JP2007211259A

JP2007211259A - 金属粉末の成形法及び同成形法で成形した加工工具

Info

Publication number: JP2007211259A
Application number: JP2004079174A
Authority: JP
Inventors: Yoshinobu Kobayashi; 義信小林
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-02-20
Filing date: 2004-02-20
Publication date: 2007-08-23
Also published as: WO2005081640A2; WO2005081640A3

Abstract

【課題】
エンドミル、ドリル等径に対して長さの長い棒材の様な超硬合金素材は３００ｍ／ｍ〜５００ｍ／ｍの長い棒材から切断しているが、切断加工上センター穴を作る事が難しいし、圧力分布が残っているため長さが安定しない。又半焼品からの加工では簡単に加工出来るが空気中での加工のため酸化されて品質が安定しないし、両方共に原料歩留が非常に悪い。この両方を解決するのが課題である。
【解決手段】超硬合金金属粉末混合体の上下加圧法で成形加工する場合、結合材及び潤滑材としてパラフィンを加えてプレス成形する（パラフィン添加と同時に造粒する方法もある）が、この一次造粒した金属造粒粒子に二次潤滑材として一次潤滑材と相互溶解、化学反応を起こさず、酸素を含有しない液体潤滑材を２次材として一次粗粒子の表面にコーティングした後加圧成形する事で径に対し長い棒状、板状のプレス加工が容易になり、変形の少ない成形品を製造する事が出来る。
【選択図】図３

Description

金属及び金属粉末を混合した物体の成形法は多種多様で、主な方法として金型を用いる加圧成形法、ニーダー加圧成形、ラバープレス、インジェクション法等がある。しかし、どの方法にも一長一短がある。特にタングステンカーバイト（ＷＣ）とコバルト（Ｃｏ）粉末、ニッケル粉末、その他Ｔｉ系炭化物等との微細粉混合体の成形を例に取ると、混合する粉末の粒度が工作機械の進歩と共により一層微細化の方向に向かい、金属粒子の表面酸化が起こり易く、成型体とその焼結後の製品組織に悪影響を及ぼす事は言うまでもない。
この様に金属粉末製品の取り扱いは非常に難しいし、細くて長い材料を作ることは特に難しい。
金属粉末からの焼結体の製造には色々の難しい点があるが、現状で最も困難な点は金属粉末の成形圧力と成形技術である。

ここで、金属粉末焼結体の成形工程についての現状をまとめると
１）原料粉末の製造と管理
原料粉末の製造及びその管理は粉末自体が大量生産管理されるため世界の現状は大略満足されている。
２）原料金属粉末の混合
原料粉末の混合は焼結製品の物性、化学性、金属組成及び完全焼結体自体の形状等に著しく影響するが、この点も真空機器は元より温度、湿度等の気相管理全てがコンピューター管理の採用により完成に近いと考える。
３）金属粉末の成形加工
この問題が本特許の本質であるため、加工方法、物性に及ぼす影響を含め理論的な考察と実施結果を論ずる過程で詳細に説明するので、本項では省略する。
４）金属粉末製品の焼結
工作機械の発展、発達に伴い、その精度品質の安定等に関しては１）と２）の問題解決と同じ様に大量生産化に伴い真空技術、温度等を含めたコンピューター化、最後に熱間で静水圧をかけて成形する高温ヒップ（H.I.P.）処理法、コーティング技術の完成で最終段階に来ており、完成の域に近い所まで達している。
５）焼結体の金属加工
鋼、鉄及び一般の色物と称される金属加工は一般的な工作機器のコンピューター化とマシニングセンタ機の発達に伴い極限に近い所まで達している。しかし、今回例として取り上げる超硬合金は焼結加工物の硬度がＨ_Ａ硬度で８０〜９５と非常に高いため加工する工具自体もＣＢＮ、ダイヤモンド等Ｈ_Ｖ４０００〜８０００の高硬度物質による加工でのみ可能な技術で、加工機自体の精度、速度の上に機械自体の強度（剛性）が要求される。しかし、この点も完成の域に近づいている。
最終的に残る高硬度焼結材料の生産技術が超硬合金工具全体にとって非常に大きな要素となり、特に後工程に対する効果、製品価格に与える影響も大きいので、以下に述べる。

超硬合金材料の開発に長年関与してきた本発明者は超硬合金の再生技術に関する特許を取得し長期に渡り特許に基づく再生粉末の活用、利用を実施し、又超硬合金特にエンドミル、タップ、ドリルの様な「径」に対する「長さ」の比較的差のある製品に関するニーダー押し出し成形技術に関与し液体層を活用する基礎も作った。
その経験と現状の超硬合金の長尺板、棒素材に関する観点から考えるとより一層の技術革新が必要であり、又可能であるとして本特許を提案する。

「径」に対する「長さ」の比率が特に大きい場合一般の上下押し加工機では圧粉体の長さ方向に対する両端部の加圧力と中間部の加圧力に差が生じる。

その原因は加圧成形時の摩擦抵抗、粒子間・金型側面抵抗、金属粒子の形状等の抵抗によるものと考えられる。実際パラフィン系バインダーを加えてもプレスすると加圧体の中間部分の圧力は中間部が著しく低い。或る例で示すと均一圧力を示す範囲（比）は１：２．５倍、４倍が限度であるといわれている。
この値も均一でなく実質的には粉体の材質や圧粉体の径によって違いがあるが、超硬の様に硬くて脆い材質は高々３〜４倍位とされている。
長さに対し、両端部に較べて中間部圧力が低いので燒結体が中細りしたり巣の発生原因となって均一な素材にならない。

ドリル、エンドミル等加工工具の場合H.I.P. 処理して、例えピンホールは無くしてもコバルト（Co）プールを生じ工具としては良くない。またCoプールをなくするため高温H.I.P.処理すると粒子成長を伴い材質は低下する。

そこで、従来１０φ以下はほとんど押し出し成形法で長尺のロッドを製作し、焼結H.I.P.処理を経て一般には３００〜５００ｍｍのロッドを作り、これをダイヤモンド工具で必要長さに切断して使用する。

ニーダー押し出しで３００〜５００ｍｍ押し出し、これをカーボントレー上でバインダーを除去し半焼結を行い、この半焼結体を必要な長さに切断し、エンドミルの場合はロッドの両端にセンター穴を作り、本焼結H.I.P.処理後にこの両センターを中心にダイヤ工具を用いて金属加工、仕上げ加工を行う。
このセンター加工時にどうしてもニーダー押し出し時の圧力が低いため空隙率が多く、表面だけでなく内部までも酸化するため素材の炭素（Ｃ）分管理が難しく、η相、Ｇ相の発生を生じ不良の原因となる確率は高い。

ニーダー押し出しの長所は原料配合物をホッパーに投入する際比較的簡単にホッパー全体を真空に出来、圧粉原料の空間に存在する空気を放出出来るので、押し出し成形品に空気の巻き込みを無くする事が出来、一度目的とする形状のダイスを通過するとＶ型トレイとの摩擦抵抗と成形品の硬さをバインダー配合で適宜選定する事で、長さに対し限界はあるが長尺物を得る事が出来る。しかし、半焼結の段階で一定長さに切断した場合、長さ方向に圧力分布があり、焼結後一定の長さになり難い大きい欠点がある。本発明者は最長１０００ｍｍまで経験した。

従来の方法はここから図９に示すように、２方向に分かれる。

この様に超硬焼結合金は複雑な工程を必要とする。頭初に述べた如く全工程即ち
１．原料選定
２．原料混合
３．粉体成形
４．焼結とH.I.P.
５．金属素材の加工

この５工程の内
３．粉体成形のうち特にエンドミル、ドリル、タップ等の如く超硬素材径に対し一定以上の長さを有する超硬丸棒（丸棒の径：長さの比については後述するが重要な点である）は硬度が８８〜９５Ｒ_Ａと硬いためダイヤモンドホイルでしか加工が出来ないし、時間も一般鋼材の数倍、数十倍の時間を必要とするし、その上加工するのに丸棒素材の両端に図１に示す様に加工時の精度を上げるためにセンター穴またはセンター突起を必要とする。
この焼結後にセンター穴等を設ける事は非常に困難で放電加工かセンター穴等のために棒材の両側面に図２に示す形状の金属材を蝋付けして作るしか方法はない。

そこで半焼結状態で穴を明け、その後本焼結をする方法を取っているが、半焼体はスケルトン状で表面は勿論内部全体に微細空気穴があるためドリルによる穴明け加工する時に過熱され空気酸化を起こし易い。これがその後の材質に多大の不均一を示し不良品となる物が多い。

前にも述べたが、通常の単発プレスで長い棒が出来るなら圧粉成形時に上パンチ、下パンチに図３に示す凸形状又は凹形状パンチにしておけば全く簡単にセンター穴等を作ることが出来る。

しかし、エンドミル、ドリル等の様に長い棒材は加工時に加圧が均一に行えず鼓状（図１０に示す様な形状）になってしまう。従来の世界の技術でスベリ材としてパラフィンその他のルブリカント性の高い材質を用いてプレスしている（例えば、特許文献１参照。）が、径に対する棒の長さは２．５〜３．０倍程度で、それ以上になるとどうしても中間部に圧力がかからず、焼結すると必ず鼓状に変形し、又この部分が圧力不足になり巣を発生し脆くなる。
特開平７−５４００４号公報

超硬合金粉末の上下加圧方では如何にパラフィンの様な結合材ルブリカントを使用してもどうしても径に対し一定以上長い棒状材や、長尺状の板状材加圧には限界がある（大体径：長さ＝１：３〜４）。一方押し出し成形法では成形作業は早く、上下プレスに比べ効率的であるが、減量歩留が非常に悪い。押し出し方法にも色々ある。例えば、加熱方、過剰バインダー法どれを取っても機械技術を含め改善されてきたが、各工程で悪化、全体では歩留は６０％程度と考えてよい。半焼時のセンター穴加工で酸化され材質悪化の原因となるし、焼結後のセンター加工には問題も多く、穴加工のための経済コストは無視できない。

又、特に太い棒材は材料費が高く、シャンク部の材質を切刃部と区別する事が出来れば最高の課題となる。

本発明は長年に渡る粉体の製造、粉体押し出し成形、焼結、金属加工等の経験から超硬合金に使用するμサイズの微粒子は如何にパラフィン等の結合材を均一に混合しても、結合材が固体であったり、固体でなくて液体であった場合でも粘性が大きい状態では、粒子間の摩擦を無くする（０に近づける）ことは出来ない。この事は粉体と金型の接触摩擦に関しても同じである。

そこで、本発明は古来より今でも使用されている金型を用い、上下加圧方式の丸材、板材等、径に対して長さの比が３倍以上長い素材に関して、例えば（ＷＣ＋Ｃｏ）の微粒子混合体の様な場合は
（ＷＣ＋Ｃｏ）の微粒子に一旦パラフィン系等の結合材を加えて出来るだけ均一に混合することで、微粒子の表面にパラフィン等をコーティングすると同時に、加えたパラフィン等で例えば粒径３００μ以下の粗粒子に造粒し、次いで、その表面に、造粒のための結合材と相互反応せず、溶解もしないで且つ酸素を含まない液体を薄い層でコーティングする方法を取り、プレス加工時の圧力伝達を液相で増大し、その時造粒した混合粗粒子も液体間加圧により加圧される方式を採用した。
ここで、結合材と相互反応せず、溶解もしないで且つ酸素を含まない液体としては、例えば結合材がパラフィンである場合、酸素を含まない水、又はエタノールを若干含む水が好適であり、酸素を含ませないのは粉末酸化を防止するためである。また、微粉末の表面にパラフィンの一次相を形成することも粉末酸化の防止に効果がある。

この際、より一層加圧を均一化するには上下加圧力と液相量を増やすようにし、また、全体を振動させると粒子間に毛細管現象と一種液状化現象の様に均一に液体が分散するようになり、圧力伝達を一層均一化させる事が出来る。ニーダー押し出しの時は加圧領域内全体に於いて考えると加圧力に中心をおくのみでなく押し出す事に技術の中心が向かうので加圧力を或る一定以上上げる事は難しく、実質的には、１００〜３００ｋｇ／ｃｍ ^２程度の加圧しかできないが、それに反し金型上下加圧法は全く自由に加圧力を増減する事が出来るので、加圧後の強度も強く焼結し易い。

又、シャンク部と切刃部を別材質として再生粉末をシャンク部に用い、シャンク部と切刃部とが連続的に結合される状態で一体に成形すれば、原料素材の低廉化も考えるし原料のリサイクルも実現出来る。

〔実施例１〕
１．０μＷＣ（タングステンカーバイト）、１．０μ以下Ｃｏ（コバルト）を混合し、４．０％パラフィンを加えて１００μ〜３００μに造粒した。この造粒粒子に液体ルブリカントとして〔１．０％（Ｈ_２Ｏ）、０．１％Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ〕を表面コーティングさせ、これを１０．０φの金型に４５ｇ投入し、８００Ｋｇ／ｃｍ^２で上下加圧を行った。
その結果、図４に示すように、直径：７．３ｍｍ、長さ：７０．０ｍｍで中間に中細りのない長い丸棒焼結体を得ることが出来た。

〔実施例２〕
上記実施例１と同様な方法で、別の金型に原料２６０ｇを投入し、８００Ｋｇ／ｃｍ ^２で上下加圧を行った。
その結果、図５に示すように、殆ど中細りのない長さ１００φの丸棒焼結体を得ることが出来た。

〔実施例３〕
前述した様に最近では鋼種、機械等の進歩で材質の向上が何より望まれる。しかし、この種の材質はどうしても高価になる。特に太物の場合１２φ以上３０φ位までになると材料は数Ｋｇに上昇する事もある。この様な場合、切刃部は最適材質とし、シャンク部は再生原料を用いることで実質的なリサイクルが可能になるし、原料価格の低減にも著しい効果がある。
本法では刃先部とシャンク部の収縮率を一定させれば、図６に示すように、材質調整で２材種を連続的に結合できるので、機械的な振動や強度にも全く問題のない焼結材を成形することが可能となり、加工工程もすばらしい効果を発揮する。
ここで、収縮率や焼結温度は、混合する原材料ＷＣ、Ｃｏ、粒度により決定する。
再生粉は前もって収縮率を主として調整しておき、造粒工程→流体ルブリカントとの混合を決定しておけば全く問題なく実施可能である。

〔実施例４〕
ドリルでの穴加工のうち特にステンレス等は刃先の加熱により寿命は短い。そのために超硬素材にスパイラルの穴を設ける事で解決しようと本発明者は日本で最初のスパイラル穴を有する超硬素材を完成させた。しかし長尺の中では如何にしてもスパイラル角度（２０゜〜４０゜）を一定にすることが難しい事も明らかになり、スパイラル形状が内部で不規則になると振動（ビビリ）の増加、強度の低下等が起こり、歩留も特に悪い。最近では図７に示す様な素材の要求が多くなって来ている。
しかし、図７に示すような形態の成形品は、押し出し法では不可能であるし、一般の半焼によるドリリングは難しい。又、前部と後部を銀蝋材で接合しても振動、強度等で問題がある。

このような場合、実施するには加圧成形に必要な中抜きのプレス金型を作り、図８に示すように、加圧圧縮で（１）を作り、半焼結後（２）の穴を加工する事で連続したドリル素材を作る事が容易となる。

１）上下加圧の金型プレスで径に対し長い棒材を成形可能になり、歩留りが格段に上がった。（６０％→９５％）
２）図７に示すような形態の焼結品を除き、半焼加工の工程が不要になり、空気酸化等の材質悪化が皆無になる。
３）切刃材質とシャンク材質とが別材質により連続的に結合される状態で一体に成形することが可能になり、シャンク部に再生粉末が使用できるので原材料のリサイクルが可能になる。
４）エンドミル、ドリル等の工具加工に必要なセンター穴がプレス成型で可能になり、原料歩留だけでなく加工工程が短縮出来、全体として格段の合理化が達成出来た。

ドリル、エンドミル等の加工精度を上げるため中心点を設けた丸棒の断面図加工精度を上げるため蝋付けしてセンターを設けた棒材の断面図棒状の均一なプレスにより粉末成形と同時に両センターを作る金型の断面図実施例１により加工される棒状成形品の説明図実施例２により加工される棒状成形品の説明図実施例３により加工される棒状成形品の説明図実施例４により加工される加工工具の説明図実施例４の加工工具を成形する方法に説明図従来のニーダー押し出し成形法を示すフロー図従来の粉末成形プレス法で中細り現象（鼓状）を起こした丸棒の断面図

符号の説明

１メス型成形金型パンチ
２オス型成形金型パンチ
３金型メス型

Claims

超硬合金に使用する０．５〜１０μの超微粒金属粉末成形の内ドリル、エンドミル、タップ等の直径に比較して長い棒状材を上・下加圧方式の金型内で加圧成形する工程に於いて超微粒粉末を混合後パラフィン等の固体結合材で３００μ以下の粗粒子に造粒し、この１次粗粒子表面に固体結合材と化学的に溶解、化学反応のない、且つ粘度が低く酸素を含有しない液体を２次相として表面コーティングし、金型内で上・下加圧することを特長とする棒状成型法。
棒状材の切刃部とシャンク部を別材質で連結結合する棒材。
ドリルの先端切刃部にＶ型の穴を設け、連続組織の中心穴と連結したドリル材。