(57)【要約】【課題】  耐摩耗性、耐欠損性、耐衝撃性および熱伝導性に優れたダイヤモンド焼結体を提供する。【解決手段】  ダイヤモンド焼結体は、焼結ダイヤモンド粒子と、残部として焼結助剤を含む。焼結ダイヤモンド粒子の含有率は８０体積％以上９９体積％未満である。焼結ダイヤモンド粒子は０．１μｍ以上７０μｍ以下の範囲内の粒径を有する。隣り合う焼結ダイヤモンド粒子は互いに直接接合している。焼結助剤はタングステンと、鉄、コバルトおよびニッケルからなる群より選ばれる少なくとも１種とを含む。焼結体中でのタングステンの割合は、０．０１重量％以上８重量％以下である。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼結ダイヤモンド粒子と、残部として焼結助剤と不可避不純物とを含み、
前記焼結ダイヤモンド粒子の含有率は８０体積％以上９９体積％未満であり、
前記焼結ダイヤモンド粒子は０．１μｍ以上７０μｍ以下の範囲内の粒径を有し、
隣り合う前記焼結ダイヤモンド粒子は互いに直接接合しており、
前記焼結助剤は金属形態のタングステンと、鉄、コバルトおよびニッケルからなる群より選ばれる少なくとも１種とを含み、
焼結体中での前記タングステンの含有量は、０．０１重量％以上８重量％以下であることを特徴とする、高強度・高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体。
【請求項２】
タングステンカーバイトをさらに含み、前記ダイヤモンド焼結体内の前記タングステンカーバイトの（１００）面または（１０１）面によるＸ線回折強度ＩWCと前記焼結ダイヤモンド粒子の（１１１）面によるＸ線回折強度ＩDとの比（ＩWC／ＩD）は０．０２未満であり、かつコバルトを含み、コバルトの（２００）面によるＸ線回折強度ＩCOと前記ＩDとの比（ＩCO／ＩD）は０．４未満であることを特徴とする、請求項１に記載の高強度・高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体。
【請求項３】
ニッケルを含み、前記ダイヤモンド焼結体内の前記ニッケルの（２００）面によるＸ線回折強度ＩNiと前記焼結ダイヤモンド粒子の（１１１）面によるＸ線回折強度ＩDとの比（ＩNi／ＩD）は０．４未満であることを特徴とする、請求項１または２に記載の高強度・高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体。
【請求項４】
鉄を含み、前記ダイヤモンド焼結体内の前記鉄の（２００）面によるＸ線回折強度ＩFeと前記焼結ダイヤモンド粒子の（１１１）面によるＸ線回折強度ＩDとの比（ＩFe／ＩD）は０．２未満であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の高強度・高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体。
【請求項５】
前記焼結助剤は、パラジウムをさらに含み、前記焼結助剤中での前記パラジウムの割合は、０．００５重量％以上４０重量％以下であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の高強度・高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体。
【請求項６】
前記焼結助剤は  錫、リンおよび硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種をさらに含み、前記焼結助剤内での前記錫、リンおよび硼素の合計の割合が、０．０１重量％以上３０重量％以下であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の高強度・高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体。
【請求項７】
前記ダイヤモンド焼結体内での酸素の割合が０．００５重量％以上０．０８重量％未満であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項の記載の高強度・高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体。
【請求項８】
長さ６ｍｍ、幅３ｍｍ、厚さ０．３５ｍｍ以上０．４５ｍｍ以下の測定試験片を用いて４ｍｍのスパンの条件で測定される前記ダイヤモンド焼結体の強度（抗折力）が５０ｋｇｆ／ｍｍ2以上３００ｋｇｆ／ｍｍ2以下であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の高強度・高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体。
【請求項９】
フッ硝酸で溶解処理された前記試験片を用いて４ｍｍスパンの条件で測定される前記ダイヤモンド焼結体の強度（抗折力）が５０ｋｇｆ／ｍｍ2以上であることを特徴とする、請求項８に記載の高強度・高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の高強度・高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体からなる工具。
【請求項１１】
焼結ダイヤモンド粒子と、残部として焼結助剤と不可避不純物とを含み、
前記焼結ダイヤモンド粒子の含有率は８０体積％以上９９体積％未満であり、
前記焼結ダイヤモンド粒子は０．１μｍ以上７０μｍ以下の範囲内の粒径を有し、
隣り合う前記焼結ダイヤモンド粒子は互いに直接接合しており、
前記焼結助剤は金属形態のタングステンと、鉄およびコバルトからなる群より選ばれた少なくとも１種とを含み、
焼結体中での前記タングステンの含有率は、０．０１重量％以上８重量％以下であり、
前記ダイヤモンド焼結体内での酸素の割合が０．００５重量％以上０．０８重量％未満であり、
粒子径が０．１μｍ以上４μｍ以下のダイヤモンド粉末を焼結して得られることを特徴とする、高強度・高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体。
【請求項１２】
温度１１００℃以上１４００℃未満で予め熱処理したダイヤモンド粒子を焼結することで製造されることを特徴とする、請求項１１に記載の高強度・高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体。
【請求項１３】
前記熱処理温度は１２００℃以上１４００℃未満である、請求項１２に記載の高強度・高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体。
【請求項１４】
焼結ダイヤモンド粒子と、残部として焼結助剤と不可避不純物とを含み、
前記焼結ダイヤモンド粒子の含有率は８０体積％以上９９体積％未満であり、
前記焼結ダイヤモンド粒子は０．１μｍ以上７０μｍ以下の範囲内の粒径を有し、
隣り合う前記焼結ダイヤモンド粒子は互いに直接接合しており、
前記焼結助剤は金属形態のタングステンと、鉄およびコバルトからなる群より選ばれた少なくとも１種とを含み、
焼結体中での前記タングステンの含有率は、０．０１重量％以上８重量％以下であり、
前記ダイヤモンド焼結体内での酸素の割合が０．００５重量％以上０．０８重量％未満である、高強度・高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体からなる工具であって、前記ダイヤモンド焼結体が露出して逃げ面を構成している、工具。
【請求項１５】
請求項１４に記載の工具を用いた非鉄金属の切削方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高強度・高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体に関し、特に、耐摩耗性、耐欠損性、耐衝撃性および耐熱伝導性に優れ、旋削工具、フライス工具およびエンドミルなどに代表される切削工具、線引きダイス等に代表される耐摩耗工具、ゴルフクラブのヘッドや衝撃式粉末粉砕用治具に代表される耐衝撃部品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンドは、地上に存在する物質の中で最も硬度が大きい。その中でも特に、ダイヤモンド焼結体は、単結晶ダイヤモンドの欠点である、へき開性による欠損が生じ難いため、アルミニウム−シリコン合金などの非鉄系金属材料の切削工具の素材として用いられる。このダイヤモンド焼結体として、たとえば特公昭３９−２０４８３号公報（特許文献１）や特公昭５２−１２１２６号公報（特許文献２）には、ダイヤモンド粒子をコバルトなどの鉄系金属の結合材を用いて焼結したものが開示されている。
【０００３】
これらのダイヤモンド焼結体の中で、ダイヤモンド粒子の粒子径が５μｍ未満の微粒のものや、特に、粒子径が１μｍ以下の超微粒のものは、耐欠損性に優れていることが知られている。たとえば、特公昭３９−２０４８３号公報には、微粒のダイヤモンド粉末と、ダイヤモンドを溶解再析出する鉄系金属等の粉末とからなるダイヤモンド焼結体、特公昭５８−３２２２４号公報には、粒子径が１μｍ以下の焼結ダイヤモンド粒子と周期律表４ａ、５ａまたは６ａ族金属の炭化物、窒化物、硼化物およびこれらの固溶体または混合物と鉄系合金とからなるダイヤモンド焼結体が開示されている。
【０００４】
これらの微粒のダイヤモンド粒子と、コバルトまたはタングステンカーバイト−コバルトなどの鉄族金属とを出発原料として焼結を行なうと、微粒のダイヤモンド粒子が非常に活性に富んでいるため、焼結時の温度および圧力条件を厳密に制御しなければ、ダイヤモンド粒子の異常な粒成長が頻繁に起こりやすくなる。そのため、一部のダイヤモンド粒子の径が非常に大きくなり、粒径が１μｍ以下でかつ均質な組織を有するダイヤモンド焼結体を歩留りよく得るのが困難である。
【０００５】
そこで、この問題を解決するために、ダイヤモンドに近い硬度を有するタングステンカーバイト、立方晶窒化硼素、炭化ケイ素などの硬質粒子をダイヤモンドの粒界に配置することによって、粒成長を制御する方法が知られている。たとえば、特公昭６１−５８４３２号公報（特許文献３）には、硬質粒子としてのタングステンカーバイトを添加したダイヤモンド焼結体が開示されている。
【０００６】
しかしながら、この方法では、ダイヤモンド粒子の間にダイヤモンド粒子と親和性の低い硬質粒子を配置し、ダイヤモンド粒子間の直接結合を物理的かつ化学的に妨げることによりダイヤモンド粒子の異常な粒成長を制御しているため、ダイヤモンド粒子同士の融着による骨格形成が不十分となる。そのため、ダイヤモンド本来の特性である耐欠損性や耐衝撃性や熱伝導性が低下するという問題がある。
【０００７】
一方、ダイヤモンド焼結体の中で、ダイヤモンド粒子の粒子径が５μｍ以上１００μｍ以下の粗粒のものは、一般に、耐摩耗性が優れていることが知られている。しかしながら、粗粒のダイヤモンド粒子は焼結しにくいため、焼結を容易にするために、ダイヤモンド粒子の表面に炭化物を形成する方法が知られている。たとえば、特開昭６３−１３４５６５号公報（特許文献４）には、ダイヤモンド粒子の表面に炭化物を生成させて、個々のダイヤモンド粒子に対する焼結助剤金属の結合力を強化し、焼結しやすくさせる方法が開示されている。また、焼結を容易にするために、焼結助剤にタングステンカーバイトを添加したものが多く製品化されている。
【０００８】
しかしながら、ダイヤモンド粒子の表面に炭化物を生成した場合には、ダイヤモンド粒子と鉄系金属のみからなるダイヤモンド焼結体と比べて、耐摩耗性、耐欠損性、耐衝撃性および熱伝導性が低下するという問題がある。また、焼結助剤にタングステンカーバイトを添加すれば、焼結助剤成分が多くなり、ダイヤモンド焼結体の耐摩耗性を低下させやすいという問題がある。
【特許文献１】特公昭３９−２０４８３号公報
【特許文献２】特公昭５２−１２１２６号公報
【特許文献３】特公昭６１−５８４３２号公報
【特許文献４】特開昭６３−１３４５６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
近年、ダイヤモンド焼結体を使用する切削加工においては、硬度が大きく、切削が困難な材料が増加している。そのため、従来以上の耐摩耗性、耐欠損性、耐衝撃性および熱伝導性が要求されている。
【００１０】
そこで、この発明は上述のような問題を解決するためになされたものであり、従来のダイヤモンド焼結体よりも耐摩耗性、耐欠損性、耐衝撃性および熱伝導性に優れたダイヤモンド焼結体を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、ダイヤモンド焼結体の耐欠損性や耐摩耗性等を向上させるために誠意検討した結果、ダイヤモンド粒子同士の直接接合をより強固なものとすることにより、ダイヤモンド焼結体の耐欠損性や耐衝撃性などの強度、耐摩耗性および熱伝導性を向上させることが可能であることを見出した。そこで、従来、微粒のダイヤモンド粉末を使用した焼結体では、ダイヤモンド粒子の粒成長を抑制するためにダイヤモンド粒子と親和性の低い硬質粒子を用いていたが、この硬質粒子を用いることなく、粒成長を抑制する方法について検討した。
【００１２】
その結果、焼結時には、焼結助剤としての鉄系金属にダイヤモンドが固溶し、焼結が終了し、ダイヤモンド焼結体が冷却されていくと、鉄系金属内のダイヤモンドが再析出し、ダイヤモンド粒子の異常成長が起こることがわかった。これを防ぐために、焼結助剤としての鉄系金属に金属タングステンを添加することによって、鉄系金属に対するダイヤモンドの固溶量が小さくなり、その結果、ダイヤモンドの析出を抑制でき、ダイヤモンド粒子の異常成長を防ぐことができる。これにより、従来の硬質粒子を用いる必要がないため、ダイヤモンド粒子同士が融着しやすくなり、強固な骨格が形成される。また、硬質粒子を添加する必要がないため、ダイヤモンド焼結体中のダイヤモンドの含有率が増大する。
【００１３】
また、粗粒のダイヤモンド粉末を使用した焼結体では、焼結助剤中に添加した金属タングステンにより、ダイヤモンド粒子が焼結しやすくなる。したがって、従来のようなタングステンカーバイトの添加が不要となり、ダイヤモンド焼結体の耐摩耗性を向上させることができる。
【００１４】
また、ダイヤモンド焼結体中のダイヤモンド粒子の含有量が大きいほど焼結体の耐摩耗性が増大することを見出した。
【００１５】
また、焼結体中の欠陥の大きさと焼結体の耐欠損性、耐衝撃性などの強度が密接な関係を有することを見出した。ここで言う欠陥とは、ダイヤモンド焼結体中の径が著しく大きいダイヤモンド粒子、溶媒金属などの焼結助剤のプール、空隙などをいう。ダイヤモンド焼結体中の欠陥が小さいほど焼結体の強度は上昇する。
【００１６】
これらの知見によりなされた本発明の高強度・高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体は、焼結ダイヤモンド粒子と、残部として焼結助剤と不可避不純物とを含む。焼結ダイヤモンド粒子の含有率は８０体積％以上９９体積％未満である。焼結ダイヤモンド粒子は０．１μｍ以上７０μｍ以下の範囲内の粒径を有する。隣り合う焼結ダイヤモンド粒子は互いに直接接合している。焼結助剤は金属形態のタングステンと、鉄、コバルトおよびニッケルからなる群より選ばれる少なくとも１種とを含む。ここで、本明細書中「タングステン」とは、金属形態のタングステンと、タングステンカーバイト等のタングステン化合物の混ざったものをいう。焼結体中でのタングステンの含有量は、０．０１重量％以上８重量％以下である。
【００１７】
このようなダイヤモンド焼結体においては、焼結助剤中に金属形態のタングステンが添加されている。そのため、原料として用いるダイヤモンド粒子の径が小さい場合にも、硬質粒子を添加しなくても粒子の異常成長を抑制できる。また、原料として用いるダイヤモンド粒子の径が大きくなった場合でも、焼結助剤に金属形態のタングステンを添加することにより、耐欠損性、耐摩耗性、耐衝撃性および熱伝導性に優れた高強度・高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体を得ることができる。また、焼結助剤の添加量は従来より多くなく、ダイヤモンドの含有量も従来より小さくないため、これにより耐摩耗性等が低下することがない。
【００１８】
焼結ダイヤモンド粒子の含有率を８０体積％以上９９体積％未満としたのは、以下の理由による。焼結ダイヤモンド粒子の含有率が８０体積％未満では、耐欠損性および耐衝撃性などの強度と、耐摩耗性が低下するためであり、また、ダイヤモンド粒子の含有率を９９体積％以上とすることは技術的に困難だからである。
【００１９】
焼結ダイヤモンド粒子の粒径の範囲を０．１μｍ以上７０μｍ以下としたのは、以下の理由による。焼結ダイヤモンド粒子の粒径が０．１μｍ未満となると、ダイヤモンド粒子の表面積が増加するため、ダイヤモンド焼結体の異常成長が起こりやすくなるとともに、ダイヤモンド焼結体の耐摩耗性が低下するからである。粒径が７０μｍを超えると、ダイヤモンド粒子のへき開などにより、ダイヤモンド焼結体の強度が低下するからである。
【００２０】
焼結体中のタングステンの含有量を０．０１重量％以上８重量％以下としたのは、以下の理由による。タングステンの含有量が０．０１重量％未満では、焼結助剤に金属タングステンを添加する効果が得られないからである。また、タングステンの含有量が８重量％を超えると焼結体中のダイヤモンドの含有率が低下するとともに、焼結助剤中へのダイヤモンドの固溶が小さくなりすぎ、焼結が完全に行なわれなくなるからである。
【００２１】
ダイヤモンド焼結体はタングステンカーバイトを含み、ダイヤモンド焼結体内のタングステンカーバイトの（１００）面または（１０１）面によるＸ線回折強度ＩWCと焼結ダイヤモンド粒子の（１１１）面によるＸ線回折強度ＩDとの比（ＩWC／ＩD）は０．０２未満であり、かつダイヤモンド焼結体はコバルトを含み、コバルトの（２００）面によるＸ線回折強度ＩCOとＩDとの比（ＩCO／ＩD）は０．４未満であることが好ましい。
【００２２】
また、ダイヤモンド焼結体はニッケルを含み、ダイヤモンド焼結体内のニッケルの（２００）面によるＸ線回折強度ＩNiと焼結ダイヤモンド粒子の（１１１）面によるＸ線回折強度ＩDとの比（ＩNi／ＩD）は０．４未満であることが好ましい。
【００２３】
また、ダイヤモンド焼結体は鉄を含み、ダイヤモンド焼結体内の鉄の（２００）面によるＸ線回折強度ＩFeと焼結ダイヤモンド粒子の（１１１）面によるＸ線回折強度ＩDとの比（ＩFe／ＩD）は０．２未満であることが好ましい。ここで、「Ｘ線回折強度」とは、ＣｕＫα線（ＣｕのＫ殻により生じる特性Ｘ線）を用いたＸ線回折図形における、ピークの高さをいう。
【００２４】
このように規定したのは、ＩWC／ＩDを０．０２未満としたのは、０．０２を超えると、タングステンカーバイトの量が過剰となり、耐摩耗性が低下するからである。また、上記の鉄系金属の各回折線の強度比が上述の範囲を超える場合には、ダイヤモンド焼結体内の鉄系金属の量が過剰となり、ダイヤモンド焼結体の耐摩耗性が低下するからである。
【００２５】
また、焼結助剤は、パラジウムをさらに含み、焼結助剤中でのパラジウムの割合は、０．００５重量％以上４０重量％以下であることが好ましい。この場合、焼結助剤にパラジウムを加えるため、焼結助剤の融点を降下することにより、低い温度でダイヤモンド焼結体を製造することができる。パラジウムの割合を０．００５重量％以上４０重量％以下としたは、以下の理由による。パラジウムの割合が０．００５重量％未満では焼結助剤の融点を降下させるのに十分な量とはいえず、パラジウムの割合が４０重量％を超えれば、焼結助剤の融点が逆に上昇するため、焼結性が悪化するからである。
【００２６】
また、焼結助剤は、錫、リンおよび硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種をさらに含み、焼結助剤内での錫、リンおよび硼素の合計の割合が、０．０１重量％以上３０重量％以下であることが好ましい。この場合、焼結助剤中に錫、リンおよび硼素の少なくとも１つが含まれるので、これらの元素が焼結助剤の融点を降下させる。その結果、ダイヤモンド粉末を比較的低い温度で焼結することができる。ここで、これらの元素の割合を０．０１重量％以上３０重量％以下としたのは、以下の理由による。これらの元素の割合が０．０１重量％未満では、焼結助剤の融点を降下させる効果が十分でなく、３０重量％を超えると、焼結時に、焼結助剤中の鉄系金属にダイヤモンドがほとんど固溶しなくなる。そのためダイヤモンド粒子同士が確実に結合しなくなり、強度や熱伝導性が低下するからである。
【００２７】
また、本発明者らは、ダイヤモンド焼結体を製造する原料となるダイヤモンド粉末の表面に吸着した酸素や酸化物に着目し、これらを除去することにより、焼結体中に存在する欠陥を小さくし、ダイヤモンド焼結体の強度を向上させることを見出した。そのため、ダイヤモンド焼結体中での酸素の割合が０．００５重量％以上０．０８重量％未満であることが好ましい。酸素の割合を０．００５重量％以上０．０８重量％未満としたのは、０．００５重量％未満とすることは、現在の技術では不可能であり、０．０８重量％以上では、ダイヤモンド焼結体の強度が従来と同様のものとなるからである。
【００２８】
このようにして得られるダイヤモンド焼結体から作製した長さ６ｍｍ、幅３ｍｍ、厚さ０．３５ｍｍ以上０．４５ｍｍ以下の測定試験片を用いて、４ｍｍのスパンの条件で測定した抗折力が、５０ｋｇｆ／ｍｍ2以上３００ｋｇｆ／ｍｍ2以下であることが好ましい。
【００２９】
また、このようにして得られるダイヤモンド焼結体からなる、フッ硝酸で溶解処理した試験片を用いて４ｍｍスパンの条件で測定される抗折力が、５０ｋｇｆ／ｍｍ2以上であることが好ましい。
【００３０】
さらに、上述のダイヤモンド焼結体を工具として用いることが好ましい。
【００３１】
なお、本発明におけるダイヤモンド焼結体を得るためには、焼結助剤を均一に分布させ、かつ不必要な成分を含まないようにすることが好ましい。この点を考慮し、ダイヤモンド粉末の各粒子を焼結助剤で被覆する方法としては、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法または溶液沈澱法を用いることができる。
【００３２】
また、本発明のダイヤモンド焼結体では、ダイヤモンド粒子の表面に被覆される焼結助剤の均一性がダイヤモンド粉末の焼結性と焼結体の強度の向上に極めて重要であること、また経済性に優れた方法でなければならないことなどを考慮すると、発明者らによって特開平８−２２５８７５号公報で開示されている無電解めっき法を用いることが最も好ましい。
【００３３】
本発明の高強度・高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体は、焼結ダイヤモンド粒子と、残部として焼結助剤と不可避不純物とを含む。焼結ダイヤモンド粒子の含有率は８０体積％以上９９体積％未満である。焼結ダイヤモンド粒子は０．１μｍ以上７０μｍ以下の範囲内の粒径を有する。隣り合う焼結ダイヤモンド粒子は互いに直接接合している。焼結助剤は金属形態のタングステンと、鉄およびコバルトからなる群より選ばれた少なくとも１種を含む。焼結体中でのタングステンの含有率は、０．０１重量％以上８重量％以下である。ダイヤモンド焼結体内での酸素の割合が０．００５重量％以上０．０８重量％未満である。粒子径が０．１μｍ以上４μｍ以下のダイヤモンド粉末を焼結して得られる。
【００３４】
好ましくは、高強度・高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体は、温度１１００℃以上１４００℃以下で予め熱処理したダイヤモンド粒子を焼結することで製造される。より好ましくは、熱処理温度は１２００℃以上１４００℃未満である。
【００３５】
この発明に従った工具は、高強度・高耐摩耗性ダイヤモンド焼結体からなる工具であって、焼結ダイヤモンド粒子と、残部として焼結助剤と不可避不純物とを含み、焼結ダイヤモンド粒子の含有率は８０体積％以上９９体積％未満であり、焼結ダイヤモンド粒子は０．１μｍ以上７０μｍ以下の範囲内の粒径を有し、隣り合う焼結ダイヤモンド粒子は互いに直接接合しており、焼結助剤は金属形態のタングステンと、鉄およびコバルトからなる群より選ばれた少なくとも１種とを含み、焼結体中でのタングステンの含有率は、０．０１重量％以上８重量％以下であり、ダイヤモンド焼結体内での酸素の割合が０．００５重量％以上０．０８重量％未満である。ダイヤモンド焼結体が露出して逃げ面を構成している。
【００３６】
この発明に従った非鉄金属の切削方法は、上記工具を用いる。
【発明の効果】
【００３７】
以上のように、本発明によれば、タングステンを添加することによりダイヤモンド粒子同士の融着による骨格形成を十分に行なわせ、かつ、焼結助剤以外の成分を極力排除して焼結体中のダイヤモンド含有率を向上させることにより、従来工具よりも耐摩耗性、耐欠損性、耐衝撃性および熱伝導性に優れたダイヤモンド焼結体を提供することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明の実施例について説明する。
【実施例】
【００３９】
（実施例１）
ダイヤモンド焼結体の作製
表１で示す粒子径の異なるダイヤモンド粉末と含有成分の異なる焼結助剤（１Ａ〜１Ｈ）とを準備した。１Ａ，１Ｂ，１Ｅおよび１Ｆについては無電解めっき、１Ｃおよび１Ｇについては超微粒粉末混合、１Ｄおよび１Ｈについては超硬ボールミルによりダイヤモンド粉末に焼結助剤を添加した。超微粒粉末混合については、粒子径が０．５μｍ以下の超微粒コバルト粉末とダイヤモンド粉末とを所定の組成となるようにテフロン（登録商標）製のボールミル容器に投入し、さらにテフロン（登録商標）製のボールを容器に投入することにより３時間ボールミルを行なって粉末試料を作製した。超硬ボールミルについては、タングステンカーバイト−コバルト製ボールミル容器にタングステンカーバイト−コバルト製のボールとともにダイヤモンド粉末、タングステンカーバイト粉末およびコバルト粉末を投入し、所定の時間ボールミルを行なった。ボールミルの時間を制御することにより、所定の焼結助剤組成を持つ試料粉末を作製した。これらの手法により得られた試料を表１に示す。
【００４０】
【表１】
2005220015.tif 000002
【００４１】
表１中「焼結助剤の組成」とは、焼結助剤中、で各成分が占める割合をいう。たとえば、「９０．８５Ｃｏ」とは、焼結助剤のうち、９０．８５重量％がコバルトであることを示す。
【００４２】
その後試料１Ａ〜１Ｄについては、温度１３００℃で６０分熱処理をし、１Ｅ〜１Ｈについては、温度１５００℃で６０分間熱処理をした。試料１Ａ〜１Ｈをそれぞれ、タンタル製の容器に入れ、ベルト型超高圧発生装置を使用して圧力５５キロバール、温度１４５０℃の条件で焼結を行なってダイヤモンド焼結体を得た。
【００４３】
ダイヤモンド焼結体の評価
（回折強度比の測定）
上述の工程で得られたダイヤモンド焼結体に対し、ＣｕＫα線（ＣｕのＫ殻により生ずる特性Ｘ線）を用い、銅ターゲットに照射する電子線の加速電圧４０ｋＶ、電流２５ｍＡ、回折角度２θ＝２０〜８０°、走査速度０．１°／秒の条件でＸ線回折を行なった。これによりタングステンカーバイトの（１０１）面、ダイヤモンドの（１１１）面、コバルトの（２００）面の各回折ピークの高さ（強度）ＩWC，ＩD，ＩCOを測定した。
（強度の測定）
各ダイヤモンド焼結体から長さ６ｍｍ、幅３ｍｍ、厚さ０．４ｍｍの直方体形状の試験片を複数切出した。それぞれのサンプルについて、スパン距離が４ｍｍの条件で３点曲げ試験により焼結体の強度（抗折力）を測定した。また、それぞれのサンプルについて、モル濃度が３０％の硝酸４０ｍｌとモル濃度が４５％のフッ化水素酸１０ｍｌとを混合したフッ硝酸溶液中に投入した。さらに、サンプルを密閉容器に入れて温度１３０℃に３時間保持し溶解処理を行なった。溶解処理を行なった試料および行なっていない試料のそれぞれのついて、スパン距離が４ｍｍの条件で３点曲げ試験により焼結体の強度（抗折力）を測定した。
（Ｗ含有量の測定）
プラズマ発光分光分析により、ダイヤモンド焼結体の重量に対する金属形態のタングステン（Ｗ）とタングステンカーバイトの合計の含有量を測定した。
（ダイヤモンド含有率の測定）
顕微鏡によりダイヤモンド焼結体表面を観察し、ダイヤモンド粒子領域を測定することにより、焼結体のダイヤモンド含有率を判定した。
（切削性能の評価）
焼結体から切削加工用の工具を作製し、以下に示す条件で切削性能の評価を行なった。
【００４４】
被削材：Ａｌ−１６重量％Ｓｉ合金丸棒
被削材表面の回転速度：７００ｍ／ｍｉｎ
切込み深さ：０．５ｍｍ
送り速度：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
切削時間：５ｍｉｎ
（金属形態タングステンの存在確認）
得られた焼結体から透過電子顕微鏡観察試料を作製し、数カ所の任意の視野で観察を行ない、電子回折図形から金属形態のタングステンの有無を確認した。
【００４５】
これらの結果を表２に示す。
【００４６】
【表２】
2005220015.tif 000003
【００４７】
表２中「Ｗ含有量」とは、焼結体の重量に対する焼結体中のタングステン（金属形態のタングステンとタングステンカーバイトの合計）の重量の割合を示す。また、透過電子顕微鏡観察により確認した金属タングステンの有無を表中に○，×で示す。
【００４８】
表２より、本発明品である１Ａおよび１Ｅについては、強度、逃げ面摩耗幅とも良好な値を示していることがわかる。
【００４９】
一方、１Ｃおよび１Ｄについては、焼結助剤の量が少なく、かつこれが不均一に分布していたため、粉末ダイヤモンド中での焼結助剤の融解が均一に起こらず、完全な焼結体を得ることができなかった。
【００５０】
また、１Ｇの焼結体の組織の中には焼結助剤が不均一に分布しているところが見られ、これにより切削中に工具の刃先が欠損し、切削途中で工具として使用することが不可能となった。
【００５１】
このことより、本発明品である１Ａおよび１Ｅは、従来品である１Ｄおよび１Ｈと比較して、高い強度と少ない逃げ面摩耗幅を示しており、さらに耐欠損性も高く切削工具として優れていることがわかる。また、顕微鏡観察の結果、隣り合う焼結ダイヤモンド粒子は互いに直接接合していた。
【００５２】
（実施例２）
ダイヤモンド粒子の粒子径による焼結体の特性を比較するための試験を行なった。まず、さまざまな粒子径のダイヤモンド粉末を用意した。このダイヤモンド粉末の割合が９３体積％、所定の組成の焼結助剤の割合が７体積％となるように焼結助剤を無電解めっき法により添加した後熱処理し、実施例１と同様の方法でダイヤモンド焼結体を作製した。このダイヤモンド焼結体の強度と逃げ面摩耗幅を実施例１と同様の方法で測定した。その結果を表３に示す。
【００５３】
【表３】
2005220015.tif 000004
【００５４】
２Ａでは、焼結助剤に多くのダイヤモンドが固溶したためダイヤモンド含有量が減少し、２Ｃでは、焼結助剤が流出したため、ダイヤモンド含有量が増加した。表３から、ダイヤモンド粉末の粒子径が小さい、すなわち微粒なもの（２Ａ）ほど強度が高いため、耐衝撃性に優れているといえる。また、粒子径が大きいもの、すなわち粗粒なもの（２Ｂ）ほど逃げ面摩耗幅が小さいため、耐摩耗性が優れていることがわかる。一方、２Ｃについては、ダイヤモンド粒子径が大きすぎるため、切削途中で欠損してしまい、切削の継続が不可能となった。
【００５５】
（実施例３）
焼結助剤中の金属タングステンの添加量による焼結体の特性について試験を行なった。まず、粒子径をさまざまに変えたダイヤモンド粉末粒子を用意した。この粉末粒子に、タングステンの割合を変えた焼結助剤を無電解めっき法により添加した後熱処理し、実施例１と同様の方法で焼結させてダイヤモンド焼結体を得た。得られたダイヤモンド焼結体について強度、逃げ面摩耗幅を実施例１と同様の方法で測定した。得られた結果を表４に示す。
【００５６】
【表４】
2005220015.tif 000005
【００５７】
表４中３Ａおよび３Ｄは、実施例１で作製した試料１Ａおよび１Ｅと同じ粉末から製造したダイヤモンド焼結体である。試料番号３Ｂ、３Ｃ、３Ｅおよび３Ｆは、焼結助剤中の金属タングステンの添加量を変化させたものである。
【００５８】
試料３Ｂおよび３Ｅのように、焼結体中のタングステンの量が８重量％を超える場合には、「強度」が小さく「逃げ面摩耗幅」が大きいため、強度または耐摩耗性が低下することがわかる。また、金属タングステンを添加していない試料３Ｃおよび３Ｆについては、焼結が不完全になり安定して焼結体を得ることができなかった。焼結体中でのタングステンの添加量が本発明の範囲である０．０１重量％以上８重量％以下の試料３Ａ、３Ｄの強度および耐摩耗性が優れていることがわかる。
【００５９】
（実施例４）
焼結助剤中でのパラジウムの添加量が焼結性に及ぼす影響について試験をした。まず、異なる粒子径のダイヤモンド粉末粒子を用意した。次に、タングステンとパラジウムをさまざまな割合で含み、鉄の割合が４．０重量％、錫の割合が０．１重量％、残部がコバルトの焼結助剤をダイヤモンド粉末に付与して原料粉末を形成した。ベルト型超高圧発生装置を用いて圧力５０キロバール、温度１４５０℃の条件に、この原料粉末を２０分間保持した。その結果を表５に示す。
【００６０】
【表５】
2005220015.tif 000006
【００６１】
表５中「○」は、原料粉末が焼結しかつ、粒子が異常に大きくならなかったことを示す。「△（粒成長）」とは、ダイヤモンド粉末は焼結したが、一部の粒子が異常に大きくなったことを示す。「×」は、ダイヤモンド粉末が焼結しなかったことを示す。また、金属タングステンを添加したものについては、表中（）内に焼結体中のタングステン含有量の分析結果を示した。表５より、タングステンだけを含む試料やタングステンとパラジウムを含む試料では、確実に焼結が行なわれることがわかる。また、タングステンを含まない場合でもパラジウムを含めばある程度焼結するようになるが、微粒粉末を用いた場合には焼結が十分に行なわれないことがわかる。この結果より、本発明の範囲であるパラジウムの含有量が０．０１重量％以上４０重量％以下の範囲とすると、焼結が起こりやすくなることがわかる。
【００６２】
（実施例５）
付加的な焼結助剤による焼結体の特性について試験を行なった。まず、粒子径が０．１〜３０μｍのダイヤモンド粉末粒子を用意した。このダイヤモンド粉末粒子に無電解めっき法によって焼結助剤を添加するためにダイヤモンド粉末の脱脂処理と酸洗いとを行なった。次に無電解めっきの前処理として塩化パラジウム、塩化第一錫および塩酸を含む常温の溶液中に２分間ダイヤモンド粉末粒子を浸した。続いて、これらのダイヤモンド粉末粒子を常温の硫酸水溶液中に２分間浸した。その後、この粉末を水洗いした後に塩化ニッケルと水酸化硼素ナトリウムを含む温度９０℃のＮｉ−Ｂめっき水溶液中に２分間浸すことにより焼結助剤で被覆されたダイヤモンド粉末を得た。
【００６３】
これらのダイヤモンド粉末を圧縮することにより成形した後、表６で示す組成を有する付加的な焼結助剤としての金属板と成形体とを積層し、タンタル製の容器内に密封した。
【００６４】
【表６】
2005220015.tif 000007
【００６５】
表６中「付加的焼結助剤組成」とは、金属板の組成を示す。また、「焼結助剤の被覆量」とは、ダイヤモンド焼結体内の焼結助剤の容積％を示す。
【００６６】
その後、このタンタル製容器をガードル型高圧装置により圧力６０キロバールで温度１５５０℃の条件に１０分間保持した。それにより、ダイヤモンド焼結体が得られた。
【００６７】
この焼結体の各々を長さ６ｍｍ、幅３ｍｍ、厚さ０．３ｍｍの棒状の試験片に加工した後にスパンの距離が４ｍｍの３点曲げ試験を行ない強度を評価した。その結果を表７に示す。
【００６８】
【表７】
2005220015.tif 000008
【００６９】
表７からわかるように、４Ｂ、４Ｃおよび４Ｄの強度が４Ａおよび４Ｅに比べて向上していることがわかる。
【００７０】
すなわち、焼結助剤中の錫とリンと硼素の合計の含有量が０．０１重量％以上３０重量％以下の範囲であれば好ましいことがわかる。また、焼結助剤中に錫とリンと硼素を含有させて同様の実験をしたところ、これらの合計の含有量が０．０１重量％以上３０重量％以下であれば好ましいことがわかった。
【００７１】
（実施例６）
ダイヤモンド粉末の熱処理温度を変化させた場合のダイヤモンド焼結体の特性を試験した。実施例１で製造した１Ａおよび１Ｅに対して、さまざまな条件で熱処理を行なった。次に、熱処理を行なった粉末を実施例１と同様の条件で焼結させてダイヤモンド焼結体を得た。このダイヤモンド焼結体の強度を実施例１と同様の方法で測定し、さらにプラズマ発光分光分析により焼結体中の酸素の含有量を測定した。その結果を表８に示す。
【００７２】
【表８】
2005220015.tif 000009
【００７３】
表８中、５Ａ−１〜５Ａ−３は、実施例１の１Ａの粉末を用いたものである。また、５Ｅ−１〜５Ｅ−３は１Ｅの粉末を用いたものである。この結果より、熱処理温度を高くすることにより焼結体中に残存する酸素量が減少する傾向にあり、それに伴って焼結体の強度が上昇することがわかる。
【００７４】
なお、別の実験の結果、粉末試料１Ａについては、温度１４００℃以上の高温で熱処理をした場合にダイヤモンド粉末の表面が著しく黒鉛化するため、焼結体中に黒鉛が残留し焼結および切削性能を低下させるため適当でないことがわかった。
【００７５】
（実施例７）
ダイヤモンド粒子の粒子径が０．１〜１５μｍの試料を用意し、実施例１の粉末試料１Ａに添加したのと同様の焼結助剤を添加し、温度１３００℃の真空中で熱処理した。次に、熱処理後の粉末を、タングステンカーバイトを１０重量％含む合金からなる外径２０ｍｍ、内径１２ｍｍ、高さ１８ｍｍの焼結体からなる容器に充填し、超高圧・高温状態下で焼結した。得られた焼結体から線径３ｍｍの線引きダイスを作製した。このダイスを用いて伸線速度５００ｍ／ｍｉｎで水溶性潤滑油を使用して銅めっき鋼線の伸線試験を行なった。その結果、８０トンの鋼線の伸線が可能で、その線肌も良好なものであった。
【００７６】
（実施例８）
実施例１の１Ａおよび１Ｅのダイヤモンド焼結体を用いて直径１３．２ｍｍ、厚さ３．２ｍｍの円形のスローアウェイチップを作製し、以下に示す条件で圧縮強度１５００ｋｇ／ｃｍ2の花崗岩の丸棒を汎用旋盤で切削した。
【００７７】
被削材表面の回転速度：１８０ｍ／ｍｉｎ
切込み深さ：０．５ｍｍ
送り速度：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ
切削時間：３分
その結果、１Ａのダイヤモンド焼結体では、刃先にチッピングが見られず、逃げ面摩耗幅は０．５ｍｍを超えていた。一方、１Ｅのダイヤモンド焼結体では、刃先に０．０３ｍｍのチッピングが生じていたものの逃げ面摩耗幅は０．１ｍｍと小さく、切削加工を継続することが可能であった。
【００７８】
また、従来のダイヤモンド焼結体工具で切削したところ、約２分間切削を行なった時点で摩耗により切削抵抗が増大し、切削中に異音が発生し切削を続けることが不可能であった。使用済の工具を観察すると激しく摩耗しており、ダイヤモンド焼結体を支持する超硬合金まで亀裂が達していた。
【００７９】
このように本発明におけるダイヤモンド焼結体は耐衝撃性を必要とする掘削用ビット工具へ応用したところ、優れた結果が得られた。
【００８０】
（実施例９）
実施例１と同様の方法で、粒子径が０．１〜６０μｍのダイヤモンド粒子にコバルト、タングステン、鉄、パラジウムをさまざまな割合で含む焼結助剤を無電解めっき法により付与し、熱処理した後焼結した。得られたそれぞれの焼結体について、実施例１と同様にＸ線回折を行ない、ニッケルの（２００）面による回折強度ＩNi、鉄の（２００）面による回折強度ＩFe、ダイヤモンド粒子の（１１１）面による回折強度ＩDを測定し、これらの比ＩNi／ＩD、ＩFe／ＩDを求めた。また、それぞれの焼結体について、実施例１と同様に強度、逃げ面摩耗幅を調べた。
【００８１】
その結果、ＩNi／ＩDが０．４未満のもの、またはＩFe／ＩDが０．４未満のものが強度、逃げ面摩耗幅とも優れていた。
【００８２】
今回開示された実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。