碳膜包覆部件及其製造方法
2023-06-25 21:34:56 1
專利名稱：碳膜包覆部件及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種適合幹壓加工用模具等的碳膜包覆部件及其製造方法。
背景技術：
一直以來，施加金剛石膜或DLC (類金剛石)膜等碳膜的模具具有高潤滑的表面，因此在金屬加工中能夠進行設為無油式、免清洗式的衝壓成型等幹壓加工受到關注。這些模具主要通過在以碳化鎢為主成分的硬質合金上實施接合處理，並通過CVD法直接蒸鍍金剛石或DLC膜來製作。這些碳膜雖然具有充分高的潤滑性和硬度，但作為基材的硬質合金與碳膜之間易 發生剝離，反覆施加力學負荷時的壽命不充分。對此，作為提高硬質合金與碳膜的粘附性的技術，例如在專利文獻I中提出有如下技術在基材表面實施基於噴砂、磨削加工、噴丸、砂紙等銼刀方法的摩擦、基於帶有粗糙表面的輥子的軋制及蝕刻等粗糙化處理後，設置與基材的粘附性比較良好的DLC膜，並研磨DLC膜的表面。另外，該文獻中還提出有預先在基材表面形成金剛石膜，並在該金剛石膜上設置DLC膜，並研磨該DLC膜的表面的技術。專利文獻I :日本專利公開2007-262560號公報上述以往技術中留有以下課題。原本認為，以CVD法蒸鍍的碳膜與硬質合金的基板之間的化學鍵合力較弱，這2者的粘附受底層的凹凸部鉤住上膜的錨定效應的左右。因此可認為，如專利文獻I所記載的技術，即使在實施了粗糙化處理的基材表面上施加DLC膜，其效果也因底層的表面狀態而不充分。即，當進行噴砂等粗糙化處理時，雖然能夠形成一定程度的微細的凹凸，但所獲得的錨定效應也有限。尤其是若為與基材的粘附性比較良好的DLC膜，則可通過粗糙化處理得到一定程度的粘附性，相反當為與基材的粘附性低於DLC膜的金剛石膜時，以往的噴砂等粗糙化處理是不充分的。另外，在硬質合金中大多含有Co等燒結助劑作為粘合劑，當為這些硬質合金時，很難使碳膜在其上穩固成長。
發明內容
本發明是鑑於上述課題而完成的，其目的在於提供一種在基材上以較高的粘附性形成碳膜的碳膜包覆部件及其製造方法。本發明為了解決上述課題採用了以下結構。即，本發明的碳膜包覆部件，其特徵在於，在硬質合金的基材表面排列形成直徑為50 μ m以下的多個微細孔,並在所述基材表面填滿所述微細孔並形成碳膜。另外，本發明的碳膜包覆部件的製造方法，其特徵在於，該方法具有孔形成工序，在硬質合金的基材表面排列形成直徑為50 μ m以下的多個微細孔；及碳膜形成工序，在該孔形成工序後，在所述基材表面填滿所述微細孔並形成碳膜。在這些碳膜包覆部件及其製造方法中，由於在基材表面排列形成直徑為50μπι以下的多個微細孔，並在基材表面填滿微細孔並形成碳膜，因此通過在基材上排列形成的多個微細孔，得到相比噴砂等粗糙化處理更高的錨定效應，並得到具有更高的粘附性的碳膜。另外，將微細孔的直徑設為50 μ m以下的原因在於，若為直徑超過50 μ m的孔，則無法發揮碳膜與基材之間的錨定效應。被成膜的碳膜由數μm以下的顆粒的鍵合構成，通過該顆粒或顆粒塊的一部分與形成於基材上的孔的側面纏結來發揮錨定效應，但若為直徑超過50 μ m的孔，則相對碳膜所纏結的孔的側面，孔底部等其該側面之外的面積的比率變高，相對於剪斷應力失去耐性，無法發揮錨定效應。並且，本發明的碳膜包覆部件，其特徵在於，構成所述基材的硬質合金含有Co，所述基材表面上形成有鎢膜，並且穿通該鎢膜來形成所述微細孔，所述鎢膜上形成有所述碳
膜。 並且，本發明的碳膜包覆部件的製造方法，其特徵在於，構成所述基材的硬質合金含有Co，並具有在所述孔形成工序前在所述基材表面形成鎢膜的底膜形成工序，在所述孔形成工序中，穿通所述鎢膜來形成所述微細孔，在所述碳膜形成工序中，在所述鎢膜上形成所述碳膜。即，在這些碳膜包覆部件及其製造方法中，由於在含有Co的基材表面形成鎢膜，進一步在其上形成碳膜，因此鎢膜成為底膜，即使在含有Co的基材上也可得到碳膜的較高的粘附性。另外，由於穿通鎢膜來形成微細孔，因此錨定效應也原樣保持，並得到穩定的粘附性。並且，本發明的碳膜包覆部件，其特徵在於，多個所述微細孔的深度為100 μ m以下，相互間隔為100 μ m以上。S卩，在該碳膜包膜部件中，由於多個微細孔的深度為ΙΟΟμπι以下，相互間隔為100 μ m以上，因此能夠確保基材的強度的同時，提高碳膜的粘附性。另外，若多個微細孔的深度超過ΙΟΟμπι或相互間隔不到100 μ m，則導致基材的強度降低，當在模具中採用時等，容易引起模具表層部的破壞。更優選設定多個微細孔的深度為Iym以上、相互間隔為2000 μπι以下。若深度低於I μ m或相互間隔超過2000 μ m,則導致碳膜相對於基材的保持力降低，當在模具中採用時等，容易引起1旲具表層部的剝尚。並且，本發明的碳膜包覆部件，其特徵在於，所述碳膜為金剛石膜。S卩，在該碳膜包覆部件中，即使為與基材的粘附性低於DLC膜的金剛石膜，也能夠對於基材得到充分的粘附性。並且，本發明的碳膜包覆部件，其特徵在於，該碳膜包覆部件為幹壓加工用模具。即，在該碳膜包覆部件中，由於成為幹壓加工用模具，因此不易引起由軋制時的衝擊產生的碳膜的剝離，使模具壽命延長，並且能夠與基於乾式加工的程序簡化一同實現壓製品的成本降低。並且，本發明的碳膜包覆部件的製造方法，其特徵在於，所述孔形成工序中將雷射照射於所述基材表面來形成所述微細孔。S卩，在該碳膜包覆部件的製造方法中，由於孔形成工序中將雷射照射於基材表面來形成微細孔，因此能夠高精確度且均勻地形成多個微細孔。根據本發明得到以下效果。
S卩，根據本發明所涉及的碳膜包覆部件及其製造方法，由於在基材表面排列形成直徑為50 μ m以下的多個微細孔，並在基材表面填滿微細孔並形成碳膜，因此可得到相比以往更高的錨定效應，並可得到具有更高的粘附性的碳膜。因此，通過在幹壓加工用模具中應用本發明的碳膜包覆部件可得到長壽命的模具，並且能夠實現工序數的縮減及低成本化。
圖I是在本發明所涉及的碳膜包覆部件及其製造方法的第I實施方式中表示碳膜包覆部件的表面的放大俯視圖。圖2是在第I實施方式中按工序順序表示碳膜包覆部件的製造方法的概括性主要 部分截面圖。圖3是在第I實施方式中表示將碳膜包覆部件作為幹壓加工用模具時減薄加工時的狀態的概要截面圖。圖4是在本發明所涉及的碳膜包覆部件及其製造方法的第2實施方式中按工序順序表示碳膜包覆部件的製造方法的概括性主要部分截面圖。圖5是在本發明所涉及的碳膜包覆部件及其製造方法的實施例中表示抗彎強度試驗的試驗狀態的示意圖。圖6是在本發明的實施例中表示碳膜包覆部件的表面的放大照片。符號說明1,21-碳膜包覆部件，2-基材，3-微細孔，4_碳膜，6_幹壓用模具，6A-穿孔部(模具)，6B-模具部(模具)，27-鎢膜，L-雷射。
具體實施例方式以下，參考圖I至圖3說明本發明所涉及的碳膜包覆部件及其製造方法的第I實施方式。另外，在以下說明中使用的各附圖中，有為了將各部設成能夠識別或容易識別的大小而根據需要適當更改比例尺的部分。如圖I及圖2所示，本實施方式的碳膜包覆部件I在由硬質合金構成的基材2表面以恆定間隔排列形成直徑為50 μ m以下的均勻的多個微細孔3，並在基材2表面填滿微細孔3並形成碳膜4。上述基材2由硬質合金構成。上述多個微細孔3的深度h為IOOym以下，相互間隔d為IOOym以上。更優選設定此時的多個微細孔的深度為I μ m以上、相互間隔設為2000 μ m以下。上述碳膜4為DLC膜或金剛石膜，本實施方式中採用金剛石膜。該碳膜包覆部件I的製造方法具有孔形成工序，如圖2的(a)所示，在硬質合金的基材2表面排列形成直徑為50 μ m以下的多個微細孔3 ;碳膜形成工序，如圖2的(b)所示，在該孔形成工序後，在基材2的表面填滿微細孔3並形成碳膜4 ;及研磨工序，如圖2的(c)所示，對碳膜4表面的凹凸進行研磨並使其平滑化。上述孔形成工序中，將雷射L照射於基材2表面來形成微細孔3作為微孔。例如，利用波長為532nm的雷射L,以交錯配置狀排列形成直徑為50 μ m以下、深度為100 μ m以下、以及相互間隔為ΙΟΟμπι以上的多個微細孔3。更優選以此時的多個微細孔的深度為I μ m以上、相互間隔為2000 μ m以下的方式形成。並且，上述碳膜形成工序中通過CVD法成膜金剛石膜。另外，上述研磨工序中，例如通過波長355nm的雷射，將因金剛石膜的自形等產生凹凸的表面平滑化至表面粗糙度(最大高度)Rz :0. 5 μ m以下。接著，參考圖3對採用本實施方式的碳膜包覆部件作為例如不鏽鋼或鋁合金等的乾式軋制用模具的情況進行說明。 圖3表示對鋁合金原材料5進行用於製作鋁罐的減薄加工的幹壓加工用模具6。該幹壓加工用模具6具備作為碳膜包覆部件的穿孔部6A和模具部6B，並通過根據在穿孔部6A與模具部6B的間隙壓入原材料5進行減薄加工並使其薄壁化來進行加工。該幹壓加工用模具6中，作為進行減薄加工的加工面，在穿孔部6A的外周面及前端面與模具部6B的內周面如上所述形成多個微細孔3的基礎上，包覆金剛石膜作為碳膜4，並用雷射研磨其表面。因此，在該幹壓加工用模具6中，對加工面施加具有較高附著力的金剛石膜，從而具有較低的摩擦係數及較高的耐磨性。這樣在本實施方式的碳膜包覆部件及其製造方法中，由於在基材2表面排列形成直徑為50 μ m以下的多個微細孔3，並在基材2表面填滿微細孔3並形成碳膜4，因此通過在基材2上排列形成的多個微細孔3，得到相比噴砂等粗糙化處理更高的錨定效應，並可得到具有更高的粘附性的碳膜4。尤其是碳膜4即使為與基材2的粘附性低於DLC膜的金剛石膜，也能夠對於基材2得到充分的粘附性。並且，由於多個微細孔3的深度為ΙΟΟμπι以下，相互間隔為ΙΟΟμπι以上，因此能夠確保基材2的強度的同時，提高碳膜4的粘附性。並且，更優選此時的多個微細孔的深度為I μ m以上,相互間隔為2000 μ m以下。另外，在本實施方式中，均勻的多個微細孔3以恆定的間隔排列形成，但此時，相比以不等間隔且無規則地形成直徑或深度不均勻的微細孔3的情況，粘附性的面內偏差變少，在面內可得到均勻且較高的粘附性。並且，孔形成工序中，由於將雷射L照射於基材2表面來形成微細孔3，因此能夠高精確度且均勻地形成多個微細孔3。因此，在應用本實施方式的碳膜包覆部件的幹壓加工用模具6中，由於加工面具有上述碳膜包覆結構，因此不易引起由軋制時的衝擊產生的碳膜4的剝離，使模具壽命延長，並且能夠與基於乾式加工的程序簡化一同實現壓製品的成本降低。接著，以下參考圖4對本發明所涉及的碳膜包覆部件及其製造方法的第2實施方式進行說明。另外，在以下實施方式的說明中，對於在上述實施方式中說明過的同一結構要件附加同一符號，並省略其說明。第2實施方式與第I實施方式的不同點在於，第I實施方式中碳膜4直接形成於形成有微細孔3的基材2上，與之相對，第2實施方式的碳膜包覆部件21中，構成基材2的硬質合金含有Co，如圖4的(d)所示，基材2表面形成有鎢膜27，並且穿通該鎢膜27來形成微細孔3，鎢膜27上形成有碳膜4。S卩，該碳膜包覆部件21的製造方法具有如圖4的(a)所示在孔形成工序前在基材2表面形成鎢膜27的底膜形成工序，並具有如圖4的(b)所示穿通鎢膜27來形成微細孔3的孔形成工序、如圖4的(c)所示在鎢膜27上形成碳膜4的碳膜形成工序及如圖4的(d)所示對碳膜4的表面凹凸進行研磨並使其平滑化的研磨工序。另外，在上述底膜形成工序中通過利用鎢濺射靶的濺射在基材2表面形成鎢膜27。這樣在本實施方式的碳膜包覆部件21及其製造方法中，由於在含有Co的基材2表面形成鎢膜27，進一步在其上形成碳膜4，因此鎢膜27成為底膜，即使在包含Co的基材2上也可得到碳膜4的較高的粘附性。並且，由於穿通鎢膜27來形成微細孔3，因此錨定效應也原樣保持，並得到穩定的粘附性。[實施例]
接著，對製作上述第2實施方式的碳膜包覆部件並進行強度評價試驗的結果進行說明。首先，作為強度評價試驗，通過利用鎢濺射靶的濺射在表面5mmX30mm、厚度Imm的含有Co的硬質合金基材的表面設置鎢膜作為底膜後，通過輸出功率10W、波長532nm、反覆IkHz的雷射，從靠近的微細孔相互遠離150 μ m在基材表面形成最大徑為50 μ m、深度為30 μ m的作為微孔的微細孔。之後，通過以CVD法包覆金剛石膜作為碳膜來製作試樣。對該試樣如下進行了抗彎強度試驗。S卩，如圖5所示，利用3點彎曲試驗機100和AE (聲發射)傳感器101，評價金剛石膜從基材剝落、斷裂及基材的斷裂時間。AE傳感器101安裝於試樣102，該AE傳感器101上連接有AE測試儀主體103。AE測試儀主體103經前置放大器104、主放大器105及帶通濾波器106並利用數字存儲示波器107輸出來自AE傳感器101的信號的波形。即，能夠取得金剛石膜斷裂時來自AE傳感器101的信號，並通過分析所輸出的波形來測定其斷裂時的應力。其結果金剛石膜斷裂時的應力為I. lkN/mm2，確認為強度非常聞。另外，關於作為本發明的實施例的上述試樣，將放大其表面的顯微鏡照片不於圖6。該照片中，將微細孔標記為微孔。接著，在直徑為30mm、高度為20mm的模具中，在含Co的硬質合金基材表面與上述試樣相同地進行形成鎢膜的工序、形成微細孔的工序及形成金剛石膜的工序。另外，以波長為355nm的雷射研磨因金剛石膜的自形產生凹凸的表面並平滑化至表面粗糙度Rz :0. 5 μ m以下，從而製作出幹壓用模具。並且，能夠利用該幹壓用模具，並使用板厚為O. 5mm的鋁合金3003原材料良好地進行5000注料量的乾式加工中的拉深加工。如此不僅是不鏽鋼的軋制，作為易塑性變形的鋁合金的乾式軋制用模具也能夠採用本發明的模具。另外，本發明的技術範圍並不限定於上述實施方式及實施例，在不脫離本發明宗旨的範圍內能夠施加各種變更。例如，上述實施方式中作為碳膜包覆部件應用於幹壓加工用模具，但也可以應用於其他部件。例如，也可以在切削工具等中採用本發明。即，通過在切削工具的刀尖或刃部的基材上形成多個微細孔，並在其表面形成金剛石膜等碳膜，從而能夠得到具有較高的粘附性的、塗覆碳膜的切削 工具。
權利要求
1.一種碳膜包覆部件，其特徵在於， 在硬質合金的基材表面排列形成直徑為50 μ m以下的多個微細孔， 在所述基材表面填滿所述微細孔並形成碳膜。
2.如權利要求I所述的碳膜包覆部件，其特徵在於， 構成所述基材的硬質合金含有Co， 所述基材表面上形成有鎢膜，並且穿通該鎢膜來形成所述微細孔，所述鎢膜上形成有所述碳膜。
3.如權利要求I或2所述的碳膜包覆部件，其特徵在於， 多個所述微細孔的深度為100 μ m以下，相互間隔為100 μ m以上。
4.如權利要求I所述的碳膜包覆部件，其特徵在於， 所述碳膜為金剛石膜。
5.如權利要求I所述的碳膜包覆部件，其特徵在於， 所述碳膜包覆部件為幹壓加工用模具。
6.一種碳膜包覆部件的製造方法，其特徵在於，該方法具有 孔形成工序，在硬質合金的基材表面排列形成直徑為50 μ m以下的多個微細孔；及 碳膜形成工序，在該孔形成工序後，在所述基材表面填滿所述微細孔並形成碳膜。
7.如權利要求6所述的碳膜包覆部件的製造方法，其特徵在於， 構成所述基材的硬質合金含有Co， 具有在所述孔形成工序之前在所述基材表面形成鎢膜的底膜形成工序， 在所述孔形成工序中，穿通所述鎢膜來形成所述微細孔， 在所述碳膜形成工序中，在所述鎢膜上形成所述碳膜。
8.如權利要求6或7所述的碳膜包覆部件的製造方法，其特徵在於， 所述孔形成工序中將雷射照射於所述基材表面來形成所述微細孔。
全文摘要
本發明提供一種在基材上以較高的粘附性形成碳膜的碳膜包覆部件及其製造方法。本發明的碳膜包覆部件(1)，在硬質合金的基材(2)表面排列形成直徑為50μm以下的多個微細孔(3)，並在基材(2)表面填滿微細孔(3)並形成碳膜(4)。並且，該碳膜包覆部件的製造方法具有孔形成工序，在硬質合金的基材(2)表面排列形成直徑為50μm以下的多個微細孔(3)；及碳膜形成工序，在該孔形成工序後，在基材(2)表面填滿微細孔(3)並形成碳膜(4)。
文檔編號C23C16/27GK102965637SQ20121030550
公開日2013年3月13日 申請日期2012年8月24日 優先權日2011年8月30日
發明者高橋正訓, 日向野哲, 久保拓矢 申請人:三菱綜合材料株式會社