WO1999043630A1

WO1999043630A1 - Corps fritte en diamant a haute resistance et fortement resistant a l'usure et outil comprenant ledit diamant

Info

Publication number: WO1999043630A1
Application number: PCT/JP1998/005649
Authority: WO
Inventors: Yasunobu Ogata; Satoru Kukino; Yasuyuki Kanada; Junichi Shiraishi; Tetsuo Nakai
Original assignee: Sumitomo Electric Industries, Ltd.
Priority date: 1998-02-26
Filing date: 1998-12-14
Publication date: 1999-09-02
Also published as: CA2281546A1; EP0982276A1; US6261329B1; KR20010020258A; ZA99968B; KR100312573B1; JPH11240762A; CA2281546C; EP0982276A4

Description

明細書高強度 ·高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体およびそれからなる工具技術分野

この発明は、高強度 ·高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体に関し、特に、耐摩耗性、耐欠損性、耐衝撃性および熱伝導性に優れた高強度 ·高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体およびその焼結体からなる工具に関するものである。背景技休丁

ダイヤモンドは、地上に存在する物質の中で最も硬度が大きい。その中でも特に、ダイヤモンド焼結体は、単結晶ダイヤモンドの欠点である、へき開性による欠損が生じ難いため、アルミニウム一シリコン合金などの非鉄系金属材料の切削工具の素材として用いられる。このダイヤモンド焼結体として、たとえば特公昭 3 9 - 2 0 4 8 3号公報ゃ特公昭 5 2— 1 2 1 2 6号公報には、ダイャモンド粒子をコバルトなどの鉄系金属の結合材を用いて焼結したものが開示されている。これらのダイヤモンド焼結体の中で、ダイヤモンド粒子の粒子径が 5 μ m未満の微粒のものや、特に、粒子径が 1 m以下の超微粒のものは、耐欠損性に優れていることが知られている。たとえば、特公昭 3 9— 2◦ 4 8 3号公報には、微粒のダイヤモンド粉末と、ダイヤモンドを溶解再析出する鉄系金属等の粉末とからなるダイヤモンド焼結体、特公昭 5 8 - 3 2 2 2 4号公報には、粒子径が 1 μ m以下の焼結ダイヤモンド粒子と周期律表 4 a、 5 aまたは 6 a族金属の炭化物、窒化物、硼化物およびこれらの固溶体または混合物と鉄系合金とからなるダイヤモンド焼結体が開示されている。

これらの微粒のダイヤモンド粒子と、コバルトまたはタングステンカーパイト —コバルトなどの鉄族金属とを出発原料として焼結を行なうと、微粒のダイヤモンド粒子が非常に活性に富んでいるため、焼結時の温度および圧力条件を厳密に制御しなければ、ダイヤモンド粒子異常な粒成長が頻繁に起こりやすくなる。そのため、一部のダイヤモンド粒子の径が非常に大きくなり、粒径が 1 x m以下でかつ均質な組織を有するダイヤモンド焼結体を歩留りよく得るのが困難である。そこで、この問題を解決するために、ダイヤモンドに近い硬度を有するタングステンカ一バイト、立方晶窒化硼素、炭化ケィ素などの硬質粒子をダイヤモンドの粒界に配置することによって、粒成長を制御する方法が知られている。たとえば、特公昭 6 1 - 5 8 4 3 2号公報には、硬質粒子としてのタングステンカーバィトを添加したダイヤモンド焼結体が開示されている。

し力しながら、この方法では、ダイヤモンド粒子の間にダイヤモンド粒子と親和性の低い硬質粒子を配置し、ダイヤモンド粒子間の直接結合を物理的かつ化学的に妨げることによりダイャモンド粒子の異常な粒成長を制御しているため、ダィャモンド粒子同士の融着による骨格形成が不十分となる。そのため、ダイヤモンド本来の特性である耐欠損性ゃ耐衝撃性や熱伝導性が低下するという問題がある。

一方、ダイャモンド焼結体の中で、ダイャモンド粒子の粒子径が 5 IX m以上 1 0 0 i m以下の粗粒のものは、一般に、耐摩耗性が優れていることが知られている。しかしながら、粗粒のダイヤモンド粒子は焼結しにくいため、焼結を容易にするために、ダイヤモンド粒子の表面に炭化物を形成する方法が知られている。たとえば、特開昭 6 3 - 1 3 4 5 6 5号公報には、ダイヤモンド粒子の表面に炭化物を生成させて、個々のダイヤモンド粒子に対する焼結助剤金属の結合力を強化し、焼結しやすくさせる方法が開示されている。また、焼結を容易にするために、焼結助剤にタングステンカーバイトを添加したものが多く製品化されている。しかしながら、ダイヤモンド粒子の表面に炭化物生成した場合には、ダイヤモンド粒子と鉄系金属のみからなるダイヤモンド焼結体と比べて、耐摩耗性、耐欠損性、耐衝撃性および熱伝導性が低下するという問題がある。また、焼結助剤にタングステンカーバイトを添加すれば、焼結助剤成分が多くなり、ダイヤモンド焼結体の耐摩耗性を低下させやすいという問題がある。

近年、ダイヤモンド焼結体を使用する切削加工においては、硬度が大きく、切削が困難な材料が増加している。そのため、従来以上の耐摩耗性、耐欠損性、耐衝撃性および熱伝導性が要求されている。

そこで、この発明は上述のような問題を解決するためになされたものであり、従来のダイヤモンド焼結体よりも耐摩耗性、耐欠損性、耐衝撃性および熱伝導性に優れたダイャモンド焼結体を提供することを目的とするものである。発明の開示

本発明者らは、ダイヤモンド焼結体の耐欠損性ゃ耐摩耗性等を向上させるために誠意検討した結果、ダイヤモンド粒子同士の直接接合をより強固なものとすることにより、ダイャモンド焼結体の耐欠損性ゃ耐衝撃性などの強度、耐摩耗性および熱伝導性を向上させることが可能であることを見出した。そこで、従来、微粒のダイヤモンド粉末を使用した焼結体では、ダイヤモンド粒子の粒成長を抑制するためにダイヤモンド粒子と親和性の低い硬質粒子を用いていたが、この硬質粒子を用いることなく、粒成長を抑制する方法について検討した。

その結果、焼結時には、焼結助剤としての鉄系金属にダイヤモンドが固溶し、焼結が終了し、ダイヤモンド焼結体が冷却されていくと、鉄系金属内のダイヤモンドが再析出し、ダイヤモンド粒子の異常成長が起こることがわかった。これを防ぐために、焼結助剤としての鉄系金属に金属タングステンを添加することによつて、鉄系金属に対するダイヤモンドの固溶量が小さくなり、その結果、ダイヤモンドの析出を抑制でき、ダイヤモンド粒子の異常成長を防ぐことができる。これにより、従来の硬質粒子を用いる必要がないため、ダイヤモンド粒子同士が融着しやすくなり、強固な骨格が形成される。また、硬質粒子を添加する必要がないため、ダイヤモンド焼結体中のダイヤモンドの含有率が増大する。

また、粗粒のダイヤモンド粉末を使用した焼結体では、焼結助剤中に添加した金属タングステンにより、ダイヤモンド粒子が焼結しやすくなる。したがって、従来のようなタングステン力一バイトの添加が不要となり、ダイヤモンド焼結体の耐摩耗性を向上させることができる。

また、ダイヤモンド焼結体中のダイヤモンド粒子の含有量が大きいほど焼結体の耐摩耗性が増大することを見出した。

また、焼結体中の欠陥の大きさと焼結体の耐欠損性、耐衝撃性などの強度が密接な関係を有することを見出した。ここで言う欠陥とは、ダイヤモンド焼結体中の径が著しく大きいダイヤモンド粒子、溶媒金属などの焼結助剤のプール、空隙などをいう。ダイヤモンド焼結体中の欠陥が小さいほど焼結体の強度は上昇する。これらの知見によりなされた本発明の高強度♦高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体は、焼結ダイヤモンド粒子と、残部として焼結助剤と不可避不純物とを含む。焼結ダイャモンド粒子の含有率は 8 0体積％以上 9 9体積％未満である。焼結ダイャモンド粒子は 0 . 1 / m以上 7 0 μ πι以下の範囲内の粒径を有する。隣り合う焼結ダイヤモンド粒子は互いに直接接合している。焼結助剤は鉄、コバルトおよび二ッケルからなる群より選ばれる少なくとも 1種と、金属形態のタングステンとを含む。ここで、本明細書中「タングステン」とは、金属形態のタングステンと、タングステンカーバイト等のタングステン化合物の混ざったものをいう。焼結体中でのタングステンの含有量は、 0 . 0 1重量％以上 8重量％以下である。このようなダイヤモンド焼結体においては、焼結助剤中に金属形態のタングステンが添加されている。そのため、原料として用いるダイヤモンド粒子の径が小さい場合にも、硬質粒子を添加しなくても粒子の異常成長を抑制できる。また、原料として用いるダイヤモンド粒子の径が大きくなった場合でも、焼結助剤に金属形態のタングステンを添加することにより、耐欠損性、耐摩耗性、耐衝撃性および熱伝導性に優れた高強度 ·高耐摩耗性ダイャモンド焼結体を得ることができる。また、焼結助剤の添加量は従来より多くなく、ダイヤモンドの含有量も従来より小さくないため、これにより耐摩耗性等が低下することがない。

焼結ダイヤモンド粒子の含有率を 8 0体積⁰ /₀以上 9 9体積⁰ /₀未満としたのは、以下の理由による。焼結ダイヤモンド粒子の含有率が 8 0体積％未満では、耐欠損性および耐衝撃性などの強度と、耐摩耗性が低下するためであり、また、ダイャモンド粒子の含有率を 9 9体積％以上とすることは技術的に困難だからである。焼結ダイヤモンド粒子の粒径の範囲を 0 . 1 m以上 7 0 /i m以下としたは、以下の理由による。焼結ダイヤモンド粒子の粒径が 0 . Ι μ πι未満となると、ダィャモンド粒子の表面積が増加するため、ダイヤモンド焼結体の異常成長が起こりやすくなるとともに、ダイヤモンド焼結体の耐摩耗性が低下するからである。粒径が 7 0 / mを超えると、ダイヤモンド粒子のへき開などにより、ダイヤモンド焼結体の強度が低下するからである。

焼結体中のタングステンの含有量を 0 . 0 1重量％以上 8重量％以下としたのは、以下の理由による。タングステンの含有量が 0. 01重量％未満では、焼結助剤に金属タングステンを添加する効果が得られないからである。また、タンダステンの含有量が 8重量⁰ /。を超えると焼結体中のダイャモンドの含有率が低下するとともに、焼結助剤中へのダイヤモンドの固溶が小さくなりすぎ、焼結が完全に行なわれなくなるからである。

ダイヤモンド焼結体はタングステンカーバイトを含み、ダイヤモンド焼結体内のタングステンカーバイトの（100) 面または（101) 面による X線回折強度 I と焼結ダイヤモンド粒子の（1 1 1) 面による X線回折強度 I Dとの比 ( I _wc/ I _D) は 0. 02未満であり、かつダイヤモンド焼結体はコバルトを含み、ダイヤモンド焼結体内のコバルトの（200) 面による X線回折強度 I_c。と I _D との比（I_C0ZI_D) は 0. 4未満であることが好ましい。

また、ダイャモンド焼結体は二ッケルを含み、ダイャモンド焼結体内の二ッケルの（200) 面による X線回折強度 I_Ni と焼結ダイヤモンド粒子の（1 1 1) 面による X線回折強度 I。との比（I_NiZ l _D) は 0. 4未満であることが好ましい。

また、ダイヤモンド焼結体は鉄を含み、ダイヤモンド焼結体内の鉄の（20 0) 面による X線回折強度 I_Feと焼結ダイヤモンド粒子の（1 1 1) 面による X 線回折強度 I_Dとの比（I Zl は 0. 2未満であることが好ましい。ここで、「X線回折強度」とは、 CuKa線（Cuの K殻により生じる特性 X線）を用いた X線回折図形における、ピークの高さをいう。

このように規定したのは、 ^(；/ を。. 02未満としたのは、 0. 02を超えると、タングステンカーバイトの量が過剰となり、耐摩耗性が低下するからである。また、上記の鉄系金属の各回折線の強度比が上述の範囲を超える場合には、ダイャモンド焼結体内の鉄系金属の量が過剰となり、ダイャモンド焼結体の耐摩耗性が低下するからである。

また、焼結助剤は、パラジウムをさらに含み、焼結助剤中でのパラジウムの割合は、 0. 005重量⁰ /₀以上 40重量⁰ /。以下であることが好ましい。この場合、焼結助剤にパラジウムを加えるため、焼結助剤の融点を降下することにより、低い温度でダイャモンド焼結体を製造することができる。パラジウムの割合を 0. 0 0 5重量⁰ /₀以上 4 0重量⁰ /。以下としたは、以下の理由による。パラジウムの割合が 0 . 0 0 5重量％未満では焼結助剤の融点を降下させるのに十分な量とはいえず、パラジウムの割合が 4 0重量％を超えれば、焼結助剤の融点が逆に上昇するため、焼結性が悪化するからである。

また、焼結助剤は、錫、リンおよび硼素からなる群より選ばれる少なくとも 1 種をさらに含み、焼結助剤内での錫、リンおよび硼素の合計の割合が、 0 . 0 1 重量％以上 3 0重量％以下であることが好ましい。この場合、焼結助剤中に錫、リンおよび硼素の少なくとも 1つが含まれるので、これらの元素が焼結助剤の融点を降下させる。その結果、ダイヤモンド粉末を比較的低い温度で焼結することができる。ここで、これらの元素の割合を 0 . 0 1重量％以上 3 0重量％以下としたのは、以下の理由による。これらの元素の割合が 0 . 0 1重量％未満では、焼結助剤の融点を降下させる効果が十分でなく、 3 0重量％を超えると、焼結時に、焼結助剤中の鉄系金属にダイヤモンドがほとんど固溶しなくなる。そのためダイヤモンド粒子同士が確実に結合しなくなり、強度や熱伝導性が低下するからである。

また、本発明者らは、ダイヤモンド焼結体を製造する原料となるダイヤモンド粉末の表面に吸着した酸素や酸化物に着目し、これらを除去することにより、焼結体中に存在する欠陥を小さくし、ダイヤモンド焼結体の強度を向上させることを見出した。そのため、ダイヤモンド焼結体中での酸素の割合が 0 . 0 0 5重量％以上 0 . 0 8重量％未満であることが好ましい。酸素の割合を 0 . 0 0 5重量％以上 0 . 0 8重量％未満としたのは、 0 . 0 0 5重量％未満とすることは、現在の技術では不可能であり、 0 . 0 8重量％以上では、ダイヤモンド焼結体の強度が従来と同様のものとなるからである。

このようにして得られるダイヤモンド焼結体から作製した長さ 6 mm、幅 3 m m、厚さ 0 . 3 5 mm以上 0 . 4 5 mm以下の測定試験片を用いて、 4 mmのスパンの条件で測定した抗折力が、 5 0 k g f Zmm²以上 3 0 O k g f Zmm²以下であることが好ましい。

また、このようにして得られるダイヤモンド焼結体からなる、フッ硝酸で溶解処理した試験片を用いて 4 mmスパンの条件で測定される抗折力が、 5 0 k g f /mm²以上であることが好ましい。

さらに、上述の高強度 ·高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体を工具として用いることが好ましい。この場合、高強度 '高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体からなる工具は、焼結ダイヤモンド粒子と、残部として焼結助剤と不可避不純物とを含む。焼結ダイャモンド粒子の含有率は 8 0体積％以上 9 9体積％未満である。焼結ダイャモンド粒子は 0 . 1 μ πι以上 7 0 /x m以下の範囲内の粒径を有する。隣り合う焼結ダイヤモンド粒子は互いに直接接合している。焼結助剤は鉄、コバルトおよびニッケルからなる群より選ばれる少なくとも 1種と、金属形態のタングステンとを含む。焼結体中でのタングステンの含有量は、 0 . 0 1重量％以上8重量％以下である。

なお、本発明におけるダイヤモンド焼結体を得るためには、焼結助剤を均一に分布させ、かつ不必要な成分を含まないようにすることが好ましい。この点を考慮し、ダイヤモンド粉末の各粒子を焼結助剤で被覆する方法としては、 C V D (Chemical Vapor Deposition ) 法、 P V D (Physical Vapor Deposition ) 法または溶液沈澱法を用いることができる。

また、本発明のダイヤモンド焼結体では、ダイヤモンド粒子の表面に被覆される焼結助剤の均一性がダイヤモンド粉末の焼結性と焼結体の強度の向上に極めて重要であること、また経済性に優れた方法でなければならないことなどを考慮すると、発明者らによって特開平 8— 2 2 5 8 7 5号公報で開示されている無電解めっき法を用いることが最も好ましい。発明を実施するための最良の形態

(実施例 1 )

ダイヤモンド焼結体の作製

表 1で示す粒子径の異なるダイヤモンド粉末と含有成分の異なる焼結助剤（1 A〜1 H) とを準備した。 1 A， I B , 1 Eおよび 1 Fについては無電解めつき、 1 Cおよび 1 Gについては超微粒粉末混合、 1 Dおよび 1 Hについては超硬ボ一ルミルによりダイヤモンド粉末に焼結助剤を添加した。超微粒粉末混合については、粒子径が 0 . 5 μ m以下の超微粒コバルト粉末とダイヤモンド粉末とを所定の組成となるようにテフロン製のボールミル容器に投入し、さらにテフロン製のボールを容器に投入することにより 3時間ボールミルを行なって粉末試料を作製した。超硬ボールミルについては、タングステンカーバイト—コバルト製ボールミル容器にタングステン力一バイトーコバルト製のボールとともにダイャモンド粉末、タングステンカーバイト粉末およびコバルト粉末を投入し、所定の時間ボールミルを行なった。ボールミルの時間を制御することにより、所定の焼結助剤組成を持つ試料粉末を作製した。これらの手法により得られた試料を表 1に示す。表 1

表 1中「焼結助剤の糸且成」とは、焼結助剤中、で各成分が占める割合をいう。たとえば、「9 0 . 8 5 C o」とは、焼結助剤のうち、 9 0 . 8 5重量％がコバルトであることを示す。

その後試料 1 A〜 1 Dについては、温度 1 3 0 0 °Cで 6 0分熱処理をし、 1 E

〜1 Hについては、温度 1 5 0 0 °Cで 6 0分間熱処理をした。試料 1 A〜1 Hをそれぞれ、タンタル製の容器に入れ、ベルト型超高圧発生装置を使用して圧力 5

5キロバール、温度 1 4 5 0 °Cの条件で焼結を行なってダイヤモンド焼結体を得た。

ダイヤモンド焼結体の評価

(回折強度比の測定）

上述の工程で得られたダイヤモンド焼結体に対し、 C u K a線（じ11の1^殻により生ずる特性 X線）を用い、銅タ一ゲットに照射する電子線の加速電圧 40 k V、電流 25mA、回折角度 2 Θ = 20〜80° 、走査速度 0. 1° Z秒の条件で X線回折を行なった。これによりタングステンカーバイトの（101) 面、ダィャモンドの（1 1 1) 面、コバルトの（200) 面の各回折ピークの高さ（強度） I WC， ^A D， I COを測定した。

(強度の測定）

各ダイヤモンド焼結体から長さ 6 mm、幅 3mm、厚さ 0. 4 mmの直方体形状の試験片を複数切出した。それぞれのサンプルについて、スパン距離が 4 mm の条件で 3点曲げ試験により焼結体の強度（抗折力）を測定した。また、それぞれのサンプルについて、モル濃度が 30%の硝酸 40m 1 とモル濃度が 45%のフッ化水素酸 1 Om 1 とを混合したフッ硝酸溶液中に投入した。さらに、サンプルを密閉容器に入れて温度 1 30。Cに 3時間保持し溶解処理を行なった。溶解処理を行なつた試料および行なっていない試料のそれぞれのついて、スパン距離が 4 mmの条件で 3点曲げ試験により焼結体の強度（抗折力）を測定した。

(W含有量の測定）

プラズマ発光分光分析により、ダイヤモンド焼結体の重量に対する金属形態のタングステン（W) とタングステンカーバイトの合計の含有量を測定した。 (ダイヤモンド含有率の測定）

顕微鏡によりダイヤモンド焼結体表面を観察し、ダイヤモンド粒子領域を測定することにより、焼結体のダイヤモンド含有率を判定した。

(切削性能の評価）

焼結体から切削加工用の工具を作製し、以下に示す条件で切削性能の評価を行なった。

被削材： A 1— 1 6重量％ S i合金丸棒

被削材表面の回転速度： 70 Om/m i n

切込み深さ： 0. 5mm

送り速度： 0. 1 SmmZr e v

切削時間： 5 m i n

(金属形態タングステンの存在確認）得られた焼結体から透過電子顕微鏡観察試料を作製し、数力所の任意の視野で観察を行ない、電子回折図形から金属形態のタングステンの有無を確認した。これらの結果を表 2に示す。

表 2

※「㊀」が金属形態のタンク"ステン有、「X」が無表 2中「W含有量」とは、焼結体の重量に対する焼結体中のタングステン（金属形態のタングステンとタングステン力一バイトの合計）の重量の割合を示す。また、透過電子顕微鏡観察により確認した金属タングステンの有無を表中に〇， Xで示す。

表 2より、本発明品である 1 Aおよび 1 Eについては、強度、逃げ面摩耗幅とも良好な値を示していることがわかる。

一方、 1 Cおよび 1 Dについては、焼結助剤の量が少なく、かっこれが不均一に分布していたため、粉末ダイヤモンド中での焼結助剤の融解が均一に起こらず、完全な焼結体を得ることができなかった。

また、 1 Gの焼結体の組織の中には焼結助剤が不均一に分布しているところが見られ、これにより切削中に工具の刃先が欠損し、切削途中で工具として使用することが不可能となった。

このことより、本発明品である 1 Aおよび 1 Eは、従来品である 1 Dおよび 1 Hと比較して、高い強度と少ない逃げ面摩耗幅を示しており、さらに耐欠損性も高く切削工具として優れていることがわかる。また、顕微鏡観察の結果、隣り合う焼結ダイャモンド粒子は互いに直接接合していた。

(実施例 2 ) ダイャモンド粒子の粒子径による焼結体の特性を比較するための試験を行なつた。まず、さまざまな粒子径のダイヤモンド粉末を用意した。このダイヤモンド粉末の割合が 9 3体積。 /₀、所定の組成の焼結助剤の割合が 7体積％となるように焼結助剤を無電解めつき法により添加した後熱処理し、実施例 1と同様の方法でダイャモンド焼結体を作製した。このダイャモンド焼結体の強度と逃げ面摩耗幅を実施例 1と同様の方法で測定した。その結果を表 3に示す。

表 3

※「〇」が金属形態のタンク"ステン有、「 x Jが無 2 Aでは、焼結助剤に多くのダイヤモンドが固溶したためダイヤモンド含有量が減少し、 2 Cでは、焼結助剤が流出したため、ダイヤモンド含有量が増加した。表 3から、ダイヤモンド粉末の粒子径が小さい、すなわち微粒なもの（2 A) ほど強度が高いため、耐衝撃性に優れているといえる。また、粒子径が大きいもの、すなわち粗粒なもの（2 B ) ほど逃げ面摩耗幅が小さいため、耐摩耗性が優れていることがわかる。一方、 2 Cについては、ダイヤモンド粒子径が大きすぎるため、切削途中で欠損してしまい、切削の継続が不可能となった。

(実施例 3 )

焼結助剤中の金属タングステンの添加量による焼結体の特性について試験を行なった。まず、粒子径をさまざまに変えたダイヤモンド粉末粒子を用意した。この粉末粒子に、タングステンの割合を変えた焼結助剤を無電解めつき法により添加した後熱処理し、実施例 1と同様の方法で焼結させてダイャモンド焼結体を得た。得られたダイヤモンド焼結体について強度、逃げ面摩耗幅を実施例 1と同様の方法で測定した。得られた結果を表 4に示す。表 4

※「〇」が金属形態のタンク"ステン有、「 X」が無表 4中 3 Αおよび 3 Dは、実施例 1で作製した試料 1 Aおよび 1 Eと同じ粉末から製造したダイヤモンド焼結体である。試料番号 3 B 3 C 3 Eおよび 3 F は、焼結助剤中の金属タングステンの添加量を変化させたものである。

試料 3 Bおよび 3 Eのように、焼結体中のタングステンの量が 8重量％を超える場合には、「強度」が小さく「逃げ面摩耗幅」が大きいため、強度または耐摩耗性が低下することがわかる。また、金属タングステンを添加していない試料 3 Cおよび 3 Fについては、焼結が不完全になり安定して焼結体を得ることができなかった。焼結体中でのタングステンの添加量が本発明の範囲である 0 . 0 1重量％以上 8重量％以下の試料 3 A 3 Dの強度および耐摩耗性が優れていることがわかる。

(実施例 4 )

焼結助剤中でのパラジウムの添加量が焼結性に及ぼす影響にっレヽて試験をした。まず、異なる粒子径のダイヤモンド粉末粒子を用意した。次に、タングステンとパラジウムをさまざまな割合で含み、鉄の割合が 4 . 0重量％、錫の割合が 0 .

1重量％、残部がコバルトの焼結助剤をダイヤモンド粉末に付与して原料粉末を形成した。ベルト型超高圧発生装置を用いて圧力 5 0キロバール、温度 1 4 5 0 °Cの条件に、この原料粉末を 2 0分間保持した。その結果を表 5に示す。

表 5

( )内はタングステン含有量（重量 %)を示す。

表 5中「〇」は、原料粉末が焼結しかつ、粒子が異常に大きくならなかったことを示す。「△ (粒成長）」とは、ダイヤモンド粉末は焼結したが、一部の粒子が異常に大きくなつたことを示す。「X」は、ダイヤモンド粉末が焼結しなかつたことを示す。また、金属タングステンを添加したものについては、表中（）内に焼結体中のタングステン含有量の分析結果を示した。表 5より、タンダステンだけを含む試料やタングステンとパラジウムを含む試料では、確実に焼結が行なわれることがわかる。また、タングステンを含まない場合でもパラジウムを含めばある程度焼結するようになるが、微粒粉末を用いた場合には焼結が十分に行なわれないことがわかる。この結果より、本発明の範囲であるパラジウムの含有量が 0 . 0 1重量％以上 4 0重量％以下の範囲とすると、焼結が起こりやすくなることがわかる。

(実施例 5 )

付加的な焼結助剤による焼結体の特性について試験を行なった。まず、粒子径が 0 . 1〜3 0 / mのダイヤモンド粉末粒子を用意した。このダイヤモンド粉末粒子に無電解めつき法によつて焼結助剤を添加するためにダイャモンド粉末の脱脂処理と酸洗いとを行なった。次に無電解めつきの前処理として塩化パラジウム、塩化第一錫および塩酸を含む常温の溶液中に 2分間ダイャモンド粉末粒子を浸した。続いて、これらのダイヤモンド粉末粒子を常温の硫酸水溶液中に 2分間浸した。その後、この粉末を水洗いした後に塩化ニッケルと水酸ィヒ硼素ナトリウムを含む温度 9 0 °Cの N i一 Bめっき水溶液中に 2分間浸すことにより焼結助剤で被覆されたダイヤモンド粉末を得た。これらのダイャモンド粉末を圧縮することにより成形した後、表 6で示す組成を有する付加的な焼結助剤としての金属板と成形体とを積層し、タンタル製の容器内に密封した。

表 6

表 6中「付加的焼結助剤組成」とは、金属板の組成を示す。また、「焼結助剤の被覆量」とは、ダイャモンド焼結体内の焼結助剤の容積％を示す。

その後、このタンタル製容器をガードル型高圧装置により圧力 6 0キロバールで温度 1 5 5 0 °Cの条件に 1 0分間保持した。それにより、ダイヤモンド焼結体が得られた。

この焼結体の各々を長さ 6 mm、幅 3 mm、厚さ 0 . 3 mmの棒状の試験片に加工した後にスパンの距離が 4 mmの 3点曲げ試験を行ない強度を評価した。その結果を表 7に示す。

表 7

表 7からわかるように、 4 B、 4 Cおよび 4 Dの強度が 4 Aおよび 4 Eに比べて向上していることがわかる。

すなわち、焼結助剤中の錫とリンと硼素の合計の含有量が 0 . 0 1重量％以上

3 0重量％以下の範囲であれば好ましいことがわかる。また、焼結助剤中に錫とリンと硼素を含有させて同様の実験をしたところ、これらの合計の含有量が 0 . 5649

0 1重量。 /o以上 3 0重量％以下であれば好ましいことがわかった。

(実施例 6 )

ダイヤモンド粉末の熱処理温度を変化させた場合のダイヤモンド焼結体の特性を試験した。実施例 1で製造した 1 Aおよび 1 Eに対して、さまざまな条件で熱処理を行なった。次に、熱処理を行なった粉末を実施例 1と同様の条件で焼結させてダイャモンド焼結体を得た。このダイャモンド焼結体の強度を実施例 1と同様の方法で測定し、さらにプラズマ発光分光分析により焼結体中の酸素の含有量を測定した。その結果を表 8に示す。

表 8

表 8中、 5 A— 1〜5 A— 3は、実施例 1の 1 Aの粉末を用いたものである。また、 5 E—：!〜 5 E— 3は 1 Eの粉末を用いたものである。この結果より、熱処理温度を高くすることにより焼結体中に残存する酸素量が減少する傾向にあり、それに伴って焼結体の強度が上昇することがわかる。

なお、別の実験の結果、粉末試料 1 Aについては、温度 1 4 0 0 °C以上の高温で熱処理をした場合にダイヤモンド粉末の表面が著しく黒鉛化するため、焼結体中に黒鉛が残留し焼結および切削性能を低下させるため適当でないことがわかつた。

(実施例 7 )

ダイャモンド粒子の粒子径が 0 . 1〜 1 5 μ mの試料を用意し、実施例 1の粉末試料 1 Aに添加したのと同様の焼結助剤を添加し、温度 1 3 0 0 °Cの真空中で熱処理した。次に、熱処理後の粉末を、タングステン力一バイトを 1 0重量％含む合金からなる外径 2 O mm、内径 1 2 mm、高さ 1 8 mmの焼結体からなる容器に充填し、超高圧 .高温状態下で焼結した。得られた焼結体から線径 3 mmの線引きダイスを作製した。このダイスを用いて伸線速度 50 OmZm i nで水溶性潤滑油を使用して銅めつき鋼線の伸線試験を行なった。その結果、 80 トンの鋼線の伸線が可能で、その線肌も良好なものであつた。

(実施例 8)

実施例 1の 1 Aおよび 1 Eのダイヤモンド焼結体を用いて直径 1 3. 2 mm, 厚さ 3, 2 mmの円形のスローァゥヱイチップを作製し、以下に示す条件で圧縮強度 1 500 k gノ c m²の花崗岩の丸棒を汎用旋盤で切削した。

被削材表面の回転速度 : 1 80 m/m i n

切込み深さ： 0. 5mm

送り速度： 0. S SmmZr e v

切削時間： 3分

その結果、 1 Aのダイヤモンド焼結体では、刃先にチッビングが見られず、逃げ面摩耗幅は 0. 5 mmを超えていた。一方、 1 Eのダイヤモンド焼結体では、刃先に 0. 03mmのチッビングが生じていたものの逃げ面摩耗幅は 0. 1mm と小さく、切削加工を継続することが可能であった。

また、従来のダイヤモンド焼結体工具で切削したところ、約 2分間切削を行なつた時点で摩耗により切削抵抗が増大し、切削中に異音が発生し切削を続けることが不可能であった。使用済の工具を観察すると激しく摩耗しており、ダイヤモンド焼結体を支持する超硬合金まで亀裂が達していた。

このように本発明におけるダイャモンド焼結体は耐衝撃性を必要とする掘削用ビット工具へ応用したところ、優れた結果が得られた。

(実施例 9)

実施例 1と同様の方法で、粒子径が 0. 1〜 60 ^ mのダイヤモンド粒子にコバルト、タングステン、鉄、パラジウムをさまざまな割合で含む焼結助剤を無電解めつき法により付与し、熱処理した後焼結した。得られたそれぞれの焼結体について、実施例 1と同様に X線回折を行ない、ニッケルの（200) 面による回折強度 I_Ni、鉄の（200) 面による回折強度 I_Fe、ダイヤモンド粒子の（1 1 1) 面による回折強度 I。を測定し、これらの比 I_Ni l_D、 I_FeZl_Dを求めた。また、それぞれの焼結体について、実施例 1と同様に強度、逃げ面摩耗幅を調べた。

その結果、 1^/ 1。カ 0. 4未満のもの、または I_Fe/ I_Dが 0. 4未満のものが強度、逃げ面摩耗幅とも優れていた。産業上の利用可能性

この発明に従った高強度 '高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体は、切削工具、フライス工具およびェンドミルなどに代表される切削工具、線引きダイス等に代表される耐摩耗性工具、ゴルフクラブのへッドゃ衝撃式粉末粉砕用治具に代表される耐衝撃部品に適用できる。

Claims

請求の範囲

1. 焼結ダイヤモンド粒子と、残部として焼結助剤と不可避不純物とを含み、前記焼結ダイャモンド粒子の含有率は 8 0体積％以上 9 9体積。/。未満であり、前記焼結ダイャモンド粒子は 0. 1 μ m以上 7 0 μ m以下の範囲内の粒径を有し、

隣り合う前記焼結ダイャモンド粒子は互いに直接接合しており、

前記焼結助剤は鉄、コノくノレトおよびニッケルからなる群より選ばれる少なくとも 1種と、属形態のタングステンとを含み、

焼結体中での前記タングステンの含有量は、 0. 0 1重量％以上 8重量％以下である、高強度 ·高耐摩耗性ダイャモンド焼結体。

2. タングステンカーバイトをさらに含み、前記ダイヤモンド焼結体内の前記タングステンカーバイトの（1 0 0) 面または（1 0 1 ) 面による X線回折強度 I _wcと前記焼結ダイヤモンド粒子の（1 1 1 ) 面による X線回折強度 I _Dとの比

( I _wc/ I _D) は 0. 0 2未満であり、かつコバルトを含み、前記ダイヤモンド焼結体内の前記コバルトの（2 0 0) 面による X線回折強度 I_∞と前記 I _Dとの比 ( I co/ I D) は 0. 4未満である、請求の範囲第 1項記載の高強度 '高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体。

3. ニッケルを含み、前記ダイヤモンド焼結体内の前記ニッケルの（2 0 0) 面による X線回折強度 I _Niと前記焼結ダイヤモンド粒子の（1 1 1 ) 面による X線回折強度 I _D との比（I WZ I D) は 0. 4未満である、請求の範囲第 1項記載の高強度 ·高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体。

4. 鉄を含み、前記ダイヤモンド焼結体内の前記鉄の（2 0 0) 面による X線回折強度 I _Feと前記焼結ダイヤモンド粒子の（1 1 1 ) 面による X線回折強度 i _D との比（I _FeZl_D) は 0. 2未満である、請求の範囲第 1項記載の高強度 '高耐摩耗性ダイャモンド焼結体。

5. 前記焼結助剤は、パラジウムをさらに含み、前記焼結助剤中での前記パラジゥムの割合は、 0. 00 5重量％以上 40重量％以下である、請求の範囲第 1項記載の高強度 ·高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体。

6. 前記焼結助剤は錫、リンおよび硼素からなる群より選ばれる少なくとも 1種をさらに含み、前記焼結助剤内での前記錫、リンおよび硼素の合計の割合が、 0 . 0 1重量％以上 3 0重量％以下である、請求の範囲第 1項記載の高強度 ·高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体。

7 . 前記ダイャモンド焼結体内での酸素の割合が 0 . 0 0 5重量％以上 0 . 0 8 重量％未満である、請求の範囲第 1項記載の高強度 ·高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体。

8 . 長さ 6 mm、幅 3 mm、厚さ 0 . 3 5 mm以上 0 . 4 5 mm以下の測定試験片を用いて 4 m mのスパンの条件で測定される前記ダイヤモンド焼結体の強度

(抗折力）が 5 0 k g f /mm²以上 3 0 0 k g f /mm²以下である、請求の範囲第 1項記載の高強度 ·高耐摩耗性ダイャモンド焼結体。

9 . フッ硝酸で溶解処理された前記試験片を用いて 4 mmスパンの条件で測定される前記ダイヤモンド焼結体の強度（抗折力）が 5 0 k g f Zmm²以上である、請求の範囲第 8項記載の高強度 ·高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体。

1 0 . 焼結ダイヤモンド粒子と、残部として焼結助剤と不可避不純物とを含み、前記焼結ダイャモンド粒子の含有率は 8 0体積％以上 9 9体積％未満であり、前記焼結ダイャモンド粒子は 0 . 1 μ m以上 7 0 μ m以下の範囲内の粒径を有し、

前記焼結助剤は、鉄、コバルトおよびニッケルからなる群より選ばれる少なくとも 1種と、金属形態のタングステンとを含み、

焼結体中での前記タングステンの含有量は、 0 . 0 1重量％以上 8重量％以下である、高強度 ·高耐摩耗性ダイャモンド焼結体からなる工具。