JPH04146007A - 多結晶ダイヤモンド切削工具およびその製造方法 - 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】 「産業上の利用分野」 この発明は特に非鉄金属、非金属の仕上げ加工に最適な
、刃立性に優れた多結晶ダイヤモンド切削工具およびそ
の製造方法に関する。

「従来の技術」 ダイヤモンドは硬度と熱伝導率が高いため切削工具や耐
摩工具として使用されている。しかし単結晶ダイヤモン
ドはへき関するという欠点があり、この欠点を抑制する
ために特公昭５２−１２１２６号公報に記載されている
ように超高圧焼結技術を用いてダイヤモンド同志を焼結
したダイヤモンド焼結体が開発されている。

市販されているダイヤモンド焼結体のうち特に粒径が数
十μｍ以下の微粒のものは上記した単結晶ダイヤモンド
に見られるへき開現象が生ずることなく優れた耐摩耗性
を示すことが知られている。

「発明が解決しようとする課題」 しかしながらこれらのダイヤモンド焼結体は数〜数十％
の結合材（バインダー）を含有するため、構成する粒子
単位でチッピングが生ずるという問題点がある。特にこ
の現象は工具刃先のくさび角が小さくなると顕著になり
、鋭利な切れ刃をもった工具の作製は極めて困難である
。工具作製時での刃先のチッピングを抑えるために、例
えば＃３０００〜＃５０００といった微粒のダイヤモン
ド砥石を使用する方法がとられる場合もあるが、この方
法でも５μｍ以下にチッピングを抑えることは不可能で
ある。またこの方法では、砥石の粒度を小さくすること
による加工効率の低下という問題点が生ずるため好まし
くない。

研削加工以外のダイヤモンド焼結体の加工法としては、
放電加工やレーザー加工が知られているが、これらの加
工方法を行っても結合材を含有している影響で良好な刃
カ性をもった工具が得られないのが現状である。

本発明者等はダイヤモンド焼結体のがわりに結合材を含
まない多結晶ダイヤモンド、すなわち低圧気相法により
合成された多結晶ダイヤモンドを工具素材とすることに
よりこれらの問題点が改善できるのではないかと考えた
。本発明者等はこの多結晶ダイヤモンドを素材にした切
削工具の例を特開平２−２１２７　Ｇ　７号としてその
製造方法とあわせて開示した。しかしながらこの素材を
もってしても研削加工により刃先形成を行うと５μｍ程
度のチッピングが生ずることは避けられなかっｔこ。

本発明においては上記の問題点を踏まえ、現状より優れ
た刃立性を有し、特に仕上げ加工用として相応しい多結
晶ダイヤモンド工具を提供せんとするものである。

「課題を解決するための手段」 上記の目的を達成するために、本発明においては低圧気
相法により合成された多結晶ダイヤモンドを工具素材と
し、かつ刃先形成のための加工法としてレーザー加工を
適用することが有効であることを見出した。

すなわち、低圧気相法により合成された多結晶ダイヤモ
ンドを工具素材とし、該工具素材の刃先逃げ面１．低圧
気相法により形成された黒鉛によって被覆されたもので
あって、そのすくい面がＲｍａｘで０．１１１ｍ以下の
鏡面状態であることを特徴とする多結晶ダイヤモンド工
具、あるいは低圧気相法によって合成された多結晶ダイ
ヤモンドを工具素材とし、該工具素材が工具支持体に接
合され、かつその刃先逃げ面１．低圧気相法により形成
された黒鉛によって被覆されたものであって、そのすく
い面がＲｍａｘで０．１μｍ以下の鏡面状態であること
を特徴とする多結晶ダイヤモンド切削工具が有効である
ことを見出した。

「作用」 本発明の実施に際し、多結晶ダイヤモンドの合成は公知
の全ての低圧気相法を適用することが可能である。すな
わち、熱電子放射やプラズマ放電を利用して原料ガスを
分解、励起を生じさせる方法や燃焼炎を用いた成膜方法
が有効である。原料ガスとしては、例えばメタン、エタ
ン、プロパン等の炭化水素類、メタノール、エタノール
等のアルコール類、エステル類等の有機炭素化合物と水
素を主成分とする混合ガスを用いることが一般的である
が、これら以外にアルゴン（Ａｒ）等の不活性ガスや酸
素、−酸化炭素、水等もダイヤモンドの合成反応やその
特性を阻害しない範囲内であれば、原料中に含有されて
いても差し支えない。

特開平１−２１２７６７号に開示しであるように、これ
らの任意の方法により、その表面をＲｍａｘで０．１μ
ｍ以下の鏡面に仕上げた金属および／または合金或いは
Ｓｉからなる基板上に、ダイヤモンドの平均結晶粒径が
０．５〜１５μｍの多結晶ダイヤモンドを合成する。こ
こで粒径を上記のように規定するのは、切削工具として
使用した場合、０．５μｍよりも微粒になると耐摩耗性
が低下し、また１５μｍよりも粗粒になると欠損し易く
なるからである。尚、基板上しては多結晶ダイヤモンド
の内部応力を低減させるために、その熱膨張率がダイヤ
モンドのそれに近いものが好ましく、これに該当するも
のとしてはＭｏ、ＷＳＳｉ等が挙げられる。

合成された多結晶ダイヤモンドは基板を塩酸、硫酸、硝
酸、弗酸および／またはこれらの混合液により化学処理
して除去して得ることができる。

その厚さが１■以上であれば、そのまま刃先形成を行い
、ホールグーにクランプして工具として使用することが
できる。また特開平１−２１２７６７号公報等で開示し
た方法によって工具支持体と接合した形態の工具作製も
可能である。工具支持体には超硬合金や鋼が使用できる
。この場合に使用する多結晶ダイヤモンドの厚さは０．
０５〜１鵬が相応しい。０．０５閣よりも薄いと工具素
材の強度が低下して欠損し易くなり好ましくない。また
接合型の工具では一般的な使用に対しては厚さが１閣以
上あれば充分である。尚多結晶ダイヤモンドの合成の際
に基板上接合していた面をすくい面とすることが重要で
あることは特開平１−２１２７６７号に開示した通りで
ある。

これらの形態の工具の刃先形成に、適度に選定されたレ
ーザー加工を適用することにより、研削加工では効率よ
くできなかった刃立性の良好な切削工具の作製が可能と
なる。これは多結晶ダイヤモンドが結合材料を含有して
いないこととレーザー加工が熱化学反応を伴った加工で
あるため、機械的除去法である研削加工に比して損傷が
少ないことが有効に作用していると考えられる。

上記の加工には市販のあらゆるレーザーが使用できるが
加工効率、品質の点から見てＹＡＧレーザーを用いるの
が一般的である。レーザー光線は工具のすくい面側から
あるいは反対側から照射する。この際に工具を設定され
た逃げ角をもつようにレーザー光線に対して傾斜させて
設置し移動させる。あるいは工具を固定してレーザー光
線を操作する方法でも差し支えない。レーザー加工後は
工具の刃先逃げ面がダメージ層である黒鉛によって被覆
されるが、この被覆黒鉛層は工具として使用する初期に
除去されるため、寸法公差が著しく厳しい用途以外の一
般的な使用においては特に問題とならない。レーザー加
工条件は、刃先のチッピングが０５〜５μｍでかつ黒鉛
層の厚さが０，５〜１０μｍとなるように選定する。チ
ッピングの大きさをこの範囲に限定するのは、５μｍよ
り大きいと従来の研削加工により作製された工具と品質
に差が出ないからである。下限の０．５μｍは本発明者
等の実験から規定したものであり、より一層加工条件を
検討することにより低減することが可能であると思われ
る。黒鉛層の厚さについては、その値が０５μｍよりも
小さくなる条件を選定すると加工効率が低下して好まし
くない。また、１０μｍを越えると多結晶ダイヤモンド
に加工亀裂が入り易くなるなど不具合な点が生ずる。

このような方法によって作製された切削工具はチッピン
グが５μｍ以下であり、従来のダイヤモンド工具では作
製しにくかった刃立性に優れたダイヤモンド工具を容易
に得ることができる。

以下本発明の詳細を実施例に基づいて述べる。

「実施例」 実施例１ マイクロ波プラズマＣＶＤ法により、その表面がＲｍａ
ｘで００５μｍの鏡面状態である８１基板上に多結晶ダ
イヤモンドを１０時間合成した。合成は以下の条件で行
った。

原料ガス（流量）　　：　Ｈ２２００ｓｃｃｍＣＨ４１
０ｓｅｃｍ ガス圧力　　　　　　　　　　１２０　Ｔｏｒｒマイク
ロ波発振出発振出カニ　６５０Ｗ合成後、弗硝酸に浸漬
してＳｉ基板のみを溶解除去することにより、平均結晶
粒径が５μｍで厚さが０．２卸の多結晶ダイヤモンドを
回収することができた。この多結晶ダイヤモンドを、そ
の成長面側を接合面として超硬合金製のシャンクとろう
付は接合を行った。次に、この接合体を傾けて保持し、
加工用のレーザー光線と接合体のすくい面が１０１°を
なすようにして刃先形成を行いスローアウェイチップ（
型番：５ＰＧＮ１２０３０４）を作製した。なお刃先形
成には連続発振モードのＹＡＧレーザーを出カニ３Ｗで
使用した。得られたスローアウェイチップ（以下試料Ａ
という）を顕微鏡で検査したところチッピングは１μｍ
と良好で、逃げ面は厚さ２μｍの黒鉛層で被覆されてい
た。

比較として粒径が５μｍで結合材としてＣＯを１２容量
％含有する焼結ダイヤモンドを工具素材とし、上記と同
様のレーザー加工による刃先形成を試みたもの（試料Ｂ
）、＃ｔｓｏｏのダイヤモンド砥石を使用した研削加工
で刃先形成を行ったもの（試料Ｃ）、上記の多結晶ダイ
ヤモンドを工具素材として試料Ｃと同様の研削加工で刃
先形成を行ったもの（試料Ｄ）を作製した。これらの試
料の刃先のチッピング量はＢ：３０μｍ％　ｃ　：　２
０μｍ　％　Ｄ　：　１５μｍであり、試料Ａに比べて
大きかった。

これらのスローアウェイチップを仕上げ用工具としての
性能評価を以下の条件で行った。

（切削条件） 被削材　　：　ＡＣ４Ｃ−Ｔ６（Ａｌ−７％Ｓｉ）丸棒
切削速度　：　５００　ｍ／ｍｉｎ 切り込み量：０．２ｍｕ 送り速度　：　０．１　ｍｈ／　ｒｅｖ。

冷却液　　：水溶性油剤 （評価方法） ５分及び６０分切削後の被削面粗度の比較その結果は表
１の通りであった。

表 以上の結果から本発明の工具は長時間憂こわたって鋭利
な切れ刃が維持され良好な被削面が得られることが明ら
かとなった。

実施例２ 熱電子放射材として直径０．５印、長さ１００鵬の直線
状タングステンフィラメントを用いた熱ＣＶＤ法により
、その表面がＲｍａｘで０．０３／１ｍのＭＯ基板上に
以下の条件で多結晶ダイヤモンドを２０時間合成した。

原料ガス（流量）　　：　Ｈ２３００ＳＣＣｍＣ２Ｈ２
１６ｓＣＣｍ ガス圧力　　　　　　　　　　　８０　Ｔｏｒｒフィラ
メント温度：　　　　２１５０°Ｃフィラメント−基板
間距離：　　６Ｍ 基板温度　　　　’　　　　　　９２０’Ｃ合成後、熱
王水ｌこ浸漬してＭｏ基板のみを溶解除去することによ
り、平均結晶粒径３μｍで厚さが０．１５ＩｎＩｎの多
結晶ダイヤモンドを回収することができた。尚、基板側
の面はＲｍａｘで０．０３μｍの鏡面であった。この多
結晶ダイヤモンドを、その成長面側を接合面として超硬
合金製のシャンクにろう付は接合を行った。次にこの接
合体を傾けて保持し、ＹＡＧレーザーを出カニ３ｗで連
続発振し、すくい面側から照射したレーザー光線により
刃先加工を行って、くさび角の大きさの異なるスローア
ウェイチップを作製した。尚、試作した工具はいずれも
逃げ面が厚さ２３μｍの黒鉛で被覆されていた。

比較として前記の多結晶ダイヤモンドを工具素材としτ
２０００のダイヤモンド砥石を用いた研削加工で刃先を
形成したもの、及び工具素材として結合材のｃｏを１５
容量％含有する粒径３μｍのダイヤモンド焼結体を用い
て同様の研削加工で刃先成形をしたのを作製した。

これらの工具の刃先のチッピング量を測定したところ表
２の通りであった。

以上の結果から本発明によれば従来の研削加工では製作
困難であった良好な刃立性を有する工具が容易に作製で
きることが明らかになった。

実施例３ Ｒｍａｘで０．０６μｍの鏡面加工が施されたタングス
テン基板の置かれた反応管中に、Ｈ２とＣｔＨｅとＡｒ
ガスを８：１：１の比率で混合したガスを流量：　５０
０５ｃａｎで供給し、圧力を１５０　Ｔｏｒｒに調整し
た。次に高周波発振機がら高周波（１３，５６Ｍ１−ｈ
）を与え、混合ガスを励起してプラズマを発生させ３０
時間合成を行った。尚、高周波出力は各合成実験毎に一
７００〜９００Ｗの範囲で選定した。

各合成実験が終了した後、取り出した基板を熱王水処理
して多結晶ダイヤモンドの回収を行った。

得られた多結晶ダイヤモンドの平均結晶粒径は５〜３０
μｍと各実験毎に異なったが、厚さはいずれも１．６鴫
でまた基板側の面はいずれもＲｍａｘで０．０６μｍの
鏡面状態であった。これらの多結晶ダイヤモンドからス
ローアウェイチップ（型番：ＴＰＧＮＯ６０１０４−Ｂ
　）を作製するにあたり、出力条件をかえたＹＡＧレー
ザーを用いて加工を行った。作製したスローアウェイチ
ップは刃先の加工状態を観察した後、以下の条件で切削
試験を行い、被削面粗度を測定して性能評価を行った。

（切削条件） 被削材　　：ＡＣ４Ａ−Ｔ６（Ａｌ−１０％Ｓｉ）丸棒
切削速度　：　３００　ｍ／ｍｉｎ 切り込み量：０，１５Ｍ 送り速度　：　０．０８　Ｍ／　ｒｅｖ。

切削時間　−９０分 冷却液　　：水溶性油剤 これらの結果をまとめると表３の通りとなつｔこ。

（以下余白） 以上の結果を見ると、工具ＮａＦは多結晶ダイヤモンド
の粒径が大き過ぎるため、また工具ＮＱＨはレーザー加
工条件が適切でなかったためにチッピングが大きく生じ
て良好な被削面が得られなかったと考えられる。しかし
本発明の方法による工具ＮｃｉＥ、Ｇ、Ｊ、にはいずれ
も優れた刃立性を有し、良好な面粗度が得られた。

「発明の効果」 以上に詳しく説明したように、本発明の方法によると、
従来になく刃立性の優れた多結晶ダイヤモンド切削工具
が得られるので、特に良好な仕上げ面を要求される用途
には好適である。

代理人　　弁理士　１）中　理　夫

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. １．低圧気相法により合成された多結晶ダイヤモンドを
   工具素材とし、該工具素材の刃先逃げ面がレーザー加工
   により形成された黒鉛によって被覆されたものであって
   、そのすくい面がＲｍａｘで０．１μｍ以下の鏡面状態
   であることを特徴とする多結晶ダイヤモンド切削工具
2. ２．低圧気相法により合成された多結晶ダイヤモンドを
   工具素材とし、該工具素材が工具支持体に接合され、か
   つその刃先逃げ面がレーザー加工により形成された黒鉛
   によって被覆されたものであって、そのすくい面がＲｍ
   ａｘで０．１μｍ以下の鏡面状態であることを特徴とす
   る多結晶ダイヤモンド切削工具
3. ３．工具支持体が超硬合金または鋼からなることを特徴
   とする請求項２記載の多結晶ダイヤモンド切削工具
4. ４．多結晶ダイヤモンドの厚さが０．０５〜１ｍｍであ
   ることを特徴とする請求項２〜３いずれかに記載の多結
   晶ダイヤモンド切削工具
5. ５．刃先のチッピングの大きさが０．５〜５μｍである
   ことを特徴とする請求項１〜４記載の多結晶ダイヤモン
   ド切削工具
6. ６．刃先逃げ面の被覆黒鉛厚さが０．５〜１０μｍであ
   ることを特徴とする請求項１〜５いずれかに記載の多結
   晶ダイヤモンド切削工具
7. ７．多結晶ダイヤモンドの結晶粒径が０．５〜１５μｍ
   であることを特徴とする請求項１〜６いずれかに記載の
   多結晶ダイヤモンド切削工具
8. ８．表面をＲｍａｘで０．１μｍ以下の鏡面に仕上げた
   金属および／または合金或いはＳｉからなる基板上に低
   圧気相法により実質的にダイヤモンドのみからなる多結
   晶ダイヤモンドを析出させた後、基板を除去して得られ
   る多結晶ダイヤモンド工具を工具素材とし、該工具素材
   の刃先形成を合成時の基板側をすくい面としてレーザー
   加工で行うことを特徴とする多結晶ダイヤモンド切削工
   具の製造方法
9. ９．表面をＲｍａｘで０．１μｍ以下の鏡面に仕上げた
   金属および／または合金或いはＳｉからなる基板上に低
   圧気相法により実質的にダイヤモンドのみからなる多結
   晶ダイヤモンドを析出させた後、基板を除去して得られ
   る多結晶ダイヤモンド工具を工具素材とし、該工具素材
   を合成時の基板との接合面をすくい面になるように、か
   つ工具支持体に対して工具刃先になる部分が外側にはみ
   出る状態で接合した後、はみ出した該工具素材に工具す
   くい面側もしくはその反対側からレーザー光線を照射す
   ることにより刃先の形成を行うことを特徴とする多結晶
   ダイヤモンド切削工具の製造方法
10. １０．工具支持体が超硬合金または鋼でなることを特徴
    とする請求項９記載の多結晶ダイヤモンド切削工具の製
    造方法
11. １１．多結晶ダイヤモンドの厚さが０．０５〜１ｍｍで
    あることを特徴とする請求項９もしくは１０記載の多結
    晶ダイヤモンド切削工具の製造方法
12. １２．多結晶ダイヤモンドを析出させる基板の材質がＭ
    ｏ、Ｗ、もしくはＳｉであることを特徴とする請求項８
    〜１１いずれかに記載の多結晶ダイヤモンド切削工具の
    製造方法
13. １３．基板を塩酸、硫酸、硝酸、弗酸および／またはこ
    れらの混合液を用いる化学処理により除去することを特
    徴とする請求項８〜１２いずれかに記載の多結晶ダイヤ
    モンド切削工具の製造方法
14. １４．刃先のチッピングの大きさが０．５〜５μｍであ
    ることを特徴とする請求項８〜１３いずれかに記載の多
    結晶ダイヤモンド切削工具の製造方法
15. １５．刃先逃げ面の被覆黒鉛の厚さが０．５〜１０μｍ
    であることを特徴とする請求項８〜１４いずれかに記載
    の多結晶ダイヤモンド切削工具の製造方法
16. １６．多結晶ダイヤモンドの結晶粒径が０．５〜１５μ
    ｍであることを特徴とする請求項８〜１５いずれかに記
    載の多結晶ダイヤモンド切削工具の製造方法