JP2620971B2 - Diamond coated sintered body with excellent adhesion and method for producing the same - Google Patents

Diamond coated sintered body with excellent adhesion and method for producing the same

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JP2620971B2
JP2620971B2 JP1102168A JP10216889A JP2620971B2 JP 2620971 B2 JP2620971 B2 JP 2620971B2 JP 1102168 A JP1102168 A JP 1102168A JP 10216889 A JP10216889 A JP 10216889A JP 2620971 B2 JP2620971 B2 JP 2620971B2
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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、例えば切削工具材料,耐摩耗工具材料
又は装飾用材料などを主体に、電気産業,電子産業,精
密機器産業,事務機器産業などに用いられる部品用材料
として適す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するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Industrial Application Field) The present invention relates to an adhesion obtained by forming a film of diamond and / or diamond-like carbon on a surface of a ceramic sintered body containing tungsten carbide as a main component. More specifically, the present invention relates to a diamond-coated sintered body having excellent properties and a method for producing the same. The present invention relates to a diamond-coated sintered body having excellent adhesion suitable as a material for parts used in industry and the like, and a method for producing the same.

(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
なる基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ンド被覆焼結体の実用
化への検討が行われている。このダイヤモンド被覆焼結
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大
の課題となっている。特に、旋削工具,フライス工具,
ドリル,エンドミルなどの切削工具材料の場合は、最も
苛酷な条件で用いられるために被膜と基材との密着性や
付着性が一層重要な問題となる。
(Prior art) Conventionally, a diamond-coated sintered body formed by forming a diamond and / or diamond-like coating on the surface of a substrate made of a sintered body such as a metal, an alloy or a ceramic has been studied for practical use. Have been done. Since the diamond-coated sintered body has poor wettability with other substances, a diamond and / or diamond-like carbon coating is applied to the surface of the base material to improve the adhesion and adhesion. The biggest problem is whether it can be coated on the surface. In particular, turning tools, milling tools,
In the case of cutting tool materials such as drills and end mills, since they are used under the most severe conditions, adhesion and adhesion between the coating film and the substrate become more important.

ダイヤモンドの被膜と基材との密着性を高めて、切削
工程材料として用いることが可能なダイヤモンド被膜焼
結体が多数提案されており、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63−99102号公報がある。
A number of diamond-coated sintered bodies that can be used as a cutting process material by increasing the adhesion between the diamond coating and the base material have been proposed.
There are JP-A-62-57802, JP-A-62-166904, and JP-A-63-99102.

(発明が解決しようとする問題点) 特開昭62−57802号公報には、気相により硬質炭素薄
膜を基材表面に析出させて被覆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W2Cを主成分とするW
とCの化合物薄膜の中間層を厚さ0.1μm以上存在させ
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PVD法(物理蒸着法)でもっ
てW2Cを主成分とするWとCの化合物薄膜の中間層を被
覆すると硬質炭素とW2C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法でもって中間層を
形成した後、別の反応容器で硬質炭素薄膜を被覆すると
いう工程の煩雑さがあること、及び中間層の表面に不純
物が付着しやすいということから中間層と硬質炭素薄膜
との密着性が劣るという問題がある。
(Problems to be Solved by the Invention) Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 62-57802 discloses that a hard carbon-coated component of a hard carbon-coated component coated by depositing a hard carbon thin film on the surface of a substrate by a gas phase. W containing W 2 C as the main component
And a hard carbon-coated component comprising an intermediate layer of a compound thin film of C and C having a thickness of 0.1 μm or more. The invention according to this publication discloses a compound thin film of W and C containing W 2 C as a main component by a CVD method (chemical vapor deposition method) or a PVD method (physical vapor deposition method) on a surface of a substrate made of a hard metal or ceramics. When the intermediate layer is coated, a diffusion intermediate layer consisting of WC is formed at the interface between the hard carbon and W 2 C, and as a result, the adhesion strength has been improved. After the layer is formed, the process of coating the hard carbon thin film in another reaction vessel is complicated, and the adhesion of the intermediate layer and the hard carbon thin film is difficult because impurities easily adhere to the surface of the intermediate layer. Is inferior.

特開昭62−166904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、その表面に減圧下で
硬質炭素の薄膜を0.5〜50μm被覆してなるセラミック
ス焼結体加工用硬質炭素膜被覆切削工具が開示されてい
る。この同公報の発明は、変形抵抗の高いセラミックス
を基材とし、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量が多くなればなるほ
ど基材と薄膜との密着性が劣化し、逆にダイヤモンドの
含有量が減少すればするほど耐摩耗性が低下するという
問題がある。
Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 62-166904 discloses that a ceramic sintered body containing silicon nitride, silicon carbide, zirconium oxide, and aluminum oxide as a main component is used as a base material, and a hard carbon thin film is formed on its surface under reduced pressure by 0.5 to 50 μm. A cutting tool coated with a hard carbon film for processing a ceramic sintered body is disclosed. Although the invention of this publication uses ceramics having a high deformation resistance as a base material and forms a hard carbon thin film on the surface thereof, it is possible to cut fine ceramics which are difficult-to-cut materials, For example, the higher the content of diamond in the thin film of hard carbon, the more the adhesion between the substrate and the thin film deteriorates, and conversely, the lower the content of diamond, the lower the wear resistance. .

特開昭63−99102号公報には、タングステンを基材と
し、該基材にダイヤモンドを1〜100μm被覆してなる
被覆タングステン工具が開示されている。この同公報の
発明は、超硬合金やセラミックスの基材表面にダイヤモ
ンド薄膜を形成した従来のダイヤモンド被覆工具が薄膜
と基材との接着強度に問題があったのに対し、タングス
テンを基材にすることにより接着強度の問題を解決した
というものであるけれども、タングステン自体が軟質で
あることから塑性変形しやすく、切削工具として用いて
も短寿命であるという問題がある。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-99102 discloses a coated tungsten tool in which tungsten is used as a base material and the base material is coated with diamond in an amount of 1 to 100 μm. The invention of this publication discloses that while a conventional diamond-coated tool in which a diamond thin film is formed on the surface of a cemented carbide or ceramic substrate has a problem in the adhesive strength between the thin film and the substrate, tungsten is used for the substrate. This solves the problem of adhesive strength, but the tungsten itself is soft and easily deformed plastically, and has a short life even when used as a cutting tool.

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耐剥離性にすぐれていて、切削工
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。
The present invention has solved the above-mentioned problems, and specifically, has excellent peeling resistance between the substrate and the diamond and / or diamond-like carbon coating, and can be practically used as a cutting tool material. It is an object of the present invention to provide a simple diamond-coated sintered body and a method for producing the same.

(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
被膜を基材に被覆する場合、基材の種類,被膜の厚さ及
び被膜の形成条件における被膜と基材との耐剥離性につ
いて検討していた所、 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族金属を含有し
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
と被膜との密着性が一層強くなり切削工具材料として実
用できるという知見を得たものである。この知見に基づ
いて、本発明を完成するに至ったものである。
(Means for Solving the Problems) When the present inventors coat a substrate with a diamond film formed by a vapor phase synthesis method, the present inventors consider the type of the substrate, the thickness of the film, and the film formation conditions. When the diamond coating was formed on the surface of the base material of the sintered body made of tungsten carbide, a cemented carbide containing Fe group metal or Unlike the cermet substrate, the precipitation of graphite in the early stage of the diamond vapor phase synthesis method is suppressed, and the decarburization treatment is performed before forming the diamond film in the diamond vapor phase synthesis method, and then the formation of the diamond film is performed. By doing so, it has been found that the adhesion between the tungsten carbide substrate and the coating film is further enhanced, and the tungsten carbide substrate can be practically used as a cutting tool material. Based on this finding, the present invention has been completed.

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、炭化タングステンの硬質相、又は炭化タン
グステンを50vol%以上と、残りが周期律表4a,5a,6a族
金属の炭化物,炭窒化物及びこれらの相互固溶体の中の
少なくとも1種とからなる硬質相と0.5vol%以下の不可
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たこと
を特徴とするものである。
That is, the diamond-coated sintered body having excellent adhesion of the present invention comprises a hard phase of tungsten carbide or 50 vol% or more of tungsten carbide, and the balance is carbides or carbonitrides of metals of groups 4a, 5a and 6a of the periodic table. And forming a film of diamond and / or diamond-like carbon on the surface of a base material of a sintered body comprising a hard phase comprising at least one of these mutual solid solutions and 0.5 vol% or less of unavoidable impurities. It is a feature.

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、又は炭化タン
グステンが硬質相中の少なくとも50vol%含有し、他に
周期律表4a,5a,6a族金属の炭化物,炭窒化物及びこれら
の相互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90vol%以上の炭化
タングステンでなる場合、例えばWC又はWC−W2C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90vol%以上と残り炭化モリブデンと
からなるWC−Mo2C,WC−W2C−Mo2CあるいはWC−(W,MC)
Cでなる場合は、被膜と基材との密着性がすぐれると共
に、基材の強度もすぐれるので好ましいことである。ま
た、硬質相がWCとW2Cとの混在してなる場合、別の表現
をするとWCとW2Cと不可避不純物とでなる焼結体の基材
の場合には、後述するような脱炭性雰囲気による前処理
を行わなくてもダイヤモンド合成時に生成するカーボン
を基材の表面部に存在するW2Cが吸収し、その結果被膜
と基材との密着性が高められること、ダイヤモンドの核
生成が促進さそれること、及び自形の明確な被膜が形成
されることから好ましいことである。
The hard phase in the diamond-coated sintered body of the present invention is composed of only tungsten carbide, or contains at least 50 vol% of tungsten carbide in the hard phase, and further includes a carbide of a metal of Group 4a, 5a, or 6a in the periodic table, This is the case where at least one of carbonitride and these mutual solid solutions is contained. Among them, particularly when the hard phase is made of tungsten carbide of 90 vol% or more, for example, when it is made only of tungsten carbide made of WC or WC-W 2 C, or made of 90 vol% or more of these tungsten carbides and remaining molybdenum carbide WC-Mo 2 C, WC- W 2 C-Mo 2 C or WC- (W, MC)
The case of C is preferable because the adhesion between the coating and the substrate is excellent and the strength of the substrate is also excellent. In addition, when the hard phase is a mixture of WC and W 2 C, in other words, in the case of a sintered body base material composed of WC, W 2 C and unavoidable impurities, the removal as described below is performed. Even without a pretreatment in a carbonaceous atmosphere, W 2 C present on the surface of the substrate absorbs the carbon generated during diamond synthesis, resulting in improved adhesion between the coating and the substrate. This is preferred because it promotes nucleation and forms a self-defined coating.

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有している
不純物と、出発物質の混合粉砕工程中に混入してくる不
純物とがあり、後者の不可避不純物としては、混合容器
又はボールなどから混入してくる。例えば、Co,Ni,Fe,
W,Cr,Moなどがあり、これらの不可避不純物が基材中に
0.5vol以下、含有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、かえって基材の強度を補うという効
果もあることから実用可能である。これらの基材は、こ
の基材の表面から内部に向って多くとも10μmまでの表
面層に存在する炭化タングステンの粒径がこの表面層を
除いた、さらに基材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構成にすると、基材と被膜
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。
The substrate in the diamond-coated sintered body of the present invention contains unavoidable impurities in addition to the above-described hard phase, and the unavoidable impurities are mainly impurities contained in the starting material and mixed and pulverized starting material. There is an impurity mixed in during the process, and the latter inevitable impurity is mixed from a mixing container or a ball. For example, Co, Ni, Fe,
W, Cr, Mo, etc., and these unavoidable impurities
Even if it is contained in an amount of 0.5 vol or less, it can be practically used because there is little decrease in the adhesion between the substrate and the coating, and there is also an effect of supplementing the strength of the substrate. In these substrates, the particle size of tungsten carbide present in the surface layer of at most 10 μm from the surface of the substrate toward the inside is smaller than that of the surface layer. It is particularly preferable that the composition is finer than the particle size, because the adhesion between the base material and the coating is improved and the quality of the coating is improved.

特に、表面層中の炭化タングステンの粒径が1.0μm
以下、好ましくは0.5μm以下の場合には基材と被膜と
の密着性がより一層すぐれる傾向になることから好まし
いことである。
In particular, the particle size of tungsten carbide in the surface layer is 1.0 μm
Below, preferably 0.5 μm or less is preferable because the adhesion between the substrate and the coating tends to be further improved.

本発明のダイヤモンド被覆焼結体における被膜は、電
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示すもので、具体的には、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-1にピークを示すものである。さ
らに詳述すると、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晶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
モンドが含有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、前述の表面層を有
する基材に形成された被膜の場合には、ラマン分光分析
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-1のピークが明確に表われた膜質のすぐれたもの
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性を重要視する
ような用途には、例えば3〜10μm厚さが好ましく、切
削工具材料としての用途には、0.5〜7μm厚さが好ま
しく、切削工程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、
あるいは耐摩耗工程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
0.5〜3μm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。
The film in the diamond-coated sintered body of the present invention exhibits properties such as electrical resistance, light transmittance, hardness and the like of diamond or properties similar to diamond. It shows a peak at 1333 cm -1 which is said to be. More specifically, this coating is made of only diamond, or contains diamond and other amorphous carbon or glassy carbon, or has been close to diamond conventionally without containing diamond. It may be made of diamond-like carbon which is said to exhibit properties. In particular, in the case of a film formed on a substrate having the above-described surface layer, it is said to be a Raman line of diamond in Raman spectroscopic analysis.
The film at 1333cm -1 clearly shows excellent film quality. The thickness of the coating varies depending on the application and the shape. In particular, for applications in which crevice wear resistance is more important than impact resistance, a thickness of, for example, 3 to 10 μm is preferable. It is preferable that the thickness is 0.5 to 7 μm. Among the cutting process materials, applications such as cutting tools for milling, which emphasize impact resistance, and drills and end mills,
Alternatively, for applications having sharp cutting edges such as slitters, cutting blades, cutting blades, etc. in abrasion-resistant process materials,
It is preferable that the thickness is 0.5 to 3 μm and the thickness of the coating is thin.

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クロ波プラズマ,高周波プ
ラズマ又は熱フイ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。
The diamond-coated sintered body of the present invention is characterized in that a starting material for forming a hard phase mainly composed of tungsten carbide is formed into a sintered body by a conventional powder metallurgy method, and the starting material is formed on a surface of a base material of the sintered body. Although it can be obtained by forming a diamond film by vapor phase synthesis in conventional microwave plasma, high frequency plasma or plasma by thermal filament, the adhesion between the substrate and the film is improved by the following method. This is preferable because it is excellent.

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、炭化タングステンの硬質相、又
は炭化タングステンを50vol%以上と、残りが周期律表4
a,5a,6a族金属の炭化物,炭窒化物及びこれらの相互固
溶体の中の少なくとも1種とからなる硬質相と0.5vol%
以下の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、該基材の表面
層を再び炭化タングステンを主成分とする炭化物の層に
することを特徴とする方法である。
In other words, the method of the present invention for producing a diamond-coated sintered body having excellent adhesion is that the hard phase of tungsten carbide or tungsten carbide is at least 50 vol% and the balance is
a hard phase comprising at least one of carbides, carbonitrides and mutual solid solutions of a, 5a, 6a group metals and 0.5 vol%
A base material of a sintered body comprising the following unavoidable impurities is placed in a reaction vessel, and the inside of the reaction vessel is heated in a decarburizing atmosphere to decarburize the surface layer of the base material. A film of diamond and / or diamond-like carbon is formed on the surface of the surface layer of the material by a vapor phase synthesis method, and the surface layer of the base material is again made of a carbide layer containing tungsten carbide as a main component. It is a method.

この本発明のダイヤモンド被覆焼結体の製造方法にお
ける基材は、炭化タングステンの出発物質、又は炭化タ
ングステンを50vol%以上と、残りが周期律表4a,5a,6a
族金属の炭化物,炭窒化物及びこれらの相互固溶体の中
の少なくとも1種とからなる出発物質を混合粉砕後、ホ
ットプレス焼結、又は普通焼結後に熱間静水圧処理(HI
P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
応容器に設置し、この反応容器内を脱炭性雰囲気でもっ
て昇温して基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度脱炭した表面層を再晶出した炭化
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
物の層にすると共に、この表面層上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。
In the method for producing a diamond-coated sintered body of the present invention, the base material is a starting material of tungsten carbide or 50 vol% or more of tungsten carbide, and the remainder is periodic table 4a, 5a, 6a.
After mixing and pulverizing a starting material composed of a group III metal carbide, carbonitride and at least one of these mutual solid solutions, hot press sintering or ordinary sintering, hot isostatic pressure treatment (HI
By performing the P treatment, a dense sintered body can be obtained. The substrate thus obtained is placed in a reaction vessel for the vapor phase synthesis of diamond, and the inside of the reaction vessel is heated in a decarburizing atmosphere to remove a surface layer from the surface of the substrate to at most 10 μm inside. After carbonization, a diamond coating process by a vapor phase synthesis method is performed to convert the once decarburized surface layer into a layer of recrystallized tungsten carbide or a carbide containing tungsten carbide as a main component, and on this surface layer. This is a method for forming a film of diamond and / or diamond-like carbon.

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
も基材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。
Thus, after decarburizing the surface layer of the substrate, the recrystallized tungsten carbide formed again as a carbide can have a finer particle size than the tungsten carbide inside the substrate than the surface layer.

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、種々のガス雰
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
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爆発が起こるので注意
する必要があり、特に酸素ガス0.1〜5vol%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、安定
性が高いこと、微細粒の炭化物でなる表面層になるこ
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,プロパノール,ブタ
ノール,メチルエーテル,エチルエーテルなどの炭素と
水素又は炭素と水素と酸素の含有した有機化合物を挙げ
ることができる。この脱炭性雰囲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
ることが好ましいことである。このときのプラズマ化処
理は、従来のマイクロ波や高周波もしくは熱フイラメン
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、表面層と被膜間への不
純物の付着が殆どないことから好ましいことである。
When the inside of the reaction vessel in the method for producing a diamond-coated sintered body of the present invention is set to a decarburizing atmosphere, it can be carried out by a method using various gas atmospheres. In order to perform the mixing, it is preferable that the atmosphere be a mixed gas of hydrogen gas and oxygen gas, or a mixed gas of hydrogen gas, oxygen gas, and a gas that can be a supply source of carbon. In the case of gas, it is necessary to be careful because explosion occurs depending on the mixing ratio, and especially when the gas is a decarburizing atmosphere consisting of 0.1 to 5 vol% of oxygen gas and the remaining hydrogen gas, the stability is high. This is preferable because it is a surface layer made of fine-grained carbides and has excellent peeling resistance between the surface layer and the coating. The gas that can be a source of carbon here is, for example, methane, ethane, propane,
Organic compounds containing carbon and hydrogen or carbon, hydrogen and oxygen, such as butane, methanol, ethanol, propanol, butanol, methyl ether and ethyl ether, can be mentioned. When the temperature is raised in this decarburizing atmosphere, it is preferable to perform the plasma treatment at a substrate temperature of 500 to 1200 ° C. The plasma treatment at this time can be performed by a conventional microwave, high frequency or thermal filament method, and the diamond coating treatment by the conventional gas phase synthesis method is continuously performed in the same reaction vessel in the plasma treatment state. This is preferable because impurities hardly adhere between the surface layer and the coating.

(作用) 本発明の密着性にすぐれたダイヤモンド被覆焼結体
は、基材中の炭化タングステンが被膜との密着性を高め
る作用をしているもので、特に基材の表面層に形成され
た再晶出された微細な炭化タングステンが被膜との密着
性を高めると共に、膜質をすぐれたものにして、被膜の
耐摩耗性及び耐剥離性を高める作用をしているものであ
る。
(Function) In the diamond-coated sintered body having excellent adhesion of the present invention, tungsten carbide in the base material has an effect of increasing the adhesion with the coating film, and is particularly formed on the surface layer of the base material. The recrystallized fine tungsten carbide enhances the adhesion to the coating and improves the quality of the coating, thereby increasing the wear resistance and peeling resistance of the coating.

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、脱炭性雰囲気での処理工程と気相合成法に
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
より微細粒で再晶出した炭化物、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
処理とを同一反応容器中で連続的に行うことができ、そ
の結果表面層と被膜との界面に不純物を生じ難くし、し
かもダイヤモンドの核生成の促進を高め、緻密で微細粒
でなる被膜を生成しやすくしているものである。
The method for producing a diamond-coated sintered body having excellent adhesion according to the present invention includes a carbide recrystallized in fine grains by a treatment step in a decarburizing atmosphere and an initial step in a diamond coating treatment by a gas phase synthesis method. In particular, a surface layer made of tungsten carbide is formed, and the decarburizing atmosphere during the plasma treatment and the diamond coating during the plasma treatment can be continuously performed in the same reaction vessel. Impurities are less likely to be generated at the interface between the surface layer and the coating, and furthermore, the promotion of diamond nucleation is enhanced, and the formation of a dense and fine-grain coating is facilitated.

(実施例) 実施例1 平均粒径3.0μmのWC,Mo2C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基材を得
た。この基材の表面状態を第1表に示すように焼肌面又
は研削面にした後、下記(A)の脱炭性雰囲気条件下で
もって脱炭処理し、引続き同一反応容器の中で下記
(B)のダイヤモンド被覆処理条件でもってダイヤモン
ド被膜を基材の表面に形成して本発明品1,2,4を得た。
また、下記(A)条件による脱炭処理を省略して下記
(B)の条件でもってダイヤモンド被膜を基材の表面に
形成して本発明品3を得た。
(Example) Example 1 WC and Mo 2 C having an average particle diameter of 3.0 μm are mixed with a ball made of cemented carbide in a wet ball mill, pulverized and dried, and then hot-pressed and sintered in a vacuum to mainly contain WC. A substrate of a sintered body was obtained. After making the surface state of this base material a burnt surface or a ground surface as shown in Table 1, it was subjected to decarburization treatment under the following decarburizing atmosphere conditions (A), and subsequently in the same reaction vessel, A diamond coating was formed on the surface of the substrate under the diamond coating treatment conditions of (B) to obtain the products 1, 2, and 4 of the present invention.
The decarburization treatment under the following condition (A) was omitted, and a diamond coating was formed on the surface of the base material under the following condition (B) to obtain a product 3 of the present invention.

(A)脱炭性雰囲気条件 ガス組成 99vol%H2−1vol%O2 ガス圧力 60Torr 基材温度 630℃ マイクロ波出力 0.7kw 処理時間 30min (B)ダイヤモンド被覆処理条件 ガス組成 98vol%H2−2vol%CH4 ガス圧力 80Torr 基材温度 1060℃ マイクロ波出力 1.0kw 処理時間 120min 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(B)の処理を施して比較品1を得た。
また、市販の超硬合金の基材を別の反応容器に設置し、
WF6−CH4−H2混合雰囲気中でCVD処理して、基材の表面
にW2Cを約1.5μm被覆した後、上記(B)の処理を施し
て比較品2を得た。さらに、市販のW板を基材とし、こ
の基材を上記(B)の処理を施して比較品3を得た。
(A) Decarburizing atmosphere conditions Gas composition 99vol% H 2 -1vol% O 2 Gas pressure 60Torr Base material temperature 630 ° C Microwave output 0.7kw Processing time 30min (B) Diamond coating processing conditions Gas composition 98vol% H 2 -2vol % CH 4 gas pressure 80 Torr Substrate temperature 1060 ° C. Microwave output 1.0 kw Processing time 120 min As a comparative product, the surface of a commercially available silicon nitride-based ceramic substrate was subjected to the above treatment (B) to obtain Comparative Product 1. .
In addition, a commercially available cemented carbide base material is installed in another reaction vessel,
After performing CVD treatment in a WF 6 -CH 4 -H 2 mixed atmosphere to coat the surface of the base material with W 2 C at about 1.5 μm, the treatment (B) was performed to obtain a comparative product 2. Further, a commercially available W plate was used as a base material, and the base material was subjected to the treatment of the above (B) to obtain a comparative product 3.

こうして得た本発明品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(A)処理を施した試料は、X線回折
及びSEMでもって表面層を調べて、その結果を第1表に
併記した。
Table 1 shows the thicknesses of the diamond coatings of the inventive products 1, 2, 3, 4 and the comparative products 1, 2, 3 thus obtained. Also,
The surface layers of the samples of the present invention 1, 2, and 4 subjected to the treatment (A) were examined by X-ray diffraction and SEM, and the results are shown in Table 1.

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,(D)条件による切削試験を行い、そ
のときの平均逃げ面摩耗量及び損傷状況を観察して、そ
の結果を第2表に示した。
Using these inventive products 1,2,3,4 and comparative products 1,2,3,
Cutting tests were performed under the following conditions (C) and (D), and the average flank wear and damage at that time were observed. The results are shown in Table 2.

(C)旋削試験条件 被削材 Al−18%Si合金 チップ形状 SPGN 120308 切削速度 226m/min 送 り 0.1mm/rev 切込み量 0.5mm 切削時間 20min 評価 平均逃げ面摩耗量(VBmm) (D)旋削試験条件 被削材 硬質カーボン チップ形状 SNCN 43ZFN 切削速度 356m/min 送 り 0.06mm/rev 切込み量 0.5mm 切削時間 60min (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,W2C
の被覆層を有する超硬合金の基材又は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
イヤモンド被覆焼結体に比較して、被膜と基材との密着
性がすぐれており、切削工具材料として用いた場合に、
被膜の耐剥離性が著しくすぐれており、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、寿命にお
いて20%〜8倍程度もすぐれるという効果がある。
(C) Turning test conditions Workpiece material Al-18% Si alloy Tip shape SPGN 120308 Cutting speed 226m / min Feeding 0.1mm / rev Depth of cut 0.5mm Cutting time 20min Evaluation Average flank wear (V B mm) (D ) Turning test conditions Work material Hard carbon Tip shape SNCN 43ZFN Cutting speed 356m / min Feed 0.06mm / rev Cutting depth 0.5mm Cutting time 60min (Effects of the Invention) From the above results, the diamond-coated sintered body of the present invention having excellent adhesion was found to be a silicon nitride-based ceramic substrate, W 2 C
The adhesion between the coating and the substrate is lower than that of a conventional diamond-coated sintered body in which a diamond coating is formed on each surface of a cemented carbide substrate having a coating layer or a W substrate. It is excellent and when used as a cutting tool material,
The coating has remarkably excellent peeling resistance, and as a result, has an effect of being excellent in abrasion resistance and fracture resistance, and has an effect of being about 20% to 8 times in life.

また、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、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一層すぐれたものにさせうる
という効果がある。
In the method for producing a diamond-coated sintered body having excellent adhesion according to the present invention, the surface of the base material can be a fine-grain surface layer containing tungsten carbide as a main component. There is an effect that the adhesion can be further improved.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き 合議体 審判長 中山 時夫 審判官 森竹 義昭 審判官 長者 義久 (56)参考文献 特開 昭63−100182(JP,A) 特開 昭63−53269(JP,A) 特開 昭62−67174(JP,A) 特公 昭55−29152(JP,B2) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page Judge Tokio Nakayama Judge Yoshiaki Moritake Judge Yoshihisa Chief Judge (56) References JP-A-63-100182 (JP, A) JP-A-63-53269 (JP, A) 62-67174 (JP, A) JP-B 55-29152 (JP, B2)

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】炭化タングステンの硬質相、又は炭化タン
グステンを50vol%以上と、残りが周期律表4a,5a,6a族
金属の炭化物,炭窒化物及びこれらの相互固溶体の中の
少なくとも1種とからなる硬質相と、0.5vol%以下の不
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あ
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。
1. A hard phase of tungsten carbide or 50 vol% or more of tungsten carbide, and the balance is at least one of carbides, carbonitrides, and mutual solid solutions of metals of Group 4a, 5a, 6a of the periodic table. Excellent in adhesiveness, characterized in that a diamond and / or diamond-like carbon film is formed on the surface of a sintered body base material comprising a hard phase comprising: and a unavoidable impurity of 0.5 vol% or less. Coated sintered body.
【請求項2】上記硬質相は、90vol%以上の炭化タング
ステンであ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。
2. The diamond-coated sintered body having excellent adhesion according to claim 1, wherein said hard phase is 90 vol% or more of tungsten carbide.
【請求項3】上記基材は、該基材の表面から内部へ向か
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。
3. The substrate according to claim 1, wherein the particle size of tungsten carbide in a surface layer of at most 10 μm from the surface of the substrate toward the inside is an average particle size of tungsten carbide present inside the surface layer excluding the surface layer. The diamond-coated sintered body having excellent adhesion according to claim 1 or 2, characterized in that the sintered body is finer than that of (1).
【請求項4】上記被膜は、0.5〜10μm厚さであること
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。
4. A diamond-coated sintered body having excellent adhesion according to claim 1, wherein said coating has a thickness of 0.5 to 10 μm.
【請求項5】炭化タングステンの硬質相、又は炭化タン
グステンを50vol%以上と、残りが周期律表4a,5a,6a族
金属の炭化物,炭窒化物及びこれらの相互固溶体の中の
少なくとも1種とからなる硬質相と、0.5vol%以下の不
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、該基材の表面層を炭
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。
5. A hard phase of tungsten carbide or 50 vol% or more of tungsten carbide, the balance being at least one of carbides, carbonitrides and mutual solid solutions of metals of groups 4a, 5a and 6a of the periodic table. A base material of a sintered body comprising a hard phase consisting of and a unavoidable impurity of 0.5 vol% or less is placed in a reaction vessel, and the inside of the reaction vessel is heated in a decarburizing atmosphere to raise the surface of the base material. After decarburizing the layer, a film of diamond and / or diamond-like carbon is formed on the surface of the surface layer of the substrate by a vapor phase synthesis method, and the surface layer of the substrate is mainly made of tungsten carbide. A method for producing a diamond-coated sintered body having excellent adhesion, characterized by forming a layer.
【請求項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5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。
6. The decarburizing atmosphere comprises a mixed gas of hydrogen gas and oxygen gas, or a mixed gas of hydrogen gas, oxygen gas and a gas that can be a supply source of carbon. 6. The method for producing a diamond-coated sintered body having excellent adhesion according to claim 5.
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