あいち産業科学技術総合センター

研究報告2017

研究論文

パルスレーザ照射により改質された材料表面の解析
中 西 裕 紀 ＊ 1、 野 本 豊 和 ＊ 1、 加 藤 一 徳 ＊ 2、 河 田 圭 一 ＊ 3

Analysis of Material Surface Modification Induced by Pulsed Laser
Irradiation
Yuuki NAKANISHI *1 , Toyokazu NOMOTO *1 ,Kazunori KATO *2 and Keiichi KAWATA *3
Research Support Department *1 *2 Industrial Research Center *3
ダイヤモンドコーティング切削工具は表面をレーザ処理することにより、その加工性能が向上するといわれているが、レーザ加工部は微小領域であるため、その分析には困難な面があった。今回シンクロトロン光を用いた測定を行い、レーザ処理の有用性を評価した。その結果、レーザ処理によるダイヤモンドコーティング層の結晶性や化学状態の違いが分析できたととも に、表面微小領域の分析において、シンクロトロン光を用いた測定が有益な分析手段であることがわかった。

１．はじめにト 秒 レ ー ザ (IMRA AMERICA 社 製 FCPA μ Jewel

市販されているダイヤモンドコーティング切削工具

D-1000)による表面改質処理した試料(試料 1)とナノ秒は高硬度、高熱伝導率、高安定性といったダイヤモンドレーザ(Spectra-Physics 社製 Explorer)による切削加工の特性を持ちながら、近年の化学気相成長(CVD)法によ処理した試料(試料 2)を分析対象とした(図１)。また切削る合成の発達により、安価に製作が可能となったため、加工処理の概念図とレーザ処理部の SEM 画像を図２にその利用の拡大が進んでいる。最近の研究

1)

により、そ示す。
表1の工具のダイヤモンドコーティング層にレーザ処理する発信波ことで、工具の加工性能が向上することがわかってきたが、その性能が向上する機構についてはわかっていない。
そこで本研究では、レーザ処理することが切削工具のパルスレーザ照射処理条件

フェムト秒レーザナノ秒レーザ

パルス幅

出力

周波数

1045nm 700fs

400mW 100kHz

349nm

90mW

5ns

1kHz

ダイヤモンドコーティング層にどのような影響を与えているのかを明らかにすることを目的とした。具体的には、①表面改質を目的としたフェムト秒レーザ処理した試料と②コーティング部の刃先の丸みを鋭利にする加工を目的としたナノ秒レーザ処理した試料を用意し、①では表(■：レーザ照射部)

面改質によりダイヤモンドコーティング層にどのような化学変化が起きているかを、②では切削加工がダイヤモンドコーティング層に悪影響を及ぼしていないのかを高

図１

ダイヤモンドコーティング切削工具(左：フェムト秒レーザ処理

右：ナノ秒レーザ処理)

度計測機器(ラマン分光測定装置及び X 線回折装置)やシレーザ処理部

ンクロトロン光を用いて分析した。

２．実験方法
2.1 分析試料
約 20μm 厚のダイヤモンドがコーティングされた切削工具(母材 WC-Co：タングステンカーバイド)のダイヤ

図２

ナノ秒レーザによる切削加工概念図(左)とモンドコーティング層に表１で示す照射条件でフェムレーザ処理部の SEM 画像(右)1 共同研究支援部 シンクロトロン光活用推進室術センター） *3 産業技術センター

シンクロトロン光活用推進室（現 尾張繊維技＊

2 共同研究支援部＊


2.2 測定手法

結晶性についても、レーザ処理した箇所が微小域であ当センターの実験室装置による試料の測定は、化学状るため、回折信号強度が弱く、その結晶性を評価するこ態を分析できるラマン分光測定装置 (日本分光社製とはできず、実験室装置では解析するには不十分な結果

NRS-5100)及 び 、 結 晶 性 を分 析 で きる X 線 回 折装 置(Rigaku 社製 Smart-Lab)を使用した。
またシンクロトロン光を用いた測定では、化学状態の分析には、あいちシンクロトロン光センター (以下、あいち SR)の真空紫外分光 (BL7U)を使用し、炭素の K 吸収端の領域において X 線吸収分光測定 (XAS)を行った。
結晶性の分析には、あいち SR の薄膜Ｘ線回折 (BL8S1)を使用し、波長 1.353Åで X 線回折測定 (XRD)を行った。
なお、測定箇所は各試料のレーザ照射部分と未照射部であった。
シンクロトロン光を用いた測定において、あいち SRの BL7U では、XAS による試料 1 の化学状態を評価した。その結果を図５に示す。図５の~285 eV、~292.5 eV付近に観測されるピークは、それぞれ炭素の反結合π*軌道と反結合σ*軌道に起因するピークであり、287eV付近に観測されるピークは、C-O の化学状態に起因するピークである。レーザ照射前後で比較すると、酸化された部分が減少し、ダイヤモンドの結合であるσ*結合が増とした。

えていることがわかる。このことから、フェムト秒レー３．実験結果及び考察

ザを照射することにより、表面の酸化物が除去されたこ

3.1 フェムト秒レーザ処理サンプルの分析とや、表面に存在している炭素の一部がダイヤモンド構

実験室装置で試料 1 の化学状態を測定した結果を図３

造に改質されたことが示唆され、その変化を実験室装置に、結晶性を測定した結果を図４に示す。図３の 1330

よりも明瞭に捉えることができた。また図５に○印で示

cm-1 付 近 に 現 れ る ピ ー ク は ダ イ ヤ モ ン ド の ピ ー ク

す立ち上がりは、ダイヤモンド特有なものでもあること(D-Peak)を示し、そのピーク強度が増加していることかからも表層部がダイヤモンド構造に改質されたことが示

ら、炭素の一部がダイヤモンド構造へと改質された可能唆される。

性を示す結果となったが、全体的にバックグラウンドが高いため、その変化を明瞭に捉えることはできなかった。

未照射部

規格化強度

強度(cps)

照射部

未照射部

照

射

ラマンシフト（cm-1）

図３

ラマン分光装置による試料 1 の化学状態測定結果

光エネルギー(eV)
図５

シンクロトロン光 XAS による試料 1 の化学状態測定結果

強度(cps)BL8S1 では XRD 測定を行い、試料 1 の結晶性を評価した。その結果を図６に示す。図６に示す 2θ/θ 測定法では、X 線の侵入が深くなるため、およそ 20μｍ厚といわれるダイヤモンドコーティング層を超えて、母材(WC-Co)の回折ピークが検出された。本測定結果では、回折角度 2θ（deg）

図４

X 線回折装置による試料 1 の結晶性測定結果

母材に含まれている Co のピークと目的であるダイヤモンドのピークが重なり、分離できないため、本測定法ではダイヤモンドの結晶性を評価することはできなかった。

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研究報告2017
照射部

強度(cps)

強度(cps)面指数(111)

回折角度 2θ（deg）

図６

未照射部

回折角度 2θ（deg）

シンクロトロン光 XRD による試料 1 の

図８

試料 1 の結晶性測定結果の拡大図(斜入射測定法)

結晶性測定結果(2θ/θ測定法)
そこで、より表層の情報だけを取り出すために入射角

表２を 0.2 deg と浅い角度で固定した斜入射測定法を行った。

試料 1 の照射、未照射積分強度比

その結果を図７に示す。2θ/θ 測定法で検出された母材C の面指数(111)(220)(311)のピークが斜入射測定法では見られないことから、この積分強度比(照射/未照射)

1.25

1.2

1.21

方法であれば表面コーティング層のみの結晶情報が得られることがわかった。斜入射測定法によるダイヤモンドピークの中から、面指数(111)のピークを拡大した図を図3.2 ナノ秒レーザ処理サンプルの分析８に示す。レーザ照射部と未照射部の結果を比較すると、次に試料 2 について、XAS による化学状態を測定した

レーザ照射部の方がダイヤモンドのピーク強度が増加し結果を図９に示す。レーザ照射部と未照射部で比較するていることから、コーティング層のダイヤモンドの結晶と、表面酸化された部分の減少が見られたが、図９に○性が高まっていると考えられる。ダイヤモンドの各ピー

印で示すようにダイヤモンドの結合であるσ*結合に変クについて、照射/未照射の積分強度の計算(表２)から、化は見られなった。

その割合は 2 割程度増加していると考えられる。
これらの実験結果から、フェムト秒レーザ処理による工具性能の向上は、CVD で作製されたダイヤモンドコー

このことからナノ秒レーザの照射では、表面の酸化物は除去されるものの、フェムト秒レーザで起きたような表面改質が起きていないと考えられる。

ティングに多く含まれているといわれる非晶質炭素の一部が結晶性になったことに起因している可能性が示唆された。

未照射部
規格化強度

照射部
照射部

強度(cps)面指数(111)

未照射部
面指数(220)

面指数(311)

光エネルギー
回折角度 2θ（deg）

図７

シンクロトロン光 XRD による試料 1 の結晶性測定結果(斜入射測定法)

図９

シンクロトロン光 XAS による試料 2 の化学状態測定結果


試料 2 の結晶性を XRD の斜入射測定法により測定した結果を図１０に、ダイヤモンドの面指数(111)のピークの拡大図を図１１に示す。これらの測定結果やダイヤモンドの各ピークの積分強度の比較(表３)からわかるとお表３

試料 2 の照射、未照射の積分強度比

C の面指数

(111)

(220)

(311)

積分強度比
(照射/未照射)1.06

1.020.9

り、ダイヤモンドピーク積分強度に変化はなく、コーティング層のダイヤモンドの結晶性は変わっていないこと

４．結びが伺える。
加工を目的としたナノ秒レーザによる照射では、照射表面が酸化や炭化する恐れがあったが、これらの実験結果から、表面の化学状態を変質することなく、刃先の丸みを鋭利にする加工が行えることが確認された。

(1)フェムト秒レーザ処理による工具性能の向上はダイ
ヤモンドコーティング層にある非晶質炭素の一部が結晶性に表面改質されたことに起因している可能性が示唆された。

(×1000)(2)ナノ秒レーザによる切削加工は表面の化学状態や結8

未照射部

照射部
強度(cps)

本研究の結果をまとめると以下のとおりである。

晶性を変えることなく切削加工が行えことが確認された。

面指数(220)4
面指数(111)

面指数(311)(3)微小域(面積・厚さ)の測定にシンクロトロン光が有益な分析手段であることがわかった。

謝辞
0

本研究を遂行するにあたり、本研究に使用したフェム

図１０

回折角度 2θ（deg）

ト秒レーザ処理した試料をご提供いただいた名古屋工業

シンクロトロン光 XRD による試料 2 の大学の糸魚川先生、井上様、XAS 測定、XRD 測定でサ結晶性測定結果(斜入射測定法)

ポートいただいたあいちシンクロトロン光センターの仲

4(×1000)

武様、山本様、酒井様、また、顕微ラマン分光でご協力いただいた山田様、村松様に厚くお礼申し上げます。

照射部
未照射部

強度(cps)6文献41）井上京士，糸魚川文広，小野信吾，中村隆：名古屋

面指数(111)

工業大学 2016 年度精密工学会秋季大会学術講演会

２

CD-ROM 論文集，629-630(2016)

038

40

回折角度 2θ（deg）

図１１

試料 2 の結晶性測定結果拡大図(斜入射測定法)