(57)【要約】【課題】ダイヤモンド被覆工具において、耐溶着性と耐摩耗性を兼ね備え、例えば、ＣＦＲＰ／Ａｌ合金スタック材の高速穴あけ加工においても切削寿命が長いダイヤモンド被覆工具を提供する。【解決手段】炭化タングステン基超硬合金で構成された工具基体表面に膜厚が７〜２５μｍのダイヤモンド皮膜が被覆されたダイヤモンド被覆工具において、前記ダイヤモンド皮膜は平均結晶粒径が３.０μｍを超え、Ｄ／Ｇが１０以上、皮膜の面粗度Ｒａが０．５μｍ以下であるダイヤモンド被覆切削工具。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化タングステン基超硬合金で構成された工具基体表面に膜厚が７〜２５μｍのダイヤモンド皮膜が被覆されたダイヤモンド被覆工具において、前記ダイヤモンド皮膜は平均結晶粒径が３.０μｍを超え、波長５３２ｎｍの可視レーザーを用いたラマン分光による測定し、１３３２〜１３３７ｃｍ−１に確認されるダイヤモンドのピーク強度（Ｄ）と１５６０〜１６００ｃｍ−１間にピークを有するグラファイトのピーク強度（Ｇ）との比であるＤ／Ｇが１０以上、皮膜の面粗度Ｒａが０．５μｍ以下であるダイヤモンド被覆切削工具。
【請求項２】
請求項１のダイヤモンド膜を構成する柱状晶の＜１１０＞方向の配向率が４０％以上であることを特徴とするダイヤモンド被覆切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）とＡｌ合金等からなる難削複合材（以下、「ＣＦＲＰ／Ａｌ合金スタック材」と称する）の高速切削加工において、優れた耐溶着性および耐摩耗性を発揮し、工具寿命を改善したダイヤモンド被覆炭化タングステン（ＷＣ）基超硬合金製切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＷＣ基超硬合金（以下、「超硬合金」と称する）からなる工具基体に、ダイヤモンド膜を被覆したダイヤモンド被覆超硬合金製切削工具（以下、「ダイヤモンド被覆工具」と称する）を用いて難削材であるＡｌ合金またはＣＦＲＰ等を加工する際に、アブレッシブ摩耗を抑制するために、ダイヤモンド皮膜の結晶粒径を小さくすることにより面粗度を低減する提案がなされている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ダイヤモンド皮膜が、表面およびダイヤモンドの結晶成長方向と略直角な断面の結晶粒径が２μｍ以下となるように、核付着処理および結晶成長処理を繰り返して形成された微結晶の多層構造を成していることを特徴とし、ダイヤモンド皮膜凹凸面が形成された加工面の面粗さが向上したダイヤモンド被覆工具が記載されている。
【０００４】
また、例えば、特許文献２には、基体が超硬合金またはサーメットであり、厚さが１μｍ以上２０μｍ以下のダイヤモンド膜の成長表面を構成するダイヤモンド結晶粒子の平均粒径が１．５μｍ以下であり、前記ダイヤモンド膜の平均表面粗さがＲａで０．０１μｍ以上０．２μｍ以下であり、前記ダイヤモンド結晶粒子は微細ダイヤモンドが集合して形成されており、前記ダイヤモンド膜の断面において、微細ダイヤモンドがダイヤモンド膜の成長方向に細長く配列し、かつ微細ダイヤモンドの短径が、基材表面からダイヤモンド膜の膜厚１μｍ以上の部分では０．００１μｍ以上０．１μｍ以下であることを特徴とするダイヤモンド膜被覆工具が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３４７７１６２号公報
【特許文献２】特開２００６−１３０５７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年の切削加工の技術分野における省力化および省エネ化、さらに低コスト化に対する要求は強く、これに伴い、切削加工は益々高速化の傾向にある。一方、従来のダイヤモンド被覆工具を、例えば、ＣＦＲＰ／Ａｌ合金スタック材の高速切削に用いる場合、鋭利な刃先が要求されるため、高い刃先強度が要求され、長期の使用にわたって、アブレッシブ摩耗を抑制し、かつ耐溶着性および耐チッピング性を発揮することが十分とは言えず、高い加工精度を維持することが難しく、その結果、比較的短時間で使用寿命に至ることが多かった。
【０００７】
特許文献１および２に開示されているダイヤモンド皮膜は、結晶粒を小さくすることにより面粗度が低減し平滑となっており、耐溶着性の向上は期待できるものの、ダイヤモンド皮膜の結晶粒を小さくすることにより、ｓｐ２結合に対するｓｐ３結合比率が低下し、ダイヤモンド皮膜の持つ硬さが活かされず、耐摩耗性が低下するおそれがあり、ＣＦＲＰ／Ａｌ合金スタック材の高速穴あけ加工等において十分な使用寿命を有するとは言えない。
【０００８】
そこで、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち、本発明の目的は、ダイヤモンド被覆工具において、耐溶着性と耐摩耗性を兼ね備え、例えば、ＣＦＲＰ／Ａｌ合金スタック材の高速穴あけ加工においても切削寿命が長いダイヤモンド被覆工具を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の従来のダイヤモンド被覆工具が有する課題を解決すべく、本発明者は鋭意、研究と実験を繰り返した。その結果、耐溶着性と耐摩耗性を兼ね備えたダイヤモンド皮膜を得るためには、ダイヤモンド皮膜の結晶粒を小さくして面粗度を低減させるのではなく、ダイヤモンド皮膜の結晶粒は大きくして、適切な後処理によって面粗度を低減させればよいという驚くべき新規な知見を得た。また、ダイヤモンド皮膜を＜１１０＞方向に配向すれば、より一層、耐溶着性と平滑性に優れることも発見した。
【００１０】
本発明は、前記知見に基づいたものであり、以下の形態を含むものである。
「（１）炭化タングステン基超硬合金で構成された工具基体表面に膜厚が７〜２５μｍのダイヤモンド皮膜が被覆されたダイヤモンド被覆工具において、前記ダイヤモンド皮膜は平均結晶粒径が３.０μｍを超え、波長５３２ｎｍの可視レーザーを用いたラマン分光による測定し、１３３２〜１３３７ｃｍ−１に確認されるダイヤモンドのピーク強度（Ｄ）と１５６０〜１６００ｃｍ−１間にピークを有するグラファイトのピーク強度（Ｇ）との比であるＤ／Ｇが１０以上、皮膜の面粗度Ｒａが０．５μｍ以下であるダイヤモンド被覆切削工具。
（２）前記（１）のダイヤモンド膜を構成する柱状晶の＜１１０＞方向の配向率が４０％以上であることを特徴とするダイヤモンド被覆切削工具。」
【発明の効果】
【００１１】
前記のダイヤモンド被覆切削工具は、耐溶着性と耐摩耗性を兼ね備えているため、ＣＦＲＰ／Ａｌ合金スタック材等の難削材に対して、例えば、ドリルによる高速穴あけ加工に用いる場合であっても、長期にわって加工精度が維持でき、また、寿命が長く、突発的なチッピングが抑制され、切削工具性能が安定して発揮するという優れた効果を有する。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、本発明のダイヤモンド被覆切削工具のダイヤモンド皮膜について、より詳細に説明する。なお、本明細書、特許請求の範囲において、数値範囲を「〜」を用いて表現する場合、その範囲は上限および下限の数値を含むものである。
【００１３】
１．ダイヤモンド皮膜の平均膜厚：
本発明のダイヤモンド被覆切削工具におけるダイヤモンド皮膜の平均膜厚は７〜２５μｍとする。この範囲とした理由は、７μｍ未満であると、耐摩耗性を重視するＣＦＲＰ／Ａｌ合金スタック材の切削において十分な工具寿命を得ることができず、２５μｍを超えると、鋭利な刃先を得ることが難しくなって、ＣＦＲＰ／Ａｌ合金スタック材の切削においては被削材にバリや層間剥離を生じやすくなるためである。
ここで、ダイヤモンド皮膜の平均膜厚の測定は、工具基体に垂直な方向の断面（膜厚方向の断面である縦断面）をＣｒｏｓｓ−ｓｅｃｔｉｏｎａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｅｒ（以下、ＣＰという）にて加工し、加工した断面を走査電子顕微鏡を用いて適切な倍率（例、倍率５０００倍）で膜厚を測定し、例えば、観察視野内の５点の膜厚を測定して平均して求める。
【００１４】
２．ダイヤモンド皮膜の平均結晶粒径：
本発明のダイヤモンド被覆切削工具におけるダイヤモンド皮膜の平均結晶粒径は３.０μｍを超えるものとする。その理由は、３.０μｍ以下であると、ダイヤモンド皮膜中に結晶粒界の占める体積が多くなって、ｓｐ２結合の割合が高くなり、耐摩耗性が低下するためである。
ここで、ダイヤモンド皮膜の平均結晶粒径は、ダイヤモンド被覆切削工具の切れ刃逃げ面のダイヤモンド皮膜の表面を走査電子顕微鏡にて観察し、５０μｍ四方の３視野内の任意に引かれた１０μｍ線分内に含まれるダイヤモンドの結晶粒の数を計測し、線分長（１０μm）を結晶数で除した値の平均値を算出し求める。
【００１５】
３．Ｄ／Ｇの値：
波長５３２ｎｍの可視レーザーを用いたラマン分光による測定し、１３３２〜１３３７ｃｍ−１に確認されるダイヤモンドのピーク強度（Ｄ）と１５６０〜１６００ｃｍ−１間にピークを有するグラファイトのピーク強度（Ｇ）との比（Ｄ／Ｇ）は、１０以上とする。その理由は、１０未満であると、ダイヤモンド皮膜のｓｐ３結合の割合が低く、皮膜がダイヤモンドの本来の硬さを得ることができず、耐摩耗性が十分でないためである。
【００１６】
４．面粗度（Ｒａ）：
面粗度（Ｒａ）は、０．５μｍ以下とする。その理由は、０．５μｍを超えると刃先に溶着を生じ、剥離を生じやすく、刃先形状が保てなくなり、加工品位が低下するためである。
【００１７】
５．ダイヤモンド皮膜を構成する柱状晶の＜１１０＞方向の配向率：
本発明のダイヤモンド被覆切削工具において、耐摩耗性および耐溶着性の向上のために、ダイヤモンド皮膜の＜１１０＞方向の配向率が４０％以上であることが好ましい。
ここで、ダイヤモンド皮膜を構成する柱状晶の＜１１０＞方向の配向率は、刃先の断面をＣＰにて研磨加工し、ＥＢＳＤにより３０μｍ四方の皮膜断面の領域を３箇所の皮膜表面に対し垂直な皮膜断面研磨面の測定範囲内に存在する結晶粒個々に電子線を照射して、皮膜の結晶粒個々の（１１０）面の法線がなす角度と膜厚方向との傾斜角度を測定し、測定された傾斜角のうち、０〜４５度の範囲内にある傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計することにより、０〜４５度の範囲内に存在する度数（傾斜角度数分布における度数全体）に対する傾斜角度が０〜２０°範囲内に存在する度数の合計の割合を＜１１０＞配向率とする。
【００１８】
６．製造方法（成膜条件）
本発明のダイヤモンド被覆切削工具におけるダイヤモンド皮膜は、熱フィラメント法に用いるＣＶＤ装置を用いて、例えば、以下のような条件で成膜し、プラズマ処理とブラスト処理からなる後処理を施して、製作することができる。
（１）成膜条件
フィラメント温度：２３００〜２５００℃
Ｈ２ガスに対するＣＨ４ガスの割合：０．８〜２．０体積％
反応圧力：６００〜１０００Ｐａ
成膜時間：１０〜２５時間
（２）後処理
（２−１）プラズマ処理
酸素プラズマによりダイヤモンド皮膜表層の改質処理を行い、面粗度を低減させる。
酸素ガス：３００ｍｌ／ｍｉｎ
放電方式：ＲＦ（高周波）
出力：１００〜３００Ｗ
処理時間：２．５〜３．５時間
バイアス：直流パルス
（２−２）ブラスト処理
プラズマ処理により皮膜表面に形成された脆弱層の除去および面粗度を低減させる。
媒体：ＳｉＣ粉末とダイヤモンド粉末の混合メディア（ダイヤモンドの配合比：２〜４％）
投射圧力：０．１０〜０．２０ＭＰａ 
処理時間：４〜６分
【実施例】
【００１９】
次に、実施例について説明する。なお、実施例ではドリルを例に挙げて説明するが本発明に係るダイヤモンド被覆切削工具はこれに限られるものではない。
【００２０】
原料粉末として、いずれも１μｍ以下の平均粒径を有するＷＣ粉末、１〜３μｍの平均粒径を有するＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ３Ｃ２粉末およびＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、表１に示される配合組成に配合し、ボールミルで９６時間湿式混合し、乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を６Ｐａの真空中、温度：１３５０〜１４００℃に１時間保持の条件で焼結し、直径が１０ｍｍの工具基体形成用丸棒焼結体を形成し、さらに前記の丸棒焼結体から、研削加工にて、直径７ｍｍのドリル形状の超硬合金製の工具基体Ａ、Ｂを製作した。
【００２１】
【表１】
2020049587.tif 000002
【００２２】
引き続いて、この超硬合金基体Ａ、Ｂの表面をエタノール中で超音波洗浄し、乾燥した後、エッチング処理を行った後、粒径１〜２μｍのダイヤモンド粉末を含むイソプロピルアルコール液中で１０分間の超音波処理を行なった。
【００２３】
その後、前記超硬合金基体Ａ、Ｂを熱フィラメント法に用いるＣＶＤ装置に装入し、所定の平均膜厚、平均粒径の結晶性ダイヤモンド層を成膜形成し、ブラスト処理を行い本発明被覆工具１〜１３を製作した。成膜条件は、表２に示すとおりである。ＣＶＤ装置内に熱電対を導入し、基体のシャンク側のφ１ｍｍの穴より熱電対を挿入し、基体温度を測定した。また、ダイヤモンド皮膜において表層から０．５μｍの厚さまでグラファイト成分の増加が認められたため、この厚さまでをブラスト処理により除去した。
【００２４】
このようにして得られたダイヤモンド皮膜について、前述の方法により、ダイヤモンド皮膜の平均膜厚、平均結晶粒径、Ｄ／Ｇ、面粗度（Ｒａ）、＜１１０＞方向の配向率をそれぞれ求めた。それぞれの値を表３に示す。
【００２５】
比較の目的で、前記超硬合金基体Ａ、Ｂを熱フィラメントＣＶＤ装置に装入し、ダイヤモンド膜を成膜し、比較被覆工具１〜９を製作した。成膜条件は表２に示すとおりである。
そして、前述の方法により、ダイヤモンド皮膜の平均膜厚、平均結晶粒径、Ｄ／Ｇ、面粗度（Ｒａ）、＜１１０＞方向の配向率をそれぞれ求めた。それぞれの値を表４に示す。
【００２６】
【表２】
2020049587.tif 000003
【００２７】
【表３】
2020049587.tif 000004
【００２８】
【表４】
2020049587.tif 000005
【００２９】
続いて、前記本発明被覆工具１〜１３および比較被覆工具１〜９について、下記条件で穴開け回数の評価試験を行い、工具寿命を調べた。
被削材：厚さ  ２７ｍｍ
ＣＦＲＰ（厚さ２０ｍｍ）とＡｌ合金（Ａ７０７５：厚さ７ｍｍ）からなる複合材
切削速度：ＶＣ＝１００ｍ／分
送り量：ｆｒ＝０．１５ｍｍ／ｒｅｖ貫通
＊工具寿命の判定方法：加工穴数５０毎に、ドリルの刃先とワークを観察し、刃先に基体の露出、欠損、チッピングが生じた時点でドリルの寿命とした。また、加工精度を保つ基準として、被削材の加工面にバリ発生しない、層間剥離が加工面から１ｍｍ以内に抑えられた加工状態を合格判定とした。
試験結果を表５に示す。
【００３０】
【表５】
2020049587.tif 000006
【００３１】
表５に示される結果から、本発明被覆工具１〜１３は、長期にわたり安定した加工穴を得ることができた。
これに対して、本発明の規定を満足しない比較被覆工具１〜９においては、いずれも、欠損・チッピングが発生するばかりか、切削長が短い、または短時間で使用寿命に至っている。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
前述のとおり、この発明のダイヤモンド被覆工具は、難削材であるＣＦＲＰ／Ａｌ合金スタック材の切削において、長期の使用にわたり優れた耐溶着性、耐摩耗性を発揮するものであるから、切削加工装置のＦＡ化、ならびに切削加工の省力化および省エネ化、さらには、低コスト化に十分に満足できる対応ができるものである。