JPH0312376A - ダイヤモンド被覆セラミックス - 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、ダイヤモンド被覆セラミックスに関し、さ
らに詳しく言うと、工具、耐摩耗部品、電子材料に広く
利用することのできるダイヤモンド被覆セラミックスに
関する。

［従来の技術］ ファインセラミックスは、その耐摩耗性、耐食性、耐侵
食性、高温強度性等から機械構造材料として活用されて
いるが、靭性、機械的強度の点では、未だ実用性の劣る
面かある。

この欠点を解決するために、セラミックスウィスカーで
強化したウィスカー強化セラミックス焼結体か種々、報
告されている（特公平１−１５７９２　、特開昭６４−
７２９６６、特開昭６４−７［＋９６９、特開平１−７
６９７１　、特開平１−６１３５５および特開平１−１
０００６５号等の公報参照）。

しかしながら、これらのウィスカー強化セラミックス焼
結体においても、表面硬度、耐摩耗性などの点で未だ改
善の余地が残されている。

ところで、基体にコーティングすることにより、従来の
材料に新しい機能あるいは、優れた機山を付与すること
は、よく知られている。

ダイヤモンドの薄膜は、硬度、耐摩耗性、電気絶縁性、
熱伝導性、赤外線透過性および固体潤滑性などに優れて
いることから、たとえば切削工具類、研磨材、耐摩耗性
機械部品、光学部品等の各種部材のハートコート材や電
気、電子材料などに利用されている。

このダイヤモンドの薄膜で被覆してなるダイヤモモド被
覆部材が所期の性能を発揮するためには、薄膜と、金属
、合金、セラミックス等の基体との密着性か優れていな
ければならない。

ダイヤモンド被覆工具としては、ＷＣ系超硬合金基体が
主体に用いられているが、密着性が十分てなく、５ｉｘ
Ｎ、、ＳｉＣ系などのセラミックスを用いることが提案
されているが、基体の物性が十分でなく、ダイヤモンド
被膜の効果が生かせず、実用性に劣るという問題点があ
った。

一方、特開昭６４−１４１８５には、長さが５．０〜１
００ルｍ、径が０．１〜１．０＃Ｌｍφ、アスペクト比
が２．０〜２００である長繊維で強化したファインセラ
ミックスを基体として、この基体表面に硬質炭素を被覆
した工具材料が開示されている。そして、この工具材料
は、耐熱性、耐摩耗性および破壊靭性に優れることが前
記公報において報告されている。

しかしながら、この発明者のさらに検討したところによ
ると、前記繊維強化ファインセラミックスにおいては、
添加するｍ誰に長繊維が含有される場合には１強度、靭
性の低下が見られ、特に、曲げ強度の低下により、工具
としての実用性に劣ることがあるという新たな問題があ
る。

この発明の目的は、高強度、高靭性であり、硬度２耐摩
耗性に優れた、工具等に利用することのできる部材を提
供することにある。

［課題を解決するための手段］ すなわち、前記課題を解決するためのこの発明は、平均
長さが５〜３０ｇｍであるとともに最大長さが４０ｇｍ
以下であるセラミックスウィスカーな５〜４０重量％の
割合で含有するセラミックス焼結体の表面に、ダイヤモ
ンド類の薄膜を形成してなることを特徴とするダイヤモ
ンド被覆セラミックスである。

以下、この発明をさらに詳しく説明する。

−セラミックス焼結体− この発明におけるセラミックス焼結体は、マトリックス
であるセラミックスと、このマトリックス中に特定のセ
ラミックスウィスカーを分散してなる。

前記マトリックスであるセラミックスには、炭化珪素（
ＳｉＣ）、窒化珪素（ｓ　１３　Ｎ４　）　、窒化ホウ
素（ＢＮ）、炭化ホウ素（Ｂ４　Ｃ）、窒化アルミニウ
ム（ＡＭＮ）等が挙げられる。

また、酸化アルミニウムＣＡｌ＊　０３）　、酸化イツ
トリウム（ｙｚ　０３　）　、ジルコニア（ＺｒＯｌ）
、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化カルシウム（Ｃａ
ｂ）、酸化カリウム（ＫｔＯ）。

酸化チタン（ＴｉＯｔ）、酸化クロム（Ｃｒ。

０３）、二酸化ケイ素（ＳｉＯｚ）、ムライト、アパタ
イト、フェライト、スピネルなども挙げられる。

この発明に用いられるマトリックスとしては、ＳｉＣ，
Ｓｉｓ　Ｎ４が好適である。

なお、前記マトリックスとして、前記各種のセラミック
スを一種単独で使用することもできるし、またその二種
以上を併用することもできる。

マトリックスに使用されるセラミックスは、その平均粒
径が、通常３．ＯＩＬｍ以下である。

前記セラミックスウィスカーとしては、炭化珪素ウィス
カー、窒化珪素ウィスカー、炭化ホウ素ウィスカー、ホ
ウ化チタンウィスカー、ガラス繊維、炭素繊維、カーボ
ーウィスカーなどを挙げることができる。

これらの中でも好ましいのは炭化珪素ウィスカーおよび
窒化珪素ウィスカーである。

この発明においては、セラミックスウィスカーの平均長
さが、５〜３０ＩＬｍ、特に７〜２５ｇｍであり、その
最大長さが４０ルｍ以下、特に３５ルｍ以下であること
が重要である。

セラミックスウィスカーの平均長さが５ｇｍより短い場
合は、セラミックスウィスカーの添加効果が見られず、
強度や靭性の向上が認められないし、３０７ｚｍよりも
長いときには、曲げ強度が低く、ダイヤモンド類を被覆
しても十分な性能を生かすことができなくなる。

さらにこの発明で重要なことは、この発明におけるセラ
ミックスウィスカーは、その平均長さが前記範囲内にあ
っても、実質的に４０ｇｍを越える長さのセラミックス
ウィスカーな含んでいないことである。換言すると、こ
の発明におけるセラミックスウィスカーは、その最大長
さが４０ｐＬｍ以下である。４０μｍよりも長いと、セ
ラミックス焼結体の曲げ強度が著しく低下する。

また、セラミックスウィスカーは、その径か０、Ｉ　Ｊ
Ｌ　ｍ〜３４　ｍ、特に０．３〜２μｍの範囲内にある
のが好ましい。

０．１Ｂｍ未満ではセラミックスウィスカー自体の強度
低下が避けられないし、３ｇｍを越えるセラミックスウ
ィスカーは工業的な製造が困難である。

前記範囲の繊維長およびｍ組径を有するセラミックスウ
ィスカーの中でも、さらにそのアスペクト比が１０〜３
０、特に１５〜２５の範囲にあることが望ましい。

前記アスペクト比が１０未満であると、セラミックスウ
ィスカーによる補強効果が十分できないことがあり、ま
たそのアスペクト比が３０を超えるときには、混合分散
性が低下して強度が低くなることがある。

前述のような繊維長あるいはアスペクト比を有するセラ
ミックスウィスカーは、工業的に得られる前記ウィスカ
ーが通常５０〜３００μｍの繊維長を有しているので、
セラミックスウィスカーを燃結用原料粉末と共に例えば
湿式ボールミル等により所定時間の粉砕処理をすること
により、得ることができる。

この発明におけるセラミックス焼結体は、マトリックス
である前記セラミックスと前記特定のセラミックスウィ
スカーとを均一に混合、ｆ＆形、焼結することにより得
ることができるのであるが、焼結に際して、焼結促進効
果を有するとともに焼結体の特性を低下させない焼結助
剤をさらに配合して焼結すると好ましいことがある。

前記焼結助剤として、たとえば、ホウ素系化合物、アル
ミニウム系化合物、炭素系化合物、希土類元素系化合物
等を挙げることができる。その−例を示すと−Ｂ　、　
ｃ　、　Ｂ　ａ　ｃ　、　Ａ　ｘ　ｔ　ｏ　＊　。

ＭｇＯ，Ｙ、Ｏ，、ＣａＯ等を挙げることができる。

この発明におけるセラミックス焼結体を製造するに当た
っての特定の前記セラミックスウィスカーの配合量は、
通常５〜４０重量％、特に１０〜３０重量％である。

ここで、配合量が５重量％未満であると補強効果が小さ
く、また、４０重量％を越えるとセラミックスウィスカ
ーの凝集による均一分散性が低下し、強度が不安定にな
って好ましくない、したがって、前記セラミックスウィ
スカーの含有量が前記範囲内にあると、ダイヤモンド被
覆セラミックスの機械的強度および靭性がより一層大き
くなる。

なお、前記焼結助剤の配合量は焼結条件等を考慮して適
宜に決定すれば良い。

次に、この発明に好適なセラミックス焼結体を得るため
の成分組成として、（イ）マトリックスとしての５ｉＣ
１５〜４０重量％のＳｉＣウィスカーならびにホウ素系
化合物および／炭素系化合物である焼結助剤からなるセ
ラミックス混合物、（ロ）マトリックスとしてのＳｉ３
Ｎ４．５〜４０重量％のＳｉＣウィスカーならびに焼結
助剤であるＡ１．０２および／またはＹ　２０　：ｌか
らなるセラミックス混合物、（ハ）マトリックスとして
のＳｉＣおよびＳｉ３Ｎ、、５〜４０重量％のＳｉＣウ
ィスカーならびに焼結助剤としてのホウ素系化合物およ
び／または炭素系化合物からなるセラミックス混合物な
どを挙げることができる。

この発明におけるセラミックス焼結体は、マトリックス
としての前記セラミックス、特定のセラミックスウィス
カーおよび要すれば焼結助剤との混合物を用いて、成形
、焼結することにより得ることができる。成形に先んじ
て前記混合物を造粒しても良い。

前記造粒は、噴霧乾燥造粒法、転勤造粒法、圧縮造粒法
、押出し造粒法等によることができる。

前記成形は、静水圧成形法、機械プレス成形法、射出成
形法、鋳込み成形法等によることができる。

焼結は、常圧焼結、ガス圧焼結、ホットプレス焼結、Ｈ
ＩＰｆｉ結等によることができる。

いずれの焼結法を採用するにせよ、焼結は還元性雰囲気
または不活性ガス雰囲気下に行なうのが好ましい。

焼結温度は、セラミックスの種類に応じて適宜に決定さ
れるのであるが、通常１，４００〜１，９００℃である
。

焼結に際しての圧力は、常圧焼結のときには１気圧であ
るが、焼成温度を高くすることにより昇華が問題になる
ときには１０気圧程度の圧力をかけるのか良い。

焼結して得られるセラミックス焼結体の形状には特に制
限がなく、ダイヤモンド被覆セラミックスの用途に応じ
てその形状が決定される。

−ダイヤモンド類薄膜− この発明においては、前記セラミックス焼結体の表面に
ダイヤモンド類の薄膜が形成される。

ここでダイヤモンド類とは、ダイヤモンドおよびダイヤ
モンド状炭素を言う、もつとも、セラミックス焼結体の
表面には、ダイヤモンドが高純度で形成されていること
が好ましい。

セラミックス焼結体の表面に形成されるダイヤモンド類
の薄膜の厚みは、セラミックスの種類により異なるが一
般に０．：ｌμｍ以上、好ましくは０．５〜１１００Ｊ
Ｌの範囲が望ましい、厚みが０．３７ｚｍより薄いダイ
ヤモンド類層は、ダイヤモンド類薄膜として化学的およ
び物理的特性による作用が不充分になることがあり、１
００ｇｍより厚いダイヤモンド類層はその形成に非常な
長時間を要するようになる。

このようなダイヤモンド類薄膜は次のようにして形成す
ることができる。

すなわち、炭素源ガスを励起して得られるガスを前記セ
ラミックス焼結体の表面に接触させる気相法により、ダ
イヤモンド類薄膜を形成することができる。

前記炭素源ガスとしては、各種炭化水素化合物、含ハロ
ゲン化合物、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。

前記炭化水素化合物としては、オレフィン系炭化水素、
アセチレン系炭化水素、ジオレフィン系炭化水素、脂環
式炭化水素、芳香族炭化水素、ハロゲン化炭化水素等を
挙げることができる。

含ハロゲン化合物としては、たとえば含ハロゲン化炭化
水素等を挙げることができる。

含酸素化合物としては、例えばケトン類、アルコール類
、エーテル類、ケトン類、アルデヒド類、有機酸類、酸
エステル類、二価アルコール類、−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、例えばアミン類等を挙げること
ができる。

また、前記炭素源ガスとして、単体ではないが、消防法
に規定される第４類危険物、第１石油類、第２石油類、
第３石油類、第４石油類などのガス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。

これらの炭素源ガスの中でも、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、あるいはアセトン、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が好ましく、−酸
化炭素は特に好ましい。

前記ダイヤモンド類薄膜の形成にあたっては、前記炭素
源ガスとともに希釈用ガスを用いることもできる。この
希釈用ガスとしては、水素ガス。

ヘリウムガス、アルゴンガス、ネオンガス、キセノンガ
ス、窒素ガスなどの不活性ガスが挙げられる。

これらは、１種単独で用いてもよいし、２種以上を組合
わせて用いてもよい。

これらの中でも、水素ガスを用いた場合には、プラズマ
ＣＶＤ法においては直流または高周波もしくはマイクロ
波によってプラズマを形成し、ＣＶＤ法においては熱ま
たは放電により原子状水素を形成する。

この原子状水素は、ダイヤモンドまたはダイヤモンド状
炭素の析出と同時に析出する黒鉛構造の炭素を除去する
作用を有する。

前記不活性ガスは、特にスパッタリング法、イオン化蒸
着法、イオンビーム蒸着法を使用する場合に前記パラフ
ィン系炭化水素化合物、前記含酸素有機化合物および／
または含窒素有機化合物からなる炭素源ガスと混合して
用いるものであり、アーク放電空間中でイオン化するこ
とにより炭素原子をたたき出して炭素をイオン化する作
用を有する。

前記炭素源ガスを励起する手段としては、たとえば熱フ
イラメント法、（ＥＡＣＶＤ法も含む、）直流プラズマ
ＣＶＤ法（熱プラズマ法も含む）、高周波プラズマＣＶ
Ｄ法（熱プラズマ法も含む）、マイクロ波プラズマＣＶ
Ｄ法（有磁場ＥＣＲ法も含む）、燃焼炎法、光ＣＶＤ法
などを用いることができる。

前記ダイヤモンド類の薄膜の形成において、炭素源ガス
の濃度は、通常０．１〜８０容量％である。

前記ダイヤモンド類の薄膜の形成において、前記基材の
表面の温度は、前記炭素源ガスの励起手段によって異な
るが、通常、常温〜１，２００°Ｃである。たとえばマ
イクロ波プラズマＣＶＤ法を用いる場合には、通常、常
温〜１，１＋１０’ｃである。

前記ダイヤモンド類の薄膜の形成における反応圧力は１
通常、１０−’〜１０″ｔｏｒｒ　、好ましくは１０−
Ｓ〜８００　ｔｏｒｒである０反応圧力が１０−鴫ｔｏ
ｒｒよりも低い場合には、ダイヤモンド類の析出速度が
遅くなったり、ダイヤモンド類か析出しなくなったりす
る。一方１０’ｔｏｒｒより高くしてもそれに応じた効
果がない。

反応時間は、温度、反応圧力、必要とする層厚などによ
り相違するので一概に決定いすることはできない。

一ダイヤモンド被覆セラミックスー この発明のダイヤモンド被覆セラミックスは、工具、耐
摩耗部品、電子材料等の各種超硬工具に好適に利用する
ことができる。

［実施例］ 次いで、この発明の実施例および比較例を示して、この
発明についてさらに具体的に説明する。

（実施例１）−３ｉユＮ４系焼結体− 平均粒径が０．７μｍである５ｉｚＮ４粉末７０重量％
と、平均粒径が２μｍ以下である焼結助剤［Ａ立ｔｏｚ
３．５重量％、Ｙ２Ｏ，１，ｓ重量％］と、ＳｉＣウィ
スカー（平均径０．９ｇｍ、平均長さ２０ルｍ、＆さ分
布５〜１００終ｍ）２５重量％とを、湿式ボールミルで
４８時間かけて混合した。

得られる混合物を１，８００°Ｃに加熱しながら。

４００　ｋｇ／ａｍ”の圧力でホットプレス法により成
形、焼結して、セラミックス焼結体を得た。

このセラミックス焼結体中に含まれるセラミックスウィ
スカーの繊維長およびこのセラミックス焼結体の曲げ強
度を測定した。

その結果を第１表に示す。

次いで、このセラミックス焼結体を用いて切削用チップ
（ＳＮＧＮ４３２）を作成した。これを基板として、マ
イクロプラズ７ＣＶＤ法（２，４５ＧＨｚ）にて、下記
の条件でダイヤモンド＠膜をコーティングした。

ガス濃度；　ＣＯ／　ＣＯ＋　Ｈｔ　＝　７容積％圧　
　　力；　４０　　Ｔｏｒｒ 温　　　度；　１，０００　　℃ 時　　間、１０時間 膜　　　厚；２０ルｍ これを用いて、以下の条件て切削テストを行い、切刃の
逃げ面摩耗幅、欠損の有無について評価した。

切削条件 被削材；　ＡＩＬ−８重量５％Ｓｉ合金切削速度；６０
０■層／分 送り量；０．３■醜／回転 切り込み量：０．１■璽 切削時間：４０分間 その結果を第１表に示す。

（比較例１） 実施例１の５ｉｉＮｎ系焼結体において、混合時間を４
８時間に代えて、１時間とした以外は同様に実施した。

結果を第１表に示す。

（実施例２）　−３ｉＣ系焼結体− ３ｉＣ粉末７５重量％、ホウ素３重量％、炭素２重量％
に、実施例１と同じＳｉＣウィスカ−２０ｉ量％を湿式
ボールミルにて４８時間かけて混合した。

得られる混合物を２，１００℃の加熱温度にて３００ｋ
ｇ／ｃ■２の圧力をかけてホットプレス法により成形、
焼結して、セラミックス焼結体を得た。

次いで、実施例１と同様にしてダイヤモンド薄膜を前記
セラミックス焼結体の表面にコーティングした。

これを用いて切削テストを、実施例１の切削時間４０分
間に代えて３０分間行った以外は、前記実施例１と同様
にした。

結果を第１表に示す。

（評　価） 第１表から明らかなように、セラミックス焼結体におい
て、焼結体中に分布するウィスカーの長さが１０〜１５
ｕＬｍの場合、優れた曲げ強度を示し、一方、焼結体中
に分布するウィスカーの長さが５０μｍ以上の場合、曲
げ強度は著しく低下する。すなわち、焼結体中に分布す
るウィスカーが長繊維である場合、長繊維が強度低下に
影響していることを示している。

また、第１表から明らかなように、被覆された被覆部材
は、実施例１の場合、切削時間が４０分まで逃げ面摩耗
がほとんどなく、また欠損も全くなかった。実施例２に
おいても、切削時間３０分まで逃げ面摩耗がほとんどな
く、また欠損も全くなかった。これは、これらの被覆部
材が、耐摩耗性および破壊靭性に優れていることを示し
ている。

またこれは基材であるセラミックス焼結体とダイヤモン
ド類の被膜との密着性が良好であることを示している。

第　　１　　表 することかできる。

［発明の効果］ この発明によると、

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）　平均長さが５〜３０μｍであるとともに最大長
   さが４０μｍ以下であるセラミックスウイスカーを５〜
   ４０重量％の割合で含有するセラミックス焼結体の表面
   に、ダイヤモンド類の薄膜を形成してなることを特徴と
   するダイヤモンド被覆セラミックス。