JP2006130578A

JP2006130578A - ダイヤモンドコーティング工具

Info

Publication number: JP2006130578A
Application number: JP2004319191A
Authority: JP
Inventors: Shigeto Takano; 茂人高野; Kazutaka Kanda; 一隆神田
Original assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Current assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Priority date: 2004-11-02
Filing date: 2004-11-02
Publication date: 2006-05-25

Abstract

【課題】アルミニウムやアルミニウム合金等の切削に関し、耐溶着性に優れ、なおかつ平滑な仕上面が得られるダイヤモンドコーティング工具を提供。
【解決手段】表面粗さＲｚが３μｍ以下の超硬工具基材上に、ダイヤモンドの（１００）面を主体とした膜表面となるようなダイヤモンドの平滑性に優れる面が得られる条件で成膜するプロセスと、ダイヤモンドの（１１１）面を主体とした膜表面になるようなダイヤモンドの耐溶着性に優れる面が得られる条件で成膜するプロセスとを、少なくとも切れ刃部において10μｍ以上30μｍ以下となる膜厚に達するまで交互に繰り返し行い、その工具表面粗さをＲｚを１μｍ以下にした。
【選択図】図１

Description

本発明は、気相法により合成したダイヤモンドコーティング工具に関し、詳しくはアルミニウムやアルミニウム合金等の切削に際し、耐溶着性に優れ、なおかつ平滑な仕上面が得られるダイヤモンドコーティング工具に関する。

ダイヤモンドは現存する物質の中で最高の硬度を持つことから、理想的な非鉄材料加工用の薄膜材料として切削工具への適用が図られてきた。被削材がアルミニウム合金やＧＦＲＰの場合、その加工にはダイヤモンドコーティング工具が好適と考えられるが、耐溶着性の高い良質なダイヤモンド膜の表面は結晶質であり、面粗さが悪いことからワーク仕上面の悪化を招いてしまう。そこで、特許文献１においては、ダイヤモンド被覆表面の結晶粒径を微細化することにより、ワーク仕上面を高い面粗度で加工できるようにした。平成８年１０月２日株式会社不二越発行「不二越技報」VOL.52 NO.1 通巻 112号第24頁右欄から第25頁左欄に、「ダイヤモンド合成原料ガス中の炭素濃度を変えると合成される膜の質が変化し、炭素濃度が高くなるほど非ダイヤモンド成分の割合が徐々に増加する。」と記載され、その図４には、合成条件；ＣＯ濃度：30％，ＣＨ₄濃度： 0％〜 2.1％，残部Ｈ₂濃度：67.9％〜70％，基板温度： 850℃，合成時間：20ｈでマイクロ波法により合成したＣＶＤダイヤモンド膜の表面形態の光学顕微鏡写真が、図５にはそれらをＸ線回折で測定した回折ピークが記載されている。ＣＨ₄濃度：1.4 ％、ＣＯ濃度：30％，Ｈ₂濃度：68.6％としたときは、図４において、ダイヤモンドの（１００）面を主体とした膜表面光学顕微鏡写真を示し、図５においてはダイヤモンドの（４００）回折ピークが観測される。またＣＨ₄濃度： 0.7％、ＣＯ濃度：30％，Ｈ₂濃度：69.3％では、結晶配向がダイヤモンドの（１１１）面を主体とした膜表面光学顕微鏡写真と、それに対応したダイヤモンドの（１１１）回折ピークが、それぞれ図４、図５において観測されている。
特許第３４７７１６２号公報

従来の特許文献１に開示する従来のプロセスで合成したダイヤモンドコーティング工具においては、ダイヤモンド被覆表面の結晶は微細化されるが、メタン濃度を10〜30% とした核付着処理の繰返しにより膜質が低下し、アルミ等の溶着を招きやすいという問題があった。このような問題は、切削油剤を用いないドライ切削の際に特に生じやすかった。

本発明の課題は、かかる従来技術の課題を解決した、アルミニウムやアルミニウム合金等の切削に関し、耐溶着性に優れ、なおかつ平滑な仕上面が得られるダイヤモンドコーティング工具を提供することにある。

このため本発明は、超硬工具基体の切れ刃部及び切れ刃部近傍にダイヤモンド被覆層を形成したダイヤモンドコーティング工具において、表面粗さＲｚが３μｍ以下の基材上に、ダイヤモンドの（１００）面を主体とした平滑性に優れる面が得られる条件で成膜するプロセスと、ダイヤモンドの（１１１）面を主体とした耐溶着性に優れる面が得られる条件で成膜するプロセスとを、少なくとも前記切れ刃部において10μｍ以上30μｍ以下となる膜厚に達するまで交互に繰り返し行い、その工具表面粗さＲｚを１μｍ以下にしたことを特徴とするダイヤモンドコーティング工具によって上述の本発明の課題を解決した。

本発明においては、表面粗さＲｚが３μｍ以下の基材上に、ダイヤモンドの平滑性に優れる面が得られる条件で成膜するプロセスと、ダイヤモンドの耐溶着性に優れる面が得られる条件で成膜するプロセスとを、少なくとも切れ刃部において10μｍ以上30μｍ以下となる膜厚に達するまで交互に繰り返し行い、その工具表面粗さをＲｚを１μｍ以下にしたことにより、耐溶着性に優れ、なおかつ平滑な仕上面が得られるダイヤモンドコーティング工具を提供するものとなった。なお、ダイヤモンドの（１００）面を主体とした平滑性に優れる膜を最初に形成したが、ダイヤモンドの（１１１）面を主体とした耐溶着性に優れる膜を最初の面としても変わりなく、いずれの面から成膜を開始してもよい。

ダイヤモンドコーティング工具表面は、加工面精度を重視する観点から、被削物の溶着及び切り屑の流れを考慮して工具表面粗さＲｚを１μｍ以下とするのが良く、膜厚さは耐摩耗性を十分に生かしきるため、少なくとも切れ刃部において10μｍ以上であるのが好ましい。又、切れ刃部の膜厚が30μｍを超えると割れ等が発生する。そこで、本発明においては、コーティング工具の工具表面面粗さＲｚが１μｍ以下、切れ刃部の膜厚を10μｍ以上30μｍ以下とした。このとき、基材の表面粗さは滑らかなほど良いのであるが、ダイヤモンド膜が形成される際に基材の凹部を埋めるように成長するので、多少粗くてもダイヤモンド膜表面が平滑になる。目標となる工具表面面粗さＲｚが１μｍ以下を達成するためには、基材の表面粗さはＲｚが３μｍ以下であれば十分である。

本発明の実施の形態の一例を、図面に基づいて説明する。各図面において、図１は本発明の実施形態を示すコーティングプロセスの成膜条件を示すテーブル、図２は図１に示す本発明の成膜条件を示すテーブルを用いて作製したダイヤモンドコーティングエンドミルの加工テスト後の刃先写真、図３は従来の成膜方法を用いて作製したダイヤモンドコーティングエンドミルの加工テスト後の刃先写真である。図１に従って本発明の成膜方法のプロセスを説明すると、超硬工具基体の切れ刃部及び切れ刃部近傍の、表面粗さＲｚが３μｍ以下の基材上に、まずダイヤモンドの（１００）面を主体とした平滑性に優れる膜を形成する。このときの成膜条件は、例えば水素−メタン系の場合、図１の左側に示すように、ＣＨ₄濃度：2 ％以上10％未満、Ｈ₂濃度：90％を越え98％以下、成膜時間 1〜30分、成膜温度 700〜1000℃、成膜圧力 6.5×10²〜 4.0×10³Pa である。次いでダイヤモンドの（１１１）面を主体とした耐溶着性に優れる膜となるような成膜条件でコーティングを行う。この場合の成膜条件は水素−メタン系の場合、図１の右側に示すように、ＣＨ₄濃度： 0.5％以上 1％未満、Ｈ₂濃度：99％を越え99.5％以下、成膜時間 1〜60分、成膜温度 700〜1000℃、成膜圧力 6.5×10²〜 4.0×10³Pa である。この２種類の性質の異なる膜を、少なくとも切れ刃部において10μｍ以上30μｍ以下となる膜厚に達するまで交互に繰り返し行い、ダイヤモンドコーティング工具表面粗さをＲｚを１μｍ以下にしたことにより、耐溶着性に優れ、なおかつ平滑な仕上げ面が得られるダイヤモンドコーティング工具が製造された。上記の例では、ダイヤモンドの（１００）面を主体とした平滑性に優れる膜を最初に形成したが、ダイヤモンドの（１１１）面を主体とした耐溶着性に優れる膜を最初の面としても、機能上何ら変わりなく、いずれの面から成膜を開始してもよい。

外径10mmで８枚刃の超硬合金製エンドミルに、図１に示す本発明の成膜条件をを用いてダイヤモンドコーティングを被覆し、作製したダイヤモンドコーティングエンドミルを以下の切削条件で切削試験した。
切削速度：50 m/min（1600 min^-1）
送り速度： 640mm/min（0.05mm/tooth）
軸方向切り込み：ａａ＝10.0 mm
径方向切り込み：ａｒ＝ 0.2mm
切削油剤：ドライ（エアブロー）
加工ワーク：ＭＭＣ（30％ＳｉＣ含有アルミニウム合金）
図２は、図１に示す本発明の成膜条件をを用いて作製したダイヤモンドコーティングエンドミルの刃先部であるが、図３に示した特許文献１に開示する従来のプロセスで合成した膜表面と比較すると、加工テスト後においてもアルミ溶着量の少ない平滑な膜表面が得られている。図３に示した特許文献１に開示する従来の方法で成膜したダイヤモンドコーティングエンドミルの50m 切削後の外観写真においてはアルミの溶着が多く、また、逃げ面摩耗量が15μｍであったのに対し、図２の本発明品では溶着量が低減され、また、逃げ面摩耗量も10μｍ程度にまで減少させることができた。

次に、直径0.3 mmの超硬合金製ＰＣドリルに、図１に示す本発明の成膜方法によりダイヤモンドコーティングを被覆した。成膜方法について概略を記すと、まず、図４の膜表面光学顕微鏡写真に示すようなダイヤモンドの（１００）面主体となるよう、ＣＨ₄濃度：1.4 ％、ＣＯ濃度：30％，Ｈ₂濃度：68.6％、基板温度： 850℃、で30分成膜し、引き続き図５の膜表面光学顕微鏡写真に示すようなダイヤモンドの（１１１）面主体となるような成膜条件、すなわち、ＣＨ₄濃度： 0.7％、ＣＯ濃度：30％，Ｈ₂濃度：69.3％、基板温度： 850℃、で60分成膜した。このプロセスを、膜厚が10μｍになるまで交互に繰り返し行った。このとき、図４、図５に示す膜表面をＸ線回折により測定すると、ダイヤモンドの（４００）回折ピークとダイヤモンドの（１１１）回折ピークが、それぞれ観測された。こうして得られた本発明のダイヤモンドコーティングＰＣドリルを用いて以下の切削条件で穴あけテストを行った。
切削速度：113 m/min （1200 min^-1）
送り速度： 1.8mm/min（0.015mm/rev ）
加工ワーク：ＢＴレジン 0.8t ３枚重ね
あて板： 0.20tアルミ
特許文献１に開示する従来のプロセスで成膜したダイヤモンドコーティングＰＣドリルは、5,000 ショットで膜の剥離が生じ工具寿命となったが、本発明のダイヤモンドコーティングＰＣドリルは、100,000 ショットまで穴あけを行い、なおも継続可能という結果が得られた。

〔発明を実施するための最良の形態の効果〕
以上述べたように、本発明を実施するための最良の形態においては、表面粗さＲｚが３μｍ以下の基材上に、ダイヤモンドの平滑性に優れる面が得られる条件で成膜する第１プロセスとダイヤモンドの耐溶着性に優れる面が得られる条件で成膜する第２プロセスとを（又は逆に第２プロセスが先で第１プロセスを後にしてもよい）、少なくとも切れ刃部において10μｍ以上30μｍ以下となる膜厚に達するまで交互に繰り返し行い、その工具表面粗さをＲｚを１μｍ以下にしたことにより、耐溶着性に優れ、なおかつ平滑な仕上面が得られるダイヤモンドコーティング工具を提供するものとなった。

本発明の実施形態を示すコーティングプロセスの成膜条件を示すテーブル。図１のコーティングプロセスの成膜条件を示すテーブルを使用して本発明の成膜方法によりダイヤモンドコーティングした、本発明のダイヤモンドコーティングエンドミルの加工テスト後の刃先外観写真である。特許文献１に開示する従来の成膜方法を用いて作製したダイヤモンドコーティングエンドミルの加工テスト後の刃先外観写真である。ＣＨ₄濃度：1.4 ％、ＣＯ濃度：30％，Ｈ₂濃度：68.6％、基板温度： 850℃、で成膜したときのダイヤモンドコーティング膜表面光学顕微鏡写真である。ＣＨ₄濃度： 0.7％、ＣＯ濃度：30％，Ｈ₂濃度：69.3％、基板温度： 850℃、で成膜したときのダイヤモンドコーティング膜表面光学顕微鏡写真である。

Claims

超硬工具基体の切れ刃部及び切れ刃部近傍にダイヤモンド被覆層を形成したダイヤモンドコーティング工具において、表面粗さＲｚが３μｍ以下の基材上に、ダイヤモンドの（１００）面を主体とした平滑性に優れる面が得られる条件で成膜するプロセスと、ダイヤモンドの（１１１）面を主体とした耐溶着性に優れる面が得られる条件で成膜するプロセスとを、少なくとも前記切れ刃部において10μｍ以上30μｍ以下となる膜厚に達するまで交互に繰り返し行い、その工具表面粗さＲｚを１μｍ以下にしたことを特徴とするダイヤモンドコーティング工具。
超硬工具基体の切れ刃部及び切れ刃部近傍にダイヤモンド被覆層を形成したダイヤモンドコーティング工具において、表面粗さＲｚが３μｍ以下の基材上に、ダイヤモンドの（１１１）面を主体とした耐溶着性に優れる面が得られる条件で成膜するプロセスと、ダイヤモンドの（１００）面を主体とした平滑性に優れる面が得られる条件で成膜するプロセスとを、少なくとも前記切れ刃部において10μｍ以上30μｍ以下となる膜厚に達するまで交互に繰り返し行い、その工具表面粗さＲｚを１μｍ以下にしたことを特徴とするダイヤモンドコーティング工具。