JP2591865B2 - Polycrystalline diamond tool and its manufacturing method - Google Patents

Polycrystalline diamond tool and its manufacturing method

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JP2591865B2
JP2591865B2 JP8151491A JP8151491A JP2591865B2 JP 2591865 B2 JP2591865 B2 JP 2591865B2 JP 8151491 A JP8151491 A JP 8151491A JP 8151491 A JP8151491 A JP 8151491A JP 2591865 B2 JP2591865 B2 JP 2591865B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、切削工具や耐摩工具等
として好適な、強度、耐摩耗性、耐欠損性、耐溶着性、
耐熱性が著しく改善された工具用多結晶ダイヤモンド、
及びその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention provides strength, wear resistance, chipping resistance, welding resistance,
Polycrystalline diamond for tools with remarkably improved heat resistance,
And its manufacturing method.

【0002】[0002]

【従来の技術】工具用ダイヤモンドは、従来焼結によっ
て作られた。ダイヤモンド微粉末を型に入れ高温高圧下
で焼結するものである。焼結ダイヤモンドを用いた工具
は非鉄金属の切削工具、ドリルビット、線引きダイス等
に使用されている。例えば、特公昭52−12126号
公報には、ダイヤモンド粉末をWC−Co系超硬合金の
粉末成形体に接触させた状態で焼結し、Coの一部をダ
イヤモンド粉末中に結合金属として侵入させることによ
って、約10〜15体積%のCoを有するダイヤモンド
焼結体が開示されている。
BACKGROUND OF THE INVENTION Diamond for tools has conventionally been made by sintering. The diamond fine powder is put into a mold and sintered under high temperature and high pressure. Tools using sintered diamond are used for cutting tools, drill bits, drawing dies and the like of non-ferrous metals. For example, Japanese Patent Publication No. 52-12126 discloses a method in which diamond powder is sintered in a state of being in contact with a powder compact of a WC-Co cemented carbide, and a part of Co is caused to enter the diamond powder as a bonding metal. Accordingly, a diamond sintered body having about 10 to 15% by volume of Co is disclosed.

【0003】このダイヤモンド焼結体は、非鉄金属の切
削工具として実用的性能を有する。しかしこれは耐熱性
に難点があった。例えば700℃以上に加熱すると耐摩
耗性や強度が低下する。さらに900℃以上の温度では
焼結体が破壊されてしまう。このような耐熱性低下の原
因は次のように考えられる。ひとつは結合材であるCo
とダイヤモンド粒子の界面でダイヤモンドが黒鉛化する
ということである。もうひとつはCoとダイヤモンドの
熱膨脹率が違うので高温になると両者の界面に強い熱応
力が発生するためである。
[0003] This diamond sintered body has practical performance as a cutting tool for non-ferrous metals. However, this had a problem in heat resistance. For example, when heated to 700 ° C. or higher, wear resistance and strength are reduced. Further, at a temperature of 900 ° C. or more, the sintered body is broken. The cause of such a decrease in heat resistance is considered as follows. One is Co, a binder
Diamond is graphitized at the interface between the diamond and the diamond particles. The other is that, because the thermal expansion coefficients of Co and diamond are different, a high temperature causes a strong thermal stress at the interface between the two.

【0004】このようなダイヤモンド焼結体の耐熱性を
改善するために、特開昭53−114589は焼結体を
酸処理して、結合金属であるCoを除去することを提案
している。こうすればCoとダイヤモンドの界面という
ものが存在しないので、黒鉛化、熱応力の問題がなくな
る筈である。しかしこの方法では、Coが除去された後
が空孔となってしまう。耐熱性は向上するが、機械的強
度は低下するという難点があった。焼結法にはこのよう
な難点があり強度、耐熱性ともに優れたものを作ること
が難しい。
[0004] In order to improve the heat resistance of such a diamond sintered body, Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 53-114589 proposes that the sintered body be treated with an acid to remove Co as a binding metal. In this case, since there is no interface between Co and diamond, the problems of graphitization and thermal stress should be eliminated. However, in this method, holes are formed after Co is removed. The heat resistance is improved, but the mechanical strength is reduced. The sintering method has such difficulties, and it is difficult to produce a material having excellent strength and heat resistance.

【0005】最近では気相からダイヤモンドを化学的に
合成することが可能になってきた。化学的気相堆積法
(CVD法)または単に気相合成法という。約5体積%
以下の炭化水素ガスを、水素ガスによって希釈し数十T
orrの減圧下においてダイヤモンドを基材の上に析出
させるものである。原料ガスをどのように分解し励起す
るかについて様々な方法が提案されていていくつものC
VD法がある。加熱したり、電子、プラズマで励起した
りする。
[0005] Recently, it has become possible to chemically synthesize diamond from the gas phase. It is referred to as chemical vapor deposition (CVD) or simply vapor synthesis. About 5% by volume
The following hydrocarbon gas is diluted with hydrogen gas to
The diamond is deposited on the substrate under a reduced pressure of orr. Various methods have been proposed for how to decompose and excite the source gas.
There is a VD method. It is heated or excited by electrons or plasma.

【0006】特開昭58−91100号公報には原料ガ
スを1000℃以上に加熱した熱電子放射材によって予
備加熱し、加熱された基材表面に原料ガスを導き炭化水
素を熱分解させ、基材上にダイヤモンドを析出させる方
法が提案されている。特開昭58−11049号公報は
水素ガスをマイクロ波プラズマCVD法無電極放電中を
通過させた後、炭化水素ガスと混合し基材上にダイヤモ
ンドを析出させる方法を提案している。
Japanese Unexamined Patent Publication (Kokai) No. 58-91100 discloses that a raw material gas is preliminarily heated by a thermionic emission material heated to 1000 ° C. or more, and the raw material gas is guided to the heated base material surface to thermally decompose hydrocarbons. A method of depositing diamond on a material has been proposed. JP-A-58-11049 proposes a method in which a hydrogen gas is passed through an electrodeless discharge by a microwave plasma CVD method, and then mixed with a hydrocarbon gas to precipitate diamond on a substrate.

【0007】特開昭59−30398号公報には水素ガ
スと不活性ガスとの混合ガスにマイクロ波を導入してプ
ラズマを発生させ炭化水素をプラズマによって分解し、
300℃〜1300℃に加熱された基材にダイヤモンド
を析出させる方法が開示されている。このようにCVD
法によってダイヤモンド膜を合成する方法はいくつもあ
る。合成したダイヤモンド膜をどのように使うかという
と、二つの方法がある。
JP-A-59-30398 discloses that microwaves are introduced into a mixed gas of hydrogen gas and an inert gas to generate plasma, and hydrocarbons are decomposed by the plasma.
A method for depositing diamond on a substrate heated to 300 ° C to 1300 ° C is disclosed. Thus, CVD
There are various methods for synthesizing a diamond film by the method. There are two ways to use the synthesized diamond film.

【0008】ひとつは基材から剥離してダイヤモンドの
単体とするものである。これは改めて適当な工具に取り
付けられる。もうひとつは工具の刃先を基材としてこれ
にダイヤモンドを被覆するものである。特開平1−15
3228、特開平1−210201は、気相合成法でダ
イヤモンドを析出させた後、基材をエッチング除去しダ
イヤモンド単体とする。これを別体の工具主体の先に設
置固定することにより工具とする。しかしこれも耐欠損
性、耐摩耗性が不十分であってダイヤモンド本来の性能
を発揮できていない。CVD法で工具の先を多結晶ダイ
ヤモンドでコ−テイングした工具も提供されている。工
具または工具の一部を基材としてCVD方法でダイヤモ
ンドを成長させるのである。刃先はダイヤモンドである
ので強度も十分な筈である。しかしダイヤモンドの膜厚
が薄く、ダイヤモンドと基材との密着強度も不十分であ
って工具として十分な性能が得られていない。基材とダ
イヤモンドは異質であるから密着強度を高めることは難
しい。
[0008] One is to peel off from the base material to make diamond alone. It is again mounted on a suitable tool. The other is to coat diamond with the cutting edge of a tool as a base material. JP-A-1-15
3228, Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-210201 discloses a method in which diamond is deposited by a vapor phase synthesis method, and then the base material is removed by etching to obtain a single diamond. This is set as a tool by installing and fixing it at the tip of a separate tool main body. However, this also has insufficient fracture resistance and abrasion resistance and cannot exhibit the original performance of diamond. There is also provided a tool in which the tip of the tool is coated with polycrystalline diamond by a CVD method. The diamond is grown by the CVD method using the tool or a part of the tool as a base material. Since the cutting edge is diamond, it should have sufficient strength. However, the diamond film is thin and the adhesion strength between the diamond and the substrate is insufficient, so that sufficient performance as a tool has not been obtained. Since the base material and diamond are different, it is difficult to increase the adhesion strength.

【0009】特開平2−22471号公報は、組成に工
夫を加えたダイヤモンド膜を超硬合金にコ−テイングし
て密着強度を高めようとしている。しかしこれとて被切
削材の面粗度によっては切削性が悪い。さらに難削材
(例えば17%Al−Si合金、25%Al−Si合
金)を被切削材とする場合の切削特性が不十分である。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 22471/1990 attempts to increase the adhesion strength by coating a diamond film having a devised composition on a cemented carbide. However, the machinability is poor depending on the surface roughness of the workpiece. Furthermore, the cutting characteristics when a difficult-to-cut material (for example, a 17% Al-Si alloy, a 25% Al-Si alloy) is used as the material to be cut are insufficient.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】すなわち、本発明に係
る従来の事情に鑑み、強度、耐欠損性、耐溶着性、耐熱
性及び耐摩耗性を改善し、特に難削材に対し、耐欠損性
と耐摩耗性に優れた工具用多結晶ダイヤモンドを提供す
ることを目的とする。従来のダイヤモンド膜は気相合成
で作製したものであっても、膜質が厚み方向で大きく変
わるものではなく、均一な膜質構造をとるものであっ
た。従来の均一な膜質構造であるダイヤモンド工具で
は、ダイヤモンドの全体にわたって劣等なダイヤモンド
であるものは耐摩耗性、強度が低い、反対に全体が良質
のダイヤモンドで構成されたものは耐欠損性が悪いとい
う難点がある。結局均一な膜質のダイヤモンドでは上記
の条件を満足するものはできないということに本発明者
は気付いた。
That is, in view of the conventional circumstances according to the present invention, the strength, fracture resistance, welding resistance, heat resistance and abrasion resistance have been improved. It is an object of the present invention to provide a polycrystalline diamond for a tool having excellent wear resistance and wear resistance. Even if a conventional diamond film is formed by vapor phase synthesis, the film quality does not change significantly in the thickness direction, and has a uniform film quality structure. In conventional diamond tools with a uniform film quality structure, diamonds that are inferior throughout the diamond have low wear resistance and low strength, while those that are entirely made of good quality diamond have poor fracture resistance. There are difficulties. The inventor has noticed that a diamond having a uniform film quality cannot satisfy the above conditions.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明の多結晶ダイヤモ
ンド工具は、工具母材と多結晶ダイヤモンドとからな
り、工具刃先の母材面に多結晶ダイヤモンドの母材設置
固定面を当接して固定し、ダイヤモンドを刃先とする構
造の工具であって、ダイヤモンドの厚さが40μm以上
であり、ダイヤモンドの厚み方向に膜質が変化してお
り、刃先すくい面側のダイヤモンドの膜質が母材設置固
定面側のダイヤモンドの膜質よりも良好であるようにし
ている。つまり母材設置固定面側がより劣等で、すくい
面側がより優良な膜質になっている。この母材設置固定
面側のより劣等なダイヤモンドは欠陥が多く弾性率が低
いので靱性に富み、、刃先すくい面にかかる応力を緩和
し刃先の耐欠損性を向上させる。すくい面側は高品質の
ダイヤモンドであるので強度、耐熱性、耐溶着性に優れ
る。両面のダイヤモンドがお互いに長所を生かしあって
優れた工具となる。このようなすくい面、母材設置固定
面の性質の相補性が本発明の特徴である。
A polycrystalline diamond tool according to the present invention comprises a tool base material and a polycrystalline diamond, and is fixed by abutting a base material installation fixing surface of the polycrystalline diamond on a base material surface of a tool edge. And a tool having a structure in which diamond is used as a cutting edge, wherein the thickness of the diamond is 40 μm or more, the film quality changes in the thickness direction of the diamond, and the film quality of the diamond on the rake face of the cutting edge is a base material installation fixed surface. It is better than the film quality of the diamond on the side. That is, the base material installation fixed surface side is inferior, and the rake surface side has more excellent film quality. The inferior diamond on the base material installation fixed surface side has many defects and a low elastic modulus, so that it is rich in toughness, reduces the stress applied to the rake face of the cutting edge, and improves the chipping resistance of the cutting edge. Since the rake face is made of high quality diamond, it has excellent strength, heat resistance and welding resistance. Diamonds on both sides make the best use of each other's strengths. The complementarity of the properties of the rake face and the base material installation fixing face is a feature of the present invention.

【0012】ここでいうダイヤモンドとは純粋なダイヤ
モンド成分の他に非ダイヤモンド成分をも含む。気相合
成で析出させるダイヤモンドであるため、合成条件によ
っては結晶質のダイヤモンドの他に、非ダイヤモンド成
分(非晶質炭素成分、グラファイトなどのダイヤモンド
構造を持たない結晶質炭素成分)が結晶質のダイヤモン
ドの析出と同時に析出するからである。そして、良質な
ダイヤモンド膜とはこれらの非ダイヤモンド成分の析出
が極力抑えられたダイヤモンドの事である。また、ダイ
ヤモンド結晶自体についても歪み、欠陥等が少ない高結
晶性のものをいう。これに対して、悪質なダイヤモンド
膜とは全く逆のものであり、非ダイヤモンド成分の含有
量が多く、低結晶性で欠陥の多いのものをいう。本発明
は、従来のもののように膜質が一定なのではなく、ダイ
ヤモンドの膜質を厚み方向に変化させる。ダイヤモンド
の工具母材に設置する面は悪質なダイヤモンド膜とし、
反対側の実際に被削面を切削するすくい面は良質なダイ
ヤモンド膜質構造とするのである。
The diamond mentioned here includes a non-diamond component in addition to a pure diamond component. Depending on the synthesis conditions, non-diamond components (amorphous carbon components, crystalline carbon components having no diamond structure such as graphite, etc.) may be crystalline, depending on the synthesis conditions. This is because they are precipitated simultaneously with the precipitation of diamond. A high-quality diamond film is a diamond in which the precipitation of these non-diamond components is suppressed as much as possible. The diamond crystal itself has a high crystallinity with few distortions and defects. On the other hand, it is the opposite of a malicious diamond film, which has a high content of non-diamond components, low crystallinity and many defects. According to the present invention, the film quality is not constant as in the prior art, but is changed in the thickness direction of the diamond film. The surface installed on the diamond tool base material is a malicious diamond film,
The rake face on the opposite side, which actually cuts the work surface, has a high quality diamond film structure.

【0013】この場合ダイヤモンドの品質を評価するた
めの特性量が必要である。これについては2つの特性量
がある。 欠陥密度 非ダイヤモンド成分濃度である。非ダイヤモンド成分
というのは、非晶質炭素成分、グラファイトなどを意味
する。欠陥というのはダイヤモンド構造における結晶欠
陥のことである。両者は勿論異なる物理量であるが、互
いに相関関係がある。前述の条件はダイヤモンドの両面
のみの膜質によって本発明を定義しているが、より厚み
を持たせて両方の表面から一定深さの部分領域における
膜質、つまり非ダイヤモンド成分濃度、欠陥密度の大小
によっても定義できる。厚み方向に膜質の異なるダイヤ
モンド膜を作成するには、最も簡単には、通常気相合成
で用いる水素ガス(A)中の炭素原子含有ガス(B)の
モル分率Q=(B)/(A)を合成中に変化させればよ
い。Qを増やすと膜質が低下してゆく。また酸素の含有
率を下げていっても膜質が低下する。窒素を増やしてゆ
くことにより膜質を低下させることもできる。
In this case, a characteristic quantity for evaluating the quality of the diamond is required. There are two characteristic quantities for this. Defect density Non-diamond component concentration. The non-diamond component means an amorphous carbon component, graphite and the like. Defects are crystal defects in the diamond structure. Although both are of course different physical quantities, they have a correlation with each other. The above-mentioned conditions define the present invention by the film quality of only both sides of the diamond, but the film quality in a partial region having a certain depth from both surfaces by giving a greater thickness, that is, the non-diamond component concentration, the magnitude of the defect density, Can also be defined. In order to form a diamond film having a different film quality in the thickness direction, in the simplest case, the molar fraction Q of the carbon atom-containing gas (B) in the hydrogen gas (A) usually used in the vapor phase synthesis is Q = (B) / ( A) may be changed during the synthesis. When Q is increased, the film quality deteriorates. Even if the oxygen content is reduced, the film quality is deteriorated. The film quality can be reduced by increasing the amount of nitrogen.

【0014】[0014]

【作用】第1図に多結晶ダイヤモンド工具の概略図の一
例を示す。超硬合金の母材1の一隅に多結晶ダイヤモン
ド膜2が鑞付け層3によって固定設置してある。多結晶
ダイヤモンド膜2の外部に現れた方の面がすくい面4
で、母材に固定してある方が母材設置固定面5である。
本発明においては、厚み方向にダイヤモンドの膜質が異
なる。母材設置固定面の方がダイヤモンド膜質がより悪
く、すくい面側ダイヤモンドの膜質がより良い。すくい
面側のダイヤモンドは非ダイヤモンド成分の含有量を極
力抑え、母材設置固定面側はすくい面側に対して非ダイ
ヤモンド成分の含有量を増加させる。もしくは、すくい
面側のダイヤモンドの欠陥密度を極力抑え、母材設置固
定面側はすくい面側に対してダイヤモンドの欠陥密度を
増加させてやる。
FIG. 1 shows an example of a schematic view of a polycrystalline diamond tool. A polycrystalline diamond film 2 is fixedly installed at one corner of a base material 1 of a cemented carbide with a brazing layer 3. The face that appears on the outside of the polycrystalline diamond film 2 is the rake face 4
The base material fixed surface 5 is fixed to the base material.
In the present invention, the diamond film quality differs in the thickness direction. The diamond film quality is worse on the base material installation fixed surface, and the diamond quality on the rake face side is better. The diamond on the rake face minimizes the content of non-diamond components, and the base metal installation fixed face increases the content of non-diamond components on the rake face side. Alternatively, the defect density of diamond on the rake face side is suppressed as much as possible, and the defect density of diamond on the base material installation fixed face side is increased with respect to the rake face side.

【0015】非ダイヤモンド成分の含有量が多ければ、
ダイヤモンドの欠陥密度は通常増加する。しかし非ダイ
ヤモンド成分の含有量が同程度でもダイヤモンド膜中の
欠陥密度が異なるダイヤモンド膜は存在する。このため
ダイヤモンドの膜質の定義としては上記のとおり非ダイ
ヤモンドと欠陥密度による2通りの方法がある。すくい
面4側は低非ダイヤモンド低欠陥高品質膜であり、母材
設置固定面5側はそれより非ダイヤモンド成分もしくは
欠陥密度が大きい低品質膜である。母材設置固定面は欠
陥密度が高く非ダイヤモンド成分が高いので剛性が低く
弾力性に富むようになる。これにより、すくい面4側に
かかる応力を緩和する事が可能となる。つまり、母材設
置固定面側が応力緩和層として機能する。上記に示す膜
質構造では、膜の剛性が母材設置固定面側では低く、す
くい面側の剛性を低下させる事なく、膜全体の靱性(T
OUGHNESS、ねばさ)を向上させる事が可能とな
るわけである。すくい面のほうは剛性が高いので耐摩耗
性が十分に高い。このため、ダイヤモンドの優れた耐摩
耗性を損なう事なく、耐欠損性を向上させる事ができ
る。
If the content of the non-diamond component is large,
The defect density of diamond usually increases. However, there are diamond films having different defect densities in the diamond film even when the content of the non-diamond component is almost the same. For this reason, as described above, there are two methods for defining the film quality of diamond, based on non-diamond and defect density. The rake face 4 side is a low non-diamond low defect high quality film, and the base material installation fixed face 5 side is a low quality film having a non-diamond component or a higher defect density. Since the base material installation fixing surface has a high defect density and a high non-diamond component, the rigidity is low and the elasticity is high. Thereby, the stress applied to the rake face 4 can be reduced. That is, the base material installation fixed surface side functions as a stress relaxation layer. In the film structure described above, the rigidity of the film is low on the base material installation fixed surface side, and the toughness (T
OUGHNESS (neighborhood) can be improved. Since the rake face has higher rigidity, the wear resistance is sufficiently high. For this reason, fracture resistance can be improved without impairing the excellent wear resistance of diamond.

【0016】より厳密に規定するため、すくい面4をz
=0とし、面に直角方向にz軸を取る。面に平行な方向
にx、y軸を取る。点(X,Y,Z)での非ダイヤモン
ド成分濃度ををW(x,y,z)、欠陥密度をD(x,
y,z)で表現する。ダイヤモンドの膜厚をTとする
と、z=Tが母材設置固定面にあたる。第1の定義は G0 =∫W(x,y,0)dxdy/S (1) H0 =∫W(x,y,T)dxdy/S (2) S =∫dxdy (3) として(G0 はすくい面での非ダイヤモンド濃度、H0
は母材設置固定面での非ダイヤモンド濃度、Sはダイヤ
モンド面積)、 T>40μm (4) G0 <H0 (5) というように表現できる。
To more precisely define the rake face 4, z
= 0 and the z-axis is taken perpendicular to the plane. The x and y axes are taken in directions parallel to the plane. The non-diamond component concentration at point (X, Y, Z) is W (x, y, z), and the defect density is D (x,
y, z). Assuming that the film thickness of the diamond is T, z = T corresponds to the base material installation fixing surface. The first definition is G 0 = ∫W (x, y, 0) dxdy / S (1) H 0 = ∫W (x, y, T) dxdy / S (2) S = ∫dxdy (3) G 0 is the non-diamond concentration on the rake face, H 0
Is the non-diamond concentration on the base material installation fixed surface, S is the diamond area), and T> 40 μm (4) G 0 <H 0 (5)

【0017】第2の定義は、 U0 =∫D(x,y,0)dxdy/S (6) V0 =∫D(x,y,T)dxdy/S (7) S =∫dxdy (8) として(U0 はすくい面での欠陥密度、V0 は母材設置
固定面での欠陥密度) T>40μm (9) U0 <V0 (10) というように表現できる。
The second definition is: U 0 = ∫D (x, y, 0) dxdy / S (6) V 0 = ∫D (x, y, T) dxdy / S (7) S = ∫dxdy ( (U 0 is the defect density on the rake face, V 0 is the defect density on the base material fixed surface) T> 40 μm (9) U 0 <V 0 (10)

【0018】ただし両側の表面に限らず,両側の表面近
くでこの式が成り立てばよく、この場合はすくい面側の
W(x,y,0)やD(x,y,0)をε(T/2>ε
>0)によりW(x,y,ε)やD(x,y,ε)に置
き換え、母材設置固定面側のW(x,y,T)やD
(x,y,T)をW(x,y,T−ε)やD(x,y,
T−ε)に置き換えることもできる。そして(5)や
(10)の代わりに、 Gε<Hε (11) Uε<Vε (12) というように本発明の内容を記述できる。
However, it is sufficient that this formula is established not only on the surfaces on both sides but near the surfaces on both sides. In this case, W (x, y, 0) and D (x, y, 0) on the rake face are converted to ε ( T / 2> ε
> 0) to W (x, y, ε) or D (x, y, ε), and W (x, y, T) or D on the base metal installation fixed surface side
(X, y, T) is converted to W (x, y, T−ε) or D (x, y,
T-ε). Then, instead of (5) and (10), the content of the present invention can be described as Gε <Hε (11) Uε <Vε (12).

【0019】ダイヤモンドの膜厚Tが40μm以上であ
る理由は、ひとつはそれ以下であると強度が低下して破
損しやすくなるためである。いまひとつの理由は、切削
工具としたときの寿命時の逃げ面摩耗幅が40μm以上
となる場合が多いためである。さらに高度の耐摩耗性を
要求する場合には、膜厚Tを0.07mm〜3.0mm
にすることが望ましい。コスト的に問題が生じなければ
3mm以上にすることも考えられる。ダイヤモンドは熱
伝導率が最も良く、膜厚を大きくすると放熱特性が良好
になる。すると刃先温度の上昇が抑えられるので摩耗し
にくくなるのである。
The reason why the film thickness T of the diamond is 40 μm or more is that if the thickness is less than 40 μm, the strength is reduced and the diamond is easily broken. Another reason is that the flank wear width during the life of a cutting tool is often 40 μm or more. When a higher degree of wear resistance is required, the film thickness T is set to 0.07 mm to 3.0 mm.
Is desirable. If there is no problem in cost, the thickness may be set to 3 mm or more. Diamond has the best thermal conductivity, and the larger the film thickness, the better the heat radiation characteristics. Then, the rise in the temperature of the cutting edge is suppressed, so that the blade is less likely to be worn.

【0020】本発明で最も特徴的なのはG0 <H0 また
はU0 <V0 という関係にある。もしもG0 ≧H0 また
はU0 ≧V0 であれば母材設置固定面側は応力緩和層と
ならず靱性が乏しくダイヤモンド膜にクラックが入りや
すく、脱離の惧れもあるし、耐摩耗性も劣りやすい。
The most characteristic feature of the present invention is that G 0 <H 0 or U 0 <V 0 . If G 0 ≧ H 0 or U 0 ≧ V 0 , the base material installation fixed surface side does not become a stress relieving layer, has poor toughness, easily cracks the diamond film, may be detached, and has abrasion resistance. It is easy to deteriorate.

【0021】すると非ダイヤモンドや欠陥密度をどのよ
うにして測定するのかということが問題になる。ダイヤ
モンド膜中の非ダイヤモンド成分(非晶質炭素、炭素、
グラファイトなどのダイヤモンド構造を持たない炭素成
分)の含有状態はX線回折等では測定できず、ラマン散
乱分光測定が最も適している。ラマン散乱は一言で言う
と、光波が物質中で非弾性散乱を受けその際励起された
フォノンと光波との相互作用により、入射光とは波長の
異なった光が放出される現象(非弾性散乱光、ラマン散
乱光)である。フォノン以外にもプラズモン、マグノン
などもラマン散乱に寄与する。また媒質が液体や気体で
ある場合にはフォノンではなく分子振動と光波との相互
作用によりラマン散乱が生じる。
The problem then becomes how to measure the non-diamond and defect density. Non-diamond components (amorphous carbon, carbon,
The content state of carbon component having no diamond structure such as graphite) cannot be measured by X-ray diffraction or the like, and Raman scattering spectrometry is most suitable. In short, Raman scattering is a phenomenon in which a light wave undergoes inelastic scattering in a substance, and the interaction between the excited phonons and the light wave causes light having a wavelength different from that of the incident light to be emitted (inelasticity). (Scattered light, Raman scattered light). In addition to phonons, plasmons and magnons also contribute to Raman scattering. When the medium is a liquid or a gas, Raman scattering occurs due to the interaction between the molecular vibration and the light wave instead of the phonon.

【0022】通常ラマンスペクトルの測定には、大別し
て励起レーザ光源、試料光学系、分光系及び検知、計測
系が必要である。励起レーザ光源には通常アルゴンレー
ザの488nm、514nmを用いる。そして、このレ
ーザ光を試料、今回の場合は工具刃先に固定設置されて
いるダイヤモンド膜に照射し、発生したラマン散乱光を
分光した後、マルチチャンネル検出器などに導入する。
また、通常の後方散乱法に対し、照射するレーザ光を光
学顕微鏡による光学系を通過させてレーザ光を数十μm
以下に絞り微小部のラマン分光スペクトルを測定する顕
微ラマン測定法もある。
Usually, Raman spectrum measurement generally requires an excitation laser light source, a sample optical system, a spectral system, and a detection and measurement system. As the excitation laser light source, an argon laser of 488 nm or 514 nm is usually used. Then, this laser beam is irradiated to the sample, in this case, a diamond film fixedly installed on the tool edge, and after the generated Raman scattered light is separated, it is introduced into a multi-channel detector or the like.
Also, in contrast to the normal backscattering method, the laser light to be irradiated is passed through an optical system by an optical microscope, and the laser light is tens of μm.
There is also a micro-Raman measurement method for measuring a Raman spectrum of a small aperture portion.

【0023】今回測定を行う工具刃先のダイヤモンドも
すくい面側刃先は刃先面に垂直にレーザ光を照射する場
合には前者の測定法でも可能であるが、ダイヤモンド刃
先の厚み方向、すくい面側から母材設置固定面にかけて
のラマン分光測定を行う場合には、レーザ光を数十μm
以下に絞れる後者の顕微ラマン測定法の方が微小分析に
適している。但し、レーザ光が集中するため、局所的に
温度が上昇しやすいので十分に注意する必要がある。試
料の膜質の変化やラマンピークのシフト位置の変化など
を引き起こす可能性があるからである。厳密には、ヘリ
ウム等のガスを試料に吹き付けたりラマンスペクトルの
プロファイルが対称であることを確認したり、レーザ光
の出力を変化させて温度上昇によるものかどうかを確認
すればよい。また、分光系の光軸系やスリット幅などの
調整も分解能を上げるため十分調整する必要がある。
The diamond on the rake face of the tool to be measured this time is also available on the rake face side when the laser beam is irradiated perpendicularly to the nose face. When performing Raman spectroscopy measurement on the fixed surface of the base metal
The latter method of microscopic Raman measurement, which can be narrowed down below, is more suitable for microanalysis. However, due to the concentration of the laser beam, the temperature tends to rise locally, so it is necessary to pay sufficient attention. This is because there is a possibility of causing a change in the film quality of the sample or a change in the shift position of the Raman peak. Strictly speaking, a gas such as helium may be blown onto the sample, the profile of the Raman spectrum may be confirmed to be symmetric, or the output of the laser beam may be changed to check whether the change is due to a temperature rise. Further, the adjustment of the optical axis system of the spectral system, the slit width, and the like also need to be sufficiently adjusted to increase the resolution.

【0024】ダイヤモンドのラマンスペクトルは1次の
ラマン線は3重に縮退した1332.5cm-1に現れる
1本のみであり、2次のラマン線は1次の500分の1
以下の非常に弱いものである。このため、ダイヤモンド
自体の評価には、この1次のラマン線に注意して評価を
行えばよい。ラマン散乱によるピ−クによってダイヤモ
ンド膜質を評価するといっても2つの方法がある。ひと
つはダイヤモンドに対応するピ−クの半値幅によって、
もうひとつはピ−ク自体の高さによって評価するもので
ある。本発明で欠陥密度を測定するために用いるダイヤ
モンドラマンスペクトルの半値幅とはこの1332.5
cm-1付近に現れるピ−クについてのものである。
The Raman spectrum of diamond is such that only one primary Raman line appears at 1332.5 cm -1 degenerates threefold, and the secondary Raman line is 1 / 500th of the primary.
The following are very weak. Therefore, the diamond itself may be evaluated by paying attention to this primary Raman line. There are two methods for evaluating diamond film quality by peaking by Raman scattering. One is by the half width of the peak corresponding to the diamond,
The other is evaluated by the height of the peak itself. The half-width of the diamond Raman spectrum used for measuring the defect density in the present invention is 1332.5
This is for peaks appearing in the vicinity of cm -1 .

【0025】通常、ダイヤモンド中に欠陥やストレス等
が入り、ダイヤモンド構造に乱れがが生じたりすると、
この半値幅が広がり、逆に高結晶性であると半値幅が狭
くなることが知られている。後に述べる非ダイヤモンド
成分等の析出が多く存在する場合等には顕著な広がりを
示す。しかし非ダイヤモンド成分の析出が少ない場合で
あってもイオン注入などによりダイヤモンドの結晶構造
を積極的に破壊した場合などでも顕著な広がりを示す。
Usually, when a defect or stress enters diamond and the diamond structure is disturbed,
It is known that the half-value width increases, and conversely, the half-value width decreases when the crystallinity is high. In the case where a large amount of non-diamond components and the like described later are present, remarkable spread is exhibited. However, even if the precipitation of non-diamond components is small, even if the crystal structure of diamond is actively destroyed by ion implantation or the like, it shows a remarkable spread.

【0026】本発明のひとつの方法、はこのダイヤモン
ド結晶中の欠陥密度分布を厚み方向に傾斜させるもので
ある。この欠陥(転位、積層欠陥等)の状態はTEM
(Transmission Electron Mi
croscopy)観察等により実際に観察する事が可
能である。また、X線回折による測定によっても観察可
能である。
One method of the present invention is to tilt the defect density distribution in the diamond crystal in the thickness direction. The state of this defect (dislocation, stacking fault, etc.) is determined by TEM
(Transmission Electron Mi
(Crosscopy) observation or the like. It can also be observed by measurement by X-ray diffraction.

【0027】また、本発明による非ダイヤモンド成分と
は結晶質ダイヤモンド以外の炭素成分の事を総称してい
うものであり、例えば、非晶質の炭素成分や、ガラス状
炭素、活性炭素のように黒鉛結晶構造を基本とし且つ構
造が大きく乱れたいわゆる無定型炭素(highly
disordered graphite)成分やグラ
ファイトのような結晶質炭素成分等の事を言う。そし
て、ここで問題にする非ダイヤモンド成分は主に無定型
炭素である。通常気相合成法ではダイヤモンドを非平衡
状態から析出させるため、条件によっては本発明実施例
に示すように、非ダイヤモンド成分の析出がダイヤモン
ドの析出とともに起こる。そして本発明のいまひとつの
手法としてはこの現象を積極的に利用したものである。
これらの非ダイヤモンド成分はダイヤモンドと同様にラ
マン光に対して構造敏感な物質であり、主に1000c
-1から2000cm-1の間でブロードなピークを持
つ。炭素構造の乱れ方により多少ピークの出方は変化す
るが、本発明においては1332.5cm-1付近のシャ
ープなダイヤモンドのラマン線以外はほぼこの非ダイヤ
モンド成分によるものと考えてよい。
The non-diamond component according to the present invention is a general term for a carbon component other than crystalline diamond, for example, an amorphous carbon component, graphite such as glassy carbon and activated carbon. A so-called amorphous carbon having a crystal structure as a basic structure and having a greatly disordered structure (highly carbon)
Disordered graphite component and crystalline carbon component such as graphite. The non-diamond component in question here is mainly amorphous carbon. Normally, diamond is precipitated from a non-equilibrium state in the vapor phase synthesis method, and depending on conditions, precipitation of non-diamond components occurs together with the deposition of diamond, as shown in Examples of the present invention. As another method of the present invention, this phenomenon is actively used.
These non-diamond components are substances that are structure-sensitive to Raman light like diamond, and are mainly 1000 c
It has a broad peak between m -1 and 2000 cm -1 . Although the appearance of the peak slightly changes depending on how the carbon structure is disordered, in the present invention, it can be considered that the non-diamond component is almost caused except for the sharp diamond Raman line near 1332.5 cm -1 .

【0028】再度本発明を以下に定義する。ひとつは
ダイヤモンド中に含まれる非ダイヤモンド成分によって
定義された多結晶工具であり、いまひとつは 結晶質
ダイヤモンド中の欠陥密度について定義したものであ
る。
The present invention is defined again below. One is a polycrystalline tool defined by the non-diamond components contained in diamond, and the other is a definition of the defect density in crystalline diamond.

【0029】[非ダイヤモンド成分による定義]工
具母材と多結晶ダイヤモンドとよりなり、工具刃先の母
材面に多結晶ダイヤモンドの母材設置固定面を当接して
固定しダイヤモンドを刃先とする構造の工具であって、
ダイヤモンドの厚さが40μm以上であり、すくい面か
ら母材設置固定面にかけてダイヤモンドの厚み方向に非
ダイヤモンド濃度が増加している事を特徴とする。より
望ましくは、刃先ダイヤモンドのすくい面から厚み方向
母材面に向かって少なくともダイヤモンドの平均膜厚の
30%以内もしくは40μm以内のダイヤモンドのどち
らか小さい箇所におけるダイヤモンド中の非ダイヤモン
ド成分の含有量がダイヤモンド母材設置固定面より厚み
方向刃先すくい面に向かってダイヤモンドの平均膜厚の
30%以内もしくは40μm以内のどちらか小さい方の
ダイヤモンド中の非ダイヤモンド成分含有に対して少な
い事を特徴とする多結晶ダイヤモンド工具である。
[Definition by non-diamond component] A structure comprising a tool base material and polycrystalline diamond, which is fixed by contacting a base material installation fixing surface of the polycrystalline diamond with a base material surface of a tool cutting edge and using diamond as a cutting edge. A tool,
It is characterized in that the diamond has a thickness of 40 μm or more, and the non-diamond concentration increases in the diamond thickness direction from the rake face to the base material installation fixed face. More preferably, the content of the non-diamond component in the diamond at least in a portion of the diamond which is smaller than 30% or 40 μm or less of the average thickness of the diamond from the rake face of the cutting edge diamond toward the base material surface in the thickness direction is smaller than the diamond. A polycrystal characterized in that it is less in the non-diamond component content in diamond, whichever is smaller, within 30% or 40 μm of the average thickness of diamond, from the base material installation fixed surface to the cutting edge rake surface in the thickness direction. It is a diamond tool.

【0030】ラマンスペクトルによる定義を行うとラマ
ン分光分析により、刃先ダイヤモンドのすくい面から断
面方向母材面に向かって少なくともダイヤモンドの平均
膜厚の30%以内もしくは40μm以内のダイヤモンド
のどちらか小さい箇所における非ダイヤモンド成分のピ
ーク値(X1)のダイヤモンド成分のピーク値(Y1)
に対する比(X1/Y1)がダイヤモンド母材設置固定
面より断面方向刃先すくい面に向かってダイヤモンドの
平均膜厚の30%以内もしくは40μm以内のどちらか
小さい方の非ダイヤモンド成分のピーク値(X2)のダ
イヤモンド成分のピーク値(Y2)に対する比(X2/
Y2)よりも小さい膜質構造X1/Y1<X2/Y2
を持つ事を特徴とする多結晶ダイヤモンド工具である。
According to the Raman spectrum, Raman spectroscopic analysis shows that at least 30% of the average thickness of the diamond or 40 μm or less of the diamond from the rake face of the cutting edge diamond toward the base metal surface in the cross-sectional direction, whichever is smaller. Non-diamond component peak value (X1) diamond component peak value (Y1)
The peak value (X2) of the non-diamond component whose ratio (X1 / Y1) is smaller than the average thickness of diamond within 30% or 40 μm, whichever is smaller, from the fixed surface of the diamond base material to the rake face in the cross-sectional direction. Of the diamond component to the peak value (Y2) of the diamond component (X2 /
Film quality structure X1 / Y1 <X2 / Y2 smaller than Y2)
It is a polycrystalline diamond tool characterized by having.

【0031】ここで、図5のラマンスペクトルを例に
X、Yのピーク値の設定を行う。蛍光等のバックグラウ
ンドのベースラインを引きダイヤモンドのピーク値(1
332.5cm-1付近のピーク)以外で最も高いブロー
ドなピークを検知し、このピーク値のベースラインから
の高さがXとなる。炭素はラマン活性な物質であるの
で、ダイヤモンドのピーク値以外に現れるブロードなピ
ークは非ダイヤモンド成分によるものと考えてよい。こ
の非ダイヤモンド成分のピーク値は非晶質炭素や、無定
型炭素(黒鉛結晶構造を基本とし、且つ構造が大きく乱
れたもの)と呼ばれるもので、構造の乱れゆえにピーク
値は1000cm-1から2000cm-1の間でばらつ
く。このため、1000cm-1から2000cm-1の間
に現れる最も高いピークをもって非ダイヤモンド成分の
ピーク高とする。図5は最も典型的な非ダイヤモンド成
分がダイヤモンドと同時析出しているラマンスペクトル
である。ダイヤモンド成分のラマンピーク値は133
2.5cm-1に現れる。これは通常の同位体12C、13
の存在比で構成されたダイヤモンドでの場合であり13
が多くなれば低波数側にシフトする事が知られている。
このためラマンシフト値が若干シフトする事もある。こ
こで、ダイヤモンドのピーク値を検知して前述と同様に
ベースラインに対する高さYを求めるのであるが、前述
の非ダイヤモンド成分の裾のピークが同時にのっている
ことが多いので、これを除去したベースラインを新たに
引き、これに対する高さをYとする。Xを求める場合と
Yを求める場合でベ−スラインの引き方が違う。ベ−ス
ラインの引き方によってこれらの高さが違ってくる。正
確なピーク分離を行う事が好ましいが、ある程度簡易型
に行っても非ダイヤモンド成分の含有比の定性的な比較
を行うことは可能である。
Here, the X and Y peak values are set using the Raman spectrum of FIG. 5 as an example. A background baseline such as fluorescence is drawn and the diamond peak value (1
The highest broad peak other than the peak around 332.5 cm -1 is detected, and the height of this peak value from the baseline is X. Since carbon is a Raman-active substance, a broad peak appearing other than the peak value of diamond may be considered to be due to non-diamond components. The peak value of the non-diamond component is called amorphous carbon or amorphous carbon (having a graphite crystal structure as a basis and having a significantly disordered structure). The peak value is 1000 cm −1 to 2000 cm due to the disorder of the structure. It varies between -1 . Therefore, the highest peak appearing between 1000 cm −1 and 2000 cm −1 is defined as the peak height of the non-diamond component. FIG. 5 is a Raman spectrum in which the most typical non-diamond component is co-precipitated with diamond. Raman peak value of diamond component is 133
Appears at 2.5 cm -1 . This is the normal isotope 12 C, 13 C
Is the case of diamond composed of abundance ratio of 13C
It is known that as the number increases, the frequency shifts to the lower wavenumber side.
For this reason, the Raman shift value may shift slightly. Here, the peak value of the diamond is detected and the height Y with respect to the base line is obtained in the same manner as described above. However, since the above-mentioned peaks of the non-diamond components are often present at the same time, this is removed. The drawn baseline is newly drawn, and its height is set to Y. The method of drawing the base line differs between the case where X is obtained and the case where Y is obtained. These heights differ depending on how the base line is drawn. Although it is preferable to perform accurate peak separation, it is possible to make a qualitative comparison of the content ratio of non-diamond components even with a somewhat simplified type.

【0032】[欠陥密度による定義] 工具母材と
多結晶ダイヤモンドとよりなり、工具刃先の母材面に多
結晶ダイヤモンドの母材設置固定面を当接して固定しダ
イヤモンドを刃先とする構造の工具であって、ダイヤモ
ンドの厚さが40μm以上であり、すくい面から母材設
置固定面にかけてダイヤモンドの厚み方向に欠陥密度が
増加している事を特徴とする。より好ましくは先ダイヤ
モンドのすくい面から厚み方向母材設置固定面に向かっ
てダイヤモンドの平均膜厚の30%以内もしくは40μ
m以内のいずれか小さいほうの位置での欠陥密度が、ダ
イヤモンド母材設置固定面より厚み方向刃先すくい面に
向かってダイヤモンドの平均膜厚の30%以内もしくは
40μm以内のどちらか小さい方の位置での欠陥密度に
対して小さい事を特徴とする多結晶ダイヤモンド工具で
ある。
[Definition by Defect Density] A tool comprising a tool base material and polycrystalline diamond, and having a structure in which the base material installation and fixing surface of the polycrystalline diamond is brought into contact with and fixed to the base material surface of the tool cutting edge and the diamond is used as the cutting edge. Wherein the thickness of the diamond is 40 μm or more, and the defect density increases in the thickness direction of the diamond from the rake face to the base material installation fixed face. More preferably, the average thickness of the diamond is within 30% or 40 μm from the rake face of the diamond to the base material installation fixed face in the thickness direction.
The defect density at the smaller position within m is within 30% of the average film thickness of diamond or within 40 μm, whichever is smaller, toward the cutting edge rake surface in the thickness direction from the fixed surface of the diamond base material. This is a polycrystalline diamond tool characterized by having a small defect density.

【0033】ラマン分光スペクトルによる定義を行うと
ラマン分光分析により、刃先ダイヤモンドのすくい面か
ら厚み方向母材設置固定面に向かって少なくともダイヤ
モンドの平均膜厚の30%以内もしくは40μm以内の
ダイヤモンドのどちらか小さい箇所におけるダイヤモン
ド成分の半値幅(αcm-1)がダイヤモンド母材設置固
定面より厚み方向刃先すくい面に向かってダイヤモンド
の平均膜厚の30%以内もしくは40μm以内のどちら
か小さい方のダイヤモンド成分の半値幅(βcm-1)よ
りも小さい膜質構造(α<β)を持つ事を特徴とする多
結晶ダイヤモンド工具となる。ここで図6のラマンスペ
クトルを例に、半値幅αや半値幅βの設定を行う。前述
のダイヤモンドのピーク値の設定のようにまずYの高さ
を設定し、その半分の高さにおけるピ−ク幅が半値幅α
cm-1やβcm-1となる。
According to the definition by Raman spectroscopy, at least 30% of the average thickness of diamond or 40 μm or less of the average thickness of diamond from the rake face of the cutting edge diamond to the fixing face of the base material in the thickness direction is determined by Raman spectroscopic analysis. The half value width (αcm -1 ) of the diamond component at a small portion is within 30% or 40 μm of the average thickness of the diamond from the diamond base material installation fixed surface toward the cutting edge rake surface in the thickness direction, whichever is smaller. A polycrystalline diamond tool characterized by having a film structure (α <β) smaller than the half width (βcm −1 ). Here, the half width α and the half width β are set using the Raman spectrum of FIG. 6 as an example. First, the height of Y is set as in the above-described setting of the peak value of the diamond, and the peak width at half the height is set to the half width α.
cm −1 and βcm −1 .

【0034】次に本発明のダイヤモンドの製造方法を
(図2)によって説明する。気相合成法によってダイヤ
モンド膜を成長させるのであるから上記のようなダイヤ
モンド膜質を厚み方向に変化させるためには原料ガス中
の炭素濃度を連続的或は階段状に単調変化(単調増加あ
るいは単調減少)させるのが最も簡易である。2つの手
法のうち、炭素濃度を単調に増加させる手法の方が望ま
しい。その理由は後に述べる。また原料ガス中の酸素濃
度や窒素濃度によって膜質を制御できる。CVD装置
(後に説明する)の中で基材6を加熱して、原料ガスを
流しこれを励起し分解して基材上にダイヤモンドを成長
させる(図2(b))。原料ガス中の炭素濃度は一般的
に連続的あるいは階段状に単調変化している。このよう
なCVD法でダイヤモンド膜7を成長させた後、弗硝酸
や王水等で基材をエッチング除去し、ダイヤモンド単体
膜とする。(図2(c))。次にダイヤモンドと母材と
のヌレ性を改善するために予め、ダイヤモンド膜の一面
金属膜を蒸着メタライズ処理を行う(図2(d))。こ
の後YAGレ−ザ等により所定の大きさに切断する(図
2(e))。ここで溶解工程の前に切断工程を入れる順
序でも何等問題はない。そして、メタライズ層の面を工
具の母材面に設置固定する(図2(f))。
Next, the method for producing a diamond according to the present invention will be described with reference to FIG. Since the diamond film is grown by the vapor phase synthesis method, the carbon concentration in the source gas is monotonically changed (monotonically increased or monotonously decreased) in order to change the diamond film quality in the thickness direction as described above. ) Is the simplest. Of the two methods, the method of monotonously increasing the carbon concentration is more preferable. The reason will be described later. Further, the film quality can be controlled by the oxygen concentration and the nitrogen concentration in the source gas. The substrate 6 is heated in a CVD apparatus (to be described later), a raw material gas is flowed, excited and decomposed to grow diamond on the substrate (FIG. 2B). Generally, the carbon concentration in the raw material gas changes monotonically continuously or stepwise. After the diamond film 7 is grown by such a CVD method, the base material is removed by etching with hydrofluoric nitric acid, aqua regia, or the like to form a diamond single film. (FIG. 2 (c)). Next, in order to improve the wettability between the diamond and the base material, a metal film on one surface of the diamond film is subjected to a vapor deposition metallization process in advance (FIG. 2D). Thereafter, it is cut into a predetermined size by a YAG laser or the like (FIG. 2E). Here, there is no problem in the order in which the cutting step is performed before the dissolving step. Then, the surface of the metallized layer is installed and fixed on the base material surface of the tool (FIG. 2 (f)).

【0035】図3はダイヤモンド膜を取り付けた工具の
断面図を示す。母材は硬質材質であればよいが、通常は
超硬合金を用いる。この母材にダイヤモンド膜の取り付
け座があり、ここにメタライズ層を介してダイヤモンド
膜が固定設置されている。この固定には、耐熱性、耐強
度性を考えれば鑞付けによるものが好ましい。図4によ
って、本発明を定義するための幾何学的関係を示す。母
材に遠い方の面がすくい面である。すくい面に含まれる
線を基準線とし厚み方向にz軸を取っている。すくい面
はz=0で示すことができる。母材設置固定面は反対側
の面でz=Tによって表わせる。破線で示すのがz=
0.3Tもしくは40μmのどちらか小さい方、z=
0.7T、もしくは全膜厚Tから40μmを引いた値の
どちらか大きい方である。レ−ザ光はダイヤモンドの端
から面に平行に入射する。この部分領域での非ダイヤモ
ンド成分含有状態G0 、H0 もしくはダイヤモンド中の
欠陥含有状態U0 、V0 を問題にしているのである。
FIG. 3 is a cross-sectional view of a tool with a diamond film attached. The base material may be a hard material, but usually a cemented carbide is used. This base material has a diamond film mounting seat, where the diamond film is fixedly installed via a metallized layer. This fixing is preferably performed by brazing in consideration of heat resistance and strength resistance. FIG. 4 shows a geometric relationship for defining the present invention. The side farther from the base material is the rake face. The z-axis is set in the thickness direction with a line included in the rake face as a reference line. The rake face can be indicated by z = 0. The base material installation fixed surface can be represented by z = T on the opposite surface. The dashed line shows z =
0.3T or 40 μm, whichever is smaller, z =
0.7 T or the value obtained by subtracting 40 μm from the total film thickness T, whichever is larger. Laser light is incident parallel to the surface from the edge of the diamond. The problem is the non-diamond component-containing states G 0 , H 0 or the defect-containing states U 0 , V 0 in diamond in this partial region.

【0036】CVD法によりダイヤモンドを成長させる
際、非ダイヤモンド成分もしくはダイヤモンド膜中の欠
陥含有状態を変化させるが、どちらも(単調)増加させ
る方がよい。その理由は次の通りである。ダイヤモンド
を基材上に成長させる際、基材に設置していた側のダイ
ヤモンド膜は、基材の表面処理を平坦にしておけば、そ
のまま平坦なダイヤモンド面になるが、成長の終期に形
成されたダイヤモンド膜はダイヤモンド固有の6−8面
体構造を持つ凹凸のある多結晶ダイヤモンド固有の面を
呈する。これがすくい面となると被削材の被削面に凹凸
が発生してしまう。これを避けるためには成長の終期に
形成された面(成長面側、基材から遠い方の面)はメタ
ライズして母材に固定した方がよい。
When diamond is grown by the CVD method, the non-diamond component or the state of defects contained in the diamond film is changed, but it is preferable that both are increased (monotonically). The reason is as follows. When diamond is grown on a substrate, the diamond film on the side placed on the substrate becomes a flat diamond surface if the surface treatment of the substrate is flat, but it is formed at the end of growth. The resulting diamond film exhibits a surface unique to polycrystalline diamond with irregularities having a 6-8-hedral structure unique to diamond. If this becomes a rake face, irregularities will occur on the work surface of the work material. In order to avoid this, the surface formed at the end of growth (the growth surface side, the surface farther from the substrate) is preferably metallized and fixed to the base material.

【0037】本発明では母材設置固定面の方が非ダイヤ
モンド成分もしくはダイヤモンド中の欠陥含有量を増加
させる構造にしているので、ダイヤモンドを成長させる
とき、例えば炭素濃度を最初は低くし、最後に高くすれ
ばよいのである。この手順でダイヤモンドを合成すれ
ば、ダイヤモンドの形成速度も上昇し、合成コストも安
くなるメリットも生じるのである。また、工具に設置す
る際、すくい面側にあたるダイヤモンド成長初期の多結
晶ダイヤモンド粒径が小さく、母材面側にかけて粒径が
顕著に増大し、この膜質構造が、工具として使用した場
合、刃先にかかる応力分散や、耐欠損性、耐摩耗性の向
上につながる。もちろんこの工程順は必須の条件という
わけではない。CVD法でダイヤモンド膜を成長させた
後に成長の終期にできた方の面を研磨して平坦にして、
すくい面にすることもでき、この場合は、CVD法でダ
イヤモンドを成長させるとき、例えば炭素濃度を最初は
大きく、後に小さくするようにする。しかしこの場合は
工程が増えコスト上昇につながるデメリットがある。
In the present invention, since the base material installation fixed surface has a structure in which the non-diamond component or the defect content in diamond is increased, when growing diamond, for example, the carbon concentration is first reduced, and finally the diamond concentration is reduced. You only have to raise it. If diamond is synthesized by this procedure, the diamond formation speed is increased, and there is an advantage that the synthesis cost is reduced. In addition, when installed on a tool, the grain size of polycrystalline diamond in the initial stage of diamond growth on the rake face side is small, and the grain size increases remarkably toward the base metal surface side. This leads to such stress dispersion and improvement in chipping resistance and wear resistance. Of course, this process order is not an essential condition. After growing the diamond film by the CVD method, the surface formed at the end of the growth is polished and flattened,
A rake face can also be used. In this case, when diamond is grown by the CVD method, for example, the carbon concentration is initially increased and then decreased. However, in this case, there is a disadvantage that the number of steps increases and the cost increases.

【0038】[ダイヤモンドの製造方法]CVD法でダ
イヤモンドを気相合成するときの原料ガスは通常 水素ガス 炭素原子含有ガス・・メタン、エタン、アセチレン、
エチルアルコール、メチ ルアルコール、アセトン 等が一般的である。は炭素を含み気体状になるもので
あれば何でもよい。アルコール、アセトンのように常温
で液体のものでも加熱すれば気体になる。また液体を水
素ガス等のキャリヤガスでバブリングすれば気体とする
ことができる。また、上記ガス以外に不活性ガス(ヘリ
ウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラド
ン)は、特に原料ガスの活性化にプラズマを用いるプロ
セスに於いて、ダイヤモンド合成中の活性種(水素ラジ
カル、C2 等)の密度を増加させ、寿命を延ばし、均一
なダイヤモンドを合成するのに効果があるため、上記ガ
スに混入させてもよい。
[Production Method of Diamond] The raw material gas used in the vapor phase synthesis of diamond by the CVD method is usually hydrogen gas, a carbon atom-containing gas, methane, ethane, acetylene,
Ethyl alcohol, methyl alcohol, acetone, etc. are common. Is not limited as long as it contains carbon and becomes gaseous. Even liquids at room temperature, such as alcohol and acetone, become gas when heated. The liquid can be converted into a gas by bubbling the liquid with a carrier gas such as hydrogen gas. In addition to the above-mentioned gases, inert gases (helium, neon, argon, krypton, xenon, radon) can be used as active species (hydrogen radicals, C radicals) during diamond synthesis, particularly in a process using plasma for activating the source gas. 2 ) may be mixed with the above gas since it is effective in increasing the density, extending the life and synthesizing a uniform diamond.

【0039】CVD成長用の基材としては次のような材
料を用いることができる。W、Mo、Ta、Nb、S
i、SiC、WC、W2 C、Mo2 C、TaC、Si3
4 、AlN、Ti、TiC、TiN、B、BN、B4
C、ダイヤモンド、Al23 、SiO2 等である。さ
らに条件を選ぶことによっても、Cu、Al等も基材と
することができる。基材は単に平坦なものとは限らな
い。基材が適当な曲率を持つものとすれば、曲率を持つ
刃面を有する工具等へも適用することができる。例え
ば、ねじれ刃、エンドミル等の工具に適用できる。
The following materials can be used as a substrate for CVD growth. W, Mo, Ta, Nb, S
i, SiC, WC, W 2 C, Mo 2 C, TaC, Si 3
N 4 , AlN, Ti, TiC, TiN, B, BN, B 4
C, diamond, Al 2 O 3 , SiO 2 and the like. By selecting further conditions, Cu, Al, etc. can be used as the base material. The substrate is not necessarily just flat. If the base material has an appropriate curvature, it can be applied to a tool having a blade surface having a curvature. For example, it can be applied to tools such as a twist blade and an end mill.

【0040】さて本発明の気相合成法であるが、ダイヤ
モンドを基材上に成長させる際に、原料ガス中の炭素濃
度を連続的に増加させるのが容易である。この場合3段
階または2段階程度に原料ガス中の炭素濃度を変化させ
る。最も簡単なのは、原料ガス中の炭素濃度の小さい段
階と、それより濃度の高い段階の2段階によるCVD成
長である。
Now, with the vapor phase synthesis method of the present invention, it is easy to continuously increase the carbon concentration in the source gas when growing diamond on a substrate. In this case, the carbon concentration in the source gas is changed in three or two stages. The simplest is CVD growth in two stages, a stage with a low carbon concentration in the source gas and a stage with a higher concentration.

【0041】例えば、ダイヤモンド合成の前期は、水
素−メタン(メタン/水素=約1%)系で合成して後期
は水素−メタン(メタン/水素=約2.5%)系で合成
する。このとき、前期の組成中に酸素原子含有ガス、例
えば、酸素ガスやH2 O等を微量添加することによって
成長初期のダイヤモンド膜の結晶性を向上させ、非ダイ
ヤモンド成分の析出を抑え、ダイヤモンド膜中の欠陥密
度を減少させることもできる。この場合、酸素原子濃度
の増加によって、後期より前期の炭素濃度を大きくする
ことも可能となる。
For example, in the first stage of diamond synthesis, synthesis is performed using a hydrogen-methane (methane / hydrogen = about 1%) system, and in the second half, diamond synthesis is performed using a hydrogen-methane (methane / hydrogen = about 2.5%) system. At this time, the crystallinity of the diamond film at the initial stage of growth is improved by adding a trace amount of an oxygen atom-containing gas, such as oxygen gas or H 2 O, to the composition of the previous period, and the deposition of non-diamond components is suppressed. The density of defects in the medium can also be reduced. In this case, by increasing the oxygen atom concentration, it is also possible to increase the carbon concentration in the early period from the latter period.

【0042】例えば、ダイヤモンド合成の前期は水素
−メタン−酸素(メタン/水素=約2%、酸素/水素=
約0.2%)系で合成し、後期は水素−メタン(メタン
/水素=約3%)系で合成する。
For example, in the first stage of diamond synthesis, hydrogen-methane-oxygen (methane / hydrogen = about 2%, oxygen / hydrogen =
About 0.2%), and the latter stage is synthesized using hydrogen-methane (methane / hydrogen = about 3%).

【0043】この逆で、ダイヤモンド成長後期のダイ
ヤモンドの結晶性を低下させるために、後期の組成中に
窒素原子含有ガスを微量添加することもできる。例え
ば、ダイヤモンド合成の前期は水素−メタン(メタン/
水素=約1%、)系で合成し、後期は水素−メタン−窒
素(メタン/水素=約2%、窒素/水素=約0.5%)
系で合成する。この場合、窒素原子含有ガス濃度の増加
によって、前期より後期の炭素濃度を小さくすることも
可能となる。
Conversely, in order to reduce the crystallinity of the diamond at the latter stage of the diamond growth, a trace amount of a nitrogen atom-containing gas can be added to the latter stage composition. For example, in the first stage of diamond synthesis, hydrogen-methane (methane /
Hydrogen = about 1%, synthesized in the system, hydrogen-methane-nitrogen (methane / hydrogen = about 2%, nitrogen / hydrogen = about 0.5%)
Synthesize in a system. In this case, by increasing the concentration of the nitrogen atom-containing gas, it is possible to reduce the carbon concentration in the latter period from the former period.

【0044】[0044]

【実施例】CVD法についてはダイヤモンドが合成でき
るどの方法に於いても本発明を実施することができる。
本発明は次のCVD法、 フィラメントCVD法(図7) マイクロ波プラズマCVD法(図8) 熱CVD法(図9) 熱プラズマCVD法(図10) について実施した。基材は位〜の方法について共通
で、14mm×14mm×2.5mmの多結晶シリコン
の片面を、粒径0.5〜5μmの砥粒を含む研磨材でラ
ッピング処理し、RMAX <1.2μmになるようにした
ものを用いた。以下それぞれの手法に用いる装置を説明
し、それぞれの手法に本発明を適用した結果を述べる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS With respect to the CVD method, the present invention can be practiced in any method capable of synthesizing diamond.
The present invention was carried out for the following CVD method, filament CVD method (FIG. 7), microwave plasma CVD method (FIG. 8), thermal CVD method (FIG. 9), and thermal plasma CVD method (FIG. 10). The base material is the same for the methods (1) to (4). One side of polycrystalline silicon of 14 mm × 14 mm × 2.5 mm is wrapped with an abrasive containing abrasive grains having a particle size of 0.5 to 5 μm, and R MAX <1. One having a thickness of 2 μm was used. The apparatus used for each method will be described below, and the results of applying the present invention to each method will be described.

【0045】〔実施例〕フィラメントCVD法 図7にフィラメントCVD装置の概略図を示す。真空チ
ャンバ11の中に基材支持台12が設けられる。この上
に基材13が設置される。真空チャンバ11には真空排
気口14があり、真空排気装置(図示せず)に接続され
ている。真空チャンバ11の中には電極15が設けられ
る。これはガイシ16を通ってフィラメント電源に接続
されている。電極15の間にフィラメント17が張られ
ている。真空チャンバ11には原料ガス入口18から原
料ガスが導入される。圧力計19が真空チャンバ11内
の真空度を計測している。冷却水が基材支持台の内部に
導入されこれを冷却している。フィラメント17には4
N(純度99.99%)−W、4N−Ta、4N−Re
を用いた。フィラメントの温度は光学式高温計によって
測定した。基材の温度は基材表面に固定設置したクロメ
ル−アルメル熱電対によってモニターした。
[Embodiment] Filament CVD Method FIG. 7 is a schematic view of a filament CVD apparatus. A substrate support 12 is provided in the vacuum chamber 11. The substrate 13 is placed on this. The vacuum chamber 11 has a vacuum exhaust port 14 and is connected to a vacuum exhaust device (not shown). An electrode 15 is provided in the vacuum chamber 11. It is connected through a insulator 16 to a filament power supply. A filament 17 is stretched between the electrodes 15. A source gas is introduced into the vacuum chamber 11 from a source gas inlet 18. The pressure gauge 19 measures the degree of vacuum in the vacuum chamber 11. Cooling water is introduced into the substrate support and cools it. 4 for filament 17
N (purity 99.99%)-W, 4N-Ta, 4N-Re
Was used. The temperature of the filament was measured by an optical pyrometer. The temperature of the substrate was monitored by a chromel-alumel thermocouple fixed to the surface of the substrate.

【0046】図11によって原料ガスの供給系を説明す
る。これは以下のCVD装置に対しても共通に用いるこ
とができる。水素ガスボンベ55、不活性ガスボンベ5
6、炭素含有ガスボンベ57、酸素原子含有無機ガスボ
ンベ58が設置される。これらのガスボンベからのガス
はバルブ,配管を通って反応装置へ供給される。水素ガ
スはキャリヤガスとしてこれらに混合される。水素ガス
の一部はバブリング装置59を通り、常温で液体のもの
を気化して運ぶために用いられる。バブリング装置59
には、H2 O、C25 OHなどの液体60が収容され
る。バブリング装置59に続く配管にはテ−プヒ−タ6
1、62が巻いてあり任意の温度に加熱維持することが
できる。原料ガスや成長時間、圧力、フィラメント材
質、成長温度等成長の条件を様々に変えて、本発明と従
来の方法によってダイヤモンドをシリコン基板上に成長
させた。その結果を表1に示す。
The source gas supply system will be described with reference to FIG. This can be commonly used for the following CVD apparatuses. Hydrogen gas cylinder 55, inert gas cylinder 5
6. A carbon-containing gas cylinder 57 and an oxygen-containing inorganic gas cylinder 58 are provided. Gas from these gas cylinders is supplied to the reactor through valves and piping. Hydrogen gas is mixed with them as carrier gas. A portion of the hydrogen gas passes through the bubbling device 59 and is used to vaporize and carry the liquid at room temperature. Bubbling device 59
Contains a liquid 60 such as H 2 O and C 2 H 5 OH. The pipe following the bubbling device 59 has a tape heater 6.
1, 62 are wound and can be heated and maintained at an arbitrary temperature. Diamond was grown on a silicon substrate by the present invention and the conventional method, while changing various growth conditions such as source gas, growth time, pressure, filament material, growth temperature and the like. Table 1 shows the results.

【0047】[0047]

【表1】 [Table 1]

【0048】サンプルNo.A〜D本発明例 サンプルNo.E〜H比較例 本発明の実施例A〜Dと比較例E、Fは原料ガス組成及
び組成比を時間によって変化させている。例えば、実施
例Aは、最初の段階1のH2 600SCCM、CH4
SCCMの原料ガスで基材をコーティングし、次の20
時間は段階2のH2 600SCCM、CH4 12SCC
Mの原料ガスによってコーティングするということであ
る。本発明の他の実施例であるB、Dも2段階に、Cは
4段階に原料ガスを変えている。比較例Eはダイヤモン
ド膜を全て高炭素濃度で合成したもの。Fは全て低炭素
濃度で合成したもの。Hは原料ガス中の炭素濃度を本発
明とは逆に段階的に変化させている。成長の後シリコン
基板を溶かして除去する。矩形状のダイヤモンド板がで
きるのでこれを対角線に沿って切断し二等辺三角形とし
た。
Sample No. AD Samples of the Invention Sample Nos. E to H Comparative Examples In Examples A to D of the present invention and Comparative Examples E and F, the raw material gas composition and the composition ratio were changed with time. For example, Example A shows the first stage 1 H 2 600 SCCM, CH 4 5
The base material is coated with the raw material gas of SCCM, and the next 20
Time is H 2 600 SCCM, CH 4 12 SCC in stage 2
That is, the coating is performed with the M raw material gas. In the other embodiments of the present invention, B and D are also changed in two stages, and C is changed in four stages. Comparative Example E was obtained by synthesizing all diamond films at a high carbon concentration. F is all synthesized at low carbon concentration. H changes the carbon concentration in the source gas stepwise, contrary to the present invention. After the growth, the silicon substrate is melted and removed. Since a rectangular diamond plate was formed, it was cut along a diagonal line to obtain an isosceles triangle.

【0049】こうして作製したダイヤモンドのサンプル
A〜Hを図2の工程によって超硬合金の母材に設置固定
して切削チップを作製した(固定には鑞付けを用い
た)。但し、成長の際、基材に接触していた面を切削チ
ップのすくい面とし、成長の後期にできた方の面を切削
チップの母材面に設置固定した。これらを以下のように
ラマン散乱による膜質測定と切削試験を行い品質を評価
し以下の表2に示す。
The diamond samples A to H thus produced were mounted and fixed on a cemented carbide base material by the process shown in FIG. 2 to produce a cutting tip (brazing was used for fixing). However, at the time of growth, the surface that was in contact with the base material was used as the rake surface of the cutting tip, and the surface formed later in the growth was fixed to the base material surface of the cutting tip. These were subjected to film quality measurement and cutting test by Raman scattering as follows, and the quality was evaluated. The results are shown in Table 2 below.

【0050】[0050]

【表2】 [Table 2]

【0051】サンプルA〜Dが本発明の実施例で、E〜
Hが比較例である。ラマン分光測定用比較材として、天
然IIaダイヤモンド単結晶を同じように母材に設置固定
し、切削チップを作製した。(サンプルIとする)サン
プルJはこれらとは別の比較材である。これは結合材と
してCoを10容量%含む平均粒径10μmのダイヤモ
ンド材料を高圧焼結して作った焼結ダイヤモンドを工具
に取り付け切削チップとしたものである。CVD成長で
はない。これは高圧焼結して作った焼結ダイヤモンドを
工具に取り付け切削チップとしたものであるから非ダイ
ヤモンド成分が一様に多い。
Samples A to D are examples of the present invention and E to
H is a comparative example. As a comparative material for Raman spectroscopic measurement, a natural IIa diamond single crystal was similarly set and fixed on a base material to produce a cutting tip. Sample J (referred to as sample I) is another comparative material. In this method, sintered diamond produced by high-pressure sintering a diamond material having an average particle diameter of 10 μm containing 10% by volume of Co as a binder is attached to a tool to form a cutting tip. It is not CVD growth. In this method, sintered diamond produced by high-pressure sintering is attached to a tool to form a cutting tip, so that non-diamond components are uniformly large.

【0052】ここで、ラマン分光スペクトルの測定点
は、図4に示すようにすくい面を基準として厚み方向内
部に向かう距離Z(単位μm)で示している。第1層、
第2層というのは表1の原料ガス及び組成を切り換えた
ことによって生ずるダイヤモンドの部分層である。成長
の初期にできた方の膜をすくい面とするから、表1で上
にあるものから順に表2の第1層、第2層と対応する。
当然のことであるが本発明の実施例ではすくい面に近い
方でX/Yの値が小さい。すくい面の非ダイヤモンド濃
度が低いということである。
Here, the measurement points of the Raman spectroscopy are indicated by a distance Z (unit: μm) toward the inside in the thickness direction with respect to the rake face as shown in FIG. The first layer,
The second layer is a partial layer of diamond formed by switching the source gas and composition shown in Table 1. Since the film formed at the beginning of the growth is a rake face, it corresponds to the first layer and the second layer in Table 2 in order from the top in Table 1.
As a matter of course, in the embodiment of the present invention, the value of X / Y is smaller near the rake face. The non-diamond concentration on the rake face is low.

【0053】比較例Eはダイヤモンド膜を全て高炭素濃
度で合成したものであるから非ダイヤモンド成分が多
い。しかし濃度の分布は本発明と反対の関係にある。比
較例Fは全て低炭素濃度で合成したものであるから非ダ
イヤモンド成分が低くしかも分布は本発明と反対の関係
にある。比較例Hは原料ガス中の炭素濃度を本発明とは
逆に段階的に変化させているが、実際にできたものもラ
マンスペクトル測定による非ダイヤモンド成分の含有状
態とダイヤモンドの半値幅が本発明の構造とは逆になっ
ている。本発明例の実施例は全て成長とともに原料ガス
中の炭素濃度を高めているが、実際に成長したダイヤモ
ンドも原料ガスに対応して、非ダイヤモンド成分や、ダ
イヤモンドラマンスペクトルの半値幅が成長方向に向け
て増大していることが分かる。
In Comparative Example E, all of the diamond films were synthesized at a high carbon concentration, and thus had many non-diamond components. However, the concentration distribution is in the opposite relationship to the present invention. Since Comparative Example F was synthesized at a low carbon concentration, the non-diamond component was low and the distribution was opposite to that of the present invention. In Comparative Example H, the carbon concentration in the raw material gas was changed stepwise, contrary to the present invention. The structure is reversed. In all of the examples of the present invention, the carbon concentration in the source gas is increased with the growth, but the diamond actually grown also corresponds to the source gas, and the non-diamond component and the half-width of the diamond Raman spectrum increase in the growth direction. It can be seen that it is increasing toward.

【0054】こうしてできたダイヤモンド切削工具の性
能を次の条件によって評価した。被削材として外周面に
軸方向に延びる4本の溝が形成されたA390合金(A
l−17%Si)丸棒を選んだ。これを前述の方法で作
られた切削工具によって、 切削速度:800m/min. 切り込み:0.2mm 送り :0.1mm/rev. 摩耗量が重要な評価のパラメータであるから90分或は
30分切削した時の平均摩耗幅を測定している。結果を
表3に示す。
The performance of the diamond cutting tool thus produced was evaluated under the following conditions. A390 alloy (A) in which four grooves extending in the axial direction are formed on the outer peripheral surface as a work material
1-17% Si) round bars were selected. The cutting speed was 800 m / min. Cut: 0.2 mm Feed: 0.1 mm / rev. Since the amount of wear is an important evaluation parameter, the average wear width when cutting for 90 minutes or 30 minutes is measured. Table 3 shows the results.

【0055】[0055]

【表3】 [Table 3]

【0056】表2、表3を対比して分かる様に、ラマン
分光分析により、すくい面側刃先の非ダイヤモンド成分
のピーク値(X1)のダイヤモンド成分のピーク値(Y
1)に対する比(X1/Y1)が、母材面側の非ダイヤ
モンド成分のピーク値(X2)のダイヤモンド成分に対
する比(X2/Y2)よりも小さい膜質構造 X1/Y
1<X2/Y2 を持つか、もしくはすくい面側刃先ダ
イヤモンドラマンスペクトルピ−クの半値幅(αc
-1)が母材面側のダイヤモンドラマンスペクトルピ−
クの半値幅(βcm-1)よりも小さい膜質構造 α<β
(cm-1)を持つ本発明例つまりサンプルA〜DではA
390の切削テストに於いて、欠損もせず、高耐摩耗性
を発揮している。これに対し、逆の条件 X1/Y1≧
X2/Y2、もしくは α≧β(cm-1) である比較
例E〜Jでは短時間に大きく欠損してしまうものや、大
きく摩耗してしまうものばかりであった。
As can be seen by comparing Tables 2 and 3, the peak value (X1) of the non-diamond component on the rake face side cutting edge (X1) and the peak value of the diamond component (Y
The film quality structure in which the ratio (X1 / Y1) to 1) is smaller than the ratio (X2 / Y2) of the peak value (X2) of the non-diamond component on the base material surface side to the diamond component.
1 <X2 / Y2, or the half width (αc) of the diamond Raman spectral peak on the rake face side
m -1 ) is the diamond Raman spectrum peak on the base metal side.
Α <β, which is smaller than the half width (βcm -1 )
In the example of the present invention having (cm -1 ), that is, samples A to D, A
In the cutting test of 390, there is no breakage and high wear resistance is exhibited. On the other hand, the opposite condition X1 / Y1 ≧
In Comparative Examples E to J in which X2 / Y2 or α ≧ β (cm −1 ), there were only those that were largely damaged in a short time and those that were greatly worn.

【0057】焼結ダイヤモンドサンプルである比較材J
は欠損はしなかったものの、90分切削時での平均摩耗
幅が90μmと大きかった。焼結で形成するためにCo
等のバインダーが含まれており、これが耐摩耗性を低下
させている原因であると考えられる。また、比較例Eの
ように、ダイヤモンド厚み方向に全て非ダイヤモンド成
分の含有が多いか、もしくは半値幅の広いもの(ほぼ1
0cm-1以上)は耐摩耗性に劣る欠点がある。Hもすく
い面側において非ダイヤモンド成分が多く半値幅が大き
いのであるがこれも耐摩耗性が劣る。また、この逆で比
較例Fのように、ダイヤモンドの厚み方向に全て非ダイ
ヤモンド成分の含有が少ないか,もしくは半値幅の小さ
いもの(ほぼ6cm-1以下)ではダイヤモンド膜に靱性
が不足し、硬質の被削材に対しては特に耐欠損性が不足
するものと思われる。
Comparative material J which is a sintered diamond sample
Although there was no chipping, the average wear width after 90 minutes cutting was as large as 90 μm. Co to form by sintering
And the like, and this is considered to be the cause of reducing the wear resistance. Further, as in Comparative Example E, the non-diamond component contained a large amount in the diamond thickness direction or had a large half-value width (almost
0 cm -1 or more) has a drawback of poor abrasion resistance. H also has many non-diamond components on the rake face side and a large half-value width, but this also has poor abrasion resistance. On the other hand, as in Comparative Example F, a diamond film having a small non-diamond content in the thickness direction or a small half-width (approximately 6 cm -1 or less) in the thickness direction of the diamond has insufficient toughness in the diamond film and is hard. It is considered that the fracture resistance is particularly insufficient for the work material.

【0058】本発明例のダイヤモンド膜質構造は、基本
的にすくい面側のダイヤモンド膜は高品質良好なもの
で、母材設置固定面側はやや品質を落としたものであ
る。母材設置固定面の弾性によりすくい面側の高品質膜
に加わる応力を緩和する構造を持つものである。定義と
してはこれらのラマンデータのみならず、種々他の定義
によっても表しうる。定性的に述べてみると以下のよう
なものも考えられる。 すくい面側 母材設置固定面側 ヤング率 高い 低い CL発光強度 弱い 強い (440nm) 結晶粒径 小さい 大きい 水素含有量 少ない 多い (CL:カソ−ドルミネッセンス)
In the diamond film quality structure of the present invention, the diamond film on the rake face side is basically of high quality and good quality, and the quality on the base material installation fixed face side is slightly reduced. It has a structure that relieves the stress applied to the high quality film on the rake face due to the elasticity of the base material installation fixed surface. The definition can be expressed not only by these Raman data but also by various other definitions. The following can be considered qualitatively. Rake face Side Base material fixed face side Young's modulus High Low CL emission intensity Weak Strong (440 nm) Crystal grain size Small Large Hydrogen content Low High (CL: Caso-Dolescence)

【0059】[実施例] マイクロ波プラズマCVD
法 次にマイクロ波(プラズマ)CVD法によって本発明を
実施した。図8にマイクロ波CVD装置の概略を示す。
石英管22の中に、石英棒23によって基材24が支持
されている。上方のガス導入口25から原料ガス26が
石英管22に導入される。これは石英管22下方の真空
排気口27から排出される。石英管22の反応が行われ
る部分の近傍には水冷ジャケット28が設けられる。マ
グネトロン29でマイクロ波が発振され導波管30を通
って基材24の近傍に導かれる。原料ガスをマイクロ波
によって励起するので基材の近傍に高密度のプラズマが
発生する。本実施例の場合には、導波管が石英管に直交
し石英管の軸方向と直角にマイクロ波が進行するように
なっている。導波管と石英管の幾何学的位置関係は、高
密度のマイクロ波プラズマが発生さえすればその他の方
法によってもかまわない。導波管の形状寸法と長さがマ
イクロ波のモ−ドを決定するが、導波管30内を動くプ
ランジャ32(反射板)によってマイクロ波の定在波モ
−ドを規定出来るようになっている。このようなマイク
ロ波プラズマCVD法は公知である。またマイクロ波の
進行方向を基材面と直交させても良い。原料ガスは先の
例と同じように、炭素を含むガス、水素ガスなどよりな
る。プラズマの閉じ込めのために石英管の周囲に磁石を
配してカスプ磁場、或は軸方向磁場を形成することもあ
る。これも良く知られたことである。表4にマイクロ波
CVD法による合成条件を示す。基材には実施例と同じ
く多結晶シリコン基材を用いた。基材温度はコーティン
グ中は光学式光高温度計でモニターした。
[Example] Microwave plasma CVD
Method Next, the present invention was implemented by a microwave (plasma) CVD method. FIG. 8 schematically shows a microwave CVD apparatus.
A substrate 24 is supported by a quartz rod 23 in the quartz tube 22. A source gas 26 is introduced into the quartz tube 22 from an upper gas inlet 25. This is discharged from the vacuum exhaust port 27 below the quartz tube 22. A water cooling jacket 28 is provided in the vicinity of the portion of the quartz tube 22 where the reaction takes place. The microwave is oscillated by the magnetron 29 and is guided to the vicinity of the base material 24 through the waveguide 30. Since the source gas is excited by the microwave, a high-density plasma is generated near the base material. In the case of the present embodiment, the microwave travels perpendicular to the quartz tube and perpendicular to the axial direction of the quartz tube. The geometrical positional relationship between the waveguide and the quartz tube may be determined by other methods as long as high-density microwave plasma is generated. Although the shape and length of the waveguide determine the mode of the microwave, the standing wave mode of the microwave can be defined by the plunger 32 (reflector) moving in the waveguide 30. ing. Such a microwave plasma CVD method is known. Further, the traveling direction of the microwave may be perpendicular to the substrate surface. The source gas is made of a gas containing carbon, hydrogen gas, or the like, as in the previous example. A magnet may be placed around the quartz tube to confine the plasma to form a cusp magnetic field or an axial magnetic field. This is also well known. Table 4 shows the synthesis conditions by the microwave CVD method. As the substrate, a polycrystalline silicon substrate was used as in the example. The substrate temperature was monitored with an optical optical thermometer during coating.

【0060】[0060]

【表4】 [Table 4]

【0061】K〜Nが本発明の実施例である。これらは
2段階、4段階に原料ガス組成を切り替えており成長の
後期の炭素濃度が増加している。Ar等の不活性ガスは
マイクロ波プラズマを安定に励起させやすくし、Hα、
2 等の活性種濃度を増加させるために添加している。
O〜Qは比較例である。Oは全て低炭素濃度で合成した
ものであり、Pは全て高炭素濃度で合成したものであ
る。また、Qは本発明とは逆の濃度変化で合成したもの
である。次に工具性能を評価するため、実施例1と同様
に切削チップを作製した。そして、実施例1と同様にダ
イヤモンド厚み方向のラマンスペクトル測定値を表5に
示す。
K to N are examples of the present invention. In these, the source gas composition is switched to two or four stages, and the carbon concentration in the latter half of growth is increased. An inert gas such as Ar facilitates stable excitation of microwave plasma, and Hα,
It is added to increase the concentration of active species such as C 2 .
O to Q are comparative examples. O is all synthesized at a low carbon concentration, and P is all synthesized at a high carbon concentration. Q is a value obtained by synthesizing with a change in concentration opposite to that of the present invention. Next, in order to evaluate the tool performance, a cutting tip was produced in the same manner as in Example 1. Table 5 shows the measured values of the Raman spectrum in the thickness direction of the diamond in the same manner as in Example 1.

【0062】[0062]

【表5】 [Table 5]

【0063】また 各切削チップを実施例1と同様な条
件で切削性能評価を行った。その結果を表6に示す。
The cutting performance of each cutting tip was evaluated under the same conditions as in Example 1. Table 6 shows the results.

【0064】[0064]

【表6】 [Table 6]

【0065】表5、表6を対比して分かるように、ラマ
ン分光分析により、すくい面側刃先の非ダイヤモンド成
分のピーク値(X1)のダイヤモンド成分のピーク値
(Y1)に対する比(X1/Y1)が、母材面側の非ダ
イヤモンド成分のピーク値(X2)のダイヤモンド成分
に対する比(X2/Y2)よりも小さい膜質構造 X1
/Y1<X2/Y2 を持つか、もしくはすくい面側刃
先ダイヤモンドラマンスペクトルピ−クの半値幅(αc
-1)が母材面側のダイヤモンドラマンスペクトルピ−
クの半値幅(βcm-1)よりも小さい膜質構造 α<β
(cm-1) を持つ本発明例つまりサンプルK〜Nでは
A390の切削テストに於いて、欠損もせず、高耐摩耗
性を発揮している。これに対し、逆の条件 X1/Y1
≧X2/Y2、もしくは α≧β(cm-1) である比
較例O〜Qでは短時間に大きく欠損してしまうものや、
大きく摩耗してしまうものばかりであった。
As can be seen by comparing Tables 5 and 6, the ratio (X1 / Y1) of the peak value (X1) of the non-diamond component on the rake face side edge to the peak value (Y1) of the diamond component was determined by Raman spectroscopy. ) Is smaller than the ratio (X2 / Y2) of the peak value (X2) of the non-diamond component to the diamond component on the base material surface side.
/ Y1 <X2 / Y2 or the half-width (αc) of the diamond Raman spectral peak on the rake face side.
m -1 ) is the diamond Raman spectrum peak on the base metal side.
Α <β, which is smaller than the half width (βcm -1 )
(Examples) The samples of the present invention having (cm -1 ), that is, samples K to N, exhibited high wear resistance without any breakage in the cutting test of A390. On the other hand, the opposite condition X1 / Y1
In Comparative Examples O to Q in which ≧ X2 / Y2 or α ≧ β (cm −1 )
All of them were worn out.

【0066】[実施例] 熱CVD法を併用したプ
ロセス 本発明を適用するにはダイヤモンド膜質を少なくとも2
段階に変化させなければならない。ここでは2段階に変
化させてダイヤモンド膜を作った例を説明する。ここで
は第1段階目の成膜はフィラメントCVD法で、第2段
階目の成膜は熱CVD法で行った。図9に熱CVD装置
の概略を示す。真空に引くことのできる石英管35の中
に支持台36がありここに基材37が支持されている。
石英管35の周囲にはヒ−タ38が設けられる。石英管
35には原料ガス入口39から原料ガスが導入される。
廃ガスが真空排気口40から排出される。原料ガスはヒ
−タによって加熱されることによって励起され気相反応
によって基材の上に多結晶ダイヤモンドが成長する。熱
CVD法でダイヤモンドを低温で合成するためには弗素
系のガスの添加が好適である。基材は14mm×14m
m×2.5 mmの多結晶Siである。
[Example] Process using thermal CVD together The diamond film quality must be at least 2 in order to apply the present invention.
It has to be changed in stages. Here, an example in which a diamond film is formed in two stages will be described. Here, the first-stage film formation was performed by a filament CVD method, and the second-stage film formation was performed by a thermal CVD method. FIG. 9 schematically shows a thermal CVD apparatus. A support 36 is provided in a quartz tube 35 which can be evacuated, and a substrate 37 is supported here.
A heater 38 is provided around the quartz tube 35. A raw material gas is introduced into the quartz tube 35 from a raw material gas inlet 39.
Waste gas is exhausted from the vacuum exhaust port 40. The raw material gas is excited by being heated by the heater, and polycrystalline diamond grows on the substrate by a gas phase reaction. In order to synthesize diamond at a low temperature by the thermal CVD method, it is preferable to add a fluorine-based gas. The base material is 14mm x 14m
It is polycrystalline Si of mx2.5 mm.

【0067】 これらを続けて成長を行った。全膜厚が180μmであ
る。これを前例と同じように図2に示す工程により超硬
合金の台金にろうづけし工具とした。ラマン分光分析に
よる非ダイヤモンド成分のピーク(X)に対するダイヤ
モンド成分のピーク(Y)に対する比(X/Y)及びダ
イヤモンドのラマンスペクトルピ−クの半値幅α、β
(cm-1)を示す。
[0067] These continued to grow. The total film thickness is 180 μm. This was brazed to a cemented carbide base metal by the process shown in FIG. The ratio (X / Y) of the diamond component peak (Y) to the non-diamond component peak (X) by Raman spectroscopy, and the half widths α and β of the peaks of the Raman spectrum of diamond.
(Cm -1 ).

【0068】 であった。原料ガスの炭素濃度が高く形成温度の低い2
層でやはりX/Y及び半値幅が大きくなっている。
[0068] Met. High carbon concentration of source gas and low formation temperature 2
The X / Y and half width are also large in the layer.

【0069】これの工具特性を評価するために、外周面
に軸方向に伸びる4本の溝が形成されたA390合金
(Al−17%Si)丸棒を被削材として切削した。切
削条件は前例と同じく 切削速度 800m/min 切り込み 0.2mm 送り 0.1mm/rev. で乾式切削した。120分後のVb摩耗量は15μm で
あった。極めて小さい値である。熱CVDに本発明を適
用しても有効であるということである。
In order to evaluate the tool characteristics, an A390 alloy (Al-17% Si) round bar having four grooves extending in the axial direction on the outer peripheral surface was cut as a work material. The cutting conditions are the same as in the previous example. Cutting speed 800 m / min Cutting depth 0.2 mm Feed 0.1 mm / rev. Dry cutting. The amount of Vb abrasion after 120 minutes was 15 μm. This is a very small value. That is, it is effective to apply the present invention to thermal CVD.

【0070】[実施例] 熱プラズマCVD法 図10に熱プラズマCVD装置を示す。真空チャンバ4
2の上方に同心状の電極43が設けられる。下方に冷却
支持台44がありこの上に基材45が戴置される。電極
43は中心が陰極、周縁が陽極となっており、正負の電
極間には直流電源46によって電圧が印加される。原料
ガス47は電極43間の隙間からノズル51を経て真空
チャンバ42の中に導入される。ここで原料ガス47は
イオン化されプラズマガス流52となって基材の方へ流
れる。廃ガスは真空排気口49から排出される。基材は
25mm×25mm×5.0mmtの多結晶Siであ
る。ダイヤモンドの成長方向の膜質を変化させるため2
段階の成長工程を引き続き行った。
EXAMPLE Thermal Plasma CVD Method FIG. 10 shows a thermal plasma CVD apparatus. Vacuum chamber 4
2, a concentric electrode 43 is provided. A cooling support 44 is provided below, and a substrate 45 is placed thereon. The electrode 43 has a cathode at the center and an anode at the periphery, and a DC power supply 46 applies a voltage between the positive and negative electrodes. The source gas 47 is introduced into the vacuum chamber 42 from the gap between the electrodes 43 via the nozzle 51. Here, the source gas 47 is ionized and flows as a plasma gas flow 52 toward the base material. The waste gas is exhausted from the vacuum exhaust port 49. The base material is 25 mm × 25 mm × 5.0 mmt polycrystalline Si. To change the film quality in the growth direction of diamond 2
The step growth process was continued.

【0071】 である。これらの成長を引き続き行った。全膜厚が29
00μm (2.9mm)になる。図2の工程に従って多
結晶ダイヤモンドを超硬合金の母材の上にろう付けし工
具を作製した。第1層、第2層のダイヤモンドのラマン
スペクトルピ−クの半値幅は、 第1層・・・すくい面から 30μm 4.9cm-1 (α) 第2層・・・すくい面から2862μm 13.6cm-1 (β) であった。
[0071] It is. These growths continued. 29 total film thickness
00 μm (2.9 mm). According to the process of FIG. 2, a tool was prepared by brazing polycrystalline diamond on a cemented carbide base material. 12. The half-value width of the Raman spectral peak of the diamond of the first layer and the second layer is 30 μm 4.9 cm −1 (α) from the first layer rake face, and the second layer is 2862 μm from the rake face. It was 6 cm -1 (β).

【0072】この工具の性能を評価するため、外周面に
軸方向に延びる4本の溝が形成されたA390合金(A
l−17%Si)丸棒を被削材として、 切削速度 800m/min 切り込み 0.2mm 送り 0.1mm/rev. の切削条件で乾式切削した。120分後のVb摩耗量は
31μm と十分に小さかった。熱プラズマCVD法によ
るダイヤモンドの成長にも本発明が有効に適用できると
いうことである。
In order to evaluate the performance of this tool, an A390 alloy (A) having four axially extending grooves formed on the outer peripheral surface was used.
l-17% Si) Using a round bar as a work material, a cutting speed of 800 m / min, a depth of cut of 0.2 mm, a feed of 0.1 mm / rev. Dry cutting was performed under the following cutting conditions. The Vb abrasion amount after 120 minutes was 31 μm, which was sufficiently small. This means that the present invention can be effectively applied to the growth of diamond by thermal plasma CVD.

【0073】[0073]

【発明の効果】本発明は、厚み方向にダイヤモンド膜質
を変化させるCVD法によってダイヤモンド膜を形成す
る。これによって強度、耐摩耗性、耐欠損性、耐溶着
性、耐熱性に優れたダイヤモンド膜を作製することがで
きる。それでは何故本発明によってこのようなダイヤモ
ンド膜ができるのかということを説明する。従来は厚み
方向に均一な膜質のダイヤモンドが作られていた。純度
の高い高結晶性のダイヤモンドは剛性がほぼ理論値通り
高いが、衝撃によって簡単に欠損する。つまり結晶性の
高いダイヤモンドは耐欠損性に欠ける。従来例として挙
げたもののいずれかは短時間で欠損しているがそれは完
全結晶であるために剛性が高すぎることに起因すると考
えられる。それでは、結晶性を低下させて、非ダイヤモ
ンド成分の含有量の多い、欠損の多いダイヤモンドにす
ればよいかというとそうでもない。それらが多いと剛性
が低下し、耐摩耗性が劣る問題点がある。
According to the present invention, a diamond film is formed by a CVD method that changes the diamond film quality in the thickness direction. Thus, a diamond film having excellent strength, wear resistance, chipping resistance, welding resistance, and heat resistance can be produced. Now, the reason why the present invention can form such a diamond film will be described. Conventionally, diamond having a uniform film quality in the thickness direction has been produced. High-purity, highly crystalline diamond has high stiffness almost as theoretically high, but is easily broken by impact. That is, diamond with high crystallinity lacks fracture resistance. Any of the conventional examples is missing in a short period of time, but it is considered to be caused by too high rigidity because it is a perfect crystal. Then, it is not true that the crystallinity should be reduced to diamond having a large content of non-diamond components and many defects. If there are many of them, there is a problem that rigidity is reduced and wear resistance is inferior.

【0074】耐欠損性と耐摩耗性の両者が工具には必要
である。非ダイヤモンド成分や、膜中の欠陥を適当な範
囲に限定するということでは最適の特性が得られない。
被削物に接触する面では耐摩耗性が必須である。また膜
全体の靱性を高めてやらなければ、耐欠損性は向上しな
い。そして、剛性と靱性は相反する特性であり、両方を
両立させることは非常に難しい。そこで本発明では膜の
厚み方向に相補性を持たせることにしている。被削物に
接触するすくい面は非ダイヤモンド成分もしくは欠陥の
少ないダイヤモンド膜質とし、個々のダイヤモンドの結
晶性は向上させる。また、母材面側はその逆とし、靱性
の向上を図る。内部(母材面側)のほうが靱性が高いた
め、刃先に衝撃を受けても内部の緩衝作用でダイヤモン
ドが欠損しない。これが本発明のダイヤモンド工具に高
性能を与える。耐摩耗性はすくい面の性質によるが、す
くい面側は高結晶性であり、高剛性であるため、難削材
においても十分な耐摩耗性が得られる。焼結ダイヤモン
ドではバインダ−を含むため、どうしても耐摩耗性は低
下するが本発明においてはそういうことがない。また、
工具寿命を考えた場合、すくい面側40μmもしくはダ
イヤモンド膜厚の30%までは、高品質ダイヤモンドで
あることが好ましい。耐摩耗性、耐欠損性、強度、耐溶
着性などの特性が強く要求される分野、特に切削工具、
旋削工具、掘削工具、ドレッサ−等の工具用として有用
である。
Both fracture resistance and wear resistance are required for tools. Optimum characteristics cannot be obtained by limiting non-diamond components or defects in the film to an appropriate range.
Wear resistance is essential on the surface that comes into contact with the workpiece. Unless the toughness of the entire film is increased, the fracture resistance does not improve. In addition, rigidity and toughness are contradictory properties, and it is very difficult to achieve both. Therefore, in the present invention, complementarity is provided in the thickness direction of the film. The rake face that comes into contact with the work is made of a non-diamond component or a diamond film having few defects, thereby improving the crystallinity of each diamond. Also, the base material side is reversed to improve the toughness. Since the inside (base metal surface side) has higher toughness, the diamond does not break due to the internal buffering action even if a shock is applied to the cutting edge. This gives the diamond tool of the present invention high performance. Although the wear resistance depends on the nature of the rake face, the rake face has high crystallinity and high rigidity, so that sufficient wear resistance can be obtained even with difficult-to-cut materials. Since the sintered diamond contains a binder, the wear resistance is inevitably reduced, but this is not the case in the present invention. Also,
In consideration of the tool life, high quality diamond is preferably used up to 40 μm on the rake face side or up to 30% of the diamond film thickness. Fields where properties such as wear resistance, chipping resistance, strength, and welding resistance are strongly required, especially cutting tools,
It is useful for tools such as turning tools, excavating tools, and dressers.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】多結晶ダイヤモンド工具の一例概略斜視図。FIG. 1 is a schematic perspective view of an example of a polycrystalline diamond tool.

【図2】多結晶ダイヤモンド工具の製作工程概略図。FIG. 2 is a schematic diagram of a manufacturing process of a polycrystalline diamond tool.

【図3】多結晶ダイヤモンド工具刃先断面図。FIG. 3 is a sectional view of a cutting edge of a polycrystalline diamond tool.

【図4】結晶ダイヤモンド工具のラマン分光分析測定箇
所を説明する断面図。
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating Raman spectroscopic analysis measurement points of the crystal diamond tool.

【図5】多結晶ダイヤモンド工具のダイヤモンドラマン
分光スペクトルの一例図。非ダイヤモンド成分のピ−ク
の高さXとダイヤモンド成分の高さYを定義する方法を
説明する。
FIG. 5 is an example of a diamond Raman spectrum of a polycrystalline diamond tool. A method of defining the peak height X of the non-diamond component and the height Y of the diamond component will be described.

【図6】多結晶ダイヤモンド工具のダイヤモンドラマン
分光スペクトルの一例図。ダイヤモンド成分に対するピ
−クの半値幅を定義する方法を説明する。
FIG. 6 is an example of a diamond Raman spectrum of a polycrystalline diamond tool. A method for defining the half width of the peak with respect to the diamond component will be described.

【図7】フィラメントCVD装置概略断面図。FIG. 7 is a schematic sectional view of a filament CVD apparatus.

【図8】マイクロ波プラズマCVD装置の概略断面図。FIG. 8 is a schematic sectional view of a microwave plasma CVD apparatus.

【図9】熱CVD装置の概略断面図。FIG. 9 is a schematic sectional view of a thermal CVD apparatus.

【図10】熱プラズマCVD装置概略断面図。FIG. 10 is a schematic sectional view of a thermal plasma CVD apparatus.

【図11】ガス供給系の一例を示す構成図。FIG. 11 is a configuration diagram illustrating an example of a gas supply system.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 工具母材 2 ダイヤモンド膜 3 設置固定層 4 すくい面 5 母材設置固定層 6 基材 7 ダイヤモンド膜 8 メタライズ層 11 真空チャンバ 12 基材支持台 13 基材 14 真空排気口 15 電極 16 ガイシ 17 フィラメント 18 原料ガス入口 19 圧力計 20 冷却水 22 石英管 23 石英棒 24 基材 25 ガス導入口 26 原料ガス 27 真空排気口 28 水冷ジャケット 29 マグネトロン 30 導波管 31 プラズマ 32 プランジャ 35 石英管 36 支持台 37 基材 38 ヒ−タ 39 原料ガス入口 40 真空排気口 42 真空チャンバ 43 電極 44 冷却支持台 45 基材 46 直流電源 47 原料ガス 48 電極ギャップ 49 真空排気口 50 冷却水 51 ノズル 52 プラズマガス流 55 水素ガスボンベ 56 不活性ガスボンベ 57 炭素含有ガスボンベ 58 酸素原子含有無機ガスボンベ 59 バブリング装置 61 テ−プヒ−タ 62 テ−プヒ−タ REFERENCE SIGNS LIST 1 tool base material 2 diamond film 3 installation fixing layer 4 rake face 5 base material installation fixing layer 6 substrate 7 diamond film 8 metallization layer 11 vacuum chamber 12 substrate support base 13 substrate 14 vacuum exhaust port 15 electrode 16 insulator 17 filament Reference Signs List 18 source gas inlet 19 pressure gauge 20 cooling water 22 quartz tube 23 quartz rod 24 substrate 25 gas inlet 26 source gas 27 vacuum exhaust port 28 water cooling jacket 29 magnetron 30 waveguide 31 plasma 32 plunger 35 quartz tube 36 support base 37 Base material 38 Heater 39 Source gas inlet 40 Vacuum exhaust port 42 Vacuum chamber 43 Electrode 44 Cooling support base 45 Base material 46 DC power supply 47 Source gas 48 Electrode gap 49 Vacuum exhaust port 50 Cooling water 51 Nozzle 52 Plasma gas flow 55 Hydrogen Gas cylinder 56 Inert gas cylinder 57 carbon-containing gas cylinder 58 oxygen atom-containing inorganic gas cylinder 59 bubbler 61 Te - Puhi - motor 62 Te - Puhi - data

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 工具母材と多結晶ダイヤモンドとよりな
り、工具刃先の母材面に多結晶ダイヤモンドの母材設置
固定面を当接して固定しダイヤモンドのすくい面によっ
て被加工物を加工する構造の工具であって、ダイヤモン
ドの厚さが40μm以上であり、ダイヤモンドの厚み方
向に膜質が変化しており、刃先すくい面側のダイヤモン
ド膜質が、母材設置固定面側のダイヤモンド膜質よりも
良好である事を特徴とする多結晶ダイヤモンド工具。
1. A structure comprising a tool base material and polycrystalline diamond, wherein a base material installation fixing surface of the polycrystalline diamond is brought into contact with and fixed to a base material surface of a tool edge, and a workpiece is machined by a diamond rake face. The diamond has a thickness of 40 μm or more, the film quality changes in the thickness direction of the diamond, and the diamond film quality on the rake face side of the cutting edge is better than the diamond film quality on the base material installation fixed surface side. Polycrystalline diamond tool characterized by a certain thing.
【請求項2】 工具母材と多結晶ダイヤモンドとよりな
り、工具刃先の母材面に多結晶ダイヤモンドの母材設置
固定面を当接して固定しダイヤモンドのすくい面によっ
て被加工物を加工する構造の工具であって、ダイヤモン
ドの厚さが40μm以上であり、ダイヤモンドの厚み方
向に膜質が変化しており、刃先すくい面側ダイヤモンド
中の非晶質炭素成分、非ダイヤモンド炭素成分、金属不
純物、水素、窒素原子等非ダイヤモンド成分の含有量が
母材設置固定面側ダイヤモンド中の非ダイヤモンド成分
の含有量に対して少ない事を特徴とする多結晶ダイヤモ
ンド工具。
2. A structure comprising a tool base material and polycrystalline diamond, wherein a base material installation fixing surface of the polycrystalline diamond is brought into contact with and fixed to the base material surface of the tool edge, and the workpiece is machined by the rake face of the diamond. Wherein the thickness of the diamond is 40 μm or more, the film quality changes in the thickness direction of the diamond, and the amorphous carbon component, non-diamond carbon component, metal impurity, A polycrystalline diamond tool characterized in that the content of non-diamond components such as nitrogen atoms is smaller than the content of non-diamond components in the diamond on the base material fixed side.
【請求項3】 刃先ダイヤモンドのすくい面から厚み方
向母材面に向かって少なくともダイヤモンドの平均膜厚
の30%以内もしくは40μm以内のダイヤモンドのど
ちらか小さい方の箇所におけるダイヤモンド中の非ダイ
ヤモンド成分の含有量がダイヤモンド母材設置固定面よ
り厚み方向刃先すくい面に向かってダイヤモンドの平均
膜厚の30%以内もしくは40μm以内のどちらか小さ
い方の箇所に於けるダイヤモンド中の非ダイヤモンド成
分含有量に対して少ない事を特徴とする請求項1又は請
求項2に記載の多結晶ダイヤモンド工具。
3. Inclusion of non-diamond components in diamond at least at a point within 30% or 40 μm of the average thickness of diamond, whichever is smaller, from the rake face of the cutting edge diamond to the base material face in the thickness direction. The content of non-diamond components in diamond at the smaller of 30% or 40 μm, whichever is smaller, of the average thickness of diamond from the diamond base material fixed surface to the cutting edge rake surface in the thickness direction 3. The polycrystalline diamond tool according to claim 1, wherein the number is small.
【請求項4】 ラマン分光分析により、刃先ダイヤモン
ドのすくい面から厚み方向母材面に向かって少なくとも
ダイヤモンドの平均膜厚の30%以内もしくは40μm
以内のダイヤモンドのどちらか小さい方の箇所における
非ダイヤモンド成分のピーク値(X1)のダイヤモンド
成分のピーク値(Y1)に対する比(X1/Y1)が、
ダイヤモンド母材設置固定面より厚み方向刃先すくい面
に向かってダイヤモンドの平均膜厚の30%以内もしく
は40μm以内のどちらか小さい方の箇所における非ダ
イヤモンド成分のピーク値(X2)のダイヤモンド成分
のピーク値(Y2)に対する比(X2/Y2)よりも小
さい膜質構造 X1/Y1<X2/Y2を持つ事を特徴
とする請求項1、2又は3に記載の多結晶ダイヤモンド
工具。
4. An average film thickness of at least 30% or 40 μm from the rake face of the cutting edge diamond toward the base material face in the thickness direction by Raman spectroscopy.
The ratio (X1 / Y1) of the peak value (X1) of the non-diamond component to the peak value (Y1) of the diamond component at the smaller one of the diamonds within:
Peak value of non-diamond component (X2) peak value of diamond component within 30% or 40 μm, whichever is smaller, of the average thickness of diamond from the diamond base material installation fixed surface to the cutting edge rake surface in the thickness direction. 4. The polycrystalline diamond tool according to claim 1, wherein the polycrystalline diamond tool has a film structure X1 / Y1 <X2 / Y2 smaller than a ratio (X2 / Y2) to (Y2). 5.
【請求項5】 工具母材と多結晶ダイヤモンドとよりな
り、工具刃先の母材面に多結晶ダイヤモンドの母材設置
固定面を当接して固定しダイヤモンドのすくい面によっ
て被加工物を加工する構造の工具であって、ダイヤモン
ドの厚さが40μm以上であり、ダイヤモンドの厚み方
向に膜質が変化しており、刃先すくい面側ダイヤモンド
中の欠陥密度が母材設置固定面側ダイヤモンド中の欠陥
密度に対して少ない事を特徴とする多結晶ダイヤモンド
工具。
5. A structure comprising a tool base material and polycrystalline diamond, wherein a base material installation fixing surface of the polycrystalline diamond is brought into contact with and fixed to the base material surface of the tool edge, and the workpiece is machined by the rake face of the diamond. The diamond has a thickness of 40 μm or more, the film quality changes in the thickness direction of the diamond, and the defect density in the diamond on the rake face side of the cutting edge is lower than the defect density in the diamond on the base material installation fixed surface side. Polycrystalline diamond tool characterized by a small number.
【請求項6】 刃先ダイヤモンドのすくい面から厚み方
向母材設置固定面に向かって少なくともダイヤモンドの
平均膜厚の30%以内もしくは40μm以内のどちらか
小さい方の箇所におけるダイヤモンド中の欠陥密度が、
母材設置固定面から厚み方向すくい面に向かって少なく
ともダイヤモンドの平均膜厚の30%以内もしくは40
μm以内のどちらか小さい方の箇所のダイヤモンド中の
欠陥密度に対して小さい事を特徴とする請求項1又は5
に記載の多結晶ダイヤモンド工具。
6. The defect density in the diamond at least at a point within 30% or 40 μm of the average thickness of the diamond, whichever is smaller, from the rake face of the cutting edge diamond toward the thickness direction base material installation fixed face,
At least 30% or 40% or less of the average diamond film thickness from the base metal installation fixed surface to the rake surface in the thickness direction.
6. The defect density in a diamond at a smaller position within .mu.m, whichever is smaller, is small.
2. The polycrystalline diamond tool according to 1.
【請求項7】 ラマン分光分析により求めたラマン発光
スペクトルに於いて、刃先ダイヤモンドのすくい面から
厚み方向母材面に向かって少なくともダイヤモンドの平
均膜厚の30%以内もしくは40μm以内のダイヤモン
ドのどちらか小さい箇所におけるスペクトルのダイヤモ
ンド成分に対応するピ−クの半値幅(αcm-1)がダイ
ヤモンド母材設置固定面より厚み方向刃先すくい面に向
かってダイヤモンドの平均膜厚の30%以内もしくは4
0μm以内のどちらか小さい方の箇所におけるスペクト
ルのダイヤモンド成分に対応するピ−クの半値幅(βc
-1)よりも小さい(α<β)膜質構造を持つ事を特徴
とする請求項1、5又は6に記載の多結晶ダイヤモンド
工具。
7. In a Raman emission spectrum obtained by Raman spectroscopy, at least 30% or 40 μm of the average thickness of the diamond from the rake face of the cutting edge diamond to the base material face in the thickness direction. The half width (αcm -1 ) of the peak corresponding to the diamond component of the spectrum in a small portion is within 30% of the average thickness of the diamond or 4% from the fixed surface of the diamond base material to the rake face in the thickness direction.
The half width (βc) of the peak corresponding to the diamond component of the spectrum at the smaller point within 0 μm.
7. The polycrystalline diamond tool according to claim 1, wherein the polycrystalline diamond tool has a film structure smaller than (m -1 ) (α <β).
【請求項8】 多結晶ダイヤモンドの母材への設置固定
方法が鑞付けである事を特徴とする請求項1、2、3、
4、5、6、或は7に記載の多結晶ダイヤモンド工具。
8. The method according to claim 1, wherein the method of mounting and fixing the polycrystalline diamond to the base material is brazing.
The polycrystalline diamond tool according to 4, 5, 6, or 7.
【請求項9】 水素ガス、炭素含有ガスを原料ガスとし
て用い、化学的気相堆積法によって原料ガス中の炭素含
有ガスの濃度を高める方向か、酸素含有量を減らす方向
か、或は窒素含有量を減ずる方向に原料ガス中の成分を
変えつつ、ダイヤモンドを基材上に析出させ、基材を除
去して、ダイヤモンド単体膜とし、このダイヤモンド最
終成長面側を工具刃先の母材面に当接して固定し、基材
面側のダイヤモンドを刃先すくい面とする事を特徴とす
る多結晶ダイヤモンド工具の製造方法。
9. A method for increasing the concentration of the carbon-containing gas in the source gas, decreasing the oxygen content, or reducing the nitrogen-containing gas content by chemical vapor deposition using hydrogen gas and carbon-containing gas as the source gas. While changing the components in the raw material gas in the direction of decreasing the amount, the diamond is deposited on the base material and the base material is removed to form a diamond single film, and the diamond final growth surface side is applied to the base material surface of the tool edge. A method for producing a polycrystalline diamond tool, comprising: contacting and fixing a diamond on a substrate surface side as a rake face.
【請求項10】 化学的気相堆積法によって基材上にダ
イヤモンドを析出させる工程に於いて、原料ガスとして
少なくとも水素ガス(A)、炭素原子含有ガス(B)の
2種以上の混合ガスを用い、少なくともダイヤモンドを
12μm膜状に析出させるまでの水素ガス(A)、炭素
原子ガス(B)のモル分率比(B1)/(A1)が、1
2μm以上析出させる時のモル分率比(B2)/(A
2)よりも小さい事 (B1)/(A1)<(B2)/
(A2) を特徴とする請求項9に記載の多結晶ダイヤ
モンド工具の製造方法。
10. In a step of depositing diamond on a substrate by a chemical vapor deposition method, at least two kinds of mixed gas of a hydrogen gas (A) and a carbon atom-containing gas (B) are used as a source gas. The molar fraction ratio (B1) / (A1) of the hydrogen gas (A) and the carbon atom gas (B) until at least diamond was deposited in a 12 μm film shape was 1
Molar fraction ratio (B2) / (A) when depositing 2 μm or more
(B1) / (A1) <(B2) /
(A2) The method for producing a polycrystalline diamond tool according to claim 9, characterized in that:
【請求項11】 基材上にダイヤモンドを析出させてゆ
く工程に於いて、少なくとも12μmダイヤモンドを析
出させる迄水素ガス(A)炭素原子含有ガス(B)の2
種のガス以外に酸素原子含有ガス(C)を反応系内に導
入する事を特徴とする請求項10に記載の多結晶ダイヤ
モンド工具の製造方法。
11. In a step of depositing diamond on a substrate, a hydrogen gas (A) and a carbon atom-containing gas (B) are used until at least 12 μm diamond is deposited.
The method for producing a polycrystalline diamond tool according to claim 10, wherein an oxygen atom-containing gas (C) is introduced into the reaction system in addition to the seed gas.
【請求項12】 基材上にダイヤモンドを析出させてゆ
く工程に於いて、少なくとも12μmダイヤモンドを析
出させた後水素ガス(A)炭素原子含有ガス(B)の2
種のガス以外に窒素原子含有ガス(D)を反応系内に導
入する事を特徴とする請求項10に記載の多結晶ダイヤ
モンド工具の製造方法。
12. In a step of depositing diamond on a substrate, a hydrogen gas (A) and a carbon atom-containing gas (B) after depositing at least 12 μm diamond.
The method for producing a polycrystalline diamond tool according to claim 10, wherein a nitrogen atom-containing gas (D) is introduced into the reaction system in addition to the seed gas.
JP8151491A 1990-03-30 1991-03-19 Polycrystalline diamond tool and its manufacturing method Expired - Fee Related JP2591865B2 (en)

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