JP2006247751A - ダイヤモンド膜の除去方法およびダイヤモンド膜被覆部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は基材に超硬合金を使ったダイヤモンド膜被覆部材から、基材の強度を低下させることなくダイヤモンド膜を容易に除去でき、再びダイヤモンド膜を成膜することで、省資源や工具コストの低減を実現することができるダイヤモンド膜の除去方法およびダイヤモンド膜被覆部材の製造方法を提案する。
【解決手段】 ダイヤモンド膜被覆部材を真空焼結炉に入れ、浸炭雰囲気または真空雰囲気で熱処理することによりダイヤモンド膜を除去する。熱処理の温度は、９５０〜１１００℃とし、浸炭雰囲気で行う場合、炭化水素のみの雰囲気とする。そして、このようにしてダイヤモンド膜を剥がした基材をＣＶＤ炉に入れ、基材の表面にダイヤモンド膜を再被覆する。
【選択図】 なし

Description

本発明は、基材としての超硬合金にダイヤモンド膜を被覆したダイヤモンド被覆部材からダイヤモンド膜を除去する方法、およびダイヤモンド膜被覆部材からダイヤモンド膜を除去した超硬合金にダイヤモンド膜を再び被覆しダイヤモンド膜被覆部材を製造する方法に関する。

従来、超硬合金により製作されたドリルなどの切削工具は、省資源やコスト低減の観点から切れ刃を再研磨して、何度も再生しながら有効に使用されている。しかしながら、硬質膜などの被覆が施された被覆工具では、その被膜を容易に除去できないため、再研磨をして再生するということはあまり行われていないのが実状である。特に、超硬合金基材にダイヤモンド膜を被覆したダイヤモンド膜被覆工具では、難切削材の切削加工に用いられるほど膜の密着力が高いため、被覆を除去するのは容易ではなく、再生するのは困難である。

このような背景の下、特許文献１では、ダイヤモンド被覆の除去方法およびダイヤモンド被覆部材の製造方法が提案されている。この文献では、ダイヤモンド膜が被覆された基材を所定圧力に減圧された反応炉内で加熱するとともに酸素ガスを導入し、酸素によって燃焼させてダイヤモンド膜を除去する方法が提案されている。また、反応炉についてはマイクロ波プラズマＣＶＤ装置が好ましいとされ、マイクロ波によりダイヤモンド被覆部材を加熱することが述べられている。この発明は、基材に対して強固な密着力を持つダイヤモンド膜を除去するという点で非常に画期的なものである。
特開２００１−２９５０４４号公報

しかしながら、基材に超硬合金を用いたダイヤモンド膜被覆部材に対し上記の特許文献１の方法でダイヤモンド膜を除去しようとした場合、以下のような問題点がある。一般的に超硬合金はＣｏなどの結合相とＷＣなどの硬質粒子によって構成された複合材料であり、超硬合金の性質を大きく左右する要因として合金炭素量があげられる。合金中に存在する炭素量が少ない超硬合金ではＣｏ中にＷが固溶し、η相と呼ばれる複炭化物を生成する。このような状態の超硬合金を基材としてその表面にダイヤモンドの成膜を行おうとすると、遊離炭素が多量に発生するため、高い膜密着力を持ったダイヤモンド膜被覆部材が得られず、最悪の場合、ダイヤモンド膜さえ形成できない場合もある。また、前記η相を形成した超硬合金は抗折力が低くなり、強度が１０〜２０％程度低下してしまう。
上記の特許文献１の方法では、ダイヤモンド膜を除去するためにダイヤモンド被覆部材を酸素雰囲気の反応炉内で熱処理をしているため、ダイヤモンド膜は除去できるが、基材である超硬合金の合金炭素量は低下してしまい、場合によっては、超硬合金表面にη相を形成してしまう恐れがある。このような状態になると上記のように、高い膜密着力を持ったダイヤモンド膜被覆部材が得られないだけでなく、基材の強度低下も起こしてしまう問題が発生する。

このようなことから、本発明は基材に超硬合金を使ったダイヤモンド膜被覆部材から、基材の強度を低下させることなくダイヤモンド膜を容易に除去でき、再びダイヤモンド膜を成膜することで、省資源や工具コストの低減を実現することができるダイヤモンド膜の除去方法およびダイヤモンド膜被覆部材の製造方法を提案するものである。

本発明のダイヤモンド膜の除去方法における特徴は、超硬合金の表面にダイヤモンド膜が被覆されたダイヤモンド膜被覆部材からダイヤモンド膜を除去する方法であって、真空焼結炉を使用して浸炭雰囲気での熱処理によりダイヤモンド膜を除去することである。

ダイヤモンド膜被覆部材を高温で熱処理することで、超硬合金中のダイヤモンド膜近傍にあるＣｏが動きだし、ダイヤモンド膜と超硬合金との接着界面でダイヤモンド膜に接触する。高温領域において、Ｃｏはダイヤモンド膜を遊離炭素に変化させる作用を持っており、上記の接触が起こることでＷＣとダイヤモンド膜との間に遊離炭素が発生し、熱処理を続けると、遊離炭素が多量に発生するため前述の理由により、ダイヤモンド膜の超硬合金に対する膜密着力は低下していく。さらに、通常、ダイヤモンド膜と超硬合金の熱膨張係数は異なり、これらの界面には大きな残留応力が存在するが、上記の膜密着力の低下がある一定の状態に達すると残留応力に耐えることができなくなり、ダイヤモンド膜は自然剥離を起こす。この自然剥離が起こる際の超硬合金の寸法変化はナノメートルオーダーであるため、ダイヤモンド膜を除去した超硬合金は、切れ刃が摩耗などを起こしていなければそのままの状態で再成膜を行うことができる。もちろん再研磨を行い、切れ刃部分を新たに形成することも有効である。

ＣｏによりＷＣとダイヤモンド膜との間に遊離炭素を形成させるためにはＣｏが十分に移動できる温度が必要である。このような観点から熱処理の温度は８００℃以上とするのが好ましい。また、その熱処理をする雰囲気は浸炭雰囲気にする必要がある。前述のように、超硬合金の特性はその合金炭素量によって大きく変化し、合金炭素量が少ないものは抗折強度も低下するので、満足のいく膜密着力および強度を有するダイヤモンド膜被覆部材とすることはできない。そのため、浸炭雰囲気で熱処理を行うことにより、超硬合金が脱炭するのを防止でき、膜密着力が高く強度の高いダイヤモンド膜被覆部材とすることができる。

また、上記の浸炭雰囲気に代え、真空雰囲気で熱処理を行うこともできる。真空雰囲気で熱処理を行うのは、ダイヤモンド被覆部材の超硬合金中の合金炭素量が過飽和になっていて、これ以上浸炭させたくない状態のものからダイヤモンド膜を除去する場合に有効である。

上記の浸炭雰囲気および真空雰囲気のいずれにおいても熱処理の処理温度は９５０℃以上１１００℃以下とするのが好ましい。９５０℃以上とする理由は、これ以下の温度であるとＣｏの移動距離が短くなったり、ダイヤモンド膜への触媒能力が低くなって、遊離炭素の発生が少なくなるため、ダイヤモンド膜を除去する能力が低く、短時間に効率よくダイヤモンド膜を除去できないからである。また、１１００℃以下とする理由は、これ以上の温度であると超硬合金中のＷＣの粒成長が活発になるため超硬合金表面が極端に粗くなり、基材部分の光沢がなくなって外観が悪化するためである。

上記の浸炭雰囲気で熱処理を行う場合、処理雰囲気は炭化水素のみの浸炭雰囲気とすることが好ましい。

上記の浸炭雰囲気で熱処理を行う場合、熱処理の圧力は１．３ｋｐａ以下とするのが好ましい。これ以上の圧力では、炉内に多量の煤が付着するスーティング現象が起こる可能性があり、一度スーティング現象が発生すると炉内の絶縁部が導電してしまうため炉の故障に繋がり、不良品が発生する恐れがある。

また、上記の真空雰囲気で熱処理を行う場合、熱処理の圧力は１．３×１０^−４ｋｐａ以下とするのが好ましい。このような真空度とすることで、酸素や水分などにより超硬合金が脱炭されることが防止される。

本発明のダイヤモンド膜被覆部材の製造方法の特徴は、超硬合金の表面にダイヤモンド膜が被覆されたダイヤモンド膜被覆部材の、前記超硬合金の部分を再利用して新たなダイヤモンド膜被覆部材を製造する方法であって、上記に記載のいずれかの方法により、前記ダイヤモンド膜被覆部材からダイヤモンド膜を除去するダイヤモンド膜除去工程と、ダイヤモンド膜が除去された超硬合金の表面に新たにダイヤモンド膜を被覆する再成膜工程とを有することである。

上記に記載の方法によりダイヤモンド膜を除去することにより、超硬合金の再研磨をすることなく再成膜することができ、超硬合金の強度の低下なども起こらないので、品質の高いダイヤモンド膜被覆部材とすることができ、省資源や工具コストの低減を実現することができる。

本発明のダイヤモンド膜の除去方法によれば、簡単な設備で処理を行うことができ、品質に悪影響を与えるような有害相が超硬合金表面に形成されずに、ダイヤモンド膜を除去することができる。また、このような除去方法によりダイヤモンド膜被覆部材からダイヤモンド膜を除去した後、超硬合金表面に再成膜を行うことで、省資源や工具コストの低減をさせることができる。

本発明のダイヤモンド膜の除去方法は、ＷＣの硬質相とＣｏの結合相からなる超硬合金を基材として、その表面にダイヤモンド膜が被覆された部材からダイヤモンド膜を除去するのに用いられる。このようなダイヤモンド膜被覆部材を真空焼結炉内に入れ、炉内にメタンガスを流し込んで浸炭雰囲気にし、圧力を１．３ｋｐａ以下に設定した状態で加熱し、ダイヤモンド膜被覆部材の熱処理を行う。このような熱処理を行うと、超硬合金中のＣｏのうちダイヤモンド膜との界面付近に存在するＣｏが動き始め、界面でこのＣｏがダイヤモンド膜に接触する。このＣｏはダイヤモンド膜を遊離炭素に変化させ、ＷＣとダイヤモンド膜との界面に遊離炭素を発生させるので、熱処理を継続することで遊離炭素が増え、ダイヤモンド膜とＷＣとの間の接合力が低下していってダイヤモンド膜の密着力が低下していく。そして高温に加熱された雰囲気中にあるダイヤモンド膜被覆部材は、ダイヤモンド膜と超硬合金の熱膨張係数の差により、両者の界面には残留応力が発生し、この応力によってダイヤモンド膜が超硬合金から剥がれる。炉内の雰囲気は上記の浸炭雰囲気の他、真空雰囲気にして熱処理を行うことも可能であり、この場合炉内の圧力は１．３×１０^−４ｋｐａ以下に設定する。

本発明のダイヤモンド膜被覆部材の製造方法は、上記のようにしてダイヤモンド膜を剥がした基材を気相合成用の炉内に入れ、新たにダイヤモンド膜を被覆する。この場合に、基材の表面は特に何も処理を行わないままダイヤモンド膜を被覆することができるが、基材表面の状態によっては、再研磨を行ってからダイヤモンド膜を被覆することが好ましい。

本発明の効果を確認するため、超硬合金（ＷＣ−５％Ｃｏ）の基材表面にダイヤモンド膜が被覆されたφ３．４のドリルを準備し、ダイヤモンド膜の除去、再被覆、および再被覆されたドリルを使っての切削試験を行った。ダイヤモンド膜の除去を行う条件を表１に示す。本発明のダイヤモンド膜の除去条件として、雰囲気については、メタンを封入した雰囲気、メタンを常時流し込んでいる雰囲気および真空雰囲気の３種類で行った。これに対して、従来例である比較例のものでは、酸素を常時流した雰囲気でダイヤモンド膜の除去を行った。なお、表１のうち本発明１〜３の流量については、メタンを封入する際に炉内にメタンを流す流量を示している。

上記条件によりダイヤモンド膜を除去した基材をＣＶＤ炉内にセットし、熱フィラメント法によって膜厚が８μｍになるようダイヤモンド膜を再被覆した。ダイヤモンド膜の再被覆を行う条件は何れのドリルも同じである。このようにしてダイヤモンド膜を再被覆したドリルを用いて、硬質カーボン（ＫＣ−５７）の切削試験を実施した。試験の評価方法は、５０穴加工時および１００穴加工時におけるドリルの切刃部分の損傷状況を確認することで行った。切削試験の加工条件として、ドリル回転数は３０００ｒｐｍ、ドリルの送り速度は０．１ｍｍ／ｒｅｖ、加工深さは１６ｍｍである。

以上のドリルを用いて各条件でダイヤモンド膜の除去を行い、ダイヤモンド膜を再被覆して切削試験を行った結果、本発明のうちダイヤモンド膜の除去を行う際の温度が８００℃のものについては、表１の条件で膜の除去を１回行っただけでは膜の除去は不十分であり、一部のダイヤモンド膜が残ったため、もう一度同じ除去処理が必要であった。また、本発明のうちダイヤモンド膜の除去を行う際の温度が１１５０℃のものについては、基材の部分の表面の光沢がなくなり外観が悪くなっていた。このように、本発明の中でも少し手間がかかったり、外観不良は発生したが、何れのドリルも１００穴加工した時点でダイヤモンド膜が剥離しているものはなく、再被覆したダイヤモンド膜であっても使用には問題のないことがわかった。これに対し、比較例１のドリルでは、ダイヤモンド膜は除去できたものの再被覆後のドリルで硬質カーボンを加工した場合に、５０穴加工しただけでダイヤモンド膜の剥離が生じており、使用不可能となった。このドリルのダイヤモンド膜が早期に剥離したのは、基材である超硬合金が低炭素合金化してしまったためと考えられる。

本発明のダイヤモンド膜を除去する方法は、ダイヤモンド膜被覆工具で加工中に、切れ刃のダイヤモンド膜が剥離した場合などに、基材を再利用するのに利用できる。また、本発明のダイヤモンド膜被覆部材の製造方法は、ダイヤモンド膜被覆工具で加工中に、切れ刃のダイヤモンド膜が剥離した場合などに、ダイヤモンド膜を再被覆する場合に利用できる。

Claims (7)

1. 超硬合金の表面にダイヤモンド膜が被覆されたダイヤモンド膜被覆部材からダイヤモンド膜を除去する方法であって、
   真空焼結炉を使用して浸炭雰囲気での熱処理によりダイヤモンド膜を除去することを特徴とするダイヤモンド膜の除去方法。
2. 超硬合金の表面にダイヤモンド膜が被覆されたダイヤモンド膜被覆部材からダイヤモンド膜を除去する方法であって、
   真空焼結炉を使用して真空雰囲気での熱処理によりダイヤモンド膜を除去することを特徴とするダイヤモンド膜の除去方法。
3. 前記熱処理の処理温度が９５０℃以上１１００℃以下であ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膜の除去方法。
4. 前記熱処理の処理雰囲気が炭化水素のみの雰囲気であることを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド膜の除去方法。
5. 前記熱処理の圧力が１．３ｋｐａ以下であることを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド膜の除去方法。
6. 前記熱処理の圧力が１．３×１０^−４ｋｐａ以下であることを特徴とする請求項２に記載のダイヤモンド膜の除去方法。
7. 超硬合金の表面にダイヤモンド膜が被覆されたダイヤモンド膜被覆部材の、前記超硬合金の部分を再利用して新たなダイヤモンド膜被覆部材を製造する方法であって、
   請求項１〜６のいずれかに記載の方法により、前記ダイヤモンド膜被覆部材からダイヤモンド膜を除去するダイヤモンド膜除去工程と、
   ダイヤモンド膜が除去された超硬合金の表面に新たにダイヤモンド膜を被覆する再成膜工程とを有することを特徴とするダイヤモンド膜被覆部材の製造方法。