JPH01212767A - 高耐摩耗性多結晶ダイヤモンド工具及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は切削工具又は財摩工具寺として用つるに好適な
強度、耐浴庸性、耐熱性、耐摩耗性が著しく数置された
ダイヤモンド工具及びそのＪｊＡ造方法に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

ダイヤモンド微粉末を超高圧下で焼結してなるダイヤモ
ンド焼結体は、既に非鉄金Ｗ４ｍの切削加工用工具、ド
リルビットめるいは巌引ダイス等に広く使用されている
。

例えば特公昭５２−１２１２６号公報にはこの種の焼結
体の装法が開示されており、そこでにダイヤモンドの粉
末１Ｗｃ−Ｃｏ超硬合金の成型体まｆＣはｇ８結体に接
する工うに配置し、超硬合金の液相が生じる一度以上の
温度並びに起部圧下で焼結が行なわれる。このとき、超
硬合金中のＣｏの一部は、ダイヤモンド粉末層中に侵入
し、結合金属として作用する。この先行技術に開示され
た方法で作られたダイヤモンド焼結体は、約１０〜１５
体積−のＣｏを含有する。

上記した焼結体は、非鉄金属等の切削加工用工具として
は十分実用的な性能を有する。しかしながら、ｉｔ熱性
において劣るという欠点がおった。しＩＪえは、この焼
結体を７５０℃以上の温度に加熱すると、耐孝耗性及び
強度の低下が見られ、さらに９００℃以上の温度では焼
結体が破壊することになる。これは、ダイヤモンド粒子
と結合材でろるＣＯとの界面においてダイヤモンドの黒
鉛化が生じること、亜びに両者の加熱時における熱膨張
率の差に基づく熱応力によるものと考えられる。

また、Ｃｏ１Ｍ合材とし友焼鮎体を敵処理して大部分の
結合金属Ｉ−全除去したものでは、焼結体の耐熱性が向
上することが矧られている。例えば、符開昭５３−１１
４５８９号公報には、耐熱性の数置されたダイヤモンド
焼結体の製造方法が開示されている。しかしながら、こ
の先行技術では、除去された結合金属相の部分は空孔と
なる几め、耐熱性こそ向上するが、強度が低下するとい
う問題がめった。

他方、ダイヤモンドの粉末のみ全超高圧下で子自身が変
形し難いため、粒子の間隙には圧力が伝達されず、した
がって黒鉛化が生じ、ダイヤモンド−黒鉛の複合体しか
得られていない。

さらに、ダイヤモンドのみからなる多結晶体を薄膜とし
てコーティングした工具は昶られているが、この槌の工
具は膜厚が薄く、かつ基板とのｖｉＮ強度が不十分であ
るため、十分な性能が得られていない。

本発明者らは、これらの従来工具の問題点に検討を加え
て、上記の工具に比べて強度、耐摩耗性は劣ることなく
、シかもはるかに耐熱性の高い工具上寿ることができた
ので、「低圧気相法に工り合成されｆｃ実質的にダイヤ
モンドのみからなる多結晶ダイヤモンドが、融点７００
〜１５００℃の合金ろう材により金属および／または合
金からなる支持部材にろう付けされ友ものでおること’
に％徴とする硬質多結晶ダイヤモンド工具」として別途
出願している。

〔発明が解決しょうとする課題〕

本発明者らは、上記の別途出願し友硬質多結晶ダイヤモ
ンド工具のさらなる改良を目指して研究會深めｆｃ結果
、該工具は気相から析出させた多結晶ダイヤモンドを工
具素材とする次め、すくい面七仇出状憇のまま使用する
と、その表面の凹凸により、刃立ちが良好な工具を得る
ことにいささか雑魚のめることが判った〇これに対し、
すくいＵｋｉｋラッピングして表面状態を良好とするこ
とは可ｎヒであるが、この多結晶体は夷亘的にダイヤモ
ンドの与からなるため、従来の焼結ダイヤモンドの工う
には容易にラッピングはされ難い。

それゆえに本発明は強度、耐躊耗注、耐熱性に加えて、
刃立性の工い高耐摩耗性多結晶ダイヤモンド工具及びそ
の製造万ｆ：に提供することｔ目的とするものでるる。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の多結晶ダイヤモンド工具は、Ｍｉｌ記した別途
出願の峡部多結晶ダイヤモンド工具の持つ凌れた強度、
耐熱性を維持し、比収的各易な方法で刃ＸＬ性と耐摩耗
性をさらに向上させたものである。

すなわち本発明は低圧気相法にニジ合成された実質的に
ダイヤモンドのみからなる多結晶ダイヤモンドが、融点
７００〜１３００℃の合金ろう材により釡属および／′
！たは合金からなる支？４部材にろう付けされたもので
ろって、そのすくい面がＲｍａｘでα１μｍ以下の鏡面
状態であることを特徴とする高耐摩耗性多結晶ダイヤモ
ンド工具に関するものでおる。また本発明は該工具の製
法として、その表向をＲｍａｘで（１１５ｍ以下の虜面
に仕上けた金Ｍおよび／または合金からなる基板上に、
低圧気相伝によって実質的にダイヤモンドのみからなる
多結晶ダイヤモンドを析出させた後に、該ダイヤモンド
多結晶体の基板との接合面がすくい向側となる工うに、
咳ダイヤモンド多結晶体ｋｍ点７００−１５００℃の合
金ろう材により金網および／まｆｃは合金からなる支持
部材にろつ付けし、かつろう付けの前文は恢に該ダイヤ
モンド多結晶体から基板を除去することを特徴とする低
圧気相法に工り合成された実質的にダイヤモンドのみか
らなる多結晶ダイヤモンドが、−点７００−１３００℃
の合金ろう材にエフ金属および／まｆｃは合金からなる
支持部材にろう付けされたものであって、そのすくい面
がＲｍａｘ　’″ｒ：０．１μｍｒ：０．１４ｍ以下こ
と？特徴とする扁耐皐耗江多結晶ダイヤモンド工具の裂
遣方＠？］ｌ−提供するものである。

本発明においては多結晶ダイヤモンドの厚さがα１〜五
〇■でろり、合金ろう材厚さが（Ｌ１〜１００μｍでら
り、合金ろう材がＡｕ、Ａｇ。

Ｃｕ、ＴｉおよびＴａから選ばれる１棟以上を含有する
高温ろう付合金でるることが好ましめ。また支持部材が
鋼又は焼結炭化物合金であること、基板の材質がＭＯ，
Ｗ又は８１であることが好筐しい０ さらに本発明の製法において基板の除去は、該基板を塩
Ｌ＊、　順凱硝戚、フッ酸および／またはこれらの混合
液により化学処理して行なうことが好ましく、また、ろ
う打抜にこの化学処理を行う場合には、ろう材部および
支持部材ｔＫ化膜で仮積して浴解紫防止するＯとが好ま
しいＯ 〔作　用〕 以下に本発明の多結晶ダイヤモンド工具及びその装逍万
去全詳細に説明する。

本発明において、多結晶ダイヤモンドの合成は、ダイヤ
モンドが熱力学的に準安定な低圧条件下で気相から析出
させる方法による。この低圧気相法は１）化学蒸着法Ｃ
ＣＶＤ＠）％２）プラズマＣＶＤ法、３）イオンビーム
蒸着法に大別されるが、所望の方法を選択して実流する
ことができる。

これらの低圧気相法音用いて、基板上にα１〜五〇簡の
厚さの実質的にダイヤモンドのみからなる多結晶体を作
表する。ここで厚さをα１目以上とするのは、実際に切
削工具として使用した場合、工具寿命時の逃げ面摩耗幅
がα１ｗ以上となることが多いことによる。ま次五〇■
以下とするのは、−収約に使用される工具での厚さを示
すもので、特にこの値にその性能が左右ちれるために限
定されるものではない。さらに耐Ｊ！＃耗性を待に要求
する場合には、その厚さをα５１１！ｌ〜五〇■とすれ
ば工い０これは、多結晶体の厚さが厚くなれば放熱特性
が良好となり、工具便用時の刃先偏度の上昇が防止され
るためと考えられる。通常便用される多結晶体の厚さと
しては、１５〜１．０　Ｗ程度が一般的である。

この工程において、本発明では先願発明工具エフも刃立
性ならびに耐摩耗性ｔさらに向上することを可能とした
改良手段をとる。すなわ＆基板としてその表面全面粗度
Ｒｍｘで１１１μｍ以下の鏡面に仕上けた金属および／
または合金を用いて、その上にダイヤモンドを析出させ
るのである。

ここで得られ之多結晶体接合基板は、多結晶体の面が接
合面となる工うに、金属および／または合金たらなる支
持部材に合金ろう材を用いてろう付を行なう。しかる後
、この基＆ｋ例えば化学処理、機械的除去寺を施すこと
により除去し、次に必要とする工具形状に卵重すること
にエフ、ラッピングすることなく、すくい面がｈとで０
．１μｍ以下の鏡面である高耐岸耗注多鮎晶ダイヤモン
ド工具が容易に得られる。

本発明工具はすくい面が鏡面であることに工り、工具作
製時のチッピングが抑制されると共に、工具便用時には
切り粉の排出が円滑になり、俗層址が減少するため耐摩
耗性が向上する。

多結晶体を析出される基板の材負としては、多結晶体作
製中に生ずる内部応力の緩和を考慮して、その熱膨張率
がダイヤモンドのそれに近いものが好ｌしく、これに該
当するものとしてレリえばＭＯ，Ｗ、Ｓｉ　　等が挙げ
られる。これらはダイヤモンドペースト等全使用して容
易に鏡面研摩することが可能であり、かつ化学処理によ
り藺単に除去できるものである。

次にこの多結晶ダイヤモンド接合基板を、多結晶体音接
合面として支持部材にろう付けするが、融点が７００〜
１３００℃の合金ろう材を用いて、金属おＬび／または
合金からなる支持部材とｔ接合する。便用ろう材の融点
紫上記範囲に限定する理由は、７００℃未満の融点のろ
う材を用いると多結晶体と支持部材の接合強度が低くな
り、工具作製の際の刃付は作業工程や、工具便用時にろ
う材部分での剥離が生ずるため好ましくない。また、１
！１００℃を越える鍋融点ろう材の使用は、ろう何時で
の多結晶ダイヤモンドの黒鉛への変換が生じ、工具性能
の低下を招くため好ましくない。

従って、上記のろう付編度範囲内でなるべく接合強度の
尚いろり材を用いることが好ましく、これに該当する高
温ろう材としてハ、例えばＡｕ。

Ａｇ、、　Ｃｕ、　ＴｉおよびＴａから選ばれる１ａ［
以上ｔ−金含有るものが挙げられる。具体例は実施例に
示す。また、これ等のろう材を使用しても、ろう付部の
ろう材厚さｙｕ１〜１００μｍ１好１しくに５０μｍ程
度とすることが必要でろる。

（Ｌｌ　　μｍ未満ではろう付が不均一となりやすく、
−万１００μｔｎ′に越えるとろう何部の強度低下を招
くことになり好ましくない。ろう付の方法としては、非
酸化性雰囲気中での高周彼加熱或は真空中での加熱によ
る方法等で実施することが可能である。

支持部材としては通常焼入鋼が用いられるが、符に剛性
が要求される場合には焼結炭化物会金飼えばｗｅ会分会
　ＴｉＣ合金、　ＭＯＩＣ合金等を用いることができる
。また、これら以外の金楓および／′！たに合金を支持
部材とすることは勿論可能でおる。なお、支持部材の厚
さについては符に限定するところはないが、ろう何時の
熱応力を緩和するには、多結晶体と支持部材との熱＃張
率の差によって、これ等の浮石の虐切な比率紫遇定する
ことが重要である。例えば熱膨張率の値がダイヤモンド
のそれの５Ｓ６倍である調音支持部材に用いる場合には
、支持部材の厚さは多結晶体のそれ工りも薄くしないと
、剥離が生じやすい。

基板の除去に関しては、塩酸、硫酸、硝敗。

フッ叡および／ま之はこれらの酸の混合液ケ用いて化学
的に処理する方法が有効である。その除、ろう材部およ
び支持部材を溶離させない九めには、これらの部分全酸
化鉄で被覆する方法や、基板のみ音処理液中に浸す方法
全実施すれはよい。このような工程に工れば、従来の工
うな侵械加工によらず、容易にすくい面が鏡面仕上げδ
れた工具が得られる。

さらに、本発明の丁くい曲が腕面仕上は畑れた工Ａは多
結晶体接合基板をそのまま処理故に浸して基板を俗解し
た後に、得られた多結晶体の鏡面（基板と接合していた
面）がすくい而となるように丈長部材にろつ付けする方
法によっても得られる。

以上のように作表される本発明の多結晶ダイヤモンド工
具は１３００℃の加熱にも耐える著しく改嵜された耐熱
性を待つが、この理由としては、ダイヤモンドのみから
なり、熱劣化を促進させる結合相が存在しないことが考
えられる。

またこのことは、＠度の点からも従来の焼結ダイヤモン
ド単相優れるという特徴を付与している。また、すくい
面が説向仕上げでＲｍａｘがα１μｍ以下であるために
、前述した表面凹凸による不部会はもはや解消している
ので、以下の実施列で示すように８豆ち注は良好に改＠
され非常に耐皐耗注も向上するのでおる。

〔実施列〕

以下、実施列に基づき、本発明の詳細な説明する。

実施ガ１ ダイヤモンドペーストラ用いてＲｍａｘα０２μｍの鏡
面にＯＩ＋摩した８１ヲ基板として、マイクロ波プラズ
マＣＶＤ法に＝す、以下の条件で８時向でＣＬＢ■の厚
さの多結晶ダイヤモンドを合成した。

原料カス（流電）　：　Ｈ２２００ｃｃ／ｍｉｎ、　　
ＣＨ４４ｃｃ／ｍｉｎ、Ａｒ　１００ｃｃ／ｍｉｎ圧　
　　力　　　　　　：３００ｔＯｒｒマイクロ改発振機
出カニ　ａｏｏｗ 得られた多結晶ダイヤモンドは粒径３μｍ程反で、測尾
の結果、比Ｎは五５１を示し、またラマン分光分析によ
る同定ではダイヤモンド単相からなることが明らかとな
った。この央買的にダイヤモンドのみからなる多結晶体
が接合したＳｉ板’ｔ　Ｗｃ−ｃｏ合金製の支持体にＳ
ｉ板がすくい而となるように、Ａｇ−Ｔｉ合金ろつ材を
用いてＡ空中１０００℃で２０分間加熱してろう付け７
行なった。ろう材の厚さは５０μｍでめった。次にこの
工具素材のすくい面に位置するｓｉ板ｔフッ散で処理し
て＃尊除去した。得られたもののすくい面はＲｍａｘ表
示で（ＬＯ２μｍ”ｆ示した０ この工具の性能評価を行なうため、逃げ面上研摩加工し
て本発明の切削チップ（Ａ）　ｋ作製した。比較として
同上条件で低圧気相合成し之多結晶ダイヤモンドの上面
（Ｓｉ４板と徽していない１ｌｆｉ）をすくい面にした
切Ｍ１４テッグ（Ｂ八および市販の焼結ダイヤモンドで
そのすくい面がラッピングされた工具（Ｃ）ｔ−作表し
た０尚、工具（Ｂ）および（Ｃ）のすくい面の面粗度は
Ｒｍａｘ衣示で夫々α５μｍ、α０５　Ａｍ　′ｔ″め
った。

評価結果を表１に示す。尚、この評価は被剛材にグイッ
ヵース硬度２０００のアルミナ焼結体を用い、切６ｕ速
度：　３０　ｍ／　ｍｉｎ及び８０ｍ／Ｗｉｎ　、切シ
込み：［Ｌ２１１１１、送り：［ＬＯ２５ｍ／ｒｅｖ％
並びに切削長：４ＤＯｍ、湿式の条件で行なった。

表　　１ 工具Ｃは耐熱性に劣るため％両速切削では特に摩耗が大
きくなるが、本発明および先願発明の多結晶ダイヤモン
ド工具ＡおよびＢはＣに比べ強度、耐岸耗性、耐熱性の
いずれも向上しているため、切削速度に依存せず摩耗皺
がはるかに少ないものであることが明らかとなった。特
にすくい面の面状態が良好な本発明工具Ａは＃摩耗性が
さらに向上したものであることが判った。

実施ｆ＋ｌ１２ 芙施汐り１と同様の方法、条件にて多結晶ダイヤモンド
勿Ｒｍａｘ　０．０２μｍＶｃ鏡而仕上げ面たＭＯ基板
上に合成し、これを熱王水中に１時間浸すことに工す、
Ｍｏ基板を俗解除去して、厚さα８■の多結晶ダイヤモ
ンド体勿侍た。これを実施汐１ｊｉと同じ方法で同裡の
支ｖｆ部材にろう付けし、加工して切削テップを炸裂し
た恢、笑Ｎ例１と同じ条件で性１Ｉ１１．ｆ？価を行つ
友。その結果は表１に示したものと全く同じでろり、−
ｊｋ板の除去工８をろう付の前にするか後にするかの順
序による差異なく、潰れ友性能を有する工具が得られる
こと勿確認した。

実施例５ 実施例１と同様のマイクロ波プラズマＣＶＤ法により、
表２に示した条件で多結晶ダイヤモンド紫衣面を説面仕
上げした基板上に合成し、フッば又は熱王水で基板全除
去後、支持部材にろう付けを行って、すくい向が窮面の
切削チップ’ｋｆｌＥ製した（Ａ〜Ｇ）ｏ筐た比較とし
てＣ。

勿含有する市販の焼結ダイヤモンド（Ｈ−Ｊ）％超硬合
金に薄膜ダイヤモンドコーティングした工具（Ｋ、Ｌ）
も炸裂した。本発明による多結晶体（Ａ−Ｇ）はいずれ
もダイヤモンド単相からなり、グイツカース硬度１００
００〜１２０００ｋｇ／Ｗ”　’（ｒ示し、この特注は
ろう付は加熱後も変化が見られなかった。これらと、比
較材ＨＳＬのうち、ろう何温度が高く焼結体が劣化した
Ｈを除いた工具について切削性能を比較した〇次３にそ
の比収結朱？示す。尚、切削条？／４：は被削材にＡｔ
−２０％Ｓ　を用いて、切削速［：５００ｍ／ｍ１ｎ　
、　　切り込与二Ｑ、４）１１１．送り：α１　ｗ／ｒ
ｅｖ。

切削時間：３０ｍ１ｎ、乾式外周長手方向旋削に１９行
なった。

我　３ 従来の焼結ダイヤモンドはＭ札が大さく、ま友薄膜ダイ
ヤモンドコーティング工具はコーテイング膜の密層強度
が弱いため剥離が生じたのに対し、本発明による工具は
欠損、剥離等が生ずることなく、極めて高い耐摩耗特注
を有することが判明した。

また、本発明による工具では、従来の焼結ダイヤモンド
工具に比べて、被剛材の浴着が少ない様子が観察された
。

〔発明の効果〕

上述の如く、本発明の高耐摩耗性多結晶ダイヤモンド工
具は、低圧気相法により合Ｊ！ｙ、嘔れた結合相がなく
実質的にダイヤモンドのみからなる多結晶ダイヤモンド
が、融点７００〜１３００℃の合金ろう材により金属お
よび／または合金からなる支持部材にろう付されたもの
であって、切削工具、掘削工具、ドレッサー寺の各棟工
具に好適な強度、耐熱性に潰れさらにそのすくい而が鏡
面仕上げでるるため刃豆注が改善され、非常に尚い耐摩
耗性を有する工具であり、特に、従来の１１８Ｍダイヤ
モンドと異なり、強度を低下させることなく、耐熱法が
大幅に改善されているので、工具材としての迩用範１ａ
ｌ−飛隋的に拡大できるものでるる。

また本発明の製法は、基板表面勿鏡面仕上げしておくと
いう簡単な手段と、ダイヤモンド多結晶体と支持部材の
ろう付の前恢に基板’ｔ［処理等で除去するという手段
の組合せで、困難なラッピング処理を要せずにダイヤモ
ンド多結晶体の一端面全鏡面状態にでき、これをすくい
面とすることで、上記の本発明工具會実机でさる有利な
方法でろる。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）低圧気相法により合成された実質的にダイヤモン
   ドのみからなる多結晶ダイヤモンドが、融点７００〜１
   ３００℃の合金ろう材により金属および／または合金か
   らなる支持部材にろう付けされたものであつて、そのす
   くい面がＲｍａｘで０．１μｍ以下の鏡面状態であるこ
   とを特徴とする高耐摩耗性多結晶ダイヤモンド工具。
2. （２）多結晶ダイヤモンドの厚さが０．１〜３．０ｍｍ
   であることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載
   の高耐摩耗性多結晶ダイヤモンド工具。
3. （３）合金ろう材厚さが０．１〜１００μｍであること
   を特徴とする特許請求の範囲第（１）項又は第（２）項
   記載の高耐摩耗性多結晶ダイヤモンド工具。
4. （４）合金ろう材がＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、ＴｉおよびＴａ
   から選ばれる１種以上を含有する高温ろう付合金である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項ないし第（
   ３）項のいずれかに記載の高耐摩耗性多結晶ダイヤモン
   ド工具。
5. （５）支持部材が鋼又は焼結炭化物合金であることを特
   徴とする特許請求の範囲第（１）項ないし第（４）項の
   いずれかに記載の高耐摩耗性多結晶ダイヤモンド工具。
6. （６）その表面をＲｍａｘで０．１μｍ以下の鏡面に仕
   上げた金属および／または合金からなる基板上に、低圧
   気相法によつて実質的にダイヤモンドのみからなる多結
   晶ダイヤモンドを析出させた後に、該ダイヤモンド多結
   晶体の基板との接合面がすくい面側となるように、該ダ
   イヤモンド多結晶体を融点７００〜１３００℃の合金ろ
   う材により金属および／または合金からなる支持部材に
   ろう付けし、かつろう付けの前又は後に該ダイヤモンド
   多結晶体から基板を除去することを特徴とする低圧気相
   法により合成された実質的にダイヤモンドのみからなる
   多結晶ダイヤモンドが、融点７００〜１３００℃の合金
   ろう材により金属および／または合金からなる支持部材
   にろう付けされたものであつて、そのすくい面がＲｍａ
   ｘで０．１μｍ以下の鏡面状態であることを特徴とする
   高耐摩耗性多結晶ダイヤモンド工具の製造方法。
7. （７）基板の材質がＭｏ、Ｗ又はＳｉであることを特徴
   とする特許請求の範囲第（６）項記載の高耐摩耗性多結
   晶ダイヤモンド工具の製造方法。
8. （８）基板を塩酸、硫酸、硝酸、フッ酸および／または
   これらの混合液により化学処理して除去することを特徴
   とするを特許請求の範囲第（６）項または第（７）項に
   記載の高耐摩耗性多結晶ダイヤモンド工具の製造方法。
9. （９）ろう付け後に基板を除去する化学処理に際し、ろ
   う材部および支持部材を酸化膜で被覆して溶解を防止す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第（６）項ないし第
   （８）項のいずれかに記載の高耐摩耗性多結晶ダイヤモ
   ンド工具の製造方法。
10. （１０）合金ろう材がＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、ＴｉおよびＴ
    ａから選ばれる１種以上を含有する高温ろう付材である
    ことを特徴とする特許請求の範囲第（６）項ないし第（
    ９）項のいずれかに記載の高耐摩耗性多結晶ダイヤモン
    ド工具の製造方法。
11. （１１）支持部材が鋼又は焼結炭化物合金であることを
    特徴とする特許請求の範囲第（６）項ないし第（１０）
    項のいずれかに記載の高耐摩耗性多結晶ダイヤモンド工
    具の製造方法。