６発明の要旨とするところは、前記アンドープ炭素膜と前記アンドープ炭素膜の表面に直接被着された前記ドープド炭素膜とが、前記工具母材の表面に交互に積層されていることにある。 The gist of the sixth invention is that the undoped carbon film and the doped carbon film directly adhered to the surface of the undoped carbon film are alternately laminated on the surface of the tool base material. ..

第７発明の要旨とするところは、前記工具母材は、超硬合金又は高速度工具鋼から成ることにある。 The gist of the seventh invention is that the tool base material is made of cemented carbide or high-speed tool steel.

第８発明の要旨とするところは、前記工具母材の一部または全部が前記高硬度硬質炭素複合膜によって被覆されていることにある。 The gist of the eighth invention is that a part or all of the tool base material is covered with the high hardness hard carbon composite film.

第１発明の高硬度硬質炭素複合膜被覆工具によれば、前記工具母材上に位置し、元素が添加されないアンドープ炭素膜と、前記アンドープ炭素膜の上に被着され、ＳｉおよびＢのうちの少なくとも１つの元素がドーピングされたドープド炭素膜とを含む高硬度硬質炭素複合膜を備え、前記アンドープ炭素膜およびドープド炭素膜は、非晶質炭素と１０ｎｍ以下の超ナノ微結晶ダイヤモンドとが混在する混相膜である。これにより、アンドープ炭素膜によって工具母材中の拡散元素がドープド炭素膜へ拡散することが抑制されるので、硬度がきわめて高く耐摩耗性も高い高硬度硬質炭素複合膜被覆工具が得られる。また，温度安定性および熱伝導性に優れたドープ炭素膜が得られ、工具の耐久性が高められる。 According to the high-hardness hard carbon composite film coating tool of the first invention, the undoped carbon film located on the tool base material to which no element is added and the undoped carbon film coated on the undoped carbon film are formed of Si and B. A high-hardness hard carbon composite film containing a doped carbon film doped with at least one element of the above is provided, and the undoped carbon film and the doped carbon film are a mixture of amorphous carbon and ultra-nanomicrocrystalline diamond of 10 nm or less. It is a mixed phase film . As a result, the undoped carbon film suppresses the diffusion of diffusing elements in the tool base material to the doped carbon film, so that a high-hardness hard carbon composite film-coated tool having extremely high hardness and high wear resistance can be obtained. In addition, a doped carbon film having excellent temperature stability and thermal conductivity can be obtained, and the durability of the tool is enhanced.

第２発明の高硬度硬質炭素複合膜被覆工具によれば、前記アンドープ炭素膜およびドープド炭素膜の水素含有量は、弾性反跳法を用いる測定で５ａｔ％以下であり、前記高硬度硬質炭素複合膜は、ナノインデンテーション法を用いた測定で５４ＧＰａ以上の被膜硬さを有することから、硬度がきわめて高い高硬度硬質炭素複合膜により、高硬度硬質炭素複合膜被覆工具の高い摩耗性が得られる。 According to the high-hardness hard carbon composite film coating tool of the second invention, the hydrogen content of the undoped carbon film and the doped carbon film is 5 at% or less as measured by the elastic rebound method, and the high-hardness hard carbon composite Since the film has a film hardness of 54 GPa or more as measured by the nanoindentation method, a high hardness hard carbon composite film with extremely high hardness provides high wear resistance of a high hardness hard carbon composite film coating tool. ..

第３発明の高硬度硬質炭素複合膜被覆工具によれば、前記アンドープ炭素膜の膜厚ｘは、０．１μｍ≦ｘ≦１０μｍで示される範囲内であることから、硬度がきわめて高く耐摩耗性も高い高硬度硬質炭素複合膜被覆工具が得られる。前記アンドープ炭素膜の膜厚ｘが０．１μｍを下回る場合は、アンドープ炭素膜による工具母材中の拡散元素の拡散を抑止する性能が十分に得られず、高硬度硬質炭素複合膜の硬度が低下する。また、前記アンドープ炭素膜の膜厚ｘが１０μｍを上回る場合は、高硬度硬質炭素複合膜の膜厚分の曲率半径Ｒが工具母材の角に形成される。上記の高硬度硬質炭素複合膜が金型に適用される場合は問題ないかもしれないが、上記の高硬度硬質炭素複合膜が工具に適用される場合は、切れ刃の曲率半径Ｒが大きくなるので、切削工具としての用途が制限される。 According to the high-hardness hard carbon composite film coating tool of the third invention, the film thickness x of the undoped carbon film is within the range shown by 0.1 μm ≦ x ≦ 10 μm, so that the hardness is extremely high and the abrasion resistance is low. A high-hardness hard carbon composite film coating tool with high hardness can be obtained. When the film thickness x of the undoped carbon film is less than 0.1 μm, the performance of suppressing the diffusion of diffusing elements in the tool base material by the undoped carbon film cannot be sufficiently obtained, and the hardness of the high hardness hard carbon composite film becomes high. descend. When the film thickness x of the undoped carbon film exceeds 10 μm, the radius of curvature R corresponding to the film thickness of the high hardness hard carbon composite film is formed at the corner of the tool base material. There may be no problem when the above-mentioned high-hardness hard carbon composite film is applied to a mold, but when the above-mentioned high-hardness hard carbon composite film is applied to a tool, the radius of curvature R of the cutting edge becomes large. Therefore, its use as a cutting tool is limited.

第４発明の高硬度硬質炭素複合膜被覆工具によれば、前記ドープド炭素膜にドープされた元素の合計濃度ｂは、Ｘ線光電子分光分析法（ＸＰＳ）を用いる測定で０．１ａｔ％≦ｂ≦２０ａｔ％で示される範囲内であることから、硬度がきわめて高く耐摩耗性も高い高硬度硬質炭素複合膜が得られる。ドープド炭素膜にドープされた元素の合計濃度ｂが０．１ａｔ％を下回る場合は、高硬度硬質炭素複合膜の硬度が十分に得られない。また、ドープド炭素膜にドープされた元素の合計濃度ｂが２０ａｔ％を上回る場合も、高硬度硬質炭素複合膜の硬度が十分に得られない。 According to the high-hardness hard carbon composite film coating tool of the fourth invention, the total concentration b of the elements doped in the doped carbon film is 0.1 at% ≦ b as measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Since it is within the range indicated by ≦ 20 at%, a high-hardness hard carbon composite film having extremely high hardness and high wear resistance can be obtained. When the total concentration b of the elements doped in the doped carbon film is less than 0.1 at%, the hardness of the high hardness hard carbon composite film cannot be sufficiently obtained. Further, when the total concentration b of the elements doped in the doped carbon film exceeds 20 at%, the hardness of the high hardness hard carbon composite film cannot be sufficiently obtained.

第５発明の高硬度硬質炭素複合膜被覆工具によれば、前記アンドープ炭素膜は、前記工具母材の表面に直接被着され、前記ドープド炭素膜は、前記工具母材の表面に直接被着された前記アンドープ炭素膜の表面に直接被着され、且つ高硬度硬質炭素複合膜の最外側に位置していることから、耐摩耗性の高い高硬度硬質炭素複合膜被覆工具が得られる。 According to the high-hardness hard carbon composite film coating tool of the fifth invention, the undoped carbon film is directly adhered to the surface of the tool base material, and the doped carbon film is directly adhered to the surface of the tool base material. Since it is directly adhered to the surface of the undoped carbon film and is located on the outermost side of the high hardness hard carbon composite film, a high hardness hard carbon composite film coating tool having high wear resistance can be obtained.

第６発明の高硬度硬質炭素複合膜被覆工具によれば、前記アンドープ炭素膜と前記アンドープ炭素膜の表面に直接被着された前記ドープド炭素膜とが、前記工具母材の表面に交互に積層されていることから、耐摩耗性および耐久性の高い高硬度硬質炭素複合膜被覆工具が得られる。 According to the high-hardness hard carbon composite film coating tool of the sixth invention, the undoped carbon film and the doped carbon film directly adhered to the surface of the undoped carbon film are alternately laminated on the surface of the tool base material. Therefore, a high-hardness hard carbon composite film coating tool having high wear resistance and durability can be obtained.

第７発明の高硬度硬質炭素複合膜被覆工具によれば、前記工具母材は、超硬合金又は高速度工具鋼から成ることから、アンドープ炭素膜により超硬合金又は高速度工具鋼中に含まれる添加元素が前記ドープド炭素膜へ拡散することが抑制されるので、硬度がきわめて高い高硬度硬質炭素複合膜被覆工具が得られる。 According to the high-hardness hard carbon composite film-coated tool of the seventh invention, since the tool base material is made of cemented carbide or high-speed tool steel, it is contained in the cemented carbide or high-speed tool steel by the undoped carbon film. Since the additive elements are suppressed from diffusing into the doped carbon film, a high-hardness hard carbon composite film coating tool having extremely high hardness can be obtained.

第８発明の高硬度硬質炭素複合膜被覆工具によれば、前記工具母材の一部または全部が前記高硬度硬質炭素複合膜によって被覆されているので、高い硬度と高い耐久性が得られる。 According to the high-hardness hard carbon composite film coating tool of the eighth invention, since a part or all of the tool base material is covered with the high-hardness hard carbon composite film, high hardness and high durability can be obtained.

本発明の一実施例の高硬度硬質炭素複合膜被覆工具が切削部の表面に被着されたドリルを示す正面図である。It is a front view which shows the drill which attached the high hardness hard carbon composite film coating tool of one Example of this invention to the surface of a cutting part. 図１のドリルを説明するためにその先端側から示す拡大底面図である。It is an enlarged bottom view which shows from the tip side for explaining the drill of FIG. 図１のドリルの工具母材上に被着された高硬度硬質炭素複合膜の積層構造を拡大して説明する拡大断面図である。It is an enlarged cross-sectional view which expands and explains the laminated structure of the high hardness hard carbon composite film adhered on the tool base material of the drill of FIG. 図１のドリルの工具母材上に被着された、他の一例の高硬度硬質炭素複合膜の積層構造の一例を説明する拡大断面図である。It is an enlarged cross-sectional view explaining an example of the laminated structure of the high hardness hard carbon composite film of another example which was adhered on the tool base material of the drill of FIG. 図１の高硬度硬質炭素複合膜を工具母材上に好適に成膜する同軸型真空アーク蒸着装置の構成を説明する概略図である。It is a schematic diagram explaining the structure of the coaxial type vacuum arc vapor deposition apparatus which preferably deposits the high hardness hard carbon composite film of FIG. 1 on a tool base material. 図５の同軸型真空アーク蒸着装置に用いられる同軸アークプラズマガンの構成を説明する概略図である。It is the schematic explaining the structure of the coaxial arc plasma gun used for the coaxial type vacuum arc vapor deposition apparatus of FIG. アンドープ炭素膜の膜厚、ドープド炭素膜のドープ元素、元素濃度、および膜厚を変化させた、実施例品１〜実施例品２１および比較例品１〜比較例品３のサンプルのそれぞれについて、高硬度硬質炭素複合膜の水素含有量および硬さと、硬さの合否評価とを示す図表である。For each of the samples of Example Product 1 to Example Product 21 and Comparative Example Product 1 to Comparative Example Product 3 in which the film thickness of the undoped carbon film, the doping element of the doped carbon film, the element concentration, and the film thickness were changed. It is a chart which shows the hydrogen content and hardness of a high hardness hard carbon composite film, and the pass / fail evaluation of hardness. 超硬合金製の工具母材の表面にアンドープ炭素膜が直接被着された試料の断面を示ＳＥＭ写真である。FIG. 5 is an SEM photograph showing a cross section of a sample in which an undoped carbon film is directly adhered to the surface of a tool base material made of cemented carbide. 図８の試料内の炭素ＣおよびコバルトＣｏの元素濃度の分布をそれぞれ示す図である。It is a figure which shows the distribution of the element concentration of carbon C and cobalt Co in the sample of FIG. 8, respectively. 超硬合金製の工具母材の表面にホウ素Ｂがドープされているドープド炭素膜が直接被着された試料の断面を示すＳＥＭ写真である。6 is an SEM photograph showing a cross section of a sample in which a doped carbon film in which boron B is doped is directly adhered to the surface of a tool base material made of cemented carbide. 図１０の試料内にドープされた炭素Ｃ、ホウ素Ｂ、およびコバルトＣｏのうち、炭素ＣおよびコバルトＣｏの元素の濃度分布をそれぞれ示す図である。It is a figure which shows the concentration distribution of the element of carbon C and cobalt Co among carbon C, boron B, and cobalt Co doped in the sample of FIG. 10, respectively. 珪素Ｓｉの元素がドープされたドープド炭素膜を超硬合金製の工具母材の上に被着させた場合のアンドープ炭素膜の効果を、ナノインデンデーション硬さにて示す図である。It is a figure which shows the effect of the undoped carbon film at the time of adhering the doped carbon film doped with the element of silicon Si on the tool base material made of cemented carbide by the nano-induction hardness. ホウ素Ｂの元素がドープされたドープド炭素膜を超硬合金製の工具母材の上に被着させた場合のアンドープ炭素膜の効果を、ナノインデンデーション硬さにて示す図である。It is a figure which shows the effect of the undoped carbon film at the time of adhering the doped carbon film doped with the element of boron B on the tool base material made of cemented carbide by the nano-induction hardness. 図１の高硬度硬質炭素複合膜を工具母材上に好適に成膜するパルスレーザ蒸着装置の構成を説明する概略図である。It is a schematic diagram explaining the structure of the pulse laser vapor deposition apparatus which preferably deposits the high hardness hard carbon composite film of FIG. 1 on a tool base material.

以下、本発明の高硬度硬質炭素複合膜被覆工具の一実施例について図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, an embodiment of the high-hardness hard carbon composite film coating tool of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図１および図２は、本発明の高硬度硬質炭素複合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正面図、図２は切れ刃１２が設けられた先端側から見た拡大底面図である。ドリル１０は、超硬合金製或いは高速度工具鋼（ＨＳＳ）製の工具母材２２から構成されている。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、硬質被膜としての高硬度硬質炭素複合膜２４がコーティング（被着）された部分を示している。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。 1 and 2 are views showing a drill 10 which is an example of a high-hardness hard carbon composite film coating tool of the present invention. FIG. 1 is a front view seen from a direction perpendicular to the axis O, and FIG. 2 is an enlarged bottom view seen from the tip side where the cutting edge 12 is provided. The drill 10 is composed of a tool base material 22 made of cemented carbide or high speed tool steel (HSS). This drill 10 is a two-flute twist drill, which is integrally provided with a shank 14 and a body 16 in the axial direction, and the body 16 is formed with a pair of grooves 18 twisted clockwise of the axis O. .. A pair of cutting edges 12 are provided at the tip of the body 16 corresponding to the grooves 18, and the holes are cut by the cutting edges 12 by being rotationally driven clockwise of the axis O when viewed from the shank 14 side. As it is processed, chips are discharged to the shank 14 side through the groove 18. In FIG. 1, the shaded portion indicates a portion coated (adhered) with the high hardness hard carbon composite film 24 as a hard film. In this embodiment, the body 16 which is a part of the drill 10 is coated, but the entire drill 10 may be coated.

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図であって、超硬合金製の工具母材２２の表面には、高硬度硬質炭素複合膜２４がコーティングされている。高硬度硬質炭素複合膜２４は、工具母材２２の表面に直接設けられ、元素が添加されていないアンドープ炭素膜２６と、そのアンドープ炭素膜２６の上に直接設けられ、ＳｉおよびＢのうちの少なくとも一方の元素が添加されたドープド炭素膜２８とが、順に積層されて構成されている。 FIG. 3 is an enlarged view showing a cross section of the body 16 near the surface, and the surface of the tool base material 22 made of cemented carbide is coated with a high hardness hard carbon composite film 24. The high-hardness hard carbon composite film 24 is provided directly on the surface of the tool base material 22, and is provided directly on the undoped carbon film 26 to which no element is added and the undoped carbon film 26, and is of Si and B. The doped carbon film 28 to which at least one element is added is laminated in this order.

図４は、高硬度硬質炭素複合膜２４の他の一例を拡大して示す図である。図４の例の高硬度硬質炭素複合膜２４は、アンドープ炭素膜２６とドープド炭素膜２８とが複数対順次積層されることにより多層に構成されている。なお、上記アンドープ炭素膜２６とドープド炭素膜２８との境界は、それらの構成成分が連続的に変化するグラデーションが設けられていてもよい。 FIG. 4 is an enlarged view showing another example of the high hardness hard carbon composite film 24. The high-hardness hard carbon composite film 24 of the example of FIG. 4 is configured in multiple layers by sequentially laminating a plurality of pairs of the undoped carbon film 26 and the doped carbon film 28. The boundary between the undoped carbon film 26 and the doped carbon film 28 may be provided with a gradation in which their constituent components continuously change.

図３および図４において、高硬度硬質炭素複合膜２４の最外表面は、アンドープ炭素膜２６の外側面に固着されたドープド炭素膜２８から構成されている。 In FIGS. 3 and 4, the outermost surface of the high-hardness hard carbon composite film 24 is composed of a doped carbon film 28 fixed to the outer surface of the undoped carbon film 26.

アンドープ炭素膜２６とドープド炭素膜２８の水素含有量は、５ａｔ（原子）％以下である。このような低水素含有量は、固体膜原料を気化させて工具母材２２に固着させることで炭素膜を形成する後述の物理的気相成長法を用いることによって実現されている。 The hydrogen content of the undoped carbon film 26 and the doped carbon film 28 is 5 at (atomic)% or less. Such a low hydrogen content is realized by using the physical vapor deposition method described later, which forms a carbon film by vaporizing the solid film raw material and fixing it to the tool base material 22.

アンドープ炭素膜２６は、０．１μｍ以上且つ１０μｍ以下の膜厚ｘを備えている。ドープド炭素膜２８は、特に限定されないが、たとえば０．５〜１５μｍ好適にはたとえば１．０〜１０．０μｍの厚さの膜厚ｙを備えている。また、アンドープ炭素膜２６には元素が添加されておらず、炭素のみ構成されている。ドープド炭素膜２８には、Ｓｉ元素およびＢ元素のうちの少なくとも一方が添加されており、その元素の添加量ｂは、合計で、０．１ａｔ％以上且つ２０ａｔ％以下である。 The undoped carbon film 26 has a film thickness x of 0.1 μm or more and 10 μm or less. The doped carbon film 28 is not particularly limited, but has a film thickness y having a thickness of, for example, 0.5 to 15 μm, preferably 1.0 to 10.0 μm. Further, no element is added to the undoped carbon film 26, and only carbon is composed. At least one of the Si element and the B element is added to the doped carbon film 28, and the total amount b of the element added is 0.1 at% or more and 20 at% or less.

アンドープ炭素膜２６およびドープド炭素膜２８は、物理的気相成長法の一種であるアークイオンプレーティング法やスパッタリング法により高真空容器内において水素を含まない原料から作製される。好適には、アンドープ炭素膜２６およびドープド炭素膜２８の成膜には、グラファイトをターゲット原料とした同軸型アークプラズマ堆積法が用いられる。 The undoped carbon film 26 and the doped carbon film 28 are produced from a hydrogen-free raw material in a high vacuum vessel by an arc ion plating method or a sputtering method, which is a kind of physical vapor deposition method. Preferably, a coaxial arc plasma deposition method using graphite as a target raw material is used for forming the undoped carbon film 26 and the doped carbon film 28.

図５は、ドリル１０の製造に用いられる同軸型真空アーク蒸着装置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高硬度硬質炭素複合膜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などを内部に収容している処理容器としての真空チャンバ３６、真空チャンバ３６内の気体を真空ポンプなどで排出して１０^−５Ｐａ程度より高い超高真空に減圧する排気装置３８、第１同軸アークプラズマガン４０、第２同軸アークプラズマガン４２、第１同軸アークプラズマガン４０を駆動してアークプラズマを先端部から放出させる第１アーク電源４４、第２同軸アークプラズマガン４２を駆動して高エネルギのプラズマ化された粒子を先端部から放出させる第２アーク電源４６等を備えている。ワーク保持具３２は、先端が外側へ突き出す姿勢で工具母材２２のシャンク１４を保持している。 FIG. 5 is a schematic configuration diagram (schematic diagram) for explaining the coaxial vacuum arc vapor deposition apparatus 30 used for manufacturing the drill 10, and the cutting edge 12 before coating a large number of workpieces, that is, a high hardness hard carbon composite film 24. A work holder 32 that holds a tool base material 22 in which a groove 18 or the like is formed, a rotating device 34 that rotationally drives the work holder 32 around a substantially vertical center of rotation, a tool base material 22, and the like are housed therein. Vacuum chamber 36 as a processing container, an exhaust device 38 that discharges the gas in the vacuum chamber 36 with a vacuum pump or the like to reduce the pressure to an ultra-high vacuum higher than about ^{10-5 Pa, a first coaxial arc plasma gun 40,} The second coaxial arc plasma gun 42 and the first coaxial arc plasma gun 40 are driven to emit arc plasma from the tip portion, and the first arc power supply 44 and the second coaxial arc plasma gun 42 are driven to generate high-energy plasma. It is provided with a second arc power source 46 or the like that discharges the particles from the tip. The work holder 32 holds the shank 14 of the tool base material 22 in a posture in which the tip protrudes outward.

第１同軸アークプラズマガン４０およびそれを駆動する第１アーク電源４４と第２同軸アークプラズマガン４２およびそれを駆動する第２アーク電源４６とは、カソード電極ＫＥを構成する固体ターゲットであるグラファイトの相違を除いて、他は全く同様に構成されているので、共通の図６を用いて、一方の第１同軸アークプラズマガン４０および第１アーク電源４４の構成を説明する。第１同軸アークプラズマガン４０では、カソード電極ＫＥを構成する固体ターゲットがアンドープ炭素膜２６を形成するための純粋のグラファイトであるが、第２同軸アークプラズマガン４２では、カソード電極ＫＥを構成する固体ターゲットがドープド炭素膜２８を形成するためのＳｉおよびＢの少なくとも一方の元素を含むグラファイトである。 The first coaxial arc plasma gun 40 and the first arc power supply 44 for driving the first coaxial arc plasma gun 40 and the second coaxial arc plasma gun 42 and the second arc power supply 46 for driving the second coaxial arc plasma gun 42 are made of graphite which is a solid target constituting the cathode electrode KE. Since the others are configured in exactly the same manner except for the differences, the configurations of one of the first coaxial arc plasma guns 40 and the first arc power supply 44 will be described with reference to FIG. 6 in common. In the first coaxial arc plasma gun 40, the solid target constituting the cathode electrode KE is pure graphite for forming the undoped carbon film 26, whereas in the second coaxial arc plasma gun 42, the solid constituting the cathode electrode KE is solid. The target is graphite containing at least one element of Si and B for forming the doped carbon film 28.

図６において、第１同軸アークプラズマガン４０は、グラファイトから成る固体ターゲットである円柱状のカソード電極ＫＥと、その外側を保持する絶縁体である筒状碍子ＣＥと、筒状碍子ＣＥの先端部に装着された円筒状のトリガ電極ＴＥと、トリガ電極ＴＥが筒状碍子ＣＥの外周に装着され且つカソード電極ＫＥが筒状碍子ＣＥ内に挿通されてそれらトリガ電極ＴＥ、筒状碍子ＣＥおよびカソード電極ＫＥが同心に組立てられた内側電極組み立体が、それらよりも大径の筒状のアノード電極ＡＥ内に、同心に配置されることで、構成されている。第１アーク電源４４は、カソード電極ＫＥとアースＥとの間に接続されたアーク電源ＡＳと、カソード電極ＫＥとトリガ電極ＴＥとの間に接続されたトリガ電源ＴＳと、カソード電極ＫＥとアースＥとの間に接続されたコンデンサＣとを備えている。 In FIG. 6, the first coaxial arc plasma gun 40 has a columnar cathode electrode KE which is a solid target made of graphite, a tubular porcelain CE which is an insulator holding the outside thereof, and a tip portion of the tubular porcelain CE. The cylindrical trigger electrode TE mounted on the cylinder and the trigger electrode TE are mounted on the outer periphery of the tubular porcelain CE, and the cathode electrode KE is inserted into the tubular porcelain CE to insert the trigger electrode TE, the tubular porcelain CE and the cathode. The inner electrode assembly solids in which the electrodes KE are assembled concentrically are arranged concentrically in the tubular anode electrode AE having a larger diameter than those. The first arc power supply 44 includes an arc power supply AS connected between the cathode electrode KE and the earth E, a trigger power supply TS connected between the cathode electrode KE and the trigger electrode TE, and a cathode electrode KE and the earth E. It is provided with a capacitor C connected between the and.

このように構成された第１同軸アークプラズマガン４０では、トリガ電極ＴＥより沿面放電により電子を発生させてトリガをかけ、コンデンサＣに充電された電荷を一気にカソード電極ＫＥに放電させて、カソード電極ＫＥを構成する固体ターゲットであるグラファイトを液化→気化→プラズマ化して筒状のアノード電極ＡＥの先端開口から高エネルギのプラズマ化された粒子Ｐを工具母材２２に向かって飛散させ、工具母材２２に被着させる。このように、第１同軸アークプラズマガン４０を駆動することでアンドープ炭素膜２６を成膜し、続いて第２同軸アークプラズマガン４２を駆動することでドープド炭素膜２８を成膜することで、高硬度硬質炭素複合膜２４を工具母材２２の表面に成膜する。アンドープ炭素膜２６とドープド炭素膜２８とが複数対積層された図４に示す高硬度硬質炭素複合膜２４を成膜する場合は、上記第１同軸アークプラズマガン４０の駆動と第２同軸アークプラズマガン４２の駆動とが繰り替えされる。 In the first coaxial arc plasma gun 40 configured in this way, electrons are generated from the trigger electrode TE by creeping discharge to trigger the trigger, and the electric charge charged in the capacitor C is discharged to the cathode electrode KE at once to discharge the cathode electrode KE at once. Graphite, which is a solid target constituting KE, is liquefied → vaporized → plasmaized, and high-energy plasmaized particles P are scattered from the tip opening of the tubular anode electrode AE toward the tool base material 22 to be scattered toward the tool base material 22. It is attached to 22. In this way, the undoped carbon film 26 is formed by driving the first coaxial arc plasma gun 40, and then the doped carbon film 28 is formed by driving the second coaxial arc plasma gun 42. A high-hardness hard carbon composite film 24 is formed on the surface of the tool base material 22. When forming the high-hardness hard carbon composite film 24 shown in FIG. 4 in which a plurality of pairs of the undoped carbon film 26 and the doped carbon film 28 are laminated, the driving of the first coaxial arc plasma gun 40 and the second coaxial arc plasma are performed. The drive of the gun 42 is repeated.

上記同軸型真空アーク蒸着装置３０では、その成膜動作はコンデンサＣの充放電の繰り返しに同期して周期的に行なわれるので、カソードシャッタや基板シャッタを用いることなく、コンデンサＣの充放電回数を設定することにより工具母材２２に被着させられる炭素膜の膜厚を所望の値に制御できる。また、上記同軸型真空アーク蒸着装置３０では、電子の発生にガスを用いていないので、１０^−５Ｐａ程度より低い超高真空下において純度の高い非晶質炭素膜（ＤＬＣ）を成膜できるとともに、プラズマのイオン化率が８０％程度と高く、粒子の運動エネルギが高いため、緻密で密着性のよい炭素膜が形成できる。 In the coaxial vacuum arc vapor deposition apparatus 30, the film forming operation is periodically performed in synchronization with the repetition of charging and discharging of the capacitor C, so that the number of times of charging and discharging of the capacitor C can be determined without using a cathode shutter or a substrate shutter. By setting, the film thickness of the carbon film adhered to the tool base material 22 can be controlled to a desired value. Further, since the coaxial vacuum arc vapor deposition apparatus 30 does not use gas to generate electrons, a high-purity amorphous carbon film (DLC) can be formed under an ultra-high vacuum lower than about ^{10-5 Pa.} At the same time, the ionization rate of the plasma is as high as about 80%, and the kinetic energy of the particles is high, so that a dense carbon film having good adhesion can be formed.

図７は、図３に示す膜構成と同様に製作した各試料の、工具母材の材質、アンドープ炭素膜２６の膜厚ｘ、ドープド炭素膜２８のドープ元素、その合計濃度ｂ（ａｔ％）、ドープド炭素膜２８の膜厚ｙ、高硬度硬質炭素複合膜（アンドープ炭素膜２６およびドープド炭素膜２８）の水素含有量ｚ（ａｔ％）、高硬度硬質炭素複合膜２４の硬さＨｉｔ（ＧＰａ）、および、高硬度硬質炭素複合膜２４の硬さが５４ＧＰａを超えたか否かの合否判定評価を示す表である。なお、ドープド炭素膜２８の膜厚ｙは、１．０〜１０．０μｍが用いられる。 FIG. 7 shows the material of the tool base material, the thickness x of the undoped carbon film 26, the doped element of the doped carbon film 28, and the total concentration b (at%) of each sample produced in the same manner as the film configuration shown in FIG. , The thickness y of the doped carbon film 28, the hydrogen content z (at%) of the high-hardness hard carbon composite film (undoped carbon film 26 and the doped carbon film 28), and the hardness Hit (GPa) of the high-hardness hard carbon composite film 24. ), And a table showing a pass / fail determination evaluation as to whether or not the hardness of the high-hardness hard carbon composite film 24 exceeds 54 GPa. The film thickness y of the doped carbon film 28 is 1.0 to 10.0 μm.

以下に、上記各試料の高硬度硬質炭素複合膜２４或いはそれを構成するアンドープ炭素膜２６およびドープド炭素膜２８について、厚み、ドープされた元素濃度、水素濃度、および硬さの分析（測定）について説明する。 The following is an analysis (measurement) of the thickness, the doped element concentration, the hydrogen concentration, and the hardness of the high-hardness hard carbon composite film 24 of each of the above samples, or the undoped carbon film 26 and the doped carbon film 28 constituting the same. explain.

アンドープ炭素膜２６の膜厚ｘおよびドープド炭素膜２８の膜厚ｙの測定は、成膜時であれば、触針式段差計またはレーザ顕微鏡を用いて行なった。成膜後であれば、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）を用いて行なった。 The film thickness x of the undoped carbon film 26 and the film thickness y of the doped carbon film 28 were measured by using a stylus type step meter or a laser microscope at the time of film formation. After film formation, secondary ion mass spectrometry (SIMS) was used.

ドープド炭素膜２８内にドープされた元素およびその合計濃度ｂは、ＸＰＳ（Ｘ線光電子分光分析法）を用いて測定した。その測定条件および測定法は以下の通りである。
（ＸＰＳ測定条件）
・使用Ｘ線：Ｍｇ−Ｋα
・Ｘ線電圧：１５ｋＶ
・Ｘ線電力：４００Ｗ
・測定圧力：＜８Ｅ−７Ｐａ
・測定範囲Ｂ：１８２〜２０２ｅＶ
Ｓｉ：９４〜１１４ｅＶ The elements doped in the doped carbon film 28 and their total concentration b were measured using XPS (X-ray photoelectron spectroscopy). The measurement conditions and measurement methods are as follows.
(XPS measurement conditions)
・ X-ray used: Mg-Kα
・ X-ray voltage: 15kV
・ X-ray power: 400W
-Measurement pressure: <8E-7Pa
-Measurement range B: 182 to 202 eV
Si: 94-114 eV

各試料のドープド炭素膜２８にＭｇ−Ｋα線を照射し、試料から放出された光電子を検出器を用いて測定する。測定電子の原子核に対する結合エネルギを横軸とし、測定電子の強度を縦軸としたとき、得られた信号波形から定性分析や定量分析、化学結合状態の分析を行なった。Ｂについては、横軸が１８２〜２０２ｅＶの範囲内で元素濃度ｂ１を測定し、Ｓｉについては、横軸が９４〜１１４ｅＶの範囲内で元素濃度ｂ２を測定した。そして、それらＢの元素濃度およびＳｉの元素濃度の合計濃度ｂ（＝ｂ１＋ｂ２）を算出した。 The doped carbon film 28 of each sample is irradiated with Mg-Kα rays, and the photoelectrons emitted from the samples are measured using a detector. When the bond energy of the measurement electron to the nucleus was on the horizontal axis and the intensity of the measurement electron was on the vertical axis, qualitative analysis, quantitative analysis, and chemical bond state analysis were performed from the obtained signal waveform. For B, the element concentration b1 was measured in the range of 182 to 202 eV on the horizontal axis, and for Si, the element concentration b2 was measured in the range of 94 to 114 eV on the horizontal axis. Then, the total concentration b (= b1 + b2) of the element concentration of B and the element concentration of Si was calculated.

高硬度硬質炭素複合膜２４内の水素含有量ｚは、ＥＲＤＡ（弾性反跳法）を用いて測定した。その測定条件および測定法は以下の通りである。
（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：Ｈｅ＋＋
・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° The hydrogen content z in the high hardness hard carbon composite film 24 was measured using ERDA (elastic recoil method). The measurement conditions and measurement methods are as follows.
(ERDA analysis conditions)
-Type of analysis: ERDA (HFS, forward scattering)
-Ion species of incident ion beam: He ++
-Energy of incident ion beam: 2.275 MeV
・ Normal detector angle: 160 °
・ Glazing detector angle: 30 °
-Angle of incident ion beam with respect to sample normal: 75 °

超高真空のチャンバ内において、試料に成膜された高硬度硬質炭素複合膜２４に対して、入射イオンビームを入射させたときに、その入射イオンビームの前方に反跳された水素粒子（水素元素）をフィルタを通して半導体検出器により計数する。この計数値から高硬度硬質炭素複合膜２４中の水素濃度を算出した。 When an incident ion beam is incident on a high-hardness hard carbon composite film 24 formed on a sample in an ultra-high vacuum chamber, hydrogen particles (hydrogen) rebounded in front of the incident ion beam. Elements) are counted by a semiconductor detector through a filter. The hydrogen concentration in the high hardness hard carbon composite film 24 was calculated from this count value.

高硬度硬質炭素複合膜２４の硬度Ｈｉｔは、ＩＳＯ規格「ＩＳＯ１４５７７−４：２０１６」に規定されているナノインデンテーション法を用いて測定した。具体的には、各試料の高硬度硬質炭素複合膜２４に対する圧子の押し込み硬さ（ＧＰａ）すなわちナノインデンテーション硬さＨｉｔ（ＭＰａ＝Ｎ／ｍｍ^２）を、「ＩＳＯ１４５７７−４：２０１６」に準拠する市販の薄膜硬度計（ナノインデンター）を用いて測定した。なお、試験条件は、以下の通りである。
（ナノインデンテーション試験条件）
・試験荷重：５ｍＮ
・荷重到達時間：１０ｓｅｃ
・荷重保持時間：５ｓｅｃ
・除荷時間：１０ｓｅｃ
・試験箇所：１０ポイント以上 The hardness Hit of the high hardness hard carbon composite film 24 was measured using the nanoindentation method specified in the ISO standard "ISO14577-4: 2016". Specifically, the indentation hardness (GPa), that is, the nanoindentation hardness Hit (MPa = N / mm ² ) of each sample with respect to the high hardness hard carbon composite film 24 is based on "ISO14577-4: 2016". It was measured using a commercially available thin film hardness tester (nano indenter). The test conditions are as follows.
(Nano indentation test conditions)
・ Test load: 5mN
・ Load arrival time: 10 sec
・ Load holding time: 5 sec
・ Unloading time: 10 sec
・ Test location: 10 points or more

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５４ＧＰａ以上であるものが、合格と判定された。合格判定されたものは、実施例品１から実施例品２１に示す試料である。また、ナノインデンデーション硬さＨｉｔが５４ＧＰａをした回る不合格判定されたものは、比較例品１〜比較例品３の試料である。 In the evaluation of each sample shown in FIG. 7, the indentation hardness of the amorphous carbon film by the nanoindenation method, that is, the nanoindenation hardness Hit of 54 GPa or more was judged to be acceptable. The samples that were judged to be acceptable are the samples shown in Example products 1 to 21. Further, the samples of Comparative Example Products 1 to 3 were judged to be rejected when the nano-indene hardness Hit was 54 GPa.

図７に示すように、実施例品１から実施例品２１に示す試料は、本発明品であって、アンドープ炭素膜２６は、０．１μｍ以上且つ１０μｍ以下の膜厚ｘを備えている点、ドープド炭素膜２８は、１．０〜１０．０μｍの厚さの膜厚ｙを備えている点、アンドープ炭素膜２６には元素が添加されておらず、炭素のみ構成されている点、ドープド炭素膜２８には、Ｓｉ元素およびＢ元素のうちの少なくとも一方が添加されており、その元素の添加量ｂは、合計で、０．１ａｔ％以上且つ２０ａｔ％以下である点、アンドープ炭素膜２６およびドープド炭素膜２８の水素含有量は、５ａｔ（原子）％以下である点、ナノインデンテーション法による押し込み硬さＨｉｔが５４ＧＰａ以上の硬度を有する点で、共通している。 As shown in FIG. 7, the samples shown in Examples 1 to 21 are the products of the present invention, and the undoped carbon film 26 has a film thickness x of 0.1 μm or more and 10 μm or less. The doped carbon film 28 has a thickness y of 1.0 to 10.0 μm, the undoped carbon film 26 has no element added, and is composed only of carbon. At least one of Si element and B element is added to the carbon film 28, and the total amount b of the element added is 0.1 at% or more and 20 at% or less, and the undoped carbon film 26 The hydrogen content of the doped carbon film 28 is 5 at (atomic)% or less, and the indentation hardness Hit by the nanoindentation method has a hardness of 54 GPa or more.

比較例品１の試料は、アンドープ炭素膜２６の膜厚ｘが０．０５μｍであるので、工具母材２２中のＣｏ元素の拡散抑制効果が十分に得られていなかったと推定される。また、比較例品２の試料は、ドープド炭素膜２８に含まれるＳｉ元素の濃度ｂが０．０５ａｔ％であるので、Ｓｉ元素のドーピングによる高硬度化が不十分であったと推定される。比較例品３の試料は、ドープド炭素膜２８に含まれるＳｉ元素の濃度ｂが３０ａｔ％であるので、過剰な濃度により高硬度化が得られなかったと推定される。 In the sample of Comparative Example Product 1, since the film thickness x of the undoped carbon film 26 was 0.05 μm, it is presumed that the effect of suppressing the diffusion of the Co element in the tool base material 22 was not sufficiently obtained. Further, in the sample of Comparative Example Product 2, since the concentration b of the Si element contained in the doped carbon film 28 was 0.05 at%, it is presumed that the hardness was not sufficiently increased by doping the Si element. In the sample of Comparative Example Product 3, since the concentration b of the Si element contained in the doped carbon film 28 was 30 at%, it is presumed that the hardness could not be increased due to the excessive concentration.

これに対して、実施例品１から実施例品２１に示す試料では、０．１μｍ以上且つ１０μｍ以下の膜厚ｘを有するアンドープ炭素膜２６が、工具母材２２とドープド炭素膜２８との間に介在させられていることから、工具母材２２中のＣｏ元素のドープド炭素膜２８への拡散がアンドープ炭素膜２６によって阻止されるので、ドープド炭素膜２８の硬度の低下がなく、高硬度硬質炭素複合膜２４が得られる。 On the other hand, in the samples shown in Examples 1 to 21, the undoped carbon film 26 having a film thickness x of 0.1 μm or more and 10 μm or less is between the tool base material 22 and the doped carbon film 28. Since the Co element in the tool base material 22 is blocked by the undoped carbon film 26, the hardness of the doped carbon film 28 does not decrease and the hardness is high. The carbon composite film 24 is obtained.

図８は、超硬合金製の工具母材２２の表面に被着されたアンドープ炭素膜２６の、工具母材２２中のＣｏ元素を拡散を抑制する作用を説明するためのものである。図８は、超硬合金製の工具母材２２の表面にアンドープ炭素膜２６が直接被着された試料の断面を示すＳＥＭ写真であり、図９は図８の試料内の炭素Ｃ、コバルトＣｏの元素濃度の分布をそれぞれ示す図である。また、図１０は、超硬合金製の工具母材２２の表面にホウ素Ｂがドープされているドープド炭素膜２８が直接被着された試料の断面を示すＳＥＭ写真であり、図１１は、図１０の試料内にドープされた炭素Ｃ、ホウ素Ｂ、およびコバルトＣｏのうち、炭素ＣおよびコバルトＣｏの元素濃度の分布をそれぞれ示す図である。 FIG. 8 is for explaining the action of the undoped carbon film 26 adhered to the surface of the tool base material 22 made of cemented carbide to suppress the diffusion of the Co element in the tool base material 22. FIG. 8 is an SEM photograph showing a cross section of a sample in which an undoped carbon film 26 is directly adhered to the surface of a tool base material 22 made of cemented carbide, and FIG. 9 is a SEM photograph showing carbon C and cobalt Co in the sample of FIG. It is a figure which shows the distribution of the element concentration of. Further, FIG. 10 is an SEM photograph showing a cross section of a sample in which a doped carbon film 28 in which boron B is doped is directly adhered to the surface of a tool base material 22 made of cemented carbide, and FIG. 11 is a diagram. It is a figure which shows the distribution of the element concentration of carbon C and cobalt Co among carbon C, boron B, and cobalt Co doped in 10 samples, respectively.

図８および図９に示す試料では、工具母材２２中のＣｏ元素がアンドープ炭素膜２６内へ拡散されない。しかし、図１０および図１１に示す試料では、工具母材２２中のＣｏ元素がドープド炭素膜２６内へ拡散されている。このことから、ホウ素Ｂがドープされているドープド炭素膜２８は、超硬合金製の工具母材２２中のコバルトＣｏがドープド炭素膜２８内へ拡散することを促進させる点が、明らかとなった。 In the samples shown in FIGS. 8 and 9, the Co element in the tool base material 22 is not diffused into the undoped carbon film 26. However, in the samples shown in FIGS. 10 and 11, the Co element in the tool base material 22 is diffused into the doped carbon film 26. From this, it was clarified that the boron B-doped doped carbon film 28 promotes the diffusion of cobalt Co in the cemented carbide tool base material 22 into the doped carbon film 28. ..

図１２は、珪素Ｓｉの元素がドープされたドープド炭素膜２８を超硬合金製の工具母材２２の上に被着させた場合のアンドープ炭素膜２６の効果を、ナノインデンデーション硬さＨｉｔ（ＧＰａ）にて示す図である。図１２では、超硬合金製の工具母材２２の上にアンドープ炭素膜２６が直接被着されることにより構成された試料１のナノインデンテーション硬さＨｉｔが横軸の左端位置に示され、超硬合金製の工具母材２２の上に珪素Ｓｉの元素がドープされたドープド炭素膜２８が直接被着されることにより構成された試料２のナノインデンテーション硬さＨｉｔが横軸の中間位置に示され、超硬合金製の工具母材２２の上に珪素Ｓｉの元素がドープされたドープド炭素膜２８がアンドープ炭素膜２６を介して被着されることにより構成された試料３のナノインデンテーション硬さＨｉｔが横軸の右端位置に示されている。ドープド炭素膜２８内へコバルトＣｏ元素が拡散している試料２のナノインデンテーション硬さＨｉｔは２８．４ＧＰａであるので最も低いが、ドープド炭素膜２８内へのコバルトＣｏ元素の拡散がアンドープ炭素膜２６により抑制されている試料３のナノインデンテーション硬さＨｉｔが６０．０ＧＰａで最も高い。 FIG. 12 shows the effect of the undoped carbon film 26 when the doped carbon film 28 doped with the element of silicon Si is adhered onto the tool base material 22 made of cemented carbide. It is a figure shown by GPa). In FIG. 12, the nanoindentation hardness Hit of sample 1 formed by directly adhering the undoped carbon film 26 on the tool base material 22 made of cemented carbide is shown at the left end position on the horizontal axis. The nanoindentation hardness Hit of sample 2 formed by directly adhering a doped carbon film 28 doped with an element of silicon Si onto a tool base material 22 made of cemented carbide is located at an intermediate position on the horizontal axis. The nano-inden of sample 3 is composed of a cemented carbide tool base material 22 coated with a doped carbon film 28 doped with an element of silicon Si via an undoped carbon film 26. The tension hardness Hit is shown at the right end position on the horizontal axis. The nanoindentation hardness Hit of sample 2 in which the cobalt Co element is diffused into the doped carbon film 28 is the lowest because it is 28.4 GPa, but the diffusion of the cobalt Co element into the doped carbon film 28 is the undoped carbon film. The nanoindentation hardness Hit of sample 3 suppressed by 26 is the highest at 60.0 GPa.

図１３は、ホウ素Ｂの元素がドープされたドープド炭素膜２８を超硬合金製の工具母材２２の上に被着させた場合のアンドープ炭素膜２６の効果を、ナノインデンデーション硬さＨｉｔ（ＧＰａ）にて示す図である。図１３では、超硬合金製の工具母材２２の上にアンドープ炭素膜２６が直接被着されることにより構成された試料４のナノインデンテーション硬さＨｉｔが横軸の左端位置に示され、超硬合金製の工具母材２２の上にホウ素Ｂの元素がドープされたドープド炭素膜２８が直接被着されることにより構成された試料５のナノインデンテーション硬さＨｉｔが横軸の中間位置に示され、超硬合金製の工具母材２２の上にホウ素Ｂの元素がドープされたドープド炭素膜２８がアンドープ炭素膜２６を介して被着されることにより構成された試料６のナノインデンテーション硬さＨｉｔが横軸の右端位置に示されている。ドープド炭素膜２８内へコバルトＣｏ元素が拡散している試料５のナノインデンテーション硬さＨｉｔは４２．８ＧＰａであるので最も低いが、ドープド炭素膜２８内へのコバルトＣｏ元素の拡散がアンドープ炭素膜２６により抑制されている試料６のナノインデンテーション硬さＨｉｔが５８．３ＧＰａで最も高い。 FIG. 13 shows the effect of the undoped carbon film 26 when the doped carbon film 28 doped with the element of boron B is adhered onto the tool base material 22 made of cemented carbide. It is a figure shown by GPa). In FIG. 13, the nanoindentation hardness Hit of the sample 4 formed by directly adhering the undoped carbon film 26 on the tool base material 22 made of cemented carbide is shown at the left end position on the horizontal axis. The nanoindentation hardness Hit of sample 5, which is formed by directly adhering a doped carbon film 28 doped with an element of boron B onto a tool base material 22 made of cemented carbide, is located at an intermediate position on the horizontal axis. The nano-inden of sample 6 is composed of a cemented carbide tool base material 22 coated with a doped carbon film 28 doped with an element of boron B via an undoped carbon film 26. The tension hardness Hit is shown at the right end position on the horizontal axis. The nanoindentation hardness Hit of sample 5 in which the cobalt Co element is diffused into the doped carbon film 28 is the lowest because it is 42.8 GPa, but the diffusion of the cobalt Co element into the doped carbon film 28 is the undoped carbon film. The nanoindentation hardness Hit of sample 6 suppressed by 26 is the highest at 58.3 GPa.

上述のように、本実施例のドリル（高硬度硬質炭素複合膜被覆工具）１０の高硬度硬質炭素複合膜２４には、工具母材２２側に位置し、元素が添加されないアンドープ炭素膜２６と、アンドープ炭素膜２６の上に被着され、ＳｉおよびＢのうちの少なくとも１つの元素がドーピングされたドープド炭素膜２８とが、含まれる。これにより、アンドープ炭素膜２６によって工具母材２２中の拡散元素たとえばＣｏがドープド炭素膜２８へ拡散することが抑制されるので、硬度がきわめて高く耐摩耗性も高い高硬度硬質炭素複合膜被覆工具１０が得られる。 As described above, the high hardness hard carbon composite film 24 of the drill (high hardness hard carbon composite film coating tool) 10 of this embodiment has an undoped carbon film 26 located on the tool base material 22 side and to which no element is added. , A doped carbon film 28 deposited on the undoped carbon film 26 and doped with at least one element of Si and B. As a result, the undoped carbon film 26 suppresses the diffusion of diffusing elements such as Co in the tool base material 22 to the doped carbon film 28, so that the tool is a high-hardness hard carbon composite film coating tool having extremely high hardness and high wear resistance. 10 is obtained.

また、本実施例のドリル１０の高硬度硬質炭素複合膜２４によれば、アンドープ炭素膜２６およびドープド炭素膜２８の水素含有量は、弾性反跳法を用いる測定で５ａｔ％以下であり、ナノインデンテーション法を用いた測定で５４ＧＰａ以上の被膜硬さを有することから、硬度がきわめて高い高硬度硬質炭素複合膜２４により、ドリル１０の高い摩耗性が得られる。 Further, according to the high hardness hard carbon composite film 24 of the drill 10 of this example, the hydrogen content of the undoped carbon film 26 and the doped carbon film 28 is 5 at% or less as measured by the elastic rebound method, and is nano. Since the film has a film hardness of 54 GPa or more as measured by the indentation method, the high hardness hard carbon composite film 24 having extremely high hardness provides high wear resistance of the drill 10.

また、本実施例のドリル１０の高硬度硬質炭素複合膜２４によれば、アンドープ炭素膜２６の膜厚ｘは、０．１μｍ≦ｘ≦１０μｍで示される範囲内であることから、硬度がきわめて高く耐摩耗性も高いドリル１０が得られる。アンドープ炭素膜２６の膜厚ｘが０．１μｍを下回る場合は、アンドープ炭素膜２６による工具母材２２中の拡散元素たとえばＣｏの拡散を抑止する性能が十分に得られず、高硬度硬質炭素複合膜２４の硬度が低下する。また、アンドープ炭素膜２６の膜厚ｘが１０μｍを上回る場合は、高硬度硬質炭素複合膜２４の膜厚分の曲率半径Ｒが工具母材２２の角に形成される。上記の高硬度硬質炭素複合膜２４が金型等に適用される場合は問題ないかもしれないが、上記の高硬度硬質炭素複合膜２４が切削工具に適用される場合は、切れ刃１２の曲率半径Ｒが大きくなるので、切削工具としての用途が制限される。 Further, according to the high hardness hard carbon composite film 24 of the drill 10 of the present embodiment, the film thickness x of the undoped carbon film 26 is within the range shown by 0.1 μm ≦ x ≦ 10 μm, so that the hardness is extremely high. A drill 10 having high high wear resistance can be obtained. When the film thickness x of the undoped carbon film 26 is less than 0.1 μm, the ability of the undoped carbon film 26 to sufficiently suppress the diffusion of diffusing elements such as Co in the tool base material 22 cannot be sufficiently obtained, and the high hardness hard carbon composite is obtained. The hardness of the film 24 decreases. When the film thickness x of the undoped carbon film 26 exceeds 10 μm, the radius of curvature R corresponding to the film thickness of the high hardness hard carbon composite film 24 is formed at the corner of the tool base material 22. There may be no problem when the above-mentioned high-hardness hard carbon composite film 24 is applied to a mold or the like, but when the above-mentioned high-hardness hard carbon composite film 24 is applied to a cutting tool, the curvature of the cutting edge 12 Since the radius R becomes large, its use as a cutting tool is limited.

本実施例のドリル１０の高硬度硬質炭素複合膜２４によれば、ドープド炭素膜２８にドープされた元素の合計濃度ｂは、Ｘ線光電子分光分析法（ＸＰＳ）を用いる測定で０．１ａｔ％≦ｂ≦２０ａｔ％で示される範囲内であることから、硬度がきわめて高く耐摩耗性も高いドリル１６が得られる。ドープド炭素膜２８にドープされた元素の合計濃度ｂが０．１ａｔ％を下回る場合は、高硬度硬質炭素複合膜２４の硬度が十分に得られない。また、ドープド炭素膜２８にドープされた元素の合計濃度ｂが２０ａｔ％を上回る場合も、高硬度硬質炭素複合膜２４の硬度が十分に得られない。 According to the high-hardness hard carbon composite film 24 of the drill 10 of this example, the total concentration b of the elements doped in the doped carbon film 28 is 0.1 at% as measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Since it is within the range indicated by ≦ b ≦ 20 at%, the drill 16 having extremely high hardness and high wear resistance can be obtained. When the total concentration b of the elements doped in the doped carbon film 28 is less than 0.1 at%, the hardness of the high hardness hard carbon composite film 24 cannot be sufficiently obtained. Further, when the total concentration b of the elements doped in the doped carbon film 28 exceeds 20 at%, the hardness of the high hardness hard carbon composite film 24 cannot be sufficiently obtained.

図３に示す実施例のドリル１０の高硬度硬質炭素複合膜２４によれば、アンドープ炭素膜２６は工具母材２２の表面に直接被着され、ドープド炭素膜２８は、その工具母材２２の表面に直接被着されたアンドープ炭素膜２６の表面に直接被着され、且つ高硬度硬質炭素複合膜の最外側に位置していることから、耐摩耗性の高いドリル１０が得られる。 According to the high-hardness hard carbon composite film 24 of the drill 10 of the embodiment shown in FIG. 3, the undoped carbon film 26 is directly adhered to the surface of the tool base material 22, and the doped carbon film 28 is the tool base material 22. Since the undoped carbon film 26 directly adhered to the surface is directly adhered to the surface and is located on the outermost side of the high hardness hard carbon composite film, the drill 10 having high wear resistance can be obtained.

図４に示す本実施例のドリル１０の高硬度硬質炭素複合膜２４によれば、アンドープ炭素膜２６とアンドープ炭素膜２６の表面に直接被着されたドープド炭素膜２８とが、工具母材２２の表面に交互に積層されていることから、耐摩耗性および耐久性の高いドリル１０が得られる。 According to the high-hardness hard carbon composite film 24 of the drill 10 of the present embodiment shown in FIG. 4, the undoped carbon film 26 and the doped carbon film 28 directly adhered to the surface of the undoped carbon film 26 are the tool base material 22. Since the drills 10 are alternately laminated on the surface of the drill 10, a drill 10 having high wear resistance and durability can be obtained.

本実施例のドリル１０によれば、工具母材２２は、超硬合金又は高速度工具鋼から成ることから、アンドープ炭素膜２６により超硬合金又は高速度工具鋼中に含まれる添加元素がドープド炭素膜２８へ拡散することが抑制されてドープド炭素膜２８の硬度が維持されるので、硬度がきわめて高いドリル１０が得られる。 According to the drill 10 of this embodiment, since the tool base material 22 is made of cemented carbide or high-speed tool steel, the undoped carbon film 26 is doped with additive elements contained in the cemented carbide or high-speed tool steel. Since diffusion to the carbon film 28 is suppressed and the hardness of the doped carbon film 28 is maintained, a drill 10 having extremely high hardness can be obtained.

本実施例のドリル１６によれば、工具母材２２の一部または全部、すなわち切削時に被削材と摺接するボデー１６が高硬度硬質炭素複合膜２４によって被覆されているので、高い硬度と高い耐久性が得られる。 According to the drill 16 of this embodiment, a part or all of the tool base material 22, that is, the body 16 that is in sliding contact with the work material at the time of cutting is covered with the high hardness hard carbon composite film 24, so that the hardness is high. Durability is obtained.

本実施例のドリル１６によれば、真空チャンバ３６内において、筒型アノード電極ＡＥと筒型アノード電極ＡＥ内に同軸に配置されたグラファイトから成るカソード電極ＫＥとの間に放電させることにより、筒型アノードＡＥの先端に開く開口から放出された高エネルギのプラズマ化された粒子Ｐが工具母材２２の一部または全部に当てられることで、工具母材２２上に高硬度硬質炭素複合膜２４が形成されるので、高硬度硬質炭素複合膜２４により被覆されたドリル１６が得られる。 According to the drill 16 of the present embodiment, the cylinder is discharged by discharging between the tubular anode electrode AE and the graphite cathode electrode KE coaxially arranged in the tubular anode electrode AE in the vacuum chamber 36. The high-energy plasmaized particles P emitted from the opening opened at the tip of the mold anode AE are applied to a part or all of the tool base material 22, so that the high-hardness hard carbon composite film 24 is placed on the tool base material 22. Is formed, so that a drill 16 coated with a high-hardness hard carbon composite film 24 can be obtained.

図１４は、ドリル１０の製造に用いるパルスレーザ蒸着装置（ＰＬＤ）６０を説明する概略構成図（模式図）である。プラズマレーザ蒸着装置は、処理容器としての真空チャンバ６２と、真空チャンバ６２内の雰囲気を５３Ｐａ程度の圧力で水素ガスとする雰囲気調整装置６４と、グラファイト製のターゲット６６を保持しつつ軸周りに回転させるターゲット保持装置６８と、ターゲット６６から十数センチ離して工具母材を保持する母材保持装置７０と、１９３ｎｍの波長且つ３×１０^−８Ｗ／ｃｍ^２の強度を有するエキシマレーザ光をターゲット６６に対して５０Ｈｚのパルス周期で照射してグラファイトを蒸散させ、工具母材に被着させるエキシマレーザ装置７２と、を備えている。 FIG. 14 is a schematic configuration diagram (schematic diagram) for explaining the pulse laser vapor deposition apparatus (PLD) 60 used for manufacturing the drill 10. The plasma laser vapor deposition device rotates around an axis while holding a vacuum chamber 62 as a processing container, an atmosphere adjusting device 64 that converts the atmosphere inside the vacuum chamber 62 into hydrogen gas at a pressure of about 53 Pa, and a graphite target 66. Targets a target holding device 68 to be made, a base material holding device 70 that holds a tool base material at a distance of a dozen centimeters from the target 66, and an excimer laser beam having ^{a wavelength of 193 nm and an intensity of 3 × 10-8} W / cm ^2. It is provided with an excimer laser device 72 that irradiates 66 with a pulse period of 50 Hz to evaporate graphite and adhere it to a tool base material.

このように構成されたパルスレーザ蒸着装置６０では、真空チャンバ６２内において、工具母材を５５０℃程度に加熱した状態で、軸まわりに回転するターゲット６６にエキシマレーザ光をターゲット６６に対して５０Ｈｚのパルス周期で照射してグラファイトが蒸散させられる。ターゲット６６が純粋なグラファイトである場合には、工具母材の表面にアンドープ炭素層２６が形成される。次いで、ターゲット６６がＳｉまたはＢを含むグラファイトとすると、工具母材の表面には、アンドープ炭素層２６を介してドープド炭素膜２８が形成される。すなわち高硬度硬質炭素複合膜２４が形成される。 In the pulse laser vapor deposition apparatus 60 configured in this way, the excimer laser beam is applied to the target 66 rotating around the axis at 50 Hz with respect to the target 66 in a state where the tool base material is heated to about 550 ° C. in the vacuum chamber 62. The graphite is vaporized by irradiating with a pulse cycle of. When the target 66 is pure graphite, an undoped carbon layer 26 is formed on the surface of the tool base material. Next, assuming that the target 66 is graphite containing Si or B, a doped carbon film 28 is formed on the surface of the tool base material via the undoped carbon layer 26. That is, the high hardness hard carbon composite film 24 is formed.

パルスレーザ蒸着装置（ＰＬＤ）６０を上記の条件で用いた場合には、得られた炭素膜すなわちＤＬＣ膜中には、１０ｎｍ以下の超ナノ微結晶ダイヤモンド結晶ＵＮＣＤが混在している。このような非晶質炭素と超ナノ微結晶ダイヤモンドとの混相膜から構成される高硬度硬質炭素複合膜２４は、異種基板への成長性、膜の温度安定性、膜の平滑性に優れており、ドリル１０耐久性が高められる。 When the pulsed laser vapor deposition apparatus (PLD) 60 is used under the above conditions, ultra-nanomicrocrystalline diamond crystal UNCD having a diameter of 10 nm or less is mixed in the obtained carbon film, that is, the DLC film. The high-hardness hard carbon composite film 24 composed of such a mixed film of amorphous carbon and ultra-nanomicrocrystalline diamond is excellent in growthability to different kinds of substrates, temperature stability of the film, and smoothness of the film. The durability of the drill 10 is enhanced.

以上、本発明の一実施例を図面に基づいて説明したが、本発明はその他の態様においても実施される。 Although one embodiment of the present invention has been described above with reference to the drawings, the present invention is also carried out in other aspects.

たとえば、前述の実施例では、高硬度硬質炭素複合膜２４がドリル１０に適用されていたが、高硬度硬質炭素複合膜２４は、ドリルやエンドミル、フライス、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、適用され得る。 For example, in the above-described embodiment, the high-hardness hard carbon composite film 24 was applied to the drill 10, but the high-hardness hard carbon composite film 24 is used for cutting tools such as drills, end mills, milling cutters, and cutting tools, raising taps, and rolling. It can be applied to various processing tools such as manufacturing tools and non-cutting tools such as press dies, and various tool members such as friction parts that require wear resistance.

また、前述の実施例において、工具母材２２は、超硬合金製或いは高速度工具鋼製であったが、拡散元素を含むものであれば、他の材料製であってもよい。 Further, in the above-described embodiment, the tool base material 22 is made of cemented carbide or high-speed tool steel, but may be made of another material as long as it contains a diffusing element.

また、前述の図３および図４に示す実施例では、高硬度硬質炭素複合膜２４の一部を構成するアンドープ炭素層２６は工具母材２２に直接被着されていたが、他の膜を介して間接的に被着されていてもよい。要するに、アンドープ炭素層２６は工具母材２２とドープド炭素膜２８との間に介在させられていればよい。 Further, in the examples shown in FIGS. 3 and 4 described above, the undoped carbon layer 26 forming a part of the high hardness hard carbon composite film 24 was directly adhered to the tool base material 22, but other films were formed. It may be indirectly adhered through. In short, the undoped carbon layer 26 may be interposed between the tool base material 22 and the doped carbon film 28.

以上、本発明の実施例を図面に母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。 Hereinafter, examples of the present invention have been described in detail with reference to the drawings, but these are merely embodiments, and the present invention has various modifications and improvements based on the knowledge of those skilled in the art. Can be carried out.

１０：ドリル（高硬度硬質炭素複合膜被覆工具）
１２：切れ刃
１４：シャンク
１６：ボデー
１８：溝
２２：工具母材
２４：高硬度硬質炭素複合膜
２６：アンドープ炭素膜
２８：ドープド炭素膜
３０：同軸型真空アーク蒸着装置
３２：ワーク保持具
３４：回転装置
３６：真空チャンバ
３８：排気装置
４０：第１同軸アークプラズマガン
４２：第２同軸アークプラズマガン
４４：第１アーク電源
４６：第２アーク電源
ＫＥ：カソード電極
ＣＥ：筒状碍子
ＴＥ：トリガ電極
ＡＥ：アノード電極
ＡＳ：アーク電源
ＴＳ：トリガ電源
Ｃ：コンデンサ
６０：パルスレーザ蒸着装置
６２：真空チャンバ
６４：雰囲気調整装置
６６：ターゲット
６８：ターゲット保持装置
７０：母材保持装置
７２：エキシマレーザ装置 10: Drill (high hardness hard carbon composite film coating tool)
12: Cutting edge 14: Shank 16: Body 18: Groove 22: Tool base material 24: High hardness hard carbon composite film 26: Undoped carbon film 28: Doped carbon film 30: Coaxial vacuum arc vapor deposition device 32: Work holder 34 : Rotating device 36: Vacuum chamber 38: Exhaust device 40: First coaxial arc plasma gun 42: Second coaxial arc plasma gun 44: First arc power supply 46: Second arc power supply KE: Cathode electrode CE: Cylindrical laser TE: Trigger electrode AE: Cathode electrode AS: Arc power supply TS: Trigger power supply C: Condenser 60: Pulse laser vapor deposition device 62: Vacuum chamber 64: Atmosphere adjustment device 66: Target 68: Target holding device 70: Base material holding device 72: Exima laser Device

Claims

工具母材の表面に被着された高硬度硬質炭素複合膜被覆工具であって、
前記工具母材上に位置し、元素が添加されないアンドープ炭素膜と、前記アンドープ炭素膜の上に被着され、ＳｉおよびＢのうちの少なくとも１つの元素がドーピングされたドープド炭素膜とを、含む高硬度硬質炭素複合膜を備え、
前記アンドープ炭素膜およびドープド炭素膜は、非晶質炭素と１０ｎｍ以下の超ナノ微結晶ダイヤモンドとが混在する混相膜である
ことを特徴とする高硬度硬質炭素複合膜被覆工具。 A high-hardness hard carbon composite film coating tool adhered to the surface of the tool base material.
An undoped carbon film located on the tool base material to which no element is added and a doped carbon film adhered on the undoped carbon film and doped with at least one element of Si and B are included. Equipped with a high-hardness hard carbon composite film,
The undoped carbon film and the doped carbon film are high-hardness hard carbon composite film coating tools characterized in that they are mixed-phase films in which amorphous carbon and ultra-nanomicrocrystalline diamond having a diameter of 10 nm or less are mixed.

前記アンドープ炭素膜およびドープド炭素膜の水素含有量は、弾性反跳法を用いる測定で５ａｔ％以下であり、
前記高硬度硬質炭素複合膜は、ナノインデンテーション法を用いた測定で５４ＧＰａ以上の被膜硬さを有する
ことを特徴とする請求項１の高硬度硬質炭素複合膜被覆工具。 The hydrogen content of the undoped carbon film and the doped carbon film is 5 at% or less as measured by the elastic recoil method.
The high-hardness hard carbon composite film coating tool according to claim 1, wherein the high-hardness hard carbon composite film has a film hardness of 54 GPa or more as measured by a nanoindentation method.

前記アンドープ炭素膜の膜厚ｘは、０．１μｍ≦ｘ≦１０μｍで示される範囲内である
ことを特徴とする請求項１または２の高硬度硬質炭素複合膜被覆工具。 The high-hardness hard carbon composite film coating tool according to claim 1 or 2, wherein the film thickness x of the undoped carbon film is within the range shown by 0.1 μm ≦ x ≦ 10 μm.

前記ドープド炭素膜にドープされた元素の合計濃度ｂは、Ｘ線光電子分光分析法を用いる測定で０．１ａｔ％≦ｂ≦２０ａｔ％で示される範囲内である
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１に記載の高硬度硬質炭素複合膜被覆工具。 From claim 1, the total concentration b of the elements doped in the doped carbon film is within the range shown by 0.1 at% ≤ b ≤ 20 at% as measured by X-ray photoelectron spectroscopy. The high-hardness hard carbon composite film coating tool according to any one of 3.

前記アンドープ炭素膜は、前記工具母材の表面に直接被着され、
前記ドープド炭素膜は、前記工具母材の表面に直接被着された前記アンドープ炭素膜の表面に直接被着され、且つ前記高硬度硬質炭素複合膜の最外側に位置している
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１に記載の高硬度硬質炭素複合膜被覆工具。 The undoped carbon film is directly adhered to the surface of the tool base material, and the undoped carbon film is directly adhered to the surface of the tool base material.
The doped carbon film is characterized in that it is directly adhered to the surface of the undoped carbon film directly adhered to the surface of the tool base material and is located on the outermost side of the high hardness hard carbon composite film. The high-hardness hard carbon composite film coating tool according to any one of claims 1 to 4.

前記アンドープ炭素膜と、前記アンドープ炭素膜の表面に直接被着された前記ドープド炭素膜とが、前記工具母材の表面に交互に積層されている
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１に記載の高硬度硬質炭素複合膜被覆工具。 Any of claims 1 to 4, wherein the undoped carbon film and the doped carbon film directly adhered to the surface of the undoped carbon film are alternately laminated on the surface of the tool base material. The high-hardness hard carbon composite film coating tool according to 1.

前記工具母材は、超硬合金又は高速度工具鋼から成る
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１に記載の高硬度硬質炭素複合膜被覆工具。 The high-hardness hard carbon composite film-coated tool according to any one of claims 1 to 6, wherein the tool base material is made of cemented carbide or high-speed tool steel.

前記工具母材の一部または全部が前記高硬度硬質炭素複合膜によって被覆されている
ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１に記載の高硬度硬質炭素複合膜被覆工具。 The high-hardness hard carbon composite film coating tool according to any one of claims 1 to 7, wherein a part or all of the tool base material is coated with the high-hardness hard carbon composite film.