JP2781041B2

JP2781041B2 - ダイヤモンド類被覆部材

Info

Publication number: JP2781041B2
Application number: JP2005202A
Authority: JP
Inventors: 淳誠吉澤; 聡飯尾; 利通伊藤; 雅也坪川
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 1990-01-11
Filing date: 1990-01-11
Publication date: 1998-07-30
Anticipated expiration: 2013-07-30
Also published as: JPH03208876A

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部材に関し、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に関する。

［従来技術と発明が解決しようとする課題］従来、切削工具、ダイスなど高い硬度や耐摩耗性を要
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。

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。

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。

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形成させ
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。

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。

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形成さ
せると、さらに優れた超硬工具が得られるはずである。

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。

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。

たとえば、特開昭58−126972号公報には、超硬合金の
表面に先ずIV a,V a,VI a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、その後に前記中間層の上にダイヤモンド類
膜を形成してなるダイヤモンド類膜付き超硬合金が記憶
されている。

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形成という段階的な
膜形成方法を採用しているので、製造工程が煩雑にな
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。

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。

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形成してな
るダイヤモンド類膜付き超硬合金が記載されている。

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。

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
ド類膜の形成が困難になり、密着性も低下し、十分な耐
久性が得られない。

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と
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。

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形成しや
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。

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
Si₃N₄やこれを主要成分とする窒化ケイ素系セラミック
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Si₃N₄燒結体や窒化ケイ素系
セラミックスである。なお、窒化ケイ素は、燒結条件に
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60−5908
6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−
107067号公報、同63−20478号公報、同63−20497号公
報、同63−33570号公報、同63−306805号公報など）。

しかしながら、これら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（たとえば、切削工具
として用いた際に切削寿命が短い）。

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。

本発明の目的は、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、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。

［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
イヤモンド類膜との密着性の向上を図るための基材の選
定指針について鋭意研究を重ねた。

その結果、窒化ケイ素系の燒結体は、従来のものでは、ダイヤモ
ンド類膜との密着性は十分ではないものの、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被覆を形
成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、また、従来のものを含め種々の窒化ケイ素系の基材に
ついて検討してみると、これらは、添加物の種類や組成
（添加物の割合および燒結条件等によって生成する化合
物もしくは組成物の有無）によって熱膨張係数だけでな
く諸々の物性が変化すること、熱膨張係数が同じ基材でも、組成等によってダイヤモ
ンド類膜の密着性が異なり、切削工具として用いた際に
切削寿命に大きな差があること、などの基材の設計に際し、重要な基本的知見を得るに至
った。

本発明者らは、主としてこれらの知見に基いて、ダイ
ヤモンド類膜の密着性に優れた基材を設計すべく、研究
を進めた結果、基材として用いる窒化ケイ素系セラミッ
クス（燒結体）の組成を調節することにより、熱膨張係
数をダイヤモンドのそれに近い値に制御すると同時に、
基材とダイヤモンド類膜との熱膨張係数の差に基く密着
性の低下以外の外の要因による密着性の低下を制御する
ことができるならば、ダイヤモンド類膜と基材面との密
着性をさらに向上させることができ、切削寿命等の工具
寿命を大幅に改善することができるという着想を得た。

そこで、本発明者らは、この着想に基いて種々の検討
を行なった結果、Ti成分およびZr成分をそれぞれ特定の
割合で含有し、しかもそれらの成分の少なくとも一部が
窒化物固溶体となっている窒化ケイ素系セラミックス
（燒結体）を基材として用い、その表面にダイヤモンド
類膜を形成させることにより密着性に優れたダイヤモン
ド類被覆部材を容易に得ることができ、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として有利に利用するこ
とができることなどを見出し、これらの知見に基づいて
本発明を完成するに至った。

すなわち、前記課題を解決するための本発明は、Ti成
分をTiN換算で0.5〜30重量％の割合で含有するとともに
Zr成分をZrO₂換算で１〜15重量％の割合で含有し、前記
Ti成分および前記Zr成分の少なくとも一部が固溶して窒
化物として分散している窒化ケイ素系セラミックス表面
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である。

以下、本発明について詳細に説明する。

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は、窒化ケイ素類を主成分とする窒
化ケイ素質の燒結体であって、少なくともTi成分および
Zr成分を含有する。そして、前記Ti成分の少なくとも一
部および前記Zr成分の少なくとも一部が固溶してTiとZr
との複合窒化物（以下、これをTiN−ZrN固溶体またはZr
N−TiN固溶体と称すことがある。）の粒子として前記燒
結体中に分散している。

ここで、窒化ケイ素系セラミックス中におけるTi成分
の含有量は、TiN換算で0.5〜30重量％であり、好ましく
は１〜20重量％であり、より好ましくは１〜８重量％で
あり、Zr成分の含有量は、ZrO₂換算で１〜15重量％であ
り、好ましくは２〜10重量％であり、より好ましくは２
〜８重量％である。

Ti成分がTiN換算で0.5重量％未満であると、Tiおよび
Zrの窒化物の生成が不十分になり、十分なダイヤモンド
類膜と基材との密着性が得られない。一方、TI成分の含
有量があまり大きくなると基材の熱膨張係数が大きくな
り、その結果ダイヤモンド類膜と基材との熱膨張係数の
差が大きくなって、TiN換算で30重量％を超えるとダイ
ヤモンド類膜と基材との密着性が低下し、本発明の目的
を十分に達成することができない。

また、ZrがZrO₂換算で１重量％未満であると、Tiおよ
びZrの窒化物の生成が不十分になり、ダイヤモンド類膜
の基材との密着性が不十分になったり、窒化ケイ素類の
燒結助剤としても作用するZr成分（たとえば、ZrO₂）の
有効量が低下し、基材の緻密性が不十分になり、本発明
の目的を十分に達成することができない。また、ZrがZr
O₂換算で15重量％を越えると、粒界相が過剰になり、基
材の耐熱性や機械的特性が低下する。

なお、前記Ti成分のうちの前記TiN−ZrN固溶体以外の
Ti成分の構造としては、特に制限はなく、前記燒結体中
に、たとえば、酸化物、炭化物、窒化物などとして、あ
るいはこれらの複合化合物や組成物として、あるいはこ
れらの混合物として存在していてもよいが、通常は燒結
体中のTi成分の全部あるいはほとんどがTiNになってTiN
−ZrN固溶体を形成していることが好ましい。

また、前記Zr成分のうちの前記TiN−ZrN固溶体以外の
Zr成分の構造としては、特に制限はなく、前記燒結体中
に、たとえば、酸化物、炭化物、窒化物として、あるい
はこれらの複合化合物や組成物として、あるいはこれら
の混合物として存在していてもよいが、少なくともその
一部は、前記燒結体を十分に緻密化するに十分な量のZr
O₂成分（燒結助剤）として含有されていることが望まし
い。

前記TiN−ZrN固溶体中のTiとZrの割合は、種々の値を
取ることができる。この固溶体の結晶格子間隔は固溶体
であることから一様に定めることができないが、TiNとZ
rNとはいずれもNaCl型の結晶構造をしており、TiとZrと
の割合が変化することに対応して、この固溶体の結晶格
子間隔もTiNの格子間隔とZrNの格子間隔との中間におい
て変化する。

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（以下、これを窒化ケイ素質燒結体ま
たは燒結体と称すことがある。）には所望に応じて、本
発明の目的に支障のない範囲内で前記Ti成分、Zr成分お
よび窒化ケイ素類以外の他の成分を含有していてもよ
い。

この他の成分としては、特に制限はなく、目的に応じ
て公知の窒化ケイ素系基材の添加成分として常用される
ものなど各種のものが使用可能である。具体的には、た
とえば、Al₂O₃、MgO、SiO₂などの酸化物、CrNなどの窒
化物、SiC、AlCxなどの炭化物、Mg₂SiO₄などのケイ酸塩
など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。これらの中でもMg₂SiO₄や極く微量のAl₂
O₃などが好ましい成分として挙げることができる。

ただし、本発明において、前記基材として使用する窒
化ケイ素系セラミックス（窒化ケイ素質燒結体）中に
は、ZrOxNyCzで表される結晶粒子を含まないことが好ま
しい。一般的に、窒化ケイ素質燒結体にZr成分が含まれ
る場合、ZrOxNyCzで表される結晶相が燒結体中に生成す
ることがあるが、その場合、ダイヤモンド類膜の形成の
際にZyOxNyCzが揮発したり、酸化による体積膨張を起こ
し、ダイヤモンド類膜と基材との密着性を低下させるこ
とがある。しかし、本発明において基材として使用する
前記窒化ケイ素系セラミックス（窒化ケイ素質燒結体）
においては、TiN−ZrN固溶体を形成することによりZrOx
NyCzの生成が抑制されるので、それによるダイヤモンド
類膜の密着性の低下は、事実上問題にならないし、特
に、ZrOxNyCzの生成を完全に抑制することにより、より
一層の密着性の向上を実現することができる。

なお、前記TiN−ZrN固溶体中の窒素原子の一部が酸素
原子と置換して、酸窒化物になっている場合にも全く同
様の効果を得ることができる。

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の製造方法としては、特に制限はな
く、前記所定の組成の窒化ケイ素系セラミックス（窒化
ケイ素質燒結体）を与える方法であれば、従来のダイヤ
モンド類被覆部材の基材として用いられる公知の窒化ケ
イ素質燒結体等燒結体の製造方法などのどのような製造
方法を用いてもよい。この製造方法として、通常は、出
発原料として、適当なTi化合物好ましくはTiN、適当なZ
r化合物好ましくはZrO₂および適当な窒化ケイ素化合物
好ましくはSi₃N₄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、Mg₂SiO₄を与えるMgCO₃やAl₂O
₃）とを用い、これらの混合物を、たとえば圧縮成形等
の適当な成形法により所望の形状になるように成形し、
これを適当な燒結条件下で燒結し、前記所定の組成の窒
化ケイ素質燒結体になす方法を好適に採用することがで
きる。

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
ことが可能であるが、平均粒径が、通常、0.05〜4.0μ
ｍ、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。

燒結条件としては、十分に緻密な燒結体が得られ、か
つTi成分およびZr成分の少なくとも一部がTiN−ZrN固溶
体になって燒結中に分散するように行うものであれば特
に制限はないが、一般的には以下に示す条件が好適に利
用される。

すなわち、燒結温度としては、通常、1,500〜2,000
℃、好ましくは、1,600〜1,900℃程度の範囲内にするの
が適当である。

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。

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、ガス圧燒結などいずれの方法も採用
できる。

以上のようにして前記基材に用いる所定の窒化ケイ素
質燒結体を得ることができる。

この燒結体は、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、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。

なお、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Ti
N、ZrO₂、Si₃N₄、Al₂O₃およびMgCO₃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成形したの
ち、前記した適当な条件で燒結して得られる窒化ケイ素
質燒結体（特に、Ｘ線回折によりβ−Si₃N₄、Mg₂SiO₄、
ZrO₂、TiN−ZrN固溶体の回折ピークを与える燒結体）な
どを挙げることができる。

この場合、出発原料として用いる、Mg成分の割合を、
MgO換算で通常、１〜10重量％程度の範囲内とし、Al₂O₃
の割合を、通常、0.1〜2.0重量％程度の範囲内とするの
が好ましい。

以上のようにして、本発明のダイヤモンド類被覆部材
の基材として使用する前記窒化ケイ素系セラミックス
（窒化ケイ素質燒結体）を好適に得ることができる。

本発明のダイヤモンド類被覆部材は、前記燒結体（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形成してなるものである。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。

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）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、２〜30μｍ程度にするのが適当である。

このダイヤモンド類膜があまり薄いと、基材（燒結
体）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（燒結体）からダイヤモンド類膜が剥離することが
ある。

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形成方法としては、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、以下に示す方法を好適に使用するこ
とができる。

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部材に接触させる気相法ダイヤモ
ンド合成法が好ましい。

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。

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、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。

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。

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、ベンゾフェノン、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。

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。

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、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（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、クラスターのイオンビーム法、イオンプレーティン
グ法などを挙げることができる。

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。

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CV
D法（有磁場CVD法を含む）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できないが、通常、30
0〜1,200℃、好ましくは500〜1,100℃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、析出物の結晶性が失われることが
ある。

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、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、適宜に決定すればよい。

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、ダイヤモンド類膜を形成してなる被覆部
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0.5〜500μｍ、より好ま
しくは１〜100μｍである。

上記のようにして、炭素源ガスからダイヤモンド類膜
をたとえば気相合成法によって形成することができる。

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
である燒結体との密着性が著しく優れており、たとえ
ば、超硬工具や切削工具など硬度や耐摩耗性を要求され
る各種工具類等の基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
削寿命を大幅に向上させることができる。

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、掘削機械、ボンディング
ツールのヘッド等の超硬工具や耐摩耗性部材等の高い硬
度や耐摩耗性を要求される種々の工具類、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。

本発明のダイヤモンド類被覆部材は、ダイヤモンド類
膜を形成させる基材として特定の窒化ケイ素系セラミッ
クス（窒化ケイ素質燒結体）を用いているので、従来の
ものと比較して、ダイヤモンド類膜と基材との密着性が
著しく向上しており、たとえば、切削工具として利用し
た時に切削寿命を大幅に向上させることができるなど、
各種の超硬工具や耐摩耗性工具等として実用に供した際
に、その性能、特に耐久性を著しく改善することができ
る。

このように、本発明のダイヤモンド類被覆部材が、ダ
イヤモンド類膜と基材との密着性に優れており、高い性
能および優れた耐久性を発揮する理由は、現時点では必
ずしも明確ではないが、その理由として、たとえば次の
ような点が考えられる。

本発明において基材として使用する窒化ケイ素系セ
ラミックスは、少なくとも特定の割合のTiおよびZr成分
（少なくともこの一部はTiN−ZrN固溶体を形成してい
る）を特定の割合で含有している特定の組成の窒化ケイ
素質燒結体であるので、その熱膨張係数がダイヤモンド
類膜のそれと近く、ダイヤモンド類膜の形成後、冷却時
に発生する熱応力が十分に小さく、この点も高い密着性
を発揮する要因になっていると考えられる。

しかし、この点だけでは、本発明のダイヤモンド類被
覆部材が、従来のものより優れたダイヤモンド類膜の密
着性を有しており、切削寿命が大幅に改善されているこ
との説明が完全につかない。

なぜなら、従来の熱膨張係数を制御した基材を用いて
も本発明のダイヤモンド類被覆部材ほどの膜密着性や耐
久性が得られないし、また、前記したように従来の多く
の基材を調べてみると、基材の熱膨張係数がほとんど同
じ場合でも、切削寿命等の耐久性が大幅に異なることが
あるからである。

したがって、本発明のダイヤモンド類被覆部材が、膜
密着性、耐久性に優れている理由としては、上記のほか
に、次の点が考えられる。

本発明のダイヤモンド類被覆部材の基材として使用
する燒結体においては、Ti成分とZr成分の少なくとも一
部が固溶して、それらの窒化物（TiN−ZrN固溶体）の粒
子として分散しているが、これらの分散粒子が何らかの
形で基材上におけるダイヤモンド類の核生成等に寄与
し、その結果、基材と膜との連続性の良い、密着性に優
れたダイヤモンド類膜が形成されるものと考えられる。

前記したように、一般的に、窒化ケイ素質燒結体に
Zr成分が含まれる場合、ZrOxNyCzで表される結晶相が燒
結体中に生成することがあるが、その場合、ダイヤモン
ド類膜の形成の際にZrOxNyCzが揮発したり、酸化による
体積膨張を起こし、ダイヤモンド類膜と基材との密着性
を低下させることがある。しかし、本発明において基材
として使用する前記窒化ケイ素系セラミックス（窒化ケ
イ素質燒結体）においては、TiN−ZrN固溶体を形成する
ことによりZrOxNyCzの生成が抑制されるので、それによ
るダイヤモンド類膜の密着性の低下は、事実上問題にな
らないし、特に、ZrOxNyCzの生成を完全に抑制すること
により、より一層の密着性の向上を実現することができ
たものと考えられる。

［実施例］（実施例１〜５および比較例１〜４） Si₃N₄粉末、ZrO₂粉末、MgCO₃粉末、Al₂O₃粉末およびT
iN粉末を第１表に示す割合で湿式混合し、乾燥、成形
後、ガス圧燒結法により1,750℃、75気圧（絶対圧）の
窒素雰囲気中で２時間焼成することにより各種の窒化ケ
イ素質セラミックスからなる燒結体チップ（形状:SPGN
421）を作製した。得られたそれぞれの燒結体の種々の
特性を第１表に示す。

これらの燒結体チップ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、前記それぞれの基材上に厚み約10μｍの堆
積物を形成させた。

なお、TiN未添加の基材に対しては、さらに基材温度9
00℃、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7sccm、水素ガス93sccmに設定し、
マイクロ波（周波数2.45GHz）の出力を350Wに設定し
て、反応を10時間行って、それぞれの基材上に厚み約10
μｍの堆積物を形成させた。

これらの堆積物についてラマン分光分析を行ったとこ
ろ、いずれも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。

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。

被削材 :A1−８重量％ケイ素合金切削速度: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結果を第１表に示した。

第１表から、TiNを含まない燒結体を基材として使用
した場合（試料No.6および７が該当）に比べて、TiNを
特定の割合（0.5〜30重量％の範囲内）で添加すること
によりTiとZrの窒化物粒子が固溶体を形成して分散して
いる燒結体を基材として用いた場合（試料No.1〜５が該
当）には、いずれの場合も切削距離が長くなっているこ
とがわかる。また、試料No.8のようにTiNの添加量が30
重量％を超える燒結体を基材として用いた場合には、切
削性能が急激に劣化した。

これは、TiNの添加量が多くなるにつれ基材の熱膨張
率が増加し、TiNの割合が40重量％を超えると基材とダ
イヤモンド膜の熱膨張の差が無視できなくなり、残留応
力により膜の剥離が生じ易くなったためと考えられる。

一方、TiNを添加しなかった燒結体（試料No.6および
７が該当）中には、ZrOxNyCzが存在していることを確認
した。

なお、ZrO₂を添加しなかった燒結体（試料No.9が該
当）は、緻密化しなかったため、これを基材として用い
た場合、切削テスト途中でチッピングを生じた。

［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、特定の成分を特定の割合で含有してなる特定組成
を有する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 (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 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C04B 41/87 C30B 29/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Ti成分をTiN換算で0.5〜30重量％の割合で
含有するとともにZr成分をZrO₂換算で１〜15重量％の割
合で含有し、前記Ti成分および前記Zr成分の少なくとも
一部が固溶して窒化物として分散している窒化ケイ素系
セラミックス表面に、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。