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JPH07156002A - Diamond coated tool and manufacture thereof - Google Patents

Diamond coated tool and manufacture thereof

Info

Publication number
JPH07156002A
JPH07156002A JP5326280A JP32628093A JPH07156002A JP H07156002 A JPH07156002 A JP H07156002A JP 5326280 A JP5326280 A JP 5326280A JP 32628093 A JP32628093 A JP 32628093A JP H07156002 A JPH07156002 A JP H07156002A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
diamond
substrate
thickness
acid
silicon nitride
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP5326280A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hideaki Ito
秀章 伊藤
Hiromichi Sakamoto
弘道 坂本
Tadashi Kurumiya
正 久留宮
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Bellows Co Ltd
Fuji Seiko Co Ltd
Original Assignee
Fuji Bellows Co Ltd
Fuji Seiko Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fuji Bellows Co Ltd, Fuji Seiko Co Ltd filed Critical Fuji Bellows Co Ltd
Priority to JP5326280A priority Critical patent/JPH07156002A/en
Publication of JPH07156002A publication Critical patent/JPH07156002A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Ceramic Products (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)
  • Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)

Abstract

PURPOSE:To provide a diamond coated tool provided with a long life and high performance by forming a carbon diffusion layer with a specific thickness in the vicinity of the surface of a silicon nitride sintered body in which multiple pin holes are formed and forming diamond coating layers inside the pin holes and the sintered body surface. CONSTITUTION:A silicon nitride sintered base body surface is activated, and pin holes are formed by means of acid treatment. Scratching process by means of diamond particles is carried out on the surface of the base body, on which erosion treatment by means of strong acid is carried out on nucleation points formed by scratching process, and multiple nucleation points for diamond are formed inside the pin holes and on the base material surface. Diamond anchor and fine grain coating layer with film thickness of 2mum or less are formed by means of the first step CVD. Then, diamond thick film with the film thickness of 20-200mum and a carbon diffusion layer with thickness of 5mum or more are formed by means of the second step CVD.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、非鉄材料の各種精密切
削加工に用いる高密着性かつ高寿命のダイヤモンドコー
ティング工具とその新規な製造法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a diamond coating tool having high adhesion and long life, which is used for various precision cutting of non-ferrous materials, and a novel manufacturing method thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、非鉄材料の精密切削加工用の高寿
命工具には、超高圧法によって製造されたダイヤモンド
焼結体工具が用いられてきた。しかし、この焼結ダイヤ
モンド工具は、複雑な刃先形状を得ることや刃先の加工
が難しく、また工具の製造・加工コストが高いという欠
点があった。
2. Description of the Related Art Conventionally, a diamond sintered body tool manufactured by an ultra-high pressure method has been used as a long-life tool for precision cutting of non-ferrous materials. However, this sintered diamond tool has drawbacks in that it is difficult to obtain a complicated cutting edge shape and it is difficult to machine the cutting edge, and the manufacturing and processing costs of the tool are high.

【0003】一方、ダイヤモンドコーティング工具は、
刃先形状の自由度があり、しかも刃先の仕上げ加工が比
較的容易であることから、焼結ダイヤモンド工具に替わ
る非鉄材料の精密切削用工具として近年注目されてい
る。
On the other hand, diamond coated tools are
Since it has a degree of freedom in the shape of the cutting edge and is relatively easy to finish the cutting edge, it has recently attracted attention as a precision cutting tool for non-ferrous materials replacing the sintered diamond tool.

【0004】現在、主として超硬合金または窒化ケイ素
からなる工具形状を有する基体に、各種気相成長(CV
D)法によりダイヤモンド膜を被覆した工具または気相
成長法によって製造された板状ダイヤモンドを支持台に
ロウ付けした工具が開発されている。しかし、後者はロ
ウ付けと刃先加工が煩雑であり、製造コストも高価にな
るという問題があった。
At present, various types of vapor phase growth (CV) are applied to a substrate having a tool shape mainly made of cemented carbide or silicon nitride.
A tool in which a diamond film is coated by the method D) or a plate-shaped diamond produced by a vapor phase growth method is brazed to a support base has been developed. However, the latter has a problem that brazing and processing of the cutting edge are complicated, and the manufacturing cost becomes high.

【0005】また、前者はダイヤモンド膜厚を厚くする
と、ダイヤモンド膜と基体との密着性が悪いために、切
削の初期において工具刃先からダイヤモンド膜が剥離・
脱落し、本来のダイヤモンドの優れた硬度を生かした工
具の大幅な高寿命化を図ることができなかった。
Further, in the former case, when the diamond film is thickened, the diamond film peels off from the cutting edge of the tool at the initial stage of cutting because the adhesion between the diamond film and the substrate is poor.
It has fallen off, and it has not been possible to significantly extend the life of the tool by taking advantage of the excellent hardness of the original diamond.

【0006】たとえば、シリコン含有量が20%より多
いA1−Si系合金のフライス切削加工においては、断
続切削時の強い機械的衝撃のためにダイヤモンド膜の摩
耗よりも先に剥離が生じてしまい、コーティング工具を
長時間使用することができないという問題があった。
For example, in milling an A1-Si alloy having a silicon content of more than 20%, peeling occurs before wear of the diamond film due to a strong mechanical impact during intermittent cutting. There is a problem that the coating tool cannot be used for a long time.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】従来のダイヤモンドコ
ーティング工具は、基体とダイヤモンド膜との密着性が
悪いため、これを改良する目的で多くの研究がなされ、
これに関する特許も多く出願されている。
Since the conventional diamond coating tool has poor adhesion between the substrate and the diamond film, many studies have been conducted for the purpose of improving it.
Many patents related to this have been filed.

【0008】これを例示すれば、次の通りである。ま
ず、超硬合金を基体に用いた場合は、基体表面における
Co不足相の形成(たとえば、特開平3−177381
号、特開平3−219079号)、基体の表面処理(た
とえば、特開平3−183774号)や分散被覆層の導
入(たとえば、特開平3−219078号、特開平3−
215393号)等があるが、これらの処理をおこなっ
ても、密着性を保持しうるダイヤモンドの膜厚は10μ
m以下であり、しかも、切削時には基体とダイヤモンド
膜との間に生じる大きな残留応力が存在しているために
充分な接着強度が得られていない。
An example of this is as follows. First, when a cemented carbide is used for the substrate, a Co deficient phase is formed on the surface of the substrate (for example, JP-A-3-177381).
No. 3, JP-A-3-219079), surface treatment of a substrate (for example, JP-A-3-183774) and introduction of a dispersion coating layer (for example, JP-A-3-219078, JP-A-3-219078).
No. 215393), etc., but even if these treatments are performed, the diamond film thickness that can maintain the adhesion is 10 μm.
Since it is less than m and there is a large residual stress generated between the substrate and the diamond film during cutting, sufficient adhesive strength is not obtained.

【0009】また、窒化ケイ素を基体に用いた場合に
は、ダイヤモンド被膜の密着性を向上させる方法とし
て、基体の熱膨張率を制御すること(たとえば、特開平
4−56768号)、窒化ケイ素多孔体を基体に用いる
こと(たとえば特開平1−162770号)、中間層を
挿入すること(たとえば、特開平2−267268号、
特開平3−197677号、特開平3−291378
号、特開平5−148068号)、2段階CVD処理を
おこなうこと(たとえば、特開平3−69595号)、
酸による前処理をおこなうこと、(たとえば、特開平4
−276077号)などが提案されている。
When silicon nitride is used as the substrate, controlling the coefficient of thermal expansion of the substrate is a method for improving the adhesion of the diamond coating (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-56768), and silicon nitride porosity. Using the body as a substrate (for example, JP-A-1-162770) and inserting an intermediate layer (for example, JP-A-2-267268,
JP-A-3-197677, JP-A-3-291378
No. 5, JP-A-5-148068), two-stage CVD treatment (for example, JP-A-3-69595),
Performing a pretreatment with an acid (for example, Japanese Patent Laid-Open No.
No. 276077) has been proposed.

【0010】しかし、密着性および工具寿命はある程度
向上するものの、前記のようなハードな条件で切削加工
をおこなったとき、剥離のないダイヤモンドコーティン
グ工具として実用に耐え得ることが明記されていない。
However, although the adhesion and the tool life are improved to some extent, it is not specified that the diamond-coated tool can be practically used without being peeled off when it is cut under the above hard conditions.

【0011】したがって、本発明の目的は、密着力が工
具寿命を決定する第一要因とならないようなレベルまで
基体とダイヤモンド膜との密着力を向上することにあ
る。
Therefore, an object of the present invention is to improve the adhesion between the substrate and the diamond film to such a level that the adhesion does not become the first factor that determines the tool life.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明は次のような構成を採用した。まず、本発明
にかかるダイヤモンドコーティング工具は、多数のピン
ホ−ルが形成された窒化ケイ素燒結体表面付近に厚さ5
μm以上の炭素拡散層が形成され、前記ピンホ−ル内及
び燒結体表面にCVD法による厚さ20〜200μmの
ダイヤモンドコーティング層が形成されていることを特
徴としている。
In order to solve the above problems, the present invention has the following constitution. First, the diamond coating tool according to the present invention has a thickness of 5 mm near the surface of a silicon nitride sintered body on which a large number of pinholes are formed.
A carbon diffusion layer having a thickness of at least μm is formed, and a diamond coating layer having a thickness of 20 to 200 μm is formed in the pinhole and on the surface of the sintered body by the CVD method.

【0013】また、本発明にかかるダイヤモンドコーテ
ィング工具の製造方法は、窒化ケイ素を母相とする焼結
体の基体表面を濃度20%以上のフッ化水素酸および他
の強酸を含む混合溶液に浸漬して活性な凹凸表面を形成
するとともに、粒界をエッチングして多数のピンホール
をつくり、該ピンホ−ルよりも小径のダイヤモンド粉末
によるキズ付け処理をおこなうことにより、基体表面お
よびピンホール内部にダイヤモンドの核生成点を多発さ
せ、その後第1段階CVDで粒径2μm以下の微粒ダイ
ヤモンドコーティングをおこない、ピンホール内部への
ダイヤモンドアンカーおよび基体表面への膜厚2μm以
下の薄膜コーティングからなる下地層を形成し、さらに
その上に第2段階CVDで膜厚20〜200μmのダイ
ヤモンド膜を形成し、同時に基体内部に厚さ5μm以上
の炭素拡散層からなる傾斜組織を形成することを特徴と
している。
Further, in the method for manufacturing a diamond coating tool according to the present invention, the substrate surface of the sintered body having silicon nitride as a mother phase is immersed in a mixed solution containing hydrofluoric acid and another strong acid with a concentration of 20% or more. To form an active uneven surface and to create a large number of pinholes by etching the grain boundaries, and by performing a scratching treatment with a diamond powder having a diameter smaller than the pinholes, the substrate surface and the inside of the pinholes are A large number of diamond nucleation points are generated, and then fine-grained diamond coating with a grain size of 2 μm or less is performed in the first step CVD to form an underlayer consisting of a diamond anchor inside the pinhole and a thin film coating of 2 μm or less on the substrate surface. Then, a diamond film having a film thickness of 20 to 200 μm is further formed thereon by the second stage CVD. It is characterized by simultaneously forming a gradient structure having a thickness of 5μm or more carbon diffusion layer inside the substrate.

【0014】以下、具体例をあげつつ本発明を詳細に説
明する。本発明では、基体材料としてダイヤモンドとの
熱収縮率の近い窒化ケイ素焼結体を用い、図1の工程図
に示すような概略4工程から構成される処理法によりダ
イヤモンドコーティング工具を製造する。ここで、焼結
体は粒径数μmの窒化ケイ素粒子を母相とし、必要に応
じて他のセラミック粒子を複合添加させ、助剤添加によ
り焼結させた市販の切削工具用チップが使用可能であ
る。
The present invention will be described in detail below with reference to specific examples. In the present invention, a diamond-coated tool is manufactured by using a silicon nitride sintered body having a heat shrinkage rate close to that of diamond as a base material, by a treatment method including four steps as shown in the process chart of FIG. Here, a commercially available cutting tool tip can be used in which the sintered body has silicon nitride particles with a particle size of several μm as a mother phase, and other ceramic particles are compounded as necessary and sintered by adding an auxiliary agent. Is.

【0015】(1)窒化ケイ素焼結基体表面の活性化と
酸処理によるピンホールの形成 フッ化水素酸(濃度:好ましくは20〜48%、より好
ましくは40〜47%)と、他の強酸すなわち、硝酸
(濃度:20〜65%、好ましくは50〜60%)、硫
酸(濃度:50〜96%、好ましくは80〜96%)、
塩酸(濃度:20〜38%、好ましくは35〜38%)
の内の1種又は2種以上を含む混合溶液からなる強酸中
において、好ましくは20〜100℃の処理温度および
15分以上の処理時間で窒化ケイ素基体の表面層をエッ
チングすることにより活性な凹凸表面を形成する。また
強酸処理中において、窒化ケイ素自体よりも焼結助剤を
含む粒界部分を浸食されやすいことを利用して、粒界の
選択的化学エッチングにより基体表面近傍に好ましくは
孔径2μm以下、深さ0.5μm以上の多数のピンホー
ルを新たに形成させ、また焼結体のオープンポアにあっ
てはピンホールの内部奥深くまでピンホールを形成す
る。上記強酸の混合比は、窒化ケイ素を効果的に侵食す
るものであればよい。例えば他の強酸を用いず、48%
HFのみを用いて70℃以上で3時間以上の時間をかけ
れば同様な処理が可能であるが、工業生産的には適して
いないので、適量の他の強酸(混合比は90vol.%
以下)を添加しておくのが好ましい。
(1) Activation of the silicon nitride sintered substrate surface and formation of pinholes by acid treatment Hydrofluoric acid (concentration: preferably 20 to 48%, more preferably 40 to 47%) and other strong acid That is, nitric acid (concentration: 20 to 65%, preferably 50 to 60%), sulfuric acid (concentration: 50 to 96%, preferably 80 to 96%),
Hydrochloric acid (concentration: 20-38%, preferably 35-38%)
In a strong acid consisting of a mixed solution containing one or more of the above, active surface irregularities are formed by etching the surface layer of the silicon nitride substrate at a treatment temperature of preferably 20 to 100 ° C. and a treatment time of 15 minutes or more. Form the surface. Further, due to the fact that the grain boundary portion containing the sintering aid is more easily eroded than the silicon nitride itself during the strong acid treatment, selective chemical etching of the grain boundary is preferably performed in the vicinity of the surface of the substrate, preferably with a pore diameter of 2 μm or less and a depth. A large number of pinholes of 0.5 μm or more are newly formed, and in the open pores of the sintered body, the pinholes are formed deep inside the pinhole. The mixing ratio of the strong acid may be one that effectively corrodes silicon nitride. For example, 48% without using other strong acid
The same treatment can be performed by using HF alone at 70 ° C. or higher for 3 hours or longer, but it is not suitable for industrial production, so an appropriate amount of another strong acid (mixing ratio is 90 vol.%) Is used.
It is preferable to add the following).

【0016】(2)キズ付け処理による核生成点の形成 上記強酸による侵食処理をおこなった基体の表面にダイ
ヤモンド粒子によるキズ付け処理を施して、ピンホ−ル
内部及び基体表面にダイヤモンドの核生成点を多発させ
る。この処理としては、微粒ダイヤモンド粉末を懸濁さ
せた溶液中に酸処理基体を浸漬して超音波を作用させる
超音波キズ付け処理を採用するのが好ましい。この場合
のダイヤモンド粉末の粒径は、ピンホールの内径より小
さいことが必要であり、粒径1μm以下であることが好
ましい。また、キズ付け処理時間は15分以上、超音波
出力は200W以上が好ましい。キズ付け処理中におい
て、若干のダイヤモンド粉は基体表面およびピンホール
の内部に残留することが考えられるが、これは基体表面
およびピンホール内部へのダイヤモンドの種付けまたは
充填(目詰め)となり、ダイヤモンドの核発生にはむし
ろ好適である。上記超音波を使用する代わりに、ジェッ
ト流等を利用するものでもよい。
(2) Formation of Nucleation Points by Scratching Treatment The surface of the substrate that has been subjected to the erosion treatment with the strong acid is subjected to a scratching treatment with diamond particles to give diamond nucleation points inside the pinhole and on the substrate surface. To occur frequently. As this treatment, it is preferable to employ an ultrasonic scratching treatment in which an acid-treated substrate is immersed in a solution in which fine diamond powder is suspended and an ultrasonic wave is applied. In this case, the particle size of the diamond powder needs to be smaller than the inner diameter of the pinhole, and the particle size is preferably 1 μm or less. Further, it is preferable that the scratching treatment time is 15 minutes or more and the ultrasonic wave output is 200 W or more. It is considered that some diamond powder remains on the surface of the substrate and inside the pinholes during the scratching process, but this causes seeding or filling (filling) of the diamond on the surface of the substrate and inside the pinholes. It is rather suitable for nucleation. Instead of using the ultrasonic waves, a method using a jet flow or the like may be used.

【0017】(3)第1段階CVDによるダイヤモンド
アンカーと微粒被覆層の形成 ダイヤモンドの微粒コーティング条件でピンホール内部
にダイヤモンドアンカーの形成および活性基体表面にダ
イヤモンド被覆層を形成させる。生成するダイヤモンド
核の粒径は、第1段階CVDの終了時において2μm以
下であることが好ましい。ダイヤモンドの析出法は、た
とえばマイクロ波プラズマCVD、RFプラズマCVD
法、熱フィラメント法、ECRプラズマCVD法、アー
クプラズマ法など公知にいずれの気相成長ダイヤモンド
膜合成法でもよい。また、原料ガスには、ダイヤモンド
を合成しうる公知の含炭素化合物と水素を含む反応ガス
を用いることができる。CO−H2 系の反応ガスを用い
るマイクロ波プラズマCVD法にあっては、高出力(6
50〜1100W、好ましくは750W)、低出力(5
〜20Torr、好ましくは15Torr)、低CO濃
度(5〜15vol%、好ましくは10vol%)、基
体温度(700〜900℃、好ましくは850℃)のC
VD条件が好適である。このさい、ダイヤモンドは活性
表面でも核生成するが、同時にピンホール内部にも核生
成し、ピンホール内部をダイヤモンドアンカーで充填し
た後、微粒のダイヤモンド被覆層を基体表面全体に形成
する。この微粒被覆層の膜厚は1〜2μmとするのが好
適である。
(3) Formation of Diamond Anchor and Fine Grain Coating Layer by First Step CVD The diamond anchor is formed inside the pinhole and the diamond coating layer is formed on the surface of the active substrate under the fine grain coating conditions of diamond. The grain size of the diamond nuclei formed is preferably 2 μm or less at the end of the first stage CVD. The diamond deposition method is, for example, microwave plasma CVD or RF plasma CVD.
Method, hot filament method, ECR plasma CVD method, arc plasma method or any other known vapor phase growth diamond film synthesis method may be used. As the source gas, a reaction gas containing hydrogen and a known carbon-containing compound capable of synthesizing diamond can be used. In the microwave plasma CVD method using a CO-H 2 -based reaction gas, high output (6
50-1100W, preferably 750W), low output (5
˜20 Torr, preferably 15 Torr), low CO concentration (5-15 vol%, preferably 10 vol%), substrate temperature (700-900 ° C., preferably 850 ° C.) C
VD conditions are preferred. At this time, diamond nucleates on the active surface as well, but at the same time, it also nucleates inside the pinhole, and after filling the inside of the pinhole with a diamond anchor, a fine diamond coating layer is formed on the entire surface of the substrate. The thickness of the fine particle coating layer is preferably 1 to 2 μm.

【0018】(4)第2段階CVDによるダイヤモンド
の厚膜形成と炭素拡散層の形成 上記第1段階CVDに引き続き、好ましくは成膜速度1
μm/h以上のコーティング条件で膜厚20μm以上の
ダイヤモンド膜を連続的または断続的に形成する。ダイ
ヤモンド厚膜の形成には、たとえばマイクロ波プラズマ
CVD、RFプラズマCVD法、熱フィラメント法、E
CRプラズマCVD法、アークプラズマ法など公知のい
ずれの気相成長ダイヤモンド膜合成法でもよい。また原
料ガスには、ダイヤモンドを合成しうる公知の含炭素化
合物と水素を含む反応ガスを用いることができる。CO
−H2 系の反応ガスを用いるマイクロ波プラズマCVD
法にあっては、低出力(450〜600W、好ましくは
550W)、高出力(20〜40Torr、好ましくは
30Torr)、高CO濃度(20〜45vol%、好
ましくは25vol%)、基体温度(800〜900
℃、好ましくは850℃)のCVD条件が好適である。
ただし、この第2段階CVDでは、炭素の基質中への拡
散が進行するので、基質温度は800℃以上、処理時間
20h以上であることが好ましい。また、コーティング
層の膜厚は、20〜200μmであることが好ましい。
(4) Formation of Thick Film of Diamond and Formation of Carbon Diffusion Layer by Second Step CVD Following the above first step CVD, preferably a deposition rate of 1
A diamond film having a thickness of 20 μm or more is formed continuously or intermittently under a coating condition of μm / h or more. For forming the diamond thick film, for example, microwave plasma CVD, RF plasma CVD method, hot filament method, E
Any known vapor phase growth diamond film synthesis method such as a CR plasma CVD method or an arc plasma method may be used. As the raw material gas, a reaction gas containing hydrogen and a known carbon-containing compound that can synthesize diamond can be used. CO
Microwave plasma CVD using a reaction gas -H 2 system
In the method, low output (450 to 600 W, preferably 550 W), high output (20 to 40 Torr, preferably 30 Torr), high CO concentration (20 to 45 vol%, preferably 25 vol%), substrate temperature (800 to 900
C., preferably 850.degree. C.) CVD conditions are suitable.
However, in this second-stage CVD, diffusion of carbon into the substrate proceeds, so that the substrate temperature is preferably 800 ° C. or higher and the treatment time is preferably 20 h or longer. The thickness of the coating layer is preferably 20 to 200 μm.

【0019】本発明は、図2の模式図に示すように、ま
ず強酸処理中に窒化ケイ素基体の表面近傍に形成された
活性な凹凸表面およびピンホールへのダイヤモンドアン
カーの形成によって基体材料とダイヤモンドとの接触面
積が増大し、微粒ダイヤモンドの核生成により高密着性
を確保している。しかも、第2段階のCVDで処理中に
活性表面を通して炭素の基体中への拡散が促進され、S
i−Cの強固な結合を含む表面層が形成され、ダイヤモ
ンドと窒化ケイ素基体との密着性がさらに増大してい
る。
According to the present invention, as shown in the schematic view of FIG. 2, firstly, the base material and the diamond are formed by forming diamond anchors on the active irregular surface and pinholes formed near the surface of the silicon nitride base during the strong acid treatment. The contact area with and increases, and high adhesion is secured by nucleation of fine diamond. Moreover, the second stage CVD promotes the diffusion of carbon into the substrate through the active surface during processing,
A surface layer containing a strong i-C bond is formed, and the adhesion between the diamond and the silicon nitride substrate is further increased.

【0020】したがって、これらの処理中に、基体とダ
イヤモンド膜との境界層付近で傾斜組成および傾斜組織
が自発的に形成されている。ダイヤモンド層の厚膜化に
より、切削時の衝撃エネルギーをダイヤモンド膜が吸収
し、断続切削条件でも剥離現象が認められず、工具寿命
はダイヤモンドの正常摩耗、したがってダイヤモンドの
膜厚にのみ依存する。
Therefore, during these treatments, the graded composition and the graded structure are spontaneously formed near the boundary layer between the substrate and the diamond film. Due to the thickening of the diamond layer, the diamond film absorbs impact energy during cutting, no peeling phenomenon is observed even under interrupted cutting conditions, and the tool life depends only on normal wear of diamond, and therefore on the thickness of diamond.

【0021】本発明の強酸による処理は、ダイヤモンド
アンカーの形成に効果的であるのみならず、窒化ケイ素
基体自身の表面活性化により、第2段階CVDにおける
炭素拡散層の形成を容易にするために必須であり、特開
平4−276077号に見られるように数%のハロゲン
化水素を含む希薄なフッ化水素酸水溶液中での粒界相の
エッチングでは図3のaに示すようにピンホールは微細
であり充分なアンカー効果は期待できない。
The treatment with the strong acid of the present invention is not only effective for forming a diamond anchor, but also facilitates the formation of a carbon diffusion layer in the second stage CVD by surface activation of the silicon nitride substrate itself. Indispensable, as shown in JP-A-4-276077, when the grain boundary phase is etched in a dilute hydrofluoric acid aqueous solution containing a few percent of hydrogen halide, pinholes are not formed as shown in FIG. It is fine and cannot expect a sufficient anchor effect.

【0022】本発明によるフッ化水素酸および他の強酸
を含む濃厚溶液によるエッチングでは、図3のbであき
らかなように粒界相の多量のエッチングのみならず、窒
化ケイ素自身のエッチングによる基体表面の活性化を図
ることができる。
In the etching with the concentrated solution containing hydrofluoric acid and other strong acid according to the present invention, not only the etching of a large amount of the grain boundary phase but also the etching of the silicon nitride itself as shown in FIG. Can be activated.

【0023】この活性化により基体の窒化ケイ素粒子が
一部脱落し、基体表面にも凹凸を生じている。また、第
1段階CVDは酸処理によって形成された活性表面およ
びピンホール内部への微粒ダイヤモンドの析出に必須で
あり、特開平3−197677号に見られるような第2
段階処理による密着性向上の効果をはるかに凌ぐもので
ある。
By this activation, some of the silicon nitride particles on the substrate are dropped off, and irregularities are generated on the surface of the substrate. The first-stage CVD is indispensable for the deposition of fine diamond on the active surface formed by the acid treatment and inside the pinhole, and the second-stage CVD as disclosed in JP-A-3-197677.
This is far superior to the effect of improving the adhesion by the step treatment.

【0024】したがって、本発明の前記4工程を順次お
こなうことによって、初めて膜厚20μm以上の高密着
性のダイヤモンド被覆が可能であり、剥離のない長寿命
のダイヤモンドコーティング工具の製造が達成できる。
Therefore, by sequentially performing the above-mentioned four steps of the present invention, diamond coating having a film thickness of 20 μm or more and high adhesion can be achieved for the first time, and a long-life diamond coating tool without peeling can be achieved.

【0025】[0025]

【実施例】本発明の実施例を表1に示し、前記4工程処
理の効果をより具体的に示す。
EXAMPLES Examples of the present invention are shown in Table 1 to more specifically show the effects of the four-step treatment.

【0026】[0026]

【表1】 [Table 1]

【0027】市販の窒化ケイ素を母相とする切削工具用
チップ(東芝タンガロイ製FX−920,工具形状:T
PGN160304)を予め表面ラップ処理後、47%
HF−60%HNO3 (混合比は体積比で1:1)の強
酸水溶液中で処理温度40℃、処理時間60minの条
件でエッチング処理をおこなった。
A chip for a cutting tool having a commercially available silicon nitride as a mother phase (Toshiba Tungaloy FX-920, tool shape: T
PGN160304) 47% after pre-surface lap treatment
The etching treatment was performed in a strong acid aqueous solution of HF-60% HNO 3 (mixing ratio is 1: 1 by volume) under the conditions of treatment temperature 40 ° C. and treatment time 60 min.

【0028】図3のbは実施例2の強酸処理後の基体の
表面状態を示している。活性な凹凸表面とピンホールの
存在が確認できる。
FIG. 3b shows the surface condition of the substrate after the strong acid treatment of Example 2. The presence of active irregular surfaces and pinholes can be confirmed.

【0029】その後、粒径0〜1/4μmのダイヤモン
ド粉末1gを懸濁させたエタノール50ml中に酸処理
基体を浸漬し、超音波出力200W、処理時間30mi
nの条件でキズ付け処理をおこなった。
Then, the acid-treated substrate was immersed in 50 ml of ethanol in which 1 g of diamond powder having a particle size of 0 to 1/4 μm was suspended, and the ultrasonic output was 200 W and the treatment time was 30 mi.
The scratching process was performed under the condition of n.

【0030】次に、CO−H2 系の反応ガスを用いる周
波数2.45GHzのマイクロ波プラズマCVD装置に
より2段階CVD処理をおこなった。まず、第1段階C
VDでは、表2の処理条件でダイヤモンドを析出させ
た。また、第2段階CVDでは、表3の処理条件でダイ
ヤモンドを析出させた。
Next, a two-stage CVD process was performed by a microwave plasma CVD apparatus using a CO-H 2 reaction gas and having a frequency of 2.45 GHz. First, the first stage C
In VD, diamond was deposited under the processing conditions shown in Table 2. In the second stage CVD, diamond was deposited under the processing conditions shown in Table 3.

【0031】[0031]

【表2】 [Table 2]

【0032】[0032]

【表3】 [Table 3]

【0033】作製したダイヤモンドコーティング工具に
ついて、表4の条件でフライス切削試験をおこなった。
A milling cutting test was conducted on the produced diamond-coated tool under the conditions shown in Table 4.

【0034】[0034]

【表4】 [Table 4]

【0035】図4に、実施例2のフライス切削試験の逃
げ面摩耗量VB と切削量との関係を示す。ダイヤモンド
被膜の剥離は認められず、切削量216cm3 において
ダイヤモンド膜の正常摩耗と磨滅が観察されている。こ
のときのVB 摩耗量は0.15mmである。
FIG. 4 shows the relationship between the flank wear amount V B and the cutting amount in the milling cutting test of Example 2. No peeling of the diamond film was observed, and normal wear and abrasion of the diamond film were observed at a cutting amount of 216 cm 3 . The amount of V B wear at this time is 0.15 mm.

【0036】図5は実施例の刃先先端の磨滅状態の写真
を示す。図中aは実施例1の切削テスト23pass後
のもの、bは実施例2の切削テスト90pass後のも
のをそれぞれあらわす。
FIG. 5 shows a photograph of the worn state of the tip of the blade of the embodiment. In the figure, “a” shows the state after the cutting test of 23 pass in Example 1, and “b” shows the state after the cutting test of 90 pass in Example 2.

【0037】図6は実施例1の工具先端部分の顕微ラマ
ンスペクトルであり、ダイヤモンドの生成が確認でき
る。
FIG. 6 is a microscopic Raman spectrum of the tip portion of the tool of Example 1, in which the formation of diamond can be confirmed.

【0038】図7は実施例1の刃先先端の工具断面のE
PMA面分析結果であるが、窒化ケイ素基体中に炭素が
拡散している様子がわかる。また、ダイヤモンド被膜へ
のシリコンの拡散も一部認められた。
FIG. 7 is an E of the tool cross section at the tip of the cutting edge of the first embodiment.
The PMA surface analysis result shows that carbon is diffused in the silicon nitride substrate. In addition, some diffusion of silicon into the diamond coating was also observed.

【0039】[0039]

【比較例】上記実施例と比較するために、異なる工程と
処理条件で作製したダイヤモンドコーティング工具の作
製方法と切削試験結果を比較例として表1に併記した。
[Comparative Example] In order to compare with the above example, Table 1 also shows the method for producing a diamond-coated tool produced by different steps and treatment conditions and the cutting test result as a comparative example.

【0040】比較例1は、酸処理なしでかつ第2段階C
VDのみの場合であり、切削試験ではダイヤモンド膜の
剥離が切削開始後直ちに生じている。
Comparative Example 1 is the second stage C without acid treatment.
This is the case only for VD, and in the cutting test, peeling of the diamond film occurs immediately after the start of cutting.

【0041】比較例2は、酸処理なしで第1段階CVD
と第2段階CVDをおこなった場合であり、第1段階C
VDで微粒コーティング条件を、第2段階で厚膜のCV
D条件を採用しておこなったほうが工具寿命が長いこと
がわかる。
Comparative Example 2 is the first stage CVD without acid treatment.
And the second stage CVD is performed, the first stage C
Fine particle coating condition with VD, thick film CV with 2nd stage
It can be seen that the tool life is longer when the D condition is adopted.

【0042】比較試料3は、酸処理を25℃,30mi
nおこなった後、第1段階および第2段階CVDを続け
た場合であり、強酸処理による工具寿命の向上が見られ
る。
Comparative sample 3 was treated with acid at 25 ° C. and 30 mi.
This is the case where the first-stage and second-stage CVD are continued after n, and the tool life is improved by the strong acid treatment.

【0043】比較試料4は、酸処理温度を40℃とし、
第2段階CVDの処理時間を長くし膜厚を厚くした場合
の効果を示している。ハードな強酸処理と厚膜化による
密着性の向上と工具寿命の改善が明らかである。
Comparative sample 4 had an acid treatment temperature of 40 ° C.
The effect is shown when the processing time of the second stage CVD is increased and the film thickness is increased. It is clear that hard strong acid treatment and thick film improve the adhesion and the tool life.

【0044】[0044]

【発明の効果】以上に説明した如く、大別して4工程か
らなる本発明の製造法によると、酸処理窒化ケイ素基体
への第1段階CVDによるダイヤモンドアンカーからな
る傾斜組織と、第2段階CVDで活性な凹凸表面からの
炭素拡散層による強固なSi−C結合を有する傾斜組成
層が形成される結果、膜厚を増加させても高密着性が得
られ、高寿命・高性能のダイヤモンドコーティング工具
の製造が可能である。また、本発明にかかるダイヤモン
ドコーティング工具は、上記の如く基体に対するダイヤ
モンドコーティング膜の密着性が高いので、例えば高シ
リコン含有のA1−Si系合金の高速断続切削にも充分
耐え得るようになり、エンジン部材をはじめとする難削
性の合金またはセラミックス等の精密加工に対して、焼
結ダイヤモンド工具よりも低コストの耐久性に優れた工
具への応用が可能となった。
As described above, according to the manufacturing method of the present invention which is roughly divided into four steps, the graded structure composed of the diamond anchor by the first step CVD on the oxytreated silicon nitride substrate and the second step CVD are used. As a result of forming a graded composition layer having a strong Si-C bond by a carbon diffusion layer from an active uneven surface, high adhesion can be obtained even if the film thickness is increased, and a diamond coating tool with long life and high performance Can be manufactured. Further, since the diamond coating tool according to the present invention has high adhesion of the diamond coating film to the substrate as described above, it becomes possible to sufficiently withstand high-speed intermittent cutting of, for example, an A1-Si alloy containing a high amount of silicon. For precision machining of hard-to-cut alloys or ceramics such as members, it has become possible to apply to tools with lower cost and durability than sintered diamond tools.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の概略工程図である。FIG. 1 is a schematic process diagram of the present invention.

【図2】ダイヤモンドコーティング工具の作製法を示す
模式図である。
FIG. 2 is a schematic view showing a method for manufacturing a diamond coating tool.

【図3】酸処理後の基体表面の金属組織写真で、aは5
%HF水溶液中で常温,10min処理後の状態、bは
47%HF−60%HNO3 水溶液(体積比1:1)中
で40℃,60min処理後の状態をそれぞれあらわ
す。
FIG. 3 is a photograph showing a metallographic structure of a substrate surface after acid treatment, where a is 5
% Aqueous solution at room temperature for 10 min, and b represents 47% HF-60% HNO 3 aqueous solution (volume ratio 1: 1) at 40 ° C. for 60 min.

【図4】摩耗量と切削量との関係をあらわすグラフであ
る。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the wear amount and the cutting amount.

【図5】工具刃先先端の磨滅状態を示す金属組織写真で
ある。
FIG. 5 is a photograph of a metal structure showing a worn state of a tip of a tool blade.

【図6】工具刃先先端の顕微ラマンスペクトルである。FIG. 6 is a microscopic Raman spectrum at the tip of a tool blade.

【図7】刃先先端の工具断面のEPMAによる炭素の分
析結果をあらわす金属組織写真である。
FIG. 7 is a metallographic photograph showing the results of carbon analysis by EPMA of the tool cross section at the tip of the cutting edge.

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 C30B 29/04 X 8216−4G Q 8216−4G Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Office reference number FI technical display location C30B 29/04 X 8216-4G Q 8216-4G

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 多数のピンホ−ルが形成された窒化ケイ
素燒結体表面付近に厚さ5μm以上の炭素拡散層が形成
され、前記ピンホ−ル内及び燒結体表面にCVD法によ
る厚さ20〜200μmのダイヤモンドコーティング層
が形成されていることを特徴とするダイヤモンドコーテ
ィング工具。
1. A carbon diffusion layer having a thickness of 5 μm or more is formed in the vicinity of the surface of a silicon nitride sintered body on which a large number of pinholes are formed, and the thickness of the carbon diffusion layer within the pinhole and the surface of the sintered body is 20 to 20 μm by a CVD method. A diamond coating tool having a diamond coating layer of 200 μm formed.
【請求項2】 窒化ケイ素を母相とする焼結体の基体表
面を濃度20%以上のフッ化水素酸と他の強酸を含む混
合溶液に浸漬して活性な凹凸表面を形成するとともに、
粒界をエッチングして多数のピンホールをつくり、該ピ
ンホ−ルよりも小径のダイヤモンド粉末によるキズ付け
処理をおこなうことにより、基体表面およびピンホール
内部にダイヤモンドの核生成点を多発させ、その後第1
段階CVDで粒径2μm以下の微粒ダイヤモンドコーテ
ィングをおこない、ピンホール内部へのダイヤモンドア
ンカーおよび基体表面への膜厚2μm以下の薄膜コーテ
ィングからなる下地層を形成し、さらにその上に第2段
階CVDで膜厚20〜200μmのダイヤモンド膜を形
成し、同時に基体内部に厚さ5μm以上の炭素拡散層か
らなる傾斜組成及び傾斜組織を形成することを特徴とす
るダイヤモンドコーティング工具の製造方法。
2. An active uneven surface is formed by immersing a substrate surface of a sintered body containing silicon nitride as a mother phase in a mixed solution containing hydrofluoric acid having a concentration of 20% or more and another strong acid, and
The grain boundaries are etched to form a large number of pinholes, and a scratching treatment with a diamond powder having a diameter smaller than that of the pinholes is performed to generate a large number of diamond nucleation points on the surface of the substrate and inside the pinholes. 1
A fine diamond coating with a grain size of 2 μm or less is applied by stepwise CVD to form a base layer consisting of a diamond anchor inside the pinhole and a thin film coating of 2 μm or less on the surface of the substrate. A method for producing a diamond coating tool, which comprises forming a diamond film having a thickness of 20 to 200 μm and simultaneously forming a graded composition and a graded structure consisting of a carbon diffusion layer having a thickness of 5 μm or more inside a substrate.
【請求項3】 強酸が濃度20%以上の硝酸、50%以
上の硫酸、20%以上の塩酸のうちの1種又は2種以上
であり、混合液中の該強酸の混合比が90vol%以下
である請求項2に記載のダイヤモンドコーティング工具
の製造方法。
3. The strong acid is one or more of nitric acid having a concentration of 20% or more, 50% or more sulfuric acid, and 20% or more hydrochloric acid, and the mixing ratio of the strong acid in the mixed liquid is 90 vol% or less. The method for manufacturing a diamond-coated tool according to claim 2, wherein
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100086527A (en) * 2009-01-23 2010-08-02 한국과학기술연구원 Ceramic body coated with diamond layer and preparation method thereof using two-phase composite
JP2010228031A (en) * 2009-03-26 2010-10-14 Mitsubishi Materials Corp Diamond coated cutting tool
WO2024142470A1 (en) * 2022-12-27 2024-07-04 株式会社村田製作所 Cutting blade and cutting blade manufacturing method

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