JPH02192483A - ダイヤモンド炭化硅素複合体 - 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］ 本発明は切削用のし異材料やメカニカルシール等に使用
されるダイヤモンド炭化硅素複合体に関する。

［従来の技術］ 炭化硅素焼結体は通常は六方晶炭化硅素（α型）、立方
晶炭化硅素（β型）の粉末にＣ，Ｂ。

Ａ１１等の焼結助剤を添加して成形、焼成してつくられ
ている。そしてこれらの炭化硅素はＳ　ｉ　０２とＣの
反応により製造されるのが普通である。また特殊なもの
としては有機硅素化合物のハ分解により微粒状の炭化硅
素を得る方法も提案されている。

ダイヤモンド膜は特公昭５９−２７７５３　、特公昭５
９−２７７５４などに開示されている熱フイラメント法
、マイクロ波プラズマＣＶＤ法を筆頭に数多くの方法で
得られている。この場合の膜を析出させる基板にはシリ
コン単結晶ウェハーが最も多く用いられている。この外
にもモリブデン、タングステン、金、銀、銅などの金属
基板の外、石英ガラス、アルミナ、炭化硅素などのセラ
ミックス基板にもダイヤモンド膜が析出することが知ら
れている。複合材をそのまま利用するものとしては例え
ば超硬工具材上にダイヤモンド膜をつけて切削工具に使
用する方法も提案されている。

［発明が解決しようとする課題］ ダイヤモンド膜は切削材として優れており、例えばこれ
を用いてアルミ合金を加工すると仕上げ面が超硬合金製
切削工具による加工面よりも良好である。

またダイヤモンド膜は硬度が＾く、摩擦係数は小さく耐
食性に優れていることから機械材料としてメカニカルシ
ールに使用される。

いずれの場合もダイヤモンド膜自体は薄く強度が弱いの
でこれを補強する基材が必要である。

炭化硅素（Ｓ　ｉ　Ｃ）焼結体にはダイヤモンド膜が密
着性よくつけられることから、ＳｉＣ焼結体の基材にダ
イヤモンドを被覆した複合体（以下「ダイヤ／Ｓ　ｉ　
ＣｋＳ２合体」と略記）からなる切削工具やメカニカル
シールの実用化が試みられている。

しかし従来のＳｉＣ焼結体によるダイヤ／ＳｉＣ複五よ
切削工具として使用した場合、前記したように加工面は
良好であるが、工具とじての寿命が超硬合金工具より著
しく短かいという欠点がある。これはダイヤモンド膜と
基材の界面における剥離が原因である。従来のＳｉＣ焼
結体は焼結助剤が使用されているので、これらの不純物
がこの剥離に関係していると思われる。

また焼結助剤を含むＳｉＣ焼結体は腐食性の液体中での
耐食性も十分でない。

本発明の目的は切削工具として寿命が長く、耐食性にも
優れたダイヤ／ＳｉＣｍ合体を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 化学気相蒸着法によれば、高純度の立方晶炭化硅素（以
下「β−５ｉＣＪと略記）の膜が得られる。膜を析出さ
せる基材には通常等方性黒鉛が用いられる。β−５ＥＣ
の化学気相蒸着法には、様々な公知の方法がある。例え
ば、黒鉛基材をＳｉＯ及びＣＯ雰囲気中で１６００〜２
０（１０℃に加熱すれば黒鉛表層はβ−８ＩＣ化する。

また、Ｓ　ｉＣ１４等のハロゲン化硅素とＣ３Ｈ８等の
炭化水素とをＨ２をキャリヤガスとして流し、黒鉛基材
を１５００℃程度に加熱してもβ−８ＩＣの膜が析出す
る。β−８ｉＣ膜を０立化するのに十分なだけの膜厚を
確保してから空気中または酸素雰囲気中でおよそ８００
℃以上に加熱すれば黒鉛基材は酸化消耗する。こうして
黒鉛を完全に除去すればβ−３ＬＣだけで形成された基
材か残る。

本発明はこのβ−８ｉＣ基村上に析出させたダイヤモン
ド膜は高純度であり、従来のＳｉＣ焼結体よりもダイヤ
モンド膜との密着強度が優れていることの発見に基づく
ものである。

即ち、本発明は化学気相蒸着法（以下ＣＶＤという）に
よるβ−８ｉＣ多結晶焼結体からなる基材にダイヤモン
ド膜を被覆したダイヤ／　Ｓ　ｉ　Ｃ複合体である。

β−５ｉＣ基材の厚さは０．１ｐ以上、密度は３゜２ｚ
／−以上であることが好ましい。またα−５ｉＣ以外の
不純物は５０ｐｐ■以ドであることが好ましい。モして
β−５ＩＣの中にｔｏｆｆｉｆｆｉ９６以ド程度であれ
ばα−５ｉＣが含まれていてもよい。

またダイヤモンド膜は切削工具やメカニカルシールに用
いられたときの性能あるいは生産性を考慮して０．０１
〜１０００ｍの範囲とすることが好ましい。

基材であるβ−５ｉＣ焼結体のダイヤモンド被覆は基材
の全面あるいは片面、または用途により必要な部分のみ
とすることも可能である。

基材をダイヤモンド膜で被覆するにはマイクロ波プラズ
マＣＶＤ法、熱フイラメントＣＶＤ法、高周波ＣＶＤ法
など公知の方法が用いられる。

［作　　用］ 化学気相蒸着で得られるβ−５ｉＣは、立方晶の結晶構
造を有しており、通常の条件で合成されるダイヤモンド
膜の結晶構造と一致する。また、β−５ｉＣの格子定数
は４．３６０人でシリコンの５．４３０人よりもダイヤ
モンドの３．５６７人に近い。

従って、β−５ｉＣ基板とダイヤモンド膜との界面のミ
スマツチは、非常に小さい。

本発明で用いるβ−５ｉＣの熱膨張係数はｔｏ（１〜１
０００℃の範囲の・１之均値で４　Ｘ　１０−６秀し℃
程度である。これは純タングステンに近い値であり、市
販の超硬合金の値Ｃ５Ｘ　ｔｏ−’聾し℃）よりも小さ
い。従って、ダイヤモンド被覆工具として使用する際問
題となる熱応力は、超硬合金より小さくなる。

本発明で用いるβ−５ｉＣ基材中の不純物量は、５０ｐ
ｐｍ以下と極めて高純度である。ダイヤモンド膜を析出
させても界面に密着強度を低ドさせる不純物の析出がほ
とんど起こらない。

以上述べてきたように本発明で用いる基材は結晶構造上
及び熱膨張係数上のミスマツチが少なく、かつ界面の不
純物量が著しく少ない。このゆえ、ダイヤモンド膜と基
材との密着強度は極めて大きく、切削工具としての寿命
が従来の超硬合金基材品よりも著しく伸びるのである。

また耐食性に影響するＢ、Ａ１等が含まれてないので耐
食性がよい。

［実施例１］ ５５龍角の等方性黒鉛（東洋炭素■製、　　ＩＧ−１１
０）ブロック上に、化学気相蒸着法で膜厚６龍のβ−８
ｉ　Ｃ＠を形成させた。原料ガスにはＳ　Ｉ　ＣＩＩ　
４を用い、（１：８Ｈ８の炭化水素をキャリヤガスとし
て用いた。基材温度は１５２０℃、ガス流量は０．９Ｊ
／ｓｉｎである。この基材から切断及び空気中で８００
℃に加熱する酸化処理によって膜厚６■、５５−−角の
β−８ＥＣ多結晶板を得た。これを加工して、外径５０
ｅｓ＋、内径３ｋｍのドーナツ状部品を作製した。

この部品の全面を、熱フイラメントＣＶＤ法により膜厚
５０−のダイヤモンド膜で被覆した。熱フイラメントＣ
ＶＤ法による被覆は、エタノールガスを１ｖｏ１．％含
んだ水素ガスをｇｏｓｃ諜伝し、圧力を３０Ｔｏｒｒｑ
基材温度を８１０℃に保って行なった。

被覆した全表面を機械的に研磨し、テフロンベローズ型
メカニカルシールの固定環を得た。この固定環に適合す
るシールリングを同様の方法で作製し、９０℃、　ｌ（
Ｎの塩酸を循環させるポンプに適用したところ、８００
００時間を越えても、何らの異常もなかった。メカニカ
ルシール部品のみを取り出したところ、表面には何らの
損傷もなく、重量変化も検出されなかった。

同一条件でＣ，Ｂを助剤としたα−５ｉＣ焼結体製のメ
カニカルシールを用いたところ２０００時間でシールが
できなくなった。また、Ｃ，Ｂを助剤としたα−５ｉＣ
焼結体をダイヤモンド被覆した場合には、１０００時間
でダイヤモンド膜が剥離し、シールができなくなった。

［実施例２コ １００　ｍｍ角、厚さ１０ｍｍの等方性黒鉛（東洋炭素
■製、　　ＩＧ−１１０）の板を、ＳｉＯ及びＣＯ雰囲
気中で１７００℃に加熱して厚さ２−ＩＩのβ−５ｔＣ
多結晶板を得た。この板から、ノーズ半径０．２５＋ａ
ｍ、すくい角ｌＯ°のバイト部品を切り出した。このバ
イト部品のすくい面及び逃は面に水素とメタンの混合ガ
スを用いた熱フイラメントＣＶＤ法で膜厚１５０　ｔａ
ｎのダイヤモンド膜をつけた。このダイヤモンド膜の表
面を研磨してノーズ半径０．３報、刃先内約９０″、す
くい角ｌＯ″のダイヤモンド膜からなる刃先を得た。こ
のバイトの刃面の反対側に蒸着によりチタンを、その上
に銅のメタライズ層を形成させてからシャンク（鋼）に
銀ろうで固定した。このバイトを用いて切削テストを行
なった。

空気軸受スピンドルに直径１２０ｍｍ、幅１５ｍｍの被
削材を取り付け、空気軸受スライドテーブルに試作バイ
トを固定した。被削材には無酸素銅を用いた。切削距離
９０１ａａを越えたところですくい面に５０ｍｍのくぼ
みが現われた。

一方、天然の単結晶ダイヤモンドを前記試作品と同一の
形状に加工して得られる単結晶バイト（すくい面（１１
０）面）を、前記と同一条件で切削テストしたところ、
切削圧１！ｌｔ８８ｋｍを越えたところですくい面に５
０ｎｗのくぼみが現われた。

以上より、本試作品は単結晶バイトと同等の性能を有す
ることが判明した。

［効　　果］ 本発明によればダイヤモンド膜の剥離が起こらず、長寿
命のメカニカルシールや切削工具を得ることができる。

ダイヤモンド被覆によって、１１１結晶のダイヤモンド
と同等の硬度、化学的耐食性、低摩擦性が得られるので
、本発明品は天然ダイヤモンド製のものより安価である
。

従って本発明は産業的に極めて有用である。

代 理 人

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）化学気相蒸着法による立方晶炭化硅素の多結晶体
   からなる基材にダイヤモンド膜を被覆してなるダイヤモ
   ンド炭化硅素複合体。
2. （２）基材の厚さが０．１μｍ以上、ダイヤモンド膜の
   厚さが０．０１〜１０００μｍである請求項１記載のダ
   イヤモンド炭化硅素複合体。
3. （３）メカニカルシールに使用する請求項１又は２記載
   のダイヤモンド炭化硅素複合体。
4. （４）切削工具に使用する請求項１又は２記載のダイヤ
   モンド炭化硅素複合体。