JPH04168276A - ダイヤモンド被覆超硬合金工具 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、ＷＣ系やＴｉＣ系の超硬合金を母材とし、該
母材にダイヤモンドを被覆したダイヤモンド被覆超硬合
金工具に関するものである。尚本発明で用いる母材とし
ては、ＷＣ−Ｃｏ系。

ＴｉＣ−Ｎｉ−Ｍｏ系、ＴｉＣ−ＷＣ−ＴａＣ−Ｎｉ−
Ｍｏ−Ｃｏ系等、様々な超硬合金が挙げられるが、以下
の説明ではＷＣ−Ｃｏ系超硬合金を主体にして説明を進
める。

［従来の技術］ 超硬合金工具鋼は高速度工具鋼と並んで、切削工具や耐
摩工具等の素材として幅広く利用されており、特にＷ　
Ｃ−Ｃｏ系超硬合金が主流を占めている。

近年、超硬合金の表面に、耐摩耗性のより優れた物質を
気相蒸着法等によって被覆形成して工具の切削性を改善
した被覆超硬合金工具が急速に普及している。こうした
被覆物質としてはＴｉＣやＴｉＮが代表的なものであり
、例えばＴｉＣ被覆超硬合金工具は、ＷＣ系超硬合金工
具やＴｉＣ系超硬合金工具よりも高温高圧時の強度に優
れたものとなり、被覆の施されていない従来の超硬合金
工具では切削困難であったものがＴｉＣ被覆超硬合金工
具を用いることによって切削可能となっている。

しかしながら上記被覆超硬合金工具は、被剛材が鋼や鋳
鉄等の場合には優れた耐摩耗性を示すが、例えば高Ｓ　
ｉ　−Ａ　１合金や、非常に硬質のガラス繊維を内蔵し
たＦＲＰ等を被剛材とした場合には耐摩耗不足を来たし
、工具寿命が短くなって長期使用に耐え得なくなる。

一方硬い材料を加工する為の専用切削工具としては、超
高圧・高温下で焼結して合成されたダイヤモンドを用い
たダイヤモンド焼結体工具も知られているが、高価であ
り、またプリント基板穴あけ用極細ミニドリル等に応用
する場合等においては、逆にダイヤモンドより高硬度の
ものが無いという理由によって却って加工が困難であり
、形状的にも制約を受けることになる。

最近ではマイクロ波や熱フィラメント等によって生成し
た炭化水素−水素混合ガスプラズマを利用した化学気相
合成法によって、粒子状や膜状のダイヤモンドを合成す
ることが可能となっており、こうした技術を応用してダ
イヤモンド膜を被覆したダイヤモンド被覆超硬合金工具
の開発も進められている。

しかしながら母材となる超硬合金は、例えばＷＣ−Ｃｏ
系の様に結合剤として５〜２０％程度のＣｏを含んでお
り、この様な超硬合金の表面にダイヤモンド膜を形成し
てもＣＯの作用によってダイヤモンドがグラファイトに
変態してそれが介在されることになり、硬度および密着
性の良好な均一なダイヤモンド膜を形成することはでき
ない。この様な事態は結合剤としてＮｉを含んでいる場
合にも同様に生じる。

［発明が解決しようとする課題］ 超硬合金表面にダイヤモンド膜を直接形成するには、上
述の様な不都合が生じるが、こうした不都合を解消する
技術も種々提案されている。

例えば特開平１−２０１４７５号には、ＷＣ−Ｃｏ系焼
結チップ表面層のＣＯを酸処理によってエツチングした
後に、ダイヤモンド膜を形成する技術が提案されている
。しかしながらこの技術は、ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金母材
の結合剤であるＣｏを酸によって溶出するものであるの
で、母材自体の劣化を招くという問題がある。

一方、特公昭６２−７２６７号には、超硬合金母材とダ
イヤモンド膜の間の中間層としてセラミックス層を設け
ることによフて、上記の様な不都合を解消しようとする
技術が提案されている。

しかしながらセラミックスは元来熱伝導の悪いものであ
り、ダイヤモンドにおける高熱伝導性がセラミックス層
によって相殺されてしまい、切削時の発生熱を放出する
ことができなくなるので、ダイヤモンドの硬度低下を招
き、その結果として工具の耐摩耗性の劣化や、被剛材の
熱変形等を招く。

本発明はこうした事情に着目してなされたものであって
、超硬合金母材に対して密着性が良く且つ均一にダイヤ
モンド膜を形成でき、しかもダイヤモンドが有する高熱
伝導性をも損なうことなく、優れた切削性および耐摩耗
性を有するダイヤモンド被覆超硬合金工具を提供するこ
とを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成し得た本発明とは、超硬合金を母材とし
下地層上にダイヤモンド被覆が形成された超硬合金工具
において、前記下地層のうち前記母材に接する第１層と
してＢ膜が形成されると共に、該下地表面層として、非
晶質窒化硼素、立方晶窒化硼素およびＢに富んだ窒化硼
素から選ばれる化合物の１種または２種以上からなる化
合物膜が形成され、且つ第１層および下地表面層の間の
中間層として、第１層側から下地表面層側になるにつれ
てＢ／Ｎが低く好打する様な濃度勾配を有する傾斜組成
窒化硼素膜が形成されたものであり、上記下地層の厚み
が０．０５〜２μ■である点に要旨を有するダイヤモン
ド被覆超硬合金工具である。

［作用］ 本発明者らは、超硬合金母材にダイヤモンド膜を形成す
る為の下地層として最適な物質について、様々な角度か
ら検討した。その結果、（Ｉ）母材に接する′ｔＳ１層
としてのＢＷＡ、（ＩＩ　）非晶質窒化硼素（以下ａＢ
Ｎと記す）、立方晶窒化硼素（以下ｃＢＮと記す）およ
びＢに富んだ窒化硼素（ＢＮ）から選ばれる化合物の１
種または２種以上からなる、下地表面層としての化合物
膜、および（ＩＩＩ　）上記第１層側から下地表面層に
なるにつれてＢ／Ｎが低く移行する濃度勾配を有する、
中間層としての傾斜組成りＮ膜、の３層構造からなる下
地層が最適であることを見出した。即ち、上記の様な構
造の下地層は、熱伝導率も良好であり、且つ超硬合金母
材中のＣｏやＮｉによるダイヤモンドへの影響を回避し
つつ、密着性の良好な均一なダイヤモンド膜が形成でき
たのである。

本発明における下地層は、上述の如く第１層、下地表面
層および中間層の３層構造からなるものであるが、これ
ら各層における作用効果は下記の通りである。

まず第１層としてのＢ＠は、下地層と超硬合金母材との
密着性を確保する為に形成される。即ち、ＢＮ膜は超硬
合金母材との密着性が良くないので、母材と接する下地
第１層として母材との密着性の良好なり膜を選んだ。

次に下地表面層としての各種ＢＮ膜は、ＢＮがダイヤモ
ンドと格子定数が近接しておりダイヤモンド膜との密着
性を確保することができる。

中間層は、上記′ｔＳ１層と下地表面層間の密着性を確
保する為のものである。即ち、中間層については、第１
層に接する側をＢ／Ｎの高い組成として下地表面層側に
なるにつれてＢ／Ｎが低下する様な、濃度勾配を有する
傾斜組成りＮ膜とすることによって、ｉｔ層と下地表面
層の夫々との密着性を確保するものである。こうした観
点からすれば、中間層の第１層側組成をＢとほぼ同等の
組成となる様にし、且つ中間層の下地表面層側組成を下
地表面層組成とほぼ同等になる様に濃度勾配をつけて構
成するのが最適であるが、中間層と他の各層が濃度的に
多少不連続な状態で積層されても中間層としての機能を
達成することができる。また中間層中のＢ／Ｎ比の調整
は、例えば、予めＮ２分圧一定の条件下で電子ビーム出
力を変化させてＢの蒸発量を変え、これによって膜組成
がどのように変化するかを求めておき、その結果に基づ
いて電子ビーム出力を制御して行なわれる。

尚本発明に係るダイヤモンド被覆超硬合金工具における
下地層の厚さは、０．０５〜２　ｕｍの範囲とするのが
良い。即ち、下地層の厚さが０．０５μｍ未満であると
、下地層を形成した後ダイヤモンド膜を合成する際に水
素プラズマによってエツチングされてしまい、下地層が
ほとんどなくなフて期待する効果が得られなくなる。一
方、下地層の厚さが２μｍを超えると、靭性が低下し膜
に割れが生じることがある。

以下本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、本
発明は下記実施例によって限定されるものではなく、前
・後記の趣旨に徴して設計変更することはいずれも本発
明の技術的範囲に含まれるものである。例えば、下記実
施例では母材としてＷＣ−Ｃｏ系超硬合金を用いる場合
について示したが、本発明はこの様な場合に限らず、Ｔ
ｉＣ−Ｎ　ｉ−Ｍｏ系やＴｉＣ−ＷＣ−ＴａＣ−Ｎｉ　
−Ｍｏ−Ｃｏ系等の超硬合金を母材として用いる場合も
その技術的範囲とするものである。

［実施例］ 実施例１ 下記に示す手順に従って、ダイヤモンド被覆超硬合金チ
ップを作製した。

超硬合金母材として、ＷＣ−５％Ｃｏ、ＷＣ−８％　Ｃ
ｏおよびＷＣ−１０％Ｃｏ（７）３種類＋７）１５０規
格５ＰＧＮ４２２形のチップを準備した。上記チップを
イオンブレーティング装置に装入し、まずＢのエレクト
ロンビーム蒸発によって母材表面にＢ膜を形成し、次い
でＮ２ガスを徐々に導入しつつ高周波グローとアーク放
電を重畳することによって前記Ｂ膜上に傾斜組成りＮ膜
を形成し、更にその上にｃＢＮｌｉ［、ａＢＮ膜、　Ｂ
　（ｒｉｃｈ）　−Ｂ　Ｎ膜の１種または２種を形成し
て下地層とした。下地層のＩＲスペクトルの一例を第１
図に示す。

この様にして下地処理を施したチップをマイクロ波プラ
ズマ装置に装入し、ｃ　Ｈ４／　Ｈ２−１／２００　、
圧力４０　Ｔｏｒｒ、マイクロ波出力Ｉ　ＫＷ。

母材温度８００℃の条件にて、反応ガスを供給しながら
４〜８時間の気相合成を行ない、下地層上にダイヤモン
ド膜を形成した。

得られたダイヤモンド被覆超硬合金チップについて、下
記の切削条件で連続切削試験を行ない、試験後のチップ
における逃げ面摩耗幅を測定した。

（切削条件） 被削材　：Ａ１−１８％Ｓｉ合金 送り　　　：　Ｏ，ｌｔ＋ｉ　／　ｒｅｖ切込み　：　
０．２ｍｍ　／ｒｅｖ 切削速度：　５００ＩＩ／ｗｉｎ 切削時間＝３０分 その結果を、ダイヤモンド被覆超硬合金チップの構成と
共に第１表に示す。尚第１表には、従来例として（ｔ）
ｗｃ−ｓ％ＣＯ系超硬合金母材にＴｉＣｌ１ｌｌ！をコ
ーティングした後ダイヤモンド膜を形成したチップを用
いた場合（Ｎｏ、８　）　、（２）母材に直接的にダイ
ヤモンド膜を形成したチップを用いた場合（Ｎｏ、９．
　１０）、（３）　ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金母材自体を切
削材として用いた場合（ＮＯ，１１）等についての結果
も示した。

第１表から明らかな様に、本発明に係るダイヤモンド被
覆超硬合金チップは、いずれも優れた切削性および耐摩
耗性を示し、従来材に比べて優れた性能を発揮している
ことがよく分かる。

実施例２ 下記に示す手順に従って、ダイヤモンド被覆超硬合金ミ
ニチュアドリルを作製した。

超硬合金母材として、ＷＣ−１３％ＣｏのＩＣ基板穴あ
け用小径ドリル（ドリル径：　１．Ｏｖｎ　）を準備し
、これをイオンブレーティング装置に装入し、実施例１
と同様にして母材表面に下地層を形成した。

下地処理を施したドリルを、マイクロ波プラズマ装置に
装入し、実施例１と同様にしてダイヤモンド膜を形成し
た。

得られたダイヤモンド被覆超硬合金ドリルについて、下
記の穴あけ条件で穴あけ試験を行ない、その使用寿命に
至るまでの穴あけ個数を測定した。

（穴あけ条件） 被剛材・Ｓｉ５重量％含有エポキシ板（厚さ０．６ｍｍ
　）　５枚と、銅薄板５枚の交互積層板からなるＩＣ基
板 ドリル回転速度＋　８ＱＯＯＯｒ、ｐ、ｍ送りスピード
　：　０．０８ｍｍ／　ｒｅｖその結果を、ダイヤモン
ド被覆超硬合金ドリルの構成と共に、第２表に示す。尚
第２表には、実施例１で示したのと同様の従来材を用い
て作成したドリルによる結果についても示した。

第２表から明らかな様に、本発明に係るダイヤモンド被
覆超硬合金ドリルは、いずれも優れた耐切削性および耐
摩耗性を示し、従来材に比べて優れた性能を発揮してい
ることがよく分かる。

［発明の効果］ 本発明は以上の様に構成されており、超硬合金母材に対
して密着性良く且つ均一にダイヤモンド膜を形成でき、
しかもダイヤモンドが有する高熱伝導性をも損なうこと
なく、優れた切削性および耐摩耗性を示すダイヤモンド
被覆超硬合金工具が実現できた。

【図面の簡単な説明】

′！Ｊ１図は下地層のＩＲスペクトルの一例を示すグラ
フである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 超硬合金を母材とし下地層上にダイヤモンド被覆が形成
   された超硬合金工具において、前記下地層のうち前記母
   材に接する第１層としてＢ膜が形成されると共に、該下
   地の表面層として、非晶質窒化硼素、立方晶窒化硼素お
   よびＢに富んだ窒化硼素から選ばれる化合物の１種また
   は２種以上からなる化合物膜が形成され、且つ第１層お
   よび下地表面層間の中間層として、第１層側から下地表
   面層側になるにつれてＢ／Ｎが低く移行する様な濃度勾
   配を有する傾斜組成窒化硼素膜が形成されたものであり
   、上記下地層の厚みが０．０５〜２μｍであることを特
   徴とするダイヤモンド被覆超硬合金工具。