JP2007500288A - 工具の構成要素を作製する方法 - Google Patents

Abstract

不均質領域を含む接着研磨性粒子の作業部分を有する工具構成要素を製造する方法。方法は、適切な結合剤中に研磨性粒子を有する材料の少なくとも２つの供給源を提供する工程を含み、供給源の材料は相互に異なる。一方の供給源の材料はダイアモンドまたは立方晶窒化硼素の粒子を有してよく、他方の供給源の材料はカーバイド粒子を有してよい。あるいは、２つの供給源の材料は、ダイアモンドまたは立方晶窒化硼素のような同じ研磨性粒子を含むが、異なる粒子サイズでよい。材料は、混合が実行されるゾーンに送出され、混合物が一般的には噴霧によって表面に適用されて、表面上に混合材料の層を製造する。混合ゾーンに送出される各供給源からの材料の量を制御することによって、２つの研磨剤の様々な混合物を製造することができる。この方法で、例えば重なり、研磨性粒子の組成が隣接層とは異なる層を製造することができる。このような層は、焼結すると工具構成要素の作業部分に不均質領域を形成する。

Description

本発明は工具の構成要素を作製する方法に関する。

研磨用コンパクト（成形物）は、切削、フライス削り、研削、穿孔、中ぐりおよび他の研磨作業にて広範囲に使用されている。研磨用コンパクトは、ダイアモンドまたは立方晶窒化硼素の粒子の塊を結合して、凝集性の多結晶質集塊にしたもので構成される。研磨性コンパクトの研磨性粒子の含有率は高く、一般的に大量の直接的な粒子間結合がある。研磨用コンパクトは、高い温度および圧力の状態で作成され、この状態では、研磨性粒子が、ダイアモンドまたは立方晶窒化硼素である場合、結晶学的に安定する。

ダイアモンドの研磨用コンパクトは、多結晶質ダイアモンドまたはＰＣＤとしても知られ、立方晶窒化硼素の研磨用コンパクトは、多結晶質ＣＢＮまたはＰＣＢＮとしても知られる。

研磨用コンパクトは、砕けやすい傾向があり、使用時には接合したカーバイド基板または支持体に接合することによって支持することが多い。このように支持された研磨用コンパクトは、当技術分野では複合研磨用コンパクトとして知られている。従って複合研磨用コンパクトは、研磨用工具の作業表面に使用することができる。複合研磨用コンパクトが厚い研磨用コンパクト層、特に厚いダイアモンド・コンパクト層を有する場合は、研磨用コンパクト層に残留引っ張り応力が発生して、使用時に問題が起きる。このような応力は、使用時のコンパクト層の層剥離および破損に寄与する。このような問題を最小限に抑えるために、研磨用コンパクト層とカーバイド基板との境界面の輪郭を形成するか、例えば基板／コンパクト層の境界面に隣接する１つまたは複数の領域に多少のカーバイド粒子の内容物を導入することによって、コンパクト層の組成を変更する、あるいはその両方を実行することができる。

接合したカーバイドは、ＰＣＤまたはＰＣＢＮより低い研磨性および硬度を有する工具構成要素を製造するための材料として使用される。このような工具構成要素は、接合した均質なカーバイド、または接合され、組成が変化するカーバイドで構成することができる。

本発明によると、不均質領域を含む、接着した研磨性粒子の作業部分を有する工具構成要素を製造する方法は、適切な結合剤中に研磨性粒子を有する材料であって、当該材料は相互に異なる少なくとも２つの供給源を提供する工程と、ある量の材料を、混合を実行するゾーンに送出する工程と、混合された材料を表面に適用して、表面上に混合材料の層を製造する工程とを含む。混合材料の層は、工具構成要素の作業部分の不均質領域の少なくとも一部を形成する。不均質領域は、研磨性粒子のサイズ、研磨性粒子の性質、またはその組み合わせが異なってよい。混合材料の層は、不均質領域の未加工状態の形態である。

本発明の１つの形態では、一方の供給源の材料は、結合剤中にダイアモンドまたは立方晶窒化硼素などの離散的超硬研磨性粒子の塊を有する。混合ゾーンに送出される各供給源からの材料の量を制御することによって、２つの研磨剤の様々な混合物を製造することができる。この方法で、研磨性粒子の組成が隣接層とは異なる層、例えば重ねた層を製造することができる。このような層は、焼結することで、工具構成要素の作業部分に不均質領域を形成する。

本発明の別の形態では、２つの供給源の材料は、同じであるが粒子サイズが異なる研磨性粒子を含む。各供給源から混合ゾーンに送出される材料の量を制御することによって、同様の方法で、相互とは粒子サイズ組成が異なる層を製造することができる。

混合した材料は、噴霧の形態で混合ゾーンから送出することが好ましい。

混合材料の１つまたは複数の層が適用される（塗布される）表面は、例えば未加工状態の複合研磨性コンパクトなどを製造する接合カーバイド基板の表面でよい。この未加工状態の複合研磨性コンパクトは、研磨性粒子が結晶学的に安定する温度および圧力状態で焼結すると、複合研磨性コンパクトが生成される。混合材料の層が適用される表面は、犠牲になり、焼結できる混合材料の未加工状態の１つまたは複数の層を残した基板の層でよい。

次に、本発明を例示によってのみ、添付図面に関してさらに詳細に説明する。

次に、本発明の実施形態を添付図面に関して説明する。図面を参照すると、容器１０、１２を有する装置が図示されている。容器は、適切な結合剤中に研磨性粒子がある塊を保持するのに適切である。適切な結合剤の例は、メチルまたはエチルセルロースまたはポリビニルピロリドンのような有機結合剤である。研磨性粒子は一般的に、結合剤中に均一に分散し、流動可能である。容器１０の研磨性粒子は、例えばダイアモンドまたは立方晶窒化硼素のような超硬摩耗性粒子である。容器１２の研磨性粒子は、容器１０のそれとは異なり、例えばカーバイド粒子である。容器１０からの通路１４は、混合ゾーン１６に通じている。容器１０からの材料の流れは、弁１８で制御される。容器１２からの通路２０は、混合ゾーン１６に通じている。容器１２からの材料の流れは、弁２２で制御される。

使用時には、通常は接合したカーバイド基板である基板２４を設ける。基板は形状が円筒形であり、平坦な上面２６および平坦な下面２８を有する。混合材料の第１層３０を表面２６に適用する。これは、弁１８、２２を所望の範囲まで開放し、それによって各容器１０、１２から混合ゾーン１６へと材料を送出することによって達成される。材料はゾーン１６で徹底的に混合され、その後にノズル３２を通して表面２６に噴霧される。その後、層３０に第２層３４を適用する（塗布する）。この層は、容器１０および１２から送出される材料の割合が、弁１８、２２を通って送出される量によって変更することを除けば、この湿式粉末噴霧（ＷＰＳ）方法でも適用される。追加の層を層３４に追加する。これらの追加層の組成は、特定の用途に合わせて調整される。

層状の生成物は、未加工状態の生成物である。基板３４上の層は全て凝集性であり、その形状を保持する。次に、未加工状態の製品を焼結して、様々な層を焼結し、相互に結合させ、層３０を基板に結合させる。例えば、容器１０はダイアモンド粒子を含んでよく、この場合、容器は概ね、ダイアモンド粒子との混合物として、ニッケル、鉄またはコバルトのような細かい粒子状金属を含む。容器１２はカーバイド粒子を含んでよい。層３０および３４は一般的に、様々な量のダイアモンド粒子およびカーバイド粒子の混合物を含む。１つまたは複数の外層は、一般的にダイアモンド粒子のみを含む。未加工状態の生成物は、ダイアモンドの合成条件で焼結し、その結果の生成物は複合ダイアモンド研磨性コンパクトである。ダイアモンドのコンパクト層は、未加工状態の層から形成される。このような生成物のダイアモンド・コンパクト層は、ほぼ応力がない。

本発明の代替実施形態では、容器１０は粒子サイズの研磨性粒子を含むことができ、容器１２は、同じ研磨性粒子を含むが、サイズが異なる。したがって、未加工状態生成物の様々な層は全て、同じ研磨性粒子を含むが、各層のサイズ組成は、特定の目的を達成するために変更することができる。

本発明の方法を使用することにより、相互に異なる広範囲の組成を有する層状構造を製造することが可能であることが理解される。さらに、図示の実施形態は、重なった層を有する。方法は、相互に垂直に、または他の方法で変位した層を製造するためにも使用することができる。

層状構造は、焼結時に層を結合することが望ましい基板へと、直接適用することができる。あるいは、層を表面に適用し、次にその表面から除去して、結合が生じる基板の表面に適用することができる。

本発明の方法は、以下の非制限的な実施例を参照すると、さらに理解することができる。

（実施例１）
本発明の湿式粉末噴霧（ＷＰＳ）方法を使用して、軸方向にＷＣ／ダイアモンドの勾配がある円筒形構成要素を準備した。円筒形の開始層は、ＷＣ／Ｃｏの４ｍｍの層であった。これは、湿式粉末噴霧方法を使用して準備したものではなく、その後に層を付着させるための強力な多孔性支持体を獲得するために、１００ＭＰａで市販の粉末を圧縮したものである。次に、この基層を６００℃の水素での焼結前処理によってさらに強化した。この層の多孔性は、上に重なる層と同様の収縮挙動を達成するように選択された。ＷＣ／Ｃｏの粒の組成は、ダイアモンド等級層で使用したものと同じであった。

次に、それぞれが約１００μｍの厚さで、ＷＣ／ダイアモンドの比率が単調に変動する４９の勾配層を、ＷＰＳ方法でＷＣ／Ｃｏ基層に付着させた。ダイアモンドおよびＷＣの粒子は、別個の容器から供給され、それぞれが結合剤としてのポリビニルピロリドン、分散剤としてのＬｕｐａｓｏｌＰ、および水を懸濁状態で含んでいた。組成は、基層にすぐ隣接する層の９８％ＷＣ／２％ダイアモンド（質量）から、最上層の１００％ダイアモンドまでの範囲である。組成は、一方の容器からのＷＣ粒子の流れ、および別の容器からのダイアモンド粒子の流れを変更することによって、２％ずつ変更した。構成要素内の円筒形形状を維持するために、噴霧した層を含む円筒形の型を使用した。

約４μｍの平均粒子サイズを有するダイアモンド粒子の濃度が、（軸方向の勾配に従って）懸濁液中で増加するにつれ、懸濁液の全体的組成も変化する。ダイアモンドとＷＣ／Ｃｏの密度差の性で基板の質量が減少するということは、結合剤と分散剤の質量も、同様に減少しなければならない、ということである。したがって、乾燥粉末重量に対して、全体的な水分含有量が増加する。収縮の問題を防止するために、各層は、その後の層を噴霧する前に乾燥させた。

次に、未加工のコンパクトを十分な高温で結合解除し、結合剤の相と分散剤の相とを除去した。次に高圧、高温の処理を使用して、未加工コンパクトを焼結し、焼結コンパクトを生成した。焼結したコンパクトは、研磨性コンパクト層内の残留引っ張り応力が顕著に低下した。

（実施例２）
実施例１で説明したものと同様の湿式粉末噴霧（ＷＰＳ）方法を使用して、軸方向にダイアモンド粒サイズの勾配がある円筒形構成要素を準備した。ＷＣ／Ｃｏ基層にすぐ隣接するダイアモンド層は、約２５μｍの平均粒サイズを有するように選択し、最上層のダイアモンド層は、約４μｍの平均粒サイズを有するように選択した。それぞれが約１００μｍの厚さで、５０の層を付着させた。２つのダイアモンド粒サイズの比率は、基層表面では２５μｍのダイアモンドが１００％から、最上表面では４μｍのダイアモンドが１００％までと、２％の組成間隔で単調に変更した。

ＷＰＳ懸濁液の質量組成は、基層から最上層まで、有意に変化しなかった。基板材料が一貫して完全にダイアモンドだったからである。最終的なコンパクトを、実施例１で生成したコンパクトと同様の方法で結合解除し、次に高圧および高温で処理して、ダイアモンドとダイアモンドが結合した完全焼結コンパクトを達成した。焼結したコンパクトは、この場合も残留引っ張り応力が非常に低下した研磨性コンパクト層を提供した。

（実施例３）
実施例１で説明したものと同様の湿式粉末噴霧（ＷＰＳ）方法を使用して、軸方向にダイアモンド粒サイズおよび化学組成の勾配がある円筒形構成要素を準備した。

ＷＣ／Ｃｏ基層にする隣接する層は、サイズが２５μｍのダイアモンド粒とサイズが２．５μｍのＷＣ／Ｃｏ粒子を７５：２５（ダイアモンド：ＷＣ／Ｃｏ）の質量比率で含んでいた。最上層は、サイズが平均４μｍのダイアモンド材料を１００％含んでいた。これらの２つの供給源の組成比率を、基層表面の１００％（２５μｍのダイアモンド（ＷＣ／Ｃｏ）混合物）から最上表面では４μｍのダイアモンドが１００％までと、２％の組成間隔で単調に変更した。

次に、最終的コンパクトを、実施例１で生成したコンパクトと同様の方法で結合解除し、次に高圧および高温で処理して、ダイアモンドとダイアモンドが結合した十分に焼結したコンパクトを達成した。この場合も、研磨性コンパクト層内で残留引っ張り応力が非常に低下した。

本発明の一実施形態を実施するのに適切な装置の概略図である。

Claims (12)

1. 不均質領域を含む、結合した研磨性粒子の作業部分を有する工具構成要素を製造する方法であって、適切な結合剤中に研磨性粒子を有する材料であって、当該材料は相互に異なる少なくとも２つの供給源を提供する工程と、ある量の材料を、混合を実行するゾーンに送出する工程と、混合された材料を表面に適用して、表面上に混合材料の層を製造する工程とを含む方法。
2. 混合材料の層が、工具構成要素の作業部分の不均質領域の少なくとも一部を形成する、請求項１に記載の方法。
3. 不均質領域は、研磨性粒子のサイズ、研磨性粒子の性質、またはその組み合わせが異なる、請求項１または２に記載の方法。
4. 混合材料の層が、不均質領域の未加工状態の形態である、前記請求項いずれか１項に記載の方法。
5. 第１および第２原料供給源を有し、第１供給源が、結合剤中に離散的超硬研磨性粒子の塊を有し、第２供給源が、結合剤中に第１供給源の材料とは異なる離散的研磨性粒子の塊を有する、前記請求項いずれか１項に記載の方法。
6. 第１原料供給源が、結合剤中に離散的ダイアモンドまたは立方晶窒化硼素の塊を有し、第２材料供給源が、結合剤中にカーバイド粒子を有する、請求項５に記載の方法。
7. 第１および第２材料供給源を有し、２つの供給源の材料が、同じ研磨性粒子を含むが、粒子のサイズが異なる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
8. 混合材料が、噴霧形態で混合ゾーンから送出される、前記請求項いずれか１項に記載の方法。
9. 混合材料の１つまたは複数の層が適用される表面が、未加工状態の複合研磨性コンパクトを製造する接合カーバイド基板の表面である、前記請求項いずれか１項に記載の方法。
10. 混合材料の１つまたは複数の層が適用される表面が、犠牲になり、焼結できる混合材料の未加工状態の１つまたは複数の層を残す基板の表面である、前記請求項いずれか１項に記載の方法。
11. 添付図面に関して実質的に本明細書で記載した、請求項１に記載の方法。
12. 例示的実施例のいずれか１つに関して実質的に本明細書で記載した、請求項１に記載の方法。

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