JPH07156002A - ダイヤモンドコーティング工具およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 窒化ケイ素焼結体を基体とする高密着性かつ
高寿命のダイヤモンドコーティング工具とその製造法を
提供する。 【構成】 窒化ケイ素を母相とする焼結基体の表面を強
酸処理し、活性な基体の凹凸表面およびピンホールを形
成した後、該表面及びピンホ−ル内に超音波キズ付け処
理を施す。しかる後、基体表面及びピンホ−ル内面に第
１段階ＣＶＤによりダイヤモンドアンカーを含むダイヤ
モンド膜を形成し、次いで第２段階ＣＶＤでダイヤモン
ド膜を厚膜化すると同時に基体内部に炭素拡散層を形成
し、高密着性・高寿命のダイヤモンドコーティング工具
を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、非鉄材料の各種精密切
削加工に用いる高密着性かつ高寿命のダイヤモンドコー
ティング工具とその新規な製造法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、非鉄材料の精密切削加工用の高寿
命工具には、超高圧法によって製造されたダイヤモンド
焼結体工具が用いられてきた。しかし、この焼結ダイヤ
モンド工具は、複雑な刃先形状を得ることや刃先の加工
が難しく、また工具の製造・加工コストが高いという欠
点があった。

【０００３】一方、ダイヤモンドコーティング工具は、
刃先形状の自由度があり、しかも刃先の仕上げ加工が比
較的容易であることから、焼結ダイヤモンド工具に替わ
る非鉄材料の精密切削用工具として近年注目されてい
る。

【０００４】現在、主として超硬合金または窒化ケイ素
からなる工具形状を有する基体に、各種気相成長（ＣＶ
Ｄ）法によりダイヤモンド膜を被覆した工具または気相
成長法によって製造された板状ダイヤモンドを支持台に
ロウ付けした工具が開発されている。しかし、後者はロ
ウ付けと刃先加工が煩雑であり、製造コストも高価にな
るという問題があった。

【０００５】また、前者はダイヤモンド膜厚を厚くする
と、ダイヤモンド膜と基体との密着性が悪いために、切
削の初期において工具刃先からダイヤモンド膜が剥離・
脱落し、本来のダイヤモンドの優れた硬度を生かした工
具の大幅な高寿命化を図ることができなかった。

【０００６】たとえば、シリコン含有量が２０％より多
いＡ１−Ｓｉ系合金のフライス切削加工においては、断
続切削時の強い機械的衝撃のためにダイヤモンド膜の摩
耗よりも先に剥離が生じてしまい、コーティング工具を
長時間使用することができないという問題があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来のダイヤモンドコ
ーティング工具は、基体とダイヤモンド膜との密着性が
悪いため、これを改良する目的で多くの研究がなされ、
これに関する特許も多く出願されている。

【０００８】これを例示すれば、次の通りである。ま
ず、超硬合金を基体に用いた場合は、基体表面における
Ｃｏ不足相の形成（たとえば、特開平３−１７７３８１
号、特開平３−２１９０７９号）、基体の表面処理（た
とえば、特開平３−１８３７７４号）や分散被覆層の導
入（たとえば、特開平３−２１９０７８号、特開平３−
２１５３９３号）等があるが、これらの処理をおこなっ
ても、密着性を保持しうるダイヤモンドの膜厚は１０μ
ｍ以下であり、しかも、切削時には基体とダイヤモンド
膜との間に生じる大きな残留応力が存在しているために
充分な接着強度が得られていない。

【０００９】また、窒化ケイ素を基体に用いた場合に
は、ダイヤモンド被膜の密着性を向上させる方法とし
て、基体の熱膨張率を制御すること（たとえば、特開平
４−５６７６８号）、窒化ケイ素多孔体を基体に用いる
こと（たとえば特開平１−１６２７７０号）、中間層を
挿入すること（たとえば、特開平２−２６７２６８号、
特開平３−１９７６７７号、特開平３−２９１３７８
号、特開平５−１４８０６８号）、２段階ＣＶＤ処理を
おこなうこと（たとえば、特開平３−６９５９５号）、
酸による前処理をおこなうこと、（たとえば、特開平４
−２７６０７７号）などが提案されている。

【００１０】しかし、密着性および工具寿命はある程度
向上するものの、前記のようなハードな条件で切削加工
をおこなったとき、剥離のないダイヤモンドコーティン
グ工具として実用に耐え得ることが明記されていない。

【００１１】したがって、本発明の目的は、密着力が工
具寿命を決定する第一要因とならないようなレベルまで
基体とダイヤモンド膜との密着力を向上することにあ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明は次のような構成を採用した。まず、本発明
にかかるダイヤモンドコーティング工具は、多数のピン
ホ−ルが形成された窒化ケイ素燒結体表面付近に厚さ５
μｍ以上の炭素拡散層が形成され、前記ピンホ−ル内及
び燒結体表面にＣＶＤ法による厚さ２０〜２００μｍの
ダイヤモンドコーティング層が形成されていることを特
徴としている。

【００１３】また、本発明にかかるダイヤモンドコーテ
ィング工具の製造方法は、窒化ケイ素を母相とする焼結
体の基体表面を濃度２０％以上のフッ化水素酸および他
の強酸を含む混合溶液に浸漬して活性な凹凸表面を形成
するとともに、粒界をエッチングして多数のピンホール
をつくり、該ピンホ−ルよりも小径のダイヤモンド粉末
によるキズ付け処理をおこなうことにより、基体表面お
よびピンホール内部にダイヤモンドの核生成点を多発さ
せ、その後第１段階ＣＶＤで粒径２μｍ以下の微粒ダイ
ヤモンドコーティングをおこない、ピンホール内部への
ダイヤモンドアンカーおよび基体表面への膜厚２μｍ以
下の薄膜コーティングからなる下地層を形成し、さらに
その上に第２段階ＣＶＤで膜厚２０〜２００μｍのダイ
ヤモンド膜を形成し、同時に基体内部に厚さ５μｍ以上
の炭素拡散層からなる傾斜組織を形成することを特徴と
している。

【００１４】以下、具体例をあげつつ本発明を詳細に説
明する。本発明では、基体材料としてダイヤモンドとの
熱収縮率の近い窒化ケイ素焼結体を用い、図１の工程図
に示すような概略４工程から構成される処理法によりダ
イヤモンドコーティング工具を製造する。ここで、焼結
体は粒径数μｍの窒化ケイ素粒子を母相とし、必要に応
じて他のセラミック粒子を複合添加させ、助剤添加によ
り焼結させた市販の切削工具用チップが使用可能であ
る。

【００１５】（１）窒化ケイ素焼結基体表面の活性化と
酸処理によるピンホールの形成 フッ化水素酸（濃度：好ましくは２０〜４８％、より好
ましくは４０〜４７％）と、他の強酸すなわち、硝酸
（濃度：２０〜６５％、好ましくは５０〜６０％）、硫
酸（濃度：５０〜９６％、好ましくは８０〜９６％）、
塩酸（濃度：２０〜３８％、好ましくは３５〜３８％）
の内の１種又は２種以上を含む混合溶液からなる強酸中
において、好ましくは２０〜１００℃の処理温度および
１５分以上の処理時間で窒化ケイ素基体の表面層をエッ
チングすることにより活性な凹凸表面を形成する。また
強酸処理中において、窒化ケイ素自体よりも焼結助剤を
含む粒界部分を浸食されやすいことを利用して、粒界の
選択的化学エッチングにより基体表面近傍に好ましくは
孔径２μｍ以下、深さ０．５μｍ以上の多数のピンホー
ルを新たに形成させ、また焼結体のオープンポアにあっ
てはピンホールの内部奥深くまでピンホールを形成す
る。上記強酸の混合比は、窒化ケイ素を効果的に侵食す
るものであればよい。例えば他の強酸を用いず、４８％
ＨＦのみを用いて７０℃以上で３時間以上の時間をかけ
れば同様な処理が可能であるが、工業生産的には適して
いないので、適量の他の強酸（混合比は９０ｖｏｌ．％
以下）を添加しておくのが好ましい。

【００１６】（２）キズ付け処理による核生成点の形成 上記強酸による侵食処理をおこなった基体の表面にダイ
ヤモンド粒子によるキズ付け処理を施して、ピンホ−ル
内部及び基体表面にダイヤモンドの核生成点を多発させ
る。この処理としては、微粒ダイヤモンド粉末を懸濁さ
せた溶液中に酸処理基体を浸漬して超音波を作用させる
超音波キズ付け処理を採用するのが好ましい。この場合
のダイヤモンド粉末の粒径は、ピンホールの内径より小
さいことが必要であり、粒径１μｍ以下であることが好
ましい。また、キズ付け処理時間は１５分以上、超音波
出力は２００Ｗ以上が好ましい。キズ付け処理中におい
て、若干のダイヤモンド粉は基体表面およびピンホール
の内部に残留することが考えられるが、これは基体表面
およびピンホール内部へのダイヤモンドの種付けまたは
充填（目詰め）となり、ダイヤモンドの核発生にはむし
ろ好適である。上記超音波を使用する代わりに、ジェッ
ト流等を利用するものでもよい。

【００１７】（３）第１段階ＣＶＤによるダイヤモンド
アンカーと微粒被覆層の形成 ダイヤモンドの微粒コーティング条件でピンホール内部
にダイヤモンドアンカーの形成および活性基体表面にダ
イヤモンド被覆層を形成させる。生成するダイヤモンド
核の粒径は、第１段階ＣＶＤの終了時において２μｍ以
下であることが好ましい。ダイヤモンドの析出法は、た
とえばマイクロ波プラズマＣＶＤ、ＲＦプラズマＣＶＤ
法、熱フィラメント法、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法、アー
クプラズマ法など公知にいずれの気相成長ダイヤモンド
膜合成法でもよい。また、原料ガスには、ダイヤモンド
を合成しうる公知の含炭素化合物と水素を含む反応ガス
を用いることができる。ＣＯ−Ｈ₂ 系の反応ガスを用い
るマイクロ波プラズマＣＶＤ法にあっては、高出力（６
５０〜１１００Ｗ、好ましくは７５０Ｗ）、低出力（５
〜２０Ｔｏｒｒ、好ましくは１５Ｔｏｒｒ）、低ＣＯ濃
度（５〜１５ｖｏｌ％、好ましくは１０ｖｏｌ％）、基
体温度（７００〜９００℃、好ましくは８５０℃）のＣ
ＶＤ条件が好適である。このさい、ダイヤモンドは活性
表面でも核生成するが、同時にピンホール内部にも核生
成し、ピンホール内部をダイヤモンドアンカーで充填し
た後、微粒のダイヤモンド被覆層を基体表面全体に形成
する。この微粒被覆層の膜厚は１〜２μｍとするのが好
適である。

【００１８】（４）第２段階ＣＶＤによるダイヤモンド
の厚膜形成と炭素拡散層の形成 上記第１段階ＣＶＤに引き続き、好ましくは成膜速度１
μｍ／ｈ以上のコーティング条件で膜厚２０μｍ以上の
ダイヤモンド膜を連続的または断続的に形成する。ダイ
ヤモンド厚膜の形成には、たとえばマイクロ波プラズマ
ＣＶＤ、ＲＦプラズマＣＶＤ法、熱フィラメント法、Ｅ
ＣＲプラズマＣＶＤ法、アークプラズマ法など公知のい
ずれの気相成長ダイヤモンド膜合成法でもよい。また原
料ガスには、ダイヤモンドを合成しうる公知の含炭素化
合物と水素を含む反応ガスを用いることができる。ＣＯ
−Ｈ₂ 系の反応ガスを用いるマイクロ波プラズマＣＶＤ
法にあっては、低出力（４５０〜６００Ｗ、好ましくは
５５０Ｗ）、高出力（２０〜４０Ｔｏｒｒ、好ましくは
３０Ｔｏｒｒ）、高ＣＯ濃度（２０〜４５ｖｏｌ％、好
ましくは２５ｖｏｌ％）、基体温度（８００〜９００
℃、好ましくは８５０℃）のＣＶＤ条件が好適である。
ただし、この第２段階ＣＶＤでは、炭素の基質中への拡
散が進行するので、基質温度は８００℃以上、処理時間
２０ｈ以上であることが好ましい。また、コーティング
層の膜厚は、２０〜２００μｍであることが好ましい。

【００１９】本発明は、図２の模式図に示すように、ま
ず強酸処理中に窒化ケイ素基体の表面近傍に形成された
活性な凹凸表面およびピンホールへのダイヤモンドアン
カーの形成によって基体材料とダイヤモンドとの接触面
積が増大し、微粒ダイヤモンドの核生成により高密着性
を確保している。しかも、第２段階のＣＶＤで処理中に
活性表面を通して炭素の基体中への拡散が促進され、Ｓ
ｉ−Ｃの強固な結合を含む表面層が形成され、ダイヤモ
ンドと窒化ケイ素基体との密着性がさらに増大してい
る。

【００２０】したがって、これらの処理中に、基体とダ
イヤモンド膜との境界層付近で傾斜組成および傾斜組織
が自発的に形成されている。ダイヤモンド層の厚膜化に
より、切削時の衝撃エネルギーをダイヤモンド膜が吸収
し、断続切削条件でも剥離現象が認められず、工具寿命
はダイヤモンドの正常摩耗、したがってダイヤモンドの
膜厚にのみ依存する。

【００２１】本発明の強酸による処理は、ダイヤモンド
アンカーの形成に効果的であるのみならず、窒化ケイ素
基体自身の表面活性化により、第２段階ＣＶＤにおける
炭素拡散層の形成を容易にするために必須であり、特開
平４−２７６０７７号に見られるように数％のハロゲン
化水素を含む希薄なフッ化水素酸水溶液中での粒界相の
エッチングでは図３のａに示すようにピンホールは微細
であり充分なアンカー効果は期待できない。

【００２２】本発明によるフッ化水素酸および他の強酸
を含む濃厚溶液によるエッチングでは、図３のｂであき
らかなように粒界相の多量のエッチングのみならず、窒
化ケイ素自身のエッチングによる基体表面の活性化を図
ることができる。

【００２３】この活性化により基体の窒化ケイ素粒子が
一部脱落し、基体表面にも凹凸を生じている。また、第
１段階ＣＶＤは酸処理によって形成された活性表面およ
びピンホール内部への微粒ダイヤモンドの析出に必須で
あり、特開平３−１９７６７７号に見られるような第２
段階処理による密着性向上の効果をはるかに凌ぐもので
ある。

【００２４】したがって、本発明の前記４工程を順次お
こなうことによって、初めて膜厚２０μｍ以上の高密着
性のダイヤモンド被覆が可能であり、剥離のない長寿命
のダイヤモンドコーティング工具の製造が達成できる。

【００２５】

【実施例】本発明の実施例を表１に示し、前記４工程処
理の効果をより具体的に示す。

【００２６】

【表１】

【００２７】市販の窒化ケイ素を母相とする切削工具用
チップ（東芝タンガロイ製ＦＸ−９２０，工具形状：Ｔ
ＰＧＮ１６０３０４）を予め表面ラップ処理後、４７％
ＨＦ−６０％ＨＮＯ₃ （混合比は体積比で１：１）の強
酸水溶液中で処理温度４０℃、処理時間６０ｍｉｎの条
件でエッチング処理をおこなった。

【００２８】図３のｂは実施例２の強酸処理後の基体の
表面状態を示している。活性な凹凸表面とピンホールの
存在が確認できる。

【００２９】その後、粒径０〜１／４μｍのダイヤモン
ド粉末１ｇを懸濁させたエタノール５０ｍｌ中に酸処理
基体を浸漬し、超音波出力２００Ｗ、処理時間３０ｍｉ
ｎの条件でキズ付け処理をおこなった。

【００３０】次に、ＣＯ−Ｈ₂ 系の反応ガスを用いる周
波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波プラズマＣＶＤ装置に
より２段階ＣＶＤ処理をおこなった。まず、第１段階Ｃ
ＶＤでは、表２の処理条件でダイヤモンドを析出させ
た。また、第２段階ＣＶＤでは、表３の処理条件でダイ
ヤモンドを析出させた。

【００３１】

【表２】

【００３２】

【表３】

【００３３】作製したダイヤモンドコーティング工具に
ついて、表４の条件でフライス切削試験をおこなった。

【００３４】

【表４】

【００３５】図４に、実施例２のフライス切削試験の逃
げ面摩耗量Ｖ_B と切削量との関係を示す。ダイヤモンド
被膜の剥離は認められず、切削量２１６ｃｍ³ において
ダイヤモンド膜の正常摩耗と磨滅が観察されている。こ
のときのＶ_B 摩耗量は０．１５ｍｍである。

【００３６】図５は実施例の刃先先端の磨滅状態の写真
を示す。図中ａは実施例１の切削テスト２３ｐａｓｓ後
のもの、ｂは実施例２の切削テスト９０ｐａｓｓ後のも
のをそれぞれあらわす。

【００３７】図６は実施例１の工具先端部分の顕微ラマ
ンスペクトルであり、ダイヤモンドの生成が確認でき
る。

【００３８】図７は実施例１の刃先先端の工具断面のＥ
ＰＭＡ面分析結果であるが、窒化ケイ素基体中に炭素が
拡散している様子がわかる。また、ダイヤモンド被膜へ
のシリコンの拡散も一部認められた。

【００３９】

【比較例】上記実施例と比較するために、異なる工程と
処理条件で作製したダイヤモンドコーティング工具の作
製方法と切削試験結果を比較例として表１に併記した。

【００４０】比較例１は、酸処理なしでかつ第２段階Ｃ
ＶＤのみの場合であり、切削試験ではダイヤモンド膜の
剥離が切削開始後直ちに生じている。

【００４１】比較例２は、酸処理なしで第１段階ＣＶＤ
と第２段階ＣＶＤをおこなった場合であり、第１段階Ｃ
ＶＤで微粒コーティング条件を、第２段階で厚膜のＣＶ
Ｄ条件を採用しておこなったほうが工具寿命が長いこと
がわかる。

【００４２】比較試料３は、酸処理を２５℃，３０ｍｉ
ｎおこなった後、第１段階および第２段階ＣＶＤを続け
た場合であり、強酸処理による工具寿命の向上が見られ
る。

【００４３】比較試料４は、酸処理温度を４０℃とし、
第２段階ＣＶＤの処理時間を長くし膜厚を厚くした場合
の効果を示している。ハードな強酸処理と厚膜化による
密着性の向上と工具寿命の改善が明らかである。

【００４４】

【発明の効果】以上に説明した如く、大別して４工程か
らなる本発明の製造法によると、酸処理窒化ケイ素基体
への第１段階ＣＶＤによるダイヤモンドアンカーからな
る傾斜組織と、第２段階ＣＶＤで活性な凹凸表面からの
炭素拡散層による強固なＳｉ−Ｃ結合を有する傾斜組成
層が形成される結果、膜厚を増加させても高密着性が得
られ、高寿命・高性能のダイヤモンドコーティング工具
の製造が可能である。また、本発明にかかるダイヤモン
ドコーティング工具は、上記の如く基体に対するダイヤ
モンドコーティング膜の密着性が高いので、例えば高シ
リコン含有のＡ１−Ｓｉ系合金の高速断続切削にも充分
耐え得るようになり、エンジン部材をはじめとする難削
性の合金またはセラミックス等の精密加工に対して、焼
結ダイヤモンド工具よりも低コストの耐久性に優れた工
具への応用が可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の概略工程図である。

【図２】ダイヤモンドコーティング工具の作製法を示す
模式図である。

【図３】酸処理後の基体表面の金属組織写真で、ａは５
％ＨＦ水溶液中で常温，１０ｍｉｎ処理後の状態、ｂは
４７％ＨＦ−６０％ＨＮＯ₃ 水溶液（体積比１：１）中
で４０℃，６０ｍｉｎ処理後の状態をそれぞれあらわ
す。

【図４】摩耗量と切削量との関係をあらわすグラフであ
る。

【図５】工具刃先先端の磨滅状態を示す金属組織写真で
ある。

【図６】工具刃先先端の顕微ラマンスペクトルである。

【図７】刃先先端の工具断面のＥＰＭＡによる炭素の分
析結果をあらわす金属組織写真である。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ３０Ｂ 29/04 Ｘ 8216−4Ｇ Ｑ 8216−4Ｇ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多数のピンホ−ルが形成された窒化ケイ
   素燒結体表面付近に厚さ５μｍ以上の炭素拡散層が形成
   され、前記ピンホ−ル内及び燒結体表面にＣＶＤ法によ
   る厚さ２０〜２００μｍのダイヤモンドコーティング層
   が形成されていることを特徴とするダイヤモンドコーテ
   ィング工具。
2. 【請求項２】 窒化ケイ素を母相とする焼結体の基体表
   面を濃度２０％以上のフッ化水素酸と他の強酸を含む混
   合溶液に浸漬して活性な凹凸表面を形成するとともに、
   粒界をエッチングして多数のピンホールをつくり、該ピ
   ンホ−ルよりも小径のダイヤモンド粉末によるキズ付け
   処理をおこなうことにより、基体表面およびピンホール
   内部にダイヤモンドの核生成点を多発させ、その後第１
   段階ＣＶＤで粒径２μｍ以下の微粒ダイヤモンドコーテ
   ィングをおこない、ピンホール内部へのダイヤモンドア
   ンカーおよび基体表面への膜厚２μｍ以下の薄膜コーテ
   ィングからなる下地層を形成し、さらにその上に第２段
   階ＣＶＤで膜厚２０〜２００μｍのダイヤモンド膜を形
   成し、同時に基体内部に厚さ５μｍ以上の炭素拡散層か
   らなる傾斜組成及び傾斜組織を形成することを特徴とす
   るダイヤモンドコーティング工具の製造方法。
3. 【請求項３】 強酸が濃度２０％以上の硝酸、５０％以
   上の硫酸、２０％以上の塩酸のうちの１種又は２種以上
   であり、混合液中の該強酸の混合比が９０ｖｏｌ％以下
   である請求項２に記載のダイヤモンドコーティング工具
   の製造方法。