JP2675218B2 - Polycrystalline diamond tool and its manufacturing method - Google Patents

Polycrystalline diamond tool and its manufacturing method

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JP2675218B2
JP2675218B2 JP33134591A JP33134591A JP2675218B2 JP 2675218 B2 JP2675218 B2 JP 2675218B2 JP 33134591 A JP33134591 A JP 33134591A JP 33134591 A JP33134591 A JP 33134591A JP 2675218 B2 JP2675218 B2 JP 2675218B2
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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、強度、耐溶着性、耐熱
性が良く切削工具や耐摩工具として好適な多結晶ダイヤ
モンド工具およびその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a polycrystalline diamond tool having good strength, welding resistance and heat resistance and suitable as a cutting tool or a wear resistant tool, and a method for producing the same.

【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。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、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。
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. This diamond sintered body,
It has practical performance as a cutting tool for non-ferrous metals. However, this had a problem in heat resistance. For example, if it is heated to 700 ° C. or higher, the wear resistance and the strength are lowered. Further, at a temperature of 900 ° C. or more, the sintered body is broken.

【0003】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。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。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(C
VD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Tor
r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CVD
法がある。加熱したり、電子、プラズマで励起する。
The cause of such decrease in heat resistance is considered as follows. One is that the diamond is graphitized at the interface between the binding material Co 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. In order to improve the heat resistance of such a diamond sintered body, Japanese Patent Laid-Open No. 53-114589 proposes acid treatment of the sintered body 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. Recently, it has become possible to chemically synthesize diamond from the vapor phase. Chemical vapor deposition (C
VD method) or simply a gas phase synthesis method. Hydrocarbon gas of less than about 5% by volume is diluted with hydrogen gas to several tens of Tor
Diamond is deposited on the substrate under a reduced pressure of r. Various methods have been proposed as to how to decompose and excite the raw material gas.
There is a law. It is heated and excited by electrons and plasma.

【0004】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。このようにCV
D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。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1−153228、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。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く、密着強度
も不十分である。さらに難削材(例えば17%Al−S
i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。
In Japanese Patent Laid-Open No. 58-91100, a raw material gas is preheated by a thermoelectron emitting material heated to 1000 ° C. or higher, and the raw material gas is introduced to the surface of the heated base material to thermally decompose the hydrocarbon. 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. CV like this
There are many methods of synthesizing a diamond film by the D method. There are two ways to use the synthesized diamond film. One is to separate the diamond from the base material to form a simple substance of diamond. 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. In JP-A-1-153228 and JP-A-1-210201, 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. Japanese Unexamined Patent Publication (Kokai) No. 2-22471 attempts to enhance the adhesion strength by coating a diamond film with a devised composition on a cemented carbide. However, due to this, the machinability is poor and the adhesion strength is insufficient depending on the surface roughness of the material to be cut. Further difficult-to-cut materials (for example, 17% Al-S
The cutting characteristics when using an i alloy, a 25% Al-Si alloy) as the material to be cut are insufficient.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】強度、耐溶着性、耐熱
性、耐摩耗性に優れ、特に難切削材に対し耐欠損性、耐
摩耗性が優れた多結晶ダイヤモンド工具とその製造方法
を提供することが本発明の目的である。
PROBLEM TO BE SOLVED BY THE INVENTION Provided are a polycrystalline diamond tool excellent in strength, welding resistance, heat resistance and wear resistance, and particularly excellent in fracture resistance and wear resistance for difficult-to-cut materials, and a method for producing the same. It is an object of the present invention.

【0006】[0006]

【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よりな
り、工具刃先の母材面に多結晶ダイヤモンドの1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不純物含有量が変化しており、
ダイヤモンドのすくい面側の不純物含有量X0 (%)
が、ダイヤモンドの母材設置固定面側の不純物含有量Y
0 (%)よりも小さい(X0 <Y0 )事を特徴とする。
従来のダイヤモンド膜は気相合成したものであっても組
成が厚み方向に均一であった。本発明はそうではなく不
純物含有量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不純物含有量が多く、反対側のす
くい面は不純物含有量が少なくなるようにしているので
ある。厚み方向に不純物含有量の異なるダイヤモンド膜
を作るには、最も簡単には、気相合成中に於いて原料ガ
スの組成を変化させれば良い。
A polycrystalline diamond tool of the present invention comprises a tool base material and polycrystalline diamond, and one surface of the polycrystalline diamond is brought into contact with and fixed to the base material surface of the tool cutting edge to fix the diamond. A tool having a structure of a cutting edge, wherein the diamond has a thickness of 40 μm or more, and the impurity content changes in the thickness direction of the diamond.
Impurity content X 0 (%) on the rake face side of diamond
Is the content Y of impurities on the fixed surface of the diamond base material.
It is characterized by being smaller than 0 (%) (X 0 <Y 0 ).
Even if a conventional diamond film was vapor-phase synthesized, its composition was uniform in the thickness direction. The present invention instead varies the impurity content in the thickness direction. The surface of the diamond to be installed on the tool base material has a high content of impurities, and the rake surface on the opposite side has a low content of impurities. The easiest way to form a diamond film having different impurity contents in the thickness direction is to change the composition of the raw material gas during vapor phase synthesis.

【0007】前述の条件はダイヤモンドの両面のみの不
純物含有量によって本発明を定義しているが、より厚み
をもたせて表面から一定深さの部分領域における不純物
含有量の大小によっても定義できる。すくい面側から膜
厚の30%厚みの部分領域の不純物含有量をX1 とし、
母材設置固定面から膜厚の30%厚みの部分領域の不純
物含有量をY1 として、X1<Y1 として定義できる。
もしも不純物含有量が厚み方向に単調に変化していると
すれば両者の定義は等価である。実際気相合成するとき
不純物含有量は連続的にあるいは階段状に変化させるが
単調に増加させるのであって増加減少を繰り返すのでは
ない。しかし実際に製造されたものの不純物含有量は揺
らぎがあるので、第1の定義(X0 <Y0 )だけでは十
分ではない。第2の定義(X1 <Y1 )は厚みのある部
分領域で不純物含有量を定義しているから不純物含有量
の揺らぎがあっても本発明を巧く定義できる。実際の不
純物含有量の測定は第1の定義の方が便利である。
The above-mentioned conditions define the present invention by the content of impurities only on both sides of the diamond, but can also be defined by the size of the content of impurities in a partial region having a certain depth from the surface with a larger thickness. X 1 is the impurity content of the partial region having a thickness of 30% from the rake face side,
It is possible to define X 1 <Y 1 where Y 1 is the impurity content of the partial region having a thickness of 30% from the base material fixed surface.
If the impurity content changes monotonically in the thickness direction, the definitions of both are equivalent. In actual vapor phase synthesis, the impurity content changes continuously or stepwise, but it increases monotonously and does not repeat increasing and decreasing. However, since the impurity content of an actually manufactured product has fluctuation, the first definition (X 0 <Y 0 ) is not sufficient. Since the second definition (X 1 <Y 1 ) defines the impurity content in the thick partial region, the present invention can be well defined even if there is fluctuation in the impurity content. For the actual measurement of the impurity content, the first definition is more convenient.

【0008】[0008]

【作用】図1に多結晶ダイヤモンド工具の概略図を示
す。超硬合金製の母材1の一隅に多結晶ダイヤモンド膜
2がろう付け層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ほうが母材固定設置面5である。本
発明においては、厚み方向に不純物の含有量が異なる。
母材固定設置面5の方が不純物含有量が大きく、すくい
面4の方が不純物含有量が小さい。ダイヤモンドのすく
い面側は、炭素成分以外の不純物を極力抑え、母材固定
設置面側は積極的に不純物元素を導入し不純物含有量を
高める。すくい面4側は低欠陥高品質膜、母材固定設置
面5側はそれより欠陥密度が大きい。これによりすくい
面4側にかかる応力を緩和することが可能になる。つま
り母材固定設置面側が応力緩和層として機能する。この
ためダイヤモンド膜の耐摩耗性を損なうことなく耐欠損
性を向上させることができる。より厳格に規定するた
め、すくい面4をd=0とし、面に直角方向にz軸をと
る。面に平行な方向にx、y軸を取る。不純物含有量を
W(x,y,z)で表現することができる。ダイヤモン
ドの膜厚をTとすると、d=Tが母材固定設置面に当た
る。
FIG. 1 is a schematic view of a polycrystalline diamond tool. A polycrystalline diamond film 2 is fixedly installed at one corner of a base material 1 made of cemented carbide by a brazing layer 3. The surface that appears outside the polycrystalline diamond film 2 is the rake surface 4,
The one fixed to the base material is the base material fixed installation surface 5. In the present invention, the content of impurities differs in the thickness direction.
The base material fixed installation surface 5 has a larger impurity content, and the rake surface 4 has a smaller impurity content. The rake face side of diamond suppresses impurities other than carbon components as much as possible, and the base material fixed installation face side positively introduces an impurity element to increase the impurity content. The rake face 4 side has a low defect and high quality film, and the base material fixed installation face 5 side has a higher defect density than that. This makes it possible to reduce the stress applied to the rake face 4 side. That is, the base material fixed installation surface side functions as a stress relaxation layer. Therefore, the fracture resistance can be improved without impairing the wear resistance of the diamond film. In order to specify it more strictly, the rake face 4 is set to d = 0, and the z axis is taken in the direction perpendicular to the face. The x and y axes are taken in directions parallel to the plane. The impurity content can be expressed by W (x, y, z). When the film thickness of diamond is T, d = T corresponds to the base material fixed installation surface.

【0009】第1の定義は、 X0 =∫W(x,y,0)dxdy/S (1) Y0 =∫W(x,y,T)dxdy/S (2) S=∫dxdy (3) として、 T>40μm (4) X0 <Y0 (5) というように表現できる。ダイヤモンドの膜厚Tが40
μm以上である理由は、ひとつはそれ以下であると強度
が低下して破損し易くなるためである。今一つの理由
は,切削工具としたときの寿命時の逃げ面摩耗幅が40
μm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0.07〜3.0
mmにすることが望ましい。3mm以上ではコストが掛
かるためである。低コストで成膜可能であれば3mm以
上の厚さでも構わない。ダイヤモンドは熱伝導率が高
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 first definition is: X 0 = ∫W (x, y, 0) dxdy / S (1) Y 0 = ∫W (x, y, T) dxdy / S (2) S = ∫dxdy ( 3) can be expressed as T> 40 μm (4) X 0 <Y 0 (5). Diamond film thickness T is 40
The reason why the thickness is more than μm is that if the thickness is less than that, the strength is lowered and it is easily damaged. Another reason is that the flank wear width at the end of its life when used as a cutting tool is 40
This is because in many cases it is more than μm. When a higher degree of wear resistance is required, the film thickness T should be 0.07 to 3.0.
It is desirable to set to mm. This is because if the thickness is 3 mm or more, the cost is high. If the film can be formed at low cost, the thickness may be 3 mm or more. Diamond has a high thermal conductivity, and the larger the film thickness, the better the heat dissipation characteristics. Then, the rise in the temperature of the cutting edge is suppressed, so that the blade is less likely to be worn.

【0010】本発明で最も特徴的なのはX0 <Y0 とい
う関係にある。もしもX0 ≧Y0 であれば母材固定設置
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易く、脱離の惧れもあるし、耐摩耗
性も劣る。母材固定設置面5もすくい面4も外部に露出
した面であって不純物含有量を測定し易い。ダイヤモン
ド膜の不純物含有状態や含有量は、 TEM(Transmission Electron Microscopy) TED(Transmission Electron Diffraction) SIMS(Secondary Ion Mass Spectroscopy) XPS(X-ray Photoelectron Spectrometry ) IMA(Ion Microanalyzer) EDX(Energy Dispersive X-ray Spectrometry) WDX(Wave Dispersive X-ray Spectrometry) EPMA(Electron Probe X-ray Microanalyzer) 密度測定 等によって求めることができる。、は微細構造を観
察できる。不純物元素のダイヤモンド中での構造につい
ての情報が得られる。〜は不純物含有量の定量的な
測定ができる。これらはそのままでは表面の値しか測定
できない。しかしスパッタリングや、膜の断面観察を併
用すれば深さ方向の情報も得ることができる。
The most characteristic feature of the present invention is the relationship X 0 <Y 0 . If X 0 ≧ Y 0 , the base material fixed installation surface side does not serve as a stress relaxation layer, the toughness is poor, the diamond film is likely to be cracked, the diamond film may be detached, and the wear resistance is poor. Both the base material fixed installation surface 5 and the rake surface 4 are surfaces exposed to the outside, and it is easy to measure the impurity content. The state and content of impurities in the diamond film are TEM (Transmission Electron Microscopy) TED (Transmission Electron Diffraction) SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy) XPS (X-ray Photoelectron Spectrometry) IMA (Ion Microanalyzer) EDX (Energy Dispersive X-ray). Spectrometry) WDX (Wave Dispersive X-ray Spectrometry) EPMA (Electron Probe X-ray Microanalyzer) Density measurement or the like. , Can observe the fine structure. Information is obtained about the structure of the impurity element in diamond. Can quantitatively measure the content of impurities. As they are, only surface values can be measured. However, information on the depth direction can also be obtained by using sputtering and film cross-sectional observation together.

【0011】本発明はそれで深さ方向に有限の厚みをも
つ部分領域での不純物含有量によっても定義できる。
The invention can therefore also be defined by the impurity content in the subregions having a finite thickness in the depth direction.

【0012】[0012]

【数6】 (Equation 6)

【0013】U=0.3 TS (7) つまりX1 はすくい面4から厚みTの30%の部分領域
での不純物含有量の平均値である。
U = 0.3 TS (7) That is, X 1 is the average value of the impurity content in the partial region of 30% of the thickness T from the rake face 4.

【0014】[0014]

【数8】 (Equation 8)

【0015】Y1 は母材固定設置面5から厚みTの30
%の部分領域での不純物含有量の平均値である。そして
本発明はX1 <Y1 、T>40μmによっても定義でき
る。さらに不純物含有量が余りに大き過ぎてもいけな
い。もしも不純物含有量が多いとダイヤモンド刃先の硬
度が不足し耐摩耗性が低下してしまう。そこですくい面
から膜厚の30%の部分領域における不純物含有量X1
が5%以下であることが望ましい。 X1 ≦5% (原子%) (9) ここでX1 における不純物は、耐摩耗性等の点から少な
い方が好ましく、好ましくは1%以下、さらに好ましく
は1000ppm以下が良い。
Y 1 is 30 with a thickness T from the base material fixed installation surface 5.
% Is the average value of the impurity content in the partial region. The present invention can also be defined by X 1 <Y 1 , T> 40 μm. Furthermore, the impurity content must not be too high. If the content of impurities is large, the hardness of the diamond cutting edge will be insufficient and the wear resistance will decrease. Therefore, the impurity content X 1 in the partial region of 30% of the film thickness from the rake face
Is preferably 5% or less. X 1 ≦ 5% (atomic%) (9) Here, the amount of impurities in X 1 is preferably as small as possible from the viewpoint of wear resistance and the like, preferably 1% or less, more preferably 1000 ppm or less.

【0016】つぎ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
ド膜を基材上に析出させるのであるから上記のような不
純物含有量の厚み方向の変化をもたらすには原料ガス中
の不純物濃度を連続的あるいは階段的に単調変化(単調
減少あるいは単調増加)させればよい。CVD装置(後
に説明する)の中で基材6を加熱し、原料ガスを流しこ
れを励起し分解して基材の上にダイヤモンドを成長させ
る(図2(b))。原料ガス中の不純物濃度は連続的あ
るいは階段的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、弗硝酸などにより
基材を、エッチング除去する(図2(c))。次にダイ
ヤモンド膜の一面をメタライズする(図2(d))。ダ
イヤモンド層とメタライズ層8の平板構造になる。この
後YAGレ−ザなどにより所定の大きさ寸法に切断する
(図2(e))。そしてメタライズ層の面を工具の母材
面に固定設置する(図2f(f))。
Next, the diamond manufacturing method of the present invention will be described with reference to FIG. Since the diamond film is deposited on the substrate by the vapor phase synthesis method, in order to bring about the above-mentioned change in the impurity content in the thickness direction, the impurity concentration in the source gas is changed continuously or stepwise (monotonically). Decrease or monotonically increase). The base material 6 is heated in a CVD apparatus (which will be described later), and a raw material gas is flowed to excite and decompose the base material gas to grow diamond on the base material (FIG. 2B). The impurity concentration in the source gas changes continuously or stepwise and monotonically. After the diamond film 7 is grown by such a CVD method, the base material is removed by etching with hydrofluoric nitric acid or the like (FIG. 2C). Next, one surface of the diamond film is metallized (FIG. 2 (d)). It has a flat plate structure of the diamond layer and the metallized layer 8. After that, it is cut into a predetermined size by a YAG laser or the like (FIG. 2 (e)). Then, the surface of the metallized layer is fixedly installed on the base material surface of the tool (FIG. 2f (f)).

【0017】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。超硬合金の母材にダイヤモンド膜の取付
座がありここにメタライズ層を介してダイヤモンド層が
接着されている。接着方法としては蝋付けが好ましい。
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。母材に遠いほう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。母材固定設置面
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、0.7Tである。この部分領域での平
均不純物含有量X1 、Y1 を問題にしているのである。
CVD法によりダイヤモンドを成長させる際不純物含有
量を変化させるが、不純物含有量を単調増加させるほう
が良い。その理由は次のとおりである。ダイヤモンドを
コ−テイングする基材に接していた面は平坦であるが、
成長の終期に形成された方の面はそのままでは凹凸が大
きい。これがすくい面となると被切削材の切削面の面に
凹凸ができてしまう。これを避けるために成長の終期に
形成された面(基材から遠い面)はメタライズして母材
に固定した方が良い。本発明では母材固定設置面のほう
が不純物含有量が高いようにしているので、CVD法で
ダイヤモンドを成長させるとき不純物濃度を最初は低く
し最後に高くしたほうが良いのである。母材面側のダイ
ヤモンド中に不純物が混入するのは、母材面側でのダイ
ヤモンドの熱伝導率を下げ、切削時、高温になった刃先
の熱が母材との接着層に伝導するのを低下させ、刃先が
脱落するのを防ぐ意味でも重要である。
FIG. 3 shows a cross-sectional view of a tool fitted with a diamond film. A base material of cemented carbide has a diamond film mounting seat, and the diamond layer is adhered thereto through a metallized layer. Brazing is preferred as the bonding method.
FIG. 4 shows a geometrical relationship for defining the present invention. The side farther from the base metal 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 surface on which the base material is fixedly installed can be represented by z = T on the opposite surface. The broken lines indicate z = 0.3T and 0.7T. The average impurity contents X 1 and Y 1 in this partial region are a problem.
The impurity content is changed when the diamond is grown by the CVD method, but it is better to increase the impurity content monotonously. The reason is as follows. The surface that was in contact with the diamond coating substrate was flat,
The surface formed at the end of growth has large irregularities as it is. If this becomes a rake surface, irregularities will be formed on the surface of the cutting surface of the material to be cut. In order to avoid this, the surface formed at the end of growth (the surface far from the base material) should be metalized and fixed to the base material. In the present invention, the content of impurities is set to be higher on the surface on which the base material is fixedly mounted. Therefore, when growing diamond by the CVD method, it is better to lower the impurity concentration at the beginning and raise the impurity concentration at the end. Impurities are mixed into the diamond on the base metal surface side because the thermal conductivity of the diamond on the base metal surface side is lowered, and the heat of the cutting edge that has become hot during cutting is transferred to the adhesive layer with the base metal. It is also important in the sense that it lowers the cutting edge and prevents the cutting edge from falling off.

【0018】勿論これ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
終期に出来たほうの面を研磨して平坦にすればこれをす
くい面にすることもできるのでこの場合はCVD法でダ
イヤモンドを成長させるとき不純物濃度を最初は大きく
後に小さくするようにしても良い。又、成長途中で多少
の濃度の変動があっても、すくい面側と母材面側が工具
になった場合、前述の関係にあれば良い。 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−ル、アセトン が一般的である。は炭素を含み気体状になるものであ
れば何でも良い。アルコ−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
ガスでバブリングすれば気体とすることができる。但し
水素ガスは必須のものではない。例えば、水素ガスの替
わりに、水や、過酸化水素水、CF4 、C26 、C3
8 、C−C48 、C512、 CHF3 、CBrF
3 、CCl4 、CCl3 F、CCl22 、CClF
3 、SF6 、NF3 、BCl3 、F2、Cl2 、Br2
等のガスも用いる事ができる。これは1種もしくは2種
以上の混合ガスでも良い。また不活性ガス(ヘリウム、
ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン)は
ダイヤモンド合成中の活性種の寿命を延ばし、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中に
混入させても良い。CVD成長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、Si、SiC、WC、Mo2
C、TaC、Si34 、AlN、ダイヤモンド、Al
23 、SiO2 、B、BN、TiC、TiN、Ti さらに条件を選ぶことによってCu、Alなども基材と
することができる。
Of course, this is not an essential condition. After the diamond film is grown by the CVD method, the surface formed at the end of the growth can be polished and made flat so that it can be used as a rake surface. In this case, therefore, when the diamond is grown by the CVD method, the impurity concentration is increased. May be made large at first and then made small. Further, even if there is a slight change in concentration during growth, if the rake face side and the base material face side are tools, the above relationship is sufficient. The raw material gas for the vapor phase synthesis of diamond by the CVD method is usually hydrogen gas, carbon atom-containing gas ... Methane, ethane, acetylene,
Ethyl alcohol and acetone are common. Is any substance that contains carbon and becomes gaseous. Even liquid substances such as alcohol and acetone at room temperature become gas when heated. If the liquid is bubbled with hydrogen gas, it can be made into gas. However, hydrogen gas is not essential. For example, instead of hydrogen gas, water, hydrogen peroxide solution, CF 4 , C 2 F 6 , C 3
F 8, C-C 4 F 8, C 5 F 12, CHF 3, CBrF
3 , CCl 4 , CCl 3 F, CCl 2 F 2 , CClF
3 , SF 6 , NF 3 , BCl 3 , F 2 , Cl 2 , Br 2
Gas such as can also be used. This may be one kind or a mixed gas of two or more kinds. In addition, an inert gas (helium,
Neon, argon, krypton, xenon, and radon) have the effect of prolonging the life of active species during diamond synthesis and synthesizing uniform diamond, and therefore may be mixed in the above gas. The following materials can be used as a substrate for CVD growth. W, Mo, Ta, Nb, Si, SiC, WC, Mo 2
C, TaC, Si 3 N 4 , AlN, diamond, Al
2 O 3 , SiO 2 , B, BN, TiC, TiN, Ti Further, by selecting the conditions, Cu, Al, etc. can be used as the base material.

【0019】基材は単に平坦なものとは限らない。基材
が適当な曲率をもつものとすれば、曲率を持つ刃面を有
する工具へ適用することもできる。例えば、ねじれ刃、
エンドミル等の工具に適用できる。原則的に不純物とい
うのは、結晶質ダイヤモンド以外の成分の事を指すが、
大きく分けて2種類ある。第1は、結晶質ダイヤモンド
以外の炭素成分であり、結晶質のグラファイトや、非晶
質の炭素等である。第2は、炭素以外の金属や非金属及
びそれらの化合物等である。例えば、Si、B、Al、
W、Mo、Co、Fe、Nb、Ta、及びそれらの炭化
物、酸化物、窒化物であり、細かく結晶質ダイヤモンド
中に分散していたり、0.5〜2μm程度の粉体の形で
分散していたりする事もある。前者は故意に不純物を添
加しなくても作成可能であるが、故意にグラファイトの
粉末等を混入させる事によっても作成できる。後者は故
意に不純物を添加するものであり、一般的には、添加し
たい不純物のハロゲン化物の形で導入する。例えば、H
2 ガス、CH4 ガスと同時にWF6 、WCl6 、MoF
6 、MoCl6 、SiF4 、Si26 、BCl3 、R
eF4、AlF3 、FeCl3 、SiCl4 等がある。
但し例外としてSiH4 、B26 等も適用できる。
又、水酸化物としての導入も可能である。これらハロゲ
ン化物をダイヤモンドの中に導入してしまうと、3つの
形態で存在する。ひとつは、W、Mo、Siなどの金属
多結晶粒として分散して存在する、いまひとつは、炭素
との化合物として、WC、MoC、SiC等の炭化物と
し存在する。反応が不十分な場合には、元のハロゲン化
物として存在する。不純物を故意に導入するもう一方の
方法としては、粉末状のセラミックス等を、ダイヤモン
ドを析出させている基材上に断続的に落下させながら添
加させたり、ガス流にのせてふきつける方法もある。さ
て気相合成法であるが、不純物濃度を連続的に増加する
ということが最も望ましいがそれは難しいので、3段階
または2段階程度に原料ガス中の不純物濃度を変化させ
る。最も簡単なのは、全く不純物を加えない段階と不純
物を一定量加える段階の2段階によるCVD成長であ
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、後期はそれに、
WF6 、BCl3 などのハロゲン化ガスを微量添加す
る。又この後期では前期に比べてややメタン/水素濃度
を増加させてやるとなお好ましい。不純物ガスの最適の
濃度は他の条件によって多少影響を受ける。酸素原子含
有ガスを添加した場合は炭素濃度や不純物濃度を添加し
ない場合より高濃度にすることができる。CVD法につ
いてはダイヤモンドが合成できるどの方法においても本
発明を実施することができる。
The substrate is not always flat. If the base material has an appropriate curvature, it can be applied to a tool having a blade surface with a curvature. For example, a twisting blade,
It can be applied to tools such as end mills. In principle, impurities refer to components other than crystalline diamond,
There are two types. The first is a carbon component other than crystalline diamond, such as crystalline graphite or amorphous carbon. The second is a metal other than carbon, a nonmetal, a compound thereof, and the like. For example, Si, B, Al,
W, Mo, Co, Fe, Nb, Ta, and their carbides, oxides, and nitrides, which are finely dispersed in crystalline diamond or in the form of powder of about 0.5 to 2 μm. There are also things to go. The former can be prepared without intentionally adding impurities, but can also be prepared by intentionally mixing graphite powder or the like. The latter intentionally adds impurities, and is generally introduced in the form of a halide of the impurities to be added. For example, H
2 gas, CH 4 gas and WF 6 , WCl 6 , MoF
6 , MoCl 6 , SiF 4 , Si 2 F 6 , BCl 3 , R
Examples include eF 4 , AlF 3 , FeCl 3 , and SiCl 4 .
However, as an exception, SiH 4 , B 2 H 6 and the like can be applied.
Further, it can be introduced as a hydroxide. When these halides are introduced into diamond, they exist in three forms. One is dispersed and present as metal polycrystal grains such as W, Mo and Si, and the other is present as a compound with carbon such as carbides such as WC, MoC and SiC. When the reaction is insufficient, it exists as the original halide. As another method of intentionally introducing impurities, there is a method of adding powdery ceramics or the like while intermittently dropping them on a base material on which diamond is deposited, or a method of wiping it on a gas flow. . In the case of the vapor phase synthesis method, it is most desirable to continuously increase the impurity concentration, but it is difficult. Therefore, the impurity concentration in the raw material gas is changed in three or two steps. The simplest is the CVD growth in two steps, that is, the step of adding no impurities at all and the step of adding a certain amount of impurities. For example, in the first half of diamond synthesis, hydrogen-methane (methane / hydrogen = about 1%) system was synthesized, and in the latter half,
A small amount of halogenated gas such as WF 6 and BCl 3 is added. It is more preferable to increase the methane / hydrogen concentration in the latter half of the period as compared with the first half. The optimum concentration of impurity gas is somewhat affected by other conditions. When the oxygen atom-containing gas is added, the carbon concentration and the impurity concentration can be made higher than those when not added. As for the CVD method, the present invention can be carried out in any method capable of synthesizing diamond.

【0020】[0020]

【実施例】本発明は、 フィラメントCVD法(図5) マイクロ波プラズマCVD法(図6) 熱CVD法(図7) 熱プラズマCVD法(図8) によって実施した。基材は、全ての方法について共通
で、14mm×14mm×2.5mmの多結晶Si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<0.8μm、平坦度<1μm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。
EXAMPLES The present invention was carried out by a filament CVD method (FIG. 5), a microwave plasma CVD method (FIG. 6), a thermal CVD method (FIG. 7) and a thermal plasma CVD method (FIG. 8). The base material is common to all methods, and one side of 14 mm x 14 mm x 2.5 mm polycrystalline Si is used.
A polishing material containing abrasive grains having a particle diameter of 0.5 to 5 μm was used for lapping to obtain R MAX <0.8 μm and flatness <1 μm. The apparatus used for each method will be described below, and the results of applying the present invention to each method will be described.

【0021】[実施例] フィラメントCVD法 図5にフィラメントCVD装置を示す。真空チャンバ1
1の中に基材支持台12が設けられる。この上に基材1
3が戴置される。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2本設けられる。こ
れはガイシ16を通ってフィラメント電源21に接続さ
れている。2本の電極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が真空チャンバ内
の真空度を計測している。冷却水20が基材支持台12
の内部に導入されこれを冷却している。フィラメントは
φ0.2 mm の4N(純度99.99 %)−W、4N−T
a、4N−Reを用いた。このフィラメントを4mm間隔
で平行に張って使用した。フィラメントの温度は光学式
光高温計によって測定した。フィラメントと基材との間
隔は5mmとした。基材の表面温度は、基材と同一形状の
Mo板の表面にクロメル−アルメル熱電対の先端をスポ
ット溶接したものを基材近傍に置いてこれによってモニ
タした。
[Example] Filament CVD method FIG. 5 shows a filament CVD apparatus. Vacuum chamber 1
A base material support base 12 is provided in the unit 1. Substrate 1 on this
3 is placed. The vacuum chamber 11 has a vacuum exhaust port 14
And is connected to an evacuation device (not shown). Two electrodes 15 are provided in the vacuum chamber 11. It is connected to the filament power supply 21 through the insulator 16. A filament 17 is stretched between the two 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. The cooling water 20 is the base material support 12
It is introduced inside and is cooling it. The filament is φ0.2 mm 4N (purity 99.99%)-W, 4N-T
a, 4N-Re was used. The filaments were stretched in parallel at intervals of 4 mm and used. The filament temperature was measured with an optical pyrometer. The distance between the filament and the substrate was 5 mm. The surface temperature of the base material was monitored by placing a chromel-alumel thermocouple spot-welded on the surface of a Mo plate having the same shape as the base material in the vicinity of the base material.

【0022】表1にフィラメントCVD法によるダイヤ
モン合成条件を示す。フィラメントの温度は1500〜
2400℃、基材の温度は80〜950℃とする。A〜
Hはサンプルに付けた記号である。本発明はダイヤモン
ドの不純物含有量を膜厚方向に変化させたところに特徴
があるが、ここに示す実施例では2段階、或は4段階に
原料ガス中の不純物濃度を変化させた(A〜D)。比較
のため不純物含有量を変化させないで成長させた比較例
(E〜G)と不純物含有量の変化を逆にした比較例Hを
示す。原料ガスの内で常温で液体のものは水素ガスの一
部を、液体を入れたバブラに通しバブリングすることに
よって導入する。恒温槽の温度管理による蒸気圧制御で
流量を制御する。
Table 1 shows the conditions for diamond synthesis by the filament CVD method. The filament temperature is 1500-
The temperature of the substrate is 2400 ° C and the temperature of the substrate is 80 to 950 ° C. A ~
H is a symbol attached to the sample. The present invention is characterized in that the impurity content of diamond is changed in the film thickness direction, but in the embodiment shown here, the impurity concentration in the source gas is changed in two or four steps (A to A). D). For comparison, Comparative Examples (E to G) grown without changing the impurity content and Comparative Example H in which the change in the impurity content is reversed are shown. The material gas that is liquid at room temperature is introduced by bubbling a part of hydrogen gas through a bubbler containing the liquid. The flow rate is controlled by controlling the vapor pressure by controlling the temperature of the constant temperature bath.

【0023】[0023]

【表1】 [Table 1]

【0024】本発明の実施例A〜Dと比較例Hは原料ガ
ス組成およ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、始めの50時間は段階1のH2 600
SCCM 、CH4 5SCCMの原料ガスで基材をコ−
テイングし、次の20時間は段階2のH2 600SCC
M 、CH4 12SCCM 、WF6 2.0SCCMの
原料ガスによってコ−テイングするということである。
B、Dも2段階に、Cは4段階に原料ガスを変えてい
る。こうして製作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台金に設置固定し切削チ
ップを作製した。ただ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、成長の終期に出来たほう
の面を切削チップの母材面に設置固定した。
In Examples A to D and Comparative Example H of the present invention, the source gas composition and the composition ratio are changed with time. For example, Example A shows that during the first 50 hours, H 2 600 of Phase 1 was used.
Coating the base material with SCCM, CH 4 5 SCCM source gas
T2 and then step 2 H 2 600 SCC for the next 20 hours
That is, the coating is performed with the raw material gas of M, CH 4 12SCCM and WF 6 2.0SCCM.
B and D are changed in 2 steps, and C is changed in 4 steps. The diamond samples A to H thus manufactured were set and fixed on a base metal of cemented carbide by the process of FIG. 2 to manufacture cutting chips. However, the surface that was in contact with the base material during growth was used as the rake surface of the cutting tip, and the surface that was formed at the end of growth was set and fixed on the base material surface of the cutting tip.

【0025】不純物分析測定用比較材として天然IIa 型
ダイヤモンド単結晶を同じように台金に設置固定し切削
チップを作製した(サンプルIとする)。このようにし
て作製した切削チップダイヤモンドの厚み方向の不純物
含有量を測定し表2に示す。不純物含有量の測定はSI
MS(Secondary Ion Mass Spectroscopy )もしくはI
MA(Ion Microanalyzer))で行った。また、表2中の
「検出不能」とは、炭素成分をマトリックスとして分析
して、不純物濃度が3ppm以下であって、検出できな
い事を意味する。
A natural type IIa diamond single crystal was similarly set and fixed on a base metal as a comparative material for impurity analysis and measurement to prepare a cutting tip (referred to as sample I). The content of impurities in the thickness direction of the cutting tip diamond thus produced was measured and is shown in Table 2. SI measures impurity content
MS (Secondary Ion Mass Spectroscopy) or I
It was performed by MA (Ion Microanalyzer). In addition, “undetectable” in Table 2 means that the carbon component is analyzed as a matrix and the impurity concentration is 3 ppm or less, so that it cannot be detected.

【0026】[0026]

【表2】 [Table 2]

【0027】ここで、不純物含有量の測定点は、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(単位ミクロン)で示している。第1層、第2層
というのは表1の原料ガスの成分を切り替えたことによ
って生ずるダイヤモンドの部分層である。成長の始期に
出来た方の面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。サンプル
Jは、これらとは別の比較例である。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
取付け切削チップとしたものである。CVD成長ではな
い。比較例Hは原料ガス中の不純物濃度を本発明とは逆
にしているが実際にできたものも不純物含有量は本発明
とは逆になっている。その他の比較例は積極的に不純物
を添加していないが実際に成長したものも不純物が検出
できない。原料ガスによって不純物含有量が制御されて
いるのがわかる。本発明の実施例は全て成長とともに原
料ガス中の不純物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ほぼ比例して不純物含有量が内
部側(成長の方向)に向けて増大していることが分か
る。
Here, the measuring point of the impurity content is shown by a distance z (unit: micron) toward the inside in the thickness direction with reference to the rake face as shown in FIG. The first layer and the second layer are partial layers of diamond produced by switching the components of the raw material gas shown in Table 1. Since the surface formed at the beginning of growth is the rake surface, it corresponds to the first layer and the second layer in Table 2 in order from the top in Table 1. Sample J is a comparative example other than these. This is a cutting tip in which a sintered diamond made by high-pressure sintering of a diamond material having an average particle size of 10 μm containing 10% by volume of Co as a binder is attached to a tool. It is not CVD growth. In Comparative Example H, the impurity concentration in the raw material gas is opposite to that of the present invention, but the impurity content of the actually produced product is also opposite to that of the present invention. In other comparative examples, impurities are not positively added, but impurities cannot be detected even in the actually grown ones. It can be seen that the impurity content is controlled by the source gas. In all of the examples of the present invention, the impurity concentration in the raw material gas is increased along with the growth, but in the actually grown diamond, the impurity content increases toward the inner side (growth direction) almost in proportion to the raw material gas. I know that

【0028】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。被切削材として外周面
に軸方向に伸びる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 800 m/min 切り込み 0.2mm 送り 0.1mm/rev. の条件で乾式切削し工具性能を評価した。摩耗量が重要
な評価のパラメ−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 with four grooves extending in the axial direction formed on the outer peripheral surface as the work material)
1-17% Si) Round bar was selected. By using the cutting tool produced by the above method, the cutting speed was 800 m / min, the incision was 0.2 mm, the feed was 0.1 mm / rev. The tool performance was evaluated by dry cutting under the conditions. Since the amount of wear is an important evaluation parameter, the average wear width after cutting for 90 minutes or 30 minutes is measured. Table 3 shows the results.

【0029】[0029]

【表3】 [Table 3]

【0030】比較例として挙げた、気相合成するが不純
物含有量の小さいものは短時間で欠損してしまう(比較
例F、G)。あるいは短時間で摩耗して使い物にならな
い(E)。不純物を故意に含めても不純物が入らないか
或は入ってもX1 >Y1 になるHは短時間で摩耗する。
天然IIa型単結晶ダイヤモンドのチップもチッピングに
よって欠損した(I)。これらはいずれも使い物になら
ない。超高圧焼結ダイヤモンドを使うJも摩耗が無視で
きない。90分切削時平均摩耗幅が95μmであった。
焼結で形成するためバインダ−が含まれ、これが耐摩耗
性を低下させているのであろう。本発明の実施例に係る
切削工具A〜Dは90分の切削による摩耗が少なくチッ
ピング欠損も起こさない。これは気相合成法で不純物含
有量を厚み方向に変化させ、X1 <Y1 あるいはX0
0 としたものである。ここでX0 はダイヤモンドのす
くい面側の不純物含有量、Y0 は母材設置面側の不純物
含有量である。X1 はすくい面から厚みの30%以内の
部分領域の平均不純物含有量、Y1 は母材設置面から厚
みの30%以内の部分領域の不純物含有量である。勿論
これらは20%、40%としても定義することができ
る。不純物はハロゲン元素或はハロゲン化物が導入法も
簡単で良い。含有量が余り大きくてもいけない。すくい
面側で5%以下であることが要求される。5%以上とす
ると耐摩耗性が極度に劣化するためである。すくい面側
の不純物は好ましくは1000ppm以下である。不純
物が少ない方がダイヤモンドの耐摩耗性が高く良好であ
る。ダイヤモンドの厚みは40μm以上とする。その理
由は、ひとつには40μmより薄いと強度が低下して破
損し易くなる為である。さらに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か
らである。さらに耐摩耗性が要求されるときはダイヤモ
ンドの厚みを0.07〜3.0mmとすることが望まし
い。刃を厚くすることで放熱特性が良好となり工具使用
時の刃先温度の上昇が抑えられるから耐摩耗性が増す。
As the comparative examples, those which are vapor-phase synthesized but have a small impurity content are deficient in a short time (Comparative examples F and G). Or it will wear out in a short time and become useless (E). Even if impurities are intentionally included, the impurities do not enter, or even if they enter, H where X 1 > Y 1 wears in a short time.
Chips of natural type IIa single crystal diamond were also chipped and chipped (I). None of these are useful. Even with J, which uses ultra-high pressure sintered diamond, wear cannot be ignored. The average wear width at 90 minutes cutting was 95 μm.
Since it is formed by sintering, it contains a binder, which probably reduces wear resistance. The cutting tools A to D according to the examples of the present invention are less worn by cutting for 90 minutes and do not cause chipping defects. This changes the impurity content in the thickness direction by the vapor phase synthesis method, and X 1 <Y 1 or X 0 <
Y 0 . Here, X 0 is the impurity content on the rake face side of the diamond, and Y 0 is the impurity content on the base material installation face side. X 1 is the average impurity content of the partial region within 30% of the thickness from the rake face, and Y 1 is the impurity content of the partial region within 30% of the thickness from the base material installation surface. Of course, these can be defined as 20% and 40%. As the impurity, a halogen element or a halide may be easily introduced. The content should not be too large. It is required to be 5% or less on the rake face side. This is because if it is 5% or more, the wear resistance is extremely deteriorated. Impurities on the rake face side are preferably 1000 ppm or less. The smaller the amount of impurities, the higher the wear resistance of diamond and the better. The thickness of diamond is 40 μm or more. The reason for this is that if the thickness is less than 40 μm, the strength is reduced and damage is likely to occur. Further, the wear width of the flank during the life of the cutting tool is often 40 μm or more. Further, when abrasion resistance is required, it is desirable to set the diamond thickness to 0.07 to 3.0 mm. By making the blade thicker, the heat dissipation characteristics become better, and the rise in the temperature of the cutting edge during use of the tool is suppressed, so wear resistance increases.

【0031】[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6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。石英管の反応が行われる部
分の近傍外周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。導波管30が石英管2
2に直交し石英管22の軸方向と直角にプラズマが進行
するようになっている。原料ガスをマイクロ波によって
励起し、基材の近傍に高密度のプラズマ31が発生す
る。導波管30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、不純物ガスなどよりなる。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。此れも良く
知られたことである。表4にマイクロ波CVDによる合
成条件を示す。
[Example] Microwave plasma CVD
Method Next, the present invention was implemented by a microwave (plasma) CVD method. FIG. 6 shows an outline of the 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 on the outer periphery in the vicinity of the portion of the quartz tube 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. The waveguide 30 is the quartz tube 2.
Plasma is allowed to proceed perpendicularly to 2 and at right angles to the axial direction of the quartz tube 22. The source gas is excited by microwaves, and high-density plasma 31 is generated in the vicinity of the base material. The shape and size of the waveguide 30 determine the microwave mode, and the standing wave mode of the microwave can be defined by the plunger 32 moving in the waveguide 30. Such microwave plasma CVD is known. Further, the traveling direction of the microwave may be perpendicular to the substrate surface. The source gas is composed of gas containing carbon, hydrogen gas, impurity gas, etc., as in the above 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 microwave CVD.

【0032】[0032]

【表4】 [Table 4]

【0033】基材は実施例Iと同じく14mm×14m
m×2.5mmのの多結晶Siを粒径0.5〜5μmの
砥粒を用いてラップし、RMAX <0.8μm、平坦度<
1μmになるように処理したものである。基材温度はコ
−テイング中は光学式光高温計でモニタした。そしてサ
−モクレヨンによって予め測定しておいたデ−タで較正
している。基材温度は400〜950の間で様々の値を
選んでいる。K〜Nが本発明の実施例である。これは2
段階、4段階に原料ガスを切り替えており成長の後期に
不純物濃度を多くしている。不純物としては前例と同じ
くWF6 、BCl3 、F2 、FeCl3 等を用いてい
る。Ar等の不活性ガスはマイクロ波プラズマを安定に励
起し易くさせ、Hα、C2 等の活性種濃度を増加させる
ために入れている。O〜Qは比較例である。OとPは原
料ガスに不純物を入れない。Qは不純物を入れるが順序
が逆で1層目(すくい面側)に不純物を含ませる。こう
して作ったダイヤモンドサンプルの層毎の不純物含有量
を測定し、結果を表5に示す。
The base material is 14 mm × 14 m as in Example I.
mx 2.5 mm polycrystalline Si was lapped with abrasive grains having a grain size of 0.5 to 5 μm, and R MAX <0.8 μm, flatness <
It was processed to have a thickness of 1 μm. The substrate temperature was monitored with an optical pyrometer during coating. Then, it is calibrated with the data previously measured by the thermo-crayon. Various values are selected for the substrate temperature between 400 and 950. K to N are examples of the present invention. This is 2
The source gas is switched to stage 4 and stage 4, and the impurity concentration is increased in the latter stage of growth. As the impurities, WF 6 , BCl 3 , F 2 , FeCl 3 or the like is used as in the previous example. An inert gas such as Ar is included to facilitate stable excitation of microwave plasma and to increase the concentration of active species such as Hα and C 2 . O to Q are comparative examples. O and P do not add impurities to the raw material gas. Q contains impurities, but the order is reversed and the first layer (rake face side) contains impurities. The impurity content of each layer of the diamond sample thus prepared was measured, and the results are shown in Table 5.

【0034】[0034]

【表5】 [Table 5]

【0035】ここで不純物含有量の測定点は前例と同じ
ようにすくい面を基準として此処からの深さzで(μ
m)表している。成長の始期にできた方を母材に設置
し、成長の終期に出来た方をすくい面としてこれを超硬
合金に設置しているから表4の原料ガスを変えて膜形成
した第1、第2の段階が表5の第1層、第2層に対応し
ている。これは工具としたもののダイヤモンドの不純物
含有量であるが工具にする前のダイヤモンドも同様の含
有量である。次に工具性能を評価するために多結晶ダイ
ヤモンドを超硬合金の台金にろうづけし切削チップを作
製した。これによって切削試験をした。被削材として外
周面に軸方向に伸びる4本の溝が形成されたA390合
金(Alー17%Si)丸棒を用いた。切削条件を 切削速度 800m/min 切り込み 0.2mm 送り 0.1mm/rev. として乾式切削した。結果を表6に示す。
Here, the measuring point of the impurity content is the depth z from here (μ in the same manner as in the previous example, based on the rake face).
m) Shown. The one formed at the beginning of the growth is set as the base metal, and the one formed at the end of the growth is set as the rake face on the cemented carbide. Therefore, the raw material gas in Table 4 was changed to form the film. The second stage corresponds to the first and second layers in Table 5. This is the content of impurities in the diamond used as a tool, but the content of diamond before being made into a tool is also the same. Next, in order to evaluate the tool performance, polycrystalline diamond was brazed to a base metal of cemented carbide to produce a cutting tip. The cutting test was done by this. As the work material, an A390 alloy (Al-17% Si) round bar having four grooves extending in the axial direction on the outer peripheral surface was used. The cutting conditions are: cutting speed 800 m / min depth of cut 0.2 mm feed 0.1 mm / rev. As a dry cutting. Table 6 shows the results.

【0036】[0036]

【表6】 [Table 6]

【0037】マイクロ波プラズマCVDで形成した本発
明のダイヤモンドは優れた耐摩耗性を持っていることが
分かる。本発明のダイヤモンドは前例のフィラメントC
VDで成長した本発明のダイヤモンドと同じように不純
物の含有量が厚み方向に異なっている。本発明のダイヤ
モンドはすくい面側の不純物含有量X0 が母材設置面側
の不純物含有量Y0 より小さい(X0 <Y0 )。あるい
はすくい面側の厚みの30%の部分領域の不純物含有量
1 は母材設置面側の厚みの30%の部分領域の不純物
含有量Y1 よりも小さい(X1 <Y1 )。従来例として
示したO、Pは不純物を故意に導入していないので、炭
素以外の不純物は検出できなかった。だから、これらは
耐欠損性、耐摩耗性が不足している。しかし、Pサンプ
ルの密度はすくい面から10μmまででは、2.7g/
cm3 であり、すくい面から90μmから100μmま
ででは、2.7g/cm3であり、結晶質ダイヤモンド
の密度よりも低いので、結晶質ダイヤモンド以外の炭素
成分が一様に混入していると考えられる。つまり、すく
い面側も母材面側も両方ともに同等量の不純物が混入し
ており、耐摩耗性が完全に不足していると考えられる。
wt%で推定するとダイヤモンド以外の不純物含有量は
約36%である。Qは不純物含有量の分布が本発明と反
対になっているがこれも強度が不十分である。本発明の
ダイヤモンドの90分切削時平均摩耗幅は10〜20μ
mで極めて小さいので実用に耐えるものである。
It can be seen that the diamond of the present invention formed by microwave plasma CVD has excellent wear resistance. The diamond of the present invention is the filament C of the preceding example.
Like the diamond of the present invention grown by VD, the content of impurities differs in the thickness direction. In the diamond of the present invention, the impurity content X 0 on the rake face side is smaller than the impurity content Y 0 on the base material installation face side (X 0 <Y 0 ). Alternatively, the impurity content X 1 of the partial region of 30% of the thickness on the rake face side is smaller than the impurity content Y 1 of the partial region of 30% of the thickness on the base material installation face side (X 1 <Y 1 ). Impurities other than carbon could not be detected because O and P shown as conventional examples did not intentionally introduce impurities. Therefore, they lack chipping resistance and abrasion resistance. However, the density of the P sample is 2.7 g / from the rake face to 10 μm.
cm 3 and 2.7 g / cm 3 from 90 μm to 100 μm from the rake face, which is lower than the density of crystalline diamond, so it is considered that carbon components other than crystalline diamond are uniformly mixed. To be That is, it is considered that the same amount of impurities is mixed in both the rake face side and the base metal face side, and the wear resistance is completely insufficient.
Estimated by wt%, the content of impurities other than diamond is about 36%. Regarding Q, the distribution of the impurity content is opposite to that of the present invention, but this also has insufficient strength. The average wear width of the diamond of the present invention when cut for 90 minutes is 10 to 20 μ.
Since it is extremely small in m, it is practically usable.

【0038】[実施例] 熱CVD法 熱CVD法によって本発明の多結晶ダイヤモンド膜を作
製した。図7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3
9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。本発明を適用するには不純
物含有量を少なくとも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。基材は14mm×14mm×2.5 mm の
多結晶Siである。
[Example] Thermal CVD method A polycrystalline diamond film of the present invention was produced by a thermal CVD method. FIG. 7 shows an outline of the thermal CVD apparatus. A support 36 is provided in a quartz tube 35 that can be evacuated, and a substrate 37 is supported there. A heater 38 is provided around the quartz tube 35. The raw material gas inlet 3 is provided in the quartz tube 35.
Raw material gas is introduced from 9. Waste gas is vacuum exhaust port 40
Emitted from. The raw material gas is excited by being heated by the heater, and polycrystalline diamond grows on the substrate by a gas phase reaction. To apply the present invention, the impurity content must be changed in at least two stages. Here, an example in which a diamond film is formed in two stages will be described. The base material is 14 mm × 14 mm × 2.5 mm polycrystalline Si.

【0039】 (1段階)合成条件 原料ガス H2 1000 SCCM CH4 20 SCCM F2 2 SCCM He 50 SCCM 圧力 100 Torr 基材温度 100 ℃ 成長膜厚 80 μm (2段階)合成条件(1段階に続けて) 原料ガス H2 1000 SCCM CH3 Br 18 SCCM F2 18 SCCM He 150 SCCM WF6 2.5 SCCM 圧力 100 Torr 基材温度 100 ℃ 成長膜厚 100 μm 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。不純物含有量は 第1層・・(すくい面から10μmの深さで) F 0.02% 第2層・・(すくい面から165μmの深さ) W 1.6% Br 0.1% F 0.12% であった。原料ガスの不純物濃度が高い2層でやはり不
純物含有量が多くなっている。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。第1層が高純度のダイ
ヤモンドであるから硬度に優れるので耐摩耗性が高いの
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。また第2層の靱性(弾性)を増加するた
めの不純物が、Wや、Br、Fなどのハロゲンでも効果
があるということを示す。
(1 step) Synthesis conditions Source gas H 2 1000 SCCM CH 4 20 SCCM F 2 2 SCCM He 50 SCCM Pressure 100 Torr Substrate temperature 100 ° C. Growth film thickness 80 μm (2 steps) Synthesis conditions (1 step continued) Source gas H 2 1000 SCCM CH 3 Br 18 SCCM F 2 18 SCCM He 150 SCCM WF 6 2.5 SCCM Pressure 100 Torr Substrate temperature 100 ° C. Growth film thickness 100 μm These were continuously grown. The total film thickness is 180 μm. This was brazed to a cemented carbide base metal by the process shown in FIG. Impurity content is as follows: First layer ··· (at a depth of 10 μm from the rake face) F 0.02% Second layer ··· (at a depth of 165 μm from the rake face) W 1.6% Br 0.1% F 0 It was .12%. The content of impurities is still high in the two layers in which the source gas has a high impurity concentration. In order to evaluate the tool characteristics, a round bar of A390 alloy (Al-17% Si) 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 Vb wear amount after 120 minutes was 15 μm. This is a very small value. Since the first layer is a high-purity diamond, it has excellent hardness and thus high wear resistance. That is, it is effective to apply the present invention to thermal CVD. It is also shown that the impurities for increasing the toughness (elasticity) of the second layer are also effective with halogens such as W, Br and F.

【0040】[実施例] 熱プラズマCVD法 図8に熱プラズマCVD装置を示す。真空チャンバ42
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。真空チ
ャンバ42の外部には基材を加熱するためのヒ−タ(図
示せず)がある。正負の電極間には直流電源46によっ
て電圧が印加されている。中心が陰極、周縁が陽極とな
っている。原料ガス47は電極間の隙間からノズル51
を通って真空チャンバ42の中に導入される。ここで原
料ガスはイオン化されプラズマガス流52となって基材
45の方へ流れる。廃ガスは真空排気口49から排出さ
れる。冷却支持台42の内部には冷却水50が流され
る。プラズマ化した原料ガスは基材近傍で気相反応し基
材の上にダイヤモンドとして堆積される。基材は前例と
同じように14mm×14mm×2.5 mm の多結晶Siで
ある。ダイヤモンド中の不純物含有量を変えるために2
段階の成長工程を引き続き行った。
[Example] Thermal Plasma CVD Method FIG. 8 shows a thermal plasma CVD apparatus. Vacuum chamber 42
A concentric electrode 43 is provided above. A cooling support 44 is provided below, and a substrate 45 is placed thereon. A heater (not shown) for heating the substrate is provided outside the vacuum chamber 42. A voltage is applied between the positive and negative electrodes by the DC power supply 46. The center is the cathode and the periphery is the anode. The raw material gas 47 flows from the gap between the electrodes to the nozzle 51.
Through and into the vacuum chamber 42. Here, the source gas is ionized and becomes a plasma gas flow 52, which flows toward the substrate 45. The waste gas is exhausted from the vacuum exhaust port 49. Cooling water 50 is caused to flow inside the cooling support table 42. The raw material gas turned into plasma undergoes a gas phase reaction in the vicinity of the base material and is deposited as diamond on the base material. The base material is polycrystalline Si of 14 mm × 14 mm × 2.5 mm as in the previous example. 2 to change the content of impurities in diamond
The step growth process was continued.

【0041】 (第1段階)合成条件 原料ガス H2 10 SLM CH4 1.5 SLM F2 0.05SLM Ar 30 SLM 圧力 200 Torr 基材温度 500 ℃ 成長膜厚 200 μm (第2段階)合成条件(第1段階に続けて) 原料ガス H2 10 SLM CH4 2.8 SLM F2 0.1 SLM He 20 SLM WF6 0.2 SLM 圧力 200 Torr 基材温度 500 ℃ 成長膜厚 300 μm (SLM:standard litter per minute) である。これらの成長を引き続き行った。全膜厚が50
0μmになる。図2の工程に従って多結晶ダイヤモンド
を超硬合金の台金の上にろうづけし工具を作製した。第
1層、第2層の不純物含有量は、 (第1層)すくい面から40μm F 0.12 % (第2層)すくい面から455μm W 3.8 % Br 1.2 % F 0.22 % であった。この工具の性能を評価するため、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)丸棒を被削財として、 切削速度 800 m/min 切り込み 0.2 mm 送り 0.1 mm/rev. の切削条件で乾式切削した。120分後のVb摩耗量は
30μmと十分に小さかった。熱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。また第2層に靱性を与えるための不純物がW
や、Br、Fなどのハロゲンでも効果があるということ
である。この手法の場合には、SiC、Si34 、B
N等のセラミック粉末によって不純物を混入させること
も可能である。
(First Step) Synthesis Conditions Source Gas H 2 10 SLM CH 4 1.5 SLM F 2 0.05 SLM Ar 30 SLM Pressure 200 Torr Base Material Temperature 500 ° C. Growth Film Thickness 200 μm (Second Step) Synthesis Conditions Source gas H 2 10 SLM CH 4 2.8 SLM F 2 0.1 SLM He 20 SLM WF 6 0.2 SLM pressure 200 Torr substrate temperature 500 ° C. growth film thickness 300 μm (SLM) : Standard litter per minute). These growths continued. Total film thickness is 50
0 μm. According to the process of FIG. 2, polycrystalline diamond was brazed on a cemented carbide base metal to prepare a tool. The impurity content of the first layer and the second layer is 40 μm F 0.12% from the rake face (first layer) 455 μm W 3.8% Br 1.2% F 0.22 from the rake face (second layer) % Met. In order to evaluate the performance of this tool, an A390 alloy (Al
-17% Si) Using a round bar as a work material, cutting speed 800 m / min depth of cut 0.2 mm feed 0.1 mm / rev. Dry cutting was performed under the following cutting conditions. The Vb wear amount after 120 minutes was 30 μm, which was sufficiently small. This means that the present invention can be effectively applied to the growth of diamond by the thermal CVD method. Further, the impurity for imparting toughness to the second layer is W
It means that halogens such as Br and F are also effective. In the case of this method, SiC, Si 3 N 4 , B
Impurities can be mixed with ceramic powder such as N.

【0042】[実施例] 熱プラズマCVD
法 実施例と同様に基材を設置し、ダイヤモンド中の不純
物含有量を変化させるために、2段階の成長工程を行っ
た。今回は第2段階目の不純物として、平均粒径2〜5
μmのSiC粉末を水素ガス、エチレンガスと同時に添
加導入した。 (第1段階) 合成条件 原料ガス H2 10 SLM C22 0.5SLM 圧力 50 Torr 基材温度 850 ℃ 成長膜厚 300 μm (第2段階) 合成条件 原料ガス H2 10 SLM C22 5 SLM 不純物 SiC粉末 0.2グラム/min 圧力 400 Torr 基材温度 980 ℃ 成長膜厚 1000 μm である。図2の工程に従って、多結晶ダイヤモンドを超
硬合金の台金の上に蝋付けし工具を作製した。第1層、
第2層の不純物含有量は、 (第1層)すくい面から60μmでは・・・・・・検出
されず(3ppm以下) (第2層)すくい面から900μm(固定面から100
μm)・・Si 9%であった。実施例と同様の切削
試験を行ったところ、90分後のVb摩耗量は16μm
と非常に小さかった。
[Example] Thermal plasma CVD
Method A substrate was placed in the same manner as in Example, and a two-step growth process was performed in order to change the content of impurities in diamond. This time, as the second stage impurities, the average particle size is 2 to 5
A SiC powder of μm was added and introduced at the same time as hydrogen gas and ethylene gas. (First stage) Synthesis conditions Source gas H 2 10 SLM C 2 H 2 0.5 SLM Pressure 50 Torr Substrate temperature 850 ° C. Growth film thickness 300 μm (Second stage) Synthesis conditions Source gas H 2 10 SLM C 2 H 2 5 SLM Impurity SiC powder 0.2 gram / min Pressure 400 Torr Substrate temperature 980 ° C. Growth film thickness 1000 μm. According to the process of FIG. 2, polycrystalline diamond was brazed onto a cemented carbide base metal to prepare a tool. The first layer,
The impurity content of the second layer is not detected at (60 ppm) from the rake face (first layer) ... (3 ppm or less) 900 μm from the rake face of the second layer (100 from the fixed face)
.mu.m) ... Si 9%. When the same cutting test as in the example was conducted, the Vb wear amount after 90 minutes was 16 μm.
And was very small.

【0043】[実施例] フィラメントCVD法 実施例と同様に基材を設置し、フィラメントCVD法
で実験を行った。ダイヤモンド中の不純物含有量を変化
させるために、2段階の成長工程を行った。今回は第2
段階目の不純物として、結晶質ダイヤモンドでない炭素
成分を多く含むように成膜を行った。この実施例では炭
素以外の不純物は加えない。 (第1段階) 合成条件 原料ガス H2 1000 SCCM CH4 8 SCCM 圧力 120 Torr Wフィラメント温度 2150 ℃ 基材温度 800 ℃ 成長膜厚 150 μm (第2段階) 合成条件 原料ガス H2 1000 SCCM C22 50 SLM 圧力 80 Torr Wフィラメント温度 2450 ℃ 基材温度 980 ℃ 成長膜厚 800 μm である。図2の工程に従って、多結晶ダイヤモンドを超
硬合金の台金の上にろうづけし工具を作製した。結晶質
ダイヤモンドの密度を3.52g/cm3 として、密度
から第1層と第2層の不純物濃度を算出した。 [第1層]すくい面から30μmで・・・非ダイヤモン
ド成分が0.05%以下 [第2層]すくい面から750μm(固定面から50μ
m)で・・非ダイヤモンド成分(密度の低い炭素成分)
が約2〜6%であった。炭素成分以外の金属不純物とし
ては、Wが0.1%検出された。実施例と同様の切削
試験を行ったところ、80分後のVb摩耗量は18μm
であった。非常に小さい値である。表面が不純物の少な
い硬度の高いダイヤモンドであるので摩耗が少ないので
ある。またチッピングなどが起こらないのは固定面の近
くで非ダイヤモンド成分が多くて靱性に富むからであ
る。
[Example] Filament CVD method A substrate was placed in the same manner as in the example, and an experiment was conducted by the filament CVD method. A two-step growth process was performed in order to change the content of impurities in diamond. This time second
The film was formed so that a large amount of carbon components other than crystalline diamond were included as impurities in the stage. In this example, impurities other than carbon are not added. (First stage) Synthesis condition Source gas H 2 1000 SCCM CH 4 8 SCCM Pressure 120 Torr W Filament temperature 2150 ° C. Base material temperature 800 ° C. Growth film thickness 150 μm (Second stage) Synthesis condition Source gas H 2 1000 SCCM C 2 H 2 50 SLM pressure 80 Torr W filament temperature 2450 ° C. substrate temperature 980 ° C. growth film thickness 800 μm. According to the process of FIG. 2, polycrystalline diamond was brazed on a cemented carbide base metal to prepare a tool. The density of crystalline diamond was set to 3.52 g / cm 3 , and the impurity concentrations of the first layer and the second layer were calculated from the density. [First layer] 30 μm from rake face ... Non-diamond component is 0.05% or less [Second layer] 750 μm from rake face (50 μm from fixed face)
m) ... non-diamond component (low density carbon component)
Was about 2 to 6%. As metal impurities other than carbon components, W was detected at 0.1%. When the same cutting test as in the example was conducted, the Vb wear amount after 80 minutes was 18 μm.
Met. It is a very small value. The surface of the diamond is high in hardness with few impurities, and therefore wear is small. Further, chipping does not occur because the non-diamond component is large near the fixing surface and the toughness is high.

【0044】[実施例] すくい面に於ける不純物濃
度 すくい面に於ける不純物濃度の最適値を調べるため、異
なった不純物濃度のすくい面を持つサンプルをフィラメ
ントCVD法、或はマイクロ波プラズマCVD法によっ
て作製した。不純物濃度の量は、表7に示すように4つ
に区分した。これら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(Al−4%
Si)丸棒及び(Al−25%Si:難削材)丸棒を、
被削材として切削した。その結果を表7に示す。
[Example] Impurity concentration on rake face In order to investigate the optimum value of the impurity concentration on the rake face, samples having rake faces with different impurity concentrations were measured by filament CVD method or microwave plasma CVD method. Made by. The amount of impurity concentration was divided into four as shown in Table 7. In order to evaluate these tool characteristics, four grooves extending in the axial direction were formed on the outer peripheral surface (Al-4%
Si) round bar and (Al-25% Si: difficult-to-cut material) round bar,
It was cut as a work material. Table 7 shows the results.

【0045】[0045]

【表7】 [Table 7]

【0046】この結果から、すくい面の不純物濃度が5
原子%以下であるのが望ましい事がわかる。即ち、すく
い面の不純物濃度が5%以下であるダイヤモンド工具は
(25%Si−Al難削材)丸棒を切削する事ができ
る。さらに望ましくは、すくい面の不純物濃度が1%以
下であるようにすれば良い。すくい面の不純物濃度が1
000ppm以下ならばさらにもっと良い結果が得られ
る事が分かる。
From these results, the impurity concentration on the rake face was 5
It can be seen that it is desirable that the content is atomic% or less. That is, a diamond tool having an impurity concentration of 5% or less on the rake face (25% Si-Al difficult-to-cut material) can cut a round bar. More preferably, the impurity concentration on the rake face should be 1% or less. The impurity concentration on the rake face is 1
It can be seen that even better results can be obtained at 000 ppm or less.

【0047】[0047]

【発明の効果】本発明は、不純物含有量を厚み方向に変
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、耐溶着性、耐熱性に優れ
たダイヤモンド膜を得ることができる。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。従来は不純物の少ないダイヤモン
ド膜がCVD法によって作られた。純度の高いダイヤモ
ンドは剛性が高くて衝撃によって簡単に欠損する。つま
り結晶性の完全な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。それでは不純物濃度を高めれば
高める程良いかというとそうでもない。不純物が多いと
剛性が低下し摩耗しやすくなる。耐欠損性と耐摩耗性の
両者が工具には必要である。不純物含有量を適当な範囲
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。また全体
の靱性を高めなければならない。
According to the present invention, the diamond film is formed by the CVD method in which the impurity content is changed in the thickness direction.
This makes it possible to obtain a diamond film having excellent strength, abrasion resistance, welding resistance and heat resistance. Now, the reason why the present invention can form such a diamond film will be described. Conventionally, a diamond film containing few impurities was formed by the CVD method. High-purity diamond has high rigidity and is easily broken by impact. In other words, a completely crystalline diamond 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. If so, the higher the impurity concentration, the better. If the amount of impurities is large, the rigidity is lowered and it is easily worn. Both fracture resistance and wear resistance are required for the tool. Optimum characteristics cannot be obtained by limiting the impurity content to an appropriate range. Wear resistance is essential on the surface that comes into contact with the workpiece. Also, the overall toughness must be increased.

【0048】そこで本発明では被削物に接触するすくい
面は不純物含有量を少なくして高い剛性を与えることと
し、母材面側は不純物含有量を多くして結晶欠陥を増や
し剛性を下げ靱性を高めている。内部(母材面側)のほ
うが靱性が高いので衝撃をう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
に高性能を与えている。耐摩耗性はすくい面の性質によ
るがこれは不純物含有量が低く剛性が高いので十分な耐
摩耗性が得られる。焼結ダイヤモンドはバインダ−があ
るのでどうしても耐摩耗性、耐熱性は低下するが本発明
はそういうこともない。固定面近傍のダイヤモンドに添
加すべき不純物元素はハロゲンの他に金属元素やセラミ
ックなどでも良い。つまり不純物元素とは炭素成分以外
のものを言う。ハロゲンを添加するとダイヤモンドを比
較的低温で合成できる可能性があり、膜組成が緻密にな
る。またハロゲン化合物の気体が得易いので添加不純物
として最適である。耐摩耗性、耐欠損性、強度などの特
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。
Therefore, in the present invention, the rake face in contact with the work is made to have a high impurity content by reducing the content of impurities, and the base material surface side is increased in the content of impurities to increase the crystal defects and reduce the rigidity. Is increasing. Since the toughness of the inside (base material surface side) is higher, the diamond will not be damaged by the internal buffering action even when shocked. This gives the diamond of the present invention high performance. Abrasion resistance depends on the nature of the rake face, but since this has a low content of impurities and high rigidity, sufficient abrasion resistance can be obtained. Since the sintered diamond has a binder, wear resistance and heat resistance are inevitably lowered, but the present invention does not have such a case. The impurity element to be added to diamond in the vicinity of the fixed surface may be a metal element, ceramic or the like in addition to halogen. That is, the impurity element means something other than the carbon component. The addition of halogen may allow diamond to be synthesized at a relatively low temperature, resulting in a dense film composition. Further, since a halogen compound gas is easily obtained, it is optimal as an added impurity. It is useful for fields in which properties such as wear resistance, fracture resistance and strength are strongly required, especially for tools such as cutting tools, 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を示す概略斜視
図。
FIG. 1 is a schematic perspective view showing 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を示す概略
斜視図。
FIG. 2 is a schematic perspective view showing a manufacturing process of a polycrystalline diamond tool.

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

【図4】多結晶ダイヤモンド工具刃先の不純物含有量測
定箇所を説明する為の断面図。
FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining measurement points of impurity content on the cutting edge of a polycrystalline diamond tool.

【図5】フィラメントCVD装置概略断面図。FIG. 5 is a schematic sectional view of a filament CVD apparatus.

【図6】マイクロ波プラズマCVD装置の概略断面図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a microwave plasma CVD device.

【図7】熱CVD装置の概略断面図。FIG. 7 is a schematic sectional view of a thermal CVD apparatus.

【図8】熱プラズマCVD装置概略断面図。FIG. 8 is a schematic sectional view of a thermal plasma CVD apparatus.

【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 母材設置固定面 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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Tool base material 2 Diamond film 3 Installation fixed layer 4 Rake surface 5 Base material installation fixed surface 6 Base material 7 Diamond film 8 Metallized layer 11 Vacuum chamber 12 Base material support 13 Base material 14 Vacuum exhaust port 15 Electrode 16 Guy 17 Filament 18 Source Gas Inlet 19 Pressure Gauge 20 Cooling Water 22 Quartz Tube 23 Quartz Rod 24 Base Material 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 37 Base material 38 Heater 39 Raw material gas inlet 40 Vacuum exhaust port 42 Vacuum chamber 43 Electrode 44 Cooling support 45 Base material 46 DC power source 47 Raw material gas 48 Electrode gap 49 Vacuum exhaust port 50 Cooling water

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一面を当
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不純物含有量が変化しており、
ダイヤモンドのすくい面側の不純物含有量X0 (%)
が、ダイヤモンドの母材設置固定面側の不純物含有量Y
0 (%)よりも小さい(X0 <Y0 )事を特徴とする多
結晶ダイヤモンド工具。
1. A tool having a structure comprising a tool base material and polycrystalline diamond, wherein one 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. Is 40 μm or more, the impurity content changes in the thickness direction of the diamond,
Impurity content X 0 (%) on the rake face side of diamond
Is the content Y of impurities on the fixed surface of the diamond base material.
A polycrystalline diamond tool characterized by being smaller than 0 (%) (X 0 <Y 0 ).
【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一面を当
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不純物含有量が変化しており、
ダイヤモンドのすくい面側から平均膜厚の30%の厚み
迄の領域の平均不純物含有量X1 (%)が、ダイヤモン
ドの母材設置固定面側から平均膜厚の30%の厚み迄の
領域の平均不純物含有量Y1 (%)よりも小さい(X1
<Y1 )事を特徴とする多結晶ダイヤモンド工具。
2. A tool comprising a tool base material and polycrystalline diamond, wherein one 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. Is 40 μm or more, the impurity content changes in the thickness direction of the diamond,
The average impurity content X 1 (%) of the region from the rake face side of the diamond to the thickness of 30% of the average film thickness is Less than average impurity content Y 1 (%) (X 1
<Y 1 ) A polycrystalline diamond tool characterized by the following.
【請求項3】 ダイヤモンドのすくい面側から平均膜厚
の30%の厚み迄の領域の不純物含有量X1 が5%以下
である事を特徴とする請求項1又は2に記載の多結晶ダ
イヤモンド工具。
3. The polycrystalline diamond according to claim 1, wherein the impurity content X 1 in the region from the rake face side of the diamond to the thickness of 30% of the average film thickness is 5% or less. tool.
【請求項4】 ダイヤモンドのすくい面側から平均膜厚
の30%の厚み迄の領域の不純物含有量X1 が1%以下
である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. The impurity content X 1 in the region from the rake face side of the diamond to the thickness of 30% of the average film thickness is 1% or less, and the multi-claim according to claim 1, 2 or 3. Crystal diamond tool.
【請求項5】 不純物元素として、少なくとも結晶質ダ
イヤモンド以外の炭素成分(結晶質グラファイト、非晶
質炭素等)を含む事を特徴とする請求項1、2、3又は
4の何れかに記載の多結晶ダイヤモンド工具。
5. The impurity element contains at least a carbon component other than crystalline diamond (crystalline graphite, amorphous carbon, etc.), according to claim 1. Polycrystalline diamond tool.
【請求項6】 不純物元素として、Si、B、Al、
W、Mo、Co、Fe、Nb、Ta、及びそれらの炭化
物、酸化物、窒化物を含むことを特徴とする請求項1、
2、3、4又は5の何れかに記載の多結晶ダイヤモンド
工具。
6. The impurity element includes Si, B, Al,
W, Mo, Co, Fe, Nb, Ta, and their carbides, oxides, and nitrides are included.
The polycrystalline diamond tool according to any one of 2, 3, 4 and 5.
【請求項7】 不純物元素としてハロゲンまたはハロゲ
ン化物を含む事を特徴とする請求項1、2、3、4、5
又は6の何れかに記載の多結晶ダイヤモンド工具。
7. The method according to claim 1, wherein the impurity element contains halogen or halide.
Or the polycrystalline diamond tool according to any one of 6 above.
【請求項8】 不純物元素として、周期律表の、金属、
半金属、非金属、及びそれらの、炭化物、窒化物、酸化
物の何れか1種もしくは2種以上の粉体を含む事を特徴
とする請求項1、2、3、4、5、6又は7の何れかに
記載の多結晶ダイヤモンド工具。
8. A metal of the periodic table as an impurity element,
7. A powder of one or more of any one of a semimetal, a nonmetal, and a carbide, a nitride, and an oxide thereof is contained, 7. The polycrystalline diamond tool according to any one of 7.
【請求項9】 少なくとも炭素を含むガスを原料ガスと
し、不純物として、ハロゲン又はハロゲン化物、SiH
4 、Si26 、PH3 、B26 、N2 の少なくとも
1つを添加し、不純物添加量を変化させながら化学的気
相堆積法によってダイヤモンド膜を基材上に形成し、基
材を除去後、このダイヤモンド膜の不純物含有量の多い
方を工具母材面に設置固定し、不純物含有量の少ない方
を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 gas containing at least carbon is used as a source gas, and halogen or a halide or SiH is used as an impurity.
4 , Si 2 H 6 , PH 3 , B 2 H 6 , and N 2 are added, and a diamond film is formed on the substrate by a chemical vapor deposition method while changing the impurity addition amount. After removing the material, a method for producing a polycrystalline diamond tool, characterized in that the one having a high impurity content of the diamond film is set and fixed on the tool base material surface, and the one having a low impurity content is used as a rake surface.
【請求項10】 少なくとも炭素を含むガスを原料ガス
とし、不純物として、周期律表の金属、半金属、及びそ
れらの炭化物、窒化物、酸化物のいずれか1種もしくは
2種以上の粉体を、この添加量を変化させながら、化学
的気相堆積法によってダイヤモンド膜を基材上に形成
し、基材を除去後このダイヤモンド膜の不純物含有量の
多い方を、工具母材面に設置固定し、不純物含有量の少
ない方を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。
10. A gas containing at least carbon is used as a raw material gas, and as impurities, powders of one or more of metals, semimetals, and their carbides, nitrides, and oxides of the periodic table are used. While changing the added amount, a diamond film is formed on the base material by the chemical vapor deposition method, and after removing the base material, the one with a high impurity content of this diamond film is set and fixed on the tool base material surface. The method for producing a polycrystalline diamond tool is characterized in that the rake face has a smaller impurity content.
【請求項11】 ダイヤモンド膜を成長させるべき基材
がW、Mo、Ta、Nb、Si、SiC、WC、W2
C、Mo2 C、TaC、Si34 、AlN、Ti、T
iC、TiN、B、BN、B4 C、ダイヤモンド、Al
23 、SiO2 のいずれかであることを特徴とする請
求項8又は9に記載の多結晶ダイヤモンド工具の製造方
法。
11. A base material on which a diamond film is to be grown is W, Mo, Ta, Nb, Si, SiC, WC, W 2.
C, Mo 2 C, TaC, Si 3 N 4 , AlN, Ti, T
iC, TiN, B, BN, B 4 C, diamond, Al
The method for producing a polycrystalline diamond tool according to claim 8 or 9, wherein the method is either 2 O 3 or SiO 2 .
【請求項12】 原料ガスが稀ガスを含むことを特徴と
する請求項8又は9に記載の多結晶ダイヤモンド工具の
製造方法。
12. The method for manufacturing a polycrystalline diamond tool according to claim 8, wherein the raw material gas contains a rare gas.
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