JP2990218B2 - ダイヤモンドコーティング部材作製方法 - Google Patents
ダイヤモンドコーティング部材作製方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は工業製品の摩耗の激しい
部分にダイヤモンド膜をコーティングする方法に関す
る。
部分にダイヤモンド膜をコーティングする方法に関す
る。
【０００２】本発明は、前記工業製品の寿命を延ばすこ
とに関する。
とに関する。
【０００３】
【従来の技術】従来、例えば、切削工具および耐摩耗工
具のような超硬工具および摩耗部品などを製造するに当
たって、基体表面にダイヤモンド、炭化チタン、窒化チ
タン、炭窒化チタン、炭酸化チタン、酸化アルミニウム
等の硬質被膜を形成することによって工具等の寿命を延
ばすことが行われてきた。
具のような超硬工具および摩耗部品などを製造するに当
たって、基体表面にダイヤモンド、炭化チタン、窒化チ
タン、炭窒化チタン、炭酸化チタン、酸化アルミニウム
等の硬質被膜を形成することによって工具等の寿命を延
ばすことが行われてきた。
【０００４】特にダイヤモンドは非鉄金属やセラミック
スに対してはかなり効果があると言われている。
スに対してはかなり効果があると言われている。
【０００５】前記ダイヤモンド膜を被膜する方法として
は熱ＣＶＤ（化学的気相成長）法が最もよく利用されて
いる。該方法とは、例えば図１に示すように石英反応管
１に反応性ガスを導入口２より流入し金属タングステン
（またはタンタル）製フィラメント３に電流を流し該フ
ィラメントを1500℃〜3000℃に加熱し熱電子を放出させ
ることによって基体４を 400℃〜1300℃に加熱する。化
学反応により基体上にダイヤモンドを合成する方法であ
る。この時、反応容器内の圧力は 1〜350Torrに維持さ
れている。それゆえ、熱ＣＶＤ法は安価で手軽に行うこ
とができる方法である。
は熱ＣＶＤ（化学的気相成長）法が最もよく利用されて
いる。該方法とは、例えば図１に示すように石英反応管
１に反応性ガスを導入口２より流入し金属タングステン
（またはタンタル）製フィラメント３に電流を流し該フ
ィラメントを1500℃〜3000℃に加熱し熱電子を放出させ
ることによって基体４を 400℃〜1300℃に加熱する。化
学反応により基体上にダイヤモンドを合成する方法であ
る。この時、反応容器内の圧力は 1〜350Torrに維持さ
れている。それゆえ、熱ＣＶＤ法は安価で手軽に行うこ
とができる方法である。
【０００６】他のダイヤモンド膜合成方法として、マイ
クロ波プラズマＣＶＤ法がある。該方法とは、例えば図
２に示すようにマイクロ波導波管６の一部に石英反応管
１を挿入し該石英反応管の上部から、反応ガスを導入
し、下部から真空排気を行う。マイクロ波の発振周波数
は2.45ＧＨｚが最もよく用いられている。反応容器の圧
力は10〜200Torr に保たれている。この反応ガスに対し
て、マイクロ波電力を印加し、ガスを活性化し、基板上
にダイヤモンド膜を形成するものである。
クロ波プラズマＣＶＤ法がある。該方法とは、例えば図
２に示すようにマイクロ波導波管６の一部に石英反応管
１を挿入し該石英反応管の上部から、反応ガスを導入
し、下部から真空排気を行う。マイクロ波の発振周波数
は2.45ＧＨｚが最もよく用いられている。反応容器の圧
力は10〜200Torr に保たれている。この反応ガスに対し
て、マイクロ波電力を印加し、ガスを活性化し、基板上
にダイヤモンド膜を形成するものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上記のような方法で摩
耗部品にダイヤモンド膜を合成するとき、基体とダイヤ
モンド膜との密着強度が大きな問題となるが、現在のと
ころ充分な密着強度は得られていない。そのため、ダイ
ヤモンド膜がはがれ、充分な耐摩耗効果が得られていな
い。また、基体の種類よる熱膨張係数の違いも剥離の原
因の一つと考えられている。
耗部品にダイヤモンド膜を合成するとき、基体とダイヤ
モンド膜との密着強度が大きな問題となるが、現在のと
ころ充分な密着強度は得られていない。そのため、ダイ
ヤモンド膜がはがれ、充分な耐摩耗効果が得られていな
い。また、基体の種類よる熱膨張係数の違いも剥離の原
因の一つと考えられている。
【０００８】さらに、従来の熱ＣＶＤ法、マイクロ波プ
ラズマＣＶＤ法ではダイヤモンド膜を合成できる面積が
φ２cm程度と非常に小さいうえに、ダイヤモンド膜の膜
質が場所によりかなり違っているため、かなりのコスト
高にならざるを得ないという問題があった。
ラズマＣＶＤ法ではダイヤモンド膜を合成できる面積が
φ２cm程度と非常に小さいうえに、ダイヤモンド膜の膜
質が場所によりかなり違っているため、かなりのコスト
高にならざるを得ないという問題があった。
【０００９】
【問題を解決するための手段】被膜材の種類による熱膨
張係数の違いを問題としないためには、該被膜材を高温
にしなければよい。すなわち、低温成膜をおこなうこと
ができればよい。現在、有磁場マイクロ波ＣＶＤ装置を
用いれば 300℃以下でのダイヤモンド膜合成は可能であ
る。これは、該有磁場マイクロ波ＣＶＤ装置では原料ガ
スの活性化の割合が高いからである。このとき、被膜材
はマイクロ波の加熱により 500℃位まで上昇するので、
被膜材のホルダーには冷却機構を取りつけておく。しか
し、低温成膜を行うと成膜速度が極端に減少する。例え
ば、 400℃でダイヤモンド膜を合成したときの成膜速度
は 800℃で成膜したときの成膜速度のおよそ1/5 以下と
なる。そのため、低温化は実用的ではない。
張係数の違いを問題としないためには、該被膜材を高温
にしなければよい。すなわち、低温成膜をおこなうこと
ができればよい。現在、有磁場マイクロ波ＣＶＤ装置を
用いれば 300℃以下でのダイヤモンド膜合成は可能であ
る。これは、該有磁場マイクロ波ＣＶＤ装置では原料ガ
スの活性化の割合が高いからである。このとき、被膜材
はマイクロ波の加熱により 500℃位まで上昇するので、
被膜材のホルダーには冷却機構を取りつけておく。しか
し、低温成膜を行うと成膜速度が極端に減少する。例え
ば、 400℃でダイヤモンド膜を合成したときの成膜速度
は 800℃で成膜したときの成膜速度のおよそ1/5 以下と
なる。そのため、低温化は実用的ではない。
【００１０】そこで、熱膨張率の違いによる剥離を防ぐ
ためには、熱膨張率の違いが密着強度に影響を与えない
ほどに強く被膜材とダイヤモンド膜が密着していればよ
い。その方法として、被膜材の前処理を採用することに
した。
ためには、熱膨張率の違いが密着強度に影響を与えない
ほどに強く被膜材とダイヤモンド膜が密着していればよ
い。その方法として、被膜材の前処理を採用することに
した。
【００１１】被膜材がＣｏ（コバルト）含有のＷＣであ
れば、該被膜材上にダイヤモンド膜を合成する前に、酸
による前記被膜材の表面処理、すなわち、脱Ｃｏ処理を
施せば、ダイヤモンド膜と被膜材の密着強度が上がる。
脱Ｃｏ処理は60〜 100分間、被膜材を酸水溶液中に入れ
超音波洗浄器にかけるだけでよく、非常に簡単な前処理
で十分である。Ｃｏは炭素を吸収しグラファイトを生成
するのでＣｏを表面より除去し、さらに被膜材表面を活
性化する効果が酸にはある。ここで、使用する酸はＨ
Ｆ、ＨCl、ＨNO3 などが使用可能である。
れば、該被膜材上にダイヤモンド膜を合成する前に、酸
による前記被膜材の表面処理、すなわち、脱Ｃｏ処理を
施せば、ダイヤモンド膜と被膜材の密着強度が上がる。
脱Ｃｏ処理は60〜 100分間、被膜材を酸水溶液中に入れ
超音波洗浄器にかけるだけでよく、非常に簡単な前処理
で十分である。Ｃｏは炭素を吸収しグラファイトを生成
するのでＣｏを表面より除去し、さらに被膜材表面を活
性化する効果が酸にはある。ここで、使用する酸はＨ
Ｆ、ＨCl、ＨNO3 などが使用可能である。
【００１２】被膜材とダイヤモンド膜の密着強度を上げ
るためには、有磁場マイクロ波ＣＶＤ装置を用いたと
き、原料ガスとしてはCH3OH 、ＣＨ4 、ＣＯなどが用い
られるが、原料ガスをCH3OH として、反応圧力が0.5Tor
r （好ましくは0.5Torr 以上）において、最も高い密着
力が得られた。ダイヤモンド針をダイヤモンド膜表面に
接触させて該ダイヤモンド針に荷重を加えダイヤモンド
膜が剥離した荷重で密着力を評価した。この方法を垂直
荷重試験法と呼ぶことにする。
るためには、有磁場マイクロ波ＣＶＤ装置を用いたと
き、原料ガスとしてはCH3OH 、ＣＨ4 、ＣＯなどが用い
られるが、原料ガスをCH3OH として、反応圧力が0.5Tor
r （好ましくは0.5Torr 以上）において、最も高い密着
力が得られた。ダイヤモンド針をダイヤモンド膜表面に
接触させて該ダイヤモンド針に荷重を加えダイヤモンド
膜が剥離した荷重で密着力を評価した。この方法を垂直
荷重試験法と呼ぶことにする。
【００１３】コスト高になるという問題は有磁場マイク
ロ波ＣＶＤ装置を使うことによって解決できる。ここで
いう有磁場マイクロ波ＣＶＤ装置とは例えば、図３に示
してあるようなものである。該装置を使えば、成膜可能
な面積がφ10cm以上となり従来の熱ＣＶＤ法、マイクロ
波ＣＶＤ法の20倍以上の成膜面積となる。このことよ
り、コスト高は抑えられるようになる。
ロ波ＣＶＤ装置を使うことによって解決できる。ここで
いう有磁場マイクロ波ＣＶＤ装置とは例えば、図３に示
してあるようなものである。該装置を使えば、成膜可能
な面積がφ10cm以上となり従来の熱ＣＶＤ法、マイクロ
波ＣＶＤ法の20倍以上の成膜面積となる。このことよ
り、コスト高は抑えられるようになる。
【００１４】有磁場マイクロ波装置を用いるとダイヤモ
ンド膜を大面積に合成できるようになる理由として、Ｍ
ＣＲ（Ｍｉｘｅｄ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａ
ｎｃｅ）が効果があることがわかっている。従来、マイ
クロ波と磁場を同時に用いる場合、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔ
ｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を
用いたＣＶＤ装置がよく用いられているが、ＥＣＲは電
子がサイクロトロン運動を行うのに十分な平均自由行程
が必要である。そのため通常ＥＣＲは減圧下（およそ0.
01Torr以下）においてみられる現象である。それに反し
て、ＭＣＲはＥＣＲよりも高い圧力下（0.01Torr以上）
においてみられる現象である。この現象を、電子とイオ
ンがお互いに衝突しあいながらエネルギーを伝達するこ
とによって、サイクロトロン運動が引き起こす作用と同
じような現象が生じる原因となっている、と理解するこ
とができる。
ンド膜を大面積に合成できるようになる理由として、Ｍ
ＣＲ（Ｍｉｘｅｄ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａ
ｎｃｅ）が効果があることがわかっている。従来、マイ
クロ波と磁場を同時に用いる場合、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔ
ｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を
用いたＣＶＤ装置がよく用いられているが、ＥＣＲは電
子がサイクロトロン運動を行うのに十分な平均自由行程
が必要である。そのため通常ＥＣＲは減圧下（およそ0.
01Torr以下）においてみられる現象である。それに反し
て、ＭＣＲはＥＣＲよりも高い圧力下（0.01Torr以上）
においてみられる現象である。この現象を、電子とイオ
ンがお互いに衝突しあいながらエネルギーを伝達するこ
とによって、サイクロトロン運動が引き起こす作用と同
じような現象が生じる原因となっている、と理解するこ
とができる。
【００１５】
【実施例】このダイヤモンド膜成膜では、被膜材として
ＷＣ（Ｃｏを５％含有する）製の切削工具の先端部であ
るところのスローアウェイチップを用いた。 「実施例１」この実施例では、まず、該被膜材を Ｈ
Ｆ：H2Ｏ＝１：10 の比で混合したフッ酸水溶液中で60
分間脱Ｃｏ処理を施した。好ましくは 100分くらいがよ
い。その後、該被膜材を十分に純粋で洗浄する。
ＷＣ（Ｃｏを５％含有する）製の切削工具の先端部であ
るところのスローアウェイチップを用いた。 「実施例１」この実施例では、まず、該被膜材を Ｈ
Ｆ：H2Ｏ＝１：10 の比で混合したフッ酸水溶液中で60
分間脱Ｃｏ処理を施した。好ましくは 100分くらいがよ
い。その後、該被膜材を十分に純粋で洗浄する。
【００１６】ダイヤモンド膜合成で使用した有磁場マイ
クロ波ＣＶＤ装置を図３に示す。反応ガスはCH3OH 50c
cm Ｈ2 100ccm 、反応圧力 0.5Torr、基板温度 800
℃、処理時間 4hr、マイクロ波（ 2.45GHz）４ｋＷ、磁
場強度 875gauss以上。比較のため反応圧力を0.3Torr
にして成膜もおこなった。
クロ波ＣＶＤ装置を図３に示す。反応ガスはCH3OH 50c
cm Ｈ2 100ccm 、反応圧力 0.5Torr、基板温度 800
℃、処理時間 4hr、マイクロ波（ 2.45GHz）４ｋＷ、磁
場強度 875gauss以上。比較のため反応圧力を0.3Torr
にして成膜もおこなった。
【００１７】ダイヤモンド膜を成膜したスローアウェイ
チップの表面ＳＥＭ（走査電子顕微鏡）写真を図４に示
す。該ダイヤモンド膜は多結晶質であり、１〜２μｍの
単結晶ダイヤモンドが膜を形成していることがわかる。
チップの表面ＳＥＭ（走査電子顕微鏡）写真を図４に示
す。該ダイヤモンド膜は多結晶質であり、１〜２μｍの
単結晶ダイヤモンドが膜を形成していることがわかる。
【００１８】該スローアウェイチップの密着力を垂直荷
重試験法で評価した結果、前処理を施したのちに、従来
のマイクロ波ＣＶＤ法で成膜したスローアウェイチップ
の５倍以上の密着強度が得られた。また、熱フィラメン
ト法で成膜したスローアウェイチップの３倍以上の密着
強度が得られた。
重試験法で評価した結果、前処理を施したのちに、従来
のマイクロ波ＣＶＤ法で成膜したスローアウェイチップ
の５倍以上の密着強度が得られた。また、熱フィラメン
ト法で成膜したスローアウェイチップの３倍以上の密着
強度が得られた。
【００１９】反応圧力を変化させたときの密着強度を比
較したグラフを図５に示す。0.3Torr における成膜より
0.5Torr における成膜のほうが、明らかに密着強度が高
いことが分かる。0.5Torr 以上であれば、さらに高い密
着強度が得られることも分かる。
較したグラフを図５に示す。0.3Torr における成膜より
0.5Torr における成膜のほうが、明らかに密着強度が高
いことが分かる。0.5Torr 以上であれば、さらに高い密
着強度が得られることも分かる。
【００２０】「実施例２」この実施例では、スローアウ
ェイチップを14％ＨNO3 水溶液中で60分間脱Ｃｏ処理を
施した。その後、純水で十分に洗浄した。
ェイチップを14％ＨNO3 水溶液中で60分間脱Ｃｏ処理を
施した。その後、純水で十分に洗浄した。
【００２１】有磁場マイクロ波ＣＶＤ装置を用いてＨNO
3 水溶液中で処理した前記被膜材上に実施例１と同じ条
件でダイヤモンド膜を合成する。
3 水溶液中で処理した前記被膜材上に実施例１と同じ条
件でダイヤモンド膜を合成する。
【００２２】該ダイヤモンド被膜材を用いてアルミニウ
を切削した切削距離と被膜材の摩耗した厚さの関係を図
６に示す。該ダイヤモンド被膜材を用いた場合（イ）と
従来の切削工具を用いた場合（ロ）では明らかに摩耗し
た厚さに違いが生じている。すなわち、ダイヤモンド被
膜材を用いたほうがはるかに工具の寿命を延ばすことが
できる。本切削では旋盤を用い、スピード 1000m/min、
カット深さ 0.25mm 、送り速さ 0.1mm/rev で切削テス
ト行った。
を切削した切削距離と被膜材の摩耗した厚さの関係を図
６に示す。該ダイヤモンド被膜材を用いた場合（イ）と
従来の切削工具を用いた場合（ロ）では明らかに摩耗し
た厚さに違いが生じている。すなわち、ダイヤモンド被
膜材を用いたほうがはるかに工具の寿命を延ばすことが
できる。本切削では旋盤を用い、スピード 1000m/min、
カット深さ 0.25mm 、送り速さ 0.1mm/rev で切削テス
ト行った。
【００２３】「実施例３」この実施例では、４個のスロ
ーアウェイチップを用意し、それぞれを14％ＨCl水溶液
中で10分間、30分間、90分間、 120分間脱Ｃｏ処理を施
し、その後、純水によって十分に洗浄した。
ーアウェイチップを用意し、それぞれを14％ＨCl水溶液
中で10分間、30分間、90分間、 120分間脱Ｃｏ処理を施
し、その後、純水によって十分に洗浄した。
【００２４】有磁場マイクロ波ＣＶＤ装置を用いて実施
例１および実施例２と同じ条件でダイヤモンド膜を上記
前処理を施した被膜材上に合成する。
例１および実施例２と同じ条件でダイヤモンド膜を上記
前処理を施した被膜材上に合成する。
【００２５】該ダイヤモンド被膜材を用いてアルミニウ
を切削した切削可能時間と、ＨCl水溶液による前処理の
時間との関係を図７に示す。前処理を90分以上行っても
切削可能時間は飽和してくるので、長時間の前処理は無
意味である。すなわち、前処理時間には最適時間が存在
していることがわかる。
を切削した切削可能時間と、ＨCl水溶液による前処理の
時間との関係を図７に示す。前処理を90分以上行っても
切削可能時間は飽和してくるので、長時間の前処理は無
意味である。すなわち、前処理時間には最適時間が存在
していることがわかる。
【００２６】
【発明の効果】以上のように、この発明によれば、従来
は充分な密着強度が得られなかったダイヤモンド膜を、
十分な密着強度をもって安価で得ることができる。
は充分な密着強度が得られなかったダイヤモンド膜を、
十分な密着強度をもって安価で得ることができる。
【図１】熱フィラメントＣＶＤ装置の概略図である。
【図２】マイクロ波ＣＶＤ装置の概略図である。
【図３】有磁場マイクロ波ＣＶＤ装置の概略図である。
【図４】ダイヤモンド膜の結晶構造を示す写真である。
【図５】反応圧力と垂直荷重の関係図である。
【図６】切削距離と被膜材の摩耗した厚さの関係図であ
る。
る。
【図７】切削可能時間と前処理の時間との関係図であ
る。
る。
１ 石英反応管 ２ 反応ガス導入口 ３ フィラメント ４ 基体 ５ 排気 ６ マイクロ波導波管 ７ 磁場コイル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−201475（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−199870（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−100182（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−53269（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−17867（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−243275（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−186641（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−166729（ＪＰ，Ａ)
Claims (2)
- 【請求項１】摩耗を起こしやすい部分にダイヤモンド膜
を合成する方法において、該ダイヤモンド膜の成膜する
部分を酸水溶液中での超音波処理によって、コバルトを
除去したのち、有磁場マイクロ波プラズマＣＶＤ法によ
って上記ダイヤモンド膜を得ることを特徴とするダイヤ
モンドコーティング部材作製方法。 - 【請求項２】請求項１記載の有磁場マイクロ波プラズマ
ＣＶＤ法でダイヤモンド膜を合成する際に、反応ガスと
してＣＨ３ＯＨを使用し、反応圧力を０．５Ｔｏｒｒ以
上にすることを特徴とするダイヤモンドコーティング部
材作製方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3087782A JP2990218B2 (ja) | 1991-03-26 | 1991-03-26 | ダイヤモンドコーティング部材作製方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3087782A JP2990218B2 (ja) | 1991-03-26 | 1991-03-26 | ダイヤモンドコーティング部材作製方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05311443A JPH05311443A (ja) | 1993-11-22 |
| JP2990218B2 true JP2990218B2 (ja) | 1999-12-13 |
Family
ID=13924552
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3087782A Expired - Fee Related JP2990218B2 (ja) | 1991-03-26 | 1991-03-26 | ダイヤモンドコーティング部材作製方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2990218B2 (ja) |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61106494A (ja) * | 1984-10-29 | 1986-05-24 | Kyocera Corp | ダイヤモンド被膜部材及びその製法 |
| JPH0791651B2 (ja) * | 1986-04-24 | 1995-10-04 | 三菱マテリアル株式会社 | ダイヤモンド被覆炭化タングステン基超硬合金製切削工具チツプ |
| JPS63100182A (ja) * | 1986-04-24 | 1988-05-02 | Mitsubishi Metal Corp | ダイヤモンド被覆炭化タングステン基超硬合金製切削工具チツプ |
| JPS63199870A (ja) * | 1987-02-16 | 1988-08-18 | Showa Denko Kk | ダイヤモンド被覆超硬工具材 |
| JPH0623437B2 (ja) * | 1987-07-13 | 1994-03-30 | 株式会社半導体エネルギ−研究所 | 炭素および窒化ホウ素の作製方法 |
| JPH01201475A (ja) * | 1988-02-08 | 1989-08-14 | Hitachi Ltd | ダイヤモンド薄膜コーテイング工具の製造方法 |
| JPH02166729A (ja) * | 1988-12-21 | 1990-06-27 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 金属の堆積方法 |
| JPH02186641A (ja) * | 1989-01-12 | 1990-07-20 | Nec Corp | 薄膜電界効果型トランジスタ素子の製造方法 |
-
1991
- 1991-03-26 JP JP3087782A patent/JP2990218B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05311443A (ja) | 1993-11-22 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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