JP2009241236A - 接合体 - Google Patents
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Abstract
【課題】切削中に、ロウ材が液相を生成する温度を超える高温となっても、接合層の接合強度が低下することのない、高速切削やＣＶＤコーティング処理等に適した切削工具として好適な接合体を提供する。
【解決手段】サーメット焼結体を第１の被接合材１とし、ｃＢＮ焼結体またはダイヤモンド焼結体を第２の被接合材３とする接合体であって、第１の被接合材および第２の被接合材は、両者の間に設置された１０００℃未満では液相を生成しない接合材２を介して接合されており、前記接合は０．１ＭＰａ〜２００ＭＰａの圧力で加圧しながら通電加熱することによって行われている接合体。
【選択図】図１
【解決手段】サーメット焼結体を第１の被接合材１とし、ｃＢＮ焼結体またはダイヤモンド焼結体を第２の被接合材３とする接合体であって、第１の被接合材および第２の被接合材は、両者の間に設置された１０００℃未満では液相を生成しない接合材２を介して接合されており、前記接合は０．１ＭＰａ〜２００ＭＰａの圧力で加圧しながら通電加熱することによって行われている接合体。
【選択図】図１
Description
本発明は、接合体に関するものであり、特に、切削工具に好適な接合体に関する。
従来より、ｃＢＮ（立方晶窒化硼素）もしくはダイヤモンド切削工具に代表されるように、先端に高硬度材料をロウ付けにより接合した切削工具が製造されており、特殊鋼材その他各種の切削加工に利用されている。
具体的には、例えば、ｃＢＮと超硬合金をロウ付けにより接合した工具が製造・販売されている（例えば、非特許文献１）。あるいは、ＰＣＤ（焼結ダイヤモンド）またはｃＢＮと、セラミックスまたはサーメットとをロウ付けにより接合した接合体が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２）。また、超硬合金またはサーメットと、高速度鋼等とを、Ｃｕロウ材を用いたロウ付けにより接合した切削工具も提案されている（例えば、特許文献３）。
住友電工ハードメタル株式会社発行、イゲタロイ 切削工具（’０７−’０８総合カタログ）、２００６年１０月、ｐ．Ｌ４、コーティドスミボロンシリーズ 特開２００２−３６００８号公報
特許第３５４９４２４号公報
特開平１１−２９４０５８号公報
住友電工ハードメタル株式会社発行、イゲタロイ 切削工具（’０７−’０８総合カタログ）、２００６年１０月、ｐ．Ｌ４、コーティドスミボロンシリーズ
しかし、ロウ材の多くは、７００〜８００℃程度で液相が現れる。このため、ロウ付けによる接合体を用いた切削工具は、切削中に前述の温度を超えるおそれのある高速切削等には、使用することが困難であった。また、ロウ付け時に生成した液相が、浸み出して被接合材を汚し、後工程である加工時に悪影響を与えることがあった。
また、接合体の耐摩耗性を向上するために、コーティング処理が施される場合があるが、前述の温度を超える高温を必要とするコーティング（例えば、ＣＶＤコーティングでは、１０００℃以上を必要とする）処理を行うことも困難であった。
本発明は、上記の問題に鑑み、切削中に、ロウ材が液相を生成する温度を超える高温となっても、接合層の接合強度が低下することのない、高速切削やＣＶＤコーティング処理等に適した切削工具として好適な接合体を提供することを課題とする。
本発明者は、鋭意検討の結果、以下に述べる各請求項の発明により、上記課題が解決できることを見出した。
以下、各請求項の発明につき説明する。
以下、各請求項の発明につき説明する。
請求項１に記載の発明は、
サーメット焼結体を第１の被接合材とし、ｃＢＮ焼結体またはダイヤモンド焼結体を第２の被接合材とする接合体であって、前記第１の被接合材および第２の被接合材は、両者の間に設置された１０００℃未満では液相を生成しない接合材を介して接合されており、前記接合は０．１ＭＰａ〜２００ＭＰａの圧力で加圧しながら通電加熱することによって行われていることを特徴とする接合体である。
サーメット焼結体を第１の被接合材とし、ｃＢＮ焼結体またはダイヤモンド焼結体を第２の被接合材とする接合体であって、前記第１の被接合材および第２の被接合材は、両者の間に設置された１０００℃未満では液相を生成しない接合材を介して接合されており、前記接合は０．１ＭＰａ〜２００ＭＰａの圧力で加圧しながら通電加熱することによって行われていることを特徴とする接合体である。
請求項１の発明においては、焼結済みのサーメット焼結体からなる第１の被接合材と焼結済みのｃＢＮ焼結体またはダイヤモンド焼結体からなる第２の被接合材が、両者の間に設置された１０００℃未満では液相を生成しない接合材により接合されている。このため、この接合体を切削工具として使用して、切削作業を行った場合、作業中に８００℃を超える高温となっても、接合層が液相を生成せず、接合強度が低下することがない。従って、１０００℃以上となる高速切削に好適な切削工具等を提供することができる。
また、この結果、接合体に１０００℃程度の温度で被覆を行うＣＶＤコーティング等を施すことが可能となる。このため、例えば、従来適用が不可能であったｃＢＮ工具やダイヤモンド工具へのＣＶＤコーティングが可能となり、さらなる長寿命化や多品種の被切削材料へ対応することが可能となる。なお、この場合、接合層は、ＣＶＤコーティングの温度より少し高い温度では液相を生成しない接合層であることが好ましい。これは、ＣＶＤコーティング時の急激な温度変化等による接合層の変形、さらに接合強度の低下への影響をより少なくすることができるからである。
また、本発明におけるサーメットとは、チタン（Ｔｉ）の炭化物、窒化物、炭窒化物および／またはＴｉの炭化物、窒化物、炭窒化物を主成分とし、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族の炭化物、窒化物、炭窒化物のうちの少なくとも１種とからなる硬質相と、鉄族金属を主たる結合相とする硬質合金をいう。
本発明においては、上記したように、第１の被接合材としてチタン系化合物（炭化物、窒化物等）を主たる硬質相とする複合材料であるサーメット焼結体を用いているため、ＷＣを主たる硬質相とする超硬合金焼結体を第１の被接合材として用いる場合に比べ、希少金属であるタングステン（Ｗ）の使用量を低減することができる。
また、従来のロウ付け接合においては、サーメット焼結体に熱亀裂が発生しやすく被接合材として用いることが困難であった。また、第２の被接合材であるｃＢＮ焼結体やダイヤモンド焼結体は熱に弱く、高温で分解されやすいため、短時間で熱劣化しやすい。このため、１０００℃以上で液相を生成する接合材を用いて、ロウ付け接合により第１の被接合材と第２の被接合材との接合体を得ることは困難であった。
しかし、請求項１の発明では、接合は、第１の被接合材と第２の被接合材の間に０．１ＭＰａ〜２００ＭＰａの加圧力を働かせながら通電加熱することによって行われているため、数秒〜数分以内の極めて短時間で、接合面近傍のみを加熱して強固な接合を得ることができる。この結果、高圧安定型の材料であるｃＢＮ焼結体やダイヤモンド焼結体の品質を劣化させることなく、またサーメット焼結体に熱亀裂を発生させることなく、１０００℃未満では液相を生成しない接合材を用いてサーメットと接合することが可能となる。
加圧力が小さすぎると、被接合材であるｃＢＮ焼結体やダイヤモンド焼結体およびサーメット焼結体と電極との間の接触抵抗が多くなり、電流を流せないあるいは放電する等の問題がある。一方、加圧力が大きすぎると、ｃＢＮ焼結体やサーメット焼結体が割れる等の問題がある。請求項１の発明においては、好ましい加圧力として、０．１ＭＰａ〜２００ＭＰａの加圧力としたため、これらの問題が発生せず、好ましい接合体を得ることができる。１ＭＰａ〜１００ＭＰａであると、適度な接触抵抗となり、接合面での発熱が効率的に行われるためより好ましく、１０ＭＰａ〜７０ＭＰａであると、さらに接触抵抗が適切になると共に、さらに被接合体が割れにくくなるため、さらに好ましい。
請求項２に記載の発明は、
前記通電加熱によって、前記第１の被接合材が、前記第２の被接合材よりも優先的に発熱して、接合されていることを特徴とする請求項１に記載の接合体である。
前記通電加熱によって、前記第１の被接合材が、前記第２の被接合材よりも優先的に発熱して、接合されていることを特徴とする請求項１に記載の接合体である。
請求項２の発明においては、第１の被接合材であるサーメット焼結体は、第２の被接合材であるｃＢＮ焼結体やダイヤモンド焼結体よりも優先的に発熱して接合される。一般に、ｃＢＮ焼結体やダイヤモンド焼結体はサーメット焼結体よりも電気抵抗が高いため、通電加熱時、第２の被接合材であるｃＢＮ焼結体やダイヤモンド焼結体が第１の被接合材であるサーメット焼結体よりも優先的に発熱し、ｃＢＮ焼結体やダイヤモンド焼結体の品質劣化（熱的劣化、分解、亀裂生成等）を招くことがある。
このような第２の被接合材の品質劣化の発生を防ぐためには、通電加熱時、第２の被接合材よりも第１の被接合材が優先的に発熱するように、第２の被接合材と接合材の配置、通電方法を工夫する必要がある。具体的には、例えば、第２の被接合材に接する電極と第１の被接合材に接する電極の材質を変えることが挙げられる。電極の材質を変えることにより、第１の被接合材と第２の被接合材の各々に流れる電流の量が異なるため、それぞれの発熱を制御することができる。また、第２の被接合材よりも第１の被接合材を集中的に通電加熱して、間接的に第２の被接合材を加熱してもよい。
このように、通電経路を工夫することにより、第１の被接合材を第２の被接合材よりも優先的に加熱することができる。この結果、第２の被接合材であるｃＢＮ焼結体やダイヤモンド焼結体を必要以上に高温加熱することなく、短時間、具体的には、例えば、１分以内、好ましくは３０秒以内で接合材近傍を高温加熱することができるため、強固な接合が可能になると共に、ｃＢＮ焼結体やダイヤモンド焼結体の品質劣化（熱的劣化、分解、亀裂生成等）を招くことなく、ｃＢＮ焼結体やダイヤモンド焼結体の高硬度等の特徴を十分に生かすことができる。
請求項３に記載の発明は、
通電加熱によって、前記接合材成分のうちの少なくとも１つの元素が、前記第１の被接合材および／または前記第２の被接合材中に元素拡散していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の接合体である。
通電加熱によって、前記接合材成分のうちの少なくとも１つの元素が、前記第１の被接合材および／または前記第２の被接合材中に元素拡散していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の接合体である。
請求項３の発明においては、接合材成分のうちの少なくとも１つの元素が、第１の被接合材や第２の被接合材中に元素拡散しているため、第１の被接合材や第２の被接合材との接合がより効率的に行われ、接合強度のより高い接合体を得ることができる。
請求項４に記載の発明は、
加圧しながらの通電加熱によって変形する接合材を用いて接合されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の接合体である。
加圧しながらの通電加熱によって変形する接合材を用いて接合されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の接合体である。
請求項４の発明においては、加圧しながら通電加熱することによって変形する接合材が用いられているため、接合材の変形に伴う物質の移動が、被接合材と接合材との界面の結合に有効に働き、接合強度の高い接合体を得ることができる。また、加圧しながら通電加熱することにより、接合材は被接合材の形状に合わせて変形するようになるため、接着面積の増大を図ることができ、接合強度の向上効果を得ることができる。
請求項５に記載の発明は、
前記接合材が、チタン（Ｔｉ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）のいずれか、または前記金属の少なくとも１つを含む合金からなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の接合体である。
前記接合材が、チタン（Ｔｉ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）のいずれか、または前記金属の少なくとも１つを含む合金からなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の接合体である。
請求項５の発明においては、一般に第１の被接合材であるサーメット焼結体や第２の被接合材であるｃＢＮ焼結体やダイヤモンド焼結体の結合相成分として用いられ、液相を生成する温度が１４００℃以上であるＴｉ、Ｃｏ、Ｎｉの、少なくともいずれかを含んでいるため、接合強度のより高い接合体を得ることができる。
請求項６に記載の発明は、
前記接合材が、チタン（Ｔｉ）を含むことを特徴とする請求項５に記載の接合体である。
前記接合材が、チタン（Ｔｉ）を含むことを特徴とする請求項５に記載の接合体である。
請求項６の発明においては、第２の被接合材であるｃＢＮ焼結体やダイヤモンド焼結体の結合相成分として用いられるＴｉを含む材料を接合材としているため、接合材中のＴｉが容易に第１の被接合材や第２の被接合材に元素拡散し、強固な接合を得ることができる。さらに、Ｔｉと結合して金属間化合物を形成する材料を使用することにより、接合材が液相を生成する温度のさらなる上昇と、高強度化が可能となり好ましい。
Ｔｉと結合して金属間化合物を形成する元素としては、例えば、Ｓｉを挙げることができる。金属間化合物は、接合材に最初から含まれていても良い。また、金属間化合物を構成する元素が、接合材には別の状態で含まれており、接合完了後に反応生成されても良い。金属間化合物が反応生成される場合は、接合に反応熱を利用することができるため、接合にとってより有効である。
請求項７に記載の発明は、
前記接合材が、前記第１の被接合材よりも低温で液相を生成することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の接合体である。例えばＴｉ−Ｃｏ合金、Ｔｉ−Ｎｉ合金などを挙げることができる。
前記接合材が、前記第１の被接合材よりも低温で液相を生成することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の接合体である。例えばＴｉ−Ｃｏ合金、Ｔｉ−Ｎｉ合金などを挙げることができる。
請求項７の発明においては、接合材が第１の被接合材よりも低温で液相を生成することにより、加圧しながら通電加熱を行ったとき、第１の被接合材が大きく変形する前に接合体が変形するため、接合による第１の被接合材の形状変化を防ぎながら接合を行うことができる。このような接合材としては、例えば、Ｔｉ−Ｃｏ合金、Ｔｉ−Ｎｉ合金等を挙げることができる。
請求項８に記載の発明は、
前記接合材の少なくとも一部が、通電加熱時に液相を生成していることを特徴とする請求項７に記載の接合体である。
前記接合材の少なくとも一部が、通電加熱時に液相を生成していることを特徴とする請求項７に記載の接合体である。
請求項８の発明においては、接合材の少なくとも一部が、通電加熱時に液相を生成しているため、接合体成分が第１の被接合材や第２の被接合材に元素拡散しやすく、第１の被接合材と第２の被接合材を強固に接合できる。
請求項９の発明は、
前記接合材および／または前記第１の被接合材の結合相に含まれるニッケル（Ｎｉ）が、３０ｖｏｌ％（体積百分率）以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の接合体である。
前記接合材および／または前記第１の被接合材の結合相に含まれるニッケル（Ｎｉ）が、３０ｖｏｌ％（体積百分率）以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の接合体である。
請求項９の発明においては、接合材や第１の被接合材の結合相に含まれるニッケル（Ｎｉ）を３０ｖｏｌ％以下としている。これは、３０ｖｏｌ％を超えると、接合体にＣＶＤコーティングを施す際、ＣＶＤコーティング材料として用いられる塩素ガスと接合材やサーメット焼結体とが反応してＣＶＤ膜が異常成長し、接合層の性能劣化を引き起こす可能性が高いからである。
請求項１０に記載の発明は、
前記接合材が、めっき法により前記第１の被接合材および／または前記第２の被接合材の表面上に設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の接合体である。
前記接合材が、めっき法により前記第１の被接合材および／または前記第２の被接合材の表面上に設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の接合体である。
請求項１０の発明においては、接合材が、めっき法により第１の被接合材や第２の被接合材の表面上に設けられているため、接合材を粉末やペーストの状態で塗布するよりも接合材厚みを制御しやすく、品質を安定化できる。さらに、本請求項に係る発明を接合体の量産において適用すると、工程を自動化しやすく、コスト面、品質安定面で好ましい。
請求項１１に記載の発明は、
前記接合材が、物理蒸着法により前記第１の被接合材および／または前記第２の被接合材の表面上に設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の接合体である。
前記接合材が、物理蒸着法により前記第１の被接合材および／または前記第２の被接合材の表面上に設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の接合体である。
請求項１１の発明においては、接合材が、物理蒸着法により第１の被接合材や第２の被接合材の表面上に設けられているため、接合材を粉末やペーストの状態で塗布する場合よりも接合材厚みを制御しやすく、品質を安定化できる。さらに、本請求項に係る発明を接合体の量産において適用すると、機械化、自動化しやすく、コスト面、品質安定面で好ましい。特に好ましいのは、スパッタ法やアーク蒸着法で成膜する場合である。
請求項１２に記載の発明は、
前記接合体が、切削工具であることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載の接合体である。
前記接合体が、切削工具であることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載の接合体である。
請求項１２の発明においては、接合体は第１の被接合材としてのサーメット焼結体および第２の被接合材としてのｃＢＮ焼結体やダイヤモンド焼結体を被接合材としているため、上記接合材を介して接合することにより得られる接合体は、切削工具として好適に使用することができる。本発明の工具はロウ材が液相を生成する温度以上となる高速切削においても、接合材の接合強度が低下することがない切削工具を提供することができる。
以上、本発明においては、高圧安定型の材料であるｃＢＮ焼結体やダイヤモンド焼結体の品質劣化（熱的劣化、分解、亀裂生成等）を招くことなく、ｃＢＮ焼結体やダイヤモンド焼結体の高硬度等の特徴を十分に生かすことができる工具を提供することができる。特に、耐摩工具、鉱山・土木工具、切削工具等の工具として好適に提供することができ好ましい。
また、本発明においては、第２の被接合材は、バックメタル（切削面の反対側に設けられる薄い超硬合金層）を必ずしも必要とせずに第１の被接合材と接合することができるが、バックメタルを有する第２の被接合材と第１の被接合材の接合体を本発明から排除するものではない。
本発明によって、切削中に、従来のようにロウ材が液相を生成する温度を超える高温となっても、接合層の接合強度が低下することのない、高速切削やＣＶＤコーティング処理等に適した切削工具として好適な接合体を提供することができる。
以下、本発明を実施するための最良の実施の形態につき、以下に示す実施例に基づいて説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、以下の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。
（通電加圧接合における通電について）
始めに、通電加圧接合における通電の形態について、図を用いて説明する。
１．第１の通電の形態
図１は、通電加圧接合における通電の一形態を説明する概念図である。図１において、被接合材１、３は、それぞれ第１の被接合材（サーメット焼結体）および第２の被接合材（ｃＢＮ焼結体またはダイヤモンド焼結体）であって、挟み込まれた接合材２を用いて接合される。
始めに、通電加圧接合における通電の形態について、図を用いて説明する。
１．第１の通電の形態
図１は、通電加圧接合における通電の一形態を説明する概念図である。図１において、被接合材１、３は、それぞれ第１の被接合材（サーメット焼結体）および第２の被接合材（ｃＢＮ焼結体またはダイヤモンド焼結体）であって、挟み込まれた接合材２を用いて接合される。
具体的には、被接合材１、３および接合材２を、電極（黒鉛）４で挟み込み、加圧すると共に、電極４に電流を流す。電極４が被接合材１と被接合材３の両方にまたがっていることにより、被接合材のいずれかの電気抵抗が高くても、電気抵抗の低い方の被接合材を通して、接合に十分な電流を流す電気回路が形成できる。
接合材２としては、請求項１に示した、通電加熱によって、１０００℃未満では液相を生成しない材料を用いる。この時、請求項４〜１１に示した特徴を有する材料であることが望ましい。
電極４に電流を流すことにより、被接合材１、３と共に接合材２が抵抗発熱して、被接合材１、３が接合される。なお、２つの電極４の材料は、導電性を有するものであることはもちろんであるが、被接合材１、３、さらには接合材２と反応しないものが望ましい。ただし、反応するものであっても、被接合材１、３との間の各々に、カーボンシートを配置すると、電極との反応を抑えることができる。
２．第２の通電の形態
図２は、通電加圧接合における通電の別の一形態を説明する概念図である。図２において、分割電極５は第２の被接合材３に接しており、電極４は第１の被接合材１に接している。電極４と分割電極５の材質を変えることで、それぞれの電気伝導度と熱伝導度を変えることができ、第１の被接合材と第２の被接合材にそれぞれ異なった電流を与えることが可能となり、それぞれの温度を極端に変えることが可能となる。これにより、熱劣化を起こしやすい被接合材でも、熱劣化を起こさずに接合することができる。さらに、電極を分割し、それぞれの電極を独立して加圧することにより、第１の被接合材と第２の被接合材に与える圧力を高精度に制御することができるため、接合強度を向上させることができ好ましい。
図２は、通電加圧接合における通電の別の一形態を説明する概念図である。図２において、分割電極５は第２の被接合材３に接しており、電極４は第１の被接合材１に接している。電極４と分割電極５の材質を変えることで、それぞれの電気伝導度と熱伝導度を変えることができ、第１の被接合材と第２の被接合材にそれぞれ異なった電流を与えることが可能となり、それぞれの温度を極端に変えることが可能となる。これにより、熱劣化を起こしやすい被接合材でも、熱劣化を起こさずに接合することができる。さらに、電極を分割し、それぞれの電極を独立して加圧することにより、第１の被接合材と第２の被接合材に与える圧力を高精度に制御することができるため、接合強度を向上させることができ好ましい。
（通電加圧接合による接合について）
次いで、上記図１あるいは図２に示された通電を用いた通電加圧接合について説明する。
通電条件は、使用される被接合材および接合材の材質等により、適宜決定されるが、接合材近傍以外で、被接合材材料の割れ・溶融や、粒子の粗大化を招かないためには、３０秒以内程度が好ましい。
次いで、上記図１あるいは図２に示された通電を用いた通電加圧接合について説明する。
通電条件は、使用される被接合材および接合材の材質等により、適宜決定されるが、接合材近傍以外で、被接合材材料の割れ・溶融や、粒子の粗大化を招かないためには、３０秒以内程度が好ましい。
通電加圧接合を行う接合材の形態としては、第１の被接合材や第２の被接合材の表面に粉末もしくはペースト状にして塗布する方法の他、めっき法や物理蒸着法で被覆する方法を採用することができる。めっき法や物理蒸着法で被覆する方法は、接合材を被覆した後に被接合材をハンドリングしやすく、接合工程の自動化に有利である他、被覆膜厚の制御も行いやすいため、接合強度を安定化させる上で特に好ましい。
加圧しながら通電加熱することで、接合材は変形しやすくなり、接合材と被接合材の密着性は高まり、元素拡散しやすくなる。この結果、接合強度を飛躍的に高めることができる。特に、本発明の接合体を切削工具、例えば切削チップに適用する場合、基材である第１の被接合材と第２の被接合材の接合面は、図１の上下方向と水平方向の２方向となり、両方向で第１の被接合材と第２の被接合材がしっかりと接合されることが必要となる。このような場合では２方向からの加圧を行うことが好ましい。
加圧力は弱すぎると電極と被接合材の接触抵抗が多くなり、電流を流せなくなる、あるいは放電してしまう等があり、不適当である。また、大きすぎるとサーメット焼結体が割れるため、不適当である。本発明では０．１ＭＰａ〜２００ＭＰａが適当である。
接合中の雰囲気は、被接合材および接合材の両者とも金属を含むため、真空中あるいは不活性ガス中あるいは還元雰囲気中で行うことが望ましい。真空度は特に限定されないが、１３．３Ｐａ（０．１Ｔｏｒｒ）より高真空であることが望ましい。不活性ガスとしては、アルゴン、ヘリウム、窒素、あるいはこれらの混合ガスを挙げることができる。還元雰囲気としては、前記不活性ガスに水素ガスを若干割合混合したガス雰囲気や、被接合材近傍に加熱した黒鉛を設置する方法を挙げることができる。
通電する電流の形態は、被接合材および接合材を適切な温度に加熱できるための電流を流すことができるのであれば直流電流、交流電流とも使用できる。特に、直流パルス電流はピーク電流値とパルスのＯＮ、ＯＦＦ比を変えることができるため、接合界面の瞬間的な加熱と被接合体の全体的な温度制御範囲を広げることができ、接合には有効である。
（実施例１〜６および比較例１、２）
本実施例および比較例は、接合時の加圧力と接合強度との関係、および被接合材の割れとの関係に関するものである。
ザグリを入れたサーメット製の台金（第１の被接合材）に、厚さ１０μｍのＮｉめっきを表面に施した三角形状のバックメタル付きｃＢＮチップ（第２の被接合材）を、図１に示すようにセットし、上下方向より、０．０５ＭＰａ（比較例１）、０．１ＭＰａ（実施例１）、１０ＭＰａ（実施例２）、３０ＭＰａ（実施例３）、７０ＭＰａ（実施例４）、１００ＭＰａ（実施例５）、２００ＭＰａ（実施例６）、２５０ＭＰａ（比較例２）の各圧力を加えた状態の下、真空中で通電加圧接合を行い、実施例１〜６および比較例１、２の接合体を得た。なお、電極として黒鉛を用い、電極との反応を防ぐため、黒鉛シートを電極と被接合材との間に挿入した。また、通電は、直流パルス電流により行い、パルス電流値２０００Ａ、パルスＯｎ：Ｏｆｆ比１：１、パルス幅１０ｍｓ、通電時間１０秒、荷重０．９８ｋＮの条件で行った。なお、サーメット製の台金（第１の被接合材）は、ＴｉＣＮ−１０ＷＣ−５ＴａＣ−５Ｍｏ２Ｃ−１４Ｃｏ（被接合材Ａ）とＴｉＣＮ−１０ＷＣ−５ＴａＣ−５Ｍｏ２Ｃ−１０Ｎｉ−１０Ｃｏ（被接合材Ｂ）（いずれもｗｔ％：質量百分率）の２種類を用いた。
本実施例および比較例は、接合時の加圧力と接合強度との関係、および被接合材の割れとの関係に関するものである。
ザグリを入れたサーメット製の台金（第１の被接合材）に、厚さ１０μｍのＮｉめっきを表面に施した三角形状のバックメタル付きｃＢＮチップ（第２の被接合材）を、図１に示すようにセットし、上下方向より、０．０５ＭＰａ（比較例１）、０．１ＭＰａ（実施例１）、１０ＭＰａ（実施例２）、３０ＭＰａ（実施例３）、７０ＭＰａ（実施例４）、１００ＭＰａ（実施例５）、２００ＭＰａ（実施例６）、２５０ＭＰａ（比較例２）の各圧力を加えた状態の下、真空中で通電加圧接合を行い、実施例１〜６および比較例１、２の接合体を得た。なお、電極として黒鉛を用い、電極との反応を防ぐため、黒鉛シートを電極と被接合材との間に挿入した。また、通電は、直流パルス電流により行い、パルス電流値２０００Ａ、パルスＯｎ：Ｏｆｆ比１：１、パルス幅１０ｍｓ、通電時間１０秒、荷重０．９８ｋＮの条件で行った。なお、サーメット製の台金（第１の被接合材）は、ＴｉＣＮ−１０ＷＣ−５ＴａＣ−５Ｍｏ２Ｃ−１４Ｃｏ（被接合材Ａ）とＴｉＣＮ−１０ＷＣ−５ＴａＣ−５Ｍｏ２Ｃ−１０Ｎｉ−１０Ｃｏ（被接合材Ｂ）（いずれもｗｔ％：質量百分率）の２種類を用いた。
得られた各接合体の接合強度（せん断破壊強度）を測定し、また、接合層近傍における各被接合材の割れの有無を観察した。結果を表１に示す。
表１に示すように、０．１〜１００ＭＰａの加圧力の場合（実施例１〜５）には、従来のロウ付け品と同等の強度が得られていると共に、被接合材の割れが認められない。また、１００〜２００ＭＰａの場合には、被接合材の組成によっては、割れが認められない。しかし、加圧力が極端に低い場合（比較例１）には、接合されず、２００ＭＰａを超える加圧を行った場合（比較例２）には、被接合材の組成によらず、接合層近傍の被接合材に割れが発生している。この結果、本発明において、好ましい加圧力は、０．１〜２００ＭＰａであることが確認できた。
（実施例７）
次に、めっきの代わりに物理的蒸着法であるスパッタ法を用いて、厚さ１０μｍのＴｉ−３０ｗｔ％Ｃｏ層（接合材）をバックメタルのあるｃＢＮ（第２の被接合材）に設け、サーメット台金（第１の被接合材）と接合を行った。この時、サーメット台金（第１の被接合材）としては、前記被接合材Ａおよび被接合材Ｂを用い、接合条件は実施例３と同じとした。その結果、ｃＢＮとサーメットはＴｉ−Ｃｏ層を介して空隙なく接合されていることが確認できた。これは、接合中に液相を生成していたためと推測される。なお、その接合強度は、被接合材Ａでは２５０ＭＰａ、被接合材Ｂでは２５５ＭＰａであった。
次に、めっきの代わりに物理的蒸着法であるスパッタ法を用いて、厚さ１０μｍのＴｉ−３０ｗｔ％Ｃｏ層（接合材）をバックメタルのあるｃＢＮ（第２の被接合材）に設け、サーメット台金（第１の被接合材）と接合を行った。この時、サーメット台金（第１の被接合材）としては、前記被接合材Ａおよび被接合材Ｂを用い、接合条件は実施例３と同じとした。その結果、ｃＢＮとサーメットはＴｉ−Ｃｏ層を介して空隙なく接合されていることが確認できた。これは、接合中に液相を生成していたためと推測される。なお、その接合強度は、被接合材Ａでは２５０ＭＰａ、被接合材Ｂでは２５５ＭＰａであった。
次に、第１の被接合材としてＡ、Ｂを用いた実施例３の各接合体および実施例７の各接合体の各々にダイヤモンド砥石を用いて研削加工を施し、その後、公知のＣＶＤ法により、１０００℃のコーティング温度で、ＴｉＣＮとアルミナを各２μｍの厚さで被覆し、ＣＶＤ膜の成長の状況を観察した。その結果、接合材がＮｉである実施例３の接合体では、第１の被接合材の種類に関係なく、ＣＶＤ膜の異常成長が見られた。一方、接合材がＮｉでなくＴｉ−Ｃｏである実施例７の接合体では、第１の被接合材の種類に関係なく、ＣＶＤ膜の異常成長は見られなかった。
（実施例８）
次に、Ｔｉ粉末を溶媒で溶いた材料（接合材）を、サーメット台金（被接合材Ａ：第１の被接合材）に塗布し、バックメタル無しｃＢＮチップ（第２の被接合材）とセットし、実施例３と同一の通電条件で通電加圧接合を行った。この接合体の接合強度は２００ＭＰａであり、従来のロウ付け品と同等の強度を有していることを確認した。この接合部分には緻密な厚み４０μｍのＴｉ層が観察され、Ｔｉ粉末が溶融あるいは焼結していることが確認できた。
次に、Ｔｉ粉末を溶媒で溶いた材料（接合材）を、サーメット台金（被接合材Ａ：第１の被接合材）に塗布し、バックメタル無しｃＢＮチップ（第２の被接合材）とセットし、実施例３と同一の通電条件で通電加圧接合を行った。この接合体の接合強度は２００ＭＰａであり、従来のロウ付け品と同等の強度を有していることを確認した。この接合部分には緻密な厚み４０μｍのＴｉ層が観察され、Ｔｉ粉末が溶融あるいは焼結していることが確認できた。
（実施例９）
次に、前記実施例８を基に、通電時間の短縮化を目的として、実施例８に示した条件のうち通電時間を変化させて接合条件を求めた。その結果、通電時間を実施例８における１０秒から８秒にした場合、パルス電流値を実施例８に示した電流値（２０００Ａ）よりも２００Ａ大きい電流において良好な接合が可能であった。さらに通電時間を６秒とした場合、パルス電流をさらに２００Ａ大きくすることによって良好な接合が可能であった。
次に、前記実施例８を基に、通電時間の短縮化を目的として、実施例８に示した条件のうち通電時間を変化させて接合条件を求めた。その結果、通電時間を実施例８における１０秒から８秒にした場合、パルス電流値を実施例８に示した電流値（２０００Ａ）よりも２００Ａ大きい電流において良好な接合が可能であった。さらに通電時間を６秒とした場合、パルス電流をさらに２００Ａ大きくすることによって良好な接合が可能であった。
（実施例１０）
次に、ｃＢＮ（第２の被接合材）の背面も精度良く接合するため、２方向から加圧しながら接合を行った。これまでの例と同様、上下の電極で垂直方向の加圧を行うと共に、別途横から荷重を与えてｃＢＮを水平方向に加圧できるようにした。なお、第１の被接合材としては、被接合材Ａを用いた。実施例３に用いたと同じＮｉめっきを施したｃＢＮを使用し、パルス電流３０００Ａ、パルスＯｎ：Ｏｆｆ比１：４、通電時間１０秒として接合を行った。
次に、ｃＢＮ（第２の被接合材）の背面も精度良く接合するため、２方向から加圧しながら接合を行った。これまでの例と同様、上下の電極で垂直方向の加圧を行うと共に、別途横から荷重を与えてｃＢＮを水平方向に加圧できるようにした。なお、第１の被接合材としては、被接合材Ａを用いた。実施例３に用いたと同じＮｉめっきを施したｃＢＮを使用し、パルス電流３０００Ａ、パルスＯｎ：Ｏｆｆ比１：４、通電時間１０秒として接合を行った。
その結果、ｃＢＮの底面のみならず背面も、Ｎｉ層を介してサーメット台金と接合されていた。この時の接合強度は２８０ＭＰａあり、垂直方向のみ加圧する場合に比べ、より高い強度が得られた。
（実施例１１）
次に、通電加圧する電極の内、上部電極を分割し、サーメット台金（被接合材Ａ：第１の被接合材）を加圧する電極とｃＢＮ（第２の被接合材）を加圧する電極の材質を変えた。これにより、電極に流れる電流が変化し、サーメット台金とｃＢＮに流れる電流値も変化する。その結果として、それぞれの温度を極端に変えることができ、高温において劣化が懸念されるｃＢＮの温度を下げることができる。
次に、通電加圧する電極の内、上部電極を分割し、サーメット台金（被接合材Ａ：第１の被接合材）を加圧する電極とｃＢＮ（第２の被接合材）を加圧する電極の材質を変えた。これにより、電極に流れる電流が変化し、サーメット台金とｃＢＮに流れる電流値も変化する。その結果として、それぞれの温度を極端に変えることができ、高温において劣化が懸念されるｃＢＮの温度を下げることができる。
サーメット台金を通電加圧する電極を黒鉛とし、ｃＢＮを通電加圧する電極をｈＢＮとした。ｈＢＮは電気的に絶縁材料であり、電流はほとんど流れない。ｃＢＮはめっき済みのものを使用した。パルス電流２０００Ａ、パルスＯｎ：Ｏｆｆ比１：１、パルス幅１０ｍｓ、通電時間１０秒、荷重０．９８ｋＮで実験を行ったところ、ｃＢＮが熱劣化せずに接合することができた。これは、ｃＢＮに電流がほとんど流れず、ｃＢＮそのものはジュール発熱せずに、サーメット台金が優先的に加熱することによって、ｃＢＮの温度を上げずに接合できたためと推測される。なお、接合強度は、１７０ＭＰａであり、従来のロウ付け品と同等の強度を有していた。
（実施例１２）
上部電極を、分割されていない電極とした以外は、実施例１１と同様にして、接合体を得た。得られた接合体の接合強度は、２５０ＭＰａであり、従来のロウ付け品と同等の強度で実施例１１における接合強度よりも高かった。しかし、得られた接合体のｃＢＮには、一部亀裂が発生しており、熱による品質劣化が見られた。
上部電極を、分割されていない電極とした以外は、実施例１１と同様にして、接合体を得た。得られた接合体の接合強度は、２５０ＭＰａであり、従来のロウ付け品と同等の強度で実施例１１における接合強度よりも高かった。しかし、得られた接合体のｃＢＮには、一部亀裂が発生しており、熱による品質劣化が見られた。
実施例１１および実施例１２の結果より、ｃＢＮ（第２の被接合体）への電力供給を制御して、サーメット（第１の被接合体）を優先的に加熱することにより、ｃＢＮ（第２の被接合体）の熱劣化がない、接合強度の高い接合体を得ることができることが確認できた。
（実施例１３）
次に、実施例１１に示した絶縁性のｈＢＮの代わりに、ｃＢＮ（第２の被接合材）を加圧する電極の材質を導電性を有するものとした。このとき、サーメット台金（第１の被接合材）を加圧する電極の電気伝導度より高い電気伝導度を有する材料を使用した。これにより、サーメット台金とｃＢＮに流す電流を変えることができ、サーメット台金に流す電流はｃＢＮ近傍の台金を加熱し、ｃＢＮに流す電流は接合材を優先的に加熱できるようにした。
次に、実施例１１に示した絶縁性のｈＢＮの代わりに、ｃＢＮ（第２の被接合材）を加圧する電極の材質を導電性を有するものとした。このとき、サーメット台金（第１の被接合材）を加圧する電極の電気伝導度より高い電気伝導度を有する材料を使用した。これにより、サーメット台金とｃＢＮに流す電流を変えることができ、サーメット台金に流す電流はｃＢＮ近傍の台金を加熱し、ｃＢＮに流す電流は接合材を優先的に加熱できるようにした。
具体的にはサーメット台金には約２０００Ａ、ｃＢＮには約１０００Ａとし（電流は推定値）、通電加圧接合を行った。この時、サーメット台金のザグリ深さとｃＢＮ高さの差は０．１５ｍｍあり、分割電極とすることで、ギャップが大きくてもサーメット台金とｃＢＮの両方に加圧することが可能であった。通電の結果、ｃＢＮを劣化させることなく、かつ接合を強固に行うことが可能であった。
１ 第１の被接合材
２ 接合材
３ 第２の被接合材
４ 電極
５ 分割電極
２ 接合材
３ 第２の被接合材
４ 電極
５ 分割電極
Claims (12)
- サーメット焼結体を第１の被接合材とし、ｃＢＮ焼結体またはダイヤモンド焼結体を第２の被接合材とする接合体であって、前記第１の被接合材および第２の被接合材は、両者の間に設置された１０００℃未満では液相を生成しない接合材を介して接合されており、前記接合は０．１ＭＰａ〜２００ＭＰａの圧力で加圧しながら通電加熱することによって行われていることを特徴とする接合体。
- 前記通電加熱によって、前記第１の被接合材が、前記第２の被接合材よりも優先的に発熱して、接合されていることを特徴とする請求項１に記載の接合体。
- 通電加熱によって、前記接合材成分のうちの少なくとも１つの元素が、前記第１の被接合材および／または前記第２の被接合材中に元素拡散していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の接合体。
- 加圧しながらの通電加熱によって変形する接合材を用いて接合されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の接合体。
- 前記接合材が、チタン（Ｔｉ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）のいずれか、または前記金属の少なくとも１つを含む合金からなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の接合体。
- 前記接合材が、チタン（Ｔｉ）を含むことを特徴とする請求項５に記載の接合体。
- 前記接合材が、前記第１の被接合材よりも低温で液相を生成することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の接合体。
- 前記接合材の少なくとも一部が、通電加熱時に液相を生成していることを特徴とする請求項７に記載の接合体。
- 前記接合材および／または前記第１の被接合材の結合相に含まれるニッケル（Ｎｉ）が、３０ｖｏｌ％（体積百分率）以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の接合体。
- 前記接合材が、めっき法により前記第１の被接合材および／または前記第２の被接合材の表面上に設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の接合体。
- 前記接合材が、物理蒸着法により前記第１の被接合材および／または前記第２の被接合材の表面上に設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の接合体。
- 前記接合体が、切削工具であることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載の接合体。
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