JPH02167666A - 微粒ダイヤモンド焼結体の製造法 - 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、難削材料の微細加工用工具材料、仕上げ加工
面の平滑さを要求される線引ダイス用材料等に好適な微
粒ダイヤモンド焼結体の製造法に関するものである。

（従来の技術及び解決しようとする課題）ダイヤモンド
単結晶は、硬度、耐摩耗性に関して現在知られている物
質の中で最も優れている物質である。しかしながら、ダ
イヤモンド単結晶はその脆さ、入手可能な大きさの制限
等に欠点がある。これらの欠点を解消する目的で、ダイ
ヤモンド焼結体が開発され、市販されている。

これらの焼結体は、ＡＱ−５ｉ系合金、セラミた ックス等の難削材料の切削工具材料として優Ｎ性質を示
すことが知られている。しかし、これらの焼結体を鋭い
刃先形状に加工することは大変難しいという問題がある
。その理由は、ダイヤミント焼結体の粒子の大きさが数
ミクロン以上と大きいことに起因している。

この問題を解決するために、従来、鋭い刃先形状に加工
可能なダイヤモンド焼結体として、微粒ダイヤモンド焼
結体が製造されている。その製造法としては以下の方法
が知られている。

（イ）相当量のＷＣ等の炭化物をダイヤモンド粉末に添
加し、高温高圧条件下で焼結することにより、微粒ダイ
ヤモンド焼結体を得る方法（特公昭６１−５８４３２号
）、この方法によれば、ダイヤモンド粒子相互の完全な
接合が、ＷＣ等の炭化物により阻害されるため、ダイヤ
モンドの粒成長が抑制され、１μ重以下の微粒子よりな
るダイヤモンド焼結体が得られる。

（ロ）爆薬を用いた衝撃圧縮法により、約９００Ｐａと
非常に高い圧力下で平均粒径０．５μｍの微粒子よりな
るダイヤモンド焼結体を合成する方法にューダイヤモン
ドフォーラム、第１０回定例研究会（昭和６３年７月）
、近藤建−）。

しかし、前者の（イ）の方法による微粒ダイヤモンド焼
結体は、ダイヤモンド粒子同士の直接結合をＷＣ等の炭
化物で阻害しているため、鋭い刃先形状に加工可能では
あるものの、ダイヤモンド同士の結合が存在していない
ので、その硬さ及び耐摩耗性に問題がある。

また、後者の（ロ）の方法による微粒ダイヤモンド焼結
体の合成法は、約９０ＧＰａと非常に高い圧力条件下に
おける合成法であるため、クラックのないダイヤモンド
焼結体の合成が大変難しく、また、焼結体の密度も９８
％程度である。これらのことから、焼結体を鋭い刃先形
状の工具に加工することは、現状では困難であると考え
られる。

以上の問題点を解決するには更に基礎的な研究の積み重
ねが必要であろう。

本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためになさ
れたものであって、ダイヤモンド粒子同士の直接結合を
有し、高硬度で耐摩耗性に優れ、平均粒径が０．５μｍ
以下の微粒ダイヤモンド焼結体を製造する方法を提供す
ることを目的とするものである。

（課題を解決するための手段） 前記目的を達成するべく、本発明者は、微粒ダイヤモン
ド焼結体の合成法について鋭意研究を重ねた結果、焼結
に先立って、出発ダイヤモンド粉末の二次粒子を、立方
晶窒化ほう素粉束と高分子物質の添加のもとで熱処理す
ることにより抑制し、しかる後に焼結することにより、
異常粒成長がむくダイヤモンド粒子同士が直接結合し、
均質且つ微粒子よりなるダイヤモンド焼結体を得ること
ができることを見い出し１本発明をなしたものである。

すなわち、本発明は１粒径０．５μｍ以下のダイヤモン
ド粉末に粒径０．５μｍ以下の立方晶窒化ほう素粉束２
．５〜１０ｗｔ％並びに有機高分子物質１５〜３０ｗｔ
％を混合した後、窒素気流中で加熱処理し、該粉末を合
金容器に充填し或いは合金基体と積層させた状態で、ダ
イヤモンド安定域のもとで１３５０℃以上の温度で焼結
することを特徴とする微粒ダイヤモンド焼結体の製造法
を要旨とするものである。

以下に本発明を更に詳細に説明する。

（作用） 次に１本発明者が微粒ダイヤモンド焼結体を得るために
行った基礎実験について順次説明する。

まず、微粒ダイヤモンド焼結体の合成を目的として、第
１図に示す試料構成を用い、粒径１μｍ以下の市販の静
的合成ダイヤモンド粉末をＷＣ−１６ｗｔ％Ｃｏの基体
上に積層し、６ＧＰａ、１４００℃Ｘ３０分の条件で焼
結した。得られたダイヤ−Ｃｏ界面近傍１士　　　　　
　　゛　部分的にダイヤモンドの異常粒成長が認められ
た。また、ダイヤモンド層の端面中心部は未焼結であっ
た。そこで、焼結条件を種々変えて異常粒子ａ長のない
ダイヤモンド焼結体を合成するべく、第１図と同様な試
料構成を用いて焼結した。しかし、得られたダイヤモン
ド焼結体は、殆どの場合、異常粒成長部分が存在するか
、或いは異常粒成長のない場合は結果、出発ダイヤモン
ド粉末の二次粒子の形成を抑制すること及び可能な限り
低い温度で焼結することが重要であることが明らかとな
った。

次に、微粒ダイヤモンド粉末の二次粒子を抑制すべく鋭
意研究した結果、微粒ダイヤモンド粉末表面に均質に添
加物を添加し、二次粒子の形成を抑制させることが効果
的であることを見い出した。

すなわち、添加物の選択基準に関し、まず、非ダイヤモ
ンド炭素を微粒ダイヤモンド表面に添加し、ダイヤモン
ドの二次粒子の形成を抑制することを試みた。非ダイヤ
モンド炭素としては、少量の炭素を添加するという観点
から、微粒子の炭素が望ましく、微粒炭素としてカーボ
ンブラックを用いた。しかし、カーボンブラックは、熱
処理し、ダイヤモンド合成触媒と混合又は積層し、ダイ
ヤモンド合成域で高温高圧処理しても容易にダイヤモン
ドに変換せず、このようにダイヤモンドに変換しない炭
素は、焼結後も非ダイヤモンド炭素としてダイヤモンド
焼結体中に残存するため、低強度焼結体しか得られない
ので、好ましくない。このような観点から、非ダイヤモ
ンド炭素に代えて有機高分子物質をダイヤモンド粉末表
面に均質に添加し、添加後焼結することにより、ダイヤ
モンド粉末表面に均質に炭素を添加する方法を見い出し
た。

具体的には、まず、ベンゼン溶媒１０ｃｃにポリエチレ
ングリコール（以下、ｒＰ、Ｅ、Ｇ、」と略称する。平
均分子量４０００）０．４ｇを溶かし、粒径１μｍ以下
の微粒ダイヤモンド粉末２ｇを超音波により分散させた
。Ｐ、Ｅ、Ｇ、とじては平均分子量が更に小さい２００
程度のものを用いてもよい。分散後、大気中で自然乾燥
し、乾燥後、窒素気流中で５００℃、９００℃に各２時
間加熱処理し、Ｐ、Ｅ、Ｇ、を炭化した。加熱処理後の
試料をＳＥＭ［察した結果、ダイヤモンド粒子表面に均
質に微細な炭素が析出していた。このＰ、Ｅ、Ｇ。

添加ダイヤモンド粉末をボロンカーバイド乳鉢で粉砕し
、第１図と同様な試料構成を用い、６ＧＰａ、１４００
℃Ｘ３０分の条件で焼結した。得られたダイヤモンド焼
結体には異常粒成長は全く認められず、粒径１μｍ以下
の微粒ダイヤモンド焼結体であった。このような微粒ダ
イヤモンド焼結体が得られる理由としては、出発ダイヤ
モンド粉末の二次粒子の形成を抑制したこと、及びダイ
ヤモンド中の添加炭素によりＷＣ−Ｃｏ層からダイヤモ
ンドへのＣｏが均質移動したためと考えられる。

しかし１粒径０．５μｍ以下のダイヤモンド粉末を用い
た以外は、前記実験と同様にして焼結したところ、部分
的に焼結しているだけで、殆ど未焼結であった。同一焼
結条件であるにも拘らず、粒径の小さいダイヤモンド粉
末が焼結しにくいのは、微粒粉末はどＷ　Ｃ−Ｃｏ　ｆ
ｆＪからダイヤモンド層へのＣＯ移動が難しくなるため
と考えられる。焼結温度を１４３０℃に高め、他の条件
は全く同じにして焼結体を合成したが、ダイヤモンド層
の周辺部及びＷＣ−Ｃｏ界面近傍に数多くの異常粒成長
が認められた。焼結温度、焼結時間及び昇温速度を変え
て焼結体の合成を試みたが、異常粒成長のないダイヤモ
ンド焼結体は合成することができなかった。

これらの実験結果から、０．５μｍ以下の微粒ダイヤモ
ンド焼結体を合成するためには、Ｐ、Ｅ、Ｇ。

等の有機高分子物質の他に、異常粒成長を抑制する物質
を添加しなければ、ダイヤモンドの異常粒成長を抑制す
ることは大変難しいことが明らかになった。

その場合、ダイヤモンド焼結体の硬さ及び耐摩耗性を著
しく損なわないためには、硬質物質を少量添加すること
が望ましいという観点から、このような硬質物質を見い
出すべく数多くの実験を重ね、研究した結果、微粒の立
方晶窒化ほう素（ＣＢＮ）の少量を添加することにより
、ダイヤモンドの異常粒成長を抑制できることを見い出
したのである。但し、微粒のダイヤモンド粉末に微粒の
ＣＢＮ粉末のみを添加したものを出発物質に用いても、
均質な微粒ダイヤモンド焼結体を合成することは難しく
、併せてＰ、Ｅ、Ｇ、等の有機高分子物質を添加して、
ダイヤモンド粉末表面に微細な炭素を形成させることが
必須である。この炭素がダイヤモンド合成触媒であるＣ
ｏ、Ｎｉ、Ｆｅ等のダイヤモンド層への均質移動に効果
的である。

因みに、上記の方法に従って、２ｇの０．５μｍ以下の
ダイヤモンド粉末に１００ｍｇの０．５μｍ以下のＣＢ
Ｎ粉末及び０．５ｇのＰ、Ｅ、Ｇ、を添加し、ベンゼン
溶媒中で振動ミルを用いて湿式混合した。

溶媒としては、ベンゼン以外にトルエン、シクロヘキサ
ンを用いることもできる。混合後、自然乾燥し、５００
℃、９００℃で各２時間、窒素気流中で加熱処理した。

その後、粉砕し、第１図と同様の試料構成を用い、６　
Ｇ　Ｐａ、　１４３０℃×３０分の条件で焼結した。得
られた焼結体は、いかなる異常粒成長も認められず、均
質且り微細粒子よりなるダイヤモンド焼結体であった。

第３図にこの焼結体の破面のＳＥＭ写真を示すように、
この焼結体は、粒径０，５μ■以下の微粒子よりなるダ
イヤモンド焼結体である。焼結体のヴイカース硬さを荷
重２ｋｇの条件で測定した結果、約６０ＧＰａの硬さを
有する高硬度であった。また、焼結体中のＢ、Ｈの分布
を走査型オージェ電子分光法（ＳＡＭ）により調べた結
果、ＣＢＮはダイヤモンド焼結体中に均質に分散してい
ることが明らかとなった。この均質に分布しているＣＢ
Ｎがダイヤモンドの異常粒成長を抑制していると考えら
れる。

以上、本発明を見い出すに至った基礎実験の結果の説明
より１本発明の条件は明らかであるが、以下に総合して
本発明条件の限定理由について説明する。

出発ダイヤモンド粉末は、微粒子のダイヤモンドよりな
る焼結体を得るために、粒径が０．５μｍ以下のもので
ある必要がある。これにＣＢＮ及び有機高分子物質を添
加混合する。

ＣＢＮは、同様に粒径が０．５μｍ以下のもので、２．
５〜１０ｗｔ％の微量を添加する。２．５ｗｔ％未満で
はＣＢＮを均質に分散させてダイヤモンド粒子の異常粒
成長を抑制する効果が期待できず、また１０ｔｓｔ％を
超えて多量に添加するとダイヤモンド粒子間の直接結合
を著しく阻害するため、好ましくない。

また、有機高分子物質としては、ポリエチレングリコー
ル（Ｐ、Ｅ、Ｇ、）が望ましいが、その他の有機高分子
物質でもよく、平均分子量が２００〜４０００程度のも
のが望ましい、その添加量は■５〜３０ｗｔ％とする。

−１５−ｔ％未満ではダイヤモンド粉末の二次粒子の形
成を抑制できず、３０ｗｔ％を超えて多量に添加すると
ダイヤモンドの異常粒成長を助長するため、好ましくな
い。

これらの混合粉末は、窒素気流中で加熱処理する。加熱
温度は特に制限されないが、５００〜９００℃の範囲が
望ましい。これにより、ダイヤモンド粉末表面に均質に
炭素、ＣＢＮを添加することが可能となる。

次いで、これらの粉末を適当な合金容器に充填するか、
或いは合金基体と積層する。これらの合金容器及び合金
基体としては、５ｗｔ％以上のＦｅ、Ｎｉ、Ｇｏの１種
又は２種以上を含む金属合金又は炭化物分散合金が望ま
しい、これらのＦｅ、　Ｎｉ、Ｃｏ等はダイヤモンド合
成触媒として働くもので。

前記炭素は、これらの触媒のダイヤモンド層への均質移
動に効果的である。

焼結は、ダイヤモンド安定域のもとで、１３５０℃以上
の温度で行う、１３５０℃未満では焼結が期待できない
。しかし、１４８０℃の如く高温ではダイヤモンド粒子
の異常粒成長を招くので１４８０℃未満が好ましい。ダ
イヤモンド安定域とは、ダイヤモンドが黒鉛に比較し熱
力学的に安定な圧力、温度の条件を云うが、６ＧＰａ程
度の圧力下で焼結することができる。他の焼結条件は特
に制限されない。

なお、焼結体合成の試料構成の一例を第１図にを示す。

これは、黒鉛ヒーター１０の中に熱処理済ダイヤモンド
混合粉末５をＷＣ−Ｃｏ基体４と積層した試料構成で、
高圧下で焼結する構成のものである。勿論、このような
試料構成に限定されないことは云うまでもない。

（実施例） 次に本発明の実施例を示す。

失凰奥よ 粒径０．５μｍ以下のダイヤモンド粉末２ｇに粒径Ｑ、
５μｍ以下のＣＢＮ粉末５０ｍｇ及びＰ、Ｅ、Ｇ。

０．４ｇを添加し、ベンゼン８ｃｃを用い、ポリアセタ
ールをライニングしたポットを使用して湿式混合した。

混合後、自然乾燥し、窒素気流中で５゜０℃、９００℃
で各２時間、加熱処理した。次いで、粉砕し、ＷＣ−１
６ｗｔ％ＣＯの基体上にこの粉末を積層し、６ＧＰａ、
１４３０℃Ｘ３０分の条件で焼結した。得られたダイヤ
モンド焼結体の粒子径は０．５μｍであった。その硬さ
はヴイヵース硬さで６２ＧＰａであった。

里狡似 粒径０．５μｍ以下のダイヤモンド粉末２ｇに粒径０．
５ｐｍ以下のＣＢＮ粉末１１００ｕＩ及びＰ、Ｅ。

Ｇ、０．４ｇを添加し、実施例１と同様にして出発物質
を作成した。この出発物質の粉末をＷＣ−１６ｉｉｔ％
Ｃｏの基体上に積層し、６０Ｐａ、１４３０’ＣＸ　３
０分の条件で焼結した。得られたダイヤモンド焼結体に
は、ダイヤモンド層の周辺部に２個の約５０μｍの異常
粒成長粒子が認められた。１４８０℃の焼結温度は、微
粒ダイヤモンド焼結体の合成温度としては高すぎると考
えられる。

失直銖茎 前記比較例で用いた出発物質をＦｅ−Ｎ１−Ｃ。

合金（Ｆｅ６４ｗｔ％、Ｎｉ３１ｗｔ％、Ｃｏ５ｗｔ％
）の基体と＠層し、６ＧＰａ、１３８０℃Ｘ３０分の条
件で焼結した。得られたダイヤモンド焼結体は粒径０．
５μｍ以下の微粒子よりなり、ヴイカース硬さ６０ＧＰ
ａの高硬度焼結体であった。焼結温度が低いにも拘らず
均質、高硬度ダイヤモンド焼結体が得られるのは、焼結
助剤として働＜ＦｅＮ１−Ｇｏ金合金融点がＣｏのそれ
に比べて低いためと考えられる。

（発明の効果） 以上詳述したように１本発明によれば、ダイヤモンド粒
子同士の直接結合を有し１粒径が０．５μｍ以下の微粒
ダイヤモンド焼結体を得ることが可能であり、高硬度で
耐摩耗性にも優れている。

したがって、この焼結体は鋭い刃先形状に加工すること
も可能であり、難削材料の微細加工用工具材料、仕上げ
加工面の平滑さを要求される線引ダイス用材料等に好適
である。

【図面の簡単な説明】

第１図はダイヤモンド焼結体合成用の試料構成を示す断
面説明図、 第２図はダイヤモンド−Ｐ、Ｅ、Ｇ、ｆｉ合物の加熱処
理後の粒子構造を示す二次電子像写真、第３図は微粒ダ
イヤモンド焼結体の破面の粒子構造を示す二次電子像写
真である。 １・・・ステンレス板、２・・スチールリング、３塩化
ナトリウム、４・・ＷＣ−Ｃｏ基体、５・・・ダイヤモ
ンド粉末、６・・・カレントリング、７・・ＺｒＯ２板
、８・・・銅板、９・・ジルコニウムフォイル、↓０・
・黒鉛ヒーター、工１・・・塩化す１〜リウム一１０ｔ
ｉｔ％ジルコニア。 第１図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）粒径０．５μｍ以下のダイヤモンド粉末に粒径０
   ．５μｍ以下の立方晶窒化ほう素粉末２．５〜１０ｗｔ
   ％並びに有機高分子物質１５〜３０ｗｔ％を混合した後
   、窒素気流中で加熱処理し、該粉末を合金容器に充填し
   或いは合金基体と積層させた状態で、ダイヤモンド安定
   域のもとで１３５０℃以上の温度で焼結することを特徴
   とする微粒ダイヤモンド焼結体の製造法。
2. （２）前記合金容器及び合金基体が５ｗｔ％以上のＦｅ
   、Ｎｉ及びＣｏのうちの１種又は２種以上を含む金属合
   金又は炭化物分散合金である請求項１に記載の方法。
3. （３）前記窒素気流中での加熱処理を５００〜９００℃
   で行う請求項１に記載の方法。