JP3974993B2 - ダイヤモンド焼結体工具およびその製造方法 - Google Patents

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工具およびその製造方法に関し、特に、耐溶着性、耐欠損性および強度に優れたダイヤモンド焼結体工具およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ダイヤモンド焼結体は、耐摩耗性と強度に優れるために、切削工具、掘削工具、線引きダイス工具などのように強度と耐摩耗性が要求される分野において工具素材として広く用いられている。このようなダイヤモンド焼結体は、たとえば特公昭５２−１２１２６号公報に記載されているように、タングステンカーバイト−コバルト超硬合金製の容器にダイヤモンド粉末を充填して高温高圧下で焼結させたものが知られている。また、特公昭５４−１１４５１３号公報には、ダイヤモンド粉末と鉄族金属の粉末とを予め混合し、この混合粉末を高温高圧下に保持することにより得られるダイヤモンド焼結体が記載されている。
【０００３】
これらのダイヤモンド焼結体は、焼結ダイヤモンド粒子の間に焼結助剤としてのコバルトなどの鉄族金属を含む。
【０００４】
また、ダイヤモンド焼結体の耐熱性を向上させたものとして、ダイヤモンド焼結体の全体から鉄族金属を除去したものが特開昭５３−１１４５８９号公報や特開平７−１５６００３号公報に記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の鉄族金属を含むダイヤモンド焼結体を工具として用いた場合には、軟質金属、特にアルミニウム合金の切削加工においては、切削条件によって工具の刃先に被削材が溶着し、被削材の仕上げ面粗さや加工精度を悪化させるという問題が生じていた。
【０００６】
また、鉄族金属を除去したダイヤモンド焼結体においては、ダイヤモンド焼結体内に空隙が存在しており、強度が低いため欠損などが発生しやすいという問題があった。
【０００７】
そこで、この発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであり、アルミニウム合金などの軟質金属の溶着を抑制でき、かつ強度および耐欠損性に優れたダイヤモンド焼結体工具を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、アルミニウム合金の切削におけるダイヤモンド焼結体工具表面での被削材の溶着に関しさまざまな調査を行なった結果、被削材の溶着は、ダイヤモンド焼結体工具内に含まれる鉄族金属（鉄、コバルト、ニッケル）に起因していることを見い出した。
【０００９】
すなわち、工具のすくい面または逃げ面では、工具素材であるダイヤモンド焼結体とアルミニウム合金が接触している。化学的に安定であるダイヤモンドと、アルミニウムとは濡れ性が悪い。
【００１０】
ここで、「濡れ」とは、通常は固体と液体との接触のしやすさをいうが、本明細書中では、工具と被削材の密着のしやすさをいう。そのため、「濡れ性が悪い」とは、工具と被削材とが接触した場合に、それらが密着しないことをいう。また、「濡れ性がよい」とは工具と被削材が接触した場合に、それらが密着しやすいことをいう。
【００１１】
ダイヤモンド焼結体中で焼結助剤として用いられる鉄族金属（コバルト、鉄、ニッケル）は、被削材としてのアルミニウムとの濡れ性がよいため、アルミニウムがダイヤモンド焼結体工具の表面の鉄族金属に密着する。その後、ダイヤモンド焼結体工具の表面全体にわたりアルミニウムの溶着が広がっていくことを見い出した。
【００１２】
したがって、この溶着を防止するためには、ダイヤモンド焼結体工具の表面に存在する鉄族金属を除去することにより、ダイヤモンド焼結体工具の耐溶着性は大幅に改善される。
【００１３】
しかしながら、従来のように、ダイヤモンド焼結体全体から鉄族金属を除去した場合には、ダイヤモンド焼結体中に空隙が多く存在することとなり、強度が低く、欠損などが発生しやすくなる。そこで、本発明では、ダイヤモンド焼結体工具の表面部のみから鉄族金属を除去することにより、強度の低下や欠損などの発生を防止することとした。
【００１４】
このような知見によりなされた本発明のダイヤモンド焼結体工具は、鉄族金属を第１の含有率で含む内部と、その内部を取囲み、第１の含有率よりも低い第２の含有率で鉄族金属を含む表面部とを備える。
【００１５】
このような構成とすることにより、表面部では鉄族金属の含有率が低いため、この表面部にアルミニウムが溶着しにくくなる。また、内部では、表面部よりも多くの鉄族金属が存在するため、内部での空隙の発生を抑制できる。そのため、強度や耐欠損性が低下しない。
【００１６】
第２の含有率は２．０重量％以下であり、ダイヤモンド焼結体工具の表面からの深さが２ｎｍ以上５０００ｎｍ以下の部分が表面部である。
【００１７】
また、焼結ダイヤモンド粒子の含有率が９６体積％以下の比較的ダイヤモンド含有率が低い焼結体、または焼結ダイヤモンド粒子の径が６０μｍ以下の焼結体でアルミニウムの溶着が特に発生しやすい。また、実際に製造可能な焼結ダイヤモンド粒子の径の最小値は０．１μｍであり、かつ、その場合のダイヤモンド含有率が８０体積％であるため、本発明の効果が最も顕著に現れるのは、ダイヤモンド粒子の径が０．１μｍ以上６０μｍ以下の範囲であるか、または、焼結ダイヤモンド粒子の含有率が８０体積％以上９６体積％以下のダイヤモンド焼結体工具である。
【００１８】
また、ダイヤモンド焼結体工具は工具母材にろう付けされていることが好ましい。
【００１９】
さらに、表面部に、すくい面および逃げ面の少なくとも一方が形成されていることが好ましい。
【００２０】
また、このようなアルミニウム合金からなる被削材の溶着は、切削条件にも大きく影響される。特に、切削速度が２００ｍ／ｍｉｎ以下の加工条件では、ダイヤモンド焼結体工具の表面で溶着が発生しやすい。そのため、切削速度の向上が難しい穴加工工具、たとえばリーマ工具、エンドミル工具、ドリル工具、ボーリング工具などでは、本発明を用いることにより、耐溶着性に関して顕著な効果が現れる。
【００２１】
また、この発明の１つの局面に従ったダイヤモンド焼結体工具の製造方法は以下の工程を備える。
【００２２】
（１） 鉄族金属を含むダイヤモンド焼結体を準備する工程。
（２） ダイヤモンド焼結体を加工することにより、ダイヤモンド焼結体工具を形成する工程。
【００２３】
（３） ダイヤモンド焼結体工具を酸溶液に浸すことにより、表面部から鉄族金属を除去して表面部の鉄族金属の含有率を内部よりも小さくすることによりダイヤモンド焼結体工具に表面処理を施す工程。
【００２４】
また、この発明の別の局面に従ったダイヤモンド焼結体工具の製造方法は、以下の工程を備える。
【００２５】
（１） 鉄族金属を含むダイヤモンド焼結体を準備する工程。
（２） ダイヤモンド焼結体を酸溶液に浸すことにより、ダイヤモンド焼結体の表面部から鉄族金属を除去してダイヤモンド焼結体の表面部の鉄族金属の含有率を内部よりも小さくすることによりダイヤモンド焼結体に表面処理を施す工程。
【００２６】
（３） 表面処理されたダイヤモンド焼結体を加工することにより、ダイヤモンド焼結体工具を得る工程。
【００２７】
これらのダイヤモンド焼結体の製造方法においては、表面部での鉄族金属の含有率が内部よりも小さくなるため、耐溶着性、強度、耐欠損性に優れたダイヤモンド焼結体工具を得ることができる。
【００２８】
また、酸溶液は硝酸、フッ酸および塩酸からなる群より選ばれた少なくとも１種を含むことが好ましい。
【００２９】
また、表面部において、鉄族金属の含有率が２．０重量％以下であることが好ましい。
【００３０】
【実施例】
（実施例１）
まず、径の大きさが０．１〜４μｍの範囲内のダイヤモンド粒子を用意した。また、鉄族金属（コバルト、鉄およびニッケル）の粒子からなる焼結助剤を準備した。ダイヤモンドの含有率が９０体積％となるようにダイヤモンド粒子と鉄族金属とをボールミルにより混合し、混合粉末を形成した。この混合粉末を真空中で温度８００℃で１時間熱処理した後、超硬合金製のカプセルに充填して圧力５００００気圧、温度１４００℃の条件に１時間保ち焼結させた。これにより、焼結ダイヤモンド焼結粒子の径が０．１〜４μｍで鉄族金属の含有率が１５重量％のダイヤモンド焼結体を得た。
【００３１】
同様の工程を繰返し、同じ組成の５つのダイヤモンド焼結体を得た。これら５つのダイヤモンド焼結体のそれぞれを、２枚の切れ刃を有するリーマ工具の形状に加工した。
【００３２】
これらのリーマ工具を、表１で示す時間だけ酸溶液（王水）に浸すことにより、リーマ工具の表面部分から鉄族金属を除去して、サンプルＮｏ．１〜５を得た。また、サンプルＮｏ．１〜５について、鉄族金属の含有率が２．０重量％以下の部分の深さを調べた。その結果を表１に示す。
【００３３】
【表１】

【００３４】
次に、上述のサンプルＮｏ．１〜５について、以下に示す切削条件にて被削材の加工を行なった。
【００３５】
被削材：アルミニウム合金（ＪＩＳ呼称Ａ６０６１、Ｔ６処理材）
加工穴径：１５ｍｍ
切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ
工具送り量：０．１ｍｍ／ｒｅｖ
クーラント：水溶性切削液
この切削加工により、リーマ工具の逃げ面およびすくい面の少なくとも一方に溶着が発生したかを調べた。また、被削材の仕上げ面粗さ（Ｒ_max ）を調べた。その結果を表２に示す。
【００３６】
【表２】

【００３７】
表２より、サンプルＮｏ．３および４では、鉄族金属が少ない部分が適切な深さとなっているため、アルミニウム合金の溶着が生じることなく、優れた仕上げ面粗さが得られることが明らかになった。これに対して、表面に鉄族金属が多く存在しているサンプルＮｏ．１や鉄族金属が少ない部分が浅いサンプルＮｏ．２では、すくい面にアルミニウム合金の溶着が発生し、これに起因する仕上げ面の粗さの悪化が認められた。また、サンプルＮｏ．５では、鉄族金属が少ない部分が深く存在したため、空隙を有する部分が大きくなり工具刃先に欠損が生じ、継続した切削加工が不可能となった。
【００３８】
（実施例２）
まず、表３で示す粒子径のダイヤモンド粒子を用意した。これらのダイヤモンド粒子と鉄族金属とを混合し、実施例１と同様に熱処理および焼結することによりダイヤモンド焼結体（サンプルＮｏ．１〜１８）を得た。それぞれのサンプルについて、焼結ダイヤモンド粒子の径を測定したところ、焼結ダイヤモンド粒子の径は焼結前のダイヤモンド粒子の径と等しかった。またダイヤモンド含有率と鉄族金属の含有率とを測定した。その結果を表３に示す。
【００３９】
【表３】

【００４０】
次に、サンプルＮｏ．１１〜１４について６０重量％の塩酸溶液中に浸すことにより、ダイヤモンド焼結体の表面部分から鉄族金属を除去した。これらサンプルについて、鉄族金属の含有率が２．０重量％以下の部分の深さを測定した。その結果を表４に示す。
【００４１】
【表４】

【００４２】
次に、サンプルＮｏ．１〜１８で示すダイヤモンド焼結体をドリルの刃先の形状に加工した。このとき、サンプルＮｏ．１１〜１４では、逃げ面およびすくい面の表面からの深さが２５ｎｍの部分において鉄族金属の含有率が２．０重量％以下となった。このドリルの刃先を超硬合金製のドリル工具母材にろう付け接合し、ドリル工具を作製した。このドリル工具を用いて以下の条件でドリル加工を行なった。
【００４３】
被削材：アルミニウム合金（ＪＩＳ呼称ＡＤＣ１２、Ｔ６処理材）
ドリル径：５ｍｍ
切削速度：５０ｍ／ｍｉｎ
工具送り量：０．０８ｍｍ／ｒｅｖ
クーラント：水溶性切削液
ドリル加工の終了後、ドリルの刃先にアルミニウム合金の溶着が生じたか否か調べた。また加工穴の径を調べた。その結果を表５に示す。
【００４４】
【表５】

【００４５】
表５より、表面部での鉄族金属の含有率が小さいサンプルＮｏ．１１〜１４については、アルミニウム合金が溶着していないことがわかる。また、加工穴径の規格、すなわち、誤差として許される範囲は５±０．００６ｍｍであるため、サンプルＮｏ．１１〜１４で製造した加工穴については、この規格内であることがわかる。
【００４６】
一方、サンプルＮｏ．１５〜１７については、刃先の表面で鉄族金属を除去していないため、すなわち刃先の表面に鉄族金属が多く存在しているため、アルミニウム合金の溶着が発生し、規格内の加工穴径を得るのが困難であった。また、サンプルＮｏ．１８については、刃先の表面に鉄族金属が存在していたもののダイヤモンド粒子の径が大きいため、わずかな溶着となった。そのため、規格内の加工穴径を得ることが可能であった。これらの結果より、特に、焼結ダイヤモンド粒子の径が小さくかつダイヤモンドの含有率が低い焼結体において、本発明を適用すれば溶着防止に対して効果的であることがわかった。
【００４７】
今回開示された実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００４８】
【発明の効果】
この発明によれば、耐溶着性、耐欠損性に優れ、強度の高いダイヤモンド焼結体工具を提供できるという効果がある。

Claims (9)

1. 鉄族金属を第１の含有率で含む内部と、前記内部を取囲み、前記第１の含有率よりも低い第２の含有率で前記鉄族金属を含む表面部とを備え、前記第２の含有率は２．０重量％以下であり、前記ダイヤモンド焼結体工具の表面からの深さが２ｎｍ以上５０００ｎｍ以下の部分が前記表面部であることを特徴とする、ダイヤモンド焼結体工具。
2. 焼結ダイヤモンド粒子を含み、前記焼結ダイヤモンド粒子の径は０．１μｍ以上６０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載のダイヤモンド焼結体工具。
3. 焼結ダイヤモンド粒子を含み、前記焼結ダイヤモンド粒子の含有率は８０体積％以上９６体積％以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載のダイヤモンド焼結体工具。
4. 工具母材にろう付けされていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のダイヤモンド焼結体工具。
5. 前記表面部にすくい面および逃げ面の少なくとも一方が形成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のダイヤモンド焼結体工具。
6. 請求項１に記載のダイヤモンド焼結体工具の製造方法であって、鉄族金属を含むダイヤモンド焼結体を準備する工程と、前記ダイヤモンド焼結体を加工することにより、ダイヤモンド焼結体工具を形成する工程と、前記ダイヤモンド焼結体工具を酸溶液に浸すことにより、表面部から前記鉄族金属を除去して前記表面部の前記鉄族金属の含有率を内部よりも小さくすることにより、前記ダイヤモンド焼結体工具に表面処理を施す工程とを備えたことを特徴とする、ダイヤモンド焼結体工具の製造方法。
7. 請求項１に記載のダイヤモンド焼結体工具の製造方法であって、鉄族金属を含むダイヤモンド焼結体を準備する工程と、前記ダイヤモンド焼結体を酸溶液に浸すことにより、前記ダイヤモンド焼結体の表面部から前記鉄族金属を除去して前記ダイヤモンド焼結体の前記表面部の前記鉄族金属の含有率を内部よりも小さくすることにより、前記ダイヤモンド焼結体に表面処理を施す工程と、表面処理された前記ダイヤモンド焼結体を加工することにより、ダイヤモンド焼結体工具を得る工程とを備えたことを特徴とする、ダイヤモンド焼結体工具の製造方法。
8. 前記酸溶液は、硝酸、フッ酸および塩酸からなる群より選ばれた少なくとも１種を含むことを特徴とする、請求項６または７に記載のダイヤモンド焼結体工具の製造方法。
9. 前記表面部において前記鉄族金属の含有率が２．０重量％以下であることを特徴とする、請求項６〜８のいずれか１項に記載のダイヤモンド焼結体工具の製造方法。