JP2004256851A

JP2004256851A - 複合構造体

Info

Publication number: JP2004256851A
Application number: JP2003047005A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Shibata; 大輔柴田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-02-25
Filing date: 2003-02-25
Publication date: 2004-09-16

Abstract

【課題】多結晶質焼結体または金属からなる大きな熱膨張係数差のある芯材と表皮材とを組み合わせた複合構造体において、芯材と表皮材との間に剥離やクラックを発生させることがなく、高硬度と高靭性を両立した複合構造体を提供する。
【解決手段】結晶粒子２、６を結合相３、７にて結合してなる焼結体を長尺状の芯材４および／または表皮材８として含有する複合構造体において、芯材４および／または表皮材８が、構造体中の芯材４と表皮材８の間に芯材４と表皮材８の中間の熱膨張係数を有する中間層９を配設した複合構造体１を作製する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、長尺状の芯材とその外周を被覆した表皮材で構成される複合構造体において、芯材および表皮材が多結晶焼結体または金属からなる複合構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、結晶粒子を結合相にて結合したセラミックスやサーメット等が知られており、例えば、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物および炭窒化物、ダイヤモンド、立方晶窒化硼素などの硬質粒子を鉄族金属にて結合した焼結体は、高硬度を有する結晶粒子と高靭性の鉄族金属の含有量を調整することにより、切削工具、掘削工具や耐摩耗部材として利用されている。一般に、上記従来の硬質材料では、硬度と靭性とは反比例関係にあり、高硬度と高靭性の両立は困難であることが知られていた。
【０００３】
一方、繊維等長尺状の芯材の外周を他の部材にて被覆することにより、構造体の硬度や強度に加えて靭性を改善する技術が研究されており、例えば、特許文献１では、サーメット（例えばＷＣ−Ｃｏ）、ダイヤモンド焼結体、ｃＢＮ焼結体等の高硬度焼結体からなる芯材の外周に、芯材とは異なる組成の高靭性焼結体を被覆した複合構造体を作製することによって、硬度を低下させることなく、構造体の破壊抵抗を増大して靭性を高められることが記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
米国特許第６０６３５０２号明細書
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１に記載された複合構造体の中でも、性質の全く異なる材質を組み合わせるような、特に芯材と表皮材との熱膨張係数差が大きい場合、芯材と表皮材との界面に熱膨張差に起因する大きな応力集中が発生してしまい、芯材と表皮材とが剥離したり、いずれかにクラックが発生する等の問題があった。
【０００６】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、多結晶質焼結体または金属からなる大きな熱膨張係数差のある芯材と表皮材とを組み合わせた複合構造体において、芯材と表皮材との間に剥離やクラックを発生させることなく、高硬度で高靭性などの特性の両立を可能とした複合構造体を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記課題について検討した結果、芯材と表皮材とが大きな熱膨張差を有する構造体中の芯材と表皮材の間に両者間の熱膨張係数差を緩和するための中間層を介装することにより、芯材と表皮材の界面に発生する応力集中を緩和することができることから、界面で剥離することなく構造体として高硬度と高靭性の両立ができる複合構造体となることを知見した。
【０００８】
すなわち、本発明の複合構造体は、長尺状の芯材の外周を、該芯材とは異なる組成からなる表皮材で被覆した複合構造体において、前記芯材および前記表皮材が多結晶焼結体または金属からなり、前記芯材と前記表皮材の間に、前記芯材の熱膨張係数α_１と前記表皮材の熱膨張係数α_２との中間の熱膨張係数α_３としたとき、０．８α_３≦α_ｉ≦１．２α_３の熱膨張係数α_ｉを有する中間層を１層以上配設したことを特徴とするものである。
【０００９】
ここで、前記芯材の熱膨張係数α_１と前記表皮材の熱膨張係数α_２との差が１．０×１０^−６／Ｋ以上である場合に特に中間層の効果が有効に発揮される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の複合構造体について、その一実施例である図１の（ａ）断面図、（ｂ）斜視図を基に説明する。
【００１１】
図１によれば、複合構造体１は、結晶粒子２、２間を結合相（Ｃｏおよび／またはＮｉの結合金属、または粒界相）３にて結合した硬質焼結体（４）からなる長尺状の芯材４の外周を、組成の異なる結晶粒子６を結合相（Ｃｏおよび／またはＮｉの結合金属、または粒界相）７にて結合した硬質焼結体（８）からなる表皮材８にて被覆した複合繊維体状からなる。
【００１２】
本発明によれば、芯材４と表皮材８の間に芯材４の熱膨張係数α_１と表皮材８の熱膨張係数α_２との中間の熱膨張係数α_３としたとき、０．８α_３≦α_ｉ≦１．２α_３の熱膨張係数α_ｉを有する中間層９を配設したことが大きな特徴であり、これによって、芯材４と表皮材８の界面に発生する応力集中を緩和することができることから、構造体１として高硬度と高靭性の両立ができる複合構造体１となる。
【００１３】
すなわち、中間層９の熱膨張係数α_ｉが０．８α_３より小さいか、または１．２α_３より大きいと中間層９と芯材４または表皮材８との界面に大きな応力集中が発生して局所的にクラックが発生する。
【００１４】
ここで、本発明においては、芯材４と表皮材８とが全く異なる性質の材質からなる場合、中でも、芯材４の熱膨張係数α_１と表皮材８の熱膨張係数α_２との差｜α_１−α_２｜が１．０×１０^−６／Ｋ以上、望ましくは１．５×１０^−６／Ｋ以上、特に、３×１０^−６／Ｋ以上、さらに、５×１０^−６／Ｋ以上の場合に芯材４と表皮材８との界面に発生しやすい剥離やクラックを有効に防止することができる。また、芯材４と表皮材８間で元素の移動、拡散が生じにくい部材同士、例えば、一方が超硬合金、サーメットまたは金属のいずれかであり、他方がセラミックスからなるような場合においても中間層９を介在させることにより特に有効に界面での剥離やクラックを防止することができる。
【００１５】
（芯材４、表皮材８）
本発明において用いる複合繊維体状の芯材４を構成する第１の材質としては、ダイヤモンド６０〜９９質量％を、鉄族金属、炭酸塩、硫酸塩および水酸化物から選ばれる少なくとも一種、特にコバルトおよび／またはニッケルからなる結合金属１〜４０質量％にて結合してなるダイヤモンド焼結体が好適に使用可能である。なお、ダイヤモンド焼結体中には適宜周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属の炭化物、窒化物および炭窒化物の１種以上からなる硬質粒子を含有せしめることも可能である。
【００１６】
また、芯材４を構成する第２の材質としては、立方晶窒化硼素（以下ｃＢＮとする）２０〜９９質量％を、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属およびシリコン、アルミニウムの炭化物、窒化物、炭窒化物、硼素化物および酸化物と、鉄族金属の１種以上からなる結合材１〜８０質量％にて結合してなるｃＢＮ焼結体が好適に使用可能である。
【００１７】
さらに、芯材４を構成する第３の材質としては、周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属の炭化物、窒化物および炭窒化物の１種以上からなる第１の硬質粒子、特に炭化タングステン、炭化チタン、炭窒化チタン、窒化チタン、炭化タンタル、炭化ニオブ、炭化ジルコニウム、窒化ジルコニウム、炭化バナジウム、炭化クロムおよび炭化モリブデンの群から選ばれる少なくとも１種、中でも、炭化タングステン、炭化チタンまたは炭窒化チタンの群から選ばれる少なくとも１種６５〜９８質量％を、鉄、コバルトおよびニッケルの群から選ばれる少なくとも１種、特にコバルトおよび／またはニッケルからなる結合金属２〜３５質量％にて結合してなる第１の硬質焼結体、特に超硬合金またはサーメットが好適に使用可能である。
【００１８】
また、芯材４を構成する第４の材質として、上記硬質焼結体以外にも、周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属、アルミニウム、シリコンの群から選ばれる少なくとも１種の酸化物、炭化物、窒化物および炭窒化物からなるセラミックス、中でもアルミナ−炭化チタン（炭窒化チタン）、炭化珪素、窒化珪素、ジルコニア、硼化チタンの群から選ばれる少なくとも１種、さらにはアルミナ−炭化チタン（炭窒化チタン）および／または炭化珪素が好適に使用可能である。なお、セラミックス中には適宜焼結助剤成分を含有せしめることも可能である。
【００１９】
一方、芯材４の外周を覆う表皮材８の材質としては、芯材４とは異なる材質の硬質焼結体またはセラミックスを用いる。また、表皮材８としては、上記芯材用の材質以外にも、金属単体、特に鉄、コバルトおよびニッケルの鉄族金属も単独で使用可能である。
【００２０】
さらに、芯材４−中間層９−表皮材８との組み合わせは、例えば超硬合金−高Ｃｏ含有超硬合金−金属、超硬合金−Ｐ種超硬合金−サーメット、超硬合金−サーメット−ｃＢＮ焼結体、超硬合金−ＴｉＣ−ダイヤモンド焼結体、超硬合金−サーメット−アルミナ、超硬合金−サーメット−窒化珪素、サーメット−Ｐ種超硬合金−超硬合金、サーメット−セラミックス−ｃＢＮ焼結体、サーメット−ＴｉＣ−ダイヤモンド焼結体、サーメット−アルミナ／ＴｉＣ−アルミナ、サーメット−ＴｉＣＮ−窒化珪素、（アルミナ、炭窒化チタン）−ＴｉＣＮ−アルミナ、炭化珪素−サイアロン−窒化珪素、（炭化珪素、窒化珪素）−サイアロン−窒化珪素、炭化珪素−ＴｉＣ−ダイヤモンド焼結体、ｃＢＮ焼結体−ＴｉＣ−サーメット、ｃＢＮ焼結体−サーメット−超硬合金、およびダイヤモンド焼結体−ＴｉＣ−超硬合金の群から選ばれる１種が特に好適に使用可能である。
【００２１】
とりわけ、材質の性質の違い、および熱膨張係数差を考慮すると、上記組合せの中でも、結合相金属含有量の少ない超硬合金−結合相金属含有量の多い超硬合金−金属、Ｋ種超硬合金−Ｐ種超硬合金−サーメット、超硬合金−サーメット−セラミックスの組合せを選定するのが望ましい。
【００２２】
一方、芯材４をなす焼結体の結晶粒子の平均粒径は、複合構造体１の硬度および強度向上の点、および芯材４と表皮材８中の熱膨張係数を適正化する点で０．０１〜５μｍ、特に０．０１〜２μｍであることが望ましく、他方、表皮材８をなす結晶粒子の平均粒径は、複合構造体１の靭性向上の点で、０．０５〜１０μｍ、特に０．１〜３μｍであることが望ましい。
【００２３】
また、複合構造体（複合繊維体）１のサイズは、工具としての耐欠損性を高めるために、芯材４の直径ｄ_ｃが５〜３００μｍ、表皮材８の厚みｄ_ｓが０．２〜１０μｍ、中間層の厚みｄ_ｉが０．１〜５μｍであることが望ましく、さらに、複合構造体１の特性を本来の目的である芯材４および表皮材８の特性にて達成するため、特に構造体１全体に対して芯材４に比較し表皮材８の占有率が低い場合には、中間層９の平均厚みｄ_ｉと表皮材８の平均厚みｄ_ｓとの比（ｄ_ｉ／ｄ_ｓ）が０．１〜０．５、特に０．２５〜０．５であることが、芯材４および表皮材８の各々がその優れた特性を最大限に発揮することが出来る点で望ましい。
【００２４】
なお、本発明において、芯材４の平均直径ｄ_ｃは構造体１の断面における走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真にて観察される各芯材の平均面積から芯材の断面を円に仮定して算出される直径を指し、また、中間層の厚みｄ_ｉ、表皮材の厚みｄ_ｓは、上記ＳＥＭ写真から画像解析法によって求めることができる。
【００２５】
また、図２（ａ）（ｂ）は、本発明において用いられている複合繊維体の他の一例を示す（ａ）断面図および（ｂ）斜視図である。（ａ）の複合構造体１０は、芯材４と表皮材８とからなるシングル繊維タイプの構造体１を複数本集束したマルチ繊維タイプの複合構造体１０であってもよく、かかるマルチ繊維タイプの複合構造体１０は構造体としての靭性をより高めることができる。
【００２６】
また、複合構造体の構成としては、図２に示す集束体の形態の他に、図３に示すような（ａ）複合構造体１をシート状に並べたもの１０Ａ、（ｂ）（ａ）のシートを同じ方向に複数枚積層したもの１０Ｂ、（ｃ）（ａ）のシートを異なる方向に複数枚積層したもの１０Ｃのいずれであってもよい。
【００２７】
次に、本発明の複合構造体を製造する方法について、その一例である芯材が超硬合金、表皮材がセラミックス、中間層がサーメットの場合について図４の模式図をもとに説明する。
【００２８】
まず、平均粒径０．０１〜３．５μｍの炭化タングステン粉末または炭化タングステン結晶粒子形成成分を５０〜９８質量％と平均粒径１０μｍ以下の鉄族金属粉末を２〜５０質量％以下の割合で混合し、これにパラフィンワックス、ポリスチレン、ポリエチレン、エチレン−エチルアクリレ−ト、エチレン−ビニルアセテート、ポリブチルメタクリレート、ポリエチレングリコール、ジブチルフタレート等の有機バインダを添加、混錬して、プレス成形、押出成形または鋳込成形等の成形方法により円柱形状に芯材用成形体１１を作製する。
【００２９】
一方、平均粒径０．０１〜１０μｍのセラミック主原料粉末を５０〜９８質量％と、平均粒径０．０１〜１０μｍの焼結助剤粉末を２〜５０質量％との割合で混合し、これに前述のバインダ等を添加、混錬して、プレス成形、押出成形または鋳込成形等の成形方法により半割円筒形状の２本の表皮材用成形体１２を作製する。
【００３０】
また、平均粒径０．０１〜１０μｍの炭窒化チタン粉末を主原料として、周期律表第４ａ、５ａおよび６ａ族金属の炭化物、窒化物および炭窒化物粉末の少なくとも１種と、鉄族金属粉末５〜２５質量％の割合からなるサーメット形成用の混合粉末に前述のバインダを添加、混錬して、上記同様にプレス成形、押出成形または鋳込成形等の成形方法により半割円筒形状の２本の中間層用成形体１３を作製し、芯材用成形体１１の外周を覆うように中間層用成形体１３と表皮材用成形体１２を順次に配置した複合成形体１４を作製する（工程（ａ）参照）。
【００３１】
なお、本発明によれば、上記のように前記中間層用成形体１３を作製することに代えて、中間層用のスラリーを調製して該スラリー中に芯材用成形体を浸漬する方法や中間層形成用の溶液を調整して芯材用成形体表面にスプレーする方法、中間層形成用のシートを巻きつける方法等も適宜採用することができる。また、表皮材についても、表皮材用成形体１３を作製することに代えて、上記中間層の他の作成方法を採用することも可能である。
【００３２】
次に、上記複合成形体１４を共押出成形する（芯材用成形体１１、中間層用成形体１３および表皮材用成形体１２を同時に押出成形する）ことにより芯材用成形体１１の外周に中間層用成形体１３および表皮材用成形体１２が被覆され細い径に伸延された複合成形体１５を作製する（工程（ｂ）参照）。また、マルチ繊維（フィラメント）タイプの成形体１６を作製するには、上記共押出しした長尺状の複合成形体１５を複数本収束して再度共押出し成形すればよく、この方法によれば、成形体中の複合構造体同士のより強固な密着性を得ることができる。（図５（ａ）参照）。
【００３３】
なお、上記共押出成形においては、口金を変えること等により、上記伸延された長尺状の成形体の断面形状を、円形、三角形、四角形または六角形等の所望の形状に成形することも可能である。
【００３４】
また、本発明によれば、図２、３に示したような、複合構造体１をシート状に集束した複合構造体１０を形成する場合には、前述のようにして作製した複合構造体１５を並べてシート状成形体１７を形成する。そして、所望により、シート状成形体１７中の複合成形体１５同士が平行、直交または４５°等の所定の角度をなすように積層させた積層体とすることもできる。その場合、複合成形体１５間に所望により上記バインダなどの接着材を介在させ、さらに、このシート状成形体１７に冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）などによって圧力を印加するものであってもよいが、必要に応じ、図５（ｂ）に示すようにロール１８を用いてシート状成形体１７をロール圧延成形することも可能である。さらには、シート状成形体１７を作製する場合には複合構造体を整列させる（複合体１０ａ〜ｃ）際に公知のラピッドプロトタイピング法などの成形法を用いることも可能である。
【００３５】
さらには、上記整列したシート状成形体１４またはシート状成形体１４を断面方向にスライスした成形体を従来公知の超硬合金等の硬質合金焼結体（塊状体）の表面に貼り合わせ、または接合することも可能である。
【００３６】
その後、前記成形体を脱バインダ処理した後、焼成することにより本発明の複合構造体を作製することができる。焼成方法は、芯材および表皮材によって、真空または雰囲気焼成、ガス圧焼成、ホットプレス、放電プラズマ焼結法、超高圧焼結法などが用いられる。焼成温度は１２００℃〜１８００℃とすることが望ましい。
【００３７】
なお、上記製造方法では芯材が超硬合金、中間層がサーメットおよび表皮材がセラミックスの場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、上述した各種材質を組み合わせることができる。特に、表皮材は金属のみからなるものであってもよい。
【００３８】
【実施例】
（実施例）
表１に示す組成物にバインダ、滑剤を添加、混錬した後、プレス成形により直径１８ｍｍの芯材用成形体、肉厚１ｍｍで半割円筒状の表皮材用成形体を２本、および肉厚０．５ｍｍで半割円筒状の中間層用成形体を２本作製した。
【００３９】
そして、前記芯材用成形体の周囲に図４（ａ）に示すように中間層用成形体、表皮材用成形体を順次被覆し、複合成形体を作製した（実施例１〜４）。比較として中間層用成形体を配置しない複合成形体も作製した（比較例１〜４、１’）。
【００４０】
【表１】

そして、前記複合成形体を共押出して伸延された複合成形体を作製した後、該伸延された成形体１００本を集束して再度共押出し成形し、マルチ繊維タイプの複合成形体を作製した。その後、該成形体を図３（ｃ）に示す複合構造体１５Ｃの構造に配列、プレス成形しＳＤＫ４２形状の成形体を得た。得られた成形体を３００〜７００℃まで７２時間で昇温させることによって脱バインダ処理を行った後、昇温速度２．５℃／分でさらに昇温し、真空中、１５００℃で２時間焼成し、さらに３℃／分で降温することにより複合構造焼結体を得た。得られた複合部材１５ｃの両主面を研磨し、エッジ部にサラエ刃をつけ、切刃にＣ面加工を施す加工を行った後、さらにこの表面に２μｍのＴｉＮ膜をＰＶＤ法によりコーティングすることによりＳＤＫ４２フライス工具を得た。
【００４１】
得られた工具を取り付けたＮＣマシニングセンタを用いて、下記条件にて、ワーク（鋼種：ＳＫＤ１１）を１０分加工し、加工後のチップの切刃を顕微鏡で観察し、切刃の摩耗幅および境界損傷の有無の程度をそれぞれ調べた。結果は表２に示した。
【００４２】
（フライス条件）
ワーク：ＳＫＤ１１
速度：ｖ＝２００ｍ／分
送り：ｆ＝０．２ｍｍ／刃
切り込み：ｄ＝２ｍｍ
切削時間：１０分
一方、上記芯材、表皮材、中間層を構成する各部材についてそれぞれ棒状体を成形、焼成して各部材についての熱膨張係数を測定した。得られた熱膨張係数の測定結果を表２にそれぞれα_１、α_２、α_ｉ、およびα_３（＝（α_１＋α_２）／２）として示した。
【００４３】
また、得られた構造体の断面について走査型電子顕微鏡観察を行い、画像解析法にて表皮材の厚みｄ_ｓと中間層の厚みｄ_ｉを求め、その比（ｄ_ｉ／ｄ_ｓ）を算出した。結果は表２に示した。
【００４４】
【表２】

表１、２の結果から明らかなように、中間層を介装しない比較例試料に対して中間層を介装した各試料とも摩耗幅が小さく、かつ欠損も生じにくいものであった。
【００４５】
これに対して、本発明に従い、所定の熱膨張係数を有する中間層を配した実施例試料では、いずれも比較例試料に対して耐磨耗性および耐欠損性の高いものであった。
【００４６】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明の複合構造体によれば、構造体中の芯材と表皮材の間に両者間の熱膨張係数差を緩和するための中間層を介装することにより、芯材と表皮材の界面に発生する応力集中を緩和することができることから、界面で剥離することなく構造体として高硬度と高靭性の両立ができる複合構造体となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複合構造体の一例を示す斜視図および断面図である。
【図２】本発明の複合構造体の他の一例を示す斜視図および断面図である。
【図３】本発明の複合構造体の他の一例を示す斜視図である。
【図４】本発明の複合構造体の製造方法を説明するための工程図である。
【図５】本発明の複合構造体の他の一例の製造方法を説明するための工程図である。
【符号の説明】
１複合構造体
２結晶粒子
３結合相
４芯材
６結晶粒子
７結合相
８表皮材
９中間層
１０マルチ繊維タイプの複合構造体
１１芯材成形体
１２表皮材成形体
１３中間層成形体
１４複合成形体
１５押出されたシングル繊維タイプの複合構造体
１６押出されたマルチ繊維タイプの複合構造体

Claims

長尺状の芯材の外周を、該芯材とは異なる組成からなる表皮材で被覆した複合構造体において、前記芯材および前記表皮材が多結晶焼結体または金属からなり、前記芯材と前記表皮材の間に、前記芯材の熱膨張係数α_１と前記表皮材の熱膨張係数α_２との平均の熱膨張係数α_３としたとき、０．８α_３≦α_ｉ≦１．２α_３の熱膨張係数α_ｉを有する中間層を１層以上配設したことを特徴とする複合構造体。
前記芯材の熱膨張係数α_１と前記表皮材の熱膨張係数α_２との差が１．０×１０^−６／Ｋ以上であることを特徴とする請求項１記載の複合構造体。