JPS62274034A - 反応焼結による多結晶ダイヤモンド焼結体の製造法 - 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】 ３、発明の詳細な説明 （産業上の利用分野） 本発明は微細で均一な組織を有する多結晶ダイヤモンド
焼結体の製造法に関するものである。

（従来の技術） ダイヤモンドはその強固な共有結合からなる網目構造の
ために現存する物質中最高の硬度を有し、常温における
熱伝導率は銀よりも高い。そのため研削用、切削用、耐
摩耗材料として、あるいはヒートシンク材料として産業
上多用されているが、天然に産するものは高価であり、
その特性や粒径が安定していないので、産業上利用され
るダイヤモンドは工業的に合成されたものが多い。特に
工具として使用する場合には、天然の単結晶が襞間によ
る欠損を生じ易いので、工業的に製造された多結晶ダイ
ヤモンド焼結体が適している。

従来多結晶ダイヤモンドの工業的な合成法としては、炭
素を高圧高温処理により直接ダイヤモンドに転換すると
同時に焼結して多結晶ダイヤモンドを製造する直接転換
法と、炭素に溶媒−触媒となる金属を添加して高圧高温
処理を行い、炭素をダイヤモンドに転換すると同時に焼
結する溶媒−触媒法が知られている。

（発明が解決しようとする問題点） 前者の方法では圧力１１ＧＰａ　、温度３３００にとい
う高圧高温を必要とし、しかも炭素のダイヤモンドへの
転換率を１００％とすることが困難であり、炭素が残存
すると著しく焼結体の特性を劣化させる。

また１００％転換した焼結体が得られても高圧高温装置
の耐用回数が短いので、高価な焼結体となるなどの理由
で工業的製造法に適さない。

これに対して後者の溶媒−触媒法は炭素を溶媒−触媒に
接触させ、熱力学的にダイヤモンドが安定に存在する圧
力と温度のもとて溶媒−触媒と炭素の反応によって生成
する融液からダイヤモンドを晶出させると同時に焼結さ
せるので、直接転換法よりも低し゛圧力と温度の条件で
多結晶ダイヤモンドを得ることができる。この溶媒−触
媒金属としては３ｄ遷移金属のＮｉ、　Ｃｏ、　Ｆｅ、
　Ｍｎが知られている。しかしながら炭素に３ｄ金属を
使用する溶媒−触媒法では、炭素がダイヤモンドに転換
する場合の体積変化が大きく、そのため試料内部の圧力
が不均一となり、転換が不十分となる欠点があった。

そのため本発明者らは上記の欠点を解消して密度及び硬
度が高く、しかも安価にできる多結晶ダイヤモンド焼結
体及びその製造法を特願昭６０−１１０３１号にふいて
提案している。その製造法は、高純度炭素または高純度
炭素とダイヤモンドに第１の金属としてＦｅ、　Ｃｏ、
　Ｎｉ、　Ｍｎのうちから選ばれた少なくとも１種以上
の金属及び第２の金属として不定比炭化物を合成する金
属の少なくとも１種以上を混合し、該混合物を圧力６Ｇ
Ｐａ以上、温度１６００〜１８００℃の高温高圧処理す
ることを特徴とするものである。

本発明の発明者らは上記提案についてさらに詳細な研究
を行った結果、ダイヤモンドを含有する炭素、好ましく
は黒鉛質炭素を原料とし、そのダイヤモンドの粒径を得
ようとする焼結体の粒径以下にして反応焼結により微細
均一組織の多結晶ダイヤモンド焼結体が製造できること
を新規に見い出した。

本発明の目的は上述した不具合を解消して、上記知見に
基づき微細で均一組織を有する多結晶ダイヤモンド焼結
体の製造法を提供しようとするものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明のダイヤモンド焼結体の製造法は、ｌＯ〜９０ｗ
ｔ％のダイヤモンドを含有する炭素に、Ｆｅ、　Ｃｏ。

Ｎｉ、　Ｍｎから選ばれた少なくとも１種以上の金属ま
たはその炭化物を１〜５０ｗｔ％混合し、該混合物を真
空加熱後Ａｒ雰囲気中で加熱し、圧力５ＧＰａ以上、温
度１４００℃以上の高圧高温下における構造転移を利用
した反応焼結によって微細で均一な組織を有することを
特徴とするものである。

（作　用） 上述した構成において、得ようとする焼結体の粒径以下
のダイヤモンドを含有する炭素、好ましくは黒鉛質炭素
粉末に溶媒−触媒金属を添加し、真空加熱後Ａｒ雰囲気
中で加熱し、高圧高温処理すると、予め存在したダイヤ
モンドが核となって炭素のダイヤモンドへの転換及び焼
結を促進すると共にダイヤモンド粒子の異常成長を抑制
するので、微細均一な粒子からなる多結晶ダイヤモンド
焼結体が得られる。

ダイヤモンドをｌＱｗｔ％以上含有する理由は、炭素か
らダイヤモンドへの転換時の核形成作用によるダイヤモ
ンド焼結体の粒径制御のためおよび変換時におけ体積変
化量を少なくするためである。

また９０ｗｔ％以下とする理由は、９０ｗｔ％を超える
と反応焼結効果が少ないからである。

ダイヤモンドを含有する炭素を使用する利点は３つあり
第１は転換率を高めて焼結反応を促進することであり、
第２は粒成長を抑制し均一化することであり、第３は転
換時における体積変化を小さくし、試料の圧力分布を均
一化し緻密な焼結体を得易くすることである。

Ｆｅ、　Ｃｏ、　Ｎｉ、　Ｍｎから選ばれた少なくとも
１種以上の金属またはその炭化物を１〜５Ｏｗｔ％とす
る理由は、１ｗｔ％未満では炭素からダイヤモンドへの
変換効率が極めて低いからであり、５Ｏｗｔ％を超える
とダイヤモンド焼結体の特性を損なうからである。

さらに焼結体中のダイヤモンドを微細均一化するには、
粒成長を抑制する効果が著しい■族元素及びその炭化物
の１種以上、例えばＴＩをＮｉと共に添加混合すること
が有効である。前処理としての真空加熱後打雰囲気中加
熱の作用は、原因はまだ明らかではないが、ダイヤモン
ドへの転換率を高めると共に焼結反応を促進する役目を
果している。

以上のことより本発明の最大の特徴は得ようとする粒径
以下のダイヤモンドを含有する炭素、好ましくは黒鉛質
炭素の使用及び溶媒−触媒金属の添加、さらに前処理を
行うことにより、高圧高温下における反応焼結が促進し
、微細で均一な粒径を有する緻密な多結晶焼結体が製造
できることにある。特に多結晶焼結体を切削工具として
使用する場合には、組織が微細でありかつ均一であるこ
とが摩耗や欠損の点から重要な特性である。

（実施例） 本発明によりダイヤモンド焼結体を得るには、１０〜９
０ｗｔ％のダイヤモンドを含有する炭素粉末と、溶媒−
触媒となるＦｅ、　Ｃｏ、　Ｎｉ、　Ｍｎあるいはそれ
らの炭化物の中から選ばれた少なくとも１種以上の粉末
、例えばＮｉ粉末を用意しダイヤモンドを含有する炭素
粉末に１〜５Ｏｗｔ％のＮ１粉末を添加混合する。次に
該混合物を１Ｏ−５ｔｏｒｒ程度で真空中加熱した後温
度４００℃以上のＡｒ雰囲気中で加熱し、しかる後に前
処理した粉末を適当な高圧高温装置に充填して圧力５Ｇ
Ｐａ以上、温度１４００℃以上の高圧高温処理をする。

以下、実際の例について説明する。

実施例１ 平均粒径１μｍ（０，５〜３μｍ）のダイヤモンド粒子
を３０Ｉｖｔ％含有する一３ＱＱｍｅｓｈの人造黒鉛粉
末に一２８５ｍｅｓｈのＮｉ粉末を４Ｏｗｔ％混合した
Ａ試料、これと比較するため高純度人造黒鉛に４３ｗｔ
％Ｎｉを混合したＢ試料と、さらにＡ試料に１９ｗｔ％
の一２３５ｍｅｓｈのＴＩ粉末を添加したＣ試料、これ
と比較するため、Ｂ試料に１９ｗｔ％のＴ１粉末を添加
したＤ試料の合計４種の混合粉末を用意した。それぞれ
の混合粉末を、１Ｏ−５ｔｏｒｒ程度で真空加熱した後
Ａｒ雪囲気中１０００℃で６０分加熱し、しかる後にガ
ードルタイプの高圧高温装置により圧カフＧｐａ、温度
１７００℃で１５分保持し、得られた焼結体について転
換率、密度、平均粒径を測定した。その結果を第１表に
示す。

第１表の結果から明らかなようにダイヤモンドを含有す
る人造黒鉛は含有しないものよりも転換率が高く、また
密度も高くて粒径も微細であり、反応焼結が著しく促進
されることを示している。

Ｔｉの添加は粒径の微細化に役立ち、粒成長の抑制に有
効であることがわかる。なお本発明による多結晶焼結体
の１ｋｇ荷重でのビッカース硬度測定では圧痕を認める
ことができなかったが、市販の多結晶ダイヤモンド工具
は７４００ｋｇ　／　ｍｍ’のビッカース硬度であった
ので、本発明品の硬度は少なくとも８０００　ｋｇ　／
　＋ｎ＋ｎ”以上であると推定され、工具材としてすぐ
れた特性を有することが予想される。

実施例２ また、上述した実施例とは別に、本発明および本発明外
の多結晶ダイヤモンド焼結体を準備して、それぞれの３
２Ｍ写真を撮影して比較した。

第１図はｌＱｗｔ％のダイヤモンド粉末を含む人造黒鉛
に４Ｑｗｔ％ＮｉおよびｌＱｗｔ％Ｔｉを混合し、真空
加熱（１０−５ｔｏｒｒ、　１０００℃、１ｈ）後Ａｒ
中で前処理（１０００ｔ、　ｌｈ）　　Ｌ、？ＧＰａ、
　１７００℃、１５分の高圧高温処理で得られた焼結体
の破面を熱王水で金属部分を除去したものである。ダイ
ヤモンド粒間の接合部にネック成長が認められ、焼結反
応の初期の状態を示している。

第２図はｌＱｗｔ％のダイヤモンド粉末を含む天然黒鉛
に３Ｑｗｔ％ＦｅおよびｌＱｗｔ％Ｔ１を混合し、真空
加熱（１０−’ｔｏｒｒ、　１０００℃、１ｈ）後Ａｒ
中で前処理（１０００ｔ、　ｌｈ）　　Ｌ、７ＧＰａ、
　１７００℃、１５分の高温高圧処理で得られた焼結体
の研磨面より熱王水で金属部分を除去したものである。

組織はダイヤモンドの焼結した領域と金属が存在してい
た気孔からなる。

ダイヤモンド焼結領域のビッカース硬度（１０００ｇ）
は８０００　ｋｇ　／　［０１１１２以上であツタ。

第３図は第１図に示した例と同組成であるが真空加熱後
Ｎ２中で前処理（１０００℃、　ｌｈ）　　した比較例
である。ダイヤモンド粒子の成長は起こっているが、′
ダイヤモンド粒間の接合部にネック成長はほとんど認め
られない。

（発明の効果） 以上詳細に説明したところから明らかなように、本発明
の多結晶ダイヤモンド焼結体の製造法によれば、均一で
微細な結晶粒からなるとともに粒径を制御した多結晶ダ
イヤモンド焼結体を製造することができる。また、緻密
で高硬度な多結晶ダイヤモンド焼結体を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】 第１図〜第３図は、それぞれ多結晶ダイヤモンド焼結体
の結晶の構造を示すＳＥ！、ｌ写真である。 特許出願人　　株式会社豊田中央研究所同出願人　　日
本碍子株式会社 代理人弁理士　　杉　　　村　　　暁　　　秀同　弁理
士　　　杉　　　村　　　興　　　作第３図 ２０）ｔ＠

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、１０〜９０ｗｔ％のダイヤモンドを含有する炭素に
   、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎから選ばれた少なくとも１種
   以上の金属またはその炭化物を１〜５０ｗｔ％混合し、
   該混合物を真空加熱後Ａｒ雰囲気中で加熱し、圧力５Ｇ
   Ｐａ以上、温度１４００℃以上の高圧高温下における構
   造転移を利用した反応焼結によって微細で均一な組織を
   有することを特徴とする多結晶ダイヤモンド焼結体の製
   造法。 ２、前記金属または炭化物に加えて粒成長を抑制するI
   V族元素およびその炭化物のうち少なくとも１種以上を
   添加することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   多結晶ダイヤモンド焼結体の製造法。 ３、炭素に含有するダイヤモンドの粒径を得ようとする
   多結晶ダイヤモンド焼結体の粒径以下とすることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項または第２項記載の多結晶
   ダイヤモンド焼結体の製造法。