JP5087776B2 - 複合ダイヤモンド体を製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、ダイヤモンド粒子と、コバルトを含むバインダー相を形成する粉末複合とを含んでなるダイヤモンド体を製造する方法に関係し、ここで該コバルト粉末は主に面心立方（ｆｃｃ）構造を有する。本発明は、本発明によって作られた複合ダイヤモンド体にも関係する。

組成物および粒子サイズに応じて、多くの用途、例えば削岩、金属切削工具および磨耗部品において、広範囲のダイヤモンド材料が使用可能である。機械加工される材料の例は、コンクリート、金属、および自然石、例えば花崗岩、大理石、砂岩、石灰岩等である。通常は、複合ダイヤモンド体を製造する間は多くの場合、その脆弱性のために、複合ダイヤモンド体はより高い靱性を有する基材、例えば超硬合金または金属、の上に配置されることが好ましい。

複合ダイヤモンド体の製造時に、バインダー相としてコバルトを使用することは技術的に周知である。

コバルトは同素性、すなわち約４１７℃未満の温度では、純粋なコバルト原子は六方最密（ｈｃｐ）構造に配列され、約４１７℃超の温度では、純粋なコバルト原子は面心立方（ｆｃｃ）構造に配列される。したがって、４１７℃超では、純粋なコバルトは同素変態を示す、すなわち、ｈｃｐ構造がｆｃｃ構造に変化する。

複合ダイヤモンド体を製造する際に従来使用されているコバルト粉末は、主にｈｃｐ構造を有する。しかしながら、焼結体では、そのコバルトバインダー相がｆｃｃ構造を有しており、それは焼結操作または熱圧縮操作の間に得られたものである。

複合ダイヤモンド体の製造時には、コバルト粉末が混合される間に簡単に分散することが重要である。

複合ダイヤモンド工具製造のために重要な特性の一つは、良好な圧縮特性、すなわち、圧縮体中で高密度を達成する能力である。高密度を有する体（物体）に圧縮されることができる粉末は、より少ない気孔を有することになり、このことは利点となる、というのは気孔は機械加工の際に問題を引き起こすからである。

圧縮体が高強度を有することも利点である、というのはハンドリングの際の変形やクラックを生じにくくするからである。

複合ダイヤモンド体を製造する時の一般的な現象は、高い焼結温度が用いられると硬度が下がることである。高い焼結温度は、例えば硬度や磨耗特性を改善するためにタングステンカーバイドを加える場合に、有利である。

複合ダイヤモンド含有工具の工具寿命を改善することも恒常的に求められている。工具寿命の長いことは、多くの用途でたいへん有利である、というのは工具の交換は非常に時間を費やす工程だからである。複合ダイヤモンド工具の硬度が増大されると、工具寿命が改善される。

本発明の目的は、改善された圧縮特性および圧縮体の改善された強度を有する、複合ダイヤモンド体を製造する方法を提供することである。

本発明のさらなる目的は、増大された工具寿命を有する複合ダイヤモンド体を製造する方法を提供することである。

本発明のさらなる目的は、硬度を落とすことなく高い焼結温度を使用することができる、複合ダイヤモンド体を製造する方法を提供することである。

本発明のさらなる目的は、本発明の方法によって作製された複合ダイヤモンド体を提供することである。

驚くべきことに、ｆｃｃ構造を主に有するコバルト粉末を、複合ダイヤモンド体の製造の際に使用可能であること、およびそのようなｆｃｃコバルトをｈｃｐ構造を主に有するコバルトの代りに使用すると、いくつかの利点が、そのような複合ダイヤモンド体の製造時だけでなくその複合ダイヤモンド体に関しても、得られることが判明した。

本発明による超微細（ｕｌｔｒａ ｆｉｎｅ）コバルト粉末のＸＲＤパターンを示し、Ｃｏ−ｆｃｃ（２００）／Ｃｏ−ｈｃｐ（１０１）比が２．１２であることを示している。この粉末はフィッシャー粒度（ＦＳＳＳ）が１．０８μｍである。

市販の超微細コバルト粉末のＸＲＤパターンを示し、Ｃｏ−ｆｃｃ（２００）／Ｃｏ−ｈｃｐ（１０１）比が０．０８で、ＦＳＳＳが０．７μｍであることを示している。

本発明による極微細（ｅｘｔｒａ ｆｉｎｅ）コバルト粉末のＸＲＤパターンを示し、Ｃｏ−ｆｃｃ（２００）／Ｃｏ−ｈｃｐ（１０１）比が２．２４であることを示している。この粉末はフィッシャー粒度（ＦＳＳＳ）が１．４５μｍである。

市販の極微細コバルト粉末のＸＲＤパターンを示し、Ｃｏ−ｆｃｃ（２００）／Ｃｏ−ｈｃｐ（１０１）比が０．１４で、ＦＳＳＳが１．４μｍであることを示している。

本発明による方法は以下の工程を含む：
・ ダイヤモンド粒子の粉末を用意すること、
・ コバルト粉末を含むバインダー相を形成する粉末を用意すること、
・ 該ダイヤモンド粒子の粉末および該コバルト粉末を含むバインダー相を形成する粉末を、圧縮および焼結操作にかけること。

本発明の方法で使用されるコバルトは、主にｆｃｃ構造を有する。主にｆｃｃ構造を有するコバルトの量をＸＲＤによって明らかにし、公のＰＤＦデータベース（国際回折データセンター、ＩＣＤＤによる粉末回折ファイル）から得た構造データで同定を行い、関心のある化学化合物、すなわちｆｃｃ−コバルト（ＰＤＦ１５−８０６）とｈｃｐ−コバルト（５−７２７）であることを示した。また、各金属相のミラー指数はそれぞれのピークの上に示される。２θ／θ焦点ジオメトリーおよびＣｕ−Ｋα放射を伴うＸＲＤ測定では、ついでバックグラウンド除去とＫ_α２ストリッピングを行い、ベースラインと各ピークの最大ピーク高さの間で測ると、Ｃｏ−ｆｃｃ（２００）／Ｃｏ−ｈｃｐ（１０１）のピーク高さ比が≧１／２、好ましくは≧２／３、より好ましくは≧１、最も好ましくは≧２である。ｆｃｃ−コバルトの最大量は１００％であり、その場合上述したピーク高さ比は∞になる。本発明の方法で使用される、上述したコバルト粉末は、以後「ｆｃｃ−コバルト」と称する。

本発明の方法で使用されるコバルト粉末は、１．５ｗｔ％未満の量の鉄を含むことが好ましく、０．８ｗｔ％未満であることが好ましく、０．４ｗｔ％未満であることが最も好ましい。コバルト粉末は、少なくとも１００ｐｐｍのＭｇを含むことがさらに好ましく、少なくとも１５０ｐｐｍのＭｇがより好ましく、２００〜５００ｐｐｍのＭｇが最も好ましい。ｐｐｍ値は質量を基準とする。

コバルト粉末は他の元素も含むが、技術上の不純物に相当する量であり、８００ｐｐｍ未満であることが好ましく、７００ｐｐｍ未満がより好ましく、６００ｐｐｍ未満が最も好ましい。

コバルト粉末の粒度は、ＦＳＳＳ（フィッシャー粒度）として計測され、０．２〜２．９μｍが好ましく、０．３〜２．０μｍがより好ましく、０．４〜１．５μｍが最も好ましい。

コバルト粉末の平均粒子サイズ（ｄ５０）は、レーザー回折で測定され、約０．８〜約５．９μｍであることが好ましく、０．８〜４．０μｍがより好ましく、０．８〜３．０μｍが最も好ましい。

複合ダイヤモンド体中のバインダー相は、その複合体の特性に大きく影響を与える。特定の用途に関する重要な特性に応じて、バインダー相の量も変化する。しかしながら、本発明の方法で使用されるバインダーを形成する粉末の量は、複合ダイヤモンド体の７０から９９ｗｔ％超の範囲内であることが好ましい。

バインダー相を形成する粉末は、ｆｃｃ−コバルト粉末に加えて、他のバインダー相、例えばＮｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、ＷおよびＳｎまたはそれらの合金を含むことができる。ルテニウム、ロジウム、パラジウム、クロム、マンガン、タンタル、チタン、タングステン、タンタルカーバイド、他のセラミックカーバイド、およびそれらの合金や混合物のような、他の金属も使用することができる。バインダー相を形成する粉末は、少なくとも２０ｗｔ％のＣｏを含むことが好ましい。

本発明の方法は、複合ダイヤモンド体を製造するあらゆる従来の方法に適用することができる。バインダー相を形成する粉末は、様々な方法、例えば、バインダー相を形成する粉末をダイヤモンド粒子の粉末と混合することによって、またはダイヤモンド粒子の粉末の頂部の上または下に、あらかじめ圧縮したバインダー相材料の成形体としてまたはいずれかの粉末でできた別の層として、提供可能である。バインダー相は、超硬合金支持体によって提供することもでき、その支持体からのバインダー相は、圧縮および焼結操作の間にダイヤモンド粉末に浸透することができる。

好ましくは、ダイヤモンド粒子の粉末およびバインダー相の粉末は、基材表面の上に置かれ、次に、別の二つの工程としてまたは熱圧縮操作として、圧縮および焼結操作にかけられる。基材は、用途に応じて異なる材料であってよい。例えば、超硬合金や工具鋼である。

複合ダイヤモンド工具を製造する方法で使用される温度および圧力は、製造される工具に応じて、広い範囲で変化する。例えば、微細な粒子にされたダイヤモンド粒子を含む複合ダイヤモンド工具を作るには、高めの温度と圧力が必要とされるが、より粗い粒子にされたダイヤモンド粒子を含む複合ダイヤモンド工具を作るには、低めの温度と圧力が必要とされる。

本発明の一実施態様では、複合ダイヤモンド体は、小さい粒度、例えば１μｍ以下のダイヤモンド粒子を用いて製造される。例えば、そのような工具は、アルミニウムのような機械加工金属のために使用することができる。

この複合ダイヤモンド体は、圧縮と焼結を組み合わせた操作で製造することが好ましく、その操作は、大量の未焼結の研磨結晶ダイヤモンド粒子を保護シールド付き金属筐体の中に入れることを含み、その筐体は高温／高圧（ＨＴ／ＨＰ）装置の反応セルに入れられる。また、その研磨ダイヤモンド粒子を入れた筐体に、バインダー相を形成する粉末だけでなく、超硬金属合金（ｃｅｍｅｎｔｅｄ ｍｅｔａｌ ｃａｒｂｉｄｅ）でできたあらかじめ成形された物質または任意の他の好適な支持体材料が、この研磨粒子を支持し、それにより支持された成形体を形成するために、配置される。次に、セルの内容物は、研磨ダイヤモンド粒子でできた隣接する粒どうしの結晶性結合、および随意的には焼結粒子の超硬金属合金支持体への結合に、充分に影響を与えるように選択されたプロセス条件にさらされる。このようなプロセス工程の温度と圧力は、使用される装置、粉末の組成物等に応じて、変化する。温度と圧力の上昇／下降の速度も変化し得る。特定の場合に対してそれらのパラメータを変化させることは、当業者が関与しうる範囲内のことである。しかしながら、少なくとも１３００℃の温度と、少なくとも２０ｋｂａｒの圧力を適用することが好ましい。

本発明の別の実施態様において、より大きな粒度のダイヤモンド粒子から複合ダイヤモンド体が製造される。例えば、そのような工具は、岩石等を機械加工するために使用することができる。ダイヤモンド粒子の特定の粒度は、複合ダイヤモンド工具用途によって決まるが、一般的な粒度は４５〜１０００μｍの範囲にある。

一実施態様では、より大きな粒度のダイヤモンド粒子から複合ダイヤモンド体が、好ましくはダイヤモンド粒子とバインダー相を形成する粉末と圧縮剤、好ましくはパラフィン油と一緒に混合することによって、製造される。次に、この混合物を型枠中の基材の表面の上に配置し、および好ましくは冷間圧縮操作にかけて、未焼結（グリーン）セグメントを形成する。次に、未焼結セグメントを、熱圧縮するために、型枠、好ましくはグラファイト製の型枠に配置する。熱圧縮操作はいくつかの工程で行われ、好ましくは段階的に温度と圧力を上げることによって行われる。この操作についてのパラメータは、選択された材料および使用される機器によって決まり、当業者によって好ましく選択される。しかしながら、最大温度についての一般的な温度範囲は、８５０〜９５０℃である。本発明の一実施態様では、焼結温度は９００℃超である。温度上昇は、熱圧縮操作の種々の工程間で変化させることができる。圧縮操作の各工程について特定の温度に保持する時間は、０秒から数百秒までで変化させることができる。熱圧縮操作の間に、温度とともに圧縮圧力も増加させることができ、最終工程の間に達する最大圧力は２００〜５００ｋｇ／ｃｍ^２であることが好ましい。

本発明によって製造された複合ダイヤモンド体中のダイヤモンド粒子の量は、工具の用途によって決まる。しかしながら、この複合ダイヤモンド体中のダイヤモンド含有量は、少なくとも７０体積％であることが好ましい。

複合ダイヤモンド体の製造において一般的に使用される他の化合物も、本発明の方法に加えることが可能である。そのような添加物の例は、二次的な研磨材例えばＷＣ、ＳｉＣおよび微細に粒子化されたダイヤモンド粉末、または固体潤滑剤例えば銀、グラファイトおよび六方窒化ホウ素である。

次に、複合ダイヤモンド体は、好ましくは支持基材を伴って、その複合ダイヤモンド体の用途に応じて異なる形状の小片に切断される。通常は、複合ダイヤモンド体が基材またはホルダーにロウ付けされ、それらは回転工具、切削工具インサート、磨耗部品、ローラー、削岩工具、鋸刃、等として使用することができる。

本発明は、ここで記載された方法によって製造された複合ダイヤモンド体にも関係する。この複合ダイヤモンド体は、ダイヤモンド粒子と、圧縮および焼結をする前は上述のＸＲＤで示されたｆｃｃ−構造を主に有するコバルトを含むバインダー相とを含んでなる。複合ダイヤモンド体の中のバインダー相含有物は、用途に応じてかなり変化するが、複合ダイヤモンド体の７０〜９９ｗｔ％超であることが好ましい。

本発明による複合ダイヤモンド体は、多くの用途で使用可能である。通常は、この複合ダイヤモンド体は基材またはホルダーにロウ付けされ、それらは回転工具、切削工具インサート、磨耗部品、ローラー、削岩工具、鋸刃、等として使用することができる。

本発明は、以下の例と関連してさらに説明されるが、それの例は本発明を限定するものではない。

例１
複合ダイヤモンド体の硬度への焼結温度の影響を評価するための一つの手段は、異なる焼結温度で純粋なコバルトの焼結体の硬度を測定することである。

本発明のｆｃｃ−コバルト粉末は、ＦＳＳＳ粒度が０．９５μｍ、マグネシウム含有率が０．０２ｗｔ％、Ｃｏ−ｆｃｃ（２００）／Ｃｏ−ｈｃｐ（１０１）のピーク高さ比が３／２である。このピーク高さ比は、２θ／θ焦点ジオメトリーおよびＣｕ−Ｋα放射を伴うＸＲＤ測定を用いて、ベースラインと最大ピーク高さの間で測られた。

このコバルト粉末を、型枠に配置した。次に、この粉末を４５００ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力を用いて圧縮した。次に、この圧縮した粉末を炭素製の型枠に配置し、次に、３５０ｋｇｆ／ｃｍ^２の焼結圧力で焼結した。その焼結温度は、表１に応じて変化させた。この焼結は、全てのランについて、２分間５４０℃で開始した。その後、所望の温度に達するまで昇温した。次に、その温度を特定の保持時間の間、保った。この焼結温度および最終的な焼結温度の保持時間を、表１に示す。

比較のために、焼結コバルト体は上述のように調製したが、市販のグレードのコバルトで、同じ用途のものであり、全てｈｃｐ−構造を主に有するものを用いた。

次に、その硬度を、超硬合金のボールを有するＨＲＢスケール上の硬度試験装置によって測定した。各々の値は９回の測定の平均である。結果を表２に示す。

表２で見られるように、市販のグレードのコバルトで製造したコバルト体と比べると、本発明によるコバルト体は高い焼結圧力において硬度の低下がない。

例２
９００℃の焼結温度でのフリーな焼結を用いて、焼結コバルト体も調製した。本発明による体（焼結体）は、ＦＳＳＳ粒度が０．９５μｍ、マグネシウム含有率が０．０２ｗｔ％、およびＣｏ−ｆｃｃ（２００）／Ｃｏ−ｈｃｐ（１０１）のピーク高さ比が３／２であるｆｃｃ−コバルト粉末から調製した。このピーク高さ比は、２θ／θ焦点ジオメトリーおよびＣｕ−Ｋα放射を伴うＸＲＤ測定を用いて、ベースラインと最大ピーク高さの間で測られた。

比較のために、上述したのと同じ方法だが、４つの異なる市販のグレードのコバルトであって、全てｈｃｐ−構造を主に有するものを用いた、焼結コバルト体も調製した。この硬度は例３と同じ方法で測定した。

表３で見られるように、市販のグレードのコバルトで製造した焼結コバルト体と比べると、本発明による焼結コバルト体は、９００℃でより高い硬度を示した。

例３
圧縮特性およびその圧縮体の強度を、ダイヤモンド粒子およびコバルトの粉末混合物について調査した。

三つの異なる粉末混合物を、９５．９５ｗｔ％のＣｏ、２．５６ｗｔ％のダイヤモンド粒子および１．５ｗｔ％のパラフィンから調製した。最初に、１４．３９４ｇのＣｏと０．２２ｇのパラフィンをメノウ乳鉢で注意深く挽き、次に、０．３８４ｇのダイヤモンド粒子と徹底的に混合した。二つのコバルト品質を試験した。表４を参照のこと。

これらの粉末混合物について、粉末密度を分析し、次にそれらの粉末混合物を、最初に５０ＭＰａの最大圧力、Ｐｍａｘまで、および１００ＭＰａのＰｍａｘまでで、未焼結体に圧縮した。ダイ（金型）の直径は９．５２５ｍｍであった。それぞれの最大圧力に達した後に、ダイの位置に応じて、すなわち未焼結体の高さに応じて、密度を測定した。結果を表５に示す。

これらの未焼結体の軸強度も測定した。それは、軸方向（圧縮に対して平行）に沿って成形体を圧潰させる間に記録された最大圧潰圧力である。これは、ダイから取り出す際にこの成形体を一体に保つことに関する未焼結強度である。結果を表６に示す。

Claims (7)

1. ・ ダイヤモンド粒子の粉末を用意すること、
   ・ コバルト粉末を含むバインダー相を形成する粉末を用意すること、
   ・ 該ダイヤモンド粒子の粉末および該コバルト粉末を含むバインダー相を形成する粉末を、圧縮および焼結操作にかけること、
   という工程を含んでなる複合ダイヤモンド体を製造する方法であって、
   該コバルト粉末が、０．２〜２．９μｍのＦＳＳＳ粒度を有し、およびｆｃｃ構造を有するコバルトを主に含み、Ｃｏ−ｆｃｃ（２００）／Ｃｏ−ｈｃｐ（１０１）のピーク高さ比が≧１／２であり、ここで該ピーク高さは、２θ／θ焦点ジオメトリーおよびＣｕ−Ｋα放射を用いるＸＲＤによって測定される、該コバルト粉末についてのＸＲＤパターンにおけるベースラインと最大ピーク高さの間で測られる、ことを特徴とする方法。
2. Ｃｏ−ｆｃｃ（２００）／Ｃｏ−ｈｃｐ（１０１）のピーク高さ比が≧２／３であることを特徴とする、請求項１に記載された方法。
3. Ｃｏ−ｆｃｃ（２００）／Ｃｏ−ｈｃｐ（１０１）のピーク高さ比が≧１であることを特徴とする、請求項１または２に記載された方法。
4. 添加したバインダー相を形成する粉末の量が７０〜９９ｗｔ％であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載された方法。
5. コバルト粉末が少なくとも１００ｐｐｍのＭｇを含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載された方法。
6. 請求項１〜３のいずれか１項に記載された方法により製造されることを特徴とする、焼結体。
7. バインダー相含有率が７０〜９９ｗｔ％であることを特徴とする、請求項６に記載された焼結体。

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