JPS61163275A - 被覆硬質部材 - 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】 （＋）技術分野 本発明は気°相合成法により最外層にダイヤモンドを被
覆した硬質部材において、ダイヤモンド層の合成時に特
定の不純物を注入することにより、下地への密着性、高
温強度、耐酸化性、耐摩耗性を大巾に改善し、切削工具
、耐摩耗性部材等として極めて優れた性能をもつ硬質被
覆部材に関するものである。

（２）技術の背景 従来、切削工具、耐摩耗性部材、耐蝕部材としては高速
度鋼から始まり、ＷＣを主成分とする超硬合金、ＴＩＣ
を主成分とするサーメット、Ａｇ２Ｏ３゜Ｓｉ３Ｎ４等
のセラミックス等が用いられて来た。更にこれ等の硬質
材料の表面をＴｉＣのような炭化物、窒化物、炭窒化物
や酸化物等を被覆した表面被覆材料も盛んに実用化され
ている。

一方、ダイヤモンドは地上で最も硬度が高く、熱伝導度
の良い物質であり、天然の単結晶を加工して切削、耐摩
耗用途に用いられてきたが、超高圧技術の発達とともに
天然と同様のダイヤモンドが熱力学的に安定な人工合成
ができるようになり、更にダイヤモンド粉末を超高圧で
焼結した焼結ダイヤモンドを広く用いられるようになっ
た。

しかしながらこれらは硬度が著しく高い為に加工費が高
いだけでなく単純な形状しか製作できないためその用途
が著しく限定されている。

このような問題の解決法の一つとして被覆膜としてダイ
ヤモンドを用いる方法がある。

近年になって、例えばＪ’、Ｃｒｙｓｔ、Ｇｒｏｕｔｈ
　、５２゜１９８１年Ｐ２１９〜２２６に記載されてい
る如くダイヤモンドを気相から合成する技術が開発され
た。これらの方法によれば、超硬合金等の従来の硬質材
料の表面にダイヤモンドを被覆することによってダイヤ
モンドとは糧同じ硬さと耐摩耗性を持った部材と安価に
製造することができる。

ダイヤモンド被覆はメタン等の炭化水素ガスと水素の混
合ガスを用いるＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法と、炭化水
素ガスを用いるイオンビーム蒸着法等によって実現され
る。この場合被覆される母材も比較的硬度が高く耐熱性
の材料であることが重要である。しかしながら発明者ら
の実験によると、直接に超硬合金や高速度鋼に被覆した
場合、ダイヤモンド膜と母材との密着性が不足して厳し
い切削条件では膜の剥離によって工具寿命は母材のみの
場合と殆んど変らない場合すらあることがわかった。従
って母材とダイヤモンド膜の間に中間層を入れ密着性の
向上を図るという常識的な解決法も考えられるが、共有
結合体であるダイヤモンドと母材となる金属、炭化物、
窒化物とは木質的に異った電子構造であるため、ダイヤ
モンド相が他の相に拡散するという現象もあり得ないこ
とからこの解決法にも自づと限界がある。

（３）発明の開示 本発明は上記問題点を解決するものであり、ダイヤモン
ド膜と基体（母材）との密着性を向上させ工具として適
正な構成を得る手段を提案するものである。

本発明の特徴はダイヤモンド膜中に不純物元素としてＢ
を注入せしめることである。

ＢはＳｉ等の半導体のドーピング元素として知られ周期
律表４ｂ族元素の電子状態を変えることができる。

これにより機械的性質はダイヤモンドと同じ特性で、電
気的には純粋のダイヤモンドとは少し異る膜を作ること
ができる□。

発明者らはＢを不純物として注入した膜を公知の手段で
あるプラズマＣＶＤ法で作成し、その電気的な性質を測
定したところ不純物を含まないダイヤモンド膜に比べて
明らかに比抵抗の減少が認められた。例えば不純物を含
まない場合は１０１３〜１０”Ωｃ１１であるのに対し
Ｂを０．１％含む膜では約１０’Ωｃ！ｌの比抵抗であ
った。このことから本発明のダイヤモンド膜は通常のダ
イヤモンド膜に較べて明らかに異った電子状態となって
いると考えられる。

更にＢは不純物としてダイヤモンド中に混入する量は数
％程度まで可能であり、又カーボンとの化合物Ｂ４Ｃの
生成も行われる等拡散層や中間層を持ったのと類似の効
果があると推察される。

次に限定範囲について述べる。

本発明は上述の如くダイヤモンドそのものの電子状態の
変化や界面構造の変化により効果を発揮していると考え
られるので一定量以上の不純物元素の注入が必要である
。しかし不純物量が多過ぎるとダイヤモンド構造が＜剥
れ目的の硬質被覆が得られなぐなる。この観点から０．
０１〜５％の不純物含有量が適当である。

既述の如く母材との界面附近からＢの含有量と順次減少
させて最外表面は不純物のないダイヤモンド膜としても
有益であるが、母材との界面近傍では上記含有量を満足
することが不可欠である。

全床のダイヤモンド層の厚さは薄過ぎると高硬度、耐摩
耗性向上の効果がなく、厚過ぎるとダイヤモンド膜自体
が脆いため欠は易くなり、０．１〜２０μｍの範囲が切
削工具の場合は最適である。この厚みの範囲は基体の種
類、用途によって若干変動する。

ダイヤモンド層は直接母材につけても中間層をはさんで
つけることも可能であるが、中間層は母材との密着性を
重視して選択する必要がある。文中間層がダイヤモンド
層との接着が良くなるＢを含んだ層をダイヤモンド層の
内層としたり、母材そのものの表面にＢを含浸させたり
する手段も有効である。

本発明の実現には公知のダイヤモンドの気相合成法であ
るＣＶＤ　、プラズマＣＶＤ　、イオンブレーティング
、イオンビーム蒸着法等の方法において、反応ガス中に
Ｂ２Ｈ４等のＢを含んだガスを混入する手段や、気相合
成中にイオンビーム照射する方法等いずれの方法でも良
く効果は変らない。

又、基体（母材）としては高速度鋼、超硬合金、サーメ
ット等、場合によってはステンレスでも良い。

以下実施例により本発明の詳細な説明するが、本発明の
応用範囲は実施例により限定されるものではなく切削工
具、耐摩工具、摺動摩耗部品等耐摩耗性を要求される全
ての工具、部品にも適応できる。

実施例　Ｉ ＷＣ−５％ＣＯ組成を持つ超硬合金の公知のプラズマＣ
ＶＤ法（＋３．５ｆｉＭＨ２の高周波をコイルに印加し
てプラズマを発生）にて１％ＣＨ４を含むＨ２雰囲気か
らｌθμのダイヤモンド膜を得た。この膜のビッカース
硬度を測定したところ荷重２５ｇで９６００であった。

同じ方法でＢ２Ｈ６を０．１％、ＣＨ４を１％を含むＨ
２雰囲気からｌＯμのダイヤモンド膜を得た。この膜の
組成分析をＳＩＭＳ（２次イオン質量分析器）にて測定
したところ約１０００　ＰＰｍのＢが観察された。

又結晶構造を区射電子線回折で電子結合状態をＬＥＥＬ
Ｓ　（低速電子線損失分光法）で測定したところダイヤ
モンドであると画定された。この膜の硬度は９３００で
あり不純物のない膜と殆んど差がなかった。

実施例　２ 市販の超硬合金ＩＳＯ，Ｋ１０　（形状ＳＰＧ　４２１
）に公知マイクロ波プラズマＣＶＤ法（５０關φの５ｉ
０２製反応管）にて下記条件でダイヤモンドを３μｍ被
覆した工具を２種作成した。

被覆条件： マイクロ波周波数：　２．４５０［Ｉｚマイクロ波出力
　：　４００Ｗ 反応圧力　　　　：　２０Ｔｏｒｒ 反応ガス：［本発明］　：　Ｂ１１（Ｂ　Ｏ，２％十Ｃ
Ｉ４１％十残Ｈ２［比較例］　：　ＣＨ４１％十残Ｈ２ 流速　　　　　　：５θ、１ｆｆｌ／ＳｅＣ上記作成工
具を、ＡＱ−ｒｏ％Ｓｔを被削材として、切削速度”２
００ｍ／　ｍｉｎ　１送り０．１ｍｍ／ｒｅｖ、切込み
０．２鰭、切削時間５分の乾式旋削試験を行った。この
結果、不純物を含まないダイヤモンド膜を被覆した工具
（比較例）ではフランク摩耗が０　、５　ＩＩｍで切刃
付近のダイヤモンド膜が完全に剥れていたのに対し、本
発明の工具ではフランク摩耗０．０５ｍｍ以下と小さく
ダイヤモンド膜は完全に残っていた。

実施例　３ 市販の超硬合金ＩＳＯ，Ｍ１０（形状ＴＰＧ　３２１）
に実施例２と同様の条件でダイヤモンド膜を作り、Ｂ２
Ｈ６の含有量を変えることによって第１表のＢ含有率の
異る膜を得た。これを下記の条件で切削試験を行い比較
した。

切削形態　　二　転削（乾式） ％式％ 切込み　＝０．５１ この条件でフランク摩耗が０．２ｍｍとなるまでの時間
で切削寿命とし第１表に示す。

第　　１　　表 実施例　４

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）基体表面の被覆層の少くとも一層がＢを含むダイ
   ヤモンド層であることを特徴とする被覆硬質部材。
2. （２）被覆層の一層が０．０１〜５％のＢを含むことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の被覆硬質部材。
3. （３）被覆層の厚みが全体で０．１〜２０μｍであるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の被覆硬質部
   材。