NACHITECHNICALREPORT
Machining

20A2

Vol.

March/2010■ 寄稿・論文・報文・解説

マシニング事業「ダイヤモンドコーティングの塑性加工への適用」
Application of CVD Diamond Films to Press Forming Tools〈キーワード〉

ダイヤモンドコーティング・ドライ・表面粗さ・摩擦特性・絞り加工・アルミニウム・ＳＵＳ304

機械工具事業部／工具技術部／コーティング

高 野 茂 人 Shigeto TAKANO
東京都立産業技術研究センター／開発本部／開発第二部
先端加工グループ 副主任研究員

玉 置 賢 次 Kenji TAMAOKI
福井工業大学／工学部／機械工学科教授

神 田 一 隆 Kazutaka KANDA

湘南工科大学／コンピュータデザイン学科教授

片 岡 征 二 Seiji KATAOKA

「ダイヤモンドコーティングの塑性加工への適用」

要旨

1.ダイヤモンドコーティング

世界的な地球環境保護の観点から、塑性加工を工具の適用拡大に向けて行なう現場でも環境負荷の少ない潤滑技術へのニー

ダイヤモンドは現存する物質の中で最高の硬度をズが高まっている。プレス加工におけるドライ化もその持つことから、理想的な非鉄材料加工用の薄膜材一例といえよう。ダイヤモンド膜は機械的特性、化学料として切削工具への適用が図られてきた。この特ドライプレス加工を推しすすめるにあ的特性に優れ、これまで、放電加工用電極に用いら徴を活かして、たって最適な物質である。ダイヤモンドコーティングのれるグラファイトなどのように工具摩耗の早い材料の塑性加工への適用可能性を探るため、摩擦特性、あるいは、高シリコンアルミニウム合金のように加工、限界絞り比に関する調査を行なったのち、
アルミニマトリクス中に硬質材料を含む難削材の加工に威ウム合金、冷間圧延鋼板、およびステンレス鋼の連力を発揮してきた。また、最近では航空機産業で普ダイヤモンドコー
続絞り加工試験を実施した。その結果、及がすすんでいるカーボン繊維強化プラスチック

ドライ環境という厳しい条件ティングを施した金型は、（CFRP）の加工にも多用されはじめている。のもと、いずれも優れた性能を示した。

ダイヤ
一方、塑性加工の分野に目を向けてみると、モンドコーティング工具の普及は、切削加工分野にし比べてほとんどと言っていいほど進んでいない。

Abstract
As the worldwide awareness on protection of
the global environment has been increasing, thedemand for a lubrication technology with lower
environmental load is becoming high in plasticforming. One solution to this is dry press. A diamond film is excellent in mechanical and chemical characteristics and the optimal substance fordry press. To find out the applicability of diamond coating for plastic forming, the friction
characteristics and limited drawing ratio are investigated. Then, progressive drawing tests wereconducted on aluminum alloy, cold-rolled steel
plate and stainless steel. The results indicatedthat all dies coated with diamond films showed
excellent performances under the severe, dry environment.

1

かし、近年の地球環境保護の観点から塑性加工の分野においても、加工時に用いられる潤滑剤や洗浄時に排出される廃液が問題となってきている。ダイヤモンドの高硬度かつ耐摩耗性に優れる特徴に加え、ドライ環境下での化学的に安定な性質を活かせば、プレス加工

1）2）が可能になり、塑性加工分野へのダイヤモンドコーティングの適用が期待される。
アルミニウム合金、圧延鋼板、およびステ
そこで、ンレス鋼を被加工材料とし、CVDダイヤモンド膜との摩擦特性およびダイヤモンドコーティング金型によるダイヤモ限界絞り比について調査を行なうとともに、ンドコーティング金型を用いてドライ絞り加工を行ない、その適用可能性を調査した。

2.CVDダイヤモンドの表面粗さと摩擦特性
1）ダイヤモンド膜の表面粗さの改善試験開始直後から4種類のディスクで摩擦係数に現状、気相合成（CVD）法で合成されるダイヤモン5μmRz）のもので0．
4前後違いがみられ、未研磨（1．

そのままでは平滑
ドは多結晶体で表面粗さが悪く、と、非常に高い値を示した。研磨を施した表面粗さ0．

な表面が要求される金型には適用できない。ダイヤ5μmRzでは0．
05、表8μmRzでは0．
15、表面粗さ0．

モンド膜の表面粗さを向上させる手段としては、砥石

07μmRzでは0．
04程度と表面粗さを小さく面粗さ0．

を用いて機械的な研磨を施す方法が一般的であるが、すればするほど摩擦係数が低くなり、また摩擦係数CVDダイヤモンド膜の成膜時に原料ガス中の炭素原の振れ幅も小さく安定化する傾向がみられた。また、

子数比（具体的には水素に対する炭化水素ガスのそれぞれの表面粗さと摩擦係数について詳しくみ3）を変化させる方法でも解決できる 。
濃度）

5μmRzから0．
5μmRzまでは研てみると、表面粗さ1．

メタン濃度を変化今回、試験を開始するにあたり、5μ磨することで劇的に摩擦係数が低下するが、0．

させて合成したダイヤモンド膜を作成したが、表面粗mRzから0．
07μmRzの間では摩擦係数の差は極め3というさは0．
6μmRzであったものの、摩擦係数は0．て小さいことがわかる。つまりこれは、0．
5μmRzまで通常のメタン濃度で作製したものと同程度の高い値07μmRz）まで研磨した研磨することで鏡面状態（0．

を示した。そこで本研究では、粒度6μmのダイヤモン時とほぼ同等の摩擦係数が得られることを示していドパッドと仕上げ用の粒度1μmのダイヤモンドペーストる。この結果から、DVDダイヤモンド膜を金型に適用を用いて機械的な研磨でダイヤモンド膜表面を平滑する際にどの程度の研磨面が必要かという点につ化した。

いて重要な指針が得られた。

したがってダイヤモンド膜の合成は、熱フィラメント法により代表的な合成条件であるメタン／水素比1％Disk

ガス圧30Torr、基板温度を600〜900℃のを採用し、Diamond film

条件で行ない、膜厚は約10μmとした。
なお、金 型 材として一 般 的に用いられ ている

Ball

SKD11などの鉄鋼材料は、ダイヤモンドとの密着度Toolingの点で相性が悪いため、ダイヤモンドコーティングの（a）Equipment

基材には切削工具で実績のある超硬合金を使用した。

R152）ボールオンディスク試験機による
4）
摩擦摩耗試験

（b）Cross section

CVDダイヤモンド膜の表面粗さと摩擦特性の関

図1

摩擦験概略図係を調査するため、図1に示す摩擦試験機を用いて摩擦摩耗試験を行なった。本機では、固定した3つ0.5のボールと回転するディスクの摩擦面に垂直荷重を動速度31mm／s、摺動距離50mとし、大気中にて無潤滑条件で行なった。また、相手材にはφ6mmのSUS304ボールを使用した。
8μmRz、0．
図2は、CVDダイヤモンド膜の表面を0．
5μmRz、0．
07μmRzまで段階的に研磨したもの、お5μmRzの計4種類の試料をよび研磨を施さない1．
用いて、表面粗さによって摩擦特性がどのように変0.4Friction coefficient

負荷することができる。試験は、垂直荷重100N、摺1.5μmRz

0.30.8μmRz
0.20.5μmRz

0.10010200.07μmRz
304050Sliding distance m

図2 ダイヤモンド膜の表面粗さによる摩擦係数の違い（相手材：SUS304）わるかを示したものである。

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20A22

「ダイヤモンドコーティングの塑性加工への適用」

3. 限界絞り比測定4）

金型加工の中でも、とくに絞り加工を行なう際にに表面粗さ0．
5μmRzまで研磨仕上したものを用いはどれほどの深絞りが可能なのかが問題となる。仮に、れば、SKD11工具の油潤滑下での値と同様、限界ドライ環境下でダイヤモンドコーティングを施した金型0を超える良好な絞り性が得られた。
絞り比2．

が有効となっても、絞り性が良くなければ、適用範囲は限られたものとなってしまうであろう。

図5〜7は、限界絞り時の成形品表面性状である。
図5は純アルミニウム板、図6は冷間圧延鋼板、図7

ここでは、ダイヤモンドコーティング金型の絞り性をはステンレス鋼板のものであり、各写真の左上に表測定するため、100kN絞り加工試験機を用いて限（b）SKD11のドライ加工を面粗さが記載してある。

界絞り比の評価を行なった。本実験に用いた金型除いて、いずれの被加工材においても表面粗さはの概略図を図3に示すが、ダイス（図中⑦）にダイヤドライおおむね3μmRz前後の値となった。すなわち、モンドコーティングした超硬合金を使用し、パンチ（同環境下でダイヤモンドダイスを用いても、油潤滑下でにはSKD11を用いた構成となっ①）
しわ抑え（同②）のSKD11ダイスと同等の成形品表面粗さを得ることている。

（ a）SKD11の油潤滑（c）
ダイヤモンができた。ただ、また、被加工材としては純アルミニウム板A1100P5μmRz）のドライ（d）
ダイヤモンドの研ドの未研磨（1．

ステンレス鋼板SUS304−O、冷間圧延鋼板SPCC、磨（0．
5μmRz）のドライによる表面性状を比較するとの3種類を準備し、評価を行なった。板厚はいずれ5μmRz）のドライでの（c）のダイヤモンドの未研磨（1．

6mmである。
も0．

縦方向の細かい傷が目立つ。これは、ダイヤモンド

図4に限界絞り比（L.D.R.）の測定結果を示す。

膜の結晶の凹凸によるものとみられるが、表面粗さ従来の工具であるSKD11をダイスとして用いた場合、に大きな違いはなくとも成形品の表面性状に悪影

油潤滑下では全ての被加工材において限界絞り響をおよぼすことが確認され、やはり研磨が必要不0以上という高い値を示すが、アセトン中で超音比2．

可欠であることが示された。

波洗浄をし、完全脱脂状態（ドライ）とした被加工材

以上の限界絞り比測定結果から、
ダイヤモンドをコー5〜1．
8程度まで低下してしまう。これにを用いると1．

ティングしたダイス、とくに表面粗さを0.5μmRzまで研対して、ダイヤモンドコーティングダイスを用いた場合、磨したものによるドライ絞り加工は、従来の加工であドライ環境下においても、コーティング後に研磨を施さるSKD11工具による油潤滑絞り加工と同程度の限5μmRz）で1．
9前後を示し、さらないもの（表面粗さ1．

界絞り比および表面性状が得られることを確認した。

②③④⑤①Punch②Blank holder③Polyethylene Film
④Ring for placement⑤Blank⑥Diamond Film
⑦Die

⑥

2.4
2.2
2.0

L.D.R.

①

SKD11 die with lubricant
SKD11 die in dry
Diamond coated die（1.5μmRz）in dry
Diamond coated die（0.5μmRz）in dry

1.8
1.6
1.4⑦

1.2

A1100P-OSPCCSheet metal

図33

絞り性評価用金型概略図

図4

限界絞り比測定結果

SUS304

2.42μmRz

2.53μmRz

100μm（a）SKD11 die with lubricant

3.75μmRz

100μm（b）SKD11 die in dry

3.25μmRz

100μm（c）Diamond coated die（1.5μmRz）in dry

図5100μm（d）Diamond coated die（0.5μmRz）in dry

限界絞り時の成形品表面写真（純アルミニウム板）

2.80μmRz

7.06μmRz

100μm（a）SKD11 die with lubricant

3.38μmRz

100μm（b）SKD11 die in dry

3.04μmRz

100μm（c）Diamond coated die（1.5μmRz）in dry

図6100μm（d）Diamond coated die（0.5μmRz）in dry

限界絞り時の成形品表面写真（冷間圧延鋼板）

3.50μmRz

4.88μmRz

100μm（a）SKD11 die with lubricant

3.51μmRz（c）Diamond coated die（1.5μmRz）in dry

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20A2（b）SKD11 die in dry

3.35μmRz

100μm

図7100μm

100μm（d）Diamond coated die（0.5μmRz）in dry

限界絞り時の成形品表面写真（ステンレス鋼板）
4

「ダイヤモンドコーティングの塑性加工への適用」

4.ダイヤモンドコーティング金型によるドライ絞り加工
1）アルミニウムの連続絞り加工

4）

図10は、1万回加工後のダイヤモンドコーティング切削加工でのダイヤモンドコーティング工具の対金型および10回加工後の超硬金型の外観写真で象ワークは非鉄系材料であり、もっとも代表的なのあるが、焼き付きを起こした超硬金型の方は、金型のはアルミニウムである。ダイヤモンドコーティングを金肩半径部分に広範囲にわたって被加工材のアルミその被加工材としては、まず型に適用するにあたり、ニウムが凝着していることが確認できた。これに対し切削加工分野でドライ加工の実績のあるアルミニウて、ダイヤモンドコーティング金型は1万回加工後にもムについて検討した。

かかわらず、被加工材のアルミニウムの凝着等も観図8に連続絞り金型の概略図を示す。金型は抜察されず、加工前の状態とほとんど変わらなかった。

き絞り方式で、金型条件はダイス内径26．
8mm、ダイ以上のことから、アルミニウムのドライ絞り加工におス肩半径3mm、パンチ直径25mm、パンチ肩半径いてダイヤモンド膜には十分な耐焼付き性、および7である。ダイヤモンド膜は超硬3mmとし、絞り比は1．

十分な耐久性があることが示されたといえよう。

合金製のダイス①およびしわ抑え③にコーティングし、46μmRzに仕上げた。加工機
研磨により表面粗さ0．には、100kNサーボプレス機を用いた。
図9は板厚0．
6mmの純アルミニウム板A1050P−Oを被加工材として連続ドライ絞り加工を行なった際の成形品表面粗さの推移である。表面粗さを0．
46μmRzまで研磨したダイヤモンドコーティング金型
0μmRz程度でを用いて成形したものは、表面粗さ2．
コーティングを施さない超硬合金工具を用いたして、3μmRzと低い値であったが、場合は、加工初品は2．
加工回数の増加に伴って表面粗さの値が上昇し、10回目には4．
9μmRzと高い値を示し、成形品はダイスに焼き付いてしまった。

6Surface roughness Rz μm

1万回まで安定して加工することができた。これに対Diamond coated die（0.46μmRz）in dry
Cemented carbide die（0.15μmRz）in dry

54321
00

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

Number of deep drawing cup

図9 アルミニウム連続絞り加工時の成形品表面粗さの推移①④⑥⑤①Die②Punch③Blank Holder④Backing Punch⑤Diamond Film
⑥Blank②Adhesion③（a）Diamond coated die
after 10,000 times

図８ 連続絞り加工用金型概略図

5（b）Cemented carbide die
after 10 times

図10 アルミニウム連続絞り加工後の金型外観写真

2）SUS304の連続絞り加工

5）

いてドライで加工した結果も併せて示しているが、油ダイヤモンドコーティングを鉄切削分野では通常、0μmRz
潤滑の無い状態では加工回数12回目で4．

系材料の加工に適用しようとはしない。加工時の温まで表面粗さが低下してしまい、加工を中止した。

度上昇によりダイヤモンド、すなわち炭素が鉄に溶けこれに対して、ダイヤモンドコーティング金型を用いダイヤモンドが持つ高い硬度や耐摩耗性てしまい、たドライ絞り加工では、図12に示したように、加工回など本来の特性を活かせないからである。

5μmRzとほぼ一定に推移し、数1万回まで表面粗さ2．

しかし、絞り加工の場合、切削加工ほどの温度上かつ油潤滑条件下で超硬金型を用いて成形したも昇はないと見込まれるため、被加工材が鉄系材料のよりもばらつきの小さい加工結果が得られた。その場合でもダイヤモンドコーティング金型が適用できれぞれの加工試験における最終段階での成形品る可能性がある。そこで、今度は被加工材を板厚0．

外観写真および顕微鏡写真は図13のとおりである。

3mmのSUS304に変えてアルミニウムと同様の連続

図14は超硬金型（絞りダイス）の加工前と12回ドライ絞り加工後の外観写真であるが、R部に凝着と絞り加工を行なった。
3mmと薄くなっているため、金SUS304板厚が0．

思われる縦筋が複数確認された。一方、図15に示型条件のうちパンチ直径を25．
9mmに変更し、絞りすダイヤモンド金型の加工前と加工後の外観写真

比は1.64となっているが、その他の試験条件についでは、1万回加工後にもかかわらず、ダイヤモンド膜てはアルミニウムの場合と同様である。の剥離およびダイヤモンド膜へのステンレスの凝着

まず、従来の成形法である超硬金型に潤滑剤を塗布して加工した場合の成形品表面粗さの推移をはまったくみられず、加工前とほとんど変わらない状態である。

図11に示す。このときの、成形品表面粗さは0．
3μm以上より、被加工材がステンレス鋼板であってもダ程度でほぼ一定であり、加工回数500回まで安定なイヤモンド膜の耐久性、耐摩耗性は十分なレベルに加工が可能であった。図11には同じ超硬金型を用あることが示された。

32100100200300400500

Number of deep drawn cup

図11

超硬金型によるSUS304連続絞り加工時の成形品表面粗さの推移

Surface roughness μmRz

5432
100

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

Number of deep drawn cup

図12 ダイヤモンドコーティング金型による
SUS304連続絞り加工時の成形品表面粗さの推移

NACHI TECHNICAL REPORTVol.

20A2Diamond coated die in dry（cup 10,000）

4MicrographSurface roughness：2.48μmRz

Cemented carbide die in dry（cup 12）

Surface roughness μmRz

5PhotographSurface roughness：3.91μmRz

Cemented carbide die with lubricant（cup 500）

Cemented carbide die in lubricant
Cemented carbide die in dry

Surface roughness：3.05μmRz

図13成形品外観写真および顕微鏡写真

610mm（a）Before

図14Adhesion

10mm（b）After（a）Before

SUS304連続絞り加工前後の金型外観写真（超硬金型）

図15（b）After

SUS304連続絞り加工前後の金型外観写真（ダイヤモンドコーティング金型）

5.ダイヤモンドコーティングのさらなる発展をめざして
ダイヤモンドコーティングの新たな用途展開として、工の分野で非鉄系材料の加工に限定されていたダ塑性加工分野への適用について検討した。ダイヤ

イヤモンドコーティングの用途や適用範囲が、塑性加モンドコーティングを用いる最大のメリットは、無潤滑工の分野で一気に広がる可能性が出てきたといえすなわちドライ環境下でプレス加工が可能となる点よう。

であるが、今回の実験により、連続絞り加工のようなダ今後のダイヤモンド金型の本格的な普及には、厳しい環境下でも、十分な耐久性、耐摩耗性、耐焼イヤモンド膜の成膜域の拡大や効率的な研磨方法付き性があることを確認できた。の確立など残された技術的課題はまだ多い。これら

とくに今回、鉄系材料であるSUSのドライ絞り加工ドライプレス化の課題をひとつひとつ解決しながら、においてもダイヤモンドコーティング金型の効果が認への道を開拓し、少しでも環境負荷の低減に寄与められたことは大きな収穫である。これまで、切削加できるよう努めていく所存である。

参考文献
1）片岡征二：トライボロジスト、46（7）、P.509〜515（2001）
2）片岡征二：塑性と加工、43（492）、P.3〜10（2002）
3）高野茂人・河上登：不二越技報、157（2）、P.9〜16（2002）
4）玉置賢次・片岡征二・神田一隆・高野茂人：材料試験技術、
53（4）、P.247〜253（2008）
5）玉置賢次・片岡征二・神田一隆・高野茂人・寺西義一：材料試験技術、54（4）、P.227〜231（2009）

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Vol.20A2 March / 2010〈発行〉 2010年3月1日
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