JPH0643280B2 - 膜状ダイヤモンドの気相合成法 - Google Patents

膜状ダイヤモンドの気相合成法

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JPH0643280B2
JPH0643280B2 JP61069621A JP6962186A JPH0643280B2 JP H0643280 B2 JPH0643280 B2 JP H0643280B2 JP 61069621 A JP61069621 A JP 61069621A JP 6962186 A JP6962186 A JP 6962186A JP H0643280 B2 JPH0643280 B2 JP H0643280B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、切削工具,耐摩耗工具又は研削工具などの工
具部品、核融合炉の炉壁に代表される原子炉用部品、ヒ
ートシンク又はスピーカーの振動板などのエレクトロニ
クス用部品並びにカメラ,時計などの精密機械部品など
の作成用として各種の産業分野で応用できる膜状ダイヤ
モンドの気相合成法に関するものである。
(従来の技術) 気相からダイヤモンドを合成する方法としては、スパッ
タ法,イオンプレーティング法,蒸着法とイオン注入法
を組合わせたイオンビーム蒸着法、熱電子放射材を利用
した化学蒸着法、マイクロ波,高周波又は直流を利用し
たプラズマ化学蒸着法などがある。
これらのダイヤモンドの合成法において用いられる基板
は、基板の表面にダイヤモンドが析出され易いようにす
ると共に析出れたダイヤモンドの被覆層と基板との密着
性を高めるようにすることが試みられている。このため
の方法としては、1つに基板の材質を検討する方法があ
り、他の1つに基板の表面状態を検討する方法がある。
この内、後者に関しての代表的なものとしては、特開昭
60−86096号公報に開示されたものがある。
(発明が解決しようとする問題点) 特開昭60−86096号公報は、炭化水素と水素との
混合ガスにプラズマを誘発せしめ、このプラズマ空間に
基板を設置し、該基板を300〜1300℃に加熱して
基板上にダイヤモンドを析出させるダイヤモンドの気相
合成法において、基板表面を高硬度粉末で摩擦または衝
突の処理を施して鋭利な表面傷を生成させていることを
特徴とする方法である。この特開昭60−86096号
公報における基板の表面処理は、高硬度粉末を直接摩擦
または衝突させる方法、もしくは高硬度粉末にワセリン
等の滑剤を混和させたもので摩擦させる方法であり、そ
の処理表面は鋭利な表面傷を生成させてなるものであ
る。この方法によると基板が曲面形状又は複雑な形状の
場合は、基板の表面に均一な傷を施すのが困難であり、
そのために、基板の表面に均一な膜状のダイヤモンドを
形成できないという問題がある。また、この方法では、
基板の表面におけるダイヤモンドの核生成密度が低いた
めに緻密で微細な膜状のダイヤモンドの形成が困難とな
り、しかも基板とダイヤモンドの膜との密着性及び膜の
強度が劣るという問題がある。
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、超音波を用いて、溶液を媒介にした硬質粒子に
より基板の表面を処理し、この表面処理した基板にダイ
ヤモンドを析出させることによって緻密で微細な膜状の
ダイヤモンドの被覆層を形成させることができるダイヤ
モンドの気相合成法の提供を目的とするものである。
(問題点を解決するための手段) 本発明者らは、基板の表面におけるダイヤモンドの核生
成密度を高める方法として、基板の表面処理法について
種々検討した結果、水,エタノール又はアセトンなどの
溶液を満たした容器中にダイヤモンド、立方晶窒化ホウ
素又は窒化ケイ素などの砥粒と共に基板を浸漬させた
後、溶液中に所定の出力の超音波を所定の時間入射させ
ることによって得た基板の表面にダイヤモンドを析出さ
せると緻密で微細な膜状のダイヤモンドの被覆層が形成
されるという知見を得ることによって本発明を完成する
に至ったものである。
すなわち、本発明の膜状ダイヤモンドの気相合成法は、
炭素含有化合物ガスと水素ガスとが存在する雰囲気中で
基板の表面にダイヤモンドの被覆層を形成させるダイヤ
モンドの低圧気相合成法において、前記基板は硬質粒子
と共に溶液中に浸漬させた後、該溶液中に超音波を入射
させて処理したことを特徴とするものである。
本発明の膜状ダイヤモンドの気相合成法における基板の
表面処理に用いる硬質粒子はダイヤモンド粉末,立方晶
窒化ホウ素粉末,炭化ケイ素粉末,酸化アルミニウム粉
末,酸化クロム粉末などの砥粒があり、その他、基板の
材質に合わせて、例えばガラス粉末,鉄粉末などの各種
の粉末を用いることができる。これらの硬質粒子の選定
基準としては、基板の材質よりも硬い材質のものなら
ば、特に制限されることなく用いることができ、特にダ
イヤモンド粉末,立方晶窒化ホウ素粉末又は炭化ケイ素
粉末は高硬度粉末であることから好ましいものである。
これらの硬質粒子の大きさは、超音波の振幅の強さなど
によっても異なるが、100μm以下の粒子の大きさの
ものを用いることができ、特に10μm以下の粒子の大
きさの硬質粒子を用いると基板の表面を均一に処理でき
るので好ましいものである。
この硬質粒子と基板との両方を浸漬させるための溶液
は、硬質粒子及び基板との化学的反応が生じなく、しか
も硬質粒子が超音波の振幅によって自由に運動できるよ
うな粘性のものならば、特に制限されなく、例えば水又
はエタノール,アセトンなどの各種の有機溶液を用いる
ことができる。
本発明で用いる基板は、従来のダイヤモンドの低圧気相
合成法の条件に耐えることができる材質ならば、特に制
限されるものでなく、用途に応じて、例えば各種の金
属,合金,超硬合金,サーメット又はセラミックスなど
を用いることができる。これらの基板の内、超硬合金,
サーメットなどの基板は、基板の表面に存在する鉄族金
属を除去した後に用いるか、又は基板の表面に炭化チタ
ン,窒化チタンなどの被覆層を形成した複合材料として
用いるのが好ましい。また、ステンレス,炭素鋼などの
各種の鉄系合金、ハステロイ,インコネルなどのニツケ
ル系合金、ステライトなどのコバルト系合金のように鉄
族金属からなる基板の場合も炭化チタン,窒化チタンな
どの被覆層を基板の表面に形成させた複合材料として用
いるのが好ましい。
溶液を満たした容器に基板と硬質粒子を浸漬させて、こ
の溶液に超音波を入射させることにより基板の表面を処
理する。このときの超音波の強度は、特に制限されるも
のではなく、溶液に超音波の振動エネルギーが伝搬され
て溶液と硬質粒子の運動が生じる強度にすればよい。ま
た、硬質粒子の分散性を高めるために活面活性剤を溶液
中に添加して、硬質粒子を均一に分散させることにより
基板の表面処理効果を高めることも好ましいことであ
る。このような処理を施した基板の表面は、例えば、砥
粒で摩擦又は研磨による表面傷のような幾何学的変化が
生じていなくてもよい。この処理を施す前の基板の表面
は、超硬合金,サーメット又はセラミックスからなる基
板の場合には焼肌面の状態又は研磨面の状態で表面処理
を施こせばよく、また金属や合金からなる基板の場合に
は鍛造面,圧延面又は引抜き面など、その材料が加工さ
れてきた表面状態のまま、もしくは研磨面の状態で表面
処理を施こせばよい。
このように表面処理を施した基板を従来のダイヤモンド
気相合成用の反応容器内に設置して、炭素含有化合物ガ
スと水素ガスとを反応容器内に導入し、これらのガスを
熱電子放射材での加熱分解、又はマイクロ波,高周波,
直流などによるプラズマによって分解して基板表面にダ
イヤモンド被覆層を形成させればよい。このときのガス
の加熱分解又は分解条件は、従来の条件を用いればよ
く、必要に応じて基板を加熱又は冷却することによって
基板を一定の温度に保持することも好ましいことであ
る。ここで用いる炭素含有化合物ガスとは、メタンに代
表される炭化水素系化合物、アセトンに代表されるケト
ン系化合物、メチルアルコールに代表されるヒドロキシ
系化合物又はCCに代表されるハロゲン化炭素化合
物である。
(作用) 本発明の膜状ダイヤモンドの気相合成法は、基板の表面
に微細なダイヤモンド粒子が緻密な被覆層として形成さ
れ、しかも基板と被覆層との密着性が高くなるものであ
る。また、基板の表面に形成される被覆層は、結晶性の
すぐれたダイヤモンドからなっているものである。
(実施例) 1200#のダイヤモンド砥石で研磨したWC−5%C
o超硬合金からなる基板を平均粒径3.0μmダイヤモ
ンド砥粒と共にエチルアルコール溶液を満たした容器に
入れて、溶液内に超音波を入射させた。このときの各条
件は、エチルアルコールに対するダイヤモンド砥粒の濃
度がエチルアルコール1ccあたり0.8g、入射した超
音波の強さが0.3w/cm2、周波数が40KHz、入射時間
が1時間であった。
このような超音波処理を施した基板の表面にマイクロ波
を利用した従来と同様のプラズマCVD法によりダイヤ
モンド膜を形成させた。(本発明法) 比較として、上記の超音波処理を施さない上記と同質の
基板の表面に上記と同条件にしてダイヤモンド膜を形成
させた。(従来法) 本発明法によって得た試料と従来法によって得た試料を
それぞれ走査電子顕微鏡写真にて観察した結果、本発明
法による試料は第1図に示す如く緻密で微細な粒子から
なるダイヤモンド被覆層であるのに対して、従来法によ
る試料は第2図に示す如く殆んどダイヤモンドの膜が形
成しておらずその粒径も粗いものであった。
実施例2 CIS規格SPGN422形状のWC−6%Co超硬合
金からなる基板を酸処理した後、平均粒径1.0μmの
立方晶窒化ホウ素砥粒と共に水を満たした容器に入れ
て、水中に超音波を入射した。このときの各条件は、水
に対する立方晶窒化ホウ素砥粒の濃度が水1ccあたり
0.5g、入射した超音波の強さが0.4w/cm2、周波
数が40KHz、入射時間が1時間であった。
このような超音波処理を施した基板の表面にマイクロ波
を利用した従来と同様のプラズマCVD法によりダイヤ
モンド膜を形成させた。(本発明法) 比較として、上記の超音波処理を施さない上記と同質の
基板の表面に立方晶窒化ホウ素砥粒で研磨して傷を付け
た後上記と同条件にしてダイヤモンド膜を形成させた。
(従来法) 本発明法によって得た試料と従来法によって得た試料と
ダイヤモンド膜を形成させてない基板のままの試料を被
削材A−18%Si合金、切削速度200m/min,切
り込み量0.5mm,送り速度0.2mm/revの条件で旋削
試験した所、本発明法による試料のフランク摩耗量は、
従来法による試料の約1/3で、従来法による試料のフラ
ンク摩耗量は、基板のままの試料の約1/2であった。
実施例3 Si単結晶の薄板からなる基板を平均粒径8.0μmの
SiC砥粒と共にヘキサン溶液を満たした容器に入れ
て、溶液内に超音波を入射させた。このときの条件は、
実施例2と同条件で行なった。
この超音波処理を行なった基板の表面にマイクロ波を利
用した従来のプラズマCVD法の条件でダイヤモンド膜
を形成させた。(本発明法) 比較として、同一基板の表面をSiC砥粒で研磨して傷
を付けた後、上記と同条件にてダイヤモンド膜を形成さ
せた。(従来法) この本発明による試料と従来法による試料の被覆層を電
子顕微鏡で観察した所、本発明法による試料は、緻密で
微細なダイヤモンドからなる被覆層であったのに対し
て、従来法による試料は膜状のダイヤモンドが形成され
てなく、ダイヤモンドの粒子が疎らに付着している状態
であった。
(発明の効果) 以上の結果から、本発明の膜状ダイヤモンドの気相合成
法は、微細なダイヤモンドを緻密で膜状のダイヤモンド
からなる被覆層として形成させることができる方法であ
る。この本発明の膜状ダイヤモンドの気相合成法は、膜
状ダイヤモンドの析出速度が速くて、この膜状ダイヤモ
ンドからなる被覆層と基板との密着性がすぐれているも
のである。
このために、本発明の膜状ダイヤモンドの気相合成法
は、切削工具,耐摩耗工具又は研削工具などの工具部
品、核融合炉の炉壁に代表される原子炉用部品、ヒート
シンク又はスピーカーの振動板などのエレクトロニクス
用部品並びにカメラ,時計などの精密機械部品などに膜
状ダイヤモンドを作製するのに応用できる各種の産業分
野に有用なダイヤモンドの気相合成法である。
【図面の簡単な説明】
第1図は、実施例1で得た本発明の膜状ダイヤモンドの
気相合成法による走査電子顕微鏡により観察した表面層
のダイヤモンド粒子構造である。 第2図は、実施例1で得た従来法による試料を走査電子
顕微鏡により観察した表面層のダイヤモンド粒子構造で
ある。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】炭素含有化合物ガスと水素ガスとが存在す
    る雰囲気中で基板の表面にダイヤモンドの被覆層を形成
    させるダイヤモンドの低圧気相合成法において、前記基
    板は硬質粒子と共に溶液中に浸炭させた後、該溶液中に
    超音波を入射させて処理したことを特徴とする膜状ダイ
    ヤモンドの気相合成法。
  2. 【請求項2】上記硬質粒子は、ダイヤモンド粉末,立方
    晶窒化ホウ素粉末又は炭化ケイ素粉末の中の少なくとも
    1種であることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載
    の膜状ダイヤモンドの気相合成法。
  3. 【請求項3】上記溶液は、水,エタノール又はアセトン
    であることを特徴とする特許請求の範囲第1項又は第2
    項記載の膜状ダイヤモンドの気相合成法。
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