JPH06951B2 - 高密着性ダイヤモンド被覆部材 - Google Patents

高密着性ダイヤモンド被覆部材

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JPH06951B2
JPH06951B2 JP61036161A JP3616186A JPH06951B2 JP H06951 B2 JPH06951 B2 JP H06951B2 JP 61036161 A JP61036161 A JP 61036161A JP 3616186 A JP3616186 A JP 3616186A JP H06951 B2 JPH06951 B2 JP H06951B2
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JP
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diamond
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amorphous carbon
outer layer
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則俊 堀江
優 八木
邦夫 渋木
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Toshiba Tungaloy Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、切削工具,耐摩耗工具又は研削工具などの工
具部材、核融合炉の炉壁に代表される原子炉用部材並び
にヒートシンク又はスピーカーの振動板などのエレクト
ロニクス部材として応用できる高密着性ダイヤモンド被
覆部材に関するものである。
(従来の技術) 気相からダイヤモンドを合成する方法としては、スパッ
タ法、イオンプレーティング法,蒸着法とイオン注入法
を組合わせたイオンビーム蒸着法,熱フラメント又は熱
電子放射材を利用した化学蒸着法,マイクロ波又は高周
波を利用したプラズマ化学蒸着法などがある。
これらの気相合成法によって基材の表面にダイヤモンド
の被覆層を形成する場合、超硬合金,サーメット又は工
具鋼などのように鉄族金属を含む基材の表面に直接ダイ
ヤモンドの被覆層を形成すると、この基材の鉄族金属が
ダイヤモンド合成のための供給炭化水素ガスの分解の触
媒として作用すること、又はダイヤモンド合成のための
供給水素ガスを吸収することなどから被覆層の質を低下
させるという問題がある。これらの問題を解決するもの
として、基材とダイヤモンドの被覆層との間に金属の炭
化物や窒化物の中間層を介在させてなるダイヤモンド被
覆部材が多数提案されている。しかしながら、これらの
中間層を介在させてなるダイヤモンド被覆部材は、金属
の炭化物や窒化物の中間層の表面にダイヤモンドの被覆
層が付着しているものであり、共有結合で、他の物質と
は殆んど反応しないダイヤモンドの被覆層と中間層との
密着性は悪く、剥離しやすいという問題がある。
このような問題点を、更に解決しようと試みたものに特
開昭59−93869号公報がある。
(発明が解決しようとする問題点) 特開昭59−93869号公報は、被膜の30体積%〜
95体積%をダイヤモンドもしくはダイヤモンド状の相
が占め、残部を鉄族金属又は無機硬質金属化合物が占め
たダイヤモンドを含有する硬質被膜で基材表面を被覆し
たダイヤモンド含有被覆部材である。この特開昭59−
93869号公報は、他の物質と殆んど反応しないダイ
ヤモンドを鉄族金属又は無機硬質金属化合物と混合又は
分散させてなる被覆層にすることにより、ダイヤモンド
粒子を保持する面積が増大して被覆層中のダイヤモンド
粒子と基材との密着性を高めているものと思われる。し
かしながら、鉄族金属を含有したダイヤモンド被覆層
は、前述の如く、鉄族金属の影響でダイヤモンドの質を
低下させるという問題及びダイヤモンドの生成速度を低
下させるという問題がある。また、無機硬質金属化合物
を含有したダイヤモンド被覆層は、無機硬質金属化合物
とダイヤモンド粒子との混合物からなる被覆層であっ
て、被覆層内の各粒子間の密着性が悪いこと、又は無機
硬質金属化合物粒子とダイヤモンド粒子との間に気孔が
生じることにより被覆層内強度が低いという問題があ
る。
本発明は、上述のような問題点を解決したもので、具体
的には、基材と結晶質ダイヤモンド状構造の外層との間
に、外層を形成しやすく、しかも、外層との密着性がす
ぐれている中間層を介在させてなるダイヤモンド被覆部
材の提供を目的とするものである。
(問題点を解決するための手段) 一般に、ダイヤモンドは、他の物質との濡れ性が著しく
悪いこと、及びダイヤモンド中への他原子の拡散が少な
いことから基材の表面に密着性の高いダイヤモンドの被
覆層を形成するのが非常に困難である。そこで、本発明
者らは、ダイヤモンドの被覆層を形成しやすい物質、及
びダイヤモンドの被覆層との密着性を高める物質につい
て検討した所、カーボン、特に非晶質カーボン状構造か
らなる物質の表面には、ダイヤモンドの被覆層が形成し
やすくなり、密着性もすぐれるという知見を得て、本発
明を完成するに至ったものである。
すなわち、本発明の高密着性ダイヤモンド被覆部材は、
基材の表面に結晶質ダイヤモンド状構造の外層を形成し
てなる被覆部材であって、前記基材と前記外層との間に
1層又は多層で構成される中間層を介在させ、該中間層
は、該外層に隣接する非晶質カーボン状構造の層と該非
晶質カーボン状構造の層に隣接する密着補助層とからな
り、該密着補助層が周期律表4a,5a,6a族の金属又はSiの
炭化物,窒化物,酸化物,ホウ化物もしくは、Alの窒化
物,ホウ化物,酸化物及びこれらの相互固溶体の中の少
なくとも1種でなる単層あるいは2種以上でなる多層か
らなることを特徴とするものである。
ここで用いる基材は、後述する製造条件に耐えることが
可能な材質ならば特別に制限されるものではなく、例え
ば、各種の金属,合金,焼結ハイス、超硬合金,サーメ
ット又はセラミックスなどを用途によって使い分けるこ
とができる。
これらの基材と外層との間に介在させる中間層は、外層
に隣接する中間層が非晶質カーボン状構造の層によって
形成されていることを特徴とするもので、使用する基材
の材質又は本発明の被覆部材の用途もしくは形状により
各種の構造にすることができる。
例えば、中間層が外層に隣接する非晶質カーボン状構造
の層と密着補助層とからなり、この密着補助層が周期律
表4a,5a,6a族の金属又はSiの炭化物,窒化
物,酸化物,ホウ化物もしくはAlの窒化物,ホウ化
物,酸化物及びこれらの相互固溶体の中の少なくとも1
種でなる単層あるいは2種以上の多層からなるものであ
る。この場合は、基材と外層との間に非晶質カーボン状
構造の層と密着補助層が介在し、基材に密着補助層が隣
接し、外層に非晶質カーボン状構造の層が隣接している
もので、密着補助層との密着性にすぐれる基材、例え
ば、鉄族金属又は鉄族金属を含有した合金、及び各種の
セラミックでなる基材に適用することができる。
その他の中間層の構成としては、中間層が非晶質カーボ
ン状構造の層と金属又は合金の層とでなる場合、もしく
は非晶質カーボン状構造の層と密着補助層と金属又は合
金の層とでなる場合など各種の構成にすることができ
る。
これらの中間層の内、非晶質カーボン状構造とは、ダイ
ヤモンドの結晶構造を含有していないか、もしくはラマ
ン分光分析においてダイヤモンドの結晶構造を示す13
32cm-1の波数における回折線が確認できるかできない
か程度のカーボン、特に非晶質カーボンを示すもので、
さらに具体的には、例えばラマン分光分析における波数
が1150cm-1,1360cm-1,1500cm-1又は15
60cm-1の内少なくとも1種の回折線が確認できるよう
な非晶質カーボンであることが好ましい。
これらの中間層の表面に形成する外層は、結晶質ダイヤ
モンド状構造からなり、この結晶質ダイヤモンド状構造
とは、ダイヤモンドの結晶構造を少なくとも含有してい
るもので、例えばラマン分光分析においてダイヤモンド
の結晶構造を示す1332cm-1の波数における回折線が
明確なもので、この1332cm-1の波数の回折線又はこ
の回折線の他に非晶質カーボン状構造を示す回折線が混
在していてもよい。
これらの非晶質カーボン状構造の層は、外層との密着性
及び耐剥離性から100Å〜20μmの厚さであること
が好ましく、外層は、耐摩耗性及び耐剥離性から0.1
μm〜100μm厚さであることが好ましい。また、非
晶質カーボン状構造の層と外層は、ラマン分光分析にお
いて、ダイヤモンドの結晶構造を示す1332cm-1の波
数での回折線強度が連続的に強くなるような連続的な層
であってもよい。
本発明の高密着性ダイヤモンド被覆部材は、次のような
方法によって製造することができる。まず、各種の基材
の表面を必要に応じて研摩洗浄した後、密着補助層を形
成する必要がある場合は、化学蒸着法(CVD法)又は
物理蒸着法(PVD法)により基材の表面に形成し、次
いで、例えば熱フイラメントCVD法,マイクロ波プラ
ズマCVD法,高周波プラズマCVD法又は磁界分離に
よるイオンビーム蒸着法などにより非晶質カーボン状構
造の層と外層を形成することができる。
非晶質カーボン状構造の層と外層の形成は、ダイヤモン
ドの気相合成法に使われるHガス,不活性ガス,炭化
水素ガスの内、供給炭化水素ガスの濃度をコントロール
することによって行なうことができ、その他反応ガスの
全圧又は加熱反応温度などによってもコントロールする
ことができる。例えば、具体的には、非晶質カーボン状
構造の層の形成は、反応容器内の炭化水素ガス濃度を3
vol%以上、好ましくは5vol%以上〜20vol%以下に
すること、反応ガスの全圧を100Torr以上、好ま
しくは100Torr以上〜760Torr以下にする
こと、及び反応温度を850℃未満、好ましくは300
℃以上〜850℃未満にすることによって作製すること
ができる。これに対して、外層の形成は、反応容器内の
炭化水素ガス濃度を3vol%未満、好ましくは0.1vol
%以上〜1vol%以下にすること、反応ガスの全圧を1
00Torr未満、好ましくは10Torr以上〜10
0Torr未満にすること、及び反応温度を850℃以
上、好ましくは850℃以上〜1100℃以下にするこ
とによって作製することができる。
(作用) 本発明の高密着性ダイヤモンド被覆部材は、中間層とし
ての非晶質カーボン状構造の層が外層の合成を促進し、
外層の形成後には、中間層と外層との密着性を著しく高
めているものである。また、基材の材質又は形状によ
り、基材と非晶質カーボン状構造の層との密着性が劣る
場合は、基材と非晶質カーボン状構造との間に密着補助
層や金属層などの中間層を介在させると、基材と非晶質
カーボン状構造の層との密着性を高めることができる。
(実施例) 実施例1 JIS規格K10相当で、形状がSPP422の超硬合
金を基材として、この基材をマイクロ波プラズマCVD
反応容器内に設置し、8vol%TiCl−5vol%CH
−87vol%H雰囲気中、圧力20Torr,温度
1000℃,保持時間30分にて基材の表面にTiC層
を被覆した。次いで、反応容器内を真空排気した後、出
力350W,ガス圧力40Torr,メタン濃度0.7
vol%残り水素、基材温度870℃で1時間保持してか
ら、更に基材温度940℃で2時間保持して本発明品No
1を得た。
比較として、上記本発明品No1と同一基材,同一反応容
器を用いて、基材表面にTiC層を上記と同様にして被
覆した後、出力,圧力,メタン濃度を上記と同様にし
て、基材温度920℃で3時間保持にて比較品No1を得
た。
こうして得た本発明品No1と比較品No1を用いて被削材
Al−18%Si合金,切削速度400m/min,送り速
度0.2mm/rev,切込み量1mmの条件で旋削試験を行な
ったところ、本発明品No1は10分間切削後の逃げ面摩
耗量が0.01mm以下の正常摩耗であったのに対して、
比較品No1は8分間切削時に被覆層が剥離してしまっ
た。
この本発明品No1と比較品No1の被覆層をラマン分光分
析によって調べた所、本発明品No1は外層が2.0μm
厚さで、第1図(a)の回折線の結晶質ダイヤモンド状
構造で、中間層が0.7μm厚さで第1図(c)の回折
線の非晶質カーボン状構造と0.5μm厚さのTiC層
とからなっていた。また、比較品No1は、第1図(a)
の回折線とほぼ同様の結晶質ダイヤモンド状構造の被覆
層であった。
(発明の効果) 以上の結果から、本発明の高密着性ダイヤモンド被覆部
材は、外層と基材との密着性が著しくすぐれていて、従
来のダイヤモンド被覆部材に対して数倍から数10倍の
耐剥離性があり、それに伴って寿命も向上するものであ
る。このために、苛酷な重負荷の作用する切削工具とし
て、例えば旋削工具は勿論のことフライス工具,ドリ
ル,エンドミル,及びミクロンドリルなどの回転用工具
に応用でき、又印字ピンの先端もしくは紙や磁気テープ
などの切断用スリッターを含めた耐摩耗用工具にも応用
できる。さらに、ダイヤモンド自体が有している高電気
絶縁性及び高熱伝導性を利用してヒートシンクをはじめ
とするエレクトロニクス用部材並びに核融合炉の炉壁に
代表される原子炉用部材にと応用できる産業上有用な材
料である。
【図面の簡単な説明】
第1図は、実施例1で得た被覆部材の被覆層のラマン分
光分析における回折線である。 回折線(a)は、結晶質ダイヤモンド状構造の代表的回
折線 回折線(b),(c)は、非晶質カーボン状構造の代表
的回折線

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基材の表面に結晶質ダイヤモンド状構造の
    外層を形成してなる被覆部材であって、該基材と該外層
    との間に1層又は多層で構成される中間層を介在させ、
    該中間層は、該外層に隣接する非晶質カーボン状構造の
    層と該非晶質カーボン状構造の層に隣接する密着補助層
    とからなり、該密着補助層が周期律表4a,5a,6a族の金属
    又はSiの炭化物,窒化物,酸化物,ホウ化物もしくはAl
    の窒化物,ホウ化物,酸化物及びこれらの相互固溶体の
    中の少なくとも1種でなる単層あるいは2種以上でなる
    多層からなることを特徴とする高密着性ダイヤモンド被
    覆部材。
  2. 【請求項2】上記非晶質カーボン状構造の層は、100Å
    〜20μmの厚さであることを特徴とする特許請求の範囲
    第1項記載の高密着性ダイヤモンド被覆部材。
  3. 【請求項3】上記外層は0.1μm〜100μmの厚さである
    ことを特徴とする特許請求の範囲第1項又は第2項記載
    の高密着性ダイヤモンド被覆部材。
JP61036161A 1986-02-20 1986-02-20 高密着性ダイヤモンド被覆部材 Expired - Lifetime JPH06951B2 (ja)

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