JPS61163849A - 被覆硬質部材 - Google Patents
被覆硬質部材Info
- Publication number
- JPS61163849A JPS61163849A JP448785A JP448785A JPS61163849A JP S61163849 A JPS61163849 A JP S61163849A JP 448785 A JP448785 A JP 448785A JP 448785 A JP448785 A JP 448785A JP S61163849 A JPS61163849 A JP S61163849A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- diamond
- film
- cutting
- base material
- coating
- Prior art date
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- Pending
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- Laminated Bodies (AREA)
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
(1)tl;術分野
本発明は気相合成法により最外層にダイヤモンドを被覆
した硬質部材において、ダイヤモンド層の合成時に特定
の不純物を注入することにより、下地への密着性、高温
強度、耐酸化性、耐摩耗性を大巾に改善し、切削工具、
耐摩耗性部材等として極めて優れた性能をもつ硬質被覆
部材に関するものである。
した硬質部材において、ダイヤモンド層の合成時に特定
の不純物を注入することにより、下地への密着性、高温
強度、耐酸化性、耐摩耗性を大巾に改善し、切削工具、
耐摩耗性部材等として極めて優れた性能をもつ硬質被覆
部材に関するものである。
(2)技術の背景
従来、切削工具、耐摩耗性部材、耐蝕部材としては高速
度鋼から始まり、WCを主成分とする超硬合金、TiC
を主成分とするサーメット、AQ20s。
度鋼から始まり、WCを主成分とする超硬合金、TiC
を主成分とするサーメット、AQ20s。
5isNt等のセラミックス等が用いられて来た。更に
これ等の硬質材料の表面をTiCのような炭化物、窒化
物、炭窒化物や酸化物等を被覆した表面被覆材料も盛ん
に実用化されている。
これ等の硬質材料の表面をTiCのような炭化物、窒化
物、炭窒化物や酸化物等を被覆した表面被覆材料も盛ん
に実用化されている。
一方、ダイヤモンドは地上で最も硬度が高く、熱伝導度
の良い物質であり、天然の単結晶を加工して切削、耐摩
耗用途に用いられてきたが、超高圧技術の発達とともに
天然と同様のダイヤモンドが熱力学的に安定な人工合成
ができるようになり、更にダイヤモンド粉末を超高圧で
焼結した焼結ダイヤモンドを広(用いられるようになっ
た。
の良い物質であり、天然の単結晶を加工して切削、耐摩
耗用途に用いられてきたが、超高圧技術の発達とともに
天然と同様のダイヤモンドが熱力学的に安定な人工合成
ができるようになり、更にダイヤモンド粉末を超高圧で
焼結した焼結ダイヤモンドを広(用いられるようになっ
た。
しかしながらこれらは硬度が著しく高い為に加工費が高
いだけでなく単純な形状しか製作できないためその用途
が著しく限定されている。
いだけでなく単純な形状しか製作できないためその用途
が著しく限定されている。
このような問題の解決法の一つとして被覆膜としてダイ
ヤモンドを用いる方法がある。
ヤモンドを用いる方法がある。
近年になって、例えばJ、Cryst、Grouth
、52゜1981年P219〜22Gに記載されている
如くダイヤモンドを気相から合成する技術が開発された
。これらの方法によれば、超硬合金等の従来の硬質材料
の表面にダイヤモンドを被覆することによってダイヤモ
ンドとは嘴同じ硬さと耐摩耗性を持った部材と安価に製
造することができる。
、52゜1981年P219〜22Gに記載されている
如くダイヤモンドを気相から合成する技術が開発された
。これらの方法によれば、超硬合金等の従来の硬質材料
の表面にダイヤモンドを被覆することによってダイヤモ
ンドとは嘴同じ硬さと耐摩耗性を持った部材と安価に製
造することができる。
ダイヤモンド被覆はメタン等の炭化水素ガスと水素の混
合ガスを用いるCVD法、プラズマCVD法と、炭化水
素ガスを用いるイオンビーム蒸着法等によって実現され
る。この場合被覆される母材も比較的硬度が高く耐熱性
の材料であることが重要である。しかしながら発明者ら
の実験によると、直接に超硬合金や高速度鋼に被覆した
場合、ダイヤモンド膜と母材との密着性が不足して厳し
い切削条件では膜の剥離によって工具寿命は母材のみの
場合と殆んど変らない場合すらあることがわかった。従
って母材とダイヤモンド膜の間に中間層を入れ密着性の
向上を図るという常識的な解決法も考えられるが、共存
結合体であるダイヤモンドと母材となる金属、炭化物、
窒化物とは本質的に異った電子構造であるため、ダイヤ
モンド相が他の相に拡散するという現象もあり得ないこ
とからこの解決法にも自づと限界がある。
合ガスを用いるCVD法、プラズマCVD法と、炭化水
素ガスを用いるイオンビーム蒸着法等によって実現され
る。この場合被覆される母材も比較的硬度が高く耐熱性
の材料であることが重要である。しかしながら発明者ら
の実験によると、直接に超硬合金や高速度鋼に被覆した
場合、ダイヤモンド膜と母材との密着性が不足して厳し
い切削条件では膜の剥離によって工具寿命は母材のみの
場合と殆んど変らない場合すらあることがわかった。従
って母材とダイヤモンド膜の間に中間層を入れ密着性の
向上を図るという常識的な解決法も考えられるが、共存
結合体であるダイヤモンドと母材となる金属、炭化物、
窒化物とは本質的に異った電子構造であるため、ダイヤ
モンド相が他の相に拡散するという現象もあり得ないこ
とからこの解決法にも自づと限界がある。
(3)発明の開示
本発明は上記問題点を解決するものであり、ダイヤモン
ド膜と基体(母材)との密着性を向上させ工具として適
正な構成を得る手段を提案するものである。
ド膜と基体(母材)との密着性を向上させ工具として適
正な構成を得る手段を提案するものである。
本発明の特徴はダイヤモンド膜中に不純物元素としてA
sを注入せしめることである。
sを注入せしめることである。
AsはSt等の半導体におけるドーピング元素として知
られ、周期律表4b族元素の電子状態を変えることがで
きる。
られ、周期律表4b族元素の電子状態を変えることがで
きる。
これにより機械的性質はダイヤモンドと同じ特性で、電
気的には純粋のダイヤモンドとは少し異る膜を作ること
ができる。
気的には純粋のダイヤモンドとは少し異る膜を作ること
ができる。
発明者らは八8を不純物として注入した膜を公知の手段
であるプラズマCVD法で作成し、その電気的な性質を
測定したところ不純物を含まないダイヤモンド膜に較べ
て明らかに比抵抗の減少が認められた。例えば不純物を
含まない場合は1G”〜Io+ffΩC■であるのに対
しAsを0.1%含む膜では約10”0cmの比抵抗で
あった。このことから本発明のダイヤモンド膜は通常の
ダイヤモンド膜に較べて明らかに異った電子状態となっ
ていると考えられる。更に^Sは不純物としてダイヤモ
ンド中に混入する量は8%程度まで可能である。
であるプラズマCVD法で作成し、その電気的な性質を
測定したところ不純物を含まないダイヤモンド膜に較べ
て明らかに比抵抗の減少が認められた。例えば不純物を
含まない場合は1G”〜Io+ffΩC■であるのに対
しAsを0.1%含む膜では約10”0cmの比抵抗で
あった。このことから本発明のダイヤモンド膜は通常の
ダイヤモンド膜に較べて明らかに異った電子状態となっ
ていると考えられる。更に^Sは不純物としてダイヤモ
ンド中に混入する量は8%程度まで可能である。
次に限定範囲について述べる。
本発明は上述の如くダイヤモンドそのものの電子状態の
°変化や界面構造の変化により効果を発揮していると考
えられるので一定量以上の不純物元素の注入が必要であ
る。しかし不純物量が多過ぎるとダイヤモンド構造がく
ずれ目的の硬質被覆が得られなくなる。この観点から0
.0025〜5%の不純物含有量が適当である。
°変化や界面構造の変化により効果を発揮していると考
えられるので一定量以上の不純物元素の注入が必要であ
る。しかし不純物量が多過ぎるとダイヤモンド構造がく
ずれ目的の硬質被覆が得られなくなる。この観点から0
.0025〜5%の不純物含有量が適当である。
母材との界面附近からA8の含有量と順次減少させて最
外表面は不純物のないダイヤモンド膜としても育益であ
るが、母材との界面近傍では上記含有量を満足すること
が不可欠である。
外表面は不純物のないダイヤモンド膜としても育益であ
るが、母材との界面近傍では上記含有量を満足すること
が不可欠である。
全体のダイヤモンド層の厚さは薄過ぎると高硬度、耐摩
耗性向上の効果がなく、厚過ぎるとダイヤモンド膜自体
が脆いため欠は易(なり、0.1〜20μmの範囲が切
削工具の場合は最適である。この厚みの範囲は基体の種
類、用途によって若干変動する。
耗性向上の効果がなく、厚過ぎるとダイヤモンド膜自体
が脆いため欠は易(なり、0.1〜20μmの範囲が切
削工具の場合は最適である。この厚みの範囲は基体の種
類、用途によって若干変動する。
ダイヤモンド層は直接母材につけても中間層をはさんで
つけることも可能であるが、中間層は母材との密着性を
重視して選択する必要がある。又中間層がダイヤモンド
層との接着が良くなるAsを含んだ層をダイヤモンド層
の内層としたり、母材そのものの表面にAsを含浸させ
たりする手段も育効である。
つけることも可能であるが、中間層は母材との密着性を
重視して選択する必要がある。又中間層がダイヤモンド
層との接着が良くなるAsを含んだ層をダイヤモンド層
の内層としたり、母材そのものの表面にAsを含浸させ
たりする手段も育効である。
本発明の実現には公知のダイヤモンドの気相合成法であ
るCVO,プラズマCVD 、イオンブレーティング、
イオンビーム蒸着法等の方法において、反応ガス中にA
s1a等のAsを含んだガスを混入する手段や、気相合
成中にイオンビーム照射する方法等いずれの方法でも良
く効果は変らない。
るCVO,プラズマCVD 、イオンブレーティング、
イオンビーム蒸着法等の方法において、反応ガス中にA
s1a等のAsを含んだガスを混入する手段や、気相合
成中にイオンビーム照射する方法等いずれの方法でも良
く効果は変らない。
又、基体(母材)としては高速度鋼、超硬合金、サーメ
ット等、場合によってはステンレスでも良い。
ット等、場合によってはステンレスでも良い。
以下実施例により本発明の詳細な説明するが、本発明の
応用範囲は実施例により限定されるものではなく切削工
具、耐摩工具、摺動摩耗部品等耐摩耗性を要求される全
ての工具、部品にも適応できる。
応用範囲は実施例により限定されるものではなく切削工
具、耐摩工具、摺動摩耗部品等耐摩耗性を要求される全
ての工具、部品にも適応できる。
実施例 I
WC−5%Co組成を持つ超硬合金の公知のプラズマC
VD法(13,58M)12の高周波をコイルに印加し
てプラズマを発生)にて1%CH4を含むH2雰囲気か
ら10μのダイヤモンド膜を得た。この膜のビッカース
硬度を測定したところ荷重25gでsso。
VD法(13,58M)12の高周波をコイルに印加し
てプラズマを発生)にて1%CH4を含むH2雰囲気か
ら10μのダイヤモンド膜を得た。この膜のビッカース
硬度を測定したところ荷重25gでsso。
であった。
同じ方法でAsHaを0.15%、CH4を154を含
むH2雰囲気から10μのダイヤモンド膜を得た。この
膜の組成分析をSIMS(2次イオン質量分析器)にて
測定したところ2000 PP腸のAsが観察された。
むH2雰囲気から10μのダイヤモンド膜を得た。この
膜の組成分析をSIMS(2次イオン質量分析器)にて
測定したところ2000 PP腸のAsが観察された。
又結晶構造を反射電子線回折で電子結合状態をLEEL
S (低速電子線損失分光法)で測定したところダイヤ
モンドであると固定された。この膜の硬度は930Gで
あり不純物のない膜と殆んど差がなかうた。
S (低速電子線損失分光法)で測定したところダイヤ
モンドであると固定された。この膜の硬度は930Gで
あり不純物のない膜と殆んど差がなかうた。
実施例 2
市販の超硬合金ISO,KIO(形状5PG421)に
公知マイクロ波プラズマCVD法(5(Inφの510
2m反応管)にて下記条件でダイヤモンドを3μm被覆
した工具を2種作成した。
公知マイクロ波プラズマCVD法(5(Inφの510
2m反応管)にて下記条件でダイヤモンドを3μm被覆
した工具を2種作成した。
被覆条件:
マイクロ波周波数:2.45GHz
マイクロ波出力 : 400W
反応圧力 : 20Torr
反応ガス:[本発明]:AsHs0.2%十C1k 1
%十残H2[比較例]:(%1%十残H! 流速 : SOw/sec 上記作成工具を、A11−to%Siを被剛材として、
1切削速度200m/ mln s送りO0霊+n+
/ ray 、切込み0.2能、切削時間5分の乾式旋
削試験を行った。この結果、不純物を含まないダイヤモ
ンド膜を被覆した工具(比較例)ではフランク摩耗がO
,Smで切刃付近のダイヤモンド膜が完全に剥れていた
のに対し、本発明の工具ではフランク摩耗0.05mm
以下と小さくダイヤモンド膜は完全に残うていた。
%十残H2[比較例]:(%1%十残H! 流速 : SOw/sec 上記作成工具を、A11−to%Siを被剛材として、
1切削速度200m/ mln s送りO0霊+n+
/ ray 、切込み0.2能、切削時間5分の乾式旋
削試験を行った。この結果、不純物を含まないダイヤモ
ンド膜を被覆した工具(比較例)ではフランク摩耗がO
,Smで切刃付近のダイヤモンド膜が完全に剥れていた
のに対し、本発明の工具ではフランク摩耗0.05mm
以下と小さくダイヤモンド膜は完全に残うていた。
実施例 3
市販の超硬合金ISO,M10(形状TPG321)に
実施例2と同様の条件でダイヤモンド膜を作り、A8H
3の含何量を変えることによって第1表のAs含含率率
異る膜を得た。これを下記の条件で切削試験を行い比較
した。
実施例2と同様の条件でダイヤモンド膜を作り、A8H
3の含何量を変えることによって第1表のAs含含率率
異る膜を得た。これを下記の条件で切削試験を行い比較
した。
切削形態 二 転削(乾式) −
被削材 : λ!i−8%Si
切削速度 : 200m/■In
送 リ : O,O5m/刃切込み
=0.51箇 この条件でフランク摩耗が0.2mとなるまでの時間で
切削寿命とし第1表に示す。
=0.51箇 この条件でフランク摩耗が0.2mとなるまでの時間で
切削寿命とし第1表に示す。
第 1 表
実施例 4
高速度鋼で作成した0、5snφの穴あけ用ドリルに公
知イオンビーム蒸着法によって1.5μmのダイヤモン
ドを被覆した。この場合、イオン源へ送るガス中のCと
Aaとの比をt : o、os 〜t : o、oot
に変化させ(C2H6とAsHaにより調整)母材との
界面近くではAsの濃度が高い膜を作った。全< As
Hasスを入れないで作った同様のダイヤモンド被覆ド
リルを比較品としてプリント基板への穴あけ試験を行っ
たところ、本発明品が5万孔の加工が可能であったのに
対し比較品は1万孔で寿命に達した。
知イオンビーム蒸着法によって1.5μmのダイヤモン
ドを被覆した。この場合、イオン源へ送るガス中のCと
Aaとの比をt : o、os 〜t : o、oot
に変化させ(C2H6とAsHaにより調整)母材との
界面近くではAsの濃度が高い膜を作った。全< As
Hasスを入れないで作った同様のダイヤモンド被覆ド
リルを比較品としてプリント基板への穴あけ試験を行っ
たところ、本発明品が5万孔の加工が可能であったのに
対し比較品は1万孔で寿命に達した。
Claims (3)
- (1)基体表面の被覆層の少くとも一層がAsを含むダ
イヤモンド層であることを特徴とする被覆硬質部材。 - (2)被覆層の一層が0.0025〜5%のAsを含む
ことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の被覆硬質
部材。 - (3)被覆層の厚みが全体で0.1〜20μmであるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の被覆硬質部
材。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP448785A JPS61163849A (ja) | 1985-01-14 | 1985-01-14 | 被覆硬質部材 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP448785A JPS61163849A (ja) | 1985-01-14 | 1985-01-14 | 被覆硬質部材 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS61163849A true JPS61163849A (ja) | 1986-07-24 |
Family
ID=11585446
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP448785A Pending JPS61163849A (ja) | 1985-01-14 | 1985-01-14 | 被覆硬質部材 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS61163849A (ja) |
-
1985
- 1985-01-14 JP JP448785A patent/JPS61163849A/ja active Pending
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