(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応室外にてボロン及び酸素を含む液体を加熱させることで前記ボロン及び前記酸素を含む気体を生成させた後、前記ボロン及び前記酸素を含む気体を反応室内に導入させて、直流放電プラズマ方式により前記酸素をイオン化またはラジカル化させることで工具表面をドライ・エッチングさせて大部分の結晶粒径が５μｍ以上のボロン含有ダイヤモンド膜を前記工具表面に被覆させることを特徴とするボロン含有ダイヤモンド膜被覆工具の成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に繊維強化プラスチックの切削加工に用いるボロンを含むダイヤモンド膜（ボロン含有ダイヤモンド膜）を被覆する工具の成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃費向上などを目的として自動車部品や航空機部品の軽量化が求められており、炭素繊維やガラス繊維による繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）が鉄系合金やアルミニウム合金の代替材料として注目を集めている。
【０００３】
しかし、繊維強化プラスチックを各種部品へ適用するには、リベット止めやねじ止め用の穴加工を施す必要があり、一般的な金属加工用のドリルで切削加工を行うと、炭素繊維やガラス繊維などの繊維材料に起因したバリなどが発生していた。そのようなバリなどを除去するため、従来は工具形状、工具表面に被覆する皮膜やその成膜方法に関して様々な改良を行ってきた。
【０００４】
例えば、特許文献１のダイヤモンド膜を被覆した工具は、ボロンを含んだダイヤモンド膜（ボロン含有ダイヤモンド膜）の結晶粒径を２μｍ以下とすることで、ダイヤモンド膜の耐酸化性や潤滑性を向上させて、工具表面の摩擦係数を小さくする旨が開示されている。
【０００５】
また、ダイヤモンド膜の成膜方法に関しては、特許文献２においてメタンと水素の混合ガス等を気体原料として直流放電プラズマ方式によりダイヤモンド膜を成膜する方法が開示されており、特許文献３においてホウ酸トリメチルなどの液体を原料として熱フィラメント法やマイクロ波ＣＶＤ法によりダイヤモンド膜を成膜する方法が開示されている。ここで、直流放電プラズマ方式とは、例えば雑誌「ニューダイヤモンド、Ｖｏｌ．４、Ｎｏ．４、８頁−１３頁（１９８８）」などに掲載されているように真空排気後に減圧下とした反応室内に原料ガスを導入し、その反応室内に対向して設置された陰極と陽極を通電させることで陰極と陽極との間にプラズマを発生させて、陽極側に設置された工具や部品にダイヤモンド膜を成膜する方式をいう。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１５２４２３号公報
【特許文献２】特公平６−１０４５９９号公報
【特許文献３】特開２００９−２８０４２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１のボロン含有ダイヤモンド膜を被覆した工具は切削加工時に切削油を必要とする被削材が金属材料であることが前提となっており、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）などの非金属材料が被削材の場合には用いることができないという問題があった。
【０００８】
また、特許文献２に示すダイヤモンド膜の成膜方法では、直流放電プラズマ方式によりメタンと水素の混合ガス等の気体原料を用いて成膜する場合、ＣＦＲＰなどの高密度繊維材料を加工するのに十分な耐摩耗性が得られないという問題があった。
【０００９】
さらに、特許文献３に示すボロン含有ダイヤモンド膜の成膜方法では、熱フィラメント法やマイクロ波ＣＶＤ法により成膜する場合、成膜されたダイヤモンド膜の結晶粒径が概ね５μｍ未満の微結晶となり、例えば線径が結晶粒径以上の炭素繊維からなるＣＦＲＰなどの高密度繊維材料の切削加工は困難であるという問題があった。
【００１０】
そこで、本発明においては、炭素繊維等の高密度繊維材料の線径に関わらず切削加工が容易に行えて、かつこれらを加工するのに十分な耐摩耗性を有するボロン含有ダイヤモンド膜被覆工具の成膜方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前述した課題を解決するために、本発明においては反応室外にてボロン及び酸素を含む液体を加熱することでボロン及び酸素を含む気体を生成した後、ボロン及び酸素を含む気体を反応室内に導入して、直流放電プラズマ方式により酸素をイオン化またはラジカル化させることで工具表面をドライ・エッチングさせて大部分の結晶粒径が５μｍ以上のボロン含有ダイヤモンド膜を工具表面に被覆するボロン含有ダイヤモンド膜被覆工具の成膜方法とした。本発明に係る成膜方法により、ボロン含有ダイヤモンド膜の結晶粒径の大部分が５μｍ以上となる。
【００１２】
反応室外におけるボロン及び酸素を含む液体の加熱および当該加熱により発生するボロン及び酸素を含む気体の反応炉内への導入については、ボロン及び酸素を含む液体を液体用マスフローコントローラにより配管内に導入した後、ヒータによる配管の外部加熱および配管内の真空雰囲気によってボロン及び酸素を含む液体が気化するので、その状態でボロン及び酸素を含む気体を反応炉内へ導入する。または、ボロン及び酸素を含む液体中に水素（Ｈ２）を含むキャリアガスをバブリングしながら、ヒータにより加熱気化したボロン及び酸素を含む気体を気体用マスフローコントローラにより流量制御しながら反応炉内へ導入することもできる。さらに、ボロン及び酸素を含む液体を気化する手段（方式）については、市販のインジェクション方式やベーキング方式の気化システム（ベーパーライザー）を用いてもよい。
【００１３】
ボロン及び酸素を含む液体としては、ホウ酸トリメチル（トリメトキシボラン：Ｂ（ＯＣＨ３）３）やホウ酸トリエチル（トリエトキシボラン：（Ｃ２Ｈ５Ｏ）３Ｂ）などの液体状のホウ化物、またはホウ酸などの固体状のホウ化物をエタノールやメタノールなどのアルコール類、もしくはアセトンやトルエンなどの有機溶剤に希釈させた（または溶解させた）溶液を用いることができる。これらの溶液を用いる理由は、ボロン含有ダイヤモンド膜を構成するボロン（Ｂ）や炭素（Ｃ）とは異なる酸素（Ｏ）などの成分を意図的に原料の一部として混入することで、ボロン含有ダイヤモンド膜の結晶粒径を大きくするためである。
【００１４】
本発明に係る成膜方法により得られるボロン含有ダイヤモンド膜の結晶粒径の大部分が５μｍ以上に成長する理由について、本発明者は以下のように考える。すなわち、ボロン及び酸素を含む液体を加熱することで生成したボロン及び酸素を含む気体を反応室内へ導入する場合には、その気体中には液体を構成する酸素（Ｏ）、水素（Ｈ）、あるいはそれらの原子によって構成される分子が存在する。そのため、反応室内で直流放電プラズマ方式により成膜を行うと、これらの分子などが化学反応を起こしやすい状態、いわゆるイオン化が促進される。そして、イオン化の促進により生成された活性種によってエッチング効果を発現し、ダイヤモンドの核生成が抑制されて、核生成密度が小さくなる。
【００１５】
また、成長過程の一次ダイヤモンド粒子上に連続的に起ころうとする二次核生成についても同様の効果により抑制されるうえ、前述した核生成密度が小さいことによって隣接する結晶同士の間隔が広いため、一次結晶の成長を阻害する要因が少ない。そのため、成膜されたダイヤモンド膜の大部分の結晶粒径が５μｍ以上と大きくなると考えられる。なお、エッチングとは基材表面の一部または全部を必要に応じて除去することである。通常エッチングには腐食液中に基材を浸漬して表面を除去するウェット・エッチングと、反応性イオンガスやプラズマガス中に基材をさらして表面を除去するドライ・エッチングがある。ここでいうエッチングは後者に分類され、前述した酸素や水素がプラズマ中で励起されることによってイオンあるいはラジカルなどの活性種となり、成長過程のダイヤモンド表面の炭素と反応する結果、基材表面の一部または全部を除去することを指す。
【００１６】
これに対して、前述の特許文献２に示すような直流放電プラズマ方式によりメタンと水素の混合ガス等の気体原料を用いてダイヤモンド膜を成膜する場合には、混合ガス中に酸素や窒素などの余分なガス成分を意図的に混入させておらず、上述したようなエッチングなどの効果がないことからダイヤモンドの核生成密度も高く、また二次核成長が至る所で自由に起こりうる。そのため、ダイヤモンド粒子の結晶粒径は本発明に係る成膜方法の場合に比べて小さくなる。
【００１７】
また、特許文献３に示す熱フィラメント法やマイクロ波ＣＶＤ法により成膜する場合、「ダイヤモンド技術総覧（ダイヤモンド工業協会編、３４頁〜３６頁）」に記載されているように成膜速度は直流放電プラズマ方式による成膜速度が１．０〜１００μｍ／ｈであるのに対して、０．５〜１．０μｍ／ｈと比較的遅く、一定の成膜時間における結晶粒の成長が抑制されるので、熱フィラメント法やマイクロ波ＣＶＤ法により成膜するボロン含有ダイヤモンド膜の結晶粒径は５μｍ未満になると考えられる。
【発明の効果】
【００１８】
以上述べたように、本発明に係る成膜方法によるボロン含有ダイヤモンド膜は、その結晶粒径の大部分が５μｍ以上となるので、炭素繊維等の繊維材料の線径に関わらず切削加工が容易に行えて、十分な耐摩耗性を有し、バリやデラミネーションの発生を抑制できる。
【００１９】
また、一定の膜厚を成膜するための時間もメタンと水素の混合ガス等の気体原料を用いて成膜する場合や熱フィラメント法やマイクロ波ＣＶＤ法により成膜する場合に比べて、短時間で成膜を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る成膜方法に用いる成膜装置の断面図である。
【図２】本発明に係る成膜方法を用いてドリル表面に被覆したボロン含有ダイヤモンド膜の電子顕微鏡写真（倍率３０００倍）である。
【図３】本発明外に係る成膜方法を用いてドリル表面に被覆したボロン含有ダイヤモンド膜の電子顕微鏡写真（倍率３０００倍）である。
【図４】本発明に係る成膜方法によりボロン含有ダイヤモンド膜を被覆したドリルを用いて、ＣＦＲＰを被削材とした場合の切削加工後の加工穴の状況であり、（ａ）は切削加工開始から累計１００穴目の加工穴、（ｂ）は切削加工開始から累計２００穴目の加工穴、（ｃ）は切削加工開始から累計５００穴目の加工穴、（ｄ）は切削加工開始から累計１０００穴目の加工穴、の各状況の写真（倍率３５倍）である。
【図５】本発明外の成膜方法によりボロン含有ダイヤモンド膜を被覆したドリルを用いて、ＣＦＲＰを被削材とした場合の切削加工後の加工穴の状況であり、（ａ）は切削加工開始から累計１００穴目の加工穴、（ｂ）は切削加工開始から累計２００穴目の加工穴、（ｃ）は切削加工開始から累計５００穴目の加工穴、の各状況の写真（倍率３５倍）である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の実施の形態について、本発明に係るボロン含有ダイヤモンド膜をドリルに被覆する場合について図面を参照して説明する。図１は本発明に係る成膜方法に用いる成膜装置の断面図である。
【００２２】
本発明に係る成膜方法によりボロン含有ダイヤモンド膜を工具に対して被覆する際に用いる成膜装置１は、図１に示すように減圧雰囲気下で成膜を行う反応室２、プラズマが発生する陰極８へ電源を供給する直流電源３、ボロン及び酸素を含む液体９が入った容器１０を抵抗加熱ヒータにより加熱することでその液体を気化する液体原料気化システム４、気化した原料ガスを反応室２内へ供給する原料ガス供給装置５、反応室２内を減圧するために用いる真空ポンプ６、生成したプラズマを収束させてイオン化を促進させるための電磁コイル７から構成される。反応室２の内部には成膜を行う工具（先端角が９０°のドリル）２０を固定する治具１１を有したテーブル１２が設置されており、テーブル１２が本装置内で陽極の役割を果たす。
【００２３】
成膜手順としては、真空ポンプ６により反応室２内部を１０Ｔｏｒｒ〜２００Ｔｏｒｒの範囲まで減圧下にした後、液体原料気化システム４内のボロン及び酸素を含む液体９を原料ガス供給装置５に通過させることで気体にしてから反応室２内部へ導入する。その後、直流電源３により成膜する工具２０に対して、直流電力およびワークバイアスを印加することで直流放電が生じる。同時に、工具（ドリル）２０に印加する電力を制御することにより、工具２０表面を７５０℃〜９００℃に保つことでボロン含有ダイヤモンド膜を被覆する。
【００２４】
本発明に係る成膜方法により成膜するダイヤモンド膜の原料としてエタノールを気化したもの（ガス流量１％）、およびボロン含有ダイヤモンド膜のボロン源としてホウ酸トリメチル（Ｂ（ＯＣＨ３）３）をエタノールの質量に対して１００００ｐｐｍ混合したものをそれぞれ用いた。エタノールおよびホウ酸トリメチル（Ｂ（ＯＣＨ３）３）は共に液体であるため、液体原料気化システム４にて加熱することで気化した後、同時に導入するキャリアガス（水素ガス）の流量９９％に対して、それらの気体（エタノールおよびホウ酸トリメチル）を１％の割合で反応室２内へ導入する。
【実施例１】
【００２５】
ボロン含有ダイヤモンド膜の結晶粒径の違いによる被削材（炭素繊維強化プラスチック）のバリや層剥離（デラミネーション）等の有無を確認するために、本発明に係る成膜方法によりボロン含有ダイヤモンド膜を被覆したドリルおよび本発明外の成膜方法、すなわちホウ酸トリメチル（Ｂ（ＯＣＨ３）３）ガスを原料ガスとして直流放電プラズマ方式により成膜したボロン含有ダイヤモンド膜を被覆したドリルの２種類のドリルを用いて切削試験を行った。本発明および本発明外に係る成膜方法によるボロン含有ダイヤモンド膜の電子顕微鏡写真を図２および図３に、各成膜方法により被覆したドリルの切削試験の結果を図４および図５に示す。
【００２６】
図２は、本発明に係る成膜方法を用いてドリル表面に被覆したボロン含有ダイヤモンド膜の電子顕微鏡写真（倍率３０００倍）、図３は本発明外に係る成膜方法を用いてドリル表面に被覆したボロン含有ダイヤモンド膜の電子顕微鏡写真（倍率３０００倍）である。
【００２７】
図２に示すように本発明に係る成膜方法を用いてドリル表面に被覆したボロン含有ダイヤモンド膜は、大部分の結晶粒径が５μｍ以上であった。これに対して、図３に示すように本発明外に係る成膜方法を用いてドリル表面に被覆したボロン含有ダイヤモンド膜は、ほぼ全ての結晶粒径が５μｍ未満であった。以上より、反応室外にてボロン及び酸素を含む液体を加熱することでボロン及び酸素を含む気体を生成した後、ボロン及び酸素を含む気体を反応室内に導入して、直流放電プラズマ方式により成膜したボロン含有ダイヤモンド膜は、その結晶粒径が５μｍ以上になった。
【００２８】
本試験に用いたドリルの仕様は、本発明に係るドリルおよび本発明外のドリル共にドリル径６．０ｍｍ、ドリル長さ６６．３ｍｍ、溝長さ２９．５ｍｍ、シャンク径６．０ｍｍ、ねじれ角３０°、溝幅比１．１３、心厚をドリル径の２８％、先端角９０°、切れ刃の逃げ角１１°とした。
【００２９】
また、本試験は被削材として炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：厚さ１３．８ｍｍ、繊維線径７μｍ）を用いて、以下の加工条件で切削加工を行った。
・切削速度：５０ｍ／ｍｉｎ
・ドリルの送り量：０．０５ｍｍ／ｒｅｖ
・ドリルの送り速度：１３２．６ｍｍ／ｍｉｎ
・切削油：不使用
・ドリル加工機：不二越社製横型マシニングセンタ（型番：ＬＨ−５４４）
【００３０】
図４は、本発明に係る成膜方法によりボロン含有ダイヤモンド膜を被覆したドリルを用いて、ＣＦＲＰを被削材とした場合の切削加工後の加工穴の状況であり、同図（ａ）は切削加工開始から累計１００穴目の加工穴、同図（ｂ）は切削加工開始から累計２００穴目の加工穴、同図（ｃ）は切削加工開始から累計５００穴目の加工穴、同図（ｄ）は切削加工開始から累計１０００穴目の加工穴、の各状況の写真（倍率３５倍）である。
【００３１】
また、図５は、本発明外の成膜方法によりボロン含有ダイヤモンド膜を被覆したドリルを用いて、ＣＦＲＰを被削材とした場合の切削加工後の加工穴の状況であり、同図（ａ）は切削加工開始から累計１００穴目の加工穴、同図（ｂ）は切削加工開始から累計２００穴目の加工穴、同図（ｃ）は切削加工開始から累計５００穴目の加工穴、の各状況の写真（倍率３５倍）である。
【００３２】
本発明に係るボロン含有ダイヤモンド膜を被覆したドリルを用いた場合には、図４（ａ）ないし（ｄ）に示すように、加工開始から累計１０００穴目まで加工してもＣＦＲＰを形成する炭素繊維材料のバリやデラミネーションは確認されなかった。
【００３３】
一方、本発明外の成膜方法によりボロン含有ダイヤモンド膜を被覆したドリルの場合には、図５（ａ）に示すように加工開始から累計１００穴目まではデラミネーションは軽微に発生していることが認められた。同図（ｂ）および（ｃ）に示すように累計２００穴目から少しずつ炭素繊維材料のバリが目立ちはじめて、累計５００穴目には、炭素繊維材料のバリがその加工穴部分の大半を占めるに至ったので、累計５００穴目で本試験を中止した。
【００３４】
以上の結果より、本発明に係る成膜方法によりボロン含有ダイヤモンド膜を被覆したドリルは、そのダイヤモンド膜の結晶粒径が５μｍ以上となるので、線径が５μｍ以上の炭素繊維からなるＣＦＲＰなどの高密度繊維材料であっても切削加工が容易に行えて、十分な耐摩耗性を有して、バリやデラミネーションの発生を抑制できる。
【符号の説明】
【００３５】
２    反応室
９    ボロンを含む液体
２０  工具
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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