JPH0421568A - 高硬度微細結晶焼結体及びその製造方法 - 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、切削用工具の刃先、ドレッサー、ダイス等の
耐摩耗性部品として有用な高硬度微細結晶焼結体及びそ
の製造方法に関するものである。

［従来の技術］ ダイヤモンド焼結体は高硬度で且つ耐摩耗性の優れたも
のであるところから、従来より切削用工具の刃先や線引
ダイス等の素材どして使用されている。しかし天然ダイ
ヤモンド隼石工具に比較すると加工物の仕上面精度が悪
く、鏡面と呼ばれ得る程の緻密な面は得られないという
欠点を有していた。即ち市販のダイヤモンド焼結体にお
ける構成ダイヤモンド粒子の粒径は３〜２０μｍ程度で
あって、この焼結体を用いた切削工具の刃先には結晶粒
子の大きさにほぼ対応する凹凸があり、天然ダイヤモン
ド単石工其の様な鋭い刃先でないことがその主な原因で
あると考えられている（特公昭５８−３２２２４号参照
）。

上記不都合を回避する為に、焼結体を構成するダイヤモ
ンド結晶粒子を３μｍ以下の極めて微細なものとすると
いったことは一応着想し得るところである。ところが従
来から一般的に実施されている高温高圧法では、希望す
る様な微細粒子構造の焼結体を製造することばできない
。即ち本発明者らが実験によって確認したところでは、
原料ダイヤモンド粉末として３μｍ以下の微細粒子を使
用し、これをＣｏ板の間に挟み込んで超高圧高温発生装
置により６０キロバール、１４５０℃の条件で焼結する
と、ダイヤモンド微細粒子の一部が５０〜５００μｍ程
度の粗大粒子に成長してしまい、希望する微細粒子構造
の焼結体を得ることはできなかフた。これに対し原料ダ
イヤモンド粉末として３μｍ以上のものを使用すると焼
結工程で粒成長が起こらず、均一な組織を有する焼結体
を得ることができた。こうしたことが、市販ダイヤモン
ド焼結体を構成する原料ダイヤモンド粒子の最適粒径が
３μｍ程度とされていた理由と思われる。

他方、３μｍ以下のダイヤモンド粉末を原料として用い
た場合でも焼結時の粒成長を抑制することのできる技術
は、例えば前述の特公昭５８−３２２２４号公報に見ら
れる様に一応は開発されている。この技術は、１μｍ以
下のダイヤモンド粒子と共に、１μｍ以下の周期律表４
ａ、５ａ。

６ａ族金属の炭化物、窒化物、硼化物若しくはこれらの
混合物又は相互固溶体化合物等を原料として併用し、こ
れらによって微細ダイヤモンド粒子の粒成長を抑制しよ
うとするものである。

しかしながら本発明者らが上記技術内容に従って実際に
焼結体を試作して検討したところ、上記化合物の添加に
よるダイヤモンド粒子の粒成長抑制効果は確かに認めら
れたものの、焼結体の硬度は通常のダイヤモンド焼結体
に比べて著しく低くなることが判明した。これは、併用
される上記化合物の硬度がダイヤモンドの硬度よりも遥
かに小さいことによるものと考えられる。しかも上記技
術では、粉末状の原料を使用しているので原料粉末の表
面にガスが吸着し易く、そのため焼結が阻害されて未焼
結部分が残ってしまうという問題もあった。

そこで本発明者らは、焼結体の硬度を下げることなく、
焼結時における微細ダイヤモンドの粒成長も抑制するこ
とのできる方法として、微細ダイヤモンドを、１μｍ以
下の微細な高圧相型窒化硼素と混合して焼結させる方法
を開発し、特開平１−１３３９７７号として提案した。

ところがその夜更に研究を進めたところ、原料として微
細ダイヤモンドを使用する先願発明の焼結体は、３μｍ
程度の粗粒ダイヤモンドを用いて得られる焼結体に比べ
ると耐摩耗性が不十分であり、この点で改善の余地が残
されていることが明らかとなった。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明はこうした従来技術がもつ問題点を解決する為に
なされたものであって、その目的は、切削用工具の刃先
や線引ダイス等に用いた場合に優れた仕上面精度が得ら
れ、かつ耐摩耗性に優れた高硬度微細結晶焼結体及びそ
の製造方法を提供しようとするものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係る高硬度微細結晶焼結体とは、１μｍ超３μ
ｍ以下のダイヤモンド：３０〜９３体積％、３μｍ以下
の高圧相型窒化硼素：２〜２０体積％、残部がダイヤモ
ンド合成用金属触媒（但し鉄族金属を５重量％以上含む
）またはこれと１μｍ以下のダイヤモンドから成り、組
織上ダイヤそントが直結々合相を形成している点に要旨
を有するものである。

又本発明に係る高硬度微細結晶焼結体の製造方法とは、
上記比率のダイヤモンド粉末と高圧相型窒化硼素粉末を
含有する樹脂由来非晶質炭素に、鉄族金属を５重量％以
上含む金属又は合金を接触させ、１２５０℃以上の温度
で且つ熱力学的なダイヤモンド安定領域の圧力で加圧焼
結する点に要旨を有するものである。

［作用］ 前記公開公報でも明らかにした様に、ダイヤモンドに次
ぐ硬度を有する高正相型窒化硼素を、粒径１μｍ以下の
ダイヤモンド粉末中に分散させて高温・高圧下で焼結さ
せると、ダイヤモンドの焼結時における粒成長を抑制し
つつ高硬度の微細結晶焼結体が得られる。

しかしこの様に微細なダイヤモンド粉末を用いた焼結体
では前述の如く耐摩耗性が乏しく、工具の刃先材として
使用したときの寿命は意外に短い。ところがダイヤモン
ド粉末として１μｍ超３μｍ以下のものを使用すると、
焼結体は高硬度で且つ非常に優れた耐摩耗性を示すもの
となり、刃先材として使用したときの寿命を大幅に延長
し得ることが確認された。

また従来技術では、前述の如く粉末状の原料を焼結して
いたのでガス吸着等の不都合が発生していたが、本発明
ではダイヤモンド粉末と高圧相型窒化硼素粉末とを含有
させた樹脂由来非晶質炭素を原料として使用することに
より、前記の様な不都合をも解消することができる。

即ち樹脂由来非晶質炭素は、後に詳述する如く液体状千
ツマ−から製造できるので、高圧相型窒化硼素粉末とダ
イヤモンド粉末を相互にうまく分散させることができ、
従来技術で述べたガス吸着等の不都合を発生することな
く、希望する高硬度微細結晶焼結体を得ることが可能と
なる。

樹脂由来非晶質炭素はグラッシーカーボンとも呼ばれて
おり、代表例としてはフラン樹脂由来非晶質炭素が挙げ
られ、これはフルフリルアルコールに酸触媒を添加して
脱水縮合し、得られたフラン樹脂を炭化処理したもので
ある。従って本発明において樹脂由来非晶質炭素として
フラン樹脂由来非晶質炭素を用いる場合には、フルフリ
ルアルコール中に原料粉末を混合分散させてから上記処
理を行なうことによって、所定量の原料粉末を含有する
固形のフラン樹脂由来非晶質炭素が得られる。こうして
得られた原料粉末含有樹脂由来非晶質炭素を高温真空下
で脱ガス処理した後、金属触媒を積層又は同心円状に配
置して接触させ、高温、高圧下で焼結させると、前記樹
脂由来非晶質炭素自体がダイヤモンドに変換されると共
に、全体としてはダイヤモンドを直結々合相とする高硬
度の焼結体となる。

原料粉末を分散含有した樹脂由来非晶質炭素は緻密な固
形物てあり、−旦脱ガス処理した後はガス成分の吸着が
殆んど起こらず、しかも原料粉末がカーホンで均一に被
覆されたものとなる。

尚上記では、樹脂由来非晶質炭素の代表例としてフラン
樹脂を炭化処理したフラン樹脂由来非晶質炭素を示した
が、本発明で用いる樹脂由来非晶質炭素はフラン樹脂由
来のものに限らず、その他フェノールホルムアルデヒド
樹脂、アセトン・フルフラール共重合樹脂、フルフリル
アルコール・フェノール共重合樹脂、尿素樹脂、メラミ
ン樹脂、キシレン樹脂、トルエン樹脂、グアナミン樹脂
等の熱硬化性樹脂由来のものであっても同様に使用する
ことができる。

希望する複合焼結体を得る為の焼結温度は１２５０℃以
上とする必要があり、１２５０を未満ては焼結性が劣る
。又焼結の際の圧力としては、当然のことながら熱力学
的なダイヤモンド安定領域の圧力とする必要があり、約
４０キロバール以上の圧力が必要となる。更に焼結工程
で用いる金属触媒としては鉄、コバルト、ニッケル等ノ
鉄族金属が使用され、鉄族金属のいずれかを５重量％以
上含有する合金であれば十分な触媒作用を発揮する。し
かし鉄族金属か５重量％未満のものでは触媒作用が有効
に発揮されず、焼結性が低下する。

ところて本発明ではダイヤモンド粉末として１μｍ超３
μｍ以下のものを選択使用するところに大きな特徴を有
するものであり、１μｍ未満の超微粉末では、仕上精度
の高い切削工具等を与える焼結体は得られるものの、耐
摩耗性が乏しいものとなり、一方３μｍを超える粗粒物
を使用すると焼結体に微細な凹凸かできるため、仕上精
度の高い切削工具用等としての適性を欠くものとなる。

しかし１μｍ超３μｍ以下のものを使用すると、耐摩耗
性および表面精度の両方を満足する焼結体を得ることが
できる。

尚本発明における高圧相型窒化硼素とは、立方晶型窒化
硼素とウルツ鉱型窒化硼素の２種類を包含する意味であ
り、従って本発明においてはどちらか一方を単独で使用
してもよく、画すを氾仝１７て使用することもあり得る
。但し、ウルツ鉱型窒化硼素粉末は粒径３μｍ以下のも
のが一般的であるのでそのまま使用すればよいが、立方
晶型窒化硼素粉末は粗いものから１μｍ以下の微細なも
のまであるので、本発明において立方晶型窒化硼素を使
用する際には粒径３μｍ以下のものを選択し或は分級し
て使用する必要がある。なお同一添加量を比較すると、
高圧相型窒化硼素の粒径は小さい程ダイヤモンドの粒成
長抑制効果が大であるので、好ましくは１μｍ以下のも
のを使用することが望まれる。

本発明に係る焼結体においては、１μｍ超３μｍ以下の
微細ダイヤモンドの含有量を３０〜９３体積％とする必
要がある。即ちダイヤモンドの含有量が９３体積％を超
える場合は、高圧相型窒化硼素が相対的に不足気味とな
って焼結時におけるダイヤモンドの粒成長抑制効果が十
分に発揮されず、一方３０％未満では、目標レベルの耐
摩耗性が得られない。又高圧相型窒化硼素の含有量は、
２〜２０体積％とする必要がある。これは高圧相型窒化
硼素の含有量が２０体積％を超えると耐摩耗性が不十分
となり、また２体積％未満では焼結時におけるダイヤモ
ンドの粒成長抑制効果が有効に発揮されなくなるからで
ある。尚本発明においては、更に他の成分として１μｍ
以下のダイヤモンド微粉末を少量配合し、焼結体の焼結
性を更に高めることも可能である。しかし配合量が多過
ぎると耐摩耗性が不十分となるので、５０体積％程度以
下に抑えるのがよい。

また本発明の焼結体は、前述の如くその製造段階で鉄族
金属を５％以上含む金属又は合金を金属触媒として使用
するので、得られる焼結体は当該金属触媒を当然含んだ
ものとなる。

以下本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下
記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・
後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更して実施する
ことはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものであ
る。

［実施例］ 粒径１μｍ以下および１μｍ超３μｍ以下のダイヤモン
ド粉末と、粒径１μｍ以下および１μｍ超３μｍ以下の
立方晶型窒化硼素粉末（ＣＢＮ）とを各種割合で十分混
合した混合粉末にフルフリルアルコールを加えて更に混
合し、微量の硝酸を添加した後７０℃に加熱して脱水縮
合し、フルフリルアルコールを樹脂化した。これを８０
０ｔで炭化処理し、原料粉末を含有した緻密な固形のフ
ラン樹脂由来非晶質炭素を得た。

得られたフラン樹脂由来非晶質炭素を直径１゜■、厚さ
１ｍｍの円板状に加工し、１　ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ。

１４５０℃の条件で脱ガス処理を行なった。これらを触
媒作用を有する１０％ＣＯ含有超硬合金板及びコバルト
板で挟み、超高圧高温発生装置を用いて６０キロバール
、１４８０℃の条件で焼結を行ない、焼結体Ｎｏ、１〜
７およびＮｏ、１’〜５゜を得た。

得られた各焼結体について構成４分の配合割合、焼結体
組織及び切削テストによる耐摩耗性を調査したところ、
下記第１表に示す結果が得られた。

尚切削テストは各焼結体を切断して切削チップを作成し
、被剛材として直径８０ｍｍの丸棒のＡ１１２％Ｓｉ合
金に対して、切削速度３００ｍ／分、送り０．０２ｍ＋
ｎ／回転、切込み０．０５ｍｍの条件で行なった。但し
焼結体Ｎｏ、２’　、４°については粗粒化しているの
で切削テストは行なっていない。

その結果、被削材の加工面の粗度は、天然ダイヤモンド
車石工具を用いて同条件で切削したものと殆んど差が認
められず、鏡面に近い仕上げ面が得られた。

また耐摩耗性は、各チップの寿命に至るまでの時間を、
Ｎｏ、１’を１として評価し、第１表に示す結果を得た
。

第１表より次のように考えることができる。

（１）符号１〜７は本発明を充足する実施例で、均質な
微細組織が得られており、切削テストでは良好な仕上面
が得られると共に、耐摩耗性はいずれも比較例１°の２
倍以上であり切削部材として非常に優れていることが分
かる。

（２）符号１′〜５゛は以下に示す如く本発明で定める
要件のいずれかを欠く比較例であり、耐摩耗性はいずれ
も本発明の局以下となっている。

符号１°　：１μｍ超３μｍ以下のダイヤモンドが配合
されていない。

符号２″、４°　：高圧相型窒化硼素量が規定範囲未満
であるため、焼結体は 部組粒化している。

符号３゛　：１μｍ超３μｍ以下のダイヤモンド量が規
定範囲未満であり耐摩耗 性の大幅な向上が見られない。

符号５°　：高圧相型窒化硼素量が規定範囲を超えてお
り耐摩耗性に劣る。

［発明の効果］ 以上述べた如く本発明によれば、既述の構成を採用する
ことによって、耐摩耗性が良好でかつ優れた仕上面精度
を与える高硬度の加工々具等に適した微細結晶焼結体を
提供し得ることになった。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）１μｍ超３μｍ以下のダイヤモンド：３０〜９３
   体積％、３μｍ以下の高圧相型窒化硼素：２〜２０体積
   ％、残部がダイヤモンド合成用金属触媒（但し鉄族金属
   を５重量％以上含む）またはこれと１μｍ以下のダイヤ
   モンドから成り、組織上ダイヤモンドが直結々合相を形
   成していることを特徴とする高硬度微細結晶焼結体。
2. （２）１μｍ超３μｍ以下のダイヤモンド粉末と３μｍ
   以下の高圧相型窒化硼素粉末またはこれと１μｍ以下の
   ダイヤモンド粉末を含有させた樹脂由来非晶質炭素に、
   鉄族金属を５重量％以上含む金属又は合金を接触させ、
   １２５０℃以上の温度で且つ熱力学的なダイヤモンド安
   定領域の圧力で加圧焼結することを特徴とする高硬度微
   細結晶焼結体の製造方法。