JPH11292630A - ダイヤモンド−炭化ケイ素複合焼結体及びその製造方法 - Google Patents

ダイヤモンド−炭化ケイ素複合焼結体及びその製造方法

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JPH11292630A
JPH11292630A JP10132519A JP13251998A JPH11292630A JP H11292630 A JPH11292630 A JP H11292630A JP 10132519 A JP10132519 A JP 10132519A JP 13251998 A JP13251998 A JP 13251998A JP H11292630 A JPH11292630 A JP H11292630A
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JP
Japan
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diamond
silicon carbide
silicon
powder
sintered body
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JP10132519A
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English (en)
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Shoichi Kume
昭一 久米
Masaru Shimono
勝 下埜
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ISHIZUKA KENKYUSHO
Ishizuka Research Institute Ltd
Original Assignee
ISHIZUKA KENKYUSHO
Ishizuka Research Institute Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の主な目的は、等方性の高い導電性の
ダイヤモンド焼結体を提供することにより、製品切り出
しの際の歩留まり向上を可能にすると共に、通常のHI
P操作により実施可能な、かかる焼結体の製造法を提供
することにある。 【構成】 本発明の等方導電性ダイヤモンド焼結体は、
実質的にダイヤモンド粒子と炭化ケイ素(SiC)のみ
で構成され、かつ20℃において、て、任意の直交座標
系3方向における各(又は平均)比10Ω・cm以下の
比抵抗値ρを示す。かかる焼結体は、次の方法により効
率的に調製される。即ち、質量比において80±10%
のダイヤモンド粉末と残部のケイ素粉末とから成る混合
粉末を、無酸素雰囲気中、1400℃以上の温度におい
て30分以上HIPに供することにより、含有されてい
るケイ素をすべて炭化ケイ素に変換し、かつダイヤモン
ドと生成炭化ケイ素とを焼結して一体化するものであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】 本発明は、ダイヤモンド−
炭化ケイ素複合焼結体、特に等方性の高い導電性の焼結
体及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来技術】 ダイヤモンド粉末を焼き固めた焼結体
は、硬質材料の加工用の工具として、また耐摩耗材料と
して広く用いられている。これらの用途に用いられる焼
結体の素材は、通常ダイヤモンドの安定領域、即ち超高
圧力下で焼結操作が行われている。
【0003】 焼結に際して、D−D結合(ダイヤモン
ド−ダイヤモンドの直接結合)を有する強靭な焼結体を
形成するためには、焼結促進用助剤(バインダー)とし
て、Co系の金属が主に用いられている。一方靭性を要
求される用途の焼結体には、ダイヤモンド粒子を分散保
持するためのマトリックスとして、IV、V、VI族遷
移金属の炭化物、窒化物などが用いられている。
【0004】 また過酷な作業条件に適した焼結体とし
ては、含有されているCoが、加工作業の際の発熱下
で、ダイヤモンドのグラファイト化を促進する反応を避
けるために、Coに代えてSiを焼結促進用助剤として
添加し、SiCの結合相を形成させた焼結体が実用に供
されている。
【0005】 Si系のバインダーを用いたダイヤモン
ド焼結体の製作方法に関しては、例えば特開昭61−3
3865号(R.P.バーナンド)、特開昭61−23
6650号(R.P.バーナンド)、特開昭62−39
180号(H.B.ダイヤー)公報に記載されている
が、どの公報においても、焼結はダイヤモンドの安定領
域で行うことが示されている。
【0006】一方、USP4,698,070(J.
M.Ohno)、USP4,460,382(J.M.
Ohno)、特公昭63−44712(P.D.S.ピ
エール他)などには、超高圧力装置を用いないで、焼結
を行う方法も示されている。このように、ダイヤモンド
の焼結には、超高圧力は必須要件でなく、ダイヤモンド
が準安定な圧力領域も用いうることが知られているが、
実用に供されている市販のSiバインダー系の焼結体
は、現時点では超高圧焼結によるものである。
【0007】 超高圧法による焼結体の作製には、操作
性、再現性の良さから、通常ベルト装置で代表される一
軸加圧プレスが用いられる。反応室内はできるだけ静水
圧とする工夫が施されてはいるものの、若干の圧力勾
配、圧力の異方性が生じることが避けられず、また狭い
反応室内に加熱ヒーターを設置することから、大きな温
度勾配が生じることも避けられない。
【0008】 この結果、得られる焼結体の組織はミク
ロ的には等方的でなく、測定方向によって電気抵抗(導
電性)等の物性値が異なることが認められている。例え
ばある市販品から切り出した一辺が4mmの立方体につ
いて、対向する面間の室温における電気抵抗値の測定に
おいて、27,2、20,5、5,5Ω・cmの値が得
られ、別の時期に購入した他の市販品2ケについてもほ
ぼ同様の傾向が観察されており、内部組織に方向性のあ
ることが認識される。
【0009】 従って用途によっては、超高圧焼結素材
から所定形状製品を切り出す際に、切断方向に留意しな
ければならず、この結果素材の利用効率が低くなること
がある。
【0010】 超高圧焼結における別の間題点として、
反応室の寸法上の制約から、大体積或いは複雑形状の焼
結体を得るのが困難なことが挙げられる。
【0011】また理由は不明であるが、超高圧焼結品で
は、X線回折によってSiCと共に常にSiが検出され
ており、金属ケイ素を含まないダイヤモンドと炭化ケイ
素のみから成る焼結体は超高圧法で作製するのは困難な
ようである。
【0012】一方、ある種の焼結体の作製において、H
IPを利用することは公知である。
【0013】HIP焼結においては、ダイヤモンドが長
時間準安定領域内での高温に曝されることから、グラフ
ァイト化が懸念されるが、反応カプセル内の脱気を十分
に行って、酸素のない状態にすれば、1500℃におけ
る1時間の加熱によっても、ダイヤモンドの強度が実質
的に低下しないことを本発明者らは知見した。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】 従って本発明の主な
目的の一つは、等方性の高い導電性のダイヤモンド焼結
体を提供することにより、製品切り出しの際の歩留まり
向上を可能にすると共に、通常のHIP操作により実施
可能な、かかる焼結体の製造法を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】 本発明の焼結工程には
通常のHIP装置が利用可能であるが、このようなHI
P装置による焼結においては、十分大きな反応室容積が
とれることから、焼結体製品のサイズ、形状に関する自
由度が大きいことに加えて、等方加圧下において、十分
に大きなサイズのヒーターによって加熱を行うことがで
きる。この結果、得られる組織には異方性がなく、焼結
品を任意の方向に切り出しても、性能に実質的な差が生
じない利点がある。
【0016】 本発明の方法においては、焼結工程にお
いて無酸素環境を確立するために、例えば、反応原料を
h−BN製のカプセルへ充填した後、ホウケイ酸ガラス
管に入れ、800℃以上の加熱下で、10Pa以下に脱
気する。
【0017】 また本発明においては焼結体の結合材と
して、高温においてダイヤモンドのグラファイト化を促
進する(より一般的な)鉄族金属の代わりに、グラファ
イト化に関しては不活性なケイ素が用いられることも、
準安定領域における焼結が可能な一因と考えられる。
【0018】 こうして結合相が実質的にSiCのみで
構成される焼結体は、室温において高抵抗であり、放電
加工による切断が著しく困難である。ところが焼結のた
めのカプセル材としてh−BNを用いたところ、ホウ素
がドープされることによって焼結体に導電性が付与さ
れ、放電加工が可能となった。従ってカプセル材料とし
てTaなどの金属材料、またはセラミックス材料を用い
る場合には、出発材料に接する添加物として、ホウ素の
窒化物または炭化物――例えばBC――を、出発材料
に対して1乃至5%加える必要がある。
【0019】 本発明の焼結体を構成するダイヤモンド
と炭化ケイ素は、そのままではどちらも、室温で導電性
を示さない物質である。従って本発明の方法では、原料
としてのダイヤモンドとケイ素との混合粉末をh−BN
製のルツボに入れて、HIP処理する。この際にルツボ
材の一部が分解・気化してダイヤモンド、あるいはケイ
素の表面にドープされ、全体として導電性を有するよう
になる。
【0020】 上記において2元系の原料混合粉末をh
−BN製容器に入れて熱処理する代わりに、混合粉末に
ホウ素化合物(例えばBC)を小量添加してもよい。
この場合、得られる焼結体の靱性を低下させないため
に、添加量は5%以下とする。
【0021】 本発明の焼結体は、以上の各利点と、ケ
イ素が比較的軽い元素であることから、HIP装置を用
いて作製した焼結体は、X線を用いた高圧力下における
物質変化の、その場観察のための加圧用アンビルとして
も用いることができる。
【0022】
【発明の実施形態】 焼結体内における結合相のSiC
量を必要最小限の範囲とし、かつダイヤモント全体の粒
子間に結合材を分配するためには、出発原料中における
ケイ素の含有量は、以下の理由により30%以下、10
%以上(質量%)であることが望ましい。
【0023】即ち、焼結体内に金属Si相が残留してい
ると、強度が小さいことから破壊の起点になることがあ
って好ましくない。従って本発明においては、上記のよ
うにダイヤモンドに対する結合材のケイ素の比率を低く
保つと共に、存在するケイ素の実質的に全量を速やか
に、ダイヤモンドと反応させてSiCに変化させること
により、残留金属Si相の量を最小限に抑えるものであ
る。
【0024】また焼結条件としては、金属ケイ素が液相
として存在する1410℃以上の充分な温度と共に、1
0分間以上3時間以下の反応時間を用いる。
【0025】 ケイ素−ダイヤモンド系において、Si
のSiCへの転換反応が固相反応である1400℃以下
の反応温度では、1時間のHIP処理後も、生成するS
iCの量は少なく、残存するSiが認められる。処理を
続ければSiCが増し、Si量は減少するが、反面準安
定領域中で高温に曝されるダイヤモンドにおいてグラフ
ァイト化が進み、強度が低下して実用に耐えなくなる。
【0026】 より緻密な焼結体を得るためには、出発
原料の混合粉末を複数の粒度で構成するのが有効であ
る。この場合、配合比は、組み合わされる粗粒と微粒の
粒度によって変わるので、実験により決定する。
【0027】 例えば、質量比において1〜25μmの
粒度のケイ素を20%に固定し、残部を微粉と粗粒の混
合ダイヤモンド粉末とした出発材料において、呼称8/
16μmのダイヤモンド微粉と、120/140メッシ
ュのダイヤモンド粗粒を1:3(質量比)とした場合
に、最も高い相対密度の焼結体が得られている。
【0028】
【実施例】 平均粒径12μm(8/16μm)、11
5μm(120/140メッシュ)のダイヤモンドと、
粒度25μm以下の金属Si粉末との、質量比1:3:
1混合粉末を、内径5mm、長さ50mmのh−BN製
カプセルに充填し、このカプセルをさらに内径10mm
のホウケイ酸ガラス管に入れて、脱気しながら全体を8
50〜900℃に加熱し、1Paの真空度で熔封した。
この反応集合体をカーボンるつぼに入れてHIP装置に
装填し、1450℃、200MPaの条件で、1時間焼
結した。
【0029】 生成物はダイヤモンドとβ−SiCとで
構成された強固な焼結体で、物性値として密度3.0M
g/m、抗折強度300MPa、圧縮強度2GPa、
炭化ケイ素部分のビッカース硬度30GPaの値が得ら
れた。また電気的な諸性質として、比抵抗値は室温(2
0℃)において約1Ω・cmであるが、温度上昇に伴っ
てほぼ4×10−5Ω・cm/Kの割合で減少し、熱起
電力は負で約0.6mV/Kの割合で減少するP型半導
体の性質を有していた。
【0030】 上記の物理的、電気的な諸性質はすべて
等方的であり、異方性は認められなかった。即ち任意に
切り出した焼結体において、直交座標系XYZ方向の比
抵抗値が、三方向の平均値から±50%以内に収まっ
た。なお、得られた焼結体をX線回折に供したが、Si
は検出されなかった。

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 実質的にダイヤモンド粒子と炭化ケイ素
    (SiC)のみで構成され、かつ20℃における任意の
    直交座標系3軸方向の(算術)平均比抵抗値ρが10Ω
    ・cm以下の等方導電性を示す複合焼結体。
  2. 【請求項2】 上記平均比抵抗値が1Ω・cm以下であ
    る、請求項1に記載の複合焼結体。
  3. 【請求項3】 ダイヤモンド含有率が80±10%(質
    量%、以下同様)である、請求項1に記載の複合焼結
    体。
  4. 【請求項4】 含有されるダイヤモンド粒子が、粒度分
    布において2以上のピークを示す、請求項1に記載の複
    合焼結体。
  5. 【請求項5】 上記ダイヤモンド粒子にホウ素がドープ
    されている、請求項1に記載の複合焼結体。
  6. 【請求項6】 質量比において80±10%のダイヤモ
    ンド粉末と残部のケイ素粉末とから成る混合粉末を、無
    酸素雰囲気中、1400℃以上の温度において30分以
    上HIPに供することにより、含有されているケイ素を
    すべて炭化ケイ素に変換し、かつダイヤモンドと生成炭
    化ケイ素とを焼結して一体化することを特徴とする、等
    方性ダイヤモンド・炭化ケイ素複合焼結体の製造方法。
  7. 【請求項7】 質量比において80±10%のダイヤモ
    ンド粉末と残部のケイ素粉末とから成る混合粉末をh−
    BN製の容器内に、器壁に接して装填し、無酸素雰囲気
    中、1400℃以上の温度において30分以上HIPに
    供することにより、含有されているケイ素をすべて炭化
    ケイ素に変換し、かつダイヤモンドと生成炭化ケイ素と
    を焼結して一体化することを特徴とする、等方導電性ダ
    イヤモンド・炭化ケイ素複合焼結体の製造方法。
  8. 【請求項8】 質量比において80±10%のダイヤモ
    ンド粉末と5%以下の炭化ホウ素粉末、残部のケイ素粉
    末とから成る混合粉末を、無酸素雰囲気中、1400℃
    以上の温度において30分以上HIPに供することによ
    り、含有されているケイ素をすべて炭化ケイ素に変換
    し、かつダイヤモンドと生成炭化ケイ素とを焼結して一
    体化することを特徴とする、等方導電性ダイヤモンド・
    炭化ケイ素複合焼結体の製造方法。
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