JP3750083B2 - Diamond coating industrial blade manufacturing method - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱フィラメントＣＶＤ法により、超硬合金製刃物母材に対し１〜２０μｍの厚さに膜質制御したダイヤモンド層を皮膜する工業用刃物の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年難加工材の切削加工で超硬合金に換わり焼結ダイヤモンドを刃部に用いた工業用刃物が、多用されている。これは機械的摩耗に対しては大きな抵抗を示すが、湿気を有する木材の切削加工のような腐食摩耗に対しては摩耗が進行する。この腐食摩耗は、従来の焼結ダイヤモンドのバインダーであるＣｏの腐食から発生する。
このことから表面にバインダー（Ｃｏ）が無く耐腐食性、耐摩耗性の高いダイヤモンドコーティング工具が注目された。これまでダイヤモンドコーティングとしては、コーティングしたままの切削工具、スクイ面、逃げ面のダイヤモンド皮膜をダイヤモンド砥石で研磨加工したままの工具が市販されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
コーティングしたままのダイヤモンド表面には、大きな凹凸があるため、使用中にこの凹凸に被切削物が付着し切れ味を低下させる。このさい、表面をダイヤモンド砥石で機械研磨して凹凸を除去するとダイヤモンド層を傷付け強度低下により刃先が欠損しやすくなる。とりわけ、木工用切削工具では上記の湿気による腐蝕の問題の外に、凹凸面へ被切削物が付着し易い。
本発明は上記問題点を解決せんとするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は熱フィラメントＣＶＤ法によるダイヤモンド皮膜合成で超硬合金製刃物母材の少なくとも刃部に１〜２０μｍの厚さの膜質制御したダイヤモンド層が皮膜されるようになさしめるべく開発した技術であり、その１つは膜質制御としてフィラメントと超硬合金製刃物母材間で間欠的にバイアス電流を印加させるのであり、他の１つは膜質制御としてガス組成を間欠的に変動させるのであり、更に他の１つは膜質制御としてフィラメントと超硬合金製刃物の基板間距離を周期的に変動させるのである。
【０００５】
具体的には真空チャンバー内の台座上に超硬合金製刃物母材の基板を載置し、チャンバー内気圧をバキュームポンプで下げると共に、メタンと水素を供給し、且つ熱フィラメントをフィラメント電圧１０〜５０Ｖ、フィラメント電流３０〜１００Ａで２０００℃以上に加熱するのであるが、本発明ではそのさいバイアス電流を適宜印加させる。このさい、バイアス電圧は１３０Ｖ、電流値２０ｍＡ、バイアス印加サイクル１０〜３０分で印加と停止を交互に行うのであり、これによりダイヤモンド皮膜の大きな凹凸が形成されるのを効率良く防止できるものとなる。
【０００６】
上記に於けるメタンと水素の比率は５％：９５％となしたものであるが、本発明では上記のバイアス電流を印加する代わりにメタンと水素の組成比率を間欠的に変動させるようになしても良い。即ちメタンと水素の組成比率を高濃度時１０％：９０％、低濃度時１％：９５％で１０分毎に変動させるのであり、これによりダイヤモンド皮膜の大きな凹凸が形成されるのを効率良く防止できるものとなる。
【０００７】
更に、本発明ではメタンと水素のガス組成は５％と９５％の一定比率下で、台座上の基板を２０００℃以上の熱フィラメントに対して一定の速度で往復移動させることにより、その表面に形成されるダイヤモンド皮膜に大きな凹凸が形成されないようにすることができる。即ちこのためには台座をその水平方向へ凡そ２０ｃｍ〜３０ｃｍの範囲で且つ１０ｃｍ／ｓｅｃの速さで往復移動させるのである。
【０００８】
本発明に於ける上記の各実験例では熱フィラメント電圧が１０〜５０Ｖ、熱フィラメント電流は３０〜１００Ａ、熱フィラメントと基板との対向間距離は５ｍｍ、チャンバー内の初期気圧は０．１Torr、同合成時気圧は３０Torrとなされている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明方法を実施する装置の模式説明図であって、１は該装置のチャンバー、２はその排気管、３は同チャンバー内に対するメタンと水素のガス管である。一方、４はチャンバー１内に於ける台座（基板の載置された状態を把持するためのもの）、５は該台座上へ載置された超硬合金製刃物母材の基板である。他方、６は上記基板５の上方へ配置される熱フィラメント、７ａ及び７ｂはその支持柱兼用の電極である。８，９及び１０はその電源及び電流計である。
【００１０】
而して、具体的な実施例は次の通りである。
チャンバー１内初期気圧は０．１Torr、同合成時気圧は３０Torrであり、また熱フィラメント電圧は１０〜５０Ｖ、同電流値は３０〜１００Ａ、熱フィラメント電源はＡＣ又はＤＣ、メタンと水素の組成比率は５％：９５％、熱フィラメントと基板との設定距離は５ｍｍとするのであり、また基板５は炭化タングステン基超硬合金の替刃（巾８ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚１．５ｍｍ）である。
【００１１】
上記の熱フィラメントＣＶＤ法に於けるダイヤモンドコーティング処理作業で、本発明は熱フィラメント６に対し間歇的にバイアス電流を印加させるのであり、このさいバイアス電圧は１３０Ｖ、バイアス電流は２０ｍＡ、バイアス印加サイクルは１０〜３０分として１０〜３０分印加後、同時間印加を停止することを繰返すのである。
【００１２】
上記により、基板５にはダイヤモンド皮膜１１の形成されるものとなるのであるが、上記の如くバイアス電流を印加させたものではダイヤモンド皮膜に大きな凹凸が形成されるものとならないのであり、即ち図２に於いてＡは上記によるバイアス電流を印加させたものの電子顕微鏡写真であり、Ｂはバイアス電流を印加させないものの同顕微鏡写真である。
該図面から明らかな通り、本発明に係る図Ａのダイヤモンド皮膜１１は極めて均一的な平滑面ｍに形成されるものとなっているが、図Ｂの従来方法によるものでは凹凸面ｎの激しい皮膜１１’に形成されるものとなっている。
なお、本発明に於ける上記ダイヤモンド皮膜１１は１〜２０μｍの比較的薄膜のものに形成するのであり、これは上記処理時間を０．１〜２時間程度の範囲で調整することにより行われる。
【００１３】
上記はバイアス電流を印加した例であるが、メタンと水素のガス比率を低濃度から高濃度に周期的に変動させることによっても同様のダイヤモンドコーティング皮膜１１の得られるものとなる。
即ち、このさいメタンと水素の組成比率をメタンの高濃度時を１０％で水素が９０％、メタンの低濃度時を１％で水素が９９％の割合となし、これを１０分毎のサイクルで変更実施するのであり、装置にはタイマーと弁操作の切換えて自動的に行われるようにするのである。
而して、その皮膜形成が１〜１０μｍの範囲となれば、その運転を停止するのであり、このための処理時間は前例同様に０．１〜２時間程度の範囲である。
【００１４】
次に、本発明はチャンバー１内で基板５を載置する台座４を熱フィラメント６に対し、一定の距離範囲で往復移動させることにより両者の対向間距離を漸次変更させ、これでダイヤモンド皮膜の形成に大きな凹凸形成がセーブされるようにしても良い。即ち対向間距離５ｍｍの状態でその水平方向へ２０ｃｍ〜３０ｃｍ範囲で台座４を往復移動させるのであり、台座４の速度は１０ｃｍ／ｓｅｃとする。ところで、上記台座４の移動距離や走行速度は基板の大きさにより適宜変化させるのであり、このさい、台座４の移動方向はその台座４上の基板５が熱フィラメント６と並列状態下で遠ざかったり、近づいたりするように移動させるのである。なお、本発明ではダイヤモンド皮膜の大きな凹凸の谷間を埋めるように小さな凹凸が形成され、表面の平滑化が図れるものとなる。
【００１５】
表１は替刃式木工用総型ルータービットの超硬合金の替刃（巾８ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚１．５ｍｍ）に係る比較実験例をグラフ線図で示したものである。
一点鎖線はダイヤモンドコーティングを施さない超硬合金の刃物、点線は従来方法によりダイヤモンドコーティングの施された刃物、実線は本発明方法により実施された刃物の各夫々れに於ける時間の経過と切れ味の低下状態を示す。本表から明らかな通り、本発明方法による実施製品は長時間を経過しても切れ味の急激な低下が殆ど起こらないものである。
【００１６】
【表１】
従来法によるダイヤモンドコーティング皮膜は、皮膜に大きな凹凸が形成されるものとなるのであり、従って切削中に該凹凸の谷溝に切削屑などの付着物が付着して切れ味の急激な低下が生ずるのであり、よって頻繁に洗浄やドレッシングを行って付着物の除去を行う必要が生ずるものとなっているが、上記の如く実施する本発明では平滑薄膜の膜質制御を可能になし、即ちダイヤモンドコーティング皮膜は、従来のダイヤモンド皮膜に較べ合成過程のコントロールが容易であって、従来不可能とされている平滑薄膜の合成を可能にすることのできたものである。
【００１８】
なお、本発明に於ける請求項１、同２、同３に記載した方法は、夫々れの単独の実施に限らずこれらを適宜組合せて実施することも差支えなく、即ちこれらの二つ以上を同時に或いは交互に適当時間を定めて実施することも差支えない。
【００１９】
【発明の効果】
本発明は以上の通り構成するものであって、比較的安価な設備費で、その膜質を効率良くコントロールできるダイヤモンド皮膜の形成を可能になすことができる。而して、その皮膜は当初から平滑な膜面の形成となっていることから、研磨加工や洗浄処理など従来に於けるダイヤモンド皮膜の欠点を克服し、切削性能の長期間維持を可能ならしめるものであって、生産コストの低減下にも著効を奏する。
とりわけ、湿気を有する木材の切削加工では従来方法によるダイヤモンドコーティング刃物の使用は、加工皮膜の凹凸面に対し湿気を有する被切削物が付着すると極端に切れ味が低下するのであり、また腐蝕摩耗が進行するなどの問題もあって木工加工業者の頭痛の種となっていたが、本発明に係る製品の使用により切れ味に優れ且つ維持管理も容易な安価製品を市場に供給することが可能になり、従来問題点の払拭に寄与することができた。
なお、アルミニウム、銅、真鍮など融着が問題となる被切削材にも、本発明のダイヤモンド皮膜は平滑薄膜であるため融着を防ぐことができ、有益な工業用刃物を低コストで供給することができるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法を実施する装置の模式説明図である。
【図２】Ａは本発明方法によりバイアス電流を印加させたもの、Ｂは従来法により製造される製品の電子顕微鏡写真図である。
【符号の説明】
１ チャンバー
２ 排気回路管
３ ガス供給管
４ 台座
５ 基板
６ 熱フィラメント
７ 支持柱兼用電極
８ 電源
９ 電源
１０ 電流計[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a manufacturing method of an industrial blade for coating a diamond layer whose film quality is controlled to a thickness of 1 to 20 μm on a cemented carbide blade base material by a hot filament CVD method .
[0002]
[Prior art]
In recent years, industrial cutting tools that use sintered diamond instead of cemented carbide for cutting difficult-to-work materials have been widely used. This shows great resistance to mechanical wear, but wear proceeds against corrosive wear such as cutting wood with moisture. This corrosive wear is caused by corrosion of Co, which is a binder of conventional sintered diamond.
For this reason, a diamond coating tool having no binder (Co) on its surface and high corrosion resistance and wear resistance has attracted attention. To date, diamond coatings that have been coated with a cutting tool, a squeeze surface, and a flank diamond film polished with a diamond grindstone are commercially available.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Since the as-coated diamond surface has large irregularities, the work piece adheres to the irregularities during use, and the sharpness is lowered. At this time, if the surface is mechanically polished with a diamond grindstone to remove the irregularities, the diamond layer is damaged and the cutting edge tends to be damaged due to a decrease in strength. In particular, in the cutting tool for woodworking, in addition to the above-mentioned problem of corrosion due to moisture, the workpiece is likely to adhere to the uneven surface.
The present invention is intended to solve the above problems.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is a technique developed to synthesize a diamond layer having a thickness of 1 to 20 μm on at least the blade portion of a cemented carbide blade base material by synthesizing a diamond film by a hot filament CVD method. One is to apply a bias current intermittently between the filament and the cemented carbide blade base material as a film quality control, and the other is to intermittently change the gas composition as a film quality control. The other is to periodically vary the distance between the substrate of the filament and the cemented carbide blade as a film quality control.
[0005]
Specifically, a substrate of a cemented carbide blade base material is placed on a pedestal in a vacuum chamber, the pressure inside the chamber is reduced by a vacuum pump, methane and hydrogen are supplied, and a hot filament is set to a filament voltage of 10 to The heating is performed to 2000 ° C. or more at 50 V and a filament current of 30 to 100 A. In the present invention, a bias current is appropriately applied. At this time, the bias voltage is 130 V, the current value is 20 mA, and the bias application cycle is alternately applied and stopped in 10 to 30 minutes, thereby effectively preventing the formation of large irregularities in the diamond film. .
[0006]
The ratio of methane and hydrogen in the above is 5%: 95%, but in the present invention, the composition ratio of methane and hydrogen is changed intermittently instead of applying the bias current. May be. In other words, the composition ratio of methane and hydrogen is changed every 10 minutes at 10%: 90% at high concentration and 1%: 95% at low concentration, thereby effectively forming large irregularities on the diamond film. It can be prevented.
[0007]
Furthermore, in the present invention, the gas composition of methane and hydrogen is reciprocated at a constant speed with respect to a hot filament of 2000 ° C. or higher at a constant ratio of 5% and 95%, so that It is possible to prevent large irregularities from being formed on the formed diamond film. That is, for this purpose, the pedestal is reciprocated in the horizontal direction in the range of about 20 cm to 30 cm and at a speed of 10 cm / sec.
[0008]
In each of the above experimental examples in the present invention, the hot filament voltage is 10 to 50 V, the hot filament current is 30 to 100 A, the distance between the hot filament and the substrate is 5 mm, the initial pressure in the chamber is 0.1 Torr, The pressure during synthesis is 30 Torr.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic explanatory view of an apparatus for carrying out the method of the present invention, wherein 1 is a chamber of the apparatus, 2 is an exhaust pipe thereof, and 3 is a gas pipe of methane and hydrogen for the inside of the chamber. On the other hand, 4 is a base in the chamber 1 (for gripping the state where the substrate is placed), and 5 is a substrate of a cemented carbide blade base material placed on the base. On the other hand, 6 is a hot filament disposed above the
[0010]
Thus, a specific embodiment is as follows.
The initial pressure in the chamber 1 is 0.1 Torr, the pressure at the time of synthesis is 30 Torr, the hot filament voltage is 10 to 50 V, the current value is 30 to 100 A, the hot filament power source is AC or DC, and the composition ratio of methane and hydrogen Is 5%: 95%, the set distance between the hot filament and the substrate is 5 mm, and the
[0011]
In the above diamond coating process in the hot filament CVD method, the present invention applies a bias current to the hot filament 6 intermittently. In this case, the bias voltage is 130 V, the bias current is 20 mA, and the bias application cycle is After 10 to 30 minutes of application for 10 to 30 minutes, the application is repeatedly stopped for the same time.
[0012]
As described above, the diamond film 11 is formed on the
As is clear from the drawing, the diamond film 11 of FIG. A according to the present invention is formed on a very uniform smooth surface m, but with the conventional method of FIG. 11 'is formed.
In the present invention, the diamond film 11 is formed as a relatively thin film having a thickness of 1 to 20 μm, and this is performed by adjusting the treatment time in the range of about 0.1 to 2 hours.
[0013]
The above is an example in which a bias current is applied, but the same diamond coating film 11 can also be obtained by periodically changing the gas ratio of methane and hydrogen from a low concentration to a high concentration.
In other words, the composition ratio of methane and hydrogen is 10% when the methane concentration is high, 90% hydrogen, 1% when the methane concentration is low, and 99% hydrogen. The device is automatically changed by switching between timer and valve operation.
Thus, when the film formation is in the range of 1 to 10 μm, the operation is stopped, and the processing time for this is in the range of about 0.1 to 2 hours as in the previous example.
[0014]
Next, in the present invention, the pedestal 4 on which the
[0015]
Table 1 shows a graph of a comparative experiment example related to a replaceable blade (
The one-dot chain line is a cemented carbide blade without diamond coating, the dotted line is a diamond-coated blade by a conventional method, and the solid line is the time and sharpness of each of the blades performed by the method of the present invention. Indicates a lowered state. As is apparent from this table, the product according to the method of the present invention hardly undergoes a sharp drop in sharpness even after a long time.
[0016]
[Table 1]
The diamond coating film according to the conventional method is such that large irregularities are formed on the film, and therefore, deposits such as cutting chips adhere to the valleys of the irregularities during cutting, and sharpness sharply decreases. Therefore, it is necessary to frequently remove the deposits by washing and dressing, but in the present invention implemented as described above, it is possible to control the film quality of the smooth thin film, that is, the diamond coating film Compared to the conventional diamond film, the synthesis process is easier to control, and it has been possible to synthesize a smooth thin film which has been impossible in the past.
[0018]
Note that the methods described in
[0019]
【The invention's effect】
The present invention is configured as described above, and can form a diamond film capable of efficiently controlling the film quality at a relatively low equipment cost. Therefore, since the film has a smooth film surface from the beginning, it can overcome the disadvantages of conventional diamond films such as polishing and cleaning, and maintain cutting performance for a long period of time. It is also effective in reducing production costs.
In particular, when cutting wood with moisture, the use of a diamond-coated blade by the conventional method is extremely sharp when the workpiece to be wet adheres to the uneven surface of the processed film, and corrosive wear progresses. However, the use of the product according to the present invention makes it possible to supply an inexpensive product that is excellent in sharpness and easy to maintain, to the market. It was possible to contribute to wiping out the conventional problems.
In addition, since the diamond film of the present invention is a smooth thin film, it is possible to prevent the fusion of materials to be cut, such as aluminum, copper, and brass, and to provide a useful industrial blade at a low cost. Will be able to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic explanatory view of an apparatus for carrying out the method of the present invention.
FIG. 2A is an electron micrograph of a product to which a bias current is applied according to the method of the present invention, and B is a product manufactured by a conventional method.
[Explanation of symbols]
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