JPS6146540B2

JPS6146540B2 -

Info

Publication number: JPS6146540B2
Application number: JP55066286A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Nakai; Shuji Yatsu
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1980-05-19
Filing date: 1980-05-19
Publication date: 1986-10-15
Also published as: JPS56164073A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は切削加工あるいは伸線加工に使用する
工具用の高硬度焼結体およびその製造方法に関す
るものである。現在非鉄合金やプラスチツク、セラミツク、超
硬合金などの切削や線引ダイス用工具材としては
ダイヤモンドが70容量％を越し、結合材として
Coを主成分とする金属を用いた焼結体が市販さ
れている。そしてこれらの工具材は、高価格であるにも拘
らず一部好評を博している。通常このようなダイヤモンド焼結体は、ダイヤ
モンド合成に使用される触媒金属を結合材として
用い、ダイヤモンドが安定な高圧高温下で焼結す
ることにより、ダイヤモンド粒子同志が互いに接
合し、十分発達してダイヤモンドスケルトン部を
形成している。この場合ダイヤモンド粒子がその
表面部より触媒金属中に溶解し、再析出すること
によりダイヤモンド粒子間にスケルトン部が形成
される。本発明者らはこの市販焼結ダイヤモンド工具材
についてその特性などを種々調査した。即ち、この工具材で切削加工用のバイトを作成
し、前記したような材料を実際に切削し、バイト
の刃先を観察したところ、ダイヤモンド粒子が脱
落したり、壁開して摩耗していた。また市販の焼
結ダイヤモンドダイスを用いて伸線テストを行な
つた後、ダイスの内面を観察したところダイス内
面ではダイヤモンドスケルトン部が破壊し、ダイ
ヤモンド粒子が脱落していた。特に抗張力の高い線材を伸線した場合は、ダイ
ヤモンド粒子の脱落とともにダイヤモンド粒子が
欠けている個所も観察された。この実験の結果、焼結ダイヤモンド工具におい
ては、ダイヤモンドスケルトン部とダイヤモンド
粒子自体の強度が工具性能を左右する大きな因子
であることが判明した。そこで本発明者らは、ダイヤモンドスケルトン
部とダイヤモンド粒子自体の強度を向上させるべ
く鋭意研究の結果、ダイヤモンド焼結体の結合材
の種類により、ダイヤモンドスケルトン部とダイ
ヤモンド粒子は大きく変化することを見出した。即ち、結合材としてNi―Crを用いた場合空孔
などが存在しないため大きなダイヤモンドスケル
トン部が形成されるとともにダイヤモンド粒子が
加工硬化され、強度が上昇しており優れた工具性
能を示すことがわかつた。以下本発明について詳細に説明する。ダイヤモンドスケルトン部やダイヤモンド粒子
自体の強度はダイヤモンド焼結に用いる結合材や
焼結条件により影響を受けるものと考えられ、最
適結合材と焼結条件を見つけ出すために種々の結
合材を用いてダイヤモンド焼結体を作り、その性
能を調べるとともにダイヤモンドスケルトン部を
詳細に観察した。まず種々の結合材を用いてダイヤモンド焼結体
を作成したのち、これらのバイトを作り、超硬合
金を切削した。その結果、結合材としてNi―Cr合金を用いた
場合最も優れた切削性能を示した。この優秀性を確認するため非鉄合金やプラスチ
ツク、セラミツクを切削したり、線引ダイスを作
成して伸線テストを行なつた。その結果は期待通りNi―Cr合金を結合材とし
て用いた焼結体が最も良好な工具性能を示し、市
販のCoを結合材としたダイヤモンド焼結体より
も優れていた。この理由を調べるため、まずダイヤモンドスケ
ルトン部を光学顕微鏡と走査型電子顕微鏡により
観察した。比較のため市販のCoを結合材とした焼結体も
同時に観察した。この結果Ni―Cr合金を結合材
として用いた本発明の焼結体の場合、スケルトン
部の大きさはCoを結合材として用いた市販の焼
結体よりも大きいことがわかつた。更にはCoを
結合材として用いたダイヤモンド焼結体の結合部
には空孔個所が観察されたが、本発明焼結体のダ
イヤモンド粒子の結合部にはそのような空孔は殆
んどみられなかつた。本発明焼結体が市販のCo結合材を用いたダイ
ヤモンド焼結体より良好な性能を示すのは、この
ダイヤモンドスケルトン部の相違によるものと推
測された。即ち、ダイヤモンド焼結体に機械的あるいは熱
的な応力が生じた場合、焼結体中において最も破
壊しやすいのは強度が低いダイヤモンドスケルト
ン部であり、このダイヤモンド同志の結合部に集
中応力が発生する。この時、ダイヤモンドスケル
トン部が小さく、且つ空孔があれば、当然ダイヤ
モンドスケルトン部の破壊強度は低下するものと
思われる。従つて本発明焼結体のように、ダイヤモンドス
ケルトン部が大きく、空孔が少ない焼結体のほう
が良好な性能を示すものと推測される。次になぜ結合材の種類によつてダイヤモンドス
ケルトン部の状態が変化するのかについて観察し
た。まずダイヤモンド焼結体の焼結機構は次のよう
に推定される。即ち、ダイヤモンドが安定な高温高圧下でまず
触媒金属とダイヤモンドの一部が反応し、触媒金
属と炭素の共晶溶液を生じ、これがダイヤモンド
粒子間のの間隙に侵入し、その後前述した如くダ
イヤモンドスケルトン部が形成されて焼結する。共晶溶液がダイヤモンド粒子間の間隙に侵入す
る場合、その侵入距離は共晶溶液の粘性と間隙の
大きさに依存する。即ち、粘性が低くなるほど、また間隙が大きく
なるほど侵入距離は長くなり、共晶溶液は間隙内
に侵しやすくなる。これら液体の粘性は通常融点
からの温度差があるほど即ち高温になるほど低下
するものである。市販のダイヤモンド焼結体の如
くCoを結合材として使用した場合、常圧下では
約1309℃で共晶液相が生じるが、ダイヤモンドが
安定な高圧下ではこの共晶温度は数10℃程度上昇
し、約1350℃以上で共晶溶液が発生する。一方本
発明焼結体の如く、Ni―Crを結合材とした場合
には、常圧下では約1045℃で共晶溶液が生じる
が、高圧下では前述した如く、共晶温度は数10℃
上昇するものの約1100℃程度の低温で共晶溶液が
発生する。従つてCoを結合材としたものと、Ni
―Crを結合材としたものを同条件で焼結した場
合、共晶温度の低いNi―Crの共晶溶液の粘性が
低くなり、ダイヤモンド粒子間の間隙の細部にま
で入り込むため、空隙の少ない、大きなダイヤモ
ンドスケルトン部が形成されるものと考えられ
る。一方共晶温度が高い場合は粘性が高くダイヤモ
ンド粒子間の間隙の小さな部分に侵入しにくいた
め、ダイヤモンドスケルトン部が発生しやすい。
そしてこのような個所が空隙として残つたものと
考えられる。しかしCoを結合材とした場合においても、さ
らに温度を上昇させればNi―Crを結合材として
用いた場合と同様の粘性となり、ダイヤモンド粒
子間の細部にまで侵入するが、圧力がNi―Cr結
合材を用いた時と同一であれば図面に示すダイヤ
モンド―黒鉛の平衡線（Berman―Simon線）に
近づくため、ダイヤモンド再析出によるスケルト
ン部の形成が遅くなる。もしNi―Cr結合材を使用した場合と同様にす
るならば、圧力も上昇させなければならないが、
温度、圧力を上昇させると超高圧反応容器の寿命
は非常に短くなり、ダイヤモンド焼結体の製造に
おいて不利になる。また純金属溶液は他原子が含有されることによ
り、その表面エネルギーは減少するが、それによ
つて接触角が小さくなり、ダイヤモンド粒子と濡
れやすくなる。このような点から考えても純金属のCoを用い
るよりもNi―Crを用いる方がダイヤモド粒子と
の濡れ性が良好であり、ダイヤモンドド粒子の細
部にまで共晶溶液が侵入し、空隙を含まないスケ
ルトン部が形成されるものと思われる。さらにNi―Crを結合材として用いて低温で焼
結した本発明焼結体を透過型電子顕微鏡を用いて
観察したところダイヤモンド粒子には塑性変形の
結果生じるスリツプステツプが多数観察された
が、市販のCoを結合材とした焼結体においては
それが殆んど観察されなかつた。ダイヤモンド粒子も塑性変形により加工硬化す
ると報告されているが（Mat.Res.Bull.Vol10
（1975）、Ｐ−1193）、本発明焼結体が優秀な工具
性能を示すのは、加工硬化されたダイヤモンド焼
結体であることも見逃すことはできない。このような加工硬化されたダイヤモンド焼結体
がなぜNi―Crを結合材として用いた場合に製造
することができるのかということについては次の
ように考えられる。即ち、ダイヤモンド粒子は常温で超高圧を負荷
すると壁開するが、温度がある程度上昇すると格
子欠陥が移動しやすくなり、塑性変形する。さら
に温度を上昇すればダイヤモンド粒子内の原子の
再配列が生じ、ダイヤモンド内の格子欠陥は消失
していくものと考えられる。低温焼付可能な本発明焼結体は原子の再配列が
生じるまで温度が上昇しないため加工硬化された
ままのダイヤモンド焼結体となつたのに対し、
Coを結合材とした焼結体は前述した如く1350℃
以上の高温で焼結しなければならないため、ダイ
ヤモンド粒子内の原子の再配列が生じ、加工硬化
されたダイヤモンド焼結体ができなかつたものと
考えられる。 Ni―Cr合金を結合材として用いた場合におい
ても焼結温度が1350℃をこえると、ダイヤモンド
粒子内にはスリツプステツプが観察されず、ダイ
ヤモンド粒子内に欠陥を生じさせて加工硬化させ
るには1350℃以下で焼結する必要がある。また電子線回折によりNi―Cr結合材の部分の
生成物を調べたところ、焼結条件や使用するNi
―Cr結合材の組成により生成物は異なるが、Ni
―Cr―Ｃ共晶点近傍の組成の合金（Ni60〜90重
量％、Cr10〜40重量％、C4重量％以下）と場合
により微量のCr炭化物が存在していた。この微
量のCr炭化物は焼結中にCrがダイヤモンド粒子
と反応して生成されたものであり、ダイヤモンド
粒子とNi―Cr結合材との結合力を増す役割を果
すが、ダイヤモンド粒子間の結合部、ダイヤモン
ドスケルトン部中にも存在すると強度低下やダイ
ヤモンドスケルトンの成長抑制につながるため、
Cr炭化物の量はダイヤモンドスケルトン部中に
まで入りこまない量であることが必要であり、そ
の量は全体に対して５％以下である。以上述べたようにNi―Crを結合材として用い
ることにより、低温焼結が可能となり、優れた工
具性能を有する焼結体を得ることができるが、原
料として用いるNi―Crの組成は十分な共晶溶液
を得るためNi―Cr―Ｃの共晶点の組成に近い方
が望ましい。そして好ましくはNi―Crの重量比
で9/1〜5/5の範囲である。本発明焼結体のダイヤモンド粒子の含有量は体
積で70〜95％が好ましい。これが70％末満になる
と、ダイヤモンド粒子は互いに隣接しにくくなる
のでダイヤモンド同志の結合部が少なくなり、硬
度が低下するとともに切削性能やダイスとしての
性能は劣る。また含有量が95％をこすと、結合材が少なすぎ
て十分スケルト部を形成しない。本発明に使用するダイヤモンド粒子の粒度は焼
結体の使用用途により異なるが、500μ以下が好
ましい。本発明の焼結体の製造方法としては、Ni―Cr
合金あるいはNiとCrの混合粉末を原料ダイヤモ
ンド粉末に直接接触させ、パイロフエライト、
NaCなどを固体圧力媒体として用いた超高圧高
温装置でNi―Cr―Ｃの共晶溶液が発生する温度
以上、1350℃以下でダイヤモンドが安定な圧力下
で焼結する。また他の製造方法として原料ダイヤモンド粉末
とNi粉末およびCr粉末をポールミル等により混
合したのち、固体圧力媒体を用いた超高圧高温装
置によりNi―Cr―Ｃの共晶溶液が発生する温度
以上、1350℃以下でダイヤモンドが安定な圧力下
で焼結してもよい。本発明焼結体の用途としては、特に耐摩耗性が
必要となる場合、例えば超硬合金、硬質プラスチ
ツク、セラミツクなどの切削加工や抗張力の高い
線材の伸線加工に用いると非常に有効である。以下実施例により本発明を具体的に説明する。実施例１内径10.0mm、外径14.0mmの底付きのステンレス
製容器内面に厚さ50μのTa箔を巻き、その中に
外径9.8mm、厚さ３mmのWC―６％Co合金の円板
を置き、さらにその上に厚さ50μ、外径9.9mmの
Ta箔を置いた後、３〜５μの粒度のダイヤモン
ド粉末を充填した。次にその上に厚さ0.3mm、外径9.9mmのNi―20％
Cr合金板、厚さ50μ、外径9.9mmのTa箔、厚さ３
mm、外径9.8mmのWC―６％Co、―100メツシユ＋
200メツシユの鉄粉を型押した外径9.9mmで厚さ２
mmの通気性を有する型押体を順次置き、この上に
Cu―５％Mnの型押体をのせ全体を真空炉に入れ
て10^-4Torrの真空下で950℃に加熱し、１時間保
持して脱ガスした後、1030℃に昇温して10分間保
持し、Cu―５％Mnを鉄圧粉体中に含浸させ、ダ
イヤモンド粉末を気密な状態に保つた。これをガ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エライトを、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を充填した。まず圧力を55Kbに
上げ、のちに温度を1200℃にあげ、20分間保持し
たのち、温度を下げ次いで圧力を徐々に下げた。
得られた焼結体は上下のWC―６％Co合金にTa
箔を介して付着していた。この焼結体の上面のWC―６％Co合金とTa箔
をダイヤモンド砥石で研削して取除いた後、更に
ダイヤモンドのペーストを用いて焼結体を研摩し
た。研摩面を光学顕微鏡と走査型電子顕微鏡により
観察したが、ダイヤモンドスケルトンが形成され
ており、スケルトンの内部に空孔は殆んど観察さ
れなかつた。またこの焼結体のＸ線回折の結果、ダイヤモン
ド、Ni―Cr―Ｃ合金のピークが観察された。さらにイオンビーム加工により上記焼結体の薄
板を作成し透過型電子顕微鏡にて観察したところ
ダイヤモンド粒子には多数のスリツプステツプが
存在していた。また結合材の電子線回折の結果、Ni―Cr―Ｃ
合金であることがわかつた。比較のため市販のCoを結合材とした焼結体に
ついても本発明焼結体と同様の観察を行なつた。なおこの焼結体のダイヤモンド粒子は３〜５μ
のものであつた。ダイヤモンドスケルトンは形成
されているものの本発明の焼結体のものより小さ
く、かつダイヤモンドスケルトン内部には多数の
空孔が存在していた。またダイヤモンド粒子には殆んどスリツプステ
ツプは認められなかつた。次に本発明焼結体と市販のCo結合材を用いた
焼結体にて切削用のバイトを作成した。被削材としてWC―15％Co合金を用い、速度
10m／mm、送り0.10mm／rev、切り込み0.5mmで乾
式で切削した。10分間切削後の逃げ面摩耗幅は本
発明焼結体が0.15に対し、市販のCoを結合材と
した焼結体は0.25であつた。実施例２内径2.5mm、外径６mm、高さ５mmの円筒形のWC
―10％Co合金の内面に厚さ50μのTa箔を巻いた
のち、平均粒度８μのダイヤモンド粒子を充填
し、上下にNi―35％Cr合金を置き、さらにその
上下に上記WC―Coと同組成の帯板を置いた。こ
のものを実施例１と同様にして超高圧高温装置に
て1250℃で10分間保持し焼結した。この焼結体をダイスに加工したのち、このダイ
スを用いて伸線速度800m／mmにて真ちゆうメツ
キした銅線（スチールコード）を線径0.175mmに
伸線した。比較のため市販のCoを結合材としたダイヤモ
ンドダイスを用いて同条件で伸線した。その結
果、ダイス寿命に至るまで本発明の焼結体では
3.5t伸線できたのに対し、市販品のそれは1.5tで
あつた。実施例３粒度200μのダイヤモンド粒子と粒度５μのNi
とCr粉末を容積比で夫々75：21：４となるよう
に混合し、完粉を作成した。内径10mm、外径14mmのステンレス製容器に外径
9.9mm、厚さ３mmのWC―４％Coの超硬合金円板
を置いたのち、上記完粉を充填し、さらにこの上
に外径9.9mm、厚さ３mmのWC―４％Co超硬合金
円板を置き実施例１と同様にして真空封入したの
ち、超高圧焼結を行なつた。この焼結体を切削用のバイトに加工した後、切
削速度50m／mm、切込み0.2mm、送り0.05mm／rev
でアルミナセラミツクを湿式で切削した。なお比較のため、市販のCoを結合材とした焼
結体のバイトも作成しテストした。その結果、寿命に至るまでの切削時間は本発明
焼結体は20分間であつたのに対し、市販焼結体は
10分間であつた。実施例４第１表に示す組成の結合材合金をを作成した。
この合金を用いてダイヤモンド粒子を実施例１と
同様にして第１表に示す条件で焼結し、切削試験
用のバイトを作成した。このバイトを用いて切削
速度200m／mm、切込み0.5mm、送り0.2mm／rev、
でSiO₂を充填したエポキシ樹脂を乾式で切削テ
ストした。比較として市販のCoを結合材とした焼結体に
ついてもテストした。結果は第１表の通りであつ
た。

【表】実施例５粒度５μのNiとCrの粉末を重量比で70：30の
割合で混合し、この粉末と粒度20μのダイヤモン
ド粉末を体積比で１：９になるように混合したＡ
と、粒度５μのNiとCrの粉末を重量比で50：50
に混合し、この粉末と粒度20μのダイヤモンド粉
末を体積比で１：９になるように混合したＢをそ
れぞれTa製の容器に充填し、圧力50Kb、温度
1200℃で30分間焼結した。これらの得られた焼結
ダイヤモンドをTa製の容器より取出し、Ｘ線回
折を行なつたところＡ，ＢともNi―Cr―Ｃの共
晶組成のピークとCr₃C₂のピークとが観察され
た。このＸ線ピークの高さよりCr₃C₂の含有量を
推定したところ、Ａは３％、Ｂは６％であつた。次に、これら焼結ダイヤモンドをダイヤモンド
ペーストを用いてラツピングした組織を観察した
ところ、ダイヤモンド粒子同志が結合していた
が、Ａの方がＢよりスケルトン部はよく発達して
いた。これら焼結体を切削加工用のチツプに加工し、
外径100mm、長さ300mmのＡ―25％Si丸棒を切削
速度300m／分、切込み0.3mm、送り0.1mm／revで
30分間切削した。比較のためCoを結合材とした焼結ダイヤモン
ドについても同様にしてＡ―25％Si丸棒を切削
した。その結果、Ａは逃げ面摩耗幅が0.018mm、
Ｂは0.025mmであつたのに対し、比較材のそれは
0.028mmであつた。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の焼結体の製造条件を説明するた
めのものでダイヤモンドの圧力、温度相図上での
安定域を示したものである。

Claims

【特許請求の範囲】１粒度500μ以下の加工硬化せしめたダイヤモ
ンド粒子を体積で70〜95％含有し、残部が重量で
Ni60〜90％、Cr10〜40％とC4％以下の合金ある
いはNi60〜90％、Cr10〜40％とC4％以下の合金
および微量のCr炭化物よりなり、隣接するダイ
ヤモンド粒子が互いに結合していることを特徴と
する工具用高硬度焼結体。２粒度500μ以下のダイヤモンド粒子を粉末状
で置き、この上にNiとCrの合金板あるいはNiと
Crの混合粉末を載置した後、固体圧力媒体を用
いた超高圧高温装置を使用してNi―Cr―Ｃの三
元共晶溶液が発生する温度以上で1350℃以下の温
度とダイヤモンドが安定な圧力下で焼結せしめる
ことによつて粒度500μ以下の加工硬化されたダ
イヤモンド粒子を体積で70〜95％含有し、残部が
重量でNi60〜90％、Cr10〜40％とC4％以下の合
金あるいはNi60〜90％、Cr10〜40％とC4％以下
の合金および微量のCr炭化物よりなり、隣接す
るダイヤモンド粒子が互いに結合していることを
特徴とする工具用高硬度焼結体の製造方法。３ NiとCrの比が重量で9/1〜5/5である合金板
あるいは混合粉末を用いる特許請求の範囲第２項
記載の工具用高硬度焼結体の製造方法。４粒度500μ以下のダイヤモンド粒子、Ni粉
末、およびCr粉末を混合し、これを固体圧力媒
体を用いた超高圧高温装置を用いてNi―Cr―Ｃ
の三元共晶溶液が発生する温度以上で1350℃以下
の温度とダイヤモンドが安定な圧力下で焼結せし
めることによつて粒度500μ以下の加工硬化され
たダイヤモンド粒子を体積で70〜95％含有し、残
部が重量でNi60〜90％、Cr10〜40％とC4％以下
の合金あるいはNi60〜90％、Cr10〜40％、とC4
％以下の合金および微量のCr炭化物よりなり、
隣接するダイヤモンド粒子が互いに結合している
ことを特徴とする工具用高硬度焼結体の製造方
法。５ Ni粉末とCr粉末の比が重量で9/1〜5/5であ
る混合粉末を用いる特許請求の範囲第４項記載の
工具用高硬度焼結体の製造方法。