硬質被膜および硬質被膜被覆加工工具
【課題】 ダイヤモンド被膜の上にＰＶＤ法によって表皮膜を設ける場合の付着強度を向上させて優れた耐久性が得られるようにする。
【解決手段】 ダイヤモンド被膜２２にはボロンが５．０原子％程度の割合でドーピングされているため、そのダイヤモンド被膜２２が導電性を有するようになり、その上にＰＶＤ法によってＴｉＡｌＮの表皮膜２４を設ける際に、コーティングプロセス初期より十分な導電特性でコーティングすることが可能で、ダイヤモンド被膜２２に対する表皮膜２４の付着強度が向上する。また、ダイヤモンド被膜２２自体もボロンドープによって耐酸化性が向上するため、表皮膜２４の存在と相まって耐酸化性が大幅に向上する。これにより、鉄系の材料を含む複合材料の切削加工や、切削点が高温になるチタン合金等の耐熱合金に対する切削加工においても、表皮膜２４の早期摩耗や剥離が防止されて優れた耐久性が得られるようになる。
【解決手段】 ダイヤモンド被膜２２にはボロンが５．０原子％程度の割合でドーピングされているため、そのダイヤモンド被膜２２が導電性を有するようになり、その上にＰＶＤ法によってＴｉＡｌＮの表皮膜２４を設ける際に、コーティングプロセス初期より十分な導電特性でコーティングすることが可能で、ダイヤモンド被膜２２に対する表皮膜２４の付着強度が向上する。また、ダイヤモンド被膜２２自体もボロンドープによって耐酸化性が向上するため、表皮膜２４の存在と相まって耐酸化性が大幅に向上する。これにより、鉄系の材料を含む複合材料の切削加工や、切削点が高温になるチタン合金等の耐熱合金に対する切削加工においても、表皮膜２４の早期摩耗や剥離が防止されて優れた耐久性が得られるようになる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工工具などの所定の部材の表面に設けられる硬質被膜に係り、特に、ダイヤモンド被膜の上にＰＶＤ法によって表皮膜を設ける技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超硬合金等の基材の表面にダイヤモンド被膜をコーティングしたダイヤモンド被覆加工工具が、例えばエンドミルやバイト、タップ、ドリルなどの切削工具、或いはその他の加工工具として提案されている。特許文献１や特許文献２に記載されている工具はその一例で、このようなダイヤモンド被覆加工工具は非常に高い硬度を有し、優れた耐摩耗性、耐溶着性が得られるが、耐酸化性が低く、鉄系の材料を含む複合材料の切削加工や、切削点が高温になる加工において十分な性能を示すことができないことがあった。このため、ダイヤモンド被膜の上にＴｉＡｌＮ等の金属間化合物の表皮膜をＰＶＤ（物理気相成長）法等によってコーティングすることが、例えば特許文献３等で提案されている。また、特許文献４、特許文献５には、ダイヤモンドに導電性を持たせたり耐酸化性を向上させたりするために、マイクロ波プラズマＣＶＤ（化学気相成長）法等によりダイヤモンドを結晶成長させる際に、ボロンをドーピングする技術が記載されている。
【特許文献１】特許第２５１９０３７号公報
【特許文献２】特開２００２−７９４０６号公報
【特許文献３】特開２００３−１４５３０９号公報
【特許文献４】特開２００４−１９３５２２号公報
【特許文献５】特開平１０−１４６７０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、工具基材等の表面にコーティングされるダイヤモンド被膜については、未だボロンのドーピングについて提案されておらず、ダイヤモンド自体は基本的に絶縁体であることから、ＰＶＤ法によってダイヤモンド被膜の上にＴｉＡｌＮ等の表皮膜を設ける場合、コーティングプロセス初期より十分な導電特性を得ることができないため、付着強度が低く、切削初期に表皮膜が剥離したりして十分な耐久性が得られないという問題があった。
【０００４】
本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、ダイヤモンド被膜の上にＰＶＤ法によって表皮膜を設ける場合の付着強度を向上させて優れた耐久性が得られるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
かかる目的を達成するために、第１発明は、所定の部材の表面に設けられる硬質被膜であって、(a) 前記所定の部材の表面には、ボロンがドーピングされたダイヤモンド被膜がコーティングされているとともに、(b) そのダイヤモンド被膜の上には、金属間化合物から成る表皮膜がＰＶＤ法によって設けられていることを特徴とする。
【０００６】
第２発明は、第１発明の硬質被膜において、前記ダイヤモンド被膜には、ボロンが０．０５〜１０原子％の割合でドーピングされていることを特徴とする。
【０００７】
第３発明は、第１発明または第２発明の硬質被膜において、前記ダイヤモンド被膜は、結晶粒径が２μｍ以下の微結晶ダイヤモンドにて構成されていることを特徴とする。
【０００８】
第４発明は、第１発明〜第３発明の何れかの硬質被膜において、前記表皮膜は、１種類の金属間化合物から成る単一層、または複数種類の金属間化合物から成る複数の層から構成されていることを特徴とする。
【０００９】
第５発明は、第１発明〜第４発明の何れかの硬質被膜において、前記ダイヤモンド被膜の膜厚は８〜２０μｍの範囲内で、前記表皮膜の膜厚は１〜５μｍの範囲内であることを特徴とする。
【００１０】
第６発明は、所定の工具基材の表面に硬質被膜が設けられている硬質被膜被覆加工工具に関するもので、所定の加工を行なう加工部の表面に、第１発明〜第５発明の何れかの硬質被膜が設けられていることを特徴とする。
【００１１】
なお、ボロンがドーピングされたボロンドープダイヤモンドは、炭素原子の一部がボロン原子によって置き換えられたもので、正の電荷を持つ正孔を有するｐ型半導体である。また、ボロンの原子％は、ボロン原子に置き換えられた原子数の割合で、例えば二次イオン質量分析法等によって調べられる。
【発明の効果】
【００１２】
このような硬質被膜においては、所定の部材の表面にコーティングされるダイヤモンド被膜にボロンがドーピングされていることから、そのダイヤモンド被膜が導電性を有するようになり、その上にＰＶＤ法によって金属間化合物の表皮膜を設ける際に、コーティングプロセス初期より十分な導電特性でコーティングすることが可能で、ダイヤモンド被膜に対する付着強度が向上する。また、ダイヤモンド被膜自体もボロンドープによって耐酸化性が向上するため、表皮膜の存在と相まって耐酸化性が大幅に向上する。これにより、鉄系の材料を含む複合材料の切削加工や、切削点が高温になるチタン合金等の耐熱合金に対する切削加工などにおいても、早期摩耗や剥離が防止されて優れた耐久性が得られるようになる。
【００１３】
第３発明では、ダイヤモンドが微結晶であるため、通常のダイヤモンド被膜に比較して表面が平滑であり、その上に設けられる表皮膜の平滑度（表面粗さ）が向上し、加工工具の場合には加工面粗さが向上する。
【００１４】
第５発明では、ダイヤモンド被膜の膜厚が８〜２０μｍの範囲内で、表皮膜の膜厚が１〜５μｍの範囲内であるため、ダイヤモンド被膜による耐摩耗性向上効果が良好に得られるとともに、工具基材に対するダイヤモンド被膜の密着性やダイヤモンド被膜に対する表皮膜の密着性が十分に得られて、それ等の剥離が一層良好に防止される。
【００１５】
加工部の表面に上記硬質被膜が設けられた第６発明の硬質被膜被覆加工工具においても、実質的に上記と同様の効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の硬質被膜は、耐摩耗性や耐酸化性が要求される切削工具などの加工工具、すなわち硬質被膜被覆加工工具に好適に適用されるが、例えば半導体装置などの硬質被膜として用いることもできるなど、加工工具以外にも適用され得る。加工工具としては、エンドミルやバイト、タップ、ドリルなどの切削工具は勿論、転造工具などの他の加工工具にも適用され得る。また、鉄鋼材料などの鉄系材料の加工に好適に用いられるが、他の材料の加工に用いることも可能である。
【００１７】
硬質被膜被覆加工工具の場合、硬質被膜をコーティングすべき工具基材としては超硬合金などの超硬質工具材料が好適に用いられるが、高速度工具鋼等の他の工具材料を用いることもできる。密着性を高めるために、その工具基材の表面に粗面化処理を施したり、他の被膜を下地として設けたりするなど、所定の前処理を行うことができる。
【００１８】
ダイヤモンド被膜のコーティングにはＣＶＤ法が好適に用いられ、特にマイクロ波プラズマＣＶＤ法が望ましいが、ホットフィラメントＣＶＤ法や高周波プラズマＣＶＤ法等の他のＣＶＤ法を用いることもできる。ボロンのドーピング技術については、前記特許文献４や特許文献５に記載されているものなど、ダイヤモンドに対するボロンのドーピング技術として従来から知られている種々の手法を採用できる。
【００１９】
ボロンのドーピング量（含有量）は、所定の導電性を得る上で０．０５原子％以上が望ましく、ダイヤモンド被膜の耐摩耗性や硬度等を維持する上で１０原子％以下が適当である。このドーピング量は、必ずしもダイヤモンド被膜の全域で一定である必要はなく、例えば上部程ドーピング量が多くなるように連続的或いは段階的にドーピング量を増やしたり、多い層と少ない層とを交互に積層して多層構造としたりするなど、種々の態様が可能である。
【００２０】
ダイヤモンド被膜の膜厚は、表皮膜の種類や膜厚などによって異なるが、例えば５μｍより薄いと十分な耐摩耗性等の作用が得られない一方、２５μｍを越えると剥離し易くなったり切れ刃の刃先が丸くなったりするなどして好ましくないため、５〜２５μｍの範囲内が適当で、８〜２０μｍ程度が特に望ましい。表皮膜の膜厚は、ダイヤモンド被膜の膜厚や表皮膜の材質などによって異なるが、例えば１μｍより薄いとダイヤモンド被膜と鉄系材料との反応を防止する作用が十分に得られない一方、５μｍを越えると剥離し易くなったり切れ刃の刃先が丸くなったりするなどして好ましくないため、１〜５μｍの範囲内が適当である。加工工具以外に適用する場合は、そのコーティング対象の材質や目的等に応じて適宜定められる。なお、ダイヤモンド被膜と金属間化合物から成る表皮膜とを交互に積層することも可能で、少なくとも最上部に表皮膜が設けられれば良い。
【００２１】
表皮膜を構成する金属間化合物は、例えばＡｌ、Ｔｉ、Ｖ、またはＣｒの炭化物、窒化物、炭窒化物、或いはこれらの相互固溶体から成るもので、具体的にはＴｉＡｌＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣｒＮ、ＴｉＮ、ＣｒＮなどが好適に用いられる。表皮膜は１層でも良いが、２層以上の金属間化合物によって構成することもできる。例えば、ダイヤモンド被膜の上には、ダイヤモンドとの密着性に優れたＴｉＮを例えば０．２〜０．５μｍ程度の厚さで設け、その上に３〜４μｍ程度の厚さでＴｉＡｌＮなどを設けるようにしたり、或いは０．２〜０．５μｍ程度の厚さのＴｉＮおよびＴｉＡｌＮを交互に繰り返し設けたりするなど、種々の態様を採用できる。
【００２２】
表皮膜は、少なくとも加工時にワーク（被削材など）と接触する部分を被覆するように設けられれば良く、必ずしもダイヤモンド被膜を総て被覆するように設ける必要はない。金属間化合物の表皮膜を設けるＰＶＤ法としては、例えばアークイオンプレーティング法やスパッタリング法が好適に用いられる。
【００２３】
第３発明の微結晶ダイヤモンドは、例えば前記特許文献２に記載のように核生成工程および結晶成長工程を繰り返すことにより形成することが可能である。結晶粒径は２μｍ以下で、１μｍ以下が望ましい。この結晶粒径は、結晶成長方向と直角な方向の最大径寸法で、総てのダイヤモンドの結晶粒径が２μｍ以下であることが望ましいが、表面或いは所定の横断面における結晶粒径の少なくとも８０％以上が２μｍ以下であれば良い。また、結晶成長方向の長さ寸法を２μｍ以下とすれば、その結晶成長方向と直角な方向の結晶粒径も一般には２μｍ以下となる。なお、結晶成長方向の寸法が２μｍより大きくても、結晶粒径が２μｍ以下であれば良い。第３発明以外の発明の実施に際しては、結晶粒径が２μｍより大きい粗結晶のダイヤモンド被膜を用いることもできる。
【実施例】
【００２４】
以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明が適用されたダイヤモンド被覆加工工具、具体的にはダイヤモンド被覆切削工具としてのエンドミル１０を示す図で、(a) は軸心と直角方向から見た正面図、(b) は刃部１４の表面付近の断面図である。このエンドミル１０は、４枚刃のスクエアエンドミルであり、工具基材１２は超硬合金にて構成されており、その工具基材１２にはシャンクおよび刃部１４が軸方向に一体に設けられている。刃部１４は加工部に相当し、切れ刃として外周刃１６および底刃１８を備えているとともに、刃部１４の表面には硬質被膜２０が設けられている。図１(a) の斜線部は、工具基材１２の表面に設けられた硬質被膜２０を表している。
【００２５】
硬質被膜２０は、工具基材１２の表面にコーティングされたダイヤモンド被膜２２と、そのダイヤモンド被膜２２の上に設けられた表皮膜２４とから構成されている。ダイヤモンド被膜２２は、結晶粒径が１μｍ以下の微結晶ダイヤモンドにて構成されているとともに、ボロンが０．０５〜１０原子％の範囲内で例えば５．０原子％程度でドーピングされており、８〜２０μｍの範囲内で例えば１５μｍ程度の膜厚でコーティングされている。表皮膜２４は、単一の金属間化合物すなわち本実施例ではＴｉＡｌＮにて構成されているとともに、１〜５μｍの範囲内で例えば４μｍ程度の膜厚で設けられている。
【００２６】
上記エンドミル１０は、超硬合金に研削加工等を施すことにより、切れ刃として外周刃１６および底刃１８を有する工具基材１２を形成した後、ダイヤモンド被膜２２の密着性を高めるために、工具基材１２の刃部１４の表面に粗面化処理を施す。粗面化処理としては、例えば電解研磨などの化学的腐食や、ＳｉＣ等の砥粒などによるサンドブラストが適当である。その後、図２のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置３０を用いて、粗面化された刃部１４の表面に気相合成法、具体的にはマイクロ波プラズマＣＶＤ法により、ボロンをドーピングしながらダイヤモンド粒子を生成・成長させてダイヤモンド被膜２２をコーティングする。
【００２７】
図２のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置３０は、反応炉３２、マイクロ波発生装置３４、原料ガス供給装置３６、真空ポンプ３８、および電磁コイル４０を備えて構成されている。円筒状の反応炉３２内にはテーブル４２が設けられダイヤモンド被膜２２をコーティングすべき複数の工具基材１２がワーク支持具４４に支持されて、それぞれ刃部１４が上向きになる姿勢で配置されるようになっている。マイクロ波発生装置３４は、例えば２．４５ＧＨｚ等のマイクロ波を発生する装置で、このマイクロ波が反応炉３２内へ導入されることにより工具基材１２が加熱されるとともに、マイクロ波発生装置３４の電力制御によって加熱温度が調節される。
【００２８】
原料ガス供給装置３６は、メタン（ＣＨ4 ）や水素（Ｈ2 ）、一酸化炭素（ＣＯ）などの原料ガスを反応炉３２内に供給するためのもので、それ等のガスボンベや流量を制御する流量制御弁、流量計などを備えて構成されているが、本実施例ではボロンをドーピングするために、例えば酸化ボロンをメタノールに溶かした液体を原料ガスに混ぜて反応炉３２内に供給できるようになっている。真空ポンプ３８は、反応炉３２内の気体を吸引して減圧するためのもので、圧力計４６によって検出される反応炉３２内の圧力値が予め定められた所定の圧力値になるように、真空ポンプ３８のモータ電流などがフィードバック制御される。電磁コイル４０は、反応炉３２内を取り巻くように反応炉３２の外周側に円環状に配設されている。
【００２９】
このようなマイクロ波プラズマＣＶＤ装置３０を用いたダイヤモンド被膜２２のコーティング処理は、図３に示すように核付着工程のステップＲ１と、結晶成長工程のステップＲ２とを有して行なわれる。ステップＲ１の核付着工程では、メタンの濃度が１０％〜３０％の範囲内で定められた設定値となるようにメタンおよび水素の流量調節を行うとともに、工具基材１２の表面温度が７００℃〜９００℃の範囲内で定められた設定温度になるようにマイクロ波発生装置３４を調節し、反応炉３２内のガス圧が２．７×１０2 Ｐａ〜２．７×１０3 Ｐａの範囲内で定められた設定圧になるように真空ポンプ３８を作動させ、その状態を０．１時間〜２時間継続する。これにより、工具基材１２の表面、或いはステップＲ２の結晶成長処理で結晶成長させられた多数のダイヤモンド結晶の表面に、ダイヤモンドの結晶成長の起点となる核の層が付着される。
【００３０】
ステップＲ２の結晶成長工程は、メタンの濃度が１％〜４％の範囲内で定められた設定値になるようにメタンおよび水素の流量調節を行うとともに、工具基材１２の表面温度が８００℃〜９００℃の範囲内で定められた設定温度になるようにマイクロ波発生装置３４を調節し、反応炉３２内のガス圧が１．３×１０3 Ｐａ〜６．７×１０3 Ｐａの範囲内で定められた設定圧になるように真空ポンプ３８を作動させ、その状態を、ダイヤモンドの結晶粒径が１μｍ以下に維持されるように予め定められた所定時間、具体的にはダイヤモンドの結晶長さ（結晶成長方向の長さ寸法）が１μｍになる予め求められた時間よりも短い所定の処理時間だけ継続する。すなわち、本実施例の結晶成長処理では、結晶成長方向の長さ寸法が１μｍ以下であれば、その結晶成長方向と略直角な平面内の結晶粒径は１μｍ以下に維持されるのである。
【００３１】
そして、次のステップＲ３では、工具基材１２の表面上に結晶成長させられたダイヤモンド被膜２２の膜厚が予め定められた設定膜厚（本実施例では２０μｍ）に達したか否かを、例えばステップＲ２の実行回数などで判断し、設定膜厚になるまで上記ステップＲ１およびＲ２を繰り返す。ステップＲ１の実行時には、ダイヤモンドの結晶成長が中止し、その結晶上に新たに核の層が形成されるとともに、以後の結晶成長処理（ステップＲ２）では、核の層の下のダイヤモンドの結晶が再成長させられることはなく、新たな核を起点として新たにダイヤモンドが結晶成長させられることにより、結晶粒径および結晶長さが共に１μｍ以下の微結晶で多層構造のダイヤモンド被膜２２が工具基材１２の表面にコーティングされる。
【００３２】
また、上記ダイヤモンド被膜２２のコーティング処理に際しては、水素等の原料ガスを供給する際に、前記酸化ボロンをメタノールに溶かした液体をその原料ガスに混ぜて反応炉３２内に所定流量で供給することにより、そのダイヤモンド被膜２２にボロンをドーピングする。ボロンのドーピング量は、酸化ボロンを溶かした液体の供給流量を変更することによって調節できる。
【００３３】
上記ダイヤモンド被膜２２の表面に、更に表皮膜２４としてＴｉＡｌＮをＰＶＤ法、具体的にはアークイオンプレーティング法によってコーティングする。図４は、上記表皮膜２４を形成する際に好適に用いられるアークイオンプレーティング装置５０を説明する概略構成図（模式図）で、多数のワークすなわち刃部１４にダイヤモンド被膜２２がコーティングされた工具基材１２を保持しているワーク保持具５２、そのワーク保持具５２を略垂直な回転中心まわりに回転駆動する回転装置５４、工具基材１２に負のバイアス電圧を印加するバイアス電源５６、工具基材１２などを内部に収容している処理容器としてのチャンバ５８、チャンバ５８内に所定の反応ガスを供給する反応ガス供給装置６０、チャンバ５８内の気体を真空ポンプなどで排出して減圧する排気装置６２、第１アーク電源６４、第２アーク電源６６等を備えている。ワーク保持具５２は、上記回転中心を中心とする円筒形状或いは多角柱形状を成しており、刃部１４が略水平に外側へ突き出す姿勢で多数の工具基材１２を放射状に保持している。また、反応ガス供給装置６０は、形成すべき表皮膜２４の組成に応じて窒化物であれば窒素ガス（Ｎ2 ）のタンクを有し、炭化物であれば炭化水素ガス（ＣＨ4 、Ｃ2 Ｈ2 など）のタンクを有し、炭窒化物であればその両方のタンクを有して構成される。本実施例では、表皮膜２４として窒化物のＴｉＡｌＮをコーティングするため、少なくとも窒素ガスを供給できるように窒素ガスのタンクを有して構成される。
【００３４】
第１アーク電源６４は、表皮膜２４すなわちＴｉＡｌＮの構成物質であるＴｉから成る第１蒸発源６８をカソードとして、アノード７０との間に所定のアーク電流を通電してアーク放電させることにより、第１蒸発源６８からＴｉを蒸発させるもので、蒸発したＴｉは正（＋）の金属イオンになって負（−）のバイアス電圧が印加されている工具基材１２の表面、すなわちダイヤモンド被膜２２上に付着する。また、第２アーク電源６６は、同じくＴｉＡｌＮの構成物質であるＡｌから成る第２蒸発源７２をカソードとして、アノード７４との間に所定のアーク電流を通電してアーク放電させることにより、第２蒸発源７２からＡｌを蒸発させるもので、蒸発したＡｌは正（＋）の金属イオンになって負（−）のバイアス電圧が印加されている工具基材１２の表面、すなわちダイヤモンド被膜２２上に上記Ｔｉと共に付着する。なお、ＴｉＡｌ合金のターゲットを用いることも可能である。
【００３５】
そして、予め排気装置６２で排気しながらチャンバ５８内が所定の圧力（例えば１．３３×５×１０-1Ｐａ〜１．３３×４０×１０-1Ｐａ程度）に保持されるように反応ガス供給装置６０から窒素ガスを供給しつつ、バイアス電源５６により工具基材１２に所定のバイアス電圧（例えば−５０Ｖ〜−１５０Ｖ程度）を印加し、回転装置５４によりワーク保持具５２を所定の回転速度で回転させながら前記ＴｉＡｌＮを形成する。具体的には、第１アーク電源６４および第２アーク電源６６を共にＯＮ（通電）し、第１蒸発源６８とアノード７０との間でアーク放電させてＴｉを蒸発させるとともに、第２蒸発源７２とアノード７４との間でアーク放電させてＡｌを蒸発させることにより、所定の膜厚（本実施例では約４μｍ）のＴｉＡｌＮの表皮膜２４がダイヤモンド被膜２２の上に形成される。
【００３６】
このような本実施例のエンドミル１０においては、ダイヤモンド被膜２２にボロンが５．０原子％程度の割合でドーピングされていることから、そのダイヤモンド被膜２２が導電性を有するようになり、その上にＰＶＤ法によってＴｉＡｌＮの表皮膜２４を設ける際に、コーティングプロセス初期より十分な導電特性でコーティングすることが可能で、ダイヤモンド被膜２２に対する表皮膜２４の付着強度が向上する。また、ダイヤモンド被膜２２自体もボロンドープによって耐酸化性が向上するため、表皮膜２４の存在と相まって耐酸化性が大幅に向上する。これにより、鉄系の材料を含む複合材料の切削加工や、切削点が高温になるチタン合金等の耐熱合金に対する切削加工においても、表皮膜２４の早期摩耗や剥離が防止されて優れた耐久性が得られるようになる。
【００３７】
また、ダイヤモンド被膜２２の膜厚が約１５μｍで、表皮膜２４の膜厚が約４μｍであるため、ダイヤモンド被膜２２による耐摩耗性向上効果が良好に得られるとともに、工具基材１２に対するダイヤモンド被膜２２の密着性やダイヤモンド被膜２２に対する表皮膜２４の密着性が十分に得られて、それ等の剥離が一層良好に防止される。更に、外周刃１６および底刃１８の刃先の丸みも許容範囲で、優れた切削性能が得られる。
【００３８】
また、本実施例のダイヤモンド被膜２２は結晶粒径が１μｍ以下の微結晶であるため、通常のダイヤモンド被膜に比較して表面が平滑であり、その上に設けられる表皮膜２４の平滑度（表面粗さ）が向上し、加工面粗さが向上する。
【００３９】
因みに、図５は、２枚刃のスクエアエンドミルについて、前記硬質被膜２０と同じ硬質被膜すなわちボロンをドーピングした微結晶ダイヤモンド被膜の上にＴｉＡｌＮの表皮膜をコーティングした本発明品（微結晶ダイヤモンド＋ＴｉＡｌＮ）と、表皮膜無しのボロンをドーピングした微結晶ダイヤモンド被膜のみから成る比較品（微結晶ダイヤモンド）と、ダイヤモンド被膜無しのＴｉＡｌＮの表皮膜のみから成る従来品（ＴｉＡｌＮ）とを用いて、ねずみ鋳鉄（ＦＣ２５０）に対する切削加工の耐久性試験を行なった場合で、(a) は加工条件、(b) は試験結果である。この試験結果から明らかなように、１段目の本発明品においては、３段目のＴｉＡｌＮのみの従来品に比較して５倍程度の耐久性が得られるとともに、２段目のボロンドープ微結晶ダイヤモンド被膜をコーティングした比較品に比べても、約１．５倍の耐久性が得られる。
【００４０】
図６は、前記図１とは異なる構造の硬質被膜を説明する図で、図１(b) に対応する断面図であり、この硬質被膜は、前記ダイヤモンド被膜２２の上に設けられた０．３μｍ程度の厚さのＴｉＮ層８２と、そのＴｉＮ層８２の上に設けられた４μｍ程度の厚さのＴｉＡｌＮ層８４との２層で表皮膜８０が構成されている。これ等のＴｉＮ層８２およびＴｉＡｌＮ層８４は、何れも前記表皮膜２４と同様にアークイオンプレーティング法によってコーティングされている。
【００４１】
この場合には、ダイヤモンドに対して密着性が優れたＴｉＮ層８２をダイヤモンド被膜２２上に設けた後、そのＴｉＮ層８２上にＴｉＡｌＮ層８４が設けられているため、それ等のＴｉＮ層８２およびＴｉＡｌＮ層８４から成る表皮膜８０がダイヤモンド被膜２２に対して一層高い密着性で強固に固着され、切削加工時の剥離が一層良好に防止される。
【００４２】
以上、本発明の実施例を図面に基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基づいて種々の変更，改良を加えた態様で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施例であるエンドミルを示す図で、(a) は軸心と直角方向から見た正面図、(b) は刃部の表面付近の断面図である。
【図２】ダイヤモンド被膜をコーティングする際に用いられるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の一例を説明する概略構成図である。
【図３】図２の装置を用いて微結晶ダイヤモンド被膜をコーティングする際の手順を説明するフローチャートである。
【図４】ＴｉＡｌＮ表皮膜をコーティングする際に用いられるアークイオンプレーティング装置の一例を説明する概略構成図である。
【図５】ボロンをドーピングした微結晶ダイヤモンド被膜の上にＴｉＡｌＮの表皮膜をコーティングした本発明品と、表皮膜無しのボロンをドーピングした微結晶ダイヤモンド被膜のみから成る比較品と、ダイヤモンド被膜無しのＴｉＡｌＮの表皮膜のみから成る従来品との耐久性の違いを、ねずみ鋳鉄について調べた結果を説明する図で、(a) は試験方法、(b) は試験結果である。
【図６】本発明の硬質被膜の他の態様を説明する図で、図１の(b) に対応する表面付近の断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０：エンドミル（硬質被膜被覆加工工具） １２：工具基材 １４：刃部（加工部） ２０：硬質被膜 ２２：ダイヤモンド被膜 ２４、８０：表皮膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工工具などの所定の部材の表面に設けられる硬質被膜に係り、特に、ダイヤモンド被膜の上にＰＶＤ法によって表皮膜を設ける技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超硬合金等の基材の表面にダイヤモンド被膜をコーティングしたダイヤモンド被覆加工工具が、例えばエンドミルやバイト、タップ、ドリルなどの切削工具、或いはその他の加工工具として提案されている。特許文献１や特許文献２に記載されている工具はその一例で、このようなダイヤモンド被覆加工工具は非常に高い硬度を有し、優れた耐摩耗性、耐溶着性が得られるが、耐酸化性が低く、鉄系の材料を含む複合材料の切削加工や、切削点が高温になる加工において十分な性能を示すことができないことがあった。このため、ダイヤモンド被膜の上にＴｉＡｌＮ等の金属間化合物の表皮膜をＰＶＤ（物理気相成長）法等によってコーティングすることが、例えば特許文献３等で提案されている。また、特許文献４、特許文献５には、ダイヤモンドに導電性を持たせたり耐酸化性を向上させたりするために、マイクロ波プラズマＣＶＤ（化学気相成長）法等によりダイヤモンドを結晶成長させる際に、ボロンをドーピングする技術が記載されている。
【特許文献１】特許第２５１９０３７号公報
【特許文献２】特開２００２−７９４０６号公報
【特許文献３】特開２００３−１４５３０９号公報
【特許文献４】特開２００４−１９３５２２号公報
【特許文献５】特開平１０−１４６７０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、工具基材等の表面にコーティングされるダイヤモンド被膜については、未だボロンのドーピングについて提案されておらず、ダイヤモンド自体は基本的に絶縁体であることから、ＰＶＤ法によってダイヤモンド被膜の上にＴｉＡｌＮ等の表皮膜を設ける場合、コーティングプロセス初期より十分な導電特性を得ることができないため、付着強度が低く、切削初期に表皮膜が剥離したりして十分な耐久性が得られないという問題があった。
【０００４】
本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、ダイヤモンド被膜の上にＰＶＤ法によって表皮膜を設ける場合の付着強度を向上させて優れた耐久性が得られるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
かかる目的を達成するために、第１発明は、所定の部材の表面に設けられる硬質被膜であって、(a) 前記所定の部材の表面には、ボロンがドーピングされたダイヤモンド被膜がコーティングされているとともに、(b) そのダイヤモンド被膜の上には、金属間化合物から成る表皮膜がＰＶＤ法によって設けられていることを特徴とする。
【０００６】
第２発明は、第１発明の硬質被膜において、前記ダイヤモンド被膜には、ボロンが０．０５〜１０原子％の割合でドーピングされていることを特徴とする。
【０００７】
第３発明は、第１発明または第２発明の硬質被膜において、前記ダイヤモンド被膜は、結晶粒径が２μｍ以下の微結晶ダイヤモンドにて構成されていることを特徴とする。
【０００８】
第４発明は、第１発明〜第３発明の何れかの硬質被膜において、前記表皮膜は、１種類の金属間化合物から成る単一層、または複数種類の金属間化合物から成る複数の層から構成されていることを特徴とする。
【０００９】
第５発明は、第１発明〜第４発明の何れかの硬質被膜において、前記ダイヤモンド被膜の膜厚は８〜２０μｍの範囲内で、前記表皮膜の膜厚は１〜５μｍの範囲内であることを特徴とする。
【００１０】
第６発明は、所定の工具基材の表面に硬質被膜が設けられている硬質被膜被覆加工工具に関するもので、所定の加工を行なう加工部の表面に、第１発明〜第５発明の何れかの硬質被膜が設けられていることを特徴とする。
【００１１】
なお、ボロンがドーピングされたボロンドープダイヤモンドは、炭素原子の一部がボロン原子によって置き換えられたもので、正の電荷を持つ正孔を有するｐ型半導体である。また、ボロンの原子％は、ボロン原子に置き換えられた原子数の割合で、例えば二次イオン質量分析法等によって調べられる。
【発明の効果】
【００１２】
このような硬質被膜においては、所定の部材の表面にコーティングされるダイヤモンド被膜にボロンがドーピングされていることから、そのダイヤモンド被膜が導電性を有するようになり、その上にＰＶＤ法によって金属間化合物の表皮膜を設ける際に、コーティングプロセス初期より十分な導電特性でコーティングすることが可能で、ダイヤモンド被膜に対する付着強度が向上する。また、ダイヤモンド被膜自体もボロンドープによって耐酸化性が向上するため、表皮膜の存在と相まって耐酸化性が大幅に向上する。これにより、鉄系の材料を含む複合材料の切削加工や、切削点が高温になるチタン合金等の耐熱合金に対する切削加工などにおいても、早期摩耗や剥離が防止されて優れた耐久性が得られるようになる。
【００１３】
第３発明では、ダイヤモンドが微結晶であるため、通常のダイヤモンド被膜に比較して表面が平滑であり、その上に設けられる表皮膜の平滑度（表面粗さ）が向上し、加工工具の場合には加工面粗さが向上する。
【００１４】
第５発明では、ダイヤモンド被膜の膜厚が８〜２０μｍの範囲内で、表皮膜の膜厚が１〜５μｍの範囲内であるため、ダイヤモンド被膜による耐摩耗性向上効果が良好に得られるとともに、工具基材に対するダイヤモンド被膜の密着性やダイヤモンド被膜に対する表皮膜の密着性が十分に得られて、それ等の剥離が一層良好に防止される。
【００１５】
加工部の表面に上記硬質被膜が設けられた第６発明の硬質被膜被覆加工工具においても、実質的に上記と同様の効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の硬質被膜は、耐摩耗性や耐酸化性が要求される切削工具などの加工工具、すなわち硬質被膜被覆加工工具に好適に適用されるが、例えば半導体装置などの硬質被膜として用いることもできるなど、加工工具以外にも適用され得る。加工工具としては、エンドミルやバイト、タップ、ドリルなどの切削工具は勿論、転造工具などの他の加工工具にも適用され得る。また、鉄鋼材料などの鉄系材料の加工に好適に用いられるが、他の材料の加工に用いることも可能である。
【００１７】
硬質被膜被覆加工工具の場合、硬質被膜をコーティングすべき工具基材としては超硬合金などの超硬質工具材料が好適に用いられるが、高速度工具鋼等の他の工具材料を用いることもできる。密着性を高めるために、その工具基材の表面に粗面化処理を施したり、他の被膜を下地として設けたりするなど、所定の前処理を行うことができる。
【００１８】
ダイヤモンド被膜のコーティングにはＣＶＤ法が好適に用いられ、特にマイクロ波プラズマＣＶＤ法が望ましいが、ホットフィラメントＣＶＤ法や高周波プラズマＣＶＤ法等の他のＣＶＤ法を用いることもできる。ボロンのドーピング技術については、前記特許文献４や特許文献５に記載されているものなど、ダイヤモンドに対するボロンのドーピング技術として従来から知られている種々の手法を採用できる。
【００１９】
ボロンのドーピング量（含有量）は、所定の導電性を得る上で０．０５原子％以上が望ましく、ダイヤモンド被膜の耐摩耗性や硬度等を維持する上で１０原子％以下が適当である。このドーピング量は、必ずしもダイヤモンド被膜の全域で一定である必要はなく、例えば上部程ドーピング量が多くなるように連続的或いは段階的にドーピング量を増やしたり、多い層と少ない層とを交互に積層して多層構造としたりするなど、種々の態様が可能である。
【００２０】
ダイヤモンド被膜の膜厚は、表皮膜の種類や膜厚などによって異なるが、例えば５μｍより薄いと十分な耐摩耗性等の作用が得られない一方、２５μｍを越えると剥離し易くなったり切れ刃の刃先が丸くなったりするなどして好ましくないため、５〜２５μｍの範囲内が適当で、８〜２０μｍ程度が特に望ましい。表皮膜の膜厚は、ダイヤモンド被膜の膜厚や表皮膜の材質などによって異なるが、例えば１μｍより薄いとダイヤモンド被膜と鉄系材料との反応を防止する作用が十分に得られない一方、５μｍを越えると剥離し易くなったり切れ刃の刃先が丸くなったりするなどして好ましくないため、１〜５μｍの範囲内が適当である。加工工具以外に適用する場合は、そのコーティング対象の材質や目的等に応じて適宜定められる。なお、ダイヤモンド被膜と金属間化合物から成る表皮膜とを交互に積層することも可能で、少なくとも最上部に表皮膜が設けられれば良い。
【００２１】
表皮膜を構成する金属間化合物は、例えばＡｌ、Ｔｉ、Ｖ、またはＣｒの炭化物、窒化物、炭窒化物、或いはこれらの相互固溶体から成るもので、具体的にはＴｉＡｌＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣｒＮ、ＴｉＮ、ＣｒＮなどが好適に用いられる。表皮膜は１層でも良いが、２層以上の金属間化合物によって構成することもできる。例えば、ダイヤモンド被膜の上には、ダイヤモンドとの密着性に優れたＴｉＮを例えば０．２〜０．５μｍ程度の厚さで設け、その上に３〜４μｍ程度の厚さでＴｉＡｌＮなどを設けるようにしたり、或いは０．２〜０．５μｍ程度の厚さのＴｉＮおよびＴｉＡｌＮを交互に繰り返し設けたりするなど、種々の態様を採用できる。
【００２２】
表皮膜は、少なくとも加工時にワーク（被削材など）と接触する部分を被覆するように設けられれば良く、必ずしもダイヤモンド被膜を総て被覆するように設ける必要はない。金属間化合物の表皮膜を設けるＰＶＤ法としては、例えばアークイオンプレーティング法やスパッタリング法が好適に用いられる。
【００２３】
第３発明の微結晶ダイヤモンドは、例えば前記特許文献２に記載のように核生成工程および結晶成長工程を繰り返すことにより形成することが可能である。結晶粒径は２μｍ以下で、１μｍ以下が望ましい。この結晶粒径は、結晶成長方向と直角な方向の最大径寸法で、総てのダイヤモンドの結晶粒径が２μｍ以下であることが望ましいが、表面或いは所定の横断面における結晶粒径の少なくとも８０％以上が２μｍ以下であれば良い。また、結晶成長方向の長さ寸法を２μｍ以下とすれば、その結晶成長方向と直角な方向の結晶粒径も一般には２μｍ以下となる。なお、結晶成長方向の寸法が２μｍより大きくても、結晶粒径が２μｍ以下であれば良い。第３発明以外の発明の実施に際しては、結晶粒径が２μｍより大きい粗結晶のダイヤモンド被膜を用いることもできる。
【実施例】
【００２４】
以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明が適用されたダイヤモンド被覆加工工具、具体的にはダイヤモンド被覆切削工具としてのエンドミル１０を示す図で、(a) は軸心と直角方向から見た正面図、(b) は刃部１４の表面付近の断面図である。このエンドミル１０は、４枚刃のスクエアエンドミルであり、工具基材１２は超硬合金にて構成されており、その工具基材１２にはシャンクおよび刃部１４が軸方向に一体に設けられている。刃部１４は加工部に相当し、切れ刃として外周刃１６および底刃１８を備えているとともに、刃部１４の表面には硬質被膜２０が設けられている。図１(a) の斜線部は、工具基材１２の表面に設けられた硬質被膜２０を表している。
【００２５】
硬質被膜２０は、工具基材１２の表面にコーティングされたダイヤモンド被膜２２と、そのダイヤモンド被膜２２の上に設けられた表皮膜２４とから構成されている。ダイヤモンド被膜２２は、結晶粒径が１μｍ以下の微結晶ダイヤモンドにて構成されているとともに、ボロンが０．０５〜１０原子％の範囲内で例えば５．０原子％程度でドーピングされており、８〜２０μｍの範囲内で例えば１５μｍ程度の膜厚でコーティングされている。表皮膜２４は、単一の金属間化合物すなわち本実施例ではＴｉＡｌＮにて構成されているとともに、１〜５μｍの範囲内で例えば４μｍ程度の膜厚で設けられている。
【００２６】
上記エンドミル１０は、超硬合金に研削加工等を施すことにより、切れ刃として外周刃１６および底刃１８を有する工具基材１２を形成した後、ダイヤモンド被膜２２の密着性を高めるために、工具基材１２の刃部１４の表面に粗面化処理を施す。粗面化処理としては、例えば電解研磨などの化学的腐食や、ＳｉＣ等の砥粒などによるサンドブラストが適当である。その後、図２のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置３０を用いて、粗面化された刃部１４の表面に気相合成法、具体的にはマイクロ波プラズマＣＶＤ法により、ボロンをドーピングしながらダイヤモンド粒子を生成・成長させてダイヤモンド被膜２２をコーティングする。
【００２７】
図２のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置３０は、反応炉３２、マイクロ波発生装置３４、原料ガス供給装置３６、真空ポンプ３８、および電磁コイル４０を備えて構成されている。円筒状の反応炉３２内にはテーブル４２が設けられダイヤモンド被膜２２をコーティングすべき複数の工具基材１２がワーク支持具４４に支持されて、それぞれ刃部１４が上向きになる姿勢で配置されるようになっている。マイクロ波発生装置３４は、例えば２．４５ＧＨｚ等のマイクロ波を発生する装置で、このマイクロ波が反応炉３２内へ導入されることにより工具基材１２が加熱されるとともに、マイクロ波発生装置３４の電力制御によって加熱温度が調節される。
【００２８】
原料ガス供給装置３６は、メタン（ＣＨ4 ）や水素（Ｈ2 ）、一酸化炭素（ＣＯ）などの原料ガスを反応炉３２内に供給するためのもので、それ等のガスボンベや流量を制御する流量制御弁、流量計などを備えて構成されているが、本実施例ではボロンをドーピングするために、例えば酸化ボロンをメタノールに溶かした液体を原料ガスに混ぜて反応炉３２内に供給できるようになっている。真空ポンプ３８は、反応炉３２内の気体を吸引して減圧するためのもので、圧力計４６によって検出される反応炉３２内の圧力値が予め定められた所定の圧力値になるように、真空ポンプ３８のモータ電流などがフィードバック制御される。電磁コイル４０は、反応炉３２内を取り巻くように反応炉３２の外周側に円環状に配設されている。
【００２９】
このようなマイクロ波プラズマＣＶＤ装置３０を用いたダイヤモンド被膜２２のコーティング処理は、図３に示すように核付着工程のステップＲ１と、結晶成長工程のステップＲ２とを有して行なわれる。ステップＲ１の核付着工程では、メタンの濃度が１０％〜３０％の範囲内で定められた設定値となるようにメタンおよび水素の流量調節を行うとともに、工具基材１２の表面温度が７００℃〜９００℃の範囲内で定められた設定温度になるようにマイクロ波発生装置３４を調節し、反応炉３２内のガス圧が２．７×１０2 Ｐａ〜２．７×１０3 Ｐａの範囲内で定められた設定圧になるように真空ポンプ３８を作動させ、その状態を０．１時間〜２時間継続する。これにより、工具基材１２の表面、或いはステップＲ２の結晶成長処理で結晶成長させられた多数のダイヤモンド結晶の表面に、ダイヤモンドの結晶成長の起点となる核の層が付着される。
【００３０】
ステップＲ２の結晶成長工程は、メタンの濃度が１％〜４％の範囲内で定められた設定値になるようにメタンおよび水素の流量調節を行うとともに、工具基材１２の表面温度が８００℃〜９００℃の範囲内で定められた設定温度になるようにマイクロ波発生装置３４を調節し、反応炉３２内のガス圧が１．３×１０3 Ｐａ〜６．７×１０3 Ｐａの範囲内で定められた設定圧になるように真空ポンプ３８を作動させ、その状態を、ダイヤモンドの結晶粒径が１μｍ以下に維持されるように予め定められた所定時間、具体的にはダイヤモンドの結晶長さ（結晶成長方向の長さ寸法）が１μｍになる予め求められた時間よりも短い所定の処理時間だけ継続する。すなわち、本実施例の結晶成長処理では、結晶成長方向の長さ寸法が１μｍ以下であれば、その結晶成長方向と略直角な平面内の結晶粒径は１μｍ以下に維持されるのである。
【００３１】
そして、次のステップＲ３では、工具基材１２の表面上に結晶成長させられたダイヤモンド被膜２２の膜厚が予め定められた設定膜厚（本実施例では２０μｍ）に達したか否かを、例えばステップＲ２の実行回数などで判断し、設定膜厚になるまで上記ステップＲ１およびＲ２を繰り返す。ステップＲ１の実行時には、ダイヤモンドの結晶成長が中止し、その結晶上に新たに核の層が形成されるとともに、以後の結晶成長処理（ステップＲ２）では、核の層の下のダイヤモンドの結晶が再成長させられることはなく、新たな核を起点として新たにダイヤモンドが結晶成長させられることにより、結晶粒径および結晶長さが共に１μｍ以下の微結晶で多層構造のダイヤモンド被膜２２が工具基材１２の表面にコーティングされる。
【００３２】
また、上記ダイヤモンド被膜２２のコーティング処理に際しては、水素等の原料ガスを供給する際に、前記酸化ボロンをメタノールに溶かした液体をその原料ガスに混ぜて反応炉３２内に所定流量で供給することにより、そのダイヤモンド被膜２２にボロンをドーピングする。ボロンのドーピング量は、酸化ボロンを溶かした液体の供給流量を変更することによって調節できる。
【００３３】
上記ダイヤモンド被膜２２の表面に、更に表皮膜２４としてＴｉＡｌＮをＰＶＤ法、具体的にはアークイオンプレーティング法によってコーティングする。図４は、上記表皮膜２４を形成する際に好適に用いられるアークイオンプレーティング装置５０を説明する概略構成図（模式図）で、多数のワークすなわち刃部１４にダイヤモンド被膜２２がコーティングされた工具基材１２を保持しているワーク保持具５２、そのワーク保持具５２を略垂直な回転中心まわりに回転駆動する回転装置５４、工具基材１２に負のバイアス電圧を印加するバイアス電源５６、工具基材１２などを内部に収容している処理容器としてのチャンバ５８、チャンバ５８内に所定の反応ガスを供給する反応ガス供給装置６０、チャンバ５８内の気体を真空ポンプなどで排出して減圧する排気装置６２、第１アーク電源６４、第２アーク電源６６等を備えている。ワーク保持具５２は、上記回転中心を中心とする円筒形状或いは多角柱形状を成しており、刃部１４が略水平に外側へ突き出す姿勢で多数の工具基材１２を放射状に保持している。また、反応ガス供給装置６０は、形成すべき表皮膜２４の組成に応じて窒化物であれば窒素ガス（Ｎ2 ）のタンクを有し、炭化物であれば炭化水素ガス（ＣＨ4 、Ｃ2 Ｈ2 など）のタンクを有し、炭窒化物であればその両方のタンクを有して構成される。本実施例では、表皮膜２４として窒化物のＴｉＡｌＮをコーティングするため、少なくとも窒素ガスを供給できるように窒素ガスのタンクを有して構成される。
【００３４】
第１アーク電源６４は、表皮膜２４すなわちＴｉＡｌＮの構成物質であるＴｉから成る第１蒸発源６８をカソードとして、アノード７０との間に所定のアーク電流を通電してアーク放電させることにより、第１蒸発源６８からＴｉを蒸発させるもので、蒸発したＴｉは正（＋）の金属イオンになって負（−）のバイアス電圧が印加されている工具基材１２の表面、すなわちダイヤモンド被膜２２上に付着する。また、第２アーク電源６６は、同じくＴｉＡｌＮの構成物質であるＡｌから成る第２蒸発源７２をカソードとして、アノード７４との間に所定のアーク電流を通電してアーク放電させることにより、第２蒸発源７２からＡｌを蒸発させるもので、蒸発したＡｌは正（＋）の金属イオンになって負（−）のバイアス電圧が印加されている工具基材１２の表面、すなわちダイヤモンド被膜２２上に上記Ｔｉと共に付着する。なお、ＴｉＡｌ合金のターゲットを用いることも可能である。
【００３５】
そして、予め排気装置６２で排気しながらチャンバ５８内が所定の圧力（例えば１．３３×５×１０-1Ｐａ〜１．３３×４０×１０-1Ｐａ程度）に保持されるように反応ガス供給装置６０から窒素ガスを供給しつつ、バイアス電源５６により工具基材１２に所定のバイアス電圧（例えば−５０Ｖ〜−１５０Ｖ程度）を印加し、回転装置５４によりワーク保持具５２を所定の回転速度で回転させながら前記ＴｉＡｌＮを形成する。具体的には、第１アーク電源６４および第２アーク電源６６を共にＯＮ（通電）し、第１蒸発源６８とアノード７０との間でアーク放電させてＴｉを蒸発させるとともに、第２蒸発源７２とアノード７４との間でアーク放電させてＡｌを蒸発させることにより、所定の膜厚（本実施例では約４μｍ）のＴｉＡｌＮの表皮膜２４がダイヤモンド被膜２２の上に形成される。
【００３６】
このような本実施例のエンドミル１０においては、ダイヤモンド被膜２２にボロンが５．０原子％程度の割合でドーピングされていることから、そのダイヤモンド被膜２２が導電性を有するようになり、その上にＰＶＤ法によってＴｉＡｌＮの表皮膜２４を設ける際に、コーティングプロセス初期より十分な導電特性でコーティングすることが可能で、ダイヤモンド被膜２２に対する表皮膜２４の付着強度が向上する。また、ダイヤモンド被膜２２自体もボロンドープによって耐酸化性が向上するため、表皮膜２４の存在と相まって耐酸化性が大幅に向上する。これにより、鉄系の材料を含む複合材料の切削加工や、切削点が高温になるチタン合金等の耐熱合金に対する切削加工においても、表皮膜２４の早期摩耗や剥離が防止されて優れた耐久性が得られるようになる。
【００３７】
また、ダイヤモンド被膜２２の膜厚が約１５μｍで、表皮膜２４の膜厚が約４μｍであるため、ダイヤモンド被膜２２による耐摩耗性向上効果が良好に得られるとともに、工具基材１２に対するダイヤモンド被膜２２の密着性やダイヤモンド被膜２２に対する表皮膜２４の密着性が十分に得られて、それ等の剥離が一層良好に防止される。更に、外周刃１６および底刃１８の刃先の丸みも許容範囲で、優れた切削性能が得られる。
【００３８】
また、本実施例のダイヤモンド被膜２２は結晶粒径が１μｍ以下の微結晶であるため、通常のダイヤモンド被膜に比較して表面が平滑であり、その上に設けられる表皮膜２４の平滑度（表面粗さ）が向上し、加工面粗さが向上する。
【００３９】
因みに、図５は、２枚刃のスクエアエンドミルについて、前記硬質被膜２０と同じ硬質被膜すなわちボロンをドーピングした微結晶ダイヤモンド被膜の上にＴｉＡｌＮの表皮膜をコーティングした本発明品（微結晶ダイヤモンド＋ＴｉＡｌＮ）と、表皮膜無しのボロンをドーピングした微結晶ダイヤモンド被膜のみから成る比較品（微結晶ダイヤモンド）と、ダイヤモンド被膜無しのＴｉＡｌＮの表皮膜のみから成る従来品（ＴｉＡｌＮ）とを用いて、ねずみ鋳鉄（ＦＣ２５０）に対する切削加工の耐久性試験を行なった場合で、(a) は加工条件、(b) は試験結果である。この試験結果から明らかなように、１段目の本発明品においては、３段目のＴｉＡｌＮのみの従来品に比較して５倍程度の耐久性が得られるとともに、２段目のボロンドープ微結晶ダイヤモンド被膜をコーティングした比較品に比べても、約１．５倍の耐久性が得られる。
【００４０】
図６は、前記図１とは異なる構造の硬質被膜を説明する図で、図１(b) に対応する断面図であり、この硬質被膜は、前記ダイヤモンド被膜２２の上に設けられた０．３μｍ程度の厚さのＴｉＮ層８２と、そのＴｉＮ層８２の上に設けられた４μｍ程度の厚さのＴｉＡｌＮ層８４との２層で表皮膜８０が構成されている。これ等のＴｉＮ層８２およびＴｉＡｌＮ層８４は、何れも前記表皮膜２４と同様にアークイオンプレーティング法によってコーティングされている。
【００４１】
この場合には、ダイヤモンドに対して密着性が優れたＴｉＮ層８２をダイヤモンド被膜２２上に設けた後、そのＴｉＮ層８２上にＴｉＡｌＮ層８４が設けられているため、それ等のＴｉＮ層８２およびＴｉＡｌＮ層８４から成る表皮膜８０がダイヤモンド被膜２２に対して一層高い密着性で強固に固着され、切削加工時の剥離が一層良好に防止される。
【００４２】
以上、本発明の実施例を図面に基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基づいて種々の変更，改良を加えた態様で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施例であるエンドミルを示す図で、(a) は軸心と直角方向から見た正面図、(b) は刃部の表面付近の断面図である。
【図２】ダイヤモンド被膜をコーティングする際に用いられるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の一例を説明する概略構成図である。
【図３】図２の装置を用いて微結晶ダイヤモンド被膜をコーティングする際の手順を説明するフローチャートである。
【図４】ＴｉＡｌＮ表皮膜をコーティングする際に用いられるアークイオンプレーティング装置の一例を説明する概略構成図である。
【図５】ボロンをドーピングした微結晶ダイヤモンド被膜の上にＴｉＡｌＮの表皮膜をコーティングした本発明品と、表皮膜無しのボロンをドーピングした微結晶ダイヤモンド被膜のみから成る比較品と、ダイヤモンド被膜無しのＴｉＡｌＮの表皮膜のみから成る従来品との耐久性の違いを、ねずみ鋳鉄について調べた結果を説明する図で、(a) は試験方法、(b) は試験結果である。
【図６】本発明の硬質被膜の他の態様を説明する図で、図１の(b) に対応する表面付近の断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０：エンドミル（硬質被膜被覆加工工具） １２：工具基材 １４：刃部（加工部） ２０：硬質被膜 ２２：ダイヤモンド被膜 ２４、８０：表皮膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の部材の表面に設けられる硬質被膜であって、
前記所定の部材の表面には、ボロンがドーピングされたダイヤモンド被膜がコーティングされているとともに、
該ダイヤモンド被膜の上には、金属間化合物から成る表皮膜がＰＶＤ法によって設けられている
ことを特徴とする硬質被膜。
【請求項２】
前記ダイヤモンド被膜には、ボロンが０．０５〜１０原子％の割合でドーピングされている
ことを特徴とする請求項１に記載の硬質被膜。
【請求項３】
前記ダイヤモンド被膜は、結晶粒径が２μｍ以下の微結晶ダイヤモンドにて構成されている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の硬質被膜。
【請求項４】
前記表皮膜は、１種類の金属間化合物から成る単一層、または複数種類の金属間化合物から成る複数の層から構成されている
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の硬質被膜。
【請求項５】
前記ダイヤモンド被膜の膜厚は８〜２０μｍの範囲内で、前記表皮膜の膜厚は１〜５μｍの範囲内である
ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の硬質被膜。
【請求項６】
所定の加工を行なう加工部の表面に、請求項１〜５の何れか１項に記載の硬質被膜が設けられていることを特徴とする硬質被膜被覆加工工具。
【請求項１】
所定の部材の表面に設けられる硬質被膜であって、
前記所定の部材の表面には、ボロンがドーピングされたダイヤモンド被膜がコーティングされているとともに、
該ダイヤモンド被膜の上には、金属間化合物から成る表皮膜がＰＶＤ法によって設けられている
ことを特徴とする硬質被膜。
【請求項２】
前記ダイヤモンド被膜には、ボロンが０．０５〜１０原子％の割合でドーピングされている
ことを特徴とする請求項１に記載の硬質被膜。
【請求項３】
前記ダイヤモンド被膜は、結晶粒径が２μｍ以下の微結晶ダイヤモンドにて構成されている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の硬質被膜。
【請求項４】
前記表皮膜は、１種類の金属間化合物から成る単一層、または複数種類の金属間化合物から成る複数の層から構成されている
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の硬質被膜。
【請求項５】
前記ダイヤモンド被膜の膜厚は８〜２０μｍの範囲内で、前記表皮膜の膜厚は１〜５μｍの範囲内である
ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の硬質被膜。
【請求項６】
所定の加工を行なう加工部の表面に、請求項１〜５の何れか１項に記載の硬質被膜が設けられていることを特徴とする硬質被膜被覆加工工具。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００６−１５２４２４（Ｐ２００６−１５２４２４Ａ）
【公開日】平成１８年６月１５日（２００６．６．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３４９１５２（Ｐ２００４−３４９１５２）
【出願日】平成１６年１２月１日（２００４．１２．１）
【出願人】（０００１０３３６７）オーエスジー株式会社 (180)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月１５日（２００６．６．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月１日（２００４．１２．１）
【出願人】（０００１０３３６７）オーエスジー株式会社 (180)
【Ｆターム（参考）】
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