JPH04250906A - 多結晶ダイヤモンド工具およびその製造方法 - 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、非鉄金属や非金属の仕
上げ加工に最適な、刃立性に優れた多結晶ダイヤモンド
工具およびその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ダイヤモンドは硬度と熱伝導率が高いた
め、切削工具や耐摩工具として使用されている。しかし
、単結晶ダイヤモンドは劈開するという欠点があり、こ
の欠点を抑制するために、たとえば特公昭５２−１２１
２６号公報に記載されているように超高圧焼結技術を用
いてダイヤモンド同志を焼結したダイヤモンド焼結体が
開発されている。

【０００３】しかしながら、これらのダイヤモンド焼結
体は５％〜１０％の結合材を含有するため、構成する粒
子単位でチッピングが生じるという問題点を有していた
。

【０００４】そこで、ダイヤモンド焼結体の代わりに結
合材を含有していない多結晶ダイヤモンド、すなわち低
圧気相法により構成された多結晶ダイヤモンドを工具素
材とした切削工具が発明者らによって考案された。この
ような多結晶ダイヤモンドを素材とした切削工具の例が
特開平１−２１２７６７号公報に示されている。図８は
多結晶ダイヤモンド工具の一例を示した断面構造図であ
る。この多結晶ダイヤモンド工具は工具支持体４の表面
上にろう付部５を介して多結晶ダイヤモンドチップ３が
固定されている。チップ３はシリコン（Ｓｉ）などの基
材１の表面上に低圧気相法を用いて合成された多結晶ダ
イヤモンド層２を用いている。チップ３は多結晶ダイヤ
モンド層２が基材１の表面上に形成された状態で工具支
持体４にろう付け固定される。その後、研磨加工を用い
て基材１を除去し、すくい面６を形成し、また多結晶ダ
イヤモンド層２の側面を研磨加工して逃げ面７を形成し
、さらに刃先部８が形成されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図８に
示すような多結晶ダイヤモンド工具においては、基材１
の除去のための研削加工、および刃先部の成形加工に問
題が生じる。すなわち、基材１を効率よく除去するため
には粒度の大きいダイヤモンド砥石による研削加工を施
す必要がある。しかしながら、粒度の大きい砥石を使用
すると刃先部８に大きなチッピングが生じる。また、こ
のチッピングを抑制するためにダイヤモンド砥石の粒度
を細かいものを用いると、基材１の除去のための加工時
間がかさみ、加工効率が低下してコストは増大するとい
う問題が生じる。

【０００６】したがって、この発明は上記のような問題
点を解消するためになされたもので、研削加工により形
成される刃先部に生じるチッピングを抑制し、かつ加工
効率に優れた多結晶ダイヤモンド工具およびその製造方
法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１ないし請求項７
に係る発明による多結晶ダイヤモンド工具は、薄板状の
基材と、この基材の表面上に低圧気相法により合成され
た多結晶ダイヤモンド層との積層体から構成されている
。そして基材の裏面を工具のすくい面とし、多結晶ダイ
ヤモンド層の側面を工具の逃げ面としている。さらに、
すくい面と逃げ面との間にネガランドを形成することに
よって多結晶ダイヤモンド層の側面に工具の刃先部を形
成したことを特徴としている。

【０００８】また、請求項８ないし請求項１６に係る発
明による多結晶ダイヤモンド工具は、薄板状の基材と、
この基材の表面上に低圧気相法により合成された多結晶
ダイヤモンド層との積層体からなる工具素材と、工具素
材を支持する工具支持体とを有している。そして、多結
晶ダイヤモンド層の成長表面が工具支持体との接合面と
なるように工具素材と工具支持体とが接合されている。 さらに、基材の裏面は工具のすくい面を構成し、多結晶
ダイヤモンド層の側面は工具の逃げ面を構成している。 そして、すくい面と逃げ面との間にネガランドを形成す
ることにより多結晶ダイヤモンド層の側面に工具の刃先
部を形成したことを特徴としている。

【０００９】請求項１７に係る多結晶ダイヤモンド工具
の製造方法は、まず基材の表面上に低圧気相法により多
結晶ダイヤモンド層を構成する。次に、基材を所定の厚
さに研磨して工具のすくい面を形成する。さらに、多結
晶ダイヤモンド層の側面に工具の逃げ面を形成する。そ
して、すくい面と逃げ面との間にネガランドを形成する
。

【００１０】さらに、請求項１８に係る多結晶ダイヤモ
ンドの製造方法は、まず基材の表面上に低圧気相法によ
り多結晶ダイヤモンド層を合成する。次に基材を所定の
厚さに研磨して工具のすくい面を形成する。そして、多
結晶ダイヤモンド層の成長表面が接合面となるように工
具素材を工具支持体に接合する。そして、多結晶ダイヤ
モンド層の側面に工具の逃げ面を形成する。さらに、す
くい面と逃げ面との間にネガランドを形成する。

【００１１】

【作用】請求項１および請求項８に係る多結晶ダイヤモ
ンド工具において、多結晶ダイヤモンド層の表面に基材
を残余し、これを工具すくい面として用いることにより
基材の除去加工を排除して加工効率を向上することがで
きる。また、すくい面と逃げ面との間にネガランドを形
成して多結晶ダイヤモンド層の側面に刃先部を形成する
ことにより刃立性の優れた刃先部を形成することができ
る。

【００１２】請求項２および請求項９に係る多結晶ダイ
ヤモンド工具では、ネガランドの形状は、すくい面に対
する角度が２゜〜２０゜であり、幅が０．３〜３ｍｍに
規定されている。このネガランドの角度を２０゜以上に
設定すると切削抵抗が大きくなり仕上面の粗度が低下す
る。また、その角度を２゜以下に規定する場合は刃先処
理が非常に困難となる。

【００１３】請求項３および請求項１０に係る多結晶ダ
イヤモンド工具は、刃先部の位置を多結晶ダイヤモンド
層と基材との境界位置からすくい面に直交する方向に沿
って２０μｍ以内の位置に形成している。この刃先部の
位置は上記のネガランドの形状に対応して定められてお
り、刃先部は多結晶ダイヤモンド層の側面に形成される
。これにより、基板に近い層の微粒ダイヤ部分を刃先と
して利用することができる。

【００１４】請求項４および請求項１１に係る多結晶ダ
イヤモンド工具は、刃先部のチッピングの大きさが０．
５〜５μｍに形成されている。これにより、刃立性が向
上し、微細加工を行なうことができる。

【００１５】請求項５および請求項１２に係る多結晶ダ
イヤモンド工具は、基材の厚さは０．１〜１ｍｍに形成
されている。基材の厚さが１ｍｍ以上になると切屑の排
出が悪くなり、刃先の溶着が大きくなって仕上面の粗度
が低下する。また、基材の厚さが０．１ｍｍ以下ではろ
う付け処理や刃先処理の際に亀裂が生じやすくなる。

【００１６】請求項６および請求項１３に係る多結晶ダ
イヤモンド工具は、基材としてＳｉ、ＳｉＣ、Ｓｉ３　
Ｎ４　、Ｍｏ、Ｗのうちのいずれかの材料から構成され
ている。これらの材料は、多結晶ダイヤモンドと線膨脹
係数が似通っているため、基材と多結晶ダイヤモンド層
との密着性が向上する。

【００１７】請求項７および請求項１４に係る多結晶ダ
イヤモンド工具は、多結晶ダイヤモンド層の結晶粒径の
大きさが０．５〜１５μｍに形成されている。多結晶ダ
イヤモンド層の粒径が１５μｍ以上の場合には靭性が低
下し、刃付時のチッピングが増大するとともに切削時の
刃先欠損が生じやすくなる。また、粒径が０．５μｍ以
下の場合には耐磨耗性が低下する。

【００１８】請求項１５に係る多結晶ダイヤモンド工具
は、多結晶ダイヤモンド層の厚さが０．０５〜１ｍｍに
形成されている。この厚さが１ｍｍ以上の場合には、該
多結晶ダイヤモンド工具を仕上工具として使用する場合
に磨耗量に対して過剰な厚みとなる。また、この厚みが
０．０５ｍｍ以下の場合には、ろう付け加工時に結合力
で亀裂が入りやすくなる。

【００１９】請求項１６に係る多結晶ダイヤモンド工具
は、工具支持体として超硬合金または硬のいずれかの材
料を用いている。これにより工具自体の強度を確保する
。

【００２０】請求項１７および請求項１８に係る多結晶
ダイヤモンド工具の製造方法は、研削加工を用いて多結
晶ダイヤモンド工具を効率よく製造することができる。

【００２１】

【実施例】以下に、この発明による多結晶ダイヤモンド
工具の構造および製造方法について図１ないし図６を用
いて説明する。

【００２２】まず、図１を参照して、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ｓ
ｉ３　Ｎ４、Ｍｏ、Ｗなどの材料のいずれかからなる基
材１の表面上に低圧気相法を用いて多結晶ダイヤモンド
層２を合成する。低圧気相法としては、熱電子放射やプ
ラズマ放電を利用して原料ガスの分解・励起を生じさせ
る方法、あるいは燃焼炎を用いた成膜方法が有効である
。 原料ガスとしては、たとえばメタン、エタン、プロパン
などの炭化水素類、メタノール、エタノールなどのアル
コール類、エステル類などの有機炭素化合物と水素とを
主成分とする混合ガスが一般的に用いられる。これ以外
にはアルゴンなどの不活性ガスや二酸化炭素、水なども
ダイヤモンドの合成反応やその特性を阻害しない範囲内
で原料中に含有されてもかまわない。このような低圧気
相法により、基材１の表面上に多結晶ダイヤモンドの平
均粒径が０．５〜１５μｍとなるように構成される。

【００２３】次に、図２を参照して、たとえばダイヤモ
ンド砥石などを用いて基材１を研削加工して所定の厚み
に形成する。基材１の厚みは０．１〜１ｍｍ程度に設定
される。その後、レーザビーム１２により基材１および
多結晶ダイヤモンド層２を所定の工具素材形状に沿って
切断する。そして、図３に示されるチップ３が多結晶ダ
イヤモンド工具のチップとなる。なお、多結晶ダイヤモ
ンド層２が比較的厚い場合にはそのまま刃先形成加工を
行ないホールダにクランプして工具として使用すること
ができる。なお、以下説明においては工具支持体に固定
される多結晶ダイヤモンド工具の例について説明をする
。

【００２４】図４を参照して、多結晶ダイヤモンド層２
の結晶成長表面が接合面となるように工具支持体４に対
してろう付部５を介して固定される。そして、基材１の
上面は工具のすくい面６を構成する。なお、工具支持体
４としては超硬合金あるいは鋼などが用いられる。

【００２５】さらに、図５を参照して、ダイヤモンド砥
石などを用いた研削加工により多結晶ダイヤモンド層２
の側面が所定の形状に研削加工される。これにより工具
の逃げ面７が形成される。

【００２６】さらに、図６を参照して、研削加工により
すくい面６および逃げ面７の交叉部近傍をネガランド処
理をしてネガランド１０を形成する。一般に、この研削
加工により新たに形成された斜面をランド部１１と称し
、ネガランド１０の形状はこのランド部１１とすくい面
６とのなす角度θと図示した記号Ｌ１で表わされる幅に
よって規定される。そして、このネガランド部の角度θ
は２〜２０゜、幅Ｌ１　は０．３〜３ｍｍが好ましい。 さらに、ランド部１１と逃げ面７との交線に沿って形成
される刃先部８は、その位置Ｌ２　が２０μｍ以内にあ
ることが好ましい。なお、この位置Ｌ２　はネガランド
１０の形成角度θに対応して規定される。

【００２７】このような工程により形成される多結晶ダ
イヤモンド工具は、その刃先部８に生じるチッピングが
０．５〜５μｍに抑制することができる。なお、図７に
示すように、刃先部８に形成されるチッピング９の大き
さは刃先部８から各々逃げ面７およびランド部１１に沿
って生じる切欠の長さＸ１　、Ｘ２　のうち大きいほう
の値を用いて表わす。このように、刃先部８のチッピン
グを小さくすることができるのは、まず図５に示す逃げ
面７の加工工程において、基材１が多結晶ダイヤモンド
層２を被覆していることによって逃げ面７の上端部が研
磨により切欠かれるのを防止することができることによ
る。 さらに、図６に示すネガランド処理工程において、基材
１が所定の厚さに研削加工されているため、微粒のダイ
ヤモンド砥石を用いてネガランド処理を行なうことがで
きることによる。微粒のダイヤモンド砥石を用いれば、
刃先形成時のチッピングの発生を抑制することができる
。

【００２８】次に、具体的な実施例について説明する。 （実施例１）マイクロ波プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃ
ａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　）法により
、厚さ２ｍｍのＳｉ基板上に以下の条件で多結晶ダイヤ
モンド層を１０時間合成した。

【００２９】 　　その結果、平均結晶粒径が５μｍで、厚さが０．２
ｍｍの多結晶ダイヤモンドを回収することができた。基
材の厚さを研削加工により０．５ｍｍにして、これを工
具素材とした。この工具素材を、多結晶ダイヤモンド層
の成長面側が接合面となるように超硬合金性のシャンク
とろう付け接合を行なった。その後、＃８００のダイヤ
モンド砥石を用いて、スローアウェイチップ（型番：Ｓ
ＰＧＮ１２０３０４）を作製した。さらに、このチップ
のすくい面側に位置するＳｉ基材に角度１０゜、幅２．
８ｍｍの形状のネガランドを形成し、すくい面に垂直な
方向に多結晶ダイヤモンド層とＳｉ基材の界面から５μ
ｍの位置に多結晶ダイヤモンド層を露出させて刃先部を
形成した。最終的に得られたスローアウェイチップ（Ａ
）は、刃先のチッピングが５μｍと良好であり、また刃
付に要した時間は５分であった。

【００３０】比較として、基材のＳｉを酸処理で溶解・
除去して得られた多結晶ダイヤモンド層のみを工具素材
としチップを作成した。なお、工具素材と超硬合金性の
工具部材とのろう付けは、多結晶ダイヤモンド層の基材
側の面が接合面となるように行なった。そして、上記の
チップ（Ａ）の刃先と同じ品質になるように刃付加工の
条件を選定したところ、＃２０００のダイヤモンド砥石
を使用すればよいことが明らかとなった。このチップ（
Ｂ）の刃付に要した時間は３０分であった。

【００３１】これらのスローアウェイチップの仕上用工
具としての性能評価を以下の条件で行なった。

【００３２】（切削条件） 被削材　　　　：ＡＣ４Ｃ−Ｔ６（Ａｌ−７％Ｓｉ）丸
棒（Ａｌ：アルミニウム） 切削速度　　：５００ｍ／ｍｉｎ 切り込み量：０．２ｍｍ 送り速度　　：０．１ｍｍ／ｒｅｖ． 冷却液　　　　：水溶性油剤 （評価方法） ５分および６０分切削後の被削面粗度の比較その結果、
表１に示したように、本発明の工具（Ａ）は従来の方法
による工具（Ｂ）に比べて製造時間の短縮が可能となり
、コストの大幅な低減が可能となる。さらに、その工具
性能は、遜色なく、良好な被削面が得られることが明ら
かとなった。

【００３３】

【表１】

【００３４】

【発明の効果】このように、本発明による多結晶ダイヤ
モンド工具は、工具素材として多結晶ダイヤモンド層と
基材との積層体を用い、ネガランド処理を行なって刃先
部を形成するように構成したため、研削加工による刃先
加工において刃先部にチッピングが生じるのを抑制する
ことができる。また、基材を用いてすくい面を構成する
ようにしたので、基材除去のための工程を省略すること
ができ、製造工程が簡略化、短縮化でき、加工効率の向
上により低コストの多結晶ダイヤモンド工具を製造する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による多結晶ダイヤモンド工具の製造
工程を示す第１工程図である。

【図２】この発明の多結晶ダイヤモンド工具の製造工程
を示す第２工程図である。

【図３】この発明の多結晶ダイヤモンド工具の製造工程
を示す第３工程図である。

【図４】この発明の多結晶ダイヤモンド工具の製造工程
を示す第４工程図である。

【図５】この発明の多結晶ダイヤモンド工具の製造工程
を示す第５工程図である。

【図６】この発明の多結晶ダイヤモンド工具の製造工程
を示す第６工程図である。

【図７】この発明のスローアウェイチップの刃先部の拡
大斜視図である。

【図８】従来の多結晶ダイヤモンド工具の刃先部分の部
分断面図である。

【符号の説明】

１　　基材 ２　　多結晶ダイヤモンド層 ３　　チップ ４　　工具支持体 ５　　ろう付部 ６　　すくい面 ７　　逃げ面 ８　　刃先部 ９　　チッピング １０　　ネガランド １１　　ランド部 １２　　レーザ

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　薄板状の基材と、この基材の表面上に
   低圧気相法より合成された多結晶ダイヤモンド層との積
   層体からなる多結晶ダイヤモンド工具であって、前記基
   材の裏面を工具のすくい面とし、前記多結晶ダイヤモン
   ド層の側面を工具の逃げ面とし、前記すくい面と前記逃
   げ面との間にネガランドを形成することにより前記多結
   晶ダイヤモンド層の前記側面に工具の刃先部を形成した
   ことを特徴とする、多結晶ダイヤモンド工具。
2. 【請求項２】　　前記ネガランドは前記すくい面に対す
   る角度が２゜以上２０゜以下であり、幅が０．３ｍｍ以
   上３ｍｍ以下に形成されている、請求項１に記載の多結
   晶ダイヤモンド工具。
3. 【請求項３】　　前記多結晶ダイヤモンド層の前記側面
   に形成された刃先部は、前記多結晶ダイヤモンド層と前
   記基材との境界位置から前記すくい面に直交する方向に
   沿って２０μｍ以内の位置に形成されている、請求項１
   または２に記載の多結晶ダイヤモンド工具。
4. 【請求項４】　　前記刃先部のチッピングの大きさは０
   ．５μｍ以上５μｍ以下である、請求項１ないし請求項
   ３のいずれかに記載の多結晶ダイヤモンド工具。
5. 【請求項５】　　前記基材の厚さは０．１ｍｍ以上１ｍ
   ｍ以下である、請求項１ないし請求項４のいずれかに記
   載の多結晶ダイヤモンド工具。
6. 【請求項６】　　前記基材は、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ｓｉ３　
   Ｎ４　、Ｍｏ、Ｗのうちいずれか１つの材料からなる、
   請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の多結晶ダイ
   ヤモンド工具。
7. 【請求項７】　　前記多結晶ダイヤモンド層の結晶粒径
   の大きさが０．５μｍ以上１５μｍ以下である、請求項
   １ないし請求項６のいずれかに記載の多結晶ダイヤモン
   ド工具。
8. 【請求項８】　　薄板状の基材と、この基材の表面上に
   低圧気相法により合成された多結晶ダイヤモンド層との
   積層体からなる工具素材と、前記工具素材を支持する工
   具支持体とを有する多結晶ダイヤモンド工具であって、
   前記基材の裏面を工具のすくい面とし、前記多結晶ダイ
   ヤモンド層の成長表面を前記工具支持体との接合面とし
   、前記多結晶ダイヤモンド層の側面を工具の逃げ面とし
   、前記すくい面と前記逃げ面との間にネガランドを形成
   することにより前記多結晶ダイヤモンド層の前記側面に
   工具の刃先部を形成したことを特徴とする、多結晶ダイ
   ヤモンド工具。
9. 【請求項９】　　前記ネガランドは前記すくい面に対す
   る角度が２゜以上２０゜以下であり、幅が０．３ｍｍ以
   上３ｍｍ以下に形成されている、請求項８に記載の多結
   晶ダイヤモンド工具。
10. 【請求項１０】　　前記多結晶ダイヤモンド層の前記側
    面に形成された刃先部は、前記多結晶ダイヤモンド層と
    前記基材との境界位置から前記すくい面に直交する方向
    に沿って２０μｍ以内の位置に形成されている、請求項
    ８または請求項９に記載の多結晶ダイヤモンド工具。
11. 【請求項１１】　　前記刃先部のチッピングの大きさは
    ０．５μｍ以上５μｍ以下である、請求項８ないし請求
    項１０のいずれかに記載の多結晶ダイヤモンド工具。
12. 【請求項１２】　　前記基材の厚さは、０．１ｍｍ以上
    １ｍｍ以下である、請求項８ないし請求項１１のいずれ
    かに記載の多結晶ダイヤモンド工具。
13. 【請求項１３】　　前記基材が、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ｓｉ３
    　Ｎ４　、Ｍｏ、Ｗのうちいずれか１つの材料からなる
    、請求項８ないし請求項１２のいずれかに記載の多結晶
    ダイヤモンド工具。
14. 【請求項１４】　　前記多結晶ダイヤモンド層の結晶粒
    径の大きさが０．５μｍ以上１５μｍ以下である、請求
    項８ないし請求項１３のいずれかに記載の多結晶ダイヤ
    モンド工具。
15. 【請求項１５】　　前記多結晶ダイヤモンド層の厚さが
    ０．０５μｍ以上１μｍ以下である、請求項８ないし請
    求項１４のいずれかに記載の多結晶ダイヤモンド工具。
16. 【請求項１６】　　前記工具支持体が超硬合金または鋼
    のいずれかからなる、請求項８ないし請求項１５のいず
    れかに記載の多結晶ダイヤモンド工具。
17. 【請求項１７】　　基材と多結晶ダイヤモンド層との積
    層体からなる多結晶ダイヤモンド工具の製造方法であっ
    て、前記基材の表面上に低圧気相法により前記多結晶ダ
    イヤモンド層を合成する工程と、前記基材を所定の厚さ
    に研磨して工具のすくい面を形成する工程と、前記多結
    晶ダイヤモンド層の側面に工具の逃げ面を形成する工程
    と、前記すくい面と前記逃げ面との間にネガランドを形
    成する工程とを備えた、多結晶ダイヤモンド工具の製造
    方法。
18. 【請求項１８】　　基材と多結晶ダイヤモンド層との積
    層体からなる工具素材を工具支持体に接合して形成され
    た多結晶ダイヤモンド工具の製造方法であって、前記基
    材の表面上に低圧気相法により前記多結晶ダイヤモンド
    層を合成する工程と、前記基材を所定の厚さに研磨して
    工具のすくい面を形成する工程と、前記多結晶ダイヤモ
    ンド層の成長表面が接合面となるように前記工具素材を
    前記工具支持体に接合する工程と、前記多結晶ダイヤモ
    ンド層の側面に工具の逃げ面を形成する工程と、前記す
    くい面と前記逃げ面との間にネガランドを形成する工程
    とを備えた、多結晶ダイヤモンド工具の製造方法。