JP2002220628A - 鏡面を備えたダイヤモンド−金属複合体、同人工関節、ダイス、ロール又は金型、及び同ダイヤモンド−金属複合体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 金属にダイヤモンドを埋め込んで複合体と
し、研磨が容易であり、潤滑性に富む鏡面を備えたダイ
ヤモンド−金属複合体を容易に得る。 【解決手段】 平均粒径１〜１２μｍのダイヤモンド粉
と金属粉を混合後、パルス通電加圧焼結したことを特徴
とする鏡面を備えたダイヤモンド−金属複合体。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鏡面を備えたダイ
ヤモンド−金属複合体、鏡面を備えた人工関節、ダイ
ス、ロール又は金型、及び鏡面を備えたダイヤモンド−
金属複合体の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、気相合成法（CVD法）等により人
工的に結晶ダイヤモンド粒又はダイヤモンド薄膜を工業
的に製造することができるようになった。しかし、多結
晶ダイヤモンドの一つの結晶面を見ると極めて平滑な硬
質面を持つが、粒全体としては極めては激しい凹凸を有
している。ダイヤモンドは金属やセラミックス等の硬質
材料の研磨、宝石等の微細研磨、あるいはコンクリート
の切断に使用されているように極めて硬い物質なので、
それ自体を研磨することは極めて難しい。したがって、
上記のように結晶ダイヤモンド粒をそのまま使用する研
磨材又は切削工具として使用する場合には好適である
が、ダイヤモンドを平滑化して、その面を利用しようと
する場合には、極めて不都合である。

【０００３】一般に、多結晶ダイヤモンドの粒を使用す
る場合には金属の中に埋め込んで使用することが行われ
ているが、ダイヤモンドの耐磨耗性の面を利用する場合
には、上記のダイヤモンドが持つ硬質の激しい凹凸を削
り取り、表面を鏡面化するための研磨が必要である。ダ
イヤモンドの加工として放電加工法や強靭鋳鉄を高速回
転させながらダイヤモンドを介在させ、共擦りしながら
研磨するスカイフ法などが挙げられる。しかし、ダイヤ
モンドを研磨する方法としては極めて能率が悪く、コス
ト高になる欠点を有している。

【０００４】ダイヤモンドの硬さは代替物が無いほどに
硬い材料なので、研磨剤としてダイヤモンド（共擦り）
以外にないと考えるのが普通であり、このために共擦り
用のダイヤモンド砥粒を各種の結合材に埋め込んだ研磨
用砥石が考えられている。このような砥石例として、フ
ェノール樹脂を用いたレジンボンド砥石、メタルボンド
砥石、長石・石英を用いたビトリファイドボンド砥石、
電着砥石などが挙げられる。これらの手法の基本は、被
研磨体であるダイヤモンド膜の表面をダイヤモンド砥粒
で引掻いて磨くということであり、砥石に含まれるダイ
ヤモンド砥粒の耐摩耗性、ダイヤモンド砥粒の数が加工
能率を決めるポイントになり、またダイヤモンドの支持
体となる各種ボンド材が研磨の支障にならず、さらにダ
イヤモンド砥粒が摩耗の度に常に新しく研磨面に表出し
てこなければならない。

【０００５】この手法の一つとして、鉄等の砥石ボンド
材をダイヤモンドの摩耗に伴って鉄を電気的に溶解（電
解）させ（この場合、研磨に有効に作用するダイヤモン
ド砥粒が存在する間、鉄の酸化物不導体皮膜が形成され
て砥石ボンド材が電解されない状態となっている）、ダ
イヤモンドの摩耗量に応じて自動的に、ダイヤモンド砥
粒の新生面が出るようにした研磨方法がある。この方法
が上記の中では最も効率が高い方法と考えられるが、砥
粒となる良質なダイヤモンド粉の選定、砥石ボンド材の
選定と埋め込み作業及び品質の維持、電解設備とその条
件設定、研磨操作と制御などが必要となり、これらがダ
イヤモンド研磨の良否を決定し、操作が煩雑、コスト
高、研磨品質が安定しないという問題がある。加えて、
被研磨材がダイヤモンド自身ということもあり、研磨加
工に作用するダイヤモンド砥粒の数に比較して被研磨材
であるダイヤモンド膜が圧倒的に多いため、加工速度、
加工能率には自ずと限界がある。

【０００６】上記以外の方法として、鉄やステンレス鋼
をダイヤモンドに押し付けて研磨する提案がなされた。
ダイヤモンドは常温では化学的に安定であるが、空気中
で７００°Cに加熱すると黒鉛化して燃焼し始め、真空
中でも１４００°C以上になると黒鉛化する。上記の方
法はこのような高温における鉄とダイヤモンドとの反応
を利用して研磨する方法である。鉄とダイヤモンドの反
応（ダイヤモンド成分の炭素が金属中に溶解する）は８
００°C程度から生じ、Fｅ_３Ｃ（セメンタイト）が生成
し、研磨中の摩擦面ではこれが剥離し、さらに研磨が進
行することを利用したものと理解されている。高温では
この反応がさらに進行し易くなり、Fｅ_３Ｃの生成・分
解が起り、炭酸ガス化して反応による研磨が進む。加工
能率を考慮すると９００°C以上が必要といわれてい
る。

【０００７】この鉄又は鉄系材料は安価な研磨材を使用
できるという点で良い方法と考えられたが、この方法の
一番の問題は、高温に加熱しなければ効率的な研磨がで
きないと言うことである。ところが、ステンレスや鉄系
材料は高温で軟化し、強度が著しく低下するので安定し
た研磨ができない。特に、高温の鉄を用いる場合には、
鉄の酸化を防止するために、真空中あるいは還元性雰囲
気中で研磨を実施する必要があるため、設備の面でも又
研磨作業が煩雑である（自在にできない）という点でも
問題がある。さらにまた、上記のような高温加熱は被研
磨体であるダイヤモンドに影響を与え、摩擦や加熱時の
急激な温度勾配による熱応力に起因して、ダイヤモンド
膜又は自立体にクラックが発生し、破壊するなどの問題
を生じた。このため、この鉄に替えて炭素との親和力が
大きいクロムやチタンを使用したが、前者は脆くて加工
ができず、また後者は鉄と同様に軟らか過ぎ又酸化しや
すく酸化チタンとなり研磨材として使用できなかった。
この他レーザ加工等が考えられるが、面精度が劣り使用
できないという問題がある。このようなことから、本発
明者らはＡｌ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕの
群から選択した１種または２種以上の元素とＴｉ、Ｚ
ｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ等との金属間化合物を主成分とする
ダイヤモンド研磨用砥石を発明した。これによれば、常
温で極めて能率良く研磨が可能となり、優れたダイヤモ
ンド研磨体が得られた。上記のように、研磨用砥石とし
ての改良には多くの工夫がなされてきたが、被研磨体で
あるダイヤモンド又はダイヤモンドを含有する被加工体
の研磨特性を改善することは殆どない。これは被加工体
の使用目的又は用途との関係があるので、改善の見通し
が立たないという問題であるかもしれない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、金属にダイ
ヤモンドを埋め込んで複合体とし、研磨が容易であり、
潤滑性に富む鏡面を備えたダイヤモンド−金属複合体、
同人工関節、ダイス、ロール又は金型、及び同ダイヤモ
ンド−金属複合体の製造方法を得るものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】以上の知見に基づいて、
本発明は、１）平均粒径１〜１２μｍのダイヤモンド粉
と金属粉を混合後、パルス通電加圧焼結したことを特徴
とする鏡面を備えたダイヤモンド−金属複合体、２）金
属がチタン及びチタン合金、鉄及び鉄合金、超硬合金で
あることを特徴とする上記１）記載のダイヤモンド−金
属複合体、３）平均粒径１〜１２μｍのダイヤモンド粉
と金属粉とを混合後、パルス通電加圧焼結したダイヤモ
ンド−金属複合体からなる、鏡面を備えた人工関節、ダ
イス、ロール又は金型、４）金属がチタン及びチタン合
金、鉄及び鉄合金、超硬合金であることを特徴とする上
記３）記載の人工関節、ダイス、ロール又は金型、５）
平均粒径１〜１２μｍのダイヤモンド粉と金属粉を混合
し、８００〜１１００°Cでパルス通電加圧焼結するこ
とを特徴とする鏡面を備えたダイヤモンド−金属複合体
の製造方法、６）金属がチタン及びチタン合金、鉄及び
鉄合金、超硬合金であることを特徴とする上記５）記載
のダイヤモンド−金属複合体の製造方法、７）１〜１０
分間焼結することを特徴とする上記５）又は６）記載の
ダイヤモンド−金属複合体の製造方法、８）金属がチタ
ン及びチタン合金である場合に、焼結温度８００±３０
°Cの範囲で焼結することを特徴とする上記６）又は
７）記載のダイヤモンド−金属複合体の製造方法、９）
金属が鉄及び鉄合金である場合に、焼結温度８５０±８
０°Cの範囲で焼結することを特徴とする上記６）又は
７）記載のダイヤモンド−金属複合体の製造方法、１
０）金属が高速度鋼及び超硬合金である場合に、焼結温
度１０５０±４０°Cの範囲で焼結することを特徴とす
る上記６）又は７）記載のダイヤモンド−金属複合体の
製造方法を提供する。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明のダイヤモンド−金属複合
体は、平均粒径１〜１２μｍのダイヤモンド粉と金属粉
を混合し、これを焼結して得る。これによって、従来法
で粗加工を行った後、上記本発明者等が開発した金属間
化合物を主成分とするダイヤモンド研磨用砥石を使用し
て容易に研磨することができ、しかも研磨面を潤滑性の
高い鏡面とすることができた。このダイヤモンド−金属
複合体の鏡面を得る目的は潤滑性を得るためのものであ
り、微視的に見れば金属に埋め込まれたダイヤモンド粒
が完全平滑になっている必要はない。この潤滑性を向上
させる目的のためにダイヤモンド粒の角部分を微視的に
研磨すること、すなわち角を落とすことが重要である。
したがって、近似的に鏡面化するためにはダイヤモンド
粒子間の距離をできるだけ小さくしてダイヤモンドの角
を削ることが重要であり、そのためにできるだけ微粒子
のダイヤモンドを使用する必要がある。

【００１１】しかし、ダイヤモンドの粒子が余り微細で
あると焼結時の高温の熱により担持する金属との炭化物
又はそれ自体が黒鉛に簡単に変化して、ダイヤモンドが
消失してしまう。特に反応性の強いチタンや鉄の場合に
は、焼結の際に溶解して跡形も無く消えてしまう。ま
た、高速度鋼や超硬合金は炭素を含むのでチタンや鉄な
どよりも反応性は低いが、焼結温度が高いので、同様の
問題が発生する。このため、ダイヤモンドの平均粒径を
１μｍ以上とすることが必要である。一方、ダイヤモン
ドの粒子径が大きい場合には、研磨が難しくなるととも
に、粒子間の間隔が広がるので潤滑性のある鏡面が得ら
れない。そのため、粒子の上限は平均粒径１２μｍとす
る必要がある。このダイヤモンド粒子径の選択は重要で
ある。

【００１２】ダイヤモンドを担持する金属としては、チ
タン及びチタン合金、鉄及び鉄合金（ステンレス鋼）、
高速度鋼、超硬合金を使用することができる。この他、
目的に応じて他の金属を使用して焼結することもでき
る。金属へのダイヤモンドの混合割合は、使用目的に応
じて変えることができるが、通常５ｖｏｌ％〜３０ｖｏ
ｌ％程度である。本発明の平均粒径１〜１２μｍのダイ
ヤモンド粉と金属粉とを混合後、パルス通電加圧焼結し
たダイヤモンド−金属複合体は、本発明者等が開発した
金属間化合物を主成分とするダイヤモンド研磨用砥石を
使用して鏡面化し、人工関節、ダイス、ロール又は金型
に使用することができる。特に、純チタンやＴｉ−Ｚｒ
合金等のチタン又はチタン合金は、生体細胞毒性がなく
人工関節材、特に頭骨部及びその受部の材料として好適
である。

【００１３】本発明のダイヤモンド−金属複合体は、平
均粒径１〜１２μｍのダイヤモンド粉と金属粉を混合
し、８００〜１１００°Cでパルス通電加圧焼結するこ
とが望ましい。このパルス通電加圧焼結を使用すること
により、１〜１０分間程度の焼結温度保持時間で真密度
に近似するレベルまでの焼結が可能である。金属がチタ
ン及びチタン合金である場合には焼結温度を８００±３
０°Cの範囲で焼結し、金属が鉄及び鉄合金である場合
には焼結温度を８５０±８０°Cの範囲で焼結し、金属
が高速度鋼及び超硬合金である場合には焼結温度１０５
０±４０°Cの範囲で焼結することが望ましい。上記パ
ルス通電加圧焼結法は従来の溶解法または燃焼合成法に
比べ材料の成分偏析を減少させ、組織を緻密化し、かつ
高純度化する点で格段に優れた材料が得られる。そし
て、パルス通電加圧法による場合、成形型やパンチに電
流を流して直接通電するので短時間に焼結できる利点が
ある。パルス通電加圧焼結は通常、雰囲気を真空（例え
ば真空度１０^−３Ｐａ）とし、昇温速度１０〜１００Ｋ
／ｍｉｎ、好ましくは１０〜４０Ｋ／ｍｉｎ、圧力４５
〜７０ＭＰａの条件で所定温度に通電加圧焼結する。

【００１４】

【実施例及び比較例】次に、実施例について説明する。
なお、本例はあくまで一例であり、この例のみに制限さ
れるものではない。すなわち、本発明の技術思想に含ま
れる他の態様または変形を包含する。 （実施例１）

【００１５】平均粒径４０μｍのチタン粉末に平均粒径
１０μｍのダイヤモンド粉を１２．５ｖｏｌ％混合し、
これをダイスに充填した後、パルス通電加圧焼結法によ
り８００°Cで５分間焼結し、凹型と凸型の相似形球面
を有する試験片（直径３０ｍｍ）を２個作製した。これ
ら双方の球面を砥石により鏡面に仕上げて擦り合せたと
ころ、わずかに摩擦音を発するが良好な潤滑状態が得ら
れた。 （実施例２）

【００１６】平均粒径３μｍのダイヤモンド粉を使用す
る以外は実施例１と同様にして焼結し、凹型と凸型の相
似形球面を有する試験片（直径３０ｍｍ）を２個作製し
た。これら双方の球面を砥石により鏡面に仕上げた後、
擦り合せたところ、摩擦音を発することもなく良好な潤
滑状態が得られた。

【００１７】（比較例１）平均粒径０．５μｍ以下のダ
イヤモンド粉を使用した以外は実施例１と同様にしてパ
ルス通電加圧焼結法により８００°Cで２分間焼結した
ところ、ダイヤモンドは炭化し、良好なダイヤモンド−
金属複合体を得ることができなかった。

【００１８】（実施例３）平均粒径３μｍの鉄粉に平均
粒径３μｍのダイヤモンド粉を２０ｖｏｌ％混合し、こ
れをダイスに充填した後、パルス通電加圧焼結法により
８００°Cで２分間焼結し、砥石により鏡面に仕上げ
た。研磨面は平滑で良好な潤滑性が得られた。

【００１９】（実施例４）平均粒径１μｍのＷＣ−１２
ｗｔ％Ｃｏ合金粉末に平均粒径３μｍのダイヤモンド粉
を３０ｖｏｌ％混合し、これをダイスに充填した後、パ
ルス通電加圧焼結法により１０３０°Cで５分間焼結
し、砥石により鏡面に仕上げた。研磨面は平滑で良好な
潤滑性が得られた。

【００２０】（比較例２）実施例４の混合粉末をダイス
に充填した後、パルス通電加圧焼結法により１１００°
Cで５分間焼結したところ、ダイヤモンドは黒鉛化し複
合体を得ることはできなかった。

【００２１】（実施例５）平均粒径１μｍのＷＣ−１２
ｗｔ％Ｃｏ合金粉末に平均粒径１０μｍのダイヤモンド
粉を３０ｖｏｌ％混合し、これをダイスに充填した後、
パルス通電加圧焼結法により１０９０°Cで５分間焼結
し、砥石により鏡面に仕上げた。研磨面は平滑で良好な
潤滑性が得られた。以上により、ダイヤモンド粉の粒径
が大きい場合には、焼結温度が高くてもダイヤモンド粒
が消失することなく、複合体とすることができることが
分かった。

【００２２】

【発明の効果】金属にダイヤモンドを埋め込んで複合体
とし、研磨が容易であり、潤滑性に富む鏡面を備えたダ
イヤモンド−金属複合体を容易に得ることができ、人工
関節、ダイス、ロール又は金型に好適である著しい特長
を有している。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） // Ｂ２２Ｆ 3/24 Ｂ２２Ｆ 3/24 Ｇ (72)発明者 阿部 利彦 宮城県仙台市宮城野区苦竹４丁目２番１号 東北工業技術研究所内 (72)発明者 八島 芳信 宮城県仙台市青葉区折立１丁目15番10号 (72)発明者 武田 修一 神奈川県平塚市日向岡１−８−32 Ｆターム(参考） 4C081 AB05 BB05 BB08 CF161 CG01 CG02 CG03 CG08 DA01 DB07 4C097 AA03 CC03 CC17 DD06 DD09 DD10 SC03 4K018 AD17 BA03 BA11 BA13 BA20 BB04 EA22 FA06 KA17 KA18 KA19 KA70

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平均粒径１〜１２μｍのダイヤモンド粉
   と金属粉を混合後、パルス通電加圧焼結したことを特徴
   とする鏡面を備えたダイヤモンド−金属複合体。
2. 【請求項２】 金属がチタン及びチタン合金、鉄及び鉄
   合金、超硬合金であることを特徴とする請求項１記載の
   ダイヤモンド−金属複合体。
3. 【請求項３】 平均粒径１〜１２μｍのダイヤモンド粉
   と金属粉とを混合後、パルス通電加圧焼結したダイヤモ
   ンド−金属複合体からなる、鏡面を備えた人工関節、ダ
   イス、ロール又は金型。
4. 【請求項４】 金属がチタン及びチタン合金、鉄及び鉄
   合金、超硬合金であることを特徴とする請求項３記載の
   人工関節、ダイス、ロール又は金型。
5. 【請求項５】 平均粒径１〜１２μｍのダイヤモンド粉
   と金属粉を混合し、８００〜１１００°Cでパルス通電
   加圧焼結することを特徴とする鏡面を備えたダイヤモン
   ド−金属複合体の製造方法。
6. 【請求項６】 金属がチタン及びチタン合金、鉄及び鉄
   合金、超硬合金であることを特徴とする請求項５記載の
   ダイヤモンド−金属複合体の製造方法。
7. 【請求項７】 １〜１０分間焼結することを特徴とする
   請求項５又は６記載のダイヤモンド−金属複合体の製造
   方法。
8. 【請求項８】 金属がチタン及びチタン合金である場合
   に、焼結温度８００±３０°Cの範囲で焼結することを
   特徴とする請求項６又は７記載のダイヤモンド−金属複
   合体の製造方法。
9. 【請求項９】 金属が鉄及び鉄合金である場合に、焼結
   温度８５０±８０°Cの範囲で焼結することを特徴とす
   る請求項６又は７記載のダイヤモンド−金属複合体の製
   造方法。
10. 【請求項１０】 金属が高速度鋼及び超硬合金である場
    合に、焼結温度１０５０±４０°Cの範囲で焼結するこ
    とを特徴とする請求項６又は７記載のダイヤモンド−金
    属複合体の製造方法。