JP2019042755A - 人工ダイヤモンドコーティング領域を処理する方法及びシステム - Google Patents
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1.人工ダイヤモンド
ダイヤモンドは宝石として価値を有する一方で、高い工業的利用価値も有する。ダイヤモンドは、最も高い硬度、高い熱伝導率、小さい熱膨張係数を有し、これにより耐摩耗性、熱拡散性、熱衝撃耐性に優れ、工学的に理想的な性質を有する。この性質によって、上記の高い工業的利用価値がもたらされる。そのため、光学分野、電気・電子分野、機械工作の分野などの幅広い分野でダイヤモンドの応用が進められており、ダイヤモンドは特に研磨、切削などの工業的用途に広く利用されている。しかし、天然ダイヤモンドの利用には、一般に、ダイヤモンド自体のコストが高いこと、天然ダイヤモンドの埋蔵量が少ないこと、及び採掘にもコストがかかることといった問題が伴う。また、ダイヤモンドは地球内部の非常に高温高圧な環境で生成されるために定まった形状で産出されない。したがって、産出されたダイヤモンドを成形することが必要となる。またさらに、ダイヤモンドの高い硬度は、それ自体が利点である一方で、加工性の低さをもたらしてしまう。そのため、天然ダイヤモンドの利用は全体として高コストなものとなってしまう。
CVDダイヤモンドコーティング工具の製造方法は以下の通りである。まず、工具母材表面にダイヤモンドの核が生成される。次に、工具母材表面の核が成長してダイヤモンド粒となり、ダイヤモンド粒同士が結合して膜を形成する。このCVDによって作られるダイヤモンド膜は、ダイヤモンドの多結晶体である。通常、多結晶といわれているダイヤモンド焼結体にはCoやSiなどの焼結助剤が混入しているため、ダイヤモンドの占める割合は70〜90%程度である。これに対して、気相合成ダイヤモンドでは100%がダイヤモンドであるため、焼結体とは大きく異なる。
工具刃先をレーザで成形する手法としてパルスレーザ研削(Pulse Laser Grinding:PLG)がある。図16は、PLGの模式図である。短パルスレーザLが長焦点の単レンズによって緩い角度で集光され、円筒状の加工可能領域Laが形成される((a)鳥観図参照)。この加工可能領域Laによって、ワーク(材料)Wの加工面Waに垂直に数μmの切り込みが与えられる。そして、加工可能領域Laが、加工面Waに接触した状態で加工面Waに対して平行に繰り返し走査される((b)上面図及び(c)正面図参照)。この切り込みの付与と走査とが繰り返され、切り込みの厚さだけワークWが除去されて任意の加工面が得られる。
(1)工具成形が加工対象材料の硬度に制約されず、それがダイヤモンドのように非常に硬い材料であっても短時間での加工が可能となる。
(2)工具成形が非接触加工であることによって、加工対象が脆性材料又は焼結材料であっても刃先のチッピングや粒子の脱落が抑制される。
(3)レーザ光線は光ファイバーなどを介しても伝送可能なため、レーザの取り回しが良く、他軸加工へ応用することによって自由に形状を創製することが可能となる。
(4)短パルスレーザを用いることによって、加工形態がアブレーション加工となる。これにより、加工対象が焼結材料のような粒子及びバインダーからなる材料であっても、均一な加工が可能となる。
(5)レーザ照射時の熱又はプラズマによって加工対象の一部が化学変化するので、加工対象物の表面改質が可能となる。
CVDで合成されたダイヤモンドは、化学的品質において天然ダイヤモンドよりも劣ることがある。CVDで合成されたダイヤモンドのコーティング膜を分析すると、膜内部と比較して表面においては、アモルファスカーボンが多く含まれていることが多く、DLC膜のような性質を示す事が多い(例えば、非特許文献5及び6参照)。
図1は、第1の実施形態による工具作製の処理に用いられるシステム1を示すブロック図である。システム1は、超短パルスレーザ源10、デフォーカス光学系20、ワーク保持機構30、ナノ秒UVレーザ源40、レーザ走査装置50及び制御装置60を有する。ワーク5は、例えば刃部を有する機械工具などであり、ワーク保持機構30によって保持される。ワーク5は、その刃部などからなる所定のワーク加工面5a(人工ダイヤモンドコーティング領域)を有する。
ビーム形成光学系51はミラー、レンズなどを有する。レンズはワーク5の加工幅に対して比較的長いレイリー長を有する長焦点距離のレンズであり、例えば、単レンズ若しくは複合レンズ、アキシコンレンズ、DOE(Diffractive Optical Element)又はそれらの複合である。アキシコレンズ及びDOEによってビームプロファイルを任意の形にすること又はレイリー長を増加させることが可能となる。説明の便宜上、ビーム形成光学系51を通過する前のパルスレーザをUVパルスレーザLn0といい、ビーム形成光学系51を通過した後のビーム形成されたパルスレーザをUVパルスレーザLn1といい、双方を総称してUVパルスレーザLnというものとする。
本実施例では、CVD多層ダイヤモンドコーティングが被覆されたワーク加工面5aに超短パルスレーザLfが低フルエンスで照射され、そのワーク加工面5aにおける結晶性の変化が確認された。ワーク表層がPLGによって除去され、その露出領域に対して超短パルスレーザLfが低フルエンスで照射された。
波長:355nm
パワー:2.8W
パルス幅:7ns
周波数:15kHz
焦点距離:100mm
スポット径:20μm
パワー密度:8.4GW/cm2
走査速度:30mm/s
波長:1041nm
パルス幅:550fs
周波数:100kHz
焦点でのスポット径:2μm
フルエンス:5.6、10.0、14.9、16.2mJ/cm2
走査速度:2.0mm/s
走査回数:10、30、50
図5(a)〜(e)に、本実施例における未照射領域及び照射領域5fのラマンスペクトルを示す。図5の各図において、横軸はラマンシフト(cm−1)であり、縦軸は強度(任意単位)である。図5において、(a)は超短パルスレーザが照射されなかった場合のラマンスペクトルであり、(b)〜(e)は、それぞれ、フルエンスが5.6mJ/cm2、6.8mJ/cm2、7.9mJ/cm2、9.2mJ/cm2の場合のラマンスペクトルである。図5(a)〜(e)から分かるように、低フルエンスの照射によって1350cm−1付近のDバンドのピーク強度が増加した。そして、フルエンスの増加に対してDバンドのピーク強度の増加量が大きいことが分かる。すなわち、CVDダイヤモンド多層膜に対して低フルエンスで超短パルスレーザLfを照射すると、ラマンスペクトルが、sp3炭素からなるダイヤモンドに特有のDバンドピークを有する状態に近づくこと、すなわち人工ダイヤモンドの結晶性の向上による改質が行われたことが分かる。
図6に、本実施例における未照射領域及び照射領域5fのC(1s)のXPSスペクトルを示す。図7に、本実施例における未照射領域及び照射領域5fのN(1s)のXPSスペクトルを示す。図8に、本実施例における未照射領域及び照射領域5fのO(1s)のXPSスペクトルを示す。各図において、横軸は結合エネルギー(eV)であり、縦軸はXPS強度(任意単位)である。データは、PLG加工前の表面(Surface)、PLG加工後の未照射領域の表面(Inner part)のXPS強度をそれぞれ示す。さらに、データは、5.6J/cm2での照射の場合の照射領域5fの表面、10.0J/cm2での照射の場合の照射領域5fの表面、14.9J/cm2での照射の場合の照射領域5fの表面、及び16.2mJ/cm2での照射の場合の照射領域5fの表面のXPS強度をそれぞれ示す。
未照射領域(超短パルスレーザ未照射領域)と照射領域(超短パルスレーザ照射領域)に対してシンクロトロン光によるX線吸収分光測定を行った。超短パルスレーザの照射条件は、以下の通りである。
波長:1045nm
パルス幅:700fs
出力パワー:400mW
周波数:100kHz
フルエンス:14.9mJ/cm2
上記(3)において得られた照射領域が結晶性か非結晶性かを確認するために、XRD測定を実施した。0.2°の斜入射によるX線解析測定結果を行ったところ、超短パルスレーザ照射領域では、未照射領域に対して、ダイヤモンド特性を表すピークが上昇し、結晶性が20%向上したことが確認された。
本実施例では、CVD多層ダイヤモンドコーティングが被覆された刃物に超短パルスレーザLfが低フルエンスで照射され、その刃物の耐摩耗性の変化が確認された。まず、超合金母材に人工ダイヤモンドコーティングを被覆した切削工具(刃部)が、PLGによって形状整形された。その整形された加工面に対して超短パルスレーザが、低フルエンスで照射された。そして、この照射後の刃物を用いて1000mの切削が実施された。
波長:355nm
パワー:2.8W
パルス幅:7ns
周波数:15kHz
焦点距離:100mm
スポット径:20μm
パワー密度:8.4GW/cm2
走査速度:30mm/s
波長:1041nm
パルス幅:550fs
周波数:100kHz
焦点でのスポット径:2μm
フルエンス:14.9mJ/cm2
走査速度:2.0mm/s
走査回数:50回
上記第1の実施形態では、整形処理がナノ秒UVパルスレーザ(UVパルスレーザ)Lnによって行われ、改質処理が超短パルスレーザLfによって行われる構成を示した。本実施形態では、両処理とも超短パルスレーザLfによって行われる構成を示す。具体的には、第1の実施形態の構成では、超短パルスレーザLfがデフォーカスされてワーク加工面5aに照射されたが、本実施形態の構成では、超短パルスレーザLfがビーム形成されてワーク加工面5aに接触照射される。
以上に本発明の好適な実施形態を示したが、本発明は、例えば以下に示すように種々の態様に変形可能である。
上記各実施形態では、システム1又は2において整形処理及び改質処理の双方が行われる構成を示したが、システム1又は2は改質処理のためのみに使用されてもよい。すなわち、すでに整形処理されたワーク加工面5aを有するワーク5(人工ダイヤモンドコーティングされたワーク加工面5aを有するワーク5)がワーク保持機構30に保持され、超短パルスレーザLfの低フルエンスでの照射及び走査による改質処理が行われてもよい。
上記第1の実施形態では、整形処理がナノ秒UVパルスレーザ(UVパルスレーザ)Lnのビーム形成照射によって実行され、改質処理が超短パルスレーザLfのデフォーカス照射によって実行された。また、第2の実施形態では、整形処理及び改質処理が超短パルスレーザLfのビーム形成照射によって実行された。一方、整形処理が第1の実施形態と同様にUVパルスレーザLnのビーム形成照射によって実行され、改質処理が第2の実施形態と同様に超短パルスレーザLfのビーム形成照射によって実行される構成も可能である。この場合、ビーム形成光学系51又は56及びビーム走査機構52がUVパルスレーザLn及び超短パルスレーザLfの双方に共通化される。そして、ビーム形成光学系51又は56に入射されるナノ秒UVレーザ源40からのUVパルスレーザLnと超短パルスレーザ源10からの超短パルスレーザLfとが整形処理と改質処理の間で切り換えられる。
5 ワーク
5a ワーク加工面(DLCコーティング領域)
10 超短パルスレーザ源
20 デフォーカス光学系(光学系装置)
30 ワーク保持機構
40 ナノ秒UVレーザ源
50、55 レーザ走査装置(光学系装置)
51、56 ビーム形成光学系
52 ビーム走査機構
60、600 制御装置
Lf 超短パルスレーザ
Ln ナノ秒UVパルスレーザ(UVパルスレーザ)
Claims (18)
- 人工ダイヤモンドコーティング領域を処理する方法であって、
パルス幅が1フェムト秒以上10ピコ秒以下の超短パルスレーザを超短パルスレーザ源から出射するステップと、
人工ダイヤモンドコーティングが施されたワーク加工面における前記超短パルスレーザのフルエンスが人工ダイヤモンドコーティング領域の加工閾値未満となるように、光学系装置を介して前記超短パルスレーザを前記ワーク加工面に照射するステップと、
前記光学系装置を介して照射される前記超短パルスレーザと前記ワーク加工面との相対位置又は相対姿勢を制御して、前記光学系装置を介して照射される前記超短パルスレーザを前記ワーク加工面に対して走査するステップと
を備える方法。 - 前記加工閾値は16.2mJ/cm2である、請求項1に記載の方法。
- 前記ワーク加工面におけるフルエンスが、5.6mJ/cm2以上14.9mJ/cm2以下である、請求項1または2のいずれかに記載の方法。
- 前記ワーク加工面におけるフルエンスが、10.0mJ/cm2以上14.9mJ/cm2以下である、請求項1または2のいずれかに記載の方法。
- 前記照射するステップが、前記超短パルスレーザの光軸が前記ワーク加工面に交差する状態で前記超短パルスレーザをデフォーカスするステップを含む、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
- ナノ秒UVパルスレーザをナノ秒UVレーザ源から出射するステップと、
前記ナノ秒UVパルスレーザをビーム形成光学系によってビーム形成するステップと、
前記ビーム形成されたナノ秒UVパルスレーザを前記ワーク加工面に対して平行に接触及び走査して前記ワーク加工面を整形するステップと
をさらに備える、請求項5に記載の方法。 - 前記照射するステップが、前記超短パルスレーザをビーム形成するステップ及び前記ビーム形成された超短パルスレーザを前記ワーク加工面に対して平行に接触させるステップを含み、
前記走査するステップが、前記ワーク加工面に対して平行に接触した超短パルスレーザを前記ワーク加工面に対して平行に走査するステップを含む、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。 - 前記ワーク加工面における前記超短パルスレーザのフルエンスが前記ワーク加工面の加工閾値以上となるように、前記光学系装置を介して前記超短パルスレーザを前記ワーク加工面に対して平行に接触させるステップと、
前記ワーク加工面に対して平行に接触した前記超短パルスレーザと前記ワーク加工面との相対位置又は相対姿勢を制御して前記超短パルスレーザを前記ワーク加工面に対して走査するステップと
をさらに備える、請求項7に記載の方法。 - 前記人工ダイヤモンドコーティングが、化学気相蒸着によって形成された多層ダイヤモンドコーティングである、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ワーク加工面が切削工具の刃先の一部又は全部である、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。
- 人工ダイヤモンドコーティング領域を処理するシステムであって、
パルス幅が1フェムト秒以上10ピコ秒以下の超短パルスレーザを出射する超短パルスレーザ源と、
前記超短パルスレーザのプロファイルを調整する光学系装置と、
人工ダイヤモンドコーティングが施されたワーク加工面の位置及び姿勢を制御するワーク保持機構と、
前記プロファイルが調整された超短パルスレーザの前記ワーク加工面におけるフルエンスが人工ダイヤモンドコーティング領域の加工閾値未満となる状態で、前記プロファイルが調整された超短パルスレーザが前記ワーク加工面を走査するように前記光学系装置及び前記ワーク保持機構を制御する制御装置と
を備えるシステム。 - 前記加工閾値は16.2mJ/cm2である、請求項11に記載のシステム。
- 前記ワーク加工面におけるフルエンスが、5.6mJ/cm2以上14.9mJ/cm2以下となるように構成された、請求項11に記載のシステム。
- 前記ワーク加工面におけるフルエンスが、10.0mJ/cm2以上14.9mJ/cm2以下となるように構成された、請求項11に記載のシステム。
- 前記光学系装置が、前記超短パルスレーザの光軸が前記ワーク加工面に交差する状態で前記超短パルスレーザをデフォーカスするデフォーカス光学系からなる、請求項11から13のいずれか一項に記載のシステム。
- ナノ秒UVパルスレーザを出射するナノ秒UVレーザ源と、
前記ナノ秒UVパルスレーザをビーム形成するビーム形成光学系と、
前記ビーム形成されたナノ秒UVパルスレーザを光軸方向に垂直な方向に移動させるビーム走査機構と
をさらに備え、
前記制御装置が、前記ビーム形成されたナノ秒UVパルスレーザが前記ワーク加工面に対して平行に接触及び走査するように、前記ビーム走査機構又は前記ワーク保持機構を制御するように構成された、請求項15に記載のシステム。 - 前記光学系装置が、前記超短パルスレーザをビーム形成するビーム形成光学系及び前記ビーム形成された超短パルスレーザを光軸方向に垂直な方向に移動させるビーム走査機構を含み、
前記制御装置が、前記ビーム形成された超短パルスレーザが前記ワーク加工面に対して平行に接触及び走査するように、前記ビーム走査機構又は前記ワーク保持機構を制御するように構成された、請求項11から14のいずれか一項に記載のシステム。 - 前記制御装置がさらに、前記ビーム形成された超短パルスレーザから前記ワーク加工面に与えられるエネルギーが前記ワーク加工面の加工閾値未満の値及び該加工閾値以上の値の間で切り換えられるように、前記ビーム走査機構又は前記ワーク保持機構を制御するように構成された、請求項17に記載のシステム。
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