JP3978789B2

JP3978789B2 - ダイヤモンド焼結体及びその製造方法

Info

Publication number: JP3978789B2
Application number: JP20426595A
Authority: JP
Inventors: 均角谷; 周一佐藤
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1995-08-10
Filing date: 1995-08-10
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2015-08-10
Also published as: JPH0952767A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はダイヤモンド焼結体およびその製造方法に関するものである。本発明のダイヤモンド焼結体は非鉄金属やセラミックス等の切削、研削工具用素材および石油堀削用途等のドリルビットの刃先素材として有効に使用できるものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のダイヤモンド焼結体としては、焼結助剤あるいは結合剤としてＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅなどの鉄族金属を用いたものや、ＳｉＣなどのセラミックスを用いたものが知られており、非鉄金属の切削工具や、堀削ビットなどに工業的に利用されている。
また、焼結助剤として炭酸塩を用いたものが知られている（特開平４−１１４９６６号公報）。
その他、天然のダイヤモンド焼結体（カーボナード）があるが、材質のバラツキが大きく、また産出量も極少量であるため、ほとんど工業的には使用されていない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
Ｃｏなどの鉄族金属を焼結助剤としたダイヤモンド焼結体は、Ｃｏなどの鉄族金属がダイヤモンドの黒鉛化を促す触媒として作用するため耐熱性に劣る。すなわち、不活性ガス雰囲気中で、７００℃程度で黒鉛化してしまう。また、ダイヤモンド粒の粒界にＣｏなどの金属が連続相として存在するため焼結体の強度はあまり高くなく、欠損しやしい。そして、この金属とダイヤモンドの熱膨張差のため熱劣化が起こり易くなるという問題もある。
耐熱性を上げるために上記の粒界の金属を酸処理により除去されたものも知られている。これにより耐熱温度は約１２００℃と向上するが、焼結体が多孔質となるため強度がさらに大幅（３０％程度）に低下する。
ＳｉＣを結合剤としたダイヤモンド焼結体は耐熱性には優れているが、ダイヤモンド粒同士は結合がないため、強度は低い。
一方、焼結助剤として炭酸塩を用いたダイヤモンド焼結体は、Ｃｏ結合剤による焼結体に比べると耐熱性に優れているが、１０００℃程度よりで炭酸塩の分解がはじまり焼結体の強度が低下する。また、炭酸塩は酸に溶けるため、堀削ビットなどの用途で使用できない。
本発明は以上の問題点を解決して、耐欠損性、耐熱性、耐酸性を有するダイヤモンド焼結体とその製造方法を提供することを意図したものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための手段として、本発明は希土類元素のチタン酸塩を０．１〜３０体積％含み残部がダイヤモンドであるダイヤモンド焼結体を提供する。また、本発明は希土類元素の酸化物と酸化チタンからなる複合酸化物または固溶体を０．１〜３０体積％含み残部がダイヤモンドであるダイヤモンド焼結体を提供する。
【０００５】
また、このダイヤモンド焼結体の製造方法として、焼結助剤として希土類元素のチタン酸塩を用い、この粉末と、ダイヤモンド粉末もしくは非ダイヤモンド炭素粉末またはダイヤモンドと非ダイヤモンド炭素の混合粉末を混合し、これをダイヤモンドの熱力学的安定領域の圧力、温度条件で保持し、焼結する方法を提供する。
このダイヤモンド焼結体の別の製造方法として、焼結助剤として希土類元素のチタン酸塩を用い、この粉末の成形体と、ダイヤモンド粉末の成形体または非ダイヤモンド炭素粉末の成形体またはダイヤモンドと非ダイヤモンド炭素の混合粉末の成形体とを積層し、これをダイヤモンドの熱力学的安定領域の圧力、温度条件で保持し、焼結する方法を提供する。
また、このダイヤモンド焼結体の製造のための別の焼結助剤として希土類元素の酸化物と酸化チタンの混合物を用いる方法を提供する。
上記製造方法において、焼結助剤は混合物中０．１〜３０体積％となるように配合する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
従来、希土類元素のチタン酸塩や、希土類元素の酸化物と酸化チタンの混合物がダイヤモンド焼結体の有効な焼結助剤として用いられた例はない。この度、本発明者らにより、希土類元素のチタン酸塩や、希土類元素の酸化物と酸化チタンの混合物を焼結助剤とすることで、従来にない高強度で、かつ耐欠損性、耐熱性、耐食性に優れたダイヤモンド焼結体が得られることが見いだされ、本発明に至った。
すなわち、本発明の特徴は、ダイヤモンド焼結体の焼結助剤として希土類元素のチタン酸塩あるいは、希土類元素の酸化物と酸化チタンの混合物を用いた点にある。
【０００７】
希土類元素のチタン酸塩としては、希土類元素をＭとした場合に、例えばＭ₂ＴｉＯ₅やＭ₂Ｔｉ₂Ｏ₇などが挙げられる。希土類元素にはスカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）がある。
希土類元素の酸化物としては、希土類元素をＭとした場合にＭ₂Ｏ₃やＭＯ₂などが挙げられる。これらの希土類元素のチタン酸塩あるいは、希土類元素の酸化物と酸化チタンの混合物は、ダイヤモンドに対し、強い触媒作用を示し、これらを焼結助剤とするとダイヤモンド粒子が極めて強固に結合したマトリックスが形成される。また、異常粒成長が起こり難く、均質な組織の焼結体が得られる。その結果、従来にない高強度で耐欠損性や耐摩耗性に優れたダイヤモンド焼結体が得られる。
【０００８】
こうして得られるダイヤモンド焼結体は、希土類元素とチタンおよび酸素を含有する化合物からなる物質を含むのが特徴で、このような物質としては、上記のような希土類元素のチタン酸塩、あるいは希土類元素の酸化物と酸化チタンの複合酸化物もしくは固溶体が挙げられる。これらの物質は１３００℃程度の高温下でも安定で、また、酸やアルカリに対しても安定である。このため、本発明のダイヤモンド焼結体は耐熱性や耐食性にも非常に優れた特性を示す。
【０００９】
本発明のダイヤモンド焼結体において、希土類元素のチタン酸塩や希土類元素の酸化物と酸化チタンからなる複合酸化物または固溶体の含有量は０．１〜３０体積％が好ましいが、この理由は０．１体積％未満ではダイヤモンド粒子間の結合性、すなわち焼結性が低下し、３０体積％を越えると過剰のチタン酸化合物の影響で、強度、耐摩耗性が低下するからである。原料としては合成ダイヤモンド粉末、天然ダイヤモンド粉末、多結晶ダイヤモンド粉末などを用いることができる。粉末の粒径は０．０１〜２００μｍで、用途によって微粒または粗粒に粒径を揃えたもの、もしくは微粒、粗粒の混合物を用いる。また、これらのダイヤモンドに代えて黒鉛やグラッシーカーボン、熱分解黒鉛などの非ダイヤモンドも原料とすることができる。また、ダイヤモンドとこれら非ダイヤモンド黒鉛の混合物を用いることもできる。
【００１０】
本発明のダイヤモンド焼結体の製造方法としては、ダイヤモンド粉末や非ダイヤモンド粉末と、希土類元素のチタン酸塩あるいは希土類元素の酸化物と酸化チタンの混合物とを、ダイヤモンドが熱力学的に安定な圧力、温度条件下で保持する方法と、ダイヤモンド粉末や非ダイヤモンド黒鉛の成形体と、希土類元素のケイ酸塩あるいは希土類元素の酸化物と酸化チタンの混合物の成形体を積層したものを原料として、上記の圧力、温度条件下で保持する方法がある。
原料と焼結助剤を混合する方法においては、原料と焼結助剤を、機械的に乾式または湿式混合した粉末を圧縮成形したもの、もしくはＭｏ等のカプセルに充填したものを高圧高温焼結する。原料粉末が微粒でも焼結助剤を均一に分散でき、また、厚い形状のダイヤモンド焼結体の製造が可能である。例えば、良好な仕上げ面が必要な切削工具（微粒焼結体）の製造や、ダイスなどの厚い形状を必要とする焼結体の製造に適する。ただし、粗粒の原料を用いた場合、均一に焼結助剤を混合するのに困難を要す。
一方、原料と焼結助剤を積層配置する方法は、原料と焼結助剤の板状の成形体をそれぞれ作製し、これらを積層して接触させ、高圧高温処理する。このとき、焼結助剤が原料層に拡散含浸し、ダイヤモンド粒子が焼結する。この方法は、粗粒の原料を用いても焼結助剤を均一に添加できるため、より高強度で耐摩耗性のあるダイヤモンド焼結体を安定して得ることができ、耐摩耗工具やドリルビットなどの焼結体の製造に適する。
【００１１】
【実施例】
以下本発明により更に詳細に説明するが、本発明をこれによって限定するものではない。
（実施例１）
焼結助剤としてＹ₂ＴｉＯ₅を用いた。平均粒径３．５μｍの合成ダイヤモンド粉末と、粒径１〜２μｍのＹ₂ＴｉＯ₅の粉末をそれぞれ９５体積％、５体積％の割合で十分に混合し、この混合物をＭｏカプセルに入れ、ベルト型の超高圧高温発生装置を用いて、７．５ＧＰａ、２０００℃の圧力温度条件で１５分間保持し、焼結させた。得られたダイヤモンド焼結体について、Ｘ線回折により組成を同定したところ、ダイヤモンドの他、約５体積％のＹ₂ＴｉＯ₅が検出された。この焼結体の硬度をヌープ圧子により評価したところ７８００ｋｇ／ｍｍ²と高硬度であった。また、破壊靱性をインデンテーション法により従来の市販のＣｏバインダー焼結体に対し相対比較したところ、従来焼結体の約１．４倍の相対靱性であった。また、得られた焼結体を真空中で１２００℃に加熱処理した後、硬度、靱性を測定したが、処理前とほとんど変化がなかった。また、酸処理による焼結体の劣化は認められなかった。
【００１２】
（実施例２）
焼結助剤として、５体積％のＬａ₂Ｔｉ₂Ｏ₇を用いた他は、実施例１と同様にしてダイヤモンド焼結体を作製した。得られた焼結体にはＬａ₂Ｔｉ₂Ｏ₇が含まれており、硬度、靱性、耐熱性とも実施例１と同様であった。
【００１３】
（実施例３）
焼結助剤として、５体積％のＣｅ₂ＴｉＯ₅を用いた他は、実施例１と同様にしてダイヤモンド焼結体を作製した。得られた焼結体にはＣｅ₂ＴｉＯ₅が含まれており、硬度、靱性、耐熱性とも実施例１と同様であった。
【００１４】
（実施例４）
焼結助剤として、Ｙ₂Ｏ₃とＴｉＯ₂の１：１（体積比）の混合物を用い、実施例１と同様にしてダイヤモンド焼結体を作製した。得られた焼結体にはＹ₂Ｏ₃とＴｉＯ₂の複合酸化物が含まれており、硬度、靱性、耐熱性とも実施例１と同様であった。
【００１５】
（実施例５）
焼結助剤として、ＣｅＯ₂とＴｉＯ₂の１：１（体積比）の混合物を用い、実施例１と同様にしてダイヤモンド焼結体を作製した。得られた焼結体にはＣｅＯ₂とＴｉＯ₂の複合酸化物が含まれており、硬度、靱性、耐熱性とも実施例１と同様であった。
【００１６】
（実施例６）
焼結助剤として、Ｌａ₂Ｏ₃とＴｉＯ₂の１：２（体積比）の混合物を用い、実施例１と同様にしてダイヤモンド焼結体を作製した。得られた焼結体にはＬａ₂Ｏ₃とＴｉＯ₂の複合酸化物が含まれており、硬度、靱性、耐熱性とも実施例１と同様であった。
【００１７】
（実施例７）
焼結助剤としてＹ₂ＴｉＯ₅を用いた。平均粒径１５μｍの合成ダイヤモンド粉末と、粒径１〜２μｍのＹ₂ＴｉＯ₅粉末をそれぞれ厚み２ｍｍ、１ｍｍに成形したものを交互に積層してＭｏカプセルに入れ、ベルト型の超高圧高温発生装置を用いて、７．５ＧＰａ、２０００℃の圧力温度条件で１５分間保持し焼結した。得られたダイヤモンド焼結体について、Ｘ線回折により組成を同定したところ、ダイヤモンドの他、約２体積％のＹ₂ＴｉＯ₅が検出された。この焼結体の硬度をヌープ圧子により評価したところ約８０００ｋｇ／ｍｍ²と高硬度であった。また、破壊靱性をインデンテーション法により従来の市販のＣｏバインダー焼結体に対し相対比較したところ、従来焼結体の約１．４倍の相対靱性であった。また、得られた焼結体を真空中で１２００℃に加熱処理した後、硬度、靱性を測定したが、処理前とほとんど変化がなかった。また、酸処理による焼結体の劣化は認められなかった。
【００１８】
（実施例８）
焼結助剤として粒径１〜２μｍのＣｅＯ₂とＴｉＯ₂の混合物（体積比１：１）を用いた他は実施例７と同様にしてダイヤモンド焼結体を作製した。得られた焼結体にはＣｅＯ₂とＴｉＯ₂の複合酸化物が含まれており、硬度、靱性、耐熱性とも実施例７と同様であった。
【００１９】
（実施例９）
焼結助剤としてＹ₂ＴｉＯ₅を用いた。平均粒径３μｍの高純度等方性黒鉛の厚み２ｍｍの板状成形体と、粒径１〜２μｍのＹ₂ＴｉＯ₅粉末を厚み１ｍｍに型押し成形したものを交互に積層してＭｏカプセルに入れ、ベルト型の超高圧高温発生装置を用いて、７．５ＧＰａ、２０００℃の圧力温度条件で１５分間保持し、焼結させた。得られたダイヤモンド焼結体について、Ｘ線回折により組成を同定したところ、ダイヤモンドの他、約３体積％のＹ₂ＴｉＯ₅が検出された。この焼結体の硬度をヌープ圧子により評価したところ約７８００ｋｇ／ｍｍ²と高硬度であった。また、破壊靱性をインデンテーション法により従来の市販のＣｏバインダー焼結体に対し相対比較したところ、従来焼結体の約１．３倍の相対靱性であった。また、得られた焼結体を真空中で１２００℃に加熱処理した後、硬度、靱性を測定したが、処理前とほとんど変化がなかった。また、酸処理による焼結体の劣化は認められなかった。
【００２０】
（比較例１）
焼結助剤としてＹ₂ＴｉＯ₅を用いた。平均粒径３．５μｍの合成ダイヤモンド粉末に微量の粒径１〜２μｍのＹ₂ＴｉＯ₅の粉末（約０．０５体積％）添加し、十分に混合したものを原料にした他は、実施例１と同様にダイヤモンド焼結体の製造を試みた。しかし、得られた焼結体には、未焼結部が多く残留していた。
【００２１】
（比較例２）
焼結助剤としてＹ₂ＴｉＯ₅を用いた。平均粒径３．５μｍの合成ダイヤモンド粉末６０体積％と、粒径１〜２μｍのＹ₂ＴｉＯ₅の粉末４０体積％を添加し、十分に混合したものを原料にした他は、実施例１と同様にダイヤモンド焼結体の製造を試みた。しかし、得られた焼結体は、粒子同士の結合が十分でなく、硬度は３５００ｋｇ／ｍｍ²程度と低かった。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のダイヤモンド焼結体は、従来にない高強度で、耐熱性、耐欠損性、耐食性を有するので、非鉄金属やセラミックス等の切削、研削工具用素材の他、石油堀削用途等のドリルビットの刃先素材として有効に使用できる。

Claims

希土類元素のチタン酸塩を０．１〜３０体積％含み残部がダイヤモンドであることを特徴とするダイヤモンド焼結体。
希土類元素の酸化物と酸化チタンからなる複合酸化物または固溶体を０．１〜３０体積％含み残部がダイヤモンドであることを特徴とするダイヤモンド焼結体。
焼結助剤として希土類元素のチタン酸塩を用い、この粉末と、ダイヤモンド粉末もしくは非ダイヤモンド炭素粉末またはダイヤモンドと非ダイヤモンド炭素の混合粉末を混合し、これをダイヤモンドの熱力学的安定領域の圧力、温度条件で保持し、焼結することを特徴とする請求項１又は２に記載のダイヤモンド焼結体の製造方法。
焼結助剤として希土類元素のチタン酸塩を用い、この粉末の成形体と、ダイヤモンド粉末の成形体または非ダイヤモンド炭素粉末の成形体またはダイヤモンドと非ダイヤモンド炭素の混合粉末の成形体とを積層し、これをダイヤモンドの熱力学的安定領域の圧力、温度条件で保持し、焼結することを特徴とする請求項１又は２に記載のダイヤモンド焼結体の製造方法。
前記焼結助剤として希土類元素の酸化物と酸化チタンの混合物を用いることを特徴とする請求項３または４に記載のダイヤモンド焼結体の製造方法。