JP2000006032A - ダイヤモンド研磨工具の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 銅を基材とした合金粉末ペースト材料を溶接
材とし、金属工具基材にブレージングしてダイヤモンド
工具を製作する液相ブレージング法を提供して、従来解
決できなかったブレージング金属材料の欠陥とペースト
結合剤調製上の問題点を解決する。 【解決手段】 クロム、チタン、錫、コバルト、ニッケ
ル、鉄、タングステンなどの金属から少なくとも二つを
選んでブレージング用金属材料に添加し、さらに、ポリ
エチレングリコール、ポリエチレンオキシド、ポリビニ
ルアセテート、メチルセルロース、デキストリン、アミ
ロデキストリンなどの水溶性高分子物質から少なくとも
二つを選んで、水とともに結合剤として、ブレージング
用金属材料に添加し、合金粉末ペースト材料として、金
属工具基材にブレージングしてダイヤモンド工具を製作
する液相焼結ブレージング法を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はダイヤモンド研磨工
具の製造方法に関し、特に、クロム（Ｃｒ），チタン
（Ｔｉ）、錫（Ｓｎ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル
（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、タングステン（Ｗ）等の金属か
ら少なくとも二つを選んでブレージング用金属材料と
し、さらに、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオ
キシド、ポリビニルアセテート、メチルセルロース、デ
キストリン、アミロデキストリン等の水溶性高分子物質
または有機物質から少なくとも二つを選んで水とともに
結合剤として、ブレージング用合金材料に添加し、粉末
ペースト合金材料を金属工具基材に溶接して、ダイヤモ
ンド工具を製作する液相焼結ブレージング法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ダイヤモンドの粉末の原子構造は金属の
原子構造とは異なり、なかなかダイヤモンド工具として
結合し難い。したがって、ダイヤモンド粉末を鋼鉄金属
工具基材と結合させる方法が、窒化硼素工具の製造方法
として広く採用されている。

【０００３】近年、業界に提出された一つに、室温下で
電気メッキによるダイヤモンド工具の製造方法がある。
ダイヤモンド粉末はニッケルを基材とした溶接材と物理
的に結合するが、ダイヤモンド粉末が不導電であるた
め、電気メッキの際にダイヤモンド粉末と溶接材との結
合を妨げ、両者が結合する溶接材表面の局部に凹部を形
成して結合強度が低下する。一方、溶接材と鋼鉄金属工
具の基材間の物理的連結が脆弱で電気メッキ用の溶接材
がしばしば全面的に剥離しやすい。このように、電気メ
ッキ法によって形成されたダイヤモンド工具では、溶接
材表面に露出したダイヤモンド粉末が高度に摩耗した
後、硬度の非常に高いニッケル基材の溶接材は磨滅せず
に残り、代わりに新たなダイヤモンドの刃を露出させる
ため、実際にはダイヤモンド粉末の使用効果は少なかっ
た。

【０００４】その他の高硬度のニッケルを基材とした溶
接材を用いてダイヤモンド工具の製作方法においては、
硬くて脆弱な基材が熱応力のため、使用時の機器の振動
に持ち堪えることができず、ダイヤモンド工具の寿命を
短くする。ニッケルを基材とした溶接材の共晶融点が高
いので、より高級なダイヤモンド粉末を用いてその劣化
を防がなければならない。過去にも、チタンメッキ層を
ダイヤモンド粉末接合面に施して溶接材とブレージング
する、ＴｉＨ₂ 粉末の熱分解によりＴｉが残留する特性
を利用して、ダイヤモンド工具を製作する方法が提案さ
れたが、この製作工程は二つのステップに別れ、複雑に
なる欠点があった。

【０００５】その外に、予め合成した合金片を溶接材と
して、ダイヤモンド工具を製作する方法もあったが、片
状のプレ合金溶接材の形状に制限があり、複雑な形状を
有するダイヤモンド工具表面の接合には甚だ不向きで、
かつ、その品質もコントロールし難い。

【０００６】上記のように、ブレージング金属材料の選
択、ペースト結合剤の調製がダイヤモンド工具の製作に
は非常に重要であるが、残念ながら、現在の業界では、
未だこの方面の問題点を有効に解決できるダイヤモンド
工具の製作方法を案出できないのが実状である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記の事情に鑑みて、
本発明は、銅を基材として合金粉末ペースト材料を溶接
材として用い、金属工具基材にブレージングして、ダイ
ヤモンド工具を製作する液相焼結ブレージング法（Braz
ing by Liquid Phase Sintering）を提供して、従来の
技術で未解決の課題を解決せんとするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本課題を解決するための
手段として、本発明はクロム、チタン、錫、コバルト、
ニッケル、鉄、タングステンなどの金属から少なくとも
二つを選んでブレージング用金属材料に添加し、さら
に、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシド、
ポリビニルアセテート、メチルセルロース、デキストリ
ン、アミロデキストリンなどの水溶性高分子物質または
有機物質から少なくとも二つを選んで水とともに結合剤
として、ブレージング用金属材料に添加し、合金粉末ペ
ースト材料として、金属工具基材にブレージングしてダ
イヤモンド工具を製作する液相焼結ブレージング法を提
供する。

【０００９】本発明は、次のように特定できる。

【００１０】（１）銅を基材とする合金粉末ペースト材
料を溶接材とし、金属工具基材にブレージングしてダイ
ヤモンド工具を製作する液相焼結ブレージング法におい
て、前記銅を基材とする溶接用粉末合金の中に、クロ
ム、チタン、錫、ニッケル、タングステン、鉄およびコ
バルトの金属よりなる群から少なくとも二つを選んでブ
レージング金属材料として加え、ここで、前記ブレージ
ング金属材料はダイヤモンドと鋼鉄金属工具基材とを結
合させる；さらに、前記ブレージング金属材料の中に、
ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシド、ポリ
ビニルアセテート、メチルセルロース、デキストリンお
よびアミロデキストリンよりなる群から選ばれる少なく
とも二つの水溶性高分子物質を水とともに結合剤として
加え；ここで、前記選ばれた金属元素の重量比を、クロ
ムは０．００５〜０．０５、チタンは０．００５〜０．
２０、錫は０．０００００１〜０．２０、ニッケルは
０．０００００１〜０．００５、タングステンは０．０
００００１〜０．００５、鉄は０〜０．００５、コバル
トは０．０００００１〜０．００５とすることを特徴と
するダイヤモンド研磨工具の製造方法。

【００１１】（２）前記添加される結合剤の重量比は、
ポリエチレングリコールは０．０００００１〜０．１、
ポリエチレンオキシドは０．０００００１〜０．１、ポ
リビニルアセテートは０．０００００１〜０．１、メチ
ルセルロースは０．０００００１〜０．１、デキストリ
ンは０．０００００１〜０．１、アミロデキストリンは
０．０００００１〜０．１、水は０．１〜０．２である
ことを特徴とする前記１に記載の方法。

【００１２】ここで、前記ブレージング金属材料は、ク
ロム、チタン、錫およびニッケルよりなる群から選ばれ
ることが好ましく、選ばれた金属元素が重量比は、クロ
ムで０．０１〜０．０２、錫で０．０５〜０．１５、チ
タンで０．０５〜０．１５、ニッケルで０．０１〜０．
０２の範囲が好ましい。また、前記水溶性高分子物質
は、ポリビニルアセテートまたはメチルセルロースが好
ましく、特にポリビニルアセテートが好ましい。

【００１３】

【発明の実施の形態】下記の発明の実施の形態を図面を
参照すれば、本発明の目的、構成、効果を容易に理解で
きるであろう。

【００１４】図１に、本発明によるダイヤモンド工具の
製造方法を示す。そのステップには、ブレージング用金
属材料粉末（顆粒）と水溶性結合剤とを用意し、ブレー
ジング用金属材料粉末と水溶性結合剤および適宜な比率
の水とを混合撹拌して、ペースト溶接材料を作成し、し
かる後に、ペースト溶接材の上に天然ダイヤモンド粉末
を散布し、還元あるいは真空状態で図２に示す常用焼結
操作温度曲線にしたがって、簡易かつ迅速にダイヤモン
ド粉末を焼結ブレージングして、ダイヤモンド工具を製
作するなどの工程が含まれる。図３はその製品の写真、
図４はその顕微鏡による構造を示す写真である。

【００１５】上記ブレージング用金属材料には、クロ
ム、チタン、錫、コバルト、ニッケル、鉄、タングステ
ンなどの金属元素から少なくとも二つを選び、上記結合
剤として、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキ
シド、ポリビニルアセテート、メチルセルロース、デキ
ストリン、アミロデキストリンなどの水溶性高分子物質
または有機物質から少なくとも二つを選ぶ。

【００１６】上記金属元素の重量比は使用する銅と金属
元素の総和を１として表され、タングステンは０．００
０００１〜０．００５、チタンは０．００５〜０．３０
で、主に液相焼結でブレージングするときに化学反応で
炭化物を生成せしめて接合させるが、タングステンを過
剰に添加すると、溶接材の共晶融点が非常に高くなり、
金属溶接材が硬すぎて脆弱になるとともに、かつ、湿潤
角を大幅に増加させる。他方、もし、チタンの含量が少
なすぎると、湿潤結合性が著しく低下し、また、チタン
の含量が３０％を越えると金属溶接材の金属相が過多に
なり、同様に、金属溶接材が硬すぎて脆弱となり、ダイ
ヤモンド工具が熱応力により、破壊され易くなる。した
がって、添加量のコントロールは必要である。

【００１７】添加される錫の重量比は、０．０００００
１〜０．３０で、これは錫元素の主要効能である銅を基
材とした溶接材の共晶融点を低下させる点を利用し、液
相焼結でブレージングするとき、比較的低温度でダイヤ
モンド工具の焼結ブレージングが完成できる。ただし、
錫の重量比が３０％を越えると、銅を基材とした溶接材
の共晶融点温度が低くなりすぎ、ダイヤモンド工具の実
際の応用に不利になり、また、高温下の錫元素の蒸気圧
が極めて高いため、錫の含量が多すぎると、溶接材中で
気泡が生じ、焼結の進行を大きく妨害し、ダイヤモンド
工具の品質を落とす。

【００１８】０．０００００１〜０．００５の重量比の
微量のコバルト、ニッケル、鉄元素を金属溶接材に添加
すれば、銅を基材とした溶接材を強化するが、含量が多
すぎると、銅を基材とした溶接材の共晶融点温度と湿潤
角を過度に上げて、液相焼結ブレージングによるダイヤ
モンド工具の製作に悪影響を及ぼす。

【００１９】結合剤の重量比は使用される銅と金属元素
との総和１に対して、概して、０．０００１％〜０．１
％がよく、水は０．１％〜０．２％の範囲である。結合
剤重量比が大きすぎると、ペースト中の溶接材金属粉末
を少なくして、液相焼結ブレージング時における液相
（溶接材）を少なくするか、あるいは溶接材中に大量の
孔洞を形成して、ダイヤモンド粉末の結合を弱め、ま
た、溶接材粉末漿液の粘度と湿潤角も大きくなりすぎ、
漿液を鋼鉄金属工具基材上に被覆した際、その被覆の表
面厚みにばらつきを生じ、その結果、液相焼結ブレージ
ング後のダイヤモンド工具表面の平坦性に影響を及ぼ
す。一方、結合剤の含量が過剰ならば、脱脂量が高く、
多量の炭素系汚染物が残留して、製造系統の高温状態に
おける炭素成分が極めて高くなり、ダイヤモンド工具の
液相焼結ブレージング製造工程に大きな影響を及ぼし、
異なるロット間での製品品質のバラツキが大きくなる。

【００２０】本発明の銅を基材として、合金粉末ペース
ト材料を溶接材とした液相焼結ブレージングによるダイ
ヤモンド工具（Diamonnd Tools）の製造方法は、従来
の電気メッキ法によるダイヤモンド工具の製造方法と較
べて、そのダイヤモンド粉末と金属工具基材との間の結
合能力において顕著な相違がある。その相違を下記の表
１〜２に列挙する。

【００２１】

【表１】

【００２２】

【表２】

【００２３】本発明の銅を基材として、合金粉末ペース
ト材料を溶接材とした液相焼結ブレージングによるダイ
ヤモンド工具の製造方法は、従来のニッケル溶接基材と
したダイヤモンド工具の製造方法と較べて、そのダイヤ
モンド粉末と金属工具基材との間の結合能力において顕
著な相違がある。その相違を下記表３〜６に示す。

【００２４】

【表３】

【００２５】

【表４】

【００２６】

【表５】

【００２７】

【表６】

【００２８】ここで、硬度はビッカース硬度を基準と
し、熱伝導性はレーザ測定による（ｗａｔｔ／ｍｅｔｅ
ｒ・ｋｅｌｖｉｎ）。

【００２９】

【発明の効果】本発明の銅を基材として、合金粉末ペー
スト材料を溶接材とした液相焼結ブレージングによるダ
イヤモンド工具の製造方法は、主として粉末冶金液相焼
結（Liquid Phase Sintering)の原理を応用し、銅を基
材としたブレージング金属材料中のクロムとタングステ
ンのダイヤモンドに対する高度な活性および湿潤結合性
と、クロム、チタン、コバルト、ニッケル、鉄、タング
ステン元素などの銅を基本としたブレージング金属材料
の強度と硬度を向上させる性質とを利用し、なお、錫元
素ではブレージング金属材料融点温度を下げ、それによ
り、ダイヤモンド工具の液相焼結ブレージング所要温度
と時間とを減少せしめ、より低い液相焼結ブレージング
操作温度でタングステンやチタン元素の特性を発揮せし
め、より低い液相焼結ブレージング操作温度でタングス
テンやチタン元素の特性を発揮せしめ、液相を形成した
後、鋼鉄金属工具基材上にダイヤモンド粉末を再配列せ
しめるとともに、ダイヤモンド表面に炭化物インターフ
ェース層を形成し、ダイヤモンドを金属工具基材上にブ
レージングして、ダイヤモンド工具を製作する効果を提
供する。本発明の優れている点を表７〜８に示す。

【００３０】

【表７】

【００３１】

【表８】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の製造工程のフローチャートである。

【図２】本発明による液層焼結ブレージングの操作温度
曲線を示す図面である。

【図３】本発明によって完成したダイヤモンド工具を示
す顕微構造の図面である。図３（ａ）は１ｍｍを単位と
した顕微構造図、図３（ｂ）は２００μｍを単位とした
顕微構造図、及び図３（ｃ）は５０μｍを単位とした顕
微構造図を示す。

【図４】図４（ａ）は本発明のダイヤモンド工具粉末の
ブレージング材料中における結合現象を示す顕微構造
図、図４（ｂ）は電気メッキ法によるダイヤモンド工具
のダイヤモンド粉末のブレージング材料中における結合
現象を示す顕微構造図、図４（ｃ）はダイヤモンド工具
破損後の顕微構造図で、図右は電気メッキによるダイヤ
モンド工具、図左は本発明のダイヤモンド工具を示し、
図４（ｄ）は本発明のダイヤモンド工具の漸近的使用後
の磨滅破損状況を示す顕微構造図、および図４（ｅ）は
電気メッキ法によるダイヤモンド工具のブレージング材
の全面的剥離脱破損状況を示す顕微構造図を示す。

【図５】図５（ａ）は冷却収縮応力によるダイヤモンド
とニッケル・ブレージング基材間の結合界面の裂縫、ダ
イヤモンド粉末の脱落及び亀裂を示す顕微構造図、図５
（ｂ）はニッケルを基材としたダイヤモンド工具の顕微
構造図、および図５（ｃ）はニッケル・ブレージング基
材が高温下におけるダイヤモンドに対する侵食現象の顕
微構造図を示す。

【図６】本発明のダイヤモンド工具の連続磨損後の顕微
構造図である。ダイアモンド工具が花崗岩に対して連続
的に乾磨した磨損状態の顕微構造図で、乾磨時間間隔は
図６（ａ）から開始して、それぞれ、０ｍｉｎ（図６
（ａ））、１０ｍｉｎ（図６（ｂ））、２０ｍｉｎ（図
６（ｃ））、３０ｍｉｎ（図６（ｄ））、および４０ｍ
ｉｎ（図６（ｅ））を示す。ここで、乾磨する相対速度
は７ｍ／ｓである。

【図７】本発明のダイヤモンド工具側面の顕微構造図で
ある。図７（ａ）は１ｍｍを単位とした顕微構造図、お
よび図７（ｂ）は２００μｍを単位とした顕微構造図で
ある。

【図８】９００℃において、ダイヤモンド粉末がニッケ
ル、鉄、コバルトなどの元素と接触したときの顕微構造
図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 銅を基材とする合金粉末ペースト材料を
   溶接材とし、金属工具基材にブレージングしてダイヤモ
   ンド工具を製作する液相焼結ブレージング法において、 前記銅を基材とする溶接用粉末合金の中に、クロム、チ
   タン、錫、ニッケル、タングステン、鉄およびコバルト
   の金属よりなる群から少なくとも二つを選んでブレージ
   ング金属材料として加え、ここで、前記ブレージング金
   属材料はダイヤモンドと鋼鉄金属工具基材とを結合させ
   る；さらに、前記ブレージング金属材料の中に、ポリエ
   チレングリコール、ポリエチレンオキシド、ポリビニル
   アセテート、メチルセルロース、デキストリンおよびア
   ミロデキストリンよりなる群から選ばれる少なくとも二
   つの水溶性高分子物質を水とともに結合剤として加え；
   ここで、前記選ばれた金属元素の重量比を、クロムは
   ０．００５〜０．０５、チタンは０．００５〜０．２
   ０、錫は０．０００００１〜０．２０、ニッケルは０．
   ０００００１〜０．００５、タングステンは０．０００
   ００１〜０．００５、鉄は０〜０．００５、コバルトは
   ０．０００００１〜０．００５とすることを特徴とする
   ダイヤモンド研磨工具の製造方法。
2. 【請求項２】 前記添加される結合剤の重量比は、ポリ
   エチレングリコールは０．０００００１〜０．１、ポリ
   エチレンオキシドは０．０００００１〜０．１、ポリビ
   ニルアセテートは０．０００００１〜０．１、メチルセ
   ルロースは０．０００００１〜０．１、デキストリンは
   ０．０００００１〜０．１、アミロデキストリンは０．
   ０００００１〜０．１、水は０．１〜０．２であること
   を特徴とする請求項１に記載の方法。