JPH0849036A - ドレッシング工具用焼結体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ドレッシング工具用材料に要求される特性で
ある強度、靭性、加工性、硬度及び耐摩耗性などの全て
を満足した工具用焼結体を提供する。 【構成】 周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族のいずれかの
遷移金属の炭化物、窒化物、硼化物もしくはこれらの混
合物又はこれらの固溶体２０〜８５容量％、鉄族金属２
〜３０容量％、粒径２５０μｍ以上のダイヤモンド１０
〜５０容量％とからなる焼結体であって、該焼結体を構
成する鉄族金属中又はその表面にカーボンが析出してい
るドレッシング工具用焼結体。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ドレッシング工具の
材料に好適に用いられる焼結体及びその製造方法に関
し、特に優れた靭性、強度、耐摩耗性等を有するドレッ
シング工具用焼結体及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】アランダム等の一般砥石やダイヤモンド
砥石等のドレッシング工具には、砥石外周の振れ調整機
能及び目立て機能及び、優れた耐摩耗性、靭性、強度と
いったことが要請される。現在、ドレッシング工具の材
料として広く使用されている粗粒ダイヤモンド単結晶を
使用したダイヤモンド単石ドレッシング工具や多石ドレ
ッシング工具は、かなりの耐摩耗性を有し、振れ調整機
能及び目立て機能に優れているが、ダイヤモンド単結晶
自体が劈開性によって破砕しやすく工具寿命の予測が難
しいといった問題があった。

【０００３】このようなダイヤモンド単結晶を使用した
ドレッシング工具の欠点を改善するため、数μｍ〜数十
μｍ程度の微粒ダイヤモンド粉末に少量のＣｏ等のバイ
ンダーを添加して焼結したダイヤモンド焼結体が、ドレ
ッシング工具の材料として一部で使用されている。

【０００４】しかしながらこのダイヤモンド焼結体を使
用したドレッシング工具は、ドレッシング用途におい
て、ダイヤモンド粒径が小さいため耐摩耗性に乏しく、
また十分な靭性、強度を備えたものとは言えないため、
被削材によっては摩耗が著しかったり、刃先破損を起こ
すといった問題を生じていた。さらにダイヤモンド焼結
体の製造工程では、通常５０ｋｂ以上の超高圧を必要と
し、著しく製造コストを引き上げるため、この点の改善
が強く望まれていた。

【０００５】また、本発明者は特願平５−３１８０５１
で提案した方法を用いてドレッシング工具を造らんとし
たが、必ずしもドレッシング工具用焼結体として十分な
性能を発揮するものを得ることができなかった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、ドレッシ
ング工具の材料としての要求特性である砥石外周の振れ
調整機能及び目立て機能、靭性、強度、加工性、耐摩耗
性等の全てを満足した工具用焼結体を、ダイヤモンド焼
結体と比較して低圧下で焼結し、経済的に得ようとする
ものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、周期律表
第４ａ、５ａ、６ａ族のいずれかの遷移金属の炭化物、
窒化物、硼化物もしくはこれらの混合物又はこれらの固
溶体２０〜８５容量％、鉄族金属２〜３０容量％、粒径
２５０μｍ以上のダイヤモンド１０〜５０容量％とから
なる焼結体であって、該焼結体を構成する鉄族金属中又
はその表面にカーボンが析出していることを特徴とする
ドレッシング工具用焼結体〔請求項１〕、第２の発明
は、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族のいずれかの遷移金
属の炭化物、窒化物、硼化物もしくはこれらの混合物又
はこれらの固溶体２０〜８５容量％、鉄族金属２〜３０
容量％、粒径２５０μｍ以上のダイヤモンド１０〜５０
容量％を混合した原料混合物を、温度９５０〜１１５０
℃、圧力１〜３０ｋｂで焼結することを特徴とするドレ
ッシング工具用焼結体の製造方法〔請求項２〕、第３の
発明は、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族のいずれかの遷
移金属の炭化物、窒化物、硼化物もしくはこれらの混合
物又はこれらの固溶体２０〜８５容量％、鉄族金属の酸
化物が鉄族金属換算で２〜３０容量％、粒径２５０μｍ
以上のダイヤモンド１０〜５０容量％を混合した原料混
合物を、温度５００〜９００℃の還元雰囲気中で還元処
理した後、温度９５０〜１１５０℃、圧力１〜３０ｋｂ
で焼結することを特徴とするドレッシング工具用焼結体
の製造方法〔請求項３〕、第４の発明は、基本組成がＷ
Ｃ−Ｃｏである超硬合金の原料を成形した基板又はＭｏ
を主成分とする（Ｍｏ，Ｗ）Ｃと鉄族金属とからなるサ
ーメットの原料を成形した基板の上に、周期律表第４
ａ、５ａ、６ａ族のいずれかの遷移金属の炭化物、窒化
物、硼化物もしくはこれらの混合物又はこれらの固溶体
２０〜８５容量％、鉄族金属２〜３０容量％、粒径２５
０μｍ以上のダイヤモンド１０〜５０容量％を混合した
原料混合物で成形した成形板を積層し、温度９５０〜１
１５０℃、圧力１〜３０ｋｂで焼結、接合したドレッシ
ング工具用焼結体〔請求項４〕である。

【０００８】以下にこれらの発明をさらに説明する。第
１の発明のドレッシング工具用焼結体は、周期律表第４
ａ、５ａ、６ａ族のいずれかの遷移金属の炭化物、窒化
物、硼化物もしくはこれらの混合物又はこれらの固溶体
と、鉄族金属と、粒径２５０μｍ以上のダイヤモンドと
で構成される。

【０００９】これらの中で結合相を構成する物質は、周
期律表第４ａ、５ａ、６ａ族のいずれかの遷移金属の炭
化物、窒化物、硼化物もしくはこれらの混合物又はこれ
らの固溶体と、鉄族金属である。

【００１０】周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族のいずれか
の遷移金属の炭化物、窒化物、硼化物もしくはこれらの
混合物又はこれらの固溶体は、工具として使用する場合
に、高温硬度、強度、熱伝導性及び化学的安定性に優
れ、超硬合金、サーメット等の工具用焼結体で用いられ
ているものと本質的な相違はない。これらの中ではタン
グステンカーバイドが好適に用いられるが、外にチタン
カーバイド等も好んで用いることができる。

【００１１】これらの含有率は、２０〜８５容量％とす
る。これが２０容量％未満では結合相の硬度、剛性、耐
摩耗性が低下するため好ましくない。また、これが８５
容量％を越えると、鉄族金属、ダイヤモンドの含有率が
相対的に低下し、ドレッシング工具用焼結体の強度、靭
性、耐摩耗性が低下するため好ましくない。

【００１２】結合相を構成する物質として、上記の外に
鉄族金属を２〜３０容量％含むようにする。この鉄族金
属は、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族遷移金属の炭化
物、窒化物、硼化物との濡れ性が非常に良く、粘性流動
により緻密化を促進し、結合相中に分散したダイヤモン
ドの保持力が強固となる。

【００１３】鉄族金属の含有率が２容量％未満では結合
相の緻密化がはかられず、結合相の高靭化、高強度化を
達成することができない。また、これが３０容量％を越
えると、結合相の硬度、剛性、耐摩耗性が低下するため
好ましくない。

【００１４】上記の外は粒径２５０μｍ以上のダイヤモ
ンドである。ダイヤモンドはその固有の著しい硬度故に
焼結体の耐摩耗性の向上に役立つ。その含有量は１０〜
５０容量％である。これが１０容量％未満では十分な耐
摩耗性を有した焼結体が得られず、またこれが５０容量
％を越えると結合相の緻密化が阻害され、緻密な焼結体
を得ることができない。

【００１５】特願平５−３１８０５１ではダイヤモンド
粒径を１〜４０μｍにしていたが、ここに用いるダイヤ
モンドは、粒径が平均で２５０μｍ以上のものを用い
る。即ち焼結体中のダイヤモンドの平均粒径が２５０μ
ｍ以上の焼結体の場合、図１に示すように優秀な性能を
示すことを発見した。図１はＷＣ：Ｃｏ：ダイヤモンド
＝５５：７：３８（容量％）の焼結体について、ダイヤ
モンド粒径とドレッシング工具用材料の摩耗量比との関
係を示す線図である。なお、ここで示す摩耗量比は平均
粒径２μｍの市販ダイヤモンド焼結体の摩耗量比を１と
したときのものである。

【００１６】図１より、１０００μｍよりさらに粒径の
大きい粗粒のダイヤモンドを使用すれば摩耗量比がさら
に大きくなる傾向を示しているが、１０００μｍを越え
るものは人造品で市販されているものは少なくまた高価
でもあるので、２５０〜１０００μｍのものを使用する
のが好ましい。

【００１７】ダイヤモンド粒径が大きいほど耐摩耗性に
優れる理由は、次のように考えられる。ドレッシング工
具のダイヤモンドの粒径と砥石の結晶粒径との関係にお
いて、砥石の結晶粒径の方がダイヤモンドのそれより大
きい場合には、ドレッシング時ドレッシング工具用材料
の耐摩耗性の相互比較となるが、逆の場合には、極端に
いえば単結晶ダイヤモンドでドレッシングしているのと
同様となる。砥石の結晶粒径は、通常１５０μｍ以下で
あるのが普通であるので、２５０μｍ以上のダイヤモン
ドを使用した場合には、単結晶ダイヤモンドの場合と同
じとみなすことができる。従ってダイヤモンドの粒径を
２５０μｍとすることが好ましい結果を奏する原因であ
ると考えられる。

【００１８】第２の発明は、第１の発明のドレッシング
工具用焼結体の製造方法である。ここで用いる原料とそ
の配合比とを、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族のいずれ
かの遷移金属の炭化物、窒化物、硼化物もしくはこれら
の混合物又はこれらの固溶体２０〜８５容量％、鉄族金
属２〜３０容量％、粒径２５０μｍ以上のダイヤモンド
１０〜５０容量％とした理由は、これまでに説明したと
ころと同様である。

【００１９】第３の発明は、第２の発明で用いる原料中
の鉄族金属のかわりに鉄族金属の酸化物を用い、これを
鉄族金属換算で２〜３０容量％混合した原料混合物を、
温度５００〜９００℃の還元雰囲気中で還元処理した
後、高温高圧下で焼結するというものである。これによ
って焼結体の強度を一段とあげることができる。鉄族金
属の酸化物を鉄族金属換算で２〜３０容量％とした理由
は、第１の発明で述べたところと同様である。

【００２０】還元雰囲気としては水素雰囲気が好まし
く、処理温度は５００〜９００℃である。５００℃未満
の温度では鉄族金属の酸化物が還元されず、また９００
℃を越える温度では、原料ダイヤモンド表面より著しい
相転移が起こり、黒鉛が多量に生じるため好ましくな
い。この還元処理によって下記の反応が進行する。 Ｍ−Ｏ ＋ Ｈ_２ → Ｍ ＋ Ｈ_２Ｏ ここで、Ｍは鉄族金属である。鉄族金属の酸化物として
は、結合相への分散性を考慮して、粒径１μｍ以下のも
のが好ましい。

【００２１】このように鉄族金属の酸化物を鉄族金属の
かわりに使用することによって、焼結体強度が向上する
理由は、通常のボールミル等の混合方法では、原料の多
少の粉砕と同時に混合がなされるが、Ｃｏ等の鉄族金属
はその固有の展性、延性故に、混合時に金属粒子同志が
水飴のように接着しやすいといった問題があった。しか
し、混合時に鉄族金属の酸化物を用いることにより、酸
化物は粉砕性がよいので、酸化物同士が接着することな
く均一に混合され、還元処理を経た鉄族金属は均一に組
織中に分散することになる。これによって、焼結体強度
が向上するものと考えられる。

【００２２】第３の発明に基づいて行った実験結果で
は、鉄族金属を原料としたものに比べ、鉄族金属の酸化
物を原料としたものの方が２０％以上高強度であった。

【００２３】第４の発明は、基本組成がＷＣ−Ｃｏであ
る超硬合金の原料を成形した基板又はＭｏを主成分とす
る（Ｍｏ，Ｗ）Ｃと鉄族金属とからなるサーメットの原
料を成形した基板の上に、第２の発明で用いる原料混合
物の成形板を積層し、これらを同時に温度９５０〜１１
５０℃、圧力１〜３０ｋｂで焼結、接合したものであ
る。

【００２４】これらの超硬合金及びサーメットは、いず
れも靭性、剛性、熱伝導性及び耐蝕性に優れ、ドレッシ
ング工具用材料の基板として使用するのに適している。
そしてこのドレッシング工具用焼結体は、焼結温度が９
００〜１１５０℃と低温度にて得られるため、通常の超
硬合金、サーメットあるいは市販ダイヤモンド焼結体の
焼結プロセスにおいて認められる液相は、超硬合金、あ
るいはサーメット基板中には出現しないが、高圧力下で
の焼結であるため、十分に固相焼結し、ダイヤモンドを
含む硬質層との接合強度も十分である。そして、このよ
うにダイヤモンドを含む硬質層と基板層とを同時焼結す
ると、基板層が硬質層に比較して高強度であるため、一
体物としての強度を一段と上げることができる。

【００２５】また、ダイヤモンドを含む硬質層に比較し
て基板層は著しく加工が容易であるため、工具作製のた
めのコストが低減できるなどの利点を有する。ダイヤモ
ンドを含む硬質層及び基板層の厚さは、経済性、工具仕
様及び強度等を考慮して決定すれば良いが、それぞれ
０．５ｍｍ以上あれば十分である。

【００２６】これらの原料混合物は、ボールミル等の混
合機によって混合され、これを粉末のまま、あるいは型
押し成形の後、ＨＩＰ装置、ピストンシリンダー装置等
の高温高圧発生装置で９５０℃〜１１５０℃、１〜３０
ｋｂの熱力学的に黒鉛の安定な領域で固相焼結する。こ
れによって原料中に分散したダイヤモンドは、鉄族金属
のもつ触媒作用によって表面より微量相転移して、この
相転移により生じた微細カーボンが、鉄族金属中又はそ
の表面に析出し、結合相が強靭化する。そしてこの焼結
条件は、市販のダイヤモンド焼結体の焼結条件に比較し
て、温度、圧力共に著しく低いものである。

【００２７】圧力及び温度に関する熱力学的なダイヤモ
ンド安定領域と黒鉛安定領域は図２に示すとおりであ
る。

【００２８】温度が９５０℃未満では焼結体は緻密化せ
ず、また１１５０℃を越える場合は、ダイヤモンドの著
しい相転移が起こり黒鉛が多量に生じ、ダイヤモンド固
有の耐摩耗性が損なわれるため好ましくない。

【００２９】圧力が１ｋｂ未満では、９５０〜１１５０
℃の温度領域において結合相が緻密化しないため、高密
度の焼結体が得られず、また３０ｋｂを越えると、ダイ
ヤモンド安定領域における焼結であるので、相転移によ
るカーボンが生成せず、結合相の強靭化がなされないた
め好ましくない。

【００３０】本発明焼結体には、Ｘ線回折等の手法で
は、黒鉛のピークは殆ど認められなかったが、透過型電
子顕微鏡（ＴＥＭ）及びオージェ電子分光法等による観
察により、結合相を形成する分散ダイヤモンドに近接し
た鉄族金属中又はその表面に、ナノメートルオーダーの
非常に微細なカーボンの析出しているのが認められた。
このようなカーボンは市販されているＷＣ−Ｃｏ超硬合
金及びダイヤモンド焼結体の鉄族金属中又はその表面に
は一切認められない。

【００３１】本発明焼結体で結合相が強靭化される理由
については、必ずしも明らかにはなっていないが、以下
のように推測される。すなわち、微細カーボンの析出に
よって、それがピン止め的作用をして、鉄族金属中又は
その表面に存在する転移の移動を抑制し、マクロ的に微
小亀裂の進行を止め、焼結体全体として強靭化されたも
のと考えられる。

【００３２】またＴＥＭ観察によると、市販ＷＣ−Ｃｏ
超硬合金及びダイヤモンド焼結体中の鉄族金属結晶粒の
大きさがサブミクロンから大きいものでは数百ミクロン
であるのに対し、本発明焼結体の場合、液相の生じない
低温度で焼結されることと、微細カーボンの析出により
鉄族金属結晶粒の大きさがサブグレイン化されるため非
常に小さく、サブミクロン以下であることが認められ
た。これにより鉄族金属中又はその表面の応力集中が分
散され、これも強靭化に寄与しているものと考えられ
る。

【００３３】さらに、焼結条件が市販のダイヤモンド焼
結体の焼結温度（１４００℃以上）、焼結圧力（５０ｋ
ｂ以上）に比較して、温度、圧力共に著しく低いため
に、本発明焼結体内部に、焼結過程において生成する歪
量が小さいことも考えられる。これも強靭化に寄与して
いるものと考えられる。

【００３４】

【作用】以上のように、遷移金属の炭化物、窒化物、硼
化物もしくはこれらの混合物又はこれらの固溶体及び鉄
族金属とからなる結合相形成材料と、ダイヤモンドとを
所定の割合で均一に配合した原料混合物を、熱力学的に
黒鉛の安定な温度、圧力で焼結すると、ダイヤモンドの
一部が相転移し、その結果生じた微量のカーボンが鉄族
金属中又はその表面に析出し、結合相が高靭化、高強度
化されるとともに、ダイヤモンドとして２５０μｍ以上
の粗粒のものを使用することにより、ドレッシング機能
に優れたドレッシング工具用焼結体が得られる。

【００３５】

【実施例】粒径１μｍ以下の結合相形成原料を用い、粒
径２５０μｍ以上のダイヤモンドを配合し、ポットミル
で十分に混合して得た原料混合物を成形し、直径３０ｍ
ｍ、厚さ２ｍｍの成形体を得た。この成形体と、あらか
じめ作製した直径３０ｍｍ、厚さ２ｍｍのＷＣ−１５重
量％Ｃｏからなる超硬合金予備成形体とを積層し、８０
０℃の水素雰囲気中で還元処理を施した後、ピストンシ
リンダー型高温高圧発生装置に挿入した。発熱体として
は黒鉛ヒーターを使用し、固体圧力媒体としては、蝋石
及び六方晶窒化硼素を使用した。

【００３６】原料配合比、焼結条件は表１〜表３に示す
とおりであり、加熱保持時間は１０分とした。なお、鉄
族金属酸化物（平均粒径０．２μｍ）を使用したとき
は、還元した場合の配合比に換算した。表１及び表２に
本発明焼結材料の試験結果を、表３に比較焼結材料の試
験結果を併せ示してある。

【００３７】

【表１】

【００３８】

【表２】

【００３９】

【表３】

【００４０】得られた本発明の同時焼結体は、粒径２５
０μｍ以上のダイヤモンドを含有する硬質層と超硬合金
部分が強固に一体化したものであった。

【００４１】この本発明の同時焼結体を放電加工等によ
って加工し、５ｍｍ角、厚さ２ｍｍの材料を得た。これ
をスチール製シャンクにロウ付けしドレッシング工具を
作製した。比較のため２種類の市販ダイヤモンド焼結体
（平均粒径１０μｍ及び２μｍ）を準備して、同様な形
状に加工、ロウ付けし、ドレッシング工具を作製した。

【００４２】ドレッシングテストは、平均粒径１００μ
ｍのアランダム砥石をドレッシングすることにより行な
い、平均粒径２μｍの市販ダイヤモンド焼結体の摩耗量
を１としたときの摩耗量比によって評価した。また、密
度測定はアルキメデス法によった。

【００４３】本発明より組成、焼結条件のはずれた比較
焼結材料及び市販のダイヤモンド焼結体の場合、ドレッ
シング工具刃先が欠損するものもあり、摩耗量比が低い
のに対し、本発明焼結材料の場合、優れた強度、靭性、
耐摩耗性を有しているので、摩耗量比は大幅に優れてい
た。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、ドレッシング工具用材
料として要求される、強度、靭性、加工性、硬度及び耐
摩耗性などの全てを満足した工具用焼結体を、熱力学的
に黒鉛の安定な領域である低圧領域で焼結することがで
きるので、従来のダイヤモンド焼結体と比較して製造コ
ストを大幅に低下させ、優れたドレッシング工具用焼結
体を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ダイヤモンド粒径とドレッシング工具用材料の
摩耗量比との関係を示す線図。

【図２】圧力及び温度に関する熱力学的なダイヤモンド
安定領域と黒鉛安定領域を示す線図。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族のいずれ
   かの遷移金属の炭化物、窒化物、硼化物もしくはこれら
   の混合物又はこれらの固溶体２０〜８５容量％、鉄族金
   属２〜３０容量％、粒径２５０μｍ以上のダイヤモンド
   １０〜５０容量％とからなる焼結体であって、該焼結体
   を構成する鉄族金属中又はその表面にカーボンが析出し
   ていることを特徴とするドレッシング工具用焼結体。
2. 【請求項２】 周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族のいずれ
   かの遷移金属の炭化物、窒化物、硼化物もしくはこれら
   の混合物又はこれらの固溶体２０〜８５容量％、鉄族金
   属２〜３０容量％、粒径２５０μｍ以上のダイヤモンド
   １０〜５０容量％を混合した原料混合物を、温度９５０
   〜１１５０℃、圧力１〜３０ｋｂで焼結することを特徴
   とするドレッシング工具用焼結体の製造方法。
3. 【請求項３】 周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族のいずれ
   かの遷移金属の炭化物、窒化物、硼化物もしくはこれら
   の混合物又はこれらの固溶体２０〜８５容量％、鉄族金
   属の酸化物が鉄族金属換算で２〜３０容量％、粒径２５
   ０μｍ以上のダイヤモンド１０〜５０容量％を混合した
   原料混合物を、温度５００〜９００℃の還元雰囲気中で
   還元処理した後、温度９５０〜１１５０℃、圧力１〜３
   ０ｋｂで焼結することを特徴とするドレッシング工具用
   焼結体の製造方法。
4. 【請求項４】 基本組成がＷＣ−Ｃｏである超硬合金の
   原料を成形した基板又はＭｏを主成分とする（Ｍｏ，
   Ｗ）Ｃと鉄族金属とからなるサーメットの原料を成形し
   た基板の上に、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族のいずれ
   かの遷移金属の炭化物、窒化物、硼化物もしくはこれら
   の混合物又はこれらの固溶体２０〜８５容量％、鉄族金
   属２〜３０容量％、粒径２５０μｍ以上のダイヤモンド
   １０〜５０容量％を混合した原料混合物で成形した成形
   板を積層し、温度９５０〜１１５０℃、圧力１〜３０ｋ
   ｂで焼結、接合したドレッシング工具用焼結体。