JP4270515B2

JP4270515B2 - 伸線ダイス用素材及び伸線ダイス

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Publication number: JP4270515B2
Application number: JP2005280406A
Authority: JP
Inventors: 豊小林; 忠士山口
Original assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Current assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Priority date: 2005-09-27
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2009-06-03
Anticipated expiration: 2025-09-27
Also published as: JP2007090371A

Description

本発明は、高硬度金属線材や中空パイプなどを伸線する高硬度複合焼結体製の伸線ダイス用素材及びそれを用いて作製した伸線ダイスに関する。

従来、金属線などの伸線ダイス用素材として、ダイヤモンド焼結体あるいはダイヤモンド焼結体の周囲を超硬合金などのサポート材で支持したものが使用されている。ダイヤモンド焼結体はダイス用素材として優れた性能を有するものであるが、溶接用線やステンレス線、スチールコードなどの高硬度線を伸線する場合には、伸線時にダイスに過度の応力が加わることにより、横割れなどを生じる問題があった。
この問題を解決する手段として、例えば、図２に示すようにダイヤモンド焼結体０１の周囲を、超硬合金やサーメットからなる支持体０２で底部まで連続的に連なるように包囲した高硬度複合焼結体０３とした伸線用ダイス素材（特許文献１参照）や、ダイヤモンドやＣＢＮ等の焼結多結晶成形体部材と周囲の焼結金属炭化物支持体部材との境界面を非円筒型とすることによって残留応力を調整し、割れを抑制した線引きダイス（特許文献２、特許文献３参照）などが提案されている。

しかしながら、特許文献１のダイス素材においても、連続的に連なるような周囲構成部分をダイヤモンドと一体焼結する場合、焼結前のダイヤモンド粉末の密度と超硬合金等の密度とに大きな差があるので、超高圧焼結においてはダイヤモンドが収縮するのに対し超硬合金等は収縮しないため、その界面近傍において引張応力が生じ、焼結が不安定になりやすく、コストも高くなっていた。また、周囲構成部分の材質を臨機応変に変更することはできないため応力の制御ができず、その結果焼結中に周囲構成部分に過度の引張応力が働くことがあり、伸線中に縦方向に割れることが多かった。
また、特許文献２及び３のダイスの場合も、ダイヤモンド焼結体などの焼結多結晶成形体部材が不均一な形状をしているため焼結条件に敏感で、超高圧焼結時の支持体部材との熱収縮差により内部歪みが生じることや、焼結時の焼結多結晶成形体部材内部の温度分布不均一によりダイス内部の歪みが不均一となり、焼結中や伸線中に縦方向に割れることがあった。また、形状制御が難しくコストも高くなっていた。
特公平６−３８５７０号公報特開平９−１２２７号公報特開平１１−３１４１１２号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたものであり、高硬度複合焼結体製の伸線ダイス用素材であって、複合焼結体部分の応力分布が改良され、伸線時に割れの発生が少ない高強度でしかも安価な伸線ダイス用素材及びそれを用いて作製した伸線ダイスを提供することを目的とする。

本発明は、前記引用文献１に記載されているダイヤモンド焼結体の周囲を、超硬合金やサーメットで底部まで連続的に連なるように包囲した高硬度複合焼結体製の伸線ダイス用素材の改良技術であり、ダイヤモンド焼結体の周囲を包囲する超硬合金やサーメットなどのサポート材を、周囲を覆う部分と底部を覆う底板部分とに分割し、両者をロウ材で接着させることによって、歪みや過度の引張応力の発生を抑制したものである。

すなわち本発明は、次の（１）〜（５）の構成を含むものである。
（１）多結晶ダイヤモンド又は立方晶窒化硼素を主成分とする高硬度材が、第１の金属サポート材で囲繞され一体焼結された高硬度複合焼結体の上面又は下面に、ロウ材を用いて第２の金属サポート材が接着されてなることを特徴とする高硬度複合焼結体製の伸線ダイス用素材。
（２）前記高硬度材が、多結晶ダイヤモンドを６０〜９８ｗｔ％含有する材料であることを特徴とする前記（１）の高硬度複合焼結体製の伸線ダイス用素材。
（３）前記高硬度材が、立方晶窒化硼素を３０〜９７ｗｔ％含有する材料であることを特徴とする前記（１）の高硬度複合焼結体製の伸線ダイス用素材。
（４）前記高硬度材が、超高圧合成法により合成された材料であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかの高硬度複合焼結体製の伸線ダイス用素材。
（５）前記（１）〜（４）のいずれかの高硬度複合焼結体製の伸線ダイス用素材の高硬度焼結体の中心部に上面から下面方向に貫通孔が形成されてなることを特徴とする伸線ダイス。

金属ロウ材はその組成により熱収縮率が異なることから高収縮率のロウ材を接着剤として金属サポート材を接着すれば、複合焼結体部分の圧縮応力を増大させることができ、伸線時に線材に対し高圧縮応力が働くので高強度の伸線ダイスを作製することができる。さらに複合焼結体の上面又は下面に熱収縮率の異なる金属サポート材を使用することにより、複合焼結体部分の内部応力を自由にコントロールすることができる。

以下、本発明の高硬度複合焼結体製の伸線ダイス用素材及びそれを用いて作製した伸線ダイスについて、詳細に説明する
図１は本発明の高硬度複合焼結体製の伸線ダイス用素材で作製した伸線ダイスの１例を模式的に示す概略断面図である。図１の例において、高硬度材１はその外周面（高硬度材の中心部に形成された貫通孔６の上端から下端までの側面）に第１の金属サポート材２が一体焼結されて高硬度複合焼結体３を構成している。この複合焼結体３の下面には第２の金属サポート材４がロウ材５により接着されている。

本発明の高硬度複合焼結体製の伸線ダイス用素材における高硬度材としては公知の多結晶ダイヤモンド又は立方晶窒化硼素を主成分とする高硬度材を用いることができる。多結晶ダイヤモンドを主成分とする高硬度材としては、例えば粒径０．１〜１００μｍのダイヤモンド粉末を６０〜９８ｗｔ％含有し、残部がＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ及びＷから選ばれる１種以上からなるものが好ましい。
立方晶窒化硼素を主成分とする高硬度材としては、例えば粒径０．１〜１００μｍの立方晶窒化硼素を３０〜９９ｗｔ％含有し、残部がＴｉＮ、ＴｉＣ、ＡｌＮ及びＡｌから選ばれる１種以上からなるものが好ましい。
これらの高硬度材としては、３〜７ＧＰａ程度の超高圧合成法により合成した多結晶ダイヤモンド又は立方晶窒化硼素が好ましい。

本発明の伸線ダイス用素材における第１の金属サポート材としては、公知の超硬合金又はサーメットを用いることができる。例えばＷ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｎｂから選ばれる少なくとも１つの炭化物、窒化物若しくはそれらの固溶体を主成分とし、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる鉄族金属をバインダーとして含有するものが好ましい。

本発明の高硬度複合焼結体製伸線ダイス用素材における第２の金属サポート材としては、第１の金属サポート材と同様の超硬合金又はサーメットを用いることができる。なお、第１の金属サポート材と第２の金属サポート材とは同一組成物でなくてもよい。

本発明の高硬度複合焼結体製伸線ダイス用素材において使用するロウ材としては、Ｔｉを主成分とする活性ロウ材が好ましい。

本発明の高硬度複合焼結体製伸線ダイス用素材及び伸線ダイスは、例えば次の工程に従って製造することができる。
平均粒径が０．１〜１００μｍ、好ましくは０．５〜５０μｍの多結晶ダイヤモンド粉末又は立方晶窒化硼素粉末に、該ダイヤモンド粉末又は立方晶窒化硼素粉末の割合が、ダイヤモンド粉末では６０〜９８ｗｔ％、好ましくは８５〜９５ｗｔ％、立方晶窒化硼素粉末では３０〜９９ｗｔ％、好ましくは５０〜９９ｗｔ％となるようにバインダー金属を混合し、この混合粉末を第１の金属サポート材製容器に充填、封入し、５ＧＰａ、１５００℃の超高圧条件で一体焼結して高硬度複合焼結体を作製する。
なお、高硬度材である多結晶ダイヤモンド又は立方晶窒化硼素は、粉末状態で第１の金属サポート材で囲繞して一体焼結してもよいし、多結晶ダイヤモンド粉末又は立方晶窒化硼素粉末を一旦焼結させて焼結体とした後、第１の金属サポート材で囲繞して一体焼結してもよい。

このようにして作製した高硬度複合焼結体に、Ｔｉを主成分とする活性ロウ材を用いて、例えば約８００℃で２時間程度加熱することによって、第２の金属サポート材を真空ロウ付けする。
次いで、第２の金属サポート材をロウ付けした高硬度複合焼結体をステンレス鋼製のケースに入れ、Ｎｉ系の焼結合金粉末を充填し、約６００℃に加熱、加圧して一体成形して伸線ダイス用素材を得る。なお、寸法及び用途によっては熱膨張差を利用してマウントする方法によっても一体成形することができる。
得られた成形体（伸線ダイス用素材）の中心部に放電加工、レーザー加工などにより貫通孔を開け、内面を０．１〜１０μｍのダイヤモンドパウダーで研磨して所定の孔形状とすることにより伸線ダイスを得ることができる。

本発明の伸線ダイスと従来の伸線ダイスにおける応力の状態を図３に示す。図３（ａ）の従来の伸線ダイスは、ダイヤモンド焼結体０１を囲む金属サポート材０４が一体に成形されているため、ダイヤモンド焼結体０１の部分に加えることができる引張応力が制御できなかった。そのため、金属サポート材０４の素材によってはダイヤモンド焼結体０１の部分に対し圧縮応力が加わり過ぎて水平亀裂を発生させることがあった。
これに対し図３（ｂ）の本発明の伸線ダイスは、金属サポート材を第１と第２の２つに分け、高硬度材１とその周囲を囲む第１の金属サポート材２のみを一体焼結し、底板部を形成する第２の金属サポート材４はロウ材５でロウ付けするので、高硬度材１に加える引張応力を制御することができる。そのため、高硬度材１に適度な応力を加えることができ、使用する線材に応じて高硬度材１の内部応力を変更することにより、長寿命の伸線ダイスを作製することが可能となる。

（実施例１）
高硬度複合焼結体製伸線ダイス用素材を製造し、それを用いて図１に示す構成の伸線ダイスを作製して伸線試験を行った。
先ず、超高圧合成法で合成した多結晶ダイヤモンドを９２ｗｔ％含有し、残部がＣｏの組成の、高硬度材１の周囲をＷＣ：８２ｗｔ％、Ｃｏ：１５ｗｔ％を含む超硬合金からなる第１の金属サポート材２で囲み一体焼結して高硬度複合焼結体３を作製した。
次いで、得られた高硬度複合焼結体３の底部に、高融点金属ロウ材（ｗｔ％でＴｉ：２５％、Ｚｒ：２７％、Ｃｕ：４８％）を使用し、真空中で８００℃に加熱することによってハイス鋼からなる第２の金属サポート材４を接着し、高硬度複合焼結体製伸線ダイス用素材（高硬度材の部分の径：７ｍｍ、厚み：５．３ｍｍ、サポートリングの径：１３．６ｍｍ、全体の厚み：１５．６５ｍｍ）を作製した。

このダイス素材を、外径２５ｍｍ、高さ１２ｍｍのステンレスケース（ＳＵＳ３０４製）の中にマウントし、直径１．７５ｍｍ、リダクション１３度ベアリング３０％の伸線用ダイス穴を持つ伸線ダイスを作製した。
このダイスを用いて溶接用棒の伸線を行ったところ、従来ダイス（上記と同じ組成の高硬度材であるダイヤモンド焼結体０１を、上記と同じ超硬合金からなる支持体０２で底部まで連続して覆い、一体焼結した図２の構造のダイス）の１．５倍以上の寿命を達成することができた。また、伸線後のダイスは横割れや縦割れは見られなかった。

（実施例２）
素材を変えて実施例１と同様の試験を行った。すなわち、超高圧合成法で合成した立方晶窒化硼素を８０ｗｔ％含有し、残部が窒化アルミニウムの組成の、高硬度材１の周囲をＷＣ：８２ｗｔ％、Ｃｏ：１５ｗｔ％を含む超硬合金からなる第１の金属サポート材２で囲み一体焼結して高硬度複合焼結体３を作製した。
次いで、得られた高硬度複合焼結体３の底部に、高融点金属ロウ材（ｗｔ％でＴｉ：２％、Ａｇ：７０％、Ｃｕ：２８％）を使用し、真空中で８００℃に加熱することによってＷを９０．２ｗｔ％、Ｎｉを５ｗｔ％を含有する（残部：Ｆｅ：Ｃｏ）合金からなる第２の金属サポート材４を接着し、高硬度複合焼結体製伸線ダイス用素材（寸法は実施例１のものと同じ）を作製した。

このダイス素材を、外径２５ｍｍ、高さ１２ｍｍのステンレスケース（ＳＵＳ３０４製）の中にマウントし、直径１．７５ｍｍ、リダクション１３度ベアリング３０％の伸線用ダイス穴を持つ伸線ダイスを作製した。
このダイスを用いてステンレス線の伸線を行ったところ、従来ダイス（上記と同じ組成の高硬度材０１を、上記と同じ超硬合金からなる支持体０２で底部まで連続して覆い、一体焼結した図２の構造のダイス）の１．５倍以上の寿命を達成することができた。また、伸線後のダイスは横割れや縦割れは見られなかった。

本発明に係る高硬度複合焼結体製伸線ダイス用素材は高い強度を有しており、長寿命の伸線ダイスを作製することができ、溶接用線、ステンレス線、スチールコードなどの高硬度金属線材や中空パイプ等を伸線するダイスの分野において、産業上高い利用価値を有するものである。

本発明の高硬度複合焼結体製伸線ダイス用素材を用いて作製した伸線ダイスの１例を模式的に示す概略断面図。従来の高硬度複合焼結体製伸線ダイス用素材を用いて作製した伸線ダイスの１例を模式的に示す概略断面図。本発明の伸線ダイスと従来の伸線ダイスにおける応力の状態を模式的に示す概略断面図。

符号の説明

１高硬度材
２第１の金属サポート材
３高硬度複合焼結体
４第２の金属サポート材
５ロウ材
６貫通孔
０１ダイヤモンド焼結体
０２支持体
０３高硬度複合焼結体
０４金属サポート材
０６貫通孔

Claims

多結晶ダイヤモンド又は立方晶窒化硼素を主成分とする高硬度材が、第１の金属サポート材で囲繞され一体焼結された高硬度複合焼結体の上面又は下面に、ロウ材を用いて第２の金属サポート材が接着されてなることを特徴とする高硬度複合焼結体製の伸線ダイス用素材。
前記高硬度材が、多結晶ダイヤモンドを６０〜９８ｗｔ％含有する材料であることを特徴とする請求項１に記載の高硬度複合焼結体製の伸線ダイス用素材。
前記高硬度材が、立方晶窒化硼素を３０〜９９ｗｔ％含有する材料であることを特徴とする請求項１に記載の高硬度複合焼結体製の伸線ダイス用素材。
前記高硬度材が、超高圧合成法により合成された材料であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の高硬度複合焼結体製の伸線ダイス用素材。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の高硬度複合焼結体製の伸線ダイス用素材の高硬度焼結体の中心部に上面から下面方向に貫通孔が形成されてなることを特徴とする伸線ダイス。