JP6390152B2 - 複合焼結体 - Google Patents

Description

本発明は、ダイヤモンドを含む複合焼結体に関する。

ダイヤモンドは地上に存在する物質の中で最も高硬度の物質であるため、ダイヤモンドを含む焼結体は、耐摩耗工具、切削工具などの材料として用いられている。

特開２００３−２９２３９７号公報（特許文献１）は、超高圧高温下でグラファイト型層状構造の炭素物質から焼結助剤や触媒の添加なしに変換焼結されたダイヤモンドからなる多結晶体であって、ダイヤモンドの平均粒径が１００ｎｍ以下であり、純度が９９％以上のダイヤモンド多結晶体を開示している。また、間接的に加熱する手段を備えた圧力セルに非ダイヤモンド炭素物質を入れ、加熱および加圧を行なうことにより、焼結助剤や触媒の添加なしに直接変換でダイヤモンド多結晶体を製造する方法も開示している。

国際公開第２００９／０９９１３０号（特許文献２）は、超高圧高温下で非ダイヤモンド型炭素から焼結助剤や触媒の添加なしに変換焼結されて得られたダイヤモンド多結晶体であって、該ダイヤモンド多結晶体を構成するダイヤモンド焼結粒子の平均粒径が５０ｎｍより大きく２５００ｎｍ未満であり、純度が９９％以上であり、かつ、ダイヤモンドのＤ９０粒径が（平均粒径＋平均粒径×０．９）以下であることを特徴とするダイヤモンド多結晶体を開示している。

特開平９−１４２９３３号公報（特許文献３）は、希土類元素の酸化物および／または炭酸化物および／または炭化物からなる物質を０．１〜３０体積％含み、残部がダイヤモンドであることを特徴とするダイヤモンド焼結体を開示している。

特開２００５−２３９４７２号公報（特許文献４）は、平均粒径が２μｍ以下の焼結ダイヤモンド粒子と、残部の結合相とを備えた高強度・高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体であって、ダイヤモンド焼結体中の焼結ダイヤモンド粒子の含有率は８０体積％以上９８体積％以下であり、結合相中の含有率が０．５質量％以上５０質量％未満であるチタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、およびモリブデンからなる群より選らばれる少なくとも１種以上の元素と、結合相中の含有率が５０質量％以上９９．５質量％未満であるコバルトと、を結合相は含み、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、およびモリブデンからなる群より選らばれる少なくとも１種以上の元素の一部または全部が平均粒径０．８μｍ以下の炭化物粒子として存在し、炭化物粒子の組織は不連続であり、隣り合うダイヤモンド粒子同士は互いに結合していることを特徴とする高強度・高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体を開示している。

特開２００３−２９２３９７号公報 国際公開第２００９／０９９１３０号 特開平９−１４２９３３号公報 特開２００５−２３９４７２号公報

特開２００３−２９２３９７号公報（特許文献１）および国際公開第２００９／０９９１３０号（特許文献２）に開示されるダイヤモンド多結晶体は、耐摩耗工具である伸線ダイスに適用すると、ダイス内部の局所摩耗により伸線時の引抜抵抗が増大し伸線後の線径が小さくなり断線が多くなるおそれがあり、切削工具であるウォータージェットに適用すると、ノズル孔部が激しく摩耗されることにより工具寿命が短くなるおそれがある。

特開平９−１４２９３３号公報（特許文献３）および特開２００５−２３９４７２号公報（特許文献４）に開示されるダイヤモンド焼結体は、耐摩耗工具である伸線ダイスに適用すると、焼結体中の金属の炭化物および金属により摩擦係数が高くなるため、伸線抵抗が増大し伸線後の線径が小さくなり断線が多くなるおそれがあり、回転工具に適用すると、焼結体中の金属の炭化物および金属により摩擦係数が高くなるため、切削抵抗が増大し工具が折れるおそれがあり、切削工具に適用すると、焼結体中の金属の炭化物および金属により摩擦係数が高くなるため、切削抵抗が増大し過度な振動が発生し平滑な切削面が得られなくなるおそれがあり、掘削用ビットに適用すると、焼結体中の金属の線膨張による内部破壊により、工具寿命が短くなるおそれがある。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、耐摩耗性、耐局所摩耗性および耐欠け性の高いダイヤモンドを含む複合焼結体を提供することを目的とする。

本発明の複合焼結体は、第１相と、第２相とを含む複合焼結体であって、上記第１相は、ダイヤモンド相であり、上記第２相は、第１相へ歪を付与する１種類以上の元素又は化合物、又はそれら両方で形成される相であり、上記第２相の含有量は、１０００ｐｐｍ以下である。

本発明の複合焼結体は、上記の構成を有することにより、耐摩耗性、耐局所摩耗性および耐欠け性の高いものなる。

［本発明の実施形態の説明］
まず、本発明の実施形態（以下「本実施形態」とも記す）の概要を以下の（１）〜（５）に列記して説明する。

（１）本実施形態に係る複合焼結体は、第１相と、第２相とを含む複合焼結体であって、上記第１相は、ダイヤモンド相であり、上記第２相は、ＳｉＣを含む相であり、上記第２相の含有量は、１０００ｐｐｍ以下である。

本実施形態に係る複合焼結体は、上記の構成を有することにより、耐摩耗性、耐局所摩耗性および耐欠け性が高くなり、亀裂の発生を防止することができる。

（２）本実施形態に係る複合焼結体において、第２相の線膨張係数は、第１相の線膨張係数より大きいことが好ましい。これにより、複合焼結体の耐摩耗性、耐局所摩耗性および耐欠け性がさらに高くなる。

（３）本実施形態の複合焼結体において、第１相を形成する粒子の平均粒径は、１０００ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、複合焼結体の耐摩耗性、耐局所摩耗性および耐欠け性がさらに高くなる。

（４）本実施形態の複合焼結体において、第２相を形成する粒子の平均粒径は、５００ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、複合焼結体の耐摩耗性、耐局所摩耗性および耐欠け性がさらに高くなり、亀裂の発生を防止することができる。

（５）本実施形態の複合焼結体において、複合焼結体のヌープ硬度は、耐摩耗性を高めるため、６０ＧＰａ以上であることが好ましい。

［本発明の実施形態の詳細］
以下、本実施形態に係る複合焼結体についてより詳細に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。

（複合焼結体）
本実施形態に係る複合焼結体は、第１相と、第２相とを含む複合焼結体であって、第１相は、ダイヤモンド相であり、第２相は、第１相へ歪を付与する１種類以上の元素又は化合物、又はそれら両方で形成される相で形成される相であり、第２相の含有量は、１０００ｐｐｍ以下である。

このような複合焼結体としては、第１相および第２相以外に焼結助剤、触媒等のその他の成分を含んでもよい。

ダイヤモンド相の存在は、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）またはＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）による複合焼結体の断面（任意に特定される一断面、以下同じ。）の観察において明視野として確認され、組成及び結晶構造解析により同定される。

ダイヤモンド相を形成する粒子の平均粒径は、複合焼結体の耐局所摩耗性および耐欠け性を高めるため、１０００ｎｍ以下が好ましく、５００ｎｍ以下がより好ましい。また、ダイヤモンド相を形成する粒子の平均粒径は、５０ｎｍ以上、好ましくは２００ｎｍ以上である。ここで、ダイヤモンド相を形成する粒子の平均粒径は、ＳＥＭまたはＴＥＭによる複合焼結体の断面の観察において、ダイヤモンド相、第２相、およびそれらの粒界が見分けられる条件で撮影した後、画像処理（二値化など）により、ダイヤモンド相を形成する各々の粒子の面積の平均を算出し、その面積と同じ面積を有する円の直径を算出したものである。

本実施形態に係る複合焼結体において、第２相は、第１相へ歪を付与する１種類以上の元素又は化合物、又はそれら両方で形成される相である。このような第２相は、複合焼結体の使用時に摩擦熱で線膨張されてマトリックスのダイヤモンドに圧縮応力を付与し、これによりマトリックスの硬度を向上させ、摩耗を低減させる。

第２相の線膨張係数は、第１相の線膨張係数より大きいことが好ましい。これにより、硬度向上および摩耗低減の効果をさらに高めることができる。なお、第２相の線膨張係数の測定は次の方法で実施する。最初に、複合焼結体の第２相の組成及び結晶構造をＳＥＭ及びＴＥＭ法で特定する。次に、その組成となる原料を別途準備し、所望の方法で第２相単独の焼結体を作製する。最後に、得られた焼結体をＪＩＳ Ｒ１６１８法で測定し、線膨張係数を得る。

このような第２相としては、例えば、ＳｉＣ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｖ等を挙げることができる。

複合焼結体における第２相の含有量は、第１相や第２相の極度な膨張によって複合焼結体に亀裂や破壊が発生することを防止するため７００ｐｐｍ以下が好ましく、第２相での摩擦や摩耗を減少するため５００ｐｐｍ以下がより好ましい。また、第２相の含有量は、ダイヤモンド相に適当な圧縮応力を付与するため１００ｐｐｍ以上、好ましくは４００ｐｐｍ以上である。複合焼結体における第２相の存在は、ＳＥＭまたはＴＥＭによる複合焼結体の断面の観察において暗視野として確認され、組成及びＸ線回折により同定される。

第２相を形成する粒子の平均粒径は、第１相やまたは第２相の極度な膨張によって複合焼結体に局所亀裂の発生することを防止するため５００ｎｍ以下が好ましい。また第２相での局所摩耗を減少するため１００ｎｍ以下が好ましい。また、第２相を形成する粒子の平均粒径は、組織の硬度を高める観点から、１０ｎｍ以上、好ましくは５０ｎｍ以上である。ここで、第２相を形成する粒子の平均粒径は、ＳＥＭまたはＴＥＭによる複合焼結体の断面の観察において、ダイヤモンド相、第２相、およびそれらの粒界が見分けられる条件で撮影した後、画像処理（二値化など）により、第２相を形成する各々の粒子の面積の平均を算出し、その面積と同じ面積を有する円の直径を算出したものである。

本実施形態に係る複合焼結体のヌープ硬度は、複合焼結体の耐摩耗性を高めるため６０ＧＰａ以上が好ましく、８０ＧＰａ以上がより好ましい。ここで、ヌープ硬度は、ヌープ圧子を用いて測定荷重９．８Ｎ（１．０ｋｇｆ）で測定する。

（複合焼結体の製造方法）
本実施形態に係る複合焼結体の製造方法は、特に制限はない。耐摩耗性、耐局所摩耗性および耐欠け性の高い複合焼結体を効率よくかつ低コストで製造するため次の工程を含むことが好ましい。

（ａ）原料非ダイヤモンド炭素と原料ダイヤモンドと第２相を形成する物質との混合物、または原料非ダイヤモンド炭素と第２相を形成する物質との混合物を準備する原料準備工程。

（ｂ）上記原料をダイヤモンド相が形成される温度および圧力の条件で焼結することにより複合焼結体を形成する複合焼結体形成工程。

原料準備工程において準備される原料非ダイヤモンド炭素および原料ダイヤモンドは、均質な複合焼結体を形成するため粉末であることが好ましい。また、原料非ダイヤモンド炭素は、高品質の複合焼結体を形成するため黒鉛やアモルファスカーボンであることが好ましい。

複合焼結体形成工程において、焼結条件は、ダイヤモンド相が形成される温度および圧力の条件であれば特に制限はないが、効率よくダイヤモンド相を形成するため１８００℃以上の温度かつ８ＧＰａ以上１６ＧＰａ以下の圧力の条件が好ましく、２０００℃以上で２２００℃以下の温度かつ１１ＧＰａ以上で１４ＧＰａ以下の圧力の条件がより好ましい。かかる高温および高圧を発生させる高温高圧発生装置は、特に制限はなく、ベルト型、キュービック型、分割球型などが挙げられる。

（実施例１）
１．原料の準備
原料として黒鉛粉に炭化ケイ素を４００ｐｐｍ添加した混合粉末を準備した。

２．複合焼結体の形成
上記混合粉末を、高温高圧発生装置を用いて、温度２３００℃、圧力１３ＧＰａで、１００分間の焼結条件で、焼結させることにより複合焼結体を得た。

３．複合焼結体の物性評価
複合焼結体の一断面のＳＥＭ観察およびＸ線回折により、複合焼結体中のダイヤモンド相および第２相を確認および同定した。第２相の含有量は、上記ＳＥＭ観察から算出したところ、３００ｐｐｍであった。ダイヤモンド相を形成する粒子の平均粒径は、上記ＳＥＭ観察から算出したところ、３００ｎｍであった。第２相を形成する粒子の平均粒径は、上記ＳＥＭ観察から算出したところ、６０ｎｍであった。複合焼結体のヌープ硬度は、ヌープ圧子を用いて９．８Ｎの荷重をかけて測定したところ、７５ＧＰａであった。また、ダイヤモンド相の線膨張係数は、１．１×１０^−６／Ｋであり、炭化ケイ素相の線膨張係数は、６．６×１０^−６／Ｋであった。

さらに、この複合焼結体を用いて口径２０μｍの伸線ダイスを作製し、線速１０００ｍ／分でＳＵＳ（ステンレス鋼）を伸線し、伸線ダイスの口径が２０．５μｍに拡大するまでの断線頻度は、従来比１／５と大幅に減少した。

さらに、複合焼結体を超硬の台金にロウ付けし、先端８０°で先端アール（Ｒ）が８０ｎｍの切削工具を製作し、厚さ３０ｍｍの銅板に厚さ２０μｍのニッケルめっきした金属板に、深さ５μｍで１０μｍピッチの溝を形成する加工を実施した。かかる切削工具の先端が１μｍ摩耗したときの先端部分の欠け状態（亀裂やチッピング）を、欠け量で評価すると、従来比１／２と大幅に減少した。

今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。

Claims (3)

1. 第１相と、第２相とからなる複合焼結体であって、
   前記第１相は、ダイヤモンド相であり、前記第１相を形成する粒子の平均粒径は１０００ｎｍ以下であり、
   前記第２相は、ＳｉＣを含む相であり、前記第２相を形成する粒子の平均粒径は５００ｎｍ以下であり、
   前記第２相の含有量は、１０００ｐｐｍ以下である、複合焼結体。
2. 前記第２相の線膨張係数は、前記第１相の線膨張係数よりも大きい値である、請求項１に記載の複合焼結体。
3. 前記複合焼結体のヌープ硬度は、６０ＧＰａ以上である、請求項１または請求項２に記載の複合焼結体。