JPH0269354A - ダイヤモンド焼結体並びにその製造方法 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ヒートシンク、ドレッサー、切削工具の刃先
、線引ダイス等の素材として利用されるダイヤモンド焼
結体及びその製造方法に関するものである。

［従来の技術］ ダイヤモンドは、最も高硬度で且つ良好な熱伝導率を有
する物質として知られている。そこでこれらの特性を利
用してヒートシンクやドレッサー或は切削工具の刃先や
線引ダイス等の素材として使用されているが、従来は天
然の単結晶ダイヤモンドが使用されてきた。

しかしながら天然のダイヤモンド単結晶は高価であるの
で、これに匹敵し得る物性を有する材料を人工的に安価
に実現することが望まれており、人工ダイヤモンドの製
造について種々検討が行なわれている。

従来検討される手段の１つとして、大粒のダイヤモンド
単結晶を高温・高圧下で人工的に合成する方法があり、
ヒートシンク、ドレッサー、切削工具の刃先、線引ダイ
ス等に用いるのに十分な大きさのダイヤモンド単結晶を
合成することは一応可能であるが、希望する大きさのも
のを得るには長時間を要するという問題があった。例え
ば２ｍｍ程度のダイヤモンド単結晶を合成するのに１０
〜３０時間を必要とし、製造コストが高くなり、安価な
人工ダイヤモンドを合成するという趣旨に反することに
なる。

そこで近年、比較的短時間の内に作製できる方法として
は、ダイヤモンド粉末を素材とし、これを高温・高圧下
で焼結してダイヤモンド焼結体を製造するという技術が
検討されている。この様なダイヤモンド焼結体は単結晶
はどではないにしても高硬度であり且つ耐摩耗性に富ん
でいるので、従来から切削工具の刃先や線引ダイス用等
として使用されてきた。しかし靭性が低い為割れ易いと
いう欠点を有していた。即ちダイヤモンド焼結体を切削
工具として使用する場合、断続切削を実施したり或は切
り込み量が大きいときには、刃先が欠けてしまうという
事態が発生していた。これはダイヤモンド焼結体を構成
するダイヤモンド粒子の大部分は、短軸に対する長軸の
長さ比（以下アスペクト比と呼ぶ）が２以下のものであ
り、粒子単位での脱落が生じるためである。また切削中
の工具の刃先や伸線中のダイスの内面は摩擦熱によって
高温となり、焼結体に酸化や黒鉛化等の変質が生じて粒
子の脱落が加速されることがある。

尚ダイヤモンド焼結体の製造方法としては、ダイヤモン
ド粉末若しくはこれに金属粉末を加えた混合粉末を、鉄
族金属を含む合金と積層して加圧焼結するのが一般的な
方法である。しかしながらこの様な方法では、原料の混
合工程や加圧工程においてダイヤモンド粉末が粉砕され
てしまい、たとえアスペクト比の大きなダイヤモンド粒
子を原料にしたとしても加圧後は粒子のアスペクト比が
小さくなってしまい、靭性を向上させる為にアスペクト
比の大きなダイヤモンド粒子を含有させるという目的を
達成することはできなかフた。

一方ダイヤモンド焼結体はダイヤモンド単結晶に比べて
熱伝導率がかなり低く、高熱伝導率が要求されるヒート
シンクとしては実用化されていないのが実情である。こ
れは該焼結体が微結晶ダイヤモンドから構成されており
、従って多くの粒界を含み、且つその粒界に元来熱伝導
性の悪いバインダーが介在している為である。こうした
欠点を改善した技術としては、例えば特開昭５５−１６
７１１７号公報に開示されたものがあり、この技術によ
ればダイヤモンド結晶の長軸が特定方向に配列してなる
配向性焼結体が提供される。しかしながら、上記の様な
改良ダイヤモンド焼結体は、それ以前に知られていたダ
イヤモンド焼結体よりも粒界の総数が少なくなっている
とはいえ、各結晶粒の長軸方向隣接面には粒界が存在し
ており、この粒界を介して結晶粒が長軸方向に連結され
た構成であるから、粒界の数に対応して熱伝導率が低下
するという欠点があった。

また前述した様にダイヤモンド粒子は高温に加熱される
と酸化や黒鉛化が生じることから、ダイヤモンド焼結体
を切削工具刃先や線引ダイスの素材として用いた場合に
おいても、刃先やダイス内面に発生する熱を速やかに放
散させる上で高い熱伝導性が要求される。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明はこうした実情のもとでなされたものであって、
その目的とするところは、高熱伝導性が要求されるヒー
トシンク或は高熱伝導性と共に耐摩耗性や強靭性が要求
される線引ダイスやドレッサーの素材として有用なダイ
ヤモンド焼結体、及びその様なダイヤモンド焼結体を得
る為の方法を提供する点にある。

［課題を解決する為の手段］ 本発明に係るダイヤモンド結晶体は、ダイヤモンド安定
域の高温・高圧下で製造されるダイヤモンド焼結体にお
いて、構成ダイヤモンド粒子のうちアスペクト比が２以
上の細長ダイヤモンド粒子が体積割合で３０％以上を占
めると共に、該細長ダイヤモンドの配列方向には規則性
が存在し、前記細長ダイヤモンド粒子は相互に直接結合
又は微細粒状ダイヤモンドを介して焼結されたものであ
る点に要旨を有するダイヤモンド焼結体である。

また上記の様なダイヤモンドを製造する上で好ましい方
法として、アスペクト比が２以上であると共に配列方向
に規則性が存在する細長ダイヤモンド粒子間に樹脂由来
非晶質炭素を介在させ、これを高温・高圧法で焼結する
方法が示される。

［作用］ 本発明者らは上記目的を達成する為に鋭意研究した結果
、まず次の様な知見が得られた。即ちダイヤモンドの熱
力学的安定域である高温・高圧下でダイヤモンドを合成
する方法を基本とし、緻密質の非晶質炭素或はパイロリ
ティック黒鉛を炭素原料として使用すると共に、純鉄又
は鉄合金を触媒として使用し、両者を積層状又は同心円
状に対向配置して前記炭素原料をダイヤモンドに変換さ
せたところ、細長ダイヤモンド粒子の配列方向（粒子成
長方向）に一定の規則性を有するダイヤモンド集合体が
得られた。

そして得られたダイヤモンド集合体は、長袖方向に粒界
部分が存在しないものであって、その配列方向において
は熱伝導性が良好であると共に靭性にも優れたものであ
った。

尚ここで「配列方向に一定の規則性を有する」とは、炭
素原料と触媒とを積層して対向配置した場合には各棒状
ダイヤモンド粒子は同一の方向（ダイヤモンド集合体の
厚み方向）に配列していることを意味し、又前記両者を
同心円状に対向配置した場合には各棒状ダイヤモンド粒
子は放射線状に配列していることを意味する。

しかしながらこうして得られた細長ダイヤモンド集合体
は、粒子間に鉄を介在したものであったので、粒子間の
結合力が弱く、且つ耐食性が低いという若干の欠点を有
していた。

そこで本発明者らは上記欠点を克服すべく更に検討を重
ねたところ、前記細長ダイヤモンド集合体を酸処理して
鉄を除去した後、該集合体における鉄が介在していた場
所へ樹脂由来非晶質炭素を充填し、これをダイヤモンド
安定域の高温・高圧下で金属触媒を用いて焼結すること
によって、鉄が介在せず且つ細長ダイヤモンド同士が直
接又はダイヤモンド粒子を介して強固に結合した高強度
のダイヤモンド焼結体が得られることを見出した。また
こうして得られたダイヤモンド焼結体は、前記細長ダイ
ヤモンド集合体よりも更に高い熱伝導性を有しており、
高強度・高靭性が要求される部品に限らず、ヒートシン
クの様に特に高熱伝導性が要求される部品の素材として
も最適であることが判明し、ここに本発明を完成した。

尚前記樹脂由来非晶質炭素はグラッシーカーボンｇｌａ
ｓｓｙ　ｃａｒｂｏｎ）と呼ばれているものと実質的に
同一であり、この樹脂由来非晶質炭素は高温・高圧処理
によってダイヤモンドに変換される。細長ダイヤモンド
粒子間に樹脂由来非晶質炭素を充填する方法としては、
特定方向に配列した細長ダイヤモンド集合体の粒子間隙
に、例えばフルフリルアルコールに酸触媒を加えて高粘
性化したフラン樹脂を含浸させた後、同化及び炭化処理
を行なう。またこの様に樹脂由来非晶質炭素を細長ダイ
ヤモンド粒子間に充填しておけば、ダイヤモンド焼結体
を焼結する際の加圧中に細長ダイヤモンド粒子が粉砕さ
れたり切断されたりするのを防止できる。尚フラン樹脂
中に微細なダイヤモンド粉末を添加しておけば、焼結時
に細長ダイヤモンド粒子間に生成するダイヤモンド粒度
を適宜コントロールすることも可能である。またこのこ
とによって細長ダイヤモンド粒子間に介在させるフラン
樹脂量を少なくすることができ、該粒子間に多くの触媒
金屑が残るのを回避することができる。

上述の説明では樹脂由来カーボンの代表例としてフルフ
リルアルコールを脱水縮合したフラン樹脂を炭化処理し
たフラン樹脂由来カーボンを示したが、本発明で用いる
ことのできる樹脂由来カーボンはフラン樹脂由来のもの
に限られず、フェノール・ホルムアルデヒド樹脂、アセ
トン・フルフラール樹脂、フルフリルアルコール・フェ
ノール共重合樹脂等の熱硬化性樹脂を炭化処理したもの
であっても同様の効果が得られ、樹脂の種類は限定され
ない。

本発明に係るダイヤモンド焼結体では、その中に含有さ
れる細長ダイヤモンドの体積割合は５゜％又はそれ以上
とするのが特に好ましいが、本発明者らの実験によると
３０％以上であれば、細長ダイヤモンド粒子の配列方向
の靭性及び耐摩耗性は実用上十分に向上することが認め
られた。従って本発明では、ダイヤモンド焼結体に含有
される細長ダイヤモンドの体積割合は３０％以上と規定
した。

尚ダイヤモンド焼結体を靭性及び耐摩耗性が特に必要と
される部品として用いる場合には、該焼結体中の細長ダ
イヤモンドの体積割合が主に問題となり、細長ダイヤモ
ンド自体の長軸方向に粒界部分が存在しないことは必ず
しも要件とされない。これに対しヒートシンクの様に高
熱伝導性が特に要求される部品の素材として適用する場
合には、細長ダイヤモンド粒子にはその長軸方向に粒界
部分が存在しないことが必要であり、且つ細長ダイヤモ
ンドの体積割合が５０％以上であることが推奨される。

またダイヤモンド焼結体を耐摩耗性部品として使用する
に当たっては、後記実施例１に示す様にＷＣ−Ｃｏ合金
等と一体化焼結するのが工具として利用する上で好まし
い。

一方細長ダイヤモンドのアスペクト比も重要な要件とな
り、アスペクト比が２未満のダイヤモンド粒子では、得
られたダイヤモンド焼結体は希望する靭性及び耐摩耗性
を発揮することができない。従って靭性を向上させる為
に含有される細長ダイヤモンドのアスペクト比は２以上
とする必要がある。

尚希望するダイヤモンド焼結体を得る為には、その焼結
温度は１３００℃以上とする必要があり、１３００℃未
満では焼結性に劣る。又焼結の際に用いる触媒としては
、鉄、コバルト、ニッケル等の鉄族金属が挙げられ、こ
れらの金属を５重量％以上含有した合金であれば十分な
触媒作用が得られる。

以下本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下
記実施例は本発明を限定するものでなく、前・後記の趣
旨に徴して種々設計変更することは、いずれも本発明の
技術的範囲に含まれることである。

［実施例］ 実施例１ 厚さ約２　ｍｍ、直径１０ｍｍの樹脂由来非晶質炭素を
２００℃、　　１　ｘ　１０−’Ｔｏｒｒで脱ガス処理
した後、厚さ０．５ｍｍ　、直径１０＋ｎｍの純鉄と積
層し、超高圧発生装置にてダイヤモンド合成を行なった
。そして６０キロバール、１５２０℃にて１５分間処理
したところ、長袖が約０．５〜１ｍｍ、短軸平均粒径が
Ｏ，１ｍｍの細長ダイヤモンド粒子が厚み方向に配列し
た円板状の細長ダイヤモンド重合体が得られた。この集
合体中の細長ダイヤモンド粒子間には鉄が介在しており
、細長ダイヤモンド粒子同士の直接結合はほとんど認め
られなかった。これを塩酸中で煮沸して鉄を除去した。

一方平均粒径５μｍの微細ダイヤモンド粉末とフルフリ
ルアルコールとを１：１の重量割合で混合し、微量の硝
酸を添加した後６０℃に加熱して脱水縮合させた。そし
てフルフリルアルコールの粘性が高くなったときに、鉄
を除去した前記細長ダイヤモンド集合体を入れて脱気処
理を行ない、微細ダイヤモンド粉末を含有したフルフリ
ルアルコールが細長ダイヤモンド粒子間に充分に行き亘
る様にした。

これを８０℃に加熱してフルフリルアルコールを樹脂化
した後、８００℃で炭化処理し、細長ダイヤモンド粒子
が一方向に配列し且つ粒子間にフラン樹脂由来非晶質炭
素を含浸させたダイヤモンド集合体を得た。

該ダイヤモンド集合体を１５００℃で脱ガス処理した後
、ＷＣ−１０重量％ＣＯ合金とＣｏ金属の間に積層し、
６０キロバ一ル１５００℃にて３０分間焼結し、フラン
樹脂由来非晶質炭素をダイヤモンドに変換することによ
って、模式的に第１図に示す様なＷＣ−Ｃｏ合金と一体
化焼結されたダイヤモンド焼結体１を得た。

図中、２は細長ダイヤモンド粒子、３は微細ダイヤモン
ド粒子焼結部、４はＷＣ−Ｃｏ合金を夫々示す。

得られたダイヤモンド焼結体１中における細長ダイヤモ
ンド粒子２の占める体積割合は約５０％であった。また
細長ダイヤモンド粒子２同士は微細ダイヤモンド粒子を
介して焼結していた。

また上記ダイヤモンド焼結体１をスローアウェイチップ
に加工し、Ａｌ−２０％Ｓｉ合金の溝付円柱材を３００
ｍ／ｍｉｎ　、　　ｄ　＝０．２ｍｍ　、　　ｆ　＝０
．１ｍｍ／ｒｅｖの条件で外周旋削加工を行なったとこ
ろ、チッピングまでの加工時間は市販のダイヤモンド焼
結体の３倍であり、このときの刃先摩耗量は市販のダイ
ヤモンド焼結体の７０％であった。

比較例１ 実施例１と同様の方法で、細長ダイヤモンド粒子の占め
る体積割合が２０％のダイヤモンド焼結体を作成し、耐
チッピング性の試験を行なったところ、市販のダイヤモ
ンド焼結体とほぼ同様の性能しか示さなかった。

実施例２ 炭素原料として厚さ２　＋＋ｏｎ、直径８ｍｍのパイロ
リティック黒鉛、触媒として厚さ０．５ｍｍ直径８＋ｎ
ｎ＋の純鉄を夫々用い、これらを積層して超高圧発生装
置にてダイヤモンド合成を行なった。そして６０キロバ
ール、１４８０℃にて１５分間処理したところ、長軸が
１．２〜１．５＋ｎｍ　、短軸が０．２〜０．５ａｍの
細長ダイヤモンド粒子からなる集合体が得られ、且つ前
記細長ダイヤモンド粒子の８０％以上はその長軸方向が
厚み方向に配列していた。得られたダイヤモンド粒子集
合体の厚みは約１．６ｍｍであり、触媒と接していた面
には１０μｍ以下の緻密な微細ダイヤモンド粒子の層が
形成されていた。また細長ダイヤモンド粒子間には鉄が
介在しており、細長ダイヤモンド粒子同士の直接結合は
ほとんど認められなかった。これを塩酸中で煮沸して鉄
を除去した。

一方平均粒径３μｍの微細ダイヤモンド粉末とフルフリ
ルアルコールとを１：１の重量割合で混合し、微量の硝
酸を添加した後６０℃に加熱して脱水縮合させた。そし
てフルフリルアルコールの粘性が高くなったときに、鉄
を除去した前記細長ダイヤモンド集合体を入れて脱気処
理を行ない、微細ダイヤモンド粉末を含有したフルフリ
ルアルコールが細長ダイヤモンド粒子間に充分に行き亘
る様にした。

これを実施例１と同様の条件にて樹脂化及び炭化処理し
、細長ダイヤモンド粒子が一方向に配列し且つ該粒子間
にフラン樹脂由来非晶質炭素を含浸させたダイヤモンド
集合体を得た。

該ダイヤモンド集合体を１４５０℃で脱ガス処理した後
、前述した１０μｍ以下の微細ダイヤモンド粒子の層が
形成されていた面の反対側にＣ。

金属板を積層し、６０キロバール、１５２０℃にて焼結
した。このときフラン樹脂由来非晶質炭素は完全にダイ
ヤモンドに変換されど共に、細長ダイヤモンド粒子は添
加した微細ダイヤモンド粒子と強固に結合していた。

得られたダイヤモンド焼結体の厚み方向の両端面を研摩
し、１０μｍ以下の微細ダイヤモンド粒子からなる層を
除去した。こうして得られたダイヤモンド焼結体は、ア
スペクト比３〜５の細長ダイヤモンド粒子が体積割合で
７０％以上を占め、その粒子間には微細ダイヤモンド粒
子が介在しており、これらが相互に直接結合していた。

また細長ダイヤモンド粒子の７０％以上が厚み方向に配
列しており、該細長ダイヤモンド粒子はその長軸方向に
粒界をもたないものであった。このダイヤモンド焼結体
を模式的に第２図に示す。尚第２図における参照符号の
意味は前記第１図と同じである。

上記ダイヤモンド焼結体の厚み方向の熱伝導率を測定し
たところ、２．３ｃａＬ／ｃｒｎ−ｓｅｃ−ｄｅｇであ
り、ヒートシンク材料として最適な熱伝導性を示した。

［発明の効果］ 以上述べた如く本発明によれば、特に高熱伝導性が要求
されるヒートシンク或は高熱伝導性と共に耐摩耗性や強
靭性が要求される線引ダイスやドレッサーの素材として
有用なダイヤモンド焼結体及びその様なダイヤモンド焼
結体を得る為の方法が実現できた。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明に係るダイヤモンド焼結体の
粒子配列を模式的に示す図である。 １・・・ダイヤモンド焼結体 ２・・・細長ダイヤモンド粒子 ３・・・微細ダイヤモンド粒子焼結部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ダイヤモンド安定域の高温・高圧下で製造される
   ダイヤモンド焼結体において、構成ダイヤモンド粒子の
   うちアスペクト比が２以上の細長ダイヤモンド粒子が体
   積割合で３０％以上を占めると共に、該細長ダイヤモン
   ドの配列方向には規則性が存在し、前記細長ダイヤモン
   ド粒子は相互に直接結合又は微細粒状ダイヤモンドを介
   して焼結されたものであることを特徴とするダイヤモン
   ド焼結体。
2. （２）請求項（１）のダイヤモンド焼結体を製造するに
   当たり、アスペクト比が２以上であると共に配列方向に
   規則性が存在する細長ダイヤモンド粒子間に樹脂由来非
   晶質炭素を介在させ、これを高温・高圧法で焼結するこ
   とを特徴とするダイヤモンド焼結体の製造方法。