JPH0623432B2 - High adhesion diamond-coated sintered body and method for producing the same - Google Patents

High adhesion diamond-coated sintered body and method for producing the same

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JPH0623432B2
JPH0623432B2 JP22605188A JP22605188A JPH0623432B2 JP H0623432 B2 JPH0623432 B2 JP H0623432B2 JP 22605188 A JP22605188 A JP 22605188A JP 22605188 A JP22605188 A JP 22605188A JP H0623432 B2 JPH0623432 B2 JP H0623432B2
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sintered body
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tungsten carbide
layer
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美香 丹羽
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Tungaloy Corp
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Toshiba Tungaloy Co Ltd
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【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、超硬合金に代表されるような炭化タングステ
ンを主成分とする焼結体の表面にダイヤモンド及び/又
はダイヤモンド状カーボンの被膜を形成した。例えば切
削工具用材料,耐摩耗工具用材料又は装飾用材料などに
適する高密着性ダイヤモンド被覆焼結体及びその製造方
法に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Industrial field of application) The present invention provides a coating of diamond and / or diamond-like carbon on the surface of a sintered body containing tungsten carbide as a main component as represented by cemented carbide. Formed. For example, the present invention relates to a highly adherent diamond-coated sintered body suitable for a cutting tool material, a wear-resistant tool material, a decorative material, and the like, and a method for producing the same.

(従来の技術) 従来、金属,合金又はセラミックスなどの焼結体である
基材の表面にダイヤモンド及び/又はダイヤモンド状カ
ーボンの被膜を形成してなる被覆焼結体の実用化への検
討が行われている。この被覆焼結体の最大の課題として
は、ダイヤモンドが他の物質との濡れ性に劣ることか
ら、ダイヤモンド及び/又はダイヤモンド状カーボンの
被膜と基材との密着性及び付着強度性をいかにして高め
るかにある。特に、超硬合金の基材にダイヤモンド及び
/又はダイヤモンド状カーボンの被膜を形成してなるダ
イヤモンド被覆焼結体の場合は、切削工具用材料や耐摩
耗用材料のように最も苛酷な用途を目的とするために被
膜と基材との密着性及び付着強度性が一層重要な問題と
なる。
(Prior Art) Conventionally, studies have been conducted for practical application of a coated sintered body in which a coating film of diamond and / or diamond-like carbon is formed on the surface of a base material which is a sintered body of metal, alloy or ceramics. It is being appreciated. The biggest problem with this coated sintered body is that since diamond has poor wettability with other substances, how is the adhesion and adhesion strength between the diamond and / or diamond-like carbon coating and the substrate? There is something to raise. In particular, in the case of a diamond-coated sintered body obtained by forming a diamond and / or diamond-like carbon coating on a cemented carbide base material, it is intended for the most severe applications such as cutting tool materials and wear resistant materials. Therefore, the adhesiveness and the adhesive strength between the coating film and the base material become more important problems.

ダイヤモンド被覆焼結体における超硬合金の基材と被膜
との密着性及び付着強度性に関して、多数の提案があ
り、その代表的なものに、特開昭58−126972号公報,特
開昭62− 57802号公報及び特開昭63− 53269号公報があ
る。
There have been many proposals regarding the adhesion and adhesion strength between the cemented carbide base material and the coating in the diamond-coated sintered body, and representative ones thereof are Japanese Patent Laid-Open Nos. 58-126972 and 62-62. -57802 and JP-A-63-53269.

(発明が解決しようとする問題点) 特開昭58−126972号公報は、1種以上の炭化物及び/又
は窒化物を含む超硬合金の母材に隣接する内層が、4a,5
a,6a族元素の炭化物,窒化物,ホウ化物,酸化物及びこ
れらの化合物,混合物並びに Al2O3, AlN, B4C, SiC, S
i3N4, SiO2から選ばれた1種以上よりなり、外層はダ
イヤモンドよりなる被覆超硬合金工具が示されている。
この特開昭58−126972号公報による発明は、CoやNiを含
む超硬合金に直接ダイラモンドの被膜を被覆するとダイ
ヤモンドが変態してグラファイト化してしまうという問
題を超硬合金とダイヤモンド被膜との間にFe,Co,Niな
どの金属を含まない、例えばWCの中間層を介在させるこ
とにより解決しようとしたものであるけれども、気相合
成法によりダイヤモンドの被膜を形成する場合、ダイヤ
モンドの変態以前にグラファイトが生成し、そのために
中間層と被膜との境界部にグラファイトが存在し、中間
層と被膜との付着強度を低下させるという問題がある。
また、特開昭58−126972号公報による発明は、化学蒸着
法(CVD法)や物理蒸着法(PVD法)でもって中間層を形成し
た後、ダイヤモンドの被膜を形成するという全く別の反
応容器による工程を必要とするため煩雑になると共に、
中間層と被膜との境界部に不純物が付着しやすく、その
ために中間層と被膜との付着強度が低下するという問題
がある。
(Problems to be Solved by the Invention) Japanese Patent Laid-Open No. 58-126972 discloses that an inner layer adjacent to a base material of a cemented carbide containing one or more kinds of carbides and / or nitrides has 4a, 5
Carbides, nitrides, borides, oxides of a and 6a group elements and their compounds, mixtures and Al 2 O 3 , AlN, B 4 C, SiC, S
A coated cemented carbide tool made of at least one selected from i 3 N 4 and SiO 2 and having an outer layer of diamond is shown.
The invention according to this Japanese Patent Laid-Open No. 58-126972 has the problem that when a cemented carbide containing Co or Ni is directly coated with a coating of dilamond, the diamond transforms and becomes graphitized between the cemented carbide and the diamond coating. Although it is an attempt to solve this problem by interposing an intermediate layer of WC, which does not include metals such as Fe, Co, and Ni, in the case of forming a diamond film by the vapor phase synthesis method, before the transformation of diamond. There is a problem in that graphite is generated, and therefore graphite is present at the boundary between the intermediate layer and the coating film, which reduces the adhesive strength between the intermediate layer and the coating film.
Further, the invention according to Japanese Patent Laid-Open No. 58-126972 is a completely different reaction container in which an intermediate layer is formed by a chemical vapor deposition method (CVD method) or a physical vapor deposition method (PVD method), and then a diamond film is formed. It becomes complicated because it requires a process by
Impurities are likely to adhere to the boundary between the intermediate layer and the coating, which causes a problem that the adhesion strength between the intermediate layer and the coating is reduced.

特開昭62− 57802号公報には、気相により硬質炭素薄膜
を基材表面に析出させて被覆した硬質炭素被覆部品の該
硬質炭素薄膜と基材との中間に W2Cを主成分とするWと
Cとの化合物薄膜の中間層を厚さ 0.1μm以上存在させ
てなる硬質炭素被覆部品が示されている。この特開昭62
− 57802号公報による発明は、超硬合金やセラミックス
でなる基材の表面にWCの中間層を形成しても付着強度の
向上が殆んど認められなかったのに対して、 CVD法や P
VD法でもって、 W2Cを主成分とするWとCとの化合物薄
膜の中間層を被覆とする硬質炭素と W2Cの界面にはWCで
なる拡散中間層が形成され、その結果付着強度の向上を
達成できたものであるけれども、 CVD法や PVD法でもっ
て形成した中間層であるために中間層と基材との境界部
に不純物が付着しやすく、その結果中間層と基材との界
面における付着強度が劣ること、又特開昭58−126972号
公報の発明と同様に中間層と硬質炭素薄膜との境界部に
不純物が付着しやすく、そのために中間層と硬質炭素薄
膜との付着強度が劣ること、及び工程が煩雑になるとい
う問題がある。
JP-A-62-57802 discloses that a hard carbon thin film of a hard carbon thin film coated with a hard carbon thin film deposited on the surface of a base material by vapor deposition has W 2 C as a main component between the hard carbon thin film and the base material. There is shown a hard carbon-coated part in which an intermediate layer of a compound thin film of W and C is present in a thickness of 0.1 μm or more. This JP 62
In the invention according to Japanese Patent No. 57802, the improvement of the adhesion strength was hardly recognized even when the intermediate layer of WC was formed on the surface of the base material made of cemented carbide or ceramics, while the CVD method or P
By the VD method, a diffusion intermediate layer made of WC is formed at the interface between hard carbon and W 2 C, which covers the intermediate layer of the compound thin film containing W 2 C as the main component and W and C, and as a result, adhesion Although it was possible to improve the strength, impurities are likely to adhere to the boundary between the intermediate layer and the base material because it is an intermediate layer formed by the CVD method or PVD method. Poor adhesion strength at the interface with, and also like the invention of JP-A-58-126972, impurities are likely to adhere to the boundary between the intermediate layer and the hard carbon thin film, and therefore the intermediate layer and the hard carbon thin film However, there is a problem that the adhesion strength is poor and the process becomes complicated.

特開昭63− 53269号公報は、Co1〜4wt%含有し、残り
が炭化タングステンと不可避不純物からなる組成、並び
に炭化タングステンの平均粒径が2〜10μm粗粒組織を
有する炭化タングステン基超硬合金基材の表面に、エッ
チング層を介して低圧気相合成ダイヤモンド被覆層を形
成してなるダイヤモンド被覆切削工具チップが示されて
いる。この特開昭63− 53269号公報の発明は、上述の特
開昭58−126972号公報及び特開昭62− 57802号公報のよ
うに外部からWC又は W2Cの中間層を形成させたものとは
異なり、超硬合金基材の表面を酸処理によりエッチング
して基材表面に存在するCoを除去したエッチング層の表
面にダイヤモンド被覆層を形成してなるもので、工程上
の煩雑さの問題及びエッチング層と基材との付着強度劣
下の問題がないけれども、ダイヤモンド被覆層とエッチ
ング層との界面にグラファイトが付着すること、及びエ
ッチングにより除去されたCoの部分が空隙として残存す
る場合があることからダイヤモンド被覆層とエッチング
層との付着強度が極端に低下し、ダイヤモンド被覆層の
欠落が発生しやすいという問題がある。
Japanese Unexamined Patent Publication No. 63-53269 discloses a tungsten carbide-based cemented carbide containing 1 to 4 wt% of Co, the balance consisting of tungsten carbide and unavoidable impurities, and having a coarse grain structure with an average grain size of tungsten carbide of 2 to 10 μm. A diamond-coated cutting tool tip in which a low-pressure vapor-phase synthetic diamond coating layer is formed on the surface of a substrate via an etching layer is shown. Those invention of this Japanese 63- fifty-three thousand two hundred sixty-nine Patent Publication, having formed an intermediate layer of WC or W 2 C from the outside as in JP 58-126972 and JP 62- 57802 JP above Unlike, the surface of the cemented carbide base material is etched by acid treatment to remove the Co existing on the base material surface, and the diamond coating layer is formed on the surface of the etching layer. When there is no problem and the adhesion strength between the etching layer and the substrate is not deteriorated, but graphite adheres to the interface between the diamond coating layer and the etching layer, and the Co portion removed by etching remains as voids. Therefore, there is a problem that the adhesion strength between the diamond coating layer and the etching layer is extremely reduced, and the diamond coating layer is apt to be missing.

本発明は、上述のような問題点を解決したもので、具体
的には、炭化タングステンを主成分とする焼結体の表面
部の炭化タングステンを気相処理により脱炭させてタン
グステンにすると共に、例えば焼結体の表面部にCoなど
の金属の結合相が存在する場合には、同時に表面部の結
合層を金属カルボニルとして除去した後、ダイヤモンド
気相合成処理を施し、その初期段階で焼結体の表面部の
タングステンを再晶出の炭化タングステンでなる表面調
質層とし、次いでこの表面調質層に隣接してダイヤモン
ド被膜を形成してなる高密着性ダイヤモンド被覆焼結体
及びその製造方法の提供を目的とするものである。
The present invention has solved the above-mentioned problems, and specifically, decarburizes tungsten carbide on the surface portion of a sintered body containing tungsten carbide as a main component by vapor phase treatment to form tungsten. For example, when a binder phase of a metal such as Co is present on the surface of the sintered body, the binder layer on the surface is removed as metal carbonyl at the same time, and then diamond vapor phase synthesis treatment is performed, followed by firing at the initial stage. High-adhesion diamond-coated sintered body obtained by forming tungsten on the surface of the bonded body into a surface-refined layer made of recrystallized tungsten carbide, and then forming a diamond coating adjacent to the surface-refined layer, and manufacturing thereof It is intended to provide a method.

(問題点を解決するための手段) 本発明者らは、炭化タングステンを主成分とする焼結
体、例えば超硬合金基材の表面に気相合成法でもってダ
イヤモンド被膜を形成する場合において、被膜を形成す
る前の基材の表面状態、及び被膜の形成条件と被膜形成
後における基材の表面状態について検討していた所、 第1に、基材の表面部に存在するCo金属をエッチング処
理により除去してなる基材のエッチング層の表面に気相
合成法でもってダイヤモンドの被膜を形成した場合に
も、気相合成法の初期におけるグラファイトの析出が抑
制されるものの基材と被膜との界面に微量のグラファイ
トの析出がみられるという知見を得たものである。
(Means for Solving the Problems) The present inventors, in the case of forming a diamond film by a vapor phase synthesis method on the surface of a sintered body containing tungsten carbide as a main component, for example, a cemented carbide substrate, When we examined the surface condition of the base material before forming the film, and the conditions for forming the film and the surface condition of the substrate after forming the film, firstly, etching the Co metal present on the surface part of the substrate. Even when a diamond coating is formed on the surface of the etching layer of the base material removed by the treatment by a vapor phase synthesis method, the precipitation of graphite is suppressed in the initial stage of the vapor phase synthesis method, but the base material and the coating layer We have obtained the knowledge that a trace amount of graphite is found at the interface of.

第2に、第1の知見によるグラファイトの析出を完全に
抑制するためにダイヤモンドの被膜形成前に酸素ガスを
微量流入させると、基材の表面部は脱炭及びCoなどの金
属の除去が生じ、次いでダイヤモンドの被膜形成処理を
行うと基材の表面部は再晶出の炭化タングステンでなる
表面調質層となり、この表面調質層の表面にダイヤモン
ドの被膜を形成させると密着制及び付着強度性にすぐれ
るという知見を得たものである。以上の知見に基づい
て、本発明を完成するに至ったものである。
Secondly, when a small amount of oxygen gas was introduced before forming the diamond film in order to completely suppress the precipitation of graphite according to the first finding, decarburization and removal of metals such as Co occurred on the surface of the base material. Then, when a diamond film is formed, the surface of the base material becomes a surface refining layer made of recrystallized tungsten carbide, and when a diamond film is formed on the surface of this surface refining layer, adhesion control and adhesion strength are obtained. It has been found that it is excellent in sex. The present invention has been completed based on the above findings.

すなわち、本発明の高密着性ダイヤモンド被覆焼結体
は、炭化タングステンを主成分とする焼結体を基材と
し、該基材の表面にダイヤモンド及び/又はダイヤモン
ド状カーボンの被膜を形成してなるダイヤモンド被覆焼
結体における、該被膜の隣接してなる該基材の表面から
該基材の内部へ向って少なくとも 0.1μmが再晶出の炭
化タングステンでなる表面調質層であることを特徴とす
るものである。
That is, the highly adherent diamond-coated sintered body of the present invention comprises a sintered body containing tungsten carbide as a main component as a base material, and forming a coating film of diamond and / or diamond-like carbon on the surface of the base material. In the diamond-coated sintered body, at least 0.1 μm from the surface of the base material adjacent to the coating to the inside of the base material is a surface refining layer made of recrystallized tungsten carbide. To do.

本発明の高密着性ダイヤモンド被覆焼結体における基材
は、炭化タングステンのみからなる焼結体又は炭化タン
グステンが少なくとも50vol%含有し、残りが例えば周
期律表4a,5a,6a族元素の炭化物,窒化物及びこれらの相
互固溶体又はFe,Co,Ni, W,Cr, V,Mn,Si,Cuなど
の金属化合物,金属又は合金でなるものである。これら
の内、特にCo及び/又はNi2〜6wt%と残り炭化タング
ステンと不可避不純物とでなる基材の場合は、基材自体
の強度及び表面調質層の調整のしやすさの両方から好ま
しいことである。
The base material in the high-adhesion diamond-coated sintered body of the present invention contains at least 50 vol% of a sintered body composed of only tungsten carbide or tungsten carbide, and the rest is, for example, a carbide of a group 4a, 5a, 6a element of the periodic table, It is composed of nitrides and mutual solid solutions thereof, or metal compounds, metals or alloys such as Fe, Co, Ni, W, Cr, V, Mn, Si and Cu. Of these, a base material composed of Co and / or Ni of 2 to 6 wt% and the remaining tungsten carbide and unavoidable impurities is preferable from the viewpoint of both the strength of the base material itself and the ease of adjusting the surface tempered layer. Is.

本発明の高密着性ダイヤモンド被覆焼結体における表面
調質層は、厚さが、基材の表面から内部に向って50μ
m程度に調整可能であるが、特に表面調質層の強度,被
膜と表面調質層との密着性及び付着強度性の観点からで
きるだけ薄い方が好ましく、例えば 0.5〜5μm厚さに
調整するのが好ましいことである。また、表面調質層の
炭化タングステンの粒径は、基材に含有している炭化タ
ングステンの粒径から基材に含有している炭化タングス
テンの粒径よりも極端に微細な粒径にまで調整可能で、
例えば表面調質層全体を微細粒の炭化タングステン層に
する場合、又は被膜と隣接している表面調質層のみが微
細粒の炭化タングステン層で、他の基材内部側の表面調
質層が粗粒の炭化タングステン層でなる構成にすること
もできる。この表面調質層は、好ましくは粒径 0.3μm
以下の微細粒の炭化タングステン層、さらに好ましくは
粒径 0.1μm以下の微細粒の炭化タングステン層を有
し、かつ該微細粒の炭化タングステン層に被膜が隣接し
て形成されている場合が被膜の密着性及び付着強度性か
ら好ましいことである。
The surface refining layer in the highly adherent diamond-coated sintered body of the present invention has a thickness of 50 μm from the surface of the substrate toward the inside.
It is possible to adjust the thickness to about m, but it is preferable that the thickness is as thin as possible from the viewpoint of the strength of the surface-tempered layer, the adhesion between the coating and the surface-tempered layer, and the adhesion strength. Is preferred. Also, the particle size of tungsten carbide in the surface heat treatment layer is adjusted from the particle size of tungsten carbide contained in the base material to a particle size extremely finer than the particle size of tungsten carbide contained in the base material. Possible,
For example, when the entire surface-conditioned layer is a fine-grained tungsten carbide layer, or only the surface-conditioned layer adjacent to the coating is a fine-grained tungsten carbide layer, and the surface-modified layer on the inner side of the other substrate is It is also possible to employ a structure including a coarse-grained tungsten carbide layer. The surface conditioning layer preferably has a particle size of 0.3 μm.
The following fine-grain tungsten carbide layer, and more preferably a fine-grain tungsten carbide layer having a grain size of 0.1 μm or less, and the case where the coating is formed adjacent to the fine-grain tungsten carbide layer It is preferable in terms of adhesion and adhesion strength.

また、表面調質層を構成している再晶出炭化タングステ
ンとは、全体がWCの層でなる場合、又は表面調質層の厚
さ及び処理条件によっては被膜に隣接する部分がWCの層
で、被膜から離れた部分がW2C 、もしくは W2CとWCの混
在した層になっている場合がある。この再晶出炭化タン
グステンは、焼結体自体に含有している炭化タングステ
ンが1度タングステンになった後、再び炭化タングステ
ンとして再晶出してなるものである。
Further, the recrystallized tungsten carbide forming the surface-conditioned layer is a layer of WC when the whole is a WC layer, or the part adjacent to the coating is a WC layer depending on the thickness and treatment conditions of the surface-conditioned layer. In some cases, the part away from the film may be W 2 C or a layer in which W 2 C and WC are mixed. This recrystallized tungsten carbide is obtained by recrystallizing as tungsten carbide after the tungsten carbide contained in the sintered body itself once becomes tungsten.

本発明の高密着性ダイヤモンド被覆焼結体におけるダイ
ヤモンド及び/又はダイヤモンド状カーボンの被膜は、
電気抵抗,光透過率,硬度などがダイヤモンドの性質又
はダイヤモンドに近い性質をもつもので、具体的にはラ
マン分光分析した場合にダイヤモンドのラマン線である
といわれている1333cm-1にピークを示すものである。さ
らに、詳述すると被膜は、ダイヤモンドのみからなる場
合、又はダイヤモンドと他の、例えば非晶質カーボンな
どを含有している場合である。この被膜の厚さは、従来
から提案されている、例えば 0.1μm〜20μm程度にす
ればよく、特に衝撃が加わらずにすきとり摩耗性のみを
重要視するような用途には厚めの被膜の構成にし、フラ
イス切削工具用のように衝撃が加わる用途、及びドリル
やスリッターのように鋭角な切刃を有する用途には薄め
の被膜の構成にすることが好ましいことである。
The coating film of diamond and / or diamond-like carbon in the highly adherent diamond-coated sintered body of the present invention is
Electric resistance, light transmittance, hardness, etc. have properties of diamond or properties close to those of diamond. Specifically, a peak appears at 1333 cm -1 which is said to be the Raman line of diamond when analyzed by Raman spectroscopy. It is a thing. Furthermore, in more detail, the coating film is composed of only diamond or contains diamond and other materials such as amorphous carbon. The thickness of this coating may be conventionally proposed, for example, about 0.1 μm to 20 μm, and a thicker coating may be used for applications in which only scrape abrasion is important without impact. In addition, it is preferable to use a thin coating for applications such as a milling cutting tool to which an impact is applied and applications such as a drill and a slitter having a sharp cutting edge.

本発明の高密着性ダイヤモンド被覆焼結体を製造する方
法は、例えば炭化タングステンを主成分とする焼結体の
基材の表面部を酸化性ガス雰囲気中にさらして、基材の
表面部を脱炭した後、引続いて気相合成法によるダイヤ
モンド被覆処理する方法、又は基材の表面部を何らかの
方法で脱炭した後、別の反応容器で一酸化炭素ガスの含
有した雰囲気中にさらした後、引続いて気相合成法によ
るダイヤモンド被膜処理する方法なども考えられるけれ
ども、工程の簡素化,不純物の付着し難さ及び基材表面
調質層の制御の容易性から以下の方法が好ましいもので
ある。
The method for producing a high-adhesion diamond-coated sintered body of the present invention is, for example, exposing the surface portion of the base material of the sintered body containing tungsten carbide as a main component to an oxidizing gas atmosphere to remove the surface portion of the base material. After decarburization, the diamond coating process is subsequently performed by the vapor phase synthesis method, or the surface of the substrate is decarburized by some method, and then exposed to an atmosphere containing carbon monoxide gas in another reaction vessel. Although it is conceivable to apply a diamond film treatment by a vapor phase synthesis method after that, the following method is used because of the simplification of the process, the difficulty of adhering impurities, and the easy control of the substrate surface heat treatment layer. It is preferable.

すなわち、本発明の高密着性ダイヤモンド被覆焼結体の
製造方法は、炭化タングステンを主成分とする焼結体の
基材を反応容器中に設置し、該反応容器内に水素ガスと
酸素ガスとの混合ガス、又は水素ガスと酸素ガスと炭素
の供給源となりうるガスとの混合ガスを流入した後、該
基材を 500〜1200℃の温度でプラズマ化処理をし、次い
で気相合成法によるダイヤモンド被覆処理を行って、該
基材の表面部を再晶出炭化タングステンでなる表面調質
層とし、該表面調質層に隣接してダイヤモンド及び/又
はダイヤモンド状カーボンでなる被膜を形成させること
を特徴とする方法である。
That is, the method for producing a high-adhesion diamond-coated sintered body according to the present invention, a base material of a sintered body containing tungsten carbide as a main component is placed in a reaction vessel, and hydrogen gas and oxygen gas are placed in the reaction vessel. Or a mixed gas of hydrogen gas, oxygen gas and a gas that can be a carbon source, is flown in, the base material is plasma-treated at a temperature of 500 to 1200 ° C., and then the gas phase synthesis method is used. A diamond coating treatment is performed to form a surface refining layer made of recrystallized tungsten carbide on the surface of the base material, and a coating film made of diamond and / or diamond-like carbon is formed adjacent to the surface refining layer. Is a method characterized by.

本発明の高密着性ダイヤモンド被覆焼結体の製造方法に
おける反応容器中に流入させる混合ガスは、水素ガスと
酸素ガスとの混合ガス場合には酸素ガスを 0.1〜5vol
%、残り水素ガスの比率にすることが好ましくこの場合
は微細粒の再晶出炭化タングステンからなる表面調質層
が得られる。また、混合ガスが水素ガスと酸素ガスと炭
素の供給源となりうるガスとの混合ガスの場合には、基
材の表面部の脱炭速度が緩和されて粗粒の再晶出炭化タ
ングステンからなる表面調質層が得られる。このときの
混合ガス比率は、炭素の供給源となりうるガスの組成成
分により異なるが、水素と酸素の比率が上述の水素ガス
と酸素ガスの混合ガス比率になるようにすればよく、炭
素の供給源となりうるガスとしては、例えばメタン,エ
タン,プロパン,ブタン,メタノール,エタノール,プ
ロパノール,ブタノール,メチルエーテル,エチルエー
テルなどの炭素と水素又は炭素と水素と酸素の含有した
有機化合物を挙げることができる。
The mixed gas to be introduced into the reaction vessel in the method for producing a highly adherent diamond-coated sintered body of the present invention is 0.1 to 5 vol of oxygen gas in the case of mixed gas of hydrogen gas and oxygen gas.
%, The ratio of the remaining hydrogen gas is preferable, and in this case, a surface-refined layer composed of fine-grained recrystallized tungsten carbide is obtained. Further, when the mixed gas is a mixed gas of hydrogen gas, oxygen gas, and a gas that can be a supply source of carbon, the decarburization rate of the surface portion of the base material is moderated and coarse recrystallized tungsten carbide is formed. A surface refining layer is obtained. The mixed gas ratio at this time varies depending on the compositional components of the gas that can be the carbon supply source, but it is sufficient if the ratio of hydrogen and oxygen is the above mixed gas ratio of hydrogen gas and oxygen gas. Examples of the gas that can be a source include organic compounds containing carbon and hydrogen or carbon, hydrogen and oxygen, such as methane, ethane, propane, butane, methanol, ethanol, propanol, butanol, methyl ether, and ethyl ether. .

本発明の高密着性ダイヤモンド被覆焼結体の製造方法に
おけるプラズマ化処理は、従来から行われているマイク
ロ波,高周波などで行うことができ、又気相合成法によ
るダイヤモンド被覆処理も、従来から行われている方法
をそのまま応用することができるものである。
The plasma treatment in the method for producing a high-adhesion diamond-coated sintered body of the present invention can be performed by microwave, high frequency, etc. which have been conventionally performed, and the diamond coating treatment by the vapor phase synthesis method has also been conventionally performed. The method used can be applied as it is.

(作用) 本発明の高密着性ダイヤモンド被覆焼結体は、炭化タン
グステンを主成分とする基材の表面部に、例えばCoなど
の金属が存在している場合にはコバルトカルボニルとし
てCoが除去され、一方基材の表面部に存在する炭化タン
グステンを脱炭してタングステン又はタングステンカル
ボニルとした後、次いで気相合成法でのダイヤモンド被
膜形成初期に浸炭させて基材の表面部を再晶出の炭化タ
ングステンでなる表面調質層としているもので、基材に
もともと含有している炭化タングステンから再晶出した
炭化タングステンでなる表面調質層の表面に連続工程で
もって被膜を形成したものであるために、表面調質層が
被膜の密着性及び付着強度性を高める作用をしているも
のである。また、本発明の高密着性ダイヤモンド被覆焼
結体は、基材表面部にCoなどの金属が存在している場合
には、その金属の除去された所にも表面調質層の微細炭
化タングステンが埋設されてクサビ状になるために、表
面調質層と表面調質されてない基材内部との境界部の付
着強度性を著しく高めているものである。
(Operation) In the high-adhesion diamond-coated sintered body of the present invention, Co is removed as cobalt carbonyl when a metal such as Co is present on the surface of the base material containing tungsten carbide as a main component. On the other hand, after tungsten carbide existing on the surface of the base material is decarburized into tungsten or tungsten carbonyl, it is then carburized at the initial stage of diamond film formation by vapor phase synthesis to recrystallize the surface of the base material. A surface refining layer made of tungsten carbide, which is formed by a continuous process on the surface of a surface refining layer made of tungsten carbide recrystallized from the tungsten carbide originally contained in the base material. Therefore, the surface conditioning layer has the function of enhancing the adhesiveness and adhesive strength of the coating. Further, the high-adhesion diamond-coated sintered body of the present invention, when a metal such as Co is present on the surface portion of the base material, the fine tungsten carbide of the surface refining layer is also present at the location where the metal is removed. Since it is embedded into a wedge shape, the adhesive strength at the boundary between the surface-refined layer and the inside of the substrate whose surface has not been refined is remarkably enhanced.

本発明の高密着性ダイヤモンド被覆焼結体の製造方法
は、酸素ガスの含有した混合ガス中でのプラズマ化処理
により基材の表面部に存在しているCoなどの金属の除去
作用が生じ、プラズマ化処理と気相合成法によるダイヤ
モンド被覆処理の初期段階により基材の表面部に再晶出
炭化タングステンでなる表面調質層の形成作用が生じて
いるものである。さらに、本発明の高密着性ダイヤモン
ド被覆焼結体の製造方法は、焼結体の表面部を表面調質
層とすると同時に被膜の形成を行うことができるため
に、表面調質層と被膜の界面に不純物が生じ難く、その
結果ダイヤモンドの核生成の促進作用が高く、緻密で微
細な被膜を生成しやすくしているものである。
The method for producing a high-adhesion diamond-coated sintered body according to the present invention has an action of removing a metal such as Co existing in the surface portion of the substrate by the plasma treatment in a mixed gas containing oxygen gas, In the initial stage of the plasma treatment and the diamond coating treatment by the vapor phase synthesis method, the surface refining layer of recrystallized tungsten carbide is formed on the surface of the substrate. Furthermore, in the method for producing a highly adherent diamond-coated sintered body of the present invention, since the surface portion of the sintered body can be used as the surface-tempered layer and the film can be formed at the same time, the surface-tempered layer and the film are Impurities are unlikely to occur at the interface, and as a result, the action of promoting the nucleation of diamond is high, and it is easy to form a dense and fine film.

(実施例) 実施例1 WC−4wt%Co焼結体の基材表面をそれぞれ研摩又は焼肌
面にした後、ダイヤモンドの気相合成処理を行う反応容
器内に設置し、下記 (A)のプラズマ化処理, (B)のダイ
ヤモンド被覆処理を行って本発明品1及び2を得た。
(Example) Example 1 After the surface of the base material of the WC-4wt% Co sintered body was polished or burnished, it was placed in a reaction vessel for performing a vapor phase synthesis treatment of diamond. Plasma treatment and diamond coating treatment (B) were performed to obtain the products 1 and 2 of the present invention.

(A)のプラズマ化処理 ガス組成 98vol%H2−2vol%O2 ガス圧力 92 Torr 基材温度 1040 ℃ マイクロ波出力 0.8 kw 処理時間 15 min (B)のダイヤモンド被覆処理 ガス組成 98vol%H2−2vol%CH ガス圧力 90 Torr 基材温度 1050 ℃ マイクロ波出力 1.0 kw 処理時間 120 min 比較として、上記と同じ基材を用いて、その基材表面を
研摩後、 CVD法でもって基材表面に W2Cの中間層を2μ
m厚さ比較し、次いでダイヤモンドの気相合成処理を行
う反応容器内に設置して上記 (B)のダイヤモンド被覆処
理を行って、中間層の表面にダイヤモンド被膜を形成し
て比較品1を得た。また、比較品1の内、 CVD法でもっ
て基材表面にWCの中間層を2μm厚さ被覆した以外は、
比較品1と同様に行って比較品2を得た。さらに、同じ
基材の表面を酸処理し、基材表面部(5μm厚さ)のCo
を除去した後、ダイヤモンドの気相合成処理を行う反応
容器内に設置して上記 (B)のダイヤモンド被覆処理を行
って比較品3を得た。
Plasma composition of (A) Gas composition 98vol% H 2 -2vol% O 2 Gas pressure 92 Torr Substrate temperature 1040 ℃ Microwave power 0.8 kw Processing time 15 min Diamond coating gas composition 98vol% H 2 − 2vol% CH 4 gas pressure 90 Torr Base material temperature 1050 ℃ Microwave output 1.0 kw Treatment time 120 min For comparison, the same base material as above was used and after polishing the base material surface, it was applied to the base material surface by CVD method. 2μ of W 2 C intermediate layer
m thickness comparison, then placed in a reaction vessel for performing a vapor phase synthesis treatment of diamond, and subjected to the diamond coating treatment of (B) above to form a diamond coating on the surface of the intermediate layer to obtain Comparative product 1. It was Also, among the comparative products 1, except that the WC intermediate layer was coated to a thickness of 2 μm on the substrate surface by the CVD method,
Comparative product 2 was obtained in the same manner as comparative product 1. Furthermore, the surface of the same base material was treated with an acid, and Co
After removing the above, the diamond was placed in a reaction vessel for performing a vapor phase synthesis treatment of diamond, and the diamond coating treatment of (B) was performed to obtain a comparative product 3.

こうして得た本発明品1,2及び比較品1,2,3のそ
れぞれの断面を SEMで調べて、表面調質層,中間層及び
被膜の厚さを第1表に示した。
The respective cross sections of the inventive products 1 and 2 and the comparative products 1, 2 and 3 thus obtained were examined by SEM, and the thicknesses of the surface conditioning layer, the intermediate layer and the coating film are shown in Table 1.

これらの本発明品1,2及び比較品1,2,3の他に市
販の焼結体(JIS規格超硬合金K10)を比較品4として加え
て、被削材:硬質カーボン,切削速度: 300m/min,送
り:0.1mm/tooth ,切込み量: 0.5mm ,切削時間: 90
min,チップ形状:SPP422の条件でフライス切削試験を
行い、そのときの平均逃げ面摩耗(VB)量を求めて第1表
に併記した。
In addition to the present invention products 1 and 2 and comparative products 1, 2, and 3, a commercially available sintered body (JIS standard cemented carbide K10) is added as a comparative product 4, and the work material is hard carbon and the cutting speed is: 300m / min, feed: 0.1mm / tooth, depth of cut: 0.5mm, cutting time: 90
min, chip shape: A milling cutting test was performed under the conditions of SPP422, and the average flank wear (V B ) amount at that time was calculated and listed in Table 1.

尚、本発明品1及び2は、基材の表面,上記 (A)のプラ
ズマ化処理後の表面及び上記 (B)のダイヤモンド被覆処
理後ダイヤモンド被膜を除去した表面を第1表の試料と
異なるチップでもってX線回折により調べた所、基材の
表面はWCの回折線で、 (A)処理後の表面はWの回折線
で、 (A)及び(B) 処理後被膜を除去した表面は再びWCの
回折線になっていることが確認できた。また、本発明品
1及び2の表面調質層と表面調質されてない基材内部と
の境界部は、凹凸が激しく、基材の表面部のCoの抜けた
所まで微細(0.1μm) WCが緻密に埋設した状態になって
いるのが SEMで観察できた。これに対し、比較品1及び
2は、基材と中間層の境界部が直線状に明確に区別され
ているものであった。
The products 1 and 2 of the present invention are different from the samples in Table 1 in the surface of the base material, the surface after the plasma treatment of the above (A) and the surface after the diamond coating after the diamond coating of the above (B). When examined by X-ray diffraction with a chip, the surface of the base material is the diffraction line of WC, the surface after (A) treatment is the diffraction line of W, and the surface after removing the coating after (A) and (B) treatment It was confirmed that was again the diffraction line of WC. Further, the boundary between the surface-conditioned layer of each of the products 1 and 2 of the present invention and the inside of the substrate not surface-conditioned was severely uneven, and the surface of the substrate was fine (0.1 μm) up to the point where Co escaped. It was possible to observe by SEM that the WC was closely embedded. On the other hand, in Comparative Products 1 and 2, the boundary portion between the base material and the intermediate layer was clearly distinguished linearly.

実施例2 実施例1で得た本発明品1,2及び比較品1,2,3,
4と、さらにWCの焼結体を基材とし、この基材の表面を
研摩後、実施例1における (A)のプラズマ化処理及び
(B)のダイヤモンド被覆処理を施して本発明品3を得
た。また、本発明品3の内、 (A)のプラズマ化処理を削
除して他は同様に処理して比較品5を得た。これらの本
発明品1,2,3及び比較品1,2,3,4,5を用い
て、被削材: Al:30%SiC ウイスカー合金,切削速
度: 355m/min ,送り:0.1 mm/rev,切込み量:0.5 m
m,切削時間:30min チップ形状:SPGN120308の条件で
外周連続旋削試験を行い、そのときの平均逃げ面摩耗(V
B)量を求めて第2表に示した。
Example 2 Inventive products 1 and 2 and comparative products 1, 2, 3 obtained in Example 1
4 and a WC sintered body as a base material, and after polishing the surface of the base material, the plasma treatment of (A) in Example 1 and
The diamond coating treatment of (B) was performed to obtain the product 3 of the present invention. Further, among the products 3 of the present invention, the plasma treatment of (A) was omitted and the other processes were performed in the same manner to obtain a comparative product 5. Using these invention products 1, 2, 3 and comparative products 1, 2, 3, 4, 5, work material: Al: 30% SiC whisker alloy, cutting speed: 355 m / min, feed: 0.1 mm / rev, depth of cut: 0.5 m
m, Cutting time: 30 min Insert shape: SPGN120308 A continuous outer circumference turning test was performed, and the average flank wear (V
The amount of B ) was determined and is shown in Table 2.

尚、本発明品3及び比較品5についても、実施例1にお
ける他の試料と同様にしてX線回折及び SEMにより調べ
た所、本発明品3は、基材の内部のWC粒と異なり、約
0.1μmの微細粒の表面調質層を有し、被膜との境界面
における表面調質層はWC層からなり、表面調質されてな
い基材内部側の表面調質層はWCに微量の W2Cが混在した
層からなっていた。比較品5は、被膜と基材の境界部に
グラファイトが存在していた。
The present invention product 3 and the comparative product 5 were also examined by X-ray diffraction and SEM in the same manner as the other samples in Example 1. As a result, the present invention product 3 was different from the WC grains inside the base material. about
It has a 0.1μm fine-grained surface refining layer, and the surface refining layer at the interface with the coating consists of a WC layer. It consisted of mixed W 2 C layers. In Comparative Product 5, graphite was present at the boundary between the coating and the substrate.

(発明の効果) 本発明の高密着性ダイヤモンド被覆焼結体は、超硬合金
の基材とダイヤモンド被膜との間に CVD法によるWC中間
層又は W2C中間層を介在してなる従来のダイヤモンド被
覆焼結体と比べて、被膜の耐剥離性にすぐれており、そ
の結果硬質カーボンを被削材とした切削試験においては
約40%〜 140%も寿命が向上するという効果があり、 A
l−Si合金を被削材とした切削試験においては約25%〜
130%も寿命が向上するという効果がある。また、本発
明の高密着性ダイヤモンド被覆焼結体は、酸によりエッ
チング処理した超硬合金の基材表面にダイヤモンド被膜
を形成してなる従来のダイヤモンド被覆焼結体と比べ
て、被膜の耐剥離性にすぐれており、その結果硬質カー
ボン又は Al−Si合金を被削材とした切削試験において
は約27%〜 110%も寿命が向上するという効果がある。
(Effects of the Invention) The highly adherent diamond-coated sintered body of the present invention has a conventional WC intermediate layer or W 2 C intermediate layer formed by a CVD method between a cemented carbide substrate and a diamond coating. Compared with the diamond-coated sintered body, the coating has excellent peeling resistance, and as a result, it has the effect of improving the life by 40% to 140% in the cutting test using hard carbon as the work material.
In a cutting test using l-Si alloy as a work material, approximately 25% ~
It has the effect of improving life by 130%. Further, the high-adhesion diamond-coated sintered body of the present invention is more resistant to peeling than the conventional diamond-coated sintered body formed by forming a diamond coating on the surface of a cemented carbide base material that has been etched with an acid. It has excellent properties, and as a result, in a cutting test using hard carbon or Al-Si alloy as a work material, the life is improved by about 27% to 110%.

さらに、本発明の高密着性ダイヤモンド被覆焼結体の製
造方法は、基材を表面超質するプラズマ化処理と被膜を
形成するダイヤモンド被膜処理を連続的に同一反応容器
でもって行うことができ、そのために不純物の影響が少
なく、緻密で付着性のすぐれた被膜を形成することがで
きるという効果がある。
Furthermore, the method for producing a high-adhesion diamond-coated sintered body of the present invention, the plasma treatment for superficializing the base material and the diamond coating treatment for forming a coating can be continuously performed in the same reaction vessel, Therefore, the effect of impurities is small, and it is possible to form a dense and highly adherent coating.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】炭化タングステンを主成分とする焼結体を
基材とし、該基材の表面にダイヤモンド及び/又はダイ
ヤモンド状カーボンの被膜を形成してなるダイヤモンド
被覆焼結体において、該被膜の隣接してなる該基材の表
面から該基材の内部へ向って少なくとも 0.1μmが再晶
出の炭化タングステンでなる表面調質層であることを特
徴とする高密着性ダイヤモンド被覆焼結体。
1. A diamond-coated sintered body comprising, as a base material, a sintered body containing tungsten carbide as a main component, and a coating film of diamond and / or diamond-like carbon formed on the surface of the base material. A highly adherent diamond-coated sintered body, characterized in that at least 0.1 μm is a surface refining layer made of recrystallized tungsten carbide from the surface of the substrate adjacent to the inside of the substrate.
【請求項2】上記焼結体は、Co及び/又はNi2〜6wt%
と、残り炭化タングステンと不可避不純物とからなるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の高密着性ダ
イヤモンド被覆焼結体。
2. The above sintered body is Co and / or Ni 2-6 wt%
And the remaining tungsten carbide and unavoidable impurities, The highly adherent diamond-coated sintered body according to claim 1, characterized in that
【請求項3】上記表面調質層は、粒径が 0.3μm以下の
微細粒の炭化タングステン層を有し、かつ該微細粒の炭
化タングステン層に上記被膜が隣接して形成されている
ことを特徴とする特許請求の範囲第1項又は第2項記載
の高密着性ダイヤモンド被覆焼結体。
3. The surface refining layer has a fine-grained tungsten carbide layer having a grain size of 0.3 μm or less, and the coating is formed adjacent to the fine-grained tungsten carbide layer. The highly adherent diamond-coated sintered body according to claim 1 or 2, which is characterized in that.
【請求項4】炭化タングステンを主成分とする焼結体の
基材を反応容器中に設置し、該反応容器内に水素ガスと
酸素ガスとの混合ガス、又は水素ガスと酸素ガスとの炭
素の供給源となりうるガスとの混合ガスを流入した後、
該基材を 500〜1200℃の温度でプラズマ化処理をし、次
いで気相合成法によるダイヤモンド被覆処理を行って、
該基材の表面部を再晶出炭化タングステンでなる表面調
質層とし、該表面調質層に隣接してダイヤモンド及び/
又はダイヤモンド状カーボンでなる被膜を形成させるこ
とを特徴とする高密着性ダイヤモンド被覆焼結体の製造
方法。
4. A base material of a sintered body containing tungsten carbide as a main component is placed in a reaction vessel, and a mixed gas of hydrogen gas and oxygen gas or carbon of hydrogen gas and oxygen gas is placed in the reaction vessel. After inflowing a mixed gas with a gas that can be a source of
Plasma treatment of the base material at a temperature of 500 to 1200 ° C., and then diamond coating treatment by a vapor phase synthesis method,
The surface portion of the base material is a surface refining layer made of recrystallized tungsten carbide, and diamond and / or diamond is provided adjacent to the surface refining layer.
Alternatively, a method for producing a high-adhesion diamond-coated sintered body, which comprises forming a coating film made of diamond-like carbon.
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