JP5287408B2

JP5287408B2 - すぐれた仕上げ面精度を示すダイヤモンド被覆工具

Info

Publication number: JP5287408B2
Application number: JP2009072169A
Authority: JP
Inventors: 智行益野; 哲光冨永; 伸弥中村; 裕介田中
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2009-03-24
Filing date: 2009-03-24
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2029-03-24
Also published as: JP2010221353A

Description

この発明は、炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットからなる工具基体にダイヤモンド皮膜を被覆したダイヤモンド被覆工具に関し、特に、金属材料よりも比強度、比剛性の高いＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics。炭素繊維強化プラスチック）あるいは溶着性の高いＡｌ合金等の高送り、高切込みの重切削加工に際し、長期の使用に亘って、すぐれた仕上げ面精度を示すダイヤモンド被覆工具に関するものである。

従来、炭化タングステン基（ＷＣ基）超硬合金または炭窒化チタン基（ＴｉＣＮ基）サーメットなどの工具基体に、ダイヤモンド皮膜を被覆したダイヤモンド被覆工具が知られており、
例えば、工具基体表面に、ダイヤモンドの結晶成長の起点となる核付着工程およびダイヤモンドを結晶成長させる結晶成長工程とを繰り返し行うことにより、結晶粒径が微細なダイヤモンド皮膜を被覆したダイヤモンド被覆工具が知られており、この被覆工具を用いたＡｌ合金の切削加工で、すぐれた面精度を得られることが知られている。

特開２００２−７９４０６号公報

近年の切削加工装置のＦＡ化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴って、切削条件はますます厳しいものとなってきている。上記の従来被覆工具は、これを通常条件での切削加工に用いた場合には特段の問題は生じないが、これを、一般の金属材料に比して、比強度、比剛性にすぐれるＣＦＲＰの切削加工、軟質で溶着性の高いＡｌ合金等の切削加工に用いた場合には、ＣＦＲＰは炭素繊維とエポキシ系樹脂の複合材であるため工具摩耗が激しく、また、Ａｌ合金等は、切削時の切刃への溶着、欠損を生じやすく、シャープな切刃を維持することが困難であり、工具寿命が短命となるという問題点があった。

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、特に難削材であるＣＦＲＰあるいは溶着性の高いＡｌ合金等の切削加工において、シャープな切刃を維持しつつ、バリの発生を抑制し、長期の使用に亘って、すぐれた仕上げ面精度を示すダイヤモンド被覆工具を開発すべく鋭意研究を行った結果、以下の知見を得た。
即ち、図１は、本発明のダイヤモンド被覆工具の側断面の概略図を示すが、図１において、ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットで構成された工具基体表面に、それぞれ所定の膜厚の粗粒結晶層Ｃ−含非晶質炭素層Ａ−微粒結晶層Ｂ−含非晶質炭素層Ａを交互積層単位構造として、この交互積層単位構造を複数周期繰り返し設けることにより、全膜厚４〜５０μｍのダイヤモンド皮膜を形成し、さらに、工具基体表面の法線に対して、該ダイヤモンド皮膜中の結晶粒の（１０１）面の法線がなす傾斜角を測定して傾斜角度分布グラフを作成した場合、０〜２０度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度分布グラフにおける度数全体の３０％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示すダイヤモンド皮膜を形成すると、このようなダイヤモンド皮膜を被覆したダイヤモンド被覆工具は、、シャープな切刃を維持しつつ、バリの発生を抑制し、長期の使用に亘って、すぐれた仕上げ面精度を示すことを見出したのである。

この発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された工具基体表面に、交互積層単位構造が複数周期繰り返されることにより４．５〜４０μｍの膜厚のダイヤモンド皮膜が被覆されたダイヤモンド被覆工具において、
前記交互積層単位構造は、５００〜３０００ｎｍの膜厚の柱状結晶組織を有し平均結晶粒径１００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の粗粒結晶層Ｃ、５０〜３００ｎｍの膜厚の含非晶質炭素層Ａ、６５０〜１０００ｎｍの膜厚の柱状結晶組織を有し平均結晶粒径４０ｎｍ以上１００ｎｍ未満の微粒結晶層Ｂおよび５０〜３００ｎｍの膜厚の含非晶質炭素層Ａが順次に積層された交互積層構造からなり、
さらに、上記ダイヤモンド皮膜について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、工具基体表面に対し垂直な皮膜断面研磨面に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、前記工具基体表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（１０１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．１度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフで表した場合、０〜２０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、０〜２０度の範囲内の傾斜角区分に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の３０％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示すことを特徴とするダイヤモンド被覆工具。」
に特徴を有するものである。

つぎに、この発明のダイヤモンド被覆工具の被覆層について、詳細に説明する。

本発明のダイヤモンド皮膜は、含非晶質炭素層Ａと微粒結晶層Ｂと粗粒結晶層Ｃとによって構成されるが、これらの各層は、いずれも、例えば、通常の熱フィラメント法を用いた化学蒸着によって形成することができる。
即ち、工具基体表面直上に、例えば、以下の条件の熱フィラメント法により、粗粒結晶層Ｃを蒸着形成する。
成膜圧力：２×１０^−２〜９×１０^−２Ｐａ、
Ｈ_２流量：２０００〜４０００ｍｌｎ、
ＣＨ_４流量：２０〜５０ｍｌｎ、
フィラメント電流値：１５０〜２００Ａ、
成膜温度：６００〜９００ ℃、
上記条件で形成された粗粒結晶層Ｃは、柱状結晶を有し、平均粒径１００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の粗粒結晶層Ｃとして形成される。
なお、この発明でいう平均結晶粒径とは、各層の層厚の中心部分における結晶粒径を透過型電子顕微鏡にて測定し、その平均値を各層の平均結晶粒子径であると定義する。
粗粒結晶層Ｃは、重切削加工時における逃げ面の耐摩耗性を向上させる。
ただ、粗粒結晶層Ｃの一層膜厚が５００ｎｍ未満では、上記所望の効果が得られず、一方、一層膜厚が３０００ｎｍを超えると、皮膜表面粗さの増大に伴うチッピング（微小欠け）が発生し易くなり、また、仕上げ面精度が低下することから５００〜３０００ｎｍとすることが必要である。

工具基体表面直上に形成された粗粒結晶層Ｃのうえに、含非晶質炭素層Ａを同じく以下の条件の熱フィラメント法による形成をする。
成膜圧力：２×１０^−２〜９×１０^−２Ｐａ、
Ｈ_２流量：２０００〜４０００ｍｌｎ、
ＣＨ_４流量：８０〜１５０ｍｌｎ、
フィラメント電流値：１５０〜２００Ａ、
成膜温度：６００〜９００ ℃、
上記条件で形成された含非晶質炭素層Ａについて、透過型電子顕微鏡により観察したところ、図２に示されるようなハローパターンを示すことから該層中には非晶質構造の炭素の存在することが確認される。
また、この含非晶質炭素層Ａは、粗粒結晶層Ｃの成膜条件と比し、ＣＨ₄流量を大きく増加した条件で成膜することによって、例えば、これに続く微粒結晶層Ｂの形成にあたり、また、交互積層構造を構成する粗粒結晶層Ｃの形成にあたり、結晶成長の核生成密度を高めるとともに、含非晶質炭素層Ａと微粒結晶層Ｂ、粗粒結晶層Ｃの界面近傍での応力分散効率を上昇させるため、両層間での密着性を向上する。
ただ、この含非晶質炭素層Ａの膜厚が５０ｎｍ未満では核生成密度の向上、密着性向上効果が期待できず、一方、含非晶質炭素層Ａの膜厚が３００ｎｍを超えると、ダイヤモンド皮膜の硬度低下が生じるようになるため、含非晶質炭素層Ａの膜厚は５０〜３００ｎｍとすることが必要である。
なお、本発明では、粗粒結晶層Ｃと微粒結晶層Ｂの間に含非晶質炭素層Ａを介在させた状態で交互積層構造を形成するが、微粒結晶層Ｂと粗粒結晶層Ｃの間に介在形成させるこの含非晶質炭素層Ａも、上記条件で形成することができる。
また、その膜厚についても、上記と同様な理由により、５０〜３００ｎｍとすることが必要である。

また、上記粗粒結晶層Ｃの上に、５０〜３００ｎｍの含非晶質炭素層Ａを形成した後、微粒結晶層Ｂを、以下の条件の熱フィラメント法による形成をする。
成膜圧力：２×１０^−２〜９×１０^−２Ｐａ、
Ｈ_２流量：２０００〜４０００ｍｌｎ、
ＣＨ_４流量：７０〜１５０ｍｌｎ、
Ｏ_２流量：２０〜４０ｍｌｎ、
フィラメント電流値：１５０〜２００Ａ、
成膜温度：６００〜９００ ℃、
即ち、この微粒結晶層Ｂは、含非晶質炭素層Ａの成膜条件と比し、２０〜４０ｍｌｎのＯ_２を装置内に導入することによって、柱状結晶組織を有し、平均結晶粒径４０ｎｍ以上１００ｎｍ未満の微粒結晶層Ｂが形成される。
微粒結晶層Ｂは、ダイヤモンド皮膜表面の平坦性向上に寄与し、特に切削加工時におけるすくい面耐欠損性を向上させる。
ただ、微粒結晶層Ｂの一層膜厚が６５０ｎｍ未満では、皮膜耐摩耗性が維持されず上記所望の効果が得られず、一方、一層膜厚が１０００ｎｍを超えると、結晶粒が粗大化しやすくなりダイヤモンド皮膜表面の平坦性が低下するようになることから、微粒結晶層Ｂの一層膜厚は、６５０〜１０００ｎｍとする必要がある。

ついで、上記微粒結晶層Ｂの上に５０〜３００ｎｍの膜厚の含非晶質炭素層Ａを形成した後、粗粒結晶構造Ｃを前記と同様にして形成する。
よって、本発明の被膜積層構成は、粗粒結晶層Ｃ−含非晶質炭素層Ａ−微粒結晶層Ｂ−含非晶質炭素層Ａの交互積層構造を交互積層単位構造の１周期とした場合、この交互積層単位構造を複数周期繰り返し行うことにより、全膜厚４．５〜４０μｍのダイヤモンド皮膜を形成する。
上記ダイヤモンド皮膜の全膜厚が４．５μｍ未満では、優れた耐摩耗性を長期の使用にわたって発揮することができず、工具寿命の延命化を図ることができず、一方、全膜厚が４０μｍを超えるとＣＦＲＰ、Ａｌ合金等の切削加工時に切刃部のチッピング、欠損等の異常損傷を発生しやすくなるので、ダイヤモンド皮膜の全膜厚は４．５〜４０μｍと定めた。

上記ダイヤモンド皮膜について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、基体表面に対し垂直な皮膜断面研磨面に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、前記基体表面の法泉に対して、前記結晶粒の結晶面である（１０１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．２５度ピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度分布グラフを作成したところ、０〜２０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記０〜２０度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の３０％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示し、ダイヤモンド皮膜として優れた靭性を示す。
したがって、ダイヤモンド皮膜の全膜厚を４０μｍ程度にまで厚膜化した場合でも、ＣＦＲＰ、Ａｌ合金等の切削加工時において切刃部のチッピング、欠損等の異常損傷の発生が抑制される。

この発明のダイヤモンド被覆工具は、工具基体表面直上に膜厚５００〜３０００ｎｍの粗粒結晶層Ｃが被覆され、該粗粒結晶層Ｃの上に膜厚５０〜３００ｎｍの含非晶質炭素層Ａ、膜厚６５０〜１０００ｎｍの微粒結晶層Ｂ、さらに、膜厚５０〜３００ｎｍの含非晶質炭素層Ａが順次被覆され、上記粗粒結晶層Ｃ−含非晶質炭素層Ａ−微粒結晶層Ｂ−含非晶質炭素層Ａを交互積層単位構造として、この交互積層単位構造を複数周期繰り返し設けることにより、全膜厚４．５〜４０μｍのダイヤモンド皮膜を形成し、さらに、該ダイヤモンド皮膜中の結晶は（１０１）面への高い配向性を示し、すぐれた靭性を備えたものとなることから、このようなダイヤモンド皮膜を被覆したダイヤモンド被覆工具は、比強度、非剛性の高いＣＦＲＰあるいは溶着性の高いＡｌ合金等の高送り、高切込みの切削加工において、シャープな切刃を維持したまま、バリの発生等を招くことなく、長期の使用に亘って、すぐれた仕上げ面精度を維持することができる。

本発明のダイヤモンド被覆工具の層構造（側断面）を示す概略説明図。本発明エンドミル１の含非晶質炭素層の透過型電子顕微鏡により測定されたハローパターンを示す。本発明エンドミル１のダイヤモンド皮膜の（１０１）面についての傾斜角度数分布グラフ。本発明ドリル１１のダイヤモンド皮膜の（１０１）面についての傾斜角度数分布グラフ。

つぎに、この発明のダイヤモンド被覆工具を実施例により具体的に説明する。
ここでは、ダイヤモンド被覆工具を、エンドミル、ドリルに適用した場合について述べるが、本発明はこれに限定されるものではなく、各種の切削工具に適用することが可能である。

原料粉末として、平均粒径：５．５μｍを有する中粗粒ＷＣ粉末、同０．８μｍの微粒ＷＣ粉末、同１．３μｍのＴａＣ粉末、同１．２μｍのＮｂＣ粉末、同１．２μｍのＺｒＣ粉末、同２．３μｍのＣｒ_３Ｃ_２粉末、同１．５μｍのＶＣ粉末、および同１．８μｍのＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末をそれぞれ表１に示される配合組成に配合し、さらにワックスを加えてアセトン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で所定形状の各種の圧粉体にプレス成形し、これらの圧粉体を、６Ｐａの真空雰囲気中、７℃／分の昇温速度で１３７０〜１４７０℃の範囲内の所定の温度に昇温し、この温度に１時間保持後、炉冷の条件で焼結して、直径が１３ｍｍの工具基体形成用丸棒焼結体を形成し、さらに前記の丸棒焼結体から、研削加工にて、切刃部の直径×長さが１０ｍｍ×３０ｍｍの寸法、並びにねじれ角１０度の４枚刃スクエア形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体（エンドミル）Ｃ−１〜Ｃ−８をそれぞれ製造した。

ついで、これらの工具基体（エンドミル）Ｃ−１〜Ｃ−８の表面をアセトン中で超音波洗浄し、乾燥した後、酸溶液によるエッチングおよび／またはアルカリ溶液によるエッチング処理を行なった後、
（ａ）まず、
成膜圧力：５×１０^−２Ｐａ、
Ｈ_２流量：３０００ｍｌｎ、
ＣＨ_４流量：４０ｍｌｎ、
フィラメント電流値：１８０Ａ、
成膜温度：７００ ℃
の条件で、柱状結晶組織を有し、平均結晶粒径１００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の粗粒結晶層Ｃを形成し、
（ｂ）ついで、成膜条件を変更し、上記粗粒結晶層Ｃの表面に、
成膜圧力：５×１０^−２Ｐａ、
Ｈ_２流量：３０００ｍｌｎ、
ＣＨ_４流量：１００ｍｌｎ、
フィラメント電流値：１８０Ａ、
成膜温度：６８０ ℃
の条件で、含非晶質炭素層Ａを形成し、
（ｃ）ついで、
成膜圧力：５×１０^−２Ｐａ、
Ｈ_２流量：３０００ｍｌｎ、
ＣＨ_４流量：１００ｍｌｎ、
Ｏ_２流量：３０ｍｌｎ、
フィラメント電流値：１８０Ａ、
成膜温度：６５０ ℃、
の条件で、柱状結晶組織を有し、平均結晶粒子径４０ｎｍ以上１００ｎｍ未満の微粒結晶層Ｂを形成し、
（ｄ）ついで、上記（ｃ）と同様の成膜条件で含非晶質炭素層Ａを形成し、
（ｅ）ついで、上記（ａ）〜（ｄ）の条件で、粗粒結晶層Ｃ、含非晶質炭素層Ａ、微粒結晶層Ｂおよび含非晶質炭素層Ａからなる交互積層単位構造を複数周期繰り返し交互に形成することにより、
表２に示される膜厚、平均結晶粒径からなるダイヤモンド皮膜を成膜することにより、本発明のダイヤモンド被覆エンドミル（以下、本発明エンドミルという）１〜８をそれぞれ製造した。

比較の目的で、上記の工具基体（エンドミル）Ｃ−１〜Ｃ−４の表面に、前記特許文献１に記載される従来方法によりダイヤモンド皮膜を形成した比較ダイヤモンド被覆エンドミル（以下、比較エンドミルという）１〜４を製造した。
従来方法によるダイヤモンドの成膜条件は、次のとおりである。
即ち、反応ガスとしてのメタン（ＣＨ₄）、水素（Ｈ₂）、一酸化炭素（ＣＯ）を供給できるようにしたマイクロ波プラズマＣＶＤ装置において、
まず、
反応圧力：２．７ラ１０²〜２．７ラ１０³Ｐａ、
反応ガス：１０％〜３０％ＣＨ₄、残部Ｈ₂、
成膜温度：７００℃〜９００℃
の条件で、核付着処理を行い、
ついで、
反応圧力：１．３ラ１０³〜６．７ラ１０³Ｐａ、
反応ガス：１％〜４％ＣＨ₄、残部Ｈ₂、
成膜温度：８００℃〜９００℃
の条件で、結晶粒径１μｍ以下のダイヤモンド結晶を形成する結晶成長処理を行い、
ついで、上記核付着処理と上記結晶成長処理を繰り返し、
上記工具基体（エンドミル）の表面に、表３に示される目標膜厚のダイヤモンド皮膜を蒸着形成することにより、比較エンドミル１〜４をそれぞれ製造した。

つぎに、上記本発明エンドミル１〜８および上記比較エンドミル１〜４のダイヤモンド皮膜について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、基体表面に対し垂直な皮膜断面研磨面の測定範囲内に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、前記基体表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（１０１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．１度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフを作成した。

図３には、一例として、本発明エンドミル１のダイヤモンド皮膜の（１０１）面についての傾斜角度数分布グラフを示すが、本発明エンドミル１〜８のダイヤモンド皮膜の（１０１）面の傾斜角度数分布グラフは、いずれもほぼ同様な傾斜角度数分布グラフを示し、０〜２０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記０〜２０度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の３０％以上の割合を占めた。

表２、表３に、本発明エンドミル１〜８および上記比較エンドミル１〜４のダイヤモンド皮膜について測定された最高ピークが存在する傾斜角区分、０〜２０度の範囲内に存在する度数割合を示す。

また、表２、表３には、本発明エンドミル１〜８および上記比較エンドミル１〜４のダイヤモンド皮膜の結晶粒径について、各層の層厚の中心部分における結晶粒径を透過型電子顕微鏡にて測定し、その平均値を各層のダイヤモンド結晶粒径として示す。

つぎに、上記本発明エンドミル１〜８および上記比較エンドミル１〜４のそれぞれについて、
[切削条件１] 被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５ｍｍの、炭素繊維と熱硬化型エポキシ系樹脂が積層構造を持つ炭素繊維強化樹脂複合材（ＣＦＲＰ）の板材、
切削速度：５００ｍ／ｍｉｎ．、
切断加工：（５ｍｍ）、
テーブル送り：６５０ｍｍ／ｍｉｎ．、
エアブロー、
の条件での上記ＣＦＲＰの乾式高速切断加工試験、
[切削条件２] 被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの、ＪＩＳ・ＡＤＣ１４の板材、
切削速度：６００ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：径方向（ae）２．５ｍｍ，軸方向（ap）８ｍｍ、
テーブル送り：１０００ｍｍ／ｍｉｎ．、
エアーブロー、
の条件での上記Ａｌ合金の乾式高速側面切削加工試験、
をそれぞれ行い、いずれの切削加工試験でも切刃部の欠損に伴う被削材のムシレが発生するまでの切削溝長（ｍ）を求めた。
これらの測定結果を表４にそれぞれ示した。

上記の実施例１で製造した直径が１３ｍｍの丸棒焼結体を用い、この丸棒焼結体から、研削加工にて、溝形成部の直径×長さが１０ｍｍ×２２ｍｍの寸法、並びにねじれ角３０度の２枚刃形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−８をそれぞれ製造した。

ついで、これらの工具基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−８の切刃に、ホーニングを施し、上記実施例１と同様のコーティング前処理を施した後、上記実施例１の（ａ）〜（ｅ）と同一の条件で、工具基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−８の表面に、表５に示される膜厚、平均結晶粒径の積層構造からなるダイヤモンド皮膜を成膜することにより、本発明のダイヤモンド被覆ドリル（以下、本発明ドリルという）１１〜１８をそれぞれ製造した。

比較の目的で、上記の工具基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−４の表面に、ホーニングを施し、上記実施例１の比較エンドミルの成膜条件と同一の条件で、上記工具基体（ドリル）の表面に、表６に示される目標膜厚のダイヤモンド皮膜を蒸着形成することにより、比較ダイヤモンド被覆ドリル（以下、比較ドリルという）１１〜１４をそれぞれ製造した。

つぎに、上記本発明ドリル１１〜１８および上記比較ドリル１１〜１４のダイヤモンド皮膜について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、基体表面に対し垂直な皮膜断面研磨面に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、前記基体表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（１０１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．１度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフを作成し、表５、６に、最高ピークが存在する傾斜角区分、０〜２０度の範囲内に存在する度数割合を示した。

図４には、一例として、本発明ドリル１１のダイヤモンド皮膜の（１０１）面についての傾斜角度数分布グラフを示すが、本発明ドリル１１〜１８のダイヤモンド皮膜の（１０１）面の傾斜角度数分布グラフは、いずれもほぼ同様な傾斜角度数分布グラフを示し、０〜２０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、前記０〜２０度の範囲内に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の３０％以上の割合を占めた。

また、表５、表６には、本発明ドリル１１〜１８および上記比較ドリル１１〜１４のダイヤモンド皮膜の結晶粒径について、各層の層厚の中心部分における結晶粒径を透過型電子顕微鏡にて測定し、その平均値を各層のダイヤモンド結晶粒径として示す。

つぎに、上記本発明ドリル１１〜１８および比較ドリル１１〜１４のそれぞれについて、
[切削条件３]
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：２０ｍｍの、炭素繊維と熱硬化型エポキシ系樹脂が直交積層構造を持つ炭素繊維強化樹脂複合材（ＣＦＲＰ）の板材、
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．１ｍｍ／ｒｅｖ、
貫通穴：（２０ｍｍ）、
の条件での上記ＣＦＲＰの乾式穴あけ切削加工試験、
[切削条件４]
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：２５ｍｍの、ＪＩＳ・ＡＣ９Ａの板材
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、
貫通穴：（２５ｍｍ）、
の条件での上記Ａｌ合金の湿式穴あけ切削加工試験、
をそれぞれ行い、いずれの切削加工試験でも穴あけ加工数（穴）を求めた。
この測定結果を表７にそれぞれ示した。

表２〜７に示される結果から、本発明ダイヤモンド被覆工具としての本発明エンドミル１〜８および本発明ドリル１１〜１８は、そのダイヤモンド皮膜が、粗粒結晶層Ｃ−含非晶質炭素層Ａ−微粒結晶層Ｂ−含非晶質炭素層Ａを交互積層単位構造として、この交互積層単位構造を複数周期繰り返し設けることにより、全膜厚４．５〜４０μｍのダイヤモンド皮膜を形成し、さらに、該ダイヤモンド皮膜中の結晶は（１０１）面への高い配向性を示し、すぐれた靭性を備えたものとなることから、比強度、比剛性の高いＣＦＲＰあるいは溶着性の高いＡｌ合金等の切削加工に際し、シャープな切刃を維持したまま、バリ等の発生を抑え、長期の使用に亘ってすぐれた仕上げ面精度を維持するものであり、ダイヤモンド皮膜の厚膜化も可能となるのに対して、核付着処理と粒径１μｍ以下のダイヤモンド結晶を形成する結晶成長処理の繰り返しにより形成されたダイヤモンド皮膜を備えた比較エンドミル１〜４、比較ドリル１１〜１４においては、強度、耐摩耗性、表面平坦性が劣るため、工具寿命が短命であると同時に、バリ等の発生により仕上げ面精度の劣るものであった。

上述のように、この発明のダイヤモンド被覆工具は、通常条件での切削加工は勿論のこと、金属材料よりも比強度、比剛性の高いＣＦＲＰあるいは溶着性の高いＡｌ合金等の切削加工においても、バリ等の発生もなく長期の使用に亘ってすぐれた仕上げ面精度を示すものであるから、切削加工装置のＦＡ化、並びに切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に十分満足に対応できるものである。

Claims

炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された工具基体表面に、交互積層単位構造が複数周期繰り返されることにより４．５〜４０μｍの膜厚のダイヤモンド皮膜が被覆されたダイヤモンド被覆工具において、
前記交互積層単位構造は、５００〜３０００ｎｍの膜厚の柱状結晶組織を有し平均結晶粒径１００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の粗粒結晶層Ｃ、５０〜３００ｎｍの膜厚の含非晶質炭素層Ａ、６５０〜１０００ｎｍの膜厚の柱状結晶組織を有し平均結晶粒径４０ｎｍ以上１００ｎｍ未満の微粒結晶層Ｂおよび５０〜３００ｎｍの膜厚の含非晶質炭素層Ａが順次に積層された交互積層構造からなり、
さらに、上記ダイヤモンド皮膜について、電界放出型走査電子顕微鏡を用い、工具基体表面に対し垂直な皮膜断面研磨面に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、前記工具基体表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（１０１）面の法線がなす傾斜角を測定し、前記測定傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある測定傾斜角を０．１度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフで表した場合、０〜２０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在すると共に、０〜２０度の範囲内の傾斜角区分に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の３０％以上の割合を占める傾斜角度数分布グラフを示すことを特徴とするダイヤモンド被覆工具。