非晶性碳被覆工具及其製造方法
2023-12-07 23:26:01
專利名稱：非晶性碳被覆工具及其製造方法
技術領域：
本發明涉及在轉削工具(鑽頭、立銑刀、鉸刀等)、銑刀工具及旋削工具中使用的刀尖交換型切削刀端、切斷工具(車刀、手術刀、剪切機等)的表面形成具有耐磨耗性及耐熔敷性的非晶性碳膜的工具。另外還涉及這些工具的製造方法。
現有技術此前，一直謀求一種工具表面損傷小、可高壽命·高效率加工，以及可高質量地進行被切削材料的加工(保持表面形狀、保持母材硬度、保持尺寸精度等)的切削工具。
最近，從環境保護及節能的觀點考慮，強烈要求開發一種可以降低切削阻力的工具或即使減少切削油劑而壽命及切削效率仍不下降的工具等。
另外，近年來，被切削材料的種類各種各樣，在鋁合金等軟金屬的場合以及在鈦、鎂、銅等非鐵金屬的場合，或者在有機材料的場合、含石墨等硬質粒子材料的場合，印刷線路基板加工及鐵系材料和鋁同時切削加工的場合，被切削材料凝結在切削工具的刀刃部分，出現切削阻力加大，或有時有刀尖損傷等問題。這些特定的被切削材料，與其他的被切削材料相比，更激烈地產生工具的磨耗。
而且，在金屬加工現場切實具有既不降低性能又能大幅削減成本的要求。
在把這些鋁及其合金或有機材料進行加工的特定用途中，早先使用金剛石工具。在基材上形成金剛石膜的工具，其金剛石膜的生長速度因結晶方位而大幅度變化，所以，表面的凹凸大，為了作為精密加工工具，必須把複雜形狀的表面進行研磨。
然而，由於金剛石膜在現有的材料中是最硬的材料，所以，對其進行研磨加工，除了用昂貴的金剛石以外別無他法，成為成本非常高的重要原因。
另外，採用TiN等的PVD(物理蒸氣澱積)塗布得到的陶瓷被膜通常為2～3μm。另一方面，在金剛石膜中，由於結晶成長速度因結晶方位的不同而不同，因此可得到平滑的研磨麵，必須加工成20～30μm這樣的膜厚。因此，一邊使金剛石生長時同時要蝕刻除去生長的石墨一邊進行成膜，成膜速度非常低，僅為通常塗布時的1/10以下，而且，包括塗布的製造成本非常高，這是個問題。
另外，對於在基材上進行低塗布金剛石燒結體的工具，難以製成複雜形狀的工具或直徑數毫米的小徑工具，這是個問題。
特開2000-176705號公報中公開了一種在工具上塗布TiN、TiCN、TiAlN、Al2O3或含這些物質組合的硬質物質後，再用硬質碳被覆潤滑膜的工具部件。在這裡，發明者提供一種為了具有穩定的耐久性，並且適於批量生產的廉價硬質碳系潤滑被膜，設置含有矽和碳，或含有矽、碳及氮成分構成的中間層，在中間層下，形成與界面接觸的厚度0.02μm以上～0.5μm以下的矽層。
然而，該發明中最表面層的硬質碳被膜，由於使用羥類氣體，通過離子鍍和等離子體CVD(化學蒸氣澱積)方法而形成的，在被膜中含有氫原子。通常，硬質碳中的氫原子，已知在大氣中於約350℃以上的溫度從膜中脫離，在氫脫離後，硬質碳被膜變成石墨，硬度急劇下降。不能不說這樣的被膜是難以在苛刻的切削環境下使用。
發明概要因此，本發明的主要目的是提供一種非晶性碳的被覆工具，其在軟金屬、非鐵金屬、有機材料、含硬質粒子的材料、印刷電路基板、鐵系材料和軟質金屬材料同時切削加工等切削時，難以發生被切削材料的凝結或刀尖的缺損，而且，通過被覆導熱性高的非晶性碳，可以抑制刀尖溫度上升，即使在幹的切削或高速加工等苛刻切削環境下仍然耐用的非晶性碳被覆工具。另外，還提供其製造方法。
本發明通過特別限定基材的組成以及非晶性碳膜的厚度而達到上述目的。
即，本發明的非晶性碳被覆工具是由WC基超硬質合金構成的基材，並在該基材上至少在刀尖端被覆的非晶體碳被膜的工具，其特徵在於，所述基材的鈷含量小於12％(質量)，在該非晶性碳膜中含氫量小於5％(原子)，在該非晶性碳膜的刀尖最大厚度為0.05μm以上～0.5μm以下。
另外，本發明的非晶性碳被覆工具的特徵是由WC基超硬質合金構成的基材並在該基材上至少是刀尖用非晶性碳進行被覆的工具，所述基材含鈷量小於12％(質量)，所述非晶性碳膜是以石墨作為原料，在實質上是在不含氫的氣氛下用物理蒸鍍法形成的，在非晶性碳膜的刀尖最大厚度達到0.05μm以上～0.5μm以下。
本發明非晶性碳被覆工具的製造方法，其特徵在於，通過使由WC基超硬質合金構成的基材保存在真空容器內的工序、在對基材施加零或負的直流偏壓的同時，使作為原料的石墨蒸發，形成非晶性碳膜的工序、刀尖的非晶性碳膜的最大厚度控制在0.05～0.5μm範圍內。
附圖的簡單說明
圖1是成型本發明工具的被膜所用的成膜裝置概略示圖。
圖2是本發明工具刀尖部分剖面圖。
圖3是本發明的非晶體碳被覆膜的拉曼光譜圖。
圖4是原有的非晶體碳被覆膜拉曼光譜圖。
優選實施方案的說明下面詳細說明本發明的主要構成條件。
WC基超硬質合金基材WC基超硬質合金是由碳化鎢(WC)作為主要成分的硬質相、和以鈷等鐵族金屬作為主要成分的結合相構成的。在WC基超硬質合金中含有規定量的鈷，如果鈷量增多，基材的韌性提高，超硬質基材刀尖的耐缺損特性提高，當往刀尖施加強的外力時，高硬質的非晶性碳膜不能隨著基材的變形而變形，非晶性碳膜和超硬質基材的界面發生剝離。為了使其不產生剝離而切削性能穩定，優選是使鈷含量在12％(質量)以下。更好的是，基材的鈷含量在3％(質量)以上～7％(質量)以下。
另外，所述基材燒結後的碳化鎢的平均晶體粒徑為0.1μm以上～3μm以下是優選的。在平均晶體粒徑小於0.1μm時，用現有的評價方法判別困難。相反，當平均晶體粒徑大於3μm時，在膜磨耗時，基材中大的碳化鎢粒子脫落，引起大的缺損，是不理想的。
而且，在所述基材中優選含有選自周期表IVa、Va、VIa族金屬元素中的1種或以上元素以及選自碳及氮中的1種或以上元素所構成的化合物其量為0.01％(質量)以上～3％(質量)以下。通過含有這種元素，可以抑制燒結中碳化鎢的晶粒生長。作為優選的添加化合物的具體實例，可以舉出(Ta，Nb)C、VC、Cr2C2、NbC等。
非晶性碳膜非晶性碳膜包括一般稱作硬質碳膜、類金剛石的碳膜、DLC膜、a-CH、i-碳膜等。然而，本發明的非晶性碳膜具有下述特徵。
成膜方法本發明以石墨作為原料，在不含氫的氣氛下用物理蒸鍍法形成的非晶性碳膜。該膜具有與金剛石相當的高硬度，並且具有作為切削工具的優良耐磨耗性。另一方面，以烴作原料的非晶性碳膜，由於含有氫，與本發明的非晶性碳膜不同。
該非晶性碳膜，僅由除去成膜中所含的不可避免的雜質的碳原子構成。結果是，由於SP3鍵的比例比含氫的非晶性碳膜高，所以，硬度增高，同時，耐氧化特性也得到改善，達到與金剛石同等的接近約600℃。即使實質上在不含氫的氣氛下進行成膜，在完成的非晶性碳膜中，含有5％(原子)以下的極少的氫。對此可以認為是由於通過成膜時的真空度的作用，在成膜裝置中殘留的氫和水分進入非晶性碳膜中。
在以石墨作為起始原料的物理蒸鍍法中，如果採用一般工業上所用的陰極電弧離子鍍法、雷射燒蝕法或濺射法等，成膜速度快，沒有金剛石膜製造成本高的問題。特別是，從被膜的粘合力和膜硬度考慮，用陰極電弧離子鍍法成膜是優選的。該陰極電弧離子鍍法，由於原料離子化率高，通過把主要是碳離子照射基材，可以形成非晶性碳膜。因此，可以得到SP3鍵比率高、緻密、硬度高的膜，可以使工具壽命大大提高。
成膜時的基材溫度，最好在50℃以上。又，成膜時的基體溫度優選為350℃以下，200℃以下更優選、150℃以下最優選。基材的溫度超過350℃時，則有易於析出石墨的傾向。
還有，成膜時，因碳離子照射在基材上，形成非晶體碳，這時基材的溫度上升。因而，有時，即使不用加熱器加熱基材，溫度仍上升到不影響實際使用的程度。另外，通過加熱和冷卻也可調節基材的溫度。
大顆粒密度在用陰極電弧離子鍍法形成的非晶性碳膜表面存在一種稱作大顆粒的硬質粒子。要求在該膜表面上存在的大顆粒密度愈低則切削阻力愈小。大顆粒密度在3×105個/mm2以下，優選的是1.5×105個/mm2。不用說，0個/mm2是最合適的。當大顆粒密度大於3×105個/mm2時，由於被切削材料溶敷在該大顆粒中，使切削阻力上升，是不理想的。
大顆粒密度可採用SEM(掃描型電子顯微鏡)進行觀測而評價。為了易於進行大顆粒的觀測，可把Pt或Pd等貴金屬用離子濺射法等蒸鍍在試樣表面上以後，再進行觀測也可以。以至少放大1000倍以上的倍率進行試樣表面的照相攝影，通過計數照片上的大顆粒數，而測其密度。
圖2是通過非晶性碳被覆面20的剖面圖，表示大顆粒21的生成過程。在工具的刀尖23被覆非晶性碳20，然而，在該過程中，石墨粒子22飛散，附著在被覆面上。用電子顯微鏡觀察時，可以看到各種外徑的圓形粒子。然而，這樣的粒子在本發明中是不希望存在的。由於石墨粒子22在膜的成長過程中飛散，可以推定它存在於非晶性碳20各種厚度的地方。
而且，為了改善非晶性碳膜的表面粗糙度，有人建議採用如低能量成膜或碳場過濾器的方法以防止從石墨原料的粒狀飛散物。
表面光潔度非晶性碳膜的表面光潔度，用JIS標準B0601規定的Ra表示，希望在0.002μm以上～0.05μm以下。在這種作為切削工具的場合，表面光潔度Ra要求儘可能小。然而，實際上不可能為0。通過各種切削試驗的結果發現，當Ra小於0.05μm時，可以改善刀尖的熔敷性，提高切削性能。另外，如用JIS標準確定的Ry表示，0.02μm以上～0.5μm以下也是優選的。這裡當Ry大於0.5μm時，非晶體碳膜的突起物成為被切削材料熔敷的起點，成為切削阻力上升的原因，是不理想的。
厚度把工具刀尖的非晶質碳膜的最大厚度限定在0.05μm～0.5μm的理由是，由於小於0.05μm時，存在耐磨耗性問題，當大於0.5μm時，在被膜內積累的內部應力加大，易剝離，或被膜產生缺陷的問題。另外，當使膜厚達到0.5μm以下時，表面的大顆粒尺寸和密度都變小，把表面光潔度用上述Ra表示時抑制到小於0.05μm，用Ry表示時抑制到0.5μm以下是有效的。非晶性碳膜，如圖2中的T所示，工具的刀尖部變厚。當該厚度變薄時，性能變好。然而，涉及非晶性碳膜切削的刀尖部位的最大厚度T達到0.05μm以上～0.25μm以下時，熔敷性小，是優選的。
硬度非晶性碳膜的努氏(ヌ一プ)硬度達到20GPa以上～50GPa以下是優選的。當該硬度小於20GPa時，耐磨耗性有問題，當大於50GPa時，刀尖的耐缺損性降低。更優選的是非晶性碳膜的努氏硬度為25GPa以上～40GPa以下。
拉曼光譜因為非晶性碳膜是無定形的，所以，非常難以確定膜結構。對各種非晶性膜的評價結果表明，當進行拉曼分光光度測定時，由於伴隨著結構的變化，所得到拉曼光譜不同。
圖3是本發明非晶性碳的拉曼光譜圖，圖4是現有的含氫非晶性碳的拉曼光譜圖。這些是採用具有514.5nm波長的氬氣雷射進行拉曼分光光度測定得到的。在圖4中，實線表示測定結果，發現在1340cm-1附近鼓起，而在700cm-1附近無峰。
然後，為把所得到的光譜分成兩部分，需從光譜波形除去本底。其次，把具有鼓起的光譜的二個高斯函數相加，用非線形最小二乘法近似地分離成兩個峰。其結果用點線表示。在1340cm-1附近具有中心的峰高以I1340表示，而在1560cm-1附近的峰高用I1560表示。與其相反，本發明的拉曼光譜，如圖3所示，在1340cm-1附近的鼓起，難以用實線識別，而在700cm-1附近，有幅寬的峰。採用與上述同樣的方法分離峰的結果，用點線示於圖3。I1340的峰高，與圖3的峰高相比，顯得較弱。700cm-1附近的峰高，用I700表示。同樣地，把各種峰進行積分的值，例如，用S700等表示。
本發明工具的非晶性碳膜，于波數400cm-1以上～1000cm-1以下之間，1340cm-1附近及1560cm-1附近的總計3處觀測有峰。另一方面，採用歷來含氫的被膜，在低波數一側的波數400cm-1以上～1000cm-1以下之間未觀測到峰。在波數400cm-1以上～1000cm-1以下之間具有峰的被膜結構，可以實現因高硬度引起的耐磨耗性的提高。因而，希望在波數400cm-1以上～1000cm-1以下之間具有峰。
而且，于波數400cm-1以上1000cm-1以下存在的峰強度(I700)與在1340cm-1附近存在的峰強度(I1340)的強度比(I700/I1340)達到0.01以上2.5以下時，耐磨耗性提高。這可以認為是由於細小的Sp2鍵及具有偏離的SP3鍵量增加，從而使膜硬度提高所致。
這裡用峰強度(高度)表示，然而，也可用峰積分強度比進行處理，存在于波數400cm-1以上～1000cm-1以下的峰積分強度(S700)與存在於1340cm-1附近的峰積分強度(S1340)的強度比(S700/S1340)在0.01以上2.5以下是優選的。如峰強度比小於0.01，則耐磨耗性與現有被膜同等。如後所述，進行各種成膜實驗，在這次實驗中，峰強度比未達到2.5以上。
另外，存在於1560cm-1附近的峰強度(I1560)與存在於1340cm-1附近的峰強度(I1340)的強度比(I1340/I1560)，如果達到0.1以上1.2以下，則顯示出高耐磨性。存在於1560cm-1附近的峰強度(I1560)和存在於1340cm-1附近的峰強度之比，也可以說是表示被膜內部SP2/SP3碳鍵狀態的存在量。這些峰強度比不能直接認為表示SP2含量，可以相對地作為被膜結構的等級分類。已知存在於1560cm-1附近的峰強度高的情況下，達到高硬度。即，由於SP3鍵性強時，耐磨耗性提高。不僅峰強度，而且存在於1560cm-1附近的峰積分強度(S1560)和存在於1340cm-1附近的峰積分強度(S1340)的強度比(S1340/S1560)處於0.3以上3以下為好。
然而，存在於1560cm-1附近的峰如果處於1560cm-1以上1580cm-1以下，則可以實現高耐磨耗性。拉曼光譜的峰位置受到被膜內應力的影響。一般情況下，被膜內的應力在壓縮一側高時，拉曼光譜的峰移向高波數一側，反之，在拉伸一側高時，向低波數一側移動。可見被膜應力在壓縮一側高時，耐磨耗性提高。
幹擾色在現有技術中所用的非晶性碳膜，在可見光區是不透明的，為從棕色至黑色的色調。本發明工具的非晶性碳膜，在可見光區呈透明，顯示幹擾色的特徵。
所謂顯示幹擾色，是指非晶性碳膜的SP3鍵成分非常多，折射率、光譜帶間隙(キセツプ)、彈性率等物理性質，與原有的非晶性碳膜相比，顯示更接近於金剛石。在採用這樣的非晶性碳膜作為工具時，膜硬度高，顯示優良的耐磨耗性和耐熱性。作為本發明工具基材的WC基超硬質合金，是銀色的或接近於銀色的灰色，所以，本發明工具的外觀特徵為顯示幹擾色。
非晶性碳膜的幹擾色，隨著膜的厚度增加，變化趨勢是(1)棕色→(2)紫紅→(3)紫色→(4)藍紫色→(5)藍色→(6)銀色→(7)黃色→(8)紅色→(9)藍色→(10)綠色(11)黃色→(12)紅色，以後，從(8)紅色返回至(12)紅色。這些顏色的變化對膜厚的變化是連續的，在各種中間膜厚度，形成其中間色。
本發明人研究的結果發現，在工具刀尖最大膜厚特定在0.05μm～0.5μm時，塗布的被膜，由(2)紫紅變至(10)的綠色之間的顏色。另外，不僅單色，而且由多種色調構成的彩虹色也行。另外，在呈現這些幹擾色的非晶性碳膜上，也可以使用形成從原來的棕色至黑色的非晶性碳膜。
界面層本發明工具，為使非晶性碳膜的粘合力牢固，優選在基材和非晶性碳膜之間設置界面層。
材質該界面層，選自周期表IVa、Va、VIa、IIIb族元素及C以外的IVb族元素中至少1種或以上的元素，或者，選自這些元素中的至少1種或以上元素的碳化物是合適的。
其中，選自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Si元素中的至少1種或以上的元素，或者，選自上述元素組中的至少1種或以上的元素碳化物是更為優選的。由於這些金屬元素與碳易形成強鍵，所以，通過在這些金屬元素或金屬碳化物的界面層上形成非晶性碳膜，可以得到更牢固的粘合力。
厚度界面層的厚度為0.5nm以上10nm以下。當膜厚低於該範圍時，不起界面層的作用，當厚度高於該範圍時，僅得到與現有技術同等的粘合力。通過形成這種極薄的界面層，可以得到現有技術無法得到的極牢固的粘合力，能大大改善工具壽命。
混合組成層·傾斜組成層在界面層和非晶性碳膜之間，如果各被膜組成混合成的混合組成層，或者組成連續變化的傾斜組成層，由於可以得到更牢固的粘合力，是更為優選的。該混合層和傾斜組成層未必能明確地區別。從界面層成膜往非晶性碳膜的成膜的轉換製造條件時，通常，界面層和非晶性碳膜的組成引起混合，形成這些混合組成層和傾斜組成層。這些難以直接確認，然而，可從XPS(X-射線光電子光譜)和AES(俄歇電子光譜)等的結果充分斷定。
工具的用途本發明非晶性碳被覆工具，從其耐磨耗性和耐熔敷性考慮，特別適用於加工鋁及其合金的工具。另外，在鈦、鎂、銅等非鐵材料上使用是最合適的。而且，對含石墨等硬質粒子的材料、有機材料等的切削，以及印刷電路基板加工及鐵系材料和鋁的共切削加工等也是有效的。此外，本發明工具的非晶性碳膜因有非常高的硬高，所以，不僅可用於非鐵材料，而且也可用於不鏽鋼等鋼和鑄件等的加工。
工具的具體實例本發明的非晶性碳被覆工具，可用於鑽頭、立銑刀、立銑刀加工用刀尖交換型刀頭、銑刀加工用刀尖交換型刀頭、車削用刀尖交換型刀頭、切縫銑刀、切齒刀具、絞刀及絲錐中的任何1種。
本發明的上述及其他目的、特徵、優缺點、通過相關附圖，對本發明進行詳細說明。
下面對本發明非晶體碳被覆工具通過實施例具體地進行說明。但是，不限於所用的方法，如用石墨的PVD法進行成膜，任何方法均可。
實施例1準備一種φ8mm的WC基超硬質合金製成的鑽頭作為基材。該基材含有(Ta，Nb)C1％(質量)和下述表1中示出的Co量。在該基材表面，採用下列已知的陰極電弧離子鍍法，以準備表1～表4中示出的本發明的非晶性碳被覆鑽頭的試樣1～38。
即，如圖1所示，在成膜裝置1內，配置多個靶2、3，以靶的中心點作為中心，在靶間旋轉的基材支承部件4上裝置超硬質合金制的鑽頭5。調節電源7、8，改變真空電弧的放電電流，一邊控制靶材料的蒸發量一邊塗布非晶性碳。
首先，用基材加熱器6加熱至100℃的同時把成膜裝置1內的真空度調至2×10-3Pa氣氛。然後，導入氬氣，保持在2×10-1Pa氣氛中，同時用偏壓電源9往基材支承部件4施加1000V的電壓，進行氬氣等離子體洗滌後，排出氬氣。從供應口10往成膜裝置內導入氣體，而從排氣口11進行排氣。然後，以100ml/min的速度往成膜裝置內導入氬氣，同時通過真空電弧放電，使石墨靶蒸發·離子化，粘合到超硬質鑽頭上，形成非晶性碳膜。此時，通過偏壓電源9施加電壓數百V。這時的基材溫度設定在100℃。
這裡，在非晶性碳成膜前，根據樣品在把周期表IVa、Va、VIa族金屬元素靶蒸發·離子化的同時用偏壓電源9對基材支承部件4施加1000V電壓，進行金屬離子轟擊處理而進行用以提高被膜粘合性的表面蝕刻處理。
另外，根據樣品，再導入烴氣體或不導入烴氣體，把選自周期表IVa、Va、VIa、IIIb族元素及C以外的IVb族元素中的靶，進行蒸發·離子化，用偏壓電源9對基材支承部件4施加數百V電壓，使生成這些金屬或金屬碳化物的界面層。通過更換靶和氣氛氣體而進行從界面層形成非晶性碳膜，在進行該更換時，通常僅產生兩層組成的混合。由此可以推斷，在兩層之間存在原料的混合組成層和傾斜組成層。
另外，還要準備用於比較的示於表5、6中的比較樣品1～7的塗布鑽頭。這裡，比較樣品4是使用通常的等離子體CVD成膜裝置，在與上述相同的超硬質鑽頭表面上形成非晶性碳膜。
其次，對用上述方法製成的各鑽頭，用表7的條件，進行衝孔試驗(外部給油的溼式條件)，對未塗層的鑽頭的推力降低率(以比較樣品26的推力抗阻作為基準進行評價)以及在刃口的凝結情況進行測定。上述各切削試驗的結果示於表2、4、6。還有，在表1、3、5中，「WC晶體粒徑」表示基材燒結後的WC平均晶體粒徑。另外，刀尖端部的膜厚，通過刀尖斷面的SEM進行評價。
表1
表2
表3
表4
表5
表6
表7
還有，表7的A5052的組成記載在JIS標準H4000中。
從表2、4、6的結果可知，此前的TiN膜(比較樣品5)、TiAlN膜(比較樣品6)、用CVD法形成的含氫35％(原子)的氫化非晶性碳膜的比較樣品4及其他比較樣品，其推力阻抗與未塗布的同等並且耐熔敷性差。反之，本發明實例的鑽頭(本發明樣品1～38)，其非晶性碳被膜的氫含量均為5％(原子)。採用ERDA(彈性反衝檢測法)進行評價。而在鋁衝孔加工時，具有優良的耐磨耗性，同時，具有優良的耐熔敷性。因此，衝孔加工後的孔加工精度也非常高，可以是長壽命。
實施例2採用與實施例1完全相同的方法，在φ4mm的超硬質絞刀表面上被覆非晶性碳膜(本發明樣品2的被膜)。該超硬質基材中也含有(Ta，Nb)C1％(質量)和Co7％(質量)，非晶性碳膜的氫含量為5％(原子)以下。另外，作為比較材料，用CVD法製得的氫化非晶性碳膜(比較樣品4)和TiN膜(比較樣品5)、TiAlN膜(比較樣品6)進行被覆。然後，對用上述方法製成的各表面被覆的鉸刀，用表8的條件進行鋁鑄件(ADC12)的衝孔加工，評價衝孔個數和刀尖的狀態。
表8
附表8的ADC12的組成(參閱JIS標準H53021中所述)從該結果可以認為，此前的表面被覆切削絞刀(CVD)的氫化非晶性碳膜(比較樣品4)和PVD法形成的金屬氮化物膜(比較樣品5、6)衝孔600個，由於被切削材料的孔徑產生偏移，調查絞刀的狀態結果是，刀尖產生磨耗，其頂端有卷刃。
另一方面，採用本發明樣品2的非晶性膜的被覆的絞刀，即使衝孔9000個時，全部被切削材料的加工狀況沒有問題，在絞刀刀尖未發現磨耗和卷刃。
實施例3採用與實施例1完全同樣的方法，在φ7mm的超硬質制的立銑刀的表面上被覆非晶性碳膜(本發明樣品3的被膜)。該超硬質基材中也含有(Ta，Nb)Cl％(質量)和Co7％(質量)，非晶性碳膜含氫量5％(原子)以下。另外，作為比較材料，用CVD法的氫化非晶性碳膜(比較樣品4)和TiN膜(比較樣品5)、TiAlN膜(比較樣品6)進行被覆。然後，對用上述方法製成的各表面被覆的立銑刀，用表9的條件，進行鋁鑄件(ADC12)的立銑刀加工，從被切削表面光潔度的標準至不符合該標準的切削長度和刀尖狀態進行評價。表9中的Ad(axial depth of cut)是軸向切入深度，Rd(radial depth of cut)是徑向切入深度。
表9
還有，表9的ADC12組成，記載在JIS標準H5302中。
其結果是，由於現有的表面被覆切削立銑刀中，CVD的氫化非晶性碳膜(比較樣品4)是20m，用PVD法形成的金屬氮化物膜、比較樣品5、6分別是5m、6m就偏離表面光潔度標準，判斷為工具的壽命。在達到壽命的表面被覆立銑刀的刀端部，除去熔敷的氧化鋁，調查的結果是，不存在早先被覆的膜，露出基材的WC基超硬質合金。
另一方面，採用本發明樣品3的立銑刀，即使在切削800m時，被切削材料的表面光潔度仍保持在標準之內，由此可以期待延長壽命。
實施例4採用與實施例1完全同樣的方法，在刀尖交換型超硬質合金制刀頭的裡面被覆非晶性碳膜(本發明樣品2的被膜)。該超硬質基材也含有(Ta，Nb)C1％(質量)和Co6％(質量)，非晶性碳膜含氫量5％(原子)以下。另外，作為比較材料，用CVD法的氫化非晶性碳膜(比較樣品4)和TiN膜(比較樣品5)、TiAlN膜(比較樣品6)進行被覆。其次，用上述方法製成的各表面被覆刀尖交換型刀頭之一，安裝在工具直徑32mm的夾具上，用表10的條件，進行鋁鑄件(A390)的立銑刀加工，對直至被切削的表面光潔度達不到標準的切削長度和刀尖狀態進行評價。表10中Ad是軸向切入深度，Rd是徑向切入深度。
表10
還有，表10的A390組成是Al-16～18％(m/m)的Si。
結果是，在此前的表面被覆切削立銑刀中，CVD的氫化非晶性碳膜(比較樣品4)為15m，PVD法形成的金屬氮化物膜、比較樣品5、6分別是4m、2m就偏離表面光潔度的標準，判斷為工具的壽命。把在達到壽命的表面被覆刀頭的端部熔敷的鋁除去，調查的結果是，不存在以往被覆的膜，露出基材的WC基超硬質合金。
另一方面，採用本發明樣品3的立銑刀，在切削900m時，被切削材料的表面光潔度偏離標準，判斷為工具壽命。
這裡公開的實施例，既不認為是列舉的全部，也不能認為是一種限定。本發明的範圍，不僅包括以上實施例的說明，還包括權利要求範圍所指出的，與權利要求範圍同等含義，以及在該範圍內的全部修正及改變。
上面對本發明的具體例進行了說明，本發明也適於其他形狀的切削工具(鑽頭、立銑刀、絞刀等)、以銑刀工具為代表的刀尖交換型切削刀頭、切斷工具(車刀、手術刀、剪切機等)。
如上所述，如採用本發明的被覆工具，通過把基材的組成和非晶體碳膜的厚度加以特定，可以得到保持耐磨耗性的優良耐熔敷性，可以明顯延長工具的切削·耐磨壽命，特別是採用不含氫的非晶體碳膜，可以得到更優良的耐磨耗性和耐熔敷性。因此，可以期待切削工具(鑽頭、立銑刀、絞刀等)、以銑刀工具為代表的切削多刃刀片端部、切斷工具(車刀、手術刀、剪切機等)的有效利用。
權利要求
1.一種非晶性碳被覆工具，它具有由WC基超硬質合金構成的基材以及該基材上至少在刀尖上被覆的非晶性碳被膜；所述基材的鈷含量為12％(質量)以下，在該非晶性碳膜中含氫量為5％(原子)以下，在該非晶性碳膜的刀尖中，最大厚度為0.05μm以上～0.5μm以下。
2.權利要求1中所述的非晶性碳被覆工具，其特徵是，所述非晶性碳膜實質上是只由碳形成的。
3.權利要求1中所述的非晶性碳被覆工具，其特徵是，存在於所述非晶性碳膜表面的大顆粒的密度為3×105個/mm2以下。
4.權利要求1中所述的非晶性碳被覆工具，其特徵是，在涉及所述非晶性碳膜切削的刀尖部，最大厚度為0.05μm以上～0.25μm以下。
5.權利要求1中所述的非晶性碳被覆工具，其特徵是，所述基材的鈷含量為3％(質量)以上～7％(質量)以下。
6.權利要求1中所述的非晶性碳被覆工具，其特徵是，所述基材燒結後的碳化鎢的平均晶體粒徑為0.1μm以上～3μm以下。
7.權利要求1中所述的非晶性碳被覆工具，其特徵是，在所述基材中，含有選自周期表IVa、Va、VIa族金屬元素中的1種或以上元素以及選自碳及氮中的1種或以上元素所構成的化合物，其含量為0.01％(質量)以上～3％(質量)以下。
8.權利要求1中所述的非晶性碳被覆工具，其特徵是，所述非晶性碳膜的表面光潔度Ra為0.002μm以上～0.05μm以下。
9.權利要求1中所述的非晶性碳被覆工具，其特徵是，所述非晶性碳膜的表面光潔度Ry為0.02μm以上～0.5μm以下。
10.權利要求1中所述的非晶性碳被覆工具，其特徵是，所述非晶性碳膜的努氏硬度為20GPa以上～50GPa以下。
11.權利要求1中所述的非晶性碳被覆工具，其特徵是，通過採用具有514.5nm波長的氬離子雷射的拉曼光譜分析，在所得到的拉曼光譜中，在波數400cm-1以上～1000cm-1以下有峰。
12.權利要求11中所述的非晶性碳被覆工具，其特徵是，存在于波數400cm-1以上～1000cm-1以下的峰強度(I700)和存在於1340cm-1附近的峰強度(I1340)的強度比(I700/I1340)為0.02以上～2.5以下。
13.權利要求11中所述的非晶性碳被覆工具，其特徵是，存在于波數400cm-1以上～1000cm-1以下的峰積分強度(S700)和存在於1340cm-1附近的峰積分強度(S1340)的強度比(S700/S1340)為0.01以上～2.5以下。
14.權利要求11中所述的非晶性碳被覆工具，其特徵是，存在於1560cm-1附近的峰強度(I1560)和存在於1340cm-1附近的峰強度(I1340)的強度比(I1340/I1560)為0.1以上～1.2以下。
15.權利要求11中所述的非晶性碳被覆工具，其特徵是，存在於1560cm-1附近的峰積分強度(S1560)和存在於1340cm-1附近的峰積分強度(S1340)的強度比(S1340/S1560)為0.3以上～3以下。
16.權利要求11中所述的非晶性碳被覆工具，其特徵是，存在於1560cm-1附近的峰是存在於1560cm-1以上～1580cm-1以下的峰。
17.權利要求1中所述的非晶性碳被覆工具，其特徵是，所述非晶體碳膜在可見光區是透明的，顯示幹擾色。
18.權利要求17中所述的非晶性碳被覆工具，其特徵是，所述非晶體碳膜，顯示選自紫紅、紫、藍紫、紫、藍、銀、黃、紅、綠中的1種或以上的幹擾色。
19.權利要求1中所述的非晶性碳被覆工具，其特徵是，所述非晶性碳直接被覆在基材上。
20.權利要求1中所述的非晶性碳被覆工具，其特徵是，在所述基材和非晶性碳膜之間具有界面層；該界面層是由選自周期表IVa、Va、VIa、IIIb族元素及C以外的IVb族元素中的至少1種或以上元素，或者，選自這些元素的至少1種或以上的元素碳化物構成的。界面層的厚度為0.5nm以上～10nm以下。
21.權利要求20中所述的非晶性碳被覆工具，其特徵是，所述界面層是由選自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W及Si中的至少1種或以上元素，或者，選自上述元素中的至少1種或以上的元素碳化物構成的。
22.權利要求20中所述的非晶性碳工具，其特徵是，在所述界面層和非晶性碳膜之間，插入混合各被膜組成的混合組成層或組成連續變化的傾斜組成層。
23.權利要求1中所述的非晶性碳被覆工具，其特徵是，所述非晶性碳工具是用於軟質金屬材料、非鐵金屬材料、有機材料、含硬質粒子的材料、印刷電路基板，以及，選自鐵系材料中的1種或以上的材料和軟質金屬材料同時進行切削加工的工具。
24.權利要求1中所述的非晶性碳被覆工具，其特徵是，所述非晶性碳工具是選自鑽頭、微型鑽頭、立銑刀、立銑刀加工用刀尖交換型刀頭、銑刀加工用刀尖交換型刀頭、車削用刀尖交換型刀頭、金屬鋸、刀齒刀具、鉸床以及絲錐中的1種。
25.一種非晶碳被覆工具，它具有由WC基超硬質合金構成的基材以及至少在該基材上的刀尖進行被覆的非晶性碳膜；所述基材含鈷量為12％(質量)，所述非晶性碳膜是以石墨作原料，在實質上通過不含氫的氣氛下的物理蒸鍍法形成的；該非晶性碳膜在刀尖的最大厚度為0.05μm以上～0.5μm以下。
26.一種非晶性碳被覆工具的製造方法，其中包括使由WC基超硬質合金構成的基材保存在真空容器內的工序；對基材施加零或負的直流偏壓電壓的同時，使作為原料的石墨蒸發，形成非晶性碳膜的工序；把刀尖的非晶性碳膜的最大厚度控制在0.05μm～0.5μm。
27.權利要求26中所述的非晶性碳被覆工具，其特徵是，形成所述非晶性碳膜的工序是採用陰極電弧離子鍍法而進行的。
全文摘要
本發明涉及耐磨耗性及耐熔敷性均優良的被覆有非晶性碳膜的工具，其具有由WC基超硬質合金構成的基材以及在該基材上形成的非晶性碳膜，其刀尖形成非晶性碳的被覆工具，其基材含鈷量為12％(質量)以下，非晶性碳膜在刀尖的最大厚度為0.05μm以上～0.5μm以下，該非晶性碳膜，是以石墨作原料，實質上在不含氫的氣氛下，用物理蒸鍍法形成的，提供應用於鑽頭、立銑刀、鉸刀等轉削工具、銑刀工具等車削工具中所用的刀尖交換型切削刀頭、刀具、手術刀、剪切機等切斷工具的非晶性碳被覆工具。
文檔編號C23C14/06GK1390667SQ02122788
公開日2003年1月15日 申請日期2002年6月13日 優先權日2001年6月13日
發明者大谷聰, 岡崎尚登, 緒方潔, 福井治世, 入江美紀, 內海慶春, 大原久典, 森口秀樹, 池ク谷明彥, 津田圭一, 瀨戶山誠 申請人:住友電氣工業株式會社, 日新電機株式會社