JP3718876B2 - 超硬質膜被覆部材及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、切削・耐摩工具、耐摩部品、光学部品、電子材料として用いられる超硬質膜被覆部材ならびにその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及びその問題点】
超硬合金上へダイヤモンド被膜を形成する方法として、気相合成法が発明されてから久しい。
然し乍ら主として被膜の接着強度の低さの面より、その実用化の進展はにぶい。
【０００３】
本発明者らは、先きにこの問題を解決すべく国際公開番号「W094／13852 」を提案した。即ちこの提案はダイヤモンド膜を形成すべき超硬合金基材に、予め熱処理を施すことによってその表面層を改質し、接着強度の向上と共に厚い被膜の形成を実現したものである。
【０００４】
この提案により所期の目的を達成することはできたが、熱処理面の仕上げに手数を要するなど、作業上、コスト上や量産品質面で未だ充分とは言い難い。
【０００５】
【問題を解決するための手段】
本発明は上記のような問題を解決するため、超硬合金基材表面に熱処理を施した後、その処理により生じた表面の生成物乃至は変質層を、手作業、サンドブラスト、還元性雰囲気など種々な方法により除去、清浄化することを試みた結果、次のような最も効果的な方法を確認し、得られたものである。
【０００６】
即ち、炭素原子を含む雰囲気中で熱処理を施した基材を、加熱水素雰囲気にさらし、該基材表面に生じた生成物乃至変質層をクリーニングした後、その清浄化表面に気相合成法によりダイヤモンドなどの超硬質膜を生成することを第１の特徴とするものである。
【０００７】
第２の特徴とするところは、この熱処理を炭素と水素の原子の存在する雰囲気中において行うことにより、基材表面に結合金属を主成分とする析出物並びに炭素を主成分とする堆積物を生成せしめ、次いでこの基材を加熱水素気中にさらし、堆積物部分のみを完全に除去した後、該除去表面上に気相合成法によりダイヤモンド膜を形成することである。
【０００８】
上記熱処理と水素気中のクリーニングは、基材を装入した反応容器内の雰囲気ガスを置換することによって出来るので、極めて容易であり、また必要によりこれを複数回繰返すことも簡単で成膜をより容易にし、接着強度を上げることができる。
他の特徴は、このようにして形成された超硬質膜表面の１部または全部を研磨して、精度が高く切味のよい切削工具用の超硬質膜被覆部材を提供することである。勿論この研磨により耐摩部材としての品質も向上することができる。
【０００９】
【実施例】
超硬合金基材としては市販のＷＣ−４％Ｃｏの超硬チップの第１グループとＷＣ−25％Ｃｏの超硬チップの第２グループを用い、次の実施工程を行った。
１．熱処理→２．クリーニング→３．熱処理→４．クリーニング→５．成膜→
６．研磨→切削試験
各実施工程の詳細については後述するが、各工程の主要な条件は次の通りである。
１，３の熱処理 使用装置 図１に示す熱フィラメントＣＶＤ装置
雰囲気 Ｈ₂ −１％ＣＨ₄
圧力 100Torr
温度 900℃
保持時間（分） 60，90，120 ，180
２，４のクリーニング 使用装置 図１に示す熱フィラメントＣＶＤ装置
雰囲気 Ｈ₂
圧力 100Torr
温度 900℃
保持時間（分） 30
５．成膜 使用装置 図１に示す熱フィラメントＣＶＤ装置
雰囲気 Ｈ₂ −１％ＣＨ₄
圧力 100Torr
基材温度 900℃
反応時間 20時間，30時間
６．研磨 ＃800 （30μｍ）レジンボンドダイヤモンドホイールで研磨
【００１０】
各実施工程の詳細
１，３の熱処理
使用した装置は図１に示す構成のＣＶＤ装置で、１は反応容器，２は雰囲気ガスの導入バルブ、３はタングステンフィラメント、４は冷却台、５は超硬合金基材、６はガスの排出バルブである。
タングステンフィラメントにはＡＣ 120Ｖ×120 Ａを印加し、温度2150〜2200℃とした。
該フィラメントと基材との間の距離は10mmで、基材温度は前記のように 900℃である。
熱処理により両グループ共結合相のコバルトが基材表面に析出するが、基材表面全体に広がらず半球状の析出物として盛り上がる。逆に基材中には析出により結合相金属の含有量が少ない部分が生じる。
【００１１】
この含有量の少ない部分は、基材表面から30μｍ以内程度で観察され、それより深い部分とくらべてＷＣの硬質粒子との間が狭小となっている。なお基材表面は無定形炭素を主とするいわゆる煤が堆積する。
析出物の生成状態は次の通りで、熱処理10分以上でコバルトの析出物が観察できるが60〜120 分が好ましい。
【００１２】
熱処理による析出物の生成の有無
熱処理時間（分） 60 90 120 180
第１グループ基材
析出物 有 有 有 有
第２グループ基材
析出物 有 有 有 有
【００１３】
析出物が上記煤のような無定形炭素に覆われると析出物の成長が止まり、クリーニングするとその成長が再度始まることから、析出物が熱フィラメントから放射される熱電子などの励起子にさらされることも析出物の成長に必要であると判断する。
励起子の存在が少ない間接加熱の真空炉（５×10^-3Torr）では1300℃に加熱することにより析出物が観察された。
【００１４】
このことから励起子の存在下では炭素の存在とあいまって結合相金属の表面への移動が起こりやすくなる。このとき、基材表面及び析出物が炭素雰囲気並びに雰囲気内の残存ガス等により汚染され、移動した結合相金属は半球状の析出物になるものと推察される。
熱電子にさらされ、プラズマの発生しやすい 100Torr条件下で熱処理を行えば、 900℃で析出物の生成が見られたが、励起子の少ない加熱炉では析出物の発生する温度が高くなる。従って、効率よく析出物を生成させるには、熱処理装置は熱フィラメントＣＶＤ装置が好ましいが、マイクロ波、電子ビーム、レーザービーム等の高エネルギーによる加熱法、その他の加熱法を採用することも可能である。
【００１５】
２，４のクリーニング
加熱水素気中にさらすことにより堆積物のほぼ全てが除かれる。この際析出物の殆どはその儘残る。
析出物は結合相金属であるコバルトを主成分とし、これに微量のタングステンや炭素などが含まれるもので、析出物表面に堆積物が付くと析出物の成長が止まるので、クリーニングによりこの堆積物を除くわけで、これは１度に行うより繰返し行うことが好ましい。析出物の生成は熱処理90分で十分であるが、小きざみに両処理を繰返し行うことが効果的である。熱処理温度は 500〜1300℃の間で熱処理の保持時間との兼ね合いで適度に選定されるが、次工程の成膜温度より高いことが良い結果を生む。またクリーニング時間は30分のものについて示したが、勿論変えることもできる。
【００１６】
５の成膜
ダイヤモンドの核の発生は析出物の周辺及び析出物のない部分の基材表面で始まる。その後、ダイヤモンド膜が析出物を包みこみ基材表面を覆うこととなる。熱処理面がクリーニングにより堆積物を完全に除去し、清浄化されているため、このダイヤモンド膜の形成は基材端部まで充分に行われ第１，２グループ共10μｍ以上の厚みとなった。
【００１７】
６の研磨
ダイヤモンド膜形成後の表面粗さは２μｍＲａで、これを＃800 レジンボンドダイヤモンドホイールにより研磨して５ｎｍＲａに仕上げた。
また、30μｍの膜厚のものでも剥離せず成膜できて、しかも研磨することができる。従来法では20μｍ超の膜の研磨はおろか付着力の良い膜を製作することすら不可能であった。提案方法でも20μｍ程度以上となると品質のばらつきが大きく、充分とは言い難かった。
【００１８】
前記した基材の第１、第２グループより別に第３のもので実施例工程を変えたものについてさらに試作を行った結果、卓越した成膜を得た。実施工程を変えた点は１の熱処理工程の前に、下記の傷つけ前加工を施したことである。
基材の前加工
傷つけ ＃800 のＳｉＣ粒をブラスト
脱脂 アセトン液中で超音波洗浄
なおこの前加工を施した基材としては、市販のＷＣ−６％Ｃｏの超硬合金を用いたが、上記成膜も研磨も充分に行うことができた。
【００１９】
上記のようにして得た各研磨品をバイトに取り付け、下記条件で切削試験を行ったが、何れも切削距離15km程度において、逃げ面摩耗は50μｍ以内と良好であり、また再研磨して使用を続けられるものが多かった。
使用機械 森精機製 旋盤
被削材 Ａｌ−18％Ｓｉ
切削条件 切削速度 800ｍ／分
切り込み 0.5mm
送り 0.1mm／回転
湿式・連続切削
【００２０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、熱処理、クリーニング、成膜の各工程を１台のＣＶＤ装置を用い、しかも基材をその反応容器内に装入した儘で、雰囲気ガスを置換することによって連続して行うことが出来るので、工業生産上極めて有利である。
また、上記各工程を、最も好ましい雰囲気、時間、温度の組合せに設定し、繰返し行って、ダイヤモンド膜の品質、厚みを容易に安定して向上することができるので、充分な接着力と厚みの要求される精密切削工具用ダイヤモンド膜被覆部材としては好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例において熱処理、クリーニング、成膜の各工程に用いた熱フィラメントＣＶＤ装置を説明する概略図である。
【符号の説明】
１ ＣＶＤ装置の反応容器
２ 雰囲気ガスの導入バルブ
３ タングステンフィラメント
４ 冷却台
５ 超硬合金の基材
６ 雰囲気ガスの排出バルブ

Claims (3)

1. 炭素原子と水素原子が存在する雰囲気で超硬合金基材表面に熱処理を施して、該表面上に結合相金属を主成分とする析出物並びに炭素を主成分とする堆積物を生成せしめる工程と、
   該雰囲気を加熱水素に置き換えて基材表面の堆積物、及び前記析出物表面の堆積物を除去する工程と、
   該除去基材表面に気相合成法によりダイヤモンド及びまたはダイヤモンド状炭素を生成する工程とを具備してなることを特徴とする超硬質膜被覆部材の製造方法。
2. 熱処理を施して析出物並びに堆積物を生成する工程と、雰囲気を加熱水素として堆積物を除去する工程とを繰り返し行うことを特徴とする請求項1に記載の超硬質膜被覆部材の製造方法。
3. 更に、ダイヤモンド及びまたはダイヤモンド状炭素からなる超硬質膜表面の１部または全部を研磨する工程を具えることを特徴とする請求項 1 又は 2 に記載の超硬質膜被覆部材の製造方法。

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