JPS63262432A - 硬質焼結体の製造方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、切削工具、岩石掘削工具、耐摩工具などに特
使用するのに適した高強度でかつ耐熱性を有する硬質焼
結体の製造方法に関するものである。

（従来の技術） ダイヤモンド微粉末を超高圧下で焼結した焼結体は、既
に非鉄金属類の切削加工用工具、ドーリルビットおよび
線引ダイスなどとして広く用いられている。

この種のダイヤモンド焼結体の製造方法は、たとえば特
公昭５２−１２１２６号に記載されている。

この先行技術に記載された製造方法では、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、超硬合金の液相を生じる温度以上
の温度でかつ超高圧下において焼結−を行う。

焼結に際しては、超硬合金中のＣＯの一部がダイヤモン
ド粉末層中に進入し、結合金属として作用する。

しかしながら、この種のダイヤモンド焼結体は耐熱性に
おいて劣るという欠点がある。たとえばこのダイヤモン
ド焼結体を７５０℃以上の温度に加熱すると、耐摩耗性
および強度の低下が見られ、また９００℃以上の温度で
は焼結体は破壊してしまうという問題があった。これは
、ダイヤモンド粒子と結合材としてのＣＯとの界面にお
いて、ダイヤモンドの黒鉛化が生じること、ならびに両
者の加熱時における熱膨張率の差に起因する熱応力によ
るものと考えられている。

ここで、ダイヤモンド焼結体に高耐熱性が要求される理
由には以下の２点がある。

１）焼結体を工具ホルダーに固定する方法として、大気
中でろう付けを行う必要があり、その際に加熱される。

特に硬質岩掘削用ドリルビットでは焼結体は金属マトリ
ックスによってビット本体に取り付けられる。マトリコ
ックスの保持強度は、マトリックス材料の融点が高温に
なるほど高く、このような用途では９００℃以上の融点
を有するマトリックスの使用が必要となる。したがって
、取り付けに際しては、９Ｃ）Ｏ℃〜１１００℃に加熱
されることになり、その結果、大気中で加熱すると上述
のようにダイヤモンド焼結体が劣化するので、この種の
ダイヤモンド焼結体を大気中にてビット本体あるいはシ
ャンク等に取付けても、十分な強度を得ることができな
い。

２）焼結体を工具として使用する際、被削材が高硬度で
ある場合、刃先温度が上昇し高温状態となる。

最近、特に開発が活発化している高強度セラミックスや
バイングー量の少ない超硬合金等の高硬度物質を研削に
代わって、切削加工する場合、この現象は特に＠著に生
ずる。

またＷやＭＯ等の硬質金属を線引加工する場合には、こ
れらの金属は常温では硬度、引張強度が高く、伸び絞り
とも低いため７００〜８００℃に加熱されて行われる。

このような分野では上述の焼結体では耐熱性に劣るため
十分満足された性能は得られていない。このように耐熱
性を向上することにより、ダイヤモンド焼結体の利用分
野はより一層拡大するものと考えられており、その改良
について検討が行われている。

（発明が解決しようとする問題点） 上記のＣｏを結合材とした焼結体の耐熱性を改善する方
法については、例えば特開昭５３−１１４５８９号に開
示されている。すなわち、上記のＣＯを結合材とした焼
結体を酸処理し、大部分の結合金属相を除外することに
よるものである。

しかしながら、特開昭５３−１１４５８９号に開示され
た方法では、除去された結合金属相の部分が空孔を形成
するため、どうしても強度が低下するという問題があっ
た。耐熱性のある焼結ダイヤモンドを製造する他の方法
として、　Ｇｏなどの鉄族金属結合材の代わりに、高温
状態においてもダイヤモンドに対して不活性で熱劣化を
生じさせない結合材を用いることも検討されている。

例えば、特公昭４９−４０６０７号記載のダイヤモンド
結合体ではダイヤモンドと六方晶窒化硼素（ｈＢＮ）の
混合物を立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）が安定な高圧、高温
条件下に保持することにより、ｈＢＮ−４ＣＢＮ無触媒
相転移を誘起して、ダイヤモンド粒子間をｃＢＮで結合
したものである。

ｃＢＮは、ダイヤモンドとの熱膨張差が極めて小さく、
かつ熱伝導率および熱的安定性とも良好である。しかし
ながら、ダイヤモンドとｃ　ＢＮとのみからなる焼結体
は、ダイヤモンドとｃＢＨの結合が弱く、またｃＢＮは
骨間が生じ易く、強度が低いため、工具として使用した
場合には粒子の脱落が生じやすく、耐摩耗性に優れたも
のは得られていない。

また、これと同様の考え方で結合材にＳｉおよび／また
はＳｉＣを用いる方法は特開昭６１−３３８６５号に開
示されている。この先行技術に記載された方法では、結
合材原料としてＳｔを用いる。すなわち、高温高圧下で
溶融したＳｉを、ダイヤモンド粉末原料中に含浸させ、
ＳｉＣの生成反応を伴なって焼結する方法である。

この方法によれば１０〜２０容量％の結合相を含有する
焼結体が得られるが、この焼結体はダイヤモンド相互の
粒子間結合が弱く、耐摩耗性に劣リ、かつ結合材には未
反応のＳｉが残留しているため、１０００℃以上の高温
状態に曝されると強度低下が生じるという欠点があった
。

一方、ダイヤモンド粉末のみを超高圧下で焼結する試み
もなされているが、ダイヤモンド粒子が変形し難いため
、粒子の間隙に圧力が伝達されず、その結果黒鉛化が生
じ、ダイヤモンド−黒鉛の複合体しか得られていないの
が実情である。

米国特許第３９１３２８０号記載の焼結体は、黒鉛が安
定な条件下でダイヤモンド粉末のみを固相焼結して、積
極的に黒鉛を粒間に生成させ、結合材とする方法が開示
されているが、この焼結体は強度や耐摩耗性に劣るもの
である。

強度、耐摩耗性、耐熱性の全てに関して最も優れる理想
的な焼結体としては、実質的にダイヤモンドのみからな
り、それらが相互に結合した多結晶ダイヤモンドである
と考えられている。この多結晶ダイヤモンドの製造方法
は特公昭５１−４６７５８号に述べられている。すなわ
ち、この方法においては、黒鉛を超高圧下で通電発熱さ
せ、第１図（炭素相図）での斜線領ｖｔＡの条件に曝す
ことにより、該黒鉛のダイヤモンドへの無触媒相転移を
生ぜしめるものである。また、その改良として、特公昭
４０−２６３２８号でｔｉ原料に硼素カーバイドを含有
する黒鉛を用い、ダイヤモンドへの相転移後も続いて通
電し、炭素溶融点以上にする（第１図斜線領域Ｂ）こと
によって、相転移生成したダイヤモンドの少なくとも一
部を溶融させる方法が開示されている。

これらの方法においては、焼結時間は数、ミリ秒と極め
て短時間ではあるが、Ｃｏを結合材とした従来の焼結ダ
イヤモンドの製造条件（図中斜線領域Ｃ）に比べて、温
度、圧力ともに著しく高いことが特徴である。焼結温度
は、このような短時間で高温を計測する手段が現在のと
ころ知られていないため、熱力学的な計算による値であ
るが、焼結原料に注入するエネルギー量を制御すれば、
温度の再現性を高めることは比較的容易であると考えら
れる。

しかしながら、これらの方法が有する欠点としては、そ
の焼結圧力が著しく高いがために、持分１＠５１−４６
７５８号に開示されているような特殊な超高圧装置を用
いなければならないことＫある。

この超高圧装置は特公昭３７−８３５８号に記載された
如きベルト型装置の改変型であって、発生圧力は高めら
れるが、操作性に劣り、試料空間も僅か飲鴫程度の大き
さである。

操作性が比較的良好な装置としては、ブリッジマンアン
ビル型装置を代表とする対向アンビル型のものがあるが
、この装置においても、上記の高圧力を発生させるため
には、試料空間の大きさは同様に制限されるため、工具
素材としての多結晶ダイヤモンドの生産は困難であると
考えられる。

さらに、原料の黒鉛を全て溶融させダイヤモンドとして
凝固させる上記の方法では、再結晶するダイヤモンドの
粒径を制御することは困難であり、粒度分布の不均質な
多結晶体しか得られない。多結晶体の強度や耐摩耗性は
、その粒径に依存するため、不均質な組織を呈するもの
には良好な工具性能は期待マきない。

零発明者は、この方法を改良して、より低圧領域で、実
質的にダイヤモンドのみからなる多結晶体を製造する方
法を開示した（特願昭６１−２２６７５９号、特願昭６
１−２２６７６０号）。

しかしながらこの方法で得られた多結晶ダイヤモンドは
耐熱性、耐摩耗性に優れるものではあったが、靭性に関
してはさらに改良の余地があるものであった。

本発明者は、上記の焼結体の耐熱性、耐摩耗性を損なう
ことなく、さらに靭性の高い焼結体を得るべく、鋭意検
討した結果、下記の発明をなしたものである。

（問題点を解決するための手段） すなわち、本発明は個々の粒子表面に金属被覆が施され
たダイヤモンド粉末を原料として超高圧発生装置に配置
し、該原料を超高圧状態に曝した後、直接通電すること
Ｋよって被覆金属を自己発熱させ、ダイヤモンド粒子間
の結合を促すことを特徴とする硬質焼結体の製造方法で
ある。

（作用） この発明の実施に際し、原料として用いるダイヤモンド
粉末は天然、合成いずれでもよい。

この発明の多結晶体においては、原料として特に０．０
１〜２０ＣＩμｍの粒度のダイヤモンド粒子を用いた場
合、強度および耐摩耗性とも最も優れている。

このダイヤモンド粉末の個々の粒子表面に鉄族金属、周
期律表（Ｖａ　＋　Ｖ　ａ　＋　）１ａ　ｒ■ａ、Ｂ、
Ｓｉ、Ｐおよび／またはこれらの合金の１種以上を被覆
する。被覆方法としては、無電解めっき、ＰＶＤ、ＣＶ
Ｄ等が有効である。

またその被覆量は、０．５〜３．０容量％とすることが
好ましい。被覆量が０．５容量％未満のときは、製造さ
れた焼結体の靭性が低く、まだ３．０容量咎を超え！耐
摩耗性が低下する。

上記の被覆ダイヤモンド粉末は、ベルト型装置等の現在
工業生産に広く用いられている超高圧発生装置に配置し
た後、２０Ｋｂ以上の圧力に曝す。

この状態で原料に直接通電を施すことにより、被覆金属
が自己発熱し、ダイヤモンド粒子の結合を促す。

焼結時間、すなわち通電開始から通電停止までの時間Ｉ
ｒｉ原料の量にもよるが、数ミリ秒〜数秒であり、昇圧
、降圧時間を含めても１回の製造に要する時間は１０分
足らずである。

焼結圧力は、特願昭６１−２２６７６０９で開示したよ
うに黒鉛安定領域の低圧でも有効であるが、ダイヤモン
ド粒子同志の結合を強固に生じさせるためには、２ＤＫ
ｂ以上であることが好ましい。

以上の方法に従って得られた焼結体はいずれも高強度、
高靭性であり、かつ単結晶ダイヤモンドと同様に１２０
０℃までの加熱に耐えられるものである。

本発明の方法により得られた焼結体の用途としては、非
鉄金属切削用バイトやダイスは勿論のこと、従来の焼結
体では適用できなかったセラミックスの高効率切削加工
用バイトや熱間伸線ダイス、硬質岩掘削用ビット等が挙
げられる。

（実施例） 以下に本発明の実施例を述べる。

〔実施例１〕 個々の粒子表面を１．０容量％のＣｏで被覆し井た粒度
６０〜８０μｍの合成ダイヤモンド粉末を原料としてベ
ルト型高圧発生装置に配置した。先ず、５０Ｋｂに加圧
した後、通電を開始し、４０ＫＪ　　のエネルギーを注
入した時点で通電を停止し、急冷した。

回収した試料は黒色を呈し強固な焼結体であった。

この焼結体を真空中で１２００℃の条件に３０分間曝し
た後、未加熱のものと共に圧縮強度の測定を行った。そ
の結果、加熱の有無に拘らず８００　Ｋｆ／ｌｔ１ｍ２
の強度を示した。

比較として８容量％のＣＯを結合材とする焼結ダイヤモ
ンドを酸゛処理して製造した焼結体、及びＳｉとＳｉＣ
を結合材とした焼結体についても同様の試験を行った。

これらの焼結体は本発明による多結晶体とほぼ同等の耐
熱性を有するが、圧縮強度は夫ｋ　４００　Ｋｐ／ｍｍ
２．４７０　Ｋｆ／ｍｍ２であった。

〔実施例２〕 実施例１と同条件で、第１表に示した原料に通電し焼結
を行った。

第　　１　　表 その結果、Ｎｃｔｌ以外は強固な焼結体が得られたが、
Ｎｌｌの焼結体は脆く、また３００℃の加熱で結合材が
融解した。

ｆｌｈｌ以外の焼結体をレーザー加工機及び放電加工機
で切断し、工具形状に加工した後、グイッカース硬度１
８００　Ｋ９７ｍｍ”のＳｉ３Ｎ、焼結体を切削速度８
０ｍ／分、切込み１電、送り０．１　ｍ／回転、乾式で
１０分間切削した。

比較のために、Ｃｏを結合材として１０容量ヂ含有する
焼結体さ、これを王水処理してＣｏを殆ど抽出し空孔が
８容量＜ｉ存する耐熱性ダイヤモンド゛焼結体につき、
上記と同一条件下で切削を行った。

結果を第２表に示す。

陽Ａ及びＤｉｄ、被覆金属量が多いため耐摩耗性。

耐熱性が改善されなかったき考えられる。

また、ＮｃｔＥ＃−を被覆金属量が少なすぎて、靭性が
低いため欠損したと考えられる。

第　　２　　表 （発明の効果） 以上のように、この発明によれば、より一層耐熱性に優
れ、かつ強度、靭性および耐摩耗性に優れた焼結体を得
ることができる。特に、従来のダイヤモンド焼結体と異
なり、靭性強度を低下させることなく耐熱性が大幅に改
善されているため、工具材としての適用範囲を飛躍的に
拡大することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、字−啼持分昭５１−４６７５８−５３に述べ
られている多結晶ダイヤモンドの製造方法を説明する図
を例示している。 才１　口 透水　（９Ｋ）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）個々の粒子表面に金属被覆が施されたダイヤモン
   ド粉末を原料として超高圧発生装置に配置し、該原料を
   超高圧状態に曝した後、直接通電することによって被覆
   金属を自己発熱させ、ダイヤモンド粒子間の結合を促す
   ことを特徴とする硬質焼結体の製造方法。
2. （２）被覆金属が、鉄族金属、周期律表IVａ、Ｖａ、V
   Iａ、VIIａ、Ｂ、Ｓｉ、Ｐおよび／またはこれらの合金
   の１種以上である特許請求の範囲第（１）項記載の硬質
   焼結体の製造方法。
3. （３）被覆金属の含有量が０．５〜３．０容量％である
   特許請求の範囲第（１）項記載の硬質焼結体の製造方法
   。
4. （４）ダイヤモンド粉末として、その粒径が０．０１〜
   ２００μｍのものを用いる特許請求の範囲第（１）項記
   載の硬質焼結体の製造方法。