JPH0672302B2 - 硬質炭素膜被覆超硬合金の製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔従来技術の問題点〕 ダイヤモンドは最も硬い物質で、かつ化学的にもきわめ
て安定で、かつ熱伝導率にきわめて富むことから切削工
具としてきわめて優れた特性を持つ。しかしながら、天
然の単結晶ダイヤモンドは、劈開性があることから、最
近ではダイヤモンド微粉末を超高圧設備を用いて焼結し
た、いわゆるダイヤモンド焼結体工具が開発され、天然
ダイヤモンドに比べ、より靱性がすぐれていることから
アルミニウム合金，チタン合金，ニッケル合金など非鉄
金属の切削に用いられている。しかしながらきわめて高
価な超高圧設備が必要なため、おのずと焼結ダイヤモン
ド工具は高価なものにならざるを得なかった。

最近、水素とメタンなどの炭化水素の混合気流を、2000
℃以上に加熱したタングステンフィラメントにて励起，
熱分解させる、あるいは高周波，マイクロ波放電による
プラズマにて励起，分解させて加熱した基材表面にダイ
ヤモンドおよび／又はダイヤモンド状の硬質炭素被膜を
被覆する技術が開発されている。（以下ダイヤモンド気
相合成技術と称す）この技術を用いて適当な基材例えば
超硬合金の表面に、この技術を用いてダイヤモンドおよ
び／又はダイヤモンド状の硬質炭素薄膜を被覆した、い
わゆるコーティング工具を作成するならば、焼結ダイヤ
モンド工具に比べきわめて安価な、かつ性能的には焼結
ダイヤモンド工具に肩をならべるものが提供しうると考
えられた。

しかしながら、この考え方にしたがって種々ダイヤモン
ドコーティング工具を試作してみたところ、ことごとく
被覆膜と基材たる超硬合金との接着強度が不足し、切削
工具としては好ましい結果が得られなかった。

〔問題点を解決するための手段〕

ダイヤモンド気相合成技術において、ダイヤモンド膜を
基材表面に均一に被覆するためには、被覆に先だって該
基材表面上にダイヤモンドの核を生成させうるように、
一定の傷をつける傷入れ作業を行うことが不可欠てある
とされている。しかしながら発明者は超硬合金と基材に
種々の条件でダイヤモンドの被覆実験を行った結果、ダ
イヤモンドの核は超硬合金基材表面において、炭化タン
グステン粒子の界面に選択的に発生していくという知見
をうるにいたった。又結合金属相の上には、ダイヤモン
ドの核はほとんど発生しないという知見も得た。

これは結合金属相たるコバルト（Co）にダイヤモンドの
核を生成させうるべく、傷入れ作業後ダイヤモンド気相
合成技術によってダイヤモンドの核を生成させようとし
ても、このダイヤモンド気相合成技術は800℃程度の基
板表面の加熱が不可欠なため、この温度ではコヴァルト
に作成した傷の先端が800℃の温度でコヴァルト相が塑
性流動するためうずまってしまい、ダイヤモンド核生成
を促進する効果を損なうためと考えられる。

ダイヤモンド気相合成技術において、ダイヤモンドの核
の生成よりも一旦生じた核が粒成長する方がエネルギー
的に容易なことが知られている。

従って第３図に模式的に示すように、炭化タンクステン
粒子１の界面に生じたダイヤモンド粒子３は、それ以降
は粒成長を行い最終的には第４図に示すような空孔４を
多数有するダイヤモンド被膜となる。このように基材と
ダイヤモンド被膜との界面に多数空孔が存在すると、ダ
イヤモンド被膜と基材との接着強度が十分でないことは
容易に考えうる。

そこで発明者はいかにダイヤモンド被膜と基材と界面と
の間に空孔を生じさせないか種々検討を行い、基材表面
より一定深さ結合相金属を除去する処理を施すと、ダイ
ヤモンド被膜と基材との接着強度が著しく改善しうると
いう知見を得た。即ち第１図に示すようにダイヤモンド
の核は炭化タングステン粒子の界面に選択的に発生する
ため、従来のように炭化タングステン粒子１の上面のみ
ならず、側面にも核３′を生成する。

しかるのち、このダイヤモンド粒子3,3′が粒成長して
いくと第２図に示すように、基材と超硬合金の界面には
ほとんど空孔が生じないからと考えた。

なお、超硬合金基材表面より除去する結合金属相２の深
さは該超硬合金の硬質分散相の平均粒度の1/100以下で
は効果が認められず2/3以上除去すると、該超硬合金基
材最表面に存在する硬質分散相が、強固に保持しきれな
くなり使用時脱落してしまい好ましくない。

結合金属相を除去するのは、傷入れ作業前でも傷入れ作
業後でもかまわないが、除去時炭化タングステン粒子表
面上の傷が鈍化する可能性があるため、傷入れ作業前が
より好ましい。

結合金属相を除去する方法としては、酸にてエッチング
する方法，弗化炭素プラズマ中でドライエッチングする
方法，水素，アルゴンガスなどでスパッタエッチングす
る方法などが好ましいが、これに限定されるものでは勿
論ない。

基材として用いる超硬合金は、炭化タングステン・コバ
ルト焼結合金以外に他炭化物を添加したもの、さらには
炭窒化チタン系の焼結合金、いわゆるサーメットなどが
好ましい。

以下実施例で詳しく説明する。

実施例１ 市販のISO K−10グレード超硬合金チップ（材質 住友
電気工業株式会社製H1 型番SPG422）の表面を＃1500の
ダイヤモンド砥粒をもちいてラッピング処理したのち、
10容量％塩酸溶液中にて10分間超音波を付加しながら保
持した。

この試料を水洗、乾燥後さらに＃1500のダイヤモンド砥
石をもちいて、傷入れ作業を行った。この試料を2000℃
に加熱保持したｗ−フィラメントによって、水素とメタ
ンガスの混合気流からダイヤモンドを基材表面に被覆す
る製造方法をもちいて、ダイヤモンド膜を６μ被覆し
た。この試料をＡとし、塩酸処理しないだけで他は全く
同じ工程にてダイヤモンドを被覆したものをＢとし、以
下の条件で切削テストを行った。

被削材:AC4C 切削速度:1200m/min 送り:0.1mm/rev 切り込み:1.5mm ホルダー:FP11R−44A Ａは30分間切削してフランク摩耗が0.04mmであったのに
対し、Ｂは11分間切削時ダイヤモンド被膜が剥離し、15
分間切削してフランク摩耗が0.32mmちなみにダイヤモン
ドを被覆しなかった基材では、３分間切削してフランク
摩耗が0.41mmであった。

実施例２ 種々の粒度をもつ超硬合金チップを作成し、（型番SPG4
22）チップ表面を＃1500のダイヤモンド砥料でラッピン
グ処理したのち＃1500のダイヤモンド砥石で傷入れ作業
を行った。しかるのち、これ等試料と弗化炭素気流中で
プラズマエッチングを行い、結合金属をそれぞれ表面か
ら種々の厚さで除去した。

しかるのち、2.45GHzのマイクロ波によって励起された
プラズマ中にて水素とメタンの混合気流を分解して、基
材表面にそれぞれダイヤモンドを被覆した。基材の炭化
タングステンの平均粒度と実施例１の切削条件で行った
テスト結果を表１に記す。

【図面の簡単な説明】 第１図，第２図は本発明の方法を説明する模式図であ
り、前者が被覆初期の状態，後者が被覆完成後の状態
（被覆層近辺の断面模式図）を示し、第３図は従来の被
覆法の初期の状態を示す断面模式図，第４図は従来の被
覆による被覆完成後の断面模式図である。 1:硬質相粒子、2:結合金属相 3,3′：ダイヤモンド核、4:空孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 飛岡 正明 兵庫県伊丹市昆陽北１丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内 (56)参考文献 特公 昭51−29987（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭56−8914（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭63−20911（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超硬合金を基材とし、その表面に減圧下の
   気相合成法によりダイヤモンドおよび／又はダイヤモン
   ドに類似の硬質炭素膜を被覆して被覆超硬合金を製造す
   るにあたり、被覆処理に先だって該超硬合金基材表面の
   結合金属相を該超硬合金の硬質分散相の平均粒度の1/10
   0以上、2/3以下の深さにわたって該超硬合金基材表面か
   ら除去し、かつ傷入れを行うことを特徴とする硬質炭素
   膜被覆超硬合金の製造法。