JPWO2005121398A1 - ダイヤモンド薄膜のコーティング法及びダイヤモンド被覆超硬合金部材 - Google Patents

ダイヤモンド薄膜のコーティング法及びダイヤモンド被覆超硬合金部材 Download PDF

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Abstract

超硬合金の結合相に含まれるコバルトがグラファイト形成の触媒作用をすることにより従来困難とされてきたダイヤモンド薄膜の形成を、中間層を必要とすることなく可能にするダイヤモンド薄膜のコーティング法を提供する。 炭化物2の硬質相とコバルトを含む結合相1とからなる超硬合金基材の表面に存在する結合相11のコバルトを珪化して珪化物3とし、しかる後に前記ダイヤモンド薄膜を形成する。

Description

本発明は、ダイヤモンド薄膜コーティング法及びこのコーティング法を用いて得られるダイヤモンド被覆超硬合金部材に関するものである。
WC−Coを代表例として、炭化物の硬質相とコバルトを含む結合相とからなる超硬合金は、高硬度で耐摩耗性等に優れるため、切削工具やチャック治具などの各種部材に用いられている。また、かような超硬合金部材の耐摩耗性、耐久性をいっそう向上させるために、超硬合金よりも硬質の薄膜、例えばTiCの薄膜を超硬合金部材の表面にコーティングすることが行われている。
公知の硬質薄膜のうち、ダイヤモンド薄膜は、最も硬度が高く、そして耐摩耗性に優れることから、ダイヤモンド薄膜を超硬合金の基材上にコーティングすれば、優れた特性が期待できる。しかしながら、従来、超硬合金の基材上にダイヤモンド薄膜をコーティングするのは困難とされている。その理由は、超硬合金の結合相の主成分であるコバルト、又は結合相に必要に応じて含有されることのあるニッケル若しくは鉄は、一般に、グラファイトを生成するときの触媒となり得る成分であり、したがって、超硬合金の基材表面にこれらの成分が存在している状態でダイヤモンド薄膜のコーティングを試みたとしても、もっぱらグラファイトが形成されてしまうからである。
超硬合金部材にダイヤモンド薄膜をコーティングするために現在提案されている方法としては、超硬合金部材を酸洗して部材表面のコバルトを酸により除去した後に、ダイヤモンド薄膜をコーティングする方法がある。しかしながら、この方法により超硬合金部材の表面のコバルトが一時的に除去されたとしても、ダイヤモンド薄膜を形成するための高温環境下では、超硬合金部材内部のコバルトが拡散により表面へ移動するので、その効果に乏しい。
また、超硬合金部材の表面のコバルトを酸により除去後、TiN等の薄膜を層間膜として被成させてこのコバルトの触媒作用を抑制し、この層間膜上にダイヤモンド薄膜を形成する方法も提案されている。このような層間膜を介してダイヤモンド薄膜を形成する場合は、この層間膜とダイヤモンド薄膜との密着性の問題や熱膨張率の相違に由来する剥離等の問題を生ずるおそれがある。また、この方法において前記層間膜を設けるには、蒸着法やスパッタ法を用いるのが一般的であるが、このような蒸着法やスパッタ法は、ダイヤモンド薄膜を形成するためのCVD法とは全く異なる方法であるため、工程が増えてしまう。さらに、このような蒸着法やスパッタ法は、原理的に材料粒子が直進して被成材に付着、堆積することにより薄膜を形成する方法であるから、凹凸のある部材や複雑な形状の部材など、特殊な形状の部材では層間膜が均一に付着し難いという問題があった。
また、特開平7−305170号公報には、WC基超硬合金の表面に、その炭化物の標準生成エネルギーが常温から1500℃において特定範囲の負の値となる金属膜を、0.2〜10μmの厚みで被覆後に、ダイヤモンド薄膜を被覆した、硬質膜被覆超硬合金部材が提案されている。この特開平7−305170号公報に開示された技術は、超硬合金表面に被覆した金属膜を、ダイヤモンド成膜時のCと反応させて炭化物に変化させることにより、密着強度の高いダイヤモンド薄膜を被覆するというものである。そして、超硬合金表面に被覆する金属膜は、真空蒸着法、めっき法又はスパッタ法により被覆されている。したがって、ダイヤモンド薄膜を形成するためのCVD法とは全く異なる方法であるため、作業工程、時間が増えてしまう。また、かような真空蒸着法及びスパッタ法で被覆した場合では、前述したとおり凹凸のある部材や複雑な形状の部材など、特殊な形状の部材には金属膜が均一に付着し難く、また、めっき法では、用いられる金属が限定され、例えばめっき法ではSi膜を被覆することはできなかった。
また、特開2000−178736号公報には、母材とダイヤモンド状炭素膜を被覆した部材について、周期律表の5A及び6Aの珪化物、珪炭化物等の中間層を有する部材が提案されている。この特開2000−178736号公報に開示の技術は、基本的に中間層を形成するものであるため、この中間層とダイヤモンド薄膜との密着性の問題や熱膨張率の相違に由来する剥離等の問題を生ずるおそれがあった。
特開平7−305170号公報 特開2000−178736号公報
本発明は、上述した問題を有利に解決するものであり、プロセス工程、時間をさほど増やすことなく、超硬合金の基材上に良好なダイヤモンド薄膜を形成することを可能にして、更に、凹凸のある部材や複雑な形状の部材にも均一にダイヤモンド薄膜を形成することのできるダイヤモンド薄膜のコーティング法を、この方法を用いたダイヤモンド被覆超硬合金部材とともに提供することを目的とする。
本発明は、炭化物の硬質相とコバルトを含む結合相とからなる超硬合金を基材とし、この基材上にダイヤモンド薄膜を形成するダイヤモンド薄膜のコーティング法において、前記基材の表面に存在する前記結合相のコバルトを珪化して珪化物とし、しかる後に前記ダイヤモンド薄膜を形成することを特徴とするダイヤモンド薄膜のコーティング法である。
また、本発明は、炭化物の硬質相とコバルトを含む結合相とからなる超硬合金を基材とし、この基材上にダイヤモンド薄膜を形成するダイヤモンド薄膜のコーティング法において、前記基材をCVD装置の反応容器内に収容すると共にこの反応容器にシリコンの原料ガスを供給し、前記基材の表面に存在する前記結合相のコバルトを珪化して珪化物とし、しかる後に同一CVD装置にて前記ダイヤモンド薄膜を形成することを特徴とするダイヤモンド薄膜のコーティング法である。
更に、本発明は、炭化物の硬質相とコバルトを含む結合相とからなる超硬合金基材の表面に、前記結合相のコバルトが珪化された珪化物を有することを特徴とするダイヤモンド被覆超硬合金部材である。
本発明のダイヤモンド薄膜のコーティング法によれば、超硬合金の基材表面に存在するコバルトを珪化して珪化物とするから、超硬合金の基材表面にはコバルトが存在しないこととなり、よってコバルトの触媒作用を抑制し、ダイヤモンド薄膜形成時にグラファイトが生成する不具合を有利に防止することができる。したがって、超硬合金上へのダイヤモンド薄膜のコーティングが可能になり、良好なダイヤモンド薄膜を形成することができる。
また、珪化物は、超硬合金の基材表面のうち、結合相が現れている領域のみに形成させれば所望の効果が得られるので、珪化物を形成するためのプロセス工程、時間をさほど必要とせず、ダイヤモンド被膜コーティングプロセスを従来よりも簡素化できる。
また、従来技術のように超硬合金の基材表面を酸洗してコバルトを除去する作業が不要であるので、この点でも製造工程の簡略化を図ることができる。
さらに、珪化物は層間膜として形成する必要がないので、密着力の高いダイヤモンド被膜を得ることができる。
また、超硬合金の基材表面に存在するコバルトを珪化して珪化物とする工程をCVD法により行うときには、凹凸のある部材や複雑形状の部材であっても均質に珪化物を形成することができ、しかも、ダイヤモンド薄膜のためのCVD装置と同じ装置により前記珪化工程を行うことができるので、プロセス工程の簡略化、製造時間の短縮化がいっそう可能になる。
図1は、WC−Co系超硬合金の表面近傍の断面組織の模式図である。 図2は、表面に珪化物を形成させたWC−Co系超硬合金の表面近傍の断面組織の模式図である。 図3は、表面にダイヤモンド薄膜を形成させたWC−Co系超硬合金の表面近傍の断面組織の模式図である。 図4は、ダイヤモンド結晶粒が形成されているところを示す超硬合金表面の顕微鏡写真である。 図5は、グラファイトが形成されているところを示す超硬合金表面の顕微鏡写真である。
以下、本発明のダイヤモンド薄膜のコーティング法及びダイヤモンド被覆超硬合金部材について、より具体的に説明する。
図1〜3は、超硬合金の代表例として、硬質相が炭化タングステン(WC)で、結合相がコバルト(Co)であるWC−Co系超硬合金の表面近傍の断面組織を模式的に示す図である。この図1に示すように、WC−Co系超硬合金は、結合相であるコバルト1により、硬質相である角張った粉粒状の炭化タングステン2が結合された組織になる。なお、WC−Co系超硬合金に限らず、他の成分組成を有する超硬合金についても、結合相により炭化物相が結合された同様の組織となる。
したがって、表面に何の処理も施していないWC−Co系超硬合金の基材の表面においては、コバルト1が、炭化タングステン2とともに現れていることになる。図1では、基材の表面に存在するコバルトを符号11で、基材の表面に存在する炭化タングステンを符号21でそれぞれ示している。このような表面に現れているコバルト11は、ダイヤモンド薄膜の形成時にはグラファイト生成の触媒となるために、従来はダイヤモンド薄膜が形成されずにグラファイトが形成されてしまうのは既に述べたとおりである。
そこで、本発明では、図2に示すように、基材の表面に存在するコバルト11を珪化して珪化物3とする。コバルトの珪化物3は、温度によりCoSi及び/又はCoSiである。
基材の表面に存在するコバルト11を珪化して珪化物3とすれば、超硬合金の基材の表面には、コバルト11が存在しなくなる。しかも、表面の珪化物3は、基材の内部に存在するコバルト1が表面に拡散移動するのを妨害する障壁にもなる。そのため、ダイヤモンド薄膜の形成時においては、超硬合金の基材の表面にコバルト11が存在することによる不具合を防止することができ、よって、図3に示すように、所期したとおりのダイヤモンド薄膜4を形成させることができるのである。
また、コバルトの珪化物3であるCoSi又はCoSiは融点が高く(1326℃)、高温でも安定した化合物である。そのため、ダイヤモンド薄膜を形成する高温時(最高でも900℃程度)においても、安定して超硬合金の基材表面に存在していることから、良質のダイヤモンド被膜を安定して形成させることができる。
実際に、超硬合金の表面に存在するコバルトを珪化して珪化物(シリサイド)とした後、ダイヤモンド薄膜の形成を実験的に行ってみたところ、図4に表面の顕微鏡写真を示すように、ダイヤモンド結晶粒が形成されていた。この図4中、粒状に見えるのがダイヤモンドである。これに対して、超硬合金の表面に存在するコバルトを珪化して珪化物とする工程を行わずに、超硬合金の表面にダイヤモンド薄膜の形成を試みたところ、図5に示すように、グラファイトのみが形成され、ダイヤモンドは形成されなかった。図5中、針状に見えるのがグラファイトである。
また、製造プロセスの観点からみれば、超硬合金の基材表面のコバルトを珪化して珪化物とすると、従来技術のように超硬合金の基材の表面を酸洗してコバルトを除去するという作業が不要である。しかも、このような超硬合金の基材表面のコバルトを珪化して珪化物とするには、後述するようにダイヤモンド被膜の形成過程における昇温加熱を利用することができるので、この点でも製造工程の簡略化を図ることができる。
超硬合金の基材表面のコバルト11を珪化して珪化物にするための具体的方法には、例えば、以下のものがある。
第1の方法としては、超硬合金基材に蒸着法、スパッタリング法等の薄膜堆積法によりシリコン膜を形成し、このシリコン膜の堆積中又は堆積後に、超硬合金基材を300℃以上に加熱する熱処理を行うことにより、シリコン/超硬合金界面のコバルトを、珪化物すなわちコバルトシリサイド(CoSi、CoSi)にする。この場合において、シリコン膜を形成させた超硬合金基材に対して、ダイヤモンド薄膜をCVD法により形成させる際には、CVD法の種類にもよるが、被成材の超硬合金基材を最低でも800〜900℃に加熱する必要がある。すなわち、ダイヤモンドの成膜温度に加熱する昇温過程では、500〜600℃程度の温度を必ず経ることになる。そこで、シリコン膜を形成させた超硬合金基材に対して、別途の熱処理工程を必ずしも施さなくても、このダイヤモンド薄膜形成時の昇温加熱を利用して、シリコン/超硬合金界面のコバルトを、コバルトシリサイド(CoSi、CoSi)にすることができる。このように、シリコン膜の形成後、連続してダイヤモンド薄膜形成の工程を行うことにより、ダイヤモンド薄膜の形成の過程でコバルトシリサイドを生成させることは、グラファイトの生成を抑制した良好なダイヤモンド薄膜の形成を、少ない工程により行うことができるので有利である。
また、第2の方法としては、超硬合金基材をCVD装置の反応容器に収容し、この基材の温度を300℃以上にすると共に、この反応容器にシリコンの原料ガスを供給して、CVD法によりコバルト表面に形成されるシリコンとの反応により、超硬合金表面のコバルトを、コバルトシリサイド(CoSi、CoSi)にすることもできる。この基材の温度は、コバルトシリサイドの生成温度が、通常は500℃以上であるため、500〜600℃以上に加熱することが好ましいが、プラズマ環境下における加熱の場合は、300℃程度の低温でもコバルトシリサイドが生成し得る。
かようなCVD法により形成されるシリコンとの反応によりコバルトシリサイド(CoSi、CoSi)を生成させる方法は、このCVD法が、基材の形状を問わず、例えば凹凸形状や複雑な形状の基材であっても、これらの表面に所望の生成物を形成させることができるから、この点で蒸着法やスパッタリング法よりも有利である。
また、その後に行うダイヤモンド薄膜の形成に用いられるCVD装置と同一のCVD装置によりコバルトシリサイド(CoSi、CoSi)を生成させる場合には、装置の反応容器内に供給するガス種と反応容器温度を切り替えるだけで、かかるコバルトシリサイドの生成に引き続いてダイヤモンド薄膜を形成することができるので、プロセス工程が増えることなく、ダイヤモンド被覆超硬合金部材を製造することができる。
更に、CVD装置におけるダイヤモンド薄膜の形成のための昇温加熱を利用して、コバルトシリサイド(CoSi、CoSi)を生成することができるので、プロセス時間も少なくて済む。
CVD法により形成されるシリコンとの反応によりコバルトシリサイド(CoSi、CoSi)を生成させる場合に、CVD装置の反応容器内に供給するガスは、シリコンの原料ガスの1種を単独で、又は2種以上を混合して用いることができる。いくつか例示すると、モノシラン(SiH)、ジシラン(Si)、ジクロルシラン(SiHCl)、四塩化シリコン(SiCl)、モノメチルシラン(SiHCH)、ジメチルシラン(SiH(CH)、トリメチルシラン(SiH(CH)、テトラメチルシリコン(Si(CH)、テトラエトキシシリコン(TEOS:Si(OC)、テトラメトシキシリコン(TMOS:Si(OCH)などがある。
また、これらのシリコンの原料ガスのうち、シリコン及び炭素を含む原料ガスの1種を単独で、又は2種以上を混合して用いる場合には、300℃以上、好ましくは500〜600℃以上のコバルトシリサイド生成温度においては、コバルトシリサイドがコバルトの表面に生成され、その後にCVD装置の反応容器内の超硬合金基材温度を上昇させてダイヤモンド薄膜の形成温度になると、ダイヤモンド薄膜が形成される。したがって、超硬合金基材の温度及び状態に応じてガス種を切り替えることを省略することができる。このようなガスをいくつか例示すると、モノメチルシラン(SiHCH)、ジメチルシラン(SiH(CH)、トリメチルシラン(SiH(CH)、テトラメチルシリコン(Si(CH)、テトラエトキシシリコン(TEOS:Si(OC)、テトラメトシキシリコン(TMOS:Si(OCH)などがある。
また、コバルトシリサイドを生成させるときに、シリコンの原料ガスとダイヤモンド(炭素)の原料ガスとを混合したガスをCVD装置の反応容器内に供給してもよいし、シリコンの原料ガスととは別系統の配管からダイヤモンド(炭素)の原料ガスをCVD装置の反応容器内に供給してもよい。これらの場合であっても、比較的低温の、コバルトシリサイド生成温度においては、コバルトシリサイドがコバルトの表面に生成される。そして、このコバルトシリサイドがコバルトの表面に生成された後は、反応容器内に供給するガスを炭素の原料ガスのみにするとともに昇温することにより、ダイヤモンド被膜を形成することができる。
以上説明した方法により超硬合金基材のコバルトの表面に生成されたコバルトシリサイドは、層間膜として形成されるのではなく、超硬合金の基材表面のうち、コバルトが現れている領域のみに形成されている。この点で従来技術とは明確に相違している。そして、コバルトシリサイドが層間膜として形成されないが故に、中間層を形成した従来技術で問題となる密着性不良や熱膨張率の相違の問題を生じない。また、コバルトシリサイドは、層間膜を形成するほどの厚みで生成させる必要がないため、珪化物を形成するためのプロセス工程、プロセス時間をさほど必要とせず、ダイヤモンド被膜コーティングプロセスを従来よりも簡素化できる。
次に、本発明の方法に用いる超硬合金は、最も一般的なWC−Co系超硬合金を用いることができることは言うまでもないが、結合相としてコバルト以外の金属材やその他の添加材を含有するものであってもよい。コバルト、ニッケル及び鉄は、いずれもグラファイト生成の触媒作用を有していることから、本発明に従い、超硬合金の表面に存在するこれらの金属を珪化して珪化物とすることにより、本発明で所期した効果が得られる。
また、本発明の方法に従い、超硬合金の基材の表面に存在する結合相のコバルトを珪化して珪化物とした後に行う、ダイヤモンド薄膜の形成法については、特に限定されず、従来公知の方法により形成させればよい。例えば、マイクロ波プラズマCVD法、RFプラズマCVD法、ECRプラズマCVD法、熱フィラメントCVD法、プラズマトーチCVD法などによりダイヤモンド薄膜を形成させることができる。そして、結合相のコバルトを珪化して珪化物とする処理をCVD法に行う場合にも、上掲した各種のCVD法により行うことができる。
本発明の方法を、超硬合金へのダイヤモンド被覆処理に用いることにより、炭化物の硬質相とコバルトを含む結合相とからなる超硬合金基材の表面に、前記結合相のコバルトが珪化された珪化物を有するダイヤモンド被覆超硬合金部材が得られる。かかるコバルトの珪化物を有するダイヤモンド被覆超硬合金部材は、密着性に優れたダイヤモンド薄膜を有することから、切削工具やチャック治具などの各種部材に用いて好適である。
WC−6〜8%Co超硬合金の試料に、真空蒸着法により厚み50nmのシリコン膜を形成した。次いで、この試料をダイヤモンド薄膜形成用のマイクロ波プラズマCVD装置の反応容器内に収容して、原料ガスを、CH/H、試料温度を850℃とした条件によりダイヤモンド薄膜の形成を行ったところ、良好なダイヤモンド薄膜が形成できた。これは、ダイヤモンド薄膜の形成過程における比較的低温時に、シリコン/超硬合金界面のコバルトがコバルトシリサイドになったためと考えられる。
また、同様の試料について、ダイヤモンド薄膜形成用のマイクロ波プラズマCVD装置の反応容器内に収容し、この試料を加熱した状態でこの反応容器内にシリコンの原料ガスを供給して、超硬合金表面のコバルトをコバルトシリサイドにし、引き続き、同一反応容器でダイヤモンド被膜の形成を行うに当たり、この反応容器内に供給するガスをダイヤモンド薄膜形成用のガスに切り替え、試料温度を上記と同様の成膜温度とした条件によりダイヤモンド薄膜の形成を行っても、良好なダイヤモンド薄膜を形成することができる。
また、同様の試料について、ダイヤモンド薄膜形成用のマイクロ波プラズマCVD装置の反応容器内に収容し、この試料を加熱する過程でコバルトシリサイド形成用のガスとダイヤモンド成膜用のガスとを同時に供給して、超硬合金表面のコバルトをコバルトシリサイドにし、引き続き、同一反応容器にて試料を更に高温にしてダイヤモンド被膜の形成を行うに当たり、この反応容器に供給するガスをダイヤモンド成膜用のガスのみとし、試料温度を上記と同様の成膜温度とした条件によりダイヤモンド薄膜の形成を行っても良好なダイヤモンド薄膜を形成することができる。
【0003】
【特許文献2】特開2000−178736号公報
【発明の開示】
[0008] 本発明は、上述した問題を有利に解決するものであり、プロセス工程、時間をさほど増やすことなく、超硬合金の基材上に良好なダイヤモンド薄膜を形成することを可能にして、更に、凹凸のある部材や複雑な形状の部材にも均一にダイヤモンド薄膜を形成することのできるダイヤモンド薄膜のコーティング法を、この方法を用いたダイヤモンド被覆超硬合金部材とともに提供することを目的とする。
[0009] 本発明は、炭化物の硬質相とコバルトを含む結合相とからなる超硬合金を基材とし、この基材上にダイヤモンド薄膜を形成するダイヤモンド薄膜のコーティング法において、前記基材をCVD装置の反応容器内に収容すると共にこの反応容器にシリコンの原料ガスを供給し、前記基材の表面に存在する前記結合相のコバルトを、基材表面のうち前記コバルトが現れている領域のみを珪化して珪化物とし、しかる後に同一CVD装置にて前記ダイヤモンド薄膜を形成することを特徴とするダイヤモンド薄膜のコーティング法である。
[0010] また、本発明は、炭化物の硬質相とコバルトを含む結合相とからなる超硬合金基材の表面に、基材表面のうち前記コバルトが現れている領域にのみ前記結合相のコバルトが珪化された珪化物を有することを特徴とするダイヤモンド被覆超硬合金部材である。
[0011] 更に、本発明は、炭化物の硬質相とコバルトを含む結合相とからなる超硬合金を基材とし、この基材上にダイヤモンド薄膜を形成するダイヤモンド薄膜のコーティング法において、前記基材をCVD装置の反応容器内に収容して加熱すると共にこの反応容器にシリコン及び炭素を含む原料ガスの1種又は2種以上を混合して供給し、コバルトシリサイド生成温度において前記基材の表面に存在する前記結合相のコバルトを、基材表面のうち前記コバルトが現れている領域のみを珪化して珪化物とし、しかる後に基材温度を上昇させて同一CVD装置にて前記ダイヤモンド薄膜を形成することを特徴とするダイヤモンド薄膜のコーティング法である。
[0012] 本発明のダイヤモンド薄膜のコーティング法によれば、超硬合金の基材表面に存在するコバルトを珪化して珪化物とするから、超硬合金の基材表面にはコバルトが存在しないこととなり、よってコバルトの触媒作用を抑制し、ダイヤモンド薄膜形成時にグラファイトが生成する不具合を有利に防止することができる。したがって、超硬合金上へのダイヤモンド薄膜のコーティングが可能になり、良好なダイヤモンド薄膜を形成することができる。
[0013] また、珪化物は、超硬合金の基材表面のうち、結合相が現れている領域のみに形

Claims (3)

  1. 炭化物の硬質相とコバルトを含む結合相とからなる超硬合金を基材とし、この基材上にダイヤモンド薄膜を形成するダイヤモンド薄膜のコーティング法において、
    前記基材の表面に存在する前記結合相のコバルトを珪化して珪化物とし、しかる後に前記ダイヤモンド薄膜を形成することを特徴とするダイヤモンド薄膜のコーティング法。
  2. 炭化物の硬質相とコバルトを含む結合相とからなる超硬合金を基材とし、この基材上にダイヤモンド薄膜を形成するダイヤモンド薄膜のコーティング法において、
    前記基材をCVD装置の反応容器内に収容すると共にこの反応容器にシリコンの原料ガスを供給し、前記基材の表面に存在する前記結合相のコバルトを珪化して珪化物とし、しかる後に同一CVD装置にて前記ダイヤモンド薄膜を形成することを特徴とするダイヤモンド薄膜のコーティング法。
  3. 炭化物の硬質相とコバルトを含む結合相とからなる超硬合金基材の表面に、前記結合相のコバルトが珪化された珪化物を有することを特徴とするダイヤモンド被覆超硬合金部材。
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