JPS63140084A - 硬質炭素被覆部品 - 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、極めて耐摩耗性、耐蝕性に富む新規なひ質炭
素技伊部品に関する。

〔従来の技術〕

ダイヤモンドの合成法として、従来のように超高圧・高
温を用いずに気相合成する方法として、炭化水素を分解
し、加熱保持した基材の表面に合成被覆する方法があり
、例えば特公昭５９−２７７５５号公報、特願昭５６−
２０４３２１号、特公昭６１−２６５２号各公報をはじ
めとして、数多くの方法が知られている。

この種の方法は、いずれも炭素含有化合物、一般には炭
化水素を水素で希釈した混合ガスを、高温もしくは電気
エネルギーを外部から付加することによってプラズマを
発生させる、又は外部より強力なる光、一般的にはエキ
シマレーザ−光を照射する等の手段によって、高エネル
ギー状態に励起し、これＫより水素を原子状の水素に解
離させると共に、炭化水素よりメチルラジカルを生成さ
せ、このメチルラジカルが基材表面上にダイヤモンドと
して堆積し、同時に原子状の水素がダイヤモンドと共析
出するグラπイトを選択的にエツチングすることにより
、高純度のダイヤモンドを基材表面上に合成被覆するも
のである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記した従来技術によれば、確かに基材の表面に純度の
高いダイヤモンドを合成・被覆することは可能である。

しかしながら、通常の基材材料例えば切削工具に、この
種のダイヤモンド被覆の応用を考えると、ダイヤモンド
はその熱膨張係数が五〇×１０″″’　／ｄｅ　ｇと極
めて小さく、切削工具に最適な超硬合金の熱膨張係数５
　Ｘ　１０−＠／ｃｌｅｇの約１／２であることから、
一般に５００℃〜１２００℃である被覆時の高温から、
室温まで冷却した際に、ダイヤモンド被覆膜に高水準の
圧縮残留応力が生じ、該被覆膜が坐屈破壊することによ
シ基材から剥離してしまうという大きな問題があり、こ
れの解決が急がれている。

本発明はこのような現状に鑑みて表されたものであり、
基材からの剥離のない硬質炭素被覆部品を提供するもの
である。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は気相よシ加熱した基材の表面に、炭素含有化合
物を分解して硬質の炭素を合成・析出せしめ被覆膜とし
た硬質炭素被覆部品において、該被覆膜の一層もしくは
全層が硬質炭素と金属炭化物の混合物からなる硬質炭素
被覆部品である。

本発明においては、上記金属炭化物が炭化チタンである
ことが特に好ましい。

まず、本発明の基とした考え方から説明を始める。前記
したように、ダイヤモンドが他の物質に比べて極めて熱
膨張係数が小さいため、被覆終了後に冷却する際に、被
覆膜に大きな残留圧縮応力が生じて剥離が生じる。

この問題を解決するには、要は該被覆膜に生じる応力を
緩和すればよい。そして、被覆膜に生じる残留応力は、
被覆膜物質であるダイヤモンドと基材物質との熱膨張係
数の差によるのであるから、被覆膜物質の熱膨張係数を
より大きくできればよいのである。

ここで、混合物質の熱膨張係数は、近似的には混合膜が
成立すると考えられるので、ダイヤモンドと、ダイヤモ
ンドのそれよシ大きな熱膨張係数を有する物質との混合
膜を作成するならば、かかる問題を解決し得ると考え、
この考えを基にして研究を進め本発明に到達した。

本発明者らの研究によれば、ダイヤモンドとより熱膨張
係数の大きい物質との混合膜の熱膨張係数は、はソ混合
則に従がい、ダイヤモンドのそれより大きくなシ、基材
との熱膨張係数差を大巾に改善でき、これにより剥離の
問題を解決できることがわかった。

例えば炭化チタンは熱膨張係数が７．８Ｘ１０″ａ／ｄ
ｏｇであることから、炭化チタンが４２容積チ、ダイヤ
モンドが５８容積鴫の混合膜を作成すると、その混合膜
の熱膨張係数は５．０Ｘ１０″″＠／１ｍｇとなり、前
述した超硬合金のそれと全く一致するところから、残留
応力は生じない。

従って、被覆膜と基材とは極めてよく接着するところか
ら、本発明の被覆部品を切削工具、耐摩部品等に用いる
と非常に好結果が得られる。

本発明において混合膜を形成させる、よシ熱膨張係数の
大きな物質としては、金属炭化物例えば炭化チタン、炭
化硼素、炭化硅素などが好ましい。

本発明の硬質炭素被覆部品におけるダイヤモンド（硬質
炭素）と金属炭化物の容積比は特に限定されるところは
なく、基材に応じ任意に容積比を変えればよい。

本発明の硬質炭素被覆部品の製造方法としては、種々の
方法が採用できるが、従来の硬質炭素（ダイヤモンド）
気相合成法である、炭化水素と水素の混合ガスを励起し
た後、分解する方法において熱膨張係数のより大な他の
原料を混合ガス中に添加して、基材上に共析出させる方
法が、工業的にも最も容易である。

このような方法としては例えば熱ＯＶＤ法、マイクロ波
プラズマ法などが挙げられる。

熱ａｖ′Ｄ法による場合は、Ｗ、Ｔａ等の金属フィラメ
ントを１８００〜２５００℃に加熱しておき、水素と炭
化水素の混合ガス、一般的には水素と１１〜５容量チ好
ましくは（Ｌ５〜２容量チ程度のメタンとの混合ガスを
、該フィラメントで予熱することにより、金属フィラメ
ント直下に５〜５０ｗ程度離れて設けた基材表面上に、
炭化水素を熱分解してダイヤモンドを合成する。

なお雰囲気の圧力は１〜７６０　Ｔｏｒｒ、好ましくは
５０〜５００　　Ｔｏｒｒ程度、基材表面温度は７００
〜１５００℃好ましくは８５０〜１１００℃程度で行う
。

マイクロ波プラズマＯＶＤ法による場合は、石英製の反
応管中に基板を設置し、該石英管外部よりマイクロ波を
、一般的には２．４５　ＧＨｚもしくは９１５　ＭＨｚ
を加え、マイクロ波無極放電によってプラズマと生じさ
せる。なおガス組成、圧力及び基体の表面温度は前記し
た熱ＯＶＤ法の場合とほとんど同じでよい。

上記のように雰囲気が炭化水素雰囲気であることから、
共析出する物質は、金属の炭化物と硬質炭素に必然的に
なるわけである。ここで硬質炭素としたのは、従来法の
ように純度の高いダイヤモンドは合成できず、若干のグ
ラファイトが共析出するためである。

また、この金属炭化物と硬質炭素との混合物は被覆膜の
全部をこれにする要は必ずしもなく、基材と接する面の
みとし、かつ外部にむけて金属炭化物の存在量を順次減
少した層状構造にしてもよいことは、熱膨張係数の差に
よる残留応力の緩和という本発明の目的から、言うまで
もなく当然である。

〔実施例〕

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。

実施例１ 第１図に概略の構成を示すダイヤモンド禎覆装置におい
て、超硬合金製チップ〔住友電工■製、材質Ｈ１、型番
８ＰＧ４２２）１を石英製試料台２に保持し、真空容器
Ｓ内を図示されていない真空排気装置にて排気４したの
ち、ガス導入管５より水素１０　ＣＣ／　ｍｉｎ　ｅメ
タン（１１ｃｃ／ｍｉｎ　、四塩化チタンα０２　ＣＣ
／　ｍｉｎを圧力１５０ＴＯｒｒ　　にて導入すると共
に、タングステンフィラメント６を通電加熱して約２０
００℃とし、電気炉７を用いて超硬合金製テップ１の温
度を１０５０℃に保った。この条件にて１０時間被覆し
た後、試料を冷却した。

冷却後との試料をＸ線回折にて調べたところ、ダイヤモ
ンドと炭化チタンの回折ピークが同定された。次に、オ
ージェ電子分光にて被覆膜の組成分析を行ったところ、
平均して炭化チタンが５８容積チ、ダイヤモンドが６２
容積チ存在していると推定された。々お、その分布は基
材に近い部分での炭化チタンの存在量が表面部より多か
った。又、被覆膜厚は約１２μあることが判った。この
試料を本発明品Ａとする。

上記と同様の装置を用い、同じ基材について、四塩化チ
タンの添加のみを行わず、他の条件はＡの場合と同様に
同時間行ったところ、ダイヤモンドが約９μ厚さ被覆し
た試料が得られた。

この比較品をそのまま２日間放置したところ、膜内に生
じた圧縮応力のため、被覆膜が剥離してしまった。

本発明品Ａ及び未被覆品について、以下の条件で切削テ
ストを行った。

被削材　１０４０丸棒 切削速度　　３０００悔／　ｍｉｎ 送　　　シ　　　α２０日／ｒｅｖ 切り込み　　ｔｏ− ホルダー　　？Ｐ２１Ｒ−４４ム 切削剤　　使用せず 本発明品Ａは、１０分間切削してフランク摩耗が１０２
．であったのに対して、比較品である未被覆品、すなわ
ち基材は、１４秒間切削して切刃が消滅してしまった。

実施例２ 真空容器内に実施例１と同じ超硬合金製チップを保持し
、系内に水素１５ＣＣ／ｍｉｎ、メタンＱ、　Ｉ　ＯＣ
／　Ｉｎ１ｎ　ｇ四塩化チタンαＯＩ　ＣＣ／　ｗｉｎ
を、４０　Ｔｏｒｒにて導入した後、２．ａ　５　ＧＨ
ｚのマイクロ波５００Ｗを印加し、いわゆるマイクロ波
プラズマＣｖＤ法にて２４時間被覆した。

しかる後、試料を冷却して調べたところ、ダイヤモンド
が７２容積チ、炭化チタン２８容積チの混合膜が厚さ２
８μ被覆されていた。この試料を本発明品Ｂとする。

四塩化チタンの添加がない以外は全く同一の基材、装置
、条件にて１２時間被覆したところ、厚さ８μのダイヤ
モンドが被覆された。

しかしながら、４日後に後者のダイヤモンド被覆は剥離
してしまった。−力木発明品Ｂでは被覆膜の剥離は全く
認められ々かった。

実施例３ 実施例１と同じ構成にて、種々の条件にて表１に示す各
種の被覆膜を作成した後、実施例１と同一条件にて切削
テストを行った。この結果も表１にまとめて示すが、ダ
イヤモンドのみを被覆した比較品工〜には、いずれも膜
が初期に剥離してしまい、極めて短寿命であった。一方
、本発明品Ｃ−ａは、１０分間切削してもフランク摩耗
が［１ｍ１〜Ｑ、０６■と非常に優れていた。

〔発明の効果〕

本発明は、ダイヤモンドを気相より基材表面に析出させ
る、いわゆるダイヤモンドコーティング技術において、
金属炭化物、特に好ましくは炭化チタンを共析出させる
ことによって、該被覆膜の熱膨張係数をダイヤモンド膜
のそれより大きくして基材との差を殆んどなくすことが
できるので、基材との熱膨張係数の差により生じた膜中
の残留圧縮応力を緩和させることを可能とし、これによ
り被覆膜の剥離をなくすことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の硬質炭素被覆部品を製造する一例の概
略説明図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）気相より加熱した基材の表面に、炭素含有化合物
   を分解して硬質の炭素を合成・析出せしめ被覆膜とした
   硬質炭素被覆部品に於て、該被覆膜の一層もしくは全層
   が硬質炭素と金属炭化物の混合物からなる硬質炭素被覆
   部品。
2. （２）金属炭化物が炭化チタンである特許請求の範囲第
   （１）項記載の硬質炭素被覆部品。