JPH1158106A - ダイヤモンドコーティング切削工具及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は高速切削が可能で、長寿命の精密な
切削面の得られるダイヤモンドコーティング切削工具を
提供しようとするものである。 【解決手段】 超硬合金１として、熱膨張係数が５．０
×１０^-6／℃以下であって、主成分とするＷＣを９０重
量％以上を含有している素材を用い、ダイヤモンドコー
ティング層２はダイヤモンドの結晶粒径が３μｍ以下で
あり、ダイヤモンド合成率が０．１以下に形成する。上
記ダイヤモンドコーティング層２の形成は、超硬合金１
を熱処理し、超微粒ダイヤモンドを種付けした工程を経
たものに、気相合成法を施すことにより、容易に行うこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非鉄金属材料、電
子材料、光学部品などの加工に用いられる工具、特に気
相合成法による薄膜のダイヤモンドコーティング層を有
する切削工具とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種加工に用いられる切削工具材料と
しては、硬度、熱伝導性外の特性により天然又は合成の
単結晶乃至多結晶ダイヤモンドが優れたものとして知ら
れている。又合成ダイヤモンドとしては、超高圧の焼結
法による焼結ダイヤモンドと、低圧の気相合成法による
ダイヤモンドコーティング層によるものとが実用されて
いる。

【０００３】上記の各種のダイヤモンドは夫々に特徴を
有するが、コストその他の面より、気相合成法によるダ
イヤモンドコーティング層によるものが最も好ましいと
されながら、生成したダイヤモンドコーティング層の接
着力や品質に不安定性があるなどの問題を残している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ダイヤモンドコーティ
ング層の接着力を高めるための方法や、品質や層厚を高
めるための方法は非常に沢山に提案されているが、未だ
充分とは言えない状態である。また層厚を薄くし、高品
質で平滑な表面を有するダイヤモンドコーティング層を
得るため、合成気体中に窒素を含有せしめることが特開
平７−１７２９８８号公報によって提案されている。

【０００５】上記提案は、エアノズル、ウォーターノズ
ルなどにおいて、層厚の薄い即ち微粒薄膜ダイヤモンド
コーティング層が、素晴らしい効果を発揮すると言う、
優れた提案であるが、未だ充分な実用の域に達していな
い模様である。

【０００６】切削加工分野では超硬合金の表面にダイヤ
モンド層を１０〜３０μｍ被覆し、切削工具として実用
化されてきたが、薄膜のダイヤモンドコーティング法は
実用化されていない。超硬合金工具は切削時に激しい熱
衝撃が加わるため、超硬合金母材とコーティング層はか
なり強固に接合していることが要求されている。一般に
よく用いられるダイヤモンドコーティングの母材として
は、Ｓｉ結晶が用いられ、その膜厚を薄膜から厚膜まで
自由に制御する技術はすでに公知のところであるが、超
硬合金を母材とする工具のような、厳しい環境条件で用
いられる工具におけるダイヤモンドコーティングについ
てはまだ検討が十分なされていない。とくに切削加工の
分野においては、このような微粒薄膜コーティング層は
実用されていない。これは所要のコーティング層の生成
に困難性があると共に、コーティング層に適した切削工
具形状などの問題の研究が不充分なためと思われる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記のような課
題に着目し、試作研究を重ねた結果到達したもので、そ
の特徴とするところを列記すれば次の通りである。

【０００８】切削加工におけるダイヤモンドコーティン
グの問題は種々検討、研究を重ねた結果、コート層の剥
離、エッジ部欠けが問題となり、ダイヤモンド層の摩耗
は特に大きな問題でないことを見いだした。すなわち超
硬合金の熱膨張係数とダイヤモンドの熱膨張係数の差を
少なくし、かつ刃先にかかる圧縮応力の軽減などにより
解決される。とくに刃先にかかる応力の低減ではコート
層の厚みを薄くすることは超硬合金では非常に難しい。
それは、超硬合金上では初期のダイヤモンド層はＣｏな
どの金属の反応によりダイヤモンド層が炭素、あるいは
アモルファスダイヤモンドに変化するため数μｍのオー
ダーでは完全なダイヤモンド結晶にならない。これは図
５に示したアモルファス層から図６に示す結晶化が進行
し、２０〜３０μｍを積むと図７の如く完全結晶とな
る。

【０００９】本発明の骨子は超硬合金上にて、３μｍ以
下の薄膜ダイヤモンドコーティング層を形成させること
に成功したものである。とくにスローアウェイチップ、
ドリル、エンドミルなど工具刃先にかなりの熱応力がか
かる切削工具での問題を解決したことを特徴とする。

【００１０】本発明の構成は超硬合金の熱膨張係数が
５．０×１０^-6／℃以下であり、かつ主成分とするＷＣ
が９０重量％以上である母材を用いることにより、切削
加工時に発生するダイヤモンドコーティング層と超硬合
金層の界面の応力を少なくさせたことにある。熱膨張係
数が５．０×１０^-6／℃以上であれば、直ぐに膜剥離が
おきるため、実用に適さなかった。また主成分とするＷ
Ｃが９０重量％以下のときは微粒の薄膜コートが出来な
かった。該超硬合金の結晶粒は１μｍ以下が好ましい。
また超硬合金の強度が２００ｋｇ／ｍｍ² 以上が望まし
い。これ以下の強度では信頼性にかける。

【００１１】次ぎの発明の要件はダイヤモンドコーティ
ング層の結晶が粒径３μｍ以下であり、かつダイヤモン
ド相のラマン分光分析の結果によるダイヤモンド合成率
（１３３３ｃｍ^-1付近のダイヤモンドピークと１５００
ｃｍ^-1〜１６００ｃｍ^-1の黒鉛構造の非晶質ピークの比
率）が０．１以下であり、かつダイヤモンドコーティン
グ層の表面粗さがＲｍａｘ３μｍ以下であることを特徴
とする。ダイヤモンドコーティング層の結晶粒を３μｍ
以下に制御すると、ダイヤモンドの膜強度が向上し、か
つダイヤモンドコーティング層の表面粗度が良くなるた
め、ダイヤモンドコーティング層と被削材との間の摩擦
係数が低減される。好ましくは、ダイヤモンドコーティ
ング層の結晶粒径を１μｍ以下にすると、さらに耐剥離
性が向上する。従って超微粒結晶の析出はさらに良い結
果をだす。

【００１２】本発明の実施に当っては、超硬合金のＷＣ
結晶の粒径を細かく、望ましくは１μｍ以下の結晶で構
成された超硬合金を用い、該ＷＣ結晶のエッジ部分に超
微粒のダイヤモンド粒を種付けすることにより、微粒ダ
イヤモンドが析出されることを見いだした。超硬合金を
ベースとするダイヤモンドコーティングにおいては、超
硬合金のＷＣ結晶のエッジ部分から微細なダイヤモンド
結晶が析出することが明らかになった。

【００１３】またあらかじめ超微粒のダイヤモンド粒を
種付けしておくと、該生成の初期から完全なダイヤモン
ドが合成されることを見いだした。すなわちコーティン
グ初期から微粒でかつ完全結晶のダイヤモンド（図７）
が生成されるので、薄膜で強度の強い気相合成ダイヤモ
ンドが得られる。

【００１４】さらに超硬合金とダイヤモンドの界面の接
着強度を向上させるためには、コーティング前処理とし
ての熱処理即ち還元性雰囲気である水素、ＣＨ₄ ，ＣＯ
などのガス、あるいは還元雰囲気が形成される有機物な
どの溶液、固形物などの存在下で加熱されることが良い
結果を得る。

【００１５】上記熱処理は、超硬合金基材表面の結合金
属、特にＣｏの含有量を減少せしめる効果があり、その
効果を上げるには処理雰囲気中に炭素元素を存在せしめ
ておくことが好ましい。

【００１６】切削工具としては、工具の刃部のみが超硬
合金で形成されているか、又は工具全体が一体の超硬合
金で形成されている回転切削工具、旋削工具乃至はスロ
ーアウェイチップのようなその一部となるものである。

【００１７】スローアウェイ（ＴＡ）チップの場合、前
記構成を具備した多角形の超硬合金薄板の少なくとも切
刃面上に、前記構成を具備したダイヤモンドコーティン
グ層を設ければ何のような形状でもよいが、その多角形
状を次のような形に特定すれば、総型ＴＡチップとして
用いることが出来る。

【００１８】即ち多角形の少なくとも二つ以上の辺上
に、各辺の一部を切欠いて、その切欠き縁により凹状の
総型刃を形成する。この多角形を正方形、正三角形など
の正多角形とし、切欠き縁を各辺の夫々対称位置に対称
形状に形成すれば、更に効果的に使用することが出来
る。

【００１９】上記のような形状を備えた総型ＴＡチップ
の場合、切削条件によっては超硬合金並びにダイヤモン
ドコーティング層の構成は、必ずしも前記した要件を具
備していなくても、使用可能と思われる。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の具体的な実施状態を次の
実施例の項で説明する。

【００２１】

【実施例】

（実施例１）図１（イ）及び（ロ）は工具全体が一体の
超硬合金１よりなるエンドミルの実施例の正面図及び側
面図で、工具長Ａは４５ｍｍ、刃径Ｂは５ｍｍで、４枚
刃の刃長Ｃは２０ｍｍである。なお超硬合金１の材質は
ＪＩＳＫ１０（ＷＣ−６％Ｃｏ）で、刃長Ｃ（切れ刃構
成部）の部分は次の製造法により全面がハッチングで示
すようにダイヤモンドコーティング層２の薄膜で被われ
ている。この薄膜は刃先部分３（切れ刃）のみに設けて
もよいが、製作上も使用上もむしろ刃長Ｃ全体に設けた
方が有利なことが多いので、実施例はそれによった。

【００２２】ＷＣ層の結晶粒径が０．５μｍ、結合層の
Ｃｏ含有量が４重量％、熱膨張係数が４．５×１０^-6／
℃の超硬合金基材に機械加工を施して、図１におけるダ
イヤモンドコーティング層２のないエンドミル基体を作
成した。この基体を本出願人が国際公開番号ＷＯ９４／
１３８５２公報で示したような熱処理、即ち基体を熱フ
ィラメントＣＶＤ装置に装入して、Ｈ₂ −１％ＣＨ₄ の
雰囲気で基体温度約９００℃、１時間程度以上保持し
た。

【００２３】この熱処理により、超硬合金表面上へのダ
イヤモンド結晶の析出がしやすくなり、接着力が向上す
るが、熱処理による析出物や煤が超硬合金表面上に残存
する場合は、これを除去してＷＣ結晶が該表面に良くで
るようにしておく必要がある。

【００２４】上記析出物や煤の除去は、ＣＶＤ装置内雰
囲気をＨ₂ に置換して加熱除去するか、又は同装置より
取出して洗浄やエッチングを施すなどして行うことが出
来る。何れにしても、次の超微粒ダイヤモンドの種付け
や、ＣＶＤ装置によるダイヤモンドコーティング層の生
成には、除去された表面の表面粗さをＲｍａｘ１μｍ程
度以下としておくことが好ましく、本実施例においては
加熱によって除去した。

【００２５】上記除去したエンドミル基体をよく洗浄し
て、切り刃形成面上に０〜１／８μｍ程度以下の超砥粒
ダイヤモンドを分散種付けした。上記除去した切り刃形
成面は、結合金属が少なく、硬質相粒子間の間隔が狭く
て、微小な亀裂が生じており、手作業による分散種付け
に好影響を与えているようであった。なおこの超微粒ダ
イヤモンドとして不純物を減少して親水性を高めたもの
を使用した超微粒ダイヤモンドコロイド溶液によれば、
水中における均一な分散種付けが行なえることが、牧田
寛氏（徳島大学・ＮＥＷ ＤＩＡＭＯＮＤ．１９９６．
Ｖｏｌ，１２Ｎｏ．３）によって報じられており、これ
によることも可能と考えられる。

【００２６】上記熱処理並びに生成物を除去したエンド
ミル基材を、切れ刃側を上にして前記熱フィラメントＣ
ＶＤ装置内に直立して装入し、下記条件で切れ刃部の全
長にわたってダイヤモンドコーティング層を形成した。 雰囲気 Ｈ₂ −１％ＣＨ₄ 圧力 １００Ｔｏｒｒ 温度 フィラメント温度 ２１８０℃ 基材温度 ８５０℃ 反応時間 ５時間

【００２７】上記のように種付けしないで行なう従来の
反応時間に比べ、１／２程度以下にしたことにより、ダ
イヤモンドの粒成長が抑制されて、粒径が１μｍ以下で
厚みは５μｍまでの、緻密な高品質の微粒ダイヤモンド
コーティング層２を基材表面と強い接着力で得ることが
できた。

【００２８】このダイヤモンドコーティング層２をラマ
ン分光分析により測定したところ、図７に示すような、
１３３３ｃｍ^-1付近のダイヤモンドピークのみでダイヤ
モンド相と同定することができた。またダイヤモンドコ
ーティング層２の表面の粗さはＲｍａｘ１μｍ以下であ
った。なお、上記ダイヤモンド相のダイヤモンド合成率
（１３３３ｃｍ^-1付近のダイヤモンドピークと１５００
〜１６００ｃｍ^-1の黒鉛構造の非晶質ピークの比率）
は、０．１以下が必要である。

【００２９】このように、基材表面と強い接着力を持っ
た緻密で高品質の薄膜によるダイヤモンドコーティング
層によって構成された切れ刃によれば、例えば従来焼結
ダイヤモンド切れ刃によって高Ｓｉ−Ａｌ合金の切削を
行なった場合、刃先のチッピングよりＲｍａｘ１μｍの
切削面を得ることはできず、また従来の気相合成法によ
るダイヤモンドコーティング層においては、膜厚が１０
μｍ乃至３０μｍ程度となり、鋭い刃先構成の形成は困
難で、かつ熱歪による剥離を生じたが、これらの問題を
一挙に解消することができる。

【００３０】図２の斜視図で示すように、上記ダイヤモ
ンドコーティングエンドミル１′により、ＪＩＳ記号Ａ
ＤＣ１２のＳｉ−１１ｗｔ％、Ｃｕ−２．５ｗｔ％残Ａ
ｌよりなるＡｌ合金ブロック４に切削加工を行って、同
ドリルによるスパイラルコンプレッサーの溝加工（取代
０．１ｍｍ）の疑似テストを行った。図中矢印は該エン
ドミル１′の回転方向並びに進行方向を示す。

【００３１】なお上記疑似テストの条件及び結果は図３
及び図４に示す通りであるが、図中Ａｄはアクシャルデ
プス、Ｒｄ＝ラジアルデプスを示し、表中の黒丸は同形
の超硬合金エンドミル、黒三角は同形の従来の標準ダイ
ヤモンドコーティング（ＣＶＤによる柱状結晶などの１
５μｍ程度の膜厚）エンドミル、黒四角は上記実施例１
のエンドミルによるものを示す。

【００３２】図３により了解できるように、実施例によ
るものは従来の超硬合金切れ刃によるものに比し、逃げ
面摩耗幅が安定して遥かに少なく、又図４によって了解
されるように、ワークの切削面の表面粗さは従来の超硬
合金切れ刃は勿論、標準ダイヤモンドコーティングエン
ドミルよりも良好である。

【００３３】（実施例２）図８（イ）及び（ロ）はダイ
ヤモンドコーティングスローアウェイ（ＴＡ）チップの
平面図及び側面図で、図９はその切れ刃先部３の展開図
である。当ＴＡチップは、実施例１と同質の超硬合金基
材を用いて図面通りに形成した超硬合金ＴＡチップ５
に、ダイヤモンドコーティング層２の形成下限ライン６
即ち厚みＤの略中間に当る点線より刃先側に実施例１と
同様な方法により同様のダイヤモンドコーティング層２
を形成した。

【００３４】このダイヤモンドコーティング層２の形成
方法並びにその品質、厚み、表面粗さは、実施例１と同
様にしたが、ダイヤモンドコーティング層２を設ける部
分は、ＴＡチップの殆ど全周面上でも、切れ刃先部３の
みでもよい。

【００３５】当実施例の一辺の長さＥは６ｍｍで、厚み
Ｄは２．３８ｍｍである。各辺のすくい面の交わるコー
ナーには０．２ｍｍのＲを設け、各辺の中央には幅Ｆが
２．３ｍｍ、深さＧが０．５ｍｍ傾斜角Ｈが９０°の凹
状総形刃７を形成した。この凹状総形刃７の１番角Ｉは
１６°で、その幅Ｋは０．２ｍｍ、２番角Ｌは１６°で
ある。

【００３６】上記実施例ＴＡチップをクランプ式バイト
シャンクに取付けて総形切削試験を行ったところ、前記
実施例１と同傾向の結果を得ることが出来た。

【００３７】これは従来の粗粒や柱状乃至ダイヤモンド
ライクカーボンの含まれた１０μｍ乃至３０μｍ程度の
厚みによるダイヤモンドコーティング層によったエンド
ミル切れ刃先では、シャープな総形切削が困難であった
ものが、本５μｍ程度以下の高品質のダイヤモンドコー
ティング層によるシャープな切れ刃先により、これが可
能となったものと思われる。因みに刃先部分３の拡大顕
微鏡写真を図１０に、同部分の逃げ面の拡大顕微鏡写真
を図１１により示す。

【００３８】（実施例３）本実施例は図１２に示すよう
に実施例２の正方形に対し正三角形のＴＡチップ形状と
し、凹状総形刃７も、中央部に設けず片寄った対称位置
に設けた例である。一辺の長さＥは１６．５ｍｍ、厚み
Ｄは３．１８ｍｍ、切れ刃の幅Ｆは２．３ｍｍ、傾斜角
Ｈは９０°、１番角Ｉは１１°、２番角Ｌは２０°であ
る。この切削試験の結果も良好であった。

【００３９】このようにＴＡチップに凹状の総形刃を多
角形の各辺に設けることにより、単一刃に比し、設けた
刃数だけチップの寿命を倍増することができる。従って
切削の品質と共その効率を飛躍的に向上させることがで
きる。なお実施例においては、正多角形の各辺の中央部
又は対称位置に総形刃を設けるものについて示し、この
形が製作上及び使用上最も効果的であるが、必要によっ
ては辺のいくつかを残して、２辺以上に中央部や対称位
置以外の位置に設けてもよい。

【００４０】

【発明の効果】以上各項において述べたように、本発明
によればアルミニウム合金等の非鉄金属材料、電子材
料、光学部品の精密で表面粗さの小さい切削が可能であ
り、寿命も長い。またＴＡチップとして用いる時は総形
切削を極めて効率的に行うことが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（イ）及び（ロ）は、実施例１のエンドミルの
正面図及び側面図である。

【図２】実施例１のエンドミルによる疑似テストを行う
方法を説明する斜視図である。

【図３】疑似テストの条件及びその結果を示す図表であ
る。

【図４】図３と同様の図表である。

【図５】ダイヤモンド層のラマン分光分析結果を示す図
表で、アモルファス層が現れている。

【図６】ダイヤモンド層のラマン分光分析結果を示す図
表で、アモルファス層中にダイヤモンドの結晶化が進ん
でいることが現れている。

【図７】ダイヤモンド層のラマン分光分析結果を示す図
表で、全面がダイヤモンド結晶のみであることが現れて
いる。

【図８】（イ）及び（ロ）は実施例２のＴＡチップの平
面図及び側面図である。

【図９】実施例２の刃先部を説明する展開図である。

【図１０】実施例２の刃先部分の組織を示す拡大顕微鏡
写真である。

【図１１】図７の刃先部分の逃げ面の組織を示す拡大顕
微鏡写真である。

【図１２】実施例３のＴＡチップを示す（イ）正面図、
（ロ）前面図、（ハ）一部側面図である。

【符号の説明】

１ 一体の超硬合金 １′ ダイヤモンドコーティングエンドミル ２ ダイヤモンドコーティング層 ３ 刃先部分 ４ Ａｌ合金ブロック ５ 超硬合金ＴＡチップ ６ ダイヤモンドコーティング層２の形成下限ライン ７ 凹状総形刃 Ａ 工具長 Ｂ 刃径 Ｃ 刃長 Ｄ ＴＡチップの厚み Ｅ ＴＡチップの一辺の長さ Ｒ コーナーのＲ Ｆ 辺より切欠いた刃の幅 Ｇ 辺より切欠いた刃の長さ Ｈ 辺に切欠いた刃の傾斜角 Ｉ 凹状総形刃の１番角 Ｋ Ｉの幅 Ｌ 凹状総形刃の２番角 Ａｄ アクシャルデプス Ｒｄ ラジアルデプス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉武 理人 大阪府堺市鳳北町２丁80番地 大阪ダイヤ モンド工業株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 刃部を形成する工具の一部のみが超硬合
   金で構成されているか、又は工具全体が一体の超硬合金
   で構成されている工具において、切れ刃が、超硬合金基
   材の所要表面上に気相合成法によって生成されたダイヤ
   モンドコーティング層によって形成され、かつ該超硬合
   金基材並びに、ダイヤモンドコーティング層は下記Ａ、
   Ｂ及びＣの総べてを具備していることを特徴とするダイ
   ヤモンドコーティング切削工具。 Ａ．超硬合金基材は熱膨張係数が５．０×１０^-6／℃以
   下であり、かつ主成分とするＷＣを９０重量％以上含有
   している。 Ｂ．ダイヤモンドコーティング層は、ダイヤモンド相の
   結晶の粒径が３μｍ以下であり、かつラマン分光分析の
   結果によるダイヤモンド合成率（１３３３ｃｍ^-1付近の
   ダイヤモンドピークと１５００ｃｍ^-1〜１６００ｃｍ^-1
   の黒鉛構造の非晶質ピークの比率）が、０．１以下であ
   る。 Ｃ．ダイヤモンドコーティング層の表面粗さは、Ｒｍａ
   ｘ３μｍ以下である。
2. 【請求項２】 超硬合金素材は、ＷＣ層の結晶粒径が１
   μｍ以下で、抗折力強度が２００ｋｇ／ｍｍ² 以上であ
   り、ダイヤモンドコーティング層の厚みは５μｍ以下で
   あることを特徴とする請求項１記載の工具。
3. 【請求項３】 全体が一体の超硬合金で形成された工具
   がエンドミル又はドリルであり、該エンドミル又はドリ
   ルのダイヤモンドコーティング層は下記Ａ又はＢの何れ
   かに形成されてなることを特徴とする請求項１又は請求
   項２記載の工具。 Ａ．切れ刃構成部全体にのみダイヤモンドコーティング
   層が形成されている。 Ｂ．切れ刃構成部中の切れ刃のみにダイヤモンドコーテ
   ィング層が形成されている。
4. 【請求項４】 全体が一体の超硬合金で形成された工具
   が、スローアウェイチップであることを特徴とする請求
   項１又は請求項２記載の工具。
5. 【請求項５】 超硬合金基材を炭素、水素などの還元性
   雰囲気中で熱処理する工程と、該基材のダイヤモンドコ
   ーティング層を形成すべき部分に超微粒ダイヤモンドを
   種付けする工程を経た超硬合金基材を、気相合成装置に
   挿入し、上記種付け周面上にダイヤモンド結晶の結晶粒
   径が３μｍ以下で、層厚が３μｍ以下のダイヤモンドコ
   ーティング層を形成することを特徴とするダイヤモンド
   コーティング切削工具の製造方法。