JP5477781B2

JP5477781B2 - ダイヤモンド被覆切削工具

Info

Publication number: JP5477781B2
Application number: JP2010211915A
Authority: JP
Inventors: 秀夫大島; 秀充高岡; 英彰高島
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2010-09-22
Filing date: 2010-09-22
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2030-09-22
Also published as: JP2012066324A

Description

この発明は、炭化タングステン（ＷＣ）基超硬合金、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）基サーメットで構成された工具基体（以下、単に工具基体という）の表面に、ダイヤモンド皮膜を被覆したダイヤモンド被覆切削工具に関し、特に、刃先近傍に大きな負荷が作用するＣＦＲＰあるいはグラファイト等の難削材の切削加工において、すぐれた耐剥離性を発揮するダイヤモンド被覆切削工具（以下、ダイヤモンド被覆工具という）に関するものである。

従来、工具基体の表面に、ダイヤモンド皮膜を被覆したダイヤモンド被覆工具が知られているが、従来のダイヤモンド被覆工具においては、ダイヤモンドを成膜した際に、成膜後の冷却過程で工具基体とダイヤモンド皮膜の熱膨張係数の差に起因して、ダイヤモンド皮膜に大きな圧縮残留応力が発生し、そのため工具基体に対するダイヤモンド皮膜の付着強度が十分でなく、また、切削加工時に刃先近傍に大きな負荷が作用する場合には、ダイヤモンド膜と工具基体の変形挙動が異なるために、ダイヤモンド皮膜が工具基体から剥離するという問題点があった。
ダイヤモンド皮膜の剥離防止に関しては、今までに種々の提案がなされており、例えば、特許文献１、２に示されるように、工具基体表面にＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ｓｉからなる層を介してダイヤモンド皮膜を形成することにより、ダイヤモンド被覆工具の密着性を改善する技術が提案されている。
また、特許文献３に示されるように、工具基体表面に、基体成分（例えば、ＷＣ，ＴｉＣ）及び炭素成分を有する中間層を介してダイヤモンド皮膜を形成することにより、ダイヤモンド被覆工具の密着性を改善することが提案されている。
また、特許文献４には、工具基体表面にダイヤモンドを主成分とする粉体を吸着させた後、炭素を主成分とする膜（例えば、ダイヤモンド膜、非晶質ダイヤモンド膜）を被覆することにより、ダイヤモンド被覆工具の密着性を改善することが提案されている。
また、特許文献５には、例えばＷＣ超硬合金の表面から結合相を除去した後、該除去された部分にダイヤモンド状カーボン及び／又はダイヤモンドを含有させてなる中間層を形成させ、さらに、該中間層の表面にダイヤモンド状カーボン及び／又はダイヤモンドからなる外層を被覆することにより密着性を改善することも提案されている。

特開平４−３３３５７７号公報特開平５−１２５５４２号公報特開昭６１−１０６４９４号公報特開平７−１１４４４号公報特開昭６２−４７４８０号公報

近年の切削装置のＦＡ化はめざましく、かつ切削加工の省力化に対する要求も強く、これに伴い、ダイヤモンド被覆工具の汎用化が求められているが、上記の従来ダイヤモンド被覆工具においては、通常の条件での連続切削や断続切削ではすぐれた切削性能を発揮するが、金属材料より比強度、比剛性の高いＣＦＲＰあるいは溶着性の高いグラファイト等の難削材の刃先近傍に大きな負荷が作用する切削加工に用いた場合には、ダイヤモンド皮膜に剥離が発生し、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。

そこで、本発明者等は、難削材の切削加工に用いてもダイヤモンド皮膜の剥離が発生しないダイヤモンド被覆工具を開発すべく研究を行った結果、
ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメットからなる工具基体表面にダイヤモンド皮膜を成膜するにあたり、工具基体表面に種ダイヤ付着処理を行った後、その一部を、例えば、レーザー照射により除去した後、この上に、ダイヤモンドを成膜すると、種ダイヤを除去した部分にはダイヤモンド膜が形成されるが、種ダイヤの残存する部分には、結晶性のグラファイトが生成され、工具基体の表面近傍のダイヤモンド膜には、ダイヤモンド相とグラファイト相の共存領域が形成されることを見出したのである。
そして、ダイヤモンド皮膜中に上記共存領域が形成されているダイヤモンド被覆工具は、ダイヤモンド皮膜に残留する内部応力が緩和され、また、切削時に発生する応力による歪を緩和することから、ダイヤモンド皮膜の剥離が発生しにくく、長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮するようになることを見出したのである。

この発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された工具基体表面に５〜３０μｍの膜厚のダイヤモンド皮膜が被覆されたダイヤモンド被覆切削工具において、
工具基体表面から、ダイヤモンド皮膜の膜厚方向４００ｎｍ以下の範囲にわたってダイヤモンド相とグラファイト相の共存領域が形成され、該共存領域を、工具基体表面と平行な面で観察した場合、１０〜１００μｍの格子幅でダイヤモンド相が格子状に存在し、かつ、該格子状のダイヤモンド相の格子間間隙を埋めるように幅１０〜２００μｍのグラファイト相が分散分布していることを特徴とするダイヤモンド被覆切削工具。」
を特徴とするものである。

以下、本発明について説明する。
（ａ）本発明では、工具基体として、ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメットを用い、先ず、５〜１００ｎｍの粒径を有するダイヤモンド粒子を分散させた２−プロパノール（イソプロパノール）液中に浸漬し、超音波を付与することにより、工具基体表面に種ダイヤを付着させる。
なお、工具基体としてＷＣ超硬合金を使用した場合には、種ダイヤ付着処理に先立って、ＷＣ超硬合金表面を酸処理し、最表面のＣｏ除去を行っておくことが望ましい。
（ｂ）次いで、種ダイヤ付着処理を施した上記工具基体の表面に、所定の格子幅（１０〜１００μｍ）、所定の格子間隔（１０〜２００μｍ）となるようにレーザーを格子状に照射し、工具基体表面に付着させた種ダイヤを部分的に除去する。
（ｃ）次いで、上記工具基体を熱フィラメントＣＶＤ成膜炉に装入し、水素とメタンの混合雰囲気（但し、メタンと水素の容量比ＣＨ_４／Ｈ_２＝０．０３〜０．０６）中で、雰囲気圧４ｋＰａ、工具基体温度９００℃、フィラメント温度２２００℃の条件下で、ダイヤモンド皮膜を５〜３０μｍの厚みに成膜する。
上記（ａ）〜（ｃ）にしたがって、ダイヤモンド皮膜を成膜することによって、図１に示されるような工具基体表面から、ダイヤモンド皮膜の膜厚方向４００ｎｍ以下の範囲にわたってダイヤモンド相とグラファイト相の共存領域が形成される。

上記ダイヤモンド相とグラファイト相の共存領域について、透過型電子顕微鏡により工具基体表面と平行な面を観察すると、１０〜１００μｍの格子幅でダイヤモンド相が格子状に存在していること、しかも、格子状のダイヤモンド相の格子間間隙を埋めるように幅１０〜２００μｍのグラファイト相が分散分布していることが確認される。

そして、工具基体表面近傍のダイヤモンド皮膜中に、ダイヤモンド相とグラファイト相の共存領域を形成すること、特に、格子状ダイヤモンド相の格子間間隙をグラファイト相が埋め込むように存在することによって、ダイヤモンド皮膜に残留する内部応力が緩和され、同時に、ダイヤモンド皮膜全体の強度向上も可能となり、さらに、切削加工時に発生する応力による歪が緩和されるため、工具基体−ダイヤモンド皮膜間の剥離発生を抑制することができ、その結果として、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮し、工具の長寿命化が図られる。

本発明では、工具基体表面に形成される格子状のダイヤモンド相の格子幅を１０〜１００μｍと定めているが、ダイヤモンド相の格子幅が１０μｍ未満では、ダイヤモンド皮膜の硬さの低下、耐摩耗性の低下が生じ、一方、これが１００μｍを超えると、残留応力の緩和効果が少なくなるため、格子状のダイヤモンド相の格子幅を、１０〜１００μｍと定めた。

本発明では、工具基体表面に形成される格子状のダイヤモンド相の格子間間隙を埋める（埋め込む）ように、幅１０〜２００μｍのグラファイト相を分散分布させるとしているが、グラファイト相の幅が１０μｍ未満では、ダイヤモンド皮膜中に発生する残留応力の緩和効果が少なく、一方、グラファイト相の幅が２００μｍを超えると、部分的に耐摩耗性の低下、皮膜強度の低下が生じるようになり、その部分を起点とした損傷が生じて結果的に工具寿命の低下を及ぼすため、グラファイト相の幅を１０〜２００μｍと定めた。

本発明では、ダイヤモンド相とグラファイト相の共存領域が形成される範囲を、工具基体表面上のダイヤモンド皮膜の膜厚方向４００ｎｍ以下の範囲と定めているが、これは、上記共存領域が４００ｎｍを超える範囲に亘って形成された場合には、ダイヤモンド皮膜の硬さ低下が生じ、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮することができないという理由による。

本発明では、ダイヤモンド皮膜の膜厚を５〜３０μｍと定めているが、膜厚が５μｍ未満では、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を維持することができず、一方、膜厚が３０μｍを超えると、ダイヤモンド皮膜の欠損、剥離等が発生しやすくなるという理由から、本発明では、ダイヤモンド皮膜の膜厚を５〜３０μｍと定めた。

この発明のダイヤモンド被覆工具は、ダイヤモンド皮膜の内部であって、工具基体の表面からダイヤモンド皮膜の膜厚方向４００ｎｍ以下の範囲にわたってダイヤモンド相とグラファイト相の共存領域が形成され、そして、工具基体表面と平行な面で該共存領域を観察した場合、１０〜１００μｍの格子幅でダイヤモンド相が格子状に存在し、かつ、該格子状のダイヤモンド相の格子間間隙を埋めるように幅１０〜２００μｍのグラファイト相が分散分布しているため、ＣＦＲＰあるいはグラファイト等の難削材の切削加工において、刃先近傍に大きな負荷が作用した場合でも、ダイヤモンド皮膜の剥離が防止されるとともに長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮し、工具の長寿命化が図られる。

本発明ダイヤモンド被覆工具のダイヤモンド相とグラファイト相の共存領域（工具基体表面近傍）の概略模式図であって、（ａ）は、縦断面模式図を示し、（ｂ）は、工具基体表面と平行な面における横断面模式図を示す。

つぎに、この発明のダイヤモンド被覆工具を実施例により具体的に説明する。
なお、以下では、ＷＣ超硬合金製工具基体を用いたダイヤモンド被覆ドリルについて説明するが、工具基体としてＴｉＣＮ基サーメットを用いることも勿論可能であり、また、切削工具もドリルに何ら限定されるものではない。

まず、表１に示す、いずれも１〜３μｍの範囲内の所定の平均粒径を有する原料粉末を用意し、同じく表１に示す配合組成となるように配合した混合粉末を調製し、これをボールミルで７２時間湿式混合し、乾燥した後、１００ＭＰａの圧力でプレス成形して、直径が１０ｍｍ，８ｍｍの丸棒圧粉体とし、これらの丸棒圧粉体を焼結して焼結体を製造し、さらに、研削加工にて溝形成部の外径を８ｍｍ、６ｍｍの寸法に加工し、その際に、外周マージン部および切れ刃エッジ部に対しては、粒度＃６００のＳｉＣ砥粒を用いたエアーブラスト処理および粒度＃１２００のダイヤモンド砥石を用いた３０μｍ以上の仕上研削加工処理を行い、外径８ｍｍの工具基体１〜５および外径６ｍｍの工具基体６〜１０を製造した。

ついで、上記工具基体１〜１０に、硫酸、過酸化水素および水を１：１：１の割合で混合した溶液にて、室温で３０秒間エッチングする酸処理を施し、工具基体表面からＣｏ成分の除去を行い、ついで、平均粒径５〜１００ｎｍのダイヤモンド粒子を分散させた２−プロパノール（イソプロピルアルコール。ＩＰＡ）溶液で超音波洗浄を行うことにより、工具基体１〜１０の表面に種ダイヤモンドの付着処理を行った。

ついで、表２に示される条件で、上記工具基体１〜１０の表面にレーザーを格子状に照射し、付着させた種ダイヤモンドを部分的に除去した。

ついで、上記工具基体１〜１０を、熱フィラメントＣＶＤ方式のダイヤモンド成膜炉に装入し、表２に示す条件で、所定膜厚のダイヤモンド皮膜の成膜を行うことにより、表３に示す本発明のダイヤモンド被覆工具１〜１０（以下、本発明１〜１０という）を作製した。

比較のため、上記工具基体１〜１０に対して、本発明１〜１０と同じ条件で酸処理を施し、工具基体表面からＣｏ成分の除去を行い、ついで、本発明１〜１０と同じ条件で種ダイヤモンドの付着処理を行った後、レーザー照射を行なうことなく（即ち、種ダイヤモンドの部分的除去を行わずに）、あるいは、表４に示す条件でレーザー照射を行って、次いで、表２に示す条件で、所定膜厚のダイヤモンド皮膜を成膜し、表５に示す比較例のダイヤモンド被覆工具１〜１０（以下、比較例１〜１０という）を作製した。
なお、表４に示す条件でレーザー照射を行ったものについては、表５からも明らかなように、本発明範囲外のダイヤモンド相とグラファイト相の共存領域が形成されている。

上記本発明１〜１０、比較例１〜１０について、工具基体とダイヤモンド皮膜の界面部近傍の縦断面を透過型電子顕微鏡にて観察し、工具基体上に形成されているダイヤモンド相とグラファイト相の共存領域の膜厚方向範囲を１０箇所で測定し、その平均値を算出することにより、共存領域の形成されている膜厚方向高さ（深さ）の平均値を求めた。
同様に、上記ダイヤモンド相とグラファイト相の共存領域におけるダイヤモンド相の格子幅を１０箇所で測定し、また、グラファイト相の幅を１０箇所で測定し、その平均値を算出することにより、ダイヤモンド相の格子幅およびグラファイト相の幅の平均値を求めた。
表３、表５に、これらの測定値を示す。

つぎに、上記本発明１〜１０および比較例１〜１０について、次の切削条件ＡでＣＦＲＰ板の乾式穴あけ切削加工試験を行い、また、切削条件Ｂでグラファイト板の乾式穴あけ切削加工試験を行った。
《切削条件Ａ》
被削材：厚さ８ｍｍの炭素繊維と熱硬化型エポキシ系樹脂が直交積層構造を持つＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂複合材）の板材、
切削速度：９５ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．０６ｍｍ／ｒｅｖ、
貫通穴：（８ｍｍ）、
エアーブロー、
《切削条件Ｂ》
被削材：厚さ１０ｍｍのグラファイト板、
切削速度：１３０ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．１８ｍｍ／ｒｅｖ．、
穴深さ：１０ｍｍ（貫通穴）、
上記いずれの穴あけ切削加工試験でも、切削不能になるまでの穴あけ加工数を測定した。
これらの測定結果を表６に示す。

表３、５、６に示される結果から、ダイヤモンド皮膜の内部にダイヤモンド相とグラファイト相の共存領域が形成され、該共存領域は、１０〜１００μｍの格子幅の格子状ダイヤモンド相と、その格子間間隙を埋める幅１０〜２００μｍのグラファイト相とからなる本発明１〜１０は、刃先近傍に大きな負荷が作用する難削材の切削加工において、ダイヤモンド皮膜の剥離が防止されるとともに長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮する。
これに対して、ダイヤモンド皮膜の内部にダイヤモンド相とグラファイト相の共存領域が形成されていない比較例１〜５、また、本発明範囲外の共存領域が形成されている比較例６〜１０では、これらを難削材の切削加工に用いた場合には、ダイヤモンド皮膜の剥離により短時間で使用寿命に至ることは明らかである。

この発明のダイヤモンド被覆工具は、ＣＦＲＰ、グラファイトの切削加工ばかりでなく、溶着性の高いＡｌ合金等の難削材の切削においても、ダイヤモンド皮膜の剥離が生じることなく長期の使用に亘って、すぐれた耐剥離性と耐摩耗性を発揮するものであり、また、ドリルに限らず、インサート、フライス工具、エンドミル、カッター等の各種切削工具として幅広く利用することが可能である。

Claims

炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された工具基体表面に５〜３０μｍの膜厚のダイヤモンド皮膜が被覆されたダイヤモンド被覆切削工具において、
工具基体表面から、ダイヤモンド皮膜の膜厚方向４００ｎｍ以下の範囲にわたってダイヤモンド相とグラファイト相の共存領域が形成され、該共存領域を、工具基体表面と平行な面で観察した場合、１０〜１００μｍの格子幅でダイヤモンド相が格子状に存在し、かつ、該格子状のダイヤモンド相の格子間間隙を埋めるように幅１０〜２００μｍのグラファイト相が分散分布していることを特徴とするダイヤモンド被覆切削工具。