JP2011121142A - ダイヤモンド被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＦＲＰあるいはＡｌ合金等の難削材の高速切削加工において、すぐれた耐摩耗性を長期にわたって発揮するダイヤモンド被覆切削工具を提供する。
【解決手段】 ＷＣと少なくともＣｏを含有するＷＣ基超硬合金からなる工具基体の表面に、１〜１５μｍの膜厚のダイヤモンド皮膜が被覆されたダイヤモンド被覆切削工具において、工具基体の表面からダイヤモンド皮膜の表面にまで、幅５〜２００μｍのグラファイト相が膜厚方向に形成され、好ましくは、ダイヤモンド皮膜表面で５０〜３００μｍのピッチで格子状に形成されてダイヤモンド被覆切削工具。
【選択図】 図１

Description

この発明は、炭化タングステン（ＷＣ）基超硬合金で構成された工具基体（以下、単に工具基体という）の表面に、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、すぐれた耐摩耗性を長期の使用に亘って発揮することが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。

従来、工具基体の表面に、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いるが、従来のダイヤモンド被覆工具においては、ダイヤモンドを成膜した際に、成膜後の冷却過程で工具基体とダイヤモンド皮膜の熱膨張係数の差に起因して、ダイヤモンド皮膜に大きな圧縮残留応力が発生し、そのため工具基体に対するダイヤモンド皮膜の付着強度が十分でないという問題があった。特に、ダイヤモンド皮膜が薄い場合には、この残留応力によってダイヤモンド皮膜が破壊し、剥離を生じるという問題点があった。
この問題を解決するため、例えば、特許文献１に示されるように、成膜後のダイヤモンド皮膜に対してレーザー加工を施し、ダイヤモンド皮膜に溝を形成し、皮膜内の圧縮残留応力を低減させて、ダイヤモンド皮膜の剥離を防止するという提案がなされている。
また、例えば特許文献２に示されるように、工具基体表面にＳｉＣ薄膜を形成し、核発生密度を高めることにより、この上に成膜するダイヤモンド皮膜の工具基体への密着性を向上させる提案もされている。

特開平１０−３３７６０２号公報 特開昭６３−１９９８７０号公報

近年の切削装置のＦＡ化はめざましく、かつ切削加工の省力化に対する要求も強く、これに伴い、ダイヤモンド被覆工具による切削加工は高速化する傾向にあるが、上記の従来ダイヤモンド被覆工具においては、通常の条件での連続切削や断続切削ではすぐれた切削性能を発揮するが、金属材料より比強度、比剛性の高いＣＦＲＰあるいは溶着性の高いＡｌ合金等の難削材の高熱発生を伴う高速切削加工に用いた場合には、ダイヤモンド皮膜に剥離が発生し、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。

そこで、本発明者等は、高速切削に用いてもダイヤモンド皮膜の剥離が発生しないダイヤモンド被覆工具を開発すべく研究を行った結果、
ＷＣ基超硬合金からなる工具基体表面にダイヤモンド皮膜を成膜するにあたり、ウエットブラスト工程、洗浄工程、酸とアルカリによるエッチング工程、微細ダイヤモンド粒子による傷つけ処理を行った後の工具基体表面に、インクジェト法によりＣｏ粒子を含有するインクを吹き付け、その後、例えば、気相合成法の１種である熱フィラメント法でダイヤモンド皮膜を１〜１０μｍの膜厚で成膜すると、図１に示すように、吹き付けられたＣｏ粒子を含有するインクの上方にはグラファイト相が形成され、一方、インクの吹き付けられていない箇所の上方にはダイヤモンド相が形成され、ダイヤモンド相中にグラファイト相が共存するダイヤモンド皮膜が成膜されることを見出した。
さらに、上記ダイヤモンド相中にグラファイト相が共存するダイヤモンド皮膜を被覆したダイヤモンド被覆工具を、高熱発生を伴う高速切削加工条件に用いたところ、ダイヤモンド相中に存在するグラファイト相によって、ダイヤモンド皮膜が残留応力によって剥離するのが防止され、同時に、グラファイト相が潤滑作用を呈することから、すぐれた耐摩耗性を長期の使用に亘って発揮するようになることを見出したのである。

この発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「（１） タングステンカーバイド及び結合相形成成分として少なくともコバルトを含有する炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体の表面に、１〜１５μｍの膜厚のダイヤモンド皮膜が被覆されたダイヤモンド被覆切削工具において、ダイヤモンド皮膜の膜厚方向に沿って、工具基体の表面からダイヤモンド皮膜の表面にまで、幅５〜２００μｍのグラファイト相が形成されていることを特徴とするダイヤモンド被覆切削工具。
（２） ダイヤモンド皮膜の表面のグラファイト相が、５０〜３００μｍのピッチで格子状に形成されていることを特徴とする前記（１）に記載のダイヤモンド被覆切削工具。」
を特徴とするものである。

以下、本発明について説明する。
本発明では、工具基体は、ＷＣを硬質成分とし、また、少なくともＣｏを結合相成分として含有するＷＣ基超硬合金を用いるが、超硬合金成分として、例えば、微量のＶ，Ｃｒ，Ｔａ，Ｎｂ等が含有されることは許される。
この工具基体は、ダイヤモンド被覆に先立って、通常の前処理が施される。通常の前処理としては、例えば、ウエットブラスト工程、洗浄工程、酸とアルカリによるエッチング工程、工具基体表面の微細ダイヤモンド粒子による傷つけ処理等が挙げられる。
上記通常の前処理を終えた後、工具基体表面に対して、Ｃｏ粒子を含有するインク吹き付け処理を行う。
本発明では、このインク吹き付け処理を施すことによって、ダイヤモンド相中にグラファイト相が共存する特異な構造のダイヤモンド皮膜を成膜することができる。

具体的なインク吹き付け処理は、以下の通り行う。
上記通常の前処理を行った工具基体の表面に、例えば、幅３０μｍ，１００μｍ間隔で格子状に、インクジェット法にて粒径１０〜２０ｎｍのＣｏ粒子を含有するコロイダル溶液（コバルトカルボニルを熱分解して得られたナノコバルト粒を分散したインク）を吹き付ける。なお、吹き付けの幅、間隔は、ダイヤモンド膜の成膜工程で形成するグラファイト相の幅、格子間隔に応じて調整すればよい。
上記Ｃｏ粒子を含有するインクを吹き付けた工具基体を、Ａｒ雰囲気中で５００℃に加熱することによって、インク中に含有される有機成分の除去を行った後、例えば熱フィラメント法により、水素とメタンガスの混合気流中でダイヤモンド膜を成膜すると、図１、図２に示すように、工具基体表面のインク吹き付けを行った箇所にはグラファイト相が形成され、一方、インクが吹き付けられなかった工具基体表面には、ダイヤモンド膜が成膜され、ダイヤモンド相中にグラファイト相が共存する構造のダイヤモンド皮膜を有する本発明のダイヤモンド被覆工具を得ることができる。

上記ダイヤモンド被覆工具は、ダイヤモンド相中に存在するグラファイト相によって、ダイヤモンド皮膜が残留応力によって剥離するのが防止され、さらに、グラファイト相が切削加工時の潤滑機能を有することから、これを、高熱発生を伴う高速切削加工条件に用いた場合でも、ダイヤモンド皮膜の剥離、特に、エッジ部での膜損傷、が防止されるとともに長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮し、工具の長寿命化が図られる。

この発明では、ダイヤモンド皮膜の膜厚を１〜１５μｍと定めているが、これは、従来、膜厚が１５μｍ以下のダイヤモンド薄膜を被覆したダイヤモンド被覆工具において膜の剥離が大きく問題視されていたため、本発明のダイヤモンド被覆工具では膜厚が１５μｍ以下であってもかかる剥離の問題は生じないという観点から膜厚の上限を１５μｍとした。一方、膜厚が１μｍ未満では長期の使用に亘ってすぐれた切削性能を発揮することができないことから、本発明では、ダイヤモンド皮膜の膜厚を１〜１５μｍと定めた。

また、この発明では、工具基体の表面からダイヤモンド皮膜の表面にまで連続的に形成されているグラファイト相の幅を５〜２００μｍと定めているが、グラファイト相の幅が５μｍ未満では、ダイヤモンド皮膜中に発生する残留応力の緩和効果が少なく、一方、グラファイト相の幅が２００μｍを超えると潤滑性は増すものの、膜全体に占めるグラファイト相の面積割合が増加することによって、硬さの低下、耐摩耗性の低下が生じるようになるため、グラファイト相の幅を５〜２００μｍと定めた。

また、本発明では、グラファイト相を格子状に形成する場合の格子のピッチを５０〜３００μｍと定めているが、前記グラファイト相の幅の場合と同様に、格子のピッチが５０μｍ未満では、ダイヤモンド皮膜の硬さの低下、耐摩耗性の低下が生じ、一方、これが３００μｍを超えると、残留応力の緩和効果が少なくなるため、格子状のグラファイト相の格子のピッチを、５０〜３００μｍと定めた。

この発明のダイヤモンド被覆工具は、ダイヤモンド皮膜の膜厚方向に沿って、工具基体の表面からダイヤモンド皮膜の表面にまでグラファイト相が形成されているため、切削加工時にダイヤモンド皮膜が残留応力によって剥離するのが防止され、また、グラファイト相が切削加工時の潤滑機能を有することから、これを、金属材料より比強度、比剛性の高いＣＦＲＰあるいは溶着性の高いＡｌ合金等の難削材の高熱発生を伴う高速切削加工条件で用いた場合でも、ダイヤモンド皮膜の剥離、特に、エッジ部での膜損傷、が防止されるとともに長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮し、工具の長寿命化が図られる。

本発明のダイヤモンド被覆工具のすくい面と直交する方向での切断断面図の概略を示す。 本発明のダイヤモンド被覆工具の概略斜視図とともに、一部切断断面図を示す。

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。

まず、原料粉末として、いずれも１〜３μｍの範囲内の所定の平均粒径を有するＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、ＴａＣ粉末、およびＣｒ₃ Ｃ₂ 粉末を用意し、これら原料粉末を、重量％で（以下、％は重量％を示す）、ＷＣ−１％Ｃｒ₃ Ｃ₂ −４％Ｃｏとなるように配合した工具基体１用混合粉末を調製し、これをボールミルで７２時間湿式混合し、乾燥した後、１．５ｔｏｎ／ｃｍ² の圧力で圧粉体にプレス成形し、これら圧粉体を真空中、１４００℃に１時間保持の条件で焼結し、研削加工を施してＩＳＯ規格ＳＰＧＮ１２０４１２のチップ形状をもち、切刃稜線部に施されたホーニングがＲ：０．０５ｍｍの工具基体１を製造した。
また、ＷＣ−６％Ｃｏとなるように原料粉末を配合した工具基体２用混合粉末、ＷＣ−２％ＴａＣ−８％Ｃｏとなるように原料粉末を配合した工具基体３用混合粉末をそれぞれ調製し、工具基体１と同様にして、工具基体２，３をそれぞれ製造した。

ついで、これら工具基体１〜３に、前処理として、まず５％硝酸水溶液中に１０分間浸漬の表面エッチング処理を施して表面部のＣｏを除去し、さらに平均粒径：０．１μｍのダイヤモンドパウダーを分散含有させたアルコール中に１０分間保持の条件で超音波表面傷付け処理を施した。

ついで、工具基体１〜３に対して、インク吹き付け処理を行った。
即ち、工具基体１〜３の表面に、インクジェット法により、該ノズルからＣｏを含有するインクを表１に示される幅および格子間隔で工具基体Ａ〜Ｃの表面に吹き付け、その後、Ａｒ雰囲気中５００℃で加熱して、インク中の有機成分を除去した。

ついで、上記工具基体１〜３に対して熱フィラメント法により、表１に示される膜厚のダイヤモンド膜を成膜することによって、本発明のダイヤモンド被覆工具１〜３（本発明１〜３という）を作製した。
熱フィラメント法による成膜条件は、以下のとおりである。
成膜圧力：４００ Ｐａ、
Ｈ_２流量：３０００ ｓｃｃｍ、
ＣＨ_４流量：１５０ ｓｃｃｍ、
フィラメント温度：２１００ ℃
成膜温度：８００ ℃
成膜時間：狙い膜厚により設定。本発明工具３の場合、１０ 時間

比較のため、上記工具基体１〜３に対して、本発明１〜３と同様な前処理を施した後、インク吹き付け処理を行わずに、本発明１〜３と同様な条件でダイヤモンド膜を成膜し、表１に示される比較例のダイヤモンド被覆工具１〜３（比較例１〜３という）を作製した。

上記本発明１〜３、比較例１〜３について、ダイヤモンド皮膜厚み、グラファイト相の幅および格子ピッチを、走査型電子顕微鏡および光学顕微鏡により測定したところ表１に示す結果が得られた。
また、本発明１〜３、比較例１〜３について、その膜厚方向に平行な断面のグラファイト相の生成状況を、走査型電子顕微鏡により観察したところ、表１に示される観察結果が得られた。

つぎに、上記本発明１〜３、比較例１〜３について、次の条件による高速切削試験を行った。
《切削条件Ａ》
被削材：Ａ３９０の丸棒、
切削速度：１２００ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：２．０ ｍｍ、
送り：０．３ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：３ 分、
の条件での高Ｓｉ含有アルミニウム合金の乾式高速連続切削加工試験（通常の切削速度は、８００ｍ／ｍｉｎ．）、
《切削条件Ｂ》
被削材：２０％ＳｉＣ粒子分散Ａｌ合金の丸棒、
切削速度：６００ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：１．０ ｍｍ、
送り：０．２ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：５ 分、
の条件でのＳｉＣ−Ａｌ合金の乾式高速連続切削加工試験（通常の切削速度は、３００ｍ／ｍｉｎ．）、
を行い、いずれの切削加工試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。この測定結果を表２に示した。

また、上記の実施例１で調製した工具基体１用混合粉末、工具基体２用混合粉末、工具基体３用混合粉末を用いて、直径が１３ｍｍの丸棒焼結体を作製し、この丸棒焼結体から、研削加工にて、溝形成部の直径×長さが１０ｍｍ×２２ｍｍ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）４〜６をそれぞれ製造した。

ついで、これらの工具基体（ドリル）４〜６の切刃に、ホーニングを施し、上記実施例１と同様の前処理を施した後、上記実施例１と同一の条件で、インク吹き付け処理を行った後、上記実施例１と同一の条件で、ダイヤモンド皮膜を成膜することにより、表３に示される本発明のダイヤモンド被覆ドリル４〜６（以下、本発明４〜６という）をそれぞれ製造した。

比較のため、上記の工具基体（ドリル）４〜６の切刃にホーニングを施し、上記実施例１と同様の前処理を施した後、上記実施例１のインク吹き付け処理を行わずに、ダイヤモンド皮膜を成膜することにより、表３に示される比較例のダイヤモンド被覆ドリル４〜６（以下、比較例４〜６という）をそれぞれ製造した。

上記本発明４〜６、比較例４〜６について、ダイヤモンド皮膜厚み、グラファイト相の幅および格子ピッチを、走査型電子顕微鏡および光学顕微鏡により測定したところ表３に示す結果が得られた。
また、本発明４〜６、比較例４〜６について、その膜厚方向に平行な断面のグラファイト相の生成状況を、走査型電子顕微鏡により観察したところ、表３に示される観察結果が得られた。

つぎに、上記本発明４〜６および比較４〜６について、次に示す条件で、乾式高速穴あけ切削試験を行った。
《切削条件Ｃ》
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：８ｍｍの、炭素繊維と熱硬化型エポキシ系樹脂が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：８０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．０５ ｍｍ／ｒｅｖ、
貫通穴：（８ｍｍ）、
エアーブロー、
の条件での上記ＣＦＲＰの乾式高速穴あけ切削加工試験、
《切削条件Ｄ》
被削材−平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：１５ｍｍの、ＪＩＳ・ＡＤＣ１２の板材
切削速度：１５０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り：０．１ ｍｍ／ｒｅｖ、
貫通穴：（１５ｍｍ）、
ＭＱＬ（２ｃｃ／ｈ）、
の条件での上記Ａｌ合金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、切削不能になるまでの穴あけ加工数を測定した。
この測定結果を表４にそれぞれ示した。

表１〜４に示される結果から、ダイヤモンド皮膜中にグラファイト相が形成されていない比較例１〜６においては、残留応力に起因するダイヤモンド皮膜の剥離により工具寿命が短いことが分かる。
これに対して、本発明１〜６は、ダイヤモンド皮膜中にグラファイト相が膜厚方向に沿って形成されていることから、高速切削条件下で用いられた場合でも、ダイヤモンド皮膜が残留応力によって剥離することが防止され、また、グラファイト相が切削加工時の潤滑機能を有することから、ダイヤモンド皮膜の剥離、特に、エッジ部での膜損傷、が防止されるとともに長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮する。

この発明のダイヤモンド被覆工具は、金属材料より比強度、比剛性の高いＣＦＲＰあるいは溶着性の高いＡｌ合金等の難削材の高速切削においても、ダイヤモンド皮膜の剥離が生じることはなく長期の使用に亘って、すぐれた耐欠損性と耐摩耗性を発揮するものであり、インサート、ドリルに限らず、フライス工具、エンドミル、カッター等の各種切削工具として幅広く利用することが可能でありる。
ト化に十分満足に対応できるものである。

Claims (2)

1. タングステンカーバイド及び結合相形成成分として少なくともコバルトを含有する炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体の表面に、１〜１５μｍの膜厚のダイヤモンド皮膜が被覆されたダイヤモンド被覆切削工具において、ダイヤモンド皮膜の膜厚方向に沿って、工具基体の表面からダイヤモンド皮膜の表面にまで、幅５〜２００μｍのグラファイト相が形成されていることを特徴とするダイヤモンド被覆切削工具。
2. ダイヤモンド皮膜の表面のグラファイト相が、５０〜３００μｍのピッチで格子状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド被覆切削工具。

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