JPH01212766A - 硬質多結晶ダイヤモンド工具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は切削工具又は耐摩工具等として用うるに好適な
ダイヤモンド工具に関するものである。

〔従来の技術］ ダイヤモンド微粉末を超高圧下でｇ　ｉＭしてなるダイ
ヤモンド焼結体は、既に非鉄金属類の切削加工用工具、
ドリルビットあるいは線引ダイス等に広く使用されてい
る。

例えば特公昭５２−１２１２６号公報にはこの種の焼結
体の製法が開示されており、そこではダイヤモンドの粉
末をＷｅ−Ｃｏ題硬合金の成型体または焼結体に接する
ように配置し、超硬合金の液相が生じる温度以上の温度
並びに超高圧下で焼結が行なわれる。このとき、超硬合
金中のＣＯの一部は、ダイヤモンド粉末層中に侵入し、
結合金属として作用する。この先行技術に開示された方
法で作られたダイヤモンド焼結体は、約１０〜１５体積
係のＣＯを含有する。

上記した脱結体は、非鉄金属等の切削加工用工具として
は十分実用的な性能を有する。しかしながら、耐熱性に
おいて劣るとい９欠点があった。例えば、この焼結体を
７５０℃以上の温度に加熱すると、耐摩耗性及び強度の
低下が見られ、さらに９００℃以上の温度では焼結体が
破壊することになる。これは、ダイヤモンド粒子と結合
材であるＣＯとの界面においてダイヤモンドの黒鉛化が
生じること、並びに両者の加熱時における熱膨張率の差
に基づく熱応力によるものと考えられる。

また、Ｃｏ　　を結合材とした焼結体を酸処理して大部
分の結合金属層を除去したものでは、焼結体の耐熱性が
向上することが知られている。

例えば、特開昭５３−１）４５８９号公報には、耐熱性
の改善されたダイヤモンド焼結体の製造方法が開示され
ている。しかしながら、この先行技術では、除去された
結合金属相の部分は空孔となるため、耐熱性こそ向上す
るが、強度が低下するという問題があった。

他方、ダイヤモンドの粉末のみを超高圧下で焼結する試
みも行なわれているが、ダイヤモンド粒子自身が変形し
難いため、粒子の間隙には圧力が伝達されず、したがっ
て黒鉛化が生じ、ダイヤモンド−黒鉛の複合体しか得ら
れていない。

さらに、ダイヤモンドのみからなる多結晶体を薄膜とし
てコーティングした工具は知られているが、この種の工
具は膜厚が薄く、かつ基板との密着強度が不十分である
ため、十分な性能が得られていない。

本発明は上記の従来工具の問題点を解決した強度、耐摩
耗性、耐熱性の高いダイヤモンド工具を提供することを
目的としてなされたものである。

〔課題を解決するだめの手段〕

本発明は低圧気相法により合成された実質的にダイヤモ
ンドのみからなる多結晶ダイヤモンドが、融点７００〜
１３００℃の合金ろう材により金属および／または合金
からなる支持部材にろう付けされたものであることを特
徴とする硬質多結晶ダイヤモンド工具に関する。

本発明における該多結晶ダイヤモンドの厚さは１）〜五
〇−の範囲内が好ましい。またろう材厚さは０．１〜１
００μｍの範囲内にあることが好ましい。本発明の合金
ろう材としてはＡｕ。

Ａｇ、Ｏｕ、ＴｉおよびＴａのうちの１Ｍ１以上を含有
する扁温ろう付合金が好ましく、支持部材としては鋼又
は焼結炭化物合金が好ましい。

本発明の多結晶ダイヤモンド工具は従来の焼結ダイヤモ
ンド工具に比べて耐熱性が大幅に改善され、約１３００
℃の温度での加熱に対しても耐え得ることがわかった。

又強度、耐摩耗性も高い。

〔作用〕

以下に本発明の多結晶ダイヤモンド工具をその製造方法
を示して説明する。

本発明において、多結晶ダイヤモンドの合成は、ダイヤ
モンドが熱力学的に準安定な低圧条件下で気相から析出
させる方法による。この低圧気相法は１）化学蒸溜法（
ａｖｎ法）、２）プラズマＯＶＤ法、３）イオンビーム
蒸着法に大別されるが、所望の方法を選択して実施する
ことができる。

これらの低圧気相法を用いて、基板上にＣＬ１〜五〇■
の厚さの実質的にダイヤモンドのみからなる多結晶体を
作製する。ここで厚さｔｌ−（Ｌ１■以上とするのは、
実際に切削工具として使用した場合、工具寿命時の逃げ
面摩耗幅が１）−以上となることが多いことによる。ま
た１０ｍ以下とするのは、一般的に使用される工具での
厚さを示すもので、特にこの直にその性能が左右される
など限定されるものではない。さらに耐摩耗性を特に要
求する場合には、その厚さをα５−〜五〇−とすればよ
い。これは、多結晶体の厚さが厚くなれば放熱特性が良
好となシ、工具使用時の刃先温度の上昇が防止されるた
めと考えられる。通常使用される多結晶体の厚さとして
は、α５〜ｉ、Ｏｍ程度が一般的である。

多結晶体を析出される基板の材質としては、多結晶体作
製中に生ずる内部応力の緩和を考慮して、その熱膨張率
がダイヤモンドのそれに近いものが好ましく、これに該
当するものとして例えばＭｏ、Ｗ、Ｓｉ、日１０　、ム
ｔＨ、Ｂ、Ｏ等が挙げられる。

次にこの多結晶ダイヤモンドが析出した基板から機械的
に又は化学処理により該基板を除去してダイヤモンドの
みの多結晶体とし、該多結晶体を支持部材にろう付けす
る。融点が７００〜１３００℃の合金ろう材を用いて、
ダイヤモンド多結晶体と金属および／または合金からな
る支持部材とを接合する。使用ろう材の融点を上記範囲
に限定する理由は、７００℃未満の融点のろ９材を用い
ると多結晶体と支持部材の接合強度が低くな９、工具作
製の際の刃付は作業工程や、工具使用時にろう耐部分で
の剥離が生ずるため好ましくない。また、１３００’Ｃ
を越える高融点ろう材の使用は、ろう付時での多結晶ダ
イヤモンドの黒鉛への変換が生じ、工具性能の低下を招
くため好ましくない。

従って、上記のろう付温度範囲内でなるべく接合強度の
高いろう材を用いることが好ましく、これに・該当する
高温ろう材としては、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉお
よびＴａ　　から選ばれる１種以上を含有するものが挙
げられる。具体列は実施列に示す。また、これ等のろう
材を使用しても、ろう術後のろう材厚さを１）１〜１０
０μｍ、好ましくは５０μｍ８匿とすることが必要であ
る。０．１μｍ未満ではろう付が不均一となシやすく、
一方１００μｍを越えるとろう何部の強度低下を招くこ
とにな９好ましくない。ろう付の方法としては、非酸化
性雰囲気中での高周波加熱或は真空中での加熱による方
法等で実施することが可能である。

支持部材としては通常焼入鋼が用いられるが、特に剛性
が要求される場合には焼結炭化物合金例えばｗｅ金合金
ＴＩＣ合金、Ｍｏｎｏ　　合金等を用いることができる
。また、これら以外の金属および／または合金を支持部
材とすることは勿論可能である。なお、支持部材の厚さ
については特に限定するところはないが、ろう付時の熱
応力を緩和するには、多結晶体と支持部材との熱膨張率
の差によって、これ等の厚さの適切な比率を選定するこ
とが重要である。例えば熱膨張率の値がダイヤモンドの
それの５〜６倍であるｗ４を支持部材に用いる場合には
、支持部材の厚さは多結晶体のそれよりも薄くしないと
、剥離が生じやすい。

以上のように作製される本発明の多結晶ダイヤモンド工
具は、以下の実施例に示すように、１３００℃の加熱に
も耐える著しく改善された耐熱性を持つがこの理由とし
ては、ダイヤモンドのみからなシ、熱劣化を促進させる
結合相が存在しないことが考えられる。またこのことは
、強度の点からも従来の焼結ダイヤモンドよりｗれると
い９特徴を付与している。

〔実施例」 以下、実施列に基づき、本発明の詳細な説明する。

実施列１ マイクロ波プラズマＯＶＤ法により、基板にＭＯを使用
して、以下の条件で８時間で（１８ｍｍの厚さの多結晶
ダイヤモンドを合成した。

原料ガス（ａｍ　）　：　Ｈ，２００ＣＣ／ｍ１ｎ−Ｏ
Ｈａ　４　ＣＣ／　ｍｉｎ　％Ａｒ　１００　ｃｃ／　
ｍｉｎ圧カニ　５００　ｔｏｒｒ マイクロ波発撮機出カニａａｏｗ 得られ九多結晶ダイヤモンドμ粒径３μｍ８度で、測定
の結果、比重は五５１を示し、またうｉン分光分析によ
る同定ではダイヤモンド単相からなることが明らかとな
った。

次にこのダイヤモンドと基板の接合したものを王水処理
して、基板のみを除去した。これにより得られた実質的
にダイヤモンドのみからなる多結晶体を、厚さ１）−の
Ａｇ−Ｔｉ合金６９材を用いて、ｗｅ−ｃｏ合金製支持
体にろう付けした。

ろう付けは２　Ｘ　１０−’　ｔｏｒｒ　　の真空中で
、１０００℃に２０分間加熱することにより行なった。

工具におけるろ９材厚さは５０μｍであった。

以上の方法により得られた工具素材を研削加工して切削
チップを作製した。比較として、■ＣＯを１０容ｆｆｉ
％含有する焼結ダイヤモンド並びに■これを酸処理して
Ｃｏ　　を抽出したもの、の■、■についても切削チッ
プを作製し、性能を評価した。尚、■の焼結ダイヤモン
ドのろう付けは、上記条件では黒鉛への変化が顕著であ
ったため、融点が７００℃の銀ろうを使用し、大気中で
高周波加熱により行なった。

評価結果を表１に示す。尚、この評価は被剛材にグイツ
カース硬度２０００のアルミナ焼結体を用い、切削速度
：　３０　ｍ　／　ｍｉｎ及び８０ｍ／　ｍｉｎ　ｓ切
シ込み：ユ２憇、送り：α０２５■／ｒθｖ１並びに切
削長：４００ｍ、湿式の条件で行なった。

表　　１ この結果、■は■に比べて耐熱性が向上しているため、
８０　ｍ　／　ｍｉｎの切削速度条件で摩耗量が小さく
なっていると考えられるが、切削抵抗（特に背分力）が
増大する３　０　ｗｌ　／　！ｎｉｎの切削速度条件で
は強度不足のため、すくい面が剥離状に欠損したと思わ
れる。本発明の多結晶ダイヤモンド工具は、比較品■、
■に比べ強度、耐摩耗性、耐熱性のいずれも向上してい
るため、切削速度に依存せず摩耗量がはるかに少ないも
のであることが明らかとなった。

実施列２ 実施列１と同様のマイクロ波プラズマＯＶＤ法により、
表２に示した条件で、多結晶ダイヤモンドを合成し、研
削加工により基板を除去後、支持部材にろう付を行なっ
た後、切削チップを作製した。比較として、Ｃｏ　を含
有する市販の焼結ダイヤモンド（ＨＮ３）、超硬合金に
薄膜ダイヤモンドコーティングしたもの（Ｋ、Ｌ）も工
具作製を行なった。本発明による多結晶体（Ａ−Ｇ）は
いずれもダイヤモンド単相からなシ、グイツカース硬度
１００００〜１２０００ゆ／■２を示し、この特性はろ
う付は加熱後も変化が見られなかった。これらと、比較
材Ｈ〜−の９ち、ろう付温度が高く焼結体が劣化した比
較品Ｈを除いた工具について切削性能を比較した。

表３にその比較結果を示す。尚、切削条件は被剛材にＡ
４−２０　％　Ｂを用いて、切削速度：５００　ｍ／ｍ
１ｎｘ切シ込み；　（Ｌ４ｍ１）、送シ：α１鱈／　ｒ
ｅｖ　、切削時間：５０ｍ１ｎ、乾式外周長手方向旋削
により行なった。

表　３ 従来の焼結ダイヤモンドは摩耗が大キく、また薄膜ダイ
ヤモンドコーティング工具はコーテイング膜の密着強度
が弱いため剥離が生じたのに対し、本発明による工具は
欠損、剥離等が生ずることなく、極めて高い耐摩耗特性
を有することが判明した。

実施列３ 高周波プラズマＣｔ’ＶＤ法及び熱フイラメント０’Ｖ
Ｄ法により多結晶ダイヤモンドを合成した。

前者の方法では基板にＭＯを用い、真空排気した後、こ
れを９００℃に加熱した。その後、モル比でＯＨ，：Ｈ
，＝１：３００の混合ガスを４０　ｃｃ／　ｍｉｎで流
し、バルブ調整を行なって反応室内の圧力を５５　ｔｏ
ｒｒ　　にした。次に、高周波発振機により８５０Ｗの
出力を付与し、プラズマの誘起を行なって、厚さ（Ｌ８
−の多結晶ダイヤモンドを合成した。

後者の方法では基板にＷを使用して、真空排気後９５０
℃に加熱した。これに上記と同組成の混合ガスを７０　
ＣＣ／　ｍｉｎで流した。尚、圧力は５０　ｔｏｒｒ　
　一定となるように調整を行なった。

次に、Ｗ製フィラメントにｔｉを流し、フィラメント温
度Ｑ２１００℃としてダイヤモンドを析出させ、厚さ１
８１ＩＩＩの多結晶ダイヤモンドを合成した。

以上のように基板に多結晶ダイヤモンドを析出させた後
、研削加工により、これらの基板を除去した。得られた
多結晶体をムｇ−Ｃｕ合金ろう材を用いて鋼のシャンク
に真空中８５０℃の条件でろう付けした。ろう材の厚さ
は５０μｍでおった。これを加工して工具を作製し、実
施列１と同じ評価法により切削性能を調べた。表４にそ
の結果を示す。これにより合成方法によらず浸れた工具
が得られることが明らかとなった。

表　　４ 〔発明の効果〕 上述の如く、本発明の硬質多結晶ダイヤモンド工具は、
低圧気相法により合成された結合相がなく実質的にダイ
ヤモンドのみからなる多結晶ダイヤモンドが、融点７０
０〜１３００℃の合金ろう材により金属および／または
合金からなる支持部材にろう付されたものであって、切
削工具、掘削工具、ドレッサー等の各種工具に好適な、
強度、耐摩耗性、耐熱性に優れた工具であり、特に、従
来の焼結ダイヤモンドと異なり、強度を低下させること
なく、耐熱性が大幅に改善されているので、工具材とし
ての適用範囲を飛躍的に拡大できるものである。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）低圧気相法により合成された実質的にダイヤモン
   ドのみからなる多結晶ダイヤモンドが、融点７００〜１
   ３００℃の合金ろう材により金属および／または合金か
   らなる支持部材にろう付けされたものであることを特徴
   とする硬質多結晶ダイヤモンド工具。
2. （２）多結晶ダイヤモンドの厚さが０．１〜３．０ｍｍ
   であることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載
   の硬質多結晶ダイヤモンド工具。
3. （３）合金ろう材の厚さが０．１〜１００μｍであるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第（１）項又は第（２）
   項記載の硬質多結晶ダイヤモンド工具。
4. （４）合金ろう材がＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、ＴｉおよびＴａ
   から選ばれる１種以上を含有する高温ろう付合金である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項ないし第（
   ３）項のいずれかに記載の硬質多結晶ダイヤモンド工具
   。
5. （５）支持部材が鋼又は焼結炭化物合金であることを特
   徴とする特許請求の範囲第（１）項ないし第（３）項の
   いずれかに記載の硬質多結晶ダイヤモンド工具。