(57)【要約】  本発明は、ダイヤモンド層の下に存在する超硬合金またはセラミック材料からなる基材表面を有する少なくとも１つのダイヤモンドコーティングされた機能領域を有する切削工具に関し、前記基材表面は、コバルト含有結合マトリックスに組み込まれた、炭化物および／または窒化物および／または酸化物を基にした硬質物質粒子を含有し、コバルトの本質的な量は化学的または物理学的な方法によって前記基材表面の結合マトリックスから取り除かれておらずに、ダイヤモンド層は基材表面のすぐ上に配置されている。本発明によれば、このような工具は、超硬合金属の基材表面の、正に帯電したイオンビームによる前処理と、これに続く、イオンビーム前処理されたコバルト含有基材表面のすぐ上での従来のＣＶＤダイヤモンドコーティングとによって、製造できる。ここでは、前記イオン種が基づいている原子は本質的に基材に留まる。本発明の工具は、基材上での好適なダイヤモンド層付着および高い摩耗強度を有する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンド層の下に存在する超硬合金またはセラミック材料からなる基材表面を有する少なくとも１つのダイヤモンドコーティングされた機能領域を有する切削工具であって、前記基材表面は、コバルト含有結合マトリックスに組み込まれた、炭化物および／または窒化物および／または酸化物を基にした硬質物質粒子を含有し、
コバルトの本質的な量は化学的または物理学的な方法によって前記基材表面の結合マトリックスから取り除かれておらずに、ダイヤモンド層は基材表面のすぐ上に配置されていることを特徴とする切削工具。
【請求項２】
回転するまたは静止している工具、特にドリル工具、平削り工具、皿もみ工具、旋削工具、ねじ切り工具、輪郭形成工具、または摩擦工具として構成されていることを特徴とする請求項１に記載の工具。
【請求項３】
工具は一体的に構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の工具。
【請求項４】
支持体の上には、少なくとも１つの切削体、特に切削チップ、好ましくは交換式チップまたは転換式チップが備えられており、および／または、少なくとも１つのガイド縁、特に支持縁が備えられており、切削体またはガイド縁は少なくともその一部分においてダイヤモンドコーティングされていることを特徴とする請求項１または２に記載の工具。
【請求項５】
前記硬質物質粒子が以下の群から選ばれることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の工具：元素周期表の第ＩＶ亜族、第Ｖ亜族および第ＶＩ亜族の金属の炭化物、炭窒化物、および窒化物、および窒化ホウ素、特に立方晶系の窒化ホウ素；および酸化された硬質物質、特に酸化アルミニウムおよび酸化クロム；および特に炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタン；炭化バナジウム、炭化ニオブ、炭化タンタル；炭化クロム、炭化モリブデン、炭化タングステン；およびこれらの混合物および混合相。
【請求項６】
結合マトリックスは、コバルトの他に追加としてアルミニウム、クロム、モリブデン、および／または、ニッケルを含有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の工具。
【請求項７】
前記セラミック材料は、請求項６の結合マトリックスにおける請求項５の硬質物質粒子からなる焼結物であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の工具。
【請求項８】
前記セラミック材料は、焼結された、炭化物または炭窒化物の超硬合金であることを特徴とする請求項７に記載の工具。
【請求項９】
前記ダイヤモンド層は、多結晶であり、化学蒸着（ＣＶＤ）法によって被覆されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の工具。
【請求項１０】
前記ダイヤモンド層の厚みは３μｍ以上１５μｍ以下、特に６μｍ以上１２μｍ以下であることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の工具。
【請求項１１】
切削工具の機能領域上のダイヤモンド層の製造方法であり、前記ダイヤモンド層は超硬合金またはセラミック材料からなる基材表面の上に被覆され、前記基材表面は、コバルト含有結合マトリックスに組み込まれた、炭化物および／または窒化物および／または酸化物を基にした硬質物質粒子を含有し、
前記基材表面は少なくとも１つのイオン種の正に帯電したイオンビームによって前処理され、前記イオン種が基づいている原子は本質的に基材に留まり、ダイヤモンド層は、化学蒸着（ＣＶＤ）法によって、イオンビーム前処理されたコバルト含有基材表面のすぐ上に被覆されることを特徴とする製造方法。
【請求項１２】
リチウム、ホウ素、炭素、ケイ素、窒素、リン、および／または酸素がイオン種として使われることを特徴とする請求項１１に記載の製造方法。
【請求項１３】
運動エネルギーが３．２×１０−１５Ｊ以上３．２×１０−１４Ｊ以下［２０ＫｅＶ以上２００ＫｅＶ以下］であるイオンビームが使用されることを特徴とする請求項１２に記載の製造方法。
【請求項１４】
イオンビームによる基材表面の前処理は、真空内にて、２０℃以上４５０℃以下、特に３００℃以上４５０℃以下で実施されることを特徴とする請求項１１から１３のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項１５】
ＣＶＤダイヤモンドコーティングの炭素源はメタンであり、前記メタンにモル過剰量の酸素が混合されることを特徴とする請求項１１から１４のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項１６】
基材表面のイオンビーム前処理に引き続いて、後続のＣＶＤダイヤモンドコーティングのための種形成のために、ダイヤモンドナノ結晶が、超音波によって基材表面に被覆されることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
少なくとも１つのダイヤモンドコーティングされた機能領域を有する切削工具であって、前記機能領域のダイヤモンドコーティングは請求項１１から１６のいずれか１項に記載の製造方法によって得られることを特徴とする切削工具。
【請求項１８】
回転するまたは静止している工具、特にドリル工具、平削り工具、皿もみ工具、旋削工具、ねじ切り工具、輪郭形成工具、または摩擦工具として構成されていることを特徴とする請求項１７に記載の工具。
【請求項１９】
工具は一体的に構成されていることを特徴とする請求項１７または１８に記載の工具。
【請求項２０】
支持体の上に、少なくとも１つの切削体、特に切削チップ、好ましくは交換式チップまたは転換式チップが備えられており、および／または、少なくとも１つのガイド縁、特に支持縁が備えられており、切削体またはガイド縁は、少なくともその一部分においてダイヤモンドコーティングされていることを特徴とする請求項１８に記載の工具。
【請求項２１】
前記ダイヤモンド層は、超硬合金またはセラミック材料からなる基材表面の上に被覆され、前記基材表面は、コバルトを含有する結合マトリックスに組み込まれた、炭化物および／または窒化物および／または酸化物を基にした硬質物質粒子を含有することを特徴とする請求項１７から２０のいずれか１項に記載の工具。
【請求項２２】
前記硬質物質粒子が以下の群から選ばれていることを特徴とする請求項１７から２１のいずれか１項に記載の工具：元素周期表の第ＩＶ亜族、第Ｖ亜族および第ＶＩ亜族の金属の炭化物、炭窒化物、および窒化物、および窒化ホウ素、特に立方晶系の窒化ホウ素；および酸化された硬質物質、特に酸化アルミニウムおよび酸化クロム；および特に炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタン；炭化バナジウム、炭化ニオブ、炭化タンタル；炭化クロム、炭化モリブデン、炭化タングステン；およびこれらの混合物および混合相。
【請求項２３】
結合マトリックスはコバルトの他に追加としてアルミニウム、クロム、モリブデン、および／または、ニッケルを含有することを特徴とする請求項１７から２２のいずれか１項に記載の工具。
【請求項２４】
前記セラミック材料は、請求項２４の結合マトリックスにおける請求項２３の硬質物質粒子からなる焼結物であることを特徴とする請求項１７から２３のいずれか１項に記載の工具。
【請求項２５】
前記セラミック材料は、焼結された、炭化物または炭窒化物の超硬合金であることを特徴とする請求項２４に記載の工具。
【請求項２６】
前記ダイヤモンド層は、多結晶であり、化学蒸着（ＣＶＤ）法によって被覆されており、前記ダイヤモンド層の厚みは３μｍ以上１５μｍ以下、特に６μｍ以上１２μｍ以下であることを特徴とする請求項１７から２５のいずれか１項に記載の工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に係る切削工具と、請求項１１の上位概念に係る、切削工具の機能領域上におけるダイヤモンドコーティングの製造方法と、請求項１７に係る切削工具とに関する。
【背景技術】
【０００２】
工具ヘッドと、工具シャフトと、工具チャックに収容するためのクランプ部とを備えた切削加工用の様々な型の工具は従来技術から知られている。
このような工具は切削部分において、加工する材料に特有の要求に適している機能領域を有する。
【０００３】
上述した工具は、特にドリル工具、平削り工具、皿もみ工具、旋削工具、ねじ切り工具、輪郭形成工具、または摩擦工具として構成されているものであり、機能領域として切削体またはガイド縁を有することができ、その切削体は、例えば、交換式チップまたは転換式チップとして形成でき、ガイド縁は、例えば、支持縁として形成できる。
特徴的なのは、このような工具ヘッドは、強く磨り減らす材料の加工時の高い耐摩耗性を工具に与える機能領域を有する。
【０００４】
本発明の出願人のＤＥ  ２０  ２００５  ０２１  ８１７  Ｕ１では、立方晶系の窒化ホウ素（ＣＢＮ）や多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）のような超硬素材から構成される少なくとも１つの機能層を備える１つの堅固な材料から構成される、工具ヘッドが記述されている。
このような工具によって、ドリル加工、平削り、または摩擦加工の機械的または熱的な要求に関して工具の長い耐用期間を達成できる。
【０００５】
多結晶フォルム、特にこのようなダイヤモンド材料を非ダイヤモンド基材に被覆するための方法は同様に長い間知られている。例えば、ＵＳ  ５，０８２，３５９に、多結晶ダイヤモンドフィルムを化学蒸着（chemical vapour deposition、ＣＶＤ）によって被覆することが記述されている。
【０００６】
従来技術の前記文献に記述されている方法では、コーティングするプロセスの表面に、特徴的にくぼみの形を有する多数の分離した核形成場が生成される。
前記くぼみは、後に行われるダイヤモンド蒸着の核形成部となり、ＵＳ  ５，０８２，３５９によれば、多数の方法、例えばレーザー蒸発、および、適した模様を付けたフォトレジストを使用する化学的エッチング若しくはプラスマエッチング、または、集束イオンビームによる除去（focused ion beam milling）によって、生成できる。
【０００７】
運動エネルギーが２５ＫｅＶのＧＡ＋の集束イオンビームを用いて、このＧＡ＋イオンビームの集束によって、０．１μｍより小さい直径において１μｍより小さく隔てて基材にくぼみを生成できることがＵＳ  ５，０８２，３５９に開示されている。
【０００８】
ＵＳ  ５，０８２，３５９では、記載として半導体産業に典型的に使われる材料、例えば、ゲルマニウム、ケイ素、ヒ化ガリウム、または、単結晶ケイ素からなるポリッシュトウェハが挙げられており、さらなる有利な基材としては、チタン、モリブデン、ニッケル、銅、タングステン、タンタル、鋼、セラミック、炭化ケイ素、窒化ケイ素、オキシ窒化ケイ素アルミニウム、窒化ホウ素、酸化アルミニウム、硫化亜鉛、セレン化亜鉛、炭化タングステン、グラファイト、石英ガラス、ガラス、およびサファイアが挙げられている。
超硬合金、および、コバルト含有結合マトリックスに組み込まれた材料は挙げられていない。
【０００９】
最後に、基材表面上に形成されたくぼみ形の凸凹の上に、高真空で生成された炭素をそのダイヤモンド改質として蒸着するために、ＣＶＤは、メタンと酸素との反応によって、真空内で熱いタングステンワイヤにおいて実施される。
さらに、工具に関しては、機能面にダイヤモンド層を備えることが周知であり、その際、同様にＣＶＤ法が使われる。
【００１０】
このようなダイヤモンドコーティング方法は、一例として、ＷＯ  ９８／３５０７１  Ａ１に記述されている。特に、コバルトマトリックスに組み込まれた炭化タングステンからなる超硬合金基材における多結晶ダイヤモンドフィルムの蒸着はＷＯ  ２００４/０３１４３７  Ａ１に記述されている。
ＷＯ  ２００４／０３１４３７  Ａ１によれば、超硬合金基材またはサーメットの場合には、ＣＶＤによって生成されたダイヤモンドコーティングの、基材上に好適な付着を達成するために、化学的または電気化学的エッチングが必要であった。
典型的に、超硬合金は硬質物質粒子および結合材からなる焼結材料、例えば炭化タングステン粒子を含有し、その炭化タングステン粒子は堅固な材料となり、コバルト含有結合マトリックスはＷＣ粒子の結合材料となり工具に必要な堅さを前記層に与える。
ダイヤモンドコーティングされた超硬合金工具またはサーメット工具は、必然的に、工具の摩耗防止と持続的な使用の耐用期間とに有利な効果がある。
【００１１】
しかし、このような超硬合金基材上におけるダイヤモンドコーティングの有効な付着にはいつも問題があるので、従来技術には様々な前処理法が必要であり、そのすべては、硬質物質粒子、例えば、ＷＣのための、結合マトリックスからコバルトを除去することを目標とし、なぜなら、研究でコバルトが様々な効果によって蒸着を妨げることが判明したからである。
【００１２】
よって、一例として、ＵＳ  ６，０９６，３７７  Ａ１には、超硬合金基材をダイヤモンド層で被覆するための方法が記述されており、その方法は、ＷＣ選択エッチング工程とコバルト選択エッチング工程による基材の前処理を含む。ダイヤモンド層の被覆は、ダイヤモンド粉を使う刻形成および後続のＣＶＤダイヤモンドコーティングによって行われ、コバルト選択エッチング工程、ＷＣ選択エッチング工程、または、刻形成工程は任意の順番に行うことができる。
【００１３】
その上に、ＤＥ  １９５  ２２  ３７１  Ａ１には、超硬合金基材をダイヤモンド層で被覆するために、先ず、コバルト選択エッチング工程およびそれに引き続くエッチングされた基材表面の掃除と、次に、ＷＣ選択エッチング工程およびそれに引き続く掃除とが記述されている。このように前処理された超硬合金基材の上に、ＣＶＤ法によってダイヤモンド層が被覆される。
【００１４】
ＷＯ  ２００４／０３１４３７  Ａ１によれば、先ずコバルト選択エッチング工程と、次にＷＣ選択エッチング工程とを含む、このような２段の前処理法は、多くの場合に、ダイヤモンド層の十分な層付着をもたらさなかった。
このことは、第２ＷＣ選択エッチング工程にて表面におけるＷＣ硬質物質粒子の完全なエッチングが行われれば、次に表面が、有効なダイヤモンド層付着を阻むコバルト蓄積を含むことに起因するだろう。これに反して前記ＷＣエッチングは一部分のみに行われれば、表面、すなわち、基材とダイヤモンド層との間の後の移行領域で、ＷＣ粒子は粒子境界においてエッチングされており、これにより無傷のＷＣはもはや存在しておらず、このことは、ダイヤモンド層付着の減少および機械的堅さの減少を引き起こす。
【００１５】
さらに、ＷＯ  ９７／０７２６４には、ＣＶＤダイヤモンドコーティングのための超硬合金の前処理法が記述されており、その第１工程では、電解溶液、例えば１０％のＮａＯＨにて基材をアノードとして作用させながら電気化学的にエッチングさせることによって、超硬合金の電気化学的エッチングが実施される。第２工程では、コバルト結合材料が選択的にエッチングされる。次に、ＣＶＤ法によって前記ダイヤモンド層が被覆される。
しかし、実際に判明したのは、前記ダイヤモンド層は、切削工具の機能領域において発生する大きい負荷、特に剪断負荷および力学的な圧力負荷に耐えられないということであった。明らかに、このような電気化学的処理によって得られた、その基材の上のＣＶＤダイヤモンド層の付着は足りないので、多結晶ダイヤモンド層は作動中に基材から剥がれる。
【００１６】
上述したアルカリ性エッチングに反して、ＷＯ  ２００４／０３１４３７  Ａ１の教示は酸性領域内の第１化学的エッチング工程に関するものであり、その酸性領域は結合材料、特にコバルトをエッチングする。ＷＯ  ２００４／０３１４３７  Ａ１によれば、直流または交流とＨＣｌまたはＨ２ＳＯ４とを使う電気的なエッチング方法が使用されるが、そのうえに、エッチングのため、ＨＮＯ３、または、Ｈ２ＳＯ４／Ｈ２Ｏ２，ＨＣｌ／Ｈ２Ｏ２およびＨＣｌ／ＨＮＯ３からなる混合物を使用できる。
第２エッチング工程では、硬質物質粒子、特に炭化タングステン粒子がエッチングされる。このために、ＷＣを選択的にエッチングする周知の化学物質が使用される。その例として、ヘキサシアニド鉄（ＩＩＩ）酸カリウム／アルカリ溶液混合物、ＫＭｎＯ４／アルカリ溶液混合物を使う処理、および、ＮａＯＨ、ＫＯＨまたはＮａ２ＣＯ３を使う電気化学的な方法が開示されている。
前記２つの工程に加えて、好ましくは、硫酸または塩酸を使う電気化学的エッチングとして実施される、さらなるコバルト選択エッチング工程が実施される。ＷＯ  ２００４／０３１４３７  Ａ１の教示によると、この場合、既に最初の２つの工程にてテクスチャー化された基材の表面に、結合材料が除去された多孔質ゾーンが形成される。実際のコーティングは同様にＣＤＶ法によって行われる。この場合、ダイヤモンドは形成された表面の上に成長し、前処理した基材の深さプロファイルに基づき、ダイヤモンド層と基材との優れた結合が生ずる。
【００１７】
さらに、ＤＥ  １０  ２００６  ０２６  ２５３  Ａ１は、同様に被覆体およびその製造方法を開示し、この被覆体は、硬質物質粒子および結合材料からなる超硬合金またはサーメットからなる基材と、この基材の上に蒸着した付着するダイヤモンド層とを有する。
【００１８】
ＤＥ  １０  ２００６  ０２６  ２５３  Ａ１の教示によると、前記基材は主としてＷＣおよびコバルトからなり、この場合、ダイヤモンド層の下の硬質物質粒子の少なくとも一部分には穴形の粒内破壊的なくぼみが形成されている。
この腐蝕穿孔は、粒内破壊的なエッチングの化学的方法によって、へこみまたは穴の形のくぼみがＷＣ粒子に形成されるように達成される。
【００１９】
ＤＥ  １０  ２００６  ０２６  ２５３  Ａ１の教示によると、機械的前処理、例えば硬質物質粒子のマイクロ照射の後、照射された機能領域において濃縮硫酸で酸性のエッチングが実施される。この際、工具はアノードとして作用され、例えば外の特殊鋼容器はカソードとして作用される。
前記電気化学的処理に基づいて不動態化層が生じ、この不動態化層は、さらなるエッチングが起こることがほとんどできないように、約１０秒後塞がる。このエッチング工程の後、生じた不動態化層は１０％ＮａＯＨで再度除去され、典型的には、酸による電気化学的エッチングとこれに引き続くアルカリによる不動態化層の除去とのサイクルは、何度も繰り返される。
この処理によってコバルト相は、前記特許文献の教示によると、表面の近くで完全に除去され、前記炭化タングステン粒子は、ＣＶＤ法による後続のダイヤモンドコーティングに十分な付着力を与えることになる腐蝕穿孔を有する。
この従来技術の方法は―ＷＯ−Ｃｏ超硬合金の場合―コバルト損失がＷＯ損失より大きくなるように調節しなければならない。
【００２０】
ＤＥ  １０  ２００６  ０２６  ２５３  Ａ１には、ＣＶＤダイヤモンドコーティングの長いプロセス時間および高い温度でダイヤモンド層となる炭素およびコバルトの相互作用が発生し、この際、コバルトはダイヤモンド形成を妨げ、その代わりにグラファイト化された相を生じさせるので、基材の結合物質、特にコバルトを、表面から除去することが記述されている。
【００２１】
ＣＶＤダイヤモンドコーティングに対するコバルト含有結合材料層の前記効果は、最近の文献、例えばHAUBNER, R. und KALSS, W. （２０１０）: Int. Journal of Refractory Metals & Hard Materials 28, 475-483:"Diamond deposition on hardmetal Substrates - Comparison of Substrate pre-treatments and industrial applications"のサーベイ論文にも記述されている。
【００２２】
HAUBNER et al.の説明によると、炭素はＣＶＤダイヤモンドコーティングからコバルト含有結合マトリックスへ拡散でき、この場合、基材構造を著しく障害するコバルト小滴がダイヤモンド蒸着時に気相から同時に形成され、これによりある程度の脆さが生ずる。そのうえに、HAUBNER et al.によると、コバルトは、ダイヤモンドの成長およびその多かれ少なかれ自発的なグラファイト変換のための触媒であることが判明した。 
よって、実験上の理由で、従来技術では、コバルトがダイヤモンド蒸着に与える影響を減らすために、結合マトリックスからコバルトを除去することを図ったのは理解できる。
【００２３】
しかしながら、従来技術の各方法の共通点は、結合マトリックスのコバルト除去はＣＶＤダイヤモンドコーティングの比較的強い付着をもたらすが、硬質物質粒子、特にＷＣのための、コバルトが低減した結合マトリックスが著しく障害されるので、硬質物質粒子としてのＷＣ粒子の組み込みがもはやされなくなる。これにより、基材表面の完璧さおよび機械的堅さは、特に工具とした場合の大きな負荷に対してもはや保証できなくなる。これにより、基材／ダイヤモンドの層間に構造障害が生ずるので、最終的に、ダイヤモンド層は基材構造の一部とともに剥がれる可能性があり、その結果、このようにコーティングされた工具は使えなくなる。
【００２４】
この理由で、従来技術では、ダイヤモンド蒸着およびダイヤモンド安定化を障害するコバルトの効果を阻止するために、ダイヤモンド層と基材表面との間に薄フィルム形のバリア層を設ける試みもなされた。
例えば基材表面の上にスパッタされたまたは化学的に析出された銅、チタン、またはクロムを有する前記方法も同様にHAUBNER et al.に記述されている。
【００２５】
しかし、この場合にも、このような中間層は、費用がかかる製造および必要なほとんど連続的な層厚み監視の他に、その上に析出するＣＶＤダイヤモンドコーティングの付着に必ずしも最適ではないことがわかった。
【発明の概要】
【００２６】
超硬合金工具の場合には、硬質物質粒子の組み込みのためにコバルト含有結合マトリックスが有利であることが長い間従来技術において実証されたので、本発明の課題は、安定したダイヤモンド改質のコーティング、すなわち、発生中およびすでに結晶化したダイヤモンドがグラファイトにあまり変換しない上に、結合マトリックスの構造がコバルト減少によって障害されないようなコーティングを、基材表面のすぐ上に配置することができる、切削工具およびその製造方法を提示することである。
【００２７】
この課題の解決策は請求項１および１７の特徴によって行われる。
方法技術的観点からは、前記課題は請求項１１の特徴によって解決される。
【００２８】
本発明は、特に、ダイヤモンド層の下に存在する超硬合金またはセラミック材料からなる基材表面を有する少なくとも１つのダイヤモンドコーティングされた機能領域を有する切削工具に関し、前記基材表面は、コバルト含有結合マトリックスに組み込まれた、炭化物および／または窒化物および／または酸化物を基にした硬質物質粒子を含有し、コバルトの本質的な量は化学的または物理学的な方法によって前記基材表面の結合マトリックスから取り除かれておらずに、ダイヤモンド層は基材表面のすぐ上に配置されている。
【００２９】
本発明は、さらに、切削工具の機能領域上のダイヤモンド層の製造方法に関し、前記ダイヤモンド層は超硬合金またはセラミック材料からなる基材表面の上に被覆され、前記基材表面は、コバルト含有結合マトリックスに組み込まれた、炭化物および／または窒化物および／または酸化物を基にした硬質物質粒子を含有し、前記基材表面は少なくとも１つのイオン種の正に帯電したイオンビームによって前処理され、前記イオン種が基づいている原子は本質的に基材に残り、ダイヤモンド層は、化学蒸着（ＣＶＤ）法によって、イオンビーム前処理されたコバルト含有基材表面のすぐ上に被覆される。
【００３０】
硬質物質粒子、例えばコバルト含有結合マトリックスに組み込まれたＷＣ粒子、を含有する、工具の機能領域の基材表面を、イオンビーム、例えばＮ＋、Ｎ＋＋および／またはＣ＋にて前処理することによって、コバルトは本質的に結合マトリックスから除去されず、照射されたイオンは結合マトリックスの構造へ組み入れられる。
必ずしもそうならなくてもよいが、例えば、コバルトは、照射された軽いイオンによって、立方晶系のダイヤモンド相が六方晶系のグラファイト相に変換するための触媒作用の効果を有さない、窒化コバルト若しくは炭窒化コバルト、または、炭化コバルトに変換する可能性があり、これにより、立方晶系のダイヤモンド結晶は、本来の場所でグラファイトに再転換せずに基材表面に成長するだけの時間が十分ある。
【００３１】
驚くことに、切削工具の場合に、本発明の製造方法にて製造されたこのようなダイヤモンドコーティングされた機能領域は、コバルトが減少した基材表面の上にＣＶＤ法で蒸着されたダイヤモンド層に比べて、ずいぶんもっと長い間安定していることが判明した。実施試験では、従来技術の標準方法に比べて、ダイヤモンド相のより良い層付着が達成できた。
【００３２】
本発明の教示は、実際、従来技術が開示している処置の逆を提案しているので、上述したことはなおさら驚くことであり、すなわち、結合マトリックスのコバルトを減少させるという従来の教示の代わりに、本発明に不可欠なことは、結合マトリックスにＣｏ含有量のほとんど全てを残すこと、および、Ｃｏ原子がＣＶＤプロセスでダイヤモンド蒸着を妨げなくなるように、構造をイオンビームで変更することである。
【００３３】
ＵＳ  ５，０８２，３５９による従来技術では、イオンビームはたしかにＧＡ＋の集束イオンビームとしてＣＶＤダイヤモンド蒸着の前の基材処理に使われるが、そこでは、―Ｃｏ原子と結合マトリックスとの衝突の後―結合マトリックスの金属格子結合からＣｏ原子を打ち出す、重いＧａ＋陽イオンのみが使われるので、結合マトリックスはコバルトが非常に減少する。従って、重いＧＡ＋イオンビームの使用は、“Cobalt-Depletion（コバルト枯渇、脱コバルト）”教示に完全に適合しており、上述した従来技術の化学的エッチング方法の代替物に過ぎず、結合マトリックスから大量にＣｏ原子を除去する。
【００３４】
重いイオン種を使う従来技術のイオンビーム使用とは逆に、本発明の通り、はるかにより軽いイオン種Ｎ＋、Ｎ＋＋および／またはＣ＋を基材表面に照射する場合には、コバルトは、本質的に結合マトリックスに残るが、にもかかわらず、従来技術に比べて、明らかにより良く付着するダイヤモンドコーティングをもたらす。さらに、硬質物質粒子、例えばＷＣ、を結合マトリックスに組み込むことと、これによる硬質物質粒子−コバルト相の一体性とが、実際に妨害されないので、硬質物質粒子−コバルト相は切削工具に有利な特性を保ち、また例えば、脆くならない。
【００３５】
本発明の好ましい一実施形態は、少なくとも１つのダイヤモンドコーティングされた機能領域を有する切削工具であり、前記機能領域のダイヤモンドコーティングは本発明の製造方法にて得られうる。
【００３６】
とりわけ粗い材料―例えばＣＦＫ材料―の加工か、または、機械部材の製造における長い耐用期間の達成か、または、両方について、少なくとも部分的にダイヤモンドコーティングされた工具の使用が工学技術的に有意義であるような、全ての目的に対し、本発明の切削工具を使用できる。前記工具は、回転するまたは静止している工具、特にドリル工具、平削り工具、皿もみ工具、旋削工具、ねじ切り工具、輪郭形成工具、または摩擦工具として構成されていることが可能である。
前記工具は、一体的に構成されているか、または、モジュラー構成されている工具であることが可能である。
【００３７】
支持体の上には、少なくとも１つの切削体、特に切削チップ、好ましくは交換式チップまたは転換式チップが備えられており、および／または、少なくとも１つのガイド縁、特に支持縁が備えられており、切削体またはガイド縁は少なくともその一部分においてダイヤモンドコーティングされているものは有利な工具である。
【００３８】
本発明の工具は以下の群から選ばれる前記硬質物質粒子を含有する：元素周期表の第ＩＶ亜族、第Ｖ亜族および第ＶＩ亜族の金属（Ｍｅｔａｌｌｅ  ｄｅｒ  ＩＶ．，  Ｖ．  ｕｎｄ  ＶＩ．  Ｎｅｂｅｎｇｒｕｐｐｅ  ｄｅｓ  Ｐｅｒｉｏｄｅｎｓｙｓｔｅｍｓ  ｄｅｒ  Ｅｌｅｍｅｎｔｅ）の炭化物、炭窒化物、および窒化物、および窒化ホウ素、特に立方晶系の窒化ホウ素；および酸化された硬質物質、特に酸化アルミニウムおよび酸化クロム；および特に炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタン；炭化バナジウム、炭化ニオブ、炭化タンタル；炭化クロム、炭化モリブデン、炭化タングステン；およびこれらの混合物および混合相。
【００３９】
硬質物質粒子のための結合マトリックスはコバルトの他に追加としてアルミニウム、クロム、モリブデン、および／または、ニッケルを含有することができる。
【００４０】
機能領域、または、セラミック材料からなる一体を備えた好ましい工具は、セラミック材料が、コバルトの他に追加としてアルミニウム、クロム、モリブデン、および／または、ニッケルを含有する結合マトリックスにおける前記硬質物質粒子からなる焼結物であるものである。
【００４１】
好ましい一工具は、前記セラミック材料が、焼結された、炭化物または炭窒化物の超硬合金である。
【００４２】
切削工具のダイヤモンド層は、典型的には、多結晶であり、化学蒸着（ＣＶＤ）法によって被覆される。
【００４３】
このようなＣＶＤダイヤモンド蒸着法は当業者にとっておそらく１９８２年から公知である(MATSUMOTO, S, SATO, Y, KAMO M, & SETAKA, N, (1982): Jpn J Appl Phys;21 (4), L183-185: Vapor deposition of diamond particles from methaneを参照されたい)。ＣＤＶ法による超硬合金のダイヤモンドコーティングのためには、例えば、上述したHAUBNER et al.のサーベイ論文を参照されたい。
【００４４】
工具表面の上のダイヤモンド層の典型的な厚みは３μｍ以上１５μｍ以下、特に６μｍ以上１２μｍ以下である。
【００４５】
本発明の製造方法に使用されるイオンビームは従来のイオンビーム発生器で発生され、この場合、以下のイオン種が使用できる：リチウム、ホウ素、炭素、ケイ素、窒素、リン、および／または酸素、その中で、窒素、特にＮ＋およびＮ＋＋、および／または、炭素、特にＣ＋がより好ましい。
【００４６】
実験で判明したことは、運動エネルギーが３．２×１０−１５Ｊ以上３．２×１０−１４Ｊ以下［２０ＫｅＶ以上２００ＫｅＶ以下］であるイオンビームが、結合マトリックス内のコバルトの触媒作用の不活性化（特にダイヤモンドのグラファイトへの変換の抑制）に最適であったことである。
【００４７】
基材表面の前処理は、イオンビームによって真空内にて、２０℃以上４５０℃以下、特に３００℃以上４５０℃以下で実施すれば、基材表面に対して優れたダイヤモンド付着が得られうる。
【００４８】
ＣＶＤダイヤモンドコーティングの炭素源としてメタンが使われ、この場合、メタンにモル過剰量の酸素が混合される。
【００４９】
基材表面のイオンビーム前処理に引き続いて、後続のＣＶＤダイヤモンドコーティングのための種形成のために、ダイヤモンドナノ結晶が、超音波によって基材表面に被覆されると、メタン／Ｈ２からなるＣＶＤ蒸着により、特に有利なダイヤモンド層の成長反応および付着、および、各ダイヤモンド結晶の結晶大きさが達成できる。
【００５０】
このようにして、特に安定したダイヤモンド層が生じ、このようにコーティングされた超硬合金工具またはサーメット工具は、それを用いて加工される部材の大量生産時の耐用期間が長い。
【００５１】
さらなる有利な点および特徴は具体的な実施例の記載によって明らかになる。
【実施例】
【００５２】
ＷＣ粒子大きさが０．６μｍである１０Ｍ％Ｃｏ超硬合金（Guhring商品名：DK460UF）からなる超硬合金工具は、本発明の通り、窒素イオンからなるイオンビームを３．５ｈ照射され、その際、イオンビームは、３０ｋＶの電圧、３ｍＡのプラスマビーム、および１×１０−５ｍｂａｒの窒素圧で生成された。イオンビームの生成には、従来のイオン発生器（カーン(Caen)所在のQuertech社のイオン発生器“Hardion”）を使用した。
このとき、工具の温度を約４００℃に調整した。次に、工具は、従来の加熱線利用のＣＶＤ装置（CemeCon CC800/5）でダイヤモンドによって被覆された。６０ｈの被覆時間で、厚みが１２μｍの付着ダイヤモンド層が成長した。
【００５３】
層付着は、CemeCon社の標準通りの典型的な照射摩耗試験で検査された。この照射摩耗試験では、前記層は、検査されているダイヤモンド層が剥がれ落ちるかまたは貫かれるまで、平均粒子大きさが約１３μｍであるコランダムビームを照射される。２分の照射期間後に層の損害が生じなければ、サンプルは合格物と見なされる。破綻までの照射期間が＞３０秒であれば、層付着は好適であると思われる。本発明の通りに加工された工具は合格物を８０％含む上に、１１０秒の照射期間を下回る個々の結果がなかったが、一方、従来技術によって加工されたサンプル工具の平均寿命期間は９５秒であった。
【国際調査報告】
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