(57)【要約】      （修正有）【課題】ダイヤモンド膜の耐剥離性を高めた、金型等として用いられるダイヤモンド被覆部材を提供する。【解決手段】鉄鋼材料からなる母材表面に、中間層を介して、０．５〜５μｍの膜厚のダイヤモンド膜が被覆形成されたダイヤモンド被覆部材であって、前記母材の表面は、Ｒａ：０．５〜３μｍで、かつ、Ｒｚ：５μｍ以下である表面粗さを有し、また、前記中間層は、Ｒｚ：５μｍ以下の表面粗さを有し、かつ、その熱膨張係数が、ダイヤモンド膜の熱膨張係数以上であって７．８×１０−６／Ｋ以下であるＳｉＣ、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４等の材質で構成される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄鋼材料からなる母材表面に、中間層を介して、０．５〜５μｍの膜厚のダイヤモンド膜が被覆形成されたダイヤモンド被覆部材であって、前記母材の表面は、Ｒａ：０．５〜３μｍで、かつ、Ｒｚ：５μｍ以下である表面粗さを有し、また、前記中間層は、Ｒｚ：５μｍ以下の表面粗さを有し、かつ、その熱膨張係数が、ダイヤモンド膜の熱膨張係数以上であって７．８×１０−６／Ｋ以下である材質で構成されていることを特徴とするダイヤモンド被覆部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ダイヤモンド膜の耐剥離性を高めたダイヤモンド被覆部材に関し、例えば、耐摩耗性を必要とする金型の表面に対し、気相合成法（ＣＶＤ法）等によりダイヤモンド膜を被覆し、その使用寿命の延長を図ったダイヤモンド被覆部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、金型、工具等の母材表面に、ダイヤモンド膜やダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜等を被覆し、その耐摩耗性を高めたダイヤモンド被覆部材が知られている。
しかし、これらのダイヤモンド被覆部材は、ダイヤモンド（ＤＬＣを含む）膜と母材間での密着強度が弱いため剥離し易いという欠点があった。
そこで、ダイヤモンド（ＤＬＣを含む）膜と母材間での耐剥離性の改善を目的として、いくつかの提案がなされている。
例えば、特許文献１に示すように、ＷＣ基超硬母材の表面に、Ｒａは０．４〜１．５μｍの凹凸面を形成し、該凹凸面を被覆するＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素及びＳｉのうちの１種以上の元素を含有する無機質中間層を介して、ダイヤモンド膜を被覆したダイヤモンド被覆部材が知られており、これによって、ＷＣ基超硬母材とダイヤモンド膜の密着力が向上することが報告されている。
また、特許文献２に示すように、ステンレス鋼、ＳＫＳ、ＳＫＤ、超硬合金、ステライト、ＳＮＣＭまたはＤＣ５３からなる母材表面に、ＭＳｉａＣｂ（ただし、ＭはＶ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、ＴｉおよびＺｒの何れか一種以上）の組成からなる中間層を介してＤＬＣを被覆した部材が知られており、これによって、母材とＤＬＣ膜の密着力が向上することも報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１９３４７９号公報
【特許文献２】特開２０００−１７８７３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記特許文献１にみられるような従来のダイヤモンド被覆部材においては、ＷＣ基超硬母材−ダイヤモンド膜間に無機質中間層を介することによりダイヤモンド膜の密着性がある程度改善されるものの、ＷＣ基超硬母材以外の場合にはこの限りでなく、特に母材として鉄鋼材料を用いた場合には、加熱冷却の厳しい熱サイクル負荷が作用する金型等においてはしばしば剥離が生じるため、ダイヤモンド被覆部材の寿命が短いという問題点があった。
また、前記特許文献２にみられるような従来のダイヤモンド被覆部材においては、ＤＬＣ膜は優れた耐摩耗性を有するものの耐熱性が低いため、厳しい熱サイクル負荷が作用する用途に使用した場合には、やはりＤＬＣ膜の剥離が生じ易く、寿命が短いという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、耐摩耗性が必要とされると同時に熱負荷が作用する金型等の用途に用いられるダイヤモンド被覆部材において、ダイヤモンド膜の耐剥離性を高めるという観点から、中間層について鋭意研究を行った。
即ち、本発明者は、工具鋼、ステンレス鋼等の鉄鋼材料を母材とし、母材表面に種々の中間層を被覆し、さらにこの中間層上にダイヤモンド被覆を行ったダイヤモンド被覆部材について、熱サイクルによる母材−中間層−ダイヤモンド膜の剥離挙動を調査したところ、母材表面に所定の凹凸を形成し、かつ、所定の熱膨張係数を有する中間層材質を選択することによって、ダイヤモンド膜の剥離挙動に大きな違いがあることを見出した。
具体的には、母材表面の凹凸を、ＪＩＳ  Ｂ０６０１−１９９４（２００１）にしたがい、カットオフ値０．０８ｍｍにおける算術平均粗さＲａ：０．５〜３μｍで、かつ、Ｒｚ：５μｍ以下とし、さらに、中間層は、その熱膨張係数がダイヤモンド膜の熱膨張係数（３．１×１０−６／Ｋ）以上であって、かつ、７．８×１０−６／Ｋ以下である材質を選択することにより、加熱冷却等の厳しい熱サイクル負荷が作用する金型等に用いた場合でも、母材、中間層、ダイヤモンド膜の熱膨張差に起因する熱応力によって発生するダイヤモンド膜の剥離が防止され、その結果、耐摩耗性に優れかつ長寿命のダイヤモンド被覆部材を得られることを知見したのである。
【０００６】
この発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「  鉄鋼材料からなる母材表面に、中間層を介して、０．５〜５μｍの膜厚のダイヤモンド膜が被覆形成されたダイヤモンド被覆部材であって、前記母材の表面は、Ｒａ：０．５〜３μｍで、かつ、Ｒｚ：５μｍ以下である表面粗さを有し、また、前記中間層は、Ｒｚ：５μｍ以下の表面粗さを有し、かつ、その熱膨張係数が、ダイヤモンド膜の熱膨張係数以上であって７．８×１０−６／Ｋ以下である材質で構成されていることを特徴とするダイヤモンド被覆部材。」
に特徴を有するものである。
【０００７】
つぎに、この発明のダイヤモンド被覆部材について、詳細に説明する。
【０００８】
母材：
本発明では、母材の表面に凹凸面を形成し、アンカー効果をもたせることによって中間層の密着力を高めるが、凹凸面の形成は、例えば、酸溶液によるエッチングおよび／またはアルカリ溶液によるエッチング処理等による粗面化処理によって行うことができる。
母材表面の表面粗さを、ＪＩＳ  Ｂ０６０１−１９９４（２００１）にしたがう、カットオフ値０．０８ｍｍにおける算術平均粗さＲａ（以下、単にＲａで示す）で表した場合、母材の表面粗さＲａが０．５μｍ未満であると、中間層に対するアンカー効果が期待できず、一方、Ｒａが３μｍを超えると、中間層を介してこの上に成膜されるダイヤモンド膜の表面平滑性が失われ、金型としては使用できなくなることから、母材表面の表面粗さを、Ｒａ：０．５〜３μｍの範囲内とする必要がある。
また、母材表面の凹凸面の最大粗さＲｚについても、アンカー効果を発揮させると同時にダイヤモンド膜の平滑性を維持するとの観点から、Ｒｚ：５μｍ以下とすることが必要である。
本発明では、母材として、工具鋼（ＳＫＤ）、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等の鉄鋼材料を用いることができるが、これら以外でも、ダイヤモンド成膜時の温度以上の融点（例えば、９５０℃以上の融点）を有する鉄鋼材料であれば、本発明の母材として使用可能である。
【０００９】
中間層：
前記表面粗さ（凹凸面）を有する母材上に中間層をＣＶＤ、ＰＶＤ等により被覆するが、中間層としては、その熱膨張係数がダイヤモンド膜の熱膨張係数（３．１×１０−６／Ｋ）以上であって、かつ、７．８×１０−６／Ｋ以下である材質を選択することが必要である。このような特性を満たす具体的な材質としては、炭化珪素（ＳｉＣ，熱膨張係数：５．０×１０−６／Ｋ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ，熱膨張係数：５．２×１０−６／Ｋ）および窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４，熱膨張係数：３．７×１０−６／Ｋ）等を挙げることができる。
中間層材質の熱膨張係数が、上記数値範囲を外れる場合には、ダイヤモンド被覆部材に大きな熱負荷が作用した場合に、母材−ダイヤモンド膜間の熱膨張差によって大きな熱応力が働き、母材−ダイヤモンド膜間に介在形成された中間層がこの熱応力を緩和することができないため、結果として、ダイヤモンド膜の剥離が生じる。
したがって、中間層材質の熱膨張係数は、ダイヤモンド膜の熱膨張係数（３．１×１０−６／Ｋ）以上で、かつ、７．８×１０−６／Ｋ以下であることが必要である。
また、ダイヤモンド膜に接する中間層の表面粗さＲｚは、ダイヤモンド膜成膜後の表面粗さＲｚに影響を及ぼし、中間層の表面粗さＲｚが５μｍを超えると、この上に形成されるダイヤモンド膜の表面粗さＲｚも５μｍを超えるようになるが、このような粗面では金型としての性能を発揮し得なくなることから、ダイヤモンド膜の表面粗さＲｚを５μｍ以下とするために、中間層の表面粗さＲｚを５μｍ以下と定めた。
中間層の層厚が０．５μｍ未満の場合には、母材凹凸面が十分に被覆されず、母材が露出し、この部分とダイヤモンド膜が直接接触し、その界面に発生する熱応力によってダイヤモンド膜の剥離が生じ易くなり、一方、中間層の層厚が５μｍを超える場合には、母材表面の凹凸が中間層によって平滑化され、中間層−ダイヤモンド膜間での密着性が低下するようになることから、中間層の膜厚は０．５〜５μｍと定めた。
【００１０】
ダイヤモンド膜：
ダイヤモンド膜は、通常の熱フィラメント法によって、例えば、以下の条件で成膜することができる。
成膜圧力：  ８〜３０  Ｔｏｒｒ、
Ｈ２流量：  １５００〜３０００  ｓｃｃｍ、
ＣＨ４流量：  ６５〜８０  ｓｃｃｍ、
成膜温度：  ９００〜１０００  ℃
成膜時間：  ０．５〜１０  時間
なお、ダイヤモンド膜の成膜法については特に制限はなく、ＲＦ（高周波）プラズマＣＶＤ法、マイクロ波プラズマＣＶＤ法等の条件で成膜することも勿論可能である。
【発明の効果】
【００１１】
この発明のダイヤモンド被覆部材は、母材表面に凹凸面が形成され、所定の表面粗さを有することからアンカー効果によって母材に対する中間層の付着強度が向上すると同時にダイヤモンド膜の密着強度も向上し、また、中間層は、所定の熱膨張係数を有する材質で構成されているため、母材−ダイヤモンド膜の界面に発生する熱膨張差による熱応力が緩和され、その結果、鉄鋼材料からなる母材表面上に、耐剥離性が改善されたダイヤモンドを被覆したダイヤモンド被覆部材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ダイヤモンド成膜後、室温にまで冷却された本発明ａのダイヤモンド膜表面の平面写真を示す。
【図２】ダイヤモンド成膜後、室温にまで冷却された比較例２ａのダイヤモンド膜表面の平面写真を示す。
【図３】本発明ｂで形成されたダイヤモンド膜についての表面ＳＥＭ像（走査型電子顕微鏡写真。倍率：３０００倍）を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
つぎに、この発明のダイヤモンド被覆部材を実施例により具体的に説明する。
ここでは、ダイヤモンド被覆金型として使用した場合について述べるが、本発明はこれに限定されるものではなく、各種のダイヤモンド被覆部材として適用することが可能である。
【実施例】
【００１４】
鉄鋼材料からなる母材として、ＪＩＳ．ＳＫＤ８を用い、表面をアセトン中で超音波洗浄し、乾燥した後、酸溶液によるエッチングおよび／またはアルカリ溶液により種々の条件でエッチング処理を行なうことによって母材表面に、表１に示されるＲａ値、Ｒｚ値の凹凸を形成し、本発明母材ａ，ｂを作製した。
なお、Ｒａ、Ｒｚの測定は、レーザ顕微鏡（Ｏｌｙｍｐｕｓ製）を用い、観察倍率５０倍、ステップ０．０５μｍで行った。
【００１５】
次に、上記の本発明母材１，２の表面に、熱膨張係数がダイヤモンド膜の熱膨張係数（３．１×１０−６／Ｋ）以上であって、７．８×１０−６／Ｋ以下である中間層として、表１に示されるＡｌＮ（熱膨張係数（５．２×１０−６／Ｋ））層を、スパッタリング法によって１μｍの厚さに形成した。
参考のため、ＡｌＮからなる中間層の表面粗さＲａ，Ｒｚを、本発明母材ａ，ｂと同様に測定し、その値を表１に示した。
【００１６】
次いで、上記中間層上に、熱フィラメント法によって２．５μｍ膜厚のダイヤモンド膜を成膜することによって、本発明のダイヤモンド被覆部材であるダイヤモンド被覆金型ａ，ｂ（本発明ａ，ｂという）を作製した。
熱フィラメント法による成膜条件は、以下のとおりである。
成膜圧力：３０Ｔｏｒｒ、
Ｈ２流量：３０００  ｓｃｃｍ、
ＣＨ４流量：８０  ｓｃｃｍ、
成膜温度：１０００  ℃
成膜時間：５  時間
【００１７】
比較のため、本発明と同じ母材（ＪＩＳ．ＳＫＤ８）に対して、本発明と同様な方法で、母材表面に凹凸を形成した表１に示される比較例母材１ａ〜３ｂ（但し、比較例母材３ａ，３ｂのＲｚの値は、上記本発明母材ａ，ｂの範囲外とした）を作製し、表１に示される材質からなる中間層を本発明と同様な方法で、１μｍの厚さに形成し（但し、比較例２ａ，２ｂは、中間層を形成せず）、次いで、本発明と同様な方法で、熱フィラメント法によって２．５μｍ膜厚のダイヤモンド膜を成膜することによって、比較例のダイヤモンド被覆部材であるダイヤモンド被覆金型１ａ〜３ｂ（比較例１ａ〜３ｂという）を作製した。
中間層およびダイヤモンド膜の表面粗さＲａ，Ｒｚを、本発明母材ａ，ｂと同様に測定し、その値を表１に示した。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
上記で得た本発明ａ，ｂおよび比較例１ａ〜３ｂについて、ダイヤモンド膜の剥離性を観察した。
表１に示されるように、本発明ａ，ｂおよび比較例１ａ〜３ｂのいずれも、成膜中にダイヤモンド膜が剥離を生じることはなかった。
しかし、成膜後、室温にまで冷却された場合、本発明ａ，ｂでは、剥離を生じることはなかったが、比較例１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂについては、剥離が発生した。
【００２０】
図１に、一例として、成膜後、室温にまで冷却された状態の本発明ａのダイヤモンド膜表面の平面写真を示すが、剥離は全く見られない。
本発明ｂについても、本発明ａと同様、剥離発生が全く見られないダイヤモンド膜が形成されていた。
【００２１】
図２には、成膜後、室温にまで冷却された状態の比較例２ａのダイヤモンド膜表面の平面写真を示すが、肉眼でも剥離（亀裂）がはっきりと観察される。比較例２ａ，２ｂは、中間層を設けていないことから、熱膨張差に起因する熱応力によって剥離（亀裂）が発生したことは明らかである。
また、図示しないが、中間層として熱膨張係数の大きいＡｌ２Ｏ３を使用した比較例１ａ，１ｂについても、比較例２ａ，２ｂと同様な剥離（亀裂）が発生していた。これも、母材とダイヤモンド膜との熱膨張差に起因する熱応力による剥離（亀裂）である。
【００２２】
図３には、一例として、本発明ｂで形成されたダイヤモンド膜についての表面ＳＥＭ像（走査型電子顕微鏡写真。倍率：３０００倍）を示すが、表面粗さの小さいダイヤモンド膜が観察される。
これに対して、比較例３ａ，３ｂは、成膜中も室温でもダイヤモンド膜に剥離発生は生じなかったものの、得られたダイヤモンド膜の表面粗さが大きすぎて（Ｒｚ＝５．９，６．３）、金型用の製品としては不適格のものであった。
これは、母材（ＳＫＤ８）のＲｚが６．４，７．０と大であったため、中間層のＲｚも６．３，６．６と大きくなり、その結果、ダイヤモンド膜の表面粗さＲｚも５μｍを超えてしまったためである。
【００２３】
以上のことから、本発明は、耐剥離性、耐摩耗性に優れたダイヤモンド被覆部材を提供することができるのに対して、比較例は、耐剥離性は劣り、あるいは、耐剥離性を備えていても金型製品等の用途には全く不向きなものであった。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
この発明のダイヤモンド被覆部材は、ダイヤモンド膜の耐剥離性に優れることから、金型ばかりでなく、フライス工具、バイト、エンドミル、カッター、ドリル等の各種切削工具や耐摩耗性部材等として用いることが可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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