JPS6333570A - ダイヤモンド被覆切削工具 - 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〕 本発明はダイヤモンド被覆切削工具に関し、より詳細に
は、精密加工用、または仕上げ加工用として用いられる
切削工具に関する。

〔従来技術〕

従来から、切削工具としては超硬合金、ＡｈＯｉ等の酸
化物、ＳｉＣ，５ｉＪ４等の炭化物、窒化物が、あるい
は超硬合金に炭化物、窒化物を被覆したものが、強度お
よび耐摩耗性にすぐれることから一般的に使用されてい
る。

近年に至っては、さらに耐摩耗性を有する材料として、
ダイヤモンドが注目され、薄膜技術の発展に伴い所定の
母材表面にダイヤモンド膜を気相成長法等により設けて
成る耐摩耗性に優れた切削工具が提案されている。そこ
で、ダイヤモンド膜の生成にあたっては低圧気相合成技
術が特に研究されており、例えばプラズマＣＶＤ法等に
よるダイヤモンド膜の生成が提案されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし乍ら、このような従来のＣＶＤ法によって生成さ
れるダイヤモンド膜中には、非晶質炭素が含まれている
ことにより純度が低く、そのためにダイヤモンド自体の
優れた耐摩耗性が十分に発揮されていない。特に精密加
工あるいは仕上げ加工用の切削工具においてその寿命を
決定する要因として耐摩耗性は極めて重要であることか
ら優れた耐摩耗性を有する切削工具が切望されている。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明によれば、ＣＶＤ法においてダイヤモンド生成用
ガス中に酸素を含有させて成膜したダイヤモンド膜が高
純度であり、これを工具母材表面に被覆したダイヤモン
ド被覆切削工具が耐摩耗性に優れ、長寿命であることを
見い出し、本発明に至った。

即ち、本発明によれば、工具母材表面にレーザーラマン
分光分析によるダイヤモンドのスペクトル面積に対する
ダイヤモンド以外の炭素のスペクトル面積比が１０以下
の高純度ダイヤモンド膜を被覆した切削工具が提供され
る。

以下、本発明を詳述する。

本発明において工具母材上に形成されるダイヤモンド膜
のレーザーラマン分光分析によるスペクトルを第１図に
示す。第１図に示すようにこのスペクトルによれば、１
３３０ｃｍ−’にダイヤモンドの吸収が見られるととも
にその周辺１００１０００＝１８００’の波数間に細か
い吸収が見られる。この微少の吸収はダイヤモンド膜中
の非晶質炭素あるいは黒鉛に起因するものである。これ
ら非晶質炭素または黒鉛はダイヤモンド膜のダイヤモン
ド結晶粒子の粒界および表面に存在するものであって、
これらが粒界に存在することによりダイヤモンド結晶粒
子間の結合強度は低下する。また、非晶質炭素又は黒鉛
等は耐摩耗性においてダイヤモンドと比較してはるかに
劣るために粒界および粒界近傍のダイヤモンドは摩耗し
易くなる。しかし粒界にそれらがない場合にはダイヤモ
ンド結晶粒子間の結合強度も強く、粒子の微少欠損が起
こりにくくなり、耐摩耗性は向上する。

本発明によれば、１３３０ｃｍ−’のダイヤモンドのス
ペクトル面積に対するダイヤモンド以外のスペクトル面
積、即ち周辺の微少な吸収の面積比が１０以下、特に５
以下であることが大きな特徴である。

この面積比が１０以下であることは純度の高い良質のダ
イヤモンド膜であることを意味するもので、ダイヤモン
ド本来の耐摩耗性を発揮することができる。面積比が１
０を越えると非晶質炭素および黒鉛成分等の不純物が粒
界に含まれることにより耐摩耗性は低下し寿命が短くな
る。

このような高純度のダイヤモンド膜を生成させる際、用
いる工具母材の材質としては、ダイヤモンド膜生成時の
熱膨張差による膜のハクリを防止することが重要である
。そのため、用いる工具母材の室温から８００℃におけ
る熱膨張係数が２．８×１０−６乃至６．０　乃至６×
１０−’／　”Ｃ１特に３．５　乃至６×１０−’乃至
５．０ＸＩＯ−’／　’Ｃのものを使用することが重要
である。

また、生成されたダイヤモンド膜と基体との熱膨張差が
２．Ｏ乃至６×１０−６／　’Ｃ以下であることが望ま
しい。

この構成によれば、ダイヤモンド膜の残留応力の蓄積を
低減させることができることから、膜厚が厚い場合でも
、チッピングや剥離等の生じない膜を生成することが可
能となる。しかも、成膜が安定することから極めて均一
な膜が生成され、膜自体の強度も向上させることができ
る。

好適に用いられる工具母材としては、超硬、サーメット
、ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素等を主成分とする焼
結体が挙げられるが密着性を考慮すれば窒化珪素質焼結
体が好ましい。

なお熱膨張係数の調製に際しては、これら焼結体を複合
するかまたは焼結助剤等の添加によって任意に制御する
ことができる。例えば、窒化珪素質焼結体においてはＴ
ｉＮ、　ＴｉＣ＋　ＺｒＮ、　ＳｉＣ，Ｚｒ０ｚ＋　Ａ
　ｌｚＯ：＋等の添加によって調製することができる。

なお前述の母材表面のダイヤモンド膜の膜厚は１〜２０
０　μｍ　、特に３０乃至１５０　μｍが望ましく、１
μ糟を下回わるとダイヤモンド被覆の効果がなく、剥離
が生じ易い。また、２００μＩを越えるとチッピングが
生じ易くなる。

本発明における高純度のダイヤモンド膜の成膜に当たっ
ては、特願昭５９−２７８６４５号にて本発明者が提案
しているようにダイヤモンド生成用ガス中に酸素を単独
あるいは化合物の形で含有させ、該ガスの分解により生
成することができる。このダイヤモンド生成用ガスの酸
素源としては酸素含有ガスあるいは酸素含有有機化合物
を用い、これと水素とを組み合わせて用いるか、所望に
より炭化水素を混合して用いる。

用いられる酸素含有ガスとしては０□の他、Ｃ０１ＣＯ
２等の炭化物、ＮＯ，ＮＯＺ、Ｎ２０等の窒化物、また
Ｈ２Ｏ，Ｈ２Ｏ□等の水素化物など二原子分子、三原子
分子あるいは四層子分子などの酸素化合物を用いること
ができる。

また、酸素含有有機化合物としてはメタノール、エタノ
ール、プロパツール、ブタノール等のアルコール類、メ
チルエーテル、エチルエーテル、エチルメチルエーテル
、メチルプロピルエーテル、エチルプロピルエーテル、
フェノールエーテル、アセタール、環式エーテル（エチ
レンオキシド、ジオキサンなど）のエーテル類、アセト
ン、ビナコリン、メシチルオキシド、芳香族ケトン（ア
セトフェノン、ベンゾフェノンなど）、ジケトン、環式
ケトン等のケトン類、ホルムアルデヒド、アセトアルデ
ヒド、ブチルアルデヒド、芳香族アルデビド（ペンズア
ルデビドなど）等のアルデヒド類、蟻酸、酢酸、プロピ
オン酸、コハク酸、酪酸、しゅう酸、酒石酸、ステアリ
ン酸等の有機酸類、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロ
ピル、酢酸ブチル等の酸エステル類、エチレングリコー
ル、トリエチレングリコール、ジエチレングリコール等
の二価アルコール類等が挙げられ、これらの中でも炭化
水素と同様常温で気体であるメチルエーテル、エチレン
オキシドもしくは蒸気圧の高いメタノール、エタノール
、プロパツール、ブタノール、メチルアルコール、エチ
ルエーテル、エチルメチルエーテル、メチルプロピルエ
ーテル、エチルプロピルエーテル、アセトン、ホルムア
ルデヒド、アセトアルデヒド、ブチルアルデヒド、蟻酸
、酢酸、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸
ブチル等が望ましい。

さらに炭化水素としては、メタン、エタン、プロパン、
ブタン等の飽和鎖状炭化水素、エチレン、プロピレン、
アセチレン、アレン等の不ｍｌ　和ｔＪｆ　状炭化水素
、シクロプロパン、シクロブタン、シクロペンタン等の
脂環式炭化水素、ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳
香族炭化水素等が挙げられる。これらの中でも特に常温
で気体である炭化水素が取り扱いの点で望ましい。

また、水素はその一部をアルゴンやヘリウムなどの不活
性ガスで置換することも可能である。

これらのダイヤモンド生成用ガスは、ガス成分の比率お
よび流量を所定の範囲に設定することが望ましい。即ち
、単位時間当りにダイヤモンド生成用ガスとして系内に
導入される全水素原子数を（Ｈ）、全炭素原子数を（Ｃ
）、全酸素原子数を（０）としたとき、次式 ％式％（） を満足するようにガス成分およびその流量を設定するこ
とによりダイヤモンド膜の成膜速度および切削性能にお
ける耐摩耗性を向上させることができる。

更に、ダイヤモンド膜が生成される工具母材の温度及び
成膜中のガス圧を所定の範囲に設定するのがよい。

本発明者の実験によれば、工具母材の温度を４００〜１
４００℃の範囲に、またガス圧を１０−５〜１００Ｔｏ
ｒｒの範囲に設定することにより本発明の目的が達成で
きることをＴＪＩ！認した。

ダイヤモンド膜形成手段としては前述したプラズマＣＶ
Ｄ法として高周波加熱プラズマＣＶＤ法、マイクロ波プ
ラズマＣＶＤ法、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法の他、電子線
照射によるＣＶＤ法等が採用される。

以下、本発明を次の例で説明する。

〔実施例〕

石英製反応室内に第２表に示す工具母材を配置し、第２
表組成のダイヤモンド生成用ガスを導入して下記の成膜
手段によって第１表の条件下でダイヤモンド膜を生成し
た。

なお、工具母材としては窒化珪素質焼結体として熱膨膨
張数（ＸＩＯ−６／　”Ｃ）が２．４．３．６，３．７
．４．２゜４．３．６．８のもの、超硬質合金６．Ｏ１
炭化珪素質焼結体４．５、アルミナ質焼結体４．５１　
（５１３Ｎ４　＋５ｉＣ）質焼結体４．０、タングステ
ン３．７のものを用いた。

得られた切削工具試料に対し、ダイヤモンド膜のレーザ
ーラマン分光分析によるスペクトルを取り、そのスペク
トルが工具母材によるスペクトルを差し引いた状態での
１３３０ｅＩｌｌ−’付近のダイヤモンドのスペクトル
面積とダイヤモンド以外のスペクトルの面積を測定し、
ダイヤモンドのスペクトル面積比に対するダイヤモンド
以外の炭素のスペクトル面積比を算出した。

また、切削テストとして、阻１乃至２３の試料に対して
は切削テスト１の条件でまた階２４乃至２６の試料に対
しては切削テスト２の条件でテストを行い、テスト終了
後のダイヤモンド膜の刃先の摩耗幅を測定した。

切削テスト１　　　切削テスト２ 被削材　　　Ａ１合金（１８χＳｉ含有）　　　純銅切
削速度　　　７００ｎ＋／ｍｉｎ　　　　　１０００ｍ
／ｍｉｎ切込み　　　　０−２ｍｎ＋　　　　　　　　
０．５ｎｃｎ＋送り　　　　　　　０．１ｍｍ／ｒｅｖ
　　　　　　　Ｏ，２５ｎ＋ｍ／ｒｅｖ切削時間　　　
　２０分間　　　　　　　１２０分間なお、本発明にお
けるダイヤモンド膜のラマンレーザー分光分析によるス
ペクトルとして隘６、阻１９のダイヤモンド膜のものを
第１図、第２図に示し、比較例として１Ｉｈ９のものを
第３図に示した。

第２表から明らかなように、ダイヤモンド膜におけるダ
イヤモンドのスペクトル面積に対するダイヤモンド以外
の炭素のスペクトルの面積比が１０を越える試料（ＦＪ
ａ９．１８，２３．２５）はいずれも切削テストにおけ
る摩耗幅の大きいものであった。これらの比較例に対し
、本発明の試料はいずれも優れた切削性能をしめし、切
削テスト１．２の双方において、０．０８ｍｍ以下の摩
耗幅を示した。なお、面積比が１０以下の本発明の試料
においてその摩耗幅がほとんど大差ないのは、ダイヤモ
ンド膜の表面層に切削性能に影響しない程度の極薄のダ
イヤモンド以外の炭素膜が形成されており、この炭素膜
が分光分析により検出されることによって、面積比に数
値的バラツキが生じているためと考えられる。

また、工具母材の熱膨張係数が２．８　乃至６×１０−
ｂ／　’ｌ：を下回る試料（隘２１）　、６．ＯｘｌＯ
−’／　℃を越える試料（Ｎ１２２　’）はいずれも成
膜時に膜にクラックが発生し、剥離が生じた。

〔発明の効果〕

以上、詳述した通り、本発明によれば、工具母材上に設
ける多結晶ダイヤモンド膜としてレーザーラマン分光分
析によるダイヤモンドのスペクトル面積に対するダイヤ
モンド以外のスペクトル面積比が１０以下の非晶質炭素
および黒鉛の少ない高品質のものを用いることにより、
ダイヤモンド膜自体の強度を高め、それにより工具とし
ての耐摩耗性を顕著に向上させることができ、それに伴
い、工具の長寿命化を計ることができる。本発明の切削
工具は特に精密加工あるいは仕上げ加工用として用いる
と特にその効果を発揮することができる。

【図面の簡単な説明】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）室温から８００℃における熱膨張係数が２．８×
   １０＾−＾６乃至６×１０＾−＾６／℃である工具母材
   表面にレーザーラマン分光分析によるダイヤモンドのス
   ペクトルの面積に対するダイヤモンド以外の炭素のスペ
   クトルの面積比が１０以下のダイヤモンド多結晶膜を被
   覆したことを特徴とするダイヤモンド被覆切削工具。