(57)【要約】【課題】基材とダイヤモンド膜との界面で剥離が生じにくいダイヤモンド被覆工具を提供する。【解決手段】本発明のダイヤモンド被覆工具は、基材と、基材の表面を被覆したダイヤモンド膜とを含むダイヤモンド被覆工具であって、基材の表面は、算術平均粗さＲａが０．１μｍ以上１０μｍ以下であり、かつ、粗さ曲線要素の平均長さＲＳｍが１μｍ以上１００μｍ以下であり、ダイヤモンド膜は、基材と接する部分から結晶成長方向に伸びる空隙を複数有することを特徴とする。【選択図】図１
2011038150.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、前記基材の表面を被覆したダイヤモンド層とを含むダイヤモンド被覆工具であって、
前記基材の表面は、算術平均粗さＲａが０．１μｍ以上１０μｍ以下であり、かつ、粗さ曲線要素の平均長さＲＳｍが１μｍ以上１００μｍ以下であり、
前記ダイヤモンド層は、前記基材と接する部分から結晶成長方向に伸びる空隙を複数有する、ダイヤモンド被覆工具。
【請求項２】
前記算術平均粗さＲａは、０．４μｍ以上４μｍ以下であり、かつ、
前記粗さ曲線要素の平均長さＲＳｍは、２μｍ以上２０μｍ以下である、請求項１に記載のダイヤモンド被覆工具。
【請求項３】
前記ダイヤモンド被覆工具を前記基材と前記ダイヤモンド層とを含む面で切断する任意の切断面において、
前記基材の長さに対する前記空隙の個数は、１×１０3個／ｃｍ以上１×１０6個／ｃｍ以下である、請求項１または２に記載のダイヤモンド被覆工具。
【請求項４】
前記空隙は、結晶成長方向に対する幅が５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、かつ、結晶成長方向の長さが１０ｎｍ以上１μｍ以下である、請求項１〜３のいずれかに記載のダイヤモンド被覆工具。
【請求項５】
前記ダイヤモンド層は、多結晶ダイヤモンドからなる、請求項１〜４のいずれかに記載のダイヤモンド被覆工具。
【請求項６】
前記ダイヤモンド層は、化学気相成長法により形成される、請求項１〜５のいずれかに記載のダイヤモンド被覆工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイヤモンド被覆工具に関し、特に基材の表面をダイヤモンド層で被覆したダイヤモンド被覆工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
超硬合金等の材料を基材とし、該基材の表面上に多結晶ダイヤモンド層を被覆した構造のダイヤモンド被覆工具は、古くから開発が進められてきた。
【０００３】
基材の表面をダイヤモンド層で被覆したダイヤモンド被覆工具は、その表面が強固なものとなっているため、これまで工具による加工が困難とされてきた繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastics）等のような難削材の加工にも対応することができるという利点を有している。
【０００４】
上記難削材にダイヤモンド被覆工具を適用する際に、その寿命を決定する要因の一つとして、基材とダイヤモンド層との密着性がある。すなわち、ダイヤモンド被覆工具は、切削加工時に基材とダイヤモンド層との界面でランダムに剥離が生じ、剥離後の切削工具で加工した被削材の品位が悪化することとなり、切削工具としての寿命が安定しないという問題がある。
【０００５】
基材とダイヤモンド層との密着性を高めるための試みは、従来からなされており、たとえば特許文献１には、基材の表面に微細な凹凸を形成したものを用い、該基材上にダイヤモンド層を形成したダイヤモンド被覆工具が提案されている。
【０００６】
特許文献１に示されるように、表面に凹凸を有する基材上にダイヤモンド層を形成することにより、基材とダイヤモンド層との間でアンカー効果が発現し、当該アンカー効果により基材とダイヤモンド層との密着性を高めることができる。かかるダイヤモンド被覆工具は、切削初期における基材とダイヤモンド層との剥離が生じにくいという点で優れている。
【０００７】
しかし、特許文献１のダイヤモンド被覆工具は、切削加工を長時間継続すると、基材とダイヤモンド層との界面で剥離が頻発し、基材とダイヤモンド層との剥離の問題を完全には解決できていなかった。また、特許文献１と同様に特許文献２にも、基材の表面に凹凸を形成する技術が開示されているが、ダイヤモンド被覆工具の長寿命化に顕著な改善が見られるものではなかった。
【０００８】
ところで、長時間継続してダイヤモンド工具を使用したときに、基材とダイヤモンド層とが剥離することの原因はおそらく、切削加工時の熱によりダイヤモンド被覆工具が高温になり、基材の熱膨張係数とダイヤモンド層の熱膨張係数とが異なることに起因してその界面近傍のダイヤモンド層に圧縮または引張の残留応力が働き、この残留応力により基材とダイヤモンド層との間に剥離が生じるためであると推測される。
【０００９】
そこで、特許文献３では、ダイヤモンド被覆工具が高温になったときにダイヤモンド層に生じる残留応力を緩和するというアプローチで、基材とダイヤモンド層との密着性を高める試みがなされている。具体的には、基材の熱膨張係数および材質、ダイヤモンド層の厚み等を制御することにより、基材とダイヤモンド層との密着性を高めようというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平０４−２６３０７５号公報
【特許文献２】特開２００２−０７９４０６号公報
【特許文献３】特開平１１−０５８１０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献３に開示されている技術により、基材とダイヤモンド層との密着性は高められる傾向にある。しかし、特許文献３の手法では、基材の材質、ダイヤモンド層の厚み等が極端に限定されることとなるため、製造コストを度外視した設計となる場合が多く、実用化にはほとんど至っていないというのが現状である。
【００１２】
近年、被削材はますます難削化する傾向にあるし、切削工具の加工技術の進展も早いため、ダイヤモンド被覆工具に要求される品質もますます高くなっている。
【００１３】
ダイヤモンド被覆工具においては、上述のように基材とダイヤモンド層との密着性を向上させるための技術は数多く提案されているものの、未だその密着性が十分であるとは言えない状況で、基材とダイヤモンド層との密着性を向上させる技術が待望されている。
【００１４】
本発明は、上記のような現状に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、切削初期のみならず、切削加工を長時間継続するときにも、基材とダイヤモンド層との界面における剥離が生じにくいダイヤモンド被覆工具を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明のダイヤモンド被覆工具は、基材と、基材の表面を被覆したダイヤモンド層とを含むダイヤモンド被覆工具であって、基材の表面は、算術平均粗さＲａが０．１μｍ以上１０μｍ以下であり、かつ、粗さ曲線要素の平均長さＲＳｍが１μｍ以上１００μｍ以下であり、ダイヤモンド層は、基材と接する部分から結晶成長方向に伸びる空隙を複数有することを特徴とする。
【００１６】
また、算術平均粗さＲａは、０．４μｍ以上４μｍ以下であり、かつ、粗さ曲線要素の平均長さＲＳｍは、２μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。
【００１７】
また、ダイヤモンド被覆工具を基材とダイヤモンド層とを含む面で切断する任意の切断面において、基材の長さに対する空隙の個数は、１×１０3個／ｃｍ以上１×１０6個／ｃｍ以下であることが好ましい。
【００１８】
また、空隙は、結晶成長方向に対する幅が５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、かつ、結晶成長方向の長さが１０ｎｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。
【００１９】
ダイヤモンド層は、多結晶ダイヤモンドからなることが好ましい。
ダイヤモンド層は、化学気相成長法により形成されることが好ましい。
【００２０】
以上のような本発明のダイヤモンド被覆工具は、難削材の切削に好適に用いることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明のダイヤモンド被覆工具は、上記のような構成を有することにより、継続的に切削加工をしたときも、基材とダイヤモンド層とを剥離しにくくしたものであり、工具寿命を向上させたものである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明のダイヤモンド被覆工具の基材とダイヤモンド層との界面付近の概略断面図である。
【図２】本発明のダイヤモンド被覆工具に用いられる基材の断面をグラフ化し、算術平均粗さＲａを示したグラフである。
【図３】本発明のダイヤモンド被覆工具に用いられる基材の断面をグラフ化し、輪郭曲線要素の長さＸｓを示したグラフである。
【図４】本発明のダイヤモンド被覆工具の断面を透過型電子顕微鏡で観察したときの撮影画像である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
＜ダイヤモンド被覆工具＞
図１は、本発明のダイヤモンド被覆工具の基材とダイヤモンド層との界面付近の概略断面図である。本発明のダイヤモンド被覆工具１０は、図１に示されるように基材１と、該基材１上に形成されたダイヤモンド層３とを備えるものである。このような構成を有する本発明のダイヤモンド被覆工具１０は、たとえばドリル、エンドミル、フライス加工用または旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ、またはクランクシャフトのピンミーリング加工用チップ、ガラス基板切断用切り駒、光ファイバーカッター等として極めて有用に用いることができる。
【００２４】
このように本発明のダイヤモンド被覆工具は、各種用途に用いることができるものであるが、とりわけ従来の切削工具では加工が困難とされていた難削材の加工に好適に用いることができる。すなわち、本発明のダイヤモンド被覆工具は、従来の切削工具に比し、その表面の硬度を向上させたものであることから、難削材の加工に極めて有効に使用し得るものである。
【００２５】
＜基材＞
本発明のダイヤモンド被覆工具１０の基材１としては、このような切削加工用の基材として知られる従来公知のものを特に限定なく使用することができる。たとえば、超硬合金（たとえばＷＣ基超硬合金、ＷＣの他、Ｃｏを含み、あるいはさらにＴｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物等を添加したものも含む）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を主成分とするもの）、高速度鋼、工具鋼、セラミックス（炭化チタン、炭化硅素、窒化硅素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、およびこれらの混合体など）、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体等をこのような基材の例として挙げることができる。
【００２６】
基材として超硬合金を使用する場合、そのような超硬合金は、組織中に遊離炭素やη相と呼ばれる異常相を含んでいても本発明の効果は示される。
【００２７】
なお、本発明で用いる基材１は、その表面が改質されたものであっても差し支えない。たとえば、超硬合金の場合はその表面に脱β層が形成されていたり、サーメットの場合には表面硬化層が形成されていても良く、このように表面が改質されていても本発明の効果は示される。
【００２８】
本発明においては、基材１の表面に凹凸形状を有するものを用いることを特徴とする。かかる凹凸形状は、凹凸の高さ方向の振幅の平均値と、凹凸の横方向の振幅の平均値とが所定の値に規定される。具体的には、凹凸の高さ方向の振幅の平均値は算術平均粗さＲａとして規定され、そのＲａは０．１μｍ以上１０μｍ以下であることを要する。また、凹凸の横方向の振幅の平均値は粗さ曲線要素の平均粗さＲＳｍとして規定され、そのＲＳｍは１μｍ以上１００μｍ以下であることを要する。
【００２９】
ここで、算術平均粗さＲａとは、後述の図２を例にとると、基準線（ｙ＝０）に対する粗さ曲線（ｙ＝Ｚ（ｘ））のｙ軸方向のばらつきの平均値を意味する。他方、粗さ曲線要素の平均粗さＲＳｍとは、後述の図３を例にとると、粗さ曲線ｙ＝Ｚ（ｘ）が正から負に変わる地点を基準点としたときに、一の基準点から隣接する他の基準点までの長さの平均を意味する。なお、ＲａおよびＲＳｍの詳細は、図２および図３とともに後述する。
【００３０】
このように基材の表面粗さのＲａおよびＲＳｍを所定の数値範囲内にすることにより、後述するダイヤモンド層を形成するときにダイヤモンドの初期発生核が基材にアンカリングされやすくなり、以って基材とダイヤモンド層との密着性を高めることができる。
【００３１】
しかも、上述のような特定の凹凸状態を持った基材に対し、化学気相成長（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法でダイヤモンド層を被覆することにより、図１に示されるように、基材１と接する部分から結晶成長方向に伸びる空隙２をダイヤモンド層３に複数形成することができる。そして、当該空隙２が、基材１とダイヤモンド層３との熱膨張係数の相違に起因してダイヤモンド層３に生じる残留応力を緩和する働きを示す。
【００３２】
この空隙２による残留応力の緩和作用が、上述のアンカー効果と相俟って、基材１とダイヤモンド層３との密着性を顕著に向上させることができる。本発明は、これらの相乗効果により、継続的に切削加工を行なう場合にも基材１とダイヤモンド層３との界面での剥離を生じにくくしたものである。なお、空隙２の詳細は後述する。
【００３３】
ここで、上記のＲａは０．４μｍ以上４μｍ以下であり、かつ、ＲＳｍは２μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましく、さらに好ましくはＲａが１．３μｍ以上２．６μｍ以下であり、かつ、ＲＳｍが３μｍ以上６μｍ以下である。基材をこのような表面粗さにすることにより、上述の基材とダイヤモンド層との密着力を向上させる効果に加え、ダイヤモンド層を製膜した後の工具表面を滑らかなものにするとともに、基材に対するダイヤモンド層の密着性を高めることができ、以って被削材の加工品位の向上と工具寿命の長寿命化との両立を達成することができる。
【００３４】
基材の表面に上記のような凹凸状態を形成する方法としては、化学エッチング処理、サンドブラスト処理、電気化学エッチング処理、およびこれらを組み合わせた処理等を挙げることができる。
【００３５】
ここで、上記の各エッチング処理について具体的な例を挙げて説明すると、化学エッチング処理としては、たとえば硫酸と硝酸との混酸に基材を浸して、基材の表面の一部を溶解させる方法が挙げられる。化学エッチング処理に用いる混酸は、その硫酸の濃度が１０質量％以上９８質量％以下であることが好ましく、硝酸の濃度が１０質量％以上７０質量％以下であることが好ましい。また、基材を混酸に浸す時間は、３０秒以上６０分以下であることが好ましい。
【００３６】
サンドブラスト処理としては、たとえばアルミナや炭化ケイ素の粒子を吹き付ける方法が挙げられる。サンドブラスト処理に用いる粒子の平均粒子径（粒子の直径）は、５μｍ以上８０μｍ以下であることが好ましく、当該粒子の基材へのブラスト噴射圧力は０．１ＭＰａ以上０．４ＭＰａ以下であることが好ましい。電気化学エッチング処理としては、たとえば基材の成分に含まれるＣｏを電気化学的に電解する方法が挙げられる。
【００３７】
＜算術平均粗さ＞
本発明でいう算術平均粗さＲａとは、基材の表面に形成される凹凸の高さ方向の長さを示すパラメータであり、その値が大きいほど凹凸の段差が粗いことを示す。以下、図２を用いて算術平均粗さＲａの算出方法を説明する。図２は本発明に用いられる基材の断面の一例をグラフ化したものである。図２に示されるように、基準長さＬにおける基材の表面の粗さ曲線の関数はｙ＝Ｚ（ｘ）で表される。ここで、粗さ曲線（ｙ＝Ｚ（ｘ））の基準線（ｙ＝０が示す線）は、基準線と粗さ曲線とに囲まれる部分の面積のうち、基準線の下部に位置する部分の面積の総和と、基準線の上部に位置する部分の面積の総和とが等しくなるように定められる。すなわち、図２においては、基準線の下部に位置する粗さ曲線を、基準線の上部に折り返した上で、その折り返された外郭を点線で示しているが、この点線が囲う斜線部の面積の総和と、粗さ曲線の実線が囲う斜線部の面積の総和とが等しくなるように基準線（ｙ＝０）を定める。数学的には、以下の式（１）を満たすように基準線を定める。
【００３８】
【数１】
2011038150.tif 000003
【００３９】
本発明における算術平均粗さＲａは、上記のようにして定めた基準線を基準として、粗さ曲線の絶対値を基準長さＬについて積分し（すなわち、ｙ＝｜Ｚ（ｘ）｜の関数を０≦ｘ≦Ｌの範囲で積分し）て得られた値を、Ｌで割ることにより算出される。すなわち、算術平均粗さＲａは、以下の式（２）により算出される。
【００４０】
【数２】
2011038150.tif 000004
【００４１】
図２を用いて算術平均粗さＲａを概念的に説明すると、上述の点線が囲う斜線部の面積と粗さ曲線の実線が囲う斜線部の面積との和を、基準長さＬで平均化したときの高さが算術平均粗さＲａに相当する。
【００４２】
＜粗さ曲線要素の平均長さ＞
本発明でいう粗さ曲線要素の平均長さＲＳｍとは、基材の表面に形成される凹凸状態の幅方向の長さ（ピッチ）を示すパラメータであり、その値が大きいほど凹凸のピッチが緩やかであることを示す。本発明において、粗さ曲線要素の平均長さＲＳｍは、ＪＩＳ  Ｂ０６０１：２００１で規定された方法を採用する。図３に基づいて、粗さ曲線要素の平均長さＲＳｍの算出方法を説明する。図３は、本発明に用いられる基材の断面の一例をグラフ化したものである。図３において、粗さ曲線（ｙ＝Ｚ（ｘ））が正から負に代わる地点（以下「基準点」と記す）から、隣接する他の基準点までの長さを輪郭曲線要素の長さＸｓと定めると、基準長さＬの範囲内にｍ個の輪郭曲線要素の長さ（図３中のＸs1、Ｘs2、Ｘs3・・・Ｘsi・・・Ｘsm）が得られる。これらｍ個の輪郭曲線要素の長さの平均値が粗さ曲線要素の平均長さＲＳｍである。すなわち、粗さ曲線要素の平均長さＲＳｍは、以下の式（３）により算出される。
【００４３】
【数３】
2011038150.tif 000005
【００４４】
なお、図３からも明らかなように、ｍ個の輪郭曲線要素の長さＸs1、Ｘs2、Ｘs3・・・Ｘsi・・・Ｘsmの総和は、基準長さＬに相当するため、式（３）の粗さ曲線要素の平均長さＲＳｍは、単にＬ／ｍと表すこともできる。
【００４５】
＜表面粗さの測定方法＞
上述の表面粗さのパラメータ（ＲａおよびＲＳｍ）は、基材上にダイヤモンド層を形成する前に基材の表面を測定してもよいし、ダイヤモンド層を形成した後に直接または間接的に基材の表面を測定してもよい。ただし、ダイヤモンド層を破壊することなく基材の表面粗さを測定できるという観点から、基材上にダイヤモンド層を形成する前に基材の表面粗さを測定することが好ましい。
【００４６】
ここで、基材の表面粗さを測定する方法としては、ＩＳＯ規格またはＪＩＳ規格に準拠したパラメーター解析ができる装置を使用すればよい。たとえば、触針式、および光学（レーザー、干渉等）式の測定装置が市販されているが、中でもレーザー顕微鏡は空間分解能が高い上に、数値解析が容易なため、本発明の基材の表面粗さを測定するのに適している。本明細書におけるＲａおよびＲＳｍは、レーザー波長４０８ｎｍ、水平方向の空間分解能１２０ｎｍ、高さ分解能１０ｎｍのレーザー顕微鏡を用いて測定して得られた値である。
【００４７】
また、基材上にダイヤモンド層を形成した後に基材の表面粗さを測定する方法としては、任意の方法でダイヤモンド層を除去した後に、上記の例示した方法により測定する方法の他、ダイヤモンド層とともに基材を切断した上で、その切断面に垂直の方向から基材の表面の凹凸を観察し、観察された凹凸を数値化する方法を用いてもよい。
【００４８】
上記で例示した測定装置を用いてその基材の表面粗さ（ＲａおよびＲＳｍ）を測定したときに、その測定値が面内でばらついたとしても、少なくとも一箇所が本発明で規定する数値範囲内にあれば、本発明の効果は示される。ここで、基準長さＬを１０μｍ以上としたときの基材の表面粗さが上記の数値範囲を満たすことが好ましい。
【００４９】
＜ダイヤモンド層＞
本発明において、基材上に形成されるダイヤモンド層は、多結晶ダイヤモンドからなる膜であることが好ましい。ここで、多結晶ダイヤモンドとは、１０数ｎｍ〜数μｍ程度のダイヤモンド微粒子が固く結合したものである。このようなダイヤモンド層は、結晶性を高くするような成膜プロセスにより形成されることがより好ましい。また、ダイヤモンド層の形成と同時に基材から結晶成長方向に伸びる空隙を複数形成するという観点から、ＣＶＤ法を用いる必要がある。
【００５０】
なお、本発明において、「結晶成長方向」とは、基材の表面の特定の点を基点としたときに、その基点からダイヤモンド層の表面に到達する距離が最短となるベクトル方向のことをいう。
【００５１】
ダイヤモンド層を形成する上で好適に用いられるＣＶＤ法としては、従来公知のＣＶＤ法を特に限定することなく用いることができる。このようなＣＶＤ法としては、たとえばマイクロ波プラズマＣＶＤ法、熱フィラメントＣＶＤ法、プラズマジェットＣＶＤ法等を挙げることができる。特に、熱フィラメントＣＶＤ法を採用することが好ましい。
【００５２】
また、本発明のダイヤモンド層は、基材の全面を覆うようにして形成されていることが好ましいが、基材の一部がダイヤモンド層により覆われていなかったり、基材上のいずれかの部分においてダイヤモンド層の組成が異なっていたとしても、本発明の範囲を逸脱するものではない。また、本明細書においては、基材上にダイヤモンド層を形成する場合のみを説明しているが、基材とダイヤモンド層との間にダイヤモンド層とは異なる単層または２層以上の層を形成しても本発明の効果は示される。
【００５３】
なお、上述のダイヤモンド層は、たとえばホウ素、窒素、珪素等の異種原子を含んでいてもよいし、これらの元素以外の不可避不純物が含まれていてもよい。
【００５４】
＜ダイヤモンド層の空隙＞
本発明のダイヤモンド被覆工具は、基材上にダイヤモンド層を形成するときに、ダイヤモンド層に基材から結晶成長方向に伸びる空隙が複数形成されることを特徴とする。ダイヤモンド層が空隙を複数有することにより、当該空隙が基材とダイヤモンド層との熱膨張係数の差に起因してダイヤモンド層中に発生する残留応力を緩和し、以って基材とダイヤモンド層との剥離を有効に防止することができる。
【００５５】
上記の空隙は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）によって確認することができる。ＳＥＭで空隙を観察する場合、ダイヤモンド被覆工具をダイヤモンド層も含めて基材とともに切断し、当該切断面に対し市販の断面試料作製装置を用いてＳＥＭ観察用の試料を作製する。そして、当該試料の基材とダイヤモンド層との界面近傍をＳＥＭで拡大観察することにより、空隙の有無およびその形状を把握することができる。
【００５６】
なお、上記の空隙の有無およびその形状は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope）によって観察してもよい。ＴＥＭで空隙を観察する場合、収束イオンビームエッチング装置により基材とダイヤモンド層とを含む薄片を作成し、当該薄片をＴＥＭで観察することとなる。
【００５７】
本発明において、ダイヤモンド被覆工具を切断する任意の切断面において、当該切断面における基材の長さに対する空隙の個数は、１×１０3個／ｃｍ以上１×１０6個／ｃｍ以下であることが好ましい。かかる割合でダイヤモンド層中に空隙を設けることにより、空隙が上記の弾性応力を緩和する効果を高めることができる。
【００５８】
ここでの「基材の長さ」とは、ダイヤモンド被覆工具を切断したときに切断面に現れる、基材とダイヤモンド層との界面の長さを意味する。
【００５９】
また、空隙の大きさは、結晶成長方向に対する幅が５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、かつ、結晶成長方向の長さが１０ｎｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。上記の空隙の幅が５ｎｍ未満、または空隙の高さが１０ｎｍ未満であると、空隙の大きさが十分ではないためダイヤモンド層に生じる残留応力を緩和する効果が十分に得られない。また、空隙の幅が２００ｎｍを超える場合、または空隙の長さが１μｍを超える場合、空隙が大きいために空隙を基点としてダイヤモンド層に亀裂が生じやすい。なお、本発明において、全ての空隙が上述の数値範囲の大きさを満たす必要はなく、ダイヤモンド層も含めて基材とともに切断したときの切断面に現れる空隙のうち、１個以上の空隙が上述の数値範囲を満たすものであればよい。
【００６０】
ここで、「結晶成長方向に対する幅」とは、結晶成長方向に対して直交する方向の長さをいう。
【００６１】
なおまた、ダイヤモンド層中の空隙の大きさ（幅および長さ）は、ダイヤモンド被覆工具を切断したときの任意の切断面を上述のＳＥＭまたはＴＥＭで観察して把握することができる。
【００６２】
本発明者の研究によると、ダイヤモンド層に形成される空隙の個数および大きさは、基材の表面の凹凸状態（すなわちＲａおよびＲＳｍの数値）の影響によるところが大きいことは判明しているが、それのみに限られるものではなく、ダイヤモンド層を形成する時のガス圧力およびガス組成、さらには基材の表面温度などの影響を受けることも判明しており、基材の表面の凹凸状態を調整するとともに、ダイヤモンド層を形成するときの諸条件を制御することにより所望の個数および大きさの空隙を形成することができる。
【００６３】
たとえば熱フィラメントＣＶＤ装置を用いてダイヤモンド層を形成する場合に、所望の個数および大きさの空隙を形成するには、熱フィラメントＣＶＤ装置内のガス圧力を１．３×１０2Ｐａ以上２．６×１０4Ｐａ以下とすることが好ましく、それに導入するガス組成は、たとえばＨ2ガスとＣＨ4ガスとの混合ガス等を用い、その場合、Ｈ2ガスに対するＣＨ4ガスの濃度が０．３体積％以上２０体積％以下のものを用いることが好ましい。また、ダイヤモンド層の形成時における基材の表面温度は６００℃以上１１００℃以下であることが好ましい。
【実施例】
【００６４】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００６５】
なお、以下ではダイヤモンド層を熱フィラメントＣＶＤ法により形成しているが、たとえばマイクロ波プラズマＣＶＤ法、プラズマジェットＣＶＤ法等のような従来公知のＣＶＤ法によりダイヤモンド層を形成してもよい。
【００６６】
＜実施例１〜１４および比較例１〜９＞
各実施例および各比較例のダイヤモンド被覆工具の作製にあたり、ダイヤモンド被覆工具の基材として、その材質がＪＩＳ  Ｋ１０超硬合金（ＷＣ−５％Ｃｏ）であって、基材の工具形状がＳＮＭＮ１２０４１２であるものを用いた。
【００６７】
そして、上述の基材の表面を、９８質量％の硫酸と６０質量％の硝酸との混酸に２０分間浸すことにより基材の表面をエッチングした後に、種々の粒度（平均粒子径が５μｍ〜５０μｍの粒子）のメディアを基材に対しブラスト噴射圧力０．３ＭＰａで吹き付けるサンドブラスト処理を行なった。サンドブラスト処理後の各実施例および各比較例に用いられる基材に対し、光学式のレーザー顕微鏡（製品名：ＬＥＸＴ  ＯＬＳ３５００（オリンパス株式会社製））を用いてその表面粗さのパラメータＲａおよびＲＳｍを測定した。その結果を以下の表１に示す。
【００６８】
続いて、基材の表面にナノサイズのダイヤモンド粉末を種付けする処理を行なった。次に、上記で種付け処理が行なわれた基材を公知の熱フィラメントＣＶＤ装置にセットした。そして、各実施例および各比較例（実施例１４および比較例５を除く）においては、熱フィラメントＣＶＤ装置内に１％ＣＨ4／Ｈ2ガスを導入し、その内部の圧力を４．０×１０3Ｐａに設定するとともに、該装置内に設置された冷却機構を含む温度調節装置により上記基材表面の温度を９００℃に設定し、フィラメント温度を２０５０℃にした。そして、上記ダイヤモンド成長条件で１０時間成長させることで、基材上にダイヤモンド層を形成した。このようにして各実施例および各比較例（実施例１４および比較例５を除く）のダイヤモンド被覆工具を作製した。このようにして作製されたダイヤモンド被覆工具のダイヤモンド層をラマン分光法により確認したところ、その構造は全て多結晶ダイヤモンドであることが明らかとなった。
【００６９】
図４は、実施例１で作製されたダイヤモンド被覆工具を任意の面で切断したときの切断面を透過型電子顕微鏡で観察したときの撮影画像である。図４から明らかなように、表面粗さのパラメータ（ＲａおよびＲＳｍ）が所定の数値範囲を満たす基材１上に、特定の製造条件を以ってダイヤモンド層３を形成することにより、基材から結晶成長方向に伸びる空隙２を複数有するダイヤモンド層３が形成されることがわかる。
【００７０】
図４の切断面の撮影画像を基に、基材１の長さに対する空隙２の個数を算出すると、ダイヤモンド被覆工具の切断面の任意の面における基材１の長さは３μｍであり、当該基材１の長さに対し３個の空隙２が存在する。このため基材の長さに対する空隙の個数は、３個／３μｍ＝１．０×１０4個／ｃｍと算出される。
【００７１】
また、図４の切断面の撮影画像に表される空隙のうちの特定の空隙の大きさを算出すると、空隙の大きさは、結晶成長方向に対する幅が２０ｎｍであり、結晶成長方向の長さが５００ｎｍであった。
【００７２】
実施例２〜１３および比較例１〜４、６〜９のダイヤモンド被覆工具においても、上述の実施例１と同様の方法で、空隙の個数および大きさを算出したところ、下記の表１に示す結果となった。
【００７３】
【表１】
2011038150.tif 000006
【００７４】
なお、実施例１〜１３および比較例１〜４、６〜９では、基材の表面粗さがそれぞれ異なるものを用いているため、同様の方法でダイヤモンド層を作製しているが、ダイヤモンド層に形成される空隙の個数および大きさはそれぞれ異なっている。
【００７５】
一方、実施例１４および比較例５においては、上記の実施例等とは異なる条件でダイヤモンド層を成膜した。具体的には、実施例１４では、ガス圧力およびガス組成を上記の実施例等の製造条件から変更し、表１に示されるようなダイヤモンド層に形成される空隙の大きさおよび個数を調整した。比較例５では、ダイヤモンド層中に空隙を形成しないように、ガス圧力およびガス組成を調整してダイヤモンド層を形成した。
【００７６】
このようにして作製された各実施例のダイヤモンド被覆工具は、基材と、基材の表面を被覆したダイヤモンド層とを含むダイヤモンド被覆工具であって、基材の表面は、算術平均粗さＲａが０．１μｍ以上１０μｍ以下であり、かつ、粗さ曲線要素の平均長さＲＳｍが１μｍ以上１００μｍ以下であり、ダイヤモンド層は、基材から結晶成長方向に伸びる空隙を複数有するものである。
【００７７】
＜ダイヤモンド被覆工具の密着性の評価＞
上記で作製した実施例１〜１４および比較例１〜９のダイヤモンド被覆工具のそれぞれについて、湿式の断続切削を行なうことにより密着性の評価を行なった。切削条件は、下記の表２に示したようにＡｌ−１６％のＳｉの素材に６つの溝を設けた丸棒を被削材として用い、切削速度４００ｍ／ｍｉｎ、切り込み深さ０．５ｍｍ、送り速度０．１２ｍｍ／ｒｅｖの条件で行なった。該切削条件による密着性の評価は、一定時間ごとに切削加工を止めて刃先状態を観察し、ダイヤモンド層が剥離するまでの時間を評価の指標とした。
【００７８】
【表２】
2011038150.tif 000007
【００７９】
上述の密着性の評価を行なった結果、各実施例および各比較例のダイヤモンド層が剥離するまでの時間を下記の表３に示す。剥離までの時間が長いもの程、基材とダイヤモンド層との密着性が優れていることを示している。
【００８０】
【表３】
2011038150.tif 000008
【００８１】
表３から明らかなように、実施例１〜１４の本発明に係るダイヤモンド被覆工具は、比較例１〜９のダイヤモンド被覆工具に比し、密着性が向上していることが明らかである。このことから、ダイヤモンド被覆工具の寿命が向上していることを確認した。
【００８２】
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
【００８３】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００８４】
１  基材、２  空隙、３  ダイヤモンド層、１０  ダイヤモンド被覆工具。
【図１】
2011038150.tif 000009
【図２】
2011038150.tif 000010
【図３】
2011038150.tif 000011
【図４】
2011038150.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成22年8月26日(2010.8.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、前記基材の表面を被覆したダイヤモンド層とを含むダイヤモンド被覆工具であって、
前記基材の表面は、算術平均粗さＲａが０．１μｍ以上１０μｍ以下であり、かつ、粗さ曲線要素の平均長さＲＳｍが１μｍ以上１００μｍ以下であり、
前記ダイヤモンド層は、前記基材と接する部分から結晶成長方向に伸びる空隙を複数有し、
前記ダイヤモンド被覆工具を前記基材と前記ダイヤモンド層とを含む面で切断する任意の切断面において、前記基材の長さに対する前記空隙の個数は、１×１０3個／ｃｍ以上１×１０6個／ｃｍ以下であり、
前記空隙は、結晶成長方向に対する幅が５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、かつ、結晶成長方向の長さが１０ｎｍ以上１μｍ以下である、ダイヤモンド被覆工具。
【請求項２】
前記算術平均粗さＲａは、０．４μｍ以上４μｍ以下であり、かつ、
前記粗さ曲線要素の平均長さＲＳｍは、２μｍ以上２０μｍ以下である、請求項１に記載のダイヤモンド被覆工具。
【請求項３】
前記ダイヤモンド層は、多結晶ダイヤモンドからなる、請求項１または２に記載のダイヤモンド被覆工具。
【請求項４】
前記ダイヤモンド層は、化学気相成長法により形成される、請求項１〜３のいずれかに記載のダイヤモンド被覆工具。