JPH04223807A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、切削工具や耐摩工具等
として好適な、強度、耐摩耗性、耐欠損性、耐溶着性、
耐熱性が著しく改善された工具用多結晶ダイヤモンド、
及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】工具用ダイヤモンドは、従来焼結によっ
て作られた。ダイヤモンド微粉末を型に入れ高温高圧下
で焼結するものである。焼結ダイヤモンドを用いた工具
は非鉄金属の切削工具、ドリルビット、線引きダイス等
に使用されている。例えば、特公昭５２−１２１２６号
公報には、ダイヤモンド粉末をＷＣ−Ｃｏ系超硬合金の
粉末成形体に接触させた状態で焼結し、Ｃｏの一部をダ
イヤモンド粉末中に結合金属として侵入させることによ
って、約１０〜１５体積％のＣｏを有するダイヤモンド
焼結体が開示されている。

【０００３】このダイヤモンド焼結体は、非鉄金属の切
削工具として実用的性能を有する。しかしこれは耐熱性
に難点があった。例えば７００℃以上に加熱すると耐摩
耗性や強度が低下する。さらに９００℃以上の温度では
焼結体が破壊されてしまう。このような耐熱性低下の原
因は次のように考えられる。ひとつは結合材であるＣｏ
とダイヤモンド粒子の界面でダイヤモンドが黒鉛化する
ということである。もうひとつはＣｏとダイヤモンドの
熱膨脹率が違うので高温になると両者の界面に強い熱応
力が発生するためである。

【０００４】このようなダイヤモンド焼結体の耐熱性を
改善するために、特開昭５３−１１４５８９は焼結体を
酸処理して、結合金属であるＣｏを除去することを提案
している。こうすればＣｏとダイヤモンドの界面という
ものが存在しないので、黒鉛化、熱応力の問題がなくな
る筈である。しかしこの方法では、Ｃｏが除去された後
が空孔となってしまう。耐熱性は向上するが、機械的強
度は低下するという難点があった。焼結法にはこのよう
な難点があり強度、耐熱性ともに優れたものを作ること
が難しい。

【０００５】最近では気相からダイヤモンドを化学的に
合成することが可能になってきた。化学的気相堆積法（
ＣＶＤ法）または単に気相合成法という。約５体積％以
下の炭化水素ガスを、水素ガスによって希釈し数十Ｔｏ
ｒｒの減圧下においてダイヤモンドを基材の上に析出さ
せるものである。原料ガスをどのように分解し励起する
かについて様々な方法が提案されていていくつものＣＶ
Ｄ法がある。加熱したり、電子、プラズマで励起したり
する。

【０００６】特開昭５８−９１１００号公報には原料ガ
スを１０００℃以上に加熱した熱電子放射材によって予
備加熱し、加熱された基材表面に原料ガスを導き炭化水
素を熱分解させ、基材上にダイヤモンドを析出させる方
法が提案されている。特開昭５８−１１０４９号公報は
水素ガスをマイクロ波プラズマＣＶＤ法無電極放電中を
通過させた後、炭化水素ガスと混合し基材上にダイヤモ
ンドを析出させる方法を提案している。

【０００７】特開昭５９−３０３９８号公報には水素ガ
スと不活性ガスとの混合ガスにマイクロ波を導入してプ
ラズマを発生させ炭化水素をプラズマによって分解し、
３００℃〜１３００℃に加熱された基材にダイヤモンド
を析出させる方法が開示されている。このようにＣＶＤ
法によってダイヤモンド膜を合成する方法はいくつもあ
る。合成したダイヤモンド膜をどのように使うかという
と、二つの方法がある。

【０００８】ひとつは基材から剥離してダイヤモンドの
単体とするものである。これは改めて適当な工具に取り
付けられる。もうひとつは工具の刃先を基材としてこれ
にダイヤモンドを被覆するものである。特開平１−１５
３２２８、特開平１−２１０２０１は、気相合成法でダ
イヤモンドを析出させた後、基材をエッチング除去しダ
イヤモンド単体とする。これを別体の工具主体の先に設
置固定することにより工具とする。しかしこれも耐欠損
性、耐摩耗性が不十分であってダイヤモンド本来の性能
を発揮できていない。ＣＶＤ法で工具の先を多結晶ダイ
ヤモンドでコ−テイングした工具も提供されている。工
具または工具の一部を基材としてＣＶＤ方法でダイヤモ
ンドを成長させるのである。刃先はダイヤモンドである
ので強度も十分な筈である。しかしダイヤモンドの膜厚
が薄く、ダイヤモンドと基材との密着強度も不十分であ
って工具として十分な性能が得られていない。基材とダ
イヤモンドは異質であるから密着強度を高めることは難
しい。

【０００９】特開平２−２２４７１号公報は、組成に工
夫を加えたダイヤモンド膜を超硬合金にコ−テイングし
て密着強度を高めようとしている。しかしこれとて被切
削材の面粗度によっては切削性が悪い。さらに難削材（
例えば１７％Ａｌ−Ｓｉ合金、２５％Ａｌ−Ｓｉ合金）
を被切削材とする場合の切削特性が不十分である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】すなわち、本発明に係
る従来の事情に鑑み、強度、耐欠損性、耐溶着性、耐熱
性及び耐摩耗性を改善し、特に難削材に対し、耐欠損性
と耐摩耗性に優れた工具用多結晶ダイヤモンドを提供す
ることを目的とする。従来のダイヤモンド膜は気相合成
で作製したものであっても、膜質が厚み方向で大きく変
わるものではなく、均一な膜質構造をとるものであった
。従来の均一な膜質構造であるダイヤモンド工具では、
ダイヤモンドの全体にわたって劣等なダイヤモンドであ
るものは耐摩耗性、強度が低い、反対に全体が良質のダ
イヤモンドで構成されたものは耐欠損性が悪いという難
点がある。結局均一な膜質のダイヤモンドでは上記の条
件を満足するものはできないということに本発明者は気
付いた。

【００１１】

【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、工具母材と多結晶ダイヤモンドとからなり
、工具刃先の母材面に多結晶ダイヤモンドの母材設置固
定面を当接して固定し、ダイヤモンドを刃先とする構造
の工具であって、ダイヤモンドの厚さが４０μｍ以上で
あり、ダイヤモンドの厚み方向に膜質が変化しており、
刃先すくい面側のダイヤモンドの膜質が母材設置固定面
側のダイヤモンドの膜質よりも良好であるようにしてい
る。つまり母材設置固定面側がより劣等で、すくい面側
がより優良な膜質になっている。この母材設置固定面側
のより劣等なダイヤモンドは欠陥が多く弾性率が低いの
で靱性に富み、、刃先すくい面にかかる応力を緩和し刃
先の耐欠損性を向上させる。すくい面側は高品質のダイ
ヤモンドであるので強度、耐熱性、耐溶着性に優れる。 両面のダイヤモンドがお互いに長所を生かしあって優れ
た工具となる。このようなすくい面、母材設置固定面の
性質の相補性が本発明の特徴である。

【００１２】ここでいうダイヤモンドとは純粋なダイヤ
モンド成分の他に非ダイヤモンド成分をも含む。気相合
成で析出させるダイヤモンドであるため、合成条件によ
っては結晶質のダイヤモンドの他に、非ダイヤモンド成
分（非晶質炭素成分、グラファイトなどのダイヤモンド
構造を持たない結晶質炭素成分）が結晶質のダイヤモン
ドの析出と同時に析出するからである。そして、良質な
ダイヤモンド膜とはこれらの非ダイヤモンド成分の析出
が極力抑えられたダイヤモンドの事である。また、ダイ
ヤモンド結晶自体についても歪み、欠陥等が少ない高結
晶性のものをいう。これに対して、悪質なダイヤモンド
膜とは全く逆のものであり、非ダイヤモンド成分の含有
量が多く、低結晶性で欠陥の多いのものをいう。本発明
は、従来のもののように膜質が一定なのではなく、ダイ
ヤモンドの膜質を厚み方向に変化させる。ダイヤモンド
の工具母材に設置する面は悪質なダイヤモンド膜とし、
反対側の実際に被削面を切削するすくい面は良質なダイ
ヤモンド膜質構造とするのである。

【００１３】この場合ダイヤモンドの品質を評価するた
めの特性量が必要である。これについては２つの特性量
がある。 ■欠陥密度 ■非ダイヤモンド成分濃度である。非ダイヤモンド成分
というのは、非晶質炭素成分、グラファイトなどを意味
する。欠陥というのはダイヤモンド構造における結晶欠
陥のことである。両者は勿論異なる物理量であるが、互
いに相関関係がある。前述の条件はダイヤモンドの両面
のみの膜質によって本発明を定義しているが、より厚み
を持たせて両方の表面から一定深さの部分領域における
膜質、つまり非ダイヤモンド成分濃度、欠陥密度の大小
によっても定義できる。厚み方向に膜質の異なるダイヤ
モンド膜を作成するには、最も簡単には、通常気相合成
で用いる水素ガス（Ａ）中の炭素原子含有ガス（Ｂ）の
モル分率Ｑ＝（Ｂ）／（Ａ）を合成中に変化させればよ
い。Ｑを増やすと膜質が低下してゆく。また酸素の含有
率を下げていっても膜質が低下する。窒素を増やしてゆ
くことにより膜質を低下させることもできる。

【００１４】

【作用】第１図に多結晶ダイヤモンド工具の概略図の一
例を示す。超硬合金の母材１の一隅に多結晶ダイヤモン
ド膜２が鑞付け層３によって固定設置してある。多結晶
ダイヤモンド膜２の外部に現れた方の面がすくい面４で
、母材に固定してある方が母材設置固定面５である。 本発明においては、厚み方向にダイヤモンドの膜質が異
なる。母材設置固定面の方がダイヤモンド膜質がより悪
く、すくい面側ダイヤモンドの膜質がより良い。すくい
面側のダイヤモンドは非ダイヤモンド成分の含有量を極
力抑え、母材設置固定面側はすくい面側に対して非ダイ
ヤモンド成分の含有量を増加させる。もしくは、すくい
面側のダイヤモンドの欠陥密度を極力抑え、母材設置固
定面側はすくい面側に対してダイヤモンドの欠陥密度を
増加させてやる。

【００１５】非ダイヤモンド成分の含有量が多ければ、
ダイヤモンドの欠陥密度は通常増加する。しかし非ダイ
ヤモンド成分の含有量が同程度でもダイヤモンド膜中の
欠陥密度が異なるダイヤモンド膜は存在する。このため
ダイヤモンドの膜質の定義としては上記のとおり非ダイ
ヤモンドと欠陥密度による２通りの方法がある。すくい
面４側は低非ダイヤモンド低欠陥高品質膜であり、母材
設置固定面５側はそれより非ダイヤモンド成分もしくは
欠陥密度が大きい低品質膜である。母材設置固定面は欠
陥密度が高く非ダイヤモンド成分が高いので剛性が低く
弾力性に富むようになる。これにより、すくい面４側に
かかる応力を緩和する事が可能となる。つまり、母材設
置固定面側が応力緩和層として機能する。上記に示す膜
質構造では、膜の剛性が母材設置固定面側では低く、す
くい面側の剛性を低下させる事なく、膜全体の靱性（Ｔ
ＯＵＧＨＮＥＳＳ、ねばさ）を向上させる事が可能とな
るわけである。すくい面のほうは剛性が高いので耐摩耗
性が十分に高い。このため、ダイヤモンドの優れた耐摩
耗性を損なう事なく、耐欠損性を向上させる事ができる
。

【００１６】より厳密に規定するため、すくい面４をｚ
＝０とし、面に直角方向にｚ軸を取る。面に平行な方向
にｘ、ｙ軸を取る。点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）での非ダイヤモン
ド成分濃度ををＷ（ｘ，ｙ，ｚ）、欠陥密度をＤ（ｘ，
ｙ，ｚ）で表現する。ダイヤモンドの膜厚をＴとすると
、ｚ＝Ｔが母材設置固定面にあたる。第１の定義は　　
　　　　　　Ｇ０　＝∫Ｗ（ｘ，ｙ，０）ｄｘｄｙ／Ｓ
　　　　　　　　　　　　　　　　（１）　　　　　　
　　Ｈ０　＝∫Ｗ（ｘ，ｙ，Ｔ）ｄｘｄｙ／Ｓ　　　　
　　　　　　　　　　　　（２）　　　　　　　　Ｓ　
　＝∫ｄｘｄｙ　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　（３）として（
Ｇ０　はすくい面での非ダイヤモンド濃度、Ｈ０　は母
材設置固定面での非ダイヤモンド濃度、Ｓはダイヤモン
ド面積）、 　　　　　　　　Ｔ＞４０μｍ　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　（４）　　　　　　　　Ｇ０　＜Ｈ０　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　（５）というように表現
できる。

【００１７】第２の定義は、 　　　　　　　　Ｕ０　＝∫Ｄ（ｘ，ｙ，０）ｄｘｄｙ
／Ｓ　　　　　　　　　　　　　　　　（６）　　　　
　　　　Ｖ０　＝∫Ｄ（ｘ，ｙ，Ｔ）ｄｘｄｙ／Ｓ　　
　　　　　　　　　　　　　　（７）　　　　　　　　
Ｓ　　＝∫ｄｘｄｙ　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（８）とし
て（Ｕ０　はすくい面での欠陥密度、Ｖ０　は母材設置
固定面での欠陥密度） 　　　　　　　　　　Ｔ＞４０μｍ　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　（９）　　　　　　　　Ｕ０　＜Ｖ０　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　（１０）というように表現で
きる。

【００１８】ただし両側の表面に限らず，両側の表面近
くでこの式が成り立てばよく、この場合はすくい面側の
Ｗ（ｘ，ｙ，０）やＤ（ｘ，ｙ，０）をε（Ｔ／２＞ε
＞０）によりＷ（ｘ，ｙ，ε）やＤ（ｘ，ｙ，ε）に置
き換え、母材設置固定面側のＷ（ｘ，ｙ，Ｔ）やＤ（ｘ
，ｙ，Ｔ）をＷ（ｘ，ｙ，Ｔ−ε）やＤ（ｘ，ｙ，Ｔ−
ε）に置き換えることもできる。そして（５）や（１０
）の代わりに、 　　　　　　　　Ｇε＜Ｈε　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　（１１）　　　　　　　　Ｕε＜Ｖε　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　（１２）というように本
発明の内容を記述できる。

【００１９】ダイヤモンドの膜厚Ｔが４０μｍ以上であ
る理由は、ひとつはそれ以下であると強度が低下して破
損しやすくなるためである。いまひとつの理由は、切削
工具としたときの寿命時の逃げ面摩耗幅が４０μｍ以上
となる場合が多いためである。さらに高度の耐摩耗性を
要求する場合には、膜厚Ｔを０．０７ｍｍ〜３．０ｍｍ
にすることが望ましい。コスト的に問題が生じなければ
３ｍｍ以上にすることも考えられる。ダイヤモンドは熱
伝導率が最も良く、膜厚を大きくすると放熱特性が良好
になる。すると刃先温度の上昇が抑えられるので摩耗し
にくくなるのである。

【００２０】本発明で最も特徴的なのはＧ０　＜Ｈ０　
またはＵ０　＜Ｖ０　という関係にある。もしもＧ０　
≧Ｈ０　またはＵ０　≧Ｖ０　であれば母材設置固定面
側は応力緩和層とならず靱性が乏しくダイヤモンド膜に
クラックが入りやすく、脱離の惧れもあるし、耐摩耗性
も劣りやすい。

【００２１】すると非ダイヤモンドや欠陥密度をどのよ
うにして測定するのかということが問題になる。ダイヤ
モンド膜中の非ダイヤモンド成分（非晶質炭素、炭素、
グラファイトなどのダイヤモンド構造を持たない炭素成
分）の含有状態はＸ線回折等では測定できず、ラマン散
乱分光測定が最も適している。ラマン散乱は一言で言う
と、光波が物質中で非弾性散乱を受けその際励起された
フォノンと光波との相互作用により、入射光とは波長の
異なった光が放出される現象（非弾性散乱光、ラマン散
乱光）である。フォノン以外にもプラズモン、マグノン
などもラマン散乱に寄与する。また媒質が液体や気体で
ある場合にはフォノンではなく分子振動と光波との相互
作用によりラマン散乱が生じる。

【００２２】通常ラマンスペクトルの測定には、大別し
て励起レーザ光源、試料光学系、分光系及び検知、計測
系が必要である。励起レーザ光源には通常アルゴンレー
ザの４８８ｎｍ、５１４ｎｍを用いる。そして、このレ
ーザ光を試料、今回の場合は工具刃先に固定設置されて
いるダイヤモンド膜に照射し、発生したラマン散乱光を
分光した後、マルチチャンネル検出器などに導入する。 また、通常の後方散乱法に対し、照射するレーザ光を光
学顕微鏡による光学系を通過させてレーザ光を数十μｍ
以下に絞り微小部のラマン分光スペクトルを測定する顕
微ラマン測定法もある。

【００２３】今回測定を行う工具刃先のダイヤモンドも
すくい面側刃先は刃先面に垂直にレーザ光を照射する場
合には前者の測定法でも可能であるが、ダイヤモンド刃
先の厚み方向、すくい面側から母材設置固定面にかけて
のラマン分光測定を行う場合には、レーザ光を数十μｍ
以下に絞れる後者の顕微ラマン測定法の方が微小分析に
適している。但し、レーザ光が集中するため、局所的に
温度が上昇しやすいので十分に注意する必要がある。試
料の膜質の変化やラマンピークのシフト位置の変化など
を引き起こす可能性があるからである。厳密には、ヘリ
ウム等のガスを試料に吹き付けたりラマンスペクトルの
プロファイルが対称であることを確認したり、レーザ光
の出力を変化させて温度上昇によるものかどうかを確認
すればよい。また、分光系の光軸系やスリット幅などの
調整も分解能を上げるため十分調整する必要がある。

【００２４】ダイヤモンドのラマンスペクトルは１次の
ラマン線は３重に縮退した１３３２．５ｃｍ−１に現れ
る１本のみであり、２次のラマン線は１次の５００分の
１以下の非常に弱いものである。このため、ダイヤモン
ド自体の評価には、この１次のラマン線に注意して評価
を行えばよい。ラマン散乱によるピ−クによってダイヤ
モンド膜質を評価するといっても２つの方法がある。ひ
とつはダイヤモンドに対応するピ−クの半値幅によって
、もうひとつはピ−ク自体の高さによって評価するもの
である。本発明で欠陥密度を測定するために用いるダイ
ヤモンドラマンスペクトルの半値幅とはこの１３３２．
５ｃｍ−１付近に現れるピ−クについてのものである。

【００２５】通常、ダイヤモンド中に欠陥やストレス等
が入り、ダイヤモンド構造に乱れがが生じたりすると、
この半値幅が広がり、逆に高結晶性であると半値幅が狭
くなることが知られている。後に述べる非ダイヤモンド
成分等の析出が多く存在する場合等には顕著な広がりを
示す。しかし非ダイヤモンド成分の析出が少ない場合で
あってもイオン注入などによりダイヤモンドの結晶構造
を積極的に破壊した場合などでも顕著な広がりを示す。

【００２６】本発明のひとつの方法、はこのダイヤモン
ド結晶中の欠陥密度分布を厚み方向に傾斜させるもので
ある。この欠陥（転位、積層欠陥等）の状態はＴＥＭ（
Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　　Ｍ
ｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）観察等により実際に観察する事が
可能である。また、Ｘ線回折による測定によっても観察
可能である。

【００２７】また、本発明による非ダイヤモンド成分と
は結晶質ダイヤモンド以外の炭素成分の事を総称してい
うものであり、例えば、非晶質の炭素成分や、ガラス状
炭素、活性炭素のように黒鉛結晶構造を基本とし且つ構
造が大きく乱れたいわゆる無定型炭素（ｈｉｇｈｌｙ　
　ｄｉｓｏｒｄｅｒｅｄ　　ｇｒａｐｈｉｔｅ）成分や
グラファイトのような結晶質炭素成分等の事を言う。そ
して、ここで問題にする非ダイヤモンド成分は主に無定
型炭素である。通常気相合成法ではダイヤモンドを非平
衡状態から析出させるため、条件によっては本発明実施
例に示すように、非ダイヤモンド成分の析出がダイヤモ
ンドの析出とともに起こる。そして本発明のいまひとつ
の手法としてはこの現象を積極的に利用したものである
。 これらの非ダイヤモンド成分はダイヤモンドと同様にラ
マン光に対して構造敏感な物質であり、主に１０００ｃ
ｍ−１から２０００ｃｍ−１の間でブロードなピークを
持つ。炭素構造の乱れ方により多少ピークの出方は変化
するが、本発明においては１３３２．５ｃｍ−１付近の
シャープなダイヤモンドのラマン線以外はほぼこの非ダ
イヤモンド成分によるものと考えてよい。

【００２８】再度本発明を以下に定義する。■ひとつは
ダイヤモンド中に含まれる非ダイヤモンド成分によって
定義された多結晶工具であり、いまひとつは　　■結晶
質ダイヤモンド中の欠陥密度について定義したものであ
る。

【００２９】［■非ダイヤモンド成分による定義］■工
具母材と多結晶ダイヤモンドとよりなり、工具刃先の母
材面に多結晶ダイヤモンドの母材設置固定面を当接して
固定しダイヤモンドを刃先とする構造の工具であって、
ダイヤモンドの厚さが４０μｍ以上であり、すくい面か
ら母材設置固定面にかけてダイヤモンドの厚み方向に非
ダイヤモンド濃度が増加している事を特徴とする。より
望ましくは、刃先ダイヤモンドのすくい面から厚み方向
母材面に向かって少なくともダイヤモンドの平均膜厚の
３０％以内もしくは４０μｍ以内のダイヤモンドのどち
らか小さい箇所におけるダイヤモンド中の非ダイヤモン
ド成分の含有量がダイヤモンド母材設置固定面より厚み
方向刃先すくい面に向かってダイヤモンドの平均膜厚の
３０％以内もしくは４０μｍ以内のどちらか小さい方の
ダイヤモンド中の非ダイヤモンド成分含有に対して少な
い事を特徴とする多結晶ダイヤモンド工具である。

【００３０】ラマンスペクトルによる定義を行うとラマ
ン分光分析により、刃先ダイヤモンドのすくい面から断
面方向母材面に向かって少なくともダイヤモンドの平均
膜厚の３０％以内もしくは４０μｍ以内のダイヤモンド
のどちらか小さい箇所における非ダイヤモンド成分のピ
ーク値（Ｘ１）のダイヤモンド成分のピーク値（Ｙ１）
に対する比（Ｘ１／Ｙ１）がダイヤモンド母材設置固定
面より断面方向刃先すくい面に向かってダイヤモンドの
平均膜厚の３０％以内もしくは４０μｍ以内のどちらか
小さい方の非ダイヤモンド成分のピーク値（Ｘ２）のダ
イヤモンド成分のピーク値（Ｙ２）に対する比（Ｘ２／
Ｙ２）よりも小さい膜質構造Ｘ１／Ｙ１＜Ｘ２／Ｙ２　
　を持つ事を特徴とする多結晶ダイヤモンド工具である
。

【００３１】ここで、図５のラマンスペクトルを例にＸ
、Ｙのピーク値の設定を行う。蛍光等のバックグラウン
ドのベースラインを引きダイヤモンドのピーク値（１３
３２．５ｃｍ−１付近のピーク）以外で最も高いブロー
ドなピークを検知し、このピーク値のベースラインから
の高さがＸとなる。炭素はラマン活性な物質であるので
、ダイヤモンドのピーク値以外に現れるブロードなピー
クは非ダイヤモンド成分によるものと考えてよい。この
非ダイヤモンド成分のピーク値は非晶質炭素や、無定型
炭素（黒鉛結晶構造を基本とし、且つ構造が大きく乱れ
たもの）と呼ばれるもので、構造の乱れゆえにピーク値
は１０００ｃｍ−１から２０００ｃｍ−１の間でばらつ
く。このため、１０００ｃｍ−１から２０００ｃｍ−１
の間に現れる最も高いピークをもって非ダイヤモンド成
分のピーク高とする。図５は最も典型的な非ダイヤモン
ド成分がダイヤモンドと同時析出しているラマンスペク
トルである。ダイヤモンド成分のラマンピーク値は１３
３２．５ｃｍ−１に現れる。これは通常の同位体１２Ｃ
、１３Ｃの存在比で構成されたダイヤモンドでの場合で
あり１３Ｃが多くなれば低波数側にシフトする事が知ら
れている。 このためラマンシフト値が若干シフトする事もある。こ
こで、ダイヤモンドのピーク値を検知して前述と同様に
ベースラインに対する高さＹを求めるのであるが、前述
の非ダイヤモンド成分の裾のピークが同時にのっている
ことが多いので、これを除去したベースラインを新たに
引き、これに対する高さをＹとする。Ｘを求める場合と
Ｙを求める場合でベ−スラインの引き方が違う。ベ−ス
ラインの引き方によってこれらの高さが違ってくる。正
確なピーク分離を行う事が好ましいが、ある程度簡易型
に行っても非ダイヤモンド成分の含有比の定性的な比較
を行うことは可能である。

【００３２】［■欠陥密度による定義］■　　工具母材
と多結晶ダイヤモンドとよりなり、工具刃先の母材面に
多結晶ダイヤモンドの母材設置固定面を当接して固定し
ダイヤモンドを刃先とする構造の工具であって、ダイヤ
モンドの厚さが４０μｍ以上であり、すくい面から母材
設置固定面にかけてダイヤモンドの厚み方向に欠陥密度
が増加している事を特徴とする。より好ましくは先ダイ
ヤモンドのすくい面から厚み方向母材設置固定面に向か
ってダイヤモンドの平均膜厚の３０％以内もしくは４０
μｍ以内のいずれか小さいほうの位置での欠陥密度が、
ダイヤモンド母材設置固定面より厚み方向刃先すくい面
に向かってダイヤモンドの平均膜厚の３０％以内もしく
は４０μｍ以内のどちらか小さい方の位置での欠陥密度
に対して小さい事を特徴とする多結晶ダイヤモンド工具
である。

【００３３】ラマン分光スペクトルによる定義を行うと
ラマン分光分析により、刃先ダイヤモンドのすくい面か
ら厚み方向母材設置固定面に向かって少なくともダイヤ
モンドの平均膜厚の３０％以内もしくは４０μｍ以内の
ダイヤモンドのどちらか小さい箇所におけるダイヤモン
ド成分の半値幅（αｃｍ−１）がダイヤモンド母材設置
固定面より厚み方向刃先すくい面に向かってダイヤモン
ドの平均膜厚の３０％以内もしくは４０μｍ以内のどち
らか小さい方のダイヤモンド成分の半値幅（βｃｍ−１
）よりも小さい膜質構造（α＜β）を持つ事を特徴とす
る多結晶ダイヤモンド工具となる。ここで図６のラマン
スペクトルを例に、半値幅αや半値幅βの設定を行う。 前述のダイヤモンドのピーク値の設定のようにまずＹの
高さを設定し、その半分の高さにおけるピ−ク幅が半値
幅αｃｍ−１やβｃｍ−１となる。

【００３４】次に本発明のダイヤモンドの製造方法を（
図２）によって説明する。気相合成法によってダイヤモ
ンド膜を成長させるのであるから上記のようなダイヤモ
ンド膜質を厚み方向に変化させるためには原料ガス中の
炭素濃度を連続的或は階段状に単調変化（単調増加ある
いは単調減少）させるのが最も簡易である。２つの手法
のうち、炭素濃度を単調に増加させる手法の方が望まし
い。その理由は後に述べる。また原料ガス中の酸素濃度
や窒素濃度によって膜質を制御できる。ＣＶＤ装置（後
に説明する）の中で基材６を加熱して、原料ガスを流し
これを励起し分解して基材上にダイヤモンドを成長させ
る（図２（ｂ））。原料ガス中の炭素濃度は一般的に連
続的あるいは階段状に単調変化している。このようなＣ
ＶＤ法でダイヤモンド膜７を成長させた後、弗硝酸や王
水等で基材をエッチング除去し、ダイヤモンド単体膜と
する。（図２（ｃ））。次にダイヤモンドと母材とのヌ
レ性を改善するために予め、ダイヤモンド膜の一面金属
膜を蒸着メタライズ処理を行う（図２（ｄ））。この後
ＹＡＧレ−ザ等により所定の大きさに切断する（図２（
ｅ））。ここで溶解工程の前に切断工程を入れる順序で
も何等問題はない。そして、メタライズ層の面を工具の
母材面に設置固定する（図２（ｆ））。

【００３５】図３はダイヤモンド膜を取り付けた工具の
断面図を示す。母材は硬質材質であればよいが、通常は
超硬合金を用いる。この母材にダイヤモンド膜の取り付
け座があり、ここにメタライズ層を介してダイヤモンド
膜が固定設置されている。この固定には、耐熱性、耐強
度性を考えれば鑞付けによるものが好ましい。図４によ
って、本発明を定義するための幾何学的関係を示す。母
材に遠い方の面がすくい面である。すくい面に含まれる
線を基準線とし厚み方向にｚ軸を取っている。すくい面
はｚ＝０で示すことができる。母材設置固定面は反対側
の面でｚ＝Ｔによって表わせる。破線で示すのがｚ＝０
．３Ｔもしくは４０μｍのどちらか小さい方、ｚ＝０．
７Ｔ、もしくは全膜厚Ｔから４０μｍを引いた値のどち
らか大きい方である。レ−ザ光はダイヤモンドの端から
面に平行に入射する。この部分領域での非ダイヤモンド
成分含有状態Ｇ０　、Ｈ０　もしくはダイヤモンド中の
欠陥含有状態Ｕ０　、Ｖ０　を問題にしているのである
。

【００３６】ＣＶＤ法によりダイヤモンドを成長させる
際、非ダイヤモンド成分もしくはダイヤモンド膜中の欠
陥含有状態を変化させるが、どちらも（単調）増加させ
る方がよい。その理由は次の通りである。ダイヤモンド
を基材上に成長させる際、基材に設置していた側のダイ
ヤモンド膜は、基材の表面処理を平坦にしておけば、そ
のまま平坦なダイヤモンド面になるが、成長の終期に形
成されたダイヤモンド膜はダイヤモンド固有の６−８面
体構造を持つ凹凸のある多結晶ダイヤモンド固有の面を
呈する。これがすくい面となると被削材の被削面に凹凸
が発生してしまう。これを避けるためには成長の終期に
形成された面（成長面側、基材から遠い方の面）はメタ
ライズして母材に固定した方がよい。

【００３７】本発明では母材設置固定面の方が非ダイヤ
モンド成分もしくはダイヤモンド中の欠陥含有量を増加
させる構造にしているので、ダイヤモンドを成長させる
とき、例えば炭素濃度を最初は低くし、最後に高くすれ
ばよいのである。この手順でダイヤモンドを合成すれば
、ダイヤモンドの形成速度も上昇し、合成コストも安く
なるメリットも生じるのである。また、工具に設置する
際、すくい面側にあたるダイヤモンド成長初期の多結晶
ダイヤモンド粒径が小さく、母材面側にかけて粒径が顕
著に増大し、この膜質構造が、工具として使用した場合
、刃先にかかる応力分散や、耐欠損性、耐摩耗性の向上
につながる。もちろんこの工程順は必須の条件というわ
けではない。ＣＶＤ法でダイヤモンド膜を成長させた後
に成長の終期にできた方の面を研磨して平坦にして、す
くい面にすることもでき、この場合は、ＣＶＤ法でダイ
ヤモンドを成長させるとき、例えば炭素濃度を最初は大
きく、後に小さくするようにする。しかしこの場合は工
程が増えコスト上昇につながるデメリットがある。

【００３８】［ダイヤモンドの製造方法］ＣＶＤ法でダ
イヤモンドを気相合成するときの原料ガスは通常■水素
ガス ■炭素原子含有ガス・・メタン、エタン、アセチレン、
エチルアルコール、メチ ルアルコール、アセトン 等が一般的である。■は炭素を含み気体状になるもので
あれば何でもよい。アルコール、アセトンのように常温
で液体のものでも加熱すれば気体になる。また液体を水
素ガス等のキャリヤガスでバブリングすれば気体とする
ことができる。また、上記ガス以外に不活性ガス（ヘリ
ウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラド
ン）は、特に原料ガスの活性化にプラズマを用いるプロ
セスに於いて、ダイヤモンド合成中の活性種（水素ラジ
カル、Ｃ２　等）の密度を増加させ、寿命を延ばし、均
一なダイヤモンドを合成するのに効果があるため、上記
ガスに混入させてもよい。

【００３９】ＣＶＤ成長用の基材としては次のような材
料を用いることができる。Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｓｉ
、ＳｉＣ、ＷＣ、Ｗ２　Ｃ、Ｍｏ２　Ｃ、ＴａＣ、Ｓｉ
３　Ｎ４　、ＡｌＮ、Ｔｉ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、Ｂ、ＢＮ
、Ｂ４　Ｃ、ダイヤモンド、Ａｌ２　Ｏ３　、ＳｉＯ２
　等である。さらに条件を選ぶことによっても、Ｃｕ、
Ａｌ等も基材とすることができる。基材は単に平坦なも
のとは限らない。基材が適当な曲率を持つものとすれば
、曲率を持つ刃面を有する工具等へも適用することがで
きる。例えば、ねじれ刃、エンドミル等の工具に適用で
きる。

【００４０】さて本発明の気相合成法であるが、ダイヤ
モンドを基材上に成長させる際に、原料ガス中の炭素濃
度を連続的に増加させるのが容易である。この場合３段
階または２段階程度に原料ガス中の炭素濃度を変化させ
る。最も簡単なのは、原料ガス中の炭素濃度の小さい段
階と、それより濃度の高い段階の２段階によるＣＶＤ成
長である。

【００４１】■例えば、ダイヤモンド合成の前期は、水
素−メタン（メタン／水素＝約１％）系で合成して後期
は水素−メタン（メタン／水素＝約２．５％）系で合成
する。このとき、前期の組成中に酸素原子含有ガス、例
えば、酸素ガスやＨ２　Ｏ等を微量添加することによっ
て成長初期のダイヤモンド膜の結晶性を向上させ、非ダ
イヤモンド成分の析出を抑え、ダイヤモンド膜中の欠陥
密度を減少させることもできる。この場合、酸素原子濃
度の増加によって、後期より前期の炭素濃度を大きくす
ることも可能となる。

【００４２】■例えば、ダイヤモンド合成の前期は水素
−メタン−酸素（メタン／水素＝約２％、酸素／水素＝
約０．２％）系で合成し、後期は水素−メタン（メタン
／水素＝約３％）系で合成する。

【００４３】■この逆で、ダイヤモンド成長後期のダイ
ヤモンドの結晶性を低下させるために、後期の組成中に
窒素原子含有ガスを微量添加することもできる。例えば
、ダイヤモンド合成の前期は水素−メタン（メタン／水
素＝約１％、）系で合成し、後期は水素−メタン−窒素
（メタン／水素＝約２％、窒素／水素＝約０．５％）系
で合成する。この場合、窒素原子含有ガス濃度の増加に
よって、前期より後期の炭素濃度を小さくすることも可
能となる。

【００４４】

【実施例】ＣＶＤ法についてはダイヤモンドが合成でき
るどの方法に於いても本発明を実施することができる。 本発明は次のＣＶＤ法、 ■フィラメントＣＶＤ法（図７） ■マイクロ波プラズマＣＶＤ法（図８）■熱ＣＶＤ法（
図９） ■熱プラズマＣＶＤ法（図１０） について実施した。基材は位■〜■の方法について共通
で、１４ｍｍ×１４ｍｍ×２．５ｍｍの多結晶シリコン
の片面を、粒径０．５〜５μｍの砥粒を含む研磨材でラ
ッピング処理し、ＲＭＡＸ　＜１．２μｍになるように
したものを用いた。以下それぞれの手法に用いる装置を
説明し、それぞれの手法に本発明を適用した結果を述べ
る。

【００４５】〔実施例■〕フィラメントＣＶＤ法図７に
フィラメントＣＶＤ装置の概略図を示す。真空チャンバ
１１の中に基材支持台１２が設けられる。この上に基材
１３が設置される。真空チャンバ１１には真空排気口１
４があり、真空排気装置（図示せず）に接続されている
。真空チャンバ１１の中には電極１５が設けられる。こ
れはガイシ１６を通ってフィラメント電源に接続されて
いる。電極１５の間にフィラメント１７が張られている
。真空チャンバ１１には原料ガス入口１８から原料ガス
が導入される。圧力計１９が真空チャンバ１１内の真空
度を計測している。冷却水が基材支持台の内部に導入さ
れこれを冷却している。フィラメント１７には４Ｎ（純
度９９．９９％）−Ｗ、４Ｎ−Ｔａ、４Ｎ−Ｒｅを用い
た。フィラメントの温度は光学式高温計によって測定し
た。基材の温度は基材表面に固定設置したクロメル−ア
ルメル熱電対によってモニターした。

【００４６】図１１によって原料ガスの供給系を説明す
る。これは以下のＣＶＤ装置に対しても共通に用いるこ
とができる。水素ガスボンベ５５、不活性ガスボンベ５
６、炭素含有ガスボンベ５７、酸素原子含有無機ガスボ
ンベ５８が設置される。これらのガスボンベからのガス
はバルブ，配管を通って反応装置へ供給される。水素ガ
スはキャリヤガスとしてこれらに混合される。水素ガス
の一部はバブリング装置５９を通り、常温で液体のもの
を気化して運ぶために用いられる。バブリング装置５９
には、Ｈ２　Ｏ、Ｃ２　Ｈ５　ＯＨなどの液体６０が収
容される。バブリング装置５９に続く配管にはテ−プヒ
−タ６１、６２が巻いてあり任意の温度に加熱維持する
ことができる。原料ガスや成長時間、圧力、フィラメン
ト材質、成長温度等成長の条件を様々に変えて、本発明
と従来の方法によってダイヤモンドをシリコン基板上に
成長させた。その結果を表１に示す。

【００４７】

【表１】

【００４８】サンプルＮｏ．Ａ〜Ｄ本発明例サンプルＮ
ｏ．Ｅ〜Ｈ比較例 本発明の実施例Ａ〜Ｄと比較例Ｅ、Ｆは原料ガス組成及
び組成比を時間によって変化させている。例えば、実施
例Ａは、最初の段階１のＨ２　６００ＳＣＣＭ、ＣＨ４
　５ＳＣＣＭの原料ガスで基材をコーティングし、次の
２０時間は段階２のＨ２　６００ＳＣＣＭ、ＣＨ４　１
２ＳＣＣＭの原料ガスによってコーティングするという
ことである。本発明の他の実施例であるＢ、Ｄも２段階
に、Ｃは４段階に原料ガスを変えている。比較例Ｅはダ
イヤモンド膜を全て高炭素濃度で合成したもの。Ｆは全
て低炭素濃度で合成したもの。Ｈは原料ガス中の炭素濃
度を本発明とは逆に段階的に変化させている。成長の後
シリコン基板を溶かして除去する。矩形状のダイヤモン
ド板ができるのでこれを対角線に沿って切断し二等辺三
角形とした。

【００４９】こうして作製したダイヤモンドのサンプル
Ａ〜Ｈを図２の工程によって超硬合金の母材に設置固定
して切削チップを作製した（固定には鑞付けを用いた）
。但し、成長の際、基材に接触していた面を切削チップ
のすくい面とし、成長の後期にできた方の面を切削チッ
プの母材面に設置固定した。これらを以下のようにラマ
ン散乱による膜質測定と切削試験を行い品質を評価し以
下の表２に示す。

【００５０】

【表２】

【００５１】サンプルＡ〜Ｄが本発明の実施例で、Ｅ〜
Ｈが比較例である。ラマン分光測定用比較材として、天
然ＩＩａダイヤモンド単結晶を同じように母材に設置固
定し、切削チップを作製した。（サンプルＩとする）サ
ンプルＪはこれらとは別の比較材である。これは結合材
としてＣｏを１０容量％含む平均粒径１０μｍのダイヤ
モンド材料を高圧焼結して作った焼結ダイヤモンドを工
具に取り付け切削チップとしたものである。ＣＶＤ成長
ではない。これは高圧焼結して作った焼結ダイヤモンド
を工具に取り付け切削チップとしたものであるから非ダ
イヤモンド成分が一様に多い。

【００５２】ここで、ラマン分光スペクトルの測定点は
、図４に示すようにすくい面を基準として厚み方向内部
に向かう距離Ｚ（単位μｍ）で示している。第１層、第
２層というのは表１の原料ガス及び組成を切り換えたこ
とによって生ずるダイヤモンドの部分層である。成長の
初期にできた方の膜をすくい面とするから、表１で上に
あるものから順に表２の第１層、第２層と対応する。 当然のことであるが本発明の実施例ではすくい面に近い
方でＸ／Ｙの値が小さい。すくい面の非ダイヤモンド濃
度が低いということである。

【００５３】比較例Ｅはダイヤモンド膜を全て高炭素濃
度で合成したものであるから非ダイヤモンド成分が多い
。しかし濃度の分布は本発明と反対の関係にある。比較
例Ｆは全て低炭素濃度で合成したものであるから非ダイ
ヤモンド成分が低くしかも分布は本発明と反対の関係に
ある。比較例Ｈは原料ガス中の炭素濃度を本発明とは逆
に段階的に変化させているが、実際にできたものもラマ
ンスペクトル測定による非ダイヤモンド成分の含有状態
とダイヤモンドの半値幅が本発明の構造とは逆になって
いる。本発明例の実施例は全て成長とともに原料ガス中
の炭素濃度を高めているが、実際に成長したダイヤモン
ドも原料ガスに対応して、非ダイヤモンド成分や、ダイ
ヤモンドラマンスペクトルの半値幅が成長方向に向けて
増大していることが分かる。

【００５４】こうしてできたダイヤモンド切削工具の性
能を次の条件によって評価した。被削材として外周面に
軸方向に延びる４本の溝が形成されたＡ３９０合金（Ａ
ｌ−１７％Ｓｉ）丸棒を選んだ。これを前述の方法で作
られた切削工具によって、 切削速度：８００ｍ／ｍｉｎ． 切り込み：０．２ｍｍ 送り　　　　：０．１ｍｍ／ｒｅｖ． 摩耗量が重要な評価のパラメータであるから９０分或は
３０分切削した時の平均摩耗幅を測定している。結果を
表３に示す。

【００５５】

【表３】

【００５６】表２、表３を対比して分かる様に、ラマン
分光分析により、すくい面側刃先の非ダイヤモンド成分
のピーク値（Ｘ１）のダイヤモンド成分のピーク値（Ｙ
１）に対する比（Ｘ１／Ｙ１）が、母材面側の非ダイヤ
モンド成分のピーク値（Ｘ２）のダイヤモンド成分に対
する比（Ｘ２／Ｙ２）よりも小さい膜質構造　　Ｘ１／
Ｙ１＜Ｘ２／Ｙ２　　を持つか、もしくはすくい面側刃
先ダイヤモンドラマンスペクトルピ−クの半値幅（αｃ
ｍ−１）が母材面側のダイヤモンドラマンスペクトルピ
−クの半値幅（βｃｍ−１）よりも小さい膜質構造　　
α＜β（ｃｍ−１）を持つ本発明例つまりサンプルＡ〜
ＤではＡ３９０の切削テストに於いて、欠損もせず、高
耐摩耗性を発揮している。これに対し、逆の条件　　Ｘ
１／Ｙ１≧Ｘ２／Ｙ２、もしくは　　α≧β（ｃｍ−１
）　　である比較例Ｅ〜Ｊでは短時間に大きく欠損して
しまうものや、大きく摩耗してしまうものばかりであっ
た。

【００５７】焼結ダイヤモンドサンプルである比較材Ｊ
は欠損はしなかったものの、９０分切削時での平均摩耗
幅が９０μｍと大きかった。焼結で形成するためにＣｏ
等のバインダーが含まれており、これが耐摩耗性を低下
させている原因であると考えられる。また、比較例Ｅの
ように、ダイヤモンド厚み方向に全て非ダイヤモンド成
分の含有が多いか、もしくは半値幅の広いもの（ほぼ１
０ｃｍ−１以上）は耐摩耗性に劣る欠点がある。Ｈもす
くい面側において非ダイヤモンド成分が多く半値幅が大
きいのであるがこれも耐摩耗性が劣る。また、この逆で
比較例Ｆのように、ダイヤモンドの厚み方向に全て非ダ
イヤモンド成分の含有が少ないか，もしくは半値幅の小
さいもの（ほぼ６ｃｍ−１以下）ではダイヤモンド膜に
靱性が不足し、硬質の被削材に対しては特に耐欠損性が
不足するものと思われる。

【００５８】本発明例のダイヤモンド膜質構造は、基本
的にすくい面側のダイヤモンド膜は高品質良好なもので
、母材設置固定面側はやや品質を落としたものである。 母材設置固定面の弾性によりすくい面側の高品質膜に加
わる応力を緩和する構造を持つものである。定義として
はこれらのラマンデータのみならず、種々他の定義によ
っても表しうる。定性的に述べてみると以下のようなも
のも考えられる。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　す
くい面側　　　　　　　　母材設置固定面側　　　　ヤ
ング率　　　　　　　　　　　　　　高い　　　　　　
　　　　　　　　　　　　低い　　　　ＣＬ発光強度　
　　　　　　　　　弱い　　　　　　　　　　　　　　
　　　　強い　　　　（４４０ｎｍ） 　　　　結晶粒径　　　　　　　　　　　　　　小さい
　　　　　　　　　　　　　　　　大きい　　　　水素
含有量　　　　　　　　　　　　少ない　　　　　　　
　　　　　　　　　多い　　（ＣＬ：カソ−ドルミネッ
センス）

【００５９】［実施例■］　　マイクロ波プラ
ズマＣＶＤ法 次にマイクロ波（プラズマ）ＣＶＤ法によって本発明を
実施した。図８にマイクロ波ＣＶＤ装置の概略を示す。 石英管２２の中に、石英棒２３によって基材２４が支持
されている。上方のガス導入口２５から原料ガス２６が
石英管２２に導入される。これは石英管２２下方の真空
排気口２７から排出される。石英管２２の反応が行われ
る部分の近傍には水冷ジャケット２８が設けられる。マ
グネトロン２９でマイクロ波が発振され導波管３０を通
って基材２４の近傍に導かれる。原料ガスをマイクロ波
によって励起するので基材の近傍に高密度のプラズマが
発生する。本実施例の場合には、導波管が石英管に直交
し石英管の軸方向と直角にマイクロ波が進行するように
なっている。導波管と石英管の幾何学的位置関係は、高
密度のマイクロ波プラズマが発生さえすればその他の方
法によってもかまわない。導波管の形状寸法と長さがマ
イクロ波のモ−ドを決定するが、導波管３０内を動くプ
ランジャ３２（反射板）によってマイクロ波の定在波モ
−ドを規定出来るようになっている。このようなマイク
ロ波プラズマＣＶＤ法は公知である。またマイクロ波の
進行方向を基材面と直交させても良い。原料ガスは先の
例と同じように、炭素を含むガス、水素ガスなどよりな
る。プラズマの閉じ込めのために石英管の周囲に磁石を
配してカスプ磁場、或は軸方向磁場を形成することもあ
る。これも良く知られたことである。表４にマイクロ波
ＣＶＤ法による合成条件を示す。基材には実施例と同じ
く多結晶シリコン基材を用いた。基材温度はコーティン
グ中は光学式光高温度計でモニターした。

【００６０】

【表４】

【００６１】Ｋ〜Ｎが本発明の実施例である。これらは
２段階、４段階に原料ガス組成を切り替えており成長の
後期の炭素濃度が増加している。Ａｒ等の不活性ガスは
マイクロ波プラズマを安定に励起させやすくし、Ｈα、
Ｃ２　等の活性種濃度を増加させるために添加している
。 Ｏ〜Ｑは比較例である。Ｏは全て低炭素濃度で合成した
ものであり、Ｐは全て高炭素濃度で合成したものである
。また、Ｑは本発明とは逆の濃度変化で合成したもので
ある。次に工具性能を評価するため、実施例１と同様に
切削チップを作製した。そして、実施例１と同様にダイ
ヤモンド厚み方向のラマンスペクトル測定値を表５に示
す。

【００６２】

【表５】

【００６３】また　　各切削チップを実施例１と同様な
条件で切削性能評価を行った。その結果を表６に示す。

【００６４】

【表６】

【００６５】表５、表６を対比して分かるように、ラマ
ン分光分析により、すくい面側刃先の非ダイヤモンド成
分のピーク値（Ｘ１）のダイヤモンド成分のピーク値（
Ｙ１）に対する比（Ｘ１／Ｙ１）が、母材面側の非ダイ
ヤモンド成分のピーク値（Ｘ２）のダイヤモンド成分に
対する比（Ｘ２／Ｙ２）よりも小さい膜質構造　　Ｘ１
／Ｙ１＜Ｘ２／Ｙ２　　を持つか、もしくはすくい面側
刃先ダイヤモンドラマンスペクトルピ−クの半値幅（α
ｃｍ−１）が母材面側のダイヤモンドラマンスペクトル
ピ−クの半値幅（βｃｍ−１）よりも小さい膜質構造　
　α＜β（ｃｍ−１）　　を持つ本発明例つまりサンプ
ルＫ〜ＮではＡ３９０の切削テストに於いて、欠損もせ
ず、高耐摩耗性を発揮している。これに対し、逆の条件
　　Ｘ１／Ｙ１≧Ｘ２／Ｙ２、もしくは　　α≧β（ｃ
ｍ−１）　　である比較例Ｏ〜Ｑでは短時間に大きく欠
損してしまうものや、大きく摩耗してしまうものばかり
であった。

【００６６】［実施例■］　　　　熱ＣＶＤ法を併用し
たプロセス 本発明を適用するにはダイヤモンド膜質を少なくとも２
段階に変化させなければならない。ここでは２段階に変
化させてダイヤモンド膜を作った例を説明する。ここで
は第１段階目の成膜はフィラメントＣＶＤ法で、第２段
階目の成膜は熱ＣＶＤ法で行った。図９に熱ＣＶＤ装置
の概略を示す。真空に引くことのできる石英管３５の中
に支持台３６がありここに基材３７が支持されている。 石英管３５の周囲にはヒ−タ３８が設けられる。石英管
３５には原料ガス入口３９から原料ガスが導入される。 廃ガスが真空排気口４０から排出される。原料ガスはヒ
−タによって加熱されることによって励起され気相反応
によって基材の上に多結晶ダイヤモンドが成長する。熱
ＣＶＤ法でダイヤモンドを低温で合成するためには弗素
系のガスの添加が好適である。基材は１４ｍｍ×１４ｍ
ｍ×２．５　ｍｍの多結晶Ｓｉである。

【００６７】 これらを続けて成長を行った。全膜厚が１８０μｍであ
る。これを前例と同じように図２に示す工程により超硬
合金の台金にろうづけし工具とした。ラマン分光分析に
よる非ダイヤモンド成分のピーク（Ｘ）に対するダイヤ
モンド成分のピーク（Ｙ）に対する比（Ｘ／Ｙ）及びダ
イヤモンドのラマンスペクトルピ−クの半値幅α、β（
ｃｍ−１）を示す。

【００６８】 であった。原料ガスの炭素濃度が高く形成温度の低い２
層でやはりＸ／Ｙ及び半値幅が大きくなっている。

【００６９】これの工具特性を評価するために、外周面
に軸方向に伸びる４本の溝が形成されたＡ３９０合金（
Ａｌ−１７％Ｓｉ）丸棒を被削材として切削した。切削
条件は前例と同じく 切削速度　　　　　　　　　　　　８００ｍ／ｍｉｎ切
り込み　　　　　　　　　　　　０．２ｍｍ送り　　　
　　　　　　　　　　　　　０．１ｍｍ／ｒｅｖ．で乾
式切削した。１２０分後のＶｂ摩耗量は１５μｍ　であ
った。極めて小さい値である。熱ＣＶＤに本発明を適用
しても有効であるということである。

【００７０】［実施例■］　　熱プラズマＣＶＤ法図１
０に熱プラズマＣＶＤ装置を示す。真空チャンバ４２の
上方に同心状の電極４３が設けられる。下方に冷却支持
台４４がありこの上に基材４５が戴置される。電極４３
は中心が陰極、周縁が陽極となっており、正負の電極間
には直流電源４６によって電圧が印加される。原料ガス
４７は電極４３間の隙間からノズル５１を経て真空チャ
ンバ４２の中に導入される。ここで原料ガス４７はイオ
ン化されプラズマガス流５２となって基材の方へ流れる
。廃ガスは真空排気口４９から排出される。基材は２５
ｍｍ×２５ｍｍ×５．０ｍｍｔの多結晶Ｓｉである。ダ
イヤモンドの成長方向の膜質を変化させるため２段階の
成長工程を引き続き行った。

【００７１】 である。これらの成長を引き続き行った。全膜厚が２９
００μｍ　（２．９ｍｍ）になる。図２の工程に従って
多結晶ダイヤモンドを超硬合金の母材の上にろう付けし
工具を作製した。第１層、第２層のダイヤモンドのラマ
ンスペクトルピ−クの半値幅は、 第１層・・・すくい面から　　　　３０μｍ　　　　　
　　　４．９ｃｍ−１　　（α）第２層・・・すくい面
から２８６２μｍ　　　　　　１３．６ｃｍ−１　　（
β）であった。

【００７２】この工具の性能を評価するため、外周面に
軸方向に延びる４本の溝が形成されたＡ３９０合金（Ａ
ｌ−１７％Ｓｉ）丸棒を被削材として、切削速度　　　
　　　　　　　　　　　８００ｍ／ｍｉｎ切り込み　　
　　　　　　　　　　　　　　０．２ｍｍ送り　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　０．１ｍｍ／ｒｅｖ
．の切削条件で乾式切削した。１２０分後のＶｂ摩耗量
は３１μｍ　と十分に小さかった。熱プラズマＣＶＤ法
によるダイヤモンドの成長にも本発明が有効に適用でき
るということである。

【００７３】

【発明の効果】本発明は、厚み方向にダイヤモンド膜質
を変化させるＣＶＤ法によってダイヤモンド膜を形成す
る。これによって強度、耐摩耗性、耐欠損性、耐溶着性
、耐熱性に優れたダイヤモンド膜を作製することができ
る。それでは何故本発明によってこのようなダイヤモン
ド膜ができるのかということを説明する。従来は厚み方
向に均一な膜質のダイヤモンドが作られていた。純度の
高い高結晶性のダイヤモンドは剛性がほぼ理論値通り高
いが、衝撃によって簡単に欠損する。つまり結晶性の高
いダイヤモンドは耐欠損性に欠ける。従来例として挙げ
たもののいずれかは短時間で欠損しているがそれは完全
結晶であるために剛性が高すぎることに起因すると考え
られる。それでは、結晶性を低下させて、非ダイヤモン
ド成分の含有量の多い、欠損の多いダイヤモンドにすれ
ばよいかというとそうでもない。それらが多いと剛性が
低下し、耐摩耗性が劣る問題点がある。

【００７４】耐欠損性と耐摩耗性の両者が工具には必要
である。非ダイヤモンド成分や、膜中の欠陥を適当な範
囲に限定するということでは最適の特性が得られない。 被削物に接触する面では耐摩耗性が必須である。また膜
全体の靱性を高めてやらなければ、耐欠損性は向上しな
い。そして、剛性と靱性は相反する特性であり、両方を
両立させることは非常に難しい。そこで本発明では膜の
厚み方向に相補性を持たせることにしている。被削物に
接触するすくい面は非ダイヤモンド成分もしくは欠陥の
少ないダイヤモンド膜質とし、個々のダイヤモンドの結
晶性は向上させる。また、母材面側はその逆とし、靱性
の向上を図る。内部（母材面側）のほうが靱性が高いた
め、刃先に衝撃を受けても内部の緩衝作用でダイヤモン
ドが欠損しない。これが本発明のダイヤモンド工具に高
性能を与える。耐摩耗性はすくい面の性質によるが、す
くい面側は高結晶性であり、高剛性であるため、難削材
においても十分な耐摩耗性が得られる。焼結ダイヤモン
ドではバインダ−を含むため、どうしても耐摩耗性は低
下するが本発明においてはそういうことがない。また、
工具寿命を考えた場合、すくい面側４０μｍもしくはダ
イヤモンド膜厚の３０％までは、高品質ダイヤモンドで
あることが好ましい。耐摩耗性、耐欠損性、強度、耐溶
着性などの特性が強く要求される分野、特に切削工具、
旋削工具、掘削工具、ドレッサ−等の工具用として有用
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】多結晶ダイヤモンド工具の一例概略斜視図。

【図２】多結晶ダイヤモンド工具の製作工程概略図。

【図３】多結晶ダイヤモンド工具刃先断面図。

【図４】結晶ダイヤモンド工具のラマン分光分析測定箇
所を説明する断面図。

【図５】多結晶ダイヤモンド工具のダイヤモンドラマン
分光スペクトルの一例図。非ダイヤモンド成分のピ−ク
の高さＸとダイヤモンド成分の高さＹを定義する方法を
説明する。

【図６】多結晶ダイヤモンド工具のダイヤモンドラマン
分光スペクトルの一例図。ダイヤモンド成分に対するピ
−クの半値幅を定義する方法を説明する。

【図７】フィラメントＣＶＤ装置概略断面図。

【図８】マイクロ波プラズマＣＶＤ装置の概略断面図。

【図９】熱ＣＶＤ装置の概略断面図。

【図１０】熱プラズマＣＶＤ装置概略断面図。

【図１１】ガス供給系の一例を示す構成図。

【符号の説明】

１　　工具母材 ２　　ダイヤモンド膜 ３　　設置固定層 ４　　すくい面 ５　　母材設置固定層 ６　　基材 ７　　ダイヤモンド膜 ８　　メタライズ層 １１　　真空チャンバ １２　　基材支持台 １３　　基材 １４　　真空排気口 １５　　電極 １６　　ガイシ １７　　フィラメント １８　　原料ガス入口 １９　　圧力計 ２０　　冷却水 ２２　　石英管 ２３　　石英棒 ２４　　基材 ２５　　ガス導入口 ２６　　原料ガス ２７　　真空排気口 ２８　　水冷ジャケット ２９　　マグネトロン ３０　　導波管 ３１　　プラズマ ３２　　プランジャ ３５　　石英管 ３６　　支持台 ３７　　基材 ３８　　ヒ−タ ３９　　原料ガス入口 ４０　　真空排気口 ４２　　真空チャンバ ４３　　電極 ４４　　冷却支持台 ４５　　基材 ４６　　直流電源 ４７　　原料ガス ４８　　電極ギャップ ４９　　真空排気口 ５０　　冷却水 ５１　　ノズル ５２　　プラズマガス流 ５５　　水素ガスボンベ ５６　　不活性ガスボンベ ５７　　炭素含有ガスボンベ ５８　　酸素原子含有無機ガスボンベ ５９　　バブリング装置 ６１　　テ−プヒ−タ ６２　　テ−プヒ−タ

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　工具母材と多結晶ダイヤモンドとより
   なり、工具刃先の母材面に多結晶ダイヤモンドの母材設
   置固定面を当接して固定しダイヤモンドのすくい面によ
   って被加工物を加工する構造の工具であって、ダイヤモ
   ンドの厚さが４０μｍ以上であり、ダイヤモンドの厚み
   方向に膜質が変化しており、刃先すくい面側のダイヤモ
   ンド膜質が、母材設置固定面側のダイヤモンド膜質より
   も良好である事を特徴とする多結晶ダイヤモンド工具。
2. 【請求項２】　　工具母材と多結晶ダイヤモンドとより
   なり、工具刃先の母材面に多結晶ダイヤモンドの母材設
   置固定面を当接して固定しダイヤモンドのすくい面によ
   って被加工物を加工する構造の工具であって、ダイヤモ
   ンドの厚さが４０μｍ以上であり、ダイヤモンドの厚み
   方向に膜質が変化しており、刃先すくい面側ダイヤモン
   ド中の非晶質炭素成分、非ダイヤモンド炭素成分、金属
   不純物、水素、窒素原子等非ダイヤモンド成分の含有量
   が母材設置固定面側ダイヤモンド中の非ダイヤモンド成
   分の含有量に対して少ない事を特徴とする多結晶ダイヤ
   モンド工具。
3. 【請求項３】　　刃先ダイヤモンドのすくい面から厚み
   方向母材面に向かって少なくともダイヤモンドの平均膜
   厚の３０％以内もしくは４０μｍ以内のダイヤモンドの
   どちらか小さい方の箇所におけるダイヤモンド中の非ダ
   イヤモンド成分の含有量がダイヤモンド母材設置固定面
   より厚み方向刃先すくい面に向かってダイヤモンドの平
   均膜厚の３０％以内もしくは４０μｍ以内のどちらか小
   さい方の箇所に於けるダイヤモンド中の非ダイヤモンド
   成分含有量に対して少ない事を特徴とする請求項１又は
   請求項２に記載の多結晶ダイヤモンド工具。
4. 【請求項４】　　ラマン分光分析により、刃先ダイヤモ
   ンドのすくい面から厚み方向母材面に向かって少なくと
   もダイヤモンドの平均膜厚の３０％以内もしくは４０μ
   ｍ以内のダイヤモンドのどちらか小さい方の箇所におけ
   る非ダイヤモンド成分のピーク値（Ｘ１）のダイヤモン
   ド成分のピーク値（Ｙ１）に対する比（Ｘ１／Ｙ１）が
   、ダイヤモンド母材設置固定面より厚み方向刃先すくい
   面に向かってダイヤモンドの平均膜厚の３０％以内もし
   くは４０μｍ以内のどちらか小さい方の箇所における非
   ダイヤモンド成分のピーク値（Ｘ２）のダイヤモンド成
   分のピーク値（Ｙ２）に対する比（Ｘ２／Ｙ２）よりも
   小さい膜質構造　　Ｘ１／Ｙ１＜Ｘ２／Ｙ２を持つ事を
   特徴とする請求項１、２又は３に記載の多結晶ダイヤモ
   ンド工具。
5. 【請求項５】　　工具母材と多結晶ダイヤモンドとより
   なり、工具刃先の母材面に多結晶ダイヤモンドの母材設
   置固定面を当接して固定しダイヤモンドのすくい面によ
   って被加工物を加工する構造の工具であって、ダイヤモ
   ンドの厚さが４０μｍ以上であり、ダイヤモンドの厚み
   方向に膜質が変化しており、刃先すくい面側ダイヤモン
   ド中の欠陥密度が母材設置固定面側ダイヤモンド中の欠
   陥密度に対して少ない事を特徴とする多結晶ダイヤモン
   ド工具。
6. 【請求項６】　　刃先ダイヤモンドのすくい面から厚み
   方向母材設置固定面に向かって少なくともダイヤモンド
   の平均膜厚の３０％以内もしくは４０μｍ以内のどちら
   か小さい方の箇所におけるダイヤモンド中の欠陥密度が
   、母材設置固定面から厚み方向すくい面に向かって少な
   くともダイヤモンドの平均膜厚の３０％以内もしくは４
   ０μｍ以内のどちらか小さい方の箇所のダイヤモンド中
   の欠陥密度に対して小さい事を特徴とする請求項１又は
   ５に記載の多結晶ダイヤモンド工具。
7. 【請求項７】　　ラマン分光分析により求めたラマン発
   光スペクトルに於いて、刃先ダイヤモンドのすくい面か
   ら厚み方向母材面に向かって少なくともダイヤモンドの
   平均膜厚の３０％以内もしくは４０μｍ以内のダイヤモ
   ンドのどちらか小さい箇所におけるスペクトルのダイヤ
   モンド成分に対応するピ−クの半値幅（αｃｍ−１）が
   ダイヤモンド母材設置固定面より厚み方向刃先すくい面
   に向かってダイヤモンドの平均膜厚の３０％以内もしく
   は４０μｍ以内のどちらか小さい方の箇所におけるスペ
   クトルのダイヤモンド成分に対応するピ−クの半値幅（
   βｃｍ−１）よりも小さい（α＜β）膜質構造を持つ事
   を特徴とする請求項１、５又は６に記載の多結晶ダイヤ
   モンド工具。
8. 【請求項８】　　多結晶ダイヤモンドの母材への設置固
   定方法が鑞付けである事を特徴とする請求項１、２、３
   、４、５、６、或は７に記載の多結晶ダイヤモンド工具
   。
9. 【請求項９】　　水素ガス、炭素含有ガスを原料ガスと
   して用い、化学的気相堆積法によって原料ガス中の炭素
   含有ガスの濃度を高める方向か、酸素含有量を減らす方
   向か、或は窒素含有量を減ずる方向に原料ガス中の成分
   を変えつつ、ダイヤモンドを基材上に析出させ、基材を
   除去して、ダイヤモンド単体膜とし、このダイヤモンド
   最終成長面側を工具刃先の母材面に当接して固定し、基
   材面側のダイヤモンドを刃先すくい面とする事を特徴と
   する多結晶ダイヤモンド工具の製造方法。
10. 【請求項１０】　　化学的気相堆積法によって基材上に
    ダイヤモンドを析出させる工程に於いて、原料ガスとし
    て少なくとも水素ガス（Ａ）、炭素原子含有ガス（Ｂ）
    の２種以上の混合ガスを用い、少なくともダイヤモンド
    を１２μｍ膜状に析出させるまでの水素ガス（Ａ）、炭
    素原子ガス（Ｂ）のモル分率比（Ｂ１）／（Ａ１）が、
    １２μｍ以上析出させる時のモル分率比（Ｂ２）／（Ａ
    ２）よりも小さい事　　（Ｂ１）／（Ａ１）＜（Ｂ２）
    ／（Ａ２）　　を特徴とする請求項９に記載の多結晶ダ
    イヤモンド工具の製造方法。
11. 【請求項１１】　　基材上にダイヤモンドを析出させて
    ゆく工程に於いて、少なくとも１２μｍダイヤモンドを
    析出させる迄水素ガス（Ａ）炭素原子含有ガス（Ｂ）の
    ２種のガス以外に酸素原子含有ガス（Ｃ）を反応系内に
    導入する事を特徴とする請求項１０に記載の多結晶ダイ
    ヤモンド工具の製造方法。
12. 【請求項１２】　　基材上にダイヤモンドを析出させて
    ゆく工程に於いて、少なくとも１２μｍダイヤモンドを
    析出させた後水素ガス（Ａ）炭素原子含有ガス（Ｂ）の
    ２種のガス以外に窒素原子含有ガス（Ｄ）を反応系内に
    導入する事を特徴とする請求項１０に記載の多結晶ダイ
    ヤモンド工具の製造方法。