专利名称：碳膜包覆部件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种适合干压加工用模具等的碳膜包覆部件及其制造方法。
背景技术：
一直以来，施加金刚石膜或DLC (类金刚石)膜等碳膜的模具具有高润滑的表面，因此在金属加工中能够进行设为无油式、免清洗式的冲压成型等干压加工受到关注。这些模具主要通过在以碳化钨为主成分的硬质合金上实施接合处理，并通过CVD法直接蒸镀金刚石或DLC膜来制作。这些碳膜虽然具有充分高的润滑性和硬度，但作为基材的硬质合金与碳膜之间易 发生剥离，反复施加力学负荷时的寿命不充分。对此，作为提高硬质合金与碳膜的粘附性的技术，例如在专利文献I中提出有如下技术在基材表面实施基于喷砂、磨削加工、喷丸、砂纸等锉刀方法的摩擦、基于带有粗糙表面的辊子的轧制及蚀刻等粗糙化处理后，设置与基材的粘附性比较良好的DLC膜，并研磨DLC膜的表面。另外，该文献中还提出有预先在基材表面形成金刚石膜，并在该金刚石膜上设置DLC膜，并研磨该DLC膜的表面的技术。专利文献I :日本专利公开2007-262560号公报上述以往技术中留有以下课题。原本认为，以CVD法蒸镀的碳膜与硬质合金的基板之间的化学键合力较弱，这2者的粘附受底层的凹凸部钩住上膜的锚定效应的左右。因此可认为，如专利文献I所记载的技术，即使在实施了粗糙化处理的基材表面上施加DLC膜，其效果也因底层的表面状态而不充分。即，当进行喷砂等粗糙化处理时，虽然能够形成一定程度的微细的凹凸，但所获得的锚定效应也有限。尤其是若为与基材的粘附性比较良好的DLC膜，则可通过粗糙化处理得到一定程度的粘附性，相反当为与基材的粘附性低于DLC膜的金刚石膜时，以往的喷砂等粗糙化处理是不充分的。另外，在硬质合金中大多含有Co等烧结助剂作为粘合剂，当为这些硬质合金时，很难使碳膜在其上稳固成长。
发明内容
本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于提供一种在基材上以较高的粘附性形成碳膜的碳膜包覆部件及其制造方法。本发明为了解决上述课题采用了以下结构。即，本发明的碳膜包覆部件，其特征在于，在硬质合金的基材表面排列形成直径为50 μ m以下的多个微细孔,并在所述基材表面填满所述微细孔并形成碳膜。另外，本发明的碳膜包覆部件的制造方法，其特征在于，该方法具有孔形成工序，在硬质合金的基材表面排列形成直径为50 μ m以下的多个微细孔；及碳膜形成工序，在该孔形成工序后，在所述基材表面填满所述微细孔并形成碳膜。在这些碳膜包覆部件及其制造方法中，由于在基材表面排列形成直径为50μπι以下的多个微细孔，并在基材表面填满微细孔并形成碳膜，因此通过在基材上排列形成的多个微细孔，得到相比喷砂等粗糙化处理更高的锚定效应，并得到具有更高的粘附性的碳膜。另外，将微细孔的直径设为50 μ m以下的原因在于，若为直径超过50 μ m的孔，则无法发挥碳膜与基材之间的锚定效应。被成膜的碳膜由数μm以下的颗粒的键合构成，通过该颗粒或颗粒块的一部分与形成于基材上的孔的侧面缠结来发挥锚定效应，但若为直径超过50 μ m的孔，则相对碳膜所缠结的孔的侧面，孔底部等其该侧面之外的面积的比率变高，相对于剪断应力失去耐性，无法发挥锚定效应。并且，本发明的碳膜包覆部件，其特征在于，构成所述基材的硬质合金含有Co，所述基材表面上形成有钨膜，并且穿通该钨膜来形成所述微细孔，所述钨膜上形成有所述碳
膜。 并且，本发明的碳膜包覆部件的制造方法，其特征在于，构成所述基材的硬质合金含有Co，并具有在所述孔形成工序前在所述基材表面形成钨膜的底膜形成工序，在所述孔形成工序中，穿通所述钨膜来形成所述微细孔，在所述碳膜形成工序中，在所述钨膜上形成所述碳膜。即，在这些碳膜包覆部件及其制造方法中，由于在含有Co的基材表面形成钨膜，进一步在其上形成碳膜，因此钨膜成为底膜，即使在含有Co的基材上也可得到碳膜的较高的粘附性。另外，由于穿通钨膜来形成微细孔，因此锚定效应也原样保持，并得到稳定的粘附性。并且，本发明的碳膜包覆部件，其特征在于，多个所述微细孔的深度为100 μ m以下，相互间隔为100 μ m以上。S卩，在该碳膜包膜部件中，由于多个微细孔的深度为ΙΟΟμπι以下，相互间隔为100 μ m以上，因此能够确保基材的强度的同时，提高碳膜的粘附性。另外，若多个微细孔的深度超过ΙΟΟμπι或相互间隔不到100 μ m，则导致基材的强度降低，当在模具中采用时等，容易引起模具表层部的破坏。更优选设定多个微细孔的深度为Iym以上、相互间隔为2000 μπι以下。若深度低于I μ m或相互间隔超过2000 μ m,则导致碳膜相对于基材的保持力降低，当在模具中采用时等，容易引起1旲具表层部的剥尚。并且，本发明的碳膜包覆部件，其特征在于，所述碳膜为金刚石膜。S卩，在该碳膜包覆部件中，即使为与基材的粘附性低于DLC膜的金刚石膜，也能够对于基材得到充分的粘附性。并且，本发明的碳膜包覆部件，其特征在于，该碳膜包覆部件为干压加工用模具。即，在该碳膜包覆部件中，由于成为干压加工用模具，因此不易引起由轧制时的冲击产生的碳膜的剥离，使模具寿命延长，并且能够与基于干式加工的程序简化一同实现压制品的成本降低。并且，本发明的碳膜包覆部件的制造方法，其特征在于，所述孔形成工序中将激光照射于所述基材表面来形成所述微细孔。S卩，在该碳膜包覆部件的制造方法中，由于孔形成工序中将激光照射于基材表面来形成微细孔，因此能够高精确度且均匀地形成多个微细孔。根据本发明得到以下效果。
S卩，根据本发明所涉及的碳膜包覆部件及其制造方法，由于在基材表面排列形成直径为50 μ m以下的多个微细孔，并在基材表面填满微细孔并形成碳膜，因此可得到相比以往更高的锚定效应，并可得到具有更高的粘附性的碳膜。因此，通过在干压加工用模具中应用本发明的碳膜包覆部件可得到长寿命的模具，并且能够实现工序数的缩减及低成本化。
图I是在本发明所涉及的碳膜包覆部件及其制造方法的第I实施方式中表示碳膜包覆部件的表面的放大俯视图。图2是在第I实施方式中按工序顺序表示碳膜包覆部件的制造方法的概括性主要 部分截面图。图3是在第I实施方式中表示将碳膜包覆部件作为干压加工用模具时减薄加工时的状态的概要截面图。图4是在本发明所涉及的碳膜包覆部件及其制造方法的第2实施方式中按工序顺序表示碳膜包覆部件的制造方法的概括性主要部分截面图。图5是在本发明所涉及的碳膜包覆部件及其制造方法的实施例中表示抗弯强度试验的试验状态的示意图。图6是在本发明的实施例中表示碳膜包覆部件的表面的放大照片。符号说明1,21-碳膜包覆部件，2-基材，3-微细孔，4_碳膜，6_干压用模具，6A-穿孔部(模具)，6B-模具部(模具)，27-钨膜，L-激光。
具体实施例方式以下，参考图I至图3说明本发明所涉及的碳膜包覆部件及其制造方法的第I实施方式。另外，在以下说明中使用的各附图中，有为了将各部设成能够识别或容易识别的大小而根据需要适当更改比例尺的部分。如图I及图2所示，本实施方式的碳膜包覆部件I在由硬质合金构成的基材2表面以恒定间隔排列形成直径为50 μ m以下的均匀的多个微细孔3，并在基材2表面填满微细孔3并形成碳膜4。上述基材2由硬质合金构成。上述多个微细孔3的深度h为IOOym以下，相互间隔d为IOOym以上。更优选设定此时的多个微细孔的深度为I μ m以上、相互间隔设为2000 μ m以下。上述碳膜4为DLC膜或金刚石膜，本实施方式中采用金刚石膜。该碳膜包覆部件I的制造方法具有孔形成工序，如图2的(a)所示，在硬质合金的基材2表面排列形成直径为50 μ m以下的多个微细孔3 ;碳膜形成工序，如图2的(b)所示，在该孔形成工序后，在基材2的表面填满微细孔3并形成碳膜4 ;及研磨工序，如图2的(c)所示，对碳膜4表面的凹凸进行研磨并使其平滑化。上述孔形成工序中，将激光L照射于基材2表面来形成微细孔3作为微孔。例如，利用波长为532nm的激光L,以交错配置状排列形成直径为50 μ m以下、深度为100 μ m以下、以及相互间隔为ΙΟΟμπι以上的多个微细孔3。更优选以此时的多个微细孔的深度为I μ m以上、相互间隔为2000 μ m以下的方式形成。并且，上述碳膜形成工序中通过CVD法成膜金刚石膜。另外，上述研磨工序中，例如通过波长355nm的激光，将因金刚石膜的自形等产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。接着，参考图3对采用本实施方式的碳膜包覆部件作为例如不锈钢或铝合金等的干式轧制用模具的情况进行说明。 图3表示对铝合金原材料5进行用于制作铝罐的减薄加工的干压加工用模具6。该干压加工用模具6具备作为碳膜包覆部件的穿孔部6A和模具部6B，并通过根据在穿孔部6A与模具部6B的间隙压入原材料5进行减薄加工并使其薄壁化来进行加工。该干压加工用模具6中，作为进行减薄加工的加工面，在穿孔部6A的外周面及前端面与模具部6B的内周面如上所述形成多个微细孔3的基础上，包覆金刚石膜作为碳膜4，并用激光研磨其表面。因此，在该干压加工用模具6中，对加工面施加具有较高附着力的金刚石膜，从而具有较低的摩擦系数及较高的耐磨性。这样在本实施方式的碳膜包覆部件及其制造方法中，由于在基材2表面排列形成直径为50 μ m以下的多个微细孔3，并在基材2表面填满微细孔3并形成碳膜4，因此通过在基材2上排列形成的多个微细孔3，得到相比喷砂等粗糙化处理更高的锚定效应，并可得到具有更高的粘附性的碳膜4。尤其是碳膜4即使为与基材2的粘附性低于DLC膜的金刚石膜，也能够对于基材2得到充分的粘附性。并且，由于多个微细孔3的深度为ΙΟΟμπι以下，相互间隔为ΙΟΟμπι以上，因此能够确保基材2的强度的同时，提高碳膜4的粘附性。并且，更优选此时的多个微细孔的深度为I μ m以上,相互间隔为2000 μ m以下。另外，在本实施方式中，均匀的多个微细孔3以恒定的间隔排列形成，但此时，相比以不等间隔且无规则地形成直径或深度不均匀的微细孔3的情况，粘附性的面内偏差变少，在面内可得到均匀且较高的粘附性。并且，孔形成工序中，由于将激光L照射于基材2表面来形成微细孔3，因此能够高精确度且均匀地形成多个微细孔3。因此，在应用本实施方式的碳膜包覆部件的干压加工用模具6中，由于加工面具有上述碳膜包覆结构，因此不易引起由轧制时的冲击产生的碳膜4的剥离，使模具寿命延长，并且能够与基于干式加工的程序简化一同实现压制品的成本降低。接着，以下参考图4对本发明所涉及的碳膜包覆部件及其制造方法的第2实施方式进行说明。另外，在以下实施方式的说明中，对于在上述实施方式中说明过的同一结构要件附加同一符号，并省略其说明。第2实施方式与第I实施方式的不同点在于，第I实施方式中碳膜4直接形成于形成有微细孔3的基材2上，与之相对，第2实施方式的碳膜包覆部件21中，构成基材2的硬质合金含有Co，如图4的(d)所示，基材2表面形成有钨膜27，并且穿通该钨膜27来形成微细孔3，钨膜27上形成有碳膜4。S卩，该碳膜包覆部件21的制造方法具有如图4的(a)所示在孔形成工序前在基材2表面形成钨膜27的底膜形成工序，并具有如图4的(b)所示穿通钨膜27来形成微细孔3的孔形成工序、如图4的(c)所示在钨膜27上形成碳膜4的碳膜形成工序及如图4的(d)所示对碳膜4的表面凹凸进行研磨并使其平滑化的研磨工序。另外，在上述底膜形成工序中通过利用钨溅射靶的溅射在基材2表面形成钨膜27。这样在本实施方式的碳膜包覆部件21及其制造方法中，由于在含有Co的基材2表面形成钨膜27，进一步在其上形成碳膜4，因此钨膜27成为底膜，即使在包含Co的基材2上也可得到碳膜4的较高的粘附性。并且，由于穿通钨膜27来形成微细孔3，因此锚定效应也原样保持，并得到稳定的粘附性。[实施例]
接着，对制作上述第2实施方式的碳膜包覆部件并进行强度评价试验的结果进行说明。首先，作为强度评价试验，通过利用钨溅射靶的溅射在表面5mmX30mm、厚度Imm的含有Co的硬质合金基材的表面设置钨膜作为底膜后，通过输出功率10W、波长532nm、反复IkHz的激光，从靠近的微细孔相互远离150 μ m在基材表面形成最大径为50 μ m、深度为30 μ m的作为微孔的微细孔。之后，通过以CVD法包覆金刚石膜作为碳膜来制作试样。对该试样如下进行了抗弯强度试验。S卩，如图5所示，利用3点弯曲试验机100和AE (声发射)传感器101，评价金刚石膜从基材剥落、断裂及基材的断裂时间。AE传感器101安装于试样102，该AE传感器101上连接有AE测试仪主体103。AE测试仪主体103经前置放大器104、主放大器105及带通滤波器106并利用数字存储示波器107输出来自AE传感器101的信号的波形。即，能够取得金刚石膜断裂时来自AE传感器101的信号，并通过分析所输出的波形来测定其断裂时的应力。其结果金刚石膜断裂时的应力为I. lkN/mm2，确认为强度非常闻。另外，关于作为本发明的实施例的上述试样，将放大其表面的显微镜照片不于图6。该照片中，将微细孔标记为微孔。接着，在直径为30mm、高度为20mm的模具中，在含Co的硬质合金基材表面与上述试样相同地进行形成钨膜的工序、形成微细孔的工序及形成金刚石膜的工序。另外，以波长为355nm的激光研磨因金刚石膜的自形产生凹凸的表面并平滑化至表面粗糙度Rz :0. 5 μ m以下，从而制作出干压用模具。并且，能够利用该干压用模具，并使用板厚为O. 5mm的铝合金3003原材料良好地进行5000注料量的干式加工中的拉深加工。如此不仅是不锈钢的轧制，作为易塑性变形的铝合金的干式轧制用模具也能够采用本发明的模具。另外，本发明的技术范围并不限定于上述实施方式及实施例，在不脱离本发明宗旨的范围内能够施加各种变更。例如，上述实施方式中作为碳膜包覆部件应用于干压加工用模具，但也可以应用于其他部件。例如，也可以在切削工具等中采用本发明。即，通过在切削工具的刀尖或刃部的基材上形成多个微细孔，并在其表面形成金刚石膜等碳膜，从而能够得到具有较高的粘附性的、涂覆碳膜的切削 工具。
权利要求
1.一种碳膜包覆部件，其特征在于， 在硬质合金的基材表面排列形成直径为50 μ m以下的多个微细孔， 在所述基材表面填满所述微细孔并形成碳膜。
2.如权利要求I所述的碳膜包覆部件，其特征在于， 构成所述基材的硬质合金含有Co， 所述基材表面上形成有钨膜，并且穿通该钨膜来形成所述微细孔，所述钨膜上形成有所述碳膜。
3.如权利要求I或2所述的碳膜包覆部件，其特征在于， 多个所述微细孔的深度为100 μ m以下，相互间隔为100 μ m以上。
4.如权利要求I所述的碳膜包覆部件，其特征在于， 所述碳膜为金刚石膜。
5.如权利要求I所述的碳膜包覆部件，其特征在于， 所述碳膜包覆部件为干压加工用模具。
6.一种碳膜包覆部件的制造方法，其特征在于，该方法具有 孔形成工序，在硬质合金的基材表面排列形成直径为50 μ m以下的多个微细孔；及 碳膜形成工序，在该孔形成工序后，在所述基材表面填满所述微细孔并形成碳膜。
7.如权利要求6所述的碳膜包覆部件的制造方法，其特征在于， 构成所述基材的硬质合金含有Co， 具有在所述孔形成工序之前在所述基材表面形成钨膜的底膜形成工序， 在所述孔形成工序中，穿通所述钨膜来形成所述微细孔， 在所述碳膜形成工序中，在所述钨膜上形成所述碳膜。
8.如权利要求6或7所述的碳膜包覆部件的制造方法，其特征在于， 所述孔形成工序中将激光照射于所述基材表面来形成所述微细孔。
全文摘要
本发明提供一种在基材上以较高的粘附性形成碳膜的碳膜包覆部件及其制造方法。本发明的碳膜包覆部件(1)，在硬质合金的基材(2)表面排列形成直径为50μm以下的多个微细孔(3)，并在基材(2)表面填满微细孔(3)并形成碳膜(4)。并且，该碳膜包覆部件的制造方法具有孔形成工序，在硬质合金的基材(2)表面排列形成直径为50μm以下的多个微细孔(3)；及碳膜形成工序，在该孔形成工序后，在基材(2)表面填满微细孔(3)并形成碳膜(4)。
文档编号C23C16/27GK102965637SQ20121030550
公开日2013年3月13日 申请日期2012年8月24日 优先权日2011年8月30日
发明者高桥正训, 日向野哲, 久保拓矢 申请人:三菱综合材料株式会社