(57)【要約】【課題】クラスターイオンビームにより、自形面を持ち、１０μｍ四方の最大高さで１μｍを超えるダイヤモンド被覆膜表面を平滑化し、切削抵抗が少なく、切り屑排出性に優れ、切れ味の良いダイヤモンド被覆切削工具及び製造方法を提供。【解決手段】超硬合金製の基体に、原子間力顕微鏡観察像において、１０μｍ四方における最大高さが１μｍ以上のＣＶＤ法により形成された多結晶質ダイヤモンド被覆膜を形成した後、ダイヤモンド被覆膜４の垂直面７に対し、入射角θを６０°超８０°未満でガスクラスターイオンビーム１を照射して、少なくとも長手方向長さが５μｍ以上の複数の平行溝（研磨痕）２を形成し、かつ、１０μｍ四方における最大高さで０．５μｍ以下又は中心線平均粗さで０．１μｍ以下に研磨する。また、超硬合金製の切削工具基体の切れ刃１２の逃げ面１３又はすくい面１１を平滑化する。さらに切れ刃１２′の丸み半径を１０μｍ以下とする。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超硬合金製の基体に、原子間力顕微鏡観察像において、１０μｍ四方における最大高さが１μｍ以上のダイヤモンド被覆膜を形成した後、前記ダイヤモンド被覆膜に対し、入射角すなわち照射面の垂線とのなす角６０°超８０°未満でガスクラスターイオンビームを照射して、前記照射部分の表面が、原子間力顕微鏡観察像において、少なくとも長手方向長さが５μｍ以上の複数の平行溝を形成し、かつ、１０μｍ四方における最大高さで０．５μｍ以下又は中心線平均粗さで０．１μｍ以下に研磨することを特徴とするダイヤモンド被覆膜の研磨方法。
【請求項２】
前記ダイヤモンド被覆膜はＣＶＤ法により形成された多結晶質のダイヤモンド被覆膜であることを特徴とする請求項１記載のダイヤモンド被覆膜の研磨方法。
【請求項３】
超硬合金製の切削工具基体の少なくとも切れ刃の逃げ面にダイヤモンド被覆膜が形成されたダイヤモンド被覆切削工具であって、前記切れ刃の逃げ面の切れ刃から１ｍｍ以内の前記ダイヤモンド被膜表面の原子間力顕微鏡観察像において、少なくとも長手方向長さが５μｍ以上の複数の平行溝を有し、かつ、１０μｍ四方における最大高さで０．５μｍ以下又は中心線平均粗さで０．１μｍ以下とされていることを特徴とするダイヤモンド被覆切削工具。
【請求項４】
前記切れ刃のすくい面にダイヤモンド被腹膜が形成されており、前記切れ刃のすくい面の切れ刃から１ｍｍ以内の前記ダイヤモンド被膜表面の原子間力顕微鏡観察像において、少なくとも長手方向長さが５μｍ以上の複数の平行溝を有し、かつ、１０μｍ四方における最大高さで０．５μｍ以下又は中心線平均粗さで０．１μｍ以下とされていることを特徴とする請求項３記載のダイヤモンド被覆切削工具。
【請求項５】
前記切れ刃の横断面でみて、前記切れ刃の丸み半径が１０μｍ以下であることを特徴とする請求項４記載のダイヤモンド被覆切削工具。
【請求項６】
請求項１又は２に記載のダイヤモンド被覆膜の研磨方法を用いて、前記ガスクラスターイオンビームを切れ刃のすくい面または逃げ面、もしくはその両方から照射することにより、請求項５に記載のダイヤモンド被覆切削工具を製造することを特徴とするダイヤモンド被覆切削工具の製造方法。
【請求項７】
前記ダイヤモンド被覆切削工具はドリル又はエンドミルであって、かつ、請求項１又は２に記載のダイヤモンド被覆膜の研磨方法を用いて、前記工具軸を中心として回転させながら、あるいは回転と静止を繰り返してガスクラスターイオンビームを照射することにより、請求項３乃至５のいずれか一に記載のダイヤモンド被覆切削工具を製造することを特徴とするダイヤモンド被覆切削工具の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超硬合金基体上に被覆された多結晶質のダイヤモンド膜の研磨方法及びダイヤモンド被覆切削工具並びにその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ダイヤモンドの気相合成法に、熱フィラメントＣＶＤ法（特許文献１）、マイクロ波フィラメントＣＶＤ法（特許文献２）、直流放電プラズマＣＶＤ法（特許文献３）、熱プラズマＣＶＤ法（特許文献４）などがある。また、この方法の切削工具への応用に関する開発が盛んに行われてきた（特許文献５、非特許文献１）。気相合成法から得られるダイヤモンド膜には、ＣＶＤ法で得られる自形面を持った多結晶質のダイヤモンド膜と、その他の方法で得られ非晶質炭素が主成分であるダイヤモンド膜がある。一般に前者のダイヤモンド膜は後者に較べ硬度が高く、高い耐摩耗性が要求される切削工具の被膜として適用されている。
【０００３】
しかしながら、前記特許文献１〜５、非特許文献１に記載されている、ＣＶＤ法によってダイヤモンド膜を切削工具上へ被覆すると、被覆しない切削工具に比べ切り屑の流れが悪くなり切れ味も悪くなるという問題があった。
【０００４】
前述の切り屑の流れが悪くなる原因は、前記ＣＶＤ法により被覆されたダイヤモンド膜が自形面を持った多結晶質であるため、表面の凹凸が大きく、したがって切り屑とダイヤモンド膜の間の摩擦係数が大きくなるためである。この影響は膜厚の増大とともに大きくなり、膜厚５μｍ以上でＲａ≧１μｍとなる。成膜中のパラメータ制御により結晶粒成長を区切ることでより表面粗さの小さいダイヤモンド被膜を被覆することは可能であるが、その場合は硬度が失われ、切削性能が低下する。あるいは成膜条件によって［００１］方位に結晶成長させることもでき、この場合は［１１１］方位に成長した被膜よりも表面粗さは小さいが、工具性能としては［１１１］方位に成長したダイヤモンド被膜に劣る。
【０００５】
また、ダイヤモンド被膜による切れ味低下の原因は被覆により切れ刃が丸みをおびる点にある。切れ刃の丸みは膜厚とともに増大し、その結果膜厚とともに切れ味は悪くなるということが問題であった。
【０００６】
そこで、特許文献６に記載の発明においては、工具刃先近傍にのみダイヤモンド被膜を被覆し、さらには刃先の研磨を行なうことで、切り屑排出性と切れ味を向上させる手法が開示されている。しかし、特許文献６に開示されている方法では工具製作後に洗浄、マスキング材のコーティング、マスキング除去のための研削加工、再び洗浄、そしてダイヤモンドコーティングと工程が複雑になる上、マスキング除去のためには高精度な研削加工が必要となり、著しく生産性が損なわれることが問題であった。また、この方法では中心線平均粗さ（Ｒａ＝）０．２〜０．５μｍ程度が限界であることが問題であった。
【０００７】
一方、ナノメータ（ｎｍ）オーダの面粗さが得られるものに、ガスクラスターイオンビームによる超精密研磨加工方法が知られている（特許文献７）。また、非特許文献２では、Ｓｉウェハ上の膜厚２μｍ、Ｒａ＝０．０３μｍのＣＶＤダイヤモンド被膜にガスクラスターイオンビームを照射し、数ｎｍの面粗さを得ている。さらには特許文献８には斜め入射表面スパッタリング効果と称する平坦化方法により、ナノメートルオーダーの平滑面をさらに平滑化する方法が開示されている。
【０００８】
また、非特許文献３には、クラスタービームによる平坦化プロセスは、原子の局所的な移動に基づくため、小さな周期の凹凸に対しては効果的に平坦化が行われるが、数十μｍに及ぶような大きなうねりに対しては平坦化をおこなうことが困難であるため、表面平坦化の前工程として機械研磨を用いた後、クラスターイオンビームによる仕上げを行うことが提案されている。
【０００９】
【特許文献１】特開昭５８−９１１００号公報
【特許文献２】特開昭５８−１１０４９４号公報
【特許文献３】特開昭６３−８５０９４号公報
【特許文献４】特開昭６４−３３０９６号公報
【特許文献５】特開昭６０−２０８４７３号公報
【特許文献６】特許第２７１７５９４号
【特許文献７】特許第３４５１１４０号
【特許文献８】特許第３９９４１１１号
【非特許文献１】雑誌ニューダイヤモンド；Ｖｏｌ３，Ｎｏ．３，ｐ２６−３１（１９８７）
【非特許文献２】３ｒｄ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ  ｏｎ  Ｃｌｕｓｔｅｒ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ  Ｐｒ    ｏｃｅｓｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，  （２００２）３５
【非特許文献３】クラスターイオンビーム基礎と応用−次世代ナノ加工プロセス技術−  山田公    ［編著］  日刊工業新聞社  ８９頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで、本発明者らはダイヤモンド被覆膜をクラスターイオンビームで研磨する方法に着目し、非特許文献２の知見に従ってダイヤモンド膜の研磨加工を試みた。しかし、主に［１１１］方位に成長した自形面を持つ切削工具用のＣＶＤダイヤモンド被膜では入射角０°のガスクラスターイオンビーム照射を行っても、ナノオーダの面では向上がみられたが、面粗さは改善されなかった（後述図４）。また、加工速度を上げるためアルゴン−酸素の混合ガスを用い、照射量を増やしたが、基材が露出するまで加工しても表面粗さは改善されなかった（後述図６）。
【００１１】
これは、ＣＶＤダイヤモンド被覆は原子間力顕微鏡観察像において、１０μｍ四方における最大高さが１μｍ以上と面粗さが大きいのに対し、前述したように、ガスクラスターイオンビーム照射前のダイヤモンド被覆膜の面粗さは、非特許文献２では、Ｒａ＝０．０３μｍとかなりなめらかなものが対象であり、また、非特許文献３に記載のように小さな周期の凹凸に対しては効果的に平坦化が行われるが、数十μｍに及ぶような大きなうねりに対しては平坦化をおこなうことが困難であるとの記載からも予想されることであった。
【００１２】
しかし、非特許文献３の如く、機械研磨工程を増加することは好ましくなく、また、ドリルや、エンドミルなどの切削工具の多くは幾つかの切れ刃と切り粉を排出する溝とを備える複雑形状であり、機械研磨は容易でないという問題があり、クラスターイオンビームによる平滑化が望まれている。
【００１３】
本発明の課題は前述した問題に鑑みて、クラスターイオンビームにより、自形面を持ち、１０μｍ四方の最大高さで１μｍを超えるダイヤモンド被覆膜表面を平滑化する方法を提供することである。また、かかる平滑化により、切削抵抗が少なく、切り屑排出性に優れ、切れ味の良いダイヤモンド被覆切削工具及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明においては、超硬合金製の基体に、原子間力顕微鏡観察像において、１０μｍ四方における最大高さが１μｍ以上のダイヤモンド被覆膜を形成した後、前記ダイヤモンド被覆膜に対し、入射角すなわち照射面の垂線とのなす角６０°超８０°未満でガスクラスターイオンビームを照射して、前記照射部分の表面が、原子間力顕微鏡観察像において、少なくとも長手方向長さが５μｍ以上の複数の平行溝を形成し、かつ、１０μｍ四方における最大高さで０．５μｍ以下又は中心線平均粗さで０．１μｍ以下に研磨するダイヤモンド被覆膜の研磨方法を提供することにより前述した課題を解決した。
【００１５】
即ち、本発明者らは研究の結果、かかる工具用ダイヤモンド被覆膜にガスクラスターイオンビーム（以下「ＧＣＩＢ」という）を照射すると、従来と同様の原子の局所的な移動による平坦化が行われる。しかし、ＧＣＩＢを、入射角６０°超８０°未満で照射すると、表面の微少加工が生じ、照射方向に溝が形成されていることを知得した。この溝は原子間力顕微鏡（以下「ＡＦＭ」という）観察像図である図２に示すように、照射方向に沿って研磨痕とみられる複数の縦溝が引っ掻いたように生じている。さらに、その長さもＡＦＭ観察図のほぼ全域にわたるものもあり、少なくとも５μｍ以上である。一方、さらなる微細表面は従来と同様の原子の局所的な移動による平坦化が行われる。この結果、ＡＦＭ観察像において、１０μｍ四方における最大高さで０．５μｍ以下又は中心線平均粗さで０．１μｍ以下の面粗さの平滑面を得ることができたのである。この現象は本発明者らが超硬合金製の基体上のダイヤモンド被覆膜で確認したものであり、かかる現象についての報告はない。なお、入射角が６０°以下あるいは８０°以上になると照射部分の微細部分でのナノメータクラスの平滑化は行われると考えるが、本発明の研磨痕は発生しにくくなり、数μｍから数十μｍのうねり等の形状への影響は非常に少ない。
【００１６】
さらに、請求項２に記載の発明においては、前記ダイヤモンド被覆膜はＣＶＤ法により形成された多結晶質のダイヤモンド被覆膜とした。これにより、自形面をもち、硬度が高く、表面粗さが小さいダイヤモンド被覆膜を提供するものとなった。なお、ダイヤモンドの被覆膜の膜厚は、１０μｍ以上２０μｍ以下が工具に適している。また、研磨も容易である。また、本発明で得られる平滑面の面粗さは、ナノオーダまでの実現は困難で、下限は、ＡＦＭ観察像において、１０μｍ四方における最大高さで０．０５μｍ又は中心線平均粗さで０．０１μｍの面粗さと考える。
【００１７】
かかるダイヤモンド被覆膜の研磨方法により、請求項３に記載の発明においては、超硬合金製の切削工具基体の少なくとも切れ刃の逃げ面にダイヤモンド被覆膜が形成されたダイヤモンド被覆切削工具であって、前記切れ刃の逃げ面の切れ刃から１ｍｍ以内の前記ダイヤモンド被膜表面のＡＦＭ観察像において、少なくとも長手方向長さが５μｍ以上の複数の平行溝を有し、かつ、１０μｍ四方における最大高さで０．５μｍ以下又は中心線平均粗さで０．１μｍ以下とされているダイヤモンド被覆切削工具を提供するものとなった。逃げ面の面粗さを小さくしたので、表面の凸凹が小さくなり、加工物に対するダイヤモンド膜の摩擦係数が少なくなる。平滑域は広ければ広い方がよいが、研磨時間がかかる等を考慮して、平滑域を少なくとも切れ刃から１ｍｍ以上確保することが重要である。
【００１８】
さらに、請求項４に記載の発明においては、前記切れ刃のすくい面にダイヤモンド被腹膜が形成されており、前記切れ刃のすくい面の切れ刃から１ｍｍ以内の前記ダイヤモンド被膜表面のＡＦＭ観察像において、少なくとも長手方向長さが５μｍ以上の複数の平行溝を有し、かつ、１０μｍ四方における最大高さで０．５μｍ以下又は中心線平均粗さで０．１μｍ以下とされているダイヤモンド被覆切削工具とした。前述したと同様に、すくい面の凹凸が減じ、切り屑との摩擦係数が少なくなる。すくい面の平滑域は広い方がよいが、少なくとも切れ刃から１ｍｍ以上確保する。
【００１９】
また、ガスクラスターイオンビームの照射は微少加工を可能とするので、切れ刃の丸み半径も小さくできる。そこで、請求項５に記載の発明においては、前記切れ刃の横断面でみて、前記切れ刃の丸み半径が１０μｍ以下のダイヤモンド被覆切削工具を提供する。切れ味の面から丸み半径は小さい方がよく、切れ刃を挟むすくい面、逃げ面の両方から照射することにより、切れ刃の丸み半径を小さくできる。
【００２０】
クラスターイオンビームによる研磨範囲は微少であるので、かかるダイヤモンド被覆切削工具の研磨は部分的に行うとよい。そこで、請求項６に記載の発明においては、本発明のダイヤモンド被覆膜の研磨方法を用いて、前記ガスクラスターイオンビームを切れ刃のすくい面または逃げ面、もしくはその両方から照射することにより、切れ刃の横断面でみて、切れ刃の丸み半径が１０μｍ以下のダイヤモンド被覆切削工具を製造するダイヤモンド被覆切削工具の製造方法とした。
【００２１】
また、より具体的な工具に対して、請求項７に記載の発明においては、前記ダイヤモンド被覆切削工具はドリル又はエンドミルであって、かつ、本発明のダイヤモンド被覆膜の研磨方法を用いて、前記工具軸を中心として回転させながら、あるいは回転と静止を繰り返してガスクラスターイオンビームを照射することにより、ＡＦＭ観察像において、少なくとも長手方向長さが５μｍ以上の複数の平行溝を有し、かつ、１０μｍ四方における最大高さで０．５μｍ以下又は中心線平均粗さで０．１μｍ以下又は切れ刃の丸み半径が１０μｍ以下のダイヤモンド被覆切削工具を製造するダイヤモンド被覆切削工具の製造方法を提供する。また、ＧＣＩＢ照射においては、刃先方向から垂直に照射を行っても、刃先には研磨痕は発生しないので、ダイヤモンドドリルの切れ刃形状は維持される。
【発明の効果】
【００２２】
本発明においては、ＡＦＭ観察像において、１０μｍ四方における最大高さが１μｍ以上のダイヤモンド被覆膜を形成した後、入射角６０°以上８０°以下でガスクラスターイオンビームを照射して、長手方向長さが５μｍ以上の複数の平行溝の研磨痕を形成し、さらなる微少部分を平滑化することにより、最大高さで０．５μｍ以下又は中心線平均粗さで０．１μｍ以下に研磨する方法としたので、数十μｍに及ぶような大きなうねりに対して平坦化を行うことができ、表面粗さが改善され、突起部の選択的な研磨が可能となったことにより、加工速度が上がり、より硬度が高く、高い耐磨耗性を得ることができた。そして、自形面を持ち、１０μｍ四方の最大高さで１μｍを超えるダイヤモンド被覆膜を機械加工等の前加工することなく、直接ガスクラスターイオンビームを用いて平滑化することが可能となった。
【００２３】
さらに、請求項２に記載の発明においては、ダイヤモンド被覆膜をＣＶＤ法により形成された多結晶質のダイヤモンド被覆膜とし、自形面をもち、硬度が高く、表面粗さが小さいダイヤモンド被覆膜を提供できるので、高い耐摩耗性が要求される工具等に有用な被覆膜の平滑化を可能とした。
【００２４】
また、請求項３に記載の発明においては、切れ刃の逃げ面の切れ刃から１ｍｍ以内の前記ダイヤモンド被膜表面のＡＦＭ観察像において、少なくとも長手方向長さが５μｍ以上の複数の平行溝を有し、かつ、１０μｍ四方における最大高さで０．５μｍ以下又は中心線平均粗さで０．１μｍ以下とされているダイヤモンド被覆切削工具とし、逃げ面の面粗さを小さくし、加工物とダイヤモンド膜の摩擦係数が少なくなるので、切削抵抗が減じ、また、切り屑排出性が向上する。さらに、請求項４に記載の発明においては、切れ刃のすくい面を平滑化したので、切り屑との摩擦係数が少なくなるので、切り屑排出性が向上する。また、請求項５に記載の発明においては、切れ刃の丸み半径が１０μｍ以下のダイヤモンド被覆切削工具としたので、切れ味が向上する。
【００２５】
さらに、ガスクラスターイオンビームを所定角度で、切れ刃のすくい面または逃げ面、もしくはその両方から照射し、切れ刃の丸み半径を１０μｍ以下とするダイヤモンド被覆切削工具の製造方法としたので、切削工具のような複雑な形状であっても、部分部分の照射により、微少加工及び微少部分の平滑化が容易となった。
【００２６】
また、請求項７に記載の発明においては、ドリル又はエンドミルの工具軸を中心として回転させながら、あるいは回転と静止を繰り返してガスクラスターイオンビームを所定角度で照射することにより、部分部分の平滑化が容易であるので、切削工具の幾つかの切れ刃と切り粉を排出する溝とを備える複雑形状であっても、機械研磨等の前加工なしに、平滑化ができるものとなった。例えば、２枚刃のドリルにおいて片側の切れ刃を研磨する際に反対側の切れ刃がＧＣＩＢ源に対して正面を向いてしまっても、特別なマスキングを必要とすることなくＧＣＩＢ照射を行うことができるため、生産性が高いものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００２８】
図１は超硬合金製インサートに熱フィラメントＣＶＤ法によりダイヤモンド被膜を被覆したＡＦＭ観察像、図２は図１と同等品に本発明によるＧＣＩＢ照射後のインサートのＡＦＭ観察像である。本発明の実施の形態においては、まず、超硬合金製インサートに熱フィラメントＣＶＤ法により［１１１］方位に成長した自形面を持つダイヤモンド被膜を１５μｍ被覆した。図１に示すように、平滑化前の、ダイヤモンド被覆表面の面粗さは中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．１１μｍ、１０μｍ四方における最大高さ（Ｒｙ）で１．１８μｍであった。
【００２９】
次に、このダイヤモンド被覆膜基材をダイヤモンド皮膜表面の平均面に対してＧＣＩＢ１の入射角が７０°となるように設置し、クラスターガスをアルゴン、クラスターサイズは選別なし（平均１，０００個）とし、イオン加速電圧を３０ｋＶ、イオンドーズ量が５．０ｅ１７ｉｏｎｓ／ｃｍ２となる条件でＧＣＩＢ照射を行った。
【００３０】
その結果、図２に示すように、照射方位（図に符号１で示す矢印）に沿って何本もの平行溝からなる研磨痕２が生じている。この研磨痕２は図１でランダムに発生している突起部３が一度照射方向にならされ、さらに、その表面が平滑化されている如く観察される。そして、ＡＦＭ観察像における表面粗さはＲａ＝０．０５μｍ、Ｒｙ＝０．４８μｍと大幅に向上した。なお、照射による研磨痕２への影響を測定するために、照射にあたって、ＧＣＩＢ照射部位とマスキングにより照射しなかった部分の段差を測定することにより加工量を求めたところ、１．０μｍ以下であった。このことから、照射部のダイヤモンド被覆膜は照射により照射方向にならされているものと推測される。
【００３１】
なお、導入するソースガスとしては、不活性ガス、たとえばアルゴンや、窒素ガス、酸素ガス等の他、化合物の炭酸ガス等、必要に応じて１種または２種以上のガスを単独にあるいは混合して使用することができるが、クラスターの生成、イオン化効率、安全性、コストの面からアルゴンが最も好ましい。加工速度を上げるためにアルゴンと酸素の混合ガスを用いることもできる。これは、ダイヤモンドの酸化反応を促すためである。クラスターガスとしてアルゴン−酸素混合ガスを用いる場合の混合比は酸素の原子％で３０％程度の加工速度が最も高い。
【００３２】
かかる、現象について次のように考えられる。図１５は本発明に関するイオンビーム入射角θとダイヤモンド自形面のなす角θｄとの関係を示す幾何学的な模式図である。図１５において、［１１１］方位に成長したダイヤモンド被覆膜４の垂直面７に対し、自形面５のなす角θｄは、立方晶の幾何学モデルで計算すると３５．２６°≦θｄ≦５４．７４°となる。９０°−θｄよりも十分低い角度で侵入する粒子、言い換えればθｄよりも十分大きな入射角θで照射されたイオンビーム１はダイヤモンド被覆切削工具１０の凹部６は衝突せず、凸部３にのみ選択的に衝突し、前述した照射方向に沿った研磨痕２を残し、ダイヤモンド被覆膜表面５の凸部である突起部３の選択的な研磨が可能となったのである。
【００３３】
本発明を実施する為の手法は特許文献８と一見酷似しているが、その内容は大きく異なる。特許文献８においては２０段落目に「固体表面とガスクラスターイオンビームとのなす角度として第１段階は９０°の照射角度θｐを用い、第２段階として２５°の照射角度θｐを用いることによっても、短時間で（照射ドーズ量が少ない状態で）表面粗さを小さくすることができる」という記述があることからもわかるように、あくまでも垂直入射によっても面粗さが減少する試料についての技術である。一方、先述したように、切削工具用のダイヤモンド被膜は垂直入射によってうねりのような面粗さが減少することは無く、本発明のメカニズムとは明らかに異なるものである。
【００３４】
また、本発明における研磨痕は幾何学的な要因による為、通常の単原子イオンビームを用いた場合でも成立する。しかし、ガスクラスター特有の多体衝突効果がないので、「ガスクラスターを形成している原子または分子は、その固体表面にほとんど進入することなしに固体表面と平行方向に反跳する」というガスクラスターイオンビーム特有の現象が起こらない。また、単原子イオンでは空間電化効果により十分な質量を移送できない。このために、単原子イオンビームを用いた研磨方法では、表面損傷が大きくなったり、表面粗さ低減効果が少なかったり、加工速度が著しく遅くなったりするという問題が発生する。
【００３５】
なお、かかる考察により、実際にダイヤモンド被覆切削工具にＧＣＩＢ照射を行う場合には、加工する面に対してＧＣＩＢの入射角θが６０°超〜８０°未満となるように設置するのが良い。６０°超としたのはθｄの最大値５４．７４°に対して大きな角度とする為であり、６０°以下では凸部への選択的な加工の効率が低くなる。また、８０°以上の大きい角度では実面積が照射方向への投影面積に比べて極端に大きくなるため照射効率が悪くなる。たとえば８０°の場合、投影面積すなわちビームの断面積に対する実面積は５．８倍、すなわち垂直入射と同じドーズ量を得るためには５．８倍の照射時間が必要になるが、図１６に示すように８０°を超えたところでこの比率は急激に増加するため、照射時間が極端に長くなってしまい、著しく生産性が低下するものと推察される。
【００３６】
次に本願発明の比較として、照射角度を０°として、種々の測定を行った。
（比較例１）
比較例１は以下の条件で、図１と同じ条件で作製したダイヤモンド被覆インサートに、垂直方向からＧＣＩＢ照射を行った。
クラスターガス          アルゴン
照射角度          ０°
クラスターサイズ  選別なし（平均１，０００個）
イオン加速電圧    ２０ｋＶ
イオンドーズ量    ５．０ｅ１７ｉｏｎｓ／ｃｍ２
その結果のインサートのＡＦＭ観察像を図３に示す。図３に示すように、山谷の表面の微細部分がなめらかになっているが、全体の表面粗さはＲａ＝０．１５μｍ、Ｒｙ＝３．１３μｍと改善は認められなかった。また、加工量は１．０μｍ以下であった。
【００３７】
（比較例２）
比較例１の試料にさらに以下の条件でＧＣＩＢ照射を行った。
クラスターガス    アルゴン
照射角度          ０°
クラスターサイズ  選別なし（平均１，０００個）
イオン加速電圧    １０ｋＶ
イオンドーズ量    ２．５ｅ１７ｉｏｎｓ／ｃｍ２
その結果のインサートのＡＦＭ観察像を図４に示す。図４に示すように、山谷（ダイヤモンドの自形面）の表面の微細部分がさらになめらかになり、ダイヤモンドの自形面に倣って面が平滑化し、表面積が減少している。しかし、全体の面粗さは、Ｒａ＝０．１３μｍ、Ｒｙ＝１．２８μｍと未照射試料に対して表面粗さは改善されなかった。
【００３８】
（比較例３）
次に、加工量を増やす目的でアルゴン−酸素混合ガスを用いて酸化反応を促進させ、以下の条件で図１と同じ条件で作製したダイヤモンド被覆インサートに、垂直方向からＧＣＩＢ照射を行った。
クラスターガス    アルゴン−酸素混合ガス（酸素３４％）
照射角度          ０°
クラスターサイズ  選別なし（平均１，０００個）
イオン加速電圧    ２０ｋＶ
イオンドーズ量    ３．２ｅ１７ｉｏｎｓ／ｃｍ２
その結果のインサートのＡＦＭ観察像を図５に示す。図５に示すように、加工量は３．８μｍと増したが、全体の表面粗さはＲａ＝０．１１μｍ、Ｒｙ＝１．１８μｍと改善は見られなかった。また、山谷の表面の微細部分は比較例１より荒れた表面となった。
【００３９】
（比較例４）
さらに加工量を増やすため、比較例３の試料にさらに以下の条件でＧＣＩＢ照射を行った。
クラスターガス    アルゴン−酸素混合ガス（酸素３４％）
照射角度          ０°
クラスターサイズ  選別なし（平均１，０００個）
イオン加速電圧    ２５ｋＶ
イオンドーズ量    ５．０ｅ１８ｉｏｎｓ／ｃｍ２
その結果のインサートのＡＦＭ観察像を図６に示す。図６に示すように、表面粗さはＲａ＝０．０６μｍ、Ｒｙ＝０．６４μｍと向上したが、加工量は２２．４μｍとなり、基材が露出し、加工量を増やしても面粗さの向上はできなかった。
【００４０】
このように、比較例では、山谷（ダイヤモンドの自形面）の表面の微細部分がなめらかになり、前述したクラスターイオンビームによる効果があらわれているものと考えられる。しかし、比較例においては、いずれも本発明のような平行溝からなる照射方向に沿った研磨痕は発生せず、前述した小さな周期の凹凸に対しては効果的に平坦化が行われるが、数十μｍに及ぶような大きなうねりに対しては平坦化をおこなうことができないことが明白であった。
【００４１】
（比較例５）
次に、照射角度が６０°以下の場合について述べる。比較例５は以下の条件で、図１と同じ条件で作製したダイヤモンド被覆インサートに、照射角度６０°でＧＣＩＢ照射を行った。
クラスターガス    アルゴン−酸素混合ガス（酸素３４％）
照射角度          ６０°
クラスターサイズ  選別なし（平均１，０００個）
イオン加速電圧    ２０ｋＶ
イオンドーズ量    １．０ｅ１８ｉｏｎｓ／ｃｍ２
その結果のインサートのＡＦＭ観察像を図７に示す。図７に示すように、表面粗さはＲａ＝０．２０μｍ、Ｒｙ＝１．５０μｍと改善は見られ無かった。しかし、照射方位（図で符号１の矢印）に沿った数μｍの長さの平行溝の研磨痕２′が一部に観察され、本発明による突起部３の選択的な加工が照射角度により変化しており６０°近傍で効果が減じていることがわかる。
【実施例２】
【００４２】
次に、ダイヤモンド被覆ドリルに対して工具軸と垂直方向から以下の条件でＧＣＩＢ照射を行った第二の実施の形態について説明する。かかる場合には、ドリルの形状から、入射角は第１逃げ面８で８０°、第２逃げ面９で７０°となり、角度に関して複数の試験をしたと同じ状態になる。実施例２においては、超硬合金製ドリルに熱フィラメントＣＶＤ法により［１１１］方位に成長した自形面を持つダイヤモンド被膜を１５μｍ被覆した。次に、このダイヤモンド被覆膜ドリルに次の条件で、ＧＣＩＢ照射を行った。
クラスターガス    アルゴン
照射角度          ８０°（第１逃げ面）、７０°（第２逃げ面）
クラスターサイズ  選別なし（平均１，０００個）
イオン加速電圧    ３０ｋＶ
イオンドーズ量    ２．７ｅ１７ｉｏｎｓ／ｃｍ２（第１逃げ面）、
５．０ｅ１７ｉｏｎｓ／ｃｍ２（第２逃げ面）
【００４３】
その結果のドリルの第１逃げ面、第２逃げ面の走査電子顕微鏡（以下「ＳＥＭ」という）観察像を図１１に示す。図１１に示すように、第１逃げ面８では、角度が大きくなり、面積あたりの照射量が少なくなるため、ダイヤモンド自形面がほとんど残っており、本発明の突起部３の選択的加工が行われていない。これに対し、第２逃げ面９には、照射方位に沿った複数の平行溝状態の研磨痕２が観察されている。このような結果からも、本発明の研磨痕の形成が照射角度の影響で影響を受け、自形面を持ち、１０μｍ四方の最大高さで１μｍを超えるダイヤモンド被覆膜を機械加工等の前加工することなく、直接ガスクラスターイオンビームを用いて平滑化することが可能となったものといえる。
【実施例３】
【００４４】
次に本発明の第三の実施の形態について説明する。第三の実施の形態は工具の切れ刃切れ刃近傍にＧＣＩＢ照射をおこなったものであり、工具切れ刃の丸みを改善した例である。図９に示すように、すくい面１１、切れ刃１２、逃げ面１３、前述したと同様に超硬合金製インサートに熱フィラメントＣＶＤ法によりダイヤモンド被膜膜４を被覆した。図９に示すように、すくい面１１と逃げ面１３の稜線（切れ刃）１２の丸みは照射前は２５μｍである。その後、ダイヤモンド被覆超硬インサートのすくい面１１及び逃げ面１３の両方から、各面に対してそれぞれ入射角７０°として、以下の条件でＧＣＩＢ照射を行なった。
クラスターガス    アルゴン
照射角度          ７０°
クラスターサイズ  選別なし（平均１，０００個）
イオン加速電圧    ３０ｋＶ
イオンドーズ量    各５．０ｅ１７ｉｏｎｓ／ｃｍ２
【００４５】
その結果のＧＣＩＢ照射後の刃先形状を図１０に示す。図１０に示すように、すくい面１１′と逃げ面１３′の稜線（切れ刃）１２′の丸みは照射後は７．５μｍとなり、照射前の２５μｍに比して非常に鋭利な刃先を得ることができた。
【実施例４】
【００４６】
次に本発明の第四の実施の形態について説明する。第四の実施の形態はドリルに適用した場合の例である。図１１はドリルへのＧＣＩＢ照射の模式図である。図１１に示すように、直径７ｍｍのダイヤモンド被覆ドリル２０の工具軸を垂直方向からＧＣＩＢ源側に約１０°傾ける（符号２１で示す矢印）。さらに、第１切れ刃２２の逃げ面２３、及び第２切れ刃２４をＧＣＩＢ源側に向けて固定し、符号１で示す矢印方向に以下の条件でＧＣＩＢ照射を行った。
クラスターガス    アルゴン
照射角度          ７０°（第１切れ刃１１、第１逃げ面）
クラスターサイズ  選別なし（平均１，０００個）
イオン加速電圧    ３０ｋＶ
イオンドーズ量    ５．０ｅ１７ｉｏｎｓ／ｃｍ２（第１切れ刃1１、第１逃げ面）
【００４７】
その結果である第１切れ刃２２の逃げ面２３のＳＥＭ観察像を図１２に、第２切れ刃２４のＳＥＭ観察像を図１３に示す。図１２に示すように、第１切れ刃２２においては切削に寄与する第１逃げ面２３に照射方向に沿って多数の平行溝を形成する研磨痕２が認められ、本発明による平滑化が確認できた。逆に、図１３に示すように、稜線方向から照射を受けた第２切れ刃２４においても、ダイヤモンド被覆工具本来のチャンファ２５が残っており、ＧＣＩＢ照射によって刃先が丸くならないことを確認できた。即ち、垂直方向からＧＣＩＢ照射しても大きな面粗さの変化はないことを確認した。なお、微少表面上は影響があるが、工具性能への影響は、全体の面粗さの影響よりは少ない。また、符号２６は切れ刃２４のすくい面側、符号２７は逃げ面側を示す。
【実施例５】
【００４８】
通常ショットブラスト、エアロラップなどの手法でドリルなどの形状物を研磨する場合、刃先方向から微粒子を入射すると刃先が丸くなるが、実施例４の結果によるように、ＧＣＩＢ照射においては刃先方向から照射を行なってもダイヤモンドドリルの切れ刃形状が維持されるのである。このことにより、例えば２枚刃のドリルにおいて片側の切れ刃を研磨する際に反対側の切れ刃がＧＣＩＢ源に対して正面を向いてしまっても、特別なマスキングを必要とすることなくＧＣＩＢ照射を行なうことができるため生産性が高いのである。そこで、本発明の第五の実施の形態においては、２枚刃ドリルの逃げ面２３の面粗さの改良を行った例を説明する。実施例４の図１１と同様に、直径６ｍｍのダイヤモンド被覆ドリルの工具軸をＧＣＩＢ源方向に１０°傾け、以下の条件でＧＣＩＢ照射を行った。
クラスターガス    アルゴン
照射角度          ７０°（第１逃げ面）
クラスターサイズ  選別なし（平均１，０００個）
イオン加速電圧    ３０ｋＶ
イオンドーズ量    ５．０ｅ１７ｉｏｎｓ／ｃｍ２（第１逃げ面）
【００４９】
その後、ドリルを工具軸を中心に１８０°自転させ、同じ条件でＧＣＩＢ照射を行ってドリルの２枚の切れ刃を研磨加工した。このとき、実施例４で述べたように、片側の切れ刃が入射角７０°のＧＣＩＢ照射を受ける際、反対側の切れ刃は稜線方向からＧＣＩＢの照射を受けている。
【００５０】
かかる本発明のドリル及び比較の為にＧＣＩＢによる研磨を行っていないダイヤモンド被覆ドリルの両者を用い、以下の条件でガラス繊維強化プラスチックの穴加工試験を行った。
被加工材    ガラス繊維強化プラスチック
板厚        ３ｍｍ
回転数      ４，０００ｍｉｎ−１
送り速度    ５００ｍｍ／ｍｉｎ切削油剤    なし
【００５１】
試験の結果、比較ドリルの寿命約２，０００穴に対し、本発明ドリルは４，０００穴以上を加工した。また、本発明ドリルはガラス繊維の切断性能と切り屑の排出性が良く、その結果穴の寸法精度も高かった。これに対し、比較ドリルは逃げ面の表面粗さが大きいため切削抵抗が高くなり、穴の出口側にバリが生じた。このように、本発明によれば、ドリルの回転させながら照射角度を調整して、所望の面の面粗さを向上でき、さらには、切れ味がよく切り屑排出性のよい精度の高いダイヤモンド被覆ドリルを提供するものとなった。
【実施例６】
【００５２】
次に本発明の第六の実施の形態について説明する。第六の実施の形態においては、本発明の研磨方法を４枚刃エンドミルに適用した例である。図１４はエンドミルへのＧＣＩＢ照射の模式図である。図１４に示すように、直径１０ｍｍのダイヤモンド被覆４枚刃エンドミル３０を図示しない自転ホルダに固定し、切削方向に回転させながら、それぞれの４枚の側面刃逃げ面３１に対して照射角度が７０°近傍になるようにして、順次ＧＣＩＢ照射１を行った。照射条件は以下の取りである。
クラスターガス    アルゴン
照射角度          ６０°〜９０°（逃げ面）
クラスターサイズ  選別なし（平均１，０００個）
イオン加速電圧    ３０ｋＶ
イオンドーズ量    ５．０ｅ１７ｉｏｎｓ／ｃｍ２（逃げ面）
【００５３】
かかる本発明のエンドミル及び比較の為にＧＣＩＢによる研磨を行っていないダイヤモンド被覆エンドミルの両者を用い、以下の条件でガラス繊維強化プラスチックの側面加工試験を行った。
被加工材    ガラス繊維強化プラスチック
切削長      ２０ｍ
回転数      １０，０００ｍｉｎ−１（３１４ｍ／ｍｉｎ）
送り速度    ２，８００ｍｍ／ｍｉｎ（０．０７ｍｍ／刃）
切り込み    ａａ＝０．２ｍｍ、ａｒ＝１０．０ｍｍ
切削油剤    なし（エアーブロー）
【００５４】
試験の結果、逃げ面摩耗は本発明エンドミルでは０．５μｍであり、比較エンドミルの１．２μｍに対して大幅に減少した。また、比較エンドミルは加工面の上部にバリが生じたが、本発明エンドミルではバリの発生が無かった。このように、本発明によれば、エンドミルにあっても、照射角度を調整して、所望の面の面粗さを向上でき、さらには、切れ味がよく切り屑排出性のよい精度の高いダイヤモンド被覆エンドミルを提供するものとなった。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】超硬合金製インサートに熱フィラメントＣＶＤ法により被覆したダイヤモンド被膜表面    のＡＦＭ観察像である。
【図２】本発明の第一の実施の形態であるＧＣＩＢ照射後のインサートのＡＦＭ観察像である。
【図３】比較例１のＧＣＩＢ照射後のＣＶＤダイヤモンド被膜表面ＡＦＭ観察像である。
【図４】比較例２のＧＣＩＢ照射後のＣＶＤダイヤモンド被膜表面ＡＦＭ観察像である。
【図５】比較例３のＧＣＩＢ照射後のＣＶＤダイヤモンド被膜表面ＡＦＭ観察像である。
【図６】比較例４のＧＣＩＢ照射後のＣＶＤダイヤモンド被膜表面ＡＦＭ観察像である。
【図７】比較例５のＧＣＩＢ照射後のＣＶＤダイヤモンド被膜表面ＡＦＭ観察像である。
【図８】本発明の第二の実施の形態であるＧＣＩＢ照射後のＣＶＤダイヤモンド被膜ドリルの逃    げ面ＳＥＭ像である。
【図９】ＧＣＩＢ照射前のＣＶＤダイヤモンド被膜インサート切れ刃のＳＥＭ像である。
【図１０】本発明の第三の実施の形態であるＧＣＩＢ照射後のインサート切れ刃のＳＥＭ像であ    る。
【図１１】本発明の第四の実施の形態であるＣＶＤダイヤモンド被膜ドリルへのＧＣＩＢ照射の    模式図である。
【図１２】本発明の第四の実施の形態であるＧＣＩＢ照射後のＣＶＤダイヤモンド被膜ドリル第    １切れ刃の逃げ面ＳＥＭ像である。
【図１３】本発明の第四の実施の形態であるＧＣＩＢ照射後のＣＶＤダイヤモンド被膜ドリルの    第２切れ刃ＳＥＭ像である。
【図１４】本発明の第六の実施の形態であるＣＶＤダイヤモンド被膜エンドミルへのＧＣＩＢ照    射の模式図である。
【図１５】本発明に関するイオンビーム入射角とダイヤモンド自形面のなす角との関係を示す幾    何学的な模式図である。
【図１６】本発明のＧＣＩＢの入射角と照射される実面積と投影面積との比（％）の関係を示す    グラフである。
【符号の説明】
【００５６】
１    ガスクラスターイオンビーム
２    平行溝（研磨痕）
４    ダイヤモンド被覆膜
７    ダイヤモンド被覆膜の平均垂直面
８    第１逃げ面
９    第２逃げ面
１０  ダイヤモンド被覆工具
１１、１１′すくい面
１２、１２′切れ刃
１３、１３′、２３、３１逃げ面
２０  ダイヤモンド被覆ドリル（ダイヤモンド被覆切削工具）本体
２２  第１切れ刃
２４  第２切れ刃
３０  ダイヤモンド被覆エンドミル（ダイヤモンド被覆切削工具）本体
θ    ガスクラスターイオンビームの入射角
θｄ  ダイヤモンド被覆膜の自形面の角
【図１５】
2010036297.tif 000003
【図１６】
2010036297.tif 000004
【図１】
2010036297.tif 000005
【図２】
2010036297.tif 000006
【図３】
2010036297.tif 000007
【図４】
2010036297.tif 000008
【図５】
2010036297.tif 000009
【図６】
2010036297.tif 000010
【図７】
2010036297.tif 000011
【図８】
2010036297.tif 000012
【図９】
2010036297.tif 000013
【図１０】
2010036297.tif 000014
【図１１】
2010036297.tif 000015
【図１２】
2010036297.tif 000016
【図１３】
2010036297.tif 000017
【図１４】
2010036297.tif 000018