JPH0369595A - ダイヤモンド類被覆部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ダイヤモンド類被覆部材の製造方法に関する
。さらに詳しく言うと、基材との密着性に優れたダイヤ
モンド類膜を早い成膜速度で製造することのできるダイ
ヤモンド類被覆部材の製造方法に関する。

［従来の技術］ ダイヤモンド類の薄膜は、硬度、耐摩耗性、電気絶縁性
、熱伝導性、赤外線透過性および固体潤滑性などに優れ
ていることから、たとえば切削工具類、研磨材、耐摩耗
性機械部品、光学部品等の各種部材のハードコート材や
電気・電子材料などに利用されつつある。

ところで、このタイヤセント類の薄膜て被覆してなるダ
イヤモンド類被覆部材か所期の性能を発揮するためには
、基材とダイヤモンド類の薄膜との密着性か優れていな
ければならない。

そこで、ダイヤモンド類の薄膜と基材との密着性を向」
ニさせることを目的として従来から、種々の提案がなさ
れている。

特公昭Ｇｏ−５９０８６号公報には、基材であるｓｉ。

Ｎ４系素材の表面に膜厚０．５〜５ｏＪＬｍのダイヤモ
ンド膜を形成する技術が開示されている。しかしながら
、この公報にはダイヤモンド類膜の合成条件に関する記
述がない。

たしかに、Ｓｉ３Ｎ４系素材は、比較的ダイヤモンドに
近い熱膨張係数を有するため、ｗｃ系超超硬合金どに比
較して密着性にすぐれたものである。しかしながらＳｉ
３Ｎ４系素材にダイヤモンドを被覆形成しようとしても
、その成膜速度が非常に遅いという問題点を有している
。

このため、炭素源ガス濃度を高くすることも考えられる
が、十分な性能を有するダイヤモンド被覆を行なうこと
ができず切削工具などへの利用は困難である。また性質
の異なるダイヤモンドの多層被覆も種々提案されている
。（特開昭６２１９６３７１号公報、特開昭８２−２４
１８９８号公報、特開昭８３−２８８９９４号公報など
）。

しかしながら５ｉ３Ｎｎ系素材に対して、成膜速度が早
く、しかも表面硬度、耐摩耗性などの表面特性を同時に
解決する方法は未だ提案されていない。

本発明の目的は、基材に対するダイヤモンド類膜の密着
性が良好で、表層部が耐摩耗性に特に優れた性質を有し
、かつ十分な膜厚のダイヤモンド類膜を早い成膜速度で
形成することのできる、窒化ケイ素系、ダイヤモンド類
被覆部材の製造方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段コ 前記目的を遠戚するための本願請求項１に記載の発明は
、少なくとも表層部が窒化ケイ素系焼結体からなる基材
の表面に、一酸化炭素の濃度が１０容量％以上である一
酸化炭素と水素とを有する第一混合ガスを励起して得ら
れる活性ガスを基材に接触させてダイヤモンド類層を形
成し、一酸化炭素の濃度が１０容量％未満である一酸化
炭素と水素とを有する第二混合ガスを励起して得られる
活性ガスて表層部ダイヤモンド層を形成することを特徴
とするダイヤモンド類被覆部材の製造方法であり、 本願請求項２に記載の発明は、前記混合ガス中の一酸化
炭素の濃度を連続的にまたは断続的に減少させてなる前
記請求項１に記載のダイヤモンド類被覆部材の製造方法
であり、 本願請求項３に記載の発明は、ダイヤモンド類被覆部材
のダイヤモンド類膜全体の膜厚か０．５〜１１００ｐて
あり、最上ダイヤセント類膜の膜厚か、タイヤセント類
膜全体の膜厚の５０％以下である前記請求項１に記載の
ダイヤモンド類被覆部材の製造方法である。

以下、本発明の詳細な説明する。

一基材 本発明における窒化ケイ素系焼結体とは、窒化ケイ素を
主成分とする焼結体をいう。窒化ケイ素としては通常、
Ｓｉ３Ｎ４を使用することができる。

前記焼結体は主成分たる窒化ケイ素と、ＡｆＬ２０３　
、ＡＩＮ、ＭｇＯ，Ｃａｂ、Ｙ２０３Ｚｒ０２　、Ｔｉ
Ｏ２、Ｂ４　Ｃ，ＴｉＮ、ＷＣなどの焼結助剤と、必要
に応じたウィスカー等の強化材とを適宜に混合して公知
の方法で焼結することにより得ることができる。

この焼結体は公知の焼結法により製造することができ、
中でもホットプレス法（）ｆＰ）、熱１１７７等方圧成
形法（ＨＩＰ）、ガス圧焼結法などの加圧焼結法が好ま
しい。

基材は、全部をこの焼結体で構成してもよいし、基材の
表層部のみをこの焼結体で構成し、それ以外の部分は他
の公知の材料で構成しても良い。サラニは、Ｓｉ３Ｎ４
系材料をコーティングして表層部を形成したものであっ
てもよい。

ここにいう公知の材料とは、たとえばシリコン、マンガ
ン、バナジウム、タリウム、アルミニウム、チタン、タ
ングステン、モリブデン、ゲルマニウム、クロム、ポロ
ンなどの金属１、半金属、これらの酸化物、窒化物、お
よび炭化物、これらの合金などがある。

また、超硬工具類などに利用する場合の好ましい公知の
材料としては、たとえばＷＣ−Ｃｏ系合金、ＷＣ−Ｔｉ
Ｃ−Ｃｏ系合金、ＷＣ−ＴｉＣＴａＣ−Ｃｏ系合金、Ｗ
Ｃ−ＴｉＮ−Ｃｏ系合金、Ｗ　Ｃ−Ｔ　ｉ　Ｃ−Ｔ　ｉ
　Ｎ　−Ｃｏ系合金、ＴｉＮ−Ｎｉ、Ｔｉ　Ｎ−Ｔｉ　
Ｃ−Ｎｉなどのサーメットなどを挙げることができる。

−ダイヤモンド類層の形成− 本発明においては、前記窒化ケイ素系焼結体の表面に、
少なくとも二層のダイヤモンド類膜を形成することが重
要である。すなわち、窒化ケイ素系焼結体に対する密着
性がより一層高められたダイヤモンド類で窒化ケイ素系
焼結体に接する層を高速度で形成し、表層部は、より一
層耐摩耗性の改善されたダイヤモンド層で形成すること
により、ダイヤモンド類膜全体として、基材に対するよ
り一層向上した密着性とより一層向上した耐摩耗性とを
併せ持たせるように、基材表面に少なくとも二層のダイ
ヤモンド類膜を形成するのである。したがって、本発明
においては、基材表面に接すると共に密着性と成膜速度
の改善されたダイヤモンド層と耐摩耗性の改善された表
層部とを有する。なお、ここで、「層」なる表現をした
が、本発明においては、両層の間に明確な界面を有する
場合も、あるいは明確な界面を右しない場合についても
、「層」を形成しているとする。

前記ダイヤモンド類層は、一酸化炭素の濃度が１０容量
％以上、好ましくは１０〜８０容量％である一酸化炭素
と水素とを有する第一混合ガスを励起して得られるプラ
ズマガスを基材に接触させることにより、形成される。

前記第一混合ガス中の一酸化炭素ガスの濃度がｌＯ容量
％未満であると、ダイヤモンド類の形成に長時間を要す
るようになるので生産性の見地からして好ましくない。

なお、第一混合ガス中の一酸化炭素の濃度は、１０容量
％以上である限り、ダイヤモンド類層の形成途中で、種
々に変化しても良い。具体的には、ダイヤモンド類層の
形成期間中、第一混合ガス中の一酸化炭素ガスの濃度は
１０容量％以上の一定値であっても良いし、第一混合ガ
ス中の一酸化炭素ガスの初期濃度がダイヤモンド類層の
形成期間中に徐々に低下するように一酸化炭素ガスの濃
度を調節し、ダイヤモンド類層の形成終期にはほぼ１０
容量％の一酸化炭素ガスの濃度になるように、その濃度
を調節しても良い。

なお、本発明の目的を阻害しない範囲で、この第一混合
ガス中には他のガスが含有されていてもよい。

他のガスとしては、たとえば、Ｎ２．Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ
等の不活性ガス等を挙げることができる。

いずれにしても、前記第一混合ガスは、熱フイラメント
法（ＥＡＣＶＤ法を含む）、直流プラズマＣＶＤ法（熱
プラズマ法も含む）、高周波プラズマＣＶＤ法（熱プラ
ズマ法も含む）、マイクロ波プラズマＣＶＤ法（有［場
−ＣＶＤ法、ＥＣＲ−ＣＶＤ法も含む）、燃焼炎法、光
ＣＶＤ法、スパッタリング法などで励起することができ
る。

なかでも本発明の目的に好ましいのは、各種プラズマＣ
ＶＤ法である。

第一混合ガスを前記励起方法で励起して得られる活性ガ
スを基材に接触させる際の、基材の表面温度は、前記第
一混合ガスの励起方法により異なるので一層に決定する
ことはできないが、通常、３００〜１，２００℃、好ま
しくは８００〜１，１００℃である。

この表面温度が、３００℃より低いと、ダイヤモンド類
の析出速度が遅くなったり、析出物の結晶性、均質性が
失われたりする。一方、１，２００℃より高くしても、
それに見合った効果は奏されず、エネルギー効率の点で
不利になるとともに、形成されたダイヤモンドがエツチ
ングされてしまうことがある。

活性ガスを基材表面に接触させる際の反応圧力は、通常
、１０−６〜１０”　ｔｏｒｒ、好ましくは１Ｏ−５ｔ
ｏｒｒ〜８００ｔｏｒｒである。

反応圧力が１Ｏ−６ｔｏｒｒよりも低いと、ダイヤモン
ド類の成膜速度が遅くなったり、ダイヤモンド類が析出
しなくなったりすることがある。

一方、１０３　ｔｏｒｒより高くしてもそれに見合った
効果は奏されないことがある。

励起ガスを基材に接触させる反応時間は、ダイヤモンド
類層の形成条件やダイヤモンド類層の厚みにより適宜に
決定される。

ダイヤモンド類層の形成が終了してから、表層部ダイヤ
モンド層を形成する。

表層部ダイヤモンド膜は、一酸化炭素の濃度が１０容量
％未満、好ましくは２容量％以上１０容量％未満である
一酸化炭素と水素とを有する第二混合ガスを励起して得
られるプラズマガスを、基材表面に既に形成されである
ダイヤモンド類膜に、接触させることにより、形成され
る。

前記第二混合ガス中の一酸化炭素ガスの濃度が１０容量
％以上であると、耐摩耗性の向上しないダイヤモンド類
膜が形成される。

表層部ダイヤモンド膜の形成に際し、第二混合ガス中の
一酸化炭素の濃度は、１０容量％未満である限り、表層
部ダイヤモンド層の形成途中で、種１ 々に変化しても良い。具体的には、ダイヤモンド層の形
成期間中、第二混合ガス中の一酸化炭素ガスの濃度は１
０容量％未渦の一定値であっても良いし、第二混合ガス
中の一酸化炭素ガスの初期濃度が表層部ダイヤモンド層
の形成期間中に徐々に低下するように一酸化炭素ガスの
濃度を調節しても良い。

また、ダイヤモンド類層形成の終期における第一混合ガ
ス中の一酸化炭素ガス濃度と表層部ダイヤモンド層形成
の初期における第二混合ガス中の一酸化炭素ガス濃度と
を１０容量％に一致させておいても良い。この場合は、
第一混合ガス中の一酸化炭素濃度と第二混合ガス中の一
酸化炭素ガス濃度とが連続的に変化しているといえる。

これとは逆に、ダ□イヤモンド類層形成の終期における
第一混合ガス中の一酸化炭素ガス濃度と表層部ダイヤモ
ンド層形成の初期における第二混合ガス中の一酸化炭素
ガス濃度とを不一致にしておいても良い。

なお、本発明の目的を阻害しない範囲で、この２ 第二混合ガス中には他のガスが含有されていてもよい。

他のガスとしては、前記ダイヤモンド類層の形成におい
て説明したのと同様である。また、第二混合ガスの励起
手段、基材の温度、反応圧力等についても、前記ダイヤ
モンド類層の形成において説明したのと同様である。

本発明の方法により製造されるダイヤモンド類被覆部材
は、種々の用途に供することができ、とりわけ切削工具
等の加工工具に使用するのが好ましい。

加工工具として本発明のダイヤモンド類被覆部材を使用
する場合、ダイヤモンド類層の厚みと表層部ダイヤモン
ド層の厚みとを次のように調整しておくのが好ましい。

すなわち、第１図に示すように、基材Ａの上にはダイヤ
モンド類層Ｂが形成され、このダイヤモンド類ＨＢの上
には表層部ダイヤモンド層Ｃが積層形成されている場合
に、ダイヤモンド類層Ｂの厚みｄｌ　　と、表層部ダイ
ヤモンド類層Ｃの厚みｄｌ　との和（ｄｌ　＋ｄ２　）
は、０．５７ｈｍ　〜１００川ｍ、好ましくは、５ルｍ
〜３０ｐＬｍが良い。

ダイヤモンド類層Ｂの膜厚ｄｌ　と表層部ダイヤモンド
層Ｃの膜厚ｄｌとの和（ｄ＋＋ｄ２）が５ｐｍ未満であ
ると、膜厚が不十分になり、工具の寿命が短くなり、ダ
イヤモンド類層Ｂの膜厚ｄｌと表層部ダイヤモンド類層
Ｃの膜厚ｄｌとの和（ｄｌ　＋ｄ２　）が１１００ｐＬ
を越えると、被覆形成のコストが大きくなり、またチッ
ピングが起き易くなるからである。

なお、　表層部ダイヤモンド層Ｃの膜厚ｄ２は、ダイヤ
モンド類膜全体の膜厚（ｄ＋＋ｄ２）の５０％以下、好
ましくは３０％以下である。

［実施例］ 次に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。

（実施例１） ダイヤモンド類膜の合成 同一ロットの窒化ケイ素系焼結体からなるチップ（東芝
タンガロイ社製、Ｔ　Ｐ　Ｇ　Ｎ　１Ｂ０３０ＢＦＸ　
９２０）を基材とし、これをマイクロ波プラズマＣＶＤ
装置内の反応室に設置し、次の合成条件でチップの表面
にダイヤモンド類膜を形成させた。

合成条件 まず、第１段目は、原料ガスとしてＣｏ／Ｈ。

混合ガスを用い、ＣＯガスの濃度を２０容量％（一定濃
度）、基材温度をｔ、ｏｏｏ℃、反応圧力を４０　Ｔａ
ｒｒ、合成時間を４時間にし、マイクロ波プラズマＣＶ
Ｄ法（２，４５ＧＨ２，４００Ｗ）によりチップ上にダ
イヤモンド類膜を形成させた。

次に、第２段目は、原料ガスとしてＣＯ／　Ｈ２混合ガ
スを用い、ＣＯガスの濃度を５％（一定値）、基材温度
を１，０００℃、反応圧力を４０Ｔｏｒｒ、合成時間を
２時間にし、マイクロ波プラズマＣＶＤ法（２，４５Ｇ
Ｈ２，４５０Ｗ）によりチップの表層部にダイヤモンド
膜を形成させた。

置塵 以上のようにして得られたダイヤモンド類膜全体（最下
層＋最上層）の膜厚は１２ｐｍであっ　５ た。

切削試験 次に、」二記の条件で得られたダイヤモンド類膜付きチ
ップで、以下の条件で被切削材を切削した。

切削条件 ■チップ形状：　ＴＰＧＮ１１３０３０８■切削速度Ｖ
　：　１００ｍ／ｗｉｎ ■切り込みｄ：１ｍｍ ■送りｆ　：　０．０８５ｍｍ ■形式：ｗｅｔ ■被削材：Ｔｉ−６Ａ文−４■ 切削結果 逃げ面の摩耗は、８０分後で１ｌ１０７ｐであった。

（比較例１） ダイヤモンド類膜の合成 実施例１と同一の基材を使用して、これをマイクロ波プ
ラズマＣＶＤ装置内の反応室に設置し、次の合成条件で
チップの表面にダイヤモンド類膜　６ を形成させた。

合成条件 原料ガスとしてＣＯ／Ｈ２混合ガスを用い、ＣＯガスの
濃度を２０％、基材温度を１，０００℃、反応圧力を４
０Ｔｏｒｒ、合成時間を６時間とし、マイクロ波プラズ
マＣＶＤ法（２，４５ＧＨ２，４００Ｗ）によりチップ
上に一層のダイヤモンド類膜を形成させた。

展長 以上のようにして得られたダイヤモンド類膜の膜厚は１
４ルｍであった。

切削試験 次に、上記の条件で得られたチップを実施例１と同様の
条件で切削したところ、逃げ面の摩耗は８０分後で２８
０Ｊｉ、ｍに達した。

（比較例２） ダイヤモンド類膜の合成 実施例１と同一の基材を使用し、これをマイクロ波プラ
ズマＣＶＤ装置内の反応室に設置し、次の合成条件でチ
ップの表面に一層のダイヤモンド類膜を形成させた。

企裏条丑 原料ガスとしてＣｏ／Ｈ２混合ガスを用い、ＣＯガスの
濃度を５％、基材温度を１．０００℃、反応圧力を４０
Ｔｏｒｒ、合成時間を６時間とし、マイクロ波プラズマ
（２，４５ＧＨ２，４５０Ｗ）によりチップ上にダイヤ
モンド類膜を形成させた。

巖長 以上のようにして得られたダイヤモンド類膜の膜厚は６
井ｍであった。

切削試験 次に、上記の条件で得られたチップを実施例１と同様の
条件で切削したところ、６０分切削後の時点で、ダイヤ
モンド膜の剥離が見られた。

（実施例２） ダイヤモンド類膜の合成 実施例１と同一のチップを基材として、これをマイクロ
波プラズマＣＶＤ装置内の反応室に設置し、次の合成条
件でチップの表面にダイヤモンド類膜を形成させた。

脅威条件 まず、第１段目は、原料ガスとしてＣＯ／　Ｈ？混合ガ
スを用い、ＣＯＯ２０濃度を３０％（一定値）、基材温
度を１，０００℃、反応圧力を４０Ｔｏｒｒ、合成時間
を４時間とし、マイクロ波プラズマＣＶＤ法（２，４５
ＧＨ２，３８０Ｗ）によりチップ上にダイヤモンド類膜
を形成させた。

次に、第２段目は、原料ガスとしてＣＯ／Ｈ２混合ガス
を用い、ＣＯＯ２０濃度を７％、基材温度を１．０００
℃、反応圧力を４０Ｔｏｒｒ、合成時間を２時間とし、
マイクロ波プラズマＣＶＤ法（２，４５ＧＨ２，４５０
Ｗ）によりチップの最下層上にダイヤモンド膜を形成さ
せた。

朦１ 以上のようにして得られたダイヤモンド類膜全体の膜厚
は１５ｇｍであった。

切削試験 次に、」二記の条件で得られたチップを実施例１と同様
の条件で切削したところ、逃げ面の摩耗は８０分後で１
３０７Ｌｍであった。

９ （実施例３） ダイヤモンド類膜の合成 実施例１と同一のチップを基材として、これをマイクロ
波プラズマＣＶＤ装置内の反応室に設置し、次の脅威条
件でチップの表面にダイヤモンド類膜を形成させた。

合成条件 まず、第１段目は、原料ガスとしてＣＯ／　Ｈ２混合ガ
スを用い、ＣＯＯ２０濃度を６０％、基材温度を９００
℃、反応圧力を４０Ｔｏｒｒ、合成時間を３．５時間と
し、マイクロ波プラズマＣＶＤ法（２，４５ＧＨ２、３
５０Ｗ）によりチップ上にダイヤモンド類膜を形成させ
た。

次に、第２段目は、原料ガスとしてＣＯ／Ｈ２混合ガス
を用い、ＣＯＯ２０濃度を４％、基材温度を１．０００
℃、反応圧力を４０Ｔｏｒｒ、合成時間を２．５時間と
し、マイクロ波プラズマＣＶＤ法（２，４５ＧＨ２，４
５０Ｗ）によりチップの表層部にダイヤモンド膜を形成
させた。

　０ 腹遅 以上のようにして得られたダイヤモンド類膜全体の膜厚
は１４７ｔｍであった。

切削試験 次に、上記の条件で得られたチップを実施例１と同様の
条件で切削したところ、逃げ面の摩耗は８０分後で１１
００ＪＬであった。

（比較例３） ダイヤモンド類膜の合成 ＣＯＯ２０濃度を２０％、基材温度を１．０００℃、合
成時間を３０時間にした外は前記実施例２と同様に実施
してチップ上にダイヤモンド類膜を形成させ、次いで合
成時間を１０時間にした外は前記実施例２と同様に実施
して表層部にダイヤモンド膜を形成させた。

朦瀝 以上のようにして得られたダイヤモンド類膜全体の膜厚
はＥｔ５ｇｍであった。

切削試験 次に、」二記の条件で得られたチップを実施例１と同様
の条件で切削したところ、５分後、チッピングにより剥
離した。

［発明の効果］ 本発明の製造方法によると、基材に対する密着性が良好
で、表面の耐摩耗性が特に向上したダイヤモンド類膜を
十分な膜厚で短時間に形成することができ、その結果、
耐摩耗性、耐欠損性の高いダイヤモンド被覆工具等に好
適なダイヤモンド類被覆部材を高い生産性の下で提供す
ることができる。

したがって、本発明は切削工具、ダイス、耐摩耗部材等
の分野に大きな貢献をするものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法により製造される一例としてのダ
イヤモンド類被覆部材の断面を示す説明図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも表層部が窒化ケイ素系焼結体からなる
   基材の表面に、一酸化炭素の濃度が１０容量％以上であ
   る一酸化炭素と水素とを有する第一混合ガスを励起して
   得られる活性ガスを基材に接触させてダイヤモンド類層
   を形成し、一酸化炭素の濃度が１０容量％未満である一
   酸化炭素と水素とを有する第二混合ガスを励起して得ら
   れる活性ガスで表層部ダイヤモンド層を形成することを
   特徴とするダイヤモンド類被覆部材の製造方法。
2. （２）前記混合ガス中の一酸化炭素の濃度を連続的にま
   たは断続的に減少させてなる前記請求項１に記載のダイ
   ヤモンド類被覆部材の製造方法。
3. （３）ダイヤモンド類被覆部材のダイヤモンド類膜全体
   の膜厚が０．５〜１００μｍであり、第二混合ガスを使
   用して形成されるダイヤモンド膜の膜厚が、ダイヤモン
   ド類膜全体の膜厚の５０％以下である前記請求項１に記
   載のダイヤモンド類被覆部材の製造方法。