(57)【要約】【課題】平均粒径が５μｍ以上のダイヤモンド粉末を用い、理論密度に近い緻密なダイヤモンド含有金属−セラミックス複合材料製ドリルを提供する。【解決手段】ドリルの材料を、その構成がダイヤモンド、ＳｉＣ、シリコンを主成分とする金属からなる複合材料とし、所望のドリル形状とした、ダイヤモンドと炭素、もしくはダイヤモンドとＳｉＣと炭素からなる多孔質状のプリフォームに、シリコンを主成分とする金属を溶融し、非加圧で浸透させる方法にてドリルを製造する。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンドの平均粒径が５μｍ以上で該含有率が１体積％以上、なおかつＳｉＣを含み、該ダイヤモンドとＳｉＣの含有率の合計が４０〜８０体積％であり、残部がシリコンを主成分とする金属からなる複合材料からなるドリルであって、その製造方法が、ダイヤモンド粉末に加熱処理により炭化するバインダーを加えて混合し、所望のドリル形状に成形した後、加熱処理して形成した多孔質状のプリフォームに、あるいは、ダイヤモンド粉末とＳｉＣ粉末に前記バインダーを加えて混合し、所望のドリル形状に成形した後、加熱処理して形成した多孔質状のプリフォームに、シリコンを主成分とする金属を溶融し、非加圧で浸透させる方法であることを特徴とするダイヤモンド含有金属−セラミックス複合材料製ドリル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダイヤモンドを含有する金属−セラミックス複合材料からなるドリルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、切削工具であるドリルの材料として超硬合金が広く用いられているが、極めて硬質な材料であるダイヤモンド粉末を焼結させた、ダイヤモンド焼結体も使用されている。ダイヤモンド焼結体は高い耐摩耗性を有しており、ドリルの材料として優れているが、その製造には通常５〜６ＧＰａという超高圧を必要とするため、コスト上の問題があった。そこで近年、耐摩耗性はダイヤモンド焼結体には及ばないもののそれに近い耐摩耗性を有する、金属とダイヤモンドの複合材料を、ダイヤモンド焼結体と比較して低圧下で製造する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２２０６２８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１は、平均粒径１〜１２μｍのダイヤモンド砥粒と金属粉末を混合後、４５〜７０ＭＰａの圧力下において通電加圧焼結してダイヤモンド−金属複合体を得る方法を提案するものであるが、ドリルを構成する材料として有効に作用する平均粒径５μｍ以上のダイヤモンド粉末を原料とすると、チタン、超鋼合金などの金属粉末の焼結収縮を阻害し、十分理論密度に近い緻密な複合材料が得られない。理論密度の９５％以下の材料をドリルとして使用すると、摩耗量が多くなり寿命が短くなるという問題があった。
【０００５】
本発明は、上述した課題に鑑みなされたものであって、その目的は、平均粒径が５μｍ以上のダイヤモンド粉末を用い、理論密度に近い緻密なダイヤモンド含有金属−セラミックス複合材料製ドリルを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記目的を達成するため鋭意研究した結果、緻密なダイヤモンド−金属複合材料製ドリルを提供するために、その構成がダイヤモンド、ＳｉＣ、シリコンを主成分とする金属からなる複合材料とし、所望のドリル形状とした、ダイヤモンドと炭素、もしくはダイヤモンドとＳｉＣと炭素からなる多孔質状のプリフォームに、シリコンを主成分とする金属を溶融し、非加圧で浸透させる方法で製造すれば、理論密度に近い緻密なダイヤモンド含有金属−セラミックス複合材料製ドリル複合材料を提供できるとの知見を得た。また、複合材料の理論密度を９８％以上にすることでドリルとしての摩耗量が従来の１／３程度になり、寿命が長くなるという知見を得て本発明を完成するに至った。
【０００７】
即ち本発明の目的は、ダイヤモンドの平均粒径が５μｍ以上でその含有率が１体積％以上、なおかつＳｉＣを含み、そのダイヤモンドとＳｉＣの含有率の合計が４０〜８０体積％であり、残部がシリコンを主成分とする金属からなる複合材料からなるドリルであって、その製造方法が、ダイヤモンド粉末に加熱処理により炭化するバインダーを加えて混合し、所望のドリル形状に成形した後、加熱処理して形成した多孔質状のプリフォームに、あるいは、ダイヤモンド粉末とＳｉＣ粉末に前記バインダーを加えて混合し、所望のドリル形状に成形した後、加熱処理して形成した多孔質状のプリフォームに、シリコンを主成分とする金属を溶融し、非加圧で浸透させる方法であることを特徴とするダイヤモンド含有金属−セラミックス複合材料製ドリルとすることにより達成される。
以下さらに本発明の内容を詳細に説明する。
【０００８】
上記ダイヤモンド、ＳｉＣ、シリコンを主成分とする金属からなる複合材料は、理論密度に近い緻密な複合材料となる。その理由は、その製造方法である、ダイヤモンドと炭素、もしくはダイヤモンドとＳｉＣと炭素からなる多孔質状のプリフォームに、シリコンを主成分とする金属を溶融し、非加圧で浸透させて複合化する方法において、シリコンは凝固膨張する性質を有するため、複合材料中に体積変化に伴う欠陥が生じ難いためであると考えられる。
【０００９】
本発明においてダイヤモンドの平均粒径を５μｍ以上としたのは、５μｍ以下ではドリルとして使用すると摩耗量が多くなるためである。加えて、ダイヤモンドは大気圧下においては準安定相であり、熱処理を行うと黒鉛化するため、やはり材料の摩耗量が多くなるためである。また、そのダイヤモンドの含有率を１体積％以上としたのは、１％未満では加工に作用するダイヤモンド砥粒の数が少なく、加工速度、加工能率が著しく低くなるためである。
【００１０】
また、ダイヤモンドとＳｉＣの含有率の合計を４０〜８０体積％とした。その理由は、４０体積％未満では複合材料のヤング率が２４０ＧＰａより小さくなり、ドリルとして良好な剛性が得られないためである。８０体積％以下としたのは、ダイヤモンド粉末と炭化したバインダー、もしくは、ダイヤモンド粉末とＳｉＣ粉末と炭化したバインダーからなるプリフォームにおいて、それらの含有率が８０体積％に近いものを作製することが困難なためである。
【００１１】
また、本発明によるダイヤモンド含有金属−セラミックス複合材料製ドリルにおいては、硬質な複合材料になる前、つまりシリコンを主成分とする金属を浸透させる前のプリフォームの段階でプリフォームを所望のドリル形状に成形することにより、シリコンを主成分とする金属を非加圧で浸透させても形状変化がほとんどないため、最終形状とするために硬質材料を加工するコストを抑えることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明によるダイヤモンド含有金属−セラミックス複合材料製ドリルは、以下のような方法により得ることができる。
平均粒径が５μｍ以上のダイヤモンド粉末に有機バインダーを添加し、必要であればＳｉＣ粉末を添加し、それらを混合し、所望のドリル形状に成形した後、非酸化雰囲気中で９００〜１１００℃の温度で加熱処理することにより、有機バインダーを炭化させたプリフォームを形成し、シリコンを主成分とする金属を非酸化雰囲気中で１５００℃以上の温度で溶融して、プリフォーム中に含まれている炭素と反応させてＳｉＣとすると同時に浸透させ、シリコンを主成分とする金属中にダイヤモンドとＳｉＣが分散した複合材料製ドリルを非加圧にて得ることができる。
【００１３】
また、プリフォームに浸透させるための金属としては、熱処理時のダイヤモンドの黒鉛化を抑制するため、シリコンに他の元素を含み、低融点化させたものであってもよい。例えば、シリコンの融点は約１４３０℃であるが、シリコンにアルミニウムを添加することにより、５８０℃まで低融点化することができる。かかる効果のある金属としては、アルミニウム以外にも、例えば金、銀、錫などがあり、これらの元素を含むシリコン合金であってもよい。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明の実施例と比較例を挙げ、本発明をより詳細に説明する。
【００１５】
（実施例１）
（１）ダイヤモンド含有金属−セラミックス複合材料製ドリルの作製
市販のＳｉＣ粉末の粗粒（信濃電気精錬社製、平均粒径５０μｍ）６０体積部と微粒（信濃電気精錬社製、平均粒径１０μｍ）３３体積部とダイヤモンド粉末（旭ダイヤモンド工業社製、平均粒径１０μｍ）７体積部に、それらの合計を１００質量部とした時に有機バインダーとしてフェノール樹脂１０質量部（炭素換算３質量部）を混合し、φ１０ｍｍの穴開け加工用ドリル形状にプレス成形した後、窒素雰囲気中で１０００℃の温度で３時間加熱処理し、フェノール樹脂を炭化させた７０体積％の充填率を有するプリフォームを形成した。また、得られる複合材料の密度およびヤング率の測定のため、同じ手順により５０×５０×２０ｍｍのプリフォームも形成した。
【００１６】
次に、得られたプリフォームとシリコン塊（日本電工社製、純度９９％）とを常圧下、アルゴン雰囲気中で１５００℃の温度で３時間保持して、溶融したシリコンとプリフォーム中に含まれている炭素とを反応させてＳｉＣとすると同時に溶融シリコンをプリフォーム中に浸透させて、ダイヤモンド含有金属−セラミックス複合材料製のドリルおよび平板を作製した。
【００１７】
（２）評価
得られた複合材料製平板から、１０ｍｍ角の立方体を切り出し、アルキメデス法で密度を測定したところ、密度は２９６０ｋｇ／ｍ３であり、理論密度（２９７０ｋｇ／ｍ３）に対して９９％以上の相対密度であった。また、同様に３×４×４０ｍｍの試料を切り出し、共振法によりヤング率を測定したところ、３００ＧＰａであった。得られた複合材料製ドリルを用い、厚さ５ｍｍのアルミナ板にドリルの寿命まで穴開け加工をしたところ、１５個の穴開けが可能であった。
【００１８】
（比較例１〜３）
比較例１〜３として、表１に示すような複合材料となるように、実施例１と同様の方法および手順で複合材料を作製し、評価を行った。その結果も表１に示す。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
表１から明らかなように、本発明の範囲外の複合材料では、ドリルに求められるヤング率または耐摩耗性の性能が低いものであった。
【００２１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、平均粒径が５μｍ以上のダイヤモンド粉末を用いても理論密度に近い緻密なダイヤモンド含有金属−セラミックス複合材料製ドリルを提供することができ、摩耗量が少なく寿命が長いドリルを提供できた。