JPH0563539B2

JPH0563539B2 -

Info

Publication number: JPH0563539B2
Application number: JP59019045A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Nakamura
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1984-02-03
Filing date: 1984-02-03
Publication date: 1993-09-10
Also published as: JPS60162747A

Description

【発明の詳細な説明】

技術分野本発明は、切削工具、岩石掘削工具として使用
するのに適した高強度でかつ耐熱性を有したダイ
ヤモンド立方晶窒化硼素（以下CBNという）焼
結体および製造方法に関するものである。従来技術とその問題点現在、ダイヤモンドの含有量が70容量％以上で
ダイヤモンド粒子が互いに接合した焼結体が販売
され、非鉄金属、プラスチツク、セラミツクの切
削、ドレツサー、ドリルビツト、伸線ダイスとし
て使用されている。特に非鉄金属の切削や銅線な
どの比較的軟らかい線材を伸線するダイスとして
これらのダイヤモンド焼結体を使用した場合、そ
の性能は非常に優れている。しかしながら、ドリ
ルビツトなどに使用された場合、今のところ満足
される性能を有するダイヤモンド焼結体はないの
が現状である。本発明者等は市販のダイヤモンド
焼結体を安山岩や花崗岩等の硬質岩石掘削用ドリ
ルビツトとして使用した場合に充分な性能が発揮
されない原因がC₀等の鉄族金属を結合材として
用いている点にあることを見出した。すなわち、
硬質岩石掘削時には掘削力が高くなり、焼結ダイ
ヤモンドは高温となるため： (1) C₀等の鉄族金属結合材の存在により、ダイ
ヤモンドの黒鉛化が促進されて粒子間の結合力
が低下する； (2) C₀等の鉄族金属結合材の熱膨張率（たとえ
ばC₀の線膨張率は18×10^-6）とダイヤモンドの
それ（線膨張率で4.5×10^-6）の差が大きいた
め、高温使用時にその線膨張差に起因した亀裂
が発生して粒子間の結合力が低下する；ことが判明した。ダイヤモンド焼結体の耐熱性を
向上させる方法としては、特開昭53−114589号に
記載されているごとく、高温時にダイヤモンドの
黒鉛化を促進するC₀等の鉄族金属を取除けばよ
い。しかしながら、ダイヤモンド焼結体からC₀
等の鉄族金属を溶出した場合、ダイヤモンド焼結
体の強度は20〜30％低下する。特に、ダイヤモン
ド焼結体をビツトとして使用した場合、強度と耐
摩耗性と耐熱性が要求され、特開昭53−114589号
に記載されているようなダイヤモンド焼結体を用
いたドリルビツトではダイヤモンド焼結体の強度
不足のため、刃先が欠損し寿命が短い。上記(1)および(2)の欠点を改善する他の方法とし
ては、C₀等の鉄族金属結合材の代わりにCBNを
結合材とすることが考えられる。CBNは、ダイ
ヤモンドとの熱膨張差が僅少であり、かつ熱伝導
率、熱安定性とも良好であるが、ダイヤモンド粉
末とCBN粉のみからなる焼結体は、ダイヤモン
ドとCBNの焼結が弱いため、工具として使用し
た場合には、粒子の脱落が生じやすく耐摩耗性が
低下する。このため、従来、切削工具材料として
開発されてきたダイヤモンドとCBNとを含む焼
結体は、C₀等の鉄族金属相を含み、これを介し
て結合せしめたものである。本発明者等は、結合材の種類を検討することに
よつて、高強度で、耐摩耗性ならびに耐熱性に優
れたダイヤモンドCBN複合焼結体を開発すべく
鋭意研究を重ねた。発明の開示研究の結果、チタンの炭化物、硼化物、窒化物
および／またはこれらの固溶体の１種以上と、窒
化アルミニウムとで、個々の粒子表面を強固に焼
結被覆されたダイヤモンド粒子30〜80容量％を含
有し、該チタン化合物が容量で0.2〜5.0％、窒化
アルミニウムが容量で1.0〜5.0％であり、残部が
CBNである、ダイヤモンドCBN複合焼結体が、
靭性、耐摩耗性および耐熱性を兼備えたものであ
ることが判明した。すなわち、本発明の焼結体では、C₀等の鉄族
金属結合材を使用していないため、ダイヤモンド
粒子の黒鉛化を抑制することができ、また、ダイ
ヤモンド粒子とCBNは、チタンの炭化物、窒化
物、硼化物の１種以上および／またはこれらの固
溶体、および窒化アルミニウムを介して極めて強
固に結合しているため、耐摩耗性が良好である。
本発明の焼結体のCBN相は、六方晶窒化硼素
（以下、hBNと略記する）を高温高圧焼結中に変
換せしめたものであるため、CBN粉末を出発原
料とした従来の焼結体に比べ、CBN同士の結合
力が著しく高くなつている。また、上記チタンの
化合物ならびに窒化アルミニウムとダイヤモンド
あるいはCBNとの熱膨張差は、C₀等の鉄族金属
とダイヤモンドあるいはCBNとのそれの約1/2で
あるため、工具として使用した場合の熱応力によ
る亀裂発生に関しても改善されている。本発明の焼結体においては、特に10〜100μmの
粒度のダイヤモンド粒子を用いた場合、靭性、耐
摩耗性とも、最も優れている。使用するダイヤモ
ンドは、合成ダイヤモンド、天ダイヤモンドのい
ずれでもよい。ダイヤモンドの含有量は、30〜80％が好まし
い。この含有量が、30％未満であると耐摩耗性が
低下し、80％を越えると靭性が落ちる。該ダイヤ
モンド粒子は、チタンならびにアルミニウムの酸
化物およびhBN粉末とともにボールミル等の手
段で均一に混合される。ここで、混合するチタンおよびアルミニウムの
酸化物は、それぞれ、0.2〜5.0容量％および１〜
10容量％であることが好ましい。チタンの容量が0.2％未満であると、ダイヤモ
ンド−CBN界面が完全に上記チタン化合物を介
して結合されず、また、5.0容量％を越えると、
未反応チタンが残留して結合力を低下させる。また、アルミニウムの酸化物の容量が１％末満
であると、後述するように、前処理で生成する窒
化アルミニウムの量が少なくなり、焼結時の
hBN→CBN変換が十分に行なわれず、未反応の
hBNが残留して焼結体の強度が低下する。10容
量％を越えると、前処理で未反応の酸化アルミニ
ウムが残留し、これが、焼結時におけるダイヤモ
ンド−CBN間の結合力を低下させるため好まし
くない。また、ここで使用するhBN粉末は、通常、平
均粒径１〜10μmのものであり、予めその不純物
酸素含有量が0.3重量％以下、好ましくは0.08重
量％以下になるように高純度化処理を行なつたも
のである。酸素不純物の除去は、たとえば特公昭
58−60603号に示される方法で容易に達せられる。
このhBNの高純度化により、hBN→CBN変換は
極めて高効率となる。上記混合物を、常圧、窒素
を含む雰囲気中で、1550℃以上、好ましくは1600
℃〜1800℃で加熱処することにより、ダイヤモン
ド粒子表面を黒鉛化させると同時に、酸化アルミ
ニウムを還元して、窒化アルミニウムの生成を行
なう。この処理により、以下の反応式が示すよう
に、ダイヤモンドの一部は一酸化炭素として散逸
するが、0.5〜10容量％は黒鉛としてダイヤモン
ド粒子表面に残留する。 Al₂O₃＋3C＋N₂→2AlN＋3CO 処理温度が、1600℃未満であると、酸化アルミ
ニウムの還元反応が緩慢である。また、1800℃を
越えると、ダイヤモンド粒子の黒鉛化が著しく促
進され、焼結体中に未反応黒鉛が残留すると同時
に、AlNが分解反応を越こすため、hBNも十分
にCBNに変換されず、焼結体の強度を著しく低
下させるため好ましくない。前処理を行なつた該混合物は、チタン、窒化ア
ルミニウム、hBN、および表面を黒鉛化された
ダイヤモンドからなるものである。該焼結体原料は、焼結条件下では、これら原料
と化学反応を起こしにくい金属反応容器、たとえ
ばモリブデン、タングステン等の容器の中に充填
し、その容器を高温高圧発生室内に配し、熱力学
的にCBNとダイヤモンドが同時に安定で、かつ、
窒化アルミニウムがhBN→CBN変換触媒作用を
呈する温度・圧力条件下に数分間曝す。この間
に、窒化アルミニウムの作用によりhBN→CBN
変換反応が進行する。それに伴なつて、チタン
は、黒鉛化ダイヤモンドと、また同時に、窒化ア
ルミニウムと、さらにはhBNならびに析出した
CBNと反応し、最終的にダイヤモンドとCBNの
界面に、0.2〜5.0容量％のチタンの炭化物、硼化
物、窒化物および／またはこれらの固溶体を生成
する。hBN→CBN変換触媒である窒化アルミニ
ウムの一部はチタンと反応しチタン化合物を生成
するが、1.0〜5.0容量％は残留する。窒化アルミニウムの残留量が１容量％未満であ
ると、焼結過程でのチタン化合物の生成が過剰に
なるとともに、未反応のhBNが残存し、強度が
低下する。また、５容量％を越えると、該チタン
化合物を介したダイヤモンド−CBN結合力が低
下する。焼結時間は、窒化アルミニウムのhBN→CBN
変換作用ならびに上記チタン化合物の生成反応が
著しく速いため、極めて短時間でよく、５分程度
で十分である。焼結終了後、圧力を保持した状態
で加熱のみを停止し、高温高圧発生室内が室温付
近まで冷却された後に、保持圧力を徐々に解除し
て常圧に戻す。回収された試料は金属反応容器を酸処理するこ
とにより極めて強固に焼結した硬質ダイヤモンド
焼結体のみを得ることができる。本発明の焼結体の用途としては、ビツトのほか
に、伸線用ダイス、セラミツクス切削加工用バイ
ト、ドレツサーなどがある。以下実施例により具体的に説明する。実施例１粒度30μmの合成ダイヤモンド粉末と不純物酸
素含有量が0.06重量％で粒径5μmのhBN粉末とチ
タンと酸化アルミニウムとを、容積で、65：30：
２：３に混合し、均一混合した。この混合粉末
を、窒素気流中、1650℃で３時間加熱処理を行な
つたところ、ダイヤモンド粒子表面の３容量％が
黒鉛化し、同時に、酸化アルミニウムは窒素によ
つて還元されて窒化アルミニウムとなつた。この完成粉末を、M₀製の容器に詰め、超高圧
装置を用いて、まず圧力を60Kb加え、引続いて
1650℃に加熱して３分間保持した。焼結完了後、
試料を取出し、加熱した王水中でM₀製容器を溶
解させ、焼結体を回収した。この焼結体の組成を
分析したところ、ダイヤモンド67容量％、
CBN27容量％、Ti（Ｃ，Ｂ，Ｎ）固溶体３容量
％、および窒化アルミニウム３容量％であつた。このダイヤモンド焼結体を、真空中で1000℃に
30分加熱し、抗折力試験により強度を測定した。
その結果を第１表に示す。なお、比較のため、従
来の金属結合材を用いたダイヤモンド焼結体の強
度も同時に測定し、第１表に示した。試料番号に
＊が付されているのが、この比較例である。

【表】

【表】実施例２第２表に示す割合で完成粉末を作成し、実施例
１と同様にして焼結した。これらの焼結体を用い
て、切削加工用のバイトを作成し、花崗岩を
300m／mmの速度で乾式で20分間切削した。それ
らの結果が、第２表に併せて示されている。な
お、比較のため、従来の金属結合材を用いたダイ
ヤモンド焼結体の結果も示されている。試料番号
に＊を付したものが比較例である。

【表】

Claims

【特許請求の範囲】１チタンの炭化物、硼化物、窒化物および／ま
たはこれらの固溶体の１種または２種以上と、窒
化アルミニウムとを介して結合された、ダイヤモ
ンド粒子および立方晶窒化硼素よりなり、かつダ
イヤモンド粒子が30〜80容量％、該チタン化合物
が0.2〜5.0容量％、窒化アルミニウムが1.0〜5.0
容量％であり、残部が立方晶窒化硼素であること
を特徴とする複合ダイヤモンド焼結体。２ダイヤモンド粒子の粒径が10〜100μmである
特許請求の範囲第１項記載の複合ダイヤモンド焼
結体。３チタンならびにアルミニウムの酸化物および
ダイヤモンド粒子と不純物酸素含有量が0.3重量
％以下である六方晶窒化硼素とからなり、かつダ
イヤモンド粒子が30〜80容量％、チタンが0.2〜
5.0容量％、アルミニウムの酸化物が１〜10容量
％であり、残部が六方晶窒化硼素である混合物
を、窒素を含む雰囲気中で1550℃以上に加熱し、
ダイヤモンド粒子表面を黒鉛化すると同時に、ア
ルミニウムの酸化物を窒化アルミニウムに還元せ
しめた混合粉末を、該混合粉末と反応しにくい金
属容器に充填し、その容器を高温高圧発生室内に
配し、ダイヤモンドおよび立方晶窒化硼素の両者
が安定な温度および圧力下に数分間以上保持した
後、温度のみを室温付近まで冷却した後、保持圧
力を解除することを特徴とする複合ダイヤモンド
焼結体の製造方法。４ダイヤモンド粒子の粒径が10〜100μmである
特許請求の範囲第３項記載の複合ダイヤモンド焼
結体の製造方法。５ダイヤモンドおよび立方晶窒化硼素の両者が
安定な温度および圧力が、窒化アルミニウムが六
方晶窒化硼素→立方晶窒化硼素変換触媒作用を呈
する熱力学的条件を満たすものであることを特徴
とする特許請求の範囲第３項または第４項記載の
複合ダイヤモンド焼結体の製造方法。