JPH01317112A - 高強度多結晶ダイヤモンド及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、ダイヤモンドの気相合成方法の改良に係わ
り、特に工具素材等の高い強度を要求される分野に適し
た緻密な高強度多結晶ダイヤモンド及びその製造方法に
関するものである。

「従来の技術」 ダイヤモンド微粉末を超高圧下で焼結してなるダイヤモ
ンド焼結体は、既に非鉄金属類の切削加工用工具、ドリ
ルビット或いは線引ダイス等に広く使用されている。

例えば特公昭５２−１２１２６号公報にはこの種の焼結
体の製法が開示さ゛れており、そこではダイヤモンドの
粉末をＷＣ−Ｃｏ超硬合金の成型体または焼結体に接す
るように配置し、超硬合金の液相が生じる温度以上の温
度並びに超高圧下で焼結が行なわれる。このとき、超硬
合金中のＣｏの一部は、ダイヤモンド粉末層中に侵入し
、結合金属として作用する。この先行技術に開示された
方法で作られたダイヤモンド焼結体は、約１０〜１５体
積チのＣＯを含有する。

上記した焼結体は、非鉄金属等の切削加工用工具として
は十分実用的な性能を有する。しかしながら、耐熱性に
おいて劣るという欠点があった。

例えば、この焼結体を７５０℃以上の温度に加熱すると
、耐摩耗性及び強度の低下が見られ、さらに９００℃以
上の温度では焼結体が破壊することになる。これは、ダ
イヤモンド粒子と結合材であるＣ。

との界面においてダイヤモンドの黒鉛化が生じること、
並びに両者の加熱時における熱膨張率の差に基づく熱応
力によるものと考えられる。

また、Ｇｏを結合材とした焼結体を酸処理して大部分の
結合金属層を除去したものでは、焼結体の耐熱性が向上
することが知られている。例えば、特開昭５３−１１４
５８９号公報には、耐熱性の改善されたダイヤモンド焼
結体の製造方法が開示されている。しかしながら、この
先行技術では、除去された結合金属相の部分は空孔とな
るため、耐熱性こそ向上するが、強度が低下するという
間頴があった。

微粒の焼結ダイヤモンドは、一般に強度は高いが・　ダ
イヤモンド粒子の含有量が低いため耐熱性が低くマタ結
合材を取り除いて耐熱性を向上させても空孔が多量に含
着するため強度低下は著しい。

他方、ダイヤモンドの粉末のみを超高圧下で焼結する試
みも行なわれているが、ダイヤモンド粒子自歩が変形し
難いため、粒子の間隙には圧力が伝達されず、従って黒
鉛化が生じ、ダイヤモンド−黒鉛の複合体しか得られて
いない。

さらに、ダイヤモンドのみからなる多結晶体を薄膜とし
てコーティングした工具は知られているが、この種の工
具は膜厚が薄く、かつ基板との密着強度が不十分であ°
るため、十分な性能が得られていない。

本発明者らは、これらの従来工具の問題点に検討を加え
た結果、強度、耐摩耗性、耐熱性のいずれにも優れた実
質的にダイヤモンドのみからなる多結晶体工具を製造す
ることが可能となった（特願昭６３−３４０３３号、特
願昭６３−３４０３４号）０すなわち、これらの先願発
明の多結晶体工具は、低圧気相法により合成された実質
的にグイヤモンドのみからなる多結晶ダイヤモンドが、
融点７００〜１３００℃の合金ろう材により金属および
／または合金からなる支持部材にろう付けされたもので
あることを特徴とするものであり、また低圧気相法によ
り合成された実質的にダイヤモンドのみからなる多結晶
ダイヤモンドが、融点７００〜１３００℃の合金ろう材
により金属および／または合金からなる支持部材にろう
付けされたものであって、そのすくい面がＲｍａｘで０
．１μｍ以下の鏡面状態であることを特徴とするもので
ある。

「発明が解決しようとする課題」 しかしながら、上記の多結晶体工具においても、強い断
続切削や硬質セラミックスの切削等のように刃先に高い
応力や衝撃力が加わる場合には欠損し易いという問題点
があった。

それゆえに、本発明は、上記の多結晶体工具のさらなる
改良を目指して、より強度の高い多結晶体及びそれを得
るための製造方法を提供することを目的とするものであ
る。

以下に本発明を述べる。

本発明者らは、上記の問題点を鋭意検討した結果、特願
昭／）３−３４０３３号、特願昭６３−３４０３４号に
開示した多結晶体に、公知の低圧気相法により厚さ５０
μｍ以上に合成されたものを用いると、その断面組織が
、一定の結晶方位知配向した柱状結晶からなり結晶粒内
で破壊が生じるため書強度が低く、欠損し易くなること
が判明した。

「課題を解決するための手段」 本発明は、これらの多結晶体を工具として使用すること
ができる捷でに強度を向上させるため研究を行った結果
、有機炭素化合物と水素を主成分とする混合ガスを、熱
電子放射、高周波或いはマイクロ波忙よるプラズマ放電
などを用いて活性化させ基体上にダイヤモンドを析出さ
せる気相合成方法において、ダイヤモンドの析出を、基
体表面上における炭素の拡散境界層にゆらぎを与えなが
ら行なえば、膜厚が５０μ以上でも粒径５μｍ以下の微
粒でかつ粒状化しており、強度の高い緻密な気相合成ダ
イヤモンドを得ることができた。

「作用」 本発明において、原料としては、有機炭素化合物と水素
を主成分とする混合ガスを用いる。有機炭素化合物には
、炭化水素やアルコール、エステル、ケトン、アルデヒ
ド等を使用することが可能で、特に分解してメチルラジ
カルを生成するものはそのラジカルからの炭素がダイヤ
モンド構造をとり易いため好ましい。また、水素は分解
して原子状となり、ダイヤモンドと共に析出する非ダイ
ヤモンド炭素を優先的に再結合し、これを除去する作用
があると考えられており、合成された多結晶体の純度と
成膜速度に関与するものである。

さらにこれら以外に、アルゴン等の不活性ガスや、酸素
、−酸化炭素、水等も、多結晶ダイヤモンドの合成反応
やその特性を阻害しない範囲内であれば原料中に含有さ
れていてもさしつかえない。

これらの混合ガスの活性化には、公知の熱電子放射材を
用いた熱分解法や、高周波、マイクロ波によるプラズマ
放電中での活性種の生成による方法が有効である。この
活性化反応の状態は原料ガスの組成流量及び活性化度に
より決定される。ここて、活性化度とは生成する活性種
の量の多少を意味し、組成、流量が一定の場合には、ガ
ス圧力、励起分解エネルギー（具体的には熱電子放射材
の温度や、プラズマ生成のための電力）等に依存するも
のである。従来の低圧気相法による多結晶ダイヤモンド
の合成では、上記諸条件を一定に保っており、この場合
の基体上でのダイヤモンドの成膜過程は第２図に示す状
況であることが実験的に知られている。すなわち、（ａ
）設定条件に応じた炭素の過飽和度に順じて基体上に核
が発生した後（図（ａ）参照）、（ｂ）この核が成長し
、基体全面を被覆する（図（ｂ）参照）、（Ｃ）その後
設定条件下で優性となる結晶面を成長上面とする粒子が
成長を続け、柱状組織を呈するものと推定される。

なお第２図中、（１）は基体、（２）はダイヤモンド板
、（３）は成長したダイヤモンド粒子、（４）は柱状粒
子を示している。

本発明は、成膜中に基体表面上における炭素の拡散境界
層にゆらぎを与え、２次核発生密度に変動が生じるため
、第１図の如き粒状組織となるのであろう。なお第１図
中、（１）は基体、（２）は粒状に成長した粒子を示す
。

ここで、ゆらぎを与える方法としては、■基体を機械的
に振動させる方法と■基体に音波或いは超音波を照射す
る方法が有効である。

■の方法においては、その周波数が大きい程効果が高く
、一般には２Ｘ１０’Ｈｚ以上すなわち超音波の領域で
行なうことが好ましい。またその出力はＩ　Ｗ／ｃＪ以
上であることが好ましく、これより小さいエネルギーで
は顕著な組織変化は認められない。

また、■の方法の場合にも、基体に照射する音波或いは
超音波はその出力が大きい程効果が高く、一般にダイヤ
モンド合成される数Ｔｏｒｒ〜数百Ｔｏｒｒの減圧下で
は０．１Ｗ／ｃＪ以上であることが好ましい。

これより小さいエネルギーでは顕著な組織変化は認めら
れない。

このような方法によって合成された多結晶ダイヤモンド
は、粒状晶が緻密に積層した構造をとるため、特に高い
強度を要求される工具素材等に適したものである。

さらに本発明の方法を適用すれば、合成条件との組み合
せにより任意の粒径の多結晶体の製造が可能である。

本発明の気相合成ダイヤモンドは、Ｍｏ　、　Ｓｉ等の
基材上に成長させた後この基材を収り除いて気相合成ダ
イヤモンドを超硬合金等の母材にろう付は等の方法で固
定して使用するものである。従って気相合成ダイヤモン
ドの厚さは工具の摩耗中以上あれば良く一般に５０μｍ
以上であれば良い。厚さの上限はいくら厚くてもよいが
摩耗中以上にしても経済上不利になるものであり、通常
１謳以下である。

「実施例」 以下更に本発明の詳細を実施例に基づいて述べる。

実施例に マイクロ波プラズマＣＶＤ法により、Ｍｏ製の基板を石
英ガラスからなる支持台上に固定して、ダイヤモンド多
結晶体の合成を行なった。条件は以下の通りで、２０時
間で杓０．５　ｗｎの厚さの多結晶ダイヤモンドが合成
できた。

原料ガス（流量）　：　Ｈ２２００ｃｃ／ｍｉｎ　１Ｃ
Ｈ４４ｃｃ／ｍｉｎ　、　Ａｒ　５０　ｃｃ／ｍｉｎ圧
カニ１００Ｔｏｒｒ マイクロ波発振機出カニ　８００Ｗ 得られた多結晶ダイヤモンド（Ａ）は粒径５μｍ程度で
、その断面を観察したところ柱状組織を呈していた。

上記と同じ条件で、合成中に、基板を超音波振動させる
ことを試みた。超音波の出力を２０　Ｗ／ｃａ一定とし
て合成した結果得られた多結晶体（Ｂ）は、厚さが約０
．５−で粒径か１．５μｍ程度の微粒子からなるもので
あった。

これらの多結晶体は、共に、測定の結果、比重は３．５
１を示し、捷たラマン分光分析による同定ではダイヤモ
ンド単相からなることが明らかとなった。

これらの多結晶体の耐欠損性を評価するために、超硬合
金製の台金にろう付けした後、研削加工を行なって切削
チップを作製した。

尚、比較として、Ｃｏを結合材として１ｏ容量チ含有す
る平均粒径１０μｍの超高圧焼結ダイヤモンドも同様に
切削チップを作製した。

評価結果を第１表に示す。尚、この評価は被削材として
外周面に軸方向に延びる４本の溝が形成されたＡ３９０
合金（ＡＡ−１７Ｓｉ）丸棒を用いて以下の条件で外周
長手方向の旋削を行なったものである。

切削速度：　３０　Ｄ　ｍ／ｍｉｎ　、切り込み：０．
２ｓ＋ｎ、送り　：　０．１　ｍ＋／ｒｅｖ１乾式以上
の結果から、本発明による粒状多結晶ダイヤモンド（Ｂ
）を工具素材としたものは、従来の方法による柱状多結
晶ダイヤモンド（Ａ）に比べ、強度が第　　１　　表 向上しており、かつ超高圧焼結ダイヤモンドに比べて耐
摩耗性も高いということが判明した。

実施例２： 熱電子放射材に直径０．５膿、長さ２０ての直線状Ｗフ
ィラメントを用いて第２表（（示した条件で８１基板上
に多結晶ダイヤモンドの合成を１０時間行なった。得ら
れた多結晶体はいずれも黒色半透明であり、ラマン分光
分析の結果からはダイヤモンド単相を示し、非晶質炭素
や黒鉛等は検出されなかった。

これらの多結晶体の断面組織を電子顕微鏡により観察し
たところ、ＤとＦは犬々粒径約１μｍと約２μｍの微細
粒子からなる粒状組織であることが明らかとなった。ま
た、それ以外の多結晶体はいずれも柱状組織を呈してい
た。Ｅ、Ｈが基板に音波、超音波照射を行ったにも拘ら
ず粒状化しなかった原因は、共に出力が低かったことに
よると推定される。

これらの多結晶体を酸処理によって基板を溶解して除去
したところ、いずれも厚さ０．４〜０．５ｔｍ第　　３
　　表 であった。

これらの多結晶体を超硬合金製の台金にろう付けして切
削チップを作製し、硬質セラミックスの切削性能評価を
行なった。結果を第６表に示す。

尚この評価はアルミナ焼結体丸棒（Ｈｖ＝２００ＤＫｇ
名）の外周旋削を以下の条件で行なったものである。

切削速度：　５０　ｍ／ｌＴｌ１ｎ　、切り込み：　０
．２　ｍｍ　。

送り：　０．０２５ｍ／ｒｅｖ　、切削時間：１５ｍ１
ｎ、湿式以上の結果から、柱状結晶組織の多結晶体は強
度が低かったが、本発明の方法による粒状結晶組織の多
結晶体は欠損が生じることなく硬質セラミックスを切削
できることが明らかとなった。

実施例３： 原料にＣ２Ｈ６とＨ２とを容量で１：１００　の割合に
混合したガスを用い、２００　ｃｃ／ｍｉ　ｎの流量で
８１基板がおかれた反応管中に供給し圧力を１８０　Ｔ
ｏｒｒに調整した。次に高周波（１３，５，１ＳＭＨ２
）発振機から９００Ｗの出力を同軸グープルを通じて高
周波コイルに与えて反応管中のガスを励起させプラズマ
を発生した。

その後８１基板を保持したアルミナ製の支持台を超音波
振動（４Ｘ　１０５Ｈｚ　１８０Ｗ／ｃ＋４）させた。

この状態を２０時間維持したところ、厚さ約０．５咽の
多結晶ダイヤモンド（Ｉ）が得られた。

この多結晶体を工具素材として超硬合金製のホルダーに
ろう付けして刃付は処理を行ないドレッシング工具を作
製した。

比較として支持台に振動を与えないで、他は」−記の条
件と同じにして２０時間合成し、得られた多結晶ダイヤ
モンド（Ｊ）を用いた工具も作製した。

これらの工具により、アルミナ砥石のドレッシングを実
施したところ、工具■は３０分間欠損することなく、さ
らに継続して使用可能であったが、工具Ｊはドレッシン
グ開始後、１０分で欠損してしまった。

これらの多結晶体は、ラマン分光分析の結果、いずれも
非ダイヤモンド炭素を含有していなかったが、使用後の
刃先を電子顕微鏡により観察したところ、■は粒径６〜
５μｍの粒状晶であるのに対し、Ｊは粒径５μｍの柱状
晶であることかわかった。

「発明の効果」　　゛ 上述の如く、本発明による粒状多結晶ダイヤモンドの製
造方法によれば、緻密で高強度の多結晶体が得られる。

又本発明による多結晶ダイヤモンドは緻密で高強度であ
る。これらは、特に工具素材等の高い強度を要求される
分野に適しており、切削工具、掘削工具、ドレ・ノサー
等の各種工具に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の方法に従った場合に合成さイヤモン
ドの成膜過程を例示したものである。 （１）・・・基体、（２）・・・ダイヤモンド核、（６
）・・・成長したダイヤモンド粒子、（４）・・・柱状
粒子、（５）・・・粒状に成長した粒子。 代理人　弁理士　　吉　竹　昌　司

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）有機炭素化合物と水素を主成分とする混合ガスを
   熱電子放射、高周波或いはマイクロ波によるプラズマ放
   電などを用いて活性化させるとともに、基体表面上の炭
   素の拡散境界層にゆらぎを与えながら、析出させた粒度
   ５μｍ以下でダイヤモンド層の厚さが５０μｍ以上であ
   ることを特徴とする高強度多結晶ダイヤモンド。
2. （２）ダイヤモンドの含有量が９８％以上であることを
   特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の高強度多結
   晶ダイヤモンド。
3. （３）有機炭素化合物と水素を主成分とする混合ガスを
   、熱電子放射、高周波或いはマイクロ波によるプラズマ
   放電などを用いて活性化させ、基体上にダイヤモンドを
   析出させる気相合成方法において、ダイヤモンドの析出
   を、基体表面上における炭素の拡散境界層にゆらぎを与
   えながら行うことを特徴とする高強度多結晶ダイヤモン
   ドの製造方法。
4. （４）基体を機械的に振動させることによりゆらぎを与
   えることを特徴とする特許請求の範囲第（３）項記載の
   高強度多結晶ダイヤモンドの製造方法。
5. （５）機械的振動が超音波振動であることを特徴とする
   特許請求の範囲第（４）項記載の高強度多結晶ダイヤモ
   ンドの製造方法。
6. （６）超音波振動の出力が１Ｗ／ｃｍ＾２以上であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第（５）項記載の高強度
   多結晶ダイヤモンドの製造方法。
7. （７）基体に音波或いは超音波を照射させることにより
   、ゆらぎを与えることを特徴とする特許請求の範囲第（
   ３）項記載の高強度多結晶ダイヤモンドの製造方法。
8. （８）照射させる音波或いは超音波の出力が０．１Ｗ／
   ｃｍ＾２以上であることを特徴とする特許請求の範囲第
   （７）項記載の高強度多結晶ダイヤモンドの製造方法。