JP2550070B2 - 高硬度複合焼結体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はダイヤモンド、高圧相窒化ほう素、又は両者
共に含有する高硬度複合焼結体に関する。更に詳しくは
ドリルやエンドミル等の回転刃具としてシャンクに両面
ろう付けして、チップとして使用される高硬度複合焼結
体に関する。

〔従来の技術〕

ドリル用に供されるダイヤモンドおよび（または）高
圧相窒化ほう素を主体とする高硬度焼結体（以下D/BN焼
結体という）はその片面に超硬合金、又は金属が接合さ
れている二層構造のタイプ、又はその両面に中間層を介
して超硬合金が接合されている多層構造のタイプがあ
り、これらをシャンクにろう付けして回転刃具として使
用されている。D/BN焼結体をろう付け可能にし、かつ補
強としての支持材である超硬合金は通常、均質な平板が
使用されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

片面が超硬合金であるものはろう付けが一面であるの
でろう付けの接合強度が不充分であり、負荷の大きい穴
あけ加工ではシャンクより剥れてしまう場合がある。片
面が金属や合金の場合では、ろう付け面での接合強度は
さらに弱くなり、かつD/BN焼結体との接合は超硬合金よ
り劣っている。

そこで特開昭57−66805号公報で開示されるD/BN焼結
体の両面に超硬合金を接着するタイプが提案された。と
ころが本件発明者は特開昭57−66805号にあるよりにD/B
N焼結体を２枚の超硬合金層の間に介在接着せしめてな
る３層の積層焼結体を試作してみたが、ホットプレス後
の冷却過程において概ねD/BN焼結体に水平クラックが入
り、安定した品質を確保することは大変難しいことが判
明した。これはD/BN焼結体と超硬合金の熱膨張係数がか
なり相異しているため接合面に垂直な方向に引張力が働
くためと考えられる。

そこで特開昭61−270271号公報に開示されているよう
にダイヤモンド焼結体と熱膨張係数が近似している超硬
合金を選択し、かつ両者の層の間に鉄族金属を透過させ
ない中間層を設けて接合したサンドイッチ構造体が提案
された。しかしかかる複合体は当然、中間層およびその
外側に接合する金属、超硬合金がダイヤモンド焼結体に
近い熱膨張係数を有するものに限定される不都合があ
る。特に複合体を大径で製造する場合、超高圧・高温に
置かれた反応容器内では避け難い圧力と温度の不均一な
分布により上記選択された超硬合金は靭性が劣るので割
れやすく、又中間層と超硬合金との接合強度も不充分で
満足すべき複合体は得られない。又両面が金属である構
造の複合体も試作してみたが金属のヤング率は超硬合金
と比べて小さいので、ホットプレス後、反りを生じやす
く、又刃具にした場合も加工中の衝撃に対して歪みが大
きくなる欠点があった。

さらに特開昭60−44204号公報にあげられるように45
×10⁶psi以下のヤング率を有するソフトメタルを両面に
接合した場合は、超硬合金の場合と比較し、高強度焼結
体内の水平クラックや接合界面近くのクラックは発生し
にくくはなるが完全に防止することはできなかった。又
ヤング率が超硬合金と比べ小さいため、製造時に反りや
歪みが生じ、工具に加工する際に支障がある。さらに剛
性や耐熱性が低下するので工具としての加工条件に制限
がある。

本件発明の目的は イ） D/BN焼結体と金属、合金又は超硬合金（以下基板
という）とが強固に接合される ロ） D/BN焼結体の組織内および基板との界面に剥離や
クラックが生じない ハ） シャンクとのろう付け面の接着強度が工具用途と
して十分である ニ） 複合体としての剛性が高い 高硬度複合焼結体を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本件発明者は種々改良を重ねた結果、金属や合金、あ
るいは超硬合金を両面から単に直接接合すると前者は剛
性の点から難点があり、後者はヤング率が大きく支持材
としては好適であるが、前述のごとくD/BN焼結体に単に
平板として接合するとクラックを生じてしまうが、基板
に貫通孔を多数あけD/BN焼結体をこの孔の中に充填させ
る形ではさみ込み高温、超高圧で焼結して複合焼結体を
形成する方法が、両面にどのような金属、合金、超硬合
金を使用してもクラックを生じないことを発見して本件
発明を完成した。すなわち本件発明の要旨はダイヤモン
ドおよび（または）高圧相窒化ほう素を主体とする高硬
度焼結体層の両面に貫通孔を有する金属、合金又は超硬
合金層が接合している複合焼結体であって該貫通孔には
前記高硬度焼結体が充填されていることを特徴とする高
硬度複合焼結体にある。

〔発明の構成〕

以下本件発明を詳しく説明する。

D/BN焼結体はダイヤモンドおよび（または）高圧相窒
化ほう素を主体とする高硬度焼結体であるが、高圧相窒
化ほう素には立方晶系窒化ほう素およびウルツ鉱型窒化
ほう素が含まれる。ダイヤモンドおよび（または）高圧
相窒化ほう素の焼結体は周知のように結合相が必要であ
り、この結合相としてはAl、Ni、Co、Mn等の金属及び
（または）3b、4a、4b、5a、6a族の元素の窒化物、炭化
物、炭窒化物、ほう化物、酸化物からなるセラミックス
が使用される。そしD/BN焼結体中の結合相の割合は５〜
80重量％である。

D/BN焼結体と接合される外側の基板の材質としては超
硬合金、鉄族金属及びその合金、4a、5a、6aの金属、
金、銀、銅やその合金、チタン及びその合金等が挙げら
れる。このうち工具シャンクに銀ろう付けした場合、強
度やろう付け性を満足するものとして、超硬合金、鉄族
金属及びその合金、モリブデン及びその合金、タングス
テン及びその合金等が好ましい。

なおD/BN焼結体の両側に接合される基板の材質は必ず
しも同じものではなくてもよい。例えば一方が超硬合金
で他方がモリブデン、あるいは一方が超硬合金で他方が
鉄族金属の合金のように組み合わせることができる。

D/BN焼結体と基板との構成は図を用いて説明すれば例
えば第１図及び第２図に示す態様で、第１図のＩ−Ｉ′
の矢印で示される断面が第２図である。すなわちD/BN焼
結体１の両側に基板２が接合しており基板２には貫通孔
があり、この貫通孔にはD/BN焼結体が充填されている。
このようにすると基板２に用いられる金属、合金又は超
硬合金は、その熱膨張係数を特に限定する必要はなく、
超硬合金の場合Co含有率が５〜15重量％の幅広い範囲で
使用できる。そして工具として要求される種々条件、例
えば複合体の大きさ、厚さ、D/BN焼結体の硬度や厚さに
鑑みて、基板の組成、孔の大きさや数が適宜選択されう
る。孔の形状は特に限定はしないが円形が一般に加工し
やすい。又径については直径１〜4mmが好ましい。これ
未満では原料が孔の中に均一に充填されにくく、又あま
り大きいと応力分布がマクロ的に不均一になるし、細分
化した時に種々の不均一性が生じてしまう。基板全体に
占める孔の面積比は20〜80％が好ましい。この割合が小
さいとD/BN焼結体の組織内に水平クラックが入りやす
く、逆に大きすぎるとろう付け時の接着強度が小さくな
り不適当である。

基板の厚みは超硬合金の場合剛性を高めるため0.5mm
以上が好ましく、金属、合金の場合は必要以上に厚くす
ると剛性が低下するので0.2〜1.0mm程度が好ましい。

さらにはD/BN焼結体と基板との間に薄板による中間層
を設けることも有効である。すなわち超硬合金基板の場
合には内部のコバルトがホットプレス中に少なからずD/
BN焼結体中へ拡散する傾向があり、これはD/BN焼結体の
耐熱性・耐摩耗性の劣化を招く。又金属や合金が基板の
場合でも、金属元素がD/BN焼結体中へ拡散し、反応する
ので接合界面の強度を劣化させる場合がある。これらの
劣化防止の目的で、タングステン、モリブデン、タンタ
ル、ニオブから選ばれる金属又はそれらを主成分とする
合金よりなる薄板を中間に配置することができる。基板
が鉄族金属の場合には、この中間層が極めて有効であ
る。モリブデンあるいはタングステンの基板では、特に
ダイヤモンド焼結体の場合モリブデン、タングステンの
拡散が多くなるのでタンタル、ニオブを中間に配置する
ことが好ましい。

これらの中間層の厚みは0.05〜0.2mmが好ましい。0.0
5mm未満では拡散防止の効果が劣り、0.2mmを越える場合
には剛性が小さくなり好ましくない。

又中間層の材質として鉄族金属やその合金も使用でき
る。D/BN焼結体の原料や超硬合金に含有される鉄族金属
やその合金、又はその他1500℃以下の融点をもつ金属や
合金の量が少ない場合にはD/BN焼結体や基板の靭性が劣
り、その界面の接合強度も弱くなる。このためこれらの
中間に鉄族金属及びその合金を配置しホットプレス時に
拡散させることによりこの欠点を改善することができ
る。厚さについては、0.05〜0.2mmが好ましい。0.05mm
未満では靭性や接合強度に効果がなく、0.2mmを越える
と剛性が小さく耐熱性も劣ってくる。中間層を設けた場
合の複合焼結体の断面図を第３図に示す。第３図は第１
図のＩ−Ｉ矢印の断面図であり、D/BN焼結体１と基板２
の間に中間層３が介在している。

以上のような３〜５層の多層複合体においては高硬度
複合焼結体の剥離や水平クラックが生じないのである
が、その理由は次のように考えられる。ホットプレス後
冷却された複合体には熱膨張係数の差に起因した残留応
力がある。通常、製造される高硬度複合焼結体の熱膨張
係数の値αは例示すると、 一般にα_１＜α_Ｍである。このためホットプレスの冷却
過程でD/BN焼結体で圧縮応力、超硬合金で引張応力とな
る。超硬合金層が貫通孔のない平板である従来の技術で
は第４図に示すように外周部の界面近傍には応力が集中
し、又中央部には逆向きの引張力が働いて割裂の力を受
け図示するようにクラック４が発生する。ところが本件
発明に係る複合焼結体では各応力は分断され、外周部へ
の応力は集中しにくくなる。さらにD/BN焼結体はかなり
の部分で基板内に突出しており、所謂スタッドの役割を
するためせん断力や引張力に抗する充分な接着力と保持
力を有する。又ろう付けして刃具として使用する場合に
は、この突出部によりシャンクへの熱の伝導も良くな
り、切刃の長寿命化にも役立つ。

〔実施例１〕 粒径４μの立方晶窒化ほう素粉末70重量％、粒径１μ
のTiC粉末20重量％、Al粉末10重量％を混合した粉末7.0
gを、内径30mmの六方晶窒化ほう素スリーブ内に、厚み
1.0mmのWC−６％Co超硬合金板で挾むように配置し、軽
く圧縮した。なお超硬合金板には直径3mmの貫通孔が等
間隔に35個あけてある。これらをグラファイトヒーター
内に組み込んで、超高圧・高温発生装置にて55Kb、1400
℃30分間保持し焼結した。外周部を研磨して、外径29mm
で、立方晶窒化ほう素焼結体の厚み2.0mm、全厚さ4mmの
複合焼結体が得られた。外周部にはクラックは見られ
ず、反りもなかった。両側の超硬合金を研削して、所定
の形状に切断した後シャンクにろう付けして、第５図
（ａ），（ｂ）に示すドリルを作り硬度がH_RC60のSKD−
11の鋼板を穿孔してみたが、その結果は極めて良好であ
った。

又１辺5mm角に切断された高硬度複合焼結体をCo6％の
超硬合金にろう付けし第６図に示すように曲げ強度を測
定した。その結果一方のろう付面より剥離し強度は28kg
/mm²であった。これは潜在するクラックがないことを示
し実用上十分な強度である。

〔実施例２〕 粒径５〜10μのダイヤモンド90重量％とCo粉10重量％
の混合物を調製した。内径23mmの六方晶窒化ほう素スリ
ーブ内において、厚さ50μｍのTa箔を内側に、外側に厚
さ1.0mmのWC−６％Coの超硬合金を一組として、上下よ
り混合粉末を挾むように配置して軽く圧縮した。なおTa
箔と超硬合金板は密着させ、直径1.5mmの貫通孔が等間
隔に90個あけてある。これらをグラファイトヒーターに
組込んで実施例１と同様の装置にて、60Kb、1500℃、60
分間保持して複合焼結体を得た。ダイヤモンド焼結体の
厚さは1.5mm、全厚さは3.5mmで剥離、クラックは全く観
察されなかった。実施例１と同様のドリルを作成し10％
Siのアルミニウム合金板を多数穿孔したが、極めて精度
よく加工でき、刃先には何ら欠陥は生じなかった。

〔実施例３〕 両側の基板を厚さ3mmのWC−15％Coの超硬合金及び厚
さ0.5mmのモリブデン板とする以外は全て実施例１と同
様にして高硬度複合焼結体を作成した。研磨後のサンプ
ルにはクラックは発生してなく切断片をシャンクに両面
ろう付けしても新たなクラックは見られず接着力も十分
であった。

〔実施例４〜６〕 中間層を介した場合の実施例を第１表に示す。高硬度
複合焼結体の作成条件は実施例４及び実施例５が実施例
１と同じであり、実施例６が実施例２と同じである。尚
ハステロイＣの成分はNi55％、Cr16％、Mo17％、Fe5
％、W5％である。

〔比較例１〕 実施例１で用いられたWC−６％Coの超硬合金板に貫通
孔を設けず平板のまま使用した以外は、全て実施例１と
同様に立方晶窒化ほう素の複合焼結体を作った。この複
合焼結体は第４図に示すようなクラックが発生しており
刃具に供することはできなかった。

〔比較例２〕 内径30mmの六方晶窒化ほう素スリーブ内に、立方晶窒
化ほう素80重量％、TiN14重量％、Al6重量％の混合粉末
5.0gを、厚さ0.5mmのモリブデンの平板で両側より挾み
込み軽く圧縮した。実施例１と同様の条件で焼結をし、
複合焼結体を取り出して観察したところ、中央が若干凸
状に膨んでおり、立方晶形窒化ほう素の焼結体の中央部
より大きくクラックが入って容易に剥離してしまった。

〔実施例７〕 粒径４μの立方晶窒化ほう素粉末70重量％、粒径１μ
のTiC粉末20重量％、Al粉末10重量％を混合した粉末6.0
gを内径30mmの六方晶窒化ほう素スリーブ内に厚み0.5mm
のモリブデン板で挾むように配置し軽く圧縮した。なお
モリブデン板には直径3mmの貫通孔が等間隔に35個あけ
てある。これらをグラファイトヒーター内に組み込んで
超高圧・高温発生装置にて55Kb,1400℃,30分間保持し焼
結した。外周部を研磨して外径29mmで立方晶窒化ほう素
焼結体の厚み約2.0mm、全厚3mmの複合焼結体が得られ
た。接合部近く及び中央部にはクラックは発生しておら
ず、両面のモリブデンを研削して所定の形状に切断した
後シャンクにろう付けして第５図（ａ），（ｂ）に示す
ドリルを作った。接着は強固であり、H_RC60のSUJ鋼を容
易に穿孔することができた。

〔実施例８〕 粒径５〜10μのダイヤモンド90重量％とCo粉末10重量
％の混合物を調製した。内径27mmの六方晶窒化ほう素ス
リーブ内において、内側に厚さ50μｍのタンタル箔を、
外側に厚さ0.5mmのタングステン板を一組として、上下
より混合粉末を挾むように配置して軽く圧縮した。なお
タンタル箔とタングステン板は直径1.5mmの貫通孔が等
間隔に90個あけてある。これらをグラファイトヒーター
に組込んで、実施例７と同様の装置にて、60Kb,1500℃,
60分間保持して高硬度複合焼結体を得た。ダイヤモンド
焼結体の厚さは1.0mm、全厚約2mmの複合体でクラックは
全く見られなかった。切断片をシャンクにろう付けして
みたが、強固に接着し、実用上問題なく使用できた。

〔実施例9,10、比較例3,4〕 第２表に示す複合焼結体を作成し、結果を観察した。
複合焼結体の作成条件は実施例10、比較例３が実施例７
と同じであり実施例９、比較例４が実施例８と同じであ
る。

〔発明の効果〕 以上述べたように本発明に係る高硬度複合焼結体は （ａ） 任意の組成のD/BN焼結体と基板よりなる複合焼
結体がクラックを生じることなく容易に製造することが
できる。

（ｂ） D/BN焼結体と基板が強固に接合される （ｃ） 剛性が大きく、強固にろう付けできる （ｄ） 工具用途として優れている 等の効果がある。

【図面の簡単な説明】 第１図は本件発明の１実施例を示す正面図、第２図、第
３図はそれぞれ本件発明の１実施例を示す断面図であ
る。第４図は従来技術による断面図で応力及びクラック
を示す。第５図は本件発明の複合焼結体を使用して作ら
れたドリルを示し、（ａ）は側面図（ｂ）はII−II′線
矢視図である。第６図は曲げ強度の測定方法を示す概略
図である。 １……D/BN焼結体、２……基板、２′……超硬合金、３
……中間層、４……クラック、５……高硬度複合焼結
体、６……シャンク、７……ろう材。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ダイヤモンドおよび（または）高圧相窒化
   ほう素を主体とする高硬度焼結体層の両面に貫通孔を有
   する金属、合金又は超硬合金層が接合している複合焼結
   体であって、該貫通孔には前記高硬度焼結体が充填され
   ていることを特徴とする高硬度複合焼結体。
2. 【請求項２】高硬度焼結体層と金属、合金又は超硬合金
   層との間にモリブデン、タングステン、タンタル、ニオ
   ブから選ばれた金属又はそれらを主成分とする合金より
   なる薄板を介在させてなる特許請求の範囲第１項記載の
   高硬度複合焼結体。
3. 【請求項３】高硬度焼結体層と金属、合金又は超硬合金
   層との間に鉄、コバルト、ニッケルより選ばれた金属又
   はそれらを主成分とする合金よりなる薄板を介在させて
   なる特許請求の範囲第１項記載の高硬度複合焼結体。
4. 【請求項４】金属、合金又は超硬合金層を貫通する高硬
   度焼結体が充填されている孔の割合が全体の面積の20〜
   80％である特許請求の第１項乃至第３項記載の高硬度複
   合焼結体。