JP6850990B2 - ダイヤモンド被覆切削工具及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、超硬合金からなる基体の表面にダイヤモンドが被覆されたダイヤモンド被覆切削工具及びその製造方法に関する。

超硬合金の表面にＣＶＤ（化学気相成長）ダイヤモンドを成膜するためには、表層に存在するダイヤモンドの核成長を阻害するＣｏ（コバルト）成分を除去しておく必要がある。精密さが要求されるダイヤモンド被覆切削工具では、特許文献１に記載されているように、酸を用いてＣｏ成分を選択除去する化学エッチングが用いられる場合が多い。
化学エッチングは、外形を変化させることなく均一に超硬合金の表面から１０μｍ程度までの範囲内の浅い領域の表層にのみエッチングを行うため、工具径や刃先の鋭利さなどへの影響が小さいという利点がある。

特開昭６２‐６７１７４号公報

Ｍ．Ｂａｒｌｅｔｔａ、外２名、「Ａｄｈｅｓｉｏｎ ａｎｄ ｗｅａｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ＣＶＤ ｄｉａｍｏｎｄ ｃｏａｔｉｎｇｓ ｏｎ ｌａｓｅｒ ｔｒｅａｔｅｄ ＷＣ‐Ｃｏ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ」、Ｗｅａｒ、ＳｃｉｅｎｃｅＤｉｒｅｃｔ、ｖｏｌ．２７１（２０１１）、ｐ．２０１６‐２０２４ 若生 仁志、他２名、「超硬合金上に成膜したダイヤモンド薄膜の密着性に及ぼす硝酸処理の影響」、表面技術、Ｖｏｌ．６１、Ｎｏ．７、２０１０、ｐ．５１６‐５２１

切削工具となる超硬合金の基体の刃先をエッチング液に浸して表層のＣｏ成分を除去する化学エッチングでは、基体の切れ刃先端において、切れ刃を稜線とする２つの面（逃げ面、すくい面）から同時にエッチング液が浸透するため、その周囲と比べてＣｏ成分の溶出速度が速くなり、図７に示すように、切れ刃１１の先端のＣｏ成分が除去されたＣｏ不存在層４１の厚さＤ２がその周囲（すくい面２１及び逃げ面３１）のＣｏ不存在層４１の厚さＤ１よりも増すことになる。

ところが、Ｄ２＞Ｄ１の関係が存在すると以下の問題が発生する。一般に、切れ刃１１の先端のＣｏ不存在層の厚さＤ２が大きい場合、Ｃｏ不存在層は元の超硬合金と比べて靱性が低いため、刃先の耐欠損性が低下する。一方、切れ刃１１の先端の周囲のＣｏ不存在層の厚さＤ１が小さい場合、ダイヤモンド被膜の耐剥離性が低下する。非特許文献２では、超硬合金表層のＣｏ不存在層の厚さが増すほど、ダイヤモンド被膜の付着強度が増加することが報告されている。実際の切削工具では、被削材に切り込む刃先先端部では、すくい面に対して高い垂直応力（刃先の欠損を生じる力）が発生するが、そこから少し離れたすくい面上では、切りくずのすべり抵抗に起因するせん断応力（ダイヤモンド被膜の剥離を生じる力）が最大の力学的負荷となる。そのため、従来の化学エッチングでは、耐欠損性と耐剥離性の両方を最適化すること（理想的にはＤ２＜Ｄ１）ができなかった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、刃先の耐欠損性と多結晶ダイヤモンド被膜の耐剥離性とを向上したダイヤモンド被覆切削工具及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明のダイヤモンド被覆切削工具は、超硬合金製の基体上に、平均厚さが１μｍ以上３０μｍ以下の多結晶ダイヤモンド被膜が被覆されており、前記基体のすくい面表層のＣｏ成分の存在しないＣｏ不存在層の厚さをＤ１とし、前記基体の切れ刃の刃先曲面部表層のＣｏ成分の存在しないＣｏ不存在層の厚さをＤ２としたときに、前記厚さＤ２が前記厚さＤ１よりも小さく設けられている。

工具刃先（基体の切れ刃の刃先曲面部表層）の靱性の低いＣｏ不存在層の厚さＤ２を刃先周囲の面（すくい面表層）の厚さＤ１よりも小さく（浅く）することで、刃先の耐欠損性と多結晶ダイヤモンド被膜の耐剥離性を向上できる。
なお、多結晶ダイヤモンド被膜の平均厚さが１μｍ未満では摩耗による工具寿命が短くなり、３０μｍを超えると多結晶ダイヤモンド被膜が自壊しやすくなる。

本発明のダイヤモンド被覆切削工具の好ましい実施形態において、前記基体の逃げ面表層のＣｏ成分の存在しないＣｏ不存在層の厚さをＤ３としたときに、前記厚さＤ２が前記厚さＤ３よりも小さく、かつ、前記厚さＤ３が前記厚さＤ１よりも小さく設けられているとよい。

基体の切れ刃の刃先曲面部表層のＣｏ不存在層の厚さＤ２を、逃げ面表層のＣｏ不存在層の厚さＤ３よりも小さくすることで、刃先の耐欠損性を向上させながら、逃げ面の耐剥離性を向上させることが出来る。また、逃げ面は切削中に切れ刃に発生する背分力により塑性変形を生じやすいため、元の超硬基体よりも耐塑性変形性に劣るＣｏ不存在層の厚さが過剰であると、塑性変形に伴う破損が生じやすくなる問題がある。そのため、逃げ面表層のＣｏ不存在層の厚さＤ３をすくい面表層の厚さＤ１よりも小さくすることで、逃げ面及びすくい面の耐剥離性と、逃げ面の耐塑性変形性の両方が最適化され、工具寿命を延ばすことが出来る。

本発明のダイヤモンド被覆切削工具の好ましい実施形態において、前記厚さＤ１が３μｍ以上３０μｍ以下であり、前記厚さＤ２が０．５μｍ以上５μｍ以下であるとよい。

基体のすくい面表層のＣｏ不存在層の厚さＤ１が３μｍ未満では、基体と多結晶ダイヤモンド被膜とのアンカー効果による結合が弱く、多結晶ダイヤモンド被膜が剥離しやすくなる。一方、厚さＤ１が３０μｍを超えると、すくい面（ここでは刃先から１００μｍ以上離れた箇所を指す。）下部の基体を起点とした大きな欠損が発生しやすくなる。
また、基体の切れ刃の刃先曲面部表層のＣｏ不存在層の厚さＤ２が０．５μｍ未満では、多結晶ダイヤモンド被膜の成膜中にＣｏ成分が表層に浮き上がることで結晶成長を阻害するおそれがある。一方、厚さＤ２が５μｍを超えると、刃先の欠損が発生する可能性が高まる。

本発明のダイヤモンド被覆切削工具の製造方法は、超硬合金の基体の表層にレーザビームを照射してＣｏ成分を除去する成膜前処理工程と、前記成膜前処理工程後に前記表層の表面にダイヤモンド被膜を成膜する成膜工程とを有し、前記成膜前処理工程は、前記基体のすくい面又は逃げ面に対して垂直方向から照射されるレーザビームの照射方向を０°とし、前記レーザビームの照射方向を前記垂直方向から切れ刃側に向けて傾けた方向を正として前記垂直方向と該レーザビームとがなす角度をθとしたときに、前記レーザビームを０°＜θ＜９０°の前記角度θで前記すくい面又は前記逃げ面に照射して行う。

非特許文献１には、レーザビームを用いて超硬合金の基体の表層に高出力（〜１０００Ｗ）のレーザビームを照射することで、表層中のＷＣ粒子の溶融を生じさせずにＣｏ成分のみを選択的に除去することができ、そのＣｏ成分が除去された表層に多結晶ダイヤモンド被膜を成膜できることが報告されている。本発明のダイヤモンド被覆切削工具においては、例えば、このレーザビームにより表層のＣｏ成分を除去する方法（レーザエッチング）を用いて、さらにレーザビームを逃げ面又はすくい面に対して角度θ傾斜させて照射することで、工具刃先（切れ刃の刃先曲面部表層）のＣｏ不存在層の厚さを刃先周囲の面（すくい面表層）よりも小さく（浅く）することができる。このように、切れ刃の刃先曲面部表層において靱性の低いＣｏ不存在層の厚さが増すことを防止できるので、刃先の耐欠損性と多結晶ダイヤモンド被膜の耐剥離性とを向上できる。

詳細には、例えば図３に示すように、照射角度θを０°以下（θ≦０°）としてすくい面２１に対してレーザビームＢを照射した場合には、切れ刃１１の刃先曲面部において局所的なビーム照射角度θ’が角度θよりも大きくなる（０°に近づく）。このため、局所的な照射エネルギー密度が高くなり、靱性の低いＣｏ不存在層４１の厚さは、刃先周囲の面（すくい面２１表層）のＣｏ不存在層４１の厚さＤ１に比べて刃先曲面部表層のＣｏ不存在層４１の厚さＤ２が大きくなり（Ｄ２＞Ｄ１）、刃先の耐欠損性が低下する。

一方、図１に示すように、すくい面２１に対して照射角度θを０°より大きく（０°＜θ）してレーザビームＢを照射した場合には、照射面（すくい面２１表層）のＣｏ不存在層４１の厚さＤ１はほぼ一定となる。この場合、切れ刃１１の刃先曲面部では局所的なビーム照射角度θ’が角度θよりも大きくなる（０°から離れる）ため、Ｃｏ不存在層４１の厚さＤ２はすくい面２１の平坦面部側よりも浅くなるが、刃先曲面部はすくい面２１の平坦面部よりも高さが低いために、結果としてＣｏ不存在層４１の厚さＤ１及びＤ２は刃先先端まで大よそ一定の厚さとすることができる。したがって、刃先の耐欠損性を向上でき、工具の高寿命化を図ることができる。

本発明のダイヤモンド被覆切削工具の製造方法の好ましい実施形態において、前記成膜前処理工程は、前記レーザビームに光強度分布がフラットトップ化されたものを用いて、該光強度分布のうちの高強度の中央領域を前記すくい面又は前記逃げ面に照射して行うとよい。

光強度分布がフラットトップ化されたレーザビームを用いることで、切れ刃の刃先曲面部表層のＣｏ不存在層の厚さＤ２をすくい面や逃げ面の平坦面部側のＣｏ不存在層の厚さＤ１よりも薄くすることができる。なお、このような光強度分布がフラットトップ化されたレーザビームを有するレーザとしては、連続波発振の高出力半導体レーザが適している。

例えば、図４に示すように、レーザビームの中心部の光強度がほぼ一定の中央領域（高強度の中央領域）をＬ１、中央領域Ｌ１の外側でレーザビームの外周部の光強度が急激に低下する外周領域をＬ２とした場合に、図１に示すように、切れ刃１１の刃先曲面部からすくい面２１にかけての刃先領域にレーザビームＢの中央領域Ｌ１を照射した場合は、照射面（すくい面２１表層）のＣｏ不存在層４１の厚さＤ１はほぼ一定となる。この場合、切れ刃１１の刃先曲面部では局所的なビーム照射角度θ’が角度θよりも大きくなる（０°から離れる）ため、Ｃｏ不存在層４１の厚さＤ２はすくい面２１の平坦面部側よりも浅くなるが、刃先曲面部はすくい面２１の平坦面部よりも高さが低いために、結果としてＣｏ不存在層４１の厚さＤ１及びＤ２は刃先先端まで大よそ一定の厚さとすることができる。また、図２に示すように、刃先領域にレーザビームＢの外周領域Ｌ２を照射した場合は、外周領域Ｌ２ではビームの中心から離れるほど急激に光強度が低下するため、刃先先端に近づくにつれてＣｏ不存在層４１の厚さを小さくできる。

本発明によれば、工具の刃先における多結晶ダイヤモンド被膜のＣｏ不存在層の厚さを刃先周囲のすくい面のＣｏ不存在層の厚さよりも小さくしたので、刃先の耐欠損性と多結晶ダイヤモンド被膜の耐剥離性とを向上できる。

本発明に係るダイヤモンド被覆切削工具の製造方法において、基体に対するレーザビームの照射角度を示す刃先稜線に対する垂直断面の模式図であり、レーザビームの中央領域を刃先曲面部に照射した状態を示す。 基体に対するレーザビームの照射角度を示す模式図であり、レーザビームの外周領域を刃先曲面部に照射した状態を示す。 レーザビームの照射角度を変更した比較例を説明する模式図である。 フラットトップ化されたレーザビームの光強度分布を説明する模式図である。 本発明に係るダイヤモンド被覆切削工具の製造方法により製造される側面加工用エンドミルの斜視図である。 図５に示すエンドミルの切れ刃部分の模式図である。 化学エッチングによる表層のＣｏ成分除去方法を説明する切れ刃部分の要部図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
本実施形態のダイヤモンド被覆切削工具は、図５に示すように、軸線Ｏ回りに回転される円柱状のシャンク部２０と、このシャンク部２０の先端側に形成された工具先端部１０とを有し、工具先端部１０の外周に、切れ刃１１が周方向に９０°間隔をおいて配置された４枚刃を有する側面加工用のスクエアエンドミル１（以下、エンドミルと称す。）である。また、切れ刃１１は、図６に示すように、すくい面２１と逃げ面３１との交差稜線部に形成されており、切れ刃１１、すくい面２１及び逃げ面３１は、エンドミル１の軸線Ｏを対称点として点対称に４箇所に配置されている。

また、本実施形態のエンドミル１は、図６に示すように、超硬合金製の基体４０の表面に、多結晶ダイヤモンド被膜４５をコーティングしたものであり、多結晶ダイヤモンド被膜４５が平均厚さ１μｍ以上３０μｍ以下程度の略一定の膜厚で基体４０（Ｃｏ不存在層４１）の表面に一様にコーティングされている。なお、多結晶ダイヤモンド被膜４５の平均厚さが１μｍ未満では摩耗による工具寿命が短くなり、３０μｍを超えると多結晶ダイヤモンド被膜４５が自壊しやすくなる。

また、エンドミル１には、すくい面２１表層のＣｏ不存在層４１の厚さをＤ１とし、切れ刃１１の刃先曲面部表層のＣｏ不存在層４１の厚さをＤ２としたときに、厚さＤ２が厚さＤ１よりも小さく設けられている。また、逃げ面３１表層のＣｏ不存在層４１の厚さをＤ３としたときに、厚さＤ２が厚さＤ３よりも小さく設けられ、かつ、厚さＤ３が厚さＤ１よりも小さく設けられている。つまり、エンドミル１においては、靱性の低いＣｏ不存在層４１が切れ刃１１の刃先曲面部表層において深く形成されることなく、むしろＣｏ不存在層４１の厚さＤ２が、周囲のすくい面２１の平坦面部の表層のＣｏ不存在層４１の厚さＤ１や逃げ面３１の平坦面部の表層のＣｏ不存在層４１の厚さＤ３よりも薄く設けられており、刃先の耐欠損性と多結晶ダイヤモンド被膜４５の耐剥離性とが高められている。また、このように逃げ面３１表層のＣｏ不存在層４１の厚さＤ３を切れ刃１１の刃先曲面部表層のＣｏ不存在層４１の厚さＤ２よりも小さくすることで、刃先の耐欠損性を向上させながら、逃げ面３１の耐剥離性を向上させることができる。さらに、逃げ面３１表層のＣｏ不存在層４１の厚さＤ３は、すくい面２１表層のＣｏ不存在層４１の厚さＤ１よりも小さく設けられているので、逃げ面３１及びすくい面２１耐剥離性と、逃げ面３１の耐塑性変形性の両方が最適化され、工具寿命を延ばすことができる。

また、この場合において、基体４０のすくい面２１表層のＣｏ不存在層４１の厚さＤ１が３μｍ以上３０μｍ以下であり、切れ刃１１の刃先曲面部表層のＣｏ不存在層の厚さＤ２が０．５μｍ以上５μｍ以下であることが望ましい。また、逃げ面３１表層のＣｏ不存在層の厚さＤ３は３μｍ以上３０μｍ以下であることが望ましい。
厚さＤ１又は厚さＤ３が３μｍ未満では、基体４０と多結晶ダイヤモンド被膜４５とのアンカー効果による結合が弱く、多結晶ダイヤモンド被膜４５が剥離しやすくなる。一方、厚さＤ１又は厚さＤ３が３０μｍを超えると、すくい面２１又は逃げ面３１（ここでは刃先から１００μｍ以上離れた箇所を指す）下部の基体４０を起点とした大きな欠損が発生しやすくなる。
また、厚さＤ２が０．５μｍ未満では、多結晶ダイヤモンド被膜４５の成膜中にＣｏ成分が表層に浮き上がることで結晶成長を阻害するおそれがある。一方、厚さＤ２が５μｍを超えると、刃先の欠損が発生する可能性が高まる。

なお、刃先曲面部とは、超硬基体を整形するための通常の研削加工において、ＷＣ粒子を加工することが困難であるため、ＷＣ粒子の大きさに応じて発生する刃先の丸みか、あるいは、研削加工後に刃先の耐欠損性を向上させる目的で、ブラスト処理等を用いて意図的に形成した刃先の丸みを表す。一般に、このように形成される刃先曲面部の曲率半径Ｒは０．１μｍ以上１０μｍ以下程度の範囲である。

次に、本実施形態のエンドミル１（ダイヤモンド被覆切削工具）を製造する製造方法の一例について説明する。
本実施形態のエンドミル１は、例えば、超硬合金製の基体４０にすくい面２１と逃げ面３１との交差稜線部に切れ刃１１を形成する切れ刃形成工程と、基体４０の表層にレーザビームＢを照射してＣｏ成分を除去する成膜前処理工程と、成膜前処理工程後に表層の表面に多結晶ダイヤモンド被膜４５を成膜する成膜工程とを経て製造される。

（切れ刃形成工程）
切れ刃１１は、公知の方法により、すくい面２１、逃げ面３１とを加工することにより、これらすくい面２１と逃げ面３１との交差稜線部に設けられる。

（成膜前処理工程）
高出力（〜１０００Ｗ）のレーザを用いて、図２に示すように、基体４０のすくい面２１及び逃げ面３１に対してレーザビームＢを照射することにより、表層中のＷＣ（炭化タングステン）粒子の溶融を生じさせずにＣｏ成分のみを選択的を除去し、厚さＤ１よりも厚さＤ２を小さくしたＣｏ不存在層４１を形成する。この成膜前処理工程において使用するレーザとしては、図４に示すように、光強度分布がフラットトップ化された連続波発振の高出力半導体レーザ（波長９４０ｎｍ）が適している。

光強度分布がフラットトップ化されたレーザビームは、図４に示すように、レーザビームの中心部の光強度がほぼ一定の中央領域Ｌ１を有し、中央領域Ｌ１の外側にレーザビームの外周部の光強度が急激に低下する外周領域Ｌ２を有している。
本実施形態において、超硬合金の基体４０の表層のＷＣ粒子の溶融を発生させずにＣｏ成分のみを除去する光強度範囲をＩ１からＩ２の範囲（Ｉ１＞Ｉ２）としたときに、レーザビームＢの光強度の最大値（Ｉｍａｘ）をＩ１の直下に設定すると、Ｉ１とＩ２の比率（Ｉ１：Ｉ２）は、大体２：１となり、Ｉ２は、光強度が急激に低下するビームの外周部に相当する。このとき、レーザビームＢの中心部の光強度がほぼ一定の高強度の中央領域をＬ１、中央領域Ｌ１の外側でレーザビームの外周部の光強度が急激に低下する外周領域をＬ２とする。

そして、図２に示すように、基体４０のすくい面２１又は逃げ面３１に対して垂直方向から照射されるレーザビームＢの照射方向を０°とし、レーザビームＢの照射方向を垂直方向から切れ刃１１側に向けて傾けた方向を正として垂直方向とレーザビームＢとがなす角度をθとしたときに、レーザビームＢを０°＜θ＜９０°の角度θですくい面２１又は逃げ面３１に照射して行う。このように、レーザビームＢをすくい面２１又は逃げ面３１に対して角度θ傾斜させて照射することで、刃先曲面部表層のＣｏ不存在層４１の厚さＤ２を、刃先周囲の面（すくい面２１表層及び逃げ面３１表層）のＣｏ不存在層４１の厚さＤ１，Ｄ３よりも薄くすることができる。

なお、図２は、すくい面２１及び逃げ面３１が平面の場合であるが、本発明は、それらが曲面の場合でも適用することができる。その場合、レーザビームＢの照射角度θの定義は、刃先曲面部を除いて、刃先稜線に垂直な断面において、すくい面２１及び逃げ面３１の刃先近傍の曲線を多項式でフィッティングした際の、刃先先端部における、そのフィッティングカーブの法線に対する角度とする。

すくい面２１側を例として詳細に説明すると、図１に示すように、レーザビームの高強度の中央領域Ｌ１を切れ刃１１の刃先曲面部からすくい面２１にかけて照射することで、すくい面２１表層、切れ刃１１表層、照射面（すくい面２１表層）のＣｏ不存在層４１の厚さＤ１をほぼ一定とできる。この際、すくい面２１に対してレーザビームＢの照射角度θを０°より大きく（０°＜θ）してレーザビームＢを照射することで、すくい面２１の平坦面部の表層のＣｏ不存在層４１の厚さＤ１をほぼ一定とできる。この場合、切れ刃１１の刃先曲面部では局所的なビーム照射角度θ’がすくい面２１となす角度θよりも大きくなる（０°から離れる）ため、Ｃｏ不存在層４１の厚さＤ２はすくい面２１の平坦面部側よりも浅くなるが、刃先曲面部はすくい面２１の平坦面部よりも高さが低いために、結果としてＣｏ不存在層４１の厚さＤ１及びＤ２は刃先先端まで大よそ一定の厚さとできる。

なお、例えば図３に示すように、照射角度θを０°以下（θ≦０°）としてすくい面２１に対してレーザビームＢを照射した場合には、切れ刃１１の刃先曲面部において局所的なビーム照射角度θ’が角度θよりも大きくなる（０°に近づく）。このため、局所的な照射エネルギー密度が高くなり、靱性の低いＣｏ不存在層４１の厚さは、刃先周囲の面（すくい面２１表層）のＣｏ不存在層４１の厚さＤ１に比べて刃先曲面部表層のＣｏ不存在層４１の厚さＤ２が大きくなる（Ｄ２＞Ｄ１）。

また、図２に示すように、切れ刃１１の刃先曲面部にレーザビームＢの外周領域Ｌ２を照射し、すくい面２１の平坦面部にレーザビームＢの中央領域Ｌ１を照射することで、外周領域Ｌ２ではビームの中心から離れるほど急激に光強度が低下するため、刃先先端に近づくにつれてＣｏ不存在層４１の厚さを小さくできる。したがって、刃先曲面部表層のＣｏ不存在層４１の厚さＤ２を、すくい面２１の平坦面部の表層や逃げ面３１の平坦面部の表層のＣｏ不存在層４１の厚さＤ１よりも薄く設けることができる。

（成膜工程）
基体４０（Ｃｏ不存在層４１）への多結晶ダイヤモンド被膜４５のコーティングは、例えばマイクロ波プラズマＣＶＤ法や、熱フィラメントＣＶＤ法、高周波プラズマＣＶＤ法等の公知の方法を好適に用いることができ、これら公知の方法により、基体４０の表面（Ｃｏ不存在層４１）に厚さ１μｍ以上３０μｍ以下の多結晶ダイヤモンド被膜４５を形成する。なお、イオンビーム法等の他のコーティング法を適用することもできる。

このようにして製造されたエンドミル１（ダイヤモンド被覆切削工具）においては、上述したように、工具刃先のＣｏ不存在層４１の厚さＤ２を刃先周囲の面（すくい面２１表層及び逃げ面３１表層）の厚さＤ１，Ｄ３よりも小さく（薄く）することができる。したがって、切れ刃１１の刃先曲面部表層において靱性の低いＣｏ不存在層４１の厚さＤ２が増すことを防止できるので、刃先の耐欠損性と多結晶ダイヤモンド被膜４５の耐剥離性とを向上でき、工具の高寿命化を図ることができる。

また、本実施形態のエンドミル１は、上述したように、フラットトップレーザーの端のエネルギー密度の低い部分が刃先に位置するように調整しながら切れ刃１１輪郭に倣ってレーザビームを掃引する方法や、レーザビームの照射角度θを９０°未満にして斜めから照射して照射エネルギー密度を下げる方法等を採用することにより容易に製造できるが、必ずしも上記の製造方法に限定されるものではない。

なお、本発明で述べるすくい面２１表層のＣｏ不存在層４１の厚さＤ１及び逃げ面３１表層のＣｏ不存在層４１の厚さＤ３と、刃先曲面部表層のＣｏ不存在層４１の厚さＤ２とは、ＦＩＢ加工等により切れ刃１１の稜線に垂直な断面を露出させた箇所を走査型電子顕微鏡を用いて観察した際の、超硬基体４０の内側から、エッチング処理を行う前の超硬基体４０表面に垂直な方向に順次調べて行った際の、Ｃｏバインダーが観察される臨界位置と、ＷＣ粒子先端が見られる臨界位置との距離の差分とする。

このうち、すくい面２１表層のＣｏ不存在層４１の厚さＤ１及び逃げ面３１表層のＣｏ不存在層４１の厚さＤ３は、それぞれ切れ刃１１の刃先先端から１００μｍ以上２００μｍ以下離れた範囲におけるすくい面２１表層及び逃げ面３１表層のＣｏ不存在層４１の厚さの最小値である。例えば、すくい面２１上の刃先先端から１００μｍ以上２００μｍ以下の範囲内の一点にＣｏ不存在層４１の厚さの最小値があれば、その値を厚さＤ１とする。また、刃先曲面部表層のＣｏ不存在層４１の厚さＤ２は、切れ刃１１の稜線の垂直な断面において、基体４０の刃先先端を通るすくい面２１と逃げ面３１との二等分線上における、基体４０の刃先先端とＣｏバインダーが存在し始める位置との間の距離とする。

上記において説明した本発明に係るエンドミル（ダイヤモンド被覆切削工具）について、その効果を確認するために実験を行った。
エンドミルの各試料には、図５に示すような外観の４枚刃のスクエアエンドミル１（工具直径φ２０ｍｍ、刃長４０ｍｍ）を作製した。各試料は、表１に示すように、超硬合金製の基体に対してサンドブラスト処理により刃先の曲率半径Ｒを変更した後、レーザビームによるレーザエッチング（表１では「レーザ」と表記）又は化学エッチング（表１では「化学」と表記）により成膜前処理を行い、Ｃｏ不存在層を形成した。そして、基体の表面に、熱フィラメントＣＶＤ法により、平均厚さ（平均膜厚）が１２μｍの多結晶ダイヤモンド被膜を成膜した。なお、本発明の効果は、多結晶ダイヤモンド被膜の平均膜厚に依存するものではないことは自明のため、１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内において平均膜厚を変えた場合の実施例については省略した。

このように作製した各試料を用いて、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）製の被削材（２００ｍｍ×２００ｍｍ×１０ｍｍの板材）に回転数５００（ｍｍ^−１）で溝加工（切断加工）を行った。その際、テーブル送り速度を段階的に増やしてゆき、刃先の欠損、又は、多結晶ダイヤモンド被膜の摩耗により刃先の基体が露出した時点のテーブル送り速度を記録した。結果を表１に示す。

表１に示すように、工具刃先（基体の切れ刃の刃先曲面部）表層の靱性の低いＣｏ不存在層の厚さＤ２を刃先周囲の面（すくい面）表層の厚さＤ１よりも小さく（浅く）した実施例１〜８では、厚さＤ２を厚さＤ１よりも小さくした比較例１〜３と比較し、同じ基体の刃先の曲率半径Ｒ同士であっても、より高いテーブル送り速度まで使用することができた。また、特に、厚さＤ１が３μｍ以上３０μｍ以下で、厚さＤ２が０．５μｍ以上５μｍ以下であるもの（実施例１，２，４〜６，９）では、いずれも正常摩耗による刃先の損耗となり、より高いテーブル送り速度を可能とした。一方、実施例３では、膜剥離が発生したが、これは、すくい面表層のＣｏ不存在層の厚さＤ１が薄すぎたため、多結晶ダイヤモンド被膜の成膜中の高温時に、Ｃｏ成分が毛細管現象により基体表面に浮き上がり、多結晶ダイヤモンド被膜の成長を阻害したためであると考えられる。

なお、実施例７、実施例８、比較例１〜３では欠損が発生したが、このうち実施例８は、他の欠損が発生したもの（実施例７、比較例１，２，３）と比べて刃先の欠損量が大きかった。この実施例８の結果と、正常摩耗である実施例６との違いは、実施例８のすくい面のＣｏ不存在層の厚さＤ１が、実施例６よりも大きい点のみである。このことから、実施例８からは、すくい面のＣｏ不存在層の厚さＤ１が過剰であったため、そこが欠損発生の起点になったと判断した。また、実施例２，５，９は、それぞれ実施例１，４，６を基準に、逃げ面のＣｏ不存在層の厚さＤ３を相対的に小さくしたものであるが、厚さＤ３を小さくすることで、いずれも刃先損傷時のテーブル送り速度が高まる結果となった。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、エンドミルについて説明を行ったが、本発明の製造方法により製造されるダイヤモンド被覆切削工具はこれに限定されるものではなく、例えばインサート、ドリル等に適用が可能である。

１ エンドミル（ダイヤモンド被覆切削工具）
１０ 工具先端部
１１ 切れ刃
２０ シャンク部
２１ すくい面
３１ 逃げ面
４０ 基体
４１ Ｃｏ不存在層
４５ 多結晶ダイヤモンド被膜
Ｂ レーザビーム
Ｌ１ 中央領域
Ｌ２ 外周領域

Claims (5)

1. 超硬合金製の基体上に、平均厚さが１μｍ以上３０μｍ以下の多結晶ダイヤモンド被膜が被覆されており、
   前記基体のすくい面表層のＣｏ成分の存在しないＣｏ不存在層の厚さをＤ１とし、前記基体の切れ刃の刃先曲面部表層のＣｏ成分の存在しないＣｏ不存在層の厚さをＤ２としたときに、
   前記厚さＤ２が前記厚さＤ１よりも小さく設けられていることを特徴とするダイヤモンド被覆切削工具。
2. 前記基体の逃げ面表層のＣｏ成分の存在しないＣｏ不存在層の厚さをＤ３としたときに、前記厚さＤ２が前記厚さＤ３よりも小さく、かつ、前記厚さＤ３が前記厚さＤ１よりも小さく設けられていることを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド被覆切削工具。
3. 前記厚さＤ１が３μｍ以上３０μｍ以下であり、
   前記厚さＤ２が０．５μｍ以上５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド被覆切削工具。
4. 超硬合金の基体の表層にレーザビームを照射してＣｏ成分を除去する成膜前処理工程と、
   前記成膜前処理工程後に前記表層の表面にダイヤモンド被膜を成膜する成膜工程とを有し、
   前記成膜前処理工程は、
   前記基体のすくい面又は逃げ面に対して垂直方向から照射されるレーザビームの照射方向を０°とし、前記レーザビームの照射方向を前記垂直方向から切れ刃側に向けて傾けた方向を正として前記垂直方向と該レーザビームとがなす角度をθとしたときに、
   前記レーザビームを０°＜θ＜９０°の前記角度θで前記すくい面又は前記逃げ面に照射して行うことを特徴とするダイヤモンド被覆切削工具の製造方法。
5. 前記成膜前処理工程は、
   前記レーザビームに光強度分布がフラットトップ化されたものを用いて、
   該光強度分布のうちの高強度の中央領域を前記すくい面又は前記逃げ面に照射して行うことを特徴とする請求項４に記載のダイヤモンド被覆切削工具の製造方法。

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