JPS62196371A - 高密着性ダイヤモンド被覆部材 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 （産又Ｅの利用分５ｆ） 本発明は、切削１几、耐摩耗１几又は研削１几などの［
几部材、核融合炉の炉壁に代表される原子炉用部材並び
にヒートシンク又はスピーカーの振動板などのエレクト
ロニクス部材として応用できる高密着性ダイヤモンド被
覆部材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υ；としては、スパ
ッタ法、イオンブレーティング法、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、熱フィラメント又
は熱電子放射材を利用した化ｉ４　ノ入着法、マイクロ
波又は高周波を利用したプラズマ化学ノ入五法などがあ
る。

これらの気相合成法によってノ、（村の表面にダイヤモ
ンドの被覆層を形成する場合、超硬合金、す、Ｘット又
は［Ｊｔ鋼などのように鉄族金属を含む）、（材の表面
に直接ダイヤモンドの被覆層を形成すると、この）、（
材の表面の鉄族金属がダイヤモンド合成のための供、給
炭化水２にガスの分解の触媒として竹田すること、又は
ダイヤモンド合成のための供給水素ガスを吸収すること
などから被覆層の質を低ドさせるという問題がある。こ
れらの問題を解決するものとして、Ｊ、（材とダイヤモ
ンドの被Ｙａ層との間に金属の炭化物や“ネ化物の中間
層を介在させてなるダイヤモンド被覆部材が多数提案さ
れている。しかしながら、これらの中間層を介在させて
なるダイヤモンド被覆部材は、金属の炭化物や′ネ化物
の中間層の表面にダイヤモンドの被覆層が封着している
ものであり、共有結合で、他の物質とは殆んど反応しな
いダイヤモンドの被覆層と中間層との密着性は悪く、！
ｌＩＳじやすいという問題がある。

このような問題点を５更に解決しようと試みたものに特
開昭５９−９３８６９号公報がある。

（発明が解決しようとする問題点） 特開昭５９−９３８６９　＋、、−公報は１被１１！２
の３０体積％〜９５体積％をダイヤモンドもしくはダイ
ヤモンド状の相が占め、残部を鉄族金属又は゛ｆｉ機硬
質金属化合物が占めたダイヤモンドを含有する硬質被膜
で基材表面を被覆したダイヤモンド含有被覆部材である
。この特開昭５’１９３８６９号公報は、他の物質と殆
んど反応しないダイヤモンドを鉄族金属又は無機硬質金
属化合物と混合又は分１牧させてなる被覆層にすること
により、ダイヤモンド粒子を保持する面積が増大して被
覆層中のダイヤモンド粒子と基材との′？ｆ：着性を７
；；＋ｉめているものと思われる。しかしながら４鉄族
金属を含イｆしたダイヤモンド被覆層は、前述の如く、
鉄族金属の影響でダイヤモンドの質を低ドさせるという
問題及びダイヤモンドの生成速度を低Ｆさせるという問
題がある。また、無機硬質金属化合物を含有したダイヤ
モンド被覆層は、無機硬質金属化合物とダイヤモンド粒
子との混合物からなる被覆層であって、被覆層内の各粒
子間の密着性が悪いこと、又は無機硬質金属化合物粒子
とダイヤモンド粒子−との間に気孔が生じることにより
被覆層内強度が低いという問題がある。

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、基材と結晶質ダイヤモンド状構造の外層との間
に、外層を形成しやすく、しかも、外層との密着性がす
ぐれている中間層を介在させてなるダイヤモンド被覆部
材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ｔ段） 股に、ダイヤモンドは、他の物質との濡れ性が著しく悪
いこと、及びダイヤモンド中への他原了−の拡散が少な
いことから基材の表面に密着性の、２’７ｉいダイヤモ
ンドの被覆層を形成するのが非常に困難である。そこで
、未発用溝らは、ダイヤモンドの被覆層を形成しやすい
物質、及びダイヤモンドの被覆層との密着性を高める物
質について検討した所、カーボン、特に非晶質カーボン
状構造からなる物質の表面には、ダイヤモンドの被覆層
が形成しやすくなり、密着性もすぐれるという知見を得
て、本発明を完成するに至ったものである。

すなわち、本発明の高密着性ダイヤモンド被Ｙａ部材は
、基材の表面に結晶質ダイヤモンド状構造の外層を形成
してなる被覆部材であって、前記ノ、（材と前記外層と
の間に１層又は多層で構成される中間層を介在させ、前
記外層に隣接する該中間層が非晶質カーボン状構造の層
によって形成されていることを特徴とするものである。

ここで用いる）＾材は、後述する製造条件に耐えること
がｒ＋７能な材質ならば特別に制限されるものでなく２
例えば、６種の金属１合金、焼結ハイス、超硬合金、サ
ーメフト又はセラミックスなどを用途によって使い分け
ることができる。

これらの基材と外層との間に介在させる中間層は、外層
に隣接する中間層が非晶質カーボン状構造の層によって
形成されていることを４￥徴とするもので、使用する基
材の材質又は本発明の被１０部材の用途もしくは形状に
より各種の構造にすることができる。

例えば、第１の構造としては、中間層が非晶質カーボン
状構造の層からなり、基材と外層との間に非晶質カーボ
ン状構造の層が介在しているものである。この第１の構
造でなる中間層の場合は、非晶質カーボン状構造の層と
の密着性にすぐれる基材、例えば、鉄族金属以外の金属
又はそれらの合金、及び各種セラミックスでなる基材に
適用することができる。

第２の構造としては、中間層が外層に隣接する非晶質カ
ーボン状構造の層と密着補助層とからなり、この密着補
助層が周期律表４ａ、５ａ、６ａ族の金属又はＳｉの炭
化物、窒化物、酸化物、ホウ化物もしくはＡＩの窒化物
、ホウ化物、＃化物及びこれらの相互固溶体の中の少な
くとも１種でなる中層あるいは２種以上の多層からなる
ものである。この場合は、ノ人材と外層との間に非晶質
カーボン状構造の層と密着補助層が介在し、基材に密着
補助層が隣接し、外層に非晶質カーボン状構造の層が隣
接しているもので、′＃ニアｉ補助層との密着性にすぐ
れる基材１例えば、鉄族金属又は鉄族金属を含イｉした
合金、及び各種のセラミックスでなる基材に適用するこ
とができる。

その他の中間層の構成としては、中間層が非晶質カーボ
ン状構造の層と金属又は合金の層とでなる場合、もしく
は非晶質カーボン状構造の層と゛密着補助層と金属又は
合金の層とでなる場合など各種の４Ｉｉｌ＆にすること
ができる。

これらの中間層の内、非晶質カーボン状構造とは、ダイ
ヤモンドの結晶構造を含有していないか、もしくはラマ
ン分光分析においてダイヤモンドの結晶構造を示す１３
３２ｃ＋＊ｌの波数における回折線が確認できるかでき
ないか程度のカーボン、特に非晶質カーボンを示すもの
で、さらに具体的には１例えばラマン分光分析における
波数が１１５０ｃｍ’、１３６０ｃ＋＊’、１５００ｃ
ｍ’又は１５６０ｃ層鳥の内少なくとも１種の回折線が
確認できるような非晶質カーボンであることが好ましい
。

これらの中間層の表面に形成する外層は、結晶質ダイヤ
モンド状構造からなり、この結晶質ダイヤモンド状構造
とは、ダイヤモンドの結晶構造を少なくとも含有してい
るもので１例えばラマン分光分析においてダイヤモンド
の結晶構造を示す１３３２ｃｍ１の波数における回折線
が明確なもので、この１３３２ｃｍ１の波数の回折線又
はこの回折線の他に非晶質カーボン状構造を示す回折線
が混在していてもよい。

これらの非晶質カーボン状構造の層は、外層との密着性
及び耐剥離性から１００Ａ〜２０ｕＬｍの厚さであるこ
とが好ましく、外層は、耐庁耗性及び耐′Ａ雛性からＯ
，ｌμｍ〜１００μｍ厚さであることが好ましい、また
、非晶質カーボン状構造の層と外層は、ラマン分光分析
において、ダイヤモンドの結晶構造を示す１３３２ｃｍ
１の波数での回折線強度が連続的に強くなるような連続
的な層であってもよい。

本発明の高密着性ダイヤモンド被１’Ｕ部材は、次のよ
うな方法によって製造することができる。まず、各種の
基材の表面を必要に応じて研斤洗浄した後、密Ｉｉ補助
層を形成する必要がある場合は、化学蒸着法（ＣＶＤ法
）又は物理蒸着法（ＰＶＤ法）により基材の表面に形成
し、次いで１例えば熱フィラメントＣＶ　Ｄ　法、マイ
クロ波プラズマＣＶＤ法、高周波プラズマＣＶＤ法又は
磁界分離によるイオンビーム蒸着法などにより非晶質カ
ーボン状構造の層と外層を形成することができる。

非晶質カーボン状構造の層と外層の形成は、ダイヤモン
ドの気相合成法に使われるＨ２ガス、不活性ガス、炭化
水素ガスの内、供給炭化水素ガスの濃度をコントロール
することによって行なうことができ、その低反応ガスの
全圧又は加熱反応温度などによってもコントロールする
ことができる０例えば、具体的には、５ｊ］品質カーボ
ン状構造の層の形成は、反応容器内の炭化水素カス濃度
を３ｖｏ見％以七、好ましくは５マｏｎ％以七〜２０マ
ロ文％以ドにすること、反応ガスの全圧を１００Ｔｏｒ
ｒ以ヒ、好ましくは１００Ｔｏｒｒ以ヒ〜７６０Ｔｏｒ
ｒ以ドにすること、及び反応温度を８５０℃未満、好ま
しくは３００℃以１−〜８５０℃未満にすることによっ
て作成することができる。これに対して、外層の形成は
１反応容器内の炭化水２艇ガス濃度を３７ｏｎ％未満、
好ましくは０．１マａｎ％以−に〜１マｏｎ％以ドにす
ること、反応ガスの全圧を１００Ｔｏｒｒ未満、ｉｔ？
ましくは１０Ｔｏ　ｒ　ｒ以−Ｌ〜１００Ｔｏｒｒ未満
にすること、及び反応温度を８５０℃以Ｌ、好ましくは
８５０℃以１−〜１１００℃以ドにすることによって作
成することができる。

（作用） 本発明の高密着性ダイヤモンド被覆部材は、中間層とし
ての非晶質カーボン状構造の層が外層の合成を促進し、
外層の形成後には、中間層と外層との密ｎ性を著しく高
めているものである。また、基材の材質又は形状により
、基材と非晶質カーボン状構造の層との密着性が劣る場
合は、基材と非晶質カーボン状構造との間に密着補助層
や全１ヱ層などの中間層を介在させることにより、ノ、
（材と非晶質カーボン状構造の層との密着性を１″：５
１めることができる。

（実施例） 実施例１ １５０Ｘ１５０Ｘ１０■形状ｃ７）Ｍｏ基材を洗浄及び
乾燥後、熟フィラメント法による反応容器内に設置し、
容器内とメタンｅ１政５ψａｎ％、残り水素、系内圧力
３０Ｔｏ　ｒ　ｒ、　フィラメント温度２０００℃で２
時間保持した１次いで、メタン濃度を３マａｎ％にして
５時間保持した後、更にメタン濃度をｌｖｏ交％で、２
３時間保持して本発明品Ｎｏｌを得た。

比較前として、に記本発ＩＪＩ品Ｎｏｔと同一基材、同
一反応容器を用いて、容器内をメタン濃度ｌマ０交％、
残り水素、系内圧力３０Ｔｏｒｒ、フィラメント温度２
０００℃で、３０１１！？間保持して比較前ＮＩｏ１を
得た。

こうして得た本発明品Ｎｏｔと比較前ＮＯＩを調べた所
、比較前Ｎｏｌは、反応容器から取り出した時に、被覆
面積の６５％が剥離していた。これに対し、本発明品Ｎ
ｏｔは反応容器から取り出した吟には２ｍ尊がなく、さ
らに大気中２００℃から室温まで１００回の熱衝撃テス
トを行なっても被覆層の剥離が認められなかった。また
、本発明品Ｎｏｌの被覆層をラマン分光分析によって調
べた所、メタン濃度１７０交％で形成した外層は第１図
（ａ）にみられる如＜１３３２ｃｍ＋’の波数に回折線
のある結晶質ダイヤモンド状構造で、その厚さが１３ル
ｍあり、メタン濃度３７０交％で形成した中間層は第１
図（ｂ）にみられる様な回折線の非晶質カーボン状構造
で、その厚さが４．５ｇｍあり、メタン濃度５　ｖａｎ
％で形成した中間層は第１図（Ｃ）にみられる様な回折
線のＪ１晶賀カーボン状構造で、その厚さが２．５ルｍ
でなるものであった。

゛実施例２ ＪＩＳ規格ＫＩＯ相ちで、形状が５ＰＰ４２２の超硬合
金をノ１（材として、この）１（材をマイクロ波プラズ
マＣＶＤ反応容泰内に設置し、８マｏｎ％ＴｉＣＭＡ−
５ｖｏＭ％ＣＨ，＋−８７ｖｏｕ％Ｈ？雰囲気中、圧力
２０Ｔｏ　ｒ　ｒ　、ｌ！１１度１０００℃、保持時間
３０分にて基材の表面にＴｉＣ層を被覆した６次いで、
反応容器内を真空排気した後、出力３５０Ｗ　、カス圧
力４０Ｔｏ　ｒ　ｒ　、メタン濃度０．７マ０２％残り
水素、基材温度８７０℃で１時間保持してから、更に基
材温度９４０℃で２時間保持して本発明品Ｎｏ２を得た
。

比較として、に配本発明品Ｎｏ２と回・）１（材、同・
反応容器を用いて、基材表面にＴｉＣ層を［−記と同様
にして被覆した後、出力、圧力、メタン濃度を１８記と
同様にして、基材温度９２０℃で３時間保持にて比較前
Ｎｏ２を得た。

こうして得た本発明品Ｎｏ２と比較前Ｎｏ２を用いて被
削材ＡＭ−１８％Ｓｔ合金、　！；ＩＪ削速度４００ｍ
／ｗｉｎ　、送り速度０　、２　＠ｍ／ｒｅｖ　、　９
Ｊ込みｒｌＥ　１１ｍ＋１の条件で旋削試験を行なった
ところ、本発明品陥２は１０分間！；ＩＪ削後の逃げ面
摩耗：１１が０．０１ｍｍ以ドの正常摩耗であったのに
対して、比較前Ｎｏ２は８分間ν）削時に被覆層が剥離
してしまった。

この本発明品Ｎｏ２と比較品陥２の被覆層をラマン分光
分析によって調へた所１本発明品ＮＯ２は外層が２．０
ｇｍ厚さで、実施例１の第１図（ａ）の回折線とほぼ同
様の結晶質ダイヤモンド状構造で、中間層が０．７７１
ｍ厚さで実施例１の第１図（Ｃ）の回折線とほぼ同様の
非晶質カーボン状構造と０．５μｍ厚さのＴｉＣ層とか
らなっていた。また、比較間ＮＯ２は、実施例１の第１
図（ａ）の回折線とほぼ同様の結晶質ダイヤモンド状構
造の被覆層であった。

（発明の効果） 以にの結果から１本発明の高密着性ダイヤセント被ＹＤ
部材は、外層と基材との密着性が箸しくすぐれていて、
従来のダイヤモンド被覆部材に対して数倍から数１０倍
の耐剥離性があり、それに伴ってノミ命も向上するもの
である。このために、１゛・Ｙ酷な重負荷の作用する切
削１旦として５例えば旋削「几は勿論のことフライス玉
具、ドリル、エンドミル、及びミクロンドリルなどの回
転用１具に応用でき、又印字ビンの先端もしくは紙や磁
気テープなどの切断用スリッターを含めた耐摩耗用１具
にも応用できる。さらに、ダイヤモンド自体が有してい
る高電気絶縁性及び高熱伝導性を利用してヒートシンク
をはじめとするエレクトロニクス用部材並びに核融合炉
の炉壁に代表される原Ｙ−炉用部材にと応用できる産業
］−有用な材料である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例１で得た被覆部材の被覆層のラマン分
光分析における回折線である。 回折線（ａ）は、結晶質ダイヤモンド状構造の代表的回
折線 回折線（ｂ）、（ｃ）は、非晶質カーボン状構造の代表
的回折線

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）基材の表面に結晶質ダイヤモンド状構造の外層を
   形成してなる被覆部材であって、前記基材と前記外層と
   の間に１層又は多層で構成される中間層を介在させ、前
   記外層に隣接する該中間層が非晶質カーボン状構造の層
   によって形成されていることを特徴とする高密着性ダイ
   ヤモンド被覆部材。
2. （２）上記中間層は、上記外層に隣接する非晶質カーボ
   ン状構造の層と該非晶質カーボン状構造の層に隣接する
   密着補助層とからなり、該密着補助層が周期律表４ａ、
   ５ａ、６ａ族の金属又はＳｉの炭化物、窒化物、酸化物
   、ホウ化物もしくはＡｌの窒化物、ホウ化物、酸化物及
   びこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種でなる単層
   あるいは２種以上でなる多層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
   部材。
3. （３）上記非晶質カーボン状構造の層は、１００Å〜２
   ０μｍの厚さ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項記載の高密着性ダイヤモンド被覆部材。
4. （４）上記外層は０．１μｍ〜１００μｍの厚さである
   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
   の高密着性ダイヤモンド被覆部材。