JPH0952765A

JPH0952765A - ダイヤモンド焼結体及びその製造方法

Info

Publication number: JPH0952765A
Application number: JP7204264A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Sumiya; 均角谷; Shuichi Sato; 周一佐藤
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1995-08-10
Filing date: 1995-08-10
Publication date: 1997-02-25

Abstract

(57)【要約】【課題】耐欠損性、耐熱性、耐酸性を有し、かつ、工
業生産可能な条件で製造できるダイヤモンド焼結体とそ
の製造方法を提供することを意図したものである。【解決手段】希土類元素と、ケイ素、酸素を含有する
化合物からなる物質を０．１〜３０体積％含み残部がダ
イヤモンドであることを特徴とするダイヤモンド焼結体
及び焼結助剤として希土類元素のケイ酸塩を用い、この
粉末と、ダイヤモンド粉末もしくは非ダイヤモンド炭素
粉末またはダイヤモンドと非ダイヤモンド炭素の混合粉
末を混合し、これをダイヤモンドの熱力学的安定領域の
圧力、温度条件で保持し、焼結することを特徴とするダ
イヤモンド焼結体の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はダイヤモンド焼結体
およびその製造方法に関するものである。本発明のダイ
ヤモンド焼結体は非鉄金属やセラミックス等の切削、研
削工具用素材および石油堀削用途等のドリルビットの刃
先素材として有効に使用できるものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のダイヤモンド焼結体としては、焼
結助剤あるいは結合剤としてＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅなどの鉄
族金属を用いたものや、ＳｉＣなどのセラミックスを用
いたものが知られており、非鉄金属の切削工具や、堀削
ビットなどに工業的に利用されている。また、焼結助剤
として炭酸塩を用いたものが知られている（特開平４−
７４７６６号公報、特開平４−１１４９６６号公報）。
その他、天然のダイヤモンド焼結体（カーボナード）が
あるが、材質のバラツキが大きく、また産出量も極少量
であるため、ほとんど工業的には使用されていない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】Ｃｏなどの鉄族金属を
焼結助剤としたダイヤモンド焼結体は、Ｃｏなどの鉄族
金属がダイヤモンドの黒鉛化を促す触媒として作用する
ため耐熱性に劣る。すなわち、不活性ガス雰囲気中で、
７００℃程度で黒鉛化してしまう。また、ダイヤモンド
粒の粒界にＣｏなどの金属が連続相として存在するため
焼結体の強度はあまり高くなく、欠損しやしい。そし
て、この金属とダイヤモンドの熱膨張差のため熱劣化が
起こり易くなるという問題もある。耐熱性を上げるため
に上記の粒界の金属を酸処理により除去されたものも知
られている。これにより耐熱温度は約１２００℃と向上
するが、焼結体が多孔質となるため強度がさらに大幅
（３０％程度）に低下する。ＳｉＣを結合剤としたダイ
ヤモンド焼結体は耐熱性には優れているが、ダイヤモン
ド粒同士は結合がないため、強度は低い。一方、焼結助
剤として炭酸塩を用いたダイヤモンド焼結体は、Ｃｏ結
合剤による焼結体に比べると耐熱性に優れているが、１
０００℃程度よりで炭酸塩の分解がはじまり焼結体の強
度が低下する。また、炭酸塩は酸に溶けるため、堀削ビ
ットなどの用途で使用できない。本発明は以上の問題点
を解決して、耐欠損性、耐熱性、耐酸性を有するダイヤ
モンド焼結体とその製造方法を提供することを意図した
ものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの手段として、本発明は希土類元素の金属と、ケイ
素、酸素を含有する化合物からなる物質を０．１〜３０
体積％含み残部がダイヤモンドであるダイヤモンド焼結
体を提供する。また、上記、希土類元素と、ケイ素、酸
素を含有する化合物が、希土類元素のケイ酸塩であるダ
イヤモンド焼結体を提供する。また、上記、希土類元素
と、ケイ素、酸素を含有する化合物が、希土類元素の酸
化物と酸化ケイ素からなる複合酸化物または固溶体であ
るダイヤモンド焼結体を提供する。

【０００５】また、このダイヤモンド焼結体の製造方法
として、焼結助剤として希土類元素のケイ酸塩を用い、
この粉末と、ダイヤモンド粉末もしくは非ダイヤモンド
炭素粉末またはダイヤモンドと非ダイヤモンド炭素の混
合粉末を混合し、これをダイヤモンドの熱力学的安定領
域の圧力、温度条件で保持し、焼結する方法を提供す
る。このダイヤモンド焼結体の別の製造方法として、焼
結助剤として希土類元素のケイ酸塩を用い、この粉末の
成形体と、ダイヤモンド粉末の成形体または非ダイヤモ
ンド炭素粉末の成形体またはダイヤモンドと非ダイヤモ
ンド炭素の混合粉末の成形体とを積層し、これをダイヤ
モンドの熱力学的安定領域の圧力、温度条件で保持し、
焼結する方法を提供する。また、このダイヤモンド焼結
体の製造のための別の焼結助剤として希土類元素の酸化
物と酸化ケイ素の混合物を用いる方法を提供する。上記
製造方法において、焼結助剤は混合物中０．１〜３０体
積％となるよう配合する。

【０００６】

【発明の実施の形態】従来、希土類元素のケイ酸塩や、
希土類元素の酸化物と酸化ケイ素の混合物がダイヤモン
ド焼結体の有効な焼結助剤として用いられた例はない。
この度、本発明者らにより、希土類元素のケイ酸塩や、
希土類元素の酸化物と酸化ケイ素の混合物を焼結助剤と
することで、従来にない高強度で、かつ耐欠損性、耐熱
性、耐食性に優れたダイヤモンド焼結体が得られること
が見いだされ、本発明に至った。すなわち、本発明の特
徴は、ダイヤモンド焼結体の焼結助剤として希土類元素
のケイ酸塩あるいは、希土類元素の酸化物と酸化ケイ素
の混合物を用いた点にある。

【０００７】希土類元素のケイ酸塩としては、希土類元
素をＭとした場合に、例えばＭ₂ＳｉＯ₅やＭ₂Ｓｉ₂
Ｏ₇などが挙げられる。希土類元素にはスカンジウム
（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セ
リウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎ
ｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユ
ウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウ
ム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈ
ｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテ
ルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）がある。希土類
元素の酸化物としては、希土類元素をＭとした場合にＭ
₂Ｏ₃やＭＯ₂などが挙げられる。これらの希土類元素
のケイ酸あるいは、希土類元素の酸化物と酸化ケイ素の
混合物は、ダイヤモンドに対し、強い触媒作用を示し、
これらを焼結助剤とするとダイヤモンド粒子が極めて強
固に結合したマトリックスが形成される。また、異常粒
成長が起こり難く、均質な組織の焼結体が得られる。そ
の結果、従来にない高強度で耐欠損性や耐摩耗性に優れ
たダイヤモンド焼結体が得られる。

【０００８】こうして得られるダイヤモンド焼結体は、
希土類元素とケイ素および酸素を含有する化合物からな
る物質を含むのが特徴で、このような物質としては、上
記のような希土類元素のケイ酸塩、あるいは希土類元素
の酸化物と酸化ケイ素の複合酸化物もしくは固溶体が挙
げられる。これらの物質は１４００℃程度の高温下でも
安定で、また、酸やアルカリに対しても安定である。こ
のため、本発明のダイヤモンド焼結体は耐熱性や耐食性
にも非常に優れた特性を示す。

【０００９】本発明のダイヤモンド焼結体において、希
土類元素とケイ素および酸素を含有する化合物からなる
物質の含有量は０．１〜３０体積％が好ましいが、この
理由は０．１体積％未満ではダイヤモンド粒子間の結合
性、すなわち焼結性が低下し、３０体積％を越えると過
剰のケイ酸化合物の影響で、強度、耐摩耗性が低下する
からである。原料としては合成ダイヤモンド粉末、天然
ダイヤモンド粉末、多結晶ダイヤモンド粉末などを用い
ることができる。粉末の粒径は０．０１〜２００μｍ
で、用途によって微粒または粗粒に粒径を揃えたもの、
もしくは微粒、粗粒の混合物を用いる。また、これらの
ダイヤモンドに代えて黒鉛やグラッシーカーボン、熱分
解黒鉛などの非ダイヤモンドも原料とすることができ
る。また、ダイヤモンドとこれら非ダイヤモンド黒鉛の
混合物を用いることもできる。

【００１０】本発明のダイヤモンド焼結体の製造方法と
しては、ダイヤモンド粉末や非ダイヤモンド粉末と、希
土類元素のケイ酸塩あるいは希土類元素の酸化物と酸化
ケイ素の混合物とを、ダイヤモンドが熱力学的に安定な
圧力、温度条件下で保持する方法と、ダイヤモンド粉末
や非ダイヤモンド黒鉛の成形体と、希土類元素のケイ酸
塩あるいは希土類元素の酸化物と酸化ケイ素の混合物の
成形体を積層したものを原料として、上記の圧力、温度
条件下で保持する方法がある。原料と焼結助剤を混合す
る方法においては、原料と焼結助剤を、機械的に乾式ま
たは湿式混合した粉末を圧縮成形したもの、もしくはＭ
ｏ等のカプセルに充填したものを高圧高温焼結する。原
料粉末が微粒でも焼結助剤を均一に分散でき、また、厚
い形状のダイヤモンド焼結体の製造が可能である。例え
ば、良好な仕上げ面が必要な切削工具（微粒焼結体）の
製造や、ダイスなどの厚い形状を必要とする焼結体の製
造に適する。ただし、粗粒の原料を用いた場合、均一に
焼結助剤を混合するのに困難を要す。一方、原料と焼結
助剤を積層配置する方法は、原料と焼結助剤の板状の成
形体をそれぞれ作製し、これらを積層して接触させ、高
圧高温処理する。このとき、焼結助剤が原料層に拡散含
浸し、ダイヤモンド粒子が焼結する。この方法は、粗粒
の原料を用いても焼結助剤を均一に添加できるため、よ
り高強度で耐摩耗性のあるダイヤモンド焼結体を安定し
て得ることができ、耐摩耗工具やドリルビットなどの焼
結体の製造に適する。

【００１１】

【実施例】以下本発明により更に詳細に説明するが、本
発明をこれによって限定するものではない。（実施例１）焼結助剤としてＹ₂ＳｉＯ₅を用いた。平
均粒径３．５μｍの合成ダイヤモンド粉末と、粒径１〜
２μｍのＹ₂ＳｉＯ₅の粉末をそれぞれ９５体積％、５
体積％の割合で十分に混合し、この混合物をＭｏカプセ
ルに入れ、ベルト型の超高圧高温発生装置を用いて、
７．５ＧＰａ、２０００℃の圧力温度条件で１５分間保
持し、焼結させた。得られたダイヤモンド焼結体につい
て、Ｘ線回折により組成を同定したところ、ダイヤモン
ドの他、約５体積％のＹ₂ＳｉＯ₅が検出された。この
焼結体の硬度をヌープ圧子により評価したところ７２０
０ｋｇ／ｍｍ²と高硬度であった。また、破壊靱性をイ
ンデンテーション法により従来の市販のＣｏバインダー
焼結体に対し相対比較したところ、従来焼結体の約１．
３倍の相対靱性であった。また、得られた焼結体を真空
中で１２００℃に加熱処理した後、硬度、靱性を測定し
たが、処理前とほとんど変化がなかった。また、酸処理
による焼結体の劣化は認められなかった。

【００１２】（実施例２）焼結助剤として、５体積％の
Ｌａ₂Ｓｉ₂Ｏ₇を用いた他は、実施例１と同様にして
ダイヤモンド焼結体を作製した。得られた焼結体にはＬ
ａ₂Ｓｉ₂Ｏ₇が含まれており、硬度、靱性、耐熱性と
も実施例１と同様であった。

【００１３】（実施例３）焼結助剤として、５体積％の
Ｃｅ₂ＳｉＯ₅を用いた他は、実施例１と同様にしてダ
イヤモンド焼結体を作製した。得られた焼結体にはＣｅ
₂ＳｉＯ₅が含まれており、硬度、靱性、耐熱性とも実
施例１と同様であった。

【００１４】（実施例４）焼結助剤として、Ｙ₂Ｏ₃と
ＳｉＯ₂の１：１（体積比）の混合物を用い、実施例１
と同様にしてダイヤモンド焼結体を作製した。得られた
焼結体にはＹ₂Ｏ ₃とＳｉＯ₂の複合酸化物が含まれて
おり、硬度、靱性、耐熱性とも実施例１と同様であっ
た。

【００１５】（実施例５）焼結助剤として、ＣｅＯ₂と
ＳｉＯ₂の１：１（体積比）の混合物を用い、実施例１
と同様にしてダイヤモンド焼結体を作製した。得られた
焼結体にはＣｅＯ ₂とＳｉＯ₂の複合酸化物が含まれて
おり、硬度、靱性、耐熱性とも実施例１と同様であっ
た。

【００１６】（実施例６）焼結助剤として、Ｌａ₂Ｏ₃
とＳｉＯ₂の１：２（体積比）の混合物を用い、実施例
１と同様にしてダイヤモンド焼結体を作製した。得られ
た焼結体にはＬａ ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂の複合酸化物が含ま
れており、硬度、靱性、耐熱性とも実施例１と同様であ
った。

【００１７】（実施例７）焼結助剤としてＹ₂ＳｉＯ₅
を用いた。平均粒径１５μｍの合成ダイヤモンド粉末
と、粒径１〜２μｍのＹ₂ＳｉＯ₅粉末をそれぞれ厚み
２ｍｍ、１ｍｍに成形したものを交互に積層してＭｏカ
プセルに入れ、ベルト型の超高圧高温発生装置を用い
て、７．５ＧＰａ、２０００℃の圧力温度条件で１５分
間保持し焼結した。得られたダイヤモンド焼結体につい
て、Ｘ線回折により組成を同定したところ、ダイヤモン
ドの他、約２体積％のＹ₂ＳｉＯ₅が検出された。この
焼結体の硬度をヌープ圧子により評価したところ約７６
００ｋｇ／ｍｍ²と高硬度であった。また、破壊靱性を
インデンテーション法により従来の市販のＣｏバインダ
ー焼結体に対し相対比較したところ、従来焼結体の約
１．４倍の相対靱性であった。また、得られた焼結体を
真空中で１２００℃に加熱処理した後、硬度、靱性を測
定したが、処理前とほとんど変化がなかった。また、酸
処理による焼結体の劣化は認められなかった。

【００１８】（実施例８）焼結助剤として粒径１〜２μ
ｍのＣｅＯ₂とＳｉＯ₂の混合物（体積比１：１）を用
いた他は実施例７と同様にしてダイヤモンド焼結体を作
製した。得られた焼結体にはＣｅＯ₂とＳｉＯ₂の複合
酸化物が含まれており、硬度、靱性、耐熱性とも実施例
７と同様であった。

【００１９】（実施例９）焼結助剤としてＹ₂ＳｉＯ₅
を用いた。平均粒径３μｍの高純度等方性黒鉛の厚み２
ｍｍの板状成形体と、粒径１〜２μｍのＹ₂ＳｉＯ₅粉
末を厚み１ｍｍに型押し成形したものを交互に積層して
Ｍｏカプセルに入れ、ベルト型の超高圧高温発生装置を
用いて、７．５ＧＰａ、２０００℃の圧力温度条件で１
５分間保持し、焼結させた。得られたダイヤモンド焼結
体について、Ｘ線回折により組成を同定したところ、ダ
イヤモンドの他、約３体積％のＹ₂ＳｉＯ₅が検出され
た。この焼結体の硬度をヌープ圧子により評価したとこ
ろ約７５００ｋｇ／ｍｍ²と高硬度であった。また、破
壊靱性をインデンテーション法により従来の市販のＣｏ
バインダー焼結体に対し相対比較したところ、従来焼結
体の約１．２倍の相対靱性であった。また、得られた焼
結体を真空中で１２００℃に加熱処理した後、硬度、靱
性を測定したが、処理前とほとんど変化がなかった。ま
た、酸処理による焼結体の劣化は認められなかった。

【００２０】（比較例１）焼結助剤としてＹ₂ＳｉＯ₅
を用いた。平均粒径３．５μｍの合成ダイヤモンド粉末
に微量の粒径１〜２μｍのＹ₂ＳｉＯ₅の粉末（約０．
０５体積％）添加し、十分に混合したものを原料にした
他は、実施例１と同様にダイヤモンド焼結体の製造を試
みた。しかし、得られた焼結体には、未焼結部が多く残
留していた。

【００２１】（比較例２）焼結助剤としてＹ₂ＳｉＯ₅
を用いた。平均粒径３．５μｍの合成ダイヤモンド粉末
６０体積％と、粒径１〜２μｍのＹ₂ＳｉＯ₅の粉末４
０体積％を添加し、十分に混合したものを原料にした他
は、実施例１と同様にダイヤモンド焼結体の製造を試み
た。しかし、得られた焼結体は、粒子同士の結合が十分
でなく、硬度は３５００ｋｇ／ｍｍ²程度と低かった。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のダイヤモ
ンド焼結体は、従来にない高強度で、耐熱性、耐欠損
性、耐食性を有するので、非鉄金属やセラミックス等の
切削、研削工具用素材の他、石油堀削用途等のドリルビ
ットの刃先素材として有効に使用できる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】希土類元素と、ケイ素、酸素を含有する
化合物からなる物質を０．１〜３０体積％含み残部がダ
イヤモンドであることを特徴とするダイヤモンド焼結
体。
【請求項２】希土類元素と、ケイ素、酸素を含有する
化合物が、希土類元素のケイ酸塩であることを特徴とす
る請求項１に記載のダイヤモンド焼結体。
【請求項３】希土類元素と、ケイ素、酸素を含有する
化合物が、希土類元素の酸化物と酸化ケイ素からなる複
合酸化物または固溶体であることを特徴とする請求項１
に記載のダイヤモンド焼結体。
【請求項４】焼結助剤として希土類元素のケイ酸塩を
用い、この粉末と、ダイヤモンド粉末もしくは非ダイヤ
モンド炭素粉末またはダイヤモンドと非ダイヤモンド炭
素の混合粉末を混合し、これをダイヤモンドの熱力学的
安定領域の圧力、温度条件で保持し、焼結することを特
徴とする請求項１〜３の何れかに記載のダイヤモンド焼
結体の製造方法。
【請求項５】焼結助剤として希土類元素のケイ酸塩を
用い、この粉末の成形体と、ダイヤモンド粉末の成形体
または非ダイヤモンド炭素粉末の成形体またはダイヤモ
ンドと非ダイヤモンド炭素の混合粉末の成形体とを積層
し、これをダイヤモンドの熱力学的安定領域の圧力、温
度条件で保持し、焼結することを特徴とする請求項１〜
３の何れかに記載のダイヤモンド焼結体の製造方法。
【請求項６】焼結助剤が希土類元素の酸化物と酸化ケ
イ素の混合物であることを特徴とする請求項４または５
に記載のダイヤモンド焼結体の製造方法。