JPH0368938B2

JPH0368938B2 -

Info

Publication number: JPH0368938B2
Application number: JP58136339A
Authority: JP
Inventors: Kazuhito Uehara; Ryo Yamaya
Original assignee: Toshiba Tungaloy Co Ltd
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 1983-07-26
Filing date: 1983-07-26
Publication date: 1991-10-30
Also published as: JPS6026624A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明のダイヤモンド焼結体の製造方法に関す
るものである。ダイヤモンド焼結体は、硬さが高く、耐摩耗性
に富み、かつ単結晶ダイヤモンドよりも靭性が高
く形状の自由度も大きいことから各種の切削工
具、線引ダイス、ドリルビツト、耐摩耗工具等に
利用されている。このように従来利用されている
ダイヤモンド焼結体の製造方法の例として、ダイ
ヤモンド粉末とダイヤモンドの接触作用及び溶媒
作用となる金属又は合金の粉末との混合粉末を高
温高圧下で焼結する方法が特公昭39−20483号に
開示されており、超硬合金の混合粉末又は焼結し
た超硬合金とダイヤモンド粉末とを接するように
設置して、これを高温高圧下で処理することによ
り、超硬合金から融液を浸透させてダイヤモンド
粉末を焼結させると共にダイヤモンドと超硬合金
を一体化させることが特公昭52−12126号に開示
されている。この内ダイヤモンド粉末とダイヤモ
ンドの接触作用及び溶媒作用となる金属又は合金
の粉末との混合粉末を高温高圧下で焼結する場
合、特に混合粉末中の金属又は号菊員の粉末が微
粉になればなる程、粉末の表面に物理的もしくは
化学的に吸着している酸素や水分等の高温でガス
となる物質が多くなり、これが高温高圧下での焼
結を困難にし、高硬度で均質な焼結体が得られな
くなるために前処理によつて脱ガスを行つたり、
焼結し難いために更に高温高圧での焼結を必要と
するという問題がある。又超硬合金とダイヤモン
ド粉末とを接するように設置して高温高圧下で焼
結してなる超硬合金とダイヤモンド粉末の結合し
てなる、ダイヤモンド焼結体は、超硬合金に含有
している鉄族金属が超硬合金とダイヤモンドとの
接合境界部分に集まつたり、ダイヤモンド層内全
体に拡散浸透しなかつたりするためにダイヤモン
ド粒子相互間の結合が低下して欠損し易いという
問題がある。本発明のダイヤモンド焼結体の製造方法は、上
記のような問題点を解決したもので、作業性及び
焼結性を容易にすると共に従来よりも低い圧力及
び温度で高硬度、高靭性のダイヤモンド焼結体を
得ることができる工業化し易い製造方法を提供す
るものである。即ち、本発明のダイヤモンド焼結
体の製造方法は、鉄族金属を主成分とする非晶質
合金からなる薄板状物体とこの薄板状物体に接す
るようにダイヤモンド含有粉末をZr又はMo等の
高融点金属箔板で作つて容器の中に詰めて設置
し、この容器を熱力学的ダイヤモンド安定領域内
又はダイヤモンド−黒鉛平衡線近傍の黒鉛安定領
域内でしかも容器内に詰めた薄板状物体がダイヤ
モンドと反応して溶融する高温高圧下に加圧加熱
することにより非晶質合金からなる薄板状物体を
ダイヤモンド含有粉末中に浸透させてダイヤモン
ド含有粉末粒子を相互に結合するダイヤモンド焼
結体の製造方法である。このような本発明のダイ
ヤモンド焼結体の製造方法にすると出発原料がダ
イヤモンドに対して触媒作用及び溶媒作用となる
鉄族金属を含有した金属又は合金を薄板状物体に
してダイヤモンド含有粉末に接触させた状態で超
高圧高温下にすると薄板状物体が粉末状態のもの
に比較して酸素及び水分等のガス成分となる物質
の吸着が著しく少なくなり、この薄板状物体を溶
融させてダイヤモンド含有粉末中に溶浸させるこ
とにより焼結過程でのダイヤモンドの黒鉛化を防
ぎしかも吸着物から発生するガスによる焼結性の
阻害も少なくなり、溶融した薄板状物体がダイヤ
モンド含有粉末中に容易に均質に溶浸してダイヤ
モンド含有粉末粒子の相互結合強度を高めるもの
である。出発原料としての薄板状物体が鉄族金属
を主成分とする非晶質合金であるために結晶質合
金に比べて活性化が高くダイヤモンドを溶解再析
出させるのに優れ、非晶質合金の組成が極めて均
質であるためにダイヤモンド含有粉末中への溶浸
が均一になつて緻密で高硬度靭性なダイヤモンド
焼結体が得られる。出発原料としての鉄族金属を
主成分とする非晶質合金からなる薄板状物体は、
特にFe、Ni、Coの第１群から選ばれた１種以上
65〜95原子％と残りＢ、Si、Ｃ、Ｐ、Geの第２
群から選ばれた１種以上とからなる非晶質合金で
あるか又はFe、Ni、Coの第１群から選ばれた１
種以上とTi、Zr、Hf、Ｖ、Nb、Ta、Cr、Mo、
Ｗ、Al、Mn、Be、Cuの第２群から選ばれた１
種以上との合計が70〜85原子％であつて、第１群
が第２群より原子比で多く残りＢ、Si、Ｃ、Ｐ、
Geの第３群から選ばれた１種以上とからなる非
晶質合金であるか更にはFe、Ni、Coの第１群か
ら選ばれた１種以上50〜95原子％と残り周期律表
の4a、5a、6a族金属及び稀土類金属の第２群か
ら選ばれた１種以上とからなる非晶質合金である
ことが望ましい。このような非晶質合金を出発原
料として使用するとダイヤモンドを融解再析出さ
せるのに優れていたり、従来では粉末状でしか得
られない成分でも均質な薄板状物体にしたり、融
点の低い共晶組成付近の組成にしたりできるため
にこ高温高圧下でダイヤモンド含有粉末に溶浸さ
せた場合焼結圧力及び温度の大巾な低下並びに得
られる焼結体の高硬度化、高靭性化、均質化が達
成されるものである。ここで使用する非晶質合金は、鉄族金属を主成
分とする合金系を非晶質化するのに必要な組成で
あると共に触媒作用と溶媒作用によりダイヤモン
ド粒子を溶解再析出させてダイヤモンド粒子を相
互に結合させ易くする組成であつて、これらの非
晶質合金のうち特に4a、5a、6a族金属等の炭化
物形成元素はダイヤモンド粒子間を埋める金属相
中に微細な炭化物として析出して金属相を強化し
たりダイヤモンド粒子の異常成長を抑制する働き
をし、Al、Si、Ｂ、Ti等わ高温高圧下で発生す
る酸素等のガスを取除くゲツターとしての作用を
すると共にダイヤモンド粒子相互間の焼結促進作
用もするものと考えられる。ここで述べている鉄
族金属を主体とする非晶質合金からなる薄板状物
体は、紙状のような箔から１〜２mm程度の薄板等
の板状になつていることが望ましく特にガス発生
成分の吸着が多い粉末状のものでなければ形状的
には本発明の構成を損うものではない。ダイヤモ
ンド含有粉末に浸透して高硬度高靭性で均質な焼
結体を得るのに必要な非晶質合金からなる薄板状
物体は、非晶質合金の組成、ダイヤモンド粉末の
粒度、得られる焼結体の用途にもよるがダイヤモ
ンドの30容積％以下にすることが望ましい。本発明のダイヤモンド焼結体の製造方法におい
て、出発原料としてのダイヤモンド含有粉末のみ
からなつていてもよく又は高密度相窒化硼素であ
るCBN、WBN、炭化硅素、窒化硅素、炭化硼素
並びに4a、5a、6a族金属の炭化物、窒化物、炭
窒化物、硼化物及びこれらの相互固溶体化合物の
中から選ばれた１種以上70容積％以下と残りダイ
ヤモンドとの混合粉末であつてもよく、もしくは
黒鉛粉末40容積％以下と残りダイヤモンド粉末と
の混合粉末にして黒鉛を高温高圧下でダイヤモン
ドに変換できるものでもよく更には40容積％以下
の非ダイヤモンド状炭素又は黒鉛でダイヤモンド
粉末の表面を被覆した被覆ダイヤモンド粉末であ
つてもよい。ここで述べた非ダイヤモンド状炭素
又は黒鉛とはダイヤモンドでない炭素又は黒鉛か
らダイヤモンドの特性に近い炭素又は黒鉛のもの
でも本発明の構成を損うものではなく、非ダイヤ
モンド状炭素又は黒鉛をダイヤモンド粉末の表面
に被覆する方法は、化学蒸着法又は物理蒸着法等
によつてダイヤモンド粉末の表面に非ダイヤモン
ド状炭素又は黒鉛を被覆する方法でもよく又はダ
イヤモンド粉末に熱処理等を行つてダイヤモンド
粉末粒子の表面を黒鉛化させたものでもよい。こ
のようにダイヤモンドと黒鉛の混合粉末又は非ダ
イヤモンド状炭素又は黒鉛で被覆されたダイヤモ
ンド粉末を使用すると鉄族金属を主成分とする非
晶質合金からなる薄板状物体の溶融を容易にする
と共に特に被覆されたダイヤモンド粉末の場合に
は薄板状物体が被覆されたダイヤモンド粉末粒子
の界面に浸透し易くなつてダイヤモンド粒子相互
間の結合強度の向上に寄与する。ダイヤモンドと
黒鉛の混合粉末並びに非ダイヤモンド状炭素又は
黒鉛で被覆されたダイヤモンド粉末を出発原料と
すると炭素又は黒鉛が高温高圧下でダイヤモンド
に変換され、ダイヤモンド粉末のみを出発原料と
した場合と同様のダイヤモンドと金属介在相から
なる焼結体を得ることができる。黒鉛又は炭素か
ら焼結中に変換されるダイヤモンドは一般に1μ
ｍ以下の微粒子になるので黒鉛の分布が均一でな
いと焼結体の粒度分布も不均一になり易い。又黒
鉛又は炭素から変換されるダイヤモンド特にダイ
ヤモンド粉末粒子表面に被覆された非ダイヤモン
ド炭素又は黒鉛から変換されるダイヤモンドは微
細で均一に分布しているために緻密な焼結体が得
られ易く、ダイヤモンド粒子相互間の結合強度も
高くなる。本発明のダイヤモンド焼結体の製造方法は、鉄
族金属を主成分とする非晶質合金からなる薄板状
物体とダイヤモンド含有粉末との組合せのみでな
く鉄族金属を主成分とする非晶質合金からなる薄
板状物体をＡと表示し、ダイヤモンド含有粉末を
Ｂと表示し、超硬合金はサーメツトからなる基体
をＣと表示したときZr、Mo等の高融点金属から
なる容器の中でＡとＢ及びＢとＣが互いに接する
か又はＢとＡ及びＡとＣが互いに接するように設
置して熱力学的ダイヤモンド安定領域内又はダイ
ヤモンド一黒鉛平衡線近傍の黒鉛安定領域内でし
かも非晶質合金からなる薄板状物体がダイヤモン
ドと反応して溶融する高温高圧下に加圧加熱する
ことにより非晶質合金からなる薄板状物体をダイ
ヤモンド含有粉末中に浸透させてダイヤモンド含
有粉末粒子を相互に結合させると共にダイヤモン
ド含有粉末と超硬合金又はサーメツトからなる基
体とを一体化した複合焼結体とすることもでき
る。このような複合焼結体からなるダイヤモンド
焼結体の製造方法は、これまでに述べてきたこと
が全て適用されるが特に鉄族金属を主体とする非
晶質合金からなる薄板状物体が紙状のような箔か
ら１〜２mm程度の薄板等の板状でも更にはスパツ
タ法等の物理蒸着法によつて超硬合金又はサーメ
ツトからなる基体の表面に薄膜状に被覆した非晶
質合金であつてもよい。ここで述べてきた高温高
圧下は、黒鉛一ダイヤモンド平衡線状態図におい
てダイヤモンドの安定領域又はダイヤモンド一黒
鉛平衡線近傍の黒鉛安定領域でしかも鉄族金属を
主体とする非晶質合金からなる薄板状物体とダイ
ヤモンドが反応して溶融する圧力温度範囲を現わ
し、具体的には圧力はおよそ40Kb〜55Kb、温度
はおよそ1000℃〜1600℃の範囲が好ましい。ここで本発明のダイヤモンド焼結体の製造方法
について実施例に従つて具体的に説明する。実施例１内径9.0肉厚0.15mmのZr製容器の中に８〜16μ
ｍのダイヤモンド粉末0.57ｇと直径9.0厚さ0.1mm
のNi基非晶質合金箔（Ni₅₁・Co₂₃・Cr₁₀・Mo₇・
Fe_5.5・B_3.5）３枚を重ねて詰めZr円板でフタをし
てなるカプセルを高圧容器内にセツトして45Kb
の圧力下で1350℃で15分保持した後、圧力は
45Kbに保つたまま1000℃以下に急冷し、しかる
後圧力、温度を常温・常圧まで下げ焼結体を取り
出した。得られた焼結体は直径約9.0厚み約2.5mm
で、クラツク等がなく、研摩して顕微鏡で観察し
た組織はダイヤモンド粒子が相互に結合しており
粒子の間隙には約10容積％の金属相が介在されて
いる均一な組織であつた。硬さはヌープ硬さで
6900であつた。実施例２内径11肉厚0.15mmのZr製円筒容器の中に直径
11厚さ1.2mmの超硬合金（WC−８％Co）基体と
１〜8μｍのダイヤモンド粉0.25ｇと直径11厚み
0.06mmのNi基非晶質合金箔（Ni₅₁・Co₂₃・Cr₁₀・
Mo₇・Fe_5.5・B_3.5）２枚をこの順序で重ねて詰
め、Zr製円板でフタをして成るカプセル２組を
高圧容器内にセツトして45Kbの圧力下で1350℃
で10分保持した後圧力は45Kbに保つたまま1000
℃以下に急冷し、しかる後圧力・温度を常圧・常
温まで下げて焼結体を取り出した。焼結体のダイ
ヤモンド層と超硬合金基体は強固に接着してお
り、ダイヤモンド層の組織は粒子が溶解・再析出
により互いに接合し、ダイヤモンド氏の間隙には
全体で６〜７容積％のNi基合金が介在している
均一な組織であつた。このダイヤモンド層の硬さ
はヌープ硬さで6700を示した。この複合焼結体を
ワイヤカツトにて切断し、基体部分を別の超硬合
金台金にろう付して切削工具を製作し、下記の条
件でガラスエポキシ樹脂プリント基板の施削試験
を行い摩耗量を調べた。施削試験条件ガラス・エポキシ樹脂プリント基
板切削速度 600ｍ／min 切込み 0.5mm 送り速度 0.015mm／rev 切削時間 20分切削油乾式工具形状 JIS SPP422 この時の摩耗量は0.030mmで、同じ条件で行つ
た市販のダイヤモンド焼結体工具（摩耗量0.055
mm）に比べ約２倍の耐摩耗性を示した。実施例３第１表のごとくダイヤモンド分枚の粒度・非晶
質合金の種類及び焼結条件をかえて、他は実施例
２と同様の方法で焼結体を製造し、焼結体のダイ
ヤモンド層の硬さを測定した。用いた非晶質合金
の厚さは種類により0.04〜0.1mmでこれを0.12〜
0.2mmになるように重ねて用いた。多くは実験的
に作られた合金であるが一部は市販品である。No.
25でスパツタ法により超硬合金基体上に形成され
たもの（厚み0.15mm）を用いた。ダイヤモンド層
の硬さは第１表の中に示した。

【表】

【表】実施例４実施例２でダイヤモンド粉末に替えて、ダイヤ
モンド粉末（１〜8μｍ）とCBN粉末（３〜6μｍ）
WC粉末（平均粒度3μｍ）、TiC粉末（平均粒度
3μｍ）、TaC粉末（平均粒度3μｍ）、TiN_0.8粉末
（平均粒度2μｍ）、SiC粉末（平均粒度15μｍ）、
B₄C粉末（平均粒度10μｍ）などとの混合粉末を
用い、溶浸材としてNi基非晶質合金箔（Ni₅₁・
Co₂₃・Cr₁₀・Mo₇・Fe_5.5・B_3.5）、またはCo基非
晶質合金箔（Co₆₆・Fe_4.5・Cr₉・Si₅・B_15.5）を
用いて、他は実施例２と同様の方法で焼結体を製
造し、その硬さを測定した。試料の配合組成、組
合せ、焼結条件、硬さは第２表に示した。

【表】実施例５実施例２でダイヤモンド粉末に替えて、１〜
8μｍのダイヤモンド粉末（80容積％）と平均粒
度5μｍの高純度黒鉛粉末（20容積％）との混合
粉末0.25ｇを用い他は実施例２と同様にして焼結
体を製造した。焼結体のダイヤモンド層と超硬合
金基体は強固に密着していた。ダイヤモンド層の
組織をみると黒鉛は残留しておらず加えた黒鉛は
全てダイヤモンドに変換されていた。実施例２の
場合より細かいダイヤモンド粒子が多くなつてい
たが類似の組織であつた。硬さはヌープ硬さで
6500を示した。実施例６実施例５においてダイヤモンド粉末と黒鉛粉末
との混合粉末に替えてイオンプレーテイング法に
より粒子表面にカーボンを付着させた20〜40μｍ
のダイヤモンド粉末（試料Ａ）と40〜60μｍのダ
イヤモンド粉末を10^-5torrの真空中で1800℃で30
分加熱して得られた粒子表面が黒鉛化しているダ
イヤモンド粉末（試料Ｂを用いてその他は実施例
５と同様にしてダイヤモンド焼結体を製造した。
試料Ａ、Ｂともダイヤモンド層と超硬合金基体は
密着しており、ダイヤモンド層の組織をみるとカ
ーボンまたは黒鉛を残留しておらず、粗い粒子の
間に1μｍ以下の細かい粒子が存在する均一な組
織であつた。硬さはヌープ硬さで試料Ａは7200試
料Ｂは8000を示した。

Claims

【特許請求の範囲】１鉄族金属を主成分とする非晶質合金からなる
薄板状物体と該薄板状物体に接してなるダイヤモ
ンド含有粉末とを容器の中に設置して熱力学的ダ
イヤモンド安定領域内又はダイヤモンド−黒鉛平
衡線近傍の黒鉛安定領域内でかつ前記薄板状物体
がダイヤモンドと反応して溶融する高温高圧下に
加圧加熱することにより前記薄板状物体を前記ダ
イヤモンド含有粉末中に浸透せしめ該ダイヤモン
ド含有粉末粒子を相互に結合させることを特徴と
するダイヤモンド焼結体の製造方法。２上記薄板状物体がFe、Ni、Coの第１群から
選ばれた１種以上65〜90原子％と残りＢ、Si、
Ｃ、Ｐ、Geの第２群から選ばれた１種以上とか
らなる非晶質合金であることを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載のダイヤモンド焼結体の製造
方法。３上記薄板状物体がFe、Ni、Coの第１群から
選ばれた１種以上とTi、Zr、Hf、Ｖ、Nb、Ta、
Cr、Mo、Ｗ、Al、Mn、Be、Cuの第２群から選
ばれた１種以上との合計が70〜85原子％で、かつ
第１群が第２群より原子比で多く残りＢ、Si、
Ｃ、Ｐ、Geの第３群から選ばれた１種以上とか
らなる非晶質合金であることを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載のダイヤモンド焼結体の製造
方法。４上記薄板状物体がFe、Ni、Coの第１群から
選ばれた１種以上50〜95原子％と残り周期律表の
4a、5a、6a族金属及び稀土類金属の第２群から
選ばれた１種以上とからなる非晶質合金であるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のダイ
ヤモンド焼結体の製造方法。５上記ダイヤモンド含有粉末が高密度相窒化硼
素、炭化硅素、窒化硅素、炭化硼素並びに4a、
5a、6a族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、硼
化物及びこれらの相互固溶体化合物の中から選ば
れた１種以上70容積％以下と残りダイヤモンドと
の混合粉末であることを特徴とする特許請求の範
囲第１項、第２項、第３項及び第４項記載のダイ
ヤモンド焼結体の製造方法。６上記ダイヤモンド含有粉末が黒鉛粉末40容積
％以下と残りダイヤモンド粉末との混合粉末であ
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項、第２
項、第３項、第４項及び第５項記載のダイヤモン
ド焼結体の製造方法。７上記ダイヤモンド含有粉末が40容積％以下の
非ダイヤモンド状炭素又は黒鉛で表面被覆された
ダイヤモンド粉末であることを特徴とする特許請
求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項及び第
５項記載のダイヤモンド焼結体の製造方法。８鉄族金属を主成分とする非晶質合金からなる
薄板状物体をＡと表示し、ダイヤモンド含有粉末
をＢと表示し、超硬合金又はサーメツトからなる
基体をＣと表示したとき容器の中でＡとＢ及びＢ
とＣが互に接するか又はＢとＡ及びＡとＣが互い
に接するように設置して熱力学的ダイヤモンド安
定領域内又はダイヤモンド−黒鉛平衡線近傍の黒
鉛安定領域内でかつ前記薄板状物体がダイヤモン
ドと反応して溶融する高温高圧下に加圧加熱する
ことにより前記薄板状物体を前記ダイヤモンド含
有粉末中に浸透せしめ該ダイヤモンド含有粉末粒
子を相互に結合させると共に該結合したダイヤモ
ンド含有粉末と前記基体とを一体化させることを
特徴とするダイヤモンド焼結体の製造方法。９上記薄板状物体がFe、Ni、Coの第１群から
選ばれた１種以上65〜90原子％と残りＢ、Si、
Ｃ、Ｐ、Geの第２群から選ばれた１種以上とか
らなる非晶質合金であることを特徴とする特許請
求の範囲第８項記載のダイヤモンド焼結体の製造
方法。１０上記薄板状物体がFe、Ni、Coの第１群か
ら選ばれた１種以上とTi、Zr、Hf、Ｖ、Nb、
Ta、Cr、Mo、Ｗ、Al、Mn、Be、Cuの第２群
から選ばれた１種以上との合計が70〜85原子％
で、かつ第１群が第２群より原子比で多く残り
Ｂ、Si、Ｃ、Ｐ、Geの第３群から選ばれた１種
以上とからなる非晶質合金であることを特徴とす
る特許請求の範囲第８項記載のダイヤモンド焼結
体の製造方法。１１上記薄板状物体がFe、Ni、Coの第１群か
ら選ばれた１種以上50〜95原子％と残り周期律表
の4a、5a、6a族金属及び稀土類金属の第２群か
ら選ばれた１種以上とからなる非晶質合金である
ことを特徴とする特許請求の範囲第８項記載のダ
イヤモンド焼結体の製造方法。１２上記ダイヤモンド含有粉末が高密度相窒化
硼素、炭化硅素、窒化硅素、炭化硼素並びに4a、
5a、6a族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、硼
化物及びこれらの相互固溶体化合物の中から選ば
れた１種以上70容積％以下と残りダイヤモンドと
の混合粉末であることを特徴とする特許請求の範
囲第８項、第９項、第１０項及び第１１項記載の
ダイヤモンド焼結体の製造方法。１３上記ダイヤモンド含有粉末が黒鉛粉末40容
積％以下と残りダイヤモンド粉末との混合粉末で
あることを特徴とする特許請求の範囲第８項、第
９項、第１０項、第１１項及び第１２項記載のダ
イヤモンド焼結体の製造方法。１４上記ダイヤモンド含有粉末が40容積％以下
の非ダイヤモンド状炭素又は黒鉛で表面被覆され
たダイヤモンド粉末であることを特徴とする特許
請求の範囲第８項、第９項、第１０項、第１１項
及び第１２項記載のダイヤモンド焼結体の製造方
法。