JPWO2016175088A1 - 被覆部材 - Google Patents

Abstract

基体と、該基体に隣接して位置するダイヤモンド層とを備えて、ラマン分光分析によって測定されるダイヤモンド結晶に由来するＳＰ３ピークと、グラファイト相に由来するＳＰ２ピークから求められる比（ＳＰ３／ＳＰ２）をＳＰ３比としたとき、前記基体と前記ダイヤモンド層との界面から前記ダイヤモンド層側に１μｍまでの厚みの第１測定点のＳＰ３比が、前記ダイヤモンド層の厚み方向の中間である第２測定点のＳＰ３比よりも高い被覆部材である。【選択図】 図１

Description

本開示は、基体の表面に被覆されたダイヤモンド層を備える被覆部材に関する。

基体の表面に、ダイヤモンドからなる被覆層を成膜した切削工具等の被覆部材が知られている。例えば、特許文献１では、エアロゾルデポジション法を用いて、ＳＰ３結合を主体とするか、またはＳＰ２結合とＳＰ３結合が混在しているダイヤモンド被膜を設けることが開示されている。また、特許文献２では、薄膜を構成する炭素原子のＳＰ２結合／ＳＰ３結合の比が下地側から表面側に向かって減少する傾斜構造を有する硬質炭素薄膜が開示されている。

特開２００８−１９４６４号公報 特開平１１−１００２９４号公報

ダイヤモンド層を備える被覆部材には、基体との密着性の向上とダイヤモンド層の耐欠損性の向上という要求がある。

本実施形態の被覆部材は、基体と、該基体に隣接して位置するダイヤモンド層とを備えて、該ダイヤモンド層のラマン分光分析によって測定されるダイヤモンド結晶に由来するＳＰ３ピークとグラファイト相に由来するＳＰ２ピークから求められる比（ＳＰ３／ＳＰ２）をＳＰ３比としたとき、前記基体と前記ダイヤモンド層との界面から前記ダイヤモンド層側に１μｍまでの厚みの第１測定点のＳＰ３比が、前記ダイヤモンド層の厚み方向の中間である第２測定点のＳＰ３比よりも高い。

本実施形態の被覆部材の一実施態様についての模式断面図である。 図１の被覆部材における基体とダイヤモンド層との界面付近を示す走査型電子顕微鏡写真である。 図１の被覆部材の点Ｐ、点Ｑにおけるラマン分光分析データである。 図２の被覆部材において、０．５μｍだけ成膜したダイヤモンド層に向かって見た走査型電子顕微鏡写真である。 本実施形態の被覆部材の一実施態様である切削インサートの一例についての概略斜視図である。 本実施形態の被覆部材の他の実施態様であるドリルの一例についての概略側面図である。 本実施形態の被覆部材におけるダイヤモンド層の成膜工程の一例についての模式図である。 図７におけるヒータの配置を説明するための模式図である。

本実施形態の被覆部材１は、図１の断面についての模式図に示すように、基体２と、基体２の表面に位置する被覆層３を有する。被覆層３は、基体２と隣接して位置するダイヤモンド層４を備える。なお、被覆層３は、ダイヤモンド層４以外の他層を有していてもよいが、図１においては、被覆層３がダイヤモンド層４のみからなる例を示している。

図２は、図１の被覆部材１における破断面の一例であり、基体２とダイヤモンド層４との界面付近を拡大した走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。図２では、基体２が超硬合金からなり、炭化タングステン結晶８が観察されている。

本実施形態によれば、ダイヤモンド層４のラマン分光分析によって測定されるダイヤモンド結晶に由来するＳＰ３ピークとグラファイト相に由来するＳＰ２ピークから求められる比（ＳＰ３／ＳＰ２）をＳＰ３比としたとき、基体２とダイヤモンド層４との界面からダイヤモンド層４側に、１μｍまでの厚みの第１測定点のＳＰ３比が、ダイヤモンド層４の厚み方向の中間である第２測定点のＳＰ３比よりも高い。図１に、第１測定点を点Ｐ、第２測定点を点Ｑと示す。測定箇所の観点によれば、点ＰにおけるＳＰ３比（Ｓ_１）が、点ＱにおけるＳＰ３比（Ｓ_２）よりも高い。これによって、ダイヤモンド層４の基体２との界面に位置する第１測定点において、ダイヤモンド層４の硬度が高くかつ自形性が高いので、ダイヤモンド層４が破損しにくい。その結果、ダイヤモンド層４が基体２から剥離することを抑制でき、基体２とダイヤモンド層４との密着性が高い。また、ダイヤモンド層４の厚み方向の中間である点ＱにおけるＳＰ３比は、第１測定点（点Ｐ）におけるＳＰ３比よりも低いので、ダイヤモンド層４の剛性が高くなり過ぎず、ダイヤモンド層４の靭性を高めることができ、ダイヤモンド層４の耐欠損性が高い。

本実施形態において、ラマン分光分析における測定領域は直径１μｍとする。図１にて点で示される点Ｐは、図２では円で囲まれた領域として示される。図３に、点Ｐおよび点Ｑにおけるラマン分光分析ピークを示す。ラマン分光分析におけるピークは、ダイヤモンドに由来する１３３３ｃｍ^−１付近のＳＰ３ピーク、グラファイトに由来する１４００〜１６００ｃｍ^−１付近のＳＰ２ピークが観測される。本実施形態において、ピーク強度は各ピークの最高値としてそれぞれ測定する。２つのピーク強度の総和に対するＳＰ３ピークのピーク強度の比率をＳＰ３ピーク強度比とする。なお、図３では、点Ｐおよび点ＱにおけるＳＰ３ピークを同じ値Ｉ_Ｓに揃えて、ＳＰ２ピークＩ_Ｐ、Ｉ_Ｑを比較した表示となっている。

本実施形態において、ダイヤモンド層４の厚みは２μｍ以上である。例えば、ダイヤモンド層４の厚みが２μｍである場合には、点Ｐにおける測定領域のうちの表面側の半分の領域と、点Ｑにおける測定領域のうちの基体２側の半分の領域が重複して測定される。このように、測定領域の一部が重複しても、第１測定点Ｐと第２測定点ＱとのＳＰ３比の相対的な比較はできる。ダイヤモンド層４の厚みが３〜２０μｍである場合には、ダイヤモンド層４の耐摩耗性および耐欠損性が高い。ダイヤモンド層４のより好適な厚みは８〜１５μｍである。

ダイヤモンド層４の第１測定点ＰにおけるＳＰ３比（Ｓ_１）が１．１〜１．８であり、ダイヤモンド層４の第２測定点ＱにおけるＳＰ３比（Ｓ_２）が１．０〜１．５である場合、ダイヤモンド層４の基体２との密着性が高まるとともに、ダイヤモンド層４の耐欠損性が高い。

次に、図２において、点Ｐの位置を示す部分を丸で囲んでいるが、点Ｐを含め、炭化タングステン結晶８が観察される部分と、隣接して存在するダイヤモンド層４との境界が界面であり、界面よりもダイヤモンド層４側において白く観察される部分が界面領域１０である。そして、図２に示すように、基体２およびダイヤモンド層４の破断面において、ダイヤモンド層４を構成するダイヤモンド結晶６の厚み方向についての粒径を比較したとき、界面領域１０に粒径が最も大きい最大ダイヤモンド結晶６ａが存在する場合、基体２とダイヤモンド層４との密着性が高い。なお、ダイヤモンド層４は、界面領域１０と隣接する中間領域１２を有する。中間領域１２は、第２測定点Ｑを含む。

界面領域１０は、ダイヤモンド層４と基体２との界面に沿って存在する。図２に示すように、ダイヤモンド層４を構成するダイヤモンド結晶６は、ダイヤモンド層４の基体２との境界からダイヤモンド層４の厚み方向に向かうにつれて大きなダイヤモンド結晶が存在し、界面領域１０における中間領域１２側に最大ダイヤモンド結晶６ａが存在する。図２では、ダイヤモンド結晶６の中で最大ダイヤモンド結晶６ａが白く観察されている。そして、最大ダイヤモンド結晶６ａよりも表面側のダイヤモンド結晶６は、微細ダイヤモンド結晶６ｂとなる。最大ダイヤモンド結晶６ａと微細ダイヤモンド結晶６ｂとの界面が、界面領域１０と中間領域１２との境界である。

界面領域１０は、基体２との界面から、０．３〜２μｍの厚みで存在する。すなわち、界面領域１０が１μｍより薄い場合には、第１測定点Ｐのうちの基体２から遠い側は、ダイヤモンド結晶の構成が中間領域１２からなる。界面領域１０が１μｍの場合には、第１測定点Ｐが界面領域１０と同じ範囲となる。界面領域１０が１μｍより厚い場合には、第１測定点Ｐの全体が界面領域１０に含まれるとともに、第１測定点Ｐよりも基体２から遠い側の一部が界面領域１０となる。界面領域１０の厚みが０．３〜２μｍであれば、ダイヤモンド層４の耐摩耗性が高く、かつ基体２に対する密着性も高い。界面領域１０の厚みが０．５〜１．０μｍである場合には、さらに、ダイヤモンド層４の耐摩耗性が高く、かつ基体２に対する密着性も高い。

界面領域１０には、最大ダイヤモンド結晶６ａ以外に、最大ダイヤモンド結晶６ａよりも小さいダイヤモンド結晶６や、ダイヤモンド結晶６の自形面に沿ってジグザグに破断され微細な凹凸が観察される微細ダイヤモンド結晶６ｂが存在する。なお、図４に図２のダイヤモンド層４の初期の成膜条件と同じ条件で、０．５μｍの厚みだけ成膜したダイヤモンド層のＳＥＭ写真を示す。図２と図４との比較から明らかなように、ダイヤモンド結晶６の粒径は、破断面で見たほうが小さく見える。これは、ダイヤモンド結晶６は四面体構造をなし、図４においては、四面体の大きなダイヤモンド結晶６が成長するとともに、四面体のダイヤモンド結晶６の表面に微細なダイヤモンド結晶６ｂが多数付着した複雑に入り組んだ凝集粒となっているためである。

ここで、図２の破断面において、最大ダイヤモンド結晶６ａの粒径Ｄｄが０．１５〜０．５μｍである場合には、基体２とダイヤモンド層４との密着性が高い。図２に示すように、基体２の超硬合金を構成する炭化タングステン結晶８の平均粒径ｄＷが０．３〜１．５μｍであり、最大ダイヤモンド結晶６ａの粒径Ｄｄと炭化タングステン結晶８の平均粒径ｄＷとの比（Ｄｄ／ｄＷ）が０．１８〜０．４である場合には、ダイヤモンド層４の成長方向が揃いやすくなる傾向にあり、ダイヤモンド層４の耐摩耗性および耐欠損性が向上する。

なお、最大ダイヤモンド結晶６ａの粒径Ｄｄは、図２の破断面写真における各ダイヤモンド結晶６の輪郭を確認し、最も面積が広い最大ダイヤモンド結晶６ａの面積を円に換算した際の円の直径として測定できる。

また、炭化タングステン結晶８の平均粒径ｄＷは、図２の破断面写真における各炭化タングステン結晶８の輪郭を確認し、炭化タングステン結晶８の面積の平均値を円に換算した際の円の直径として測定できる。なお、測定に際しては、写真で確認される炭化タングステン結晶８について測定するが、観察領域内に一部のみが観察される炭化タングステン結晶８や、表面の少なくとも一部が被覆層３で覆われた炭化タングステン結晶８は除いて測定する。また、１０個以上の炭化タングステン結晶８が測定の対象となる視野の破断面写真にて測定する。

さらに、図２に示す破断面のＳＥＭ写真のように、最大ダイヤモンド結晶６ａは、ダイヤモンド層４の厚み方向が長径であり、アスペクト比が１．８以上である場合には、基体２とダイヤモンド層４との剥離が抑制されるとともに、ダイヤモンド層４の耐欠損性を高めることができる。

基体２は、超硬合金以外に、サーメット、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、立方晶窒化ホウ素等の硬質材料や、ステンレスや高速度鋼等の金属が好適に使用される。中でも、耐摩耗性と耐欠損性に優れる超硬合金が最適である。

本実施形態では図示しないが、被覆部材１の基体２およびダイヤモンド層４を含む研磨面において、中間領域１２におけるダイヤモンド結晶６の平均粒径ｄ_２の望ましい範囲は０．８μｍ〜３μｍである。ダイヤモンド結晶６の平均粒径の測定方法の一例は、電子線後方散乱回折（ＥＢＳＤ）法によってダイヤモンド結晶６の配向性をカラーマッピングで表示して、ダイヤモンド結晶６の輪郭を確認する方法である。ダイヤモンド結晶６の平均粒径の測定方法の他の例は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）にてダイヤモンド結晶６を観察する方法である。被覆部材１の研磨面における中間領域１２のダイヤモンド結晶６の平均粒径ｄ_２は、各ダイヤモンド結晶６の面積の平均値を円に換算した際の円の直径として測定できる。なお、測定に際しては、写真で確認されるダイヤモンド結晶６について測定するが、一部が写真からはみ出して存在するダイヤモンド結晶６や、表面の少なくとも一部が被覆層３で覆われたダイヤモンド結晶６は除いて測定する。

上記研磨面において、ダイヤモンド層４の厚み方向についてダイヤモンド結晶６の粒径を比較したとき、界面領域１０におけるダイヤモンド結晶の平均粒径ｄ_１と、中間領域におけるダイヤモンド結晶の平均粒径ｄ_２との比（ｄ_２／ｄ_１）が１．０〜１．２である。

被覆部材１の研磨断面写真において、界面に位置する基体２を構成する主結晶相８（本実施形態においては炭化タングステン結晶が主結晶相であるため、同じ８の符号を付す。）が、ダイヤモンド層４との対向面に凹み９を有する場合には、ダイヤモンド層４の成膜を開始した時点で生成するダイヤモンド結晶６の核が多数生成しやすい。また、ダイヤモンド結晶６の生成密度が高まるため、緻密なダイヤモンド層４を形成することができ、ダイヤモンド層４の密着性を高めることができる。主結晶相８の凹み９の深さは、例えば、０．００５μｍ〜０．１μｍである。凹み９は後述するアルカリエッチング処理によって形成できる。凹み９は基体２のダイヤモンド層４との界面を含む断面観察から、基体２の主結晶相８のダイヤモンド層４との対向面をなぞって、その軌跡からＩＳＯ４２８７（ＪＩＳＢ０６０１）に基づく最大高さＲｚを算出することによって主結晶相８における凹み９の深さを測定できる。

また、図１、２において、超硬合金を含む基体２はさらにコバルトを含有する。そして、基体２は、界面から０．５μｍ〜５μｍの基体側界面領域１５を有する。この基体側界面領域１５は、基体２において、界面から５００μｍの位置のコバルトの含有量より少ない領域である。基体２の表面にダイヤモンド層４を成膜する際に、基体２の表面にコバルトが存在すると、ダイヤモンド結晶が生成することを妨げてグラファイトが生成しやすくなる。本実施形態においては、コバルトの含有量が少ない基体側界面領域１５を存在させることによって、基体２の表面にコバルトが存在することを抑制でき、ダイヤモンド層４の界面領域１０におけるグラファイトの生成を抑制できる。しかしながら、基体側界面領域１５のコバルトを消失させると基体側界面領域の強度が低下する。本実施形態では、図１において符号１７で示すように、基体側界面領域１５に存在するコバルトは粒状で存在する。これによって、基体２の表面ではコバルトを存在させることなく、基体側界面領域１５において、所定量のコバルトを存在させることができる。その結果、基体側界面領域１５における強度の低下を抑制して、ダイヤモンド層４が基体側界面領域１５ごと剥離することを抑制できる。

本実施形態において、粒状で存在する粒状コバルト粒子１７とは、主結晶相８同士の間に存在するものであり、空隙またはダイヤモンド結晶６が介在する状態にあるものを指す。アルカリエッチング後の基体側界面領域１５においては大きな空隙が存在する。成膜中に基体２の内部から基体側界面領域１５にコバルトが拡散する。このとき、拡散したコバルトは表面張力によって塊となり、粒状コバルト粒子１７として存在し、基体２の表面まで達しない。

さらに、本実施形態では、基体２とダイヤモンド層４との界面粗さが０．１２〜０．８μｍである。基体２とダイヤモンド層４との界面粗さ、すなわち基体２の表面粗さが０．１２μｍ以上であると、ダイヤモンド層４の成膜開始時の核付け密度が高くて、基体２とダイヤモンド層４との密着性を高めることができる。また、基体２とダイヤモンド層４との界面粗さ、すなわち基体２の表面粗さが０．８μｍ以下であると、基体２の基体側界面領域１５におけるコバルトを除去するエッチング工程において、ムラなく基体２の表面におけるコバルトを除去でき、基体２とダイヤモンド層４との間の密着性を高めることができる。ここで、本実施形態においては、基体２とダイヤモンド層４との界面粗さは、基体２のダイヤモンド層４との界面を含む断面観察から、界面をなぞって、その軌跡からＩＳＯ４２８７（ＪＩＳＢ０６０１）に基づく算術平均粗さＲｙを算出し、これを界面粗さとして測定できる。

また、ダイヤモンド層４は、界面領域１０と中間領域１２との２つの領域で構成されるものであってもよいが、中間領域１２の表面にナノクリスタルダイヤモンド結晶を含有する表面領域１４を有していてもよい。ナノクリスタルダイヤモンド結晶は、成膜時に用いるメタンガスの流量を多くする成膜条件にて得られる。表面領域１４を含むダイヤモンド層４の表面から基体２側に１μｍまでの厚みの範囲内である第３測定点Ｒにおいては、第２測定点ＱにおけるＳＰ３比よりも低い。ラマン分光分析にて得られるチャートにおいて、ＳＰ３ピークとは別に、１１４０ｃｍ^-1付近に検出されるナノクリスタルダイヤモンドのピークが存在するかどうかを確認することによって、ナノクリスタルダイヤモンド結晶の存在の有無を確認することができる。

なお、中間領域１２と表面領域１４とは、境界を有する２つの領域に分割されるものに限定されず、ナノクリスタルダイヤモンドのピークが漸次増加するものであってもよい。同様に、界面領域１０と中間領域１２との間も、境界を有する２つの領域に分割されるものであってもよいが、ＳＰ３ピークが漸次減少するものであってもよい。本実施形態において、ナノクリスタルダイヤモンドのピークが検出される位置は表面領域１４、ダイヤモンド層４の基体２側において、第２測定点のＳＰ３ピーク比よりもＳＰ３比が高い位置を界面領域１０と特定する。

表面領域１４の厚みは、基本的には、ダイヤモンド層４の断面について顕微鏡で観察することによって確認できる。顕微鏡観察において、各層の界面が判別つきにくい場合には、断面について電子線後方散乱回折（ＥＢＳＤ）法によってダイヤモンド結晶の配向性をカラーマッピングで表示して、各粒子の輪郭を確認する。このとき、表面領域１４におけるダイヤモンド結晶は中間領域１２のダイヤモンド結晶に比べて平均粒径が小さいので、表面領域１４と中間領域１２との境界を確認できる。また、表面領域１４に含有されるダイヤモンド結晶の粒径がＥＢＳＤ分析装置の分解能以下となるナノクリスタルダイヤモンド結晶からなる場合でも、ナノクリスタルダイヤモンド結晶は無彩色として観察されるので、中間領域１２のカラーの領域と表面領域１４の無彩色の領域との境界を界面として判定することができる。

また、本実施形態においては、ナノクリスタルダイヤモンド結晶を含有する表面領域１４の厚みが、０．１μｍ〜２μｍである場合には、ダイヤモンド層４の表面が平滑になり、ダイヤモンド層４の摺動性が向上する。

本実施形態において、第１測定点Ｐにおける残留応力が圧縮応力であり、第２測定点Ｑにおける残留応力が引張応力である。これによって、ダイヤモンド層４と基体２との密着性を高めることができるとともに、ダイヤモンド層４を厚くしても、ダイヤモンド層４が自己破壊によって欠けることを抑制できる。また、ダイヤモンド層４が表面領域１４を有する場合には、第３測定点Ｒにおける残留応力は圧縮応力であり、ダイヤモンド層４の表面における耐摩耗性を高めることができる。図１に示す点Ｐ、点Ｑ、点Ｒの残留応力は、上述のラマン分光分析法におけるダイヤモンド結晶に由来するＳＰ３ピークのピークトップの波数を確認することによって確認できる。すなわち、ダイヤモンド結晶に由来するＳＰ３ピークのピークトップの波数が１３３３ｃｍ^-1より小さい場合には被覆層３に引張応力がかかっており、ダイヤモンド結晶に由来するＳＰ３ピークのピークトップの波数が１３３３ｃｍ^-1より大きい場合には、被覆層３に圧縮応力がかかっていると判断できる。

図５は、本実施形態の被覆部材の第１の実施態様である切削インサートの一例についての概略斜視図である。切削インサート２０は、主面にすくい面２２を、側面に逃げ面２３を、すくい面２２と逃げ面２３との交差稜線の少なくとも一部に切刃２４を有している。また、切削インサート２０は、すくい面２２の中央部に、ネジを差し込むための貫通孔２７を有する。図１に示す被覆部材１の構成と合わせて、図５の構成を説明する。切削インサート２０は基体２を有するとともに、少なくとも切刃２４においては、基体２に隣接して位置するダイヤモンド層４を含む被覆層３を有している。また、切削インサート２０は、すくい面２２および逃げ面２３においても被覆層３を有する場合には、すくい面２２および逃げ面２３における耐摩耗性が向上する。

本実施形態の被覆部材の第１の実施態様である切削インサート２０においても、切刃２４におけるダイヤモンド層４の第１測定点ＰにおけるＳＰ３比（Ｓ_１）が、切刃２４におけるダイヤモンド層４の第２測定点ＱにおけるＳＰ３比（Ｓ_２）よりも高い。これによって、ダイヤモンド層４の密着性が高く、切削インサート２０の耐摩耗性が高い。また、ダイヤモンド層４の耐欠損性が高い。

図６は、本実施形態の被覆部材の第２の実施態様であるドリルの一例についての概略側面図である。図６のドリル３０は、回転軸Ｏを有する棒状で、第１端Ｘ側に形成された切刃３２と、切刃３２に沿うとともに、後方（後端Ｙ方向）に向かってらせん状に形成された切屑排出溝（以下、溝と略す）３４とを具備する。また、ドリル３０の第２端Ｙ側にはシャンク部３３が設けられ、シャンク部３３が加工装置（図示せず）に把持されてドリル３０が加工装置に装着される。ここで、第２の実施態様における第１端Ｘとは、回転軸Ｏにおいて、棒状のドリル３０（切削工具）の切刃３２側のことであり、第２端Ｙは、シャンク部３３側のことである。

図１に示す被覆部材１の構成と合わせて、図６の構成を説明する。第２の実施態様によれば、ドリル３０は、基体２を有し、基体２の表面に被覆層３が位置している。被覆層３は、ドリル３０の第１端Ｘから溝３４が設けられた終端付近まで形成され、それよりも後方は、基体２がむき出しの状態となっている。

なお、ドリル３０における外周側の部分は、ブラシ加工やブラスト加工等の研磨加工によって、被覆層３の表面を平滑にしてもよい。この場合でも、溝３４の表面は研磨されにくく、被覆層３の表面は平滑になりにくい。

第２の実施態様によれば、第１端Ｘ側である切刃３２における被覆層３の厚み（図示せず）が、ドリル３０の先端から第２端Ｙ側に１０ｍｍの位置である後方部Ｚにおける被覆層３の厚みよりも厚い。これによって、切刃３２において被覆層３が摩滅することを抑制できるとともに、溝３４において被覆層３の平滑性を保ちやすくなる。ここで、切刃３２における被覆層３の膜厚ｔ_Ｘ（図示せず）と、ドリル３０の先端から１０ｍｍの位置である後方部Ｚにおける被覆層３の膜厚ｔ_Ｚ（図示せず）との比（ｔ_Ｚ／ｔ_Ｘ）の望ましい範囲は０．５〜０．９であり、特に望ましい範囲は、０．６〜０．９である。膜厚ｔ_Ｘの望ましい範囲は、５〜１２μｍである。

第２の実施形態では、切刃３２におけるダイヤモンド層４の第２測定点ＱにおけるＳＰ３比（Ｓ_２ｅ）が、溝３４におけるダイヤモンド層４の第２測定点ＱにおけるＳＰ３比（Ｓ_２ｇ）よりも高い。グラファイトはダイヤモンドに比べて摺動性がよいため、このような構成を満たしているときには、溝３４における被覆層３の切削抵抗を小さくできる。また、グラファイトは粒成長することがないので、グラファイトの含有割合が高くなると、被覆層３の表面粗さが小さく、平滑な表面になり、溝３４における被覆層３の切削抵抗をさらに小さくできる。さらに、グラファイトはダイヤモンドに比べて硬度が低いために、溝３４における被覆層３の硬度が低下し、切削加工の初期に被覆層３の表面がさらに平滑になって、切刃３２の中心部である回転軸Ｏ側における被覆層３の切削抵抗をさらに小さくできる。一方、切刃３２の外周部においては、被覆層３中のμｍオーダーのダイヤモンドの含有割合が高いので、被覆層３の硬度が向上し、被覆層３の耐摩耗性が向上する。

また、切刃３２におけるダイヤモンド層４の第１測定点ＰのＳＰ３比（Ｓ_１ｅ）が、溝３４におけるダイヤモンド層４の第１測定点ＰのＳＰ３比（Ｓ_１ｇ）よりも高い。すなわち、溝３４においては、第１測定点ＰにおけるＳＰ３比が低いために、グラファイトの含有比率が高く、被覆層３が剥離しやすい。溝３４においては、凹凸の大きいダイヤモンド層４が除去されるため、切屑の通過による切削抵抗の増大を抑制することができる。

また、溝３４における被覆層３の厚みが、切刃３２における被覆層３の厚みよりも薄くなっている。これによって、切削加工前の切刃３２および溝３４における被覆層３の表面粗さを適正化して、切削初期においても過剰に切削抵抗がかかることを抑制する。なお、第２の実施態様では、溝３４の表面に被覆層３がなく、溝３４の表面は基体２がむき出しであってもよい。

第２の実施態様によれば、切刃３２における被覆層３の膜厚ｔ_ｘ（図示せず）と溝３４における被覆層３の膜厚ｔ_ｇとの比（ｔ_ｇ／ｔ_ｘ）が０．６〜０．９である。これによって、切刃３２において被覆層３が摩滅することを抑制できるとともに、溝３４において被覆層３の平滑性を保つことができる。

切刃３２における被覆層３の厚みは、図６のような側面にて切刃３２の中間位置において測定される被覆層３の厚みを指す。溝３４が被覆層３で被覆されている場合、溝３４における被覆層３の厚みは、回転軸Ｏと垂直な横断面における溝３４内の最深部での被覆層３の厚みを指す。溝３４内の最深部は、基体１の表面のうち、回転軸Ｏから最も短い距離にある位置を指す。回転軸Ｏを中心として、前記最も短い距離にある位置を通る円、すなわち、ドリル３０内に描ける最大の円の直径が芯厚である。

なお、本実施形態の被覆部材のうち、回転軸Ｏを有する棒状のドリル３０を第２の実施態様として説明したが、これに限定されるものではなく、エンドミルやリーマ等の他の切削工具であってもよい。他にも、摺動部材や金型等の耐摩耗部材であってもよい。

（製造方法）
上述した第２の実施態様であるドリルの製造方法について説明する。
まず、基体を準備する。例えば、被覆工具がインサートの場合、焼成によって焼結体を作製した後、所望によって研磨加工を施して、インサート形状の基体を作製する。被覆工具がドリルの場合、円柱状の硬質合金の表面にセンタレス加工を施した後、刃付け加工をして、ドリルの形状の基体を作製する。所望によって、基体の切刃側に研磨加工を施す。

次に、基体の表面に、酸処理およびアルカリ処理のエッチング処理をする。アルカリ処理を行う際には、超音波洗浄容器内でアルカリ処理を行うことによって、基体の表面に露出した主結晶相の表面に凹凸をつけることができる。エッチングした基体は水等で洗浄し、乾燥する。

アルカリ処理を行う際には、超音波洗浄容器内にアルカリ性水溶液とダイヤモンド砥粒とを含むアルカリ溶液を入れ、超音波をかけることよって、基体２の表面に露出した主結晶相の表面に凹凸をつけることができる。エッチングした基体２は水等で洗浄し、乾燥する。このとき、超音波洗浄中にかける超音波のパワー、ダイヤモンド砥粒の粒径の調製、アルカリ処理の時間等によって、ダイヤモンド層のＳＰ３比の状態を調整することができるとともに、破断面におけるダイヤモンド結晶の粒径を制御することができる。

次に、基体２の表面に、ダイヤモンド層４を成膜する。ダイヤモンド層４の成膜方法として、熱フィラメント方式のＣＶＤ法が好適に適応可能である。成膜方法の一例について図７を用いて説明する。図７に示す成膜装置４０はチャンバ４１を有し、チャンバ４１内には試料（エッチングした基体２）をセットする試料台４３が設けられている。本実施態様によれば、棒状の基体２は、先端部が上を向くように上下に立てた状態でセットされる。図７では基体２の刃付け部（切刃および切屑排出溝を含む部分）を略して記載している。

そして、基体２の周囲にはフィラメント等のヒータ４４を配置する。ヒータ４４はチャンバ４１外に配置された電源４５に接続される。本実施態様によれば、複数のヒータ４４を用いて、これらの配置、および各ヒータ４４に供給する電流値を調整することによって、試料台４３にセットした棒状の基体２の温度を８５０℃〜９３０℃に調整する。なお、ヒータ４４は支持体４８にて支持されている。

図７に、ヒータ４４は基体２の長手方向に２本配置されている。また、図７のヒータ４４の配置を示す断面図である図８に示すように、ヒータ４４は基体２を挟むように配置されている。すなわち、基体２の周囲にヒータ４４は４本配置されている。

チャンバ４１には、ガス供給口４６と、ガス排気口４７が設けられる。真空にしたチャンバ４１内に、ガス供給口４６から水素ガスとメタンガスを供給して、基体２に吹き付けることにより、ダイヤモンド層４を成膜することができる。

上述した界面領域１０を有するダイヤモンド層４を形成する成膜条件として、以下に示す３つの成膜条件が挙げられる。第１の成膜条件によれば、図８に示すように、基体２との距離が異なる２本のヒータ４４（４４ａ、４４ｂ）を１組として配置されている。これらの配置、および各ヒータ４４に供給する電流値を調整する。基体２との距離が異なる２本のヒータ４４の電流値を成膜初期と成膜中期以降で変化させる。具体的には、成膜初期には基体に対する距離が近いヒータ４４ａを加熱して成膜した後、基体に対する距離が近いヒータ４４ａの加熱を止めて、成膜中期以降には基体に対する距離が遠いヒータ４４ｂを加熱してダイヤモンド層を成膜する。これによって、基体２の表面に成膜されるダイヤモンド層４のＳＰ３比を変化させることができる。

本実施形態における第２の成膜条件では、ダイヤモンド層の成膜初期における成膜温度を成膜中期の成膜温度よりも高くして成膜する。本実施形態における第３の成膜条件では、成膜初期のメタンの混合比（体積％）を、成膜中期以降のメタンの混合比よりも低くなるように調整して成膜する。

これら第１の成膜条件、第２の成膜条件、第３の成膜条件のいずれかによって、成膜中に発生するメチルラジカルの発生量および基体までの到達確率を調整することができて、ダイヤモンド層の第１測定点ＰにおけるＳＰ３比を、ダイヤモンド層の第２測定点ＱにおけるＳＰ３比よりも高くできる。なお、第１の成膜条件、第２の成膜条件、第３の成膜条件を組合せてもよい。

金属コバルト（Ｃｏ）粉末を７．０質量％、炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）粉末を０．８質量％、残部が平均粒径０．５μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末の割合で添加、混合し、円柱形状に成型して焼成した。そして、センタレス加工および刃付け加工工程を経てエンドミル形状（エンドミル径６ｍｍ、芯厚３ｍｍ、刃長１０ｍｍ、２枚刃）の基体を作製した。

その後、基体を酸溶液（塩酸に１５分間）、アルカリ溶液（村上試薬に５〜３０秒）の順に浸漬してエッチング処理をした。なお、一部の試料については、アルカリエッチングする際に超音波洗浄機中にてパワー１００Ｗで３０分間の処理を行った。その後、蒸留水によって表面を洗浄して、エンドミル基体を作製した。

その基体を図７に示す成膜装置にセットして、熱フィラメントＣＶＤ法により、基体の表面にダイヤモンド層を成膜した。成膜装置は、直径２５ｃｍφ、高さ２０ｃｍの反応チャンバ内に、太さ０．４ｍｍφのタングステンフィラメントを配置した。具体的には基体からの距離が異なる２本のフィラメントを１組として、先端側に１組、基体を挟むように側面に２組、合計６本を配置した。界面領域、中間領域、表面領域における成膜温度を表１に記載した。エンドミル形状の基体は、先端が上を向くように立てた状態でセットされた。そして、真空中で、反応ガス組成：メタン（４容量％）＋水素（残）を供給口より反応炉に導入して、ダイヤモンド層を成膜した。なお、試料Ｎｏ．１においては、成膜初期のメタン含有比を２容量％とした。

成膜されたダイヤモンド層について、エンドミルの先端から根元までの切刃長さの中間位置において切断して、その断面について、第１測定点Ｐ、第２測定点Ｑ、第３測定点Ｒにてラマン散乱分光を行い、ＳＰ３ピークのピーク強度ＳＰ３と、ＳＰ２ピークのピーク強度ＳＰ２強度比からＳＰ３比（ＳＰ３強度／（ＳＰ３強度＋ＳＰ２強度））を算出した。また、エンドミルの表面に成膜されたダイヤモンド層をＳＥＭ観察して、ルーゼックス解析法を用いて切刃におけるダイヤモンド結晶の平均粒径を求めた。

さらに、ダイヤモンド層の破断面をＳＥＭ観察して、界面領域および中間領域の厚みを測定した。また、このＳＥＭ観察から、基体とダイヤモンド層との界面をなぞって、その軌跡をＪＩＳＢ０６０１に基づく最大高さＲｙを算出し、界面粗さとした。さらに、ＥＰＭＡ分析から、エンドミルの基体の表面に基体側界面領域が存在するか否かを観察し、基体の表面から５００μｍの深さのコバルト含有量に比べてコバルト含有量が５質量％以上減少している領域の厚みを見積もった。また、基体側界面領域がある場合には、ＴＥＭ分析においてコバルトの存在形態を確認し、粒状で存在する粒状コバルト粒子の有無を確認した。結果を表１−３に示した。

さらに、得られたエンドミルを用いて以下の切削条件にて切削試験を行い、切削性能を評価した。結果は表３に記載した。
切削方法：溝加工
被削材 ：ＣＦＲＰ
切削速度（送り）：１２０ｍｍ／分
送り ：０．０７５ｍｍ／刃
切り込み：深さ８ｍｍ、加工径φ６ｍｍ
切削状態：乾式
評価方法：切削長、および加工不能になった時点でのエンドミルの状態（表中、切刃状態と記載）を確認。

表１−３より、ダイヤモンド層の第１測定点Ｐと第２測定点ＱにおけるＳＰ３比が同じ試料Ｎｏ．Ｉ−９では、試料Ｎｏ．Ｉ−１０ではダイヤモンド層の耐欠損性が悪くなって切刃に欠損が発生した。

これに対して、本発明の範囲内である試料Ｎｏ．Ｉ−１〜８では、いずれも切削長が長かった。特に、比（ｄ２／ｄ１）が１．０〜１．２である試料Ｎｏ．Ｉ−１〜５では、加工長が多かった。

また、ダイヤモンド層の第１測定点Ｐにおける残留応力が圧縮応力であり、かつ第２測定点Ｑにおける残留応力が引張応力である試料Ｎｏ．Ｉ−１〜４では、切削長が長かった。また、基体を構成する主結晶相のうちの界面に位置する主結晶相が、ダイヤモンド層との対向面に凹みを有する試料Ｎｏ．Ｉ−１〜４、Ｉ−６〜８では、ダイヤモンド層の密着性が高く、切削終了時の切刃にチッピングが見られず、安定した切削ができた。さらに、基体とダイヤモンド層との界面粗さが０．０１μｍ〜０．５μｍであり、基体の表面から５００μｍの深さにおけるコバルトの含有量に対して、基体５の表面からの厚みが０．５μｍ〜５μｍの深さにおけるコバルトの含有量が少ない基体側界面領域を有するとともに、基体側界面領域に存在するコバルトが粒状として存在する試料Ｎｏ．Ｉ−１〜４、Ｉ−６〜８では、ダイヤモンド層の密着性がよく、切削終了時に切刃に異常なチッピングが見られなかった。

さらに、ダイヤモンド層が、界面領域の厚みｔ_１が０．１μｍ〜２μｍであるとともに、界面領域の厚みｔ_１と、中間領域の厚みｔ_２との比（ｔ_２／ｔ_１）が２〜５０である試料Ｎｏ．１〜７では、加工長が長かった。さらに、ダイヤモンド層の表面側の第３測定点ＲにおけるＳＰ３比が、第２測定点ＱにおけるＳＰ３比よりも低い、つまりＳＰ３比が低い第３ダイヤモンド層を有する試料Ｎｏ．Ｉ−１〜６、８では、切削終了時に切刃に多量の溶着が見られなかった。

平均粒径０．５μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末に対して、金属コバルト（Ｃｏ）粉末を１０質量％、炭化チタン（ＴｉＣ）粉末を０．２質量％、炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）粉末を０．８質量％の割合で添加、混合し、円柱形状に成型して焼成した。そして、センタレス加工と刃付け加工を経てドリル形状にした後、実施例１と同じ条件で、酸処理、アルカリ処理を施した。その後、蒸留水にて基体の表面を洗浄してドリル基体（直径６ｍｍ、刃長１０ｍｍ、芯厚３ｍｍ、２枚刃）を作製した。アルカリ処理の際には、超音波洗浄機の容器内に、平均粒径５μｍのダイヤモンド砥粒を入れたアルカリ性水溶液を準備し、ドリル基体を浸漬し、表１に示すパワーと時間で超音波洗浄をする条件で処理した。基体の界面粗さは、センタレス加工条件、酸素処理条件を変えることによって調整した。

実施例１と同じ成膜装置にて、上記基体の表面にダイヤモンド層を成膜した。成膜時の導入ガスは、ドリル基体を９００℃に加熱して、真空中で、初期５分の反応ガス組成：水素（９７容量％）＋メタン（１容量％）、中期の反応ガス組成：水素（９７容量％）＋メタン（３容量％）、後期１０分の反応ガス組成：水素（９７容量％）＋メタン（５容量％）とした。成膜された被覆層について、ドリルの先端の切刃と溝において、ダイヤモンド層の基体の端部側と中間位置におけるラマン散乱分光で測定し、ＳＰ３比（Ｓ_１ｅ、Ｓ_１ｇ、Ｓ_２ｅ、Ｓ_２ｇ）を見積もった。

また、ドリルの破断面について、被覆層をＳＥＭ観察して、ルーゼックス解析法を用いて、最大ダイヤモンド結晶の粒径Ｄｄ、炭化タングステン結晶の平均粒径ｄＷ、その比（Ｄｄ／ｄＷ）を求めた。さらに、ドリルの先端および先端から１０ｍｍ後方の位置における被覆層の断面をＳＥＭ観察して、被覆層の厚みを測定した。また、このＳＥＭ観察から、基体とダイヤモンド層との界面をなぞって、その軌跡をＪＩＳＢ０６０１に基づく最大高さＲｙを算出し、界面粗さとした。さらに、実施例１と同様に確認したところ、基体側界面領域は３．０μｍであった。

さらに、実施例１と同様にして、界面領域、中間領域および表面領域の厚みを測定した。また、基体に基体側界面領域がある場合には、ＴＥＭ分析において基体側界面領域中に存在するコバルトの存在形態を確認し、粒状コバルト粒子の有無を確認した。結果を表４、５に示した。

また、得られたドリルを用いて以下の切削条件にて切削試験を行い、切削性能を評価した。結果は表５に記載した。
切削方法：穴あけ（通り穴）
被削材 ：ＣＦＲＰ
切削速度（送り）：１００ｍｍ／分
送り ：０．０７５ｍｍ／刃
切り込み：深さ８ｍｍ、加工径φ６ｍｍ
切削状態：乾式
評価方法：１５００穴加工後の切刃の先端摩耗幅（表中、摩耗幅と記載）、バリが発生した加工長を測定するとともに、加工不能になった時点でのドリルの状態を確認。

表４、５より、切刃および溝において、切刃でのダイヤモンド層の第１測定点ＰにおけるＳＰ３比Ｓ_１ｅが、第２測定点ＱにおけるＳＰ３比Ｓ_２ｅと同じ試料Ｎｏ．II−９−１１では、切削長が短かった。

これに対して、Ｓ_１ｅがＳ_２ｅよりも高い試料Ｎｏ．II−１〜８では、切削長が長かった。特に、Ｓ_１ｅが１．１〜１．８であり、Ｓ_２ｅが１．０〜１．５である試料Ｎｏ．II−１〜７では、耐摩耗性が高く、ダイヤモンド層との界面における粗さが０．１２〜０．８μｍである試料Ｎｏ．II−１〜６では、切削長が長いものであった。

１ 被覆部材
２ 基体
３ 被覆層
４ ダイヤモンド層
６ ダイヤモンド結晶
６ａ 最大ダイヤモンド結晶
６ｂ 微細ダイヤモンド結晶
８ 主結晶相
１０ 界面領域
１２ 中間領域
１４ 表面領域
１５ 基体側界面領域
１７ 粒状コバルト粒子

Claims (14)

1. 基体と、該基体に隣接して位置するダイヤモンド層とを備えて、ラマン分光分析によって測定されるダイヤモンド結晶に由来するＳＰ３ピークとグラファイト相に由来するＳＰ２ピークから求められる比（ＳＰ３／ＳＰ２）をＳＰ３比としたとき、前記基体と前記ダイヤモンド層との界面から前記ダイヤモンド層側に１μｍまでの厚みの第１測定点のＳＰ３比が、前記ダイヤモンド層の厚み方向の中間である第２測定点のＳＰ３比よりも高い被覆部材。
2. 前記ダイヤモンド層の前記第１測定点におけるＳＰ３比が１．１〜１．８であり、前記ダイヤモンド層の前記第２測定点におけるＳＰ３比が１．０〜１．５である請求項１記載の被覆部材。
3. 前記第１測定点における残留応力が圧縮応力であり、かつ前記第２測定点における残留応力が引張応力である請求項１または２記載の被覆部材。
4. 前記基体および前記ダイヤモンド層を含む破断面において、該ダイヤモンド層の厚み方向についてダイヤモンド結晶の粒径を比較したとき、粒径が最も大きい最大ダイヤモンド結晶が存在する、前記第１測定点を含む界面領域を有する界面領域を有する請求項１乃至３のいずれか記載の被覆部材。
5. 前記界面領域が、０．３〜２μｍの厚みで存在する請求項４記載の被覆部材。
6. 前記ダイヤモンド層の破断面における前記最大ダイヤモンド結晶は、前記ダイヤモンド層の厚み方向が長径であり、アスペクト比が１．８以上である請求項４または５記載の被覆部材。
7. 前記ダイヤモンド層の破断面における前記最大ダイヤモンド結晶の粒径が０．１５〜０．５μｍである請求項４乃至６のいずれか記載の被覆部材。
8. 前記ダイヤモンド層の厚みが３〜２０μｍである請求項１乃至７のいずれか記載の被覆部材。
9. 前記基体および前記ダイヤモンド層を含む研磨面において、該ダイヤモンド層の厚み方向についてダイヤモンド結晶の粒径を比較したとき、前記界面領域におけるダイヤモンド結晶の平均粒径ｄ_１と、前記界面領域に隣接する、前記第２測定点を含む中間領域におけるダイヤモンド結晶の平均粒径ｄ_２との比（ｄ_２／ｄ_１）が１．０〜１．２である請求項４乃至８のいずれか記載の被覆部材。
10. 前記基体および前記ダイヤモンド層を含む研磨面において、前記界面に位置する前記基体を構成する主結晶相が、前記ダイヤモンド層との対向面に凹みを有する請求項１乃至９のいずれか記載の被覆部材。
11. 前記基体がコバルトを含有するとともに、前記界面から０．５μｍ〜５μｍの基体側界面領域は、前記コバルトの含有量が前記界面から５００μｍの位置より少なく、前記基体側界面領域において前記コバルトが粒状で存在する請求項１乃至１０のいずれか記載の被覆部材。
12. 前記界面における界面粗さが０．１２〜０．８μｍである請求項１乃至１１のいずれか記載の被覆部材。
13. 前記ダイヤモンド層は、前記ダイヤモンド層の表面から１μｍまでの厚みの第３測定点のＳＰ３比が、前記第２測定点のＳＰ３比よりも低い請求項１乃至１２のいずれか記載の被覆部材。
14. 前記基体および前記ダイヤモンド層を含む研磨断面において、該ダイヤモンド層の厚み方向についてダイヤモンド結晶の粒径を比較したとき、ダイヤモンド結晶が前記第２測定点よりも小さい、前記第３測定点を含む表面領域が存在し、該表面領域の厚みが０．１μｍ〜２μｍである請求項１３記載の被覆部材。