JPS6121971A - 硬質ダイヤモンド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】 （１）　　産業上の利用分野 この発明は切削工具、掘削工具、線引ぎダイスなどの工
具に使用される硬質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。

（２従来の技術 ダイヤモンドの微粉末を超高圧下で焼結した焼結体は、
すでに非鉄金属類の切削加工用工具、ドリルビット、線
引きダイス等として広く使用されている。

このような焼結体としては、例えば特公昭５２−１２１
２６号公報に記載されている方法によれば、ダイヤモン
ドの粉末をＷＣ−Ｃｏ超硬合金の成形体もしくは焼結体
に接するように配置し、超硬合金の液相が生じる温度以
上で超高圧下で焼結される。

このとき、超硬合金中の６の一部がダイヤモンド粉末層
中に侵入し、結合金属として作用する。この方法で作ら
れた焼結体は、約１０〜１５体積％のらを焼結体中に含
有する。

（３）発明が解決しようとする問題点 この焼結体は非鉄金属などの切削加工用工具としては充
分実用的な性能を有しているが、反面耐熱性が劣るとい
う欠点がある。例えば、この焼結体を７５０℃以上に加
熱すると、耐摩耗性、強度の低下がみられ、９００℃以
上では焼結体が破壊してしまう。この理由はダイヤモン
ド粒子と結合材もの界面においてダイヤモンドの黒鉛化
が生じること、および両者の加熱時における熱膨張率の
差による熱応力が原因と考えられている。

また、このらを結合材とした焼結体を酸処理して大部分
の結合金属相を除外したものは、焼結体の耐熱性が向上
することが知られている。

例えば特開昭５３−１１ａｓａ９号公報には、耐熱性の
改良されたダイヤモンド焼結体の製造方法が開示されて
いる。ところが、この場合は除去された結合金属相の部
分は空孔となるため、どうしても強度が低下してしまう
。

一部ダイヤモンドの粉末のみを超高圧下で焼結する試み
も、これまでになされているが、ダイヤモンド粒子が変
形し難いために、粒子の間隙には圧力が伝達されず、黒
鉛、化が生じ、ダイヤモンド−黒鉛の複合体しか得られ
ていない。

（４）　　問題点を解決するための手段この発明は、従
来の焼結ダイヤモンドの欠点であった耐熱性を改良した
硬質ダイヤモンド焼結体とその製造方法に関するもので
ある。

即ち、この発明はダイヤモンド合成時に使用された周期
律表第８族の金属あるいはＣｒ、ｌｌｎ、Ｔａもしくは
これらを含む合金からなるダイヤモンド合成触媒を０．
０１〜１０重量％含有する合成ダイヤモンド粉末をダイ
ヤモンドが不安定な条件下で高温にさらし、その一部も
しくは全部を黒鉛化せしめて原料とし、該原料をＺｙ、
Ｈｒ、ｖ、ｔｉ、Ｔａ、Ｃｒ。

比、Ｗなどの中から選ばれた少なくとも１種の金属から
なる反応容器に充填してダイヤモンドが安定な超高圧、
高温下で焼結したダイヤモンド焼結体であって、前記原
料ダイヤモンド中に含有される金属あるいはそれらの合
金と反応容器を構成した金属とからなる金属間化合物を
０．０２〜１２重量％含有することを特徴とする硬質ダ
イヤモンド焼結体お−よびその製造方法を提供せんとす
るものである。

この発明では原料粉末として、合成ダイヤモンド粉末で
、合成時に触媒として使用された周期律表第８族の金属
あるいはＣｒ、Ｉ’に＋、Ｔａもしくはこれらの金属か
らなる合金を不純物として結晶内に包含するものを用い
る。

合成ダイヤモンド粉末は、その成長条件によるが、結晶
内部の特定の面または方位に合成時に使用された触媒金
属を取り込んで成長する場合がある。

本発明者らは、このような介在物を特定量含有する合成
ダイヤモンド粉末を選択し、さらに焼結前にこれを加熱
してダイヤモンドの一部または全部を黒鉛化せしめた。

この黒鉛化処理を施した粉末をＺｙ　１イ、■、陽、１
、Ｃｒ　、比、Ｗなどの中から選ばれた少なくとも１種
の金属からなる反応容器に充填してダイヤモンドが安定
な超高圧、高温下で焼結を行なった。

その結果、０．０１〜１０重昂％の金属不純物を包含す
る合成ダイヤモンド粉末を出発原料とした場合には黒鉛
化したダイヤモンドが焼結時に再びダイヤモンドに転換
し、緻密な焼結体が得られることを見出した。

また比較のために０．０１〜１０重量％の触媒金属粉末
を０．０１重量％未満の金属不純物を含有する合成ダイ
ヤモンド粉末を加熱してダイヤモンドの一部または全部
を黒鉛化せしめたものと混合して焼結したが、この場合
は充分緻密な焼結体が得られず、黒鉛が残留しているこ
とがわかった。この混合法では、原料に天然ダイヤモン
ドを用いても同様の結果であった。

その原因としては、微量触媒金属をダイヤモンド粉末と
均一に混合することが極めて難しく、触媒金属が偏在し
ている部分ではダイヤモンド粒子間の結合は強固である
が、それらが存在していない部分では黒鉛がダイヤモン
ドに変換されず残留するためと考えられる。

（５作　用 この発明による硬質ダイヤモンド焼結体は、従来の焼結
ダイヤモンドに比べて耐熱性が大幅に改良されたもので
あり、１０００℃の加熱にも耐えられることがわかった
。耐熱性が著しく向上した理由としては、第１に従来の
らを溶浸せしめる方法の焼結体よりも金属含有量が少な
いこと、第２にその金属の分布状態と竹状が異なること
が考えられる。

即ち、ダイヤモンドの合成時に内部に取り込まれた触媒
金属と、後から混入した触媒金属とは焼結時の作用が異
なると思われる。

この発明の硬質ダイヤモンド焼結体では、結晶粒が相互
に極めて密接に接合し、大部分の触媒金属は結晶粒界よ
りもむしろ結晶粒内に球状または板状の析出物として存
在している様子が観察された。

一方、従来の焼結体では触媒金属はダイヤモンド粒子相
互の界面に薄いフィルム状として存在する。

これは焼結時にダイヤモンド粉末の隙間に侵入してくる
もを結合相としているためである。

この発明の硬質ダイヤ、モンド焼結体においても、ダイ
ヤモンド粒界には僅かに薄いフィルム状金属が存在して
いるが、これは反応容器を構成する素材として用いたＺ
ｒ、１−ｆｆ、■、陽、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗなどの中
から選ばれた少なくとも１種の金属が焼結時に原料へ拡
散し、ダイヤモンド粒子中に含有されず、粒界に残存し
た触媒金属と反応して生成された金属間化合物である。

この結果、この発明の焼結体では大部分の触媒金属はダ
イヤモン・ド粒子内に分散して存在するため、加熱によ
る黒鉛化が生じ難いと考えられる。

また粒界に僅かに存在する金属相は、反応容器を構成す
る金属と原料ダイヤモンド中に含有される触媒金属との
金属間化合物であり、触媒として作用する金属あるいは
それらの合金に比べてダイヤモンドとの熱膨張率の差が
小さい１ｃめ、加熱時に焼結体中に生ずる熱応力が低減
されるものと推察される。

以上のべたことから、この発明により耐熱性が著しく改
良されたダイヤモンド焼結体を製造することが可能とな
ったのである。

この発明の実施に当って、出発原料である合成ダイヤモ
ンドは０．０１〜１０重量％の触媒金属またはそれを含
む合金を結晶内に含有するものを用いる。

ここで合成ダイヤモンドに含有する触媒金属またはそれ
を含む合金をｏ、ｏｉ〜１０重ω％の範囲とするのは、
０．０１重量％未満では焼結が困難となり、また１０重
量％以上では焼結体の耐熱性が低下して好ましくないた
めである。

出発原料の黒鉛化は、焼結性の改善のために必。

要であり、ダイヤモンド粉末を真空中または非酸化性雰
囲気中で１４００℃以上に加熱して行なう。

次に、この一部もしくは全部を黒鉛化された原料は、Ｚ
ｙ、Ｈｆ、■、陽、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｚ、Ｗなどの中から
選ばれた少なくとも１種の金属からなる反応容器に充填
して電子ビーム溶接等の手段により５Ｘ　１０ｔｏｒｒ
以上の高真空中で封入する。真空度が５Ｘ１（Ｉｏｒｒ
未満では原料に吸着したガスの影響により焼結性が低下
するため好ましくない。

なお、焼結はベルト型超高圧装置等の超高圧装置を用い
、少な（とも５σｋｂ以上、１４００’Ｃ以上のダイヤ
モンドが安定な条件下、好ましくは７０ｋｂ以上、１６
００℃以上の高圧、高温下で行なうとよい。

焼結後、回収されたカプセルを加熱した塩酸で溶解する
ことにより、黒色のダイヤモンド椀体を得ることができ
るのである。

（６）　　　実　　施　　例 以下実施例によりこの発明の詳細な説明する。

実施例１ 平均粒度３０μｍの下記第１表に示すような金属不純物
を含有する各種ダイヤモンド粉末を原料として用いた。

第　　１　　表 上記第１表中の数値は質量分析装置を用いて分析したダ
イヤモンド粉末の含有金属量である。

上記の各々の粉末を真空中、１６００℃で１時間処理し
た。取出した粉末の黒鉛化の割合をＸ線回折によって調
べたところ、Ａで約９０％、Ｂが５０％、Ｃが８％、Ｄ
は０．３％であった。

これらの粉末をモリブデン製反応容器に充填し、５ｘ　
１０ｔｏｒｒの高真空中で封入した。

また、比較のため、第１表に記した金□属を含有しない
天然ダイヤモンドを黒鉛化せず、同様に反応容器中に封
入した。これらの試料はベルト型高圧装置により圧カフ
０ｋｂ１温度１８００℃で１０分間保持し、焼結した。

その結果、粉末りおよび天然ダイヤモンドを原料とした
ものは焼結性が悪く、亀裂が入っていた。

得られた焼結体の夫々について、Ｘ線回折を行なったと
ころ、粉末Ａ、、Ｂ、Ｃを原料としたものは黒鉛の残留
は認められ°なかったが、粉末りおよび天然ダイヤモン
ドを原料としたものは少量の黒鉛が検出された。

次に粉末Ａ、ＢＳＣを原料とした焼結体を加工して切削
チップを作製し、ビッカース硬度２０００の゛　　アル
ミナ焼結体を切削して性能を評価した。゛第２表は比較
材として市販のらを約１０％含有する焼結体とともに行
なった切削試験の結果を工具逃げ面摩耗幅としてまとめ
たものである。

なお切削試験は 切削速度　５０ｍ／分 切り込み　０．５ｍｍ 送り　　０．０５　ｍｍ／　ｒＤｍ 切削時間　　１５分乾式 の条件で切削を行なったものである。

第　　２　　表 実施例２ 第１表に示した粉末Ｃをバナジウム製の反応容器に封入
し、第３表に記した条件に５分間保持し、焼結を行なっ
た。なお第３表にはこれら得られた焼結体の特性も示し
た。

第　　３　　表 上表の結果から、Ｎ００１で黒鉛が残留するのは、圧力
、温度ともに不足するためと考えられ、またＮ００４に
おいて黒鉛が残留するのは、温度が高すぎてダイヤモン
ド安定領域から外れるためと考えられる。

次に上表において、黒鉛が残留せず、焼結が良好であっ
たＮ　Ｏ９２，３，５，６について、１０００℃で３０
分間の加熱テストを行なったがいずれも外観、硬喰、比
重の変化は全くみられなかった。

（刀　　効　　　果 この発明の方法による硬質ダイヤモンド焼結体は、切削
工具、掘削工具、伸線ダイス、ドレッサーなどの工具材
料としてすぐれた耐熱性および耐摩耗性を有しており、
特に従来のダイヤモンド焼結体の欠点であった耐熱性が
強度を下げることなく大幅に改善されているため、工具
材としての適用範囲性能が飛躍的に向上したのである。

特許出願人　　住友電気工業株式会社 代　　理　　人　　　弁理士　　和　　１）　　昭手続
補正書（自発） 昭和６０年４月３日

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ダイヤモンド合成時に使用された周期律表第８族
   の金属あるいはＣｒ、Ｍｎ、Ｔａもしくはこれらを含む
   合金からなるダイヤモンド合成触媒を０．０１〜１０重
   量％含有する合成ダイヤモンド粉末をダイヤモンドが不
   安定な条件下で高温にさらし、その一部もしくは全部を
   黒鉛化せしめて原料とし、該原料をＺｒＨｆ、Ｖ、Ｎｂ
   、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗなどの中から選ばれた少なくと
   も１種の金属からなる反応容器に充填してダイヤモンド
   が安定な超高圧、高温下で焼結したダイヤモンド焼結体
   であつて、前記原料ダイヤモンド中に含有される金属あ
   るいはそれらの合金と反応容器を構成した金属とからな
   る金属間化合物を０．０２〜１２重量％含有することを
   特徴とする硬質ダイヤモンド焼結体。
2. （２）ダイヤモンド合成時に使用された周期律表第８族
   の金属あるいはＣｒ、Ｍｎ、Ｔａもしくはこれらを含む
   合金からなるダイヤモンド合成触媒を０．０１〜１０重
   量％含有する合成ダイヤモンド粉末をダイヤモンドが不
   安定な条件下で高温にさらし、その一部もしくは全部を
   黒鉛化せしめて原料とし、該原料をＺｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎ
   ｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗなどの中から選ばれた少なく
   とも１種の金属からなる反応容器に充填してダイヤモン
   ドが安定な超高圧、高温下で焼結すると同時に反応容器
   から原料中へ反応容器を構成する金属を拡散させること
   によつて、ダイヤモンド粒子の界面に残存する触媒金属
   あるいはそれらの合金と金属間化合物を形成せしめ、該
   化合物を焼結体中に０．０２〜１２重量％含有すること
   を特徴とする硬質ダイヤモンド焼結体の製造方法。