JP2017532208A

JP2017532208A - アルミニウム／ダイヤモンド切削工具

Info

Publication number: JP2017532208A
Application number: JP2017511301A
Authority: JP
Inventors: ルートフィ、オマール・ケヴィン; ルートフィ、ラウーフ; ソヌパーラック、ビロル
Original assignee: ナノマテリアルズインターナショナルコーポレイション
Priority date: 2014-08-26
Filing date: 2015-08-25
Publication date: 2017-11-02
Also published as: US20170232579A1; US11267102B2; WO2016033080A1

Abstract

本発明は、新規なダイヤモンド切削工具、並びに切削及び研削用途におけるその使用に関する。工具の切削面はアルミニウム又はアルミニウム合金の母材に分散されたダイヤモンド粒子を含むアルミニウム／ダイヤモンドの金属基複合材料から構成され、ダイヤモンド粒子はその表面に化学的に結合されたβ−ＳｉＣの薄層を有する。

Description

本願は、引用することによってここに一体化される、２０１４年８月２６日出願の米国仮特許出願第６２／０４１，７８９号明細書の利益を主張するものである。

本発明は、ダイヤモンド切削工具、特に、ダイヤモンドを含む切削面が、アルミニウム／ダイヤモンドの金属基複合材料（metal matrix composite）であるダイヤモンド切削工具に関する。

種々の被加工物を切削及び研削するために用いられるダイヤモンド切削工具は、極めて硬く、高強度で、優れた摩耗耐性を有するダイヤモンドによって発揮される特性の特異な組合わせを有効に利用するものである。このような工具は、典型的に、アルミニウムや鋼のようなメタルコアに結合されるダイヤモンド粒子（ダイヤモンド砥粒又はダイヤモンドセグメントとも称される。）を用いて造られる。ダイヤモンドは、典型的に、合成樹脂又はニッケル結合のいずれかを用いた２つの方法によってメタルコアに結合される。ニッケル結合では、ダイヤモンドをニッケルで電気めっきし、これを加熱し溶かすと、コアメタルとダイヤモンドがお互いに結合する。合成樹脂では、ダイヤモンドが合成樹脂に嵌め込まれ、合成樹脂によってメタルコアとダイヤモンドがお互いに結合する。

ニッケル結合であろうと、合成樹脂結合であろうと、従来のダイヤモンド切削工具には、いくつかの重要な点において改善の余地が残されている。これらの従来の工具に関する問題の１つは、ニッケル及び合成樹脂の剪断応力がともに低いことから、ダイヤモンドの粒子と母材の結合強度が比較的弱い傾向にあるということである。もう１つの問題は、それらの熱伝導率が比較的低いことであり、それにより作動中の工具の温度がより高くなり、結果として工具の摩耗が早まる。さらにもう１つの問題は、これらがダイヤモンドの薄層を考慮に入れないことであり、それは、これらの薄いダイヤモンド層が使い尽くされた場合に、工具が捨てられるか、又はダイヤモンド層を再び取付けるために返送されなければならないことを意味する。そして、ダイヤモンドが作動中に平らに摩耗した場合に更なる問題が生じ、ダイヤモンド粒子は新しい刃を出現させるために再度鋭くされる、すなわち、目直しされなければならない。ニッケル又は合成樹脂と結合したダイヤモンド工具にとって、これは機械的な目直し（dressing）によってなされ、新しい刃を出現させるために研磨材が回転工具に対して動く。ニッケル又は合成樹脂結合材料からダイヤモンドが抜けるため、これによって少なくない量のダイヤモンドが取り去られてしまう。

アルミニウム／ダイヤモンドの金属基複合材料は、アルミニウム又はアルミニウム合金の母材に分散されたダイヤモンド粒子を含み、溶解アルミニウム又は溶解アルミニウム合金が多孔性のダイヤモンドプリフォームに浸み込むことによって作られ、主に、高い熱伝導率、制御可能な熱膨脹率（CTE）及び軽量であることの全てが重要である集積回路素子のような電気機器を収容、支持するための放熱基板として使用されてきた材料としてよく知られている。

高い熱伝導率を有するアルミニウム／ダイヤモンドの金属基複合材料、及び他の金属／ダイヤモンドの金属基複合材料を金属が浸透した多孔性のダイヤモンドプリフォームから作るための改良された方法が、ピッカードらの米国特許番号７,２７９,０２３、７,６４１,７０９、及び７,９８８,７５８に記されており、それらの全体を引用することによりここに組込まれる。ピッカードらの方法によると、金属基複合材料のダイヤモンドプリフォーム構成要素は、アルミニウム、又は他の金属の母材に使用するために、まずダイヤモンド粒子の表面に、化学的に結合されたβ-ＳｉＣの薄層を設けることによって最適化される。SiＣ層は溶湯鍛造又はガス加圧力溶浸のような急速高圧金属浸透技術によって金属の母材に埋められるダイヤモンドプリフォームのダイヤモンド粒子上に作られる。化学的に結合されたＳｉＣ層は、望ましくは、ダイヤモンド粒子をＳｉＯガスと接触させることによる化学気相反応プロセス（ＣＶＲ）によってダイヤモンド粒子上に作り出される。このようなＳｉＣで覆われたダイヤモンド粒子は、金属基複合材料に用いられると、何にも覆われていないダイヤモンド粒子と比較して、熱伝導率が著しく改善され、結果として生じる金属基複合材料の熱伝導率は約５００Ｗ/ｍＫよりも大きく、およそ６５０Ｗ/ｍＫの大きさであると報告された。ＳｉＣ層は同じくダイヤモンド粒子と金属の母材の間の機械的な結合強度を著しく向上させる効果がある。

本発明は、上記で参照したピッカードらの米国特許に記載されたＳｉＣで覆われたダイヤモンド粒子を具えるより高い熱伝導率を有するアルミニウム/ダイヤモンド金属基複合材料を新規な方法で使用したものであり、切削及び研削に使用するための新規なダイヤモンド切削工具を提供するものである。本発明の新規なダイヤモンド切削工具は、内側のメタルコアに結合された円筒状の外形をしたダイヤモンドを含む切削面を具え、切削面がアルミニウム又はアルミニウム合金の母材に分散されたダイヤモンド粒子を含むアルミニウム/ダイヤモンド金属基複合材料からなり、ダイヤモンド粒子は、その表面に化学的に結合されたβ-ＳｉＣの薄層を具える。

切削又は研削に使用するために、本発明のダイヤモンド切削工具は、工具の内側のメタルコアとの一体的なユニットとして形成された、又は内側のメタルコアにしっかり固定された円筒状の金属の柄部材を介して、研削盤、転削盤、及びボール盤のような、工具を回転させる装置に接続される。回転工具は、種々の用途のための様々なタイプの加工物の加工に用いられてもよい。これらの加工物には、スマートフォンのスクリーン、並びにカメラのような光学システムのためのレンズ及びプリズムのような用途のための光学ガラス；防弾チョッキの材料のような用途のための炭化ホウ素、アルミナ、炭化ケイ素及び窒化ケイ素のようなセラミクス；炉取付具のような特定の用途のためにそれらを形づくる多孔性のセラミクス；採鉱又は油井ドリル用のコアドリル；医療及び歯科治療用のドリル；防弾窓、ミサイルドーム、並び時計及び電話に用いられる傷つきにくい窓のような用途のためのサファイア、スピネル、ＡＬＯＮ（酸窒化アルミニウム）のような透明セラミクス；再加工目的のシリコンウエハー微細加工のような用途のためのシリコンウエハー等が含まれる。

本発明のアルミニウム/ダイヤモンドの金属基複合材料からなる切削面を有するダイヤモンド切削工具は、上述した従来のニッケル又は合成樹脂結合のダイヤモンド工具よりも多くの利点を有する。ダイヤモンド粒子上のＳｉＣ層によって与えられる強い結合のおかげで、ニッケル又は合成樹脂の場合に達成し得るよりもより強い機械的強度を示す。また、アルミニウム/ダイヤモンドの金属基複合材料の約５００Ｗ／ｍＫ以上より非常に高い熱伝導率により、作動中の工具はすばやく冷やされ、工具全体の寿命が非常に長くなる。加えて、アルミニウム/ダイヤモンドの金属基複合材料の切削面は、ニッケル又は合成樹脂結合の切削面よりもずっと分厚く、およそ０．０２〜１．００インチの範囲で形成されることができ、このことも工具の寿命をより長くする。さらに、ニッケル及び合成樹脂結合の切削面になされる機械的な目直しに加えて、アルミニウム/ダイヤモンドの金属基複合材料の切削面は鋭くされてもよいし、化学的に鋭く、又は目直しされてもよい。工具は、塩酸、硫酸、水酸化カリウム、又は水酸化ナトリウムの希釈用液に浸されるだけで、アルミニウムが取除かれ、新しい鋭利なダイヤモンド刃が現れる。この化学的処理は、ダイヤモンドの「抜け」が起こらず、早く容易に成遂げられ、ダイヤモンド切削工具の補修にパラダイムシフトをもたらす。

図１は本発明の代表的なダイヤモンド切削工具の斜視図。

図２は図１のダイヤモンド切削工具の部分的な拡大概略図。

図３は図２の３-３線での図２のダイヤモンド切削工具の断面図。

本発明の代表的なダイヤモンド切削工具１０が図１に示されている。図２及び３に示されるように、切削工具１０は内側のメタルコア１４に結合された円筒状の外形をしたダイヤモンドを含む切削面１２を具える。円筒状の金属の柄１６はメタルコア１４の一端でメタルコア１４に固定されている。示された実施例では、図２に最良に示されるように、柄１６はメタルコア１４との一体型ユニットとして形成されるが、しかし、そうでなければ、例えば、ねじ等によってメタルコア１４に固定された別ピースであってもよい。図３に示されるように、切削面１２とメタルコア１４はそれらの間の結合性がよくなるようにそれぞれ係止溝１８及び突部２０を具える。切削面１２とメタルコア１４の間の結合性をよくするための他の方法が考えられているということは理解されるべきであるが、メタルコア１４の表面は切削面１２との結合性をよくするために、ロレット加工、又はねじ切りのような他の結合形状によって粗面化されてもよい。

本発明の本質は、アルミニウム母材又はアルミニウム合金に分散されたダイヤモンド粒子を含むアルミニウム／ダイヤモンドの金属基複合材料を、ダイヤモンドを含む切削面１２の材料として利用することにあり、そこではそれらの表面と化学的に結合したβ-ＳｉＣの薄層を有する。これはこれらのアルミニウム／ダイヤモンドの金属基複合材料の完全に新しい用途であり、これまで知られていた用途は主に、電子用途における放熱基板としてであった。驚くべきことに、ダイヤモンド粒子上のＳｉＣ層に起因する極めて高い熱伝導率と強化された機械的な結合強度によって、これらのアルミニウム／ダイヤモンドの金属基複合材料が表面を切削するダイヤモンドの切削工具と等しく魅力的になりうることが判明した。

コア１４と柄１６の組合わせは、容易に加工可能な材料から形成され、それらとのしっかりした結合を形成するようにアルミニウム／ダイヤモンドの金属基複合材料の膨張係数と類似の膨張係数（ＣＴＥ）を有し、早期破損を防ぎ、加熱又は冷却中の寸法変化を最小にすべく、熱的に誘起された過度の応力を与えず、工具を回転させる器具に工具を取付けるための真に円筒形の領域を具える。望ましい材料は、チタン、ステンレス、ジルコニウムとモリブデンである。

本発明のダイヤモンド切削工具の製作は、２つの片からなる工作器具で行われ、この設備は、コア、又はコア/柄部材の組合わせを固定するように、ＳｉＣに覆われたダイヤモンド粒子が溶融アルミニウムの浸透のために詰め込まれうるコアの周りにくぼみを作るように設計されたものである。工作器具は、溶融アルミニウムの出入りが可能で、溶融アルミニウムがダイヤモンド粒子を取囲み、覆うことができる孔、すなわち、出入口を具える必要がある。工作器具はまた、寸法的な安定性と、アルミ鋳造で用いられる温度（８００℃）とアルミニウム／ダイヤモンドの金属基複合材料の膨張係数とを両立させる必要がある。なお、当該膨張係数は、製造の過熱及び冷却プロセス中に亀裂を誘発する過度の応力が金属基複合材料又は工作器具にかからず、工作器具によってしっかりと押込められているおかげで鋳物が詰まらず、次の鋳造において工作器具を再利用することができることを確実にするものである。これらの理由で、工作器具は一般的に、５乃至８ｐｐｍ／Ｋの膨張係数を有するグラファイト、グラファイト／アルミニウム、及び／又は８．５乃至１０ｐｐｍ／Ｋの膨張係数を有するチタンから造られる。

引用することによってここに一体化された上述のピッカードらの米国特許に詳述されるように、本発明のダイヤモンド切削工具の製造に用いられるＳｉＣに覆われたダイヤモンド粒子は、ダイヤモンド粒子とＳｉＯの化学気相反応によって形成されたものである。ダイヤモンド粒子の大きさは、製造される工具の切削のための必要条件によって異なる。例えば、粗粉砕機では、平均粒子サイズがおよそ１５０μｍの粗いダイヤモンド粒子が使用されてもよいし、一方で、微粉砕機では、平均粒子サイズがおよそ１５μｍの微粒子ダイヤモンドが使用されてもよい。これらの例の粒子サイズよりも小さい又は大きい広範囲にわたるダイヤモンド粒子の大きさは、５乃至３００μｍのような用途の必要性に基づいて用いられる。

アルミニウムは、ＳｉＣで覆われたダイヤモンド粒子、及びコア又はコア／柄部材の組合わせを含む工作器具に、高圧鋳造又はガス加圧浸透のいずれかの加圧浸透法によって浸透されられる。どちらのプロセスも、工作器具、並びに工作器具を含む金型及び缶の周りのアルミニウムの溶融と、工作器具の孔、及び／又は出入口を通る溶解アルミニウムにダイヤモンド粒子を取囲ませ、完成した鋳物部の形状をもたらすことができるような（８００ｐｓｉより高い）高圧となることを要する。使用されるアルミニウムは、純アルミニウム又はアルミニウム合金でもよく、望ましくは、２番目の主成分としてケイ素を含んでいるアルミニウムの合金であってもよい。

工具の製造において使用されるアルミニウム及びダイヤモンド粒子の相対的な割合は、形成されたアルミニウム／ダイヤモンドの金属基複合材料中のダイヤモンド粒子濃度が、体積百分率にして約２０から８０％、好ましくは、約５５から７０％になるようにするべきである。

上述された製造プロセスは、アルミニウム／ダイヤモンドの金属基複合材料の切削面を具えるダイヤモンド切削工具を作るために用いられてもよく、その切削面は、約０．０２から１インチの範囲で厚みを変え、強い機械的結合強度、及び約５００Ｗ/ｍＫより極めて高い熱伝導率を示す。転削工具が研削盤、ミル、又はボール盤のような工具を回転させるための機械にその柄部材を介して連結されると、転削工具は、先に挙げたような様々な適用のために種々のタイプの加工品を加工する際に用いられるかもしれない。しかしながら、上記の鋳造プロセスによっては達成し得ない必要な許容範囲を達成するために、これらの適用の中には、多少の工具の微調整が必要なものがあるであろう。

鋳物には、基本的に０．００５から０．０１インチ程度になりうる寸法公差がある。これらの寸法公差が切削工具に存在する場合、これらの寸法公差によって、特定の切削/研削の用途には多すぎる振れが生じ得る。例えば、高精度の光学式の研削に適用するには、およそ１０μｍｍ（３９３マイクロインチ、０．０００３９インチ）の振れを必要とする。さらに、溝のようないくつかの特徴によって鋳物切削工具が製造において用いられる工具から抜けるのを防ぐため、そのような特徴は鋳造するには難しくなり得る。これらのタイプの状況にとって、工具の回転式ワイヤ放電加工の機械加工は救済策であり、切削工具用途には必要なダイヤモンドが露出した表面を残すであろう。ダイヤモンドが切削によって使い古されると（摩損すると）、工具は、アルミニウムを溶かして、そしてそれで新たなダイヤモンドの表面をさらすことによって、正され得る。このことは、アルミニウムを溶かすことが知られている、塩酸、硫酸、水酸化カリウム、又は水酸化ナトリウムの希釈液のような、酸性又は塩基性溶液中に、工具の切削面を単に浸すことによってなされてもよい。

上記開示内容のいくつか、並びに他の特徴及び機能、又はそれらの代替が、多くの他の異なるシステム又は用途へと望ましく組合わせられ得るということが理解されるべきである。また、現時点では思いつかない、若しくは想定外の様々な代替、修正、変更、又は改良が当業者によって後になされ得るであろうが、それもまた、添付の請求項に含まれることが意図されている。

Claims

回転する円筒状のダイヤモンド切削工具を用いて切削又は研削によって被加工物を加工するための方法であって、前記ダイヤモンド切削工具が内側のメタルコアに結合された外側のダイヤモンドを含む切削面を具え、前記切削面がアルミニウム又はアルミニウム合金の母材に分散されたダイヤモンド粒子を含むアルミニウム／ダイヤモンドの金属基複合材料から構成されており、前記ダイヤモンド粒子がその表面に化学的に結合されたβ−ＳｉＣの薄層を有することを特徴とする、
方法。
前記アルミニウム／ダイヤモンドの金属基複合材料の熱伝導率が５００Ｋ/ｍＫより高い、請求項１の方法。
前記切削面の厚みが０．０２０乃至１．００インチである、請求項１の方法。
前記ダイヤモンド粒子の表面に化学的に結合されたβ−ＳｉＣ層が前記ダイヤモンド粒子とＳｉＯの化学気相反応によって形成された化成被膜から構成されている、請求項１の方法。
前記母材が第２主成分としてシリコンを含むアルミニウム合金である、請求項１の方法。
前記アルミニウム／ダイヤモンドの金属基複合材料中のアルミニウム粒子の濃度が体積百分率で２０乃至８０である、請求項１の方法。
前記アルミニウム／ダイヤモンドの金属基複合材料中のアルミニウム粒子の濃度が体積百分率で５５乃至７０である、請求項６の方法。
前記ダイヤモンド粒子が平均粒子サイズが１５０μｍの粗いダイヤモンド粒子である、請求項１の方法。
前記ダイヤモンド粒子が平均粒子サイズが１５μｍの微粒子ダイヤモンドである、請求項１の方法。
前記内側のメタルコアがチタン、ステンレス、ジルコニウム又はモリブデンから形成されている、請求項１の方法。
前記外側の切削面及び内側のメタルコアがそれらの間の結合性がよくなるようにそれぞれ係止溝及び突部を具えている、請求項１の方法。
前記ダイヤモンド切削工具が前記内側のメタルコアにその一端で固定され、残りの一端が前記工具を回転させる装置に接続される円筒状の金属の柄部材を具えている、請求項１の方法。
前記柄部材が前記内側のメタルコアと一体的なユニットとして形成されている、請求項１２の方法。
内側のメタルコアに結合された外側の円筒状の外形をしたダイヤモンドを含む切削面を具えるダイヤモンド切削工具であって、前記切削面がアルミニウム又はアルミニウム合金の母材に分散されたダイヤモンド粒子を含むアルミニウム／ダイヤモンドの金属基複合材料から構成されており、前記ダイヤモンド粒子がその表面に化学的に結合されたβ−ＳｉＣの薄層を有することを特徴とする、
ダイヤモンド切削工具。
前記アルミニウム／ダイヤモンドの金属基複合材料の熱伝導率が５００Ｋ/ｍＫより高い、請求項１４のダイヤモンド切削工具。
前記切削面の厚みが０．０２０乃至１．００インチである、請求項１４のダイヤモンド切削工具。
前記ダイヤモンド粒子の表面に化学的に結合されたβ−ＳｉＣ層が前記ダイヤモンド粒子とＳｉＯの化学気相反応によって形成された化成被膜から構成されている、請求項１４のダイヤモンド切削工具。
前記母材が第２主成分としてシリコンを含むアルミニウム合金である、請求項１４のダイヤモンド切削工具。
前記アルミニウム／ダイヤモンドの金属基複合材料中のアルミニウム粒子の濃度が体積百分率で２０乃至８０である、請求項１４のダイヤモンド切削工具。
前記アルミニウム／ダイヤモンドの金属基複合材料中のアルミニウム粒子の濃度が体積百分率で５５乃至７０である、請求項１９の方法。
前記ダイヤモンド粒子が平均粒子サイズが１５０μｍの粗いダイヤモンド粒子である、請求項１４のダイヤモンド切削工具。
前記ダイヤモンド粒子が平均粒子サイズが１５μｍの微粒子ダイヤモンドである、請求項１４のダイヤモンド切削工具。
前記内側のメタルコアがチタン、ステンレス、ジルコニウム又はモリブデンから形成されている、請求項１４のダイヤモンド切削工具。
前記外側の切削面及び内側のメタルコアがそれらの間の結合性がよくなるようにそれぞれ係止溝及び突部を具えている、請求項１４のダイヤモンド切削工具。
前記ダイヤモンド切削工具が前記内側のメタルコアにその一端で固定されている円筒状の金属の柄部材を具えている、請求項１４のダイヤモンド切削工具。
前記柄部材が前記内側のメタルコアと一体的なユニットとして形成されている、請求項２５のダイヤモンド切削工具。