JPH05230656A

JPH05230656A - ダイヤモンド被覆部材の製造方法

Info

Publication number: JPH05230656A
Application number: JP3202192A
Authority: JP
Inventors: Toshio Isozaki; 敏夫磯崎
Original assignee: Idemitsu Petrochemical Co Ltd
Current assignee: Idemitsu Petrochemical Co Ltd
Priority date: 1992-02-19
Filing date: 1992-02-19
Publication date: 1993-09-07

Abstract

(57)【要約】【目的】この発明の目的は、基材とこれを被覆するダ
イヤモンド類膜との密着性に優れ、実用に際し、高い性
能および優れた耐久性を発揮し、使用寿命が著しく改善
されたダイヤモンド被覆部材を製造する方法を提供する
ことにある。【構成】この発明のダイヤモンド被覆部材の製造方法
は、超硬合金または窒化珪素系セラミックスを素材とす
る基材と、周期表のＩＶａ族金属、Ｖａ族金属、ＶＩａ
族金属およびケイ素から選ばれる少なくとも一種の金属
とを同一反応容器に入れ、該金属の共存下で該基材を、
圧力１Ｔｏｒｒ以下、１，０００〜１，５００℃の温度
において１時間以上燒結処理した後、得られた基材の表
面に気相合成法によってダイヤモンド類薄膜を形成させ
ることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はダイヤモンド被覆部材の
製造方法に関し、さらに詳しく言うと、基材とこれを被
覆するダイヤモンド類膜との密着性に優れ、実用に際
し、高い性能および優れた耐久性を発揮し、使用寿命が
著しく改善されたダイヤモンド被覆部材を製造する方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術と発明が解決しようとする課題】従来、切
削工具、研磨工具、ダイスなど高い硬度や耐摩耗性が要
求される工具類や摺動部材、耐摩耗部材には超硬合金、
燒結ダイヤモンド、単結晶ダイヤモンドなどが用いられ
ている。これらの中で、ダイヤモンドは、硬度、耐摩耗
性などに著しく優れていることから特に好まれている。

【０００３】こうしたダイヤモンド工具は、従来、超硬
合金や高硬度の金属等からなる基材の表面に燒結ダイヤ
モンドや単結晶ダイヤモンドをろう付け等により装着す
ることにより構成されていた。しかし、この種のダイヤ
モンド工具の場合、ダイヤモンド自体が高価であり、ま
た、ダイヤモンドの基材への装着などの面倒な製造工程
を必要とすることなどにより、量産性が悪く、製造コス
トが高いという問題があった。このほか、ダイヤモンド
が基材から脱落しやすいので耐久性が悪く、さらには、
ダイヤモンド面の面積を大きくすることは事実上制限が
あるなどの理由によって、その応用範囲が狭く限定され
るなど種々の欠点があった。

【０００４】このような情勢の中で、近年に至って、Ｃ
ＶＤ法やＰＶＤ法などの気相法ダイヤモンド合成技術を
用いて、超硬合金や高硬度の金属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（ダイヤモンド類薄
膜）を析出形成させることによって、各種のダイヤモン
ド被覆部材を製造する技術が注目されてきた。この気相
合成法によるダイヤモンド被覆部材の場合、製造コスト
の低減及び量産化が容易であり、また、広い面積の基材
面に対してもダイヤモンド被覆を均一に行い得るので、
切削工具、研磨工具等の超硬工具のみならず各種の摺動
部材や耐摩耗性部材、さらにはダイヤモンド半導体デバ
イス等の電子・電気機器分野における各種の素材などへ
の広範囲の用途が期待される。

【０００５】このような種々の利点を現実化すべく、ダ
イヤモンド被覆部材について、極めて多様な技術が提案
されてきた。ところが、この種のダイヤモンド被覆部材
においては、一般に、超硬合金やセラミックス等の基材
とダイヤモンド膜との密着性が悪いという基本的な問題
があり、このため、特に切削工具、研磨工具等の超硬工
具類や摺動部材、耐摩耗性部材として用いた時にダイヤ
モンド被覆が剥離したり、損傷を起こしやすく、実用に
際して十分な性能及び耐久性が得られず、使用寿命が短
いという重大な問題が生じていた。

【０００６】そこで、従来、こうした基材とダイヤモン
ド膜の密着性の向上を図ることを課題とし、基材とダイ
ヤモンド膜との間に中間層を設けたり、あるいは、極め
て特殊な材質の基材を用いるなどのさまざまの工夫が行
われてきた。

【０００７】それにもかかわらず、これら従来の技術に
よるダイヤモンド被覆部材のうちの多くは、密着性の改
善が不十分であり、いまだ実用レベルに達していなかっ
た。また、最近、ダイヤモンド類被覆部材が工具や耐摩
耗部材として市販されるようになっては来たが、これら
の市販品においても、基材とダイヤモンド類薄膜との密
着性は、なお十分とは言い難く、使用寿命が短いと言う
問題点があった。

【０００８】すなわち、ダイヤモンド被覆部材は、すで
に実用化の段階に入ってはいるものの、さらに長寿命化
を図るためにも、基材とダイヤモンド類薄膜との密着性
をさらに大きく向上させることが要望されているのであ
る。

【０００９】このような要望に応えるべく、前記中間層
を設ける技術の改良案として、たとえば、各種の材質の
基材の面上にその基材成分と炭素成分とからなる中間層
を形成させ、該中間層の面上に気相合成法によってダイ
ヤモンド膜（ダイヤモンド類薄膜）を形成させ、その中
間層によって基材とダイヤモンド膜の密着性を向上させ
ようとする試みが提案されている（特開昭６０−２０８
４７３号公報、特開昭６１−１０６４７８号公報、特開
昭６１−１０６４９３号公報、特開昭６１−１０６４９
４号公報など）。

【００１０】しかしながら、中間層を用いる技術におい
ては、中間層は基材とダイヤモンド類薄膜の双方に対し
て密着性が高く、しかも、それ自体の強度も十分に高く
なければならないという厳しい要求を満たす必要がある
ので、その最適な材質の選定は極めて難しい。実際、上
記従来の方法で得た中間層型ダイヤモンド被覆部材は、
実用に際しての耐久性や使用寿命が十分とは言い難い。
つまり、このような中間層を用いる場合には、この場合
に限らず一般的に、ダイヤモンド被覆部材の機械的強度
が密着性の向上を目的として選定された比較的弱い中間
層の強度によって決まってしまうことになり、結局は実
用上十分な耐久性や使用寿命が得られないのである。

【００１１】一方、基材とダイヤモンド類薄膜との密着
性の悪さがそれらの熱膨張係数の違いにあること、窒化
珪素等のセラミックスがその組成や燒結条件等によって
熱膨張係数が変化しやすいことなどに注目して、熱膨張
係数を制御したセラミックス系の基材にダイヤモンド類
薄膜を形成する技術も提案されている（特開昭６１−１
０９６２８号公報など）。しかしながら、この場合、熱
膨張係数の制御に重点をおく必要があるため、基材の材
質や組成が極めて狭い範囲に限定されてしまい、たとえ
密着性を向上できたとしても、基材自体の硬度と耐破壊
靭性等の特性をも十分に満足させることが困難であると
いう問題点がある。実際、この従来の方法で得たダイヤ
モンド被覆部材は、ダイヤモンド工具や耐摩耗性部材と
しての十分な耐久性や使用寿命が得られていない。

【００１２】本発明は、前記事情に基づいてなされたも
のである。本発明の目的は、基材として、超硬合金や窒
化珪素系セラミックスを素材とする硬度、強度、耐破壊
靭性等に優れた各種の基材を用いることができ、そのよ
うな各種の基材にダイヤモンド類薄膜が密着性よくコー
ティングされたダイヤモンド被覆部材であって、たとえ
ば切削工具等の超硬工具や摺動部材、耐摩耗性部材等と
して使用した際にも十分な実用性能及び耐久性を発揮し
て大幅な長寿命化を達成することができる実用上著しく
優れたダイヤモンド被覆部材を簡単な工程で効率よく製
造する方法を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者は、前記目的を
達成すべく鋭意研究を重ねた結果、超硬合金や窒化珪素
系セラミックスを素材とする基材を、周期表の特定の族
に属する金属やケイ素という特定の種類の金属と共に同
一反応容器に入れ、特定の圧力以下の減圧下で特定の温
度範囲において真空燒結させることによって、共存させ
た金属の蒸気と基材表面との反応等によって該基材の表
面層をうまく変性させることができ、こうして変性させ
た基材の表面に通常の気相合成法によってダイヤモンド
類薄膜を形成させるとダイヤモンド類薄膜が基材上に極
めて密着性よくコーティングされたダイヤモンド被覆部
材を得ることができるということを見出した。

【００１４】また、この方法によって得られた各種のダ
イヤモンド被覆部材を、実際に、たとえば切削工具、研
磨工具等の超硬工具や摺動部材、耐摩耗性部材等として
応用したところ、それらは十分な実用性能及び耐久性を
発揮して大幅な長寿命化を実現することができ、実用上
著しく優れたダイヤモンド被覆部材であることを確認す
ることができた。

【００１５】また、この方法は、こうした優れた性能を
有するダイヤモンド被覆部材を簡単な工程で効率よく得
ることができるという点でも実用上著しく有利な方法で
あることも確認した。

【００１６】本発明者らは、主として上記の知見に基づ
いて本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は、
超硬合金または窒化珪素系セラミックスを素材とする基
材と、周期表のＩＶａ族金属、Ｖａ族金属、ＶＩａ族金
属およびケイ素から選ばれる少なくとも一種の金属とを
同一反応容器に入れ、該金属の共存下で該基材を、圧力
１Ｔｏｒｒ以下、１，０００〜１，５００℃の温度にお
いて１時間以上燒結処理した後、得られた基材の表面に
気相合成法によってダイヤモンド類薄膜を形成させるこ
とを特徴とするダイヤモンド被覆部材の製造方法であ
る。

【００１７】本発明の方法において、前記燒結処理に供
するところの前記基材（以下、これを、説明の便宜上、
前記燒結処理後の基材と区別するために、出発基材と呼
ぶことがある。）は、超硬合金または窒化珪素系セラミ
ックスを素材とする。該基材は、その面上にダイヤモン
ド類薄膜を形成するための超硬合金および／または窒化
珪素系セラミックスからなる面が露出しているのであれ
ば、特に制限はなく、超硬合金や窒化珪素系セラミック
ス以外の素材からなる部分を有していてもよく、また、
どのような構造および形状を有していても良い。

【００１８】前記超硬合金としては、特に制限はなく、
公知の各種の種類および組成の超硬合金を使用すること
ができる。たとえば、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆ
ｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ａｌ、Ｂ、Ｇａ、
Ｓｉなどの一種または二種以上の金属からなる超硬合金
類、これらの金属一種または二種以上と、炭素、窒素酸
素および／またはホウ素等からなる各種の組成の超硬合
金類（たとえば、ＷＣ、Ｗ−ＷＣ、ＷＣ−Ｃ、Ｗ−ＷＣ
−Ｃ等のＷ−Ｃ系、Ｃｏ−Ｃ系、Ｃｏ−ＷＣ、Ｃｏ−Ｗ
−ＷＣ、Ｃｏ−ＷＣ−Ｃ、Ｃｏ−Ｗ−ＷＣ−Ｃ等のＣｏ
−Ｗ−Ｃ系、ＴａＣ_x 等のＴａ−Ｃ系、ＴｉＣ等のＴｉ
−Ｃ系、ＭｏＣ_x 、Ｍｏ−ＭｏＣ_x 、ＭｏＣ_x −Ｃ系等
のＭｏ−Ｃ系、ＳｉＣ等のＳｉ−Ｃ系、Ｆｅ−ＦｅＣ_x
系等のＦｅ−Ｃ系、Ａｌ₂ Ｏ₃ −Ｆｅ系等のＡｌ−Ｆｅ
−Ｏ系、ＴｉＣ−Ｎｉ系等のＴｉ−Ｎｉ−Ｃ系、ＴｉＣ
−Ｃｏ系等のＴｉ−Ｃｏ−Ｃ系、ＢＮ系、Ｂ₄ Ｃ−Ｆｅ
系等のＦｅ−Ｂ−Ｃ系、ＴｉＮ系等のＴｉ−Ｎ系、Ａｌ
Ｎ_x 系等のＡｌ−Ｎ系、ＴａＮ_x 系等のＴａ−Ｎ系、Ｗ
Ｃ−ＴａＣ−Ｃｏ−Ｃ系等のＷ−Ｔａ−Ｃｏ−Ｃ系、Ｗ
Ｃ−ＴｉＣ−Ｃｏ−Ｃ系等のＷ−Ｔｉ−Ｃｏ−Ｃ系、Ｗ
Ｃ−ＴｉＣ−ＴａＣ−Ｃｏ−Ｃ系等のＷ−Ｔｉ−Ｔａ−
Ｃｏ−Ｃ系、Ｗ−Ｔｉ−Ｃ−Ｎ系、Ｗ−Ｃｏ−Ｔｉ−Ｃ
−Ｎ系など）などを挙げることができる。

【００１９】これらの中でも、特に好ましい例として、
たとえば、ＷＣ−Ｃｏ系のもの、ＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣ
−Ｃｏ系等のＷ−Ｔｉ−Ｔａ−Ｃｏ−Ｃ系のものなどを
挙げることができる。なお、これらは、上記以外の他の
元素や添加成分を含有していてもよい。

【００２０】一方、前記窒化珪素系セラミックスとして
は、特に制限はなく、公知の各種の組成の窒化珪素系セ
ラミックスを挙げることができる。具体的には、たとえ
ば、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 等のＳｉ−Ｎ系セラミックスのもの、Ｓ
ｉ₃ Ｎ₄ −ＴｉＮ系等のＳｉ−Ｔｉ−Ｎ系セラミック
ス、Ｓｉ₃ Ｎ₄ −ＳｉＣ系等のＳｉ−Ｎ−Ｃ系セラミッ
クス、Ｓｉ₃ Ｎ₄ −ＴｉＮ−ＳｉＣ系、およびＳｉ₃ Ｎ
₄ −ＴｉＮ−ＴｉＣ系等のＳｉ−Ｔｉ−Ｎ−Ｃ系セラミ
ックス、Ｓｉ₃ Ｎ₄ −Ａｌ₂ Ｏ₃ 系のセラミックスなど
を挙げることができる。なお、これらには、上記以外の
他の元素や添加成分を含有しているものであってもよ
く、たとえば、Ｙ₂ Ｏ₃ 、ＺｒＯ₂ 、ＳｉＯ₂ 、Ａｌ₂
Ｏ₃ 、ＴｉＯ₂ 、ＭｇＯ等の酸化物成分などを燒結助剤
等として含有しているものであってもよい。これらの中
でも、たとえば、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 、Ｓｉ₃Ｎ₄ −ＴｉＮ−Ｙ₂
Ｏ₃ （燒結助剤）などを特に好ましい例として挙げる
ことができる。

【００２１】本発明の方法においては、前記所定の基材
と、周期表のＩＶａ族金属、Ｖａ族金属、ＶＩａ族金属
およびケイ素から選ばれる少なくとも一種の金属（以
下、これを燒結処理用金属と称することがある。）とを
同一反応容器に入れ、該金属（燒結処理用金属）の共存
下で該基材を、圧力１Ｔｏｒｒ以下、１，０００〜１，
５００℃の温度において１時間以上かけて燒結処理す
る。

【００２２】ここで、前記ＩＶａ族金属としては、Ｔ
ｉ、ＺｒおよびＨｆを挙げることができる。前記Ｖａ族
金属としては、Ｖ、ＮｂおよびＴａを挙げることができ
る。前記ＶＩａ族金属としては、Ｃｒ、ＭｏおよびＷを
挙げることができる。前記燒結処理用金属としては、こ
れら例示の金属のほかＳｉが使用可能である。

【００２３】これらの中でも特に好ましい燒結処理用金
属として、たとえば、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉなどを挙げ
ることができる。前記燒結処理用金属は、一種単独で用
いてもよいし、あるいは、二種以上を別々にまたは混合
したり合金状にするなどして併用してもよい。さらに、
これらの金属は、本発明の目的を阻害しない範囲で、他
の成分を含有する状態で用いてもよい。

【００２４】前記基材と前記燒結処理用金属とを同時に
入れる前記反応容器としては、特に制限はなく、容器内
の圧が１Ｔｏｒｒ以下に減圧が可能で、かつ、前記燒結
処理温度に十分に耐え、しかも、少なくともその内面が
本発明の目的を阻害しない素材からなるのであれば、ど
のような素材でも使用することができる。

【００２５】反応器の型式（形状や使用方式等）として
も特に制限はなく、たとえば、管型反応器、槽型反応器
等の各種の形状にすることができ、また、キャリヤーガ
ス流れや金属蒸気の真空排気流れを利用する流通形式
（輸送形式）、あるいは、金属蒸気の対流や拡散等を利
用する回分式もしくは閉鎖式など、各種の形式の反応器
を使用することができ、たとえば、通常の金属の真空蒸
着に使用される反応器なども好適に使用することができ
る。

【００２６】前記基材と前記燒結処理用金属の配置（位
置関係）は、前記燒結処理時に該燒結処理用金属の蒸気
が該基材の所定の面（前記超硬合金および／または窒化
珪素系セラミックスの面）に十分に接触し、かつ、該基
材が該燒結処理用金属と直接燒結したりして損なうこと
ないように配置する限り特に制限はない。たとえば、輸
送方式の場合には燒結処理用金属を基材の上流に配置
し、金属蒸気の対流や拡散方式の場合には該金属蒸気が
基材に十分に接触するような配置にすればよく、適宜の
位置に配置することができる。

【００２７】このように、前記基材を、少なくとも一種
の前記燒結処理用金属の共存下で、圧力１Ｔｏｒｒ以
下、１，０００〜１，５００℃の温度において１時間以
上かけて燒結処理することによって、基材の超硬合金お
よび／または窒化珪素系セラミックスの表層部の燒結処
理が十分にうまく行われ、ダイヤモンド類薄膜の密着性
が著しく向上するのである。

【００２８】このような条件での燒結処理が適当である
理由としては、必ずしも明かではない点もあるが、上記
の特定の条件で燒結処理を行うと、該基材（超硬合金お
よび／または窒化珪素系セラミックス）の表面近傍（表
層部）の粒成長がうまく起こり、これによってダイヤモ
ンド類薄膜に対するアンカー効果が増大し、これと同時
に、該燒結処理用金属からその金属の蒸気が発生し、そ
の蒸気によって基材がコーティングされ、しかも、その
金属の一部が基材の表層部に含浸導入されて基材に好適
な変性が行われ、こうした総合的な結果により、基材と
ダイヤモンド類薄膜の密着性が著しく向上するという機
構が考えられる。

【００２９】ここで、もし、この燒結処理時の反応容器
内の圧力が、１Ｔｏｒｒより大きいと、残留や漏れ込み
空気等の存在によって、基材や燒結処理用金属あるいは
その蒸気が酸化されるなどして基材の面（表層）に所望
の燒結処理用金属の蒸気を十分に接触導入できなかった
り、あるいは、燒結処理用金属自体の蒸気圧が１Ｔｏｒ
ｒになるとその金属の蒸気圧が高すぎて、基材の超硬合
金または窒化珪素系セラミックスの表面や表層に、燒結
処理用金属が必要以上に導入されたり、あるいは、その
面上に好ましくない厚みの蒸着層を形成したりするなど
の種々の支障が生じるので、本発明の目的を十分に達成
することができない。なお、全圧を１Ｔｏｒｒ以下と
し、かつ、燒結処理用金属の蒸気圧を１×１０^-3〜１×
１０^-2Ｔｏｒｒの範囲に選定することが好ましい。

【００３０】また、前記燒結処理時の温度が、もし、
１，０００℃未満であると、基材および燒結処理用金属
の温度が共に低すぎて、十分な燒結処理用金属の蒸気圧
下での基材の燒結が十分に行なわれず、特に基材の表層
部への該燒結処理用金属の導入等による燒結効果が不十
分になる。

【００３１】つまり、基材の超硬合金または窒化珪素系
セラミックスの表層部をうまく変性することができず、
その結果、ダイヤモンド類薄膜の密着性の向上効果が不
十分になる。一方、該温度が１，５００℃を超えると、
燒結の度合が過剰になったり、基材が変形するなどの支
障が生じる。

【００３２】さらに、前記の圧力および温度範囲での前
記燒結処理の時間が、１時間未満では、所望の燒結処理
が十分に進行せず、基材の超硬合金または窒化珪素系セ
ラミックスの表層部を十分にうまく変性できず、その結
果、ダイヤモンド類薄膜の密着性の向上効果が不十分に
なる。

【００３３】本発明の方法においては、前記基材に以上
の所定の燒結処理を施した後、得られた基材（すなわ
ち、燒結処理した基材であり、以下、これを、説明の便
宜上、燒結基材と呼ぶことがある。）の面上に気相合成
法によってダイヤモンド類薄膜を形成させる。

【００３４】なお、このダイヤモンド類薄膜の形成は、
少なくとも、前記燒結処理を受けた基材の超硬合金およ
び／または窒化珪素系セラミックスの面上（全面または
所望の部分面上）に対して行う。また、このダイヤモン
ド類薄膜の形成に先駆けて、燒結基材の面（該ダイヤモ
ンド類薄膜を形成させる面）に対して、必要に応じて適
宜、たとえばダイヤモンド砥粒等による表面傷付け処理
を施してもよい。この表面傷付け処理は、公知の方法に
準じて行うことができる。このような表面傷付け処理
（特にダイヤモンド砥粒による表面傷付け処理）を行う
ことによって、ダイヤモンド類薄膜の形成をより有効に
行うことができたり、また、基材（燒結基材）とダイヤ
モンド類薄膜の密着性をより一層向上させることができ
るなどの好ましい効果がしばしば得られるので、多くの
場合、表面傷付け処理を行うことが好ましい。

【００３５】前記ダイヤモンド類薄膜の形成は、従来の
気相合成法等の各種の気相合成法によって行うことがで
き、中でも、ＣＶＤ法による方法が好適に採用される。
こうしたダイヤモンド類薄膜の気相合成法としてのＣＶ
Ｄ法としては、たとえば、μ波プラズマＣＶＤ法、高周
波プラズマＣＶＤ法、熱フィラメントＣＶＤ法、ＤＣア
ークＣＶＤ法等の多種多様の方法が知られている。本発
明の方法においては、これらのいずれの方法も適用する
ことができるが、中でも、特に、μ波プラズマＣＶＤ
法、高周波プラズマＣＶＤ法などが好適に適用される。

【００３６】また、こうしたプラズマＣＶＤ法によるダ
イヤモンド類薄膜の気相合成法においては、原料ガスと
して、少なくとも炭素源ガスを含む各種の種類および組
成の原料ガスを使用することのできることが、知られて
いる。原料ガスとして、たとえば、ＣＨ₄ とＨ₂ の混合
ガス等のように炭化水素を炭素源ガスとして含有する原
料ガス、ＣＯとＨ₂ の混合ガス等のように炭化水素以外
の炭素化合物を炭素源ガスとして含有する原料ガスな
ど、各種の原料ガスを挙げることができる。

【００３７】本発明の方法においては、ダイヤモンド類
薄膜の形成が可能であれば、上記の原料ガス等を初めと
する従来法で使用されている原料ガスなどの各種の原料
ガスを適宜に使用してダイヤモンド類薄膜を形成させる
ことができる。中でも、ＣＯとＨ₂ との混合ガス、ある
いはＣＨ₄ とＨ₂ との混合ガスが好ましい。特に、ＣＯ
とＨ₂ との混合ガスを原料ガスとして使用すると、炭化
水素を用いた場合に比べてダイヤモンド類の堆積速度が
速くて、効率よく製膜することができるなどの点で優れ
ている。

【００３８】以下に、この特に好ましいダイヤモンド類
薄膜の形成方法の例として、ＣＯとＨ₂ を原料ガスとし
て用いる方法について、その好適な方法の例を説明す
る。すなわち、本発明の方法においては、前記ダイヤモ
ンド類薄膜の形成は、下記の一酸化炭素と水素ガスとの
混合ガスを原料ガスとして用いる方法（以下、この方法
を、方法Ｉと称すことがある。）によって特に好適に行
うことができる。

【００３９】すなわち、この方法Ｉは、一酸化炭素と水
素とを、一酸化炭素ガスが１容量％以上となる割合で、
含有する混合ガスを励起して得られるガスを、基板に接
触させることを特徴とするダイヤモンドの合成方法であ
る。

【００４０】この方法Ｉにおいて、使用に供する前記一
酸化炭素としては特に制限がなく、たとえば石炭、コー
クスなどと空気または水蒸気を熱時反応させて得られる
発生炉ガスや水性ガスを充分に精製したものを用いるこ
とができる。使用に供する前記水素について特に制限が
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。

【００４１】この方法Ｉにおいては、原料ガスとして一
酸化炭素と前記水素とを、一酸化炭素ガスの含有量が１
容量％以上、好ましくは３容量％以上、さらに好ましく
は５容量％以上となる割合で、含有する混合ガスを励起
して得られるガスを、前記基材（焼結基材）に接触させ
ることにより、その所定の面上にダイヤモンド類を堆積
させる。前記混合ガス中の一酸化炭素ガスの含有量が１
容量％よりも少ないとダイヤモンドが生成しなかった
り、ダイヤモンドがたとえ生成してもその堆積速度が著
しく小さい。

【００４２】前記原料ガスを励起して励起状態の炭素を
含有する前記原料ガスを得る手段としては、たとえばプ
ラズマＣＶＤ法、スパッタ法、イオン化蒸着法、イオン
ビーム蒸着法、熱フィラメント法、化学輸送法などの従
来より公知の方法を用いることができる。

【００４３】前記プラズマＣＶＤ法を用いる場合には、
前記水素は高周波またはマイクロ波の照射によってプラ
ズマを形成し、前記化学輸送法および熱フィラメント法
などのＣＶＤ法を用いる場合には、前記水素は熱または
放電により原子状水素を形成する。この原子状水素は、
ダイヤモンドの析出と同時に析出する黒鉛構造の炭素を
除去する作用を有する。

【００４４】この方法Ｉにおいては、前記原料ガスのキ
ャリヤーとして、不活性ガスを用いることもできる。不
活性ガスの具体例としては、アルゴンガス、ネオンガ
ス、ヘリウムガス、キセノンガス、窒素ガスなどが挙げ
られる。これらは、１種単独で用いてもよいし、２種以
上を組合わせて用いてもよい。

【００４５】この方法Ｉにおいては、以下の条件下に反
応が進行して、基材（焼結基材）上にダイヤモンド類が
析出する。すなわち、前記基材の表面の温度は、前記原
料ガスの励起手段によって異なるので、一概に決定する
ことはできないが、たとえばプラズマＣＶＤ法を用いる
場合には、通常、４００℃〜１，０００℃、好ましくは
４５０℃〜９５０℃である。この温度が４００℃より低
い場合には、ダイヤモンドの堆積速度が遅くなったり、
励起状態の炭素が生成しないことがある。一方、１，０
００℃より高い場合には、基材上に堆積したダイヤモン
ドがエッチングにより削られてしまい、堆積速度の向上
が見られないことがある。反応圧力は、通常、１０^-3〜
１０³ ｔｏｒｒ、好ましくは１〜８００ｔｏｒｒであ
る。反応圧力が１０^-3ｔｏｒｒよりも低い場合には、ダ
イヤモンドの堆積速度が遅くなったり、ダイヤモンドが
析出しなくなったりする。一方、１０³ ｔｏｒｒより高
くしてもそれに相当する効果は得られない。

【００４６】以上のようにして、前記燒結処理をした所
定の面上に、ダイヤモンド類薄膜を好適に形成すること
ができる。本発明の方法においては、前記ダイヤモンド
類薄膜の形成は、もちろん、上記の方法Ｉ以外の方法を
適用して行ってもよい。

【００４７】形成させる前記ダイヤモンド類薄膜の膜厚
は、使用目的等に応じて適宜適当な膜厚にすればよく、
この意味で特に制限はないが、通常は、５〜１００μｍ
の範囲に選定するのがよい。この膜厚が、あまり薄すぎ
ると、ダイヤモンド類薄膜による被覆効果が十分に得ら
れないことがあり、一方、あまり厚すぎると、使用条件
によっては、ダイヤモンド類薄膜の剥離等の離脱が生じ
ることがある。なお、切削工具等の過酷な条件で使用す
る場合には、通常、この厚みを、１０〜３０μｍの範囲
に選定するのが好適である。

【００４８】以上のようにして、前記各種の超硬合金ま
たは窒化珪素系セラミックスを素材とする基材の所望の
面上に、ダイヤモンド類薄膜を、密着性よく形成するこ
とができる。すなわち、本発明の方法によると、従来法
ではダイヤモンド類薄膜との密着性を十分に保持するこ
とが困難であった超硬合金や窒化珪素系セラミックスを
素材とする前記各種の基材上にダイヤモンド類薄膜が十
分に密着性よくコーティングされている、耐久性等に優
れた高性能のダイヤモンド被覆部材を得ることができ
る。また、この方法は、製造プロセスが著しく簡単であ
るなどの製造上の利点も有している。

【００４９】本発明の方法によって製造された各種のダ
イヤモンド被覆部材は、その基材とダイヤモンド類薄膜
の特性を生かした各種の用途に好適に利用することがで
き、特に、基材とダイヤモンド類薄膜の密着性が著しく
優れており、過酷な使用条件での実用に際しても、高い
性能および優れた耐久性を発揮し、使用寿命が著しく改
善することができるので、たとえば、切削工具、研磨工
具等の超硬工具部材、摺動部材、耐摩耗性部材をはじめ
とする高い耐久性が要求される製品または部材として特
に有利に使用することができる。

【００５０】

【実施例】以下、本発明の実施例およびその比較例によ
って本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれ
らの実施例に限定されるものではない。なお、以下の実
施例および比較例におけるダイヤモンド類薄膜の基材と
の密着性の評価は、次のようにして行った。

【００５１】ダイヤモンド類薄膜の密着性の評価法（イ
ンデンテーション法）ピラミッド型のダイヤモンドビッカース圧子を、荷重３
０ｋｇ・ｆ、保持時間３０秒間の条件で、試験片（ダイ
ヤモンド類薄膜被覆基材）のダイヤモンド類薄膜面から
基材に押し込み、該圧子によるそのダイヤモンド類薄膜
の剥離面積を求め、この測定値の大小によってダイヤモ
ンド類薄膜の基材に対する密着性の良否（大小）を評価
した。

【００５２】（実施例１〜１０および比較例１〜６）基
材として、下記のそれぞれの材質の基材Ａ、ＢまたはＣ
を用いた。

【００５３】基材Ａ：Ｓｉ₃ Ｎ₄ （９２ｖｏｌ％）−Ｔ
ｉＮ（５ｖｏｌ％）−Ｙ₂ Ｏ₃ ［燒結助剤（３ｖｏｌ
％）］の窒化珪素系セラミックス基材Ｂ：ＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣ−Ｃｏ（Ｗ：７５重量
％，Ｔｉ：８重量％，Ｔａ：６重量％，Ｃｏ：５重量
％，Ｃ：６重量％）の超硬合金基材Ｃ：ＷＣ−Ｃｏ（Ｗ：９０重量％，Ｃｏ：５重量
％，Ｃ：５重量％）の超硬合金。

【００５４】これらの各基材（Ａ、ＢまたはＣ）と表１
に示す各金属（燒結処理用金属）とを、ｈ−ＢＮ製の密
閉式反応器内に入れ、表１に示す各温度（燒結温度）お
よび各圧力において、表示の時間（燒結時間）保持し、
真空燒結処理を行った。但し、比較例４〜６では、反応
器内に燒結処理用金属を入れずに、基材のみを入れて同
様の処理を行った。

【００５５】その後、それぞれの燒結処理した基材の面
を平均粒径１０μｍのダイヤモンド砥粒で傷付け処理
し、次いで、該面上に下記の条件でダイヤモンド類薄膜
を形成させ、各ダイヤモンド被覆部材を得た。なお、形
成したダイヤモンド類薄膜の膜厚は、いずれの場合もほ
ぼ１２μｍであった。

【００５６】ダイヤモンド類薄膜の合成条件原料ガス：ＣＯ（１５ｖｏｌ％）のＣＯとＨ₂ の混合ガ
ス合成条件：反応圧力４０Ｔｏｒｒ，基板温度９００℃，
合成時間６時間合成法（原料ガス励起法）：μ波プラズマＣＶＤ法次に、上記で得た、各ダイヤモンド被覆部材（試験片）
に対して、前記のインデンテーション法によって、ダイ
ヤモンド類薄膜と基材との密着性を評価した。その結果
を、表１に示す。

【００５７】

【表１】

【００５８】

【発明の効果】本発明の方法によると、基材を特定の種
類の金属の共存下で特定の条件で真空燒結処理に供した
後、ダイヤモンド類薄膜の形成を行うという特定の手法
を用いているので、従来法ではダイヤモンド類薄膜を実
用レベルにまで十分に密着性よく形成・保持させること
が困難であった超硬合金や窒化珪素系セラミックスを素
材とする基材（すなわち、硬度、強度、耐破壊靭性等に
優れた各種の基材）にダイヤモンド類薄膜が極めて密着
性よくコーティングされており、たとえば切削工具等の
過酷な使用条件で使用した場合にも実用に十分に耐える
高い表面硬度、強度、耐久性等を具備している高性能の
ダイヤモンド被覆部材を得ることができる。また、本発
明の方法は、上記の優れたダイヤモンド被覆部材を極め
て簡単な工程で容易に製造することができるなどの利点
を有している。すなわち、本発明によると実用上著しく
有用なダイヤモンド被覆部材の製造方法を提供すること
ができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超硬合金または窒化珪素系セラミックス
を素材とする基材と、周期表のＩＶａ族金属、Ｖａ族金
属、ＶＩａ族金属およびケイ素から選ばれる少なくとも
一種の金属とを同一反応容器に入れ、該金属の共存下で
該基材を、圧力１Ｔｏｒｒ以下、１，０００〜１，５０
０℃の温度において１時間以上燒結処理した後、得られ
た基材の表面に気相合成法によってダイヤモンド類薄膜
を形成させることを特徴とするダイヤモンド被覆部材の
製造方法。