JPH0154302B2

JPH0154302B2 -

Info

Publication number: JPH0154302B2
Application number: JP60003879A
Authority: JP
Inventors: Shuji Yatsu; Akio Hara
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1985-01-12
Filing date: 1985-01-12
Publication date: 1989-11-17
Also published as: JPS60260470A

Description

【発明の詳細な説明】

ダイヤモンドは最も高硬度の物質である。現在
研削用砥粒として使用されており、また切削用途
にはダイヤモンドを金属Coなどで結合した焼結
体が一部に使用されている。このダイヤモンドを
金属で結合した焼結体は切削工具として使用した
場合、結合金属相の高温での軟化による耐摩耗性
の低下や、被削材金属が溶着し易い為に工具が損
傷するといつた欠点がある。本発明は、このよう
な金属で結合した焼結体でなく、高強度で耐溶着
性、耐熱性に優れた硬質金属化合物を結合相とし
た切削工具等の工具用途に適した新らしいダイヤ
モンド焼結体に関するものである。ダイヤモンドは工具材料として見た場合に、高
硬度であると共に、熱伝導率が極めて高いという
特徴を有している。切削工具を例として考えると
切削時の刃先温度は他の条件が同じであれば工具
材料の熱伝導度が高いほど低くなり、工具の摩耗
に対して有利となる。またフライス切削等の断続
的な切削を行う場合は、工具に加熱、急冷の熱衝
撃が加わり、これによる熱き裂が生じる。この場
合においても工具の熱伝導度が高い場合は工具表
面と内部の温度差が小さくなり、き裂が発生し難
くなる。発明者等は、このようなダイヤモンドの
優れた特徴を生かして、更に切削工具等の工具に
要求される高強度の焼結体を得ることを目的とし
てダイヤモンドと種々の耐熱性化合物の複合焼結
体を作成した。目的とした複合焼結体を得るための耐熱性化合
物に要求される特性は、先ず高強度であること、
及び複合焼結体とした場合に前記したダイヤモン
ドの有する熱伝導率が高いという特徴を維持する
為に組合わせる耐熱性化合物自体も熱伝導の高い
ものが要求される。このような耐熱性化合物とし
ては周期律表第4a、5a、6a族遷移金属の炭化物、
窒化物、硼化物、硅化物、もしくはこれ等の相互
固溶体化合物が考えられる。これ等の化合物に共
通して言えることは硬度が高く、高融点であり、
更にこれ等化合物が酸化物に比較して金属的な物
性を有していることである。特に、これ等化合物
の熱伝導度は金属に近い値を示す。耐熱性や強度
の点からみると酸化物の中でAl₂O₃は優れた性質
を有しており、常温近辺での熱伝導度も比較的に
高いが、第１図に示すように高温下で熱伝導率が
著しく低下する。これは切削工具等の高温での特性が問題になる
用途では大きな欠点である。これに対して前記し
た化合物は第１図にその一例を示すように高温下
ではむしろ熱伝導率は高くなるものが多い。この
ようにして選択された耐熱性化合物とダイヤモン
ドの複合焼結体を製造する方法は、先ず、ダイヤ
モンド粉末と、この耐熱性化合物粉末の１種もし
くは２種以上をボールミル等の手段を用いて混合
し、これを粉状でもしくは常温下で所定の形状に
型押成型し、超高圧装置を用いて高圧、高温下で
焼結する。用いる超高圧装置はダイヤモンド合成
に使用されるガードル型、ベルト型等の装置であ
る。発熱体には黒鉛円筒を用い、その中にタル
ク、NaCl等の絶縁物をつめてダイヤモンドの混
合物末型押体を含む。黒鉛発熱体の周囲にはパイ
ロフエライト等の圧力媒体を置く。焼結する圧
力、温度条件は第２図に示したダイヤモンドの安
定領域内で行うことが望ましいが、この平衡線は
必ずしも正確には分つておらず、一つの目安にす
ぎない。又ダイヤモンドを組合わす耐熱性化合物
の種類によつて条件は変え得る。本発明による焼結体の非常に注目すべき、また
本発明を有用ならしめる特徴として前記耐熱性化
合物が焼結体組織上で連続した相をなすことが挙
げられる。即ち、本発明の焼結体では強靭な耐熱
性化合物が、あたかもWC―Co超硬合金中の結合
相である金属Co相の如く、高硬度のダイヤモン
ド粒子間の隙間に侵入して連続した結合相の状態
を呈し、このことにより焼結体に強靭性が付与せ
しめられたものである。このような組織を有する
焼結体を得る為にはダイヤモンドの含有量を体積
で80％以下とする必要があることが実験の結果明
らかになつた。本発明による焼結体中のダイヤモ
ンド相量の下限は体積で20％までである。これ以
下ではダイヤモンドの特徴を生かした工具として
の性能が発揮されない。結合相が連続した相を呈
する理由は、高温下でダイヤモンドに比し相対的
に変形し易い例えばTiNが焼結中にダイヤモン
ド粒子間に侵入していく為と考えられる。工具としての用途を考えると、本発明焼結体の
ダイヤモンドの結合相耐熱性化合物としては周期
律表第4a族に属する遷移金属、即ちTi、Zr、Hf
の炭化物、窒化物及びこれ等相互の固溶体化合
物、または周期律表第6a族中のＷの炭化物、WC
が特に好適である。これ等は現在切削工具等に用
いられるWC基超硬合金やサーメツトの硬質耐摩
耗成分として使用されており、耐摩耗性に優れ、
高強度の化合物である。 Ti、Zr、Hfの炭化物、窒化物及びこれ等の相
互固溶体が本発明のの結合相耐熱化合物として優
れている他の理由は、例えば窒化物を例にとる
と、これ等金属の窒化物はMN_1±Xの形で示され、
（ＭはTi、Zr、Hfの金属を示し、Ｘは原子空孔ま
たは相対的に過剰の原子の存在を意味する。）Ｍ
−Ｎ相図上で広い存在範囲を有する。焼結体の原
料としてこのMN_1±XのＸが種々異なるものを使
用して焼結体を試作した結果、Ｘの値がある範囲
内では特に優れた焼結性を有することを見出し
た。この理由について以下検討してみる。工具材用として考えた時、特に切削工具用途で
は、焼結体の結晶粒の大きさは、数ミクロン以下
が望ましく、このような結晶粒度を得るのには、
原料のダイヤモンド粒度をこれより細かな微粉と
しなくてはならない。ミクロンまたはミクロン以下の微粉は、かなり
多量の酸素を含有している。一般に、この酸素は
粉末表面に、ほゞ水酸化物の形に近い化合物の形
で存在するのが大部分である。この水酸化物の形
に近い化合物は加熱時分解してガスとなつて出て
くる。焼結される物質が密封されていない時に
は、このガスを系外に出すのは困難ではない。し
かし本発明の如く、超高圧下で焼結する場合に
は、発生したガスは、加熱系外に脱出することは
殆んど不可能である。一般にかゝる場合には、予
め脱ガス処理をすることが粉末冶金業界では常識
であるが脱ガス処理温度が十分高く出来ない場合
には問題である。本件は、まさにそれに当る。即
ちダイヤモンドの低圧相への変態を考えると加熱
温度に上限がある。微粉末の脱ガス過程としては、温度と共に次の
各段階がある。まず低温では物理吸着しているも
のと吸湿水分が除去される。次いで化学吸着して
いるもの及び水酸化物の分解が起る。最後に酸化
物が残る。ダイヤモンドの場合真空下では1000℃位までは
安定であるので、最低でもこの温度位には予め加
熱できる。従つて、予め脱ガス加熱すれば残留ガ
ス成分は殆んど残つていないと考えてよい。逆に
言えばガス成分はなるべく焼結体中に残したくな
いのだから、水および水素を全て除去することは
予備処理として行うのが好ましい。本発明では、この考えの下に全て1000℃以上の
脱ガス処理を真空中でしている。 MN_1±Xを加えた時、何故焼結体として良好な
ものが得られるかは次の如くと考えられる。即ちダイヤモンド粉末表面には吸着酸素が残つ
ているが、充分な脱ガス処理をした時には逆に変
態によつて生じた黒鉛が極めて少量粉末表面に存
在する。この酸素が黒鉛とMN_1±Xの（−ｘ）部分に相
当するＭが反応した場合には、Ｏ＋Ｍ→MO Ｃ＋Ｍ→MC となりガスを発生しない。そしてMOとMCは
MNと同じ結晶構造を有し、相互固溶体を形成す
る。こゝにMN_1±Xで表わされるTi、Zr、Hf窒化
物が特に優れた焼結性を示す理由があると考えら
れる。このことは窒化物に限らず、MC_1±Xの形で
示される炭化物、又はＭ（Ｃ、Ｎ）_1±Xで示される
炭窒化物、又はＭとして２種以上の金属を含む上
記した化合物についても言えることである。発明
者等はMN_1±X、MC_1±X、Ｍ（Ｃ、Ｎ）_1±Xの形で
Ti、Zr、Hfの化合物を示した時に１±ｘの値が
0.97以下のこれ等化合物を原料とした場合に焼結
性が優れていることを確認した。さらにTi、Zr、Hfの窒化物、炭窒化物、炭化
物、なかんずく窒化物を結合材とした時には工具
としての特性上のメリツトがある。ダイヤモンド
は被加工材との溶着が少ないという大きな特徴が
ある。従つて結合材の方もこの特徴を有するなら
ば工具全体の特長となる。この点金属を結合材と
するダイヤモンド焼結体はダイヤモンドの有する
大きな特長を殺していると云える。Ti、Zr、Hf
の窒化物、炭窒化物、炭化物は被加工材との溶着
反応性が少ないという特長を有するのでダイヤモ
ンドの特長を殺さないという利点を有する。特に
TiNはこの点優れている。また本発明による焼結体ではダイヤモンドの合
成に使用され、高温、高圧下で黒鉛及びダイヤモ
ンドに対して溶解性を有すると信じられる元素、
例えばNi、Co、Feの鉄族金属、Cr、Mn等を添
加物として含むものであつても良い。本発明の焼結体の原料として使用するダイヤモ
ンドを原料として超高圧下で合成されたものであ
る場合が多いと考えられる。従つてダイヤモンド
粉末中には不純物として黒鉛が残存している可能
性がある。また、超高圧下で焼結する場合におい
ても、結合材がダイヤモンドの個々の粒子間に侵
入するまではダイヤモンド粒子は外圧を静水圧的
に受けておらず、この間の加熱によつて黒鉛へ逆
変態を起す可能性もある。このような場合に前記
した黒鉛に対して触媒作用を有する元素が混合粉
末中に添加されていると、この逆変態を防止する
効果があると考えられる。鉄族金属を添加した焼結体と、これ等を含まな
い焼結体を研摩して組織観察を行つて比較してみ
た結果では鉄族金属を含む焼結体の方が研摩面に
おいてダイヤモンド粒子が焼結体より剥離するこ
とが少なく、ダイヤモンド粒子と結合相との結合
強度が強いと考えられる。また切削工具として性
能を比較すると、やはり鉄族金属を含有する方が
耐摩耗性、靭性ともに優れていた。なお、このような効果が現れるのは焼結体中に
重量％0.1％以上の鉄族金属又はCr、Mnを含む場
合であつた。本発明による焼結体は高硬度で強靭性を有し、
耐熱、耐摩耗性に優れており、切削工具以外に線
引きダイスや皮剥ぎダイス、ドリルビツト等の工
具用途にも適したものである。用途によつては本
発明品はCoを結合材とするダイヤモンドが80容
積％以上含有されるダイヤモンド焼結体に性能で
劣るが次の点では明らかに秀でている。すなわち
(1)使用状態がCoが軟化するような高温にさらさ
れる時、(2)被加工材との耐溶着性が問題となる
時、特にCoに比べ耐溶着性に遥かに優れる。
TiNなどを使つた場合はそうである。(3)再研摩
費用が問題となる時、ダイヤモンドの含有量が少
ないので再研摩は容易であり、再研摩費が使用上
のネツクとなつている場合、本発明品は有用であ
る。以下、実施例を述べる。実施例１平均粒度7μのダイヤモンド粉末と平均粒度1μ
のTiN0.92粉末とを体積で各々60％、40％の割合
に配合し乳鉢で充分混合した。この混合粉末にカ
ンフアーを２％加え、外径10mm、高さ1.5mmに型
押成型した。これをステンレス製の容器中に挿入
した。この容器を真空炉中で10^-4mmＨｇの真空度
で1100℃に20分間加熱して脱ガスした。これをカ
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
NaClを充填した。先ず圧力を55Kbに上げ、次い
で温度を1400℃に上げ、30分間保持したのち温度
を下げ、圧力を徐々におろした。得られた焼結体
は外径約10mm、厚さは約１mmであつた。これをダ
イヤモンド砥石で平面に研削し、更にダイヤモン
ドのペーストを用いて研摩した。研摩面を光学顕
微鏡を用いて観察したところダイヤモンド結晶が
TiNの連続したマトリツクス中に存在する組織
を呈していた。焼結体の硬度をマイクロビツカース硬度計を用
いて測定した。硬度の平均値は5300であつた。焼
結体をダイヤモンド切断刃を用いて切断し、切削
チツプを作成し、これを鋼の支持体にロウ付けし
た。比較のために平均粒度3μのダイヤモンドを
金属Coで結合した市販されているダイヤモンド
焼結体、及びJIS分類KO1の超硬金で同一形状の
切削工具を作成した。被削材には熱処理後の２％
のベリリウムを含有したベリリウム銅を用いた。
被削材の硬度はH_RB400である。切削条件は切削
速度200m／min、切込み0.2mm、送り0.12mm／rev
とした。この条件で切削試験したところ本発明に
よる合金は工具刃先逃げ面での摩耗巾が0.2mmに
達するまでに35分間切削できたが、金属Coで結
合したダイヤモンド焼結体工具では５分で同一摩
耗巾に達した。即ち本発明の工具寿命は７倍であ
る。また超硬金工具は１分で摩耗巾が0.42mmに達
した。実施例２平均粒度4μのダイヤモンド粉末と平均粒度1μ
のTi（C_0.5、N_0.4）_0.90粉末を各々体積で70％、30％
の割合に配合した。以下実施例１と同じ方法で焼
結体を作成した。得られた焼結体をダイヤ砥石で
研削してフライス切削用の超硬合金切削チツプの
先端にロウ付けした。正面フライス盤を用いて60
mm巾長さ300mmの高Si含有Al合金の鋳物を長手方
向に切削した。切削速度は500m／min、切込み
0.5mm、テーブル送り2800mm／minの条件で、水
溶性切削油を使用した。本発明の焼結体は1000パ
ス以上の切削が可能であつた。これに対して比較
の為に入れた市販されているKO5相当の超硬合
金工具では200パスの切削で切削不能となつた。実施例３第１表の組成にダイヤモンド粉末と耐熱性化合
物粉末を混合した。使用したダイヤモンド粉末は
平均粒度4μのものである。実施例１と同様に混
合粉末の型押体を作成し、Mo製の容器に入れ、
実施例１と同様に前処理を行つた後、超高圧装置
を用いて第１表の条件で焼結した。加熱保持時間
はいずれも20分間である。いずれの場合も緻密な
焼結体が得られた。

【表】実施例４平均粒度7μのダイヤモンド粉末を用いて、こ
れを体積で60％残部が第２表のもからなる混合粉
末を作成した。

【表】実施例１と同様にしてMo製容器に入れた混合
粉末型押体を第２表の条件で焼結した。焼結体を
ダイヤペーストで研摩し組織観察を行つたとこ
ろ、いずれもその組織は緻密であり、ダイヤモン
ド結晶が均一に分散していた。このの焼結体を
ダイヤモンド線引きダイスを作成する場合と同様
の加工方法を用いて穴径1.0mmのダイスに仕上げ
た。比較の為に超硬合金及び市販されている金属
Coでダイヤモンド粉末を結合したダイヤモンド
焼結体を用いて同一形状のダイスを作成した。こ
のダイスを用いてＷ線のの線引きテストを行つ
た。ダイスに供給されるＷ線材を約800℃に予熱
した条件でテストした結果、本発明のダイスでは
2.1tonの伸線が可能であつたが、超硬合金製ダイ
スでは200Kg、焼結ダイヤモンドダイスは1tonの
伸線置でいずれもダイスが摩耗して寿命となつ
た。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の焼結体の特徴を説明するもの
で、各種化合物の熱伝導度の温度に対する変化を
示したものである。第２図は本発明の焼結体の製
造条件に関するものでダイヤモンドの圧力、温度
相図上での安定存在領域を示すものである。

Claims

【特許請求の範囲】１ダイヤモンドを体積％で80〜20％含有し、残
部が周期律表第4a、5a、6a族遷移金属の炭化物、
窒化物、硼化物、硅化物もしくはこれ等の混合物
または相互固溶体化合物を結合相中の体積％で50
％以上99.9％未満およびFe、Ni、Co、Mnからな
り、この化合物が焼結体組織中で連続した結合相
をなすことを特徴とする高硬度工具用焼結体。２連続した結合相をなす化合物が周期律表第
4a族のTi、Zr、Hfの炭化物、窒化物、炭窒化物
を主体としたものからなる特許請求の範囲第１項
記載の高硬度工具用焼結体。３連続した結合相をなす化合物が周期律表第
4a族のTi、Zr、Hfの炭化物、窒化物、炭窒化物
を主体としたものからなり、焼結体中に鉄族金属
もしくはMnもしくはそれらの合金を重量で0.1％
以上含有することを特徴とする特許請求の範囲第
１項記載の高硬度工具用焼結体。