JPH01225774A - 高硬度多結晶ダイヤモンド工具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 イ１発明の目的 （ａ）　　産業上の利用分野 本発明は切削工具或いは耐摩工具として用いられるダイ
ヤモンド工具に関するものである。

ら）　従来の技術 ダイヤモンド微粉末を超高圧下で焼結してなるダイヤモ
ンド焼結体は、既に非鉄金属間の切削加工用工具、ドリ
ルビットあるいは線引ダイスなどに広く使用されている
。

たとえば特公昭５２−１２１２６号公報には、この種の
焼結体の製法が開示されており、そこではダイヤモンド
の粉末をＷ　Ｃ−Ｃｏ超硬合金の成形体または焼結体に
接するように配置し、超硬合金の液相が生じる温度以上
の温度ならびに超高圧下で焼結が行なわれる。このとき
、超硬合金中のＣｏの一部は、ダイヤモンド粉末層中に
侵入し、結合金属として作用する。この先行技術に開示
された方法で作られたダイヤモンド焼結体は、約１０〜
１５体積％のＣ。

を含有する。

（Ｃ）　　発明が解決しようとする課題上記した焼結体
は、非鉄金属などの切削加工用工具としては十分実用的
な性能を有する。しかしながら、耐熱性において劣ると
いう欠点があった。

たとえば、この焼結体を７５０℃以上の温度に加熱する
と、耐摩耗性および強度の低下が見られ、さらに９００
℃以上の温度では焼結体が破壊することになる。これは
、ダイヤモンド粒子と結合材であるＭｏとの界面におい
てダイヤモンドの黒鉛化が生じること、ならびに両者の
加熱時における熱膨張率の差に基づく熱応力によるもの
と考えられている。

また、Ｃｏを結合材とした焼結体を熱処理して大部分の
結合金属相を除去したものでは、焼結体の耐熱性が向上
することが知られている。

たとえば特開昭’５３−１１４５８９号公報には、耐熱
性の改善されたダイヤモンド焼結体の製造方法が開示さ
れている。しかしながら、この先行技術では、除去され
た結合金属相の部分は空孔となるため、耐熱性こそ向上
するが、強度が低下するという問題があった。

他方、ダイヤモンドの粉末のみを超高圧下で焼結する試
みも行なわれているが、ダイヤモンド粒子自身が変形し
難いため、粒子の間隙には圧力が伝達されず、したがっ
て黒鉛化が生じ、ダイヤモンド−黒鉛の複合体しか得ら
れていない。

さらにダイヤモンドのみからなる多結晶体を薄膜として
コーティングした工具は知られているが、この種の工具
は膜厚が薄く、かつ基板との密着強度が不十分であった
ため、十分な性能が得られていない。

それゆ゛えに、この発明の目的は、耐熱性および強度の
双方に優れた多結晶ダイヤモンド工具を提供することに
ある。

口９発明の構成 （ａ）　　課題を解決するための手段 本発明者達は、上記の問題点を鋭意検討した結果、下記
の発明をなしたものである。

すなわち、低圧気相法により合成された実質的にダイヤ
モンドのみからなる多結晶ダイヤモンドの厚さが０．１
〜３．０ｍｍで、かつこの多結晶体が、厚さ１〜５００
μｍのＭｏ或いはＷからなる基板に直接接合しているこ
とを特徴とする高硬度多結晶ダイヤモンド工具である。

ら）作用 この発明による多結晶ダイヤモンド工具は、従来の焼結
ダイヤモンドに比べて耐熱性が大幅に改善されており、
約１３００℃の温度への加熱に対しても耐え得ることが
わかった。耐熱性が著しく向上した理由としては、実質
的にダイヤモンドのみからなり、熱劣化を促進させる結
合相が存在しないことが考えられる。

また、このことは強度の点からも従来の焼結ダイヤモン
ドより優れるという特徴を付与している。

この発明の実施に際し、多結晶ダイヤモンドの合成は、
ダイヤモンドが熱力学的に準安定な低圧条件下で気相か
ら析出させる方法による。この低圧気相法は■化学蒸着
法（ＣＶＤ）　　■プラズマＣＶＤ　　■イオンビーム
蒸着法に大別されるが、所望の方法を選択して実施する
ことができる。

これらの方法により０．１〜３．０ｍｍの厚さの実質的
にダイヤモンドのみからなる多結晶体を作製する。

ここで厚さ０．１ｍｍ以上とするのは実際に切削工具と
して使用した場合、工具寿命時の逃げ面摩耗幅が０．１
１ＩＩｆｆ＋以上となることが多いことによる。また３
、０ｍｍ以下とするのは一般的に使用される工具厚さを
示すもので、特に限定されるものではない。

さらに、耐摩耗性を特に要求する場合には、その厚さを
０．５ｍｍ以上とすればよい。これは多結晶体の厚さが
厚くなれば放熱特性が良好となり、工具使用時の刃先温
度の上昇が防止されるためと考えられる。通常使用され
る多結晶体の厚さとしては、０．５〜１．０ｍｍ程度が
一般的である。

上記の多結晶体は、厚さ１〜５００μｍのＭｏ或いはＷ
を基板として、その上に析出させて直接接合体を得る。

ここでＭｏ、　　Ｗを基板として用いる理由は、ダイヤ
モンドとの熱膨張率差が少ないため接合強度が高められ
る他、剛性率が高くまた、ろう付けもしやすいので工具
基材として相応しい材質で、上記の方法により得られた
多結晶体工具は基板のＭｏ或いはＷを支持部材とし、そ
のまま工具として使用することができるが、通常はこの
基板を鋼或いは焼結金属炭化物にろう付けして工具とし
て使用する。

尚、基板の厚さを上記の範囲にする理由は、１μｍ未満
であるき薄すぎて接合強度が不十分であること、また５
００μｍを越えるき、コストが高くなる点が問題となる
。

通常、好ましくはその厚さを１０〜１００μｍとする。

さらに、多結晶ダイヤモンドと基板との接合強度を高め
るためには、使用する基板を予めＲｍａｘで０．１〜２
．０μｍの面状態としておくことが重要である。ここで
その範囲を上記のように限定するのは、０．１μｍ以下
ではダイヤモンドの析出が少なくなること、また２、０
μｍ以上では表面の凹凸が著しく、深い谷の部分にダイ
ヤモンドが析出せず、接合強度が低下するためである。

（Ｃ）　　実施例 以下、実施例に基づきこの発明の詳細な説明する。

（実施例１） マイクロ波プラズマＣＶＤ法により表面粗度をＲｍａｘ
ｏ、　５μｍにした基板に厚さ５０μｍのＭｏを使用し
て、７時間で０．８ｍｍの厚さの多結晶ダイヤモンドを
合成した。

合成は以下の条件に従って行った。

圧力　：　　３００Ｔｏｒｒ マイクロ波発振機出力　７８０Ｗ 得られた多結晶ダイヤモンドは粒径２μｍ程度で、測定
の結果比重は３．５１を示し、またラテン分光分析によ
る同定ではダイヤモンド単相からなることが明らかきな
った。

この方法により得られた工具素材を超硬合金にろう付け
した後、研削加工して切削チップを作製した。比較とし
て　■ＣｏｆｅｌＯ容量％含有する市販の焼結ダイヤモ
ンドならびに　■これを酸処理してＣｏを抽出したもの
についても切削゛チップを作製し、性能を評価した。評
価結果を第１表示す。

尚、この評価は被削材にヴイッカース硬度２０００のア
ルミナ焼結体を用い、切削速度：　　３０　ｍ／ｍｉｎ
及び８０ｍ　／　ｍｉｎ、　　切り込み：　０．２ｍｍ
、送り０．０２５ｍｍ／　ｒｅｖ、　　ならびに切削長
：４００ｍ、湿式の条件で行った。

この結果、■は■に比べて耐熱性が向上しているため、
８０ｍ　／　ｍｉｎの切削速度条件で摩耗量が小さくな
っていると考えられるが、切削抵抗（特に背分力）が増
大する３０ｍ　／　ｍｉｎの切削速度条件では、強度不
足のためすくい面が剥離状に欠損したと思われる。本発
明の多結晶ダイヤモンド工具は、■、■に比べ強度・耐
摩耗性・耐熱性のいずれもが向上しているため、切削速
度に依存せず、摩耗量がはるかに少ないものであること
が明らかとなった。

（実施例２） 実施例１と同様のマイクロ波プラズマＣＶＤにより第２
表に示した条件で、多結晶ダイヤモンドを合成した。（
Ａ−１）このうちＨはダイヤモンドの析出が少なく膜厚
が５０μｍと薄かった。またＩは合成後、反応容器から
とり出す際に基板から剥離してしまった。Ｈ，Ｉを除い
たものについて超硬合金製の台金に銀ろうでロウ付は後
、研削して切削チップを作製して性能評価を行った。

比較として、ｃｏを含有する市販の焼結ダイヤモンド（
Ｊ、Ｋ）超硬合金に薄膜ダイヤモンドコーティングした
もの（Ｌ、Ｍ）も工具作製を行った本発明によるもの（
Ａ−Ｇ）は、いずれもダイヤモンド単相からなりグイッ
カース硬度１００００〜１２０００Ｋｇ／　ｍｍ２を示
したが、このうち基板にＴｉを用いたＤは工具作製時に
剥離してしまった。

第３表に切削試験の結果を示す。尚、切削条件は被削材
にＡｌ−２０％Ｓｉを用いて、切削速度：　　５００ｍ
ｍ／　ｒｅｖ、切り込み：　０．４ｍｍ　、送り：　Ｏ
０ｉｏｏｍ／　ｒｅｖ。

切削時間：　３０ｍ１ｎ　、乾式外周長手方向旋削によ
り行った。

従来の焼結ダイヤモンドは摩耗が大きく、また薄膜ダイ
ヤモンドコーティング工具はコーテイング膜の密着強度
が弱いため剥離が生じたのに対し、本発明による工具は
、欠損・剥離等が生ずることなく、極めて高い耐摩耗特
性を有することが判明した。

（実施例３） 高周波プラズマＣＶＤ及び熱フィラメン）ＣＶＤにより
多結晶ダイヤモンドを合成した。

前者の方法では基板に面粗度がＲｍａｘで０．３μｍ。

厚さ５０μｍのＭｏを用い、真空排気した後、これを９
００℃に加熱した。その後モル比でＣＨ，：Ｈ２＝１＋
３００の混合ガスを４０ｃｃ／　ｍｉｎで流し、バルブ
調整を行って反応室内の圧力を３５Ｔｏｒｒにした。次
に高周波発振機により　８５０Ｗの出力を付与し、プラ
ズマの誘起を行って厚さ０．８ｍｍの多結晶ダイヤモン
ドを合成した。

後者の方法では基板に面粗度がＲｍａｘで０．６μｍ。

厚さ２５μｍのＷを使用して、真空排気後９５０℃に加
熱した。これに上記と同組成の混合ガスを７０ｃｃ／　
ｍｉｎで流した。尚、圧力は５０Ｔｏｒｒ一定となるよ
う調整を行った。次にＷ製フィラメントに電流を流し、
フィラメント温度を２１００℃としてダイヤモンドを析
出させた。

上記の方法により、厚さ０．８ｍｍの多結晶ダイヤモン
ドを合成した後、切削チップ作製し、実施例１と同じ評
価方法により切削性能を調べた。

第４表にその結果を示す。これより合成法によらず優れ
た工具が得られることが明らかとなった。

ハ、　発明の効果 上述の如く、本発明によれば低圧気相法により合成され
た実質的にダイヤモンドのみからなる多結晶ダイヤモン
ドの厚さが０．１〜３．Ｏｍｍで、かつこの多結晶体が
厚さ１〜５００ＡｉｍのＭｏ或いはＷからなる基板に直
接接合していることを特徴とする高硬度多結晶ダイヤモ
ンド工具を得ることができるので、切削工具、掘削工具
、ドレッサーなどの各種工具材料として、強度、耐摩耗
性、耐熱性に優れた多結晶ダイヤモンド工具が得られる
。

特に、従来の焼結ダイヤモンドと異なり、強度を低下さ
せることなく耐熱性を大幅に改善することができるため
、工具材としての適性範囲を飛躍的に拡大することがで
きる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）低圧気相法により合成された実質的にダイヤモン
   ドのみからなる多結晶ダイヤモンドの厚さが０．１〜３
   ．０ｍｍで、かつこの多結晶体が、厚さ１〜５００μｍ
   のＭｏ或いはＷからなる基板に直接接合していることを
   特徴とする高硬度多結晶ダイヤモンド工具。（２）多結
   晶ダイヤモンドの厚さが０．５〜１．０ｍｍであること
   を特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の高硬度多
   結晶ダイヤモンド工具。 （３）Ｍｏ或いはＷからなる基板の厚さが１０〜１００
   μｍであることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項
   および第（２）項記載の高硬度多結晶ダイヤモンド工具
   。