(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化ケイ素とケイ素とのマトリックスの中にダイヤモンド粒子を含んで成る多結晶性物体を製造し、ここで、該多結晶性物体の製造法は、次の：
ダイヤモンド粒子から加工物を形成し、
該加工物を加熱し、その際その加熱温度と加熱時間を、ある一定の、所望とされる量の黒鉛がダイヤモンド粒子の黒鉛化により造り出されるように制御し、それによって中間物を造り、そして
該中間物にケイ素を浸透させる
工程を含んで成り；その後に
該多結晶性物体を粉砕して砥粒となす
ことを特徴とする、砥粒の製造法。
【請求項２】
２０〜７０容積％のダイヤモンド粒子、０．１〜７５容積％の炭化ケイ素および１〜４０容積％のケイ素を含んで成る多結晶性物体を製造し、そして該多結晶性物体を粉砕して砥粒となすことを特徴とする、請求項１による方法。
【請求項３】
少なくとも２０容積％のダイヤモンド粒子、少なくとも５容積％の炭化ケイ素、およびケイ素を含んで成る、ヤング率が４５０ＧＰａを越える多結晶性物体を製造し、そして該多結晶性物体を粉砕して砥粒となす工程を特徴とする、請求項２による方法。
【請求項４】
多結晶性物体が、１５容積％より多い炭化ケイ素を含む、請求項３による方法。
【請求項５】
少なくとも２９容積％のダイヤモンド粒子、少なくとも１４容積％の炭化ケイ素、およびケイ素を含んで成る、ヤング率が５４０ＧＰａを越える多結晶性物体を製造し、そして該多結晶性物体を粉砕して砥粒となす工程を特徴とする、請求項３による方法。
【請求項６】
少なくとも４６容積％の、粒径が大きくても約３０μｍであるダイヤモンド粒子、少なくとも５容積％の炭化ケイ素、およびケイ素を含んで成る、ヤング率が５６０ＧＰａを越える多結晶性物体を製造し、そして該多結晶性物体を粉砕して砥粒となす工程を特徴とする、請求項３による方法。
【請求項７】
多結晶性物体が、１５容積％より多い炭化ケイ素を含む、請求項６による方法。
【請求項８】
少なくとも５４容積％のダイヤモンド粒子にして、その少なくとも６０％が少なくとも５０μｍの粒径を有する該ダイヤモンド粒子、少なくとも５容積％の炭化ケイ素、およびケイ素を含んで成る、ヤング率が６５０ＧＰａを越える多結晶性物体を製造し、そして該多結晶性物体を粉砕して砥粒となす工程を特徴とする、請求項３による方法。
【請求項９】
多結晶性物体が、１５容積％より多い炭化ケイ素を含む、請求項８による方法。
【請求項１０】
多結晶性物体を粉砕して粒径が少なくとも４０μｍである砥粒となすことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項による方法。
【請求項１１】
粒径が３〜５００μｍであるダイヤモンド粒子の加工物を形成することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項による方法。
【請求項１２】
加工物の熱処理中に造り出される黒鉛の量がダイヤモンドの量の１〜５０重量％であることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項による方法。
【請求項１３】
前記黒鉛の量がダイヤモンドの量の６〜３０重量％である、請求項１２による方法。
【請求項１４】
黒鉛化中の加熱温度が１７００℃未満であることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項による方法。
【請求項１５】
黒鉛化に必要とされる加熱温度と加熱時間を、使用される加熱装置について実験的に定めることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項による方法。
【請求項１６】
２５〜６０容積％の気孔率を有する加工物を形成することを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか１項による方法。
【請求項１７】
加工物をガス状の炭化水素または炭化水素類に該炭化水素または炭化水素類の分解温度を越える温度で曝露することにより、該加工物中にある一定量の炭素を沈着させることを特徴とする、請求項１〜１６のいずれか１項による方法。
【請求項１８】
加工物をガス状の炭化水素または炭化水素類に該炭化水素または炭化水素類の分解温度を越える温度で曝露する前に、ダイヤモンド粒子の少なくとも一部の黒鉛化を行う、請求項１７による方法。
【請求項１９】
加工物を色々な粒径を持つダイヤモンド粒子の均一な混合物から、最終的にはバインダーを加えて形成することを特徴とする、請求項１〜１８のいずれか１項による方法。
【請求項２０】
加工物の形成を金型中で行い、その際熱処理とケイ素の浸透を、該加工物を該金型から取り出した後に行うことを特徴とする、請求項１〜１９のいずれか１項による方法。
【請求項２１】
砥粒がダイヤモンド粒子、炭化ケイ素およびケイ素を含んで成り、この場合該ダイヤモンド粒子は炭化ケイ素とケイ素とのマトリックスの中に配置されており、そして該砥粒中におけるダイヤモンド粒子、炭化ケイ素およびケイ素の平均値としての含有量が、それぞれ２０〜７０容積％、０．１〜７５容積％および１〜４０容積％であることを特徴とする、請求項１により製造された砥粒。
【請求項２２】
砥粒中におけるダイヤモンド粒子、炭化ケイ素およびケイ素の平均値としての含有量が、それぞれ少なくとも２０容積％、少なくとも５容積％および１〜４０容積％であることを特徴とする、請求項２１による砥粒。
【請求項２３】
砥粒中におけるダイヤモンド粒子、炭化ケイ素およびケイ素の平均値としての含有量が、それぞれ少なくとも２９容積％、少なくとも１４容積％および１〜４０容積％であることを特徴とする、請求項２１による砥粒。
【請求項２４】
砥粒中におけるダイヤモンド粒子、炭化ケイ素およびケイ素の平均値としての含有量が、それぞれ少なくとも４６容積％、少なくとも５容積％および１〜４０容積％であり、この場合該ダイヤモンド粒子は約３０μｍ以下の粒径を有していることを特徴とする、請求項２１による砥粒。
【請求項２５】
砥粒中におけるダイヤモンド粒子、炭化ケイ素およびケイ素の平均値としての含有量が、それぞれ少なくとも５４容積％、少なくとも５容積％および１〜４０容積％であり、この場合該ダイヤモンド粒子の少なくとも６０％は少なくとも約５０μｍの粒径を有していることを特徴とする、請求項２１による砥粒。
【請求項２６】
砥粒中のダイヤモンド粒子が３〜５００μｍの粒径を有していることを特徴とする、請求項２１〜２５のいずれか１項による砥粒。
【請求項２７】
砥粒が１．２未満の熱安定性係数を有していることを特徴とする、請求項２１〜２５のいずれか１項による砥粒。
【請求項２８】
砥粒が１．１未満の熱安定性係数を有している、請求項２７による砥粒。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は砥粒の製造法、およびこの方法によって製造された砥粒に関する。
【０００２】
（発明の背景）
多くの異なる用途分野に超硬質材料の一般的需要がある。これらの材料は鋼、非鉄金属、紙、重合体、コンクリート、石、大理石、土壌、超硬合金；また酸化アルミニウム、炭化ケイ素、ダイヤモンドまたは立方晶形窒化ホウ素の研削砥石等々の上で作動することができる、即ちそれらと接触状態にあることができる。
【０００３】
一般に、６００μｍ未満の粒径を有する合成ダイヤモンド粉末が製造されている。幾つかの適用分野、例えば穿孔や研削、また皮革、ゴム、木材の機械加工には、より大きい砥粒が必要とされる。ダイヤモンドを含んで成る砥粒は、ダイヤモンド骨格物（diamond skeleton）（少量の結合用物質を用いるか、または結合用物質を全く用いない自己結合ダイヤモンド）を含んで成るか、またはセラミック相を含むマトリックスによって結合されているダイヤモンド粒子を含んで成るダイヤモンド複合材料から製造することができる。ここで、セラミック相を含んで成るそのマトリックスは、ダイヤモンド粒子をそのようなセラミック材料の存在下で焼結することにより製造されたものである。
【０００４】
大きな砥粒は、バラス（Ballas）、カーボナド（Carbonado）等のような、細かいダイヤモンド粒子を含むダイヤモンド複合材料から製造される。これらの材料は、例えば高圧チャンバー中で焼結し、続いてその複合材料を粉砕し（crush）、そしてその砥粒を分級することにより製造される。
【０００５】
ダイヤモンドの不安定性と黒鉛化傾向の故に、その熱処理は、３０，０００〜６０，０００気圧の圧力を有する高圧チャンバー中で１３００〜１６００℃の高温（ＨＰ／ＨＴ）の、ダイヤモンドが安定である条件で行われる。
【０００６】
高圧、高温を用いるこの方法の欠点は、大きさが比較的小さい物体しか製造されないということである。加えて、その製造技術はかなり複雑で、特別な装置を必要とする。その効率は製造される製品の量に関して低く、従ってその相対コストが高い。
【０００７】
砥粒の製造について記載する特許が幾つか存在する。
【０００８】
ＥＰＯ特許第０，４３５，５０１号明細書には、ダイヤモンド含有砥粒の製造法が開示される。この方法は、７０〜９０容積％のダイヤモンド骨格物、およびケイ素、炭化ケイ素および／または金属ケイ化物より成るダイヤモンド圧縮物を、好ましくは約１．５ｍｍ、大きさが小さくされた砕片に粉砕することを含む。そのダイヤモンド圧縮物は、ダイヤモンド、ケイ素、炭化ケイ素および／または金属ケイ化物の混合物を高圧チャンバー中で焼結することにより造るのが好ましい。ダイヤモンド圧縮物の粉砕後に、それらの砕片はそのままＨＰ／ＨＴ条件で焼結して硬い製品としてもよい。別法として、それら砕片を焼結、圧縮中に浸透処理するために、その砕片に金属、即ち第二の相を含めてもよい。
【０００９】
上記の方法で製造される砥粒は、粉砕圧縮物中のダイヤモンド含有量が高いために、その強さが不十分である。圧縮物中の最初のダイヤモンドは焼結されて連続骨格を形成している。この骨格物は脆く（脆性ダイヤモンドに相当する）、従ってその砥粒も脆いだろう。ケイ素および／または炭化ケイ素が比較的少量であるため、ダイヤモンド骨格物を通して起こるクラックの成長が防止されない。このことが、全て、特に動的荷重下では、ダイヤモンド砥粒の強さを低下させる。さらに、上記圧縮物は高圧／高温法で造られる。
【００１０】
米国特許第４，２２４，３８０号明細書には、気孔が全体に分布されている、相互に連結された網状構造を持つ自己結合研磨材粒子（ダイヤモンドおよび／またはＣＢＮ）の圧縮物の製造が記載される。この圧縮物は、一塊りの研磨材粒子を、焼結補助材料を使用して高圧、高温（ＨＰ／ＨＴ）下で結合させ、自己結合体とすることによって製造される。この自己結合体は、研磨材粒子を自己結合形態で、また焼結補助材料をその自己結合体全体に浸透した状態で含む。自己結合体には、次に、浸透材料を除去する処理が施され、それによって自己結合砥粒より成る圧縮物が造られる。
【００１１】
この方法の欠点は高圧および高温が使用されることである。
【００１２】
幾つかの特許で、高圧および高温を使用しないでダイヤモンド砥粒を製造する技術が明らかにされている。
【００１３】
米国特許第３，５２０，６６７号明細書には、揮発性ケイ素化合物を含んで成るガス雰囲気中にダイヤモンド粒子を懸濁させ、そしてそのケイ素化合物の熱分解によりそのダイヤモンド粒子上に炭化ケイ素層を形成することによる、炭化ケイ素被覆ダイヤモンド砥粒の製造が記載される。熱分解は、水素と上記揮発化ケイ素化合物とを含むガス混合物中にダイヤモンドを懸濁させた流動床を形成することにより行うのが好ましい。この流動床は、ケイ素化合物を分解し、そして分散、懸濁されたダイヤモンド粒子上に炭化ケイ素の被覆を形成させるために、１３００〜１５００℃に加熱される。
【００１４】
砥粒を製造するこの方法の欠点は、炭化ケイ素被覆ダイヤモンドが個々ばらばらの粒子となっていて、凝集物となるようにはお互いに結合されていないことであり、それによって研磨材粗粒の粒度が小さくなり、結果として適用分野が狭められることになる。
【００１５】
米国特許第４，６０６，７３８号およびＥＰＯ特許第０，０６１，６０５号明細書には、コアとしての研磨材結晶（ダイヤモンドまたはＣＢＮ）と、そのコア結晶上の炭化ケイ素被覆を含んで成る複合研磨材粒子が記載される。この研磨材粒子は、非ダイヤモンド系炭素質材料で被覆されたコア結晶を液体ケイ素で浸透処理することにより造られるのが好ましい。そのケイ素は、次に、コア結晶、および炭化ケイ素とケイ素とのマトリックスより成る製造物から浸出される。得られる浸出処理物はさらに細かくされ、そして複合研磨材粒子が回収される。開示されるもう１つの態様は、開放構造を持つ炭化ケイ素マトリックスで相互に連結されている、それら複合研磨材粒子の凝集物である。
【００１６】
上記方法の欠点は、製造された砥粒、即ち炭化ケイ素で被覆されたダイヤモンド粒子の大きさが、最初のダイヤモンド粒子の大きさと同等であるということである。従って、最初のダイヤモンドの大きさより数倍大きく、しかも工業生産されるダイヤモンド粒子よりも大きい、大きくて安価な砥粒を製造するには限界がある。上記の方法で製造される凝集物は多孔質であって、高い強さを持たず、このことがそれらの適用分野を制限している。
【００１７】
本発明の目的は、卓越した性質を有するダイヤモンド−炭化ケイ素−ケイ素砥粒を、簡単かつコスト効果の高いやり方で製造する方法と、それによって製造される砥粒にある。
【００１８】
（発明の概要）
本発明の目的は、炭化ケイ素とケイ素とのマトリックスの中にダイヤモンド粒子を含んで成る多結晶性物体を製造し、そしてその多結晶性物体を粉砕して砥粒となす工程を特徴とする砥粒の製造法によって達成される。
【００１９】
１つの好ましい態様では、２０〜７０容積％のダイヤモンド粒子、０．１〜７５容積％の炭化ケイ素および１〜４０容積％のケイ素を含んで成る多結晶性物体が製造され、この多結晶性物体が砥粒に粉砕される。
【００２０】
もう１つの好ましい態様では、少なくとも２０容積％のダイヤモンド粒子、少なくとも５容積％、好ましくは１５容積％より多い炭化ケイ素、およびケイ素を含んで成る、ヤング率が４５０ＧＰａを越える多結晶性物体が製造され、この多結晶性物体が砥粒に粉砕される。
【００２１】
さらにもう１つの好ましい態様では、少なくとも２９容積％のダイヤモンド粒子、少なくとも１４容積％の炭化ケイ素、およびケイ素を含んで成る、ヤング率が５４０ＧＰａを越える多結晶性物体が製造され、この多結晶性物体が砥粒に粉砕される。
【００２２】
１つの好ましい更なる態様では、少なくとも４６容積％の、粒径が大きくても約３０μｍであるダイヤモンド粒子、少なくとも５容積％、好ましくは１５容積％より多い炭化ケイ素、およびケイ素を含んで成る、ヤング率が５６０ＧＰａを越える多結晶性物体が製造され、この多結晶性物体が砥粒に粉砕される。
【００２３】
さらにもう１つの好ましい更なる態様では、少なくとも５４容積％のダイヤモンド粒子にして、その少なくとも６０％が少なくとも５０μｍの粒径を有するそのダイヤモンド粒子、少なくとも５容積％、好ましくは１５容積％より多い炭化ケイ素、およびケイ素を含んで成る、ヤング率が６５０ＧＰａを越える多結晶性物体が製造され、この多結晶性物体が砥粒に粉砕される。
【００２４】
全ての態様において、その多結晶性物体の製造は、次の：
ダイヤモンド粒子から加工物（work piece）を形成し；
その加工物を加熱し、その際その加熱温度と加熱時間を、ある一定の、所望とされる量の黒鉛がダイヤモンド粒子の黒鉛化により造り出されるように制御し、それによって中間物（intermediate body）を造り；そして
その中間物にケイ素を浸透させる
工程を含んで成る。
【００２５】
上記の多結晶性物体は粒径が少なくとも４０μｍである砥粒に粉砕され、またその加工物は粒径が３〜５００μｍであるダイヤモンド粒子から形成される。加工物の熱処理中に造り出される黒鉛の量は、ダイヤモンドの量の１〜５０重量％、好ましくは６〜３０重量％であり、また黒鉛化中の加熱温度は１７００℃未満である。黒鉛化に必要とされる加熱温度と加熱時間は、使用される加熱装置について実験的に定められる。２５〜６０容積％の気孔率を持つ加工物が形成される。加工物には、その加工物をガス状の炭化水素または炭化水素類に、その炭化水素または炭化水素類の分解温度を越える温度で曝露することにより、ある一定量の炭素を沈着させることができる。加工物をガス状の炭化水素または炭化水素類に、その炭化水素または炭化水素類の分解温度を越える温度で曝露する前に、ダイヤモンド粒子の少なくとも一部の黒鉛化を行うのが好ましい。加工物は、色々な粒径を持つダイヤモンド粒子の均一な混合物から、最終的にはバインダーを加えて形成されるのが好ましく、また加工物のその形成は金型中で行われ、その際上記の熱処理とケイ素の浸透は、その加工物を金型から取り出した後に行われる。
【００２６】
本発明は、また、上記の方法で製造された砥粒にも関する。この砥粒は、ダイヤモンド粒子、炭化ケイ素およびケイ素を含んで成り、ここでそのダイヤモンド粒子は炭化ケイ素とケイ素とのマトリックス中に配置されており、そして砥粒中におけるダイヤモンド粒子、炭化ケイ素およびケイ素の、平均値としての含有量は、それぞれ２０〜７０容積％、０．１〜７５容積％および１〜４０容積％であることを特徴とするものである。
【００２７】
１つの好ましい態様では、砥粒中のダイヤモンド粒子、炭化ケイ素およびケイ素の、平均値としての含有量は、それぞれ少なくとも２０容積％、少なくとも５容積％および１〜４０容積％である。
【００２８】
もう１つの好ましい態様では、砥粒中のダイヤモンド粒子、炭化ケイ素およびケイ素の、平均値としての含有量は、それぞれ少なくとも２９容積％、少なくとも１４容積％および１〜４０容積％である。
【００２９】
さらにもう１つの好ましい態様では、砥粒中のダイヤモンド粒子、炭化ケイ素およびケイ素の、平均値としての含有量は、それぞれ少なくとも４６容積％、少なくとも５容積％および１〜４０容積％であり、そしてそのダイヤモンド粒子は約３０μｍ以下の粒径を有している。
【００３０】
１つの更なる態様では、砥粒中のダイヤモンド粒子、炭化ケイ素およびケイ素の、平均値としての含有量は、それぞれ少なくとも５４容積％、少なくとも５容積％および１〜４０容積％であり、そしてそのダイヤモンド粒子の少なくとも６０％は少なくとも５０μｍの粒径を有している。
【００３１】
砥粒中のダイヤモンド粒子は３〜５００μｍの粒径、および１．２未満、好ましくは１．１未満の熱安定性係数（thermal stability factor）を有している。
【００３２】
（発明の諸態様についての説明）
本発明の目的は、改善された性質を有する砥粒を製造することである。その技術的結果は、個々ばらばらのダイヤモンド粒子が、炭化ケイ素とケイ素により形成されているマトリックス中に配置されて成る複合材料を粉砕することによって、４０μｍを越える粒径を持つ砥粒を製造することにより得られる。次いで、その砥粒は分級される。
【００３３】
本出願で特許請求される方法により製造されるダイヤモンド含有砥粒の模式的構造が図１に与えられる。図中、《１》はダイヤモンドであり、《２》は炭化ケイ素であり、そして《３》はケイ素である。図１が示すとおり、本出願で特許請求される砥粒は、以前から知られている材料のあるもののようには、連続したダイヤモンド骨格を有していない。個々ばらばらのダイヤモンド粒子は、炭化ケイ素とケイ素とのマトリックスによって結合されているのである。これは、特に動的影響下での砥粒の破壊強さを改善する。砥粒中でクラックが発生するとき、ダイヤモンド粒子とマトリックスとの間の境界がそのクラックを妨げ、それによって破壊が防がれるのである。ダイヤモンド骨格の材料においては、脆いダイヤモンド骨格中でクラックが発生すると、砥粒全体が破壊される。個々ばらばらのダイヤモンド粒子が、あらゆるダイヤモンド粒子を包囲している炭化ケイ素とケイ素とのマトリックスで結合されているということは、砥粒を熱安定性の高いものにする。
【００３４】
粉砕工程前は、多結晶性物体中にケイ素が残っていることが有利である。このことによってもたらされる砥粒は、炭化ケイ素とケイ素とで結合されたダイヤモンドを含んでいる。このことは、任意の大きさを持つダイヤモンド砥粒を生成させるのを可能にするもので、その大きさは粉砕前の多結晶性物体自体の大きさによって制限されるだけである。これは、大きい砥粒を製造する場合、そのことに大きく高価なダイヤモンドを使用する必要がないので、有利なことである。
【００３５】
粉砕することで砥粒を製造するのに用いられるダイヤモンド含有複合材料は、２０〜７０容積％のダイヤモンド粒子、０．１〜７５容積％の炭化ケイ素および１〜４０容積％のケイ素を含んで成り、しかもダイヤモンド粒子をそのままの状態で残しつつ、それら粒子を高い剛性と硬度を持つマトリックスで結合させるのを可能にするその独特な製造法に起因して、均一な構造を有している。
【００３６】
粉砕に使用されるダイヤモンド複合材料は、粒径３〜５００μｍのダイヤモンド粒子を９５容積％より多い含有量で含む混合物から、周知の方法（プレス成形法、スリップ鋳形法、スラリー鋳形法等々）で、バインダーを用いまたは用いずに、２５〜６０容積％の気孔率を有する加工物を形成し、その加工物をガス状炭化水素（１種または複数種）の媒体中または不活性媒体（真空、不活性ガス）中で、その加工物中のダイヤモンド含有量が５０重量％以下の分だけ低下されるまで熱処理し、続いてその多孔性中間物に液状ケイ素を浸透させることによって製造される。この結果、所定の形状と大きさを持つ複合材料が製造される。
【００３７】
この複合材料の粉砕は、ある種特定の装置、例えば油圧プレス、メタリックモルタル（metallic mortars）、スプラインクラッシャー（splined crusher）、ローター式クラッシャー等々を用いるある種特定の方法で行われる。製造された砥粒は、炭化ケイ素とケイ素とのマトリックス中にダイヤモンド粒子を含んで成る。この砥粒は、追加の機械加工を行わなくても使用できる状態にあり、またその砥粒を標準的な方法を用いて、例えば旋回式オーバライザー（vortical ovaliser）で卵形体に成形できる状態にある。卵形砥粒はダイヤモンドペースト、有機マトリックスをベースとするダイヤモンド工具等々で使用することができる。
【００３８】
最適粒径は４０μｍより大である。４０μｍ未満の砥粒の分級は、よりコストの高い乾式篩分け法に代えて、湿式篩分け法または沈降法により行われるべきである。
【００３９】
砥粒の性質は砥粒の組成と大きさに依存する。実際には、１容積％未満のケイ素含有量および０．１容積％未満の炭化ケイ素含有量を持つこのタイプの複合材料は製造されない。炭化ケイ素の含有量が７５容積％より大になると、ダイヤモンド含有量が低くなるため、その砥粒の研磨性が低下する。ケイ素の含有量が４０容積％より大になると、砥粒の強さが小さくなる。粒径３〜５００μｍのダイヤモンド粒子を含む特定組成物の多結晶性複合材料を粉砕することにより製造される砥粒を試験すると、結果が良好なことが示された。
【００４０】
本発明の砥粒は１．２未満、好ましくは１．１未満の熱安定性係数を有する；即ち、砥粒の静的強さは、標準法で測定して、不活性媒体中で１２００℃において熱処理した後、２０％（好ましくは１０％）より多くは低下しない。
【００４１】
本発明による複合多結晶性物体は、ダイヤモンド−炭化ケイ素−ケイ素砥粒の製造のために、ダイヤモンドの黒鉛化を利用する方法により達成される。黒鉛化を炭素の熱分解沈着処理と組み合わせることも可能であるが、それは必ず必要な訳ではない。これは、本発明は、ダイヤモンドの黒鉛化、即ち効率的に、そして計画、制御された方式でのダイヤモンドの黒鉛への部分的変換を利用するものであることを意味する。
【００４２】
サブミクロンの大きさのダイヤモンドとは１μｍ未満のダイヤモンド粒子を意味し、また小さいダイヤモンドとは２０μｍ未満、さらに好ましくは１０μｍ未満のダイヤモンド粒子を意味する。＞２０μｍという粒径の大きいダイヤモンド、および＞６０μｍという粒径の非常に大きいダイヤモンドが、小さなダイヤモンドと組み合わせて使用されることも多い。本発明による方法では、粒径３〜５００μｍのダイヤモンドを用いるのが好ましい。
【００４３】
図２は、本発明の好ましいプロセス工程をフローチャートで説明するものである。本発明による方法のこの色々な工程を下記によって説明する：
【００４４】
未加工物（green body）の形成は、少量（５重量％まで）の一時的または永久的バインダーと一緒に、またはバインダーを使用せずに、色々な大きさのダイヤモンド粒子の混合物から行われる。この形成は確立されている方法を用いて、例えばプレス成形する、スリップおよびスラリー鋳型法を使用する、射出成形する等々の方法によって行われる。未加工物の形成に金型を用いる場合、その未加工物は金型から取り出される。
【００４５】
加工物の製造は、未加工物中に存在する溶液試剤および／またはバインダーを蒸発または硬化させ、そして分解することによって行われる。未加工物がいかなるバインダーも使用せずに製造される場合、それは加工物と見なされる。加工物の全容積を通じて均一かつ制御可能な黒鉛化を行えるようにする目的には、その加工物が、その中に、バインダーに由来する不純物を含んでいるのは望ましくない。これら不純物は黒鉛化プロセスを触媒するか、またはそれを抑制することがあるのである。加工物中のダイヤモンド量を９５重量％以上とする１つの理由は、存在する炭素の量を精密に制御することであることは明らかであって、その場合その精密制御は充填材、その他の追加材料を含まない物体において可能であるに過ぎない。
【００４６】
中間物を得るための、加工物の熱処理
総質量に対して９５〜１００重量％のダイヤモンド含有量を有する加工物は、ダイヤモンドの制御された黒鉛化法、またはダイヤモンドの制御された黒鉛化と、ここにパイロカーボン（pyrocarbon）と称される熱分解炭素の沈着とを組み合わせた方法を用いることにより熱処理されて中間物を与える。それら両方法を組み合わせる場合、パイロカーボンの沈着前に黒鉛化を利用するのが好ましい。
【００４７】
中間物を得るための黒鉛化
黒鉛化中に、加工物（または沈着パイロカーボンを有する中間物）は、真空中で、または制御された雰囲気中で、好ましくは不活性ガス中で、１０００〜１９００℃、好ましくは１２００〜１７００℃において熱処理される。１０００℃未満の温度では黒鉛化は無視できる。１９００℃より高い温度では黒鉛化速度が非常に速くなり、そのため、低品質のダイヤモンドを使用すると、その速度を必要とされる精度で制御することが困難になるだろう。真空の圧力は１ｍｍＨｇ未満であるのが好ましい。不活性ガスとして、窒素、アルゴン、水素またはヘリウムを用い得るが、これは当該系中に酸素を存在させないようにするために与えられるものである。不活性ガスの圧力はそれほど重要ではなく、本発明の方法の適用可能性に従って選ばれ、例えば７６０ｍｍＨｇである。
【００４８】
黒鉛化中間物中への炭素の熱分解沈着
黒鉛化中間物中への（または加工物中への）炭素の熱分解沈着中に、その物体は炭化水素若しくは炭化水素類のガスに、その流動ガス若しくはガス類の分解温度を越える温度で、例えば天然ガスにＴ＝７５０〜９５０℃で、またはアセチレン、メタン、エタン、プロパン、ペンタン、ヘキサン、ベンゼンおよびそれらの誘導体を含むガスにＴ＝５１０〜１２００℃で曝露される。
【００４９】
中間物へのケイ素の浸透は周知の方法により行われる。この浸透は、金型の外で、例えば固体ケイ素を溶融することにより、液状ケイ素を中間物の外表面に供給することにより、示差真空浸透法を用いることにより、或いは中間物を液状ケイ素の中に浸漬することにより行われるのが好ましいだろう。蒸気状ケイ素の浸透により、または化学的方法、例えばゾル−ゲル沈着法、化学蒸着法等々と同様の方法を用い、次いで高温反応を行うことによってケイ素を適用できる可能性もある。
【００５０】
この浸透中に、非ダイヤモンド炭素とケイ素との化学反応が行われ、その結果炭化ケイ素が形成され、この炭化ケイ素があり得べき遊離ケイ素と共に生成複合材料物体のマトリックスを形成する。
【００５１】
浸透物体の粉砕と、製造された砥粒の分級
浸透物体の粉砕は、ある種特定の装置、例えば油圧プレス、メタリックモルタル、スプラインクラッシャー、ローター式クラッシャー等々を用いて行われる。製造された砥粒は、炭化ケイ素とケイ素とのマトリックスの中にダイヤモンド粒子を含んで成る。マトリックスは、時には、小さいダイヤモンド粒子も含んでいる。
【００５２】
粉砕は色々な工程で行われる。まず粗砕を行い、その次に選択的粉砕を行い、続いて標準的な篩セットを用いて分級、即ちある一定粒径の砥粒を篩い分けする。その砥粒は旋回式オーバライザーで卵形化され、丸くされる時もある；強磁性粒子とその粉砕砥粒との混合物が、磁場により回転数３０００ｒｐｍで回転せしめられる。次に、最後の篩い分けが行われる。
【００５３】
製造された砥粒は、追加の機械加工を行わなくても使用できる状態にあり、また標準的な方法を用いて、例えば旋回式オーバライザーで卵形体に成形できる状態にある。この卵形砥粒は、ダイヤモンドペースト、有機マトリックスをベースとするダイヤモンド工具等々で使用することができる。
【００５４】
砥粒の最適粒径は４０μｍより大である。４０μｍ未満の砥粒の分級は、よりコストの高い方法で行わなければならない。
【００５５】
炭素の形成についての詳細
物体中の非ダイヤモンド炭素は、次の色々な方法で達成することができる：
【００５６】
１．加工物中のダイヤモンド粒子を熱処理してダイヤモンドの表面層を黒鉛に変換する黒鉛化；
【００５７】
２．物体への熱分解炭素の沈着；
３．ケイ素浸透のための熱処理中に、追加の黒鉛化を行う；および
４．バインダーからの、結果として生じ得る残留熱分解炭素。
【００５８】
非ダイヤモンド炭素の総量に対する寄与の測定は：
ａ）パイロカーボンの最終的に使用される量を確立する；
ｂ）ケイ素浸透用の熱処理における黒鉛化度を確立する；
ｃ）バインダーからの全ての残留熱分解炭素の量を確立する；および
ｄ）必要とされる追加炭素量を一次黒鉛化で造る
ことによってなされる。
【００５９】
しかして、本発明の１つの特長は、プロセスパラメーターおよび材料パラメーター、例えば時間−温度曲線の形、即ち温度、保持時間および加熱速度、ダイヤモンド粒子の大きさとタイプと品質、および同粒子中の不純物、雰囲気並びに圧力を同時に制御することにより、ダイヤモンドの黒鉛化度を管理し、変える能力にある。制御上から考慮すべき点に、例えば次のものがある：
【００６０】
１．最終物体中のケイ素、またはそれに代わる残留気孔と炭化ケイ素とダイヤモンドとの相対容積は黒鉛化度に依存し、従って黒鉛化度はこれを精密に制御して行わなければならない。
【００６１】
２．サブミクロンのダイヤモンド粒子および小さなダイヤモンド粒子には、黒鉛化が、そのダイヤモンド粒子が消失してしまうような程度までは進まないようにすることが重要である。黒鉛化は５０重量％未満、好ましくは６〜３０重量％であるべきである。
【００６２】
３．小さいダイヤモンド粒子と大きいダイヤモンド粒子とを混合するとき、小さいダイヤモンド粒子の大きさは、その小さい粒子が、所望されない限りは消失せず、かつその大きい粒子が十分に黒鉛化されるように注意深く選ばれなければならない。黒鉛化は５０重量％未満、好ましくは６〜３０重量％であるべきである。
【００６３】
４．支配的な黒鉛化度の管理法は、ダイヤモンド粒子の大きさおよび品質の関数としての、真空中または不活性ガス中での、大気圧における、約１２００℃から約１７００℃までの温度−時間曲線について、正しい形のものを選択すべきである。
【００６４】
５．色々な技術的応用を目標とした材料に適した、所望とされる色々な黒鉛化度については、これら曲線について異なる形のものを選ばなければならない。
【００６５】
６．正しい熱処理を選択することにより、気孔率が非常に低く、黒鉛を含まず、そしてダイヤモンドと炭化ケイ素とケイ素との間で組成に関してバランスがよく取れている最終物体を得ることが可能である。黒鉛化度が低い場合は、最終複合材料はより多量のケイ素を含むか、またはより大きな気孔率を有することとなる。黒鉛化度が高ければ高いほど、最終物体の炭化ケイ素含有量は多くなる。
【００６６】
温度が上昇し、保持時間が長くなると、一般に、黒鉛の生成量が増加する。ダイヤモンド粒子の表面からダイヤモンド粒子内部への移動前線での黒鉛化の速度も、結晶方向や材料不純物および欠陥の量で決まる。他の条件が全て同じとき、生長前線での黒鉛化の速度は、大小両ダイヤモンド粒子で同じである。しかし、粒径の相違は大小両粒子で相対的黒鉛化度を異ならしめる。黒鉛化度は小さい粒子で大きい粒子より有意に高く、それはダイヤモンドの比面積に比例するのである。かくして、ある材料の製造をこの提案された方法で制御するためには、上記熱処理について最適条件を選ぶことが重要であり、そしてそれは小さいダイヤモンド粒子を使用するとき、特に重要なものである。
【００６７】
黒鉛化速度は温度に強く依存するので、小さい粒子では、１２００℃より高い温度領域で加熱速度を加速することが極めて重要である。それによって、黒鉛化は（同じ温度までよりゆっくり加熱する場合に比べて）低下し、その黒鉛化度は所望とされる限度を越えない（≦５０重量％）。このことが続いて行われる中間物の液状ケイ素による浸透を可能にする。この中間物全体を通してのケイ素の浸透は、その物体全体に十分な大きさの気孔が存在しない限り起こらない。黒鉛化のこのプロセスは、その制御と実現のためになされるのである。それは使用される装置と材料に合わせて調整されなければならない。これらパラメーターの一部は、使用される装置と材料に合うように実験的に関係付けられなければならない。
【００６８】
図３は、１つの特定の温度における黒鉛化時間τに対する黒鉛化度αを示すものである。これより分かるように、黒鉛化度は、小さいダイヤモンド粒子（５／３、１０／７および１４／１０μｍ）では、大きい粒子（２８／２０および６３／５０μｍ）に比べて、より急速に増加する。粒径が大きくなればなるほど、相対的黒鉛化速度の増加はゆるくなる。
【００６９】
この黒鉛化法による利点の１つは、ダイヤモンド表面の改善である。一般に、ダイヤモンドの値段はその品質と大きさに関係する。ほとんどのダイヤモンド粒子で、その表面層に極めて多くの欠陥が存在することはよく知られている。ダイヤモンド表面上の欠陥と不純物は、機械的および化学的な安定性を低下させる。表面欠陥と不純物を持たず、しかも、なお、高価な高品質のダイヤモンドを使用しないことが望ましい。これは、ダイヤモンドの表面層を熱処理で黒鉛に意図的に変換することによって達成される。黒鉛化はその粒子表面で始まり、粒子内部へと徐々に深く成長して行く。さらに、ダイヤモンドを黒鉛化することでダイヤモンド表面が改善され得るばかりでなく、内部特性も改善される。ダイヤモンドが加熱されると、そのダイヤモンド中で拡散プロセスがスタートする。この拡散プロセスにより、金属不純物、その他の不純物がダイヤモンド表面へと移動せしめられ、炭化ケイ素またはケイ素の中に埋入せしめられる。黒鉛化がダイヤモンド表面上の欠陥層を変えると、それにつれて粒子の全体的な性質が、結果として複合材料全体が改善される。これらの改善を達成するためには、ダイヤモンド粒子を包囲している黒鉛層は少なくとも５０ｎｍ、好ましくは２００ｎｍより大きい厚さとなっているべきである。その黒鉛化は１重量％を下回らず、好ましくは少なくとも６重量％であるべきである。
【００７０】
ダイヤモンドの黒鉛化で達成されるもう１つ非常に重要な点は、形成されたＳｉＣの結合が極めて強く、そのＳｉＣが個々のダイヤモンド粒子をそれぞれ被覆していることである。このダイヤモンドがマトリックスに結合されることとなり、従って求められている用途でそのダイヤモンドは抜き出されない。
【００７１】
黒鉛を持たない、緻密な、または緻密な状態に近い物体をもたらす全製造プロセス中は、ある特定のルールに従わなければならない。
【００７２】
材料の多孔性は色々な大きさの気孔、即ちより大きい複数の気孔とより小さい複数の気孔より成る。加工物は、熱処理とケイ素による浸透の前に、ダイヤモンドの粒径と粒径分布で決まる、また存在するかまたは添加される他の材料で決まる、および未加工物の最後に行われる圧縮で決まるある一定の容積百分率の気孔率と、ある一定の気孔の大きさとを有する。ダイヤモンドの含有量は、ダイヤモンドの黒鉛化中に形成される黒鉛の量に応じて減少して行く。その物体中の、添加パイロカーボンを含めて、または残留している可能性のあるバインダーからの非ダイヤモンド炭素の総量は、気孔を満たし、緻密な、または緻密な状態に近い物体を造る元素状ケイ素に対して、（非ダイヤモンド炭素とケイ素との間の反応で生成する）炭化ケイ素を最適含有量で有する最終物体を得るために制御されなければならない。
【００７３】
初期気孔率と黒鉛化度は最終材料の性質に影響を及ぼす。６０容積％より大きい加工物の気孔率では、加工物の強さはこの方法の後続工程の実現に不十分である。加工物の気孔率が２５容積％未満であるときは、ケイ素を中間物に浸透させるのが困難であり、また最終物体は有意の残留気孔率を有している。同じ問題が、黒鉛化度が５０重量％より大きいか、または沈着パイロカーボンおよびバインダーからの残留炭素の量が２５重量％より多い場合にも現れる。それらを制限する小さい気孔が、（炭素層が厚すぎることに因り）十分には大きくならないからである。このような場合、ケイ素の浸透中に、中間物の表面ゾーンに炭化ケイ素の緻密な層が形成され、その層が液状ケイ素のその中間物の内部部分への浸透を妨害するのである。
【００７４】
加工物の所定の初期気孔率ε0について、黒鉛化、パイロカーボンの沈着によって造られる炭素と、バインダーから残留する可能性のある熱分解炭素との最大量にして、後の方の加工工程でその炭素の全てと浸透したケイ素とを反応させて炭化ケイ素を形成するそれら炭素の最大量が、図４ａで説明されている。黒鉛（α）と、パイロカーボンプラスバインダーからの残留炭素（γ）との、それらの任意の許容できる組み合わせについての相対量も、本図から見分けることができる。この方法は気孔率に関係した炭素の総量によって制限される。ある一定の初期気孔率において、最終複合材料は、炭素量が少なすぎると大量のケイ素を含むことになる。炭素量が多すぎると、ある量の残留炭素が最終複合材料中に残されることになるが、それは、その炭素がその複合材料中で欠陥のように振る舞うので、好ましくないものである。ある一定の初期気孔率についての黒鉛化度と、最終複合材料の組成との間の関係を示している２つのグラフ、即ち図４ｂおよび図４ｃも参照されたい。これらの図から分かるように、成分であるダイヤモンド、炭化ケイ素およびケイ素の変化は直線的である。黒鉛化度が増加すると、それにつれて炭素含有量が増加し、同時にダイヤモンドとケイ素の含有量が減少する。
【００７５】
これらの図は、総物体容積が変化せず、かつ製造された物体に気孔が存在しないという条件下で、次式を用いて作成されたものである：
【００７６】
最終材料中のダイヤモンドの容積含有量は：
【数１】
0003902404.tif 000002
【００７７】
であり、ここでαは黒鉛化度、即ち黒鉛の量であり、ε0は加工物の初期気孔率である。
【００７８】
最終材料中の炭化ケイ素の容積含有量はケイ素と反応している炭素量で定まり、即ち：
【数２】
0003902404.tif 000003
【００７９】
であり、ここでρDおよびρSiCはダイヤモンドおよび炭化ケイ素の密度であり、ＭSiCおよびＭcは炭化ケイ素および炭素の分子量である。
【００８０】
最終材料中のケイ素の容積含有量は次式のとおりである：
【数３】
0003902404.tif 000004
【００８１】
非多孔質材料の製造を行うには、φSi≧０の条件を満たすことが必要である。この条件は、αおよびγの値が図３ａに示される領域内に入ることにより満たされる。従って、φSi≧０の条件を満たすために最終材料に挿入することができるパイロカーボンとバインダー残留分の量は、黒鉛化度に大きく依存する。γ＝０における式１、２および３の解が、図３ｂ〜ｃによるダイヤモンド複合材料の組成と加工物の初期気孔率との間の関係を与える。
【００８２】
図５は、本発明の方法に従って造られた試料の相Ｘ線回折分析の結果を示すものである。図５ａから明らかなように、ダイヤモンド粉末から形成された初期加工物は、ダイヤモンド相（符号“Ｄ”が付けられている）を含んでいる。中間物を得るために、続いてその加工物を熱処理すると、図５ｂに見ることができるように、その中間物中に黒鉛相（符号“Ｇ”が付けられている）が形成される。次の、中間物のケイ素による浸透処理において、そのケイ素は黒鉛と反応し、炭化ケイ素を生成させる。図５ｃは、最終生成物中に黒鉛が存在せず、ダイヤモンド、炭化ケイ素（符号“ＳｉＣ”が付けられている）およびケイ素（符号“Ｓｉ”が付けられている）が存在することを示している。
【００８３】
別種のパラメーター変化の使用
本発明の製品の最終的な性質と製造コストの両者を制御するために、種々の加工工程中に、材料にパラメーター変化を適用することができる。パラメーター変化の色々な組み合わせも適用することができる。適用されるパラメーターは：
【００８４】
・ダイヤモンドの粒径
・ダイヤモンドの品質
・ダイヤモンドの結合
・炭化ケイ素とケイ素の量
である。これらパラメーターのあるものは相互依存性である。下記に、パラメーター変化とそれらの組み合わせの使用により最終的性質を制御する例を示す。
【００８５】
ダイヤモンドの粒径変化：異なる粒径を持つダイヤモンドの組み合わせ
本発明による材料は、１つの粒径のダイヤモンド粒子だけでなく、幾つかの粒径を有するダイヤモンド粒子を含んでいることができる。材料中での、幾つかの粒径を持つダイヤモンドの使用は、その材料に特別の特性を与える。大きいダイヤモンド粒子は、良好な研磨性（この用語は、研磨、摩耗、切削、その他の機械的材料除去特性を意味する）を持つ材料をもたらす。しかし、SiC/Siマトリックスが持つ低い相対的耐摩耗性は、剥離、即ちこれら大きいダイヤモンドの、特に過酷な操作条件下でのマトリックスからの損失をもたらすことがあり、それによって複合材料工具の寿命が短縮されるだろう。
【００８６】
大きいダイヤモンド粒子と小さいダイヤモンド粒子とを均質な混合物として組み合わせることによって、その複合材料工具の寿命は、形成された新しいマトリックスの向上した耐摩耗性に因り延びる。小さいダイヤモンド粒子が複合材料を強化するのである。小さいダイヤモンド粒子がSiC−Siマトリックス全体を通じて分布せしめられると、それら粒子はヤング率、熱伝導率、硬度、耐摩耗性等々を増加させる。例えば、約１０μｍの粒径を持つ約４０容積％のダイヤモンド粒子がSiC−Siマトリックスに含まれているとき、ダイヤモンドを含まないSiC−Siマトリックスと比較するならば、ヤング率は４００ＧＰａから６５０ＧＰａまで増大し、また熱伝導率は８０Ｗ／ｍＫから２５０Ｗ／ｍＫまで増大する。従って、小さいダイヤモンドを大きいダイヤモンドと共に使用すると、材料特性が向上せしめられるばかりでなく、大きいダイヤモンドだけを使用する場合よりも経済性が高い。
【００８７】
ダイヤモンドの品質変化
高品質のダイヤモンドは、一般に、低品質のダイヤモンドより高価である。ここで、品質なる用語は、次のパラメーター、即ち機械的および光学的性質、十分に結晶化されているか否か、包有物のような欠陥およびクラック（大部分、表面に存在する）、形状、合成のものであるか、天然のものであるかどうか等々と共に変化する何らかの性質と理解されるものである。
【００８８】
本発明による材料は、その材料の組成を変えるために、より低品質で、より低価格のダイヤモンドと品質の良好なダイヤモンドとの組み合わせを使用することによって製造することができる。ある種の低品質ダイヤモンドは品質のより良好なダイヤモンドより速く黒鉛化され、それによって一層大量の黒鉛が得られ、またそれによって次の浸透工程でより大量の炭化ケイ素が生成せしめられる。さらに、黒鉛化はより低い表面品質を持つダイヤモンドの表面を改善する。
【００８９】
大きなダイヤモンドの結合変化
本発明の方法は、その複合材料砥粒の性能を各分野毎に最適化することによって、その材料を色々な適用分野に合うように調製することが可能である。本発明複合材料の優れた硬さのために、作業努力の主要部分に使用される本発明の複合材料ではダイヤモンドがその成分となり、従って上記の調整はダイヤモンドのパラメーター、即ちそのタイプ、粒径および濃度を変えることによって行われることになろう。
【００９０】
ダイヤモンド粒子には、シャープなカット縁（cutting edge）を持つ、十分に結晶化された塊状の単結晶から、異なるダイヤモンド層が互いに重なり合っている、例えばタマネギ形状の、各層がそれぞれカット縁を有しているそのようなダイヤモンド層からなるタイプまでの、幾つかのタイプのダイヤモンド粒子が存在する。後者のタイプは砕けやすいものと称されるときもある。これら２つのタイプは有意に異なった性質を有し、そしてこれら両極のタイプ間には非常に多様なタイプのダイヤモンドが存在する。
【００９１】
他の材料に、例えばそれらが研削砥石に使用されるとき、選択されるダイヤモンドのタイプは研削砥石の性質に大きな影響を及ぼすことが知られている。これらの性質を適正なやり方で調整するには、しかし、ダイヤモンドの結合力を使用されるダイヤモンドのタイプに合わせて調整することが必要である。公知の研削砥石用材料では、最適性能に必要とされるその結合のそのような精密な調整は達成困難である。主として３つの異なるタイプの結合、即ち樹脂結合、金属結合およびガラス結合が研削砥石に利用される。
【００９２】
本発明による方法によれば、大きいダイヤモンド（＞２０μｍ）の結合および結合用マトリックス（ここでは、小さいダイヤモンド、炭化ケイ素およびケイ素より成る）の性質を調整できる十分な可能性がある。マトリックスの適切な硬さは、粒径＜２０μｍの小さいダイヤモンド（２０〜７０容積％）、炭化ケイ素（０．１〜７５容積％）およびケイ素（１〜４０容積％）の濃度を変え、それによって、また、マトリックスの耐摩耗性と、上記の大きいダイヤモンド粒子の引き続く結合を変えることによって選ぶことができる。
【００９３】
マトリックスの組成を変えることによって、マトリックスの硬度を約２０〜６３ＧＰａの範囲内で選ぶことが可能になる。ここで、ダイヤモンドの硬度は約１００ＧＰａであり、炭化ケイ素のそれは約２５ＧＰａであり、そしてケイ素のそれは１０ＧＰａよりはるかに小さい。この種の調整によって、本発明の改善された材料の性能は色々な用途に最適なものとされる。
【００９４】
比較的弱い結合を必要とするタイプのダイヤモンドには２０〜３０ＧＰａのマトリックス硬度が、強い結合を必要とするタイプのダイヤモンドには５０〜６３ＧＰａのマトリックス硬度が、また中間の結合強さを必要とするタイプのダイヤモンドまたはその混合物には３０〜５０ＧＰａのマトリックス硬度がそれぞれ好ましい。
【００９５】
炭化ケイ素および／またはケイ素の量変化
炭化ケイ素とケイ素とのマトリックスはダイヤモンド粒子に堅く結合されて、本発明による材料の卓越した性質を提供する。さらに、炭化ケイ素の含有量は本発明材料の性質に重要で、例えばその硬度とダイヤモンドの結合に影響を及ぼす。ケイ素の量もそれらの性質に影響を及ぼす―ケイ素含有量が増加すると、材料の硬度と耐摩耗性が低下する。この組成によって影響される他の性質は、例えば熱伝導率や電導率等々であって、熱伝導率はダイヤモンド含有量と共に増大し、また電導率はケイ素含有量と共に増大する。
【００９６】
粉砕による砥粒の製造に使用されるダイヤモンド含有複合材料は、２０〜７０容積％のダイヤモンド粒子、０．１〜７５容積％の炭化ケイ素および１〜４０容積％のケイ素を含んで成り、しかも本発明の独特の製造法に起因して均一な構造を有している。実際には、１容積％未満のケイ素含有量および０．１容積％未満の炭化ケイ素含有量を持つこのタイプの複合材料は製造されない。炭化ケイ素の含有量が７５容積％より大になると、ダイヤモンド含有量が低くなるため、その砥粒の研磨性が低下する。ケイ素含有量が４０容積％より大になると、砥粒の強さが小さくなる。
【００９７】
従って、ダイヤモンドと炭化ケイ素とケイ素との間で、組成に関してバランスがよく取れていることが望まれる。この組成バランスは複合材料に予定される特定の用途に依存する。この組成を変えることによって、性質を制御することが可能であり、それによってそれらを特定の用途に合わせることが可能になる。最終物体中のケイ素と炭化ケイ素の含有量を変える方法は、非ダイヤモンド炭素の量を有効気孔率に関して変えることである。これは、熱処理条件を変え、形成される黒鉛および添加されるパイロカーボンを異なる量で与えること、バインダー残留分から残る色々な量の非ダイヤモンド炭素、ダイヤモンドの粒径／気孔の大きさの変化等々によって行われる。
【００９８】
ダイヤモンド粒子、炭化ケイ素およびケイ素をある一定の含有量で含む最終物体を粉砕した後、得られる個々の砥粒は、典型的には、その最終物体と同じ含有量のダイヤモンド、炭化ケイ素およびケイ素は有してはいない。しかし、この砥粒の平均値としての含有量、即ち任意の適切な量のそのような砥粒中におけるダイヤモンド、炭化ケイ素およびケイ素の含有量は、最終物体中の含有量に相当する。
【００９９】
本発明による方法と材料による利点
本発明の大きな利点の１つは、加工物に所望とされるダイヤモンドの黒鉛化を達成して、所望とされる強さと物理的および機械的性質とを有する、多結晶性砥粒物体を製造するための最適条件を得るために、プロセスパラメーターを変えることができるということである。
【０１００】
黒鉛化、そして可能なパイロカーボンの沈着を利用する本発明で提案される方法は、炭素被覆または非被覆ダイヤモンドを、ダイヤモンド−炭化ケイ素−ケイ素複合材料を製造するために炭素質材料と混合する方法と比較して、次の幾つかの利点を有する：
【０１０１】
１）黒鉛は、ダイヤモンドの黒鉛化中は全ダイヤモンド粒子の表面に直接、また可能なパイロカーボンの沈着中は黒鉛化されたダイヤモンドの上に直接形成される。従って、炭素はその表面としっかり接触している。しかして、粒子間の極めて重要な小さい気孔は、続いて行われる中間物のケイ素による浸透処理に対してフリーな状態を維持している。炭素質材料とダイヤモンド粒子とを混合する既知の方法を用いるときは、ダイヤモンド間にカーボンブラックまたは炭素繊維等々のより小さい粒子が入る。これらの小さい粒子は狭くなった気孔の中で凝集し、かくして気孔の大きさをさらに小さくし、これがケイ素の浸透にマイナスの影響を及ぼす可能性がある。
【０１０２】
２）最終材料の性質には炭素の分布が重要である。その炭素の層はダイヤモンドの黒鉛への変換によって、また可能なパイロカーボンの物体に対する沈着によってダイヤモンド表面と密に接触した状態になっている。この密な接触が、ダイヤモンド粒子の表面に炭化ケイ素を直接形成するのを保証し、かくして高接着性のダイヤモンド−マトリックス界面を形成する；即ちダイヤモンドは炭化ケイ素−ケイ素マトリックスに堅く結合される。大小両ダイヤモンドのこの高接着性に起因して諸性質が改善される。それらダイヤモンドは、色々な用途で使用されている間にマトリックスからそう簡単には欠け落ちない。この材料は極めて耐摩耗性である。非常に強い結合を必要とする操作で使用するとき、本発明の方法では、大きいダイヤモンド粒子が完全に利用されるが、一方旧来の（金属結合または有機結合を持つ）研磨材ではそれらのダイヤモンドは、マトリックスから脱落する前に、約５０容積％まで使用されるに過ぎない。
【０１０３】
３）あり得るバインダーの熱処理、および黒鉛化は、（パイロカーボンの沈着が用いられないときは）ケイ素浸透用の装置と同じ装置を用いて行うことができる。かくして、これらのプロセス工程は同一の炉の中で段階的に実現可能であり、その結果最終材料を製造するための総時間が短くなる。
【０１０４】
４）ダイヤモンドの黒鉛化はダイヤモンド粒子の表面でスタートし、徐々にダイヤモンド粒子の深部へと生長していく。この黒鉛化でダイヤモンド表面の欠陥層が変換されて、ダイヤモンド粒子の性質が改善され、その結果として複合材料全体が、例えば熱安定性に関して改善される。このことが、比較的低コストのダイヤモンドの使用を可能にする。
【０１０５】
５）本発明においては、沈着パイロカーボンを有し、または有しないダイヤモンドを黒鉛化することにより、炭素源としての炭素質材料中で物理的に混合することに係わる色々な問題が回避される。これらの問題に、炭素の不均一な分布、ケイ素との不完全な反応、気孔の閉塞、並びに混合材料の大きさ、形状および密度が異なることに因る不均質性がある。
【０１０６】
６）黒鉛化が、当該物体の全容積中で迅速かつ適正な炭素の形成を実現できるようにする。この炭素の形成はダイヤモンドの表面から出発して直線的に拡大していく。比較的少量のダイヤモンドしか変換されない。かくして、非常に厚く、かつ大きい物体を製造する場合、この黒鉛化は、その物体のより深部であっても、後続浸透用の気孔を閉塞する危険なしに炭素を形成させるその能力のために、有利である。
【０１０７】
７）以前から知られている方法を用いることによる場合、炭素質材料と混合された炭素被覆または非被覆ダイヤモンドの未加工物の形成は、仮の金型またはバインダーの蒸発／分解用およびケイ素浸透用のものと同じ金型の中で行われる。この形成には、特に大きいダイヤモンドを使用するときには、比較的大量のバインダーが必要とされるだろう。未加工物を炉に入れるとき、各未加工物にそれぞれ金型が必要になることで生産効率が落ちる。金型の消耗が大きく、熱処理プロセスにおける著しい摩耗のために金型の寿命が短縮される。金型から複合材料を離型することに関する問題も存在するだろう。普通は黒鉛製の金型が用いられるが、液状ケイ素の浸透工程中に一部のケイ素が黒鉛と反応し、それによって金型からの物体の離型問題が引き起こされるのである。本発明による方法では、熱処理工程およびケイ素の浸透工程での高価な金型の使用が回避され、そして金型の使用に制限されないことによって、コスト上の利点がもたらされる。
【０１０８】
８）本発明による方法は、非常に多数の大きい物体を１つのバッチで製造することができるという事実と、炭素を生成させる、即ちダイヤモンドを黒鉛化する主たる方法がパイロカーボン法より迅速な方法であり、しかも気体を使用しないという事実に起因して、著しいコスト上の利点を与える。パイロカーボンを加えない場合、この方法は、ダイヤモンドの黒鉛化がケイ素の浸透前の昇温中に行われる「一工程法」である。金型は、場合によって成形のために用いられる外は、これを使用する必要がない。比較的低価格のダイヤモンドが使用できる。
【０１０９】
９）本発明の方法は、より広範な技術用途がある、本発明によらなければ高価かつ希少な、粒径の大きいダイヤモンド含有砥粒の製造を可能にする。
【０１１０】
１０）本発明のこれら砥粒の製造法を用いることによって、比較的安価であり、また経済的に使用できる期間が非常に短い、非常に細かいタイプのダイヤモンドに、新しい、ぴったり合った用途を見いだすことが可能になる。
【０１１１】
本発明による砥粒は、次の幾つかの利点を持っている：
本発明の方法の多角性は独特なものである。そのプロセスパラメーターは可変であって、所望とされる性質を製造される材料に与えることができる。この方法により、良好な耐摩耗性を有し、そして研磨、研削、その他の機械的除去操作について改善された性能を持つ材料を製造することが可能になる。
【０１１２】
本発明の１つの特長は、その提案された材料が、色々な卓越した性質を同時に併せ持ち、かつ対応するそのような性質を、予定される多種多様な用途にベストに適合させ得る可能性をその特徴とするということである。
【０１１３】
制御可能な性質は、次の：
１．低密度と合わせて、高ヤング率かつ十分な強さ；
２．ダイヤモンドの高硬度と高結合強さが、卓越した耐摩擦性と耐侵食摩耗性をもたらす；
【０１１４】
３．より大きいダイヤモンドのタイプによるマトリックスの硬度と結合強さの調整；
４．ダイヤモンド含有量に依存するが、高熱伝導率、低熱膨張率；
５．１５００〜１６００℃までの温度に曝露した後の機械的性質の保持
である。
【０１１５】
大小のダイヤモンド粒子を一緒に混合するとき、次の２つのことが材料の性質に影響を及ぼす：即ち、ダイヤモンド粒子とマトリックスとの間の接着性が高いこと、および小さいダイヤモンドがマトリックス中に分布していることに起因して、そのマトリックスの耐摩耗性が高いこと。マトリックスに対するその結合が不十分であるか、またはマトリックスの耐摩耗性が低い場合は、大きいダイヤモンド粒子はその材料から脱落する。小さいダイヤモンド粒子はマトリックスを強化して、そのマトリックスに高耐摩耗性と増加した剛性、強さおよび熱伝導性を与える。このことは全て当該材料の研磨性（摩耗性、切削性、その他の機械的な材料除去性）を有意に改善する；即ち、増加した熱伝導性はダイヤモンド複合材料からなる砥粒の作用領域の温度を低下させる。
【０１１６】
方法の実現と砥粒の性質についての実施例
次の異なるタイプのダイヤモンドが試料の調製に用いられ、それら試料が試験される砥粒の製造に用いられた、：全てウクライナ共和国（Ukraine）、キエフ市（Kiev）のスーパーハード・マテリアルズ・インステチュート（Superhard Materials Institute）から入手できる、ＡＣＭ５／３合成ダイヤモンド粒子（粒径範囲３−５μｍ）、ＡＣＭ１０／７合成ダイヤモンド粒子（粒径範囲７−１０μｍ）、ＡＣＭ１４／１０合成ダイヤモンド粒子（粒径範囲１０−１４μｍ）、ＡＣＭ２８／２０合成ダイヤモンド粒子（粒径範囲２０−２８μｍ）、ＡＣＭ４０合成ダイヤモンド粒子（４０μｍ未満の粒径を有する）およびＡＣＭ６３／５０合成ダイヤモンド粒子（粒径範囲５０−６３μｍ）。
【０１１７】
実施例１
ＡＣＭ１０／７タイプのダイヤモンド粉末から円柱状試料（φ＝２０ｍｍ、ｈ＝３ｍｍ）を造った。即ち、そのダイヤモンド粉末とバインダーであるフェノール／ホルムアルデヒド樹脂の２５％アルコール溶液から混合物を調製する。乾燥樹脂の量はダイヤモンド粉末の質量の２重量％である。この混合物を完全に攪拌し、それをメッシュサイズ２００μｍの篩に通す。これら試料を、金属製金型を用いて室温で４５ｋＮの力によりプレス成形することにより形成する。それら未加工物を金型から取り出し、室温に空気中で１０時間保持し、次いで７０℃で１時間乾燥し、そして１５０℃で１時間硬化させる。
【０１１８】
製造された加工物はダイヤモンドを９８重量％含み、５１容積％の気孔率を有する。これら加工物の熱処理を真空中（圧力０．１ｍｍＨｇ）で１５５０℃において３分間行う。この熱処理でその中間物のダイヤモンド含有量が１５重量％分、減少する。これら中間物の浸透処理を、その表面上でケイ素を１５５０℃において溶融させることにより行う。
【０１１９】
製造された結晶性物体はダイヤモンドを４１容積％、炭化ケイ素を４４容積％およびケイ素を１５容積％含み、そして５７０ＧＰａのヤング率を有する。
【０１２０】
上記試料の第一の粗砕を油圧プレスで１．５ＭＮの力を用いて行った。この粗砕に続いて、スプラインクラッシャーで選択的粉砕を行った。第一の粗砕後に、２５００μｍより大きい砥粒が篩い分けられた。第二の粉砕後に、２０００μｍより大きい砥粒が篩い分けられた。この粉砕に続いて、篩い分け分級の工程を行った。これは標準的な篩セットを用いて行われる。
【０１２１】
それら砥粒の一部は旋回式オーバライザーで卵形体に成形、丸くされた。強磁性粒子とそれら粉砕砥粒との混合物を磁場により回転数３０００ｒｐｍで回転させる。次いで、最後の篩い分けを行う。
【０１２２】
卵形化および非卵形化砥粒の静的および動的強さを測定し（表１を参照されたい）、またそれら砥粒の温度安定性、即ち温度１２００℃における２０分間の、アルゴン媒体中での処理後の強さを測定した（表２〜３を参照されたい）。
【０１２３】
粒径１２５／１００μｍの砥粒を用いて、次の方法により研磨用ペーストを造った：次の成分−ステアリン（stearine）２１ｇ、ワックス０．４ｇ、ワセリン３２．６ｇおよびオレイン酸５ｇ−を特製容器に入れた。その容器を水浴中でその混合物が完全に溶融、攪拌されるまで加熱することにより、それら成分を６０〜７６℃に加熱した。上記砥粒の４０ｇをオレイン酸１０ｇ中で濡らし、そして４０〜５０℃まで昇温しながら攪拌した。最後に、これら２つの混合物を一緒に混合し、攪拌した。
【０１２４】
製造されたペーストをその研磨能により試験した（表１を参照されたい）。
【０１２５】
実施例２
ＡＣＭ−４０タイプのダイヤモンド粉末（粒径１〜４０μｍのダイヤモンドの均一な混合物）から、実施例１におけるようにして円柱状試料を造った。製造された試料はダイヤモンドを４３容積％、炭化ケイ素を３９容積％およびケイ素を１８容積％含み、そしてその材料のヤング率は５６０ＧＰａである。
【０１２６】
実施例１と同じ方法に従って卵形化および非卵形化砥粒を、さらには研磨用ペーストを造った。これらの砥粒とペーストを実施例１におけるように試験した。試験結果を表１〜３に示す。
【０１２７】
【表１】
0003902404.tif 000005
【０１２８】
注：（Ｏ）は卵形化粉末を表す。
【０１２９】
表１は、製造された砥粒が高い値の静的および動的な両強さを与えることを示している。これらの砥粒は動的影響に対する高抵抗性によって特徴付けられる。動的強さは砥粒の粒径が大きくなると共に増加する。
【０１３０】
５００／４００群の卵形化砥粒の静的強さは、タイプＡＣ６５の高品質合成ダイヤモンドのそれに相当し、またその動的強さは、ＦＳＵの最良のダイヤモンドである、GOST要件Ｎｏ．９２０６−８０によるタイプＡＣ１６０のダイヤモンドの動的強さより大きい。（GOST要件：ＡＣ６５の静的強さは１０３Ｎである。ＡＣ１６０の動的強さは５０である。）
【０１３１】
砥粒を含んで成るペーストの研磨能（ダイヤモンド含有ペースト０．１ｇにより研削される超硬合金の質量として測定される）は、砥粒中のダイヤモンド含有量が５０容積％未満であるにも係わらず、GOST要件Ｎｏ．２５５９９３−８３（GOST要件は１６０ｍｇである）が合成ダイヤモンドに課した要件に従う。
【０１３２】
【表２】
0003902404.tif 000006
【０１３３】
【表３】
0003902404.tif 000007
【０１３４】
表２および３は、砥粒の静的および動的強さは、不活性媒体中での１２００℃における２０分間の熱処理後も、実際上変化しないことを示している。その熱安定性は天然ダイヤモンドのそれに相当する。同じ試験条件下での合成ダイヤモンドの強さは２．５から５．０以上の範囲の倍率で低下する：キエフ市、１９８７年刊行の「ダイヤモンドの物理的性質：ハンドブック（Physical properties of diamond: Handbook）」、第６７頁を参照されたい。
【０１３５】
実施例３
タイプ１２Ａ２−４５1の、研磨材１００％を常用の濃度で含む、即ち砥粒が砥石中で２５容積％を占める２個のボウル面（bowl face）研削砥石（寸法１２５×１０×３２）を、実施例２で製造された砥粒に基づいて製造した。これら砥石の製造には、粒径範囲１６０／１２５μｍの砥粒と有機ボンドＢ２−０１（ウクライナ共和国、キエフ市のスーパーハード・マテリアルズ・インスティチュート社）が用いられた。
【０１３６】
これら砥石を焼結合金Ｔ１５Ｋ６（ＷＣ：７９％、ＴｉＣ：１５％、Ｃｏ：６％）（超硬合金）および鋼Ｐ１８（Ｃ：０．７−０．８％、Ｗ：１７−１８％、Ｍｏ：０．５−１．０％、Ｃｒ：３．８−４．４％、Ｖ：１−１．４％）の研削について試験した。試験結果を表４に示す。
【０１３７】
試験条件：Ｖ＝２０ｍ／秒（回転速度）、スレングスワイズ（Slengthwise）＝２．０ｍｍ／分（長さ方向供給速度）、
【外１】
0003902404.tif 000008
（二重実験のための横断方向供給量）。
【０１３８】
【表４】
0003902404.tif 000009
【０１３９】
実施例からの結論
１．ダイヤモンド−炭化ケイ素−ケイ素材料から製造された砥粒は、静的および動的な両強さについて卓越した値を有し、このことがそれら砥粒を高品質ダイヤモンドに匹敵するものにしている。
【０１４０】
２．製造されたこれらの砥粒は、１２００℃での熱処理後もそれらの強さを保持している。これらの性質は天然ダイヤモンドの性質に劣らず、また合成ダイヤモンドに比べると２〜５倍大きい。
【０１４１】
３．製造されたこれらのダイヤモンド砥粒は合成ダイヤモンド粒子と同等の高い研磨能を有している。製造されたこれら砥粒におけるダイヤモンド粒子の含有量が約５０容積％、即ち同じ研磨能を達成するのにより少ないダイヤモンドが必要とされ、従ってダイヤモンドの節約になることに留意されたい。
【０１４２】
４．これらの砥粒は、ダイヤモンド砥石、ダイヤモンドペースト等々のような色々なタイプのダイヤモンド工具の製造に用いることができる。この場合、製造方法と製造装置は、合成ダイヤモンドから諸製品を製造するのに用いられる方法および装置と同じである。
【０１４３】
５．試験結果は、これら砥粒から造られたダイヤモンド工具は、焼結合金、その他同様の材料を機械加工するのに適用することができるだけでなく、鉄系合金の機械加工にも適用することができることを示した。これによって、製造されたそれら砥粒を使用すると、さらに広い適用分野を持つ組み合わせ工具を製造することが可能になる。
【０１４４】
方法の明細
本願で特許請求される材料の性質は次の方法で定められた。
【０１４５】
１．研削砥粒の静的圧縮強さは、ある一定量の砥粒を破壊させる破壊荷重を連続測定することにより求められる：
【０１４６】
砥粒を２枚の平行なコランダムのプレート間に入れ、単軸圧縮にその力を滑らかに増加させて付す。研削砥粒の静的強さは、５０グラムの砥粒を連続して粉砕することによって測定された。その破壊荷重を次のようにして計算した：
【数４】
0003902404.tif 000010
【０１４７】
ただし、上記の式において、
【外２】
0003902404.tif 000011
より大きい荷重下で破壊された砥粒の量であり、
【外３】
0003902404.tif 000012
の中間強さ（medium strength）である。
【０１４８】
２．研削砥粒の耐熱性（耐熱性係数Ｋt）は、次の比：
【数５】
0003902404.tif 000013
【０１４９】
で定められる。ただし、上記の式において、
Ｐ1−粉末の熱処理前の静的圧縮強さであり、
Ｐ2−粉末の熱処理後の静的圧縮強さである。
【０１５０】
上記の熱処理は、不活性ガス（アルゴン）媒体中で１２００℃において２０分間行われる。
【０１５１】
３．動的強さはフリテスター（Fritester）タイプのディバイスを用いて測定される。粉末試料（砥粒）を円筒状の鋼製容器に入れる。その容器には、容器の軸に沿って自由に運動する鋼製ボールが入っている。この容器を、その軸に沿って振動往復運動を与える機械に取り付ける。荷重サイクルの量を記録する。粉末の強さ（フリテスターによる指数）は、初期プローブ（initial probe）の砥粒の５０重量％を破壊するのに必要な荷重サイクルの量により定められる。動的強さは、２±０．２カラットの３つの試料について試験した後、算術平均として計算される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明の方法によって製造されたダイヤモンド含有砥粒の模式的構造を示すものであって、図中の《１》はダイヤモンドであり、《２》は炭化ケイ素であり、そして《３》はケイ素である。
【図２】  図２は、本発明による方法の好ましい工程を、フローチャートで示すものである。
【図３】  図３は、１つの特定温度における黒鉛化度対黒鉛化時間を示すものである。
【図４ａ】  図４ａは、最終物体中で、φSi≧０の条件を満足する異なる初期気孔率ε0において、物体内に挿入された炭素（αおよびγ）の量間の関係を示すものである。
【図４ｂ】  図４ｂは、加工物の初期気孔率をそれぞれε0＝０．３およびε0＝０．５として、最終物体の組成とその物体中のダイヤモンドの黒鉛化度との間の関係を示すものである。
【図４ｃ】  図４ｃは、加工物の初期気孔率をそれぞれε0＝０．３およびε0＝０．５として、最終物体の組成とその物体中のダイヤモンドの黒鉛化度との間の関係を示すものである。
【図５ａ】  図５ａは、加工物のＸ−線回折分析の結果を示すものである。
【図５ｂ】  図５ｂは、中間物のＸ−線回折分析の結果を示すものである。
【図５ｃ】  図５ｃは、最終物体のＸ−線回折分析の結果を示すものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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