JPH07216561A - 硬質層被覆部材 - Google Patents

硬質層被覆部材

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JPH07216561A
JPH07216561A JP934594A JP934594A JPH07216561A JP H07216561 A JPH07216561 A JP H07216561A JP 934594 A JP934594 A JP 934594A JP 934594 A JP934594 A JP 934594A JP H07216561 A JPH07216561 A JP H07216561A
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JP
Japan
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layer
hard layer
hard
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metal
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JP934594A
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English (en)
Inventor
Hiroshi Aida
比呂史 会田
Katsura Hayashi
桂 林
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Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
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Publication date
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/45Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
    • C04B41/52Multiple coating or impregnating multiple coating or impregnating with the same composition or with compositions only differing in the concentration of the constituents, is classified as single coating or impregnation

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
  • Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】硬質層と基体との密着性を向上し、硬質層の剥
離やクラックの発生を低減することができる硬質層被覆
部材を提供する。 【構成】基体上に、接合層、金属層、セラミックスから
なる中間層、ダイヤモンドまたは立方晶窒化硼素からな
る硬質層を順次形成してなる硬質層被覆部材であり、中
間層が炭化物セラミッスク、窒化物セラミックスの少な
くとも1種を含有することが望ましく、また、2層以上
の中間層を有することが望ましい。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ダイヤモンドまたは立
方晶窒化硼素からなる硬質層が被覆された硬質層被覆部
材に関するもので、例えば、工具や耐磨耗部品、ヒート
シンク、ヒーター、静電チャック、耐食性部品、成形金
型、加工治具等に用いられる硬質層被覆部材に関するも
のである。
【0002】
【従来技術】従来から、ダイヤモンド,立方晶窒化硼素
等の硬質材料は気相合成法によって薄膜を得ることがで
き、その優れた耐磨耗性を利用した工具や耐磨耗材料、
高い熱伝導率を利用したヒートシンクなどへの応用が期
待されている。
【0003】しかし、ダイヤモンド,立方晶窒化硼素等
の硬質膜は、セラミックスや超硬合金あるいは金属との
密着性が低く、外力や熱応力によって剥離しやすいとい
う問題があった。そこで、近年では気相法などによりダ
イヤモンドを母材上に形成した後に、母材ごとダイヤモ
ンドを切り出してダイヤモンドを基体に蝋付けし、この
後、前記母材を除去することが提案されている(特公平
4−18975号公報)。
【0004】また、従来、ダイヤモンド層の表面に金属
被覆層を設け、この金属被覆層を基体に蝋付けしてダイ
ヤモンドを基体に固定した切削工具が開示されている
(特開平5−237708号公報)。
【0005】
【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、ダイ
ヤモンド単体を切り出して超硬工具に蝋付けする方法で
もダイヤモンドを強固に蝋付けする方法や適切な蝋材が
見当たらず、実用化できていなかった。また、この方法
では、切り出す際または取扱時の破損を考慮して厚さが
0.1mm以上の厚いダイヤモンド膜を生成する必要が
あり、製法が制限されたり、膜生成に長時間を要するの
で製造コストが高かった。
【0006】一方、ダイヤモンドに金属被覆層を設け、
この金属被覆層を介して基体に蝋付けした特開平5−2
37708号公報の切削工具では、ダイヤモンドと金属
被覆層の密着性が充分でなく、ダイヤモンド膜の剥離、
クラック、摩耗量増加の原因となっていた。特に、高温
で使用する場合に剥離、クラック、摩耗量増加が顕著と
なっていた。即ち、ダイヤモンドや立方晶窒化硼素の熱
膨張係数は金属やサーメットに比べて小さいので、ダイ
ヤモンドの表面に金属被覆層を直接成膜すると成膜時の
残留応力によってダイヤモンド膜に応力を誘起し、特性
劣化の原因になるとともにダイヤモンド膜の剥離やクラ
ック発生の原因となっていた。従って、特に高温で使用
したり、高い応力が働く場合にはそれが顕著となる。
【0007】そこで、本発明は、硬質層と基体との密着
性を向上し、硬質層の剥離やクラックの発生を低減する
ことを目的とする。
【0008】
【問題点を解決するための手段】本発明者等は上記の問
題点に対して鋭意検討した結果、ダイヤモンドや立方晶
窒化硼素の硬質層をセラミックスからなる中間層,金属
層,接合層を介して基体に接合し、硬質層と金属層の間
にセラミックスからなる中間層を介在させることにより
硬質層と金属層との密着性を向上させると共に、硬質層
と基体との接合も強固にすることができ、硬質層の剥離
の極めて少ない硬質層被覆部材を提供できることを見い
出し、本発明をするに至った。
【0009】即ち、本発明の硬質層被覆部材は、基体上
に、接合層、金属層、セラミックスからなる中間層およ
びダイヤモンドまたは立方晶窒化硼素からなる硬質層を
順次形成してなるものである。中間層には、炭化物セラ
ミックス,窒化物セラミックスの少なくとも1種を含有
することが望ましく、硬質層被覆部材には中間層が2層
以上存在することが望ましい。
【0010】ここで、基体としては、金属、超硬合金,
セラミックスあるいはサーメットが選択できるが、プラ
スチックなどの有機材料でも接合方法を選ぶことによっ
て容易に応用できる。
【0011】接合層は、AgやAu−Sn等のろう材、
エポキシ樹脂等の有機性接着材、シリコン樹脂等の接着
剤からなるもので、このような接合材料を用いて蝋付け
や接着により金属層と基体が接合される。このような接
合層の厚みは0.01〜2mmが好ましく、特には、
0.05〜0.5mmが望ましい。
【0012】また、金属層と基体との接着法は蝋付けや
接着剤による接着の他、圧着、溶着など何でも構わない
が、高温で使用するものについては蝋付けが強度を高め
るためには適している。
【0013】金属層は、Mo,Zr,W,Ti,Ni,
Ta,Nb等から選ばれる少なくとも1種の金属からな
るもので、厚みは0.05〜1.1mm、特には0.1
〜0.5mmであることが望ましい。機械的な応力が加
わる場合には、金属層はWが好ましい。金属層を形成す
ることにより、基体が金属や超硬合金の場合には金属対
金属の接合となるため接合強度を向上することができ、
基体がセラミックの場合には金属層の存在により応力を
緩和することができる。
【0014】中間層は、金属層と硬質層との残留応力を
小さくする目的で設けられるもので、セラミックスから
なり、金属の炭化物,窒化物,硼化物,酸化物,硅化物
のうち少なくとも1種類を含有することが望ましい。そ
して、この中でも、硬質膜とのなじみが良い点で金属の
炭化物,窒化物を含有することが望ましい。また、この
中間層の厚みは、コスト的な観点から0.001乃至1
mmが好ましい。厳しい使用条件やコストを考慮すると
0.005乃至0.5mmが特に望ましい。中間層の厚
みは0.01〜0.10mmが最適である。
【0015】さらに、経済性や実用性を考慮すると中間
層としてはTi,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,
Mo,W,B,Al,Si,GeおよびNiから選ばれ
る少なくとも一種の炭化物または窒化物が好ましい。
【0016】ダイヤモンドまたは立方晶窒化硼素からな
る硬質層は、その層厚が厚いと特性が発揮されるが、耐
食性材料,耐摩耗材料,摺動材料,工具などは表面が重
要となるため、部材表面に硬質膜が存在すれば充分であ
り、成膜コストを考慮すると短時間で成膜した方が好ま
しく、必ずしも厚い膜は必要ない。機械部品や工具等の
応用に関しては硬質層厚は300μm以下であればよ
い。特には、100μmが望ましく、10μm以下が最
適である。
【0017】本発明の硬質層被覆部材は、例えば、先
ず、シリコンや金属などの母材上にダイヤモンドまたは
立方晶窒化硼素からなる硬質層を形成し、しかる後に中
間層を設け、最後に金属層を形成した後、中間層や金属
層に影響を及ぼさない方法によって母材を除去して、硬
質層,中間層,金属層からなる複合体を得る。母材の除
去は複合体と基体との接着前でも接着後でもいずれでも
かまわない。除去方法も研削等の機械的除去、エッチン
グ等の化学的除去など除去できれば何らの制限を受けな
い。そして、上記複合体の金属層側を金属や蝋付けから
なる接合層を介して所定の基体に接合し、本発明の硬質
層被覆部材を得る。
【0018】硬質層,中間層および金属層は、周知の方
法に基づき、真空蒸着法,スパッタリング,イオンプレ
ーティングなどの物理気相法(PVD)でも、熱CV
D,プラズマCVD,光CVD、プラズマジェット法等
の化学気相法(CVD)でも、さらにメッキでも作成で
きる。
【0019】
【作用】本発明においては、図1に示すように、ダイヤ
モンドや立方晶窒化硼素などの硬質層1は、中間層2、
金属層3および接合層4を介して基体5と一体化されて
いる。硬質層1と金属層3は熱膨張差が大きいので、硬
質層1と金属層3の間の熱膨張率差を緩和させるため、
硬質層1と金属層3との間に中間層2として硬質層1と
金属層3の中間の熱膨張率を有する薄層のセラミックス
を介在させ、これにより、硬質層1に作用する応力を低
減することが可能となる。
【0020】また、中間層2に金属の炭化物、窒化物を
含有せしめ、ダイヤモンドや立方晶窒化硼素と同じ元素
を含有せしめることにより、硬質層1と中間層2の濡れ
性を向上し、密着性を向上することができる。これによ
り、中間層2がない場合に比べて格段の密着力向上につ
ながっている。
【0021】さらに、硬質層1と金属層3間で熱膨張率
に大きな差がある場合には、硬質層1と金属層3と中間
位の熱膨張率を有する異なる材料の中間層2を2層以上
設け、硬質層1から金属層3にかけて熱膨張率が徐々に
変化するような構成とすることにより、硬質層1と金属
層3の間の熱膨張率差を緩和し、成膜時や使用時に発生
する応力を緩和することができる。
【0022】
【実施例】以下、本発明を次の例で説明する。 実施例1 直径60mmの多結晶シリコン円板にIVD法(イオン
アシスト蒸着法)によって非晶質を含む多結晶立方晶窒
化硼素からなる厚さ5μmの硬質層を形成した。続いて
中間層および金属層をCVD法により順次成膜した。各
々の材料および膜厚を表1に示した。そして、シリコン
をエッチングにより除去し、Agろうを用いた蝋付けに
より金属層を表1に示すような基体に接合し、硬質層被
覆部材を作製した。金属層と基体との間の接合層の厚み
を表1に示す。そして、ピン−オン−ディスク法によっ
て膜の密着性を評価した。ピンの荷重は500gで10分間の
摺動後の膜の状態を観察し、結果を表1に記した。
【0023】
【表1】
【0024】この表1から判るように、試料No.2,
4,6,8は比較例であり、いずれも中間層がなく、金
属層とダイヤモンドが直接結合しており、摺動によって
硬質膜が剥離した。一方、本発明品はいずれも膜の剥離
がなかった。
【0025】実施例2 カーボン母材上に、表2に示すような材料、方法、厚み
で、ダイヤモンドからなる硬質層、中間層、金属層を順
次成長させた。この後、カーボン母材を燃焼によって除
去し、金属層ー中間層ー硬質層からなる複合体を得た。
これをエポキシ樹脂からなる接着剤によって表2に示す
ような基体と接合した。金属層と基体との間の接合層の
厚みを表2に示す。そして、ダイヤモンド圧子を200
MPaの圧力で硬質層表面に押し込み、圧痕周囲にダイ
ヤモンド膜の剥離があるかどうかを調べ、表2に結果を
示した。尚、表2中の方法でCVはCVD、SPはスパ
ッタ、IPはイオンプレーティング、Mはメッキを表し
ている。
【0026】
【表2】
【0027】この表2から、試料No.6,8,10は比
較例であり、いずれも中間層がなく金属層とダイヤモン
ドが直接結合しており、圧子の圧力によって膜が剥離し
た。
【0028】一方、本発明品はいずれも膜の剥離がなか
った。
【0029】実施例3 単結晶シリコン母材上にプラズマCVDによって多結晶
ダイヤモンド膜からなる硬質層を形成し、表3に示すよ
うな硬質層を形成した。続いてプラズマCVDにより中
間層1,中間層2,金属層を表3に示すような材料,厚
みで形成した。
【0030】これをシリコン母材をエッチング除去の後
に、表3に示すような基体上にAgろうを用いて蝋付け
した。金属層と基体との間の接合層の厚みを表3に示
す。そして、Al−Si合金の切削評価で膜の密着性を
評価した。切削条件は送り0.3mm、切り込み2m
m、切削速度500mm/minであ、30分間切削を
行った。結果を表3に示す。尚、表3中、CMCとは、
Al2 3 とSiCとの複合材料で、SiCを15重量
%含有したナノコンポジットである。
【0031】
【表3】
【0032】この表3から、試料No.2,4,6,8は
比較例であり、いずれも中間層がなく接合層とダイヤモ
ンドが直接結合しており、切削によって膜が剥離した。
本発明品はいずれも膜の剥離がなかった。
【0033】
【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の金属層ー中
間層ー硬質層からなる複合体を基体に接着せしめた硬質
層被覆部材は、金属層と基体との接着強度とともに複合
体中の層間の密着性が良好となって強固な接着を可能に
し、硬質膜と金属層、金属層と基体との密着性が大きく
向上する。従って、外力や熱応力によって剥離しやすい
という問題を解決し、例えば、工具や耐磨耗部品、ヒー
トシンク、ヒーター、静電チャック、耐食性部品、成形
金型、加工治具等への広い応用展開が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の硬質層被覆部材の縦断面図である。
【符号の簡単な説明】
1・・・硬質層 2・・・中間層 3・・・金属層 4・・・接合層 5・・・基体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C23C 26/00 A // B23B 27/14 A

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基体上に、接合層、金属層、セラミックス
    からなる中間層およびダイヤモンドまたは立方晶窒化硼
    素からなる硬質層を順次形成してなることを特徴とする
    硬質層被覆部材。
  2. 【請求項2】中間層が炭化物セラミックス、窒化物セラ
    ミックスの少なくとも1種を含有することを特徴とする
    請求項1記載の硬質層被覆部材。
  3. 【請求項3】2層以上の中間層を有することを特徴とす
    る請求項1記載の硬質層被覆部材。
JP934594A 1994-01-31 1994-01-31 硬質層被覆部材 Pending JPH07216561A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10158815A (ja) * 1996-11-29 1998-06-16 Nissin Electric Co Ltd 静電チャック用被保持物配置部材及びその製造方法並びに静電チャック
JP2001505133A (ja) * 1996-07-08 2001-04-17 サンドビック アクティエボラーグ(プブル) 中ぐり棒
JP2018030211A (ja) * 2016-08-25 2018-03-01 住友電工ハードメタル株式会社 切削工具

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH10158815A (ja) * 1996-11-29 1998-06-16 Nissin Electric Co Ltd 静電チャック用被保持物配置部材及びその製造方法並びに静電チャック
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