JP2011126737A - ダイヤモンド焼結体素材およびダイヤモンド焼結体工具 - Google Patents

Abstract

【課題】靭性をより一層高めたダイヤモンド焼結体素材を提供し、さらに、断続的な使用の場合にも欠損が生じにくい、耐欠損性に優れたダイヤモンド焼結体工具を提供する。
【解決手段】超高圧・高温下で焼結されたダイヤモンド焼結体素材であって、ダイヤモンド焼結体層とＳｉＣ繊維層とが交互に積層された層状組織により形成されていることを特徴とする。層状組織の最下層と最上層がダイヤモンド焼結体層であり、ダイヤモンド焼結体層およびＳｉＣ繊維層のそれぞれが、２層以上の層からなる。ＳｉＣ繊維層の各層の厚みが、５０〜３００μｍである。ダイヤモンド焼結体層の総厚み（ΣＤ）とＳｉＣ繊維層の総厚み（Σｄ）の比率（Σｄ／ΣＤ）が、０．５≦Σｄ／ΣＤ≦１．０である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＳｉＣ（炭化ケイ素）繊維により靭性を強化したダイヤモンド焼結体素材およびそれを用いた耐欠損性に優れたダイヤモンド焼結体工具に関する。

現在、切削工具やビット、ダイスといった産業用途に、ダイヤモンド粉末をコバルトＣｏ等の金属結合材を用いて焼結したダイヤモンド焼結体が販売され、非鉄金属、プラスチックス、セラミックスの切削工具、ドレッサー、ドリルビット、伸線ダイス等として使用されている（例えば、特許文献１）。

このダイヤモンド焼結体を用いた工具（ダイヤモンド焼結体工具）は、例えば、非鉄金属などの切削工具として使用される際に、非常に硬度が高く耐摩耗性が高いという優れた特長を有している。しかし、その一方で、ダイヤモンド焼結体は超硬合金と比べて脆弱であり、使用中、特に、断続的な切削加工時に刃先が欠損しやすいという欠点を有している。

このため、従来より、ダイヤモンド焼結体の靭性を高め、切削工具における刃先の耐欠損性を高めることが検討され、種々の提案がなされている。

特開平５−２３９０４号公報

しかしながら、近年のユーザーからの厳しい要請の下、靭性をより一層高めたダイヤモンド焼結体を開発し、断続的な使用の場合にも欠損が生じにくい、耐欠損性に優れたダイヤモンド焼結体工具を提供することが望まれていた。

本発明者は、上記課題を解決するために、最初に、従来より行われてきたダイヤモンド粉末と金属結合材の組合せによる改良を試み、種々の実験を行った。しかし、このダイヤモンド粉末と金属結合材だけでの改良では、ダイヤモンド焼結体における靭性の向上に限界があることが分かった。

そこで、本発明者は、ＣＦＲＰ（カーボンファイバー強化プラスチック）等において、繊維を用いることにより材料の強度を高めていることに着目し、ダイヤモンド焼結体を作製するに際して、ダイヤモンド焼結体層を繊維で強化することを検討した。

その結果、ＳｉＣ繊維とダイヤモンド粉末を交互に積層し、超高圧・高温下で焼結することにより、ＳｉＣ繊維層とダイヤモンド焼結体層とが交互に積層された層状組織を有するダイヤモンド焼結体素材を得ることができ、このようなダイヤモンド焼結体素材であれば、ＳｉＣとダイヤモンドとの熱膨張率の差によりダイヤモンド焼結体層に圧縮応力を付与することができると同時に、ＳｉＣ繊維層が亀裂の伝搬を防止することができ、その結果、ダイヤモンド焼結体素材の靭性を従来よりも高めることができることを見出した。このようにダイヤモンド焼結体層がＳｉＣ繊維層により強化されたダイヤモンド焼結体素材は、これまで存在しなかったものである。

請求項１に記載の発明は、上記の知見に基づく発明であり、
超高圧・高温下で焼結されたダイヤモンド焼結体素材であって、
ダイヤモンド焼結体層とＳｉＣ繊維層とが交互に積層された層状組織により形成されていることを特徴とするダイヤモンド焼結体素材である。

本請求項の発明においては、ダイヤモンド焼結体層とＳｉＣ繊維層とが交互に積層された層状組織を形成させてダイヤモンド焼結体素材としているため、前記したように、ＳｉＣとダイヤモンドとの熱膨張率の差によりダイヤモンド焼結体層に圧縮応力を付与することができると同時に、ＳｉＣ繊維層が亀裂の伝搬を防止することができる。その結果、ダイヤモンド焼結体素材の靭性を従来よりも高めることができ、より耐欠損性に優れたダイヤモンド焼結体工具用材料として好適に使用することができる。

本請求項の発明における超高圧・高温下として、具体的には、圧力５．５〜６．０ＧＰａ、温度１２００〜１４００℃の雰囲気下が好ましい。

ダイヤモンド粉末としては、粒径が０．１〜１００μｍ程度のダイヤモンド粉末が好ましく、耐欠損性の他に要求される特性に応じて、適宜好ましい粒径のダイヤモンド粉末が選択される。例えば、高い耐摩耗性が要求される場合には、６０μｍ以上の粗粒ダイヤモンド粉末が使用される。

ＳｉＣ繊維としては、１本の直径が５〜２０μｍのＳｉＣファイバーが縦横に編み込まれて布状となったものが好ましく使用される

なお、ダイヤモンド粉末を焼結する際の結合材としては、ＣｏやＮｉ、Ｆｅ等の鉄系金属が使用される。具体的には、ダイヤモンド粉末と結合材粉末とを予め混合しておき、これをＳｉＣ繊維と交互に積層すればよい。しかし、ダイヤモンド粉末のみをＳｉＣ繊維と積層させる場合には、前記鉄系金属からなる金属板を、容器の上端もしくは下端に配置し、超高圧・高温下で溶融させ、ダイヤモンド粉末層とＳｉＣ繊維層へ含浸させることで、ダイヤモンド粉末同士や、ダイヤモンド粉末とＳｉＣ繊維とを焼結させてもよい。

請求項２に記載の発明は、
前記層状組織の最下層と最上層が、前記ダイヤモンド焼結体層であることを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド焼結体素材である。

前記した通り、本発明に係るダイヤモンド焼結体素材は、従来よりも高い靱性を有しているが、このダイヤモンド焼結体素材を工具用材料として用いる場合には、耐摩耗性の観点より、ダイヤモンド焼結体の硬度を維持させるため、ダイヤモンド焼結体素材における層状組織の最上層はダイヤモンド焼結体層であることが望ましい。

そして、工具として使用する際には、超硬合金製の基材にダイヤモンド焼結体素材が強固に接着していることが望ましいため、ダイヤモンド焼結体素材が超硬合金製の基材と接する層である最下層もダイヤモンド焼結体層であることが望ましい。

本請求項の発明においては、ダイヤモンド焼結体素材における層状組織の最下層と最上層の双方をダイヤモンド焼結体層としているため、ダイヤモンド焼結体の硬度を維持することができると共に、工具として使用する際、超硬合金製の基材と強固に接着させることができ、工具用材料としてより好適である。

請求項３に記載の発明は、
前記ダイヤモンド焼結体層および前記ＳｉＣ繊維層のそれぞれが、２層以上の層からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のダイヤモンド焼結体素材である。

ＳｉＣ繊維層とダイヤモンド焼結体層をそれぞれ２層以上とすることにより、ダイヤモンド焼結体層により大きな圧縮応力を付与することができると共に、より確実に亀裂の伝搬を防止すること、即ちより靭性を高めることができる。

請求項４に記載の発明は、
前記ＳｉＣ繊維層の各層の厚みが、５０〜３００μｍであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のダイヤモンド焼結体素材である。

ＳｉＣ繊維層の厚みが５０μｍ未満であると、前記した繊維強化の効果を十分に発揮することが困難となる。一方、ＳｉＣ繊維層の厚みが３００μｍを超えると、ダイヤモンド焼結体の持つ耐摩耗性を十分に発揮させることが困難となる。このため、ＳｉＣ繊維層の厚みは、５０〜３００μｍであることが好ましい。

請求項５に記載の発明は、
前記ダイヤモンド焼結体層の総厚み（ΣＤ）と前記ＳｉＣ繊維層の総厚み（Σｄ）の比率（Σｄ／ΣＤ）が、０．５≦Σｄ／ΣＤ≦１．０であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のダイヤモンド焼結体素材である。

ダイヤモンド焼結体素材において、ダイヤモンド焼結体層の厚みが、ＳｉＣ繊維層の厚みと比較して厚すぎる場合、ＳｉＣ繊維層による繊維強化の効果を十分に発揮させることが困難となる。ＳｉＣ繊維層の厚みが厚すぎる場合、前記の通り、ダイヤモンド焼結体の持つ耐摩耗性を十分に発揮させることが困難となる。このため、ＳｉＣ繊維層の総厚み（Σｄ）とダイヤモンド焼結体層の総厚み（ΣＤ）との比率（Σｄ／ΣＤ）が、０．５〜１．０であることが好ましい。

請求項６に記載の発明は、
請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のダイヤモンド焼結体素材が用いられていることを特徴とするダイヤモンド焼結体工具である。

本請求項の発明においては、靱性がより高められたダイヤモンド焼結体素材を用いているため、より耐欠損性に優れたダイヤモンド焼結体工具を提供することができる。

本発明によれば、靭性をより一層高めたダイヤモンド焼結体素材を提供することができ、さらに、このようなダイヤモンド焼結体素材を用いることにより、断続的な使用の場合にも欠損が生じにくい、耐欠損性に優れたダイヤモンド焼結体工具を提供することができる。

本発明に係るダイヤモンド焼結体素材の一実施の形態の断面図である。

以下、本発明の実施の形態につき、図面を参照しつつ説明する。

１．ダイヤモンド焼結体素材の構成
最初に、本実施の形態におけるダイヤモンド焼結体素材の構成につき、図１を用いて説明する。図１は本実施の形態におけるダイヤモンド焼結体素材の断面図である。

図１に示すように、ダイヤモンド焼結体素材１は、ダイヤモンド焼結体からなるダイヤモンド焼結体層２と、ＳｉＣ繊維層３とが交互に積層されて層状に形成されている。なお、図１に示すダイヤモンド焼結体素材は、４層のダイヤモンド焼結体層２と３層のＳｉＣ繊維層３とで構成されている。

２．ダイヤモンド焼結体素材の製造方法
本実施の形態におけるダイヤモンド焼結体素材は、以下に示す手順により製造される。

（１）ダイヤモンド粉末の準備
ダイヤモンド焼結体層２を構成するダイヤモンド粉末として、０．１〜１００μｍのダイヤモンド粉末を準備する。なお、このとき、焼結用の結合材であるＣｏやＮｉ、Ｆｅ等の鉄系金属とダイヤモンド粉末とを混合した混合粉末を準備してもよい。

（２）ＳｉＣ繊維の準備
ＳｉＣ繊維層３を構成するＳｉＣ繊維として、１本の直径が５〜２０μｍのＳｉＣファイバーが縦横に編み込まれたＳｉＣ繊維を準備する。

（３）ダイヤモンド粉末とＳｉＣ繊維との積層
容器中に、準備したダイヤモンド粉末とＳｉＣ繊維とを交互に積層する。なお、このとき、最上層と最下層がダイヤモンド粉末層となるように積層することが好ましい。

焼結用の結合材は、ダイヤモンド粉末が上記した混合粉末の場合は別途準備する必要はないが、混合粉末でない場合には、ＣｏやＮｉ、Ｆｅ等の鉄系金属を含有する板材を容器の下端または上端に配置させる。

（４）焼結
積層が完了した容器を、圧力５．５〜６．０ＧＰａ、温度１２００〜１４００℃の雰囲気下で熱処理して、溶融した結合材により、ダイヤモンド粉末同士や、ダイヤモンド粉末とＳｉＣ繊維とを焼結させる。これにより、ダイヤモンド焼結体層およびＳｉＣ繊維層が交互に積層されたダイヤモンド焼結体素材を作製することができる。

このようにして作製されたダイヤモンド焼結体素材は、靭性が高いため、アルミ等の非鉄金属の機械加工用に用いられる切削加工用チップ、ドリル、エンドミル等に、耐摩耗性と耐欠損性を兼ね備えたダイヤモンド焼結体工具用材料として好適に用いることができる。

３．実施例
次に、以下に示す実施例に基づき、本発明を具体的に説明する。

（１）ダイヤモンド焼結体素材の作製
内径３０ｍｍのＮｂ製カプセル中に、直径２９．５ｍｍ、厚さ２ｍｍの超硬合金（ＷＣ−６ｗｔ％Ｃｏ）製の円板を底板として敷き、超硬合金製円板上に粒径０．５〜４μｍのダイヤモンド粉末および直径が約５μｍのＳｉＣファイバーが縦横に編み込まれたＳｉＣ繊維を、焼結後の厚みおよび層数が表１（Ｎｏ．１〜３１）に示す厚みおよび層数となるように、交互に敷きつめた。

その後、カプセル上部を厚さ２ｍｍの超硬合金製の円板で蓋をし、５．５ＧＰａ、１３００℃の超高圧・高温下で処理した。この結果、表１（Ｎｏ．１〜３１）に示す各ダイヤモンド焼結体素材が、上下に配置された超硬合金製円板間に挟まれて形成された。

形成されたダイヤモンド焼結体素材を工具素材に適した構造とするために、片面の超硬合金を平面研削盤と放電加工機を用いて完全に除去した。この結果、超硬合金製基板に厚みが０．２〜３．５ｍｍのダイヤモンド焼結体層が接合した構造で全体の厚みが約２ｍｍの工具用のダイヤモンド焼結体素材が得られた。

（２）ダイヤモンド焼結体素材を用いた切削工具の作製
上記で得られたダイヤモンド焼結体素材を所定の形状に切出し、超硬合金製の工具母材にロウ付けし、フライス用の工具〔内接円９．５２５ｍｍの正三角形、チップ逃げ角１１°（全周）、厚み３．１８ｍｍの超硬合金の１コーナーにダイヤモンド焼結体素材がロウ付けされた形状、刃先Ｒ０．４ｍｍ〕を作製した。

（３）切削試験
得られた切削工具を使用し、軸方向に沿って６つのＵ型溝を有するＡｌ−１６ｗｔ％Ｓｉ丸棒を被削材として、切削速度７００ｍ／ｍｉｎ、切り込み深さ０．５ｍｍ、送り速度０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．（湿式）の条件で７分間切削加工を行い、刃先の損傷状況を測定した。測定結果を表１に示す。

４．比較例
ＳｉＣ繊維層と複合されていない厚み１０００μｍのダイヤモンド焼結体層を用いて、実施例と同様に切削工具を作製し、切削試験を行った。測定結果を表１に併せて示す。

５．測定結果
切削試験による測定結果を、ＳｉＣ繊維層およびダイヤモンド焼結体層における１層当たりの厚みと層数、総厚みの比率（Σｄ／ΣＤ）と共に、以下の表１に示す。

表１に示す結果より、本発明のダイヤモンド焼結体素材は、靭性が高く、工具として用いた場合、刃先の耐欠損性が高いことが分かる。

そして、厚み５０〜３００μｍのＳｉＣ繊維層を２層以上設け、最上層および最下層をダイヤモンド焼結体層とし、（Σｄ／ΣＤ）が０．５〜１．０であるダイヤモンド焼結体素材（Ｎｏ．１〜２０）の場合、特に、刃先の耐欠損性が優れていることが分かる。

以上、本発明を実施の形態に基づき説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、上記の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。

１ ダイヤモンド焼結体素材
２ ダイヤモンド焼結体層
３ ＳｉＣ繊維層

Claims (6)

1. 超高圧・高温下で焼結されたダイヤモンド焼結体素材であって、
   ダイヤモンド焼結体層とＳｉＣ繊維層とが交互に積層された層状組織により形成されていることを特徴とするダイヤモンド焼結体素材。
2. 前記層状組織の最下層と最上層が、前記ダイヤモンド焼結体層であることを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド焼結体素材。
3. 前記ダイヤモンド焼結体層および前記ＳｉＣ繊維層のそれぞれが、２層以上の層からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のダイヤモンド焼結体素材。
4. 前記ＳｉＣ繊維層の各層の厚みが、５０〜３００μｍであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のダイヤモンド焼結体素材。
5. 前記ダイヤモンド焼結体層の総厚み（ΣＤ）と前記ＳｉＣ繊維層の総厚み（Σｄ）の比率（Σｄ／ΣＤ）が、０．５≦Σｄ／ΣＤ≦１．０であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のダイヤモンド焼結体素材。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のダイヤモンド焼結体素材が用いられていることを特徴とするダイヤモンド焼結体工具。

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