JPS6379758A - Manufacture of high strength polycrystal diamond - Google Patents

Manufacture of high strength polycrystal diamond

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JPS6379758A
JPS6379758A JP61226760A JP22676086A JPS6379758A JP S6379758 A JPS6379758 A JP S6379758A JP 61226760 A JP61226760 A JP 61226760A JP 22676086 A JP22676086 A JP 22676086A JP S6379758 A JPS6379758 A JP S6379758A
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JP
Japan
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diamond
strength
graphite
raw material
sintering
Prior art date
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Pending
Application number
JP61226760A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
都賀谷 素宏
勉 中村
矢津 修示
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Filing date
Publication date
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Publication of JPS6379758A publication Critical patent/JPS6379758A/en
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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。
(57) [Abstract] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 (1)産業上の利用分野 この発明は切削工具・岩石掘削工具・耐摩工具として使
用するのに適した高強度でかつ耐熱性を有する、実質的
にダイヤモンドのみからなる高強度多結晶ダイヤモンド
の製造方法に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (1) Industrial Application Field This invention is made essentially only of diamond, has high strength and heat resistance, and is suitable for use as cutting tools, rock excavation tools, and wear-resistant tools. The present invention relates to a method for producing high-strength polycrystalline diamond.

(2)従来の技術 ダイヤモンド微粉末を超高圧下で焼結した焼結体は、既
に非鉄金属類の切削加工用工具、ドリルビットおよび線
引ダイスなどとして広く用いられている。
(2) Prior Art Sintered bodies made by sintering fine diamond powder under ultra-high pressure are already widely used as tools for cutting non-ferrous metals, drill bits, wire drawing dies, and the like.

この種のダイヤモンド焼結体の製造方法は、たとえば特
公昭52−12126号に記載されている。この先行技
術に記載された製造方法では、ダイヤモンドの粉末をW
C−Co超硬合金の成形体もしくは焼粘体に接するよう
に配置し、超硬合金の液相を生じる温度以上の温度でか
つ超高圧下において焼結を行う。
A method for producing this type of diamond sintered body is described, for example, in Japanese Patent Publication No. 12126/1983. In the manufacturing method described in this prior art, diamond powder is
It is arranged so as to be in contact with a compact or a sintered viscous body of C--Co cemented carbide, and sintering is performed at a temperature higher than the temperature at which a liquid phase of the cemented carbide is produced and under ultra-high pressure.

焼結に際しては、超硬合金中のCOの一部がダイヤモン
ド粉末層中に進入し、結合金属として作用する。
During sintering, a portion of the CO in the cemented carbide enters the diamond powder layer and acts as a bonding metal.

しかしながら、この種のダイヤモンド焼結体は耐熱性に
おいて劣るという欠点がある。たとえばこのダイヤモン
ド焼結体を750℃以上の温度に加熱すると、耐摩耗性
および強度の低下が見られ、また900℃以上の温度で
は焼結体は破壊してしまうという問題があった。これは
、ダイヤモンド粒子と結合材としてのCoとの界面にお
いて、ダイヤモンドの黒鉛化が生じること、ならびに両
者の加熱時における熱膨張率の差に起因する熱応力によ
るものと考えられている。
However, this type of diamond sintered body has a drawback of being inferior in heat resistance. For example, when this diamond sintered body is heated to a temperature of 750° C. or higher, the wear resistance and strength decrease, and at a temperature of 900° C. or higher, the sintered body breaks. This is thought to be due to graphitization of diamond occurring at the interface between the diamond particles and Co as a binder, and thermal stress caused by the difference in thermal expansion coefficients when the two are heated.

ここで、ダイヤモンド焼結体に高耐熱性が要求される理
由には以下の2点がある。
Here, there are two reasons why a diamond sintered body is required to have high heat resistance.

(1)焼結体を工具ホルダーに固定する方法として、大
気中でろう付けを行う必要があり、その際に加熱される
。特に硬質岩掘削用ドリルビットでは焼結体は金属マト
リックスによってビット本体に取取り付けられる。マト
リックスの保持強度は、マトリックス材料の融点が高温
になるほど高く、このような用途では900℃以上の融
点を有するマトリックスの使用が必要となる。したがっ
て、取付けに際しては、900℃〜1100℃に加熱さ
れること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
とができない。
(1) As a method of fixing the sintered body to the tool holder, it is necessary to perform brazing in the atmosphere, and heat is generated during this process. Particularly in drill bits for hard rock drilling, the sintered body is attached to the bit body by a metal matrix. The retention strength of the matrix increases as the melting point of the matrix material increases, and such applications require the use of a matrix having a melting point of 900° C. or higher. Therefore, when attaching the diamond sintered body to the bit body or shank in the atmosphere, sufficient strength cannot be obtained.

(2)焼結体を工具として使用する際、被削材は高硬度
である場合、刃先温度が上昇し高温状態となる。
(2) When using the sintered body as a tool, if the workpiece material has high hardness, the temperature of the cutting edge increases and becomes a high temperature state.

最近、特に開発が活発化している高強度セラミックスや
バインダー量の少ない超硬合金等の高硬度物質を研削に
代わって、切削加工する場合、この現象は特に顕著に生
ずる。
This phenomenon occurs particularly when cutting, instead of grinding, high-hardness materials such as high-strength ceramics and cemented carbide with a small amount of binder, which have recently been actively developed.

またWやMo等の硬質金属を線引加工する場合には、こ
れらの金属は常温では硬度、引張強度が高く、伸び絞り
とも低いため700〜800℃に加熱されて行われる。
In addition, when wire-drawing hard metals such as W and Mo, these metals have high hardness and tensile strength at room temperature, and low elongation reduction, so they are heated to 700 to 800°C.

このような分野では上述の焼結体では耐熱性に劣るため
十分満足された性能は得られていない。このように耐熱
性を向上することにより、ダイヤモンド焼結体の利用分
野はより一層拡大するものと考えられており、その改良
について検討が行われている。
In such fields, the above-mentioned sintered bodies do not have satisfactory performance because of their poor heat resistance. By improving heat resistance in this way, it is thought that the field of use of diamond sintered bodies will further expand, and improvements are being made.

3、 発明が解決しようとする問題点 する方法については、例えば特開昭53−114589
号に開示されている。すなわち、上記のCOを結合材と
した焼結体を酸処理し、大部分の結合金属相を除外する
ことによるものである。
3. Regarding the method for solving the problem to be solved by the invention, see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 53-114589.
Disclosed in the issue. That is, the sintered body using CO as a binder is treated with an acid to remove most of the binder metal phase.

しかしながら、特開昭53−114589号に開示され
た方法では、除去された結合金属相の部分が空孔を形成
するため、どうしても強度が低下するという問題があっ
た。耐熱性のある焼結ダイヤモンドを製造する他の方法
として、COなどの鉄族金属結合材の代わりに、高温状
態においてもダイヤモンドに対して不活性で熱劣化を生
じさせない結合材を用いることも検討されている。
However, the method disclosed in JP-A-53-114589 has the problem that the removed bonded metal phase portion forms pores, resulting in a decrease in strength. As another method for manufacturing heat-resistant sintered diamond, we are also considering using a binder that is inert to diamond and does not cause thermal deterioration even in high-temperature conditions, instead of iron group metal binders such as CO. has been done.

例えば、特公昭49−40607号記載のダイヤモンド
結合体ではダイヤモンドと六方晶窒化硼素(hBN)の
混合物を立方晶窒化硼素(cBN)が安定な高圧・高温
条件下に保持することにより、hBN−+cBN無触媒
相転移を誘起して、ダイヤモンド粒子間をcBNで結合
したものである。
For example, in the diamond bonded body described in Japanese Patent Publication No. 49-40607, a mixture of diamond and hexagonal boron nitride (hBN) is maintained under high pressure and high temperature conditions in which cubic boron nitride (cBN) is stable. Diamond particles are bonded by cBN by inducing non-catalytic phase transition.

;八 歩’c B Nは、ダイヤモンドとの熱膨張差が極めて
小さく、かつ熱伝導率および熱的安定性とも良好である
。しかしながら、ダイヤモンドとcBNとのみからなる
焼結体は、ダイヤモンドとcBHの結合が弱く、またc
BNは襞間が生じ易く、強度が低いため、工具として使
用した場合には粒子の脱落が生じやすく、耐摩耗性に優
れたものは得られていない。
; Yapo'c BN has an extremely small difference in thermal expansion from diamond, and has good thermal conductivity and thermal stability. However, in a sintered body made only of diamond and cBN, the bond between diamond and cBH is weak, and c
Since BN tends to have creases and has low strength, when used as a tool, particles tend to fall off, and a tool with excellent wear resistance has not been obtained.

また、これと同様の考え方で結合材に5ii6よび/ま
たはSiCを用いる方法は特開昭61−33865号に
開示されている。この先行技術に記載された方法では、
結合材原料としてSiを用いる。すなわち、高温高圧下
で溶融したSiを、ダイヤモンド粉末原料中に含浸させ
、SiCの生成反応を伴なって焼結する方法である。し
かしながら、この方法により劣り、かつ結合材には未反
応のSiが残留しているため、1000℃以上の高温状
態に曝されると強度低昭59−161268号に開示さ
れている。ここで開示されている研磨材料は、容量にし
て、10〜20%のニッケルとSiとを含み、かつそれ
ぞれの形態が、ニッケル、ケイ素、炭化ケイ素およびケ
イ化ニッケルなどであることを特徴としている。
Furthermore, a method using 5ii6 and/or SiC as a binder based on the same idea is disclosed in Japanese Patent Application Laid-open No. 33865/1983. In the method described in this prior art,
Si is used as a binder raw material. That is, this is a method in which molten Si is impregnated into a diamond powder raw material under high temperature and high pressure, and sintered accompanied by a SiC production reaction. However, this method is inferior, and since unreacted Si remains in the bonding material, it is disclosed in No. 161268/1987 that the bonding material exhibits low strength when exposed to a high temperature condition of 1000 DEG C. or higher. The polishing material disclosed herein is characterized in that it contains 10 to 20% of nickel and Si by volume, and that the respective forms are nickel, silicon, silicon carbide, nickel silicide, etc. .

この製造方法による焼結体では、Niの効果により、ダ
イヤモンド粒子間結合の割合は改善されている。しかし
ながら、結合材中には、依然として未反応のNiおよび
Siが残留しているため、高温時における黒鉛の生成や
、強度の低下が生じ、耐熱性に優れたものとは言い難い
In the sintered body manufactured by this manufacturing method, the ratio of bonding between diamond particles is improved due to the effect of Ni. However, since unreacted Ni and Si still remain in the binder, graphite is generated at high temperatures and the strength is reduced, so that it cannot be said to have excellent heat resistance.

一方、ダイヤモンド粉末のみを超高圧下で焼結する試み
もなされているが、ダイヤモンド粒子が変形し難いため
、粒子の間隙に圧力が伝達されず、その結果黒鉛化が生
じ、ダイヤモンド−黒鉛の複合体しか得られていないの
が実情である。
On the other hand, attempts have been made to sinter only diamond powder under ultra-high pressure, but since the diamond particles are difficult to deform, pressure is not transmitted to the gaps between the particles, resulting in graphitization and the formation of diamond-graphite composites. The reality is that all that is gained is the body.

米国特許第3913280号記載の焼結体は、黒鉛が安
定な条件下でダイヤモンド粉末のみを固相焼結して、積
極的に黒鉛を粒間に生成させ、結合材とする方法が開示
されているが、この焼結体は強度や耐摩耗性に劣るもの
である。
The sintered body described in U.S. Pat. No. 3,913,280 discloses a method in which only diamond powder is solid-phase sintered under conditions where graphite is stable to actively generate graphite between the grains and use it as a binding material. However, this sintered body has poor strength and wear resistance.

ンドのみからなり、それらが相互に結合した多結晶ダイ
ヤモンドであると考えられている。この多結晶ダイヤモ
ンドの製造方法は特公昭51−46758号に述べられ
ている。すなわち、この方法においては、黒鉛を超高圧
下で通電発熱させ、第1図(炭素相図)での斜線領域A
の条件に曝すことにより、該黒鉛のダイヤモンドへの無
触媒相転移を生ぜしめるものである。また、その改良と
して、特公昭40−26328号では原料に硼素カーバ
イドを含有する黒鉛を用い、ダイヤモンドへの相転移後
も続いて通電し、炭素溶融点以上にする(第1図斜線領
域B)ことによって、相転移生成したダイヤモンドの少
なくとも一部を溶融させる方法が開示されている。
It is thought that it is a polycrystalline diamond consisting only of diamonds, which are interconnected. This method of producing polycrystalline diamond is described in Japanese Patent Publication No. 46758/1983. That is, in this method, graphite is energized and heated under ultra-high pressure, and the shaded area A in Fig. 1 (carbon phase diagram) is
Exposure to these conditions causes a non-catalytic phase transition of the graphite to diamond. In addition, as an improvement, in Japanese Patent Publication No. 40-26328, graphite containing boron carbide is used as a raw material, and even after the phase transition to diamond, electricity is continuously applied to raise the temperature to above the carbon melting point (shaded area B in Figure 1). Disclosed is a method for melting at least a portion of phase change-produced diamond.

と極めて短時間ではあるが、coを結合材とした従来の
焼結ダイヤモンドの製造条件(図中斜線領域C)に比べ
て、温度・圧力ともに著しく高いことが特徴である。焼
結温度は、このような短時間で高温を計測する手段が現
在のところ知られていないため、熱力学的な計算による
値であるが、焼結原料に注入するエネルギー量を制御す
れば、温度の再現性を高めることは比較的容品であると
考えられる。しかしながら、これらの方法が有する欠点
としては、その焼結圧力が著しく高いがために、特公昭
51−46758号に開示されているような特殊な超高
圧装置を用いなければならないことにある。
Although it takes a very short time, it is characterized by significantly higher temperatures and pressures than the conventional manufacturing conditions for sintered diamond using cobalt as a binder (hatched area C in the figure). The sintering temperature is a value based on thermodynamic calculations, as there is currently no known means of measuring high temperatures in such a short period of time, but if the amount of energy injected into the sintering raw material is controlled, Increasing temperature reproducibility is considered relatively inexpensive. However, a drawback of these methods is that the sintering pressure is extremely high, requiring the use of special ultra-high pressure equipment such as that disclosed in Japanese Patent Publication No. 51-46758.

この超高圧装置は特公昭37−8358号に記載された
如きベルト型装置の改変型であって、発生圧力は高めら
れるが、操作性に劣り、試料空間も僅か数ma+程度の
大きさである。操作性が比較的良好な装置としては、ブ
リッジマンアンビル型装置を代表とする対向アンビル型
のものがあるが、この装置においても、上記の高圧力を
発生させるためには、試料空間の大きさは同様に制限さ
れるため、工具素材としての多結晶ダイヤモンドの生産
は困難であると考えられる。
This ultra-high pressure device is a modified version of the belt-type device described in Japanese Patent Publication No. 37-8358, and although the generated pressure can be increased, it is inferior in operability, and the sample space is only a few ma+ in size. . Opposed anvil type devices, such as the Bridgman anvil type device, have relatively good operability, but in order to generate the above-mentioned high pressure, even in this device, the size of the sample space must be Similarly, the production of polycrystalline diamond as a tool material is considered difficult.

さらに、原料の黒鉛を全て溶融させダイヤモンドとして
凝固させる上記の方法では、再結晶するダイヤモンドの
粒径を制御することは困難であり、粒度分布の不均質な
多結晶体しか得られない。多結晶体の強度や耐摩耗性は
、その粒径に依存するため、不均質な組織を呈するもの
には良好な工具性能は期待できない。
Furthermore, in the above-mentioned method of melting all the raw material graphite and solidifying it as diamond, it is difficult to control the grain size of the recrystallized diamond, and only a polycrystalline body with a non-uniform grain size distribution is obtained. Since the strength and wear resistance of polycrystalline bodies depend on their grain size, good tool performance cannot be expected from polycrystalline bodies that exhibit a non-uniform structure.

よって、この発明の目的は、従来の焼結ダイヤモンドの
有する強度と耐摩耗性を損うことなく、その欠点であっ
た耐熱性を改善した。実質的にダイヤモンドのみからな
る高強度多結晶ダイヤモンドの製造方法を提供するもの
である。
Therefore, an object of the present invention is to improve the heat resistance, which was a drawback of conventional sintered diamond, without impairing its strength and wear resistance. The present invention provides a method for manufacturing high-strength polycrystalline diamond consisting essentially of diamond.

(4)問題点を解決するための手段 本発明者達は、より一層強度・耐摩耗性・耐熱性に優れ
かつ、工具素材として十分使用できる大きさをもった高
強度多結晶ダイヤモンドを得るべく、鋭意検討した結果
、下記の発明をなしたものである。
(4) Means for solving the problem The inventors of the present invention aimed to obtain high-strength polycrystalline diamond that has even greater strength, wear resistance, and heat resistance, and is large enough to be used as a tool material. As a result of intensive study, the following invention has been made.

圧発生装置に配置し、炭素相図上で黒鉛が安定である 
ll0K b以下の圧力に曝した後、ダイヤモンドが塑
性流動し、かつ黒鉛が生成しない状態を呈する温度に瞬
間加熱し急冷することにより、熱力学的に非平衡な状態
でダイヤモンド粉末の自己焼結を行うことを特徴とする
高強度多結晶ダイヤモンドの製造方法によるものである
Placed in a pressure generator, graphite is stable on the carbon phase diagram.
After being exposed to a pressure of less than 10K b, the diamond powder is instantaneously heated to a temperature at which it flows plastically and graphite does not form, and then rapidly cooled, thereby causing self-sintering of the diamond powder in a thermodynamically non-equilibrium state. This is based on a method for producing high-strength polycrystalline diamond, which is characterized by carrying out the following steps.

(5)作用 本発明による高強度多結晶ダイヤモンドの製造方法は上
記の先行技術(特公昭40−26328号)を改良する
ことにより為し得たものである。この先行技術に開示さ
れている方法では、焼結原料に硼素カーバイドを含有し
た黒鉛を用いる。従って、これより多結晶ダイヤモンド
を製造するには熱力学的にダイヤモンドが安定な圧力領
域で、原料全体が溶融して炭素融液を生ずる温度に曝す
必要かある。
(5) Effect The method for producing high-strength polycrystalline diamond according to the present invention has been achieved by improving the above-mentioned prior art (Japanese Patent Publication No. 40-26328). In the method disclosed in this prior art, graphite containing boron carbide is used as a sintering raw material. Therefore, in order to produce polycrystalline diamond from this, it is necessary to expose the raw material to a temperature at which the entire raw material melts and forms a carbon melt in a pressure range in which diamond is thermodynamically stable.

結果、ダイヤモンド粉末を原料として超高圧発生装置に
配置し、炭素相図上で黒鉛が安定である110Kb以下
の圧力に曝した後、ダイヤモンドが藝性流動し、かつ黒
鉛が生成しない状態を呈する温度に瞬間加熱し急冷する
ことにより、黒鉛が安定な圧力下においても熱力学的に
非平衡な状態でダイヤモンド粉末が自己焼結を行うこと
を見出した。
As a result, after placing diamond powder as a raw material in an ultra-high pressure generator and exposing it to a pressure of 110 Kb or less, at which graphite is stable on the carbon phase diagram, the temperature at which diamond flows freely and graphite does not form is reached. We discovered that by instantaneous heating and rapid cooling, diamond powder self-sinters in a thermodynamically non-equilibrium state even under pressure where graphite is stable.

この発明の実施に際し、原料として用いるダイヤモンド
粉末は天然・合成いずれでもよい。
In carrying out this invention, the diamond powder used as a raw material may be either natural or synthetic.

この発明の多結晶体においては、原料として特に0.0
1〜200μmの粒度のダイヤモンド粒子を用いた場合
、強度および耐摩耗性とも最も優れている。
In the polycrystalline body of this invention, especially 0.0
When diamond particles with a particle size of 1 to 200 μm are used, both strength and wear resistance are the best.

上記の原料ダイヤモンド粉末は、ベルト型装置等の現在
工業生産に広く用いられている超高圧発生装置に第2図
の如く配置した後、黒鉛が安定な110 Kb以下、好
ましくは20〜60Kbの圧力に曝す。
The above raw material diamond powder is placed in an ultra-high pressure generating device such as a belt type device, which is currently widely used in industrial production, as shown in Fig. 2, and then heated to a pressure of 110 Kb or less, preferably 20 to 60 Kb, at which the graphite is stable. expose to

この状態でヒーターに通電し、瞬間的に超高温状態とす
る。ここで焼結圧力を20〜60Kbとすることは、2
0Kb以下では、非平衡状態でのダイヤモンドの焼結が
生じ難く、黒鉛が生成するためであり、また60Kb以
上にすると、超高圧発生装置の試料空間が減少するため
大きな多結晶体が得られ難いことによる。焼結時間、す
なわち通電開始から通電停止までの時間は原料の量にも
よるが、数ミIJ秒〜数秒であり、昇圧・降圧時間を含
めても1回の原料に対する焼結時間と温度の下限は、焼
結する圧力下でダイヤモンドが十分製性流動を生じうる
か否かで決定される。但し、この温度の下限は、黒鉛が
ダイヤモンドに変換する熱力学的な平衡状態になる限界
、すなわち、Berman −Simon線を越えてそ
れ以下にはならない。さらに、焼結温度の上限について
は、ダイヤモンドの準安定液相線である。
In this state, electricity is applied to the heater to instantaneously raise the temperature to an extremely high temperature. Here, setting the sintering pressure to 20 to 60 Kb means 2
Below 0 Kb, sintering of diamond in a non-equilibrium state is difficult to occur and graphite is generated, and above 60 Kb, it is difficult to obtain a large polycrystalline body because the sample space in the ultra-high pressure generator is reduced. It depends. The sintering time, that is, the time from the start of energization to the end of energization, depends on the amount of raw materials, but is from several milliJ seconds to several seconds. The lower limit is determined by whether diamond can sufficiently flow under sintering pressure. However, the lower limit of this temperature is the limit at which graphite is converted into diamond in a thermodynamic equilibrium state, that is, it does not exceed the Berman-Simon line. Furthermore, the upper limit of the sintering temperature is the metastable liquidus of diamond.

本発明の方法による焼結条件を図示すれば第1図斜線領
域りとなる。加熱電源と注入エネルギー量の制御は特公
昭51−46758号等に開示されている装置が適用で
きる。
The sintering conditions according to the method of the present invention are illustrated in the shaded area in FIG. For controlling the heating power source and the amount of energy to be injected, the device disclosed in Japanese Patent Publication No. 51-46758 and the like can be applied.

”%上の方法に従って得られた多結晶体はいずれご=r も高密度・高強度であり、かつ単結晶ダイヤモンドと同
様に1200℃までの加熱に耐えられるものである。尚
、焼結原料に硼素を0.01〜1.0重量%含有する導
電性ダイヤモンドを用いることも可能であり、この場合
には第3図の如く原料に直接通電することにより発熱さ
せることができる。この原料から焼結した多結晶体は導
電性があるため、工具形状に加工する際、放電加工が利
用できる特徴を有している。
All polycrystalline bodies obtained according to the above method have high density and high strength, and can withstand heating up to 1200°C like single crystal diamond. It is also possible to use conductive diamond containing 0.01 to 1.0% by weight of boron, and in this case, heat can be generated by directly applying electricity to the raw material as shown in Figure 3. Since the sintered polycrystalline body is electrically conductive, it has the characteristic that electric discharge machining can be used when machining it into a tool shape.

硼素の含有量を上記の範囲に限定する理由は、1.0重
量%以上であると、含有される硼素の量が多く、これが
欠陥となって多結晶体の強度を低下させること、また0
、01重量%以下であると高抵抗であるため放電加工が
困難となり、特に硼素を含有したダイヤモンド粉末を用
いる必要性がなくなるためである。
The reason why the boron content is limited to the above range is that if it is 1.0% by weight or more, a large amount of boron will be contained, which will cause defects and reduce the strength of the polycrystalline body.
, 0.01% by weight or less, the electrical discharge machining becomes difficult due to high resistance, and in particular, there is no need to use diamond powder containing boron.

上記の範囲の含有量である硼素含有導電性ダイヤモンド
を原料として焼結した多結晶体も高強度かつ高耐熱性を
有するものである。
A polycrystalline body sintered using conductive diamond containing boron having a content within the above range as a raw material also has high strength and high heat resistance.

本発明の方法により得られた多結晶体の用途としては、
非鉄金属切削用バイトやダイスは勿論のこと、従来の焼
結体では適用できなかったセラミックスの高効率切削加
工用バイトや熱間伸線ダイス・硬質岩掘削用ビット等が
挙げられる。また、原料の粒度を選定して焼結した粒径
0.1μm以下の超微粒多結晶ダイヤモンドはセラミッ
クスの超精密加工用バイトとして利用できる。さらに実
質的にダイヤモンドのみからなる多結晶体であるため、
単結晶ダイヤモンドに代替する安価な高熱伝導性放熱基
板として使用することも゛可能である。
The uses of the polycrystal obtained by the method of the present invention include:
Examples include not only bits and dies for cutting non-ferrous metals, but also bits for high-efficiency cutting of ceramics, hot wire drawing dies, and bits for drilling hard rocks, which cannot be applied with conventional sintered bodies. Further, ultrafine polycrystalline diamond with a particle size of 0.1 μm or less, which is obtained by selecting and sintering the particle size of the raw material, can be used as a cutting tool for ultra-precision machining of ceramics. Furthermore, since it is a polycrystalline material consisting essentially of diamond,
It is also possible to use it as an inexpensive, highly thermally conductive heat dissipating substrate to replace single crystal diamond.

(6)実施例 〔実施例1〕 粒度60〜80μmの合成ダイヤモンド粉末を原料とし
て第2図の構成でベルト型高圧発生装置に配置した。先
ず、50Kbに加圧した後、通電を開始し、40KJの
エネルギーを注入した時点で通電を停止し、急冷した。
(6) Examples [Example 1] Synthetic diamond powder with a particle size of 60 to 80 μm was used as a raw material and placed in a belt-type high pressure generator with the configuration shown in FIG. First, after pressurizing to 50 Kb, electricity was started, and when 40 KJ of energy was injected, electricity was stopped and rapidly cooled.

回収した試料は白色半透明を呈し、アルキメデス法によ
る比重測定では3.52を示した。この試料はX線回折
の結果、ダイヤモンドのみからなる多結晶体であること
が判明した。
The recovered sample was white and translucent, and its specific gravity was measured by the Archimedes method to be 3.52. As a result of X-ray diffraction, this sample was found to be a polycrystalline body consisting only of diamond.

また、その粒径は約70μmで原料ダイヤモンドの粒径
をほぼ維持しており、異常粒成長等は観察さ件に30分
間曝した後、未加熱のものと共に圧縮強度の測定を行っ
た。その結果、加熱の有無に拘らず800Kg/ am
”の強度を示した。比較としてCoを結合材として焼結
ダイヤモンドを酸処理して製造した焼結体、及びSi&
 Si(:、を結合材とした焼結体についても同様の試
験を行った。これらの焼結体は本発明による多結晶体と
ほぼ同等の耐熱性を有するが、圧縮強度は夫々400K
g/ aus″、 470Kg/ +an”であった。
The particle size was about 70 μm, which is almost the same as the particle size of the raw diamond, and no abnormal grain growth was observed.After being exposed to the conditions for 30 minutes, the compressive strength was measured along with the unheated diamond. As a result, 800Kg/am regardless of heating or not.
For comparison, sintered bodies produced by acid-treating sintered diamond using Co as a binder, and Si &
Similar tests were also conducted on sintered bodies using Si(:) as a binder.These sintered bodies had almost the same heat resistance as the polycrystalline body according to the present invention, but the compressive strength was only 400K.
g/aus'', 470Kg/+an''.

〔実施例2〕 平均粒度10μmの天然ダイヤモンド粉末及び硼素を0
.5重量%含有する合成ダイヤモンド粉末を夫々原料と
して、実施例1と同様の条件で焼結を行った。回収した
試料を夫々、レーザー加工機及び放電加工機で切断し、
工具形状に加工した後、ヴイッカース硬度1800Kg
/ 1001″の5IsN<焼結体を切削速度80m/
分、切込みl mm、送り0.1mm/回転・乾式で1
0分間切削した。
[Example 2] Natural diamond powder with an average particle size of 10 μm and 0 boron
.. Sintering was performed under the same conditions as in Example 1 using synthetic diamond powder containing 5% by weight as the raw material. The collected samples were cut using a laser processing machine and an electric discharge machine, respectively.
After processing into tool shape, Vickers hardness is 1800Kg
/ 1001″ of 5IsN < Cutting speed of sintered body 80m/
min, depth of cut 1 mm, feed 0.1 mm/rotation, dry type 1
Cut for 0 minutes.

比較のために、Coを結合材として10容量%含有する
焼結体と、これを王水処理してCoを殆ど抽出し空孔が
8容量%残存する耐熱性ダイヤモンド焼結体につき、上
記と同一条件下で切削を行った。
For comparison, a sintered body containing 10% by volume of Co as a binder and a heat-resistant diamond sintered body in which most of the Co was extracted by aqua regia treatment and 8% by volume of pores remained were compared with the above. Cutting was performed under the same conditions.

その結果、本発明による多結晶体のチップの逃げ面摩耗
幅は共に0.08mmであったのに対して、C。
As a result, the flank wear width of both polycrystalline tips according to the present invention was 0.08 mm, whereas C.

の溶出を行っていないものについては、0.35mmで
あった。また、Coを抽出した焼結体は30秒切削した
時点で欠損し、切削を行うことが不可能となった。
For those that were not eluted, it was 0.35 mm. Furthermore, the sintered body from which Co was extracted broke after 30 seconds of cutting, making it impossible to cut it.

〔実施例3〕 第2表に示した各原料をベルト型高圧発生装置を用いて
、同表中の各条件下で焼結を行った。その結果B、Dは
多結晶体中に黒鉛が生成しており、未焼結であった。そ
の原因上してはBは焼結時間が長すぎて、平衡状態とな
り黒鉛が生成したこと、Dは焼結圧力が低すぎたことに
よると考えられる。
[Example 3] Each of the raw materials shown in Table 2 was sintered using a belt-type high pressure generator under each of the conditions shown in the table. As a result, graphite was generated in the polycrystalline bodies of B and D, and they were unsintered. The reason for this is thought to be that the sintering time for B was too long and graphite was produced in an equilibrium state, and for D the sintering pressure was too low.

また、Eは黒鉛の生成は認められなかったがダイヤモン
ド粒子同志の結合が弱く、脆い多結晶体であった。これ
は注入エネルギー量が少なく、従って十分にダイヤモン
ドが塑性変形しなかったためと考えられる。焼結が良好
であった他の多結晶体を切断して、TiCをコーティン
グした後ビットボディにろう付けし、コアピットを作製
した。
In addition, although no graphite was observed in sample E, the bonds between the diamond particles were weak and the diamond particles were a brittle polycrystalline body. This is considered to be because the amount of implanted energy was small, and therefore the diamond was not sufficiently plastically deformed. Another polycrystalline material that was well sintered was cut, coated with TiC, and then brazed to a bit body to create a core pit.

比較のために、天然ダイヤモンドを用いてサーフェスセ
ットのコアピット、ならびに8容量%のCoを結合材と
して含有する焼結ダイヤモンドを使用したコアピットを
作製した。
For comparison, a surface-set core pit using natural diamond and a core pit using sintered diamond containing 8% by volume of Co as a binder were fabricated.

上記各試験片につき、−軸圧縮強度1600〜1700
Kg/+adの安山岩を500回転/分で掘削した。掘
進速度および寿命を第3表に示す。
For each test piece above, -axial compressive strength 1600 to 1700
Kg/+ad andesite was drilled at 500 revolutions/min. Table 3 shows the digging speed and lifespan.

本発明の製造方法による多結晶体のうち、含有する硼素
の量が多く、多結晶体の強度が低いCを除いて良好な結
果であった。
Among the polycrystals manufactured by the manufacturing method of the present invention, good results were obtained except for C, which contained a large amount of boron and had low strength.

第   3   表 注)X、Yは夫々、天然ダイヤモンドを用いたサーフェ
スセットのコアピット及びCo結合材の焼結ダイヤモン
ドを用いたコアピットを示す。
Table 3 Note: X and Y respectively indicate a surface-set core pit using natural diamond and a core pit using sintered diamond with a Co binder.

(7)発明の効果 以上のように、この発明によれば、より一層耐熱性に優
れ、かつ強度、靭性および耐摩耗性に優れた実質的にダ
イヤモンドのみからなる高強度多結晶ダイヤモンドを得
ることができる。特に、従来のダイヤモンド焼結体と異
なり、強度を低下させることなく耐熱性が大幅に改善さ
れているため、工具材としての適用範囲を飛躍的に拡大
することが可能となる。
(7) Effects of the Invention As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a high-strength polycrystalline diamond consisting essentially of diamond, which has even better heat resistance, excellent strength, toughness, and wear resistance. Can be done. In particular, unlike conventional diamond sintered bodies, the heat resistance has been significantly improved without reducing strength, making it possible to dramatically expand the range of applications as tool materials.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は炭素の相図であり、図中斜線部へ及びBは夫々
特公昭51−46758号及び特公昭40−26328
号に記載された焼結条件である。また、図中斜線部Cは
Coを結合材とする従来の焼結ダイヤモンドの焼結条件
であり、斜線部りは本発明の方法による多結晶ダイヤモ
ンドの焼結条件である。 第2図及び第3図は本発明による焼結原料を超高圧発生
装置に配置した状態を示す断面図である。 第2図は黒鉛ヒーターに通電する間接加熱用構成、第3
図は導電性ダイヤモンド原料に直接通電する構成である
。図中、14)は超硬ピストン、2−(2)は超硬チャ
ンバー、 3(3)はパイロフィライト、4(4)は通
電リング、5(5)は通電金属板、6(のは黒鉛、7は
黒鉛ヒーター、8は焼結原料、9はマグネシアを示す。 −A′1  図 才 2 図
Figure 1 is a phase diagram of carbon.
The sintering conditions are as described in No. In addition, the shaded area C in the figure is the sintering conditions for conventional sintered diamond using Co as a binder, and the shaded area is the sintering conditions for polycrystalline diamond according to the method of the present invention. FIGS. 2 and 3 are cross-sectional views showing the state in which the sintering raw material according to the present invention is placed in an ultra-high pressure generator. Figure 2 shows a configuration for indirect heating that supplies electricity to a graphite heater;
The figure shows a configuration in which electricity is applied directly to the conductive diamond raw material. In the figure, 14) is a carbide piston, 2-(2) is a carbide chamber, 3 (3) is pyrophyllite, 4 (4) is a current-carrying ring, 5 (5) is a current-carrying metal plate, and 6 (is a Graphite, 7 is a graphite heater, 8 is a sintering raw material, and 9 is magnesia. -A'1 Figure 2 Figure

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)ダイヤモンド粉末を原料として超高圧発生装置に
配置し、炭素相図上で黒鉛が安定である110Kb以下
の圧力に曝した後、ダイヤモンドが塑性流動し、かつ黒
鉛が生成しない状態を呈する温度に瞬間加熱し急冷する
ことにより、熱力学的に非平衡な状態でダイヤモンド粉
末の自己焼結を行うことを特徴とする高強度多結晶ダイ
ヤモンドの製造方法。
(1) After placing diamond powder as a raw material in an ultra-high pressure generator and exposing it to a pressure of 110 Kb or less, at which graphite is stable on the carbon phase diagram, the temperature at which diamond flows plastically and graphite does not form is reached. A method for producing high-strength polycrystalline diamond, which is characterized by self-sintering of diamond powder in a thermodynamically non-equilibrium state by instantaneous heating and rapid cooling.
(2)ダイヤモンド粉末として、その粒径が0.01〜
200μmのものを用いることを特徴とする特許請求の
範囲第(1)項記載の高強度多結晶ダイヤモンドの製造
方法。
(2) As diamond powder, its particle size is 0.01~
A method for producing high-strength polycrystalline diamond according to claim (1), characterized in that a diamond having a diameter of 200 μm is used.
(3)原料として、硼素を0.01〜1.0重量%含有
する導電性ダイヤモンド粉末を用い、該原料に直接通電
して自己発熱を生じさせることを特徴とする特許請求の
範囲第(1)項記載の高強度多結晶ダイヤモンドの製造
方法。
(3) A conductive diamond powder containing 0.01 to 1.0% by weight of boron is used as a raw material, and the raw material is directly energized to generate self-heating. ) A method for producing high-strength polycrystalline diamond as described in item 2.
(4)焼結圧力が20〜60Kbであることを特徴とす
る特許請求の範囲第(1)項記載の高強度多結晶ダイヤ
モンドの製造方法。
(4) The method for producing high-strength polycrystalline diamond according to claim (1), characterized in that the sintering pressure is 20 to 60 Kb.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019006662A (en) * 2017-06-28 2019-01-17 博 石塚 Diamond-based composite material using boron-based binder, production method therefor, and tool constituent using the same

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019006662A (en) * 2017-06-28 2019-01-17 博 石塚 Diamond-based composite material using boron-based binder, production method therefor, and tool constituent using the same

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