JPH03146485A - ダイヤモンド被覆部材およびその製造方法 - 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］ 本発明はダイヤモンド被覆部材およびその製造方法に関
する。さらに詳しくは均一で［質が良く、かつ密着性に
優れて膜剥離の生じにくいダイヤモンド薄膜で被覆され
たダイヤモンド被覆部材とその製造方法とに関する。

［従来技術および発明が解決しようとする課Ｂ］ダイヤ
モンドの薄膜は、硬度、耐摩耗性、電気絶縁性、熱伝導
性、赤外線透過性および固体潤滑性などに優れているの
で、たとえば切削工具類、研磨材、耐摩耗性機械部品、
光学部品等の各種部材のハードコート材や電子材料など
に利用されつつある。

このダイヤモンド薄膜で被覆された各種部材が所期の性
能を発揮するためには、ダイヤモンド薄膜が、均一性の
ある良好な膜質な有すると共に、かつ前記薄膜が形成さ
れる基体との密着性に優れていなければならない。

ダイヤモンド薄膜はマイクロ波などによるプラズマＣＶ
Ｄ法によって形成されるが、基体がＳ　ｉ　３　Ｎ４　
、　Ａｎｔ　Ｏｓなどのセラミックス材料の場合には形
成されたダイヤモンド薄膜が均一にならなかったり、Ｍ
の形成速度が遅いなどの問題がある。

また、Ｗ　Ｃ−Ｇ　ｏなどのように導電性で基体による
マイクロ波の反射が生じたり、基体の比誘電率（（）が
大き過ぎてマイクロ波の吸収が激しすぎたりすると、形
状のとがった部分にプラズマが集中し、膜厚むらが大き
く、厚くなった部分の歪が大きくなる。また基体の比誘
電率（＠）が小さい場合には、基体の加熱か周囲のプラ
ズマからだけになり、均一な加熱が困難で製膜速度も十
分でない、あるいは製膜速度を上げるために基体を高温
にしたり、原料ガス濃度を高くしたりするとダイヤモン
ドの膜質が低下したりする。

したがってマイクロ波プラズマＣＶＤ法によって膜厚お
よび組織の均一なダイヤモンド薄膜を形成するには、ダ
イヤモンドを析出させる基体の温度を適切に調節して均
一に保持する必要があり、従来からそのための工夫がな
されている。

たとえば、マイクロ波による発熱が中心部より外周部の
方が大きくなるように異種の誘電体によって構成された
基板もしくは基板ホルダーな用いる方法が知られている
（特開昭６２−１６７２９４公報参照）。

しかしながら、基体を異った材質で構成することは実際
には難しい、また基体ホルダーの場合にはホルダーの発
熱を熱伝導によって基体に伝えるもので、基体の温度を
均一に制御することは必ずしも容易でない。

本発明はこのような問題を解決する目的でなされたもの
である。

すなわち本発明の目的は、基体の温度を均一に制御して
、均一な膜厚および組織を有し、セラミックス基体との
密着性に優れたダイヤモンド薄膜で被覆されたダイヤモ
ンド被覆部材、および薄膜形成速度の大きな、効率のよ
い前記のダイヤモンド被覆部材の製造方法を提供するこ
とにある。

［課題を解決するための手段］ 前記の問題を解決するために本発明者らが研究を重ねた
結果、マイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いて基体の表面
にダイヤモンド被膜を形成する場合、セラミックス基体
の誘電率（＠）と誘電損失（ｔａｎδ）との積、すなわ
ち損失係数が特定の範囲の値であれば基体の温度を均一
に制御することができ、均質でかつ密着性の優れたダイ
ヤモンド被覆部材が得られることを見出して本発明に到
達した。

本発明は、損失係数［比誘電率（＠）×誘電損失（ｔａ
ｎδ）＝２３℃、　２，４５０　ＭＨｚｌが０．０５以
上であるセラミックスからなる基体の表面にダイヤモン
ドの被覆膜を形成してなることを特徴とするダイヤモン
ド被覆部材であり、 本発明はまた。損失係ａ［比誘電率（＠）×誘電損失（
ｔａｎδ）　：　２３’Ｃ，２，４５０ＭＨｚ　］が０
．０５以上であるセラミックスからなる基体の表面に、
マイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いてダイヤモンド被覆
膜を形成することを特徴とするダイヤモンド被覆部材の
製造方法である。

本発明のダイヤモンド被覆部材は前記のセラミックス基
体の表面にダイヤモンド被膜を備えるものである。

モン 一基体− 上記基体はセラミックスからなり、損失係数［比誘電率
（以下（と略記する）と誘電損失（以下ｔａｎδと略記
する）とのｔｌｋ：２３℃、　２，４５０　Ｍ　Ｈｚ］
が０．０５以上、好ましくは０．１〜１００である。

ここで、ｅＸｔａｎδがＯ，ＯＳ未満では、成膜速度が
遅くかつ不均一になり−１またｅｘｔａｎδが１００以
上ではプラズマがエツジ付近に量中する傾向が強くなり
、基体面での温度むらが生じ、その結果として被覆膜の
膜厚むらや熱応力が生じ、膜の剥離が生じやすくなる。

セラミックスとしてはたとえば陶磁器、耐火物、ガラス
、合成宝石等のほか酸化カルシウム、マグネシア、へり
リア、チタニア等の金属酸化物、いわゆるエンジニアリ
ングセラミックスといわれるサイアロン、窒化ケイ素、
炭化ケイ素、アルミナ、ジルコニア、窒化ホウ素、石英
等およびチタン酸バリウム等の特殊機能性セラミックス
、窒化タンタル、窒化チタン、窒化ハフニウム、炭化タ
ンタル、炭化チタン、炭化ハフニウム等の高硬度セラミ
ックス等がある。

好ましいのはエンジニアリングセラミックスで窒化ケイ
素（ＳｊＪ＜）　、窒化ホウ素（ＢＮ）、炭化ケイ素（
ＳｉＣ）　、アルミナ（ＡｉＬ２０３）、窒化アルミニ
ウム（ＡＪＩＮ）、炭化チタン（Ｔｉ（：）　、あるい
はこれらの複合物等である。

これらの基本材料は、その組成または構造を変化させる
ことにより、（およびｔａｎδを調節して、ｅｘｔａｎ
δを０．０５以上、好ましくは０．旧〜１００の基体に
することができる。

このよう（＠およびｔａｎδの両特性値を選ぶことによ
りマイクロ波プラズマ中で、プラズマによる加熱と誘電
体の内部からの発熱の比が調節されて基体の温度を均一
にすることができる。

本発明Ｃおいては前記のように基体の（およびｔａｎδ
の調節が重要である。この調節は基本の材料の組成また
は構造を変化させることによって可能である。この組成
または構造を変化させるのはダイヤモンド被膜を形成す
る基体表面の部分であってもよいし基体全体であっても
よい０本発明においては基体材料の（およびｔａｎδを
調節する方法としては特に制限されるものではないが、
材料の機械的強度が低下しない範囲で焼結助剤の添加、
他の材料との複合化によって調節することができる。

たとえば炭化ケイ素（ＳｉＣ）の粉末またはウィスカー
をＳｉ３Ｎ４やＡＪｌｔＯ３に混合すルト、ＳｉＣの混
入により（が増大することが確認されている。Ｓｉ３Ｎ
４とＳｉＣウィスカーとの組合せは、特に繊維強化セラ
ミックスとして強度的に注目されている材料であって、
０．５〜１．５ｇｍの平均径を有するＳｉＣウィスカー
の場合は３０重量％程度までＳｉ３Ｎ、に混合すること
ができる。

この方法は、最も適用性の幅が広く、使い易い方法であ
る。

また、材料の成形過程で空孔を発生させたり、表面の組
成を変化させることによって、（およびｔａｎδを調節
することもできる。ただし、特に空孔をつくることは機
械的強度の低下を生ずる要因であるので、大きな機械的
強度を要求しない場合に適用することができる。

−その他− 請求項１に記載のダイヤモンド被覆部材においては、前
記のように基体の（およびｔａｎδを調節してｅＸｔａ
ｎδを特定の範囲に設定することにより、プラズマによ
る加熱と基体の内部からの発熱との比が調節されて基体
の温度が均一になり、基体上に均一で良好な膜質をもち
、かつ基体との密着性に優れたダイヤモンド被膜を形成
することができる。しかも前記ダイヤモンド被膜は硬度
、耐摩耗性、電気絶縁性、熱伝導性、赤外線透過性およ
び固体潤滑性などに優れるものである。

したがって、請求項１に記載のダイヤモンド被覆部材は
、たとえば切削工具類、研磨材、耐摩耗性機械部品、光
学部品の各種部材のハートコート材や電気、電子材料な
どに好適に利用することができる。

そしてこのような特長を右する請求項１に記載のダイヤ
モンド被覆部材は、次に詳述する請求項２に記載の方法
を好適に採用することにより、良好な再現性の下に容易
に、しかも効率よく得ることができる。

モン　　　　の 本発明のダイヤモンド被覆部材は前記のセラミックス基
体の表面にダイヤモンドの被覆膜を有する。この被覆膜
は、たとえばマイクロ波プラズマＣＶＤ法によって形成
することができるがこれに限定されるものではない。

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の基体の表面に反応室内で接触させ
ることにより、前記基体上に前記の被覆膜を得ることが
できる。

なお、本発明において、前記ダイヤモンド膜は、ダイヤ
モンド状炭素膜などいわゆるダイヤモンド類膜を含む広
義の意味に解釈してよい。

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；ブタジェン
等のジオレフィン系炭化水素二ジクロプロパン、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；シクロブタジェン、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１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、プロパツール、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
、ビナコリン、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、ステアリン酸等の力機酸類；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；−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くン、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、−酸化炭
素、二酸化炭素ガス等の含酸素化合物が好ましく、−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１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
モンド類威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、有磁場、あるいはＥＣＲ法マイ
クロ波プラズマＣＶＤ法等を挙げることができる。

また、原料ガス中の炭素源ガスの濃度は通常０．１〜８
０体ａＸ、反応圧力は１０−’〜１０３Ｔｏｒｒ、好ま
しくは１０−”−７６０Ｔｏｒｒである。

前記原料ガスを励起して得られるガスと接触させる基体
の温度は通常３５０〜１．２００℃、好ましくは７００
〜１，０００℃である。３５０℃以下ではダイヤモンド
被膜の析出速度が遅く、１，２００℃より高くしてもエ
ネルギー効率が悪くなるとともに形成されたダイヤモン
ド被膜のエツチングが起ることがある。

前記したように、本発明の（と　ｔａｎδをｉｉＪｗＩ
シた基体表面にダイヤモンド被膜を形成する場合は、電
界分布が変化し、基体表面のプラズマの分布を制御する
ことができるので、被膜の形成速度を容易に３１節する
ことができ、効率よくダイヤモンド被覆部材を製造する
ことができる。

［実施例］ 以下実施例および比較例により本発明をさらに具体的に
説明する。

（実施例１．２、比較例１．２，３） 各種セラミックス焼結体および超硬合金からなる切削工
具チップに、マイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いて下記
の条件でダイヤモンド被膜の形成を行なった。

原料ガスＣＯ／　ｔｔ、、　Ｇｏ−１０容積％（マイク
ロ波出力５００１） 圧　　　力　　　　　　　　　　　４０　　ｔｏｒｒ基
体温度　　　　　　１，０００”Ｃ 反応時間　　　　　　　　Ｓ　ｈｒｓ。

各チップの６、およびｔａｎδ、反応後のダイヤモンド
被ＷＩＮ厚を第１表に示した。またラマン分光分析の結
果各チップ共シャープなダイヤモンドのピーク（１，３
３３ｃｍ−”）が観察され、　１，５００ｃｍ−’を中
心とするブロードなピークに対応する少量の非ダイヤモ
ンド成分を含むが、良質なダイヤモンド膜が形成されて
いることが確認された。

さらに以下の切削条件で各チップを切削試験に使用した
。

切削速度　８００　ｓ／ｓｉｎ又は４００　ｍｌ　ｗｉ
ｎ送　　　　　リ　　　　０．１　　　ａｍ／　ｒｅｖ
切り込み　０．２５量■ 横切刀角　　４５＠ すくい角　　５゜ 逃げ角　　　６゜ 被削材 ＡＣ８Ａ−Ｔ６ 外周長手連続旋削 結果を第１表に示す。

［効　果］ （１）請求項１の発明によると、ダイヤモンド被膜が形
成される基体としてｅｘｔａｎδの値を特定範囲になる
ように調節したセラミックスを用いるので、ダイヤモン
ド被膜が均一で良好なＦｓ質をもち、かつ基体との密着
性に優れたものになる。これによって、切削工具等に有
用なダイヤモンド被覆部材を提供することができる。

（２）　Ｔｅ３求項２の発明によると、前記（およびｔ
ａｎδを調節したセラミックス基体表面にダイヤモンド
被膜をマイクロ波プラズマＣＶＤ法により形成するので
、基体の温度が均一になり、膜質および膜厚が均一で、
被膜の形成速度が大きくて、極めて効率のよいダイヤモ
ンド被覆部材の製造方法を提供することができる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）損失係数［比誘電率（ε）×誘電損失（ｔａｎδ
   ）：２３℃，２，４５０ＭＨｚ］が０．０５以上である
   セラミックスからなる基体の表面にダイヤモンドの被覆
   膜を形成してなることを特徴とするダイヤモンド被覆部
   材。
2. （２）損失係数［比誘電率（ε）×誘電損失（ｔａｎδ
   ）：２３℃，２，４５０ＭＨｚ］が０．０５以上である
   セラミックスからなる基体の表面に、マイクロ波プラズ
   マＣＶＤ法によってダイヤモンド被膜膜を形成すること
   を特徴とするダイヤモンド被覆部材の製造方法。