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JPH07108831B2 - Diamond coated components - Google Patents
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JPH07108831B2 - Diamond coated components - Google Patents

Diamond coated components

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Publication number
JPH07108831B2
JPH07108831B2 JP2-508677A JP50867790A JPH07108831B2 JP H07108831 B2 JPH07108831 B2 JP H07108831B2 JP 50867790 A JP50867790 A JP 50867790A JP H07108831 B2 JPH07108831 B2 JP H07108831B2
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diamond
diamond film
ceramic substrate
gas
silicon nitride
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利通 伊藤
雅也 坪川
正一 渡辺
聡 飯尾
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Idemitsu Petrochemical Co Ltd
Niterra Co Ltd
Original Assignee
Idemitsu Petrochemical Co Ltd
NGK Spark Plug Co Ltd
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Publication date
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Description

部材が切削工具であること。【発明の詳細な説明】 [技術分野] 本発明は、ダイヤモンド被覆部材に関し、さらに詳しく
はたとえばバイト、エンドミル、カッター、ドリル等の
各種切削工具や各種耐摩耗部材に広く利用することので
きるダイヤモンド被覆部材に関する。
The present invention relates to a diamond-coated member, and more particularly to a diamond-coated member that can be widely used for various cutting tools such as turning tools, end mills, cutters, drills, etc., and various wear-resistant members.

[背景技術] 従来から切削工具等の製造に際し、セラミックス(製)
基材の表面にダイヤモンド膜を被覆することが行なわれ
ているが、ダイヤモンド膜の密着性が不十分であるの
で、切削を行なうと刃先のチッピングがみられる。
[Background Art] Conventionally, when manufacturing cutting tools, etc., ceramics (made
The surface of the substrate is coated with a diamond film, but the adhesion of the diamond film is insufficient, so chipping of the cutting edge occurs when cutting is performed.

さらにこれを説明すると、たとえば特公昭60−59086号
公報、特開昭61−109628号公報、同61−291493号公報等
々には、密着性の良いダイヤモンド被覆材を得るために
窒化ケイ素基材や特定の熱膨張率を有するセラミックス
基材を用いる技術が開示されている。
To further explain this, for example, Japanese Patent Publication No. 60-59086, Japanese Patent Publication No. 61-109628, and Japanese Patent Publication No. 61-291493 disclose techniques for using silicon nitride substrates or ceramic substrates with a specific thermal expansion coefficient to obtain diamond coating materials with good adhesion.

しかし、これらはいずれもダイヤモンド被膜形成後の、
冷却時に発生する熱応力をおさえてダイヤモンド膜の剥
離を防ぐものであり、その密着性はいまだ不十分であ
る。
However, these are all after the diamond coating is formed.
This method prevents the diamond film from peeling off by suppressing the thermal stress that occurs during cooling, but its adhesion is still insufficient.

その証拠にたとえばダイヤモンド被覆を施したチップを
用いて切削を行なった場合、依然として刃先のチッピン
グがみられる。
This is evidenced by the fact that when cutting is performed using a diamond-coated tip, chipping of the cutting edge is still observed.

本発明の目的は、このようなチッピングを無くすため、
基材に対するダイヤモンド膜の密着性が十分高く、しか
も容易に製造することのできるダイヤモンド被覆部材を
提供することにある。
The object of the present invention is to eliminate such chipping by:
The present invention provides a diamond-coated member in which the adhesion of a diamond film to a substrate is sufficiently high and which can be easily produced.

[発明の開示] 本発明のダイヤモンド被覆部材は、短径0.2〜1μmで
アスペクト比が2以上の柱状粒子を面密度で30%以上含
むセラミックス基材表面にダイヤモンド膜が形成されて
なることを特徴とする。
DISCLOSURE OF THE INVENTION The diamond-coated member of the present invention is characterized by having a diamond film formed on the surface of a ceramic substrate containing columnar grains with a minor axis of 0.2 to 1 μm and an aspect ratio of 2 or more at an areal density of 30% or more.

[発明を実施するための最良の形態] 以下、本発明を詳しく説明する。[Best Mode for Carrying Out the Invention] The present invention is described in detail below.

セラミックス基材 本発明におけるセラミックス基材は、その表面に、短径
0.2〜1μmでアスペクト比が2以上、好ましくは3以
上、さらに好ましくは4以上の柱状粒子を、面密度で30
%以上、好ましくは40%以上の割合で含有する。
Ceramic substrate The ceramic substrate in the present invention has a surface having a minor axis.
Columnar grains having an aspect ratio of 2 or more, preferably 3 or more, more preferably 4 or more, with a surface density of 30
% or more, preferably 40% or more.

ただし、ここに言う柱状粒子の短径、アスペクト比およ
び含有量は、該基材の表面を研磨することにより形成さ
れた鏡面にリン酸でエッチング処理を施した後、走査型
電子顕微鏡で写真撮影し、その写真を画像処理により2
次元的に解析して求めることができる。
However, the minor diameter, aspect ratio and content of the columnar particles mentioned here are determined by polishing the surface of the substrate to form a mirror surface, etching it with phosphoric acid, photographing it with a scanning electron microscope, and then image processing the photograph to obtain a 2D image.
It can be found by dimensional analysis.

ここにおいて面密度とは得られた一定面積内の柱状粒子
の占有面積とその他の面積とを区別し、その柱状粒子の
占有面積を集計し、この集計面積を前記一定面積で除し
て得られる値で示す。
Here, the surface density is a value obtained by distinguishing the area occupied by the columnar grains from the other areas within the obtained fixed area, totaling the areas occupied by the columnar grains, and dividing this total area by the fixed area.

したがって、柱状粒子は、ランダムに存在していると考
えられるので、柱状粒子の短径、アスペクト比は、横倒
しや斜めの粒子を考慮した値である。
Therefore, since the columnar particles are considered to be present randomly, the minor axis and aspect ratio of the columnar particles are values that take into account particles that are lying on their side or obliquely.

本発明において、セラミックス基材の表面に、短径0.2
〜1μmでアスペクト比が2以上の柱状粒子を面密度で
30%以上の割合で存在すると何故にダイヤモンド膜の密
着性が向上するのかは理論的に解明されてはいない。し
かしながら、セラミックス基材の表面が柱状粒子によ
り、微小な凹凸が生じると共に、ダイヤモンドの形成初
期にセラミックス基材の粒界がCVDの雰囲気ガスにより
エッチングされ柱状粒子が突出してきてその上に形成さ
れるダイヤモンド膜中に前記柱状粒子があたかもアンカ
ーであるように入り込み、その結果、ダイヤモンドとセ
ラミックス基材表面との接触面積が著しく増大し、セラ
ミックス基材表面に対するダイヤモンド膜の密着性が増
大し、ダイヤモンド膜の剥離強度が増大するものと、発
明者等が推定している。
In the present invention, the surface of the ceramic substrate is provided with a particle having a minor axis of 0.2 mm.
Columnar particles with an aspect ratio of 2 or more and a surface density of 1 μm or less
The reason why the adhesion of diamond film improves when the ratio is more than 30% has not been theoretically elucidated.However, the inventors presume that the surface of ceramic substrate is caused by columnar grains, and at the initial stage of diamond formation, the grain boundary of ceramic substrate is etched by the atmospheric gas of CVD, and columnar grains protrude, and then these columnar grains penetrate into the diamond film formed on it as if they were anchors, and as a result, the contact area between diamond and ceramic substrate surface increases significantly, and the adhesion of diamond film to ceramic substrate surface increases, and the peeling strength of diamond film increases.

前記柱状粒子の短径が0.2μm未満であると、柱状粒子
そのものの強度が不十分となり、該粒子と後述するダイ
ヤモンド膜とが入り組んでいても柱状粒子側で破壊が生
じるので、ダイヤモンド膜の密着性が不十分になる。逆
に柱状粒子の短径が1μmをこすと、該粒子とダイヤモ
ンド膜との接触面積を増大させる効果が小さくなること
がある。また、柱状粒子のアスペクト比が2未満である
と、基材中の柱状粒子の表面における保持力が弱く、ま
た基材表面に柱状粒子が十分に突出しないので、接触面
積を大きくする効果が得られないことがある。さらに柱
状粒子の含有量が30%未満の場合は、上記効果が小さく
なり、ダイヤモンド膜の密着性が不十分になることがあ
る。
If the minor axis of the columnar particle is less than 0.2 μm, the strength of the columnar particle itself is insufficient, and even if this particle and the diamond film described later are intertwined, the columnar particle side will be broken, so the adhesion of the diamond film is insufficient.On the other hand, if the minor axis of the columnar particle is more than 1 μm, the effect of increasing the contact area between this particle and the diamond film may be reduced.In addition, if the aspect ratio of the columnar particle is less than 2, the holding force of the columnar particle on the surface of the substrate is weak, and the columnar particle does not protrude sufficiently onto the substrate surface, so the effect of increasing the contact area may not be obtained.Furthermore, if the content of columnar particle is less than 30%, the above effect is reduced, and the adhesion of the diamond film may be insufficient.

本発明におけるセラミックス基材は、たとえば、アルミ
ナ、ジルコニア、ムライト、スピネルなどの酸化物系フ
ァインセラミックス、および、炭化ケイ素、窒化ケイ
素、窒化ホウ素、炭化ホウ素、窒化アルミニウム、サイ
アロンなどの非酸化物系ファインセラミックス、それ
に、前記ファインセラミックス中に炭化ケイ素ウイスカ
ー、窒化ケイ素ウイスカー、カーボンウイスカーなどを
分散したセラミックスなどから形成されることができ
る。
The ceramic substrate in the present invention can be formed from, for example, oxide-based fine ceramics such as alumina, zirconia, mullite, and spinel; non-oxide-based fine ceramics such as silicon carbide, silicon nitride, boron nitride, boron carbide, aluminum nitride, and sialon; and ceramics in which silicon carbide whiskers, silicon nitride whiskers, carbon whiskers, etc. are dispersed in the fine ceramics.

これらの中でも好ましいのは窒化ケイ素を主成分として
形成されたセラミックス基材である。
Among these, a ceramic substrate formed mainly of silicon nitride is preferred.

好ましいセラミックス基材としては、主成分である窒化
ケイ素とZrO2、MgO、Al2O3およびY2O3あるいはこれらの
前駆体よりなる群から選択される少なくとも一種の焼結
助剤とを含有する組成物を焼結してなる焼結体を挙げる
ことができる。
A preferred ceramic substrate is a sintered body obtained by sintering a composition containing silicon nitride as the main component and at least one sintering aid selected from the group consisting of ZrO2, MgO, Al2O3, and Y2O3 or their precursors .

さらに好ましいセラミックス基材として、主成分である
窒化ケイ素セラミックスとZrO2およびMgOよりなる焼結
助剤、またはAl2O3およびY2O3よりなる焼結助剤とを含
有する組成物を焼結してなる焼結体を挙げることができ
る。なお、この焼結助剤において、焼結時に酸化物に変
化することのできる硫酸塩、炭酸塩、ハロゲン化物など
の前駆体も同様に好適な焼結助剤として使用することが
できる。
A more preferred ceramic substrate is a sintered body obtained by sintering a composition containing silicon nitride ceramic as the main component and a sintering aid consisting of ZrO2 and MgO , or a sintering aid consisting of Al2O3 and Y2O3 . Note that precursors of the sintering aid, such as sulfates, carbonates, and halides, which can be converted to oxides during sintering, can also be used as suitable sintering aids.

前記焼結助剤の組成物中の含有量としては、焼結助剤の
種類により相違するので一概に決定することができない
のであるが、一般的に言うと、酸化物換算で2〜20重量
%であり、好ましくは3〜16重量%である。前記特定の
焼結助剤の含有量が2重量%未満であると、焼結しても
焼結体が緻密にならないことがあり、前記含有量が20重
量%を超えると、焼結時に結晶粒子が著しく成長して所
望する柱状粒子を形成することができなくなることがあ
る。
The content of the sintering aid in the composition varies depending on the type of sintering aid and cannot be determined in general, but generally speaking, it is 2 to 20 wt % in terms of oxide, and preferably 3 to 16 wt %. If the content of the specific sintering aid is less than 2 wt %, the sintered body may not be dense even after sintering, and if the content exceeds 20 wt %, the crystal grains may grow significantly during sintering, making it impossible to form the desired columnar grains.

焼結温度は焼結助剤の種類に応じて相違するが、通常、
1,550〜1,850℃であり、好ましは1,570〜1,830℃であ
る。焼結温度が1,550℃未満では柱状粒子が十分に成長
しないことがあり、1,850℃を超えると柱状粒子の径が
太くなり、所望形状の柱状粒子を得ることができなくな
ることがある。
The sintering temperature varies depending on the type of sintering aid, but is usually
The sintering temperature is 1,550 to 1,850°C, preferably 1,570 to 1,830°C. If the sintering temperature is less than 1,550°C, the columnar grains may not grow sufficiently, whereas if the sintering temperature exceeds 1,850°C, the diameter of the columnar grains may become too large, making it impossible to obtain columnar grains of the desired shape.

焼結雰囲気としては、焼結時に窒化ケイ素の分解を生じ
ない窒化ガスや窒素とアルゴン等の不活性ガスの混合ガ
スを用いる。
As the sintering atmosphere, a nitriding gas or a mixed gas of an inert gas such as nitrogen and argon, which does not decompose silicon nitride during sintering, is used.

焼結時のガス圧としては、焼結温度により相違するけれ
ども、通常の場合には、10〜300kg/cm2であり、焼結中
に生じる窒素ケイ素の分解を制御するに充分な圧力が好
ましい。
The gas pressure during sintering varies depending on the sintering temperature, but is usually 10 to 300 kg/cm 2 , and a pressure sufficient to control the decomposition of silicon nitride occurring during sintering is preferred.

このような焼結法によると、上記焼結助剤の作用と相ま
って窒化ケイ素をほぼ分解することなく、本発明で規定
する柱状粒子が焼結体に均一に析出し易い。そしてこの
方法によれば、柱状粒子とセラミックスとを単に混合す
る場合に比べて柱状粒子の含有量を容易に高めることが
できる。
This sintering method, combined with the action of the sintering aid, allows the columnar grains defined in the present invention to be uniformly precipitated in the sintered body with almost no decomposition of silicon nitride, and this method makes it easier to increase the content of the columnar grains compared to simply mixing the columnar grains with ceramics.

ダイヤモンド膜 本発明では、前記セラミックス基材上にダイヤモンド膜
を形成する。ここで、ダイヤモンド膜とは、ダイヤモン
ド、ダイヤモンド状炭素、およびダイヤモンドとダイヤ
モンド状炭素とを含有する膜を含む、広い概念である。
Diamond Film In the present invention, a diamond film is formed on the ceramic substrate. Here, the diamond film is a broad concept that includes diamond, diamond-like carbon, and films containing diamond and diamond-like carbon.

このダイヤモンド膜の形成には公知のダイヤモンド膜形
成法を採用することができるが、なかでも気相法を採用
するのが実用的にも好ましい。
The diamond film can be formed by any known diamond film forming method, but it is practically preferable to use a vapor phase method.

具体的には、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、前記セラミックス基材に反応室内で接
触させることにより、該基材上に前記被覆膜を形成する
方法が好ましい。
Specifically, a preferred method is to form the coating film on the ceramic substrate by contacting the gas obtained by exciting a raw material gas containing a carbon source gas with the ceramic substrate in a reaction chamber.

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 be any gas containing at least a carbon source gas, and is preferably a gas containing carbon atoms and hydrogen atoms.

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, the source gas may be, for example, a mixed gas of a carbon source gas and hydrogen gas.

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 source gas.

前記炭素源ガスとしては、各種炭素水素、含ハロゲン化
合物、含酸素化合物、含窒素化合物等のガスを使用する
ことができる。
As the carbon source gas, various gases such as hydrocarbons, halogen-containing compounds, oxygen-containing compounds, and nitrogen-containing compounds can be used.

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 hydrocarbon compounds include paraffinic hydrocarbons such as methane, ethane, propane, and butane; olefinic hydrocarbons such as ethylene, propylene, and butylene; acetylenic hydrocarbons such as acetylene and allylene; diolefinic hydrocarbons such as butadiene; alicyclic hydrocarbons such as cyclopropane, cyclobutane, cyclopentane, and cyclohexane; and aromatic hydrocarbons such as cyclobutadiene, benzene, toluene, xylene, and naphthalene.

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 halogen-containing compounds include halogenated hydrocarbons such as halogenated methane, halogenated ethane, and halogenated benzene, and carbon tetrachloride.

含酸素化合物としては、例えばアセトン、ジエチルケト
ン、ベンゾフェノン等のケトン類;メタノール、エタノ
ール、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、ピナコリン、メチルオキシド、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 oxygen-containing compounds include ketones such as acetone, diethyl ketone, and benzophenone; alcohols such as methanol, ethanol, propanol, and butanol; ethers such as methyl ether, ethyl ether, ethyl methyl ether, methyl propyl ether, ethyl propyl ether, phenol ether, acetal, and cyclic ethers (dioxane, ethylene oxide, and the like); ketones such as acetone, pinacoline, methyl oxide, aromatic ketones (acetophenone, benzophenone, and the like), diketones, and cyclic ketones; aldehydes such as formaldehyde, acetaldehyde, butyraldehyde, and benzaldehyde; organic acids such as formic acid, acetic acid, propionic acid, succinic acid, butyric acid, oxalic acid, tartaric acid, and stearic acid; acid esters such as methyl acetate and ethyl acetate; dihydric alcohols such as ethylene glycol and diethylene glycol;
Examples include carbon monoxide and carbon dioxide.

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ル類等を挙げることができる。
Examples of the nitrogen-containing compound include amyls such as trimethylamine and triethylamine.

また、前記炭素源ガスとして、単体ではないが、ガソリ
ン、ケロシン、テレピン油、しょう脳油、および松根油
などの石油類、重油類、あるいはギヤー油やシリンダー
油などのガスをも使用することができる。また前記各種
の炭素化合物を混合して使用することもできる。
The carbon source gas may be any of petroleum gases such as gasoline, kerosene, turpentine, camphor oil, and pine oil, heavy oils, gear oil, and cylinder oil, or a mixture of the above carbon compounds.

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 oxygenated compounds such as carbon monoxide and carbon dioxide gas are preferred.
Carbon monoxide is particularly preferred.

前記水素ガスには、特に制限がなく、たとえば石油類の
ガス化、天然ガス、水性ガスなどの変成、水の電解、鉄
と水蒸気との反応、石炭の完全ガス化などにより得られ
るものを充分に精製したものを用いることができる。
There are no particular limitations on the hydrogen gas used, and it is possible to use, for example, hydrogen gas obtained by gasifying petroleum, converting natural gas or water gas, electrolysis of water, reaction of iron with steam, complete gasification of coal, etc., which has been sufficiently purified.

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。
When the hydrogen constituting the hydrogen gas is excited, it forms atomic hydrogen.

この原子状水素は、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モルファスカーボン等の非ダイヤモ
ンド成分を除去する作用を有する。
This atomic hydrogen has the effect of removing non-diamond components such as graphite and amorphous carbon that are precipitated simultaneously with the deposition of diamond.

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CVD法、DCプラズマCVD
法、有機場プラズマCVD法、熱フィラメント法、熱CVD
法、光CVD法、燃焼炎法、スパッタリング法などを挙げ
ることができる。
The means for exciting the raw material gas may include, for example, microwave plasma CVD, RF plasma CVD, DC plasma CVD, etc.
method, organic field plasma CVD method, hot filament method, thermal CVD
Examples of the deposition methods include a photo-CVD method, a combustion flame method, and a sputtering method.

これらの中でも、好ましいのは各種プラズマCVD法であ
る。
Among these, various plasma CVD methods are preferred.

上述した各原料ガスと各励起手段の組み合わせにおい
て、本発明の目的に特に好ましのは、一酸化炭素ガスと
水素ガスの混合ガスおよびマイクロ波プラズマ法であ
る。
Of the combinations of the source gases and excitation means mentioned above, the combination using a mixed gas of carbon monoxide gas and hydrogen gas and microwave plasma method is particularly preferred for the purposes of the present invention.

すなわち、この混合ガスをマイクロ波で励起すると、励
起されたガスは前記基材表面にダイヤモンドを析出させ
るとともに、該表面の粒界を核としてダイヤモンドの結
晶が成長するので、ダイヤモンド膜の密着性を効果的に
高めることができると考えられる。
In other words, when this mixed gas is excited by microwaves, the excited gas precipitates diamond on the surface of the substrate, and diamond crystals grow using the grain boundaries on the surface as nuclei, which is thought to effectively improve the adhesion of the diamond film.

前記気相法において、ダイヤモンド膜を形成する膜の前
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出来ないが、結晶性ダイヤ
モンド膜を被覆する場合には、通常、300〜1200℃、好
ましくは400〜1,100℃である。
In the gas phase method, the temperature of the substrate on which the diamond film is formed varies depending on the excitation method of the raw material gas and cannot be determined in general, but when coating a crystalline diamond film, the temperature is usually 300 to 1200°C, preferably 400 to 1,100°C.

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、均質性が失われた
りする。
If the temperature is lower than 300°C, the diamond deposition rate will be slow and the crystallinity and homogeneity of the precipitate will be lost.

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、
形成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, if the temperature is higher than 1,200℃, the effect will not be commensurate with the increase, and it will be disadvantageous in terms of energy efficiency.
The diamond formed may be etched away.

また、ダイヤモンド膜を形成する際の反応圧力は、通
常、10-6〜10-3torr,好ましくは10-5〜800torrである。
反応圧力が10-6torr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、10-3torr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 during the formation of the diamond film is usually 10 −6 to 10 −3 torr, preferably 10 −5 to 800 torr.
If the reaction pressure is lower than 10 -6 torr, the diamond deposition rate slows or even stops, while if it is higher than 10 -3 torr, the amount of graphite produced increases.

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、適宜決定すればよい。
The reaction time cannot be determined in general terms because it differs depending on the surface temperature of the substrate, the reaction pressure, the required film thickness, etc., and may be determined appropriately.

このようにして形成される前記ダイヤモンド膜の厚みに
ついては、特に制限はないが、通常は0.5〜100μm程
度、好ましくは1〜60μmである。
There is no particular restriction on the thickness of the diamond film thus formed, but it is usually about 0.5 to 100 μm, preferably 1 to 60 μm.

ダイヤモンド被覆部材 かくして得られるダイヤモンド被覆部材は、ダイヤモン
ド膜の密着性は優れており、基材から容易に剥離しな
い。
Diamond-Coated Member The diamond-coated member thus obtained has excellent adhesion of the diamond film and does not easily peel off from the substrate.

次に実施例に基いて本発明をさらに詳しく説明する。The present invention will now be described in more detail with reference to examples.

(実施例1〜5、比較例1〜5) 平均粒径0.7μm(BET比表面積10m2/g)のSi3N4粉末、
同0.4μmのMgCO3粉末、同0.2μmのZrO2粉末、同2μ
mのY2O3粉末、同1μmのAl2O3粉末を、第1表に示す
割合および組成になるように配合し、媒体としてエタノ
ールを用いSi3N4製のポットミルおよび球石を用いて16
時間かけて湿式混合した。混合後、乾燥し、得られた原
料混合物を、1.5ton/cm2の圧力をかけて金型プレスし
た。プレスにより得られた成形物を第1表に示す条件で
焼結した。焼結物を研削加工することにより、第1表に
示す柱状粒子を有する窒化ケイ素チップ(SPGN421)を
得た。
(Examples 1 to 5, Comparative Examples 1 to 5) Si3N4 powder with an average particle size of 0.7 μm (BET specific surface area of 10 m2 /g),
0.4 μm MgCO 3 powder, 0.2 μm ZrO 2 powder, 2 μm
Y 2 O 3 powder of 1 μm and Al 2 O 3 powder of 1 μm were mixed to the ratio and composition shown in Table 1, and the mixture was milled for 16 hours using ethanol as a medium and a pot mill and balls made of Si 3 N 4.
The materials were wet mixed for 1 hour. After mixing, the mixture was dried, and the resulting raw material mixture was pressed in a mold at a pressure of 1.5 ton/ cm² . The pressed product was sintered under the conditions shown in Table 1. The sintered product was ground to obtain silicon nitride chips (SPGN421) having columnar grains as shown in Table 1.

この窒化ケイ素チップを基材としてこれをマイクロ波プ
ラズマCVD装置の反応容器内に設置した。
This silicon nitride chip was used as a substrate and placed in the reaction chamber of a microwave plasma CVD apparatus.

そして基材温度1,000℃、圧力50torrの条件下に反応室
内への原料ガス流量を一酸化炭素ガス20sccm、水素ガス
80sccmに設定し、マイクロ波出力を300Wに設定し、反応
を5時間行なって、前記基材上に厚み10μmの膜状の堆
積物を得た。
The substrate temperature was 1,000°C, the pressure was 50 torr, and the flow rate of the raw material gases into the reaction chamber was 20 sccm of carbon monoxide gas and 20 sccm of hydrogen gas.
The flow rate was set to 80 sccm, the microwave output was set to 300 W, and the reaction was carried out for 5 hours to obtain a film-like deposit having a thickness of 10 μm on the substrate.

この堆積物についてラマン分光分析を行なったところ、
ラマン散乱スペクトルの1333cm-1付近にダイヤモンドに
起因するピークがみられ、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 we performed Raman spectroscopy on this deposit,
The Raman scattering spectrum showed a peak at around 1333 cm -1 due to diamond, confirming that the diamond was almost free of impurities.

得られたダイヤモンド被覆チップを用いて下記条件で切
削テストを行なったのち、走査型電子顕微鏡(SEM)に
より刃先の観察を行なったところ、実施例のチップにお
いては10分間の切削試験後においてダイヤモンド膜の剥
離は殆ど見られず、摩耗も殆どなかった。また、切削試
験を繰り返して該チップからダイヤモンド膜が剥離する
までの平均切削時間を第1表に示した。
The obtained diamond-coated tip was subjected to a cutting test under the following conditions, and then the cutting edge was observed under a scanning electron microscope (SEM). After 10 minutes of cutting test, the tip of the example was found to have almost no diamond film peeling off and almost no wear. Furthermore, the average cutting time until the diamond film peeled off from the tip after repeated cutting tests is shown in Table 1.

被削材 ;Al−8重量%si合金 切削速度;800m/min 送り ;0.1mm/rev 切り込み;0.25mm また、いずれの実施例においても、切削速度を1,500m/m
inに変更しても、10分間の切削試験で剥離は生じなかっ
た。
Work material: Al-8 wt% Si alloy Cutting speed: 800 m/min Feed: 0.1 mm/rev Depth of cut: 0.25 mm In all examples, the cutting speed was 1,500 m/min
Even when the material was changed to in, no peeling occurred in the 10-minute cutting test.

(比較例6) 一方、比較のため柱状粒子を含まず、柱状粒子からなる
α−サイアロンセラミックス(球状粒子、平均粒径:1μ
m)からなる基材に、前記実施例1と同様に実施してダ
イヤモンド膜(厚み10μm)を被覆してなるチップを用
いて、前記実施例1と同様の切削試験を行なったが、1
分間の試験でダイヤモンド被覆に剥離が生じてしまっ
た。
(Comparative Example 6) On the other hand, for comparison, an α-sialon ceramic (spherical particles, average particle size: 1 μm) consisting of columnar particles was used.
A cutting test similar to that in Example 1 was carried out using a tip formed by coating a diamond film (thickness 10 μm) on a substrate made of a diamond alloy (diamond alloy) in the same manner as in Example 1.
After a minute of testing, the diamond coating began to peel off.

[産業上の利用分野] 本発明のダイヤモンド被覆部材は、特定のセラミックス
基材にダイヤモンド膜が被覆されているので、ダイヤモ
ンド膜の密着性が優れており、たとえば切削工具等に用
いた場合、チッピングや剥離がおこらないし、摩耗も生
じ難い。したがってその寿命を伸ばすことが出来る。そ
して、その基材の製造にはガス圧焼結法を、またダイヤ
モンド膜の形成には気相法を採用できるので、容易に製
造することが出来る。
[Industrial application field] The diamond-coated member of the present invention has a diamond film coated on a specific ceramic substrate, so the adhesion of the diamond film is excellent, and when used in, for example, cutting tools, chipping and peeling do not occur, and wear is also resistant. Therefore, the life of the tool can be extended. Furthermore, the substrate can be manufactured using a gas pressure sintering method, and the diamond film can be formed using a vapor phase method, so the product can be easily manufactured.

以上により、本発明はバイト、エンドミル、カッター、
ドリル等の切削工具や各種耐摩耗部材の分野に重要な貢
献をするものである。
As described above, the present invention provides tools such as cutting tools, end mills, cutters,
This will make an important contribution to the fields of cutting tools such as drills and various wear-resistant materials.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 正一 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番地18号 日本特殊陶業株式会社内 (72)発明者 飯尾 聡 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番地18号 日本特殊陶業株式会社内 ──────────────────────────────────────────────────── Continued from the front page (72) Inventor: Shoichi Watanabe 14-18 Takatsuji-cho, Mizuho-ku, Nagoya, Aichi Prefecture NGK Spark Plug Co., Ltd. (72) Inventor: Satoshi Iio 14-18 Takatsuji-cho, Mizuho-ku, Nagoya, Aichi Prefecture NGK Spark Plug Co., Ltd.

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】短径0.2〜1μmでアスペクト比が2以上
の柱状粒子を面密度で30%以上表面部に含むセラミック
ス基材表面にダイヤモンド膜が形成されてなることを特
徴とするダイヤモンド被覆部材。
1. A diamond-coated member comprising a ceramic substrate having a surface containing columnar grains with a minor axis of 0.2 to 1 μm and an aspect ratio of 2 or more in an areal density of 30% or more on the surface thereof, and a diamond film formed on the surface thereof.
【請求項2】前記請求項1において、セラミックス基材
が、窒化ケイ素を主原料にして得られた焼結体であるこ
と。
2. The ceramic substrate according to claim 1, wherein the ceramic substrate is a sintered body obtained by using silicon nitride as a main raw material.
【請求項3】前記請求項1において、セラミックス基材
が、窒化ケイ素とZrO2、MgO、Al2O3およびY2O3あるいは
これらの前駆体よりなる群から選択される少なくとも一
種の焼結助剤とから形成された焼結体であること。
[Claim 3] In claim 1, the ceramic substrate is a sintered body formed from silicon nitride and at least one sintering aid selected from the group consisting of ZrO 2 , MgO, Al 2 O 3 and Y 2 O 3 or precursors thereof.
【請求項4】請求項3において、焼結体が窒素ケイ素を
主成分とし、助剤としてMgO+ZrO2、MgO+Y2O3、Al2O3
+ZrO2、Al2O3+Y2O3の組み合わせからなるもの。
4. The sintered body according to claim 3, wherein the main component is silicon nitride, and the auxiliary components are MgO+ZrO 2 , MgO+Y 2 O 3 , and Al 2 O 3
+ ZrO 2 , Al 2 O 3 + Y 2 O 3 combination.
【請求項5】前記請求項3において、前記焼結助材の含
有量酸化物換算が2〜20重量%であること。
5. The method according to claim 3, wherein the content of said sintering aid is 2 to 20% by weight in terms of oxide.
【請求項6】前記請求項2において、前記焼結体が、1,
550〜1,850℃の焼結温度下および10〜300kg/cm2の加圧
下に、窒素ガスまたは窒素ガスと不活性ガスの混合ガス
中で焼結されてなること。
6. The method according to claim 2, wherein the sintered body is 1,
It is sintered in nitrogen gas or a mixture of nitrogen gas and an inert gas at a sintering temperature of 550 to 1,850°C and a pressure of 10 to 300 kg/ cm2 .
【請求項7】前記請求項1において、前記ダイヤモンド
膜の厚みが0.5〜100μmであること。
7. A method according to claim 1, wherein the thickness of the diamond film is 0.5 to 100 μm.
【請求項8】前記請求項1において、前記ダイヤモンド
膜の厚みが1〜60μmであること。
8. A method according to claim 1, wherein the thickness of the diamond film is 1 to 60 μm.
【請求項9】前記請求項1において、ダイヤモンド被覆9. The diamond coating of claim 1.
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