JP2020147462A - ダイヤモンド基導電性硬質焼結材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄を含むすべての材料の加工工具への適用が可能、かつ結合材によるグラファイト化への相転換促進も生じず、コバルト系ダイヤモンド焼結体と同様の条件で製作・加工が可能な集合体を提供すること。【解決手段】本発明は、整粒ダイヤモンド粒子及びホウ素からなる第一成分群、及び周期表第IV族、V族、又はVI族元素から選ばれる単一又は複数金属質成分のホウ化物、炭化物、複合化合物からなる第二成分群とで構成される焼結材であって、上記第二成分群中のホウ化物、炭化物、複合化合物が対応するそれぞれの金属材の上記第一成分群におけるダイヤモンド粒子又はホウ素との反応による生成物であり、かつ該ダイヤモンド粒子が、該ホウ化物、炭化物、複合化合物を介して相互に固定・一体化結合され、該炭化物、ホウ化物、複合化合物相に基づく導電性を呈することを特徴とするダイヤモンド基導電性硬質焼結材を要旨とする。【選択図】 なし

Description

本発明は、構成成分のダイヤモンド粒子同士が互いに強固に固定・一体化され、かつ適度の導電性を呈する焼結材に関する。本発明は特にダイヤモンド粒子同士が周期表第IV族、V族、及びVI族から選ばれる１種又は複数種の金属のホウ化物、炭化物、炭・ホウ化物のいずれか又は複合された化合物の介在により、以て遷移金属化合物とダイヤモンドとの強力な親和性によって強固に接合され、かつかかる化合物の電気的性質に基づいて適度の導電性乃至比抵抗を呈する硬質焼結材に関する。

本発明はまたかかる焼結材の製法にも関する。本発明は特に硬度及び耐熱性に加えて放電加工による加工性の優れた切削工具要素として鉄系金属材を始め多様な材種の加工に適用可能で、また幅広い分野の切削、研削・研磨加工に使用可能なダイヤモンド系焼結材及びその製造方法に関する。

硬度が高く耐摩耗性に優れた研磨材である粉状ダイヤモンドを結合させた焼結体が切削工具のチップ等の製作に利用されてきた。このような焼結体はダイヤモンド多結晶体（PCD）とも呼ばれ、一般には超高圧力・高温下でコバルト(Ｃo)を溶融してダイヤモンド粉末間に流入させ、融液相を介した溶解・析出作用によってダイヤモンド粉末の一体化が行われている。得られる焼結体内にはコバルトが閉じ込まれていることから導電性があり、切削工具などの製作に際しては面出し、切断などの工程に放電加工方式を用いることで、生産性を高めることが可能である。

しかしながら結合材のコバルトは700℃位からダイヤモンドをグラファイト化させる触媒として作用し、温度上昇に伴ってこの作用が顕著になるので、切削時の発熱による高温条件下での使用が困難という耐熱性の問題があった。また、ダイヤモンド自体、鉄との反応性があるという問題もある。従ってダイヤモンドに内包されるこれらの問題を克服し、極めて硬いダイヤモンドの特性が発揮できる切削チップ材として、鉄系材質の切削にも適用可能なダイヤモンド焼結体の開発が望まれている。

コバルトを使用せずにダイヤモンド焼結体を調製する方法は公知である。例えば結合材としてコバルトに代えてアルカリ土類炭酸塩(特許文献１)、炭化ホウ素(特許文献２)を用いる方法が知られている。

特開2008-133173号公報 米国特許第3136615号公報

特許文献１の方法においては、ダイヤモンド粉末に導電性付与のためのドーピング材としてボロン粉末0.5〜15wt％と、焼結体の結合相を形成する成分としてＭg、Ｃa等の「アルカリ土類炭酸塩」粉末とが混合添加され、第一段階でボロンの拡散によるダイヤモンド粉末への導電性付与、第二段階で結合相のダイヤモンド粉末粒子間隙への溶浸充填によって導電性のダイヤモンド焼結体が得られている。これらの処理には超高圧力及び高温の同時負荷が必要で、特に第二段階は6.0〜9.OＧＰa、1600〜2500℃で行われている。

特許文献２の方法においては溶融温度2450℃の炭化ホウ素を溶融乃至半溶融状態でダイヤモンドの粒子間へ浸透させる操作が必要であり、微粉末化による焼結温度の低下を見込んでも2000℃程度の加熱を必要とし、この温度においてダイヤモンドを熱力学的に安定な状態に保つには7ＧＰa以上の超高圧力の保持が必要で、焼結装置の負担がさらに大きくなる。

本発明は、ダイヤモンド粒子が、ダイヤモンドと添加したホウ素ならびに遷移金属との反応によって生じた遷移金属化合物を介して強固に結合一体化したと解される焼結材に関するものである。
本発明は特に、鉄を含むすべての材料の加工工具への適用が可能であり、結合材によるグラファイト化への相転換促進も生じず、さらに現在一般的なコバルト系ダイヤモンド焼結体(ＰＣＤ)と同様の条件で製作・加工が可能なダイヤモンド焼結材を提供することを課題とする。

本発明によれば、切削工具等の素材として、或いは研磨・研削砥粒の原料として好適な高硬度ダイヤモンド焼結材の作成において、結合材として、ダイヤモンドのグラファイト化への触媒作用を持つ従来のコバルト等の鉄系金属や、高融点物質であるボロンカーバイド（炭化ホウ素）に代えて、複合された出発物質の処理によって生成される複数種化合物を用いることにより、各種鋼材等、鉄系材料加工への利用が可能なダイヤモンド系焼結材が提供される。

本発明は、整粒ダイヤモンド粒子及びホウ素からなる第一成分群、及び周期表第IV族、V族、又はVI族元素から選ばれる単一又は複数金属質成分のホウ化物、炭化物、複合化合物からなる第二成分群とで構成される焼結材であって、上記第二成分群中のホウ化物、炭化物、複合化合物が対応するそれぞれの金属材の上記第一成分群におけるダイヤモンド粒子又はホウ素との反応による生成物であり、かつ該ダイヤモンド粒子が、該ホウ化物、炭化物、複合化合物を介して相互に結合・一体化結合され、該炭化物、ホウ化物、複合化合物相に基づく導電性を呈することを特徴とするダイヤモンド基導電性硬質焼結材を要旨とする。

本発明は特に、ダイヤモンド粒子をホウ素粉末、および周期表IV、V、VI族遷移金属から選ばれる一種以上の金属粉末と密に混合して加圧下での加熱操作に供し、その際にダイヤモンド粒子の表面に形成された(in situ formed) 遷移金属化合物層ならびに炭化ホウ素を結合材として一体化したものである。ダイヤモンド粒子表面のホウ化物層はダイヤモンドの酸素との接触を断つ保護層として作用するため、本発明の処理には必ずしもダイヤモンドが熱力学的に安定な超高圧力を必要としない。即ち従来のダイヤモンド焼結体に匹敵する硬さを有する焼結材が、より低圧領域でも製作可能という、利点が達成される。

ダイヤモンド粒子を、予め形成された(preformed)炭化ホウ素Ｂ₄Ｃで結合する試みは前記のとおり公知である。また導電性付与のドープ材としてのホウ素粉末を結合材粉末と混合してダイヤモンド粒子と共に超高圧力・高温下で加圧加熱処理する方法も公知である。しかしこの例においては前記のように結合相成分としてＭg、Ｃa、Ｓr、Ｂaの炭酸塩やこれらの複合炭酸塩が使用され、これらの塩をダイヤモンド粒子間隙中に溶浸させることによって焼結体が製造されており、多数のダイヤモンド粒子を一体化・塊体とする際に金属ホウ素と遷移金属とを結合材原料として用いダイヤモンド粒子と混合処理した例は見られない。

さらに遷移金属粉末を併せて添加することによって、同時に形成される遷移金属炭化物、ホウ化物などの化合物も結合材として機能し、またこれらの化合物は炭化ホウ素に比して3桁程度導電率が高いことから、放電加工が容易な複合体が得られる。

ダイヤモンド、ホウ素、遷移金属の組み合わせによって得られる炭化物、ホウ化物などの各種の化合物は、化学結合によって直接または間接にダイヤモンドと結合していることから、強固な一体焼結材が得られる。さらにこれらの化合物は一般に炭化タングステン-コバルト合金を凌ぐ硬さを有しており、ダイヤモンドを主成分とすることで、c-ＢＮ焼結体の硬さを超える焼結材を得ることもできる。

ダイヤモンド(炭素)と遷移金属、ホウ素との反応によって遷移金属化合物、炭化ホウ素を形成する反応は発熱反応であることから、加熱加圧操作において両成分の界面では、周囲からの加熱温度に加えてホウ化物形成反応による反応熱が生じることにより、局部的に生成ホウ化物の融点を超える箇所も出現し、緻密化が促進されると考えられる。この反応熱を利用することにより、加熱に必要なエネルギーの消費量を軽減することが出来る。

焼結材の骨材となるダイヤモンド粒子は、焼結材の用途に応じて0.1μmから200μmにわたる広い範囲から選ぶことができる。比較的粗いサイズは大型の工具刃先用の素材として用いられるが、粗すぎる粒子は単結晶の欠点であるへき開割れによる消耗が目立つのに加えて、質量対表面積の観点から、相対的に結合材による保持力が低下するという欠点か生じる。従ってより好ましいサイズの上限は50μm程度である。

遷移金属のホウ化物、炭化物などを結合材に用いる本発明品の焼結反応は、主として固相反応によるものとみなされる。細かすぎる粒子においては液相の出現による溶浸機構が期待できないことから、使用可能なダイヤモンド粒子の下限粒径は約0.1μmである。

入手の容易さの観点から、結合材として最も好ましい遷移金属はチタンである。結合材は予め出発原料中に広く一様に分布していることが要求される。しかしチタン微粉は表面が活性で自然発火し易いことから入手困難である。代替品のチタン源として炭化チタンや水素化チタンを用いることができる。これらは10μm以下の微粉の入手が容易で、特に水素化チタンは昇温過程で遊離した水素によって反応空間が還元雰囲気に保たれ、高温下におけるダイヤモンドの消耗阻止に有効である。

クロムは金属微粉末の入手が容易であり、空気中でも比較的安定であるので、好ましい結合材原料である。他のIV、V、VI族金属ならびにそれらの化合物粉末、シリコン粉末もホウ化物、炭化物としての物性に応じて用いることができる。

ホウ素微粉は高価ではあるがアモルファス(不定形)ホウ素として入手容易である。一方安価なホウ素源としては例えば炭化ホウ素、ホウ化鉄の微粉を挙げることができる。

結合材原料として酸化チタン、炭化ホウ素、炭化チタンの混合粉末も用いることができる。これらはいずれも微粉状で入手可能である。この場合、生成される結合材は主成分がホウ化チタンであり、炭化チタンは酸化チタンと炭化ホウ素との反応によるホウ化チタンの形成を促進する作用のあることが認められている。

平均粒径1.8μmの合成ダイヤモンド（トーメイダイヤ(株)製IRM級）、平均粒径25μmのチタン粉（トーホーテック(株)製）及び呼称粒径1μm（比表面積値12.5m²/g）の不定形ホウ素粉末を質量比40：40：20の割合でボールミルに入れ、充分に混合して出発材料とした。この混合粉末200gをニオブ製のカプセルに充填して超高圧力・高温装置に装填し5.5ＧＰa、1600℃の条件下に15分間供して硬質焼結材を完成させた。

回収された硬質焼結材は強固に結合されており、Ｘ線回折線の検出強度比から、容積比において約35％のダイヤモンドと約20％の炭化ホウ素とを含み、残部がチタンの炭素、ホウ素化合物で構成されていると見積もられた。この塊体はビッカース硬さ42.5ＧＰaを示し、電気抵抗値は0.3Ω・cmであって、放電によるワイヤーカットで容易に切削チップを切り出すことができた。

平均粒径69μmの合成ダイヤモンド（トーメイダイヤ製(株)IMS 200/230）と、平均粒径9.2μmの合成ダイヤモンド（同IRM 8-16）との 7:3 混合粉末70質量％に、平均粒径1.5μmの炭化チタン粉末（日本新金属(株)製）20質量％と呼称粒径1μmの不定形ホウ素粉末10質量％とを加えて、充分に混合して出発材料とした。 5.5ＧＰa、1600℃の条件に10分間保持して得られた焼結材はダイヤモンド含有量が約75(容積)％であり、結合相は主としてホウ化チタンであった。ビッカース硬さ39.6ＧＰaを示し、電気抵抗値は2Ω・cmであった。

下記の表１に列記した6通りの操作により焼結実験を実施した。表の出発原料の欄には原料の種類、平均粒径(呼称サイズ)、充填比(質量％)を記載した。焼結条件欄におけるＨＰ−ＨＴは超高圧力・加熱焼結、ＨＩＰは熱間等方加圧焼結、ＨＰはホットプレス焼結の略である。

各操作で使用した出発原料の詳細は表２のとおりである。

生成物の結合相は主として遷移金属のホウ化物、炭化物であり、ワイヤーカットが可能な導電性を有することが認められた。

本発明の硬質焼結材は、特に硬度及び耐熱性に加えて放電加工による加工性の優れた切削工具要素として鉄系金属材を始め多様な材種の加工、また幅広い分野の切削、研削・研磨加工に利用可能である。

Claims (13)

1. 整粒ダイヤモンド粒子及びホウ素からなる第一成分群、及び周期表第IV族、V族、又はVI族元素から選ばれる単一又は複数金属質成分のホウ化物、炭化物、複合化合物からなる第二成分群とで構成される焼結材であって、上記第二成分群中のホウ化物、炭化物、複合化合物が対応するそれぞれの金属材の上記第一成分群におけるダイヤモンド粒子又はホウ素との反応による生成物であり、かつ該ダイヤモンド粒子が、該ホウ化物、炭化物、複合化合物を介して相互に固定・一体化結合され、該炭化物、ホウ化物、複合化合物相に基づく導電性を呈することを特徴とするダイヤモンド基導電性硬質焼結材。
2. 前記金属質成分がＳi、Ｔi、Ｚr、Ｈf、Ｖ、Ｎb、Ｔa、Ｃr、Ｍo、Ｗから選ばれる請求項１に記載の焼結材。
3. 室温において30ＧＰa以上のビッカース硬さ(VHN)を呈する、請求項１又は２に記載の焼結材。
4. 室温において40ＧＰa以上のビッカース硬さを呈する、請求項１乃至３の各項に記載の焼結材。
5. 前記ダイヤモンド粒子を全体の20乃至90％ (容積比)含有する、請求項１乃至４の各項に記載の焼結材。
6. 前記ダイヤモンド粒子を全体の30乃至80％含有する、請求項１乃至５の各項に記載の焼結材。
7. 上記第一成分群のホウ素とダイヤモンドとの反応により生成された炭化ホウ素を含有する、請求項１乃至６の各項に記載の焼結材。
8. 前記ダイヤモンド粒子のＤ₅₀平均粒度が0.1〜200μmである、請求項１乃至７の各項に記載の焼結材。
9. 前記ダイヤモンド粒子のＤ₅₀平均粒度が0.1〜50μmである、請求項１乃至８の各項に記載の焼結材。
10. 前記ダイヤモンドが粒度分布において複数の極大値(多峰分布)を呈する、請求項１乃至９の各項に記載の焼結材。
11. 前記ダイヤモンドが粒度分布において2個の極大値を呈する、請求項１乃至１０の各項に記載の焼結材。
12. 室温において10Ω・cm以下の比抵抗を呈する、請求項１乃至１１の各項に記載の焼結材。
13. 室温において1Ω・cm以下の比抵抗を呈する、請求項１乃至１２の各項に記載の焼結材。