JP5769599B2 - 工具の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は工具の製造方法に関し、特に、鉄系材料からなる工具基材にダイヤモンド被膜を被覆した工具の製造方法に関するものである。

工具基材に硬質被膜を被覆して、耐摩耗性や耐熱性の向上を図ることが行われている。各種の硬質被膜の中でもダイヤモンド被膜は硬さが極めて高く、耐摩耗性において優れた特性を発揮する。そのため、切削工具において、超硬合金からなる工具基材にダイヤモンド被膜を被覆した工具が多く使用されている。

なお、このような工具では、ダイヤモンド被膜を被覆する際の加熱工程において、超硬合金に含まれるＣｏ（コバルト）が析出し、ダイヤモンド粒子をグラファイト化させることで、ダイヤモンド被膜の密着強度が損なわれる。そこで、ダイヤモンド被膜の被覆に先立って、硫酸や硝酸などによる酸処理を施す（特許文献１）、又は、酸素プラズマによる酸化処理を施すことで（特許文献２）、表面付近のＣｏを除去し、ダイヤモンド被膜の密着強度を確保することが行われる。

特開２００２−１７９４９３号公報（段落０００２） 特開２０１１−１６２８５７号公報（段落００１３）

しかしながら、上述した工具のように、工具基材が超硬材料からなる場合には、前処理を施して表面付近のＣｏを除去しておくことで、ダイヤモンド被膜の密着強度を確保できるが、工具基材が鉄系材料からなる場合には、ダイヤモンド被膜の被覆自体が困難であるという問題点があった。即ち、鉄系材料からなる工具基材にダイヤモンド被膜を被覆すると、Ｆｅ（鉄）が触媒となり、ダイヤモンドが形成されず、分解した炭素がグラファイトとして析出されてしまう。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、鉄系材料からなる工具基材にダイヤモンド被膜を被覆した工具の製造方法を提供することを目的としている。

課題を解決するための手段および発明の効果

請求項１記載の工具の製造方法によれば、工具基材には、ダイヤモンド粉末がその一部を露出させた状態で埋入されているので、ダイヤモンド被膜を被覆する際には、ダイヤモンド粉末の露出した部分を覆うように被覆することで、そのダイヤモンド粉末の露出した部分を核として、ダイヤモンドを成長させることができる。その結果、鉄系材料からなる工具基材にダイヤモンド被膜を被覆することができる。

また、ダイヤモンド粉末を工具基材に効率的に埋入させることができる。例えば、ローラーの外周面でダイヤモンド粉末を工具基材の表面に押圧して埋入させる手法では、工具基材およびローラーの双方にダイヤモンド粉末が埋入してしまうところ、ダイヤモンド粉末が付着された工具基材の表面にショットを投射する手法であれば、ショットの衝撃力を利用して、ダイヤモンド粉末を工具基材に効率的に埋入させることができる。

また、既存のショットピーニング装置を流用でき、新たな装置の導入を不要とできるので、設備コストの削減を図ることができる。更に、工具基材の形状が、例えば、ローラーを接触させることができないような複雑な形状であっても、ショットを衝突させて、ダイヤモンド粉末を工具基材に埋入させることができる。
付着工程では、溶媒にダイヤモンド粉末を混合したダイヤモンド溶液を、工具基材の表面に塗布するので、ダイヤモンド粉末を工具基材に付着させる作業を簡易に行うことができる。また、ダイヤモンド溶液を工具基材に塗布する手法であれば、ダイヤモンド粉末のみが工具基材に付着される場合と比較して、例えば、塗布後に工具基材を搬送する際やその後にショットが衝突される際に、ダイヤモンド粉末が飛散することを、溶媒を利用して抑制でき、ダイヤモンド粉末を工具基材の表面に保持し易くすることができる。

請求項２記載の工具の製造方法によれば、請求項１記載の工具の製造方法の奏する効果に加え、ショットは、工具基材の硬度よりも高い硬度を有する材料からなるので、ショットがダイヤモンド粉末に衝突した際に、ダイヤモンド粉末がショットに埋入されることを抑制できる。即ち、ダイヤモンド粉末を工具基材に埋入させる効率を高めることができる。

また、このように、比較的硬度の高い材料からなるショットを利用することで、ダイヤモンド粉末に衝突した際のショットの粉砕を抑制して、ショットの運動エネルギーをダイヤモンド粉末へ確実に伝達させることができる。よって、この点からも、ダイヤモンド粉末を工具基材に埋入させる効率を高めることができる。

請求項３記載の工具の製造方法によれば、請求項１又は２に記載の工具の製造方法の奏する効果に加え、工具基材とダイヤモンド被膜との密着強度を確保できる。即ち、ダイヤモンド被膜の核となるダイヤモンド粉末の粒径が大き過ぎると、ダイヤモンド被膜の密着強度が低下するところ、ダイヤモンド粉末の粒径が１００ｎｍ以下に設定されるので、ダイヤモンド被膜の核となるダイヤモンド粉末の粒径を適正とすることができる。その結果、工具基材とダイヤモンド被膜との密着強度を確保できる。

（ａ）〜（ｃ）は、本発明の一実施の形態における工具を構成する工具基材の部分拡大断面図であり、工具基材にダイヤモンド被膜を被覆する過程が図示される。 工具製造試験の結果を図示する表である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について添付図面を参照して説明する。まず、図１を参照して、工具１の製造方法について説明する。図１（ａ）〜図１（ｃ）は、本発明の一実施の形態における工具１を構成する工具基材１１の部分拡大断面図であり、工具基材１１にダイヤモンド被膜１３を被覆する過程が図示される。なお、図１では、理解を容易とするために、各構成の形状や配列などが模式的に図示される。

工具１は、鉄系材料からなる工具基材１１にダイヤモンド被膜が被覆して構成される。なお、鉄系材料としては、鋳鉄、鋳鋼、高速度工具鋼、合金工具鋼などが例示される。工具１の製造は、まず、工具基材１１を所定の形状（例えば、エンドミル形状）に成形する。工具基材１１を成形した後は、図１（ａ）に示すように、ダイヤモンド粉末１２を工具基材１１の表面に付着させる（付着工程）。

なお、付着工程は、溶媒にダイヤモンド粉末１２を混合したダイヤモンド溶液を、工具基材１１の表面に塗布することで、ダイヤモンド粉末１２を工具基材１１の表面に付着させる。このように、ダイヤモンド溶液を利用することで、ダイヤモンド粉末１２を工具基材１１に付着させる作業を簡易に行うことができる。また、ダイヤモンド粉末１２を溶媒に混合せず、粉末のままで工具基材１１に付着させる場合と比較して、例えば、塗布後に工具基材１１を搬送する際や、後述する埋入工程（図１（ｂ）参照）において、ダイヤモンド粉末１２が飛散することを抑制して、工具基材１１の表面に保持しておき易くすることができる。

付着工程において、ダイヤモンド溶液を工具基材１１の表面に塗布した（即ち、ダイヤモンド粉末１２を工具基材１１の表面に付着させた）後は、図１（ｂ）に示すように、工具基材１１のダイヤモンド溶液が塗布されている面へ向けてショットＳを投射し、ダイヤモンド粉末１２にショットＳを衝突させることで、ダイヤモンド粉末１２を工具基材１１に埋入させる（埋入工程）。なお、埋入工程では、ダイヤモンド粉末１２が、その一部を外部に露出させた状態で工具基材１１に埋入されるように、ショットＳの投射時間や投射圧力、粒径などを適宜調整する。

ここで、ダイヤモンド粉末１２を工具基材１１へ埋入させる手法として、例えば、円柱状に形成されるローラーの外周面でダイヤモンド粉末１２を工具基材１１の表面に押圧して埋入させる手法も考えられる。しかし、この手法では、工具基材１１及びローラーの双方にダイヤモンド粉末１２が埋入してしまう。これに対し、本実施の形態のように、ダイヤモンド粉末１２が付着された工具基材１１の表面にショットＳを投射する手法であれば、ショットＳの衝撃力を利用して、ダイヤモンド粉末１２を工具基材１１に効率的に埋入させることができる。

また、この場合には、既存のショットピーニング装置を流用でき、ダイヤモンド粉末１２を工具基材１１へ埋入させるための新たな装置を導入することを不要とでき、設備コストの削減を図ることができる。更に、工具基材１１の形状が、ローラーの外周面を接触させることができないような複雑な形状であっても、ショットＳを投射する手法であれば、ショットＳを工具基材１１の所望領域へ衝突させることができるので、ダイヤモンド粉末１２を工具基材１１に埋入させる作業を確実に行うことができる。

ここで、ショットＳは、工具基材１１の硬度よりも高い硬度を有する材料から構成されることが好ましい。ショットＳの硬度を工具基材１１の硬度よりも高くすることで、ショットＳがダイヤモンド粉末１２に衝突した際に、そのショットＳにダイヤモンド粉末１２が埋入されることを抑制でき、その結果、ダイヤモンド粉末１２を工具基材１１に埋入させる効率を高めることができるからである。

ショットＳの好ましい材料としては、例えば、超硬合金、高速度工具鋼、セラミックスなどが例示される。このように、比較的高い硬度の材料からショットＳを構成することで、ダイヤモンド粉末１２に衝突した際のショットＳの粉砕を抑制できるので、その分、ショットＳの運動エネルギーをダイヤモンド粉末１２へ確実に伝達させることができる。よって、この点からも、ダイヤモンド粉末１２を工具基材１１に埋入させる効率を高めることができる。

埋入工程において、ダイヤモンド粉末１２を工具基材１１に埋入させた後は、図１（ｃ）に示すように、ダイヤモンド被膜１３を形成し、ダイヤモンド粉末１２の露出した部分を被覆する（被覆工程）。なお、埋入工程の前には、ダイヤモンド溶液の溶媒を除去する除去工程を行う。また、本実施の形態では、ＣＶＤ（化学的気相成長）法を用いて、ダイヤモンド被膜１３を、ダイヤモンド粉末１２の露出した部分を覆うように、工具基材１１の表面に被覆する。但し、ＰＶＤ（物理気相成長）法を用いても良い。

工具基材１１の表面には、埋入工程において、ダイヤモンド粉末１２がその一部を露出させた状態で埋入されているので、ダイヤモンド被膜１３を形成する過程において、ダイヤモンド粉末１２の露出した部分を核として、ダイヤモンドを成長させることができる。その結果、工具基材１１が鉄系材料からなる場合であっても、工具基材１１にダイヤモンド被膜１３を被覆することができる。

ここで、ダイヤモンド粉末１２の粒径は、１ｎｍ以上かつ１００ｎｍ以下の範囲に設定されることが好ましい。ダイヤモンド粉末１２の粒径（即ち、ダイヤモンドを形成する際の核となる部分）が大き過ぎると、ダイヤモンド被膜１３の密着強度が低下するところ、ダイヤモンド粉末１２の粒径を１００ｎｍ以下とすることで、ダイヤモンド粉末１２の粒径を適正として、工具基材１１（ダイヤモンド粉末１２）とダイヤモンド被膜１３との密着強度を確保できるからである。一方、１ｎｍ以上とすることで、ダイヤモンド粉末１２の入手を容易として、製造コストの削減を図ることができるからである。

なお、本実施の形態では、ダイヤモンド粉末１２の粒子形状が丸形状（球形状）とされる。但し、多角形状などであっても良い。また、埋入工程の前に、ダイヤモンド溶液の溶媒を除去する除去工程を行う場合を説明したが、除去工程を省略しても良い。即ち、被覆工程における熱を利用して、溶媒を揮発（蒸発）させても良い。

次いで、図２を参照して、工具製造試験の試験結果について説明する。図２は、工具製造試験の結果を図示する表である。工具製造試験は、工具１の製造条件を確認するための試験であり、ショットＳ及びダイヤモンド粉末１２の粒径や投射圧などを変更し、それらが工具の製造に及ぼす影響について確認する試験である。

図２に示すように、工具製造試験では、Ｓ５０Ｃからなる平板形状（縦５０ｍｍ×幅５０ｍｍ×厚み５ｍｍ）の工具基材１１に表面に、ダイヤモンド溶液を塗布し（付着工程）、超硬合金からなるショットＳを投射して、ダイヤモンド粉末１２を工具基材１１に埋入させた後（埋入工程）、ダイヤモンド被膜１３を被覆した（被覆工程）。なお、各工程の詳細は上述した通りなので、その説明は省略する。

なお、工具製造試験は、９種類（粒径：５０ｎｍ、１００ｎｍ、１５０ｎｍ、濃度：１０ｗｔ％、３０ｗｔ％、６０ｗｔ％）のダイヤモンド溶液と、６条件（粒径：０．０５ｍｍ、１ｍｍ、投射圧：０．１ＭＰａ、０．５ＭＰａ、０．６ＭＰａ）のショットＳの投射条件とを組み合わせて、合計９種類の条件（Ｎｏ．１〜９）で行った。

ショットＳの粒径を１ｍｍとし、投射圧を０．１ＭＰａ及び０．５ＭＰａとする条件では（Ｎｏ．１，２，６，９）、埋入工程において、ダイヤモンド粉末１２を工具基材１１に埋入することができ、被覆工程において、ダイヤモンド被膜１３を被覆することができた。しかし、そのダイヤモンド被膜１３の表面粗さが許容範囲を超えて粗くなった。これは、ショットＳの粒径が大きいため、ショットＳの運動エネルギーが過大となり、埋入工程において工具基材１１の表面に凹凸が形成されたことに起因すると考えられる。

また、ショットＳの粒径を１ｍｍとし、投射圧を０．１ＭＰａ及び０．５ＭＰａとする条件の内、Ｎｏ．６，９の条件では、ダイヤモンド被膜１３の密着強度が許容範囲を下回った。これは、ダイヤモンド粉末１２の粒径が１５０ｎｍであることから、ダイヤモンドを形成する際の核となる部分が大き過ぎ、ダイヤモンドの密着度が低下することに起因すると考えられる。

ショットＳの粒径を１ｍｍとし、投射圧を０．６ＭＰａとする条件では（Ｎｏ．５）、埋入工程において、ショットＳの投射により工具基材１１の表面が削り取られ、ダイヤモンド粉末１２を工具基材１１に埋入することができなかった。これは、ショットＳの粒径が大きいことに加え、投射圧も大きいため、ショットＳの運動エネルギーが過大となったことに起因すると考えられる。

ショットＳの粒径を０．０５ｍｍとし、投射圧を０．６ＭＰａとする条件では（Ｎｏ．３，７）、埋入工程において、ショットＳの投射により工具基材１１の表面が削り取られ、ダイヤモンド粉末１２を工具基材１１に埋入することができなかった。これは、投射圧が大きいことに加え、ショットＳの粒径が小さいが故にその空気抵抗が減少し、投射速度が高くなったため、ショットＳの運動エネルギーが過大となったことに起因すると考えられる。なお、この場合、工具基材１１の表面に付着するダイヤモンド粉末１２の粒径は最大および最小の１５０ｎｍ及び５０ｎｍであるが、工具基材１１の表面の削り取られた後の状態に差異はなかった。

一方、ショットＳの粒径を０．０５ｍｍとし、投射圧を０．５ＭＰａ及び０．１ＭＰａとする条件では（Ｎｏ．４，８）、埋入工程において、ダイヤモンド粉末１２を工具基材１１に適切に（即ち、ダイヤモンド粉末１２をその一部が外部に露出した状態で）埋入することができ、被覆工程において、ダイヤモンド被膜１３を十分な密着強度で被覆することができた。また、ダイヤモンド被膜１３の表面粗さも許容範囲内であった。ショットＳの粒径および投射圧を比較的小さくすると共に、ダイヤモンド粉末１２の粒径を１００ｎｍ以下としたことに起因すると考えられる。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。

上記実施の形態で挙げた数値は一例であり、他の数値を採用することは当然可能である。特に、下限および上限を指定した数値範囲により特定される値は、その数値範囲内であれば、いずれの値を採用することも可能である。

上記実施の形態では、工具１がドリルとして構成される場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。即ち、ドリルは、切削工具の一例であり、他の切削工具に本発明を適用することは当然可能である。他の切削工具としては、例えば、バイト、フライス、エンドミル、リーマー、タップ、ホブ、ピニオンカッタ、ダイス、ブローチ、スローアウェイチップなどが例示される。

上記実施の形態では、工具１が切削工具として構成される場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、他の工具に本発明を適用しても良い。他の工具としては、例えば、転造工具、測定工具などが例示される。

上記実施の形態では、工具基材１１にダイヤモンド粉末１２を介してダイヤモンド被膜１３が被覆されたものが、工具として構成される場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、他の構造体に本発明を適用しても良い。他の構造体としては、機械部品、金型、調理器具などが例示される。即ち、「鉄系材料から構成される基材にダイヤモンド粉末を埋入し、そのダイヤモンド粉末を核としてダイヤモンドを成長させて、ダイヤモンド被膜を被覆する被覆方法」の適用対象（被覆対象）は工具に限られない。
＜その他＞
＜手段＞
技術的思想１の工具は、工具基材にダイヤモンド被膜が被覆された工具において、前記工具基材は、鉄系材料からなり、ダイヤモンド粉末がその一部を露出させた状態で前記工具基材に埋入され、前記ダイヤモンド粉末の露出した部分を覆うように前記ダイヤモンド被膜が被覆される。
技術的思想２の工具の製造方法は、鉄系材料からなる工具基材にダイヤモンド被膜が被覆された工具の製造方法であって、ダイヤモンド粉末をその一部が露出した状態で前記工具基材に埋入する埋入工程と、その埋入工程により前記ダイヤモンド粉末がその一部を露出させた状態で埋入された工具基材に対し、前記ダイヤモンド粉末の露出した部分を覆うように前記ダイヤモンド被膜を被覆する被覆工程と、を備える。
技術的思想３の工具の製造方法は、技術的思想２において、前記埋入工程における前記ダイヤモンド粉末の前記工具基材への埋入は、前記ダイヤモンド粉末が付着された工具基材の表面にショットを投射することで行われる。
技術的思想４の工具の製造方法は、技術的思想３において、前記ショットは、前記工具基材の硬度よりも高い硬度を有する材料からなる。
技術的思想５の工具の製造方法は、技術的思想３又は４において、前記埋入工程の前に、前記ダイヤモンド粉末を前記工具基材に付着させる付着工程を備え、その付着工程では、溶媒に前記ダイヤモンド粉末を混合したダイヤモンド溶液を、前記工具基材の表面に塗布することで、前記ダイヤモンド粉末を前記工具基材に付着させる。
技術的思想６の工具の製造方法は、技術的思想２から５のいずれかにおいて、前記ダイヤモンド粉末の粒径が、１００ｎｍ以下に設定される。
＜効果＞
技術的思想１記載の工具または技術的思想２記載の工具の製造方法によれば、工具基材には、ダイヤモンド粉末がその一部を露出させた状態で埋入されているので、ダイヤモンド被膜を被覆する際には、ダイヤモンド粉末の露出した部分を覆うように被覆することで、そのダイヤモンド粉末の露出した部分を核として、ダイヤモンドを成長させることができる。その結果、鉄系材料からなる工具基材にダイヤモンド被膜を被覆することができる。
技術的思想３記載の工具の製造方法によれば、技術的思想２記載の工具の製造方法の奏する効果に加え、ダイヤモンド粉末を工具基材に効率的に埋入させることができる。例えば、ローラーの外周面でダイヤモンド粉末を工具基材の表面に押圧して埋入させる手法では、工具基材およびローラーの双方にダイヤモンド粉末が埋入してしまうところ、技術的思想４のように、ダイヤモンド粉末が付着された工具基材の表面にショットを投射する手法であれば、ショットの衝撃力を利用して、ダイヤモンド粉末を工具基材に効率的に埋入させることができる。
また、技術的思想３によれば、既存のショットピーニング装置を流用でき、新たな装置の導入を不要とできるので、設備コストの削減を図ることができる。更に、工具基材の形状が、例えば、ローラーを接触させることができないような複雑な形状であっても、ショットを衝突させて、ダイヤモンド粉末を工具基材に埋入させることができる。
技術的思想４記載の工具の製造方法によれば、技術的思想３記載の工具の製造方法の奏する効果に加え、ショットは、工具基材の硬度よりも高い硬度を有する材料からなるので、ショットがダイヤモンド粉末に衝突した際に、ダイヤモンド粉末がショットに埋入されることを抑制できる。即ち、ダイヤモンド粉末を工具基材に埋入させる効率を高めることができる。
また、このように、比較的硬度の高い材料からなるショットを利用することで、ダイヤモンド粉末に衝突した際のショットの粉砕を抑制して、ショットの運動エネルギーをダイヤモンド粉末へ確実に伝達させることができる。よって、この点からも、ダイヤモンド粉末を工具基材に埋入させる効率を高めることができる。
技術的思想５記載の工具の製造方法によれば、技術的思想３又は４に記載の工具の製造方法の奏する効果に加え、付着工程では、溶媒にダイヤモンド粉末を混合したダイヤモンド溶液を、工具基材の表面に塗布するので、ダイヤモンド粉末を工具基材に付着させる作業を簡易に行うことができる。また、ダイヤモンド溶液を工具基材に塗布する手法であれば、ダイヤモンド粉末のみが工具基材に付着される場合と比較して、例えば、塗布後に工具基材を搬送する際やその後にショットが衝突される際に、ダイヤモンド粉末が飛散することを、溶媒を利用して抑制でき、ダイヤモンド粉末を工具基材の表面に保持し易くすることができる。
技術的思想６記載の工具または工具の製造方法によれば、技術的思想１記載の工具または技術的思想２から５のいずれかに記載の工具の製造方法の奏する効果に加え、工具基材とダイヤモンド被膜との密着強度を確保できる。即ち、ダイヤモンド被膜の核となるダイヤモンド粉末の粒径が大き過ぎると、ダイヤモンド被膜の密着強度が低下するところ、技術的思想６では、ダイヤモンド粉末の粒径が１００ｎｍ以下に設定されるので、ダイヤモンド被膜の核となるダイヤモンド粉末の粒径を適正とすることができる。その結果、工具基材とダイヤモンド被膜との密着強度を確保できる。

１ 工具
１１ 工具基材
１２ ダイヤモンド粉末
１３ ダイヤモンド被膜

Claims (3)

1. 鉄系材料からなる工具基材にダイヤモンド被膜が被覆された工具の製造方法であって、
   ダイヤモンド粉末を前記工具基材に付着させる付着工程と、
   前記ダイヤモンド粉末をその一部が露出した状態で前記工具基材に埋入する埋入工程と、
   その埋入工程により前記ダイヤモンド粉末がその一部を露出させた状態で埋入された工具基材に対し、前記ダイヤモンド粉末の露出した部分を覆うように前記ダイヤモンド被膜を被覆する被覆工程と、を備え、
   前記付着工程では、溶媒に前記ダイヤモンド粉末を混合したダイヤモンド溶液を、前記工具基材の表面に塗布することで、前記ダイヤモンド粉末を前記工具基材に付着させ、
   前記溶媒は、前記埋入工程の前に、又は、前記被覆工程において除去され、
   前記埋入工程における前記ダイヤモンド粉末の前記工具基材への埋入は、前記ダイヤモンド粉末が付着された工具基材の表面にショットを投射することで行われるものであり、
   前記ショットは、粒径が、前記ダイヤモンド粉末の粒径より大きいことを特徴とする工具の製造方法。
2. 前記ショットは、前記工具基材の硬度よりも高い硬度を有する材料からなることを特徴とする請求項１記載の工具の製造方法。
3. 前記ダイヤモンド粉末の粒径が、１００ｎｍ以下に設定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の工具の製造方法。

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