JPH058153B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

［産業上の利用分野］ この発明は、たとえば切削工具、掘削工具、ド
レツサー、あるいは線引きダイスなどの種々の工
具に使用されている焼結ダイヤモンドの改良に関
する。 ［従来の技術］ 現在、ダイヤモンド含有量が70容量％以上であ
り、ダイヤモンド粒子が互いに接合してなる工具
用焼結体が販売されている。これらの焼結体は、
非鉄金属、プラスチツクあるいはセラミツクスの
切削工具、ドレツサー、ドリルビツトまたは伸線
ダイスとして用いられている。特に、非鉄金属の
切削や、銅線などの比較的軟らかい線材の伸線用
ダイスに、このダイヤモンド焼結体を用いた場
合、非常に優れた性能を発揮する。 これらのダイヤモンド焼結体は、通常、ダイヤ
モンド合成時の触媒であるCoなどの鉄族金属を
結合材として用いて焼結される。したがつて、
600℃以上の温度の加熱した場合、ダイヤモンド
がグラフアイト化し劣化するという欠点を有して
いる。 そこで、特開昭53−114589号に開示されている
ように、ダイヤモンド焼結体の耐熱性を改善する
ために、加熱時にダイヤモンドのグラフアイト化
を促進するCoなどの鉄族金属を取り除く方法が
提案されている。 このように溶媒金属を溶出させたダイヤモンド
焼結体は、確かに高真空下では約1200℃までの温
度に耐え得る。 ［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、溶媒金属を溶出させてなるダイ
ヤモンド焼結体においても、大気中で加熱した場
合には、依然としてその耐熱性が不十分なもので
あつた。すなわち、このダイヤモンド焼結体は多
孔質体であるため、大気中で900℃の温度まで加
熱すると、表面および内部のダイヤモンド粒子が
直接酸素に触れることになり、その結果やはりダ
イヤモンド粒子の表面が黒鉛化し、劣化を招く。 このダイヤモンド焼結体は、ドレツサーまたは
ドリルビツトの刃先として、ビツト本体またはシ
ヤンク等に、マトリクスあるいはろう材を利用し
て取付けられる。マトリクスの保持強度は、マト
リクス材料の融点が高温になるほど高く、特に硬
質岩掘削用ドリルビツトの刃先材料として、上記
ダイヤモンド焼結体を用いる場合には、900℃以
上の融点を有するろう材とマトリクスの使用が必
要となる。したがつて、取付けに際しては、800
℃〜1100℃に加熱されることになり、その結果、
大気中で加熱すると上述のようにダイヤモンド焼
結体が劣化するので、この種のダイヤモンド焼結
体を大気中にてビツト本体あるいはシヤンク等に
取付けても、十分な強度を得ることができなかつ
た。 したがつて、耐熱性をさらに改善するには、加
熱に際しダイヤモンド焼結体が大気に露出されな
ければよいことがわかる。この考えに基づき、ダ
イヤモンド焼結体の表面にニツケルを被覆してな
る耐熱性ダイヤモンド焼結体が市販されている。 本願発明者は、このニツケル被覆を施したダイ
ヤモンド焼結体を大気中で900℃に加熱し、その
耐熱性を調査した。その結果、ニツケル被覆層と
ダイヤモンド層との界面において、やはりダイヤ
モンドが黒鉛化し、ドリルビツトの刃先やドレツ
サーに用いた場合、欠けを生じることがわかつ
た。 それゆえに、この発明の目的は、大気中におけ
る耐熱性がさらに改善された工具用ダイヤモンド
焼結体を提供することにある。 ［問題点を解決するための手段および作用］ 本願発明者は、母材であるダイヤモンド焼結体
と反応して劣化することがなく、かつ耐熱性に優
れた被覆材料につき鋭意検討を重ねた。その結
果、周期律表ａ、ａまたはａ族の遷移金属
の炭化物、窒化物もしくは炭窒化物、またはSiの
炭化物、窒化物もしくは炭窒化物、あるいはこれ
らの２種以上を用いて被覆層を形成すれば、大気
中にて900℃以上の温度に耐え得ることを見い出
した。 すなわち、この発明は、ダイヤモンド含有量が
80容量％を越え、99容量％以下であり、残部が空
孔0.5容量％以上、19.9容量％未満であり、周期
律表ａ、ａ、ａ族の遷移金属の炭化物0.1
〜３容量％よりなるダイヤモンド焼結体と、厚み
1μｍ以上の周期律表ａ、ａまたはａ族の
遷移金属またはSiの炭化物、窒化物もしくは炭窒
化物、あるいはこれら２種以上からなる被覆層と
を備えることを特徴とする、耐熱性ダイヤモンド
焼結体である。 この発明のダイヤモンド焼結体において、大気
中における耐熱性が改善された理由は、以下のと
おり推測し得る。 ダイヤモンド焼結体に設ける被覆層に適した材
料としては、その熱膨張係数がダイヤモンド焼結
体の熱膨張係数に近く、かつダイヤモンドと強固
に接合し、さらにダイヤモンドに黒鉛化を生じさ
せないものであることが要請される。これに対し
て、上記被覆層を形成する材料は、次の性質を有
する。 (a) 周期律表ａ、ａもしくはａ族の遷移金
属またはSiの炭化物、窒化物もしくは炭窒化物
は、熱膨張係数がダイヤモンドに近く、加熱時
に該材料よりなる薄膜に亀裂を生じない。 (b) これらの材料よりなる薄膜は、耐酸化性に優
れている。 (c) これらの材料は、Coのような触媒作用を有
しないため、ダイヤモンドを黒鉛化する作用を
有しない。 (d) さらに、これらの材料は、ダイヤモンド焼結
体と強固に接合し、また金属に対するぬれ性が
良いため、強固に接合され得る。たとえば炭化
チタンは、銀ろうとのぬれ性に優れ、また炭化
珪素は銅−マンガン合金に対しぬれ性が良い。 なお、従来のニツケル被覆層では、ニツケルが
Coと同様に触媒作用を有するため、ダイヤモン
ドとの界面において黒鉛が生じていたのもと推測
し得る。 この発明における被覆層の膜厚は、1μｍ〜50μ
ｍが好ましい。1μｍ未満では、母材であるダイ
ヤモンド焼結対の表面を完全に被覆することが困
難であり、その結果焼結ダイヤモンド層の表面あ
るいは内部のダイヤモンド粒子が酸化性雰囲気に
さらされ得るので、高温に加熱すると劣化するか
らである。他方、膜厚が50μｍを越えると、被覆
に長時間を要し、被覆層の形成コストが高くな
る。すなわち、膜厚の上限50μｍは、技術的な理
由ではなく、現実的すなわち経済的な理由により
挙げられているものであることを指摘しておく。 この発明における「被覆層」としては、特に炭
化珪素および炭化チタンからなるものが優れてい
る。炭化珪素および炭化チタンの熱膨張係数は、
それぞれ６×10^-6および８×10^-6であり、焼結ダ
イヤモンドの熱膨張係数4.5×10^-6に近く、また
大気中1000℃の高温条件下で特に安定であるから
である。 この発明に用いるダイヤモンド焼結体自体、高
真空条件下で耐熱性に優れるものであり、前述し
た組成を有する。前述した組成の範囲内において
も、特に高強度および高い耐摩耗性を要求される
用途に用いる場合には、特願昭59−24756号に開
示されている耐熱性ダイヤモンド焼結体を使用す
るのが好ましい。すなわち、ダイヤモンド含有量
が95容量％を越え、99容量％以下であり、残部の
空孔が0.5容量％以上4.9容量％未満のものが好ま
しい。 溶媒を含むダイヤモンド焼結体は、溶媒の作用
により高温でダイヤモンド粒子の黒鉛化を生じ
る。また、溶媒とダイヤモンドとの熱膨張係数の
差により劣化するため、ダイヤモンド焼結体自体
も耐熱性に優れていることが必要である。この発
明に用いられるダイヤモンド焼結体では、ダイヤ
モンド含有率が957容量％であり、ダイヤモンド
焼結体中の空孔の量が少ないため、ダイヤモンド
焼結体自体、耐熱性、強度および耐摩耗性が著し
く高められているものである。 なお、この発明では、前述した被覆層は、ダイ
ヤモンド焼結体の表面に直接形成されるものであ
つてもよく、他の被覆層を介して形成されるもの
であつてもよい。さらに、いずれの場合において
も、この発明の「被覆層」より外側に、さらに他
の被覆層を形成してもよい。 この発明の被覆層は、たとえば化学蒸着
（CVD）、反応性スパツタリングなどの公知の薄
膜形成手段により形成することができる。 ［実施例の説明］ 以下、この発明の実施例につき説明する。 実施例 １ 平均粒度100μｍ、50μｍ、20μｍおよび５〜0.2μ
ｍの各ダイヤモンド粉末を、５：３：１：１の割
合で配合し、WC−Co超硬合金製のポツトおよび
ボールを用いて５分間混合した。得られた混合粉
末を、1400℃にて30分間、真空中において加熱し
た後、Mo製容器に充填し、Co板を粉末上に載置
した。超高圧装置を用いて、まず圧力を55Kb加
え、引き続き1460℃の温度に加熱し10分間保持し
た。得られた焼結体を容器から取出し、化学分析
により、ダイヤモンド、WCおよびCoの含有量を
測定したところ、それぞれ、96.5容量％、0.15容
量％および3.35容量％であつた。 次に、上記のようにして得られた焼結体を加熱
王水中に浸漬し、Coを溶出し、磁気天秤および
化学分析により組成を調査した。結果、ダイヤモ
ンド96.5容量％、WC0.14容量％、Co0.4容量％お
よび空孔2.96容量％であつた。 得られた焼結体表面に、約8μｍの厚みの炭化
チタンからなる被覆層をCVD法により形成した。
この被覆層形成条件は、TaOl₄、CH₄およびH₂
ガス中、1000℃、６時間保持である。 上述のように処理された耐熱性ダイヤモンド焼
結体を、大気中にて1000℃の温度まで加熱し、そ
の重量変化を測定した。 なお、上記耐熱性ダイヤモンド焼結体を試料(a)
とし、さらに比較材料として炭化チタンを被覆す
る前のダイヤモンド焼結体を試料(b)、市販のダイ
ヤモンド含有量が85容量％、空孔が10.5容量％ダ
イヤモンド焼結体を試料(c)とし、試料(c)の焼結体
に50μｍの厚みのニツケル層を被覆したダイヤモ
ンド焼結体を試料(d)とし、同様に重量変化を測定
した。 上記重量変化に際しての加熱は、下記の条件で
行なつた。 加熱温度：室温→1000℃ 雰囲気：大気中 昇温速度：10℃／分 上記重量変化についての測定結果を第１図に示
す。 第１図の結果より、酸を溶出することだけで耐
熱性を改善させた試料(b)では、800℃前後から重
量降下が始まることがわかる。これに対して、試
料(b)に炭化チタンの被覆層を形成した試料(a)は、
950℃を越えても重量の減少はあまり生じないこ
とがわかる。また、ニツケルを被覆した市販のダ
イヤモンド焼結体からなる試料(d)は、約850℃の
温度で重量減少が始まることがわかる。 なお、試料(d)のニツケル被覆層とダイヤモンド
焼結体層との界面を顕微鏡で観察したところ、ダ
イヤモンドの黒鉛化が生じていることが認められ
た。 以上の結果から、この発明の実施例である試料
(a)のダイヤモンド焼結体では、大気中における耐
熱性が著しく改善されていることがわかる。 実施例 ２ ダイヤモンド96.2容量％、Co0.3容量％、
WC0.15容量％および空孔3.35容量％のダイヤモ
ンド焼結体の表面にCVD法により、炭化珪素か
らなる被覆層を形成した。被覆層形成の条件は、
SiCl₄、CH4、H₂雰囲気、900℃、３時間保持で
ある。なお、この炭化珪素からなる被覆層の膜厚
は5μｍであつた。 上記のようにして得られた試料(e)、ならびに実
施例１において用いた試料(a)、(b)、(c)および(d)の
それぞれにつき、大気中にて900℃、５分間加熱
保持した後、冷却し、圧縮強度を測定した。同時
に、この加熱処理を施していない各試料について
も圧縮強度を測定した。 上記圧縮強度の測定に用いた試料形状は、１辺
の長さが2.5mmの立方体であり、対向する２面の
平行度は0.01mm以内とし、曲げや剪断等による破
壊が生じないようにした。結果を、第２図に示
す。 第２図より、炭化チタンおよび炭化珪素を被覆
したダイヤモンド焼結体、すなわち試料(e)は、大
気中にて900℃に加熱したとしても、ダイヤモン
ド粒子の黒鉛化に基づく劣化が生じておらず、し
たがつて圧縮強度の低下がほとんど生じていない
ことがわかる。 実施例 ３ 平均粒度0.8μｍのダイヤモンド粉末を、WC−
Co超硬合金のポツトおよびボールを用いて粉
砕・混合した。この粉末と、平均粒度60μｍ、
30μｍおよび10μｍのダイヤモンド粉末とを、
１：５：３：１の割合で混合し、しかる後1450℃
の温度で１時間、真空中で加熱し、実施例１と同
様に55kb、1450℃の条件下で焼結を行なつた。
得られた焼結体を化学分析により分析したとこ
ろ、ダイヤモンド96.2容量％、Co3.5容量％、
Ni0.1容量％、WC0.2容量％よりなるダイヤモン
ド焼結体であることが認められた。 得られた焼結体を加熱王水中で処理したとこ
ろ、3.3容量％の空孔が生じた。 上記のようにして得られたおダイヤモンド焼結
体の表面に、CVD法により、炭化チタンの被覆
層を形成した。CVDの条件は、TiCl₄、CH₄、H₂
ガス中、1000℃、0.2〜30時間保持である。 被覆層と、ダイヤモンド焼結体層との界面を
SEMで観察したところ、被覆層の膜厚は0.5μｍ
〜60μｍであつた。 上述のようにして得られた膜厚の異なる炭化チ
タン被覆層が形成されたダイヤモンド焼結体を用
いて、ビツカース硬度2300のアルミナ部材を、切
削速度：50ｍ／分、切込：0.2mm送り：0.05mm／
回転の条件で湿式により10分間切削した。 さらに、上記した被覆層の形成されたダイヤモ
ンド焼結体につき、大気中で900℃に加熱した後
に、同様の条件で切削試験を行なつた。 上記各切削試験に用いた試料、および該試料に
おける被覆層の膜厚を第１表に、各切削試験結果
を第３図に示す。

【表】 第３図から、被覆層の膜厚が1μｍ未満では、
確かに加熱前の耐摩耗性は良好であるが、加熱後
の耐摩耗性が大幅に低下したことがわかる。試料
(f)すなわち被覆層の膜厚が0.5μｍのダイヤモンド
焼結体の表面を観察したところ、ダイヤモンド粒
子に黒鉛化の生じていることが認められた。 実施例 ４ 実施例３に用いたダイヤモンド焼結体と同一組
成であり、同様に加熱王水処理したダイヤモンド
焼結体の表面に、第２表に示す周期律表ａ、
ａまたはａ族の遷移金属の炭化物および炭化珪
素を反応性スパツタにより被覆した。被覆層の厚
みは、６〜8μｍである。

【表】 被覆層の形成されたダイヤモンド焼結体を、大
気中で1100℃の温度まで加熱し、その重量変化を
測定した。 また、比較例として、炭化物を被覆していない
同一のダイヤモンド焼結体についても同様に加熱
試験を行なつた。結果を第４図に示す。 第４図により、いずれの炭化物を被覆したダイ
ヤモンド焼結体においても、900℃以下の温度で
は重量の減少が少ないことがわかる。また、800
℃前後で重量の減少を示す未被覆のダイヤモンド
焼結体に比べて、重量減少の開始温度が100℃以
上高温であることもわかる。 実施例 ５ 第３表に示した組成のダイヤモンド焼結体表面
に、反応性スパツタにより、厚み5μの炭化珪素
からなる被覆層を形成し、その圧縮強度を測定し
た。 第５図に、ダイヤモンド焼結体中の空孔の量に
対する圧縮強度の変化を示す。 第５図より、圧縮強度は空孔が少ないほど、す
なわちダイヤモンド含有量が多いほど高くなり、
ダイヤモンド焼結体中の空孔の量が20容量％以上
になると圧縮強度は100Kg／mm³以下となることが
わかる。

【表】 ＊：容量％
実施例 ６ ダイヤモンド98.5容量％、Co0.4容量％、
WC0.12容量％及び空孔0.98容量％のダイヤモン
ド焼結体の表面にCVD法によりTiN、TiCNの被
覆層さらにTiNとTiCの２層よりなる被覆を行な
つた。第４表にCVDの条件を示す。被覆層の膜
厚はSEMで観察したところ8μｍであつた。上述
のようにして得た試料α、β、γを大気中にて
950℃まで加熱し５分間保持した後冷却し、圧縮
強度を測定した。同時に、比較として、この加熱
処理を施していない各試料についても圧縮強度を
測定した。結果を第６図に示す。 第６図の結果より、いずれの被覆を被せたダイ
ヤモンド焼結体も加熱後の圧縮強度の低下は見ら
れなかつた。

【表】 ［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、それ自体が
耐熱強度に優れたダイヤモンド焼結体と、厚み
1μｍ以上の周期律表ａ、ａ、ａ族の遷移
金属またはSiの炭化物、窒化物もしくは炭窒化物
またはこれらの２種以上からなる被覆層とが備え
られているので、大気中で900℃以上に加熱した
としても、ダイヤモンドに黒鉛化が生じず、した
がつてさらに優れた耐熱性を示すダイヤモンド焼
結体を得ることが可能となる。よつて、保持強度
に優れた高融点のマトリクスおよびろう材を用い
て、工具本体としてのビツト本体あるいはシヤン
ク等に、大気中処理により強固に接合することが
可能となる。 この発明の耐熱性ダイヤモンド焼結体は、工具
構成部品、ドレツサー、ドリルビツトブランク、
伸線ダイス、あるいはセラミツク切削加工用バイ
ト等の種々の用途に用いられ得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、耐熱性ダイヤモンド焼結体の加熱に
よる重量変化を示す図である。第２図は、大気中
における加熱前と加熱後の圧縮強度を示す図であ
る。第３図は、ダイヤモンド焼結体の大気中加熱
前と加熱後における耐摩耗性を示す図である。第
４図は、種々の炭化物被覆材料を用いて形成され
たダイヤモンド焼結体の温度による重量変化を示
す図である。第５図は、ダイヤモンド焼結体中の
空孔の量に対する圧縮強度の変化を示す図であ
る。第６図は表面にCVD法により被覆が設けら
れたダイヤモンド焼結体の加熱前と加熱後の圧縮
強度を示す図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ダイヤモンド含有量が80容量％を越え、99容
   量％以下であり、残部が空孔0.5容量％以上、
   19.9容量％未満、および周期律表ａ、ａもし
   くはａ族の遷移金属の炭化物0.1〜３容量％よ
   りなるダイヤモンド焼結体と、 厚み1μｍ以上の周期律表ａ、ａまたは
   ａ族の遷移金属またはSiの炭化物、窒化物もしく
   は炭窒化物またはこれらの２種以上からなる被覆
   層とを備えることを特徴とする、耐熱性ダイヤモ
   ンド焼結体。 ２ 前記ダイヤモンド焼結体におけるダイヤモン
   ド含有量が95容量％を越え、99容量％以下であ
   り、残部の空孔が0.5容量％以上4.9容量％未満で
   ある、特許請求の範囲第１項記載の耐熱性ダイヤ
   モンド焼結体。 ３ 前記被覆層は、TiCまたはSiCよりなる、特
   許請求の範囲第１項または第２項記載の耐熱性ダ
   イヤモンド焼結体。