(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィッシャー  エス  エス  エス（Fisher SSS）により測定された１０μｍより小さい平均粒径、およびスタンダード  アイ  エス  オー（standard ISO）４４９１−２：１９８９に従って測定された２％より低い、水素における還元による体積損失を有し、そして重量％で、４０％までのコバルト、５０％までのニッケル、５ないし８０％の鉄および５ないし８０％の銅を含み、上記粉末中の他の成分は不可避不純物であり、そしてコバルト、ニッケル、鉄、銅および不可避不純物の合計は１００％である、予備合金化された粉末。
【請求項２】
上記粉末が５μｍより小さい平均粒径を有することを特徴とする請求項１記載の予備合金化された粉末。
【請求項３】
上記粉末が少なくとも１０％の銅を含むことを特徴とする請求項１または２記載の予備合金化された粉末。
【請求項４】
上記粉末が少なくとも１０％の鉄を含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の予備合金化された粉末。
【請求項５】
上記粉末が３０％までのコバルトを含むことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の予備合金化された粉末。
【請求項６】
上記粉末が３０％までのニッケルを含むことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一つに記載の予備合金化された粉末。
【請求項７】
熱焼結によるダイヤモンド工具の製造における結合剤としての、請求項１記載の予備合金化された粉末。
【発明の詳細な説明】
本発明は、熱焼結によるダイヤモンド工具の製造において結合剤として予備合金化された粉末を使用することに関する。
圧力の適用を伴う、または伴わない、ダイヤモンドおよび結合剤材料の均一な混合物の熱焼結によるダイヤモンド工具の製造において、結合剤層、すなわち微細コバルト粉末（フィッシャー  サブ  シーブ  サイザー(Fisher Sub Sieve Sizer)（以下フィッシャー  エス  エス  エス(Fisher SSS)と称する）により測定された直径は１以下ないし約６μｍである。）、もしくは微細粉末の混合物、例えば微細コバルト、ニッケルおよび鉄粉末の混合物、または予備合金化された粗粉末、例えば溶解金属の原子化により得られる鋼鉄粉末の焼結操作後に上記工具のマトリックスを形成する物質が使用される。
微細コバルト粉末を使用した場合、技術的な視点からは非常に良好な結果が得られるが、コバルト粉末の高い値段変動が主な欠点を生じさせる。
微細粉末の混合物を使用した場合、強度、硬度および耐磨耗性が比較的低いマトリックスが得られる。
予備合金化された粗粉末（１０ないし５０μｍ）を使用した場合、１０００ないし１３００℃の範囲の高い焼結温度を必要とするが、この温度ではダイヤモンドの激しい分解が起こり、弱いダイヤモンド結晶体を生じさせ、そしてマトリックス中の低いダイヤモンド保持性をもたらしてしまう。
本発明の目的は、二種の合金元素として銅および鉄を含み、コバルトに殆ど、または全く依存しない微細な予備合金化粉末を提供することにあり、それを結合剤として熱焼結によるダイヤモンド工具の製造に使用することにより、前述の欠点は回避される。
この目的のために、本発明に従って使用される新規の予備合金化された粉末は、フィッシャー  エス  エス  エス  により測定された１０μｍより小さい平均粒径、およびスタンダード  アイ  エス  オー（standard ISO）４４９１−２：１９８９に従って測定された２％より低い、水素における還元による体積損失を有する。上記粉末は、重量％で、４０％までのコバルト、５０％までのニッケル、５ないし８０％の鉄および５ないし８０％の銅を含み、粉末中の他の成分は不可避不純物からなり、そしてコバルト、ニッケル、鉄、銅および不可避不純物の合計は１００％である。そのような粉末は穏和な温度、例えば６００ないし１０００℃で焼結され、該粉末の組成を変化させることによりダイヤモンド工具使用者に特有の要望に適応できる高い硬度および良好な弾性を得ることができることが発見された。
粒径に関しては、粉末が穏和な温度で焼結されるように、フィッシャー  エス  エス  エス  により測定された場合、１０μｍより小さいことが必要であり、５μｍより小さいことが有利である。
２％より低い、水素における還元による体積損失は、十分低い酸素含有量に相当し；酸素含有量がより高い場合は焼結操作の間にダイヤモンドが分解してしまう。
上述されたコバルト、ニッケル、鉄および銅含有量は、適当な硬度および弾性を有する焼結マトリックスを得るために、すなわち焼結された微細コバルト粉末により提供された硬度および弾性のために必要である。特に、予備合金化された粉末中に銅を取り入れることにより、銅を省いた場合よりも砕けにくいマトリックスが得られることが発見された。好ましくは、３０％までのコバルト含有量、３０％までのニッケル含有量、少なくとも１０％の鉄含有量、そして少なくとも１０％の銅含有量である。
本発明の粉末は、合金成分（“合金成分”とは合金中に存在する全ての金属元素を示す。）のヒドロキシド、オキシド、カルボネート、塩基性カルボネート（ヒドロキシドおよびカルボネートの混合物）、有機塩またはこれら化合物の二もしくはそれ以上の混合物を減圧下で加熱することにより製造され得る。
ヒドロキシド、カルボネート、塩基性カルボネートおよび有機塩は、合金成分の水溶液を、それぞれ、塩基、カルボネート、塩基およびカルボネートならびにカルボン酸の水溶液に添加し、そのようにして得られた沈澱物を水層から分離し、そして沈澱物を乾燥することにより製造され得る。
合金成分の水溶液はクロライド溶液、スルフェート溶液、ニトレート溶液またはこれらの塩の混合溶液であってよい。
実施例１
この実施例は、混合ヒドロキシドの沈澱およびそれに続く該ヒドロキシドの還元による本発明の粉末の製造に関する。
ＮａＯＨ  ４５ｇ／ｌを含む水酸化ナトリウム水溶液  ４４０ｌに、コバルト  １０．５ｇ／ｌ，鉄  ７３．５ｇ／ｌおよび銅  ２１ｇ／ｌを含む混合クロリド−スルフェート溶液  １１０ｌを８０℃で、攪拌しながら添加する。実質的にこれらの金属元素の全ては、混合ヒドロキシドの形状で沈澱する。この沈澱物をろ過により分離し、水で洗浄し、そして乾燥する。乾燥した沈澱物はコバルト６．６％、鉄４６．３％および銅１３％を含む。
沈澱物を炉の中６００℃で、水素気流中、７．５時間還元する。この方法により、コバルト１０％、鉄６９．９％および銅１９．６％および酸素０．４％を含む粉末状金属製品（粉末ｎo１）が得られる。上記粉末粒子はフィッシャー  エス  エス  エスにより測定された平均直径４．２μｍを有する。ＤＩＮ  ６６１３２に従ってＢＥＴ法により測定された比表面は０．４３ｍ2／ｇである。
実施例２
この実施例は、混合ヒドロキシドの沈澱およびそれに続く該ヒドロキシドの還元による本発明の粉末の製造に関する。
ＮａＯＨ  ４５ｇ／ｌを含む水酸化ナトリウム水溶液  ４１０ｌに、コバルト  ２６．９ｇ／ｌ，ニッケル  ８．３ｇ／ｌ，鉄  １４ｇ／ｌおよび銅  ５３．５ｇ／ｌを含む混合クロリド−スルフェート溶液  １１４ｌを８０℃で、攪拌しながら添加する。実質的にこれらの金属元素の全ては、混合ヒドロキシドの形状で沈澱する。この沈澱物をろ過により分離し、水で洗浄し、そして乾燥する。乾燥した沈澱物はコバルト１５．４％、ニッケル４．８％，鉄８％および銅３０．７％を含む。
沈澱物を炉の中６００℃で、水素気流中、７．５時間還元する。この方法により、コバルト２６．１％、ニッケル８．１％，鉄１３．５％および銅５１．８％および酸素０．３％を含む粉末状金属製品（粉末ｎo２）が得られる。上記粉末粒子はフィッシャー  サブ  シーブ  サイザーにより測定された平均直径２．９μｍを有する。ＢＥＴ法により測定された比表面は０．７１ｍ2／ｇである。
実施例３
この実施例は、実施例１および２の粉末の焼結性を比較する一連の試験に関する。
３分間、６５０，７５０，８５０および９５０℃の温度で、グラファイト型中、３５Ｍｐａの圧力下で圧縮することにより、直径２０ｍｍのディスク状コンパクトを焼結した。焼結片の密度およびビッカース硬度を測定した。測定結果を以下の表１に示す。
0004174689.tif 000002
この結果は、圧力下での焼結により合金の理論密度に近い密度（理論密度の９７ないし９８％）を得ることが可能であること、および焼結されたコンパクトはダイヤモンド工具の製造に適応する範囲に位置する硬度を有することを示唆している。
実施例４
この実施例では、実施例と同じ条件で棒状コンパクトを焼結した。焼結された棒状試料の密度および弾性（ノッチなしシャルピー試験）を以下の表２に示す。
0004174689.tif 000003
ダイヤモンド工具の製造に一般的な粉末であると考えられるユニオン  ミニーレ
0004174689.tif 000004
製の特級微細コバルト粉末(Extra Fine Cobalt powder)を、上記の予備合金化された粉末と同じ条件で焼結した。特級微細コバルト粉末は、フィッシャー  エス  エス  エスにより測定された１．２ないし１．５μｍの平均直径を有する。酸素含有量は０．３および０．５％の間である。コバルト含有量は少なくとも９９．８５％であり、他の成分は酸素を除いて、不可避不純物からなる。ノッチのない棒状試料における弾性値を表３に示す。
0004174689.tif 000005
フィッシャー  エス  エス  エスにより測定された平均直径４ないし５．５μｍを有する、ユニオン  ミニーレ製の粗粉末、コバルトメッシュ粉末(Cobalt Mesh powder)を使用した場合、これはあまり厳しくない切断条件において使用される切断工具における結合剤であり、その弾性値を表４に示す。
0004174689.tif 000006
本発明の粉末により得られた弾性値は、ユニオン  ミニーレ製の微細および粗コバルト粉末のものの間に位置する。
実施例５
この実施例では、焼結されたコンパクトの性質に及ぼす銅の影響について示す。実施例１および２に記載された製造方法に従って製造され、コバルト、ニッケルおよび鉄含有量の比率が同じである予備合金化された粉末３種を、熱圧縮により３分間、３５Ｍｐａの圧力で、６５０および９５０℃の間の温度で焼結した。
３種の粉末の重量％による組成は以下の通りである。
・粉末ｎo３は、コバルト１０％、ニッケル２０％および鉄７０％を含み；
・粉末ｎo４は、コバルト８％、ニッケル１６％、鉄５６％および銅２０％を含み；
・粉末ｎo５は、コバルト６％、ニッケル１２％、鉄４２％および銅４０％を含む。
0004174689.tif 000007
合金ｎO１およびｎO３は同様のコバルトおよび鉄含有量を有するが、その他の成分として合金ｎO１には銅が、そして合金ｎO３にはニッケルが含まれている。銅を含まない焼結合金ｎO３の硬度は、銅を含む合金ｎO１のものと比べて非常に高い。この硬度はダイヤモンド工具での用途には高すぎるものであり、また非常に砕けやすい。
同じ温度で焼結した場合、硬質の合金ｎO３に銅を添加することにより焼結されたコンパクトの密度は高くなるが、より多くの銅の添加により硬度は低下する。このように、合金粉末中に、ある量の銅を取り入れることにより硬度を制御することができる。また、これにより得られたコンパクトは、砕けにくいものとなる。
実施例６
この実施例では、焼結に元素金属粉末の混合物を使用する代わりに予備合金化された粉末を使用することの利点を示す。本発明に従って予備合金化された粉末から製造された焼結コンパクトの性質と比較するために、機械的に混合された微細な元素金属粉末から製造された焼結コンパクトの性質を示す。上述の実施例の予備合金化された粉末１ないし５と同じ化学的組成が得られるように、粉末混合物６ないし１０はコバルト、ニッケル、鉄および銅の元素粉末から構成され、そしてターブラ混合機(Turbula mixer)中で均一に混合される。レーザー回折（シンパテック法(Sympatec method)により測定された上記混合物の平均直径，ｄ50は、５．３および７．５μｍの間である。前述された予備合金化された粉末と同じ条件で上記混合物を圧力下で熱により焼結し、ノッチのない棒状とする。表６に結果を示す。
0004174689.tif 000008
この結果は、焼結された粉末混合物からは、同じ全組成を有する予備合金化された粉末の硬度と比較して低い硬度を有する金属コンパクトが生じることを示唆している。また、焼結された粉末混合物の弾性も乏しいと予想される。