JPH03159977A - ダイヤモンド類被覆部材 - 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類被覆部材に関し、さらに詳しく
は、基材とその上に被覆したダイヤモンド類膜との密着
性を改良したダイヤモンド類被覆部材に関する。

［従来の技術および発明が解決すべき課題］セラミック
スや超硬合金等からなる基材の表面にダイヤモンドの薄
膜を被覆すると、切削工具や耐摩耗部材として有用な部
材を得ることができる。

従来から、この知見に基いて多くのダイヤモンド類被覆
部材が開発されてきた。

しかしながら、従来のダイヤモンド類被覆部材の多くは
、基材とダイヤモンド膜との密着性が良くないという欠
点がある。

この点を改善するため、基材とダイヤモンド膜との間に
接着層を設けるという提案がなされているが、十分な効
果を挙げているとは言い難い。

また、表面の気孔率が２〜３０％である部材を使用して
その表面にダイヤモンド膜を形成し、前記気孔中に侵入
するダイヤモンドによるアンカー効果によりダイヤモン
ド膜の密着性を高めようとする技術もあるが（特開平１
−１６２７７０号参照）、気孔率を特定の範囲内にする
のは煩雑であると言う問題がある。

本発明は上記事情を改善するためになされたものである
。

すなわち、本発明の目的は、基材とダイヤモンド類膜と
の密着性を改良した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］ 前記目的を達成するための本発明は、炭素−セラミック
スを主体とする複合部材の表面にダイヤモンド類を形成
してな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、本発明を詳細に説明する。

一複合部材一 本発明においては、特定の複合部材を基材として、その
表面にダイヤモンド類膜を形成する。

前記複合部材として、Ｃ−ＳｉＣ，Ｃ−ｈＢＮ，　Ｃ−
Ｓ　ｉ　３　Ｎ４　，　Ｃ−Ｂ４　Ｃ，　Ｃ−Ｔ　ｉ　
Ｃ　−Ｓ　ｉ　Ｃ，　Ｃ−ＷＣ，　Ｃ−Ｔ　ｉ　Ｃ，　
Ｃ−ＴａＮ，　ＣＺｒＮ．Ｃ−ＡＪＩＮ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、Ｃ−ＳｉＣ
（炭化ケイ素複合材）である。

前記炭化ケイ素複合材としては、炭素と炭化ケイ素とを
含有する複合材であれば特に制限がなく、たとえば、（
１）炭化ケイ素、チタン属元素炭化物および炭素よりな
る複合材、（２）含ケイ素体を炭素成形体に含浸反応さ
せて得られる炭化ケイ素威形体、（３）炭化ケイ素と黒
鉛とからなる複合材等を好適例として挙げることができ
る。

前記（１）炭化ケイ素、チタン属元素炭化物および炭素
よりなる複合材は、たとえば次のような一製造例により
製造することができる。すなわち、先ず所望の形状に成
形した炭素材料に、含ケイ素材および含チタン族元素材
を付着あるいは接触させる。次いで、これを含ケイ素材
の融点以上の高温における酸素の影響を受けない不活性
な雰囲気中に配置する。そうすると、融点の高い含ケイ
素材が溶融して炭素材料中の空隙中に浸透し、炭素と炭
化ケイ素とを生或する反応を開始する。この反応は発熱
反応であるので、反応開始と同時に炭素材料の温度が高
められ，含ケイ素材の炭素材料への浸透反応によって、
炭素材料の温度がさらに高められる。炭素材料の昇温に
より、高い融点を有する含チタン族元素材が炭素材料の
空隙中に浸透して行き、そこで、炭素と反応してチタン
族元素炭化物を生成する。このチタン族元素炭化物の生
成反応も発熱反応であるから，この反応が開始すると炭
素材料の温度がさらに上昇し、これが溶融含ケイ素材お
よび溶融含チタン族元素材の粘度を低下させて、これら
の溶融金属の炭素材に対する浸透反応が一層促進される
。その結果として、炭素材料の空隙中に、反応生威した
炭化ケイ素およびチタン族元素炭化物と未反応の炭素と
を含有してなる複合炭素材料が生威する。

前記（２）含ケイ素体を炭素威形体に含浸反応させて得
られる炭化ケイ素成形体は、たとえば次のような一製造
例により製造することができる。すなわち、たとえばグ
ラファイト等を所望の形状に成形してなる炭素威形体と
、粉末あるいは粒状の金属シリコン、ソリコンを含んだ
合金（例；フェロシリコン，チタンシリコン等）あるい
はシリコンと他の金属との混合物からなる含ケイ素体と
を用意する。そして、粉末あるいは粒状の含ケイ素体を
適宜の結合剤あるいは溶剤で混練し、得られる混線物を
前記炭素成形体の表面に浸漬付着させ、あるいは塗り付
ける等により、前記含ケイ素体を炭素成形体に接触させ
る。次いで、この含ケイ素体を接触させた炭素成形体を
、酸素ガスを含まない不活性雰囲気中に配置し、含ケイ
素体の融点以上であって沸点以下の高温に、所定時間か
けて加熱することにより、炭化ケイ素、炭素およびケイ
素の複合体からなる炭化ケイ素戒形体が製造される。

前記（３）炭化ケイ素と黒鉛とからなる複合材は、たと
えば次のよラな一製造例により製造することができる。

すなわち、黒鉛基材と金属ケイ素とを、前者１００重量
部に対して後者１００〜５００重量部の割合で、黒鉛る
つぼ中に収納し．　０．０１〜１３Ｋ　ｐ　ａの範囲の
真空ないし減圧下に、例えば１，７５０〜２，５００　
Ｋ程度に加熱することにより前記複合体を製造すること
ができる． いずれにしても、本発明における前記複合部材における
、炭素とセラミックスとの比率は、特に制限はなく，セ
ラミックスの種類によっても異なるが、複合部材として
導電性を発揮させるためには、たとえば炭素を５重量％
以上とする．具体例として、炭素成形体とシリコンとか
らなる炭素一ＳｉＣ複合部材はＳｉ／Ｃ（質量比）が０
．１〜０．８、好ましくは０．１５〜０．６０になるよ
うにして複合反応させる公知の方法によって得ることが
できる。

炭素が５重量％未満であると、導電性が低く、ダイヤモ
ンド類の生或、密着性が低《なり、また８０重量％を超
えると、酸化されやすくなるとともに強度の低下が大き
くなるので、いずれも好ましくない。

また、前記複合部材は、その熱膨張係数が２．０〜４．
０　ｘ　１０−６／’Ｏであるのが好ましい。前記熱膨
張係数が前記範囲を外れると、熱応力により密着性が悪
化することとなって好ましくないことがある。

さらに、前記複合部材は、その熱伝導率が、０．１５　
〜０．４　Ｃａｎ／ｃｍ＊　ｓｅｃ＊’ｏであるのが好
ましい。

本発明における複合部材は、緻密な組織構造と適度な多
孔構造を有するので、ダイヤモンド類被１１９を形成す
る茫材として好適である。

一ダイヤモンド類膜一 本発明では前記複合部材の表面にダイヤモンド類膜を形
戒する。

ただし、ここに言うダイヤモンド類とはダイヤモンドお
よびダイヤモンド状炭素を言う。

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
或することができ、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
ド合戒法が好ましい。

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部材に、反応室内で接触さ
せることにより、部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
等のキャリャ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
グラフア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、ブチレン等の才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、例えばアセトン、ジエチルケト
ン、ペ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
、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、ペンゾフェノン等）、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、ペ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
素を形戒する。

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ル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１１ ばマイクロ波プラズマＣＶＤ法、ＲＦプラズマＣＶＤ法
、ＤＣプラズマＣＶＤ法、有磁場プラズマＣＶＤ法（Ｅ
ＣＲ条件を含む）、熱フィラメント法、熱プラズマＣＶ
Ｄ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
前記部材の温度は、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、　３
００〜１，２００　’Ｏ、好ましくは１　２ ５００〜１，１００℃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１０−６ｔ
ｏｒｒ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。

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、前記部材の表面温度、反応圧カ、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０．３ｇｍ以上、好ましくは０．５　〜５００　ｐｍ
より好ましくは１〜ｌＯｏＩＬｍ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． ［実施例］ 次に実施例に基いて本発明をさらに具体的に説明する． （実施例１） 市販のＣ−ＳｉＣ複合部材のブロック［炭素成形体にシ
リコンを含浸反応せしめたもの：大阪セメント■カーポ
シック］　（熱膨張係数３．２５Ｘ　１０−６／℃，熱
伝導率０．２１ＣａＪｌ／ｃｍ＊　ｓｅｃ＊”ｏ）から
ＪＩＳ　　ＳＰＧＮ４２２に基いて切削チップを製造し
、この切削チップの表面に次の条件でマイクロ波プラズ
マＣＶＤ法により厚み１０ＩＬｍのダイヤモンド膜を形
成した。

なお、この膜がダイヤモンドで構成されてぃることは、
ラマン散乱スペクトル判定によって確認した。

ーダイヤモンド膜の形成条件 原料混合ガス；　　ＣＯ：７ｓｃｃｍ、Ｈ２　：９３ｓ
ｃｃｍ 反応圧力；　　　　４０Ｔ　ｏ　ｒ　ｒ部材（切削チッ
プ）温度．　　１，０００゜Ｃ反応時間；　　　５時間 次に、このダイヤモンド膜を形成した切削チップを用い
て下記の条件で切削試験を行なった。

一切削条件 被削材；　純Ａ文 切削速度；８００ｍ／分 送　　り　；　　　０．１５ｍｍ／　ｒ　ｅ　ｖ切り込
み；０．１５ｍｍ 上記切削試験の結果、切削チップには１００分の切削時
間が経過しても逃げ面摩耗が無かった。

１　５ ［発明の効果］ 本発明のダイヤモンド類被覆部材は、炭素−セラミック
スを主体とする複合部材の表面にダイヤモンド類膜を被
覆してなるので、ダイヤモンド類膜と基材である複合部
材との密着性が一段と向上しており、切削工具、研磨工
具、耐摩耗性工具、耐摩耗性部材等に利用した場合、こ
れらの寿命を確実に伸ばすことができる。

１ ６

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）炭素−セラミックスを主体とする複合部材の表面
   にダイヤモンド類膜を形成してなることを特徴とするダ
   イヤモンド類被覆部材。