JP3690626B2

JP3690626B2 - Diamond coating drill, end mill and manufacturing method thereof

Info

Publication number: JP3690626B2
Application number: JP23907197A
Authority: JP
Inventors: 真川西; 克則泊; 成宣河合; 理人吉武
Original assignee: ALMT Corp
Current assignee: ALMT Corp
Priority date: 1997-08-19
Filing date: 1997-08-19
Publication date: 2005-08-31
Anticipated expiration: 2017-08-19
Also published as: JPH1158106A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非鉄金属材料、電子材料、光学部品などの加工に用いられる工具、特に気相合成法による薄膜のダイヤモンドコーティング層を有する切削工具とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種加工に用いられる切削工具材料としては、硬度、熱伝導性外の特性により天然又は合成の単結晶乃至多結晶ダイヤモンドが優れたものとして知られている。又合成ダイヤモンドとしては、超高圧の焼結法による焼結ダイヤモンドと、低圧の気相合成法によるダイヤモンドコーティング層によるものとが実用されている。
【０００３】
上記の各種のダイヤモンドは夫々に特徴を有するが、コストその他の面より、気相合成法によるダイヤモンドコーティング層によるものが最も好ましいとされながら、生成したダイヤモンドコーティング層の接着力や品質に不安定性があるなどの問題を残している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ダイヤモンドコーティング層の接着力を高めるための方法や、品質や層厚を高めるための方法は非常に沢山に提案されているが、未だ充分とは言えない状態である。
また層厚を薄くし、高品質で平滑な表面を有するダイヤモンドコーティング層を得るため、合成気体中に窒素を含有せしめることが特開平７−１７２９８８号公報によって提案されている。
【０００５】
上記提案は、エアノズル、ウォーターノズルなどにおいて、層厚の薄い即ち微粒薄膜ダイヤモンドコーティング層が、素晴らしい効果を発揮すると言う、優れた提案であるが、未だ充分な実用の域に達していない模様である。
【０００６】
切削加工分野では超硬合金の表面にダイヤモンド層を１０〜３０μｍ被覆し、切削工具として実用化されてきたが、薄膜のダイヤモンドコーティング法は実用化されていない。超硬合金工具は切削時に激しい熱衝撃が加わるため、超硬合金母材とコーティング層はかなり強固に接合していることが要求されている。
一般によく用いられるダイヤモンドコーティングの母材としては、Ｓｉ結晶が用いられ、その膜厚を薄膜から厚膜まで自由に制御する技術はすでに公知のところであるが、超硬合金を母材とする工具のような、厳しい環境条件で用いられる工具におけるダイヤモンドコーティングについてはまだ検討が十分なされていない。とくに切削加工の分野においては、このような微粒薄膜コーティング層は実用されていない。これは所要のコーティング層の生成に困難性があると共に、コーティング層に適した切削工具形状などの問題の研究が不充分なためと思われる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記のような課題に着目し、試作研究を重ねた結果到達したもので、その特徴とするところを列記すれば次の通りである。
【０００８】
切削加工におけるダイヤモンドコーティングの問題は種々検討、研究を重ねた結果、コート層の剥離、エッジ部欠けが問題となり、ダイヤモンド層の摩耗は特に大きな問題でないことを見いだした。
すなわち超硬合金の熱膨張係数とダイヤモンドの熱膨張係数の差を少なくし、かつ刃先にかかる圧縮応力の軽減などにより解決される。とくに刃先にかかる応力の低減ではコート層の厚みを薄くすることは超硬合金では非常に難しい。それは、超硬合金上では初期のダイヤモンド層はＣｏなどの金属の反応によりダイヤモンド層が炭素、あるいはアモルファスダイヤモンドに変化するため数μｍのオーダーでは完全なダイヤモンド結晶にならない。これは図５に示したアモルファス層から図６に示す結晶化が進行し、２０〜３０μｍを積むと図７の如く完全結晶となる。
【０００９】
本発明の骨子は超硬合金上にて、３μｍ以下の薄膜ダイヤモンドコーティング層を形成させることに成功したものである。とくにスローアウェイチップ、ドリル、エンドミルなど工具刃先にかなりの熱応力がかかる切削工具での問題を解決したことを特徴とする。
【００１０】
本発明の構成は超硬合金の熱膨張係数が５．０×１０^-6／℃以下であり、かつ主成分とするＷＣが９０重量％以上である母材を用いることにより、切削加工時に発生するダイヤモンドコーティング層と超硬合金層の界面の応力を少なくさせたことにある。熱膨張係数が５．０×１０^-6／℃以上であれば、直ぐに膜剥離がおきるため、実用に適さなかった。また主成分とするＷＣが９０重量％以下のときは微粒の薄膜コートが出来なかった。
該超硬合金の結晶粒は１μｍ以下が好ましい。また超硬合金の強度が２００ｋｇ／ｍｍ² 以上が望ましい。これ以下の強度では信頼性にかける。
【００１１】
次ぎの発明の要件はダイヤモンドコーティング層の結晶が粒径３μｍ以下であり、かつダイヤモンド相のラマン分光分析の結果によるダイヤモンド合成率（１３３３ｃｍ^-1付近のダイヤモンドピークと１５００ｃｍ^-1〜１６００ｃｍ^-1の黒鉛構造の非晶質ピークの比率）が０．１以下であり、かつダイヤモンドコーティング層の表面粗さがＲｍａｘ３μｍ以下であることを特徴とする。
ダイヤモンドコーティング層の結晶粒を３μｍ以下に制御すると、ダイヤモンドの膜強度が向上し、かつダイヤモンドコーティング層の表面粗度が良くなるため、ダイヤモンドコーティング層と被削材との間の摩擦係数が低減される。好ましくは、ダイヤモンドコーティング層の結晶粒径を１μｍ以下にすると、さらに耐剥離性が向上する。従って超微粒結晶の析出はさらに良い結果をだす。
【００１２】
本発明の実施に当っては、超硬合金のＷＣ結晶の粒径を細かく、望ましくは１μｍ以下の結晶で構成された超硬合金を用い、該ＷＣ結晶のエッジ部分に超微粒のダイヤモンド粒を種付けすることにより、微粒ダイヤモンドが析出されることを見いだした。
超硬合金をベースとするダイヤモンドコーティングにおいては、超硬合金のＷＣ結晶のエッジ部分から微細なダイヤモンド結晶が析出することが明らかになった。
【００１３】
またあらかじめ超微粒のダイヤモンド粒を種付けしておくと、該生成の初期から完全なダイヤモンドが合成されることを見いだした。すなわちコーティング初期から微粒でかつ完全結晶のダイヤモンド（図７）が生成されるので、薄膜で強度の強い気相合成ダイヤモンドが得られる。
【００１４】
さらに超硬合金とダイヤモンドの界面の接着強度を向上させるためには、コーティング前処理としての熱処理即ち還元性雰囲気である水素、ＣＨ₄ ，ＣＯなどのガス、あるいは還元雰囲気が形成される有機物などの溶液、固形物などの存在下で加熱されることが良い結果を得る。
【００１５】
上記熱処理は、超硬合金基材表面の結合金属、特にＣｏの含有量を減少せしめる効果があり、その効果を上げるには処理雰囲気中に炭素元素を存在せしめておくことが好ましい。
【００１６】
切削工具としては、工具の刃部のみが超硬合金で形成されているか、又は工具全体が一体の超硬合金で形成されている回転切削工具、旋削工具乃至はスローアウェイチップのようなその一部となるものである。
【００１７】
スローアウェイ（ＴＡ）チップの場合、前記構成を具備した多角形の超硬合金薄板の少なくとも切刃面上に、前記構成を具備したダイヤモンドコーティング層を設ければ何のような形状でもよいが、その多角形状を次のような形に特定すれば、総型ＴＡチップとして用いることが出来る。
【００１８】
即ち多角形の少なくとも二つ以上の辺上に、各辺の一部を切欠いて、その切欠き縁により凹状の総型刃を形成する。この多角形を正方形、正三角形などの正多角形とし、切欠き縁を各辺の夫々対称位置に対称形状に形成すれば、更に効果的に使用することが出来る。
【００１９】
上記のような形状を備えた総型ＴＡチップの場合、切削条件によっては超硬合金並びにダイヤモンドコーティング層の構成は、必ずしも前記した要件を具備していなくても、使用可能と思われる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の具体的な実施状態を次の実施例の項で説明する。
【００２１】
【実施例】
（実施例１）
図１（イ）及び（ロ）は工具全体が一体の超硬合金１よりなるエンドミルの実施例の正面図及び側面図で、工具長Ａは４５ｍｍ、刃径Ｂは５ｍｍで、４枚刃の刃長Ｃは２０ｍｍである。なお超硬合金１の材質はＪＩＳＫ１０（ＷＣ−６％Ｃｏ）で、刃長Ｃ（切れ刃構成部）の部分は次の製造法により全面がハッチングで示すようにダイヤモンドコーティング層２の薄膜で被われている。この薄膜は刃先部分３（切れ刃）のみに設けてもよいが、製作上も使用上もむしろ刃長Ｃ全体に設けた方が有利なことが多いので、実施例はそれによった。
【００２２】
ＷＣ層の結晶粒径が０．５μｍ、結合層のＣｏ含有量が４重量％、熱膨張係数が４．５×１０^-6／℃の超硬合金基材に機械加工を施して、図１におけるダイヤモンドコーティング層２のないエンドミル基体を作成した。
この基体を本出願人が国際公開番号ＷＯ９４／１３８５２公報で示したような熱処理、即ち基体を熱フィラメントＣＶＤ装置に装入して、Ｈ₂ −１％ＣＨ₄ の雰囲気で基体温度約９００℃、１時間程度以上保持した。
【００２３】
この熱処理により、超硬合金表面上へのダイヤモンド結晶の析出がしやすくなり、接着力が向上するが、熱処理による析出物や煤が超硬合金表面上に残存する場合は、これを除去してＷＣ結晶が該表面に良くでるようにしておく必要がある。
【００２４】
上記析出物や煤の除去は、ＣＶＤ装置内雰囲気をＨ₂ に置換して加熱除去するか、又は同装置より取出して洗浄やエッチングを施すなどして行うことが出来る。何れにしても、次の超微粒ダイヤモンドの種付けや、ＣＶＤ装置によるダイヤモンドコーティング層の生成には、除去された表面の表面粗さをＲｍａｘ１μｍ程度以下としておくことが好ましく、本実施例においては加熱によって除去した。
【００２５】
上記除去したエンドミル基体をよく洗浄して、切り刃形成面上に０〜１／８μｍ程度以下の超砥粒ダイヤモンドを分散種付けした。上記除去した切り刃形成面は、結合金属が少なく、硬質相粒子間の間隔が狭くて、微小な亀裂が生じており、手作業による分散種付けに好影響を与えているようであった。なおこの超微粒ダイヤモンドとして不純物を減少して親水性を高めたものを使用した超微粒ダイヤモンドコロイド溶液によれば、水中における均一な分散種付けが行なえることが、牧田寛氏（徳島大学・ＮＥＷＤＩＡＭＯＮＤ．１９９６．Ｖｏｌ，１２Ｎｏ．３）によって報じられており、これによることも可能と考えられる。
【００２６】
上記熱処理並びに生成物を除去したエンドミル基材を、切れ刃側を上にして前記熱フィラメントＣＶＤ装置内に直立して装入し、下記条件で切れ刃部の全長にわたってダイヤモンドコーティング層を形成した。

【００２７】
上記のように種付けしないで行なう従来の反応時間に比べ、１／２程度以下にしたことにより、ダイヤモンドの粒成長が抑制されて、粒径が１μｍ以下で厚みは５μｍまでの、緻密な高品質の微粒ダイヤモンドコーティング層２を基材表面と強い接着力で得ることができた。
【００２８】
このダイヤモンドコーティング層２をラマン分光分析により測定したところ、図７に示すような、１３３３ｃｍ^-1付近のダイヤモンドピークのみでダイヤモンド相と同定することができた。またダイヤモンドコーティング層２の表面の粗さはＲｍａｘ１μｍ以下であった。なお、上記ダイヤモンド相のダイヤモンド合成率（１３３３ｃｍ^-1付近のダイヤモンドピークと１５００〜１６００ｃｍ^-1の黒鉛構造の非晶質ピークの比率）は、０．１以下が必要である。
【００２９】
このように、基材表面と強い接着力を持った緻密で高品質の薄膜によるダイヤモンドコーティング層によって構成された切れ刃によれば、例えば従来焼結ダイヤモンド切れ刃によって高Ｓｉ−Ａｌ合金の切削を行なった場合、刃先のチッピングよりＲｍａｘ１μｍの切削面を得ることはできず、また従来の気相合成法によるダイヤモンドコーティング層においては、膜厚が１０μｍ乃至３０μｍ程度となり、鋭い刃先構成の形成は困難で、かつ熱歪による剥離を生じたが、これらの問題を一挙に解消することができる。
【００３０】
図２の斜視図で示すように、上記ダイヤモンドコーティングエンドミル１′により、ＪＩＳ記号ＡＤＣ１２のＳｉ−１１ｗｔ％、Ｃｕ−２．５ｗｔ％残ＡｌよりなるＡｌ合金ブロック４に切削加工を行って、同ドリルによるスパイラルコンプレッサーの溝加工（取代０．１ｍｍ）の疑似テストを行った。図中矢印は該エンドミル１′の回転方向並びに進行方向を示す。
【００３１】
なお上記疑似テストの条件及び結果は図３及び図４に示す通りであるが、図中Ａｄはアクシャルデプス、Ｒｄ＝ラジアルデプスを示し、表中の黒丸は同形の超硬合金エンドミル、黒三角は同形の従来の標準ダイヤモンドコーティング（ＣＶＤによる柱状結晶などの１５μｍ程度の膜厚）エンドミル、黒四角は上記実施例１のエンドミルによるものを示す。
【００３２】
図３により了解できるように、実施例によるものは従来の超硬合金切れ刃によるものに比し、逃げ面摩耗幅が安定して遥かに少なく、又図４によって了解されるように、ワークの切削面の表面粗さは従来の超硬合金切れ刃は勿論、標準ダイヤモンドコーティングエンドミルよりも良好である。
【００３３】
（実施例２）
図８（イ）及び（ロ）はダイヤモンドコーティングスローアウェイ（ＴＡ）チップの平面図及び側面図で、図９はその切れ刃先部３の展開図である。
当ＴＡチップは、実施例１と同質の超硬合金基材を用いて図面通りに形成した超硬合金ＴＡチップ５に、ダイヤモンドコーティング層２の形成下限ライン６即ち厚みＤの略中間に当る点線より刃先側に実施例１と同様な方法により同様のダイヤモンドコーティング層２を形成した。
【００３４】
このダイヤモンドコーティング層２の形成方法並びにその品質、厚み、表面粗さは、実施例１と同様にしたが、ダイヤモンドコーティング層２を設ける部分は、ＴＡチップの殆ど全周面上でも、切れ刃先部３のみでもよい。
【００３５】
当実施例の一辺の長さＥは６ｍｍで、厚みＤは２．３８ｍｍである。各辺のすくい面の交わるコーナーには０．２ｍｍのＲを設け、各辺の中央には幅Ｆが２．３ｍｍ、深さＧが０．５ｍｍ傾斜角Ｈが９０°の凹状総形刃７を形成した。この凹状総形刃７の１番角Ｉは１６°で、その幅Ｋは０．２ｍｍ、２番角Ｌは１６°である。
【００３６】
上記実施例ＴＡチップをクランプ式バイトシャンクに取付けて総形切削試験を行ったところ、前記実施例１と同傾向の結果を得ることが出来た。
【００３７】
これは従来の粗粒や柱状乃至ダイヤモンドライクカーボンの含まれた１０μｍ乃至３０μｍ程度の厚みによるダイヤモンドコーティング層によったエンドミル切れ刃先では、シャープな総形切削が困難であったものが、本５μｍ程度以下の高品質のダイヤモンドコーティング層によるシャープな切れ刃先により、これが可能となったものと思われる。因みに刃先部分３の拡大顕微鏡写真を図１０に、同部分の逃げ面の拡大顕微鏡写真を図１１により示す。
【００３８】
（実施例３）
本実施例は図１２に示すように実施例２の正方形に対し正三角形のＴＡチップ形状とし、凹状総形刃７も、中央部に設けず片寄った対称位置に設けた例である。一辺の長さＥは１６．５ｍｍ、厚みＤは３．１８ｍｍ、切れ刃の幅Ｆは２．３ｍｍ、傾斜角Ｈは９０°、１番角Ｉは１１°、２番角Ｌは２０°である。この切削試験の結果も良好であった。
【００３９】
このようにＴＡチップに凹状の総形刃を多角形の各辺に設けることにより、単一刃に比し、設けた刃数だけチップの寿命を倍増することができる。従って切削の品質と共に、その効率を飛躍的に向上させることができる。
なお実施例においては、正多角形の各辺の中央部又は対称位置に総形刃を設けるものについて示し、この形が製作上及び使用上最も効果的であるが、必要によっては辺のいくつかを残して、２辺以上に中央部や対称位置以外の位置に設けてもよい。
【００４０】
【発明の効果】
以上各項において述べたように、本発明によればアルミニウム合金等の非鉄金属材料、電子材料、光学部品の精密で表面粗さの小さい切削が可能であり、寿命も長い。またＴＡチップとして用いる時は総形切削を極めて効率的に行うことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】（イ）及び（ロ）は、実施例１のエンドミルの正面図及び側面図である。
【図２】実施例１のエンドミルによる疑似テストを行う方法を説明する斜視図である。
【図３】疑似テストの条件及びその結果を示す図表である。
【図４】図３と同様の図表である。
【図５】ダイヤモンド層のラマン分光分析結果を示す図表で、アモルファス層が現れている。
【図６】ダイヤモンド層のラマン分光分析結果を示す図表で、アモルファス層中にダイヤモンドの結晶化が進んでいることが現れている。
【図７】ダイヤモンド層のラマン分光分析結果を示す図表で、全面がダイヤモンド結晶のみであることが現れている。
【図８】（イ）及び（ロ）は実施例２のＴＡチップの平面図及び側面図である。
【図９】実施例２の刃先部を説明する展開図である。
【図１０】実施例２の刃先部分の組織を示す拡大顕微鏡写真である。
【図１１】図７の刃先部分の逃げ面の組織を示す拡大顕微鏡写真である。
【図１２】実施例３のＴＡチップを示す（イ）正面図、（ロ）前面図、（ハ）一部側面図である。
【符号の説明】
１一体の超硬合金
１′ ダイヤモンドコーティングエンドミル
２ダイヤモンドコーティング層
３刃先部分
４Ａｌ合金ブロック
５超硬合金ＴＡチップ
６ダイヤモンドコーティング層２の形成下限ライン
７凹状総形刃
Ａ工具長
Ｂ刃径
Ｃ刃長
ＤＴＡチップの厚み
ＥＴＡチップの一辺の長さ
ＲコーナーのＲ
Ｆ辺より切欠いた刃の幅
Ｇ辺より切欠いた刃の長さ
Ｈ辺に切欠いた刃の傾斜角
Ｉ凹状総形刃の１番角
ＫＩの幅
Ｌ凹状総形刃の２番角
Ａｄアクシャルデプス
Ｒｄラジアルデプス[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a tool used for processing non-ferrous metal materials, electronic materials, optical parts and the like, and more particularly to a cutting tool having a thin diamond coating layer by a vapor phase synthesis method and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
As a cutting tool material used for this kind of processing, natural or synthetic single crystal or polycrystalline diamond is known to be excellent due to properties other than hardness and thermal conductivity. As synthetic diamond, sintered diamond by an ultra-high pressure sintering method and a diamond coating layer by a low-pressure gas phase synthesis method are in practical use.
[0003]
Each of the above-mentioned various diamonds has its own characteristics. From the viewpoint of cost and other aspects, the diamond coating layer formed by the vapor phase synthesis method is most preferable, but the generated diamond coating layer has instability in the adhesive strength and quality. There are still some problems.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
There have been many proposals for increasing the adhesion of the diamond coating layer and increasing the quality and thickness of the diamond coating layer, but it is still not sufficient.
Japanese Patent Laid-Open No. 7-172988 proposes that nitrogen be included in the synthesis gas in order to reduce the layer thickness and obtain a diamond coating layer having a high quality and smooth surface.
[0005]
The above proposal is an excellent proposal that a thin layer of a thin diamond film, that is, a fine-grained thin diamond coating layer, exerts a great effect in an air nozzle, a water nozzle, etc., but it seems that it has not yet reached a sufficient practical range. .
[0006]
In the cutting field, the surface of cemented carbide is coated with a diamond layer of 10 to 30 μm and put into practical use as a cutting tool, but a thin film diamond coating method has not been put into practical use. Since a cemented carbide tool is subjected to severe thermal shock during cutting, it is required that the cemented carbide base material and the coating layer be joined fairly firmly.
As a base material for diamond coating that is commonly used, Si crystal is used, and a technique for freely controlling the film thickness from a thin film to a thick film is already known. The diamond coating in tools used in such severe environmental conditions has not yet been fully studied. In particular, in the field of cutting, such a fine film coating layer is not practically used. This is thought to be due to the difficulty in producing the required coating layer and insufficient research into problems such as the cutting tool shape suitable for the coating layer.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been achieved as a result of repeated trial production researches, paying attention to the above-described problems. The features of the present invention are listed as follows.
[0008]
As a result of various examinations and researches on the problem of diamond coating in cutting, it was found that the peeling of the coat layer and the chipping of the edge became problems, and the wear of the diamond layer was not particularly a big problem.
That is, the problem can be solved by reducing the difference between the thermal expansion coefficient of cemented carbide and the thermal expansion coefficient of diamond and reducing the compressive stress applied to the cutting edge. In particular, in reducing the stress applied to the blade edge, it is very difficult to reduce the thickness of the coating layer with cemented carbide. On the cemented carbide alloy, the initial diamond layer is changed to carbon or amorphous diamond by the reaction of a metal such as Co, so that it does not become a perfect diamond crystal on the order of several μm. The crystallization shown in FIG. 6 proceeds from the amorphous layer shown in FIG. 5, and when 20 to 30 μm is stacked, a complete crystal is obtained as shown in FIG.
[0009]
The gist of the present invention has been successful in forming a thin film diamond coating layer of 3 μm or less on a cemented carbide. In particular, it is characterized by solving problems with cutting tools that have considerable thermal stress on the tool edge, such as throw-away inserts, drills, and end mills.
[0010]
The structure of the present invention is generated during cutting by using a base material having a thermal expansion coefficient of cemented carbide of 5.0 × 10 ⁻⁶ / ° C. or less and a WC having a main component of 90% by weight or more. This is because the stress at the interface between the diamond coating layer and the cemented carbide layer is reduced. When the thermal expansion coefficient was 5.0 × 10 ⁻⁶ / ° C. or more, film peeling occurred immediately, so that it was not suitable for practical use. Further, when the WC as a main component was 90% by weight or less, a fine thin film coating could not be made.
The crystal grain of the cemented carbide is preferably 1 μm or less. The strength of the cemented carbide is preferably 200 kg / mm ² or more. For strengths below this, reliability is applied.
[0011]
Graphite following the requirements of the invention or less crystal grain size 3μm of diamond coating layer, and the diamond synthesis rate by the results of Raman spectroscopic analysis of the diamond phase (1333 cm ^-1 vicinity of the diamond peak and 1500cm ^{^-1} ~1600cm ^-1 The ratio of the amorphous peak of the structure) is 0.1 or less, and the surface roughness of the diamond coating layer is Rmax 3 μm or less.
Controlling the crystal grain of the diamond coating layer to 3 μm or less improves the film strength of the diamond and improves the surface roughness of the diamond coating layer, thereby reducing the friction coefficient between the diamond coating layer and the work material. The Preferably, when the crystal grain size of the diamond coating layer is 1 μm or less, the peel resistance is further improved. Therefore, the precipitation of ultrafine crystals gives better results.
[0012]
In practicing the present invention, a cemented carbide alloy having a fine grain size of WC crystal, preferably 1 μm or less, is used, and ultrafine diamond grains are formed on the edge of the WC crystal. It was found that fine diamond was precipitated by seeding.
In the diamond coating based on cemented carbide, it has been clarified that fine diamond crystals are precipitated from the edge portion of the cemented carbide WC crystal.
[0013]
It was also found that if ultrafine diamond grains were seeded in advance, perfect diamond was synthesized from the initial stage of the generation. That is, since fine and completely crystalline diamond (FIG. 7) is generated from the initial stage of coating, a vapor-phase synthetic diamond having a high strength and a thin film can be obtained.
[0014]
Furthermore, in order to improve the adhesive strength at the interface between the cemented carbide and the diamond, heat treatment as a coating pretreatment, that is, a reducing atmosphere such as hydrogen, gas such as CH ₄ , CO, or an organic substance in which a reducing atmosphere is formed, etc. Good results are obtained when heated in the presence of solutions, solids, etc.
[0015]
The heat treatment has an effect of reducing the content of the bonding metal, particularly Co, on the surface of the cemented carbide substrate, and in order to increase the effect, it is preferable that a carbon element is present in the treatment atmosphere.
[0016]
As a cutting tool, only a blade part of the tool is formed of cemented carbide, or the entire tool is formed of an integrated cemented carbide. Part.
[0017]
In the case of a throw away (TA) chip, any shape may be used as long as a diamond coating layer having the above-described configuration is provided on at least the cutting edge surface of the polygonal cemented carbide thin plate having the above-described configuration, If the polygonal shape is specified as follows, it can be used as a total TA chip.
[0018]
That is, a part of each side is cut out on at least two or more sides of the polygon, and a concave shaped blade is formed by the cut edge. If this polygon is a regular polygon such as a square or a regular triangle, and the notched edges are formed symmetrically at the respective symmetrical positions on each side, it can be used more effectively.
[0019]
In the case of a general TA chip having the above-described shape, it seems that the configuration of the cemented carbide and the diamond coating layer can be used depending on cutting conditions even if the above requirements are not necessarily satisfied.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Specific embodiments of the present invention will be described in the following Examples section.
[0021]
【Example】
(Example 1)
1 (a) and 1 (b) are a front view and a side view of an embodiment of an end mill in which the entire tool is made of an integral cemented carbide 1. The tool length A is 45 mm and the blade diameter B is 5 mm. The blade length C is 20 mm. The material of the cemented carbide 1 is JISK10 (WC-6% Co), and the portion of the blade length C (cutting blade component) is covered with a thin film of the diamond coating layer 2 so that the entire surface is hatched by the following manufacturing method. It has been broken. Although this thin film may be provided only on the blade edge portion 3 (cutting edge), it is often more advantageous to provide the entire blade length C in terms of production and use.
[0022]
A cemented carbide substrate having a grain size of 0.5 μm in the WC layer, a Co content of 4% by weight in the bonding layer, and a thermal expansion coefficient of 4.5 × 10 ⁻⁶ / ° C. is machined. An end mill substrate without the diamond coating layer 2 was prepared.
The substrate was heat-treated as shown in International Publication No. WO 94/13852, that is, the substrate was charged into a hot filament CVD apparatus, and the substrate temperature was about 900 ° C. in an atmosphere of H ₂ −1% CH ₄ . Hold for about 1 hour or more.
[0023]
This heat treatment facilitates the precipitation of diamond crystals on the surface of the cemented carbide and improves the adhesion, but if precipitates and soot from the heat treatment remain on the surface of the cemented carbide, remove them. It is necessary to make sure that the WC crystal appears on the surface.
[0024]
The removal of the deposits and soot can be performed by replacing the atmosphere in the CVD apparatus with H ₂ and heating or removing the precipitate or soot from the apparatus and performing cleaning or etching. In any case, the surface roughness of the removed surface is preferably set to about Rmax 1 μm or less for the seeding of the next ultrafine diamond and generation of the diamond coating layer by the CVD apparatus. Removed.
[0025]
The removed end mill substrate was thoroughly washed, and a superabrasive diamond of about 0 to 1/8 μm or less was dispersed and seeded on the cutting blade forming surface. The removed cutting edge forming surface has a small amount of binding metal, a space between hard phase particles is narrow, and a minute crack is generated, which seems to have a favorable influence on manual dispersion seeding. According to the ultra-fine diamond colloid solution using ultra-fine diamond particles with reduced impurities and increased hydrophilicity, it is possible to perform uniform dispersion seeding in water. Hiroshi Makita (Tokushima University, NEW DIAMOND) 1996. Vol., 12 No. 3), and it is considered possible.
[0026]
The end mill base material from which the heat treatment and product were removed was placed upright in the hot filament CVD apparatus with the cutting edge side up, and a diamond coating layer was formed over the entire length of the cutting edge portion under the following conditions.

[0027]
Compared to the conventional reaction time performed without seeding as described above, the grain growth of diamond is suppressed by reducing it to about 1/2 or less, and the fine high quality with a grain size of 1 μm or less and a thickness of up to 5 μm. The fine diamond coating layer 2 can be obtained with a strong adhesion to the substrate surface.
[0028]
When this diamond coating layer 2 was measured by Raman spectroscopic analysis, it could be identified as a diamond phase only by a diamond peak in the vicinity of 1333 cm ⁻¹ as shown in FIG. The surface roughness of the diamond coating layer 2 was Rmax 1 μm or less. Incidentally, the diamond synthesis rate of the diamond phase (amorphous ratio of the peak of the graphite structure of 1333 cm ^-1 vicinity of the diamond peak and 1500~1600cm ^-1), it is necessary to 0.1 or less.
[0029]
Thus, according to the cutting edge constituted by the diamond coating layer of a dense and high-quality thin film having a strong adhesive force with the base material surface, for example, a high-Si-Al alloy can be cut by a conventional sintered diamond cutting edge. In this case, it is impossible to obtain a cutting surface with an Rmax of 1 μm by chipping of the blade edge, and in the diamond coating layer by the conventional vapor phase synthesis method, the film thickness is about 10 μm to 30 μm, and it is difficult to form a sharp blade edge configuration. Moreover, although peeling due to thermal strain occurred, these problems can be solved at once.
[0030]
As shown in the perspective view of FIG. 2, the above-mentioned diamond coating end mill 1 'cuts the Al alloy block 4 made of Si-11 wt% and Cu-2.5 wt% Al of JIS symbol ADC12, and drills the same. A pseudo test of spiral compressor groove machining (tolerance 0.1 mm) was performed. The arrows in the figure indicate the rotation direction and the traveling direction of the end mill 1 '.
[0031]
The conditions and results of the pseudo test are as shown in FIGS. 3 and 4. In the figure, Ad represents axial depth, Rd = radial depth, and the black circle in the table represents the same cemented carbide end mill, black triangle. Indicates a conventional standard diamond coating of the same shape (film thickness of about 15 μm such as columnar crystals by CVD) end mill, and black squares indicate those by the end mill of Example 1 above.
[0032]
As can be understood from FIG. 3, the flank wear width is stable and far smaller than that of the conventional cemented carbide cutting edge as compared with that of the conventional cemented carbide cutting edge, and as understood by FIG. The surface roughness of the cutting surface is better than that of a standard diamond coating end mill as well as a conventional cemented carbide cutting edge.
[0033]
(Example 2)
8A and 8B are a plan view and a side view of a diamond coating throwaway (TA) tip, and FIG. 9 is a development view of the cutting edge portion 3 thereof.
This TA chip is a cemented carbide TA chip 5 formed as shown in the drawing using a cemented carbide base material of the same quality as in Example 1, and a dotted line corresponding to the formation lower limit line 6 of the diamond coating layer 2, that is, approximately in the middle of the thickness D. The same diamond coating layer 2 was formed on the blade edge side by the same method as in Example 1.
[0034]
The method of forming this diamond coating layer 2 and its quality, thickness, and surface roughness were the same as in Example 1. However, the portion provided with the diamond coating layer 2 was the cutting edge portion even on almost the entire circumferential surface of the TA chip. Only 3 is acceptable.
[0035]
The length E of one side of this example is 6 mm, and the thickness D is 2.38 mm. Concave shaped blade 7 having 0.2 mm R at the corner where the rake face of each side intersects, and having a width F of 2.3 mm, a depth G of 0.5 mm, and an inclination angle H of 90 ° at the center of each side. Formed. The concave shape blade 7 has a first angle I of 16 °, a width K of 0.2 mm, and a second angle L of 16 °.
[0036]
When the TA cutting tip of the Example was attached to a clamp-type bite shank and a total cutting test was conducted, the same result as in Example 1 could be obtained.
[0037]
This is about 5 μm which is difficult to sharply cut with an end mill cutting edge with a diamond coating layer having a thickness of about 10 μm to 30 μm containing conventional coarse grains or columnar or diamond-like carbon. The sharp cutting edge with the following high-quality diamond coating layer seems to have made this possible. Incidentally, an enlarged micrograph of the blade edge portion 3 is shown in FIG. 10, and an enlarged micrograph of the flank surface of the same portion is shown in FIG.
[0038]
(Example 3)
As shown in FIG. 12, the present embodiment is an example in which the square shape of the second embodiment is made into a regular triangular TA chip shape, and the concave overall shape blade 7 is not provided in the central portion but is provided in a symmetrical position. The length E of each side is 16.5 mm, the thickness D is 3.18 mm, the width F of the cutting edge is 2.3 mm, the inclination angle H is 90 °, the first angle I is 11 °, and the second angle L is 20 °. is there. The result of this cutting test was also good.
[0039]
In this way, by providing the TA chip with the concave overall shape blade on each side of the polygon, the life of the chip can be doubled by the number of provided blades as compared with a single blade. Thus both the quality of the cutting, it is possible to remarkably improve its efficiency.
In the embodiment, the shape of the regular polygon is provided with a total shape blade at the center or symmetrical position of each side, and this shape is the most effective in production and use. May be provided at positions other than the central portion and the symmetrical position on two or more sides.
[0040]
【The invention's effect】
As described in the above sections, according to the present invention, it is possible to cut non-ferrous metal materials such as aluminum alloys, electronic materials, and optical parts with high precision and small surface roughness, and to have a long life. Further, when used as a TA chip, the total cutting can be performed very efficiently.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are a front view and a side view of an end mill according to a first embodiment.
FIG. 2 is a perspective view illustrating a method for performing a pseudo test using an end mill according to the first embodiment.
FIG. 3 is a chart showing conditions and results of a pseudo test.
4 is a chart similar to FIG.
FIG. 5 is a chart showing the results of Raman spectroscopic analysis of a diamond layer, in which an amorphous layer appears.
FIG. 6 is a chart showing the results of Raman spectroscopic analysis of a diamond layer, showing that crystallization of diamond is progressing in the amorphous layer.
FIG. 7 is a chart showing the results of Raman spectroscopic analysis of a diamond layer, showing that the entire surface is only diamond crystals.
FIGS. 8A and 8B are a plan view and a side view of a TA chip of Example 2. FIGS.
FIG. 9 is a development view illustrating a blade edge part according to a second embodiment.
10 is an enlarged micrograph showing the structure of the blade edge part of Example 2. FIG.
11 is an enlarged photomicrograph showing the texture of the flank surface of the blade edge portion of FIG.
12A is a front view, FIG. 12B is a front view, and FIG. 12C is a partial side view showing a TA chip according to a third embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Integral cemented carbide 1 'Diamond coating end mill 2 Diamond coating layer 3 Cutting edge part 4 Al alloy block 5 Cemented carbide TA chip 6 Lower limit line for forming diamond coating layer 7 Concave shaped blade A Tool length B Blade diameter C Blade Length D TA chip thickness E TA chip side length R Corner R
F Width of the blade cut out from the side G Length of the blade cut out from the side H Inclination angle of the blade cut out from the side I First angle KI of the concave overall blade L Width L of the concave overall blade Ad Chardepth Rd Radial depth

Claims

In a tool in which only a part of the tool forming the blade part is made of cemented carbide or the entire tool is made of an integral cemented carbide, the cutting edge is on the required surface of the cemented carbide substrate. A diamond coating layer formed by a gas phase synthesis method, and the cemented carbide substrate and the diamond coating layer have all of the following A, B and C: Coating drill and end mill .
A. The cemented carbide base material has a thermal expansion coefficient of 5.0 × 10 ⁻⁶ / ° C. or less and 90% by weight or more of WC as a main component.
B. Diamond coating layer, the grain size of the crystals of diamond phase does not exceed 3μm or less, and the diamond synthesis rate by the results of Raman spectroscopic analysis (1333 cm ^-1 vicinity of amorphous graphite structure of the diamond peak and 1500cm ^{^-1} ~1600cm ^-1 The ratio of the quality peak) is 0.1 or less.
C. The surface roughness of the diamond coating layer is Rmax 3 μm or less, and the thickness of the diamond coating layer is 5 μm or less .

Cemented carbide material, the crystal grain size of the WC layer with 1μm or less, the diamond coating drill and end mill according to claim 1, wherein the transverse rupture strength strength of 200 kg / mm ² or more.

The tool formed entirely of an integral cemented carbide is an end mill or a drill, and the diamond coating layer of the end mill or drill is formed on either A or B below. Item 2. The diamond coating drill and end mill according to item 2.
A. A diamond coating layer is formed only on the entire cutting edge component.
B. A diamond coating layer is formed only on the cutting edge in the cutting edge constituent part.

A cemented carbide substrate that has been subjected to a step of heat-treating a cemented carbide substrate in a reducing atmosphere such as carbon and hydrogen and a step of seeding the ultrafine diamond in a portion of the substrate where a diamond coating layer is to be formed, Production of a diamond coating drill and an end mill , which is inserted into a gas phase synthesis apparatus and forms a diamond coating layer having a crystal grain size of 3 μm or less and a layer thickness of 5 μm or less on the seeding peripheral surface Method.