JPS6131354A - ダイヤモンド焼結体の製造法 - 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 本発明はダイヤモンド焼結体の製造方法に関する。更に
詳しくいえば、本発明は砥石、切削工具、石油掘削ドリ
ル等において有用なダイヤモンド焼結体の新規製造方法
に関する。

従来の技術 現在、ダイヤモンド砥石用に使われているダイヤモンド
砥粒は総て単結晶であり、該単結晶形状等については該
ダイヤモンド砥石の用途に応じて、各種の異るものが使
用されている。超硬合金などの研削のために使用する場
合には、これは一般に樹枝状形状の砥粒である。該樹枝
状形状の砥粒は脆弱で欠は易いが、砥粒の欠けが生じた
場合にも常に鋭い刃先が出てきて、切れ味の低下はない
もめとされている。

一方、ガラスや石の研削の場合には、一般に立方八面体
形状の砥粒が良いとされており、この形状の砥粒は高強
度であり、欠けを生じ難いものである。

近年、ニューセラミックスと呼ばれるセラミックスの研
究開発が盛んであり、将来、このセラミックスの加工は
この分野において重要な課題になるものと予想される。

特に、最近、窒化珪素、炭化珪素などの超硬材料を、自
動車のエンジンに応用しようとの計画がなされているが
、これら超硬材料は極めて研削性が悪いことが知られて
いるので、この計画を実現するために、あるいはまた該
セラミックスの応用分野を大巾に拡張するために、これ
ら物質を容易に加工することのできる材料を開発するこ
とは極めて重要な課題である。

即ち、前記窒化珪素、炭化珪素等はガラスや石よりも硬
いばかりでなく、強度も著しく高いので、この特性を考
慮すれば、余りに脆弱な前記の如き樹枝状結晶は不適当
であり、また立方八面体結晶も切れ味の低下という点か
ら好ましくないと考えられる。

高強度、かつ多数の切れ刃を有する多結晶ダイヤモンド
砥粒は、上記のような観点から好ましいものと考えられ
るが、現在の多結晶ダイヤモンドの作製技術によれば、
その製造コストはカラット当たり数万円と、極めて高価
のものとなり、工業的利用を図ることは経済的観点から
極めて難しいものと思われる。

このような従来のダイヤモンド砥粒の欠点を解決すべ（
種々の検討がなされ、黒鉛を直接ダイヤモンドに変換す
ると同時に焼結体を作るという試みがいくつか提案され
ている。しかしながら、この方法では総ての黒鉛をダイ
ヤモンドに変換することができず、黒鉛が部分的にダイ
ヤモンド焼結体中に残留するので、焼結体の強度はかな
り低いものであった。

発明が解決しようとする問題点 従来から、樹枝状形状の砥粒、立方爪面体形砥粒などが
、ダイヤモンド砥石用のダイヤモンド砥粒として知られ
、その性状に応じて適宜使用されていたが、窒化珪素、
炭化珪素などの最近注目され、各種応用面がひらけつつ
ある超硬材料の研削用に応用するには脆弱であり、また
切れ味が低下してしまう等の欠点を有することから、こ
れら公知のダイヤモンド砥粒をこの種の用途に応用する
ことは困難であった。

一方、多結晶ダイヤモンドが注目されてきたが、現状で
は、製造費が著しく高く、実用化には程遠い。更に、黒
鉛を直接ダイヤモンドに変換しかっ焼結する技術も提案
されたが、今のところ良好な結果を得るに至っていない
。

そこで、本発明の目的はセラミックスなどの応用分野の
拡張を可能とする、安価な、高強度かつ微細結晶の多結
晶ダイヤモンドの製造方法を提供することにある。また
、切削工具、石油掘削ドリルなどとして有用な、かつ安
価なダイヤモンド焼結体を提供することも本発明の目的
の１つである。

問題点を解決するための手段 本発明者は前記目的を達成すべく種々検討、研究した結
果、安価で高強度かつ微細結晶の多結晶ダイヤモンド焼
結体が、ボールミルに際して、黒鉛をダイヤモンドに変
換するのに有用な溶媒金属でボールミル容器の少なくと
も一部および／またはボールの少なくとも一部を構成し
て、これを黒鉛等の微粉砕処理に使用し、黒鉛等と溶媒
金属との混合物を形成し、これから黒鉛を直接ダイヤモ
ンドに変換すると同時に焼結体とすることにより有利に
製造し得ることがわかった。

即ち、本発明のダイヤモンド焼結体の製造方法は、ボー
ルミル容器の少なくとも一部および／またはボールの少
なくとも一部を、溶媒金属で形成し、該容器およびボー
ルを使用して黒鉛または炭素粉末をボールミルし、これ
を微粉砕すると共に、黒鉛または炭素と溶媒金属との混
合物を得、該混合物を高温・高圧下で加熱、加圧し、ダ
イヤモンドを形成すると同時にこれを焼結することを特
徴とする。

前記溶媒金属は黒鉛または炭素をダイヤモンドに変換す
るのに有効な鉄族触媒金属もしくはその合金であり、例
えばＦｅ、　Ｎｉ、ＣＯｌこれらの合金、もしくはその
他の合金元素としてＣｒ、　Ｍｎ、＾ｌＳＢ。

Ｔ１、Ｚｒ、　Ｔａ等を含有する前記合金からなる群か
ら選ばれる少なくとも１種である。

また、生成ダイヤモンド焼結体においては、ダイヤモン
ドの含有率は一般的には各種用途に応じて変化するが、
その硬度、耐摩耗性、強度等の物性を考慮すれば、ダイ
ヤモンドの割合を３５重量％以上とすることが好ましい
。

廊月 本発明の特徴は、まず第１に黒鉛または炭素（以下代表
的に黒鉛を例として記載する）粉末の微粉砕のために、
該粉末との接触部の少なくとも一部が溶媒金属で形成さ
れたボールおよび／またはボール容器を使用することに
ある。

このようなボールミル処理は、黒鉛と溶媒金属とを極微
細状に粉砕し、これらが相互に十分接触するようにし、
後のダイヤモンド形成工程において総てのもしくは殆ど
総ての黒鉛をダイヤモンドに変換する上で極めて重要な
ものである。

本発明の方法において、゛ボールミル″とはボールを用
いることが粉砕混合効果の第一要因であるようなすべて
の手段を意味するものとする。従って、例えばアトライ
ターなどをも含む。更に、アルコールなどの有機溶媒を
用いる湿式ボールミルは本発明の方法において特に有利
である。

本発明の方法において使用するボールおよびボールミル
容器は全体が溶媒金属製であってもよく、また被粉砕黒
鉛との接触部の一部のみ、例えば表面層（もしくは内面
層）またはその一部が溶媒金属製であってもよく、更に
ボールもしくはボールミル容器のいずれか一方がその全
体もしくは一部を溶媒金属で形成したものであってもよ
い。

ボールおよび／またはボールミル容器の一部、例えば表
面層を溶媒金属で形成する場合、溶媒金属をボールもし
くは容器に溶射するなど公知の各種方法を採用すること
ができる。この場合、公知の如く、ボールおよびボール
ミル容器はこれらからの汚染物の混入を出来るだけ制限
するために、ボールおよびボールミル内壁を耐摩耗性材
料で構成することが好ましい。

かくして、本発明の方法によれば、溶媒金属製のもしく
は溶媒金属製の接触面を有するボールおよび／またはボ
ールミル容器を使用することにより、黒鉛粉末が微粉砕
されると共に、ボールおよび／またはボールミル容器か
ら摩耗によって混入してくる微細な溶媒金属との均一な
混合物の形成が達成される。ここで、前述のような溶媒
金属は適度な摩耗度を有しているので、ミクロン以下の
微細な粉末として黒鉛に混合され、一方、黒鉛も微粉砕
されるので、結果として極く微細な黒鉛と溶媒金属との
混合粉末が得られることになる。

黒鉛と溶媒金属との均一な混合粉末を得、総てのもしく
は殆ど総ての黒鉛をダイヤモンドに効率良く変換させる
ためには、これらは１μｍ以下の粒度とすることが望ま
しい。この粒度を達成するためには、前記ボールミルは
通常約１日程度行えば十分である。

このようにして得られる黒鉛と溶媒金属との混合粉末は
、次いでダイヤモンドが安定な超高圧・高温条件下に置
かれ、総てのあるいは殆ど総ての黒鉛がダイヤモンドに
変換されると共に、溶媒金属をバインダとするダイヤモ
ンド焼結体が形成される。

また砥粒などの粉末を形成しようとする場合には、前記
混合粉末を造粒粉とし、これをダイヤモンドと反応せず
、かつ圧力媒体となり得る物質中に均一に分散させた状
態で、ダイヤモンドが安定な超高圧・高温条件下におく
ことにより、優れた品質の砥粒等が得られる。

ここで前記ダイヤモンドと反応せず、かつ圧力媒体とし
て機能する物質としては、超高圧・高温条件下での安定
性および粘性からパイロフェライト、六方晶系窒化硼素
、食塩などが有利に使用でき、砥粒形成後除去が容易で
あることから特に食塩が好ましい。

また、現在のダイヤモンド焼結体の殆どは、超硬合金と
はり合せた２層構造となっている。これは、焼結時に超
硬合金からＣｏなどの液相がダイヤモンド部に移動し、
ダイヤモンドを焼結すると共に、ダイヤモンド部と超硬
合全部とを接合するためであると考えられる。

一方ドリルなどの工具を作製しようとする場合、焼結ダ
イヤモンドがろう付け可能な材料で挟まれたサンドイッ
チ構造の素材とされていることが好ましい。しかしなが
ら、このようなサンドイッチ構造の素材を超硬合金から
作ろうとしても、これらの間の熱膨張率の差に起因する
応力に基き、亀裂等が発生するために、良質の素材を作
製することは著しく困難である。超硬合金以外の材料を
用いるためには、予め必要な結合剤をダイヤモンド粉末
に混合しておかなければならないが、微細なダイヤモン
ド粉末に、不純物による汚染を伴うことなしに、結合剤
を十分に混合させることは一般に極めて難しい。この点
本発明の方法によれば、何の困難もなしに、焼結ダイヤ
モンドの熱膨張係数と似通った材料、例えばモリブデン
等を前記サンドイッチ構造の外側材料として選ぶことが
でき、従来の如（亀裂等を発生することもない。

このようなサンドイッチ構造の形成は、前記の微粉化し
た黒鉛と溶媒金属との混合物を２枚の外側材料間に挟み
、これをダイヤモンドが安定な超高圧・高温条件下にお
くことにより有利に行うことができる。

実施例 以下、実施例により本発明を更に具体的に説明する。し
かしながら、本発明の範囲はこれら実施例により何隻制
限されるものではない。

実施例１ インコネル（８０％Ｎｉ−１４％Ｃｒ−残部Ｆｅ）製の
直径５ｍｍのボール、インコネルを内面に溶射した内径
５０ｍｍのポットを用意した。これに黒鉛粉末を入れ、
更にアルコールを加えた。この状態で２４時間ボールミ
ルした。得られた泥状物質を加熱することによりアルコ
ールを除去した。乾燥後の粉末を化学分析したところ１
５％の金属成分を含んでいることがわかった。

このようにして得た粉末を超高圧・高温装置を用いて、
５万気圧、１．４００℃の条件下で焼結した。

得られた焼結体は直径１０＋＋＋ｍ、厚み１ｍｍの小さ
いものであったが、硬度はｆｌｙ　９，０００、抗折力
１１０ｋｇ　７ｍｍと現在市販されているダイヤモンド
焼結体に比べて遜色ないものであった。

実施例２ 実施例１で得られた黒鉛と金属との混合粉末に、潤滑剤
としてカンファーを加えた後、圧力１ｔ１０ｄの下で型
押しした。これを手で粉砕した後篩別し、３０メツシュ
以下４０メツシュ以上の大きさの粒を得た。

この粒が互に接触しないように、食塩の微粉末を加えな
がら容器に充填した。この容器を超高圧・高温装置を用
い４．８万気圧、１．３８０℃の条件下で加圧、加熱し
た。容器を取出した後、これを水洗して、食塩を溶解流
出させて、粒状物を得た。

か（して得られた粒子はほぼ４０メツシュ以下５０メツ
シュ以上の大きさをもっていることがわかった。その硬
度を計ったところｌｈは９．０００であった。

この事実は、本実施例の製品がダイヤモンド焼結体とし
て十分なものであることを示している。尚、砥石として
試験することはできなかったが、窒化珪素等の切削用砥
石として十分期待できるものと考えられる。

実施例３ 径３ｍｍのステライト（６８％Ｃｏ　−２８％Ｃｒ−４
％Ｗ）製ボールと、ステライトを内面に溶射したポット
を用意した。これらのボールおよびポットを使用し、黒
鉛粉末をアルコールの存在下で２４時間ボールミルした
。得られた泥状物質を加熱してアルコールを除去し黒鉛
とステライトとの乾燥混合粉末を得た。該混合粉末を化
学分析したところ、金属成分の割合は１３％であった。

このようにして得られた混合粉末を、２枚のモリブデン
板間に挟み、５万気圧、１．４００℃なる条件下で加熱
、加圧し焼結した。得られた製品はモリブデン板と強固
に結合していた。間の焼結部の硬度を測定したところ、
ＨＶ　９．５００の値を示した。

従って、本例の製品は十分な性能を有するダイヤモンド
焼結体であると結論された。

このサンドイッチ構造を有する焼結体は、その両面にお
いてろう付け可能であり、−面ろう付けでは強度不足で
あり、工具を製作することが困難である場合に極めて有
効なものである。このような−面ろう付けでは不十分な
工具の代表的な例は穴あけ工具である。

実施例４ 実施例３で得られた混合粉末を実施例２と同様な方法で
焼結し、ダイヤモンド焼結体を得た。得られた粒の硬さ
はＨｖ　９，５００であり、砥粒として十分に期待でき
るものである。

発明の効果 このように、本発明のダイヤモンド焼結体の製造方法に
よれば、ダイヤモンド形成原料としての黒鉛または炭素
粉末を、これらをダイヤモンドに変換するのに有効な鉄
族元素もしくはこれらの合金からなる溶媒金属で該粉末
との接触部の少な（とも一部を構成したボールおよび／
またはボールミル容器によって微粉砕すると共に、黒鉛
または炭素と溶媒金属との微粉砕され、均一に分散した
混合物を形成し、これをダイヤモンドが安定な超高圧・
高温条件下におくことによって、総てのもしくは殆ど総
ての黒鉛が直接ダイヤモンドに変換されると共に、溶媒
金属をバインダとしてダイヤモンドが焼結され、かくし
て得られる本発明の焼結体は極めて高い硬度、抗折力を
示すので、切削工具、石油掘削ドリルなど、並びに最近
注目されているニューセラミック材料の加工用に適した
新しい材料として十分に期待できるものである。

更に、本発明の方法によれば、ドリルなどの工具作製に
適したサンドイッチ構造の素材も効率良く製造すること
ができる。従って、本発明の方法は切削工具、掘削ドリ
ル、ニューセラミック材料の加工具等の作製において極
めて有用な発明であるといえよう。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）ボールミル容器および／またはボールを溶媒金属
   で構成し、該容器およびボールにより黒鉛または炭素粉
   末をボールミル処理して、該粉末を微粉砕すると共に黒
   鉛または炭素と溶媒金属との微粉砕され、かつ均一分散
   された混合物を得、該混合物を高温・高圧条件下で加熱
   、加圧してダイヤモンドを形成すると同時に、これを焼
   結することを特徴とするダイヤモンド焼結体の製造方法
   。
2. （２）前記溶媒金属が、前記ボールミル容器内面および
   ボール表面の少なくとも一方に溶射されていることを特
   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. （３）前記ボールの全体および前記ボールミル容器全体
   の少なくとも一方が前記溶媒金属で形成されていること
   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. （４）前記溶媒金属がＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉおよびこれらの
   合金並びにＣｒ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｂ、Ｔｉ、ＺｒおよびＴ
   ａを合金元素として含有する前記合金からなる群から選
   ばれることを特徴とする特許請求の範囲第１〜３項のい
   ずれか１項に記載のダイヤモンド焼結体の製造方法。
5. （５）前記ダイヤモンド焼結体において、ダイヤモンド
   の割合が３５重量％以上であることを特徴とする特許請
   求の範囲第１〜４項のいずれか１項に記載のダイヤモン
   ド焼結体の製造方法。
6. （６）前記高温・高圧処理が、前記混合物をろう付け可
   能な物質で挟んだ状態で行われることを特徴とする特許
   請求の範囲第１〜５項のいずれか１項に記載のダイヤモ
   ンド焼結体の製造方法。
7. （７）前記高温・高圧処理前に、前記混合物を潤滑剤と
   共に型押した後所定の粒度に粉砕し、これら粒が相互に
   接触しないように不活性なかつ圧力媒体となる物質中に
   分散させることを特徴とする特許請求の範囲第１〜５項
   のいずれか１項に記載のダイヤモンド焼結体の製造方法
   。
8. （８）前記物質がパイロフェライト、六方晶形窒化硼素
   および食塩からなる群から選ばれることを特徴とする特
   許請求の範囲第７項記載のダイヤモンド焼結体の製造方
   法。