JPH04240004A

JPH04240004A - 多結晶ダイヤモンド切削工具およびその製造方法

Info

Publication number: JPH04240004A
Application number: JP315291A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Nakamura; 勉中村; Tetsuo Nakai; 哲男中井
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1991-01-16
Filing date: 1991-01-16
Publication date: 1992-08-27

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】この発明は、特に非鉄金属や金属
の仕上げ加工に最適で、耐欠損性の高い多結晶ダイヤモ
ンド切削工具およびその製造方法に関するものである。

【０００２】

【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、多結晶ダイヤモンドは劈開するという欠点があり、
この欠点を抑制するために、たとえば特公昭５２−１２
１２６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士を焼結したダイヤモンド焼結
体が開発されている。

【０００３】しかしながら、これらのダイヤモンド焼結
体は、５％〜１０％の結合材を含有するため、構成する
粒子単位でチッピングが生じるという問題点を有してい
た。

【０００４】そこで、ダイヤモンド焼結体の代わりに結
合材を含有してい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
材とした切削工具が発明者らによって考案された。この
ような多結晶ダイヤモンドを素材とした切削工具の例が
、特開平１−２１２７６７号公報に示されている。図７
は、このような多結晶ダイヤモンド工具の一例を示す断
面構造図である。この多結晶ダイヤモンド工具は工具支
持体４の表面上にろう付部５を介して多結晶ダイヤモン
ドチップ３が固定されている。チップ３はシリコン（Ｓ
ｉ）などの基材の表面上に低圧気相法を用いて合成され
た多結晶ダイヤモンド層２を用いている。このような気
相合成ダイヤ厚膜ろう付工具は、素材の多結晶体が結合
材を含有していないので、耐磨耗性が高い。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図７に
示されるような多結晶ダイヤモンド層２の刃先部８をシ
ャープエッジで構成すると、特に切削時の初期欠損が生
じるという問題点があった。

【０００６】したがって、この発明は上記のような問題
点を解消するためになされたもので、刃先部の耐欠損性
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
法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明による多結晶ダ
イヤモンド切削工具は、工具素材として低圧気相法によ
り構成された多結晶ダイヤモンドを用いている。工具の
形態としては、多結晶ダイヤモンドを工具本体として使
用するもの、あるいは工具支持体に接合して用いるもの
のいずれも含まれる。多結晶ダイヤモンドは、成膜方向
に沿って、非ダイヤモンド炭素成分が１容量％以下含ま
れた第１多結晶ダイヤモンド層と、非ダイヤモンド炭素
成分が１容量％以上５０容量％以下含まれる第２多結晶
ダイヤモンド層とを備えており、この第２多結晶ダイヤ
モンド層の表面を工具のすくい面となるように構成され
る。

【０００８】また、この発明による多結晶ダイヤモンド
切削工具の製造方法は以下のような工程を備える。すな
わち、まず基材の表面上に低圧気相法を用いて非ダイヤ
モンド炭素成分を１容量％以上５０容量％以下含む第１
多結晶ダイヤモンド層を析出させる。さらに、この第１
多結晶ダイヤモンド層の表面上に低圧気相法を用いて非
ダイヤモンド炭素成分を１容量％以下含む第２多結晶ダ
イヤモンド層を析出させることにより、多結晶ダイヤモ
ンドの工具素材を形成する。そして、工具素材の第１多
結晶ダイヤモンド層の表面から基材を除去する。さらに
、第１ダイヤモンド層の表面が工具のすくい面となるよ
うに多結晶ダイヤモンドの工具素材に刃先加工を施す。

【０００９】

【作用】この発明による多結晶ダイヤモンド切削工具は
、非ダイヤモンド炭素成分が１〜５０容量％含まれる第
２多結晶ダイヤモンド層の表面を工具のすくい面として
用いている。この第２多結晶ダイヤモンド層は第１多結
晶ダイヤモンド層に比べて高靭性を有するため、この第
２多結晶ダイヤモンド層の先端部に構成される刃先部の
靭性が高まることにより初期欠損を抑制することができ
る。

【００１０】また、この第２多結晶ダイヤモンド層と第
１多結晶ダイヤモンド層とは基材の表面上に低圧気相法
により連続的に析出形成されるため、製造工程の複雑化
を招くことなく高靭性の多結晶ダイヤモンド層を形成す
ることができる。

【００１１】

【実施例】図１は、この発明の一実施例によるスローア
ウェイチップの刃先部の断面構造図である。多結晶ダイ
ヤモンドチップ３は超硬合金あるいは鋼などからなる工
具支持体４の上にろう付部５を介して接合されている。多結晶ダイヤモンドチップ３は第１多結晶ダイヤモンド
層２ａと第２多結晶ダイヤモンド層２ｂの２層構造を有
している。第１多結晶ダイヤモンド層２ａは非ダイヤモ
ンド炭素を１容量％以下含有しており、また第２多結晶
ダイヤモンド層２ｂは非ダイヤモンド炭素を１容量％以
上５０容量％以下含有している。この非ダイヤモンド炭
素を多く含有することにより、第２多結晶ダイヤモンド
層２ｂは靭性が第１多結晶ダイヤモンド層２ａに比べて
高くなっている。このすくい面６を構成する第２多結晶
ダイヤモンド層２ｂの非ダイヤモンド炭素含有量が５０
容量％を超える場合には、強度が低下してこのダイヤモ
ンド層に亀裂が発生しやすくなる。また、１容量％未満
の場合には靭性が低下してすくい面に亀裂が発生しやす
くなる。さらに、この第２多結晶ダイヤモンド層２ｂは
その膜厚が５〜２０μｍであることが好ましい。膜厚が
２０μｍを超えると刃先の鋭利さが低下して被削面粗度
が低下する。また、膜厚が５μｍ未満の場合には刃先部
に亀裂が発生するのを防止するための亀裂発生防止層と
しての機能が十分発揮されない。

【００１２】次に、図１に示す多結晶ダイヤモンド切削
工具の製造方法について説明する。図２ないし図６はそ
の製造工程断面図である。

【００１３】まず、図２を参照して、金属あるいは合金
からなる基材１の表面上に低圧気相法を用いて第１およ
び第２多結晶ダイヤモンド層２ａ、２ｂを形成する。基
材１の表面は、その表面粗さがＲｍａｘで０．１μｍ以
下の鏡面に仕上げ加工されている。この表面上に多結晶
ダイヤモンドを析出させる低圧気相法として以下のよう
な方法が用いられる。すなわち、熱電子放射やプラズマ
放電を利用して、原料ガスの分解・励起を生じさせる方
法、あるいは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、たとえばメタン、エタン、プロパンな
どの炭化水素類、メタノール、エタノールなどのアルコ
ール類、エステル類などの有機炭素化合物と水素とを主
成分とする混合ガスが一般的に用いられる。それ以外に
はアルゴンなどの不活性ガスや酸素、二酸化炭素、水な
ども、ダイヤモンドの合成反応やその特性を阻害しない
範囲内で原料中に含有されても構わない。

【００１４】このような低圧気相法を用い、原料ガスの
流量やガス圧力などを種々の条件で設定し、まず基材１
の表面に第２多結晶ダイヤモンド層２ｂを析出させる。さらに、低圧気相法の条件を変えて第２多結晶ダイヤモ
ンド層２ｂの表面上に第１多結晶ダイヤモンド層２ａを
析出させる。この工程により、第１多結晶ダイヤモンド
層２ａには非ダイヤモンド炭素が１容量％未満程度含ま
れ、第２多結晶ダイヤモンド層２ｂには同じく１容量％
以上５０容量％以下含まれる。また、このような低圧気
相法により形成された多結晶ダイヤモンド層２ａ、２ｂ
の平均結晶粒径は０．５〜１５μｍに合成される。この
多結晶ダイヤモンド層２ａ、２ｂの粒径が規定されるの
は、切削工具として使用された場合に、平均結晶粒径が
０．５μｍよりも微粒になると耐磨耗性が低下し、また
１５μｍよりも粗粒になると欠損しやすくなるからであ
る。また、基材１としては多結晶ダイヤモンドの内部押
力を低減させるために、その熱膨張率がダイヤモンドの
熱膨張率に近いものが好ましく、たとえばモリブデン（
Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、シリコン（Ｓｉ）などが
用いられる。

【００１５】次に、図３を参照して、レーザビーム１０
より基材１上に形成された第１および第２の多結晶ダイ
ヤモンド層２ａ、２ｂを所定の工具素材３ａの形状に沿
って切断線を形成する。

【００１６】さらに、図４を参照して、塩酸、硫酸、硝
酸、弗酸あるいはこれらの混合液により化学処理を施し
て基材１を溶解して除去する。このようにして形成され
た多結晶ダイヤモンド工具素材３ａは、その成長方向に
厚みが１ｍｍ以上であれば、そのまま刃先形成加工を行
ないホルダにクランプして工具として使用することがで
きる。また、膜厚が０．０５〜１ｍｍであれば、以下図
示されるように超硬合金や鋼などからなる工具支持体に
接合した構造の切削工具として使用される。このような
工具支持体に接合される構造の切削工具の場合、多結晶
ダイヤモンド工具素材３ａの厚みが０．０５ｍｍよりも
薄い場合には工具素材としての強度が低下して欠損しや
すくなる。また、このような接合型の切削工具において
は、一般的な使用に対しては工具素材３ａの厚みが１ｍ
ｍ程度あれば十分である。

【００１７】次に、図５を参照して、第１多結晶ダイヤ
モンド層２ａの表面が接合面となるように工具支持体４
にろう付部５を介して接合される。これにより、第２多
結晶ダイヤモンド層２ｂの表面が工具すくい面６となる
。

【００１８】さらに、図６を参照して、研削加工を施し
て第１多結晶ダイヤモンド層２ａおよび第２多結晶ダイ
ヤモンド層２ｂの側面に工具の逃げ面７を構成するとと
もに、すくい面６および逃げ面７との交線に沿って刃先
部８を形成する。このようにして形成された多結晶ダイ
ヤモンド切削工具の刃先部８は、そのチッピングが０．
５μｍ〜５μｍであった。なお、チッピングの大きさの
定義としては、刃先部からすくい面６側に測った切欠の
大きさ、あるいは同様に刃先部から逃げ面側へ測った切
欠の大きさのいずれか大きい方を用いてチッピングの大
きさを示すこととする。この刃先部に生じるチッピング
量が５μｍ以上となると、工具の刃立性が悪くなり、仕
上げ面粗度が低下する。

【００１９】次に、上記のような方法を用いて製作し、
検査したスローアウェイチップの具体例について説明す
る。具体的実施例マイクロ波プラズマＣＶＤ法により、その表面がＲｍａ
ｘで０．０５μｍの鏡面状態であるＳｉ基板上に多結晶
ダイヤモンドを合成した。合成工程は、まず以下に示す
条件■で１時間合成し、引続き条件■で１０時間合成し
た。

【００２０】　　　　　　条件■：原料ガス（流量）　　：Ｈ２　　
　　２００　　ｓｃｃｍ　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ＣＨ４　　
　　３０　　ｓｃｃｍ　　　　　　　　　　　　　　ガ
ス圧力　　　　　　　　　　：１００　　Ｔｏｒｒ　　
　　　　　　　　　　　　マイクロ波発振出力：８５０
　　Ｗ　　　　　　条件■：原料ガス（流量）　　：Ｈ
２　　　　２００　　ｓｃｃｍ　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ＣＨ
４　　　　１０　　ｓｃｃｍ　　　　　　　　　　　　
　　ガス圧力　　　　　　　　　　：１２０　　Ｔｏｒ
ｒ　　　　　　　　　　　　　　マイクロ波発振出力：
６５０　　Ｗ合成後、沸硝酸に浸漬して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０．２ｍｍ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の断面構造をラマン分光
分析法で調べた結果、基板側の厚さ１５μｍの層は、５
容量％の非ダイヤモンド炭素を含有した多結晶ダイヤモ
ンド層であり、また残りの１８５μｍの厚さの層は、０
．５容量％の非ダイヤモンド炭素を含有する多結晶ダイ
ヤモンド層であることが明らかとなった。なお、基板側
の表面はＲｍａｘで０．０５μｍ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性
のシャンクとろう付接合を行なった。次に、この接合体
を＃１５００のダイヤモンド砥石による研削加工により
スローアウェイチップ（型番：ＳＰＧＮ１２０３０４）
を作製した。なお、得られたスローアウェイチップ（Ａ
）は刃先のチッピングが３μｍであった。

【００２１】比較例として、上記の条件■のみで１１時
間多結晶ダイヤモンドの合成を行なった。得られた多結
晶ダイヤモンドは、厚さが０．２ｍｍ、平均結晶粒径が
５μｍで、０．５容量％のダイヤモンド炭素を含有する
多結晶ダイヤモンドであることが明らかとなった。なお
、基板側の面はＲｍａｘで０．０５μｍ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
硬合金性のシャンクとろう付接合を行なった。そして、
チップ（Ａ）と同様の加工を行ない、同じ型番のスロー
アウェイチップ（Ｂ）を作製した。このチップ（Ｂ）の
刃先のチッピングは１５μｍであった。

【００２２】これらのスローアウェイチップ各１０個ず
つについて、以下の条件で性能評価試験を行なった。

【００２３】　　　　（切削条件）　　　　　　　　　　被削材　　：Ａ３９０−Ｔ６（Ａ
１−１７％Ｓｉ）　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　丸棒の軸方向に４本のＶ字状の溝が形成されたも
の　　　　　　　　　　切削速度：５００ｍ／ｍｉｎ　
　　　　　　　　　切込み量：０．２ｍｍ　　　　　　
　　　　送り速度：０．１ｍｍ／ｒｅｖ．　　　　　　
　　　　冷却液　　：水溶性油剤その結果、本発明によ
るチップ（Ａ）は、いずれも６０本切削しても欠損が生
ずることなく良好な被削面が得られた。これに対して、
チップ（Ｂ）は、５個が切削後５分間で、また３個が切
削後８分で、さらに残りの２個は切削後２０分で欠損が
生じた。これにより、この発明の方法によって形成され
た工具素材を使用することにより、高靭性なダイヤモン
ド切削工具が得られることが明らかとなった。

【００２４】

【発明の効果】このように、この発明による多結晶ダイ
ヤモンド切削工具は、低圧気相法の条件を種々設定する
ことにより形成した非ダイヤモンド炭素を多量に含有す
る多結晶ダイヤモンド層をすくい面に用いることにより
、高靭性で耐欠損性に優れた多結晶ダイヤモンド切削工
具を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による多結晶ダイヤモンド切削工具の
刃先部分の拡大断面図である。

【図２】この発明による低圧気相法を用いた多結晶ダイ
ヤモンド切削工具の製造工程を示す第１工程図である。

【図３】この発明による低圧気相法を用いた多結晶ダイ
ヤモンド切削工具の製造工程を示す第２工程図である。

【図４】この発明による低圧気相法を用いた多結晶ダイ
ヤモンド切削工具の製造工程を示す第３工程図である。

【図５】この発明による低圧気相法を用いた多結晶ダイ
ヤモンド切削工具の製造工程を示す第４工程図である。

【図６】この発明による低圧気相法を用いた多結晶ダイ
ヤモンド切削工具の製造工程を示す第５工程図である。

【図７】従来の多結晶ダイヤモンド切削工具の刃先部分
の断面図拡大図である。

【符号の説明】

１　　基材２ａ　　第１多結晶ダイヤモンド層２ｂ　　第２多結晶ダイヤモンド層３　　多結晶ダイヤモンドチップ３ａ　　工具素材４　　工具支持体５　　ろう付部６　　すくい面７　　逃げ面８　　刃先部１０　　レーザビーム

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　低圧気相法により合成された多結晶ダ
イヤモンドを用いた多結晶ダイヤモンド切削工具であっ
て、前記多結晶ダイヤモンドは、成膜方向に沿って、非
ダイヤモンド炭素成分が１容量％以下含まれる第１多結
晶ダイヤモンド層と、非ダイヤモンド炭素成分が１容量
％以上５０容量％以下含まれる第２多結晶ダイヤモンド
層とを備え、前記第２多結晶ダイヤモンドの表面を工具
のすくい面とした、多結晶ダイヤモンド切削工具。
【請求項２】　　前記第２多結晶ダイヤモンド層の厚み
が５μｍ以上２０μｍ以下である、請求項１記載の多結
晶ダイヤモンド切削工具。
【請求項３】　　前記第２多結晶ダイヤモンド層のすく
い面の粗さは、最大高さ表示（Ｒｍａｘ）で０．１μｍ
以下である、請求項１または請求項２に記載の多結晶ダ
イヤモンド切削工具。
【請求項４】　　前記多結晶ダイヤモンドの粒径が０．
５μｍ以上１５μｍ以下である、請求項１ないし請求項
３のいずれかに記載の多結晶ダイヤモンド切削工具。
【請求項５】　　前記多結晶ダイヤモンドに形成される
刃先部のチッピングの大きさが０．５μｍ以上５μｍ以
下である、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の
多結晶ダイヤモンド切削工具。
【請求項６】　　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、この工具素材を工具支持体
に接合して構成された多結晶ダイヤモンド切削工具であ
って、前記多結晶ダイヤモンドは、成膜方向に沿って、
非ダイヤモンド炭素成分が１容量％以下含まれる第１多
結晶ダイヤモンド層と、非ダイヤモンド炭素成分が１容
量％以上５０容量％以下含まれる第２多結晶ダイヤモン
ド層とを備え、前記第２多結晶ダイヤモンド層の表面を
工具のすくい面とした、前記多結晶ダイヤモンド切削工
具。
【請求項７】　　前記第２多結晶ダイヤモンド層の厚み
が５μｍ以上２０μｍ以下である、請求項６に記載の多
結晶ダイヤモンド切削工具。
【請求項８】　　前記第２多結晶ダイヤモンド層のすく
い面の粗さが最大高さ表示（Ｒｍａｘ）で０．１μｍ以
下である、請求項６または請求項７記載の多結晶ダイヤ
モンド切削工具。
【請求項９】　　前記多結晶ダイヤモンドの粒径が０．
５μｍ以上１５μｍ以下である、多結晶ダイヤモンド切
削工具。
【請求項１０】　　前記多結晶ダイヤモンドに形成され
る刃先部のチッピングの大きさが０．５μｍ以上５μｍ
以下である、請求項６ないし請求項９のいずれかに記載
の多結晶ダイヤモンド切削工具。
【請求項１１】　　前記工具素材の厚さが０．０５ｍｍ
以上１ｍｍ以下である、請求項６ないし請求項１０のい
ずれかに記載の多結晶ダイヤモンド切削工具。
【請求項１２】　　基材の表面上に低圧気相法を用いて
非ダイヤモンド炭素成分を１容量％以上５０容量％以下
含む第１多結晶ダイヤモンド層を析出させる工程と、前
記第１多結晶ダイヤモンド層の表面上に低圧気相法を用
いて非ダイヤモンド炭素成分を１容量％以下含む第２多
結晶ダイヤモンド層を析出させることによって、多結晶
ダイヤモンドの工具素材を形成する工程と、前記工具素
材の前記第１多結晶ダイヤモンド層の表面から前記基材
を除去する工程と、前記第１多結晶ダイヤモンド層の表
面が工具のすくい面となるように前記多結晶ダイヤモン
ドの工具素材に刃先加工を施す工程とを備えた、多結晶
ダイヤモンド切削工具。
【請求項１３】　　表面粗さが最大高さ表示（Ｒｍａｘ
）で０．１μｍ以下の基材の表面上に前記多結晶ダイヤ
モンド層が析出される、請求項１２に記載の多結晶ダイ
ヤモンド切削工具の製造方法。
【請求項１４】　　前記基材として、モリブデン、タン
グステン、シリコンのいずれか１つの材料が用いられる
、請求項１２または請求項１３の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。
【請求項１５】　　前記基材の除去は、塩酸、硫酸、硝
酸、弗酸、および塩酸、硫酸、硝酸、弗酸の混合液のう
ち、いずれか１つの溶液を用いて化学的に除去される、
請求項１２ないし請求項１４の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。
【請求項１６】　　前記刃先加工は、刃先のチッピング
の大きさが０．５μｍ以上５μｍ以下となるように行な
われる、請求項１２ないし請求項１５のいずれかに記載
の多結晶ダイヤモンド切削工具の製造方法。
【請求項１７】　　前記刃先加工が施された前記多結晶
ダイヤモンドを、前記第２多結晶ダイヤモンド層の表面
が接合面となるように工具支持体に接合する工程をさら
に備える、請求項１２ないし請求項１６のいずれかに記
載の多結晶ダイヤモンド切削工具の製造方法。