(57)【要約】【課題】  ダイヤモンド被膜の耐酸化性や潤滑性を向上させる。【解決手段】  ボロンドープダイヤモンド被膜２０にはボロンが０．５〜１．０原子％の割合でドーピングされているため、そのダイヤモンド被膜２０の表面には、酸化を受けた時にボロンの酸化物（例えばＢ2 Ｏ3 ）の層が形成され、その酸化物の層により被膜内部への酸化の進行が抑制されて、被膜２０の耐酸化性が向上するとともに、摩擦係数が小さくなって潤滑性が向上する。これにより、鉄系の材料を含む複合材料の切削加工や、切削点が高温になるチタン合金等の耐熱合金に対する切削加工などにおいても、酸化による被膜２０の早期摩耗や剥離が抑制されて優れた耐久性が得られるようになる。また、潤滑性が良くなることから、摩擦による発熱が抑制され、この点でも被膜２０の耐久性が向上するとともに、被削材の加工面品質が向上する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の部材の表面にコーティングされるダイヤモンド被膜であって、
ボロンがドーピングされていることを特徴とするボロンドープダイヤモンド被膜。
【請求項２】
前記ボロンが０．０５〜２．０原子％の割合でドーピングされていることを特徴とする請求項１に記載のポロンドープダイヤモンド被膜。
【請求項３】
所定の加工を行なう加工部の表面に、請求項１または２に記載のボロンドープダイヤモンド被膜がコーティングされていることを特徴とするダイヤモンド被覆加工工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工工具などの所定の部材にコーティングされるダイヤモンド被膜に係り、特に、耐酸化性および潤滑性を向上させる技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超硬合金等の母材の表面にダイヤモンド被膜をコーティングしたダイヤモンド被覆加工工具が、例えばエンドミルやバイト、タップ、ドリルなどの切削工具、或いはその他の加工工具として提案されている。特許文献１や特許文献２に記載されている工具はその一例で、このようなダイヤモンド被覆加工工具は非常に高い硬度を有し、優れた耐摩耗性、耐溶着性が得られる。また、特許文献３、特許文献４には、導電性を持たせたり耐酸化性を向上させたりするために、マイクロ波プラズマＣＶＤ（化学気相成長）法等によりダイヤモンドを結晶成長させる際に、ボロン（硼素；Ｂ）をドーピングする技術が記載されている。
【特許文献１】特許第２５１９０３７号公報
【特許文献２】特開２００２−７９４０６号公報
【特許文献３】特開２００４−１９３５２２号公報
【特許文献４】特開平１０−１４６７０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、工具母材等の表面にコーティングされるダイヤモンド被膜については、未だボロンのドーピングについて提案されておらず、耐酸化性が低いとともに潤滑性が悪いことから、鉄系の材料を含む複合材料の切削加工や、切削点が高温になるチタン合金等の耐熱合金に対する切削加工などでは、ダイヤモンド被膜が酸化により早期に摩耗して十分な耐久性が得られないことがあった。また、摩擦による発熱で耐久性が低下したり、被削材の加工面品質が損なわれたりすることがあった。
【０００４】
本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、所定の部材の表面にコーティングされるダイヤモンド被膜の耐酸化性や潤滑性を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
かかる目的を達成するために、第１発明は、所定の部材の表面にコーティングされるダイヤモンド被膜であって、ボロンがドーピングされていることを特徴とする。
【０００６】
第２発明は、第１発明のボロンドープダイヤモンド被膜において、前記ボロンが０．０５〜２．０原子％の割合でドーピングされていることを特徴とする。
【０００７】
第３発明は、所定の工具母材の表面にダイヤモンド被膜がコーティングされているダイヤモンド被覆加工工具に関するもので、所定の加工を行なう加工部の表面に、ダイヤモンド被膜として第１発明または第２発明のボロンドープダイヤモンド被膜がコーティングされていることを特徴とする。
【０００８】
なお、ボロンドープダイヤモンドは、炭素原子の一部がボロン原子によって置き換えられたもので、正の電荷を持つ正孔を有するｐ型半導体である。また、ボロンの原子％は、ボロン原子に置き換えられた原子数の割合で、例えば二次イオン質量分析法等によって調べられる。
【発明の効果】
【０００９】
このようなボロンドープダイヤモンド被膜においては、表面が酸化を受けた際に表面にボロンの酸化物（例えばＢ2 Ｏ3 ）の層が形成されるため、その酸化物の層により被膜内部への酸化の進行が抑制されて、被膜の耐酸化性が向上するとともに、摩擦係数が小さくなって潤滑性が向上する。これにより、鉄系の材料を含む複合材料の切削加工や、切削点が高温になるチタン合金等の耐熱合金に対する切削加工などにおいても、酸化による被膜の早期摩耗や剥離が抑制されて優れた耐久性が得られるようになる。また、潤滑性が良くなることから、摩擦による発熱が抑制され、この点でも被膜の耐久性が向上するとともに、被削材の加工面品質が向上する。
【００１０】
加工部の表面に上記ボロンドープダイヤモンド被膜がコーティングされている第３発明のダイヤモンド被覆加工工具においても、実質的に上記と同様の効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明のボロンドープダイヤモンド被膜は、耐摩耗性や耐酸化性、潤滑性が要求される切削工具などの加工工具、すなわちダイヤモンド被覆加工工具に好適に適用されるが、例えば半導体装置などの硬質被膜として用いることもできるなど、加工工具以外にも適用され得る。
【００１２】
ダイヤモンド被覆加工工具の場合、ボロンドープダイヤモンド被膜をコーティングすべき工具母材としては超硬合金などの超硬質工具材料が好適に用いられるが、高速度工具鋼等の他の工具材料を用いることもできる。密着性を高めるために、その工具母材の表面に粗面化処理を施したり、他の被膜を下地として設けたりするなど、所定の前処理を行うことができる。
【００１３】
また、ボロンドープダイヤモンド被膜の膜厚は、５μｍより薄いと十分な耐摩耗性が得られない一方、２５μｍを超えると剥離し易くなるため、５〜２５μｍの範囲内が好ましく、１０〜２０μｍ程度が適当である。加工工具以外に適用する場合は、そのコーティング対象の材質や目的等に応じて適宜定められる。なお、このボロンドープダイヤモンド被膜とＴｉＡｌＮ等の金属間化合物から成る硬質被膜、或いはその他の被膜を交互に積層することも可能で、少なくとも最上部にボロンドープダイヤモンド被膜が設けられれば良い。
【００１４】
ボロンドープダイヤモンド被膜のコーティングにはＣＶＤ法が好適に用いられ、特にマイクロ波プラズマＣＶＤ法が望ましいが、ホットフィラメントＣＶＤ法や高周波プラズマＣＶＤ法等の他のＣＶＤ法を用いることもできる。ボロンのドーピング技術については、前記特許文献３や特許文献４に記載されているものなど、ダイヤモンドに対するボロンのドーピング技術として従来から知られている種々の手法を採用できる。
【００１５】
ボロンドープダイヤモンド被膜は、例えば核生成工程および結晶成長工程によって形成され、その結晶成長を所定時間行うことによって目的とする膜厚にすることができるが、例えば前記特許文献２に記載のように核生成工程および結晶成長工程を繰り返すことにより、微結晶で多層構造のボロンドープダイヤモンド被膜を形成することもできる。
【００１６】
ボロンのドーピング量（含有量）は、０．０５原子％より少ないと耐酸化性、潤滑性の向上効果が十分に得られない一方、２．０原子％より多いと元々のダイヤモンド被膜が有する耐摩耗性等の特性が損なわれるため、０．０５〜２．０原子％の範囲内が適当で、０．５〜１．０原子％程度が望ましいが、２．０原子％よりたくさんドーピングすることも可能である。このドーピング量は、必ずしもボロンドープダイヤモンド被膜の全域で一定である必要はなく、例えば表面程ドーピング量が多くなるようにダイヤモンド被膜の結晶成長に伴って連続的或いは段階的にドーピング量を増やしたり、多い層と少ない層とを交互に積層して多層構造としたりするなど、種々の態様が可能である。
【実施例】
【００１７】
以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明が適用されたダイヤモンド被覆加工工具、具体的にはダイヤモンド被覆切削工具としてのエンドミル１０を示す図で、(a) は軸心と直角方向から見た正面図、(b) は刃部１４の表面付近の断面図である。このエンドミル１０は、４枚刃のスクエアエンドミルであり、工具母材１２は超硬合金にて構成されており、その工具母材１２にはシャンクおよび刃部１４が軸方向に一体に設けられている。刃部１４は加工部に相当し、切れ刃として外周刃１６および底刃１８を備えているとともに、刃部１４の表面には、０．５〜１．０原子％の割合でボロンがドーピングされたボロンドープダイヤモンド被膜２０（以下、単にダイヤモンド被膜２０という）が２０μｍ程度の膜厚でコーティングされている。図１(a) の斜線部は、工具母材１２の表面にコーティングされたダイヤモンド被膜２０を表している。
【００１８】
上記エンドミル１０は、超硬合金に研削加工等を施すことにより、切れ刃として外周刃１６および底刃１８を有する工具母材１２を形成した後、ダイヤモンド被膜２０の密着性を高めるために、工具母材１２の刃部１４の表面に粗面化処理を施す。粗面化処理としては、例えば電解研磨などの化学的腐食や、ＳｉＣ等の砥粒などによるサンドブラストが適当である。その後、図２のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置３０を用いて、粗面化された刃部１４の表面に気相合成法、具体的にはマイクロ波プラズマＣＶＤ法により、ボロンをドーピングしながらダイヤモンド粒子を生成・成長させてダイヤモンド被膜２０をコーティングする。
【００１９】
図２のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置３０は、反応炉３２、マイクロ波発生装置３４、原料ガス供給装置３６、真空ポンプ３８、および電磁コイル４０を備えて構成されている。円筒状の反応炉３２内にはテーブル４２が設けられダイヤモンド被膜２０をコーティングすべき複数の工具母材１２がワーク支持具４４に支持されて、それぞれ刃部１４が上向きになる姿勢で配置されるようになっている。マイクロ波発生装置３４は、例えば２．４５ＧＨｚ等のマイクロ波を発生する装置で、このマイクロ波が反応炉３２内へ導入されることにより工具母材１２が加熱されるとともに、マイクロ波発生装置３４の電力制御によって加熱温度が調節される。
【００２０】
原料ガス供給装置３６は、メタン（ＣＨ4 ）や水素（Ｈ2 ）、一酸化炭素（ＣＯ）などの原料ガスを反応炉３２内に供給するためのもので、それ等のガスボンベや流量を制御する流量制御弁、流量計などを備えて構成されているが、本実施例ではボロンをドーピングするために、例えば酸化ボロンをメタノールに溶かした液体を原料ガスに混ぜて反応炉３２内に供給できるようになっている。真空ポンプ３８は、反応炉３２内の気体を吸引して減圧するためのもので、圧力計４６によって検出される反応炉３２内の圧力値が予め定められた所定の圧力値になるように、真空ポンプ３８のモータ電流などがフィードバック制御される。電磁コイル４０は、反応炉３２内を取り巻くように反応炉３２の外周側に円環状に配設されている。
【００２１】
そして、ダイヤモンド被膜２０のコーティング処理は、核生成工程と結晶成長工程とから成り、核生成工程では、メタンおよび水素の流量調節を行うとともに、工具母材１２の表面温度が７００℃〜９００℃の範囲内で定められた設定温度になるようにマイクロ波発生装置３４を調節し、反応炉３２内のガス圧が２．７×１０2 Ｐａ〜２．７×１０3 Ｐａの範囲内で定められた設定圧になるように真空ポンプ３８を作動させて、その状態を所定時間継続する。これにより、工具母材１２の表面に、ダイヤモンドの結晶成長の起点となる核の層が付着される。また、結晶成長工程は、例えばメタンの濃度が１％〜４％の範囲内で定められた設定値になるようにメタンおよび水素の流量調節を行うとともに、工具母材１２の表面温度が８００℃〜９００℃の範囲内で定められた設定温度になるようにマイクロ波発生装置３４を調節し、反応炉３２内のガス圧が１．３×１０3 Ｐａ〜６．７×１０3 Ｐａの範囲内で定められた設定圧になるように真空ポンプ３８を作動させ、その状態を所定時間継続して前記核を起点としてダイヤモンドを結晶成長させることにより、略完全なダイヤモンド結晶構造のダイヤモンド被膜２０が所定の膜厚で形成される。
【００２２】
また、上記ダイヤモンド被膜２０のコーティング処理に際しては、水素等の原料ガスを供給する際に、前記酸化ボロンをメタノールに溶かした液体をその原料ガスに混ぜて反応炉３２内に所定流量で供給することにより、そのダイヤモンド被膜２０に０．５〜１．０原子％の割合でボロンをドーピングする。ボロンのドーピング量は、酸化ボロンを溶かした液体の供給流量を変更することによって調節できる。
【００２３】
このような本実施例のエンドミル１０においては、ダイヤモンド被膜２０にボロンが０．５〜１．０原子％の割合でドーピングされているため、そのダイヤモンド被膜２０の表面には、酸化を受けた時にボロンの酸化物（例えばＢ2 Ｏ3 ）の層が形成され、その酸化物の層により被膜内部への酸化の進行が抑制されて、ダイヤモンド被膜２０の耐酸化性が向上するとともに、摩擦係数が小さくなって潤滑性が向上する。これにより、鉄系の材料を含む複合材料の切削加工や、切削点が高温になるチタン合金等の耐熱合金に対する切削加工などにおいても、酸化によるダイヤモンド被膜２０の早期摩耗や剥離が抑制されて優れた耐久性が得られるようになる。また、潤滑性が良くなることから、摩擦による発熱が抑制され、この点でもダイヤモンド被膜２０の耐久性が向上するとともに、被削材の加工面品質が向上する。
【００２４】
因みに、図３は２枚刃のスクエアエンドミルで、ボロンを０．５〜１．０原子％の割合でドーピングしたダイヤモンド被膜が２０μｍの膜厚でコーティングされたものであり、この本発明品と、ボロンドープ無しのダイヤモンド被膜を２０μｍの膜厚でコーティングした従来品とを用いて、酸化試験を行なったところ、図４に示す結果が得られた。酸化試験は、１５℃／分の昇温速度で７５０℃まで加熱するとともに、その７５０℃に３０分保持した後、常温まで自然冷却して被膜の状態（消失した面積）を調べた。図４の左側のエンドミルはボロンドープ無しの従来品で、酸化や工具母材との熱膨張差に起因する剥離などでダイヤモンド被膜が略１００％消失しているのに対し、右側の本発明品では、１０％程度消失しているだけで、大部分が残っている。図４の黒い部分がダイヤモンド被膜で、本発明品では、先端の底刃部分においても１７〜１８μｍの膜厚でダイヤモンド被膜が残っていた。
【００２５】
図５は、ボロンを０．５〜１．０原子％の割合でドーピングしたダイヤモンド被膜およびボロンドープ無しのダイヤモンド被膜をそれぞれ母材から剥がして被膜単体として用意し、加熱前後の質量を測定して酸化による質量損失（％）を調べた結果である。試験は、１５℃／分の昇温速度で各試験温度（７００℃、７２５℃、７５０℃、７７５℃、８００℃）まで加熱するとともに、その試験温度に３０分保持した後、常温まで自然冷却して質量の変化を測定した。図５から明らかなように、ボロンドープ無しでは、７００℃程度から酸化が始まるのに対し、ボロンドープ有りの場合には７７５℃程度から酸化が始まり、７５℃程度の差が認められた。
【００２６】
なお、７５０℃で酸化試験を行なった前記図４では、ボロンドープ無しの比較品で略１００％被膜が消失しているとともに、ボロンドープした本発明品でも１０％程度被膜が消失しており、図５の試験結果に比べて被膜の消失が多いが、これは、図４の場合には工具母材との熱膨張差に起因する剥離が影響しているものと考えられる。
【００２７】
図６は、ボロンを０．５〜１．０原子％の割合でドーピングしたダイヤモンド被膜をコーティングしたピンと、ボロンドープ無しのダイヤモンド被膜をコーティングしたピンとを用いて、それ等の摩擦係数を調べた場合で、(a) は試験条件、(b) は試験結果である。この試験結果から明らかなように、ボロンドープダイヤモンド被膜ではボロンドープ無しのダイヤモンド被膜に比較して摩擦係数が２／３程度になった。
【００２８】
図７は、２枚刃のスクエアエンドミルについて、ボロンを０．５〜１．０原子％の割合でドーピングしたダイヤモンド被膜を２０μｍの膜厚でコーティングした本発明品と、ボロンドープ無しのダイヤモンド被膜を２０μｍの膜厚でコーティングした従来品Ｉと、ＴｉＡｌＮ被膜をコーティングした従来品IIとを用いて
、ねずみ鋳鉄（ＦＣ２５０）に対する切削加工の耐久性試験を行なった場合で、(a) は加工条件、(b) は試験結果である。この試験結果から明らかなように、ボロンドープダイヤモンド被膜では、ＴｉＡｌＮ被膜は勿論、ボロンドープ無しのダイヤモンド被膜に比較しても優れた耐久性が得られる。
【００２９】
図８は、２枚刃のボールエンドミルについて、ボロンを０．５〜１．０原子％の割合でドーピングしたダイヤモンド被膜を２０μｍの膜厚でコーティングした本発明品と、ボロンドープ無しのダイヤモンド被膜を２０μｍの膜厚でコーティングした従来品とを用いて、球状黒鉛鋳鉄（ＦＣＤ５００）に対する切削加工の耐久性試験を行なった場合で、(a) は加工条件、(b) は試験結果である。この試験結果から明らかなように、ボロンドープダイヤモンド被膜ではボロンドープ無しのダイヤモンド被膜に比較して優れた耐久性が得られる。
【００３０】
図９は、２枚刃のスクエアエンドミルについて、ボロンを０．５〜１．０原子％の割合でドーピングしたダイヤモンド被膜を２０μｍの膜厚でコーティングした本発明品と、ボロンドープ無しのダイヤモンド被膜を２０μｍの膜厚でコーティングした従来品とを用いて、機械構造用炭素鋼（Ｓ５０Ｃ）に対する切削加工の耐久性試験を行なった場合で、(a) は加工条件、(b) は試験結果である。この場合も、ボロンドープダイヤモンド被膜ではボロンドープ無しのダイヤモンド被膜に比較して優れた耐久性が得られる。
【００３１】
以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、これはあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更，改良を加えた態様で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施例であるエンドミルを示す図で、(a) は軸心と直角方向から見た正面図、(b) は刃部の表面付近の断面図である。
【図２】ダイヤモンド被膜をコーティングするマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の一例を説明する概略構成図である。
【図３】ボロンドープダイヤモンド被膜がコーティングされた２枚刃のスクエアエンドミルの外観写真を示す図である。
【図４】図３の工具に酸化試験を行なった後の外観写真（右側）を、ボロンドープ無しのダイヤモンド被膜をコーティングした場合（左側）と比較して示す図である。
【図５】ボロンドープの有無によるダイヤモンド被膜の酸化の違い（質量の変化割合）を複数の試験温度で調べた結果を示す図である。
【図６】ボロンドープの有無によるダイヤモンド被膜の摩擦係数の違いを調べた結果を説明する図で、(a) は試験方法、(b) は試験結果である。
【図７】ボロンドープダイヤモンド被膜と従来の被膜との耐久性の違いを、ねずみ鋳鉄について調べた結果を説明する図で、(a) は試験方法、(b) は試験結果である。
【図８】ボロンドープダイヤモンド被膜とボロンドープ無しのダイヤモンド被膜との耐久性の違いを、球状黒鉛鋳鉄について調べた結果を説明する図で、(a) は試験方法、(b) は試験結果である。
【図９】ボロンドープダイヤモンド被膜とボロンドープ無しのダイヤモンド被膜との耐久性の違いを、機械構造用炭素鋼について調べた結果を説明する図で、(a) は試験方法、(b) は試験結果である。
【符号の説明】
【００３３】
１０：エンドミル（ダイヤモンド被覆加工工具）    １２：工具母材    １４：刃部（加工部）    ２０：ボロンドープダイヤモンド被膜
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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