JP2003055649A

JP2003055649A - 炭化物被覆ダイヤモンド粉末

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Publication number: JP2003055649A
Application number: JP2001251970A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kayama; 剛香山; Hiroshi Yamanaka; 博山中; Hiroshi Ishizuka; 石塚博
Original assignee: Ishizuka Research Institute Ltd
Current assignee: Ishizuka Research Institute Ltd
Priority date: 2001-08-22
Filing date: 2001-08-22
Publication date: 2003-02-26
Anticipated expiration: 2021-08-22
Also published as: JP5081352B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】金属系ボンド材との均一混合性及び結合力が改
善されたダイヤモンド砥粒、及びその効果的な製造法を
提供する。【解決手段】平均粒径４０ミクロン以下のダイヤモンド
粉末において、該粉末を構成するダイヤモンド粒子の表
面が全体的に遷移金属の炭化物で被覆されているダイヤ
モンド粉末。ダイヤモンド粉末を、チタン、ジルコニウ
ム、クロム、モリブデン、タングステン、バナジウムか
ら選ばれる１種以上の遷移金属のイオンを含有する溶融
塩中に浸し、６００℃以上の溶融塩温度に保持して上記
遷移金属イオンと充分に接触させることによって、ダイ
ヤモンド粒子表面に該金属の炭化物層を形成する炭化物
被覆ダイヤモンド粉末の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は炭化物被覆ダイヤモン
ド粉末、特に表面が遷移金属の炭化物層で被覆され、ボ
ンド材との均一混合性並びにボンド材金属との接合強度
が向上したダイヤモンドの微粉末、及びかかるダイヤモ
ンド粉末の効果的な製造方法に関する。

【０００２】

【従来技術】メタルボンドダイヤモンド工具の製作に
際して、化学的に表面が不活性なダイヤモンドをボンド
材金属で強固に保持するために、砥粒としてのダイヤモ
ンド粒子の表面を、チタン、クロム、またはシリコン
等、ある種の金属で被覆することが広く行われている。
被覆方法としては、蒸着、その他のＰＶＤによる手法
や、揮発性化合物の分解によるＣＶＤ等が用いられてい
る。これらの被覆金属はダイヤモンドとの接合部におい
て炭化物となり、ダイヤモンドとの間に強固な化学結合
を形成している。

【０００３】これらの金属乃至金属炭化物は、ダイヤモ
ンドに比べるとボンド材金属への濡れが格段に良好であ
ることから、ダイヤモンド砥粒は、金属炭化物を介して
ボンド材金属に化学結合によって固定され、砥粒の脱落
阻止による工具の長寿命化が達成されている。

【０００４】その上これらの被覆層はダイヤモンド表面
が酸素に触れることを防止する保護膜としても機能し、
ダイヤモンド工具製作の際の加熱時において、酸素との
接触によって促進されるダイヤモンドのグラファイト化
も阻止していることが知られている。

【０００５】精密加工技術の発展に伴って、切断、研
削、研磨に用いられるダイヤモンド工具も高機能化が進
み、従来遊離砥粒が用いられていた加工分野が、順次砥
石を用いた固定砥粒による加工に切り替わってきてい
る。そして砥石に用いられるダイヤモンドのサイズも細
かくなり、サブミクロンサイズのダイヤモンド粉末も砥
石中に固定可能となってきている。

【０００６】上記のように細かなダイヤモンド砥粒をボ
ンド材中に固定する際に、ボンド材が金属系の場合、化
学結合による砥粒の固定効果を期待すると同時に、焼結
に先立って実施される原料の金属粉末とダイヤモンド粉
末との均一混合を可能にするために、ダイヤモンド粒子
の表面に金属または金属炭化物の被覆を予め形成してお
くことが望まれる。

【０００７】即ち、ダイヤモンド粒子の表面に吸着ない
し付着している酸素または酸素を含む官能基が原因とな
って、混合の際にはダイヤモンド粒子の凝集が生じ、ま
た焼結の際には主としてＣＯを含むガスが粒子表面から
放出され、この結果、ダイヤモンド粒子−ボンド材間の
接合強度が低下、即ちボンド材による粉末の保持力が低
下する。

【０００８】そこで加熱によってダイヤモンド粒子表面
の酸素を除くと共に、遷移金属とダイヤモンドとの反応
によりダイヤモンド表面に金属炭化物膜を形成すること
によって、ダイヤモンド粒子表面を不活性化し、上記の
不具合を解消することが望ましい。同様の効果が樹脂系
のボンド材を用いる場合についても期待される。

【０００９】このようなボンド材との接合強度の向上
や、酸化防止効果を発揮するためには、既述のようにダ
イヤモンド粉末の全表面が金属または金属炭化物で覆わ
れていることが望ましい。しかし前記したＰＶＤやＣＶ
Ｄによる方法で、粉末の全表面を金属源に接触させるた
めには、混合・撹拌のために複雑な装置・操作を必要と
し、生産性が低い、という問題があった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従って本発明の主な
目的は、金属系ボンド材との結合力が改善されたダイヤ
モンド砥粒、及びその効果的な製造法を提供することに
ある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨とすると
ころは、平均粒径40ミクロン以下のダイヤモンド粉末に
おいて、該粉末を構成するダイヤモンド粒子の表面を全
体的に遷移金属の炭化物で被覆した点にある。

【００１２】本発明による炭化物被覆層の形成は上記の
ように平均(公称)粒径が40ミクロン以下のダイヤモンド
粉末に適用できるが、保持力の向上は粒径が細かいほど
顕著である。最も効果が発揮されるのは20ミクロン以
下、特に5ミクロン以下のダイヤモンド粉末においてで
ある。

【００１３】上記炭化物被覆層の量は、基体のダイヤモ
ンド粒子の粒径によってある程度変動するが、ダイヤモ
ンドに対する質量比において概ね0.5％以上かつ5％未満
とするのが適切である。この範囲より少ないと上記効果
が顕著でなく、一方過剰の被覆を施すと、結晶表面にお
ける炭化物形成のために移動する炭素原子の量が多くな
り、ダイヤモンド結晶内に多数の空格子点が形成されて
結晶自体の強度低下を招くことから好ましくない。

【００１４】本発明において、炭化物被覆層を形成する
金属種は遷移金属が適切で、特にチタン、ジルコニウ
ム、クロム、モリブデン、タングステン、バナジウムか
ら選ばれる１種以上を含有する。しかして炭化物は、か
かる金属が、熱の影響下で基体のダイヤモンドと反応し
て形成されたものである。

【００１５】上記の炭化物被覆ダイヤモンド粉末は、次
のようにして効果的に得ることができる。即ちダイヤモ
ンド粉末、好ましくは平均粒径40ミクロン以下のダイヤ
モンド粉末を、チタン、ジルコニウム、クロム、モリブ
デン、タングステン、バナジウムから選ばれる１種以上
のイオンを含有する溶融塩中に浸す。この際、溶融塩温
度を600℃以上に加熱保持して上記遷移金属イオンと充
分に接触させることにより、ダイヤモンド粒子表面に該
金属の炭化物層が形成される。

【００１６】上記溶融塩としては、例えばＮaＣl−ＫＣ
l系の混合塩が利用可能である。この塩はチタンやジル
コニウムの溶融塩電解に用いられており、溶融塩中には
チタンやジルコニウムがイオンの形で少量溶解すること
が知られている。これらの金属イオンはダイヤモンド表
面の炭素原子と結合して炭化物を形成するので、溶融塩
中にダイヤモンド粉末を懸濁させることで、ダイヤモン
ド粒子表面を全体的に金属イオンと接触させて、炭化物
を形成させる条件が確保される。

【００１７】溶融塩に拠らない別の上記金属の炭化物層
形成法として、これらの金属のハロゲン化物蒸気による
方法も利用可能である。この手法では特に、金属のキャ
リアとして気相を用いることから、微細なダイヤモンド
粒子表面にも、炭化物層を効果的に形成することができ
る。

【００１８】本発明によれば、第二の炭化物被覆層乃至
かかる被覆層を有するダイヤモンド粉末は次のように実
施される。

【００１９】(1)密閉容器内に(平均粒径40ミクロン以下
の)ダイヤモンド粉末並びにチタン、ジルコニウム、ク
ロム、モリブデン、タングステン、バナジウムから選ば
れる１種以上の遷移金属、及びハロゲン物質を充填した
後600℃以上に加熱し、(2)上記遷移金属とハロゲンとの
反応によって該金属のハロゲン化物を形成して上記ダイ
ヤモンド粒子の表面に到達せしめ、(3)ダイヤモンド表
面で上記ハロゲン化物を分解せしめる一方、該分解によ
って遊離した該遷移金属とダイヤモンドと反応せしめる
ことにより、ダイヤモンド表面に金属炭化物層を形成せ
しめる。

【００２０】上記においてハロゲンとしてはヨウ素が、
ハロゲン化物としては上記遷移金属のヨウ化物が利用可
能である。金属ヨウ化物蒸気は、微細なダイヤモンド粒
子間隙にも浸透できるので、ダイヤモンド粒子表面と全
体的に接触させることができるので、細かなダイヤモン
ド表面にも均一な被覆を施すことが可能となる。

【００２１】どちらの方法においても、炭化物中におけ
る炭素または金属原子の拡散速度は大きくないことか
ら、炭化物が生じた箇所では相互の反応速度は低下し、
見掛け上、炭素原子が露出している粒子表面での炭化物
形成反応が優先して進行する。この結果、本発明におい
ては、ダイヤモンド表面全体がほぼ均一な厚さの炭化物
の層で覆われるという特徴が得られる。従って溶融塩法
の場合には金属イオンの移動及びかかるイオンとの良好
な接触を確保するために、ダイヤモンド粉末は液相中に
懸濁していることが必須要件となる。

【００２２】塩化物系の溶融塩は、組合わせを選ぶこと
によって共晶温度500℃以下の組成も可能であるが、炭
化物形成速度を確保する見地からは600℃以上が好まし
く、750℃以上がより好ましい。一方過度に処理温度を
高くすると、ダイヤモンド粒子内に微小なクラックが生
じ、砥粒としての強度が低下することから、処理温度の
上限は1000℃とすることが望ましい。

【００２３】なおダイヤモンドの粒径の減少に伴って、
より高い処理温度を用いたり、共晶温度の低い組成の混
合塩を用いるのが好ましい。こうすることによって溶融
塩の粘度を低下させ、サブミクロン級のダイヤモンド粉
末にも、効果的に溶融塩を浸透させて、炭化物被覆を形
成することができる。

【００２４】なお溶融塩中に、フッ素化合物の形でフッ
素イオンを共存させるのも炭化物形成反応の促進に有効
である。

【００２５】一方ハロゲン化物蒸気処理による方法で
は、無水の金属フッ化物、塩化物も用い得るが、ダイヤ
モンドが金属ヨウ化物と反応して金属炭化物を形成し、
ヨウ素を分離する性質に基づいて、ヨウ素を金属のキャ
リアとして利用するヨウ化物法が、操作が容易になるの
で有利である。この場合、ダイヤモンド粒子間の間隙を
ヨウ化物蒸気で満たすことにより、粒子表面全体にわた
って炭化物を形成する条件が確立される。ダイヤモンド
表面で金属を分離したヨウ素は金属と接触して再び金属
ヨウ化物となるので、ダイヤモンド粒子表面が金属炭化
物で覆われて金属の移送速度が低下するまで、ヨウ素が
金属のキャリアとして働く。

【００２６】上記ヨウ化物法においても、炭化物形成速
度を確保する観点から処理温度は600℃以上、特に800℃
以上(ダイヤモンド表面における温度)とするのが好まし
い。

【００２７】このように本発明においては、ダイヤモン
ド粉末表面全部が、遷移金属を含む液相または蒸気相に
触れることから、粉末表面全部が液相または蒸気相から
析出した金属との反応で形成された炭化物で覆われるこ
ととなり、工具製作時のマトリックス金属への接着性の
向上、ならびに保護膜として加熱時におけるダイヤモン
ドの酸化・黒鉛化の防止効果が得られる。特に金属との
接着性の向上によって、例えば研削砥石中においては、
ダイヤモンドがボンド材金属に強固に保持される結果、
砥石寿命が増加すると同時に、ダイヤモンド砥粒の突き
出し高さが大きくなることによる研削抵抗の低下という
メリットも得られる。

【００２８】また微粉(サブミクロン級)のダイヤモンド
においては、ダイヤモンド粒子同士の凝集の原因となっ
ているダイヤモンド表面の官能基が、金属炭化物で置換
されることにより、表面が不活性となって粉末の分散性
が向上し、粉末状のマトリックス原料との混合操作が容
易になった。このようなダイヤモンド表面状態の変化
は、赤外吸収分析によっても確かめられた。

【００２９】工具製作において、本発明のダイヤモンド
粉末をセラミックス系マトリックス材へ適用する場合に
は、炭化物で覆われたダイヤモンド粉末を窒素雰囲気中
で1000℃以上に加熱することによって、表面を炭窒化物
ないし窒化物に変え、マトリックス材への濡れ性及び接
着強度を上げることができる。

【００３０】上記窒化処理には次の方法が効果的であ
る。即ち、密閉容器内に炭化物被覆ダイヤモンドを入
れ、窒素雰囲気中で所定温度まで加熱する。加熱を保っ
た状態で容器内を排気し、窒素を充填する操作を反復す
るものである。この手法によりサブミクロン級のダイヤ
モンド粉末表面も窒化することが可能である。

【００３１】

【実施例１】平均粒径4ミクロンのダイヤモンド粉末5
0ｇと、2ｇのチタン粉末(粒径40μm)とを容量500mlのSU
Sビーカーへ入れ、モル比でＮaＣl:ＫＣl=1: 1の混合塩
(共晶温度約660℃) 約300ｇを加えた。このビーカーを
炉内で800℃に加熱し2時間保持した。

【００３２】放冷後、炉から取り出し、ビーカー中の塩
を水に溶かして除去し、次いで5倍に希釈した硫酸を加
えて1時間煮沸し、未反応チタンを溶解・除去した。得
られた粉末は黒色を呈しており、Ｘ線回折によって、ダ
イヤモンドと共にＴiＣの回折線が得られた。付着した
チタン量は、ダイヤモンドの質量増加から概略値として
求めることができるが、より正確な方法として、フッ硝
酸により被覆を溶解除去し、溶解前後の質量変化から決
定し、1.9％(質量％、以下同様)の値を得た。

【００３３】

【実施例２】実施例1と同じ仕込量及び処理条件でダ
イヤモンドにＴiＣの被覆を施した。処理原料として平
均粒径0.4ミクロンのダイヤモンド粉末を用い、溶融塩
の原料には、モル比でＮaＣl:ＫＣl:ＣaＣl₂=5:3:2の混
合塩(共晶温度約600℃) を用いた。被覆チタン量をフッ
硝酸による溶解除去量から求めたところ、2.0％であっ
た。

【００３４】

【実施例３】内容積50ccのＳＵＳ製の密閉容器中へ、
平均粒径20μｍのダイヤモンド粉末10ｇ、平均粒径3μ
ｍのモリブデン粉末2ｇ、ヨウ素1ｇを入れ、容器内を排
気して密閉し、950℃に加熱して1時間保持した。取り出
したダイヤモンドは黒色を呈しており、Ｘ線回折によっ
てＭo₂Cの生成を確認した。

【００３５】得られたモリブデン被覆ダイヤモンドを用
いてブロンズボンドの平面研削砥石を製作し、焼結アル
ミナ板の研削加工に用いた。砥石は外径150mm、厚さ8mm
のストレート砥石で、集中度は50とし、研削条件は周速
度1500ｍ/分、切込み3μｍとした。比較用として同時に
製作した被覆前のダイヤモンドを用いた研削砥石に比し
て、研削抵抗が15％小さく、砥石寿命が43％増しになる
結果が得られた。

【００３６】

【実施例４】上記の方法をモリブデン粉末の代わりに、
平均粒径3μｍのタングステン粉末を用いて実施し、ダ
イヤモンド表面にＷＣの被覆層が形成され、ＳＥＭ観察
によって被覆層の厚さが約0.05μｍであることが認めら
れた。被覆量の定量には、フッ硝酸を用いて被覆を溶解
除去し、溶解前後の質量変化から求める方法を用い、約
3％の値を得た。

【００３７】

【実施例５】実施例1で得られたTiCコートダイヤモンド
をアルミナ製るつぼに入れ、窒素雰囲気中で1100℃に加
熱し1時間保持する処理を実施した。得られた処理品は
褐色を呈しており、Ｘ線回折によってＴiＮに変化して
いることを確認した。

【００３８】

【実施例６】次の表においてNo.１〜５に示すようなダ
イヤモンド粉末と被覆金属材・溶融塩組成、処理温度の
組合せを用いて処理を行い、被覆量の欄に示すとおりの
数値を得た。

【表１】

【００３９】

【発明の効果】１．周知のように、メタルボンド工具の
製作の際に、ダイヤモンド砥粒とボンド材の金属とはダ
イヤモンド表面に形成された炭化物被覆を介して化学結
合を形成するので、炭化物被覆を施した本発明のダイヤ
モンド粉末においてはボンド材による砥粒の保持強度が
向上し、砥粒の脱落阻止、有効利用による工具寿命の向
上が達成される。同時に工具表面における砥粒の突き出
し高さが大きく取れることから、加工に要するエネルギ
ーも低減できる。

【００４０】２．微細なダイヤモンド粉末においても、
本発明の被覆を施すことにより、粉末凝集の原因である
粒子表面の官能基が炭化物で置換されて不活性化され
る。この結果、ダイヤモンド微粉含有工具あるいは耐摩
耗性硬質材料の製作において、マトリックス原料との混
合操作の際にダイヤモンドの分散性が向上し、微粉ダイ
ヤモンドを用いた材料内における組織の均一性が高ま
り、耐摩耗性能が向上する。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平均粒径40ミクロン以下のダイヤモンド粉
末において、該粉末を構成するダイヤモンド粒子の表面
が全体的に遷移金属の炭化物で被覆されているダイヤモ
ンド粉末。
【請求項２】上記平均粒径が20ミクロン以下である、請
求項１に記載のダイヤモンド粉末。
【請求項３】上記平均粒径が5ミクロン以下である、請
求項１に記載のダイヤモンド粉末。
【請求項４】上記ダイヤモンド粒子に対する炭化物の量
が、質量比において0.5％以上かつ5％未満である、請求
項１に記載のダイヤモンド粉末。
【請求項５】上記遷移金属が、チタン、ジルコニウム、
クロム、モリブデン、タングステン、バナジウムから選
ばれる１種以上を含有する、請求項１に記載のダイヤモ
ンド粉末。
【請求項６】上記炭化物が、基体を構成するダイヤモン
ド粒子と、隣接配置された上記遷移金属との反応により
形成されたものである、請求項１に記載のダイヤモンド
粉末。
【請求項７】ダイヤモンド粉末を、チタン、ジルコニウ
ム、クロム、モリブデン、タングステン、バナジウムか
ら選ばれる１種以上の遷移金属のイオンを含有する溶融
塩中に浸し、600℃以上の溶融塩温度に保持して上記遷
移金属イオンと充分に接触させることによって、ダイヤ
モンド粒子表面に該金属の炭化物層を形成することを特
徴とする、炭化物被覆ダイヤモンド粉末の製造方法。
【請求項８】上記ダイヤモンド粉末の平均粒径が40ミク
ロン以下である、請求項７に記載の炭化物被覆ダイヤモ
ンド粉末の製造方法。
【請求項９】(1)密閉容器内にダイヤモンド粉末並びに
チタン、ジルコニウム、クロム、モリブデン、タングス
テン、バナジウムから選ばれる１種以上の遷移金属、及
びハロゲン物質を充填した後600℃以上に加熱し、 (2)上記遷移金属とハロゲンとの反応によって該金属の
ハロゲン化物を形成して上記ダイヤモンド粒子の表面に
到達せしめ、 (3)ダイヤモンド表面で上記ハロゲン化物を分解せしめ
る一方、該分解によって遊離した該遷移金属とダイヤモ
ンドとを反応せしめることにより、ダイヤモンド表面に
金属炭化物層を形成せしめることを特徴とする、炭化物
被覆ダイヤモンド粉末の製造方法。
【請求項１０】上記ハロゲンがヨウ素である、請求項９
に記載の炭化物被覆ダイヤモンド粉末の製造方法。
【請求項１１】上記ダイヤモンド粉末の平均粒径が40ミ
クロン以下である、請求項９に記載の炭化物被覆ダイヤ
モンド粉末の製造方法。