JPH07498B2

JPH07498B2 - 切削工具用ダイヤモンドの接合法

Info

Publication number: JPH07498B2
Application number: JP30473890A
Authority: JP
Inventors: 吉紀中村; 康博今西; 章上田
Original assignee: Shiga Prefectural Government.
Current assignee: Shiga Prefectural Government.
Priority date: 1990-01-30
Filing date: 1990-11-09
Publication date: 1995-01-11
Anticipated expiration: 2010-01-11
Also published as: JPH03261671A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は切削工具用ダイヤモンドの接合法に関する。さ
らに詳しくは、主に精密切削加工に用いられるダイヤモ
ンドバイトの刃先の単結晶ダイヤモンドと金属（合金を
含む）との接合方法、とくに大型のダイヤモンドをクラ
ックを生ずることなく強固に金属と接合する方法に関す
る。

［従来の技術］ダイヤモンドバイトにおいて単結晶ダイヤモンドをシャ
ンク（台金金属）に固定する方法としては、機械的な方
法とろう付法とが知られている。これらの方法のうち、
一般にはクランプ、ハメコミと言った機械的な固定方法
が多く用いられている。一方、ろう付法は、たとえば、
ダイヤモンドと板状などの別な金属とを化学的に接合し
たのち、この接合体の金属部分を通常のろう付法などに
よってシャンクに固定するものであり、つぎに述べるよ
うな特徴を有している。

機械的な固定方法において必要なダイヤモンドの掴み
しろ（押さえしろ）が、ろう付法では不要なため全面に
わたってダイヤモンドを利用することができ経済的であ
る。

すくい角、逃げ角などバイト設計上の自由度が高くな
る。またシャンク上での結晶方位の設定も容易になる。

ダイヤモンドは化学的に固定されるため、えられたダ
イヤモンド刃先は工具として長期間使用してもガタやゆ
るみがなく精密切削工具としてすぐれている。

しかしながら、ダイヤモンドバイト用の単結晶ダイヤモ
ンドと金属とのろう付法については、これまで二、三の
方法が開示されているのみであり、しかもそれらは接合
時のダイヤモンドのクラックの発生など種々の未解決の
問題を含んでおり、未だ実用化には至っていないのが現
状である。とくに、クラックの生じやすい大型のダイヤ
モンドの接合方法に至っては、実用的な接合法の提案は
皆無に近い。

単結晶ダイヤモンドを金属にろう付して、切削工具用の
ダイヤモンドバイトとして用いるには、ろう付するばあ
いは無論のこと、再研磨などのためにダイヤモンドと金
属との接合体をシャンク上で繰り返し脱着するばあいな
どにも、ダイヤモンドにクラックが発生しないことが必
要であり、さらに、当然のことながら、切削および研磨
に耐えうるだけの充分な接合強度を有することも必要で
ある。

ところが、接合強度のみに着目し、該強度を高める方法
としてはいくつか提案されているが、それらの方法はい
ずれも数百分の１カラットから数分の１カラットのごと
く比較的小さいダイヤモンドの接合を目的としたもので
あり、ダイヤモンドが小さいために、クラックがほとん
ど発生しないばあいにのみ通用しうる方法である。すな
わち、ダイヤモンドが大きくなるにしたがってダイヤモ
ンド自身のもつ内部歪や、ダイヤモンドと相手金属との
熱膨張率の差などが原因となりクラックの発生率は急激
に高くなる。そのようにクラックが発生すると、接合自
体は良好であっても、えられたダイヤモンド刃先はまっ
たく使用できず大きな経済的損失につながり、しかもそ
の損失はダイヤモンドの大きさに関して指数的に大きく
なる。

たとえば、ダイヤモンドバイト用の単結晶ダイヤモンド
を金属に接合する方法として開示されているものとして
は、特公昭55−15860号公報に記載の方法（以下、従来
法Ｉという）、特開昭61−4603号公報に記載の方法（以
下、従来法IIという）、特開昭62−148104号公報に記載
の方法（以下、従来法IIIという）などがあげられる。

従来法Ｉでは、ダイヤモンドの表面にTi、Ｗ、Coなどの
スパッター膜とCu、Ni、Agなどのスパッター膜とをコー
ティングしたのち、大気中で金属にろう付する方法がと
られている。しかし、その方法は一般の切削工具用のバ
イトではなく半導体用スクライバーの製造方法として開
発されたものであり、数百分の１カラットの大きさのダ
イヤモンドを接合する技術である。このような超小型の
ダイヤモンドではもともと接合によりクラックが発生す
るというおそれはまったくないため、クラック発生防止
のための提案はなく、この方法をクラックの発生しやす
い大型のダイヤモンドの接合に適用することはできな
い。

従来法IIではダイヤモンドのろう付においてそれまで不
充分だった金属との接合強度を高めるためにFe、Ni、C
o、Cuを0.5重量％以上含むMo、Ｗの焼結合金（２％Ni−
２％Fe−Ｗ、２％Fe−２％Ni−１％Cu−Moなど）が相手
金属として用いられている。接合方法はまず真空中1100
℃でダイヤモンドと中間層たるAu−Ta合金とを接合し、
ついでこの接合体を銀ろうで前記焼結合金などにろう付
するという２段階を必要とする。この従来法では天然ダ
イヤモンドのばあいに高い接合強度がえられないことが
知られている。

従来法IIIでは単結晶ダイヤモンドはまずMo、Ｗ、Ｗ−C
u、Ｗ−Fe−Cu、Ｗ−５％（Ni−Cu）などの金属片と接
合されるが、この接合体を汎用の銀ろうや銅ろうでシャ
ンクにろう付できるようにダイヤモンドと前記金属片と
のあいだのろう材は融点の高い（1000℃以上）特殊な金
系のろう材（Au−Ta）に限定されており、したがってそ
の接合温度が高くなってしまう。

また、従来法IIおよび従来法IIIはいずれも数分の１カ
ラット程度のダイヤモンドの接合技術であり、前述した
ごとくクラック発生防止には着目されていない。

このように、これまで単結晶ダイヤモンドにクラックを
発生させることなく金属と強固に接合する有効な方法は
知られていなかった。

［発明が解決しようとする課題］本発明は前記従来のダイヤモンド接合法における問題点
に鑑みてなされたものであり、クラックを発生すること
なく実用上充分な強度で単結晶ダイヤモンドと金属とを
接合する方法を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］本発明は５×10^-4Torr以下の高真空中850℃以下におい
て、0.5〜2.5重量％のTiと97.5〜99.5重量％のAg＋Cu
（Ag＋Cu中のCuが20〜35重量％）とからなる接合材を用
い、単結晶ダイヤモンドとNiで被覆されたたとえば板状
などの金属Mo、ＷまたはMo、Ｗの合金（Moおよび（また
は）Ｗと、Cu、Ni、CoおよびAgからなる群より選ばれた
１種以上の金属とからなり、該１種以上の金属の合計含
有量が30重量％以下）とを接合することを特徴とする切
削工具用ダイヤモンドの接合法に関する。

本発明において接合に供される切削工具用単結晶ダイヤ
モンドは、天然のものであっても合成のものであっても
よい。また、ダイヤモンドの大きさにはとくに限定はな
いが、従来法ではクラックが発生しやすかった接合面の
面積が10mm²以上のごとき大型のダイヤモンドにおいて
もクラックが発生することなく強固な接合が達成される
ので、とくにその効果が大きい。

また、ダイヤモンドの厚さについてもとくに限定はな
く、1.5mmをこえる大きさや、さらに2.0mm以上の大きさ
のダイヤモンドであってもクラックが発生せず本発明の
効果がえられる。

［作用］ダイヤモンドの接合相手の金属としてはMo、Ｗまたはそ
れらの合金といった熱膨張率の小さい金属が適している
ことが知られている。しかしながら、Mo、Ｗ、やそれら
の合金そのままではろう材に対するぬれ性がわるく、し
かも不均一なぬれが生ずるためにクラックが発生しやす
い。本発明はこれらの点に鑑み鋭意検討をおこなった結
果、単結晶ダイヤモンドの接合相手の金属としてNiで被
覆したMo、Ｗまたはそれらの合金を用い、かつ両者を0.
5〜2.5重量％のTiと97.5〜99.5重量％のAg＋Cu（Ag＋Cu
中のCuが20〜35重量％）とからなる接合材を介して５×
10^-4Torr以下の真空中、850℃以下でろう付することに
よりこれらの問題点を解決するに至ったものである。

［実施例］本発明の方法によれば、特定の真空度かつ接合温度にお
いて、ダイヤモンドとNi被覆を施したたとえば板状など
の金属とが、特定の接合材を用いて接合せしめられる。

ダイヤモンドの金属との接合面にはとくに限定はない
が、（110）面、（100）面が通常用いられる。

ダイヤモンドと接合される前記金属は、Mo、Ｗ、Moの合
金、Ｗの合金またはMoおよびＷの合金である。前記合金
は、熱膨張率があまり大きくないものであることを要
し、具体的にはMoおよび（または）Ｗと、Cu、Ni、Coお
よびAgからなる群より選ばれた１種以上の金属とからな
り、該１種以上の金属の合計含有量が30重量％以下であ
る。とくに、前記１種以上の金属の合計含有量は、25重
量％以下であることが好ましい。前記範囲をこえると、
熱膨張率が大きくなり、接合されたダイヤモンドにクラ
ックが発生しやすくなる。

Ni被覆の方法としてはとくに限定はないが、たとえば電
気メッキ、化学メッキ、イオンスパッターコーテイン
グ、イオンプレーティングなどの方法を用いることがで
きる。

この、Ni被覆層の厚さとしては、0.1〜10μｍが好まし
く、0.5〜５μｍがとくに好ましい。

Mo、Ｗまたはそれらの合金上にNi被覆を施すことによっ
てクラックの発生が抑えられる理由としては、Mo、Ｗま
たはそれらの合金に対する接合材のぬれ性が向上してよ
り均一な接合ができ、その結果接合層での歪の偏りが少
なくなるためと考えられる。

ぬれ性以外にクラックの発生を防止するためのもう１つ
の重要な要因は温度である。ろう付温度が低い程クラッ
クの発生が抑えられることは容易に推察される。本発明
では0.5〜2.5重量％のTiと97.5〜99.5重量％のAg＋Cu
（Ag＋Cu中のCuが20〜35重量％）とからなる接合材が使
用される。これらは850℃以下でも充分溶融し、この範
囲内であれば大型のダイヤモンドでもクラックが生じる
ことはない。

前記接合材には0.5〜2.5重量％のTiが含まれる。このTi
が本発明条件下でダイヤモンドと反応してカーバイドを
生成することにより、ダイヤモンドと金属との強固な接
合が達成される。したがって前記特定の接合材を用いる
ことによって、比較的低い接合温度と、接合に必要な量
の活性成分とがえられるのである。

なお、接合材中のTi量が前記範囲未満のばあいには、接
合層となるTiC形成に充分な量のTiがえられず接合強度
が弱いものと思われる。また、Ti含有量が前記範囲をこ
えるばあいには、接合材の溶融が不充分なうえ、金属に
対するぬれ性も劣り、接合層が厚くまたは不均一なた
め、接合強度が低下する。さらに、前記Ti含有量は0.5
重量％以上で2.0重量％以下であることが、低い接合温
度と良好なぬれ性が維持され、かつ接合に充分な量が提
供されるという点で好ましい。

また、接合材として用いるAg＋Cu中のCu量が前記範囲未
満のばあいや、前記範囲をこえるばあいには、ダイヤモ
ンドの変質を生じさせない850℃程度以下の温度では接
合材の溶融が不充分となり、接合がおこらないか、また
はおこってもその接合強度は極端に低いものとなる。

接合温度に関しては、従来のダイヤモンドの接合では10
00℃以上の温度が用いられていたのに比べ、本発明では
850℃以下でよく、しかも５×10^-4Torr以下の真空中で
ろう付するためクラックの発生以外にダイヤモンドの酸
化や劣化の防止も可能である。

なお、前記接合温度は、いうまでもなく接合材の溶融温
度以上であることを要する。本発明に用いるTiとAg＋Cu
とからなる前記接合材の溶融温度は、組成によっても異
なるが、約770〜830℃である。したがって、接合温度は
約770〜850℃となる。

以下に本発明の実施例について説明する。ただしこれら
は本発明の内容をなんら制限するものではない。

実施例１〜７および比較例１〜９第１表に示すごとく、種々のサンプルを作製した。

天然ダイヤモンドは上下の平行な面が（110）面となる
よう研磨した。接合面の面積およびダイヤモンドの厚さ
の測定値は第１表に示すとおりである。合成ダイヤモン
ドは接合面4mm×1mm、厚さ0.7mmのものをそのまま使用
した。

第１表に示す所定の厚さのNi被覆を施したMo板（10mmφ
×2mm）またはＷ板（10mm^□×2mm）上に厚さ約0.1〜0.2
mmの薄板状の接合材を重ね、その上に前記ダイヤモンド
を置いた。詳しくは、実施例１および３〜７に用いた接
合材は、Cuを所定量含むAg＋Cuに対して所定量となるよ
うTiを加え、溶解し合金化したのち、圧延して作製され
たものである。なお、実施例２については、厚さ0.1mm
のAg−Cu合金（Cuが28重量％）を金属板の上に重ね、そ
の上に５μｍ厚さのTi箔をTiが1.5重量％となるように
重ね、その上にダイヤモンドを置いた。これらを真空炉
に入れ１時間で昇温し５×10^-4Torr中850℃を５分間保
持しそののち２時間かけて冷却した。

えられた接合体についてクラックの発生状態およびダイ
ヤモンドの表面状態を観察したのち、接合体の剪断強度
を測定した。

実験条件と実験結果を第１表に示す。

実施例８〜10および比較例10〜13 前記Mo板またはＷ板に代えてMo、Ｗの合金の板（10mm^□
×2mm）を用い、第２表に示した条件で接合したほか
は、実施例１と同様にして種々のサンプルを作製したの
ち、表面状態の観察および剪断強度の測定を行なった。

実験条件と実験結果を第２表に示す。

実施例11〜14および比較例14〜17 つぎに、接合面積が10mm²以上の大型のダイヤモンドの
接合を行なった。すなわち、第３表に示した条件のほか
は実施例１と同様の方法でダイヤモンドの接合を行った
のち、表面状態の観察および剪断強度の測定を行なっ
た。

実験条件と実験結果を第３表に示す。

第１〜３表より、本発明の方法にしたがってダイヤモン
ドの接合を行なうことによって、高接合強度がえられ、
かつクラックの発生も防止されることがわかる。

接合体の剪断試験においてダイヤモンドが破壊したばあ
いにおいては、接合面がダイヤモンド自身よりも高い強
度を有しており、実用上まったく問題ないことを示して
いる。

これに対して、接合材が異なるもの（比較例６〜９）、
真空度が異なるもの（比較例５）、接合温度が異なるも
の（比較例１〜２）、相手金属が異なるもの（比較例12
〜13および17）、該金属へのNi被覆がされてないもの
（比較例３〜４、10〜11および14〜16）は、クラックが
発生したり、不充分な接合しかえられなかったりして、
いずれも実用上の問題点を解決しえないものであった。

このように、接合材、真空度、接合温度、相手金属およ
び金属表面へのNi被覆のうちのいずれかひとつでも本発
明の方法の範囲より逸脱するばあいには、前述のごとき
効果はえられない。

［発明の効果］本発明により、単結晶ダイヤモンドを比較的簡単に金属
に接合することを可能にし、以下のごとき効果を奏する
実用的な切削工具用ダイヤモンド接合法が提供される。

従来より問題であったクラックの発生がほぼ完全に防
止される。これによりダイヤモンドという高価な材料の
損失を最小限に止どめることができる。

充分な接合強度がえられる。すなわち、接合面はダイ
ヤモンド自身の剪断強度以上の強度を有し、機械的固定
法にみられるようなガタ、ゆるみが起きることもない。
また、従来のろう付法にみられた接合体からのダイヤモ
ンドの脱離もまったく起こらない。したがって本発明に
よって作製されたダイヤモンドバイトは精密切削工具と
してすぐれた特性を有する。

ろう付法によるため機械的固定法に比べ刃先として利
用できるダイヤモンドの面積が増大し経済的にも有利で
ある。また各種の形状の刃先の設計も可能となりダイヤ
モンド工具の利用範囲が拡大する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭63−239170（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−136605（ＪＰ，Ａ) 英国特許932729（ＧＢ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】５×10^-4Torr以下の高真空中850℃以下に
おいて、0.5〜2.5重量％のTiと97.5〜99.5重量％のAg＋
Cu（Ag＋Cu中のCuが20〜35重量％）とからなる接合材を
用い、単結晶ダイヤモンドとNiで被覆された金属Moまた
はＷとを接合することを特徴とする切削工具用ダイヤモ
ンドの接合法。
【請求項２】５×10^-4Torr以下の高真空中850℃以下に
おいて、0.5〜2.5重量％のTiと97.5〜99.5重量％のAg＋
Cu（Ag＋Cu中のCuが20〜35重量％）とからなる接合材を
用い、単結晶ダイヤモンドとNiで被覆されたMoおよび
（または）Ｗの合金（Moおよび（または）Ｗと、Cu、N
i、CoおよびAgからなる群より選ばれた１種以上の金属
とからなり、該１種以上の金属の合計含有量が30重量％
以下）とを接合することを特徴とする切削工具用ダイヤ
モンドの接合法。
【請求項３】単結晶ダイヤモンドの大きさが、金属との
接合面の面積が10mm²以上である請求項１または２記載
の切削工具用ダイヤモンドの接合法。