(57)【要約】      （修正有）【課題】潤滑性かつ加工精度に優れたダイヤモンド被覆切削工具を提供する。【解決手段】炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された工具基体表面に、膜厚１〜１５μｍのダイヤモンド皮膜層と膜厚３〜５μｍの潤滑皮膜層が形成されたダイヤモンド被覆切削工具において、潤滑皮膜層は、六方晶窒化ホウ素、二硫化モリブデンまたは窒化クロムからなるマトリックス相中に、１５〜５０面積％のダイヤモンド粒子が表面に露出して存在する。【選択図】図１
2009090398.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された工具基体表面に、１〜１５μｍの膜厚のダイヤモンド皮膜層と３〜５μｍの膜厚の潤滑皮膜層が形成されたダイヤモンド被覆切削工具において、
上記潤滑皮膜層は、六方晶窒化ホウ素、二硫化モリブデンまたは窒化クロムのいずれかからなるマトリックス相中に、１５〜５０面積％のダイヤモンド粒子が表面に露出して存在することを特徴とする潤滑性および加工精度にすぐれたダイヤモンド被覆切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットからなる工具基体にダイヤモンド皮膜を被覆したダイヤモンド被覆切削工具に関し、特に、金属材料よりも比強度、比剛性の高いＣＦＲＰ（Carbon  Fiber  Reinforced  Plastics。炭素繊維強化プラスチック）の高速切削に際し、すぐれた潤滑性を発揮するとともに、長期の使用に亘ってすぐれた加工精度を維持できるダイヤモンド被覆切削工具（以下、ダイヤモンド被覆工具という）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、炭化タングステン基（ＷＣ基）超硬合金または炭窒化チタン基（ＴｉＣＮ基）サーメットなどの工具基体に、ダイヤモンド皮膜を被覆したダイヤモンド被覆工具が知られており、このダイヤモンド被覆工具が、アルミニウム合金やマグネシウム合金などの非鉄材料の切削加工ですぐれた切削性能を発揮することが知られている。
【０００３】
また、ダイヤモンド被覆工具を鉄系被削材の切削に用いた場合には、鉄とダイヤモンドが反応を起こし、被削材に浸炭が生じたり、ダイヤモンド皮膜が剥離したり、摩耗進行が促進されること等によって、十分な切削性能を発揮することができないという問題点があり、そこで、これを解決するため、例えば、ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットで構成された工具基体の表面に、５〜２５μｍのダイヤモンド皮膜を被覆し、この上にさらに２〜６μｍの金属間化合物皮膜を被覆することにより、被削材である鉄系材料とダイヤモンドとの反応を防止し、浸炭、剥離等の発生を抑制し、工具寿命の改善を図ったダイヤモンド被覆工具も知られている。
【特許文献１】特開平８−２６７３０３号公報
【特許文献２】特開２００３−１４５３０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年の切削加工装置のＦＡ化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴って、切削条件はますます高速化しているが、上記の従来被覆工具においては、これを通常条件での切削加工に用いた場合には問題はないが、これを一般の金属材料に比して、比強度、比剛性にすぐれるＣＦＲＰ等の高速切削に用いた場合には、ＣＦＲＰ自体が、炭素繊維とエポキシ系樹脂の複合材であることから工具摩耗が激しく、その結果、工具寿命が短くなり、また、被削材のバリ発生等により仕上げ面精度が粗くなり、かつ、寸法精度も劣るという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、特に難削材であるＣＦＲＰの高速切削加工で、長期の使用に亘って、すぐれた加工精度（仕上げ面精度、寸法精度）とすぐれた耐摩耗性を備えるダイヤモンド被覆工具を開発すべく、上記従来のダイヤモンド被覆工具の被覆層に着目し研究を行った結果、以下の知見を得た。
図１（ａ）、（ｂ）に、それぞれ、この発明のダイヤモンド被覆工具の側断面の概略図および上面模式図を示すように、工具基体（図１（ａ）中、超硬母材で示す）の表面に、例えば、マイクロプラズマＣＶＤ法、フィラメントＣＶＤ法、アークプラズマＣＶＤ法等のダイヤモンド気相合成法によって、膜厚１〜１５μｍのダイヤモンド皮膜（図１（ａ）中、ＣＶＤ−Ｄｉａ皮膜で示す）を形成し、ついで、該ダイヤモンド皮膜の上面に、六方晶窒化ほう素（以下、ｈ−ＢＮで示す）、二硫化モリブデン（以下、ＭｏＳ２で示す）および窒化クロム（以下、ＣｒＮで示す）のいずれかからなる潤滑膜（図１（ａ）中、潤滑膜で示す）を蒸着形成することにより、上記ダイヤモンド皮膜を構成するダイヤモンド粒子の粒子間隙に、上記ｈ−ＢＮ、ＭｏＳ２、ＣｒＮを充填した潤滑皮膜を形成し、その後、潤滑皮膜表面にブラスト等を施し、ダイヤモンド粒子が、上記ｈ−ＢＮ、ＭｏＳ２、ＣｒＮからなるマトリックス中に分散して表面に露出存在する膜厚３〜５μｍの潤滑皮膜層を形成すると（図１（ｂ）は、△印で示されるダイヤモンド粒子が、ｈ−ＢＮ、ＭｏＳ２、ＣｒＮからなるマトリックス中に分散存在する状態を示す）、このようなダイヤモンド皮膜層と潤滑皮膜層からなる被覆層を形成したダイヤモンド被覆工具は、ダイヤモンド皮膜層によってその耐摩耗性が確保されるとともに、潤滑皮膜層が、潤滑性ばかりか、分散露出したダイヤモンド粒子によってすぐれた耐摩耗性を発揮することにより、難削材であるＣＦＲＰの高速切削加工においても、バリ等の発生もなくすぐれた仕上げ面精度、寸法精度で加工をすることができ、また、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮すること。
【０００６】
この発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「  炭化タングステン基（ＷＣ基）超硬合金または炭窒化チタン基（ＴｉＣＮ基）サーメットで構成された工具基体表面に、１〜１５μｍの膜厚のダイヤモンド皮膜層と３〜５μｍの膜厚の潤滑皮膜層が形成されたダイヤモンド被覆切削工具において、
上記潤滑皮膜層は、六方晶窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）または窒化クロム（ＣｒＮ）のいずれかからなるマトリックス相中に、１５〜５０面積％のダイヤモンド粒子が表面に露出して存在することを特徴とする潤滑性および加工精度にすぐれたダイヤモンド被覆切削工具（ダイヤモンド被覆工具）。」
に特徴を有するものである。
【０００７】
つぎに、この発明のダイヤモンド被覆工具の被覆層について、詳細に説明する。
【０００８】
ダイヤモンド皮膜層；
ダイヤモンド皮膜層は、それ自体が有する高硬度特性により、基本的にダイヤモンド被覆工具の耐摩耗性を確保し、使用寿命を向上せしめるための層であるが、ダイヤモンド皮膜の膜厚が１μｍ未満では、上記所望の作用効果が得られず、一方その膜厚が１５μｍを越えると、ダイヤモンド皮膜自体の内部応力の増大による基体との剥離現象の発生や、チッピング（微小欠け）が発生し易くなることから、その膜厚は、１〜１５μｍと定めた。
なお、ダイヤモンド皮膜の成膜は、気相合成法等の既に知られているいかなる方法で行っても良く、その成膜法が特に限定されるものではないが、潤滑膜をダイヤモンド粒子間に十分に充填するために、成膜するダイヤモンド粒子の大きさは、直径１〜３μｍとすることが望ましい。これは、ダイヤモンド粒子径が１μｍ未満では、ダイヤモンド粒子間の凹凸が少ないために潤滑成分の充填が不十分となり、所望の切削性能を得ることができず、また、ダイヤモンド粒子径が３μｍを超えると、ダイヤモンド粒子の脱離に伴う潤滑膜の剥離が発生し、所望の切削性能を得ることができないという理由による。
【０００９】
潤滑膜；
ｈ−ＢＮ、ＭｏＳ２、ＣｒＮこれら自体が潤滑性を有することは良く知られているが、本発明では、上記ダイヤモンド皮膜の上面に、ｈ−ＢＮ、ＭｏＳ２、ＣｒＮのいずれかからなる潤滑膜を形成し、その際同時にダイヤモンド粒子の粒子間隙に、これらの潤滑膜成分を充填する。
潤滑膜は、例えば、ＡＩＰ法、スパッタ法、プラズマＣＶＤ法等によって形成することができる。
【００１０】
潤滑皮膜層；
ダイヤモンド皮膜上面に上記潤滑膜を形成し、同時に、ダイヤモンド粒子間隙に潤滑膜成分を充填した後、ブラストを施し、潤滑膜の表層を一部除去し、ダイヤモンド粒子を表面に露出存在させた潤滑皮膜層を３〜５μｍの膜厚で形成する。
潤滑皮膜層の膜厚が３μｍ未満では、十分な潤滑性能を発揮することはできず、一方、膜厚が５μｍを超えると、長期間の切削加工による膜厚変化のため、寸法精度が低下することから、潤滑皮膜層の膜厚は３〜５μｍと定めた。
また、潤滑皮膜層表面を観察した場合に、ダイヤモンド粒子が露出存在する面積割合は、１５〜５０面積％とすることが必要であり、ダイヤモンド粒子が露出存在する面積割合が１５面積％未満の場合には、潤滑皮膜層の耐摩耗性が不足し、ＣＦＲＰ等の高速切削加工において、工具摩耗による寸法精度の劣化が生じ、一方、ダイヤモンド粒子が露出存在する面積割合が５０面積％を超えると、潤滑皮膜層の潤滑性が不足し、バリ発生等により穴径精度が低下するので、面積割合は、１５〜５０面積％と定めた。
【発明の効果】
【００１１】
この発明のダイヤモンド被覆工具は、ダイヤモンド皮膜層が耐摩耗性を備え、その上に設けられた潤滑皮膜層が潤滑性と耐摩耗性を相兼ね備えるので、これをＣＦＲＰ等の難削材の高速切削に用いた場合にも、加工精度にすぐれ、かつ、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
つぎに、この発明のダイヤモンド被覆工具を実施例により具体的に説明する。
【実施例１】
【００１３】
原料粉末として、平均粒径：５．５μｍを有する中粗粒ＷＣ粉末、同０．８μｍの微粒ＷＣ粉末、同１．３μｍのＴａＣ粉末、同１．２μｍのＮｂＣ粉末、同１．２μｍのＺｒＣ粉末、同２．３μｍのＣｒ３Ｃ２粉末、同１．５μｍのＶＣ粉末、同１．０μｍの（Ｔｉ，Ｗ）Ｃ［質量比で、ＴｉＣ／ＷＣ＝５０／５０］粉末、および同１．８μｍのＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末をそれぞれ表１に示される配合組成に配合し、さらにワックス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、１００ＭＰａの圧力で所定形状の各種の圧粉体にプレス成形し、これらの圧粉体を、６Ｐａの真空雰囲気中、７℃／分の昇温速度で１３７０〜１４７０℃の範囲内の所定の温度に昇温し、この温度に１時間保持後、炉冷の条件で焼結して、直径が８ｍｍ、１３ｍｍ、および２６ｍｍの３種の工具基体形成用丸棒焼結体を形成し、さらに前記の３種の丸棒焼結体から、研削加工にて、表１に示される組合せで、切刃部の直径×長さがそれぞれ６ｍｍ×１３ｍｍ、１０ｍｍ×２２ｍｍ、および２０ｍｍ×４５ｍｍの寸法、並びにいずれもねじれ角４５度の４枚刃スクエア形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体（エンドミル）Ｃ−１〜Ｃ−８をそれぞれ製造した。
【００１４】
ついで、これらの工具基体（エンドミル）Ｃ−１〜Ｃ−８の表面をアセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、
（ａ）まず、金属Ｗフィラメントを内部に備えたダイヤモンド気相合成被覆装置に装入し、
雰囲気圧力：２０  Ｔｏｒｒ、
工具基体温度：８５０  ℃、
反応ガス：ＣＨ３  １容量％、残部：Ｈ２、
ガス流量：０．５  ｌ／ｓｅｃ、
の条件に保持し、
第１段階として、金属Ｗフィラメントを１８５０〜２０５０（℃）×０．２〜４（ｈｒ）保持し、
第２段階として、前記温度から２１００〜２４００（℃）の温度範囲に０．１〜１（ｈｒ）で昇温し、
第３段階として、上記温度範囲で３〜３０（ｈｒ）保持することにより、表    に示される膜厚のダイヤモンド皮膜層を形成し、
（ｂ）ついで、これを、ｈ−ＢＮ、ＭｏＳ２、ＣｒＮのいずれかからなるスパッタリングターゲットを内部に備えるマグネトロンスパッタリング装置に装入し、まず装置内を排気して０．５Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を５００℃に加熱した後、ダイヤモンド皮膜層を形成した工具基体に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加して、スパッタリングターゲット（ｈ−ＢＮ、ＭｏＳ２またはＣｒＮ）にパルス電源から３ｋＷのパルス電力を印加してｈ−ＢＮ、ＭｏＳ２またはＣｒＮをスパッタし、ダイヤモンド皮膜層上面に潤滑膜を形成し、
（ｃ）その後、Ａｌ２Ｏ３砥粒（粒度：２２０〜１５００メッシュ，含有量：１５〜６０ｗｔ％）、投射圧力：０．０８〜０．２４ＭＰａの条件で、潤滑膜表面にブラスト処理を施し、
工具基体の表面に、表２に示される目標膜厚のダイヤモンド皮膜層、また、同じく表２に示されるダイヤモンド露出面積割合および目標膜厚の潤滑皮膜層を形成することにより、本発明ダイヤモンド被覆工具としての本発明ダイヤモンド被覆エンドミル（以下、本発明エンドミルという）１〜８をそれぞれ製造した。
【００１５】
また、比較の目的で、上記の工具基体（エンドミル）Ｃ−１、Ｃ−２、Ｃ−５、Ｃ−６の表面をアセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、上記実施例１と同一の条件で、上記工具基体（エンドミル）の表面に、表３に示される目標膜厚のダイヤモンド皮膜層を形成することにより、比較ダイヤモンド被覆工具としての比較ダイヤモンド被覆エンドミル（以下、比較エンドミルという）１、２、５、６をそれぞれ製造した。
【００１６】
また、さらに比較の目的で、上記の工具基体（エンドミル）Ｃ−３、Ｃ−４、Ｃ−７、Ｃ−８の表面をアセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、上記実施例１と同一の条件で、上記工具基体（エンドミル）の表面に、表３に示される目標膜厚のダイヤモンド皮膜層を形成した後、同じく表３に示される成分系および目標膜厚の硬質皮膜層をアークイオンプレーティングで蒸着形成することにより、ダイヤモンド皮膜層と硬質皮膜層とを被覆した比較ダイヤモンド被覆工具としての比較ダイヤモンド被覆エンドミル（以下、比較エンドミルという）３、４、７、８をそれぞれ製造した。
【００１７】
つぎに、上記本発明エンドミル１〜８および比較エンドミル１〜８のうち、
本発明エンドミル１〜４および比較エンドミル１〜４については、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの、炭素繊維と熱硬化型エポキシ系樹脂が３５層の直交積層構造を持つ炭素繊維強化樹脂複合材（ＣＦＲＰ）の板材、
切削速度：  ２５０  ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：  ７  ｍｍ、
テーブル送り：  １２００  ｍｍ／分、
の条件での上記ＣＦＲＰの乾式高速側面切削加工試験、
本発明エンドミル５〜８および比較エンドミル５〜８については、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：５０ｍｍの、炭素繊維と熱硬化型エポキシ系樹脂が４５層の直交積層構造を持つ炭素繊維強化樹脂複合材（ＣＦＲＰ）の板材、
切削速度：  ３００  ｍ／ｍｉｎ．、
溝深さ（切り込み）：  １５  ｍｍ、
テーブル送り：  ２０００  ｍｍ／分、
の条件での上記ＣＦＲＰの乾式高速側面切削加工試験、
をそれぞれ行い、いずれの切削加工試験でも切刃部の欠損に伴う被削材のムシレが発生するまでの切削溝長を測定した。
これらの測定結果を表２、３にそれぞれ示した。
【００１８】
【表１】
2009090398.tif 000003
【００１９】
【表２】
2009090398.tif 000004
【００２０】
【表３】
2009090398.tif 000005
【実施例２】
【００２１】
上記の実施例１で製造した直径が８ｍｍ（工具基体Ｃ−１〜Ｃ−３形成用）、１３ｍｍ（工具基体Ｃ−４〜Ｃ−６形成用）、および２６ｍｍ（工具基体Ｃ−７、Ｃ−８形成用）の３種の丸棒焼結体を用い、この３種の丸棒焼結体から、研削加工にて、溝形成部の直径×長さがそれぞれ４ｍｍ×１３ｍｍ（工具基体Ｄ−１〜Ｄ−３）、８ｍｍ×２２ｍｍ（工具基体Ｄ−４〜Ｄ−６）、および１６ｍｍ×４５ｍｍ（工具基体Ｄ−７、Ｄ−８）の寸法、並びにいずれもねじれ角３０度の２枚刃形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−８をそれぞれ製造した。
【００２２】
ついで、これらの工具基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−８の切刃に、ホーニングを施し、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した後、上記実施例１と同一の条件で、工具基体（ドリル）Ｄ−１〜Ｄ−８の表面に、表４に示される目標膜厚のダイヤモンド皮膜層、また、同じく表４に示されるダイヤモンド露出面積割合および目標膜厚の潤滑皮膜層を形成することにより、本発明ダイヤモンド被覆工具としての本発明ダイヤモンド被覆ドリル（以下、本発明ドリルという）１〜８をそれぞれ製造した。
【００２３】
また、比較の目的で、上記の工具基体（ドリル）Ｄ−１、Ｄ−２、Ｄ−５、Ｄ−６の表面に、ホーニングを施し、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した後、上記実施例１と同一の条件で、上記工具基体（ドリル）の表面に、表５に示される目標膜厚のダイヤモンド皮膜層を形成することにより、比較ダイヤモンド被覆工具としての比較ダイヤモンド被覆ドリル（以下、比較ドリルという）１、２、５、６をそれぞれ製造した。
【００２４】
また、さらに比較の目的で、上記の工具基体（ドリル）Ｄ−３、Ｄ−４、Ｄ−７、Ｄ−８の表面をアセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、上記実施例１と同一の条件で、上記工具基体（ドリル）の表面に、表５に示される目標膜厚のダイヤモンド皮膜層を形成した後、同じく表５に示される成分系および目標膜厚の硬質皮膜層をアークイオンプレーティングで蒸着形成することにより、ダイヤモンド皮膜層と硬質皮膜層とを被覆した比較ダイヤモンド被覆工具としての比較ダイヤモンド被覆ドリル（以下、比較ドリルという）３、４、７、８をそれぞれ製造した。
【００２５】
つぎに、上記本発明ドリル１〜８および比較ドリル１〜８のうち、
本発明ドリル１〜４および比較ドリル１〜４については、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：１０ｍｍの、炭素繊維と熱硬化型エポキシ系樹脂が３５層の直交積層構造を持つ炭素繊維強化樹脂複合材（ＣＦＲＰ）の板材、
切削速度：  １００  ｍ／ｍｉｎ．、
送り：  ０．０５  ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：  １０  ｍｍ、
の条件での上記ＣＦＲＰの乾式高速穴あけ切削加工試験、
本発明ドリル５〜８および比較ドリル５〜８については、
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：１５ｍｍの、炭素繊維と熱硬化型エポキシ系樹脂が４５層の直交積層構造を持つ炭素繊維強化樹脂複合材（ＣＦＲＰ）の板材、
切削速度：  １６０  ｍ／ｍｉｎ．、
送り：  ０．１  ｍｍ／ｒｅｖ、
穴深さ：  １５  ｍｍ、
の条件での上記ＣＦＲＰの乾式高速穴あけ切削加工試験、
をそれぞれ行い、いずれの乾式高速穴あけ切削加工試験でも、加工穴寸法精度が０．０４ｍｍを超えるまでの穴あけ加工数を測定した。
この測定結果を表４、５にそれぞれ示した。
【００２６】
【表４】
2009090398.tif 000006
【００２７】
【表５】
2009090398.tif 000007
【００２８】
表２〜５に示される結果から、本発明ダイヤモンド被覆工具としての本発明エンドミル１〜８および本発明ドリル１〜８は、ダイヤモンド皮膜層上に、さらに、面積割合で１５〜５０％のダイヤモンドが露出存在する潤滑皮膜層が設けられているので、ＣＦＲＰ等の難削材の高速切削加工においても、仕上げ面精度、寸法精度に優れ、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、ダイヤモンド皮膜層のみが被覆された比較ダイヤモンド被覆工具としての比較エンドミル１、２、５、６および比較ドリル１、２、５、６においては、耐摩耗性については本発明ダイヤモンド被覆工具と同等の特性を示すものの、仕上げ面精度は非常に劣るものであり、また、ダイヤモンド皮膜層と硬質皮膜層とが被覆された比較エンドミル３、４、７、８および比較ドリル３、４、７、８においては、仕上げ面精度については本発明ダイヤモンド被覆工具と同等の特性を示すものの、寸法精度および耐摩耗性は非常に劣るものであった。
【００２９】
上述のように、この発明のダイヤモンド被覆工具は、非鉄材料の通常条件での切削加工は勿論のこと、金属材料よりも比強度、比剛性の高いＣＦＲＰの高速切削においても、すぐれた潤滑性と耐摩耗性を発揮し、長期の使用に亘ってすぐれた加工精度（仕上げ面精度、寸法精度）を維持するものであるから、切削加工装置のＦＡ化、並びに切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に十分満足に対応できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】（ａ）は、この発明のダイヤモンド被覆工具の側断面を示す概略図であり、（ｂ）は、その表面にダイヤモンドが露出存在するこの発明のダイヤモンド被覆工具の潤滑皮膜層の上面模式図である。
【図１】
2009090398.tif 000008