JPH04261703A - 多結晶ダイヤモンド切削工具 - 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】この発明は、耐摩耗性、耐欠損性
および耐熱性に優れ、かつ鋭利な刃先を有する多結晶ダ
イヤモンド切削工具に関するものである。

【０００２】

【従来の技術およびその課題】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５２−１２１２６号公報に記載されているような超
高圧焼結技術を用いてダイヤモンド同士を焼結したダイ
ヤモンド焼結体が開発されている。

【０００３】市販されているダイヤモンド焼結体のうち
、特に粒径が数十μｍ以下の微粒のものは、上記の単結
晶ダイヤモンドに見られたような劈開現象が生ずること
なく、優れた耐摩耗性を示すことが知られている。

【０００４】しかしながら、これらのダイヤモンド焼結
体は数％〜数十％の結合材を含有するため、焼結体を構
成する粒子単位でチッピングが生じるという問題点があ
る。特に、このチッピング現象は、工具刃先のくさび角
が小さくなると顕著になり、鋭利な切れ刃を持った工具
の作製は極めて困難である。また、特に工具刃先のくさ
び角が８０°よりも小さなくなると、現状のダイヤモン
ド焼結体では靭性が不足し、刃付けの際にチッピングが
生じるだけでなく、工具として使用時に欠損しやすくな
ることが知られている。

【０００５】このような問題は、粒径が小さく内部欠陥
が少ないダイヤモンドを構成粒子とし、これらの粒子間
結合を強固にすれば改善されると考えられる。このよう
な観点から、結合材を含有させずにダイヤモンドだけを
焼結して強固な焼結体を合成することが試みられた。し
かし、ダイヤモンド粒子が変形しにくいため、粒子の間
隙に圧力が伝達されず、その結果黒鉛化が生じ、ダイヤ
モンド−黒鉛の複合体しか得られないのが実情である。

【０００６】一方、ダイヤモンドの合成法として、近年
、低圧気相法の技術の進展が目覚しく、ダイヤモンドの
みからなる多結晶体の製造が可能となっている。その１
つの工具形態としては、超硬合金やセラミックからなる
母材上に多結晶ダイヤモンド薄膜を被覆したものが知ら
れている。しかしながら、この種のダイヤコーティング
工具はダイヤモンド薄膜と母材との密着性に問題がある
ため、その用途は限定されたものである。低圧気相法を
利用した多結晶ダイヤモンド工具のもう１つの工具形態
は、たとえば特願昭６３−３４０３３号公報に開示され
たように、厚さが０．１〜３．０ｍｍの多結晶ダイヤモ
ンド薄板を工具母材に直接ロウ付けするものである。 この工具は、ダイヤコーティング工具で問題となった多
結晶ダイヤモンドの剥離現象が生じず、従来の超高圧焼
結ダイヤモンド工具と同等以上の性能で使用可能である
。たとえば、特願平１−２３７５３４号公報には、強度
、耐熱性、耐摩耗性に優れた高靭性多結晶ダイヤモンド
工具が開示されている。

【０００７】しかしながら、低圧気相法による多結晶ダ
イヤモンドを用いても、刃先のくさび角が８０°よりも
小さくなると鋭利な刃先形成が困難になり、また切削中
に欠損しやすくなる傾向が飛躍的に改善されるものでは
なかった。

【０００８】このように、従来のダイヤモンド工具は、
鋭利な刃先形成を行なおうとした場合、ダイヤモンド焼
結体あるいは低圧気相法により合成した多結晶ダイヤモ
ンドのいずれの素材を用いても刃先の欠損が生じ問題と
なっていた。

【０００９】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、鋭利な刃先を有
し、耐欠損性、耐摩耗性および耐熱性に優れた多結晶ダ
イヤモンド切削工具を提供するとを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明による多結晶ダ
イヤモンド切削工具は、工具素材として、平均粒径が０
．１μｍ以上１０μｍ以下のダイヤモンド焼結体と、こ
のダイヤモンド焼結体の少なくもと１主面上に低圧気相
法により合成された膜厚５μｍ以上２０μｍ以下の多結
晶ダイヤモンド層とを有している。そして、多結晶ダイ
ヤモンド層の成長面側が工具のすくい面となるように構
成されている。

【００１１】切削工具の形態としては、このダイヤモン
ド焼結体と低圧気相法による多結晶ダイヤモンド層との
２層構造体を工具本体として用いるもの、およびこの２
層構造体を工具支持体に接合して用いるものがある。

【００１２】また、この発明による多結晶ダイヤモンド
切削工具のすくい面と逃げ面とにより構成される刃先部
のくさび角は４０°以上７０°以下に形成されている。

【００１３】さらに、この発明による多結晶ダイヤモン
ド切削工具は、ダイヤモンド焼結体と多結晶ダイヤモン
ド層とを含む工具素材の、工具支持体との接合面側に周
期律表の第ＩＶＡ族，第ＩＶＢ族，第ＶＡ族，第ＶＢ族
，第ＶＩＡ族，第ＶＩＢ族，第ＶＩＩ族および第ＶＩＩ
Ｂ族に含まれる金属またはこれらの化合物のいずれかか
らなる薄膜層が形成されており、さらに工具素材と工具
支持体とがロウ材で接合されている。

【００１４】

【発明の作用・効果】ここでは、この発明に至る過程を
参照してこの発明による多結晶ダイヤモンド切削工具の
作用効果について説明する。

【００１５】発明者は、たとえば特願平１−２３７５３
４号に示される従来の低圧気相法により合成された多結
晶ダイヤモンドを用いた切削工具の性能が不十分である
原因の解析を行なった。この従来例に示される多結晶ダ
イヤモンドは、機械加工やあるいは化学的な処理によっ
て溶解・分離することが可能なモリブデン（Ｍｏ）やシ
リコン（Ｓｉ）などの基材を用い、この基材の表面上に
低圧気相法を用いて多結晶ダイヤモンド層を構成し、そ
の後、基材を多結晶ダイヤモンド層から分離させて工具
素材を取出している。このような方法においては、基材
の熱膨張係数と、その表面上に合成される多結晶ダイヤ
モンドの熱膨張係数とが異なるため、成膜後に大きな残
留応力が生じる。そして、成膜された多結晶ダイヤモン
ド層から基材を分離した場合には、残留応力により多結
晶体に変形が生ずることを確認した。また、この変形に
伴って、多結晶ダイヤモンドの内部には微視的なクラッ
クが導入され、これが工具の強度低下を招いている可能
性があると考えた。

【００１６】このような解析結果より、残留応力や、こ
れに起因するクラックの発生の問題は、基材にダイヤモ
ンド以外の物質を使用する限り回避することは極めて難
しいと考えられた。

【００１７】したがって、次にダイヤモンドを基材とし
て用い、その表面上に低圧気相法により多結晶ダイヤモ
ンドを成膜する方法を検討した。このような方法におい
ては、従来いくつかの類似した公知例が存在する。たと
えば、特開昭６０−９０８８４号公報には、ダイヤモン
ド基焼結材料の表面に気相合成法によりダイヤモンド被
膜層を０．２〜２０μｍの平均膜厚で形成してなる切削
工具および耐摩耗工具用表面被覆ダイヤモンド基焼結材
料が開示されている。この従来の例では、ダイヤモンド
基焼結材料に鉄族金属を結合材として５容量％以上含有
するものを使用している。このような材料を基材に用い
て、上記公報の例に記載の条件（基材表面温度５００〜
８３０℃）で多結晶ダイヤモンドを被覆することを試み
たが、基材に含まれる結合材の影響により被覆層が形成
されにくく、あるいは基材と被覆層との密着強度が劣る
などの問題点が生じた。このような問題を改善する方法
として示された従来の他の例として、特開昭６３−６９
９７１号公報には、基材に鉄族金属結合材を除去したも
のを用いるダイヤモンド被覆焼結体の製造方法が開示さ
れている。また、特開昭６３−１８５８５９号公報には
、少量のＳｉＣを結合材として含有する焼結ダイヤモン
ドを基材として用いる方法およびそれにより得られるダ
イヤモンド被膜焼結ダイヤモンドが開示されている。 この発明は、上記の従来例にさらに検討を加えることに
より、従来の材質では実現できなかった優れた強度を持
った工具素材ならびに鋭利な刃先を有する切削工具の製
造を可能としたものである。

【００１８】すなわち、この発明の多結晶ダイヤモンド
切削工具においては、基材として平均粒子径が０．１〜
１０μｍのダイヤモンド焼結体を用いている。このダイ
ヤモンド焼結体の平均粒子径をこの範囲に規定した理由
は、仮に平均粒子径が１０μｍより大きい場合には、そ
の表面上に被覆される多結晶ダイヤモンドの粒子も粗大
化し、工具作製時あるいは工具として使用する際にチッ
ピングや欠損が発生しやすくなるためである。また、０
．１μｍよりも小さい場合には、現状の焼結技術では均
一な組成を呈するダイヤモンド焼結体が得られず、その
結果、その表面上に被覆された多結晶ダイヤモンドの粒
子も不均一なものとなり、安定した強度を持った素材が
得られないからである。

【００１９】また、このダイヤモンド焼結体は、被覆す
る多結晶ダイヤモンドの低圧気相合成時にさらされる温
度条件下（現状技術では一般的に７００〜１０００℃）
で変質しない耐熱性の高いものが用いられる。このよう
な高耐熱性のダイヤモンド焼結体はたとえば特開昭５３
−１１４５８９号公報、あるいは特開昭６１−３３８６
５号公報に記載されたものが知られている。

【００２０】さらに、その表面上に合成される多結晶ダ
イヤモンド層との熱膨張係数のバランスを考慮して、ダ
イヤモンド焼結体中のダイヤモンドの含有率は８０％以
上であることが好ましい。このようなダイヤモンドの含
有率が高い焼結体では、一般的にダイヤモンド粒子相互
の直接接合が生じており、このような接合状態は、その
表面上に合成される多結晶ダイヤモンド層の粒子にも継
続、維持される。したがって、合成される多結晶ダイヤ
モンドの粒子においても、各々の粒子間が明確な粒界を
有さず直接結合した高靭性のダイヤモンド層が合成しや
すくなる。

【００２１】さらに、この発明による多結晶ダイヤモン
ド切削工具は、ダイヤモンド焼結体の表面上に低圧気相
法により合成された、膜厚が５〜２００μｍの多結晶ダ
イヤモンド層が形成されている。この多結晶ダイヤモン
ド層は、上記のようにダイヤモンド焼結体の粒子間の直
接接合を反映した高靭性を有し、かつ所定の膜厚を備え
ることにより、工具作製時あるいは工具としての使用時
にチッピングや欠損が生じるのを抑制することができる
。

【００２２】

【実施例】以下、この発明の実施例について説明する。 図１はこの発明による多結晶ダイヤモンド切削工具の刃
先部分の部分断面構造図である。なお、図示された切削
工具は工具形態として、工具素材を工具支持体に接合し
たものが例示されている。図１を参照して、超硬合金あ
るいは鋼などの工具支持体１の所定領域にロウ付け部６
を介して工具のチップ２が固定されている。チップ２は
ダイヤモンド焼結体３と低圧気相法により合成された多
結晶ダイヤモンド層４と、さらにダイヤモンド焼結体３
の接合面側に被覆された被覆金属層５とを備える。そし
て、多結晶ダイヤモンド層４の成長面側には工具のすく
い面７が形成されている。さらに、チップ２の端面には
工具の逃げ面８が形成されている。さらに、工具のすく
い面７と逃げ面８との交差部に形成される刃先部分は、
この両面により構成される刃先のくさび角θが４０°以
上７０°以下の範囲に形成されている。

【００２３】被覆金属層５は、たとえばチタン（Ｔｉ）
やニッケル（Ｎｉ）などが用いられるが、さらには周期
律表の第ＩＶＡ族，第ＩＶＢ族，第ＶＡ族，第ＶＢ族，
第ＶＩＡ族，第ＶＩＢ族，第ＶＩＩ族および第ＶＩＩＢ
族に含まれる金属層あるいはそれらの化合物などが用い
られても構わない。

【００２４】多結晶ダイヤモンド層４の合成には、種々
の低圧気相法の適用が可能である。たとえば、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
じさせる方法や、燃焼炎を用いた成膜方法が有効である
。また、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を用いることが一般であ
る。しかし、これら以外にアルゴンなどの不活性ガスや
酸素、一酸化炭素、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あれば原料中に含有され
ていても差し支えない。

【００２５】次に、具体的な実施例について説明する。 具体的実施例 熱電子放射材に直径０．５ｍｍ、長さ１００ｍｍの直線
状タングステンフィラメントを用いた熱ＣＶＤ法により
、以下の条件で多結晶ダイヤモンドを１０時間合成した
。なお、基材には結合材として２容量％含有されたＣｏ
を酸処理によって溶解・抽出した、平均結晶粒径が３μ
ｍのダイヤモンド焼結体を用いた。

【００２６】 　　原料ガス（流量）　　　　　　　　：Ｈ２　　　　
　　　３００　　ｓｃｃｍ　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　Ｃ２　Ｈ２　　　　　
１５　　ｓｃｃｍ　　ガス圧力　　　　　　　　　　　
　　　　　：８０　　Ｔｏｒｒ　　　　　　　　　　　
　　　フィラメント温度　　　　　　　　：２２５０℃
　　　　　　　　　　　　　　　　　　フィラメント−
基板間距離：５ｍｍ　　基板温度　　　　　　　　　　
　　　　　　：９００℃合成後、回収したダイヤモンド
塊体を分断して構造を観察したところ、平均結晶粒径が
３μｍで厚さが１００μｍの多結晶ダイヤモンドによっ
て基材のダイヤモンド焼結体が被覆されている状態が観
察された。このダイヤモンド塊体（Ａ）に対し、その多
結晶ダイヤモンド層の成長面に鏡面研磨加工を施した後
、基材側に厚さ１μｍのＴｉと厚さ２μｍのＮｉとを積
層・被覆し、この被覆面を接合面として超硬合金製のシ
ャンクと融点が７３０℃の銀ロウを用いてろう付け接合
を行なった。次に、この接合体をダイヤモンド砥石を用
いた研削加工により、刃先加工を行ない、くさび角の大
きさの異なるスローアウェイチップを作製した。

【００２７】比較として、上記と同じ条件でＳｉ基材上
に合成した厚さ０．１ｍｍの多結晶ダイヤモンド単体を
工具素材としたもの（Ｂ）、上記の実験で基材に用いた
Ｃｏ抽出済みのダイヤモンド焼結体を工具素材としたも
の（Ｃ）、上記の実験で基材に用いたダイヤモンド焼結
体のＣｏを抽出する前のものを工具素材としたもの（Ｄ
）についてスローアウェイチップを作製した。

【００２８】これらの種々の工具の刃先のチッピング量
を表１に示す。

【００２９】

【表１】 　　表１の結果が示すように、この発明によれば従来の
研削加工では作製困難であった良好な刃立ち性を持った
工具が容易に作製できることが明らかとなった。

【００３０】さらに、これらの工具の性能を評価するた
めに、以下の条件で切削試験を行なった。

【００３１】 　　（切削条件） 　　　　　　被削材　　　　：Ａ３９０−Ｔ６（Ａｌ−
１７％Ｓｉ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　軸
方向に４本のＶ字形状の溝が形成された丸棒　　　　　
　切削速度　　：６００ｍ／ｍｉｎ　　　　　　切り込
み量：０．３ｍｍ 　　　　　　送り速度　　：０．１２ｍｍ／ｒｅｖ．　
　　　　　冷却液　　　　：水溶性油剤その結果、この
発明の工具は、いずれも９０分切削しても刃先の欠損を
生ずることなく、良好な被削面粗度が得られた。しかし
、比較工具の（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）はいずれもくさび
角が７０°以下になると、切削開始から１０分以内に刃
先の欠損が生じて使用不可能となった。

【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切削工具の
刃先部の部分断面図である。

【符号の説明】

１　　工具支持体 ２　　チップ ３　　ダイヤモンド焼結体 ４　　多結晶ダイヤモンド層 ５　　被覆金属層 ６　　ろう付け部 ７　　すくい面 ８　　逃げ面

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　工具素材として、平均粒径が０．１μ
   ｍ以上１０μｍ以下のダイヤモンド焼結体と、前記ダイ
   ヤモンド焼結体の少なくとも１主面上に低圧気相法によ
   り合成された膜厚５μｍ以上２０μｍ以下の多結晶ダイ
   ヤモンド層とを有し、前記多結晶ダイヤモンド層の成長
   面側を工具のすくい面とした、多結晶ダイヤモンド切削
   工具。
2. 【請求項２】　　該多結晶ダイヤモンド切削工具は、工
   具支持体をさらに備え、前記ダイヤモンド焼結体と前記
   多結晶ダイヤモンド層とを含む工具素材は、前記多結晶
   ダイヤモンド層の成長面側が工具のすくい面となるよう
   に前記工具支持体に接合される、請求項１記載の多結晶
   ダイヤモンド切削工具。
3. 【請求項３】　　前記工具素材の端面には、前記多結晶
   ダイヤモンド層の前記すくい面と交わる工具の逃げ面が
   形成され、前記すくい面と前記逃げ面とに挟まれる刃先
   部のくさび角が４０°以上７０°以下である、請求項１
   または２に記載の多結晶ダイヤモンド切削工具。
4. 【請求項４】　　前記工具素材の前記工具支持体との接
   合面側には、周期律表第ＩＶＡ族，第ＩＶＢ族，第ＶＡ
   族，第ＶＢ族，第ＶＩＡ族，第ＶＩＢ族，第ＶＩＩＡ族
   および第ＶＩＩＢ族に含まれる金属または、これらの化
   合物のうちのいずれかからなる薄膜層が形成され、前記
   工具素材と前記工具支持体とがロウ材で接合されている
   、請求項２または３のいずれかに記載の多結晶ダイヤモ
   ンド切削工具。
5. 【請求項５】　　前記ロウ材は、融点が７００℃以上１
   ３００℃以下の材料が用いられる、請求項４記載の多結
   晶ダイヤモンド切削工具。