JP3549424B2 - 硬質焼結体工具及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ダイヤモンド焼結体または立方晶窒化硼素を含有する硬質焼結体が工具母材に強固かつ高剛性に接合されてなる切削工具、掘削工具、耐摩工具などの硬質焼結体工具とその工具の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
微細なダイヤモンド粒子を鉄族金属等の結合材を用いて超高圧高温下で焼結して得られるダイヤモンド焼結体は、切削工具、伸線ダイス、ドリルビット、耐摩工具の刃先材料として、従来の超硬合金に比べ格段に優れた耐摩耗性を有している。また、微細な立方晶窒化硼素を種々の結合材を用いて焼結した材料は、高硬度の鉄族金属や鋳鉄の切削に対して優れた性能を示す。
【０００３】
従来用いられてきた上記硬質焼結体工具の断面図を図５に示す。まず硬質焼結体１は、一体焼結により超硬合金製支持体２に裏打ちされた状態で、ダイヤモンド複合焼結体または立方晶窒化硼素複合焼結体として作製される。この硬質焼結体の超硬合金製支持体２側を、主にＡｇやＣｕからなる接合層３を介して、工具母材４にロウ付け接合することにより、図２に示される硬質焼結体工具が得られる。
【０００４】
この場合、工具母材へのロウ付け工程において、急速な加熱と冷却がこれら複合焼結体に加えられるために、条件によっては硬質焼結体１と超硬合金製支持体２間の接合界面において、これら材料間の熱膨張差に起因するキレツやワレが発生する場合があった。さらに、切削工具として完成した場合も、硬質焼結体の焼結条件によっては、前記複合焼結体界面の接合強度が不足し、過酷な切削条件下では、切削中に剥離や欠損が発生する場合があり、工具の信頼性の点で問題があった。
【０００５】
このような問題を克服するために、例えば特開昭６０−８５９４０号公報では、ダイヤモンド焼結体あるいは立方晶窒化硼素焼結体と超硬合金製支持体との接合界面に、ＴｉやＺｒなどの炭化物・窒化物を形成させることにより、この接合部分の信頼性を向上させることを提案している。しかし、この場合も、結果的には熱膨張差の異なる異種材料を接合した複合焼結体であるために、改善の効果は少なく問題点を解決することはできなかった。
【０００６】
一方、硬質焼結体１（ダイヤモンド焼結体または立方晶窒化硼素焼結体）と、超硬合金製支持体２との接合界面をなくすために、超硬合金製支持体２を介さずに硬質焼結体１を、工具母材上に接合させることが考えられている。このような工具構造は、特開昭５９−１３４６６５号公報、特開昭６０−１８７６０３号公報、実公昭６４−４８３９号公報、特開平２−２７４４０５号公報、特公平３−１７７９１号公報、特開平７−１２４８０４号公報、特開平９−１０８９１２号公報に示されている。ここでは、予めダイヤモンド焼結体あるいは立方晶窒化硼素焼結体の表面に活性金属層を形成した後に、Ａｇ、Ｃｕを主体とするロウ材により工具母材に接合させるか、あるいはＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ、Ｃｕ−Ｔｉ、Ａｇ−Ｔｉ、Ａｕ−Ｔａ、Ａｕ−ＮｂなどＡｇ、Ｃｕ、Ａｕなどの軟質金属にＴｉ、Ｚｒ、Ｔａなどの活性金属を含む活性ロウ材を用いて、直接工具母材に接合することが開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
これら先行例では多くの場合、主に軟質金属であるＡｇを主成分とする接合層を介して、ダイヤモンド焼結体あるいは立方晶窒化硼素焼結体が、工具母材上に接合されているために、過酷な切削条件下では接合層の変形による被削材精度の低下や、被削面粗さの悪化、あるいは剛性不足によるびびりの発生、さらには工具刃先の切削熱が、熱伝導率の高いダイヤモンド焼結体や立方晶窒化硼素焼結体を介して、直接接合層に流れ込むために、接合材が流失し工具欠損が発生するなどの問題があった。
【０００８】
本発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、ダイヤモンド焼結体または立方晶窒化硼素を含有する硬質焼結体が接合層を介して工具母材上に接合され、この硬質焼結体がワレやキレツを有することなく強固かつ高剛性に接合されてなる硬質焼結体工具を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明は、ダイヤモンドまたは立方晶窒化硼素を２０容量％以上含有する硬質焼結体が、接合層を介して超硬合金製の工具母材上に接合されている硬質焼結体切削工具にかかるものであって、上記接合層が、ＴｉとＺｒをそれぞれ１５重量％以上、両者の合計で６５％以下含み、さらに、それ以外にＣｕを含んでなることを特徴とする。
【００１０】
この発明の好ましい態様は、上記接合層が２０〜３０重量％のＴｉと、２０〜３０重量％のＺｒを含み、さらに、残部の中にＣｕを含んでいるものである。
【００１１】
この発明のさらに好ましい態様は、上記残部が１０〜３０重量％のＮｉを含み、さらにＣｕと不可避不純物からなるものである。
【００１２】
上記接合層の融点が７００℃〜１０００℃であるものも好ましい。
【００１３】
また、上記焼結体の厚みを０．２５〜１．５ｍｍにすることや、上記工具母材として超硬合金を用いることも好ましい。
【００１４】
【作用】
本発明者らは、ダイヤモンド焼結体または立方晶窒化硼素を含有する焼結体が接合層を介して工具母材上に接合され、この焼結体がワレやキレツを有することなく強固かつ高剛性に接合される接合方法の研究を鋭意行った。
【００１５】
その結果、ＴｉとＺｒをそれぞれ１５重量％以上、両者の合計で６５重量％以下含み、残部がＣｕまたはＣｕを含む組成の接合材料を用いることにより、ダイヤモンド焼結体または立方晶窒化硼素を含有する硬質焼結体を、ワレやキレツの発生なく強固かつ高剛性に工具母材に接合できることを見出した。
【００１６】
ここで、接合層の主成分となりうる材料としては▲１▼負荷の高い用途においても接合層の変形が少ないこと▲２▼ダイヤモンド焼結体あるいは立方晶窒化硼素焼結体と、工具母材との接合時において、発生する熱膨張差による歪みを吸収できること、の以上２点が必要となる。
【００１７】
従来この用途における接合材では、Ａｇが主成分として用いられてきたが、Ａｇは弾性率が低く、負荷の高い用途では、形成される接合層の変形が大きく、負荷の高い切削工具等には不向きであった。これに対してＣｕはＡｇに比べ弾性率が高く、また上記熱膨張差による歪みを吸収することが可能である。このため、本目的における接合材の成分にはＣｕを含む事が重要であることを見出した。
【００１８】
一方、例えば切削工具の場合、切削時に接合部分に高い切削抵抗に加え、切削熱による高温が加わる。このため、接合部分における信頼性を向上させるためには、常温での高い接合強度に加え、高温においても強度低下の少ない耐熱性が必要となる。ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属はＡｇ、Ｃｕなどに比べ強度が高く、また高温での強度・変形においても優れている。発明者らは、主成分であるＣｕにこれらの族の金属を添加する事により、接合強度及び高温強度が大幅に優れるロウ材が作製できることを見出した。特にこれら金属の中でもＴｉおよびＺｒは、高温強度に加え、高い活性度を有しているために、ＣｕにＴｉとＺｒを添加する事により、接合材の濡れ性が著しく改善され、ダイヤモンド焼結体あるいは立方晶窒化硼素焼結体との接合強度が大幅に向上することを見出した。
【００１９】
このとき、接合材中に含まれるＴｉやＺｒが１５重量％未満であれば、接合強度や高温強度の向上効果が生じず、逆に合計で６５重量％を超えると、融点の上昇を招き、接合時の歪みやこれに起因するワレが発生しやすくなる。従って、接合材中のＴｉ、Ｚｒの含有量は１５〜６０重量％の範囲内にあるのが好ましい。
【００２０】
さらに、接合材中に含まれるＴｉの含有量が２０〜３０重量％であり、かつＺｒの含有量が２０〜３０重量％の範囲にあれば、Ｔｉ−Ｚｒ−Ｃｕの３元共晶による融点降下が顕著に現れ、より低融点での接合が可能になって好ましい。
【００２１】
また、前記接合材組成に加え、１０〜３０重量％の範囲でＮｉを含む場合には、より耐熱性と腐食性が優れる接合層が形成されることになる。この場合、Ｎｉの含有量が１０％未満であると、Ｎｉを添加することによる高温強度の向上効果が現れず、また３０重量％を超える場合には、融点の上昇を招き、接合時の焼結体のワレや歪みの原因となる。従って、接合材中のＮｉの含有量は１０〜３０重量％の範囲内にあるのが好ましい。
【００２２】
接合材をこの様な組成とすることにより、８００℃〜１０００℃と比較的低温での接合が可能となる。
【００２３】
次に、硬質焼結体を上記組成の接合層により工具母材上に接合するためには、個々には１５重量％以上、合計で６５重量％以下のＴｉ及びＺｒと、Ｃｕを含んで成るロウ材、あるいは２０〜３０重量％のＴｉと２０〜３０重量％のＺｒと残部がＣｕから成るロウ材、または前記ロウ材組成に加えＮｉを１０〜３０重量％含むロウ材を用い、１×１０−３〜１×１０−６ｔｏｒｒ程度の真空中またはＡｒなどの不活性ガス雰囲気中で、加熱接合する必要がある。なぜなら、接合加熱中にロウ材に含まれる成分、特にＴｉとＺｒの酸化を防ぐ必要があり、そのためには、残留酸素濃度の低い前記真空中あるいは不活性ガス雰囲気中での加熱接合が不可欠である。
【００２４】
また、Ａｇ、Ｉｎ、Ｌｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｚｒを含むロウ材やそれに更にＮｉを加えたロウ材を用い、１×１０−４〜１×１０−６ｔｏｒｒ程度の高真空中で加熱接合処理を行う方法でも、蒸気圧の高いＡｇ、Ｉｎ、Ｌｉ、Ｍｎ、Ｚｎの成分を蒸発させて、実質的にＣｕ、Ｔｉ、Ｚｒからなる接合層やＣｕ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｉから成る接合層を形成することができる。この場合、７００℃程度のより低い温度での加熱接合処理が可能であり、熱膨張差に起因する問題を少なくすることができる。なお、この方法で形成される接合層も各１５重量％以上のＴｉとＺｒ（合計で６５重量％以下）と、Ｃｕから成る組成、あるいは２０〜３０重量％Ｔｉと２０〜３０重量％Ｚｒと残部がＣｕから成る組成、さらに前記組成に加えＮｉを１０〜３０重量％含む組成にする。
【００２５】
工具母材に接合される硬質焼結体は、従来より広く用いられてきた超硬合金製支持体に裏打ちされたダイヤモンドまたは立方晶窒化硼素を２０容量％以上含有する硬質焼結体を用いてもよいが、これは、加熱接合過程において、急速な加熱と冷却がこれら複合体中に加えられるために、条件によっては前記硬質焼結体と工具母材との接合界面においてこれら材料間の熱膨張差に起因するキレツやカケが発生する場合がある。そこで、より信頼性の高い硬質焼結体工具を得るために、裏打ち支持体の無い硬質焼結体を、接合層を介して直接工具母材上に接合するのが好ましい。
【００２６】
また、上記のような高剛性で高温強度に優れる接合層を用いても、ダイヤモンド焼結体または立方晶窒化硼素焼結体の厚みが０．２５ｍｍ未満となった場合には、加工によって工具刃先等に発生した熱が熱伝導率の高いダイヤモンド焼結体や立方晶窒化硼素焼結体を介して大量に接合層部分に流れ込むために、接合層の温度が上昇し、これの変形や、変形に起因する欠損が発生しやすくなる。このため、接合されるダイヤモンド焼結体または立方晶窒化硼素焼結体の厚みは、０．２５ｍｍ以上必要であることを見いだした。また、ダイヤモンド焼結体または立方晶窒化硼素焼結体の厚みが１．５ｍｍを超えると、切削工具の場合、切れ刃の研磨に要する労力が多大になる。このため、ダイヤモンド焼結体または立方晶窒化硼素焼結体の厚みは、経済性の観点から１．５ｍｍ以下であることが望ましい。
【００２７】
また、硬質焼結体が接合される工具母材としては、超硬合金、鋼、セラミックス等、加工抵抗に耐えうる強度を有する材料であればどのような材料でも構わない。接合される硬質焼結体との熱膨張差や、材料強度等を考慮に入れた場合、超硬合金が最も好適である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図１乃至図４に、この発明の硬質焼結体工具の実施形態を示す。図の工具は、いずれも切削加工を行うスローアウェイチップへの適用例である。
【００２９】
図中１は、ダイヤモンドまたは立方晶窒化硼素を２０容量％以上含有する硬質焼結体、２は一体焼結により硬質焼結体１に裏打ちされた超硬合金製支持体、３は図１の硬質焼結体や図２の複合焼結体を工具母材４固着する接合層である。この接合層は、ロウ材によって形成される層であり、ＴｉとＺｒとＣｕ或いはそれ等に更にＮｉを加えた組成になっている。なお、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｉの含有量は、本発明で指定した範囲内にある。また、工具母材４として、ここでは超硬合金を用いた。
【００３０】
なお、図１、図２の工具は、硬質焼結体１を工具母材４の片面の１コーナにのみ取付けているが、図３のように片面の各コーナ、或いは図４のように両面の各コーナに取付けることもできる。
【００３１】
【実施例】
（実施例１）
表１に主に接合層中のＴｉあるいはＺｒの含有量が、接合強度や切削性能に及ぼす影響を調べるために準備された種々の接合材の例を示している。
【００３２】
【表１】
【００３３】
表１における接合材１Ａ〜１Ｄは、接合材中のＣｕ，ＴｉおよびＺｒの含有量が種々に変えられている。
【００３４】
まず、接合材試料を作製するため、表１に記載される組成を有する接合材粉末を作製し、これを有機溶剤（テルピネオールＣ１０Ｈ１８Ｏ）と混ぜ合わせることにより、ペースト状の接合剤１Ａ〜１Ｄを得た。立方晶窒化硼素焼結体と超硬合金製工具母材との接合強度の評価を行うために、断面が２．５×２．５ｍｍの四角形形状を有し、長手長さが１０ｍｍである棒状の立方晶窒化硼素焼結体と超硬合金製工具母材のサンプルを作製した。そしてこれの断面部分に、前記１Ａ〜１Ｄの接合材を塗布し、真空中表１の温度にて加熱することにより、断面部分同士の接合を行った。なお、その時の真空度は１×１０−５ｔｏｒｒであった。その後、１Ａ〜１Ｄにより接合された試料２Ａ〜２Ｄは、断面積が２×２ｍｍの四角形状になるように、試料の長手方向４面に研削加工が施された。この試料２Ａ〜２Ｄの接合部分におけるせん断強度を評価した結果が表２である。
【００３５】
【表２】
【００３６】
試料２Ｄは、接合材中のＴｉおよびＺｒの含有量が多いために、融点が上昇し高い温度でしか接合材を溶融させることができなかった。このため立方晶窒化硼素焼結体にキレツが発生し、接合強度の測定が不可能であった。
【００３７】
これに対して試料２Ａ〜２Ｃは高い接合強度を有しているが、中でも本発明品の試料２Ｂと２Ｃは、ＴｉおよびＺｒの含有率が高いために、接合材部分からの破壊が起こりにくく、高い接合強度を有することが明らかとなった。
【００３８】
引き続き、切削性能の評価を行うため、１Ａ〜１Ｃの接合材を用い、立方晶窒化硼素焼結体を超硬合金製工具母材に接合して、表３に示される図１の構造の切削工具３Ａ〜３Ｃを作製し、下記の条件で切削試験を実施した。なお、立方晶窒化硼素焼結体の厚みは０．７５ｍｍであった。
【００３９】
【表３】
【００４０】
−切削条件−
被削材 ：浸炭焼入材（ＳＣＭ４１５）丸棒
被削材硬度：ＨＲＣ６２
被削材の周表面速度：２００（ｍ／ｍｉｎ）
工具の切り込み深さ：０．５（ｍｍ）
工具の送り速さ ：０．１６（ｍｍ／ｒｅｖ）
切削時間 ：５（ｍｉｎ）
その結果、工具３Ａは接合層部分の耐熱性が低いために、切削中の切削熱によりロウ付け強度が低下し、硬質焼結体部分が脱落し継続評価が不可能であった。これに対して、本発明品の工具３Ｂ、３Ｃは、硬質焼結体の接合強度が高く、かつ高温強度にも優れるために、切削中に硬質焼結体の脱落や欠損が発生することなく、安定した加工を行うことが可能であった。
【００４１】
（実施例２）
【００４２】
【表４】
【００４３】
表４は、主に接合層中のＮｉ含有量が、高温強度に及ぼす影響を調べるために準備された種々の接合材の例を示している。すなわち、表４における接合材４Ａ〜４Ｄは、いずれも接合材中のＮｉ含有量が種々に変えられている。
【００４４】
接合材試料を作製するため、実施例１と同様に、表４に記載される組成を有する接合材粉末を作製し、これを有機溶剤（エタノール）と混ぜ合わせることにより、ペースト状の接合材４Ａ〜４Ｄを得た。立方晶窒化硼素焼結体と超硬合金製工具母材との接合強度の評価を行うために、断面が２．５×２．５ｍｍの四角形形状を有し、長手長さが１０ｍｍである棒状の立方晶窒化硼素焼結体と超硬合金製工具母材のサンプルを作製した。そしてこれの断面部分に、前記４Ａ〜４Ｄの接合材を塗布し、Ａｒ雰囲気中表４の温度にて加熱することにより、断面部分同士の接合を行った。その後、４Ａ〜４Ｄにより接合された試料５Ａ〜５Ｄは、断面積が２×２ｍｍの四角形形状になるように、試料の長手方向４面に研削加工が施された。この試料４Ａ〜４Ｄの接合部分の接合層厚みは３０μｍであった。この接合材を３５０℃の高温大気雰囲気にて試料のせん断強度を評価した結果が表５である。
【００４５】
【表５】
【００４６】
試料５Ｄは、接合材中のＮｉの含有量が多いために、融点が上昇し高い温度でしか接合材を溶融させることができなかった。このため立方晶窒化硼素焼結体にキレツが発生し、接合強度の測定が不可能であった。
【００４７】
これに対して試料５Ａ〜５Ｃは高い融点強度を有しているが、中でも試料５Ｂと５Ｃは、Ｎｉの含有率が高いために、高温での接合部分の酸化が少なく、高い高温強度を有することが明らかとなった。
【００４８】
（実施例３）
表６は、主に接合される硬質焼結体の厚みが、切削性能に及ぼす影響を調べるために準備された切削工具の例を示している。
【００４９】
【表６】
【００５０】
すなわち、表６における切削工具６Ａ〜６Ｄは、実施例１と同様の方法により、表６に記載された接合材によりダイヤモンド焼結体を超硬合金製工具母材上に接合して作製された。これを下記の切削条件にて切削に供して性能評価を行った。
【００５１】
−切削条件−
被削材 ：軸方向に沿って４つの溝を有するＡ１−１８重量％Ｓｉ丸棒
被削材の周表面速度 ：５００（ｍ／ｍｉｎ）
バイトの切り込み深さ：１．５（ｍｍ）
バイトの送り速さ ：０．２（ｍｍ／ｒｅｖ）
切削時間：１０（ｍｉｎ）
【００５２】
【表７】
【００５３】
その結果を表７に示す。工具７Ａはダイヤモンド焼結体の厚みが薄いために、刃先に発生した切削熱が大量に接合層部分に流入し、そのために、接合層が軟化して接合強度の低下を招き、これが原因で切削中に工具欠損が発生した。これに対し、工具７Ｂ〜７Ｄはダイヤモンド焼結体の厚みが厚いために刃先で発生した切削熱が分散・放熱され、従って、接合層の軟化が発生せず、高い接合強度が維持されて、安定した加工が可能であった。
【００５４】
（実施例４）
表８は主に接合層の組成が、切削性能に及ぼす影響を調べるために準備された切削工具の例を示している。
【００５５】
表８の切削工具８Ａ〜８Ｆは表８に記載されたロウ材を用い、各々のロウ付け条件で超硬合金に裏打ちされたダイヤモンド焼結体工具を工具母材上に接合した。この時、加熱接合処理後に形成された接合層の組成を表９に示している。この切削工具８Ａ〜８Ｆによる下記の切削条件での性能評価結果を表１０に示す。
【００５６】
【表８】
【００５７】
【表９】
【００５８】
−切削条件−
被削材 ：軸方向に沿って４つの溝を有するＡ１−２０重量％Ｓｉ丸棒
被削材の周表面速度 ：８００（ｍ／ｍｉｎ）
バイトの切り込み深さ：５．０（ｍｍ）
バイトの送り速さ ：０．３５（ｍｍ／ｒｅｖ）
切削時間：２０（ｍｉｎ）
【００５９】
【表１０】
【００６０】
高温強度に優れない工具９Ａ、９Ｃは、刃先に発生した大量の切削熱が接合層部分に流入することにより、接合層が軟化して接合強度の低下を招き、これが原因で工具欠損が発生した。これに対し、真空中で加熱処理を行った工具９Ｂ、９Ｄ、および工具９Ｅ、９Ｆは、接合層の軟化が発生せず、高い接合強度が維持されているために、安定した加工が可能であった。
【００６１】
【発明の効果】
本発明品は、硬質焼結体を工具母材上に接合する接合層を個々には１５重量％以上、合計で６５重量％以下のＴｉ及びＺｒと、Ｃｕから成る組成の層となしたので、硬質焼結体にワレやキレツの発生がなく、強固かつ高剛性に接合される。接合層中に含まれるＣｕは従来のＡｇに比べ弾性率が高く、熱膨張差による歪みを吸収でき、また、ＴｉまたはＺｒは高温強度に加え高い活性度を有しており、これをＣｕに添加することで接合材の濡れ性が著しく改善され接合強度が大幅に向上する効果がある。
【００６２】
この結果、切削中に硬質焼結体の脱落や欠損が発生することなく、安定した加工が望めるようになった。
【００６３】
なお、この発明は、切削工具に利用すると特に顕著な効果を期待できるが、掘削工具や耐摩工具、伸線ダイスなどに採用してもその有効性が発揮される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の硬質焼結体工具の実施形態を示す断面図
【図２】他の実施形態の断面図
【図３】更に他の実施形態の断面図
【図４】更に他の実施形態の断面図
【図５】硬質焼結体切削工具の従来例の断面図
【符号の説明】
１ 硬質焼結体
２ 超硬合金製支持体
３ 接合層
４ 工具母材
【発明の属する技術分野】
この発明は、ダイヤモンド焼結体または立方晶窒化硼素を含有する硬質焼結体が工具母材に強固かつ高剛性に接合されてなる切削工具、掘削工具、耐摩工具などの硬質焼結体工具とその工具の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
微細なダイヤモンド粒子を鉄族金属等の結合材を用いて超高圧高温下で焼結して得られるダイヤモンド焼結体は、切削工具、伸線ダイス、ドリルビット、耐摩工具の刃先材料として、従来の超硬合金に比べ格段に優れた耐摩耗性を有している。また、微細な立方晶窒化硼素を種々の結合材を用いて焼結した材料は、高硬度の鉄族金属や鋳鉄の切削に対して優れた性能を示す。
【０００３】
従来用いられてきた上記硬質焼結体工具の断面図を図５に示す。まず硬質焼結体１は、一体焼結により超硬合金製支持体２に裏打ちされた状態で、ダイヤモンド複合焼結体または立方晶窒化硼素複合焼結体として作製される。この硬質焼結体の超硬合金製支持体２側を、主にＡｇやＣｕからなる接合層３を介して、工具母材４にロウ付け接合することにより、図２に示される硬質焼結体工具が得られる。
【０００４】
この場合、工具母材へのロウ付け工程において、急速な加熱と冷却がこれら複合焼結体に加えられるために、条件によっては硬質焼結体１と超硬合金製支持体２間の接合界面において、これら材料間の熱膨張差に起因するキレツやワレが発生する場合があった。さらに、切削工具として完成した場合も、硬質焼結体の焼結条件によっては、前記複合焼結体界面の接合強度が不足し、過酷な切削条件下では、切削中に剥離や欠損が発生する場合があり、工具の信頼性の点で問題があった。
【０００５】
このような問題を克服するために、例えば特開昭６０−８５９４０号公報では、ダイヤモンド焼結体あるいは立方晶窒化硼素焼結体と超硬合金製支持体との接合界面に、ＴｉやＺｒなどの炭化物・窒化物を形成させることにより、この接合部分の信頼性を向上させることを提案している。しかし、この場合も、結果的には熱膨張差の異なる異種材料を接合した複合焼結体であるために、改善の効果は少なく問題点を解決することはできなかった。
【０００６】
一方、硬質焼結体１（ダイヤモンド焼結体または立方晶窒化硼素焼結体）と、超硬合金製支持体２との接合界面をなくすために、超硬合金製支持体２を介さずに硬質焼結体１を、工具母材上に接合させることが考えられている。このような工具構造は、特開昭５９−１３４６６５号公報、特開昭６０−１８７６０３号公報、実公昭６４−４８３９号公報、特開平２−２７４４０５号公報、特公平３−１７７９１号公報、特開平７−１２４８０４号公報、特開平９−１０８９１２号公報に示されている。ここでは、予めダイヤモンド焼結体あるいは立方晶窒化硼素焼結体の表面に活性金属層を形成した後に、Ａｇ、Ｃｕを主体とするロウ材により工具母材に接合させるか、あるいはＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ、Ｃｕ−Ｔｉ、Ａｇ−Ｔｉ、Ａｕ−Ｔａ、Ａｕ−ＮｂなどＡｇ、Ｃｕ、Ａｕなどの軟質金属にＴｉ、Ｚｒ、Ｔａなどの活性金属を含む活性ロウ材を用いて、直接工具母材に接合することが開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
これら先行例では多くの場合、主に軟質金属であるＡｇを主成分とする接合層を介して、ダイヤモンド焼結体あるいは立方晶窒化硼素焼結体が、工具母材上に接合されているために、過酷な切削条件下では接合層の変形による被削材精度の低下や、被削面粗さの悪化、あるいは剛性不足によるびびりの発生、さらには工具刃先の切削熱が、熱伝導率の高いダイヤモンド焼結体や立方晶窒化硼素焼結体を介して、直接接合層に流れ込むために、接合材が流失し工具欠損が発生するなどの問題があった。
【０００８】
本発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、ダイヤモンド焼結体または立方晶窒化硼素を含有する硬質焼結体が接合層を介して工具母材上に接合され、この硬質焼結体がワレやキレツを有することなく強固かつ高剛性に接合されてなる硬質焼結体工具を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明は、ダイヤモンドまたは立方晶窒化硼素を２０容量％以上含有する硬質焼結体が、接合層を介して超硬合金製の工具母材上に接合されている硬質焼結体切削工具にかかるものであって、上記接合層が、ＴｉとＺｒをそれぞれ１５重量％以上、両者の合計で６５％以下含み、さらに、それ以外にＣｕを含んでなることを特徴とする。
【００１０】
この発明の好ましい態様は、上記接合層が２０〜３０重量％のＴｉと、２０〜３０重量％のＺｒを含み、さらに、残部の中にＣｕを含んでいるものである。
【００１１】
この発明のさらに好ましい態様は、上記残部が１０〜３０重量％のＮｉを含み、さらにＣｕと不可避不純物からなるものである。
【００１２】
上記接合層の融点が７００℃〜１０００℃であるものも好ましい。
【００１３】
また、上記焼結体の厚みを０．２５〜１．５ｍｍにすることや、上記工具母材として超硬合金を用いることも好ましい。
【００１４】
【作用】
本発明者らは、ダイヤモンド焼結体または立方晶窒化硼素を含有する焼結体が接合層を介して工具母材上に接合され、この焼結体がワレやキレツを有することなく強固かつ高剛性に接合される接合方法の研究を鋭意行った。
【００１５】
その結果、ＴｉとＺｒをそれぞれ１５重量％以上、両者の合計で６５重量％以下含み、残部がＣｕまたはＣｕを含む組成の接合材料を用いることにより、ダイヤモンド焼結体または立方晶窒化硼素を含有する硬質焼結体を、ワレやキレツの発生なく強固かつ高剛性に工具母材に接合できることを見出した。
【００１６】
ここで、接合層の主成分となりうる材料としては▲１▼負荷の高い用途においても接合層の変形が少ないこと▲２▼ダイヤモンド焼結体あるいは立方晶窒化硼素焼結体と、工具母材との接合時において、発生する熱膨張差による歪みを吸収できること、の以上２点が必要となる。
【００１７】
従来この用途における接合材では、Ａｇが主成分として用いられてきたが、Ａｇは弾性率が低く、負荷の高い用途では、形成される接合層の変形が大きく、負荷の高い切削工具等には不向きであった。これに対してＣｕはＡｇに比べ弾性率が高く、また上記熱膨張差による歪みを吸収することが可能である。このため、本目的における接合材の成分にはＣｕを含む事が重要であることを見出した。
【００１８】
一方、例えば切削工具の場合、切削時に接合部分に高い切削抵抗に加え、切削熱による高温が加わる。このため、接合部分における信頼性を向上させるためには、常温での高い接合強度に加え、高温においても強度低下の少ない耐熱性が必要となる。ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族金属はＡｇ、Ｃｕなどに比べ強度が高く、また高温での強度・変形においても優れている。発明者らは、主成分であるＣｕにこれらの族の金属を添加する事により、接合強度及び高温強度が大幅に優れるロウ材が作製できることを見出した。特にこれら金属の中でもＴｉおよびＺｒは、高温強度に加え、高い活性度を有しているために、ＣｕにＴｉとＺｒを添加する事により、接合材の濡れ性が著しく改善され、ダイヤモンド焼結体あるいは立方晶窒化硼素焼結体との接合強度が大幅に向上することを見出した。
【００１９】
このとき、接合材中に含まれるＴｉやＺｒが１５重量％未満であれば、接合強度や高温強度の向上効果が生じず、逆に合計で６５重量％を超えると、融点の上昇を招き、接合時の歪みやこれに起因するワレが発生しやすくなる。従って、接合材中のＴｉ、Ｚｒの含有量は１５〜６０重量％の範囲内にあるのが好ましい。
【００２０】
さらに、接合材中に含まれるＴｉの含有量が２０〜３０重量％であり、かつＺｒの含有量が２０〜３０重量％の範囲にあれば、Ｔｉ−Ｚｒ−Ｃｕの３元共晶による融点降下が顕著に現れ、より低融点での接合が可能になって好ましい。
【００２１】
また、前記接合材組成に加え、１０〜３０重量％の範囲でＮｉを含む場合には、より耐熱性と腐食性が優れる接合層が形成されることになる。この場合、Ｎｉの含有量が１０％未満であると、Ｎｉを添加することによる高温強度の向上効果が現れず、また３０重量％を超える場合には、融点の上昇を招き、接合時の焼結体のワレや歪みの原因となる。従って、接合材中のＮｉの含有量は１０〜３０重量％の範囲内にあるのが好ましい。
【００２２】
接合材をこの様な組成とすることにより、８００℃〜１０００℃と比較的低温での接合が可能となる。
【００２３】
次に、硬質焼結体を上記組成の接合層により工具母材上に接合するためには、個々には１５重量％以上、合計で６５重量％以下のＴｉ及びＺｒと、Ｃｕを含んで成るロウ材、あるいは２０〜３０重量％のＴｉと２０〜３０重量％のＺｒと残部がＣｕから成るロウ材、または前記ロウ材組成に加えＮｉを１０〜３０重量％含むロウ材を用い、１×１０−３〜１×１０−６ｔｏｒｒ程度の真空中またはＡｒなどの不活性ガス雰囲気中で、加熱接合する必要がある。なぜなら、接合加熱中にロウ材に含まれる成分、特にＴｉとＺｒの酸化を防ぐ必要があり、そのためには、残留酸素濃度の低い前記真空中あるいは不活性ガス雰囲気中での加熱接合が不可欠である。
【００２４】
また、Ａｇ、Ｉｎ、Ｌｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｚｒを含むロウ材やそれに更にＮｉを加えたロウ材を用い、１×１０−４〜１×１０−６ｔｏｒｒ程度の高真空中で加熱接合処理を行う方法でも、蒸気圧の高いＡｇ、Ｉｎ、Ｌｉ、Ｍｎ、Ｚｎの成分を蒸発させて、実質的にＣｕ、Ｔｉ、Ｚｒからなる接合層やＣｕ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｉから成る接合層を形成することができる。この場合、７００℃程度のより低い温度での加熱接合処理が可能であり、熱膨張差に起因する問題を少なくすることができる。なお、この方法で形成される接合層も各１５重量％以上のＴｉとＺｒ（合計で６５重量％以下）と、Ｃｕから成る組成、あるいは２０〜３０重量％Ｔｉと２０〜３０重量％Ｚｒと残部がＣｕから成る組成、さらに前記組成に加えＮｉを１０〜３０重量％含む組成にする。
【００２５】
工具母材に接合される硬質焼結体は、従来より広く用いられてきた超硬合金製支持体に裏打ちされたダイヤモンドまたは立方晶窒化硼素を２０容量％以上含有する硬質焼結体を用いてもよいが、これは、加熱接合過程において、急速な加熱と冷却がこれら複合体中に加えられるために、条件によっては前記硬質焼結体と工具母材との接合界面においてこれら材料間の熱膨張差に起因するキレツやカケが発生する場合がある。そこで、より信頼性の高い硬質焼結体工具を得るために、裏打ち支持体の無い硬質焼結体を、接合層を介して直接工具母材上に接合するのが好ましい。
【００２６】
また、上記のような高剛性で高温強度に優れる接合層を用いても、ダイヤモンド焼結体または立方晶窒化硼素焼結体の厚みが０．２５ｍｍ未満となった場合には、加工によって工具刃先等に発生した熱が熱伝導率の高いダイヤモンド焼結体や立方晶窒化硼素焼結体を介して大量に接合層部分に流れ込むために、接合層の温度が上昇し、これの変形や、変形に起因する欠損が発生しやすくなる。このため、接合されるダイヤモンド焼結体または立方晶窒化硼素焼結体の厚みは、０．２５ｍｍ以上必要であることを見いだした。また、ダイヤモンド焼結体または立方晶窒化硼素焼結体の厚みが１．５ｍｍを超えると、切削工具の場合、切れ刃の研磨に要する労力が多大になる。このため、ダイヤモンド焼結体または立方晶窒化硼素焼結体の厚みは、経済性の観点から１．５ｍｍ以下であることが望ましい。
【００２７】
また、硬質焼結体が接合される工具母材としては、超硬合金、鋼、セラミックス等、加工抵抗に耐えうる強度を有する材料であればどのような材料でも構わない。接合される硬質焼結体との熱膨張差や、材料強度等を考慮に入れた場合、超硬合金が最も好適である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図１乃至図４に、この発明の硬質焼結体工具の実施形態を示す。図の工具は、いずれも切削加工を行うスローアウェイチップへの適用例である。
【００２９】
図中１は、ダイヤモンドまたは立方晶窒化硼素を２０容量％以上含有する硬質焼結体、２は一体焼結により硬質焼結体１に裏打ちされた超硬合金製支持体、３は図１の硬質焼結体や図２の複合焼結体を工具母材４固着する接合層である。この接合層は、ロウ材によって形成される層であり、ＴｉとＺｒとＣｕ或いはそれ等に更にＮｉを加えた組成になっている。なお、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｉの含有量は、本発明で指定した範囲内にある。また、工具母材４として、ここでは超硬合金を用いた。
【００３０】
なお、図１、図２の工具は、硬質焼結体１を工具母材４の片面の１コーナにのみ取付けているが、図３のように片面の各コーナ、或いは図４のように両面の各コーナに取付けることもできる。
【００３１】
【実施例】
（実施例１）
表１に主に接合層中のＴｉあるいはＺｒの含有量が、接合強度や切削性能に及ぼす影響を調べるために準備された種々の接合材の例を示している。
【００３２】
【表１】
表１における接合材１Ａ〜１Ｄは、接合材中のＣｕ，ＴｉおよびＺｒの含有量が種々に変えられている。
【００３４】
まず、接合材試料を作製するため、表１に記載される組成を有する接合材粉末を作製し、これを有機溶剤（テルピネオールＣ１０Ｈ１８Ｏ）と混ぜ合わせることにより、ペースト状の接合剤１Ａ〜１Ｄを得た。立方晶窒化硼素焼結体と超硬合金製工具母材との接合強度の評価を行うために、断面が２．５×２．５ｍｍの四角形形状を有し、長手長さが１０ｍｍである棒状の立方晶窒化硼素焼結体と超硬合金製工具母材のサンプルを作製した。そしてこれの断面部分に、前記１Ａ〜１Ｄの接合材を塗布し、真空中表１の温度にて加熱することにより、断面部分同士の接合を行った。なお、その時の真空度は１×１０−５ｔｏｒｒであった。その後、１Ａ〜１Ｄにより接合された試料２Ａ〜２Ｄは、断面積が２×２ｍｍの四角形状になるように、試料の長手方向４面に研削加工が施された。この試料２Ａ〜２Ｄの接合部分におけるせん断強度を評価した結果が表２である。
【００３５】
【表２】
試料２Ｄは、接合材中のＴｉおよびＺｒの含有量が多いために、融点が上昇し高い温度でしか接合材を溶融させることができなかった。このため立方晶窒化硼素焼結体にキレツが発生し、接合強度の測定が不可能であった。
【００３７】
これに対して試料２Ａ〜２Ｃは高い接合強度を有しているが、中でも本発明品の試料２Ｂと２Ｃは、ＴｉおよびＺｒの含有率が高いために、接合材部分からの破壊が起こりにくく、高い接合強度を有することが明らかとなった。
【００３８】
引き続き、切削性能の評価を行うため、１Ａ〜１Ｃの接合材を用い、立方晶窒化硼素焼結体を超硬合金製工具母材に接合して、表３に示される図１の構造の切削工具３Ａ〜３Ｃを作製し、下記の条件で切削試験を実施した。なお、立方晶窒化硼素焼結体の厚みは０．７５ｍｍであった。
【００３９】
【表３】
−切削条件−
被削材 ：浸炭焼入材（ＳＣＭ４１５）丸棒
被削材硬度：ＨＲＣ６２
被削材の周表面速度：２００（ｍ／ｍｉｎ）
工具の切り込み深さ：０．５（ｍｍ）
工具の送り速さ ：０．１６（ｍｍ／ｒｅｖ）
切削時間 ：５（ｍｉｎ）
その結果、工具３Ａは接合層部分の耐熱性が低いために、切削中の切削熱によりロウ付け強度が低下し、硬質焼結体部分が脱落し継続評価が不可能であった。これに対して、本発明品の工具３Ｂ、３Ｃは、硬質焼結体の接合強度が高く、かつ高温強度にも優れるために、切削中に硬質焼結体の脱落や欠損が発生することなく、安定した加工を行うことが可能であった。
【００４１】
（実施例２）
【００４２】
【表４】
表４は、主に接合層中のＮｉ含有量が、高温強度に及ぼす影響を調べるために準備された種々の接合材の例を示している。すなわち、表４における接合材４Ａ〜４Ｄは、いずれも接合材中のＮｉ含有量が種々に変えられている。
【００４４】
接合材試料を作製するため、実施例１と同様に、表４に記載される組成を有する接合材粉末を作製し、これを有機溶剤（エタノール）と混ぜ合わせることにより、ペースト状の接合材４Ａ〜４Ｄを得た。立方晶窒化硼素焼結体と超硬合金製工具母材との接合強度の評価を行うために、断面が２．５×２．５ｍｍの四角形形状を有し、長手長さが１０ｍｍである棒状の立方晶窒化硼素焼結体と超硬合金製工具母材のサンプルを作製した。そしてこれの断面部分に、前記４Ａ〜４Ｄの接合材を塗布し、Ａｒ雰囲気中表４の温度にて加熱することにより、断面部分同士の接合を行った。その後、４Ａ〜４Ｄにより接合された試料５Ａ〜５Ｄは、断面積が２×２ｍｍの四角形形状になるように、試料の長手方向４面に研削加工が施された。この試料４Ａ〜４Ｄの接合部分の接合層厚みは３０μｍであった。この接合材を３５０℃の高温大気雰囲気にて試料のせん断強度を評価した結果が表５である。
【００４５】
【表５】
試料５Ｄは、接合材中のＮｉの含有量が多いために、融点が上昇し高い温度でしか接合材を溶融させることができなかった。このため立方晶窒化硼素焼結体にキレツが発生し、接合強度の測定が不可能であった。
【００４７】
これに対して試料５Ａ〜５Ｃは高い融点強度を有しているが、中でも試料５Ｂと５Ｃは、Ｎｉの含有率が高いために、高温での接合部分の酸化が少なく、高い高温強度を有することが明らかとなった。
【００４８】
（実施例３）
表６は、主に接合される硬質焼結体の厚みが、切削性能に及ぼす影響を調べるために準備された切削工具の例を示している。
【００４９】
【表６】
すなわち、表６における切削工具６Ａ〜６Ｄは、実施例１と同様の方法により、表６に記載された接合材によりダイヤモンド焼結体を超硬合金製工具母材上に接合して作製された。これを下記の切削条件にて切削に供して性能評価を行った。
【００５１】
−切削条件−
被削材 ：軸方向に沿って４つの溝を有するＡ１−１８重量％Ｓｉ丸棒
被削材の周表面速度 ：５００（ｍ／ｍｉｎ）
バイトの切り込み深さ：１．５（ｍｍ）
バイトの送り速さ ：０．２（ｍｍ／ｒｅｖ）
切削時間：１０（ｍｉｎ）
【００５２】
【表７】
その結果を表７に示す。工具７Ａはダイヤモンド焼結体の厚みが薄いために、刃先に発生した切削熱が大量に接合層部分に流入し、そのために、接合層が軟化して接合強度の低下を招き、これが原因で切削中に工具欠損が発生した。これに対し、工具７Ｂ〜７Ｄはダイヤモンド焼結体の厚みが厚いために刃先で発生した切削熱が分散・放熱され、従って、接合層の軟化が発生せず、高い接合強度が維持されて、安定した加工が可能であった。
【００５４】
（実施例４）
表８は主に接合層の組成が、切削性能に及ぼす影響を調べるために準備された切削工具の例を示している。
【００５５】
表８の切削工具８Ａ〜８Ｆは表８に記載されたロウ材を用い、各々のロウ付け条件で超硬合金に裏打ちされたダイヤモンド焼結体工具を工具母材上に接合した。この時、加熱接合処理後に形成された接合層の組成を表９に示している。この切削工具８Ａ〜８Ｆによる下記の切削条件での性能評価結果を表１０に示す。
【００５６】
【表８】
【表９】
−切削条件−
被削材 ：軸方向に沿って４つの溝を有するＡ１−２０重量％Ｓｉ丸棒
被削材の周表面速度 ：８００（ｍ／ｍｉｎ）
バイトの切り込み深さ：５．０（ｍｍ）
バイトの送り速さ ：０．３５（ｍｍ／ｒｅｖ）
切削時間：２０（ｍｉｎ）
【００５９】
【表１０】
高温強度に優れない工具９Ａ、９Ｃは、刃先に発生した大量の切削熱が接合層部分に流入することにより、接合層が軟化して接合強度の低下を招き、これが原因で工具欠損が発生した。これに対し、真空中で加熱処理を行った工具９Ｂ、９Ｄ、および工具９Ｅ、９Ｆは、接合層の軟化が発生せず、高い接合強度が維持されているために、安定した加工が可能であった。
【００６１】
【発明の効果】
本発明品は、硬質焼結体を工具母材上に接合する接合層を個々には１５重量％以上、合計で６５重量％以下のＴｉ及びＺｒと、Ｃｕから成る組成の層となしたので、硬質焼結体にワレやキレツの発生がなく、強固かつ高剛性に接合される。接合層中に含まれるＣｕは従来のＡｇに比べ弾性率が高く、熱膨張差による歪みを吸収でき、また、ＴｉまたはＺｒは高温強度に加え高い活性度を有しており、これをＣｕに添加することで接合材の濡れ性が著しく改善され接合強度が大幅に向上する効果がある。
【００６２】
この結果、切削中に硬質焼結体の脱落や欠損が発生することなく、安定した加工が望めるようになった。
【００６３】
なお、この発明は、切削工具に利用すると特に顕著な効果を期待できるが、掘削工具や耐摩工具、伸線ダイスなどに採用してもその有効性が発揮される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の硬質焼結体工具の実施形態を示す断面図
【図２】他の実施形態の断面図
【図３】更に他の実施形態の断面図
【図４】更に他の実施形態の断面図
【図５】硬質焼結体切削工具の従来例の断面図
【符号の説明】
１ 硬質焼結体
２ 超硬合金製支持体
３ 接合層
４ 工具母材
Claims (7)
- ダイヤモンドまたは立方晶窒化硼素を２０容量％以上含有する硬質焼結体が、ＴｉとＺｒをそれぞれ１５重量％以上、両者の合計で６５重量％以下含み、残部がＣｕと不可避不純物からなる接合層を介して超硬合金製工具母材上に接合されている硬質焼結体工具。
- 前記接合層中のＴｉとＺｒの含有量がそれぞれ２０〜３０重量％である請求項１記載の硬質焼結体工具。
- 前記接合層の融点が７００℃〜１０００℃である請求項１又は２に記載の硬質焼結体工具。
- 前記硬質焼結体が接合層を介して直接工具母材上に接合されている請求項１乃至３のいずれかに記載の硬質焼結体工具。
- 前記硬質焼結体の厚みが０．２５〜１．５ｍｍである請求項４に記載の硬質焼結体工具。
- ダイヤモンドまたは立方晶窒化硼素を２０容量％以上含有する硬質焼結体を、接合層を構成するロウ材を用いて真空中または不活性ガス雰囲気中で工具母材にロウ付け接合することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の硬質焼結体工具の製造方法。
- ダイヤモンドまたは立方晶窒化硼素を２０容量％以上含有する硬質焼結体を、Ａｇ、Ｉｎ、Ｌｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｚｒを含むロウ材を用いて高真空雰囲気中で工具母材上にロウ付けすることにより実質的にＣｕ、Ｔｉ、Ｚｒから成る接合層を形成し、その接合層を介して硬質焼結体を工具母材に接合することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の硬質焼結体工具の製造方法。
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