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JP2006152422A - Boron-doped diamond film, and diamond-coated cutting tool - Google Patents

Boron-doped diamond film, and diamond-coated cutting tool Download PDF

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JP2006152422A
JP2006152422A JP2004349149A JP2004349149A JP2006152422A JP 2006152422 A JP2006152422 A JP 2006152422A JP 2004349149 A JP2004349149 A JP 2004349149A JP 2004349149 A JP2004349149 A JP 2004349149A JP 2006152422 A JP2006152422 A JP 2006152422A
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JP
Japan
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boron
diamond
film
doped
diamond film
Prior art date
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Application number
JP2004349149A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroyuki Haniyu
博之 羽生
Krings Michael
ミカエル,クリングス
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OSG Corp
Original Assignee
OSG Corp
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve oxidation resistance and lubricity of a diamond film. <P>SOLUTION: Since boron is doped in a boron-doped diamond film 20 at the rate of 0.5-1.0 atom%, a layer of an oxide of boron (for example, B<SB>2</SB>O<SB>3</SB>) is deposited on the surface of the diamond film 20 when being oxidized, the progress of oxidation into the film is suppressed by the layer of the oxide, the oxidation resistance of the film 20 is improved, the friction coefficient is reduced and the lubricity is improved. Early wear or peeling of the film caused by the oxidation is suppressed and excellent durability can be obtained even when cutting a composite material containing an iron material or cutting a heat-resistant alloy such as a titanium alloy with the cutting point being hot. Further, since the lubricity is also improved, heat generation caused by the friction is suppressed, the durability of the film 20 is improved in this aspect, and the quality of a worked surface of a work is improved. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、加工工具などの所定の部材にコーティングされるダイヤモンド被膜に係り、特に、耐酸化性および潤滑性を向上させる技術に関するものである。   The present invention relates to a diamond film coated on a predetermined member such as a processing tool, and more particularly to a technique for improving oxidation resistance and lubricity.

超硬合金等の母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。また、特許文献3、特許文献4には、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(硼素;B)をドーピングする技術が記載されている。
特許第2519037号公報 特開2002−79406号公報 特開2004−193522号公報 特開平10−146703号公報
A diamond coating tool in which a surface of a base material such as cemented carbide is coated with a diamond coating has been proposed as a cutting tool such as an end mill, a bite, a tap, a drill, or other processing tools. The tools described in Patent Document 1 and Patent Document 2 are an example, and such a diamond-coated tool has a very high hardness and provides excellent wear resistance and welding resistance. In Patent Document 3 and Patent Document 4, in order to give conductivity or improve oxidation resistance, when diamond is crystal-grown by a microwave plasma CVD (chemical vapor deposition) method or the like, A technique for doping boron (boron; B) is described.
Japanese Patent No. 2519037 JP 2002-79406 A JP 2004-193522 A Japanese Patent Laid-Open No. 10-146703

しかしながら、工具母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、耐酸化性が低いとともに潤滑性が悪いことから、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では、ダイヤモンド被膜が酸化により早期に摩耗して十分な耐久性が得られないことがあった。また、摩擦による発熱で耐久性が低下したり、被削材の加工面品質が損なわれたりすることがあった。   However, for diamond coatings coated on the surface of tool base materials, etc., boron doping has not yet been proposed, and since oxidation resistance is low and lubricity is poor, composite materials including iron-based materials are not suitable. In cutting or cutting of a heat-resistant alloy such as a titanium alloy that has a high cutting point, the diamond coating may wear early due to oxidation, and sufficient durability may not be obtained. In addition, the heat generation due to friction may reduce the durability, and the work surface quality of the work material may be impaired.

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、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の耐酸化性や潤滑性を向上させることにある。   The present invention has been made against the background described above, and its object is to improve the oxidation resistance and lubricity of a diamond film coated on the surface of a predetermined member.

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コーティングされるダイヤモンド被膜であって、ボロンがドーピングされていることを特徴とする。   In order to achieve such an object, the first invention is a diamond film coated on the surface of a predetermined member, and is characterized in that boron is doped.

第2発明は、第1発明のボロンドープダイヤモンド被膜において、前記ボロンが0.05〜2.0原子%の割合でドーピングされていることを特徴とする。   The second invention is characterized in that in the boron-doped diamond film of the first invention, the boron is doped at a ratio of 0.05 to 2.0 atomic%.

第3発明は、所定の工具母材の表面にダイヤモンド被膜がコーティングされているダイヤモンド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、ダイヤモンド被膜として第1発明または第2発明のボロンドープダイヤモンド被膜がコーティングされていることを特徴とする。   The third invention relates to a diamond coated processing tool in which a surface of a predetermined tool base material is coated with a diamond coating, and the diamond coating is applied to the surface of a processing portion for performing a predetermined processing as described in the first or second invention. A boron-doped diamond film is coated.

なお、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。   Boron-doped diamond is a p-type semiconductor having positively charged holes in which some carbon atoms are replaced by boron atoms. Further, the atomic% of boron is the ratio of the number of atoms replaced with boron atoms, and is examined by, for example, secondary ion mass spectrometry.

このようなボロンドープダイヤモンド被膜においては、表面が酸化を受けた際に表面にボロンの酸化物(例えばB2 3 )の層が形成されるため、その酸化物の層により被膜内部への酸化の進行が抑制されて、被膜の耐酸化性が向上するとともに、摩擦係数が小さくなって潤滑性が向上する。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、酸化による被膜の早期摩耗や剥離が抑制されて優れた耐久性が得られるようになる。また、潤滑性が良くなることから、摩擦による発熱が抑制され、この点でも被膜の耐久性が向上するとともに、被削材の加工面品質が向上する。 In such a boron-doped diamond film, when the surface is oxidized, a layer of boron oxide (for example, B 2 O 3 ) is formed on the surface, so that the oxide layer oxidizes the inside of the film. Is suppressed, the oxidation resistance of the coating is improved, and the coefficient of friction is reduced to improve the lubricity. As a result, even in cutting of composite materials including iron-based materials and cutting of heat-resistant alloys such as titanium alloys with high cutting points, early wear and delamination of the coating due to oxidation are suppressed, resulting in excellent durability. Sex can be obtained. In addition, since the lubricity is improved, heat generation due to friction is suppressed. In this respect, the durability of the coating is improved and the work surface quality of the work material is improved.

加工部の表面に上記ボロンドープダイヤモンド被膜がコーティングされている第3発明のダイヤモンド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。   In the diamond coating tool of the third invention in which the boron-doped diamond film is coated on the surface of the processed portion, substantially the same effect as described above can be obtained.

本発明のボロンドープダイヤモンド被膜は、耐摩耗性や耐酸化性、潤滑性が要求される切削工具などの加工工具、すなわちダイヤモンド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。   The boron-doped diamond coating of the present invention is preferably applied to a processing tool such as a cutting tool that requires wear resistance, oxidation resistance, and lubricity, that is, a diamond coating processing tool. For example, it can be used as a processing tool.

ダイヤモンド被覆加工工具の場合、ボロンドープダイヤモンド被膜をコーティングすべき工具母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、その工具母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。   In the case of a diamond-coated tool, a superhard tool material such as cemented carbide is preferably used as a tool base material to be coated with a boron-doped diamond coating, but other tool materials such as high-speed tool steel may also be used. it can. In order to improve the adhesion, a predetermined pretreatment such as roughening the surface of the tool base material or providing another coating as a base can be performed.

また、ボロンドープダイヤモンド被膜の膜厚は、5μmより薄いと十分な耐摩耗性が得られない一方、25μmを超えると剥離し易くなるため、5〜25μmの範囲内が好ましく、10〜20μm程度が適当である。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、このボロンドープダイヤモンド被膜とTiAlN等の金属間化合物から成る硬質被膜、或いはその他の被膜を交互に積層することも可能で、少なくとも最上部にボロンドープダイヤモンド被膜が設けられれば良い。   Further, when the film thickness of the boron-doped diamond film is less than 5 μm, sufficient wear resistance cannot be obtained. On the other hand, if it exceeds 25 μm, it is easy to peel off, and therefore it is preferably in the range of 5 to 25 μm, preferably about 10 to 20 μm. Is appropriate. When applied to other than the processing tool, it is appropriately determined according to the material and purpose of the coating target. The boron-doped diamond film and a hard film made of an intermetallic compound such as TiAlN, or other films can be alternately laminated, and it is sufficient that the boron-doped diamond film is provided at least on the uppermost part.

ボロンドープ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3や特許文献4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。   A CVD method is suitably used for coating the boron-doped diamond film, and a microwave plasma CVD method is particularly desirable, but other CVD methods such as a hot filament CVD method and a high-frequency plasma CVD method can also be used. Regarding boron doping techniques, various techniques conventionally known as boron doping techniques for diamond, such as those described in Patent Document 3 and Patent Document 4, can be employed.

ボロンドープダイヤモンド被膜は、例えば核生成工程および結晶成長工程によって形成され、その結晶成長を所定時間行うことによって目的とする膜厚にすることができるが、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、微結晶で多層構造のボロンドープダイヤモンド被膜を形成することもできる。   The boron-doped diamond film is formed by, for example, a nucleation process and a crystal growth process, and can be formed into a target film thickness by performing the crystal growth for a predetermined time. For example, as described in Patent Document 2, By repeating the generation step and the crystal growth step, it is possible to form a boron-doped diamond film having a microcrystal and a multilayer structure.

ボロンのドーピング量(含有量)は、0.05原子%より少ないと耐酸化性、潤滑性の向上効果が十分に得られない一方、2.0原子%より多いと元々のダイヤモンド被膜が有する耐摩耗性等の特性が損なわれるため、0.05〜2.0原子%の範囲内が適当で、0.5〜1.0原子%程度が望ましいが、2.0原子%よりたくさんドーピングすることも可能である。このドーピング量は、必ずしもボロンドープダイヤモンド被膜の全域で一定である必要はなく、例えば表面程ドーピング量が多くなるようにダイヤモンド被膜の結晶成長に伴って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。   If the doping amount (content) of boron is less than 0.05 atomic%, the effect of improving oxidation resistance and lubricity cannot be obtained sufficiently. On the other hand, if it exceeds 2.0 atomic%, the original diamond coating has the resistance to resistance. Since properties such as abrasion are impaired, the range of 0.05 to 2.0 atomic% is appropriate, and about 0.5 to 1.0 atomic% is desirable, but doping more than 2.0 atomic% Is also possible. This doping amount does not necessarily have to be constant throughout the boron-doped diamond coating, for example, the doping amount is increased continuously or stepwise with the crystal growth of the diamond coating so that the doping amount increases as the surface increases. Various modes are possible, such as laminating many layers and few layers alternately to form a multilayer structure.

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、工具母材12は超硬合金にて構成されており、その工具母材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、0.5〜1.0原子%の割合でボロンがドーピングされたボロンドープダイヤモンド被膜20(以下、単にダイヤモンド被膜20という)が20μm程度の膜厚でコーティングされている。図1(a) の斜線部は、工具母材12の表面にコーティングされたダイヤモンド被膜20を表している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing an end mill 10 as a diamond coating tool to which the present invention is applied, specifically, a diamond coated cutting tool. FIG. 1 (a) is a front view seen from a direction perpendicular to the axis, and FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view of the vicinity of the surface of the blade portion 14. The end mill 10 is a four-blade square end mill, and the tool base 12 is made of cemented carbide, and the tool base 12 is provided with a shank and a blade 14 integrally in the axial direction. Yes. The blade portion 14 corresponds to a processed portion, and includes an outer peripheral blade 16 and a bottom blade 18 as cutting edges, and the surface of the blade portion 14 is doped with boron at a rate of 0.5 to 1.0 atomic%. A boron-doped diamond coating 20 (hereinafter simply referred to as diamond coating 20) is coated with a film thickness of about 20 μm. The shaded area in FIG. 1A represents the diamond film 20 coated on the surface of the tool base material 12.

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を有する工具母材12を形成した後、ダイヤモンド被膜20の密着性を高めるために、工具母材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20をコーティングする。   In order to improve the adhesion of the diamond coating 20 after the end mill 10 forms the tool base material 12 having the outer peripheral edge 16 and the bottom edge 18 as a cutting edge by grinding the cemented carbide or the like, The surface of the blade portion 14 of the base material 12 is roughened. As the surface roughening treatment, for example, chemical erosion such as electrolytic polishing or sand blasting with an abrasive such as SiC is suitable. Then, using the microwave plasma CVD apparatus 30 of FIG. 2, diamond particles are doped on the surface of the roughened blade portion 14 while doping boron with a vapor phase synthesis method, specifically, a microwave plasma CVD method. The diamond film 20 is formed and grown.

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20をコーティングすべき複数の工具母材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母材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。   The microwave plasma CVD apparatus 30 of FIG. 2 includes a reaction furnace 32, a microwave generator 34, a source gas supply device 36, a vacuum pump 38, and an electromagnetic coil 40. A table 42 is provided in the cylindrical reaction furnace 32, and a plurality of tool base materials 12 to be coated with the diamond coating 20 are supported by a work support tool 44, and each blade 14 is disposed in an upward posture. It is like that. The microwave generator 34 is a device that generates a microwave of, for example, 2.45 GHz, and the tool base material 12 is heated by introducing the microwave into the reaction furnace 32, and the microwave generator 34. The heating temperature is adjusted by controlling the electric power.

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。 The source gas supply device 36 is for supplying source gases such as methane (CH 4 ), hydrogen (H 2 ), and carbon monoxide (CO) into the reaction furnace 32, and controls the gas cylinders and flow rates thereof. In this embodiment, in order to dope boron, for example, a liquid obtained by dissolving boron oxide in methanol can be mixed with the raw material gas and supplied into the reaction furnace 32. It is like that. The vacuum pump 38 is for sucking and depressurizing the gas in the reaction furnace 32, so that the pressure value in the reaction furnace 32 detected by the pressure gauge 46 becomes a predetermined pressure value determined in advance. The motor current of the vacuum pump 38 is feedback controlled. The electromagnetic coil 40 is arranged in an annular shape on the outer peripheral side of the reaction furnace 32 so as to surround the inside of the reaction furnace 32.

そして、ダイヤモンド被膜20のコーティング処理は、核生成工程と結晶成長工程とから成り、核生成工程では、メタンおよび水素の流量調節を行うとともに、工具母材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を作動させて、その状態を所定時間継続する。これにより、工具母材12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。また、結晶成長工程は、例えばメタンの濃度が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、工具母材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、その状態を所定時間継続して前記核を起点としてダイヤモンドを結晶成長させることにより、略完全なダイヤモンド結晶構造のダイヤモンド被膜20が所定の膜厚で形成される。 And the coating process of the diamond film 20 consists of a nucleation process and a crystal growth process, and while adjusting the flow volume of methane and hydrogen in the nucleation process, the surface temperature of the tool base material 12 is 700 degreeC-900 degreeC. The microwave generator 34 is adjusted so that the set temperature is determined within the range, and the gas pressure in the reaction furnace 32 is determined within the range of 2.7 × 10 2 Pa to 2.7 × 10 3 Pa. The vacuum pump 38 is operated so as to reach the set pressure, and this state is continued for a predetermined time. As a result, a nucleus layer serving as a starting point for crystal growth of diamond is attached to the surface of the tool base material 12. In the crystal growth process, for example, the flow rate of methane and hydrogen is adjusted so that the concentration of methane is set within a range of 1% to 4%, and the surface temperature of the tool base 12 is 800 ° C. 900 to adjust the microwave generator 34 so as to set the temperature defined in the range of ° C., ranges gas pressure in the reaction furnace 32 is 1.3 × 10 3 Pa~6.7 × 10 3 Pa Then, the vacuum pump 38 is operated so as to have a set pressure determined in the above, and this state is continued for a predetermined time to grow diamond crystals starting from the nuclei, whereby a diamond film 20 having a substantially complete diamond crystal structure is formed. It is formed with a predetermined film thickness.

また、上記ダイヤモンド被膜20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20に0.5〜1.0原子%の割合で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。   Further, when supplying the raw material gas such as hydrogen during the coating process of the diamond film 20, a liquid obtained by dissolving the boron oxide in methanol is mixed with the raw material gas and supplied into the reaction furnace 32 at a predetermined flow rate. Then, boron is doped into the diamond coating 20 at a ratio of 0.5 to 1.0 atomic%. The doping amount of boron can be adjusted by changing the supply flow rate of the liquid in which boron oxide is dissolved.

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20にボロンが0.5〜1.0原子%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20の表面には、酸化を受けた時にボロンの酸化物(例えばB2 3 )の層が形成され、その酸化物の層により被膜内部への酸化の進行が抑制されて、ダイヤモンド被膜20の耐酸化性が向上するとともに、摩擦係数が小さくなって潤滑性が向上する。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、酸化によるダイヤモンド被膜20の早期摩耗や剥離が抑制されて優れた耐久性が得られるようになる。また、潤滑性が良くなることから、摩擦による発熱が抑制され、この点でもダイヤモンド被膜20の耐久性が向上するとともに、被削材の加工面品質が向上する。 In the end mill 10 of this embodiment, since the diamond coating 20 is doped with boron in a proportion of 0.5 to 1.0 atomic%, the surface of the diamond coating 20 is subjected to oxidation. A layer of boron oxide (for example, B 2 O 3 ) is formed, and the progress of oxidation inside the coating is suppressed by the oxide layer, so that the oxidation resistance of the diamond coating 20 is improved and the friction coefficient is increased. Smaller and better lubricity. As a result, even in cutting of composite materials including iron-based materials and cutting of heat-resistant alloys such as titanium alloys that have high cutting points, early wear and delamination of the diamond coating 20 due to oxidation are suppressed and excellent. Durability will be obtained. Further, since the lubricity is improved, heat generation due to friction is suppressed, and in this respect as well, the durability of the diamond coating 20 is improved and the work surface quality of the work material is improved.

因みに、図3は2枚刃のスクエアエンドミルで、ボロンを0.5〜1.0原子%の割合でドーピングしたダイヤモンド被膜が20μmの膜厚でコーティングされたものであり、この本発明品と、ボロンドープ無しのダイヤモンド被膜を20μmの膜厚でコーティングした従来品とを用いて、酸化試験を行なったところ、図4に示す結果が得られた。酸化試験は、15℃/分の昇温速度で750℃まで加熱するとともに、その750℃に30分保持した後、常温まで自然冷却して被膜の状態(消失した面積)を調べた。図4の左側のエンドミルはボロンドープ無しの従来品で、酸化や工具母材との熱膨張差に起因する剥離などでダイヤモンド被膜が略100%消失しているのに対し、右側の本発明品では、10%程度消失しているだけで、大部分が残っている。図4の黒い部分がダイヤモンド被膜で、本発明品では、先端の底刃部分においても17〜18μmの膜厚でダイヤモンド被膜が残っていた。   Incidentally, FIG. 3 shows a two-blade square end mill in which a diamond film doped with boron at a ratio of 0.5 to 1.0 atomic% is coated with a film thickness of 20 μm. When an oxidation test was carried out using a conventional product in which a diamond film without boron doping was coated with a film thickness of 20 μm, the results shown in FIG. 4 were obtained. In the oxidation test, the sample was heated to 750 ° C. at a heating rate of 15 ° C./min, held at 750 ° C. for 30 minutes, and then naturally cooled to room temperature to examine the state of the coating (disappeared area). The end mill on the left side of FIG. 4 is a conventional product without boron dope, and the diamond coating disappears by about 100% due to oxidation or peeling due to a difference in thermal expansion from the tool base material. Only about 10% has disappeared and most of it remains. The black part of FIG. 4 is a diamond film, and in the product of the present invention, the diamond film remained with a film thickness of 17 to 18 μm even at the bottom edge part at the tip.

図5は、ボロンを0.5〜1.0原子%の割合でドーピングしたダイヤモンド被膜およびボロンドープ無しのダイヤモンド被膜をそれぞれ母材から剥がして被膜単体として用意し、加熱前後の質量を測定して酸化による質量損失(%)を調べた結果である。試験は、15℃/分の昇温速度で各試験温度(700℃、725℃、750℃、775℃、800℃)まで加熱するとともに、その試験温度に30分保持した後、常温まで自然冷却して質量の変化を測定した。図5から明らかなように、ボロンドープ無しでは、700℃程度から酸化が始まるのに対し、ボロンドープ有りの場合には775℃程度から酸化が始まり、75℃程度の差が認められた。   FIG. 5 shows that a diamond film doped with boron at a ratio of 0.5 to 1.0 atomic% and a diamond film without boron dope are each peeled off from a base material, prepared as a single film, and measured before and after heating to oxidize. It is the result of having investigated the mass loss (%) by. The test was heated to each test temperature (700 ° C., 725 ° C., 750 ° C., 775 ° C., 800 ° C.) at a rate of temperature increase of 15 ° C./min, held at that test temperature for 30 minutes, and then naturally cooled to room temperature. The change in mass was measured. As is apparent from FIG. 5, the oxidation starts at about 700 ° C. without boron doping, whereas the oxidation starts at about 775 ° C. with boron doping, and a difference of about 75 ° C. is recognized.

なお、750℃で酸化試験を行なった前記図4では、ボロンドープ無しの比較品で略100%被膜が消失しているとともに、ボロンドープした本発明品でも10%程度被膜が消失しており、図5の試験結果に比べて被膜の消失が多いが、これは、図4の場合には工具母材との熱膨張差に起因する剥離が影響しているものと考えられる。   In FIG. 4 in which the oxidation test was performed at 750 ° C., approximately 100% of the film disappeared in the comparative product without boron doping, and about 10% of the film disappeared even in the boron-doped product of the present invention. The film disappears more than the above test results, but in the case of FIG. 4, it is considered that peeling due to the difference in thermal expansion from the tool base material has an effect.

図6は、ボロンを0.5〜1.0原子%の割合でドーピングしたダイヤモンド被膜をコーティングしたピンと、ボロンドープ無しのダイヤモンド被膜をコーティングしたピンとを用いて、それ等の摩擦係数を調べた場合で、(a) は試験条件、(b) は試験結果である。この試験結果から明らかなように、ボロンドープダイヤモンド被膜ではボロンドープ無しのダイヤモンド被膜に比較して摩擦係数が2/3程度になった。   FIG. 6 shows a case where the friction coefficient of a pin coated with a diamond film doped with boron in a proportion of 0.5 to 1.0 atomic% and a pin coated with a diamond film not doped with boron were examined. , (A) is the test condition, and (b) is the test result. As is apparent from the test results, the friction coefficient of the boron-doped diamond coating was about 2/3 compared to the diamond coating without boron doping.

図7は、2枚刃のスクエアエンドミルについて、ボロンを0.5〜1.0原子%の割合でドーピングしたダイヤモンド被膜を20μmの膜厚でコーティングした本発明品と、ボロンドープ無しのダイヤモンド被膜を20μmの膜厚でコーティングした従来品Iと、TiAlN被膜をコーティングした従来品II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、ボロンドープダイヤモンド被膜では、TiAlN被膜は勿論、ボロンドープ無しのダイヤモンド被膜に比較しても優れた耐久性が得られる。
FIG. 7 shows a two-blade square end mill of the present invention in which a diamond film doped with boron in a proportion of 0.5 to 1.0 atomic% is coated to a thickness of 20 μm, and a diamond film without boron doping is 20 μm. In the case where a durability test of a cutting operation was performed on gray cast iron (FC250) using a conventional product I coated with a film thickness of II and a conventional product II coated with a TiAlN film, (a) is a machining condition, b) is the test result. As is apparent from the test results, the boron-doped diamond coating can provide excellent durability as well as a TiAlN coating and a diamond coating without boron doping.

図8は、2枚刃のボールエンドミルについて、ボロンを0.5〜1.0原子%の割合でドーピングしたダイヤモンド被膜を20μmの膜厚でコーティングした本発明品と、ボロンドープ無しのダイヤモンド被膜を20μmの膜厚でコーティングした従来品とを用いて、球状黒鉛鋳鉄(FCD500)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、ボロンドープダイヤモンド被膜ではボロンドープ無しのダイヤモンド被膜に比較して優れた耐久性が得られる。   FIG. 8 shows the product of the present invention in which a diamond film doped with boron at a ratio of 0.5 to 1.0 atomic% is coated with a film thickness of 20 μm, and a diamond film without boron doping is 20 μm for a two-blade ball end mill. When a durability test of cutting work is performed on spheroidal graphite cast iron (FCD500) using a conventional product coated with a film thickness of (a), (a) shows the processing conditions, and (b) shows the test results. As is apparent from the test results, the boron-doped diamond coating provides superior durability compared to the diamond coating without boron doping.

図9は、2枚刃のスクエアエンドミルについて、ボロンを0.5〜1.0原子%の割合でドーピングしたダイヤモンド被膜を20μmの膜厚でコーティングした本発明品と、ボロンドープ無しのダイヤモンド被膜を20μmの膜厚でコーティングした従来品とを用いて、機械構造用炭素鋼(S50C)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。この場合も、ボロンドープダイヤモンド被膜ではボロンドープ無しのダイヤモンド被膜に比較して優れた耐久性が得られる。   FIG. 9 shows a product of the present invention in which a diamond film doped with boron in a proportion of 0.5 to 1.0 atomic% is coated at a film thickness of 20 μm and a diamond film without boron doping of 20 μm for a two-blade square end mill. When a durability test of cutting is performed on a carbon steel for mechanical structure (S50C) using a conventional product coated with a film thickness of (a), (a) is a processing condition, and (b) is a test result. Also in this case, the boron-doped diamond coating can provide superior durability as compared to the diamond coating without boron doping.

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。   As mentioned above, although the Example of this invention was described in detail based on drawing, this is an embodiment to the last, and this invention implements in the aspect which added various change and improvement based on the knowledge of those skilled in the art. Can do.

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。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure which shows the end mill which is one Example of this invention, (a) is the front view seen from the direction orthogonal to an axial center, (b) is sectional drawing of the surface vicinity of a blade part. ダイヤモンド被膜をコーティングす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。It is a schematic block diagram explaining an example of the microwave plasma CVD apparatus which coats a diamond film. ボロンドープダイヤモンド被膜がコーティングされた2枚刃のスクエアエンドミルの外観写真を示す図である。It is a figure which shows the external appearance photograph of the 2 end blade square end mill coated with the boron dope diamond film. 図3の工具に酸化試験を行なった後の外観写真(右側)を、ボロンドープ無しのダイヤモンド被膜をコーティングした場合(左側)と比較して示す図である。It is a figure which shows the external appearance photograph (right side) after performing the oxidation test to the tool of FIG. 3 compared with the case where the diamond film without boron dope is coated (left side). ボロンドープの有無によるダイヤモンド被膜の酸化の違い(質量の変化割合)を複数の試験温度で調べた結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having investigated the difference (change ratio of mass) of the diamond film by the presence or absence of boron dope at several test temperature. ボロンドープの有無によるダイヤモンド被膜の摩擦係数の違いを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。It is a figure explaining the result of having investigated the difference in the friction coefficient of the diamond film by the presence or absence of boron dope, (a) is a test method, (b) is a test result. ボロンドープダイヤモンド被膜と従来の被膜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。It is a figure explaining the result which investigated the difference in durability of a boron dope diamond film and the conventional film about gray cast iron, (a) is a test method, (b) is a test result. ボロンドープダイヤモンド被膜とボロンドープ無しのダイヤモンド被膜との耐久性の違いを、球状黒鉛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。It is a figure explaining the result which investigated the difference in durability of a boron dope diamond film and a diamond film without boron dope about spheroidal graphite cast iron, (a) is a test method, (b) is a test result. ボロンドープダイヤモンド被膜とボロンドープ無しのダイヤモンド被膜との耐久性の違いを、機械構造用炭素鋼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。It is a figure explaining the result of investigating the difference in durability between a boron-doped diamond coating and a diamond coating without boron doping for carbon steel for mechanical structure, (a) is a test method, and (b) is a test result.

符号の説明Explanation of symbols

10:エンドミル(ダイヤモンド被覆加工工具) 12:工具母材 14:刃部(加工部) 20:ボロンドープダイヤモンド被膜   10: End mill (diamond coating processing tool) 12: Tool base material 14: Blade portion (processing portion) 20: Boron-doped diamond coating

Claims (3)

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であって、
ボロンがドーピングされていることを特徴とするボロンドープダイヤモンド被膜。
A diamond coating coated on the surface of a given member,
A boron-doped diamond film characterized by being doped with boron.
前記ボロンが0.05〜2.0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に記載のポロンドープダイヤモンド被膜。   The boron-doped diamond film according to claim 1, wherein the boron is doped at a ratio of 0.05 to 2.0 atomic%. 所定の加工を行なう加工部の表面に、請求項1または2に記載のボロンドープダイヤモンド被膜がコーティングされていることを特徴とするダイヤモンド被覆加工工具。   A diamond-coated machining tool, wherein the boron-doped diamond coating according to claim 1 or 2 is coated on a surface of a processing portion for performing predetermined processing.
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