JP2747358B2 - 高硬度微細結晶焼結体及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、切削用工具の刃先，ドレッサー，ダイス等
の耐摩耗性部品として有用な高硬度微細結晶焼結体及び
その製造方法に関するものである。

［従来の技術］ ダイヤモンド焼結体は高硬度で且つ耐摩耗性の優れた
ものであるところから、従来より切削用工具の刃先や線
引ダイス等の素材として使用されている。しかし天然ダ
イヤモンド単石工具に比較すると加工物の仕上面精度が
悪く、鏡面と呼ばれ得る程の緻密な面は得られないとい
う欠点を有していた。即ち市販のダイヤモンド焼結体に
おける構成ダイヤモンド粒子の粒径は３〜20μｍ程度で
あって、この焼結体を用いた切削工具の刃先には結晶粒
子の大きさにほぼ対応する凹凸があり、天然ダイヤモン
ド単石工具の様な鋭い刃先でないことがその主な原因で
あると考えられている（特公昭58−32224号参照）。

上記不都合を回避する為に、焼結体を構成するダイヤ
モンド結晶粒子を３μｍ以下の極めて微細なものとする
といったことは一応着想し得るところである。ところが
従来から一般的に実施されている高温高圧法では、希望
する様な微細粒子構造の焼結体を製造することはできな
い。即ち本発明者らが実験によって確認したところで
は、原料ダイヤモンド粉末として３μｍ以下の微細粒子
を使用し、これをCo板の間に挟み込んで超高圧高温発生
装置により60キロバール,1450℃の条件で焼結すると、
ダイヤモンド微細粒子の一部が50〜500μｍ程度の粗大
粒子に成長してしまい、希望する微細粒子構造の焼結体
を得ることはできなかった。これに対し原料ダイヤモン
ド粉末として３μｍ以上のものを使用すると焼結工程で
粒成長が起こらず、均一な組織を有する焼結体を得るこ
とができた。こうしたことが、市販ダイヤモンド焼結体
を構成する原料ダイヤモンド粒子の最適粒径が３μｍ程
度とされていた理由と思われる。

他方、３μｍ以下のダイヤモンド粉末を原料として用
いた場合でも焼結時の粒成長を抑制することのできる技
術は、例えば前述の特公昭58−32224号公報に見られる
様に一応は開発されている。この技術は、１μｍ以下の
ダイヤモンド粒子と共に、１μｍ以下の周期律表4a,5a,
6a族金属の炭化物，窒化物，硼化物若しくはこれらの混
合物又は相互固溶体化合物等を原料として併用し、これ
らによって微細ダイヤモンド粒子の粒成長を抑制しよう
とするものである。

しかしながら本発明者らが上記技術内容に従って実際
に焼結体を試作して検討したところ、上記化合物の添加
によるダイヤモンド粒子の粒成長抑制効果は確かに認め
られたものの、焼結体の硬度は通常のダイヤモンド焼結
体に比べて著しく低くなることが判明した。これは、併
用される上記化合物の硬度がダイヤモンドの硬度よりも
遥かに小さいことによるものと考えられる。しかも上記
技術では、粉末状の原料を使用しているので原料粉末の
表面にガスを吸着し易く、そのため焼結が阻害されて未
焼結部分が残ってしまうという問題もあった。

そこで本発明者らは、焼結体の硬度を下げることな
く、焼結時における微細ダイヤモンドの粒成長も抑制す
ることのできる方法として、微細ダイヤモンドを、１μ
ｍ以下の微細の高圧相型窒化硼素と混合して焼結させる
方法を開発し、特開平１−133977号として提案した。と
ころがその後更に研究を進めたところ、原料として微細
ダイヤモンドを使用する先願発明の焼結体は、３μｍ程
度の粗粒ダイヤモンドを用いて得られる焼結体に比べる
と耐摩耗性が不十分であり、この点で改善の余地が残さ
れていることが明らかとなった。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明はこうした従来技術がもつ問題点を解決する為
になされたものであって、その目的は、切削用工具の刃
先や線引ダイス等に用いた場合に優れた仕上面精度が得
られ、かつ耐摩耗性に優れた高硬度微細結晶焼結体及び
その製造方法を提供しようとするものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係る高硬度微細結晶焼結体とは、１μｍ超３
μｍ以下のダイヤモンド:30〜93体積％、３μｍ以下の
高圧相型窒化硼素:2〜20体積％、残部がダイヤモンド合
成用金属触媒（但し鉄族金属を５重量％以上含む）また
はこれと１μｍ以下のダイヤモンドから成り、組織上ダ
イヤモンドが直結々合相を形成している点に要旨を有す
るものである。

又本発明に係る高硬度微細結晶焼結体の製造方法と
は、上記比率のダイヤモンド粉末と高圧相型窒化硼素粉
末を含有する樹脂由来非晶質炭素に、鉄族金属を５重量
％以上含む金属又は合金を接触させ、1250℃以上の温度
で且つ熱力学的なダイヤモンド安定領域の圧力で加圧焼
結する点に要旨を有するものである。

［作用］ 前記公開公報でも明らかにした様に、ダイヤモンドに
次ぐ硬度を有する高圧相型窒化硼素を、粒径１μｍ以下
のダイヤモンド粉末中に分散させて高温・高圧下で焼結
させると、ダイヤモンドの焼結時における粒成長を抑制
しつつ高硬度の微細結晶焼結体が得られる。

しかしこの様に微細なダイヤモンド粉末を用いた焼結
体では前述の如く耐摩耗性が乏しく、工具の刃先材とし
て使用したときの寿命は意外に短い。ところがダイヤモ
ンド粉末として１μｍ超３μｍ以下のものを使用する
と、焼結体は高硬度で且つ非常に優れた耐摩耗性を示す
ものとなり、刃先材として使用したときの寿命を大幅に
延長し得ることが確認された。

また従来技術では、前述の如く粉末状の原料を焼結し
ていたのでガス吸着等の不都合が発生していたが、本発
明ではダイヤモンド粉末と高圧相型窒化硼素粉末とを含
有させた樹脂由来非晶質炭素を原料として使用すること
により、前記の様な不都合をも解消することができる。

即ち樹脂由来非晶質炭素は、後に詳述する如く液体状
モノマーから製造できるので、高圧相型窒化硼素粉末を
ダイヤモンド粉末を相互にうまく分散させることがで
き、従来技術で述べたガス吸着等の不都合を発生するこ
となく、希望する高硬度微細結晶焼結体を得ることが可
能となる。

樹脂由来非晶質炭素はグラッシーカーボンとも呼ばれ
ており、代表例としてはフラン樹脂由来非晶質炭素が挙
げられ、これはフルフリルアルコールに酸触媒を添加し
て脱水縮合し、得られたフラン樹脂を炭化処理したもの
である。従って本発明において樹脂由来非晶質炭素とし
てフラン樹脂由来非晶質炭素を用いる場合には、フルフ
リルアルコール中に原料粉末を混合分散させてから上記
処理を行なうことによって、所定量の原料粉末を含有す
る固形のフラン樹脂由来非晶質炭素が得られる。こうし
て得られた原料粉末含有樹脂由来非晶質炭素を高温真空
下で脱ガス処理した後、金属触媒を積層又は同心円状に
配置して接触させ、高温・高圧下で焼結させると、前記
樹脂由来非晶質炭素自体がダイヤモンドに変換されると
共に、全体としてはダイヤモンドを直結々合相とする高
硬度の焼結体となる。

原料粉末を分散含有した樹脂由来非晶質炭素は緻密な
固形物であり、一旦脱ガス処理した後はガス成分の吸着
が殆んど起こらず、しかも原料粉末がカーボンで均一に
被覆されたものとなる。

尚上記では、樹脂由来非晶質炭素の代表例としてフラ
ン樹脂を炭化処理したフラン樹脂由来非晶質炭素を示し
たが、本発明で用いる樹脂由来非晶質炭素はフラン樹脂
由来のものに限らず、その他フェノールホルムアルデヒ
ド樹脂，アセトン・フルフラール共重合樹脂，フルフリ
ルアルコール・フェノール共重合樹脂，尿素樹脂，メラ
ミン樹脂，キシレン樹脂，トルエン樹脂，グアナミン樹
脂等の熱硬化性樹脂由来のものであっても同様に使用す
ることができる。

希望する複合焼結体を得る為の焼結温度は1250℃以上
とする必要があり、1250℃未満では焼結性が劣る。又焼
結の際の圧力としては、当然のことながら熱力学的なダ
イヤモンド安定領域の圧力とする必要があり、約40キロ
バール以上の圧力が必要となる。更に焼結工程で用いる
金属触媒としては鉄，コバルト，ニッケル等の鉄族金属
が使用され、鉄族金属のいずれかを５重量％以上含有す
る合金であれば十分な触媒作用を発揮する。しかし鉄族
金属が５重量％未満のものでは触媒作用が有効に発揮さ
れず、焼結性が低下する。

ところで本発明ではダイヤモンド粉末として１μｍ超
３μｍ以下のものを選択使用するところに大きな特徴を
有するものであり、１μｍ未満の超微粉末では、仕上精
度の高い切削工具等を与える焼結体は得られるものの、
耐摩耗性が乏しいものとなり、一方３μｍを超える粗粒
物を使用すると焼結体に微細な凹凸ができるため、仕上
精度の高い切削工具用等としての適性を欠くものとな
る。しかし１μｍ超３μｍ以下のものを使用すると、耐
摩耗性および表面精度の両方を満足する焼結体を得るこ
とができる。

尚本発明における高圧相型窒化硼素とは、立方晶型窒
化硼素とウルツ鉱型窒化硼素の２種類を包含する意味で
あり、従って本発明においてはどちらか一方を単独で使
用してもよく、両方を混合して使用することもあり得
る。但し、ウルツ鉱型窒化硼素粉末は粒径３μｍ以下の
ものが一般的であるのでそのまま使用すればよいが、立
方晶型窒化硼素粉末は粗いものから１μｍ以下の微細な
ものまであるので、本発明において立方晶型窒化硼素を
使用する際には粒径３μｍ以下のものを選択し或は分級
して使用する必要がある。なお同一添加量を比較する
と、高圧相型窒化硼素の粒径は小さい程ダイヤモンドの
粒成長抑制効果が大であるので、好ましくは１μｍ以下
のものを使用することが望まれる。

本発明に係る焼結体においては、１μｍ超３μｍ以下
の微細ダイヤモンドの含有量を30〜93体積％とする必要
がある。即ちダイヤモンドの含有量が93体積％を超える
場合は、高圧相型窒化硼素が相対的に不足気味となって
焼結時におけるダイヤモンドの粒成長抑制効果が十分に
発揮されず、一方30％未満では、目標レベルの耐摩耗性
が得られない。又高圧相型窒化硼素の含有量は、２〜20
体積％とする必要がある。これは高圧相型窒化硼素の含
有量が20体積％を超えると耐摩耗性が不十分となり、ま
た２体積％未満では焼結時におけるダイヤモンドの粒成
長抑制効果が有効に発揮されなくなるからである。尚本
発明においては、更に他の成分として１μｍ以下のダイ
ヤモンド微粉末を少量配合し、焼結体の焼結性を更に高
めることも可能である。しかし配合量が多過ぎると耐摩
耗性が不十分となるので、50体積％程度以下に抑えるの
がよい。

また本発明の焼結体は、前述の如くその製造段階で鉄
族金属を５％以上含む金属又は合金を金属触媒として使
用するので、得られる焼結体は当該金属触媒を当然含ん
だものとなる。

以下本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、
下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前
・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更して実施す
ることはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるもので
ある。

［実施例］ 粒径１μｍ以下および１μｍ超３μｍ以下のダイヤモ
ンド粉末と、粒径１μｍ以下および１μｍ超３μｍ以下
の立方晶型窒化硼素粉末（CBN）とを各種割合で十分混
合した混合粉末にフルフリルアルコールを加えて更に混
合し、微量の硝酸を添加した後70℃に加熱して脱水縮合
し、フルフリルアルコールを樹脂化した。これを800℃
で炭化処理し、原料粉末を含有した緻密な固形のフラン
樹脂由来非晶質炭素を得た。

得られたフラン樹脂由来非晶質炭素を直径10mm,厚さ1
mmの円板状に加工し、１×10^-5Torr,1450℃の条件で脱
ガス処理を行なった。これらを触媒作用を有する10％Co
含有超硬合金板及びコバルト板で挟み、超高圧高温発生
装置を用いて60キロバール,1480℃の条件で焼結を行な
い、焼結体No.1〜７およびNo.1′〜５′を得た。

得られた各焼結体について構成々分の配合割合、焼結
体組織及び切削テストによる耐摩耗性を調査したとこ
ろ、下記第１表に示す結果が得られた。

尚切削テストは各焼結体を切断して切削チップを作成
し、被削材として直径80mmの丸棒のA1−12％Si合金に対
して、切削速度300m/分，送り0.02mm/回転，切込み0.05
mmの条件で行なった。但し焼結体No.2′,4′については
粗粒化しているので切削テストは行なっていない。

その結果、被削材の加工面の粗度は、天然ダイヤモン
ド単石工具を用いて同条件で切削したものと殆んど差が
認められず、鏡面に近い仕上げ面が得られた。

また耐摩耗性は、各チップの寿命に至るまでの時間
を、No.1′を１として評価し、第１表に示す結果を得
た。

第１表より次のように考えることができる。

（１）符号１〜７は本発明を充足する実施例で、均質な
微細組織が得られており、切削テストでは良好な仕上面
が得られると共に、耐摩耗性はいずれも比較例１′の２
倍以上であり切削部材として非常に優れていることが分
かる。

（２）符号１′〜５′は以下に示す如く本発明で定める
要件のいずれかを欠く比較例であり、耐摩耗性はいずれ
も本発明の1/2以下となっている。

符号１′:1μｍ超３μｍ以下のダイヤモンドが配合され
ていない。

符号２′,4′：高圧相型窒化硼素量が規定範囲未満であ
るため、焼結体は一部粗粒化している。

符号３′:1μｍ超３μｍ以下のダイヤモンド量が規定範
囲未満であり耐摩耗性の大幅な向上が見られない。

符号５′：高圧相型窒化硼素量が規定範囲を超えており
耐摩耗性に劣る。

［発明の効果］ 以上述べた如く本発明によれば、既述の構成を採用す
ることによって、耐摩耗性が良好でかつ優れた仕上面精
度を与える高硬度の加工々具等に適した微細結晶焼結体
を提供し得ることになった。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】１μｍ超３μｍ以下のダイヤモンド:30〜9
   3体積％、３μｍ以下の高圧相型窒化硼素:2〜20体積
   ％、残部がダイヤモンド合成用金属触媒（但し鉄族金属
   を５重量％以上含む）またはこれと１μｍ以下のダイヤ
   モンドから成り、組織上ダイヤモンドが直結々合相を形
   成していることを特徴とする高硬度微細結晶焼結体。
2. 【請求項２】１μｍ超３μｍ以下のダイヤモンド粉末と
   ３μｍ以下の高圧相型窒化硼素粉末またはこれと１μｍ
   以下のダイヤモンド粉末を含有させた樹脂由来非晶質炭
   素に、鉄族金属を５重量％以上含む金属又は合金を接触
   させ、1250℃以上の温度で且つ熱力学的なダイヤモンド
   安定領域の圧力で加圧焼結することを特徴とする高硬度
   微細結晶焼結体の製造方法。