複合燒結體的製作方法

2023-04-30 06:29:26

本發明涉及含金剛石的複合燒結體。具體而言，本發明涉及適宜用作耐磨工具和切削工具等的材料的含金剛石的複合燒結體

背景技術：

金剛石是存在於地球上的物質中具有最高硬度的物質，因此，已使用含有金剛石的燒結體作為耐磨工具和切削工具等的材料。

日本專利公開No.2003-292397(專利文獻1)公開了一種金剛石多晶體，它是一種由金剛石構成的燒結體，其中該金剛石是由石墨型層狀結構的碳物質在未添加燒結助劑和催化劑的情況下在高溫高壓下轉化並燒結而得到的，其中金剛石的平均粒徑為100nm以下並且純度為99％以上。日本專利公開No.2003-292397(專利文獻1)還公開了一種通過將非金剛石碳物質置於包括間接加熱裝置的壓力單元中並進行加熱加壓，從而通過不添加燒結助劑和催化劑的直接轉化來製造金剛石多晶體的方法。

國際公開No.2009/099130(專利文獻2)公開了一種金剛石多晶體，它是通過非金剛石型碳在不添加燒結助劑和催化劑的情況下在超高溫超高壓下轉化並燒結而獲得的，其中形成該金剛石多晶體的燒結金剛石顆粒的平均粒徑大於50nm且小於2500nm，並且純度為99％以上，並且金剛石的D90粒徑為(平均粒徑+平均粒徑×0.9)以下。

日本專利公開No.9-142933(專利文獻3)公開了一種金剛石燒結體，其包含0.1體積％至30體積％的由稀土元素的氧化物和/或碳氧化物和/或碳化物構成的物質，並且餘量為金剛石。

日本專利公開No.2005-239472(專利文獻4)公開了一種具有高強度和高耐磨性的金剛石燒結體，其包含平均粒徑為2μm以下的燒結金剛石顆粒，並且餘量為結合相，其中，金剛石燒結體中燒結金剛石顆粒的含量比例為80體積％以上98體積％以下，並且結合相包含鈷和選自由鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻和鉬所構成的組中的至少一種或多種元素；該結合相中鈷的含量比例為50質量％以上且小於99.5質量％；該結合相中所述至少一種或多種元素的含量比例為0.5質量％以上且小於50質量％；並且所述選自由鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉻和鉬所構成的組中的至少一種或多種元素以平均粒徑為0.8μm以下的碳化物顆粒的形式存在，該碳化物顆粒的結構是非連續的，並且相鄰的燒結金剛石顆粒彼此相互結合。

引用列表

專利文獻

專利文獻1：日本專利公開No.2003-292397

專利文獻2：國際公開No.2009/099130

專利文獻3：日本專利公開No.9-142933

專利文獻4：日本專利公開No.2005-239472

技術實現要素：

技術問題

日本專利公開No.2003-292397(專利文獻1)和國際公開No.2009/099130(專利文獻2)中公開的金剛石多晶體存在這樣的問題，即：當將所述金剛石多晶體應用到作為耐磨工具的拉絲模時，拉絲時的拉出阻力會增大，並且由於局部磨損，使得拉絲後的線徑減少並且斷絲頻繁發生。該金剛石多晶體還存在這樣的問題，即：當將該金剛石多晶體應用於作為切削工具的刀輪或挖掘用刀頭時，可能會因局部磨損、由衝擊造成的崩裂等而導致工具壽命縮短。

日本專利公開No.9-142933(專利文獻3)和日本專利公開No.2005-239472(專利文獻4)中公開的金剛石燒結體存在這樣的問題，即：當將該金剛石燒結體應用於作為耐磨工具的拉絲模時，由於燒結體中的金屬氧化物和金屬，使得摩擦係數升高，因而拉絲阻力增大，拉絲後的線徑減少並且斷絲頻繁發生。該金剛石燒結體還存在這樣的問題，即：當將該金剛石燒結體應用於作為切削工具的刀輪或挖掘用刀頭時，由於燒結體中的金屬氧化物和金屬，使得摩擦係數升高，因而切削阻力增加，並且由於燒結體中金屬的熱膨脹所導致的內部破壞會縮短工具的使用壽命。

因此，本發明的目的在於提供具有高耐磨性、高局部耐磨性和高耐崩裂性的含金剛石的複合燒結體，其適宜用作耐磨工具和切削工具等的材料，同時可以抑制局部磨損、由衝擊帶來的崩裂、由燒結體中的非金剛石成分所造成的摩擦係數增大、以及由熱膨脹所造成的內部破壞。

解決問題的方案

根據本發明的一個方面的複合燒結體為這樣的複合燒結體，其包括金剛石相和非金剛石碳相，該非金剛石碳相佔有率為大於0％且小於等於30％，該非金剛石碳相佔有率是指相對於複合燒結體的一個任意指定截面的總面積，所述非金剛石碳相的面積的百分率。

本發明的效果

根據這樣的方面，能夠提供具有高耐磨性、高局部耐磨性和高耐崩裂性的含金剛石的複合燒結體，其適宜用作耐磨工具和切削工具等的材料，同時可以抑制局部磨損、由衝擊帶來的崩裂、由燒結體中的非金剛石成分所造成的摩擦係數增大、以及由熱膨脹所造成的內部破壞。

附圖說明

圖1為示出根據本發明的一個方面的複合燒結體的一個任意指定截面的一個例子的掃描電子顯微照片。

具體實施方式

[本發明實施方案的說明]

作為本發明的一個實施方案的複合燒結體為這樣的複合燒結體，其包括金剛石相和非金剛石碳相，其中非金剛石碳相佔有率為大於0％且小於等於30％，該非金剛石碳相佔有率為相對於複合燒結體的一個任意指定截面的總面積，所述非金剛石碳相的面積的百分率。

由於本實施方案的複合燒結體包括金剛石相和非金剛石碳相，並且該非金剛石碳相佔有率為大於0％且小於等於30％，因此本實施方案的複合燒結體具有高耐磨性、高局部耐磨性和高耐崩裂性。

在本實施方案的複合燒結體中，形成金剛石相的燒結金剛石顆粒的平均粒徑可為1000nm以下。因此提高了耐磨性、局部耐磨性和耐崩裂性。

在本實施方案的複合燒結體中，形成非金剛石碳相的燒結非金剛石碳顆粒的平均粒徑可為2000nm以下。因此提高了耐磨性、局部耐磨性和耐崩裂性。

本實施方案的複合燒結體的努普硬度可為50GPa以上。因此，提高了耐磨性和耐崩裂性。

[本發明實施方案的詳細說明]

(複合燒結體)

參照圖1，本實施方案的複合燒結體10為包括金剛石相11和非金剛石碳相12的複合燒結體10，其中非金剛石碳相佔有率為大於0％且小於等於30％，該非金剛石碳相佔有率為相對於複合燒結體10的一個任意指定截面的總面積，所述非金剛石碳相12的面積的百分率。

由於本實施方案的複合燒結體10包括金剛石相11和非金剛石碳相12，並且非金剛石碳相佔有率為大於0％且小於等於30％，因此本實施方案的複合燒結體10具有高耐磨性、高局部耐磨性和高耐崩裂性。

複合燒結體10的金剛石相11由燒結的金剛石燒結顆粒形成。在通過SEM(掃描電子顯微鏡)或TEM(透射電子顯微鏡)對複合燒結體10的截面(一個任意指定的截面，以下同)的觀察中，存在的金剛石相11被識別為明亮視野，並且通過組成分析以及藉助於X射線衍射的晶體結構分析對其存在加以證實。

複合燒結體10的非金剛石碳相12由燒結的非金剛石碳顆粒形成。在通過SEM或TEM對複合燒結體10的截面的觀察中，複合燒結體中存在的非金剛石碳相12被識別為暗視野，並且通過組成分析以及藉助於X射線衍射的晶體結構分析對其存在加以證實。這裡的非金剛石碳指的是具有除金剛石之外的相形態的固體碳，並且包括石墨和無定形碳等。

非金剛石碳相佔有率指的相對於複合燒結體10的一個任意指定截面的總面積，非金剛石碳相12的面積的百分率。非金剛石碳相佔有率計算為非金剛石碳相12(在通過SEM或TEM對複合燒結體10的截面的觀察中，非金剛石碳相12被識別為暗視野)的面積相對於金剛石相11(識別為明亮視野)的面積和非金剛石碳相12(識別為暗視野)的面積之和的比例。

從提高複合燒結體10的局部耐磨性和耐崩裂性的觀點出發，非金剛石碳相佔有率為30％以下，優選為20％以下，並且更優選為15％以下。此外，從提高複合燒結體的耐磨性的觀點出發，非金剛石碳相佔有率大於0％，優選為5％以上，並且更優選為10％以上。

複合燒結體10優選基本上僅包括金剛石相11和非金剛石碳相12，並且不包括燒結助劑和催化劑等其他成分。即，除了金剛石相11和非金剛石碳相12外，複合燒結體10優選僅包括不可避免地包括於金剛石相11和非金剛石碳相12中的雜質。由於這樣的複合燒結體10除了包括金剛石相11和非金剛石碳相12之外，基本上不包括燒結助劑和催化劑等其它成分，因此複合燒結體10不受這些其它成分的影響，因此耐磨性、局部耐磨性和耐崩裂性可以保持在較高的水平。

從提高複合燒結體10的局部耐磨性和耐崩裂性的觀點出發，形成複合燒結體10的金剛石相11的燒結金剛石顆粒的平均粒徑優選為1000nm以下，更優選為500nm以下。此外，從提高耐磨性的觀點出發，燒結金剛石顆粒的平均粒徑優選為30nm以上，更優選為50nm以上。此處，形成金剛石相11的燒結金剛石顆粒的平均粒徑通過如下方式獲得：在通過SEM或TEM觀察複合燒結體10的截面時，在能夠區分金剛石相11、非金剛石碳相12和這二者之間的晶界的條件下拍攝照片，隨後進行圖像處理(例如二值化)以計算形成金剛石相11的各燒結金剛石顆粒的面積的平均值，然後計算具有與該面積相同的面積的圓的直徑。

從提高複合燒結體10的局部耐磨性和耐崩裂性的觀點出發，形成複合燒結體10的非金剛石碳相12的燒結非金剛石碳顆粒的平均粒徑優選為2000nm以下，更優選為300nm以下。此外，從提高耐磨性的觀點出發，燒結非金剛石碳顆粒的平均粒徑優選為50nm以上，更優選為100nm以上。此處，形成非金剛石碳相12的燒結非金剛石碳顆粒的平均粒徑通過如下方式獲得：在通過SEM或TEM觀察複合燒結體10的截面時，在能夠區分金剛石相11、非金剛石碳相12和這二者之間的晶界的條件下拍攝照片，隨後進行圖像處理(例如二值化)以計算形成非金剛石碳相12的各燒結非金剛石碳顆粒的面積的平均值，然後計算具有與該面積相同的面積的圓的直徑。

從提高複合燒結體10的耐磨性的觀點出發，複合燒結體10的努普硬度優選為50GPa以上，並且更優選為70GPa以上。此處，努普硬度是通過使用努普壓頭並在9.8N(1.0kgf)的測定載荷下進行測定的。

[製造複合燒結體的方法]

對本實施方案的複合燒結體10的製造方法沒有特別的限制。然而，從通過有效的方式並以低成本製造具有高耐磨性、高局部耐磨性和高耐崩裂性的複合燒結體10的觀點出發，本實施方案的複合燒結體10的製造方法優選包括：原料準備步驟，其中準備原料非金剛石碳、或者原料非金剛石碳和原料金剛石的混合物作為原料；和複合燒結體形成步驟，其中在形成金剛石相的溫度和壓力的條件下，通過燒結前述原料從而形成複合燒結體。

在原料準備步驟中所準備的原料非金剛石碳可為粉末或成形體。然而，從形成均質的複合燒結體的觀點出發，該原料非金剛石碳優選為粉末，並且該粉末的平均粒徑優選為5000nm以下，並且更優選為2000nm以下。此外，從形成高質量高純度的複合燒結體的觀點出發，該原料非金剛石碳優選為石墨，並且石墨的純度優選為99％以上，並且更優選為99.5％以上。

從形成均質的複合燒結體的觀點出發，在原料準備步驟中所準備的原料金剛石優選為粉末，並且粉末的平均粒徑優選為5000nm以下，並且更優選為1000nm以下。此外，從形成高質量高純度的複合燒結體的觀點出發，原料金剛石的純度優選為90質量％以上，並且更優選為95質量％以上。

在複合燒結體形成步驟中，對燒結條件沒有特別的限制，只要燒結條件為能夠形成金剛石相的溫度和壓力條件即可。然而，從有效形成金剛石相併易於調節非金剛石碳相佔有率的角度出發，溫度為1800℃以上2300℃以下、壓力為8GPa以上16GPa以下的條件是優選的。對於用來產生這樣的高溫和高壓的高溫高壓發生裝置沒有特別的限制，並且高溫高壓發生裝置的例子包括帶型裝置、立方體(cubic)型裝置和分割球型裝置等。

實施例

(實施例1)

1.原料的準備

準備密度為1.85g/cm3並且純度為99.95質量％的0.4g石墨成形體作為原料。

2.複合燒結體的形成

通過使用高溫高壓發生裝置，將作為原料的前述石墨成形體在溫度為1900℃且壓力為15GPa的燒結條件下燒結100分鐘，從而得到複合燒結體。

3.複合燒結體性能的評價

通過SEM對複合燒結體的一個截面進行對比分析，從而識別並證實了複合燒結體中的金剛石相和非金剛石碳相。通過前述的SEM觀察來計算非金剛石碳相佔有率。由此得到非金剛石碳相佔有率為1％。通過前述的SEM觀察來計算形成金剛石相的燒結金剛石顆粒的平均粒徑。由此得到燒結金剛石顆粒的平均粒徑為50nm。通過前述SEM觀察來計算形成非金剛石碳相的燒結非金剛石碳顆粒的平均粒徑。由此得到燒結非金剛石碳顆粒的平均粒徑為80nm。使用努普壓頭在9.8N的載荷下測定複合燒結體的努普硬度。由此得到複合燒結體的努普硬度為95GPa。此外，使用這種複合燒結體製造開口尺寸為20μm的拉絲模，並以1000m/分鐘的拉絲速率對SUS 304(不鏽鋼)進行拉絲。假定下述比較例1中的複合燒結體的斷絲頻率和拉絲距離分別為1.00和100，則直到拉絲模的開口尺寸擴大到20.5μm時的斷絲頻率和拉絲距離的相對值分別為0.50和150。此處，斷絲頻率的相對值越低並且拉絲距離的相對值越高是更優選的是，這是因為耐磨性和局部耐磨性更高。此外，將該複合燒結體釺焊到超硬基體金屬上，從而製作尖端角為90°並且尖端曲率半徑(R)為100nm的切削工具，並且在30mm厚的銅板上鍍覆20μm厚的鎳從而得到鍍鎳金屬板，在該金屬板上以10μm的間距形成5μm深度的溝槽。當切削工具的尖端的磨損達1μm時，通過崩裂量來評價尖端部分的缺損狀態(龜裂和崩裂)。假定下述比較例1中的複合燒結體的切削工具的崩裂量為1.0，則本實施方案的切削工具的崩裂量的相對值為0.8。此處，崩裂量的相對值越低是更優選的，這是因為耐崩裂性高。結果歸納於表1中。

(實施例2)

1.原料的準備

準備與實施例1類似的0.4g石墨成形體作為原料。

2.複合燒結體的形成

通過使用高溫高壓發生裝置，將作為原料的前述石墨成形體在溫度為2200℃且壓力為11GPa的燒結條件下燒結100分鐘，從而得到複合燒結體。

3.複合燒結體性能的評價

與實施例1類似，識別並證實複合燒結體中的金剛石相和非金剛石碳相。圖1示出了本實施例中複合燒結體的一個截面的SEM照片。非金剛石碳相佔有率為4％，並且形成金剛石相的燒結金剛石顆粒的平均粒徑為70nm，並且形成非金剛石碳相的燒結非金剛石碳顆粒的平均粒徑為110nm，複合燒結體的努普硬度為80GPa。此外，按照與實施例1類似的方式評價得到的拉絲模中的斷絲頻率和拉絲距離的相對值分別為0.25和135。按照與實施例1類似的方式評價得到的切削工具中的崩裂量的相對值為0.5。結果總結於表1中。

(實施例3)

1.原料的準備

準備0.4g的混合粉末作為原料。使用球磨機，按照1:4的質量比均勻混合平均粒徑為1500nm且純度為99.95質量％的石墨粉末以及平均粒徑為1000nm且純度為99.9質量％的金剛石粉末，從而得到混合粉末。

2.複合燒結體的形成

通過使用高溫高壓發生裝置，將作為原料的前述混合粉末在溫度為2200℃且壓力為11GPa的燒結條件下燒結50分鐘，從而得到複合燒結體。

3.複合燒結體性能的評價

與實施例1類似，識別並證實複合燒結體中的金剛石相和非金剛石碳相。非金剛石碳相佔有率為10％，並且形成金剛石相的燒結金剛石顆粒的平均粒徑為500nm，並且形成非金剛石碳相的燒結非金剛石碳顆粒的平均粒徑為800nm，複合燒結體的努普硬度為60GPa。此外，按照與實施例1類似的方式評價得到的拉絲模中的斷絲頻率和拉絲距離的相對值分別為0.25和120。按照與實施例1類似的方式評價得到的切削工具中的崩裂量的相對值為0.6。結果總結於表1中。

(實施例4)

1.原料的準備

與實施例3類似地準備0.4g均勻混合的粉末作為原料，不同之處在於石墨粉末和金剛石粉末的混合比為9:11(質量比)。

2.複合燒結體的形成

通過使用高溫高壓發生裝置，將作為原料的前述混合粉末在溫度為2200℃且壓力為11GPa的燒結條件下燒結50分鐘，從而得到複合燒結體。

3.複合燒結體性能的評價

與實施例1類似，識別並證實複合燒結體中的金剛石相和非金剛石碳相。非金剛石碳相佔有率為30％，並且形成金剛石相的燒結金剛石顆粒的平均粒徑為800nm，形成非金剛石碳相的燒結非金剛石碳顆粒的平均粒徑為1300nm，並且複合燒結體的努普硬度為55GPa。此外，按照與實施例1類似的方式評價得到的拉絲模中的斷絲頻率和拉絲距離的相對值分別為0.20和110。按照與實施例1類似的方式評價得到的切削工具中的崩裂量的相對值為0.7。結果總結於表1中。

(比較例1)

1.原料的準備

與實施例1類似，準備0.4g石墨成形體作為原料。

2.複合燒結體的形成

通過使用高溫高壓發生裝置，將作為原料的前述石墨成形體在溫度為2200℃且壓力為15GPa的燒結條件下燒結100分鐘，從而得到複合燒結體。

3.複合燒結體性能的評價

與實施例1類似，識別並證實複合燒結體中的金剛石相和非金剛石碳相。然而，未識別出非金剛石碳相。即，非金剛石碳相佔有率為0％。形成金剛石相的燒結金剛石顆粒的平均粒徑為50nm，並且複合燒結體的努普硬度為120GPa。此外，按照與實施例1類似的方式評價得到的拉絲模中的斷絲頻率和拉絲距離的相對值分別為1.00和100。按照與實施例1類似的方式評價得到的切削工具中的崩裂量的相對值為1.0。結果總結於表1中。

(比較例2)

1.原料的準備

與實施例1類似，準備0.4g石墨成形體作為原料。

2.複合燒結體的形成

通過使用高溫高壓發生裝置，將作為原料的前述石墨成形體在溫度為1900℃且壓力為11GPa的燒結條件下燒結300分鐘，從而得到複合燒結體。

3.複合燒結體性能的評價

與實施例1類似，識別並證實複合燒結體中的金剛石相和非金剛石碳相。非金剛石碳相佔有率為40％，並且形成金剛石相的燒結金剛石顆粒的平均粒徑為150nm，形成非金剛石碳相的燒結非金剛石碳顆粒的平均粒徑為200nm，並且複合燒結體的努普硬度為45GPa。此外，按照與實施例1類似的方式評價得到的拉絲模中的斷絲頻率和拉絲距離的相對值分別為0.17和80。按照與實施例1類似的方式評價得到的切削工具中的崩裂量的相對值為1.2。結果總結於表1中。

[表1]

參照表1可明顯看出，相比於比較例1中所示的僅包括金剛石相的複合燒結體(即，非金剛石碳相佔有率為0％的複合燒結體)和比較例2所示出的複合燒結體(其包括金剛石相和非金剛石碳相，並且非金剛石碳相佔有率為40％)，實施例1至4所示出的各複合燒結體(其包括金剛石相和非金剛石碳相，並且非金剛石碳相佔有率為大於0％且小於等於30％)具有更低的斷絲頻率、更長的拉絲距離和更少的崩裂量。

應當理解的是，在此公開的實施方案和實施例是說明性的，其在任何方面都不是限制性的。本發明的範圍是由權利要求書而非前述說明限定，其旨在包括與權利要求書等同範圍和意義內的任何變型。

附圖標記說明

10複合燒結體；11金剛石相；12非金剛石碳相。