JP2002179493A - ダイヤモンド被覆部材およびその製造方法 - Google Patents

ダイヤモンド被覆部材およびその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 Ｃｏの含有量が多い超微粒子超硬合金の基材
にダイヤモンド被膜をコーティングする場合でも、簡単
な構成で高い密着力が得られるようにする。 【解決手段】 Ｃｏの含有量が多い超微粒子超硬合金の
基材１２の表面を所定の面粗さに荒し加工した後、酸処
理等によるＣｏの除去処理を行うことなく、ＰＶＤ法に
よりＴｉＡｌＮの中間層１８を設け、その中間層１８の
上にマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を用いてダイヤモン
ド被膜１６をコーティングした。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はダイヤモンド被覆部
材に係り、特に、Ｃｏの含有量が多い超微粒子超硬合金
製の基材に対してもダイヤモンド被膜が高い密着力でコ
ーティングされるダイヤモンド被覆部材およびその製造
方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】エンドミルやバイト、タップ、ドリルな
どの切削工具として、超硬合金の基材の表面がダイヤモ
ンド被膜で被覆されているダイヤモンド被覆工具が提案
されているが、ＣＶＤ（化学的気相合成）法などでダイ
ヤモンド被膜をコーティングする場合、７００〜１００
０℃程度まで加熱する必要があるため、超硬合金に含ま
れているＣｏ（コバルト）が析出し、ダイヤモンド粒子
をグラファイト化させてダイヤモンド被膜の密着性（付
着強度）が損なわれる。このため、ダイヤモンド被膜の
コーティングに先立って硫酸や硝酸などによる酸処理を
施し、表面付近のＣｏを除去するようにしているのが普
通であるが、Ｃｏの含有量が多い超微粒子超硬合金の場
合、基材表面付近のＣｏを完全に除去してもダイヤモン
ドコーティングの加熱中に基材内部のＣｏが多量に基材
表面に浮いてくる。そのため、ダイヤモンド被膜の密着
性が損なわれることが避けられず、ダイヤモンド被覆工
具の基材として使用することができなかった。超微粒子
超硬合金は、Ｃｏの含有量が多いため通常の超硬合金に
比較して靱性が高く、鋳鉄などの硬質材料に対する切削
工具の基材として好適に用いられる。
【０００３】一方、特公平６−９５１号公報には、基材
の表面にＴｉＣ等の中間層を設けるとともに、その中間
層の上に更に非晶質カーボン状構造の層を介して結晶質
のダイヤモンド被膜をコーティングする技術が提案され
ており、このようにすればＣｏの含有量が多い超微粒子
超硬合金を基材として使用することが可能になる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、結晶質
のダイヤモンド被膜のコーティングに先立って非晶質カ
ーボン状構造の層を設ける必要があるため、製造が面倒
で必ずしも十分に満足できなかった。なお、このような
問題は、転造工具など切削工具以外の加工工具やその他
のダイヤモンド被覆部材においても同様に生じる。
【０００５】本発明は以上の事情を背景として為された
もので、その目的とするところは、Ｃｏの含有量が多い
超微粒子超硬合金の基材にダイヤモンド被膜をコーティ
ングする場合でも、簡単な構成で高い密着力が得られる
ようにすることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに、第１発明は、超硬合金の基材の表面がダイヤモン
ド被膜で被覆されているダイヤモンド被覆部材であっ
て、前記基材の表面には、元素の周期表のIVａ族、Ｖａ
族、およびVIａ族の何れかに属する金属とアルミニウム
窒化物との固溶体から成る中間層が設けられ、その中間
層の表面に直接前記ダイヤモンド被膜がコーティングさ
れていることを特徴とする。なお、上記「直接」は、非
晶質カーボン状構造の層を設けることなく、結晶質のダ
イヤモンド被膜を設けることを意味するものである。
【０００７】第２発明は、第１発明のダイヤモンド被覆
部材において、前記中間層はＴｉＡｌＮ（窒化アルミニ
ウムチタン）、ＣｒＡｌＮ（窒化アルミニウムクロ
ム）、およびＶＡｌＮ（窒化アルミニウムバナジウム）
の何れかで、ＰＶＤ（物理的気相合成）法によって前記
基材の表面に設けられていることを特徴とする。
【０００８】第３発明は、第１発明または第２発明のダ
イヤモンド被覆部材において、前記基材は、ＷＣ（炭化
タングステン）を主成分とし、Ｃｏの含有量が３〜２５
wt％の超微粒子超硬合金にて構成されていることを特徴
とする。
【０００９】第４発明は、超硬合金の基材の表面がダイ
ヤモンド被膜で被覆されているダイヤモンド被覆部材の
製造方法であって、(a) 前記基材の表面を所定の面粗さ
に荒し加工する粗面化工程と、(b) その荒し加工が施さ
れた前記基材の表面の凹凸に倣って、中間層としてＴｉ
ＡｌＮ、ＣｒＡｌＮ、およびＶＡｌＮの何れかをＰＶＤ
法によって設ける中間層形成工程と、(c) 前記中間層の
表面に直接前記ダイヤモンド被膜をＣＶＤ法によってコ
ーティングするコーティング工程と、を有することを特
徴とする。
【００１０】
【発明の効果】このようなダイヤモンド被覆部材におい
ては、元素の周期表のIVａ族、Ｖａ族、およびVIａ族の
何れかに属する金属（例えばＴｉやＣｒ、Ｖ）とアルミ
ニウム窒化物との固溶体から成る中間層が、基材の表面
に設けられているため、非晶質カーボン状構造の層が無
くても高い密着性でダイヤモンド被膜をコーティングで
きるようになり、簡単且つ安価に製造できる。これは、
例えばＴｉＡｌＮをＰＶＤ法によって設ける場合、ドロ
ップレットと称する細かな凹凸が表面に発生し易いた
め、ダイヤモンド被膜との接触面積が増えるとともに凹
凸部の噛み合いによって高い密着性が得られるものと考
えられる。
【００１１】一方、上記中間層を介在することによりＣ
ｏの析出を防止でき、密着性が損なわれる恐れがなく、
酸処理などによるＣｏの除去処理を行う必要がないとと
もに、通常の超硬合金は勿論、Ｃｏの含有量が多い超微
粒子超硬合金に対しても高い密着性で中間層、更にはダ
イヤモンド被膜をコーティングできる。これにより、例
えばハイシリコンを含有しているアルミニウム合金鋳
物、或いは鋳鉄などの硬質材切削用のダイヤモンド被覆
工具の基材として超微粒子超硬合金を採用することが可
能となり、ダイヤモンド被膜の耐摩耗性および超微粒子
超硬合金の靱性により、工具の耐久性を大幅に向上させ
ることができる。
【００１２】なお、第４発明の製造方法についても、実
質的に上記ダイヤモンド被覆部材と同様の効果が得られ
る。第４発明では、基材の表面に粗面化処理を施してい
るため、その表面に設けられる中間層との密着性、更に
は中間層とダイヤモンド被膜との密着性が更に高められ
るが、第１発明〜第３発明のダイヤモンド被覆部材にお
いても、粗面化された基材の表面に中間層を設けてダイ
ヤモンド被膜をコーティングすることが望ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明のダイヤモンド被覆部材
は、耐摩耗性が要求される切削工具などの加工工具、す
なわちダイヤモンド被覆工具に好適に適用されるが、超
硬合金の基材の表面がダイヤモンド被膜で被覆されてい
るものであれば、加工工具以外のものにも同様に適用さ
れ得る。
【００１４】また、第３発明のようにＣｏの含有量が多
い超微粒子超硬合金を基材とするダイヤモンド被覆部材
に対して特に優れた効果が得られるが、通常の超硬合金
を基材とするダイヤモンド被覆部材にも同様に適用でき
る。
【００１５】中間層は、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＡｌＮ、およ
びＶＡｌＮの何れかが望ましく、特にＴｉＡｌＮが好適
に用いられる。中間層の膜厚は、第４発明のように基材
の表面が粗面化される場合、その表面の凹凸に倣って表
面形状が凹凸になるような厚さで設けられるが、必ずし
も基材表面の凹凸と中間層表面の凹凸とが厳密に一致し
ている必要はなく、基材表面の凹凸に起因して中間層の
表面が凹凸になっておれば良く、例えば０．５〜５μｍ
程度の範囲内が適当である。基材表面の凹凸は、例えば
表面粗さ曲線の最大高さＲy で０．５〜２μｍ程度の範
囲内が適当である。また、ダイヤモンド被膜の膜厚は、
中間層の材質や表面の凹凸などによって異なるが、例え
ば５〜２０μｍ程度、好ましくは１０〜１５μｍ程度の
範囲内が適当である。
【００１６】第４発明の粗面化工程は、例えば電解研磨
などの化学的腐食や、ＳｉＣ等の砥粒などによるサンド
ブラストが好適に用いられる。第４発明では中間層がＰ
ＶＤ法によって形成されるが、中間層の材質に応じて他
の成膜手法（コーティング手段）を採用することもでき
る。ＰＶＤ法としては、イオンプレーティング等の真空
蒸着法やスパッタリングが好適に用いられる。
【００１７】ダイヤモンド被膜のコーティングにはＣＶ
Ｄ法が好適に用いられ、マイクロ波プラズマＣＶＤ法や
ホットフィラメントＣＶＤ法が適当であるが、高周波プ
ラズマＣＶＤ法等の他のＣＶＤ法を用いることもでき
る。
【００１８】以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ
詳細に説明する。図１は、本発明が適用されたダイヤモ
ンド被覆部材、或いはダイヤモンド被覆工具としてのエ
ンドミル１０を示す図で、(a) は軸心と直角方向から見
た正面図、(b) は刃部１４の表面付近の断面図である。
このエンドミル１０の基材（工具母材）１２は、ＷＣを
主成分とする硬質相の平均粒径が１μｍ以下でＣｏの含
有量が５〜１０wt％の超微粒子超硬合金にて構成されて
おり、その基材１２にはシャンクおよび刃部１４が一体
に設けられている。刃部１４には、切れ刃として外周刃
および底刃が設けられているとともに、その刃部１４の
表面には中間層１８を介してダイヤモンド被膜１６がコ
ーティングされている。図１の斜線部はダイヤモンド被
膜１６を表している。
【００１９】上記エンドミル１０は、図２に示す工程を
経て製造されたもので、ステップＳ１では、超微粒子超
硬合金に研削加工等を施すことにより、切れ刃として外
周刃および底刃を有する基材１２を形成し、ステップＳ
２では、中間層１８やダイヤモンド被膜１６の密着性を
高めるために基材１２の刃部１４の表面に荒し加工を施
す。この荒し加工は、例えば電解研磨等の化学的腐食や
サンドブラストによって行われ、刃部１４の表面の粗さ
曲線の最大高さＲy が０．５〜２μｍの範囲内になるよ
うに施される。このステップＳ２は粗面化工程である。
【００２０】ステップＳ３では、酸処理等によるＣｏの
除去処理を行うことなく、上記粗面化された刃部１４の
表面に、中間層１８としてＴｉＡｌＮをＰＶＤ法、具体
的にはイオンプレーティングによってコーティングす
る。この時の処理温度は４００〜５００℃とダイヤモン
ドコーティング時の処理温度７００〜１０００℃と比べ
て低いためＣｏの析出量が少ない。また、発生イオンを
刃部１４の表面に叩き込むような動きをするＰＶＤ法の
ため、Ｃｏの析出は殆ど見られず、良好な密着性が得ら
れる。中間層１８は、図１(b) から明らかなように、粗
面化された基材１２の表面の凹凸に起因して中間層１８
の表面も所定の面粗さになるように、例えば２〜５μｍ
程度の膜厚で形成される。このステップＳ３は中間層形
成工程である。
【００２１】次のステップＳ４では、図３のマイクロ波
プラズマＣＶＤ装置２０を用いて、上記中間層１８の表
面にダイヤモンド粒子を生成成長させてダイヤモンド被
膜１６をコーティングする。ダイヤモンド被膜１６は、
所定の耐摩耗性が得られるように、例えば５〜１５μｍ
程度の膜厚で形成され、中間層１８の表面の凹凸やドロ
ップレットと称する細かな凹凸によって高い密着性で設
けられ、非晶質カーボン状構造の層を必要としない。こ
のステップＳ４はコーティング工程である。
【００２２】図４のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置２０
は、反応炉２２、マイクロ波発生装置２４、原料ガス供
給装置２６、真空ポンプ２８、および電磁コイル３０を
備えて構成されている。円筒状の反応炉２２内にはテー
ブル３２が設けられ、ダイヤモンド被膜１６をコーティ
ングすべき複数の基材１２がワーク支持具３６に支持さ
れて、それぞれ刃部１４が上向きになる姿勢で配置され
るようになっている。マイクロ波発生装置２４は、例え
ば２．４５ＧＨｚ等のマイクロ波を発生する装置で、こ
のマイクロ波が反応炉２２内へ導入されることにより基
材１２が加熱されるとともに、マイクロ波発生装置２４
の電力制御によって加熱温度が調節される。観察窓３８
より輻射温度計を使い、基材１２の刃部１４の加熱温度
（表面温度）を検出し、予め定められた所定の加熱温度
になるようにマイクロ波発生装置２４の電力をフィード
バック制御する。また、反応炉２２内の上部には、基材
１２の様子を観察したり、真空状態を保持するための石
英ガラス製板４０が設けられている。
【００２３】原料ガス供給装置２６は、メタン（Ｃ
Ｈ4 ）や水素（Ｈ2 ）、一酸化炭素（ＣＯ）などの原料
ガスを反応炉２２内に供給するためのもので、それ等の
ガスボンベや流量を制御する流量制御弁、流量計などを
備えて構成されている。真空ポンプ２８は、反応炉２２
内の気体を吸引して減圧するためのもので、圧力計４２
によって検出される反応炉２２内の圧力値が予め定めら
れた所定の圧力値になるように、真空ポンプ２８のモー
タ電流などがフィードバック制御される。電磁コイル３
０は、反応炉２２内を取り巻くように反応炉２２の外周
側に円環状に配設されている。
【００２４】ダイヤモンド被膜１６のコーティング処理
は、核生成過程と結晶成長過程とから成り、核生成過程
では、メタンおよび水素の流量調節を行うとともに、中
間層１８の表面温度が７００℃〜９００℃の範囲内で定
められた設定温度になるようにマイクロ波発生装置２４
を調節し、反応炉２２内のガス圧が２．７×１０2 Ｐａ
〜２．７×１０3 Ｐａの範囲内で定められた設定圧にな
るように真空ポンプ２８を作動させて、その状態を０．
１時間〜２時間程度継続する。これにより、前記中間層
１８の表面に、ダイヤモンドの結晶成長の起点となる核
の層が付着される。また、結晶成長過程は、例えばメタ
ンの濃度が１％〜４％の範囲内で定められた設定値にな
るようにメタンおよび水素の流量調節を行うとともに、
中間層１８の表面温度が８００℃〜９００℃の範囲内で
定められた設定温度になるようにマイクロ波発生装置２
４を調節し、反応炉２２内のガス圧が１．３×１０3 Ｐ
ａ〜６．７×１０3 Ｐａの範囲内で定められた設定圧に
なるように真空ポンプ２８を作動させ、その状態を所定
時間継続して前記核を起点としてダイヤモンドを結晶成
長させることにより、所定の膜厚のダイヤモンド被膜１
６が得られる。なお、上記核生成過程および結晶成長過
程を繰り返すことにより、微結晶で多層構造のダイヤモ
ンド被膜１６を形成することもできる。
【００２５】このようにして製造されたエンドミル１０
によれば、基材１２の表面を粗面化するとともにＴｉＡ
ｌＮから成る中間層１８を設け、その中間層１８の上に
ダイヤモンド被膜１６をコーティングするため、非晶質
カーボン状構造の層が無くても高い密着性でダイヤモン
ド被膜１６をコーティングできるようになり、簡単且つ
安価に製造できる。これは、ＴｉＡｌＮをＰＶＤ法によ
って設ける場合、ドロップレットと称する細かな凹凸が
表面に発生し易いため、基材１２の粗面化と相まってダ
イヤモンド被膜１６との接触面積が増えるとともに凹凸
部の噛み合いにより、高い密着性が得られるものと考え
られる。
【００２６】一方、上記中間層１８を介在しているた
め、Ｃｏの析出を防止でき、密着性が損なわれる恐れが
なく、酸処理などによるＣｏの除去処理を行う必要がな
いとともに、本実施例のようにＣｏの含有量が多い超微
粒子超硬合金の基材１２に対しても高い密着性で中間層
１８、更にはダイヤモンド被膜１６をコーティングでき
る。これにより、ダイヤモンド被膜１６の耐摩耗性およ
び基材１２を構成している超微粒子超硬合金の靱性によ
り、エンドミル１０を例えばハイシリコンを含有してい
るアルミニウム鋳物や鋳鉄などの硬質材料の切削加工に
使用する場合でも、優れた耐久性が得られる。
【００２７】次に、本発明の効果を具体的に明らかにす
るため、図４に示す６種類の試験品（何れも２枚刃のエ
ンドミル）を用いて耐久性試験を行った結果を説明す
る。試験品No１〜４は本発明品で、試験品No５、６は比
較品である。また、「膜厚」は、ダイヤモンド被膜の膜
厚で、「基材前処理」の欄の電解研磨、ＳｉＣブラスト
は前記ステップＳ２の表面荒し加工で、酸処理は、表面
荒し加工後のＣｏの除去処理である。
【００２８】図５は、切削条件を説明する図で、「被削
材」の欄のＡ７０７５はアルミニウム、ＡＤＣ１２はア
ルミニウムダイカストであり、「送り速度」は、何れも
０．０２５ｍｍ／ｔずつ送りを早くしながら切削加工を
行う。「切り込み」の欄のａ aは工具軸方向、ａr は工
具径方向の切り込み深さであり、「Ｄ」は工具直径で、
具体的には１０ｍｍである。
【００２９】そして、先ず最初に被削材「Ａ７０７５」
に対する側面切削を４．２ｍ行ったところ、何れの試験
品も損傷は無かった。続いて、同じ試験品を用いて被削
材「Ａ７０７５」に対する溝切削を４．８ｍ行ったとこ
ろ、何れの試験品も損傷は無かった。更に、同じ試験品
を用いて被削材「ＡＤＣ１２」に対する側面切削を行っ
たところ、図６に示すように、試験品No１および４は切
削距離が６５ｍに達した時点でも未だ損傷は無く、使用
可能であるが、その他の試験品No２、３、５、６は、図
６に示す切削距離でダイヤモンド被膜の剥離により寿命
に達した。
【００３０】図６の試験品No１および２の結果から、適
当な表面荒し加工を行うことにより、超微粒子超硬合金
の基材に対しても優れた密着性でダイヤモンド被膜をコ
ーティングすることが可能で、通常の超硬合金を基材と
してＣｏの除去処理（酸処理）を行ってダイヤモンド被
膜をコーティングした試験品No５の従来品と比較して
も、耐久性が５０％程度以上向上する。また、試験品No
３および４の結果から、本発明品によれば、ダイヤモン
ド被膜の膜厚を適当に設定することにより、耐久性が大
幅に向上する。
【００３１】図７は、上記試験品No１および５のダイヤ
モンド被覆工具に対して、ＪＩＳＺ ２２４５の規定に
よるロックウェル硬さ試験機を用いて、試験荷重５８
８．４Ｎのダイヤモンド圧子を落とした場合の、表面の
疵（ダイヤモンド被膜の剥離）の状態を撮影した写真を
示す図で、(a) が試験品No１、(b) が試験品No５であ
り、本発明品である試験品No１の方が疵が小さく、ダイ
ヤモンド被膜の密着性が高いことが分かる。
【００３２】以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳
細に説明したが、これ等はあくまでも一実施形態であ
り、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更，改良
を加えた態様で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例であるエンドミル（ダイヤモ
ンド被覆部材）を示す図で、(a) は軸心と直角方向から
見た正面図、(b) は刃部の表面付近の断面図である。
【図２】図１のエンドミルの製造工程を説明する図であ
る。
【図３】図２のステップＳ４のコーティング工程で使用
されるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の一例を説明する
概略構成図である。
【図４】耐久性試験に用いた６種類の試験品を説明する
図である。
【図５】耐久性試験で行った切削加工の加工条件を説明
する図である。
【図６】図４の６種類の試験品を用いて行った耐久性試
験の結果を示す図である。
【図７】図４の試験品No１およびNo５に対してダイヤモ
ンド圧子を落とした場合の表面疵を示す図である。
【符号の説明】
１０：エンドミル（ダイヤモンド被覆部材） １２：
基材 １６：ダイヤモンド被膜 １８：中間層 ステップＳ２：粗面化工程 ステップＳ３：中間層形成工程 ステップＳ４：コーティング工程
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２３Ｃ 14/06 Ｃ２３Ｃ 14/06 Ａ 14/16 14/16 Ｂ 16/27 16/27 (72)発明者 羽生 博之 愛知県豊川市本野ヶ原１丁目15番地 オー エスジー株式会社内 Ｆターム(参考） 3C046 FF03 FF10 FF11 FF12 FF13 FF17 FF19 FF22 FF32 FF39 FF57 HH08 4G077 AA03 BA03 DB19 EF01 HA13 4K029 AA04 BA58 BD05 CA03 4K030 AA09 AA14 AA17 BA28 BB13 CA03 FA01 HA04 LA22

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 超硬合金の基材の表面がダイヤモンド被
    膜で被覆されているダイヤモンド被覆部材であって、 前記基材の表面には、元素の周期表のIVａ族、Ｖａ族、
    およびVIａ族の何れかに属する金属とアルミニウム窒化
    物との固溶体から成る中間層が設けられ、該中間層の表
    面に直接前記ダイヤモンド被膜がコーティングされてい
    ることを特徴とするダイヤモンド被覆部材。
  2. 【請求項２】 前記中間層はＴｉＡｌＮ、ＣｒＡｌＮ、
    およびＶＡｌＮの何れかで、ＰＶＤ法によって前記基材
    の表面に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部材。
  3. 【請求項３】 前記基材は、ＷＣを主成分とし、Ｃｏの
    含有量が３〜２５wt％の超微粒子超硬合金にて構成され
    ていることを特徴とする請求項１または２に記載のダイ
    ヤモンド被覆部材。
  4. 【請求項４】 超硬合金の基材の表面がダイヤモンド被
    膜で被覆されているダイヤモンド被覆部材の製造方法で
    あって、 前記基材の表面を所定の面粗さに荒し加工する粗面化工
    程と、 該荒し加工が施された前記基材の表面の凹凸に倣って、
    中間層としてＴｉＡｌＮ、ＣｒＡｌＮ、およびＶＡｌＮ
    の何れかをＰＶＤ法によって設ける中間層形成工程と、 前記中間層の表面に直接前記ダイヤモンド被膜をＣＶＤ
    法によってコーティングするコーティング工程と、 を有することを特徴とするダイヤモンド被覆部材の製造
    方法。
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