JP7118292B1 - ダイヤモンド工具 - Google Patents
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Abstract
Description
上記特許文献1に開示されたダイヤモンド焼結体工具は、刃先の表面に占めるダイヤモンドの割合が低下するため、超硬合金等の難削材の切削に対して刃先強度が不足し、もって欠損が多発する傾向がある点で改良の余地がある。したがって、グラファイト層の潤滑性に基づく優れた耐摩耗性を維持しつつ、難削材の切削に対して要求される刃先強度を十分に備えることによって耐欠損性にも優れるダイヤモンド工具の実現には至っておらず、その開発が切望されている。
本開示によれば、特に耐欠損性が向上したダイヤモンド工具を提供することができる。
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を重ね、本開示に到達した。具体的には、レーザを用いてダイヤモンド(たとえば単結晶ダイヤモンドまたはバインダレス多結晶ダイヤモンド)から工具形状を形成し、かつ刃先形状を仕上げ加工する工程において、刃先の表面に位置するダイヤモンド粒子のダイヤモンド相中に、その強度に悪影響が及ばない適度な量のグラファイト相を生成させることに注目した。この場合において本発明者らは、上記グラファイト相による潤滑効果により工具の摺動性が改善されることを知見し、もってダイヤモンド粒子に本来備わる硬さと相まって顕著に耐欠損性が向上したダイヤモンド工具に到達した。
[1]本開示の一態様に係るダイヤモンド工具は、ダイヤモンドを少なくとも刃先に有するダイヤモンド工具であって、上記ダイヤモンドは、1または2以上のダイヤモンド粒子を含み、上記ダイヤモンド粒子は、ダイヤモンドの結晶構造からなるダイヤモンド相と、グラファイトの結晶構造からなるグラファイト相とを含み、上記ダイヤモンド粒子に対し、透過型電子顕微鏡を用いた電子エネルギー損失分光法で、炭素のK殻電子の励起に伴うエネルギー損失を測定することにより、上記グラファイト相における炭素のπ結合に由来するπ*ピークの強度と、上記グラファイト相における炭素のσ結合、および上記ダイヤモンド相における炭素のσ結合に由来するσ*ピークの強度との比Iπ*/Iσ*を求めた場合、上記刃先の表面における上記ダイヤモンド粒子の上記比Iπ*/Iσ*は0.1~2であり、かつ上記刃先の表面から上記刃先の表面の法線方向に沿って0.5μmの深さ位置における上記ダイヤモンド粒子の上記比Iπ*/Iσ*は0.001~0.1である。このような特徴を備えるダイヤモンド工具は、耐欠損性を向上させることができる。
以下、本開示の実施形態(以下、「本実施形態」とも記す)を詳細に説明する。以下の説明において「A~B」という形式の表記は、範囲の上限下限(すなわちA以上B以下)を意味し、Aにおいて単位の記載がなく、Bにおいてのみ単位が記載されている場合、Aの単位とBの単位とは同じである。
本実施形態に係るダイヤモンド工具は、ダイヤモンドを少なくとも刃先に有するダイヤモンド工具である。上記ダイヤモンド工具は、刃先に有するダイヤモンド中のダイヤモンド粒子の特徴に基づき、この種の従来公知のダイヤモンド工具に比べ、顕著に耐欠損性を向上させることができる。このため本実施形態に係るダイヤモンド工具は、たとえば切削工具としてドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型切削チップ、エンドミル用刃先交換型切削チップ、フライス加工用刃先交換型切削チップ、旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどの用途に好適である。さらに上記ダイヤモンド工具は、ダイス、スクライバー、スクライビングホイール、ドレッサーなどの耐摩工具、ならびに研削砥石などの研削工具としての用途にも好適である。
本実施形態に係るダイヤモンド工具は、上述のようにダイヤモンドを少なくとも刃先に有する。上記ダイヤモンドは、具体的には単結晶ダイヤモンド(以下、「SCD」とも記す)、バインダレス多結晶ダイヤモンド(以下、「BLPCD」とも記す)または多結晶焼結ダイヤモンド(以下、「PCD」とも記す)であることが好ましい。
本実施形態に係るダイヤモンド工具において刃先に位置するダイヤモンドは、上述のように1または2以上のダイヤモンド粒子を含む。上記ダイヤモンド粒子は、ダイヤモンドの結晶構造からなるダイヤモンド相と、グラファイトの結晶構造からなるグラファイト相とを含む。上記ダイヤモンド粒子に対し、透過型電子顕微鏡を用いた電子エネルギー損失分光法(以下、「TEM-EELS法」とも記す)で、炭素のK殻電子の励起に伴うエネルギー損失を測定することにより、上記グラファイト相における炭素のπ結合に由来するπ*ピークの強度と、上記グラファイト相における炭素のσ結合、および上記ダイヤモンド相における炭素のσ結合に由来するσ*ピークの強度との比Iπ*/Iσ*を求めた場合、上記刃先の表面における上記ダイヤモンド粒子の上記比Iπ*/Iσ*は0.1~2であり、かつ上記刃先の表面から上記刃先の表面の法線方向に沿って0.5μmの深さ位置における上記ダイヤモンド粒子の上記比Iπ*/Iσ*は0.001~0.1である。これによりダイヤモンド工具は、耐欠損性を向上させることができる。
まず後述する製造方法に基づいてダイヤモンド工具を製造する。次いで上記ダイヤモンド工具の刃先からダイヤモンド(SCD、BLPCDまたはPCD、図1においてはSCD)のサンプルを採取し、アルゴンイオンスライサーを用いて上記サンプルを刃先の表面の法線方向と平行な面で切断することにより、厚み3~100nmの切片を作製する。さらに、上記切片を透過型電子顕微鏡(TEM、商品名:「JEM-2100F/Cs」、日本電子株式会社製)を用いて10万~100万倍で観察することにより上記サンプル中の刃先の表面に位置するダイヤモンド粒子20の断面透過像を得る。
本実施形態に係るダイヤモンド工具は、上述したように刃先の表面におけるダイヤモンド粒子の比Iπ*/Iσ*が0.1~2であり、かつ上記刃先の表面から刃先の表面の法線方向に沿って0.5μmの深さ位置におけるダイヤモンド粒子の比Iπ*/Iσ*が0.001~0.1である。これにより刃先に位置するダイヤモンド粒子において、刃先の強度に悪影響が及ばない適度な量のグラファイト相を有することができる。この場合、上記グラファイト相がその軟質性に基づいて潤滑剤のような役割を果たすことにより、工具の摺動性を改善し、もって耐欠損性を向上させることができる。本実施形態に係るダイヤモンド工具は、上記グラファイト相の潤滑剤のような役割によって耐摩耗性も向上する。さらに本実施形態に係るダイヤモンド工具は、上記刃先の表面から刃先の表面の法線方向に沿って0.2μmの深さ位置におけるダイヤモンド粒子の比Iπ*/Iσ*が0.001~0.1であることが好ましい。この場合、耐欠損性をより向上させることができる。
本実施形態に係るダイヤモンド工具は、刃先に対して実行される後述の刃先を仕上げ加工する工程を除き、従来公知のダイヤモンド工具の製造方法を行うことにより製造することができる。たとえば次の製造方法を用いることにより、本実施形態に係るダイヤモンド工具を製造することが好ましい。
第1工程は、上記ダイヤモンド工具において刃先に位置するダイヤモンドを準備する工程である。第1工程では、具体的には、上記ダイヤモンドとしてSCD、BLPCDまたはPCDを準備する。SCD、BLPCDおよびPCDの三者はいずれも、これを得るための従来公知の製造方法を用いることにより準備することができる。たとえばSCDは、従来公知のHTHP法、CVD法などを用いることにより準備することができる。さらにBLPCDは、グラファイトを出発材料として従来公知のHTHP法を用いて焼結することによりダイヤモンド粒子に変換し、同時に上記ダイヤモンド粒子同士を結合させることにより準備することができる。PCDは、結合材と、従来公知のHTHP法等により製造したダイヤモンド粒子とを混合した混合物を焼結することにより準備することができる。
第2工程は、上記ダイヤモンド(SCDまたはBLPCD)を所定の工具形状に切出す工程である。第2工程についても、従来公知の方法により行うことができる。たとえば従来公知の放電加工機を用いた放電加工、研削加工機を用いた研削加工およびレーザ加工機を用いたレーザ加工の少なくともいずれかにより、上記ダイヤモンドを所定の工具形状に切出すことができる。換言すれば第2工程は、ダイヤモンドを所定の手段を用いて粗加工および精密加工することにより、所定の工具形状に切出す工程である。上記ダイヤモンドは、たとえばダイヤモンド工具が旋削加工用刃先交換型切削チップである場合、長さが2~6mm、幅が1~6mm、厚みが0.3~2mmのチップ形状として切出すことが好ましい。記ダイヤモンドは、たとえばダイヤモンド工具がドリルである場合、長さが0.5~5mm、直径が0.5~5mmの円柱体形状として切出すことが好ましい。
第3工程は、上記工具形状に切出されたダイヤモンドを、ろう付けにより台金と接合する工程である。第3工程についても、従来公知の方法により行うことができる。具体的には、上記工具形状に切出されたダイヤモンドにおける刃先が形成された側とは逆側となる端面に、台金をろう付けすることにより接合することができる。台金は、上述したように超硬合金などの従来公知の材料により準備することができる。たとえば上記台金の材料として、住友電気工業株式会社製のイゲタロイ(登録商標、材種:G10E、AFUなど)を好適に用いることができる。台金の形状は、上記ダイヤモンドの形状に対応させて形成することができる。さらに、ろう付けとしては、たとえば銀蝋を用いたろう付けが好適である。これにより次の工程(第4工程)において、上記ダイヤモンドに向けてレーザを照射することが便宜となり、上記ダイヤモンドの刃先を仕上げ加工に供することが容易となる。
第4工程は、台金と接合したダイヤモンドに対しレーザ加工を実行することにより、ダイヤモンド工具の刃先を仕上げ加工する工程である。第4工程により、刃先に位置したダイヤモンド粒子に上述した特徴を有するグラファイト相を形成することができる。第4工程では、刃先に位置したダイヤモンド粒子に対し、たとえば次に説明する条件の下でレーザ加工を行うことができる。
本実施形態に係るダイヤモンド工具は、すくい面、逃げ面、ならびに上記すくい面および上記逃げ面が交差する稜線を含む刃先の少なくとも一部を覆う被膜を含むことができる。この場合、本実施形態に係るダイヤモンド工具の製造方法として、上記ダイヤモンド工具を被膜により被覆する工程を含むことが好ましい。この工程は、従来公知の方法を用いることができる。たとえばイオンプレーティング法、アークイオンプレーティング法、スパッタ法およびイオンミキシング法などの物理蒸着法が挙げられる。さらに化学蒸着法によって上記ダイヤモンド工具を被膜により被覆することも可能である。
以上により、本実施形態に係るダイヤモンド工具を製造することができる。上記ダイヤモンド工具は、刃先の仕上げ加工時に刃先の表面のダイヤモンド粒子におけるダイヤモンドの結晶構造からグラファイトの結晶構造への変態が抑制されている。このため上記ダイヤモンド工具は、刃先の表面に位置したダイヤモンド粒子に対し、TEM-EELS法で炭素のK殻電子の励起に伴うエネルギー損失を測定することにより、グラファイト相における炭素のπ結合に由来するπ*ピークの強度と、グラファイト相における炭素のσ結合、およびダイヤモンド相における炭素のσ結合に由来するσ*ピークの強度との比Iπ*/Iσ*を求めた場合、上記刃先の表面におけるダイヤモンド粒子の上記比Iπ*/Iσ*は0.1~2となり、かつ上記刃先の表面から刃先の表面の法線方向に沿って0.5μmの深さ位置におけるダイヤモンド粒子の上記比Iπ*/Iσ*は0.001~0.1となる。もって上記の製造方法により、耐欠損性を向上させたダイヤモンド工具を得ることができる。
以上の説明は、以下に付記する実施形態を含む。
ダイヤモンドを少なくとも刃先に有するダイヤモンド工具であって、
前記ダイヤモンドは、1または2以上のダイヤモンド粒子を含み、
前記ダイヤモンド粒子は、ダイヤモンドの結晶構造からなるダイヤモンド相と、グラファイトの結晶構造からなるグラファイト相とを含み、
前記ダイヤモンド粒子に対し、透過型電子顕微鏡を用いた電子エネルギー損失分光法で、炭素のK殻電子の励起に伴うエネルギー損失を測定することにより、前記グラファイト相における炭素のπ結合に由来するπ*ピークの強度と、前記グラファイト相における炭素のσ結合、および前記ダイヤモンド相における炭素のσ結合に由来するσ*ピークの強度との比Iπ*/Iσ*を求めた場合、前記刃先の表面における前記ダイヤモンド粒子の前記比Iπ*/Iσ*は0.1~2であり、かつ前記刃先の表面から前記刃先の表面の法線方向に沿って0.5μmの深さ位置における前記ダイヤモンド粒子の前記比Iπ*/Iσ*は0.001~0.1である、ダイヤモンド工具。
上記刃先の表面における上記ダイヤモンド粒子の上記比Iπ*/Iσ*は0.6~1であり、かつ上記刃先の表面から上記刃先の表面の法線方向に沿って0.5μmの深さ位置における上記ダイヤモンド粒子の上記比Iπ*/Iσ*は0.002~0.01である、付記1に記載のダイヤモンド工具。
上記刃先の表面から上記刃先の表面の法線方向に沿って0.2μmの深さ位置における上記ダイヤモンド粒子の上記比Iπ*/Iσ*は、0.002~0.01である、付記1または付記2に記載のダイヤモンド工具。
<試料1>
(第1工程)
カタログ番号「NF-DNMA150408」(住友電気工業株式会社)で規定される旋削用インサートを製造するべく、ダイヤモンド焼結体(PCD)を従来公知のHTHP法(圧力6GPa、温度1500℃で15分間焼結)を用いることにより準備した。このPCDを構成するダイヤモンド粒子の粒径(D50)は、10μmであった。
上記PCDに対し、市販のワイヤー放電加工機を用いることにより、頂角が55°の二等辺三角形(底辺6.5mm×高さ5mm)を切出した。なお上記の旋削用インサート形状は、すくい面と、逃げ面と、上記すくい面および上記逃げ面が交差する稜線とを含み、上記すくい面は、上記稜線を介して上記逃げ面へと連なる。さらに上記旋削用インサート形状は、上記すくい面の一部と、上記逃げ面の一部と、上記稜線とで刃先が構成される。具体的には、上記旋削用インサート形状は、上記稜線と該稜線からすくい面側および逃げ面側にそれぞれ0.5mm離れた領域とで刃先が構成される。
住友電気工業株式会社製の超硬合金であるイゲタロイ(登録商標、材種:G10E)を加工することにより台金を準備した。この台金と、上記の二等辺三角形に切出されたPCDとをろう付けにより接合した。
上記台金と接合したPCDを研削加工することにより刃先を形成した後、刃先のうち逃げ面側にのみ、以下の照射条件の下でレーザ加工を実行することにより、上記刃先を仕上げ加工した。
レーザ波長:1064nm
レーザスポット径:40μm(半値幅)
レーザ焦点深度:1.5mm
レーザ出力:5W(加工点)
レーザ走査速度:10mm/min
レーザパルス幅:10ps(ピコ秒)
レーザ繰り返し周波数:200kHz。
第4工程において、ダイヤモンド(PCD)からなる刃先のうちすくい面側にのみ、試料1と同条件のレーザ加工を実行すること以外、試料1と同じ方法を用いることにより試料2の旋削用インサート(ダイヤモンド工具)を得た。
第4工程において、ダイヤモンド(PCD)からなる刃先のうち逃げ面側およびすくい面側の両者に、試料1と同条件のレーザ加工を実行すること以外、試料1と同じ方法を用いることにより試料3の旋削用インサート(ダイヤモンド工具)を得た。
第4工程において、ダイヤモンド(PCD)からなる刃先の逃げ面側に対してレーザ加工をする際に、上記刃先の逃げ面側にボルテックスチューブ(虹技株式会社製)を用いて圧縮空気を加工部に吹きかけて冷却し、かつレーザ出力を10Wとすること以外、試料1と同じ方法を用いることにより試料4の旋削用インサート(ダイヤモンド工具)を得た。
第4工程において、ダイヤモンド(PCD)からなる刃先のすくい面側に対してレーザ加工をする際に、上記刃先のすくい面側にボルテックスチューブ(虹技株式会社製)を用いて圧縮空気を加工部に吹きかけて冷却し、かつレーザ出力を10Wとすること以外、試料2と同じ方法を用いることにより試料5の旋削用インサート(ダイヤモンド工具)を得た。
第4工程において、ダイヤモンド(PCD)からなる刃先の逃げ面側およびすくい面側の両者に対してレーザ加工をする際に、上記刃先の逃げ面側およびすくい面側の両者にボルテックスチューブ(虹技株式会社製)を用いて圧縮空気を加工部に吹きかけて冷却し、かつレーザ出力を10Wとすること以外、試料3と同じ方法を用いることにより試料6の旋削用インサート(ダイヤモンド工具)を得た。
第4工程において、ダイヤモンド(PCD)からなる刃先の逃げ面側に対してレーザ加工をする際に、上記刃先の逃げ面側にボルテックスチューブ(虹技株式会社製)を用いて圧縮空気を加工部に吹きかけて冷却し、かつレーザ出力を3Wとすること以外、試料1と同じ方法を用いることにより試料7の旋削用インサート(ダイヤモンド工具)を得た。
第4工程において、ダイヤモンド(PCD)からなる刃先のすくい面側に対してレーザ加工をする際に、上記刃先のすくい面側にボルテックスチューブ(虹技株式会社製)を用いて圧縮空気を加工部に吹きかけて冷却し、かつレーザ出力を3Wとすること以外、試料2と同じ方法を用いることにより試料8の旋削用インサート(ダイヤモンド工具)を得た。
第4工程において、ダイヤモンド(PCD)からなる刃先の逃げ面側およびすくい面側の両者に対してレーザ加工をする際に、上記刃先の逃げ面側およびすくい面側の両者にボルテックスチューブ(虹技株式会社製)を用いて圧縮空気を加工部に吹きかけて冷却し、かつレーザ出力を3Wとすること以外、試料3と同じ方法を用いることにより試料9の旋削用インサート(ダイヤモンド工具)を得た。
第4工程において、ダイヤモンド(PCD)からなる刃先の逃げ面側およびすくい面側の両者に対し、レーザ加工を行うことに代えて砥石を用いて研削加工を行うこと以外、試料3と同じ方法を用いることにより試料10の旋削用インサート(ダイヤモンド工具)を得た。
試料1~試料10の旋削用インサートの刃先(逃げ面側およびすくい面側の両者)の表面に位置した各ダイヤモンド粒子に対し、上述したTEM-EELS法を用いた測定方法をそれぞれ実行することにより、刃先の表面におけるダイヤモンド粒子の比Iπ*/Iσ*、刃先の表面から刃先の表面の法線方向に沿って0.2μmの深さ位置におけるダイヤモンド粒子の比Iπ*/Iσ*、および刃先の表面から刃先の表面の法線方向に沿って0.5μmの深さ位置におけるダイヤモンド粒子の比Iπ*/Iσ*をそれぞれ求めた。結果を表1に示す。
試料1~試料10の旋削用インサートを用い、被削材として超硬合金(VM-40(寸法:直径φ60mm×長さ100mm)、硬度:HRA88)を準備し、当該被削材を以下の切削条件により切削した。本切削試験では、上記被削材を切削することによって刃先に欠損およびチッピングのいずれかの大きさが0.1mmを超えた時点で切削を中止し、試験の開始から当該時点に至る時間(単位は、分)を評価した。上記時間が長いほど耐欠損性が向上していると評価することができる。結果を表1中の「耐欠損性(min)」の項目に示す。
加工機:旋盤
切削速度Vc:10m/min
送り速度f:0.05mm/rev
切込み量ap:0.05mm/rev
切削油(クーラント):なし。
試料1、試料2、試料4、試料5、試料7および試料8の旋削用インサートは、上述した第4工程によって、刃先のすくい面側および逃げ面側の表面に位置した各ダイヤモンド粒子のいずれかにおいて、刃先の表面におけるダイヤモンド粒子の比Iπ*/Iσ*が0.1~2となり、かつ刃先の表面から刃先の表面の法線方向に沿って0.5μmの深さ位置におけるダイヤモンド粒子の比Iπ*/Iσ*が0.001~0.1となるダイヤモンド工具が製造される例である。試料3、試料6および試料9のエンドミルは、上述した第4工程によって、刃先のすくい面側および逃げ面側の表面に位置した各ダイヤモンド粒子の両者において、刃先の表面におけるダイヤモンド粒子の比Iπ*/Iσ*が0.1~2となり、かつ刃先の表面から刃先の表面の法線方向に沿って0.5μmの深さ位置におけるダイヤモンド粒子の比Iπ*/Iσ*が0.001~0.1となるダイヤモンド工具が製造される例である。試料10の旋削用インサートは、従来の砥石を用いた研削加工を用いてダイヤモンド工具が製造される例である。
Claims (4)
- ダイヤモンドを少なくとも刃先に有するダイヤモンド工具であって、
前記ダイヤモンドは、1または2以上のダイヤモンド粒子を含み、
前記ダイヤモンド粒子は、ダイヤモンドの結晶構造からなるダイヤモンド相と、グラファイトの結晶構造からなるグラファイト相とを含み、
前記ダイヤモンド粒子に対し、透過型電子顕微鏡を用いた電子エネルギー損失分光法で、炭素のK殻電子の励起に伴うエネルギー損失を測定することにより、前記グラファイト相における炭素のπ結合に由来するπ*ピークの強度と、前記グラファイト相における炭素のσ結合、および前記ダイヤモンド相における炭素のσ結合に由来するσ*ピークの強度との比Iπ*/Iσ*を求めた場合、前記刃先の表面における前記ダイヤモンド粒子の前記比Iπ*/Iσ*は0.1~2であり、かつ前記刃先の表面から前記刃先の表面の法線方向に沿って0.5μmの深さ位置における前記ダイヤモンド粒子の前記比Iπ*/Iσ*は0.001~0.1である、ダイヤモンド工具。 - 前記刃先の表面から前記刃先の表面の法線方向に沿って0.2μmの深さ位置における前記ダイヤモンド粒子の前記比Iπ*/Iσ*は0.001~0.1である、請求項1に記載のダイヤモンド工具。
- 前記ダイヤモンドは、単結晶ダイヤモンド、バインダレス多結晶ダイヤモンドまたは多結晶焼結ダイヤモンドである、請求項1または請求項2に記載のダイヤモンド工具。
- 前記ダイヤモンド工具は、すくい面と、逃げ面と、前記すくい面および前記逃げ面が交差する稜線とを含み、
前記すくい面は、前記稜線を介して前記逃げ面へと連なり、
前記ダイヤモンド工具は、前記すくい面の一部と、前記逃げ面の一部と、前記稜線とで刃先が構成され、
前記刃先の表面は、前記刃先の少なくとも一部の表面である、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のダイヤモンド工具。
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