JPH05163570A - ダイヤモンド膜被覆金属チタンの製造方法 - Google Patents
ダイヤモンド膜被覆金属チタンの製造方法Info
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- JPH05163570A JPH05163570A JP35024991A JP35024991A JPH05163570A JP H05163570 A JPH05163570 A JP H05163570A JP 35024991 A JP35024991 A JP 35024991A JP 35024991 A JP35024991 A JP 35024991A JP H05163570 A JPH05163570 A JP H05163570A
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【構成】金属チタンの表面にAl2O3,SiO2又はＷよりなる
中間蒸着膜を0.10〜3.00μｍの厚さに真空蒸着法により
形成した後、その表面にマイクロ波プラズマ気相沈積法
によりダイヤモンド膜を形成することを特徴とするダイ
ヤモンド膜被覆金属チタンの製造方法。 【効果】本発明によれば従来不可能とされていた金属チ
タン上へのダイヤモンド膜の形成が可能となり、物理、
化学的に優れた強度を有する複合材料を容易に作製でき
る。
中間蒸着膜を0.10〜3.00μｍの厚さに真空蒸着法により
形成した後、その表面にマイクロ波プラズマ気相沈積法
によりダイヤモンド膜を形成することを特徴とするダイ
ヤモンド膜被覆金属チタンの製造方法。 【効果】本発明によれば従来不可能とされていた金属チ
タン上へのダイヤモンド膜の形成が可能となり、物理、
化学的に優れた強度を有する複合材料を容易に作製でき
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、機械的、化学的に安定
でかつ強度にも優れた複合材料である表面にダイヤモン
ド膜を形成させた金属チタンの製造方法に関する。
でかつ強度にも優れた複合材料である表面にダイヤモン
ド膜を形成させた金属チタンの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ダイヤモンドは、現存する物質では最も
硬く、熱及び音波の伝導性に優れている。さらに、酸、
アルカリ等にも化学的に安定であり、広い応用範囲を有
している。ダイヤモンドは、従来、高温高圧の条件下で
合成されていたが、最近では特開昭 58-110494号公報に
開示されているように、炭化水素と水素の混合ガスを原
料とし、マイクロ波無極放電によるプラズマを用いて膜
状のダイヤモンドを得るマイクロ波プラズマ気相沈積法
が、盛んに研究されている。この気相沈積法により得ら
れるダイヤモンド膜は、硬度、熱伝導性、化学的な安定
性等の点で天然に産出するダイヤモンドとほぼ同様の性
質を有するとされている。この為、耐摩耗性や、化学的
安定性向上を目的として、金属やセラミック製の部品表
面への膜形成が検討されている。
硬く、熱及び音波の伝導性に優れている。さらに、酸、
アルカリ等にも化学的に安定であり、広い応用範囲を有
している。ダイヤモンドは、従来、高温高圧の条件下で
合成されていたが、最近では特開昭 58-110494号公報に
開示されているように、炭化水素と水素の混合ガスを原
料とし、マイクロ波無極放電によるプラズマを用いて膜
状のダイヤモンドを得るマイクロ波プラズマ気相沈積法
が、盛んに研究されている。この気相沈積法により得ら
れるダイヤモンド膜は、硬度、熱伝導性、化学的な安定
性等の点で天然に産出するダイヤモンドとほぼ同様の性
質を有するとされている。この為、耐摩耗性や、化学的
安定性向上を目的として、金属やセラミック製の部品表
面への膜形成が検討されている。
【０００３】一方、チタン及びその合金は、その強度に
おいては炭素鋼に等しく、自重に対する強度比は鉄の約
２倍という構造用材料としての優れた特性を有する金属
である。この為、チタンは航空、工学、医学等の産業分
野において、広く使用されている。このように優れた特
性を有する金属チタンの表面に、高硬度のダイヤモンド
膜を形成することができれば、物理、化学的に安定で強
度にも優れた複合材料が得られるはずである。
おいては炭素鋼に等しく、自重に対する強度比は鉄の約
２倍という構造用材料としての優れた特性を有する金属
である。この為、チタンは航空、工学、医学等の産業分
野において、広く使用されている。このように優れた特
性を有する金属チタンの表面に、高硬度のダイヤモンド
膜を形成することができれば、物理、化学的に安定で強
度にも優れた複合材料が得られるはずである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来より
のマイクロ波気相沈積法でダイヤモンド膜の形成が可能
な金属材料は、シリコン、モリブデン、タングステン等
に限られており、チタン上にダイヤモンド膜を形成する
ことはできなかった。本発明は上記の欠点を解決し、高
強度材料であるチタンの表面に、ダイヤモンド膜を形成
することで高硬度、高強度の複合材料を提供しようとす
るものである。
のマイクロ波気相沈積法でダイヤモンド膜の形成が可能
な金属材料は、シリコン、モリブデン、タングステン等
に限られており、チタン上にダイヤモンド膜を形成する
ことはできなかった。本発明は上記の欠点を解決し、高
強度材料であるチタンの表面に、ダイヤモンド膜を形成
することで高硬度、高強度の複合材料を提供しようとす
るものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記の目
的を達成する為に、マイクロ波プラズマが金属チタンに
与える影響について詳細な検討を行なった。その結果プ
ラズマ中の活性化された水素及び炭素の原子がチタンの
結晶に吸収され、チタンがTiH2及びTiＣに変質するこ
と、さらに金属チタン基材の温度を 880℃より高くする
と、チタンが相転移により変形することを見出した。こ
のような知見をもとに金属チタン表面へのダイヤモンド
膜の形成法について、種々検討した結果、Al2O3,SiO2又
はＷよりなる中間蒸着膜を介してダイヤモンド膜を形成
することで前記諸課題を解決することができ、本発明を
完成するに至った。その要旨は、金属チタンの表面に、
厚さが0.10〜3.00μｍのAl2O3,SiO2又はＷのいずれかの
中間蒸着膜を真空蒸着法により形成し、この表面に周波
数300MHz〜 30GHzのマイクロ波を使用したマイクロ波プ
ラズマ気相沈積法により、該金属チタンの温度が700〜
880℃の範囲となるような電力を印加してダイヤモンド
膜を形成することを特徴とするダイヤモンド膜被覆金属
チタンの製造方法にある。
的を達成する為に、マイクロ波プラズマが金属チタンに
与える影響について詳細な検討を行なった。その結果プ
ラズマ中の活性化された水素及び炭素の原子がチタンの
結晶に吸収され、チタンがTiH2及びTiＣに変質するこ
と、さらに金属チタン基材の温度を 880℃より高くする
と、チタンが相転移により変形することを見出した。こ
のような知見をもとに金属チタン表面へのダイヤモンド
膜の形成法について、種々検討した結果、Al2O3,SiO2又
はＷよりなる中間蒸着膜を介してダイヤモンド膜を形成
することで前記諸課題を解決することができ、本発明を
完成するに至った。その要旨は、金属チタンの表面に、
厚さが0.10〜3.00μｍのAl2O3,SiO2又はＷのいずれかの
中間蒸着膜を真空蒸着法により形成し、この表面に周波
数300MHz〜 30GHzのマイクロ波を使用したマイクロ波プ
ラズマ気相沈積法により、該金属チタンの温度が700〜
880℃の範囲となるような電力を印加してダイヤモンド
膜を形成することを特徴とするダイヤモンド膜被覆金属
チタンの製造方法にある。
【０００６】以下、本発明を詳細に説明する。本発明に
用いられる金属チタンは、チタンをその重量で99％以上
含有する純チタンの他、バナジウム、モリブデン、マン
ガン等の元素周期律表の５族、６族、７族の元素をその
重量で10％未満含有する合金チタンでも良い。本発明の
最大の特徴は、この金属チタンの表面に、Al2O3,SiO2又
はＷの何れかによる厚さ0.10〜 3.0μｍの中間蒸着膜を
形成させることで、基材の金属チタンを変質させること
なく、ダイヤモンド膜の形成を可能としたことにある。
このような中間蒸着膜は、従来より公知の真空蒸着法に
より得られるもので、中間蒸着膜の厚さを0.10〜 3.0μ
ｍの範囲としたのは、中間蒸着膜の厚さが0.10μｍ未満
の場合は、ダイヤモンド膜の形成時にチタンの変質した
TiH2、 TiＣが発生し、3.0 μｍより厚い場合には金属チ
タン表面と中間蒸着膜の付着性が低下する為である。こ
の中間蒸着膜は金属チタン結晶への水素及び炭素の進入
を阻止するためのものであるから、金属チタンのダイヤ
モンド膜の形成部位のみならず、ダイヤモンド膜析出時
に、反応器内の雰囲気ガスと接する全ての面について、
前記厚さの中間蒸着膜を被覆形成しなければならない。
ダイヤモンド膜の形成は、公知の方法である、マイクロ
波プラズマ気相沈積法によればよいが、本発明において
は、基材チタンの温度を相転移が生じないように 880℃
未満としなければならない。基材の温度の下限を 700℃
以上としたのは、この温度未満ではダイヤモンド膜が形
成されない為である。
用いられる金属チタンは、チタンをその重量で99％以上
含有する純チタンの他、バナジウム、モリブデン、マン
ガン等の元素周期律表の５族、６族、７族の元素をその
重量で10％未満含有する合金チタンでも良い。本発明の
最大の特徴は、この金属チタンの表面に、Al2O3,SiO2又
はＷの何れかによる厚さ0.10〜 3.0μｍの中間蒸着膜を
形成させることで、基材の金属チタンを変質させること
なく、ダイヤモンド膜の形成を可能としたことにある。
このような中間蒸着膜は、従来より公知の真空蒸着法に
より得られるもので、中間蒸着膜の厚さを0.10〜 3.0μ
ｍの範囲としたのは、中間蒸着膜の厚さが0.10μｍ未満
の場合は、ダイヤモンド膜の形成時にチタンの変質した
TiH2、 TiＣが発生し、3.0 μｍより厚い場合には金属チ
タン表面と中間蒸着膜の付着性が低下する為である。こ
の中間蒸着膜は金属チタン結晶への水素及び炭素の進入
を阻止するためのものであるから、金属チタンのダイヤ
モンド膜の形成部位のみならず、ダイヤモンド膜析出時
に、反応器内の雰囲気ガスと接する全ての面について、
前記厚さの中間蒸着膜を被覆形成しなければならない。
ダイヤモンド膜の形成は、公知の方法である、マイクロ
波プラズマ気相沈積法によればよいが、本発明において
は、基材チタンの温度を相転移が生じないように 880℃
未満としなければならない。基材の温度の下限を 700℃
以上としたのは、この温度未満ではダイヤモンド膜が形
成されない為である。
【０００７】マイクロ波プラズマ気相沈積法に用いられ
る反応装置は、特開昭 58-110494号公報に開示されてい
るような装置でも良いが、金属チタンの局部がプラズマ
により集中的に加熱されることの少ない空洞共振器型の
反応室を有する装置が特に好ましい。このような空洞共
振器型の反応室を有する装置の一例としてＮＪＥ２９２
８（新日本無線 (株) 製商品名）の装置概要図を図１に
示す。この空洞共振器型反応装置を図１について説明す
ると、処理基材を反応室５に設置した後、真空ポンプ７
で反応室内部を排気、減圧し、気相沈積の原料ガスとし
て水素ガス供給装置９および炭化水素ガス供給装置１０
から各ガスを放出混合し流量調節弁８を通じて反応室に
供給する。一方プラズマはマイクロ発振器１で生じたマ
イクロ波を分岐路２により左右の導波管３に分配して導
き、これを空洞共振器４内で共振させてプラズマを反応
室内部に発生させる。空洞共振器４は可動式の外壁によ
り構成されており、これをスタブ６と合わせて調整する
ことでプラズマの形状および位置を変化させることがで
きる。
る反応装置は、特開昭 58-110494号公報に開示されてい
るような装置でも良いが、金属チタンの局部がプラズマ
により集中的に加熱されることの少ない空洞共振器型の
反応室を有する装置が特に好ましい。このような空洞共
振器型の反応室を有する装置の一例としてＮＪＥ２９２
８（新日本無線 (株) 製商品名）の装置概要図を図１に
示す。この空洞共振器型反応装置を図１について説明す
ると、処理基材を反応室５に設置した後、真空ポンプ７
で反応室内部を排気、減圧し、気相沈積の原料ガスとし
て水素ガス供給装置９および炭化水素ガス供給装置１０
から各ガスを放出混合し流量調節弁８を通じて反応室に
供給する。一方プラズマはマイクロ発振器１で生じたマ
イクロ波を分岐路２により左右の導波管３に分配して導
き、これを空洞共振器４内で共振させてプラズマを反応
室内部に発生させる。空洞共振器４は可動式の外壁によ
り構成されており、これをスタブ６と合わせて調整する
ことでプラズマの形状および位置を変化させることがで
きる。
【０００８】プラズマの発生条件としてのマイクロ波の
周波数を300MHz〜30GHz の範囲としたのは、300MHz未満
では基材を電極の片側とした有極放電を行う必要がある
が、本発明では基材表面にAl2O3、SiO2等の絶縁性の蒸着
膜を形成するためにこの有極放電は採用できない。一方
30GHz を越える場合はプラズマが不安定となることに加
えて、反応室の内径が１cmと細くなり実用性を欠くこと
になるからである。このように実用的な寸法を有する反
応器内に、安定的に無極放電によるプラズマを発生させ
るためには上記周波数範囲のマイクロ波を使用する必要
がある。
周波数を300MHz〜30GHz の範囲としたのは、300MHz未満
では基材を電極の片側とした有極放電を行う必要がある
が、本発明では基材表面にAl2O3、SiO2等の絶縁性の蒸着
膜を形成するためにこの有極放電は採用できない。一方
30GHz を越える場合はプラズマが不安定となることに加
えて、反応室の内径が１cmと細くなり実用性を欠くこと
になるからである。このように実用的な寸法を有する反
応器内に、安定的に無極放電によるプラズマを発生させ
るためには上記周波数範囲のマイクロ波を使用する必要
がある。
【０００９】本発明に適するダイヤモンド膜形成の原料
ガスは、炭素源のメタン、エタン、プロパン等の炭化水
素ガスと水素との混合ガスである。この混合ガスの比率
は、炭化水素ガスとしてメタンを使用した場合には体積
比率でメタン：水素＝１：50〜１：20の範囲が好まし
い。メタン／水素の比率が 1/200未満であると、沈積形
成されるダイヤモンド結晶が粗大化し、均一な膜状とな
らず、逆にその比率が1/50を超えると、グラファイト等
の非ダイヤモンド成分が大量に発生する。
ガスは、炭素源のメタン、エタン、プロパン等の炭化水
素ガスと水素との混合ガスである。この混合ガスの比率
は、炭化水素ガスとしてメタンを使用した場合には体積
比率でメタン：水素＝１：50〜１：20の範囲が好まし
い。メタン／水素の比率が 1/200未満であると、沈積形
成されるダイヤモンド結晶が粗大化し、均一な膜状とな
らず、逆にその比率が1/50を超えると、グラファイト等
の非ダイヤモンド成分が大量に発生する。
【００１０】
【実施例】以下、本発明の具体的実施態様を実施例を挙
げて説明するが、本発明はこれらに限定されるものでは
ない。 （実施例１〜８）寸法20mm×20mm×１mmt の純金属チタ
ンを基材として用意した。この基材をアセトンにより洗
浄後真空蒸着器内に設置し、系内を３×10-6Torrまで減
圧した後、赤外線ランプにより基材表面を 200℃に加熱
し、約１時間脱ガス処理を行なった。次に表１に示した
ような蒸着材料をエレクトロンビームガンを使用して蒸
発させ、基材表面の中間蒸着膜の膜厚が表１記載の所定
の膜厚となるよう10分から30分間の間蒸着を行なった。
このような蒸着処理を基材の各面について行ない、基材
の六面の全てを中間蒸着膜により被覆した。次にこのよ
うにして中間蒸着膜の形成を行なった基材を、図１に記
載のマイクロ波プラズマ気相沈積装置の反応器５内に設
置し、系内を 0.001Torrまで減圧した後、水素及びメタ
ンのガス比を99：１の割合とした混合ガスを100 cc/min
の流量で流通させつつ系内圧力を25Torrに維持した。こ
の雰囲気下でマイクロ波発振器１より発振した周波数
2.45GHzのマイクロ波を該反応器内に導びくと同時に反
応器周辺の空洞共振器４を調整し、基材の局所加熱が生
じない位置にプラズマ火炎を発生させた。マイクロ波の
印加電力を基材が表１に記載の所定の温度となるように
調整し、25時間にわたりダイヤモンド膜を形成した。以
上のようにして形成したダイヤモンド膜被覆金属チタン
材の組成をＸ線回析法により測定し、また基材表面の各
膜のはく離及び基材の変形の様子を走査型電子顕微鏡及
び目視により観察し、その結果を表１に記載した。
げて説明するが、本発明はこれらに限定されるものでは
ない。 （実施例１〜８）寸法20mm×20mm×１mmt の純金属チタ
ンを基材として用意した。この基材をアセトンにより洗
浄後真空蒸着器内に設置し、系内を３×10-6Torrまで減
圧した後、赤外線ランプにより基材表面を 200℃に加熱
し、約１時間脱ガス処理を行なった。次に表１に示した
ような蒸着材料をエレクトロンビームガンを使用して蒸
発させ、基材表面の中間蒸着膜の膜厚が表１記載の所定
の膜厚となるよう10分から30分間の間蒸着を行なった。
このような蒸着処理を基材の各面について行ない、基材
の六面の全てを中間蒸着膜により被覆した。次にこのよ
うにして中間蒸着膜の形成を行なった基材を、図１に記
載のマイクロ波プラズマ気相沈積装置の反応器５内に設
置し、系内を 0.001Torrまで減圧した後、水素及びメタ
ンのガス比を99：１の割合とした混合ガスを100 cc/min
の流量で流通させつつ系内圧力を25Torrに維持した。こ
の雰囲気下でマイクロ波発振器１より発振した周波数
2.45GHzのマイクロ波を該反応器内に導びくと同時に反
応器周辺の空洞共振器４を調整し、基材の局所加熱が生
じない位置にプラズマ火炎を発生させた。マイクロ波の
印加電力を基材が表１に記載の所定の温度となるように
調整し、25時間にわたりダイヤモンド膜を形成した。以
上のようにして形成したダイヤモンド膜被覆金属チタン
材の組成をＸ線回析法により測定し、また基材表面の各
膜のはく離及び基材の変形の様子を走査型電子顕微鏡及
び目視により観察し、その結果を表１に記載した。
【００１１】（比較例１〜４）中間蒸着膜無し（比較例
１）、該膜厚さが厚い場合（比較例３）、薄い場合（比
較例４）、ダイヤモンド膜形成時の基材温度が高い場合
（比較例２）とした以外は実施例と同様の装置と条件で
処理し、その条件と結果を表１に示した。以上のように
本発明によれば基材の変質、変形もなく、金属チタン上
にダイヤモンド膜が形成できることが判かる。
１）、該膜厚さが厚い場合（比較例３）、薄い場合（比
較例４）、ダイヤモンド膜形成時の基材温度が高い場合
（比較例２）とした以外は実施例と同様の装置と条件で
処理し、その条件と結果を表１に示した。以上のように
本発明によれば基材の変質、変形もなく、金属チタン上
にダイヤモンド膜が形成できることが判かる。
【００１２】
【表１】
【００１３】
【発明の効果】本発明によれば従来不可能とされていた
金属チタン上へのダイヤモンド膜の形成が可能となり、
物理、化学的に優れた強度を有する複合材料を容易に作
製できる。この複合材料は工学のみならず産業の各分野
において極めて高い利用価値を有するものである。
金属チタン上へのダイヤモンド膜の形成が可能となり、
物理、化学的に優れた強度を有する複合材料を容易に作
製できる。この複合材料は工学のみならず産業の各分野
において極めて高い利用価値を有するものである。
【図１】本発明に使用される空洞共振器型マイクロ波プ
ラズマ気相沈積装置の概要説明図である。
ラズマ気相沈積装置の概要説明図である。
【符号の説明】 １・・マイクロ波発振器 ２・・マイクロ波分岐路 ３・・導波管 ４・・空洞共振器 ５・・反応室 ６・・スタブ ７・・真空ポンプ ８・・流量調整バルブ ９・・水素ガス供給装置 10・・炭化水素ガス供給装置
Claims (2)
- 【請求項１】金属チタンの表面にAl2O3,SiO2又はＷより
なる中間蒸着膜を0.10〜3.00μｍの厚さに真空蒸着法に
より形成した後、その表面にマイクロ波プラズマ気相沈
積法によりダイヤモンド膜を形成することを特徴とする
ダイヤモンド膜被覆金属チタンの製造方法。 - 【請求項２】マイクロ波プラズマ気相沈積法が周波数30
0MHz〜 30GHzのマイクロ波を使用し、金属チタンの温度
が 700〜 880℃の範囲となるような電力を印加して行な
われることを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド
膜被覆金属チタンの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35024991A JPH05163570A (ja) | 1991-12-09 | 1991-12-09 | ダイヤモンド膜被覆金属チタンの製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35024991A JPH05163570A (ja) | 1991-12-09 | 1991-12-09 | ダイヤモンド膜被覆金属チタンの製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05163570A true JPH05163570A (ja) | 1993-06-29 |
Family
ID=18409228
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP35024991A Pending JPH05163570A (ja) | 1991-12-09 | 1991-12-09 | ダイヤモンド膜被覆金属チタンの製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05163570A (ja) |
-
1991
- 1991-12-09 JP JP35024991A patent/JPH05163570A/ja active Pending
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