JPS5896848A - 工具用高硬度焼結体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 現在非鉄合金やプラスチック、セラミックの切削に、ダ
イヤモンドが７０容量％を越し結合材としてＣｏ　　ｆ
主成分とする金属が用いられた焼結体部が超硬合金母材
上に接合された工具材が市販されている。この工具材は
価格が高いにもかかわらすＳｉ　　ｉ多く含むＡ１　　
合金や硬度の高い銅合金などの切削工具として一部好評
を博している。

本発明者らもこの工具材についてその特性などを種々調
査した。そして確かに従来用いられていた超硬合金に対
してははるかに耐摩耗性に富むこと、ダイヤモンドが主
成分でありしかもこのダイヤモンド結晶は互いに隣接し
たスケルトン構造をなしていることを認識した。このよ
うな優れたダイヤモンド焼結体にも種々の欠点がある。

その第１は耐摩耗性に富んでいるメリットの裏側として
、高価格であることと、更に重量なことは再研削コスト
が大変高いというデメリットを有することである。

このチップそのものは高価格である為、現在超硬合金で
主流をなしている如く、スローアウェイ方式をとり摩耗
したら再研削することなく廃棄するということは出来な
い。

この考えから再研削テストをしてみると、研削するとい
うよりも研削用のダイヤモンド砥石をドレッシングして
いるという如きでその再研削の能率は極めて低く、又砥
石の消耗が極めて高く々ることが分った０ 第２の欠点は、例えば非鉄合金を切削した場合の被加工
面を観察すると、天然ダイヤモンド単石工具に比較して
面粘度が粗く、鏡面と呼ばれる美麗な仕上面が得られな
いことであるｏ７た時計部品等の小物、薄肉の被加工物
を切削加工する場合、切削抵抗が大きく、加工物が変形
したり、寸法精度が維持できないといった問題点がある
０市販のダイヤモンド焼結体は前述した如く、ダイヤモ
ンド結晶同志が互いに、接合してスケルトン構造をなし
ているが、ダイヤモンド粒度は５〜８霧でその粒子間に
は結合材としてＣＯが存在する。この焼結体を用いたノ
くイトの刃先を観１察すると結晶粒子の大きさにほぼ近
い凹凸が見られ、天然ダイヤモンド工具の如く鋭い刃先
ではない。このことが美麗な仕上加工面が得られ難い理
由の一つと考えられる。またダイヤモンド粒子間に存在
する金属ＣＯ結合相は被剛材金属との凝着を起こすこと
があり、これは鏡面のような仕上加工面が要求される場
合には問題となる。これらの問題を解決すべく、本発明
者等の１人はダイヤモンド粒子の含有量を少なくした焼
結体や１μ以下のダイヤモンド粒子よりなる焼結体を開
発し、特許出願（特開昭５３−１３６７９０号公報、特
開昭５５−７１６７１号公報）した０確かにこれらの材
質は被研削性は改良されたり、あるいは刃先の鋭さは優
れているものの、被削材によっては耐摩耗、耐溶着性に
問題があることがわかった０本発明者等は被研削性の良
さ、あるいは刃先の鋭さを得ることができ、かつ耐摩耗
性、耐溶着性の優れた材質を開発すべく研究を重ねた。

その結果、３μｍ以上のダイヤモンド粒子を容量で２０
％以上８５チ以下含有し、残部の結合材が２０〜９５容
量チの平均粒度１μｍ以下の超微粒ダイヤモンド粒子、
周期律表第４ａ、５ａ。

６ａ族遷移金属の炭化物、炭窒化物、窒化物またはこれ
らの固溶体もしくは混合物結晶及び第２図において、１
は工具材、２はダイヤモンド粒子、３は超微粒ダイヤモ
ンドを含有した結合材、４は砥石、５は砥石中のダイヤ
モンド結晶を表わす。

鉄、コバルト、ニッケル等の鉄族金属より成る焼結体が
目標を達成することを発見した。

まず、本発明焼結体の被研削性が優れているのは次の如
く考えられる。第１図は、本発明焼結体の代表的な組織
顕微鈍写真であるが、５μｍ以上のダイヤモンド粒子の
周囲を結合材である、１μｍ以下のダイヤモンド粒子と
周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族の炭化物、窒化物、炭窒
化物及び鉄族金属が存在する。この焼結体を研削する場
合、第２図に示すように、鋭いダイヤモンド砥粒の刃が
接触するが、ダイヤモンド結晶に比べ削られ易い結合材
部が存在し、この部分が研削されるため５μｍ以上のダ
イヤモンド結晶がスケルトンを構成した焼結体よりも、
被研削性は向上するものと考えられる。次に刃立性が優
れている理由について考察する。３〜８μｍのダイヤモ
ンド粒子より成り、ダイヤモンド粒子同志が互いにスケ
ルトン構造全なし、結合材がｃｏ　　より成る市販の焼
結体は前述した如く、結合材であるＣＯが容易に取り除
かれてしまうため、結晶粒子の大きさにほぼ近い凹凸が
刃先に存在する。−志木発明焼結体は結合材中に微粒ダ
イヤモンド粒子を含有しているため、ＣＯが結合材であ
るときのように取り除かれず刃先の一部を構成する。こ
のため、刃先には凹凸が少なく、刃立性に優れるものと
考えられる。

また、ダイヤモンド焼結体の強度は、第３図に示す如く
粒度の増加に伴い低下する。

微粒ダイヤモンド焼結体は、抗折力が高く、靭性に優れ
ているため、刃先は欠損しないものの、個々の粒子は小
さなスケルトンにより保持されているので、個々の粒子
の結合力は弱い０したがって、切削中に個々の粒子が脱
落しやすいため、耐摩耗性が劣るものと考えられる。一
方粗粒ダイヤモンド焼結体は大きなスケルトンにより保
持されており、個々のダイヤモンド粒子の結合力は強い
ため、耐摩耗性は優れるものの、スケルトン部が大きい
ので、一度クラックが発生すると、伝播しやすぐ、刃先
が欠損するものと考えられる。本発明焼結体は、３μｍ
以上１０μｍ以下のダイヤモンド粒子を超微粒ダイヤモ
ンド焼結体で保持しているものであるため、６μｍ以上
１０μｍ以下のダイヤモンド粒子の耐摩耗性の良さと、
超微粒ダイヤモンド焼結体の靭性の高さを有するもので
ある。さらに本発明の焼結体は結合材として超微粒のダ
イヤモンド粒子と、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族の炭
化物、窒化物、炭窒化物を含有しているため、耐溶着性
も非常に優れている。

本発明焼結体に用いる粗粒のダイヤモンド粒子は５μｍ
以上が良い。３μｍ以下になると耐摩耗性に問題を生じ
る。特に非鉄金属類の切削工具用途で単結晶ダイヤモン
ドと同等の被削面を得るにはダイヤモンド粒度は５〜１
０μの範囲が良い０１０μｍｋ越えると被削面の粗さが
悪くなったり被研削性が低下する。５μｍ　以上１０μ
ｍ以下のダイヤモンドの含有量は容量で２０〜８５％が
好ましい。特に耐摩耗性が必要な場合は、５μｍ以上１
０μｍ以下のダイヤモンド粒子の含有量を増せば良いが
、この含有量が、焼結体中の容量係で８５チを越えると
被研削性が悪くなるとともに切削中刃光が欠損したりす
る。また、含有量全少なくすれば良いが、容積で２０％
未満となると耐摩耗性が問題となる。結合材中の超微粒
のダイヤモンド粒子の粒度は１μｍ以下、好ましくは０
．５μｍ以下が良い。微粒のダイヤモンド粒子の粒度が
１μｍｋ越すと被研削性が低下するとともに靭性は低下
する。結合材中の微粒ダイヤモンド粒子の含有量は容積
で２０〜９５％が好ましい。微粒ダイヤモンド粒子の含
有量が２０％未満であると、結合相の耐摩耗性が低下し
、結合相が研削中に削られ、鋭い刃先が得られなくなっ
たり、あるいは切削中に結合相が早期に摩耗し、３μｍ
以上のダイヤモンド粒子が脱落する。

一方、微粒ダイヤモンド粒子の含有量が９５％を越すと
、結合材が脆くなったり、あるいは周期律表第４ａ、５
ａ、６ａ族の炭化物、窒化物、硼化物等の含有量が減る
ため、１μｍ以下のダイヤモンドが粒成長し、靭性が低
下する。

また、本発明の焼結体は靭性に富むため、断続部を有す
る非鉄金属の切削してもその効果を発揮する。

本発明の焼結体に使用するダイヤモンド原料粉末として
Ｉｆｉ３μｍ以上のダイヤモンド粒子と１μｍ以下好ま
しくは０５μｍ以下のミクロパウダーでちる。合成ダイ
ヤモンド、天然ダイヤモンドのいずれでも良い。

このダイヤモンド粉末と前記化合物粉末の１種又は２種
以上及びＦｅ　、　Ｃ＋）　、　Ｎｌ　　の鉄族金属粉
末を均一にボールミル等の手段を用いて混合する。この
鉄族金属は予め混合せずに焼結時に溶浸せしめても良い
。また発明者等の先願特願昭５２−５１３８１号の如く
ボールミル時のポットとボールを混入する炭化物等の化
合物と鉄族金属の焼結体で作成しておき、ダイヤモンド
粉末をボールミル粉砕すると同時にポットとボールから
炭化物等の化合物と鉄族金属の焼結体の微細粉末を混入
せしめる方法もある。

混合した粉末を超高圧装置に入れ、ダイヤモンドが安定
な条件下で焼結する。このとき使用した鉄族金属と炭化
物等の化合物間に生じる共晶液相の出現温度以上で焼結
する必要がある。

例えば化合物としてＴｉＣを用ｂ、鉄族金属としてＣＯ
を用いた場合は常圧下では約１２８０℃で液相が生じる
。高圧下ではこの共晶温度は数十℃程度上昇するものと
考えられている。従ってこの場合は１３００℃以上の温
度で焼結される。焼結体中のダイヤモンドの結合材とな
る炭化物等の化合物と鉄族金属の割合は一義的には定め
られないが、少（とも焼結時に化合物が固体として存在
するだけの素は必要であり、例えばＷＣヲ化合物として
用いＣｏ　　ｆ結合金属とした場合はｗｅ　　とＣＯの
量的割合は前者を重責で５０％以上含む必要がある。

本発明の焼結体の用途としては、切削工具の他に掘削工
具にも使用できる。この場合、ダイヤモンド焼結体の靭
性をさらに向上させるため、超硬合金等の支持体に超高
圧焼結中に接合させることも可能である。

以下実施例により具体的に説明する。

実施例１ 粒度０．．５μの合成ダイヤモンド粉末とｗｅ　　及び
ｃｏ　粉末ｆＷｃ−Ｃ！ｏ超硬合金製のポットとボール
を用いて粉砕混合した。得られた混合粉末の組成は、平
均粒度０．５μｍの微粒ダイヤモンド８０容量係、ＷＣ
に容量係、Ｃｏ　　８容量係であった。この混合粉末と
粒度３〜６μｍのダイヤモンド粉末を容量で４：６の割
合いで混合した。

この完成粉末を内径１０ｆｉ、外径１４＝のＴａ製の容
器に充填した後、ＷＣ！−＋　０％ＣＯ組成の超硬合金
円板を置いた。次にこの容器を、超高圧焼結中に入れ、
先ず圧力５５Ｋｂｉ加え、引続いて１４５０℃加熱して
２０分間保持した。

’ｒａ　製の容器を取り出してＴａ　　ｆ除去し、焼結
体の組織を観察したところ、３〜６μｍのダイヤモンド
が均一に分散しておりその周囲には超微粒ダイヤモンド
粒子を含有する結合材が存在していた。このダイヤモン
ド焼結体と３〜６μｍのダイヤモンド粒子ｉ０ｏ　　で
結合させた市販のダイヤモンド焼結体の被研削性を調べ
た０市販のダイヤモンド焼結体の被研削性を１００とし
た場合、本発明焼結体の被研削性は１５Ωであった。

次に、これらの焼結体を用いて、切削用加工用のチップ
を作成した。これを用いてＣＵ　合金の切削テストを行
った。被削材は直径１００ｆｉのＣｔｌ　合金丸棒で、
切削速度３００　ｇ／ｍｉｎ　、切込み０１簡、送り０
．　ｏ　２　ｍ＋／ｒｅｖで切削した０比較のため、天
然ダイヤモンド工具も同時にテス卜した。本発明焼結体
による被削面は天然ダイヤモンドによる被削面と同等で
鏡面に近く仕上げることができたが、市販焼結体は鏡面
にはほど遠かった。

実施例２ 表１に示す結合材粉末を作成した。超微粒ダイヤモンド
としては０．５μｍのものを使用した。

表　　　１ この結合材と粒度３μｍ以上のダイヤモンド粒子を表１
に示す割合いで混合して、完成粉末を作成した。

表　　　２ これらの完成粉末を実施例１と同様にして焼結した後、
被研削特性を調べた結果を表２に示す。この結果はダイ
ヤモンド粒度３〜６μｍの市販のダイヤモンド焼結体を
一定の切込み、一定の時間で加工できた量を１００とし
、同条件で加工可能な量を示したものである。次にこれ
らの焼結体を用いて切削加工用のチップを作成し、外径
６０ψの超硬合金（ＷＣ−１５％　ｃｏ　）ｆ　Ｕ　＝
　１０　ｍｌ　ｍｉｎ、　ｄ　＝　Ｏ１２■、ｆ　＝　
０．２　ｗＩ／ｖｅｕで１０分間切削した。このときの
にげ面摩耗中も表２に示す。

実施例５ 実施例１で作成した結合材粉末と、粒度３μのダイヤモ
ンド粉末全容量比で６０：４０に混合し、この粉末ｅＴ
ａ　製の容器に詰めて５５　Ｋｌ）。

１４００℃で１０分間超高圧焼結した。この焼結体を用
いて切削用のバイトラ作成し、Ａｔ−２５１ｓｉｌ速度
３００　ｍｌｍｉｎ、、切込み０．５１ＷＩ　ｓ送り０
．２　ｗ＃／ｒｅｖで６０分間切削した。比較のため５
〜８μｍのダイヤモンド粒子′ｆｒ：ＣＯで結合した市
販のダイヤモンド焼結体についてもテストした。その結
果、本発明焼結体で切削した被削面は非常になめらかで
あり、逆げ面摩耗中が０、０５１１１１であったのに対
し、市販の焼結体は、被削面もちらく、逃げ面摩耗中は
０．０５　ｗｍであった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明焼結体の顕微鏡による組織写真である
。第２図は、本発明の工具材をダイヤモンド砥石で研削
した時の機構の説明図である。第５図はダイヤモンド焼
結体の抗折力と粒度の関係を表わした図である。イ、ｒ
％−７ｌ１１ａ４七イ＋　Ｘ　／１ｔｐｏ　＋４　ｑ’
ｈ　′）ｊ。 代理人　　内　１）　　明 代理人　　萩　原　亮　−

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）３〜１０μｍのダイヤモンド粒子を、容量で２０
   〜８５チ含有し、残部の結合材が２０〜９５容量係の平
   均粒度が１μｍ以下の超微粒ダイヤモンド粒子、周期律
   表第４ａ、５ａ。 ６ａ族遷移金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、またはこ
   れらの固溶体もしくは混合物結晶および鉄族金属よりな
   る゛工具用高硬度焼結体。
2. （２）結合材が平均粒度１μｍ以下の超微粒ダイヤモン
   ド粒子２０〜９５容量係、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ
   族遷移金属の炭化物および鉄属金属よりなる特許請求の
   範囲（１）の工具用高硬度焼結体。
3. （３）　　結合材が平均粒度１μｍ以下の超微粒ダイヤ
   モンド粒子２０〜９５容量チ、ＷＣ！たはこれと同一結
   晶構造を有する（Ｍｏ、Ｗ）Ｃおよび鉄属金属よりなる
   特許請求の範囲（１）または（２）の工具用高硬度焼結
   体。
4. （４）結合材の一部として用いる周期律表第４　ａ。 ５ａ、６ａ族遷移金属の炭化物と鉄族金属の割合いがそ
   の共晶組成するものより炭化物含有量が多いものである
   特許請求の範囲（１）〜（３）の何れかの工具用高硬度
   焼結体。
5. （５）３〜１０μｍのダイヤモンド粉末、１μｍ以下の
   超微粒ダイヤモンド粉末、１μｍ以下の周期律表第４ａ
   、５ａ、　　６ａ族遷移金属の炭化物、窒化物、炭窒化
   物またはこれらの固溶体もしくは混合物結晶粉末の少な
   くとも一種、および鉄族金属粉末の混合粉末を作成し・
   超高圧高温装置を用いてダイヤモンドが安定な高温高圧
   下でホットプレスすること全特徴とする３〜１０μｍの
   ダイヤモンド粒子を容量で２０〜８５係含有し、残部が
   １μｍ以下の超微粒ダイヤモンド粒子を２０〜９５容量
   チ、１μｍ以下の周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族遷移金
   属の炭化物、窒化物、炭窒化物、またはこれらの固溶体
   もしくは混合物結晶および鉄族金属から構成される結合
   材よりなる工具用高硬度焼結体の製造方法。
6. （６）５〜１０μｍのダイヤモンド粉末、１μｍ以下の
   超微粒ダイヤモンド粉末、１μｍ以下の周期律表第４ａ
   、５ａ、６ａ族遷移金属の炭化物、および鉄族金属の混
   合粉末を作成する特許請求の範囲（５）の工具用高硬度
   焼結体の製造方法。
7. （７）　　結合材形成粉末として使用する炭化物がＷＣ
   またはこれと同一結晶構造を用する（Ｍｏ、Ｗ）０を用
   いる特許請求の範囲（５）または（６）の工具用高硬度
   焼結体の製造方法。
8. （８）結合材形成粉末の一部として用いる周期律表第４
   ａ、５ａ、６ａ族遷移金属の炭化物と鉄族金属の割合が
   その共晶組成に相当するものより炭化物の量を多くした
   混合粉末を用い、炭化物と鉄族金属の共晶生成温度以上
   で超微粒ダイヤモンドの粒成長を抑制して焼結する特許
   請求の範囲（５）〜（７）の何れかの工具用高硬度焼結
   体の製造方法。