JPH0230667A - 超微粒子からなるダイヤモンド焼結体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、粉体のダイヤモンドを衝撃に伴って発生する
超高圧、高温によって、介在物を含まずに焼結してなる
高硬度、高靭性のダイヤモンド焼結体およびその製造法
に関する。

（従来の技術） 従来ダイヤモンドを含む焼結体は主に２種類の製造方法
が知られていた。一つはダイヤモンド粉にＣｏ、　Ｎｒ
等の金属を添加してプレスによって静的超高圧を発生し
、ヒーターで同時に高温を発生させて金属の介在下に焼
結したダイヤモンド焼結体で、焼結体中に金属を含むた
めにその焼結体を切削工具として利用する場合に金属が
ダイヤモンドに比べて弱いため、その性能に限界がある
ことが知られている。もう一つの方法は、何も添加して
ないダイヤモンド粉を金属製カプセルに収め、その外部
から主として爆薬の爆発によって発生する超高圧を直接
伝えるか、爆薬の爆発などによって発生する超高圧を受
けて高速で飛躍する金属板を衝突させることにより、ダ
イヤモンド粉を圧縮成形して介在物なしに焼結する方法
である。例えばＡｋａｓｈ　ｉとＳａｗａｏｋａ　はＪ
ｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　５ｃｉｅｎｃ
ｅ（材料化学誌：雑誌名邦訳）の第２２巻３２７６真に
、２−４μｍと１０−２０μｍの２種の粒度範囲を持っ
た単結晶ダイヤモンド粉に９０Ｇ　Ｐａの衝撃を負荷し
、ダイヤモンドの真密度に対して８８．５％と９１．０
％の相対密度の焼結体を得たと報告している。また、吉
川、日中、青水及び藤原は、第２回ダイヤモンドシンポ
ジウム講演要旨集昭和６２年１２月１４．１５日開催）
２５頁に、５−７μ擢、０．５−１μｍ１〇−０，５μ
ｍの３種の粒度分布を有する試料の衝撃圧力を負荷して
焼結体を得たとしているが、その硬度値やその他の焼結
体の性質については報告されてな（、硬度にばらつきが
多く、圧痕の測定できないものも多く、特にＯ−０，５
μ−の粒度範囲のものではダイヤモンドのグラファイト
化が顕著であったと報告している。

（発明が解決しようとする課題） しかし、上記方法による場合、５００ｎｍ以下のダイヤ
モンド粒子が存在すると、超高圧を負荷するのと同時に
発生する高圧によって、それらが黒鉛化し、ダイヤモン
ド焼結体特存の高硬度が得られず、５００ｎｍ以上のダ
イヤモンド粒子のみによって焼結しなければならず、好
ましくは、数μｍ以上の粒子を使用あることが適当とさ
れていた。５００ｎａ＋以上の粒子を焼結原料として使
用した場合には上記の黒鉛化による問題を発生し難くな
るが、概して三つの問題が発生する。

一つは大きなダイヤモンド粒子を原料として使用すると
、当然粒子間の空隙も大きくなる。従って粒子同士を強
固に結合するためには、その大きな空隙を埋めるだけの
大きな変形をダイヤモンド粒子に与えなければならない
。原理的にはダイヤモンド粒子の高い硬度、従って高い
変形抵抗にうちかつ高い圧力をかけて粒子同士を密着さ
せ、その際同時に発生ずる高温を利用して接合すれば良
い訳であるが、周知のようにダイヤモンドは脆性材料で
あり、衝撃で処理する場合にはダイヤモンド粒子を貫通
する亀裂の発生が避けられない。反面、−旦亀裂が発生
しても、高圧、高温によって再度結合されることが期待
できるが、全部の亀裂が再結合されることは殆ど無く、
亀裂のまま残存して焼結体の強度を低くする結果を有す
る。

二番目の問題は、一番目の問題を解決するために高い圧
力を負荷することによって発生する問題である。即ち、
高い圧力を負荷することによって、ダイヤモンド粒子の
集合体は強く圧縮されて断熱的に温度上昇するが、高い
圧力をかければかけるほど温度も高くなるために、好ま
しくない温度に達し、その結果黒鉛化を避けるために粒
子径を大きくしたのが逆に働いて黒鉛化を助長し、必要
な焼結体硬度が維持できなくなることになる虞れが大き
い。

三番目の問題は、上記の問題を解決して焼結体が出来た
とした場合の問題である。良く知られた事実として、ダ
イヤモンドは（１１１）面に襞間面を有する。即ち（１
１１）面に平行な応力を加えることによって、ダイヤモ
ンドは容易にその面に沿って割れる。よって、天然、合
成を問わず、一つの単結晶ダイヤモンドをそのまま工具
に使用する場合、主な応力が（１１１）面に平行な方向
にかからないように配慮しなければならない。しかし、
どのように注意しても、工具として使用する場合は各方
向の応力が負荷されることは当然であり、襞間による単
結晶ダイヤモンド工具の破壊は謂わば宿命的なものとさ
れている。それを避けるために、多数の粒子を無作為に
配置して焼結し、強固な一体の焼結体として工具に利用
されている訳であるが、焼結体ダイヤモンドの微細な構
造を見ると個々の粒子は単結晶であり、それぞれ相変ら
ず襞間性を有している。そのため、工具として切削や線
引き、掘削等に使用される場合、局所に集中的かつ衝撃
的な応力がかかるため、個々の粒子の強度が問題となっ
てきて、襞間性が現われる結晶格子（１１１）面に近い
角度で粒子に応力が負荷されると容易にその粒子が損傷
を受けて破損し、場合によっては隣接したダイヤモンド
粒子に次々に亀裂を伝播させ、焼結体損耗を早める。要
するに、ランダムな方向で配列焼結した焼結体であって
も、微視的に見れば単結晶の集まりであるので、その欠
点が残っていると云う問題があり、解決されていない。

（課題を解決するための手段） 発明者らは、前項の問題を解決するために多くの理論的
、実質的検討を進め、本発明に到達した。

まず、前項の三つの問題点のそれぞれについて、各個に
検討し対策を考える。

（１）大きな粒子を使用するために空隙が大きくなり、
そのため強い衝撃をかける必要が生じ、亀裂が発生して
しまうことに対しては、基本的には原料として使用する
ダイヤモンド粒子径を小さくすることと、亀裂の発生し
難いダイヤモンド粒子を使用することで対処可能である
。

（２）前項により、おおきな粒子を使用しないことによ
って、強い衝撃をかける必要がなくなり、より弱い衝撃
をかけることによって焼結できるようになるため、必要
以上の高温が発生して、焼結体強度の維持に有害な黒鉛
化が発生することはなくなる。無論余りにも微細な粒子
を使用すると、焼結時に粒全体が選択的に高温になるこ
とによって有害な黒鉛化が発生し、必要な硬度が得られ
なくなるが、前項に記載したように５００ｎｍ以上の粒
子を使用することによって黒鉛化は最低限に止めること
ができる。また、各種の実験によって、ダイヤモンド粒
子を貫通する亀裂を最低限に抑えるためには、無論それ
だけは従来の技術による焼結体と変らないので、次項に
述べる対策が必要になってくる。

（３）前記２項により、従来の技術でも衝撃強度を充分
に吟味すれば、有害な黒鉛化を最低限に抑えて工具材料
として使用可能な焼結体を作れる可能性もないことが分
かった。しかし、個々のダイヤモンド粒子が単結晶とし
ての性質を焼結体になってからも保持していることにな
る問題はそれらによっては対処できない。結論としては
、単結晶のダイヤモンド粒子を使用する限りはその問題
は避けられないことである。従って発明者らは爆薬の爆
発に伴う超高圧や、火薬銃あるいは二段式軽ガス銃また
は電気的方法によって発射された金属または弾丸が衝突
する際に発生する衝撃超高圧によって合成されたダイヤ
モンド（以後衝撃合成ダイヤモンドとする）が、多結晶
質であることに着目し、それを通常の単結晶ダイヤモン
ドに混合して焼結原料に用いることによって、単結晶の
ダイヤモンド粒子のみを焼結した場合に発生する問題を
解決し、事実上焼結体内に結晶上の方向性を伴わないた
めに、天然、合成を問わず単結晶で一体のダイヤモンド
を有する襞間性を全く伴わず、また、従来の焼結体ダイ
ヤモンドよりはるかに優れた耐摩耗性、耐衝撃性を有す
るダイヤモンド焼結体が得られることを見出したもので
ある。衝撃合成ダイヤモンドが多結晶質であると云う意
味は、個々の寸法が非常に微細な単結晶粒子（一次粒子
と称する）が多数集って一つの粒子（二次粒子と称する
）をかたち作っていることを意味し．一次粒子の寸法は
１０ｍｍから１１００ｎ　、二次粒子の寸法は数１０口
―から数１００　μ鴨まであることが知られている。

１００　ｎｍ以下の寸法の一次粒子の集ってできた二次
粒子を事実上介在物なしに焼結した場合、焼結体は全て
１００ｎａ＋以下の単結晶が無作為に配置されて一体と
なっていることになり、１００ｎ−以下の極く微細な単
結晶の場合、襞間性は全く問題にならない。従って、衝
撃合成ダイヤモンドを原料として焼結体を作った場合、
方向性が全くない、全体が等質である理想的なダイヤモ
ンドが得られる。また、衝撃合成ダイヤモンドと通常の
単結晶ダイヤモンドを混合して焼結原料に用いると、単
結晶ダイヤモンドが多結晶ダイヤモンドと混在すること
によって、一つの単結晶ダイヤモンド粒子が損傷を受け
ても、隣り合った多結晶ダイヤモンド粒子がそれぞれ食
上めることによって、破損を最小限度に止める効果を発
揮することが分かった。更に、従来の単結晶ダイヤモン
ドを使用して衝撃焼結したダイヤモンド焼結体が、原料
ダイヤモンド粉末の粒子径が　５００ｎｍ以上でないと
良好な焼結体が得られなかったのに対して、本発明によ
る衝撃合成ダイヤモンドと通常の単結晶ダイヤモンドを
混合して焼結原料に用いて、衝撃によって焼結したダイ
ヤモンド焼結体は、衝撃合成ダイヤモンドの粒子寸法が
　５００ｎｍ未満でも、１１００ｎ以上あれば充分に優
れた性能の焼結体が得られることが判明した。その際、
１００ｎｒａ未溝のダイヤモンド粒子を１％以上含むと
、それが衝撃負荷時または圧力が常圧近くに低下しても
残留する高温のために、優先的に黒鉛化して、ダイヤモ
ンド焼結体の硬度を低下させることが判明した。尚、本
発明で云う粒子寸法、または粒子径の径とは、粒子の最
大と最小の部分の平均寸法を云うものとする。

また、本発明による超微粒子を含むダイヤモンド焼結体
は、極く微量のダイヤモンドが高温によって転換した黒
鉛を含むが、これは不定型の衝撃合成ダイヤモンドの表
面の一部で突出した部分が局部的にダイヤモンド不安定
領域の高温にさらされた結果生じたものと考えられる。

本来、黒鉛は固体潤滑材として用いられる程軟らかく、
高硬度と高強度を求めるダイヤモンド焼結体中に存在す
ることは好ましくないと考えられていた。しかし、非常
に微細な組織をもった本発明によるダイヤモンド焼結体
の場合は、後に述べる程の量が存在する程度であれば従
来の静的超高圧による市販ダイヤモンド焼結体より優れ
た性能を発揮し、殆ど問題ではなく、むしろ本発明によ
るダイヤモンド焼結体の特徴と考えられる。

（発明の効果） 本発明による焼結体は、衝撃合成ダイヤモンドと通常の
単結晶ダイヤモンドを混合して焼結原料に用いて衝撃に
よって焼結した、単結晶ダイヤモンドが多結晶ダイヤモ
ンドと混在することによって、一つの単結晶ダイヤモン
ド粒子が損傷を受けても、隣り合った多結晶ダイヤモン
ド粒子がそれを食い止めることによって、破損を最小限
度に止める効果を有するもので、切削工具、ダイス、掘
削工具、耐摩耗材として、従来のダイヤモンド工具材料
である、天然、合成の単結晶ダイヤモンド、単結晶ダイ
ヤモンドを原料とした焼結ダイヤモンドを有する襞間性
を事実上官していない全く新しい優れた焼結体である。

（実施例） 次に本発明を実施例によって説明する。

裏旌■上 第１図の断面図に示すような試料容器で、外径２５１１
１１１、高さ３０ｍの円柱形のＳＵＳ　３０４ステンレ
ス鋼製で、直径１２ａａｓ、深さ２７１１１１１１の試
料室を有し、試料室入口部分に深さ１２ｍｍにわたって
雌ねじ溝を有するカプセル部１の内部に爆発衝撃によっ
て合成した、粒子数で９９％以上の粒子径寸法が２００
　ｎｍから５００ｎｍの範囲にあるダイヤモンドを３５
％と静的超高圧によって合成した粒子数で９５％以上が
１μｍから３μｍの範囲にある単結晶ダイヤモンドを混
合した焼結原料２を充填し、同じ（ＳＯ５３０４鋼製の
高さ２２ｍｍで直径１２ｍｍで、側面の一方の端に長さ
１０■にわたって雄ねじを有する蓋３をねし溝を利用し
て締め込んだ。Ｍ３には直径１胴の真空引き用の穴４を
予め開けてあり、ダイヤモンドを封入した後に、１０−
　’　ｔｏｒｒの真空炉中で４００°Ｃ，４時間保持し
て吸着した酸素を除去した。酸素の除去作業を終了して
から、真空引き用の穴は真空中で銀蝋によって封止して
内部の真空を保持した。

封入したダイヤモンドの量は１．３２ｇで、かさ比重は
２．３３ｇ　／ｃｄとなり、ダイヤモンドの真比重とさ
れる値の約６６．４％に相当する。

同様にして合計４個のカプセルを用意し、第２図の断面
図に示すＳＳ　４１鋼製のモーメンタムトラップと称す
る、直径８０ｍｍ、厚さ３０ｍａ＋の円板の平面上の直
径４５鵬の同心円上に等間隔で４個の直径２５目の平面
に直角な穴を設けた試料収納部５と、外径１２０ｍｍ、
内径８０ｍｍ、厚さ３０ＩＩＩＩＩｌのリング６と、直
径１２０　ｒｍ、厚さ３０＋ｎｍの円板７を組合せたも
の、直径２５１１Ｉ１１の穴に、カプセルの蓋３が下の
方に位置するようにしてカプセルを詰め、全体を深さ１
２０閣、直径２００　ｍｍの蓋のないポリプロピレン製
容器８に充填した粘土９中に、試料収納部５の側を上に
して埋め込んだ０次に爆発消音装置中の水１０を満たし
た鋼製の槽１１の上に木板１２を渡して、その試料など
からなる構成１３を槽の中央に位置するようにして載せ
、更に厚さ３．２　ｗＳ１５０圓角の５Ｓ４１鋼板１４
の中央部に比重１．６４ｇ／ｃｎで爆発速度９．０００
ｍ／ｓｅｃの爆薬１５を厚さ３０ｍｍ、直径１２０　ｍ
の円板状に成形したものを載せ、鋼板１４の底面と構成
１３の上面が平行でかつ距離が３０ｍになるように鋼板
１４の四隅に高さ３０ｍ、幅３０ｍ５＋、厚さ１５鴫の
木片１６を配置して置いた。更に爆薬の上面に平面波発
生装置１７を載せ、それに６号電気雷管１８を装着して
通電し、爆薬１５を鋼板１４の平面に平行な爆轟波面で
爆発させた。爆発によって、爆薬１５の下面の鋼板１４
は下方に高速で飛ばされ、構成１３の上面に平行に２．
８　Ｋｍｌｓｅｃの速度で衝突した。その際に鋼板１４
と構成１３の表面のＳＯＳ　３０４ステンレス鋼の衝突
面に発生した圧力を計算した所、？１．８ＧＰａ　　（
約７３万気圧）であった。

鋼板が衝突した構成１３は、槽１１内に満たされた水ｌ
Ｏの中に打ち込まれ、槽１１の底から回収された。

構成１３のうち、試料収納部５とリング６はばらばらに
破壊されていたが、カプセルｌは蓋３を備えたまま、変
形は認められたがほぼ原形を保って回収された。

回収したカプセル１の蓋３の反対側の端を、充填したダ
イヤモンドの表面が露出するまで旋盤を用いて切削バイ
トによって切削した処、ダイヤモンドは全体が強固に結
合した焼結体になっていた。

得られたダイヤモンド焼結体の表面を５−１０μ−の粒
度範囲を有するダイヤモンドペーストで研磨し、マイク
ロビッカース硬度試験が可能な程度の平滑さに仕上げて
から荷重１ｋｇｆでマイクロビッカース硬度を測定した
ところ、衝撃波の入射側の面で平均４，８３０　ｋｇｆ
／ｍｍ”　　（ｎ　＝１２）　、反対側の面で平均６，
３２０　ｋｇｆ／ｍｍ”（ｎ　＝１２）の値が得られた
。

アルキメデス法によって得られた焼結体の密度を測定し
たところ、３．２９ｇ／ｃｄで、ダイヤモンドの真密度
とされる値３．５１ｇ／ｃｆｆｌの９３．７％であった
。

ダイヤモンド焼結体の表面をＸ線回折試験によって検査
したところ、円板の上下面共に広い回折角にわたって僅
かな黒鉛の存在が認められた。

直径的１２ｍｍ、厚さ約３．５Ｍの焼結体をレーザーで
十文字に切断して、−辺が約５．８　ｍｍで頂角９０”
の扇状のチップとし、１２．７μｍ角で長さが１５０　
ｔｒｎの鋼製の柄の長手の端に！Ｉ！Ｊｉでダイヤモン
ド焼結体を包み込んで取り付け、切削試験用のバイトと
した。対象試験用として、市販の静的超高圧焼結による
Ｃｏを含むダイヤモンド焼結体によって、同様なバイト
を作成した。

一方、−Ｃ粉９２−ｔχとＣｏ粉８ｗｔχを混合、成形
した後９００℃１時間の焼成で仮焼体とした直径約１０
０閣、長さ約２５０ｆｆｌの円柱を、本発明によるダイ
ヤモンド焼結体を取り付けたバイトで切削した。切削条
件は、周速５５−３Ｏｎ＋／　１Ｉｉｎ　、切込み０．
３−０．５　ｔｒｍ、送り０．２　ｍ／ｒｅｖとした。

その結果、延べ２時間の切削でやや切れ味が低下したの
で試験を終了した。

焼結体の刃先を倍率２０倍の実体顕微鏡で調べたところ
、先端が摩耗によって０．２８Ｍ後退していた。

次に同様な切削試験を、市販の静的超高圧焼結によるＣ
ｏを含むダイヤモンド焼結体を取り付けたバイトで実施
した。その結果、切削を開始してから１３分後に刃先が
欠損して以後の切削試験は実施できなくなった。

北較■土 実施例１の実験を繰り返した。ただし、充填したダイヤ
モンドは、静的超高圧で溶融触媒を用いて合成した。個
々のダイヤモンド粒子は単結晶のものとした。また、ダ
イヤモンドの粒子寸法は、全部の粒子の９９％以上が２
５０ｎｍから５００ｎｍの範囲に含まれるものとし、実
施例１と同寸法のカプセルに１．１８ｇが充填できた。

この場合のかさ比重は２．０８ｇ／ｃｉｆｆとなり、ダ
イヤモンドの真比重とされる値の約５９．４％に相当す
る。

回収されたカプセルを実施例１と同様にして切削し、ダ
イヤモンド部分を露出した処、ダイヤモンドは一見強固
に焼結されたように見受けられた。

実施例１と同様にしてマイクロビッカース硬度を測定し
たところ、衝撃波の入射側の面で平均３．７１０　ｋｇ
ｆ／ｒｍ”（ｎ　−１２）　、反対側の面で平均４．９
２０ｋｇｆ／ｍａ＋”（ｎ　＝１２）の値が得られた。

また、ダイヤモンド焼結体の表面をＸ線回折試験によっ
て検査したところ、円板の上下面共に広い回折角度にわ
たって黒鉛の（００２）面の回折を示すピークが認めら
れ、僅かな黒鉛の存在が示唆されたが、その回折ピーク
の高さをダイヤモンドの（１１１）　ピークの高さで割
った値は、実施例１のものが０．０３であったのに対し
て０．１８あり、黒鉛化度がより高いことを示していた
。マイクロビッカース硬度が実施例１のものより低かっ
たのも、そのためと考えられる。

次に実施例１と同様にしてダイヤモンド焼結体による切
削試験用バイトを製作し、同様な切削試験をおこなった
。その結果、バイト先端は切削開始後８分で欠損し、静
的超高圧焼結による市販ダイヤモンド焼結体より劣って
いた。

裏施炭にｉ 実施例１の実験を繰り返した。ただし、使用したダイヤ
モンドの粒子寸法と種類及び鋼板が試料ダイヤモンドを
収納したカプセル表面に衝突する速度について、各種の
組合せを作って試みた。その条件及び結果を表１に示す
。尚、表中の充填率とは、ダイヤモンドの真比重を３．
５１５ｇ／ｃ４として、ダイヤモンド粒子を充填した際
のかさ比重を真比重で除した値を１００分率で示したも
のである。また、発生圧力は、鋼板とステンレスカプセ
ルの衝突面に発生する圧力値である。

衷

【図面の簡単な説明】

第１図は試料を収納するカプセルを説明するための図、 第２図は試料を衝撃処理して回収するためのモーメンタ
ムトラップと回収容器の断面図である。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．一次粒子径が１００ｎｍから１０ｎｍで、二次粒子
   径が１００ｎｍから５０μｍまでの多結晶ダイヤモンド
   粉５５乃至９５％と、粒子径が１μｍ以上で１０μｍ以
   下の事実上単結晶のダイヤモンド粉９５％が乃至５％が
   混合されて、不可避不純物を除く他の物質を介さずに直
   接に接合されており、実質的に一体となっていることを
   特徴とするダイヤモンド焼結体。
2. ２．請求項１に規定するダイヤモンド焼結体において、
   その密度が８５％以上であることを特徴とするダイヤモ
   ンド焼結体。
3. ３．請求項１または２に規定するダイヤモンド焼結体に
   おいて、ダイヤモンド中に微量の黒鉛が含まれることを
   特徴とするダイヤモンド焼結体。
4. ４．請求項１ないし３のいずれかに規定するダイヤモン
   ド焼結体の製造方法において、一次粒子径が１００ｎｍ
   から１０ｎｍで、二次粒子径が１００ｎｍ以上５０μｍ
   未満の多結晶ダイヤモンド粉を５体積％以上９５体積％
   以下含み、残部のダイヤモンド粉の最大径が１０μｍ以
   下である焼結原料ダイヤモンド粉を金属製カプセルに封
   入し、爆薬の爆発や火薬銃あるいは二段式軽ガス銃また
   は電気的方法によって発射された金属板または弾丸を、
   ＳＵＳ３０４ステンレス鋼同士の衝突条件に換算した場
   合、１．８Ｋｍ／ｓｅｃ以上の速度で衝突させて高圧高
   温を発生させて焼結することを特徴とする直接焼結ダイ
   ヤモンド焼結体の製造方法。
5. ５．請求項４に規定するダイヤモンド焼結体の製造方法
   において、焼結原料の多結晶ダイヤモンド粉が、一次粒
   子径が１００ｎｍから１０ｎｍで、二次粒子径が１００
   ｎｍ以上で５０μｍ未満である衝撃超高圧によって合成
   した多結晶ダイヤモンドであることを特徴とするダイヤ
   モンド焼結体の製造方法。
6. ６．請求項４または５に規定するダイヤモンド焼結体の
   製造方法において、焼結原料のダイヤモンド粉が天然ダ
   イヤモンド、静的超高圧によって合成したダイヤモンド
   の何れかまたは両方からなるものであることを特徴とす
   るダイヤモンド焼結体。