JPH0353069A - 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
はバイト，エンドミル、カッター、ドリル等の切削工具
や各種耐摩耗部材に広く利用することのできるダイヤモ
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］従来から切削工具等の製造に際し、超硬
合金やセラミックス等からなる基材の表面にダイヤモン
ド膜を被覆することが行なわれている．さらに、比較的
最近になって、密着性の観点から窒化珪素セラミックス
基材の表面にダイヤモンド膜を被覆することも行なわれ
ている．さらにこれを説明すると，たとえば特公昭６０
−５９０８６号公報、特開昭６２−１０７０６７号公報
、同６３−２０４７９号公報、同６３−３３５７０号公
報等々には、密着性の良いダイヤモンド被覆部材を得る
ために，特定の熱膨張率を有する窒化珪素基材を用いる
技術が開示されている． しかし，これらはいずれもダイヤモンド被膜形Ｉｓ．後
の，冷却時に発生する熱応力を抑えてダイヤモンド膜の
剥離を防ぐものであり、その密着性はいまだ不十分であ
るとともに、切削工具では高速切削など発熱を伴う用途
には向かない問題点がある． すなわち、比較的ゆっくりとした速度で切削すれば良好
な結果が得られるものの、高速切削を行なうと刃先の先
端部が著しく昇温し、そのためダイヤモンドが酸化もし
くはグラファイト化し、ダイヤモンド膜が劣化してしま
うのである．本発明の目的は、高速切削など発熱を伴う
用途でもダイヤモンド類膜の劣化が効果的に防止され，
基材に対するダイヤモンド類膜の密着性も十分高い，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千段］ 本発明のダイヤモンド類被覆部材は、窒化珪素を主成分
とする熱伝導率が４０Ｗ　／　ｍ−ｋ以上のセラミック
ス基材の表面に、ダイヤモンド類膜が形成されてなるこ
とを特徴とする． 以下，本発明を詳しく説明する． 一基材一 本発明における基材は，主成分として窒化珪素（Ｓｉｘ
Ｎｉ）を含有する焼結体であって、かつ熱伝導率が４０
Ｗ／ｍ●ｋ以上のものでなければならない． 本発明ではこの窒化珪素の中でもジルコニア（Ｚ　ｒ０
２　）およびマグネシア（ＭｇＯ）を焼結助剤としてガ
ス圧焼結した窒化珪素セラミックスが高い熱伝導率を有
するので、とくに好ましい．本発明では上記主成分、焼
結助剤以外の成分として前記熱伝導率が４０Ｗ　／　ｍ
−ｋ以上を確保する範囲で公知のセラミックスを用いる
ことができる． たとえば、ジルコニア、ムライト、スビネルなどの酸化
物系セラミックス、および炭化珪素、窒化ホウ素、炭化
ホウ素、窒化アルミニウム，窒化チタン、炭化チタン、
炭化タングステンなどの非酸化物系セラミックス．なら
びに前記セラミックス中に炭化珪素ウイスカー、窒化珪
素ウイスカー、カーボンウイスカ一などを分散したセラ
ミックスなどが挙げられる． しかしながら、Ｓｉ３Ｎｍの焼結助剤として広く用いら
れるアルミナ（Ａ１２０３）は、ＳｉｘＮ４と固溶して
サイアロン化し、熱伝導率を低下させるので好まし〈な
い． 本発明では基材の熱伝導率が４０Ｗ　／　ｍ−ｋを下回
る場合は，後述するダイヤモンド膜の熱劣化を効果的に
防止することはできない． したがって，基材の製造に際して前述した各成分をどの
〈らい配合したらよいか，またどの成分を遺択するかは
、上記熱伝導率と前記主成分の条件を外れない限りにお
いて任意に決定することができる． ーダイヤモンド類膜一 本発明では、前記基村上にダイヤモンド類膜，すなわち
ダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素のいずれか一方の、
または両者が混在した被覆膜を形或する． この被覆膜の形成には公知のダイヤモンド類膜形或法を
採用することができるが、なかでも気相法を採用するの
が実用的にも好ましい．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．前記セラミッ
クス基材に反応室内で接触させることにより、該基村上
に前記被覆膜を形或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；プタジェン
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７セトン、ジェチルケト
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、エチルプロビルエーテル，
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
、ピナコリン、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、プロビオン酸，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． 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、テレビン油、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，ギャー油、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，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、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、熱フィラメ
ント法、熱ＣＶＤ法，光ＣＶＤ法、燃焼炎法，スパー，
タリング法などを挙げることができる． これらの中でも，好ましいのは各種プラズマＣＶＤ法で
ある． 上述した各原料ガスと各励起手段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
素ガスの混合ガスおよびマイクロ波プラズマ法である． すなわち、この混合ガスをマイクロ波で励起すると、励
起されたガスは前記基材表面の粒界威分をエッチングし
ながらダイヤモンドを析出させるので、そこはダイヤモ
ンドｍｓと基材とが入り組んだ構造となり、両者間の熱
伝導性を高めるのに効果的であるからである． 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異な
るので、一概に決定することは出来ないが、結晶性ダイ
ヤモンド膜を被覆する場合には，通常、３００−１２０
０℃、好ましくは４００〜１　，　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、均質性が失われ
たりする． 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、形戊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１０−６ｔｏｒｒ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、１０３ｔ
ｏｒｒ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で一概に決定することはで
きず、適宜決定すればよい．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、特に制限はな
いが、通常は０．５〜１００角ｍ程度、好ましくは１〜
６０井ｍである． ダイヤモンド類　　部材 か〈して得られるダイヤモンド類被覆部材は，ダイヤモ
ンド類膜の密着性が優れており、基材から容易に剥離し
ない． しかも基材の熱伝導率が高いので、高速切削しても基材
を通じて熱が逃散しやすく、そのためダイヤモンド類膜
は、熱劣化が生じにくい．［実施例］ 次に実施例および比較例に基いて本発明をさらに具体的
に説明する． なお、以下において熱伝導率はレーザーフラッシュ法に
より室温で測定した値を用いた．（実施例ｌ） ＺｒＯ２　（５ｊｔ量％）およびＭｇＯ　（５重量％）
を焼結助剤としてガス圧焼結（　１　，８００℃、８０
気圧）した窒化珪素セラミックス（熱伝導率４５Ｗ／ｍ
＠ｋ）からなるチップ（ＳＰＧＮ４２１　）を基材とし
て、これをマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の反応容器内
に設置した．そして基材温度ｔ，ｏｏｏ℃、圧力５０ｔ
ｏｒｒの条件下に反応室内への原料ガス流量を一酸化炭
素ガス２０ｓｃｃ鵬、水素ガス８０ｓｃｃｍに設定し、
マイクロ波出力を３００Ｗに設定し、反応を１０時間行
なって、前記基材上に厚み２０ＪＬｍの膜状の堆積物を
得た． この堆積物についてラマン分光分析を行なったところ、
ラマン散乱スペクトルの１３３３ｃｍ−　１付近にダイ
ヤモンドに起因するピークがみもれ、不純物の殆ど無い
ダイヤモンドであることを確認した．得られたダイヤモ
ンド被覆チップを用いて下記条件で切削テストを行なっ
たのちＳＥＭにより刃先の観察を行なったところ、該チ
ップには速度４００ｍ／ｗｉｎの切削試験後においてダ
イヤモンド膜の剥離は殆ど見られず、摩耗も殆どなかっ
た．さらに、速度８００鵬／麿ｉｎ　，　１０時間の高
速切削試験においても、同様の結果が得られた．被削材
　：Ａ旦−８重量％Ｓｉ合金 切削速度；　４００　ｍ　／ｗｉｎ　．　８００ｍ／ｓ
ｉｎ送り　　　；　０．１ｍｍ　／　ｒ　ｅ　ｖ切り込
み；０．２５ｍｍ ［比較例１］ 基材として、Ａ交２０３（３重量％）およびＹ２０３（
３重量％）を焼結助剤としてガス圧焼結した窒化珪素セ
ラミックス（熱伝導率３１Ｗ／ｍ＊ｋ）からなるチップ
を用いたこと以外は，実施例１と同様にしてダイヤモン
ド膜の形成および切削試験を行なった． 速度４００ｍ／ｓｉｎの切削試験では刃先に異常は認め
られなかったが、速度８００■／ｓｉｎの高速切削試験
では短時間でダイヤモンド膜に熱劣化による摩耗，剥離
が生じてしまった． ［発明の効果］ 本発明のダイヤモンド類被覆部材は、熱伝導率と種類を
特定したセラミックス基材にダイヤモンド類膜が被覆さ
れているので，高速切削など発熱を伴う用途でも、ダイ
ヤモンド類膜の劣化を効果的に防止することができる．
しかも基材に対するダイヤモンド類膜の密着性が優れて
いるから、チッピングや剥離がおこらないし、摩耗も生
じ難い．したがって切削工具や耐摩耗部材としての寿命
を伸ばすことができる．そして、その基材の製造にはガ
ス圧焼結法を、またダイヤモンド類膜の形或には気相法
を採用できるので、容易に製造することさえ可能である
．

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）窒化珪素を主成分とする熱伝導率が４０Ｗ／ｍ・
   ｋ以上のセラミックス基材の表面にダイヤモンド類膜が
   形成されてなること特徴とするダイヤモンド類被覆部材
   。