JPH0733301B2

JPH0733301B2 - ダイヤモンド類被覆部材およびその製造方法

Info

Publication number: JPH0733301B2
Application number: JP40693190A
Authority: JP
Inventors: 聡飯尾; 正一渡辺; 利通伊藤; 雅也坪川
Original assignee: Idemitsu Petrochemical Co Ltd; NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Idemitsu Petrochemical Co Ltd; Niterra Co Ltd
Priority date: 1989-12-28
Filing date: 1990-12-26
Publication date: 1995-04-12
Anticipated expiration: 2010-04-12
Also published as: JPH03290383A

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
およびその製造方法に関し、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、
実用に際し、高い性能および優れた耐久性を発揮するダ
イヤモンド類被覆部材およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】従
来、切削工具、ダイスなどの、高い硬度や耐摩耗性が要
求される工具類には超硬合金、燒結ダイヤモンド、単結
晶ダイヤモンドなどが用いられている。

【０００３】これらの中で、ダイヤモンド工具は、硬
度、耐摩耗性などに著しく優れていることなどから特に
好まれている。

【０００４】従来から、このダイヤモンド工具には、超
硬合金や高硬度の金属等からなる基材の表面に燒結ダイ
ヤモンドや単結晶ダイヤモンドをろう付け等により装着
したものが用いられてきた。

【０００５】一方、近年に至って、ＣＶＤ法やＰＶＤ法
などの気相法ダイヤモンド合成技術を用いて、超硬合金
や高硬度の金属等からなる基材の表面にダイヤモンド類
膜を析出被覆させる製造方法が検討されており、これに
よって得られるダイヤモンド類被覆部材を前記の用途に
適用しようとする試みがなされている。

【０００６】ところで、ダイヤモンドは最も硬い物質で
あるので、超硬合金等の基材の表面に形成されるダイヤ
モンド類膜は、その基材に高い硬度や耐摩耗性を付与す
るためのコーティング材、あるいは保護膜などとして有
効に利用できるものと考えられる。

【０００７】たとえば、切削工具、ダイス等の超硬工具
に使用される超硬合金製の基材の表面にダイヤモンド類
膜を被覆させると、さらに優れた超硬工具が得られるは
ずである。

【０００８】しかしながら、超硬合金の表面とダイヤモ
ンド類膜とは、一般に密着性が悪く、実用に耐える工具
を得ることに成功していない。

【０００９】そこで、超硬合金の表面とダイヤモンド類
膜との密着性を向上させるために、これらの間に中間層
を形成する技術が提案されている。

【００１０】たとえば、特開昭５８−１２６９７２号公
報には、超硬合金の表面に先ずＩＶａ，Ｖａ，ＶＩａ族
金属の炭化物、窒化物、ホウ化物および酸化物から選ば
れた一種以上よりなる中間層を形成し、その後に該中間
層の上にダイヤモンド類膜を被覆してなるダイヤモンド
類膜付き超硬合金が記載されている。

【００１１】しかし、このような公報に記載されている
方法では、中間層の形成とダイヤモンド類膜の被覆とい
う段階的な膜被覆方法を採用しているので、製造工程が
煩雑となり、しかも密着性の向上を図ると言いながら、
超硬合金とダイヤモンド類膜との密着性が実用的なレベ
ルにまで充分に改善されているとは言い難い。

【００１２】一方、中間層を形成することなく超硬合金
等からなる基材とダイヤモンド類膜との密着性の向上を
図る技術も提案されている。

【００１３】たとえば、特開昭６３−１００１８２号公
報には、特定量のＣｏを含有し、特定粒径の炭化タング
ステンからなる炭化タングステン系超硬合金にダイヤモ
ンド類膜を被覆してなるダイヤモンド類膜付き超硬合金
が記載されている。

【００１４】しかし、この公報においても、超硬合金と
ダイヤモンド類膜との密着性が充分に実用的なレベルに
あるとは言い難い。

【００１５】特に、このＣｏの添加量が多くなると熱膨
張係数が増大するほか、Ｃｏへの炭素の拡散が生じて良
好なダイヤモンド類膜の被覆が困難になり、密着性も低
下し、十分な耐久性が得られない。

【００１６】一般に、基材の熱膨張係数がダイヤモンド
類膜のそれとあまり異なると、ダイヤモンド類膜で被覆
後の冷却時に大きな熱応力が発生し、これが密着性の低
下の原因になり、超硬工具として使用した際にダイヤモ
ンド類膜の剥離等の損傷が生じやすくなると考えられて
いる。

【００１７】そこで、最近、このような点を考慮して密
着性を改善すべく、新しいタイプの基材［熱膨張係数が
ダイヤモンドのそれに近く、かつダイヤモンド類膜を直
接被覆しやすい硬質材料特にセラミックス（燒結体）か
らなる基材］の開発・選定が盛んに行われるようになっ
た。

【００１８】たとえば、密着性に優れたダイヤモンド類
膜を有するダイヤモンド類被覆部材を得る試みとして、
基材としてＳｉ_３Ｎ_４やこれを主要成分とする窒化ケイ
素系のセラミックス（燒結体）を用いたり、熱膨張係数
を制御した超硬物質［これらのうちの多くはＳｉ_３Ｎ_４
燒結体や窒化ケイ素系のセラミックスである。なお、窒
化ケイ素は、燒結条件や、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＺｒＮ、Ｓ
ｉＣ、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３などの添加によ
り熱膨張係数等の諸物性が変化することが知られてい
る。］を用いることが提案されている（特公昭６０−５
９０８６号公報、特開昭６０−１２２７８５号公報、同
６１−１０９６２８号公報、同６１−２５２００４号公
報、同６１−２９１４９３号公報、同６２−１０７０６
７号公報、同６３−２０４７８号公報、同６３−２０４
７９号公報、同６３−３３５７０号公報、同６３−３０
６８０５号公報など）。

【００１９】しかしながら、これら従来の基材を用いる
ダイヤモンド類被覆部材はいずれも、密着性がなお不十
分であり、超硬工具としての十分な性能、特に耐久性が
得られないという問題点を依然として有している。この
問題点の一具体例として、たとえば、切削工具として用
いた際に切削寿命が短いということを挙げることができ
る。

【００２０】本発明は、前記事情を改善するためになさ
れたものである。

【００２１】本発明の目的は、硬質材料からなる基材と
ダイヤモンド類膜との密着性を改善することによって、
高性能で耐久性に優れた切削工具等の超硬工具、耐摩耗
性部材等として使用することのできる寿命の長いダイヤ
モンド類被覆部材を提供することにある。

【００２２】

【前記課題を解決するための手段】本発明者らは、前記
課題を解決するために、まず、ダイヤモンド類膜と十分
な密着性を示す硬質基材の選定指針について鋭意研究を
重ねた。

【００２３】その結果、窒化ケイ素系の燒結体は、従来のものは密着性が不十
分であるものの、一般に、気相合成法によりその表面に
直接ダイヤモンド類膜を被覆しやすい硬質材料であると
いう点において基材としての条件を備えていること、窒化ケイ素系の基材に限らないが、熱膨張係数がダイ
ヤモンドと同じ値を示す基材であっても、その材料の組
成等によってダイヤモンド類膜との密着性が異なること
があるので、基材の表面にダイヤモンド類膜を被覆して
なる部材を切削工具として用いる場合、その基材の材料
によって切削寿命に大きな差を生じることがある。した
がって、ダイヤモンド類膜と基材との密着性を向上させ
るには、熱膨張係数という単に一元的な因子の制御では
困難であり、基材として用いる燒結体の組成や構造（燒
結体中の成分、相の種類や組織の構成等）についてより
綿密な制御を行う必要があること、また、従来の種々の窒化ケイ素系の基材について検討
してみると、それらは添加物の種類や割合、さらには燒
結条件やその前後の処理によって燒結体の組成や構造を
変化させることができ、熱膨張係数だけでなく諸々の物
性や特性の制御が可能であること、などの基本的な知見
を得るに至った。

【００２４】本発明者らは、主としてこれらの知見に基
づいて、ダイヤモンド類膜の密着性に優れた基材を設計
すべく、従来の基材として提案されている窒化ケイ素系
のセラミックス（燒結体）がダイヤモンド類膜との密着
性に劣る原因について、主として、燒結体の組成や構造
の面から種々検討した結果、次のような重要な事実を見
出した。

【００２５】すなわち、従来より、主としてケイ素の窒
化物からなるセラミックスは、難燒結性物質であるの
で、通常、これらのセラミックスは、ガラス相を生成す
る燒結助剤を添加して燒結されている。

【００２６】ところが、これら燒結助剤を構成する成分
は燒結後も粒界ガラス相として燒結体中に残留し、燒結
体の耐熱性を劣化させている。

【００２７】そのため、従来のように、これらの燒結体
をダイヤモンド類被覆部材の基材として用いると、ダイ
ヤモンド類膜を被覆するときの高温により、ダイヤモン
ド類膜の被覆前あるいはその被覆と同時に粒界成分の揮
発や変質が発生するので、基材とダイヤモンド類膜との
密着性が悪くなっている、という事実を見出した。

【００２８】そこで、本発明者らは、上記のような粒界
ガラス相を有する窒化ケイ素質の燒結体に結晶化処理を
施して結晶性粒界相を有する燒結体としてから、ダイヤ
モンド類膜を被覆したところ、密着性に優れたダイヤモ
ンド類被覆部材が得られ、かかるダイヤモンド類被覆部
材が、切削寿命の長い切削工具等の、高性能でかつ耐久
性に優れた超硬工具や耐摩耗性部材等として有利に利用
することができることなどを見出して本発明を完成する
に至った。

【００２９】すなわち、本発明は、結晶性粒界相を有す
る窒化ケイ素系セラミックス基材の表面に、気相合成法
で被覆したダイヤモンド類膜を有することを特徴とする
ダイヤモンド類被覆部材である。

【００３０】また、本発明は、粒界ガラス相を有する窒
化ケイ素系セラミックス基材を結晶化処理してから、生
成する結晶性粒界相を有する窒化ケイ素系セラミックス
基材の表面に、気相合成法によりダイヤモンド類膜を被
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。

【００３１】以下、本発明について詳細に説明する。

【００３２】本発明において窒化ケイ素系セラミックス
とは、Ｘ線回析によって同定される窒化ケイ素（Ｓｉ_３
Ｎ_４）の結晶粒子を主成分として含有する燒結体、ある
いはＳｉ_３Ｎ_４結晶にアルミニウム（Ａｌ）や酸素
（Ｏ）が固溶することによって、Ｘ線回析によってβ−
サイアロン［Ｓｉ_6-ZＡｌ_ｚＮ_8-zＯ_ｚ（ただし、Ｚは０
〜４．２）］として同定される結晶粒子を主成分として
含有する燒結体をいう。

【００３３】そして、本発明においては、この窒化ケイ
素系セラミックスのうち、結晶性粒界相を有するもの
（以下、これを結晶性粒界相含有燒結体あるいは単に燒
結体［Ｉ］と称することがある。）を基材にする。

【００３４】本発明において、前記基材として使用する
前記窒化ケイ素系セラミック（焼結体［Ｉ］）として
は、主としてケイ素の窒化物からなり、かつ結晶性粒界
相を含有するものであれば、各種の組成のものを使用す
ることができる。また、前記燒結体［Ｉ］の製造方法と
しては、特に制限はなく、各種の方法で製造することが
できるが、通常、主としてケイ素の窒化物からなり、か
つ、粒界ガラス相を有する燒結体（以下、この燒結体を
粒界ガラス相含有燒結体あるいは燒結体［II］と称する
ことがある。）に結晶化処理を施すことにより好適に製
造することができる。

【００３５】この燒結体［II］としては、主としてケイ
素の窒化物からなり、かつ粒界ガラス相を含有する燒結
体であれば、公知のものなど各種の組成のものを使用す
ることができるが、前記結晶化処理を効果的に行うため
に、粒界ガラス相の結晶化を促進する成分（たとえば、
結晶核剤）を含有していることが好ましい。

【００３６】すなわち、前記燒結体［II］は、その製造
方法としては特に制限はなく、公知の方法などの各種の
方法によって製造することができるが、その燒結体の出
発原料成分として結晶核剤等の結晶化促進成分あるいは
それらの前駆体を添加して燒結することが望ましい。

【００３７】この結晶化促進成分としては、公知の結晶
核剤等の各種のものを使用することができ、通常、たと
えばＴｉＮなどのＴｉ化合物あるいはＺｒ化合物を好適
に使用することができ、中でもＴｉ化合物が好ましく、
特にＴｉＮが好ましい。

【００３８】この結晶化促進成分は、粒界ガラス相を有
効に結晶性粒界相に転化することができる程度に添加さ
れていれば十分である。結晶化促進成分として結晶核剤
等として作用すＴｉＮ等のＴｉ化合物を使用する場合に
は、該Ｔｉ化合物をＴｉＮ換算で、通常、１〜３０重量
％、好ましくは２〜２０重量％含有させるのが良い。

【００３９】前記燒結体［II］における結晶化促進成分
の割合があまり少なすぎると、結晶化のための熱処理に
長時間を必要としたり、粒界ガラス相の結晶化が十分に
行なわれないことがあり、一方、あまり多すぎると得ら
れる基材の熱膨張係数が大きくなり、かえってダイヤモ
ンド類膜の基材に対する密着性が低下することがある。

【００４０】前記燒結体［II］もしくは燒結体［Ｉ］の
出発原料として用いるケイ素成分としては、前記ケイ素
の窒化物を与える各種のものを使用することができ、通
常は、Ｓｉ_３Ｎ_４が好適である。

【００４１】前記燒結体［II］および燒結体［Ｉ］にお
けるケイ素の窒化物たとえばＳｉ_３Ｎ_４の割合として
は、通常、５０重量％以上であり、好ましくは６０〜９
０重量％程度である。このケイ素の窒化物の含有割合が
あまり少なすぎると、その特性が十分に発揮されず、基
材の熱膨張係数をダイヤモンド類膜のそれと近い値に制
御することが困難になったり、気相合成法によるダイヤ
モンド類膜の被覆が円滑に行われにくくなることがあ
り、本発明の目的を達成することができないことがあ
る。

【００４２】前記燒結体［Ｉ］もしくは燒結体［II］に
は、前記Ｓｉ_３Ｎ_４等のケイ素の窒化物、および、前記
Ｔｉ化合物等の結晶化促進成分（あるいは結晶化促進成
分として用いられた成分）のほかに、必要に応じて、本
発明の目的に支障のない範囲内で、他の各種の添加成分
を含有させることができる。

【００４３】他の各種の添加成分としては、従来の窒化
ケイ素系燒結体として提案されている公知の窒化ケイ素
系の燒結体などの添加成分として利用されるものを含め
各種のものを挙げることができる。具体例としては、た
とえば、Ｙ、Ａｌ、Ｚｒ、およびＭｇなどの酸化物（た
とえばＺｒＯ_２、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３およびＹ_２Ｏ_３な
ど）、あるいは、窒化物、炭化物、ホウ素化物、および
ケイ酸など、あるいはこれらの複合化合物や組成物な
ど、上記以外のケイ素の化合物や組成物（たとえば、炭
化物、酸化物など、あるいはケイ素の複合化合物や組成
物）、上記以外のＴｉの化合物や組成物、あるいはこれ
らの複合化合物や組成物などを挙げることができる。

【００４４】これらの各種の出発原料成分としては、特
に制限はなく、通常は、従来の窒化ケイ素系のセラミッ
クスを燒結して燒結体を製造するのに常用されるものを
適宜に使用することができる。

【００４５】これらの中でも、特にＺｒＯ_２、ＭｇＯ、
Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３などを好適に使用することができ
る。

【００４６】本発明において、前記燒結体［II］は、そ
の製造方法としては特に制限はなく、従来のダイヤモン
ド類被覆部材の基材として提案されている公知の窒化ケ
イ素質燒結体等の燒結体の製造方法など各種の方法によ
って製造することができる。

【００４７】この製造方法としては、通常は、出発原料
として、結晶化促進成分として作用する適当なＴｉ化合
物好ましくはＴｉＮおよび適当なケイ素の窒化物好まし
くはＳｉ_３Ｎ_４あるいはこれらと、前記所望に応じて使
用する他の各種の成分の出発原料として適当なそれぞれ
の化合物（好ましくは、ＺｒＯ_２、ＭｇＯ、Ｙ_２Ｏ_３お
よびＡｌ_２Ｏ_３）とを用い、これらの所定の割合の混合
物を、たとえば圧縮成形等の適当な成形法により所望の
形状となるように成形し、これを適当な燒結条件下で燒
結し、前記所定の組成の窒化ケイ素質燒結体（燒結体
［II］）となす方法を好適に採用することができる。

【００４８】この燒結の出発原料として使用する前記各
成分はいずれにおいても、粉末状、微粉末状、超微粒子
状、ウィスカー状、あるいは他の各種の形状のものとし
て使用することが可能であり、平均粒径が、通常、０．
０５〜４．０μｍ、好ましくは、０．０５〜２．０μｍ
程度の微粒子もしくは超微粒子状のものやアスペクト比
が２０〜２００程度のウィスカー状のものなどを好適に
使用することができる。

【００４９】燒結温度としては、通常、１，５００〜
２，０００℃、好ましくは、１，６００〜１，８００℃
程度の範囲内にするのが適当である。

【００５０】燒結時間としては、通常、０．２時間以
上、好ましくは、０．３〜１０時間程度の範囲内にする
のが適当である。

【００５１】なお、この燒結は、通常、窒素ガスおよび
／または不活性雰囲気下で行うことが望ましい。また、
燒結は、常圧燒結、加圧燒結、ガス圧燒結法で行なわれ
る。

【００５２】本発明において、前記基材として使用する
前記燒結体［Ｉ］は、上記のようにして製造された燒結
体［II］を適当な条件で該燒結体［II］中の粒界ガラス
相の少なくとも一部を、好ましくは実質的に全部を結晶
化処理し、結晶性粒界相に転化することにより好適に製
造することができる。

【００５３】この結晶化処理は、各種の方法によって行
うことができるが、通常は、前記燒結体［II］を適当な
温度で加熱することにより好適に行うことができる。

【００５４】この加熱による結晶化処理は、その条件と
しては用いる燒結体［II］の組成等の他の条件により異
なるので一様に規定することができないが、一般的に
は、燒結体［II］を、通常１，４００〜１，７００℃、
好ましくは１，５００〜１，６００℃の温度範囲内で、
通常、０．５時間以上、好ましくは１〜１０時間程度、
加熱処理することにより有効に行うことができる。

【００５５】なお結晶性粒界相を有する燒結体［Ｉ］を
得る外の方法としては、燒結処理後の冷却条件、たとえ
ば除冷条件を選択することによる方法がある。

【００５６】以上のようにして前記基材に用いる所定の
燒結体［Ｉ］を得ることができる。

【００５７】この燒結体［Ｉ］は、前記燒結に際して予
め所望の形状にしておいてから得ることができるし、あ
るいは、前記燒結後、あるいは前記結晶化処理後、必要
に応じて所望の形状に加工して、本発明のダイヤモンド
類被覆部材の基材として用いることができる。

【００５８】本発明において、前記基材として使用する
前記窒化ケイ素系セラミックス（燒結体［Ｉ］）のうち
特に好適に使用することができる燒結体として、たとえ
ば、出発原料としてＳｉ_３Ｎ_４と、ＴｉＮと、Ｚｒ
Ｏ_２、ＭｇＯ、Ｙ_２Ｏ_３およびＡｌ_２Ｏ_３から選択され
る少なくとも一種、好ましくは二種以上の酸化物との所
定の割合の混合物を用い、これをプレス成形等により適
宜に成形したのち、前記した適当な条件で燒結して、粒
界ガラス相を含有し、かつＸ線回折によりＳｉ_３Ｎ_４及
び／又はβ−サイアロンとＴｉＮとのピークが観察され
る窒化ケイ素質燒結体（燒結体［II］）となし、これを
前記結晶化処理によりＸ線回折によりＳｉ_３Ｎ_４及び／
又はβ−サイアロンおよびＴｉＮとのピークが観察され
るとともに、結晶化粒界相としてメリライト相（Ｙ_２Ｓ
ｉ_３Ｎ_４Ｏ_３）が観察される燒結体［Ｉ］などを挙げる
ことができる。前記混合物における各成分の所定の割合
としては、Ｓｉ_３Ｎ_４につき60〜90重量％、Ｔｉ系化合
物につきＴｉＮ換算で１〜３０重量％、ＺｒＯ_２、Ｍｇ
Ｏ、Ｙ_２Ｏ_３およびＡｌ_２Ｏ_３よりなる群から選択され
る少なくとも一種の酸化物につき１０〜４０重量％を挙
げることができる。

【００５９】本発明のダイヤモンド類被覆部材は、前記
燒結体［Ｉ］（結晶性粒界相を有する窒化ケイ素系セラ
ミックス）の所望の表面に気相合成法によりダイヤモン
ド類膜を被覆してなるものである。

【００６０】しかもこのダイヤモンド類膜は効率的に容
易にかつ均一な厚みに形成することができる。ちなみ
に、従来のＷＣ系超合金製基材に気相合成法を適用して
も、プラズマが均一に集中せず、ダイヤモンド類膜の厚
みが不均一になりやすいなどの問題がある。

【００６１】本発明のダイヤモンド類被覆部材におい
て、前記ダイヤモンド類膜の厚みは、ダイヤモンド類膜
と基材（燒結体［Ｉ］）とのはっきりとした境界面を決
めることが困難である等の理由によって、厳密に規定す
ることができないのであるが、通常、切削工具の場合
０．５〜１００μｍ程度、好ましくは、２〜５０μｍ程
度にするのが適当である。

【００６２】このダイヤモンド類膜があまり薄いと、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、ダイヤモンド類膜の厚みがあまり大きいと、基材
からダイヤモンド膜類が剥離することがある。

【００６３】なお、本発明においては、単にダイヤモン
ド類と言うとき、それはダイヤモンドの他に、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および
ダイヤモンド状炭素を含むものである。前記ダイヤモン
ド類膜の被覆方法としては、気相合成法を用いる限り、
公知の方法など各種の方法が適用可能であるが、通常
は、以下に示す方法が好適に使用することができる。

【００６４】すなわち、次に示す方法によって、前記基
材上に所望のダイヤモンド類膜を好適に形成することが
できる。

【００６５】ダイヤモンド類膜は公知のダイヤモンド合
成法により形成することができ、中でも、炭素源ガスを
励起して得られるプラズマガスを基材に接触させる気相
法ダイヤモンド合成法が好ましい。

【００６６】具体的に説明すると、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前記基材に、反応
室内で接触させることにより、基材上にダイヤモンド類
膜を形成する方法が好ましい。

【００６７】前記原料ガスは、少なくとも炭素源ガスを
含有するものであればよいが、炭素原子と水素原子とを
含むガスが好ましい。

【００６８】具体的には、前記原料ガスとして、たとえ
ば炭素源ガスと水素ガスとの混合ガスを挙げることがで
きる。

【００６９】また、所望により、前記原料ガスととも
に、不活性ガス等のキャリヤーガスを用いることもでき
る。

【００７０】前記炭素源ガスとしては、各種炭化水素、
含ハロゲン化合物、含酸素化合物、含窒素化合物等のガ
ス、あるいはグラファイトなどの炭素をガス化したもの
を使用することができる。

【００７１】炭化水素化合物としては、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、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な
どを挙げることができる。

【００７２】含ハロゲン化合物としては、たとえば、ハ
ロゲン化メタン、ハロゲン化エタン、ハロゲン化ベンゼ
ン等の含ハロゲン化炭化水素、四塩化炭素等を挙げるこ
とができる。

【００７３】含酸素化合物としては、例えばメタノー
ル、エタノール、プロパノール、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、エチルメチ
ルエーテル、メチルプロピルエーテル、エチルプロピル
エーテル、フェノールエーテル、アセタール、環式エー
テル（ジオキサン、エチレンオキシド等）のエーテル
類；アセトン、ジエチルケトン、ピナコリン、芳香族ケ
トン（アセトフェノン、ベンゾフェノン等）、ジケト
ン、環式ケトン等のケトン類；ホルムアルデヒド、アセ
トアルデヒド、ブチルアルデヒド、ベンズアルデヒド等
のアルデヒド類；ギ酸、酢酸、プロピオン酸、コハク
酸、酪酸、シュウ酸、酒石酸、ステアリン酸等の有機酸
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；一酸化炭素、二酸化炭素等を挙げることができ
る。

【００７４】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。

【００７５】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、一酸化炭素、二酸化炭素ガス等の含酸素化合物が好
ましく、一酸化炭素は特に好ましい。

【００７６】前記炭素源ガスの全ガス中における濃度
は、通常０．１〜８０容量％である。

【００７７】前記水素ガスを構成する水素は、励起され
ると原子状水素を形成する。

【００７８】この原子状水素は、詳細なメカニズムは不
明であるが、ダイヤモンド形成反応を活性化する触媒的
作用をするものと考えられる。さらにはダイヤモンドの
析出と同時に析出するグラファイトやアルモルファスカ
ーボン等の非ダイヤモンド類成分を除去する作用を有す
る。

【００７９】前記原料ガスを励起する手段としては、た
とえばマイクロ波プラズマＣＶＤ法、ＲＦプラズマＣＶ
Ｄ法、ＤＣプラズマＣＶＤ法、有磁場プラズマＣＶＤ法
（ＥＣＲ条件を含む）、熱フィラメント法、熱プラズマ
ＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、レーザー誘起ＣＶＤ法、燃焼炎
法、スパッタリング法、イオンビーム法、クラスターイ
オンビーム法、イオンプレーティング法などを挙げるこ
とができる。

【００８０】これらの中でも、好ましいのは各種ＣＶＤ
法であり、より好ましいはプラズマＣＶＤ法である。

【００８１】上述した各原料ガスと各励起手段との組み
合わせにおいて、本発明の目的に特に好ましいのは、一
酸化炭素ガスと水素ガスとの混合ガスおよびマイクロ波
プラズマＣＶＤ法（有磁場ＣＶＤ法を含む）である。

【００８２】前記気相法において、ダイヤモンド類膜を
被覆する際の前記基材の温度は、前記原料ガスの励起方
法により異なるので、一概に決定することはできない
が、通常、３００〜１，２００℃、好ましくは５００〜
１，１００℃である。

【００８３】前記の温度が３００℃より低いと、ダイヤ
モンドの析出速度が遅くなったり、析出物の結晶性が失
われることがある。

【００８４】一方、１，２００℃より高くしても、それ
に見合った効果は奏されず、エネルギー効率の点で不利
になるとともに、被覆されたダイヤモンドがエッチング
されてしまうことがある。

【００８５】また、ダイヤモンド類膜を被覆する際の反
応圧力は、通常、１０^-6〜１０^３Ｔｏｒｒ、好ましくは
１０^-5〜８００Ｔｏｒｒである。反応圧力が１０^-6Ｔｏ
ｒｒよりも低い場合には、ダイヤモンドの析出速度が遅
くなったり、それが析出しなくなったりする。一方、１
０^３Ｔｏｒｒより高い場合にはグラファイトの発生量が
多くなる。

【００８６】反応時間は、前記基材の表面温度、反応圧
力、必要とする膜厚などにより相違するので一概に決定
することはできず、適宜に決定すればよい。

【００８７】このようにして形成される前記ダイヤモン
ド類膜の厚みについては、ダイヤモンド類膜を被覆して
なる被覆部材の用途により種々変化するので特に制約は
ないが、通常は０．３μｍ以上、好ましくは０．５〜５
００μｍより好ましくは１〜１００μｍである。

【００８８】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。

【００８９】本発明のダイヤモンド類被覆部材は、公知
の、窒化ケイ素質燒結体等のセラミックス系基材や超硬
合金基材上にダイヤモンド類膜を形成して得られる従来
のダイヤモンド類被覆部材と比べて、特にダイヤモンド
類膜と基材である燒結体（燒結体［Ｉ］）との密着性が
著しく優れており、たとえば、切削工具など硬度や耐摩
耗性を要求される各種工具類等の部材として実用に供し
た際に、高い性能と優れた耐久性を発揮することがで
き、特に、厳しい条件で使用される切削工具として用い
た際にも、その切削寿命を大幅に延長させることができ
る。

【００９０】したがって、本発明のダイヤモンド類被覆
部材は、たとえばバイト、エンドミル、ドリル、カッタ
ーなどの切削工具、ダイス、線引きダイス、ゲージ、ボ
ンディングツールのヘッド等の超硬工具や耐摩耗性工
具、耐摩耗性部材等として、あるいは電子材料等のダイ
ヤモンド類膜の特性もしくは機能を活用する各種の機能
性材料などとして好適に利用することができる。

【００９１】

【実施例】次に本発明の実施例を示す。

【００９２】（実施例１）Ｓｉ_３Ｎ_４粉末を71重量％、
Ｙ_２Ｏ_３粉末を11重量％、Ａｌ_２Ｏ_３粉末を３重量％お
よびＴｉＮ粉末を１５重量％の割合で湿式混合し、乾
燥、成形後、常圧燒結法により窒素雰囲気中、１，７０
０℃で１時間焼結した。

【００９３】得られた燒結体を窒素雰囲気で、１，５５
０℃に２時間加熱することにより結晶化熱処理を施し、
切削工具形状の燒結体チップ（形状：ＳＰＧＮ４２１）
を作製した。

【００９４】この結晶化熱処理を施した燒結体につい
て、Ｘ線回折による分析を行ったところ、β−サイアロ
ンおよびＴｉＮのピークとメリライト相（Ｙ_２Ｓｉ_３Ｎ
_４Ｏ_３）のピークが観察され、粒界ガラス相の結晶化が
進行しており、この燒結体が結晶性粒界相を有する窒化
ケイ素系セラミックスであることが確認された。

【００９５】この結晶化熱処理を施した燒結体チップを
基材としてマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の反応容器内
に設置し、基材温度１，０００℃、圧力４０Ｔｏｒｒの
条件下で、反応容器への原料ガス流量を一酸化炭素ガス
１５ｓｃｃｍ、水素ガス８５ｓｃｃｍに設定し、マイク
ロ波（周波数２．４５ＧＨｚ）の出力を４００Ｗに設定
して、反応を５時間行って、前記の基材上に厚み約１０
μｍのダイヤモンドを被覆した。

【００９６】この被覆膜についてラマン分光分析を行っ
たところ、ラマン散乱スペクトルの１，３３３ｃｍ^-1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
殆ど無いダイヤモンドであることを確認した。

【００９７】次に、こうして得られたダイヤモンド被覆
チップを用いて下記の条件で湿式の切削テストを行い、
それぞれのチップの切削特性を調べた。

【００９８】被削材：アルミニウム合金（ケイ素８重
量％）切削速度：１，５００ｍ／ｍｉｎ送り：ｆ＝０．１ｍｍ／ｒｅｖ切り込み：０．２５ｍｍ加工液：水性エマルジョン油その結果、３０，０００ｍの切削試験後もダイヤモンド
膜の剥離、チッピング等の異常は何ら観察されなかっ
た。

【００９９】また、この切削試験後、ダイヤモンド膜／
基材界面を走査型電子顕微鏡により観察したところ、連
続性に優れたダイヤモンド膜と基材との界面が観察され
た。

【０１００】さらに前記ダイヤモンド被覆チップを用い
て下記の条件で乾式の切削テストを行い、それぞれのチ
ップの切削特性を調べた。

【０１０１】被削材：アルミニウム合金（ケイ素８重
量％）切削速度：８００ｍ／ｍｉｎ送り：ｆ＝０．１ｍｍ／ｒｅｖ切り込み：０．２５ｍｍその結果、５０，０００ｍの切削試験後もダイヤモンド
膜の剥離、チッピング等の異常は何ら観察されなかっ
た。

【０１０２】また、この切削試験後、ダイヤモンド膜／
基材界面を走査型電子顕微鏡により観察したところ、連
続性に優れたダイヤモンド膜と基材との界面が観察され
た。

【０１０３】（比較例１）結晶化熱処理を行わなかった以外は、実施例１と同様に
して、同様の切削工具形状の燒結体チップを作製した。

【０１０４】この燒結体について、Ｘ線回折による分析
を行ったところ、βサイアロンよおびＴｉＮのピークが
観察されたが、これ以外のピークは観察されなかった。
すなわち、この燒結体は、結晶性粒界相を有していない
ことが確認された。

【０１０５】この結晶性粒界相を有さない燒結体チップ
を基材として用い、実施例１と同様の方法によって、該
基材の表面にダイヤモンド膜を形成させた。

【０１０６】得られたダイヤモンド被覆部材を用い実施
例１と同様の条件で湿式切削試験を行ったところ、わず
か３，０００ｍ切削しただけでダイヤモンド膜の剥離が
生じた。

【０１０７】この切削試験後、ダイヤモンド膜／基材界
面を走査型電子顕微鏡により観察したところ、粒界成分
の揮発のために生成したと思われる隙間が界面部分に観
察された。

【０１０８】（実施例２〜６）Ｓｉ_３Ｎ_４粉末、Ｙ_２Ｏ_３粉末、Ａｌ_２Ｏ_３粉末および
ＴｉＮ粉末を表１に示す割合で配合し、結晶化処理時間
を表１に示すように変えた外は前記実施例と同様に操作
して燒結体チップ（形状：ＳＰＧＮ４２１）を作製し
た。

【０１０９】この燒結体チップについて、Ｘ線回折によ
る分析を行ったところ、β−サイアロンおよびＴｉＮ
（実施例５を除く）のピークとメリライト相（Ｙ_２Ｓｉ
_３Ｎ_４Ｏ_３）のピークが観察され、粒界ガラス相の結晶
化が進行しており、この燒結体が結晶性粒界相を有する
窒化ケイ素系セラミックスであることが確認された。

【０１１０】また前記燒結体チップを基材として前記実
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。

【０１１１】このダイヤモンド被覆チップを用いて、実
施例１におけるのと同じ切削条件にて湿式の切削テスト
を行い、ダイヤモンド膜の剥離が生じるまでの切削長さ
を求めた。結果を表１に示した。

【０１１２】

【表１】

【０１１３】

【発明の効果】本発明によると、ダイヤモンド類膜を被
覆する基材として、結晶性粒界相を有するという特定の
窒化ケイ素系セラミックス（燒結体）を用いているの
で、基材（燒結体）とダイヤモンド類膜との密着性を著
しく改善することができ、切削工具をはじめとする各種
の超硬工具、耐摩耗性部材等として実用に供した際に、
ダイヤモンド類膜の剥離や摩耗等による損傷を著しく低
減することができ、高性能で耐久性に優れた寿命の長い
ダイヤモンド類被覆部材を提供することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所 // Ｂ２３Ｐ 15/28 Ａ 7528−3ＣＣ０４Ｂ 35/584 (72)発明者伊藤利通東京都千代田区丸の内三丁目１番１号出光石油化学株式会社内 (72)発明者坪川雅也千葉県君津郡袖ケ浦町上泉1660番地出光石油化学株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】結晶性粒界相を有する窒化ケイ素系セラミ
ックス基材の表面に、気相合成法で形成したダイヤモン
ド類膜を有することを特徴とするダイヤモンド類被覆部
材。
【請求項２】粒界ガラス相を有する窒化ケイ素系セラミ
ックス基材を結晶化処理し、生成する結晶性粒界相を有
する窒化ケイ素系セラミックスからなる基材の表面に、
気相合成法によりダイヤモンド類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。