JP2000510056A

JP2000510056A - ダイヤモンド被覆を有する切削部材及びその切削部材の製造方法

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Publication number: JP2000510056A
Application number: JP09540847A
Authority: JP
Inventors: カンメルメイエル、ディルク; インスペクター、アーロン; ボルヒュルト、ヴォルフガング
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 1996-05-15
Filing date: 1997-02-21
Publication date: 2000-08-08
Also published as: AU2131397A; KR20000034774A; EP0912279A1; DE912279T1; US5716170A; BR9708981A; WO1997043068A1; CA2252838A1; CN1218427A; AU706431B2

Abstract

(57)【要約】ダイヤモンド被覆された細長い回転式切削部材及びその切削部材の製造方法である。切削部材(40)は軸方向前方の切削表面(42)、溝(50)、及び溝付きランド(52)を含む。該切削部材は金属結合材により互いに結合された硬質粒子を有する基体を備える。該基体は、不規則表面を呈し、それにより軸方向前方の切削表面(24，26，28)及び溝付きランド(52)を画定する、第１の基体領域を有する。第１の基体領域は、その表面付近に基体内部の硬質粒子よりもサイズが大きい、比較的大きい硬質粒子を含んでいる。ダイヤモンド被覆は第１の基体領域の表面上に施される。基体は溝を画定する第２の基体領域を備える。

Description

【発明の詳細な説明】ダイヤモンド被覆を有する切削部材及びその切削部材の製造方法発明の背景本発明はダイヤモンド被覆を有する改良された細長い切削部材及びその切削部材の製造方法に関する。更に詳細には、本発明は例えばドリル、エンドミル又はリーマなどの、ダイヤモンド被覆された細長い回転式切削部材及びその切削部材の製造方法に関し、ここにおいて、ダイヤモンド被覆は切削部材の選択された切削表面への付着性が改良されている。過去において、例えばドリルなどの、ダイヤモンド被覆された細長い回転式切削部材が存在した。この点において、Anthony等による米国特許第５，０２２，８０１号発明の名称「化学蒸着によるダイヤモンド被覆されたツイストドリル(C VD DIAMOND COATED TWIST DRILLS)」は、化学蒸着（ＣＶＤ）ダイヤモンド被覆処理工程の間にダイヤモンドで満たされるスロットを基体が備えたダイヤモンド被覆されたツイストドリルを開示している。Anthony等の特許は、ほぼ全域に被覆が残されているかどうかについては関心を示しておらず、エッジに被覆が残されていることにのみ関心が向けられている。このスロットは摩耗ストップとして機能し、同時に隣接する材料の摩耗に伴い補助の切削エッジとして機能する。 Omori等の米国特許第５，３７０，９４４号「ダイヤモンド被覆された硬質材料及びその生成処理工程(DIAM0ND-COATED HARD MATERIAL AND A PROCESS F0R TH E PRODUCTION THERE OF)」は、その第４の実施例によると、基体がダイヤモンド被覆に先立って熱処理を施される、ツイストドリル製造の別の処理工程を開示している。１つの処理工程において、基体をダイヤモンド被覆に先立って１３５０ ℃、１００Ｔｏｒｒの窒素雰囲気下で６０分間熱処理した。第２の処理工程において、基体をダイヤモンド被覆に先立って１３５０℃、１００ＴｏｒｒのＣＯ雰囲気下で６０分間熱処理した。更に別の処理工程において、基体をダイヤモンド被覆に先立って１３００℃、１００気圧の窒素雰囲気下で６０分間熱処理した。他の処理工程において、基体をダイヤモンド被覆に先立って１３００℃、１００気圧の窒素雰囲気下で６０分間熱処理し、被覆処理のあと、ダイヤモンド被覆を部分的に研削し、特定の表面粗度を得た。これらの実施例全体に関し、ダイヤモンド被覆処理はマイクロ波プラズマＣＶＤ処理であった。他にドリルなどの、ダイヤモンド又は他の硬質材のインサート即ち植込部を有する細長い回転式切削部材に関する特許がある。例えばBunting等の米国特許第４，７６２，４４５号「複合焼結ツイストドリル(COMPOSITE SINTERED TWIST DR ILL)」はドリルの未加工基体中に埋め込まれた、ダイヤモンドのオフセットされた対向するインサートを示す。Cerutti等の米国特許第５，２７３，５５７号「熱安定性ダイヤモンド又はＣＢＮ圧縮粉チップを有するツイストドリル(TWIST D RILLS HAVING THERMALLY STABLE DIAMOND OR CBN COMPACTS TIPS)」は７００℃ 以上の液相線を有するろう接合金によりダイヤモンド成形体をスロットに保持する回転式ドリルビットに関する。Omori等の米国特許第５，１３７，３９８号「ダイヤモンド被覆された焼結体を有するドリルビット(DRILL BIT HAVING A DIAM OND-COATED SINTERED BODY)」はドリル本体の軸前端部のスロット中に嵌め込まれる着脱自在のインサートを有するツイストドリルを示す。Ishikawa等の米国特許第５，１２３，２１７号「硬質且つ展性の低い材料の穿孔用ドリル(DRILL FOR USE IN DRILLING HARD AND BRITTLE MATERIALS)」は硬質のインサートを有する切削ヘッドを備えたドリルを示す。Suzuki等の米国特許第５，０７１，２９４号「バニシ仕上げドリル(BURNISHING DRILL)」はくぼんだ溝にダイヤモンドチップを取り付けたドリルを示す。Nakamura等の米国特許第５，０２０，３９４号「多結晶ダイヤモンド溝付き工具及びその溝付き工具の製造工程(POLYCRYSTAL DIAMO ND FLUTED TOOL AND A PROCESS FOR THE PRODUCTION OF THE SAME)」はドリルの選択された領域にダイヤモンド被覆を施したドリルを示す。前記の方法のいずれも、再焼結処理（ダイヤモンド被覆処理に先立って行われる）における基体の寸法公差を維持する目的に取り組むものはないようにみえる。そのため、ダイヤモンド被覆された基体は、ダイヤモンド被覆処理工程を通じてその寸法公差を保持することになる。ダイヤモンド被覆された回転式切削部材はその寸法公差、即ち一貫性寸法(dimensional integrity)を保持することが重要であることが認識されるであろう。この故に、例えばドリル、エンドミル、タップ、バー、さらもみ錐、又はリーマなどの、ダイヤモンド被覆が改良された細長い回転式切削部材及びその切削部材の製造方法を提供することが非常に望まれている。更に、例えばドリル、エンドミル、タップ、バー、さらもみ錐、又はリーマなどの、ダイヤモンド被覆が改良された細長い回転式切削部材及びその切削部材の製造方法であって、ダイヤモンド被覆された回転式切削部材が一貫性寸法を有するとともにダイヤモンド被覆が優れた付着性を発揮する回転式切削用部材を提供することが一層望まれている。発明の概要本発明の１つの目的はダイヤモンド被覆を有する改良された細長い回転式切削部材及びその切削部材の製造方法の提供である。本発明の他の目的はダイヤモンド被覆が優れた付着性を有する、改良されたダイヤモンド被覆された細長い回転式切削部材及びその切削部材の製造方法の提供である。本発明の他の目的はダイヤモンド被覆が優れた付着性及び一貫性寸法を有する、改良されたダイヤモンド被覆を有する細長い回転式切削部材及びその切削部材の製造方法の提供である。１つの形態において、本発明は軸前方の切削表面、溝及び溝付きランドを含むダイヤモンド被覆を有する細長い回転式切削部材である。該切削部材は金属結合材により互いに結合された硬質粒子を含む基体を包含する。基体は表面を提供して、軸方向前方の切削表面及び溝付きランドを定義する、第１の基体領域を有する。第１の基体領域はその表面付近に比較的大きい硬質粒子を包含し、該比較的大きい硬質粒子は基体内部の硬質粒子よりもサイズが大きい。第１の基体領域は不規則表面を備える。ダイヤモンド被覆は第１の基体領域の表面上に施される。基体は溝を定義する、第２の基体領域を有する。別の形態において、本発明は臨界衝突面及び非臨界衝突面を備えるダイヤモンド被覆された回転式切削部材である。該切削部材は金属結合材により互いに結合された硬質粒子を含む基体を包含し、基体は臨界衝突面を定義する第１の基体領域を有する。第１の基体領域はその臨界衝突面付近に比較的大きい硬質粒子を包含し、該比較的大きい硬質粒子は基体内部の硬質粒子よりもサイズが大きい。臨界衝突面は不規則表面を備える。基体は非臨界衝突面を定義する第２の基体領域を有する。第２の基体領域は基体内部の硬質粒子とサイズがほぼ等しい硬質粒子を包含する。非臨界衝突面の表面粗度は第１の基体領域の表面粗度よりも小さい。ダイヤモンド被覆は臨界衝突面上に施される。更に別の形態において、本発明は切削部材が臨界衝突面及び非臨界衝突面を備えるダイヤモンド被覆された回転式切削部材の製造方法である。この方法は以下の各ステップを含む：金属結合材により互いに結合された硬質粒子を包含する焼結された基体を準備し、次にこの基体から物質を除去して臨界衝突面を備える第１の基体領域を形成し、次いでこの基体を一定温度のある雰囲気下で一定時間再焼結して基体表面に粒の成長をもたらし、次いで非臨界衝突面を備える第２の基体領域を形成するように基体から物質を除去して、基体上にダイヤモンド被覆を付着させる。ここではダイヤモンド被覆の臨界衝突面への付着性は非臨界衝突面への付着性に比べて優れている。更に別の形態において、本発明は切削部材が臨界衝突面及び非臨界衝突面を備えるダイヤモンド被覆された回転式切削部材の製造方法である。この方法は以下の各ステップを含む：金属結合材により互いに結合された硬質粒子を包含する焼結された基体を準備し、次にこの基体から物質を除去して臨界衝突面を備える第１の基体領域を形成し、次いでこの基体を一定温度のある雰囲気下で一定時間再焼結して基体表面に粒の成長をもたらし、基体上にダイヤモンド被覆を付着させ、次いでダイヤモンド被覆された基体から物質を除去して非臨界衝突面を備える第２の基体領域を形成する。ここでは臨界衝突面にはダイヤモンド被覆が施されており、非臨界衝突面にはダイヤモンド被覆は施されていない。図面の簡単な説明以下は、本願の一部を構成する図面の簡単な説明である。図１は、ツイストドリルのための焼結されたブランク即ち未加工部材の斜視図である。図２は、材料が研削され、ツイストドリルの溝付き部分の外径及びドリルの軸方向前方の切削表面の一部を示す、図１の焼結されたブランクの斜視図である。図３は、材料が研削され、ツイストドリルの軸方向前方の切削表面の残部を示す、図２の焼結されたブランクの斜視図である。図４は、再焼結後、材料が研削されツイストドリルの溝を示す、図３の構造の斜視図である。詳細な説明図面を参照すると、図１はツイストドリル、即ち細長い回転式切削部材に用いる、符号１０で示される一般に円筒形の焼結されたブランク即ち未加工の基体を表す。この特定の実施の形態はツイストドリルであるが、本発明は他の回転式切削部材を包含していてもよいことが認識されるものである。例えばタップ、バー、さらもみ錐、リーマ、又はエンドミルの各々は本発明の範囲内にある。以下の説明より明らかとなるとおり、最終的な処理ステップとして物質の除去を含む本発明の実施の形態は、複雑な形状を有する本体の製造における用途に特に適している。更に具体的には、最終工程では機械加工などによる物質除去を含むため、この処理工程は複雑な幾何学的形状又は形を有する本体の製造に不可欠な一貫性寸法及び寸法公差を保持する。再び図１を参照すると、基体１０はそれぞれ軸前端部１２及び後端部１４を反対面に備える。基体１０はその長さ方向全体にわたり一般に円筒形の表面１６を備え、従って基体１０の全般的な形状は円筒形となる。基体１０の典型的な材料はコバルトで接合された炭化タングステンである。他の典型的な材料は、単純炭化物又は固溶体として存在する他の炭化物（例えば、ＴａＣ，ＮｂＣ，ＴｉＣ，ＶＣ）を有する炭化タングステンベースの材料である。コバルトの含有量の範囲は約０．２〜約２０ｗ％（重量％）であり、より一般的な範囲は約５〜約１６ｗ％である。ツイストドリル又は他の細長い切削部材（例えばエンドミル又はリーマ）に用いられる典型的な炭化タングステン−コバルト（又は炭化タングステンベース／コバルト）組成物は以下の組成物及びそれらの組成物の特性を含む。第１の組成物は、Ｔａ（Ｎｂ）Ｃの形態をとる、コバルト約１１．０〜約１２．０ｗ％、タンタル約１．２〜約２．６ｗ％、ニオブ約０．２〜約０．６ｗ％、ＴｉＣの形態をとり約０．４ｗ％を超えないチタン、及び残りは炭化タングステンを有してなる。第１の組成物に関しては、炭化タングステンの平均粒度は約１〜約６マイクロメートルであり、気孔率は約Ａ０６、Ｂ００、Ｃ００（ＡＳＴＭ（アメリカ試験材料学会）Ｂ２７６−８６の指定による）であり、密度は約１４０００〜約１４４００ｋｇ／ｍ³であり、ロックウェルＡ硬さは約８９．４〜約９０．２であり、磁気飽和は１キログラム−コバルト当り約２０２マイクロテスラ立方メートル（μＴｍ³／ｋｇ）（１グラム−コバルト毎に約１６０ガウス立方センチメートル（ｇａｕｓｓ−ｃｍ³／ｇｍ））を１００％とすると約８８〜９８％であり、保磁力は約１３５〜約１８５エルステッドであり、抗折力は約２．８ギガパスカル（ＧＰａ）である。第２の組成物は、Ｔａ（Ｎｂ）Ｃの形態をとる、コバルト約１０．０〜約１０．６ｗ％、タンタル約４．７〜約５．７ｗ％、ニオブ約３．０〜約３．８ｗ％、ＴｉＣの形態をとるチタン約３．０〜約３．８ｗ％、及び残りは炭化タングステンを有してなる。第２の組成物に関しては、炭化タングステンの平均粒：は約１〜約６マイクロメートルであり、気孔率はＡ０６、Ｂ００、Ｃ００（”Standard Test Method for Apparent Porosity in Cemented Carbides”と題されたＡＳＴＭ、Ｂ２７６−８６の指定による）であり、密度は約１２７００〜約１３１００ｋｇ／ｍ³であり、ロックウェルＡ硬さは約９０．７〜約９１．３であり、磁気飽和は約８０〜約１００％であり、保磁力は約１４０〜約１８０エルステッドであり、抗折力は約２．４ＧＰａである。第３の組成物は、コバルト約８．５ｗ％及び残りは炭化タングステンを有してなる。第３の組成物に関しては、炭化タングステンのｍであり平均粒度は約２．５マイクロメートル、密度は約１４６００〜約１４８００ｋｇ／ｍ³であり、ビッカース硬さは約１３７０〜約１４３０ＨＶ３０であり、磁気飽和は約７９．２〜約９４．４％であり、保磁力は約１３０〜約１７０エルステッドであり、抗折力は約３．０ＧＰａである。第４の組成物は、コバルト約１１．５ｗ％及び残りは炭化タングステンを有してなる。第４の組成物に関しては、炭化タングステンの平均粒度は約１〜約４マイクロメートルであり、密度は約１２６９０〜約１２８９０ｋｇ／ｍ³であり、ビッカース硬さは約１３００〜約１４００ＨＶ３０であり、磁気飽和は約７９．２〜約９３．８％であり、保磁力は約１１０〜約１７０エルステッドであり、抗折力は約２．２５ＧＰａである。第５の組成物は、コバルト約６．０ｗ％、Ｔａ（Ｎｂ）Ｃ１．６ｗ％、及び残りは炭化タングステンを有してなる。第５の組成物に関しては、炭化タングステンの平均粒度は約１マイクロメートルであり、密度は約１４８００〜約１４９００ｋｇ／ｍ³であり、ビッカース硬さは約１６４０〜約１７４０ＨＶ３０であり、磁気飽和は約７９．２〜約９４．０％であり、保磁力は約２１０〜約２７０エルステッドであり、抗折力は約２．６ＧＰａである。第６の組成物は、Ｔａ（Ｎｂ）Ｃの形態をとる、コバルト約１４．７〜約１５．３ｗ％、約０．１ｗ％を超えないタンタル、ニオブ約０．１ｗ％、ＴｉＣの形態を有し約０．１ｗ％を超えないチタン、炭化バナジウムの形態をとるバナジウム約０．２〜約０．４ｗ％及び残りは炭化タングステンを有してなる。第６の組成物に関しては、炭化タングステンの平均粒度は約１マイクロメートル未満であり、空隙率はＡ０６、Ｂ０１、Ｃ００（ＡＳＴＭ、Ｂ２７６−８６の指定による）であり、密度は約１３８００〜約１４０００ｋｇ／ｍ³であり、ロックウェルＡ硬さは約９１．０〜約９１．８であり、磁気飽和は約８０〜約８８％であり、保磁力は約２８０〜約３２０エルステッドであり、抗折力は約３．５ＧＰａである。第７の組成物は、Ｔａ（Ｎｂ）Ｃの形態をとる、コバルト約９．７〜約１０．３ｗ％、タンタル約０．１ｗ％、ニオブ約０．１ｗ％、ＴｉＣの形態を有するチタン約０．１ｗ％、炭化バナジウムの形態を有するバナジウム約０．１〜約０．３ｗ％及び残りは炭化タングステンを有してなる。第７の組成物に関しては、炭化タングステンの平均粒度は約１マイクロメートル未満であり、空隙率は約Ａ０６、Ｂ０１、Ｃ００（ＡＳＴＭ、Ｂ２７６−８６の指定による）であり、密度は約１４４００〜約１４６００ｋｇ／ｍ³であり、ロックウェルＡ硬さは約９１．５〜約９２．９であり、磁気飽和は約８０〜約９８％であり、保磁力は約２５０〜約３５０エルステッドであり、抗折力は約３．１ＧＰａである。第８の組成物は、コバルト約９．５ｗ％及び残りは炭化タングステンを有してなる。第８の組成物に関しては、炭化タングステンの平均粒度は約０．８マイクロメートルであり、密度は約１４５００〜約１４６００ｋｇ／ｍ³であり、ビッカース硬さは約１５２０〜約１５８０ＨＶ３０であり、磁気飽和は約７９．２〜約９３．８％であり、保磁力は約２２５〜約２６５エルステッドであり、抗折力は約３．６ＧＰａである。第９の組成物は、Ｔａ（Ｎｂ）Ｃの形態をとる、コバルト約８．６〜約９．４ｗ％、タンタル約０．３〜約０．５ｗ％、ニオブ約０．２ｗ％未満、ＴｉＣの形態を有するチタン約０．４ｗ％未満、及び残りは炭化タングステンを有してなる。第９の組成物に関しては、炭化タングステンの平均粒度は約１〜約１０マイクロメートルであり、密度は約１４３００〜約１４６００ｋｇ／ｍ³であり、ロックウェルＡ硬さは約８８．９〜約９０．１であり、磁気飽和は約８８〜９８％であり、保磁力は約１００〜約１６０エルステッドであり、抗折力は約２．４ＧＰａである。第１０の組成物は、コバルト約１１．０ｗ％、Ｔａ（Ｎｂ）Ｃ８．０ｗ％、ＴｉＣ４．０ｗ％、及び残りは炭化タングステンを有してなる。第１０の組成物に関しては、炭化タングステンの平均粒度は約１〜約８マイクロメートルであり、密度は約１２９５０〜約１３１５０ｋｇ／ｍ³であり、ビッカース硬さは約１３３０〜約１４３０ＨＶ３０であり、磁気飽和は約７９．２〜約９３．６％であり、保磁力は約１５５〜約１８５エルステッドであり、抗折力は約２．５ＧＰａである。他の結合材も適切に使用できることを認識されたい。コバルト及びコバルト合金に加え、適切な金属結合材にはニッケル、ニッケル合金、鉄、鉄合金、及び前挙の物質（即ち、コバルト、コバルト合金、ニッケル、ニッケル合金、鉄、及び／又は鉄合金）のあらゆる組合せが含まれる。基体１０の加工の第１工程は、基本となる細長い基体の表面を研削することである。図１に図示された基体１０はその表面に既に研削が施されている。第２の基本的な工程は、概ね円筒形の基体１０の選択された部分から材料を除去することである。図２は、その軸前方部分から選択された量の材料を除去できるように研削された基体を図示している。図２に示した構造とブランク（未加工の）基体１０との弁別のために、図２に示した状態にある基体は符号１８で示されている。切り込み研削を通じてある量の材料が基体の軸前方部分から除去され、後にツイストドリルの溝付きセクションとなる、基体の小直径（即ち、切削直径）部分２０の外径”Ａ”を画定する。この工程では、基体の後方部分から材料の除去は行わない。基体の後方部分はツイストドリルのシャンクとなる、基体の大直径部分２２を画定する。更にこの加工工程では、基体の軸前方部分から材料を研削（又は除去）し、軸前端の切削表面の一部を画定する。更に具体的には、この工程はツイストドリルの切削エッジ２４、逃げ面２６及び２８を画定する。更に表面３０及び３２がこの加工工程の結果露出し、切削エッジを形成する。最後に、この工程は材料を除去して基体の後方端部を角とりし、また直径を縮小した部分及び直径を拡張した部分との境に肩３４を形成する。細長い構造体１８の加工の次の工程は、その軸前端部から材料を除去して図３に示されている構造体を生成することである。図３に示した構造体と符号１８で示される基体との弁別のために、図３に示した基体は符号３６で示されている。この第２の研削工程による材料の除去はツイストドリルの短尺の溝を画定する。図３は短尺の溝３８を１つだけ示している。上の説明は図３に示した構造体に至るまでの数ある基本的な加工工程の特徴を記述したものである。しかしながら、この処理では適切な加工工程であれば工程の数は幾つでもよいことを認識されたい。前述の基本的な工程は説明を簡略にする目的で用いられたものである。従って、本発明の範囲は前述の特定の加工工程に限定されるものではない。図３に示された状態の基体に再焼結処理が施されるのは、加工のこの段階においてである。図３に示された状態にあるとき、基体３６はその材料の液相線を上回る温度で行われる再焼結処理（即ち、加熱処理）によって生じる、寸法上の不都合な変形に耐え得るだけの十分な質量（即ち、単純な形状寸法）を有する。従って、再焼結処理の結果として図３に示される基体における寸法公差は変化せず、所望の寸法にまで研削された構造はその一貫性寸法を維持する。即ち、再焼結処理の間、この構造は寸法的な変形を経ず、またはこの構造が寸法的な変形を経たとしても、その変形度合いは予め選択された寸法公差内に最終的な構造体がとどまる程度のものである。換言すれば、切削エッジ、逃げ面、短尺の溝、及び溝付き部分（のちに溝付きランドとなる部分）の外径の各寸法は、再焼結処理の後でも一貫性を保持している。再焼結処理について述べると、ＷＣベースのコバルト合金の場合、焼結基体の表面はコバルト又はコバルト合金により結合された炭化タングステンの硬質粒子（単一炭化物又は他の炭化物との固溶体として）からなっていることを先ず第一に理解されたい。コバルトは炭化タングステン粒子間にあるだけでなく、真空焼結状態下のコバルト及び炭化タングステンの湿潤性により焼結されつつある基体表面上の炭化タングステン粒子のいくつかを被覆する。これに加えて、基体の研削された領域はその基体表面一帯にコバルトを付与しており、炭化タングステン粒子を被覆してもよい。再焼結処理は適切な時間に適切な温度及び雰囲気の状態で起こり、それにより基体の表面上で炭化タングステンの粒の成長を生じさせ、同時に表面からのコバルトの減損（即ち、蒸発）をもたらす。この結果、２５マイクロインチＲ_a以上、好ましくは３０マイクロインチＲ_a以上、更に好ましくは４０マイクロインチＲ_a以上の表面粗度を有する基体表面が生成される。以下の論考は、Kennametal社（ペンシルバニア州、ラトローブ）に譲渡され、公開された国際特許出願番号ＰＣＴ／ＵＳ９４／０２３４６（国際公開番号ＷＯ９５／１５２５８）「ダイヤモンド被覆された工具及びその製造工程(DIAM0ND C OATED TOOLS AND METHOD FOR MAKING)」（この国際特許出願番号ＰＣＴ／ＵＳ９４／０２３４６（国際公開番号ＷＯ９５／１５２５８）は本願に援用される文献である）の中で合金Ｂとして識別されているものに関するが、例えばドリルなどの細長い切削部材に用いられる一般的な組成物には、同一の又は類似の結果が得られることが予想される。より具体的には、これらの結果は、上でドリル又はリーマの典型例として認識された基体についても得られるはずである。合金Ｂは以下の組成を有していた：コバルト２．３〜２．９ｗ％、０．４ｗ％までのタンタル、０．１ｗ％までのニオブ、他の不純物及び残りは炭化タングステン。合金Ｂは以下の特性を有していた：ロックウェルＡ硬さ９２．８〜９３．６、保磁力（Ｈ_c）２９０〜４４０エルステッド、磁気飽和がエータ相(eta phas e)の形成を回避するに足るものであり、炭化タングステン平均粒度１〜６マイクロメートル、気孔率Ａ０８、Ｂ００、Ｃ００又はそれ以上、密度１５．１０〜１５．５０ｇ／ｃｍ²。合金Ｂのための再焼結処理は２７５０°Ｆ（１５１０℃）で３時間、６６．５Ｐａ（０．５ｔｏｒｒ）の窒素雰囲気下で行なわれた。認識されるように、一定の表面粗度を得るまでの時間は変化し得る。焼結温度が上昇するにつれて、焼結時間が短縮されるということは一般的に起こることである。好適な雰囲気は、分圧が炭化タングステンの再湿潤をバルク基体中のコバルトにより最小限に抑えつつコバルト蒸発を可能にする、窒素雰囲気下である。又、表面における窒素層の形成も回避されるべきである。窒素分圧の範囲は３９．９Ｐａ（０．３ｔｏｒｒ）〜６６５０Ｐａ（５０ｔｏｒｒ）であり、好適な範囲は３９．９Ｐａ（０．３ｔｏｒｒ）〜６６５Ｐａ（５ｔｏｒｒ）であり、最も好適な範囲は３９．９Ｐａ（０．３ｔｏｒｒ）〜２６６Ｐａ（２ｔｏｒｒ）である。再焼結後、合金Ｂのミクロ構造は以下のように変化した。周辺表面領域においてコバルトがプールされた状態と比較してコバルト含有量が減少した。コバルト含有量は周辺表面領域を含めた試料全体を通じて０．５ｗ％減少した。孔げき比率は周辺表面領域において改良された。この点に関しては周辺表面領域又は試料中の他のあらゆる領域においても、連結孔は見られず孔げき比率はＡ０２及びＡ０６であった。炭化タングステンの粒の粒径は増大した。特に炭化タングステンの粒径は均一でなく、１〜１１マイクロメートルの範囲に及んだ。粒径の大きい粒子の割合及び大きい粒子の発生頻度は周辺表面領域において高く、周辺表面領域では１６〜２８マイクロメートルの粒子が含まれていた。合金Ｂの表面粗度は、Kennametal社（ペンシルバニア州、ラトローブ）に譲渡され公開された国際特許出願番号ＰＣＴ／ＵＳ９４／０２３４６（国際公開番号ＷＯ９５／１５２５８）「ダイヤモンド被覆された工具及びその製造工程」の表 IIに示されている。表IIは表面粗度が約３８〜約６８マイクロインチＲａの範囲で変化することを示している。出願人は上記の変化、即ち、表面付近での粒の成長及び表面付近での結合材金属の減少は、本願においてこれまでに識別されたあらゆる特定の合金を焼結する際にも起こると予想している。従って、これらの合金のいずれも上に施されるダイヤモンド被覆の付着性を強化する適切な表面粗度を提供するはずである。基体３６の加工における次の工程は、材料を除去してその中にねじれ溝を含む溝部分を画定することである。得られた構造体は図４に示されており、符号４０で示される。基体４０は軸前端部４２及び後端部４４をそれぞれ反対側に備える。シャンク４６はドリル４０の軸後端部４４に隣接している。基体４０はドリルの溝５０を包含する溝付き部分４９を更に備える。溝付き部分４９はドリルの肩４８から軸前端部４２に向けて延出する。溝付きランド５２は隣接する溝５０の間にある。図４は基体の軸前方部分が切削エッジ２４、逃げ面２６及び２８、及び図４では１つの短尺の溝３８のみが示される面を包含していることを図示している。ツイストドリル基体の表面粗度は特定の範囲又は領域によって変化する。溝付きランド５２、切削エッジ２４、逃げ面２６及び２８、及び短尺の溝３８は第１の基体領域を画定する。第１の基体領域の表面粗度は少なくとも２５マイクロインチＲａであり、好ましくは少なくとも３５マイクロインチＲａであり、最も好ましくは少なくとも４０マイクロインチＲａである。第１の基体領域は臨界衝突面である表面領域を示している。換言すれば、これらの構造、即ち溝付きランド、切削エッジ、逃げ面及び短尺の溝は表面領域を示すものであり、この領域に対してダイヤモンド被覆が最良の付着性を有することが重要である。これは、これらの表面領域が満足のゆく切削作用を行うために重要であるからである。第１の基体領域の一部でなくとも、シャンク４６及び肩４８の表面も同様に上記の表面粗度のパラメータを有している。ツイストドリル基体４０表面の残りは第２の基体領域を画定する。より具体的には、溝５０が第２の基体領域を画定する。より大きい硬質粒子を示すと共に、結合材金属を少なくした含有量を示すミクロ構造の部分は、この溝を形成するために除去され、これによりこの第２の基体領域においては表面粗度が第１の基体領域の表面粗度に比べて小さい。第２の基体領域は表面領域を示すが、この表面領域に対してはダイヤモンド被覆が優れた付着性を有することは重要でない。これは、溝の表面はドリルの満足のゆく切削に対し大きな影響力をもたないからである。従って、ダイヤモンド被覆が、第２の基体領域即ち、非臨界衝突面の表面領域に対してよりも、第１の基体領域即ち、臨界衝突面の表面領域に対し優れた付着性を有することがより重要であることが明白となる。この段階において、基体４０はダイヤモンド被覆が施されることが可能な状態にある。被覆工程に先立って行う代りとなる処理工程として、基体４０の選択された表面をダイヤモンドで引っ掻く（diamond scratched）ことによりダイヤモンドの核生成用位置即ち部位を増大させる。ダイヤモンドによる引っ掻きは、一般的に第１の基体領域上の種々の部位で行われる。ダイヤモンドによる引っ掻きは、ダイヤモンドペースト０．２５マイクロメートルを用いてその領域を手で引っ掻くことにより行ってもよく、又、０．５〜３マイクロメートルのダイヤモンド粉末のスラリーをアセトン１００ｍｌ中で超音波処理することにより行ってもよい。超音波処理はダイヤモンド粉末のスラリー及びアセトンを形成し、スラリーを超音波で振動させ、次いでその部材を振動するスラリー中に沈め、それによりダイヤモンド粒子をその部材の表面に衝突させる工程を含む。出願人は更に、ダイヤモンド被覆に先立って行われる代りとなる処理工程として、コバルトを基体の選択された表面から機械的、化学的、電気化学的処理により除去してもよいということを企画した。非臨界衝突面を示すコバルトを第２の基体領域から除去することが望ましく、これにより基体のこの領域へのダイヤモンド被覆の付着性を高める。Svenssonの米国特許第５，３８０，４０８号「エッチング処理方法(ETCHING PROCESS)」は、硫酸、燐酸、及び水の混合液中でエッチングを行い、硬質材料の表面から結合相を除去する電気化学的エッチング処理方法を開示している。欧州特許第０３３７６９６号「表面被覆された超硬合金及びその製造方法(SURFACE-COATED CEMENTED CARBIDE AND A PROCESS FOR THE PRODUCTION OF THE SAME)」は、機械処理（バーレル、ブラシ仕上げなど）、化学処理（硝酸、塩酸、フッ化水素酸、硫酸などの酸への浸出）、又は電気化学的処理を用いて基体の表面領域から結合材を除去することに言及している。日本国特許出願公開番号２−２１７３９８（１９９０年８月３０日公開）「ダイヤモンド薄膜を用いた被覆方法(COATING METHOD BY DIAMOND THIN FILM)」は基体表面から結合材を除去するための電解研削方法を開示している。ダイヤモンド被覆に関しては、ダイヤモンド被覆は熱フィラメント、ＤＣプラズマジェット、マイクロ波プラズマ、又はアークジェット技術などの蒸着技術により行われてもよい。ダイヤモンド被覆を施すための１つの適切な技術は、Kenn ametal社（ペンシルバニア州、ラトローブ）に譲渡され、公開された国際特許出願番号ＰＣＴ／ＵＳ９４／０２３４６（国際公開番号ＷＯ９５／１５２５８）「ダイアモンド被覆された工具及びその製造方法」中に説明されている。この点、即ちダイヤモンド被覆を行うことに関しては、被覆中の基体温度は７００〜８７５℃に保たれることが望ましい。基体温度が約７００℃以下の場合、ダイヤモンド被覆内に黒鉛が余りに多く形成され、それにより耐摩耗性が著しく低下する。これに加え、被覆率も低下する。基体温度が８７５℃以上の場合、被覆中にコバルトが余りに多く拡散され、ダイヤモンドの基体への付着性は不都合な影響を受ける。ダイヤモンド被覆は約７５０〜約８５０℃で行われることが望ましいことがわかった。第１の基体領域上では表面粗度が増大されているため、第１の基体領域に対するダイヤモンド被覆の付着性は第２の基体領域に対する付着性に比べて増大している。前述したように、第１の基体領域はツイストドリルの臨界衝突面を画定する。第１の基体領域の表面領域に対し最も優れた付着性を有するダイヤモンド被覆により、ツイストドリルは、全表面にわたり付着性を増大させたツイストドリルと実質的に同じ効果がある。しかし、基体は、液相線と同等又はそれ以上の温度で再焼結する間、寸法の変形に耐えるのに十分な質量（又は、寸法の単一性）を有しているため、ツイストドリルの臨界切削表面は一貫性寸法を有する。出願人は本発明を実行する第２の方法があることを考慮に入れた。これに関し、その方法は、図１に図示されたような基体、即ち表面研削された円筒形ブランク即ち未加工基体から開始される。次の基本的な工程は、一般的に円筒形の基体の選択された部分から材料を除去し、基体を図２に図示されたような状態にすることを含む。第１の方法の場合と同様に、研削工程は基体の軸方向前方部分からある量の材料を除去し、ツイストドリルの溝付き部分となる小直径の外径を画定する。この工程では基体の後方部分を研削せずに残し、ツイストドリルのシャンクとなる基体の大直径の部分を画定する。更にこの処理工程は基体の軸方向前方部分から材料を研削（即ち、除去）し、軸方向前方の切削表面の一部を画定する。この工程はツイストドリルの切削エッジ及び逃げ面を画定する。切削エッジを形成するこの処理工程の結果、第１の実施の形態の表面３０及び３２のような表面が更に露出する。細長い構造の処理における次の工程は、その軸方向前方端部から材料を除去して図３に図示されているような構造を形成する。この第２の研削工程を通じた材料の除去はツイストドリルの短尺の溝を画定する。この時点でドリルは図３に図示した構造と同様の構造を示す。基体が再焼結処理を施されるのは、処理のこの段階においてである。図３に図示した実施の形態の場合のように、基体はその材料の液相線を上回る温度で行われる再焼結処理、即ち、加熱処理による起こりがちな寸法の変形に耐え得る十分な質量（又は、寸法の単一性）を有する。従って、基体の寸法公差は変化せず、所望の寸法にまで研削された構造はその一貫性寸法を維持する。換言すると、切削エッジ、逃げ面、短尺の溝、溝付き部分（溝付きランドとなる部分）の外径は再焼結処理の後でもその一貫性寸法を維持している。他の回転式切削部材では、臨界衝突面は再焼結の前に研削（即ち、画定）され、再焼結中の本体の質量を最大限にしている。再焼結工程の完了後、ツイストドリル基体表面の表面粗度は少なくとも２５マイクロインチＲａであり、望ましくは少なくとも３５マイクロインチＲａであり、最も望ましくは少なくとも４０マイクロインチＲａである。再焼結された基体のミクロ組織は、第１の実施の形態の場合の再焼結後のミクロ組織と類似している。表面のミクロ組織はバルクの場合よりも大きい粒度を有し、バルクの場合よりもコバルト含有量が多く、相互に連絡する多孔率がない。次の工程は、再焼結された基体にダイヤモンド被覆を施すことである。ダイヤモンド被覆作業は第１の方法に類似したものであるため、詳細な記述はここでは不要である。ダイヤモンド被覆工程の最終仕上りは、既に研削されダイヤモンド被覆された臨界衝突面を備えるダイヤモンド被覆された基体である。非臨界衝突面は研削されていない。ダイヤモンド被覆工程の完了後、基体から材料が除去され、ツイストドリルの非臨界衝突面、即ち、溝を画定する。この工程の最終仕上りはその上にダイヤモンド被覆が施された臨界衝突面、及び研削されてダイヤモンド被覆を除去された非臨界衝突面を有するツイストドリルである。任意の工程として、ダイヤモンド被覆の蒸着に先立って、非臨界衝突面に対応する表面が覆われ、その部分にダイヤモンド被覆が施されないようにする。この任意の工程に関連した利点の１つは、ダイヤモンド被覆が、非臨界衝突面を画定するための材料の除去に支障を来すことがないことである。より具体的には、ダイヤモンド被覆マットがないことは、他の表面領域におけるダイヤモンド混合の可能性が高まことなく材料をより容易に除去することを可能とする。臨界衝突面に関して述べると、このような表面はダイヤモンド被覆の非常に優れた付着性を提供する表面粗度を有する。これに加えて、臨界衝突面はバルクコバルト含有量より多いコバルト含有量を有する。非臨界衝突面は研削されたままの表面を示す。研削の深さは再焼結後に現れるミクロ組織の深さよりも深いため、非臨界衝突面におけるコバルト含有量及び炭化タングステン粒度はバルクの場合のそれらと本質的に同じである。非臨界衝突面はその上にダイヤモンド被覆を施されていないが、出願人は、このように被覆がなされていないことは細長い回転式切削部材の作用に不都合な影響をもたらすことはないと考えている。その主たる理由は、非臨界衝突面は切削を行うことがなく、従って鋭さ又は一貫性寸法を維持する必要がないためである。非臨界衝突面は摩耗するが、この表面は回転式切削部材の一般的に有用な寿命の間に摩損することはないと考えられる。上記の第２の方法に関連した１つの利点は、ダイヤモンド被覆処理工程中に臨界衝突面のコバルト混合をなくすことである。図面の図４Ｂを参照すると、本発明のツイストドリルのもう１つの実施の形態が図示されており、符号６０で示されている。ツイストドリル６０は正反対の位置に軸方向前方端部６２及び後方端部６４をそれぞれ備える。ドリル６０の軸方向前方部分６６には溝７２及びランド７０が示されている。ドリルの軸方向後方部分はシャンク６８を含む。ダイヤモンド被覆はランド、ドリルの軸方向前方端部に隣接した切削表面、及びシャンク上に施される。ダイヤモンド被覆は前述した２つの基本的な方法のうちのいずれかにより行われる。以上の通り、本発明は一定の目的を達成することが明らかである。即ち、本発明は、改良されたダイヤモンド被覆された細長い回転式切削部材及びその製造方法を提供するものである。更に本発明は、細長い回転式切削部材上に塗布されたダイヤモンド被覆が優れた付着性を有する改良されたダイヤモンド被覆された細長い回転式切削部材及びその製造方法を提供する。最後に、本発明は細長い回転式切削部材上に塗布されたダイヤモンド被覆が優れた付着性と同時に一貫性寸法を有する改良されたダイヤモンド被覆された細長い回転式切削部材及びその製造方法を提供する。本文中に確認される特許及び他の文献は、全て参照として本明細書中に援用される。本発明の他の実施の形態は、本発明の明細書又は実施を考慮すると当業者には明らかである。明細書及び実施の形態はあくまでも例示的なものであり、本発明の権利範囲及び精神は以下の請求の範囲に記載される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ボルヒュルト、ヴォルフガングドイツ連邦共和国Ｄ―89165 ディーフェンハイムプファーシュトラーセ 13ベー

Claims

【特許請求の範囲】１．ダイヤモンド被覆された細長い回転式切削部材であって、該切削部材が軸方向前方の切削表面、溝、及び溝付きランドを含み、該切削部材が、基体を含み、該基体が金属結合材により互いに結合された硬質粒子を含み、該基体が、１つの表面を備える第１の基体領域を有し、該第１の基体領域が軸方向前方の切削表面及び溝付きランドを画定し、該第１の基体領域はその表面付近に比較的大きい硬質粒子を含み、該比較的大きい硬質粒子は基体内部の硬質粒子よりもサイズが大きく、該第１の基体領域が不規則表面を呈し、ダイヤモンド被覆が該第１の基体領域の表面に施され、該基体が溝を画定する第２の基体領域を有する、ダイヤモンド被覆された細長い回転式切削部材。２．前記第２の基体領域が基体内部の硬質粒子とサイズがほぼ等しい硬質粒子を含み、前記第２の基体領域が、前記第１の基体領域の表面粗度に比べて小さい表面粗度を有する表面を有し、前記第２の基体領域の表面にダイヤモンド被覆が施され、前記ダイヤモンド被覆が前記第１の基体領域の表面に対し、前記第２の基体領域の表面に対する付着性よりも大きい付着性を有する、請求項１記載のダイヤモンド被覆された細長い回転式切削部材。３．前記第１の基体領域の表面付近のコバルト含有量が基体内部のコバルト含有量よりも少なく、又、前記第２の基体領域の表面付近のコバルト含有量が前記基体内部の炭化コバルト含有量と実質上等しい、請求項２記載のダイヤモンド被覆された細長い回転式切削部材。４．前記基体の硬質粒子が１つもしくはそれ以上の炭化タングステン、炭化チタン、炭化タンタル、炭化ニオブ、炭化バナジウム、及びそれらの固溶体を有してなり、前記基体が金属結合材約５〜約１６ｗ％を含み、前記金属結合材がコバルト、鉄、ニッケル及びそれらの合金のグループから選択される、請求項１記載のダイヤモンド被覆された細長い回転式切削部材。５．前記第１の基体領域の表面付近のコバルト含有量が前記基体内部のコバルト含有量よりも少ない、請求項１記載のダイヤモンド被覆された細長い回転式切削部材。６．前記基体に結合されたダイヤモンド被覆の平均厚さが約２〜約１００マイクロメートルである、請求項１記載のダイヤモンド被覆された細長い回転式切削部材。７．ダイヤモンド被覆された回転式切削部材であって、該切削部材が臨界衝突面及び非臨界衝突面を備え、該切削部材が、基体を有し、該基体が金属結合材により互いに結合された硬質粒子を含み、該基体が臨界衝突面を画定する第１の基体領域を有し、該第１の基体領域がその臨界衝突面付近に比較的大きい硬質粒子を含み、該比較的大きい硬質粒子が基体内部の硬質粒子よりもサイズが大きく、該臨界衝突面が不規則表面を呈し、該基体が非臨界衝突面を画定する第２の基体領域を有し、該第２の基体領域は該基体内部の硬質粒子とサイズがほぼ等しい硬質粒子を含み、該非臨界衝突面の表面粗度が該第１の基体領域の表面粗度よりも小さく、ダイヤモンド被覆が該臨界衝突面上に施される、ダイヤモンド被覆された回転式切削部材。８．前記ダイヤモンド被覆が前記非臨界衝突面に施され、前記ダイヤモンド被覆が前記臨界衝突面に対し、前記非臨界衝突面に対する付着性よりも優れた付着性を有する、請求項７記載のダイヤモンド被覆された回転式切削部材。９．前記回転式切削部材が軸方向前方の切削エッジ、逃げ面、溝、及び溝付きランドを含み、前記臨界衝突面が軸方向前方の前記切削エッジ、前記逃げ面、及び前記溝付きランドを含み、前記非臨界衝突面が溝を含む、請求項７記載のダイヤモンド被覆された回転式切削部材。１０．前記臨界衝突面付近のコバルト含有量が前記基体内部のコバルト含有量よりも少なく、前記非臨界衝突面付近のコバルト含有量が前記基体内部の炭化コバルト含有量と実質的に等しい、請求項７記載のダイヤモンド被覆された回転式切削部材。１１．切削部材が臨界衝突面及び非臨界衝突面を備えるダイヤモンド被覆された回転式切削部材の製造方法であって、該方法が、金属結合材により互いに結合された硬質粒子を含む焼結された基体を準備する工程を含み、次に該基体から物質を除去して臨界衝突面を備える第１の基体領域を形成する工程を含み、次いで該基体を一定温度で、ある雰囲気で一定時間再焼結して該基体の該表面に粒の成長をもたらす工程を含み、次いで該基体から物質を除去して非臨界衝突面を呈する第２の基体領域を形成する工程を含み、該基体上にダイヤモンド被覆を付着するように堆積する工程を含み、該臨界衝突面へのダイヤモンド被覆の付着性が該非臨界衝突面へのダイヤモンド被覆の付着性に比べて優れている、ダイヤモンド被覆された回転式切削部材の製造方法。１２．前記基体の硬質粒子が１つもしくはそれ以上の炭化タングステン、炭化チタン、炭化タンタル、炭化ニオブ、炭化バナジウム、及びそれらの固溶体を有してなり、前記基体が金属結合材約５〜約１６ｗ％を含み、前記金属結合材がコバルト、鉄、ニッケル及びそれらの合金のグループから選択される、請求項１１記載の製造方法。１３．前記臨界衝突面付近のコバルト含有量が前記再焼結基体の内部のコバルト含有量よりも少なく、前記非臨界衝突面付近のコバルト含有量が前記再焼結基体の内部の炭化コバルト含有量と実質的に等しい、請求項１１記載の製造方法。１４．ダイヤモンド被覆の蒸着に先立って前記非臨界衝突面の金属結合材の含有量を減少させる工程を更に含む、請求項１１記載の製造方法。１５．切削部材が臨界衝突面及び非臨界衝突面を備えるダイヤモンド被覆された回転式切削部材の製造方法であって、該方法が、金属結合材により互いに結合された硬質粒子を含む焼結された基体を準備する工程を含み、次に該基体から物質を除去して臨界衝突面を備える第１の基体領域を形成する工程を含み、次いで該基体を一定温度で、ある雰囲気で一定時間再焼結して該基体の該表面に粒の成長をもたらす工程を含み、該基体上にダイヤモンド被覆を付着するように堆積する工程を含み、次いでダイヤモンド被覆された該基体から物質を除去して非臨界衝突面を備える第２の基体領域を形成する工程を含み、ここにおいて該臨界衝突面にはダイヤモンド被覆が施されており、該非臨界衝突面にはダイヤモンド被覆が施されていない、ダイヤモンド被覆された回転式切削部材の製造方法。１６．前記臨界衝突面が少なくとも２５マイクロインチＲ_aの表面粗度を有する、請求項１４記載の製造方法。１７．再焼結された基体に結合されたダイヤモンド被覆の平均厚さが約２〜約１００マイクロメートルである、請求項１４記載の製造方法。１８．ダイヤモンド被覆の蒸着に先立って、前記非臨界衝突面に相当する前記基体の表面をマスキングする工程を更に含む、請求項１５記載の製造方法。