JPS61270285A - 耐熱性ダイヤモンド焼結体 - 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】 ［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、ドレッサー
、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
ックあるいはセラミックスの切削工具、ドレッサー、ド
リルビッ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。したがって、６００℃以上の温度に加
熱した場合、ダイヤモンドがグラファイト化し劣化する
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フィト化を促進するＣ
Ｏなと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コ 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った。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”Ｃ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、ドレッサーまたはドリルビ
ットの刃先として、ビット本体またはシャンク等に、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、特に硬質層掘削用ドリルビットの刃先材料
として、上記ダイヤモンド焼結体を用いる場合には、９
００℃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。したがって、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
ット本体あるいはシャンク等に取付けても、十分な強度
を得ることができなかった。

したがって、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
面にニッ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、このニッ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、ニッ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
ビットの刃先やドレッサーに用いた場合、欠けを生じる
ことがわかった。

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ｒｖａ　、ｖａまた
はＩＶａ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Ｗｉ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容社
％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ｆ律表■ａ　
、ｙａ　、％ｑａ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１μ■以上の周
期律表ｒＶａ　、ＶａまたはＶｔａ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［９ａ　、　ｖａもしくは”Ｊｌ
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、従来の平ツケル被覆層では、ニッケルが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、１μｌ〜５Ｏｕｍが
好ましい。１μｍ未満では、母材であるダイヤモンド焼
結体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。すなわら、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１１１１１Ｊ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、６Ｘ
１０−’および８Ｘ１０−　’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１
０００℃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％未渦の
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９５容堡％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ｌ１２Ｉ＆ｉｔ、ダ
イヤモンド焼結体の表面に直接形成されるものであって
もよく、他の被覆層を介して形成されるものであっても
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、たとえば化学蓋Ｓ　＜ＣＶＤ）、
反応性スパッ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。

１１九二 平均粒度１００μｍ１５０μｍ、２０μ園および５〜０
．２μｍの各ダイヤモンド粉末を、５：３：１：１の割
合で配合し、ＷＣ−Ｃσ超硬合金製のポットおよびボー
ルを用いて５分間混合した。１ｑられた混合粉末を、１
４００℃にて３０分間、真空中において加熱した後、Ｍ
Ｏ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１４
６０℃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の含有口を測定したところ。

それぞれ、９６．５容量％、０．１５容同％および３．
３５容量％であった。

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％、
ＷＣｏ、１４容量％、ＣＯＯ１４容量％および空孔２，
９６容量％であった。

得られた焼結体表面に、約８μ量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、Ｔｉ　ＣｆＬ４　、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５０μ
ｍの厚みのニッ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、下記の条件で行なった
。

加熱温度：空温→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℃前侵から重ｆｆｉ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牽形成した試料（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、ニッ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　）のニッ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。

１１九二 ダイヤモンド９６．２容量％、Ｃｏ　０．３容量％、ｗ
ｃｏ、ｉｓ容最％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、ＳｉＣ見、、
ＣＨ，、Ｈ２雰囲気、９００℃、３１Ｉｉ￥圓保持であ
る。なお、この炭化珪素からなる被覆層のＨ厚は５μｍ
であった。

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２．５１１１１１の立方体であり、対向する２面の平
行度は０．０１ｎ＋ｍ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’Ｃ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、したがっ
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０．８μ■のダイヤモンド粉末を、ＷＣ−Ｃｏ
超硬合金のポッ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。

３０μ−および１０μｌ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った。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％、Ｇａ４゜５１１　ｆｆｉ　％、Ｎｉ０．１
容量１％、ＷＣｏ、２容量１％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１．１．
＝。ＣＶＤ１７）条件ハ、Ｔｉ　ＣＱａ　、　ＣＨ４。

Ｈ２ガス中、１０００’Ｃ１０，２〜３０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〜６０Ｌｔ１
１であった。

上述のようにして得られたＩ！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、ビッカ
ース硬度２３００のアルミナ部材を、切削速度：５０１
１／分、切込：０，２１ｍ送り：０゜０５　＋ｕ＋／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った。

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
。

第３図から、被覆層の膜厚が１μ−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＜ｒ　＞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ｍ
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。

ＬＬＬ 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ＩＶａ、Ｖａ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ッタにより
被覆した。被覆層の厚みは、６〜８μｍである。

被覆層の形成されたダイヤモンド焼結体を、大気中で１
１００℃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った
。結果を第４図に示す。

第４図より、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℃前後で重重の減少
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
性スパッタにより、厚み５μの炭化珪素からなる被ｖＩ
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盪に対する圧
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容吊％以上になると圧縮強度は
１００ｋｇ／１ｌ１１１２以下となることがわかる。

（以下余白） ＊：容量％ 友１」口し ダイヤモンド９８．５容量％、ＧＯ０，４容量％、ＷＣ
０，１２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Ｔｉ　Ｎ、Ｔｉ　ＯＮの
被覆層ざらにＴｉＮとＴｉＣの２層よりなる被覆を行な
った。第４表にＣｖＤの条件を示す。被覆−の膜厚はＳ
ＥＭでＩ！察したところ８μ−であった。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った。

〔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ＰＪａ　、　Ｖａ　、　ＶＴａ族の遷移金属または
Ｓ：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、したがう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。よって、
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ット本体あるいはシャンク等
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
、ドレッサー、ドリルビットブランク、伸線ダイス、あ
るいはセラミッ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４図である。 特許出願人　住友電気工業株式会社 −０１−リ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （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ＩＶａ、ＶａもしくはＶ
   Ｉａ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ＩＶａ
   、ＶａまたはＩＶａ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. （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. （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。