(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化タングステンと３〜１５質量％のコバルトを主成分とし、さらに、少なくとも０．１〜３質量％のクロムを含有する炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体にダイヤモンド膜を被覆形成したダイヤモンド被覆超硬合金製切削工具であって、
前記ダイヤモンド膜は、３〜３０μｍの平均膜厚を有し、
前記炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体とダイヤモンド膜の界面から工具基体内部方向へ最大８μｍの深さにおいて結合相の一部が除去された結合相一部除去領域が形成され、
前記工具基体の少なくとも刃先近傍の逃げ面の垂直断面においては、前記結合相一部除去領域内の炭化タングステン同士および炭化タングステンと他の炭化物との接合粒界を除く炭化タングステン粒界に、１０〜３００ｎｍの厚みの残留結合相が前記炭化タングステン粒界長の５０％以上の割合で存在し、
前記炭化タングステン粒界に存在する残留結合相におけるクロムのコバルトに対する質量比が０．０２以上０．１５以下、また、タングステンのコバルトに対する質量比が０．０８以上０．２０以下、酸素のＣｏに対する質量比が、０．０２以上０．０８以下であることを特徴とするダイヤモンド被覆超硬合金製切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＦＲＰ等の難削材の高速切削加工において、刃先がすぐれた靭性および強度を備え、長期の使用にわたってすぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮するダイヤモンド被覆炭化タングステン基超硬合金製切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、炭化タングステン基超硬合金（以下、「ＷＣ基超硬合金」あるいは単に「超硬合金」という）からなる基体に、ダイヤモンド膜を被覆したダイヤモンド被覆超硬合金製切削工具が知られているが、従来のダイヤモンド被覆超硬合金製切削工具においては、超硬合金基体とダイヤモンド膜の密着性が十分でないため、これを改善するために超硬合金基体上にダイヤモンドを成膜する際に、ダイヤモンドの形成を阻害するコバルトを除去させた基体上に成膜する（特許文献１〜３参照）、あるいは、超硬合金の結合相成分としてＣｒ等を含有させる（特許文献４〜７参照）などの種々の提案がなされている。
【０００３】
例えば、特許文献１〜３に示すように、ＷＣ基超硬合金製工具基体をダイヤモンドで被覆するにあたり、その表面を、ムラカミ（Ｍｕｒａｋａｍｉ）試薬と酸により２段階、あるいは、３段階でエッチングし、工具基体とダイヤモンド膜の密着性を改善することが提案されている。
【０００４】
また、特許文献４には、切削工具等に用いられる超硬合金において、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｏ，希土類元素、これらの相互合金、それら元素の炭化物、窒化物、酸化物、およびこれらの相互固溶体から選ばれた少なくとも１種からなる改質物質を、表面から０．２ｍｍ内部までに該改質物質の含有量が最大となる最大含有量位置を有し、その位置からさらに内部に向かって該改質物質が漸減されており、該最大含有量位置における該改質物質含有量を金属元素換算で測定したときに、該金属元素の含有量が焼結合金全体に対し１質量％以下とすることによって、超硬合金の組織構造と特性を改質することが提案されている。
【０００５】
特許文献５には、Ｃｏおよび／またはＮｉの結合金属を２〜２０重量％、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の群から選ばれる少なくとも１種の炭化物、窒化物および／または炭窒化物を０〜３０重量％含有するともに、Ｆｅを１０〜３００ｐｐｍ、Ｃｒを１００〜１０００ｐｐｍ含有し、残部が炭化タングステン（以下、「ＷＣ」で示す）と不可避不純物からなる超硬合金において、この超硬合金の表面近傍に、この超硬合金内部の前記結合金属の総含有量をｗ１ｉｎ、この超硬合金内部のＦｅおよびＣｒの総含有量をｗ２ｉｎ、この超硬合金表面領域の前記結合金属の総含有量をｗ１ｓｕｆ、この超硬合金表面領域のＦｅおよびＣｒの総含有量をｗ２ｓｕｆとし、ｐｉｎ＝ｗ２ｉｎ／ｗ１ｉｎ、ｐｓｕｆ＝ｗ２ｓｕｆ／ｗ１ｓｕｆとしたとき、ｐｓｕｆ＜ｐｉｎの条件を満足する表面領域を形成することによって、超硬合金表面を、高強度化、高靭性化することが提案されている。
【０００６】
特許文献６には、ダイヤモンド被覆超硬合金製切削工具において、ダイヤモンド膜が、平均膜厚３〜３０μｍの層厚を有し、工具基体とダイヤモンド膜の界面から工具基体の内部方向へ大きくとも５μｍの深さ領域に、Ｃｏを主成分とする金属結合相の一部が除去された金属結合相一部除去領域を有し、当該工具の刃先近傍の逃げ面の垂直断面における観察で前記金属結合相一部除去領域内のＣｒのＣｏに対する質量比が、０．０５以上０．２１未満の範囲であるとともに工具基体の１００μｍ以上内部における金属結合相における質量比と比較して、１．２〜３．０倍とすることにより、ダイヤモンド膜と工具基体との耐剥離性を向上させるとともに刃先強度を向上させ、耐チッピング性および耐摩耗性を向上させることが提案されている。
【０００７】
特許文献７には、ダイヤモンド被覆超硬合金製切削工具において、工具基体とダイヤモンド膜の界面から工具基体内部方向へ大きくとも８μｍの深さにおける金属結合相の一部が化学処理によって除去された金属結合相一部除去領域を有し、刃先近傍（刃先の先端より大きくとも１００μｍを超えない領域）の逃げ面の垂直断面における観察で金属結合相一部除去領域内のＷＣ粒子同士およびＷＣ粒子と他の炭化物との接合粒界を除くＷＣ粒界に１０〜３００ｎｍの厚みの金属結合相が前記ＷＣ粒界長の５０％以上の割合で存在し、ＷＣ粒界に存在する金属結合相におけるＣｒのＣｏに対する質量割合を０．２１以上０．４０以下とすることにより、ダイヤモンド膜と工具基体との耐剥離性を向上させるとともに刃先強度を向上させ、耐チッピング性および耐摩耗性を向上させることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】欧州特許第５１９５８７号明細書
【特許文献２】特許第３５０４６７５号公報
【特許文献３】特許第４５８８４５３号公報
【特許文献４】特開２０００−３３６４５１号公報
【特許文献５】特許第３７６２２７８号公報
【特許文献６】特開２０１４−２１０３１４号公報
【特許文献７】特開２０１４−１８４５５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
近年の切削加工の技術分野における省力化および省エネ化、さらに低コスト化に対する要求は強く、これに伴い、切削加工は益々高速化の傾向にあるが、前記従来ダイヤモンド被覆超硬合金製切削工具（以下、単に「ダイヤモンド被覆工具」という）を、例えば、ＣＦＲＰ材等の難削材のドリル加工の様な鋭利な刃先が要求される切削加工に供した場合には、前処理後の超硬合金製工具基体の靭性が十分でないためチッピングを発生しやすく、早期に寿命に至る場合があった。また、ＣＦＲＰ材等の難削材を高速切削する場合には、特に高い刃先強度が要求されるが、従来ダイヤモンド被覆工具は、刃先強度が十分でなく、また、ダイヤモンド膜の剥離が生じやすいため、長期の使用に亘って、満足できる耐チッピング性および耐摩耗性を発揮することはできず、その結果、比較的短時間で使用寿命に至ることが多かった。
【００１０】
前述のようなダイヤモンド被覆工具の課題について本発明者らが鋭意研究を行ったところ、ダイヤモンド被覆工具においては、前述のようにダイヤモンド膜と工具基体との密着性を上げるために工具基体の最表面に存在する金属結合相中のＣｏを除去する処理を行っているが、その結果、刃先における靭性の低下を招き、刃先強度低下の原因となっていることを突き止めた。
【００１１】
そこで、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち本発明の目的は、ダイヤモンド被覆工具において、ダイヤモンド膜と工具基体との密着性を向上させるとともに前処理後の工具基体の刃先の靭性を維持させることにより、ダイヤモンド被覆工具の刃先強度を向上させ、耐チッピング性および耐摩耗性を向上させたダイヤモンド被覆工具を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、例えば、ＣＦＲＰの高速穴あけ加工や高速エンドミル加工のように、刃先に高負荷が作用する切削条件に供した場合でも、チッピング、欠損、剥離等を抑制し、耐摩耗性を発揮するダイヤモンド被覆工具を提供すべく、工具基体表面近傍に存在するＷＣ粒子に着目し鋭意検討したところ、次のような知見を得た。
【００１３】
すなわち、主としてＷＣ粒子からなる硬質相と主としてＣｏからなる結合相とで構成された超硬合金からなる工具基体表面に化学的処理等を施し、結合相の一部を除去（以下、単に「エッチング」ともいう）した場合、工具基体表面のＣｏの除去によって、ダイヤモンド膜と工具基体との密着強度が高められるが、その反面、工具基体表面におけるＷＣ粒子と結合相間の結合強さ、あるいは、ＷＣ粒子相互間の結合強さが低下する。
そして、この結合強さの低下が、ダイヤモンド膜と工具基体との界面強度の低下を招く原因でもあるが、本発明者らは、エッチングにより工具基体表面から結合相の一部を除去した場合であっても、結合相とＷＣ粒子との結合強さを高めておくことによって、工具基体表面の強度低下を招くことなく、その結果として、ダイヤモンド膜と工具基体との界面強度の低下を招くことなく、ダイヤモンド被覆工具の耐チッピング性、耐欠損性、を高め、剥離を抑制するできることを見出したのである。
【００１４】
より具体的に言えば、次のとおりである。
本発明では、まず、超硬合金作製用の原料粉末の一つとして、Ｃ含有量の少ないＷＣ粉末を用い、焼結後の結合相中に耐食性に優れるＣｒ−Ｗ−Ｃｏ合金が形成されやすいような原料粉末を作製する。そして、この原料粉末からなる成形体を１Ｐａの真空中で１３８０〜１５００℃にて１〜２時間焼結し、その後２０℃／ｍｉｎの冷却速度で５００℃まで冷却後、８００℃にて１５〜２０時間維持することにより、ＷＣ粒子近傍における結合相中へのＣｒとＷの濃化を促進し、ＣｒおよびＷが濃化された結合相とＷＣ粒子との界面強度を向上させる。さらに５００℃まで冷却した後、大気雰囲気にて室温にまで冷却し、結合相が酸素を含むことで、エッチングされにくい結合相が形成された工具基体を作製する。
ついで、工具基体の表面近傍の結合相の一部を化学的なエッチング（例えば、硫酸＋過酸化水素）によって除去し、工具基体表面近傍で結合相が一部除去された領域（以下、「結合相一部除去領域」という）を形成する。
そして、このような工具基体の表面に、ダイヤモンド膜を成膜すると、工具基体表面近傍の結合相のＣｏは一部除去されているため、工具基体へのダイヤモンド膜の付着強度が向上する。
一方、前記のとおり、結合相が酸素を含むことでエッチングを受けにくくなっているので、エッチングによって、結合相一部除去領域の深さが過度に大きくなることはなく、また、ＣｒおよびＷが濃化された結合相とＷＣ粒子との界面強度は高く保たれるため、特に、工具基体の刃先の靱性が低下することもない。
したがって、本発明のダイヤモンド被覆工具は、ＣＦＲＰの高速穴あけ加工やエンドミル高速加工のように、刃先に高負荷が作用する切削条件に供した場合でも、チッピング、欠損、剥離等を発生することなく、すぐれた耐摩耗性を発揮することを見出したのである。  
【００１５】
本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「  炭化タングステンと３〜１５質量％のコバルトを主成分とし、さらに、少なくとも０．１〜３質量％のクロムを含有する炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体にダイヤモンド膜を被覆形成したダイヤモンド被覆超硬合金製切削工具であって、
前記ダイヤモンド膜は、３〜３０μｍの平均膜厚を有し、
前記炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体とダイヤモンド膜の界面から工具基体内部方向へ最大８μｍの深さにおいて結合相の一部が除去された結合相一部除去領域が形成され、
前記工具基体の少なくとも刃先近傍の逃げ面の垂直断面においては、前記結合相一部除去領域内の炭化タングステン同士および炭化タングステンと他の炭化物との接合粒界を除く炭化タングステン粒界に、１０〜３００ｎｍの厚みの残留結合相が前記炭化タングステン粒界長の５０％以上の割合で存在し、
前記炭化タングステン粒界に存在する残留結合相におけるクロムのコバルトに対する質量比が０．０２以上０．１５以下、また、タングステンのコバルトに対する質量比が０．０８以上０．２０以下であり、さらに、前記結合相一部除去領域に存在する残留結合相に酸素が含まれ、残留結合相における酸素のコバルトに対する質量比が０．０２以上０．０８以下であることを特徴とするダイヤモンド被覆超硬合金製切削工具。」
を特徴とするものである。
【００１６】
以下、本発明について詳細に説明する。  
【００１７】
炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体：
本発明のダイヤモンド被覆工具の工具基体は、結合相を構成する主成分としてのＣｏを３〜１５質量％含有し、該結合相に一部固溶する成分であるＣｒを０．１〜３質量％を含有し、残部は、主として、硬質相成分としてのＷＣ粒子からなるＷＣ基超硬合金である。
なお、硬質相成分であるＷＣ粒子の一部のＷ成分は、Ｃｏ主体の結合相中にＣｏとは別のＣｒ−Ｗ−Ｃｏ合金相を形成する。
また、通常のＷＣ基超硬合金においては、耐熱性を増すためにＴｉＣ、ＴａＣ、ＮｂＣ、ＶＣ、ＺｒＣ等の炭化物を添加したり、耐蝕性を増すために結合相成分であるＣｏの一部をＮｉに置換したりすることがあるが、本発明のＷＣ基超硬合金基体においても、配合組成で、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＮｂＣ、ＶＣ、ＺｒＣ、Ｎｉの内の１種または２種以上を合計で０．１〜１０．０質量％含有することは許容される。
【００１８】
ＷＣ基超硬合金からなる工具基体を構成する成分のうち、Ｃｏ成分には、金属結合相を形成して工具基体の強度および靭性を向上させる作用があるが、ＷＣ基超硬合金中のＣｏ含有量が３質量％未満では、特に工具基体の靭性の向上が望めず、一方、Ｃｏ含有量が１５質量％を越えると、工具基体の塑性変形が起り易くなり、偏摩耗の進行が促進され、かつダイヤモンド膜の剥離を生じやすくなることから、ＷＣ基超硬合金のＣｏ含有量は３〜１５質量％と定めた。
また、Ｃｒ成分は、その一部が結合相中に固溶し、結合相の耐食性を高めるが、０．１質量％未満の含有量では、結合相中に固溶するＣｒ量が少なく、工具基体の耐食性の向上を図れないばかりか、ダイヤモンド膜の密着性向上のためのエッチング処理を行った際に、ＷＣ粒子の周りの結合相がすべて除去されてしまうため、工具基体として求められる強度を維持することができない。一方、Ｃｒ含有量が３．０質量％を超える場合は、Ｃｒ炭化物の形成により工具基体の靱性および強度が低下することから、ＷＣ基超硬合金のＣｒ含有量は０．１〜３．０質量％と定めた。
【００１９】
ダイヤモンド膜の平均膜厚：
工具基体表面に被覆するダイヤモンド膜は、その厚さが３μｍ未満では、長期の使用に亘って十分な耐摩耗性を発揮することができず、一方、ダイヤモンド膜厚が３０μｍを超えると、加工精度が低下することから、ダイヤモンド膜の平均膜厚は、３〜３０μｍと定めた。
【００２０】
結合相一部除去領域：
図１に示すように、本発明のダイヤモンド被覆工具は、工具基体の表面近傍の結合相の一部を化学的なエッチング（例えば、硫酸＋過酸化水素）によって除去し、工具基体表面近傍に結合相の一部除去された結合相一部除去領域を形成するが、これは、工具基体表面近傍の結合相（主としてＣｏであり、Ｃｒ、Ｗ等の金属成分を固溶する）の一部を除去することによって、基体とダイヤモンド膜との付着強度を高めるためである。
しかし、結合相一部除去領域の除去深さが８μｍを超えると、工具基体表面から多量の結合相成分が除去されることによって超硬合金の靭性低下が大きくなり、その結果、耐チッピング性が低下する。
したがって、図１に示すように、結合相一部除去領域の深さは、工具基体内部方向へ最大８μｍと定めた。
なお、結合相一部除去領域の深さが１μｍ未満であると、残留している結合相中のＣｏの影響が依然として大きく、ダイヤモンド膜の耐剥離性向上が十分でないため、結合相一部除去領域の深さは工具基体内部方向へ少なくとも１μｍ以上であることが望ましい。
【００２１】
本発明のダイヤモンド被覆工具の工具基体は、ダイヤモンド膜の耐剥離性向上のために工具基体表面近傍の結合相を一部除去し、結合相一部除去領域を形成したとしても、結合相一部除去領域におけるＷＣ粒子近傍の結合相中のＣｒ濃度、Ｗ濃度を濃化させることにより、結合相とＷＣ粒子の界面における密着強度を高めることにより、工具基体の靱性低下を防止することができる。すなわち、ダイヤモンド膜の耐剥離性を向上させると同時に、工具基体の靱性低下防止を図ることができる。
【００２２】
工具基体表面近傍のＷＣ粒子界面に形成される残留結合相：
本発明のダイヤモンド被覆工具を後記する製造方法で製造した場合、図２(図１の部分拡大図に相当)に示すように、工具の刃先先端から１００μｍを超えない領域の逃げ面の垂直断面について観察し、結合相一部除去領域内のＷＣ粒子同士およびＷＣ粒子と他の炭化物との接合界面を除くＷＣ粒子の粒界には、エッチングによって除去されなかった残留結合相がほぼ１０〜３００ｎｍの厚さで残留形成される。ここで、１０ｎｍ未満の厚さの残留結合相は、後述するような測定方法で測定しようとした場合、測定することが難しく、しかも、１０ｎｍ未満の薄い残留結合相では、工具基体の強度低下、靱性低下抑制作用が十分でない。一方、工具基体表面近傍のＷＣ粒子の粒界に３００ｎｍを超える厚さの残留結合相が存在する場合には、工具基体表面に被覆形成するダイヤモンド膜との密着性が低下する。
したがって、結合相一部除去領域内のＷＣ粒子同士およびＷＣ粒子と他の炭化物との接合界面を除くＷＣ粒子の粒界に残留して形成される残留結合相の厚さは、１０〜３００ｎｍとする。
【００２３】
また、本発明のダイヤモンド被覆工具において、前記残留結合相が形成されるＷＣ粒子の粒界長は、刃先近傍（刃先先端から１００μｍを超えない領域）の逃げ面の垂直断面についての観察において、前記結合相一部除去領域内のＷＣ粒子同士およびＷＣ粒子と他の炭化物との接合界面を除くＷＣ粒子の全粒界長の５０％以上の長さ割合であることが必要である。
残留結合相が形成されるＷＣ粒子の粒界長が５０％未満である場合には、結合相一部除去領域における残留結合相とＷＣ粒子の界面における付着強度が十分でなく、その結果、工具基体の靱性、刃先強度が低下するからである。
【００２４】
残留結合相におけるＣｒのＣｏに対する質量比、ＷのＣｏに対する質量比：
本発明のダイヤモンド被覆工具を後記する製造方法で製造した場合、残留結合相には、Ｃｒ、Ｗ等が固溶し、濃化して存在するが、残留結合相に固溶含有されるＣｒのＣｏに対する質量比が、０．０２未満では、結合相一部除去領域を形成するためのエッチング処理において、オーバーエッチングが生じ、ＷＣ粒子−ＷＣ粒子間のネッキング強度が低下するため、刃先の強度、靱性を確保することができない。一方、ＣｒのＣｏに対する質量比が、０．１５を超えると、ＷＣ粒子と残留結合相間の密着強度が低下するため、刃先の強度、靱性を確保することができない。
したがって、残留結合相において固溶含有されるＣｒのＣｏに対する質量比は、０．０２以上０．１５以下と定めた。
また、残留結合相に固溶含有されるＷのＣｏに対する質量比が、０．０８未満では、ＷＣ粒子と残留結合相間の密着強度が低下するため、刃先の靱性を維持することができず、一方、ＷのＣｏに対する質量比が、０．２０を超えると、残留結合相自体の強度が低下する。
したがって、残留結合相において固溶含有されるＷのＣｏに対する質量比は、０．０８以上０．２０以下と定めた。
残留結合相に固溶含有されるＯのＣｏに対する質量比が、０．０２未満では、結合相に含まれるＯが少ないため、エッチングによる結合相の過剰な除去を防ぐことができない。一方、ＯのＣｏに対する質量比が、０．０８を越えるとエッチングの進行が極度に遅くなるため、結合相の除去が進まない。
したがって、残留結合相において固溶含有されるＯのＣｏに対する質量比は、０．０２以上０．０８以下と定めた。
【００２５】
ダイヤモンド被覆工具の製造：
本発明のダイヤモンド被覆工具、例えば、ダイヤモンド被覆ＷＣ基超硬合金製ドリル、は、以下の工程（ａ）〜（ｅ）で作製することができる。
（ａ）まず、所定の平均粒径(例えば、０．５〜３μｍ)を有するＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、Ｃｒ３Ｃ２粉末、ＶＣ粉末等を所定の成分組成になるように配合して原料粉末を作製する。
ここで、焼結後の結合相のＣｏ中に、Ｗを固溶させやすくし、結合相中にＣｒおよびＷの固溶量を増加させ、ＷＣ粒子との密着強度を高めるために、原料粉末の一つであるＷＣ粉末については、Ｃの含有割合が少ない、即ち、ＣのＷに対する組成比(ただし、原子比)が１以下のＷＣ粉末を使用することが望ましい。
（ｂ）ついで、前記原料粉末にバインダーと溶剤を加えて混合・乾燥し、成形体を作製し、１Ｐａ真空雰囲気中、１３８０〜１５００℃の温度で１〜２時間保持し、その後、５００℃まで２０℃／ｍｉｎの冷却速度で冷却後、８００℃で１５〜２０時間維持し、さらに、５００℃まで１Ｐａ真空雰囲気中２０℃／ｍｉｎの冷却速度で冷却し、５００℃〜室温まで大気中雰囲気にて２０℃／ｍｉｎの冷却速度で冷却を行うことによって、ＷＣ基超硬合金焼結体を作製し、これを、所定の形状に加工することで工具基体を作製する。
ここで、上記８００℃にて長時間保持することによって、結合相中のＣｒとＷの固溶濃度を高める。さらに大気雰囲気にて冷却することにより、結合相が酸素を含むことで耐食性を向上させ、結合相のエッチング抵抗性を高め、オーバーエッチング防止と、エッチング後の結合相一部除去領域に形成される残留結合相とＷＣ粒子の密着強度を高める。
なお、オーバーエッチングを防止し、所定深さの結合相一部除去領域を形成するという観点からは、上記大気雰囲気時の冷却開始温度を５００℃以下にすることが望ましい。
（ｃ）ついで、前記工具基体を、希塩酸（０．５％）と過酸化水素（３％）の酸混合溶液１Ｌに８〜１５秒間、室温（２３℃）で浸漬し、工具基体の表面近傍のＣｏを主成分とする結合相の一部をエッチングで除去する。
さらに、これらの工具基体を、４５±５℃に維持された村上試薬（フェリシアンカリウム（１０ｇ）と水酸化カリウム（１０ｇ）とイオン交換水（１００ｇ）の混合溶液）にて３０〜６０分間処理し、次いで、酸により、工具基体表面のＣｏを除去することにより、所定の深さの結合相一部除去領域を形成する。
（ｄ）ついで、前記工具基体を、イソプロピルアルコールにダイヤモンド粉末と界面活性剤を添加した溶液で超音波処理する。
（ｅ）ついで、前記工具基体を、熱フィラメントＣＶＤ装置に装入し、フィラメント温度を２１００〜２２００℃、水素ガスとメタンガスを１００：１の流量比で流しながら、全圧：７００Ｐａ、工具基体温度を９００℃に維持し、３〜３０μｍの膜厚のダイヤモンド膜を成膜する。
【００２６】
本発明のダイヤモンド被覆工具の製造においては、原料粉末としてＣの含有割合の少ないＷＣ粉末の使用（前記工程（ａ））、さらに、８００℃での長時間保持による結合相へのＣｒとＷの固溶量のさらなる濃化と結合相が酸素を含むこと（前記工程（ｂ））により、結合相のエッチング抵抗性が高められ、所定深さの結合相一部除去領域の形成とともに、所定の厚さと所定のＷＣ粒界長割合の残留結合相を形成することができる。
その結果、工具基体表面からエッチングによりＣｏを除去し、結合相一部除去領域を形成してダイヤモンド膜と工具基体の密着性を改善した場合でも、結合相一部除去領域における残留結合相とＷＣ粒子との密着強度が高いため、刃先の強度、靱性を向上させることができ、ダイヤモンド被覆工具のすぐれた耐チッピング性が発揮される。
【発明の効果】
【００２７】
本発明のダイヤモンド被覆超硬合金製切削工具は、ＷＣと３〜１５質量％のＣｏを主成分とし、さらに、少なくとも０．１〜３質量％のＣｒを含有するＷＣ基超硬合金からなる工具基体にダイヤモンド膜を被覆形成したダイヤモンド被覆超硬合金製切削工具であって、ダイヤモンド膜が３〜３０μｍの平均膜厚を有し、ＷＣ基超硬合金からなる工具基体とダイヤモンド膜の界面から工具基体内部方向へ最大８μｍの深さにおいて結合相の一部がエッチング等によって除去された結合相一部除去領域を有し、工具の刃先近傍の逃げ面の垂直断面における観察で結合相一部除去領域内のＷＣ粒同士およびＷＣ粒と他の炭化物との接合粒界を除くＷＣ粒界に１０〜３００ｎｍの厚みの残留結合相がＷＣ粒界長の５０％以上の割合で存在し、ＷＣ粒界に存在する残留結合相におけるＣｒのＣｏに対する質量比が０．０２以上０．１５以下、ＷのＣｏに対する質量比が０．０８以上０．２０以下、ＯのＣｏに対する質量比が、０．０２以上０．０８以下であることによって、工具基体とダイヤモンド膜との密着性を向上させるとともに刃先強度・靱性を向上させたものであって、ＣＦＲＰなどの難削材の切削加工において、すぐれた耐チッピング性を示し、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明のダイヤモンド被覆工具の断面の概略模式図である。
【図２】図１の破線で囲んだ領域における結合相一部除去領域の部分拡大模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明のダイヤモンド被覆工具について、実施例により具体的に説明する。
なお、ここでは、ダイヤモンド被覆工具の具体例としてダイヤモンド被覆超硬合金製ドリルについて述べるが、本発明はこれに限られるものではなく、ダイヤモンド被覆超硬合金製インサート、ダイヤモンド被覆超硬合金製エンドミル等、各種のダイヤモンド被覆工具に適用できるものである。
【実施例】
【００３０】
（ａ）原料粉末として、いずれも０．５〜２μｍの範囲内の所定の平均粒径を有するＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、Ｃｒ３Ｃ２粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＶＣ粉末およびＺｒＣ粉末を、表１に示される割合に配合し、さらにバインダーと溶剤を加えてアセトン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、いずれも１００ＭＰａの圧力でプレス成形して、直径が１０ｍｍの丸棒圧粉体とし、これらの丸棒圧粉体を、表２、表３に示す条件で焼結、冷却すること、即ち、１Ｐａの真空雰囲気中、１３８０〜１５００℃の温度で１〜２時間保持（表２の焼結条件参照）後、５００℃まで２０℃／ｍｉｎの冷却速度で冷却し（表２の冷却条件１参照）、その後、８００℃にて１５〜２０時間維持し（表２の焼鈍条件参照）、８００から５００℃〜４５０℃までの間を１Ｐａの真空雰囲気にて２０℃／ｍｉｎの冷却速度で冷却し（表３の冷却条件２参照）、さらに、５００℃〜４５０℃から室温まで大気雰囲気にて２０℃／ｍｉｎの冷却速度で冷却を行う（表３の冷却条件３参照）ことによって、ＷＣ基超硬合金焼結体を作製し、これを、所定の形状に加工することで工具基体を作製する。焼結体を作製した後、該焼結体を研磨加工することにより、本発明ＷＣ基超硬合金焼結体（以下、単に「本発明焼結体」という）１〜６を製造した。
なお、原料粉末である上記ＷＣ粉末は、その組成をＷＣｘと表現した場合、ｘの値（なお、ｘは、原子比）はいずれも１以下であり、表１にｘの具体的数値を併記する。
ついで、前記本発明焼結体１〜６を、溝形成部の外径寸法が８ｍｍとなるように研削加工することにより、ＷＣ基超硬合金からなる本発明ドリル用工具基体（以下、単に「本発明ドリル基体」という）１〜６を製造した。
【００３１】
（ｂ）ついで、前記本発明ドリル基体１〜６を、硫酸と過酸化水素と水を２：１：１００（容積比）で混合したエッチング液に３〜１０秒浸漬して、ドリル基体１〜６の表面近傍のＣｏを主成分とする結合相の一部をエッチングで除去する。
【００３２】
（ｃ）さらに、本発明ドリル基体１〜６を、４５±５℃に維持された村上試薬（フェリシアンカリウム（１０ｇ）と水酸化カリウム（１０ｇ）とイオン交換水（１００ｇ）の混合溶液）にて工具基体を３０〜６０分間処理し、次いで、酸により、工具基体表面のＣｏを除去することにより、結合相一部除去領域を形成する。
【００３３】
（ｄ）ついで、本発明ドリル基体１〜６を、イソプロピルアルコールにダイヤモンド粉末と界面活性剤を添加した溶液で超音波処理する。
【００３４】
（ｅ）ついで、本発明ドリル基体１〜６を、熱フィラメントＣＶＤ装置に装入し、フィラメント温度を２１００〜２２００℃、水素ガスとメタンガスを１００：１の流量比で流しながら、全圧：７００Ｐａ、工具基体温度を９００℃に維持して、ダイヤモンド膜を成膜する。
前記製造工程により、表４に示す本発明のダイヤモンド被覆ＷＣ基超硬合金製ドリル（以下、単に、「本発明ドリル」という）１〜６を作製した。
【００３５】
前記製造工程によれば、特に、工程（ａ）の低温焼鈍時の結合相へのＣｒとＷの固溶量の濃化と結合相に酸素が含まれることにより、結合相のエッチング抵抗性が高められ、オーバーエッチングの恐れがなく所定深さの結合相一部除去領域を形成し得るとともに、所定の厚さと所定のＷＣ粒界長割合の残留結合相を形成することができ、工具基体、特に、刃先の強度、靱性を向上させることができる。
【００３６】
比較のため、表５の配合組成の原料粉末を用いて、実施例と同様に丸棒圧粉体を作製し、これを、表６、表７に示す各種の条件で焼結することにより比較例焼結体１〜１６を作製した。
なお、表５に示される原料粉末のＷＣ粉末についても、その組成をＷＣｘと表現した場合のｘの値（ｘは、原子比）を併記した。
ついで、比較例焼結体１〜１６を、溝形成部の外径寸法が８ｍｍとなるように研削加工することにより、ＷＣ基超硬合金からなる比較例ドリル用工具基体（以下、単に「比較例ドリル基体」という）１〜１６を製造した。
ついで、比較例ドリル基体１〜１６に対して、本発明ドリル基体に対して行った前記工程（ｂ）〜（ｅ）と同様にして、ダイヤモンド膜を成膜し、表８に示す比較例のダイヤモンド被覆ＷＣ基超硬合金製ドリル（以下、単に、「比較例ドリル」という）１〜１６を作製した。
【００３７】
前記本発明ドリル１〜６および比較例ドリル１〜１６について、ドリルの刃先のダイヤモンド膜とドリル基体界面近傍をクロスセクションポリッシャーによって表面に対して垂直に断面研磨を行い、ダイヤモンド膜とドリル基体界面近傍において、結合相の一部が化学処理によって除去された領域、すなわち、結合相一部除去領域の平均深さをＤ（μｍ）とした場合、０．５Ｄ（μｍ）×０．５Ｄ（μｍ）のエリアを前記金属結合相一部除去領域内で３箇所を無作為に選定し、オージェ電子分光による元素マッピングおよび定量分析により、ＣｒとＣｏの質量比、ＷとＣｏの質量比、残留結合相の厚みおよびＷＣ粒界長に対する前記残留結合相の占有長さ割合(長さ％)を測定した。なお、測定値は３箇所の平均とした。また、結合相一部除去領域の平均深さＤについては、上記の工具の基体表面の垂直断面において、結合相の一部が除去された領域の基体端面からの長さを３点測定し、この平均値を平均深さＤとした。
また、本発明ドリル１〜６および比較例ドリル１〜１６のダイヤモンド膜の膜厚を、走査型電子顕微鏡（倍率５０００倍）を用いて測定し、観察視野内の５点の層厚を測って平均して平均膜厚を測った。
表４、表８にこれらの値を示す。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
【表２】
0006489505.tif 000003
【００４０】
【表３】
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【００４１】
【表４】
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【００４２】
【表５】
0006489505.tif 000006
【００４３】
【表６】
0006489505.tif 000007
【００４４】
【表７】
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【００４５】
【表８】
0006489505.tif 000009
【００４６】
つぎに、前記本発明ドリル１〜６および比較例ドリル１〜１６を用いて、以下の条件で、ＣＦＲＰの高速ドリル穴開け試験を行った。
切削速度：２１０  ｍ／ｍｉｎ，
送り：０．２１  ｍｍ／ｒｅｖ，
穴深さ：２５  ｍｍ(貫通穴)，
前記切削試験において、正常摩耗の場合は被削材の穴の入り口側もしくは出口側に発生するバリが０．５ｍｍを超えた時点で使用寿命とし、それまでの穴あけ加工数を測定した。
また、ドリル折損等が原因で使用寿命に至った場合には、それまでの穴あけ加工数を測定した。
表９にこれらの測定結果を示す。
【００４７】
【表９】
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【００４８】
表４、８、９の結果からも明らかなように、本発明ドリル１〜６は、ダイヤモンド膜が平均膜厚３〜３０μｍの層厚を有し、工具基体とダイヤモンド膜の界面から基体内部方向へ最大８μｍの深さにおける結合相の一部が化学処理によって除去された結合相一部除去領域を有し、工具の刃先近傍（刃先先端から１００μｍを超えない領域）の逃げ面の垂直断面における観察で、結合相一部除去領域内のＷＣ粒子同士およびＷＣ粒子と他の炭化物との接合粒界を除くＷＣ粒界に１０〜３００ｎｍの厚みの残留結合相がＷＣ粒界長の５０％以上の割合で存在し、ＷＣ粒界に存在する残留結合相におけるＣｒのＣｏに対する質量比が０．０２以上０．１５以下、ＷのＣｏに対する質量比が０．０８以上０．２０以下、ＯのＣｏに対する質量比が０．０２以上０．０８以下であることから、ＣＦＲＰ等の難削材の高送りドリル穴開け切削加工において、すぐれた刃先強度を示すとともに、長期の使用に亘ってすぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮している。
【００４９】
これに対して、本発明ドリルのような結合相一部除去領域内に所定の残留結合相を有していない比較ドリル１〜１６は、刃先強度が劣り、短期に寿命に至ることが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明のダイヤモンド被覆超硬合金製切削工具は、ダイヤモンド被覆超硬合金製ドリルばかりでなく、ダイヤモンド被覆超硬合金製インサート、ダイヤモンド被覆超硬合金製エンドミル等、各種のダイヤモンド被覆工具に適用できるものであり、すぐれた刃先強度、耐チッピング性、耐摩耗性を発揮することから、切削加工の省エネ化、低コスト化に十分満足に対応できるものである。
【図１】
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【図２】
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