JPH0776135B2 - 耐摩耗多結晶ダイヤモンド熱抵抗体 - Google Patents

耐摩耗多結晶ダイヤモンド熱抵抗体

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JPH0776135B2
JPH0776135B2 JP63155067A JP15506788A JPH0776135B2 JP H0776135 B2 JPH0776135 B2 JP H0776135B2 JP 63155067 A JP63155067 A JP 63155067A JP 15506788 A JP15506788 A JP 15506788A JP H0776135 B2 JPH0776135 B2 JP H0776135B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は切断機械加工及び穿削作業用の工具並びに耐摩
耗面体として利用される耐熱・耐摩耗多結晶ダイヤモン
ド体に関する。
〔従来の技術〕
これまで市場には、主成分として多結晶ダイヤモンドを
含有した高圧高温焼結工具が多種、多様に存在してい
る。この種の工具は米国、日本、アイルランド、スウェ
ーデン、フランス、ソ連、南ア等々の色々な国で製造さ
れ且つ多種の目的に使用されている。その内最も重要な
用途はロックドリル（オイルドリリング）、金属切削及
びワイヤ引出しである。
高圧−高温（HP/HT）を用いたこの種多結晶ダイヤモン
ド工具の製造技術は古い多数の特許文献等に詳述されて
いる。
USP2,941,248（米国特許）：「高圧高温装置」 USP3,141,746:「ダイヤモンドコンパクトアブラシブ」;
50vol.％より大なるダイヤモンドと「ダイヤモンド対ダ
イヤモンドのインターフェースのインターロック」をも
たらすCo,Ni,Ti,Cr,Mn,Ta等のバインダを含有する高圧
結合体。支持体不要。
USP3,239,321:「金属母材中のダイヤモンド研磨粒
子」：異種金属と共にダイヤモンドの高圧焼結。支持体
不要。
USP3,407,445:多結晶ダイヤモンドの製法と装置。支持
体不要。
これらの特許は全て、ダイヤモンドが安定相にある焼結
圧力と温度の使用を開示している。また50vol.％より大
なるダイヤモンドとCoやNi等のバインダを含有している
が、如何る支持体も具備してない工具が記述されてい
る。
その後の幾つかの特許文献、例えばUSP3,745,623とUSP
3,767,371、には、高圧高温焼結多結晶ダイヤモンド工
具として70vol.％より大なるダイヤモンドを含有した超
硬体がセメンテッドカーバイド（焼結炭化物）のデイス
クに結合したものが記述されている。即ち次のように記
載されている。「該ダイヤモンド結晶材料と該焼結炭化
物がインターフェースで接合し、該インターフェースが
焼結炭化物とダイヤモンド結晶のみから成る」 USP4,311,490は順次積層した少くとも二層のダイヤモン
ド（或いはcBN）を含んで成り、焼結炭化物のデイスク
に結合した高圧高温焼結体を記載している。この最上層
のダイヤモンドグレンサイズは10μｍより小であり、最
下位層のサイズは70〜500μｍである。この場合もま
た、ダイヤモンド（cBN）の量が70vol.％より大であ
り、ダイヤモンド（cBN）のグレンが最下位層において
支持デイスクの焼結カーバイド（炭化物）と直に接触し
ていることが条件である。もう１つの条件としては、ダ
イヤモンド（cBN）グレンが互いに直に結合し、ダイヤ
モンド（cBN）とは別の硬質層が金属のみを含んでい
る。
USP4,403,015は超硬多結晶ダイヤモンド層と支持デイス
クに挾持された立方晶系窒化ホウ素（70vol.％より小）
と１種又はそれ以上の炭化物、窒化物、炭窒化物又はホ
ウ化物から成る非金属中間層の使用を述べている。
その他多くの特許文献は、ダイヤモンド（cBN）と支持
デイスクに挾持された金属中間層の使用を述べている。
USP4,063,909:「バッキングにろう付けされた研磨コン
パクト」;Ti,Cr,Mn,V,Mo,Pt,Fe,Co,Ni等の0.5mmより小
の層厚の中間層、HP/HT焼結。
USP4,108,614:「焼結炭化物のバッキングにダイヤモン
ドコンパクトを結合するジルコニウム層」;HP/HT焼結。
USP4,228,942:「研磨コンパクトを製造する方法」;750
℃でTiとAg−Cu−Zn−Ni−Mnのろう付け。
USP4,229,186:「研磨体」；複数のダイヤモンドコンパ
クトをラミネートして、金属層、例えば100μmZrや金属
合金ろうにより隣接の当該コンパクトが接合されて成る
5mm厚のラミネートから成る肉厚コンパクトのラミネー
ト研磨体。各ダイヤモンド体は80vol.％のダイヤモンド
と20vol.％の金属、例えばCoから成る。
USP4,293,618:「切削工具間の焼結体とその製法」；支
持デイスクが（Mo,W）Ｃ＋Co。１例では、Mo,W,Nb,Ta,T
i,Zr又はHf等の金属中間層を支持デイスクとダイヤモン
ドや立方晶系窒化ホウ素の硬質体との間に挾持させて用
いられる。
USP4,411,672:「ダイヤモンドと焼結炭化タングステン
の複合物を製造する方法」；ダイヤモンド粉末と（WC＋
Co）の支持デイスクの間に金属の中間層、例えばWC−Co
複合体の共晶点より低い融点を有するCo−Ni−Fe合金等
の中間層が用いられる。その焼結はCo−Ni−Fe合金が溶
融するが（WC＋Co）デイスクは溶融しない温度で実施さ
れる。
USP4,604,106:「複合多結晶ダイヤモンドコンパク
ト」；ダイヤモンドグレンへの添加物として焼結炭化物
の小さな予備焼結片体を使用して工作面の方にダイヤモ
ンドを高度に集中させ、デイスクの方を粗密度化させる
ことを述べている。
多くの実際ケースでは、工作物と接触することになる多
結晶ダイヤモンド体の工作面が高度の摩耗抵抗と熱安定
性を有すべきである。ダイヤモンド体の反対側に、クラ
ックを生ぜずに締結（クランプ）の力に抗し得るように
剛性や脆性が低くあるべきである。これは、全てのクラ
ンピングに有効であるが、クラック傾向は次の場合によ
り大きくなる。即ち、ダイヤモンド体が、焼結炭化物等
の支持体に直接HP−HT結合して、熱膨張と機械的特性の
相違がダイヤモンドと支持体材料間で大きく、且つシャ
ープである場合にクラックの傾向が大である。
多結晶ダイヤモンドの温度抵抗を向上させるのに、二種
の方法がこれまで試みられている。両方法ともにダイヤ
モンド層の熱膨張を減じるのを目的としている。１の方
法はUSP3,233,988とUSP3,136,615によると、バインダ金
属、例えばCoを焼結中に相対的に多量に使用し、その後
にこの金属を強酸を用いて浸出させる方法である。しか
し、これは多孔性の機械的に弱い材料となる。他の方法
は、Si,Si合金、SiC等のように、低熱膨張性の材料をダ
イヤモンド体に入れる（USP4,151,686、USP4,241,135、
USP4,167,399及びUSP4,124,401による）方法である。
しかし、これらいづれの方法も、多結晶ダイヤモンド工
具の実働面と焼結炭化物のような支持材料、ろう付け金
属又はその他のタイプのクランプ手段に近いダイヤモン
ド体の反対側の両者に最適の特性を付与する問題を解決
しない。
〔発明の目的〕
本発明は、この問題を解決した多結晶ダイヤモンドの熱
抵抗体を提供することにある。
〔発明の構成、効果〕
多結晶ダイヤモンド体の別異の部分に異なる量の、異な
る種類の結合剤金属を使用することによりこれらの問題
を解決することが出来ることを実験は示している。これ
は、例えば、二又は三以上の、好ましく三種の異なる均
質ダイヤモンド体であって夫々比較的低融点のバインダ
金属の組成と特定量のダイヤモンド量を順次重積して成
るラミネートを用いることにより達成し得る。これらダ
イヤモンド層は隣り同士及び支持体があれば、これに
も、３〜300μｍ厚の中間層を介在させることにより結
合されている。この中間層はより高融点金属や窒化物又
はホウ化物のような他の材料を含んで成るが、これは低
融点のバインダ金属にロックされ且つ異なるダイヤモン
ド層の間並びに支持体（もしあれば）と最寄りのダイヤ
モンド層の間のこれら金属の拡散を阻止するためであ
る。
上述の耐摩耗多結晶ダイヤモンド体を焼結するとき、ダ
イヤモンドが安定な程度の高圧と高温が適用される。
各ダイヤモンド層の結合剤金属の量と組成を他のダイヤ
モンド層とは独立に変えることにより、各ダイヤモンド
層の重要な多数の特性に影響を与えて、ダイヤモンド層
の各々を異なる機能に応じた最適なものにすることが今
や可能になった。
結合剤金属の量を増加させると、ダイヤモンド層のタフ
ネスと弾性が高まり、且つ熱伝導性が高まる。他方、金
属成分の増大はダイヤモンド体のより低温の膨張により
且つグラファイトの生成するダイヤモンドの性向を減じ
ることによって、より良好な熱安定性をもたらす。しか
も、この金属成分の増大は摩耗抵抗を向上させる。更
に、金属組成の変更はタフネスと熱膨張の両者に影響を
与えることが出来る。それは異なる金属と合金の異なる
機械的特性と熱膨張によるものである。
最上位ダイヤモンド層中の金属の種類と量を適当に選択
することによって、工作物を摩耗させたり切削したりす
るときに「工作面」を非常に良好な特性にすることが出
来る。
同様に、最下位ダイヤモンド層中の金属の種類と量を適
当に選択することにより、この層を支持体に対して、こ
の支持体が焼結炭化物のHP−HT結合した又はろう付した
デイスク、或いは単なるろうや機械的クランピングのい
づれであっても、最適にすることが出来る。
工具の機械的及び熱強度は第３のダイヤモンド層を使用
すると向上することが、更に判明した。このダイヤモン
ド層は上述の二層の間に配置するが、その目的は、バイ
ンダ金属の量と組成が相違することによって異なる特性
を有している上下の二層の間に強力な結合をもたらす。
金属の適当な選択により、この中央ダイヤモンド層に、
これを挾持する他の二つのダイヤモンド層の特性の間の
レベルの特性を付与することが出来る。
ダイヤモンド工具の性能のもう１つの改良は各ダイヤモ
ンド層の厚みを調節することにより達成される。
本発明によれば、旋削加工、フライス加工（ミリン
グ）、のこ引き加工、引抜き加工等の種々の機械工作用
の工具として使用する耐摩耗性多結晶ダイヤモンドの熱
抵抗体であって、バインデイング、フラクシング剤金属
の量と組成が異なる添加物を工具工作面から別異の距離
に配置している工具が提供される。好ましくは、多結晶
ダイヤモンド体の金属濃度が工作面に向って減少し、他
方金属組成をより低い熱膨張率をも有する機械的により
堅い母材となるように変化させる。
１の実施例によれば、ダイヤモンド体は、支持体（例え
ば焼結炭化物の）に、工具のクランプを容易にするため
にHP−HT結合される。
本発明によれば、バインダ金属の量と種類は、特定の適
用分野、即ち機械作業に適する工具特性を付与するよう
に選択される。
適当なバインダ金属は比較的に低い融点を有すべきであ
り、Co,Ni,Fe,Mn,Si,Al,Mg,Cu,Sn等の１〜40vol.％（好
ましく３〜30vol.％）の１種の金属や合金であり得る。
殊に良好な成果は、硬質多結晶ダイヤモンド体が順次重
積された夫々相対的に低融点のバインダ金属の特定量と
組成を有する別異な均質ダイヤモンド体の三層から成る
場合に得られた。
次に本発明を更に詳しく説明する。
第１図において、最上層11は、最大摩耗抵抗が特定の適
用分野、即ちタフネス挙動、衝撃強度、温度抵抗等を要
求する機械的作業において達成されるだけの金属含有
量、金属組成及び層厚を付与されている。原則として、
金属含有量は最上層では相対的に低い。
最下層13は、この適用分野の機械的及び熱的応力（スト
レス）に対処するために支持デイスクとの結合が充分強
力になるだけの金属含有量、金属組成及び層厚を付与さ
れている。原則として、金属含有量は最下層において他
層より大きい。
中央層12（三層の超硬質層を用いる場合）は、最上層と
最下層が充分に結合してこの特定分野の機械的及び熱的
ストレスに対処し得るだけの結合を果すような斯ゝる金
属含有量を付与されている。
この三層を製造中は互いに離間して三層の間及び最下層
と支持デイスクとの間の金属拡散が起きないようにする
ため、薄い中間層21,22,23を用いる。この中間層は１〜
300μｍ厚の比較的高い融点の金属やその合金或いはダ
イヤモンドと立方晶系窒化ホウ素を除くその他の材料、
好ましくは１〜150μｍ厚の例えばMo,W,Zr,Ti,Nb,Ta,C
r,V,B4C,TiB2,SiC,ZrC,WC,TiN,TaN,ZrB2,ZrN,TiC,（Ta,
Nb）C,Cr炭化物、AlN,Si3N4,AlB2等から成る。二つの中
間層（21,22）の形態として、一般にホイルが用いられ
る。支持デイスクに面した残りの中間層（23）の形態と
しては、金属ホイルや金属その他の材料の粉末を用いた
り、ＷやTiNのPVD法やCVD法を用いて成る種々のものが
採り得る。PVD法やCVD法が用いられるときは、少くとも
３μｍ厚、好ましくは５〜20μｍの中間層を形成する。
結合剤金属が超硬質層11,12,13の相互間で拡散するのを
阻止し且つ支持デイスクから最寄りの層13に拡散するの
を阻止するために、中間層21,22,23を拡散バリア（障
壁）として使用することの必要性が確認された。三超硬
質層11,12,13に異なる金属含有量を付与したが拡散阻止
バリア層21,22,23を何ら用いない斯ゝる実験を行った
が、これは超硬質層11,12,13の金属含有量の層間の著し
い平準化と支持デイスク14からの最下層13への金属拡散
の現象を示していた。
本発明に係わる工具では、超硬質層の肉厚は別異の作業
に適合させるために変化させることが出来るが、各層は
0.1〜2.0mmの肉厚を有し、好ましくは0.2〜0.5mm厚と
し、全肉厚を3.0mmより小にし、好ましくは1.5mmより小
に選定すべきである。
それと共に、三つの中間層21,22,23の材料と肉厚は、超
硬質層間の結合（11と12及び12と13）と支持デイスク14
と最下層13の結合を前記特定分野の機械的及び熱的スト
レスに対処し得るだけ充分に強力にするために適当に選
定され得る。同時にこの中間層により、金属拡散は超硬
質層間及び支持デイスクと超硬質層13の間で阻止され
る。
ダイヤモンドのグレンサイズは500μｍより下位の異な
るレベルのものであり得るが、これは工具の用途を考慮
して選定される。ある目的には、例えばグレンサイズを
10〜50μｍにし、他の目的には50〜300μｍにする。
ダイヤモンドの含有量例えば５〜20％が微多結晶であ
る、即ち爆発工法、例えばデュポン社により合成された
ものであるならば、それは工具の摩耗抵抗にとって特に
有益であることが確認されている。この種のダイヤモン
ドは70〜300Åサイズの結晶により作られた0.1〜60μｍ
サイズの球形団塊を含んで成る。
ダイヤモンドと種々の金属の他に、超硬質層は、窒化ホ
ウ素、B4C,TiB2,SiC,ZrC,WC,TiN,ZrB,ZrN,TiC,（Ta,N
B）C,Cr炭化物、AlN,Si3N4,AlB2及びB4C,SiC,TiN,Si3N4
等のウイスカー等の硬質耐熱要素の１又はそれ以上を含
んでいる。
支持体14の材料は下記の採り得る要領において設定され
得る。
ａ）全然支持デイスクなし。
ｂ）予備焼結された焼結炭化物（例えばWC＋Co）のダイ
ヤモンド体にろう付け結合された支持デイスク。
ｃ）WC＋Coの焼結炭化物とは異なる材料（例えば予備焼
結されたTiN＋Co,TiB2＋Co又はSiN4基材料等）のダイヤ
モンド体にろう付けされた支持デイスク。
ｄ）予備焼結された焼結炭化物（例えばＷ＋Co＋中間
層）のダイヤモンド体にHP−HTにより結合された支持デ
イスク。
ｅ）WC＋Coの焼結炭化物とは異なる材料（例えば予備焼
結されたTiN＋Co＋中間層、TiB2＋Co＋中間層又はSiN4
基材料等）のダイヤモンド体にHP−HTにより結合された
支持デイスク。
支持デイスクの肉厚は0.2mmより大で、好ましくは１〜5
mmである。
本発明に係わる工具は更にダイヤモンドの薄層（１〜10
μｍ）をPVDやCVD法により具備させることもできる。
〔実施例〕
第１図に示す構成の本発明に係わる工具の例を以下に示
す。これらの例では次の要領の支持デイスクが用いられ
た。
WC:85w.t.％、グレンサイズは1.8μｍ Co:13w.t.％ 全肉厚:3.5mm 高圧（HP）−高温（HT）の焼結条件： 圧力:60Kbar（＝6.0GPa） 温度:1700℃ 接続時間:3分 例 １ 第１図に関し、次の構成の工具 11＝なし 12＝80vol.％のダイヤモンド（80％125〜150μｍ厚＋20
％37〜44μｍ厚）＋10vol.％のWC＋10vol.％のCo 13＝80vol.％のダイヤモンド（80％125〜150μｍ厚＋20
％37〜44μｍ厚）＋20vol.％Co 21＝なし 22＝Mo:100μｍ厚（ホイル） 23＝Mo:100μｍ厚（ホイル） t1＝なし t2＝0.4mm t3＝0.4mm 例 ２ 第１図に関し、次の構成の工具 11＝90vol.％のダイヤモンド（10〜50μｍ厚）＋2vol.
％のCo＋8vol.％のB4C（10〜50μｍ厚） 12＝90vol.％のダイヤモンド（10〜50μｍ厚） 13＝90vol.％のダイヤモンド（10〜50μｍ厚）＋10vol.
％のCo 21＝Mo:100μｍ厚（ホイル） 22＝Mo:100μｍ厚（ホイル） 23＝TiN:10μｍ厚（PVDの層） t1＝0.3mm t2＝0.3mm t3＝0.4mm 例 ３ 第１図に関し、次の構成の工具 11＝80vol.％のダイヤモンド（10〜50μｍ厚）＋4vol.
％のCo＋16vol.％のB4C（10〜50μｍ厚） 12＝80vol.％のダイヤモンド（10〜50μｍ厚）＋12vol.
％のCo＋8vol.％のB4C（10〜50μｍ厚） 13＝80vol.％のダイヤモンド（10〜50μｍ厚）＋18vol.
％のCo＋2vol.％のB4C（10〜50μｍ厚） 21＝Mo:100μｍ厚（ホイル） 22＝Mo:100μｍ厚（ホイル） 23＝TiN:10μｍ厚（PVDの層） t1＝0.3mm t2＝0.3mm t3＝0.4mm 例 ４ 第１図に関し、次の構成の工具 11＝70vol.％のダイヤモンド（10〜50μｍ厚）＋10vol.
％のダイヤモンド（15μｍ厚の団塊、70〜300Åの結
晶）＋4vol.％のCo＋16vol.％のB4C（10〜50μｍ厚） 12＝70vol.％のダイヤモンド（10〜50μｍ厚）＋10vol.
％のダイヤモンド（15μｍ厚の団塊、70〜300Åの結
晶）＋12vol.％のCo＋80vol.％のB4C（10〜50μｍ厚） 13＝70vol.％のダイヤモンド（10〜50μｍ厚）＋10vol.
％のダイヤモンド（15μｍ厚の団塊、70〜300Åの結
晶）＋18vol.％のCo＋2vol.％のB4C（10〜50μｍ厚） 21＝Mo:100μｍ厚（ホイル） 22＝Mo:100μｍ厚（ホイル） 23＝TiN:10μｍ厚（PVDの層） t1＝0.3mm t2＝0.3mm t3＝0.4mm 例 ５ 第１図に関し、次の構成の工具 11＝70vol.％のダイヤモンド（10〜50μｍ厚）＋6vol.
％のCo＋24vol.％のB4C（10〜50μｍ厚） 12＝70vol.％のダイヤモンド（10〜50μｍ厚）＋18vol.
％のCo＋12vol.％のB4C（10〜50μｍ厚） 13＝70vol.％のダイヤモンド（10〜50μｍ厚）＋25vol.
％のCo＋5vol.％のB4C（10〜50μｍ厚） 21＝Mo:100μｍ厚（ホイル） 22＝Mo:100μｍ厚（ホイル） 23＝TiN:10μｍ厚（PVDの層） t1＝0.3mm t2＝0.3mm t3＝0.4mm
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明に係わる超硬質三層から成るダイヤモ
ンド工具を示す説明図である。 図において、 11……超硬質最上層（トップ）又は工作面、 12……超硬質中央層、 13……超硬質最下層（ボトム）、 14……支持体（WC＋Co等の焼結炭化物のデイスク）、 21,22,23……中間層、 t1,t2,t3……超硬質層の層厚。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】少くとも二つの別異の均質ダイヤモンド層
    が金属拡散を阻止する中間層を介在させて順次重積され
    て成り、各ダイヤモンド層が0.1〜2.0mm厚で且つ全層厚
    が3.0mmより小であり、各ダイヤモンド層が１〜40vol.
    ％の比較的低い融点のバインダ金属と１種又はそれ以上
    の耐熱化合物の所定量と組成を有し、更に中間層が夫々
    １〜300μｍ厚である、耐摩耗多結晶ダイヤモンド熱抵
    抗体。
  2. 【請求項２】５〜20％の静的方法で生成したダイヤモン
    ドを爆発による動的方法で生成した微結晶ダイヤモンド
    と置換した特許請求の範囲第１項に記載の多結晶ダイヤ
    モンド熱抵抗体。
  3. 【請求項３】支持デイスクを具備し、この支持デイスク
    とダイヤモンド体の間に介在する中間層が少くとも３μ
    ｍ厚のPVD法により生成したTiNである特許請求の範囲第
    １項と第２項のいづれか１項に記載の多結晶ダイヤモン
    ド熱抵抗体。
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