JPH04221075A - ダイヤモンド析出用超硬合金基材の製造法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は切削工具などの製造のた
めに、超硬合金基材に気相法ダイヤモンド合成法により
ダイヤモンド膜を析出させるに際し、該基材と析出ダイ
ヤモンド膜との付着力を高めるための基材の製造法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】超硬合金基材に気相法によりダイヤモン
ド膜を析出させるに際し、析出ダイヤモンド膜と基材と
の付着力を高めるための表面処理法としては、酸、アル
カリ等の化学薬品によるエッチング（第４８回応用物理
学会学術講演会、１８ａ−Ｔ−４）、ダイヤモンドパウ
ダー等による傷付け処理（第４８回応用物理学会学術講
演会、１８ａ−Ｔ−４）、またアルコール等を含む特定
のガス中でエッチング（特願平１−１４５３９６号）等
が知られている。

【０００３】しかし例えばこのような方法を利用して処
理した旋盤用の超硬合金チップにダイヤモンド膜を形成
させた工具を実際に切削に用いても、短時間でダイヤモ
ンド膜が剥離し、十分に実用可能なレベルでの付着強度
を得るに至っていない。

【０００４】本発明者は前記方法よりも析出ダイヤモン
ド膜と析出基材との間の接着力を高める手段について研
究の結果、基材面にアンカーの役目をする突起を設けれ
ば良い事、そして基材を電解研磨すれば容易に突起が形
成される事を知り、特願平１−２４５２００として出願
し、更に基材表面の突起の大きさ、密度を制御する電解
研磨法として特願平１−３２２５１６を出願した。この
方法により基材表面とその表面に形成されたダイヤモン
ド膜との密着強度を高めることができ、ダイヤモンド膜
を形成させた工具を切削等に実際に供することが可能と
なった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしパルス電圧印加
による電解研磨法を対象とした特願平１−３２２５１６
によっても、超硬合金成分組成によっては基材表面の突
起の大きさ、密度の制御出来る範囲には限界があった。 また実用的には重切削等にも利用が可能な更に密着強度
の高いコーティング方法が求められている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは前記の表面
処理法によって超硬合金基材表面に突起が形成される理
由を調べたところ、処理後の基材表面突起の先端部には
周期律表ＩＶａ，Ｖａ，族ならびにタングステンを除く
ＶＩａ族の金属、その炭化物、窒化物、ホウ化物および
珪化物の少なくとも１種が多く含まれていることが明ら
かになった。即ち特願平１−２４５２００及び特願平１
−３２２５１６で開示した方法によって超硬合金基材表
面に突起が形成される原因は、燒結に用いられる複数の
種類の粉体の酸、アルカリに対する溶解度がそれぞれ異
なるため、前述の表面処理法により燒結体組織中の溶解
度の高い成分の部分は多くエッチングされ、溶解度の低
い成分の部分は残り、その結果燒結体の基材表面には溶
解度の低い部分を先端部とする突起が形成したと考えら
れる。

【０００７】そこで本発明者らは鉱酸中での電解研磨を
中心とした特願平１−２４５２００の方法、及びパルス
電圧印加条件を特定した電解研磨法の特願平１−３２２
５１６号に述べた表面処理法を最も効果的にするダイヤ
モンド析出用超硬合金基材の開発に努め、その結果とし
て燒結に用いられる周期律表ＩＶａ，Ｖａ，族ならびに
タングステンを除くＶＩａ族の金属、その炭化物、窒化
物、ホウ化物および珪化物の少なくとも１種の各粉体を
、粒度を０．１〜５０ミクロンの範囲で、配合量を１〜
３０Ｗｔ％の範囲で変化させて製造する事により、表面
に形成される突起群を制御し、更にこの粉体の形状をア
スペクト比２以上の針状結晶とする事により電解研磨後
表面に形成する突起の形状を複雑化し、ダイヤモンド膜
と該表面との付着力を高める事を可能とし、本発明を完
成するに至った。

【０００８】次に本発明について詳しく説明する。

【０００９】超硬合金は周期律表のＩＶａ，Ｖａ，ＶＩ
ａ族の金属、炭化物、窒化物、ホウ化物、珪化物をＣｏ
、Ｎｉ、Ｆｅ金属、又はこれらの合金を結合材として燒
結したものであるが、代表的なものとしてはＷＣ−Ｃｏ
系、ＷＣ−ＴｉＣ−Ｃｏ系があげられる。

【００１０】通常はこれらの粉末を湿式混合し、乾燥、
成形、予備燒結を経て真空燒結して合金が作られる。

【００１１】この超硬合金基材を特願平１−２４５２０
０及び特願平１−３２２５１６号の方法でエッチング処
理した場合、突起の先端の核となる特定の成分は、超硬
合金に含まれる成分の種類、またエッチングに用いられ
る薬品の種類によって異なるが、エッチング液に塩酸を
用いた場合、ＷＣ−Ｃｏ系ではＷＣ、ＷＣ−ＴｉＣ−Ｃ
ｏ系ではＴｉＣである。

【００１２】燒結の際、この突起の核となる特定の成分
の粉体の粒径、配合量を変化させる事により特願平１−
２４５２００および特願平１−３２２５１６号の表面処
理後に形成される突起の大きさ、密度を効果的に制御す
る事が出来、さらにこれらの粉体をアスペクト比２以上
の針状結晶とする事により表面に形成される突起の形状
を複雑化する事が出来る。

【００１３】粉体の平均粒径、配合量は燒結後の合金の
強度に影響するため工具として十分な強度が得られる範
囲内で選ぶ必要があり、粒度は０．１〜３０Ｗｔ％の範
囲が好ましい。この突起の核となる針状結晶は、他の添
加された粉体と粒状又は鎖状の固溶体相を生じる場合が
あるため、核となる粉体の粒径、配合量は必ずしも特願
平１−２４５２００および特願平１−３２２５１６号に
よる表面処理後に形成される突起の大きさ、密度とは対
応しない。

【００１４】

【作用】気相法ダイヤモンド膜と基材との結合は界面の
物理的噛み合いによって形成されていると推定されてお
り、強固な結合を作るためには、アンカー効果が十分に
働く表面微細構造を持つ基材を準備する事が肝要である
。

【００１５】本発明の方法により作成した超硬合金基材
を特願平１−２４５２００、及び特願平１−３２２５１
６で開示した方法で処理する事により重切削にも耐え得
る付着強度を与える突起密度、平方ミリ当たり１０，０
００個、突起部サイズ、太さ、長さともに１〜５０ミク
ロンを付与する事が可能となり、しかも針状結晶を原料
成分として用いる事によりエッチングされた基材表面形
状を複雑にしてアンカー効果を高めるものと考えられる
。

【００１６】次に実施例、比較例により本発明を説明す
る。

【００１７】

【実施例】実施例１ 粒径３ミクロンのＷＣ粉７０Ｗｔ％、粒径３ミクロンの
Ｃｏ粉を２０Ｗｔ％、長粒径１５ミクロン、短粒径５ミ
クロンのＴｉＣ針状結晶（アスペクト比＝３）を１０Ｗ
ｔ％で混合した圧粉体を真空中で８５０℃、２００分予
備燒結した後、真空中で１４５０℃、１００分本燒結し
、超硬合金基材を作製した。

【００１８】表面を研磨し１２．７ｍｍ×１２．７ｍｍ
×３ｍｍの形状に成形後、この基材を陽極、白金板を陰
極として、塩酸１０％水溶液を電解液とし、電圧３Ｖ、
電流０．５Ａ、パルスの周波数は２Ｈｚ、パルス幅１０
０ｍｓｅｃで３０分間電解研磨を行った。

【００１９】電解研磨後、超硬合金表面は酸化物で覆わ
れているため、ＮａＯＨ１０％水溶液で洗浄し、酸化物
を除去し表面を観察したところ、太さ５ミクロン、長さ
１０ミクロン、密度は平方ミリ当たり１０，０００個で
突起が互いに入り組んだ状態で形成されていた。

【００２０】次いで基材表面を平均粒径１ミクロンのダ
イヤモンドを含むペーストにより傷付け処理を行い、更
にアルコールで洗浄した。次にこのように処理された基
材に熱フィラメントＣＶＤ法によりダイヤモンドを析出
させた。

【００２１】実験に用いたのは直径２５ｃｍ、高さ２０
ｃｍの反応炉で、内部に熱フィラメント、前記処理した
超硬合金基材を支持する基材支持台が設けられいる。反
応装置にはダイヤモンド析出用原料ガス供給口、排気口
が設けられている。

【００２２】基材と熱フィラメントとの距離を５ｍｍと
し、原料としてガス化したエタノールを３ｃｃ／分、水
素を１００ｃｃ／分で供給口より反応炉に導入し、圧力
９０Ｔｏｒｒで３時間、ダイヤモンド析出反応を続けた
。基材上に平均膜厚１５ミクロンのダイヤモンド膜が析
出した。ダイヤモンドは光学顕微鏡とラマン分光により
確認した。

【００２３】次いで基材とダイヤモンド膜の付着強度を
調べるために先端が半径０．２ｍｍの球面で、頂角１２
０度のダイヤモンド製ロックウェル圧子を用い、ダイヤ
モンド膜に圧入してダイヤモンド膜が剥離するまでの荷
重を求めた。その結果、３０Ｋｇでダイヤモンド膜が剥
離した。

【００２４】また、上記のダイヤモンドコーティング超
硬合金基材チップを切削試験に用いた。切削は被削材に
Ａｌ−１７％Ｓｉ合金棒を用い、外周部長手方向の連続
切削で、回転数１４００ｒｐｍ、切削速度３４０ｍ／分
、切り込み０．２ｍｍ、送り速度０．１ｍｍ／回転であ
る。ダイヤモンド膜が剥離するまでの切削距離を調べた
ところ、５２Ｋｍであった。

【００２５】実施例２ 粒径３ミクロンのＷＣ粉７０Ｗｔ％、粒径３ミクロンの
Ｃｏ粉を２０Ｗｔ％、長粒径１０ミクロン、短粒径５ミ
クロンのＴｉＣ針状結晶（アスペクト比２）を１０Ｗｔ
％で混合した圧粉体を実施例１と同様の条件で燒結、成
形加工後、パルス電圧を用いた電解研磨処理を行った。 電解研磨後、酸化物を除去し表面を観察したところ太さ
４ミクロン、長さ５ミクロン、密度平方ミリ当たり１０
，０００個の突起が互いに入り組んだ状態で形成されて
いた。

【００２６】次いで実施例と同様の条件で熱フィラメン
トＣＶＤ法によりダイヤモンドを析出させたところ基板
上に平均膜厚１５ミクロンのダイヤモンド膜が析出した
。次いで、実施例と同様な方法で基材とダイヤモンド膜
の付着強度を調べたところ、２３Ｋｇでダイヤモンド膜
が剥離した。

【００２７】実施例１と比較するとＴｉＣ針状結晶のア
スペクト比が小さいため、突起の密度は等しいが、太さ
、長さが低下し、付着強度が低下したものと推定される
。

【００２８】実施例１と同様な条件で切削試験を行った
ところ３９Ｋｍでダイヤモンド膜が剥離した。

【００２９】比較例１ 粒径３ミクロンのＷＣ粉７０Ｗｔ％、粒径３ミクロンの
Ｃｏ粉を２０Ｗｔ％、形状がほぼ球状の平均粒径５ミク
ロンのＴｉＣ粉を１０Ｗｔ％で混合した圧粉体を実施例
と同様の条件で燒結、成形加工後、パルス電圧を用いた
電解研磨処理を行った。

【００３０】電解研磨後、酸化物を除去し表面を観察し
たところ太さ３ミクロン、長さ４ミクロン、密度平方ミ
リ当たり１０，０００個の突起が形成されていた。次い
で実施例と同様の条件で熱フィラメントＣＶＤ法により
ダイヤモンドを析出させたところ、基材上に平均膜厚１
５ミクロンのダイヤモンド膜が析出した。

【００３１】引き続き実施例と同様な方法で基材とダイ
ヤモンド膜との付着強度を調べたところ、１８Ｋｇでダ
イヤモンド膜が剥離した。実施例１、２と比較するとＴ
ｉＣ粉が球形であるため、突起の密度は等しいが、太さ
、長さが低下し、また突起の分布も単純であるため付着
強度が低下したものと推定される。

【００３２】実施例と同様な条件で切削試験を行ったと
ころ２０Ｋｍでダイヤモンド膜が剥離した。

【００３３】比較例２ ダイヤモンド析出用基材に市販の純アルミナ燒結体チッ
プを用いた。実施例と同様な条件で電解研磨後、表面を
観察したところ、高低差１０ミクロンのなだらかな起伏
が形成されていた。次いで実施例と同様な条件で傷付け
処理後、ダイヤモンド膜の合成を行い、平均膜厚１５ミ
クロンのダイヤモンド膜を析出させた。

【００３４】このダイヤモンド膜と基材の付着強度を実
施例と同様な方法で調べたところ、６Ｋｇでダイヤモン
ド膜が剥離した。切削試験についても同様の方法で実施
したところ８Ｋｍでダイヤモンド膜が剥離した。

【００３５】

【発明の効果】本発明を用いて作製した超硬合金基材を
特願平１−２４５２００並びに特願平１−３２２５１６
で開示した方法で処理する事により、重切削にも十分に
耐え得る付着強度を与える突起密度、並びに突起サイズ
を効果的に付与する事が可能となり、ダイヤモンド膜と
該表面との付着強度を高める事が可能となった。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　周期律表ＩＶａ，Ｖａ，族ならびにタ
   ングステンを除くＶＩａ族の金属、その炭化物、窒化物
   、ホウ化物および珪化物の少なくとも１種で、アスペク
   ト比が２以上の針状結晶を用い、該結晶の粒度を０．１
   〜５０ミクロンの範囲、超硬合金原料全体に対する配合
   量を１〜３０％の範囲で変化させて調合し、燒結して得
   た超硬合金基材表面を鉱酸中でパルス電圧あるいは定常
   電圧により電解研磨して、表面に突起群を形成させ、更
   にその表面を砥粒で傷つけ処理することを特徴とするダ
   イヤモンド析出用超硬合金基材の製造法。