JP2628601B2 - ダイアモンド被覆超硬合金および超硬合金のダイアモンド被覆方法 - Google Patents

ダイアモンド被覆超硬合金および超硬合金のダイアモンド被覆方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔概 要〕 ダイアモンドで被覆した超硬合金に関し、 ダイアモンド皮膜の密着力を向上させたダイアモンド
被覆超硬合金を提供することを目的とし、 金属元素または半金属元素の化合物から成る硬質主材
と、結合材とを含んで成る超硬合金の基材をダイアモン
ドの被覆層で被覆したダイアモンド被覆超硬合金におい
て、前記基材と前記被覆層との間に、粉末状またはガス
状で、且つ、前記金属または前記半金族または前記化合
物から成る材料を水素含有ガスのプラズマジェット中に
導入し、減圧下で前記基材上に堆積するとともに、ガス
状の炭素化合物を水素含有ガス中または水素含有ガスの
プラズマジェット中に導入し、減圧下で前記基材上に堆
積して形成した第1相または該第1相およびダイアモン
ドの第2相から成る遷移層を介在させるように構成す
る。
〔産業上の利用分野〕
本発明は、ダイアモンドで被覆した超硬合金および超
硬合金のダイアモンド被覆方法に関する。
〔従来の技術〕
近年、化学的気相合成法(あるいはCVD法)によるダ
イアモンドの合成が可能となり、その応用が種々検討さ
れている。ダイアモンドは多くの優れた性質を有する。
特に、硬さが著しく高いことを利用して、工具、摺動材
等に用いられる超硬合金にダイアモンドを被覆して切削
性の向上、長寿命化、耐摩耗性の向上等が試行されてい
る。
しかし、超硬合金に結合材として含まれているCo,Ni
等またはこれらの合金は浸炭性に富み、ダイアモンド皮
膜の形成を阻害するため、実用上十分な密着力でダイア
モンド被覆を行なうことができなかった。これまでに、
密着力を向上させるために、基材表面に人工的に疵を付
けて高密度で核発生させる、Fe,Ni,Co等の浸炭性に富む
元素を基材表面で化学的に除去する等の方法が行なわれ
ているが、いずれも十分な密着力は得られていない。
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明は、ダイアモンド皮膜の密着力を向上させたダ
イアモンド被覆超硬合金および超硬合金のダイアモンド
被覆方法を提供することを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
上記の目的は、本発明によれば、金属元素または半金
属元素の化合物から成る硬質主材と、結合材とを含んで
成る超硬合金の基材をダイアモンドの被覆層で被覆した
ダイアモンド被覆超硬合金において、前記基材と前記被
覆層との間に、粉末状またはガス状で、且つ、前記金属
または前記半金族または前記化合物から成る材料を水素
含有ガスのプラズマジェット中に導入し、減圧下で前記
基材上に堆積するとともに、ガス状の炭素化合物を水素
含有ガス中または水素含有ガスのプラズマジェット中に
導入し、減圧下で前記基材上に堆積して形成した第1相
または該第1相およびダイアモンドの第2相から成る遷
移層を介在させたことを特徴とするダイアモンド被覆超
硬合金によって達成される。
また、上記の目的は、本発明によれば、金属元素また
は半金属元素の化合物から成る硬質主材と、結合材とを
含んで成る超硬合金をダイアモンドで被覆する方法にお
いて、 熱プラズマ発生装置で直流アーク放電によって形成し
た、水素含有ガスのプラズマジェットを、冷却された該
超硬合金の基材に減圧下で衝突させて急冷する工程を含
んで成り、 該工程が、 該金属、該半金属または該化合物から成る材料を粉末
状またはガス状で該プラズマジェット中に導入し、該急
冷によって該基材上に該材料を堆積させる第1堆積工
程、および 炭素化合物をガス状で該水素含有ガス中または該プラ
ズマジェット中に導入し、該急冷によって該基材上にダ
イアモンドを堆積させる第2堆積工程 を含み、 該第1堆積工程の開始と同時にまたは開始後に該第2
堆積工程を開始し、該第1堆積工程の終了後に該第2堆
積工程を終了させることを特徴とする、超硬合金のダイ
アモンド被覆方法によっても達成される。
〔作 用〕
本発明のダイアモンド被覆超硬合金においては、第1
図に示したように、超硬合金の基材1とダイアモンドの
皮膜3との間に遷移層2が介在する。遷移層2は、超硬
合金の硬質主材(たとえばWC,TiC,BN)を成す化合物ま
たはこの化合物の構成成分である金属(たとえばW,Ti)
もしくは半金属(たとえばB)(これを第1相または硬
質成分相と呼称する)の単一相から成るか、またはこれ
にダイアモンド(これを第2相と呼称する)を加えた2
つの相から成る。この遷移層2は、基材1の超硬合金に
対しても皮膜3のダイアモンドに対しても密着力が高
く、かつそれ自体の強度も高いので、ダイアモンド皮膜
と超硬合金基材とが高い密着力で接合される。
このようなダイアモンド被覆超硬合金は、本発明の、
超硬合金のダイアモンド被覆方法によって製造すること
ができる。
本発明の方法は、基本的にプラズマ溶射法の操作と、
プラズマジェットを用いたCVD法(プラズマジェットCVD
法と略称する)の操作とを組み合わせた方法である。
一般的にプラズマ溶射法は、溶射される材料として金
属等の粉末を用い、これをプラズマの高温で瞬時に融解
し、冷却された基材表面にプラズマジェットで衝突させ
て急冷し堆積させる方法である。本発明の第1堆積工程
においては、この操作を用いて前述の第1相(硬質成分
相)を基材上に堆積させる。ただし、堆積させる第1相
の材料は粉末状だけでなく、ガス状でもよい。(ガス状
材料を用いる場合は実質的に上記2法のうち後者のプラ
ズマジェットCVD法の操作となる。) プラズマジェットCVD法は、本発明者らが既に開発し
た、高速でダイアモンドを気相合成する方法である(特
願昭62−220437)。水素およびガス状の炭素化合物をプ
ラズマ化し、このプラズマジェットを冷却された基材表
面に衝突させて急冷することによって、ダイアモンドと
して堆積させる。本発明の第2堆積工程においては、こ
の操作を用いて第2相としてダイアモンドを基材上に堆
積させる。
第1堆積工程の開始と同時にまたは開始後に第2堆積
工程を開始し、第1堆積工程の終了後に第2堆積工程を
終了させる。各堆積工程の開始時期に応じて、遷移層は
第1相(硬質成分相)のみから成る単相組織または第1
相(硬質成分相)および第2相(ダイアモンド)から成
る2相組織として形成される。第1堆積工程の終了後
は、第2堆積工程のみが行なわれることによってダイア
モンド皮膜が形成される。この関係を第2図(1)〜
(3)に示す。
第2図(1)は第1堆積工程の開始と同時に第2堆積
工程を開始した場合である。まず第1および第2堆積工
程の併行進行によって、超硬合金の基材1上に硬質成分
相およびダイアモンドから成る遷移層2が形成され、こ
こで第1堆積工程を終了させると、第2堆積工程の単独
進行によって、遷移層2の上にダイアモンド皮膜3が形
成される。
第2図(2)は第1堆積工程の開始後かつ終了前に第
2堆積工程を開始した場合である。まず第1堆積工程の
単独進行によって、基材1上に硬質成分相のみから成る
層21が形成され、ここで第2堆積工程を開始させると、
第1および第2堆積工程の併行進行によって、層21上に
硬質成分相およびダイアモンドから成る層22が形成さ
れ、層21と層22とによって遷移層2が構成される。ここ
で第1堆積工程を終了させると、第2堆積工程の単独進
行によって、層22上にダイアモンド皮膜3が形成され
る。
第2図(3)は第1堆積工程の終了時または終了後に
第2堆積工程を開始した場合である。まず第1堆積工程
の単独進行によって、基材1上に硬質成分のみから成る
遷移層2が形成され、ここで第1堆積工程を終了させ、
第2堆積工程を開始すると、遷移層2上にダイアモンド
皮膜3が形成される。
本発明において、超硬合金は特に限定する必要はな
く、金属(W,Ti等)または半金属(B等)の化合物(炭
化物、窒化物等)からなる硬質主材と、結合材(Co,Ni
等)とを含んで成る従来の超硬合金である。
第1堆積工程で基材上に堆積させる(第1相の)材料
は上記の金属または半金属またはこれらそれぞれの化合
物であり、粉末状またはガス状で用いる。粉末状で用い
る場合には、この材料をプラズマジェット中に導入する
プラズマ溶射の操作を用いる方が便利であり、一方、ガ
ス状で用いる場合には、この材料を水素含有ガス中に導
入する方が便利である。
第2堆積工程で基材上にダイアモンド(第2相)とし
て堆積させるために用いる炭素化合物は、前記の特願昭
62−220437と同様に、特に限定する必要はないが、炭化
水素、または分子内に酸素、窒素もしくはハロゲンを含
む炭化水素またはハロゲン化炭素が好ましい。
プラズマジェットを形成する水素含有ガスとしては、
水素単独、アーク放電安定化のために水素にアルゴン、
ヘリウム等不活性ガスを混合したガス、非ダイアモンド
炭素のエッチング除去のために水素に酸素、水、過酸化
水素、一酸化炭素等の酸化性ガスを混合したガス等を用
いることができる。
以下、実施例によって本発明を更に詳細に説明する。
〔実施例〕
第3図に、本発明のダイアモンド被覆を行なうための
装置の一例を示す。真空チャンバ31内に、熱プラズマ発
生装置のトーチ32と、基材38を保持する水冷された基材
ホルダー39とが対向して配置され、トーチ32のアノード
33とカソード34が直流電源35に接続されている。棒状の
アノード33と筒状のカソード34との間の空隙36はガス導
入路である。真空チャンバ31の外部からトーチ32の先端
部に達する粉末導入路42が設けられている。
この装置を用いて第1表の条件で本発明にしたがって
WC−Co超硬合金のダイアモンド被覆を行なった。
処理開始時点では粉末のみを導入し、1〜5分経過後
にCH4の導入を少量で開始し、以後はCH4導入量を徐々に
増加させながら同時に粉末導入量を徐々に減少させ、開
始から20分経過後に粉末の導入を停止し、以後は一定量
のCH4を導入して、開始から1時間で処理を完了してダ
イアモンド被覆超硬合金を得た。
基材上に形成された各層の厚さは、第1表の条件内
で、遷移層が10〜30μm(WC層5〜15μm、WC+ダイア
モンド混在層5〜15μm)、ダイアモンド皮膜が50〜15
0μmであった。
比較例 比較のために、第1表の条件で、ただし粉末の導入を
行なわずに超硬合金基材上に直接ダイアモンド皮膜を形
成した。
実施例および比較例でそれぞれ得られた試料につい
て、JIS H8305(4.3)に準じて、ダイアモンド皮膜の密
着力を試験した。
その結果、実施例の試料についてはダイアモンド皮膜
の剥離が全く認められなかったのに対し、比較例の試料
についてはいずれもダイアモンド皮膜の剥離が生じた。
〔発明の効果〕
本発明は、超硬合金とダイアモンド皮膜との間の密着
力を著しく向上させることができるので、切削工具、摺
動材等としての実用化に寄与するところが極めて大であ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明にしたがったダイアモンド被覆超硬合
金の例を示す断面図、 第2図(1)〜(3)は、本発明にしたがってダイアモ
ンド被覆を行なった種々の態様を示す断面図、および 第3図は、本発明にしたがってダイアモンド被覆を行な
うための装置の例を示す断面図である。 1……超硬合金基材、2……遷移層、 3……ダイアモンド皮膜、 31……真空チャンバ、32……トーチ、 36……ガス導入路(空隙)、 39……基材ホルダー、42……粉末導入路。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】金属元素および半金属元素から成る群から
    選択された元素の化合物から成る硬質主材と、結合材と
    を含んで成る超硬合金をダイヤモンドから成る被覆層で
    被覆する方法において、 熱プラズマ発生装置で直流アーク放電によって形成し
    た、水素含有ガスのプラズマジェットを、冷却された該
    超硬合金の基材に減圧下で衝突させて急冷する工程を含
    んで成り、 該工程が、 該金属、該半金属および該化合物から成る群から選択さ
    れた材料の粉末またはガスを該プラズマジェット中に導
    入し、該急冷によって該基材上に該材料を堆積させる第
    1の操作と、 炭素化合物のガスを該プラズマジェット中に導入し、該
    急冷によって該基材上にダイヤモンドを堆積させる第2
    の操作と含み、 該第1の操作の開始より早くない時点で該第2の操作を
    開始し、該第1の操作の終了後に該第2の操作を終了す
    ることにより、該第1の操作の開始から終了までの期間
    には、該材料の層および該材料とダイヤモンドとの混在
    層の2層のうちの少なくとも1層から成る遷移層であっ
    て、2層から成る場合には上層が混在層である遷移層を
    該基材の表面に形成し、該第1の操作の終了から該第2
    の操作の終了までの期間には、ダイヤモンドから成る被
    覆層を該遷移層の表面に形成することを特徴とする超硬
    合金のダイヤモンド被覆方法。
  2. 【請求項2】金属元素および半金属元素から成る群から
    選択された元素の化合物から成る硬質主材と、結合材と
    を含んで成る超硬合金の基材をダイヤモンドから成る被
    覆層で被覆したダイヤモンド被覆超硬合金において、請
    求項1記載の方法により、該基材の表面に該遷移層を形
    成し、該遷移層の表面に該被覆層を形成したことを特徴
    とするダイヤモンド被覆超硬合金。
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