JPH04119983A

JPH04119983A - ダイヤモンド被覆セラミックス基材

Info

Publication number: JPH04119983A
Application number: JP2129893A
Authority: JP
Inventors: Tetsushi Aoki; 青木　哲史; Yoichi Fukuda; 洋一福田; Seiji Shimanoue; 島ノ上　誠司; Kenichi Otsuka; 健一大塚
Original assignee: Noritake Co Ltd
Current assignee: Noritake Co Ltd
Priority date: 1990-05-18
Filing date: 1990-05-18
Publication date: 1992-04-21

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の気相合成法によりダイヤモンド
９粒子を合成させるためのセラミックス基板材料に関す
る。

［従来の技術］ダイヤモンドの気相合成法は、炭化水素と水素との混合
ガスを原料ガスとし、１０ＴｏｒｒＬυ上の減圧下で熱
、マイクロ波または高周波等を用いて原料ガスを励起し
、６００〜１０００℃に加熱された基板上に導いて炭化
水素の熱分解と活性化した水素の作用により、ダイヤモ
ンド構造の炭素を基板上に析出させるものである。

ダイヤモンドの生成が可能な基板には、モリブデン、タ
ングステン、金、銅、ジルコニウム、シリコンなどの単
体、超硬合金、シリカガラス、サファイヤなどの化合物
のほか、炭化珪素、炭化チタン、窒化ホウ素、窒化珪素
などのセラミックスがある。

ダイヤモンドは本来硬さ、耐摩耗性に優れているので、
これら基板に気相合成法によりダイヤモンドを被覆して
、切削工具あるいは耐摩耗部品としての用途が期待され
ている。しかるに、ＣＶＤダイヤモンドの核発生速度、
析出速度、基板との密着強度は基板の材質により大きく
異なる０例えば、特開昭５８−１２６９７２号公報には
炭化物および窒化物を含む超硬合金に■ａ、’Ｊａ、Ｖ
ｉａ族元素の炭化物、窒化物、ホウ化物および酸化物か
ら選ばれた１種以上よりなる内層に気相合成法によりダ
イヤモンドを被覆し、ダイヤモンドその密着性を改善し
た超硬合金工具が開示されている。

また、析出ダイヤモンドとの密着性が良い窒化珪素焼総
体に気相合成法によりダイヤモンドを被覆した場合には
、切削工具または耐摩耗部品としての用途が期待される
。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、窒化珪素を基板として気相合成法により
ダイヤモンドを析出させる場合、ダイヤモンドの析出速
度が満足すべきものでなく、より優れた析出速度を有す
る基材の開発が望まれていた。

本発明はダイヤモンドの気相合成法に用いられるセラミ
ックス基材の前記のごとき問題点に鑑みてなされたもの
で、気相合成法によるダイヤモンドの析出速度の優れた
ダイヤモンド被覆窒化珪素質セラミックス基材を提供す
ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］本発明者等はダイヤモンドの析出速度を改善するため、
添加剤について着目し、遷移金属ＩＶａ、■ｂ、Ｖａ、
Ｗｉｌｌめ炭化物、窒化物およびホウ化物について鋭意
研究を重ねた結果、これら化合物の中にダイヤモンドの
析出速度を著しく改善するものがあるとの新たな知見３
得て本発明を完成した。

本発明のダイヤモンド被覆セラミックス基材は、添加剤
としてＴ　ｉＣ、ＮｂＣ、ＴａＮ　、ＴａＣ、Ｃｒ３Ｃ
２、ＳｉＣから選ばれる少なくとも１種を含有する５１
ｓＮ−焼結体からなることを要旨とする。

添加剤はＴｉＣ，ＮｂＣ，ＴａＮ、ＴａＣ，Ｃｒ３Ｃ２
、ＳｉＣから選ばれる少なくとも１種が含有されれば良
い。添加剤の添加量は多ければ多いほど効果があるが、
添加量が多くなるとＳ　ｉ　３　Ｎ　４焼結体の機械的
強度が劣化するので、３０％が限度である。

基材となるＳ　ｉ　３　Ｎ−焼結体は、従来がら公知の
Ａ　Ｉ　２０　ｉ、ｙ２ｏ、等の焼結助剤を混合し、常
法に従い成形、焼成することにより調製すれば良い。

また、得られた基材の表面は特に限定はないが、ダイヤ
モンドの核の発生速度と基材の表面粗度との関連が強い
ため、＃１７０程度のダイヤモンド砥石で研摩した状態
の面粗度てダイヤモンド析出を行った。

ダイヤモンドの気相合成法は、主としてＣＶ　Ｄ法（化
学蒸着法）が用いられるが、ＣＮｙｐ法であれば熱フイ
ラメント法、マイクロ波プラズマ法、高周波プラズマ法
、直流プラズマ法のいずれを用いても良い０例えば、マ
イクロ波プラズマ法の場合、マイクロ波を励起源として
、基板周囲にメタン水素混合ガスにプラズマを発生させ
、基板はマイクロ波の吸収とプラズマによる衝撃によっ
て加熱され、圧力数Ｔ　ｏｒｒ〜３００　Ｔ　ｏｒｒ、
基板温度的７００〜１０００℃の範囲でダイヤモンドが
合成される。

［実施例］本発明の好適な実施例を従来例および比較例とともに説
明し、本発明の効果を明らかにする。

（実施例１）Ｓｉ、Ｎ、９０重量％、焼結助剤Ａ１２０３５重量％、
Ｙ　ｚ　Ｏ３５重量％の窒化珪素質調合に対して、本発
明例として添加剤であるＴｉＣ，ＮｂＣ，ＴａＮ、Ｔａ
Ｃ、Ｃｒｙｃ　２およびＳｉＣをそれぞれ外５重量％添
加した５種類の混合粉を調製した。さらに、従来例とし
て添加剤を添加しなかったもの、および比較例としてＴ
ｉＮ、ＷＣおよび＼ＩＣをそれぞれ外５重量９６添加し
た３種類の混合粉を調製した。

得られた混合粉末を０．３　ｔｏｎ／　ａｍ２の圧力で
予備成形した後、１　、５　ｔｏｎ／　ａｍ’の圧力で
本成形した。成形体をＮ２気流中で１０００℃３０分間
か焼して脱バインダした後、Ｎ２加圧中１７５０℃て２
時間焼成して焼結体を得た。

得られた焼結体の表面を＃１７０のダイヤモンド砥石で
研摩したものを基板として、マイクロ波プラズマＣＶＤ
装置の反応管内にセットし、基板温度８５０℃、反応気
圧４０Ｔｏｒｒ、原料ガス流量をＣＨ，：０．５ｃｃ／
−ｉｎ、Ｎ２：１００ｃｃ／ｓｉｎとするＣＶＤ条件で
、ダイヤモンドの気相合成反応を６時間行い、基板上の
核発生密度を測定し、６０時間行った後ダイヤモンド層
の成長速度を測定した。

なお、核発生密度はＳＥＭ写真（Ｘ　５０００倍）に基
づき視認によって発生核数を数えることによって算出し
た。また、成長速度は厚み方向く成長方向）の使方から
同様にＳＥＭ観察により測定した。

得られた結果は第１表に示した。

以下余白第１表に示したように、核の発生密度については、添加
剤を加えなかった番号７の従来例は、１４Ｘ１０’個／
　ｅ　ｍｌ　２であった。また、添加剤としてＴｉＮ、
ＷＣおよびＶＣを添加した番号８〜１０の比較例は核発
生密度が０．７〜１．５Ｘ１０’個／ｃ−２であった。

これに対して添加剤としてＴｉＣ１Ｎ　ｂＣ、ＴａＮ　
、　ＴａＣ、Ｃｒ３Ｃ２またはＳｉＣを添加した番号１
〜６の本発明例は、核の発生密度が２．３〜３．８個／
ｃ−２であって、本発明により核の発生密度が著しく改
善されることが確認された。

また、生成されるダイヤモンド層の成長速度については
、添加剤を加えなかった番号７の従来例は、０４０μ−
／ｈｒであった。また、添加剤としてＴｉＮ、ＷＣおよ
びＶＣを添加した番号８〜１０の比較例の成長速度は０
．２０〜０．４５μ−／ｈｒであった。これに対して添
加剤としてＴｉＣ，ＮｂＣ、ＴａＮ　、ＴａＣ−Ｃｒ３
Ｃ２またはＳｉＣを添加した番号１〜６の本発明例は、
成長速度が０．６５〜０．８５μｍ、−’ｈｒであって
、本発明によりダイヤモンドの成長速度が著しく改善さ
れることが判明した。

（実施例２）Ｓ　ｉ　３　Ｎ　、９０重量％、Ａｌ２Ｏ，５重１％、
Ｙ２Ｏ３５重量％の窒化珪素質調合に対して、本発明例
として添加剤であるＴｉＣを外１０重量％および外１５
重量％と、ＴａＮを外１５重１％添加した３種類の混合
粉を調製した。この混合粉を実施例１と同様の方法で、
成形、焼結、研摩して、基板を調製した。

得られた基板を実施例１で得た従来例の基板とともに、
マイクロ波プラズマＣＶＤ装置の反応管内にセットし、
基板温度８５０℃、反応気圧４゜Ｔｏｒｒ、原料ガス流
量をＣＨ，：２．０ｃｃ／ｓｉｎ、Ｈ２・１００ｃｃ、
・’＋ａｉｎとするＣＶＤ条件で、ダイヤモンドの気相
合成反応を３時間行い、基板上の核発生密度を測定し、
６０時間行った後ダイヤモンド層の成長速度を測定した
。なお、測定方法は実施例１と同様の方法によった。得
られた結果を第２表に示した。

（以　　下　　余　　白　　）第２表の結果から明らかなように、番号１４の従来例の
核の発生密度が０．４＞１０’であり、成長速度が１０
μｍ７・’ｈｒであるのに対し、本発明例の番号１１〜
１３は核の発生密度において従来例の約２〜９倍であり
、成長速度において１．５倍〜２倍であって、本発明例
はダイヤモンドの析出速度が優れていることが確認され
た。特に、ＴｉＣまたはＴａＮの添加量が１５重１％前
後において、顕著な核の発生密度および成長速度の向上
が得られることが判明した。

本実施例で得られたダイヤモンドの粒子構造を表す５０
０倍および５０００倍のＳＥＭ謬微鏡写真を第１図〜第
４図に示した。すなわち、第１図は添加剤としてＴｉＣ
１０重量％を添加した基板に析出したダイヤモンドの粒
子構造を表す５００倍および５０００倍のＳＥＭ顕ｖ＆
鏡写真、第２図は添加剤としてＴｉＣｌ３重量％を添加
した基板に析出したダイヤモンドの粒子構造を表す５０
０倍および５０００倍のＳＥＭ顕ｒＲ鏡写真、第３図は
添加剤としてＴａＮ１３重量％を添加した基板に析出し
たダイヤモンドの粒子構造を表す５００倍および５００
０倍のＳＥＭ顕微鏡写真、第４図は添加剤を添加しなか
った基板に析出したダイヤモンドの粒子構造な表す５０
０倍および５０００倍のＳＥＭＪＩ微鏡写真である。こ
れら第１図〜第４図の顕微鏡写真からも本発明の効果が
明らかである。

（実施例３）焼結助剤としてＡ　Ｉ　２０３を５重量％とＹ　２０３
を５重量％を含有するＳｉ３Ｎ、粉末に、添加剤として
第３表に示す量のＴｉＣを混合し、実施例１と同様の方
法で混合、成形、焼結して焼結体を得た得られた焼結体
から試験片を作製し、抗折強度を測定した。なお、比較
のために添加剤を添加しない焼結体についても同様の抗
折試験を行った。得られた結果は、第３表に併せて示し
た。

（以　　下　　余　　白　　）第表第３表に得られた結果から、添加剤を添加しない番号２
０が８０　ｋｇ／　ｍｍ’の抗折強度を示すのに対し、
添加剤を添加した番号１５〜１９は添加剤の量が多くな
るに従って抗折強度が低下し、添加剤を３０重量％以上
添加した番号１９では、抗折強度が４０　ｋｇ／　ｍｍ
２と半分になり、工具の母材として適さないことが判明
した。

［発明の効果コ本発明のダイヤモンド被覆セラミックス基材は、以上説
明したように、添加剤としてＴｉＣ，ＮｂＣ１Ｔ　ａＮ
　、Ｔ　ａＣ、Ｃｒ３ｃ　２、ＳｉＣから選ばれる少な
くとも１種を含有するＳ　＋　＊　Ｎ　４焼結体からな
ることを特徴とするものであって、添加剤の添加によっ
て気相合成法によるダイヤモンドの析出速度を著しく向
上させることができ、ダイヤモンド被覆セラミックス基
材として極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は添加剤としてＴｉＣ１０重量％を添加した基板
に析出したダイヤモンドの粒子構造を表す５００倍およ
び５０００倍のＳＥＭＩＩ微鏡写真、第２図は添加剤と
してＴｉＣｌ３重量％を添加した基板に析出したダイヤ
モンドの粒子構造を表す５００倍および５０００倍の３
２Ｍ顕微鏡写真、第３図は添加剤としてＴａＮ１３重量
％を添加した基板に析出したダイヤモンドの粒子構造を
表す５００倍および５０００倍の３２Ｍ顕微鏡写真、第
４図は添加剤を添加しなかった基板に析出したダイヤモ
ンドの粒子構造を表す５００倍および５０００倍の３２
Ｍ顕微鏡写真である。第コ第第口手続補正書平成２年１１月２２日平成２年特許願第１２９８９３号発明の名称ダイヤモンド被覆セラミックス基材３、補正をする者事件との関係

Claims

【特許請求の範囲】

（１）添加剤としてＴｉＣ、ＮｂＣ、ＴａＮ、ＴａＣ、
Ｃｒ＿３Ｃ＿２、ＳｉＣから選ばれる少なくとも１種を
含有するＳｉ＿３Ｎ＿４焼結体からなることを特徴とす
るダイヤモンド被覆セラミックス基材。