JP5175933B2 - 超硬質ダイヤモンド複合物 - Google Patents
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Description
このタイプの研磨材成形体のPCD層は、典型的にはダイヤモンド粒子に加えて、結晶/溶媒又は結合材相を含有するだろう。これは、典型的には粒状ダイヤモンド材料の相互成長(intergrown)網状構造物と混じりあわされている、金属結合材マトリックスの形をとっている。そのマトリックスは、通常、炭素に対して、コバルト、ニッケル、鉄あるいは1種以上のそのような金属を含有する合金のような触媒的又は溶媒和活性を示す金属を含む。
・第1は、金属溶媒/触媒結合材と、相互成長(intergrown)ダイヤモンドと、の熱膨張率の差から生ずる。高められた温度での膨張の差は、相互成長ダイヤモンドの微小亀裂を起こす可能性がある。それは400℃を超える温度でさえ特別の問題となるであろう。
・第2は、炭素系においての金属溶媒/触媒の固有の触媒活性に起因する。金属結合材は、およそ700℃より高く加熱された場合にダイヤモンドを、非ダイヤモンド炭素に変換し始める。その作用は、たとえ結合材が依然として固体状態にあってさえも、かなり起こる。低い圧力で、即ちグラファイト安定性状況においてこれは非ダイヤモンド炭素、特にグラファイト炭素の形成を生じ、この形成は究極的には機械的性質の大幅な劣化を起こして激変的な機械的欠陥に導くであろう。この第2のメカニズムは、溶媒/触媒材料を含むダイヤモンド複合材料が、有意義なダイヤモンド相互成長(intergrowth)が存在しない場合でさえそのような材料にさらに一般的に適用される。
MxM’yCz
M’は主族金属又は半金属(メタロイド)元素及び遷移金属Zn及びCdからなる群から選ばれた金属であり;
xは、典型的には2.5〜5.0、好ましくは2.5〜3.5、そして最も好ましくは約3であり;
yは、典型的には0.5〜3.0、好ましくは約1であり、そして
zは、典型的には0.1〜1、好ましくは0.5〜1である)。
M’は、好ましくはAl、Ga、In、Ge、Sn、Pb、Tl、Mg、Zn及びCdからなる群から選ばれ、そして特にSn、In及びPbである。
本ダイヤモンド複合材料はまた、軸受け(ベアリング)表面として有用であろう。
本発明は、従来の溶媒/触媒焼結ダイヤモンド複合材料より以上に増大された熱安定性を有する、ダイヤモンドを含む超硬質複合材料に向けられている。結合材システムは、少なくとも1種の金属間化合物をベースとする三元炭化物化合物を特に含有している。
MxM’yCz
(式中、Mは典型的には遷移金属又は希土類金属であり、そして好ましくはダイヤモンド合成のための溶媒/触媒である、高い炭素溶解性を有する元素であり;
M’は典型的には非遷移金属又は主族金属又は半金属(メタロイド)元素である金属であり;
xは、典型的には2.5〜5.0、好ましくは2.5〜3.5、最も好ましくは約3であり;
yは、典型的には0.5〜3.0、好ましくは約1であり、そして
zは、典型的には0.1〜1、好ましくは0.5〜1である)。
・三元炭化物、したがって修飾結合材の熱膨張率はベースの溶媒/触媒の熱膨張率よりも相互成長PCD網状構造物の熱膨張率に近い。したがって、増大された温度への応答としての膨張差及びこの方法から生ずる応力が減少される。
・固体状態において、三元炭化物はPCDと接触して減少された反応性を有するか、又は反応性を有しないかのいずれかと思われる。したがって、標準の金属的PCDが妥協される温度より高くに温度が増大されるときでさえ、これらの三元炭化物を含有するPCDは熱的にいっそう安定である。このことは、ダイヤモンド相互成長が僅かであるか、又はその相互成長がないダイヤモンド複合材料にまで範囲が及ぶと信じられる。
1:2の原子Co:Sn比を有する CoSn2、
1:1の原子Co:Sn比を有する CoSn、
3:2の原子Co:Sn比を有する Co3Sn2
が存在する。
1:1の原子Co:Sn比を有する CoSn、
3:2の原子Co:Sn比を有する Co3Sn2、
3:1の原子Co:Sn比を有する Co3SnCo0.7
を示す。
・その組成がこの比からSnに富んでいる(即ち25原子%より大のSnの)傾向がある場合、そのときはこれは増大している量のCo3Sn2形成に導く傾向があることが分かった。(特にPCD焼結のためのCo−Snシステムにおいて、この金属間化合物種の形成は、最適に焼結されたPCD最終製品を達成させることに関して望ましくないことが分かった)。
・その組成がこの比からCoに富んでいる(即ち75原子%より大のCoの)傾向がある場合、そのときは“遊離の”(即ち熱的に安定な化合物に結びついていない)コバルトの量が増大するので、最終ダイヤモンド製品は、熱安定性がいっそう低くなる傾向があることが分かった。実際において、実質的な熱劣化作用が最終製品において観察される前に、有意な程度の遊離コバルトが収納できるように、Co−Snについてのこの後者のしきい値において有意な程度の融通性が存在することが分かった。Co−Sn系についてのそのようなものとして、ほんの或る範囲の窓が実際的に達成可能である場合、そのときはこれは好ましい組成(75:25のCo:Sn原子)に焦点を合わせるのが好ましいが、しかし組成範囲のコバルトに富む部分を広げることができる。
・典型的には温度で真空下にM、M’及びCを予備反応させて三元炭化物を生成し、次にHpHT条件下にダイヤモンド粉末原料中に混合するか、又は浸透浸潤させる;
・典型的には元素状である、必要とされる成分の密接均質混合物を好ましくは用いての、HpHT焼結条件下のその場での(in situ)反応。これはダイヤモンド粉末混合物内に、あるいは浸透浸潤層又はそれに隣接する床から提供されることができ、そして炭素成分を含んでもよく、又はこの炭素成分はダイヤモンド粉末から由来することができる;
・M’及びダイヤモンド粉末の混合物を用いて、HpHT焼結条件下の段階的なその場での(in situ)反応、及びその後での浸透浸潤、及び(炭化物裏当て基材により提供されることができる)外部浸透浸潤源からのMとのその場での(in situ)反応。
・M及びM’成分、及びM及びC成分の間の電気陰性度差を最大にすると、熱安定性において増大を生じさせることができることが分かった。構成成分原子間の電気陰性度差を最大にすることは、三元炭化物内の結合強度を増大させ、したがって特に固体状態においての格子内の炭素の移動を減少させると信じられる。炭素移動性が減少するのにしたがって、熱安定性は増大するであろう。
・特定のM元素が、PCDの物理的、機械的又は化学的性質を改良するために用いられることができることが分かった。例えば、Pd及びPtのようなM元素が、三元炭化物に、したがって最終PCD材料に増大した耐酸化性を与える。
1A.Co3SnC0.7をベースとする結合材と共に焼結されたPCD
正確な(3:1)原子比でのCo及びSn金属粉末の混合物を調製した。次に、平均ダイヤモンド粒子寸法でおよそ20ミクロンのいろいろの形態のダイヤモンド粉末の床をニオブ金属の小缶(キャニスター)中に入れ、そしてこの粉末床上に、ダイヤモンドの10体積%を構成する結合材を与えるために十分な金属粉末混合物の層を置いた。次にその小缶を真空化して空気を取り除き、密封し、そしておよそ55キロバール及び1400℃でのHpHT条件で処理してPCDを焼結した。
・相互成長の証明のための走査型電子顕微鏡検査(SEM);
・結合材中に存在する相を調べるためのXRD分析;及び
・上に記載されたような熱安定性試験;
を用いて調べた。
用いられた粉末混合物のCo:Sn比が1:1であったことを除いては例1Aのために上記された方法に従ってサンプルを調製した;そしてニオブ小缶(キャニスター)内の超硬合金基材上に置く前に、プラネタリーボールミルを用いてダイヤモンドと金属粉末とを一緒に混合した(その金属粉末混合物は前記混合物の7.5重量%を構成する)。焼結の間に、Co3SnC0.7の形成のために必要とされる化学量論が達成されるように、炭化物基材から追加のCoがダイヤモンド/CoSn混合物に浸透浸潤し、追加の遊離コバルト(即ち炭化物において結合されていないコバルト)が観察された。
・相互成長の証明のための走査型電子顕微鏡検査;
・結合材中に存在する相を調べるためのXRD分析;及び
・上記方法どおりの熱摩耗作用適用をベースとする試験
を用いてサンプルを調べた。
使用された粉末混合物のCo:Snが1:1であったことを除いては、上記例1Aのために記載された方法に従って、サンプルを調製した。(ダイヤモンド粉末質量の20重量%を構成するのに十分な)この金属粉末混合物の層がニオブ小缶(キャニスター)内の超硬合金基材上に置かれ、この上部にダイヤモンド粉末層が置かれた。焼結の間に、Co3SnC0.7の形成のために必要とされる化学量論が達成されるように、炭化物基材からの追加のCoが、CoSn層、次にダイヤモンド粉末に浸透浸潤した。遊離の(即ち炭化物に結合されていない)コバルトは最終PCD微細構造の結合材中に観察されなかった。
・相互成長の証明のための走査型電子顕微鏡検査;
・結合材中に存在する相を調べるためのXRD分析;及び
・上記方法どおりの熱摩耗作用適用をベースとする試験
を用いてサンプルを調べた。
Fe3SnCを主とする結合材(2Aと称する)及びFe3InCを主とする結合材(2Bと称する)それぞれの存在下に焼結されたPCDの2つのサンプルを調製した。
・相互成長の証明のための走査型電子顕微鏡検査(SEM);
・結合材中に存在する相を調べるためのXRD分析;
・前に記載したような熱安定性試験;及び
・前に記載したような熱摩耗作用適用をベースとする試験;
を用いて調べた。
各々の場合において、SEM下に調べた場合、ダイヤモンド粒子間の相互成長の明らかな証拠を示した。
3A. Co3InCをベースとする結合材と共に焼結されたPCD
Co3InCを主とする結合材の存在下に焼結されたPCDのサンプルを調製した。
・相互成長の証明のための走査型電子顕微鏡検査(SEM);
・結合材中に存在する相を調べるためのXRD分析;及び
・上記のような熱安定性試験;
を用いて調べた。
Ceの添加を有するCo3InCを主とする結合材の存在下に焼結されたPCDのサンプルを調製した。In金属に対して1:6の比で、金属粉末混合物中にCe金属粉末を導入したことを除いては、例3Aのために上記した方法に従ってこのサンプルを調製した。これは、結合材中に混合Co/Ce三元炭化物の形成を生じた。
・相互成長の証明のための走査型電子顕微鏡検査(SEM);
・結合材中に存在する相を調べるためのXRD分析;及び
・上記したような熱安定性試験
を用いて、得られたPCDを調べた。
Claims (21)
- ダイヤモンド相及び結合材相を含み、前記結合材相が下記一般式の三元炭化物を含む、超硬質複合材料:
MxM’yCz
(式中、Mは遷移金属及び希土類金属からなる群から選ばれた少なくとも1種の金属であり;
M’は主族金属又は半金属(メタロイド)元素、及び遷移金属Zn及びCdからなる群から選ばれた金属であり;
xは2.5〜5.0であり;
yは0.5〜3.0であり;そして
zは0.1〜1である)。 - Mが、Co、Fe、Ni、Mn、Cr、Pd、Pt、V、Nb、Ta、Ti、Zr、Ce、Y、La及びScからなる群から選ばれる、請求項1に記載の超硬質複合材料。
- M’が、Al、Ga、In、Ge、Sn、Pb、Tl、Mg、Zn及びCdからなる群から選ばれる、請求項1又は請求項2に記載の超硬質複合材料。
- M’がSn、In又はPbである、請求項1〜3のいずれか1項に記載の超硬質複合材料。
- xが2.5〜3.5である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の超硬質複合材料。
- xが3である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の超硬質複合材料。
- yが1である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の超硬質複合材料。
- zが、0.5〜1である、請求項1〜7のいずれか1項に記載の超硬質複合材料。
- 三元炭化物が結合材相の少なくとも30体積%を占める、請求項1〜8のいずれか1項に記載の超硬質複合材料。
- 三元炭化物が結合材相の少なくとも40体積%を占める、請求項1〜8のいずれか1項に記載の超硬質複合材料。
- 遊離又は非結合Mが結合材相に存在しないように、結合材相が三元炭化物及び1種以上の他の金属間化合物のみを含む、請求項1〜8のいずれか1項に記載の超硬質複合材料。
- 結合材相が三元炭化物のみを含む、請求項1〜8のいずれか1項に記載の超硬質複合材料。
- 結合材相が超硬質複合材料の30体積%未満を占める、請求項1〜12のいずれか1項に記載の超硬質複合材料。
- 結合材相が超硬質複合材料の20体積%未満を占める、請求項1〜12のいずれか1項に記載の超硬質複合材料。
- 結合材相が超硬質複合材料の15体積%未満を占める、請求項1〜12のいずれか1項に記載の超硬質複合材料。
- 結合材相が超硬質複合材料の10体積%未満を占める、請求項1〜12のいずれか1項に記載の超硬質複合材料。
- 高圧及び高温焼結された材料である、請求項1〜16のいずれか1項に記載の超硬質複合材料。
- ダイヤモンド相が実質的なダイヤモンド相互成長により定義される多結晶ダイヤモンドである、請求項1〜17のいずれか1項に記載の超硬質複合材料。
- M:M’の比が3:1である、請求項1〜18のいずれか1項に記載の超硬質複合材料。
- 請求項1〜19のいずれか1項に記載の超硬質複合材料を含む、ダイヤモンド研磨材成形体。
- 切断、粉砕、研削、穴あけ又は他の研磨適用において使用することができる、請求項20に記載のダイヤモンド研磨材成形体を含む工具。
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