JPH04202075A - ダイヤモンド被覆硬質材料の製造方法 - 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、接着強度に優れたダイヤモンド被覆層を有す
るダイヤモンド被覆硬質材料の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

超硬合金やセラミックス焼結体の基材表面に、ＰＶＤ法
やＯＶＤ法によりＴｉ、　Ｈｆ、　Ｚｒの炭化物、窒化
物又は炭窒化物、若しくはＡ１の酸化物等の硬質被覆層
を単層又は複層に形成した表面被覆硬質材料が、切削工
具や耐摩工具を始め、各種の機械用部品又は装飾品とし
て広く利用されている。

最近では、これら表面被覆硬質材料の被覆層として、硬
度が極めて高く、化学的に安定であり、高い熱伝導率や
音波伝播速度を始めとする数多くの優れた特性を供えた
ダイヤモンドが注目され、多くの分野で実用化されてい
る。例えば、ダイヤモンド被覆したスローアウェイチッ
プ、ドリル、マイクロドリル、エンドミル等のダイヤモ
ンド被覆切削工具は、Ａ１やＣｕ又はこれらの合金等を
高速で切削でき、被削材の仕上げ面が極めて良好である
。又、耐摩工具のひとつであるダイヤモンド被覆したボ
ンディングツールにより、半導体装置のワイヤボンディ
ングが高い寸法精度で長時間実施出来るようになってい
る。

これらダイヤモンド被覆硬質材料のダイヤモンド被覆層
を形成する方法としては、マイクロ波プラズマＯＶＤ法
、ＲＦプラズマＣｖＤ法、ＥＡ−ＯＶＤ法、誘磁場マイ
クロ波プラズマＣｖＤ法、ＲＦ熱ブラズ？ＯＶＤ法、Ｄ
ＣプラズマＣｖＤ法、ＤｏブラスマジェットＯＶＤ法、
熱フィラメントＯＶＤ法、燃焼法など数多くの方法が知
られている。又、ＰｖＤ法によればダイヤモンド状カー
ボンを主に形成することが出来る。

ところが、ダイヤモンド被覆硬質材料の多くは基材とダ
イヤモンド被覆層の密着弾度が不足しているため、層剥
離により寿命に至る場合が多い。

この原因として、次の３つが考えられる：■ダイヤモン
ドと基材の熱膨張係数が大きく異なるため、ダイヤモン
ド被覆層中に残留応力が発生している。

■炭素の拡散が容易なＦｅやＣｏ等の金属元素を含む超
硬合金が基材である場合、これら金属元素上に密着強度
を低下させるグラファイトが優先的に生成する。

■ダイヤモンドが極めて安定なため、基材との接合が密
着強度の低い分子間引力による。

これに対して、ダイヤモンド被覆層の密着強度を改善向
上させるため、以下のような試みが従来から行われてい
る： 前記■の原因に対しては、特開昭６１−２９１４９３号
公報に記載の如く、ダイヤモンドと近似する熱膨・張係
数を持つ窒化ケイ素（ｓ、ｔ　Ｎ　）又は炭化ケイ素（
Ｓ、ｔａ）を主成分とする焼結体を基材として用いる方
法。

前記■の原因に対しては、特開平］、　−２０１４７５
号公報に記載の如く、超硬合金表面を酸溶液でエツチン
グしてＦｅやＣｏ等の金属元素を除去する方法。

前記■の原因に対しては、特開昭６１−１２４５７３号
公報に記載の如く、ダイヤモンド砥粒又は砥石により基
材表面に傷つけ処理を行って０．２〜１０μｍ程度の凹
凸を付け、ダイヤモンドの核発生密度を向上させる方法
。

しかし、上記したいずれの方法によっても、切削工具や
耐摩工具として充分な密着強度を備えたダイヤモンド被
覆硬質材料を得ることが困難であった。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明はかかる従来の事情に鑑み、熱膨張係数がダイヤ
モンドに近いＳｉ　Ｎ　を主成分とする焼結体を基材と
し、その表面に密着強度に優れたダイヤモンド被覆層を
形成することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明にあっては、窒化ケイ
素を主成分とする焼結体からなる基材の表面にダイヤモ
ンド又はダイヤモンド状カーボンの被覆層を形成するダ
イヤモンド被覆硬質材料の製造方法において、前記基材
の表面を５重量％以上のフッ酸又はフッ硝酸の水溶液、
１０重量％以上の前記酸以外の酸又はアルカリの水溶液
、若しくは溶融水酸化ナトリウムに浸漬若しくは接触さ
せた後、該表面に前記被覆層を形成するこ左を特徴とす
る。

〔作用〕

従来から、Ｓｉ　Ｎ　　を主成分とする焼結体（ＳｉＮ
基焼結体）は、一般に酸やアルカリによってエツチング
されないことが特徴とされていた。

然るに本発明者等の研究によれば、Ｓｉ　Ｎ　粉末の焼
結性を改善するためにＡＩ　Ｏ、Ｙ　Ｏ、ＭｇＯ，Ａ７
Ｎ、　ＳｉＯ等の焼結助剤を添加して焼結したＳｉ　Ｍ
基焼結体は、強酸や強アルカリによって僅かながら腐食
され、表面に微小な凹凸が形成されることが判った。こ
れは、表面の粒界及び粒界近傍のガラス質が優先的に腐
食され、ＳｉＨの柱状結晶が残るためと考えられる。し
かも、この腐食は表面の一定深さに止まり深い亀裂や溝
状になることがないので、ＳｉＮ　基焼結体が腐食によ
って基材としての強度を低下させることはなかった。

Ｓｉ　Ｎ　　基焼結体の表面を上記の如く腐食する為に
は、酸の水溶液としては５重量％以上のフツ酸又はフッ
硝酸の水溶液、あるいはフン酸又はフッ硝酸以外の酸、
例えば塩酸、硫酸、硝酸、リン酸等の１０重量％以上の
水溶液を用いる。又、例えば水酸化カリウム、水酸化ナ
トリウム、炭酸ナトリウム等のアルカリの水溶液の場合
も１０重量％以上の水溶液を用いる。これら酸又はアル
カリの水溶液が上記濃度未満の場合には、Ｓｉ　Ｎ　　
基焼結体を長期間浸漬しても表面状態が変化しない。

特に、溶融水酸化す）　ＩＪウムにＳｉ　Ｎ　　基焼結
体を接触させると、ＳｉＮ　　も一部腐食されて表面粗
さＲが１０μｍ又はそれ以上となるので、ダイａｘ ヤモンド被覆層の密着強度向上に大きく、寄与すること
が判った。

又、上記焼結体を、酸の水溶液と、アルカリの水溶液又
は溶融水酸化す）　ＩＪウムとに順番に浸漬又は接触さ
せれば、更に良好な被覆層の密着強度が得られることが
判った。これは、酸により優先的に腐食されるものと、
アルカリにより優先的に腐食されるものとがあるためと
考えられる。

上記の如く本発明方法により表面を腐食した５１Ｎ４基
焼結体を基材とすれば、表面に５１３Ｎ、の柱状晶が存
在し且つ微細な凹凸が形成されているので、基材へのダ
イヤモンド被覆層の密着強度が従来に比べて飛躍的に向
上する。しかも、上記腐食によりガラス質が除かれ表面
でのＳｉ　Ｎ　　の面積率が増加するので、基材表面の
熱膨張係数が一層ダイヤモンドに近付くことになり、熱
残留応力の発生が小さくなるから、この点からもダイヤ
モンド被覆層の密着強度が向上する。

尚、ダイヤモンド被覆層に関しては、層厚が０．１μｍ
未満では被覆層による耐摩耗性などの諸性質の向上が認
められず、又層厚２００μｍを超える被覆層を形成して
も大きな性能の向上がもはや認められないので、０．１
〜２００μｍの層厚が好ましい。

〔実施例〕

組成がＳｉ　Ｎ　−４ｗｔ％ＡＩ　Ｏ−４ｗｔ％ＺｒＯ
−３ｗｔ％Ｙ　ＯのＳｉ　Ｎ　　基焼結体を１．Ｔ工Ｓ
で定められた５ＰＧＮ　１２０３０８の形状で、刃先処
理として一般に行われているネガランド（以下Ｎ、Ｌと
呼ぶ）を施したスローアウェイチップに加工した。尚、
刃先処理の処理角度は２５°、処理量はＱ、ｌａｗとし
た。

得られた複数のチップを、下表に示す前処理液に浸漬又
は接触させた。前処理条件は、酸又はアルカリの水溶液
には５０Ｃで１０分間浸漬し、溶融ＮａＯＨの場合は固
体ＮａＯＨを６００Ｃで加熱溶融したものに２分間接触
させた。前処理後、被覆層形成初期におけるダイヤモン
ド核の発生密度を向上させるため、３μｍ以下のダイヤ
モンドペーストでチップ全面を１０分間傷付は処理した
。

次に、各チップを２．４５ＧＨｚのμ被プラズマＣＶＤ
装置にセットし、１０００　Ｃ＆、；加熱し、全圧１０
０ｔｏｒｒとしたＨ−１，５％ＯＨの混合プラズマ中に
４〜１００時間保持して、チップの上面全体、逃げ面の
切れ刃近傍及びＮＬ面にダイヤモンド被覆層を形成する
ことにより、本発明チップの試料１〜１２を作製した。

比較のため、上記と同一組成のＳｉ　Ｎ　基焼結体から
なる同一形状のスローアウェイチップで、上下面及び逃
げ面ともに研削した比較チップの試料１、並びにこれに
更にダイヤモンドペーストでチップ全面を３０分間傷付
は処理した後、上記と同様にダイヤモンド被覆層を形成
した比較チップの試料２を準備した。

尚、形成したダイヤモンド被覆層については、ラマン分
光分析法によってダイヤモンドの特徴である１３３３ｃ
ｍ　　のピークを確認した。

得られた各チップについて、 被削材　：　Ａｌ−１４ｗｔ％Ｓ１合金の溝入り材切削
速度：　５００ｍ／ｍｉｎ 送　　　　リ　　　　　＝　　０．２　ｒｎｒＶ′ｒｅ
ｖ切り込み：１．Ｑｍｍ 切削時間：３０分 の条件での乾式断続切削試験と、並びに被削材　：　Ａ
１．−１７ｗｔ％８１合金の丸棒材切削速度：　２００
　ｍ／ｍｉｎ 送　　　　リ　　　　　：０．４ｍ与／ｒｅＶ切り込み
＝１．０問 切削時間＝５分 の条件での乾式連続切削試験を行い、切れ刃１０個の平
均逃げ面摩耗量、及びダイヤモンド被ＭＮの剥離発生切
れ刃数を測定した。

結果を下表に併せて示した。

上記の結果から、本発明チップはいずれも従来例である
比較チップより優れた耐摩耗性と耐剥離性を備えること
、特にフッ酸やフツ硝酸並びに溶融ＮａＯＨで処理した
本発明チップは他よりも優れていることが判る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、熱膨張係数がダイヤモンドに近いＳｉ
　Ｎ　基焼結体を基材とし、簡単な前処理によって基材
表面に密着強度に優れたダイヤモンド被覆層を形成する
ことが出来る。

従って、本発明によるダイヤモンド被覆硬質材料は、切
削工具としてＡｌ−Ｓｉ系合金の重切削においても良好
な耐摩耗性を示しミ長期間の使用が可能となるほか、耐
摩工具としてもダイヤモンド被覆層が剥離しにくく長期
間安定して使用出来る。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）窒化ケイ素を主成分とする焼結体からなる基材の
   表面にダイヤモンド又はダイヤモンド状カーボンの被覆
   層を形成するダイヤモンド被覆硬質材料の製造方法にお
   いて、前記基材の表面を５重量％以上のフツ酸又はフツ
   硝酸の水溶液、１０重量％以上の前記酸以外の酸又はア
   ルカリの水溶液、若しくは溶融水酸化ナトリウムに浸漬
   若しくは接触させた後、該表面に前記被覆層を形成する
   ことを特徴とする前記ダイヤモンド被覆硬質材料の製造
   方法。
2. （２）前記基材の表面を、前記いずれかの酸の水溶液と
   、アルカリの水溶液又は溶融水酸化ナトリウムとに、順
   番に浸漬又は接触させることを特徴とする、請求項（１
   ）記載のダイヤモンド被覆硬質材料の製造方法。