(57)【要約】【課題】鉄系金属の加工において工具の摩耗や刃先の欠損が抑制され、鉄系金属の金型の製造において要求される金型形状を鏡面加工できるダイヤモンド切削工具を提供すること。【解決手段】逃げ面とすくい面に直接又はＴｉＣ層を介してＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＡｌＮ、Ａｌ２  Ｏ３  からなる群から選ばれた１種以上の材料からなる薄膜を付着させ、好ましくは厚さ０．０１〜２μｍ、表面粗さがＲｍａｘで０．００１〜０．１μｍの被覆層を形成してなることを特徴とする単結晶ダイヤモンド切削工具。【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切削工具において、逃げ面とすくい面にＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＡｌＮ、Ａｌ２  Ｏ３  からなる群から選ばれた１種以上の材料からなる薄膜を付着させて被覆層を形成してなることを特徴とする単結晶ダイヤモンド切削工具。
【請求項２】
前記被覆層が厚さ０．０１〜２μｍ、表面粗さがＲｍａｘで０．００１〜０．１μｍの被覆層であることを特徴とする請求項１に記載の単結晶ダイヤモンド切削工具。
【請求項３】
前記被覆層の厚さが０．０１〜１μｍであることを特徴とする請求項２に記載の単結晶ダイヤモンド切削工具。
【請求項４】
単結晶ダイヤモンド切削工具において、逃げ面とすくい面にＴｉ層を形成させてダイヤモンドとＴｉ層との界面にＴｉＣを生成させ、その上にＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＡｌＮ、Ａｌ２  Ｏ３  からなる群から選ばれた１種以上の材料からなる薄膜を付着させて被覆層を形成してなることを特徴とする単結晶ダイヤモンド切削工具。
【請求項５】
前記Ｔｉ層の厚さが０．００５〜０．５μｍであり、前記被覆層が厚さ０．０１〜２μｍ、表面粗さがＲｍａｘで０．００１〜０．１μｍの被覆層であることを特徴とする請求項４に記載の単結晶ダイヤモンド切削工具。
【請求項６】
前記被覆層の厚さが０．０１〜１μｍであることを特徴とする請求項５に記載の単結晶ダイヤモンド切削工具。
【請求項７】
逃げ面とすくい面が交叉する稜の丸みが０．００５〜０．１μｍであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド切削工具。
【請求項８】
ＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＡｌＮ、Ａｌ２  Ｏ３  からなる群から選ばれた１種以上の材料からなる薄膜がスパッタリング法又はイオンプレーティング法により付着させたものであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド切削工具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は金型材を鏡面仕上げする切削工具などの超精密切削工具に好適な単結晶ダイヤモンド切削工具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金型材は強度や耐摩耗性の面で高硬度な鉄族金属が使用されているが、従来、レンズなどの光学部品用金型などに使用される鏡面加工が必要な金型は前加工された金型材にＮｉ−Ｐ無電解メッキを施し、これを単結晶ダイヤモンドバイトで切削加工をするか、金型素材を粗加工後、表面を磨いて仕上げられている。
そのため、加工費削減のため、金型材を直接切削加工して鏡面を得ることができる工具が強く要求されている。一般的に、切削工具により非鉄金属の鏡面加工を実施する場合、刃先形状が被削面に転写されるため、工具としては刃先が鋭利で滑らかな単結晶ダイヤモンド工具が使用されている。しかしながら、ダイヤモンドは鉄系金属との反応性が高く、単結晶ダイヤモンドで鉄系金属を切削すれば工具摩耗が著しくチッピングを生じるなどの問題があり、鉄系金属用の切削工具としては使用することができない。
【０００３】
鏡面を有する金型の製造方法として、拡散面を形成するための拡散面形成用金型部と、鏡面を形成するための鏡面形成用金型部とを有する光学パネル用金型の製造において、鏡面形成用金型部の鏡面加工を単結晶ダイヤモンド工具で行う方法が知られているが（例えば、特許文献１参照）、これも材質は銅、真鍮、ニッケル、アルミニウム、亜鉛合金又はＳ５５Ｃ等の鋼材上に銅やニッケルをメッキしたものであり、鉄系金属とダイヤモンドとの反応性を解決するものではない。
また、ダイヤモンド工具における刃先のチッピングが生じやすいという欠点の解消を目的として、刃先稜線部にＲが０．０７ｍｍ以下の面取りをしたチップが提案されているが（例えば、特許文献２参照）、これも鉄系金属に適用するには問題がある。
鉄系金属との親和性が低い硬質材料としてはｃＢＮがあるが、ｃＢＮ単結晶は強度が低く、高硬度金型材の切削では刃先が欠損し使用できない。
近年、楕円振動切削法で、鉄系金属を単結晶ダイヤモン工具を用いて加工し、鏡面を得られることが報告されているが（例えば、非特許文献１参照）、この場合でも、ダイヤモンドと鉄系金属との反応により工具が摩耗し、形状的に見て満足する物が得られていない状況である。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−７９８５４号公報
【特許文献２】
特開２００２−２５４２１３号公報
【非特許文献１】
社本英二  他，「楕円振動切削加工法（第４報）」，精密工学会誌，          ２００１年，  第６７巻，  第１１号，  ｐ１８７１
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記従来技術における問題点を解決し、鉄系金属の加工において工具の摩耗や刃先の欠損が抑制され、鉄系金属の金型の製造において要求される金型形状を鏡面加工できる単結晶ダイヤモンド切削工具を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決する手段として次の（１）〜（８）の構成の単結晶ダイヤモンド切削工具を提供するものである。
（１）単結晶ダイヤモンド切削工具において、逃げ面とすくい面にＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＡｌＮ、Ａｌ２  Ｏ３  からなる群から選ばれた１種以上の材料からなる薄膜を付着させて被覆層を形成してなることを特徴とする単結晶ダイヤモンド切削工具。
（２）前記被覆層が厚さ０．０１〜２μｍ、表面粗さがＲｍａｘで０．００１〜０．１μｍの被覆層であることを特徴とする前記（１）の単結晶ダイヤモンド切削工具。
（３）前記被覆層の厚さが０．０１〜１μｍであることを特徴とする前記（２）の単結晶ダイヤモンド切削工具。
【０００７】
（４）単結晶ダイヤモンド切削工具において、逃げ面とすくい面にＴｉ層を形成させてダイヤモンドとＴｉ層との界面にＴｉＣを生成させ、その上にＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＡｌＮ、Ａｌ２  Ｏ３  からなる群から選ばれた１種以上の材料からなる薄膜を付着させて被覆層を形成してなることを特徴とする単結晶ダイヤモンド切削工具。
（５）前記Ｔｉ層の厚さが０．００５〜０．５μｍであり、前記被覆層が厚さ０．０１〜２μｍ、表面粗さがＲｍａｘで０．００１〜０．１μｍの被覆層であることを特徴とする前記（４）の単結晶ダイヤモンド切削工具。
（６）前記被覆層の厚さが０．０１〜１μｍであることを特徴とする前記（５）の単結晶ダイヤモンド切削工具。
（７）逃げ面とすくい面が交叉する稜の丸みが０．００５〜０．１μｍであることを特徴とする前記１〜６のいずれか１つの単結晶ダイヤモンド切削工具。
（８）ＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＡｌＮ、Ａｌ２  Ｏ３  からなる群から選ばれた１種以上の材料からなる薄膜がスパッタリング法又はイオンプレーティング法により付着させたものであることを特徴とする前記（１）〜（７）のいずれか１つの単結晶ダイヤモンド切削工具。
【０００８】
【発明の実施の形態】
滑らかで鋭利な刃先を得ることができるのは、結晶粒界のない単結晶工具であるが、硬度、強度から考えてダイヤモンドが最適である。しかしながら、前記のとおりダイヤモンド工具はダイヤモンドと鉄系金属との反応性の故に鉄系金属の加工には適用できないという問題があった。
本発明の単結晶ダイヤモンド切削工具は、工具の逃げ面及びすくい面に耐溶着性と耐摩耗性に優れた薄膜による被覆層を形成し、鉄系金属が直接ダイヤモンドと接触するのを防止し、ダイヤモンドの摩耗を抑制した点に最大の特徴がある。
【０００９】
以下、本発明について図面を参照して具体的に説明する。図１及び２は本発明の単結晶ダイヤモンド切削工具の１実施態様を示す概略説明図であり、図１は斜視図、図２（ａ）は図１の平面図、図２（ｂ）は図１のＡ−Ａ断面図である。
図１の単結晶ダイヤモンド切削工具１は、先端部を所定のノーズ半径に加工した単結晶ダイヤモンド２を超硬合金などの台金３にＴｉを含有するろう材などのろう材４を用いて接着したものであり、すくい面１０及び逃げ面１１には耐溶着性と耐摩耗性に優れた薄膜からなる被覆層５が被覆されている。図１、２において符号１２は逃げ面とすくい面が交差する稜（切刃稜線部）、ｒはノーズ半径、Ｒは切刃稜線部の丸み（曲率半径）、θ１  はすくい角、θ２  は逃げ角である。
【００１０】
前記薄膜を形成する材料としては、高硬度で耐熱性に優れている４Ａ族金属（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）の炭化物、窒化物、炭窒化物、ＴｉＡｌＮ及びＡｌ２  Ｏ３  が挙げられる。特にＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＡｌＮ及びＡｌ２  Ｏ３  は硬度と鉄属金属との耐反応性が高く優れた特性を示し、中でもＴｉ系の材料が最適である。
これらの薄膜を単結晶ダイヤモンド切削工具の逃げ面及びすくい面に付着させることにより、ダイヤモンドと鉄系金属との直接接触を長時間にわたり防止することができる。
【００１１】
逃げ面及びすくい面の単結晶ダイヤモンドに薄膜を付着させる方法としては、反応性スパッタリング法又はイオンプレーティング法が好適である。前記薄膜を付着させるに先立って予め単結晶ダイヤモンドの表面に反応性スパタリング法、イオンプレーティング法、電子ビーム蒸着法などによりＴｉ層を形成させ、これを８００℃以上に加熱して薄膜界面にＴｉＣを生成させ（Ｔｉ層の１部又は全部をＴｉＣに変える）た後、この上に前記薄膜を付着させることによってこれらの薄膜の単結晶ダイヤモンドへの密着強度を向上させることができる。
なお、ＴｉＣを生成させるための加熱方法としては１ＧＰａ以上の不活性ガス加圧炉内あるいは１×１０−３Ｐａ以下の高真空炉内で加熱する方法などを採用することができる。
また、薄膜がＴｉＣである場合には、Ｔｉをイオンプレーティング等の方法により付着させた後、これを加熱してダイヤモンドと反応させ、ＴｉＣ膜とすることも可能である。
【００１２】
単結晶ダイヤモンドの表面に付着させる被覆層の厚み、すなわち、単結晶ダイヤモンドの表面に直接付着させた前記薄膜の厚み、あるいは単結晶ダイヤモンドの表面に形成させたＴｉＣ又はＴｉＣと未反応のＴｉを含む層と前記薄膜とを合わせた被覆層の厚み、は逃げ面及びすくい面とも０．０１〜２μｍとするのがよい。厚さが０．０１μｍ未満では、長時間の加工において、単結晶ダイヤモンドが露出して、ダイヤモンドの摩耗が急速に進展する。一方、被覆層の厚みが２μｍを越えると、エッジの部分の強度が低下し、切削中にチッピングを生じること、及び薄膜生成時にエッジの丸みが大きくなり、切削性が低下するため好ましくない。特に厚み１μｍ以下では所望とするエッジの丸みが得られやすく好ましい。膜厚の調整は、所望の厚みの薄膜を付着させることによって行えばよいが、所望の厚みよりも厚い被覆層を形成した後、表面を加工して所望の厚みとすることもできる。
【００１３】
切削工具による切削加工では刃先形状が被削材に転写するため、切削により鏡面を得るためには、刃先が滑らかである必要がある。刃先は工具逃げ面とすくい面の交叉線で形成されるため、表面粗さ（ＳＴＭ、ＡＦＭ又はダイヤモンドの触針を用いた粗さ計で測定）がＲｍａｘで０．０１〜０．１μｍ、好ましくは０．０１〜０．０２μｍ程度の鏡面を得るためには工具逃げ面とすくい面の表面粗さはＲｍａｘで０．００１〜０．１μｍの範囲とする必要がある。表面粗さが０．１μｍを越えると、刃先が粗くなり、鏡面加工をできなくなると共に、特に工具すくい面の表面積が増えるため、被削材が溶着し易くなるので好ましくない。また、０．００１μｍ未満では刃先が鋭利になりすぎ、刃先の微細なチッピングのため、被削材表面が粗くなる傾向になり、好ましくない。
【００１４】
表面粗さがＲｍａｘで０．００１〜０．１μｍの範囲の被覆層を得るためには、基盤となる単結晶ダイヤモンドの表面粗さを０．００１〜０．５μｍ（特に０．００１〜０．０５μｍ）に保っておくのが好ましい。被覆層の厚さが薄いため、基盤となる単結晶ダイヤモンドの表面粗さがこの範囲にあれば、被覆層を形成させたままの状態でＲｍａｘで０．００１〜０．１μｍの範囲の面粗度が得られ、この状態で使用することが可能である。被覆層を形成させたままの状態では面粗度が上記範囲を外れたり、さらに面粗度を向上させたい場合には、被覆層形成後に逃げ面及びすくい面のうちの片面、あるいはこの両面をラッピング等の方法で磨き、所望の面粗度とすることもできる。
【００１５】
本発明の単結晶ダイヤモンド切削工具において、すくい面と逃げ面が交差する稜となるエッジの丸み（図２のＲ、切刃稜線部の曲率半径）は０．００５〜０．１μｍとするのが好ましい。丸みが０．１μｍを越えると、切れ味が低下して、切削時に刃先が被削材に食いつかなくなったり、被削材にバリを生じることがある。一方、丸みが０．００５μｍ未満であると刃先がチッピングしやすくなり好ましくない。通常は切削工具の加工時に上記範囲内の丸みが得られるが、必要によりすくい面の薄膜を加工することにより調整することができる。
【００１６】
本発明の切削工具は、金型加工用、特に超音波切削による金型加工用工具の刃先として有用である。超音波切削は通常切削に比べ切削抵抗が低く、かつ比較的低速で加工するので刃先温度上昇も少なく、薄膜の摩耗が抑制されるので好ましい使用方法である。しかし本発明の切削工具の用途は超音波切削工具用途に限定されるものではなく、金型材やその他高硬度鉄系部品の高精度加工にも適用できる。
【００１７】
【実施例】
（実施例１）
単結晶ダイヤモンドをＴｉを含有するロウ材を用いて超硬合金の台金に真空ロウ付けし、すくい面、逃げ面ともスカイフ盤で工具ノーズ半径（図２のｒ）０．１ｍｍ、すくい角０°、逃げ角７°の図１、２に示す形状の切削工具に仕上げた。なお、すくい面、逃げ面の表面粗さはＲｍａｘで０．００５μｍでエッジの丸みは０．００７μｍであった。
この工具の単結晶ダイヤモンドに高周波スパッタリング法により膜厚０．００５μｍのＴｉを付着させ、９００℃で３０分間加熱し、ダイヤモンドーＴｉの界面にＴｉＣを形成後、反応性イオンプレーティングでＴｉＮ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＡｌＮ薄膜を、また反応性スパッタリング法によりＡｌ２  Ｏ３  薄膜を付着させて被覆層を形成した。形成した被覆層の厚さ、被覆形成後のすくい面、逃げ面の表面粗さ、及びびエッジ部の丸み（図２のＲ）を表１に示す。
【００１８】
これらの工具を用いて、図３に示す外径（ｈ１  ）５０ｍｍ、内径（ｈ２  ）２０ｍｍの円筒状のＳＫＴ６１（ダイス鋼）相当材（硬度はＨＲＣ５２）からなる被削材６についてを切り込み１０μｍ、送り１０μｍ、切削速度５０ｍ／分で端面７の加工を行った。この結果も合わせて表１に示すが、どの刃先にも被削材の溶着は認められなかった。なお、ＨＲＣはロックウェルＣスケールによる硬度を表す。
【００１９】
【表１】
2004306153.tif 000003
【００２０】
（実施例２）
単結晶ダイヤモンドをＴｉを含有するロウ材を用いて超硬合金の台金に真空ロウ付けし、すくい面、逃げ面ともスカイフ盤で工具ノーズ半径１．２ｍｍ、すくい角０°、逃げ角１１°の図１、２に示す形状の切削工具に仕上げた。なお、すくい面、逃げ面の表面粗さはＲｍａｘで０．０１μｍでエッジの丸みは０．０３μｍであった。
次にこの工具にそれぞれ表２に示す硬質材料を反応性スパタリング法で付着させて第１層と第２層からなる２層構造の被覆層を形成した。生膜中のダイヤモンドの温度は８００℃に保持した。形成した被覆層の厚さ、被覆形成後のすくい面、逃げ面の表面粗さ、及びエッジ部の丸みを表２に示す。なお、サンプルＮｏ．１５は厚めに被覆層を形成した後、膜表面を加工して、所望の厚さにした例である。
【００２１】
これら工具を使用して、切削速度３ｍ／分、切り込み０．０５ｍｍ、送り０．０１ｍｍの条件で楕円振動超音波切削加工（２０ＫＨｚ）を行った。被削材は図３に示した形状のＳＵＪ２（ベアリング鋼）相当材（硬度はＨＲＣ５０）からなる被削材６で、外径（ｈ１  ）４０ｍｍ、内径（ｈ２  ）１５ｍｍの端面７を加工した。結果を表２に示すが、サンプルＮｏ．１６の工具のみすくい面への微少な溶着は観察されたが、他の刃先には被削材の付着は認められなかった。
【００２２】
【表２】
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【００２３】
金型表面仕上げに必要な鏡面の粗さは、通常鏡面でＲｍａｘが０．１μｍ以下、亜鏡面仕上げでＲｍａｘが０．２μｍ以下である。表１及び表２の結果から本発明の工具によればＲｍａｘが０．２μｍ以下の鏡面加工が可能であり、特に超音波切削加工による実施例２ではＲｍａｘが０．１μｍ以下の鏡面が得られ、光学用レンズ金型加工用の切削工具として有効なことがわかる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明の単結晶ダイヤモンド切削工具は、ダイヤモンドが直接被削材に接触することがないので、鉄系金属の金型材の加工に使用することができ、鉄系金属の金型を切削加工のみで鏡面加工することができるので、その実用的価値は極めて大きいものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の切削工具の１実施態様を示す斜視図。
【図２】図１の平面図及びＡ−Ａ断面図。
【図３】実施例で使用した被削材の形状を示す説明図。
【符号の説明】
１  単結晶ダイヤモンド切削工具    ２  単結晶ダイヤモンド
３  台金    ４  ロウ材    ５  被覆層    ６  被削材    ７  端面
１０  工具すくい面    １１  工具逃げ面
１２  逃げ面とすくい面が交差する稜
【図１】
2004306153.tif 000005
【図２】
2004306153.tif 000006
【図３】
2004306153.tif 000007