JPS6319585B2

JPS6319585B2 -

Info

Publication number: JPS6319585B2
Application number: JP59226574A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Nakai; Shuji Yatsu
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1984-10-26
Filing date: 1984-10-26
Publication date: 1988-04-23
Also published as: JPS61104045A

Description

【発明の詳細な説明】

［産業上の利用分野］この発明は、たとえば切削工具、掘削工具、線
引ダイスなどの種々の工具に用いられている、ダ
イヤモンド焼結体に関する。［従来の技術］現在、ダイヤモンドの含有量が70容量％以上で
ダイヤモンド粒子が互いに接合した工具用焼結体
が販売されている。これらの焼結体は、非鉄金
属、プラスチツクあるいはセラミツクの切削、ド
レツサ、ドリルビツトまたは伸線ダイスとして用
いられている。特に、非鉄金属の切削や銅線など
の比較的軟らかい線材を伸線用ダイスとして、こ
れらのダイヤモンド焼結体を用いた場合、その性
能は、非常に優れている。これらのダイヤモンド焼結体は、通常、ダイヤ
モンド合成時の触媒であるCoなどの鉄族金属を
結合材として用いて焼結されるものであるため、
600℃以上の温度に加熱した場合、ダイヤモンド
がグラフアイト化し、劣化するという欠点を有し
ている。このダイヤモンド焼結体の耐熱性を向上
させるためには、特開昭53−114589号に記載され
ているように、加熱時にダイヤモンドのグラフア
イト化を促進するCoなどの鉄族金属を取り除け
ばよい。しかしながら、ダイヤモンド焼結体からCoな
どの鉄族金属を溶出すると、ダイヤモンド焼結体
の強度は約20〜30％低下する。特に、ダイヤモン
ド焼結体をビツト用途として用いた場合、強度と
耐摩耗性と耐熱性とが要求されるが、特開昭53−
114589号に記載されているダイヤモンド焼結体を
用いたドリルビツトでは、ダイヤモンド焼結体の
強度不足のため、刃先が欠損し寿命が短くなると
いう欠点があつた。本願発明者達は、先に特開昭59−35066号にお
いて、強度に優れ、耐摩耗性が良好であり、さら
に耐熱性に優れたダイヤモンド焼結体を提案し
た。この焼結体は、周期律表第4a，5a，6a族の
炭化物を結合材として用いて実質的に空孔の含有
量を減少させることにより、Co溶出による焼結
体の強度低下を抑制しようとしたものである。［発明が解決しようとする問題点］しかしながら、特開昭59−35066号に開示した
ダイヤモンド焼結体は、確かに強度低下こそ少な
いが、1000℃を越える高温の下では、炭化物とダ
イヤモンドとの熱膨張差により劣化が生じること
がわかつた。したがつて、地熱井掘削のように刃
先が高温にさらされる用途では、未だ十分満足し
得るものではなかつた。それゆえに、この発明の目的は、さらに耐熱性
に優れ、かつ強度および耐摩耗性に優れた工具用
ダイヤモンド焼結体を提供することにある。［問題点を解決するための手段および作用］本願発明者達は、より一層耐熱性の高いダイヤ
モンド焼結体を得るべく、鋭意研究を重ねた結
果、ダイヤモンド含有量が93容量％を越え、99容
量％以下であり、残部が周期律表第4a，5a，6a
族の金属もしくは炭化物および／または鉄族金属
0.1〜３容量％、空孔0.5容量％以上、７容量％以
下よりなり、あるいはこれに硼素および／または
硼化物0.005〜0.25容量％を含有したダイヤモン
ド焼結体は、耐熱性がより一層改善されるととも
に、耐摩耗性および強度に優れていることを見い
出した。ダイヤモンド焼結体の耐熱性を向上させるに
は、前述したように結合材たる鉄族金属を除去す
ればよい。しかしながら、結合材が存在していた
場所は鉄族金属の除去により空孔となる。ところ
で、ダイヤモンド焼結体において、その強度と空
孔には、第１図に示す関係が存在する。すなわち
空孔の増加に従い、ダイヤモンド焼結体の強度は
低下するが、空孔が３％以上で強度が低下し始
め、4.5％以上８％以下の間で急激な強度低下が
生じ、８％以上では強度低下の割合は小さくなる
のである。一般にダイヤモンド焼結体に必要とされる強度
は、その用途や加工物の強度等により異なる。た
とえば比較的軟らかい岩石の掘削や、セラミツク
スの切削等には市販の耐熱性焼結ダイヤモンドの
1.5倍以上の強度があれば、その性能は著しく改
善される。したがつて、このような用途には、空
孔の含有量は少なくとも７％以下でなければなら
ず、ダイヤモンドの含有量は93容量％以上の焼結
体が必要となる。空孔の含有量が５容量％未満で
あれば、ダイヤモンド焼結体の強度は市販の耐熱
性ダイヤモンド焼結体の約３倍以上となり、硬い
岩石の掘削や高硬度やセラミツクス等の切削に対
し優れた性能を示し、望ましい。この発明のダイヤモンド焼結体の製造方法とし
ては、原料ダイヤモンド粉末を1300℃以上の高温
で加熱し、ダイヤモンド粉末の表面を黒鉛化する
ことと、粒度の異なるダイヤモンド粉末を混合し
たものを原料として用いることにより、ダイヤモ
ンドの含有量が93容量％を越える緻密な焼結体を
得ることが可能とされている。しかしながら、ダ
イヤモンド含有量が99容量％を越えると、鉄族金
属が不足し十分な強度のダイヤモンド焼結体を得
ることはできない。この発明のダイヤモンド焼結体においては、第
１図にも示されているように空孔の含有量ができ
るだけ少ない方が好ましいが、強度の高い焼結体
を得るには前述したように鉄族金属も必要であ
る。したがつて、この発明では、最少0.5容量％
の空孔が存在する。この発明のダイヤモンド焼結体の製造に用いる
ダイヤモンド粉末としては、平均最大粒径ａのも
のを40〜60容量％、粒径ａ／２のものを30〜40容
量％、残部が粒径ａ／３〜ａ／1000の割合で混合
したものが、高いダイヤモンド含有量を得ること
ができるので好ましい。この発明のダイヤモンド焼結体中には、種々の
粒度のダイヤモンドが含有されているが、周期律
表第4a，5a，6a族の金属もしくは炭化物が含有
されていない場合には、特に微粒ダイヤモンド粒
子近傍で鉄族金属の異常集積部が発生し、金属を
溶出した場合、この部分が空孔となる。したがつ
て、金属もしくは炭化物を含有させれば、強度は
さらに向上する。この鉄族金属および周期律表第
4a，5a，6a族の金属もしくは炭化物の含有量は、
0.1〜３容量％が好ましい。この含有量が３容量
％を越えると、ダイヤモンドとの熱膨張差による
亀裂の発生や、ダイヤモンドの黒鉛化が生じるた
め耐熱性が低下するからである。またこの含有量
はできるだけ少ない方が好ましいが、ダイヤモン
ド原料中に残存する鉄族金属などが事実上溶出不
可能であるため、最少0.1容量％の鉄族金属等は
焼結体に残存することになる。この発明のダイヤモンド焼結体では、特に、炭
化物がWCあるいはこれと同一の結晶構造を有す
る（Mo，Ｗ）Ｃである場合に、靭性、耐摩耗性
および耐熱性に優れることがわかつている。また、この発明の焼結体に、容量で0.005〜
0.25％の硼素または硼化物あるいはこれらの双方
を含有させた場合、その特性は一段と向上する。
通常、ダイヤモンド粒子は、超高圧高温下で、鉄
族金属などの触媒によるダイヤモンドの溶解ある
いは析出現象により焼結される。硼素または硼化
物の少なくとも一方を添加した場合、鉄族金属の
硼化物を生じ、融点が低下するのと、溶解析出速
度が増すためダイヤモンド粒子同士の結合部（ダ
イヤモンド・スケルトン部）が成長し、ダイヤモ
ンド粒子の保持力が向上したものと推測できる。
硼素あるいは硼化物の含有量が0.005％未満であ
ると、ダイヤモンド・スケルトン部の形成は遅
い。一方、硼素あるいは硼化物の含有量が0.25％
を越えると、ダイヤモンド・スケルトン部に多量
の硼素が侵入し、ダイヤモンド・スケルトン部の
強度が低下する。この発明のダイヤモンド焼結体に用いるダイヤ
モンド粉末は、合成ダイヤモンドあるいは天然ダ
イヤモンドのいずれを用いることも可能である。この発明のダイヤモンド焼結体の製造方法にお
いて、周期律表第4a，5a，6a族の金属もしくは
炭化物を金属ならびにFe，Co，Niなどの鉄族金
属粉末あるいはこれに硼素または硼化物を加えた
粉末を、ボールミルなどの手段を用い均一に混合
する。この鉄族金属は予め混合せずに、焼結時
に、鉄族金属からなる部材に接触させることによ
り溶浸させてもよい。また、本願発明者達の先願（特願昭52−51881
号）に開示されているように、ボールミル時のポ
ツトとボールとを、混入する周期律表第4a，5a，
6a族の炭化物と鉄族金属と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、ポツトとボールとから周期律表第4a，
5a，6a族の炭化物と鉄族金属との焼結体の微細
粉末を混入させる方法も採り得る。混合された粉末を、1300℃以上の高温でダイヤ
モンドを一部黒鉛化し、しかる後超高圧・高温装
置に入れ、ダイヤモンドが安定な条件下で焼結す
る。このとき用いた鉄族金属と炭化物などの化合
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。このようにして製造されたダイヤモ
ンド焼結体を、たとえば王水のような鉄族金属を
腐蝕し得る酸中に入れ鉄族金属を溶出して空孔を
形成する。この発明のダイヤモンド焼結体の用途として
は、ビツトのほかに、伸線ダイス、セラミツク切
削加工用バイト、ドレツサなどが挙げられる。［実施例］以下、実施例により具体的に説明する。実施例１平均粒度100μm，50μm，20μmおよび５〜
0.2μmのダイヤモンド粉末を、５：３：１：１の
割合で配合した後、WC―Co超硬合金製のポツト
とボールとを用いて５分間粉砕混合した。この粉
末を1400℃の温度で30分間、真空中で加熱した
後、Mo製の容器に充填し、Co板を完成粉末上に
載置して接触させ、超高圧・高温装置を用いて、
まず圧力を55kbを加え、引き続き1460℃の温度
に加熱し、10分間保持した。このようにして得ら
れた焼結体を容器より取出し、化学分析によりダ
イヤモンド、WCおよびCoの含有量を測定したと
ころ、それぞれ、96.5容量％、0.15容量％、3.35
容量％であつた。次に、この焼結体を加熱王水中に入れCoを溶
出し、磁気天秤および化学分析により組成を調査
したところ、ダイヤモンド96.5容量％、WC0.14
容量％、Co0.4容量％、空孔2.96容量％であつた。
この試料の圧縮強度を測定したところ、380Kg／
mm²の強度を示した。比較のために、最大のダイヤモンド粒度が同じ
であり、ダイヤモンド含有率が92.0容量％、空孔
7.7容量％、Co0.3容量％のものを試作し、その圧
縮強度を測定したところ、120Kg／mm²であつた。次に、この発明の焼結体の耐熱性を試験するた
めに、真空中で1200℃に加熱し、30分間保持した
ところ、寸法変化や亀裂は全く生じなかつた。実施例２平均粒度80μm，40μm，15μmおよび0.5μmの
ダイヤモンド粒子を、５：３：２：１の割合で配
合した。この粉末に、第１表に示す種々の鉄族金
属および周期律表第4a，5a，6a族の金属もしく
は炭化物を混合し、完成粉末とし、Ta製の容器
に充填した後、実施例１と同様にして、58kb、
1500℃の条件で焼結を行なつた。このようにして
得られた各焼結体をTa容器から取出し、加熱王
水中で処理した。次に、焼結体の空孔含有量を測
定した。この結果を第１表に合わせて示す。しかる後、これらのダイヤモンド焼結体を、一
辺が３mmの立方体となるように切り出し、鋼のボ
デイにＷ，WC，Fe，Co，Ni，Cuの混合粉末よ
りなる高融点・高硬度マトリツクスを用いて1100
℃の温度で焼結し固定し、サーフエスセツトのコ
アビツトを作成した。比較のために、市販の40〜60μmのダイヤモン
ド粉子よりなる焼結体から作成したコアビツト
（第１表に記号Ｘで示す。）、ならびに天然ダイヤ
モンドを使用して形成した焼結体のコアビツト
（第１表に記号Ｙで示す）を作成した。上記第１表に示した試料ＡないしＬと、Ｘおよ
びＹにつき、それぞれ、１軸圧縮強度1600〜2000
Kg／cm²の花崗岩を900回転で掘削した。掘進速度
および寿命を第２表に示す。

【表】＊３：酸処理後の空孔体積

【表】

【表】実施例３平均粒度0.8μmのダイヤモンド粉末と、硼素粉
末とをWC―Co超硬合金のボツトとボールとを用
いて粉砕・混合した。この粉末と、平均粒度
60μm，30μmおよび10μmのダイヤモンド粉末と
を、１：５：３：１の割合で混合し、しかる後
1450℃の温度で１時間、真空中で加熱し、実施例
１と同様にして55kb，1450℃の条件下で焼結を
した。この焼結体を分析したところ、ダイヤモン
ド96.2容量％、Co3.45容量％、Ni0.1容量％、
WC0.2容量％、ならびに硼素0.5容量％よりなる
焼結体であることが認められた。この焼結体を加
熱王水中で処理したところ、3.3容量％の空孔が
生じた。この焼結体を用いて、ビツカース硬度2300のア
ルミナセラミツクスを切削速度：60m／分、切込
み：0.3mm、送り：0.05mm／回転で、水溶性の切
削油を用いて15分間切削した。比較のために、粒度40μm〜60μmであり、空孔
が８容量％存在する市販の耐熱性ダイヤモンドを
用いて切削した。その結果、この発明の焼結体の逃げ面摩耗幅は
0.15mmであつたのに対に、市販の耐熱性ダイヤモ
ンドの逃げ面摩耗幅は0.58mmであつた。実施例４粒度の異なるダイヤモンド粒子の配合比および
黒鉛化処理条件を変えることにより、最大粒径が
60μmであり、ダイヤモンド含有量の異なる種々
のダイヤモンド焼結体を実施例３と同様にして作
成し、しかる後酸処理を行ない耐熱性ダイヤモン
ド焼結体を準備した。各焼結体のダイヤモンドお
よび空孔含有量を第３表に示す。

【表】第３表に示されている各焼結体Ｍ…Ｒを、切削
加工用のチツプとして加工し、圧縮強度1000〜
1100Kg／cm²の安山岩を、切削速度：200m／分、
切込み：１mm、送り：0.3mm／回転湿式で20分間
切削し、逃げ面摩耗幅を測定した。結果を第２表
に示す。第２図から明らかなように、空孔容積が７容量
％以下である、試料Ｍ，Ｎ，Ｏ，Ｐでは、逃げ面
摩耗幅が、空孔が７容量％以上の試料Ｑ，Ｒに比
べてはるかに少ないことがわかる。実施例５平均粒度50μm，25μm，10μmおよび0.5μmの
ダイヤモンド粉末を、55：30：10：５の割合で混
合した。このダイヤモンド粉末と第4a，5a，6a
族の遷移元素を第４表に示す割合で配合し混合し
た後、1500℃で30分間真空中で加熱し完成粉末と
した。この完成粉末を実施例１と同様にしてMo
製の容器に充填した後、Co板を完成粉末上に載
置し、圧力50kb・温度1500℃で15分間焼結した。これらの焼結ダイヤモンドをMo製の容器から
取出して分析した結果および、王水に100時間入
れて金属を溶出した後に分析した結果を第５表に
示す。次に、王水処理後の焼結ダイヤモンドを用い
て、ビツカース硬度2300のアルミナ丸棒を、切削
速度80m／分、切込み0.2mm、送り0.1mm／回転で
30分間切削した。このときの逃げ面摩耗幅も第５
表に示す。

【表】

【表】実施例６ 0.7μmのダイヤモンド粉末と硼素粉末を第６表
に示す割合で配合した。これらの粉末を超硬合金
製のポツトとボールを用いて30分間混合し、この
粉末と粒度50μm，25μm，6μmのダイヤモンド粉
末をそれそれ５：50：30：15の割合で配合した
後、1600℃で10分間10^-5torrの真空中で処理し
た。次に、これらの完成粉末を実施例１と同様にし
て焼結した後、容器を取除いた。これらの焼結体
を王水に150時間入れて金属を溶出し、その後に
分析した結果を第６表に示す。これらの焼結ダイ
ヤモンドを用いて、ビツカース硬度1700の常圧焼
結した窒化硅素の丸棒を、切削速度100m／分、
切込0.2mm、送り0.3mm／回転、乾式で20分間切削
した。この結果も第６表に示す。

【表】［発明の効果］以上のように、この発明によれば、耐熱性、強
度および耐摩耗性がより一層向上された工具用ダ
イヤモンド焼結体を得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、結合相を溶出した耐熱ダイヤモンド
焼結体における圧縮強度と空孔容積との関係を表
わす図である。第２図は、耐熱性ダイヤモンド焼
結体の安山岩切削試験結果を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】１ダイヤモンド含有量が93容量％を越え、かつ
99容量％以下であり、残部が周期律表第4a，5a，
6a族の金属もしくは炭化物と、鉄族金属との少
なくとも一方を合計で0.1〜３容量％、ならびに
空孔0.5容量％以上７容量％以下よりなることを
特徴とする、工具用ダイヤモンド焼結体。２前記ダイヤモンド含有量が95容量％を越え99
容量％以下であり、残部の空孔が0.5容量％以上
５容量％未満である、特許請求の範囲第１項記載
の工具用ダイヤモンド焼結体。３周期律表第4a，5a，6a族の炭化物が、WCま
たはWCと同一の結晶構造を有する（MoW）Ｃ
である、特許請求の範囲第１項または第２項記載
の工具用ダイヤモンド焼結体。４ダイヤモンドの含有量が93容量％を越え99容
量％以下であり、残部が周期律表第4a，5a，6a
族の金属もしくは炭化物および鉄族金属の少なく
とも一方を合計で0.1〜３容量％、空孔0.5容量％
以上７容量％以下、ならびに硼素および硼化物の
少なくとも一方を合計で0.005〜0.25容量％より
なることを特徴とする、工具用ダイヤモンド焼結
体。５前記ダイヤモンド含有量が95容量％を越え、
99容量％以下であり、残部の空孔が0.5容量％以
上５容量％未満である、特許請求の範囲第４項記
載の工具用ダイヤモンド焼結体。６前記周期律表第4a，5a，6a族の炭化物がWC
またはWCと同一の結晶構造を有する（MoW）
Ｃである、特許請求の範囲第４項または第５項記
載の工具用ダイヤモンド焼結体。