【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダイヤモンドを含有する金属−セラミックス複合材料からなるドリルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、切削工具であるドリルの材料として超硬合金が広く用いられているが、極めて硬質な材料であるダイヤモンド粉末を焼結させた、ダイヤモンド焼結体も使用されている。ダイヤモンド焼結体は高い耐摩耗性を有しており、ドリルの材料として優れているが、その製造には通常５〜６ＧＰａという超高圧を必要とするため、コスト上の問題があった。そこで近年、耐摩耗性はダイヤモンド焼結体には及ばないもののそれに近い耐摩耗性を有する、金属とダイヤモンドの複合材料を、ダイヤモンド焼結体と比較して低圧下で製造する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２２０６２８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１は、平均粒径１〜１２μｍのダイヤモンド砥粒と金属粉末を混合後、４５〜７０ＭＰａの圧力下において通電加圧焼結してダイヤモンド−金属複合体を得る方法を提案するものであるが、ドリルを構成する材料として有効に作用する平均粒径５μｍ以上のダイヤモンド粉末を原料とすると、チタン、超鋼合金などの金属粉末の焼結収縮を阻害し、十分理論密度に近い緻密な複合材料が得られない。理論密度の９５％以下の材料をドリルとして使用すると、摩耗量が多くなり寿命が短くなるという問題があった。
【０００５】
本発明は、上述した課題に鑑みなされたものであって、その目的は、平均粒径が５μｍ以上のダイヤモンド粉末を用い、理論密度に近い緻密なダイヤモンド含有金属−セラミックス複合材料製ドリルを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記目的を達成するため鋭意研究した結果、緻密なダイヤモンド−金属複合材料製ドリルを提供するために、その構成がダイヤモンド、ＳｉＣ、シリコンを主成分とする金属からなる複合材料とし、所望のドリル形状とした、ダイヤモンドと炭素、もしくはダイヤモンドとＳｉＣと炭素からなる多孔質状のプリフォームに、シリコンを主成分とする金属を溶融し、非加圧で浸透させる方法で製造すれば、理論密度に近い緻密なダイヤモンド含有金属−セラミックス複合材料製ドリル複合材料を提供できるとの知見を得た。また、複合材料の理論密度を９８％以上にすることでドリルとしての摩耗量が従来の１／３程度になり、寿命が長くなるという知見を得て本発明を完成するに至った。
【０００７】
即ち本発明の目的は、ダイヤモンドの平均粒径が５μｍ以上でその含有率が１体積％以上、なおかつＳｉＣを含み、そのダイヤモンドとＳｉＣの含有率の合計が４０〜８０体積％であり、残部がシリコンを主成分とする金属からなる複合材料からなるドリルであって、その製造方法が、ダイヤモンド粉末に加熱処理により炭化するバインダーを加えて混合し、所望のドリル形状に成形した後、加熱処理して形成した多孔質状のプリフォームに、あるいは、ダイヤモンド粉末とＳｉＣ粉末に前記バインダーを加えて混合し、所望のドリル形状に成形した後、加熱処理して形成した多孔質状のプリフォームに、シリコンを主成分とする金属を溶融し、非加圧で浸透させる方法であることを特徴とするダイヤモンド含有金属−セラミックス複合材料製ドリルとすることにより達成される。
以下さらに本発明の内容を詳細に説明する。
【０００８】
上記ダイヤモンド、ＳｉＣ、シリコンを主成分とする金属からなる複合材料は、理論密度に近い緻密な複合材料となる。その理由は、その製造方法である、ダイヤモンドと炭素、もしくはダイヤモンドとＳｉＣと炭素からなる多孔質状のプリフォームに、シリコンを主成分とする金属を溶融し、非加圧で浸透させて複合化する方法において、シリコンは凝固膨張する性質を有するため、複合材料中に体積変化に伴う欠陥が生じ難いためであると考えられる。
【０００９】
本発明においてダイヤモンドの平均粒径を５μｍ以上としたのは、５μｍ以下ではドリルとして使用すると摩耗量が多くなるためである。加えて、ダイヤモンドは大気圧下においては準安定相であり、熱処理を行うと黒鉛化するため、やはり材料の摩耗量が多くなるためである。また、そのダイヤモンドの含有率を１体積％以上としたのは、１％未満では加工に作用するダイヤモンド砥粒の数が少なく、加工速度、加工能率が著しく低くなるためである。
【００１０】
また、ダイヤモンドとＳｉＣの含有率の合計を４０〜８０体積％とした。その理由は、４０体積％未満では複合材料のヤング率が２４０ＧＰａより小さくなり、ドリルとして良好な剛性が得られないためである。８０体積％以下としたのは、ダイヤモンド粉末と炭化したバインダー、もしくは、ダイヤモンド粉末とＳｉＣ粉末と炭化したバインダーからなるプリフォームにおいて、それらの含有率が８０体積％に近いものを作製することが困難なためである。
【００１１】
また、本発明によるダイヤモンド含有金属−セラミックス複合材料製ドリルにおいては、硬質な複合材料になる前、つまりシリコンを主成分とする金属を浸透させる前のプリフォームの段階でプリフォームを所望のドリル形状に成形することにより、シリコンを主成分とする金属を非加圧で浸透させても形状変化がほとんどないため、最終形状とするために硬質材料を加工するコストを抑えることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明によるダイヤモンド含有金属−セラミックス複合材料製ドリルは、以下のような方法により得ることができる。
平均粒径が５μｍ以上のダイヤモンド粉末に有機バインダーを添加し、必要であればＳｉＣ粉末を添加し、それらを混合し、所望のドリル形状に成形した後、非酸化雰囲気中で９００〜１１００℃の温度で加熱処理することにより、有機バインダーを炭化させたプリフォームを形成し、シリコンを主成分とする金属を非酸化雰囲気中で１５００℃以上の温度で溶融して、プリフォーム中に含まれている炭素と反応させてＳｉＣとすると同時に浸透させ、シリコンを主成分とする金属中にダイヤモンドとＳｉＣが分散した複合材料製ドリルを非加圧にて得ることができる。
【００１３】
また、プリフォームに浸透させるための金属としては、熱処理時のダイヤモンドの黒鉛化を抑制するため、シリコンに他の元素を含み、低融点化させたものであってもよい。例えば、シリコンの融点は約１４３０℃であるが、シリコンにアルミニウムを添加することにより、５８０℃まで低融点化することができる。かかる効果のある金属としては、アルミニウム以外にも、例えば金、銀、錫などがあり、これらの元素を含むシリコン合金であってもよい。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明の実施例と比較例を挙げ、本発明をより詳細に説明する。
【００１５】
（実施例１）
（１）ダイヤモンド含有金属−セラミックス複合材料製ドリルの作製
市販のＳｉＣ粉末の粗粒（信濃電気精錬社製、平均粒径５０μｍ）６０体積部と微粒（信濃電気精錬社製、平均粒径１０μｍ）３３体積部とダイヤモンド粉末（旭ダイヤモンド工業社製、平均粒径１０μｍ）７体積部に、それらの合計を１００質量部とした時に有機バインダーとしてフェノール樹脂１０質量部（炭素換算３質量部）を混合し、φ１０ｍｍの穴開け加工用ドリル形状にプレス成形した後、窒素雰囲気中で１０００℃の温度で３時間加熱処理し、フェノール樹脂を炭化させた７０体積％の充填率を有するプリフォームを形成した。また、得られる複合材料の密度およびヤング率の測定のため、同じ手順により５０×５０×２０ｍｍのプリフォームも形成した。
【００１６】
次に、得られたプリフォームとシリコン塊（日本電工社製、純度９９％）とを常圧下、アルゴン雰囲気中で１５００℃の温度で３時間保持して、溶融したシリコンとプリフォーム中に含まれている炭素とを反応させてＳｉＣとすると同時に溶融シリコンをプリフォーム中に浸透させて、ダイヤモンド含有金属−セラミックス複合材料製のドリルおよび平板を作製した。
【００１７】
（２）評価
得られた複合材料製平板から、１０ｍｍ角の立方体を切り出し、アルキメデス法で密度を測定したところ、密度は２９６０ｋｇ／ｍ３であり、理論密度（２９７０ｋｇ／ｍ３）に対して９９％以上の相対密度であった。また、同様に３×４×４０ｍｍの試料を切り出し、共振法によりヤング率を測定したところ、３００ＧＰａであった。得られた複合材料製ドリルを用い、厚さ５ｍｍのアルミナ板にドリルの寿命まで穴開け加工をしたところ、１５個の穴開けが可能であった。
【００１８】
（比較例１〜３）
比較例１〜３として、表１に示すような複合材料となるように、実施例１と同様の方法および手順で複合材料を作製し、評価を行った。その結果も表１に示す。
【００１９】
【表１】
【００２０】
表１から明らかなように、本発明の範囲外の複合材料では、ドリルに求められるヤング率または耐摩耗性の性能が低いものであった。
【００２１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、平均粒径が５μｍ以上のダイヤモンド粉末を用いても理論密度に近い緻密なダイヤモンド含有金属−セラミックス複合材料製ドリルを提供することができ、摩耗量が少なく寿命が長いドリルを提供できた。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a drill made of a metal-ceramic composite material containing diamond.
[0002]
[Prior art]
At present, cemented carbide is widely used as a material for a drill as a cutting tool, but a diamond sintered body obtained by sintering diamond powder as an extremely hard material is also used. Although the diamond sintered body has high wear resistance and is excellent as a material for a drill, its production usually requires an ultra-high pressure of 5 to 6 GPa, and thus has a problem in cost. Therefore, in recent years, a method has been proposed for producing a composite material of metal and diamond at a lower pressure than a diamond sintered body, which has a wear resistance that is not as good as a diamond sintered body but has a wear resistance close to that of the diamond sintered body. (For example, see Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
JP, 2002-220628, A
[Problems to be solved by the invention]
Patent Document 1 proposes a method of obtaining a diamond-metal composite by mixing diamond abrasive grains having an average particle diameter of 1 to 12 μm and metal powder, and then conducting current-pressure sintering under a pressure of 45 to 70 MPa. However, if diamond powder with an average particle diameter of 5 μm or more, which effectively acts as a material for forming a drill, is used as a raw material, sintering shrinkage of metal powders such as titanium and super steel alloys is inhibited, and a dense composite close to a theoretical density is sufficiently obtained. No material available. When a material having a theoretical density of 95% or less is used as a drill, there is a problem that the amount of wear increases and the life is shortened.
[0005]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a dense diamond-containing metal-ceramic composite material drill close to a theoretical density using diamond powder having an average particle diameter of 5 μm or more. It is in.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have conducted intensive studies to achieve the above object. As a result, in order to provide a drill made of a dense diamond-metal composite material, a composite material composed of a metal mainly composed of diamond, SiC, and silicon is provided. A metal predominantly composed of silicon is melted into a porous preform made of diamond and carbon or diamond and SiC and carbon having a desired drill shape, and is made to penetrate without pressure. For example, it has been found that a drill composite material made of a diamond-containing metal-ceramic composite material having a density close to the theoretical density can be provided. Further, by making the theoretical density of the composite material 98% or more, the amount of wear as a drill was reduced to about 1/3 of the conventional one, and the knowledge that the life was extended led to the completion of the present invention.
[0007]
That is, an object of the present invention is to provide a diamond having an average particle diameter of 5 μm or more, a content of 1% by volume or more, and containing SiC, wherein the total content of the diamond and SiC is 40 to 80% by volume, and the balance is A drill made of a composite material composed of a metal containing silicon as a main component, the manufacturing method of which includes adding a binder carbonized by heat treatment to diamond powder, mixing the mixture, forming a desired drill shape, and then performing heat treatment. To the porous preform formed by the above, or the binder is added to diamond powder and SiC powder and mixed, molded into a desired drill shape, and then heat treated to form a porous preform, A method of melting a metal containing silicon as a main component and infiltrating the metal without applying pressure, wherein the diamond-containing metal-ceramic composite material is used. It is achieved by a drill.
Hereinafter, the content of the present invention will be described in detail.
[0008]
The composite material composed of a metal mainly composed of diamond, SiC, and silicon is a dense composite material having a theoretical density. The reason for this is that a metal predominantly composed of silicon is melted in a porous preform made of diamond and carbon, or diamond, SiC and carbon, which is a method of manufacturing, and is permeated without pressure to form a composite. This is considered to be due to the fact that silicon has the property of solidifying and expanding, and therefore, it is difficult for defects due to volume change to occur in the composite material.
[0009]
In the present invention, the average particle diameter of diamond is set to 5 μm or more because when it is 5 μm or less, the wear amount increases when used as a drill. In addition, diamond is a metastable phase under atmospheric pressure, and becomes graphitized when heat-treated, so that the amount of wear of the material also increases. The reason for setting the diamond content to 1% by volume or more is that if the content is less than 1%, the number of diamond abrasive grains acting on the processing is small, and the processing speed and the processing efficiency are significantly reduced.
[0010]
The total content of diamond and SiC was set to 40 to 80% by volume. The reason is that if it is less than 40% by volume, the Young's modulus of the composite material becomes smaller than 240 GPa, and good rigidity as a drill cannot be obtained. The reason why the content is set to 80% by volume or less is that it is difficult to prepare a preform composed of a diamond powder and a carbonized binder or a diamond powder and a SiC powder and a carbonized binder, the content of which is close to 80% by volume. That is why.
[0011]
Further, in the diamond-containing metal-ceramic composite material drill according to the present invention, the preform is formed into a desired drill shape at the preform stage before it becomes a hard composite material, that is, before the metal containing silicon as a main component is infiltrated. By molding into a metal, the shape is hardly changed even if a metal containing silicon as a main component is infiltrated without pressure, so that the cost of processing a hard material to obtain a final shape can be suppressed.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The diamond-containing metal-ceramic composite material drill according to the present invention can be obtained by the following method.
An organic binder is added to diamond powder having an average particle size of 5 μm or more, SiC powder is added if necessary, and they are mixed and formed into a desired drill shape. By performing a heat treatment at a temperature, a preform in which an organic binder is carbonized is formed, and a metal containing silicon as a main component is melted at a temperature of 1500 ° C. or more in a non-oxidizing atmosphere and contained in the preform. It can be reacted with carbon to form SiC and at the same time penetrate, thereby obtaining a composite material drill in which diamond and SiC are dispersed in a metal containing silicon as a main component without applying pressure.
[0013]
Further, as a metal for infiltrating the preform, silicon may contain another element to lower the melting point in order to suppress the graphitization of diamond during heat treatment. For example, silicon has a melting point of about 1430 ° C., but can be lowered to 580 ° C. by adding aluminum to silicon. Metals having such an effect include, for example, gold, silver, tin and the like in addition to aluminum, and a silicon alloy containing these elements may be used.
[0014]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples of the present invention.
[0015]
(Example 1)
(1) Preparation of drill made of diamond-containing metal-ceramic composite material 60 parts by volume of coarse particles (manufactured by Shinano Electric Refining Co., average particle size 50 μm) and fine particles (manufactured by Shinano Electric Refining Company, average particle size 10 μm) of commercially available SiC powder 33 parts by volume and 7 parts by volume of diamond powder (manufactured by Asahi Diamond Industry Co., Ltd., average particle size: 10 μm) were mixed with 10 parts by mass of a phenol resin (3 parts by mass in terms of carbon) as an organic binder when their total was 100 parts by mass. Then, after press-forming into a 10 mm diameter drilling hole for drilling, it was subjected to a heat treatment at 1000 ° C. for 3 hours in a nitrogen atmosphere to form a phenol resin carbonized preform having a filling rate of 70% by volume. . Also, a 50 × 50 × 20 mm preform was formed by the same procedure for measuring the density and Young's modulus of the obtained composite material.
[0016]
Next, the obtained preform and silicon lump (purity: 99%, manufactured by Nippon Denko Co., Ltd.) were held at a temperature of 1500 ° C. for 3 hours in an argon atmosphere under normal pressure, and contained in the molten silicon and the preform. The resulting carbon was reacted with carbon to form SiC and at the same time molten silicon was infiltrated into the preform, thereby producing a drill and a flat plate made of a diamond-containing metal-ceramic composite material.
[0017]
(2) Evaluation A cube of 10 mm square was cut out from the obtained composite material flat plate and the density was measured by the Archimedes method. The density was 2960 kg / m 3 , which was 99% of the theoretical density (2970 kg / m 3 ). % Relative density. Similarly, a sample of 3 × 4 × 40 mm was cut out and its Young's modulus was measured by a resonance method to find that it was 300 GPa. Using the obtained composite material drill, a 5 mm-thick alumina plate was drilled until the life of the drill. As a result, 15 holes could be drilled.
[0018]
(Comparative Examples 1 to 3)
As Comparative Examples 1 to 3, composite materials were produced by the same method and procedure as in Example 1 so as to obtain composite materials as shown in Table 1, and evaluation was performed. The results are also shown in Table 1.
[0019]
[Table 1]
[0020]
As is clear from Table 1, the composite materials outside the scope of the present invention had low Young's modulus or wear resistance performance required for the drill.
[0021]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a dense diamond-containing metal-ceramic composite drill close to the theoretical density can be provided even when using diamond powder having an average particle diameter of 5 μm or more, and the amount of wear is small. A long life drill was provided.
