JPH0417655A - 複合材料及びその製造方法 - 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〕 本発明はダイヤモンド及びセラミックからなる複合材料
並びに低圧下におけるその製造方法に関する。

〔従来の技術及び解決すべき課題〕

ダイヤモンドは硬度及びヤング率が高く、複合材料の分
散強化材料として用いるのに適している。ところがこの
ダイヤモンドを他の材料中に含ませ、十分な接合強度を
有する複合材料を製作するには、様々の条件が必要とな
る。即ち、ダイヤモンドは高圧相であるため、他の材料
と粉末状態で混合し、超高圧下でなく焼結を行なうと、
グラファイトに変態してしまう。従って、従来より焼結
ダイヤモンドは金属やセラミックを結合相として超高圧
下で製造されており、又ダイヤモンドを液体の金属若し
くは酸化物から析出するにも、やはり超高圧という条件
が必須となる。

しかし、上記のように超高圧技術で形成されたダイヤモ
ンドを含む複合材料は、高度の圧力を受けて形成される
ため、その大きさ、形状の点でかなりの制約を受ける。

つまり、大きさはせいぜい１００鵬■径までのものに限
られ、又ダイヤモンドを含んだ複合材料が高硬度であり
、−旦作製した形状から機械加工を行なうことが困難な
ことから複雑な三次元形状は望むべくもなかった。さら
に、このような大きさや形状の制約から、ひいてはダイ
ヤモンドを含む複合材料の使用範囲が限定されるという
問題があった。

従って本発明は前記問題点に鑑みてなされたものであっ
て、ダイヤモンド及びセラミックからなる複合材料並び
に低圧下におけるその製造方法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〕

上記の目的を達成するために、本発明の複合材料は、ダ
イヤモンド及びセラミックから構成され、このダイヤモ
ンドの結晶粒径が１０ｊ鵬以下であることを特徴として
いる。ここで前記セラミックは炭化チタン、炭化タンタ
ル、炭化タングステンより選らばれた１種若しくは２種
とすることが好ましい。

又、前記材料の製造方法は、真空槽内にプラズマジェッ
ト銃及びプラズマ溶射銃を備え、前記プラズマジェット
銃より原料ガスを基板に噴射してダイヤモンドの合成を
行ない、これと同時に前記プラズマ溶射銃で原料セラミ
ックを基板に噴射して、ダイヤモンド及びセラミックの
混合膜を形成することを特徴とする。

〔作用〕

ダイヤモンドの気相合成技術については、ここ数年種々
の提案がなされているが、ＣＶＤ（化学的蒸着法）によ
って１０００℃以下の温度、０．１気圧程度の圧力とい
う条件下で形成できることが明らかになっており、この
中でも火炎法、プラズマジェット法では大気中でもダイ
ヤモンドの形成が可能である。

特にプラズマジェット法は、ダイヤモンドの形成速度が
極めて速く、１時間当り最大１ｍ■といった高速形成が
可能で、又、アーク放電電力及び供給する炭化水素ガス
量を増加することでダイヤモンドの析出速度が増し、生
成するダイヤモンドの結晶粒径を制御することができる
。尚、ダイヤモンドの結晶粒径は、大きすぎると分散強
化の効果が期待しにくくなるため、１０μ＝以下とする
ことが好ましい。

一方、セラミックや高融点金属の形成法とじては、プラ
ズマ溶射法が知られている。これは、前記のプラズマジ
ェット法が原料の全てにガスを用い、ダイヤモンドはこ
れらガスの間の化学反応によって生成されるのに対し、
原料には個体（粉体、棒、線）を利用する。そしてこの
原料をアークプラズマ領域に供給し、瞬間的に数千度ま
で昇温、溶融し、これをガスにより霧吹き吠に飛ばして
、基板上で膜状に再凝固するものである。この方法も大
気圧から減圧という条件下で可能なため、真空槽内で前
記プラズマジェット法と合わせて利用することでダイヤ
モンド及びセラミックの混合膜形成が可能となる。

この場合、形成される混合膜中のダイヤモンド含宵率は
プラズマジェット銃及びプラズマ溶射銃の成膜条件（放
電電力、原料ガス又は原料セラミックの供給量）を調節
することで制御できる。又、プラズマジェット法は通常
１分間に１ｓ１以上という比較的高速度でダイヤモンド
膜形成が可能なため、実用的速度で複合材料の形成に利
用できるが、この際ダイヤモンドの形成が妨げられない
ように、セラミックの形成速度を十分小さくすることが
必要である。

このようにダイヤモンド及びセラミックを混合して形成
することは、各々の粒子の成長時間が確保されるという
点からも好ましい方法といえる。

〔実施例〕

以下第１図及び第２図に示す装置について説明し、これ
ら装置を用いての本発明の詳細な説明する。第１図及び
第２図は各々異なった態様の装置を示す説明図で、図中
の同一部分は同一符号を用いている。

まず第１図に示す装置について説明する。図に示すよう
に真空槽１内にはプラズマジェット銃２及びプラズマ溶
射銃３の両統が備えられている。

このジェット銃２の基本的な構造は図示していないが、
筒状のノズルである陽極と円柱状の陰極を備え、各々同
軸状に配置して構成されたものである。そして陽極は直
流電源の正の端子に接続され、陰極はその負の端子に接
続されている。さらに、このジェット銃２は原料ガス供
給管２ａ、　２ｂ。

２ｃとも接続されている。そして前記陰極と陽極である
ノズルの間に原料ガスを供給しながら、直流電力を印加
してアーク放電を発生させると、原料ガスは加熱されて
膨張し、強く電離された超高温のジェット流となってノ
ズルから噴射されることとなる。

一方、溶射銃３の方も、基本的な構造は前記ジェット銃
２と同様であり、原料ガス供給管３ａ、　３ｂと接続さ
れている他、セラミックを導入するための原料セラミッ
ク供給管３Ｃとも接続されている。

そしてこれら−ジェット銃２及び溶射銃３は基板４の表
面に均一に原料噴射ができるよう、各々基板方向に向け
て設置されている。

又、前記基板４は、冷却水により冷やされたホルダー５
に装着されている。このホルダー５は注水管６、排水管
７を介して水の循環を行ない、これにより冷却できると
いうものである。

さらに真空槽内は真空ポンプ８を介して所定の真空状態
に調整できるようになっている。

このような装置において、各銃に原料を導入し、同時に
その噴射を行なって複合材料を形成する。

（実施例１） 上記の装置を用いてダイヤモンドと炭化チタン（Ｔｉｅ
）の複合材料を製作した。

モリブデン板材を基板とし、真空槽内を一旦１０−’Ｔ
ｏｒｒに排気した後、表１に示す各原料を各銃に導入し
、ジェット銃２には３　ｋｗ１溶射銃３には７ｋｗの直
流電力を印加した。

表１ プラズマジェット銃 プラズマ溶射銃 そして、真空槽内の圧力を７０Ｔｏｒｒとし、５時間の
形成を行なった後、塩酸によりモリブデン基板を溶解し
、厚さ４．５ｍｍの膜を得た。

この膜はＸ線回折によってダイヤモンド及び炭化チタン
からなっていることが判明した。又、光学顕微鏡により
、０．５から５μ■の粒径をもつダイヤモンドが分散し
ており、その含を率は約２５％であることがわかった。

さらに、この膜のビッカース硬度は２７００であった。

次に第２図に示す実施例について説明する。図において
、２及び２′はプラズマジェット銃で、このうちジェッ
ト銃２は真空槽１の一面から水平方向に原料ガスを噴射
できるよう設置され、原料ガス供給管２ａ、　２ｂと接
続されている。又ジェット銃２′は鉛直上方でかつ前記
ジェット銃２の照射口前方に原料ガスを噴射できるよう
設置され、原料ガス供給管２’ａ、　２’ｂと接続され
ている。そしてこれらジェット銃２及び２′が原料を噴
射した際、噴射領域に炭化水素ガスが供給できるよう炭
化水素ガス供給管ｌＯが導入されている。

一方プラズマ溶射銃３は前記ジェット銃２の上部に位置
し、基板方向に原料が噴射できるよう、やや下方に傾む
けて設置されている。そして原料ガス供給管３ａ、　３
ｂ及び原料セラミック供給管３Ｃと接続されている。こ
れらジェット銃２．２′及び溶射銃３の構成は前記実施
例１で述べたものと同様であり、又、基板４が冷却可能
なホルダー５に装着され、真空槽１内の圧力調整が真空
ポンプ８により行なわれることも実施例１と同様である
。但し本実施例のホルダー５は移動機構９によって支持
されており、二次元的にホルダー５を移動できるため、
基板上の膜の形成領域を変えることができるよう構成さ
れている。

このように構成された装置において各銃より原料を噴射
し、同時に炭化水素ガスの供給を行なって、ホルダー５
を移動させながら形成を行なう。

この場合ジェット銃２′より鉛直上方に噴射された原料
はジェット銃２より水平方向に噴射された原料と一体と
なって基板表面に達し、同時に溶射銃３より噴射された
原料セラミックと混合されて複合材料が形成される。

（実施例２） 上記のｇｔを用いてダイヤモンドと炭化タンタル（Ｔａ
ｃ）の複合材料を製作した。

１２０＋ｓｍＸ　１５０ｍ閣のタングステン板材を基板
とし、表２に示す各原料を各銃に導入して、ジェット銃
２には４　ｋｗ１同２′には２ｋｖ１溶射銃３には１Ｏ
ｋｖの直流電力を印加した。

プラズマジェット銃２′ プラズマ溶射銃３ そして真空槽内の圧力を１００τｏｒｒとし、炭化水素
供給管ｌＧよりメタンガスを０．１１ｓｌ−導入して２
５時間の形成を行なった。

その結果厚さＱｔａｒｍの膜が形成され、この膜はダイ
ヤモンドを４０％含有するダイヤモンドと炭化タンタル
より構成された複合材料であることがわかった。

〔発明の効果〕

以上説明したように、プラズマジェット法及びプラズマ
溶射法の双方を利用することで、低圧下においてもダイ
ヤモンドを含む硬質、高強度の複合材料を製作すること
ができる。

従って、従来のように超高圧技術によって製作した場合
と異なり、形成される複合材料の大きさ、形状は基板の
大きさ、形状によって自由に選択できる。即ち基板を移
動させることで膜の形成領域を変えさえすれば、かなり
大きな複合材料を得ることができ、又基板をあらかじめ
三次元形状のものとすれば、そのような形の複合材料を
得ることが可能である。

又、本発明の複合材料は、高硬度、高ヤング率を要求さ
れる分野で効果的な利用ができる。

特に、ダイヤモンドは高温下においてもそのヤング率が
低下しないところから、いわゆる高温のクリープに対し
て優れた抵抗を示す耐熱材料といえる。さらに、切削工
具としても耐摩耗性が向上するのみならず、強度も向上
するところから有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は各々異なった態様の実施例を示す説
明図である。 １・・・真空槽、２ａ、　２ｂ、　２ｃ、　２’ａ　１
２’ｂ　、　３ａ１３ｂ。 ・・・原料ガス供給管、２．２’・・・プラズマジェッ
ト銃、３・・・プラズマ溶射銃、３ｃ・・・原料セラミ
ック供給管、４・・・基板、５・・・ホルダー、６・・
・注水管、７・・・排水管、８・・・真空ポンプ、８・
・・移動機構、ＩＯ・・・炭化水素ガス供給管。 ’４１１１

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ダイヤモンド及びセラミックより構成され、前記
   ダイヤモンドの結晶粒径が１０μｍ以下であることを特
   徴とする複合材料。
2. （２）真空槽内にプラズマジェット銃及びプラズマ溶射
   銃を備え、前記プラズマジェット銃より原料ガスを基板
   に噴射してダイヤモンドの合成を行ない、これと同時に
   前記プラズマ溶射銃より原料セラミックを基板に噴射し
   て、ダイヤモンド及びセラミックの混合膜を形成するこ
   とを特徴とする複合材料の製造方法。