JPH08100261A

JPH08100261A - ダイヤモンド複合部材及びその製造方法

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Publication number: JPH08100261A
Application number: JP6236506A
Authority: JP
Inventors: Katsura Hayashi; 桂林
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1994-09-30
Filing date: 1994-09-30
Publication date: 1996-04-16
Anticipated expiration: 2017-08-12
Also published as: JP3314119B2

Abstract

(57)【要約】【目的】抗折強度が大きく、容易にかつ安価に製造でき
るダイヤモンド複合部材及びその製造方法を提供し、さ
らには、母材との接合強度を向上することができるダイ
ヤモンド複合部材およびその製造方法を提供する。【構成】ＣＶＤ法により製造されたダイヤモンド及びダ
イヤモンド状炭素のうち少なくとも一種からなるダイヤ
モンド質結晶間の空隙中に、金属（タングステンを除
く）、またはセラミックス、あるいは金属とセラミック
スの混合物を充填してなるものである。表面に、ダイヤ
モンド及びダイヤモンド状炭素のうち少なくとも一種か
らなる緻密膜が形成されていることが望ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ダイヤモンド複合部材
及びその製造方法に関するもので、特に、加工用切削工
具、スリッターナイフ等の産業用刃物、各種の摺動部
品、糸道，ガイドブッシュ等の耐摩耗部材、各種測定機
器用部品、精密加工用刃物、医療用器具、各種電子素
子、電子部品用放熱板、ヒートシンク等に最適なダイヤ
モンド複合部材及びその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来技術】ダイヤモンド等の超硬質材料は、従来大規
模な超高圧プレス装置により作製していた。しかし、気
相合成法（ＣＶＤ）によれば、これらの材料が簡便な方
法により得られることから、気相合成法によるダイヤモ
ンド等の超硬質材料は、今後、広範囲にわたる応用が期
待されている（特開昭６０−５４９９５号公報等参
照）。

【０００３】しかし、ＣＶＤによるダイヤモンド等の超
硬質膜は、例えば鉄系合金には全く付着しない。また、
窒化珪素や超硬合金からなる母材でも密着性が不十分で
剥がれが生じやすいという問題がある。そこでこの対策
としてシリコン基板上にダイヤモンド膜を形成し、しか
る後に、シリコン基板を除去し、ダイヤモンド膜を切り
出してヒートシンクとして利用したり、超硬工具からな
る母材にろう付けして切削工具として利用する事が提案
されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、従来
のダイヤモンド膜では抗折強度が小さいため、単独層と
しては用いられていないのが現状であった。例えば、Ｃ
ＶＤ法により形成した厚み０．３ｍｍ、横２ｍｍ、長さ
１２ｍｍのダイヤモンド膜の３点曲げ抗折強度を測定し
たところ、４００ＭＰａと小さかった。また、ダイヤモ
ンド膜は、成膜時間やコストの問題で小型のものしか製
造できなかった。そこで、近年では特性的にはダイヤモ
ンドに類似し、抗折強度が大きく、容易にかつ安価に製
造できる膜が要求されていた。

【０００５】また、ダイヤモンド膜を母材に接合する上
記方法では、ダイヤモンドを厚くコーティングする必要
があるため、結晶粒子の大きさにバラツキがあり、しか
も、膜厚が厚いダイヤモンド膜を生成する必要があった
ため、厚いダイヤモンド膜を生成するためのコスト（例
えば電力費、装置費、製造に要する時間）が増大し、総
合的にみて従来のダイヤモンド膜を母材に直接成膜する
方法に対する優位性が認められなかった。また、上記ダ
イヤモンド膜を直接母材にろう付けする方法では、ダイ
ヤモンドとろう材（例えば、Ａｇ，Ａｕ−Ｓｎ等）との
濡れ性が低いため、ダイヤモンド膜と母材との接合強度
が低く、例えば、短時間でダイヤモンド膜が母材から脱
落するという問題もあった。

【０００６】即ち、本発明は、抗折強度が大きく、容易
にかつ安価に製造できるダイヤモンド複合部材及びその
製造方法を提供し、さらには、母材との接合強度を向上
することができるダイヤモンド複合部材およびその製造
方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【問題点を解決するための手段】本発明者は、上記問題
点を鋭意検討した結果、ＣＶＤ法により作成されたダイ
ヤモンド質結晶間の空隙中に、金属、セラミックス、金
属とセラミックスの混合物を充填したダイヤモンド複合
部材は、抗折強度が大きく、容易にかつ安価に製造で
き、さらに、母材に接合する際には、母材との接合強度
を向上することができることを見出し、本発明に到っ
た。

【０００８】即ち、本発明のダイヤモンド複合部材は、
ＣＶＤ法により製造されたダイヤモンド及びダイヤモン
ド状炭素のうち少なくとも一種からなるダイヤモンド質
結晶間の空隙中に、金属（タングステンを除く）、また
はセラミックス、あるいは金属とセラミックスの混合物
を充填してなるものである。表面に、ダイヤモンド及び
ダイヤモンド状炭素のうち少なくとも一種からなる緻密
膜が形成されていることが望ましい。

【０００９】このようなダイヤモンド複合部材は、基板
の表面に、ＣＶＤ法によりダイヤモンド及びダイヤモン
ド状炭素のうち少なくとも一種からなるダイヤモンド質
結晶を形成し、このダイヤモンド質結晶間の空隙中に、
金属（タングステンを除く）、またはセラミックス、あ
るいは金属とセラミックスの混合物を充填させて、前記
基板の表面にダイヤモンド複合部材を形成し、この後、
前記基板を除去することにより製造される。

【００１０】本発明におけるダイヤモンド状炭素とは、
非常に緻密で高硬度であり、結晶粒界が見られず、規則
的な結晶構造を有する結晶質ダイヤモンドとは異なる構
造の炭素を意味する。また、ダイヤモンド及びダイヤモ
ンド状炭素のうち少なくとも一種からなるダイヤモンド
質結晶は、ＣＶＤ（化学的気相合成法）により生成され
膜厚は、１〜５００μｍであることが望ましい。

【００１１】ダイヤモンド質結晶間の空隙に充填される
金属としては、Ｍｏ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｎｉ，
Ｔａ，Ｎｂ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｃｒ等から選ばれる少なくと
も１種の金属からなるもので、これらの混合物でも良
い。金属としては、刃物，工具用としてはＭｏ，Ｚｒ，
Ｔａ，Ｎｂ、摺動部品用としては、Ｔｉ，Ｃｕ，Ｎｉ，
Ｃｏ，Ｆｅ、放熱板用としてはＡｌ，Ｃｕが望ましい。

【００１２】また、ダイヤモンド質結晶間の空隙に充填
されるセラミックスとしては、金属の炭化物，窒化物，
硼化物，酸化物，硅化物のうち少なくとも１種類、経済
性や実用性を考慮するとセラミックス層としてはＴｉ，
Ｚｒ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ａｌ，Ｓｉから選ばれる少なく
とも一種の炭化物または窒化物が好ましい。そして、こ
の中でも、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素が良
好に使用できる。

【００１３】さらに、ダイヤモンド質結晶間の空隙に充
填される金属とセラミックスの混合物としては、ＷＣ−
Ｃｏ系の超硬合金、ＴｉＣ−Ｎｉ等よりなるサーメット
があり、特にＷＣ−Ｃｏ系の超硬合金が最も好ましい。

【００１４】金属，セラミックス，金属とセラミックス
の混合物を、ダイヤモンド質結晶間の空隙に充填する方
法としては、真空蒸着法，スパッタリング，イオンプレ
ーティングなどの物理気相法（ＰＶＤ）、熱ＣＶＤ，プ
ラズマＣＶＤ，光ＣＶＤ、プラズマジェット法等の化学
気相法（ＣＶＤ）、プラズマ溶射などの溶射法さらにメ
ッキでも作成できる。

【００１５】本発明のダイヤモンド複合部材は、ダイヤ
モンド及びダイヤモンド状炭素のうち少なくとも一種
と、金属、セラミックス、金属とセラミックスからなる
ものであるが、このダイヤモンド複合部材の少なくとも
一つの断面で金属、セラミックス、金属とセラミックス
が網目状構造を形成するように、ダイヤモンド質結晶の
間の空隙を充填している。尚、ダイヤモンド質結晶は柱
状に析出する場合や粒子状に析出する場合がある。図１
に網目状構造を示す。図２，３に示すように網目状構造
の一部を形成する構造でも良い。図４に柱状のダイヤモ
ンド質結晶の隙間を金属が充填している状態を示す。図
１，２，３，４において、符号１はダイヤモンド質結
晶、符号２は金属相である。

【００１６】本発明のダイヤモンド複合部材は、複合部
材単独としても使用することができるが、ダイヤモンド
複合部材を母材に接合して使用することもできる。この
場合の母材としては、例えば、ＷＣとコバルト（Ｃｏ）
と周期律表第４ａ，５ａ，６ａ族元素の炭化物，窒化物
または炭窒化物とからなる超硬合金や、ＴｉＣまたはＴ
ｉＣＮとニッケル（Ｎｉ）またはＣｏと周期律表第４
ａ，５ａ，６ａ族元素の炭化物，窒化物または炭窒化物
とからなるサーメットや、炭化ケイ素（ＳｉＣ）とホウ
素と炭素とからなる炭化珪素質焼結体や、Ｓｉ₃Ｎ₄ま
たはＳｉＣと希土類元素酸化物とからなる炭化珪素或い
は窒化珪素質焼結体から構成されている。

【００１７】また、母材は、鉄系合金，Ｎｉ系，Ｃｏ系
合金，ハイス，シリコン，モリブデン，チタン等の金
属、炭素などであっても良い。ダイヤモンド複合部材を
母材に接合する手段としては、ろう付けや接着剤による
接合等、公知の接着手段を用いることができる。

【００１８】そして、本発明のダイヤモンド複合部材を
母材に接合する際には、この複合部材に支持層を形成
し、この支持層を母材に接合することが、ダイヤモンド
複合部材と母材との接合強度を向上する点で望ましい。
即ち、本発明のダイヤモンド複合部材は、例えば、図５
に示すようにダイヤモンド複合部材３を母材４にろう付
けしても良いが、図６に示すように、ダイヤモンド複合
部材３と母材４との間に、ダイヤモンド質結晶の間の空
隙を充填した充填材料と同一の材料により支持層５を形
成することが望ましい。この支持層５を形成することに
よりダイヤモンド複合部材３と母材４の接合強度を向上
することができる。支持層５の膜厚は０．３〜１０００
μｍであることが望ましい。

【００１９】ダイヤモンド質結晶の間の空隙を充填した
充填材料と同一の材料の支持層５は、充填材料の充填
後、引き続いて成膜することにより、容易に支持層５を
形成することができる。

【００２０】支持層が金属からなる場合には、この支持
層の厚みは０．０５〜１．１ｍｍ、特には０．１〜０．
５ｍｍであることが望ましい。機械的な応力が加わる場
合には、支持層はＭｏ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｗが
好ましい。このような支持層を形成することにより、母
材が金属や超硬合金の場合には金属対金属の接合となる
ため接合強度を向上することができ、母材がセラミック
の場合には支持層の存在により応力を緩和することがで
きる。

【００２１】また、支持層がセラミックスである場合に
は、支持層の厚みは、コスト的な観点から０．０５乃至
３ｍｍが好ましい。厳しい使用条件やコストを考慮する
と０．１乃至１．０ｍｍが特に望ましい。

【００２２】また、母材と反対側のダイヤモンド複合部
材の表面には、図７に示すように、ダイヤモンド及びダ
イヤモンド状炭素のうち少なくとも一種からなる緻密膜
７を０．２μｍ以上の厚みで形成しても良い。この場合
には、耐摩耗性、熱伝導性を向上することができる。

【００２３】また、本発明では、図８に示すように、ダ
イヤモンド複合部材３と母材４との間に、前述した金
属，セラミックス，金属とセラミックスの混合物等から
なる支持層５を形成するとともに、母材４と反対側のダ
イヤモンド複合部材３の表面に、ダイヤモンド及びダイ
ヤモンド状炭素のうち少なくとも一種からなる緻密膜７
を形成することが望ましい。

【００２４】本発明のダイヤモンド複合部材の製造は、
図４に示したようにシリコン等からなる基板８の表面
に、ＣＶＤ法によりダイヤモンド及びダイヤモンド状炭
素のうち少なくとも一種からなるダイヤモンド質結晶１
を形成し、このダイヤモンド質結晶１の間の空隙中に、
金属，セラミックス，金属とセラミックスの混合物を充
填させて、基板８の表面にダイヤモンド複合部材３を形
成し、この後、基板８を除去することにより得られる。

【００２５】

【作用】本発明のダイヤモンド複合部材では、金属，ま
たはセラミックス，あるいは金属とセラミックスの混合
物がダイヤモンド質結晶を包み込む事になり、ダイヤモ
ンド質結晶と金属，セラミックス，金属とセラミックス
の混合物との接合強度が向上し、複合部材自体の強度を
向上することができる。

【００２６】例えば、ＣＶＤ法により形成した厚み０．
３ｍｍ、横２ｍｍ、長さ１２ｍｍのダイヤモンド膜の３
点曲げ抗折強度を測定したところ、４００ＭＰａと小さ
かったが、本発明のダイヤモンド複合部材では、上記と
同様にして抗折強度を測定したところ６００ＭＰａ以上
であった。従って、本発明におけるダイヤモンド複合部
材では、従来のダイヤモンド膜よりも強度等の特性を向
上することができるとともに、電力消費量等のコストを
低減することができ、さらに、成膜時間についても従来
のダイヤモンド膜よりも大幅に短縮することができる。
また、従来のダイヤモンド膜では成膜時間やコスト等の
問題で小型のものしか製造できなかったが、本発明にお
けるダイヤモンド複合部材は大型のものを製造すること
ができる。

【００２７】このため、ダイヤモンド複合部材のみで、
加工用切削工具，スリッターナイフ等の産業用刃物、各
種の摺動部品、糸道，ガイドブッシュ等の耐摩耗部材、
各種測定機器用部品、精密加工用刃物、医療用器具、各
種電子素子、電子部品用放熱板を作成しても良い。

【００２８】さらに、本発明のダイヤモンド複合部材
は、母材にろう付けして用いることができるが、この場
合において、ダイヤモンドよりも、金属，セラミック
ス，金属とセラミックスの混合物の方が母材との濡れ性
が良好であるため、ダイヤモンド複合部材と母材との接
合強度を向上し、長時間の使用に耐えることができる。

【００２９】また、ダイヤモンド複合部材と母材との間
に、金属，またはセラミックス，あるいは金属とセラミ
ックスの混合物からなる支持層を介在させることによ
り、複合部材と母材との接合強度をさらに向上すること
ができる。

【００３０】また、ダイヤモンド複合部材の表面にダイ
ヤモンドからなる緻密膜を形成することにより、耐摩耗
性，熱伝導性，硬度等の特性を向上することができる。

【００３１】また、ダイヤモンド質結晶間の空隙中に、
金属等を充填する方法として、メッキなど室温で処理で
きる方法を採用すれば、ダイヤモンドと金属，セラミッ
クス，金属とセラミックスの混合物との熱膨張率の差が
大きくても変形や剥離を生じる事がない。また、熱膨張
率が小さなセラミックスとダイヤモンドを複合させると
複合部材中の内部応力を抑制することができる。

【００３２】

【実施例】本発明のダイヤモンド複合部材及びその製造
方法を図面を用いて詳細に説明する。

【００３３】本発明のダイヤモンド複合部材３は、図４
に示すように、先ず、公知の材料よりなる基板８にＣＶ
Ｄ法によりダイヤモンド質結晶を成膜する。この時の、
これらの膜を成膜する基板８は、例えば、シリコン，モ
リブデン，チタン等の金属或いは窒化珪素、炭化珪素等
のセラミックス、炭素、シリコン等から形成され、任意
に選択できるが、成膜初期に於ける核生成の容易さや後
の工程における基板８の除去の容易さからシリコンまた
はモリブデンあるいは炭素からなる基板８が適してい
る。

【００３４】成膜にはマイクロ波プラズマＣＶＤ，熱フ
ィラメントＣＶＤ，ＥＣＲプラズマＣＶＤ、プラズマジ
ェット法など公知の方法が用いられるが、少なくとも一
部の工程で、ダイヤモンド質結晶１の間に隙間を生じさ
せることが重要である。このようなダイヤモンド質結晶
１を成膜するには、例えば、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法で
は、装置内にＳｉ基板を設置し、最大強度２ＫＧの磁場
を印加するとともにマイクロ波出力３〜５ＫＷ、基板温
度７００℃以下、装置内圧力０．０５〜０．５Ｔｏｒｒ
の条件で成膜を行うことにより得られる。尚、反応ガス
はＣＨ₄、ＣＯ₂、Ｈ₂を用い、メタンの濃度は５％以
下とする。また、基板温度、導入ガス量、炉内圧力を調
整することにより隙間のある膜を作製することができ
る。

【００３５】また、ダイヤモンド質結晶１からなる多孔
質膜の厚さや結晶構造（純粋なダイヤモンドやダイヤモ
ンド状炭素の割合）についても、基板温度、ガス濃度な
どにより任意に選択できる。性能と生産性との兼ね合い
からダイヤモンド複合部材３の膜厚は０．３〜１００μ
ｍが適当である。

【００３６】尚、最初に公知の方法で緻密なダイヤモン
ド膜をコーティングしたあと、ダイヤモンドの粒界をエ
ッチングして隙間を生じさせてもよい。エッチングは各
種の方法が用いられるが、例えば、Ｓｉ基板上に成膜し
た緻密なダイヤモンド膜をＯ₂１００％、０．１Ｔｏｒ
ｒ、マイクロ波出力１ＫＷのＥＣＲプラズマ中に設置
し、５〜３０分間エッチングを行う。その他のコーティ
ング方法を用いた場合でも、コーティングにより緻密な
ダイヤモンド膜又はダイヤモンドとダイヤモンド状炭素
との混合膜を作製した後、炉内に微量の酸素または酸化
性ガス（ＣＯ₂など）を導入すれば、ダイヤモンドの粒
界またはダイヤモンド状炭素が選択的にエッチングさ
れ、粒子間に隙間のある膜が生成できる。

【００３７】また、最初に公知の方法で緻密なダイヤモ
ンド膜をコーティングしたあと、コーティング条件を変
更して粒子間に隙間を生じさせてもよい。この場合に
は、複合部材の表面に本発明の緻密膜を形成することが
できる。

【００３８】そして、図４に示すように、上記のように
して作製した、ダイヤモンド質結晶１の隙間に、ＣＶＤ
により金属，セラミックス，金属とセラミックスの混合
物２を充填する。充填方法については、公知の成膜方法
により対応できる。

【００３９】次いで、ダイヤモンド複合部材３のマスキ
ングを行いシリコン等からなる基板８を酸等で溶解除去
する。基板８は機械的に剥離しても良い。これにより、
ダイヤモンド複合部材３が得られる。

【００４０】また、このようなダイヤモンド複合部材３
は、レーザー等で所定形状にカットされ、図５に示すよ
うに母材４に銀ろう、もしくはその他のろう材でろう付
けして用いられることもある。シリコン等の基板の除去
はダイヤモンド複合部材を母材４にろう付けした後行っ
ても良い。

【００４１】以上のように構成されたダイヤモンド複合
部材では、金属，またはセラミックス，あるいは金属と
セラミックスの混合物がダイヤモンド質結晶を包み込む
事になり、ダイヤモンド質結晶と金属，セラミックス，
金属とセラミックスの混合物との接合強度が向上し、複
合部材自体の強度を向上することができる。

【００４２】また、本発明のダイヤモンド複合部材は、
母材にろう付けして用いることができるが、この場合に
おいて、ダイヤモンドよりも、金属，セラミックス，金
属とセラミックスの混合物の方が母材との濡れ性が良好
であるため、ダイヤモンド複合部材と母材との接合強度
を向上し、長時間の使用に耐えることができる。

【００４３】本発明者は、金属，セラミックス，金属と
セラミックスの混合物からなる充填材料を変化させて、
ダイヤモンド複合部材の抗折強度、ダイヤモンドと充填
材料との密着性、および耐摩耗性を測定した。抗折強度
をＪＩＳＲ１６０１に従い３点曲げにより、ダイヤモン
ドと充填材料との密着性をスクラッチテストにより、耐
摩耗性を摺動試験により行った。この結果を表１に記載
する。

【００４４】

【表１】

【００４５】この表１から本発明のダイヤモンド複合部
材は、抗折強度が５００Ｍｐａ以上であり、ダイヤモン
ドと充填材料との密着性および耐摩耗性に優れているこ
とが判る。

【００４６】また、本発明者は、表１におけるＮo.２の
試料１０個と、Ｎo.１１の試料１０個を超硬合金からな
る母材にろう付けし、このろう付け部に５０ｋｇの力を
剪断方向に加え、剥離の有無を調査した。また、Ｎo.２
の試料１０個をＭｏからなる支持層を介して母材にろう
付けした。この結果、本発明の試料Ｎo.２の試料をその
まま母材にろう付けした場合には、１０個中１個の剥離
が生じたが、Ｎo.１１の試料では全部が剥離した。さら
に、本発明の試料Ｎo.２の試料をＭｏからなる支持層を
介して母材にろう付けした場合には、全く剥離しなかっ
た。

【００４７】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によれば、金
属，セラミックス，金属とセラミックスの混合物からな
る充填材料がダイヤモンド質結晶を包み込む事になり、
ダイヤモンド質結晶と充填材料との接合強度が向上し、
ダイヤモンド複合部材自体の強度を向上することができ
る。また、ダイヤモンド複合部材を母材にろう付けする
場合には、これらの接合強度を向上し、長時間の使用に
耐えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ダイヤモンド複合部材の一断面における網目状
構造を示す図である。

【図２】ダイヤモンド複合部材の一断面における網目状
構造の一部を形成する構造を示す図である。

【図３】ダイヤモンド複合部材の一断面における網目状
構造の一部を形成する構造を示す図である。

【図４】ダイヤモンド質結晶の間に金属，セラミック
ス，金属とセラミックスの混合物が充填されている状態
を示す斜視図である。

【図５】本発明のダイヤモンド複合部材が母材にろう付
けされている状態を示す図である。

【図６】ダイヤモンド複合部材と母材との間に支持層を
形成した図である。

【図７】ダイヤモンド複合部材の表面に緻密膜を形成し
た図である。

【図８】ダイヤモンド複合部材と母材との間に支持層を
形成し、ダイヤモンド複合部材の表面に緻密膜を形成し
た図である。

【符号の説明】

１・・・ダイヤモンド質結晶２・・・金属相３・・・ダイヤモンド複合部材４・・・母材５・・・支持層７・・・緻密膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｃ２３Ｃ 16/56

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＣＶＤ法により製造されたダイヤモンド及
びダイヤモンド状炭素のうち少なくとも一種からなるダ
イヤモンド質結晶間の空隙中に、金属（タングステンを
除く）、またはセラミックス、あるいは金属とセラミッ
クスの混合物を充填してなることを特徴とするダイヤモ
ンド複合部材。
【請求項２】表面に、ダイヤモンド及びダイヤモンド状
炭素のうち少なくとも一種からなる緻密膜が形成されて
いる請求項１記載のダイヤモンド複合部材。
【請求項３】基板の表面に、ＣＶＤ法によりダイヤモン
ド及びダイヤモンド状炭素のうち少なくとも一種からな
るダイヤモンド質結晶を形成し、このダイヤモンド質結
晶間の空隙中に、金属（タングステンを除く）、または
セラミックス、あるいは金属とセラミックスの混合物を
充填させて、前記基板の表面にダイヤモンド複合部材を
形成し、この後、前記基板を除去することを特徴とする
ダイヤモンド複合部材の製造方法。