JPH05132704A - 高硬度微細結晶焼結体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 切削用工具の刃先や線引ダイス等に用いられ
た場合に優れた仕上面粗度が得られ、高硬度でしかも優
れた耐摩耗性を示す微細結晶焼結体、及びその様な焼結
体を製造する方法を提供する。 【構成】 粒径３μｍ以下のダイヤモンド：６０〜９４
体積％、粒径３μｍ以下の高圧相型窒化硼素：１〜４０
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）から成り、組織上ダイヤモン
ドと高圧相型窒化硼素の粒子界面で固溶体を形成してい
る。またこの様な焼結体は粒径３μｍ以下のダイヤモン
ド粉末と粒径３μｍ以下の高圧相型窒化硼素粉末を含有
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、１３５０℃以上の温度で
且つ熱力学的なタイヤモンド安定領域の圧力で加圧焼結
することによって得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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
微細結晶焼結体およびその製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】ダイヤモンド焼結体は高硬度で且つ耐摩
耗性に富んでいるので、従来から切削用工具の刃先や線
引ダイス等の素材として使用されてきたが、天然ダイヤ
モンド単石工具と比較して加工物の仕上面粗度が粗く、
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いて
は構成ダイヤモンドの粒径が３〜２０μｍ程度であり、
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認められ、天然ダイヤモンド単
石工具の様な鋭い刃先になり得ないことがその主な原因
であると考えられている（例えば特公昭５８−３２２２
４号）。

【０００３】上記不都合を回避する為には、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
なものとすればよいことは容易に着想し得ることであ
る。ところが従来の一般的な高温高圧法を採用しても希
望する焼結体を製造することは不可能であった。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以下の微細粒子を用い、Ｃｏ
板を積層して超高圧高温発生装置によって６０キロバー
ル，１４５０℃の条件で焼結しても、ダイヤモンド微細
粒子の一部は約５０〜５００μｍ程度の大きさの粗大粒
子に成長するだけであって、希望する焼結体を得ること
はできなかった。これに対し原料ダイヤモンド粉末とし
て３μｍ以上のものを用いれば粒成長は認められず、焼
結体を得ることができた。この様なことが市販ダイヤモ
ンド焼結体の構成ダイヤモンド粒子の最も微細なものが
３μｍ程度となる理由と思われる。

【０００４】ところで粒径３μｍのダイヤモンド粉末を
原料として用いた場合であっても、焼結時の粒成長を抑
制することができる技術は、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、粒径１μｍ以下のダイヤモンド粒子の
他に、粒径１μｍ以下の周期律表４ａ，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混合し、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。

【０００５】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
モンド焼結体と比較して大幅な低下を示すことが判明し
た。これは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
表面にガスが吸着され易く、従って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。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこうした従来
技術が持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
いられた場合に優れた仕上面粗度が得られ、高硬度でし
かも優れた耐摩耗性を示す微細結晶焼結体、および該焼
結体を製造する方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決する為の手段】本発明に係る高硬度微細結
晶焼結体とは、粒径３μｍ以下のダイヤモンド：６０〜
９４体積％、粒径３μｍ以下の高圧相型窒化硼素：１〜
４０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）から成り、組織上ダイヤ
モンドと高圧相型窒化硼素の粒子界面で固溶体を形成し
ている点に要旨を有するものである。

【０００８】又上記の様な高硬度微細結晶焼結体は、粒
径３μｍ以下のダイヤモンド粉末と粒径３μｍ以下の高
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、
１３５０℃以上の温度で且つ熱力学的なタイヤモンド安
定領域の圧力で加圧焼結することによって得られる。

【０００９】

【作用】本発明者らは上記目的を達成するため鋭意研究
を重ねた結果、ダイヤモンドに次ぐ硬度を有する高圧相
型窒化硼素を、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ことによって、ダイヤモンドにおけ
る焼結時の粒成長を抑制し、且つダイヤモンドと高圧相
型窒化硼素の粒子界面に固溶体を形成して、高硬度の微
細結晶焼結体が実現できることを見出し、ここに本発明
を完成した。

【００１０】これに対し、従来技術で示した様な焼結体
では、同期律表４ａ，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と、
ダイヤモンドとは粒子界面に固溶体を形成することがで
きず、これが粒子間の結合力が低くなる原因と考えられ
た。また、上述した如く従来技術では粉末状の原料を焼
結していたのでガス吸着等の不都合が発生していたので
あるが、本発明者らはこの点をも考慮し、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
晶質炭素を原料とすることによって、上記の様な不都合
をも解消し得た。即ち樹脂由来非晶質炭素は後に詳述す
る如く液体状モノマーから製造できるので、高圧相型窒
化硼素粉末およびダイヤモンド粉末を適度に分散でき、
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が実現できたのであ
る。

【００１１】樹脂由来非晶質炭素はグラッシーカーボン
と呼ばれているものと物質的に同じであり、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した固形のフラン樹脂
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（従来技術ではこの後が問題となる）、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
結させることによって、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、全体としてダイヤモ
ンドを結合相とする高硬度の焼結体が得られる。

【００１２】原料粉末を分散含有した樹脂由来非晶質炭
素は緻密な固形物であり、一度脱ガス処理した後はガス
成分の吸着は少なく、しかも原料粉末をカーボンで均一
に被覆した成形体を形成する。

【００１３】尚上記発明では、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
ても同様に処理でき、樹脂の種類に限定されない。

【００１４】希望する複合焼結体を得るための焼結温度
は１３５０℃以上とする必要があり、１３５０℃未満で
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であ
る。更に焼結工程で用いる金属触媒としては鉄，コバル
ト，ニッケル等の鉄族金属であることが必要であり、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
十分な触媒作用が発揮される。しかしながら鉄族金属が
５重量％未満であると触媒作用が発揮されず、焼結性が
低下する。

【００１５】ところで本発明では、ダイヤモンド粉末は
粒径３μｍ以下のものを選択して使用する必要があり、
粒径３μｍを超える粗粒物を使用すると焼結体に微細な
凹凸が生じることになり、高い仕上精度が要求される切
削工具としての適性を欠くものとなる。上記の様な粒径
のダイヤモンドを使用することによって、耐摩耗性およ
び表面精度の両方を満足する焼結体が得られる。

【００１６】一方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
一方を単独で使用することもあり得るし、両方を混合し
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１μｍ以下のものが一般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
（好ましくは１μｍ以下）のものを選定して使用する必
要がある。

【００１７】本発明に係る焼結体においては、粒径３μ
ｍ以下の微細ダイヤモンドの含有量を６０〜９４体積％
とする必要がある。即ちダイヤモンドの含有量が９４体
積％を超えると高圧相型窒化硼素が相対的に不足し、ダ
イヤモンド粒成長抑制効果が発揮されず、焼結時のダイ
ヤモンドの粒成長が発生するため好ましくない。６０体
積％未満ではダイヤモンドの焼結性が低下して耐摩耗性
が低下する。又高圧相型窒化硼素の含有量は、１〜４０
体積％（好ましくは３〜７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４０体積％を超える
と耐摩耗性が劣り、１体積％未満では焼結時のダイヤモ
ンドの粒成長抑制効果が小さいからである。

【００１８】本発明に係る焼結体は上述の如く、その製
造段階において鉄族金属を５％以上含む金属又は合金を
金属触媒として使用するものであるので、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。

【００１９】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・後記の趣旨に徴して設計変更することはい
ずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。

【００２０】

【実施例】粒径３μｍ以下のダイヤモンド粉末と、粒径
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８００℃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。

【００２１】得られたフラン樹脂非晶質炭素を直径１０
mm，厚さ１mmの円板状に加工し、１×10^-5Torr，１４５
０℃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含有超硬合金板および鉄族金属板で
挟み、超高圧高温発生装置を用いて６５キロバール，１
５５０℃の条件で焼結を行ない、各種の焼結体試料（Ｎ
o.１〜５）を得た。

【００２２】得られた各焼結体について構成々分の配合
割合、焼結体組織および耐摩耗性を調査した。このとき
比較例として、ｃＢＮを含まないもの（Ｎo.６）、ｃＢ
Ｎの含有量が多いもの（Ｎo.７）、ｃＢＮの代わりにＷ
ＣまたはＴｉＣを含有するもの（Ｎo.８，９）等につい
て、同様に焼結して得られた焼結体についても同じ調査
を行なった。

【００２３】尚耐摩耗性は各焼結体を切断して切削チッ
プを作成し、被削材として直径８０mmの丸棒のＡｌ−１
６％Ｓｉ合金に対して、切削速度４００ｍ／分，送り0.
1mm／回転，切込み0.1mm の条件で切削試験を行ない、
にげ面摩耗が0.2 mmになった時に寿命に至ったとし、比
較例の焼結体Ｎo.７のものの寿命を１としたときの相対
評価で示した。その結果を一括して表１に示すが、実施
例のものは比較例に比べて良好な耐摩耗性を示している
のがわかる。

【００２４】

【表１】

【００２５】次に試料Ｎo.３のものについて、その原料
粉末と焼結体のＸ線回折パターンについて調査したとこ
ろ、図１に示す結果が得られた。尚図１（ａ）は原料粉
末のＸ線回折パターンを示し、図１（ｂ）は焼結体のＸ
線回折パターンを示す。図１から、次の様に考察でき
た。即ち、焼結体では原料粉末に比べてｃＢＮピークが
小さくなり、またダイヤモンドとｃＢＮのピークの中間
部の強度が幾分高くなっており、ダイヤモンドと立方晶
窒化硼素の粒子界面で固溶体を形成しているものと思わ
れた。

【００２６】

【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、優れた仕上面粗度が得ら
れ、しかも耐摩耗性にも優れた微細結晶焼結体が実現で
きた。

【図面の簡単な説明】

【図１】試料Ｎo.３の原料粉末と焼結体のＸ線回折パタ
ーンである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 粒径３μｍ以下のダイヤモンド：６０〜
   ９４体積％、粒径３μｍ以下の高圧相型窒化硼素：１〜
   ４０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）から成り、組織上ダイヤ
   モンドと高圧相型窒化硼素の粒子界面で固溶体を形成し
   ていることを特徴とする高硬度微細結晶焼結体。
2. 【請求項２】 粒径３μｍ以下のダイヤモンド粉末と粒
   径３μｍ以下の高圧相型窒化硼素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、１３５０℃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に
   よって、請求項１記載の焼結体を製造することを特徴と
   する高硬度微細結晶焼結体の製造方法。