JP3193259B2

JP3193259B2 - 切削工具およびその製造方法

Info

Publication number: JP3193259B2
Application number: JP07621695A
Authority: JP
Inventors: 桂林
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1995-03-31
Filing date: 1995-03-31
Publication date: 2001-07-30
Anticipated expiration: 2016-07-30
Also published as: JPH08267325A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、切削工具およびその製
造方法に関するもので、特に、小径のマイクロドリルや
小径のエンドミル等の鋭角な先端を有する切削工具およ
びその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来技術】ダイヤモンド、ｃＢＮ等の超硬質材料は、
従来大規模な超高圧プレス装置により作成されていた。
しかし、気相合成法によれば、これらの材料が簡便な方
法により得られることから、気相合成法によるダイヤモ
ンドや立方晶窒化硼素等の超硬質材料は、今後、広範囲
にわたる応用が期待されている（特開昭６０−５４９９
５号公報等参照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする問題点】しかし、ダイヤモン
ド質膜を機械加工用工具類に用いようとすると、ダイヤ
モンド質膜と工具基体との密着性が不十分であり、工具
基体にダイヤモンド質膜を形成したとしても、ダイヤモ
ンド質膜が工具基体から剥がれ易いという問題があっ
た。これについてはダイヤモンド質膜の材質を改良する
など種々の改善策が模索されているが、未だに実用上十
分な密着強度のあるダイヤモンド質膜のコーティング方
法は見出されていない。

【０００４】そこで他の方法としてシリコン基板上にダ
イヤモンド質膜を形成し、しかるのちにこのダイヤモン
ド質膜を切り出して超硬工具の刃先にろう付けする方法
が特開平１−２１２７６６号公報に開示されている。し
かし、この方法では、ろう付け部の剥離等の問題でドリ
ル等の鋭角な先端を持つ部品には使用することができな
かった。

【０００５】即ち、ダイヤモンドは本質的に金属との濡
れ性が悪いためろう付けした後の強度が低くなる傾向が
あり、ドリル等の鋭角な先端を持つ部品ではろう付け部
に高い応力がかかるため、従来の方法では使用中にダイ
ヤモンドが剥離するためである。これらの問題を解決す
るため適切なろう材の調査研究が行われているが未だに
ドリルの先端に使用できる強度を有するものは見当たら
ず、この方法は実用化できていない。

【０００６】また、超硬合金等より作製された工具基体
にダイヤモンド質膜をコーティングする方法が試みられ
ているが、ダイヤモンド質膜のコーティングの密着性を
上げるために工具基体表面の金属を除去する必要がある
ため、直径が細いマイクロドリルでは折れ易くなるとい
う問題があり、実用には至っていない。また、この方法
ではコーティングされた膜のため刃先が丸くなり切れ味
が低下するという問題があった。

【０００７】一方、超高圧合成法による焼結ダイヤモン
ドをドリルに応用する方法もある。

【０００８】直径の大きなドリルでは、焼結ダイヤモン
ドの両面を超硬合金で挟んだ材料を作製しドリルの刃先
にろう付けし、その後に研削加工する例がある。しか
し、超高圧合成法では焼結ダイヤモンド層の厚さを均一
かつ薄くすることが難しいため（超高圧を加えた段階で
ダイヤモンド層の変形が起き、これを無くすことができ
ない。）、直径の大きいドリルにしか実用化されていな
い。直径の小さいマイクロドリルに対応して、超高圧合
成法による焼結ダイヤモンドと超硬合金を円柱状に加工
しこれを鋼にろう付けする方法も行われているが、細い
ドリルではろう付け部分の面積が小さくなり、使用時に
ろう付け部が剥がれることが問題となっている。

【０００９】そこで、これらのダイヤモンド質膜と工具
基体とを強固に接合させることができれば、小径のドリ
ルやエンドミルなどでも大幅な性能改善が期待できる。

【００１０】

【問題点を解決するための手段】本発明者は上記の問題
点に対し検討を重ねた結果、気相合成法により形成され
たダイヤモンド質膜の両面に、タングステン，モリブデ
ンおよびそれらと炭素との化合物のうち少なくとも一種
からなる支持膜を気相合成法により形成してなるダイヤ
モンド質複合部材は、工具基体とのろう付け性が良好で
あり、ダイヤモンド質複合部材を工具基体に強固に接合
できることを見出し、本発明に至った。

【００１１】即ち、本発明の切削工具は、工具基体の先
端部に設けられた装着溝にダイヤモンド複合部材を装着
し、ろう付けしてなる切削工具であって、前記工具基体
の直径が２ｍｍ以下であり、前記ダイヤモンド複合部材
が、気相合成法により形成され、両面に凹部が形成され
たダイヤモンド質膜の両面に、タングステン，モリブデ
ンおよびそれらと炭素との化合物のうち少なくとも一種
からなる支持膜を気相合成法により形成してなるととも
に、前記ダイヤモンド質膜の両面に形成された支持膜
を、前記装着溝の内面にろう付けしてなるものである。

【００１２】また、本発明の切削工具の製造方法は、基
板の表面にダイヤモンド質膜を気相合成法により形成し
た後、前記基板を除去して得られた前記ダイヤモンド質
膜の両面に、酸素を含む雰囲気での熱処理またはレーザ
ー加工により凹部を形成し、該凹部が形成されたダイヤ
モンド質膜の両面に、タングステン，モリブデンおよび
それらと炭素との化合物のうち少なくとも一種からなる
第１支持膜および第２支持膜を気相合成法によりそれぞ
れ形成したダイヤモンド複合部材を、直径が２ｍｍ以下
の工具基体の先端部に設けられた装着溝に装着し、前記
ダイヤモンド質膜の両面に形成された支持膜を前記装着
溝の内面にろう付けする方法である。

【００１３】さらに、本発明の切削工具の製造方法は、
基板の表面にダイヤモンド質膜を気相合成法により形成
した後、このダイヤモンド質膜の表面に、酸素を含む雰
囲気での熱処理またはレーザー加工により凹部を形成
し、該凹部が形成されたダイヤモンド質膜の表面に、タ
ングステン，モリブデンおよびそれらと炭素との化合物
のうち少なくとも一種からなる第１支持膜を気相合成法
により形成し、しかる後に前記基板を除去し、この基板
を除去した前記ダイヤモンド質膜の表面に、酸素を含む
雰囲気での熱処理またはレーザー加工により凹部を形成
し、該凹部が形成されたダイヤモンド質膜の表面に、タ
ングステン，モリブデンおよびそれらと炭素との化合物
のうち少なくとも一種からなる第２支持膜を気相合成法
により形成したダイヤモンド複合部材を、直径が２ｍｍ
以下の工具基体の先端部に設けられた装着溝に装着し、
前記ダイヤモンド質膜の両面に形成された支持膜を前記
装着溝の内面にろう付けする方法である。

【００１４】本発明においては、ダイヤモンド質膜の厚
さは任意に選択できるが、一般的には１μｍから１ｍｍ
である。性能と生産性との兼ね合いからダイヤモンド質
膜の膜厚は５〜５００μｍが適当で、望ましくは１０〜
２００μｍ、コストと性能の兼ね合いから最適には１０
〜１００μｍである。製造する工具の直径が細くなる
程、ダイヤモンド質膜の厚さは薄くする必要があり、直
径１０ｍｍ程度の工具であれば０．５〜１ｍｍ程度の厚
さが使用できるが、直径２ｍｍ以下の工具では、０．４
ｍｍ程度以下が望ましく、更に直径１ｍｍ以下の工具で
は５μｍから直径の１／３程度の厚さが適している。工
具径が更に細くなれば、好適な厚さは更に薄くなる。本
発明は、特に、直径２ｍｍ以下の工具基体を有する切削
工具に最適である。

【００１５】ダイヤモンド質膜は厚さが０．３ｍｍ程度
より大きくなれば、支持膜形成の前に基板を除去するこ
とができる。ダイヤモンド質膜は厚さが０．３ｍｍ程度
以下であれば、取り扱い時に破損し易いので、ダイヤモ
ンド質膜を基板につけたままで表面に凹部を形成する。
凹部を付ける処理は、酸素を含む雰囲気中で５００〜７
５０℃０．５〜４時間の熱処理を行う方法、酸素を含む
プラズマ中でエッチングを行う方法、ダイヤ砥石で加工
する方法、表面をレーザー加工し凹部をつけるなどの方
法が使用できる。酸素を含む雰囲気とは、大気，酸素を
含む大気圧または減圧雰囲気，酸素プラズマ雰囲気等を
示す。凹部は、ダイヤ砥石やレーザによれば、格子状や
点状のように任意に形成することができ、熱処理やエッ
チングでは除去し易い部分が除去され凹部が形成される
ことになる。このようにダイヤモンド質膜に凹部を形成
することにより、ダイヤモンド質膜に支持膜を形成した
際の接合力が向上する。

【００１６】支持膜の厚さも任意に選択できるが、一般
的には１μｍから１ｍｍである。支持膜の厚さは後の工
程での取扱の容易さや強度の関係から０．０１〜１ｍｍ
程度が好ましく、特に小径の工具では０．０５〜０．１
ｍｍが良好である。製造する工具の直径が細くなる程、
支持膜の厚さは薄くする必要があり、直径１０ｍｍ程度
の工具であれば０．５〜１ｍｍ程度の厚さが使用できる
が、直径２ｍｍ以下の工具では０．４ｍｍ程度以下が望
ましく、更に直径１ｍｍ以下の工具では５μｍから直径
の１／３程度の厚さが適している。工具径が更に細くな
れば、好適な厚さは更に薄くなる。工具基体としては、
超硬合金、特に超微粒子超硬合金が好適に用いられる。

【００１７】ダイヤモンド質膜はマイクロ波プラズマＣ
ＶＤ，熱フィラメント法、プラズマジェット法など公知
の方法により作製することができる。マイクロ波プラズ
マＣＶＤ法はダイヤモンド質膜の品質が良く、熱フィラ
メント法は広い面積に対応でき、プラズマジェット法は
成膜速度が早いことが特徴である。また、膜の厚さや結
晶構造（純粋なダイヤモンドとその他の硬質炭素との割
合）についても任意に選択できる。支持層もダイヤモン
ド質膜とほぼ同様にして作製できる。

【００１８】ダイヤモンド質膜を一時的に形成する基板
は、シリコン，モリブデン等からなり、任意に選択でき
るが、成膜初期に於ける核生成の容易さや後の工程にお
ける除去の容易さからシリコンからなる基板が適してい
る。

【００１９】また、気相合成法により作成された支持膜
は、そのダイヤモンド質膜側に炭化タングステン膜や炭
化モリブデン膜を形成して構成すると、支持膜とダイヤ
モンド質膜との密着性がさらに向上する。タングステン
等の気相合成は析出速度も早いので支持膜として必要な
厚さにするのが容易である。そして、ダイヤモンド質膜
が支持膜に挟持されたダイヤモンド複合部材は所定形状
に加工された後、切削工具の工具基体に設けられた装着
溝に装着し、支持層と工具基体とをろう付けし、その
後、ダイヤモンド質膜部分が刃部となるように、工具基
体およびダイヤモンド複合部材が加工され、本発明の切
削工具が作製される。

【００２０】

【作用】本発明の切削工具では、気相合成法により形成
されたダイヤモンド質膜の両面に、タングステン，モリ
ブデンおよびそれらと炭素との化合物のうち少なくとも
一種からなる支持膜を気相合成法により形成することに
より、ダイヤモンド質膜と支持膜との結合が強固にな
る。また、ダイヤモンド質膜の両面に凹部を形成する
と、ダイヤモンド質膜の凹部にタングステン，モリブデ
ン及びそれらと炭素との化合物のうち少なくとも一種が
充填され、ダイヤモンド質膜と支持膜が絡み合って、ダ
イヤモンド質膜と支持膜との結合がさらに強固になる。

【００２１】また、ダイヤモンドと工具基体とのろう付
け性よりも、タングステン，モリブデン及びそれらと炭
素との化合物のうち少なくとも一種からなる支持膜と工
具基体とのろう付け性が良好であるため、工具基体にダ
イヤモンド複合部材を強固に接合することができる。

【００２２】さらに、工程がＣＶＤ法によって行われる
ので、薄くかつ均一なダイヤモンド質複合部材の作製が
可能になり、大径の工具はもとより小径の工具まで作製
が可能になる。本発明では、特に小径の工具に有効であ
る。

【００２３】本発明によれば従来の問題点が解決され、
ダイヤモンド質膜が広い範囲で使用されるようになり、
小径のドリルやエンドミル等の他、例えば、金属や複合
材料の加工用切削工具およびスリッターナイフ等の産業
用刃物等の切削工具などで大幅な性能改善が期待でき
る。

【００２４】

【実施例】本発明の切削工具およびその製造方法を図面
を用いて詳細に説明する。

【００２５】図１は、先端部を加工する前の本発明の切
削工具を示すもので、この切削工具は、超微粒子超硬合
金からなる工具基体１に設けられた装着溝２にダイヤモ
ンド複合部材３を装着して形成されている。装着溝２に
装着されたダイヤモンド複合部材３は、工具基体１にろ
う付けされている。符号４はろう付け部である。工具基
体１の直径は１ｍｍであり、ダイヤモンド複合部材３の
厚みは０．４ｍｍである。

【００２６】ダイヤモンド複合部材３は、気相合成法に
より形成された厚み０．１ｍｍのダイヤモンド質膜７の
両面に凹部を形成し、この凹部が形成されたダイヤモン
ド質膜７の両面にタングステン，モリブデンおよびそれ
らと炭素との化合物のうち少なくとも一種からなる厚み
０．１５ｍｍの第１支持膜９，第２支持膜１０を気相合
成法によりそれぞれ形成して構成されている。支持膜
９，１０は、ろう付けが容易でありＣＶＤダイヤモンド
との密着性が良いという点からタングステンから構成さ
れていることが望ましい。また、支持膜９，１０のダイ
ヤモンド質膜７側には、支持膜９，１０とダイヤモンド
質膜７との密着性をさらに向上するという点から、炭化
タングステン膜や炭化モリブデン膜を形成して、支持層
９，１０を構成することが望ましい。

【００２７】本発明の切削工具では、気相合成法により
形成されたダイヤモンド質膜７の両面に、タングステ
ン，モリブデンおよびそれらと炭素との化合物のうち少
なくとも一種からなる支持膜９，１０を気相合成法によ
り形成することにより、ダイヤモンド質膜７と支持膜
９，１０との結合が強固になる。また、ダイヤモンド質
膜７の両面に凹部を形成すると、ダイヤモンド質膜７の
凹部にタングステン，モリブデン及びそれらと炭素との
化合物のうち少なくとも一種が充填され、ダイヤモンド
質膜７と支持膜９，１０が絡み合って、ダイヤモンド質
膜７と支持膜９，１０との結合がさらに強固になる。ま
た、支持膜９，１０と工具基体１とのろう付け強度が大
きく、これらの工程がＣＶＤ法によって行われるので、
薄くかつ均一なダイヤモンド質複合部材の作製が可能に
なり、小径の切削工具の作製が可能となる。

【００２８】本発明の切削工具の製造は、図２（ａ）〜
（ｇ）に示すように、先ず、図２（ａ）に示すシリコン
からなる基板１１に、図２（ｂ）に示すようにマイクロ
波プラズマＣＶＤ法により厚み０．１ｍｍのダイヤモン
ド質膜７を形成する。次に、図２（ｃ）に示すように、
このダイヤモンド質膜７の表面をレーザ加工し、格子状
に凹部１２を形成する。そして、凹部１２が形成された
ダイヤモンド質膜７の表面に、図２（ｄ）に示すよう
に、タングステンからなる厚み０．１５ｍｍの第１支持
膜９を形成した。成膜については公知の方法を使用し
た。

【００２９】この後、図２（ｅ）に示すように、シリコ
ンからなる基板１１を除去し、図２（ｆ）に示すよう
に、現出したダイヤモンド質膜７の表面をレーザ加工
し、格子状に凹部１２を形成する。そして、凹部１２が
形成されたダイヤモンド質膜７の表面に、図２（ｇ）に
示すように、タングステンからなる厚み０．１５ｍｍの
第２支持膜１０を形成した。

【００３０】次に、これをレーザにより所定形状にカッ
トし、研磨などの加工を行い、所定形状のダイヤモンド
複合部材３が作製される。そして、このダイヤモンド複
合部材３が、図１に示したように、切削工具の工具基体
１先端部に形成された装着溝２に装着され、支持層９，
１０の表面が装着溝２の内面にろう付けされ、例えば、
ダイヤモンド質膜７が刃部となるように先端部がドリル
形状に加工され、鋭角な先端を持つドリルからなる切削
工具が作製される。

【００３１】本発明者は、本発明の効果を確認すべく、
マイクロドリルに対して本発明を実施した。本発明者
は、ドリルの外径、ダイヤモンド質膜の厚み、支持膜の
種類および厚み、凹部作製方法を変化させ、工具基体と
のろう付け性、先端部をドリル形状に加工する際の折損
状況、および切削テストを行った。ドリルの工具基体と
しては、超微粒子超硬合金を用いた。

【００３２】工具基体とのろう付け性はろう付け部を目
視により判断した。切削テストは、マイクロドリルによ
りガラスエポキシからなるプリント基板に１０００個の
孔あけを行い、最後まで使用できたものを良好とした。
その結果を表１に示す。

【００３３】

【表１】

【００３４】この表１では、試料Ｎo.１および２では、
プラズマジェット法により、試料Ｎo.３および４では、
熱フィラメント法により、試料Ｎo.５〜８ではマイクロ
波プラズマＣＶＤ法により、試料Ｎo.１２〜１４ではＥ
ＣＲプラズマＣＶＤ法により、ダイヤモンド質膜を形成
し、試料Ｎo.９〜１１では超高圧合成法による焼結ダイ
ヤを使用した。また、試料Ｎo.１２における支持膜は、
タングステンの合成時にメタンガスを導入した。

【００３５】表１より、本発明の切削工具では、ダイヤ
モンド複合部材の工具基体へのろう付け性が良好であ
り、加工中の折損もなく、切削テストも１０００個の孔
あけが可能であった。これに対して、焼結ダイヤを用い
た試料Ｎo.９〜１１では、ろう付け時の外観は良好であ
ったが、ドリル形状に加工する際に折損が多く、切削テ
ストからダイヤモンド質膜と工具基体との接合状況が悪
いことが判る。

【００３６】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によれば、気
相合成法により形成されたダイヤモンド質膜の両面に、
タングステン，モリブデンおよびそれらと炭素との化合
物のうち少なくとも一種からなる支持膜を気相合成法に
より形成することにより、ダイヤモンド質膜と支持膜と
を強固に接合することができ、特に、ダイヤモンド質膜
の両面に凹部を形成するとダイヤモンド質膜と支持膜と
をさらに強固に接合することができ、また、支持膜と切
削工具の工具基体との接合強度が向上でき、さらに、工
程がＣＶＤ法によって行われるので、薄くかつ均一なダ
イヤモンド質複合部材の作製が可能になり、優れた性能
の切削工具を容易に得ることができる。

【００３７】これによって、小径のドリル、エンドミル
等先端に鋭角形状を持つ切削工具を容易に製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】先端部の加工をしていない状態の切削工具を示
す斜視図である。

【図２】本発明の切削工具の製造工程を示す説明図であ
る。

【符号の説明】

１・・・工具基体２・・・装着溝３・・・ダイヤモンド複合部材４・・・ろう付け部７・・・ダイヤモンド質膜９，１０・・・支持膜１１・・・基板１２・・・凹部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＣ２３Ｃ 16/32 Ｃ２３Ｃ 16/32 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23P 15/28 B23B 27/14 B23B 51/00 B23C 5/16 C23C 16/26

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】工具基体の先端部に設けられた装着溝にダ
イヤモンド複合部材を装着し、ろう付けしてなる切削工
具であって、前記工具基体の直径が２ｍｍ以下であり、
前記ダイヤモンド複合部材が、気相合成法により形成さ
れ、両面に凹部が形成されたダイヤモンド質膜の両面
に、タングステン，モリブデンおよびそれらと炭素との
化合物のうち少なくとも一種からなる支持膜を気相合成
法により形成してなるとともに、前記ダイヤモンド質膜
の両面に形成された支持膜を、前記装着溝の内面にろう
付けしてなることを特徴とする切削工具。
【請求項２】基板の表面にダイヤモンド質膜を気相合成
法により形成した後、前記基板を除去して得られた前記
ダイヤモンド質膜の両面に、酸素を含む雰囲気での熱処
理またはレーザー加工により凹部を形成し、該凹部が形
成されたダイヤモンド質膜の両面に、タングステン，モ
リブデンおよびそれらと炭素との化合物のうち少なくと
も一種からなる第１支持膜および第２支持膜を気相合成
法によりそれぞれ形成したダイヤモンド複合部材を、直
径が２ｍｍ以下の工具基体の先端部に設けられた装着溝
に装着し、前記ダイヤモンド質膜の両面に形成された支
持膜を前記装着溝の内面にろう付けすることを特徴とす
る切削工具の製造方法。
【請求項３】基板の表面にダイヤモンド質膜を気相合成
法により形成した後、このダイヤモンド質膜の表面に、
酸素を含む雰囲気での熱処理またはレーザー加工により
凹部を形成し、該凹部が形成されたダイヤモンド質膜の
表面に、タングステン，モリブデンおよびそれらと炭素
との化合物のうち少なくとも一種からなる第１支持膜を
気相合成法により形成し、しかる後に前記基板を除去
し、この基板を除去した前記ダイヤモンド質膜の表面
に、酸素を含む雰囲気での熱処理またはレーザー加工に
より凹部を形成し、該凹部が形成されたダイヤモンド質
膜の表面に、タングステン，モリブデンおよびそれらと
炭素との化合物のうち少なくとも一種からなる第２支持
膜を気相合成法により形成したダイヤモンド複合部材
を、直径が２ｍｍ以下の工具基体の先端部に設けられた
装着溝に装着し、前記ダイヤモンド質膜の両面に形成さ
れた支持膜を前記装着溝の内面にろう付けすることを特
徴とする切削工具の製造方法。