(57)【要約】【課題】耐欠損性と耐摩耗性優れかつ安定しばらつきの少ないに単結晶ダイヤモンド工具を提供する。【解決手段】単結晶ダイヤモンド素材の引張り応力が生ずる面に、気相法により、不純物を含まない高品質なダイヤモンド膜をコーティングする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶ダイヤモンドからなる本体の表面に、気相法により高品質ダイヤモンド膜を２０μm以上の膜厚でコーティングしたことを特徴とする単結晶ダイヤモンド工具。
【請求項２】
コーティングしたダイヤモンド膜の結晶性が、ラマン分光分析における半価幅で３．９ｃｍ−１以下の結晶性を有する請求項1に記載の単結晶ダイヤモンド工具。
【請求項３】
コーティングしたダイヤモンド膜の結晶性がカソードルミネッセンス分光分析における、波長２３５nmの励起子発光と波長４３０ｎｍのバンドＡ発光のどちらか一方あるいは両方の発光を有する請求項1に記載の単結晶ダイヤモンド工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は単結晶ダイヤモンド工具（部品と称されるものも含む）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
単結晶ダイヤモンドを用いた工具は、アルミ合金や銅合金などで代表される非鉄金属の超精密切削加工を行う場合に最も優れた加工表面粗さが得られ、この特性を他の素材で代替えすることは困難であるとされている。また、表面粗さ計等の触針式のプローブ等においても、単結晶ダイヤモンドは耐久性と測定精度の観点から他の素材への代替えは困難であるとされている。
【０００３】
これらの用途には、従来、主に天然の単結晶ダイヤモンド原石が素材として用いられている。しかしながら、天然の単結晶ダイヤモンドは天然品故にその品質が個々の原石ごとに異なっている。具体的には、ダイヤモンド原石の色は、無色透明から黄色さらには茶色まで千差万別であり、不純物である窒素量が増すにしたがって無色から黄色の程度が濃くなることから、一般には、品質の良好な無色から淡い黄色の原石を選別して用いることが多い。
【０００４】
工具に要求される特性は、優れた耐摩耗性はもちろんのこと、刃先のチッピング等が生じにくい耐欠損性も併せて要求される。天然ダイヤモンドにおける色とこれらの工具としての要求特性の関係については解明されていないので、経験則として、薄く黄色味を帯びた原石が耐摩耗性と耐欠損性に優れているとして工具用途に好んで用いられている。しかし、このように経験的に原石を最適なものとして選別しても、実際の工具として使用すると、寿命は個々の製品によって大きく異なってしまう。特に工具としての先端角が小さく鋭利な形状になるグラビア印刷用の彫刻針においては、１００倍程度の寿命の違いが生じているのが実情である。
【０００５】
このような天然品固有の問題を解決するために、高温高圧法で合成した単結晶ダイヤモンドを工具素材として用いることも試みられている。これによれば、工業生産品であるため品質は安定しており、良好な耐欠損生も示す。しかし、最も重要な耐摩耗性が天然品の５０％程度を示すにとどまるので、天然品に置き換えるには性能が不十分であるという問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は前記のような問題点を解消するためになされたもので、その目的とするところは、破壊強度と耐摩耗性がすぐれかつ安定した単結晶ダイヤモンド工具を提供することにある。
なお、本発明において、「工具」とは物体を切除加工する手段としての本来の工具やその要素のほか、形状測定用触針などの優れた耐摩耗性や耐折損性が要求される部品を含む概念を指すものとする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため本発明は、単結晶ダイヤモンドからなる本体の表面に、気相法により高品質ダイヤモンド膜を２０μm以上の膜厚でコーティングしたことを基本的特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
基材としての天然ダイヤモンドには窒素に代表される不純物が含まれ、高温高圧ダイヤモンドには、鉄、Ｃｏなどの金属溶媒と窒素が含まれる。特に高脆性材料であるダイヤモンドにおいては、これらの不純物の存在は転移等の結晶欠陥を形成して破壊の起点となり、機械的特性を低下させたり、ばらつかせたりする原因となる。
これに対して本発明は、単結晶ダイヤモンドからなる基材の表面に気相法により高品質ダイヤモンド膜を２０μm以上の膜厚でコーティングし、不純物・転移等の結晶欠陥を含まない高品質ダイヤモンドの膜によって破壊の起点を確率的に減少することができるので、既存の単結晶ダイヤモンド素材を上回る耐摩耗性と耐欠損性を発揮させることができ、しかもそうした高性能を安定して得ることができる。
【０００９】
また、ダイヤモンド膜のコーティングコストは、通常、数百円〜最大でも数千円／個である。単結晶ダイヤモンド工具の市場価格は数万円〜１０万円（このうち素材の価格は高めに見積もっても１／５以下）である。したがって、コーティングコストは、単結晶ダイヤモンド工具にとっては十分にリーズナブルで、性能向上と再現性向上を実現できる点からはむしろコストの低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
好適には、コーティングしたダイヤモンド膜の結晶性が、ラマン分光分析における半価幅で３．９ｃｍ−１以下の結晶性を有する。
基材として用いる高温高圧法によるダイヤモンドの半価幅は３．９ｃｍ−１程度であり、天然ダイヤモンドのそれは、３．９〜４．４ｃｍ−１程度の値を示す。したがって、これら基材の表面に３．９ｃｍ−１以下の半価幅を有する結晶性に優れるダイヤモンド膜でコーティングすることで、破壊の起点を確率的に減少することができる。
【００１１】
また、コーティングしたダイヤモンド膜の結晶性は、カソードルミネッセンス分光分析における、波長２３５ｎｍの励起子発光と波長４３０ｎｍのバンドＡ発光のどちらか一方あるいは両方の発光を有することが好適である。
ダイヤモンドの結晶の完全性に起因する波長２３５nmの励起子発光ピークと結晶の不完全性に起因する波長４３０ｎｍを中心とするバンドＡピークの2つが指標となる。バンドＡピークは、結晶の不完全性に起因するとは言うものの、実際には、非常に結晶性の良好なレベルでないと観察されないことが知られている。したがって、前記２つのピークのうち、どちらか一方、あるいは両方の発光が認められる程度の結晶性を有するダイヤモンド膜でコーティングすることにより破壊の起点を確率的に減少することができ、既存の単結晶ダイヤモンド素材を上回る耐摩耗性と耐欠損性を発揮させることができる。
【００１２】
以下本発明を添付図面を参照して詳細に説明すると、本発明者は、前記した単結晶ダイヤモンド製の工具の問題点を解決するための手段として、気相合成法により合成されるＣＶＤダイヤモンド膜の利用を考えた。
すなわちＣＶＤダイヤモンドは人工的な合成手段のため合成工程の管理を的確に行うことで製品のばらつきが少ないだけでなく、天然品では得ることが困難な高純度・低欠陥の高品質ダイヤモンドを合成することが可能となっているからである。しかし、この気相合成法によるダイヤモンド膜は、基板上にしか成長せず、さらに単結晶膜を成長させるには単結晶ダイヤモンド基板が不可欠であり、しかも単結晶ダイヤモンドは良好な付着力を確保できる。
【００１３】
そこで、天然の単結晶ダイヤモンドあるいは高温高圧法で合成した単結晶ダイヤモンドを工具本体素材とし、これの表面に気相法により高品質単結晶ダイヤモンド膜を、２０μｍ以上、望ましくは５０〜３００μｍの膜厚でコーティングするのである。
ここで、高品質ダイヤモンド膜の厚さが２０μｍ未満では、膜自体には転移等の結晶欠陥を形成して破壊の起点となる不純物の存在はないものの、強度を受け持つ表面強化層としては厚さが不足で十分な補強効果が得られないため適当ではない。厚さの上限は技術的な制約は無いが経済的観点から３００μｍ程度である。これ以上ではコーティング時間が増大し製造コストが高くなるため、適当ではない。通常、５０〜２５０μｍ程度が好適である。
【００１４】
基材となる単結晶ダイヤモンドは、高温高圧法によるＩｂ型か、天然品を用いることができる。被コーティング面は（１００）結晶面とした場合に最も優れた平滑性が得られるので望ましいが、他の結晶面でも可能である。
高品質ダイヤモンド膜のコーティング方法は、コーティングするダイヤモンド膜の品質が基材の品質よりも優れていることを満足すれば、方式は問わない。マイクロ波プラズマ法、熱フィラメント法、燃焼炎法等種々の気相合成法を用いることができる。
【００１５】
図１は本発明を切削用のチップに適用した例を示しており、１は単結晶ダイヤモンドからなる本体、２は該本体1を工具として利用した場合に引張り応力を受ける表面（ここではすくい面１０）に相当する部分に気相合成法でコーティングした高品質ダイヤモンド膜である。高品質ダイヤモンド膜２は本体素材に施され、研磨加工することで工具とされる。１１は刃先である。
図２は前記チップＡを用いて構成した工具を示しており、シャンク３の先端部３０にチップＡをロー付けなどによって固着している。
【００１６】
コーティング面を工具として利用した場合に引張り応力を受ける面に特定したのは、ダイヤモンド工具が破壊する原因は、使用時の引張り応力の発生に伴う脆性破壊が多く、したがってこの引張り応力発生面に破壊の起点となる結晶欠陥等が少ないダイヤモンド膜でコーティングすることが重要だからである。なお、工具としての形状付与、刃先形成については、既存のダイヤモンド加工技術をそのまま利用することができる。チップの形状はこの例では四角状であるが、三角状、円形状など任意である。
【００１７】
図３は本発明をグラビア印刷用の銅シリンダーにインク溜めを彫刻する彫刻針に適用した例を示している。彫刻針Ｂは図３（ｃ）のように後端部に支点６０を有するスイングアーム６の先端付近に取り付けられ、シリンダー９の周面に溝を刻設するが、先端刃先角が小さくなるにつれて、使用中に折損する頻度が高まりこの防止が重要な課題となっている。
そこで本発明は、単結晶ダイヤモンドからなる彫刻針本体１の使用時に引張り応力が生ずる面に高品質ダイヤモンド膜２をコーティングしたものである。シリンダー９の時計方向回転により高品質ダイヤモンド膜２が引っ張り応力を受けるようになる。高品質ダイヤモンド膜２は工具本体素材にコーティングされ、その後、図３（ａ）、（ｂ）に示すような鋭い刃先を有する形状に加工が施されて工具とされる。
【００１８】
図４と図５は本発明を表面形状測定用の触針に適用した例を示している。触針Ｃは図４（ｂ）のようにロッド７の先端に設けた取付け部７０に挿着固定されるもので、円柱状をなし、先端に先鋭な針部を有しているが、使用の経過とともに磨耗する。そこで本発明は、図４（ａ）のように、単結晶ダイヤモンドからなる触針本体１の途中から先の円錐部を高品質ダイヤモンド膜２で構成したのである。仕様例を挙げると、直径:１．２ｍｍ、円柱部長さ:２．６ｍｍ、円錐部長さ:１．００ｍｍ、円錐角度:６０度である。
図４の触針を得るには、図５（ａ）のように単結晶ダイヤモンドからなる触針用角柱１´の端面に塊状の高品質ダイヤモンド膜２´をコーティングし、（ｂ）のように触針用角柱１´を円柱状に加工し、高品質ダイヤモンド膜２´を円錐に加工するのである。
【００１９】
以上の例のように単結晶ダイヤモンドからなる本体の要部表面に不純物・欠陥を含まない高品質ダイヤモンドをコーティングすることで破壊の起点を確率的に減少させ、破壊強度と耐摩耗性を向上させた工具とすることができる。
【実施例１】
【００２０】
本発明を適用して切削用スローアウェイチップを得た。チップ本体は大きさ２ｍｍ×２ｍｍ 厚さ０．５ｍｍの高温高圧法で合成したＩｂ型単結晶ダイヤモンドを基材としており、これのすくい面に、燃焼炎法により厚さ２００μｍのダイヤモンド膜をコーティングした。なお、コーティング面は（１００）結晶面である。
コーティング条件は次のとおりである。アセチレン流量：５．０ｌ／ｍｉｎ、酸素流量:４．４２ｌ／ｍｉｎ 基板温度:９５０℃、合成時間：５．５ｈｒ。
【００２１】
コーティング膜の品質評価を行ったところ、ラマン分光分析による半価幅は３．７９ｃｍ−１であり、カソードルミネッセンス分光分析によれば、極めて強い励起子発光ピークのみが認められ、基材を遙かに上回る高品質ダイヤモンドでコーティングされていることを確認した。その後、図２に示すようなシャンクにろう付けで固定し、刃先研磨を施して精密切削工具を得た。工具の全長は６０ｍｍ、高さ８ｍｍ、第２逃げ角は５度、チップの刃先はＲ０．５である。
【００２２】
性能評価のため、アルミニウム合金(Ａ５０５６相当品)の切削を行った。切削条件は、直径３５ｍｍの円筒材の端面を旋削した。切削速度:１００ｍ／ｍｉｎ, 切込み:５μｍ、送り５μｍ／ｒｅｖである。比較のため、同一寸法形状の天然単結晶ダイヤモンド工具(薄い黄色)も用意して切削実験を行った。切削後の評価は刃先(すくい面)の表面状況を微分干渉顕微鏡で、被加工材の表面粗さをレーザー干渉計で測定して、切削距離と加工面の表面粗さとの関係を調べた。
【００２３】
アルミ合金の切削において、切削距離が１００ｋｍまでは両工具とも表面粗さ(Ｒａ)は５〜７ｎｍと安定した値を示した。しかし、１００ｋｍ以降は表面粗さに違いが生じた。すなわち、未処理の天然単結晶ダイヤモンド工具では、徐々に表面粗さが低下して４００ｋｍ程度で１０ｎｍを超える値を示した。これに対して、高品質ダイヤモンド膜をコーティングした本発明工具では、切削初期から５００ｋｍまで表面粗さに変化は認められかった。また、５００ｋｍ切削後の両工具のすくい面を微分干渉顕微鏡で観察した結果、天然単結晶工具には、クレーター摩耗が認められるのに対して、コーティング工具には、ほとんど観察されなかった。
これらの実験結果より、高品質ダイヤモンド膜をコーティングすることで、単結晶ダイヤモンド工具としての耐摩耗性の向上が実現できたことが明らかである。
【００２４】
上記のような結果が得られた理由を検討するため、結晶性の良好なＣＶＤダイヤモンド膜の破壊強度を実測した。具体的には、高温高圧法で合成した２ｍｍ×２ｍｍ×０．５ｍｍのＩｂ型ダイヤモンドを基材とし、これに熱フィラメント法(ＨＦと表記)、チャンバーフレーム法（ＣＦと表記）によりそれぞれ結晶性の良好な各種ＣＶＤダイヤモンド膜をコーティング（いずれの場合もコーティング膜厚は５０μｍ以上）した試料について、ヘルツ破壊応力を実測した。ヘルツ破壊応力の測定には、先端半径２００μｍのダイヤモンド圧子を用いた。同圧子の圧入に伴う基板の破壊をＡＥ信号により検出して、そのときの圧子荷重から破壊応力を算出した。また、比較のために、色の異なる３種類の天然単結晶ダイヤモンドも用意した。それぞれのダイヤモンドの結晶性はラマン分光分析による半価幅により評価した。また一部のダイヤモンドについてはカソードルミネッセンス分光分析も実施した。
【００２５】
図６に各種ダイヤモンドについて結晶性とヘルツ破壊強度の関係をまとめて示す。高温高圧合成法によるＩｂダイヤモンドは、ラマン半価幅３．９ｃｍ−１、破壊応力４０ＧＰａを示した。これに対して、ラマンの半価幅がＩｂよりも小さいすなわち結晶性の良好なダイヤモンド膜でコーティングした本発明の実施例であるＨＦ−２,ＣＦ−１,ＣＦ−２はいずれも２０〜３０％高い破壊応力を示した。
しかし、本発明範囲から外れ、半価幅が５．８８ｃｍ−１と大きい場合(ＨＦ−１)は、明らかに破壊応力が低下していた。このように合成ダイヤモンドについては、結晶性の良否と破壊応力との間に強い相関関係が認められた。
【００２６】
天然ダイヤモンドについては、Ｉｂ型ダイヤモンドよりも結晶性の劣る４．１６ｃｍ−１を示した黄色のダイヤモンドが最も高い破壊応力を示した。この事実は、ダイヤモンド工具分野での経験則である黄色のダイヤモンドが最も優れた機械特性を有することと一致しているが、本発明の実施例であるＨＦ−２,ＣＦ−１,ＣＦ−２はいずれも黄色のダイヤモンドよりもすぐれた特性を示している。
最も高い破壊強度が得られたＣＦ−２はカソードルミネッセンス分光分析によれば、励起子発光ピークだけが観察され、極めて良好な結晶性が得られていることが確認された。これらの実験結果より、高品質ダイヤモンド膜をコーティングすることで、破壊強度の向上が実現できたことがわかる。
【実施例２】
【００２７】
本発明を適用してグラビア印刷用の銅シリンダーにインク溜めを彫刻する彫刻針を製作した。
Ｉｂ型ダイヤモンドを基材とし、使用時に引張り応力が生ずる面にＣＦ−２に相当する高品質ダイヤモンド膜を６０μｍの厚さでコーティングし、その後、図３のような先端がとがった形状に加工した。製品は、正面では長さ４．２ｍｍ、幅０．９ｍｍ、先端は４５度の傾斜角度を有し、端面に０．２ｍｍ幅の水平面を有している。側面では、幅０．９ｍｍ、先端は３８度の傾斜角度でとがっている。
【００２８】
得られた彫刻針を、長さ２５ｍｍのスイングアームに取付け、実際の加工ラインにて先端部の折損あるいは、摩滅による加工精度の低下が認められるまで加工を実施した。その結果、折損は認められず、先端部の摩滅により寿命となった。
寿命に達するまでの時間はＩｂダイヤモンドの３倍の加工可能時間を示し、この値は、天然品の１０％程度が有する最も長い加工時間とほぼ同等であった。すなわち、優れた耐摩耗性と耐欠損性を兼ね備えた長寿命の彫刻針を実現し得た。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明は、切削、旋削、彫刻、刻印などの除去加工用の各種工具や接触タイプの測定用部品などに好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】（ａ）は本発明を適用した工具要素の一例を示す平面図、（ｂ）はそのＸ−Ｘ線に沿う断面図である。
【図２】（ａ）は本発明を適用して試作した切削工具の形状を示す平面図、（ｂ）はその側面図である。
【図３】（ａ）は本発明を適用した彫刻針の完成品の状態を示す正面図、（ｂ）は同じくその縦断側面図、（ｃ）は使用状態の側面図である。
【図４】（ａ）は本発明を適用した表面形状測定用の触針の正面図、（ｂ）は使用状態の側面図である。
【図５】（ａ）は触針の半製品の状態を示す斜視図、（ｂ）は半製品を加工した状態の斜視図である。
【図６】本発明と従来品と比較品のヘルツ破壊応力と結晶性の関係を示す線図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  単結晶ダイヤモンドからなる本体
２  コーティングした高品質ダイヤモンド膜
【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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【図６】
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