本発明者は非晶質炭素被覆工具の開発を� ��ってきたところ、まず基材に接する側に水� ��量が多い非晶質炭素膜を被覆し、その上面� ��水素量が少ない非晶質炭素膜を重ねて被覆� ��ると、耐摩耗性が優れるとともに、非晶質� ��素膜と基材との密着性に優れた非晶質炭素� ��覆工具が得られるという知見を得て本発明� ��完成するに至った。

 すなわち、本発明の非晶質炭素被覆工具� ��、基材と非晶質炭素膜とを備え、非晶質炭� ��膜は基材に接する側の内層部と表面側の外� ��部とからなり、非晶質炭素膜の内層部に含� ��れる水素量が、非晶質炭素膜の外層部に含� ��れる水素量よりも多いことを特徴とする。

 本発明の非晶質炭素被覆工具の基材とし� ��は、高速度鋼、超硬合金、セラミックス、� ��高圧焼結体などを挙げることができる。そ� ��中でも、超硬合金は硬さと靭性に優れるの� ��より好ましい。

 本発明の非晶質炭素膜は、硬質炭素膜、� ��イヤモンドライクカーボン膜、DLC膜、a-C:H� �、i-カーボン膜、ta-C膜などと呼ばれるもの� �含む。

 本発明の非晶質炭素膜は、基材に接する� ��層部と表面側の外層部とからなる。非晶質� ��素膜の内層部に含まれる水素量は、非晶質� ��素膜の外層部に含まれる水素量よりも多い� ��これは、非晶質炭素膜中の水素量が低いと� ��非晶質炭素膜の硬さは高いが非晶質炭素膜� ��基材との密着性は低く、非晶質炭素膜中の� ��素量が高いと、基材との密着性は高くなる� ��なるという知見から定めたものである。そ� ��中でも、非晶質炭素膜の内層部の水素量が� ��材に接する側から表面側に向けて徐々に減� ��する濃度勾配を有すると、密着性の向上と� ��膜硬さの低下を防止できるため、より好ま� ��い。

 本発明の非晶質炭素膜の外層部に含まれ� ��水素量は0.5原子%未満、すなわち実質的に水 素が含有されないことを意味する量であり、 非晶質炭素膜の内層部に含まれる水素量は0.5 ~3原子%であると、より好ましい。これは、非 晶質炭素膜の水素量が0.5原子%未満であると� �非晶質炭素膜の硬さは高いが非晶質炭素膜� �基材との密着性は低く、非晶質炭素膜の水� �量が0.5原子%以上であると基材との密着性は� ��くなるが、非晶質炭素膜の水素量が3原子%� �超えて多くなると非晶質炭素膜の硬さの低� �が顕著になるためである。非晶質炭素膜の� �素量およびその濃度勾配は、ヘリウムなど� �高エネルギーイオンを入射粒子として用い� �弾性反跳粒子検出法(ERDA)、共鳴核反応法(NRA� �: Nuclear Reaction Analysis)などを使用すること� ��測定することができる。

 本発明の非晶質炭素膜における内層部の� ��さは、非晶質炭素膜の膜厚全体の1~10%であ� �ことが好ましい。非晶質炭素膜の内層部の� �さが、膜厚全体の1%未満であると耐摩耗性を 高くする効果が十分に得られず、膜厚全体の 10%を超えると非晶質炭素膜全体の硬さが低下 する。したがって、非晶質炭素膜の外層部の 厚さは、非晶質炭素膜の膜厚全体の90~99%であ ることが好ましい。

 本発明の非晶質炭素膜は、ナノインデン� ��ーション法による硬さが20~100GPaであること� ��好ましく、30~80GPaであるとより好ましい。� �さが20GPa未満であると耐摩耗性が低下し、100 GPaを超えると刃先の耐欠損性が低下するため である。

 本発明の非晶質炭素膜は、弾性復元率が70%� ��満であると塑性変形しやすいので、70~100%の 弾性復元率を有することが好ましい。ここで 、非晶質炭素膜の弾性復元率は式1で定義さ� �る。
[式1]弾性復元率(%)=(Hmax-Hf)/Hmax×100(%)
 (式中、Hmaxは最大押し込み深さであり、Hfは 荷重除荷後の押し込み深さ(圧痕深さ)である� ��)

 本発明の非晶質炭素膜は、膜厚0.06~5μmを� ��することが好ましい。膜厚が0.06μm未満であ ると非晶質炭素膜を被覆する効果が得られず 、5μmを超えると非晶質炭素膜の圧縮応力が� �きくなり、非晶質炭素膜と基材との密着性� �低下する。

 本発明の非晶質炭素被覆工具においては、� ��材に存在する圧縮応力が耐欠損性や非晶質� ��素膜と基材との密着性に影響を及ぼすため� ��鏡面、研削面、焼肌面など基材の表面状態� ��関係なく、基材に存在する圧縮応力が0.3GPa� ��下であることが好ましい。基材の圧縮応力� ��0.3GPaを超えると、非晶質炭素膜にチッピン� ��が発生しやすくなる。なお、基材に存在す� ��圧縮応力は2θ-sin ² ψ法による測定でき、具体的には、下記の式2 、式3を用いて基材の圧縮応力を測定するこ� �ができる。また、WCを主成分とする超硬合金 基材の場合は、WCに存在する圧縮応力を基材� ��存在する圧縮応力とみなすことができる。
[式2]応力σ=-E/(2・(1+υ))・cotθ ₀ ・π/180・δ(2θ)/δ(sin ² ψ)
[式3]応力σ=K・δ(2θ)/δ(sin ² ψ)
ψ:試料面法線と格子面法線のなす角
σ:応力(MPa)
E:ヤング率(MPa)
υ:ポアソン比
θ ₀ :標準ブラッグ角(度)
K:材料物性および標準ブラッグ角θ ₀ で決まる定数

 514.5nmの波長を持つアルゴンガスレーザーを 用いたラマン分光法により波数800~2000cm ^-1 の範囲でラマンスペクトルを測定したときに 、従来の高結晶性熱分解グラファイト膜のラ マンスペクトルは波数1580cm ^-1 付近に1つのGバンドと呼ばれるラマンピーク� ��現れる。そして高結晶性熱分解グラファイ� ��膜の結晶性が低下するに従って波数1350cm ^-1 付近にブロードなDバンドと呼ばれるラマン� �ークが現れる。

 本発明の非晶質炭素膜は、514.5nmの波長を有 するアルゴンガスレーザーを用いたラマン分 光法によるラマンスペクトルにおいて、波数 1560~1600cm ^-1 の範囲内に第1ピークと、波数1100~1200cm ^-1 の範囲内に第2ピークとを有することがより� �ましい。波数800~2000cm ^-1 の範囲でラマンスペクトルを測定したときに 、波数1350cm ^-1 付近にピークはほとんど見られず、上記波数 の範囲内に第1ピークおよび第2ピークがある� ��、非晶質炭素膜の硬さが増加する傾向を示� ��。

 本発明の非晶質炭素膜は、ダイヤモンドに� ��敵する高い硬さを有し、切削工具として用� ��た場合、優れた耐摩耗性を発揮する。本発� ��の非晶質炭素膜はsp ³ 結合の割合が高いので、常温硬さと高温硬さ が高くなる。

 本発明の非晶質炭素被覆工具の用途とし� ��、具体的には、ドリル、エンドミル、スロ� ��アウェイチップなどの切削工具、金型を挙� ��ることができる。

 本発明の非晶質炭素膜は、固体のカーボン� ��出発原料とした物理蒸着法により得られる� ��具体的な物理蒸着法としては、アークイオ� ��プレーティング法、レーザーアブレーショ� ��法、スパッタリング法などを挙げることが� ��きる。その中でも、非晶質炭素膜と基材と� ��密着性が高く、得られる非晶質炭素膜の硬� ��が高いアークイオンプレーティング法がよ� ��好ましい。アークイオンプレーティング法� ��、他の方式よりもイオン化率が高いカーボ� ��イオンが生成するため、ダイヤモンド類似� ��sp ³ 結合の比率が高く緻密で硬さの高い膜が得ら れ、耐摩耗性を大幅に向上させることができ る。

 アークイオンプレーティング法は、非晶� ��炭素膜の表面にマイクロパーティクルと呼� ��れる突起物が生じやすい。マイクロパーテ� ��クルは耐摩耗性の低下や非晶質炭素膜の表� ��粗さを粗くし、被削材の表面品位を悪くす� ��原因となる。アークイオンプレーティング� ��の中でも、マイクロパーティクルを低減さ� ��るフィルタードアークイオンプレティング� ��はより好ましい。

 本発明の非晶質炭素膜を具体的に製造する� ��法としては以下を挙げることができる。工� ��形状の基材を成膜装置内に入れ、アルゴン� ��ラズマにて基材の表面を洗浄する。次に、� ��材に-30~-300Vの直流電圧または-30~-500Vのパル� ��電圧の基材バイアス電圧をかけてC ₂ H ₂ およびCH ₄ の1種または2種を5~20cm ³ /minの範囲の所定流量で炉内へ導入し、アー� �放電電流80Aの陰極アーク放電によりグラフ� �イトのターゲットを蒸発およびイオン化さ� �ることにより、基材に接する側に非晶質炭� �膜の内層膜を被覆する。内層部の水素量に� �度勾配を持たせるためには、C ₂ H ₂ およびCH ₄ の1種または2種の流量を時間とともに減少さ� ��るとよい。非晶質炭素膜の内層膜の被覆終� ��後、C ₂ H ₂ およびCH ₄ の1種または2種を供給せずに非晶質炭素膜の� ��層部を被覆すると本発明の非晶質炭素被覆� ��具を得ることができる。

 非晶質炭素膜の被覆時の基材温度は、50~200� ��であると好ましく、50~150℃であるとより好� ��しい。基材温度が、200℃を超えると軟質なs p ² 結合のグラファイトが析出しやすくなり、50� ��未満であると基材と非晶質炭素膜との密着� ��が低下する。本発明では、非晶質炭素膜の� ��覆時にはカーボンイオンが基材表面に照射� ��れ、非晶質炭素膜が形成されるので基材温� ��は上昇するため、基材を加熱ヒーターによ� ��て加熱しなくても基材温度が上昇する場合� ��ある。