KR100556216B1 - Fabrication method of adherent diamond coated cutting tool - Google Patents

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Abstract

본 발명은 챔버 내에 놓여진 절삭공구의 모재 상에 기상화학증착법을 이용하여 다이아몬드 막을 증착시키는 절삭공구 제조방법에 관한 것으로, 초기에는 바이어스를 인가하지 않으면서 상기 절삭공구의 모재 상에 일정 두께의 다이아몬드 막을 증착시키는 제1 단계, 그리고 절삭공구에 직류 또는 교류 바이어스를 인가하면서 상기 일정 두께로 증착된 다이아몬드 막 위로 다이아몬드 막을 증착시키는 제2 단계를 거치도록 함으로써, 모재와 밀착력이 우수하면서도 입자크기가 미세한 다이아몬드 막을 증착시킬 수 있다.The present invention relates to a method for manufacturing a cutting tool for depositing a diamond film on the substrate of the cutting tool placed in the chamber by using a vapor phase chemical vapor deposition method, wherein a diamond film having a predetermined thickness is formed on the substrate of the cutting tool without applying a bias. The first step of the deposition and the second step of depositing a diamond film on the diamond film deposited to a predetermined thickness while applying a direct current or alternating current bias to the cutting tool, thereby providing a diamond film having excellent adhesion to the base material and a fine particle size. Can be deposited.

Description

다이아몬드 막이 증착된 절삭공구 제조 방법{Fabrication method of adherent diamond coated cutting tool}Fabrication method of adherent diamond coated cutting tool

도 1은 다이아몬드가 증착된 절삭공구를 나타내는 도면;1 shows a cutting tool on which diamond is deposited;

도 2는 열 필라멘트 기상화학증착장치를 개략적으로 나타내는 도면;Figure 2 schematically shows a thermal filament vapor deposition apparatus;

도 3a는 열 필라멘트 기상화학증착장치를 사용하여 바이어스를 인가하지 않은 상태에서 증착된 다이아몬드 막에 대한 주사현미경 사진;FIG. 3A is a scanning micrograph of a diamond film deposited without a bias using a thermal filament vapor deposition apparatus; FIG.

도 3b는 도 3a의 다이아몬드에 대해서 2시간 동안 바이어스를 인가한 후 변화된 다이아몬드 막에 대한 주사현미경 사진;FIG. 3B is a scanning micrograph of the diamond film changed after applying a bias for 2 hours to the diamond of FIG. 3A;

도 3c는 도 3a의 다이아몬드에 대해서 6시간 동안 바이어스를 인가한 후 변화된 다이아몬드 막에 대한 주사현미경 사진; 3C is a scanning micrograph of the diamond film changed after applying a bias for 6 hours to the diamond of FIG. 3A;

도 3d는 도 3a의 다이아몬드에 대해서 8시간 동안 바이어스를 인가한 후 변화된 다이아몬드 막에 대한 주사현미경 사진; 3D is a scanning micrograph of the diamond film changed after applying a bias for 8 hours for the diamond of FIG. 3A;

도 4a는 바이어스를 초기부터 인가하면서 증착시킨 다이아몬드 막에 대한 경도 실험결과를 나타내는 주사현미경 사진; Figure 4a is a scanning microscope photograph showing the hardness test results for the deposited diamond film while applying the bias from the beginning;

도 4b 내지 도 4c는 본 발명의 제조방법에 따라 증착된 다이아몬드 막에 대한 경도 실험결과를 나타내는 주사현미경 사진; 그리고4b to 4c are scanning micrographs showing the hardness test results for the diamond film deposited according to the production method of the present invention; And

도 4d는 바이어스를 인가하지 않고 증착시킨 다이아몬드 막에 대한 경도 실 험결과를 나타낸 주사현미경 사진이다.4D is a scanning micrograph showing the hardness test results for the diamond film deposited without applying a bias.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>

10 : 절삭공구 11 : 절삭공구의 모재10: cutting tool 11: base material of the cutting tool

20 : 다이아몬드 막 100 : 챔버20: diamond film 100: chamber

101 : 유입구 102 : 배기구101: inlet port 102: exhaust port

110 : 전원 입력부 111 : 열 필라멘트용 전원110: power input unit 111: power for thermal filament

112 : 바이어스용 전원 120 : 열 필라멘트112: bias power supply 120: thermal filament

130 : 지지부재 140 : 홀더130: support member 140: holder

본 발명은 챔버 내에 놓여진 절삭공구의 모재 상에 기상화학증착법을 이용하여 다이아몬드 막을 증착시키는 절삭공구 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 절삭공구의 모재 상에 다이아몬드 막을 증착시키되, 절삭공구의 모재와 모재 상에 증착되는 다이아몬드 막 사이의 밀착력을 향상시킴과 동시에 다이아몬드 막을 형성하는 입자의 크기가 미세한 절삭공구 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a cutting tool manufacturing method for depositing a diamond film on the base material of the cutting tool placed in the chamber by using a chemical vapor deposition method, and more particularly to deposit a diamond film on the base material of the cutting tool, The present invention relates to a method of manufacturing a cutting tool having a small size of particles forming a diamond film while improving adhesion between diamond films deposited on a base material.

최근 높은 경도와 내마모 특성을 갖는 여러 재료들이 개발되면서, 이러한 재료를 가공할 수 있는 보다 단단하고 우수한 내마모적 특성을 지니는 절삭공구의 필요성이 점점 증대되고 있다. 다이아몬드는 현존하는 물질 중에서 가장 단단하고, 전기적 절연특성과 화학적 안정성을 가지며, 다른 여러 우수한 물리적 특성으로 인 해서 산업적으로 널리 이용되고 있는 추세이다. 최근에는 도 1에 도시된 것과 같이 이러한 다이아몬드의 성질을 이용하여 기존에 사용되던 절삭공구(10) 표면에 다이아몬드 막(20)을 증착시켜 경도와 내마모 특성을 크게 향상시킨 다이아몬드 막이 형성시킨 절삭공구에 관한 연구가 집중적으로 행하여져왔다. 일반적으로, 다양한 형태와 크기를 갖는 절삭공구(10)에 다이아몬드를 균일하게 증착시키기 위해서 기상화학증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)법이 주로 이용되고 있는데, 이러한 기상화학증착법에는 고온상태에서 증작시키는 열 필라멘트(hot filament)나 플라즈마 상태에서 증착시키는 마이크로웨이브 플라즈마(Microwave plasma) 기상화학증착법 등이 있다. 이와 같은 방법으로 증착된 다이아몬드 막(20)은 증착 두께가 증가할수록 막의 표면 입자 크기가 증가하게 되는데, 이러한 입자크기 증가는 온도의 상승이나 플럭스(flux)의 집중 또는 플라즈마의 집속에 의하여 공구의 인선부위(edge, corner, 11)에서 두드러지게 발생한다. 상기 인선부위(11)에서 다이아몬드 막(10)의 입자크기가 증가하면 이에 따라 표면의 조도(roughness)도 커지게 되고, 표면 조도가 큰 다이아몬드 막이 증착된 공구를 이용하여 터닝(turning) 이나 밀링(milling), 드릴링(drilling) 및 보링(boring) 등의 소재 가공을 행할 경우, 가공되는 피삭재의 표면 조도 역시 커지게 되므로, 가공 처리 후 낮은 표면조도가 요구되는 피삭재의 가공이나, 미세, 정밀가공에는 사용할 수 없게 된다. Recently, with the development of various materials having high hardness and wear resistance, there is an increasing need for cutting tools having harder and better wear resistance characteristics capable of processing such materials. Diamond is one of the hardest existing materials, has electrical insulation properties and chemical stability, and is widely used industrially due to many other excellent physical properties. Recently, as shown in FIG. 1, a diamond film 20 is deposited on a surface of a cutting tool 10, which is used in the past, by using such a diamond property, thereby a cutting tool formed by a diamond film having greatly improved hardness and wear resistance. Research has been done intensively. In general, chemical vapor deposition (CVD) is mainly used to uniformly deposit diamond on cutting tools 10 having various shapes and sizes. Microwave plasma vapor deposition method, such as filament (hot filament) or the deposition in the plasma state, and the like. The diamond film 20 deposited in this manner increases the surface particle size of the film as the deposition thickness increases. This increase in particle size is caused by the increase in temperature, concentration of flux, or concentration of plasma. It occurs prominently at the edges (edges, corners, 11). As the particle size of the diamond film 10 increases at the edge portion 11, the roughness of the surface is also increased, and turning or milling is performed using a tool on which a diamond film having a large surface roughness is deposited. When machining materials such as milling, drilling and boring, the surface roughness of the workpiece to be processed is also increased, so that the machining of the workpiece, which requires low surface roughness after processing, or fine or precise machining You cannot use it.

특히, 절삭공구(10)에 기상화학증착법으로 다이아몬드 막(20)을 증착시킬 경우, 앞서 언급했듯이 절삭공구(10)의 인선부위(11)에서는 중심부(12)보다 입자크기와 조도가 커지면 인선부위(11)가 무뎌지게 되어 인선부위 첨예도(edge sharpness) 감소하는 현상 이외에, 인선부위(11)를 따라 증착된 다이아몬드 막(20)의 두께가 증가하는 현상도 관찰되는데, 이렇게 형성된 인선부위(11)는 실제 가공시 절삭공구(10)에 응력을 유발시켜 절삭공구의 수명을 단축시킨다. 따라서, 실제 절삭공구에서 가공에 주로 이용되어지는 부분이 인선부위(11)임을 고려할 때, 인선부위(11) 에 대해서 가능한 일정한 증착 두께를 가지며, 입자크기가 가능한 작은 다이아몬드 막이 증착되는 절삭공구의 개발이 필수적이다. In particular, when the diamond film 20 is deposited on the cutting tool 10 by the vapor phase chemical vapor deposition method, as described above, in the cutting edge portion 11 of the cutting tool 10, when the particle size and roughness are larger than the central portion 12, the cutting edge portion is formed. In addition to the phenomenon that edge 11 becomes dull and edge sharpness decreases, the thickness of the diamond film 20 deposited along the edge 11 is also increased. ) Induces stress on the cutting tool 10 during the actual machining, thereby shortening the life of the cutting tool. Therefore, considering that the part mainly used for machining in the actual cutting tool is the cutting edge 11, the development of a cutting tool having a constant deposition thickness possible for the cutting edge 11, and a small diamond film capable of grain size is deposited. This is essential.

다이아몬드 막(11)의 입자크기 미세화의 한 방법으로 다이아몬드를 형성시키는 공정가스(예를 들면, CH4 또는 C2H2)의 농도를 증착시간에 따라 증가시키는 방법이 제안되어졌다(미국특허 제6,319,610호). 일반적으로 기상화학증착법으로 다이아몬드 막(11)을 증착시킬 경우, 주입되는 공정가스로 수소와 메탄(CH4)을 사용하는데, 이 경우, 메탄의 농도가 증가할수록 증착된 다이아몬드 막의 입자 크기가 감소한다. 따라서, 증착이 진행되는 동안 주입되는 공정가스 내의 메탄 농도를 증가시킴으로써, 얻어지는 다이아몬드 막 표면의 입자크기를 감소시킬 수 있다. 하지만, 이러한 방법으로 다이아몬드 막(20)을 절삭공구(10)에 증착시킬 경우, 메탄 농도의 증가에 따라 다이아몬드 막(20) 표면의 전체적인 입자 크기는 감소하지만, 여전히 동일한 시편 내에서 인선부위(11)가 중심부(12)에 비하여 상대적으로 여전히 큰 입자 크기와 조도를 갖게 된다. 따라서, 실제 절삭가공에 주로 이용되어지는 부분인 인선부위(11)의 상대적인 입자 크기를 줄이는 방법이 필요하다. As a method of miniaturizing the particle size of the diamond film 11, a method of increasing the concentration of a process gas (for example, CH 4 or C 2 H 2 ) for forming diamond with deposition time has been proposed (US Patent No. 6,319,610). In general, when the diamond film 11 is deposited by vapor phase chemical vapor deposition, hydrogen and methane (CH 4 ) are used as injected process gases. In this case, as the concentration of methane increases, the particle size of the deposited diamond film decreases. . Therefore, by increasing the concentration of methane in the process gas injected during the deposition, it is possible to reduce the particle size of the resulting diamond film surface. However, when the diamond film 20 is deposited on the cutting tool 10 in this manner, the overall particle size of the surface of the diamond film 20 decreases as the methane concentration increases, but the edge portion 11 is still in the same specimen. ) Still have a relatively large particle size and roughness relative to the central portion 12. Therefore, there is a need for a method of reducing the relative particle size of the edge portion 11, which is a part mainly used for actual cutting.

이러한 절삭공구(10)의 인선부위(11)의 입자 크기 조절 방법으로서, 다이아 몬드 막 증착시 외부에서 바이어스(bias)를 가해주는 방법이 제안되었다. 상기 기상화학증착법을 이용하여 절삭공구(10)에 다이아몬드 막(20)을 증착시키는 동안, 동시에 외부로부터 절삭공구(10) 표면의 바이어스를 다른 전극보다 낮게 인가하는 음의 바이어스를 인가함으로써, 동일한 절삭공구(10) 내에서, 소재의 절삭가공에 주로 이용되어지는 인선부위(11)에 증착된 다이아몬드 입자가 중심부(12)에 증착된 다이아몬드 입자에 비하여 보다 미세한 입자크기를 가진다는 결과에 기초한 것이다. 이는 절삭공구(10)에 바이어스를 인가하면 인선부위(11)의 형상에 의해서 인가되는 바이어스의 세기가 인선부위에 크게 걸리게 되어 보다 미세한 다이아몬드 입자를 증착시키기 때문이다. 하지만 증착초기부터 절삭공구(10) 표면에 음의 바이어스를 인가하면서 증착한 다이아몬드 막(20)의 경우, 모재(14) 표면에 바이어스 인가에 의해서 발생하는 Co 함량이 증가하게 되며, 상기 Co는 모재(14)와 다이아몬드 막(20)사이의 밀착력을 약화시켜 절삭가공 도중에 다이아몬드 막(20)을 박리시기 된다. 이는 절삭공구의 성능이 크게 저하되는 문제점이 있다. 따라서 입자 크기를 미세화 하기 위해 바이어스를 인가하면서 다이아몬드 막을 증착시킬 경우, 증착된 다이아몬드 막과 모재 사이의 밀착력을 크게 하기 위한 방법이 요구된다. As a method for controlling the particle size of the cutting edge portion 11 of the cutting tool 10, a method of applying a bias from the outside during the deposition of the diamond film has been proposed. While depositing the diamond film 20 on the cutting tool 10 using the above-mentioned chemical vapor deposition method, the same cutting is applied by simultaneously applying a negative bias which lowers the surface of the cutting tool 10 from the outside than other electrodes. In the tool 10, the diamond particles deposited on the cutting edge portion 11, which is mainly used for cutting the material, are based on the result that the diamond particles deposited on the center portion 12 have a finer particle size. This is because when the bias is applied to the cutting tool 10, the strength of the bias applied by the shape of the edge portion 11 is largely applied to the edge portion, thereby depositing finer diamond particles. However, in the case of the diamond film 20 deposited by applying a negative bias to the surface of the cutting tool 10 from the beginning of deposition, the Co content generated by applying a bias to the surface of the base material 14 is increased, and the Co is the base material. The adhesion between the 14 and the diamond film 20 is weakened, and the diamond film 20 is peeled off during the cutting process. This is a problem that the performance of the cutting tool is greatly reduced. Therefore, when depositing a diamond film while applying a bias to refine the particle size, a method for increasing the adhesion between the deposited diamond film and the base material is required.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로 절삭공구의 모재 상에 다이아몬드 막을 증착시키되, 절삭공구의 모재와 모재 상에 증착되는 다이아몬드 막 사이의 밀착력을 향상시킴과 동시에 다이아몬드 막을 형성하는 입자의 크기가 미세한 절삭공구 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention is to solve the problems of the prior art, while depositing a diamond film on the base material of the cutting tool, while improving the adhesion between the base material of the cutting tool and the diamond film deposited on the base material of the particles to form a diamond film It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a cutting tool having a small size.

상기 목적을 달성하기 위해서 본 발명은, 챔버 내에 놓여진 절삭공구의 모재 상에 기상화학증착법을 이용하여 다이아몬드 막을 증착시키는 절삭공구 제조방법으로, 초기에는 바이어스를 인가하지 않으면서 상기 절삭공구의 모재 상에 일정 두께의 다이아몬드 막을 증착시키는 제1 단계, 그리고 절삭공구에 직류 또는 교류 바이어스를 인가하면서 상기 일정 두께로 증착된 다이아몬드 막 위로 다이아몬드 막을 증착시키는 제2 단계를 거치도록 함으로써, 절삭공구의 모재와 증착된 다이아몬드 막 사이에 밀착력을 유지하면서 다이아몬드 막의 입자를 미세하게 할 수 있다.In order to achieve the above object, the present invention is a cutting tool manufacturing method for depositing a diamond film on the base material of the cutting tool placed in the chamber by using a chemical vapor deposition method, initially on the base material of the cutting tool without applying a bias A first step of depositing a diamond film of a predetermined thickness and a second step of depositing a diamond film on the diamond film deposited to a predetermined thickness while applying a direct current or alternating current bias to the cutting tool, thereby The particles of the diamond film can be made fine while maintaining the adhesion between the diamond films.

이하, 본 발명에 따르는 절삭공구 제조방법에 대해서 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 살펴본다. 도 2는 열 필라멘트 기상화학증착장치를 개략적으로 나타내는 도면이다. Hereinafter, a cutting tool manufacturing method according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. 2 is a view schematically showing a thermal filament vapor deposition apparatus.

도 2에 도시된 것과 같이, 기상화학증착법을 사용하여 다이아몬드를 고온 상태애서 증착시키기 위한 장치의 하나인 열 필라멘트(hot filament) 기상화학증착장치는 증착공정이 이루어지는 챔버(100)와, 증착시 바이어스를 가하기 위한 전원 입력부(110)로 구성된다. 챔버 내에는 열원으로서 열 필라멘트(120)가 지지부재(130)에 의해서 지지되며, 상기 열 필라멘트(120)의 하부에 설치되는 홀더(150) 상이 다이아몬드 막을 증착시키기 위한 절삭공구(10, 도 1 참조)가 놓여진다. 상기 열 필라멘트(120)와 절삭공구(10)의 모재가 전극이 되며, 상기 열 필라멘트(120)는 고온상태를 유지하기 위해서 열 필라멘트용 전원(교류, 111)과 연결되어 있으며, 절삭공구(10)에는 바이어스를 인가하기 위해서 바이어스용 전원(직류 또는 교류, 112) 과 연결된다. 상기 챔버(100)는 공정가스가 유입되는 유입구(101)와 배기되는 배기구(102)를 구비하고 있다.As shown in FIG. 2, a hot filament vapor chemical vapor deposition apparatus, which is one of devices for depositing diamond at high temperature using vapor chemical vapor deposition, includes a chamber 100 in which a deposition process is performed and a bias during deposition. It is composed of a power input unit 110 for applying. In the chamber, a heat filament 120 is supported by a support member 130 as a heat source, and a cutting tool 10 for depositing a diamond film on a holder 150 installed below the heat filament 120, see FIG. 1. ) Is placed. The base material of the thermal filament 120 and the cutting tool 10 is an electrode, and the thermal filament 120 is connected to a power supply for thermal filament (alternating) 111 to maintain a high temperature state, and the cutting tool 10 ) Is connected to a bias power supply (direct current or alternating current) 112 to apply a bias. The chamber 100 includes an inlet 101 through which process gas is introduced and an exhaust port 102 exhausted.

상기 장치는 고온의 상태에서 기상화학증착을 행하는 열 필라멘트 기상화학증착법을 사용하기 위한 장치이며, 본 발명은 플라즈마 상태를 유지하면서 기상화학증착을 행하는 플라즈마 기상화학증착장치도 사용할 수 있다. 양 장치는 증착시 공정가스를 고온의 상태로 유지하는가 플라즈마 상태로 유지하는가에 차이가 있을 뿐 기본적인 구성은 동일하다. 편의상 이하에는 열 필라멘트 기상화학증착장치를 중심으로 설명한다.The apparatus is a device for using a thermal filament vapor phase chemical vapor deposition method for performing vapor phase chemical vapor deposition in a high temperature state, and the present invention can also use a plasma vapor phase chemical vapor deposition device for vapor phase chemical vapor deposition while maintaining a plasma state. The two devices differ in whether the process gas is maintained at a high temperature or a plasma state during deposition, but the basic configuration is the same. For convenience, the filament vapor deposition apparatus will be described below.

본 발명에 따르는 절삭공구 제조방법은, 상기 챔버(100) 내에 설치된 홀더(150) 상에 다이아몬드 막을 증착시킬 절삭공구(10)를 설치한 후, 유입구(101)를 통해서 공정가스를 유입시키고, 열 필라멘트(120)에 전원을 가하여 다이아몬드 막을 증착시키되, 초기에는 바이어스를 인가하지 않으면서 상기 절삭공구(10)의 모재(14) 상에 일정 두께의 다이아몬드 막을 증착하는 제1 단계를 행한 후, 상기 일정 두께로 증착된 다이아몬드 막 상에, 상기 바이어스용 전원(112)을 사용하여 직류 또는 교류 바이어스를 인가하면서 다이아몬드 막을 증착시키는 제2 단계를 행하는 것을 특징으로 한다.In the method for manufacturing a cutting tool according to the present invention, after installing the cutting tool 10 for depositing a diamond film on the holder 150 installed in the chamber 100, the process gas is introduced through the inlet 101, and heat Applying power to the filament 120 to deposit a diamond film, but after the first step of depositing a diamond film of a predetermined thickness on the base material 14 of the cutting tool 10 without applying a bias, the constant A second step of depositing a diamond film is performed on the diamond film deposited to a thickness by applying a direct current or alternating current bias using the bias power supply 112.

상기 절삭공구(10)의 모재는 Si, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, Si, V 및 W과 같은 금속의 탄화물(carbide), Si, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, Si, V 및 W과 같은 금속의 질화물(Nitride) 및 이들과 바인더인 Ni, Co, Cu의 결합물 등을 사용할 수 있으며, 교류 바이어스를 인가하는 경우에는 산화물 등 전기 전도도가 높지 않은 세라믹 등이 절삭공구(10)의 모재로 사용될 수 있다.The base material of the cutting tool 10 is carbide of metals such as Si, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, Si, V and W, Si, Ti, Zr, Hf, V Nitrides of metals such as, Nb, Ta, Cr, Mo, Si, V, and W, and a combination of these and binders Ni, Co, Cu, etc. may be used. Ceramics and the like that do not have high electrical conductivity may be used as the base material of the cutting tool 10.

상기 공정가스로는, 탄화수소, 탄소증기, CO 또는 CO2와 같이 탄소가 포함된 기체원과 수소, 산소, 질소, 수증기, 불소(F2) 또는 불활성기체 등과의 혼합가스를 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 수소와 메탄의 혼합가스를 사용할 수 있다. 이 때, 상기 혼합가스의 혼합비율은 증착되는 다이아몬드 막의 조건에 따라 달라지며, 수소와 메탄의 혼합가스의 경우, 일반적으로 메탄의 농도를 0.5 내지 10% 범위로 조절하는 것이 바람직하며, 증착된 다이아몬드 막 내의 비-다이아몬드상(non- diamond phase)의 양이 적은 고품질의 다이아몬드 막을 증착시키고자 하는 경우에는 메탄가스의 농도를 3% 이내로 조절하는 것이 바람직하다. As the process gas, a mixed gas of a gas source containing carbon such as hydrocarbon, carbon vapor, CO or CO 2 and hydrogen, oxygen, nitrogen, water vapor, fluorine (F 2 ) or an inert gas, etc. may be used. For example, a mixed gas of hydrogen and methane may be used. At this time, the mixing ratio of the mixed gas depends on the conditions of the diamond film to be deposited, in the case of a mixed gas of hydrogen and methane, it is generally preferable to control the concentration of methane in the range of 0.5 to 10%, the deposited diamond In order to deposit a high quality diamond film having a small amount of non-diamond phase in the film, it is preferable to control the concentration of methane gas to within 3%.

증착을 행하는 제1 단계 및 제2 단계에서 챔버(100) 내의 열 필라멘트의 온도는 1800℃ 내지 2600℃가 유지되는 것이 바람직하며, 제2 단계에서 바이어스를 인가하기 위해서 필요한 전력은 10W 내지 1000W인 것이 바람직하다.It is preferable that the temperature of the heat filament in the chamber 100 is maintained at 1800 ° C to 2600 ° C in the first and second steps of depositing, and the power required for applying the bias in the second step is 10W to 1000W. desirable.

본 발명에 따르는 절삭공구 제조방법의 제1 단계에서는 챔버(100) 내에 절삭공구(10)를 홀더(150) 위에 놓고, 공정가스를 챔버(100) 내에 주입한 후 열 필라멘트(120)에 전원을 공급하여 열 필라멘트의 온도를 1800℃ 내지 2600℃ 유지하게 되면, 상기 공정가스가 이온화하여 이온들을 생성하고 이온들은 절삭공구(10) 모재 상에 증착하게 된다. 약 10 시간 내지 15시간 정도 증착하게 되면, 절삭공구 모재상에 일정 두께의 다이아몬드 막이 형성된다. 바이어스를 가하지 않은 상태에서 증착된 다이아몬드 막은 상기 살펴본 바와 같이 모재와의 사이에 Co를 발생시키지 않 기 때문에 모재와 강한 밀착력을 가지게 된다. In the first step of the method for manufacturing a cutting tool according to the present invention, the cutting tool 10 is placed on the holder 150 in the chamber 100, the process gas is injected into the chamber 100, and power is supplied to the thermal filament 120. When the temperature of the heat filament is maintained at 1800 ° C. to 2600 ° C., the process gas is ionized to generate ions and the ions are deposited on the cutting tool 10 substrate. After about 10 to 15 hours of deposition, a diamond film of a certain thickness is formed on the cutting tool base material. As described above, the diamond film deposited without a bias does not generate Co between the base material and thus has a strong adhesion with the base material.

이후, 제2 단계에서 홀더(150) 위에 놓인 절삭공구(10)에 상기 바이어스용 전원(112)을 사용하여 바이어스를 가하게 되면, 절삭공구의 표면으로 공정가스의 이온들이 충돌하게 된다. 이 때, 바이어스 크기(파워)가 증가할수록 공구 표면에 충돌하는 이온들의 에너지가 증가하게 되어 증착되는 입자가 작아지게 되어 미세한 다이아몬드 막을 형성할 수 있다. 상기 다이아몬드 막의 입자는 인가하는 바이어스 크기에 따라 그 크기가 조절되기 때문에, 바이어스의 크기를 조절함으로써 증착되는 다이아몬드 막의 입자크기를 적절하게 조절할 수 있다. 상기 미세한 입자를 가진 다이아몬드 층은 약 0.1 내지 5㎛를 갖게 된다. Subsequently, when a bias is applied to the cutting tool 10 placed on the holder 150 by using the bias power supply 112, ions of the process gas collide with the surface of the cutting tool. At this time, as the bias size (power) is increased, the energy of ions colliding with the tool surface is increased, so that the deposited particles are smaller, thereby forming a fine diamond film. Since the particle size of the diamond film is adjusted according to the bias size to be applied, the particle size of the deposited diamond film can be appropriately adjusted by adjusting the size of the bias. The diamond layer with the fine particles will have about 0.1 to 5 μm.

이 때, 바이어스용 전원(112)은 교류전원시에는 5 Vp (peak voltage) 내지 500 Vp (peak voltage)인 것이 바람직하며 직류 전원시에는 5 V 내지 500 V인 것이 바람직하다. 또한, 챔버 내의 압력은 10 torr 내지 760 torr 범위가 되도록 하는 것이 바람직하다. 상기 바이어스 전압, 압력 및 상기 살펴 본 열 팔라멘트의 온도, 바이어스 인가시 필요한 전력에 대한 조건 이외의 조건하에서는 다이아몬드 상이 아닌 비-다이아몬드 상(일종의 흑연상)이 얻어지게 되어 바람직하지 않다. At this time, the bias power supply 112 is preferably 5 V p (peak voltage) to 500 V p (peak voltage) at the time of AC power supply, and 5 V to 500 V at the DC power supply. Also, the pressure in the chamber is preferably in the range of 10 torr to 760 torr. It is not preferable that a non-diamond phase (a kind of graphite phase) other than a diamond phase is obtained under conditions other than the bias voltage, the pressure, the temperature of the thermal filament described above, and the power required to apply the bias.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하겠으나, 본 발명의 범위가 본 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the scope of the present invention is not limited by the Examples.

실시예Example

도 2의 홀더(150)에 절삭공구(WC-Co, 10)를 놓고 공정가스(97% H2 -3% CH4) 를 주입시켰다. 챔버(100)의 내부의 압력은 60 torr, 유속은 수소, 메탄 각각 480 sccm, 15 sccm으로 하였다. 열 필라멘트(120)에 교류를 가해 열 필라멘트 온도가 2250℃가 되도록 한 후, 10시간 정도의 증착으로 약 8 ㎛정도의 두께를 갖는 다이아몬드 막을 절삭공구(10)의 모재에 증착시켰다. 도 3a는 바이어스 인가 없이 증착된 다이아몬드 막의 전자현미경 사진으로, 도 3a에 나타난 바와 같이 큰 파셋(facet)들이 발달한 정형적인 다이아몬드의 형상을 보여주고 있다. 상기 종래 기술에 살펴본 바와 같이 이는 다이아몬드 표면의 조도를 크게 하여 정밀 절삭 작업에 적합하지 않으며, 피절삭재의 품질을 저하시키게 된다.The cutting tool (WC-Co, 10) was placed in the holder 150 of FIG. 2 and a process gas (97% H 2 -3% CH 4 ) was injected. The pressure inside the chamber 100 was 60 torr, and the flow rates were 480 sccm and 15 sccm, respectively. An alternating current was applied to the thermal filament 120 so that the thermal filament temperature was 2250 ° C., and a diamond film having a thickness of about 8 μm was deposited on the base metal of the cutting tool 10 by evaporation for about 10 hours. 3A is an electron micrograph of a diamond film deposited without applying a bias, and shows a shape of a regular diamond in which large facets are developed as shown in FIG. 3A. As discussed in the prior art, this increases the roughness of the diamond surface, which is not suitable for the precision cutting operation, and reduces the quality of the workpiece.

상기 도 3a과 같이 일정 두께의 다이아몬드 막이 형성된 절삭공구(10)에 다시 70 Vpms (root mean square voltage)의 직류 바이어스를 인가하면서 2시간, 6시간 및 8시간 증착시킨 다이아몬드 막에 대한 주사 현미경 사진을 각각 도 3b, 도 3c 및 도 3d에 나타내었다. 도 3b 내지 도 3d를 참조하면 바이어스를 인가하면서 다이아몬드를 증착시키는 시간이 길어질수록 도 3a에서 볼 수 있는 큰 파셋들이 점점 사라지면서 작은 입자의 다이아몬드 막이 형성됨을 알 수 있다. 따라서 증착 초기에 일정 두께까지는 바이어스를 인가하지 않으면서 막을 증착하고 이 위에 다시 바이어스를 인가하면서 다이아몬드 막을 증착시키는 방법에 의해 최종적으로 미세한 표면 입자 크기를 갖는 다이아몬드 막을 증착할 수 있음을 확인할 수 있다.Scanning photomicrographs of the diamond film deposited for 2 hours, 6 hours and 8 hours while applying a direct current bias of 70 V pms (root mean square voltage) to the cutting tool 10 having the diamond film having a predetermined thickness as shown in FIG. 3A. Are shown in Figs. 3b, 3c and 3d, respectively. 3B to 3D, it can be seen that as the time for depositing the diamond while applying the bias increases, the large facets shown in FIG. 3A gradually disappear to form a diamond film of small particles. Therefore, it can be seen that a diamond film having a fine surface particle size can be finally deposited by a method of depositing a film without applying a bias to a predetermined thickness at the initial deposition and depositing a diamond film while applying a bias thereon.

도 4a는 바이어스를 초기부터 인가하면서 20㎛ 두께로 증착시킨 다이아몬드 막에 대한 경도 실험결과를 나타내는 주사현미경 사진이며, 도 4b는 바이어스를 인 가하지 않은 상태에서 다이아모드 막을 8㎛ 두께로 증착한 후 다시 바이어스를 인가하면서 최종적으로 20㎛의 두께가 되도록 증착한 다이아몬드 막에 대한 경도 실험결과를 나타내는 주사현미경 사진이며, 도 4c는 초기에 바이어스를 인가하지 않는 상태에서 다이아몬드 막을 15㎛ 두께로 증착한 후 다시 바이어스를 인가하면서 최종적으로 20㎛의 두께가 되도록 증착한 다이아몬드 막에 대한 경도 실험결과를 나타내는 주사현미경 사진이며, 그리고 도 4d는 바이어스를 인가하지 않고 20㎛의 두께로 증착시킨 다이아몬드 막에 대한 경도 실험결과를 나타낸 주사현미경 사진이다. 경도 실험은 절삭공구(WC-Co) 위에 증착된 20 ㎛ 두께의 다이아몬드 막에 대해서 다이아몬드 콘(cone)이 달린 Rockwell indenter를 이용하여 60 kgf의 하중으로 누른 후 나타나는 표면 상태를 관찰하였다. Figure 4a is a scanning microscope photograph showing the hardness test results for the diamond film deposited to a thickness of 20㎛ while applying the bias from the beginning, Figure 4b is a 8㎛ thickness of the diamond film after the deposition without the bias is applied again Scanning microscope photograph showing the hardness test results for the diamond film finally deposited to a thickness of 20㎛ while applying a bias, Figure 4c is after depositing the diamond film to 15㎛ thickness without applying a bias initially Scanning microscope photograph showing the hardness test result for the diamond film deposited to have a thickness of 20 μm while applying a bias, and FIG. 4D is a hardness test for the diamond film deposited to a thickness of 20 μm without applying a bias. Scanning micrograph showing the results. Hardness experiments observed the surface condition after pressing under a load of 60 kgf using a Rockwell indenter with a diamond cone on a 20 μm thick diamond film deposited on a cutting tool (WC-Co).

증착 초기부터 바이어스를 인가하면서 증착한 다이아몬드 막(도 4a)은 상기 살펴본 바와 같이 절삭공구의 모재와 다이아몬드 막 사이의 밀착력이 떨어져 압흔 주위에 모재로부터 다이아몬드 막이 박리된 영역을 뚜렷하게 관찰할 수 있다. 반면, 증착 초기에는 바이어스를 인가하지 않고 일정 두께의 다이아몬드 막을 증착한 후 다시 바이어스를 인가하면서 최종적으로 20㎛ 두께로 증착한 다이아몬드 막의 경우(도 4b 및 도 4c)에는 처음부터 바이어스를 인가하지 않으면서 20㎛ 두께로 증착된 다이아몬드 막(도 4d)의 경도 실험 결과와 큰 차이 없이 압흔 주위에 모재와 다이아몬드 막이 박리된 영역을 관찰할 수 없음을 알 수 있다. As described above, the diamond film deposited with the bias applied from the beginning of deposition (FIG. 4A) can clearly observe the region where the diamond film is separated from the base material around the indentation due to poor adhesion between the base material of the cutting tool and the diamond film. On the other hand, in the case of a diamond film deposited to a thickness of 20 μm while depositing a diamond film having a predetermined thickness without applying a bias at the initial stage of deposition and then applying a bias again (FIGS. 4B and 4C) without applying a bias from the beginning. It can be seen that the area where the base material and the diamond film were peeled off around the indentation could not be observed without a significant difference from the hardness test result of the diamond film deposited to 20 μm (FIG. 4D).

상기 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르는 절삭공구 제조방법은 기상화학 증 착법에 의해서 절삭공구의 모재 상에 다이아몬드 막을 증착시킴에 있어서, 초기 소정의 두께에 대해서는 절삭공구에 바이어스를 인가하지 않고 증착한 후 이후 바이어스를 인가하면서 증착을 행함으로써, 모재와 밀착력이 우수하면서도 입자크기가 미세한 다이아몬드 막이 증착된 절삭공구를 제조할 수 있다. As described above, in the method for manufacturing a cutting tool according to the present invention, in depositing a diamond film on a base material of a cutting tool by vapor chemical vapor deposition, after the initial thickness is deposited without applying a bias to the cutting tool. After the deposition is applied while applying a bias, it is possible to manufacture a cutting tool in which a diamond film having a fine particle size is deposited with excellent adhesion to the base material.

Claims (8)

챔버 내에 놓여진 절삭공구의 모재 상에 기상화학증착법을 이용하여 다이아몬드 막을 증착시키는 절삭공구 제조방법으로,A method for manufacturing a cutting tool in which a diamond film is deposited on a substrate of a cutting tool placed in a chamber by using vapor chemical vapor deposition. 초기에는 바이어스를 인가하지 않으면서 상기 절삭공구의 모재 상에 일정 두께의 다이아몬드 막을 증착시키는 제1 단계, 그리고A first step of depositing a diamond film of a predetermined thickness on the substrate of the cutting tool without initially applying a bias, and 절삭공구에 직류 또는 교류 바이어스를 인가하면서 상기 일정 두께로 증착된 다이아몬드 막 위로 다이아몬드 막을 증착시키는 제2 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭공구 제조방법.And depositing a diamond film over the diamond film deposited to a predetermined thickness while applying a direct current or alternating current bias to the cutting tool. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제2 단계에서 인가되는 바이어스 전원은 직류 전원일 경우 5 V 내지 500 V이며, 교류 전원일 경우 5 Vp (peak voltage) 내지 500 Vp (peak voltage)인 것을 특징으로 하는 절삭공구 제조방법.When the bias power applied in the second step is DC power, 5 V To 500 V and 5 V p (peak voltage) for AC power Cutting tool manufacturing method, characterized in that from to 500 V p (peak voltage). 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 절삭공구 모재는 Si, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, Si, V 및 W 과 같은 금속의 탄화물(carbide), Si, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, Si, V 및 W 과 같은 금속의 질화물(Nitride), Si, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, Si, V 및 W 과 같은 금속의 산화물(oxide) 및 이들과 바인더인 Ni, Co, Cu의 결합물 중 하나인 것을 특징으로 하는 절삭공구 제조방법.The cutting tool base material is a carbide of metals such as Si, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, Si, V and W, Si, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta Nitrides of metals such as Cr, Mo, Si, V and W, oxides of metals such as Si, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, Si, V and W And a combination of these and Ni, Co, Cu, which are binders. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 챔버 내에 유입되는 공정가스는 탄화수소, 탄소증기, CO 또는 CO2과 같이 탄소가 포함된 기체원과, 수소, 산소, 질소, 물, 불소(F2) 또는 불활성기체와의 혼합가스인 것을 특징으로 하는 절삭공구 제조방법.The process gas introduced into the chamber is a mixed gas of a gas source containing carbon such as hydrocarbon, carbon vapor, CO or CO 2, and hydrogen, oxygen, nitrogen, water, fluorine (F 2 ) or an inert gas. Cutting tool manufacturing method. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 혼합가스는 수소와 메탄이 99.5:0.5 내지 90:10의 혼합비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 절삭공구 제조방법.The mixed gas is a cutting tool manufacturing method, characterized in that hydrogen and methane is mixed in a mixing ratio of 99.5: 0.5 to 90:10. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 각 단계에서 챔버 내의 공정가스의 압력이 10 torr 내지 760 torr 인 것을 특징으로 하는 절삭공구 제조방법.Cutting tool manufacturing method, characterized in that the pressure of the process gas in the chamber in each step of 10 torr to 760 torr. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 하나의 항에 있어서, The method according to any one of claims 1 to 6, 상기 다이아몬드 막을 증착시키는 각 단계는 열 필라멘트에 의해서 고온 상태를 유지하는 열 필라멘트 기상화학증착 장치에서 행하여지며, 각 단계에서 열 필 라멘트의 온도는 1800℃ 내지 2600℃이고, 상기 제2 단계에서 바이어스를 인가하기 위해서 요구되는 전력은 10W 내지 1000W인 것을 특징으로 하는 절삭공구 제조방법.Each step of depositing the diamond film is carried out in a thermal filament vapor deposition apparatus maintaining a high temperature state by the thermal filament, wherein the temperature of the thermal filament in each step is 1800 ° C to 2600 ° C, and the bias in the second step Cutting tool manufacturing method, characterized in that the power required to apply is 10W to 1000W. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 하나의 항에 있어서, The method according to any one of claims 1 to 6, 상기 다이아몬드 막을 증착시키는 각 단계는 플라즈마 상태를 유지하는 플라즈마 기상화학증착 장치에서 행하여지며, 상기 제2 단계에서 바이어스를 인가하기 위해서 요구되는 전력은 10 W 내지 1000 W인 것을 특징으로 하는 절삭공구 제조방법.Each step of depositing the diamond film is performed in a plasma vapor deposition apparatus that maintains a plasma state, and the power required for applying the bias in the second step is 10 W to 1000 W. .
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