JP2002283239A - 超砥粒カッタ用基板とその製造方法及びその基板を用いた超砥粒カッタ - Google Patents
超砥粒カッタ用基板とその製造方法及びその基板を用いた超砥粒カッタInfo
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Abstract
合金が持つ剛性・耐摩耗性を併せ持つ、超砥粒カッタ用
基板とその製造方法及びその基板を用いた超砥粒カッタ
を提供する。 【解決手段】 スチール系素材4の両側に、超硬合金5
を積層配置し、焼結法、より具体的には加圧・通電加熱
焼結法の一種である放電プラズマ焼結法により焼結して
接合し、基板1を製造する。
Description
円盤状基板の外周又は内周に超砥粒層を固着した超砥粒
カッタ用の基板及びその製造方法に関し、さらに詳細に
言えば、ガラス、セラミックス、サーメット等の硬脆材
料、磁性材料、金属材料等の工業用材料の切断や溝入れ
に用いて好適な、超砥粒カッタ用の基板及びその製造方
法に関する。さらに本願発明は、その方法により製造さ
れた基板を用いた超砥粒カッタに関する。
内周部に超砥粒層を固着してなる外周刃又は内周刃の超
砥粒カッタは公知である。従来の円盤状基板にはスチー
ル系素材や超硬合金等が用いられている。
のスチール系素材を用いた基板は、材料の入手が容易な
こと、加工も比較的容易なことから広く用いられてい
る。しかし、剛性が低いので切断時に基板が撓み、これ
により切断精度が低下したり、被切断材料に基板が触れ
るいわゆる胴当たり現象を起こして切断抵抗が増した
り、切断時の切粉で基板の表面が傷つけられ寿命が低下
するという問題があった。
系素材を用いた基板より剛性が高いため切断精度が優れ
ていて、胴当たりの問題も少ない。また、表面の硬度が
高いため耐摩耗性が高く寿命も長い。しかし、薄い基板
を製造するのが困難であり、刃厚の薄いカッタ用基板と
するためには取り代が多く、研削加工に時間がかかる。
また、その靭性の低さから、衝撃等に弱く割れ易い。さ
らに、密度が高いため重量が重く、複数枚のカッタを同
軸上に並置してマルチ化した状態で使用する場合等取り
扱いが困難である。
術における問題点に鑑みてなされたものであり、スチー
ル系素材が持つような高い靭性・軽量性と、超硬合金が
持つような高い剛性・耐摩耗性を併せ持つ、超砥粒カッ
タ用基板とその製造方法を提供することをその目的とす
る。さらに、その超砥粒カッタ用基板を用いた超砥粒カ
ッタを提供することをその目的とする。
に、本発明は、相対的に高い靭性を有する素材からなる
層と、相対的に高い剛性を有する素材からなる層を交互
に積層しこれらの層を相互に結合した超砥粒カッタ用の
基板を提供する。積層の数は3以上の奇数である。積層
の仕方は、中央の層に関して対称となっている。
層を形成する素材からなる層と、相対的に高い剛性を有
する層を形成する素材からなる層を交互に積層し、これ
らの層を相互に焼結法により結合する超砥粒カッタ用の
基板の製造方法を提供する。各層の素材は、板材又は粉
体の状態として供給される。そして素材が粉体として供
給された層の焼結が行われると同時に、層全体の結合が
行われる。
により製造された基板を用いた超砥粒カッタを提供す
る。
明するが、本願発明の範囲は、以下に説明される実施の
形態に限定されるものではない。
類以上の素材を使用するが、以下に説明する第一の実施
の形態では、2種類の素材を用いる。図1に、第一の実
施の形態における基板1の側面断面図を示す。基板1は
円盤の形状をしていて、外周部2又は円孔3の内周に、
レジンボンド、メタルボンド、電着等の適宜な方法によ
り超砥粒層(図示せず)を固着して、超砥粒カッタとす
る。外周刃の場合、基板1と同軸芯に形成された円孔3
は、基板1をフランジに取り付けるために利用される。
材の層の両側に他方の素材の層が配置された、3層構造
の合板として構成されている。2種類の素材は、一方の
素材は他方に比して高い靭性を有する素材であり、他方
の素材は一方に対して高い剛性を有する素材である。そ
してこの実施の形態では、靭性の高い素材の層の両側に
剛性の高い素材の層を配置してある。靭性の高い素材と
してスチール系の板材、剛性の高い素材として超硬合金
の板材を用いている。具体的には、スチール系の板材と
して所定の寸法の炭素工具鋼(SK−5)を用いてい
る。超硬合金の板材は、コバルト含有率12%のタング
ステンカーバイト−コバルト合金を用いている。これら
の素材を、図1に示すように、中央に配置された層4を
炭素工具鋼とし、その上下に配置された層5を超硬合金
の板材とし、加圧・通電加熱焼結法により焼結し、これ
らの板材を結合して基板1を製造する。
が、本実施の形態においては、加圧・通電加熱焼結法の
一種である放電プラズマ焼結法を用いている。焼結条件
としては、例えば、真空中の雰囲気で、上下方向から1
5MPaの圧力をかけ、900℃とし5分間保持とす
る。
体の粒子間の間隙に直接パルス状の電気エネルギーを投
入し、火花放電現象により瞬時に発生する放電プラズマ
の高エネルギーを熱拡散、電界拡散などへ利用した焼結
法である。放電プラズマ焼結法を用いた場合、材料の接
合面において組成の傾斜化が得られ、界面の強度が高
い。さらに、処理速度が速い、組み合わせ可能な異種材
料の幅が広い等の利点も得られる。
図を示し、以下にこの装置6を用いて粉体焼結を行う場
合について説明する。符号9は、水冷真空チャンバーで
ある。水冷真空チャンバー9は、内部を真空に保つこと
ができる。粉体7の焼結は、水冷真空チャンバー9の内
部で真空の雰囲気の下で行われる。符号11、13はそ
れぞれ上部パンチ電極及び下部パンチ電極である。上部
パンチ電極11、及び下部パンチ電極13は、水冷真空
チャンバー9の外部から貫通して配置されている。上部
パンチ電極11、及び下部パンチ電極13には粉体7に
プラズマを発生させるための電圧が、電源装置19によ
りかけられ、後述する上部パンチ15及び下部パンチ1
7を介して粉体7に電圧がかけられる。又、上部パンチ
電極11及び下部パンチ電極13には、加圧機構21か
ら設定された圧力が加えられるようになっている。符号
22は、制御装置であり、電源装置19及び加圧機構2
1を制御する。
び下部パンチである。上部パンチ15及び下部パンチ1
7は、黒鉛で製造されていて、同一の外径を有する円柱
状に形成されている。符号20は、焼結ダイである。焼
結ダイ20も黒鉛で製造されていて、内部に軸方向に貫
通孔を有する円筒状に形成されている。貫通孔の内径
は、上部パンチ15及び下部パンチ17の外径と同一で
ある。
の粉体7が配置される。そして、上部から上部パンチ1
5が、下部から下部パンチ17が、焼結ダイ20の貫通
孔に嵌められる。以上のように配置された粉体7、上部
パンチ15、下部パンチ17、焼結ダイ20を、図2に
示すように、上部パンチ電極11と下部パンチ電極13
の間に配置する。前述の通り、上部パンチ電極11及び
下部パンチ電極13には、加圧機構21から圧力が加え
られていて、その圧力が上部パンチ15及び下部パンチ
17を介して粉体7に上下方向より加えられる。また、
上部パンチ15及び下部パンチ17は、それぞれ上部パ
ンチ電極11及び下部パンチ電極13と導通しており、
上部パンチ電極11及び下部パンチ電極13にかけられ
た所定の電圧が粉体7に加えられる。
焼結を行う場合について簡単に説明したが、この放電プ
ラズマ焼結法は、板材同士の場合、あるいは、板材に粉
体を積層し、粉体の焼結を行うと同時に板材との結合を
行うのにも使用可能であり、本実施の形態では前述の通
り3枚の板材をこの放電プラズマ焼結法で結合してい
る。この場合においても、各板材間の接合部をミクロ的
に見ると、各板材の組成成分中の拡散しやすい成分が高
濃度側から低濃度側へ拡散し、組成傾斜する。
を挙げる。また、超硬合金のみで基板を製造した比較例
1、及び高速度工具鋼のみで基板を製造した比較例2と
を挙げ、それらの剛性を比較する。
工具鋼(SK5)を用いる。板厚は0.3mmとし、内
径40mm、外径120mmの円環状に製作してある。
高い剛性を有する素材として、焼結して形成した超硬合
金の板材を用い、その超硬合金はコバルト含有率12%
のタングステンカーバイト−コバルト合金である。板厚
は0.4mmとし、内径40mm、外径120mmの円
環状に製作してある。そして、炭素工具鋼を中央にし
て、その両面に超硬合金を積層配置したものを被焼結体
とする。
の一種である放電プラズマ焼結法により焼結を行った。
本実施の形態における放電プラズマ焼結装置には、住友
石炭鉱業株式会社製の放電プラズマ焼結装置(SPS−
7.40)を用いた。素材の配置の仕方を図3に示す。
尚、図3は、基板を2枚同時に製造する2段取りの状態
を示してある。符号29は、焼結ダイであり、その貫通
孔30は、前述の如く三層構造とされた被焼結体25、
25の外径に対応した径を有する。貫通孔30内には、
2セットの焼結体が、図3に示されるように、スペーサ
ー27a、27b、27cを介在させて配置される。被
焼結体25、25及びスペーサー27a、27b、27
cは中心に同一の径を持つ貫通孔を有していて、その貫
通孔内にそれと同一の外径を有する円柱状のコア23が
配置される。以上のように配置したコア23、スペーサ
ー27a、27b、27c、被焼結体25、25、ダイ
29を、図2に示される上部パンチ15の下面16と下
部パンチ17の上面18の間に配置する。焼結条件とし
て、装置の出力を最高電圧4V、最高電流9800Aと
し、真空の雰囲気において材料の上下方向から圧力15
MPaをかけながら、900℃とし5分間保持とした。
mm、内径40mm、厚さ1.1mmの円環状の合板を
製造した。さらに、上下面を均等に0.3mmづつ研削
して、厚さを0.5mmとした。つまり、外径120m
m、内径40mm、厚さ0.5mmの円環状の合板を得
た。
ステンカーバイト−コバルト合金)の板材とする。形状
及び寸法は、実施例1で製造した合板と同じとする。
る。形状及び寸法は、実施例1で製造した合板と同じと
する。
施例1、比較例1及び比較例2の被測定基板31を図4
に示すように、外径70mmのフランジ33を用いて切
断機の軸34に固定し、外周から5mmの位置35に5
0μmの変位を与え、そのときの荷重を測定した。測定
は、変位を電気マイクロメーター、荷重をキスラー動力
計を用いて行った。値は、円周上の任意の4箇所を測定
したときの平均値である。
1で製造された基板は比較例2の高速度工具鋼のみの基
板の2倍以上の剛性を有し、比較例1の超鋼合金のみの
基板と遜色の無い剛性を有している。
金が、耐摩耗性も有していることから、切削時の切粉に
より基板の表面が傷つけられ寿命が低下するという、ス
チール系基板の短所も改善している。さらに、高速度工
具鋼の密度が、超硬合金の密度より低いから、超硬合金
のみで製造した基板より軽量であることは、明らかであ
る。また、焼結方法に、加圧・通電加熱焼結法を用いる
ことで、接合状態のよい基板が、短時間で製造できる。
た、相対的に靭性の高い素材の両側に相対的に剛性の高
い素材を配置した実施の形態とは異なり、相対的に剛性
の高い素材を中央にして、その両側に相対的に靭性の高
い素材を配置することが可能である。つまり第二の実施
の形態として、図1に示される、中央に配置された層4
を相対的に剛性の高い素材、上下に配置された層5を相
対的に靭性の高い素材にした実施の形態である。第二の
実施の形態での具体的実施例としては、実施例1と同様
に、相対的に剛性の高い素材をコバルト含有率12%の
タングステンカーバイト−コバルト合金とする超硬合
金、相対的に靭性の高い素材を炭素工具鋼(SK−5)
とするスチール系素材とすることにより、同じ焼結装置
を用いて、適宜な焼結条件を設定して基板を製造するこ
とができる。第二の実施の形態において、中央に配置す
る超硬合金の厚みを適宜なものとすることにより、製造
された基板は、実施例1と同様に、比較例1に匹敵する
高い剛性を有し靭性にも優れたものとなる。
合わせの例として、相対的に高い靭性を有する素材とし
て炭素工具鋼、合金工具鋼、高速度工具鋼等のスチール
系素材を、相対的に高い剛性を有する素材として超硬合
金を採用したが、さらに他の実施の形態では、相対的に
高い靭性を有する素材として超硬合金、相対的に高い剛
性を有する素材としてセラミックスとした組み合わせ等
も採用可能である。
い靭性を有する素材及び相対的に高い剛性を有する素材
が、共に既に板材として形成されて提供される場合を述
べたが、さらに他の実施の形態においては、どちらか一
方又は両方の素材が、粉体として提供され、それらの粉
体として供給された素材を焼結すると同時に、それぞれ
により形成される層を結合して、基板を製造することが
できる。
する素材として板材、相対的に高い剛性を有する層を形
成する素材として粉体を用いる実施の形態について述べ
る。一つの組み合わせ例として、相対的に高い靭性を有
する層を形成する素材の板材として炭素工具鋼(SK−
5)を用い、相対的に高い剛性を有する層を形成する素
材の粉体として、コバルト含有率8%のタングステンカ
ーバイト−コバルト合金の粉末に、流動性を制動するた
めにワックスを重量比で2%加えた、粒子径45〜10
6μmの混合物からなる超硬合金の粉体を用いる。そし
て、炭素工具鋼を中央に配置し、その上下に超硬合金の
粉体を配置し焼結する。焼結条件としては、例えば前述
の放電プラズマ焼結装置を用い、真空中の雰囲気で、上
下方向から50MPaの圧力をかけ、1140℃とし5
分間保持として、基板を形成することができた。
体を中央に配置し、その上下に炭素工具鋼の板材を配置
し焼結した実施の形態も可能である。
する素材の粉体、相対的に高い剛性を有する層を形成す
る素材も粉体を用いる実施の形態について述べる。例と
して、相対的に高い靭性を有する層を形成する素材の粉
体として、クロム4%、モリブデン3%、コバルト9.
5%、タングステン9.5%、バナジウム9.5%を含
有し、流動性を制動するためにワックスを重量比で2%
加えた、粒度−70〜250Meshの混合物のスチー
ル系の粉体を用い、相対的に高い剛性を有する層を形成
する素材の粉体として、コバルト含有率8%のタングス
テンカーバイト−コバルト合金の粉体に、流動性を制動
するためにワックスを重量比で2%加えた、粒子径45
〜106μmの混合物からなる超硬合金の粉体を用い
る。そして、スチール系の粉体を中央に配置し、その上
下に超硬合金の粉体を配置し焼結して基板を製造する。
焼結条件としては、例えば前述の放電プラズマ焼結装置
を用いると、真空中の雰囲気で、上下方向から50MP
aの圧力をかけ、1140℃とし5分間保持として、基
板を形成することができた。
体を中央に配置し、その上下にスチール系素材の粉体を
配置し焼結した実施の形態も可能である。
形成する素材として粉体、相対的に高い剛性を有する層
を形成する素材として板材を用いる実施の形態も可能で
ある。素材としては例えば、相対的に高い靭性を有する
層を形成する素材の粉体として、クロム4%、モリブデ
ン3%、コバルト9.5%、タングステン9.5%、バ
ナジウム9.5%を含有し、流動性を制動するためにワ
ックスを重量比で2%加えた、粒度−70〜250Me
shの混合物のスチール系粉体を用い、相対的に剛性の
高い層を形成する素材の板材として、コバルト含有率1
2%のタングステンカーバイト−コバルト合金の超硬合
金を用いることが可能である。
る素材が2種類で3層に積層した場合の形態を述べてき
たが、さらに多くの層を積層した場合や、さらに多くの
素材を用いた実施の形態も可能である。
の形態の例として、図5には、2種類の素材を5層に積
層させたものが示されている。ここで、素材A及び素材
Bは、どちらか一方が他方に対して高い靭性を有してい
て、他方は一方に対して高い剛性を有している素材であ
る。素材Aと素材Bの積層の順序、又は素材Aと素材B
が板材として供給されるかあるいは粉体として供給され
るかについては、前述の実施の態様で説明したように各
種の態様が可能である。さらに必要に応じて、7層、9
層、・・・の層からなる基板を製造することができる。
形態の例として、図6には、5種類の素材を7層に積層
させた形態が示されている。C群の素材及びD群の素材
は、どちらか一方が他方に対して高い靭性を有してい
て、他方は一方に対して高い剛性を有している素材であ
る。さらに必要に応じて、図6に示される積層体のさら
に上下にC群、D群の素材を順次積層させて焼結するこ
とにより、素材の種類及び積層の数を増やしていくこと
ができる。ここで、C群の素材又はD群の素材は、すべ
てが違う素材である必要はない。
とするのが望ましい。その際に、中央の層に関して、対
称に積層するのが望ましい。すなわち、中央層の上下に
重ねられる第一層目は、上下同材質で同寸法、第二層目
は、第一層目と材質、寸法は異なったとしても、上下同
材質、同寸法とするが如くである。
より、適度に高い靭性と高い剛性を併せ持つ、超砥粒カ
ッタ用の基板が得られ、さらにこの基板は同寸法の超硬
合金製基板に比して軽量であり、スチール系基板に比し
て耐摩耗性に優れる。この基板を用いることにより、切
断精度に優れ、切断時における基板の胴当たりを防止で
き、長寿命の超砥粒カッタを得ることができる。
る側面断面図である。
部断面図である。
形態を示す断面図である。
形態を示す断面図である。
係る基板 2 外周 3 円孔 4 中央に配置された層 5 上下に配置された層 6 放電プラズマ焼結装置の装置部分 7 被焼結体 9 水冷真空チャンバー 11 上部パンチ電極 13 下部パンチ電極 15 上部パンチ 16 上部パンチ下面 17 下部パンチ 18 下部パンチ上面 19 電源装置 20 焼結ダイ 21 加圧機構 22 制御装置 23 コア 25 被焼結体 27 スペーサー 29 焼結ダイ 30 焼結ダイ貫通孔 31 基板 33 フランジ 34 切断機軸 35 測定位置
Claims (7)
- 【請求項1】 中心孔を有する円盤状基板の外周又は内
周に超砥粒層を備えてなる超砥粒カッタに用いる、超砥
粒カッタ用基板において、前記基板は、互いに隣接する
層が、異種材料からなる複数の層を交互に積層し、これ
らの層を相互に燒結法により結合してなることを特徴と
する、超砥粒カッタ用基板。 - 【請求項2】 請求項1に記載の超砥粒カッタ用基板に
おいて、前記積層した層の数が3以上の奇数であること
を特徴とする、超砥粒カッタ用基板。 - 【請求項3】 請求項2に記載の超砥粒カッタ用基板に
おいて、前記積層の仕方は、中央の層に関して対称に素
材が積層していることを特徴とする、超砥粒カッタ用基
板。 - 【請求項4】 中心孔を有する円盤状基板の外周又は内
周に超砥粒層を備えてなる超砥粒カッタに用いる、超砥
粒カッタ用基板の製造方法において、前記製造方法は、
相対的に高い靭性を有する層を形成する素材からなる層
と、相対的に高い剛性を有する層を形成する素材からな
る層を交互に積層し、これらの層を相互に焼結法により
結合することを特徴とする、超砥粒カッタ用基板の製造
方法。 - 【請求項5】 請求項4に記載の超砥粒カッタ用基板の
製造方法において、前記積層される各層の素材は、板材
又は粉体の状態で供給されることを特徴とする、超砥粒
カッタ用基板の製造方法。 - 【請求項6】 請求項5に記載の超砥粒カッタ用基板の
製造方法において、前記積層される層には、少なくとも
1つの粉体として供給される層が含まれ、前記粉体とし
て供給される層の焼結が行われると同時に、積層された
層全体の結合が行われることを特徴とする、超砥粒カッ
タ用基板の製造方法。 - 【請求項7】 請求項1乃至3のいずれか1に記載の超
砥粒カッタ用基板、又は請求項4乃至6のいずれか1に
記載の超砥粒カッタ用基板の製造方法により製造された
超砥粒カッタ用基板を用いた、超砥粒カッタ。
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