JP4398366B2 - ダイヤモンド焼結体ダイス用素材及びダイヤモンド焼結体ダイス - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属線、ステンレス線等各種線材やパイプを伸線加工するのに用いるダイヤモンド焼結体ダイス及びダイヤモンド焼結体ダイス用素材に関する。
【背景技術】
【０００２】
線材やパイプの伸線用として、天然ダイヤモンド、人造単結晶ダイヤさらにはダイヤモンド焼結体を使用したものが知られている。ダイヤモンド焼結体を用いたものには、ダイヤモンド焼結体の外周部を超硬合金等のサポートリングで包囲し補強したものと、サポートリングのないものがある。一般的には、サポートリングのないものは、ダイヤモンド焼結体の直径が６ｍｍ以下程度の小さな外径のダイスに用いられる。
【０００３】
サポートリングのないダイヤモンド焼結体は、ＮｉやＣｕの粉末の中に埋設し焼結することでダイス用素材となる。このとき、ダイヤモンド焼結体は、金属粉末の焼結体と冶金的に接合される。ダイスホルダーの大きさなどにあわせた大きさとするために、ダイス加工業者により通常埋設される。
これに対して、ダイヤモンド焼結体が７ｍｍ以上の外径をもつものは、一般的にサポートリングを備えている。サポートリングは、ダイヤモンド焼結体が伸線により拡大しようとするのを防止する補強材料である。
【０００４】
図２は、従来のダイヤモンド焼結体ダイスであって、ダイヤモンド焼結体１を超硬合金製のサポートリング２で補強したダイヤモンド焼結体ダイス用素材の中心部にダイス穴４を持つダイヤモンド焼結体ダイスを示す。ダイヤモンド焼結体は、超高圧高温で焼結されるので、超硬合金と冶金的に接合している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
通常サポートリング付きのダイヤモンド焼結体の中心部に放電加工等の手段により下穴をあけ、その後研磨して完成品となる。その過程で、ダイスの内面に、穴に垂直に亀裂が発生し不良品となる。歩留まりは、通常７０％から８０％と大変低く従来から、この問題解決のために種々な試みがなされてきた。しかしながら、現在までその解決にはいたらず、この業界で認知された問題であった。
【０００６】
従来のサポートリングを有するダイヤモンド焼結体ダイス用素材は、超硬合金製ケースの中にダイヤモンド粒子や焼結体の原料を混ぜたものと必要により結合材であるＣｏの板を入れ、超高圧高温下で焼結して得られる。従って、ケースの超硬合金とダイヤモンド焼結体は、超高温高圧下で冶金的に接合される。超硬合金はダイヤモンド焼結体より熱膨張係数が大きいので、降温後ダイヤモンド焼結体の径方向に圧縮残留応力が残る。この力が伸線時、ダイヤモンド焼結体を締め付けて補強する。
【０００７】
しかしながら、上述の熱応力は、ダイスの高さ方向にも存在する。サポートリングが、高さ方向に縮もうとするので、ダイヤモンド焼結体の中心部にあけられた穴の表面には高さ方向の引っ張り応力が残留する。このため、ダイヤモンド焼結体の中心部に穴をあけたとき、ダイヤモンド焼結体の穴に垂直な方向に亀裂が発生しやすい。穴をあける前は亀裂がなくとも、穴をあけた後に応力のバランスが崩れ亀裂が発生するものと考えられる。
同様に、ＮｉやＣｕ等の粉末焼結体に埋設されたダイヤモンド焼結体の場合も、ダイス穴の表面に引っ張り応力が生じる。
本発明は、従来からのこれらの問題を解決しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
ダイヤモンド焼結体とサポートリングで構成され、該サポートリングはＷ合金製の円筒体で、その内径はテーパーを有し、該円筒体のテーパーと嵌合するテーパーを持つダイヤモンド焼結体が該サポートリングに圧入されているダイヤモンド焼結体ダイス用素材及びそれを用いたダイスに関する。
【０００９】
前記したダイヤモンド焼結体のダイヤモンド含有量は、７０〜９５体積％であることが望ましい。また、ダイヤモンド焼結体のテーパー面は，放電加工面である。
Ｗ合金は、Ｗを９０〜９８．２重量％、Ｎｉを１．８〜１０重量％含有するものが望ましい。
更に、前記Ｎｉの一部をＣｕ、Ｃｏ、Ｆｅからなる群から選ばれた１種以上で置換することができる。ただし、それぞれの含有量は、Ｗ合金に対して以下の通りである。
Ｃｕ；０〜２．５重量％、
Ｃｏ；０〜１．７重量％、
Ｆｅ；０〜２．８重量％
Ｎｉは、１．８〜７．５重量％の範囲が更に好ましい。
【００１０】
本発明は、上記のダイヤモンド焼結体ダイス用素材の中心部に穴をあけて、ダイヤモンド焼結体ダイスとすることが出来る。このとき、前記ダイヤモンド焼結体の外径の大きい方が、伸線の入り口になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
従来の問題点を把握するために、原因を検討した。従来の超硬合金を外周部に焼結時に接合したダイヤモンドダイス用焼結体は、常温に温度を下げたとき、径方向に収縮すると共に高さ方向にも収縮する。図３は、ダイヤモンド焼結体ダイスの断面図であって、応力状態を有限要素法で計算した結果を示したものである。図の左側は従来のダイスの残留応力、右側は本発明に関するダイスの断面の残留応力を示した図である。図中黒く塗った部分５は、引っ張りの残留応力が高い部分である。
【００１２】
従来のダイヤモンド焼結体は、伸線用の穴の入り口表面部と最も穴の径が小さい表面部に引っ張り応力が残留することが、図３から分かる。そしてダイス穴の加工をするとき、その部分に穴に垂直な方向に亀裂が発生する頻度が高い。
【００１３】
前記した問題点を解決する上で最も重要なことは、ダイヤモンド焼結体とサポートリングが冶金学的に接合しない構造とすることである。一つの考えられる方法は、ダイヤモンド焼結体を工具鋼などの金属製のサポートリングに焼きばめすることにより、冶金学的接合を防ぐことが考えられる。これらの手法で得られたダイヤモンド焼結体ダイスは、いずれも割損し実用的に伸線出来なかった。その理由は、おそらく締め付け強度が不足していたためと思われる。
【００１４】
それに、焼きばめするためには、ダイヤモンド焼結体の外径寸法を正確に仕上げなければならない。しかしながらダイヤモンド焼結体は、難加工性であり焼きばめするのに必要な寸法精度で安く加工することが難しかったことも、実用化できなかった大きな理由の一つである。
【００１５】
本発明は、図１に示すようにテーパー３を付けた円錐台をなすダイヤモンド焼結体１をテーパーの付いたサポートリング２に圧入するので、周方向の締め付け力を確保できる。従って、伸線時の半径方向の力に対して補強する関係になる。しかも、圧入したので高さ方向の残留応力が小さく、穴あけ加工時にも亀裂が発生することはない。なお、ダイヤモンド焼結体は、圧入によってサポートリングのＷ合金と冶金的な結合をしない。本発明のダイヤモンド焼結体ダイスの応力状態を図３の右側に示す。ダイス穴の表面部に残留応力がなく、ダイス穴加工時にも水平割れが発生しない。
【００１６】
ダイヤモンド焼結体１を包囲するサポートリングの材料は、ダイヤモンド焼結体を強く締め付けるためにヤング率の高い材料が望ましい。超硬合金は、その一つの候補である。しかしながら、超硬合金は硬度の高いＷＣを含むために、難加工性の材料であり、テーパー加工費が極めて高くなる。
【００１７】
従って、本発明では、以下に説明するような加工性に優れ、ヤング率の高いＷ合金を用いることができる。Ｗ合金は、Ｗを９０〜９８．２重量％、Ｎｉを１．８〜１０重量％含有することが望ましい。更に、前記Ｎｉの一部をＣｕ、Ｃｏ、Ｆｅからなる群から選ばれた１種以上で置換することができる。ただし、それぞれの含有量は、Ｗ合金に対して以下の通りである。
Ｃｕ；０〜２．５重量％、
Ｃｏ；０〜１．７重量％、
Ｆｅ；０〜２．８重量％
この合金は、自動巻式時計のおもりとして利用でき、Ｗを含むが加工しやすい材料である。そして、Ｗを含むので、熱膨張係数が小さく、ダイスとして使用する時に室温から３５０℃の温度変化に対しては内部の応力状態に大きな変化を起こさない。またこの材料とダイヤモンド焼結体とを焼きばめすることもできる。
また、本発明では上記のＷ合金に代えて、ステンレス鋼を用いることもできる。ステンレス鋼としては比較的降伏強度の高いマルテンサイト系ステンレス鋼が好適に使用でき、特に直径の大きなダイスとして使用する場合に製造コストを低減できる。
【００１８】
本発明のダイヤモンド焼結体は、ダイヤモンドの含有量が７０〜９５体積％の範囲が適している。７０体積％未満であれば耐摩耗性に劣り、９５体積％を越えると焼結体の導電性が低下し放電加工などが困難となるからである。
本発明は、線径の大きなものを伸線するときに特に効果的であり、適用できる範囲は限定されない。望ましい範囲を言えば、サポートリングの外径が１４．５〜３５ｍｍ、その中に圧入されるダイヤモンド焼結体の外径は９〜１９ｍｍ、高さが７．５〜１９ｍｍ程度の大きさのものに特に適している。ダイヤモンド焼結体の外径が９ｍｍ未満の場合は、焼結体の単価が安くなり本発明のような圧入タイプの方法では価格的に対応しにくい。また、外径が１９ｍｍを越える場合、通常工業的には圧延ロールを用いて線径を小さくする範囲である。しかしながら、ダイスを用いる方が品質的に高くなるので、用途によっては例え外径が１９ｍｍ以上であってもダイスが使用される。
【００１９】
サポートリングのないダイヤモンド焼結体はサポートリングの有るダイヤモンド焼結体に比較して、１回の超高圧、高温焼結で得られるダイヤモンド焼結体の収量が多い。超高圧、高温の焼結は大きな設備を使うので、一回当たりの焼結体の収量がダイスコストに大きく影響する。本発明は、円板状のダイヤモンド焼結体から、一般的に放電ワイヤーカットによりテーパー状の円錐台を切り出し、それをテーパー付のサポ−トリングに圧入してダイヤモンド焼結体ダイス用素材とするので、容積効率が高い。これに対して従来例では、サポートリングとダイヤモンド焼結体を同時に焼結するので、容積的な効率が悪い。
【００２０】
本発明の別の特徴は、圧入するダイヤモンド焼結体のテーパー面が放電加工したままになっていることである。従来、放電加工による寸法精度は、悪く、サポート材への圧入代を高精度に得ることが困難であった。本発明者らは、放電加工の条件を種々検討し、放電加工のみで０．０１ｍｍの精度で加工が可能になった。
従来放電加工されたダイヤモンド焼結体の表面には、数μｍの厚さの表面変質層が形成され、この層を除かなければ圧入出来なかった。そして、除去するためには研磨加工しかないと考えられていた。本発明者らは放電加工の条件を種々検討し、ダイヤモンド焼結体の円板から円錐台を切断後、さらに電流を下げて放電加工することで表面変質層を極力薄くすることに成功した。
【００２１】
また、テーパーの大きさとしては、１／１００から５／１００の範囲が望ましい。１／１００より小さいテーパーでは締め付け力が不足しかつ冶金的に接合されていないので、ダイス使用時にサポートリングからダイヤモンド焼結体が伸線方向に抜け出る可能性が有る。また、５／１００を越えると、圧入時の摩擦力が大きくなり、ダイヤモンド焼結体が破損する可能性がある。更に好ましくは、２／１００〜４／１００の範囲である。
【実施例１】
【００２２】
粒子径が５μｍ〜２５μｍのダイヤモンド粉末が９０体積％〜９２体積％となるよう、Ｃｏ粉末を混ぜて、ボールミル中で混合と粉砕をした。この粉末をW製の容器に入れて、その上に更にＣｏの板を載せて、１５００゜Ｃで５ＧＰａの圧力で焼結した。その焼結体の表面からW製の容器を研削除去して円板とした。放電加工によって、テーパーの小さい方の直径が１６ｍｍ、厚さ１６ｍｍで、３／１００のテーパーを持つ円錐台をワイヤー放電加工により切断した。切断後さらに電流を下げて、放電加工変質層と切残し部を放電加工により除去した。切残し部とは、ワイヤー放電加工のワイヤーのスタート点と終点の間に生じる凸部である。このようにして、ダイヤモンド焼結体ダイス用素材を１０個製作した。
【００２３】
一方、９５．４重量％のＷと３．０５重量％のＮｉと１．５５重量％のＦｅの夫々の粉末を混合し、水素雰囲気中で焼結し、外径２５ｍｍ、厚さ１６．５ｍｍの焼結体を１０個作製した。
この焼結体を、外径２４．１３ｍｍ、テーパーの小さい方の内径が１６ｍｍ、厚み１６ｍｍに加工した。内径は、３／１００のテーパーを持つように加工した。
【００２４】
得られたダイヤモンド焼結体とサポートリングを嵌合して、この二つを総加重６トンで圧入して、ダイヤモンド焼結体ダイス用素材とした。この素材の上下を逆にしてダイヤモンド焼結体を突き出すには、３．５トンの総加重が必要であった。
１０個のダイヤモンド焼結体ダイス用素材に、直径６ｍｍの伸線用ダイス穴を、ダイヤモンド焼結体のテーパーの大きい方が伸線の入り口となるようにして加工した。１０個全て良品で穴に垂直な亀裂はできなかった。そして、銅パイプを伸線することができた。
【実施例２】
【００２５】
実施例１において、Ｗ合金の組成のみを表１に示すように変えて、サポートリングをそれぞれ１０個作製した。実施例１と同様にして作製したダイヤモンド焼結体を前記のサポートリングに嵌合して、それぞれ１０個のダイス加工を製作した。穴に水平な亀裂はなく、いずれも良品であった。
【００２６】
【表１】

【産業上の利用可能性】
【００２７】
以上説明の通り、本発明は大きな線径のものを伸線するときに必要な、大型のダイスを提供しようとするものである。即ち、応力のバランスがいいので、ダイス加工時にも割れることがない。従来は低い歩留まりを仕方なく受け入れて製造していたが、本発明により歩留まりが格段に向上し、工場などに於ける生産計画が立てやすくなると言う優れた効果がある。
【００２８】
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によって得られた、ダイヤモンド焼結体ダイスの断面図。
【図２】 超硬合金とダイヤモンド焼結体を焼結時に接合した従来のダイヤモンド焼結体ダイスの断面図。
【図３】 応力状態を示す断面概念図で、左側は従来のダイス、右側は本発明のダイスである。

Claims (10)

1. ダイヤモンド焼結体とサポートリングとを備えるダイヤモンド焼結体ダイス用素材であって、
   前記サポートリングはＷ合金製もしくはステンレス鋼製の円筒体で、その内径はテーパーを有し、
   前記ダイヤモンド焼結体は前記円筒体のテーパーと嵌合するテーパーを有し、
   前記ダイヤモンド焼結体は前記サポートリングに圧入され、サポートリングの締め付けによりサポートリングから抜け出ないように構成されることを特徴とするダイヤモンド焼結体ダイス用素材。
2. 前記ダイヤモンド焼結体は、ダイヤモンド含有量が、７０〜９５体積％であることを特徴とする請求項１記載のダイヤモンド焼結体ダイス用素材。
3. 前記ダイヤモンド焼結体のテーパー面が、放電加工面であることを特徴とする請求項１記載のダイヤモンド焼結体ダイス用素材。
4. 前記Ｗ合金が、Ｗを９０〜９８．２重量％、Ｎｉを１．８〜１０重量％含有することを特徴とする請求項１記載のダイヤモンド焼結体ダイス用素材。
5. 前記Ｎｉの一部をＣｕ、Ｃｏ、Ｆｅからなる群から選ばれた１種以上で置換してなることを特徴とする請求項４記載のダイヤモンド焼結体ダイス用素材。ただし、それぞれの含有量は、Ｗ合金に対して以下の通りである。
   Ｃｕ；０〜２．５重量％、
   Ｃｏ；０〜１．７重量％、
   Ｆｅ；０〜２．８重量％
6. ダイヤモンド焼結体とサポートリングとを備えるダイヤモンド焼結体ダイスであって、
   前記サポートリングはＷ合金製もしくはステンレス鋼製の円筒体で、その内径はテーパーを有し、
   前記ダイヤモンド焼結体はその中心部に伸線用の穴を有すると共に、前記円筒体のテーパーと嵌合するテーパーを有し、
   前記ダイヤモンド焼結体は前記サポートリングに圧入され、サポートリングの締め付けによりサポートリングから抜け出ないように構成されることを特徴とするダイヤモンド焼結体ダイス。
7. 前記ダイヤモンド焼結体の外径の大きい方が、伸線の入り口になることを特徴とする請求項６記載のダイヤモンド焼結体ダイス。
8. 前記ダイヤモンド焼結体のテーパー面が、放電加工面であることを特徴とする請求項６記載のダイヤモンド焼結体ダイス。
9. 前記Ｗ合金が、Ｗを９０〜９８．２重量％、Ｎｉを１．８〜１０重量％含有することを特徴とする請求項６記載のダイヤモンド焼結体ダイス。
10. 前記Ｎｉの一部をＣｕ、Ｃｏ、Ｆｅからなる群から選ばれた１種以上で置換してなることを特徴とする請求項９記載のダイヤモンド焼結体ダイス。ただし、それぞれの含有量は以下の通りである。
    Ｃｕ；０〜２．５重量％、
    Ｃｏ；０〜１．７重量％、
    Ｆｅ；０〜２．８重量％

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