JPH04157157A - 人工ダイヤモンド被覆材の製造方法 - 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、金属又はセラミックスからなる基材の表面に
、極めて強固にダイヤモンド被覆膜を形成せしめた人工
ダイヤモンド被覆材の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

ダイヤモンドは高硬度、高熱伝導率を有し、且つ化学的
安定性にも優れているため、切削工具や耐摩耗性治工具
等に広く利用されている。しかし一方で、天然の単結晶
ダイヤモンドにはへき開性があり、又ダイヤモンド粉末
を焼結したいわゆるダイヤモンド焼結体を得るためには
高価な超高圧設備が必要になるという問題点があった。

これに対して、近時、１気圧以下の減圧下で水素と炭化
水素との混合気相からダイヤモンドを合成する技術が開
発されており、この種の従来例としては例えば特開昭５
８−９１１００．特開昭５８−１１０４９４．特開昭５
８−１３５１１７等が示されている。上記第１の従来例
は、炭化水素と水素との混合ガスを１０００℃以上に加
熱した熱フィラメントによって予備加熱して、励起状態
の炭化水素、励起状態又は原子状態の水素を生成せしめ
、しかる後この加熱混合ガスを５００〜１３００℃に加
熱した基板表面に導入し、炭化水素の熱分解によりダイ
ヤモンドを析出させる化学気相析出法（ＣＶＤ法）に基
づくダイヤモンドの合成法である。

第２の従来例は、水素ガスをマイクロ波無極放電中を通
過せしめた後、炭化水素と混合するか、又は炭化水素と
水素ガスとを混合した後、マイクロ波無極放電中を通過
せしめて、励起状態の炭化水素、励起状態又は原子状態
の水素を生成せしめしかる後この混合ガスを３００〜１
３００　”Ｃに加熱した基板表面に導入し、炭化水素の
熱分解によりダイヤモンドを析出させるプラズマＣＶＤ
法に基づくダイヤモンドの合成法である。

第３の従来例は、炭化水素に対する水素のモル比が１〜
２０００となるように混合したガスを、還元性ガス又は
これに中性ガスを混和した雰囲気下の水素プラズマ気相
中で流動状態で気相反応させるダイヤモンドの合成法で
ある。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来のダイヤモンドの気相合成法にあっては、ダイ
ヤモンドを析出させる基材として、シリコン、タングス
テン、モリブデン等の金属、アルミナ、スピネル、炭化
ケイ素等のセラミックス、あるいはダイヤモンドなどが
使用さ軌ている。しかしながら、ダイヤモンド基材を用
いると、減圧下の気相からダイヤモンドがエピタキシヤ
ルに生成するので基材との密着性は高いが、非常に高価
になるという問題点がある。

一方、金属やセラミックス基材を用いると、ダイヤモン
ドと基材の密着性が弱くて、耐摩耗性治工具や切削工具
に使用した場合は、ダイヤモンドが剥離してしまい使い
ものにならないという問題点がある。

そこで本発明は、上記従来の問題点に着目してなされた
ものであり、その目的とするところは、金属やセラミッ
クスの基材の表面に充分に強固にダイヤモンドを密着さ
せることができる人工ダイヤモンド被覆材の製造方法を
提供して、上記従来の問題点を解決することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明は、基材の表面に気相
合成したダイヤモンド被覆膜を形成し、その後該ダイヤ
モンド被覆膜の一部をプラズマエツチングにより除去し
、除去後の空間に前記基材とダイヤモンドとを強固に密
着させる充填層を形成する。

〔作用〕

本発明による人工ダイヤモンド被覆材の製造方法は、基
材面に気相合成で形成したダイヤモンド層の根元を一部
削除し、そのすきまに結合力の強い充填層を形成するこ
とで、基材と形成ダイヤモンドとの結合を強化するから
、ダイヤモンド基板のような高価な基材を用いなくても
、安価な金属やセラミックスの基材で充分に強固な密着
性が確保できる。

本発明の基材の金属は、例えばＷ（タングステン）、Ｔ
ａ′（タンタル）、　Ｍｏ　（モリブデン）。

Ｓｉ（ケイ素）、Ｎｂにオプ）、Ａｕ（金）。

Ａｇ（銀）、　Ａｌ　（アルミニウム）及びこれらを含
む合金である。

また、上記以外の金属であっても、中間層を介してダイ
ヤモンドを気相合成することができる。

その中間層としては例えば、ＡｌｚＯｚ　　（アルミナ
）、ＳｉＯ□　（酸化ケイ素）、Ｍｇ０（酸化マグネシ
ウム）等の酸化膜や、５ｉＣ（炭化ケイ素）、Ｔｉｃ（
炭化チ９７）、Ｂ、Ｃ（炭化ホウ素）、ＴｉＣＮ（炭窒
化チタン）等の炭化膜や、ＴｉＮ　（窒化チタン）、Ｓ
　１ｉＮ４（窒化ケイ素）、ＢＮ（窒化ホウ素）等の窒
化膜や、あるいは上記各酸化膜、炭化膜、窒化膜がＭｏ
、Ｃｒ等の金属と複合してなるサーメツト膜、例えばＴ
ｉＣ基サーメット膜等が好適である。

本発明の基材のセラミックスとしては、例えばＡｔ２ｏ
、、Ｓ　ｉ３Ｎ４．ＷＣ（炭化タングステン）等があり
、これらを含む合金もまた利用可能である。

本発明の充填層は、メツキ又は接着剤で形成することが
できる。形成された充填層により、合成ダイヤモンド被
覆層と基材との結合が格段に強化される。

ここでいうメツキとは、電気メツキのみでなく、イオン
工学的表面処理技術の分野でＰＶＤ法として一括されて
いる真空蒸着法、スパッタリング法。

イオンブレーティング法等の真空メツキも含むものであ
る。また更には、上記物理的手段のＰＶＤ法と対比され
る化学反応的、熱反応的手段であるＣＶＤ法による気相
メツキをも包含するものである。

上記充填層に用いる接着剤は、合成されたダイヤモンド
との親和力及び基材または中間層との親和力が大であり
且つ微細な間隙への浸透性の良いものが望ましく、例え
ばシラン系接着剤が好適に使用できる。

本発明における基材表面へのダイヤモンドの気相合成に
は、公知の熱フラメントＣＶＤ法、マイクロ波プラズマ
ＣＶＤ法、高周波プラズマＣＶＤ法のいずれも好適に使
用できる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

（第１実施例） 第１図は、本発明の第１実施例の製造過程を模式的に示
したものである。

基材１は、ｒｓｏ分類のＫＩＯ（ＷＣ粒とＣ。

バインダ）よりなる１　２．７　ｔｍ角の超硬合金板で
ある。まず第１工程では、その基材の表面１ａを平面研
削して仕上げる（第１図（ａ））。第■工程で、基材１
を＃２０００のダイヤモンドパウダーを分散させたアル
コール溶液中に浸漬し、１分間超音波を付加して、基材
表面１ａに微細な疵を付ける。

これは、気相合成されるダイヤモンド結晶の核発生密度
を増加せしめるためである。

その後、基材ｌを上記アルコール溶液から取り出し、洗
浄した。

第■工程で、基材ｌの表面１ａに人工ダイヤモンド膜２
を気相合成法で合成した（第１図（ｂ））。

その合成条件は次の通りである。

装置二マイクロ波プラズマＣＶＤ装置 マイクロ波電力　８００Ｗ 反応ガス：　Ｃｏ　　　　　５　ｃ　ｃｍＨｚ　　　　
９５ｃｃｍ 反応圧カニ　　　　　　４０Ｔｏｒｒ 基材温度：　　　約　８００℃ 合成時間：　　　約　５０時間 かくして、厚さ５μｍでミラー指数（１００）のダイヤ
モンド膜２が基材表面ｌａ上に形成された。ダイヤモン
ド膜２の断面を観察したところ、はっきりした柱状構造
が認められた。

第■工程で、上記のダイヤモンド膜２に０２ガスによる
プラズマエツチングを施し、ダイヤモンド膜２中のグラ
ファイト成分を除去した。このプラズマエツチングは、
０□ガスの流量１０１００ｃで、約１時間行った。これ
により、ダイヤモンドの部分２Ａは柱状に残り、グラフ
ァイト成分の部分にはすきま３が形成されて基材表面１
ａが露出した（第１図（Ｃ））。

第Ｖ工程では、露出した基材表面１ａに、超音波を付加
しながらニッケルメッキを施した。

メツキ条件は次の通りとした。

電極：高純度ニッケル板 電圧＝５ｖ 電流：５Ａ／ｍ” メツキ液＝３０％スルファミン酸ニッケル液十純水十界
面活性剤 液温：４０℃ メツキ時間：１０分 これにより、ダイヤモンド部分２Ａのすきま３にニッケ
ルメッキの充填層４が形成されて、ダイヤモンド膜２と
基材１とが強固に固着された人工ダイヤモンド被覆材が
得られた（第１図（５））。

（第２実施例） 第２図は、本発明の第２実施例の製造過程を模式的に示
したものである。

基材１１は、５ＵＳ３０４よりなる２０閣角のステンレ
ス鋼板である。まず第■工程では、その基材の表面１１
ａを平面研削して仕上げる（第２図（ａ））。第■工程
で、その基材表面１１ａに中間層として約１μｍの厚さ
のＳｉｓＮｍ膜１２を化学蒸着で成膜した（第２図（ｂ
））。成膜条件は次の通りである。

反応ガス　：ＳｉＨ４（ｔノシラン）　　　　１　０　
０　　ｃ　　ｃ　　ｍＮＨ！　　　　　　　　　　　　
　　　　　２５ｃｃｍ基材温度：約３００℃ 合成時間：約　３０分 第■工程で、上記Ｓｉ、Ｎ、膜１２を形成した基材表面
１１ａにおけるダイヤモンド結晶の核発生密度を増加せ
しめるべく、膜１２の面を＃１０００のダイヤモンドペ
ーストで約３０分間ハンドラツブした。その後、基材１
１を洗浄した。

第■工程で、基材１１に形成されたＳｉ：＋Ｎ４膜１２
の表面に、人工ダイヤモンド膜１３を気相合成法で合成
した（第２図（Ｃ）。合成条件は次の通りである。

装置：熱フイラメントＣＶＤ装置 タングステンフィラメントと基材表面のＳｉ、Ｎ、膜１
２間の距離　１０ｍ＋＋反応ガス：ＣＨａ　　　　　４
ｃｃｍ Ｈｚ　　　　　９６ｃｃｍ 反応圧カニ　　　　　１ｏＯＴｏｒｒ 基材温度：約７００″Ｃ、フィラメント放射のみ、冷却
なし 合成時間：約２０時間 かくして、厚さ約７μｍでミラー指数（１００）のダイ
ヤモンド膜１３がＳｉ、Ｎ、膜１２上に形成された。ダ
イヤモンド膜１３の断面を観察したところ、はっきりし
た柱状構造が認められた。

第Ｖ工程で、上記のダイヤモンド膜１３に空気にてプラ
ズマエツチングを施し、ダイヤモンド膜１３中のグラフ
ァイト成分を除去した。このプラズマエツチングは、空
気の流量２００ｃｃｍで、約３０分間行った。これによ
り、ダイヤモンドの部分１３Ａは柱状に残り、グラファ
イト成分の部分にはすきま１４が形成されて５ｉｚＮ４
膜１２が露出した（第２図（ｄ））。

第Ｖ工程では、上記グラファイト成分の部分を除去して
できたすきま１４に、浸透性の良いシラン系の接着剤を
流しこんで充填層１５を形成した。

これにより、ダイヤモンド膜１３とＳｉ：＋Ｎ４膜１２
と基材１１とが強固に固着された人工ダイヤモンド被覆
材が得られた（第２図（ｅ））。

（第３実施例） 第３図は、本発明の第３実施例の製造過程を模式的に示
したものである。

基材２１は、タングステンからなる直径１５閣の円板で
ある。まず第１工程では、その基材の表面２１ａを平面
研削して仕上げる（第３図（ａ））。

第■工程では、基材表面２１ａのダイヤモンド結晶の核
発生密度を増加せしめるため、基材２１を＃１５００の
ダイヤモンドパウダーを分散させたアルコール溶液中に
浸漬し、１分間超音波を付加して、基材表面２１ａに微
細な疵を付ける。その後、基材２１を洗浄した。

第■工程で、基材の表面２１ａに、人工ダイヤモンド膜
２２を気相合成法で合成した（第３図■）。

合成条件は第１実施例と同様である。

かくして、厚さ約５μｍでミラー指数（１００）のダイ
ヤモンド膜２２が基材表面２．１　ａ上に形成された。

ダイヤモンド膜２２の断面を観察したところ、はっきり
した柱状構造が認められた。

第■工程で、上記のダイヤモンド！Ｉ２２に常法でプラ
ズマエツチングを施し、ダイヤモンド膜２２中のグラフ
ァイト成分を除去した。これにより、ダイヤモンドの部
分２２Ａは柱状に残り、グラファイト成分の部分にはす
きま２３ができて基材表面２１ａが露出した（第３図（
Ｃ）。

第Ｖ工程では、上記すきま２３に露出した基材表面２１
ａに真空メツキを施した。本実施例では真空メツキとし
て、タングステンターゲットを用いてスパッタリングを
行い、すきま２３にタングステンの充填層２４を形成し
た。このとき、柱状のダイヤモンド層２２Ａの上方にも
タングステン層２４ａが形成された（第３図（ｄ））。

第Ｖ工程で、ダイヤモンド層２２Ａ上の余分なタングス
テン層２４ａを研磨して除去し、ダイヤモンド膜２２と
基材２１とが強固に固着された人工ダイヤモンド被覆材
が得られた（第３図（ｅ））。

（第４実施例） 基材及び第１工程〜第■工程は、上記第３実施例と同様
である。

第Ｖ工程では、真空メツキに代えて気相メツキを施した
。気相メツキは、ＣＨ，とＳｉＨ４とを原料ガスとする
熱ＣＶＤ法を用いて行い、ダイヤモンド膜中のすきまに
ＳｉＣの充填層を形成した。

第Ｖ工程で、ダイヤモンド層上の余分なＳｉＣを研磨し
て除去し、ダイヤモンドと基材とが強固に固着された人
工ダイヤモンド被覆材を得た。

〔発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、基材の表面に気
相合成したダイヤモンド被覆膜を形成し、その後ダイヤ
モンド被覆膜の一部をプラズマエンチングにより除去し
、その除去後の空間に基材とダイヤモンドとを強固に密
着させる充填層を形成するものとしたため、ダイヤモン
ド基板より安価な金属やセラミックス基板を用いて、非
常に強固な人工ダイヤモンド被覆材を得ることが可能と
なり、その結果安価で長寿命の耐摩耗性治工具や切削工
具が好適に提供できるなど、その工業的価値は極めて高
いものである。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、　（ｂ）、　（Ｃ）、　（ｄ）、は、そ
れぞれ本発明の第１実施例の製造過程を模式的に示す断
面図、第２図（ａ）、　（ｂ）、　（Ｃ）、　（ｄ）、
　（ｅ）は、それぞれ第２実施例の製造過程を模式的に
示す断面図、第３図は（ａ）。 ら）、　（Ｃ）、（ロ）、（ｅ）は、それぞれ第３実施
例の製造過程を模式的に示す断面図である。 １．１１．２１−一基材、２．１３．２２−ダイヤモン
ド（被覆）膜、３，１４．２３−・すきま、４．１５．
２４−−一充填層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）基材の表面に気相合成したダイヤモンド被覆膜を
   形成し、その後該ダイヤモンド被覆膜の一部をプラズマ
   エッチングにより除去し、除去後の空間に前記基材とダ
   イヤモンドとを強固に密着させる充填層を形成すること
   を特徴とする人工ダイヤモンド被覆材の製造方法。