JP2662692B2 - 硬質多結晶ダイヤモンド工具 - Google Patents

硬質多結晶ダイヤモンド工具

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JP2662692B2 JP63034033A JP3403388A JP2662692B2 JP 2662692 B2 JP2662692 B2 JP 2662692B2 JP 63034033 A JP63034033 A JP 63034033A JP 3403388 A JP3403388 A JP 3403388A JP 2662692 B2 JP2662692 B2 JP 2662692B2
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中村  勉
哲男 中井
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は切削工具又は耐摩工具等として用うるに好適
なダイヤモンド工具に関するものである。
〔従来の技術〕
ダイヤモンド微粉末を超高圧下で焼結してなるダイヤ
モンド焼結体は、既に非鉄金属類の切削加工用工具、ド
リルビツトあるいは線引ダイス等に広く使用されてい
る。
例えば特公昭52−12126号公報にはこの種の焼結体の
製法が開示されており、そこではダイヤモンドの粉末を
WC−Co超硬合金の成型体または焼結体に接するように配
置し、超硬合金の液相が生じる温度以上の温度並びに超
高圧下で焼結が行なわれる。このとき、超硬合金中のCo
の一部は、ダイヤモンド粉末層中に侵入し、結合金属と
して作用する。この先行技術に開示された方法で作られ
たダイヤモンド焼結体は、約10〜15体積%のCoを含有す
る。
上記した焼結体は、非鉄金属等の切削加工用工具とし
ては十分実用的な性能を有する。しかしながら、耐熱性
において劣るという欠点があつた。例えば、この焼結体
を750℃以上の温度に加熱すると、耐摩耗性及び強度の
低下が見られ、さらに900℃以上の温度では焼結体が破
壊することになる。これは、ダイヤモンド粒子と結合材
であるCoとの界面においてダイヤモンドの黒鉛化が生じ
ること、並びに両者の加熱時における熱膨張率の差に基
づく熱応力によるものと考えられる。
また、Coを結合材とした焼結体を酸処理して大部分の
結合金属層を除去したものでは、焼結体の耐熱性が向上
することが知られている。例えば、特開昭53−114589号
公報には、耐熱性の改善されたダイヤモンド焼結体の製
造方法が開示されている。しかしながら、この先行技術
では、除去された結合金属相の部分は空孔となるため、
耐熱性こそ向上するが、強度が低下するという問題があ
つた。
他方、ダイヤモンドの粉末のみを超高圧下で焼結する
試みも行なわれているが、ダイヤモンド粒子自身が変形
し難いため、粒子の間隙には圧力が伝達されず、したが
つて黒鉛化が生じ、ダイヤモンド−黒鉛の複合体しか得
られていない。
さらに、ダイヤモンドのみからなる多結晶体を薄膜と
してコーテイングした工具は知られているが、この種の
工具は膜厚が薄く、かつ基板との密着強度が不十分であ
るため、十分な性能が得られていない。
本発明は上記の従来工具の問題点を解決した強度、耐
摩耗性、耐熱性の高いダイヤモンド工具を提供すること
を目的としてなされたものである。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は低圧気相法により合成された実質的にダイヤ
モンドのみからなる多結晶ダイヤモンドが、融点700〜1
300℃厚さ0.1〜100μmのAuを含有する合金ろう材によ
り金属または合金からなる支持部材にろう付けされたも
のであることを特徴とする硬質多結晶ダイヤモンド工具
に関する。
本発明における該多結晶ダイヤモンドの厚さは0.1〜
3.0mmの範囲内が好ましい。また支持部材としては鋼又
は焼結炭化物合金が好ましい。
本発明の多結晶ダイヤモンド工具は従来の焼結ダイヤ
モンド工具に比べて耐熱性が大幅に改善され、約1300℃
の温度での加熱に対しても耐え得ることがわかつた。又
強度、耐摩耗性も高い。
〔作用〕
以下に本発明の多結晶ダイヤモンド工具をその製造方
法を示して説明する。
本発明において、多結晶ダイヤモンドの合成は、ダイ
ヤモンドが熱力学的に準安定な低圧条件下で気相から析
出させる方法による。この低圧気相法は1)化学蒸着法
(CVD法)、2)プラズマCVD法、3)イオンビーム蒸着
法に大別されるが、所望の方法を選択して実施すること
ができる。
これらの低圧気相法を用いて、基板上に0.1〜3.0mmの
厚さの実質的にダイヤモンドのみからなる多結晶体を作
製する。ここで厚さを0.1mm以上とするのは、実際に切
削工具として使用した場合、工具寿命時の逃げ面摩耗幅
が0.1mm以上となることが多いことになる。また3.0mm以
下とするのは、一般的に使用される工具での厚さを示す
もので、特にこの値にその性能が左右されるなど限定さ
れるものではない。さらに耐摩耗性を特に要求する場合
には、その厚さを0.5mm〜3.0mmとすればよい。これは、
多結晶体の厚さが厚くなれば放熱特性が良好となり、工
具使用時の刃先温度の上昇が防止されるためと考えられ
る。通常使用される多結晶体の厚さとしては、0.5〜1.0
mm程度が一般的である。
多結晶体を析出される基板の材質としては、多結晶体
作製中に生ずる内部応力の緩和を考慮して、その熱膨張
率がダイヤモンドのそれに近いものが好ましく、これに
該当するものとして例えばMo,W,Si,SiC,AlN,B4C等が挙
げられる。
次にこの多結晶ダイヤモンドが析出した基板から機械
的に又は化学処理により該基板を除去してダイヤモンド
のみの多結晶体とし、多結晶体を支持部材にろう付けす
る。融点が700〜1300℃のAuを含有する合金ろう材を用
いて、ダイヤモンド多結晶体と金属または合金からなる
支持部材とを接合する。使用ろう材の融点を上記範囲に
限定する理由は、700℃未満の融点のろう材を用いると
多結晶体と支持部材の接合強度が低くなり、工具作製の
際の刃付け作業工程や、工具使用時にろう材部分での剥
離が生ずるため好ましくない。また、1300℃を越える高
融点ろう材の使用は、ろう付時での多結晶ダイヤモンド
の黒鉛への変換が生じ、工具性能の低下を招くため好ま
しくない。
従つて、上記のろう付温度範囲内でなるべく接合強度
の高いろう材を用いることが好ましく、これに該当する
高温ろう材としては、Auを含有するものが挙げられる。
具体例は実施例に示す。また、これ等のろう材を使用し
ても、ろう付後のろう材厚さを0.1〜100μm、好ましく
は50μm程度とすることが必要である。0.1mm未満では
ろう付が不均一となりやすく、一方100μmを越えると
ろう付部の強度低下を招くことにより好ましくない。ろ
う付の方法としては、非酸化性雰囲気中での高周波加熱
或は真空中での加熱による方法等で実施することが可能
である。
支持部材としては通常焼入鋼が用いられるが、特に剛
性が要求される場合には焼結炭化物合金例えばWC合金、
TiC合金、Mo2C合金等を用いることができる。また、こ
れら以外の金属または合金を支持部材とすることは勿論
可能である。なお、支持部材の厚さについては特に限定
するところはないが、ろう付時の熱応力を緩和するに
は、多結晶体と支持部材との熱膨張率の差によつて、こ
れ等の厚さの適切な比率を選定することが重要である。
例えば熱膨張率の値がダイヤモンドのそれの5〜6倍で
ある鋼を支持部材に用いる場合には、支持部材の厚さは
多結晶体のそれよりも薄くしないと、剥離が生じやす
い。
以上のように作製される本発明の多結晶ダイヤモンド
工具は、以下の実施例に示すように、1300℃の加熱にも
耐える著しく改善された耐熱性を持つがこの理由として
は、ダイヤモンドのみからなり、熱劣化を促進させる結
合相が存在しないことが考えられる。またこのことは、
強度の点からも従来の焼結ダイヤモンドより優れるとい
う特徴を付与している。
〔実施例〕
以下、実施例に基づき、本発明を詳細に説明する。
参考例1 マイクロ波プラズマCVD法により、基板にMoを使用し
て、以下の条件で8時間で0.8mmの厚さの多結晶ダイヤ
モンドを合成した。
原料ガス(流量):H2200cc/min、CH44cc/min、Ar100cc/ min 圧力:300torr マイクロ波発振機出力:800W 得られた多結晶ダイヤモンドは粒径3μm程度で、測定
の結果、比重は3.51を示し、またラマン分光分析による
同定ではダイヤモンド単相からなることが明らかとなつ
た。
次にこのダイヤモンドと基板の接合したものを主水処
理して、基板のみを除去した。これにより得られた実質
的にダイヤモンドのみからなる多結晶体を、厚さ0.1mm
のAg−Ti合金ろう材を用いて、WC−Co合金製支持体にろ
う付けした。ろう付けは2×10-5torrの真空中で、1000
℃に20分間加熱することにより行なつた。工具における
ろう材厚さは50μmであつた。
以上の方法により得られた工具素材を研削加工して切
削チツプを作製した。比較として、Coを10容量%含有
する焼結ダイヤモンド並びにこれを酸処理してCoを抽
出したもの、の,についても切削チツプを作製し、
性能を評価した。尚、の焼結ダイヤモンドのろう付け
は、上記条件では黒鉛への変化が顕著であつたため、融
点が700℃の銀ろうを使用し、大気中で高周波加熱によ
り行なつた。
評価結果を表1に示す。尚、この評価は被削材にヴイ
ツカース硬度2000のアルミナ焼結体を用い、切削速度:3
0m/min及び80m/min、切り込み:0.2mm、送り:0.025mm/re
v、並びに切削長:400m、湿式の条件で行なつた。
この結果、はに比べて耐熱性が向上しているた
め、80m/minの切削速度条件で摩耗量が小さくなつてい
ると考えられるが、切削抵抗(特に背分力)が増大する
30m/minの切削速度条件では強度不足のため、すくい面
が剥離状に欠損したと思われる。参考品の多結晶ダイヤ
モンド工具は、比較品,に比べ強度、耐摩耗性、耐
熱性のいずれも向上しているため、切削速度に依存せず
摩耗量がはるかに少ないものであることが明らかとなつ
た。
実施例1 参考例1と同様のマイクロ波プラズマCVD法により、
表2に示した条件で、多結晶ダイヤモンドを合成し、研
削加工により基板を除去後、支持部材にろう付を行なつ
た後、切削チツプを作製した。比較として、Coを含有す
る市販の焼結ダイヤモンド(H〜J)、超硬合金に薄膜
ダイヤモンドコーテイングしたもの(K,L)も工具作製
を行なつた。本発明による多結晶体(A,D及びF)とAu
合金ろう以外の合金ろうを用いた参考例の多結晶体(B,
C,E及びG)はいずれもダイヤモンド単相からなり、ヴ
イツカース硬度10000〜12000kg/mm2を示し、この特性は
ろう付け加熱後も変化が見られなかつた。これらと、比
較材H〜Lのうち、ろう付温度が高く焼結体が劣化した
比較品Hを除いた工具について切削性能を比較した。
表3にその比較結果を示す。尚、切削条件は被削材に
Al−20%Siを用いて、切削速度:500m/min、切り込み;0.
4mm、送り:0.1mm/rev、切削時間:30min、乾式外周長手
方向旋削により行なつた。
従来の焼結ダイヤモンドは摩耗が大きく、また薄膜ダ
イヤモンドコーテイング工具はコーテイング膜の密着強
度が弱いため剥離が生じたのに対し、本発明による工具
(A,D及びF)及び参考例工具(B,C,E及びG)は欠損、
剥離等が生ずることなく、極めて高い耐摩耗特性を有す
ることが判明した。
参考例2 高周波プラズマCVD法及び熱フイラメントCVD法により
多結晶ダイヤモンドを合成した。
前者の方法では基板にMoを用い、真空排気した後、こ
れを900℃に加熱した。その後、モル比でCH4:H2=1:300
の混合ガスを40cc/minで流し、バルブ調整を行なつて反
応室内の圧力を35torrにした。次に、高周波発振機によ
り850Wの出力を付与し、プラズマの誘起を行なつて、厚
さ0.8mmの多結晶ダイヤモンドを合成した。
後者の方法では基板にWを使用して、真空排気後950
℃に加熱した。これに上記と同組成の混合ガスを70cc/m
inで流した。尚、圧力は50torr一定となるように調整を
行なつた。次に、W製フイラメントに電流を流し、フイ
ラメント温度を2100℃としてダイヤモンドを析出させ、
厚さ0.8mmの多結晶ダイヤモンドを合成した。
以上のように基板に多結晶ダイヤモンドを析出させた
後、研削加工により、これらの基板を除去した。得られ
た多結晶体をAg−Cu合金ろう材を用いて鋼のシヤンクに
真空中850℃の条件でろう付けした。ろう材の厚さは50
μmであつた。これを加工して工具を作製し、参考例1
と同じ評価法により切削性能を調べた。表4にその結果
を示す。これにより合成方法によらず優れた工具が得ら
れることが明らかとなつた。
〔発明の効果〕 上述の如く、本発明の硬質多結晶ダイヤモンド工具
は、低圧気相法により合成された結合相がなく実質的に
ダイヤモンドのみからなる多結晶ダイヤモンドが、融点
700〜1300℃の合金ろう材により金属または合金からな
る支持部材にろう付されたものであつて、切削工具、堀
削工具、ドレツサー等の各種工具に好適な、強度、耐摩
耗性、耐熱性に優れた工具であり、特に、従来の焼結ダ
イヤモンドと異なり、強度を低下させることなく、耐熱
性が大幅に改善されているので、工具材としての適用範
囲を飛躍的に拡大できるものである。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】低圧気相法により合成された実質的にダイ
    ヤモンドのみからなる多結晶ダイヤモンドが、融点700
    〜1300℃、厚さ0.1〜100μmのAuを含有する合金ろう材
    により金属または合金からなる支持部材にろう付けされ
    たものであることを特徴とする硬質多結晶ダイヤモンド
    工具。
  2. 【請求項2】多結晶ダイヤモンドの厚さが0.1〜3.0mmで
    あることを特徴とする特許請求の範囲第(1)項記載の
    硬質多結晶ダイヤモンド工具。
  3. 【請求項3】支持部材が鋼又は焼結炭化物合金であるこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第(1)項又は第2項に
    記載の硬質多結晶ダイヤモンド工具。
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