JP2006150572A - Boron doped diamond coating film, and diamond coated cutting tool - Google Patents
Boron doped diamond coating film, and diamond coated cutting tool Download PDFInfo
- Publication number
- JP2006150572A JP2006150572A JP2004349150A JP2004349150A JP2006150572A JP 2006150572 A JP2006150572 A JP 2006150572A JP 2004349150 A JP2004349150 A JP 2004349150A JP 2004349150 A JP2004349150 A JP 2004349150A JP 2006150572 A JP2006150572 A JP 2006150572A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- diamond
- boron
- coating film
- doped
- diamond coating
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
- C23C16/26—Deposition of carbon only
- C23C16/27—Diamond only
- C23C16/278—Diamond only doping or introduction of a secondary phase in the diamond
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23B—TURNING; BORING
- B23B51/00—Tools for drilling machines
- B23B51/02—Twist drills
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23C—MILLING
- B23C5/00—Milling-cutters
- B23C5/02—Milling-cutters characterised by the shape of the cutter
- B23C5/10—Shank-type cutters, i.e. with an integral shaft
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23G—THREAD CUTTING; WORKING OF SCREWS, BOLT HEADS, OR NUTS, IN CONJUNCTION THEREWITH
- B23G5/00—Thread-cutting tools; Die-heads
- B23G5/02—Thread-cutting tools; Die-heads without means for adjustment
- B23G5/06—Taps
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
- C23C16/26—Deposition of carbon only
- C23C16/27—Diamond only
- C23C16/274—Diamond only using microwave discharges
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C30/00—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23B—TURNING; BORING
- B23B2226/00—Materials of tools or workpieces not comprising a metal
- B23B2226/31—Diamond
- B23B2226/315—Diamond polycrystalline [PCD]
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23B—TURNING; BORING
- B23B2228/00—Properties of materials of tools or workpieces, materials of tools or workpieces applied in a specific manner
- B23B2228/04—Properties of materials of tools or workpieces, materials of tools or workpieces applied in a specific manner applied by chemical vapour deposition [CVD]
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23B—TURNING; BORING
- B23B2228/00—Properties of materials of tools or workpieces, materials of tools or workpieces applied in a specific manner
- B23B2228/10—Coatings
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23B—TURNING; BORING
- B23B2228/00—Properties of materials of tools or workpieces, materials of tools or workpieces applied in a specific manner
- B23B2228/10—Coatings
- B23B2228/105—Coatings with specified thickness
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Drilling Tools (AREA)
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Description
本発明は、加工工具などの所定の部材にコーティングされるダイヤモンド被膜に係り、特に、耐酸化性および潤滑性を向上させる技術に関するものである。 The present invention relates to a diamond film coated on a predetermined member such as a processing tool, and more particularly to a technique for improving oxidation resistance and lubricity.
超硬合金等の母材の表面にダイヤモンド被膜をコーティングしたダイヤモンド被覆加工工具が、例えばエンドミルやバイト、タップ、ドリルなどの切削工具、或いはその他の加工工具として提案されている。特許文献1や特許文献2に記載されている工具はその一例で、このようなダイヤモンド被覆加工工具は非常に高い硬度を有し、優れた耐摩耗性、耐溶着性が得られる。また、特許文献3、特許文献4には、導電性を持たせたり耐酸化性を向上させたりするために、マイクロ波プラズマCVD(化学気相成長)法等によりダイヤモンドを結晶成長させる際に、ボロン(硼素;B)をドーピングする技術が記載されている。
しかしながら、工具母材等の表面にコーティングされるダイヤモンド被膜については、未だボロンのドーピングについて提案されておらず、耐酸化性が低いとともに潤滑性が悪いことから、鉄系の材料を含む複合材料の切削加工や、切削点が高温になるチタン合金等の耐熱合金に対する切削加工などでは、ダイヤモンド被膜が酸化により早期に摩耗して十分な耐久性が得られないことがあった。また、摩擦による発熱で耐久性が低下したり、被削材の加工面品質が損なわれたりすることがあった。 However, for diamond coatings coated on the surface of tool base materials, etc., boron doping has not yet been proposed, and since oxidation resistance is low and lubricity is poor, composite materials including iron-based materials are not suitable. In cutting or cutting of a heat-resistant alloy such as a titanium alloy that has a high cutting point, the diamond coating may wear early due to oxidation, and sufficient durability may not be obtained. In addition, the heat generation due to friction may reduce the durability, and the work surface quality of the work material may be impaired.
本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、ダイヤモンド被膜の耐酸化性や潤滑性を向上させることにある。 The present invention has been made against the background described above, and its object is to improve the oxidation resistance and lubricity of the diamond coating.
かかる目的を達成するために、第1発明は、所定の部材の表面にコーティングされるダイヤモンド被膜であって、結晶粒径が2μm以下の微結晶ダイヤモンドにて構成されているとともにボロンがドーピングされていることを特徴とする。 In order to achieve such an object, the first invention is a diamond film coated on the surface of a predetermined member, which is composed of microcrystalline diamond having a crystal grain size of 2 μm or less and doped with boron. It is characterized by being.
第2発明は、第1発明のボロンドープダイヤモンド被膜において、前記ボロンが0.05〜2.0原子%の割合でドーピングされていることを特徴とする。 The second invention is characterized in that in the boron-doped diamond film of the first invention, the boron is doped at a ratio of 0.05 to 2.0 atomic%.
第3発明は、所定の工具母材の表面にダイヤモンド被膜がコーティングされているダイヤモンド被覆加工工具に関するもので、所定の加工を行なう加工部の表面に、ダイヤモンド被膜として第1発明または第2発明の微結晶のボロンドープダイヤモンド被膜がコーティングされていることを特徴とする。 The third invention relates to a diamond coated processing tool in which a surface of a predetermined tool base material is coated with a diamond coating, and the diamond coating is applied to the surface of a processing portion for performing a predetermined processing as described in the first or second invention. A microcrystalline boron-doped diamond film is coated.
なお、ボロンドープダイヤモンドは、炭素原子の一部がボロン原子によって置き換えられたもので、正の電荷を持つ正孔を有するp型半導体である。また、ボロンの原子%は、ボロン原子に置き換えられた原子数の割合で、例えば二次イオン質量分析法等によって調べられる。 Boron-doped diamond is a p-type semiconductor having positively charged holes in which some carbon atoms are replaced by boron atoms. Further, the atomic% of boron is the ratio of the number of atoms replaced with boron atoms, and is examined by, for example, secondary ion mass spectrometry.
このようなボロンドープダイヤモンド被膜においては、表面が酸化を受けた際に表面にボロンの酸化物(例えばB2 O3 )の層が形成されるため、その酸化物の層により被膜内部への酸化の進行が抑制されて、被膜の耐酸化性が向上するとともに、摩擦係数が小さくなって潤滑性が向上する。特に、本発明ではダイヤモンドが微結晶であるため、通常のダイヤモンド被膜に比較して表面が平滑であり、その表面にボロンの酸化物の層が形成されることにより、摩擦係数が一層小さくなって優れた潤滑性が得られる。これにより、鉄系の材料を含む複合材料の切削加工や、切削点が高温になるチタン合金等の耐熱合金に対する切削加工などにおいても、酸化によるダイヤモンド被膜の早期摩耗や剥離が抑制されて優れた耐久性が得られるようになる。また、潤滑性が良くなることから、摩擦による発熱が抑制され、この点でもダイヤモンド被膜の耐久性が向上するとともに、被削材の加工面品質が向上する。 In such a boron-doped diamond film, when the surface is oxidized, a layer of boron oxide (for example, B 2 O 3 ) is formed on the surface, so that the oxide layer oxidizes the inside of the film. Is suppressed, the oxidation resistance of the coating is improved, and the coefficient of friction is reduced to improve the lubricity. In particular, since diamond is microcrystalline in the present invention, the surface is smoother than that of a normal diamond coating, and a boron oxide layer is formed on the surface, so that the friction coefficient is further reduced. Excellent lubricity can be obtained. As a result, in the cutting of composite materials including iron-based materials and the cutting of heat-resistant alloys such as titanium alloys where the cutting point is high, early wear and delamination of the diamond coating due to oxidation are suppressed and excellent. Durability can be obtained. In addition, since the lubricity is improved, heat generation due to friction is suppressed. In this respect, the durability of the diamond coating is improved and the work surface quality of the work material is improved.
加工部の表面に上記ボロンドープダイヤモンド被膜がコーティングされている第3発明のダイヤモンド被覆加工工具においても、実質的に上記と同様の効果が得られる。 In the diamond coating tool of the third invention in which the boron-doped diamond film is coated on the surface of the processed portion, substantially the same effect as described above can be obtained.
本発明のボロンドープダイヤモンド被膜は、耐摩耗性や耐酸化性、潤滑性が要求される切削工具などの加工工具、すなわちダイヤモンド被覆加工工具に好適に適用されるが、例えば半導体装置などの硬質被膜として用いることもできるなど、加工工具以外にも適用され得る。 The boron-doped diamond coating of the present invention is preferably applied to a processing tool such as a cutting tool that requires wear resistance, oxidation resistance, and lubricity, that is, a diamond coating processing tool. For example, it can be used as a processing tool.
ダイヤモンド被覆加工工具の場合、ボロンドープダイヤモンド被膜をコーティングすべき工具母材としては超硬合金などの超硬質工具材料が好適に用いられるが、高速度工具鋼等の他の工具材料を用いることもできる。密着性を高めるために、その工具母材の表面に粗面化処理を施したり、他の被膜を下地として設けたりするなど、所定の前処理を行うことができる。 In the case of a diamond-coated tool, a superhard tool material such as cemented carbide is preferably used as a tool base material to be coated with a boron-doped diamond coating, but other tool materials such as high-speed tool steel may also be used. it can. In order to improve the adhesion, a predetermined pretreatment such as roughening the surface of the tool base material or providing another coating as a base can be performed.
また、ボロンドープダイヤモンド被膜の膜厚は、5μmより薄いと十分な耐摩耗性が得られない一方、25μmを超えると剥離し易くなるため、5〜25μmの範囲内が好ましく、10〜20μm程度が適当である。加工工具以外に適用する場合は、そのコーティング対象の材質や目的等に応じて適宜定められる。なお、このボロンドープダイヤモンド被膜とTiAlN等の金属間化合物から成る硬質被膜、或いはその他の被膜を交互に積層することも可能で、少なくとも最上部にボロンドープダイヤモンド被膜が設けられれば良い。 Further, when the film thickness of the boron-doped diamond film is less than 5 μm, sufficient wear resistance cannot be obtained. On the other hand, if it exceeds 25 μm, it is easy to peel off, and therefore it is preferably in the range of 5 to 25 μm, preferably about 10 to 20 μm. Is appropriate. When applied to other than the processing tool, it is appropriately determined according to the material and purpose of the coating target. The boron-doped diamond film and a hard film made of an intermetallic compound such as TiAlN, or other films can be alternately laminated, and it is sufficient that the boron-doped diamond film is provided at least on the uppermost part.
ボロンドープダイヤモンド被膜のコーティングにはCVD法が好適に用いられ、特にマイクロ波プラズマCVD法が望ましいが、ホットフィラメントCVD法や高周波プラズマCVD法等の他のCVD法を用いることもできる。ボロンのドーピング技術については、前記特許文献3や特許文献4に記載されているものなど、ダイヤモンドに対するボロンのドーピング技術として従来から知られている種々の手法を採用できる。
A CVD method is suitably used for coating the boron-doped diamond film, and a microwave plasma CVD method is particularly desirable, but other CVD methods such as a hot filament CVD method and a high-frequency plasma CVD method can also be used. Regarding boron doping techniques, various techniques conventionally known as boron doping techniques for diamond, such as those described in
微結晶のボロンドープダイヤモンド被膜は、例えば前記特許文献2に記載のように核生成工程および結晶成長工程を繰り返すことにより形成することが可能である。結晶粒径は2μm以下で、1μm以下が望ましい。この結晶粒径は、結晶成長方向と直角な方向の最大径寸法で、総てのダイヤモンドの結晶粒径が2μm以下であることが望ましいが、表面或いは所定の横断面における結晶粒径の少なくとも80%以上が2μm以下であれば良い。また、結晶成長方向の長さ寸法を2μm以下とすれば、その結晶成長方向と直角な方向の結晶粒径も一般には2μm以下となる。なお、結晶成長方向の寸法が2μmより大きくても、結晶粒径が2μm以下であれば良い。
The microcrystalline boron-doped diamond film can be formed by repeating a nucleation step and a crystal growth step as described in
ボロンのドーピング量(含有量)は、0.05原子%より少ないと耐酸化性、潤滑性の効果が十分に得られない一方、2.0原子%より多いと元々のダイヤモンド被膜が有する耐摩耗性等の特性が損なわれるため、0.05〜2.0原子%の範囲内が適当で、0.5〜1.0原子%程度が望ましいが、2.0原子%よりたくさんドーピングすることも可能である。このドーピング量は、必ずしもボロンドープダイヤモンド被膜の全域で一定である必要はなく、例えば表面程ドーピング量が多くなるように連続的或いは段階的にドーピング量を増やしたり、多い層と少ない層とを交互に積層して多層構造としたりするなど、種々の態様が可能である。 If the boron doping amount (content) is less than 0.05 atomic%, the effects of oxidation resistance and lubricity cannot be obtained sufficiently, while if it exceeds 2.0 atomic%, the wear resistance of the original diamond coating is present. In the range of 0.05 to 2.0 atomic% is preferable, and about 0.5 to 1.0 atomic% is preferable, but doping more than 2.0 atomic% may be performed. Is possible. This doping amount does not necessarily have to be constant throughout the boron-doped diamond film. For example, the doping amount is increased continuously or stepwise so that the doping amount is increased toward the surface, or a large number of layers and a few layers are alternated. Various forms are possible, such as laminating to form a multilayer structure.
以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。
図1は、本発明が適用されたダイヤモンド被覆加工工具、具体的にはダイヤモンド被覆切削工具としてのエンドミル10を示す図で、(a) は軸心と直角方向から見た正面図、(b) は刃部14の表面付近の断面図である。このエンドミル10は、4枚刃のスクエアエンドミルであり、工具母材12は超硬合金にて構成されており、その工具母材12にはシャンクおよび刃部14が軸方向に一体に設けられている。刃部14は加工部に相当し、切れ刃として外周刃16および底刃18を備えているとともに、刃部14の表面には、結晶粒径が1μm以下の微結晶で多層構造を成しているとともに0.5〜1.0原子%の割合でボロンがドーピングされたボロンドープダイヤモンド被膜20(以下、単にダイヤモンド被膜20という)が20μm程度の膜厚でコーティングされている。図1(a) の斜線部は、工具母材12の表面にコーティングされたダイヤモンド被膜20を表している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing an
上記エンドミル10は、超硬合金に研削加工等を施すことにより、切れ刃として外周刃16および底刃18を有する工具母材12を形成した後、ダイヤモンド被膜20の密着性を高めるために、工具母材12の刃部14の表面に粗面化処理を施す。粗面化処理としては、例えば電解研磨などの化学的腐食や、SiC等の砥粒などによるサンドブラストが適当である。その後、図2のマイクロ波プラズマCVD装置30を用いて、粗面化された刃部14の表面に気相合成法、具体的にはマイクロ波プラズマCVD法により、ボロンをドーピングしながらダイヤモンド粒子を生成・成長させてダイヤモンド被膜20をコーティングする。
In order to improve the adhesion of the
図2のマイクロ波プラズマCVD装置30は、反応炉32、マイクロ波発生装置34、原料ガス供給装置36、真空ポンプ38、および電磁コイル40を備えて構成されている。円筒状の反応炉32内にはテーブル42が設けられダイヤモンド被膜20をコーティングすべき複数の工具母材12がワーク支持具44に支持されて、それぞれ刃部14が上向きになる姿勢で配置されるようになっている。マイクロ波発生装置34は、例えば2.45GHz等のマイクロ波を発生する装置で、このマイクロ波が反応炉32内へ導入されることにより工具母材12が加熱されるとともに、マイクロ波発生装置34の電力制御によって加熱温度が調節される。
The microwave
原料ガス供給装置36は、メタン(CH4 )や水素(H2 )、一酸化炭素(CO)などの原料ガスを反応炉32内に供給するためのもので、それ等のガスボンベや流量を制御する流量制御弁、流量計などを備えて構成されているが、本実施例ではボロンをドーピングするために、例えば酸化ボロンをメタノールに溶かした液体を原料ガスに混ぜて反応炉32内に供給できるようになっている。真空ポンプ38は、反応炉32内の気体を吸引して減圧するためのもので、圧力計46によって検出される反応炉32内の圧力値が予め定められた所定の圧力値になるように、真空ポンプ38のモータ電流などがフィードバック制御される。電磁コイル40は、反応炉32内を取り巻くように反応炉32の外周側に円環状に配設されている。
The source
このようなマイクロ波プラズマCVD装置30を用いたダイヤモンド被膜20のコーティング処理は、図3に示すように核付着工程のステップR1と、結晶成長工程のステップR2とを有して行なわれる。ステップR1の核付着工程では、メタンの濃度が10%〜30%の範囲内で定められた設定値となるようにメタンおよび水素の流量調節を行うとともに、工具母材12の表面温度が700℃〜900℃の範囲内で定められた設定温度になるようにマイクロ波発生装置34を調節し、反応炉32内のガス圧が2.7×102 Pa〜2.7×103 Paの範囲内で定められた設定圧になるように真空ポンプ38を作動させ、その状態を0.1時間〜2時間継続する。これにより、工具母材12の表面、或いはステップR2の結晶成長処理で結晶成長させられた多数のダイヤモンド結晶の表面に、ダイヤモンドの結晶成長の起点となる核の層が付着される。
As shown in FIG. 3, the coating process of the
ステップR2の結晶成長工程は、メタンの濃度が1%〜4%の範囲内で定められた設定値になるようにメタンおよび水素の流量調節を行うとともに、工具母材12の表面温度が800℃〜900℃の範囲内で定められた設定温度になるようにマイクロ波発生装置34を調節し、反応炉32内のガス圧が1.3×103 Pa〜6.7×103 Paの範囲内で定められた設定圧になるように真空ポンプ38を作動させ、その状態を、ダイヤモンドの結晶粒径が1μm以下に維持されるように予め定められた所定時間、具体的にはダイヤモンドの結晶長さ(結晶成長方向の長さ寸法)が1μmになる予め求められた時間よりも短い所定の処理時間だけ継続する。すなわち、本実施例の結晶成長処理では、結晶成長方向の長さ寸法が1μm以下であれば、その結晶成長方向と略直角な平面内の結晶粒径は1μm以下に維持されるのである。
In the crystal growth process of Step R2, the flow rate of methane and hydrogen is adjusted so that the concentration of methane is set within a range of 1% to 4%, and the surface temperature of the
そして、次のステップR3では、工具母材12の表面上に結晶成長させられたダイヤモンド被膜20の膜厚が予め定められた設定膜厚(本実施例では20μm)に達したか否かを、例えばステップR2の実行回数などで判断し、設定膜厚になるまで上記ステップR1およびR2を繰り返す。ステップR1の実行時には、ダイヤモンドの結晶成長が中止し、その結晶上に新たに核の層が形成されるとともに、以後の結晶成長処理(ステップR2)では、核の層の下のダイヤモンドの結晶が再成長させられることはなく、新たな核を起点として新たにダイヤモンドが結晶成長させられることにより、結晶粒径および結晶長さが共に1μm以下の微結晶で多層構造のダイヤモンド被膜20が工具母材12の表面にコーティングされる。
Then, in the next step R3, whether or not the film thickness of the
また、上記ダイヤモンド被膜20のコーティング処理に際しては、水素等の原料ガスを供給する際に、前記酸化ボロンをメタノールに溶かした液体をその原料ガスに混ぜて反応炉32内に所定流量で供給することにより、そのダイヤモンド被膜20に0.5〜1.0原子%の割合でボロンをドーピングする。ボロンのドーピング量は、酸化ボロンを溶かした液体の供給流量を変更することによって調節できる。
Further, when supplying the raw material gas such as hydrogen during the coating process of the
このような本実施例のエンドミル10においては、ダイヤモンド被膜20にボロンが0.5〜1.0原子%の割合でドーピングされているため、そのダイヤモンド被膜20の表面には、酸化を受けた時にボロンの酸化物(例えばB2 O3 )の層が形成され、その酸化物の層により被膜内部への酸化の進行が抑制されて、ダイヤモンド被膜20の耐酸化性が向上するとともに、摩擦係数が小さくなって潤滑性が向上する。特に、本実施例のダイヤモンド被膜20は結晶粒径が1μm以下の微結晶であるため、通常のダイヤモンド被膜に比較して表面が平滑であり、その表面にボロンの酸化物の層が形成されることにより、摩擦係数が一層小さくなって優れた潤滑性が得られる。これにより、鉄系の材料を含む複合材料の切削加工や、切削点が高温になるチタン合金等の耐熱合金に対する切削加工などにおいても、酸化によるダイヤモンド被膜20の早期摩耗や剥離が抑制されて優れた耐久性が得られるようになる。また、潤滑性が良くなることから、摩擦による発熱が抑制され、この点でもダイヤモンド被膜20の耐久性が向上するとともに、被削材の加工面品質が向上する。
In the
因みに、図4の(a) は、通常の結晶粒径(粗結晶)のボロンドープダイヤモンド被膜すなわち1回の結晶成長処理(図3のステップR2)で所定の膜厚となるまでダイヤモンドを結晶成長させた場合の被膜表面の電子顕微鏡写真で、図4の(b) は、本実施例のダイヤモンド被膜20の表面の電子顕微鏡写真であり、ダイヤモンドの結晶粒径の違いが明らかである。
4A is a boron-doped diamond film having a normal crystal grain size (coarse crystal), that is, diamond is grown until a predetermined film thickness is obtained by a single crystal growth process (step R2 in FIG. 3). FIG. 4 (b) is an electron micrograph of the surface of the
図5は、図4と同じ通常の結晶粒径(粗結晶)のボロンドープダイヤモンド被膜および本実施例のダイヤモンド被膜20について、その表面粗さ(輪郭曲線)を調べた結果である。図5の(a) は通常の結晶粒径のダイヤモンド被膜の場合で、その最大高さRzは3.0μmであるのに対し、図5の(b) は本発明品で、その最大高さRzは0.7μmであり、極めて平滑な被膜表面が得られることが分かる。このことから、被削材の加工面についても、面粗さが大幅に向上するものと推定される。
FIG. 5 shows the results of examining the surface roughness (contour curve) of the boron-doped diamond film having the same normal crystal grain size (coarse crystal) as in FIG. 4 and the
図6は、前記ダイヤモンド被膜20と同じダイヤモンド被膜をコーティングしたドリル(本発明品)と、ボロンドープ無しの微結晶ダイヤモンド被膜をコーティングした従来品とを用いて、アルミ合金(ADC12)に対する切削加工の耐久性試験を行なった場合で、(a) は加工条件、(b) は試験結果である。この試験結果から明らかなように、ボロンをドーピングした本発明品によれば、ボロンドープ無しの従来品に比較して、約2倍の耐久性が得られる。 FIG. 6 shows the durability of the cutting process on an aluminum alloy (ADC12) using a drill coated with the same diamond film as the diamond film 20 (product of the present invention) and a conventional product coated with a microcrystalline diamond film without boron dope. (A) shows the processing conditions and (b) shows the test results. As is apparent from the test results, the present invention product doped with boron can provide a durability approximately twice that of the conventional product without boron doping.
図7は、ボロンドープ無しの通常の結晶粒径(粗結晶)のダイヤモンド被膜と、ボロンドープ無しの微結晶ダイヤモンド被膜と、前記ダイヤモンド被膜20と同じ条件で形成したボロンドープ有りの微結晶ダイヤモンド被膜とを、それぞれコーティングしたピンを用いて、それ等の摩擦係数を調べた場合で、(a) は試験条件、(b) は試験結果である。この試験結果から明らかなように、ボロンドープ有りの微結晶ダイヤモンド被膜によれば、粗結晶のダイヤモンド被膜は勿論、ボロンドープ無しの微結晶ダイヤモンド被膜に比べても、摩擦係数が小さくなる。これは、ダイヤモンド被膜の表面にボロンの酸化物の層が形成されるためと考えられる。
FIG. 7 shows a diamond film having a normal crystal grain size (coarse crystal) without boron doping, a microcrystalline diamond film without boron doping, and a microcrystalline diamond film with boron doping formed under the same conditions as the
図8は、通常の結晶粒径(粗結晶)のダイヤモンド被膜について、0.5〜1.0原子%の割合でボロンをドーピングしたものとボロンドープ無しのものとを用意し、それぞれ被膜だけを母材から剥がして加熱するとともに、加熱前後の質量を測定し、酸化による質量損失(%)を調べた結果である。試験は、15℃/分の昇温速度で各試験温度(700℃、725℃、750℃、775℃、800℃)まで加熱するとともに、その試験温度に30分保持した後、常温まで自然冷却して質量の変化を測定した。図8から明らかなように、ボロンドープ無しでは、700℃程度から酸化が始まるのに対し、ボロンドープ有りの場合には775℃程度から酸化が始まり、75℃程度の差が認められた。なお、この試験結果は、通常の結晶粒径(粗結晶)のダイヤモンド被膜に関するものであるが、耐酸化性の違いはボロンドープの有無によるものと考えられるので、本発明の微結晶ダイヤモンドについても同様の結果が得られるものと推定される。 FIG. 8 shows a diamond film having a normal crystal grain size (coarse crystal) prepared by doping boron at a ratio of 0.5 to 1.0 atomic% and non-boron-doped diamond film. It is the result of peeling off from the material and heating, measuring the mass before and after heating, and examining the mass loss (%) due to oxidation. The test was heated to each test temperature (700 ° C., 725 ° C., 750 ° C., 775 ° C., 800 ° C.) at a rate of temperature increase of 15 ° C./min, held at that test temperature for 30 minutes, and then naturally cooled to room temperature. The change in mass was measured. As is apparent from FIG. 8, the oxidation starts at about 700 ° C. without boron doping, whereas the oxidation starts at about 775 ° C. with boron doping, and a difference of about 75 ° C. is recognized. Although this test result relates to a diamond film having a normal crystal grain size (coarse crystal), the difference in oxidation resistance is considered to be due to the presence or absence of boron doping, so the same applies to the microcrystalline diamond of the present invention. It is estimated that the result of is obtained.
図9は、ボロンを0.5〜1.0原子%の割合でドーピングした通常の結晶粒径(粗結晶)のダイヤモンド被膜を20μmの膜厚でコーティングした2枚刃のスクエアエンドミルの外観写真で、このボロンドープ品と、ボロンドープ無しの通常の結晶粒径(粗結晶)のダイヤモンド被膜を20μmの膜厚でコーティングした非ボロンドープ品とを用いて、酸化試験を行なったところ、図10に示す結果が得られた。酸化試験は、15℃/分の昇温速度で750℃まで加熱するとともに、その750℃に30分保持した後、常温まで自然冷却して被膜の状態(消失した面積)を調べた。図10の左側のエンドミルは非ボロンドープ品で、酸化や工具母材との熱膨張差に起因する剥離などでダイヤモンド被膜が略100%消失しているのに対し、右側のボロンドープ品では、10%程度消失しているだけで、大部分が残っている。図10の黒い部分がダイヤモンド被膜で、ボロンドープ品では、先端の底刃部分においても17〜18μmの厚さでダイヤモンド被膜が残っていた。この場合も、通常の結晶粒径(粗結晶)のダイヤモンド被膜に関するものであるが、耐酸化性の違いはボロンドープの有無によるものと考えられるので、本発明の微結晶ダイヤモンドについても同様の結果が得られるものと推定される。 FIG. 9 is an external view photograph of a two-blade square end mill coated with a diamond film having a normal crystal grain size (coarse crystal) doped with boron at a ratio of 0.5 to 1.0 atomic% in a film thickness of 20 μm. When an oxidation test was performed using this boron-doped product and a non-boron-doped product in which a diamond film having a normal crystal grain size (coarse crystal) without boron doping was coated with a film thickness of 20 μm, the results shown in FIG. 10 were obtained. Obtained. In the oxidation test, the sample was heated to 750 ° C. at a heating rate of 15 ° C./min, held at 750 ° C. for 30 minutes, and then naturally cooled to room temperature to examine the state of the coating (disappeared area). The end mill on the left side of FIG. 10 is a non-boron-doped product, and the diamond film disappears by about 100% due to oxidation or peeling due to a difference in thermal expansion from the tool base material, whereas the right-side boron-doped product has a 10% Most of it remains, just disappearing. The black portion in FIG. 10 is the diamond coating, and in the boron-doped product, the diamond coating remained at a thickness of 17 to 18 μm even at the bottom edge portion at the tip. This case is also related to a diamond film having a normal crystal grain size (coarse crystal), but since the difference in oxidation resistance is considered to be due to the presence or absence of boron doping, the same result is obtained for the microcrystalline diamond of the present invention. Presumed to be obtained.
なお、前記図8では、750℃においてボロンドープ品では被膜消失が0%で、非ボロンドープ品でも被膜消失は8〜10%程度であり、図10の試験結果に比べて被膜の消失量が少ないが、これは、図10では工具母材との熱膨張差に起因する剥離が影響しているものと考えられる。 In FIG. 8, at 750 ° C., the disappearance of the film is 0% for the boron-doped product, and the disappearance of the film is about 8 to 10% even for the non-boron-doped product. In FIG. 10, it is considered that peeling due to a difference in thermal expansion from the tool base material has an influence.
以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、これはあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更,改良を加えた態様で実施することができる。 As mentioned above, although the Example of this invention was described in detail based on drawing, this is an embodiment to the last, and this invention implements in the aspect which added various change and improvement based on the knowledge of those skilled in the art. Can do.
10:エンドミル(ダイヤモンド被覆加工工具) 12:工具母材 14:刃部(加工部) 20:ボロンドープダイヤモンド被膜 10: End mill (diamond coating processing tool) 12: Tool base material 14: Blade portion (processing portion) 20: Boron-doped diamond coating
Claims (3)
結晶粒径が2μm以下の微結晶ダイヤモンドにて構成されているとともにボロンがドーピングされている
ことを特徴とするボロンドープダイヤモンド被膜。 A diamond coating coated on the surface of a given member,
A boron-doped diamond film comprising a microcrystalline diamond having a crystal grain size of 2 μm or less and doped with boron.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004349150A JP2006150572A (en) | 2004-12-01 | 2004-12-01 | Boron doped diamond coating film, and diamond coated cutting tool |
US11/288,331 US20060112648A1 (en) | 2004-12-01 | 2005-11-29 | Boron-doped diamond coating and diamond-coated tool |
DE102005056936A DE102005056936A1 (en) | 2004-12-01 | 2005-11-29 | Boron-doped diamond coating and diamond-coated tool |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004349150A JP2006150572A (en) | 2004-12-01 | 2004-12-01 | Boron doped diamond coating film, and diamond coated cutting tool |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2006150572A true JP2006150572A (en) | 2006-06-15 |
Family
ID=36441901
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2004349150A Pending JP2006150572A (en) | 2004-12-01 | 2004-12-01 | Boron doped diamond coating film, and diamond coated cutting tool |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20060112648A1 (en) |
JP (1) | JP2006150572A (en) |
DE (1) | DE102005056936A1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2013105348A1 (en) | 2012-01-10 | 2013-07-18 | 住友電工ハードメタル株式会社 | Diamond-coated tool |
CN114555857A (en) * | 2019-10-18 | 2022-05-27 | 住友电工硬质合金株式会社 | Diamond coated tool |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2388096A1 (en) * | 2010-05-21 | 2011-11-23 | Rudolf Wendling | Milling-cutter |
DE102010027496B4 (en) * | 2010-05-21 | 2013-08-08 | Rudolf Wendling | milling tool |
US9662717B2 (en) | 2011-05-23 | 2017-05-30 | Sharon-Cutwell Co., Inc. | Drilling tool |
US11739419B2 (en) * | 2017-04-27 | 2023-08-29 | INDIAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY MADRAS (IIT Madras) | Highly adhesive CVD grown boron doped diamond graded layer on WC-Co |
US11730575B2 (en) * | 2020-09-10 | 2023-08-22 | James R. Glidewell Dental Ceramics, Inc. | Milling burs and systems and methods for performing quality control of the same |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SE442305B (en) * | 1984-06-27 | 1985-12-16 | Santrade Ltd | PROCEDURE FOR CHEMICAL GAS DEPOSITION (CVD) FOR THE PREPARATION OF A DIAMOND COATED COMPOSITION BODY AND USE OF THE BODY |
SE453474B (en) * | 1984-06-27 | 1988-02-08 | Santrade Ltd | COMPOUND BODY COATED WITH LAYERS OF POLYCristalline DIAMANT |
GB9616043D0 (en) * | 1996-07-31 | 1996-09-11 | De Beers Ind Diamond | Diamond |
US7147413B2 (en) * | 2003-02-27 | 2006-12-12 | Kennametal Inc. | Precision cemented carbide threading tap |
JP4088570B2 (en) * | 2003-05-08 | 2008-05-21 | 松下電器産業株式会社 | Non-rotating cutting tool |
-
2004
- 2004-12-01 JP JP2004349150A patent/JP2006150572A/en active Pending
-
2005
- 2005-11-29 US US11/288,331 patent/US20060112648A1/en not_active Abandoned
- 2005-11-29 DE DE102005056936A patent/DE102005056936A1/en not_active Withdrawn
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2013105348A1 (en) | 2012-01-10 | 2013-07-18 | 住友電工ハードメタル株式会社 | Diamond-coated tool |
CN104053517A (en) * | 2012-01-10 | 2014-09-17 | 住友电工硬质合金株式会社 | Diamond-coated tool |
JPWO2013105348A1 (en) * | 2012-01-10 | 2015-05-11 | 住友電工ハードメタル株式会社 | Diamond coated tools |
CN114555857A (en) * | 2019-10-18 | 2022-05-27 | 住友电工硬质合金株式会社 | Diamond coated tool |
EP4046730A4 (en) * | 2019-10-18 | 2022-08-24 | Sumitomo Electric Hardmetal Corp. | Diamond-coated tool |
CN114555857B (en) * | 2019-10-18 | 2024-01-09 | 住友电工硬质合金株式会社 | Diamond cladding tool |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE102005056936A1 (en) | 2006-06-08 |
US20060112648A1 (en) | 2006-06-01 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3590579B2 (en) | Diamond coated member and method of manufacturing the same | |
JP2006152424A (en) | Hard film, and hard film-coated cutting tool | |
JP2009220260A (en) | Coated cutting tool and method for manufacturing the same | |
JP3477162B2 (en) | Diamond coated tool and method of manufacturing the same | |
JP5176621B2 (en) | Amorphous carbon coated tool | |
JPWO2013105348A1 (en) | Diamond coated tools | |
JP2018034216A (en) | Surface-coated cutting tool whose hard coating layer exerts excellent chipping resistance and peeling resistance | |
JP2006150572A (en) | Boron doped diamond coating film, and diamond coated cutting tool | |
JP5234357B2 (en) | Wear-resistant tool material with excellent lubricity | |
JP2006152423A (en) | Boron-doped diamond film, and diamond-coated cutting tool | |
JP2012115928A (en) | Diamond coating cutting tool | |
JP5075652B2 (en) | Diamond coated cutting insert and cutting tool | |
Sein et al. | Chemical vapour deposition of microdrill cutting edges for micro-and nanotechnology applications | |
JP2017064840A (en) | Diamond-coated cutting tool made of cemented carbide | |
JP5282911B2 (en) | Diamond coated cutting tool | |
JP4975682B2 (en) | Method for manufacturing coated cutting tool | |
JP2006152422A (en) | Boron-doped diamond film, and diamond-coated cutting tool | |
JP5590326B2 (en) | Diamond-coated cemented carbide drill | |
JP5464494B2 (en) | Surface coated cutting tool with excellent chipping resistance and peeling resistance of hard coating layer | |
JP2012071370A (en) | Diamond coated cutting tool | |
JP6040698B2 (en) | Diamond-coated cemented carbide drill | |
JP5327534B2 (en) | Surface coated cutting tool with excellent chipping resistance and peeling resistance of hard coating layer | |
JP5838858B2 (en) | Diamond coated cemented carbide drill with excellent wear resistance | |
JP2009248221A (en) | Diamond-coated tool having superior chipping resistance and abrasion resistance | |
JP2007168063A (en) | Surface coated cutting tool |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070403 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070522 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20070619 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070725 |
|
A911 | Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20070824 |
|
A912 | Re-examination (zenchi) completed and case transferred to appeal board |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A912 Effective date: 20071207 |