JPH0463606A - 表面に非晶質炭素層を持つダイヤモンド工具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は金属材料、特に炭素鋼など鉄系の切削に用いる
、表面に非晶質炭素層を持つダイヤモンド工具に関する
ものである。

［従来の技術］ 焼結ダイヤモンドあるいは単結晶ダイヤモンドはその超
硬質性を利用してアルミニウム、銅など各種金属材料の
切削工具として多用されている。

また最近、超硬工具なとの基材上にＣＶＤ法でダイヤモ
ンド膜を気相成長させたダイヤモンド膜被覆切削工具か
開発され、やはり軟質金属の切削に利用されつつある。

しかし炭素鋼などの鉄系材料に対してはこれらのダイヤ
モンド工具は不適とされている。それは、ダイヤモンド
か鉄と化学的に反応しやすく、鉄系材料を切削するとダ
イヤモンドの摩耗か大きく、工具寿命か短くなるためで
ある（Ｅ、Ｊ、Ｄｕｅｌｌ　＆　Ｗ、Ｊ、ＭａｃＤｏｎ
ａｌｄ：Ｗｅａｒ、ｖｏｌ、４．Ｎ。

５（＋９６１）　３７２　’）。

［発明か解決しようとする課題］ 上記のように、従来のダイヤモンド工具あるいはダイヤ
モンド膜被覆工具は鉄と化学的に反応しやすく、一般に
炭素鋼などの鉄系材料の切削には使用されていない。本
発明は、このような課題を解決するためになされたもの
で、鉄系材料の切削に使用できるダイヤモンド工具を提
供しようとするものである。

［課題を解決するための手段コ 本発明のダイヤモンド工具は、ダイヤモンドエ具の表面
に０．２〜１００μｌの厚さのガラス状炭素を被覆して
なる表面に非晶質炭素層を持ち、更にはダイヤモンド工
具に表面から０．０１〜１００μ■の深さにわたって前
記ダイヤモンド工具の表面を非晶質化する表面改質を施
すことにより表面に非晶質炭素層を持つダイヤモンド工
具であることを特徴とする。

本発明で言うダイヤモンド工具には、天然及び高圧法に
よるダイヤモンド単石工具、焼結ダイヤモンド工具、気
相法ダイヤモンド工具などが含まわる。

ダイヤモンドは硬度が最も高いが、鉄とＡ、変態点（７
２３℃）以上では急速に反応してセメンタイトＦｅ５Ｃ
を生じることが知られており、鉄系材料を切削するとき
にダイヤモンド工具の摩耗が大きく寿命が短いのはこの
反応のしやすさが主因と考えられる。一方黒鉛（ｇｒａ
ｐｈＨｅ）や非晶質炭素はダイヤモンドに比してはるか
に鉄と反応しにくいので（安永ほか：精密機械、３８巻
、４号（１９７２）４１３〜４１５頁）、鉄系材料切削
用としてはダイヤモンドよりも黒鉛あるいは非晶質炭素
の方が優れた特性を示すことか期待されるが、通常の黒
鉛や非晶質炭素は硬度か大変低く工具としては使用でき
ないのが実状である。

第１図に各種炭素材料のラマンスペクトルを示す。ダイ
ヤモンド、単結晶黒鉛は鋭い１つのピークを示し、黒鉛
を乱した構造のガラス状炭素は黒鉛のピークか高波数側
にシフトしたものに加えて黒鉛結晶子の端面の振動によ
るもう１つのピークを示し、かつ半値幅か広い。硬質炭
素或いはダイヤモンドライクカーボンまたはｉ−カーボ
ンとも呼ばれている高硬度の非晶質膜は、ピークの位置
が特定できないほど広い半値幅を示す。ガラス状炭素と
硬質炭素はいずれも非晶質材料に分類されるが、ガラス
状炭素の方が薄膜状に製造することが容易である上に、
耐熱温度が２０００℃以上であるのに対して、硬質非晶
質炭素の薄膜はＰＶＤ法等により作製しなければならず
製造コストが高い上に、更に耐熱温度が約４００℃と低
い。

本発明の第一発明はかかる知見に基づき、ガラス状炭素
膜をダイヤモンド工具の表面に被覆することにより、鉄
系材料に対して大きな耐摩耗性を示す切削工具を開発し
たものである。さらに、本発明の第二発明は、ダイヤモ
ンド工具の表面を改質して非晶質構造にすることにより
、鉄系材料に対して大きな耐摩耗性を示す切削工具を開
発したものである。

まず、第一の発明について説明する。ダイヤモンド工具
の表面に被覆すべきガラス状炭素皮膜の厚さは、０．２
〜１００μｍが望ましい。ガラス状炭素の皮膜の厚さが
０．２μ１未満では摩耗やピンホールの発生等で耐摩耗
効果が少なく、１００　ｕＩ１１超では皮膜の内部応力
のために皮膜がダイヤモンド工具表面から剥離しやすく
なり、切削工具として十分な性能が発揮できない。望ま
しくは２〜ｌ　Ｏｕｍの皮膜厚さで、十分な工具寿命で
の切削が可能となる。

ガラス状炭素膜の形成法としては、公知の塩化ビニル樹
脂、酢酸ビニル樹脂、フェノール樹脂などの有機重合体
を原料とし、フェノール樹脂の場合は有機溶剤に希釈し
てから噴霧や塗布で黒鉛やセラミックスなとの表面に被
覆した後、不活性雰囲気下で加熱する方法、あるいは、
塩化ビニル樹脂や酢酸ビニル樹脂等を原料とした場合は
、−度加熱して得た不完全熱分解生成物を有機溶剤に溶
解したのち、その溶液を黒鉛やセラミックスなどに被覆
して不活性雰囲気下て加熱する方法を用いる。

製造方法によっても異なるが、ガラス状炭素の硬度とし
てＨｖｌＯ００相当（ＨｖｌＯＯＯのシリコン単結晶に
は疵をつけることができるが、Ｈｖ１３００の窒化珪素
には疵をつけることができない〉のものが形成される。

ガラス状炭素のダイヤモンドへの付着力を向上させるた
めには、ダイヤモンド工具表面を改質して非晶質化して
から上記の樹脂を被覆、焼成することも場合によっては
有効である。

焼結ダイヤモンド工具及び気相法多結晶ダイヤモンド工
具には微細な穴があるので、上記の樹脂や溶液を含浸し
た後加熱することで、ガラス状炭素の表面層を形成させ
ることも可能である。

次に、第二の発明について説明する。ダイヤモント工具
表面の改質すべき非晶質炭素層の厚さは０．０１〜１０
０μｍが望ましい。改質層の厚さが０，０１９ｍ未満で
は薄すぎて耐摩耗効果が少なく、１００μ回超では最表
面がもろくなり耐摩耗効果か少なくなり、切削工具とし
ては利用できない。望ましくは０．０５ｕｍ−１０μｍ
の表面改質層で、十分な工具寿命での切削が可能となる
。ダイヤモンドの表面改質法としては、公知の微量酸素
雰囲気中でダイヤモンドを加熱する方法（ｆｌ：、Ｐｈ
ａａｌ：Ｉｎｄ、Ｄｉａｍｏｎｄ　Ｒｅｖ、。

２５．３００．　（１９６５）　４８６）およびダイヤ
モンドに水素、アルゴン等の原子を打ち込んで表面改質
する方法（開田ほか：第１５回炭素材料学会年会要旨集
、（１９８８）　１４２〜１４３頁）を用いる。こうし
た表面改質法によりダイヤモンド表面を非晶質炭素で覆
うことができる。例えばダイヤモンド単結晶にカウフマ
ン型イオン源を用いて、圧力５　ｘ　１Ｏ−５Ｔｏｒｒ
、加速電圧］、２００Ｖ、　イオン電流密度１　ｍＡ／
ｃｍ２、の条件で水素イオンを２時間照射した場合、目
視では僅かに茶色に呈色し、ラマン分光分析により表面
に非晶質層の存在が確認され、窒素同位体の共鳴核反応
法による分析で、表面から０．０６ｕｍの深さにわたっ
て水素原子か存在することか確認できる。

ダイヤモンド単結晶製の円錐形スライダと、該スライダ
表面に２ＪＪ１１１の厚さのガラス状炭素を被覆したス
ライダと、該スライダの表面層を水素イオン照射によフ
て０．０６ｕｍの深さにわたって改質したスライダの３
つのスライダの耐摩耗性を比較すると、例えば５３５Ｃ
炭素鋼に対して、真空中、荷重２．０ｋｇ　、摩擦速度
１１３０ｍ／ｍｉｎの条件で摩擦させた場合、ダイヤモ
ンド単結晶スライダの摩耗！が１３Ｘ　１０−’ｍｍ３
／ｋｍであるのに対して、ガラス状炭素被覆スライダの
摩耗量は１．２　ｘ　ＩＣｌ−’ｍｍ３／ｋｍであり、
表面改質スライダのそれは５　Ｘ　１０−’ｍｍ’／ｋ
ｍであり、該ガラス状炭素被覆スライダの場合は約１０
倍、表面改質スライダの場合は約２倍耐摩耗性が優れて
いると言える。

また前記摩擦条件で、前記単結晶ダイヤモンドスライダ
と同形状の焼結ダイヤセントで作製したスライダと、該
焼結ダイヤモンドスライダ表面に２μｍの厚さのガラス
状炭素を被覆したスライダと、該スライダの表面層を水
素イオン照射によって０．０６μｍの深さにわたって改
質したスライダの３つのスライダの耐摩耗性を比較する
と、焼結ダイヤモンドスライダの摩耗量が２３ｘ　１０
−’ｍｍ３／ｋｍであるのに対して、ガラス状炭素被覆
スライダの摩耗量は１．６　ｘ　１０−’ｍｍ”／ｋｍ
であり、表面改質スライダのそれは１０ｘ　１０−’ｍ
ｍ３／ｋｍであり、該ガラス状炭素被覆スライダの場合
は約１４倍、表面改質スライダの場合は約２倍耐摩耗性
が優れていると言える。

さらに前記摩擦条件で、前記単結晶ダイヤモンドスライ
ダと同形状の気相法多結晶ダイヤモンドで作製したスラ
イダと、該気相法ダイヤモンドスライダ表面に２μｍの
厚さのガラス状炭素を被覆したスライダと、該スライダ
の表面層を水素イオン照射によって０．０６１μｍの深
さにわたって改質したスライダの３つのスライダの耐摩
耗性を比較すると、気相法ダイヤモンドスライダの摩耗
量が２０ｘ１０−’ｍｍ３／ｋｍであるのに対して、ガ
ラス状炭素被覆スライダの摩耗量は１．３　ｘ　１０−
’ｍｍ３／ｋｍであり、表面改質スライダのそれは７Ｘ
１０〜４１１ＩＩＤ３７ｋＩＩＩであり、該ガラス状炭
素被覆スライダの場合は約１５倍、表面改質スライダの
場合は約３倍耐摩耗性が優れていると言える。

［作用］ 上記の、表面に非晶質炭素層を持つダイヤモンド工具を
用いれば、該表面炭素層と鉄との化学反応が生しにくい
ので、非晶質炭素層を持たないダイヤモンド工具よりも
摩耗が少なく、また切削面も滑らかで、鉄系材料の切削
に十分な寿命と切削性能を発揮する。ガラス状炭素を被
覆する場合は被切削材に応じて任意の厚みのものを容易
に製造することかできる。表面を改質した場合は、改質
層の剥離のおそれがなく、同じ厚みならばガラス状炭素
被覆バイトと比へてより強固である。

［実施例］ ダイヤモンド工具に単結晶ダイヤモンドバイト（旭ダイ
ヤモンド工業製）、焼結ダイヤモンドバイト（Ｃｒｙｓ
ｔｏｎ　Ｄｉａｍｏｎｄ　ＩＮＤ製）、気相法ダイヤモ
ンドバイト（三菱金属製）の三種類を用い、表面の非晶
質炭素層をガラス状炭素の被覆及び水素イオン照射によ
る表面改質の２通りの方法で形成した。こうしたダイヤ
モンド工具を用いて７５ｍｍφの被剛材５４５Ｇを切り
込み（１，５１１１０１、送り（１，］Ｏｍｍ／ｒｅｖ
１．切削速度４００ｍ／ｍ切削速度４性０ときの逃げ面
摩耗量を測定した。ダイヤモンド工具の硬度は荷重１０
ｇｆのマイクロビッカース硬さにて測定した。ガラス状
炭素は次の方法で被覆した。フェノール樹脂を５重量％
アセトンに溶解した溶液を３μｍ弱の厚みでダイヤモン
ド工具に被覆した後、該工具を加熱炉に入れ、雰囲気を
空気にした状態で以下の条件で昇温した。

室温〜１５０℃　　　５℃／ｌ１ｉｎ Ｊ５０〜２７０℃　　　０，０８℃／１Ｉｌｉｎ２７０
℃　　　　　　５時間保持 次に雰囲気をアルゴンガスに置換し以下の条件で昇温加
熱した。

２７０〜３５０℃　　　１５℃／ｍ１ｎ３５０〜５５０
℃　　　２℃／ｗｉｎ ５５０　〜９９０℃　　　１５℃／ｗｉｎ９９０℃　　
　　　　３０分間保持 この結果、表面に２μｍ厚のガラス状炭素層を持つダイ
ヤモンド工具を得た。表面改質は、カウフマン型イオン
源を用いて、圧力５　ｘ　１Ｏ−５Ｔｏｒｒ、加速電圧
１２００Ｖ　、イオン電流密度１　ｍＡ／ｃｍ２、ダイ
ヤモンド工具に水素イオンを２時間照射して行なった。

ラマン分光分析により表面に非晶質層の存在が確認され
、窒素同位体の共鳴核反応法による分析で、それぞわ表
面から０．０６〜０．０７μｍの深さにわたって水素原
子の存在を確認した。こうして、表面に約０．０６μｍ
厚の非晶質炭素層を持つダイヤモンド工具を得た。

以上の結果を第１表に示す。単結晶ダイヤモンドバイト
、焼結ダイヤモンドバイト、気相法ダイヤモンドバイト
ともに、無処理のものに比べてガラス状炭素を被覆した
ものは１０分の１以下の摩耗量を示し、水素イオン照射
で表面を改質したものは２分の１以下の摩耗量を示した
。

［発明の効果コ 本発明は、非晶質炭素層をタイヤモント工具表面に形成
した結果、鉄に対する化学反応を生しにくく、従来タ゛
イヤモント工具か苦手としてきた鉄系材料の切削に使用
できるダイヤモント工具を与えるものてあり、金属素材
として最も大きなマーケットを占める鉄系材料の切削加
工の生産性や品質向上に寄与するところか大きいと期待
される。

【図面の簡単な説明】

第１図は各種炭素材料のラマンスペクトルである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ダイヤモンド工具の表面に０．２〜１００μｍの厚
   さのガラス状炭素を被覆してなる、表面に非晶質炭素層
   を持つダイヤモンド工具。 ２、ダイヤモンド工具に表面から０．０１〜１００μｍ
   の深さにわたって前記ダイヤモンド工具の表面を非晶質
   化する表面改質を施してなる、表面に非晶質炭素層を持
   つダイヤモンド工具。