JPH0320467A - 密着性にすぐれたダイヤモンド被覆焼結体及びその製造方法 - 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） 本発明は，炭化タングステンを主成分とするセラミック
ス焼結体の基材の表面にダイヤモンド及び／又はダイヤ
モンド状カーボンの被膜を形成させてなる密着性にすぐ
れたダイヤモンド被覆焼結体及びその製造方法に関し，
具体的には，例えば切削王只材料．耐摩耗工具材料又は
装飾用材料などをｔ体に、電気産！．？１１子産業．Ｉ
Ｉ１密機器産業．事務機器産業などに用いられる部品用
材料として適ずる密首性にすぐれたダイヤモンド被覆焼
結体及びその製造方法に関するものである。

（従来の技術） 従来から金属．合金又はセラミックスなどの焼結体でな
るノエ材の表面にダイヤモンド及び／又はダイヤモンド
状の被膜を形成してなるダイヤモる。このダイヤモンド
被ｌａ焼結体は，ダイヤモンドが他の物質との濡れ性に
劣ることから，ダイヤモンド及び／又はダイヤモンド状
カーボンの被膜を基材の表面に、いかにすれば密着性及
び付着性を高めた状態に被覆することができるかという
問題が最人の課題となっている。特に、旋削Ｔ只．フラ
イス−［具．ドリル．エンドミルなどの切削下具材料の
場合は、最も苛酷な条件で用いられるために被膜とノエ
材との密着性や付若性が一屑市要な問題となる。

ダイヤモンドの被膜とＪＪ材との密ｒ１性を高めて，切
削Ｔ具材料として用いることが０■能なダイヤモンド被
膜焼結体が多数の提案されており、その代表的なものと
して、特開昭６２−　　５７８０２号公報，特開昭６２
−１６６９０４号公報及び特開昭６３９９１０２号公報
がある。

（発明が解決しようとずる問題点） 特開閉６２　−　５７８０２号公報には，気相により硬
質炭素薄膜を基＋４表面に析出させて被葭した硬質炭素
被覆部品の該硬質炭素薄膜と基材との中間にＷＩＣを主
成分とずるＷとＣの化合物薄膜の中間ｈ１を厚さＯ．ｌ
ｇｍ以上ｆｔ在させてなる硬質炭素被覆部品が開示され
ている。この同公報による発明は，超硬合金やセラミッ
クスでなる基材の表面にＣｖＤ法（化学蒸着法）やＰＶ
Ｄ法（物理蒸着法）でもってＬＣを土成分とするＷとＣ
の化合物薄膜の中間崩を被覆すると硬質炭素と冑，Ｃの
界面にはＷＣでなる拡散中間層が形成され、その結果付
着強度の向上を達成できたというものであるけれども、
ＣｖＤ法やＰＶＤ法でもって中間崩を形成した後、別の
反応容器で硬質炭素薄膜を被覆するという工程の類雑さ
があること、及び中間層の表面に不純物が付青しやすい
ということから中間荊と硬質炭素薄膜との密着性が劣る
という問題がある。

特開昭６２−　１６６’ｌ０４号公報には、窒化ケイ素
，炭化ケイ素，酸化ジルコニウム．酸化アルミニウムを
主成分とするセラミックス焼結体を基材とし、その表面
に減１１ｌ．下で硬質炭素の薄膜を０、５〜５０μｍ被
覆してなるセラミックス焼結体加千川硬質炭素膜被覆切
削Ｔ．　Ｉｔが開示されている。この同公報の発明は、
変形抵抗の高いセラミックスをＪＪ，材とし、その表面
に硬質炭素の薄膜を形成させることにより、難削材であ
るファインセラミックスの切削加工を可能にしたという
ものであるけれど，例えば硬質炭素の薄膜中にダイヤモ
ンドの含有晴が多くなればなるほど栽材と薄膜との密ｎ
性が劣下し、通にダイヤモンドの含イー７４が減少すれ
ばずるほど耐摩粍性が低下するという問題がある。

特開昭６３−　　９９１０２号公報には、タングスデン
を基材とし、該栽材にダイヤモンドを　１〜１００μｍ
被葭してなる被覆タングステン玉ｌ１が開示されている
。この同公報の発明は，超硬合金やセラミックスのＪ，
％材表面にダイヤモンド薄膜を形成した従来のダイヤモ
ンド被覆工具がＦ！Ｊ膜と基材との接青強度に問題があ
ったのに対し、タングステンをＪＡ材にすることにより
接若強度の問題を解決したというものであるけれども、
タングステンｒｌ体が軟質であることから型性変形しや
すく、切削−［！１として用いても短身命であるという
問題がある。

本発明は，上述のような問題点を解決したもので、具体
的には、基材とダイヤモンド及び／又はダイヤモンド状
カーボンの被膜との創剥離性にすぐれていて、切削王具
材料としても実用可能なダイヤモンド被覆焼結体及びそ
の製造方法の提供を目的とするものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明者らは、気相合成法で形成するダイヤモンドの被
膜を鰭材に被葭する場合、井材の種類．被膜の１７さ及
び被膜の形成条件における被膜とＪ，ｌ，材との耐剥離
性について検３・ｌシていた所、炭化タングステンから
なる焼結体の基材の表面にダイヤモンドの被膜を形成す
る場合には、Ｆｅ族金属を含イ１している超硬合金やサ
ーメットの基材と異なり、ダイヤモンド気相合成法の初
期におけるグラファイトの析出が抑制されること、又ダ
イヤモンド気相合成法におけるダイヤモンドの被膜形成
前に脱炭処理を行い、次いでダイヤモンドの被膜の形成
を行うと、炭化タングステンの基材と被１模との密着性
が一屑強くなり切削王只材料として実用できるという知
見を得たものである。この知見Ｃ基づいて、本発明を完
成するに至ったものである。

すなわち，本発明の密着性にすぐれたダイヤモンド被覆
焼結体は，炭化タングステンを主成分とずる硬質相と不
可避不純物とでなる焼結体のＪＳ材の表面にダイヤモン
ド及び／又はダイヤモンド状カーボンの被膜を形成した
ことを特徴とするものである。

この本発明のダイヤモンド被覆焼結体における硬質相は
，炭化タングステンのみからなる場合５又は炭化タング
ステンが硬質相中の少なくとも５ｏｖｏｊｌ％含有し，
他に周期律表４ａ．　Ｓａ，　６ａ族金属の炭化物．炭
電化物及びこれらの相丘固溶体の中の少なくとも１種を
含有している場合である。これらの内，特に硬質相が９
０ｖｏｊ！％以上の炭化タングスデンでなる場合、例え
ばｗＣ又はｗｃ−　ｗ．ｃでなる炭化タングステンのみ
からなる場合、もしくはこれらの炭化タングステン９σ
ｗａｉｌ％以−Ｌと残り炭化モリブデンとからなるＶＩ
Ｃ　　ＭｏｔＣ．　ＷＣ　　ＷａＣ　　ＭｎｘＣアるい
はＩＣ　−　（Ｖ４，　Ｍｏ）Ｃでなる場合は，被膜と
ＪＪ材との？？？？？性がすぐれると共に，基材の強度
もすぐれるので好ましいことである。

本発明のダイヤモンド被覆焼結体における基材は、前述
の硬質相の他に不可避不純物が混在しており，この不可
避不純物としては主として出発物質中に含右している不
純物と，出発物質の混合粉砕Ｔ稈中に混入してくる不純
物とがあり、後者の不６１ａ不純物としては、混合容器
又はボールなどから混入してくる，例えばＣｏｙ　Ｎｉ
．　Ｆｅ．　ＩＩ，　Ｃｒ．ＭＯなどがあり、これらの
不可避不純物が基材中に０．５　ｖｏＩ２％以下、含石
している場合でも基材と被膜との密着性の低下が少なく
，かえってＪ工材の強度を補うという効果もあることか
ら実川可能である。これらの基材は、このノ↓材の表面
から内部に向って多くとも１０μｍまでの表面層に存７
Ｆする炭化タングステンの粒径がこの表面荊を除いた，
さらに』＾材内部にｔ７−　／Ｅする炭化タングスデン
の甲均粒杼に比べて微細である摺成にずると，　Ｊ，Ｉ
，材と被膜との密着性がよりすぐれること、及び被膜の
膜質を高めることから、特に好ましいことである。

↑，！に，表面酎中の炭化タングスデンの拉径が１．０
μｍ以下．打ましくは０、５μｍ以下の場合には基材と
被膜との密着性がより一周すぐれる卸向になることから
好ましいことである。

本発明のダイヤモンド被覆焼結体における被膜は，？ｌ
気抵抗．光透過率．硬度などがダイヤモンドの性質又は
ダイヤモンドに近い性質を后ずもので，１１体的には，
ラマン分光分析した場合にダイヤモンドのラマン線であ
るといわれている１３３３ｃｍ−’にピークを示すもの
である．さらに許述ずると、この被膜はダイヤモンドの
みからなる場合，又はダイヤモンドと他に非品質カーボ
ンやガラス状カーボンなどを含有している場合，もしく
は、ダイヤモンドが含右していなくても従来からダイヤ
モンドに近い性質を示すものであるといわれているダイ
ヤモンド状カーボンからなる場合があ゛る。特に，０？
ｉ述の表面崩を有する基材に形成された被膜の場合には
，ラマン分九分析におけるダイヤモンドのラマン線であ
るといわれている１３３３ｃｍ−’のピークが明確に表
われた膜竹のすぐれたものになる。この被膜の厚さは、
用途及び形状によって異なり，特に耐衝撃性より゜も耐
すきとり摩耗竹を１０暇視するような用途には、例えば
３〜１０μｍｌ’；ｌさが好ましく、切削工具材料とし
ての用途には、８．５〜７μｍ厚さが好ましく、切削工
具材料の中でもフライス用切削工具のように耐衝撃性を
重要視する用途及びドリルやエンドミル、あるいは耐摩
耗工具材料の中のスリッター，切断刃．裁断刃などのよ
うに鋭角な切刃を有する用途には、例えば０．５〜３μ
ｍ厚さと，被膜を薄くする構成にすることが好ましいこ
とである。

本発明のダイヤモンド被覆焼結体は，炭化タングステン
を主成分とする硬質相を形成するための出発物質を従来
の粉末冶金による方法でもって焼結体とし，この焼結体
の基材の表面に従来のマイロク波プラズマ．高周波プラ
ズマ又は熱フィラメントによるプラズマ中で気相合成し
てダイヤモンドの被膜を形成させることにより得ること
ができるけれども、次の方法で行うと基材と被膜との密
着性がよりすぐれるので好ましいことである．すなわち
、本発明の密着性にすぐれたダイヤモンド被覆焼結体の
製造方法は，炭化タングステンを主成分とする硬質相と
不可避不純物とでなる焼結体の基材を反応容器内に設置
し、該反応容器内を脱炭性雰囲気でもって９ｉ．温して
該栽材の表面層を脱炭した後、１該塙材の表面層の表面
に気相合成法でもってダイヤモンド及び／又はダイヤモ
ンド状カーボンの被膜を形成すると共に、該表面屠を市
び炭化タングステンを主成分とする炭化物の屑にするこ
とを特徴とする方法である。

この本発明のダイヤモンド被覆焼結体の製逍ｈ法におけ
る基材は、炭化タングステンを主成分とする出発物質を
混合粉砕後，ホットプレス焼結，又はΔ通焼結後に熱間
静水圧処Ｆｌ！　（　ＩＩＩＰ処理）することにより緻
密な焼結体にすることができる。

こうして得た基材をダイヤモンドの気相合成用の反応容
器に設１ｒ１シ、この反応容器内な脱炭性雰囲気でもっ
て″ｉ＃温して凸材の表面から多くとも１０μｍの内部
までの表面層を脱炭した後，気相合成法によるダイヤモ
ンド被覆処理を行って、１度晩炭した表面層を再品出し
た炭化タングステン又は炭化タングステンを主成分とす
る炭化物の帝にすると共に，この表面層−Ｌにダイヤモ
ンド及び／又はダイヤモンド状カーボンの被膜を形成す
る方法である。

このように基材の表面層を脱炭した後、再度炭化物とし
て形成される再晶出炭化タングステンは、表面層よりも
基村内部の炭化タングステンに比べて微細粒径にするこ
とができる． 本発明のダイヤモンド被覆焼結体の製造方法における反
応容器内を脱炭性雰囲気にする場合は，神々のガス雰囲
気による方法で行うことができるが，後工程である被膜
の形成工程を連続的に行うために，例えば水素ガスとＩ
ｌｖ２素ガスとの混合ガス，又は水素ガスと酸素ガスと
炭素の供給源となりうるガスとの混合ガスからなる雰囲
気であることが好ましく，水素ガスと酸素ガスとの混合
ガスの場合には、混合割合によっては煽発が起こるので
注意する必要があり、特に酸素ガス０．１〜５ｙｏｕ％
と、残り水素ガスとの比率でなる脱炭性雰囲気でなる場
合は、安全性が高いこと，微細粒の炭化物でなる表面崩
になること、及び表面層と被膜との耐剥離性にもすぐれ
ていることから好ましいことである．ここでいう炭素の
供給源となりうるガスとは、例えばメタン．エタン．プ
ロパン．ブタン．メタノール．エタノール，プロバノー
ル，ブタノール．メチルエーテル，エチルエーデルなど
の炭素と水素又は炭素と水素と酸素の含｛Ｔした有機化
合物を挙げることができる。この脱炭性′：３ν目気で
もって昇温する場合は，基材の温度を５００〜１２００
℃でプラズマ化処理をすることが灯ましいことである。

このときのプラズマ化処理は，従来のマイロク波や高周
波もしくは熱フィラメント法などで行うことができ、こ
のプラズマ化処理状態でもって同一反応容器中で引続き
従来の気相合成法によるダイヤモンド被覆処理を行うと
、表面居と被膜間への不純物の付青が殆どないことから
奸ましいことである。

（作用） 本発明の密着性にすぐれたダイヤモンド披葭焼結体は，
Ｊ＾材中の炭化タングステンが被膜との密ｎ性を高める
作用をしているもので、特に基材の表面欝に形成された
再品出された微細な炭化タングステンが被膜との密着性
を病めると共に、膜質をすぐれたものにして，被膜の耐
摩耗性及び１１剥離性を高める作用をしているものであ
る。

本発明の密着性にすぐれたダイヤモンド被覆焼結体の５
Ｊ造方法は、脱炭性雰囲気での処理工程と気相合Ｉ戊法
によるダイヤモンド被覆処理における初期段階での工程
により微細粒で再品出した炭化物、特に炭化タングステ
ンでなる表面層が形成されること，またプラズマ処理中
での脱炭性雰囲気とプラズマ処理中でのダイヤモンド被
覆処理とを同−反応容器中で連続的に行うことができ，
その結果表面肋と被膜との界面に不純物を／Ｆ：．じ難
くし、しかもダイヤモンドの核生成の促進を痛め、緻審
で微細粒でなる被膜を生成しやすくしているものである
。

（実施例〉 実施例１ ・ｌξ均粒径３．０μｍのＷＣ，　ＭｏｘＣを超硬合金
製ボールと共に湿式でボールミル混合粉砕及び乾燥後、
真空中でホットプレス焼結して、ＷＣを主成分とする焼
結体の塙材を得た．この基材の表面状態を第ｌ表に示す
ように焼肌而又は研削面にした後、下記ＩＡ）の脱炭性
雰囲気条件でもって脱炭処凱し，引続き同−反応容器の
中で下．ｓＬ！！ＩＩ）のダイヤモンド被覆処理条件で
もってダイヤモンド被膜なＪ，ｒ＋材の表面に形成して
本発明品１．２．４を？りた。また，下記（Ａ）条件に
よる脱炭処理を？７格してド記｛ロ｝の条件でもってダ
イヤモンド被１ｙＬをノ１（村の表面に形成して本発明
品３を得た。

（Ａ）脱炭性雰囲気条件 ガス組成　　　　９９ｖｏｌ％ｌｌｘ　−　１　ｖｏｎ
％０，ガス圧力　　　　６０　Ｔｏｒｒ ノ真材温度　　　　９３０℃ マイロク波出力　０．７　ｋｗ 処理１１５間　　　　３０　ｍｉｎ ｔＢ）ダイヤモンド被覆処理条件 ガス組成　　　　９１１ｖｏＩ２％Ｉｌ２−２ｖｎｌ２
．％ＣＩＬガス圧力　　　　８０　Ｔｏｒｒ 基材温度　　　　１０６０　　℃ マイロク波出力　１．０　ｋｍ 処理時間　　　　！２０　ｒａｉｎ 比較品として、市販の窒化ケイ素系セラミックスの基材
の表面に上記（［１）の処理を施して比較品ｌを得た。

また，市販の超硬合金の県材を別の反応容器に設ｉｆｉ
　Ｌ，　．　ｗ＋−ａ　−　ＣＩ１．　−　Ｉ１．混合
雰開気中でＣＶＤ処理して、栽材の表面にＷ２Ｃを約　
１．５μｍ被りロした後、ヒ記（［１１の処理を施して
比較品２を？ｒｌた。さらに，市販のＷ板をＪ，Ｉ＋材
とし、この括材を上記（Ｂ）の処理を施して比較品３を
得た。

こうして１５た本発明品１．２．３．４及び比較品１，
２．３のダイヤモンドの被膜の厚さを調べて第１表に示
した。また，本発明品１．２．４の（Ａｌ処理を施した
試料は、Ｘ線回折及びＳＥＭでもって表面荊を調べて、
その結果を第ｌ表に併記した。

これらの本発明品１．２．３．４及び比較品１．２．３
を用いて，下記（Ｃ）条件．（ロ）条件による切削試験
を行い，そのときの乎均逃げ面摩耗量及び引傷状況を観
察して、その結果を第２表に示した。

ｔｃ）旋削試験条件 被削材 チップ形状 切削速度 送　　り 切込みｈ１ 切削時間 評価 ｛０｝旋削試験条件 被削材 チップ形状 切削速度 送　　り 切込み凱 切削時間 ＾氾一ｌ８％Ｓｉ合金 ＳＩ’ＧＮ　　１２０３０８ ２２６　　ｍ／ｍｉｎ ０．１　　ｍｍ／ｒｅｖ Ｏ、５　　ｍｒｎ ２０　　ｍｉｎ 平均逃げ面摩耗ＦｉＮＶ１、ｍｍ） 硬質カーボン ＳＮＣＮ　４３ＺＦＮ ３５６　ｍ／ｍｉｎ Ｏ．０６　　ｍｍ／ｒｅｖ ０．５ｍｍ ６０　ｍｉｎ 以下余白 （発明の効果〉 以上の結果から、本発明の密着性にすぐれたダイヤモン
ド被覆焼結体は、窒化ケイ素系セラミックス基材．　Ｗ
．Ｃの被覆屑を右する超硬含金の栽Ｈ又はＷの基材のそ
れぞれの表面にダイヤモンドの被膜を形成してなる従来
のダイヤモンド被覆焼粘体に比較して，被膜と基材との
密ｎＷがすぐれており，切削工兵材料として用いた場合
に，被膜の耐剥離性が苦しくすぐれており、その結果耐
摩耗性及び耐欠損性にすぐれるという効果があり，ノｔ
命において２０％〜８倍程度もすぐれるという効果があ
る。

また、本発明の密行性にすぐれたダイヤモンド被覆焼結
体の製造方法は，基材の表面を炭化タングステンを主成
分とする微細粒の表面層にすることができ、この表面層
と被膜との密着性をより屑すぐれたものにさせつるとい
う効果がある。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）　炭化タングステンを主成分とする硬質相と不可
   避不純物とでなる焼結体の基材の表面にダイヤモンド及
   び／又はダイヤモンド状カーボンの被膜を形成してなる
   ことを特徴とする密着性にすぐれたダイヤモンド被覆焼
   結体。
2. （２）　上記硬質相は、９０ｖｏｌ％以上の炭化タング
   ステンでなることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の密着性にすぐれたダイヤモンド被覆焼結体。
3. （３）　上記基材は、該基材の表面から内部へ向って多
   くとも１０μｍまでの表面層における炭化タングステン
   の粒径が該表面層を除いた内部に存在する炭化タングス
   テンの平均粒径に比べて微細であることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項又は第２項記載の密着性にすぐれた
   ダイヤモンド被覆焼結体。
4. （４）　上記被膜は、８．５〜１０μｍ厚さでなること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項又は第３項
   記載の密着性にすぐれたダイヤモンド被覆焼結体。
5. （５）　炭化タングステンを主成分とする硬質相と不可
   避不純物とでなる焼結体の基材を反応容器内に設置し、
   該反応容器内を脱炭性雰囲気でもって昇温して該基材の
   表面層を脱炭した後、該基材の表面層の表面に気相合成
   法でもってダイヤモンド及び／又はダイヤモンド状カー
   ボンの被膜を形成すると共に、該表面層を炭化タングス
   テンを主成分とする層にすることを特徴とする密着性に
   すぐれたダイヤモンド被覆焼結体の製造方法。
6. （６）　上記脱炭性雰囲気は、水素ガスと酸素ガスとの
   混合ガス、又は水素ガスと酸素ガスと炭素の供給源とな
   りうるガスとの混合ガスからなることを特徴とする特許
   請求の範囲第４項記載の密着性にすぐれたダイヤモンド
   被覆焼結体の製造方法。