JPH05305530A - 切削工具およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ろう付け工具の欠点である切削時の刃先摩耗
性能を改善し、切削性能に優れた切削工具、およびその
様な特性を発揮する切削工具の有用な製造方法等を提供
する。 【構成】 本発明の切削工具は、工具刃先形状に加工さ
れた厚さ：80〜2000μｍのダイヤモンドを主体とする多
結晶膜の表面所望部を、ダイヤモンド含有硬質炭素で被
覆したものである。また上記の様な切削工具を製造する
には、気相合成法によって基板上に形成された厚さ：80
〜2000μｍのダイヤモンドを主体とする多結晶膜を基板
から分離・切断し、工具刃先形状に加工した後、この多
結晶膜をろう材を介して切削工具母材上にろう付けし、
引き続きろう材の融点よりも低い温度で気相合成を行な
うことによって、または多結晶膜をろう材を介して切削
工具母材上に配置し、引き続きろう材の融点よりも高い
温度で気相合成を行なうことによって、少なくとも前記
多結晶膜の露出表面にダイヤモンドを含有する硬質炭素
を被覆する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、気相合成法によって形
成されたダイヤモンド薄膜を主体とする硬質薄膜を応用
した切削工具、および該切削工具を製造する為の有用な
方法等に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ダイヤモンドは、従来硬質材料として用
いられてきたアルミナ、窒化珪素、タングステンカーバ
イドなどと比べても極めて高い硬度を有し、また熱伝導
率も高いことから、近年切削工具や耐摩耗性摺動部材な
どへの応用開発が盛んにおこなわれている。

【０００３】現在ダイヤモンドの焼結体を用いた工具も
開発されているが、ダイヤモンドの気相合成法が確立さ
れて以来、複雑な形状の工具にも容易に且つ安価に応用
できる可能性があることから、気相合成による薄膜で被
覆した工具の開発も活発化している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら気相合成
したダイヤモンドの薄膜は、高硬度、高熱導率という工
具部材として優れた特性をもっている反面、膜の内部応
力が大きく基板との密着度が弱いことに加え、靭性が低
いために、例えば切削工具にコーティングしても切削中
に容易に剥離或は破壊されるという欠点がある。

【０００５】そこで薄膜の内部応力を緩和させるという
観点から、例えば特開平1-212766号公報，同1-212767号
公報，同3-149140号公報等の技術が提案されている。こ
れらの技術は、気相合成法によって適当な基板上にダイ
ヤモンド薄膜を析出させ、生成した薄膜を一旦基板から
外して切断した後に、工具母材の刃先部にろう付けする
ものである。

【０００６】しかしながら、この様な工具（以下、ろう
付け工具と呼ぶことがある）では、刃先となる薄膜端部
のダイヤモンド粒子が切削時に脱落することが多く、工
具刃先の摩耗の為、十分な切削寿命が得られないという
欠点がある。またろう付け工具はダイヤモンドを工具母
材に直接コーティングした工具に比べ、切削時の被削物
の溶着が比較的大きいという問題もあった。

【０００７】本発明は上記事情に着目してなされたもの
であって、その目的は、ろう付け工具の欠点である切削
時の刃先摩耗性能を改善し、切削性能に優れた切削工
具、およびその様な特性を発揮する切削工具の有用な製
造方法等を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成し得た本
発明とは、工具刃先形状に加工された厚さ：80〜2000μ
ｍのダイヤモンドを主体とする多結晶膜の表面所望部
を、ダイヤモンド含有硬質炭素で被覆したものである点
に要旨を有する切削工具である。

【０００９】また本発明に係る有用な切削工具の製造方
法とは、気相合成法によって基板上に形成された厚さ：
80〜2000μｍのダイヤモンドを主体とする多結晶膜を基
板から分離・切断し、工具刃先形状に加工した後、この
多結晶薄膜をろう材を介して切削工具母材上にろう付け
し、引き続きろう材の融点よりも低い温度で気相合成を
行なうことによって、少なくとも前記多結晶性薄膜の露
出表面にダイヤモンドを含有する硬質炭素を被覆する点
に要旨を有するものである。

【００１０】更に、本発明に係る有用な切削工具の他の
製造方法とは、上記と同様にして刃先加工した多結晶膜
を、この多結晶膜をろう材を介して切削工具母材上に配
置し、引き続きろう材の融点よりも高い温度で気相合成
を行なうことによって、少なくとも前記多結晶膜の露出
表面にダイヤモンドを含有する硬質炭素を被覆する点に
要旨を有するものである。

【００１１】

【作用】本発明者らは、これまでのろう付け工具におけ
る、薄膜端部のダイヤモンド粒子が切削時に脱落する原
因について、様々な角度から検討を加えたところ、次の
様な知見が得られた。まずろう付け工具に用いられるダ
イヤモンド薄膜は、基板平面に対して垂直方向に結晶成
長した膜であるので、工具刃先となる部分の結晶粒も比
較的方向性を持った配列となっていることが分かった。
従って、従来のろう付け工具の構成では、刃先部分の粒
子は切削時に膜にかかる主分力の方向と平行に配列する
ことになり、結晶粒界から破断され易くなることが、刃
先粒子の脱落の原因になる。またこれらの工具では、一
般に基板上に合成したダイヤモンド薄膜の基板側の面が
工具の表側になる様にろう付けしているが、この場合に
はダイヤモンド薄膜の基板側の面には、合成初期にダイ
ヤモンド核が成長したときに生ずる微細な空孔が存在
し、これが切削時の被削物の溶着の原因になることを突
き止めた。

【００１２】そこで本発明者らは、上記知見に基づき前
述した問題を解消する為の手段について更に鋭意研究し
た結果、工具刃先形状に加工された厚さ：80〜2000μｍ
のダイヤモンドを主体とする多結晶膜の表面所望部を、
ダイヤモンド含有硬質炭素で被覆すれば、従来の問題が
生じない様な切削工具が得られることを見出し、本発明
を完成した。またこの切削工具は、従来のコーティング
工具やろう付け工具に比べて耐剥離性や耐摩耗性が圧倒
的に優れていることも見出した。

【００１３】ところで上記のような切削工具を製造する
に当たっては、気相合成によって基板に合成されたダイ
ヤモンドを主体とする多結膜を基板から分離切削し、こ
れを工具は先形状に加工した後、再度気相合成法を適用
し、前記多結晶膜表面所望部をダイヤモンド含有硬質炭
素で被覆することによって硬質薄膜部材を予め形成して
おき、これを刃先部材として工具母材にろう付けするこ
とも考えられる。しかしながらこの様な方法では、製造
工程が繁雑となって現実的でない。そこで本発明者ら
は、上記の様な切削工具を製造するための有用な方法に
ついても検討した。その結果、気相合成法によって基板
上に形成された厚さ：80〜2000μｍのダイヤモンドを主
体とする多結晶膜を基板から分離・切断し、工具刃先形
状に加工した後、この多結晶膜をろう材を介して切削工
具母材上にろう付けし、引き続きろう材の融点よりも低
い温度で気相合成を行なうことによって、少なくとも前
記多結晶膜の露出表面にダイヤモンドを含有する硬質炭
素を被覆する構成を採用して、切削工具を製造すること
が有用であることが分かった。

【００１４】また上記製造方法を応用し、気相合成によ
って合成されたダイヤモンドを主体とする多結晶膜を基
板から分離・切断し、工具刃先形状に加工した後、この
多結晶薄膜をろう材を介して切削工具母材上に配置し、
引き続きろう材の融点よりも高い温度で気相合成を行な
うことによって、少なくとも前記多結晶性薄膜の露出表
面にダイヤモンドを含有する硬質炭素を被覆する構成を
採用して、切削工具を製造することも有用であることが
分かった。特に後者の様な方法を採用すれば、気相合成
法によって硬質炭素を被覆する際に上記薄膜と母材との
ろう付けも行なわれ、ろう付け工程を省略することがで
きる。尚これらの方法によって得られた切削工具の形態
は、図１または図２（模式図）に示す通りである。

【００１５】本発明は上述の如く構成されるが、要する
に、ダイヤモンドを主体とする多結晶膜の表面に、気相
合成法を適用してダイヤモンドを含有する硬質炭素を被
覆した点に最大の特徴を有するものであり、これによっ
て切削時の被削物へ溶着の原因であるダイヤモンド膜表
面の微細な空孔がなくなり、かつこの硬質炭素はランダ
ムに配列した微細粒であるので、切削時の粒界からの脱
落も抑制される。

【００１６】本発明において、ダイヤモンドを主体とす
る多結晶膜の厚さは、80〜2000μｍとする必要がある。
これは厚さが80μｍ未満では膜強度が十分でなく、また
摩耗量増大による工具としての使用限界から2000μｍあ
れば十分である。またダイヤモンドを含有する硬質炭素
は、結晶粒の大きさが0.5 μｍ以下、厚みが0.5 〜５μ
ｍであることが好ましい。即ち結晶粒の大きさが0.5 μ
ｍを超えると仕上面粗さが増大する結果となる。またそ
の厚みが0.5 μｍ未満であればダイヤモンド粒間を埋め
つくす効果がなく、また微細なダイヤモンドを含有する
硬質炭素で十分覆う最大膜厚は５μｍである。

【００１７】尚本発明で適用する気相合成法については
特に限定されるものではなく例えば熱，高周波，マイク
ロ波，反応性パルス，ECR （電子サイクロトロン共鳴）
およびイオンビーム等を用いるCVD 法を利用することが
できる。また硬質膜を形成する際に用いる原料ガスにつ
いても特に限定するものでなく、例えばメタン，エタン
等の炭化水素ガスの他、メタノール，エタノール等のア
ルコール系ガス、更には一酸化炭素等の酸化炭素系ガス
等が挙げられるが、一般的には炭化水素系ガスを水素ガ
スで希釈した混合ガスであればすべて利用できる。更
に、本発明で対象とする切削工具の種類，材質，形状等
についても一切制限されるものではなく、超硬合金やセ
ラミックス等からなる各種形状のスローアウエイチップ
やエンドミル等の全てに適用することができ、従来工具
に比べて工具性能の著しい向上を図ることができる。

【００１８】以下本発明を実施例によって更に詳細に説
明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のもので
はなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更することはい
ずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。

【００１９】

【実施例】

実施例１ 熱フィラメント法により、Ｓｉウエハー上に厚さ約200
μｍのダイヤモンド膜を合成した。このときの合成条件
は、原料としてメタン／水素混合ガスを用い、メタン濃
度1.5 ％，混合ガス圧力50Torr，ガス流量500SCCM,フィ
ラメント温度2000℃，基板温度900 ℃とした。

【００２０】次に、熱アルカリ水溶液でＳｉ基板を溶解
させ、ダイヤモンド膜を公知のＹＡＧレーザーで概ねス
ローアウェイチップの刃先形状に切断した。このように
して得た膜をＳＥＭとラマン分光により分析した結果、
膜は実質的にダイヤモンドのみからなり、平均粒径約２
μｍの粒子から構成されていた。

【００２１】得られたダイヤモンド膜のＳｉ基板側の面
がスローアウェイチップのすくい面になるように、市販
の銅ろう（融点：約９５０℃）を工具母材と膜の間に挟
んで刃先先端部にろう付けした後、引き続き刃立加工し
工具とした。更にマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を用い
てメタン−水素混合ガスで本発明のダイヤモンドを含有
する硬質炭素で上記ろう付け工具を被覆した。このとき
の条件は、メタン濃度2.5 ％、混合ガス圧力40Torr、混
合ガス流量400SCCM 、母材温度750 ℃とした。尚ここで
用いたチップの形状はＳＰＧＮであり、材質はＫ10種超
硬である。このようにして得られたスローアウェイチッ
プを本発明例１とする。また市販の銀ろう（融点：600
℃）を工具母材と前記ダイヤモンド膜の間に挟んで刃先
先端部に配置した後、本発明例１と同様に気相合成して
膜表面に前記硬質炭素で被覆し、引き続き刃立加工した
工具をも作製した。このようにして得られたスローアウ
ェイチップを本発明例２とする。

【００２２】このようにして得た膜をＳＥＭとラマン分
光により分析した結果、マイクロ波プラズマ法で被覆し
た膜は平均粒径0.1 μｍ以下の微細粒からなり、ダイヤ
モンドを含有する硬質炭素膜が厚さ約２μｍ被覆されて
いた。尚比較例として、本実施例においてマイクロ波プ
ラズマＣＶＤ法による被覆のみを行なった超硬製スロー
アウェイチップ（形状ＳＰＧＮ）をも作製した（従来例
１）。

【００２３】これらのチップを用いて切削試験を行なっ
た。切削条件は、被削材としてＡｌ−20％Ｓｉを用い、
切削速度、切込み量および送り量はそれぞれ500m/min,
0.25mm,0.25mm/revとした。切削した後の膜または刃先
の状態を調べた結果を表１に示す。

【００２４】

【表１】

【００２５】実施例２ 熱フィラメント法によりＳｉウェハー上に厚さ約１００
μｍのダイヤ膜を合成した。この時の条件はメタン濃度
を１．０％とした以外は実施例１と同様である。次に、
熱アルカリ水溶液でＳｉ記板を溶解させ、ダイヤ膜を公
知のＹＡＧレーザーでエンドミルの刃先形状（直径＝３
mm，長さ＝５mm）に切断した。

【００２６】この様にして得られた膜をＳＥＭとラマン
分光により分析した結果、膜は実質的にダイヤモンドの
みからなり、平均粒径５μｍの粒子から構成されてい
た。得られた膜のＳｉ基板側の面がエンドミルのすくい
面になるように市販の銅ろう（融点：約１０５０℃）を
工具母材と膜の間に挟んで約１１５０℃で真空熱処理
し、刃先先端部にろう付けした後、引き続き刃立て加工
し工具とした。このエンドミルを従来例２とする。

【００２７】さらに、従来例２と同様のエンドミルを作
成した後、マイクロ波プラズマＣＶＤ法を用い、メタン
−水素混合ガスで本発明のダイヤモンドを含有する硬質
炭素で上記ろう付け工具を被覆した。この時の条件は、
メタン濃度３．０％、母材温度８００℃とする以外は実
施例１と同一である。この様にして得られた膜をＳＥＭ
とラマンにより分析した結果、マイクロ波プラズマ法で
被覆した膜は平均粒径０．０８μｍ以下であり、ダイヤ
モンドの他に非晶質炭素を含む硬質炭素膜が約３μｍ被
覆されていた。

【００２８】この様にして得られたエンドミルを本発明
例３とする。これらのエンドミルを用いて切削試験を行
った。切削条件は被削材としてAl−12%Si またはAl-20%
Siを用い、切削速度はAl-12%Siの場合１００m/min 、切
削後の膜または刃先状態を表２に示す。

【００２９】

【表２】

【００３０】

【発明の効果】以上述べた如く本発明によれば、切削時
の耐剥離性と耐摩耗性に優れたダイヤモンド薄膜工具が
実現でき、その工業的価値は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る切削工具の実施例を示す模式図で
ある。

【図２】本発明に係る切削工具の他の実施例を示す模式
図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 工具刃先形状に加工された厚さ：80〜20
   00μｍのダイヤモンドを主体とする多結晶膜の表面所望
   部を、ダイヤモンド含有硬質炭素で被覆したものである
   ことを特徴とする切削工具。
2. 【請求項２】 ダイヤモンドを含有する硬質炭素におけ
   る結晶粒の大きさが0.5 μｍ以下であり、且つその厚み
   が0.5 〜５μｍである請求項１に記載の切削工具。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の切削工具を製
   造するに当たり、気相合成法によって基板上に形成され
   た厚さ：80〜2000μｍのダイヤモンドを主体とする多結
   晶膜を基板から分離・切断し、工具刃先形状に加工した
   後、この多結晶膜をろう材を介して切削工具母材上にろ
   う付けし、引き続きろう材の融点よりも低い温度で気相
   合成を行なうことによって、少なくとも前記多結晶膜の
   露出表面にダイヤモンドを含有する硬質炭素を被覆する
   ことを特徴とする切削工具の製造方法。
4. 【請求項４】 請求項１または２に記載の切削工具を製
   造するに当たり、気相合成法によって基板上に形成され
   た厚さ：80〜2000μｍのダイヤモンドを主体とする多結
   晶膜を基板から分離・切断し、工具刃先形状に加工した
   後、この多結晶膜をろう材を介して切削工具母材上に配
   置し、引き続きろう材の融点よりも高い温度で気相合成
   を行なうことによって、少なくとも前記多結晶膜の露出
   表面にダイヤモンドを含有する硬質炭素を被覆すること
   を特徴とする切削工具の製造方法。