JP5590330B2

JP5590330B2 - ダイヤモンド被覆切削工具

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Publication number: JP5590330B2
Application number: JP2011023521A
Authority: JP
Inventors: 英彰高島; 秀充高岡
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2011-02-07
Filing date: 2011-02-07
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2031-02-07
Also published as: JP2012161873A

Description

この発明は、炭化タングステン（ＷＣ）基超硬合金あるいは炭窒化チタン（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、少なくとも、結晶性ダイヤモンド層を被覆したダイヤモンド被覆切削工具に関し、特に、ＣＦＲＰ材、高Ｓｉ含有アルミニウム合金、グラファイト等の難削材の切削加工において、切屑排出性にすぐれ、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗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おり、皮膜の強度、靭性を高めるために、結晶性の高いダイヤモンドと微結晶ダイヤモンド（あるいは非晶質ダイヤモンド）の積層構造としてダイヤモンド皮膜を構成すること、また、皮膜の表面平滑性、被削材の仕上げ面精度を高めることを目的として、粒径が２μｍ以下の微結晶ダイヤモンドの多層構造としてダイヤモンド皮膜を構成することが知られている。
例えば、特許文献１に示されるように、第１の層は、粒子径０．１〜１０μｍの多結晶ダイヤモンド層、第２の層は、粒子径０．０５〜８μｍの双晶ダイヤモンド層または非晶質ダイヤモンド層からなる積層構造でダイヤモンド皮膜を構成することにより、強度と靭性を高めたダイヤモンド被覆工具が知られている。
また、特許文献２に示されるように、ダイヤモンドの結晶成長の起点となる核を表面に付着させる核付着工程と、該核を起点としてＣＶＤ法によりダイヤモンドを結晶成長させる結晶成長工程とを繰り返すことにより、結晶粒径が２μｍ以下の微結晶ダイヤモンドの多層構造でダイヤモンド皮膜を構成することにより、皮膜の表面平滑性を高め、また、被削材の仕上げ面精度を高めたダイヤモンド被覆工具が知られている。
また、特許文献３，４に示すように、切れ刃が形成された基体と、切れ刃を被覆するダイヤモンド被覆膜とを備えたダイヤモンド被覆工具において、該被覆膜を研削加工して刃先部分を鋭利に加工することにより、被削材の仕上げ面精度を高めたダイヤモンド被覆工具が知られている。
また、特許文献５に示すように、切れ刃が形成された基体と、切れ刃を被覆するダイヤモンド被覆膜とを備えたダイヤモンド被覆工具において、該被覆膜に紫外線レーザ光を照射して刃先部分を鋭利に加工することにより、黒鉛、アルミニウム合金などを高精度加工することができるダイヤモンド被覆工具が知られている。

特開平４−２３６７７９号公報特許第３４７７１６２号明細書特許第３４７７１８２号明細書特許第３４７７１８３号明細書特開２００９−６４３６号公報

近年、ＣＦＲＰ、高Ｓｉ含有Ａｌ合金、グラファイト等の難削材の切削加工においては、加工精度が求められるようになってきており、加工精度を向上させるためには、切れ刃をシャープにする必要がある。

例えば、特許文献１、２に示すダイヤモンド被覆工具を用いた難削材の切削においては、ダイヤモンド膜の摩耗が早いために、ダイヤモンド膜の膜厚を厚くする必要があるが、その反面、膜厚を厚くした場合にはシャープな切れ刃を形成することが困難になるため、加工精度の低下を招くという問題点が生じている。

また、ダイヤモンド焼結体からなる切削工具は、ダイヤモンド被覆工具に比して、耐摩耗性にすぐれるものの、シャープな切れ刃を形成することが困難であるため、加工精度の向上を図ることも困難である。

特許文献３〜５に示すダイヤモンド被覆工具においては、シャープな切れ刃が形成されているため、加工精度の向上は期待できるものの、切れ刃のダイヤモンド膜が脆くチッピングを発生しやすいため、比較的使用寿命が短いという問題点がある。

そこで、本発明者等は、ＣＦＲＰ、高Ｓｉ含有Ａｌ合金、グラファイト等の難削材の切削に用いても、チッピングを発生することなく、加工精度、切屑排出性にすぐれ、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮するダイヤモンド被覆工具を開発すべく鋭意研究を行った結果、次のような知見を得たのである。

即ち、ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットからなる工具基体表面に、所定層厚の結晶性ダイヤモンド層を被覆形成し、その上に、さらに、ナノダイヤモンドと結晶性ダイヤモンドからなる交互積層膜を被覆形成した後、例えば、すくい面の表面に紫外線レーザを照射して、切れ刃以外の上記交互積層膜を照射除去することにより、結晶性ダイヤモンド層と交互積層膜によって被覆されたシャープな切れ刃を形成し、また、切れ刃の交互積層膜のすくい面側の表層には、ナノダイヤモンドの一部が紫外線レーザにより変性した平滑な非晶質カーボン膜を形成させることにより、ダイヤモンド被覆工具は、耐摩耗性、靭性、耐チッピング性、潤滑性、切屑排出性にすぐれた切れ刃を備え、その結果、難削材の切削加工において、長期の使用にわたって、すぐれた耐摩耗性を発揮し、工具寿命が大幅に長寿命化することを見出したのである。さらに、逃げ面の表面にも紫外線レーザを照射して、切れ刃以外の上記交互積層膜を照射除去することにより、結晶性ダイヤモンド層と交互積層膜によって被覆されたシャープな切れ刃を形成し、また、切れ刃の交互積層膜の逃げ面側の表層には、ダイヤモンドの一部が紫外線レーザにより変性した平滑な非晶質カーボン膜を形成させることにより、ダイヤモンド被覆工具は、耐摩耗性、靭性、耐チッピング性、潤滑性にすぐれた切れ刃と、摩擦抵抗にすぐれた逃げ面を備え、その結果、難削材の切削加工において、長期の使用にわたって、さらにすぐれた耐摩耗性を発揮し、工具寿命が大幅に長寿命化す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、
「（１）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、３〜３０μｍの層厚の結晶性ダイヤモンド層が被覆されたダイヤモンド被覆切削工具において、
上記ダイヤモンド被覆切削工具の切れ刃の上記結晶性ダイヤモンド層の表面には、平均粒径１〜５０ｎｍのナノダイヤモンド膜と平均粒径０．１〜２μｍの結晶性ダイヤモンド膜とが０．２〜２．０μｍの積層間隔で交互に積層された交互積層膜が被覆形成され、該交互積層膜で構成される切れ刃の最先端から上記結晶性ダイヤモンド層までの最短距離は３〜１５μｍであり、さらに、切れ刃の交互積層膜のすくい面側表層には、表面粗さＲａが０．１μｍ以下で膜厚が１０〜２００ｎｍの非晶質カーボン膜が形成されていることを特徴とするダイヤモンド被覆切削工具。

（２）上記ダイヤモンド被覆切削工具の逃げ面の上記結晶性ダイヤモンド層の表面には、平均粒径１〜５０ｎｍのナノダイヤモンド膜と平均粒径０．１〜２μｍの結晶性ダイヤモンド膜とが０．２〜２．０μｍの積層間隔で交互に積層された交互積層膜が被覆形成されていることを特徴とする前記（１）に記載のダイヤモンド被覆切削工具。

（３）上記ダイヤモンド被覆切削工具の切れ刃の交互積層膜の逃げ面側表層には、表面粗さＲａが０．１μｍ以下で膜厚が１０〜２００ｎｍの非晶質カーボン膜が形成されていることを特徴とする前記（１）に記載の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、詳細に説明する。
結晶性ダイヤモンド層：
この発明では、ＷＣ超硬合金（配合組成の例を、例えば、表１に示す。）あるいはＴｉＣＮ基サーメットからなる工具基体表面に被覆する結晶性ダイヤモンド層の層厚を３〜３０μｍと定めているが、層厚が３μｍ未満では、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ず、一方、結晶性ダイヤモンド層の層厚が３０μｍを超えると結晶粒が粗大化しやすくなり、耐欠損性の低下を招くばかりか、剥離を生じやすくなることから、本発明では、結晶性ダイヤモンド層の層厚を３〜３０μｍと定めた。
切れ刃の交互積層膜：
この発明のダイヤモンド被覆工具の切れ刃には、上記結晶性ダイヤモンド層の表面に、ナノダイヤモンド膜と結晶性ダイヤモンド膜とが交互に積層された交互積層膜を被覆形成する。

切れ刃の交互積層膜の形成方法は、例えば、次のとおりである。

図１に示すように、まず、工具基体（９）の表面に、３〜３０μｍの層厚の結晶性ダイヤモンド層（１）を被覆形成した後、その上に、さらに、平均粒径１〜５０ｎｍのナノダイヤモンドと平均粒径０．１〜２．０μｍの結晶性ダイヤモンドからなる交互積層膜（２）を被覆形成する（成膜条件の例を、例えば、表２に示す。）。交互積層膜（２）の積層間隔は０．２〜２．０μｍとなるように積層する。

次いで、例えば、図１の最先端（４）からＡにかけて紫外線レーザを照射して、図２のように切れ刃以外のすくい面に形成された交互積層膜（２）を照射除去する。
また、切れ刃の交互積層膜の最先端（４）から結晶性ダイヤモンド層までの最短距離（７）は３〜１５μｍとする。
ここで、すくい面の仮想延長面と逃げ面の仮想延長面の交差線を仮想先端とした場合に、該仮想先端の最も近くに位置する交互積層膜の先端（即ち、仮想先端との距離が最も短い交互積層膜の先端）を、この発明でいう「最先端」と定義する。

つまり、紫外線レーザの照射によって、切れ刃には、交互積層膜によって被覆されたシャープな切れ刃を形成するとともに、切れ刃の交互積層膜のすくい面側表層には、紫外線レーザによりダイヤモンドの一部が変性した平滑な非晶質カーボン膜を形成し、耐摩耗性、靭性、耐チッピング性、潤滑性、切屑排出性にすぐれた切れ刃を構成する。
なお、図３に示すように、すくい面の切れ刃の最先端（４）から、すくい面に露出する結晶性ダイヤモンド層までの距離（５）は好ましくは５〜２５μｍである。

ここで、上記交互積層膜を構成するナノダイヤモンドの平均粒径が１ｎｍ未満では、耐摩耗性が低下し、一方、５０ｎｍを超えるとチッピングを発生しやすくなることから、ナノダイヤモンドの平均粒径は１〜５０ｎｍと定めた。

また、上記交互積層膜を構成する結晶性ダイヤモンドの平均粒径が０．１μｍ未満になると、耐摩耗性が低下し、一方、２．０μｍを超えると結晶粒が粗大化し、チッピング、剥離を発生しやすくなることから、結晶性ダイヤモンドの平均粒径は０．１〜２．０μｍと定めた。

さらに、交互積層膜の積層間隔が０．２μｍ未満では、耐摩耗性が悪くなり、一方、２．０μｍを超えるとチッピングが発生しやすくなることから、交互積層膜の積層間隔は０．２〜２．０μｍと定めた。

ダイヤモンド被覆ドリルによるＣＦＲＰの切削において、切れ刃が結晶性ダイヤモンド単層で構成されると、結晶粒が大きく靭性が低いため、刃先で欠損およびチッピングを生じやすくなり、切れ味が低下し、早期にＣＦＲＰの被削材にデラミネーションを生じる原因となっていた。また、ナノダイヤモンド単層の場合には、耐欠損性が高いものの、十分な耐摩耗性がないため、刃先が摩滅して切れ味が低下し、同様にＣＦＲＰ材にデラミネーションを生じた。そこで、ナノダイヤモンドと結晶性ダイヤモンドを積層した交互積層膜を切れ刃に設けることにより、切れ刃の靭性が向上して、欠損およびチッピングが生じにくくなるとともに、十分な耐摩耗性も具備できるようになった。

上記のレーザ照射によって、すくい面の結晶性ダイヤモンド層上に一旦形成された交互積層膜を除去するが、特に、切れ刃の交互積層膜のすくい面側の表層には、交互積層膜のダイヤモンドを一部変性させ、表面粗さが０．１μｍ以下で、膜厚が１０〜２００ｎｍの非晶質カーボン膜を形成する。

ここで、上記非晶質カーボン膜の表面粗さＲａが０．１μｍを超える場合には、切屑排出性が低下するため、上記非晶質カーボン膜の表面粗さＲａを０．１μｍ以下と定めた。

また、上記非晶質カーボン膜の膜厚が１０ｎｍ未満では、長期の使用にわたっての潤滑性を維持することができないため、切屑排出性が十分ではない。一方、非晶質カーボン膜の膜厚が２００ｎｍを超えると耐摩耗性の低下傾向がみられることから、非晶質カーボン膜の膜厚は１０〜２００ｎｍと定めた。
粗加工においては切れ味と耐欠損性の両立が重要なため、すくい面のみをレーザ加工しても切れ味の向上効果が得られ、工具寿命の延長が可能である。さらに図３に示すように、例えば、図１の最先端（４）からＡおよび最先端（４）からＢにかけて、切れ刃以外のすくい面と逃げ面に形成された交互積層膜を紫外線レーザ照射で除去することで図３のように、切れ刃には、交互積層膜によって被覆されたさらにシャープな切れ刃を形成するとともに、切れ刃の交互積層膜のすくい面側の表層および逃げ面側の表層には、紫外線レーザによりダイヤモンドの一部が変性した平滑な非晶質カーボン膜を形成させる。その際、すくい面の切れ刃の最先端（４）から、すくい面に露出する結晶性ダイヤモンド層までの距離（５）、および、逃げ面の切れ刃の最先端（４）から、逃げ面に露出する結晶性ダイヤモンド層までの距離（８）は、いずれも、好ましくは５〜２５μｍである。すくい面に加えて逃げ面をレーザ加工することにより、若干刃先の靱性が低下するものの、切れ味が更に向上するため、ＣＦＲＰの切削においてバリやデラミネーションが発生しにくく、一層の工具寿命延長が図れる場合がある。レーザ加工時に表層に生じた非晶質カーボン層は、すくい面においては切りくずの排出性の向上に寄与し、逃げ面においてはワークとの摩擦抵抗を低減し、加工精度を向上させる効果がある。

また、切れ刃に形成する交互積層膜の形状・サイズは、図２および図３に示すように、切れ刃の最先端（４）から結晶性ダイヤモンド層までの最短距離（７）、すなわち、交互積層膜の膜厚が３〜１５μｍとなるようにする。

これは、切れ刃の最先端から上記結晶性ダイヤモンド層までの最短距離が３μｍ未満では、シャープな切れ刃を形成することができないため、長期の使用にわたっての加工精度の向上・維持を期待することができず、一方、その距離が１５μｍを超える場合には、チッピングを発生しやすくなるという理由による。

工具基体表面への結晶性ダイヤモンド層の成膜は、例えば、
フィラメント温度２３００ ℃、
基板温度８００ ℃、
反応圧力３０Ｔｏｒｒ、
反応ガス流量ＣＨ_４：８０ｓｃｃｍ，Ｈ_２：３０００ｓｃｃｍ、
の条件の熱フィラメント法で蒸着することによって成膜することができる。

また、交互積層膜の成膜は、例えば、
フィラメント温度２２００ ℃、
基板温度７００ ℃、
反応圧力８Ｔｏｒｒ、
反応ガスＣＨ_４：６０ｓｃｃｍ，Ｈ_２：１５００ｓｃｃｍ、
の条件の熱フィラメント法でナノダイヤモンド膜を所定膜厚に蒸着した後、
上記結晶性ダイヤモンド層の成膜条件と同じ条件で所定膜厚の結晶性ダイヤモンド膜を蒸着し、ナノダイヤモンド膜の成膜と結晶性ダイヤモンド膜の成膜を、所定の交互積層膜の膜厚になるまで交互に繰り返し行うことによって成膜することができる。

この発明のダイヤモンド被覆工具は、工具基体表面に結晶性ダイヤモンド層が被覆形成され、かつ、切れ刃には、ナノダイヤモンド膜と結晶性ダイヤモンド膜からなる所定の形状・サイズの交互積層膜が形成され、さらに、レーザによる加工後の切れ刃の交互積層膜のすくい面側の表層には、所定表面粗さ、所定膜厚の非晶質カーボン膜が形成されており、シャープな切れ刃と潤滑性、切屑排出性にすぐれた特性を示す。さらに逃げ面にもレーザ加工を施すことにより、切れ刃の交互積層膜の逃げ面側の表層にも非晶質カーボン膜が形成され、シャープな切れ刃とすぐれた潤滑性、切屑排出性を示し、ワークとの摩擦抵抗を低減し、加工精度を向上させる効果がある。
このことから、ＣＦＲＰ、高Ｓｉ含有Ａｌ合金、グラファイト等の難削材の切削に用いた場合でも、チッピングを発生することなく、加工精度、切屑排出性にすぐれ、長期の使用にわた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のである。

本発明のダイヤモンド被覆工具のレーザ加工前の結晶性ダイヤモンド層と交互積層膜からなる切れ刃近傍の膜構造の概略断面模式図を示す。本発明のダイヤモンド被覆工具のすくい面をレーザ加工した後の切れ刃近傍の膜構造の概略断面模式図を示す。本発明のダイヤモンド被覆工具のすくい面と逃げ面をレーザ加工した後の切れ刃近傍の膜構造の概略断面模式図を示す。

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。

ここでは、Ａｌ合金の切削用のインサートとして用いた場合の例とＣＦＲＰの切削用のドリルとして用いた場合の例を示すが、本発明はこれに限定されるものではなく、エンドミル等の各種の切削工具にも適用可能である。特にダイヤモンド被覆ドリルによるＣＦＲＰの切削においては、切れ刃のシャープさに加え、切れ刃に靭性および耐摩耗性が要求されることから本発明工具はＣＦＲＰ切削用のダイヤモンド被覆ドリルに適している。

原料粉末として、いずれも１〜３μｍの平均粒径を有するＷＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、およびＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、表１に示される配合組成に配合し、ボールミルで９６時間湿式混合し、乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を６Ｐａの真空中、温度：１４００℃に１時間保持の条件で焼結し、研磨加工を施し、切れ刃のすくい面を鏡面仕上げすることにより、いずれもＷＣ基超硬合金からなり、かつＩＳＯ規格・ＳＰＧＮ１２３０８のインサート形状をもった超硬合金基体１〜１０を製造した。
（ａ）上記超硬合金基体１〜１０をＣＶＤ装置に装入し、まず、表２に示される条件で、上記基体１〜１０の切れ刃、すくい面、逃げ面に、所定の平均層厚、平均粒径の結晶性ダイヤモンド層を蒸着形成し、
（ｂ）ついで、同じく表２に示される条件で、所定の平均膜厚、平均粒径のナノダイヤモンド膜を蒸着し、この上に、同じく表２に示される条件で、所定の平均膜厚、平均粒径の結晶性ダイヤモンド膜を蒸着し、ナノダイヤモンド膜の蒸着と結晶性ダイヤモンド膜の蒸着を交互に繰り返し行うことにより、上記基体１〜１０の切れ刃、すくい面、逃げ面に、所定の平均膜厚の交互積層膜を蒸着形成し、
（ｃ）ついで、上記結晶性ダイヤモンド層と交互積層膜を蒸着形成した超硬合金基体を、レーザ加工装置に装着し、紫外線レーザ（波長：２６２ｎｍ）のレーザ光源を駆動し、焦点レンズを紫外線レーザの光軸方向に移動させ、紫外線レーザ光を試料ステージの中心と重なる位置で集光させ、ついで、試料ステージを移動させて、紫外線レーザを切れ刃に照射し、ガルバノスキャナでレーザをすくい面に走査することで、すくい面の切れ刃以外の交互積層膜を除去し、
（ｄ）切れ刃には、表３に示す結晶性ダイヤモンド層と交互積層膜を被覆形成するとともに、交互積層膜のすくい面側の表層に表６に示す非晶質カーボン膜を形成する。
（ｅ）また、基体１〜５については、さらに、逃げ面の切れ刃を研磨することで、逃げ面の切れ刃以外の交互積層膜を除去する。

以上、（ａ）〜（ｅ）により、すくい面側の切れ刃に非晶質カーボン膜が形成され、また、逃げ面の切れ刃が研磨され、逃げ面側の切れ刃が交互積層膜で形成され、切れ刃以外の逃げ面には結晶性ダイヤモンド層のみが被覆されている請求項１に該当する本発明ダイヤモンド被覆工具としての本発明被覆工具（インサ−ト）１〜５を製造した。

また、（ａ）〜（ｄ）により、すくい面側の切れ刃に非晶質カーボン膜が形成され、逃げ面には、結晶性ダイヤモンド層と交互積層膜が被覆形成されている請求項２に該当する本発明被覆工具（インサ−ト）６〜１０を製造した。

比較のために、
（ａ’）上記超硬合金基体１〜１０をＣＶＤ装置に装入し、まず、表４に示される条件で、上記基体の切れ刃、すくい面、逃げ面に、所定の平均層厚、平均粒径の結晶性ダイヤモンド層を蒸着形成し、
（ｂ’）ついで、同じく表４に示される条件で、所定の平均膜厚、平均粒径のナノダイヤモンド膜を蒸着し、この上に、同じく表４に示される条件で、所定の平均膜厚、平均粒径の結晶性ダイヤモンド膜を蒸着し、ナノダイヤモンド膜の蒸着と結晶性ダイヤモンド膜の蒸着を交互に繰り返し行うことにより、上記基体の切れ刃、すくい面、逃げ面に、所定の平均膜厚の交互積層膜を蒸着形成し、
（ｃ’）ついで、上記結晶性ダイヤモンド層と交互積層膜を蒸着形成した超硬合金基体を、レーザ加工装置に装着し、紫外線レーザ（波長：２６２ｎｍ）のレーザ光源を駆動し、焦点レンズを紫外線レーザの光軸方向に移動させ、紫外線レーザ光を試料ステージの中心と重なる位置で集光させ、ついで、試料ステージを移動させて、紫外線レーザを切れ刃に照射し、ガルバノスキャナでレーザをすくい面に走査することで、切れ刃以外の交互積層膜を除去し、
（ｄ’）すくい面の切れ刃と逃げ面には、表５に示す結晶性ダイヤモンド層と交互積層膜を被覆形成するとともに、交互積層膜のすくい面側の表層に表６に示す非晶質カーボン膜を形成する。
（ｅ‘）また、上記（ａ’）〜（ｄ’）で得られたものの一部については、さらに、逃げ面の切れ刃を研磨することで、逃げ面の切れ刃以外の交互積層膜を除去する。

以上、（ａ’）〜（ｅ’）により、すくい面側の切れ刃に非晶質カーボン膜が形成され、また、逃げ面の切れ刃が研磨され、逃げ面側の切れ刃が交互積層膜が形成され、切れ刃以外の逃げ面には、結晶性ダイヤモンド層のみが被覆されている比較例ダイヤモンド被覆工具としての比較被覆工具（インサ−ト）１〜６を製造し、さらに、（ａ’）〜（ｄ’）により、すくい面側の切れ刃に非晶質カーボン膜が形成され、逃げ面には、結晶性ダイヤモンド層と交互積層膜が被覆形成されている比較例ダイヤモンド被覆工具としての比較被覆工具（インサ−ト）８〜１５を製造した。

なお、比較被覆工具（インサ−ト）７については、交互積層膜の形成は行わなかった。

この結果得られた本発明被覆工具１〜１０および比較被覆工具１〜１５について、上記の各膜の膜厚と結晶性ダイヤモンド層の層厚を、走査型電子顕微鏡を用いて測定（縦断面測定）したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均層厚（５点測定の平均値）を示した。

また、切れ刃のすくい面側の表層の膜の結晶性をＡｒガスレーザより得られた可視光を用いたラマン分光分析により、１３３３ｃｍ^−１のラマンピークにおける半価幅より評価した。切れ刃のすくい面側の表層の膜の表面粗さＲａはレーザ顕微鏡により測定した。ダイヤモンドの平均粒径は、界面と平行な線分を、線分に占めるダイヤモンド粒子の総数で割った値で算出した。さらに、交互積層膜の最先端から結晶性ダイヤモンド層までの最短距離は、試料を断面加工した後、マイクロスコープにより測定した。

表３、５、６に、これらの結果を示す。

つぎに、上記の本発明被覆工具１〜１０および比較被覆工具１〜１５を工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてネジ止めした状態で、ＪＩＳ・Ａ４０３２（組成は、質量％で、Ａｌ−１２％Ｓｉ）からなる丸棒を被削材として、表７に示す切削条件１、切削条件２で高Ｓｉ含有Ａｌ合金の乾式連続高速切削加工試験を行なった。

いずれの切削加工試験でも切れ刃の逃げ面摩耗幅を測定した。

表８に測定結果を示す。

表８に示される結果から、この発明のダイヤモンド被覆工具は、難削材の切削に用いた場合でも、チッピングを発生することなく、加工精度、切屑排出性にすぐれ、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、比較被覆工具１〜１５は、耐チッピング性、耐摩耗性が劣り、切削性能が満足できるものでないことは明らかである。
次に本発明のダイヤモンドコーティングドリルを使用することによるバリ抑制の効果について調べた。
下記仕様のドリルを使用して、表２および表４の成膜条件でダイヤモンド膜をドリルに成膜し、紫外線レーザを用いてドリルの切れ刃のすくい面を加工した。ダイヤモンド被覆工具を用いて、バリが発生するまで貫通穴の数を調査した。
使用ドリル：外径φ６ｍｍ、２枚刃、Ｃｏ６wt% 超硬合金製ドリル
切削条件：切削速度Ｖ＝６０ｍ／ｍｉｎ、送りｆ＝０．０５ｍｍ／ｒｅｖ
被削材：ＣＦＲＰ（厚み２０ｍｍ）
試験結果を表９に示す。

表９に示される結果から、本発明工具６〜１０は本発明被覆工具１〜５に比べ、切れ刃のシャープさがない分、切削寿命が短くなっているが、ＣＦＲＰの切削性能を十分に満足することを示した。本発明のダイヤモンド被覆工具は、ＣＦＲＰの切削に用いた場合でも、長期の使用にわたって、バリを発生することなく、加工精度、切屑排出性にすぐれ、すぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、比較被覆工具７〜１５は、耐チッピング性、耐摩耗性が劣り、バリが早期に生じることから、切削性能が満足できるものでないことは明らかである。比較被覆工具１〜６は比較被覆工具７〜１５より、刃先がシャープなため工具寿命が延びているものの、チッピングなどの要因により、切削性能を満足できるものではないないことは明らかである。

（ａ）実施例１で成膜された結晶性ダイヤモンド層と交互積層膜を蒸着形成した超硬合金基体を、レーザ加工装置に装着し、紫外線レーザ（波長：２６２ｎｍ）のレーザ光源を駆動し、焦点レンズを紫外線レーザの光軸方向に移動させ、紫外線レーザ光を試料ステージの中心と重なる位置で集光させ、ついで、試料ステージを移動させて、紫外線レーザを切れ刃以外のすくい面と逃げ面に照射し、ガルバノスキャナでレーザを走査することで、すくい面と逃げ面の切れ刃以外の表層の交互積層膜を除去し、
（ｂ）切れ刃には、表１０に示す結晶性ダイヤモンド層と交互積層膜を被覆形成するとともに、交互積層膜のすくい面側の表層および逃げ面側の表層には、表１１に示す非晶質カーボン膜を形成した。

以上、（ａ）〜（ｂ）により、すくい面および逃げ面の切れ刃の表面に非晶質カーボン膜が形成された請求項３に該当する本発明ダイヤモンド被覆工具としての本発明被覆工具（インサ−ト）１１〜２０を製造した。

比較のために、
（ａ’）表１の超硬合金基体をＣＶＤ装置に装入し、まず、表４に示される条件で、所定の平均層厚、平均粒径の結晶性ダイヤモンド層を蒸着形成し、
（ｂ’）ついで、同じく表４に示される条件で、所定の平均膜厚、平均粒径のナノダイヤモンド膜を蒸着し、この上に、同じく表４に示される条件で、所定の平均膜厚、平均粒径の結晶性ダイヤモンド膜を蒸着し、ナノダイヤモンド膜の蒸着と結晶性ダイヤモンド膜の蒸着を交互に繰り返し行うことにより、表１２の平均膜厚の交互積層膜を蒸着形成し、
（ｃ’）表１２の結晶性ダイヤモンド層と交互積層膜を蒸着形成した超硬合金基体を、レーザ加工装置に装着し、紫外線レーザ（波長：２６２ｎｍ）のレーザ光源を駆動し、焦点レンズを紫外線レーザの光軸方向に移動させ、紫外線レーザ光を試料ステージの中心と重なる位置で集光させ、ついで、試料ステージを移動させて、紫外線レーザを切れ刃以外のすくい面と逃げ面に照射し、ガルバノスキャナでレーザを走査することで、切れ刃以外の交互積層膜を除去し、
（ｄ’）切れ刃には、表１２に示す結晶性ダイヤモンド層と交互積層膜を被覆形成するとともに、交互積層膜のすくい面の表層および逃げ面側の表層には、表１３に示す非晶質カーボン膜を形成した。

以上、（ａ’）〜（ｄ’）により、すくい面および逃げ面の切れ刃の表面に非晶質カーボン膜が形成された比較例ダイヤモンド被覆工具としての比較被覆工具（インサ−ト）２１〜２６、２８〜３５を製造した。

なお、比較被覆工具（インサ−ト）２７については、交互積層膜の形成およびレーザによる加工は行わなかった。

つぎに、上記の本発明被覆工具１１〜２０を工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてネジ止めした状態で、ＪＩＳ・Ａ４０３２（組成は、質量％で、Ａｌ−１２％Ｓｉ）からなる丸棒を被削材として、表７に示す切削条件１、切削条件２で高Ｓｉ含有Ａｌ合金の乾式連続高速切削加工試験を行なった。

表１４に測定結果を示す。

次に本発明のダイヤモンドコーティングドリルを使用することによるバリ抑制の効果について調べた。
使用ドリル：外径φ６ｍｍ、２枚刃、Ｃｏ６wt% 超硬合金製ドリル
切削条件：切削速度Ｖ＝６０ｍ／ｍｉｎ、送りｆ＝０．０５ｍｍ／ｒｅｖ
被削材：ＣＦＲＰ（厚み２０ｍｍ）
試験結果を表１５に示す。

表１４に示される結果から、この発明のダイヤモンド被覆工具は、難削材の切削に用いた場合でも、チッピングを発生することなく、加工精度、切屑排出性にすぐれ、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、比較被覆工具２１〜３５は、耐チッピング性、耐摩耗性が劣り、切削性能が満足できるものでないことは明らかである。
また、表１５に示される結果から、この発明のダイヤモンド被覆工具は、ＣＦＲＰの切削に用いた場合でも、長期の使用にわたって、バリを発生することなく、加工精度、切屑排出性にすぐれ、すぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、比較被覆工具２１〜３５は、耐チッピング性、耐摩耗性が劣り、バリが早期に生じることから、切削性能が満足できるものでないことは明らかである。

上述のように、この発明のダイヤモンド被覆工具は、すぐれた潤滑性、切屑排出性とすぐれた耐摩耗性を備えるものであって、加工精度が求められるＣＦＲＰ、高Ｓｉ含有Ａｌ合金、グラファイト等の難削材の切削加工においては、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮するものである。

１結晶性ダイヤモンド層
２交互積層膜
３切れ刃の先端部
４最先端
５すくい面の最先端から結晶性ダイヤモンド層までの距離
６非晶質カーボン膜
７最先端から結晶性ダイヤモンド層までの最短距離
８逃げ面の最先端から結晶性ダイヤモンド層までの距離
９工具基体

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、３〜３０μｍの層厚の結晶性ダイヤモンド層が被覆されたダイヤモンド被覆切削工具において、
上記ダイヤモンド被覆切削工具の切れ刃の上記結晶性ダイヤモンド層の表面には、平均粒径１〜５０ｎｍのナノダイヤモンド膜と平均粒径０．１〜２μｍの結晶性ダイヤモンド膜とが０．２〜２．０μｍの積層間隔で交互に積層された交互積層膜が被覆形成され、該交互積層膜で構成される切れ刃の最先端から上記結晶性ダイヤモンド層までの最短距離は３〜１５μｍであり、さらに、切れ刃の交互積層膜のすくい面側表層には、表面粗さＲａが０．１μｍ以下で膜厚が１０〜２００ｎｍの非晶質カーボン膜が形成されていることを特徴とするダイヤモンド被覆切削工具。
上記ダイヤモンド被覆切削工具の逃げ面の上記結晶性ダイヤモンド層の表面には、平均粒径１〜５０ｎｍのナノダイヤモンド膜と平均粒径０．１〜２μｍの結晶性ダイヤモンド膜とが０．２〜２．０μｍの積層間隔で交互に積層された交互積層膜が被覆形成されていることを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド被覆切削工具。
上記ダイヤモンド被覆切削工具の切れ刃の交互積層膜の逃げ面側表層には、表面粗さＲａが０．１μｍ以下で膜厚が１０〜２００ｎｍの非晶質カーボン膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド被覆切削工具。