(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンド粒子間を鉄族金属にて結合したダイヤモンド焼結体からなる中実で平均直径Ｄ１が２〜２００μｍの長尺状の芯材の外周を、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の群から選ばれる少なくとも１種以上の金属元素（Ｍ）の炭化物、窒化物および炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種以上の硬質粒子を鉄族金属にて結合した焼結合金からなる表皮部材にて被覆してなる複合構造体を複数本収束したマルチフィラメント構造の多芯複合構造体であって、前記芯材の平均直径Ｄ１と前記表皮部材の平均厚みＤ２との比Ｄ２／Ｄ１が０．０１〜０．５であり、前記芯材中の鉄族金属の含有比率が前記表皮部材中の鉄族金属の含有比率よりも多いことを特徴とする多芯複合構造体。
【請求項２】
前記ダイヤモンド粒子の平均粒径ｄ１が３．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の多芯複合構造体。
【請求項３】
前記ダイヤモンド粒子の平均粒径ｄ１と、前記硬質粒子の平均粒径ｄ２との比（ｄ１／ｄ２）が０．００１〜１．０であることを特徴とする請求項１または２記載の多芯複合構造体。
【請求項４】
前記鉄族金属の含有比率が芯材から表皮部材に向かって次第に減少することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の多芯複合構造体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダイヤモンド焼結体からなる芯材の外周を、焼結合金からなる表皮部材にて被覆してなる複合構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、繊維等長尺状の芯材の外周を他の部材にて被覆することにより、構造体の硬度や強度に加えて靭性を改善する技術が研究されており、例えば、特開平１１−１３９８８４号公報では、セラミックスからなる芯材（線状セラミックス）の外周に第２相成分の被覆層を吹き付け、これを一方向に収束して圧縮成形して焼成した複合セラミック焼結体が記載されており、構造体の破壊抵抗が増大することが開示されている。
【０００３】
一方、ダイヤモンドは、高い硬度を有するという特性を生かして、ダイヤモンド粒子間を鉄族金属にて結合したダイヤモンド焼結体が、切削工具または掘削用の工具や耐摩耗部材として利用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のダイヤモンド焼結体では、硬度は高いものの靭性および耐衝撃性が低く、例えば切削工具または掘削工具等として使用すると耐欠損性が劣るという問題があった。
【０００５】
また、上述した複合構造体として芯材にダイヤモンド焼結体を用い表皮部材に超硬合金（ＷＣ）等の周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属を主成分とする焼結合金にて被覆した複合構造体が考えられるが、構造体の高強度と高靭性を両立させる組成については検討されておらず、さらに、単純に上記ダイヤモンド焼結体と焼結金属を組み合わせただけでは、芯部のダイヤモンドと表皮部材の主成分である硬質粒子との熱膨張係数差が大きいために、芯部と表皮部材との界面に部分的にクラックや剥離が発生する場合があり、靭性の低下につながるという問題があった。
【０００６】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、高硬度と高靭性とを両立できる複合構造体を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記課題について検討した結果、芯材であるダイヤモンド焼結体中の鉄族金属の含有比率を表皮部材である焼結合金中の鉄族金属の含有比率よりも多くすることによって、両者間の熱膨張係数差を小さくでき、高硬度と高靭性を両立できる複合構造体が得られることを知見した。
【０００８】
すなわち、本発明の複合構造体は、ダイヤモンド粒子間を鉄族金属にて結合したダイヤモンド焼結体からなる中実で平均直径Ｄ１が２〜２００μｍの長尺状の芯材の外周を、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の群から選ばれる少なくとも１種以上の金属元素（Ｍ）の炭化物、窒化物および炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種以上の硬質粒子を鉄族金属にて結合した焼結合金からなる表皮部材にて被覆してなる複合構造体を複数本収束したマルチフィラメント構造の多芯複合構造体であって、前記芯材の平均直径Ｄ１と前記表皮部材の平均厚みＤ２との比Ｄ２／Ｄ１が０．０１〜０．５であり、前記芯材中の鉄族金属の含有比率が前記表皮部材中の鉄族金属の含有比率よりも多いことを特徴とする多芯複合構造体である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の多芯複合構造体を構成する複合構造体について、その一実施例である図１の概略図およびその要部拡大図である図２を基に説明する。
【００１０】
図１によれば、複合構造体１は、ダイヤモンド粒子２、２間を鉄族金属３にて結合したダイヤモンド焼結体４からなる長尺状の芯材（４）の外周を、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の群から選ばれる少なくとも１種以上の金属元素（Ｍ）の炭化物、窒化物および炭窒化物のうちの１種以上のからなる硬質粒子６を鉄族金属７にて結合した焼結合金８からなる表皮部材（８）にて被覆してなる。
【００１１】
本発明によれば、芯材（ダイヤモンド焼結体）４中の鉄族金属３の量が表皮部材（焼結合金）８中の鉄族金属７の量よりも多いことが大きな特徴であり、これによって、両者間の熱膨張係数差を小さくでき、高硬度と高靭性を両立できる複合構造体となる。ここで、本発明における鉄族金属の含有比率とは、構造体１断面のエネルギー分散型Ｘ線マイクロアナリシスにおける鉄族金属のピーク強度の合計であり、特に、ダイヤモンド焼結体４中の鉄族金属３の含有比率Ｍｄと、焼結合金８中の鉄族金属７の含有比率Ｍｃとの比（Ｍｄ／Ｍｃ）が１．２以上、特に１．５〜１００であることが望ましい。
【００１２】
また、本発明によれば、ダイヤモンド焼結体４中の鉄族金属３の含有比率と焼結合金８中の鉄族金属７の含有比率とを所定量に抑制して複合構造体の破壊靱性値を向上させるために、ダイヤモンド粒子２の平均粒径ｄ１が３．５μｍ以下、特に０．０１〜２．５μｍであることが望ましく、さらに、ダイヤモンド粒子２の平均粒径ｄ１と、硬質粒子６の平均粒径ｄ２との比（ｄ１／ｄ２）が０．００１〜１．０、特に０．０１〜０．９、さらに０．０５〜０．８であることが望ましい。これによって、ダイヤモンド焼結体４の毛細管力を焼結合金８のそれよりも大きくして、結合材である鉄族金属３の含浸力に差をつけることができることから、焼成時に溶融した鉄族金属を十分に浸透させることによって容易に鉄族金属の分布をダイヤモンド焼結体側にシフトさせることができる。このようにダイモンド粒子の平均粒径ｄ１を３．５μｍ以下とするか、ダイヤモンド粒子の平均粒径ｄ１と硬質粒子の平均粒径ｄ２との比（ｄ１／ｄ２）を０．００１〜１．０とすると、複合構造体の破壊靱性値を２０ＭＰａ√ｍ以上とすることができる。
【００１３】
なお、ｄ１／ｄ２が１．０より大きい場合であっても、鉄族金属の添加量をダイヤモンド焼結体側が多くなる所定の比率に調整し、かつ焼成温度を例えば１４００℃未満とするか、または芯材と表皮部材間に鉄族金属の拡散を阻害する中間層を配して焼結時の鉄族金属の拡散を抑制することにより、芯材中の鉄族金属の含有比率を焼結合金のそれよりも多くすることが可能である。
【００１４】
さらには、芯材４と被皮部材８との界面における密着性を高めるとともに、局所的な応力集中を抑制するために、図２の鉄族金属の含有比率の分布に示すように、鉄族金属３の含有比率が芯材４から表皮部材８に向かって次第に、換言すれば連続的または段階的に減少することが望ましい。
【００１５】
また、例えば、芯材４の平均直径は２〜２００μｍ、表皮部材８の平均厚みは０．１〜１００μｍからなるが、硬度５０ＧＰａ以上、靭性１８ＭＰａ√ｍ以上とするためには、芯材４の平均直径Ｄ１と表皮部材８の平均厚みＤ２との比Ｄ２／Ｄ１が０．０１〜０．５、特に０．０２〜０．２であることが重要である。
【００１６】
さらに、図１では芯材４が１本、すなわち単体の周囲に表皮部材８が被覆された構造について示したが、本発明は図３に示すように、図１の構造体１を例えば４本以上の複数本収束したマルチフィラメント構造である。
【００１７】
次に、本発明の多芯複合構造体を構成する複合構造体を製造する方法について図４の模式図をもとに説明する。
【００１８】
まず、平均粒径０．０１〜３．５μｍのダイヤモンド粉末を５０重量％以上と平均粒径１０μｍ以下の鉄族金属粉末を５０重量％以下を混合し、これにパラフィンワックス、ポリスチレン、ポリエチレン、エチレン−エチルアクリレ−ト、エチレン−ビニルアセテート、ポリブチルメタクリレート、ポリエチレングリコール、ジブチルフタレート等の有機バインダを添加して混錬して、プレス成形、押出成形または鋳込成形等の成形方法により円柱形状の芯材用成形体４’を成形する（工程（ａ））。
【００１９】
一方、平均粒径０．０２〜１０μｍの硬質粒子または硬質粒子形成成分を７０〜９５重量％と平均粒径１０μｍ以下の鉄族金属粉末を５〜３０重量％との割合で混合し、これに前述のバインダ等を添加して混錬して、プレス成形、押出成形または鋳込成形等の成形方法により半割円筒形状の２本の表皮部材用成形体８’を作製し、該表皮部材用成形体８’を前記芯材用成形体４’の外周を覆うように配置した複合成形体を作製する（工程（ａ））。
【００２０】
そして、上記複合成形体を共押出成形することにより芯材４’の周囲に表皮部材８’が被覆された細い径に伸延された複合成形体１’を作製する（工程（ｂ））。
また、マルチフィラメント構造の本発明の多芯複合構造体を作製するには、上記共押出しした長尺状の成形体を複数本収束して再度共押出し成形すれば良い（工程（ｃ））。
【００２１】
さらに、上記伸延された長尺状の成形体を所望により円柱や三角柱、四角柱、六角柱等の多角形に成形することもできる。また、長尺状の成形体を整列させてシートとなし、該シートの長尺状の成形体同士が平行、直交または４５°等の所定の角度をなすように積層させた積層体とすることもできる。また、公知のラピッドプロトダイビング法等の成形方法によって任意の形状に成形することも可能である。さらには、上記整列したシートまたは該シートを断面方向にスライスした複合構造体シートを従来の超硬合金等の硬質合金焼結体（塊状体）の表面に貼り合わせ、または接合することも可能である。
【００２２】
その後、前記成形体を脱バインダ処理した後、超高圧焼成することにより本発明の多芯複合構造体を作製することができる。本発明によれば、芯材４と表皮部材８との鉄族金属の含有比率を所定の範囲内に制御するために、前記焼成条件として、圧力４ＧＰａ以上、温度１３００℃以上で５分〜１時間とすることが望ましい。特に、ダイヤモンド粒子２の平均粒径ｄ１と、硬質粒子６の平均粒径ｄ２との比（ｄ１／ｄ２）が０．０１〜１．０である場合には１４００℃〜１８００℃であることが望ましく、１．０より大きい場合、１４００℃未満であることが望ましい。
【００２３】
【実施例】
（実施例）
表１に示す平均粒径のダイヤモンド粒子８５〜１００重量％に対し、平均粒径２μｍのコバルト粉末を０〜１５重量％添加し、これにバインダと滑剤を添加して混錬した後、プレス成形により直径２０ｍｍの芯材用成形体を作製した。
【００２４】
一方、表１に示す硬質粒子粉末８０〜９５重量％に対し、平均粒径２μｍのコバルト粉末を５〜１５重量％添加し、これにバインダ、滑剤を添加、混錬した後、プレス成形により肉厚１ｍｍで半割円筒状の表皮部材用成形体を２本作製し、前記芯材用成形体の周囲に被覆した複合成形体を作製した。
【００２５】
そして、前記複合成形体を共押出した伸延された成形体を作製した後、該伸延された成形体１００本を収束して再度共押出し成形し、マルチフィラメントタイプの成形体を作製した。その後、該成形体に対して脱バインダ処理を行い、続いて超高圧装置内にセットして圧力５ＧＰａにて、表１の温度条件で焼成して多芯複合構造体を作製した。
【００２６】
得られた多芯複合構造体に対して、ヴィッカース硬度（ＪＩＳＲ１６０１に準じる）およびＩＦ法にて試料の靭性を測定した。さらに、試料の研磨断面について波長分散型Ｘ線マイクロアナリシス分析（ＥＰＭＡ）を行い、鉄族金属のピーク強度の合計量を芯材と表皮部材のそれぞれの平均値について大小を比較した。ＥＰＭＡの条件は、加速電圧１５ｋＶ、プローブ電流３×１０−７Ａ、スポットサイズ２μｍである。その結果を表１に示す。
【００２７】
【表１】
0004095286.tif 000002
【００２８】
表１の結果より、芯材と表皮部材における鉄族金属の含有比率が同じで、Ｃｏ総量の少ない試料Ｎｏ．１、２では、ダイヤモンド粒子径の大きいＮｏ．１は、硬度は５８ＧＰａと高いものの破壊靭性が１２ＭＰａ√ｍと低く、ダイヤモンド粒子径の小さいＮｏ．２は、圧痕の剥離により測定不能であった。また、芯材と表皮部材における鉄族金属の含有量が同じで、Ｃｏ総量の多い試料Ｎｏ．３では、破壊靭性が１６ＭＰａ√ｍと高いものの硬度は４０ＧＰａと低いものであった。
【００２９】
これに対して、本発明に従い、芯材の鉄族金属の含有比率が表皮部材の鉄族金属の含有比率よりも多い試料Ｎｏ．４〜１１では、いずれも硬度５０ＧＰａ以上、靭性１８ＭＰａ√ｍ以上の優れた特性を有するものであった。
【００３０】
なお、試料Ｎｏ．４〜１１の構造体における寸法を顕微鏡で測定したところ、平均で芯材の直径１４０〜１６０μｍ、表皮部材の平均厚み８〜１２μｍであった。なお、焼結体中のＣｏ量は、Ｃｏの移動後の結果として、不等号で記載してある。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明の複合構造体によれば、芯材であるダイヤモンド焼結体中の鉄族金属の含有比率を表皮部材である焼結合金中のそれよりも多くすることによって、両者間の熱膨張係数差を小さくでき、高硬度と高靭性を両立できる多芯複合構造体となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の多芯複合構造体を構成する複合構造体の一例を示す概略図である。
【図２】  図１の複合構造体の要部拡大図である。
【図３】  本発明の多芯複合構造体の一例を示す概略斜視図である。
【図４】  本発明の多芯複合構造体の製造方法を説明するための概念図である。
【符号の説明】
１      複合構造体
２      ダイヤモンド粒子
３      鉄族金属
４      芯材（ダイヤモンド焼結体）
６      硬質粒子
７      鉄族金属
８      表皮部材（焼結合金）
【図１】
0004095286.tif 000003
【図２】
0004095286.tif 000004
【図３】
0004095286.tif 000005
【図４】
0004095286.tif 000006