JPH0254768A - ダイヤモンド膜付部材とその製造方法 - 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］ この発明は、ダイヤモンド膜付部材およびその製造方法
に関し、さらに詳しくは、たとえば耐痒耗性、耐薬品性
などに優れ、たとえば工具等に好適に用いることのでき
るダイヤモンド膜付部材とその製造方法に関する。

［従来技術と発明が解決しようとする課題］近年、ダイ
ヤモンド合成技術の進歩に伴い、金属部材の表面にダイ
ヤモンド膜を形成してなるダイヤモンド膜付部材が広く
使用され、また、特にこれらのダイヤモンド膜付部材は
、その表面が高い硬度を有することから、切削工具、研
唐丁Ａ等に利用されている。

ところで、従来、金属部材とダイヤモンド膜との密着性
は、良好であるとは言いがたく、そのことから、それら
のダイヤモンド膜付部材は耐摩耗性に著しく劣るもので
あった。

一方、金属部材とダイヤモンド膜との密着性の向五を目
的に、たとえば部材表面にケイ素を含有するダイヤモン
ド膜を形成する技術（特開昭６１−１６３２７３号公報
）等が報告されてはいるが、これらのダイヤモンド膜付
部材は１部材表面とダイヤモンド膜との密着性が未だ充
分ではなかった。

なお、金属部材上に金属または金属化合物を点在せしめ
、それを核材としてダイヤモンドをｔｉせしめる技術（
特開昭６３−１６６７３３号）が報告されている。

この技術は、ダイヤモンド膜の合成速度やダイヤモンド
膜の均一性を改善する目的で、金属部材上に金属または
金属化合物を点在せしめたものである。

したがって、金属または金属化合物が存在しない金属部
材−Ｌに成長したダイヤモンド膜の密着性は、未だ、改
みされたものとは言いがたい。

また、この方法は、金属部材−Ｌに金属または金属化合
物を点在せしめることで始めて効果を奏し、前記金属ま
たは金属化合物を層上に存在せしめる場合には、もはや
核材として機能せず、非ダイヤモンドの析出を促すとい
う不都合を有するものであった。

この発明は、前記事情によりなされたものである。

すなわち、この発明の目的は、金属部材表面とダイヤモ
ンド膜との密着性に優れたダイヤモンド膜付部材とその
製造方法を提供することにある。

［前記課題を解決するための手段］ 前記課題を解決するために、この発明者が鋭意、検討を
屯ねた結果、金属部材表面に特定の中間層を設け、その
上に特定の形成方法で得られたダイヤモンド膜を設けて
なるダイヤモンド膜付部材は１部材表面とダイヤモンド
膜との密着性に優れることから耐摩耗性に優れたダイヤ
モンド膜付部材であることを見出し、また、その製造方
法は、非ダイヤモンドの析出がほとんどない製造刃Ｕ：
であることを見出して、この発明に到達した。

すなわち、前記課題を解決するための請求項１に記載の
発明は、金属部材表面に金属のケイ素化合物を含有する
中間層を介して、ダイヤモンド膜を形成してなることを
特徴とするダイヤモンド膜付部材である。

請求項２に記載の発明は、金属部材表面に金属のケイ素
化合物を含有する中間層を形成し、ついで前記中間層上
に、炭素源ガスを含有する原料ガスを励起して得られる
ガスを接触せしめることによりダイヤモンド膜を形成す
ることを特徴とする請求項ｌに記載のダイヤモンド膜付
部材の製造方法である。

以下に、この発明のダイヤモンド膜付部材とその製造方
法とを順次に説明する。

ダイヤモンド膜付部材 請求項１に記載の発明において、金、＆１部材はダイヤ
モンド膜を形成させる基体として用いられる。

また請求項１に記載の発明の重要な点は、前記金属部材
が、その表面に金属のケイ素化合物を含有する中間層（
以下、単に中間層と言うことがある。）を介して、ダイ
ヤモンド膜を有するということである。

前記金属部材としては、特に制限はなく、たとえば鉄、
コバルト、ニッケル、クロム、マンガン、バナジウム、
タングステン、タリウム、モリブデン、シリコンなどの
金属や合金等、タンタル珪素、炭化モリブデン、炭化タ
ングステン、アルミナ、スピネル、炭化珪素などのセラ
ミックスを挙げることができる。

また、これらの中でも好ましいのは、ＷＣ−Ｃｏ系合金
、ＷＣ−Ｔｉｅ−Ｃｏ系合金、ｗＣ−Ｔｉｃ−ＴａＣ−
Ｃｉｏ系合金等の超硬合金である。

前記中間層は、おもに金属のケイ素化合物で構成ごれ、
後述するコーティング法により形成することができる。

前記金属のケイ素化合物としては、特に制限はないが、
周期律表ノＴＶ、、　Ｖａ、　Ｖｌ、、■６、■族金属
のケイ素化合物を好適に使用することができる。

その具体例としては、チタン、バナジウム、クロム、マ
ンガン、鉄、コバルト、ニッケル、ジルコニウム、ニオ
ブ、モリブデン、テクネチウム、ルテニウム、ロジウム
、パラジウム、ハフニウム、タリウム、タングステン、
レニウム、オスミウム、イリジウム、プラチナ等のケイ
素化合物を挙げることができる。

これらの中でも好ましいのは、用いる部材の金属成分と
同じ金属のケイ素化合物であり、たとえば部材として金
属工具を用いるのであれば、従来、工具に使用されてい
る金属のケイ素化合物である一５ｉ２、ＮｉＳｉ２　、
　Ｐｄ２Ｓｉ　、　ＰｔＳｉ、　ＭｏＳｉ２、ＣｒＳｉ
２．　ＣｏＳｉ２．　ＦｅＳｉ、　ＭｎＳｉ、　Ｖ２Ｓ
ｉ等を挙げることができる。

これらの中でも好ましいのは、ＷＳｉ２、ＮｉＳｉ２、
Ｐｄ２Ｓｉ　、　ＰｔＳｉ、　ＭｏＳｉ２である。

部材の金属成分と、前記金属成分と同じ金属を有するケ
イ素化合物とを組合せて用いることにより１部材と中間
層との密着性を、より高めることができる。

前記中間層の層厚は、通常、０．０１〜１０ｇｍであり
、好ましくは０．０５〜５庵ｍである。

なお、前記層厚が０．０ｉ　ｐ、、　ｍ未満であると、
部材とダイヤモンド膜との密着性が低下することがあり
、また１０トｍを超えても相応する効果が得られない場
合がある。

この発明の部材は、前記中間層上に、後述する方法で形
成されたダイヤモンド膜を有する。

前記ダイヤモンド膜の膜厚は、通常、０．１〜２Ｊｔｍ
であり、好ましくは０．５〜１０ＩＬｍである。

なお、前記膜厚が（１，１ｇｍ未満であると、部材の耐
摩耗性が低下することがあり、また２０ｐｍを超えても
相応する効果が得られない場合がある。

このようなダイヤモンド膜付部材は、以下に示すような
製造方法で作成することができる。

ダイヤモンド膜付部材の製造方法 この発明の重要な点は、部材表面に前記金属のケイ素化
合物を含有する中間層を形成し、ついで１γ１記中間層
１−に、炭素源ガスを含有する原料ガスを励起して得ら
れるガスを接触せしめてダイヤモンド膜を形成すること
である。

以下に、前記中間層の形成方法とダイヤモンド膜の形成
方法とを説明する。

■中間層の形成方法 前記中間層は、通常前記金属のケイ素化合物の原料を励
起して得られたガスを部材表面に接触させて形成するこ
とができる。

前記金属のケイ素化合物層を部材表面にコーティングす
る方法としては、従来から使用されている真空蒸着法、
スパッタ法、化学蒸着法（ＣＶＤ法）、塗布法等を好適
に採用することができる。

前記真空蒸着法としては、たとえば抵抗加熱法、゛１ニ
子衝撃法、高周波誘導加熱法等を挙げることができる。

前記スパッタ法としては、たとえば２極直流スパツタリ
ング法、高周波スパッタリング法１反応性スパッタリン
グ法等を挙げることができる。

前記ＣＶＤ法としては、プラズマＣＶＤ法、高周波ＣＶ
Ｄ法、マイクロ波ＣＶＤ法等を挙げることができる。

前記コーティングに際して、部材の表面温度としては、
そのコーティング法により一概に決定することはできな
いが、通常、常温〜ｔ　、ｏｏｏ℃であり、好ましくは
、常温〜９０θ℃である。

反応圧力としては１通常１０−’−１０−宜ｔａｒｔで
あり、好ましくは、　１０−６〜１Ｏ−Ｑｏｒｒテある
。

析出速度としては、前記反応条件の範囲内で適宜に設定
することにより一概に決定することはできないが、通常
はＩＯＡ／秒である。

このような条件下で前記中間層の層厚になるように金属
のケイ素化合物層を形成し、そのＪ二に。

つぎに示す方法でダイヤモンド膜を形成する。

■ダイヤモンド膜の形成方法 ダイヤモンド膜は、炭素源ガスを含有する原料ガスを励
起し、そのガスをｌ町記金属のケイ素化合物層１−に接
触せしめることにより形成することができる。

１ｉ？１記炭素源ガスとしては、各種炭化水素、含酸素
化合物、含窒素化合物等のガスを使用することができる
。

炭化水素化合物としては１例えばメタン、エタン、プロ
パン、ブタン等のパラフィン系炭化水素；エチレン、フ
ロピレン、ブチレン等のオレフィン系炭化水素；アセチ
レン、アリレン等のアセチレン系炭化水素：ブタジェン
等のジオレフィン系炭化水素；シクロプロパン、シクロ
ブタン、シクロペンタン、シクロヘキサン等の脂環式Ｒ
化水素；シクロブタジェン、ベンゼン、トルエン、キシ
レン、ナフタレン等の芳香族炭化水素を挙げることがで
きる。

含酸素化合物としては、例えばアセトン、ジエチルケト
ン、ベンゾフェノン等のケトン類；メタノール、エタノ
ール、プロパツール、ブタノール等のアルコール類：メ
チルエーテル、エチルエーテル、メチルエチルエーテル
、メチルプロピルエーテル、フェノールエーテル、ジオ
キサン等のエーテル類：ホルムアルデヒド、アセトアル
デヒド、ベンズアルデヒド等のアルデヒド類；酢酸。

プロピオン酸、コハク酸等の有機酸類：酢酸メチル、酢
酸エチル等の酸エステル類：エチレングリコール、ジエ
チレングリコール等の二価アルコール類ニー酸化炭素、
二酸化炭素等を挙げることができる。

含窒素化合物としては、例えばトリメチルアミン、トリ
エチルアミンなどのアミン類等を挙げることができる。

また、炭素源として、単体ではないが、消防法に規定さ
れる第４類危険物：ガソリンなどの第１石油類、ケロシ
ン、テレピン油、しょう脳油、松根油などの第２石油類
、重油などの第３石油類、ギヤー油、シリンダー油など
の第４石油類などをも使用することができる。また前記
各種の炭素化合物を混合して使用することもできる。

これらの炭素源の中でも、常温で気体または蒸気圧の高
いメタン、エタン、プロパン等のパラフィン系炭化水素
等、アセトン、ベンゾフェノンなどのケトン類、メタノ
ール、エタノール等のアルコール類、−酸化炭素、二酸
化炭素ガス等の含酸素化合物等が好ましい。

なお、原料ガスには、炭素源ガスのほかに水素ガス、水
蒸気、酸素ガス等を含有せしめてもよい。

これらのガスと炭素源ガスとを組合わせた原料ガスを使
用すると、良質のダイヤモンド膜を高速に形成せしめる
ことができる。

前記原料ガス中の前記水素ガスの濃度は、前記炭素源ガ
スに対して０．１〜９９．９モル％である。

前記原料ガス中の前記水蒸気の濃度は、前記原料ガスに
対して０．０５〜１０モル％である。

前記原料ガス中の前記酸素ガスの濃度は、前記原料ガス
に対して０．０１〜１０モル％である。

前記原料ガスには、不活性ガスを混入させても良い、不
活性ガスは炭素源ガスのキャリヤーガスとして用いるこ
とができる。

この不活性ガスとしては、たとえば窒素ガス、ヘリウム
ガス、アルゴンガス、ネオンガス、キセノンガスなどが
挙げられる。

前記炭素源ガスの励起ｆ段としては、ダイヤモンドの合
成に従来より慣用されている各種の方法の中から任意の
方法を用いることができる。

具体的には、たとえば直流を印加してプラズマ分解する
方法、高周波を印加してプラズマ分解する方法、マイク
ロ波を印加してプラズマ分解する方法、あるいはプラズ
マ分解をイオン室またはイオン銃で行なわせ、電界によ
りイオンを引出すイオンビーム法などの各種プラズマ分
解法、熱フィラメントの加熱により熱分解する熱分解法
などが挙げられる。これらの中で好ましいものは前記各
種のプラズマ分解法である。

なお、前記炭素源ガスをプラズマ分解する場合のプラズ
マ出力は、通常、　０．０５Ｋｗ以上である。

プラズマ出力が０．０５Ｋｗ未満であると、プラズマが
充分に発生しないことがある。

前記）に素源ガスを励起させるには通常、以下の条件丁
に反応を進行させることができる。

すなわち、部材の表面の温度は、前記気相合成法におけ
る炭素源ガスの励起り段、部材の冷却によって異なるの
で、−概に決定することはできないが、たとえばプラズ
マ分解法を用いる場合には、　４００〜１，２００℃が
好ましい。

反応圧力は、通常、１０−６〜ｔ０３ｔｏｒｒｆｆｉあ
り、好ましくはｌｏ−５〜８００ｔＯｒｒテある。

反応圧力が１Ｏ−６ｔｏｒｒよりも低い場合には、ダイ
ヤモンド１漠が析出しなくなったりする。一方、１０３
ｔｏｒｒより高くしてもそれに相当する効果は得られな
い。

反応時間は、ダイヤモンド膜の膜厚が前記の厚みとなる
ようにダイヤモンド膜の形成速度に応じて適宜に設定す
ることができる。

このようにして得られたダイヤモンド膜付部材は、部材
とダイヤモンド膜との密着性に優れ、耐摩耗性、耐薬品
性が要求される部材等に好適に利用することができる。

［実施例］ この発明について、更に具体的に説明するため以下にそ
の実施例を挙げる。

（実施例１） ダイヤモンド膜の形成部材として超硬合金の切削チップ
（ＪＩＳ　ＫＩＯ３ＰＧＮ４２２　）を使用した。

前記切削チップを、ランゲルＥ液（０化精工［株］製）
の１０倍稀釈液（液温５０℃）、つぎに純水、そのつぎ
にイソプロピルアルコールを順次に用いて、各々３回づ
つの洗浄を行った。

なお１回あたりの洗浄時間は６０秒であり、各々３回の
洗浄のうち、各々２回目の洗浄は超音波処理を併用した
。

このように洗浄を行った前記切削チー２プを１反応室内
に設こした後、反応室内の圧力を１Ｏ−５ｔｏｒｒ、切
削チップの温度を３００℃に設定し、真空蒸着法により
、切削チップ上にＷＳｉ２の中間層を形成した。

なお、得られた中間層の層厚は０．１　ｇｍであった。

なお、前記切削チップ表面のケイ素化合物分析はＸ線回
折（以下、単にＸＲＤという、）により行った。

つぎに、中間層を形成した切削チップを反応室内に設置
し、切削チップ温度９００℃、反応室内の圧力５０ｔｏ
ｒｒの条件下に１周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波電
源の出力を３５０Ｗに設定するとともに、反応室内への
原料ガスとして一酸化炭素ガスと水素ガスとの全！武を
１００ｓｅｃ■に設定した。

前記−酸化炭素ガスの濃度は、２５モル％であった。

このような条件下で１時間、反応をすすめ前記中間層ｔ
に２．５μｍの堆積物を得た。

なお、得られた堆積物について、ラマン分光分析を行っ
たところ、ラマンスペクトルの１３３３ｃｓ＋−’付近
にダイヤモンドに起因するピークが見られ、不純物のな
いダイヤモンド膜であることが確認された。

また、前記切削チップの表面に形成された中間層および
ダイヤモンド膜の厚みについては、走査型電子ＷＪ微鏡
により測定した。

さらに、中間層を介してダイヤモンド膜を形成してなる
切削チップについて、以下の条件下に切削試験を行った
。

波切削材；Ａ立−８重ｔ１％Ｓｉ合金 切削速度；８００ｍ／秒 送り；　０．１　ｍｍ７厘も 切込み；　０．２５ｍｍ 切削時間；１００分、ｔ、ｏｏｏ分 試験後、切削チップに付着した、被切削材溶着物を希塩
酸で除去し、切削チップの切刃の状態を走査型電子顕微
鏡で観察した。

以上の試験結果および観察結果を第１表に示す。

（実施例２〜８） 中間層の層厚、ダイヤモンド合成条件（炭素源ガス組成
、そのＣ度および合成時間）およびダイヤモンド膜厚を
第１表に示すとおりにしたほかは、実施例１と同様に中
間層とダイヤモンド膜とを形成した。

また、得られたダイヤモンド付切削チップについて実施
例１と同様に切削試験を行った。

結果を第１表に示す。

（実施例９） 実施例１と同様の切削チップを、実施例１と同様に洗浄
して、反応室内の圧力を１ｏ″５ｔｏｒｒ、切削チー２
ブの温度を４００℃に設定し、スパッタ法により、層厚
０．６μｍ、　（：ｏＳｉ２の中間層を形成した。

この中間層上に、第１表に示すダイヤモンド合成条件（
炭素源ガスとその濃度）で膜厚２．５ＪＬｍのダイヤモ
ンド膜を形成した。

なお、前記以外のダイヤモンド膜の合成条件は、実施例
１と同様であった。

また、得られたダイヤモンド膜付切削チップについて実
施例１と同様に切削試験を行った。

結果を第１表に示す。

（実施例１０） 実施例１と同様の切削チップを、実施例１と同様に洗浄
して、反応室内の圧力を１０１ｔｏｒｒ、切削チップの
温度を４００℃に設定し、スパッタ法により１層厚ＯＪ
　４Ｈ１，ＮｉＳｉ２の中間層を形成した。

この中間層−ヒに、第１表に示すダイヤモンド合成条件
（炭素源ガスとその濃度）で膜厚３．θ牌ｍのダイヤモ
ンド膜を形成した。

なお、前記以外のダイヤモンド膜の合成条件は、実施例
１と同様であった。

また、得られたダイヤモンド膜付切削チップについて実
施例１と同様に切削試験を行った。

結果を第１表に示す。

（実施例１１） 実施例１と同様の切削チップを、実施例１と同様に洗浄
して、反応室内の圧力を１Ｏ−３ｔｏｒｒ、切削チップ
の温度を３００℃に設定し、真空蒸着法により、層厚０
．５　ｐｍ、　Ｐｄ２Ｓｉの中間層を形成した。

この中間層上に、第１表に示すダイヤモンド合成条件（
炭素源ガスとその濃度）で膜厚３．ＯＪＬｍのダイヤモ
ンド膜を形成した。

なお、前記以外のダイヤモンド膜の合成条件は、実施例
１と同様であった。

また、１１ｔられたダイヤモンド膜付切削チー７プにつ
いて実施例１と同様に切削試験を行った。

結果を第１表に示す。

（実施例１２） 実施例１と同様の切削チップを、実施例１と同様に洗浄
して、反応室内の圧力を１Ｏ−５ｔｏｒｒ、切削チップ
の温度を５００℃に設定し、スパッタ法により、層厚０
．４ルｍ、ＰｔＳｉの中間層を形成した。

この中間層上に、第１表に示すダイヤモンド合成条件（
炭素源ガスとその濃度）で膜厚２．５鉢ｍのダイヤモン
ド膜を形成した。

なお、前記以外のダイヤモンド膜の合成条件は、実施例
１と同様であった。

また、得られたダイヤモンド膜付切削チップについて実
施例１と同様に切削試験を行った。

結果を第１表に示す。

（実施例１３） 実施例７と同様に中間層を形成した。

つぎに、中間層を形成した切削チップをプラズマ発生内
に設こし、ダイヤモンド合成を実施例７のマイクロ波プ
ラズマ方式に代えて、ＲＦ、％プラズマ方式を採用した
。

電源としては、周波数４　ＭＨｚの高周波電源を用い、
その出力を５０ＫＷに設定するとともに、反応室内へ原
料ガスとして、メタンガスを流、ｒ；　０．５交／分、
水素ガスを流驕１０文／分に設定し、ギヤリヤーガスと
してＡｒガスを流量２５ｆＬ／分に設定した。

なお、切削チップの温度は、水冷により９００℃に設定
し、反応圧力は、１気圧に設定した。

このようにしてダイヤモンド膜付切削チップを作成し、
実施例７と同様に切削試験を行った。

結果を第１表に示す。

（実施例１４） 実施例７と同様に中間層を形成した。

つぎに、中間層を形成した切削チー２プを反応室内に設
置し、ダイヤモンド合成法を、実施例７のマイクロ波プ
ラズマ法にかえて、放電電力２０ＫＷの直流熱プラズマ
ジェット方式を採用した。

なお、すＪ削チップ温度は、１，０００℃に設定し、反
応圧力は５００ｔｏｒｒに設定した。

ついで、反応室内へ原料ガスとして、メタンガスを流星
１２７分、水素ガスを流；；ｒ　１０文／分に設定し、
ギヤリヤーガスとしてＡｒガスを流ｊａ　２０交／分に
設定した。

このようにしてダイヤモンドｌＩ！２＋１切削チップを
作成し、実施例７と同様にすＪ削試験を行った。

結果を第１表に示す。

（比較例１） 実施例１において、切削チップにＷＳｉ２の中間層を設
けなかった他は、実施例１と同様にダイヤモンド膜付切
削チップを作成し、実施例１と同様に切削試験を行った
。

結果を第１表に示す。

（比較例２） 実施例１３において、切削チップにＷＳｉ２の中間層を
設けなかった他は、実施例１３と同様にダイヤモンド膜
付すＪ削チップを作成し、実施例１３と同様に切削試験
を行った。

結果を第１表に示す。

［発明の効果１ この発明によると、金属部材表面とダイヤモンド膜との
密着性に優れることから、耐摩耗性に優れ、長い耐用時
間が要求される丁具等に好適に利用することのできるダ
イヤモンド膜付部材とその製造方法とを提供することが
できる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　金属部材表面に金属のケイ素化合物を含有する
   中間層を介して、ダイヤモンド膜を形成してなることを
   特徴とするダイヤモンド膜付部材。
2. （２）　金属部材表面に金属のケイ素化合物を含有する
   中間層を形成し、ついで前記中間層上に、炭素源ガスを
   含有する原料ガスを励起して得られるガスを接触せしめ
   ることによりダイヤモンド膜を形成することを特徴とす
   る請求項１に記載のダイヤモンド膜付部材の製造方法。