JP2645147B2 - ダイヤモンド類被覆切削工具用部材およびダイヤモンド類被覆耐摩耗部材 - Google Patents

ダイヤモンド類被覆切削工具用部材およびダイヤモンド類被覆耐摩耗部材

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JP2645147B2 JP1184376A JP18437689A JP2645147B2 JP 2645147 B2 JP2645147 B2 JP 2645147B2 JP 1184376 A JP1184376 A JP 1184376A JP 18437689 A JP18437689 A JP 18437689A JP 2645147 B2 JP2645147 B2 JP 2645147B2
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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、ダイヤモンド類被覆切削工具用部材および
ダイヤモンド類被覆耐摩耗部材に関し、さらに詳しく
は、バイト、エンドミル、カッター、ドリル等の切削工
具に広く利用することのできるダイヤモンド類被覆切削
工具用部材および各種耐摩耗部材に広く利用することの
できるダイヤモンド類被覆耐摩耗部材に関する。
[従来の技術および発明が解決すべき課題] 従来から切削工具等の製造に際し、超硬合金やセラミ
ックス等からなる基材の表面にダイヤモンド膜を被覆す
ることが行なわれている。
さらに、比較的最近になって、密着性の観点から窒化
珪素セラミックス基材の表面にダイヤモンド膜を被覆す
ることも行なわれている。
さらにこれを説明すると、たとえば特公昭60−59086
号公報、特開昭62−107067号公報、同63−20479号公
報、同63−33570号公報等々には、密着性の良いダイヤ
モンド被覆部材を得るために、特定の熱膨張率を有する
窒化珪素基材を用いる技術が開示されている。
しかし、これらはいずれもダイヤモンド被膜形成後
の、冷却時に発生する熱応力を抑えてダイヤモンド膜の
剥離を防ぐものであり、その密着性はいまだ不十分であ
るとともに、切削工具では高速切削など発熱を伴う用途
には向かない問題点がある。
すなわち、比較的ゆっくりとした速度で切削すれば良
好な結果が得られるものの、高速切削を行なうと刃先の
先端部が著しく昇温し、そのためダイヤモンドが酸化も
しくはグラファイト化し、ダイヤモンド膜が劣化してし
まうのである。
本発明の目的は、高速切削など発熱を伴う用途でもダ
イヤモンド類膜の劣化が効果的に防止され、基材に対す
るダイヤモンド類膜の密着性も十分高い、ダイヤモンド
類被覆切削工具用部材およびダイヤモンド類被覆耐摩耗
部材を提供することにある。
[前記課題を解決するための手段] 本発明のダイヤモンド類被覆切削工具用部材およびダ
イヤモンド類被覆耐摩耗部材は、窒化珪素を主成分とす
る熱伝導率が40W/m・k以上のセラミックス基材の表面
に、ダイヤモンド類膜が形成されてなることを特徴とす
る。
以下、本発明を詳しく説明する。
−基材− 本発明における基材は、主成分として窒化珪素(Si3N
4)を含有する燒結体であって、かつ熱伝導率が40W/m・
k以上のものでなければならない。
本発明ではこの窒化珪素の中でもジルコニア(ZrO2
およびマグネシア(MgO)を燒結助剤としてガス圧燒結
した窒化珪素セラミックスが高い熱伝導率を有するの
で、とくに好ましい。
本発明では上記主成分、燒結助剤以外の成分として前
記熱伝導率が40W/m・k以上を確保する範囲で公知のセ
ラミックスを用いることができる。
たとえば、ジルコニア、ムライト、スピネルなどの酸
化物系セラミックス、および炭化珪素、窒化ホウ素、炭
化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化チタン、炭化チタ
ン、炭化タングステンなどの非酸化物系セラミックス、
ならびに前記セラミックス中に炭化珪素ウイスカー、窒
化珪素ウイスカー、カーボンウイスカーなどを分散した
セラミックスなどが挙げられる。
しかしながら、Si3N4の燒結助剤として広く用いられ
るアルミナ(Al2O3)は、Si3N4と固溶してサイアロン化
し、熱伝導率を低下させるので好ましくない。
本発明では基材の熱伝導率が40W/m・kを下回る場合
は、後述するダイヤモンド膜の熱劣化を効果的に防止す
ることはできない。
したがって、基材の製造に際して前述した各成分をど
のくらい配合したらよいか、またどの成分を選択するか
は、上記熱伝導率と前記主成分の条件を外れない限りに
おいて任意に決定することができる。
−ダイヤモンド類膜− 本発明では、前記基材上にダイヤモンド類膜、すなわ
ちダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素のいずれか一方
の、または両者が混在した被覆膜を形成する。
この被覆膜の形成には公知のダイヤモンド類膜形成法
を採用することができる。なかでも気相法を採用するの
が実用的にも好ましい。
具体的には、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、前記セラミックス基材に反応室内で
接触させることにより、該基材上に前記被覆膜を形成す
る方法が好ましい。
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。
具体的には、前記原料ガスとして、たとえば炭素源ガ
スと水素源ガスとの混合ガスを挙げることができる。
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。
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を使用す
ることができる。
炭化水素化合物としは、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;ブチジエン
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。
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。
含酸素化合物としては、例えばアセトン、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、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、ピナコリン、メチルオキシド、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。
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。
また、前記炭素源ガスとして、単体ではないが消防法
に規定される第4類危険物;ガソリンなどの第1石油
類、ケロシン、テレピン油、しょう脳油、松根油などの
第2石油類、重油などの第3石油類、ギヤー油、シリン
ダー油などの第4石油類などのガスをも使用することが
できる。また前記各種の炭素化合物を混合して使用する
こともできる。
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。
前記水素ガスには、特に制限がなく、たとえば石油類
のガス化、天然ガス、水性ガスなどの変成、水の電解、
鉄と水蒸気との反応、石炭の完全ガス化などにより得ら
れるものを充分に精製したものを用いることができる。
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。
この原子状水素は、ダイヤモンド類の析出と同時に析
出するグラファイトやア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。
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CVD法、DCプラズマCV
D法、有磁場プラズマCVD法、熱フィラメント法、熱CVD
法、光CVD法、燃焼炎法、スパッタリング法などを挙げ
ることができる。
これらの中でも、好ましいのは各種プラズマCVD法で
ある。
上述した各原料ガスと各励起手段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
と水素ガスの混合ガスおよびマイクロ波プラズマ法であ
る。
すなわち、この混合ガスをマイクロ波で励起すると、
励起されたガスは前記基材表面の粒界成分をエッチング
しながらダイヤモンドを析出させるので、そこはダイヤ
モンド類膜と基材とが入り組んだ構造となり、両者間の
熱伝導性を高めるのに効果的であるからである。
前記気相法において、ダイヤモンド類膜を形成する際
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出来ないが、結晶性ダ
イヤモンド膜を被覆する場合には、通常、300〜1200
℃、好ましくは400〜1,100℃である。
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、均質性が失われ
たりする。
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、形成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、 また、ダイヤモンド類膜を形成する際の反応圧力は、
通常、10-6〜103torr,好ましくは10-5〜800torrであ
る。反応圧力が10-6torrより低い場合には、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、103torrより高い場合にはグラファイト
の発生量が多くなる。
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、適宜決定すればよい。
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、特に制限はないが、通常は0.5〜100μm
程度、好ましくは1〜60μmである。
ダイヤモンド類被覆切削工具用部材およびダイヤモンド
類被覆耐摩耗部材 かくして得られるダイヤモンド類被覆切削工具用部材
およびダイヤモンド類被覆耐摩耗部材は、ダイヤモンド
類膜の密着性が優れており、基材から容易に剥離しな
い。
しかも基材の熱伝導率が高いので、高速切削しても基
材を通じて熱が逃散しやすく、そのためダイヤモンド類
膜は、熱劣化が生じにくい。
[実施例] 次に実施例および比較例に基いて本発明をさらに具体
的に説明する。
なお、以下において熱伝導率はレーザーフラッシュ法
により温室で測定した値を用いた。
(実施例1) ZrO2(5重量%)およびMgO(5重量%)を焼結助剤
としてガス圧燒結(1,800℃、80気圧)した窒化珪素セ
ラミックス(熱伝導率45W/m・k)からなるチップ(SPG
N421)を基材として、これをマイクロ波プラズマCVD装
置の反応容器内に設置した。そして基材温度1,000℃、
圧力50torrの条件下に反応室内への原料ガス流量を一酸
化炭素ガス20sccm、水素ガス80sccmに設定し、マイクロ
波出力を300Wに設定し、反応を10時間行なって、前記基
材上に厚み20μmの膜状の堆積物を得た。
この堆積物についてラマン分光分析を行なったとこ
ろ、ラマン散乱スペクトルの1333cm-1付近にダイヤモン
ドに起因するピークがみられ、不純物の殆ど無いダイヤ
モンドであることを確認した。
得られたダイヤモンド被覆チップを用いて下記条件で
切削テストを行なったのちSEMにより刃先の観察を行な
ったところ、該チップには速度400m/minの切削試験後に
おいてダイヤモンド膜の剥離は殆ど見られず、摩耗も殆
どなかった。
さらに、速度800m/min、10時間の高速切削試験におい
ても、同様の結果が得られた。
被削材;Al−8重量%Si合金 切削速度;400m/min、800m/min 送り;0.1mm/rev 切り込み;0.25mm [比較例1] 基材として、Al2O3(3重量%)およびY2O3(3重量
%)を燒結助剤としてガス圧燒結した窒化珪素セラミッ
クス(熱伝導率31W/m・k)からなるチップを用いたこ
と以外は、実施例1と同様にしてダイヤモンド膜の形成
および切削試験を行なった。
速度400m/minの切削試験では刃先に異常は認められな
かったが、速度800m/minの高速切削試験では短時間でダ
イヤモンド膜に熱劣化による摩耗、剥離が生じてしまっ
た。
[発明の効果] 本発明のダイヤモンド類被覆切削工具用部材およびダ
イヤモンド類被覆耐摩耗部材は、熱伝導率と種類を特定
したセラミックス基材にダイヤモンド類膜が被覆されて
いるので、高速切削など発熱を伴う用途でも、ダイヤモ
ンド類膜の劣化を効果的に防止することができる。しか
も基材に対するダイヤモンド類膜の密着性が優れている
から、ピッチングや剥離がおこらないし、摩耗も生じ難
い。したがって切削工具や耐摩耗部材としての寿命を伸
ばすことができる。そして、その基材の製造にはガス圧
燒結法を、またダイヤモンド類膜の形成には気相法を採
用できるので、容易に製造することさえ可能である。
以上により、本発明はバイト、エンドミル、カッタ
ー、ドリル等の切削工具や各種耐摩耗部材の分野に重要
な貢献をするものである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (72)発明者 伊藤 利通 東京都千代田区丸の内3丁目1番1号 出光石油化学株式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−108191(JP,A) 特開 平1−162770(JP,A) 特開 昭57−100989(JP,A)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】窒化珪素を主成分とする熱伝導率が40W/m
    ・K以上のセラミックス基材の表面にダイヤモンド類膜
    が形成されてなることを特徴とするダイヤモンド類被覆
    切削工具用部材。
  2. 【請求項2】窒化珪素を主成分とする熱伝導率が40W/m
    ・K以上のセラミックス基材の表面にダイヤモンド類膜
    が形成されてなることを特徴とするダイヤモンド類被覆
    耐摩耗部材。
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