WO2022009374A1 - ダイヤモンド被覆工具 - Google Patents

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WO2022009374A1
WO2022009374A1 PCT/JP2020/026824 JP2020026824W WO2022009374A1 WO 2022009374 A1 WO2022009374 A1 WO 2022009374A1 JP 2020026824 W JP2020026824 W JP 2020026824W WO 2022009374 A1 WO2022009374 A1 WO 2022009374A1
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WO
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diamond
base material
diamond layer
less
coated tool
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PCT/JP2020/026824
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English (en)
French (fr)
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倫太朗 杉本
高志 原田
Original Assignee
住友電工ハードメタル株式会社
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Priority to PCT/JP2020/026824 priority patent/WO2022009374A1/ja
Priority to US18/014,232 priority patent/US20230294178A1/en
Priority to TW110125286A priority patent/TW202206209A/zh
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B27/00—Tools for turning or boring machines; Tools of a similar kind in general; Accessories therefor
    • B23B27/14—Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material
    • B23B27/18—Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material with cutting bits or tips or cutting inserts rigidly mounted, e.g. by brazing
    • B23B27/20—Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material with cutting bits or tips or cutting inserts rigidly mounted, e.g. by brazing with diamond bits or cutting inserts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/26—Deposition of carbon only
    • C23C16/27—Diamond only
    • C23C16/271—Diamond only using hot filaments
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C23C16/0227—Pretreatment of the material to be coated by cleaning or etching
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C16/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C23C16/0254—Physical treatment to alter the texture of the surface, e.g. scratching or polishing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/26—Deposition of carbon only
    • C23C16/27—Diamond only

Definitions

  • This disclosure relates to diamond coated tools.
  • Diamond has a very high hardness, and its smooth surface has an extremely low coefficient of friction. Therefore, conventionally, natural single crystal diamonds and artificial diamond powders have been applied to tool applications. Furthermore, since the technology for forming a diamond thin film by the chemical vapor deposition (CVD) method was established in the 1980s, cutting tools and abrasion-resistant tools (hereinafter referred to as these) in which a diamond coating was formed on a three-dimensionally shaped substrate. This tool is also referred to as a "diamond-coated tool").
  • CVD chemical vapor deposition
  • Patent Document 1 discloses a diamond-coated cemented carbide cutting tool in which a diamond film is formed on a cemented carbide substrate.
  • the diamond coated tool of the present disclosure is A diamond-coated tool comprising a base material made of cemented carbide and a diamond layer arranged on the base material.
  • a base material made of cemented carbide
  • a diamond layer arranged on the base material.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a typical configuration example of the diamond-coated tool according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is an example of a scanning electron microscope image of a cross section of the diamond-coated tool according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is an image obtained by performing image processing on the scanning electron microscope image of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating another typical configuration example of the diamond-coated tool according to the first embodiment.
  • Diamond-coated tools are difficult to cut, such as carbon fiber reinforced plastics (CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastics), non-metals, glass, super-hard alloys that are highly brittle materials for molds, and ceramics, for which demand is increasing in the aircraft industry. Demand is expanding as a tool for processing materials.
  • CFRP Carbon Fiber Reinforced Plastics
  • the purpose of this purpose is to provide a diamond-coated tool that can have a long tool life even in high-efficiency machining of difficult-to-cut materials.
  • the diamond coated tool can have a long tool life even in high efficiency machining of difficult-to-cut materials.
  • the diamond-coated tool of the present disclosure is A diamond-coated tool comprising a base material made of cemented carbide and a diamond layer arranged on the base material.
  • the interface S1 between the base material and the diamond layer and the interface S1 to the surface side of the diamond layer A diamond-coated tool having an average void area ratio of 0% or more and 0.2% or less in a region R surrounded by a virtual surface Q having a distance of 5 ⁇ m.
  • the diamond-coated tool can have a long tool life even in high-efficiency machining of difficult-to-cut materials.
  • the arithmetic mean height Sa defined by ISO25178 on the surface of the base material on the interface S1 side is preferably 0.5 ⁇ m or more and 1.5 ⁇ m or less. According to this, the peel resistance of the diamond layer is improved.
  • the base material contains a plurality of crystal grains and contains a plurality of crystal grains.
  • the average particle size of the crystal grains is preferably 1 ⁇ m or less. According to this, the peel resistance of the diamond layer is improved.
  • the cemented carbide contains cobalt and contains cobalt.
  • the cobalt content of the base material is preferably 10% by mass or less. According to this, the peel resistance of the diamond layer is improved.
  • the present inventors examined the problems that occur in the tool when the conventional diamond-coated tool is used for high-efficiency machining of difficult-to-cut materials. As a result, a new mechanism was found in which voids exist near the interface between the diamond layer and the base material, cracks are generated starting from the voids, and as a result, the diamond layer is peeled off and the tool life is shortened.
  • the present inventors have assumed that the tool life can be extended by reducing the amount of voids near the interface between the diamond layer and the base material, and as a result of diligent studies, the present invention has been made. Obtained the disclosed diamond coated tool.
  • the notation in the form of "A to B” means the upper and lower limits of the range (that is, A or more and B or less), and when there is no description of the unit in A and the unit is described only in B, A.
  • the unit of and the unit of B are the same.
  • the diamond coating tool 10 includes a base material 1 made of cemented carbide and a diamond layer 2 arranged on the base material 1, and the diamond layer 2 is the diamond layer.
  • the distance between the interface S1 between the base material 1 and the diamond layer 2 and the distance from the interface S1 to the surface side of the diamond layer 2 is 5 ⁇ m.
  • the average void area ratio (hereinafter, also referred to as “average void area ratio of the diamond layer”) is 0% or more and 0.2% or less.
  • the diamond-coated tool of the present disclosure can have a long tool life even in high-efficiency machining of difficult-to-cut materials. The reason for this is not clear, but it is presumed to be as follows.
  • the diamond-coated tool of the present disclosure includes a base material made of cemented carbide.
  • a base material made of cemented carbide has an excellent balance between hardness and strength. Therefore, a diamond-coated tool using the base material can have a long tool life even in high-efficiency machining of difficult-to-cut materials.
  • the average void area ratio of the diamond layer of the diamond coating tool of the present disclosure is 0% or more and 0.2% or less.
  • the average void area ratio of the diamond layer is an index indicating the ratio of voids in the region R in the diamond layer. The smaller the average void area ratio, the smaller the voids in the diamond layer. The details of the average void area ratio will be described in the item of "Measuring method of average void area ratio" described later.
  • the stress concentrates in the voids in the diamond layer. Therefore, the voids in the diamond layer are likely to be the starting points of cracks. When the diamond layer is cracked, the diamond layer is likely to be peeled off.
  • the diamond-coated tool of the present disclosure since the average void area ratio of the diamond layer is 0% or more and 0.2% or less, the stress is void even when stress is applied to the diamond layer due to cutting resistance during cutting. Cracks that are generated by concentrating on are less likely to occur. Therefore, the diamond-coated tool can have a long tool life because the diamond layer is not easily peeled off even in high-efficiency machining of difficult-to-cut materials.
  • the diamond coating tool can include any other configuration in addition to the substrate and diamond layer.
  • the diamond layer preferably covers the entire surface of the base material, and preferably covers at least the cutting edge portion of the base material.
  • the substrate of the diamond coated tool of the present disclosure is made of cemented carbide.
  • cemented carbide a known cemented carbide can be used.
  • the cemented carbide include cemented carbide (WC) -based cemented carbide, cemented carbide containing WC and cobalt (Co), and carbon such as titanium (Ti), tantalum (Ta), and (niob) Nb in WC.
  • cemented carbides to which nitrides and the like are added and cemented carbides to which carbon nitrides and the like such as tantalum (Ta) and (niob) Nb are added to WC and Co.
  • the base material may contain unavoidable impurities together with the cemented carbide as long as the effects of the present disclosure are exhibited.
  • the cobalt content of the base material is preferably 10% by mass or less.
  • the surface of the base material is usually etched. As a result, the surface roughness of the base material is increased, so that the adhesion between the base material and the diamond layer is improved.
  • an acid solution treatment with hydrogen peroxide solution (H 2 O 2 ), hydrochloric acid (HCl), nitric acid (HNO 3 ) or the like is performed.
  • the cemented carbide contains cobalt
  • the base material when the base material is etched, the cobalt on the treated surface of the base material falls off. If a large amount of cobalt is shed, the diamond seed crystals are less likely to adhere to the surface of the substrate, the average void area ratio of the diamond layer is increased, and the peeling resistance tends to be lowered.
  • the cobalt content of the base material is 10% by mass or less, the average void area ratio of the diamond layer is sufficiently reduced, so that the peel resistance of the diamond layer is further improved.
  • the upper limit of the cobalt content of the base material can be 10% by mass or less, 9% by mass or less, and 8% by mass or less.
  • the lower limit of the cobalt content of the base material can be 0% by mass or more, 3% by mass or more, 4% by mass or more, and 5% by mass or more.
  • the cobalt content of the base material can be 0% by mass or more and 10% by mass or less, 3% by mass or more and 10% by mass or less, 4% by mass or more and 9% by mass or less, and 5% by mass or more and 8% by mass or less.
  • the method for measuring the cobalt content of the base material is as follows. An arbitrary amount of the base material in a region separated from the interface between the base material and the diamond layer to the base material side by 50 ⁇ m or more and 10,000 ⁇ m or less is cut out. After crushing the cut base material, it is dissolved with acid, and inductively coupled plasma (ICP) emission analysis (measuring device: "ICPS-8100" (trademark) manufactured by Shimadzu Corporation) is performed in accordance with JISK 0116: 2014, and the cobalt content is contained. To measure. Any metal standard solution is used as the standard sample.
  • ICP inductively coupled plasma
  • the arithmetic average height Sa (hereinafter, also referred to as "arithmetic mean height Sa of the substrate") defined by ISO25178 on the surface of the surface on the interface S1 side of the substrate shall be 0.5 ⁇ m or more and 1.5 ⁇ m or less. preferable.
  • the arithmetic mean height Sa defined by ISO25178 is a parameter obtained by extending the arithmetic average roughness Ra (arithmetic mean height of the line) to the surface, and is the height of each point with respect to the average surface of the surface. Represents the average of the absolute values of the difference.
  • the arithmetic average height Sa of the substrate is 0.5 ⁇ m or more, the adhesion rate of diamond seed crystals is sufficient, the nucleation density increases, and the average void area ratio decreases, so that the peel resistance of the diamond layer Is further improved.
  • the arithmetic average height Sa of the substrate is 1.5 ⁇ m or less, diamonds growing from diamond seed crystals are likely to be bonded in the interface direction, and the average void area ratio is reduced, so that the peeling resistance of the diamond layer is further improved. do.
  • the lower limit of the arithmetic average height Sa of the base material can be 0.5 ⁇ m or more, 0.6 ⁇ m or more, 0.7 ⁇ m or more.
  • the upper limit of the arithmetic mean height Sa of the base material can be 1.5 ⁇ m or less, 1.4 ⁇ m or less, and 1.3 ⁇ m or less.
  • the arithmetic mean height Sa of the substrate can be 0.5 ⁇ m or more and 1.5 ⁇ m or less, 0.6 ⁇ m or more and 1.4 ⁇ m or less, and 0.7 ⁇ m or more and 1.3 ⁇ m or less.
  • the method for measuring the arithmetic mean height Sa of the base material is as follows. A diamond indenter is pushed into the surface of the diamond coating tool on the diamond layer side with a test load of 150 kgf of scale C HRC according to the Rockwell hardness test method defined in JIS Z2245. As a result, the diamond layer in and around the pushed portion is distorted, the diamond layer in this region is peeled off, and the surface of the base material on the diamond layer side is exposed.
  • the arithmetic average height Sa of the exposed surface of the base material is measured using a laser microscope (“OPTELICS HYBRID” (trademark) manufactured by Lasertech) in accordance with ISO25178-2: 2012 and ISO25178-3: 2012. By this method, the arithmetic mean height Sa can be measured without affecting the surface texture of the base material on the diamond layer side.
  • the base material contains a plurality of crystal grains, and the average particle size of the crystal grains is preferably 1 ⁇ m or less.
  • the average grain size of the crystal grains is 1 ⁇ m or less, diamonds growing from diamond seed crystals are likely to be bonded in the interface direction, and the average void area ratio is reduced, so that the peeling resistance of the diamond layer is further improved.
  • the term "average particle size” means the median diameter (d50) in a volume-based particle size distribution (volume distribution).
  • the upper limit of the average grain size of the crystal grains can be 1 ⁇ m or less, 0.9 ⁇ m or less, 0.8 ⁇ m or less.
  • the lower limit of the average grain size of the crystal grains can be 0.3 ⁇ m or more, 0.4 ⁇ m or more, and 0.5 ⁇ m or more.
  • the average particle size of the crystal grains can be 0.3 ⁇ m or more and 1 ⁇ m or less, 0.4 ⁇ m or more and 0.9 ⁇ m or less, and 0.5 ⁇ m or more and 0.8 ⁇ m or less.
  • the method for measuring the particle size of each crystal grain for calculating the average particle size of the above crystal grains is as follows. First, the cross section of the base material is mirror-polished, and a reflected electron image of an arbitrary region (measurement field of view 2 ⁇ m ⁇ 2 ⁇ m) on the polished surface is observed at a magnification of 5000 times using an electron microscope. Next, in this backscattered electron image, the diameter of the circle circumscribing the crystal grains (that is, the diameter corresponding to the circumscribed circle) is measured, and the diameter is defined as the particle size of the crystal grains.
  • the thickness of the base material is not particularly limited, but may be, for example, 50 ⁇ m or more and 50,000 ⁇ m or less, 100 ⁇ m or more and 20000 ⁇ m or less, and 150 ⁇ m or more and 10000 ⁇ m or less.
  • the "thickness of the base material” is measured by the following procedure.
  • a diamond-coated tool is cut out with a wire electric discharge machine along the normal of the surface of the diamond layer to expose the cross section.
  • the thickness of the diamond layer is measured by observing with an SEM (scanning electron microscope, "JEM-2100F / Cs" (trademark) manufactured by JEOL Ltd.).
  • the observation magnification of the cross-sectional sample is set to 5000 times, the observation field area is set to 100 ⁇ m 2 , the thickness of the base material is measured at three points in the observation field, and the average value of the three points is measured in the observation field.
  • the thickness of the base material is performed in five observation fields, and the average value of the thickness of the base material in the five observation fields is defined as "the thickness of the base material".
  • the diamond layer of the diamond coating tool of the present disclosure has a cross section along a normal line of the surface of the diamond layer observed with a scanning electron microscope, the interface S1 between the base material and the diamond layer, and the interface S1. In the region R surrounded by the virtual surface Q in which the distance to the surface side of the diamond layer is 5 ⁇ m, the average void area ratio is 0% or more and 0.2% or less.
  • the diamond-coated tool of the present disclosure since the average void area ratio of the diamond layer is 0% or more and 0.2% or less, the stress is void even when stress is applied to the diamond layer due to cutting resistance during cutting. Cracks that are generated by concentrating on are less likely to occur. Therefore, the diamond-coated tool can have a long tool life because the diamond layer is not easily peeled off even in high-efficiency machining of difficult-to-cut materials.
  • the upper limit of the average void area ratio of the diamond layer can be 0.2% or less, 0.19% or less, and 0.18% or less.
  • the lower limit of the average void area ratio of the diamond layer can be 0% or more, 0.0001% or more, 0.001% or more.
  • the average void area ratio of the diamond layer is 0% or more and 0.2% or less, 0% or more and 0.19% or less, 0% or more and 0.18% or less, 0.0001% or more and 0.18% or less, 0.001. It can be% or more and 0.18% or less.
  • the method for measuring the average void area ratio of the diamond layer is as follows (1-1) to (1-6).
  • the CP machined surface of the diamond coating tool is imaged with a field of view of 25 ⁇ m ⁇ 15 ⁇ m using an SEM (scanning electron microscope, “JEM-2100F / Cs” (trademark) manufactured by JEOL Ltd.).
  • the field of view (hereinafter, also referred to as “observation field of view”) is set so that the base material and the diamond layer are simultaneously imaged.
  • FIG. 2 shows an example of an SEM image of a cross section of the diamond-coated tool of the present disclosure.
  • the region is specified as a void.
  • the voids may be shown either whiter or blacker than the surrounding diamond layer.
  • the voids are indicated by reference numeral 5.
  • the area of the region R is the area of the entire diamond layer 22 in the observation field of view.
  • the lower limit of the thickness of the diamond layer of the present disclosure can be 3 ⁇ m or more, 4 ⁇ m or more, and 5 ⁇ m or more.
  • the upper limit of the thickness of the diamond layer of the present disclosure can be 35 ⁇ m or less, 33 ⁇ m or less, and 30 ⁇ m or less.
  • the thickness of the diamond layer of the present disclosure can be 3 ⁇ m or more and 35 ⁇ m or less, 4 ⁇ m or more and 33 ⁇ m or less, and 5 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less.
  • the "diamond layer thickness” is measured by the following procedure.
  • a diamond-coated tool is cut out with a wire electric discharge machine along the normal of the surface of the diamond layer to expose the cross section.
  • the thickness of the diamond layer is measured by observing with an SEM (scanning electron microscope, "JEM-2100F / Cs" (trademark) manufactured by JEOL Ltd.).
  • the observation magnification of the cross-sectional sample is set to 5000 times, the observation field area is set to 100 ⁇ m 2 , the thickness of the diamond layer is measured at three points in the observation field, and the average value of the three points is measured in the observation field.
  • the thickness of the diamond layer is performed in five observation fields, and the average value of the thicknesses of the diamond layers in the five observation fields is defined as the thickness of the "diamond layer".
  • the diamond-coated tool according to the present embodiment is useful as, for example, a cutting tool such as a cutting tip with a replaceable cutting edge, a cutting tool, a cutter, a drill, and an end mill, and a polishing-resistant tool such as a die, a bending die, a drawing die, and a bonding tool. Can be used.
  • a difficult-to-cut material such as CFRP was used as the work material, but the work material is not limited to this.
  • the work material include aluminum alloys, cemented carbides, and ceramics.
  • the method for manufacturing the diamond-coated tool of the present disclosure is not particularly limited.
  • the method for manufacturing a diamond-coated tool of the present disclosure is, for example, a step of preparing a base material (hereinafter, also referred to as a "base material preparation step") and a diamond layer formed on the base material by a chemical vapor phase growth method.
  • a step of obtaining a diamond-coated tool (hereinafter, also referred to as a “diamond layer forming step”) can be provided.
  • the base material As the base material, the base material according to the first embodiment is prepared. It is preferable that the base material is subjected to surface treatment such as sandblasting treatment and etching treatment. As a result, the oxide film and contaminants on the surface of the substrate are removed. Further, by increasing the surface roughness of the base material, the adhesion between the base material and the diamond layer is improved.
  • the sandblasting treatment can be performed, for example, by projecting SiC having a particle size of 30 ⁇ m onto the substrate at an injection pressure of 0.15 to 0.35 MPa.
  • the etching treatment is, for example, an acid solution treatment with 30% nitric acid and an alkali treatment with sodium hydroxide (NaOH) or the like.
  • a diamond seed crystal is applied to the surface of the base material to perform a seeding treatment.
  • the diamond seed crystals are dispersed in water at a concentration of 0.01 g / L or more, and the base material is immersed in the diamond seed crystal aqueous solution.
  • the average particle size of diamond seed crystals is preferably 0.005 ⁇ m or more and 0.5 ⁇ m or less. According to this, the nucleation density of diamond becomes suitable, the average void area ratio of the diamond layer is lowered, and the peeling resistance of the diamond layer is improved.
  • the "average particle size” means the median diameter (d50) in the volume-based particle size distribution (volume distribution).
  • the particle size of each crystal grain for calculating the average particle size of the diamond seed crystal is measured by a field emission scanning electron microscope (FE-SEM).
  • a diamond layer is formed on the surface of the base material on the side where the diamond seed crystals are seeded by the CVD method to obtain a diamond-coated tool.
  • a conventionally known CVD method can be used.
  • a microwave plasma CVD method, a plasma jet CVD method, a thermal filament CVD method, or the like can be used.
  • a base material is placed in a thermal filament CVD device, methane gas and hydrogen gas are introduced into the device at a mixing ratio of 0.5: 99.5 to 10:90 on a volume basis, and the substrate temperature is 700 ° C. or higher.
  • the temperature is 700 ° C. or higher.
  • the cemented carbide contains cobalt, and the cobalt content of the base material is preferably 0% by mass or more and 10% by mass or less.
  • the cobalt content of the base material is preferably 3% by mass or more and 10% by mass or less.
  • the cobalt content of the base material is preferably 4% by mass or more and 9% by mass or less.
  • the cobalt content of the base material is preferably 5% by mass or more and 8% by mass or less.
  • the arithmetic mean height Sa defined by ISO25178 on the surface of the substrate on the interface S1 side is preferably 0.6 ⁇ m or more and 1.4 ⁇ m or less.
  • the arithmetic mean height Sa is preferably 0.7 ⁇ m or more and 1.3 ⁇ m or less.
  • the base material contains a plurality of crystal grains, and the average particle size of the crystal grains is preferably 0.3 ⁇ m or more and 1 ⁇ m or less.
  • the average particle size is preferably 0.4 ⁇ m or more and 0.9 ⁇ m or less.
  • the average particle size is preferably 0.5 ⁇ m or more and 0.8 ⁇ m or less.
  • the average void area ratio of the diamond layer is preferably 0% or more and 0.19% or less.
  • the average void area ratio is preferably 0% or more and 0.18% or less.
  • the average void area ratio is preferably 0.0001% or more and 0.18% or less.
  • the average void area ratio is preferably 0.001% or more and 0.18% or less.
  • the thickness of the diamond layer of the present disclosure is preferably 3 ⁇ m or more and 35 ⁇ m or less.
  • the thickness is preferably 4 ⁇ m or more and 33 ⁇ m or less.
  • the thickness is preferably 5 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less.
  • Example 1 to Sample 8 A base material having a WC-based cemented carbide material and an end mill ( ⁇ 6 mm, model number: SSDC4060) in shape was prepared.
  • the cobalt content of each base material and the average particle size of the crystal grains contained in each base material are the "Co content (% by mass)" and "average particle size ( ⁇ m)" of the "base material” in Table 1, respectively. Shown in the column.
  • the Co content of the base material was 5% by mass, and the average particle size of the crystal grains contained in the base material was 0.7 ⁇ m.
  • the above base material was subjected to acid treatment (solution: 30% nitric acid), and the surface of the base material was etched. Subsequently, the surface of the base material was subjected to blast treatment and alkali treatment to form irregularities on the surface of the base material.
  • the base material was washed with ethanol, dried, and seeded.
  • the average particle size of the diamond seed crystals used in each sample is shown in the "Average particle size ( ⁇ m)" column of "Diamond seed crystals" in Table 1.
  • the average particle size of the diamond seed crystals was 0.1 ⁇ m.
  • the base material subjected to the above seeding treatment was set in a known thermal filament CVD apparatus.
  • the diamond layer of each sample was formed under the following conditions.
  • the filament current was controlled so that the substrate temperature became the temperature described in the "base temperature (° C.)” column of the “film formation conditions” in Table 1.
  • the flow rates of methane and hydrogen were controlled so that the methane concentration was the concentration described in the "Methane concentration (%)” column of "Film formation conditions” in Table 1 on a volume basis.
  • the pressure at the time of film formation was 500 mPa.
  • the film was formed until the thickness of the diamond layer became 10 ⁇ m.
  • the substrate temperature was 750 ° C. and the methane concentration was 1% by volume.
  • the diamond coating tool for each sample was obtained by the above process.
  • the arithmetic average height Sa of the substrate surface of each sample and the average void area ratio of the diamond layer are the "average void area ratio" of "Sa ( ⁇ m)” and “diamond layer” of "base material” in Table 1, respectively. (%) ”Indicated in the column.
  • the average arithmetic height Sa on the surface of the substrate was 0.9 ⁇ m
  • the average void area ratio of the diamond layer was 0.09%.
  • the diamond-coated tools of Samples 1 to 4 correspond to Examples.
  • the surface-coated diamond-coated tools of Samples 5 to 8 correspond to comparative examples. It was confirmed that Samples 1 to 4 (Example) had a longer cutting distance and a longer tool life than Samples 5 to 8 (Comparative Example).
  • the average void area ratio of the diamond layer is more than 0.2%. Therefore, when stress is applied to the diamond layer due to cutting resistance during cutting, the stress concentrates on the voids, resulting in voids. It is presumed that cracks are generated starting from the above, the diamond layer is easily peeled off, and the tool life is short.

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Abstract

超硬合金からなる基材と、基材上に配置されたダイヤモンド層と、を備えるダイヤモンド被覆工具であって、ダイヤモンド層は、ダイヤモンド層の表面の法線に沿う断面を走査型電子顕微鏡で観察した場合、基材とダイヤモンド層との界面Ｓ１と、界面Ｓ１からダイヤモンド層の表面側への距離が５μｍである仮想面Ｑと、に囲まれる領域Ｒにおいて、平均空隙面積率が０％以上０．２％以下である。

Description

ダイヤモンド被覆工具
　本開示は、ダイヤモンド被覆工具に関する。
　ダイヤモンドは硬度が非常に高く、その平滑面は極めて低い摩擦係数を有する。従って、従来より天然単結晶ダイヤモンドや人工ダイヤモンド粉末は、工具用途への応用がなされてきた。さらに１９８０年代に化学的気相合成（ＣＶＤ）法によるダイヤモンド薄膜の形成技術が確立されてからは、３次元形状の基材に対してダイヤモンド被膜を形成した切削工具や耐磨工具（以下、これらの工具を「ダイヤモンド被覆工具」とも記す。）が開発されてきた。
　国際公開第２０１８／１７４１３９号（特許文献１）には、超硬合金基体上にダイヤモンド皮膜を形成したダイヤモンド被覆超硬合金切削工具が開示されている。
国際公開第２０１８／１７４１３９号
　本開示のダイヤモンド被覆工具は、
　超硬合金からなる基材と、前記基材上に配置されたダイヤモンド層と、を備えるダイヤモンド被覆工具であって、
　前記ダイヤモンド層は、前記ダイヤモンド層の表面の法線に沿う断面を走査型電子顕微鏡で観察した場合、前記基材と前記ダイヤモンド層との界面Ｓ１と、前記界面Ｓ１から前記ダイヤモンド層の表面側への距離が５μｍである仮想面Ｑと、に囲まれる領域Ｒにおいて、平均空隙面積率が０％以上０．２％以下である、ダイヤモンド被覆工具である。
図１は、実施形態１に係るダイヤモンド被覆工具の代表的な構成例を説明する図である。 図２は、実施形態１に係るダイヤモンド被覆工具の断面の走査型電子顕微鏡像の一例である。 図３は、図２の走査型電子顕微鏡像に対して画像処理を行って得られた画像である。 図４は、実施形態１に係るダイヤモンド被覆工具の他の代表的な構成例を説明する図である。
　[本開示が解決しようとする課題]
　ダイヤモンド被覆工具は、航空機産業等で需要が増加している炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Ｃａｒｂｏｎ　Ｆｉｂｅｒ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｐｌａｓｔｉｃｓ）、非金属、ガラス、金型用高脆材である超硬合金、セラミックス等の難削材の加工用工具として、その需要が拡大している。
　近年、高能率加工の要求が厳しくなっており、上記の難削材の加工においても、高能率加工が求められている。
　そこで、本目的は、難削材の高能率加工においても、長い工具寿命を有することができるダイヤモンド被覆工具を提供することを目的とする。
　[本開示の効果]
　上記態様によれば、ダイヤモンド被覆工具は、難削材の高能率加工においても、長い工具寿命を有することができる。
　［本開示の実施形態の説明］
　最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
　（１）本開示のダイヤモンド被覆工具は、
　超硬合金からなる基材と、前記基材上に配置されたダイヤモンド層と、を備えるダイヤモンド被覆工具であって、
　前記ダイヤモンド層は、前記ダイヤモンド層の表面の法線に沿う断面を走査型電子顕微鏡で観察した場合、前記基材と前記ダイヤモンド層との界面Ｓ１と、前記界面Ｓ１から前記ダイヤモンド層の表面側への距離が５μｍである仮想面Ｑと、に囲まれる領域Ｒにおいて、平均空隙面積率が０％以上０．２％以下である、ダイヤモンド被覆工具である。
　上記態様によれば、ダイヤモンド被覆工具は、難削材の高能率加工においても、長い工具寿命を有することができる。
　（２）前記基材の前記界面Ｓ１側の表面のＩＳＯ２５１７８で規定される算術平均高さＳａは、０．５μｍ以上１．５μｍ以下であることが好ましい。これによると、ダイヤモンド層の耐剥離性が向上する。
　（３）前記基材は複数の結晶粒を含み、
　前記結晶粒の平均粒径は、１μｍ以下であることが好ましい。これによると、ダイヤモンド層の耐剥離性が向上する。
　（４）前記超硬合金はコバルトを含み、
　前記基材のコバルト含有率は、１０質量％以下であることが好ましい。これによると、ダイヤモンド層の耐剥離性が向上する。
　［本開示の実施形態の詳細］
　まず、本発明者等は、従来のダイヤモンド被覆工具を難削材の高能率加工に用いた場合に、工具に生じる不具合について検討した。その結果、ダイヤモンド層と基材との界面近傍に空隙が存在し、該空隙を起点として亀裂が生じ、その結果ダイヤモンド層が剥離して、工具寿命が短くなるというメカニズムを新たに知見した。
　本発明者等は、上記の新たな知見に基づき、ダイヤモンド層と基材との界面近傍の空隙量を低減することにより、工具寿命を長くすることができると仮定し、鋭意検討の結果、本開示のダイヤモンド被覆工具を得た。
　本開示のダイヤモンド被覆工具の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。本開示の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、必ずしも実際の寸法関係を表すものではない。
　本明細書において「Ａ～Ｂ」という形式の表記は、範囲の上限下限（すなわちＡ以上Ｂ以下）を意味し、Ａにおいて単位の記載がなく、Ｂにおいてのみ単位が記載されている場合、Ａの単位とＢの単位とは同じである。
　［実施形態１：ダイヤモンド被覆工具］
　実施形態１に係るダイヤモンド被覆工具について、図１を用いて説明する。図１に示されるように、ダイヤモンド被覆工具１０は、超硬合金からなる基材１と、該基材１上に配置されたダイヤモンド層２と、を備え、該ダイヤモンド層２は、該ダイヤモンド層２の表面の法線に沿う断面を走査型電子顕微鏡で観察した場合、該基材１と該ダイヤモンド層２との界面Ｓ１と、該界面Ｓ１から該ダイヤモンド層２の表面側への距離が５μｍである仮想面Ｑと、に囲まれる領域Ｒにおいて、平均空隙面積率（以下、「ダイヤモンド層の平均空隙面積率」とも記す。）が０％以上０．２％以下である。
　本開示のダイヤモンド被覆工具は、難削材の高能率加工においても、長い工具寿命を有することができる。この理由は明らかではないが、下記の通りと推察される。
　（ｉ）本開示のダイヤモンド被覆工具は、超硬合金からなる基材を含む。超硬合金からなる基材は、硬度と強度とのバランスに優れる。よって、該基材を用いたダイヤモンド被覆工具は、難削材の高能率加工においても、長い工具寿命を有することができる。
　（ｉｉ）本開示のダイヤモンド被覆工具のダイヤモンド層の平均空隙面積率は０％以上０．２％以下である。本明細書中、ダイヤモンド層の平均空隙面積率とは、ダイヤモンド層中の領域Ｒにおける、空隙の割合を示す指標である。平均空隙面積率が小さいほど、ダイヤモンド層中の空隙が少ないことを示す。平均空隙面積率の詳細については、後述の「平均空隙面積率の測定方法」の項目で説明する。
　切削加工時に切削抵抗によってダイヤモンド層に応力が加わった場合に、ダイヤモンド層中の空隙に応力が集中する。よって、ダイヤモンド層中の空隙は、亀裂の起点となりやすい。ダイヤモンド層に亀裂が生じると、ダイヤモンド層の剥離が生じやすい。
　本開示のダイヤモンド被覆工具では、ダイヤモンド層の平均空隙面積率が０％以上０．２％以下であるため、切削加工時に切削抵抗によってダイヤモンド層に応力が加わった場合であっても、応力が空隙に集中することによって発生する亀裂が生じにくい。よって、該ダイヤモンド被覆工具は、難削材の高能率加工においても、ダイヤモンド層が剥離しにくく、長い工具寿命を有することができる。
　ダイヤモンド被覆工具は、基材及びダイヤモンド層に加えて、他の任意の構成を含むことができる。ダイヤモンド層は、基材の全面を被覆することが好ましく、基材の少なくとも刃先部分を被覆することが好ましい。
　＜基材＞
　（組成）
　本開示のダイヤモンド被覆工具の基材は、超硬合金からなる。超硬合金としては、公知の超硬合金を用いることができる。該超硬合金としては、例えば、炭化タングステン（ＷＣ）基超硬合金、ＷＣ及びコバルト（Ｃｏ）を含む超硬合金、ＷＣにチタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、（ニオブ）Ｎｂ等の炭窒化物等を添加した超硬合金、ＷＣ及びＣｏに、タンタル（Ｔａ）、（ニオブ）Ｎｂ等の炭窒化物等を添加した超硬合金が挙げられる。なお、基材は、本開示の効果を奏する限り、超硬合金とともに不可避不純物を含むことができる。
　（コバルト含有率）
　超硬合金がコバルトを含む場合、基材のコバルト含有率は、１０質量％以下であることが好ましい。基材上にダイヤモンド層を形成する際には、通常、基材表面のエッチング処理が行われる。これにより、基材の表面粗さが増大することにより、基材とダイヤモンド層との密着力が向上する。エッチング処理では、例えば、過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）または塩酸（ＨＣｌ）、硝酸（ＨＮＯ３）等による酸溶液処理を行う。
　超硬合金がコバルトを含む場合、基材に対してエッチング処理が行われると、基材の処理面のコバルトが脱落する。コバルトの脱落が多いと、ダイヤモンド種結晶が基材表面に付着しにくくなり、ダイヤモンド層の平均空隙面積率が大きくなり、耐剥離性が低下する傾向がある。基材のコバルト含有率が１０質量％以下であると、ダイヤモンド層の平均空隙面積率が十分に低減されるため、ダイヤモンド層の耐剥離性が更に向上する。
　基材のコバルト含有率の上限は、１０質量％以下、９質量％以下、８質量％以下とすることができる。基材のコバルト含有率の下限は、０質量％以上、３質量％以上、４質量％以上、５質量％以上とすることができる。基材のコバルト含有率は、０質量％以上１０質量％以下、３質量％以上１０質量％以下、４質量％以上９質量％以下、５質量％以上８質量％以下とすることができる。
　基材のコバルト含有率の測定方法は下記の通りである。基材とダイヤモンド層との界面から、基材側へ５０μｍ以上１００００μｍ以下離れた領域の基材を任意の量で切り出す。切り出した基材を粉砕後、酸で溶解させ、ＪＩＳＫ　０１１６：２０１４に則り、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発光分析（測定装置：島津製作所製「ＩＣＰＳ－８１００」（商標））を行い、コバルト含有率を測定する。標準試料は任意の金属標準液を用いる。
　（算術平均高さＳａ）
　基材の界面Ｓ１側の表面のＩＳＯ２５１７８で規定される算術平均高さＳａ（以下、「基材の算術平均高さＳａ」とも記す。）は、０．５μｍ以上１．５μｍ以下であることが好ましい。ここで、ＩＳＯ２５１７８で規定される算術平均高さＳａとは、算術平均粗さＲａ（線の算術平均高さ）を面に拡張したパラメーターであり、表面の平均面に対して、各点の高さの差の絶対値の平均を表す。
　基材の算術平均高さＳａが０．５μｍ以上であると、ダイヤモンド種結晶の付着率が十分であり、核発生密度が増加し、平均空隙面積率が減少するため、ダイヤモンド層の耐剥離性が更に向上する。基材の算術平均高さＳａが１．５μｍ以下であると、ダイヤモンド種結晶から成長するダイヤモンドが界面方向に結合しやすく、平均空隙面積率が減少するため、ダイヤモンド層の耐剥離性が更に向上する。
　基材の算術平均高さＳａの下限は、０．５μｍ以上、０．６μｍ以上、０．７μｍ以上とすることができる。基材の算術平均高さＳａの上限は、１．５μｍ以下、１．４μｍ以下、１．３μｍ以下とすることができる。基材の算術平均高さＳａは、０．５μｍ以上１．５μｍ以下、０．６μｍ以上１．４μｍ以下、０．７μｍ以上１．３μｍ以下とすることができる。
　基材の算術平均高さＳａの測定方法は下記の通りである。ＪＩＳ　Ｚ　２２４５に定義されるロックウェル硬さ試験方法に則り、ダイヤモンド被覆工具のダイヤモンド層側表面に、ダイヤモンド圧子をスケールＣ　ＨＲＣの試験荷重１５０ｋｇｆにて押し込む。これにより、押し込まれた箇所及びその周辺のダイヤモンド層に歪みが生じ、この領域のダイヤモンド層が剥離し、基材のダイヤモンド層側の表面が露出する。基材の露出面について、レーザ顕微鏡（Ｌａｓｅｒｔｅｃｈ社製「ＯＰＴＥＬＩＣＳ　ＨＹＢＲＩＤ」（商標））を用いて、ＩＳＯ２５１７８－２：２０１２及びＩＳＯ２５１７８－３：２０１２に則り、その算術平均高さＳａを測定する。該方法により、基材のダイヤモンド層側の表面性状に影響を与えることなく、算術平均高さＳａを測定することができる。
　（結晶粒の平均粒径）
　基材は複数の結晶粒を含み、該結晶粒の平均粒径は、１μｍ以下であることが好ましい。結晶粒の平均粒径が１μｍ以下であると、ダイヤモンド種結晶から成長するダイヤモンドが界面方向に結合しやすく、平均空隙面積率が減少するため、ダイヤモンド層の耐剥離性が更に向上する。本明細書において、「平均粒径」とは、体積基準の粒度分布（体積分布）におけるメジアン径（ｄ５０）を意味する。
　結晶粒の平均粒径の上限は、１μｍ以下、０．９μｍ以下、０．８μｍ以下とすることができる。結晶粒の平均粒径の下限は、０．３μｍ以上、０．４μｍ以上、０．５μｍ以上とすることができる。結晶粒の平均粒径は、０．３μｍ以上１μｍ以下、０．４μｍ以上０．９μｍ以下、０．５μｍ以上０．８μｍ以下とすることができる。
　上記の結晶粒の平均粒径を算出するための各結晶粒の粒子径の測定方法は下記の通りである。まず、基材の断面を鏡面研磨し、研磨面の任意の領域（測定視野２μｍ×２μｍ）の反射電子像を、電子顕微鏡を用いて５０００倍の倍率で観察する。次に、この反射電子像において、結晶粒に外接する円の直径（すなわち外接円相当径）を測定し、該直径を結晶粒の粒径とする。
　（基材の厚さ）
　基材の厚さは特に限定されないが、例えば、５０μｍ以上５００００μｍ以下、１００μｍ以上２００００μｍ以下、１５０μｍ以上１００００μｍ以下とすることができる。
　本明細書において、「基材の厚さ」は下記の手順で測定される。ダイヤモンド被覆工具を、ダイヤモンド層の表面の法線に沿ってワイヤー放電加工機で切り出し、断面を露出させる。断面において、ダイヤモンド層の厚さをＳＥＭ（走査型電子顕微鏡、日本電子社製「ＪＥＭ－２１００Ｆ／Ｃｓ」（商標））を用いて観察することにより測定する。具体的には、断面サンプルの観察倍率を５０００倍とし、観察視野面積を１００μｍ２として、該観察視野内で基材の厚さを３箇所測定し、該３箇所の平均値を該観察視野における基材の厚さとする。５つの観察視野において測定を行い、該５つの観察視野における基材の厚さの平均値を「基材の厚さ」とする。
　＜ダイヤモンド層＞
　（平均空隙面積率）
　本開示のダイヤモンド被覆工具のダイヤモンド層は、該ダイヤモンド層の表面の法線に沿う断面を走査型電子顕微鏡で観察した場合、該基材と該ダイヤモンド層との界面Ｓ１と、該界面Ｓ１から該ダイヤモンド層の表面側への距離が５μｍである仮想面Ｑと、に囲まれる領域Ｒにおいて、平均空隙面積率が０％以上０．２％以下である。
　本開示のダイヤモンド被覆工具では、ダイヤモンド層の平均空隙面積率が０％以上０．２％以下であるため、切削加工時に切削抵抗によってダイヤモンド層に応力が加わった場合であっても、応力が空隙に集中することによって発生する亀裂が生じにくい。よって、該ダイヤモンド被覆工具は、難削材の高能率加工においても、ダイヤモンド層が剥離しにくく、長い工具寿命を有することができる。
　ダイヤモンド層の平均空隙面積率の上限は、０．２％以下、０．１９％以下、０．１８％以下とすることができる。ダイヤモンド層の平均空隙面積率の下限は、０％以上、０．０００１％以上、０．００１％以上とすることができる。ダイヤモンド層の平均空隙面積率は、０％以上０．２％以下、０％以上０．１９％以下、０％以上０．１８％以下、０．０００１％以上０．１８％以下、０．００１％以上０．１８％以下とすることができる。
　ダイヤモンド層の平均空隙面積率の測定方法は下記（１－１）～（１－６）の通りである。
　（１－１）ダイヤモンド被覆工具をダイヤモンド層の表面の法線に沿う方向で、刃先を通過するようにワイヤー放電加工機を用いて切り出す。露出した断面に対してクロスセクションポリッシャ（ＣＰ）加工を行う。
　（１－２）ダイヤモンド被覆工具のＣＰ加工面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡、日本電子社製「ＪＥＭ－２１００Ｆ／Ｃｓ」（商標））を用いて、２５μｍ×１５μｍの視野で撮像する。該視野（以下、「観察視野」とも記す。）は、基材とダイヤモンド層とが同時に撮像されるように設定する。本開示のダイヤモンド被覆工具の断面のＳＥＭ像の一例を図２に示す。
　（１－３）上記ＳＥＭ像を画像処理ソフト（三谷商事（株）社製「ＷｉｎＲＯＯＦ　２０１８」（商標））を用いて解析する。ＳＥＭ像上における基材とダイヤモンド層との２次電子又は反射電子のコントラスト差を利用し、基材とダイヤモンド層とを、二値化処理により区分して、二値化処理像を得る。図２の二値化処理像を図３に示す。
　（１－４）上記二値化処理像において、ダイヤモンド層内に周囲と異なるコントラストで示される領域が存在する場合、該領域を空隙と特定する。空隙は、周囲のダイヤモンド層よりも白色又は黒色のいずれで示されても良い。図３において、空隙は符号５で示される。
　（１－５）上記二値化処理像において、基材とダイヤモンド層との界面Ｓ１と、界面Ｓ１からダイヤモンド層の表面側への距離が５μｍである仮想面Ｑと、に囲まれる領域Ｒの面積に対する、空隙の面積率を算出する。
　図４に示されるように、ダイヤモンド層２２の厚さが５μｍ未満の場合は、上記領域Ｒの面積とは、観察視野中のダイヤモンド層２２全体の面積となる。
　（１－６）上記の空隙の面積率の算出を５箇所の観察視野で行い、これらの平均をダイヤモンド層の平均空隙面積率とする。
　出願人が測定した限りでは、同一の試料において測定する限りにおいては、ダイヤモンド層の平均空隙面積率の測定を、測定視野の選択個所を変更して複数回行っても、測定結果のばらつきはほとんどなく、任意に測定視野を設定しても恣意的にはならないことが確認された。
　（厚さ）
　本開示のダイヤモンド層の厚さの下限は、３μｍ以上、４μｍ以上、５μｍ以上とすることができる。本開示のダイヤモンド層の厚さの上限は、３５μｍ以下、３３μｍ以下、３０μｍ以下とすることができる。本開示のダイヤモンド層の厚さは、３μｍ以上３５μｍ以下、４μｍ以上３３μｍ以下、５μｍ以上３０μｍ以下とすることができる。
　本明細書において、「ダイヤモンド層の厚さ」は下記の手順で測定される。ダイヤモンド被覆工具を、ダイヤモンド層の表面の法線に沿ってワイヤー放電加工機で切り出し、断面を露出させる。断面において、ダイヤモンド層の厚さをＳＥＭ（走査型電子顕微鏡、日本電子社製「ＪＥＭ－２１００Ｆ／Ｃｓ」（商標））を用いて観察することにより測定する。具体的には、断面サンプルの観察倍率を５０００倍とし、観察視野面積を１００μｍ２として、該観察視野内でダイヤモンド層の厚さを３箇所測定し、該３箇所の平均値を該観察視野におけるダイヤモンド層の厚さとする。５つの観察視野において測定を行い、該５つの観察視野におけるダイヤモンド層の厚さの平均値を「ダイヤモンド層」の厚さとする。
　（用途）
　本実施形態に係るダイヤモンド被覆工具は、例えば、刃先交換型切削チップ、バイト、カッタ、ドリル、エンドミル等の切削工具、及び、ダイス、曲げダイ、絞りダイス、ボンディングツール等の耐磨工具として有用に用いることができる。
　上記では、被削材としてＣＦＲＰ等の難削材を用いて説明したが、被削材はこれに限定されない。被削材としては、例えば、アルミニウム合金、超硬合金、セラミックスが挙げられる。
　［実施形態２：ダイヤモンド被覆工具の製造方法］
　本開示のダイヤモンド被覆工具の製造方法は、特に限定されない。本開示のダイヤモンド被覆工具の製造方法は、例えば、基材を準備する工程（以下、「基材準備工程」とも記す。）と、該基材上にダイヤモンド層を化学気相成長法により形成してダイヤモンド被覆工具を得る工程（以下、「ダイヤモンド層形成工程」とも記す。）と、を備えることができる。
　（基材準備工程）
　基材としては、実施形態１に記載の基材を準備する。基材には、サンドブラスト処理やエッチング処理等の表面処理を施すことが好ましい。これにより、基材表面の酸化膜や汚染物質が除去される。更に、基材の表面粗さが増大することにより、基材とダイヤモンド層との密着力が向上する。
　サンドブラスト処理は、例えば、粒径３０μｍのＳｉＣを噴射圧力０．１５～０．３５ＭＰａにて基材へ投射することにより行うことができる。
　エッチング処理は、例えば、３０％硝酸による酸溶液処理及び水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）等によるアルカリ処理を行う。
　（ダイヤモンド層形成工程）
　次に、上記基材の表面に、ダイヤモンド種結晶を塗布して種付け処理を行う。この際、ダイヤモンド種結晶は０．０１g/Ｌ以上の濃度で水に分散させ、基材をこのダイヤモンド種結晶水溶液に漬け込む。
　ダイヤモンド種結晶の平均粒径は０．００５μｍ以上０．５μｍ以下が好ましい。これによると、ダイヤモンドの核発生密度が好適となり、ダイヤモンド層の平均空隙面積率が低下し、ダイヤモンド層の耐剥離性が向上する。ここで、「平均粒径」とは、体積基準の粒度分布（体積分布）におけるメジアン径（ｄ５０）を意味する。ダイヤモンド種結晶の平均粒径を算出するための各結晶粒の粒子径は、電界放出型走査電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ）により測定する。
　次に、基材のダイヤモンド種結晶が種付けされた側の表面上に、ダイヤモンド層をＣＶＤ法により形成してダイヤモンド被覆工具を得る。ＣＶＤ法は、従来公知のＣＶＤ法を用いることができる。例えば、マイクロ波プラズマＣＶＤ法、プラズマジェットＣＶＤ法、熱フィラメントＣＶＤ法等を用いることができる。
　例えば、熱フィラメントＣＶＤ装置内に基材を配置し、装置内にメタンガスと水素ガスとを体積基準で０．５：９９．５～１０：９０の混合割合で導入し、基板温度を７００℃以上９００℃以下に維持することにより、基材上にダイヤモンド層を形成することができる。
　＜付記１＞
　本開示のダイヤモンド被覆工具において、超硬合金はコバルトを含み、基材のコバルト含有率は０質量％以上１０質量％以下が好ましい。
　上記基材のコバルト含有率は、３質量％以上１０質量％以下が好ましい。
　上記基材のコバルト含有率は、４質量％以上９質量％以下が好ましい。
　上記基材のコバルト含有率は、５質量％以上８質量％以下が好ましい。
　＜付記２＞
　本開示のダイヤモンド被覆工具において、基材の界面Ｓ１側の表面のＩＳＯ２５１７８で規定される算術平均高さＳａは、０．６μｍ以上１．４μｍ以下が好ましい。
　上記算術平均高さＳａは、０．７μｍ以上１．３μｍ以下が好ましい。
　＜付記３＞
　本開示のダイヤモンド被覆工具において、基材は複数の結晶粒を含み、該結晶粒の平均粒径は、０．３μｍ以上１μｍ以下が好ましい。
　上記平均粒径は、０．４μｍ以上０．９μｍ以下が好ましい。
　上記平均粒径は、０．５μｍ以上０．８μｍ以下が好ましい。
　＜付記４＞
　本開示のダイヤモンド被覆工具において、ダイヤモンド層の平均空隙面積率は、０％以上０．１９％以下が好ましい。
　上記平均空隙面積率は、０％以上０．１８％以下が好ましい。
　上記平均空隙面積率は、０．０００１％以上０．１８％以下が好ましい。
　上記平均空隙面積率は、０．００１％以上０．１８％以下が好ましい。
　＜付記５＞
　本開示のダイヤモンド層の厚さは、３μｍ以上３５μｍ以下が好ましい。
　上記厚さは、４μｍ以上３３μｍ以下が好ましい。
　上記厚さは、５μｍ以上３０μｍ以下が好ましい。
　本実施の形態を実施例によりさらに具体的に説明する。ただし、これらの実施例により本実施の形態が限定されるものではない。
　［試料１～試料８］
　＜ダイヤモンド被覆工具の作製＞
　材質がＷＣ基超硬合金であり、形状がエンドミル（φ６ｍｍ、型番：ＳＳＤＣ４０６０）である基材を準備した。各基材のコバルト含有率、及び、各基材に含まれる結晶粒の平均粒径を、それぞれ表１の「基材」の「Ｃｏ含有率（質量％）」及び「平均粒径（μｍ）」欄に示す。例えば、試料１では、基材のＣｏ含有率は５質量％、基材に含まれる結晶粒の平均粒径は０．７μｍであった。
　上記基材に対して酸処理（溶液：３０％硝酸）を行い、基材表面をエッチング処理した。続いて、該基材表面に対してブラスト処理及びアルカリ処理を行い、基材表面に凹凸を形成した。
　続いて、基材の表面にダイヤモンド種結晶を塗布した後、基材をエタノール中で洗浄し、乾燥させて、種付け処理を行なった。各試料で用いられるダイヤモンド種結晶の平均粒径を、表１の「ダイヤモンド種結晶」の「平均粒径（μｍ）」欄に示す。例えば、試料１では、ダイヤモンド種結晶の平均粒径は０．１μｍであった。
　次に、上記種付け処理が行なわれた基材を公知の熱フィラメントＣＶＤ装置にセットした。
　各試料のダイヤモンド層は下記の条件で成膜した。基材温度が表１の「成膜条件」の「基材温度（℃）」欄に記載の温度になるよう、フィラメント電流を制御した。メタンと水素をメタン濃度が体積基準で表１の「成膜条件」の「メタン濃度（％）」欄に記載の濃度となるように流量を制御した。全ての試料において、成膜時の圧力は５００ｍＰａとした。ダイヤモンド層の厚さが１０μｍとなるまで成膜を行った。例えば、試料１では、基材温度は７５０℃、メタン濃度は１体積％であった。
　上記の工程により、各試料のダイヤモンド被覆工具を得た。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　＜評価＞
　（基材のコバルト含有率、基材の平均粒径、基材表面の算術平均高さＳａ、ダイヤモンド層の平均空隙面積率）
　各試料において、基材のコバルト含有率、基材の平均粒径、基材表面の算術平均高さＳａ、及び、ダイヤモンド層の平均空隙面積率を測定した。これらの測定方法は、実施形態１に記載されているためその説明は繰り返さない。
　各試料において、基材のコバルト含有率、及び、基材の平均粒径は、基材上にダイヤモンド層を形成する前の基材におけるコバルト含有率及び平均粒径を維持していることが確認された。
　各試料の基材表面の算術平均高さＳａ、及び、ダイヤモンド層の平均空隙面積率を、それぞれ表１の「基材」の「Ｓａ（μｍ）」及び「ダイヤモンド層」の「平均空隙面積率（％）」欄に示す。例えば、試料１では、基材表面の平均算術高さＳａは０．９μｍであり、ダイヤモンド層の平均空隙面積率は０．０９％であった。
　（切削試験）
　各試料のダイヤモンド被覆工具（エンドミル）を下記の条件で切断加工を行った。
　被削材：炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Ｃａｒｂｏｎ　Ｆｉｂｅｒ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｐｌａｓｔｉｃｓ）、サイズ：１５０ｍｍ×３００ｍｍ×６ｍｍ
　切削速度Ｖｃ：２００ｍ／ｍｉｎ
　送り量ｆ：０．３ｍｍ／ｒｅｖ
　軸方向切り込み量ａｐ：８ｍｍ
　横方向切り込み量ａｅ：６ｍｍ
　切削油：有り
　上記の切削試験において、刃先のダイヤモンド層が剥離又は摩耗することにより、基材が露出するまでの切削距離を測定した。切削距離が長いほど、工具寿命が長いことを示す。結果を表１の「切削試験」の「距離」欄に示す。
　＜評価＞
　試料１～試料４のダイヤモンド被覆工具は実施例に該当する。試料５～試料８の表面被覆ダイヤモンド被覆工具は比較例に該当する。試料１～試料４（実施例）は、試料５～試料８（比較例）に比べて、切削距離が長く、工具寿命が長いことが確認された。
　試料１～試料４では、ダイヤモンド層の平均空隙面積率が０％以上０．２％以下であるため、切削加工時に切削抵抗によってダイヤモンド層に応力が加わった場合であっても、応力が空隙に集中することによって発生する亀裂が生じにくいため、ダイヤモンド層が剥離しにくく、工具寿命が長いと推察される。
　試料５～試料８では、ダイヤモンド層の平均空隙面積率が０．２％超であるため、切削加工時に切削抵抗によってダイヤモンド層に応力が加わった場合に、応力が空隙に集中することにより、空隙を起点とする亀裂が生じ、ダイヤモンド層が剥離しやすく、工具寿命が短いと推察される。
　以上のように本開示の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせたり、様々に変形することも当初から予定している。
　今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態および実施例ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１　基材、２，２２　ダイヤモンド層、５　空隙、１０，２０　ダイヤモンド被覆工具、Ｓ１　界面Ｓ１、Ｑ　仮想面Ｑ、Ｒ　領域Ｒ

Claims (4)

  1. 　超硬合金からなる基材と、前記基材上に配置されたダイヤモンド層と、を備えるダイヤモンド被覆工具であって、
    　前記ダイヤモンド層は、前記ダイヤモンド層の表面の法線に沿う断面を走査型電子顕微鏡で観察した場合、前記基材と前記ダイヤモンド層との界面Ｓ１と、前記界面Ｓ１から前記ダイヤモンド層の表面側への距離が５μｍである仮想面Ｑと、に囲まれる領域Ｒにおいて、平均空隙面積率が０％以上０．２％以下である、ダイヤモンド被覆工具。
  2. 　前記基材の前記界面Ｓ１側の表面のＩＳＯ２５１７８で規定される算術平均高さＳａは、０．５μｍ以上１．５μｍ以下である、請求項１に記載のダイヤモンド被覆工具。
  3. 　前記基材は複数の結晶粒を含み、
    　前記結晶粒の平均粒径は、１μｍ以下である、請求項１又は請求項２に記載のダイヤモンド被覆工具。
  4. 　前記超硬合金はコバルトを含み、
    　前記基材のコバルト含有率は、１０質量％以下である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のダイヤモンド被覆工具。
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