JPWO2018174139A1 - ダイヤモンド被覆超硬合金切削工具 - Google Patents

Abstract

このダイヤモンド被覆超硬合金切削工具では、（１）ＷＣ粒子の平均粒径が０．５〜０．９μｍであり、（２）基体の界面の凹凸の最大高低差（Ｒｚ）が０．５〜１．０μｍであり、凹凸間の最大距離（Δ）が０．５〜１．５μｍであり、結合相が除去された領域のダイヤモンド皮膜の長さ（Ｙｅ）が０．５〜２．０μｍであり、（３）基体界面においてＬ１が０．４〜０．８μｍ、Ｌ２が０．２〜０．４μｍ、（Ｌ１）/（Ｌ２）が１．５〜２．５であるＷＣ粒子が７０面積％以上であり、（４）基体界面から０．５〜１．５μｍの領域におけるダイヤモンド結晶の平均粒径が０．１〜０．３μｍであって、（５）厚さ方向に対する成長方向の角度のずれが１０度以内である割合が９０％以上または＜１１０＞配向率が３０〜７０％の少なくとも一方である柱状晶を有する。

Description

本発明は、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）などの難削材の高速切削加工において、優れた耐衝撃性および密着性を備えることによって、優れた耐チッピング性および耐剥離性を発揮し、工具寿命を改善したダイヤモンド被覆炭化タングステン（ＷＣ）基超硬合金製切削工具に関する。
本願は、２０１７年３月２２日に、日本に出願された特願２０１７−０５６０８４号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

従来、ＷＣ基超硬合金（以下、「超硬合金」という）からなる工具基体に、ダイヤモンド膜を被覆したダイヤモンド被覆超硬合金製切削工具（以下、「ダイヤモンド被覆工具」という）が知られており、工具基体とダイヤモンド膜の密着性を改善するために、工具基体上にダイヤモンド膜を成膜するなどの種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１には、凹凸を有する超硬基材の表面に、超硬基材の構成成分の拡散を防止する中間層を介してダイヤモンド皮膜を被覆して得られた切削工具が開示されている。

さらに、特許文献２には、高い面加工精度で加工を行うために、ダイヤモンド皮膜を積層させて表面の結晶粒径を２μｍ以下とすることが開示されている。

特開平１１−１９３４７９号公報 特開２００２−７９４０６号公報

近年の切削加工の技術分野における省力化および省エネ化、さらに低コスト化に対する要求は強く、これに伴い、切削加工は益々高速化の傾向にある。一方、従来ダイヤモンド被覆工具を、例えば、ＣＦＲＰなどの難削材に対する高い加工精度での高速切削に用いる場合には、ドリルに鋭利な刃先が要求されるため、特に高い刃先強度が要求されるが、従来ダイヤモンド被覆工具は刃先強度が十分でなく、また、ダイヤモンド膜の剥離が生じやすい。そのため、長期の使用にわたって、満足できる耐チッピング性および耐摩耗性を発揮することはできず、高い加工精度を維持することは困難であって、その結果、比較的短時間で使用寿命に至ることが多かった。

特許文献１に開示されている基体表面に凹凸を設けてダイヤモンドを被覆した工具は、アルミニウム板の切削加工への適用についての説明があるものの、ＣＦＲＰ等の難切削材の切削加工への適用の説明はない。基体表面の凹凸が大きいと、チッピングが発生する虞やダイヤモンド皮膜の成長にしたがいダイヤモンド皮膜の面粗度は粗くなることから、この文献に記載されている技術をＣＦＲＰ等の難切削材の切削加工へ直ちに適用することは困難である。

また、特許文献２は、アルミニウム合金などの非鉄金属の切削加工の加工面の粗さについて説明があるものの、ＣＦＲＰ等の難切削材へ適用の説明はない。工具表面ダイヤモンドの微結晶粒の割合が高くなると耐摩耗性が低下する虞があり、ＣＦＲＰ等の難切削材へ直ちに適用することはできない。

すなわち、ＣＦＲＰなどの難削材の高速切削加工において、優れた耐衝撃性および密着性を備えることによって、優れた耐チッピング性および耐剥離性を発揮し、高い寿命のダイヤモンド被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具を得ることは十分とは言えない状況にあった。

そこで、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち本発明の目的は、ダイヤモンド被覆工具において、ダイヤモンド皮膜と工具基体との密着性を向上させるとともにダイヤモンド被覆工具の刃先強度（耐衝撃性）を向上させ、ＣＦＲＰ等の難切削材の高速切削加工において、耐チッピング性および耐剥離性が向上した、切削寿命が長いダイヤモンド被覆工具を提供することである。

上述の従来のダイヤモンド被覆工具が有する課題すべく本発明者は鋭意、研究と実験を繰り返した。すなわち、ＣＦＲＰのエンドミル加工において、突発的なチッピングが発生し、早期に工具の寿命に至る現象を詳細に解析した結果、ダイヤモンド皮膜の平滑性と密着力とを両立させることにより、ダイヤモンド皮膜工具のチッピングを抑制し耐剥離性を向上させ、工具寿命を延ばすという知見を得た。
さらに、熱フィラメントＣＶＤ法によって超硬合金基体上に気相成長させたダイヤモンド皮膜は、柱状に成長することが知られているが、ダイヤモンド皮膜に接する基体界面の凹凸の性状がダイヤモンド皮膜の平滑性に与える影響を精査したところ、図1に示すように、ダイヤモンド皮膜に接する基体界面の凹凸が大きいと、基体界面から柱状に成長するダイヤモンド粒子の結晶は、その成長過程で隣接するダイヤモンド粒子の結晶と衝突し合い、歪みを内包しながら成長し、また、ダイヤモンド皮膜の外表面には大きな凹凸が生じて平滑性を大きく損ねられ、チッピングが発生しやすくなってしまう。
そこで、本発明者は、さらなる検討を行った結果、ダイヤモンド皮膜の外表面性状が平滑となるためには、基体界面の凹凸の性状の他に、ダイヤモンド皮膜の成長初期における結晶粒の大きさ、その後の成長方向および／または配向率が影響していることを発見した。
本発明は、超硬合金基体の界面の凹凸の性状を所定のものとし、さらに、ダイヤモンド皮膜の成長初期における結晶粒径を所定の範囲ものとし、加えて、その後成長するダイヤモンドの成長方向または配向率の少なくとも一方を所定の範囲ものとすることによって、ダイヤモンド皮膜に内包される歪みを低減させ、ダイヤモンド皮膜の基体への密着性と平滑性の両立性を確保したものであって、ダイヤモンド被覆工具のチッピングを抑制しダイヤモンド皮膜の耐剥離性を向上させ、工具寿命を延ばすことができるものである。

すなわち、本発明は、
「（１）Ｃｏを３〜１５質量％含むＷＣ基超硬合金基体にダイヤモンド皮膜を被覆形成したダイヤモンド被覆超硬合金切削工具であって、
当該ダイヤモンド被覆超硬合金切削工具のダイヤモンド皮膜厚さ方向の切断面において、
（ａ）前記基体を構成するＷＣ粒子の平均粒径が０．５〜０．９μｍであり、
（ｂ）前記ダイヤモンド皮膜に接する前記基体の界面の凹凸の最大高低差（Ｒ_ｚ）が０．５〜１．０μｍであり、該界面における隣り合う前記基体の凹凸間の距離の最大値（Δ）が０．５〜１．５μｍであり、かつ基体の結合相が除去された領域のダイヤモンド皮膜の厚さ方向の長さ（Ｙ_ｅ）が０．５〜２．０μｍであり、
（ｃ）前記界面における前記ダイヤモンド皮膜に接する個々のＷＣ粒子の占める面積の和を１００面積％とするとき、界面におけるダイヤモンド皮膜に接するＷＣ粒子の頂点間距離の最大値（Ｌ_１）が０．４〜０．８μｍであって、当該ＷＣ粒子に内接する内接円の直径あるいは対向面の接線間の距離の最小値（Ｌ_２）が０．２〜０．４μｍ、（Ｌ_１）／（Ｌ_２）が１．５〜２．５であるＷＣ粒子の面積和が７０面積％以上であり、
（ｄ）前記基体界面からダイヤモンド皮膜に向かって０．５〜１．５μｍの領域におけるダイヤモンド結晶の平均粒径が０．１〜０．３μｍであって、
（ｅ）前記ダイヤモンド結晶の上に接して、その成長方向がダイヤモンド皮膜の厚さ方向に対し１０度以内の角度のずれである割合が９０％以上または＜１１０＞配向率が３０〜７０％の少なくとも一方であるダイヤモンド皮膜を構成する柱状晶を有することを特徴とする、ダイヤモンド被覆超硬合金切削工具。
（２）前記ダイヤモンド皮膜の平均膜厚は、３〜３０μｍであることを特徴とする（１）に記載のダイヤモンド被覆超硬合金切削工具。」
である。

本発明は、ダイヤモンド皮膜の工具基体への密着力の向上とダイヤモンド皮膜に内包される歪みの低減、さらには、その外表面の高い平滑性を達成することができるため、ダイヤモンド被覆切削工具のチッピングを抑えることができ、切削工具寿命を延ばすことができるという顕著な効果を奏するものである。

超硬合金の基体の凹凸の性状がダイヤモンド皮膜の凹凸の性状に影響を与えていることを示すダイヤモンド皮膜の厚さ方向断面（縦断面）の模式図である。 本発明の一実施形態に係るダイヤモンド被覆工具の縦断面を拡大した模式図である（模式図であるためスケールは正確ではなく、結合相の存在を強調するためにその面積は実際よりも大きく表示してある）。 ダイヤモンド皮膜と基体の界面におけるＷＣ粒子の凹凸間の距離を説明する図である。 図２の結合相を除去した領域のＷＣ粒子の形状の模式図であって、ＷＣ粒径の頂点間距離の最大値（Ｌ_１）およびＷＣ粒子に内接する内接円の直径あるいは対向面の接線間の最小距離（Ｌ_２）を説明する図である。

上述のとおり、本発明は、ダイヤモンド皮膜の工具基体への密着性の向上と内包される歪みの低減と、その外表面の高い平滑性とを達成することにより、ダイヤモンド皮膜工具のチッピングを抑制しダイヤモンド皮膜の耐剥離性を向上させ、工具寿命を延ばすという新たな知見に基づくものである。
ここで、ダイヤモンド皮膜の密着性は、基体であるＷＣ基超硬合金基体における、（１）Ｃｏ含有量、（２）ＷＣ粒子の平均粒径、（３）基体界面の凹凸の最大高低差（Ｒ_ｚ）、（４）該界面における隣り合う基体の最大凹凸間の距離（Δ）、（５）基体の結合相が除去された領域のダイヤモンド皮膜の厚さ方向の長さ（Ｙ_ｅ）、（６）界面におけるダイヤモンド皮膜に接するＷＣ粒子の頂点間距離の最大値（Ｌ_１）、同ＷＣ粒子に内接する内接円の直径あるいは対向面の接線間の最小距離（Ｌ_２）、（７）（Ｌ_１）／（Ｌ_２）、（８）前記（６）および（７）に該当するＷＣ粒子の面積割合、の各因子を所定値にすることにより達成される。一方、ダイヤモンド皮膜表面の平滑性は、前記密着性に影響を与える因子を所定値にすることに加え、（９）前記基体界面からダイヤモンド皮膜に向かって０．５〜１．５μｍの領域におけるダイヤモンド結晶の平均粒径が０．１〜０．３μｍであって、（１０）前記ダイヤモンド結晶上に接して（上記（９）に記載のダイヤモンド結晶に接して）、その成長方向がダイヤモンド皮膜の厚さ方向に対し１０度以内の角度のずれである割合（成長方向とダイヤモンド皮膜の厚さ方向とのなす角度が１０度以内の柱状晶の割合）が９０％以上または＜１１０＞配向率が３０〜７０％の少なくとも一方であるダイヤモンド皮膜を構成する柱状晶を有することにより達成される。
このため、本発明においては、ダイヤモンド皮膜が所定の密着力を得るために密着力に影響を与える因子を制御する一方で、これら密着力に影響を与える因子が平滑性に与える影響も考慮して、密着性の向上と内包される歪みの低減、平滑性の向上を図るべく、前記各因子の最適な範囲を見出し、チッピングの発生を抑制して耐剥離性を向上させ、工具寿命の長いダイヤモンド被覆超硬合金製切削工具を得ることに発明の特徴を有する。

以下、前記各因子の最適な範囲の説明を含め、本発明の一実施形態を詳細に説明する。

１．ＷＣ基超硬合金基体（工具基体）
まず、ＷＣ基超硬合金基体１について説明する。

（１）Ｃｏの含有量
本実施形態のＷＣ基超硬合金基体１は、ＷＣとＣｏを含み、Ｃｏの含有量は３〜１５質量％である。Ｃｏの含有量の数値範囲を決めた理由は次のとおりである。基体１を構成する超硬合金のＣｏの含有量が３質量％未満の場合、工具基体１の靱性が低くなり切削時に欠損が生じやすくなるため好ましくない。一方、１５質量％を超えると、エッチング処理後、Ｃｏが除去された領域において空隙が占める体積割合が多くなりＣｏが除去された領域が脆弱になるためダイヤモンド膜と工具表面との密着力が低下し好ましくない。したがって、超硬合金中のＣｏの含有量は、３〜１５質量％と定める。Ｃｏの含有量は５〜７質量％であることが好ましい。

（２）ＷＣの平均粒径
本実施形態のＷＣ基超硬合金基体１のＷＣの平均粒径は０．５〜０．９μｍである。平均粒径をこの範囲とした理由は、０．５μｍ未満では基体１の靱性が低下し、一方、０．９μｍを超えると前処理工程におけるエッチング後の基体の凹凸が大きくなりダイヤモンド皮膜２の平滑性に悪影響を及ぼし、チッピングを生じやすくなるからである。ＷＣの平均粒径は０．６〜０．８μｍであることが好ましい。
ここで、ＷＣの粒径は、エッチング処理を受けていない基体１の任意の箇所で同じであって、以下のようにして求める。すなわち、基体１の表面（ダイヤモンド皮膜２との界面３）から１０μｍ離れた基体側の５０μｍ四方の領域の断面（ダイヤモンド皮膜２の厚さ方向（ダイヤモンド皮膜２の表面に垂直な方向）に沿った切断面）において、エッチング処理を受けていない個々のＷＣ粒子１ａの粒径を電子線後方散乱回折法（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂａｃｋ Ｓｃａｔｔｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｐａｔｔｅｒｎｓ：ＥＢＳＤ）にてステップサイズ０．1μｍの条件にて結晶方位を測定し、隣り合う測定点の結晶方位が５度ずれた箇所を粒界とみなし、粒界によって囲まれた領域を一粒子とする。そして、上記基体断面の任意の３箇所それぞれにおいて、１０μｍの線分に含まれる（１０μｍの線分に重なる）ＷＣ粒子１ａの数を数えて、得られたＷＣ粒子１ａの数で１０μｍを除し、得られた３つの数値の平均値をＷＣの平均粒径とする。

（３）基体界面の最大高低差
刃先を切断加工し、刃先の断面（ダイヤモンド皮膜２の厚さ方向に沿った切断面）をＣｒｏｓｓ−ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｐｏｌｌｉｓｈｅｒ（以下、ＣＰという）にて刃先の断面を研磨加工し、走査型電子顕微鏡により基体１と皮膜２との界面３を含む５０μｍ四方の領域を３箇所観察して得られるＪＩＳ Ｂ ０６０１-１９９４にしたがった基体表面の凹凸の最大高低差（Ｒ_ｚ）（基体表面の凹凸の最大値）は、０．５〜１．０μｍである。Ｒ_ｚをこの範囲とした理由は、０．５μｍ未満であると、ダイヤモンド皮膜２に対する基体界面のアンカー効果が十分ではないためダイヤモンド皮膜２の基体１への十分な密着力が得られない虞があり、一方、１．０μｍを超えると、ダイヤモンド被覆の平滑性に悪影響を与えてチッピングが発生しやすくなることがあるためである。最大高低差（Ｒ_ｚ）は０．６〜０．８μｍが好ましい。

（４）基体界面の隣り合う凹凸間の距離の最大値（凹凸間の最大距離）
刃先を切断加工し、刃先の断面（ダイヤモンド皮膜の厚さ方向に沿った切断面）をＣＰにて刃先の断面を研磨加工し、走査型電子顕微鏡により基体１と皮膜２との界面３を含む５０μｍ四方の領域を３箇所観察して得られる基体界面（基体表面）の隣り合う凹凸間の距離の最大値（Δ）は、０．５〜１．５μｍである。Δをこの範囲とした理由は、０．５μｍ未満であると、ダイヤモンド皮膜２の平滑性が確保できない虞があり、一方、１．５μｍを超えると、ダイヤモンド皮膜２の基体１への密着力が不十分となることがあるためである。Δは、０．７〜１．２μｍであることが好ましい。Δは高低差が０．５〜１．５μｍ範囲を満たす凹凸間の距離として規定される。凹凸間の距離については、図３を参照されたい。

（５）基体の結合相が除去された領域のダイヤモンド皮膜２の厚さ方向の長さ（Ｙ_ｅ）
超硬合金基体１にダイヤモンド皮膜２を成膜するためには、超硬合金基体１の結合相成分であるＣｏを超硬合金基体１とダイヤモンド皮膜２の界面３より除去する必要がある。ダイヤモンドコーティング工具（ダイヤモンド被覆工具）の刃先を切断加工し、刃先の断面（ダイヤモンド皮膜の厚さ方向に沿った切断面）をＣＰにて研磨加工し、走査型電子顕微鏡により基体１と皮膜２との界面３を含む５０μｍ四方の領域を３箇所観察して得られる断面観察像において、図２に示すように、酸等によるエッチング処理により、基体１の結合相１ｂが除去された領域のＷＣ基体１の最上端のＷＣ粒子１ａからＷＣ基体１の最も深い底部に至るダイヤモンド皮膜２の膜厚方向の長さをＹ_ｅとする。Ｙ_ｅが０．５μｍ未満の場合は、超硬合金基体表面からＣｏ層が十分除去されていないため、ダイヤモンド成膜時にＣｏが、超硬合金基体１と皮膜２との界面３に拡散し、ダイヤモンド皮膜２の密着力が低下する。またＹ_ｅが２．０μｍを超える場合、超硬合金基体１と皮膜２との界面３が脆弱となり、基体側にクラックを生じやすく、剥離の原因となる。したがって、Ｙ_ｅの値を０．５〜２．０μｍとする。Ｙ_ｅの値は０．７〜１．５μｍであることが好ましい。

（６）基体界面のＷＣ粒子の頂点間距離の最大値（Ｌ_１）と当該粒子のＷＣ粒子に内接する内接円の直径あるいは対向面の接線間の距離の最小値（Ｌ_２）
Ｌ_１は当該ＷＣ粒子１ａの頂点上を結ぶ最大距離（最大長）の値を示し、０．４〜０．８μｍである。ＷＣ粒子１ａの最大長（Ｌ_１）はＷＣ粒子１ａの粒径に依存し、エッチングによりＷＣが浸食されるため、その範囲はＷＣの粒径を超えない範囲で規定され、この範囲になければダイヤモンド皮膜２の良好な密着性を得ることができない。Ｌ_１は０．５〜０．７μｍであることが好ましい。
一方、Ｌ_２は、当該ＷＣ粒子１ａに内接する内接円の直径、あるいは対向面の接線間の距離の最小値である。Ｌ_２は当該粒子のＷＣ粒子１ａの断面形状を構成する頂点が３点のときは、当該ＷＣ粒子内に内接する内接円の直径の最大値であり、当該粒子のＷＣ粒子１ａの断面形状を構成する頂点が４点のときは、対向面（断面において互いに対向する辺）の接線間の距離の最小値である。Ｌ_２の範囲は０．２〜０．４μｍである。Ｌ_２が０．２μｍ未満であると、基体１の結合相１ｂが除去された領域の基体強度が得られず、基体１の結合相１ｂが除去された領域にクラックを生じやすい。また、Ｌ_２が０．４μｍを超えると、ダイヤモンド皮膜２に対する基体界面のアンカー効果が十分に得られないため、基体１への十分な密着力が得られない虞がある。Ｌ_２は０．２５〜０．３５μｍであることが好ましい。
ＷＣ粒子１ａの頂点間距離の最大値（Ｌ_１）と当該Ｃ粒子に内接する内接円の直径あるいは対向面の接線間の距離の最小値（Ｌ_２）の定義については、図４を参照されたい。

（７）基体界面のＷＣ粒子の頂点間距離の最大値（Ｌ_１）と当該粒子のＷＣ粒子に内接する内接円の直径あるいは対向面の接線間の距離の最小値（Ｌ_２）との比
ダイヤモンド皮膜２に接する基体１のＷＣ粒子１ａの頂点間距離の最大値（Ｌ_１）と当該粒子のＷＣ粒子１ａに内接する内接円の直径あるいは対向面の接線間の距離の最小値（Ｌ_２）との比、（Ｌ_１）／（Ｌ_２）は１．５〜２．５である。比をこの範囲とした理由は、１．５未満では、ダイヤモンド皮膜２に対するアンカー効果が十分ではないためダイヤモンド皮膜２の十分な密着性が得られないことがあり、一方、２．５を超えると、ダイヤモンド皮膜２の平滑性が損なわれる虞があり、チッピングが発生しやすくなるためである。（Ｌ_１）／（Ｌ_２）は１．７〜２．２であることが好ましい。
なお、基体界面のＷＣ粒子１ａの頂点間距離の最大値（Ｌ_１）と、当該粒子のＷＣ粒子１ａに内接する内接円の直径あるいは対向面の接線間の距離の最小値（Ｌ_２）とは、基体１の界面から１０μｍ、基体表面と水平方向において５０μｍの基体１の縦断面（ダイヤモンド皮膜の厚さ方向に沿った切断面）において、電子線後方散乱回折法（ＥＢＳＤ）にてステップサイズ０．1μｍの条件で結晶方位を測定し、隣り合う測定点の結晶方位が５度ずれた箇所を粒界とみなし、粒界によって囲まれた領域をＷＣ粒子１ａの一粒子として、同縦断面内の全てのＷＣ粒子１ａに対して、同縦断面内におけるその粒の（Ｌ_１）および（Ｌ_２）を求めた。

（８）前記（６）および（７）を満足するＷＣ粒子の面積割合
前記（６）および（７）を満足するＷＣ粒子１ａの面積割合は、ダイヤモンド皮膜２と基体１との界面３を含む５０μｍ四方の領域を３箇所観察して得られる縦断面（ダイヤモンド皮膜の厚さ方向に沿った切断面）観察像において、前記界面３においてダイヤモンド皮膜２に接する個々のＷＣ粒子１ａの占める面積の和を１００面積％とするとき、これらのＷＣ粒子１ａのうち前記（６）および（７）を満足するＷＣ粒子１ａの占める面積が７０面積％以上でないと、前記（６）および（７）の規定を満足してもダイヤモンド皮膜２の密着性や平滑性を得ることができない。上記面積割合は８５面積％以上が好ましく、９０〜１００面積％がより好ましい。

２．ダイヤモンド皮膜
次に、ダイヤモンド皮膜２について説明する。

（１）ダイヤモンド皮膜の平均膜厚
ダイヤモンド皮膜２の平均膜厚は基体表面と水平方向（基体表面に平行な方向）における５０μｍの領域において測定された皮膜の厚さの５点の平均値であり、その値は３〜３０μｍが望ましい。この範囲とすることによって、長期の使用にわたって十分な耐摩耗性と耐剥離性をより発揮することができ、刃が丸みを帯びることが一層確実になくなって、所定の加工精度が得られる。ダイヤモンド皮膜２の平均膜厚は８〜１８μｍがより好ましい。

（２）基体界面からダイヤモンド皮膜に向かって０．５〜１．５μｍの領域におけるダイヤモンド結晶の平均粒径
ダイヤモンドコーティング工具の刃先を切断加工し、刃先の断面（ダイヤモンド皮膜の厚さ方向に沿った切断面）をＣＰにて刃先の断面を研磨加工し、走査型電子顕微鏡により基体１と皮膜２との界面３を含む５０μｍ四方の領域を３箇所観察して得られる断面観察像において、ダイヤモンド皮膜２の厚さ方向に沿って基体界面からダイヤモンド皮膜２に向かって０．５〜１．５μｍの領域、すなわち、ダイヤモンド皮膜２の成長初期領域（図２のダイヤモンド皮膜成長初期２ｂ）におけるダイヤモンド結晶の平均粒径を０．１〜０．３μｍとする。このダイヤモンド結晶の平均粒径は、角度選択反射電子（Ａｎｇｌｅ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ：以下、ＡＳＢという）にて観察された成長初期領域において、任意の３箇所それぞれにおいて３μｍの線分に含まれる（３μｍの線分に重なる）ダイヤモンド結晶粒子の数を数えて、得られたダイヤモンド結晶粒子の数で３μｍを除し、得られた数値の平均値である。この数値範囲とした理由は、０．１μｍ未満になると、満足する密着力を得ることできず、０．３μｍを超えると、この粒の外表面側のダイヤモンド粒子が柱状に、すなわち、ダイヤモンド皮膜２の厚さ方向に成長しないためである。ダイヤモンド皮膜２の成長初期領域におけるダイヤモンド結晶の平均粒径は０．１５〜０．２５μｍであることが好ましい。

（３）ダイヤモンド皮膜を構成する柱状晶において、成長方向のダイヤモンド皮膜の厚さ方向に対する角度のずれが１０度以内のダイヤモンド結晶の割合と＜１１０＞配向率
図２に示すような皮膜２の結晶組織は、ＡＳＢによる組織観察より確認できる。ダイヤモンド皮膜成長後期２ａにダイヤモンド皮膜２は柱状に成長し、結晶の粒径が横方向に対する膜厚方向の成長割合（以下アスペクト比）が３を超え、膜厚とともにアスペクト比が高くなる。
皮膜２の結晶粒の成長方向のずれおよび＜１１０＞配向率は以下のようにして測定される。ダイヤモンド皮膜２の成長方向はダイヤモンドコーティング工具の刃先を切断加工し、刃先の断面（ダイヤモンド皮膜の厚さ方向に沿った切断面）をＣＰにて研磨加工し、ＡＳＢにより３０μｍ四方の皮膜断面の領域の３箇所を観察して得られる皮膜２の組織観察像において、膜厚方向に対する皮膜２の成長方向（柱状晶の長軸方向）のずれが１０度以内である結晶が占める面積を、測定領域内の皮膜２の総面積で除した値を１０度以内の角度のずれの割合とする。またＥＢＳＤにより３０μｍ四方の皮膜断面の領域を３箇所の皮膜表面に対し垂直な皮膜断面研磨面の測定範囲内に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、皮膜２の結晶粒個々の（１１０）面の法線がなす角度と膜厚方向との傾斜角度を測定し、傾斜角度が０〜２０°範囲内に存在する度数の合計を＜１１０＞配向率とする。ダイヤモンド皮膜２を構成する柱状晶において、上記方法にて測定される成長方向が基体１の法線方向（ダイヤモンド皮膜の厚さ方向）に対する角度のずれが１０度以内であるダイヤモンド結晶の割合は９０％以上、または、＜１１０＞配向率が３０〜７０％の少なくとも一方である。この数値範囲とした理由は、成長方向がダイヤモンド皮膜２の厚さ方向にある柱状晶の割合が９０％未満であるとダイヤモンド皮膜２に内包される歪みのために切削加工時のダイヤモンド結晶の脱粒が顕著となってチッピングが生じやすくなるためである。また、＜１１０＞配向率が３０％未満ではダイヤモンド皮膜２の耐摩耗性が不十分であり、７０％を超えるとダイヤモンド結晶粒が粗大化して耐衝撃性が低下して、チッピングが生じやすくなるためである。ただし、皮膜２の配向率が＜１１０＞配向率が３０％未満、あるいは７０％を超えた状態において、皮膜２の成長方向のずれが１０度以内である結晶が占める面積が９０％を超えれば、所定の切削性能が得られる。また、皮膜２の成長方向のずれが１０度以内である結晶が占める面積が９０％を超えない状態においても、＜１１０＞配向率が３０％以上７０％以下であれば、所定の切削性能が得られる。そのため、両者のうち少なくとも一方を満足すればよい。ダイヤモンド皮膜２の厚さ方向に対する成長方向の角度のずれが１０度以内の柱状晶の割合は９３％以上が好ましく、９５％以上１００％以下がより好ましい。＜１１０＞配向率は４０％以上６０％以下が好ましい。

次に、実施例について説明する。
ここでは、本発明に係るダイヤモンド被覆工具の具体例としてダイヤモンド被覆エンドミルについて述べるが、本発明はこれに限られるものではなく、ダイヤモンド被覆合金インサート、ダイヤモンド被覆ドリルなどの各種のダイヤモンド被覆工具に適用できることは言うまでもない。

（ａ）基体の製造工程
原料粉末として、０．５〜０．９μｍの範囲内の所定の平均粒径を有するＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末またはＣｒ_３Ｃ_２粉末を、表１に示される割合に配合し、さらにバインダーとしてパラフィンと溶剤としてトルエン、またはキシレン、またはメシチレン、またはテトラリン、またはデカリンを加えてアセトン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した。その後、いずれも押出プレス成形し、直径が１０ｍｍ、長さが１５０ｍｍの丸棒圧粉体とし、これらの丸棒圧粉体を、１Ｐａの真空雰囲気中、１３８０〜１５００℃の温度で１〜２時間保持するという焼結条件で焼結することで焼結体を得た。その後、前記焼結体を研磨加工することにより、ＷＣ基超硬合金焼結体を製造した。
次いで、前記ＷＣ基超硬合金焼結体を、溝形成部の外径寸法がφ１０ｍｍ、長さ１００ｍｍとなるように研削加工することにより、ＷＣ超硬合金製エンドミル基体（以下、単に「エンドミル基体」という）を製造した。

（ｂ）エッチング処理工程
次に、前記エンドミル基体の表面に、前記Ｒ_ｚ、Δ、Ｌ_１、Ｌ_２、（Ｌ_１）／（Ｌ_２）、および、面積％のそれぞれの数値範囲を満足する微細な凹凸を形成すべく、エッチング処理を行った。
エッチング処理は、アルカリエッチング処理、酸エッチング処理の２段階であり、アルカリエッチング処理は電解エッチングによって行い、酸エッチング処理は希硝酸中に基体を浸漬することによって行った。
具体的には、以下の通りである。
（第１前処理工程）
エンドミル基体を、ＮａＯＨ（４〜８ｇ）を含むエッチング溶液１Ｌに、単位面積当たりの電流量が１．５〜２．５Ａ／ｄｍ^２になるように電流を通電した状態で１０〜２０分、電解エッチングを行い基体表面のＷＣを除去した。
（第２前処理工程）
前記エンドミル基体を、希硝酸（０．５体積％）の溶液１Ｌに８〜１２秒間、室温（２３℃）で浸漬し、ドリル基体の表面近傍のＣｏを主成分とする金属結合相の一部を酸エッチングで除去した。

（ｃ）ダイヤモンド皮膜の成膜ための前処理工程
ダイヤモンド皮膜の成膜ための前処理として、ダイヤモンド成膜初期にダイヤモンドの核生成を促すため、前記エッチング処理を施したエンドミル基体を粒径１μｍのダイヤモンド粉末を含むエチルアルコール溶液中で１０分間超音波処理を行った。

（ｄ）成膜工程
前記前処理を施したエンドミル基体を熱フィラメントＣＶＤ装置に装入した。そして、フィラメント温度を２０５０〜２１００℃、ガス圧1〜３Ｔｏｒｒ（１３３.３〜３９９.９Ｐａ）の下で、水素ガスとメタンガスとの流量比を調整し、基体温度を７５０〜８００℃に所定の時間維持（表２を参照）して、基体界面からダイヤモンド皮膜に向かって０．５〜１．５μｍの領域にあるダイヤモンド粒子の粒径を０．１〜０．３μｍとする初期成膜条件（例えば成膜開始から３００分まで）で成膜し、その後、フィラメント温度を２１００〜２１５０℃、ガス圧５〜８Ｔｏｒｒ（６６６.６〜１０６６.４Ｐａ）の下で、水素ガスとメタンガスとの流量比を調整し、基体温度を８５０〜９００℃に所定の時間維持（表２を参照）してダイヤモンドを柱状に成膜する成膜条件（後期成膜条件）で成膜し、本発明のダイヤモンド皮膜エンドミル（以下、「本発明エンドミル」という）を作成した。

比較のために、０．４〜１．２μｍの範囲内の所定の平均粒径を有するＷＣ粉末を含む原料粉を表１に示される割合に配合し、前記（ａ）に記載した工程で、ドリル基体を製造した。その後、前記（ｂ）〜（ｄ）に相当する工程の処理（詳細は表２に記載）を行い、比較例のダイヤモンド皮膜エンドミル（以下、「比較エンドミル」という）を作成した。
表２の「先行前処理工程」とは、希硝酸（０．５体積％）の溶液１Ｌに８〜１５秒間、室温（２３℃）、基体表面近傍の結合相の一部を除去するものであり、前述の第１前処理工程に先行するものである。表２の斜線は対応する工程が実施されなかったことを示す。比較エンドミル１５および比較エンドミル１８はダイヤモンド皮膜が得られなかった。
表３に、表２にしたがって得られた本発明エンドミルと比較エンドミルにおける、基体のＷＣ粒径、Ｒ_ｚ、Δ、Ｙ_ｅ、Ｌ_１、Ｌ_２、（Ｌ_１）/（Ｌ_２）、および、ＷＣ粒子の面積％、並びに、ダイヤモンド皮膜の平均膜厚、０．５〜１．５μｍ領域の粒径、１０度以内の柱状晶の割合、および、＜１１０＞配向率を示す。表３において、斜線は対応する項目の測定ができなかったことを示す。

次に、前記本発明エンドミル１〜２０、比較エンドミル１〜２５（いずれも、外径はφ１０．０ｍｍ）を用いて、以下の条件で、ＣＦＲＰ高速溝加工試験を行った。なお、以下の条件に記載されている通常の切削速度とは、従来被覆工具を用いた場合の効率（一般には、工具寿命までに加工できる部品の数など）が最適となる切削速度である。
切削速度： ３００ｍ／ｍｉｎ
切削条件： エアブロー
突出し長さ： ２５ｍｍ
１刃当り送り： ０．０３ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
前記切削試験において、切削の異常音および切削時の荷重が異常を示した際に、試験を中断し、剥離・欠損の有無を確認した。剥離・欠損等が確認された場合、それまでの加工長を加工寿命とした。
また、加工長２５ｍまで欠損せず、切れ刃の中央の逃げ面の摩耗形態が正常である（欠損、チッピングがない）、かつバリの長さまたは加工穴周りのデラミネーションの幅が１ｍｍを超えないことを、本発明エンドミルの合格条件とした。
表４にこれらの評価結果を示す。

表４に示される結果から、本発明エンドミルは、基体を構成するＣｏの含有量、ＷＣ粒子の平均粒径がともに所定範囲にあり、また、ダイヤモンド皮膜に接する基体界面の凹凸の最大高低差や凹凸間の最大距離、基体の結合相が除去された領域のダイヤモンド皮膜の厚さ方向の長さが、それぞれ、所定範囲にあって、さらには、前記界面の７０面積％以上のＷＣ粒子が、所定範囲にある頂点間距離の最大値、内接する内接円の直径あるいは対向面の接線間の距離の最小値、（基体界面のＷＣ粒子の頂点間距離の最大値）/（ＷＣ粒子に内接する内接円の直径あるいは対向面の接線間の距離の最小値）、を満足し、加えて、ダイヤモンド皮膜の平均膜厚と凹凸の最大高低差、基体界面から０．５〜１．５μｍの範囲のダイヤモンド結晶の平均粒径、が所定値を満足し、ダイヤモンド柱状晶について膜厚方向と所定範囲の角度にある結晶割合または＜１１０＞配向率少なくとも一方が所定値を満足していることにより、ダイヤモンド皮膜の密着性と平滑性を確保して、優れた耐チッピング性および耐摩耗性を発揮していることがわかるから、本発明のダイヤモンド被覆超硬合金製切削工具はＣＦＲＰ等の難切削材に対して工具寿命が改善されている。これに対して、本発明のダイヤモンド被覆超硬合金製切削工具が満足すべき事項が一つ以上欠けている比較エンドミルは、ダイヤモンド皮膜の密着性や平滑性が確保できないため、切削長が短く、チッピングが発生しており工具寿命が短いことがわかる。

本発明のダイヤモンド被覆超硬合金製切削工具は、ダイヤモンド被覆超硬合金製エンドミルばかりでなく、ダイヤモンド被覆超硬合金製インサート、ダイヤモンド被覆超硬合金製ドリル等、各種のダイヤモンド被覆工具に適用できるものである。このため、本発明のダイヤモンド被覆超硬合金製切削工具は、優れた刃先強度と耐摩耗性を発揮することから、切削加工の省エネ化、低コスト化に十分満足に対応できるものであり、その産業上の利用可能性はきわめて大きい。

１ 超硬合金基体
１ａ ＷＣ粒子
１ｂ 結合相
２ ダイヤモンド皮膜
２ａ ダイヤモンド皮膜成長後期
２ｂ ダイヤモンド皮膜成長初期
３ 超硬合金基体とダイヤモンド皮膜との界面

Claims (2)

1. Ｃｏを３〜１５質量％含むＷＣ基超硬合金基体にダイヤモンド皮膜を被覆形成したダイヤモンド被覆超硬合金切削工具であって、
   当該ダイヤモンド被覆超硬合金切削工具のダイヤモンド皮膜厚さ方向の切断面において、
   （１）前記基体を構成するＷＣ粒子の平均粒径が０．５〜０．９μｍであり、
   （２）前記ダイヤモンド皮膜に接する前記基体の界面の凹凸の最大高低差（Ｒ_ｚ）が０．５〜１．０μｍであり、該界面における隣り合う前記基体の凹凸間の最大距離（Δ）が０．５〜１．５μｍであり、かつ基体の結合相が除去された領域のダイヤモンド皮膜の厚さ方向の長さ（Ｙ_ｅ）が０．５〜２．０μｍであり、
   （３）前記界面における前記ダイヤモンド皮膜に接する個々のＷＣ粒子の占める面積の和を１００面積％とするとき、基体界面のＷＣ粒子の頂点間距離の最大値（Ｌ_１）が０．４〜０．８μｍであって、ＷＣ粒子に内接する内接円の直径あるいは対向面の接線間の距離の最小値（Ｌ_２）が０．２〜０．４μｍ、（Ｌ_１）/（Ｌ_２）が１．５〜２．５であるＷＣ粒子の面積和が７０面積％以上であり、
   （４）前記基体界面からダイヤモンド皮膜に向かって０．５〜１．５μｍの領域におけるダイヤモンド結晶の平均粒径が０．１〜０．３μｍであって、
   （５）前記ダイヤモンド結晶の上に接して、その成長方向がダイヤモンド皮膜の厚さ方向に対し１０度以内の角度のずれである割合が９０％以上または＜１１０＞配向率が３０〜７０％の少なくとも一方であるダイヤモンド皮膜を構成する柱状晶を有することを特徴とする、ダイヤモンド被覆超硬合金切削工具。
2. 前記ダイヤモンド皮膜の平均膜厚は、３〜３０μｍであることを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド被覆超硬合金切削工具。

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