JPH0733301B2 - Diamond coating member and method for manufacturing the same - Google Patents
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Landscapes
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明はダイヤモンド類被覆部材
およびその製造方法に関し、さらに詳しく言うと、基材
とこれを被覆するダイヤモンド類膜との密着性に優れ、
実用に際し、高い性能および優れた耐久性を発揮するダ
イヤモンド類被覆部材およびその製造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a diamond-coated member and a method for producing the same, and more specifically, it has excellent adhesion between a substrate and a diamond film coating the substrate,
The present invention relates to a diamond-coated member that exhibits high performance and excellent durability in practical use, and a method for manufacturing the same.
【0002】[0002]
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】従
来、切削工具、ダイスなどの、高い硬度や耐摩耗性が要
求される工具類には超硬合金、燒結ダイヤモンド、単結
晶ダイヤモンドなどが用いられている。2. Description of the Related Art Conventionally, cemented carbide, sintered diamond, single crystal diamond, etc. have been used for cutting tools, dies and other tools that require high hardness and wear resistance. ing.
【0003】これらの中で、ダイヤモンド工具は、硬
度、耐摩耗性などに著しく優れていることなどから特に
好まれている。Of these, diamond tools are particularly preferred because of their outstanding hardness and wear resistance.
【0004】従来から、このダイヤモンド工具には、超
硬合金や高硬度の金属等からなる基材の表面に燒結ダイ
ヤモンドや単結晶ダイヤモンドをろう付け等により装着
したものが用いられてきた。Conventionally, this diamond tool has been used in which a sintered diamond or single crystal diamond is mounted on the surface of a base material made of a cemented carbide or a metal having a high hardness by brazing or the like.
【0005】一方、近年に至って、CVD法やPVD法
などの気相法ダイヤモンド合成技術を用いて、超硬合金
や高硬度の金属等からなる基材の表面にダイヤモンド類
膜を析出被覆させる製造方法が検討されており、これに
よって得られるダイヤモンド類被覆部材を前記の用途に
適用しようとする試みがなされている。On the other hand, in recent years, a vapor deposition diamond synthesis technique such as a CVD method or a PVD method is used to deposit a diamond film on the surface of a base material made of a cemented carbide or a metal having a high hardness. Methods have been studied, and attempts have been made to apply the diamond-coated member obtained thereby to the above-mentioned uses.
【0006】ところで、ダイヤモンドは最も硬い物質で
あるので、超硬合金等の基材の表面に形成されるダイヤ
モンド類膜は、その基材に高い硬度や耐摩耗性を付与す
るためのコーティング材、あるいは保護膜などとして有
効に利用できるものと考えられる。By the way, since diamond is the hardest substance, a diamond-like film formed on the surface of a base material such as cemented carbide is a coating material for imparting high hardness and wear resistance to the base material. Alternatively, it can be effectively used as a protective film.
【0007】たとえば、切削工具、ダイス等の超硬工具
に使用される超硬合金製の基材の表面にダイヤモンド類
膜を被覆させると、さらに優れた超硬工具が得られるは
ずである。For example, if a surface of a base material made of a cemented carbide used for a cemented carbide tool such as a cutting tool or a die is coated with a diamond film, a further excellent cemented carbide tool should be obtained.
【0008】しかしながら、超硬合金の表面とダイヤモ
ンド類膜とは、一般に密着性が悪く、実用に耐える工具
を得ることに成功していない。However, the surface of the cemented carbide and the diamond-like film generally have poor adhesion, and it has not been successful to obtain a tool that can be used practically.
【0009】そこで、超硬合金の表面とダイヤモンド類
膜との密着性を向上させるために、これらの間に中間層
を形成する技術が提案されている。Therefore, in order to improve the adhesion between the surface of the cemented carbide and the diamond film, a technique of forming an intermediate layer between them has been proposed.
【0010】たとえば、特開昭58−126972号公
報には、超硬合金の表面に先ずIVa,Va,VIa族
金属の炭化物、窒化物、ホウ化物および酸化物から選ば
れた一種以上よりなる中間層を形成し、その後に該中間
層の上にダイヤモンド類膜を被覆してなるダイヤモンド
類膜付き超硬合金が記載されている。For example, in Japanese Unexamined Patent Publication (Kokai) No. 58-126972, the surface of a cemented carbide is first formed of one or more intermediates selected from carbides, nitrides, borides and oxides of IVa, Va and VIa group metals. A cemented carbide with a diamond film formed by forming a layer and then coating a diamond film on the intermediate layer is described.
【0011】しかし、このような公報に記載されている
方法では、中間層の形成とダイヤモンド類膜の被覆とい
う段階的な膜被覆方法を採用しているので、製造工程が
煩雑となり、しかも密着性の向上を図ると言いながら、
超硬合金とダイヤモンド類膜との密着性が実用的なレベ
ルにまで充分に改善されているとは言い難い。However, in the method described in such a publication, since the stepwise film coating method of forming the intermediate layer and coating the diamond-like film is adopted, the manufacturing process becomes complicated and the adhesiveness is improved. While trying to improve
It cannot be said that the adhesion between the cemented carbide and the diamond film is sufficiently improved to a practical level.
【0012】一方、中間層を形成することなく超硬合金
等からなる基材とダイヤモンド類膜との密着性の向上を
図る技術も提案されている。On the other hand, there has been proposed a technique for improving the adhesion between a diamond film and a base material made of cemented carbide or the like without forming an intermediate layer.
【0013】たとえば、特開昭63−100182号公
報には、特定量のCoを含有し、特定粒径の炭化タング
ステンからなる炭化タングステン系超硬合金にダイヤモ
ンド類膜を被覆してなるダイヤモンド類膜付き超硬合金
が記載されている。For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 63-100182, a diamond film formed by coating a tungsten carbide carbide alloy containing a specific amount of Co and having a specific grain size of tungsten carbide with a diamond film. Cemented carbide is described.
【0014】しかし、この公報においても、超硬合金と
ダイヤモンド類膜との密着性が充分に実用的なレベルに
あるとは言い難い。However, even in this publication, it cannot be said that the adhesion between the cemented carbide and the diamond film is at a sufficiently practical level.
【0015】特に、このCoの添加量が多くなると熱膨
張係数が増大するほか、Coへの炭素の拡散が生じて良
好なダイヤモンド類膜の被覆が困難になり、密着性も低
下し、十分な耐久性が得られない。In particular, when the amount of Co added is increased, the thermal expansion coefficient is increased, and carbon is diffused into Co, which makes it difficult to coat a good diamond film, and the adhesiveness is lowered. Durability cannot be obtained.
【0016】一般に、基材の熱膨張係数がダイヤモンド
類膜のそれとあまり異なると、ダイヤモンド類膜で被覆
後の冷却時に大きな熱応力が発生し、これが密着性の低
下の原因になり、超硬工具として使用した際にダイヤモ
ンド類膜の剥離等の損傷が生じやすくなると考えられて
いる。Generally, if the coefficient of thermal expansion of the base material is very different from that of the diamond-like film, a large thermal stress is generated during cooling after coating with the diamond-like film, which causes a decrease in adhesiveness, resulting in a cemented carbide tool. It is considered that damage such as peeling of the diamond film is likely to occur when used as.
【0017】そこで、最近、このような点を考慮して密
着性を改善すべく、新しいタイプの基材[熱膨張係数が
ダイヤモンドのそれに近く、かつダイヤモンド類膜を直
接被覆しやすい硬質材料特にセラミックス(燒結体)か
らなる基材]の開発・選定が盛んに行われるようになっ
た。Then, recently, in order to improve the adhesion in consideration of such a point, a new type of base material [a hard material, especially a ceramics, which has a thermal expansion coefficient close to that of diamond and is easy to directly coat a diamond-like film The base material consisting of (sintered body)] has been actively developed and selected.
【0018】たとえば、密着性に優れたダイヤモンド類
膜を有するダイヤモンド類被覆部材を得る試みとして、
基材としてSi3N4やこれを主要成分とする窒化ケイ
素系のセラミックス(燒結体)を用いたり、熱膨張係数
を制御した超硬物質[これらのうちの多くはSi3N4
燒結体や窒化ケイ素系のセラミックスである。なお、窒
化ケイ素は、燒結条件や、TiN、TiC、ZrN、S
iC、ZrO2、Al2O3、Y2O3などの添加によ
り熱膨張係数等の諸物性が変化することが知られてい
る。]を用いることが提案されている(特公昭60−5
9086号公報、特開昭60−122785号公報、同
61−109628号公報、同61−252004号公
報、同61−291493号公報、同62−10706
7号公報、同63−20478号公報、同63−204
79号公報、同63−33570号公報、同63−30
6805号公報など)。For example, as an attempt to obtain a diamond-coated member having a diamond film having excellent adhesion,
Si 3 N 4 or silicon nitride-based ceramics (sintered body) containing Si 3 N 4 as a main component is used as a base material, or a superhard material having a controlled thermal expansion coefficient [many of these are Si 3 N 4
It is a sintered body or silicon nitride ceramics. It should be noted that silicon nitride is used in the sintering conditions, TiN, TiC, ZrN, and S.
It is known that addition of iC, ZrO 2 , Al 2 O 3 , Y 2 O 3 or the like changes various physical properties such as a thermal expansion coefficient. ] Is proposed (Japanese Patent Publication No. 60-5).
No. 9086, No. 60-122785, No. 61-109628, No. 61-252004, No. 61-291493, No. 62-10706.
7 gazette, the same 63-20478 gazette, the same 63-204.
No. 79, No. 63-33570, No. 63-30.
6805 publication).
【0019】しかしながら、これら従来の基材を用いる
ダイヤモンド類被覆部材はいずれも、密着性がなお不十
分であり、超硬工具としての十分な性能、特に耐久性が
得られないという問題点を依然として有している。この
問題点の一具体例として、たとえば、切削工具として用
いた際に切削寿命が短いということを挙げることができ
る。However, all of the diamond-coated members using these conventional base materials still have insufficient adhesion, so that there still remains a problem that sufficient performance as a cemented carbide tool, particularly durability cannot be obtained. Have As one specific example of this problem, it can be mentioned that the cutting life is short when used as a cutting tool.
【0020】本発明は、前記事情を改善するためになさ
れたものである。The present invention has been made to improve the above circumstances.
【0021】本発明の目的は、硬質材料からなる基材と
ダイヤモンド類膜との密着性を改善することによって、
高性能で耐久性に優れた切削工具等の超硬工具、耐摩耗
性部材等として使用することのできる寿命の長いダイヤ
モンド類被覆部材を提供することにある。An object of the present invention is to improve the adhesion between a base material made of a hard material and a diamond film,
It is an object of the present invention to provide a diamond coated member having a long life which can be used as a carbide tool such as a cutting tool having high performance and excellent durability and a wear resistant member.
【0022】[0022]
【前記課題を解決するための手段】本発明者らは、前記
課題を解決するために、まず、ダイヤモンド類膜と十分
な密着性を示す硬質基材の選定指針について鋭意研究を
重ねた。[Means for Solving the Problems] In order to solve the above problems, the present inventors first conducted extensive studies on a guideline for selecting a hard base material that exhibits sufficient adhesion to a diamond film.
【0023】その結果、 窒化ケイ素系の燒結体は、従来のものは密着性が不十
分であるものの、一般に、気相合成法によりその表面に
直接ダイヤモンド類膜を被覆しやすい硬質材料であると
いう点において基材としての条件を備えていること、 窒化ケイ素系の基材に限らないが、熱膨張係数がダイ
ヤモンドと同じ値を示す基材であっても、その材料の組
成等によってダイヤモンド類膜との密着性が異なること
があるので、基材の表面にダイヤモンド類膜を被覆して
なる部材を切削工具として用いる場合、その基材の材料
によって切削寿命に大きな差を生じることがある。した
がって、ダイヤモンド類膜と基材との密着性を向上させ
るには、熱膨張係数という単に一元的な因子の制御では
困難であり、基材として用いる燒結体の組成や構造(燒
結体中の成分、相の種類や組織の構成等)についてより
綿密な制御を行う必要があること、 また、従来の種々の窒化ケイ素系の基材について検討
してみると、それらは添加物の種類や割合、さらには燒
結条件やその前後の処理によって燒結体の組成や構造を
変化させることができ、熱膨張係数だけでなく諸々の物
性や特性の制御が可能であること、などの基本的な知見
を得るに至った。As a result, the silicon nitride-based sintered body is generally a hard material whose surface is directly coated with a diamond-like film by a vapor phase synthesis method, although the conventional one has insufficient adhesion. However, even if the base material has the same coefficient of thermal expansion as that of diamond, it does not have to be a silicon nitride base material because of the composition of the material. Since the adhesiveness between the base material and the base material may be different, when a member formed by coating the surface of a base material with a diamond film is used as a cutting tool, a large difference may occur in the cutting life depending on the material of the base material. Therefore, in order to improve the adhesion between the diamond film and the base material, it is difficult to control the single unitary factor of the thermal expansion coefficient, and the composition and structure of the sintered body used as the base material (the components in the sintered body). , The type of phase, the composition of the structure, etc.) need to be more closely controlled. Also, when examining various conventional silicon nitride-based base materials, the types and ratios of additives, Furthermore, we obtain basic knowledge that the composition and structure of the sintered body can be changed by the sintering conditions and the treatment before and after the sintering, and that not only the thermal expansion coefficient but also various physical properties and characteristics can be controlled. Came to.
【0024】本発明者らは、主としてこれらの知見に基
づいて、ダイヤモンド類膜の密着性に優れた基材を設計
すべく、従来の基材として提案されている窒化ケイ素系
のセラミックス(燒結体)がダイヤモンド類膜との密着
性に劣る原因について、主として、燒結体の組成や構造
の面から種々検討した結果、次のような重要な事実を見
出した。Based on these findings, the present inventors have designed silicon nitride ceramics (sintered body), which has been proposed as a conventional substrate, in order to design a substrate excellent in the adhesion of diamond films. As a result of various examinations mainly on the composition and structure of the sintered body, the following important facts have been found.
【0025】すなわち、従来より、主としてケイ素の窒
化物からなるセラミックスは、難燒結性物質であるの
で、通常、これらのセラミックスは、ガラス相を生成す
る燒結助剤を添加して燒結されている。That is, conventionally, since ceramics mainly composed of nitride of silicon are difficult-to-sinter substances, these ceramics are usually sintered by adding a sintering aid for forming a glass phase.
【0026】ところが、これら燒結助剤を構成する成分
は燒結後も粒界ガラス相として燒結体中に残留し、燒結
体の耐熱性を劣化させている。However, the constituents of these sintering aids remain in the sintered body as a grain boundary glass phase even after sintering, deteriorating the heat resistance of the sintered body.
【0027】そのため、従来のように、これらの燒結体
をダイヤモンド類被覆部材の基材として用いると、ダイ
ヤモンド類膜を被覆するときの高温により、ダイヤモン
ド類膜の被覆前あるいはその被覆と同時に粒界成分の揮
発や変質が発生するので、基材とダイヤモンド類膜との
密着性が悪くなっている、という事実を見出した。Therefore, when these sintered bodies are used as the base material of the diamond coating member as in the prior art, due to the high temperature at the time of coating the diamond coating, the grain boundaries may be formed before or at the same time as the coating of the diamond coating. It was found that the adhesion between the base material and the diamond film is poor because the components volatilize and deteriorate.
【0028】そこで、本発明者らは、上記のような粒界
ガラス相を有する窒化ケイ素質の燒結体に結晶化処理を
施して結晶性粒界相を有する燒結体としてから、ダイヤ
モンド類膜を被覆したところ、密着性に優れたダイヤモ
ンド類被覆部材が得られ、かかるダイヤモンド類被覆部
材が、切削寿命の長い切削工具等の、高性能でかつ耐久
性に優れた超硬工具や耐摩耗性部材等として有利に利用
することができることなどを見出して本発明を完成する
に至った。Therefore, the inventors of the present invention carry out a crystallization treatment on the above-described silicon nitride sintered body having a grain boundary glass phase to obtain a sintered body having a crystalline grain boundary phase, and then a diamond film. When coated, a diamond-coated member having excellent adhesion is obtained. Such a diamond-coated member is a high-performance and durable cemented carbide tool or wear-resistant member such as a cutting tool with a long cutting life. As a result, the present invention has been completed by finding that it can be advantageously used as the above.
【0029】すなわち、本発明は、結晶性粒界相を有す
る窒化ケイ素系セラミックス基材の表面に、気相合成法
で被覆したダイヤモンド類膜を有することを特徴とする
ダイヤモンド類被覆部材である。That is, the present invention is a diamond-coated member, characterized in that the surface of a silicon nitride-based ceramic substrate having a crystalline grain boundary phase has a diamond film coated by a vapor phase synthesis method.
【0030】また、本発明は、粒界ガラス相を有する窒
化ケイ素系セラミックス基材を結晶化処理してから、生
成する結晶性粒界相を有する窒化ケイ素系セラミックス
基材の表面に、気相合成法によりダイヤモンド類膜を被
覆することを特徴とするダイヤモンド類被覆部材の製造
方法である。In the present invention, the silicon nitride ceramics base material having a grain boundary glass phase is crystallized, and then a vapor phase is formed on the surface of the silicon nitride ceramics base material having a crystalline grain boundary phase. A method for manufacturing a diamond-coated member, which comprises coating a diamond film by a synthetic method.
【0031】以下、本発明について詳細に説明する。The present invention will be described in detail below.
【0032】本発明において窒化ケイ素系セラミックス
とは、X線回析によって同定される窒化ケイ素(Si3
N4)の結晶粒子を主成分として含有する燒結体、ある
いはSi3N4結晶にアルミニウム(Al)や酸素
(O)が固溶することによって、X線回析によってβ−
サイアロン[Si6-ZAlzN8-zOz(ただし、Zは0
〜4.2)]として同定される結晶粒子を主成分として
含有する燒結体をいう。In the present invention, the silicon nitride ceramics means silicon nitride (Si 3 which is identified by X-ray diffraction.
Β-by X-ray diffraction by solid solution of aluminum (Al) or oxygen (O) in a sintered body containing N 4 ) crystal particles as a main component or Si 3 N 4 crystal.
Sialon [Si 6-Z Al z N 8-z O z (where Z is 0
.About.4.2)] as a main component.
【0033】そして、本発明においては、この窒化ケイ
素系セラミックスのうち、結晶性粒界相を有するもの
(以下、これを結晶性粒界相含有燒結体あるいは単に燒
結体[I]と称することがある。)を基材にする。In the present invention, among the silicon nitride ceramics, one having a crystalline grain boundary phase (hereinafter, this is referred to as a crystalline grain boundary phase-containing sintered body or simply a sintered body [I]. There is) as a base material.
【0034】本発明において、前記基材として使用する
前記窒化ケイ素系セラミック(焼結体[I])として
は、主としてケイ素の窒化物からなり、かつ結晶性粒界
相を含有するものであれば、各種の組成のものを使用す
ることができる。また、前記燒結体[I]の製造方法と
しては、特に制限はなく、各種の方法で製造することが
できるが、通常、主としてケイ素の窒化物からなり、か
つ、粒界ガラス相を有する燒結体(以下、この燒結体を
粒界ガラス相含有燒結体あるいは燒結体[II]と称する
ことがある。)に結晶化処理を施すことにより好適に製
造することができる。In the present invention, the silicon nitride-based ceramic (sintered body [I]) used as the base material is mainly composed of silicon nitride and contains a crystalline grain boundary phase. , Various compositions can be used. The method for producing the above-mentioned sintered body [I] is not particularly limited and can be produced by various methods. Usually, the sintered body is mainly composed of silicon nitride and has a grain boundary glass phase. (Hereinafter, this sintered body may be referred to as a grain boundary glass phase-containing sintered body or a sintered body [II].) It can be suitably manufactured by subjecting it to a crystallization treatment.
【0035】この燒結体[II]としては、主としてケイ
素の窒化物からなり、かつ粒界ガラス相を含有する燒結
体であれば、公知のものなど各種の組成のものを使用す
ることができるが、前記結晶化処理を効果的に行うため
に、粒界ガラス相の結晶化を促進する成分(たとえば、
結晶核剤)を含有していることが好ましい。As the sintered body [II], known compositions having various compositions can be used as long as the sintered body is mainly composed of silicon nitride and contains a grain boundary glass phase. , A component that promotes crystallization of the grain boundary glass phase in order to effectively perform the crystallization treatment (for example,
Crystal nucleating agent) is preferably contained.
【0036】すなわち、前記燒結体[II]は、その製造
方法としては特に制限はなく、公知の方法などの各種の
方法によって製造することができるが、その燒結体の出
発原料成分として結晶核剤等の結晶化促進成分あるいは
それらの前駆体を添加して燒結することが望ましい。That is, the sintered body [II] is not particularly limited in its production method, and can be produced by various methods such as known methods. As a starting material component of the sintered body, a crystal nucleating agent is used. It is desirable to add and crystallize a crystallization promoting component such as the above or a precursor thereof.
【0037】この結晶化促進成分としては、公知の結晶
核剤等の各種のものを使用することができ、通常、たと
えばTiNなどのTi化合物あるいはZr化合物を好適
に使用することができ、中でもTi化合物が好ましく、
特にTiNが好ましい。As the crystallization promoting component, various compounds such as a known crystal nucleating agent can be used, and usually, a Ti compound such as TiN or a Zr compound can be preferably used, and among them, Ti is particularly preferable. Compounds are preferred,
TiN is particularly preferable.
【0038】この結晶化促進成分は、粒界ガラス相を有
効に結晶性粒界相に転化することができる程度に添加さ
れていれば十分である。結晶化促進成分として結晶核剤
等として作用すTiN等のTi化合物を使用する場合に
は、該Ti化合物をTiN換算で、通常、1〜30重量
%、好ましくは2〜20重量%含有させるのが良い。It is sufficient that the crystallization promoting component is added to such an extent that the grain boundary glass phase can be effectively converted into the crystalline grain boundary phase. When a Ti compound such as TiN that acts as a crystal nucleating agent is used as a crystallization promoting component, the Ti compound is usually contained in an amount of 1 to 30% by weight, preferably 2 to 20% by weight in terms of TiN. Is good.
【0039】前記燒結体[II]における結晶化促進成分
の割合があまり少なすぎると、結晶化のための熱処理に
長時間を必要としたり、粒界ガラス相の結晶化が十分に
行なわれないことがあり、一方、あまり多すぎると得ら
れる基材の熱膨張係数が大きくなり、かえってダイヤモ
ンド類膜の基材に対する密着性が低下することがある。When the ratio of the crystallization promoting component in the sintered body [II] is too small, it takes a long time for the heat treatment for crystallization and the crystallization of the grain boundary glass phase is not sufficiently performed. On the other hand, if the amount is too large, the coefficient of thermal expansion of the obtained substrate may increase, and the adhesion of the diamond film to the substrate may decrease.
【0040】前記燒結体[II]もしくは燒結体[I]の
出発原料として用いるケイ素成分としては、前記ケイ素
の窒化物を与える各種のものを使用することができ、通
常は、Si3N4が好適である。As the silicon component used as a starting material for the sintered body [II] or the sintered body [I], various kinds of silicon nitrides can be used, and Si 3 N 4 is usually used. It is suitable.
【0041】前記燒結体[II]および燒結体[I]にお
けるケイ素の窒化物たとえばSi3N4の割合として
は、通常、50重量%以上であり、好ましくは60〜9
0重量%程度である。このケイ素の窒化物の含有割合が
あまり少なすぎると、その特性が十分に発揮されず、基
材の熱膨張係数をダイヤモンド類膜のそれと近い値に制
御することが困難になったり、気相合成法によるダイヤ
モンド類膜の被覆が円滑に行われにくくなることがあ
り、本発明の目的を達成することができないことがあ
る。The proportion of silicon nitride, such as Si 3 N 4 , in the sintered body [II] and the sintered body [I] is usually 50% by weight or more, preferably 60 to 9%.
It is about 0% by weight. If the content ratio of this silicon nitride is too low, its properties will not be fully exhibited, making it difficult to control the coefficient of thermal expansion of the base material to a value close to that of the diamond type film, or vapor phase synthesis. It may be difficult to smoothly coat the diamond film by the method, and the object of the present invention may not be achieved.
【0042】前記燒結体[I]もしくは燒結体[II]に
は、前記Si3N4等のケイ素の窒化物、および、前記
Ti化合物等の結晶化促進成分(あるいは結晶化促進成
分として用いられた成分)のほかに、必要に応じて、本
発明の目的に支障のない範囲内で、他の各種の添加成分
を含有させることができる。The sintered body [I] or the sintered body [II] is used as a silicon nitride such as Si 3 N 4 and a crystallization promoting component (or as a crystallization promoting component) such as the Ti compound. In addition to the above components), various other additive components may be contained, if desired, within a range that does not hinder the purpose of the present invention.
【0043】他の各種の添加成分としては、従来の窒化
ケイ素系燒結体として提案されている公知の窒化ケイ素
系の燒結体などの添加成分として利用されるものを含め
各種のものを挙げることができる。具体例としては、た
とえば、Y、Al、Zr、およびMgなどの酸化物(た
とえばZrO2、MgO、Al2O3およびY2O3な
ど)、あるいは、窒化物、炭化物、ホウ素化物、および
ケイ酸など、あるいはこれらの複合化合物や組成物な
ど、上記以外のケイ素の化合物や組成物(たとえば、炭
化物、酸化物など、あるいはケイ素の複合化合物や組成
物)、上記以外のTiの化合物や組成物、あるいはこれ
らの複合化合物や組成物などを挙げることができる。As various other additive components, various components including those used as additive components of known silicon nitride-based sinters proposed as conventional silicon nitride-based sinters are listed. it can. Specific examples include oxides such as Y, Al, Zr, and Mg (for example, ZrO 2 , MgO, Al 2 O 3 and Y 2 O 3 ), or nitrides, carbides, borides, and silicates. Acids and the like, or compound compounds and compositions thereof, other than the above, compounds and compositions of silicon other than the above (for example, carbides, oxides, etc. or composite compounds and compositions of silicon), compounds and compositions of Ti other than the above Alternatively, composite compounds or compositions of these may be mentioned.
【0044】これらの各種の出発原料成分としては、特
に制限はなく、通常は、従来の窒化ケイ素系のセラミッ
クスを燒結して燒結体を製造するのに常用されるものを
適宜に使用することができる。There are no particular restrictions on these various starting raw material components, and normally, those conventionally used for producing a sintered body by sintering conventional silicon nitride ceramics can be appropriately used. it can.
【0045】これらの中でも、特にZrO2、MgO、
Y2O3、Al2O3などを好適に使用することができ
る。Among these, ZrO 2 , MgO,
Y 2 O 3, the Al 2 O 3 or the like can be suitably used.
【0046】本発明において、前記燒結体[II]は、そ
の製造方法としては特に制限はなく、従来のダイヤモン
ド類被覆部材の基材として提案されている公知の窒化ケ
イ素質燒結体等の燒結体の製造方法など各種の方法によ
って製造することができる。In the present invention, the sintered body [II] is not particularly limited in its production method, and a sintered body such as a known silicon nitride sintered body which has been proposed as a base material for a conventional diamond coating member. Can be manufactured by various methods such as the manufacturing method of.
【0047】この製造方法としては、通常は、出発原料
として、結晶化促進成分として作用する適当なTi化合
物好ましくはTiNおよび適当なケイ素の窒化物好まし
くはSi3N4あるいはこれらと、前記所望に応じて使
用する他の各種の成分の出発原料として適当なそれぞれ
の化合物(好ましくは、ZrO2、MgO、Y2O3お
よびAl2O3)とを用い、これらの所定の割合の混合
物を、たとえば圧縮成形等の適当な成形法により所望の
形状となるように成形し、これを適当な燒結条件下で燒
結し、前記所定の組成の窒化ケイ素質燒結体(燒結体
[II])となす方法を好適に採用することができる。This production method is usually carried out by using, as a starting material, a suitable Ti compound, preferably TiN, which acts as a crystallization promoting component, preferably TiN, and a suitable silicon nitride, preferably Si 3 N 4, or these, and the above-mentioned desired compounds. Using the respective compounds (preferably ZrO 2 , MgO, Y 2 O 3 and Al 2 O 3 ) suitable as starting materials for various other components used accordingly, a mixture of these in predetermined proportions is used. For example, it is molded into a desired shape by an appropriate molding method such as compression molding, and this is sintered under an appropriate sintering condition to obtain a silicon nitride sintered body (sintered body [II]) having the predetermined composition. The method can be preferably adopted.
【0048】この燒結の出発原料として使用する前記各
成分はいずれにおいても、粉末状、微粉末状、超微粒子
状、ウィスカー状、あるいは他の各種の形状のものとし
て使用することが可能であり、平均粒径が、通常、0.
05〜4.0μm、好ましくは、0.05〜2.0μm
程度の微粒子もしくは超微粒子状のものやアスペクト比
が20〜200程度のウィスカー状のものなどを好適に
使用することができる。Each of the above-mentioned components used as a starting material for this sintering can be used in the form of powder, fine powder, ultrafine particles, whiskers, or other various shapes, The average particle size is usually 0.
05-4.0 μm, preferably 0.05-2.0 μm
Fine particles or ultrafine particles, or whiskers having an aspect ratio of about 20 to 200 can be preferably used.
【0049】燒結温度としては、通常、1,500〜
2,000℃、好ましくは、1,600〜1,800℃
程度の範囲内にするのが適当である。The sintering temperature is usually from 1,500 to
2,000 ° C, preferably 1,600 to 1,800 ° C
It is suitable to be within the range.
【0050】燒結時間としては、通常、0.2時間以
上、好ましくは、0.3〜10時間程度の範囲内にする
のが適当である。The sintering time is usually 0.2 hours or more, preferably 0.3 to 10 hours.
【0051】なお、この燒結は、通常、窒素ガスおよび
/または不活性雰囲気下で行うことが望ましい。また、
燒結は、常圧燒結、加圧燒結、ガス圧燒結法で行なわれ
る。It should be noted that it is usually desirable to carry out the sintering under nitrogen gas and / or an inert atmosphere. Also,
Sintering is performed by normal pressure sintering, pressure sintering, or gas pressure sintering.
【0052】本発明において、前記基材として使用する
前記燒結体[I]は、上記のようにして製造された燒結
体[II]を適当な条件で該燒結体[II]中の粒界ガラス
相の少なくとも一部を、好ましくは実質的に全部を結晶
化処理し、結晶性粒界相に転化することにより好適に製
造することができる。In the present invention, the sintered body [I] used as the base material is the sintered body [II] produced as described above under appropriate conditions and the grain boundary glass in the sintered body [II]. It can be suitably produced by subjecting at least a part of the phase, preferably substantially all, to a crystallization treatment and converting it into a crystalline grain boundary phase.
【0053】この結晶化処理は、各種の方法によって行
うことができるが、通常は、前記燒結体[II]を適当な
温度で加熱することにより好適に行うことができる。This crystallization treatment can be carried out by various methods, but usually it can be suitably carried out by heating the sintered body [II] at an appropriate temperature.
【0054】この加熱による結晶化処理は、その条件と
しては用いる燒結体[II]の組成等の他の条件により異
なるので一様に規定することができないが、一般的に
は、燒結体[II]を、通常1,400〜1,700℃、
好ましくは1,500〜1,600℃の温度範囲内で、
通常、0.5時間以上、好ましくは1〜10時間程度、
加熱処理することにより有効に行うことができる。The crystallization treatment by heating cannot be uniformly defined because it depends on other conditions such as the composition of the sintered body [II] to be used, but the sintered body [II] is generally specified. ], Usually 1,400 to 1,700 ° C.,
Preferably within a temperature range of 1,500 to 1,600 ° C.,
Usually, 0.5 hours or more, preferably about 1 to 10 hours,
It can be effectively performed by heat treatment.
【0055】なお結晶性粒界相を有する燒結体[I]を
得る外の方法としては、燒結処理後の冷却条件、たとえ
ば除冷条件を選択することによる方法がある。As another method of obtaining the sintered body [I] having a crystalline grain boundary phase, there is a method by selecting cooling conditions after the sintering treatment, for example, decooling conditions.
【0056】以上のようにして前記基材に用いる所定の
燒結体[I]を得ることができる。As described above, the predetermined sintered body [I] used for the base material can be obtained.
【0057】この燒結体[I]は、前記燒結に際して予
め所望の形状にしておいてから得ることができるし、あ
るいは、前記燒結後、あるいは前記結晶化処理後、必要
に応じて所望の形状に加工して、本発明のダイヤモンド
類被覆部材の基材として用いることができる。This sintered body [I] can be obtained by forming it into a desired shape in advance for the above-mentioned sintering, or after the above-mentioned sintering or after the above-mentioned crystallization treatment, it can be formed into a desired shape if necessary. It can be processed and used as a base material for the diamond-coated member of the present invention.
【0058】本発明において、前記基材として使用する
前記窒化ケイ素系セラミックス(燒結体[I])のうち
特に好適に使用することができる燒結体として、たとえ
ば、出発原料としてSi3N4と、TiNと、Zr
O2、MgO、Y2O3およびAl2O3から選択され
る少なくとも一種、好ましくは二種以上の酸化物との所
定の割合の混合物を用い、これをプレス成形等により適
宜に成形したのち、前記した適当な条件で燒結して、粒
界ガラス相を含有し、かつX線回折によりSi3N4及
び/又はβ−サイアロンとTiNとのピークが観察され
る窒化ケイ素質燒結体(燒結体[II])となし、これを
前記結晶化処理によりX線回折によりSi3N4及び/
又はβ−サイアロンおよびTiNとのピークが観察され
るとともに、結晶化粒界相としてメリライト相(Y2S
i3N4O3)が観察される燒結体[I]などを挙げる
ことができる。前記混合物における各成分の所定の割合
としては、Si3N4につき60〜90重量%、Ti系化合
物につきTiN換算で1〜30重量%、ZrO2、Mg
O、Y2O3およびAl2O3よりなる群から選択され
る少なくとも一種の酸化物につき10〜40重量%を挙
げることができる。In the present invention, a sintered body that can be particularly preferably used among the silicon nitride ceramics (sintered body [I]) used as the base material, for example, Si 3 N 4 as a starting material, TiN and Zr
A mixture of at least one kind, preferably two or more kinds of oxides selected from O 2 , MgO, Y 2 O 3 and Al 2 O 3 in a predetermined ratio is used, and the mixture is appropriately molded by press molding or the like. , A silicon nitride sintered body (sintered under the appropriate conditions described above, containing a grain boundary glass phase, and having a peak of Si 3 N 4 and / or β-sialon and TiN observed by X-ray diffraction (sintered) Body [II]), which was subjected to crystallization treatment by X-ray diffraction to obtain Si 3 N 4 and / or
Or, peaks with β-sialon and TiN are observed, and a melilite phase (Y 2 S
i 3 N 4 O 3 ) can be mentioned as a sintered product [I]. The predetermined ratio of each component in the mixture is 60 to 90% by weight for Si 3 N 4 , 1 to 30% by weight in terms of TiN for Ti-based compound, ZrO 2 , Mg.
10 to 40% by weight can be mentioned for at least one oxide selected from the group consisting of O, Y 2 O 3 and Al 2 O 3 .
【0059】本発明のダイヤモンド類被覆部材は、前記
燒結体[I](結晶性粒界相を有する窒化ケイ素系セラ
ミックス)の所望の表面に気相合成法によりダイヤモン
ド類膜を被覆してなるものである。The diamond-covered member of the present invention is obtained by coating the desired surface of the sintered body [I] (silicon nitride ceramics having a crystalline grain boundary phase) with a diamond film by a vapor phase synthesis method. Is.
【0060】しかもこのダイヤモンド類膜は効率的に容
易にかつ均一な厚みに形成することができる。ちなみ
に、従来のWC系超合金製基材に気相合成法を適用して
も、プラズマが均一に集中せず、ダイヤモンド類膜の厚
みが不均一になりやすいなどの問題がある。Moreover, this diamond film can be efficiently and easily formed with a uniform thickness. By the way, even when the vapor phase synthesis method is applied to the conventional WC-based superalloy substrate, there is a problem that plasma is not uniformly concentrated and the thickness of the diamond film is likely to be nonuniform.
【0061】本発明のダイヤモンド類被覆部材におい
て、前記ダイヤモンド類膜の厚みは、ダイヤモンド類膜
と基材(燒結体[I])とのはっきりとした境界面を決
めることが困難である等の理由によって、厳密に規定す
ることができないのであるが、通常、切削工具の場合
0.5〜100μm程度、好ましくは、2〜50μm程
度にするのが適当である。In the diamond-coated member of the present invention, the thickness of the diamond film is such that it is difficult to determine a clear boundary surface between the diamond film and the substrate (the sintered body [I]). However, in the case of a cutting tool, it is usually about 0.5 to 100 μm, preferably about 2 to 50 μm.
【0062】このダイヤモンド類膜があまり薄いと、基
材の表面を充分に被覆することができないことがあり、
一方、ダイヤモンド類膜の厚みがあまり大きいと、基材
からダイヤモンド膜類が剥離することがある。If the diamond film is too thin, the surface of the substrate may not be sufficiently covered,
On the other hand, if the thickness of the diamond film is too large, the diamond film may peel off from the substrate.
【0063】なお、本発明においては、単にダイヤモン
ド類と言うとき、それはダイヤモンドの他に、ダイヤモ
ンド状炭素を一部において含有するダイヤモンドおよび
ダイヤモンド状炭素を含むものである。前記ダイヤモン
ド類膜の被覆方法としては、気相合成法を用いる限り、
公知の方法など各種の方法が適用可能であるが、通常
は、以下に示す方法が好適に使用することができる。In the present invention, when simply referred to as diamonds, it includes diamond and diamond-like carbon partially containing diamond-like carbon, in addition to diamond. As a method for coating the diamond film, as long as a vapor phase synthesis method is used,
Various methods such as known methods can be applied, but usually, the following method can be preferably used.
【0064】すなわち、次に示す方法によって、前記基
材上に所望のダイヤモンド類膜を好適に形成することが
できる。That is, a desired diamond film can be preferably formed on the base material by the following method.
【0065】ダイヤモンド類膜は公知のダイヤモンド合
成法により形成することができ、中でも、炭素源ガスを
励起して得られるプラズマガスを基材に接触させる気相
法ダイヤモンド合成法が好ましい。The diamonds film can be formed by a known diamond synthesis method, and among them, a vapor phase diamond synthesis method in which a plasma gas obtained by exciting a carbon source gas is brought into contact with a substrate is preferable.
【0066】具体的に説明すると、炭素源ガスを含有す
る原料ガスを励起して得られるガスを前記基材に、反応
室内で接触させることにより、基材上にダイヤモンド類
膜を形成する方法が好ましい。Specifically, there is a method of forming a diamond film on a substrate by bringing a gas obtained by exciting a raw material gas containing a carbon source gas into contact with the substrate in the reaction chamber. preferable.
【0067】前記原料ガスは、少なくとも炭素源ガスを
含有するものであればよいが、炭素原子と水素原子とを
含むガスが好ましい。The source gas may contain at least a carbon source gas, but is preferably a gas containing carbon atoms and hydrogen atoms.
【0068】具体的には、前記原料ガスとして、たとえ
ば炭素源ガスと水素ガスとの混合ガスを挙げることがで
きる。Specifically, as the raw material gas, for example, a mixed gas of a carbon source gas and hydrogen gas can be mentioned.
【0069】また、所望により、前記原料ガスととも
に、不活性ガス等のキャリヤーガスを用いることもでき
る。If desired, a carrier gas such as an inert gas may be used together with the raw material gas.
【0070】前記炭素源ガスとしては、各種炭化水素、
含ハロゲン化合物、含酸素化合物、含窒素化合物等のガ
ス、あるいはグラファイトなどの炭素をガス化したもの
を使用することができる。As the carbon source gas, various hydrocarbons,
A gas such as a halogen-containing compound, an oxygen-containing compound or a nitrogen-containing compound, or a gasified carbon such as graphite can be used.
【0071】炭化水素化合物としては、例えばメタン、
エタン、プロパン、ブタン等のパラフィン系炭化水素;
エチレン、プロピレン、ブチレン等のオレフィン系炭化
水素;アセチレン、アリレン等のアセチレン系炭化水
素;ブタジエン等のジオレフィン系炭化水素;シクロプ
ロパン、シクロブタン、シクロペンタン、シクロヘキサ
ン等の脂環式炭化水素;シクロブタジエン、ベンゼン、
トルエン、キシレン、ナフタレン等の芳香族炭化水素な
どを挙げることができる。Examples of the hydrocarbon compound include methane,
Paraffin hydrocarbons such as ethane, propane, butane;
Olefinic hydrocarbons such as ethylene, propylene and butylene; acetylene hydrocarbons such as acetylene and allylene; diolefinic hydrocarbons such as butadiene; cycloaliphatic hydrocarbons such as cyclopropane, cyclobutane, cyclopentane and cyclohexane; cyclobutadiene ,benzene,
Examples thereof include aromatic hydrocarbons such as toluene, xylene, and naphthalene.
【0072】含ハロゲン化合物としては、たとえば、ハ
ロゲン化メタン、ハロゲン化エタン、ハロゲン化ベンゼ
ン等の含ハロゲン化炭化水素、四塩化炭素等を挙げるこ
とができる。Examples of the halogen-containing compound include halogenated methane, halogenated ethane, halogenated hydrocarbon such as benzene, carbon tetrachloride and the like.
【0073】含酸素化合物としては、例えばメタノー
ル、エタノール、プロパノール、ブタノール等のアルコ
ール類;メチルエーテル、エチルエーテル、エチルメチ
ルエーテル、メチルプロピルエーテル、エチルプロピル
エーテル、フェノールエーテル、アセタール、環式エー
テル(ジオキサン、エチレンオキシド等)のエーテル
類;アセトン、ジエチルケトン、ピナコリン、芳香族ケ
トン(アセトフェノン、ベンゾフェノン等)、ジケト
ン、環式ケトン等のケトン類;ホルムアルデヒド、アセ
トアルデヒド、ブチルアルデヒド、ベンズアルデヒド等
のアルデヒド類;ギ酸、酢酸、プロピオン酸、コハク
酸、酪酸、シュウ酸、酒石酸、ステアリン酸等の有機酸
類;酢酸メチル、酢酸エチル等の酸エステル類;エチレ
ングリコール、ジエチレングリコール等の二価アルコー
ル類;一酸化炭素、二酸化炭素等を挙げることができ
る。Examples of the oxygen-containing compound include alcohols such as methanol, ethanol, propanol and butanol; methyl ether, ethyl ether, ethyl methyl ether, methyl propyl ether, ethyl propyl ether, phenol ether, acetal, cyclic ether (dioxane). , Ethylene oxide etc.); acetone, diethyl ketone, pinacholine, aromatic ketones (acetophenone, benzophenone etc.), diketone, cyclic ketone etc. ketones; formaldehyde, acetaldehyde, butyraldehyde, benzaldehyde etc. aldehydes; formic acid, Organic acids such as acetic acid, propionic acid, succinic acid, butyric acid, oxalic acid, tartaric acid and stearic acid; acid esters such as methyl acetate and ethyl acetate; ethylene glycol, diethylene Dihydric alcohols such as recall; carbon monoxide can be mentioned carbon dioxide.
【0074】含窒素化合物としては、例えばトリメチル
アミン、トリエチルアミンなどのアミン類等を挙げるこ
とができる。Examples of the nitrogen-containing compound include amines such as trimethylamine and triethylamine.
【0075】これらの炭素源ガスの中でも、常温で気体
または蒸気圧の高いメタン、エタン、プロパン等のパラ
フィン系炭化水素;あるいはアセトン、ベンゾフェノン
等のケトン類、メタノール、エタノール等のアルコール
類、一酸化炭素、二酸化炭素ガス等の含酸素化合物が好
ましく、一酸化炭素は特に好ましい。Among these carbon source gases, paraffinic hydrocarbons such as methane, ethane and propane which have a high gas or vapor pressure at room temperature; ketones such as acetone and benzophenone; alcohols such as methanol and ethanol; and monoxide. Oxygen-containing compounds such as carbon and carbon dioxide gas are preferable, and carbon monoxide is particularly preferable.
【0076】前記炭素源ガスの全ガス中における濃度
は、通常0.1〜80容量%である。The concentration of the carbon source gas in all gases is usually 0.1 to 80% by volume.
【0077】前記水素ガスを構成する水素は、励起され
ると原子状水素を形成する。The hydrogen constituting the hydrogen gas forms atomic hydrogen when excited.
【0078】この原子状水素は、詳細なメカニズムは不
明であるが、ダイヤモンド形成反応を活性化する触媒的
作用をするものと考えられる。さらにはダイヤモンドの
析出と同時に析出するグラファイトやアルモルファスカ
ーボン等の非ダイヤモンド類成分を除去する作用を有す
る。Although the detailed mechanism of this atomic hydrogen is unknown, it is considered to act as a catalyst for activating the diamond forming reaction. Further, it has a function of removing non-diamond components such as graphite and almorphus carbon which are deposited at the same time as the deposition of diamond.
【0079】前記原料ガスを励起する手段としては、た
とえばマイクロ波プラズマCVD法、RFプラズマCV
D法、DCプラズマCVD法、有磁場プラズマCVD法
(ECR条件を含む)、熱フィラメント法、熱プラズマ
CVD法、光CVD法、レーザー誘起CVD法、燃焼炎
法、スパッタリング法、イオンビーム法、クラスターイ
オンビーム法、イオンプレーティング法などを挙げるこ
とができる。Means for exciting the source gas include, for example, microwave plasma CVD method, RF plasma CV
D method, DC plasma CVD method, magnetic field plasma CVD method (including ECR condition), hot filament method, thermal plasma CVD method, photo CVD method, laser induced CVD method, combustion flame method, sputtering method, ion beam method, cluster The ion beam method, the ion plating method, etc. can be mentioned.
【0080】これらの中でも、好ましいのは各種CVD
法であり、より好ましいはプラズマCVD法である。Of these, various CVDs are preferable.
Method, and more preferably a plasma CVD method.
【0081】上述した各原料ガスと各励起手段との組み
合わせにおいて、本発明の目的に特に好ましいのは、一
酸化炭素ガスと水素ガスとの混合ガスおよびマイクロ波
プラズマCVD法(有磁場CVD法を含む)である。In the combination of each source gas and each excitation means described above, particularly preferable for the purpose of the present invention is a mixed gas of carbon monoxide gas and hydrogen gas and a microwave plasma CVD method (with a magnetic field CVD method). Including).
【0082】前記気相法において、ダイヤモンド類膜を
被覆する際の前記基材の温度は、前記原料ガスの励起方
法により異なるので、一概に決定することはできない
が、通常、300〜1,200℃、好ましくは500〜
1,100℃である。In the vapor phase method, the temperature of the base material at the time of coating the diamond film is different depending on the method of exciting the raw material gas, and therefore cannot be unconditionally determined, but it is usually 300 to 1,200. ℃, preferably 500 ~
It is 1100 degreeC.
【0083】前記の温度が300℃より低いと、ダイヤ
モンドの析出速度が遅くなったり、析出物の結晶性が失
われることがある。If the temperature is lower than 300 ° C., the deposition rate of diamond may slow down or the crystallinity of the deposit may be lost.
【0084】一方、1,200℃より高くしても、それ
に見合った効果は奏されず、エネルギー効率の点で不利
になるとともに、被覆されたダイヤモンドがエッチング
されてしまうことがある。On the other hand, even if the temperature is higher than 1,200 ° C., the effect commensurate with the temperature rise is not obtained, which is disadvantageous in terms of energy efficiency and the coated diamond may be etched.
【0085】また、ダイヤモンド類膜を被覆する際の反
応圧力は、通常、10-6〜103Torr、好ましくは
10-5〜800Torrである。反応圧力が10-6To
rrよりも低い場合には、ダイヤモンドの析出速度が遅
くなったり、それが析出しなくなったりする。一方、1
03Torrより高い場合にはグラファイトの発生量が
多くなる。The reaction pressure for coating the diamond film is usually 10 -6 to 10 3 Torr, preferably 10 -5 to 800 Torr. Reaction pressure is 10 -6 To
When it is lower than rr, the deposition rate of diamond becomes slow, or it does not deposit. On the other hand, 1
When it is higher than 0 3 Torr, the amount of generated graphite increases.
【0086】反応時間は、前記基材の表面温度、反応圧
力、必要とする膜厚などにより相違するので一概に決定
することはできず、適宜に決定すればよい。The reaction time varies depending on the surface temperature of the substrate, the reaction pressure, the required film thickness, etc., and therefore cannot be determined unconditionally, but may be determined appropriately.
【0087】このようにして形成される前記ダイヤモン
ド類膜の厚みについては、ダイヤモンド類膜を被覆して
なる被覆部材の用途により種々変化するので特に制約は
ないが、通常は0.3μm以上、好ましくは0.5〜5
00μmより好ましくは1〜100μmである。The thickness of the diamond film thus formed is not particularly limited because it varies depending on the use of the coating member formed by coating the diamond film, but is usually 0.3 μm or more, preferably Is 0.5-5
It is preferably 1 to 100 μm, more preferably 00 μm.
【0088】以上のようにして本発明のダイヤモンド類
被覆部材を製造することができる。The diamond-coated member of the present invention can be manufactured as described above.
【0089】本発明のダイヤモンド類被覆部材は、公知
の、窒化ケイ素質燒結体等のセラミックス系基材や超硬
合金基材上にダイヤモンド類膜を形成して得られる従来
のダイヤモンド類被覆部材と比べて、特にダイヤモンド
類膜と基材である燒結体(燒結体[I])との密着性が
著しく優れており、たとえば、切削工具など硬度や耐摩
耗性を要求される各種工具類等の部材として実用に供し
た際に、高い性能と優れた耐久性を発揮することがで
き、特に、厳しい条件で使用される切削工具として用い
た際にも、その切削寿命を大幅に延長させることができ
る。The diamond-coated member of the present invention is the same as a conventional diamond-coated member obtained by forming a diamond film on a known ceramic-based substrate such as a silicon nitride sintered body or a cemented carbide substrate. In comparison, the adhesion between the diamond film and the sintered body (sintered body [I]), which is the base material, is remarkably excellent. For example, various tools such as cutting tools that require hardness and wear resistance. It can exhibit high performance and excellent durability when it is put into practical use as a member, and can significantly extend its cutting life, especially when used as a cutting tool used under severe conditions. it can.
【0090】したがって、本発明のダイヤモンド類被覆
部材は、たとえばバイト、エンドミル、ドリル、カッタ
ーなどの切削工具、ダイス、線引きダイス、ゲージ、ボ
ンディングツールのヘッド等の超硬工具や耐摩耗性工
具、耐摩耗性部材等として、あるいは電子材料等のダイ
ヤモンド類膜の特性もしくは機能を活用する各種の機能
性材料などとして好適に利用することができる。Therefore, the diamond-coated member of the present invention can be used as a cutting tool such as a cutting tool, an end mill, a drill, and a cutter, a die, a wire drawing die, a gauge, a cemented carbide tool such as a head of a bonding tool, a wear-resistant tool, and a wear-resistant tool. It can be suitably used as an abradable member or the like, or as various functional materials that utilize the characteristics or functions of diamond type films such as electronic materials.
【0091】[0091]
【実施例】次に本発明の実施例を示す。EXAMPLES Examples of the present invention will be described below.
【0092】(実施例1)Si3N4粉末を71重量%、
Y2O3粉末を11重量%、Al2O3粉末を3重量%お
よびTiN粉末を15重量%の割合で湿式混合し、乾
燥、成形後、常圧燒結法により窒素雰囲気中、1,70
0℃で1時間焼結した。Example 1 71% by weight of Si 3 N 4 powder,
Y 2 O 3 powder was wet mixed at a ratio of 11% by weight, Al 2 O 3 powder at 3% by weight and TiN powder at a ratio of 15% by weight, dried, molded, and then sintered under atmospheric pressure in a nitrogen atmosphere at 1,70%.
Sintered at 0 ° C. for 1 hour.
【0093】得られた燒結体を窒素雰囲気で、1,55
0℃に2時間加熱することにより結晶化熱処理を施し、
切削工具形状の燒結体チップ(形状:SPGN421)
を作製した。The obtained sintered body was treated with a nitrogen atmosphere at 1,55
A crystallization heat treatment is performed by heating at 0 ° C. for 2 hours,
Cutting tool shaped sintered tip (shape: SPGN421)
Was produced.
【0094】この結晶化熱処理を施した燒結体につい
て、X線回折による分析を行ったところ、β−サイアロ
ンおよびTiNのピークとメリライト相(Y2Si3N
4O3)のピークが観察され、粒界ガラス相の結晶化が
進行しており、この燒結体が結晶性粒界相を有する窒化
ケイ素系セラミックスであることが確認された。The sintered body which had been subjected to this crystallization heat treatment was analyzed by X-ray diffraction. As a result, the peaks of β-sialon and TiN and the melilite phase (Y 2 Si 3 N
4 O 3 ) peak was observed, the crystallization of the grain boundary glass phase was progressing, and it was confirmed that this sintered body was a silicon nitride-based ceramic having a crystalline grain boundary phase.
【0095】この結晶化熱処理を施した燒結体チップを
基材としてマイクロ波プラズマCVD装置の反応容器内
に設置し、基材温度1,000℃、圧力40Torrの
条件下で、反応容器への原料ガス流量を一酸化炭素ガス
15sccm、水素ガス85sccmに設定し、マイク
ロ波(周波数2.45GHz)の出力を400Wに設定
して、反応を5時間行って、前記の基材上に厚み約10
μmのダイヤモンドを被覆した。The sintered chips subjected to this crystallization heat treatment were placed as a base material in a reaction vessel of a microwave plasma CVD apparatus, and the raw material for the reaction vessel was placed under the conditions of a base material temperature of 1,000 ° C. and a pressure of 40 Torr. The gas flow rate was set to 15 sccm of carbon monoxide gas and 85 sccm of hydrogen gas, the output of microwave (frequency 2.45 GHz) was set to 400 W, the reaction was carried out for 5 hours, and the thickness of the substrate was about 10
Coated with μm diamonds.
【0096】この被覆膜についてラマン分光分析を行っ
たところ、ラマン散乱スペクトルの1,333cm-1付
近にダイヤモンドに起因するピークが見られ、不純物の
殆ど無いダイヤモンドであることを確認した。When Raman spectroscopic analysis was carried out on this coating film, a peak due to diamond was observed at around 1,333 cm −1 in the Raman scattering spectrum, and it was confirmed that the diamond was almost free of impurities.
【0097】次に、こうして得られたダイヤモンド被覆
チップを用いて下記の条件で湿式の切削テストを行い、
それぞれのチップの切削特性を調べた。Next, using the diamond-coated tip thus obtained, a wet cutting test was conducted under the following conditions,
The cutting characteristics of each chip were investigated.
【0098】被削材 :アルミニウム合金(ケイ素8重
量%) 切削速度:1,500m/min 送り :f=0.1mm/rev 切り込み:0.25mm 加工液 :水性エマルジョン油 その結果、30,000mの切削試験後もダイヤモンド
膜の剥離、チッピング等の異常は何ら観察されなかっ
た。Work Material: Aluminum Alloy (Silicon 8% by Weight) Cutting Speed: 1,500 m / min Feed: f = 0.1 mm / rev Depth of Cut: 0.25 mm Working Fluid: Aqueous Emulsion Oil As a result, 30,000 m After the cutting test, no abnormalities such as peeling and chipping of the diamond film were observed.
【0099】また、この切削試験後、ダイヤモンド膜/
基材界面を走査型電子顕微鏡により観察したところ、連
続性に優れたダイヤモンド膜と基材との界面が観察され
た。After this cutting test, the diamond film /
When the interface of the base material was observed with a scanning electron microscope, the interface between the diamond film and the base material having excellent continuity was observed.
【0100】さらに前記ダイヤモンド被覆チップを用い
て下記の条件で乾式の切削テストを行い、それぞれのチ
ップの切削特性を調べた。Further, using the diamond-coated chips, a dry cutting test was conducted under the following conditions to examine the cutting characteristics of each chip.
【0101】被削材 :アルミニウム合金(ケイ素8重
量%) 切削速度:800m/min 送り :f=0.1mm/rev 切り込み:0.25mm その結果、50,000mの切削試験後もダイヤモンド
膜の剥離、チッピング等の異常は何ら観察されなかっ
た。Work Material: Aluminum Alloy (8% by Weight of Silicon) Cutting Speed: 800 m / min Feed: f = 0.1 mm / rev Depth of Cut: 0.25 mm As a result, the diamond film peels off even after a cutting test of 50,000 m. No abnormalities such as chipping were observed.
【0102】また、この切削試験後、ダイヤモンド膜/
基材界面を走査型電子顕微鏡により観察したところ、連
続性に優れたダイヤモンド膜と基材との界面が観察され
た。After the cutting test, the diamond film /
When the interface of the base material was observed with a scanning electron microscope, the interface between the diamond film and the base material having excellent continuity was observed.
【0103】(比較例1) 結晶化熱処理を行わなかった以外は、実施例1と同様に
して、同様の切削工具形状の燒結体チップを作製した。Comparative Example 1 A sintered chip having the same cutting tool shape was produced in the same manner as in Example 1 except that the crystallization heat treatment was not performed.
【0104】この燒結体について、X線回折による分析
を行ったところ、βサイアロンよおびTiNのピークが
観察されたが、これ以外のピークは観察されなかった。
すなわち、この燒結体は、結晶性粒界相を有していない
ことが確認された。When this sintered body was analyzed by X-ray diffraction, peaks of β-sialon and TiN were observed, but no other peaks were observed.
That is, it was confirmed that this sintered body did not have a crystalline grain boundary phase.
【0105】この結晶性粒界相を有さない燒結体チップ
を基材として用い、実施例1と同様の方法によって、該
基材の表面にダイヤモンド膜を形成させた。A diamond film was formed on the surface of the base material by the same method as in Example 1 using the sintered chip having no crystalline grain boundary phase as the base material.
【0106】得られたダイヤモンド被覆部材を用い実施
例1と同様の条件で湿式切削試験を行ったところ、わず
か3,000m切削しただけでダイヤモンド膜の剥離が
生じた。When a wet cutting test was conducted using the obtained diamond-coated member under the same conditions as in Example 1, the diamond film was peeled off after only cutting 3,000 m.
【0107】この切削試験後、ダイヤモンド膜/基材界
面を走査型電子顕微鏡により観察したところ、粒界成分
の揮発のために生成したと思われる隙間が界面部分に観
察された。After the cutting test, the diamond film / substrate interface was observed with a scanning electron microscope. As a result, a gap that was thought to be generated due to the volatilization of grain boundary components was observed at the interface portion.
【0108】(実施例2〜6) Si3N4粉末、Y2O3粉末、Al2O3粉末および
TiN粉末を表1に示す割合で配合し、結晶化処理時間
を表1に示すように変えた外は前記実施例と同様に操作
して燒結体チップ(形状:SPGN421)を作製し
た。(Examples 2 to 6) Si 3 N 4 powder, Y 2 O 3 powder, Al 2 O 3 powder and TiN powder were mixed in the proportions shown in Table 1, and the crystallization treatment time was as shown in Table 1. A sintered chip (shape: SPGN421) was manufactured by performing the same operation as in the above-described example except that the above was changed to.
【0109】この燒結体チップについて、X線回折によ
る分析を行ったところ、β−サイアロンおよびTiN
(実施例5を除く)のピークとメリライト相(Y2Si
3N4O3)のピークが観察され、粒界ガラス相の結晶
化が進行しており、この燒結体が結晶性粒界相を有する
窒化ケイ素系セラミックスであることが確認された。When this sintered chip was analyzed by X-ray diffraction, it was found that β-sialon and TiN
Peaks (excluding Example 5) and melilite phase (Y 2 Si)
3 N 4 O 3 ) peak was observed, crystallization of the grain boundary glass phase proceeded, and it was confirmed that this sintered body was a silicon nitride-based ceramic having a crystalline grain boundary phase.
【0110】また前記燒結体チップを基材として前記実
施例1と同様にしてダイヤモンド被覆チップを製造し
た。A diamond-coated chip was manufactured in the same manner as in Example 1 using the sintered chip as a base material.
【0111】このダイヤモンド被覆チップを用いて、実
施例1におけるのと同じ切削条件にて湿式の切削テスト
を行い、ダイヤモンド膜の剥離が生じるまでの切削長さ
を求めた。結果を表1に示した。Using this diamond-coated tip, a wet cutting test was conducted under the same cutting conditions as in Example 1 to determine the cutting length until the diamond film was peeled off. The results are shown in Table 1.
【0112】[0112]
【表1】 [Table 1]
【0113】[0113]
【発明の効果】本発明によると、ダイヤモンド類膜を被
覆する基材として、結晶性粒界相を有するという特定の
窒化ケイ素系セラミックス(燒結体)を用いているの
で、基材(燒結体)とダイヤモンド類膜との密着性を著
しく改善することができ、切削工具をはじめとする各種
の超硬工具、耐摩耗性部材等として実用に供した際に、
ダイヤモンド類膜の剥離や摩耗等による損傷を著しく低
減することができ、高性能で耐久性に優れた寿命の長い
ダイヤモンド類被覆部材を提供することができる。According to the present invention, since a specific silicon nitride ceramics (sintered body) having a crystalline grain boundary phase is used as a base material for coating a diamond film, the base material (sintered body). It is possible to remarkably improve the adhesion between the diamond film and the diamond film, when it is put into practical use as various cemented carbide tools including cutting tools, wear resistant members, etc.
It is possible to significantly reduce damage due to peeling or abrasion of the diamond film, and it is possible to provide a diamond-coated member having high performance, excellent durability, and long life.
───────────────────────────────────────────────────── 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 // B23P 15/28 A 7528−3C C04B 35/584 (72)発明者 伊藤 利通 東京都千代田区丸の内三丁目1番1号 出 光石油化学株式会社内 (72)発明者 坪川 雅也 千葉県君津郡袖ケ浦町上泉1660番地出光石 油化学株式会社内─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification number Reference number within the agency FI Technical display location // B23P 15/28 A 7528-3C C04B 35/584 (72) Inventor Toshimichi Ito Chiyoda-ku, Tokyo Marunouchi 3-1-1 1-1 Idemitsu Petrochemical Co., Ltd. (72) Inventor Masaya Tsubokawa 1660 Kamisen, Sodegaura-cho, Kimitsu-gun, Chiba Idemitsu Petrochemical Co., Ltd.
Claims (2)
ックス基材の表面に、気相合成法で形成したダイヤモン
ド類膜を有することを特徴とするダイヤモンド類被覆部
材。1. A diamond-coated member comprising a silicon nitride ceramic substrate having a crystalline grain boundary phase and a diamond film formed by a vapor phase synthesis method on the surface thereof.
ックス基材を結晶化処理し、生成する結晶性粒界相を有
する窒化ケイ素系セラミックスからなる基材の表面に、
気相合成法によりダイヤモンド類膜を被覆することを特
徴とするダイヤモンド類被覆部材の製造方法。2. A silicon nitride ceramics base material having a grain boundary glass phase is crystallized, and the surface of the base material made of a silicon nitride ceramics having a crystalline grain boundary phase is crystallized.
A method for producing a diamond-coated member, comprising coating a diamond film by a vapor phase synthesis method.
Priority Applications (1)
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JP40693190A JPH0733301B2 (en) | 1989-12-28 | 1990-12-26 | Diamond coating member and method for manufacturing the same |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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JP1-344779 | 1989-12-28 | ||
JP40693190A JPH0733301B2 (en) | 1989-12-28 | 1990-12-26 | Diamond coating member and method for manufacturing the same |
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---|---|
JPH03290383A JPH03290383A (en) | 1991-12-20 |
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-
1990
- 1990-12-26 JP JP40693190A patent/JPH0733301B2/en not_active Expired - Fee Related
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