JP2829310B2 - 気相合成ダイヤモンド工具の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は気相合成ダイヤモンド膜を装着した切削工具
ならびに耐摩耗工具などの工具の製造方法に関するもの
である。

［従来の技術］ 近年、ダイヤモンド工具として、気相合成法によるダ
イヤモンド膜を金属製又は超硬合金製基体上に析出させ
て、切削工具及び耐摩耗工具の用途に適用しようとする
新しい試みがある。しかし、この試みにより実用に耐え
得る工具を製造することに必ずしも成功していない。

すなわち、ダイヤモンド膜の厚さを厚くすればする程
それだけ基板との接着強度は低下する傾向にある。例え
ば、超硬合金上にダイヤモンドをコーティングした切削
用チップは、切削加工中にダイヤモンド膜がすぐに剥離
する欠点がある上、さらに、気相合成法によるダイヤモ
ンド膜の合成は鉄系金属上には析出し難いなど、基体の
種類によって大きく影響を及ぼされ、どのような基体上
にもダイヤモンドが析出するとは限らず、基体物質の種
類の選択に制約される欠点がある。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、全く新しい発想によりこれらの問題点を解
決して、気相合成法によるダイヤモンド膜を装着した工
具を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明者らは、上記ダイヤモンド膜と基体との接着力
並びに基体種類の制約などの問題点を解決するために、
ダイヤモンドが最も析出しやすい析出基板上に、ダイヤ
モンド膜を厚く成膜させ、物理的又は化学的方法によっ
て析出基板を除去した後、厚いダイヤモンド膜を所望の
基体上にロウ付けする間接的蒸着手法に想到して、本発
明を完成させた。

すなわち、本発明は、工具基体と同一表面形状を多数
個有する析出基体に、気相合成法により150〜5000μｍ
の厚さにダイヤモンド膜を析出させ、次いで、析出基体
を除去する工程とダイヤモンド膜をレーザにより工具基
体１個の表面毎に切断する工程を経て、そのダイヤモン
ド膜を工具基体上にロウ付けすることを特徴とする気相
合成ダイヤモンド工具の製造方法を提供するものであ
る。

本発明は、例えば、切削バイト、スローアウェイチッ
プ、ドリル、エンドミルなどの切削工具ならびに硬度と
耐摩耗性を必要とする工具類の製造方法の総てに適用す
ることができる。

本発明に用いる最初にダイヤモンド膜を析出させる析
出基板は、ダイヤモンドが析出しやすく、析出したダイ
ヤモンドを化学的又は物理的手法で剥離しやすいもので
あればどのようなものでも使用できる。また、工具基体
が複雑な形状の場合は、加工しやすいものが望ましい。

本発明において、このような析出基板として、例え
ば、シリコン、モリブデン、タングステンなどを好適に
使用することができる。

本発明における第一の特徴は、、ダイヤモンドが析出
しやすい析出基板を用いて、気相合成法によりダイヤモ
ンドを該基板の上に厚く析出させるところにあり、材質
が限定された工具基体の上に直接成膜する場合と異な
り、析出基板の上ではダイヤモンド膜を厚く成膜するこ
とが比較的容易である。

本発明に用いる析出基板上のダイヤモンド膜の気相合
成は、物理蒸着法及び化学蒸着法を使用することがで
き、化学蒸着（CVD）では、熱分解CVD、プラズマCVD、
イオンビームCVD、マイクロウェーブCVD法など公知のダ
イヤモンド気相成長法を採用することができる。

本発明に用いる工具基体は、強度的に工具としての使
用に堪える硬度及び強度を有し、ダイヤモンドをロウ付
けすることができるものであれば、どのような材質の工
具基体でも使用することができる。

従来より、工具又は工具の基体として使用されている
もの、例えば炭化タングステンなどの超硬合金基体、炭
素工具鋼、合金工具鋼、高速度工具鋼などの金属基体又
はアルミナ、ジルコニアなどの非金属ファインセラミッ
クよりなる基体などを使用することができる。

本発明の第二の特徴は、析出基体の表面をロウ付けす
べき工具表面と一致させて、ダイヤモンド析出後、析出
基体除去して得たダイヤモンド膜を所望の工具基体上に
かぶせ、ロウ付けすることにより、単なる蒸着による接
着と異なり、ダイヤモンド膜と工具基体とは強固に接着
することができる点にある。

本発明においてロウ付けに用いるロウ材は、融点700
〜1200℃程度のものが望ましく、ダイヤモンド膜と使用
する基体との良好な接着を行うものであれば特に制限は
ないが、通常、単結晶ダイヤモンドを接着するときに使
用されていたものは総て好適に使用することができる。

本発明においては、使用する工具基体の種類に応じ
て、ロウ材の種類を選択する必要がある。

本発明において金属製工具基体又は超鋼合金製工具基
体との間に使用するロウ材として、Ti−Cu−Ag系ロウ
材、Cu−Ni−Ti系ロウ材、Ag−Cu−Pd系ロウ材、Au−Ni
−Cr系ロウ材などを挙げることができる。

また、本発明において、ファインセラミック製工具基
体とダイヤモンド膜との接着に用いるロウ材としては、
Ti−Cu−Ag系ロウ材が接合強度の点から適している。

本発明の他の材質の工具基体を用いたときは、それに
対応して適宜ロウ材を選択して使用することができる。

本発明のロウ付けは、常法により溶融ロウ材を介在さ
せて、両者の面を押し付けて接着することにより行う。

本発明に用いる工具基体は、平板状のものに限定され
ない。本発明におけるダイヤモンドの気相合成法の特徴
は、どのような形の曲面であっても成膜によりその曲面
通りに膜を製造できる点にある。

従って、曲面又は角面を有する工具基体であってもこ
れを型にとり、この型に合わせて析出基板を形成して、
これに気相合成によりダイヤモンド膜を蒸着させれば、
曲面又は角面を有する工具基体にも適合するダイヤモン
ド膜を基体の上に接着することができる。

本発明製造方法において、厚さの大きいダイヤモンド
膜を工具１個毎に、ダイヤモンドの気相合成により製造
するのは、効率的でない。

そこで析出基体としては、１種又は２種以上の工具表
面を多数個有する析出基体の表面にダイヤモンド膜を析
出させ、析出基体を除去してから、又は除去する前に、
得られたダイヤモンド膜をレーザで切断して、工具１個
の表面の大きさのダイヤモンド膜を得てこれを工具にロ
ウ付けすることができる。通常用いられている100μｍ
以下の厚さのダイヤモンド膜では、ダイヤモンド膜が曲
がって破損するので、これらの加工処理を実施すること
はできない。

これらの剥離、切断及びロウ付け作業総てを行うため
には、ダイヤモンド膜は150〜5000μｍであることが必
要であり、150μｍ未満では作業中にダイヤモンド膜が
割れて作業が困難である。この観点からは、厚さが厚い
ほど有利であり、250μｍ以上にすると作業が非常に容
易になるので特に望ましい。

また、5000μｍ以上にすることはできるが、機能上及
び加工性の向上の効果が膜圧に比例して顕著でなく、ダ
イヤモンド膜の析出に時間がかかる割りに効率的でな
い。

［実施例］ 本発明を実施例により、さらに詳細に説明する。

実施例１ 厚さ1mmの寸法10×10mmのシリコン析出基板上に直流
プラズマCVD法により、圧力200Torr、温度800℃、メタ
ン濃度１％、時間25hrの条件で、ダイヤモンド膜を500
μｍの厚さに成膜した。

これを、レーザによって、切削工具の形状に合わせて
切断して、第１図の側面図で示すシリコン析出基体１と
ダイヤモンド膜２からなる構造体を製造し、次に第２図
に示すようにシリコン析出基板１を研磨加工によって除
去し、ダイヤモンド膜のみとした。

しかる後、第３図に示すようにダイヤモンド膜２を超
硬合金の切削チップ３上に直接、真空ロウ付けした。

ダイヤモンド膜２と工具基体３の接合は、Ti−Cu−Ag
系のロウ材（WESGO社製TICUSIL）を用い、10^-4〜10^-5To
rrで真空ロウ付けを、常法に従って行い、ロウ付け部４
により接合した。

ロウ付け後さらに刃付けを行うことによって第４図に
示すように気相合成ダイヤモンドスローアウェイチップ
を作製した。

この気相合成ダイヤモンドスローアウェイチップのバ
イトを装着した大隅株式会社製LS施盤を用いて、Al−22
％Si合金の切削試験を行った。

本実施例の切削条件は切削速度500m/min、送り0.05mm
/rev、切り込み0.3mmとした。その結果、この気相合成
ダイヤモンドチップの逃げ面摩耗は100分間の連続切削
後40μｍであり、焼結体ダイヤモンドチップと同等の性
能を示した。

実施例２ 厚さ1mm、寸法25×25mmのモリブデン製析出基板に、E
ACVD法により、圧力40Torr、温度850℃、メタン濃度１
％、時間1000hrの条件でダイヤモンドを1000μｍの厚さ
に成膜し、フッ硝酸によってモリブデン析出基板を除去
した。しかる後、高速度鋼バイト工具基体３の寸法に合
わせて、ダイヤモンド膜をレーザにより切断し、得られ
たダイヤモンド膜２を高速度鋼バイト工具基体３上に直
接、真空ロウ付けした。さらに刃付けを行うことによっ
て第５図に示すような気相合成ダイヤモンドバイトを作
製した。

この気相合成ダイヤモンドバイトにて、実施例１と同
様な条件でAl−22％Si合金の切削試験を行った結果、天
然ダイヤモンドバイトと同等の遜色のない切削性能が得
られた。

実施例３ ダイヤモンドの析出基体をタングステンとし、実施例
２と同様にダイヤモンドを500μｍの厚さに成膜し、タ
ングステン析出基体を研磨加工によって除去し、ダイヤ
モンド膜をダイス鋼製ブロックシュー上に直接、真空ロ
ウ付けし、第６図に示す耐摩耗工具を作製した。

実施例４ ダイヤモンドの析出基体をシリコンとし、実施例１と
同様にダイヤモンドを1500μｍの厚さに成膜し、シリコ
ン析出基体を研磨加工によって除去した。しかる後、ダ
イヤモンド膜をステンレス鋼製ボンディングツール上に
直接、真空ロウ付けし、第７図に示す気相合成ダイヤモ
ンドボンディングツールを作製した。

実施例５ ダイヤモンドの析出基体をモリブデンとし、実施例２
と同様にダイヤモンドを2000μｍの厚さに成膜し、モリ
ブデン析出基体をフッ硝酸によって除去した。しかる
後、ダイヤモンド膜をステンレス鋼製センタレスブレー
ド（250L−4W）に直接、ロウ付けした。第８図に示す気
相合成ダイヤモンドセンタレスブレードを作製した。

実施例６ ダイヤモンドピン工具基体の表面と同じ曲率の円筒曲
面を５個有する波型のモリブデン製析出基体を作成し
た。該析出基体の厚さは2mm、寸法は10×50mmであっ
た。

この析出基体の上に、EACVD法により、圧力40Torr、
温度850℃、メタン濃度１％、時間1000hrの条件でダイ
ヤモンドを1000μｍの厚さに成膜し、フッ硝酸によって
モリブデン析出基板を除去し、厚さ1000μｍの波型ダイ
ヤモンド膜を得た。

しかる後、ダイヤモンドピン工具基体の寸法に合わせ
て、ダイヤモンド膜をレーザにより切断し、円筒曲面を
有するダイヤモンド膜を得た。

これを該工具上に直接、真空ロウ付けし、第９図に示
すような気相合成ダイヤモンドピンを作製した。

［発明の効果］ 本発明によれば、バインダーを含有しない緻密なダイ
ヤモンド膜を工具基体の種類に制約されることなくしか
も基体と強固に接着することができるので、その効果は
顕著である。

気相合成により作製したダイヤモンド膜は緻密な多結
晶体であり、ダイヤモンド焼結体のようにCoなどのバイ
ンダーを含有しないので極めて高い耐摩耗性を有する一
方、単結晶ダイヤモンドのような異方性がないので、刃
付け加工などが容易で安定した性能を有する。

さらに、気相合成法ダイヤモンド膜は、形状に関係な
く蒸着することができるので、どのような形の工具も本
発明の製造法により作製できる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図及び第４図は本発明の実施例の
工具を製造する手順を示す工程説明図であり、第５図は
本発明の他の実施例の気相合成ダイヤモンドバイトの斜
視図であり、第６図は本発明の実施例に係る気相合成ダ
イヤモンドブロックシューの斜視図であり、第７図は本
発明の実施例に係る気相合成ダイヤモンドボンディング
ツールの斜視図であり、第８図は本発明の実施例に係る
気相合成ダイヤモンドセンタレスブレードの斜視図であ
り、第９図は本発明の実施例に係る気相合成ダイヤモン
ドピンの斜視図である。 図中の符号は、1;析出基体、2;ダイヤモンド膜、3;工具
基体、4;ロウ付け部である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23P 15/28 B23B 27/20 C30B 25/02 C30B 29/04

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】工具基体と同一表面形状を多数個有する析
   出基体に、気相合成法により150〜5000μｍの厚さにダ
   イヤモンド膜を析出させ、次いで、析出基体を除去する
   工程とダイヤモンド膜をレーザにより工具基体１個の表
   面毎に切断する工程を経て、そのダイヤモンド膜を工具
   基体上にロウ付けすることを特徴とする気相合成ダイヤ
   モンド工具の製造方法。