覆盖工具及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及例如冲压加工用的模具、锻造用的模具、锯片等切割工具或钻头等切 削工具等的、覆盖有类金刚石覆膜（以下称为"DLC覆膜"。）的覆盖工具及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 用模具对铝、铜和树脂等被加工材料进行成型加工时，由于部分被加工材料附着 于模具的表面上，因此有时会产生卡挂、划痕等产品异常。为了解决这种问题，应用一种 在模具的表面上覆盖有DLC覆膜的覆盖模具。实质上不含有氢的DLC覆膜（Tetrahedral amorphous carbon覆膜：ta-C覆膜，四面体无定形碳覆膜）因高硬度且耐磨性优异，而被广 泛地用于覆盖模具。
[0003] 然而，实质上不含有氢的高硬度的DLC覆膜是通过利用了石墨靶的电弧离子镀法 形成的，被称为小滴（droplet)的大小为几微米的颗粒（石墨球）会不可避免地混入至DLC 覆膜，从而使DLC覆膜的表面粗糙度恶化。
[0004] 对于这样的问题，在专利文献1中公开了通过应用具备收集小滴的机构的过滤电 弧离子镀法（Filtered Arc Ion Plating)，从而能够覆盖平滑且高硬度的实质上不含有氢 的DLC覆膜。
[0005] 现有技术文献
[0006] 专利文献
[0007] 专利文献1 :日本特开2008-297171号公报
【发明内容】
[0008] 发明要解决的问题
[0009] 通过应用专利文献1这样的、高硬度且平滑的表面状态的DLC覆膜，能够期待改善 工具特性。然而，存在高硬度的DLC覆膜与基材的密合性不良的倾向。
[0010] 根据本发明人的研究，确认到：特别是将碳化物多的SKDll等冷作工具钢（例如， 含碳率为1质量％以上的高碳钢）等用于基材时，有基体与碳化物之间产生间隙，以该间隙 为起点易于产生DLC覆膜剥离的倾向，从而刚覆盖之后的DLC覆膜有时会产生剥离。
[0011] 本发明是鉴于以上这样的情况而做出的，涉及密合性优异的覆盖工具及其制造方 法。
[0012] 用于解决问题的方案
[0013] 本发明人发现能够改善高硬度的DLC覆膜的密合性的具体的覆膜构造、和用于实 现该构造的有效的覆盖方法，从而完成本发明。
[0014] 用于完成前述课题的具体方案如以下所示。
[0015] 即，本发明为一种密合性优异的覆盖工具，其是在基材的表面覆盖有DLC(类金刚 石）覆膜的覆盖工具，前述DLC覆膜的纳米压痕硬度为50GPa以上且IOOGPa以下；前述DLC 覆膜的氢原子和氮原子的含量从基材侧向厚度方向（表面侧）减少；前述DLC覆膜的表面 的氢原子的含量为0. 5原子％以下、氮原子的含量为2原子％以下。
[0016] 对于前述DLC覆膜的表面粗糙度，优选的是，算术平均粗糙度Ra为0. 03 y m以下， 最大高度粗糙度Rz为0. 5 ym以下。
[0017] 前述DLC覆膜的基材的表面的氢原子的含量优选为0. 7原子％以上且7原子％以 下、氮原子的含量优选大于2原子％且为10原子％以下。
[0018] 另外，类金刚石覆膜的膜厚优选为0.1 ym~I. 5 ym的范围。
[0019] 作为基材，优选含碳率为1质量％以上的高碳钢或者超硬合金。
[0020] 另外，本发明的覆盖工具的制造方法是利用过滤电弧离子镀法在基材的表面覆盖 DLC(类金刚石）覆膜的覆盖工具的制造方法，包括以下工序：
[0021] 气体轰击处理工序：向炉内导入含氢原子的混合气体，对前述基材的表面进行气 体轰击处理的工序；以及覆盖工序：接着，向气体轰击（gas bombard)处理后的前述炉内导 入氮气，一边减少向炉内导入的前述氮气的流量，一边使用石墨靶对前述基材的表面覆盖 DLC覆膜的工序。
[0022] 前述混合气体优选为含有氩气、和相对于混合气体总质量为4质量％以上的氢气 的混合气体。
[0023] 前述覆盖工序优选在一边减少向炉内导入的前述氮气的流量一边覆盖类金刚石 覆膜之后，进而停止氮气的导入（使氮气的导入量减少至Osccm)而覆盖类金刚石覆膜。
[0024] 另外，在前述覆盖工序中，向炉内导入的氮气的流量优选为5SCCm以上且3〇 SCCm 以下。
[0025] 发明的效果
[0026] 根据本发明，能提供密合性优异的覆盖工具及其制造方法。
【附图说明】
[0027] 图1是表示本发明例的试样No. 1的DLC覆膜的辉光放电发射光谱分析结果的曲 线图。
[0028] 图2是表示本发明例的试样No. 2的DLC覆膜的辉光放电发射光谱分析结果的曲 线图。
[0029] 图3是表示本发明例的试样No. 3的DLC覆膜的辉光放电发射光谱分析结果的曲 线图。
[0030] 图4是表示比较试样No. 1的DLC覆膜的辉光放电发射光谱分析结果的曲线图。
[0031] 图5是表示比较试样No. 2的DLC覆膜的辉光放电发射光谱分析结果的曲线图。
[0032] 图6是表示比较试样No. 3的DLC覆膜的辉光放电发射光谱分析结果的曲线图。
[0033] 图7是表示本发明例的试样No. 1的DLC覆膜的俄歇电子能谱分析结果的曲线图。
[0034] 图8是表示本发明例的试样No. 3的DLC覆膜的俄歇电子能谱分析结果的曲线图。
[0035] 图9是表示比较试样No. 3的DLC覆膜的俄歇电子能谱分析结果的曲线图。
[0036] 图10是实施例中使用的T字型过滤电弧成膜装置的示意图。
[0037] 图11是本发明例的试样No. 1~No. 3的DLC覆膜的利用光学显微镜的表面观察 照片。
[0038] 图12是比较试样No. 1~No. 6的DLC覆膜的利用光学显微镜的表面观察照片。
[0039] 图13是球盘试验后的本发明例的各试样的利用光学显微镜的表面观察照片。
[0040] 图14是球盘试验后的各比较试样的利用光学显微镜的表面观察照片。
【具体实施方式】
[0041] 本发明的覆盖工具是在基材的表面上覆盖有类金刚石覆膜的覆盖工具，从覆膜表 面测定的纳米压痕硬度为50GPa以上且IOOGPa以下。本发明的覆盖工具是在基材上具有 从覆膜表面测定的纳米压痕硬度为50GPa以上的高硬度的DLC覆膜的覆盖工具。若纳米压 痕硬度为小于50GPa的低硬度，则耐磨性下降，因此工具寿命变得不充分。另一方面，若覆 膜的硬度为大于IOOGPa的高硬度，则残余应力变得过高，与基材的密合性下降。
[0042] 从耐磨性良好且与基材的密合更优异的观点出发，本发明的DLC覆膜的纳米压痕 硬度更优选为55GPa以上、进一步优选为60GPa以上。另外，DLC覆膜的纳米压痕硬度更优 选为95GPa以下，进一步优选为90GPa以下。
[0043] 纳米压痕硬度是将探针压入试样（DLC覆膜）而使其塑性变形时的塑性硬度，根 据压入荷重与压入深度（位移）求出荷重-位移曲线，算出硬度。具体而言，使用Elionix Co.，Ltd.制造的纳米压痕装置，以压入荷重9. 8mN、最大荷重保持时间1秒、荷重负载后的 去除速度〇. 49mN/秒的测定条件，测定10个点的覆膜表面的硬度，由去掉了值大的2个点 与值小的2个点后的6个点的平均值来求得。
[0044] 高硬度的DLC覆膜有内部应力极高且缺乏与基材的密合性的倾向。因此，以往提 出了通过设置硬度比DLC覆膜低的中间覆膜，来确保基材与DLC覆膜的密合性的技术。但 是，根据本发明人的研究可确认，在基材与DLC覆膜之间夹杂金属、碳化物或者氮化物等中 间覆膜时，会以中间覆膜的表面缺陷为起点，DLC覆膜先剥离，因此对于改善密合性而言不 充分。
[0045] 另一方面，已知含有氢原子或者氮原子的DLC覆膜的硬度和残余应力下降。若DLC 覆膜所含的氢原子的含量增多，则硬度和残余应力下降。例如，将DLC覆膜作为覆盖模具的 覆盖用材料使用时，因成型中的温度上升，DLC覆膜所含的氢蒸发，在模具中产生空隙等缺 陷，模具寿命下降。另外，即使DLC覆膜所含的氮原子的含量增多，硬度和残余应力也会下 降。在加工非铁系材料时，变得容易发生熔接。因此，即使夹杂过多地含有氢原子或者氮原 子的DLC覆膜而使密合性提高，工具特性也难以被改善。
[0046] 对此，本发明人研究出了在基材的正上方设置DLC覆膜，使该DLC覆膜的厚度方向 的覆膜构造连续地变化来降低残余应力的方法。结果，确认到若不使厚度方向均匀地含有 氢和氮元素，而在从DLC覆膜的基材侧向表面侧的厚度方向使氢原子和氮原子的含量均减 少，则残余应力下降，即使将碳化物多的冷作工具钢用于基材时，也不产生剥离，密合性被 改善。
[0047] 但是，若远离基材的表面的DLC覆膜所含的氢原子或者氮原子的含量增多，则发 生被加工材料的熔接，工具寿命容易下降。对此，在本发明的覆盖工具中，在从DLC覆膜的 基材侧向表面侧的厚度方向使氢原子和氮原子的含量减少，使DLC覆膜的表面的氢原子的 含量为〇. 5原子％以下、氮的含量为2原子％以下。即，这表示本发明的覆盖工具的基材侧 的表面的氢原子的含量大于〇. 5原子％，基材侧的表面的氮原子的含量大于2原子％。
[0048] 通过具有这种覆膜构造，设置在基材的正上方的高硬度的DLC覆膜对基材具有高 密合性，也可以抑制被加工材料的熔接。
[0049] 本发明的覆盖工具通过用于覆盖模具，可以大幅度地提高模具寿命，因而优选。
[0050] 其中，根据与上述同样的理由，作为DLC覆膜的表面的氢原子的含量，优选为0.4 原子％以下，更优选为〇. 3原子％以下。
[0051] 另外，作为DLC覆膜