JPH0230668A - 超微粒子からなるダイヤモンド焼結体およびその製造方法 - 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、粉体のダイヤモンドを衝撃に伴って発生する
超高圧、高温によって、介在物を含ます焼結してなる高
硬度ダイヤモンド焼結体およびその製造法に関する。

〔従来の技術） 従来ダイヤモンドを含む焼結体は主に２種類の製造方法
が知られていた。一つはダイヤモンド粉にＣｏ、　Ｎｔ
等の金属を添加してプレスによって静的超高圧を発生し
、ヒーターで同時に高温で発生させて金属の介在下に焼
結したダイヤモンド焼結体で、焼結体中に金属を含むた
めにその焼結体を切削工具として利用する場合に金属が
ダイヤモンドに較べて弱いため、その性能に限界がある
ことが知られている。もう一つの方法は、何も添加して
ないダイヤモンド粉を金属製カプセルに収め、その外部
から主として爆薬の爆発によって発生する超高圧を直接
つたえるか、爆薬の爆発などによって発生する超高圧を
受けて高速で飛翔する金属板を衝突させることにより、
ダイヤモンド粉を圧縮成形して介在物なしに焼結する方
法が知られていた。例えば八ｋａｓｈｉ　とＳａｗａｏ
ｋａは、Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＭａｔｅｒｉａｌ　５ｃ
ｉｅｎｃｅ（材料科学誌：雑誌名邦訳）の第２２巻３２
７６真（１９８７）に、２−４μｍと１０−２０μｍの
２種の粒度範囲を持った単結晶ダイヤモンド粉に９０　
ＧＰａの衝撃を負荷し、ダイヤモンドの真密度に対して
８８．５％と９１．０％の相対密度の誌を得たと報告し
ている。また、吉日、国中、青米及び藤原は、第２回ダ
イヤモンドシンポジウム講演要旨集（昭和６１年１２月
１４．１５日開催）２５頁に、５−７μｍ、０．５−１
μ罹、Ｏ−０，５μｍの３種の粒度分布を有する試料に
衝撃圧力を負荷して焼結体を得たとしているが、その硬
度値やその他の焼結体の性質については報告されていな
く、硬度にばらつきが多く、圧痕の測定できないものも
多く、特に００６５μｍの粒度範囲のものではダイヤモ
ンドのゲラファライト化が顕著であったと報告している
。

〔発明が解決しようとする課題］ 上記「従来の技術」の方法による場合、５００ｎｍ以下
のダイヤモンド粒子が存在すると、超高圧を負荷するの
と同時に発生する高温によって、それらが黒鉛化し、ダ
イヤモンド焼結体特有の高硬度が得られず、５００ｎｍ
以りのダイヤモンド粒子のみによって焼結しなければな
らず、好ましくは数μｍ以上の粒子を使用することが適
当とされていた。

５００ｎｍ以上の粒子を焼結原料として使用した場合に
は上記の黒鉛化による問題は発生し難くなるが、概して
三つの問題が発生する。

一つは大きなダイヤモンド粒子を原料として使用すると
、当然粒子間の空隙も大きくなる。従って粒子同士を強
固に結合するためには、その大きな空隙を埋めるだけの
大きな変形をダイヤモンド粒子に与えなければならない
。原理的にはダイヤモンド粒子の高い硬度、従って高い
変形抵抗に打ちかつ高い圧力をかけて粒子同士を密着さ
せ、その際同時に発生する高温を利用して接合すれば良
い訳であるが、周知のようにダイヤモンドは脆性材料で
あり、衝撃で処理する場合にはダイヤモンド粒子は貫通
する亀裂の発生が避けられない。反面、−旦亀裂が発生
しても、高圧、高温によって再度結合されることが期待
できるが、全部の亀裂が再結合されることは殆ど無く、
亀裂のまま残存して焼結体の強度を低くする効果を有す
る。

二番目の問題は、一番目の問題を解決するために高い圧
力を負荷することによって発生する問題である。即ち、
高い圧力を負荷することによって、ダイヤモンド粒子の
集合体は強く圧縮されて断熱的に温度を上昇するが、高
い圧力をかければかけるほど温度も高くなるために、好
ましくない高温に達し、その結果黒鉛化を避けるために
粒子径を大きくしたのが逆に働いて黒鉛化を助長し、必
要な焼結体硬度が維持できなくなることになる虞れが大
きい。

三番目の問題は、上記の問題を解決して焼結体が出来た
とした場合の問題である。良く知られた事実として、ダ
イヤモンドは（１１１）面に襞間面を有する。即ち（１
１１）面に平行な応力を加えることによって、ダイヤモ
ンドは容易にその面に沿って割れる。よって、天然、合
成を問わず、一つの単結晶ダイヤモンドをそのまま、工
具に使用する場合、主な応力が（１１１）面に平行な方
向にかからないように配慮しなければならない。しかし
、どのように注意しても、工具として使用する場合は各
方向の応力が負荷されることは当然であり、襞間による
単結晶ダイヤモンド工具の破壊は謂わば宿命的なものと
もされる。それを避けるために、多数の粒子を無作為に
配置して焼結し、強固な一体の焼結体として工具に利用
されている訳であるが、焼結体ダイヤモンドの微細な構
造を見ると個々の粒子は単結晶であり、それぞれは相変
わらず襞間性を存している。そのため、工具として切削
や線引き、掘削等に使用される場合、局所に集中的かつ
衝察的な応力がかかるため、個々の粒子の強度が問題と
なってきて、襞間性が現われる結晶格子の（１１１）面
に近い角度で粒子に応力が負荷されると容易にその粒子
が損傷を受けて破損し、場合によっては隣接したダイヤ
モンド粒子に次々に亀裂を伝播させ、焼結体損耗を早め
る。要するに、ランダムな方向で配列焼結した焼結体で
あっても、微視的に見れば単結晶の集まりであるので、
その欠点が残っていると云う問題があり、解決されてい
ない。

〔問題を解決するための手段〕

発明者らは、前項の問題を解決するために多くの理論的
、実験的検討を進め、本発明に到達した。

まず、前項の三つの問題点のそれぞれについて、各個に
検討し対策を考える。

（１）大きな粒子を使用するために空隙が大きくなり、
そのため強い衝撃をかける必要が生じ、亀裂が発生して
しまうことに対しては、基本的には原料として使用する
ダイヤモンド粒子径を小さくすることと、亀裂の発生し
難いダイヤモンド粒子を使用することで対処可能である
。

（２）前項により、大きな粒子を使用しないことによっ
て、強い衝撃をかける必要がなくなり、より弱い衝撃を
かけることによって焼結できるようになるため、必要以
上の高温が発生して、焼結体強度の維持に有害な黒鉛化
が発生することはなくなる。無論余りにも微細な粒子を
使用すると、焼結時に粒全体が選択的に高温になること
によって有害な黒鉛化が発生し、必要な硬度が得られな
くなるが、前項に記載したように５００ｎｍ以上の粒子
を使用することによって黒鉛化は最低限に止めることが
できる。また、各種の実験によって、ダイヤモンド粒子
を貫通する亀裂を最低限に抑えるためには、無論それだ
けでは従来の技術による焼結体と変わらないので、次項
に述べる対策が必要になってくる。

（３）前記２項により、従来の技術でも衝撃強度を十分
に吟味すれば、有害な黒鉛化を最低限に抑えて工具材料
として使用可能な焼結体を作れる可能性もないとは言え
ないことが分かった。しかし、個々のダイヤモンド粒子
が単結晶としての性質を焼結体になってからも保持して
いることによる問題はそれらによっては対処できない。

結論としては、単結晶のダイヤモンド粒子を使用する限
りにはその問題は避けられないことである。従って発明
者らは爆薬の爆発に伴う超高圧や、火薬銃あるいは二段
式軽ガス銃または電気的方法によって発射された金属板
または弾丸が衝突する際に発生する衝撃超高圧によって
合成されたダイヤモンド（以後衝撃合成ダイヤモンドと
する）が多結晶であることに着目し、それを焼結原料に
用いることによって、単結晶のダイヤモンド粒子を焼結
した場合に発生する問題を解決し、事実上焼結体内に結
晶上の方向性を伴わないために、天然、合成を問わず単
結晶で一体のダイヤモンドの有する襞間性を全く伴わず
、また、従来の焼結体ダイヤモンドよりはるかに優れた
耐摩耗性、耐衝撃性を有するダイヤモンド焼結体が得ら
れることを見出したものである。衝撃合成ダイヤモンド
が多結晶質であると云う意味は、個々の寸法が非常に微
細な単結晶粒子（−次粒子と称する）が多数集まって一
つの粒子（二次粒子と称する）をかたち作っていること
を意味し．一次粒子の寸法は１０ｎｍから１１００ｎ、
二次粒子の寸法は数１０ｎｌｌから数１．００μｍまで
あることが知られている。１１００ｎ以下の寸法の一次
粒子が集まってできた二次粒子を事実上介在物なしに焼
結した場合、焼結体は全て１１００ｎ以下の単結晶が無
作為に配置されて一体となっていることになり、１１０
０ｎ以下の極く微細な単結晶の場合、襞間性は全く問題
にならない。従って衝撃合成ダイヤモンドを原料として
焼結体を作った場合、方向性が全くない、全体が等質で
ある理想的なダイヤモンドが得られる。更に、従来の単
結晶ダイヤモンドを使用して衝撃焼結したダイヤモンド
焼結体が、原料ダイヤモンド粉末の粒子径が５００ｎｍ
以上でないと良好な焼結体が得られなかったのに対して
、本発明による衝撃合成ダイヤモンドを焼結原料に用い
て、衝撃によって焼結したダイヤモンド焼結体は、衝撃
合成ダイヤモンドの粒子寸法が５００ｎｍ未満でも、１
１００ｎ以上であれば充分に優れた性能の焼結体が得ら
れることが判明した。その際、１１００ｎ未満のダイヤ
モンド粒子を１％以上含むと、それが衝撃負荷時または
圧力が常圧近くに低下しても残留する高温のために、優
先的に黒鉛化して、ダイヤモンド焼結体の硬度を低下さ
せることが判明した。尚、本発明で云う粒子寸法、また
は粒子の径とは、粒子の最大と最小の部分の平均寸法を
云うものとする。

また、本発明による超微粒子からなる多結晶ダイヤモン
ド焼結体は、極く微量のダイヤモンドが高温によって転
換した黒鉛を含むが、これは不定型の衝撃合成ダイヤモ
ンドの表面の一部で突出した部分が局部的にダイヤモン
ド不安定領域の高温にさらされた結果生じたものと考え
られる。本来、黒鉛は固体潤滑材として用いられる程軟
らかく、高硬度と高強度を求めるダイヤモンド焼結体中
に存在することは好ましくないと考えられていた。

しかし、非常に微細な組織を持った本発明によるダイヤ
モンド焼結体の場合は、後に述べる程度の量が存在する
程度であれば従来の静的超高圧による市販ダイヤモンド
焼結体より優れた性能を発揮し、殆ど問題ではなく、む
しろ本発明によるダイヤモンド焼結体の特徴と考えられ
る。

〔発明の効果〕

本発明による焼結体は、衝撃合成ダイヤモンドを焼結原
料に用いて衝撃によって焼結した、焼結体全体がごく微
細な多結晶ダイヤモンドから構成されているため、極め
て靭性の高い多結晶ダイヤモンド焼結体で、切削工具、
ダイス、掘削工具、耐摩耗材として、従来のダイヤモン
ド工具材料である、天然、合成の単結晶ダイヤモンド、
単結晶ダイヤモンドを原料とした結晶ダイヤモンドの有
する襞間性を事実上官していない全く新しい優れた焼結
体である。

〔実施例〕

次に本発明を実施例によって説明する。

裏施拠土 第１図の断面図に示すような試料容器で、外径２５＋ｎ
ｍ、高さ３０ｍ＋＠の円柱形の５ＵＳ３０４ステンレス
鋼製で、直径１２１、深さ２７ｍｍの試料室を有し、試
料室入口部分に深さ１２ｍｍにわたって雌ねじ溝を有す
るカプセル部１の内部に爆発衝撃によって合成した、粒
子数で９９％以上の粒子寸法が２００ｎｍから５００ｎ
ｍの範囲にある焼結原料ダイヤモンド２を充填し、同じ
＜　５ＵＳ３０４鋼製の高さ２２ｍｍ、直径１２ｎ＋ｎ
＋で、側面の一方の端に長さ１０ｍｍにわたって雄ねじ
を有する蓋３をねし溝を利用して締め込んだ。蓋３には
直径１ｍｍの真空引き用の穴４を予じめ開けてあり、ダ
イヤモンドを封入した後に、１０−　’　ｔｏｒｒの真
空炉中で４００度、４時間保持して吸着した酸素を除去
した。酸素の除去作業を終了してから、真空引き用の穴
は真空中で銀ろうによって封止して内部の真空を保持し
た。

封入したダイヤモンドの量は１．１８ｇで、かさ比重は
２．０８ｇ／ｃｍ’となり、ダイヤモンドの真比重とさ
れる値の約５９．４％に相当する。

同様にして合計４個のカプセルを用意し、第２図の断面
図に示す５Ｓ４１鋼製のモーメンタムトラップと称する
、直径８０ｍｍ、厚さ３０１の円板の平面上の直径４５
＋ｕ＋の同心円上に等間隔で４個の直径２５ｍｍの平面
に直角な穴を設けた試料収納部５と、外径１２０１ＩＩ
１１、内径８０ｍｍ、厚さ３０ｍｍのリング６と、直径
１２０１ｗｌ１１、厚さ３０ｍｍの円板７を組合せたも
の、直径２５ｍｍの穴に、カプセルのＭ３が下の方に位
置するようにしてカプセルを詰め、全体を深さ１２０　
ｉｎ、直径２００　ｍｍの蓋のないポリプロピレン製容
器８に充填した粘土９中に、試料収納部５の側を上にし
て埋め込んだ。次に爆発消音装置中の水１０を満たした
鋼製の槽１１の上に木板１２を渡して、その試料などか
らなる構成１３を槽の中央に位置するようにして載せ、
更に厚さ３．２鵬、１５０　ｍｍ角の５Ｓ４１鋼板１４
の中央部に比重１．６４ｇ／ｃｍ’で爆発速度９．００
０ｍ／ｓｅｃの爆薬１５を厚さ３０鵬、直径１２０　ｍ
ｍの円板状に成形したものを載せ、鋼板１４の底面と構
成１３の上面が平行でかつ距離が３０胴になるように鋼
板１４の四隅に高さ３０＋ｍａ、幅３０ｍｍ、厚さ１５
ｍｍの木片１６を配置して置いた。更に爆薬の上面に平
面波発生装置１７を載せ、それに６号電気雷管１８を装
着して通電し、爆薬１５を綱板１４の平面に平行な爆轟
波面で爆発させた。爆発によって、爆薬１５の下面の鋼
板１４は下方に高速で飛ばされ、構成Ｉ３の上面に平行
に２．８　ｋｍ／ｓｅｃの速度で衝突した。その際に鋼
板１４と構成１３の表面のＳＯ３３０４ステンレス鋼の
衝突面に発生した圧力を計算した所、？１．８ＧＰａ（
約７３万気圧）であった。

鋼板が衝突した構成工３は、槽ＩＩ内に満たされた水１
０の中に打ち込まれ、槽１１の底から回収された。

構成１３のうち、試料収納部５とリング６はばらばらに
破壊されていたが、カプセル１は蓋３を備えたまま、変
形は認められたがほぼ原形を保って回収された。

回収したカプセル１の蓋３の反対側の端を、充填したダ
イヤモンドの表面が露出するまで旋盤を用いて切削バイ
トによって切削した処、ダイヤモンドは全体が強固に結
合した焼結体になっていた。

得られたダイヤモンド焼結体の表面を５−１０μｍの粒
度範囲を有するダイヤモンドペーストで研磨し、マイク
ロビッカース硬度試験が可能な程度の平滑さに仕上げて
から加重１ｋｇｆでマイクロビッカース硬度を測定した
ところ、衝撃波の入射側で平均４．６８０　ｋｇｆ／ｍ
ｍ”（ｎ　＝１２）　、反対側の面で平均５．９９０　
ｋｇｆ／ｍｍ”（ｎ　＝１２）の値が得られた。

アルキメデス法によって得られた結晶体の密度を測定し
たところ、３．２２ｇ／ｃｍｆｆで、ダイヤモンドの真
密度とされる値３．５１ｇ／ｃｍ３の９１．７％であっ
た。

ダイヤモンド焼結体の表面をＸ線回折試験によって検査
したところ、円板の上下面共に広い回折角にわたって僅
かな黒鉛の存在が認められた。

直径１２ｍｍ、厚さ約３．５閣の焼結体をレーザーで十
文字に切断して、−片が約５．８　ｍで頂角９０″の扇
状のチップとし、１２．７ｍｍ角で長さが１５０　ａｍ
の鋼製の柄の長手の端に銀蝋でダイヤモンド焼結体を包
み込んで取り付け、切削試験用のバイトとした。

対象試験用として、市販の静的超高圧焼結によるＧｏを
含むダイヤモンド焼結体によって、同様なバイトを作成
した。

一方、Ｗ（Ｊ］９２　ｗｔ、％とＣｏＦＡ８　ｗｔ、％
を混合、成形した後９００°Ｃ１時間の焼成で仮焼体と
した直径的１００　ｍｍ、長さ約２５０Ｍの円柱を、本
発明によるダイヤモンド焼結体を取り付けたバイトで切
削した。切削条件は、周速５５　３０ｍ／ｍｉｎ　、切
込み０．３−〇、５順、送り０．２胴／ｒｅｖとした。

その結果、延べ１時間４８分の切削でやや切れ味が低下
したので試験を終了した。焼結体の刃先を倍率２０倍の
実体顕微鏡で調べたところ、先端が摩耗によってｏ、　
ｉａ圓後退していた。

次に同様な切削試験を、市販の静的超高圧焼結によるＣ
ｏを含むダイヤモンド焼結体を取り付けたバイトで実施
した。その結果、切削を開始してから１３分後に刃先が
欠損して以後の切削試験は実施できなくなった。

北較貫土 実施例１の実験を繰り返した。ただし、充填したダイヤ
モンドは、静的超高圧で溶融触媒を用いて合成した０個
々のダイヤモンド粒子は単結晶のものとした。また、ダ
イヤモンドの粒子寸法は、全部の粒子の９９％以上が２
５０ｎｍから５０Ｏｎ１１１の範囲に含まれるものとし
、実施例１と同寸法のカプセルに１．１８ｇが充填でき
た。この場合のかさ比重は２．０８ｇ／ｃｍ’となり、
ダイヤモンドの真比重とされる値の約５９．４％に相当
する。

回収されたカプセルを実施例１と同様にして切削し、ダ
イヤモンド部分を露出した処、ダイヤモンドは一見強固
に焼結されたように見受けられた。

実施例１と同様にしてマイクロビッカース硬度を測定し
たところ、衝撃波の入射側の面で平均３．７１０　ｋｇ
ｆ／１ｍ”（ｎ　＝１２）　、反対側の面で平均４　、
９２０ｋｇｆ／ｍｍ”（ｎ　＝１２）の値が得られた。

また、ダイヤモンド焼結体の表面をＸ線回折試験によっ
て検査したところ、円板の上下面共に広い回折角にわた
って黒鉛の（００２）面の回折を示すピークが認められ
、僅かな黒鉛の存在が示唆されたが、その回折ピークの
高さをダイヤモンドの（１１１）ピークの高さで割った
値は、実施例１のものが０．０３であったのに対して０
．１８あり、黒鉛化度がより高いことを示していた。マ
イクロピンカース硬度が実施例１のものより低かったの
も、そのためと考えられる。

次に実施例１と同様にしてダイヤモンド焼結による切削
試験用バイトを製作し、同様な切削試験を行った。その
結果、バイト先端は切削開始後８分で欠損し、静的超高
圧焼結による市販ダイヤモンド焼結体より劣っていた。

災施貫ｌ二旦 実施例１の実験を繰り返した。ただし、使用したダイヤ
モンドの粒子寸法と種類及び鋼板が試料ダイヤモンドを
収納したカプセル表面に衝突する速度について、各種の
組合せを作って試みた。その条件及び結果を表１に示す
。尚、表中の充填率とは、ダイヤモンドの真比重を３．
５１５　ｇ／ｃｍ３として、ダイヤモンド粒子を充填し
た際のかさ比重で除した値を１００分率で示したもので
ある。また、発生圧力は、鋼板とステンレスカプセルの
衝突面に発生する圧力値である。

表

【図面の簡単な説明】

第１図は試料を収納するカプセルを説明するための図、 第２図は試料を衝撃処理して回収するためのモーメンタ
ムトラップと回収容器の断面図である。 １・・・カプセル　　　　　２・・・焼結原料３・・・
カプセルの蓋　　　４・・・真空引き用の穴訃・・試料
収納部　　　　６・・・リング７・・・円板　　　　　
　　８・・・ポリプロピレン製容器９・・・粘土　　　
　　　　１０・・・水１１・・・調製槽　　　　　　１
２・・・木板１３・・・試料などからなる構成 １４・・・鋼板　　　　　　　１５・・・爆薬１６・・
・木片　　　　　　　１７・・・平面波発生装置１８・
・・電気雷管 第２図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．一次粒子径が１００ｎｍから１０ｎｍで、二次粒子
   の最小のものの径が１００ｎｍから１μｍ、最大のもの
   の径が５００ｎｍから１０μｍの多結晶ダイヤモンド粉
   が、不可避不純物を除く他の物質を介さずに直接に接合
   されてなり、実質的に一体となって配向性を有さないこ
   とを特徴とするダイヤモンド焼結体。
2. ２．請求項１に規定するダイヤモンド焼結体において、
   その密度が９０％以上であることを特徴とするダイヤモ
   ンド焼結体。
3. ３．請求項１または２に規定するダイヤモンド焼結体に
   おいて、ダイヤモンド中に微量の黒鉛が含まれることを
   特徴とするダイヤモンド焼結体。
4. ４．請求項１ないし３のいずれかに規定するダイヤモン
   ド焼結体の製造方法において、全部のダイヤモンド粉の
   一次粒子径が１００ｎｍから１０ｎｍで、二次粒子の最
   小のものの径が１００ｎｍから１μｍ、最大のものの径
   が５０ｎｍから１０μｍの多結晶質焼結原料ダイヤモン
   ド粉を金属製カプセルに封入し、爆薬の爆発や火薬銃あ
   るいは二段式軽ガス銃または電気的方法によって発射さ
   れた金属板または弾丸を、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼同
   士の衝突条件に換算した場合、１．８ｋｍ／ｓｅｃ以上
   の速度で衝突させて高圧高温を発生させて焼結すること
   を特徴とする直接焼結ダイヤモンド焼結体の製造方法。
5. ５．請求項４に規定するダイヤモンド焼結体の製造方法
   において、焼結原料のダイヤモンド粉が、衝撃超高圧に
   よって合成したダイヤモンドであることを特徴とするダ
   イヤモンド焼結体の製造方法。