JP2007517955A - 被覆研磨剤 - Google Patents
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Abstract
代表的にはダイヤモンドまたはｃＢＮ系である超硬研磨材のコアと、該超硬研磨材の外面に化学的に結合された金属炭化物、窒化物、ホウ化物または炭窒化物の内層と、金属炭窒化物特に炭窒化チタンの外層を含む、被覆超硬研磨剤である。外層は好ましくは物理蒸着によって適用される。内層は高温被覆法を使用して適用されたときに研磨材の表面（単数または複数）に炭化物、窒化物またはホウ化物を（単独または組合せで）形成できる元素から形成される。
Description
本発明は被覆研磨剤(coated abrasives)、その製造方法、および研磨剤含有工具に使用するための被覆研磨剤に関する。
ダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素のような研磨粒子は切削(cutting)、研削(grinding)、穴あけ(drilling)、のこ引き(sawing)およびつや出し(polishing)用途に広く使用されている。かかる適用においては、研磨粒子は金属粉ミックスと混合され、次いで、高温で焼結されて結合切削素子(bonded cutting elements)を形成する。代表的な結合剤マトリックス(bond matrices)は鉄、コバルト、銅、ニッケルおよび／またはそれらの合金を含有する。
適用における共通の問題は、結合剤マトリックス中での粒子の保留性と、焼結過程中およびその後の適用中の酸化的攻撃に対する耐性である。
これら問題は、研磨粒子に化学的に結合し且つ結合剤マトリックスに合金化する金属または合金で研磨粒子を被覆することによって一般的に対処されている。代表的には、化学蒸着(chemical vapour deposition)（ＣＶＤ）または物理蒸着(physical vapour deposition)（ＰＶＤスパッタコーティング）の技法が使用される。炭化チタンは、ダイヤモンドに対するその良好な接着性故に、研磨粒子のための被覆材として提起されている材料の例である。使用できる類似の被覆材は炭化クロムである。
結合剤マトリックスが青銅(bronze)またはＣｕを含有している場合に炭化チタン被膜を使用することによる問題は、炭化チタンがこれら物質と反応する傾向にあって、反応して失するということである。その上、結合剤マトリックスがダイヤモンド合成のための溶剤／触媒として典型的に使用されている金属からなる場合には、ダイヤモンド粒子はダイヤモンド粒子表面の黒鉛化を受けやすい。かかる金属の例はＦｅ、ＣｏおよびＮｉである。溶融状態では、これら金属はダイヤモンドを溶解することができ、冷却時にそれが沈殿して黒鉛を形成する。ダイヤモンド表面のこの黒鉛化の過程は粒子を弱めるばかりでなく、結果として結合剤中での劣った粒子保留性を生じさせるであろう。
切削工具の製造中には、たとえば、ダイヤモンド粒子含有のこセグメント(saw segments)の焼結中には、酸素は、表面酸化物として、又は結合剤マトリックスを形成する金属粉中の溶解酸素として、又はその雰囲気中で気体形態で、又は炭化チタン被膜それ自体の適用の結果として、存在するであろう。焼結温度においては、この酸素は、ダイヤモンド粒子の表面を攻撃し易く、それが粒子を弱める。
（発明の概要）
超硬研磨材(super-hard abrasive material)のコアと、該超硬研磨材の外面に化学的に結合した金属炭化物、窒化物、ホウ化物または炭窒化物の内層と、金属炭窒化物特に炭窒化チタンの外層とを含む、被覆超硬研磨剤。
超硬研磨材(super-hard abrasive material)のコアと、該超硬研磨材の外面に化学的に結合した金属炭化物、窒化物、ホウ化物または炭窒化物の内層と、金属炭窒化物特に炭窒化チタンの外層とを含む、被覆超硬研磨剤。
外層は好ましくは物理蒸着によって適用される。
超硬研磨材は代表的にはダイヤモンドまたはｃＢＮ系であり、そしてダイヤモンドまたはｃＢＮグリット(grit)、ＰＣＤ基質(substrates)、熱安定性(thermally stable)ＰＣＤ（ＴＳＰＣＤ）基質、ＰｃＢＮ基質、ＣＶＤダイヤモンド皮膜、単結晶ダイヤモンド基質を挙げてもよいであろう。
内層は、高温被覆法(hot coating process)を使用して内層として適用されたときに研磨材の表面（単数または複数）に炭化物、窒化物またはホウ化物を（単独または組合せで）形成できる元素から形成される。代表的には、これら元素は周期表のＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ、ＩＩＩｂおよびＩＶｂ族から得られる。内層は好ましくは、研磨材コアがダイヤモンドの場合にはチタンまたはクロムの炭化物の被膜であり、又は研磨材コアがｃＢＮの場合にはチタンまたはクロムの窒化物、ホウ化物またはホウ窒化物の被膜であるが、たとえば、バナジウム、モリブデン、タンタル、インジウム、ジルコニウム、ニオブ、タングステン、アルミニウム、ホウ素またはケイ素のようなその他の金属も使用できる。
（好ましい態様）
本発明は被覆された研磨材の様々な形態に関するのであるが、便宜上、殆どの部分で、ダイヤモンドグリットを被覆することに関連して記載してある。
本発明は被覆された研磨材の様々な形態に関するのであるが、便宜上、殆どの部分で、ダイヤモンドグリットを被覆することに関連して記載してある。
炭化チタンまたは窒化チタンの形態のＴｉはそれぞれダイヤモンドおよびｃＢＮ基質にとっての有効な被覆材であることが明らかにされている。それらは基質に化学的に結着し基質を保護するそれらの能力の故に特に有効である。しかしながら、先に言及した通り、それらは或る種の適用、特に、それらが青銅または銅の存在下での攻撃的焼結条件で焼結される場合、および結合剤マトリックスがたとえば第一鉄金属を含有する場合、または酸素の存在下での適用には適していない。
チタン被膜の利点は、チタン被膜の上に金属炭窒化物特に炭窒化チタンの外層が適用されているダイヤモンドグリットを利用すると、他の用途に拡大され得るということが判明した。これは特に、ダイヤモンドグリットを、第一鉄金属を含有する金属結合剤マトリックス(metal bond matrix)の中で使用して焼結で研磨工具構成要素を形成する場合である。それはそれの金属結合剤マトリックスからのＣｏ、ＦｅおよびＮｉの拡散に対するバリヤを形成するので、Ｆｅ、ＣｏおよびＣｕホットプレス法における低Ｃｕで及び純鉄結合剤の中で、それを使用することが、焼結条件が長い焼結時間と高い温度を要求する場合でさえも、可能になる。それは、ダイヤモンド粒子の場合、炭化チタン被膜がメタリック材料の中の成分によって、例えば、該材料を他のメタリックまたはセラミック材料にろう付け(brazing)する又は粉体を焼結または溶浸して溶浸粉体材料を生成する青銅または銅によって、反応されて失せてしまった場合でも有効である。
それは特に次のようなことに有効である：ダイヤモンド含浸工具(diamond impregnated tools)、たとえば、のこ刃(saw blades)用セグメント、ドリル、ダイヤモンドワイヤ用ビーズ(beads for diamond wires)、特に多量の青銅または銅が炭化チタン被膜の有効性を制限する場合の、ろう付けダイヤモンドワイヤビーズのようなろう付けダイヤモンド層工具の製造、ダイヤモンド含有金属マトリックス複合材料の製造、ダイヤモンド材料のろう付け、たとえば、ドリル本体へのＴＳＰＣＤ、ＰＣＤおよびダイヤモンドドリルストーンの固着、のこ刃、工具支柱、ドリル本体などへのＣＶＤ、単結晶、ＴＳＰＣＤおよびＰＣＤの固着についてである。
加えて、被覆ダイヤモンド含浸工具は、長い寿命や高い生産性のような改善された性能を生じる。ろう付け適用向けの本発明の被覆ダイヤモンドは、酸素の排除を要求するＴｉ含有活性ろう付け箇所とは対照的に、空気中で作業する簡単なろう付け箇所の使用を可能にする。
被覆研磨粒子は好ましくは、内層を適用するための高温被覆法と外層を適用するためのＰＶＤ法を使用して形成される。
ダイヤモンドグリット粒子はメタルボンデッド工具(metal bonded tools)の製造に通常使用されるものである。それらは一般的には均一に、代表的には０．１〜１０ｍｍに、定寸化されている。かかるダイヤモンドグリット粒子は以下のものが挙げられる：ミクロングリット(Micron grit)０．１〜６０ミクロン、といし用グリット(wheel grit)４０ミクロン〜２００ミクロン、のこ用グリット(saw grit)１８０ミクロン〜２ｍｍ、単結晶１ｍｍ〜１０ｍｍ、直径２００ｍｍ以下のディスク(discs)への数平方ｍｍのＣＶＤ挿入物(inserts)、直径１０４ｍｍのディスクへの数平方ｍｍのＰＣＤ挿入物、４０ミクロン〜２００ミクロン範囲のといし用グリットの中の０．１〜６０ミクロンのミクロン範囲のｃＢＮグリット、直径１０４ｍｍ以下のディスクへの数ｍｍのＰＣＢＮ挿入物が挙げられる。
ダイヤモンド粒子をまず、高温被覆法において、金属層または金属の炭化物、窒化物もしくは炭窒化物の層であってもよい内層を付与するように被覆する。ｃＢＮの場合には、かかる内側被膜は代表的には金属窒化物またはホウ化物またはホウ窒化物層になるであろう。この高温被覆法においては、かかる結合が行われるのに適する高温条件下でダイヤモンド基質に金属系被膜が適用される。使用できる代表的な高温被覆技法は、たとえば金属ハロゲン化物気体相からの付着を伴う方法、ＣＶＤ法、または熱拡散真空被覆または金属蒸着法が挙げられる。金属ハロゲン化物気体相からの付着を伴う方法およびＣＶＤ法が好ましい。
金属ハロゲン化物気体相からの付着を伴う方法においては、被覆されるべき粒子を適切な気体環境（たとえば、次の一つまたはそれ以上を含有する非酸化的環境: 不活性気体、水素、炭化水素、減圧）の中で、被覆用金属（たとえば、Ｔｉ）を含有する金属ハロゲン化物に曝す。金属ハロゲン化物は過程の一部として金属から生成されてもよい。
混合物は熱サイクルを受け、その間に金属ハロゲン化物が粒子の表面へＴｉを輸送し、そこでＴｉが解放されて粒子に化学結合する。
外側の金属炭化窒化物層は、ＣＶＤ法または低温被覆(cold coating)技法、たとえばＰＶＤ、を使用して付着されるが、後者が好ましい。これは、基質に化学結合する有意な炭化物を起こさせるには不十分な熱を発生する低温プロセス(low temperature process)である。従って、単独で使用されるならば、それはダイヤモンド粒子への劣った付着を生じさせるであろう。外側被膜を適用するためのＰＶＤ法の例は反応性スパッタコーティングであり、そこでは、被覆中には炭化水素ガスおよび／または窒素のような反応性ガスが与えられる。該ガスはスパッタリング法によって生成される金属蒸気と反応し、その結果として炭窒化物の付着を生じる。この方法においては、Ｔｉ：（Ｃ，Ｎ）およびＣ：Ｎの比率は外層の諸性質を更に向上させるように最適化することができる。
外層（単数または複数）は代表的には、ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族からの金属、たとえば、チタンやクロム、ＩＩＩｂおよびＩＶｂ族からの金属、たとえば、アルミニウム、の炭化物、窒化物、ホウ化物、酸化物およびケイ化物、およびホウ素やケイ素のような元素、から（単独または組合せで）構成されるが、好ましくは、炭化チタン、炭窒化チタン、窒化チタン、ホウ化チタンまたはホウ窒化チタンから構成される。
次に、本発明を下記の非限定的な実施例に関連して単なる例によって記載する。
エレメント・シックス(Element Six) からのダイヤモンドグリット、４０／４５ＵＳメッシュサイズ、をＣＶＤ法にて被覆して、この分野で周知の一般的方法に従ったＴｉＣ被覆ダイヤモンドを製造した。次いで、このＣＶＤ ＴｉＣ被覆ダイヤモンドを第二被覆工程のための基質として使用した。
このＴｉＣ被覆ダイヤモンド、４０／５０ＵＳメッシュサイズ、の１０００キャラットを、回転バレルとターゲットとしての大きな純チタン金属板をもったマグネトロンスパッタコーター(magnetron sputter coater)の中に置いた。コーティングチャンバー(coating chamber)を排気し、アルゴンを入れ、そしてプラズマを発生させるために電源を入れた。２０ｓｃｃｍアルゴン圧において全てのダイヤモンド粒子の上に均一な被覆を確保するためにバレルを回転させながら、スパッタリング電力をターゲット上で１０Ａ（４００Ｖ）に上昇させた。Ｃ４Ｈ１０ガスを５ｓｃｃｍで入れると共に、窒素ガスは７０％の光学発光の測定値(Optical Emission Measurement)を達成するように入れた。炭素および窒素と反応したチタンのスパッタリングは２時間続行した。その後、被覆ダイヤモンドは放冷してからチャンバーから取り出した。
この被覆ダイヤモンドについて、Ｘ線回折、蛍光Ｘ線分析、被膜の化学的検定、光学および走査電子顕微鏡画像分析、および後でＳＥＭでの断面分析を伴う粒子破壊からなる分析を行った。
目視的には、この被覆は暗赤色／銅色に見えた。この着色は各粒子の上に均一に分布されているように見え、そして各粒子は同じに見えた。被覆は均一でかつ未被覆域のないものに見えた。ＳＥＭでの観察はやはり、僅かに荒い形態の均一被覆を示した。破壊粒子もＳＥＭで観察した。２層構造が明瞭に証明され、ＴｉＣＮ層は約０．２ミクロンの厚さを有していた。この特殊被覆は結果として１．０３％の含量検定を生じた。このバッチに使用されたこのサイズにおけるＴｉＣ被膜は代表的には０．４５％の含量検定を有している。従って、１．０３％の残余はＴｉＣの上のＴｉＣＮ層のせいである。ＸＲＤを使用して分析したとき、ＴｉＣとＴｉＣＮが見出された。ＸＲＦ分析は１００％Ｔｉを示した。
Claims (8)
- 超硬研磨材のコアと、該超硬研磨材の外面に化学的に結合された金属炭化物、窒化物、ホウ化物または炭窒化物の内層と、該内層の上に付着された金属炭窒化物の外層を含む、被覆超硬研磨剤。
- 外層が炭窒化チタンから形成される、請求項１記載の被覆超硬研磨剤。
- 外層が物理蒸着によって付着される、請求項１または２記載の被覆超硬研磨剤。
- 超硬研磨材がダイヤモンドまたはｃＢＮ系である、請求項１〜３のいずれか一項記載の被覆超硬研磨剤。
- 超硬研磨材が、ダイヤモンドまたはｃＢＮグリット、ＰＣＤ基質、熱安定性ＰＣＤ（ＴＳＰＣＤ）基質、ＰｃＢＮ基質、ＣＶＤダイヤモンド皮膜、および単結晶ダイヤモンド基質を含む群から選ばれる、請求項４記載の被覆超硬研磨剤。
- 内層が、高温被覆法を使用して研磨材の表面（単数または複数）に炭化物、窒化物またはホウ化物を（単独または組合せで）形成できる元素から形成される、請求項１〜５のいずれか一項記載の被覆超硬研磨剤。
- 元素が周期表のＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ、ＩＩＩｂおよびＩＶｂ族を含む群から選ばれる、請求項７記載の被覆超硬研磨剤。
- 内層が、ダイヤモンド系コアの場合にはチタンまたはクロムの炭化物の被膜であり、又はｃＢＮ系コアの場合にはチタンまたはクロムの窒化物、ホウ化物またはホウ窒化物の被膜である、請求項１〜７のいずれか一項記載の被覆超硬研磨剤。
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