JPH0525637A

JPH0525637A - ダイヤモンド類被覆部材の製造方法

Info

Publication number: JPH0525637A
Application number: JP3174184A
Authority: JP
Inventors: Atsuhiko Masuda; 敦彦増田; Hiromi Mizuno; 博美水野
Original assignee: Idemitsu Petrochemical Co Ltd
Current assignee: Idemitsu Petrochemical Co Ltd
Priority date: 1991-07-15
Filing date: 1991-07-15
Publication date: 1993-02-02

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的は、基材とこれを被覆するダイ
ヤモンド類膜との密着性に優れ、優れた耐久性を発揮
し、使用寿命が著しく改善されたダイヤモンド類被覆部
材を、簡略化された工程により容易に製造することので
きるダイヤモンド被覆部材の製造方法を提供することに
ある。【構成】本発明は、炭化タングステンを３０容量％以
上の割合で含有する炭化タングステン−窒化珪素系セラ
ミックス系の素材を、工具類におけるダイヤモンド被覆
部となるべき所定の空所に接合した後に、前記素材を所
定の形状に成形加工してダイヤモンドを被覆するための
基材にし、ついでその基材の表面にダイヤモンド類薄膜
を被覆することを特徴とするダイヤモンド類被覆部材の
製造方法を主たる構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はダイヤモンド類被覆部材
の製造方法に関し、さらに詳しく言うと、基材とこれを
被覆するダイヤモンド類膜との密着性に優れ、優れた耐
久性を発揮し、使用寿命が著しく改善されたダイヤモン
ド類被覆部材を、簡略化された工程により容易に製造す
ることのできる方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、切削工具や研磨工具等の高い表面
硬度と耐摩耗性とを要求される工具類や耐摩耗部材に、
硬度や耐摩耗性などに著しく優れたダイヤモンドが利用
され始めている。ＣＶＤ法やＰＶＤ法等の気相法ダイヤ
モンド合成技術を用いて、ダイヤモンド類膜を工具類や
耐摩耗部材における基材の表面に析出形成させることに
よって、工具類の所定部位にダイヤモンド被膜を形成す
ることによって、工具類や耐摩耗部材に高度の表面硬度
と耐摩耗性とを付与するのである。

【０００３】ダイヤモンド被膜を有する工具類や耐摩耗
部材等のダイヤモンド被覆部材の製造方法には、例えば
以下に示すような二つの方法がある。

【０００４】第一の方法においては、まず、あらかじめ
超硬合金製の素材を研削加工して、ホルダーの取り付け
部に装着される刃部と正確に同じ形状に、前記素材を加
工する。加工により刃部の形状を呈する基材の表面に、
通常に行われているＣＶＤ法等の気相法ダイヤモンド被
覆技術を用いて、基材表面にダイヤモンド薄膜を形成す
る。ダイヤモンド被膜を有する基材をホルダーの取り付
け部に、ボルトなどを使用する機械的方法やろう付け等
の方法により正確に接合させる。その結果、ダイヤモン
ド被膜を有する刃部を備えた工具等のダイヤモンド被覆
部材が得られる。

【０００５】第二の方法は、気相法ダイヤモンド合成技
術を用いて、厚さ０．３〜１ｍｍ程度のダイヤモンドの
厚膜を先ず合成する。このダイヤモンドの厚膜は、工具
の刃部におけるダイヤモンド膜の接合部位と同じ形状に
合成してろう付するか、このダイヤモンドの厚膜を超硬
合金製の工具の刃先に、Ｔｉ−Ａｇ−Ｃｕ系の銀ろうを
用い、不活性ガス中、温度８００〜８５０℃の条件下
で、ろう付けした後、刃先形状に加工する（特開平１−
１５３２２８号公報）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記した第一の方法で
は、ダイヤモンドで被覆した超硬合金の基材をホルダー
にボルト等を用いる機械的方法やろう付け等の方法で接
合する場合に、所定の接合位置に、ダイヤモンド被覆し
た超合金の基材を、正確に接合するという精度の高い高
度な操作が必要であり、この操作は非常に困難で面倒で
あるという問題点がある。

【０００７】次に、第二の方法では、０．０３〜１ｍｍ
程度のダイヤモンド膜を合成し、これを所定の形状に整
形することは、極めて硬度の高いダイヤモンドを加工し
なければならないので、容易なことではない。またこの
方法のように、先にダイヤモンド膜を別に形成してしま
うと、切削くずなどを排出するためのブレーカーを切削
面に設けることが困難であるという問題点もある。

【０００８】また、前記した従来の方法では、基材に用
いられている超硬合金とダイヤモンドとの密着性が低
く、被覆したダイヤモンド膜が剥離しやすいので、この
ダイヤモンド被覆部材を用いた切削工具や研磨工具等の
寿命が十分ではないという問題もある。

【０００９】本発明の目的は前記従来の問題点を解消す
ることにある。すなわち、本発明の目的は、基材とこれ
を被覆するダイヤモンド類膜との密着性に優れ、優れた
耐久性を発揮し、使用寿命が著しく改善されたダイヤモ
ンド類被覆部材を、簡略化された工程により容易に製造
することのできる方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の本発明は、炭化タングステンを３０容量％以上の割合
で含有する炭化タングステン−窒化珪素系セラミックス
を用いて製造された素材を、工具類におけるダイヤモン
ド被覆部となるべき所定の空所に接合した後に、前記素
材を所定の形状に成形加工してダイヤモンドを被覆する
ための基材にし、ついでその基材の表面にダイヤモンド
類薄膜を被覆することを特徴とするダイヤモンド類被覆
部材の製造方法である。

【００１１】以下に、本発明の方法について詳細に説明
する。本発明の方法において使用される前記素材を形成
するセラミックは炭化タングステン−窒化珪素系セラミ
ックスであり、炭化タングステンを３０容量％以上、好
ましくは５０〜９０容量％の割合で含有し、残余が窒化
珪素からなるものである。炭化タングステンの含有割合
が３０容量％未満であると、そのようなセラミック系の
素材を用いて本発明の方法を実施しても、このセラミッ
ク材と工具類の下地とが剥離し易いダイヤモンド類被覆
部材しか得ることができない。

【００１２】ここで、炭化タングステンとしては、従来
の窒化ケイ素−炭化タングステン系の焼結体を製造する
際に炭化タングステン成分として使用される従来からの
公知の各種セラミックスを適宜に使用することができ、
通常は、ＷＣで表される炭化タングステンを用いること
ができる。炭化タングステンを３０容量％以上の割合で
含有するセラミックス系の素材は、前記炭化タングステ
ン−窒化珪素系セラミックスの焼結体として使用するこ
とができる。

【００１３】前記炭化タングステン−窒化珪素系セラミ
ックスの焼結体を形成するとき、燒結助剤や各種の助剤
を使用することができる。この焼結助剤あるいは助剤と
しては、イットリアなど希土類の酸化物、アルミナ、ス
ピネル、マグネシア、シリカ、ジルコニア、チタニア、
酸化クロム等、またこれら例示の金属酸化物における金
属の塩（例えば、硝酸塩、シュウ酸塩、炭酸塩等）を挙
げることができる。なお、これらはその一種単独を使用
することもできるし、またいずれか二種以上を併用する
こともできる。

【００１４】焼結条件については特に制限がなく、従来
から公知の焼結方法に従って、前記炭化タングステン−
窒化珪素系セラミックスの焼結体を製造することができ
る。例えば、通常、微粒子状の炭化タングステンと前記
の燒結助剤あるいは助剤とを十分に混合して、この混合
物を、例えば、窒素ガス雰囲気中もしくは真空中で、
１，７００〜１，８００℃の範囲の温度、１００〜３０
０ｋｇ・ｆ／ｃｍ² の範囲の圧力で、２〜４時間かけて
ホットプレスで燒結して所定の組成の素材を好適に得る
ことができる。

【００１５】本発明の方法に使用する前記炭化タングス
テン−窒化珪素系セラミックスの素材の形状について
は、特に制限がない。本発明の方法では、工具類におけ
るダイヤモンド被覆部となるべき所定の空所に前記素材
を接合し、その後に所定の形状に成形加工をするのであ
るから、成形前の素材の形状は原則としてどのようであ
っても良い。もっとも、接合した素材の成形加工を容易
に行えるように素材の形状を考慮するのが良い。例え
ば、工具におけるダイヤモンド類被覆部材がドリルの刃
部であるならば、素材の形状を円柱状にするのが良い。
また、工具におけるダイヤモンド類被覆部材がバイトで
あるなら、例えば三角板状に素材の形状を設定するのが
望ましい。工具におけるダイヤモンド類被覆部材がボン
ディングツールであるならば、素材は四角板状にするの
が良い。

【００１６】本発明の方法では、前記特定の炭化タング
ステン−窒化珪素系セラミックスの素材を、工具類にお
けるダイヤモンド被覆部となるべき所定の空所に接合す
る。ここで、工具類とは一般に使用されている「工具」
よりも広い意味を有し、高硬度あるいは耐摩耗性の要求
される各種の切削工具、研磨工具、研削工具等、あるい
は高硬度あるいは耐摩耗性の要求される各種の機械部品
等を含む。

【００１７】このような広義の工具類についての具体例
としては、例えば、バイト、フライス、ホブ、ブロー
チ、ダイス、線引きダイス、カッター、エンドミル、タ
ップ、ゲージ、ドリル、掘削機械の刃、ボンディングツ
ールのヘッド等を挙げることができる。ダイヤモンド被
覆部となるべき所定の空所としては、そこに接合した素
材を本発明の方法により処理すると工具として完成させ
ることのできる部位を言い、例えば、ドリルの刃先とな
るべき部位を挙げることができる。

【００１８】接合は、工具類における前記空所に前記素
材を一体に結合することができるのであればその手段や
方法に特に制限がなく、例えばろう付けを挙げることが
できる。ろう付けにおけるろうとしては、銀ろう、銅ろ
う等を挙げることができる。本発明における炭化タング
ステン−窒化珪素系セラミックスにおける炭化タングス
テンの含有量が３０〜７０容量％であると、Ｔｉ−Ａｇ
−Ｃｕ系のろうを使用することができ、炭化タングステ
ンの含有量が７０容量％を越えると一般の銀ろうを使用
することができる。炭化タングステンの含有量が３０容
量％未満であると、ろう材と素材との接合が十分に行な
えない場合がある。なお、工具類の用途等に応じて、ボ
ルト、ピン等を使用する機械的結合手段を、ろう付けの
代わりにあるいはろう付けと共に採用しても良い。

【００１９】本発明の方法では、工具類における前記空
所に一体に接合した前記素材を所定の形状に成形加工す
る。ここで、成形加工とは、切削加工、研磨加工、研削
加工等の機械的加工および表面処理等の化学的な加工の
ほか、レーザー加工や放電加工などの物理的加工を含む
広い概念である。炭化タングステンを３０容量％以上含
む炭化珪素系のセラミックスは、導電性に優れているの
で、容易に放電加工をすることができる。本発明の方法
における成形加工までの工程について図面を用いてさら
に具体的に説明する。図１に示すのは、ドリルを製造す
るための丸棒を示す斜視図である。図１に示すようにこ
の丸棒１の先端部２が、本発明の方法でいう空所に相当
する。この丸棒１の先端部２に、図２に示すように、炭
化タングステンを３０容量％以上の割合で含有する炭化
タングステン−窒化珪素系セラミックスを焼結してなる
ところの、前記丸棒１とほぼ同じ直径および比較的に短
い高さを有する素材３をろう４で接合する。次いで、素
材３をろう４で丸棒１の先端に一体に結合した一体物を
研削加工等により、図３に示すようにドリルの刃先５の
形状に成形加工する。成形加工により、ダイヤモンドを
被覆するための基材が得られる。

【００２０】図４に示すのはボンディングツールであ
る。本発明の方法によると、ボンディングツールの基台
６の上面が空所になる。基台６の上面に、炭化タングス
テンを３０容量％以上の割合で含有する炭化タングステ
ン−窒化珪素系セラミックスを焼結してなるほぼ直方体
の素材７をろう４で接合する。次いで、前記素材に、成
形加工として表面研磨を施し、その結果としてダイヤモ
ンドを被覆するための基材が得られる。

【００２１】成形加工については前図に示す加工に限定
されない。例えば、工具類が切削工具であるとき、切削
くずを排出するためのブレーカーが形成されるように素
材の成形加工を行うことも良い。本発明の方法において
は、前記成形加工により得られる基材の所定の表面にダ
イヤモンド類薄膜を形成させる。なお、本発明における
ダイヤモンド類としては、純粋なダイヤモンド、および
ダイヤモンド状炭素を一部において含有するダイヤモン
ドを挙げることができる。

【００２２】ダイヤモンド類薄膜の形成方法としては、
従来から各種の方法が知られているが、本発明の方法に
おいては、以下に示すように、炭素源ガスを使用する気
相合成法を好適に採用することができる。この炭素源ガ
スとしては、通常用いられている各種の物を使用するこ
とができる。

【００２３】この炭素源ガスとしては、たとえば、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、プロピレン、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；ブタジエン、アレ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炭化水素；シクロブタジエ
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；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、エタノール等のアルコ
ール類；このほかの含酸素炭化水素；トリメチルアミ
ン、トリエチルアミン等のアミン類；このほかの含窒素
炭化水素；炭酸ガス、一酸化炭素、過酸化炭素；さら
に、単体ではないが、ガソリン等の消防法危険物第４
類、第１類、ケロシン、テレピン油、しょうのう油等の
第２石油類、重油等の第３石油類、ギヤー油、シリンダ
ー油等の第４石油類も使用することができる。また前記
各種の化合物を混合して使用することもできる。これら
の中でも、好ましいのはメタン、エタン、プロパン等の
パラフィン系炭化水素、エタノール、メタノール等のア
ルコール類、アセトン、ベンゾフェノン等のケトン類、
トリメチルアミン、トリエチルアミン等のアミン類、炭
酸ガス、一酸化炭素であり、特に一酸化炭素が好まし
い。

【００２４】なお、これらは一種単独で用いても良く、
二種以上を混合ガス等として併用してもよい。また、こ
れらは水素等の活性ガスやヘリウム、アルゴン、ネオ
ン、キセノン、窒素等の不活性ガスと混合して用いても
良い。

【００２５】前記ダイヤモンド類薄膜の形成には、公知
の方法、例えば、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法、ＰＣＶＤ法、あ
るいはこれらを組み合わせた方法等、各種のダイヤモン
ド類薄膜気相合成法を使用することができ、これらの中
でも、通常、ＥＡＣＶＤ法を含めた各種の熱フィラメン
ト法、熱プラズマ法を含めた各種の直流プラズマＣＶＤ
法、熱プラズマ法を含めたマイクロ波プラズマＣＶＤ法
等を好適に使用することができる。

【００２６】ダイヤモンド類薄膜の形成条件としては、
特に制限はなく、前記のそれぞれの気相合成法に通常用
いられる反応条件を適用することができる。たとえば、
反応圧力は、通常、１０^-6〜１０³ Ｔｏｒｒ、好ましく
は、１０^-1〜１０² Ｔｏｒｒの範囲内にするのが適当で
ある。この反応圧力が１０^-6Ｔｏｒｒよりも低いと、ダ
イヤモンド類薄膜の形成速度が遅くなることがある。一
方、１０³ Ｔｏｒｒより高くしてもそれに相当する効果
は小さい。

【００２７】前記燒結体の表面温度は、前記原料ガスの
活性化手段等により異なるので、一概に規定することは
できないが、通常、３００〜１，０００℃、好ましく
は、５００〜８００℃の範囲内にするのが適当である。
この温度が３００℃よりも低いと、結晶性のダイヤモン
ド類薄膜の形成が不十分となることがあり、一方、１，
０００℃を超えると、ろう材が溶融したり、形成された
ダイヤモンド類薄膜のエッチングが生じ易くなる。反応
時間はダイヤモンド類薄膜が所望の厚みとなるようにダ
イヤモンド類薄膜の形成速度に応じて適宜に設定するの
が好ましい。

【００２８】成形加工した基材の表面に形成させるダイ
ヤモンド類薄膜の厚みは、ダイヤモンド類被覆部材の使
用目的等により異なるので一律に定めることはできない
が、通常は２μｍ以上で、好ましくは、１０μｍ以上、
さらに好ましくは、２０〜１００μｍにするのが適当で
ある。この時に、あまりダイヤモンド類薄膜が薄いと、
基材の表面を充分に被覆することができないことがあ
り、一方で、この厚みがあまり厚いと、ダイヤモンド類
薄膜が、内部に蓄積される応力等の歪みにより剥離して
しまう場合がある。以上のようにして、本発明のダイヤ
モンド類被覆部材を製造することができる。

【００２９】

【実施例】

（実施例１）炭化タングステン９０容量％、窒化珪素５
容量％、および焼結助剤としてＹ₂Ｏ₃ とＺｒＯとの混
合物５容量％を混合して、板状に形成することにより成
形体を得た。この成形体を、１，７００℃および１７７
ｋｇ・ｆ／ｃｍ² の条件下に、４時間かけてホットプレ
スを用いて焼結した。

【００３０】次に、得られた焼結体を、ラフネスに、厚
さ１ｍｍ、一辺の長さが３ｍｍ程度の直方体状に切り出
してこれを素材とし、ＳＮＧＮ１２０３０４ＴＮ超硬合
金製の切削チップの角部に、Ａｇろうを用いてろう付け
した。前記ろう付け後、前記素材の端部と前記切削チッ
プの端部とが同一面を形成するように、前記素材を研削
加工し、ダイヤモンド被膜を形成するための基材にし
た。この基材表面に、気相合成法を用いてダイヤモンド
被覆処理をした。

【００３１】ダイヤモンド被覆処理は、原料ガスとして
一酸化炭素６０容量％と水素ガス４０容量％とからなる
混合ガスを用い、４０Ｔｏｒｒおよび基材温度７００℃
の条件下で、２．４５ＧＨｚのマイクロ波ＣＶＤ法によ
って、３０時間かけて行った。このようにして前記基材
表面に形成された、ダイヤモンド類薄膜の厚みは１５μ
ｍであった。

【００３２】次に、前記のようにして得られたダイヤモ
ンド被覆チップで、被切削材としてＳｉを１２容量％含
有するアルミニウム合金を、切削速度６００ｍ／ｍｉ
ｎ．、送り０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、切り込み２ｍｍの条
件下で、５分間かけて切削する切削試験を行った。その
後、ダイヤモンド被覆チップを観察したところ、ダイヤ
モンド切削チップの欠損やダイヤモンド類薄膜の剥離は
認められなかった。

【００３３】（実施例２）炭化タングステン４０容量％
と、窒化けい素５５容量％と、燒結助剤としてＹ₂ Ｏ₃
とＺｒＯとの混合物５容量％とを混合した混合物を使用
した外は前記実施例１と同様に実施した。得られたダイ
ヤモンド被覆チップを用いて前記実施例１と同様の切削
試験を行った。その結果、切削後のダイヤモンド被覆チ
ップには全く異常が認められなかった。

【００３４】（比較例１）炭化タングステン２０容量％
と、窒化けい素７５容量％と、燒結助剤（Ｙ₂ Ｏ₃ とＺ
ｒＯとの混合物）５容量％とを混合した混合物を使用し
た外は、前記実施例１と同様にしてダイヤモンド被覆チ
ップを製造した。このダイヤモンド被覆チップについ
て、前記実施例１と同じ条件にて切削試験を行なったと
ころ、このダイヤモンド被覆チップではダイヤモンド類
薄膜が剥離していることが観察された。

【００３５】

【発明の効果】本発明の方法によると、正確な形状にし
た大きな厚みのダイヤモンド膜を作成する必要もなく、
またそのようなダイヤモンド膜を工具部材の所定部位に
正確に配置するなどの面倒な工程もなく、また、正確な
形状に成形した素材にダイヤモンド類薄膜を被覆し、そ
の後このダイヤモンド類薄膜付き素材を工具部材の所定
部位に正確に配置し、これを結合すると言う面倒で煩雑
な工程もなく、簡略な製造工程により、密着性の大きな
ダイヤモンド薄膜を有するダイヤモンド類被覆部材を製
造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、ダイヤモンド薄膜付きドリルを製造す
る材料である丸棒を示す斜視図である。

【図２】図２は、図１に示す丸棒の先端部位に、炭化タ
ングステンを３０容量％以上の割合で含有する炭化タン
グステン−窒化珪素系セラミックスからなる略円柱状の
素材をろう付けした状態を示す斜視図である。

【図３】図３は、図２に示す一体物を成形加工したドリ
ル状の基材を示す斜視図である。

【図４】図４は、ボンディングツールの基台に、炭化タ
ングステンを３０容量％以上の割合で含有する炭化タン
グステン−窒化珪素系セラミックスからなる略直方体状
の素材をろう付けした状態を示す斜視図である。

【符号の簡単な説明】

１丸棒２先端部３素材４ろう５刃先６基台７素材

Claims

【特許請求の範囲】【請求項１】炭化タングステンを３０容量％以上の割
合で含有する炭化タングステン−窒化珪素系セラミック
スから形成された素材を、工具類におけるダイヤモンド
被覆部となるべき所定の空所に接合した後に、前記素材
を所定の形状に成形加工してダイヤモンドを被覆するた
めの基材にし、ついでその基材の表面にダイヤモンド類
薄膜を被覆することを特徴とするダイヤモンド類被覆部
材の製造方法。