JP6968346B2 - Diamond grains for tools and their manufacturing methods - Google Patents
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Description
本発明は、切削加工、研磨加工等の除去加工に使用する工具に好適なダイヤモンド粒及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to diamond grains suitable for tools used for removal processing such as cutting processing and polishing processing, and a method for producing the same.
ダイヤモンドは、地球上で最も硬い材料として知られており、工業的には様々な硬脆材料の除去加工に用いられている。しかし、ダイヤモンドは硬質材料であるが、金属材料に比べて靱性が低いといった欠点を有しており、除去加工に用いた場合に耐欠損性の面で課題がある。例えば、ダイヤモンド砥粒を用いるダイヤモンド工具の加工に関しては、常に加工品質の向上とともに加工コストの低減が課題となっており、そのために高速加工が可能で長寿命な工具が求められている。また、ダイヤモンド工具自体の製造コストの低減も求められている。 Diamond is known as the hardest material on the earth and is industrially used for removing various hard and brittle materials. However, although diamond is a hard material, it has a drawback that it has a lower toughness than a metal material, and has a problem in terms of fracture resistance when used for removal processing. For example, regarding the machining of diamond tools using diamond abrasive grains, it is always an issue to improve the machining quality and reduce the machining cost, and for this reason, a tool capable of high-speed machining and having a long life is required. It is also required to reduce the manufacturing cost of the diamond tool itself.
ダイヤモンド工具の摩耗は、砥粒の脱落、砥粒の欠損及び砥粒の化学的摩耗が要因となって進行する。これらの摩耗要因につながる特性を改善することによって、工具の寿命及び加工品質が改善されることになる。砥粒の脱落に関しては、ダイヤモンドとそれを固着する金属層の密着性を高めることや、固着している金属層自身の耐久性を高めることで改善される。また、砥粒の化学的摩耗に関しては、加工部の冷却能力を高めることで改善される。 The wear of the diamond tool progresses due to the dropout of the abrasive grains, the chipping of the abrasive grains, and the chemical wear of the abrasive grains. By improving the properties that lead to these wear factors, the life and machining quality of the tool will be improved. The dropout of the abrasive grains can be improved by increasing the adhesion between the diamond and the metal layer to which it is fixed, and by increasing the durability of the metal layer itself to which the diamond is fixed. Further, the chemical wear of the abrasive grains is improved by increasing the cooling capacity of the processed portion.
しかし、砥粒の欠損に関しては、強度の高いダイヤモンド粒を用いることで低減可能であるが、加工性が悪くなるという問題がある。また、加工速度を遅くすることでもある程度低減可能であるが、加工コストが高くなるという問題がある。このように、ダイヤモンド工具の欠損については、改善しようとしても有効な対応法がないのが現状である。 However, although the defect of the abrasive grains can be reduced by using the diamond grains having high strength, there is a problem that the workability is deteriorated. Further, although it can be reduced to some extent by slowing down the processing speed, there is a problem that the processing cost becomes high. As described above, the current situation is that there is no effective countermeasure for the defect of the diamond tool even if an attempt is made to improve it.
他方、材料の耐欠損性を改善する手段の一つとして、従来より、材料表面に圧縮応力を与える方法が採用されている。圧縮応力を与える方法は様々あり、ショットブラストがその代表例である。また、硬質薄膜の分野では、特に、物理蒸着法で成膜された薄膜には、圧縮応力が生じて欠損しにくくなり、疲労強度が高まるなどの効果が確認されている。また、熱膨張係数の異なる材料を高温で接着し、室温まで冷却すると、熱膨張係数の大きい材料側に引張応力が生じ、熱膨張係数の小さい材料側には圧縮応力が生じることもよく知られた現象である。 On the other hand, as one of the means for improving the fracture resistance of the material, a method of applying compressive stress to the surface of the material has been conventionally adopted. There are various methods for applying compressive stress, and shot blasting is a typical example. Further, in the field of hard thin films, it has been confirmed that a thin film formed by a physical vapor deposition method in particular has an effect that compressive stress is generated and it is difficult to be chipped, and fatigue strength is increased. It is also well known that when materials with different coefficients of thermal expansion are bonded at a high temperature and cooled to room temperature, tensile stress is generated on the material side with a large coefficient of thermal expansion and compressive stress is generated on the material side with a small coefficient of thermal expansion. It is a phenomenon.
ダイヤモンド粒に圧縮応力を与える目的ではないが、ダイヤモンド粒表面にダイヤモンドより大きい熱膨張係数を持つ材料を被覆する技術はこれまでに多数提案されている。例えば、ダイヤモンド粒とそれを固着させる結合剤あるいはめっき膜との接合性を高め、砥粒の脱落を減らして工具の寿命を改善する目的で行われている。これらの方法でも結果的にダイヤモンド粒に圧縮応力が生じているが、その効果が十分に発揮しているとは言えない。 Although it is not intended to apply compressive stress to diamond grains, many techniques for coating the surface of diamond grains with a material having a coefficient of thermal expansion larger than that of diamond have been proposed so far. For example, it is carried out for the purpose of improving the bondability between the diamond grain and the binder or the plating film for fixing the diamond grain, reducing the dropout of the abrasive grain, and improving the life of the tool. Even with these methods, compressive stress is generated in the diamond grains as a result, but it cannot be said that the effect is fully exhibited.
特許文献1には、メタルボンドダイヤモンド工具について、金属系ボンド材との結合力が改善されたダイヤモンド砥粒を得る目的で、(1)密閉容器内にダイヤモンド粉末並びにチタン、ジルコニウム、クロム、モリブデン、タングステン、バナジウムから選ばれる1種以上の遷移金属、及びハロゲン物質を充填した後600℃以上に加熱し、(2)上記遷移金属とハロゲンとの反応によって該金属のハロゲン化物を形成して上記ダイヤモンド粒子の表面に到達せしめ、(3)ダイヤモンド表面で上記ハロゲン化物を分解せしめる一方、該分解によって遊離した該遷移金属とダイヤモンドとを反応せしめることにより、炭化物被覆ダイヤモンド粉末を製造する方法が提案されている。
また、特許文献2には、ダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素などの超砥粒工具について、超砥粒層を形成するための焼結時に熱の影響による超砥粒の劣化を防止する目的で、超砥粒の表面を金属炭化物で被覆するが、この金属炭化物被覆超砥粒の製造方法において、反応室内の温度を所定の温度まで上昇させ、前記反応室内の雰囲気を減圧した状態で、前記反応室内に超砥粒を保持する第1のステップと、超砥粒を保持する前記反応室内に、少なくとも金属を含む原料ガスを導入する第2のステップと、前記原料ガスを前記反応室内に所定の時間保持する第3のステップと、前記原料ガスを保持するステップの後、前記反応室内を排気し、減圧した状態にする第4のステップとを備え、前記第2、第3および第4のステップを繰返すことにより、金属炭化物被覆超砥粒を製造する方法が提案されている。
Further,
また、特許文献3には、金属層をダイヤモンド基体と強固に固着させる目的で、安定な炭化物を形成しうる金属と、低融点金属との組み合わせによる混合物または合金を、ダイヤモンド砥粒または砥粒の集合体に接して配置し、加熱によって生じた溶融合金の層をダイヤモンドの表面に形成し、同時に、またはさらに昇温することにより、金属被覆ダイヤモンド砥粒を製造する方法が提案されている。
Further, in
また、特許文献4には、ダイヤモンドを金属等の異種材料と強固に接合するための接合層をダイヤモンド表面に形成する目的で、ダイヤモンドの表面を容器内に入った金属粉末に接触させるように配置し、前記ダイヤモンド及び前記金属粉末が入った前記容器内を真空にし、前記金属粉末がダイヤモンド表面に金属炭化物層を形成可能な温度以上でかつ前記金属粉末の融点以下で加熱することにより、ダイヤモンド表面に金属炭化物層を形成する方法が提案されている。
Further, in
上述のように、ダイヤモンド工具を用いた加工に関しては、加工品質の向上とともに、加工コストや工具製造コストの低減が求められている。こうした要望に対して、ダイヤモンド工具の摩耗要因を改善することで、工具の寿命が延び、加工品質を向上させることができる。上記の特許文献1から4では、ダイヤモンド粒表面にダイヤモンドより熱膨張係数が大きい材料を被覆させる方法であるため、ダイヤモンド粒に圧縮応力がかかり、摩耗要因の中のダイヤモンド砥粒の欠損性が改善される可能性がある。
As described above, regarding machining using a diamond tool, it is required to improve the machining quality and reduce the machining cost and the tool manufacturing cost. By improving the wear factor of the diamond tool in response to such a demand, the life of the tool can be extended and the processing quality can be improved. In
しかし、特許文献1については、ヨウ素などのハロゲンを用いて金属をダイヤモンドへ化学移送させる方法であるため、金属の腐食性が激しく、有毒であるハロゲンガスを処理するための装置が必要であり、製造コストが高くなってしまう問題がある。また、この方法では炭化物層の厚さが炭素の拡散速度に依存するため、炭化物層を厚くするには時間がかかり、製造コストの面で課題がある。
However,
特許文献2についても、四塩化チタンなどを含むハロゲン化合物ガスを用いる方法であるため、特許文献1と同様に装置などの設備にコストがかかってしまう。
Since
特許文献3については、金属を融点以上に加熱する方法であるため、溶融させた後にダイヤモンド粒と金属を分離することは極めて困難であり、実用化及び製造コストの面で課題がある。
Since
特許文献4については、ダイヤモンドと金属の接合性を改善する目的で金属炭化物層を形成させる方法であるため、ダイヤモンドに付与する圧縮応力が十分とはいえず、改善効果の点で課題がある。
Since
以上に示したように、上記の特許文献はいずれも技術的な課題やコスト面の課題を有しており、加工品質の面でも十分とはいえない。 As shown above, all of the above patent documents have technical problems and cost problems, and cannot be said to be sufficient in terms of processing quality.
本発明は、以上のことを鑑み、耐欠損性を備えるとともに低コストで製造することができる工具用ダイヤモンド粒及びその製造方法を提供するためになされたものである。 In view of the above, the present invention has been made to provide diamond grains for tools which have fracture resistance and can be manufactured at low cost, and a method for manufacturing the same.
本発明に係る工具用ダイヤモンド粒は、平均粒径が1μm〜1000μmのダイヤモンド粒と、前記ダイヤモンド粒の表面に形成されたチタン炭窒化物からなる被膜とを有する工具用ダイヤモンド粒であって、前記被膜は、銅ターゲットを用いたX線回折による回折線のピーク位置が、炭化チタンのミラー指数(220)でのピーク位置と窒化チタンのミラー指数(220)でのピーク位置との間に存在している。 The diamond grain for a tool according to the present invention is a diamond grain for a tool having a diamond grain having an average particle size of 1 μm to 1000 μm and a coating film made of titanium nitride formed on the surface of the diamond grain. In the coating film, the peak position of the diffraction line by X-ray diffraction using the copper target exists between the peak position at the Miller index (220) of titanium carbide and the peak position at the Miller index (220) of titanium nitride. ing.
本発明に係る工具用ダイヤモンド粒の製造方法は、真空排気と加熱が可能な容器内に平均粒径が1μm〜1000μmのダイヤモンド粒の周囲を平均粒径が1μm〜4000μmのチタン粒で囲むように接触させて混合した混合体を配置して当該容器内を真空に保ちながら当該混合体をチタン粒の融点より低い温度で加熱して当該ダイヤモンド粒の表面にチタンを移着させる移着工程と、前記移着工程の加熱状態を継続しつつ前記容器内に窒素を導入して窒素雰囲気中とすることで前記ダイヤモンド粒の表面にチタン炭窒化物からなる被膜を形成する窒化工程とを備える。 In the method for producing diamond grains for tools according to the present invention, the diamond grains having an average particle size of 1 μm to 1000 μm are surrounded by titanium grains having an average particle size of 1 μm to 4000 μm in a container capable of vacuum exhaust and heating. A transfer step of arranging a mixed mixture that has been brought into contact with each other and heating the mixture at a temperature lower than the melting point of the titanium grains while keeping the inside of the container in a vacuum to transfer titanium to the surface of the diamond grains. It is provided with a nitriding step of forming a film made of titanium carbonitride on the surface of the diamond grains by introducing nitrogen into the container and creating a nitrogen atmosphere while continuing the heated state of the transfer step.
本発明に係る別の工具用ダイヤモンド粒の製造方法は、真空排気と加熱が可能な容器内に平均粒径が1μm〜1000μmのダイヤモンド粒の周囲を平均粒径が1μm〜4000μmのチタン粒で囲むように接触させて混合した混合体を配置して当該容器内を真空に保ちながら当該混合体をチタン粒の融点より低い温度で加熱して当該ダイヤモンド粒の表面にチタンを移着させる移着工程と、移着工程で処理した移着ダイヤモンド粒のみを取り出して雰囲気加熱が可能な容器内に当該移着ダイヤモンド粒を配置して窒素雰囲気中で加熱することで前記ダイヤモンド粒の表面にチタン炭窒化物からなる被膜を形成する窒化工程とを備える。 In another method for producing diamond grains for tools according to the present invention, a diamond grain having an average particle size of 1 μm to 1000 μm is surrounded by titanium grains having an average particle size of 1 μm to 4000 μm in a container capable of vacuum exhaust and heating. A transfer step of arranging the mixed mixture in contact with each other and heating the mixture at a temperature lower than the melting point of the titanium grains while keeping the inside of the container in a vacuum to transfer titanium to the surface of the diamond grains. Then, by taking out only the transferred diamond grains treated in the transfer step, arranging the transferred diamond grains in a container capable of heating the atmosphere and heating in a nitrogen atmosphere, titanium carbonitride on the surface of the diamond grains. It includes a nitriding step of forming a film made of a material.
さらに、上記の製造方法において、前記移着工程及び前記窒化工程では、加熱温度が700℃以上1000℃以下に設定される。 Further, in the above manufacturing method, the heating temperature is set to 700 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower in the transfer step and the nitriding step.
本発明では、ダイヤモンド粒の表面にチタン炭窒化物からなる被膜が形成された耐欠損性を固めた高品質の工具用ダイヤモンド粒を得ることができ、また、ダイヤモンド粒表面へのチタンの移着工程及び移着されたチタンの窒化工程により簡単に低コストで高品質の工具用ダイヤモンド粒を製造することが可能となる。 In the present invention, it is possible to obtain high-quality tool diamond grains having a film made of titanium carbonitride formed on the surface of the diamond grains and having hardened fracture resistance, and transfer of titanium to the surface of the diamond grains. The process and the nitrided titanium nitriding process make it possible to easily produce high quality tool diamond grains at low cost.
以下、本発明に係る実施形態について詳述する。本発明に係る工具用ダイヤモンド粒は、ダイヤモンド粒の表面を複数種類の材料からなる被膜で被覆することで、複数種類の材料間に発生する圧縮応力を利用して、ダイヤモンド粒の耐欠損性を高めようとするものである。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail. In the diamond grain for a tool according to the present invention, the surface of the diamond grain is coated with a coating film made of a plurality of types of materials, and the compressive stress generated between the plurality of types of materials is utilized to improve the fracture resistance of the diamond grain. It is something that is going to be enhanced.
本発明に使用するダイヤモンド粒としては、平均粒径1μm〜1000μmのものが工具用としては好ましい。こうしたダイヤモンド粒は、通常入手可能なものを用いることができる。ダイヤモンド粒の形状は、用途に応じて様々な形態のものを用いることができ、特に限定されない。 As the diamond grains used in the present invention, those having an average particle size of 1 μm to 1000 μm are preferable for tools. As such diamond grains, those usually available can be used. The shape of the diamond grain can be various and is not particularly limited depending on the intended use.
ダイヤモンド粒の表面に形成される被膜に用いる材料としては、熱膨張差などによりダイヤモンドと被覆材料の界面に生成する高い応力にも耐えられるような密着性と強度を持つ材料が好ましい。高い密着性は、ダイヤモンドと被覆材料の間に化学的な反応層を形成することで得られる。そのような材料には、高硬度な炭化物系の材料を形成するものが好ましく、例えばチタン、ジルコニウム、ハフニウム、タングステン、モリブデン、タンタルなどの材料及びこれらを含む合金材料が挙げられる。この中で、チタンは、他の金属よりも融点が低くダイヤモンドとの密着性が高いため好ましい。チタンは、スポンジチタンや粒状のチタン等の様々な形態のものを用いることができる。チタン粒を用いた場合、チタン粒のサイズは、平均粒径が1μm〜4000μmのものを用いることが好ましい。 As the material used for the coating film formed on the surface of the diamond grain, a material having adhesion and strength capable of withstanding the high stress generated at the interface between the diamond and the coating material due to the difference in thermal expansion or the like is preferable. High adhesion is obtained by forming a chemical reaction layer between the diamond and the coating material. Such materials preferably form a carbide-based material having a high hardness, and examples thereof include materials such as titanium, zirconium, hafnium, tungsten, molybdenum, and tantalum, and alloy materials containing these. Among these, titanium is preferable because it has a lower melting point than other metals and has high adhesion to diamond. As the titanium, various forms such as sponge titanium and granular titanium can be used. When titanium particles are used, it is preferable to use titanium particles having an average particle size of 1 μm to 4000 μm.
チタン金属をダイヤモンド粒の表面に移着した場合、チタン金属とダイヤモンドとの界面に近い部分に炭化チタンが形成されるが、一般に、炭化チタンに比べて炭窒化チタンの方が硬度すなわち強度が高く、また熱膨張係数が高いため被膜の材料として好ましく、より強い圧縮応力が生じると考えられる。具体的には、炭化チタンについては、硬度16GPaで熱膨張係数7.8×10-6/℃で、炭窒化チタンについては、硬度18GPaで熱膨張係数8.1×10-6/℃である。 When titanium metal is transferred to the surface of diamond grains, titanium carbide is formed near the interface between the titanium metal and diamond, but in general, titanium nitride has a higher hardness, that is, strength than titanium carbide. In addition, since it has a high coefficient of thermal expansion, it is preferable as a coating material, and it is considered that stronger compressive stress is generated. Specifically, titanium carbide has a coefficient of thermal expansion of 7.8 × 10 -6 / ° C at a hardness of 16 GPa, and titanium carbide has a coefficient of thermal expansion of 8.1 × 10 -6 / ° C at a hardness of 18 GPa. ..
ダイヤモンド粒表面に形成されるチタン炭窒化物からなる被膜は、ダイヤモンド粒表面に形成された炭化チタンからなる被膜を窒素雰囲気中において加熱処理して生成することができる。 The film made of titanium carbide formed on the surface of diamond grains can be formed by heat-treating the film made of titanium carbide formed on the surface of diamond grains in a nitrogen atmosphere.
チタン金属の融点は製造方法や不純物の含有率や形態によって多少異なるが、チタン金属の融点より500℃以上低い温度でも、化学的駆動力によりチタン金属とダイヤモンドとの接触部分を介してチタン金属がダイヤモンド表面へ拡散して表面を覆うように被膜が形成され、ダイヤモンド表面を処理することができる。具体的には、700℃〜1000℃の加熱温度で加熱処理すれば、スポンジチタンや粒状チタンなどの幅広い種類のチタンを用いて炭化チタンからなる被膜を形成することができる。 The melting point of titanium metal differs slightly depending on the manufacturing method and the content and form of impurities, but even at a temperature 500 ° C or more lower than the melting point of titanium metal, the titanium metal can be generated through the contact portion between the titanium metal and diamond by chemical driving force. A film is formed so as to diffuse to the surface of the diamond and cover the surface, and the surface of the diamond can be treated. Specifically, if heat treatment is performed at a heating temperature of 700 ° C. to 1000 ° C., a film made of titanium carbide can be formed using a wide variety of titanium such as sponge titanium and granular titanium.
チタン金属をダイヤモンド表面に移着して炭化チタンからなる被膜を形成した後、容器内へ窒素ガスを供給して窒素雰囲気中とすることで移着したチタンは窒化されて、ダイヤモンド粒の表面にチタン炭窒化物からなる被膜が形成された工具用ダイヤモンド粒が得られる。加熱温度は、チタン移着時の加熱温度と同じである必要はないが、選択される温度範囲は移着時と同様に700℃から1000℃に設定することが好ましい。 After the titanium metal is transferred to the surface of the diamond to form a film made of titanium carbide, the transferred titanium is nitrided to the surface of the diamond grains by supplying nitrogen gas into the container to create a nitrogen atmosphere. A diamond grain for a tool having a film formed of titanium carbonitride can be obtained. The heating temperature does not have to be the same as the heating temperature at the time of titanium transfer, but the selected temperature range is preferably set to 700 ° C. to 1000 ° C. as at the time of transfer.
粒子状のチタンを用いた場合には、チタンの種類に応じて加熱温度を適切に設定することで、チタン粒同士またはチタン粒とダイヤモンド粒とが強固に接着し合うことがなくなり、被覆処理後の工具用ダイヤモンド粒とチタン粒とを容易に分離することができる。 When particulate titanium is used, by setting the heating temperature appropriately according to the type of titanium, the titanium grains or the titanium grains and the diamond grains do not adhere firmly to each other, and after the coating treatment. The diamond particles for tools and the titanium particles can be easily separated.
生成されたチタン炭窒化物は、X線回折で確認することができ、回折線の分布が炭化チタン及び窒化チタンの各回折ピークの間に中間相として連続的に現れる。具体的には、銅ターゲットを用いたX線回折実験において、炭化チタンの回折角2θ=60.448°及び窒化チタンの回折角2θ=61.812°とすると、回折線の分布が両者の回折角の間の範囲において、チタン炭窒化物の生成を確認することができる。具体的には、炭化チタン及び窒化チタンの回折線の分布において強度が最大値となるそれぞれのピーク位置の間にピーク位置が存在する場合にチタン炭窒化物の生成を確認することができる。回折線のピーク位置に基づいてチタン炭窒化物の存在を確認するためには、回折線のミラー指数を(hkl)=(220)に設定することで炭素等の他のピーク位置と離して確実にピーク位置を確認することができる。したがって、回折線のピーク位置が、炭化チタンのミラー指数(220)でのピーク位置と窒化チタンのミラー指数(220)でのピーク位置との間に存在することで、チタン炭窒化物の存在を特定することが可能となる。 The produced titanium carbonitride can be confirmed by X-ray diffraction, and the distribution of the diffraction lines appears continuously as an intermediate phase between the diffraction peaks of titanium carbide and titanium nitride. Specifically, in an X-ray diffraction experiment using a copper target, if the diffraction angle of titanium carbide is 2θ = 60.448 ° and the diffraction angle of titanium nitride is 2θ = 61.812 °, the distribution of the diffraction lines will be the same. The formation of titanium carbide can be confirmed in the range between the diffraction points. Specifically, it is possible to confirm the formation of titanium carbonitride when the peak position exists between the peak positions where the intensity becomes the maximum value in the distribution of the diffraction lines of titanium carbide and titanium nitride. In order to confirm the presence of titanium carbonitride based on the peak position of the diffraction line, the Miller index of the diffraction line is set to (hkl) = (220) to ensure that it is separated from other peak positions such as carbon. The peak position can be confirmed. Therefore, the peak position of the diffraction line exists between the peak position at the Miller index (220) of titanium carbide and the peak position at the Miller index (220) of titanium nitride, thereby preventing the presence of titanium carbonitride. It becomes possible to identify.
次に、本願発明に係る工具用ダイヤモンド粒の製造方法について説明する。図1は本発明を実施するための製造装置の概略構成図である。石英管等のチャンバ3には、排気バルブ8を介して真空排気装置5が接続されており、また窒素供給バルブ7を介して窒素ボンベ9が接続されている。真空排気装置5との間の接続管には圧力逃し弁10が取り付けられている。チャンバ3の周囲には加熱装置6が取り付けられており、チャンバ3全体を所定の加熱温度となるように加熱処理するようになっている。ダイヤモンド粒1及びチタン粒2の混合体12はアルミナ製のるつぼ4内に収容されて、チャンバ3内に配置される。
Next, a method for manufacturing diamond grains for tools according to the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a manufacturing apparatus for carrying out the present invention. A
混合体12は、ダイヤモンド粒1及びチタン粒2が均一に混ざり合っており、ダイヤモンド粒1の周囲をチタン粒2が囲むように接触させている。ダイヤモンド粒1は、断面5角形状に形成されたものを用いているが、板状などの別の形状のダイヤモンド粒でも同様に処理可能である。また、異なる形状のダイヤモンド粒を同時に処理することも可能である。チタン粒2は、不純物を含んでいる場合には融点が変化することが考えられるが、処理に影響はなく幅広い種類のチタンを用いることができる。混合体12を配置するるつぼ4は、加熱温度以上の耐熱性を有し、混合体12へ加熱による拡散が起こりにくい特性を有する材質であれば、アルミナ以外の他の材質でもよい。チャンバ3についても、真空排気が可能で、加熱温度以上の耐熱性を有していれば、アルミナなどの他の材質で構成することもでき、特に限定されない。
In the
混合体12をチャンバ3内に配置した後、排気バルブ8を開いて真空排気装置5を動作させてチャンバ3内を排気する。圧力領域はできるだけ高真空が好ましいが、実用的には0.01Pa以下程度であればよい。排気動作中は窒素供給バルブ7は閉じた状態に設定しておく。
After arranging the
チャンバ3内を所定圧力となるまで排気した後、加熱装置6によりチャンバ3を加熱して混合体12を所定の加熱温度で加熱してチタンのダイヤモンド粒表面への移着工程が行われる。加熱温度は、ダイヤモンド粒表面にチタンが移着する温度である700℃以上が好ましい。一方、加熱によりチタン粒2が融解すると互いに固着してしまい、混合体12からダイヤモンド粒1が分離できなくなることから、チタンの融点より低い加熱温度とすることが望ましく、具体的には加熱温度を1000℃以下に設定することが好ましい。1000℃以下の加熱温度では、チタンの形態によって異なるが、様々な種類のチタンに対して融解等が生じないように処理することができる。加熱温度及び加熱時間は、生成される炭化チタンの被膜の厚さや性質に応じて設定することができる。
After the inside of the
次に、加熱装置6による加熱を継続して行いながら、窒素供給バルブ7を開いてチャンバ3内に窒素ボンベ9から窒素を供給すると同時に排気バルブ8を閉じ、チャンバ3内を窒素雰囲気に設定し、混合体12を窒素雰囲気下で加熱する。チャンバ3内が窒素で満たされた後も、窒素の供給を継続するとよい。加熱温度は、真空中の加熱処理と同じ温度に設定する必要はないが、チタンの移着及び融解を考慮して700℃〜1000℃に設定することが好ましい。加熱温度及び加熱時間は、生成されるチタン炭窒化物の被膜の厚さや性質に応じて設定することができる。
Next, while continuously heating by the
その後、加熱装置6による加熱動作を停止して混合体12を冷却する。冷却後、窒素供給バルブ7を閉じてチャンバ3内から混合体12を取り出し、混合体12からチタン粒2を分離して工具用ダイヤモンド粒を得る。図2は、工具用ダイヤモンド粒に関する模式断面図である。工具用ダイヤモンド粒14は、ダイヤモンド粒1の表面にチタン炭窒化物からなる被膜13が形成されている。チタンの移着処理では、真空中における表面拡散の化学的駆動力を利用しており、チタンの融点まで加熱温度を上げていないので、処理後の混合体12から工具用ダイヤモンド粒を分離する際には、ふるい等で簡単に行うことができる。
After that, the heating operation by the
次に、上述した製造方法の変形例について説明する。図1に示す製造装置を使用して、上述した手順と同様に混合体12をチャンバ3内に配置して真空中で加熱した後、一旦加熱装置6の加熱動作を停止して混合体12を冷却する。冷却後、窒素供給バルブ7を開いて窒素ボンベ9から窒素を導入しチャンバ3内の気体を置換して混合体12を取り出す。なお、冷却後のチャンバ内3の気体の置換では、図1に示す製造装置に別途ガス導入口を接続して大気や不活性ガス等を導入して置換するようにしてもよい。
Next, a modified example of the above-mentioned manufacturing method will be described. Using the manufacturing apparatus shown in FIG. 1, the
取り出した混合体12をふるい等を使ってチタン粒2と分離して、ダイヤモンド粒1を取り出す。ダイヤモンド粒1の周囲にはチタン移着層が形成されており、表面が炭化チタンからなる被膜が形成されている。図3は、処理したダイヤモンド粒に関する模式断面図である。ダイヤモンド粒1の周囲にチタン移着層15が形成された移着ダイヤモンド粒16が得られる。
The removed
得られた移着ダイヤモンド粒16を再度るつぼ4内に収容し、チャンバ内3に配置した後、排気バルブ8を開いて真空排気装置5を動作させてチャンバ3内を排気する。所定の圧力となるまで排気した後、窒素供給バルブ7を開いて窒素ボンベ9からチャンバ3内に窒素を導入すると同時に排気バルブ8を閉じ、チャンバ3内を窒素雰囲気にする。長時間窒素を導入するなどしてチャンバ3内を窒素雰囲気にすることが可能であれば、窒素導入前の排気は行わなくてもよい。チャンバ3内を窒素雰囲気にした後も窒素の導入を継続したまま、移着ダイヤモンド粒16を加熱装置6で加熱する。加熱温度は、真空中の加熱処理と同じ温度に設定する必要はないが、チタンの移着及び融解を考慮して700℃〜1000℃に設定することが好ましい。加熱温度及び加熱時間は、生成されるチタン炭窒化物の被膜の厚さや性質に応じて設定することができる。
The obtained transferred
その後、加熱装置6による加熱動作を停止して処理した工具用ダイヤモンド粒を冷却する。冷却後、窒素供給バルブ7を閉じてチャンバ3内から工具用ダイヤモンド粒を取り出して、図2に示すものと同様の工具用ダイヤモンド粒を得る。
After that, the heating operation by the
以下、実施例について説明する。 Hereinafter, examples will be described.
[実施例1]
図1に示す製造装置を用いて工具用ダイヤモンド粒を製造した。まず、チャンバ(株式会社藤原製作所製)内に市販のアルミナるつぼを配置し、チタン粒(株式会社高純度科学研究所製;平均粒径600μm〜2000μm)及びダイヤモンド粒(トーメイダイヤ株式会社製;平均粒径500μm)を重量割合6:1で均一に混合した混合体をアルミナるつぼ内に投入した。混合体をセットした後、排気バルブを開いて真空排気装置(アルバック機工株式会社製)を動作させチャンバ内を0.002Pa以下の圧力になるまで排気し、加熱装置(株式会社アサヒ理化製作所製)で500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃、950℃及び1000℃の各温度まで加熱し、そのまま60分間保持した。
[Example 1]
Diamond grains for tools were manufactured using the manufacturing apparatus shown in FIG. First, a commercially available alumina crucible is placed in a chamber (manufactured by Fujiwara Seisakusho Co., Ltd.), and titanium grains (manufactured by High Purity Science Laboratory Co., Ltd .; average particle size 600 μm to 2000 μm) and diamond grains (manufactured by Tomei Diamond Co., Ltd .; average). A mixture in which particles having a particle size of 500 μm) were uniformly mixed at a weight ratio of 6: 1 was put into an alumina crucible. After setting the mixture, open the exhaust valve and operate the vacuum exhaust device (manufactured by ULVAC Kiko Co., Ltd.) to exhaust the inside of the chamber until the pressure becomes 0.002 Pa or less, and the heating device (manufactured by Asahi Rika Seisakusho Co., Ltd.). The mixture was heated to temperatures of 500 ° C., 550 ° C., 600 ° C., 650 ° C., 700 ° C., 750 ° C., 800 ° C., 850 ° C., 900 ° C., 950 ° C. and 1000 ° C. and held as it was for 60 minutes.
その後、各加熱温度で加熱を継続しながら、窒素供給バルブ開いて窒素ボンベ(宇野酸素株式会社製)からチャンバ内に窒素を導入すると同時に排気バルブを閉じ、チャンバ内を窒素雰囲気にした。その後も窒素の導入を継続しながら、各加熱温度で、そのまま60分間保持して窒化処理した。 After that, while continuing heating at each heating temperature, the nitrogen supply valve was opened to introduce nitrogen into the chamber from a nitrogen cylinder (manufactured by Uno Oxygen Co., Ltd.), and at the same time, the exhaust valve was closed to create a nitrogen atmosphere in the chamber. After that, while continuing the introduction of nitrogen, the nitriding treatment was carried out by holding the nitrogen at each heating temperature for 60 minutes.
その後、加熱装置の加熱動作を停止して炉冷し、チャンバ内が100℃以下まで低下した後、窒素の導入を止め、チャンバ内からアルミナるつぼを取り出し、チタン粒とダイヤモンド粒のふるい分けを行って処理ダイヤモンド粒を得た。700℃以上で処理した処理ダイヤモンド粒は、いずれも表面が金色と灰色の混合色を呈しているのに対し、650℃以下で処理した処理ダイヤモンド粒では、色の変化はなかった。 After that, the heating operation of the heating device was stopped to cool the furnace, the temperature inside the chamber dropped to 100 ° C or less, the introduction of nitrogen was stopped, the alumina crucible was taken out from the chamber, and titanium grains and diamond grains were screened. Treated diamond grains were obtained. All of the treated diamond grains treated at 700 ° C. or higher had a mixed color of gold and gray on the surface, whereas the treated diamond grains treated at 650 ° C. or lower did not change in color.
[実施例2]
次に、実施例1のダイヤモンド粒に代えて超硬合金基板(三菱マテリアル株式会社製)に厚さ約15μmのダイヤモンド膜をコーティングした板状ダイヤモンドを用いて実施例1と同様の製造装置により処理した。
[Example 2]
Next, instead of the diamond grains of Example 1, a plate-shaped diamond coated with a diamond film having a thickness of about 15 μm on a cemented carbide substrate (manufactured by Mitsubishi Materials Corporation) was used and treated by the same manufacturing apparatus as in Example 1. bottom.
チャンバ内にアルミナるつぼを配置し、板状ダイヤモンドをチタン粒の中に埋め込んだ混合体をアルミナるつぼに収容した。配置後、排気バルブを開いて真空排気装置を動作させチャンバ内を0.002Pa以下の圧力になるまで排気し、加熱装置でチャンバ内が850℃になるまで加熱し、そのまま60分間保持した。 An alumina crucible was placed in the chamber, and a mixture of plate-shaped diamonds embedded in titanium grains was housed in the alumina crucible. After the arrangement, the exhaust valve was opened to operate the vacuum exhaust device to exhaust the inside of the chamber to a pressure of 0.002 Pa or less, and the inside of the chamber was heated to 850 ° C. by a heating device and held as it was for 60 minutes.
その後、加熱を継続しながら、窒素供給バルブを開いて窒素ボンベからチャンバ内に窒素を導入すると同時に排気バルブを閉じ、チャンバ内を窒素雰囲気にした。その後も窒素の導入を継続して行いながら、加熱温度850℃を維持しながら、60分、120分および240分の各時間保持して窒化処理した。 After that, while continuing heating, the nitrogen supply valve was opened to introduce nitrogen into the chamber from the nitrogen cylinder, and at the same time, the exhaust valve was closed to create a nitrogen atmosphere in the chamber. After that, while continuing to introduce nitrogen, the nitriding treatment was carried out by maintaining the heating temperature at 850 ° C. for 60 minutes, 120 minutes and 240 minutes.
その後、加熱装置の加熱動作を停止して炉冷し、チャンバ内が100℃以下まで低下した後、窒素の導入を止め、チャンバ内からアルミナるつぼを取り出し、チタン粒の中から処理した板状ダイヤモンドを得た。処理した板状ダイヤモンドは、窒化処理の各処理時間のいずれも表面が金色と灰色の混合色を呈しており、実施例1の700℃以上で処理したダイヤモンド粒と同様であった。 After that, the heating operation of the heating device was stopped to cool the furnace, the temperature inside the chamber dropped to 100 ° C or less, the introduction of nitrogen was stopped, the alumina crucible was taken out from the chamber, and the plate-shaped diamond treated from the titanium grains was treated. Got The treated plate-shaped diamond exhibited a mixed color of gold and gray on the surface during each treatment time of the nitriding treatment, and was similar to the diamond grains treated at 700 ° C. or higher in Example 1.
処理した板状ダイヤモンドについて、X線回折装置(株式会社リガク製)を用いてX線回折データを測定した。測定では、銅ターゲットを用い、ミラー指数を(220)に設定した。図4は、処理した板状ダイヤモンドのX線回折データの解析結果を示すグラフである。グラフでは、縦軸に強度をとり、横軸に回折角2θをとり、測定したX線回折データのうち、炭化チタンと窒化チタンの(220)ピークが現われる回折角2θが61°付近のデータを示している。板状ダイヤモンドの表面には、60.448°に回折ピークを持つ炭化チタンと、61.812°に回折ピークを持つ窒化チタンの間にピーク位置が存在しており、チタン炭窒化物が生成されていることが確認された。 The X-ray diffraction data of the treated plate-shaped diamond was measured using an X-ray diffractometer (manufactured by Rigaku Co., Ltd.). In the measurement, a copper target was used and the Miller index was set to (220). FIG. 4 is a graph showing the analysis results of the X-ray diffraction data of the treated plate-shaped diamond. In the graph, the intensity is taken on the vertical axis and the diffraction angle 2θ is taken on the horizontal axis, and among the measured X-ray diffraction data, the data in which the diffraction angle 2θ where the (220) peak of titanium carbide and titanium nitride appears is around 61 °. Shows. On the surface of the plate-shaped diamond, a peak position exists between titanium carbide having a diffraction peak at 60.448 ° and titanium nitride having a diffraction peak at 61.812 °, and titanium carbonitride is generated. It was confirmed that
[実施例3]
次に、実施例2で用いた板状ダイヤモンドを用いて実施例2と同様に真空中で加熱処理した。その後、加熱装置の加熱動作を停止して炉冷し、チャンバ内を100℃以下まで低下させた後、窒素供給バルブを開いて窒素ボンベから窒素を導入しチャンバ内の気体を置換してアルミナるつぼを取り出し、チタン粒の間から板状ダイヤモンドを取り出した。
[Example 3]
Next, the plate-shaped diamond used in Example 2 was heat-treated in a vacuum in the same manner as in Example 2. After that, the heating operation of the heating device is stopped, the chamber is cooled, the temperature inside the chamber is lowered to 100 ° C. or less, and then the nitrogen supply valve is opened to introduce nitrogen from the nitrogen cylinder to replace the gas in the chamber and replace the alumina crucible. Was taken out, and the plate-shaped diamond was taken out from between the titanium grains.
取り出した板状ダイヤモンドは、チタン粒の色に似た灰色を呈しており、チタンがダイヤモンド表面に移着していることが確認された。 The plate-shaped diamond taken out had a gray color similar to the color of titanium grains, and it was confirmed that titanium had been transferred to the diamond surface.
移着した板状ダイヤモンドについて、実施例2と同様にX線回折を行った。図5は、移着した板状ダイヤモンドのX線回折データの解析結果を示すグラフである。ダイヤモンド表面には、60.448°に回折ピークを持つ炭化チタンと同じ回折角にピークが現れており、炭化チタンが形成されていることが確認された。 The transferred plate-shaped diamond was subjected to X-ray diffraction in the same manner as in Example 2. FIG. 5 is a graph showing the analysis results of the X-ray diffraction data of the transferred plate-shaped diamond. On the diamond surface, a peak appeared at the same diffraction angle as titanium carbide having a diffraction peak at 60.448 °, and it was confirmed that titanium carbide was formed.
その後、チャンバ内に配置したアルミナるつぼの中に再度移着した板状ダイヤモンドを収容した。そして、排気バルブを開いて真空排気装置を動作させチャンバ内を排気し、0.002Pa以下の圧力に低下したところで窒素供給バルブを開いて窒素ボンベからチャンバ内に窒素を導入すると同時に排気バルブを閉じ、チャンバ内を窒素雰囲気にした。窒素の導入を継続したまま、加熱装置でチャンバ内を850℃、950℃及び1000℃になるまで加熱し、そのまま240分保持した。 Then, the relocated plate-shaped diamond was housed in an alumina crucible placed in the chamber. Then, the exhaust valve is opened to operate the vacuum exhaust device to exhaust the inside of the chamber, and when the pressure drops to 0.002 Pa or less, the nitrogen supply valve is opened to introduce nitrogen into the chamber from the nitrogen cylinder and at the same time close the exhaust valve. , The inside of the chamber was made into a nitrogen atmosphere. While the introduction of nitrogen was continued, the inside of the chamber was heated to 850 ° C., 950 ° C. and 1000 ° C. with a heating device, and kept as it was for 240 minutes.
その後、加熱装置の加熱動作を停止して炉冷し、チャンバ内が100℃以下まで低下した後、窒素の導入を停止し、アルミナるつぼから処理した板状ダイヤモンドを取り出した。 Then, the heating operation of the heating device was stopped, the temperature was cooled to 100 ° C. or lower, the introduction of nitrogen was stopped, and the treated plate-shaped diamond was taken out from the alumina crucible.
処理した板状ダイヤモンドについて、実施例2と同様にX線回折を行った。図6は、処理した板状ダイヤモンドのX線回折データの解析結果を示すグラフである。グラフからは、実施例2と同様に、ダイヤモンド表面には、60.448°に回折ピークを持つ炭化チタンと、61.812°に回折ピークを持つ窒化チタンの間にピーク位置が存在しており、チタン炭窒化物が形成されていることが確認された。 The treated plate-shaped diamond was subjected to X-ray diffraction in the same manner as in Example 2. FIG. 6 is a graph showing the analysis result of the X-ray diffraction data of the treated plate-shaped diamond. From the graph, as in Example 2, a peak position exists on the diamond surface between titanium carbide having a diffraction peak at 60.448 ° and titanium nitride having a diffraction peak at 61.812 °. , It was confirmed that titanium carbide nitride was formed.
1・・・ダイヤモンド粒、2・・・チタン粒、3・・・チャンバ、4・・・アルミナるつぼ、5・・・真空排気装置、6・・・加熱装置、7・・・窒素供給バルブ、8・・・排気バルブ、9・・・窒素ボンベ、10・・・圧力逃がし弁、12・・・ダイヤモンド粒及びチタン粒の混合体、13・・・チタン炭窒化物からなる被膜、14・・・工具用ダイヤモンド粒、15・・・チタン移着層、16・・・移着ダイヤモンド粒 1 ... Diamond grain, 2 ... Titanium grain, 3 ... Chamber, 4 ... Alumina pot, 5 ... Vacuum exhaust device, 6 ... Heating device, 7 ... Nitrogen supply valve, 8 ... Exhaust valve, 9 ... Nitrogen cylinder, 10 ... Pressure relief valve, 12 ... Mixage of diamond grains and titanium grains, 13 ... Coating made of titanium carbonitride, 14 ...・ Diamond grains for tools, 15 ... Titanium transfer layer, 16 ... Transfer diamond grains
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