JPH03208876A - 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
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、焼結ダイヤモンド、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焼結ダイヤモンドや単
結晶ダイヤモンドをろう付は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て、超
硬合金等の基材の表面に形成されるダイヤモンド類層は
、その基材に高い硬度や耐摩耗性を付与するためのコー
テイング材、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ｆｆａ　、　Ｖａ　、　■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
上にダイヤモンド順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じやす
い硬質材料特にセラミックス（ｆｉ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Ｓ
ｉ、Ｎ、やこれを主要成分とする窒化ケイ素系セラミッ
クス（ｆｉ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Ｓｉ、Ｎ、焼結体や窒化
ケイ素系セラミックスである。なお、窒化ケイ素は、焼
結条件により熱膨張係数等の諸物性が変化することか知
られている。］を用いることが提案されている（特公昭
６Ｇ−５９０８６号公報、特開昭６０−１２２７８５号
公報、同６１−１０９６２１１号公報、同６１−２５２
００４号公報、同６３−２０４９７号公報、同６２−１
０７０６７号公報、同６３−２０４７８号公報、同６３
−２０４９７号公報、同６３−３３５７０号公報、同６
３−３（１６８０５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！１ＩＩＩＩを解決するための手段］本発明者ら
は、前記ｌｌ１１１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。

■窒化ケイ素系の焼結体は、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焼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（焼結体）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
（焼結体）を基材として用い、その表面にダイヤモンド
類躾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ＺｒＯ＊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、気相合成法て形成したダイヤ
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１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
ケイ素質の焼結体であって、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−Ｚｒ
Ｎ固溶体またはＺｒＮ−ＴｉＮ固溶体と称すことがある
。）の粒子として前記焼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、ＺｒＯ，換算で
１〜１５重量％てあり、好ましくは２〜１０重量％てあ
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、Ｔ
ｉおよびＺｒの窒化物の生成が不十分になリ、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成分の含有量か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護と基材との
熱膨張係数の差か大きくなって、ＴｉＮ換算て３ｏ重量
％を趨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てきない。

また、ＺｒがＺｒＯ，換算て１重量％未満であると、Ｔ
ｉ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
イ素類の焼結助剤としても作用する２「成分（たとえば
、ＺｒＯ＊）の有効量が低下し、基材の緻密性が不十分
になり１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ＺｒＯ，換算て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、＊に制限はなく、前記
焼結体中に、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
常は焼結体中のＴｉ成分の全部あるいはほとんどがＴｉ
Ｎ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
焼結体中に、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、前記焼結体を十分に緻密化するに十分
な量のＺｒＯ，成分［１１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
々の値をとることがてきる。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てきないが
、ＴｉＮとＺｒＮとはいずれもＮａＣｊｌ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焼結体また
は焼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、２「成分
Ｓよび窒化ケイ索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、Ａ１１．Ｏ，。

Ｍ　ｇ　Ｏ、Ｓ　１０　＊などの酸化物、ＣｒＮなとの
窒化物、ＳｉＣ，ＡＪＩＣｘなどの炭化物、Ｍ　ｇ　ｔ
Ｓｉｎ、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
Ｍｇ、ＳｉＯ，や極く微量のＡ　ｊＬ　ｔ０３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（窒化ケイ素質焼結体）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、−数的に、窒化ケイ素質焼結体にＺｒ成分が
含まれる場合。

ＺｒＯｘＮｙＣｚて表される結晶相が焼結体中に生成す
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（窒化ケイ素質焼結体）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（窒化ケイ素質焼結体）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焼結体等の焼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Ｚｒ化合物好ましくはＺｒＯ。

および適当な窒化ケイ素化合物好ましくは５ｉｓＮ４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、Ｍｇ＊　Ｓ　ｉ　Ｏ４を与えるＭｇＣ０，やＡ　
ｊＬ　＊　０２）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、これを適当な焼結条件下で焼結し、前記所
定の組成の窒化ケイ素質焼結体になす方法を好適に採用
することができる。

この焼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．
０　ｐｍ、好ましくは、０．０５〜２．０４ｍ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。

焼結条件としては、十分に緻密な焼結体が得られ、かつ
Ｔｉ成分およびＺｒ虞分の少なくとも一部がＴｉＮ−Ｚ
ｒＮ固溶体になって焼結中に分散するように行うものて
あれば特に制限はないが、−数的には以下に示す条件が
好適に利用される。

すなわち、焼結温度としては１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。

焼結時間としては、通常、０．２時間以上、好ましくは
、０．３〜ｌＯ時間程度の範囲内にするのが適当である
。

なお、この焼結は１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、焼結は、常圧
焼結、加圧焼結、ガス圧焼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
焼結体を得ることができる。

この焼結体は、前記焼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てきるし、あるいは、前記焼結後
、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
ができる焼結体として、たとえば、出発原料とＬ／テＴ
　ｉ　Ｎ、　Ｚ　ｒｏｔ　、　Ｓ　ｉ　ｘＮ４．Ａｌｅ
　ＯｙｓおよびＭ　ｇ　ＣＯｓ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焼結して得られる窒化ケイ素質焼結
体（特に、Ｘ線回折によりβ−３ｉｓ　Ｎ４　、Ｍｚ＊
　５ｉｏ４．ＺｒＯｔ、ＴｉＮ−ＺｒＮ固溶体の回折ピ
ークを与える焼結体）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。ＭｇＩＩｔ分の割合
を、ＭｇＯ換算で通常、１〜１０重量％程度の範囲内と
し、Ａ　Ｊｌ＊　０３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１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
化ケイ素質焼結体）を好適に得ることがてきる。

本発明のダイヤモンド類被覆部材は、前記焼結体（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
りダイヤ夛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性を適
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（９ａ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０．５〜１１００ＩＬ
程度、好ましくは、２〜３０４ｍ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（焼結体）
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（
焼結体）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８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
れるプラズマガスな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１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かできる。

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１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；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
がてきる。

含ハロゲン化合物としては、たとえば、へロゲン化メタ
ン、ハロゲン化エタン、へロゲン化ベンゼン等の含へロ
ゲン化炭化水素、四塩化炭素等を挙げることがてきる。

含酸素化合物としては１例えばメタノール、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、ジエチルケトン、ベ
ンゾフェノン、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、コへり酸、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；−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１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、−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。

前記炭素源ガスの全ガス中における濃度は１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ルモルフアスカ−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ＣＶＤ法、有磁場プラズマＣＶＤ法（ＥＣＲ条件
を含む）、熱フイラメント法、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、イオンブ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法てあり、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。

−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ＣＶＤ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具な
るのて、−概に決定することはできないが、通常、３０
（１〜１，２００℃、好ましくは５００〜ｌ　、　１０
０℃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か
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ツチングされてしま
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、　１Ｇ−’〜１０’　ｔｏｒｒ、好ましくはｌＯ−
％〜８００　ｔｏｒｒである０反応圧力が１０−’　ｔ
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。一方、
１０’　ｔｏｒｒ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て一概に決定する
ことはてきず、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、ダイヤモンド類膿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１通常
は０．３４ｍ以上、好ましくは０．５〜５００　ＩＬｍ
、より好ましくは１〜１１００ＩＬ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
素質焼結体等のセラミックス系基材や超硬合金基村上に
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
ある焼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てき、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、トリル、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、ポンディングツ
ールのヘッド等の超彎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鎮護の特性
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、ダイヤモンド鎮護
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（窒化ケイ素質焼結体）を用いているので、従来のも
のと比較して、ダイヤモンド鎮護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１本発明のダイヤモンド類被覆部材が、ダイ
ヤモンド鎮護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−ＺｒＮｖＭ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
の窒化ケイ素質焼結体であるので、その熱膨張係数がダ
イヤモンド鎮護のそれと近く、ダイヤモンド鎮護の形成
後、冷却時に発生する感応カが十分に小さく、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、この点たけては、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鎮護の密着
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は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
場合ても、切削寿命等の耐久性か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
る焼結体においては、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−ＺｒＮｌ！
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鎮護が形成されるものと考え
られる。

■前記したように、−数的に、窒化ケイ素質焼結体にＺ
ｒ成分が含まれる場合、ＺｒＯｘＮｙＣｚで表される結
晶相が焼結体中に生成することがあるが、その場合、ダ
イヤモンド鎮護の形成の際にＺｒＯｘＮｙＣｚが揮発し
たり、酸化による体積膨張を起こし、ダイヤモンド鎮護
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（窒化ケイ素質焼結体）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鎮護の
密着性の低下は、事実上問題にならないし、特に、Ｚｒ
ＯｘＮｙＣｚ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てきたものと考え
られる。

［実施例］ （実施例１〜５および比較例１〜４） Ｓ　ｉ　ｚ　Ｎ４粉末、ＺｒＯｔ粉末、ＭｇＣＯ５粉末
、Ａ　１１　ｔ　Ｏｓ粉末およびＴｉＮ粉末を第１表に
示す割合で湿式混合し、乾燥、成形後、ガス圧焼結法に
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
ミックスからなる焼結体チップ（Ｍ状：　５ＰＧＮ　４
２１）を作製した。得られたそれぞれの焼結体の種々の
特性を第１表に示す。

これらの焼結体チンプ基材としてマイクロ波プラズマＣ
ＶＤ装置の反応容器内に設置し、基材温度ｔ、ｏｏｏ℃
、圧力４０　ｔｏｒｒの条件下で１反応容器への原料ガ
ス流量を一酸化炭素ガス１５５ＣＣ１１、水素ガス８５
　ｓｅｃｍに設定し、マイクロ波（周波数２．４５　Ｇ
Ｈｚ）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１０４ｍ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
９００℃、圧力４０　ｔｏｒｒ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フｓｃｃｍ、水素ガス
９３　ｓｅｃｍに設定し、マイクロ波（周波数２．４５
　ＧＨｚ）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
ｐｍ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１．３３３　ｃｍ−
’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
て下記の条件て切削テストを行い、それぞれのチップの
切削特性を調べた。

被削材　：Ａト８　重量％ケイ素合金 切削速度：　１，５００　ｍ／ｓｉｎ 送り　　　：　ｆ−０，１ｍｓ／ｒｅｖ切り込み：０゜
２５１１ 加工液　二本性エマルジョン油 結果を第１表に示した。

第１表から、ＴｉＮを含まない焼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焼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％を超える焼結体を
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てきなくなり、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を添加しなかった焼結体（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、ｚ「０２を添加しなかった焼結体（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。

（以下、余白） ［発明の効果］ 本発明によると、ダイヤモンド鎮護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
有する焼結体を用いているので、基材−（焼結体）とダ
イヤモンド鎮護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、ダイヤモンド鎮護の剥離
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。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （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ＺｒＯ＿２換算て１〜
   １５重量％の割合で含有し、前記Ｔｉ成分および前記Ｚ
   ｒ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。