JP2011177799A

JP2011177799A - ダイヤモンド被覆切削工具

Info

Publication number: JP2011177799A
Application number: JP2010041640A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Matsuki; 竜一松木; Hideo Oshima; 秀夫大島
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2010-02-26
Publication date: 2011-09-15
Anticipated expiration: 2030-02-26
Also published as: CN102189279A; JP5499771B2

Abstract

【課題】難削材の切削加工において、切削抵抗が低く、耐摩耗性に優れたダイヤモンド被覆切削工具を提供する。
【解決手段】ダイヤモンド被覆切削工具において、ダイヤモンド皮膜の膜厚方向に垂直な平面内におけるダイヤモンド結晶粒の粒径分布をとった場合に、平均粒径０．０５〜０．５μｍの位置と平均粒径０．８〜５μｍの位置に粒径分布のピークが存在し、かつ、平均粒径０．０５〜０．５μｍの粒子の面積割合が全体の２０〜４０％、また、平均粒径０．８〜５μｍの粒子の面積割合が全体の４０〜８０％を占めるダイヤモンド結晶粒によってダイヤモンド皮膜を構成することによって、皮膜の平滑性を高めると同時に耐摩耗性を向上させる。
【選択図】図１

Description

この発明は、ダイヤモンド被覆切削工具に関し、例えば、金属材料よりも比強度、比剛性の高いＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics。炭素繊維強化プラスチック）あるいは溶着性の高いＡｌ合金等の切削加工に用いた場合に、ダイヤモンド皮膜の表面平滑性を高めることにより切削抵抗を下げ、さらに、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するようにしたダイヤモンド被覆切削工具（以下、ダイヤモンド被覆工具という）に関するものである。

ダイヤモンド被覆部材は、工具部材、耐摩耗部材、摺動部材等の多方面の用途に利用されているが、従来から、基体との密着性が不十分であるため、これを改善するために種々の方策が提案されている。
例えば、基体に対して粒径０．１〜１００μｍのダイヤモンド粒子をぶつけて、表面に傷をつけ、かつ、形成されたくぼみ内にダイヤモンド粒子を入り込ませ、これら傷およびダイヤモンド粒子を成長核として気相合成法によりダイヤモンド膜を形成したダイヤモンド被覆工具（以下、従来ダイヤモンド被覆工具という）が知られており、これによってある程度皮膜密着性は改善されているが、このような従来ダイヤモンド被覆工具を部材を、ＣＦＲＰあるいはＡｌ合金等の難削材の切削工具として用いたような場合には、切削抵抗が大であったり、ダイヤモンド皮膜の密着性が十分でないために欠損・剥離を生じたり、長期の使用に亘って十分な耐摩耗性を確保することができず工具寿命が短命である等の問題点があった。

特開平４−１２９６２２号公報

近年の切削加工装置のＦＡ化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、更に、切削条件はますます厳しいものとなってきている。上記の従来ダイヤモンド被覆工具を、通常条件での切削加工において用いた場合に特段問題が生じない場合であっても、これを、一般の金属材料に比して、比強度、比剛性にすぐれるＣＦＲＰの切削、軟質で溶着性の高いＡｌ合金等の切削に用いた場合には、ＣＦＲＰは炭素繊維とエポキシ系樹脂の複合材であるため工具摩耗が激しいばかりか欠損も生じやすく、また、Ａｌ合金等は、切削時の高熱発生により切刃への溶着を生じやすく、シャープな切刃を維持することが困難であるばかりか、欠損が生じやすくなり、工具寿命が短命であることから、ＣＦＲＰ、Ａｌ合金等の難削材の切削においても、欠損・剥離等を生じず、すぐれた耐摩耗性を備えたダイヤモンド被覆工具が望まれている。

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、特に難削材であるＣＦＲＰあるいは溶着性の高いＡｌ合金等の切削加工において、切削抵抗が低く、かつ、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を示すダイヤモンド被覆工具を開発すべく鋭意研究を行った結果、以下の知見を得た。
図１には、本発明のダイヤモンド被覆工具のダイヤモンド皮膜の成膜段階を示す模式図であるが、図１（ａ）において、初期段階では、工具基体（母材）の表面に、サイズの異なる初期核を生成させ、図１（ｂ）に示す成膜段階では、異なるサイズの初期核からそれぞれダイヤモンド粒子を成長させた場合には、微粒ダイヤモンド結晶粒および粗粒ダイヤモンド結晶粒という粒子サイズが異なるダイヤモンド結晶粒によってダイヤモンド皮膜が構成されるが、微粒ダイヤモンド結晶粒および粗粒ダイヤモンド結晶粒の全ダイヤモンド皮膜中に占める含有割合を、それぞれ、所定の割合に定めることによって、このようなダイヤモンド皮膜を被覆したダイヤモンド被覆工具は、低切削抵抗を示すとともに、長期の使用に亘って、すぐれた耐摩耗性を発揮することを本発明者等は知見したのである。

この発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「切削工具基体表面にダイヤモンド皮膜が被覆形成されたダイヤモンド被覆切削工具において、
上記ダイヤモンド皮膜の膜厚方向に垂直な平面内におけるダイヤモンド結晶粒の粒径分布をとった場合に、平均粒径０．０５〜０．５μｍの位置と平均粒径０．８〜５μｍの位置に２つの粒径分布のピークが存在し、かつ、平均粒径０．０５〜０．５μｍの粒子の面積割合が全体の２０〜４０％、また、平均粒径０．８〜５μｍの粒子の面積割合が全体の４０〜８０％を占めるダイヤモンド結晶粒によってダイヤモンド皮膜が構成されていることを特徴とするダイヤモンド被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。

つぎに、この発明のダイヤモンド被覆工具の被覆層について、詳細に説明する。

初期核の生成：
本発明のダイヤモンド皮膜の形成は、初期核の生成およびダイヤモンド粒子の成長という２段階によって行うが、成膜初期段階の初期核の生成においては、まず、工具基体表面にサイズの異なる２種類の初期核を生成する。具体的には、まず、中心粒径の異なるダイヤモンド粒子を分散したスラリー中で基板を超音波処理することでサイズの異なる核生成サイトを形成させる。例えば、中心粒径が５〜２０ｎｍと０．１〜３．０μｍの２種のダイヤモンド粒子を含むスラリー中で超音波処理した後、所定の合成条件でダイヤモンド膜を合成することによって、サイズが１０〜８０ｎｍの微細初期核と、サイズが１００〜５００ｎｍの粗大初期核の２種類の異なったサイズの初期核を工具基体表面に生成させる。
なお、本発明でいうサイズ、粒径とは、膜厚方向と垂直な面内における個々の初期核、粒子の最大直径を言い、膜厚方向の初期核、粒子の個々の最大直径は「長さ」という。
初期核の層厚が増大すると初期核層と工具母材表面との界面で生じる応力が増大し、膜の密着性を低下させることがあることから、初期核の層厚は、粗大初期核が単層を形成する程度の厚さであることが望ましい（即ち、最大でも５００ｎｍ以下）。また、微細初期核の長さによっては、微細初期核は単層でなく複層を形成する場合があるが、微細初期核層と工具母材表面に空隙を生じさせず強固な界面を形成させる点から、微細初期核は１０層までの複層であることが望ましく、微細初期核は３〜７層で形成されていることが、さらに望ましい。

ダイヤモンド粒子の成長：
工具基体表面直上に形成された異なるサイズの初期核（微細初期核と粗大初期核）を粒子成長の核として、ダイヤモンド皮膜を成膜する。
ダイヤモンド皮膜は、例えば、以下の条件の熱フィラメント法により形成する。
成膜圧力：１０〜５０Ｔｏｒｒ、
フィラメント温度：２０００〜２４００℃
反応ガスＣＨ_４：０．５〜５．０ｖｏｌ％残Ｈ_２
フィラメント基板間隔：１０〜３０ｍｍ
基体温度：７５０〜９５０℃
上記成膜条件により、微細初期核と粗大初期核をそれぞれ粒子成長の核として、ダイヤモンド粒子が成長し、０．０５〜０．５μｍの粒径のダイヤモンド粒子（微細粒子という）と、０．８〜５μｍの粒径のダイヤモンド粒子（粗大粒子という）を主体としたダイヤモンド皮膜が形成される。
このダイヤモンド皮膜の膜厚（初期核の層厚との合計）は、５μｍ未満では、難削材の切削加工において長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を十分に発揮することはできず、また、膜厚が５０μｍを超えると、皮膜表面の平滑性が低下し、欠損等を発生しやすくなることから、ダイヤモンド皮膜の膜厚（初期核の層厚との合計）は、５〜５０μｍとすることが望ましい。

上記微細粒子と粗大粒子を主体としたダイヤモンド皮膜について、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）による皮膜表面の観察から、その粒径分布を測定すると、平均粒径０．０５〜０．５μｍの位置と平均粒径０．８〜５μｍの位置に２つの粒径分布のピークが存在し、かつ、平均粒径０．０５〜０．５μｍの粒子の面積割合（即ち、微細粒子の占める面積割合）が全体の２０〜４０％であり、また、平均粒径０．８〜５μｍの粒子の面積割合（即ち、粗大粒子の占める面積割合）が全体の４０〜８０％であることが分かる。
上記微細粒子の占める面積割合が４０％を超えると、あるいは、粗大粒子の占める面積割合が４０％未満であると、難削材の切削加工において、耐摩耗性が十分でないため、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を維持することができず、一方、微細粒子の占める面積割合が２０％未満である、あるいは、粗大粒子の占める面積割合が８０％を超えると、ダイヤモンド皮膜の表面平滑性が低下し、難削材の切削加工において、特に、切削初期の切削抵抗が増加し、欠損・剥離等を発生しやすくなることから、微細粒子および粗大粒子の粒径面積割合は、それぞれ、２０〜４０％、４０〜８０％と定めた。
上記微細粒子、粗大粒子の粒径面積割合は、工具基体表面の超音波処理条件とダイヤモンド膜成長条件によって影響されることから、所定の粒径面積割合とするためには、基体の超音波処理に使用するダイヤモンドスラリー中のダイヤモンドの平均粒径を５〜２０μｍと０．１〜３．０μｍの２種類となるように調整し、また、ダイヤモンド粒子の成長における成膜条件のうちのフィラメント温度と合成ガス中のＣＨ_４ガス割合をそれぞれ２０００〜２４００℃、０．５〜５．０ｖｏｌ％の範囲に調整しなければならない。

この発明のダイヤモンド被覆工具は、ダイヤモンド皮膜が、それぞれ所定割合の微細粒子と粗大粒子とを主体として構成されていることによって、皮膜表面はすぐれた平滑性を備えるとともに、すぐれた耐摩耗性を相兼ね備えることから、比強度、比剛性の高いＣＦＲＰあるいは溶着性の高いＡｌ合金等の難削材の切削加工において、欠損・剥離等を発生することなく、長期の使用に亘って、すぐれた耐摩耗性を発揮することができる。

本発明のダイヤモンド被覆工具のダイヤモンド皮膜の成膜段階を示す模式図であり、（ａ）は初期核形成段階、（ｂ）は粒子の成長段階を示す。

つぎに、この発明のダイヤモンド被覆工具を実施例により具体的に説明する。
ここでは、ダイヤモンド被覆工具を、ドリルに適用した場合について述べるが、本発明はこれに限定されるものではなく、各種の切削工具に適用することが可能である。

原料粉末として、平均粒径：５．５μｍを有する中粗粒ＷＣ粉末、同０．８μｍの微粒ＷＣ粉末、同１．３μｍのＴａＣ粉末、同１．２μｍのＮｂＣ粉末、同１．２μｍのＺｒＣ粉末、同２．３μｍのＣｒ_３Ｃ_２粉末、同１．５μｍのＶＣ粉末、同１．０μｍの（Ｔｉ，Ｗ）Ｃ［質量比で、ＴｉＣ／ＷＣ＝５０／５０］粉末、および同１．８μｍのＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末をそれぞれ表１に示される配合組成に配合し、さらにワックスを加えてアセトン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で所定形状の各種の圧粉体にプレス成形し、これらの圧粉体を、６Ｐａの真空雰囲気中、７℃／分の昇温速度で１３７０〜１４７０℃の範囲内の所定の温度に昇温し、この温度に１時間保持後、炉冷の条件で焼結して、直径が１３ｍｍの工具基体形成用丸棒焼結体を形成し、さらに前記の丸棒焼結体から、研削加工にて、溝形成部の直径×長さが１０ｍｍ×２２ｍｍの寸法、並びにねじれ角３０度の２枚刃形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−８をそれぞれ製造した。

ついで、これらの工具基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−８の切刃にホーニングを施し、その表面をアセトン中で超音波洗浄し、乾燥した後、酸溶液によるエッチングおよび／またはアルカリ溶液によるエッチング処理を行い、さらに、ダイヤモンド粉末スラリー液を用いて超音波洗浄器で超音波処理を行なった後、
成膜圧力：１０〜５０Ｔｏｒｒ、
フィラメント温度：２０００〜２４００℃
反応ガスＣＨ_４：０．５〜５．０ｖｏｌ％残Ｈ_２
フィラメント基板間隔：１０〜３０ｍｍ
基体温度：７５０〜９５０℃
の範囲内の条件で、初期核（微細初期核と粗大初期核）の生成を行った。超音波処理に使用したダイヤモンドスラリーに含まれるダイヤモンドの平均粒径を表２に示す。
ついで、表３に示す条件で、ダイヤモンド皮膜の成膜を行うことにより、表４に示す本発明のダイヤモンド被覆ドリル（以下、本発明ドリルという）１〜８をそれぞれ製造した。
ダイヤモンド皮膜中に形成された微細粒子と粗大粒子の粒径面積割合を表４に示す。

比較の目的で、上記の工具基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−４の表面に、表３に示す条件でダイヤモンド皮膜の成膜を行うことにより、表５に示す比較例のダイヤモンド被覆ドリル（以下、比較ドリルという）１〜８をそれぞれ製造した。

本発明ドリル１〜８の初期核のサイズの測定は、基体表面のＳＥＭ観察により行った。
また、本発明ドリル１〜８および比較例ドリル１〜８のダイヤモンド皮膜の微細粒子と粗大粒子の粒径分布測定は、ダイヤモンド皮膜形成後のドリルの表面のＳＥＭ観察により行った。

つぎに、上記本発明ドリル１〜８および比較ドリル１〜８のそれぞれについて、
[切削条件１]
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：８ｍｍの、炭素繊維と熱硬化型エポキシ系樹脂が直交積層構造を持つ炭素繊維強化樹脂複合材（ＣＦＲＰ）の板材、
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．０６ｍｍ／ｒｅｖ、
貫通穴：（８ｍｍ）、
の条件での上記ＣＦＲＰの乾式穴あけ切削加工試験、
[切削条件２]
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：１５ｍｍの、ＪＩＳ・ＡＤＣ１２の板材
切削速度：２２０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．０９ｍｍ／ｒｅｖ、
貫通穴：（１５ｍｍ）、
の条件での上記Ａｌ合金の乾式穴あけ切削加工試験、
をそれぞれ行い、いずれの切削加工試験でも、加工穴寸法精度が０．０４ｍｍを超えるまでの穴あけ加工数を測定した。
この測定結果を表６にそれぞれ示した。

表４に示される結果から、本発明ダイヤモンド被覆工具は、ダイヤモンド皮膜が所定割合の微細粒子と粗大粒子を主体として構成され、皮膜表面はすぐれた平滑性を備えるとともにすぐれた耐摩耗性を有することから、比強度、比剛性の高いＣＦＲＰあるいは溶着性の高いＡｌ合金等の難削材の切削加工に際し、切削抵抗が少なく、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮することができる。
これに対して、ダイヤモンド皮膜が、ほぼ均一な粒径のダイヤモンド粒子で構成されている比較ドリル１〜８は、特に切削初期の切削抵抗が高いため、欠損・剥離等を発生しやすく、あるいは、耐摩耗性が十分ではないため、工具寿命が短命なものであった。

上述のように、この発明のダイヤモンド被覆工具は、金属材料よりも比強度、比剛性の高いＣＦＲＰあるいは溶着性の高いＡｌ合金等の難削材の切削加工において、切削抵抗が少なく、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するものであるが、通常条件での切削加工でも勿論使用可能であり、また、切削加工装置のＦＡ化、並びに切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に十分満足に対応できるものである。

Claims

切削工具基体表面にダイヤモンド皮膜が被覆形成されたダイヤモンド被覆切削工具において、
上記ダイヤモンド皮膜の膜厚方向に垂直な平面内におけるダイヤモンド結晶粒の粒径分布をとった場合に、平均粒径０．０５〜０．５μｍの位置と平均粒径０．８〜５μｍの位置に２つの粒径分布のピークが存在し、かつ、平均粒径０．０５〜０．５μｍの粒子の面積割合が全体の２０〜４０％、また、平均粒径０．８〜５μｍの粒子の面積割合が全体の４０〜８０％を占めるダイヤモンド結晶粒によってダイヤモンド皮膜が構成されていることを特徴とするダイヤモンド被覆切削工具。