JPH08209348A - ダイヤモンド被覆工具用基板を製造する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ダイヤモンド被覆工具製造のため、気相合成
法により超硬合金基体にダイヤモンド被膜を形成するに
際し、被覆ダイヤモンドの密着性の高い超硬合金基体を
製造する。 【構成】 超硬合金基板を非酸化性雰囲気中で気相法ダ
イヤモンド生成温度以上で加熱して、基板中の揮発性不
純物、低融点物質を揮散させ、且つ基板上に基板中より
の溶析出物を生成させた後、該溶析出物を基板より除去
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は超硬合金基板を気相合
成法によりダイヤモンドで被覆してダイヤモンド被覆工
具を製造する際の超硬合金基板の製造法に関し、特に被
覆ダイヤモンドとの密着性の高い基板を製造する方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来よりダイヤモンド工具には超高圧、
高温を用いて作製されたダイヤモンド粒を結合材を用い
て焼結させた焼結ダイヤモンドや天然のダイヤモンドが
用いられていた。これに対し炭化水素等を分解して基板
の表面にダイヤモンドを合成、被覆するダイヤモンド気
相合成技術が開発され、コストが安価であり、又基板の
形状に対応した被覆が可能で自由度が高いことから注目
を集めている。特に現在工具として広く用いられている
超硬合金の表面に密着性良く被覆できれば旋削、フライ
ス、エンドミル加工等で優れた特性が得られることが期
待されている。

【０００３】超硬合金の表面にダイヤ膜を密着性良く被
覆するために多くの表面処理法が提案されている。例え
ば特開平３−１０７４６０号公報、特開平３−１８３７
７４号公報には基板表面に無数の突起群を形成しアンカ
ー効果により密着度を高める方法が、特開昭６０−８６
０９６号公報（登録１４５８２９１）には基板表面に鋭
利な表面傷を形成することによりダイヤモンドの核発生
を均一にし密着度を高める方法等が開示されている。こ
れらの方法は超硬基板の表面を粗とすることにより、ダ
イヤモンドとの密着性を高めるものである。

【０００４】更に特開昭６１−５２３６８３号公報（登
録１４７２８８９）に開示されている方法は、前記の方
法とは異なり、超硬合金表層部中に含まれるダイヤモン
ド析出に悪影響のある物質を除いている。超硬合金は例
えばタングステン炭化物を主成分とし、チタン、タンタ
ルなどの炭化物粉末を用い、これに結合相形成用のＣｏ
等を配し、圧縮焼結して作られる。このような超硬合金
中、例えばコバルトは特にダイヤモンド被覆形成に悪影
響があるのでダイヤモンド被膜形成前にこれを予め除い
ておけば、該物質による影響は除去される。

【０００５】ダイヤモンド形成に悪影響のある物質の除
去について、前記引例においては酸、アルカリを用いた
湿式エッチング処理が実施例に示してあるが、このよう
な処理方法においては、エッチングが超硬合金の内部に
まで及んで基板が劣化したり、更に又溶解されない残渣
が基板表面に付着するおそれがある。又プラズマ等によ
る乾式エッチングも考えられるが、この方法は設備が複
雑で処理に時間がかかり、又最表面しか処理できない等
の問題がある。更に超硬合金の内部には結合相以外にも
気相法ダイヤモンドの析出に悪影響を与える添加物、不
純物等が含まれ、これらの物質がダイヤモンド成膜時の
基板の加熱で揮発や基板表面への溶析出を起こしダイヤ
モンドの結晶成長を阻害して結晶性が低下したり、ダイ
ヤモンド膜と基板の界面に溶析出部が存在することによ
り密着力が低下する。この物質を今までに開示されてい
るエッチング処理で効率的に除去するのは困難である。
従って実用的には、これらの課題を解決した方法の開発
が望まれている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記公知の技術中、特
に超硬合金中に含まれるダイヤモンド被覆形成に悪影響
のある物質の除去について、前述の公知方法の欠点のな
い方法を開発する目的で研究の結果本発明を完成した。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達するため本
発明者はダイヤモンドの析出に悪影響を与える添加物、
不純物等がダイヤモンド成膜時の基板温度で揮発性が高
く、又その基板温度に比べて低融点であることを見いだ
し、それらの物質の効率的な除去方法を検討した。その
結果、超硬合金基板を非酸化性雰囲気中で気相法ダイヤ
モンド生成温度以上で加熱して、基板中の揮発性不純
物、低融点物質を揮発させ、且つ残存した低融点物質を
基板上に溶析出物を生成させた後、該溶析出物を基板よ
り除去してダイヤモンド被覆工具用基板を製造する方法
を完成させた。

【０００８】超硬合金基板の加熱による不純物、低融点
物質の揮散、溶析出は７００℃以上で発生するが、その
後ダイヤモンドの成膜基板とするためにはダイヤモンド
合成時の基板温度と同じかそれ以上に加熱することが好
ましい。一般的に加熱温度が高いほど不純物等の揮散、
溶析出は効率的に起こるが、一方で超硬合金の靭性の低
下が発生する。加熱温度の上限は超硬合金の種類による
がＷＣ−Ｃｏ系の場合１２００℃、ＷＣ−ＴａＣ−Ｃｏ
系、ＷＣ−ＴｉＣ−Ｃｏ系及びＷＣ−ＴｉＣ−Ｔａ（Ｎ
ｂ）Ｃ−Ｃｏ系の場合１３００℃以上加熱すると結合層
の溶解による超硬基板の靭性の低下が発生する。逆に合
成時の基板温度より低い場合不純物等の揮散、溶析出が
不十分で、合成時に不純物等が揮散したり基板表面に溶
析出し結晶成長が阻害されて膜の密着性、結晶性が低下
する。従って加熱温度は実用的に７００℃〜１３００℃
の範囲、且つダイヤモンド膜合成時の基板温度以上であ
る。又加熱時間は基板表層部（ダイヤモンドの成膜に影
響を与える表面より１〜３０ミクロンの範囲）に影響を
与えればよいので０．１〜２時間程度で充分である。
又、本発明における超硬基板の加熱時の雰囲気は非酸化
性で水素中、真空中、不活性ガス中が好ましい。

【０００９】超硬合金基板表面に溶析出した物質の除去
には砥粒による研摩、溶液中で超音波振動させた砥粒を
用いること、又化学的、電気化学的なエッチング処理、
プラズマエッチング処理等を施すことが効果的である。
除去に用いる砥粒としてはダイヤモンド、炭化珪素、ア
ルミナ、窒化ホウ素、炭化ホウ素等で粒径は１〜５０μ
ｍ程度が適当である。又化学的なエッチング処理には塩
酸、硝酸、硫酸等の水溶液が、電気化学的なエッチング
処理には塩酸、硝酸、硫酸、水酸化ナトリウム、水酸化
カリウム等の水溶液を、プラズマエッチングには水素、
窒素、酸素、ヘリウム、アルゴンイオン等用いることが
できる。これらの砥粒や薬品を用いた処理では超硬合金
の表面に溶析出した物質のみを除去することが重要で、
過度に行うと本発明で超硬合金の不純物等を除去した表
面が削り取られたり超硬基板の劣化による密着性の低下
が発生する。又超硬合金は予め電解研摩更にアルカリ洗
浄による残渣の除去により、その表面に突起群を形成さ
せておくと、形成ダイヤモンド被膜の基板への密着力は
更に増大する。

【００１０】

【発明の効果】従来製造されたダイヤモンド被覆工具用
超硬合金基板に比べダイヤモンド被覆に対して接着力の
高い基板を提供することが可能となった。即ちダイヤモ
ンドが容易に剥離しないダイヤモンド工具の提供が可能
となり、その実用的価値は極めて高い。

【００１１】次に実施例、比較例により本発明を説明す
る。 実施例 １ 基板であるＣｏ６重量％、ＷＣ及び不可避不純物及び添
加物（高分子化合物、遊離カーボン、Ｃｕ、Ａｌ、Ｓ
ｎ、Ｐｂ等）からなる超硬合金フライスチップ（ＳＥＥ
Ｎ１２０３）を水素中、１００Ｔｏｒｒ，１０００℃で
１時間加熱した。この加熱により低融点物質、揮発性不
純物は揮散し、且つチップ表面に溶析出物が生成した。
この基板を冷却後の表面を平均粒径５μｍのＳｉＣによ
り約２分間研摩した（ＳｉＣ粒を分散させてペースト状
にしたものをポリッシングクロスにつけ手でこすること
により研摩しその後エタノールで洗浄した）。この研摩
により表面の溶析出物は除去された。次にダイヤモンド
の核発生を均一にするため傷付け処理を０．２５μｍの
ダイヤペーストで約１分間行い、具体的にはダイヤモン
ド粒を分散させてペースト状にしたものをポリッシング
クロスにつけ手でこすることにより研摩したその後エタ
ノールで洗浄した。基体表面に熱フィラメントＣＶＤ法
により厚さ８μｍのダイヤモンド膜を形成させた（ダイ
ヤモンド膜の成膜条件：原料ガスは水素１００ＳＣＣ
Ｍ、メタン１ＳＣＣＭ、反応圧力１００Ｔｏｒｒ、フィ
ラメント温度２１００℃、基板温度８００℃、基板−フ
ィラメント間距離８ｍｍ、合成時間３時間）。

【００１２】作製したダイヤモンド被覆チップについて
被削材に５０ｍｍ×５０ｍｍ×３００ｍｍのアルミダイ
キャストブロック（ＡＤＣ１２）を用い、５０ｍｍ×５
０ｍｍの端面を切削することによりフライス評価を実施
した。評価は正面フライスにチップを１個取付け、アル
ミダイキャストブロックの端面を何回切削できるかで評
価した。チップの寿命の判断はダイヤモンド膜の剥離時
点とした。切削条件は切り込み０．５ｍｍ、送り速度
０．０５ｍｍ／刃、切削速度１０００ｍ／分で乾式切削
とした。以上の条件で評価を実施し切削回数１０回毎に
観察したところ切削回数１６７０回でダイヤモンド膜が
剥離した。

【００１３】実施例 ２ 実施例１と同組成の超硬合金フライスチップを実施例１
と同様に熱処理して実施例１と全く同様の表面に溶析出
物を有するチップを得た。冷却後このチップを７％硝酸
溶液中に３分間浸漬し表面に溶析出した物質のみを除去
した。その後実施例１と同じ方法で傷付け処理を行っ
た。このチップを基板として実施例１と同じ条件でダイ
ヤモンド膜を被覆、フライス評価を実施したところ切削
回数１５２０回でダイヤモンド膜が剥離した。 実施例 ３ 実施例１と同組成の超硬合金フライスチップを加熱温度
を８００℃とした以外、実施例１と同様に処理して表面
に溶析出物を有するチップを得た。冷却後実施例１と同
じ条件で溶析出物質の除去、傷付け処理を行い実施例１
と同じ条件でダイヤモンド膜を被覆、フライス評価を実
施したところ切削回数１２３０回でダイヤモンド膜が剥
離した。

【００１４】実施例 ４ 実施例１と同組成の超硬合金フライスチップを実施例と
同様に熱処理して、実施例と全く同様の表面に溶析出物
を有するチップを得た。冷却後、このチップを２００ｃ
ｃの水に１００ｇ、２０μｍのＳｉＣ粒を入れた液に浸
漬し１５０Ｗの超音波を２０分間加え超硬合金チップの
表面に溶析出した物質のみを除去した。その後実施例１
と同じ方法で傷付け処理を行った。この基板を実施例１
と同じ条件でダイヤモンド膜を被覆、フライス評価を実
施したところ切削回数１３１０回でダイヤモンド膜が剥
離した。

【００１５】実施例 ５ 実施例１と同じ超硬合金チップに予めパルス電圧を用い
た電解研磨を実施した。処理条件は電解液に１０％塩酸
水溶液、チップを陽極とし電圧５Ｖ、電流１Ａ、パルス
の周波数は１／４Ｈｚ、パルス幅１００ｍ秒、研磨時間
４分処理後、表面に付着した残渣を１０％ＫＯＨ水溶液
に１０分間浸漬して溶解し、表面に約６μｍの高さの突
起群を形成した。このチップを実施例１と同様の条件で
熱処理、超硬合金チップの表面に溶析出した物質のみの
除去、傷付け処理を行った。このチップを実施例１と同
じ条件でダイヤモンド膜を被覆、フライス評価を実施し
たところ切削回数２３６０回でダイヤモンド膜が剥離し
た。 実施例 ６ 基板にＴａＣ１０重量％、Ｃｏ６重量％、ＷＣ及び不可
避不純物及び添加物からなる超硬合金フライスチップ
（ＳＥＥＮ１２０３）を用い他の条件は実施例５と全く
同様にダイヤモンド被覆チップを作製した。このチップ
を実施例１と同じ条件で評価を実施したところ切削回数
２１５０回でダイヤモンド膜が剥離した。

【００１６】比較例 １ チップの熱処理、及び溶析出物の除去を行わない以外は
実施例１と全く同様に処理してダイヤモンド被覆（膜厚
８μｍ）基板を得た。実施例１と同様にフライス評価を
実施したところ切削回数１０回でダイヤモンド膜が剥離
した。超硬合金チップに含まれるダイヤモンドの析出に
悪影響する物質のためダイヤモンド膜の基体に対する十
分な密着度が得られず切削開始とほゞ同時に剥離したも
のである。

【００１７】比較例 ２ 実施例１と同じ超硬合金チップを用いて熱処理を実施し
た。熱処理温度は６５０℃で他の条件は実施例１と同じ
とした。冷却後実施例２と同じ条件で溶析出物質の除
去、傷付け処理を行い実施例１と同じ条件でダイヤモン
ド膜を被覆、フライス評価を実施したところ切削回数４
１０回でダイヤモンド膜が剥離した。熱処理温度が基板
温度より低いためダイヤモンドの析出に悪影響する物質
の揮散、溶析出が不十分で密着度が上がらなかったため
である。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超硬合金基板を非酸化性雰囲気中で気相
   法ダイヤモンド生成温度以上で加熱して基板表層中の揮
   発性不純物、低融点物質を揮散させ、且つ基板上に基板
   中よりの溶析出物を生成させた後、該溶析出物を基板よ
   り除去してダイヤモンド被覆工具用基板を製造する方
   法。
2. 【請求項２】 超硬合金基板は電解研摩により表面に突
   起群を形成させたものである請求項１のダイヤモンド被
   覆工具用基板を製造する方法。
3. 【請求項３】 電解研摩は鉱酸中で行う請求項２のダイ
   ヤモンド被覆工具用基板を製造する方法。
4. 【請求項４】 電解研摩はパルス電圧により行う請求項
   ２のダイヤモンド被覆工具用基板を製造する方法。
5. 【請求項５】 基板に生成の溶析出物の除去を砥粒によ
   り研摩で行う請求項１のダイヤモンド被覆工具用基板を
   製造する方法。
6. 【請求項６】 溶析出物の除去は、溶析出物を形成せる
   超硬合金基板を砥粒を含有する溶液内におき、砥粒を超
   音波振動させることにより行う請求項１のダイヤモンド
   被覆工具用基板を製造する方法。
7. 【請求項７】 溶析出物の除去はエッチングにより行う
   請求項１のダイヤモンド被覆工具用基板を製造する方
   法。