JP4095287B2 - 多芯複合構造体 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダイヤモンド焼結体からなる芯材の外周を、焼結合金からなる表皮部材にて被覆してなる複合構造体に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、繊維等長尺状の芯材の外周を他の部材にて被覆することにより、構造体の硬度や強度に加えて靭性を改善する技術が研究されており、例えば、特開平11−139884号公報では、セラミックスからなる芯材(線状セラミックス)の外周に第2相成分の被覆層を吹き付け、これを一方向に収束して圧縮成形して焼成した複合セラミック焼結体が記載されており、構造体の破壊抵抗が増大することが開示されている。
【0003】
一方、ダイヤモンドは、高い硬度を有するという特性を生かして、ダイヤモンド粒子間を鉄族金属にて結合したダイヤモンド焼結体が、切削工具または掘削用の工具や耐摩耗部材として利用されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のダイヤモンド焼結体では、硬度はある程度高いもののダイヤモンドの焼結性および耐衝撃性が低いために、所定量の金属結合相を添加する必要があり、高硬度化には限界があった。
【0005】
また、上述した複合構造体として芯材にダイヤモンド焼結体を用い表皮部材に超硬合金(WC)等の周期律表4a、5a、6a族金属を主成分とする焼結合金にて被覆した複合構造体が考えられるが、構造体をより高硬度化させる構成については検討されていなかった。
【0006】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、耐衝撃性を維持しつつ、より高硬度化が可能な複合構造体を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記課題について検討した結果、ダイヤモンド焼結体中の鉄族金属の含有 比率を焼結合金中のそれよりも少なくした構成からなる芯材がダイヤモンド焼結体で表皮部材が焼結合金からなる複合構造体とすることによって、芯材中のダイヤモンド含有比率を高め、かつ芯材側に圧縮の残留応力を生ぜしめることができる結果、構造体をより高硬度化できることを知見した。
【0008】
すなわち、本発明の多芯複合構造体は、ダイヤモンド粒子間を鉄族金属にて結合したダイヤモンド焼結体からなる中実で平均直径D 1 が2〜200μmの長尺状の芯材の外周を、周期律表4a、5a、6a族金属の群から選ばれる少なくとも1種以上の金属元素(M)の炭化物、窒化物および炭窒化物の群から選ばれる少なくとも1種以上の硬質粒子を鉄族金属にて結合した焼結合金からなる表皮部材にて被覆してなる複合構造体を複数本収束したマルチフィラメント構造の多芯複合構造体であって、前記芯材の平均直径D 1 と前記表皮部材の平均厚みD 2 との比D 2 /D 1 が0.3〜50であり、前記芯材中の鉄族金属の含有比率が前記表皮部材中の鉄族金属の含有比率よりも少ないことを特徴とする多芯複合構造体である。
【0009】
【発明の実施の形態】
本発明の多芯複合構造体を構成する複合構造体について、その一実施例である図1の概略図およびその要部拡大図である図2を基に説明する。
【0010】
図1によれば、複合構造体1は、ダイヤモンド粒子2、2間を鉄族金属3にて結合したダイヤモンド焼結体4からなる長尺状の芯材(4)の外周を、周期律表4a、5a、6a族金属の群から選ばれる少なくとも1種以上の金属元素(M)の炭化物、窒化物および炭窒化物のうちの1種以上のからなる硬質粒子6を鉄族金属7にて結合した焼結合金8からなる表皮部材(8)にて被覆してなる。
【0011】
本発明によれば、芯材(ダイヤモンド焼結体)4中の鉄族金属3の量が表皮部材(焼結合金)8中の鉄族金属7の量よりも少ないことが大きな特徴であり、これによって、芯部は高含有化されたダイヤモンドの特性により高硬度となり、さらに芯部と表皮部材との焼結時の収縮挙動の差異および熱膨張係数差によって発生する圧縮の残留応力によって高硬度化が促進される。また、その圧縮残留応力で強化された芯部および鉄族金属層で高靭性化された表皮部材によって耐衝撃性は維持される。
【0012】
ここで、本発明における鉄族金属の含有比率とは、構造体1断面の波長分散型X線マイクロアナリシスにおける鉄族金属のピーク強度の合計であり、特に、ダイヤモンド焼結体4中の鉄族金属3の含有比率Mdと焼結合金8中の鉄族金属7の含有比率Mcとの比(Md/Mc)が0.9以下であること、特に、0.25〜0.8であることが望ましい。
【0013】
また、本発明によれば、耐衝撃性を維持しつつ、ダイヤモンド焼結体4中の鉄族金属3量と焼結合金8中の鉄族金属7量とを所定量に抑制するために、ダイヤモンド粒子2の平均粒径d1が3.5μm以下、特に0.01〜2.5μmであることが望ましく、さらに、ダイヤモンド粒子2の平均粒径d1と、硬質粒子6の平均粒径d2との比(d1/d2)が1.0より大きく5000以下、特に1.1〜3500、さらに1.2〜700であることが望ましい。これによって、焼結合金8の毛細管力をダイヤモンド焼結体4の毛細管力よりも大きくして、焼成時に、特に1400℃以上の高温にて一部溶融した結合材である鉄族金属の含浸力に差をつけることができる結果、鉄族金属の分布を焼結合金側にシフトさせることができる。なお、d1/d2が1.0以下である場合には、ダイヤモンド焼結体4中の鉄族金属の添加量を焼結合金8中の鉄族金属よりも多くなるように調整し、特に1400℃未満の低温にて焼成することにより、Md/Mcを所定量に制御することができる。または、芯材4と表皮部材8との間に鉄族金属の拡散を防止するTi等を主体とする拡散防止層を介層することによっても鉄族金属の含有比率の制御が可能である。
【0014】
さらには、芯材4と表皮部材8との界面における密着性を高めるとともに、局所的な応力集中を抑制するために、図2の鉄族金属の含有比率の分布に示すように、鉄族金属3の含有比率が芯材4から表皮部材8に向かって次第に、換言すれば連続的または段階的に減少することが望ましい。
【0015】
また、例えば、芯材4の平均直径は2〜200μm、さらに、本発明によれば、芯材4の硬度が高いために2〜100μm、表皮部材8の平均厚みは0.6〜500μmからなるが、高硬度を達成するためには、芯材4の平均直径D1と表皮部材の平均厚みD2との比D2/D1が0.01〜500であることが重要である。さらに、芯材4に圧縮の残留応力を付与しつつ両者間での剥離を防止するためには、特に0.3〜50とすることが望ましい。
【0016】
さらに、図1では芯材4が1本、すなわち単体の周囲に表皮部材8が被覆された構造について示したが、本発明は図3に示すように、図1の構造体1を例えば4本以上の複数本収束したマルチフィラメント構造である。
【0017】
次に、本発明の多芯複合構造体を構成する複合構造体を製造する方法について図4の模式図をもとに説明する。
【0018】
まず、平均粒径0.01〜3.5μmのダイヤモンド粉末を50〜98重量%と平均粒径10μm以下の鉄族金属粉末を2〜50重量%以下を混合し、これにパラフィンワックス、ポリスチレン、ポリエチレン、エチレン−エチルアクリレ−ト、エチレン−ビニルアセテート、ポリブチルメタクリレート、ポリエチレングリコール、ジブチルフタレート等の有機バインダを添加して混錬して、プレス成形、押出成形または鋳込成形等の成形方法により円柱形状の芯材用成形体4’を成形する(工程(a)参照)。
【0019】
一方、平均粒径0.01〜10μmの硬質粒子または硬質粒子形成成分を70〜95重量%と平均粒径10μm以下の鉄族金属粉末を5〜30重量%との割合で混合し、これに前述のバインダ等を添加して混錬して、プレス成形、押出成形8’または鋳込成形等の成形方法により半割円筒形状の2本の表皮部材用成形体8’を作製し、該表皮部材用成形体8’を前記芯材用成形体4’の外周を覆うように配置した複合成形体を作製する(工程(a)参照)。
【0020】
そして、上記複合成形体を共押出成形することにより芯材4’の周囲に表皮部材8’が被覆された細い径に伸延された複合成形体1’を作製する(工程(b)参照)。
また、マルチフィラメント構造の本発明の多芯複合構造体を作製するには、上記共押出しした長尺状の成形体1’を複数本収束して再度共押出し成形すればよい(工程(c)参照)。
【0021】
さらに、上記伸延された長尺状の成形体を所望により円柱、三角柱、四角柱に成形すればよい。また、整列させてシートとなし、該シートの長尺状の成形体同士が平行、直交または45°等の所定の角度をなすように積層させた積層体とすることもできる。また、公知のラピッドプロトダイビング法等の成形方法によって任意の形状に成形することも可能である。さらには、上記整列したシートまたは該シートを断面方向にスライスした複合構造体シートを従来の超硬合金等の硬質合金焼結体(塊状体)の表面に貼り合わせ、または接合することも可能である。
【0022】
その後、前記成形体を脱バインダ処理した後、超高圧焼成することにより本発明の多芯複合構造体を作製することができる。本発明によれば、芯材4と表皮部材8との鉄族金属の含有比率を所定の範囲内に制御するために、前記焼成条件として、超高圧装置等を用いて圧力4GPa以上、温度1300℃以上で5分〜1時間とすることが望ましい。特に、ダイヤモンド粒子2の平均粒径d1と、硬質粒子6の平均粒径d2との比(d1/d2)が1.0より大きく5000以下である場合には1400℃〜1800℃であることが望ましく、1.0以下である場合1400℃未満であるが望ましい。
【0023】
【実施例】
(実施例)
表1に示す平均粒径のダイヤモンド粒子80〜98重量%に対し、平均粒径2μmのコバルト粉末を2〜20重量%添加し、これにバインダと滑剤を添加して混錬した後、プレス成形により直径16mmの芯材用成形体を作製した。
【0024】
一方、表1に示す硬質粒子粉末80〜90重量%に対し、平均粒径0.5〜2μmのコバルト粉末を10〜20重量%添加し、これにバインダと滑剤を添加して混錬した後、プレス成形により肉厚2mmで半割円筒状の表皮部材用成形体を2本作製し、前記芯材用成形体の周囲に被覆した複合成形体を作製した。
【0025】
そして、前記複合成形体を共押出した伸延された成形体を作製した後、該伸延された成形体100本を収束して再度共押出し成形し、マルチフィラメントタイプの成形体を作製した。その後、該成形体に対して脱バインダ処理を行い、続いて試料を超高圧装置内にセットして圧力5GPaにて、表1の温度条件で焼成して多芯複合構造体を作製した。
【0026】
得られた多芯複合構造体に対して、ヴィッカース硬度(JISR1601に準じる)を測定した。さらに、試料の研磨断面について波長分散型X線マイクロアナリシス分析を行い、鉄族金属のピーク強度の合計量を芯材と表皮部材のそれぞれの平均値について大小を比較した。EPMAの条件は、加速電圧1.5kV、プローブ電流3×10−7A、スポットサイズ2μmである。その結果を表1に示す。
【0027】
また、構造体の組織を観察し、芯材の直径および表皮部材の厚みを測定したところ、各試料の平均は芯材の直径D1=130μm、表皮部材の厚みD2=20μmであった。なお、焼結体中のCoの含有比率は、Coの移動後の結果として、不等号で記載した。
【0028】
また、上記複合構造体用成形体を作製し、その断面方向に厚さ1mmにスライスしたシートを超硬合金と貼り合わせて上記同様の条件にて超高圧焼結し、工具形状(SPGN120408)の超硬合金の切刃をなす位置にロウ付けし、切刃部分が多芯複合構造体からなる切削工具を作製した。
【0029】
得られた切削工具について、以下の切削条件でフライス切削テストを行い、テスト後の刃先のチッピング状態を観察するとともに、摩耗幅を測定した。
その結果を表1に示す。
被削材:ハイシリコンアルミ(Al−16%Si)
切削速度:1000m/min
切込み:2mm
送り:0.1mm/刃
切削時間:60min
【0030】
【表1】
【0031】
【0031】 試料No.1、2ではテスト途中にてチッピングが大きく進行してしまい、また試料No.3では摩耗量52μmと非常に大きな摩耗であった。これに対し、試料No.4〜11の多芯複合構造体を有する工具では、チッピングすることもなく、また、摩耗量が30μm以下と非常に優れた切削特性であることが確認された。
【0032】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明の複合構造体によれば、芯材であるダイヤモンド焼結体中の鉄族金属の含有比率を表皮部材である焼結合金中のそれよりも少なくすることによって、ダイヤモンドが高含有化され、さらに芯部へ圧縮残留応力が付与され、耐衝撃性を維持しつつ、より高硬度な多芯複合構造体となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の多芯複合構造体を構成する複合構造体の一例を示す概略図である。
【図2】 図1の複合構造体の要部拡大図である。
【図3】 本発明の多芯複合構造体の一例を示す概略斜視図である。
【図4】 本発明の多芯複合構造体の製造方法を説明するための概念図である。
【符号の説明】
1 複合構造体
2 ダイヤモンド粒子
3 鉄族金属
4 芯材(ダイヤモンド焼結体)
6 硬質粒子
7 鉄族金属
8 表皮部材(焼結合金)
Claims (4)
- ダイヤモンド粒子間を鉄族金属にて結合したダイヤモンド焼結体からなる中実で平均直径D 1 が2〜200μmの長尺状の芯材の外周を、周期律表4a、5a、6a族金属の群から選ばれる少なくとも1種以上の金属元素(M)の炭化物、窒化物および炭窒化物の群から選ばれる少なくとも1種以上の硬質粒子を鉄族金属にて結合した焼結合金からなる表皮部材にて被覆してなる複合構造体を複数本収束したマルチフィラメント構造の多芯複合構造体であって、前記芯材の平均直径D 1 と前記表皮部材の平均厚みD 2 との比D 2 /D 1 が0.3〜50であり、前記芯材中の鉄族金属の含有比率が前記表皮部材中の鉄族金属の含有比率よりも少ないことを特徴とする多芯複合構造体。
- 前記ダイヤモンド粒子の平均粒径d1が3.5μm以下であることを特徴とする請求項1記載の多芯複合構造体。
- 前記ダイヤモンド粒子の平均粒径d1と、前記硬質粒子の平均粒径d2との比(d1/d2)が1.0より大きく5000以下であることを特徴とする請求項1または2記載の多芯複合構造体。
- 前記鉄族金属の含有比率が芯材から表皮部材に向かって次第に増加することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか記載の多芯複合構造体。
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