KR930010199B1

KR930010199B1 - 다이어몬드 피복부재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR930010199B1
Application number: KR1019900000482A
Authority: KR
Inventors: 도시미찌 이또오
Original assignee: 이데미쯔세끼유가가꾸 가부시기가이샤; 홍고오 므쯔미
Priority date: 1989-01-20
Filing date: 1990-01-16
Publication date: 1993-10-15
Also published as: RU2018411C1; DD296877A5; JPH02275788A; KR900011535A; CA2008185A1

Abstract

내용 없음.

Description

다이어몬드 피복부재 및 그 제조방법

본 발명은 다이어몬드 피복부재 및 그 제조방법에 관해서, 더 상세하게는 특정의 성분으로 이루어진 세라믹계 초경기재인 소결체의 표면에, 밀착성에 뛰어난 다이어몬드막을 가진 다이어몬드 피복부재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

종래, 절삭공구, 연마공구, 다이스 높은 경도나 내마모성을 요구받는 공구류에는 초경합금, 소결 다이어몬드, 단결정 다이어몬드등이 사용되고 있다.

이들 중에서, 다이어몬드공구는, 경도, 내마모성등에 현저하게 뛰어나기 때문에 특히 애용되고 있다.

종래부터, 이 다이어몬드 공구에는, 초경합금이나 고경도의 금속등으로 이루어진 기재의 표면에 소결다이어몬드나 단결정 다이어몬드를 납땜등에 의해 장착한 것이 사용되어 왔다.

한편, 금년에 와서, CVD 법이나 PVD 법등의 기상법 다이어몬드 합성기술을 사용해서, 초경합금이나 고경도의 금속등으로 이루어진 기재의 표면에 다이어몬드막을 석출형성시키는 제조방법이 검토되고 있고, 이로 인해서 얻게되는 다이어몬드 피복부재를 상기의 용도에 적용코저하는 시도가 이루어지고 있다.

그런데, 다이어몬드는 가장 단단한 물질이므로, 초경합금등의 기재표면에 형성되는 다이어몬드막은, 그 기재에 높은 경도나, 내마모성을 부여하기 위한 코우팅재, 혹은 보호막등으로서 유효하게 이용될 수 있는 것으로 사료된다. 예를들면, 절삭공구, 연마공구등의 초경공구에 사용되는 초경합금재의 기재표면에 다이어몬드막을 형성시키면, 더우수한 초경공구를 얻을 수 있을 것이다.

그러나, 초경합금의 표면과 다이어몬드 막이란, 일반적으로 밀착성이 나쁘고, 실용에 견딜수 있는 공구를 얻는데 성공하지 못하였다.

그래서, 초경합금의 표면과 다이어몬드막과의 밀착성을 향상시키기 위해서, 이들 사이에 중간층을 형성하는 기술이 제안되고 있다.

예를들면, 일본국특개소 58-126972호 공보에는, 초경합금의 표면에 먼저 IVa, Va, VIa 족 금속의 탄화물, 질화물, 붕화물 및 산화물로부터 선택된 1종이상으로 이루어진 중간층을 형성하고, 그후 이 중간층위에 다이어몬드막을 형성해서 이루어진 다이어몬드막 부착 초경합금이 기재되어 있다.

그러나, 이와 같이 공보에 기재되어 있는 방법으로서는, 중간층의 형성과 다이어몬드막의 형성이라고 하는 단계적인 막형성 방법을 채용하고 있으므로, 제조공정이 번잡해지고, 또한 밀착성의 향상을 도모한다고하면서, 초경합금과 다이어몬드막과의 밀착성이 실용적인 레벨까지 충분히 개선되어있다고는 말하기 어려웠다.

한편, 중간층을 형성하는 일없이 초경합금등으로 이루어진 기재와 다이어몬드막과의 밀착성의 향상을 도모하는 기술도 제안되고 있다.

예를들면, 일본국특개소 63-100182호 공보에는, 특정량의 Co를 함유하고, 특정입경의 탄화텅스텐으로 이루어진 탄화텅스텐계 초경합금에 다이어몬드막을 형성해서 이루어진 다이어몬드막 부착 초경합금이 기재되어 있다.

그러나, 이 공보에 있어서도, 초경합금과 다이어몬드막과의 밀착성이 충분히 실용적인 레벨에있다고는 말할 수 없다.

특히, 이 Co의 첨가량이 많아지면 열팽창계수가 증대하는 외에, Co에로의 탄소의 확산이 생겨서 양호한 다이어몬드막의 형성이 곤란해지고, 밀착성도 저하하고, 충분환 내구성을 얻을 수 없다.

또, 동 특공소 60-59086호 공보에는, S-i₃N₄및/또는 SiC로 이루어진 세라믹스제 기재의 표면에 두께 0.5~50μ의 다이어몬드막을 피복해서 이루어진 절삭공구가 공개되어 있다.

그러나, 그 절삭성능은 충분한 것은 아니다.

또, 특개평 1-201476 공보에는, 초경합금위에 다이어몬드막을 형성시키는 방법에 있어서, 2~30%몰%의 1산화탄소 및 수소가스를 함유한 원료가스를 활성화해서 얻게되는 가스를 초경합에 접촉시키는 것을 특징으로 하는 다이어몬드막 부착 초경합금의 제조방법이 기재되어있고, 동특개평 1-275759 공보에는, 초경합금과 원료가스속의 농도가 2몰% 이상인 탄소원 가스를 함유하는 원료 가스를 여기해서 얻게된 가스를, 상기 초경합금위의 IVa, Va 및 VIa 족 금속 및 Si로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속으로 형성되고, 또한, 그 두께가 0.05~1㎛의 범위에 있는 층에, 접촉시키므로서 형성되어 이루어진 중간층과, 상기 중간층위에 형성되고, 또한, 그 두께가 0.2~100μm인 다이어몬드 박막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 다이어몬드 박막부착 초경합금이 공개되어 있다.

본 발명은, 상기 사정을 개선하기 위하여 이루어진 것이다. 본 발명의 목적은, 초경기재와 다이어몬드막과의 밀착성을 개선하므로서, 고성능이며 내구성에 뛰어난 절삭공구, 내마모성공구, 내마모성부재등으로서 사용할 수 있는 수명이긴 다이아몬드 피복부재를 제공하는데 있다.

즉, 본 발명의 바람직한 태양은, (A)탄화텅스텐과 (B)규소의 탄화물, 규소의 질화물, 붕소의 탄화물 및 질화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종과의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종과의 혼합물로부터 얻어지는 소결체의 표면에, 기상합성법으로 형성된 다이어몬드막을 가진 것을 특징으로 하는 다이어몬드 피복부재이고, 본 발명의 다른 바람직한 태양은, (A)탄화텅스텐과, (B)규소의 탄화물 규소의 질화물, 붕소의 탄화물 및 질화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종과의 혼합물로부터 얻어지는 소결체의 표면에, 기상합성법으로 형성된 다이어몬드막을 가진 것을 특징으로 하는 다이어몬드 피복부재이고, 본 발명의 다른 바람직한 태양은, (A)탄화성텅스텐과, (B)규소의 탄화물, 규소의 질화물, 붕소의 탄화물 및 질화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종과, (C)멘델레프의 주기표(이하, 단지 주기표라고 칭함) Ia, IIa, IIIa, IVa, Va, IIIb, 또는 IVb족의 금속 및 희토류원소를 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소의 탄화물, 산화물, 질화물, 탄질화물, 탄산염, 붕화물 또는 유기화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 혼합물로부터 얻어지는 소결체의 표면에, 기상합성법에 의해 형성된 다이어몬드막을 가진 것을 특징으로 하는 다이어몬드 피복부재이다.

종래의 다이어몬드막 부착초경합금에 있어서, 초경합금과 다이어몬드막과의 밀착성이 저하하는 것은, 이들 사이에 잔류응력이 존재하고 있기 때문이라고 사료된다.

그것에 대해서 본 발명의 다이어몬드 피복부재가 다이어몬드막과 그 기재인 소결체와의 밀착성에 뛰어난 것은, 특정의 성분으로 이루어진 소결세라믹스계의 기재를 사용하고 있기 때문이라고 생각된다.

즉, 본 발명에 있어서의 소결체에서는, 탄화텅스텐과 특정의 금속의 탄화물이나 질화물을 소결하므로서, 카아바이드계 복합금속화합물이 형성되어 있고, 혹은, 탄화텅스텐과 특정의 금속의 탄화물이나 질화물과 또 다른 특정의 금속의 탄화물, 질화물, 산화물, 탄산염, 탄질화물, 붕화물 혹은 유기화합물과 소결하므로서, 보다 뛰어난 카아바이드계 복합금속화합물 소결체가 형성되어 있기 때문이라고 사료된다.

그 특정성분을 소결해서 얻게된 소결체를 기재로서 사용하므로서, 왜 다이어몬드막과의 밀착성 및 내구성이 현저하게 향상하는지, 그 메카니즘에 대해서는 현단계에서 반드시 명확하지는 않지만, 그주된 이유로서 예를들면 다음과 같은것을 고려할 수 있다.

즉, 상기 소결체의 표면에 기상합성법으로 다이어몬드막을 형성할때, 이 다이어몬드막은, 소결체의 표면에 새로이 생성되는 탄화물이나 먼저 그 표면부근에 존재하는 금속탄화물 혹은 탄화물계 조성물등과 거의 연속된 상구조(相構造)가 되도록 성장한다.

또, 상기 소결체는 2종이상의 금속화합물로 이루어진 복합소결체이므로 그 표면에 미세한 요철 혹은 표면 세공이 존재하고, 그곳에 다이어몬드의 미세업자가 파고드는 형식으로 다이어몬드막이 형성된다. 그 결과, 상기 소결체의 쪽이 종래의 초경합금 보다도 다이어몬드막과 보다 한층 강고하게 결합된다.

또한, 본 발명에서 기재로서 사용하는 소결체는, Co, Ni, Fe등의 단체금속이나 합금을 함유하지 않는 세라미계 초경재이므로, 종래의 탄화텅스텐-Co계 초경합금보다도 열팽창계수가 작고, 잔류하는 열수축응력도 충분히 작게되고, 또 탄소의 확산도 생기지 않는다.

따라서, 본 발명에서는 기재의 표면에 고성능의 다이어몬드막이 형성됨과 동시에 그 다이어몬드막이 기재로부터 박리되기 어렵고 안정적으로 견고하게 유지되는 것으로 사료된다.

또한, 본 발명에서 사용하는 상기 소결체는, 카아바이드계의 초경재(cemented carbide)에 속하는 것이고, 종래의 초경합금과 마찬가지로 그 자체로서도 높은 경도 및 내마모성을 가진 것이지만, 본 발명의 다이어몬드 피복부재는, 그와같은 초경재인 소결체의 표면에 기상합성법 다이어몬드막을 강고히 형성시키고 있으므로, 더 높은 경도 및 내마모성등이 뛰어난 표면특성이 부여되어 있고, 또한 뛰어난 내구성을 가진 초경 부재 혹은 조경재료이다.

이하, 본 발명에 대해서 더 상세히 설명한다.

본원 발명에 있어서, 다이어몬드막의 기재로서 사용하는 소결체는, 초경공구나 내마모성부재등의 부재로서 이미 성형되어 있는것이라도 좋고, 부분적으로 성형되어 있는 것이라도 좋고, 혹은 특정형상으로 성형되어 있지 않는 것이라도 좋다.

즉, 형성으로서는 특히 제한은 없고, 임의의 형상이라도 좋다.

본 발명에 있어서, 상기 소결체는, 기상합성법에 의해 형성되는 다이어몬드막의 기재로서 사용한다.

상기 소결체의 제조방법으로서 특히 제한은 없지만, 통상, 다음과 같이해서 적절하게 제조할 수 있다.

본 발명에 있어서 상기 소결체는, 탄화텅스텐[(A)성분]과 규소 또는 붕소의 탄화물 또는 질화물의 적어도 1종[(B)성분]을 원료로 사용해서, 이들을 소결하므로서 얻을 수 있다. 또한, 얻게된 소결체는 필요에 따라서, 소망의 형상으로 가공할 수 있다.

또 본 발명에 있어서 소결체는, 상기 (A)성분과 상기 (B)성분과, 주기표 Ia, IIa, IIIa, IVa, Va, IIIb, 또는 IVb족에 속하는 금속 및 희토류 원소로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소의 탄화물, 산화물, 질화물, 탄질화물, 탄산염, 붕화물 또는 유기화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종 [(C)성분]을 원료로 사용해서, 이들을 소결하므로서 얻을 수 있다. 또한, 이 경우도, 얻게된 소결체는 필요에 따라서, 소망의 형상으로 가공할 수 있다.

본원 발명에 있어서, 상기 (A)성분으로서 사용하는 탄화텅스텐로서는, 종래의 초경공구등에 사용되는 것등이 사용가능하고, 구체적으로는, WC, WCx(단, X는 1이외의 정(正)의 실수를 표시하고, 통상 이 X는 1보다 크거나 혹은 2자가 1보다 작은 수이다.)로 표시되는 정비화합물(定比化合物) 및 부정화합물(不定化合物), 혹은 이들에게 산소등의 다른 원소가 결합, 치환 또는 침입한 것등을 들 수 있다. 이들중에서도, 통상, WC가 특히 적당하게 사용된다. 또한, 이들은 1종 단독으로 사용해도 좋고, 2종이상을 병용해도 좋고, 혹은 2종이상의 혼합물, 고용체(固容體)나 조성물등으로서 사용해도 좋다.

본 발명에 있어서 상기 (B)성분의 규소 또는 붕소의 탄화물, 질화물로서는, 예를들면, SiC등의 실리콘 카아바이드, Si₃N₄등의 질화규소, B₄C등의 탄화붕소등을 들 수 있다. 이들 중에서도, 규소의 탄화물, 규소의 질화물, 및 붕소의 탄화물이 바람직하고, 특히 SiC, Si₃N₄, B₄C등이 바람직하다.

또한, 이들은 1종 단독으로 사용해도 좋고, 1종 이상을 병용해도 좋고, 혹은 2종 이상의 혼합물, 고용체나 조성물등으로서 사용해도 좋다.

본원 청구범위 제2항의 발명에 있어서의 상기 (C)성분으로서 사용하는 주기표 Ia, IIa, IIIa, IVa, Va, IIIb, 또는 IVb족에 속하는 금속 및 희토류 원소로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소의 탄화물, 산화물, 질화물, 탄질화물, 탄산염, 붕화물 또는 유기화합물의 적당한 구체예로서는, 예를들면, Li₂CO₃, Na₂CO₃, KCO₃등의 주기표 Ia족 금속의 탄산염, MGCO₃, CaCO₃등의 주기표 IIa족 금속의 탄산염, MgO등의 주기표 IIa족 금속의 산화물, Y₂O₃등의 주기표 IIIa족 금속의 산화물, ZrO₂, TiO₂등의 주기표 IVa족 금속의 산화물, TiC등의 주기표 IVa족 금속의 탄화물, TiN, ZeN등의 주기표 IVa족 금속의 질화물, NbC, TaC등의 주기표 Va족 금속의 탄화물, Al₂O₃등의 주기표 IIIb족 금속의 산화물, AlN등의 주기표 IIIb족 금속의 질화물, SiO₂등의 주기표 IVb족 금속의 산화물, ThO₃, Ce₂O₃, CeO₂, Er₃O₃, Dy₂O₃, La₂O₃등의 희토류원소의 산화물, Mg(CN)₂, TiCN등의 탄질화물, YB₆, LaB₆등의 희토류원소의 붕화물 Mg, Al, Si, Sc, Y, 란타니드계 희토류원소의 알콕시드, 알킬화합물등을 들 수 있다.

이들중에서도 바람직한 것은, 주기표 IIa, IIIa, IVa, 또는 IIIb족에 속하는 금속 의 탄화물, 산화물, 또는 질화물이고, 특히 바람직한 것은 Mg, Y, B, Al, Ti, 또는 Zr의 탄화물, 산화물, 또는 질화물이고, 더 바람직한 것은 Y₂O₃, Al₂O₃, ZrO₂, TiN 및 MgO이다.

또한, 이들은 1종 단독으로 사용해도 좋고, 2종 이상을 병용해도 좋고, 혹은 2종 이상의 혼합물, 고용체나 조성물등으로서 사용해도 좋다.

또, 상기의 각종 화합물은, 순수한 것에 한정되지 않고, 본 발명의 목적에 지장이 없는 범위에서 불순물을 함유하고 있어도 좋다.

예를들면, 상기 WC등의 탄화물은, 미량의 과잉탄소, 과잉금속, 산화물등을 함유하고 있어도 좋고, 상기 SiC는 소량의 TiC등을 함유하고 있어도 좋다.

본원 발명에 있어서, 상기 소결체에 사용하는 (A)성분과 (B)성분의 비율로서는, (A)성분과 (B)성분의 합계를 100중량%로 했을때, (B)성분에 대해서는, 통상 1~90중량%, 바람직하게는 2~80중량%보다 바람직하게는 3~70중량%의 범위내이다.

상기 (B)성분의 비율이 1중량% 미만이면, 소결성 및 소결체의 강도등이 불충분해지고, 한편, 90중량%를 초과하면, 소결체의 경도가 충분하지 못할때가 있다.

본원 발명에 있어서, 상기 소결체에 사용하는 (C)성분의 비융로서는, (A)성분과 (B)성분과 (C)성분의 합계를 100중량%로 했을때, (C)성분을, 통상, 0.2~20중량%, 바람직하게는, 0.3~15중량%, 보다 바람직하게는 0.5~10중량%의 범위내로 하는 것이 적당하다.

상기 (C)성분의 비율을 상기의 범위내로 하므로서, 소결성 및 강도등의 향상을 안정화시킬 수 있는 효과가 있음과 동시에 다이어몬드막의 밀착성을 더향상시킬 수 있다.

또한, 이 (C)성분의 비율이, 20중량%를 초과하면, 소결체 나아가서는 다이아몬드 피복부재의 경도가 충분한 것으로 안될때가 있다.

본원 발명에 있어서 소결체는, 그원료로서 상기 소정의 각성분을 사용하는외는, 공지의 카아바이드계 소결형초경재, 특히 텅스텐계 소결체의 제조에 사용되는 각종의 방법을 이용해서 제조할 수 있다.

즉, 상기 소결체는, 상기 소정의 각 원료를, 필요에 따라 적당한 입경으로 분쇄하고, 소정의 비율로, 필요에 따라 보조결합제[예를들면, 에틸렌글리콘, EVA(에틸렌비닐아크릴레이트), 폴리부티렌메타크릴레이트, 애더맨팅등을 주성분으로 하는 물질등]을 첨가해서, 혼합하고, 프레스 성형해서, 필요하면 예비소결하고, 그후, 소결하고, 필요하면 가공함으로서 얻을 수 있다.

이 소결에 사용하는 상기 각 성분은 어느 경우에 있어서난, 분말상, 미분말상, 초미립자상, 워스커상, 혹은 다른 각종의 형성의 것으로서 사용하는 것도 가능하지만, 평균입경이, 통상, 0.05~4.0μm, 바람직하게는, 0.05~2.0μm정도의 미립자 혹은 초미립자상의 것이나 아스펙트비가 20~200 정도의 워스커상의 것등을 적절하게 사용할 수 있다.

이들 각 성분은 미립일수록 소결부재의 강도는 올라가지만, 평균입경이 0.05미만의 것은, 제법 및 코스트의 면에서 실용적으로 불리해질때가 있다.

소결온도로서는, 통상, 1,600~2,200℃, 바람직하게는, 1,600~2,000℃ 정도의 범위내로 하는 것이 적당하다. 소결시간으로서는, 통상, 12시간이상, 바람직하게는, 12~24시간 정도의 범위내로 하는 것이 적당하다.

본 발명에 의하면, 이상과 같이해서 기재로 사용하는 소결체를 얻을 수 있다. 이 소결체는, 상기 소결시에 있어서 먼저 소망하는 형상으로 해놓고 얻을수가 있고, 혹은, 상기 소결후, 필요에 따라 소망의 형상으로 가공해서, 본 발명의 다이어몬드 피복부재의 기재로서 사용할 수 있다.

상기 소결체를 구성하는 상기 각 성분은, 통상의 소결체에 볼수 있는 바와같이, 미립조직, 복합금속화합물, 조립조직(組粒祖織)의 어느 형태를 취해도 좋고, 혹은 이들의 혼합물의 형태를 가지고 있어도 좋지만, 통상은, 미립조직과 복합금속화합물을 주로 하는 형태를 가지고 있는 것이 적당하다.

본 발명의 다이어몬드 피복부재는, 상기 소결체의 소망의 표면에 기상합성법에 의해 다이어몬드막을 형성해서 이루어지는 것이다. 또한 이 다이어몬드막은 효율적으로 용이하고 또 균일한 두께로 형성할 수 있다.

가령, 종래의 WC계 초경합금재 기재에 기상합성법을 적용해도, 플라스마가 균일하게 집중하지 않고, 다이어몬드막의 두께가 불균일해지기 쉽고, 또 Si₃N₄등의 세라믹제 기재에 기상합성법을 적용한 경우는, 다이어몬드의 성막속도가 느린문제가 있다.

본 발명의 다이어몬드 피복부재에 있어서, 상기 다이어몬드막의 두께는, 상기한 바와같이 다이어몬드막과 소결체와의 분명한 경계면을 결정하는 것이 곤란하다는 등의 이유로 인해서, 엄밀하게 규정할 수는 없지만, 통상, 0.1~100μm정도, 바람직하게는, 0.2~30μm 정도로 하는 것이 적당하다.

상기 다이어몬드막이 너무 얇으면, 소결체의 표면을 충분히 피복할 수 없는 일이있고, 한편, 다이어몬드막의 두께가 너무크면, 소결체로부터 다이어몬드막이 박리하는일이 있다.

또한, 본 발명에 있어서는, 단지 다이어몬드라고 했을때, 그것은 다이어몬드외에, 다이어몬드상 탄소를 일부 함유하는 다이어몬드 및 다이어몬드상 탄소를 포함한 것이다. 상기 다이어몬드막을 형성할때 사용하는 탄소원 가스로서는, 통상 사용되고 있는 각종의 것을 사용할 수 있다.

이 탄소원가스로서는, 예를들면, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄등의 파라핀계탄화수소; 에틸렌, 프로필렌 부틸렌등의 올레핀계 탄화수소; 아세틸렌, 알릴렌등의 아세틸렌계 탄화수소; 부타디엔, 알렌등의 디올레핀계 탄화수소; 시클로프로판, 시클로부탄, 시클로펜탄, 시클로헥산등의 지환식 탄화수소; 시클로부타디엔, 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 나프탈렌등의 방향족 탄화수소; 아세톤, 디에틸케톤, 벤조페논등의 케톤류; 메탄올, 에탄올등의 알코올류; 이외의 함상소탄화수소; 트리메틸이민, 트리에틸아민등의 아민류; 이외의 함진소탄화수소; 탄산가스, 1산화탄소, 과산화탄소; 또, 단체는 아니지만, 가솔린등의 소방법위험물 제4류, 제1류, 케로신, 테레빈유, 장뇌유등의 제2석유류, 중유등의 제3석유류, 기어유, 실린더유등의 제4석유류도 사용할 수 있다. 또 상기 각종의 탄소화합물을 혼합해서 사용할 수도 있다.

이들 중에서도, 바람직한 것은 메탄, 에탄, 프로판등의 파라핀계 탄화수소, 에탄올, 메탄올등의 알코올류, 아세톤, 벤조페논등의 케톤류, 트리메틸아민등의 아민류, 탄산가스, 1산화탄소 혹은 이들의 혼합물이고, 특히 1산화탄소를 주성분으로 하는 것이 바람직하다.

또, 이들은 수소등의 활성가스나 헬륨, 아르곤, 네온, 크세논, 질소등의 불활성가스와 혼합해서 사용해도 좋다.

원료가스가 메탄가스(CH₄)를 함유하는 경우, 메탄가스의 함유량은 5몰% 미만인 것이 바람직하다.

특히 1산화탄소가 바람직한 것은, 1산화탄소를 1~80몰%라고 하는 높은 농도로 가진 원료가스를 사용해서 다이어몬드막을 형성하면, 반응이 소결체의 표면에 멈추지 않고, 보다깊은 부분, 즉 탄화물등의 화합물이 존재하는 표층부분에서도 진행하는 결과, 소결체와 다이어몬드막과의 밀착성을 보다 향상시킬 수 있기 때문이다.

또, 적절한 탄소원가스로서 1산화탄소를 사용하는 경우, 1산화탄소와 수소가스를 조합하는 것이 바람직하다. 1산화탄소와 수소가스를 조합한 원료가스에 의하면, 다이어몬드막의 성장속도가 빠르다(예를들면, 동일 조건에서는, 메탄과 수소가스를 조합한 원료가스의 경우의 2~10배의 다이어몬드박막의 성장속도를 얻을 수 있을 때가 있다.).

상기 일산화탄소로서는, 특히 제한은 없고, 예를들면 석탄, 코우크스등과 공기 또는 수증기를 열시반응(熱時反應)시켜서 얻게되는 발생로 가스나 수선가스를 충분히 정제한 것을 사용할 수 있다.

상기 수소가스로서는, 특히 제한은 없고, 예를들면 석유류의 가스화, 천연가스, 수성가스등의 변성, 물의 전해, 철과 수증기와의 반응, 석탄의 완전가스화등에 의해 얻게되는 것을 충분히 정제한 것을 사용할 수 있다.

수소가스와 1산화탄소와의 혼합가스를 원료가스로서 사용할 경우, 1산화탄소가스의 함유량이, 통상 1~80몰%, 바람직하게는 1~60몰%, 더바람직하게는 2~60몰%가 되는 비율로 원료가스를 조제한다.

상기 혼합가스속의 1산화탄소가스의 함유량이 1몰% 보다 적으면, 다이어몬드막의 성장속도가 충분히 얻지 못할때가 있고, 한편, 1산화탄소가스의 함유량이 80몰%를 초과하면 퇴적하는 다이어몬드막속의 다이어몬드성분의 순도가 저하하는 일이 있다.

상기 탄소원가스 혹은 이것을 함유하는 원료가스는, 활성화(여기) 상태에서, 상기 소결체의 소정표면에, 통상, 적당한 캐리어가스와 함께 유통시키는 등해서, 접촉, 반응시키고, 소망의 성상의 다이어몬드막을 형성시킨다.

상기 캐리어가스로서는, 통상 상기예시의 불활성가스, 필요에 따라 수소등의 반응성가스 혹은 이들의 혼합가스를 사용할 수 있다. 또, 이 캐리어가스에는, 소망에 따라, 수증기, 산소등의 첨가가스를 함유시킬 수도 있다.

본 발명에 있어서, 상기 다이어몬드막의 형성에는, 공지의 방법, 예를들면, CVD법, PVD법, PCVD법, 혹은 이들을 조합시킨 방법등, 각종의 다이어몬드막 기상합성법을 이용할 수 있다.

이들중에서도, 통상, EACVD 방식을 포함한 각종의 열필라멘트법(열 CVD법), 열플라스마법을 포함한 각종의 직류플라스마 CVD법, 열플라스마법을 포함한 각종의 고주파플라스마 CVD법, ECR법 혹은 유자장법(有磁場法)을 포함한 마이크로파 플라스마 CVD법등을 적절하게 사용할 수 있다.

다이어몬드막의 형성을 위한 반응조건으로서는, 특히 제한은 없고, 상기의 각각의 기상합성법에 통상 사용되는 반응조건을 적용할 수 있다.

예를들면, 반응압력은, 통상, 10^-6~10³Torr, 바람직하게, 10^-5~10³Torr의 범위내로 하는 것이 적당하다. 이 반응압력이 10^-6Torr보다 낮으면, 다이어몬드박막의 형성속도가 느리게 되는 일이있다. 한편, 10³Torr보다 높게해도 그에 상당하는 효과는 나타나지 않는다.

반응온도(상기 소결체의 표면온도)는, 상기 원료가스의 활성화수단응에 의해 상이하므로, 일률적으로 규정할수는 없지만, 통상, 300~1,200℃, 바람직하게는, 500~1,100℃의 범위내로 하는 것이 적당하다. 이 온도가 300℃ 보다 낮으면, 결정성의 다이어몬드막의 형성이 불충분해지는 일이있고, 한편, 1,200℃를 초과하면, 형성된 다이어몬드막의 에칭이 생기기 쉽게된다.

반응시간은 다이어몬드막이 소망의 두께가 되도록 다이어몬드막의 형성속도에 따라서 적당히 설정하는 것이 바람직하다.

이상과 같이해서 본 발명의 다이어몬드 피복부재를 제조할 수 있다.

본 발명의 다이어몬드피복부재는, 상술한 바와같이 종래의 다이어몬드(얇은)막피복 초경합금과 비해서, 특히 다이어몬드막과 기재인 소결제와의 밀착성이 현저하게 우수하다.

따라서, 본 발명의 다이어몬드 피복부재는, 예를들면 바이트, 드릴등의 절삭공구, 연마공구, 다이스, 신선다이스, 커퍼, 엔드밀, 탭, 게이지, 본딩투울의 헤드등의 초경공구나 내마모성공구, 내마모성부재등으로서 적당하게 이용할 수 있다.

이상 상세히 설명한 바와같이, 본 발명에 의하면, 다이어몬드막을 피복하는 기재로서 특정의 성분으로 이루어진 소결체를 사용하고 있으므로, 소결체와 다이어몬드막과의 밀착성을 현저하게 개선할 수 있고, 절삭공구, 초경공구, 내마모성공구등에 사용했을때, 고성능과 내구성을 발휘할 수 있는 수명이긴 다이어몬드 피복부재를 제공할 수 있다.

본 발명의 이와같은 이점은, 이하의 실시예에 의해 더욱 명백해진다.

[실시예 1]

소결체의 원료로서, 입경 1.2μm의 WC 94중량%와 입경 0.6μm의 SiC 5중량%와 입경 0.5μm의 ZrO₂1중량%와의 혼합물을 HIP(열간정수압소결 : 가압력 2,000kg/cm², 가압시간 24시간, 가압시 온도 1,800℃)에 의해 소결하고, JIS SPGN 422규격이 정하는 소결체를 제조하였다.

상기 소결체를 기재로 하고, 그 표면에 하기의 조건으로 공지의 마이크로파플라스마 CVD법에 의해, 두께 약 2μm의 다이어몬드막을 형성하였다.

주파수 : 2.45GHZ

출력 : 400W

기재온도 : 900℃

시간 : 1시간

압력 : 40Torr

원료혼합가스(CO : 7용량%) : Co 유량 7 SCcm, H2 유량 93SCcm,

다음, 이렇게 해서 얻게된 다이어몬드 피복부재를 초경공구로 사용해서, Si를 8중량%의 비율로 함유하는 알루미늄 합금을 하기의 조건에서 절삭하였다.

피삭제 : 알루미늄합금(AC4C-T₆)

절삭속도 : 800m/min :

절삭시간 : 10min :

이송 : 0.1mm/ren :

절삭깊이 : 0.25mm :

가공액 : 수성에멀션유

그 결과, 절삭시간이 10분까지는 절삭에 사용한 다이어몬드 피복부재는, 레이크(rake)면도 릴리이프(relief)면도 전연 마모되지 않고 있는 것이 확인되었다.

[실시예 2~6]

소결부재의 원료로서, 각각. [WC/SiC(SiC 분말 8중량%, SiC 위스커-2중량%)], [WC/Si₃N₄(10중량%)], [WC/B₄C(10중량%)], [WC/Si₃N₄(5중량%)/Y₂O₃(2중량%)] 및 [WC/SiC(5중량%)/TiN(3중량%)]를 사용한 외는, 실시예 1과 마찬가지로 해서 다이어몬드 피복부재를 제조하고, 절삭시험을 행하였다.

그 결과, 절삭시간이 10분까지는 어느 다이어몬드 피복부재에 있어서도, 레이크면도 릴리이프면도 전연마모되고 있지 않음을 확인하였다.

[실시예 7~13, 비교예 1~2]

소결체의 원료로서 제1표에 표시한 조성의 혼합물을 사용한 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 해서 소결체를 제조하였다.

다음, 이 소결체를 기재로 하고, 그 표면에 하기 조건으로 공지의 마이크로파 플라스마 CVD법에 의해, 두께 약 12μm의 다이어몬드막을 형성하였다.

주파수 : 2.45GHZ

출력 : 450W

기재온도 : 1000℃

시간 : 5시간

압력 : 40Torr

원료혼합가스(Co : 15용량%) : Co 유량 15sccm, H₂유량 85 sccm,

다음, 이렇게 해서 얻게된 다이어몬드 피복부재를 초경공구로 사용해서, Si를 12중량%의 비율로 함유하는 알루미늄 합금을 하기의 조건에서 절삭하였다.

피삭제 : 알루미늄합금(AC 8A-T6)

절삭속도 : 6000m/min :

이송 : 0.1mm/rev

절삭깊이 : 0.25mm :

상기 다이어몬드 피복부재로부터 다이어몬드막이 박리할때까지의 시간(절삭시간)을 측정하였던바, 제1표에 표시한 바와같이 되었다. 또한, 각 실시예의 다이어몬드 피복부재는, 다이어몬드막이 박리해도 칼끝은 용착(溶着)하기 곤란하였다.

[표 1]

Claims

(A)탄화텅스텐과 (B)규소의 탄화물, 규소의 질화물, 붕소의 탄화물 및 붕소의 질화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종과의 혼합물로부터 얻어지는 소결체의 표면에, 기상합성법으로 형성된 다이어몬드막을 가진 것을 특징으로 하는 다이어몬드 피복부재.
(A)탄화텅스텐, (B)규소의 탄화물, 붕소의 탄화물 및 붕소의 질화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종, 및 (C)멘델레프의 주기표 Ia, IIa, IIIa, IVa, Va, IIIb, 또는 IVb족에 속하는 금속 및 희토류원소로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소의 탄화물, 산화물, 질화물, 탄질화물, 탄산염, 붕화물 또는 유기화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 혼합물로부터 얻어지는 소결체의 표면에 기상합성법으로 형성된 다이어몬드막을 가진 것을 특징으로 하는 다이어몬드 피복부재.
제2항에 있어서, (C)성분이 멘델레프의 주기표 IIa, IIIa, IVa, 또는 IIIb족에 속하는 금속 및 희토류원소로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소의 탄화물, 산화물, 질화물, 탄질화물, 탄산염, 붕화물, 또는 유기화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 다이어몬드 피복부재.
제2항에 있어서, (C)성분이 Mg, Y, B, Al, Ti 및 Zr로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소의 탄화물, 산화물, 및 질화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 다이어몬드 피복부재.
제2항에 있어서, (C)성분이 Y₂O₃, Al₂O₃, ZrO₂, TiN 및 MgO로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 다이어몬드 피복부재.
제1항에 있어서, (A)성분이 WC이며, (B)성분이 SiC, Si₃N₄및 B₄C로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 다이어몬드 피복부재.
수소가스와 1산화탄소의 혼합가스를 마이크로파 플라스마 CVD법에 의해 여기에서 얻어지는 가스를 청구범위 제1항 또는 제2항에 기재된 상기 소결체의 표면에 접촉시켜서 다이어몬드막을 형성시키는 것을 특징으로 하는 다이어몬드 피복부재의 제조방법.
제2항에 있어서, (A)성분이 WC이며, (B)성분이 SiC, Si₃N₄및 B₄C로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 다이어몬드 피복부재.