JPH0128094B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

現在、非鉄金属、プラスチツク、セラミツクの
切削用、伸線ダイス用、ドレツサー用、ドリルビ
ツト用途にダイヤモンドの含有量が容積で70％を
越した焼結体が市販されている。これらのダイヤ
モンド焼結体は多結晶体であるので天然ダイヤモ
ンドの如くへき開による欠損がなく、一部の用途
では好評を博している。 しかし、ダイヤモンド焼結体には次のような欠
点がある。通常、ダイヤモンド焼結体はダイヤモ
ンド粒度が大きい程、その耐摩耗性が良好となる
のでセラミツク切削、ドレツサー、ドリルビツト
の如く硬質物質の加工にはダイヤモンド粒度の大
きい焼結体が使用される。一方、非鉄金属等の切
削は良好な面粗度の要求される場合が多く、刃立
性が良くなければならないためダイヤモンド粒度
の細かい焼結体が使用されるが、Al−高Si合金
の如く、硬質粒子が多量に含有される金属切削で
は刃先が摩耗し、充分な性能を発揮できない場合
がある。また前述した如く、ダイヤモンド焼結体
においてはダイヤモンド粒度が粗くなるほど耐摩
耗性は向上する反面、加工が困難となる。ダイヤ
モンド焼結体はダイヤモンド砥石による研削加工
かあるいは放電加工の如く、電気化学的な加工方
法が用いられるが、ダイヤモンド粒子が粗くなる
と研削加工のみならずダイヤモンド粒子は絶縁体
であるため放電加工も困難となる。 本発明はこれらの問題点を解決したダイヤモン
ド焼結体に関するものである。 ダイヤモンド焼結体は通常ダイヤモンドとこれ
を溶解しうるFe、Ni、Co、を用いてダイヤモン
ドが安定な超高温高圧下で製造されるが、この製
造過程でダイヤモンド粒子同志が互いに接合して
焼結される。このためダイヤモンド粒子は主とし
てダイヤモンド粒子との直接結合により保持され
ている。本発明者等は切削用ダイヤモンド焼結体
の摩耗状態を調べるためAl−高Si合金の如く、
硬質物質を多量に含んだ被削材を用いて切削テス
トを行い刃先の摩耗状態を観察した。その結果ダ
イヤモンド粒子が摩耗するよりも、むしろダイヤ
モンド粒子が脱落して摩耗していた。この焼結体
の耐摩耗性を改善するにはダイヤモンド粒子の保
持力を向上させる必要があり、ダイヤモンド粒子
同志の結合部（以下ダイヤモンドスケルトン部と
称す）を強固にせねばならないと考えられる。 ダイヤモンド焼結体において、ダイヤモンドス
ケルトン部を発達させ、さらにダイヤモンド含有
量を増すことに関する発明は既に米国特許第
4268276号に記載されている。この特許はダイヤ
モンド粒子として硼素を均一に分散したダイヤモ
ンド粒子を用いて焼結体を製造することに関する
特許で、硼素を分散したダイヤモンド粒子は塑性
変形しやすく通常のダイヤモンド粒子を焼結する
条件より低温低圧で焼結することが可能であり、
ダイヤモンドスケルトン部も発達することが述べ
られている。本発明者等は、この特許に記載され
ていることについて確認テストを行つたところ、
緻密でダイヤモンドスケルトン部が発達したダイ
ヤモンド焼結体を得ることができた。このダイヤ
モンド焼結体を用いて切削用のバイトを作成し、
Al−25％Si合金を切削した結果、ダイヤモンド
粒子の脱落は減少したもののダイヤモンド粒子の
摩耗量が増大するという問題があつた。特に硼素
を均一に分散させた粒度の粗いダイヤモンド粒子
を用いて焼結体を作成し、岩石を切削した場合、
ダイヤモンド粒子の摩耗に顕著な差が現われた。
硼素を均一に含有したダイヤモンドは
USP4268276に記載されている如く、塑性変形し
やすいため、ダイヤモンド粒子の緻密化に対して
は有利であるが、ダイヤモンド粒子の耐摩耗性か
らみれば硼素を含有しないダイヤモンド粒子より
劣るものと考えられる。 本発明者等はダイヤモンド粒子の耐摩耗性を低
下させることなく、ダイヤモンドスケルトン部の
強固な焼結体を得るため鋭意研究を重ねた。その
結果、硼素を含有しないダイヤモンド粒子あるい
はこれに周期律表4a、5a、6aの炭化物を加えた
粉末を鉄族金属を触媒として焼結する際に微量の
硼素または硼化物を添加すれば、ダイヤモンドス
ケルトン部が大きく成長し、さらにダイヤモンド
スケルトン部と、ダイヤモンド粒子の周囲にの
み、硼素もしくは硼化物が存在した焼結体を得る
ことが可能であることが判明した。このダイヤモ
ンド焼結体を加工して切削用のバイトを作成し、
Al−25％Si合金を切削したところダイヤモンド
粒子の脱落は少なかつた。またダイヤモンド粒子
自体の耐摩耗性を調べるため粒度の粗いダイヤモ
ンド焼結体を作成し岩石を切削したが、硼素の含
有による耐摩耗性の低下はなかつた。 本発明焼結体が優れた耐摩耗性を有するのは、
次の如く考えられる。ダイヤモンド粒子の焼結は
超高圧高温下で鉄族金属等の触媒によるダイヤモ
ンドの溶解、析出現象により生じる。硼素または
硼素化合物を添加した場合、鉄族金属が低下する
のと、溶解析出速度が増すためダイヤモンドスケ
ルトン部が大きくなり、ダイヤモンド粒子の保持
力が向上したものと推測できる。またダイヤモン
ド粒子の焼結時にはダイヤモンドと触媒金属の接
触面でのみ溶解、析出現象が生じるため、硼素ま
たは硼化物はダイヤモンドスケルトン部及びダイ
ヤモンド粒子の周囲にのみしか存在せず、ダイヤ
モンド粒子自体の強度は低下しない。また本発明
の焼結体においては周期律表の4a、5a、6a族の
炭化物を結合材の一部として含有させることによ
り、ダイヤモンド焼結体の耐熱性を向上させるこ
とができる。これは結合材に炭化物が含有するこ
とにより結合材の熱膨張係数がダイヤモンドの熱
膨張係数に近くなるからであろう。本発明の焼結
体は耐摩耗性が優れるのみならず放電加工も可能
となるがこの原因は次の如く推定される。ダイヤ
モンド焼結体は前述しているようにダイヤモンド
粒子と触媒金属より成り立つているがダイヤモン
ド粒子が粗い場合、これは絶縁体であるため、こ
の部分で放電せず加工できない。ダイヤモンド粒
子に微量の硼素が含有されれば電導性を有するこ
とはUSP4268276記載されているが、本発明焼結
体はダイヤモンド粒子の周囲に電導性を有する層
が存在するため、触媒金属のみならずダイヤモン
ド粒子の表面でも放電し、加工することができる
ものと考えられる。 本発明におけるダイヤモンド粒子の含有量は重
量で70〜95％が好ましい。ダイヤモンドの含有量
が重量で70％未満であると焼結体の耐摩耗性は低
下し、95％を越えるとダイヤモンド焼結時に触媒
作用するFe、Ni、Co等の含有量が減少し、充分
に発達したダイヤモンドスケルトンを有する焼結
体を得ることができない。焼結体中に存在する硼
素または硼化物の含有量は焼結体中の重量で
0.005％〜0.15％が好ましい。硼素または硼化物
の含有量が0.005％未満であると、ダイヤモンド
スケルトン部の形成が遅く、またダイヤモンド焼
結体の放電加工性も低下する。一方硼素または硼
化物の含有量が0.15％を越すとダイヤモンドスケ
ルトン部やダイヤモンド粒子の周囲に多量の硼素
原子を含有した層が生じるためダイヤモンド焼結
体の耐摩耗性は低下する。硼化物としてはB₄C、
BN.B₂O₃鉄族金属の硼化物、周期律表4a、5a、
6a族の硼化物を用いることができる。本発明の
焼結体に使用するダイヤモンド原料は500μｍ以
下で合成ダイヤモンド、天然ダイヤモンドのいず
れでも良い。特にダイヤモンド焼結体の耐摩耗性
が必要な場合、ダイヤモンド粒子の粒度は2μｍ
以上が好ましい。一方500μｍ以上になると、ダ
イヤモンド粒子の外周部に硼素を含有した層が存
在しても、放電加工は困難となる。 本発明焼結体に使用する周期律表4a、5a、6a
族の炭化物としては、TiC、ZrC、HfC、VC、
NbC、TaC、WC（MoW）Ｃを用いることができ
る。炭化物とFe、Ni、Co、等の触媒金属の割合
いは少くとも焼結時に炭化物が固体として存在す
るだけの量は必要であり、例えばWCとCoを用い
た場合、WCとCoの量的割合は前者を重量で50％
以上含む必要がある。 本発明のダイヤモンド焼結体を製造するには、
原料とするダイヤモンド粒子と硼素あるいは硼化
物およびFe、Co、Ni、Crの触媒金属粉末あるい
はこれに炭化物を加えた粉末を均一にボールミル
等の手段を用いて混合する。また本発明者等の先
願（特願昭52−51381号）の如く、ボールミル時
のポツトとボールを混入する炭化物と鉄族金属の
焼結体で作成しておきダイヤモンド粉末と硼素あ
るいは硼化物を混合すると同時にポツトとボール
から炭化物と鉄族金属の焼結体の微細粉末を混入
せしめる方法もある。 混合した粉末を超高圧高温装置に入れ、ダイヤ
モンドが安定な条件下で焼結する。こときの使用
した触媒金属と硼素と炭素あるいはこれに炭化物
を加えたものの共晶液相出現温度以上で焼結する
必要がある。またダイヤモンド粉末と金属硼素あ
るいは硼化物の混合粉末またはこれに炭化物粉末
を加えた粉末を超高圧高温装置に入れ、焼結時に
外部よりFe、Ni、Co、Cr等の触媒金属を侵入さ
せてもよい。 本発明の焼結体の用途としては切削工具の他に
堀削工具ドレツサー及び伸線用ダイスにも使用で
きる。切削工具や堀削工具用途として使用する場
合、ダイヤモンド焼結体の靭性を向上させるため
超硬合金等の支持体に超高圧焼結中に接合させる
ことも可能である。また伸線用ダイスとして使用
する場合、特に高強度の線材を線引きするとき、
焼結ダイヤモンドダイス内面には高圧力が発生す
るが、ダイヤモンド焼結体の外径が小さく肉厚が
薄い場合は伸線中にダイヤモンド焼結体が縦方向
に割れることがある。このような場合はダイヤモ
ンド焼結体の外周を超硬合金の支持体で包囲して
ダイヤモンド焼結体の外周から予圧を加えること
により伸線中の縦割れを防止することが可能であ
る。 以下、実施例により具体的に説明する。 実施例 １ 粒度５〜12μと粒度２〜6μのダイヤモンド粒子
を３：１の割合いで混合した。このダイヤモンド
粉末とCo粉末及び金属硼素の粉末を重量比で
90：9.9：0.1に配合した後、Mo製の容器に詰め
超高圧高温装置を用いて先ず圧力を55Kb加え、
引続いて1400℃に加熱して10分間保持した。これ
らの焼結体を取出して組織観察したところダイヤ
モンド粒子同志はダイヤモンドスケルトン部を介
して強固に接合されていた。この焼結体を用い
て、切削用のバイトを作成した。なお比較のた
め、硼素を含有しない焼結体及び同じダイヤモン
ド粒度のもので、Ｂ原子を均一に含有したダイヤ
モンド焼結体も作成し、切削用バイトに仕上げ
た。これらのバイトを用いてAl−25％Siを速度
300ｍ／分で60分間切削した。切削テスト後のダ
イヤモンド焼結体の逃げ面摩耗巾V_Bを測定した
結果、本発明焼結体のV_Bは0.040mmであつたのに
対し、硼素を含有しない焼結体のV_Bは0.070mm硼
素を均一に含有したダイヤモンドを用いた焼結体
のV_Bは0.050mmであつた。 実施例 ２ 粒度100μｍのダイヤモンド粉末とB₄C粉末を重
量比で99.85：0.15の割合で混合した。この混合
粉末をMo製の容器に入れ、この上にNi−Cr板を
置き、この容器を超高圧高温装置に入れ、52Kb、
1380℃で10分間焼結した。この焼結体を取り出し
て観察したところ焼結中にNi−Crの液相が混合
粉末中に侵入してダイヤモンド同志を結合させて
いた。比較のため実施例１と同様に同じ粒度のダ
イヤモンド粒子でB₄C粉末を混合しなかつたも
の、及び硼素を均一に含有したダイヤモンド粒子
より成る焼結体を作成した。次に切削テスト用の
バイトを作成するため、これらの焼結体をワイヤ
放電切削機で加工しようとしたところ、本発明焼
結体及び硼素を均一に含有したダイヤモンド粒子
の焼結体は加工可能であつたが、硼素を含有しな
い焼結体の加工はできず、レーザー加工により切
断した。これらのバイトを用いて外径100mmの安
山岩を速度50ｍ／分、切り込み１mm、送り0.5
mm／回転、湿式で60分間切削した。切削後の逃げ
面摩耗巾V_Bを測定したところ、本発明焼結体は
0.15mmであつたのに対し、硼素を均一に含有した
ダイヤモンド粒子の焼結体のV_Bは0.30mm、硼素を
含有していないダイヤモンド焼結体のV_Bは0.40mm
であつた。 実施例 ３ 粒度300μのダイヤモンド粒子と粒度150μのダ
イヤモンド粒子を３：１に混合した。この混合粉
末とCo粉末とCo₃B粉末を容積比で92：7.9：0.1
に配合し、完成粉末とした。この完成粉末を実施
例１と同様にして、超高圧焼結を行つた。次にこ
の焼結体を放電加工機で加工し、ドレツサーに仕
立て、SiC系の砥石をドレツシングした。比較の
ため市販のドレツサー用途の焼結体についてもテ
ストしたところ、本発明焼結体は100回ドレツシ
ングして、0.05mm摩耗したのに対し、市販のドレ
ツサー用途の焼結体は0.15mm摩耗した。 また本発明焼結体の硼素の存在している個所を
IMA（イオンマイクロアナライザー）により調査
したところ、硼素はダイヤモンドスケルトン部と
ダイヤモンド粒子の外周部に存在しており、ダイ
ヤモンド粒子内には含有されていなかつた。 実施例 ４ 第１表に示す完成粉末を作成した。この混合粉
末を実施例１と同様にして超高圧焼結した。次に
これらの焼結体を加工して、切削工具用のバイト
を作成し、Al₂O₃セラミツクを速度50ｍ／分、切
込み0.5mm、送り0.3mm／回転、湿式で10分間切削
した。この結果も合わせて第１表に記す。

【表】 実施例 ５ 20〜30μダイヤモンド粒子、０〜1μダイヤモン
ド粒子、０〜1μWC・Ｂ粉末を重量比で70：20：
9.9：0.1に混合した。この混合粉末を超硬合金よ
り成る容器に充てんした後、Co板を置き、超高
圧高温装置を用いて、焼結した。 この焼結体を穴径0.250mmのダイスに加工し、
真ちゆうメツキされた鋼線（スチールコード）を
速度800ｍ／minで伸線した。 比較のため粒度20〜30μより成る市販のダイヤ
モンド焼結体のダイスも作成し、同時にテストし
た。本発明の焼結体は4.7t伸線できたのに対し、
市販の焼結体は1.5tしか伸線できなかつた。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 粒度500μｍ以下のダイヤモンド粒子が重量
   で70〜95％、硼素もしくは硼化物0.005〜0.15％
   含有し、残部がFe、Ni、Co、Crの一種または二
   種以上の合金より成り、硼素もしくは硼化物がダ
   イヤモンド粒子同志の結合部及びダイヤモンド粒
   子の外周部に存在することを特徴とする工具用ダ
   イヤモンド焼結体。 ２ ダイヤモンド粒子の粘度が２〜500μｍであ
   る特許請求の範囲第１項記載の工具用ダイヤモン
   ド焼結体。 ３ 粒度500μｍ以下のダイヤモンド粒子が重量
   で70〜95％、硼素もしくは硼化物を0.005〜0.15
   ％含有し、残部が粒度1μｍ以下の周期律表第4a、
   5a、6a族の炭化物とFe、Ni、Co、Crの一種また
   は二種以上の合金より成り、硼素もしくは硼化物
   がダイヤモンド粒子同志の結合部及びダイヤモン
   ド粒子の外周部に存在することを特徴とする工具
   用ダイヤモンド焼結体。 ４ ダイヤモンド粒子の粒度が２〜500μｍであ
   る特許請求の範囲第３項記載の工具用ダイヤモン
   ド焼結体。 ５ 粒度500μｍ以下のダイヤモンド粒子と硼素
   粉末または硼化物粉末を混合し、この混合粉末の
   上にFe、Ni、Co、Crの一種または二種以上の合
   金板を載置した後、固体圧力媒体を用いた超高圧
   高温装置を使用してダイヤモンドが安定な高温高
   圧下でFe、Ni、Co、Crの一種または二種以上の
   合金の液相をダイヤモンド粒子間に浸入させるこ
   とによりダイヤモンド粒子を焼結せしめることを
   特徴とする500μｍ以下のダイヤモンド粒子が重
   量で70〜95％、硼素もしくは硼化物0.005〜0.15
   ％含有し、残部がFe、Ni、Co、Crの一種もしく
   は二種以上の合金より成り硼素もしくは硼化物が
   ダイヤモンド粒子同志の結合部及びダイヤモンド
   粒子の外周部に存在する工具用ダイヤモンド焼結
   体の製造方法。 ６ ダイヤモンド粒子の粒度が２〜500μｍであ
   る特許請求の範囲第５項記載の工具用ダイヤモン
   ド焼結体の製造方法。 ７ 粒度500μｍ以下のダイヤモンド粒子、硼素
   粉末もしくは硼化物粉末、及びFe、Ni、Co、Cr
   の一種または二種以上の合金粉末を混合し、この
   混合粉末を固体圧力媒体を用いた超高圧高温装置
   を使用してダイヤモンドが安定な高温高圧下で焼
   結せしめることを特徴とする500μｍ以下のダイ
   ヤモンド粒子が重量で70〜95％、硼素もしくは硼
   化物0.005〜0.15％含有し、残部がFe、Ni、Co、
   Cr、の一種または二種以上の合金より成り、硼
   素もしくは硼化物がダイヤモンド粒子同志の結合
   部及びダイヤモンド粒子の外周部に存在する工具
   用ダイヤモンド焼結体の製造方法。 ８ ダイヤモンドの粒度が２〜500μｍである特
   許請求の範囲第７項記載の工具用ダイヤモンド焼
   結体の製造方法。 ９ 粒度500μｍ以下のダイヤモンド粒子と硼素
   粉末または硼化物粉末および周期律表第4a、5a、
   6a族の炭化物粉末を混合し、この混合粉末の上
   にFe、Ni、Co、Crの一種または二種以上の合金
   板を載置した後、固体圧力媒体を用いた超高圧、
   高温装置を使用して、ダイヤモンドが安定な高温
   高圧下でFe、Ni、Co、Crの一種または二種以上
   の合金の液相をダイヤモンド粒子間に浸入させる
   ことによりダイヤモンド粒子を焼結せしめること
   を特徴とする500μｍ以下のダイヤモンド粒子が
   重量で70〜95％、硼素もしくは硼化物0.005〜
   0.15％含有し、残部が粒度1μｍ以下の周期律表第
   4a、5a、6a族の炭化物とFe、Ni、Co、Crの一種
   または二種以上の合金より成り、硼素もしくは硼
   化物がダイヤモンド粒子同志の結合部及びダイヤ
   モンド粒子の外周部に存在する工具用ダイヤモン
   ド焼結体の製造方法。 １０ ダイヤモンド粒度が２〜500μｍである特
   許請求の範囲第９項記載の工具用ダイヤモンド焼
   結体の製造方法。 １１ 粒度500μｍ以下のダイヤモンド粒子硼素
   粉末もしくは硼化物粉末、周期律表第4a、5a、
   6a族の炭化物粉末及びFe、Ni、Co、Crの一種ま
   たは二種以上の合金粉末を混合し、この混合粉末
   を固体圧力媒体を用いた超高圧高温装置を使用し
   てダイヤモンドが安定な高温高圧下で焼結せしめ
   ることを特徴とする500μｍ以下のダイヤモンド
   粒子が重量で70〜95％、硼素もしくは硼化物
   0.005〜0.15％含有し、残部が粒度1μｍ以下の周
   期律表第4a、5a、6a族の炭化物及びFe、Ni、
   Co、Crの一種または二種以上の合金より成り、
   硼素もしくは硼化物がダイヤモンド粒子同志の結
   合部及びダイヤモンド粒子の外周部に存在するこ
   とを特徴とする工具用ダイヤモンド焼結体の製造
   方法。 １２ ダイヤモンド粒度が２〜500μｍである特
   許請求の範囲第１１項記載の工具用ダイヤモンド
   焼結体の製造方法。