JP2010024104A

JP2010024104A - 複層構造ダイヤモンド基焼結体、ダイヤモンド工具及びその製造方法

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Publication number: JP2010024104A
Application number: JP2008188355A
Authority: JP
Inventors: Eko Wardoyo Akhmadi; アフマディ・エコ・ワルドヨ; Itsuro Tajima; 逸郎田嶋; Minoru Akaishi; 實赤石
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2008-07-22
Filing date: 2008-07-22
Publication date: 2010-02-04
Anticipated expiration: 2028-07-22
Also published as: JP5263500B2

Abstract

【課題】粗粒子層と微粒子層との複層構造からなり、耐欠損性にすぐれ高強度を有する複層構造ダイヤモンド基焼結体、ダイヤモンド工具及びその製造方法を提供する。
【解決手段】粗大ダイヤモンド粉末層と結合成分層との間に微細ダイヤモンド粉末層を積層配置し、超高圧高温下で焼結を行い、粗大ダイヤモンド粒子からなる粗粒子層と微細ダイヤモンド粒子からなる微粒子層との複層構造で構成され、さらに、ダイヤモンド基焼結体中には、０．１〜１５vol％の炭酸塩系結合成分が溶浸充填されている、複層構造ダイヤモンド基焼結体とダイヤモンド工具。
【選択図】図１

Description

この発明は、高硬度、高熱伝導性、耐熱性を有するばかりか、特に、優れた高強度を備える複層構造ダイヤモンド基焼結体、ダイヤモンド工具及びその製造方法に関する。

従来から、ダイヤモンドは、硬度、熱伝導性、耐熱性が高く、化学安定性にすぐれ特性を活かして、電子デバイス・センサ材料、バイオ関連材料、光学関連材料、耐摩耗材料等の幅広い分野に応用されているが、硬度、熱伝導性、耐熱性等についてはダイヤモンドとほぼ同等の特性を有し、さらに、靭性にすぐれることから、ダイヤモンド基焼結体が、例えば、掘削工具材料、切削工具材料あるいは耐摩工具材料として用いられている。

通常、ダイヤモンド基焼結体は、超高圧高温条件下の焼結で製造され、例えば、ダイヤモンド粉末とＣｏ粉末を原料粉末として、超高圧高温装置内で５．５ＧＰａの圧力下１５００℃の条件で焼結することによりダイヤモンド−Ｃｏ系焼結体を得る方法、ダイヤモンド粉末とＴｉ、Ｚｒ、Ｃｒ等の粉末からなる原料粉末を、超高圧高温装置内で６．５ＧＰａ以上に加圧し１７００〜１９００℃の条件で焼結し、その後さらに２０００℃以上の温度で加熱することにより、ダイヤモンド−セラミックス系焼結体を得る方法、ダイヤモンド粉末と炭酸塩粉末を原料粉末として、超高圧高温装置内で６〜１２ＧＰａの圧力下、１７００〜２５００℃の条件で焼結することにより、ダイヤモンド−炭酸塩系焼結体を得る方法等が知られている。
特公昭５２−１２１２６号公報特開平５−１９４０３１号公報特開２００５−２６２３８４号公報特許第２７９５７３８号明細書

上記従来技術と示した各種のダイヤモンド基焼結体について、例えば、ダイヤモンド−Ｃｏ系焼結体においては、結合相が金属Ｃｏで構成されているために耐熱性が低いという弱点があり、また、ダイヤモンド−炭酸塩系焼結体においては、その耐熱性は非常に優れているものの、厳しい条件下で使用される掘削工具材料、例えば、石油掘削ビットの切刃材料、として用いたような場合には、ダイヤモンド基焼結体の強度、耐欠損性が不十分であり、長期の使用に耐えないという問題点があった。
そこで、この発明では、ダイヤモンド基焼結体の利点であるすぐれた硬度、熱伝導性、耐熱性、化学安定性に加えて、優れた強度を有するダイヤモンド基焼結体を提供することを目的とし、また、該ダイヤモンド基焼結体からなる耐欠損性、耐摩耗性にすぐれたダイヤモンド工具を提供することを目的とし、さらに、該ダイヤモンド基焼結体の簡易な製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、かかる課題を解決すべく、特に、ダイヤモンド−炭酸塩系のダイヤモンド基焼結体の炭酸塩粉末の溶浸挙動について鋭意研究を行なったところ、以下の知見を得た。

従来、石油掘削ビットの切刃材料として上記ダイヤモンド−炭酸塩系のダイヤモンド基焼結体を使用しようとした場合、一般的に粒径が２０〜４０μｍ程度の粗大ダイヤモンド粒子によってダイヤモンド基焼結体を構成し、これによって、切刃材料として要求される耐欠損性を確保していたが、このようなダイヤモンド基焼結体は、その強度が十分でなく、その原因を探求したところ、上記粗大ダイヤモンド粉末と炭酸塩粉末を原料粉末として、超高圧高温装置内で焼結する際に、粗大ダイヤモンド粉末粒子の粒子間隙が大きいために、該粒子間隙に、上記炭酸塩の過溶浸が生じ、これが原因となりダイヤモンド基焼結体の強度低下が生じることを確認した。

そこで、本発明者等は、ダイヤモンド−炭酸塩系のダイヤモンド基焼結体の超高圧高温装置内での焼結に際し、その原料粉末として、ダイヤモンド粉末と炭酸塩粉末との混合粉末を使用せず、粗大ダイヤモンド粉末と炭酸塩粉末とをそれぞれ層状に積層するとともに、両層の間に、微細ダイヤモンド粒子からなる微細粒子層を介在させ（図１参照）、これを超高圧高温装置内で焼結したところ、微細粒子層の存在によって、粗大ダイヤモンド粒子間隙への炭酸塩の過溶浸が防止され、その結果として、耐欠損性については何らの劣化を生じさせることもなく、微細ダイヤモンド粒子からなるダイヤモンド基焼結体と同等の強度を確保できることが判明した。

したがって、本発明によれば、すぐれた硬度、熱伝導性、耐熱性、化学安定性に加えて、優れた強度を有するダイヤモンド基焼結体を提供することができ、また、このダイヤモンド基焼結体でダイヤモンド工具を構成した場合には、耐欠損性と高強度を兼備し、すぐれた工具特性を発揮するダイヤモンド工具を得ることができる。

この発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「（１）ダイヤモンド粒子の粒子間隙に、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａの炭酸塩並びにこれらの２種以上の複合炭酸塩のうちの１種または２種以上からなる結合成分が溶浸充填されたダイヤモンド基焼結体において、上記ダイヤモンド基焼結体は、粒径が２０〜１５０μｍの粗大ダイヤモンド粒子からなる粗粒子層と粒径が４〜１６μｍの微細ダイヤモンド粒子からなる微粒子層との複層構造として構成され、さらに、上記結合成分は、ダイヤモンド基焼結体中に０．１〜１５vol％溶浸充填されていることを特徴とする複層構造ダイヤモンド基焼結体。
（２）前記（１）に記載の複層構造ダイヤモンド基焼結体からなるダイヤモンド工具。
（３）超高圧焼結装置の超高圧高温発生部内に、粒径が２０〜１５０μｍの粗大ダイヤモンド粒子からなる粗大ダイヤモンド粉末層と、粒径が４〜１６μｍの微細ダイヤモンド粒子からなる微細ダイヤモンド粉末層と、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａの炭酸塩並びにこれらの２種以上の複合炭酸塩のうちの１種または２種以上からなる結合成分層とを、上記粗大ダイヤモンド粉末層と上記結合成分層との間に上記微細ダイヤモンド粉末層が位置するように積層配置し、この成形体を、６〜１２ＧＰａの高圧条件下で１７００〜２５００℃の温度に加熱して上記結合成分層を溶融させ、溶融した結合成分を、上記粗大ダイヤモンド粉末層及び上記微細ダイヤモンド粉末層の各ダイヤモンド粒子間隙に０．１〜１５vol％溶浸充填することを特徴とする前記（１）に記載の複層構造ダイヤモンド基焼結体の製造方法。」
に特徴を有するものである。

次に、この発明をより詳細に説明する。

（１）粗大ダイヤモンド粒子
粒径が２０〜１５０μｍの粗大ダイヤモンド粒子は、本発明の複層構造ダイヤモンド基焼結体において、粗大粒子層を構成するが、その粒径が２０μｍ未満では、例えば、石油掘削ビットの切刃材料として用いたような場合に十分な耐欠損性を発揮することができず、一方、粒径が１５０μｍを超える程度に粗大になると、ダイヤモンド粒子の脱落が生じやすくなり、また、粒の粗大化による脆化傾向が生じるので、粗大ダイヤモンド粒子の粒径は２０〜１５０μｍと定めた。

（２）微細ダイヤモンド粒子
粒径が４〜１６μｍの微細ダイヤモンド粒子は、本発明の複層構造ダイヤモンド基焼結体において、微細粒子層を構成し、ダイヤモンド粒子間隙に結合成分（Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａの炭酸塩並びにこれらの２種以上の複合炭酸塩のうちの１種または２種以上）が過剰に溶浸充填されるのを抑制し、複層構造ダイヤモンド基焼結体の強度の低下防止を図る。
つまり、複層構造ダイヤモンド基焼結体の超高圧高温下での焼結時、微細ダイヤモンド粒子からなる微細ダイヤモンド粉末層は、粗大ダイヤモンド粉末層と結合成分層との間に介在し、結合成分が溶融しダイヤモンド粒子間隙に溶浸する際に、溶浸量を調整する作用を有する。
微細ダイヤモンド粒子の粒径が４μｍ未満の場合には、粗大ダイヤモンド粒子間隙への溶浸量が不足し、複層構造ダイヤモンド基焼結体の焼結性が低下し、一方、粒径が１６μｍを超えると、溶浸量の調整効果が低減し、複層構造ダイヤモンド基焼結体の強度向上を望めなくなることから、微細ダイヤモンド粒子の粒径を４〜１６μｍと定めた。

（３）Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａの炭酸塩並びにこれらの２種以上の複合炭酸塩のうちの１種または２種以上からなる結合成分（ＭｇＣＯ_３，ＣａＣＯ_３，ＳｒＣＯ_３，ＢａＣＯ_３，（Ｍｇ，Ｃａ）ＣＯ_３，（Ｍｇ，Ｓｒ）ＣＯ_３等）は、超高圧高温下での焼結（６〜１２ＧＰａ，１７００〜２５００℃）によって、溶融し、溶融した結合相成分は、微細ダイヤモンド粉末粒子及び粗大ダイヤモンド粉末粒子の粒子間隙に溶浸充填され、隣接粒子の接合を促進すると共に粒子間隙を充填することにより、複層構造ダイヤモンド基焼結体の密度、強度を高め、また、耐熱性をも向上させる作用を有する。ただ、結合成分の平均溶浸量（含有量）が、０．１vol％未満であると焼結性が劣り、一方、１５vol％を超えると強度の低下傾向がみられ、耐欠損性が劣化するので、本発明の複層構造ダイヤモンド基焼結体における結合成分の平均溶浸量（含有量）は、０．１〜１５vol％でなければならない。

結合成分の平均溶浸量（含有量）を上記の範囲とするためには、複層構造ダイヤモンド基焼結体における粗粒子層と微粒子層との層厚比を、１〜３：１〜３（或いは、粗大ダイヤモンド粒子と微細ダイヤモンド粒子との体積割合を１〜３：１〜３）とすることが望ましく、また、超高圧高温下での焼結に際し、焼結条件によっても影響を受けるが、粗大ダイヤモンド粉末層、微細ダイヤモンド粉末層および結合成分層の層厚比が、１〜３：１〜３：０．５〜２となるように積層配置し、この成形体を焼結することが望ましい。上記数値範囲を外れ、例えば、微粒子層の層厚比、微細ダイヤモンド粉末層の層厚比が、それぞれ、１、１未満になると、粗粒子層中の結合成分の平均溶浸量（含有量）が１５vol％を超えるようになり強度が低下し、一方、前記の値がそれぞれ、３、３を超えるようになると、粗粒子層中の結合成分の平均溶浸量（含有量）が０．１vol％未満となり、焼結性が低下するからである。

（４）超高圧高温装置における焼結条件
超高圧高温装置による焼結において、加圧圧力が６ＧＰａ未満では焼結体の十分な緻密化を図れず、また、その効果は１２ＧＰａ以下で十分であり、それを超えると装置コストが高くなるので、加圧圧力は６〜１２ＧＰａと定めた。さらに、加熱温度が１７００℃未満では、結合成分の溶融、溶浸、充填が不十分になるとともに焼結反応も不十分であるため焼結体の緻密化を図れず、一方、加熱温度が２５００℃を超えると過焼結状態となり、ダイヤモンド粒子がグラファイト化する現象が生じることから、加熱温度を１７００〜２５００℃と定めた。

この発明による複層構造ダイヤモンド基焼結体は、通常のダイヤモンド基焼結体が有するすぐれた硬度、熱伝導性、耐熱性、化学安定性に加えて、焼結体の構成層である微粒子層が、結合成分である炭酸塩の過溶浸を抑制することによって、粗大ダイヤモンド粒子が存在するにもかかわらず、微細ダイヤモンド粒子焼結体と同等の強度を有するようになる。
また、この発明による複層構造ダイヤモンド基焼結体で、ダイヤモンド工具（例えば、石油掘削ビットの切刃の如き掘削工具、非鉄金属、超硬合金、セラミックス等の切削工具あるいは耐摩工具等）を構成すると、該ダイヤモンド工具は優れた耐欠損性ばかりか優れた強度を有するものであるため、耐摩耗性に優れかつ長寿命のダイヤモンド工具を得ることができる。
さらに、この発明によれば、粗大ダイヤモンド粉末層と結合成分層との間に微細ダイヤモンド粉末層を積層配置し、超高圧高温下で焼結を行うという簡易な操作で、硬度、熱伝導性、耐熱性、化学安定性とともに強度、耐欠損性にも優れた上記複層構造ダイヤモンド基焼結体を製造することができる。

表１に、この発明の実施例で使用した粗大ダイヤモンド粒子、微細ダイヤモンド粒子、結合成分の具体例を示す。

表１に示される粒径の粗大ダイヤモンド粒子、微細ダイヤモンド粒子、結合成分を、表２に示される層厚になるよう各層を積層して、図１に示される積層構造の本発明成形体１〜１０を用意した。これらの本発明成形体１〜１０を、通常のベルト型超高圧高温装置に装入し、表３に示される条件で焼結を行い、粗粒子層と微粒子層の複層構造からなり、ダイヤモンド基焼結体中に、表４に示される結合成分が溶浸充填（０．１〜１５vol％）されている複層構造ダイヤモンド基焼結体（以下、本発明焼結体１〜１０という）を製造した。
図２には、一例として、本発明焼結体８の厚さ方向断面の光学顕微鏡写真（倍率３７．５）を示す。
そして、本発明焼結体１〜１０について、その硬度、熱伝導度、耐熱性、化学安定性の測定・評価を行った。その結果を表４に示す。
さらに、本発明焼結体１〜１０を掘削ビットの切刃として、ダイヤモンド工具を形成し、花崗岩を掘削してビットの性能を調べた。
具体的には、図３に示す回転式掘削試験装置において、
ビット回転数１００（ｒｐｍ），掘進率５（ｃｍ／ｍｉｎ），水流量４５〜２５（ｌ／ｍｉｎ），掘削全長７０（ｍ）
の条件で掘削試験を行い、耐欠損性を調査した。耐欠損性評価を表４に示す。

比較例

比較の目的で、表１に示される粒径の粗大ダイヤモンド粒子、微細ダイヤモンド粒子、結合成分を、表２に示される層厚になるよう各層を積層して、比較成形体１１〜１４を用意した。これらの比較成形体１１〜１４を、通常のベルト型超高圧高温装置に装入し、表３に示される条件で焼結を行い、粗粒子層中に表４に示される所定量の結合成分が溶浸充填されているダイヤモンド基焼結体（以下、比較焼結体１１，１２という）および微粒子層中に同じく表４に示される所定量の結合成分が溶浸充填されているダイヤモンド基焼結体（以下、比較焼結体１３，１４という）を製造した。
そして、比較焼結体１１〜１４の硬度、熱伝導度、耐熱性、化学安定性の測定・評価を行い、その結果を表４に示す。
さらに、比較焼結体１１〜１４を掘削ビットの切刃として、ダイヤモンド工具を形成し、
ビット回転数１００（ｒｐｍ），掘進率５（ｃｍ／ｍｉｎ），水流量４５〜２５（ｌ／ｍｉｎ），掘削全長７０（ｍ）
の条件で花崗岩の掘削試験を行い、耐欠損性を調査した。耐欠損性評価を表４に示す。

なお、上記実施例、比較例において、硬度、熱伝導度、耐熱性、化学安定性の測定・評価は次のようにして行った。
硬度測定；ビッカース硬さ試験機を用いて測定した。
熱伝導度測定；レーザーフラッシュ法を用いて測定した。
耐熱性評価；真空炉にて、温度８００℃と１２００℃でそれぞれ保持時間３０分間の条件で熱処理する耐熱試験を行い、その後、ＸＲＤ（Ｘ線）分析により、熱処理後のグラファイト化（ダイヤモンドの逆変換）の有無を確認した。
化学安定性評価；焼結体を１５０℃の熱フッ酸に２時間浸漬し、焼結体の形状変化の有無を調べた。

表４に示される諸特性からも明らかなように、本発明焼結体１〜１０は、すぐれた硬度、熱伝導性、耐熱性、化学安定性を備えている。
さらに、本発明焼結体１〜１０は、これをダイヤモンド工具１〜１０として用いた場合の掘削試験の耐欠損性評価からも明らかなように、高強度を有しすぐれた耐欠損性を備えている。
また、粗大ダイヤモンド粒子からなる比較焼結体１１，１２及び微細ダイヤモンド粒子からなる比較焼結体１３，１４についても、本発明焼結体１〜１０と同様にすぐれた硬度、熱伝導性、耐熱性、化学安定性を備えている。
しかし、比較焼結体１１〜１４をダイヤモンド工具として用いた場合、比較焼結体１１，１２では掘削試験中にダイヤモンド粒子の剥離・欠落等が生じ十分な耐欠損性を備えるとは言えず、また、比較焼結体１３，１４では、掘削長さがほぼ３０ｍの位置において焼結体の破損が生じたため、強度が不十分であってダイヤモンド工具としての寿命が非常に短いものであった。

以上のとおり、この発明による複層構造ダイヤモンド基焼結体は、通常のダイヤモンド基焼結体が有するすぐれた硬度、熱伝導性、耐熱性、化学安定性に加えて、すぐれた高強度を有し、これをダイヤモンド工具（石油掘削ビットの切刃の如き掘削工具ばかりでなく、非鉄金属、超硬合金、セラミックス等の切削工具あるいは耐摩工具等も含む）に用いた場合、高強度を有するとともに耐欠損性に優れるものであるため、優れた耐摩耗性を発揮し、かつ、長寿命のダイヤモンド工具を得ることができる。
また、この発明の製造方法によれば、すぐれた特性を有する上記複層構造ダイヤモンド基焼結体を簡易な工程で製造することができるので、これによる実用上の効果は非常に大である。

粗大ダイヤモンド粉末層と微細ダイヤモンド粉末層と結合成分層とからなる本発明の成形体の模式図である。本発明焼結体８の厚さ方向断面の光学顕微鏡写真（倍率３７．５）を示す。回転式掘削試験装置の概略図である。

Claims

ダイヤモンド粒子の粒子間隙に、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａの炭酸塩並びにこれらの２種以上の複合炭酸塩のうちの１種または２種以上からなる結合成分が溶浸充填されたダイヤモンド基焼結体において、上記ダイヤモンド基焼結体は、粒径が２０〜１５０μｍの粗大ダイヤモンド粒子からなる粗粒子層と粒径が４〜１６μｍの微細ダイヤモンド粒子からなる微粒子層との複層構造として構成され、さらに、上記結合成分は、ダイヤモンド基焼結体中に０．１〜１５vol％溶浸充填されていることを特徴とする複層構造ダイヤモンド基焼結体。
請求項１に記載の複層構造ダイヤモンド基焼結体からなるダイヤモンド工具。
超高圧焼結装置の超高圧高温発生部内に、粒径が２０〜１５０μｍの粗大ダイヤモンド粒子からなる粗大ダイヤモンド粉末層と、粒径が４〜１６μｍの微細ダイヤモンド粒子からなる微細ダイヤモンド粉末層と、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａの炭酸塩並びにこれらの２種以上の複合炭酸塩のうちの１種または２種以上からなる結合成分層とを、上記粗大ダイヤモンド粉末層と上記結合成分層との間に上記微細ダイヤモンド粉末層が位置するように積層配置し、この成形体を、６〜１２ＧＰａの高圧条件下で１７００〜２５００℃の温度に加熱して上記結合成分層を溶融させ、溶融した結合成分を、上記粗大ダイヤモンド粉末層及び上記微細ダイヤモンド粉末層の各ダイヤモンド粒子間隙に０．１〜１５vol％溶浸充填することを特徴とする請求項１に記載の複層構造ダイヤモンド基焼結体の製造方法。