KR101065572B1

KR101065572B1 - 다이아몬드 막 피복 공구 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101065572B1
Application number: KR1020067001999A
Authority: KR
Inventors: 가쯔오 가자하야; 시게따까 가와이; 야스시 마쯔모또; 게이지 이시바시; 다까히로 이마이
Original assignee: 스미토모덴키고교가부시키가이샤; 가부시끼가이샤 아라이도 마테리아루
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2003-11-12
Publication date: 2011-09-19
Also published as: CN100387385C; JPWO2005011902A1; EP1649955A4; CN1819885A; MY138872A; WO2005011902A1; US20060216515A1; EP1649955B1; TW200503873A; AU2003280758A1; HK1091435A1; KR20060109868A; EP1649955A1; TWI268192B; JP4420901B2; US7883775B2

Abstract

절삭 성능·내마모성·내용착성·가공면 거칠기가 우수한 다이아몬드 막 피복 공구 및 그 제조 방법을 제공한다. 기재의 표면에 다이아몬드의 막이 피복된 다이아몬드 막 피복 공구이며, 상기 기재가 초경합금 또는 서멧이며, 상기 다이아몬드 막의 성장 표면을 구성하는 다이아몬드 결정 입자의 평균 입경이 1.5 ㎛ 이하이며, 상기 다이아몬드 막의 두께가 0.1 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하이며, 상기 다이아몬드 막의 평균 표면 거칠기(Ra)가 0.01 ㎛ 이상 0.2 ㎛ 이하인 다이아몬드 막 피복 공구이다. 이와 같은 다이아몬드 막 피복 공구는 초경합금이나 서멧으로 이루어지는 기재를 침탄 처리하여 다이아몬드 막을 성장시킴으로써 얻을 수 있다.

핵, 결정 입자, 기재, 집합체, 홈, 다이아몬드 막

Description

다이아몬드 막 피복 공구 및 그 제조 방법 {DIAMOND FILM COATED TOOL AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME}

본 발명은 절삭 공구, 내(耐)마모 공구, 내용착 공구 등에 사용되는 다이아몬드 막 피복 공구 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로 말하면 본 발명의 공구는 알루미늄 합금이나 마그네슘 합금 등의 난(難)절연성이면서 또한 가공면 거칠기가 작은 것이 요구되는 분야, 유리 에폭시 수지에의 천공 등 절삭날의 예리함이나 내용착성이 요구되는 분야, 세미 드라이 절삭의 분야 혹은 IC·LSI 패키지 가공용 공구로서 반도체 제조용 장치의 아우터리드의 굽힘이나 절단 분야에서 사용된다.

종래부터, 초경합금이나 질화규소 혹은 탄화규소 등의 세라믹을 기재로 하여, 이에 내마모성이나 내용착성을 향상시키기 위해 다이아몬드 막을 피복한 절삭 공구나 내마모 공구 등이 알려져 있다. 일반적으로 이들의 다이아몬드 막은 화학적 기상 합성법 등에 의해 피복되어, 다이아몬드 막을 구성하는 다이아몬드의 결정 입경은 4 ㎛ 정도보다 큰 것이었다. 이와 같은 종래의 다이아몬드 막의 피복 과정에서의 결정의 성장 상태를 도3에 나타낸다. 이 방법에서는, 예컨대 기재(5)를 CVD 장치 내에 세트하여 소정의 조건으로 하면, 도3의 (a)에 나타내는 바와 같이 기재(5) 표면에 다이아몬드의 핵(1)이 생성된다. 그리고, 설정 조건을 변경하여 핵(1)을 성장시키면, 도3의 (b)에 나타내는 바와 같이 핵(1)이 주로 기재(5)의 표면과 수직 방향으로 성장하여 결정 입자(2)가 되고, 이 결정 입자(2)끼리가 접합하여 다이아몬드 막(6)이 형성된다.

상기와 같이 다이아몬드의 결정 입경(W)이 크면, 다이아몬드 막(6)의 표면에는 마이크론 오더의 예리한 V자형의 요철이 생겨 버려, 표면에 광택이 없게 된다. 또한, 절삭 공구 등에 사용하는 경우, 상기 요철이 즉 공구의 표면 거칠기이며, 그 요철의 일부가 가공물에 전사되므로 가공면 거칠기도 나빠진다. 게다가, 요철이 견고하게 절삭칩을 보유하여 용착(溶着)을 초래하므로, 공구의 성능이 저하되어 문제가 되고 있었다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 최근에는 다이아몬드 막을 구성하는 다이아몬드의 결정 입자가 1 ㎛ 이하인 미립 결정으로 구성되는 다이아몬드 막 피복 공구가 제안되어 있다. 이 예로서, 특허 문헌 1(일본 특허 공개 평11-58106호 공보 3에서 5 페이지, 도5, 도6, 도7)에서는 다이아몬드의 결정 입경이 3 ㎛ 이하이며, 다이아몬드 막의 표면 거칠기(Rmax)를 3 ㎛ 이하로 한 다이아몬드 막 피복 공구가 제안되어 있다.

특허 문헌 2(일본 특허 공개 제2002-79406호 공보 2, 4에서 7 페이지)에서는 다이아몬드 막의 표면의 결정 입경을 2 ㎛ 이하로 한 다이아몬드 막 피복 공구가 제안되어 있다. 본 발명에서는, 결정 입경을 2 ㎛ 이하로 하기 위해, 제조 방법도 제안되어 있다. 이 제조 방법에서의 다이아몬드의 성장 상태를 도4에 나타낸다. 이 제조 방법에서는 도4의 (a)와 같이 기재(5) 위에 다이아몬드의 핵(1)을 생성시키고, 이 핵(1)을 도4의 (b)에 도시한 바와 같이 성장시켜 성장 방향의 결정 입경(W)이 1 ㎛가 된 시점에서 성장을 정지시킨다. 다음에, 도4의 (c)에 도시한 바와 같이 다시 핵(1)을 생성시키는 조건을 설정하여, 성장한 다이아몬드 결정 입자(2) 위에 다이아몬드의 핵(1)을 생성시킨다. 그리고 도4의 (d)에 도시한 바와 같이, 이 핵(1)을 성장시켜 최초의 다이아몬드 결정 입자(2) 위에 다시 다이아몬드 결정 입자(2)를 형성시킨다. 이 경우도, 결정 입경(W)이 1 ㎛가 된 시점에서 성장을 정지시킨다.

또한, 도4의 (c) 및 도4의 (d)의 공정을 반복함으로써, 다이아몬드 막(6)을 형성하는 방법이 제안되어 있다. 이들의 발명에서는 다이아몬드의 결정 입경이 작으므로 다이아몬드 막(6)의 표면 요철이 작아 가공면 거칠기가 양호해지는 것으로 되어 있다.

그러나 결정 입경을 작게 하고 있는 것에 비해서는 가공면 거칠기나 가공 정밀도가 향상되지 않는다고 하는 문제가 나올 우려가 있다. 그 이유로서, 다이아몬드 막을 피복함으로써 날 끝이 조한 입자의 경우와 동일하도록 라운딩을 띠는데다가, 표면 자체가 지나치게 매끄러우므로 피가공물에의 달라붙음이 나빠져, 금이 간 무늬나 공구의 릴리프가 생겨 버리는 것이 고려된다. 또한, 가공 시에 절삭액을 극소량밖에 사용하지 않는 세미 드라이 절삭에 있어서는 절삭액을 효율적으로 공구의 절삭에 작용하는 부위(작용부)에 공급할 필요가 있지만, 지나치게 매끄러우면 절삭액이 유지되지 않아 작용부에 공급할 수 없게 되므로, 가공 정밀도나 공구 수명이 나빠진다고 하는 문제가 발생한다. 또한, 예컨대 반도체 패키지에서의 아우터리드의 굽힘이나 절단을 행하는 경우에는 다이아몬드의 결정 입경을 작게 해도 예리한 V자형의 요철이 존재하면, 아우터리드 표면을 덮고 있는 땜납에 대한 내용착성이 나빠진다고 하는 문제가 발생한다.

이상과 같은 문제에 비추어, 본 발명은 피가공물에의 달라붙음이 좋아 세미 드라이 절삭에 있어서도 절삭액을 가공부에 효율적으로 공급할 수 있어, 가공 정밀도나 공구 수명이 우수한 다이아몬드 막 피복 공구 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명자들은 기재에 다이아몬드 막을 피복하는 데 있어서, 특정한 조건으로 다이아몬드 집합체를 형성시켜, 이들을 성장시켜 우수한 특성을 갖는 다이아몬드 막을 형성할 수 있었다. 즉, 다이아몬드 결정의 입경이 작고, 얇은 다이아몬드 막이며, 피복막의 표면이 매끄러우며, 가공 시에 있어서 절삭날의 달라붙음이 좋아, 세미 드라이 절삭으로 절삭액이 유지되기 쉬운 다이아몬드 막 피복 공구를 얻을 수 있는 것을 발명자들은 발견하였다.

본 발명의 다이아몬드 막 피복 공구의 제1 특징은 기재의 표면에 다이아몬드의 막이 피복된 다이아몬드 막 피복 공구이며, 기재가 초경합금 또는 서멧(thermet)이며, 다이아몬드 막의 성장 표면을 구성하는 다이아몬드 결정 입자의 평균 입경이 1.5 ㎛ 이하이며, 다이아몬드 막의 두께가 0.1 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하이며, 다이아몬드 막의 평균 표면 거칠기(Ra)가 0.01 ㎛ 이상 0.2 ㎛ 이하인 점에 있다. 여기에 있어서, 성장 표면이라 함은 대표적으로는 다이아몬드 막을 기상 합성할 때에 얻게 된 상태의 표면을 말한다. 그 밖에, 기상 합성하였을 때에 얻게 된 상태의 표면을 연마한 막 표면도 포함한다. 이 연마의 구체예로서는, 다이아몬드 결정 입자의 요철이 남아 있는 정도의 연마이다. 또한, 평균 입경은 주사형 전자 현미경(SEM)에 의한 표면 관찰에 의해 얻을 수 있는 값이다.

기재의 초경합금 또는 서멧은 높은 경도 및 강도를 가지고, 기재에 적절한 조건으로 성막을 행하면 매우 우수한 절삭 공구가 된다. 여기에서 초경 합금이라 함은 경질상이 주가 되어 탄화 텅스텐으로 결합상이 코발트 등의 철족 금속으로 이루어지는 소결체이고, 서멧이라 함은 경질상이 탄화 티탄에다가 질화 티탄과 탄화 텅스텐 중 적어도 한쪽으로 구성되고, 결합상이 코발트나 니켈 등의 철족 금속으로 이루어지는 소결체이다. 다이아몬드를 피복하는 기재의 표면은 적절하게 조한 면을 갖는 것이 바람직하다. 기재의 표면 상태가 다이아몬드 피복막의 표면에 나타나 피삭재에의 달라붙음이 좋아지기 때문이다. 이와 같은 적절하게 조한 면은 기재를 연마하는 것이 아닌, 절삭함으로써 얻을 수 있다.

다이아몬드 결정 입자의 평균 입경은 1.5 ㎛ 이하로 한다. 이와 같은 미세한 결정 입자로 다이아몬드 막을 구성함으로써, 평활한 다이아몬드 막 표면을 얻을 수 있다.

다이아몬드 막의 두께는 0.1 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하이다. 0.1 ㎛ 이상으로 하는 것은 다이아몬드 막이 절삭 공구나 내마모 공구로서의 강도를 유지하기 위해 필요한 두께이다. 또한, 20 ㎛ 이하로 하는 것은, 이것보다 막 두께가 두꺼워지면 막 중의 잔류 응력이 커져, 기재인 초경합금이나 서멧으로부터 다이아몬드 막이 박리되기 쉬워지기 때문이다. 3 ㎛ 이상 12 ㎛ 이하인 쪽이 더욱 바람직하다.

또한, 다이아몬드 막의 평균면 거칠기(Ra)는 0.01 ㎛ 이상 0.2 ㎛ 이하로 한다. 이 하한치는 밑돌면, 다이아몬드 막이 지나치게 평활하여, 절삭액을 공구의 작용부에 유지하는 것을 충분히 기대할 수 없게 된다. 반대로, 상한치를 넘으면, 절삭 저항의 증가나 내용착성의 저하를 초래한다. 더욱 바람직한 평균면 거칠기(Ra)는 0.05 ㎛ 이상 0.15 ㎛ 이하이다.

본 발명의 다이아몬드 막 피복 공구의 제2 특징은, 다이아몬드 막의 단면에 있어서, 미세 다이아몬드가 다이아몬드 막의 성장 방향으로 가늘고 길게 배열되고, 또한 그 짧은 직경이 0.001 ㎛ 이상 0.1 ㎛ 이하인 점에 있다. 또, 다이아몬드 결정 입자는 미세 다이아몬드가 집합하여 형성된 것이다. 통상의 기상 합성 조한 입자 다이아몬드 막으로 본 발명과 동일한 두께를 가진 경우, 그 파단면에서의 다이아몬드의 결정 길이와 폭은 대략 동일하다. 한편, 본 발명에 있어서 가늘고 긴 미세 다이아몬드가 되는 이유는 미세 다이아몬드의 길이가 개략 1 ㎛ 미만에서 성장이 정지하고, 그 이전에 새롭게 가늘고 긴 미세 다이아몬드가 성장한다고 하는 과정을 반복하기 때문이라 생각된다. 이 결과, 짧은 직경의 크기도 상기와 같이 제한된다. 이와 같은 상태는 후술하는 바와 같이 단면을 연마, 에칭하여 관찰할 수 있다. 또, 후술하는 바와 같이 미세 다이아몬드를 1차 입자라 하고, 그들이 모여 2차 입자인 다이아몬드 결정 입자가 된다. 또한, 이 다이아몬드 결정 입자가 모여 3차 입자인 집합체를 구성한다.

본 발명의 제3 특징은, 가늘고 긴 미세 다이아몬드의 애스펙트비가 2 이상 20 이하인 것이다. 미세 다이아몬드의 긴 지름을 짧은 지름으로 나눈 값인 애스펙트비의 더욱 바람직한 범위는 개략 2 이상 10 이하이다. 애스펙트비가 지나치게 크면 미세 다이아몬드의 경도가 저하되어 마모되기 쉬워진다.

본 발명의 제4 특징은, 가늘고 긴 미세 다이아몬드의 적어도 일부가 삼나무의 잎 형상으로 형성되어 있는 것이다. 이 원인은 아직 해명되지 않았으나 미세 다이아몬드가 쌍정(雙晶)을 형성하고 있기 때문이라 추정된다.

본 발명의 제5 특징은, 다이아몬드 막을 라만 분광 분석하여 얻게 된 다이아몬드의 피크 높이(D)와 그래파이트 또는 부정형(不定形) 탄소의 피크 높이(G)의 관계가 특정한 관계에 있는 것이다. 구체적으로는, D/G의 값이 5 이하이고 또한 0.5 이상인 것이다. 이 영역에 있으면, 다이아몬드 결정의 입자 지름이 커지지 않아 미소한 상태로 성막할 수 있다. 또, 라만 분광 분석에 있어서, 1333 ㎝^-1 부근에 나타나는 피크(D)는 다이아몬드의 SP3 혼성 궤도에 기인하는 피크이며, 1550 ±150 ㎝^-1의 범위에 나타나는 피크(G)는 그래파이트나 부정형 탄소 등에 존재하는 SP2 혼성 궤도에 기인하는 피크이다. 따라서, D/G의 값이 높으면 높을수록 완전한 다아아몬드 막으로 할 수 있다.

본 발명의 제6 특징은, 다이아몬드 막을 X선 회절 측정하였을 때의 다이아몬드 결정면(220)의 피크 강도(I₂₂₀)와 다이아몬드 결정면 (111), (220), (311), (400) 및 (331)의 피크 강도의 합계(It)와의 비 I₂₂₀/It가 0.6 이상으로 한 것이다. 다이아몬드 막의 성장면이 상기한 배향을 하고 있는 것은 본 발명에서 얻게 된 다이아몬드 막의 결정 배향 상의 바람직한 특징이다.

본 발명의 제7 특징은, 상기 다이아몬드 막의 수소 함유량이 원자비 1 % 이상 5 % 이하로 한 것이다. 1 at % 이상으로 함으로써, 다이아몬드 막의 탄성률이 저하되어 균열이 발생하기 어려워지므로, 다아아몬드 막의 박리가 방지된다. 또한, 5 at % 이하로 하는 것은 이것보다 많으면 다이아몬드 막의 경도가 낮아지므로 다이아몬드 막 피복 공구로서의 성능이 생기지 않기 때문이다. 통상, 다이아몬드와 같은 결정성이 높은 것에, 이 정도 양의 수소를 함유시키는 것은 어렵다. 본 발명에서의 다이아몬드 막은, 상기와 같이 대량으로 수소를 함유하는 동시에, 다이아몬드 결정 구조도 가지므로 XRD(X선 회절) 분석으로 다이이몬드의 피크가 존재한다.

여기에서, 다이아몬드 막 중의 수소 함유량의 측정 방법에 대해 설명한다. 다이아몬드 막 중의 수소 함유량의 측정은 Si 기판 등의 단일 원소의 기판 위에 피복한 것에 대해서는 적외 흡광 분석으로 측정할 수 있지만, 초경합금 등 다원소의 기판 위에 피복한 경우, 정밀도 좋게 측정하는 것은 곤란하다. 그래서 본 발명에 있어서는 초경 기판 위에 피복한 다이아몬드 막 중의 수소 함유량은 수소 전방 산란 분석법(HFS)과 라자포드 후방 산란 분석법(RBS)을 조합함으로써 정밀도 좋게 측정을 행하고 있다. 이 측정 방법은, 예컨대 도오레 리서치 센터 THE TRC NEWS No.81(Oct. 2002)의 31에서 34 페이지에 기재되어 있다.

본 발명의 제8 특징은, 다이아몬드 막의 단면 구조에 있어서 기재로부터 막 두께의 70 %까지가 단층의 피복막인 것에 있다. 본 발명의 다이아몬드 막은, 통상 근소한 조건의 차이에 의해 막의 성장 속도가 다르므로, 막 두께가 예정된 70 % 이상이 되었을 때, 일시 정지하여 막 두께를 측정한다. 그리고 추가로 형성하는 막의 두께를 정하여, 그때까지의 성막 조건과 동일한 조건으로 추가 성막을 행하는 경우가 많다. 그때는 성막을 중지한 부위에서 경계면이 막 중에 형성되므로, 도중에 멈춘 횟수만큼의 경계면을 생긴다. 따라서, 기재로부터 막 두께의 적어도 70 %까지가 단층이다. 이 70 %를 넘는 범위는 단층 혹은 복층이라도 좋다.

본 발명의 제9 특징은, 기재로서 0.1 질량 % 이상 6 질량 % 이하의 Co를 함유하는 초경합금을 이용하는 것이다. Co는 다이아몬드의 성막에 악영향을 주므로, 소량의 쪽이 바람직하게 6 질량 % 이하로 하고, 또한 초경합금을 공업적으로 제작할 수 있는 하한의 0.1 질량 %를 하한으로 하였다. Co의 일부를 Cr이나 V로 치환하여 소결하면, 경질상인 탄화 텅스텐의 결정 성장이 억제되어 미세한 경질상을 갖는 강도가 높은 초경합금으로 할 수 있다.

본 발명의 제10 특징은, 기재의 포화자화의 값이 {1900 × [합금 중의 결합상의 비율(질량 %)]/100} (G·㎤/g) 이상, {2023 ×[합금 중의 결합상의 비율(질량 %)]/100} (G·㎤/g) 이하로 하는 것이다. 통상, 초경합금 중의 Co의 포화자화의 값은 1600 내지 2023(G·㎤/g) 사이에 있다. 그러나, 본 발명에 있어서는 1900 내지 2023(G·㎤/g)의 사이가 바람직하다. 포화자화라 함은 자기포화에서의 자화의 강도이며, Co 등과 같은 강자성체에서는 자발자화의 강도와 비슷하다.

포화자화의 값은 초경합금 중의 Co량이나 Co 중의 고용(固溶) 물질 및 합금 중의 탄소량에 의존한다. 합금 중의 탄소량이 많아지면, Co 중에 고용하고 있는 W가 WC로서 석출되어 가기 때문에 적어져, Co의 포화자화의 값이 커진다. 따라서, 초경합금의 포화자화의 값이 위에 기재한 하한보다 작으면, 초경합금 중의 탄소량이 부족하여, 성막 시에 기재 상의 다이아몬드 핵의 발생 밀도가 작아진다. 상한을 넘으면 초경합금 중에 유리(遊離) 탄소가 석출되어 강도가 저하된다. 본 발명에서는 기재에 다이아몬드를 도포하여 그것이 재료가 되어, 재료 위에 핵이 발생한다고 생각된다. 도포하는 다이아몬드는 미소하므로, 적절한 침탄량을 확보하여 다이아몬드가 탄소가 되어, 초경합금 중에 확산되지 않도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 제11 특징은, Co의 일부를 Cr으로 치환한 기재의 포화자화의 값이 {1900 × [합금 중의 결합상의 비율(질량 %)]/100} × 0.93(G·㎤/g) 이상, {2023 × [합금 중의 결합상의 비율(질량 %)]/100} (G·㎤/g) 이하의 값으로 한 것이다. 초경합금의 결합상이 Cr을 함유한 경우, 포화자화의 값이 7 % 정도 저하하기 때문이다.

본 발명의 제12 특징은, 상기 다이아몬드 막이 기재 표면에 부분적으로 피복되어, 다이아몬드 막의 외연으로부터 기재 표면을 따라 5 ㎜ 이상 떨어진 부분의 기재에서의 포화자화의 값이 하기 요건 A를 충족시키는 데 있다.

A : {1900 × [합금 중의 결합상의 비율(질량 %)]/100} (G·㎤/g) 이상, {2023 ×[합금 중의 결합상의 비율(질량 %)]/100} (G·㎤/g) 이하

기재 표면 중, 다이아몬드를 피복하는 피복부만 침탄 처리를 행한 경우, 가령 처리면이라도 미처리면 부근은 침탄이 불충분해져 다이아몬드 막이 박리되는 원인이 된다. 따라서, 부분적으로 피복되는 경우, 본 발명에서는 기재 표면 중 다이아몬드 피복부로부터 비피복부로 적어도 5 ㎜ 이상 떨어진 부분까지 침탄해 두는 것이 바람직하다. 예를 들어, 필라멘트법으로 피복막을 성장시키는 경우, 성막 장치의 필라멘트의 가열에 의해 침탄을 행해도 좋으며, 필라멘트 이외의 가열 장치를 이용하여 피복되는 면보다 5 ㎜ 이상은 떨어진 곳까지 가열하여 침탄해도 좋다.

본 발명의 제13 특징은, 상기 기재의 Co의 일부가 Cr으로 치환되고, 상기 다이아몬드 막이 기재 표면에 부분적으로 피복되어, 다이아몬드 막의 외연으로부터 기재 표면을 따라 5 ㎜ 이상 떨어진 부분의 기재에서의 포화자화의 값이 하기 요건 B를 충족시키는 것이다.

B : {1900 × [합금 중의 결합상의 비율(질량 %)]/100} × 0.93(G·㎤/g) 이상, {2023 × [합금 중의 결합상의 비율(질량 %)]/100} (G·㎤/g) 이하의 값

본 구성은, 기재의 Co의 일부가 Cr으로 치환된 경우에 대한 포화자화의 값의 규정이다. 이 경우도, 다이아몬드 피복부로부터 적어도 5 ㎜ 이상 떨어진 부분까지 침탄하여 포화자화의 값을 한정해 둠으로써, 다이아몬드 막의 박리를 억제할 수 있다.

본 발명의 제14 특징은, 상기 다이아몬드 막의 표면을 원자간력 현미경으로 측정한 요철의 RMS(2제곱 평균치)가 15 ㎚ 이상 200 ㎚ 이하로 하는 것이다. RMS(root-mean-square average)라 함은 진폭에 관한 변수 중 하나로 2제곱 평균값이라 불리는 것이다. 그러나, 본 명세서에서는 다이아몬드 표면을 원자간력 현미경으로 측정한 요철의 RMS를 단순히 RMS라 한다. 상기한 이 변수는 면의 광택이나 빛이 반사되었을 때의 산란의 지표가 된다. RMS를 15 ㎚ 이상 200 ㎚ 이하로 함으로써, 절삭 성능, 절삭액의 유지력 향상과 함께 외관도 우수한 것이 된다. 더욱 바람직하게는 15 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하이다.

본 발명의 제15 특징은, 기재 표면 부근의 결합상량을 기재 내부의 결합상량보다 적어지는 조성을 이루고, 상기 결합상량이 적은 조성 부분의 깊이는 1 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하로 하는 것이다. 여기에서 말하는 결합상이라 함은 Co나 Ni 등의 철족 금속을 나타낸다. 기재 표면 부근을 1 ㎛ 이상의 깊이에 걸쳐 결합상량이 적은 조성으로 함으로써, 기재 중의 결합상이 성막 시에 매연을 발생시키는 것을 방지할 수 있어, 다이아몬드 막의 밀착력을 향상시킬 수 있다. 또한, 결합상량이 적은 조성 부분의 깊이를 20 ㎛ 이하로 함으로써 기재 표면 부근의 강도를 유지시킬 수 있다. 본 발명에서는, 상기와 같이 다이아몬드의 결정 입경이 작아 세미 드라이 절삭으로도 절삭액의 유지력이 크기 때문에 매우 절삭 저항이 낮아진다. 따라서 표면으로부터 20 ㎛의 깊이까지이면 결합상량이 적은 상을 형성시켜도 공구 절손 등은 생기지 않아, 기재 표면에는 막 밀착력 저하를 초래하는 결합상 금속을 대폭으로 적게 할 수 있으므로 다이아몬드 막의 밀착력이 매우 향상된다.

또한, 이 기재 표면의 결합상 금속의 비율은 6 질량 % 미만으로 하는 것이 바람직하다. 이 기재 표면의 결합상은 0이라도 상관없다. 종래는 기재 표면 부근의 강도를 확보하는 관점에서, 기재 표면의 결합상 금속의 비율을 0 질량 %로 하는 것은 바람직하지 않았지만, 본 발명에 있어서는 결정 입경이 작은 다이아몬드 막이므로 절삭 저항이 작아, 기재 자신의 파괴에 의한 공구 절손은 일어나지 않으므로 문제가 없다. 특히, 상술한 바와 같이 결합상 금속의 비율이 낮은 층이 기재 표면으로부터 20 ㎛의 깊이까지이면 마찬가지로 공구 절손은 일어나지 않는다. 상기한 결합상 금속의 비율이 낮은 층은 피복된 기재의 단면을 연마하여, EDX-SEM으로 결합상 금속에 관한 선 분석을 행하면 관찰할 수 있다.

본 발명의 제16 특징은, 다이아몬드 막이 기상 합성된 상태의 다이아몬드 막으로 한 것에 있다. 본 발명의 다이마몬드 막은 그대로 사용할 수 있다. 종래의 조한 입자 다이아몬드 막을 피복한 절삭 공구에서는 다이아몬드 막의 요철이 커 절삭면이 나빠지므로, 세미 드라이 절삭 등 용착이 심해지는 용도로는 사용할 수 없었다. 그러나, 본 발명에서는 성장면이 매끄러우므로, 성장면의 상태에서 절삭 공구로서 이용할 수 있다. 표면이 지나치게 매끄러우면, 공구의 절삭재에의 달라붙음이 악화되므로, 기재를 연마하는 것이 아닌 절삭하여 연마 흔적이 남은 면 위에 다이아몬드 막을 피복하면, 기재의 표면 거칠기가 피복막의 표면 형상에 영향을 주어 달라붙음이 좋아진다.

본 발명의 다이아몬드 막 피복 공구의 제조 방법에서의 제1 특징은, 기재의 표면에 다이아몬드의 막이 피복된 다이아몬드 막 피복 공구의 제조 방법이며, 기재로서 공구 형상을 한 초경합금 또는 서멧을 준비하여 기재를 침탄 처리한 후, 수소와 탄화수소의 혼합 가스 중, 압력 0.13 내지 6.5 kPa의 분위기로 기재에 다이아몬드 막을 피복하는 데 있다.

여기에서, 기재에는 초경합금 또는 서멧을 이용한다. 그 결합상 금속이라 함은 이미 서술한 바와 같이 코발트나 니켈 등이다. 상기와 같은 기재를 열 처리하여 침탄시켜, 특정한 조건에 의해 다이아몬드 결정을 성장시켜 다이아몬드 막을 피복함으로써, 다결정의 다이아몬드 집합체를 고밀도로 형성할 수 있다.

침탄 처리는 1 내지 99 체적 %의 메탄-수소의 혼합 가스 분위기에서, 압력 0.65 내지 13.3 kPa, 800 내지 1100 ℃의 온도로 3 내지 9 시간의 조건이 바람직하다. 또한, 다이아몬드 막의 형성은 1 내지 5 체적 %의 메탄-수소의 혼합 가스 분위기에서 압력 0.13 내지 6.5 kPa, 1800 내지 2200 ℃의 필라멘트 온도로, 720 내지 900 ℃의 기재 온도로 다이아몬드 막을 피복하는 것이 바람직하다. 이 다이아몬드 막의 형성은 생산 관점에서 열 필라멘트 CVD법 또는 마이크로파 플라즈마 CVD법이 가장 바람직하다. 단, 플라즈마 제트법, 아크 방전 플라즈마 CVD법 또는 고주파 플라즈마 CVD법에서도 기술적으로는 문제가 없다.

또한, 침탄 처리 후에 형성한 다결정의 다이아몬드 집합체는 미처리 기재에 형성시킨 경우와 비교하여 하나의 집합체에 존재하는 다이아몬드는 미세하고 수도 많은 것이 특징이다. 그 결과, 다이아몬드 결정 입자의 평균 입경이 1.5 ㎛ 이하의 다이아몬드 막을 쉽게 얻을 수 있다. 침탄 공정과 피복 공정이라 하는 2가지의 요소는 어느 쪽도 필요 불가결하며, 한쪽이 결여되면 만족할만한 결과는 얻을 수 없다. 또한, 상기 양 공정에서는 기재의 경질상 입자도 성장시킬 수 있다. 여기에서 말하는 경질상 입자라 함은 WC, TaC, NbC, VC, Cr₃C₂, TiC, Mo₂C 등의 경질 탄화물을 가리킨다. 경질상 입자의 성장에 의해 다이아몬드 막의 밀착력은 매우 견고해진다. 기재에의 침탄 방법으로서는 특허 제2772494호 공보에 기재된 방법이나 일본 특허 공개 제2003-160866호 공보에 있어서 제안된 방법에 의해 효과적으로 행할 수 있다.

본 발명에서의 제조 방법의 제2 특징은, 침탄 처리한 후에, 기재 표면에 평균 입경이 500 Å(50 ㎚) 이하의 다이아몬드를 도포하는 것이다. 이와 같이 함으로써, 핵 발생 밀도를 더욱 향상시킬 수 있어 다이아몬드 결정 입경이 작은 다이아몬드 막을 얻기 쉬워진다. 도포하는 다이아몬드의 입경은 작을수록 좋지만, 현재 입수할 수 있는 최소 지름은 20 Å(2 ㎚) 정도까지이다. 또한, 평균 입경을 500 Å(50 ㎚) 이하로 하는 것은, 이것보다 크게 성장하였을 때에 집합체가 지나치게 커져 버릴 가능성이 있기 때문이다.

본 발명에서의 제조 방법의 제3 특징은, 도포하는 다이아몬드를 다결정 다이아몬드로 하는 것이다. 도포하는 다이아몬드는 다이아몬드 성장의 핵이 되지만, 핵이 다결정이면 생성하는 다이아몬드도 다결정이 되기 쉬워 미세한 다이아몬드 결정을 얻을 수 있는 면에서, 단결정보다도 다결정 다이아를 도포하는 것이 바람직하다. 성장 전의 핵을 다결정 다이아몬드로 해 두는 쪽이 다결정의 다이아몬드 집합체를 얻기 쉽기 때문이다.

바람직하게는, 다이아몬드를 초음파에 의해 도포하는 것이다. 견고하게 또한 밀도 높게 다이아몬드를 기재 위에 도포할 수 있기 때문이다.

본 발명에서의 제조 방법의 제4 특징은, 탄소 처리와 다이아몬드 도포 사이에, 기재 표면을 산 처리하여 결합상 금속의 일부를 제거하는 것이다. 산 처리를 행함으로써, 기재 표면의 결합상 금속이 감소되어 다이아몬드 막과 기재와의 밀착력이 향상된다.

본 발명의 다이아몬드 막 피복 공구의 특히 바람직한 제조 방법은 상술한 결합상 금속의 부분적 제거와 다이아몬드의 도포를 조합하는 것이다. 즉, 기재 표면을 침탄 처리한 후, 기재 표면을 산 처리하여 결합상 금속의 일부를 제거하고, 기재의 표면에 다이아몬드 가루를 도포하고, 기재를 열 필라멘트 CVD 장치에 세트하고, 그 후에 다이아몬드 막을 형성하는 구슬 형상의 다이아몬드 집합체를 형성시켜 다이아몬드 막을 형성하고, 연마하는 일 없이 그대로 사용하는 것이다. 기재 표면부의 결합상 금속의 일부를 제거함으로써, 기재에 대한 다이아몬드 막의 밀착력을 높일 수 있다. 또한, 성막의 전처리로서 기재 표면에 다이아몬드 가루를 도포해 둠으로써, 성막 시, 다이아몬드의 핵 발생 밀도를 향상시킬 수 있다.

이상의 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 다이아몬드 막 피복 공구에 따르면, 다이아몬드 막 표면에 용착되기 어려워, 가공면 거칠기의 양호한 가공이 가능해진다. 게다가, 다이아몬드 막이 기재로부터 박리되기 어려운 수명이 긴 공구로 할 수 있다. 또한, 본 발명의 다이아몬드 막 피복 공구의 제조 방법에 따르면, 다이아몬드의 핵의 성장을 억제하여 결정 입경이 작은 다이아몬드 막으로 할 수 있어, 고정밀도인 가공이 가능한 다이아몬드 막 피복 공구를 쉽게 제조할 수 있다. 탭(tap)과 같은 공구에도, 본 발명의 다이아몬드 막을 도포하면 용착이 적은 공구를 얻을 수 있다.

도1은 본 발명의 다이아몬드 막 피복 공구에 있어서 표면 부근의 단면 개념도이다.

도2는 본 발명의 제조 방법에서의 다이아몬드의 성장 상태를 나타내는 개략 설명도로, (a) 내지 (d)는 그 과정을 나타낸다.

도3은 종래의 제조 방법에서의 다이아몬드의 성장 상태를 나타내는 개략 설명도로, (a) 내지 (b)는 그 과정을 나타낸다.

도4는 종래의 다른 제조 방법에서의 다이아몬드의 성장 상태를 나타내는 개략 설명도로, (a) 내지 (d)는 그 과정을 나타낸다.

도5의 (a)는 본 발명의 다이아몬드 막의 표면 상태를 나타내는 AFM에 의한 현미경 사진이며, (b)는 다른 본 발명의 다이아몬드 막의 표면 상태를 나타내는 AFM에 의한 현미경 사진이다.

도6의 (c)는 비교예의 다이아몬드 막의 표면 상태를 나타내는 AFM에 의한 현미경 사진이며, (d)는 본 발명의 다이아몬드 막의 표면 상태를 나타내는 SEM에 의한 현미경 사진이다.

도7의 (a) 및 (b)는 모두 본 발명에서 얻게 된 다이아몬드 막의 단면을 나타내는 현미경 사진이다.

도8은 비교예의 다이아몬드 막의 단면을 나타내는 현미경 사진이다.

도9는 본 발명에서 얻게 된 다이아몬드 막의 라만 분광 분석 결과를 나타내는 그래프이다.

도10은 본 발명에서 얻게 된 다이아몬드 막의 라만 분광 분석 결과를 나타내는 그래프이다.

도11의 (a)는 본 발명의 탭의 정면도이며, (b) 및 (c)는 본 발명의 탭의 단면도이다.

도12의 (a), (b) 및 (c)는 IC, LSI 패키지 가공용 공구에 의한 가공 공정에서의 동작을 나타내는 단면도이다.

이하, 본 발명의 실시 형태를 설명한다.

본 발명의 다이아몬드 막 피복 공정에 있어서 표면 부근의 단면 개념도이다. 도2는 본 발명에서의 다이아몬드 막의 성막 상태를 모델적으로 나타낸 것이며, 도3, 도4는 성막 상태의 종래예를 나타낸 것이다. 도5, 도6은 다이아몬드 막의 표면 현미경 사진이며, 도5의 (a), (b)는 본 발명의 것, 또한 도6의 (c)는 종래예의 다이아몬드 막을 AFM(원자력간 현미경)으로 관찰한 것이며, 도6의 (d)는 본 발명의 다이아몬드 막을 SEM(주사형 전자 현미경)으로 관찰한 것이다. 도7의 (a), (b)는 본 발명에서 얻게 된 다이아몬드 막의 연마된 단면을 수소 플라즈마로 에칭하여 SEM으로 관찰한 현미경 사진이다.

도8은 종래의 미립 다이아몬드 막의 단면을 마찬가지로 에칭하여 SEM으로 관찰한 현미경 사진이다. 도9, 도10은 본 발명에서 얻게 된 다이아몬드 막의 라만 분광 분석의 도면이다. 도11의 (a)는 탭의 정면도이며, 도11의 (b) 및 (c)는 본 발명에서 얻게 된 탭의 단면도이다. 도12의 (a), (b) 및 (c)는 IC, LSI 패키지 가 공용 공구에 의한 가공 공정을 나타내는 단면도이다.

본 발명의 다이아몬드 막 피복 공구에서의 표면 부근의 개념도를 도1에 나타낸다. 이 공구는, 도1로부터도 명백한 바와 같이 초경합금이나 서멧 등을 기재(5)로 하고, 이 기재(5)의 표면에 다이아몬드 막(6)이 형성되어 있다. 이 다이아몬드 막(6)은 다수의 다이아몬드 결정 입자(2)가 모여 집합체(3)를 구성하고, 이 집합체끼리가 이어짐으로써 형성되어 있다. 도1에는 다이아몬드 막(6)의 표면에 존재하는 결정 입자(2)만을 기재하고, 다이아몬드 막(6)의 내부의 것은 생략하고 있다. 또한, 이후에 설명하지만, 이 결정 입자(2) 자체도 다수의 미세 다이아몬드(도1, 도2에서는 기재하지 않음)가 집합하여 구성되어 있다. 각 집합체(3)가 이어진 부위에는 홈(4)이 형성되고, 집합체(3)의 돌출 부위와 홈(4)의 바닥부와의 간격이 다이아몬드 막 표면의 기복(h)으로서 구성된다.

다음에, 이 다이아몬드 막의 성장 과정을 도2에 나타낸다. 우선, 최초의 단계로서, 도2의 (a)에 도시한 바와 같이 열 필라멘트 CVD 장치 등에 침탄 처리 등의 전처리를 행한 기재(5)를 세트하고, 소정 조건의 온도, 압력, 분위기에 의해 기재(5) 표면에 다이아몬드의 핵(1)을 생성시킨다. 이 핵(1)은 단결정 다이아몬드 혹은 단결정 다이아몬드가 응집한 것으로 이루어져 있으며, 이것을 그대로 동일한 조건으로 성장시켜 도2의 (b)에 도시한 바와 같이 구슬 형상의 집합체(3)를 형성시킨다. 구슬 형상의 집합체(3)는 다이아몬드의 결정 입자(2)가 모인 것이다.

그리고 도2의 (c)에 도시한 바와 같이, 집합체(3)를 형성하는 다이아몬드 결정 입자(2)를 성장시키면, 주로 기재(5) 표면과 수직 방향으로 성장하여, 그와 함 께 기재(5) 표면과 평행 방향으로도 성장한다. 즉 결정 입자는 방사형으로 성장한다. 이 성장을 계속하여, 도2의 (d)에 도시한 바와 같이 집합체(3)끼리가 결합하여 소정 두께의 다이아몬드 막(6)이 될 때까지 행한다. 최종적으로 다이아몬드 막의 성장 표면을 구성하는 다이아몬드 결정 입자(2)의 평균 입경은 1.5 ㎛ 이하가 되어, 공구로서 사용하는 경우에 내마모성이 높은 다이아몬드 막을 얻을 수 있다.

이 성장 과정에 있어서, 다이아몬드 결정 입자(2)(2차 입자)는 100 ㎚ 오더의 미세 다이아몬드(1차 입자)의 집합으로 구성된다. 이 결정 입자가 미세 다이아몬드의 집합으로 구성되는 것은 도7의 사진으로부터 알 수 있다. 도7의 (a), (b)는 본 발명에 의해 얻게 된 다이아몬드 막의 단면을 나타내는 현미경 사진이다. 또한, 다이아몬드 결정 입자(2)가 모여 3차 입자인 수 ㎛ 내지 10 ㎛ 정도의 직경을 갖는 집합체(3)가 되어, 집합체(3)가 서로 연결되어 소정 두께의 다이아몬드 막이 된다.

집합체(3)의 수는 핵 발생 밀도의 수에 비례하면 상기 성장 모델로부터 생각할 수 있다. 핵 발생 밀도가 작은 경우는 집합체(3)가 인접 집합체에 성장을 저해할 때까지 커지므로, 집합체는 커진다. 그러나 핵 발생 밀도가 높아지면 집합체(3)는 작아져, 1개의 집합체(3)를 구성하는 다이아몬드 결정 입자(2)의 수도 후술하는 바와 같이 감소한다. 또한, 집합체(3) 사이에 발생하는 홈(4)이 얕아져 집합체를 식별하기 어려워진다. 그 결과, 본 발명에서는 도6의 (d)에 도시한 바와 같이 다이아몬드 막의 성장 표면을 구성하는 다이아몬드 결정 입자(2)의 평균 입경이 1.5 ㎛ 이하로 미세하게 형성된다.

상술한 바와 같이 하여 성장한 다이아몬드 막이나 비교예에 의해 얻게 된 다이아몬드 막을 현미경 사진을 기초로 하여 더욱 상세하게 설명한다. 도5의 (a), (b) 및 도6의 (c)는 AFM(원자력간 현미경)으로 촬영한 다이아몬드의 표면 요철 상태를 나타내는 현미경 사진이다. AFM(원자간력 현미경)이라 함은 프로우브(probe)를 시료 표면에 근접시켰을 때에 프로우브와 시료 표면 사이에 작용하는 원자간력을 일정하게 유지하면서, 프로우브를 조작함으로써 시료 표면의 요철을 화상화하는 현미경이다. AFM은 SEM이나 촉침식 면 조도계 혹은 광간섭형 3차원 면 조도계에서는 고저차를 파악할 수 없는, 매우 미세한 조직의 요철을 고정밀도로 측정할 수 있다.

도5의 (a), (b)의 사진은 모두 본 발명에서 얻게 된 2종류의 다이아몬드 막을 나타내고 있다. 사진 중, 흰 부분이 높고, 회색에서 검정에 가까워짐에 따라 낮아지는 것을 나타내고 있다. 도5의 (a)에서는 미세한 입자가 집합하여 구슬 형상의 다이아몬드 집합체를 형성하고 있다. 이것은 도2의 (b) 내지 (c)에 개략적으로 나타낸 상태와 아주 근사하다.

도5의 (b)는 본 발명에서 얻게 된 다른 다이아몬드 막의 표면 상태이다. 이 사진은, 도5의 (a)와 비교하면, 전체가 흐리게 보이지만, 이것은 요철이 대부분 없는 평활한 다이아몬드 막인 것을 나타내고 있다. 그리고, 중앙부로 치우치는 홈은 성막 전에 기재를 연삭하였을 때에 생긴 연삭 흔적이다. 일반적으로, 평탄한 다이아몬드 막의 경우, 절삭 시에 공구가 피삭재에 달라붙기 어렵다. 그래서, 기재의 연삭 흔적을 크게 하거나, 침탄 처리한 후에 다이아몬드 막을 피복하기 전에 도포 하는 다이아몬드의 밀도를 제어함으로써, 다이아몬드 피복 후도 요철이 남으므로 달라붙음이 좋은 공구를 제조할 수 있다. 기재를 연마한 경우에는 다이아몬드 막도 경면이 되어 달라붙음이 나쁘다.

한편, 도6의 (c)는 비교예인 조한 입자 다이아몬드 막의 사진이다. 이 비교예에서는, 도3에 도시한 바와 같이 핵이 발생하여 그 핵이 주상(柱狀) 결정으로서 길이 방향과 가로 방향으로 성장하여, 인접하는 주상 결정이 서로 이어져 결국은 다이아몬드 막을 형성한 예이다. 따라서, 잘 성장하고 있는 모난 다이아몬드 결정의 입자를 관찰할 수 있다. 또, 사진의 우측에 있는 스케일은 고저차를 색의 농도로 표현한 것으로, 특정한 부분과 다른 부분의 색의 농담을 비교함으로써 기복의 고저차를 파악할 수 있다.

또, 도5의 (a) 및 도6의 (c)는 후술하는 제7 실시예에서 제작한 시험 제품 35 및 36을 관찰한 것이다. 또한, 도5의 (b)는 후술하는 제1 실시예의 침탄 처리가 끝난 통상의 초경합금 기재 위에, 압력 1.3 kPa로 다이아몬드를 합성한 것이다.

또한, 도6의 (d)는 본 발명의 방법에 의해 얻게 된 다이아몬드 막의 표면 상태를 나타내는 SEM의 사진이다. 이 사진 중에는 평균 입경이 1.5 ㎛ 이하인 다이아몬드 결정 입자를 관찰할 수 있다. 평균 입경의 하한은 1차 입자인 미세 다이아몬드 입경의 크기이다. 이 사진은, 후술하는 제7 실시예에서 제작한 시험 제품 35의 다이아몬드 막을 나타내고 있다.

도7의 (a), (b)는 본 발명에 의해 얻게 된 다이아몬드 막의 단면을 나타내는 현미경 사진이다. 이 사진은 다이아몬드 막을 기재와 함께 절단하여 그 표면을 연 마한 후, 수소 플라즈마 중에서 에칭하여, SEM으로 관찰한 것이다. 상기 에칭의 일반적인 조건은 마이크로파 CVD 장치로 600 내지 1000 ℃, 0.13 내지 13 kPa의 수소 분위기에서 처리한다. 이 도7의 것은 870 ℃, 13 kPa에서 30분간 에칭한 것이다. 도7의 (a)는 기재로부터 1 ㎛의, 또한 (b)는 기재로부터 6 ㎛의 위치에서의 다이아몬드 막의 단면을 나타내고 있다. (a)보다 (b)쪽이 큰 삼나무의 잎 형상의 주상 결정이 집합하고 있는 상태를 나타내고 있다. 도8은 특허 문헌 2의 다이아몬드 막의 단면을 도7과 동일한 방법으로 처리하여 SEM 관찰한 비교예의 현미경 사진이다. 다층 구조의 경계면이 검게 나타나 있다. 또, 도7의 (a) 및 (b)는 후술하는 제7 실시예의 시험 제품 34이고, 도8의 것은 제6 실시예의 시험 제품 24인 것이다.

이상의 관찰 결과로부터 본 발명에서의 다이아몬드 막은 다이아몬드 결정의 성장에 특색이 있는 것을 알 수 있다. 본 발명에서는 단결정 다이아몬드 혹은 복수 개의 단결정 다이아몬드가 집합한 것으로 이루어지는 핵을 발생시켜, 성막의 초기 단계에 있어서 이 핵을 성장시켜 다결정의 다이아몬드 구슬 형상 집합체를 형성시키고 있다. 이것을 다시 성장시키면 다결정 다이아몬드의 결정 입자가 성장함으로써, 집합체도 성장하고, 인접한 집합체는 결합하여 막 형상이 되어 간다.

상기와 같은 성장 상태는, 이하와 같은 다이아몬드 막의 성장 기구를 기초로 하는 것이라 추정된다. 도7의 (a), (b)로부터도 명백한 바와 같이, 각각의 미세 다이아몬드는 다이아몬드 막의 성장 방향으로 가늘고 길게 성장하고, 그 긴 지름 또는 길이가 0.01 ㎛ 내지 1 ㎛ 정도의 길이로 성장하면, 성장이 멈춰 그 이전에 새롭게 다이아몬드가 성장을 개시한다. 이 상태를, 미세 다이아몬드의 짧은 지름으로 치환하면, 짧은 지름이 0.01 ㎛ 이상 0.1 ㎛ 이하까지 성장하면 미세 다이아몬드의 성장이 멈춰, 다음의 새로운 미세 다이아몬드가 성장을 개시한다. 이것으로부터, 애스펙트비(긴 지름/짧은 지름)가 2 내지 20이 되는 미세 다이아몬드가 형성되어 있는 것을 알 수 있다.

그리고 이들의 가늘고 짧은 주상 결정이 삼나무의 잎 형상으로 집합하여 다이아몬드 결정 입자를 형성하고, 그것이 모여 다이아몬드의 집합체를 구성하는 것이라 생각할 수 있다. 이와 같은 특수한 다이아몬드 막은, 특히 다이아몬드 막 형성 시의 분위기 압력에 크게 의존한다. 특히 0.13 내지 6.5 kPa의 압력 범위에서 본 발명의 다이아몬드 막을 얻을 수 있다.

다이아몬드 막의 표면을 도5의 (a)나 도6의 (d)를 참조하여 미시적으로 보면, 다수의 다이아몬드 결정 입자가 존재하고 있다. 이들의 다이아몬드 결정 입자의 경계부 즉 결정 입계에는 미세한 홈이 존재하고 있다. 다이아몬드 막의 표면은 다수의 다이아몬드 결정 입자로 구성된 집합체와, 그 집합체의 경계선이 되는 가늘고 검게 보이는 줄에 의해 형성되어 있다.

도1의 기재(5)의 표면에 존재하는 집합체(3)는, 완만한 요철을 그리도록 기복(h)을 형성하는 것이 바람직하다. 이 기복(h)은 평균 표면 거칠기(Ra)와 개략 비교하는 관계에 있다. 이 기복의 크기를 50 ㎚ 이상 900 ㎚ 이하로 함으로써, 단순히 평활한 표면의 다이아몬드 막과는 달리, 피가공물에의 달라붙음이 양호해져, 가공 중의 금이 간 무늬나 공구의 릴리프가 생기지 않게 된다. 이와 같은 효과를 더욱 향상시키는 동시에 가공면 거칠기나 내용착성, 세미 드라이 절삭에서의 절삭액의 유지력 등을 향상시키는 관점에서, 기복(h)은 50 ㎚ 이상 700 ㎚ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.

또, 핵 생성 밀도를 높게 하여 기복을 작게 하기 위해, 침탄 처리를 한 후에 다이아몬드 막(6)의 피복을 행하기 전에 기재(6) 상에 평균 입경이 500 Å 이하의 다이아몬드를 도포해 가면 된다. 도포량으로서는, 예컨대 다이아몬드의 수를 2 × 10⁴개/㎟ 이상으로 해 두는 것이 바람직하다. 다이아몬드의 수와 집합체의 수는 실질적으로 대응하므로, 집합체의 수를 많게 함으로써, 집합체의 성장량이 적어도 서로가 결합하여 다이아몬드 막을 형성하는 것이 가능해진다. 따라서, 다이아몬드 결정 입자가 작아, 얇은 다이아몬드 막을 얻을 수 있다. 또한, 집합체의 수를 제어함으로써, 상기 기복의 크기를 쉽게 제어하는 것이 가능해진다. 또한, 용도에 따라서는 기재의 연삭 흔적을 이용하여 달라붙음을 좋게 할 수도 있다. 이 기복(h)은 AFM에 의해 정확하게 측정할 수 있다.

도9, 도10은 본 발명에서 얻을 수 있는 다이아몬드 막의 라만 스펙트르의 대표예이다. 도9, 도10에 있어서, 횡축은 라만 시프트(Raman Shift)(㎝^-1)를, 종축은 강도를 나타낸다. 베이스 라인에 대해 1330 ㎝^-1에 있는 다이아몬드의 피크 높이(D)와 1550 ±150 ㎝^-1에 있는 그래파이트와 부정형 탄소의 피크 중 가장 높은 부분의 높이를 G라 하고, 이 비인 D/G가 0.5 내지 5의 범위인 것이 바람직하다. 0.5 미만이면, 다이아몬드 결합이 지나치게 적어 내마모성이 저하되고, 5를 넘으면 다이아몬드 결합이 지나치게 많아 막의 인성이 저하된다. 도9에서는 D/G의 값이 0.78이 되는 것을 나타내고 있다. 또한, 도10에서는 1.43이 되는 것을 나타내고 있다. 또, 도9, 도10은 후술하는 제7 실시예의 시험 제품 37과 35인 것이다.

(제1 실시예)

본 발명의 구성 요건인 다결정 다이아몬드 집합체(3)의 생성 조건을 확인하기 위해, 기재로서 5 질량 % Co의 초경합금의 직사각형 [10 × 10 × 1t(㎜)]을 제작하여, 이것에의 성막 실험을 행하였다. 이 기재(5)에 침탄 처리를 행한 것과, 미처리한 것을 준비하였다. 침탄 처리는 열 필라멘트 CVD 장치에 기재를 세트하여, 1 체적 % 메탄-수소 혼합 가스 분위기에서, 압력 13.0 kPa, 분위기 온도 900 ℃에서 6 시간 침탄시켰다. 침탄 처리한 기재의 포화자화는 97.5 내지 98.5 G·㎤/g이었지만, 침탄 처리하지 않은 기재에서는 80 내지 83 G·㎤/g이었다.

다음에, 이들 기재에 성막 압력(합성 압력)을 1.3 kPa, 3.9 kPa, 6.5 kPa, 9.8 kPa 및 13 kPa의 5 종류로 막 두께 10 ㎛의 다이아몬드 막을 형성시켜, 다결정 다이아몬드 집합체의 형성의 유무를 확인하였다. 성막 시의 기재 온도는 850 ℃이다. 이 결과를 표1에 나타낸다. 침탄 처리하지 않은 것은 합성 압력에 관계없이 다이아몬드 집합체는 형성되지 않았다. 또한, 다이아몬드 형성 압력이 9.8 kPa 이상의 높은 압력 영역에서는, 가령 침탄한 기재라도 다이아몬드 집합체를 형성하지 않았다. 이와 같이 하여 다이아몬드 집합체를 형성한 다이아몬드 결정 입자의 평균 입경은 1 내지 5 ㎛의 범위에 있으며, 평균 표면 거칠기는 Ra 0.07 내지 0.15 ㎛였다. 또, 5 질량 % Co 중, 0.5 질량 %를 Cr으로 치환한 조성의 것을 결합상으로 한 초경합금을 상기의 조건으로 침탄 처리하여, 1.3 kPa로 다이아몬드 막을 형성시킨 결과, 다결정 다이아몬드 집합체가 형성되어 있었다. 이 경우도, 다른 다이아몬드 집합체를 형성한 것과 마찬가지로, 다이아몬드 결정 입자의 평균 입경은 1.3 ㎛이며, 평균 표면 거칠기는 0.1 ㎛였다. 포화자화의 값은 94 G·㎤/g이며 양호한 피복막을 얻을 수 있었다.

기재의 전처리	합성 압력(kPa)
기재의 전처리	1.3	3.9	6.5	9.8	13.0
침탄 처리	○	○	○	×	×
미처리	×	×	×	×	×

○ : 다결정 다이아몬드 집합체를 형성한 것

× : 다결정 다이아몬드 집합체를 형성하지 않은 것

(제2 실시예)

다이아몬드 막의 표면의 기복(h)(도1 참조)의 크기에 의한 성능의 차를 확인하기 위해, 직경 8 ㎜의 엔드밀을 제작하고, 성능 평가를 행하였다. 기재로서 5 질량 % Co의 초경합금을 사용하고, 이 기재를 열 필라멘트 CVD 장치에 세트하고, 1 체적 % 메탄-수소 혼합 가스 분위기에서 압력 13.0 kPa, 처리 온도 900 ℃에서 6 시간 침탄시켰다. 이 후, 다이아몬드 막이 막 두께 20 ㎛가 되는 성막을 실시하였다. 다이아몬드 집합체는 다이아몬드 막을 형성하고 있어, 다이아몬드 결정 입자의 평균 입경은 전부 1.0 내지 1.5 ㎛의 범위에 있었다. 다이아몬드 입자의 결정 입계는 홈을 형성하고 있었다.

다이아몬드 막의 피복은 열 필라멘트 CVD 장치에 의해, 수소 유량 1700 sccm, 메탄 유량 45 sccm, 압력 3.9 kPa, 필라멘트 온도 2120 ℃, 기재 온도 760 ℃로 하여 행하였다. 수소 함유량은 1.5 at %(원자 %)가 되도록 하여, 기재에 다이아몬드를 도포하는 양을 변화시켜 핵 생성 밀도를 변화시켰다. 이와 같이 하여 다이아몬드 결정 입자의 지름과 기복(h)의 크기가 다른 다이아몬드 막이 형성된 6 종류의 엔드밀을 제작하고, 하이실리콘 알루미늄 합금(A1-12 질량 % Si)의 절삭 가공 시험을 행하였다. 절삭 조건은 이하의 것으로 하였다.

절삭 속도(V) : 400 m/분

회전수(N) : 15923 rpm

이송 속도(F) : 1275 ㎜/분

1날당의 이송량(f) : 0.04 ㎜/rev

지름 방향 절입 깊이(Rd) : 0.05 ㎜

축 방향 절입 깊이(Ad) : 18 ㎜

절삭액 : 수용성 유액

상기한 조건으로 절삭 가공 시험을 행한 결과를 표2에 나타낸다.

시험 제품 번호	막 평균 거칠기 Ra(㎛)	기복 h (㎚)	가공면 거칠기 Rmax(㎛)	수명
1(비교예)	0.005	30	7.85	3000 m 이상
2(본발명)	0.01	50	3.21	3000 m 이상
3(본발명)	0.07	300	1.71	3000 m 이상
4(본발명)	0.18	900	3.51	3000 m 이상
5(비교예)	0.28	1200	8.20	3000 m 이상
6(비교예)	0.35	1500	11.55	3000 m 이상

상기한 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 평균 표면 거칠기가 0.01 내지 0.2 ㎛의 범위에 있을 때, 기복(h)이 50 내지 900 ㎚의 범위에 있으며, 가공면 거칠기가 우수한 것에 반해, 평균 표면 거칠기가 0.005 ㎛로 작고, 기복(h)이 지나치게 작으면 가공 중에 금이 간 무늬가 발생하여, 가공면 거칠기가 저하되었다. 또한, 표면 거칠기가 0.2 ㎛를 넘고, 기복(h)이 큰 것에 대해서도 공구 표면의 요철이 커짐으로써 가공면 거칠기가 저하되었다. 또한, 시험 제품 4의 것에 대해서도 막이 되기 전에 성막 장치로부터 꺼내어 다이아몬드 집합체의 수를 세어본 결과, 그 수는 5 × 10⁴개/㎟였다. 이 수는, 성막 후의 다이아몬드 집합체의 수 모두 오차 범위에서 일치하고 있었다.

(제3 실시예)

다이아몬드 막 표면의 RMS에 의한 성능의 차를 확인하기 위해, 직경 8 ㎜의 엔드밀을 제작하고, 성능 평가를 행하였다. 기재로서 5 질량 % Co의 초경합금을 사용하여, 이것을 열 필라멘트 CVD 장치에 세트하고, 1 체적 % 메탄-수소 혼합 가스 분위기에서 압력 13.0 kPa, 처리 온도 900 ℃에서 6 시간 침탄시켰다. 이 후, 다이아몬드 막이 막 두께 20 ㎛가 되는 성막을 실시하였다.

다이아몬드 집합체는 다이아몬드 막을 형성하고 있고, 다이아몬드 결정 입자의 평균 입경은 전부 0.7 내지 1.0 ㎛로 되어 있었다. 다이아몬드 막(6)의 피복은 열 필라멘트 CVD 장치에 의해 수소 유량 1700 sccm, 메탄 유량 45 sccm, 압력 3.9 kPa, 필라멘트 온도 2120 ℃, 기재 온도 760 ℃로 하여 행하였다. 수소 함유량은 1.5 at %가 되도록 설정하고, 다이아몬드의 도포 밀도를 변경함으로써, RMS가 다른 다이아몬드 막이 형성된 6종류의 엔드밀을 제작하여, 하이실리콘 알루미늄 합금(A1-12 질량 % Si)의 절삭 가공 시험을 행하였다. 절삭 조건은 제2 실시예와 동일한 것으로 행하여, 그 결과를 표3에 나타낸다.

시험 제품 번호	막 평균 거칠기 Ra(㎛)	RMS (㎚)	기복 h (㎚)	가공면 거칠기 Rmax(㎛)	수명
7(본발명)	0.01	10	61	3.13	3000 m 이상
8(본발명)	0.01	15	62	2.80	3000 m 이상
9(본발명)	0.13	100	540	1.80	3000 m 이상
10(본발명)	0.18	200	892	2.95	3000 m 이상
11(본발명)	0.19	300	897	3.45	3000 m 이상

상기한 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 평균 표면 거칠기가 본 발명의 범위이며, 기복(h)이 50 내지 900 ㎚의 범위 내라도, RMS가 10 ㎚와 같이 작아지거나 기복이 300 ㎚와 같이 커지면 가공면 거칠기가 거칠어지는 경향을 볼 수 있어, 15 내지 200 ㎚로 하는 것이 더욱 바람직한 결과가 되었다. 또한, 다이아몬드 막의 광택도 RMS가 15 내지 200 ㎚인 것이 훨씬 우수하였다.

(제4 실시예)

다이아몬드 막에 포함되는 수소 함유량의 차이에 의한 성능의 차를 확인하기 위해, 직경 8 ㎜의 엔드밀을 제작하여 성능 평가를 행하였다. 기재로서 5 질량 % Co의 초경합금을 사용하여 이것을 열 필라멘트 CVD 장치에 세트하고, 1 체적 % 메탄-수소 혼합 가스 분위기에서 압력 13.0 kPa, 처리 온도 900 ℃에서 6 시간 침탄시켰다. 이 침탄 처리는 피복되는 면의 외연으로부터 표면을 따라 5 ㎜ 이상 떨어진 곳까지 행하였다. 이 후, 다이아몬드 막이 막 두께 0.5 ㎛가 되는 성막을 실시하였다.

다이아몬드 막의 피복은 열 필라멘트 CVD 장치에 의해, 수소 유량 1700 sccm, 압력 3.9 kPa, 필라멘트 온도 2120 ℃, 기재 온도 760 ℃로 하여 행하였다. 수소 함유량을 변화시키기 위해 메탄 유량을 90 sccm(수소 함유량 : 6.0 at %), 70 sccm(수소 함유량 : 5.0 at %), 40 sccm(수소 함유량 : 1.0 at %), 20 sccm(수소 함유량 : 0.2 at %)로 하였다. 다이아몬드 집합체는 다이아몬드 막을 형성하고 있어 성장 표면의 다이아몬드 결정 입자의 입경은 전부 0.2 내지 0.4 ㎛로 하였다. 또한, 각 시험 제품의 평균 표면 거칠기(Ra)는 0.16 내지 0.18 ㎛였지만, 기복(h) 및 RMS의 값에 대해서는 나노미터 오더로 모든 샘플을 통일하는 것이 곤란하므로 근사한 것을 제작하여 사용하였다. 이상과 같이 수소 함유량이 다른 다이아몬드 막(6)이 형성된 엔드밀에 의해, 하이실리콘 알루미늄 합금(A1-12 질량 % Si)의 절삭 가공 시험을 행하였다. 절삭 조건은 이하의 것으로 하였다.

절삭 속도(V) : 400 m/분

회전수(N) : 15923 rpm

이송 속도(F) : 1275 ㎜/분

1날당의 이송량(f) : 0.04 ㎜/rev

지름 방향 절입 깊이(Rd) : 0.05 ㎜

축 방향 절입 깊이(Ad) : 18 ㎜

절삭액 : 수용성 유액

상기한 조건으로 절삭 가공 시험을 행한 결과를 표4에 나타낸다.

시험 제품 번호	수소 함유량 (at %)	기복 h (㎚)	RMS (㎚)	가공면 거칠기 Rmax(㎛)	3000 m 가공 후의 상태
12(본발명)	0.2	683	99	3.8	한 군데 칩핑 발생
13(본발명)	1.0	670	88	2.5	문제 없음
14(본발명)	5.0	674	95	2.8	문제 없음
15(본발명)	6.0	665	85	3.3	막에 약간 마모 있음

상기한 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 다이아몬드 막 중의 수소 함유량이 1 내지 5 at %(원자비 %)인 것은 칩핑(chipping) 및 막의 마모에 있어서 우수한 성능을 나타내는 것에 반해, 수소 함유량이 적어지면 칩핑이 발생하기 쉬워지고, 또한 지나치게 많으면 다이아몬드 막(6)의 내마모성이 저하되기 때문에 마모가 진행되기 쉬웠다.

(제5 실시예)

드릴 기재의 표면층의 결합상량을 줄인 조성으로 하고, 그 층의 두께의 차이에 의해, 다이아몬드 막의 박리나 기재의 파괴 상황을 확인하기 위해, 직경 0.8 ㎜의 드릴을 제작하여 성능 평가를 행하였다. 기재로서 5 질량 % Co의 초경합금을 사용하여 이것을 열 필라멘트 CVD 장치에 세트하고, 1 체적 % 메탄-수소 혼합 가스 분위기에서, 압력 13.0 kPa, 처리 온도 900 ℃에서 9 시간 침탄시켰다. 이 처리에 의해, 다이아몬드가 피복되는 면의 외연으로부터 표면을 따라 5 ㎚ 이상 떨어진 곳까지 침탄시켰다. 이 후, 기재(5) 표면을 초산으로 처리함으로써 결합상량을 줄인 층을 형성시켰다. 산 처리 시간의 차이에 의해, 결합상량이 적은 조성으로 한 층의 두께가 다른 4 종류의 기재를 준비하여 이들의 기재(5) 위에 다이아몬드 막을 20 ㎛의 두께로 형성하였다. 또한, 기재 표면을 산 처리하지 않은 기재도 준비하여, 마찬가지로 다이아몬드 막을 형성하였다.

다이아몬드 막의 피복은 열 필라멘트 CVD 장치에 의해, 수소 유량 1700 sccm, 메탄 유량 45 sccm, 압력 3.9 kPa, 필라멘트 온도 2120 ℃, 기재 온도 760 ℃로 하여 행하였다. 다이아몬드 집합체는 다이아몬드 막을 형성하고 있어 다이아몬드 결정 입자의 입경은 전부 0.5 내지 0.8 ㎛로 되어 있었다. 평균 표면 거칠기(Ra)는 0.14 내지 0.15 ㎛의 범위에 있으며, 기복(h) 및 RMS의 값에 대해서는 나노미터 오더로 모든 샘플을 통일하는 것이 곤란하므로 근사한 것을 제작하여 사용하였다. 수소 함유량은 1.5 at %가 되도록 설정하였다. 이와 같이 하여 얻게 된 5 종류의 드릴을 이용하여 SiC 임시 소결체의 구멍 가공 시험을 행하였다.

절삭 조건을 이하에 나타낸다.

회전수 : 9550 rpm

이송 속도 : 1.9 m/분

가공 깊이 : 1.6 ㎜

절삭 시험의 결과를 표5에 나타낸다.

시험 제품 번호	결합상이 적은 부분의 두께(㎛)	기복 h (㎚)	RMS (㎚)	수명
16(본발명)	0	550	120	500 구멍 이상
17(본발명)	10	535	97	500 구멍 이상
18(본발명)	20	562	128	500 구멍 이상
19(본발명)	30	544	118	500 구멍 이상 (한 군데 칩핑 있음)
20(본발명)	40	540	114	500 구멍 이상 (세 군데 칩핑 있음)

기재 표면에 결합상량이 적은 조성으로 한 층을 마련함으로써, 다이아몬드 막과의 접합력을 향상시키는 것이 가능해지지만, 상기한 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 결합상량이 적은 조성의 층의 두께가 20 ㎛ 이하인 것은 특히 우수한 성능을 나타내는 것이 확인되었다. 그러나 결합상량이 적은 조성의 층의 두께가 30 및 40 ㎛인 것은 기재 강도 저하에 의한 칩핑이 관찰되었다.

(제6 실시예)

본 발명의 다이아몬드 막을 피복한 탭(11)의 경우를 설명한다. 도11의 (a)는 탭(11)의 개략 정면도이며, 도11의 (b)와 (c)는 O를 중심으로 하여 회전하는 탭의 1개의 절삭날 부분의 일부 단면도이다. 이 탭(11)은 초경합금으로 이루어지는 기재(14)에, 절삭날부(12)를 갖고 있다. 이 절삭날부(12)는 선단부에 형성되는 나사산이 불완전 형상의 달라붙음부(12a)와, 이에 연속하여 형성되는 완전 나사산 형상의 완전 산부(12b)를 갖고 있다. 이 절삭날부(12)는 원주 방향에 있어서 나선형이나 직선형의 공구 홈(13)에 의해 분할되어 있다. 그리고 연삭된 절삭날부(12)에는 전술한 다이아몬드 막이 피복되어 있다. 여기에서는, 도11의 (b)에 도시한 바와 같이 레이크면과 릴리프면의 능선으로 절삭날을 구성한 탭과, 도11의 (c)에 도시한 바와 같이 절삭날의 능선을 깎아 제거하여, 모따기면(17)을 형성한 탭의 양쪽을 준비하였다. 또, 일반 탭에서는 달라붙음부(12a)나 완전 산부(12b)의 단면은 도11의 (b)에 도시한 바와 같이 모따기면(17)[도11의 (c) 참조]이 없는 형상으로 되어 있다.

본 발명의 다이아몬드 막을 피복한 탭과 종래의 다이아몬드 막을 피복한 종래의 탭을 제작하여, 성능 평가의 비교를 행하였다. 모두 두께 10 ㎛의 다이아몬드를 피복하고, M3의 나사 구멍을 마련하기 위한 것이다. 본 발명인 시험 제품 21 내지 23과 비교예인 시험 제품 24, 25는 탭의 정면도가 도11의 (a)에 도시하는 4매날이며, 그 일부 단면이 도11의 (c)에 나타내는 모따기 가공한 기재(14)를 이용하였다. 비교예인 시험 제품 26은 정면도가 도11의 (a)에서 일부 단면이 도11의 (b)에 나타내는 형상의 모따기가 없는 기재(14)를 이용하였다.

기재(14)의 재료는 5 질량 % Co의 초경합금이다. 시험 부재 21 내지 25는 도11의 (b)와 같이 레이크면(15)의 각도 β를 3°로 하고, 이것에 도11의 (a)에 도시한 바와 같이 모따기각 α가 -20°가 되도록 절삭날 선단부(18)로부터 릴리프부(16)에 걸쳐 모따기면(17)을 형성하였다. 모따기면(17)의 면 거칠기(Ra)는 0.2 ㎛가 되도록 마무리하여, 도11의 (c)에 나타나 있는 모따기면(17)이 나타나 있는 폭을 0.4 ㎜로 하였다. 또한, 시험 제품 26은 M3의 탭으로 레이크면(15)의 각도 β를 -20°로 하고, 모따기면을 마련하지 않은 점이 시험 제품 21 내지 25와 다르다.

이들의 기재(14)를 전처리로서 침탄 처리를 행하였다. 조건은 기재(14)를 열 필라멘트 CVD 장치에 세트하여, 10 체적 % 메탄-수소 가스 분위기에서 압력 13 kPa, 처리 온도 900 ℃에서 6시간 침탄시켰다. 이 침탄은 다이아몬드가 피복되는 면에 있어서, 기재 표면의 외연부로부터 표면을 따라 5 ㎜ 이상 떨어진 곳까지 침탄할 수 있도록 가열하였다. 시험 제품 23은 침탄 후 기재의 초경합금의 결합층인 Co를 표면으로부터 20 ㎛의 깊이에 걸쳐 초산에 의해 제거하였다. 다음에, 초미립 다결정 다이아몬드를 유기 용매에 분산시킨 용액 중에 시험 제품 21 내지 26의 기재를 침지하고, 초음파를 조사하여 초미립 다이아몬드를 기재에 도포하였다.

다이아몬드 막의 성막은 시험 제품 24를 제외한 열 필라멘트 CVD 장치에 의해 표6에 나타내는 조건으로 행하였다. 다이아몬드 막은 다이아몬드 집합체를 형성하고 있어, 다이아몬드 결정 입자의 입경은 표7에 나타내는 바와 같았다. 피복층의 두께를 10 ㎛로 유지하기 위해, 본 발명의 시험 제품 21 내지 23과 비교예 25, 26은 막 두께가 9 ㎛가 된다고 예상되는 시점에서 합성을 중단하고, 실제 막 두께를 측정하였다. 그 결과, 모두 8.5 ㎛ 이상의 두께가 있으며, 완성품 후의 막 두께의 10 ㎛에 대해 70 % 이상의 두께 범위가 단층으로 형성되어 있었다. 다이아몬드 막의 단면에는 성장을 일시 중단시킨 흔적이 남아 있었다.

시험 제품 24는 특허 문헌 2를 재현한 것이다. 침탄 처리를 행하지 않고 샌드블라스트에 의해 표면의 처리를 행하였다. 또한 시험 제품 24는 열 필라멘트 CVD 장치 대신에 마이크로파 장치를 사용하여 다이아몬드를 피복하였다. 다이아몬드의 핵을 부착시키는 공정과 핵을 성장시키는 공정을 다른 조건으로 하여, 이 조건을 반복함으로써 성막하였다. 구체적으로는 표6의 시험 제품 24의 상단이 핵을 부착시키는 공정의 조건이고, 하단의 조건이 핵을 성장시키는 공정의 조건이다. 핵을 성장시키는 공정은 결정 입경이 1 ㎛ 이하가 되는 처리 시간을 정하였다. 그 결과, 10층으로 결정 입경이 1 ㎛ 이하의 다이아몬드 막을 성막할 수 있어, 본 발명과 같은 집합체로 이루어지는 다이아몬드를 형성시키지 않았으므로 기복은 존재하지 않았다. 이 시료의 단면을 연마하여 수소 플라즈마 에칭하여 얻게 된 사진이 도8이다.

시험 제품 번호	성막 압력 (kPa)	성막 가스(sccm)		성막 온도(℃)
시험 제품 번호	성막 압력 (kPa)	수소 유량	메탄 유량	필라멘트	기재
21(본발명)	3.9	1700	20	2120	760
22(본발명)	3.9	1700	45	2120	760
23(본발명)	3.9	1700	45	2120	760
24(비교예)	1 3.9	500 500	100 10	마이크로파 마이크로파	800 850
25(비교예)	13.3	1000	12	2150	760
26(비교예)	13.3	1000	12	2150	760

성막 후의 다이아몬드 막의 상태를 표7에 나타낸다. 시험 제품 21 내지 23의 평균 표면 거칠기(Ra)는 0.16 내지 0.18 ㎛의 범위에 있었다. 그 밖의 시험 제품은 0.01 ㎛보다 작았다.

시험 제품 번호	기복 (㎚)	입경 (㎛)	수소량 (at %)	RMS (㎚)	절삭저항 (N)	박리수 (개)	용착 두께 (㎛)
21(본발명)	680	0.5 내지 0.8	0.2	97	6	1	0
22(본발명)	670	0.5 내지 0.8	1.5	95	6	0	0
23(본발명)	690	0.5 내지 0.8	1.5	101	6	0	0
24(비교예)	없음	0.5 내지 0.8	0	120	9	3	0
25(비교예)	없음	10 내지 12	0	396	10	4	1
26(비교예)	없음	10 내지 12	0	405	16	8	5

이들의 탭을 이용하여, 표면을 비연마의 상태에서 MMC(Al-30 질량 % SiC)로 형성한 구멍의 가공을 행하고, 가공수는 700 구멍으로 하였다. 평가 항목은 용착의 두께, 절삭 저항, 다이아몬드 막의 박리 수의 3 가지로 하였다. 용착의 두께는 절삭날의 달라붙음부의 레이크면의 한 군데를 측정하였다. 절삭 저항은 1 구멍째에서 5 구멍째까지의 가공 시의 Y축(회전 방향) 방향의 절삭 저항을 측정하여 그 평균치로 하였다. 박리수로 하는 것은 상기한 천공 테스트를 한 다음, 1개의 탭에 나타난 박리 부위의 수인 것이다.

그 결과를 표7에 나타낸다. 본 발명의 다이아몬드 막을 피복한 탭은 용착이 매우 적고, 다이아몬드 막의 박리도 적었다. 특히 수소 함유량을 1.5 at %로 많게 한 시험 제품 22와 침탄 처리 후에 초산으로 산 처리하여 기재 표면을 경사 조성으로 한 시험 제품 23에는 박리가 보이지 않았다. 또한, 절삭 저항도 작아 표면의 미소한 기복에 의해 달라붙음이 양호한 것을 알 수 있다. 이에 대해, 비교예인 시험 부재 24는 다이아몬드 막 표면은 가장 평활한 막이지만, 평활하기 쉽고 달라붙기 어렵기 때문에 절삭 저항이 높아지는 경향이 보였다. 또한, 다이아몬드 막을 구성하는 다이아몬드의 입경이 큰 시험 제품 25 및 26은 용착이 발생하고, 다이아몬드 막의 박리도 발생하였다. 또한 다이아몬드 막의 표면 거칠기가 거칠고 절삭 저항도 커졌다.

이하 탭의 실시예에 대해 정리한다. 본 발명의 다이아몬드 막을 피복한 탭에 있어서는, 도11의 (c)에 도시한 바와 같이 네가티브 각의 모따기면을 형성하는 것이 바람직하다. 이와 같은 형상으로 함으로써, 연질 금속의 용착이 방지되어 구성 날 끝의 형성을 방지할 수 있다. 동시에, 절삭 가루가 가늘게 분단되어 맞물림이 적어질 뿐만 아니라, 용착이 발생한 경우에 있어서도 용착 금속이 자연히 제거되기 쉬워진다. 가공이 완료된 후 역회전시켜 가공물로부터 탭을 뺀 작업이 필요하지만 모따기면을 형성하고 있으면, 이때에 용착이 쉽게 제거된다. 모따기면은 달라붙음(12a)에 형성하는 것이 효과적이지만, 완전 산부(12b)에도 동시에 형성하는 것이 바람직하다. 또, 모따기각은 -60°이상 -15°이하의 범위가 바람직하다.

(제7 실시예)

4 질량 % Co-WC의 조성을 갖는 초경합금으로 된 칩(형번 SEGN 120308)을 제작하였다. 다음에, 열 필라멘트 CVD 장치에 상기한 칩을 세트하고, 10 체적 % 메탄-수소 혼합 가스의 분위기에서, 압력 6.5 kPa, 처리 온도 850 ℃에서 6 시간 침탄 처리하였다. 그리고 칩 표층부에 결합상량이 적은 조성이 되는 부분이 형성되도록, 얻게 된 칩을 8 %의 초산액에 침지하고, 칩 표층부에 있어서 초경합금 중의 결합상을 제거한 후 세정 및 건조하였다.

다음에, 칩에 초미립 다이아몬드를 도포하였다. 4 내지 6 ㎚의 입경을 갖는 다결정 다이아몬드 분말 0.002 g을 이소프로필 알코올 100 cc에 분산시켰다. 이 액 속에 칩을 침지하고, 10분간 초음파를 가하여 다결정 다이아몬드를 도포하였다. 다음에, 메탄 농도 2 체적 %, 필라멘트 온도 2050 ℃, 기재 온도 850 ℃, 압력은 표8에 나타내는 조건으로 하고, 필라멘트와 칩과의 간격을 5 ㎜로 설정하여 다이아몬드를 피복하였다. 다이아몬드의 두께는 시험 제품 30 내지 36의 것은 10 ㎛, 시험 제품 37은 2 ㎛였다. 칩은 표8의 둥근 표시의 공정을 거쳐 제조되고, 둥근 표시가 없는 공정은 생략되었다. 단, 성막은 시험 제품 31 내지 36은 막 두께가 9 ㎛, 시험 제품 37은 막 두께가 1.5 ㎛에 달하면 예상되는 시점에서 정지하여 실제 막 두께를 측정하고, 부족분을 추가하여 성막하였다. 성막을 일시 정지한 부분의 단면에는 그 흔적이 경계면으로서 남아 있었다. 또한, 시험 제품의 평균 표면 거칠기(Ra)도 측정하였다. 그 결과도 아울러 표8에 나타낸다. 또한, 시험 제품 34를 이용하여, X선 회절, 경도 및 평균 표면 거칠기도 측정하였다. X선 회절의 강도비 I₂₂₀/It[I₂₂₀은 다이아몬드 결정면(220)의 피크 강도, It는 다이아몬드 결정면 (111), (220), (311), (400) 및 (331)의 피크 강도의 합계]는 0.8이었다. 또한 경도는 7500 kgf/㎟였다. 아울러, 본 발명에 의한 시험 제품의 일례로서, 시험 제품 34의 단면 상태를 도7의 (a), (b)에 나타낸다.

시험 제품 번호	침탄	산 처리	다이아몬드 도포	다이아몬드 피복 시의 압력 (kPa)				표면 거칠기
시험 제품 번호	침탄	산 처리	다이아몬드 도포	0.5	1.3	3.9	13	표면 거칠기
30(비교예)		○	○	○				0.5
31(본발명)	○		○		○			0.06
32(비교예)	○	○					○	0.9
33(본발명)	○	○	○	○				0.02
34(본발명)	○	○	○		○			0.05
35(본발명)	○	○	○			○		0.05
36(비교예)	○	○	○				○	0.5
37(본발명)	○	○	○			○		0.04

이와 같이 하여 얻게 된 다이아몬드 막을 조사한 결과, 시험 제품 30의 것은 침탄 처리를 하지 않은 것으로 실용에 견딜 수 있을 정도의 막의 박리 강도가 없었다. 또한 시험 제품 32와 36은 피복 시의 압력이 높아 다이아몬드 막의 표면에 있어서 평균 입자 지름이 1.5 ㎛를 초과하고 있어 본 발명의 범위 밖이다. 그 밖의 것은 1.5 ㎛ 이하의 미세한 평균 입자 직경을 갖는 것이었다.

이상과 같이 하여 제작한 칩을 사용하여 절삭 시험을 행하였다. 피삭재는 하이실리콘 알루미늄(A1-18 질량 % Si)을 사용하여, 절삭 조건은 절삭 속도 V = 800 m/분, 이송 F = 0.1 ㎜/rev, 절입량 d = 0.5 ㎜로 하여 수성 유액 절삭액을 사용하여 행하였다. 또, 절삭 길이를 3000 m로 하였다. 그 결과, 본 발명의 시험 제품 33, 34, 35 및 37은 수명이 길어 피삭재의 표면 마무리 상태도 우수하였다. 본 발명의 시험 제품 31은 상기한 시험 제품과 비교하면 릴리프면에서 한 군데 작은 박리가 관찰되었지만 충분히 사용할 수 있는 레벨이었다.

(제8 실시예)

여기에서는, 5.5 질량 % Cc-WC의 조성을 갖는 초경합금으로 된 연마된 기재 위에, 제7 실시예에서 제작한 시험 제품 30번 내지 37번과 동일한 조건으로 다이아몬드를 성막하고, 시험 제품 번호를 40 내지 47로 하였다. 구체적으로는 시험 제품 30번과 시험 제품 40번, 시험 제품 31번과 시험 제품 41번이 동일한 조건으로 제작한 시험 제품이며, 이하 마찬가지이다. 공구의 형상은 도12에 도시하는 IC, LSI 패키지 가공용 공구이다. 도12는 IC, LSI 패키지 가공용 공구에 의한 가공 공정에서의 동작과 기능을 설명하는 단면도이며, 화살표는 동작 방향을 나타낸다. 패키지에는 통상 다수의 아우터리드가 좁은 간격으로 늘어서 있으므로, 절삭 시에 아우터리드가 구부러지거나 하면 아우터리드끼리가 접촉하거나, 실장할 수 없게 됨으로써 불량품이 된다. 따라서, 아우터리드의 굴곡은 가능한 한 작게 해야만 한다.

IC, LSI 패키지 가공용 공구를 구성하는 굽힘 가공용 다이(21), 굽힘 및 커트 펀치(22) 및 커트 다이(23)의 동작을 설명한다. 도12의 (a)는 패키지(30)가 굽힘 가공용 다이(21) 위에 적재된 상태를 나타내고 있다. 아우터리드(31)는 굽힘 가공용 다이(21)의 상을 빠져 나가 커트 다이(23)의 상에까지 도달하고 있다.

도12의 (b)는 굽힘 및 커트 펀치(22)가 화살표 방향으로 하강하여 아우터리드를 굽힘 가공용 다이(21)에 밀어붙여 구부러져 있는 상태를 나타내고 있다. 이때 아우터리드를 피복하고 있는 땜납(32)과 굽힘 가공용 다이(21), 굽힘 및 커트 펀치(22)가 강하게 접촉하여, 공구에의 땜납 부착의 원인이 된다.

도12의 (c)는 아우터리드의 여유 있는 부분을 절단하고 있는 상태를 나타내고 있다. 즉, 굽힘 및 커트 펀치(22)가 아우터리드(31)를 압박한 채로의 상태에서, 커트 다이(23)가 화살표 방향으로 상승해 가, 굽힘 및 커트 펀치(22) 사이에 발생하는 전단에 의해 아우터리드(31)의 여유 있는 부분을 절단하고 있다. 이 과정에서도, 땜납이 공구에 부착된다.

이들의 펀치 및 다이를 이용하여, 무연(lead-free) 땜납이 피복된 아우터리드의 굽힘 및 절단 가공을 도12에 나타내는 공정으로 행하였다. 시험 제품 43, 44, 45 및 47로 이루어지는 IC, LSI 패키지 가공용 공구에의 땜납의 부착은 없으며 100만회의 가공이 가능하였다. 또한, 시험 제품 41은 100만회의 가공으로, 미소한 다이아몬드의 박리가 발생하였지만 충분히 사용할 수 있는 정도였다. 비교예인 시험 제품 40은 실용에 견딜 수 있는 박리 강도가 아니며, 시험 제품 42 및 46으로 이루어지는 IC, LSI 패키지 가공용 공구는 30만회의 가공으로 땜납이 용착되었다.

본 발명은 알루미늄 합금이나 마그네슘 합금 등의 난(難)절삭성이고 또한 가공면 거칠기가 작은 것이 요구되는 분야, 유리 에폭시 수지에의 천공 등 절삭날로서 예리한 절삭날이 요구되는 분야에 적용할 수 있다. 또한, 알루미나나 탄화규 소, 질화규소 등의 세라믹 절삭 가공 등의 용도에도 적용할 수 있다. 또한, IC, LSI 패키지 가공용 공구로서도 사용할 수 있다.

Claims

기재의 표면에 다이아몬드의 막이 피복된 다이아몬드 막 피복 공구이며,

상기 기재가 초경합금 또는 서멧이며,

상기 다이아몬드 막의 성장 표면을 구성하는 다이아몬드 결정 입자의 평균 입경이 1.5 ㎛ 이하이며,

상기 다이아몬드 막의 두께가 1 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하이며,

상기 다이아몬드 막의 평균 표면 거칠기(Ra)가 0.01 ㎛ 이상 0.2 ㎛ 이하이고,

상기 다이아몬드 결정 입자는 미세 다이아몬드가 집합하여 형성되어 있고,

상기 다이아몬드 막의 단면에 있어서, 미세 다이아몬드가 다이아몬드 막의 성장 방향으로 가늘고 길게 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 막 피복 공구.
제1항에 있어서, 상기 미세 다이아몬드의 짧은 직경이, 기재 표면으로부터 다이아몬드 막의 막 두께 1 ㎛ 이상인 부분에 있어서 0.001 ㎛ 이상 0.1 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 막 피복 공구.
제1항에 있어서, 상기 미세 다이아몬드의 애스펙트비가 2 이상 20 이하인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 막 피복 공구.
제1항에 있어서, 상기 미세 다이아몬드의 적어도 일부가 삼나무의 잎 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 막 피복 공구.
제1항에 있어서, 다이아몬드 막을 라만 분광 분석하여 얻게 된 다이아몬드의 피크 높이(D)와 그래파이트 또는 부정형 탄소의 피크 높이(G)의 관계가 5 ≥ D/G ≥ 0.5인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 막 피복 공구.
제1항에 있어서, 상기 다이아몬드 막을 X선 회절 측정하였을 때의 다이아몬드 결정면(220)의 피크 강도(I₂₂₀)와 다이아몬드 결정면 (111), (220), (311), (400) 및 (331)의 피크 강도의 합계(It)와의 비 I₂₂₀/It가 0.6 이상인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 막 피복 공구.
제1항에 있어서, 상기 다이아몬드 막의 수소 함유량은 원자비가 1 % 이상 5 % 이하인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 막 피복 공구.
제1항에 있어서, 상기 다이아몬드 막의 단면 구조에 있어서 기재로부터 막 두께의 70 %까지가 단층의 피복막인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 막 피복 공구.
제1항에 있어서, 상기 기재로서 0.1 질량 % 이상 6 질량 % 이하의 Co를 함유하는 초경합금을 이용하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 막 피복 공구.
제9항에 있어서, 상기 기재의 포화자화의 값이 {1900 × [합금 중의 결합상의 비율(질량 %)]/100} (G·㎤/g) 이상, {2023 ×[합금 중의 결합상의 비율(질량 %)]/100} (G·㎤/g) 이하의 값인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 막 피복 공구.
제9항에 있어서, Co의 일부를 Cr으로 치환한 기재의 포화자화의 값이 {1900 × [합금 중의 결합상의 비율(질량 %)]/100} × 0.93(G·㎤/g) 이상, {2023 ×[합금 중의 결합상의 비율(질량 %)]/100} (G·㎤/g) 이하의 값인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 막 피복 공구.
제9항에 있어서, 상기 다이아몬드 막이 기재 표면에 부분적으로 피복되고,

다이아몬드 막의 외연부로부터 기재 표면을 따라 5 ㎜ 이상 떨어진 부분의 기재에서의 포화자화의 값이 하기 조건 A를 충족시키는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 막 피복 공구.

A : {1900 × [합금 중의 결합상의 비율(질량 %)]/100} (G·㎤/g) 이상, {2023 ×[합금 중의 결합상의 비율(질량 %)]/100} (G·㎤/g) 이하
제9항에 있어서, 상기 기재의 Co의 일부가 Cr으로 치환되고,

상기 다이아몬드 막이 기재 표면에 부분적으로 피복되고,

다이아몬드 막의 외연부로부터 기재 표면을 따라 5 ㎜ 이상 떨어진 부분의 기재에서의 포화자화의 값이 하기 조건 B를 충족시키는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 막 피복 공구.

B : {1900 × [합금 중의 결합상의 비율(질량 %)]/100} × 0.93(G·㎤/g) 이상, {2023 ×[합금 중의 결합상의 비율(질량 %)]/100} (G·㎤/g) 이하의 값
제1항에 있어서, 상기 다이아몬드 막의 표면을 원자간력 현미경으로 측정한 요철의 RMS(2제곱 평균치)가 15 ㎚ 이상 200 ㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 막 피복 공구.
제1항에 있어서, 상기 기재 표면 부근의 결합상량은 상기 기재 내부의 결합상량보다 적어지는 조성을 이루고, 상기 결합상량이 적은 조성 부분의 깊이는 1 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 막 피복 공구.
제1항에 있어서, 상기 다이아몬드 막이 기상 합성된 상태의 다이아몬드 막인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 막 피복 공구.
기재의 표면에 다이아몬드의 막이 피복된 다이아몬드 막 피복 공구의 제조 방법이며,

상기 기재로서 공구 형상을 한 초경합금 또는 서멧을 준비하여,

상기 기재를, 압력 0.65 내지 13.3 kPa, 온도 800 내지 1100 ℃의 메탄-수소 혼합 가스 분위기에서 침탄 처리한 후, 상기 기재 표면에 평균 입경이 500 Å(50 ㎚) 이하의 다결정 다이아몬드를 도포하고,

상기 다결정 다이아몬드의 도포 후에, 수소와 탄화수소의 혼합 가스 중, 압력 0.13 내지 6.5 kPa의 분위기에서 기재에 다이아몬드 막을 피복하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 막 피복 공구의 제조 방법.
제17항에 있어서, 상기 다이아몬드의 도포량은 2 × 10⁴개/㎟ 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 막 피복 공구의 제조 방법.
제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 침탄 처리와 다이아몬드 도포 사이에, 상기 기재 표면을 산 처리를 행하여 결합상 금속의 일부를 제거하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 막 피복 공구의 제조 방법.
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