JPS6379757A - 高密度多結晶ダイヤモンドの製造方法 - 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、岩石掘削工具、耐摩工具として使
用するのに適した高強度でかつ耐熱性を有する、実質的
にダイヤモンドのみからなる高密度多結晶ダイヤモンド
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、ドリルビットふよび線
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Ｗ
　Ｃ−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４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つ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
れる理由には以下の２点がある。

■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
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
、取付けに際しては、９００℃〜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。

■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
バインダ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、この現象は特に顕著に生ず
る。

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。

（３）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
じさせない結合材結合体ではダイヤモンドと六方晶窒化
硼！（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
−＋ｃＢＮ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　Ｂ　Ｎとのみからなる焼結
体は、ダイヤモンドとｃＢＮの結合が弱く、またｃＢＮ
は襞間が生じ易く、強度が低いため、工具として使用し
た場合には粒子の親藩が生じやすく、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
合材慮料としてＳｉ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。しか
しながら、この方法により製造された焼結ダイヤモンド
は、ダイヤモンド相互の粒子間結合がｔとＰノヒに＝立
、耐摩耗性に劣り、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。

これらの欠点を改善する試みは、たとえば特開昭５９−
１６１２６８号に開示されている。ここに開示されてい
る研摩材料は、容量にして、１０〜２０％のニッケルと
Ｓｉとを含み、かつそれぞれの形態が、ニッケル、ケイ
素、炭化ケイ素およびケイ化ニッケルなどであることを
特徴としている。

この製造方法による焼結体では、Ｎｉの効果により、ダ
イヤモンド粒子間結合の割合は改善されている。しかじ
な、がら、結合材中には、依然として未反応のＮｉおよ
びＳｉが残留しているため、高温時における黒鉛の生成
や、強度の低下が生じ、耐熱性に優れたものとは言い難
い。

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）での斜線領域への条件に曝すこ
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ｔ
； ４０−２６３２８号では原料客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、特公昭５１−４
６７５８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にある。

高められるが、操作性に劣り、試料空間も僅か数１ｍｌ
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できない。

よって、この発明の目的は、従来の焼結ダイヤモンドの
有する強度と耐摩耗性を損うことなく、その欠点であっ
た耐熱性を改善した。実質的にダイヤモンドのみからな
る高密度多結晶ダイヤモンドの製造方法を提供するもの
である。

、、（４）問題点を解決するための手段入発明者達は、
より一層強度・耐摩耗性・耐熱性に優れかつ、工具素材
として十分使用できる大きさをもった高密度多結晶ダイ
ヤモンドを得るべく、鋭意検討した結果、下記の発明を
なしたものである。

すなわち、少なくともその一部に導電性炭素を含有する
ダイヤモンドを原料として、超高圧発生装置に配置して
、炭素相図上で黒鉛が安定である１１０Ｋ　ｂ以下の圧
力に曝し、該原料に直接通電することによって自己発熱
を生じさせ、少なくともその一部を溶解させた後、通電
を停止して急冷することにより、熱力学的に非平衡な状
態でダイヤモンドとして再結晶せしめ焼結を行うことを
特徴とする高密度多結晶ダイヤモンドの製造方法による
ものである。

（５）作用 り′ 本発明による高密度多結晶ダイヤモンドの製造方法は上
記先行技術（特公昭４０−２６３２８号）を改良するこ
とにより為し得たものである。この先行技術に開示され
ている方法では、焼結原料に硼素カーバイドを含有した
黒鉛を用いる。従って、これより多結晶ダイヤモンドを
製造するには熱力学的にダイヤモンドが安定な圧力領域
で、原料全体が溶融して炭素融液を生ずる温度に曝す必
要がある。

本発明者達は、この製造方法をさらに検討した結果、少
なくともその一部に導電性炭素を含有するダイヤモンド
を原料とし、これに通電して、少なくともその一部を融
解させた後、通電を停止して急冷することにより、黒鉛
が安定な圧力下においても、熱力学的に非平衡な状態で
ダイヤモンドとして再結晶し焼結することを見出した。

この発明の実施に際し、原料として用いる、少なくとも
その一部に導電性炭素を含有するダイヤモンドとは、黒
鉛・カーボンブラック・非晶質炭素等の導電性を有する
炭素材料と絶縁性ダイヤモンドとの混合物を意味するも
のである。使用するダイヤモンドは天然・合成いずれで
もよい。

！襲にダイヤモンド粉末を真空中、或は非酸化性Ｉブ 雰囲気中で１４００℃以上の温度に加熱し、個々の粉末
表面の一部を黒鉛に変換したものは、極めて均一な分散
状態を呈するダイヤモンドと黒鉛の混合物であり、最も
好ましい原料である。

高密度多結晶ダイヤモンドを製造するに際して使用する
黒鉛化ダイヤモンドは個々の粒子表面の０．５〜８０容
量％が黒鉛であることが必要である。黒鉛化量が０．５
容量％より少ないと、融解して生成する炭素融液の量が
少ないため、ダイヤモンド粒子間の結合が弱く、また８
０容量％より多いと、黒鉛が残留して低強度の多結晶体
しか得られない。

この発明の多結晶体においては、原料として、特に０．
０１〜２００μｍ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。

上記の黒鉛化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第２
図の如く配置した後、黒鉛が安定なｌｌ０Ｋ　ｂ以下、
好ましくは２０〜６０Ｋｂの圧力に曝す。この状態で原
料に直接通電し、個々の粒子表面の黒鉛を発熱・融解さ
せる。黒鉛の融解は通電中の電気抵抗変化として検出し
うるため、これをもって通電を停止し、急冷する。その
後、保持圧力を解除して常圧に戻す。

Ｋｂ以下では、非平衡状態でのダイヤモンドの再結晶が
生じ難く、黒鉛が生成するためであり、また６０Ｋｂ以
上にすると、超高圧発生装置の試料空間が減少するため
大きな多結晶体が得られ難いことによる。

原料への通電のための電源と注入エネルギー量の制御は
、特公昭５１−４６７５８号等に開示されている装置が
適用できる。焼結時間、すなわち通電開始から通電停止
までの時間は、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。

以上の方法に従って得られた多結晶体は、いずれも高密
度・高強度であり、かつ単結晶ダイヤモンド２同様に１
２００℃までの加熱に耐えられるものである。

る導電性ダイヤモンドを用いるこ七も可能であり、この
原料から焼結した多結晶体は導電性があるため、工具形
状に加工する際、放電加工が利用できる特徴を有してい
る。また、この原料の場合には、黒鉛安定領域でのダイ
ヤモンドの準安定液相線を越える温度まで加熱すればよ
い。

硼素の含有量を上記の範囲に限定する理由は、１．０重
量％以上であると、含有される硼素の量が多（、これが
欠陥となって多結晶体の強度を低下させること、また０
、０１重量％以下であると、高抵抗であるため発熱効率
が悪く、融解温度に達し難いことにある。

上記の範囲の含有量である硼素含有導電性ダイヤモンド
を原料として焼結した多結晶体も高強度としては、非鉄
金属切削用バイトやダイスは勿論めこき、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用加工
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。また、原料の粒度を選定して、焼結した粒径
０．１μｍ以下の超微粒多結晶ダイヤモンドはセラミッ
クスの超精密加工用バイトとして利用できる。

さらに、実質的にダイヤモンドのみからなる多結晶体で
あるため、単結晶ダイヤモンドに代替する安価な高熱伝
導性放熱基板として使用することも可能である。

（６）実施例 〔実施例１〕 粒度６０〜８０μｍの合成ダイヤモンド粉末を真空中、
１４５０℃の温度で９０分間加熱処理を行い、個々の粒
子表面の３．５容量％を黒鉛化した。この粉末をベルト
型高圧発生装置で５０Ｋ　ｂに加圧した後、直接通電を
行い、４ｆｌＫｊのエネルギーを注入した。

通電停止後論々に降圧して回収した試料は白色半透明を
呈し、アルキメデス法による比重測定では３．５２を示
した。

からなる多結晶体であることが判明した。また、その粒
径は約７０μｍで、原料ダイヤモンドの粒径をほぼ維持
しており、異常粒成長等は観察されなかった。この多結
晶体を真空中で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８００Ｋｇ／ＩＩＩＩ′の強度を
示した。比較として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、圧縮強度は夫々４００Ｋｇ／　ｍｓ’、　
４７０Ｋｇ／　ｍ＋ａ”であった。

〔実施例２〕 平均粒度ｌＯμｍの天然ダイヤモンド粉末を窒素気流中
、１５００℃で３０分間黒鉛化処理を行った。この粉末
と硼素を０．５重量％含有した平均粒度１５μｍの導電
性ダイヤモンド粉末とを夫々、ピストンシリンダー型高
圧発生装置で、第１表に示した条件で焼結を行った。回
収した試料を夫々、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、ヴ４’１カース硬度１８
００Ｋｇ／　ａｍ”のＳｉｍＮ。

比較のために、Ｃｏを結合材として１０容゛量％含有す
る焼結体と、これを王水処理してＣｏを殆ど抽出し空孔
が８容量％残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。

その結果、本発明による多結晶体のチップの逃げ面摩耗
幅は共に０．０８ｍ−であったのに対して、Ｃ。

の溶出を行っていないものについては、０．３５ａ＋ｍ
であった。また、Ｃｏを抽出した焼結体は３０秒切削し
た時点で欠損し、切削を行うことが不可能となった。

第１表 〔実施例３〕 第２表に示した各原料をベルト型高圧発生装獣を用いて
、同表中の各条件下で焼結を行った。その結果、Ｃ，Ｆ
、Ｈ，Ｌ、Ｎは多結晶体中に黒鉛が残留しており、未焼
結であった。その原因として、Ｃは原料中のダイヤモン
ドの容量が少なかったこと、Ｆは焼結圧力が低すぎたこ
と、Ｈは黒鉛化量が多すぎたこと、ＬとＮは注入エネル
ギーが少なすぎたことが推察された。

焼結が良好であった他の多結晶体をレーザー加工機にて
切断し、ＴｉＣをコーティングした後、ビットボディに
ろう付けし、コアピットを作製した。

比較のために、天然ダイヤモンドを用いてサーフェスセ
ットのコアピット、ならびに８容量％のＣｏを結合材と
して含有する焼結ダイヤモンドを使用したコアピットを
作製した。

上記各試験片につき、−軸圧縮強度１６００〜１７００
Ｋｇ／ａｌの安山岩を５００回転／分で掘削した。掘進
速度および寿命を第３表に示す。

第　　　３　　　表 注）Ｘ、Ｙは夫々、天然ダイヤモンドを用いたサーフェ
スセットのコアピット及びＣＯ結合材の焼結ダイヤモン
ドを用いたコアピットを示す。

（７）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実質的にダ
イヤモンドのみからなる高密度多結晶ダイヤモンドを得
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、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図は炭素の相図であり、図中斜線１ａＡ及びＢは夫
々特公昭５１−４６７５８号及び特公昭４０−２６３２
８号に記載された焼結条件である。また、図中斜線部Ｃ
はＣＯを結合材とする従来の焼結ダイヤモンドの焼結条
件であり、斜線部りは本発明の方法による多結晶ダイヤ
モンドの焼結条件である。 第２図は本発明による焼結原料を超高圧発生装置に配置
した状態を示す断面図である。図中、１４）は超硬ピス
トン、２−（２）は超硬チャシバ−１３（３）はパイロ
フィライト、４（４）は通電リング、５（５）は通電金
−属板、６（６）は黒鉛、７はマグネシア、ｒカ（ｋｔ
））

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくともその一部に導電性炭素を含有するダイ
   ヤモンドを原料として、超高圧発生装置に配置して、炭
   素相図上で黒鉛が安定である１１０Ｋｂ以下の圧力に曝
   し、該原料に直接通電することによって自己発熱を生じ
   させ、少なくともその一部を融解させた後、通電を停止
   して急冷することにより、熱力学的に非平衡な状態でダ
   イヤモンドとして再結晶せしめ焼結を行うことを特徴と
   する高密度多結晶ダイヤモンドの製造方法。
2. （２）原料として、ダイヤモンド粉末を熱力学的に不安
   定な条件下で高温に曝し、個々の粒子表面の０．５〜８
   ０容量％を黒鉛に変換せしめたものを用いることを特徴
   とする特許請求の範囲第（１）項記載の高密度多結晶ダ
   イヤモンドの製造方法。
3. （３）ダイヤモンド粉末として、その粒径が０．０１〜
   ２００μｍのものを用いることを特徴とする特許請求の
   範囲第（２）項記載の高密度多結晶ダイヤモンドの製造
   方法。
4. （４）原料として、硼素を０．０１〜１．０重量％含有
   する導電性ダイヤモンド粉末を用いることを特徴とする
   特許請求の範囲第（１）項記載の高密度多結晶ダイヤモ
   ンドの製造方法。
5. （５）ダイヤモンド粉末として、その粒径が０．０１〜
   ２００μｍのものを用いることを特徴とする特許請求の
   範囲第（４）項記載の高密度多結晶ダイヤモンドの製造
   方法。
6. （６）焼結圧力が２０〜６０Ｋｂであることを特徴とす
   る特許請求の範囲第（１）項記載の高密度多結晶ダイヤ
   モンドの製造方法。