(57)【要約】金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）は、連続多結晶ダイヤモンド母材（５６）を形成する複数のダイヤモンド粒子（２２）；連続多結晶ダイヤモンド母材（５６）に連接した実質的にパラジウムフリーの金属相（６２）であって、連続多結晶ダイヤモンド母材（５６）に相互浸透し、連続多結晶ダイヤモンド母材（５６）の外表面を実質的に濡らす金属相（６２）；及び作用面（６８）を備える。金属相（６２）は溶浸材（４４）及びダイヤモンド粒子（２２）の外面の濡れ促進層（２４）から形成され、溶浸材（４４）と濡れ促進層（２４）は両方とも実質的にパラジウムフリーでコバルト、鉄及びニッケルのうち１種以上の金属を含有する。本発明は、金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）用のプリフォーム（４０）も含み、プリフォーム（４０）は容器（５２）と、金属溶浸材源（５４）と、各々が濡れ促進層（２４）及び所望に応じて活性化層（３４）で被覆された複数の被覆ダイヤモンド粒子（２０）とから構成され、濡れ促進層（２４）と活性化層（３４）は両方とも実質的にパラジウムフリーの。金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）、この工具（６０）に使用するプリフォーム（４０）及び被覆ダイヤモンド粒子（２０、３０）を製造する方法も提供される。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）であって、
ａ）連続多結晶ダイヤモンド母材（５６）を形成する複数のダイヤモンド粒子（２２）、
ｂ）連続多結晶ダイヤモンド母材（５６）に連接した実質的にパラジウムフリーの金属相（６２）であって、連続多結晶ダイヤモンド母材（５６）に相互浸透し、連続多結晶ダイヤモンド母材（５６）の外表面を実質的に濡らす金属相（６２）、及び
ｃ）作用面（６８）
を備える、金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）。
【請求項２】
作用面（６８）が耐摩耗面を含む、請求項１記載の金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）。
【請求項３】
金属相（６２）がコバルト、鉄及びニッケルからなる群から選択される１種以上の金属を含む、請求項１記載の金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）。
【請求項４】
金属相（６２）がコバルトを含む、請求項３記載の金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）。
【請求項５】
金属相（６２）がさらにリン、スズ及びホウ素からなる群から選択される１種以上の元素を含む、請求項３記載の金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）。
【請求項６】
金属相（６２）がさらに銀、銅、金、白金及びこれらの組合せからなる群から選択される１種以上の金属を含む、請求項１記載の金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）。
【請求項７】
複数のダイヤモンド粒子（２２）の各々が約０．０００１〜１ｍｍの平均直径を有する、請求項１記載の金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）。
【請求項８】
複数のダイヤモンド粒子（２２）の各々が約１０〜１００μｍの平均直径を有する、請求項７記載の金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）。
【請求項９】
さらに、金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）の作用面（６８）とは反対側の面に設けられた支持層（４６）を含んでおり、支持層（４６）が複数の硬質粒子（４８）から形成される連続母材と連続母材に相互浸透する金属相（６２）とを含む、請求項１記載の金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）。
【請求項１０】
複数の硬質粒子（４８）の各々が炭化ニオブ、炭化ケイ素、炭化チタン、炭化タングステン、炭化ジルコニウム及びこれらの組合せからなる群から選択される１種以上の金属炭化物を含む、請求項９記載の金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）。
【請求項１１】
複数の硬質粒子の各々が炭化タングステンを含む、請求項１０記載の金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）。
【請求項１２】
連続多結晶ダイヤモンド母材（５６）が溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）の約８５〜９５体積％をなす、請求項１記載の金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）。
【請求項１３】
溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）が切削工具ブランク、伸線ダイス及びドリルブランクからなる群から選択される工具である、請求項２記載の金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）。
【請求項１４】
金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）用のプリフォーム（４０）であって、当該プリフォーム（４０）が、
ａ）耐火性材料から形成された容器（５２）、
ｂ）容器（５２）内に配置されてベッド（５３）を形成する複数の被覆ダイヤモンド粒子（２０）であって、複数の被覆ダイヤモンド粒子（２０）の各々が外面に濡れ促進被膜（２４）の設けられたダイヤモンド粒子（２２）からなり、該濡れ促進被膜（２４）が実質的にパラジウムフリーでコバルト、鉄及びニッケルからなる群から選択される１種以上の金属を含んでいて実質的に粒子外面を覆っている、複数の被覆ダイヤモンド粒子（２０）、及び
ｃ）容器（５２）内に配置され、複数の被覆ダイヤモンド粒子（２０）のベッド（５３）に接した金属溶浸材源（５４）であって、コバルト、鉄及びニッケルからなる群から選択される１種以上の金属を含有する金属溶浸材源（５４）
を備えるプリフォーム（４０）。
【請求項１５】
外面（３２）が、鋭敏化剤を含有する水溶液に外面を接触させることで形成される鋭敏化表面であり、複数の被覆ダイヤモンド粒子（２２）の各々がさらに鋭敏化表面（３２）と濡れ促進被膜（２４）の間に実質的にパラジウムフリーの活性化層（３４）を備える、請求項１４記載のプリフォーム（４０）。
【請求項１６】
鋭敏化剤（３２）が、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、カドミウム及びスズからなる群から選択される金属である鋭敏化金属の塩を含有する、請求項１５記載のプリフォーム（４０）。
【請求項１７】
鋭敏化金属がスズである、請求項１６記載のプリフォーム（４０）。
【請求項１８】
鋭敏化剤が二塩化スズである、請求項１７記載のプリフォーム（４０）。
【請求項１９】
活性化層（３４）が銀、金、白金、コバルト及び銅からなる群から選択される金属を含有する、請求項１５記載のプリフォーム（４０）。
【請求項２０】
濡れ促進被膜（２４）がさらにスズ、リン及びホウ素からなる群から選択される元素を含有する、請求項１５記載のプリフォーム（４０）。
【請求項２１】
濡れ促進被膜（２４）がコバルトを含有する、請求項２０記載のプリフォーム（４０）。
【請求項２２】
濡れ促進被膜（２４）がさらにホウ素を含有する、請求項２１記載のプリフォーム（４０）。
【請求項２３】
ホウ素が濡れ促進被膜（２４）の約３０重量％以下をなす、請求項２２記載のプリフォーム（４０）。
【請求項２４】
ホウ素が濡れ促進被膜（２４）の約３重量％以下をなす、請求項２３記載のプリフォーム（４０）。
【請求項２５】
濡れ促進被膜（２４）の厚さが約０．０１〜５μｍである、請求項２１記載のプリフォーム（４０）。
【請求項２６】
濡れ促進被膜（２４）がコバルト含有析出物である、請求項２１記載のプリフォーム（４０）。
【請求項２７】
濡れ促進被膜（２４）がコバルト含有コロイド堆積物である、請求項２１記載のプリフォーム（４０）。
【請求項２８】
濡れ促進被膜（２４）が蒸着被膜である、請求項１４記載のプリフォーム（４０）。
【請求項２９】
活性化層（３４）が被覆ダイヤモンド粒子の約０．０１〜１０重量％をなす、請求項１５記載のプリフォーム（４０）。
【請求項３０】
活性化層（３４）が析出物である、請求項１５記載のプリフォーム（４０）。
【請求項３１】
活性化層（３４）がコロイド堆積物である、請求項１５記載のプリフォーム（４０）。
【請求項３２】
金属溶浸材源（５４）がさらに、複数の硬質粒子（４８）から形成される連続母材を含む、請求項１４記載のプリフォーム（４０）。
【請求項３３】
複数の硬質粒子（４８）の各々が炭化ニオブ、炭化ケイ素、炭化チタン、炭化タングステン、炭化ジルコニウム及びこれらの組合せからなる群から選択される１種以上の金属炭化物を含む、請求項３２記載のプリフォーム（４０）。
【請求項３４】
複数の硬質粒子（４８）の各々が炭化タングステンを含む、請求項３３記載のプリフォーム（４０）。
【請求項３５】
耐火性材料から形成された容器（５２）；容器（５２）内に配置されてベッド（５３）を形成する複数の被覆ダイヤモンド粒子（２０）であって、複数の被覆ダイヤモンド粒子（２０）の各々が外面に濡れ促進被膜（２４）の設けられたダイヤモンド粒子（２２）からなり、該濡れ促進被膜（２４）が実質的にパラジウムフリーでコバルト、鉄及びニッケルからなる群から選択される１種以上の金属を含んでいて実質的に粒子外面を覆っている、複数の被覆ダイヤモンド粒子（２０）；及び複数の被覆ダイヤモンド粒子（２０）のベッド（５３）に接した金属溶浸材源（５４）を含むプリフォーム（４０）から形成される金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）であって、
ａ）連続多結晶ダイヤモンド母材（５６）を形成する複数のダイヤモンド粒子（２２）、
ｂ）連続多結晶ダイヤモンド母材（５６）に連接した実質的にパラジウムフリーの金属相（６２）であって、連続多結晶ダイヤモンド母材（５６）に相互浸透し、連続多結晶ダイヤモンド母材（５６）の外表面を実質的に濡らし、コバルト、鉄及びニッケルからなる群から選択される１種以上の金属を含む金属相（６２）、及び
ｃ）耐摩耗面（６８）
を備える、金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）。
【請求項３６】
金属相（６２）がコバルトを含む、請求項３５記載の金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）。
【請求項３７】
金属相（６２）がさらに銀、銅、金、白金及びこれらの組合せからなる群から選択される１種以上の金属を含む、請求項３５記載の金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）。
【請求項３８】
金属相（６２）がさらにリン、スズ及びホウ素からなる群から選択される１種以上の元素を含む、請求項３５記載の金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）。
【請求項３９】
複数のダイヤモンド粒子（２２）の各々が約０．０００１〜１ｍｍの平均直径を有する、請求項３５記載の金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）。
【請求項４０】
複数のダイヤモンド粒子（２２）の各々が約１０〜１００μｍの平均直径を有する、請求項３９記載の金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）。
【請求項４１】
さらに、金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）の耐摩耗面（６８）とは反対側の面に設けられた支持層（４６）を含んでおり、支持層（４６）が複数の硬質粒子（４８）から形成される連続母材と連続母材に相互浸透する金属相（６２）とを含む、請求項３５記載の金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）。
【請求項４２】
複数の硬質粒子（４８）の各々が炭化ニオブ、炭化ケイ素、炭化チタン、炭化タングステン、炭化ジルコニウム及びこれらの組合せからなる群から選択される１種以上の金属炭化物を含む、請求項４０記載の金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）。
【請求項４３】
複数の硬質粒子（４８）の各々が炭化タングステンを含む、請求項４１記載の金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）。
【請求項４４】
溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）が切削工具ブランク、伸線ダイス及びドリルブランクからなる群から選択される工具である、請求項３５記載の金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）。
【請求項４５】
連続多結晶ダイヤモンド母材（５６）が溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）の約８５〜９５体積％をなす、請求項３５記載の金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）。
【請求項４６】
連続多結晶ダイヤモンド母材（５６）を形成する複数のダイヤモンド粒子（２２）；連続多結晶ダイヤモンド母材（５６）に連接した実質的にパラジウムフリーの金属相（６２）であって、連続多結晶ダイヤモンド母材（５６）に相互浸透し、連続多結晶ダイヤモンド母材（５６）の外表面を実質的に濡らす金属相（６２）；及び作用面（６８）を備える、金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）を製造する方法であって、当該方法が、
ａ）実質的にパラジウムフリーの金属溶浸材（４４）と、ダイヤモンド粒子（２２）の外面に実質的にパラジウムフリーの濡れ促進被膜（２４）が設けられた複数の被覆ダイヤモンド粒子（２０）とを収容した容器からなるプリフォーム（４０）を準備する段階、
ｂ）複数の被覆ダイヤモンド粒子（２０）を金属溶浸材（４４）で溶浸してダイヤモンド−ダイヤモンド結合（５８）を生じさせ、それにより金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合ブランク（５９）を形成する段階、及び
ｃ）金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合ブランク（５９）の少なくとも１面に作用面（６８）を形成し、それにより金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）を形成する段階
を含む方法。
【請求項４７】
プリフォーム（４０）を準備する段階が、
ａ）耐火性材料から形成された容器（５２）を準備する段階、
ｂ）ダイヤモンド粒子（２２）の外面に実質的にパラジウムフリーの濡れ促進被膜（２４）が設けられた複数の被覆ダイヤモンド粒子（２０）を容器（５２）に備える段階、及び
ｃ）実質的にパラジウムフリーの金属溶浸材源（５４）を、実質的にパラジウムフリーの金属溶浸材源（５４）が複数の被覆ダイヤモンド粒子（２０）に接するように容器（５２）に備える段階
を含む、請求項４６記載の方法。
【請求項４８】
実質的にパラジウムフリーの金属溶浸材源（５４）を容器に備える段階が、実質的にパラジウムフリーの金属溶浸材（４４）と複数の硬質粒子（４８）から形成された連続母材とを含有する金属溶浸材源（５４）を、実質的にパラジウムフリーの金属溶浸材源（５４）が複数の被覆ダイヤモンド粒子（２０）に接するように、容器（５２）に備える段階を含む、請求項４７記載の方法。
【請求項４９】
複数の被覆ダイヤモンド粒子（２０）を金属溶浸材で溶浸する段階が、
ａ）プリフォーム（４０）を金属溶浸材の融点よりも高い所定温度に加熱する段階、
ｂ）金属溶浸材（４４）を溶融する段階、
ｃ）プリフォーム（４０）に所定圧力を加え、それにより金属溶浸材（４４）を複数の被覆ダイヤモンド粒子（２０）間の自由空間（１６）に押し込む段階、
ｄ）ダイヤモンド粒子（２２）を液相焼結し、それによりダイヤモンド−ダイヤモンド結合（５８）を形成する段階、及び
ｅ）プリフォーム（４０）を冷却し、それにより金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合ブランク（５９）を形成する段階
を含む、請求項４６記載の方法。
【請求項５０】
プリフォーム（４０）を金属溶浸材（４４）の融点よりも高い所定温度に加熱する段階が、プリフォームを約１３００〜１７００℃の温度に加熱することを含む、請求項４９記載の方法。
【請求項５１】
プリフォーム（４０）に所定圧力を加える段階が、プリフォームに約４０〜７０ｋｂａｒの圧力を加えることを含む、請求項４９記載の方法。
【請求項５２】
金属相（６２）が、コバルト、鉄及びニッケルからなる群から選択される１種以上の金属を含む、請求項４６記載の方法。
【請求項５３】
金属溶浸材（４４）が、コバルト、鉄及びニッケルからなる群から選択される１種以上の金属を含む、請求項４６記載の方法。
【請求項５４】
実質的にパラジウムフリーの濡れ促進被膜（２４）が、コバルト、鉄及びニッケルからなる群から選択される１種以上の金属を含む、請求項４７記載の方法。
【請求項５５】
金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）に用いられる被覆ダイヤモンド粒子（２０）の製造方法であって、当該方法が、
ａ）ダイヤモンド粒子（２２）を準備する段階、及び
ｂ）ダイヤモンド粒子（２２）の外面を、実質的にパラジウムフリーでコバルト、鉄、及びニッケルからなる群から選択される１種以上の金属を含有する濡れ促進被膜（２４）で、実質的にパラジウムフリーの濡れ促進被膜（２４）がダイヤモンド粒子外面をほぼ覆うように被覆し、それにより被覆ダイヤモンド粒子（２０）を形成する段階
を含む方法。
【請求項５６】
ダイヤモンド粒子（２２）の外面を実質的にパラジウムフリーの濡れ促進被膜（２４）で被覆する段階が、
ａ）ダイヤモンド粒子（２２）の表面を、鋭敏化剤水溶液に表面を接触させることで鋭敏化し、それにより鋭敏化表面（３２）を生じさせる段階、
ｂ）ダイヤモンド粒子（２２）の鋭敏化表面（３２）に、実質的にパラジウムフリーの活性化層（３４）を堆積する段階、及び
ｃ）実質的にパラジウムフリーでコバルト、鉄、及びニッケルからなる群から選択される１種以上の金属を含有する濡れ促進被膜（２４）を、実質的にパラジウムフリーの濡れ促進被膜（２４）がダイヤモンド粒子外面をほぼ覆うように堆積し、それにより被覆ダイヤモンド粒子（３０）を形成する段階
を含む、請求項５５記載の方法。
【請求項５７】
ダイヤモンド粒子（２２）の表面を鋭敏化する段階が、ダイヤモンド粒子（２２）を二塩化スズと塩酸の溶液に接触させる段階を含む、請求項５６記載の方法。
【請求項５８】
さらに、
ａ）ダイヤモンド粒子（２２）を二塩化スズと塩酸の溶液に室温で約５分接触させる段階、
ｂ）ダイヤモンド粒子（２２）を洗浄する段階、及び
ｃ）ダイヤモンド粒子（２２）を乾燥する段階
段階を含む、請求項５７記載の方法。
【請求項５９】
ダイヤモンド粒子（２２）の鋭敏化表面（３２）に実質的にパラジウムフリーの活性化金属層（３４）を堆積する段階が、ダイヤモンド粒子（２２）の鋭敏化表面（３２）に銀活性化層を堆積する段階を含む、請求項５６記載の方法。
【請求項６０】
ダイヤモンド粒子（２２）の鋭敏化表面（３２）に銀活性化層を堆積する段階が、
ａ）ダイヤモンド粒子（２２）を硝酸銀溶液に室温で約５分間浸漬する段階、
ｂ）ダイヤモンド粒子（２２）を洗浄する段階、及び
ｃ）ダイヤモンド粒子（２２）を乾燥する段階
を含む、請求項５９記載の方法。
【請求項６１】
ダイヤモンド粒子（２２）の外面を実質的にパラジウムフリーの濡れ促進被膜（２４）で被覆する段階が、水溶液からコバルトを析出させる段階を含む、請求項５６記載の方法。
【請求項６２】
ダイヤモンド粒子（２２）の外面を実質的にパラジウムフリーの濡れ促進被膜（２４）で被覆する段階が、化学蒸着、物理蒸着、プラズマ化学蒸着及びこれらの組合せからなる群から選択される蒸着技術を用いてコバルトを蒸着する段階を含む、請求項５６記載の方法。
【請求項６３】
金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具（６０）用のプリフォーム（４０）の製造方法であって、当該方法が、
ａ）耐火性材料から形成された容器（５２）を準備する段階、
ｂ）ダイヤモンド粒子（２２）の外面に実質的にパラジウムフリーの濡れ促進被膜（２４）が設けられた複数の被覆ダイヤモンド粒子（２０）を容器に備える段階、及び
ｃ）実質的にパラジウムフリーの金属溶浸材源（５４）を、実質的にパラジウムフリーの金属溶浸材源（５４）が複数の被覆ダイヤモンド粒子（２０）に接するように容器に備える段階
を含む方法。
【請求項６４】
実質的にパラジウムフリーの金属溶浸材源（５４）を容器（５２）に備える段階が、実質的にパラジウムフリーの金属溶浸材（４４）及び複数の硬質粒子（４８）を含有する実質的にパラジウムフリーの金属溶浸材源（５４）を、実質的にパラジウムフリーの金属溶浸材源（５４）が複数の被覆ダイヤモンド粒子（２０）に接するように容器に備える段階を含む、請求項６３記載の方法。
【請求項６５】
実質的にパラジウムフリーの濡れ促進被膜（２４）が、コバルト、鉄及びニッケルからなる群から選択される１種以上の金属を含む、請求項６３記載の方法。
【請求項６６】
実質的にパラジウムフリーの金属溶浸材源（５４）が、コバルト、鉄及びニッケルからなる群から選択される１種以上の金属を含む、請求項６３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具に関する。さらに具体的には、本発明はかかる工具の形成に使用するダイヤモンド粒子に関する。さらに具体的には、本発明は活性表面層を有するダイヤモンド粒子に関する。さらに、本発明はかかる活性表面層を有するダイヤモンド粒子から金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンド焼結体工具は、ダイヤモンド粒子の母材をコバルトなどの溶融金属で溶浸して形成される高密度ブランクから製造されることが多い。溶融金属はダイヤモンドを部分的に溶解し、複合材料中でダイヤモンド−ダイヤモンド結合を生ずる液相焼結助剤として作用する。ダイヤモンド粒子のベッドを溶浸する際の問題の一つは、金属がダイヤモンド表面を十分に濡らさないことである。その結果、母材が十分には溶浸されず、場所によってはダイヤモンド−ダイヤモンド結合が形成せず、そのため切削工具の全体的な強度及び耐摩耗性の最適化に支障をきたす。
【０００３】
溶融金属によるダイヤモンドの濡れを向上させるため、最初に、かかる工具中のダイヤモンドを、溶浸金属として用いる金属と同種又は類似の金属で被覆すれば、溶浸とダイヤモンド−ダイヤモンド結合の形成を促進することができる。ダイヤモンド粒子を金属で被覆するため、被覆材料を含有する溶液にダイヤモンドをさらす無電解めっき技術が用いられている。しかし、基材の無電解めっきには、還元剤存在下での金属イオンの接触還元が必要とされる。したがって、ダイヤモンドのような非導電性材料では、めっき前に基材表面を活性化しなければならない。他方、大半の金属基材は表面が既に触媒作用をもつので活性化の必要がない。
【０００４】
被覆前の基材の活性化には、パラジウム（Ｐｄ）が多用されている。最も一般的な方法は、まず基板表面を二塩化スズ（ＳｎＣｌ2）で鋭敏化処理（センシタイジング）し、次いでＰｄと塩酸（ＨＣｌ）の溶液を用いて活性化するというものである。別法として、コロイドＰｄ溶液（Ｓｎを含有することも多い）を用いて基材表面を活性化することもできる。これら２つの方法のいずれかをダイヤモンドの無電解めっきに用いるのが一般的である。金田ら（米国特許第５７５９２１６号）は、パラジウムから実質的になる活性化溶液を用いて金属被覆ダイヤモンドを得て、次にこれを用いて高温高圧条件下で多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）を製造している。
【特許文献１】
米国特許第５７５９２１６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
活性化金属としてパラジウムを用いることの短所の一つは、その費用である。そこで、ダイヤモンド粒子に金属被膜を設ける経済的な代替法を見出すことができれば望ましい。したがって、溶融金属溶浸材による濡れを向上させるパラジウムフリーの被膜を有するダイヤモンド粒子が必要とされている。また、比較的安価な金属からなる活性化層で被覆されたダイヤモンド粒子であって、無電解めっきでダイヤモンド粒子に設けられた金属被膜を活性化層が接触還元できるものも必要とされている。さらに、活性化層をダイヤモンド粒子に施工する方法も必要とされている。また、かかる活性化層を有するダイヤモンド粒子を複数含む金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具も必要とされている。さらに、かかる工具を製造する方法も必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、連続多結晶ダイヤモンド母材を形成する複数のダイヤモンド粒子を含み、実質的にパラジウムフリーの金属相が多結晶ダイヤモンド母材に相互浸透した、金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具を提供することによって、上記その他のニーズを満足する。本発明は、かかる金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具用のプリフォームであって、実質的にパラジウムフリーの濡れ促進層を有するダイヤモンド粒子が金属溶浸材源に接したプリフォームも提供する。本発明は、金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具、かかる工具用プリフォーム及び被覆ダイヤモンド粒子で、いずれも実質的にパラジウムフリーのものを製造する方法も提供する。
【０００７】
したがって、本発明の第一の態様では、金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具が提供される。当該金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具は、連続多結晶ダイヤモンド母材を形成する複数のダイヤモンド粒子と、連続多結晶ダイヤモンド母材に連接した実質的にパラジウムフリーの金属相であって、連続多結晶ダイヤモンド母材に相互浸透し、連続多結晶ダイヤモンド母材の外表面を実質的に濡らす金属相と、作用面とを備える。
【０００８】
本発明の第二の態様では、金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具用のプリフォームが提供される。当該プリフォームは、耐火性材料から形成された容器；容器内に配置されてベッドを形成する複数の被覆ダイヤモンド粒子であって、複数の被覆ダイヤモンド粒子の各々が外面に濡れ促進被膜の設けられたダイヤモンド粒子からなり、該濡れ促進被膜が実質的にパラジウムフリーでコバルト、鉄及びニッケルからなる群から選択される１種以上の金属を含んでいて実質的に粒子外面を覆っている、複数の被覆ダイヤモンド粒子；及び容器内に配置され、複数の被覆ダイヤモンド粒子のベッドに接した金属溶浸材源を備える。金属溶浸材源は、コバルト、鉄及びニッケルからなる群から選択される１種以上の金属を含有する。
【０００９】
本発明の第三の態様では、プリフォームから形成した金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具が提供される。当該プリフォームは、耐火性材料から形成された容器；容器内に配置されてベッドを形成する複数の被覆ダイヤモンド粒子であって、複数の被覆ダイヤモンド粒子の各々が外面に濡れ促進被膜の設けられたダイヤモンド粒子からなり、該濡れ促進被膜が実質的にパラジウムフリーでコバルト、鉄及びニッケルからなる群から選択される１種以上の金属を含んでいて実質的に粒子外面を覆っている、複数の被覆ダイヤモンド粒子；及び、複数の被覆ダイヤモンド粒子のベッドに接した金属溶浸材源を含む。金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具は、連続多結晶ダイヤモンド母材を形成する複数のダイヤモンド粒子；連続多結晶ダイヤモンド母材に連接した実質的にパラジウムフリーの金属相であって、連続多結晶ダイヤモンド母材に相互浸透し、連続多結晶ダイヤモンド母材の外表面を実質的に濡らし、コバルト、鉄及びニッケルからなる群から選択される１種以上の金属を含有する金属相；及び耐摩耗面を備える。
【００１０】
本発明の第四の態様では、金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具を製造する方法が提供される。当該方法は、実質的にパラジウムフリーの金属溶浸材と、各ダイヤモンド粒子の外面に実質的にパラジウムフリーの濡れ促進被膜が設けられた複数の被覆ダイヤモンド粒子とを収容した容器からなるプリフォームを準備する段階、複数の被覆ダイヤモンド粒子を金属溶浸材で溶浸してダイヤモンド−ダイヤモンド結合を生じさせ、それにより金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合ブランクを形成する段階、及び金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合ブランクの少なくとも１面に作用面を形成し、それにより金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具を形成する段階を含む。
【００１１】
本発明の第五の態様では、金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具に使用する被覆ダイヤモンド粒子を製造する方法が提供される。当該方法は、ダイヤモンド粒子を準備する段階、及びダイヤモンド粒子の外面を、実質的にパラジウムフリーでコバルト、鉄、及びニッケルからなる群から選択される金属を含有する濡れ促進被膜で、ダイヤモンド粒子外面をほぼ覆うように被覆し、それにより被覆ダイヤモンド粒子を形成する段階を含む。
【００１２】
さらに、本発明の第六の態様では、金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具用のプリフォームを製造する方法が提供される。当該方法は、耐火性材料から形成された容器を準備する段階、各ダイヤモンド粒子の外面に実質的にパラジウムフリーの濡れ促進被膜が設けられた複数の被覆ダイヤモンド粒子を容器に備える段階、及び実質的にパラジウムフリーの金属溶浸材源を、複数の被覆ダイヤモンド粒子に接するように容器に備える段階を含む。
【００１３】
本発明の上記その他の態様、効果及び特徴は、以下の詳細な説明、添付図面及び請求項から明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下の説明では、添付図面中の複数の図を通して、同じ参照符号は同じ又は対応する部分を示す。また「上」、「下」、「外」、「内」などの用語は便宜的な単語であり、限定的な用語と解すべきではない。
【００１５】
図面全体、特に図１を参照するに当たり、図面は本発明の好ましい実施形態を示すものにすぎず、本発明を限定するものではない。
【００１６】
従来の溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具１０を図１に示す。溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具１０は、複数の未被覆ダイヤモンド２間に配置された溶浸材４とを含有する。未被覆ダイヤモンド粒子２間には自由空間１６が存在し得る。溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具１０は作用面１８を有する。溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具１０の所期の用途に応じて、作用面１８は切れ刃、耐摩耗面などとし得る。溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具１０は支持体６も含んでおり、支持体６は一般に溶浸材を含んでいる。支持体６は炭化物などの硬質材料８も含む。支持体６は裏当て層として働き、最終的に溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具１０に適度の支持と剛性を与える。
【００１７】
従来の溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具１０では、溶浸材４はダイヤモンド粒子２間の自由空間１６の大半が部分的に溶浸される。溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具１０の形成中に、ダイヤモンド２は溶浸材８によって部分的に溶解し、次いで析出し、ダイヤモンド−ダイヤモンド結合１２及び結晶粒の成長を生じ、連続多結晶ダイヤモンド母材１３が形成される。母材材料４はダイヤモンド２の表面を十分に濡らさないので、プリフォームの溶浸は不十分である。その結果、溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具１０内のダイヤモンド−ダイヤモンド結合１２は不十分で、多結晶ダイヤモンド母材１３は完全には形成されない。さらに、若干の自由空間１６が溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具１０内に残る。そのため、溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具１０の耐久性が限られてしまう。
【００１８】
図２は本発明の被覆ダイヤモンド粒子２０の概略図である。被覆ダイヤモンド粒子２０は、外面にパラジウムフリーの濡れ促進被膜２４が設けられ、外面が濡れ促進被膜２４で実質的に覆われたダイヤモンド粒子２２を含む。濡れ促進被膜２４は、後で工具に溶浸材として用いられる材料と同じものを含んでいてもよい。濡れ促進被膜２４は、好ましくは、ニッケル、コバルト、鉄又はこれらの組合せのいずれかから形成されるが、コバルトが最も好ましい材料である。パラジウムフリーの濡れ促進被膜２４は、蒸着技術を用いてダイヤモンド粒子２２の表面に直接堆積させることができる。蒸着技術には化学蒸着、物理蒸着、プラズマ化学蒸着及びこれらの組合せがあるが、これらに限定されない。
【００１９】
図３に、本発明の、別の被覆ダイヤモンド粒子３０の概略図を示す。ダイヤモンド粒子２２は、パラジウムフリーの活性化層３４とパラジウムフリーの濡れ促進被膜２４とで被覆されており、被覆ダイヤモンド粒子３０を形成する。ダイヤモンド粒子２２の表面は、ダイヤモンド粒子２２を鋭敏化剤で処理して形成される鋭敏化表面３２である。鋭敏化剤は通例２つの安定原子価状態を有しており、活性化層３４と反応することができて、水中で安定である。本発明では、ダイヤモンド粒子２２の表面は、好ましくは、二塩化スズ（ＳｎＣｌ2）と塩酸（ＨＣｌ）の溶液にダイヤモンド粒子２２を室温で約５分間浸漬することによって鋭敏化する。マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、カドミウムを始めとする他の２つの安定原子価状態を有する金属も、同様に鋭敏化剤として使用し得る。鋭敏化処理で、ＳｎＣｌ2はダイヤモンド粒子２２の表面に物理的に吸着される。浸漬後、ダイヤモンドを蒸留水で洗浄し、乾燥する。
【００２０】
鋭敏化に続いて、ダイヤモンド粒子２２の鋭敏化表面３２にパラジウムフリーの活性化層２４を堆積する。パラジウムフリーの活性化層３４は好ましくは銀で形成されるが、銅、金、コバルト、白金などの他の金属を用いてパラジウムフリーの活性化層３４を形成してもよい。銀を用いてパラジウムフリーの活性化層３４を形成する場合、鋭敏化ダイヤモンド粒子２２を硝酸銀（ＡｇＮＯ3）溶液に室温で約５分間浸漬する。本発明の好ましい鋭敏化剤である二塩化スズ（ＳｎＣｌ2）は、ダイヤモンド粒子２２の鋭敏化表面３２にＳｎ（ＩＶ）種を形成して、パラジウムフリーの活性化層３４の金属活性剤種の酸化を防ぐ。パラジウムフリーの銀含有活性化層３４は以下に示す反応によってダイヤモンド表面に析出し、ダイヤモンド粒子２２の鋭敏化表面３２に元素銀を形成する。
【００２１】
Ｓｎ2+  ＋  ２Ａｇ+  →Ｓｎ4+  ＋  ２Ａｇ0
別法として、パラジウムフリーの銀含有活性化層３４は、銀のコロイド懸濁液から堆積させることもできる。パラジウムフリーの活性化層３４の析出に続いて、ダイヤモンド粒子２２を再び蒸留水で洗浄し乾燥する。銀から形成されるパラジウムフリーの活性化層３４は、ダイヤモンド粒子の約０．０１〜１０重量％をなす。
【００２２】
ダイヤモンド粒子２２上へパラジウムフリーの活性化層３４を堆積した後、パラジウムフリーの濡れ促進被膜２４をパラジウムフリーの活性化層３４の上に堆積する。パラジウムフリーの濡れ促進被膜２４は好ましくは無電解めっき法で堆積させる。上述の通り、パラジウムフリーの濡れ促進被膜２４は、最終的に溶浸工具の製造に用いられる金属溶浸材と同じ材料からなるものでもよい。パラジウムフリーの濡れ促進被膜２４は、ニッケル、コバルト、鉄又はこれらの組合せのいずれかから形成し得るが、コバルトが好ましい材料である。無電解めっき法は単純な還元反応であり、硫酸コバルト（ＩＩ）からのコバルト（ＩＩ）イオンを元素コバルトに還元し、ジメチルアミンボラン（ＤＭＡＢ）を酸化して（ＣＨ3）2ＮＨ2+とＢ（ＯＨ）3にする。
【００２３】
３Ｃｏ2+＋３(ＣＨ3)2ＮＨＢＨ3＋６Ｈ2Ｏ  →  ３Ｃｏ0＋Ｂ＋３(ＣＨ3)2ＮＨ2+＋２Ｂ(ＯＨ)3＋９/２Ｈ2＋３Ｈ+
コバルトの還元は、還元剤存在下で金属の接触還元が可能な限り続く。本発明では、予めパラジウムフリーの活性化層３４を堆積しておくことによって、無電解めっきが起こる触媒部位を与える。かかる触媒部位が存在しないと、パラジウムフリーの濡れ促進被膜２４によるダイヤモンド粒子２２の被覆は、無電解めっきによって可能ではあっても、ほとんど達成されない。
【００２４】
パラジウムフリーの濡れ促進被膜２４はさらにリン又はホウ素を含んでいてもよい。本発明では、パラジウムフリーの濡れ促進被膜２４は好ましくはコバルトとホウ素を含む。ＤＭＡＢによるＣｏ（ＩＩ）の還元で生成するホウ素は、パラジウムフリーの濡れ促進被膜２４の３０重量％以下をなす。最適な耐摩耗性を達成するため、パラジウムフリーの濡れ促進被膜２４に含まれるホウ素は約５重量％以下であるのが好ましい。パラジウムフリーの濡れ促進被膜２４の厚さは好ましくは約０．０１〜５μｍである。
【００２５】
本発明の被覆ダイヤモンド粒子２０、３０の平均直径は約０．０００１〜１ｍｍの範囲である。切削工具に用いる場合、被覆ダイヤモンド粒子２０、３０の平均直径は好ましくは約１０μｍ超で約１００μｍ未満であるが、これはこの粒度範囲内の被覆ダイヤモンド粒子２０、３０が工具に最良の耐摩耗性を与えるからである。切削工具用途に加えて、本発明の被覆ダイヤモンド粒子２０、３０は耐摩耗性材料用のグリットなどのメッシュ製品にも用いることができ、これには平均直径約１０μｍ〜約１ｍｍのダイヤモンド粒子を用いる。
【００２６】
本発明の溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具には、切削工具ブランク、伸線ダイス、ドリルブランクなどがある。これらの溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具はプリフォームから製造され、プリフォームは上述の被覆ダイヤモンド粒子２０、３０と、高温高圧下で被覆ダイヤモンド粒子２０、３０間の自由空間１６に溶浸する金属溶浸材源とを用いて製造される。図４は本発明のプリフォーム４０の概略図である。複数の被覆ダイヤモンド粒子２０を耐火性容器５２に入れてベッド５３を形成する。被覆ダイヤモンド粒子２０の一部又は全部に代えて、鋭敏化表面３２、パラジウムフリーの活性化層３４及びパラジウムフリーの濡れ促進被膜２４を有する被覆ダイヤモンド粒子３０を用いてもよい。耐火性容器５２は、セラミックや金属など、その溶融温度が金属溶浸材４４の溶融温度及び溶浸段階で用いる温度よりも高い耐火性材料から形成される。金属溶浸材４４を含む金属溶浸材源５４を、金属溶浸材源５４が被覆ダイヤモンド粒子２０のベッド５３に接するように耐火性容器５２に配置する。好ましくは、金属溶浸材源５４は、金属溶浸材源５４が被覆ダイヤモンド粒子２０のベッド５３の上に位置し、かつベッド５３に接するように耐火性容器５２内に配置される。金属溶浸材４４は実質的にパラジウムフリーで、好ましくはコバルトを含むが、鉄、ニッケル、及び鉄とニッケルとコバルトの組合せも使用し得る。次に、プリフォーム４０を金属溶浸材４４の融点よりも高い温度に加熱し、金属溶浸材源５４を加圧し、もって溶融金属溶浸材４４を被覆ダイヤモンド粒子２０間の自由空間１６に押し込む。プリフォーム４０は好ましくは約１３００〜１７００℃の温度に加熱される。金属溶浸材４４での溶浸を達成するため、プリフォーム４０に約４０〜７０ｋｂａｒの範囲の圧力を加える。
【００２７】
溶浸プロセスで、パラジウムフリーの濡れ促進被膜２４が溶融して、溶融金属溶浸材４４と混ざる。ダイヤモンド粒子２２上にパラジウムフリーの濡れ促進被膜２４が存在すると、溶融金属溶浸材４４がダイヤモンド粒子２２を完全に濡らすことができるようになる。同時に、溶融金属４４とパラジウムフリーの濡れ促進被膜２４との組合せは、ダイヤモンドの一部を溶解する液相焼結助剤として作用する。ダイヤモンド粒子２２は再結晶して、個々のダイヤモンド粒子２２間にダイヤモンド−ダイヤモンド結合５８が存在する連続多結晶ダイヤモンド母材５６を形成する。冷却時に、溶融金属溶浸材４４とパラジウムフリーの濡れ促進被膜２４との混成材が再凝固して、図５に示すように連続多結晶ダイヤモンド母材５６に相互浸透する十分緻密な連続金属相６２を形成し、十分に溶浸したダイヤモンド焼結体複合工具ブランク５９が形成される。次いで切れ刃や耐摩耗面などの作用面６８を設ければ、溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具６０を形成できる。ダイヤモンド粒子２２から形成される連続多結晶ダイヤモンド母材５６は、溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具６０の約８５〜９５体積％をなす。
【００２８】
溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具６０は、好ましくは、図５に示すように溶浸支持層４６を有する支持体付き溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具６０である。溶浸支持層４６は、複数の硬質粒子４８から形成された連続母材を含んでいて、金属溶浸材４４と相互浸透している。硬質材料４８は好ましくは炭化タングステンであるが、炭化ケイ素、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ニオブ、これらの組合せなどの他の炭化物も使用し得る。支持体を備えた溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具６０は、プリフォーム４０の製造時に用いられる金属溶浸材源５４中に硬質材料の粒子４８を導入することによって形成される。溶浸プロセスで、溶浸支持層４６は溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具６０の残部に融着する。
【実施例】
【００２９】
本発明の態様を以下の実施例で例示する。
【００３０】
実施例１
パラジウムの活性層を第１群のダイヤモンド粒子に析出させた。第２群のダイヤモンド粒子には、溶液から析出させた銀活性化層を設けた。次に、第１群及び第２群のダイヤモンド粒子にコバルト／ホウ素被膜を無電解めっきした。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、上記２群の粒子上へのコバルト／ホウ素被膜の健全性を調べた。同様にオージェ分光法を用いてコバルト／ホウ素被膜の連続性を調べた。パラジウム活性化ダイヤモンドで得られたＳＥＭ顕微鏡写真及びオージェ分光スキャン像をそれぞれ図５及び図６に示す。図７及び図８はそれぞれ銀活性化ダイヤモンド粒子で得られたＳＥＭ顕微鏡写真及びオージェ分光スキャン像である。銀活性化粒子上に堆積したコバルト／ホウ素被膜の連接性とパラジウム活性化粒子上に堆積したコバルト／ホウ素被膜の連接性には何の相違点も認められなかった。被膜の健全性は同じか、銀活性化材料が優れていた。この実験は、被膜の見かけ上の連続性にはっきりとした差がないことも示している。
【００３１】
これらの被覆ダイヤモンド粒子を用いてダイヤモンド焼結体複合工具も製造したが、特に焼結の悪影響は認められなかった。次に、これらのダイヤモンド焼結体複合工具に摩耗性試験を行った。この試験から、本発明のダイヤモンド焼結体複合工具は、未被覆ダイヤモンド粒子を用いて製造した工具と同程度以上に良好な耐摩耗性を有することが分かった。
【００３２】
以上、様々な実施形態について説明してきたが、本明細書の記載から様々な要素の組合せ、変更、改良を当業者が行うことができ、本発明の技術的範囲に属することは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】従来の溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具の概略図である。
【図２】本発明の濡れ促進被膜を有するダイヤモンドの概略図である。
【図３】濡れ促進被膜、活性化被膜及び鋭敏化表面を有するダイヤモンドの概略図である。
【図４】本発明の溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具用のプリフォームの概略図である。
【図５】本発明の溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具の概略図である。
【図６】パラジウム活性化Ｃｏ−Ｂ被覆ダイヤモンド粒子のＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図７】パラジウム活性化Ｃｏ−Ｂ被覆ダイヤモンド粒子のオージェ分光コバルトスキャン像である。
【図８】銀活性化Ｃｏ−Ｂ被覆ダイヤモンド粒子のＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図９】銀活性化Ｃｏ−Ｂ被覆ダイヤモンド粒子のオージェ分光コバルトスキャン像である。
【符号の説明】
【００３４】
１６  自由空間
２０  被覆ダイヤモンド粒子
２２  ダイヤモンド粒子
２４  濡れ促進被膜
３０  被覆ダイヤモンド粒子
３２  鋭敏化表面
３４  活性化層
４０  プリフォーム
４４  金属溶浸材
４６  支持層
４８  硬質粒子
５２  容器
５３  ベッド
５４  金属溶浸材源
５６  多結晶ダイヤモンド母材
５８  ダイヤモンド−ダイヤモンド結合
５９  金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合ブランク
６０  金属溶浸ダイヤモンド焼結体複合工具
６２  金属相
６８  作用面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際公開パンフレット】
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2004525779.tif 000014
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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2004525779.tif 000044
【国際調査報告】
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2004525779.tif 000046
2004525779.tif 000047
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