JPS60260470A - 高硬度工具用焼結体 - 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】 ダイヤモンドは最も高硬度の物質である。現在　“研削
用砥粒として使用されており、また切削用途にはダイヤ
モンドを金属ｃｏなどで結合した焼結体が一部に使用さ
れている。このダイヤモンドを金属で結合した焼結体は
切削工具として使用した場合、結合金属相の高温での軟
化による耐摩耗性の低下や、被剛材金属が溶着し易い為
に工具が損傷するといった欠点がある。本発明は、この
ような金属で結合した焼、粘体でなく、高強度で耐溶着
性、耐熱性に優れた硬質金属化合物を結合相とした切削
工具等の工具用途に適した新らしいダイヤモンド焼結体
に関するものである。

ダイヤモンドは工具材料として見た場合Ｋ、高硬度であ
ると共に、熱伝導率が極めて高いという特徴を有してい
る。切削工具を例として考えると切削時の刃先温度は他
の条件が同じであれば工具材料の熱伝導度が高（・はど
低くなり、工具の摩耗に対して有利となる。またフライ
ス切削等の断続的な切削を行う場合は、工具に加熱、急
冷の熱衝撃が加わり、これによる熱き裂が生じる。この
場合に↓・いても工具の熱伝導度が高い場合は工具表面
と内部の温度差が小さくなり、き裂が発生し難くなる。

発明者等は、このようなダイヤモンドの優れた特徴を生
かして、史に切削工具等の工具に要求される高強度の焼
結体を得ることを目的としてダイヤモンドと種々の耐熱
性化合物の複合焼結体を作成した。

１」的とした複合焼結体を得るための耐熱性化合物に要
求される特性は、先ず高強度をあること、及び複合焼結
体とした場合に前記したダイヤモンドの有する熱伝導率
が高いという特徴を維持する為に組合わせる耐熱性化合
物自体も熱伝導の高いものが要求される。このような耐
熱性化合物としては周期律表第４ａ、　５ａ、　６ａ族
遷移金属の炭化物、窒化物、硼化物、硅化物、もしくは
これ等の相互固溶体化合物が考えられる。これ等の化合
物に共通して」えることは硬度が高く、高融点であり、
更にこれ等化合物が酸化物に比較して金属的な物性を有
していることである。特に、これ等化合物の熱伝導度は
金属に近い値を示す。耐熱性や強度の点からみると酸化
物の中でＡ−ｅ□０３は優れた性質を有しており、常温
近辺での熱伝導度も比較的に高いが、第１図に示すよう
に高温下で熱伝導率が著しく低下する。

これは切削工具等の高温での特性が問題になる用途では
大きな欠点である。これに対してωＪ記した化合物は第
１図にその一例を示すように高温Ｆではむしろ熱伝導率
は高くなるものが多い。この濾うにして選択された耐熱
性化合物とダイヤモンドの複合焼結体を製造する方法は
、先ず、ダイヤモンド粉末と、この耐熱性化合物粉末の
１種もしくは２種以上をボールミル等の手段を用いテ混
合し、これを粉状でもしくは常温下で所定の形状に型押
成型し、超高圧装置を用いて高圧、高温下で焼結する。

用いる超高圧装、置はダイヤモンド合成に使用されるガ
ードル拗、ベルト型等の装置である。発熱体には黒鉛円
筒を用い、その中にタルク、ＮａＣ−ｅ　等の絶縁物を
つめてダイヤモンドの混合物木型押体を包む。黒鉛発熱
体の周囲にはパイロフェライト等の圧力媒体を置く。焼
結する圧力、温度条件は第２図に示したダイヤモンドの
安定領域内で行うことが望ましいが、この平衡線は必ず
しも正確には分っておらず、一つの目安にすぎない。

又ダイヤモンドと組合わす耐熱性化合物の種類によって
条件は変え得る。

本発明による焼結体の非常に注目すべき、また本発明を
有用ならしめる特徴として前記耐熱性化合物が焼結体組
織上で連続した相をなすことが挙げられる。即ち、本発
明の焼結体では強靭な耐熱性化合物が、あたかもＷＣ−
Ｃｏ超硬合金中の結合相である金属Ｃｏ相の如く、高硬
度のダイヤモンド粒子間の隙間に侵入して連続した結合
相の状態を呈し、このことにより焼結体に強靭性が付与
せしめられたものである。このような組織を有する焼結
体を得る為にはダイヤモンドの含有量を体積で８０％以
下とする必要があることが実験の結果間らかになった。

本発明による焼結体中のダイヤモンド用量の下限は体積
で２０％までである。これ以下ではダイヤモンドの特徴
を生かした工具としての性能が発揮されない。結合相が
連続した相を°■先する理由は、高温下でダイヤモンド
に比し相対的に変形し易い例えばＴｉＮが焼結中にダイ
ヤモンド粒子間に侵入していく為と考えられる。

工具としての用途を考えると、本発明焼結体のダイヤモ
ンドの結合相耐熱性化合物としては周期律表第４ａ族に
属する遷移金属、即ちＴｉ、　Ｚｒ、　ｌｌｆの炭化物
、窒化物及びこれ等相互の固溶体化合物、または周期律
表第６ａ族中のＷの炭化物、ＷＣが特に好適である。こ
れ等は現在切削工具等に用いられるＷＣＣ超超硬合金サ
ーメットの硬質耐摩耗成分として使用されており、耐摩
耗性に優れ、高強度の化合物である。

Ｔｉ、　Ｚｒ、　Ｈｆの炭化物、窒化物及びこれ等の相
互固溶体が本発明の結合相耐熱化合物として優れている
他の理由は、例えば窒化物を例にとると、これ等金属の
窒化物はＭＮ　、　ｉ：ｘの形で示され、（ＭはＴｉ、
　Ｚｒ、　Ｈｆの金属を示し、Ｘは原子空孔または相対
的に過剰の原子の存在を意味する。）　Ｍ−Ｎ相図上で
広い存在範囲を有する。焼結体の原料としてこのＭＮ　
のＸが種々異なるものを使用してｌ　±Ｘ 焼結体を試作した結果、Ｘの値がある範囲内では特に優
れた焼結性を有することを見出した。この理由について
以下検討してみる。

工具材用として考えた時、特に切削工具用途では、焼結
体の結晶粒の大きさ杏よ、数ミクロン以下が望ましく、
このような結晶粒度を得るのには、原料のダイヤモンド
粒度をこれより細かな微粉としなくてはならない。

ミクロンまたはミクロン以下の微粉は、かなり多量の酸
素を含有している。一般に、この酸素は粉末表面に、は
ゾ水酸化物の形に近い化合物の形で存在するのが大部分
である。この水酸化物の形に近い化合物は加熱時分解し
てガスとなって出てくる。焼結される物質が密封されて
いない時には、このガスを県外に出すのは困難ではない
。しかし本発明の如く、超高圧下で焼結する場合には、
発生したガスは、加熱系外に脱出することは殆んど不可
能である。一般にか＼る場合には、予め脱ガス処理をす
ることが粉末冶金業界では常識であるが脱ガス処理温度
が十分高く出来ない場合には問題である。本件は、まさ
にそれに当る。即ちダイヤモンドの低圧相への変態を考
えると加熱温度に上限がある。

微粉末の脱ガス過程としては、温度と共に次の各段階が
ある。まず低温では物理吸着しているものと吸湿水分が
除去される。次いで化学吸着しているもの及び水酸化物
の分解あ；起る。最後に酸化物が残る。

ダイヤモンドの場合真空下では１ｏｏｏ’ｃ位までは安
定であるので、最低でもこの温度位には予め加熱できる
。従って、予め脱ガス加熱すれば残留ガス成分は殆んど
残っていないと考えてよい。逆に言えばガス成分はなる
べく焼結体中に残したくないのだから、水および水素を
全て除去することは予備処理として行うのが好ましい。

本発明では、この考えの下に全て１０００℃以上の脱ガ
ス処理を真空中でしている。

ＭＮ、オニを加えた時、何故焼結体として良好なものが
得られるかは次の如くと考えられる。

Ｉｎダイヤモンド粉末表面には吸着酸素が残っているが
、充分な脱ガス処理をした時には逆に変態によって生じ
た黒鉛が極めて少量粉末表面に存在する。

この酸素が黒鉛とＭＮｌ、：ｘの（−Ｘ）部分に相当す
るＭが反応した場合には、 ０＋Ｍ−ＭＯ Ｃ＋Ｍ　−Ｍ’Ｃ となりガスを発生しない。そしてＭＯとＭＣはＭＮと興
じ結晶構造を有し、相互固溶体を形成する。こ〜にＭＮ
、□で表わされるＴｉ、　Ｚｒ、　Ｈｆ窒化物が特に優
れた焼結性を示す理由があると考えられる。このことは
窒化物に限らず、ＭＣ１，ｃｘ　の形で示される炭化物
、又はＭ　（Ｃ，Ｎ　）Ｉ−１＝ｘで示される炭窒化物
、又はＭとして２種以上の金属を含む上記した化合物に
ついても言えることである。発明者等はＭＮ　、ＭＣＭ
（Ｃ，Ｎ）　の形でＴｉ、　Ｚｒ。

ｌ±ｘｌ±ｘｌ　１ｔｈｘ Ｈｆの化合物を示した時に１±Ｘの値が０．９７以下の
これ等化合物を原料とした場合に焼結性が優れτいるこ
とを確認した。

さらにＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆの窒化物、炭窒化物、炭化物、
なかんずく窒化物を結合材とした時には工具としての特
性上のメリットがある。ダイヤモンドは被加工材との溶
着が少ないという大きな特徴がある。

従って結合材の方もこの特徴を有するならば工具全体の
、特長となる。この点金属を結合材とするダイヤモンド
焼結体はダイヤモンドの有する大きな特長を殺している
と云える。Ｔｉ　、　Ｚｒ’、　Ｈｆの窒化物、炭窒化
物、炭化物は被加工材との溶着反応性が少ないという特
長を有するのでダイヤモンドの特長を殺さないという利
点を有する。特にＴｉＮはこの点優れている。

また本発明による焼結体ではダイヤモンドの合成に使用
され、高温、高圧下で黒鉛及びダイヤモンドに対して溶
解性を有すると信じられる元素、例えばＮｉ、　Ｃｏ、
　Ｆｅの鉄族金属、Ｃｒ、Ｍｎ等を添加物として含むも
のであって覗良い。

本発明の焼結体の原料として使用するダイヤモンドを原
料として超高圧下で合成されたものである場合が多いと
考えられる。従ってダイヤモンド粉末中には不純物とし
て黒鉛が残存している可能性がある。また、超高圧下で
焼結する場合においても、結合材がダイヤモンドの個々
の粒子間シテ侵入するまではダイヤモンド粒子は外圧全
静水圧的に受けておらず、この間の加熱によって黒鉛へ
逆変態を起す可能性もある。このような場合に前記した
黒鉛に対して触媒作用を有する元素が混合粉末中に添加
されていると、この逆変態を防止する効果があると考え
られる。

鉄族金属を添加した焼結体と、これ等を含まない焼結体
を研摩して組織観察を行って比較してみた結果では鉄族
金属を含む焼結体の方が研摩面においてダイヤモンド粒
子が焼結体より剥離することが少なく、ダイヤモンド粒
子と結合相との結合強度が強いと考えられる。また切削
工具として性能を比較すると、やはり鉄族金属を含有す
る方が耐摩耗性、靭性ともに優れていた。

なお、このような効果が現れるのは焼結体中に重量％０
．１％以上の鉄族金属又はＣｒ、Ｍｎを含む場合ヤあっ
た。

本発明による焼結体は高硬度で強靭性を有し、耐熱、耐
摩耗性に優れており、切削工具以外に線引きダイスや皮
剥ぎダイス、ドリルビット等のり。

具用途にも適したものである。用途によっては本発明品
はＣｏを結合材とするダイヤモンドが８０容積％以上含
有されるダイヤモンド焼結体に性能で劣るが次の点では
明らかに秀でている。すなわち（：・使用状態がＣＯが
軟化するような高温にさらされる時、（２）被加工材と
の耐溶着性が問題となる貼、特にＣｏに比べ耐溶着性に
遥かに優れる。ＴｉＮなどを使った場合はそうである。

（３）再研摩費用が問題となる時、ダイヤモンドの含有
量が少ないので１すω１摩は容易であり、再研摩費が使
用」−のネックとなっている場合、本発明品は有用であ
る。

以下、実施例を述べる。

実施例１ 平均粒度７μのダイヤモンド粉末と下均粒度１μのＴｉ
Ｎ０．９２粉末とを体積で各々６０％、４０％の割合に
配合し乳鉢で充分混合した。この混合粉末にカンファー
を２％加え、外径１０Ｈ１高さ１５＋肩に型押成型した
。これをステンレス製の容器中に挿入した。この容器を
真空炉中で１０　ＭＭＨｙの真空度で１１００°Ｃに２
０分間加熱して脱ガスした。　これをカー　ドル型超高
圧装置に装入した。圧力媒体としてはパイロフェライト
を、ヒーターとしては黒鉛の円筒を用いた。なお、黒鉛
ヒーターと試料の間はＮａＣ−ｅを充填した。先ず圧力
を５５Ｋｂに上げ、次いで温度を１４００”ｃに」二げ
、３０分間保持したのち温度を下げ、圧力を徐々におろ
した。得られた焼結体は外径約１０Ｍ肩、厚さは約１　
ａｍであった。これをダイヤモンド砥石で平面に研削し
、更にダイヤモンドのペーストを用いて研摩した。研摩
面を光学顕微鏡を用いて観察したところダイヤモンド結
晶がＴｉＮの連続したマトリックス中に存在する組織を
星していた。

焼結体の硬度をマイクロビッカース硬度計ヲ用いてｉｔ
＋１１定した。硬度の平均値は５３００であった。

焼結体をダイヤモンド切断刃を用いて切断し、切削チッ
プを作成し、これを鋼の支持体にロウ付けした。比較の
ために十均粒度３７＋のダイヤ化／１゛を金属Ｃｏで結
合した市販されているダイヤ１ニアＦ焼結体、及びＪＩ
Ｓ分類ＫＯＩの超硬合金で同一形状の切削工具を作成し
た。被削材には熱処理後ノ）２％のベリリウムを含有し
たベリリウム銅を用いた。７被削材の硬度はＨ，＜Ｂ４
Ｏ０である。Ｉ、ＩＪ削条（’ｌ　ｌｊ　Ｌ）Ｊ　ｆｉ
ｌｌ速度２００ｎｒ／ｍｍ、切込み０２問、送りＯ，ｌ
　２ｍＸ／　ｒｃｖとした。この条件で切削試験したと
ころ本発明しζよる合金は工具刃先逃げ而での摩耗中が
０．２１１１１に達するまでに３５分間切削できたが、
金属ＣＯで結合したダイヤモンド焼結体工具では５分で
同一摩耗１１】に達した。即ち本発明の」二基寿命は７
１）”くである　また超硬合金−［具は１分て摩耗１が
０４２闘に達した実施例２ モ均粒度４μのダイヤモンド粉末と下均粒度１７）のＴ
ｌ（ＣＯ，５’　ＮＯ，４）０．９０　粉末を各々体積
で７０％、　３Ｆ１％の割合に配合した。以下実施例１
と同じｈ法で焼結体を作成した。得られた焼結体をダイ
Ａ−砥イ！で研削してフライス切削用の超硬合金切削チ
、・フの先端にロウ付けした。旧市フライス盤を用いＸ
６０朋巾長さ３００闘の高Ｓｉ含有Ｍ合金の鋳物を長手
方向に切削した。切削速度は５００ｍ／ｍ１ｆｆ、切込
み０５騎、テーブル送り２８００πｍ１ｍｍの条件で、
水溶性切削油を使用した。本発明の焼結体は１０００パ
ス以？ 上の切削が可能であった。これに対して比較の為に入れ
た市販されているＫＯ５相当の超硬合金工具では２００
パスの切削で切削不能となった。

実施例３ 第１表の組成にダイヤモンド粉末と耐熱性化合物粉末を
混合した。使用したダイヤモンド粉末は平均粒度４μの
ものである。実施例Ｉと同様に混合粉末の型押体を作成
し、Ｍｏ製の容器に入れ、実施例１と同様に前処理を行
った後、超高圧装置を用いて第１表の条件で焼結した。

加熱保持時間はいずれも２０分間である。いずれの場合
も緻密な焼結体が得られた。

第　１　表 実施例４ 平均粒度７μのダイヤモンド粉末を用いて、これを体積
で６０％残部が第２表のものからなる混合粉末を作成し
た。

第　２　表 実施例−１と同様にしてＭＯ製容器に入れた混合粉末型
押体を第２表の条件で焼結した。焼結体をダイヤペース
トで研摩し組織観察を行ったところ、いずれもその組織
は緻密であり、ダイヤモンド結晶が均一に分散していた
。このＩの焼結体をダイヤモンド線引きダイスを作成す
る場合と同様の加工方法を用いて穴径１．０羽のダイス
に仕上げた。

比較の為に超硬合金及び市販されている金属Ｃ。

でダイヤモンド粉末を結合したダイヤモンド焼結体を用
いて同一形状のダイスを作成した。このダ１．イスを用
いてＷ線の線引きテストを行った。ダイスに供給される
Ｗ線材を約８００℃に予熱した条件でテストした結果、
本発明のダイスでは２．１　ｔｏｎの伸線が可能であっ
たが、超硬合金製ダイスでは２００に９、焼結ダイヤモ
ンドダイスはｌ　ｔｏｎの伸装置でいずれもダイスが摩
耗して寿命となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の焼結体の特徴を説明するもので、各種
化合物の熱伝導度の温度に対する変化を示したものであ
る。 第２図は本発明の焼結体の製造条件に関するもので、ダ
イヤモンドの圧力、温度相図上での安定存在領域を示す
ものである。 手続補正書（方式） 昭和６０年　７月４８ １゜事件の表示 昭和６０年特許願第３８７９号 ２、発明の名称 高硬度工具用焼結体 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 １１　所　大阪市東区北浜５丁目１５番地名　称（２１
３）　住友電気工業株式会社社長　周上舌部 ４、代理人 住　所　大阪市此花区島屋１丁目１番３号住友電気工業
株式会社内 （電話　大阪４６１刊雪］） 氏　名（７８８１ン　弁理士　上　代　哲　司　６、補
正の対象 明細書中、図面の簡単な説明の欄。 ７、補正の内容 （＋）明ｍ書第１７頁第１７行目〜同書第１８頁第３行
目迄の「４、図面の簡単な説明」全文を削除する。 Ｅｒ＝　＊、ｊＲ，７市１１’Ｅ　−Ｊ昭和６０年　７
月９日 特許庁長官　宇　賀　道　部　殿 咬、轟　１ １６事１’ｌの表示 昭和６０年特　許願第３８７９号 ２、発明の名称 高硬度工具用焼結体 ：１．　ン＋ｌｉ＋Ｆをずろ−８ 事１′１との閏１系　特許出願人 件　所　大阪市東区北９ｉ　５丁目１５番地名　Ｊ！＋
、（２＋３）　住友電気工業株式会社７４長　周上１１
部 ／１代理人 住　所　大阪市此花区島屋１丁目り番３号（↑友電気工
業株式会社内 （電話　大阪４６１−１０３１） 自発補正 ６、補正の対象 願書、図面の簡単な説明の欄、及び図面。 ７、補正の内容 （１）訂正した願書を別紙の通り提出する。 （２）明細書第１７頁第１６行目の次に下記の文章を挿
入−りる「４、図面の簡単な説明 第１図は本発明の焼結体の特徴を説明するもので、各種
化合物の熱伝導度の温度に対する変化を７］くシたもの
である。 第２図は本発明の焼結体の製造条＋１に関するもの゛Ｃ
ダイヤモンドの圧力、温度相図−１−での安疋存６領域
を示すものである。」 （３）図面、「第１０」　「第２図」を別紙の通り２に
出′ジる。 第１図 三見度（’Ｃ） 第２図 温度（０Ｃ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）ダイヤモンドを体積％で８０〜２０％含有し、残
   部が周期律表第４ａ、　５ａ、　６ａ族遷移金属の炭化
   物、窒化物、硼化物、硅−化、物もしくはこれ等の混合
   物または相互固溶体化合物ふ・よびＦｅ、　Ｎｉ、　Ｃ
   ｏ。 Ｃｒ、、Ｍｎ　を主体としたものからなり、この化合物
   が焼結体組織中で連続した結合相をなすことを特徴とす
   る高硬度工具用焼結体。 （−２）連続した結合相をなす化合物が周期律表第４ａ
   族のＴｉ、　Ｚｒ、　Ｈｆの炭化物、窒化物、炭窒化物
   を主体としたものからなる特許請求の範囲第１項記載の
   焼結体。 （３）連続した結合相をなす化合物が周期律表第４ａ族
   のＴｉ、　Ｚｒ、　Ｈｆの炭化物、窒化物、炭窒化物を
   主体としたものからなり、焼結体中に鉄族金属もしく−
   はＣｒ、Ｍｎ　もしくはそれらの合金を重量で０．１％
   以上含有することを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の焼結体。