JPH05253757A - 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】 【目的】 気相合成ダイヤモンドの成長初期部をすくい
面としたダイヤモンド切削工具において、刃先処理を行
なっても優れた耐磨耗性を保持する工具を提供する。 【構成】 気相合成されたダイヤモンドを刃先２として
有するダイヤモンド切削工具において、気相合成による
ダイヤモンド結晶の成長初期部が刃先２のすくい面５側
とされ、さらに、成長初期部に新たにダイヤモンド９が
コーティングされているダイヤモンド切削工具。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ダイヤモンド切削工具
に関し、特に、気相合成により形成されるダイヤモンド
を刃先に用い、耐摩耗性および耐欠損性に優れた切削工
具、ならびにその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ダイヤモンドは硬度および熱伝導率が高
いため、難削材の切削加工用工具材料として特に有用で
ある。

【０００３】工具材料として使用されるダイヤモンド
は、単結晶のものと多結晶のものに分けられる。単結晶
ダイヤモンドは、その物理的特性において優れた材料で
あるが、非常に高価である上に、工具材料として所望す
る形状に加工することは容易でなく、しかも劈開すると
いう欠点を有している。

【０００４】一方、工具材料としての多結晶ダイヤモン
ドは、２種類に大別することができる。その１つは、微
細なダイヤモンド粉末をＣｏなどの鉄族金属をダイヤモ
ンドが安定な超高圧、高温下で焼結することにより得ら
れる焼結ダイヤモンドである。このような焼結技術は、
たとえば、特公昭５２−１２１２６号公報に記載されて
いる。

【０００５】市販とされている焼結ダイヤモンドのう
ち、特に粒径が数十μｍ以下の粒径のものは、上記の単
結晶ダイヤモンドに見られるような劈開現象が生ずるこ
となく、優れた耐摩耗性を有することが知られている。

【０００６】しかしながら、焼結ダイヤモンドは、数％
〜数十％の結合材を含有するため、焼結体を構成するダ
イヤモンド粒子が切削時に脱落して、ダイヤモンドの刃
先が欠けていくことがあった。この脱落現象は、工具刃
先のクサビ角が小さくなるほど顕著になるので、焼結ダ
イヤモンド製の鋭利な切刃を長持ちさせることは困難で
あった。

【０００７】さらに、焼結ダイヤモンドは結合材を含む
ため、単結晶よりも耐熱性に劣り、切削時の摩耗が進行
しやすかった。

【０００８】これに対し、もう１つの切削工具用多結晶
ダイヤモンドである気相合成ダイヤモンドは、緻密でし
かもダイヤモンドのみからなるため、焼結ダイヤモンド
に比べて耐熱性および耐摩耗性により優れ、しかも欠損
が生じにくいものである。このような気相合成ダイヤモ
ンドは、一般に、メタン等の炭化水素と水素を主成分と
する原料ガスを低圧下で分解・励起させる化学蒸着（Ｃ
ＶＤ）によって作成されている。

【０００９】気相合成ダイヤモンドを用いた切削工具と
して、たとえば、工具基体上に直接ダイヤモンドを被覆
したダイヤモンドコーティング工具が開発されている。
しかし、ダイヤモンドコーティング工具の場合、工具基
体とダイヤモンド薄膜の密着性が重要であり、たとえ
ば、超硬合金上にダイヤモンド薄膜を形成した工具で
は、切削加工中にダイヤモンド薄膜が剥離するという傾
向があった。

【００１０】また、気相合成ダイヤモンドを工具基体に
直接ろう付けするダイヤモンド切削工具の開発も行なわ
れている。たとえば、特開平１−１５３２２８号公報お
よび特開平１−２１０２０１号公報は、超硬合金からな
る工具基体に気相合成ダイヤモンドの薄板を切刃として
直接ろう付けし、切削工具として供する技術を開示して
いる。このような工具は、ダイヤモンドコーティング工
具で問題となったダイヤモンドの剥離が起こらない上
に、従来の焼結ダイヤモンドを用いた工具より優れた性
能を有している。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】一般に、基材上に成長
させた気相合成ダイヤモンドは、結晶成長初期の部分に
おいては微小である粒径が粗大化しつつ柱状に成長した
組織を有している。核発生の密度にもよるが、気相成長
ダイヤモンド膜において、成長開始から厚み１０μｍ程
度までの成長初期部では、粒径が数μｍ以下の微細組織
が形成されている一方、厚み数百μｍの成長後期部分に
なると、その粒径は数十μｍに達する。

【００１２】上述したように気相合成ダイヤモンドのチ
ップを超硬合金等の基体にろう付けした工具において、
ダイヤモンド粒径が粗大化した成長後期の部分を切刃の
すくい面にすると、刃先は欠損しやすくなる。そこで、
ダイヤモンド粒径が微細な成長初期部がすくい面となる
よう気相合成ダイヤモンドを工具基体にろう付けしたダ
イヤモンド切削工具が開発されている。これにより、ダ
イヤモンドの刃先は欠損しにくくなっている。

【００１３】一方、気相合成ダイヤモンドのチップにつ
いて、通常、刃こぼれ、特に切刃先端の刃こぼれを防止
するため、ネガランドやホーニング等の刃先処理が施さ
れる。上述したように成長初期部をすくい面とした場合
でも、刃先処理を行なう必要がある。

【００１４】しかしながら、このような刃先処理によっ
て切刃の耐摩耗性が低下するという問題が生じた。

【００１５】この発明の目的は、上記問題を解決し、気
相合成ダイヤモンドの成長初期部をすくい面としたダイ
ヤモンド切削工具において、刃先処理を行なっても優れ
た耐摩耗性を保持する切削工具を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】第１の発明に従うダイヤ
モンド切削工具は、気相合成されたダイヤモンドを工具
素材として刃先を構成し、刃先処理が施されたダイヤモ
ンド切削工具において、気相合成によるダイヤモンド結
晶の成長初期部が刃先のすくい面側とされ、成長初期部
に新たにダイヤモンドがコーティングされていることを
特徴とする。

【００１７】気相合成によるダイヤモンドの形成には、
種々の低圧気相法が適用できる。たとえば、熱電子放射
やプラズマ放電を利用して原料ガスを分解・励起させる
方法や、燃焼炎を用いた成膜方法が有効である。

【００１８】また、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、またはエステル類など
の有機炭素化合物と、水素とを主成分として混合したガ
スを用いることができる。また、これら以外に、アルゴ
ンなどの不活性ガスや、酸素、一酸化炭素、水などがダ
イヤモンドの合成反応やその特性を阻害しない範囲で原
料中に含有されてもよい。

【００１９】本発明において、工具基体には、たとえ
ば、超硬合金、鋳鉄、耐熱合金、および種々の鋼等を用
いることができる。特に、超硬合金は、高温強度および
耐摩耗性に優れ、工具基体材料としてより好ましい。

【００２０】第１の発明に従う工具において、ダイヤモ
ンドの工具素材は、たとえば、ろう付けにより工具基体
に取付けられている。また、ろう付けされるダイヤモン
ド面には、周期律表の第ＩＶＡ属、第ＩＶＢ属、第ＶＡ
属、第ＶＢ属、第ＶＩＡ属、第ＶＩＢ属、第ＶＩＩＡ属
および第ＶＩＩＢ属に含まれる金属ならびにこれらの化
合物のいずれかからなるメタライズ層が好ましくは形成
されている。

【００２１】また、第１の発明の工具において、成長初
期部のダイヤモンド粒径は、通常、０．５〜６μｍであ
り、好ましくは、０．５〜３μｍである。

【００２２】第１の発明の工具において、新たにコーテ
ィングされたダイヤモンドの厚みは、５０μｍ以下が好
ましく、５μｍ〜２０μｍがより好ましい。また、新た
にコーティングされたダイヤモンドの平均粒径は、０．
５〜６μｍが好ましく、０．５〜３μｍがより好まし
い。

【００２３】第２の発明に従うダイヤモンド切削工具の
製造方法は、気相合成されたダイヤモンドを工具素材と
して刃先を構成する工具の製造方法であって、基材上に
気相合成によりダイヤモンドを形成した後、基材を分離
または除去して刃先とするダイヤモンド材を得る工程
と、ダイヤモンド材で基材に接触していた面側を刃先の
すくい面側として、ダイヤモンド材を工具基体にろう付
けする工程と、ダイヤモンド材を有する工具基体におい
て、少なくともダイヤモンド材のすくい面側とされた部
分にダイヤモンドをコーティングする工程とを備える。

【００２４】第３の発明に従うダイヤモンド切削工具の
製造方法は、気相合成されたダイヤモンドを工具素材と
して刃先を構成する工具の製造方法であって、基材上に
気相合成によりダイヤモンドを形成した後、基材を除去
または分離して刃先に用いることができるダイヤモンド
素材を得る工程と、ダイヤモンド素材で基材に接触して
いた面側に新たにダイヤモンドをコーティングする工程
と、ダイヤモンドが新たにコーティングされた面がすく
い面となるように、刃先としてのダイヤモンド素材を工
具気体にろう付けする工程とを備える。

【００２５】第２および第３の発明において気相合成に
よるダイヤモンドの形成方法は上述したとおりであり、
蒸着のための基材には、たとえば、ＳｉおよびＭｏ等が
好ましく用いられる。また、ダイヤモンドが形成される
基材表面は、面粗さＲ_max が０．２μｍ以下となるよう
鏡面仕上げされていることがより好ましい。

【００２６】このような基材は、機械加工または化学的
処理による分離・溶解等によって、ダイヤモンドから分
離または除去することができる。

【００２７】第２および第３の発明の方法において、基
材を分離または除去した後、残ったダイヤモンドは、そ
のまま次の工程に供されてもよいし、たとえば、切断等
によって適当な大きさまで加工されてもよい。

【００２８】第２の発明の方法においては、気相合成
後、基材を分離または除去して得られたダイヤモンド材
は、工具基体にろう付けされる。ろう付けにあたり、基
材と接触していたダイヤモンド面側、すなわち結晶成長
の開始面側が、切刃のすくい面側とされる。したがっ
て、この面側と対面する面側、すなわち結晶成長の終了
面側が、通常、ろう付け面とされる。このろう付け面に
は、ろう付けに先立って上述したようなメタライズ層を
形成することが好ましい。ろう付けは、このメタライズ
層を介して行なうことができる。

【００２９】第２の発明の方法において、ろう付けの
後、工具にダイヤモンドがコーティングされる。このコ
ーティングは、５０μｍ以下の厚みで行なうことが好ま
しく、さらには５〜２０μｍの厚さがより好ましい。こ
のコーティングにおけるダイヤモンドの粒径は、たとえ
ば０．５〜３μｍが好ましい。

【００３０】ダイヤモンドのコーティングは、切刃とし
てろう付けされたダイヤモンド材のすくい面側の部分に
少なくとも施されるが、さらにコーティング領域を広げ
てもよい。たとえば、工具基体にダイヤモンドのコーテ
ィングを行なってもよく、この場合、工具基体への切屑
の付着をより効果的に防止することができる。

【００３１】また、複数の切刃を有するスローアウェイ
チップで、１つまたはいくつかのコーナーにのみ気相合
成ダイヤモンドをろう付けした後、ダイヤモンドコーテ
ィングを行なえば、その他の切刃はコーティング工具と
して用いることができる。

【００３２】さらに、従来の焼結ダイヤモンド工具は板
状の形状に使用が限定されており、ブレーカーの機能を
ダイヤモンドの部分に持たせることはできなかったが、
本発明に従ってブレーカー部を有する切削チップの先端
に板状の気相合成ダイヤモンドをろう付けし、その後、
ダイヤモンドコーティングを施すことで、ブレーカー部
にダイヤモンドコーティングが施された切削工具を得る
ことができる。工具基体にブレーカー部のみを設けた場
合、Ａｌ合金等の被削材が工具基体に溶着しやすく、そ
の機能を十分に果たすことができなかったが、ダイヤモ
ンドコーティングを工具基体にも施すことによって、こ
のような溶着を防ぎ、工具の性能を向上させることがで
きる。

【００３３】このようなダイヤモンドコーティングは、
上述したようなＣＶＤによる方法、イオンプレーティン
グ、またはスパッタリング等の方法により行なうことが
できる。

【００３４】第２の発明のように工具基体にダイヤモン
ドをろう付けした後、ダイヤモンドをコーティングする
場合、ダイヤモンドコーティングを施す環境（特に温
度）で、ろう付け層が軟化したり変質したりすることを
できる限り避ける必要がある。したがって、ろう材に
は、その軟化温度がコーティング時の基体表面温度より
少なくとも１００℃高いものを用いる必要がある。この
ようなろう材として、たとえば、Ｃｕを主成分とした高
融点ろう材等を用いることができる。なお、ろう付けに
よる接合強度が工具の使用環境で耐えるレベルに留まれ
ば、ろう材に若干の変質が生じても差支えない。

【００３５】第２の発明に従う方法において、刃先処理
は、上記ダイヤモンドコーティングを行なう前に行なっ
てもよいし、その後に行なってもよい。刃先処理は、た
とえばネガランド、ホーニングまたはレーザ加工等によ
り行なうことができる。

【００３６】第３の発明では、気相合成後、基材を分離
または除去して得られたダイヤモンド素材に、まずダイ
ヤモンドコーティングを施す。コーティングを施す領域
は、ダイヤモンド材の合成において基材に接触していた
面側である。

【００３７】この面側へのダイヤモンドのコーティング
は、上述したようなＣＶＤによる方法、イオンプレーテ
ィング、またはスパッタリング等の方法により行なうこ
とができる。コーティングの厚みは、たとえば５０μｍ
以下が好ましく、さらには５〜２０μｍがより好まし
い。また、コーティングにおけるダイヤモンドの粒径は
０．５〜３μｍが好ましい。

【００３８】第３の発明では、ろう付け工程の後、刃先
処理が行なわれる。レーザで最終の刃先加工をする場合
は、第３の発明に従うほうが好ましい。

【００３９】

【作用】上述したように、気相合成されたダイヤモンド
は、成長初期において微細な粒径が成長に従って粗大化
した組織を有している。従来、成長初期部がすくい面と
なるよう、気相合成ダイヤモンドを工具基体に取付け、
そのチッピングを防ぐことができた。

【００４０】しかしながら、本発明者らは、気相合成さ
れたダイヤモンドにおいて、粒径が微細な組織を有する
部分は、成長開始から高々２０〜３０μｍ程度までであ
り、これより大きい厚みの部分は粒径が急に粗大化して
いるため、工具について刃先処理を行なうとこの微細な
組織の部分がとれて粗大な組織が露出し、切刃の耐摩耗
性が低下することを見出だした。そして、本発明者ら
は、気相合成ダイヤモンドの成長初期部に、さらにダイ
ヤモンドをコーティングすることによって、従来の問題
を解決するに至った。

【００４１】本発明に従って、気相合成ダイヤモンドの
成長初期部にダイヤモンドをコーティングすることによ
り、微小な粒径のダイヤモンド組織をより厚くすること
ができる。これは、ダイヤモンドのコーティング、特に
ＣＶＤにおいて合成条件を極端に変えない限り、成長初
期部の微細な組織がそのまま受け継がれてダイヤモンド
の結晶成長が進むためである。一方、もし粗大な粒径を
有する面、たとえば成長終了面にダイヤモンドをコーテ
ィングしていけば、粗大な粒径の組織が積み重ねられる
であろう。

【００４２】このように、成長初期部の小さな粒径を核
として、ダイヤモンドのコーティングを適当な厚みで形
成すれば、従来よりも厚い（たとえば厚み４０〜８０μ
ｍの）微細組織を有するすくい面を得ることができ、刃
先処理を行なっても微細組織をすくい面全体に残してお
くことができる。このようにして刃先処理後にも微細組
織を残し、粗大な組織を露出させなければ、切刃の耐摩
耗性はより向上する。

【００４３】

【実施例】

実施例１ Ｒ_max ０．２μｍ以下となるよう鏡面仕上げしたＳｉ基
材を用い、熱電子放射材に直径０．５ｍｍ、長さ１００
ｍｍの直線状タングステンフィラメントを用いた熱フィ
ラメントＣＶＤ法により以下の条件で、Ｓｉ鏡面上に厚
さ２５０μｍの多結晶ダイヤモンドを形成させた。

【００４４】原料ガス（流量）：Ｈ₂ ３００ｓｃｃ
ｍ、Ｃ₂ Ｈ₂ １５ｓｃｃｍ ガス圧力：８０Ｔｏｒｒ フィラメント温度：２２５０℃ フィラメント−基板間距離：５ｍｍ 基板温度：９３０℃ 次に、Ｓｉ基材上の多結晶ダイヤモンドを工具に必要な
大きさおよび形状にレーザで切断した後、弗硝酸でＳｉ
基材を溶解除去してダイヤモンドの素材を得た。

【００４５】得られたダイヤモンドの素材において、結
晶成長の終了面に厚さ１μｍでＴｉ、厚さ２μｍでＮｉ
を順次積層した後、このメタライズ層が形成された面を
接合面として、超硬合金（ＳＰＧ４２２）のシャンクに
Ｃｕを主成分とする融点１１００℃のろう材を用いて上
記ダイヤモンド素材を刃先として真空ろう付けした。

【００４６】ろう付け直後の工具についてその主要部を
図１（ａ）に示す。超硬合金からなる台金１の所定の領
域に、メタライズ層３およびろう付け層４を介してダイ
ヤモンドの刃先２が固定されている。

【００４７】ダイヤモンドの刃先２におけるダイヤモン
ド組織は図に示すとおりであり、切刃のすくい面５側は
ＣＶＤの結晶初期面で微細な粒径を有する一方、その粒
径は、すくい面５側から接合面６側にいくに従って粗大
化している。また、刃先２の端面には逃げ面７が形成さ
れている。

【００４８】ダイヤモンドの刃先２においてこのすくい
面５側から厚み２５μｍのところまでのダイヤモンド粒
径は、５μｍ以下である。

【００４９】次に、同じ熱フィラメントＣＶＤの設備を
用いて、冷却能力を調節して基材温度のみを８８０℃の
条件とし、他は上記と同様の条件で、刃先にダイヤモン
ド素材をろう付けした工具に厚さ２５μｍのダイヤモン
ドコーティングを施した。

【００５０】コーティング後は、図１（ｂ）に示すとお
りである。刃先２のすくい面５側およびそれにつながる
台金表面８にダイヤモンドコーティング層９が形成され
ている。ダイヤモンドコーティング層９における粒径は
０．５〜５μｍであった。

【００５１】次に、ネガランドの幅８０μｍ、ネガラン
ドの角度１０°の刃先処理を行なって図１（ｃ）に示す
ようなダイヤモンド切削工具（以下、この工具を切削工
具Ａとする）を得た。図に示すように、刃先処理を行な
っても、すくい面５には微細なダイヤモンド組織が保持
されている。

【００５２】一方、従来のようにダイヤモンドコーティ
ング層を形成せずに刃先処理を行なうと、図２に示すよ
うに処理を行なった部分（特に図の矢印で示す部分）は
粗大な組織が露出している。以下、この工具を切削工具
Ｂとする。

【００５３】Ｒ_max ０．２μｍ以下となるよう鏡面仕上
げをしたＳｉ基材を用いた。マイクロ波プラズマＣＶＤ
法により、鏡面仕上げしたＳｉ基材上に以下の条件で厚
さ３００μｍの多結晶ダイヤモンドを形成させた。

【００５４】原料ガス（流量）：Ｈ₂ ２００ｃｃ／ｍ
ｉｎ、ＣＨ₄ ４ｃｃ／ｍｉｎ、Ａｒ５０ｃｃ／ｍｉｎ 圧力：１００Ｔｏｒｒ，基材表面温度：９２０℃ マイクロ波発振器出力：８００Ｗ 次に、多結晶ダイヤモンドが形成されたＳｉ基材を弗硝
酸に浸漬し、Ｓｉ基材を溶解除去してダイヤモンド材を
得た。

【００５５】得られたダイヤモンドにおいて、基材に接
触していた面側に、上記と同様の条件で厚さ約２０μｍ
のダイヤモンド層を形成させた。

【００５６】次に、このダイヤモンド材において結晶成
長の終了面に実施例１と同様にしてメタライズ層を形成
した後、超硬合金（ＳＰＧ４２２）の台金に銀ろうを用
いてろう付け接合を行なった。

【００５７】ろう付けの後、ネガランドの幅８０μｍ，
ネガランドの角度１０°の刃先処理を行なって図３に示
すようなダイヤモンド切削工具（以下、この工具を切削
工具とＣとする）を得た。図に示すように、ダイヤモン
ドの刃先１２のすくい面１５には、ＣＶＤの成長初期に
おける微細な粒径が全面的に存在している。

【００５８】以上の方法により作製したダイヤモンドの
切削の性能を評価するために以下の条件で切削試験を実
施した。 （切削条件） 被削材：Ａ３９０−Ｔ６（Ａ１−１７％Ｓｉ） 軸方向に４本のＶ字形状の溝が形成された丸棒 切削速度：６００ｍ／ｍｉｎ 切り込み量：０．３ｍｍ 送り速度：０．１２ｍｍ／ｒｅｖ 冷却液：水溶性油剤 切削試験の結果、本発明の切削工具ＡおよびＣは１２０
分切削して刃先の欠損を生ずることがなく、切削工具Ａ
の逃げ面摩耗幅は６５μｍであり、切削工具Ｃの逃げ面
摩耗幅は７６μｍであった。これに耐して切削工具Ｂで
は３０分の切削で、摩耗が大きく進行し、欠損を生じ
た。

【００５９】

【発明の効果】本発明によれば、気相合成ダイヤモンド
の成長初期部にダイヤモンドをさらにコーティングする
ことにより、微細な粒径のダイヤモンド組織をより厚く
することができ、成長初期部をすくい面としたダイヤモ
ンド切削工具において刃先処理を行なっても、優れた耐
摩耗性を保持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１におけるダイヤモンド切削工具の製造
工程を示す概略断面図である。

【図２】従来のダイヤモンド切削工具を示す概略断面図
である。

【図３】実施例２において得られたダイヤモンド切削工
具を示す概略断面図である。

【符号の説明】

１ 台金 ２、１２ ダイヤモンドの刃先 ３ メタライズ層 ４ ろう付け層 ５ すくい面 ６ 接合面 ７ 逃げ面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤森 直治 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 気相合成されたダイヤモンドを工具素材
   として刃先を構成し、刃先処理が施されたダイヤモンド
   切削工具において、 前記気相合成によるダイヤモンド結晶の成長初期部が前
   記刃先のすくい面側とされ、 前記成長初期部に新たにダイヤモンドがコーティングさ
   れていることを特徴とする、ダイヤモンド切削工具。
2. 【請求項２】 気相合成されたダイヤモンドを工具素材
   として刃先を構成するダイヤモンド切削工具の製造方法
   であって、 基材上に気相合成によりダイヤモンドを形成した後、前
   記基材を分離または除去して前記刃先としてのダイヤモ
   ンド材を得る工程と、 前記ダイヤモンド材で前記基材に接触していた面側を前
   記刃先のすくい面側として、前記ダイヤモンド材を工具
   基体にろう付けする工程と、 前記ダイヤモンド材を有する工具基体において、少なく
   とも前記ダイヤモンド材のすくい面側とされた部分にダ
   イヤモンドをコーティングする工程とを備える、ダイヤ
   モンド切削工具の製造方法。
3. 【請求項３】 気相合成されたダイヤモンドを工具素材
   として刃先を構成するダイヤモンド切削工具の製造方法
   であって、 基材上に気相合成によりダイヤモンドを形成した後、前
   記基材を分離または除去して前記刃先に用いることがで
   きるダイヤモンド素材を得る工程と、 前記ダイヤモンド素材で前記基材に接触していた面側に
   新たにダイヤモンドをコーティングする工程と、 前記ダイヤモンドが新たにコーティングされた面がすく
   い面となるように、刃先としてのダイヤモンド素材を工
   具基体にろう付けする工程とを備える、ダイヤモンド切
   削工具の製造方法。