JP5081352B2 - 炭化物被覆ダイヤモンド粉末の製造方法 - Google Patents

Description

【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ＣＶＤ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40μｍ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40μｍ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20μｍ以下、特に5μｍ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の調製には、これらの金属のハロゲン化物蒸気による方法が利用可能である。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。
【００１６】
本発明によれば、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の生成は次のように実施される。
【００１７】

(1)密閉容器内に(平均粒径40μｍ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。
【００１８】
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。
【００１９】
上記方法において、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。
【００２０】
ハロゲン化物蒸気処理による本発明の方法ではさらに、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。
【００２１】
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。
【００２２】
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、遷移金属を含む蒸気相に触れることから、粉末表面全部が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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
【実施例１】
内容積50ml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3μｍ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。
【００２７】
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。
【００２８】
【実施例２】
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。
【００２９】
【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。
【００３０】
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 (3)

1. (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。
2. 上記ハロゲンがヨウ素である、請求項１に記載の炭化物被覆ダイヤモンド粉末の製造方法。
3. 上記ダイヤモンド粉末の平均粒径が40μｍ以下である、請求項１に記載の炭化物被覆ダイヤモンド粉末の製造方法。