JP4796316B2 - 複合繊維体およびこれを用いた切削工具 - Google Patents

Description

本発明は、長尺状の芯材が表皮材で被覆された複合繊維体およびこれを用いた切削工具に関する。

従来から、材料の硬度および強度とともに靱性を改善するために、金属の酸化物、炭化物、窒化物、炭窒化物等の焼結体で形成される長尺状の芯材の外周面を他の焼結体で形成される表皮材で被覆した複合繊維体（繊維状の複合材料）が知られている。この複合繊維体としては、例えば特許文献１に記載されたものが挙げられる。

しかしながら、この特許文献１に記載されているような従来の複合繊維体では、例えば切削工具の切刃部等に必要とされる高い硬度および強度と優れた靱性とを兼ね備えたものを得ることは困難であり、その結果、充分な耐摩耗性や耐欠損性（耐チッピング性）が得られないという問題がある。

ところで、ダイヤモンドは最も硬い物質であり、そのダイヤモンドを用いたダイヤモンド質焼結体は優れた耐摩耗性を有することが知られている。このため、ダイヤモンド質焼結体は、切削工具、掘削工具等の各種工具や、線引きダイスのような耐摩耗分野で用いられている。

一般に、ダイヤモンド質焼結体は、Ｃｏ等の鉄族金属を結合材としている。特許文献２には、機械加工用のダイヤモンドバイトにおいて、ダイヤモンド結晶が隣接するダイヤモンド結晶と直接結合しており、ダイヤモンド結晶材の塊が焼結炭化物支持材（結合材）の塊と直接結合している複合物（ダイヤモンド質焼結体）が記載されている。このダイヤモンド質焼結体は、ダイヤモンド粉末をＷＣ−Ｃｏ超硬合金母材上に配置し、ついで、高温高圧下で超硬合金母材からＣｏあるいはＣｏ−Ｗ−Ｃ共晶液相をダイヤモンド粉末中に溶浸させ、焼結することによって得ている。

しかしながら、上記ダイヤモンド質焼結体は、耐摩耗性を損なわないようにするために、結合材を少量に抑え、残部をダイヤモンドが直接結合した組織を形成するようにしている。このため、このような焼結体をＡｌ−Ｓｉ合金やＴｉ合金の切削加工あるいは掘削加工に使用した場合には、加工中にダイヤモンド粒子が脱落して摩耗が大きく進行したり、ダイヤモンド粒子の境界面を起点として焼結体が欠損（チッピング）するという問題がある。

米国特許６０６３５０２号明細書 特公昭５２−１２１２６号公報

本発明の課題は、優れた耐摩耗性および耐欠損性を備えた複合繊維体、並びにこれを用いた切削工具を提供することである。

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、ダイヤモンド質焼結体からなる長尺状の芯材の外周面を、カーボンナノチューブを所定量含有した焼結合金からなる表皮材で被覆することによって、カーボンナノチューブの特長である高い靭性および体積弾性率に起因して、被削材が溶着しやすいという従来の表皮材の欠点を改善し耐溶着性を高め、また、表皮材が高硬度化することにより耐摩耗性を向上させ、しかも高靭性化が達成できる結果、耐摩耗性および耐欠損性に優れた複合繊維体が得られるという新たな知見を見出し、本発明を完成するに至った。

より詳細には、表皮材がカーボンナノチューブを含有した焼結体で構成されることで、ダイヤモンド焼結体に近い高い硬度を有し、かつ、高い体積弾性率に起因する高い靭性を有する焼結体が得られる。これにより、表皮材を高硬度化することができ、かつクラックの進行を抑制する繊維強化作用が発揮され、複合繊維体の破壊靱性を向上できるので、表皮材中の金属量を少なくすることができる。その結果、加工物に対して溶着しにくくなるとともに、複合繊維体の耐摩耗性が向上する。さらに、ダイヤモンド質焼結体からなる芯材と表皮材との間の熱膨張係数差などにより発生する残留応力を緩和する効果を発揮して、欠損を効果的に抑制することができるので、耐摩耗性と耐欠損性を両立させた複合繊維体を得ることができる。

すなわち、本発明における複合構造体およびこれを用いた切削工具は、以下の構成からなる。
(1)ダイヤモンド粒子間を鉄族金属で結合したダイヤモンド質焼結体からなる長尺状の芯材の外周面を、周期律表４ａ，５ａ，６ａ族金属の群から選ばれる少なくとも１種の金属元素の炭化物、窒化物および炭窒化物のうち１種以上の硬質粒子を鉄族金属で結合した焼結合金からなる表皮材で被覆してなる複合繊維体であって、前記表皮材がカーボンナノチューブを１〜４５体積％含有することを特徴とする複合繊維体。
(2)前記芯材は前記カーボンナノチューブを含有しないか、または前記カーボンナノチューブを０．５体積％以下含有する(1)に記載の複合繊維体。
(3)前記複合繊維体の断面観察において、前記カーボンナノチューブの平均直径が１〜５００ｎｍ、アスペクト比が２〜５００である(1)または(2)に記載の複合繊維体。
(4)前記カーボンナノチューブの表面の一部または全部が、周期律表４ａ，５ａ，６ａ族金属、ＡｌおよびＳｉから選ばれる少なくとも１種の金属、または該金属の炭化物、窒化物および炭窒化物の少なくとも１種で被覆されている(1)〜(3)のいずれかに記載の複合繊維体。
(5)前記カーボンナノチューブが複合繊維体の長尺方向に配向している(1)〜(4)のいずれかに記載の複合繊維体。
(6)少なくとも切刃部が(1)〜(5)のいずれかに記載の複合繊維体からなることを特徴とする切削工具。
(7)前記カーボンナノチューブが、該カーボンナノチューブの配向方向と少なくとも前記切刃部の切刃稜線における接線とのなす角度αが２°以上となるように配向している(6)に記載の切削工具。
(8)前記カーボンナノチューブの配向方向とノーズＲ部の頂点における接線とのなす角度αが４５°以上である(6)または(7)に記載の切削工具。
(9)前記カーボンナノチューブの配向方向とすくい面とのなす角度θが０〜４５°である(6)〜(8)のいずれかに記載の切削工具。
(10)工具本体と、該工具本体の取付座にろう付けされた切刃チップとからなり、該切刃チップの少なくとも前記切刃部が前記複合繊維体からなる(6)〜(9)のいずれか記載の切削工具。

上記（１），（２）に記載の発明によれば、被削材に対する耐溶着性が高く、かつ高硬度で高靭性であることから耐摩耗性および耐欠損性に優れた複合繊維体が得られる。特に、（２）に記載の発明によれば、芯材自体の硬度を高めて複合繊維体の耐摩耗性をさらに向上できることから、例えば切削工具として用いた場合にはフランク摩耗を低減できる。上記（３）に記載の発明によれば、カーボンナノチューブの繊維強化作用を高め、複合繊維体が優れた強度、靱性を発揮することができる。上記（４）に記載の発明によれば、焼成時にカーボンナノチューブが酸化して分解したり、焼結時に結合相（表皮材における鉄族金属）中へ溶解してカーボンナノチューブが細くなってしまい本来の効果が発揮できなくなるのを抑制することができる。上記（５）に記載の発明によれば、外部応力に対してカーボンナノチューブの繊維強化作用を効果的に発揮させることができ、切削工具として用いる場合には、切刃位置でのカーボンナノチューブの配列状態を簡単に調整することができる。

カーボンナノチューブは繊維の側方から受ける力（繊維を折り曲げようとする力）に対する強度が高い。したがって、上記（６）〜（９）に記載の切削工具では、カーボンナノチューブを含有しているので、カーボンナノチューブの長手方向で切削時にかかる応力を分散して受け止めることができる。このように本発明の切削工具は、切削時の応力を確実に分散させることができ、切刃の欠損を効果的に抑制することができる。
特に（９）に記載の切削工具によれば、高い体積弾性率を有するカーボンナノチューブの長手方向で切削時にかかる応力を受け止めることによって、カーボンナノチューブの特性が十分に発揮され、高い耐欠損性を実現することが可能となる。
上記（１０）に記載の切削工具によれば、切刃チップを工具本体の取付座にろう付けするタイプであるので、切刃位置でのカーボンナノチューブの配列状態を簡単に調整することができる。また、切削工具の複数のコーナーに切刃を設ける場合であっても、カーボンナノチューブの配列状態を簡単に調整することができる。

＜複合繊維体＞
以下、本発明の一実施形態にかかる複合繊維体について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態の複合繊維体を示す斜視図である。同図に示すように、複合繊維体１は長尺状の芯材２の外周面が表皮材３で被覆された構造を有している。

芯材２は、ダイヤモンド粒子間を鉄族金属で結合したダイヤモンド質焼結体からなる。ダイヤモンド粒子の平均粒径は好ましくは５０μｍ以下、より好ましくは０．１〜１０μｍであるのがよい。また、鉄族金属としては、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）が挙げられる。このうち、Ｃｏを必須として含有するのが、ダイヤモンド粒子の脱粒を抑制できる点で望ましく、さらには鉄族金属としてＣｏのみからなることが、ダイヤモンド粒子の結合力を高めかつ切削工具として用いたときの耐溶着性の点で望ましい。また、鉄族金属の含有量は４〜１０体積％であることが望ましい。

上記ダイヤモンド質焼結体中のダイヤモンド粒子の含有量は好ましくは５０〜９８体積％、より好ましくは７５〜９２体積％であるのがよい。ダイヤモンド粒子の含有量がこの範囲内であることにより、焼結体としての硬度を維持して工具としての耐摩耗性を維持でき、かつダイヤモンド粒子を強固に保持してダイヤモンド粒子の脱粒を抑制し摩耗が進行するのを抑制できる。

表皮材３は、周期律表４ａ，５ａおよび６ａ族金属の群から選ばれる少なくとも１種の金属元素の炭化物、窒化物および炭窒化物のうち１種以上の硬質粒子を鉄族金属で結合した焼結合金からなる。硬質粒子としては、例えばＷＣ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮ、ＴａＣ、ＮｂＣ、ＺｒＣ、ＺｒＮ、ＶＣ、Ｃｒ₂ＣおよびＭｏ₂Ｃからなる群より選ばれる少なくとも１種が挙げられる。また、鉄族金属としては、芯材２で例示したものと同様のものが挙げられる。なお、上記した硬質粒子は、芯材２をなすダイヤモンド質焼結体中に１０体積％以下の割合で含有させてもよい。

表皮材３は、カーボンナノチューブを１〜４５体積％含有する。これにより、表皮材３の耐溶着性を高めるとともに、表皮材３を高硬度化することができる。これに対し、カーボンナノチューブの含有量が１体積％より小さいと、カーボンナノチューブを含有する効果が発揮されず、また４５体積％より多いと、カーボンナノチューブの凝集物が生成し、その凝集物が破壊源となって欠損が発生するおそれがある。

芯材２は、カーボンナノチューブを含有しないか、またはカーボンナノチューブを０．５体積％以下で含有するのがよい。カーボンナノチューブを０．５体積％以下の範囲内で含有する場合には、ダイヤモンド粒子の脱粒を抑制することができ、しかも芯材２が高硬度を維持することができる。また、カーボンナノチューブを含有しない場合には、芯材２が極めて高い硬度を維持することができる。

本発明におけるカーボンナノチューブとは、炭素で構成された直径がｎｍオーダーの管のことを意味する。特に、本発明では、複合繊維体１の断面観察において、カーボンナノチューブの平均直径が１〜５００ｎｍ、アスペクト比が２〜５００であることが望ましく、カーボンナノチューブの特長をより効果的に発揮させるためには、平均直径が５〜２００ｎｍ、アスペクト比が５〜２００であるのがより望ましい。なお、複合繊維体の断面観察は、複合繊維体をカットし、その断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて観察することにより行われる。

上記カーボンナノチューブの平均直径が１ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内であると、カーボンナノチューブを表皮材３中に均一に混合分散させることができ、かつ破壊源となる可能性も低くなる。また、カーボンナノチューブのアスペクト比が５〜２００の範囲内であると、カーボンナノチューブの繊維形状から得られる効果（繊維強化作用）を発揮し、しかも従来から公知の混合方法で均一分散させることも可能である。

さらに、カーボンナノチューブは、その表面の一部または全部が、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属、Ａｌ（アルミニウム）およびＳｉ（シリコン）から選ばれる少なくとも一種の金属、または該記金属の炭化物、窒化物および炭窒化物の少なくとも１種で被覆されているのが好ましい。これにより、カーボンナノチューブが結合相として機能する鉄族金属へ溶解することによる繊維強化作用の低下を抑制できると共に、加工中の耐酸化性を高めることができる。特に、本発明では、簡単に製造することができる点で、Ｔｉ（チタン）、Ｓｉ（シリコン）が望ましい。また、より細いカーボンナノチューブを用いる場合には、特に上記被覆が効果的である。

前記周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属、Ａｌ（アルミニウム）およびＳｉ（シリコン）から選ばれる少なくとも一種の金属、または該記金属の炭化物、窒化物および炭窒化物としては、例えば金属Ｔｉ、金属Ｓｉ、ＴｉＣおよびＳｉＣの群から選ばれる１種または２種以上等が挙げられる。

前記カーボンナノチューブは、複合繊維体の長尺方向に配向しているのが好ましい。これにより、外部応力に対してカーボンナノチューブの繊維強化作用を効果的に発揮させることができ、また、後述する切削工具として用いる場合には、切刃位置でのカーボンナノチューブの配列状態を簡単に調整することができる。なお、カーボンナノチューブが複合繊維体の長尺方向に配向しているか否かの確認は、例えば長尺状の複合繊維体をミクロトーム等で薄片に切断し、走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）等を用いて行う方法や、複合繊維体を色々な角度でカットして走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で各々の断面について組織観察して推定する方法が挙げられる。

＜切削工具＞
次に、本発明における複合繊維体を用いた切削工具の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図２は、本発明の一実施形態にかかる切削工具を示す斜視図である。図３は、本発明の切削工具における切刃部の一例を示す拡大平面図である。図４は、本発明の切削工具における切刃部の他の例を示す拡大平面図である。図５は、本発明の切削工具における切刃部付近の一例を示す概略断面図である。

図２に示すように、切削工具１１は平板状をなし、工具本体１２の１つの角部に形成された取付座１３には、裏板１９と複合構造体１６とが一体化された切刃チップ１４がろう付けされている。複合構造体１６は、芯材２を表皮材３で被覆した複合繊維体１が後述する製造方法により複数本集束された構造を有している。切削工具１１には、すくい面１５と逃げ面２０との交差稜線部に切刃部１７が形成されている。切削工具１１の略中央部には、バイトなどの工具に取り付けるためのクランプねじ等を挿通される取付孔１８が形成されている。

複合構造体１６を構成する複合繊維体１の表皮材３は、カーボンナノチューブの繊維の向きが全体的に見て表皮材３の繊維方向と一致するように一方向に配向したカーボンナノチューブ３２を所定量含有している。ここで、カーボンナノチューブ３２は、繊維の側方から受ける力（繊維を折り曲げようとする力）に対する強度が高いので、切削時に応力が繊維の側方から作用するように配置することが望ましい。また、幅方向に並列に整列したカーボンナノチューブの配向（繊維）方向が、切刃部１７の稜線の接線と平行にならないように配置することが望ましい。

具体的には、図３に示すように、カーボンナノチューブ３２、３２、・・・の配向方向Ｌ_fと、切刃部１７における稜線での接線Ｌ_Cとのなす角度αが、切刃部分のどの場所においても２°以上、好ましくは５°以上、より好ましくは１０°以上であるのがよい。例えば、切刃部１７における点１での角度α₁、点２での角度α₂、点３での角度α₃が、いずれも上記範囲を満足することが望ましい。

特に、本発明では、切刃部１７のうち、切刃部１７のノーズＲ部の頂点Ｐとなる点２における接線Ｌ_c2とのなす角度α₂は４５°以上、好ましくは７０°以上、より好ましくは８５°以上であるのがよい。これにより、切削時にかかる最も高い応力の方向が、配列されたカーボンナノチューブ３２の繊維方向からずれることによって、切削による応力が集中するのを防止し、且つ発生した応力を高強度で高靭性であるカーボンナノチューブ３２の長手方向に応力を分散させることができ、その結果、切刃部１７全体における耐欠損性を高めることができる

ここで、上記角度αは、工具形状に対するカーボンナノチューブ３２の配向方向、切刃部１７の形成領域等を調整すること、ノーズＲ部の形状や角度Ｒ等の工具形状そのものを調整することによって制御することができる。ノーズＲ部は、図３に示す頂点（Ｐ）から両方向に拡がり、直線部４２との境であるつなぎ部４３までの稜線を意味する。角度Ｒとは、切刃部１７において、ノーズＲ部を構成する曲線部分の一端（つなぎ部４３）における接線に直交する直線（法線）と、曲線部分の他端（つなぎ部４３）における接線に直交する直線（法線）とのなす角度をいう。例えばノーズＲ部の角度Ｒが９０°未満、特に８０°以下、さらに６０°以下ですくい面１５が三角形形状あるいは菱形形状からなる、いわゆるＴ、Ｄ、Ｖタイプ形状のスローアウェイチップが適応可能である。

本実施形態では、図３に示すように、カーボンナノチューブ３２の配向方向Ｌ_fとノーズＲ部の頂点Ｐにおける接線Ｌ_c2とのなす角度α₂が９０°、すなわち、カーボンナノチューブ３２の配向方向Ｌ_fがノーズＲ部の頂点Ｐに向かって垂直に伸びるように整列した配列となっている。なお、発明における角度αは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で走査しながら観察して求めた値である。

図４に示すように、切刃チップ１４’は、ノーズＲの角度Ｒが９０°で、すくい面１５の形状が正方形形状からなる、いわゆるＳタイプ形状のスローアウェイチップである。このスローアウェイチップにおいては、ノーズＲ部の片側のみを切刃部１７として用い、反対側の稜線４５は切刃として使用しない。すなわち、右勝手または左勝手に限定されたスローアウェイチップであれば、カーボンナノチューブ３２の配向方向Ｌ_fと各切刃位置での接線Ｌ_C1とのそれぞれの角度αが２°以上を満足する限り、カーボンナノチューブ３２の配向方向Ｌ_fとノーズＲ部の頂点Ｐにおける接線Ｌ_c2とのなす角度αが４５°以下となっても差し支えない。

また、カーボンナノチューブ３２の配向方向と、すくい面１５とのなす角度θは０〜４５°であるのが好ましい。この角度θを上記範囲に制御することで、高体積弾性率を有するカーボンナノチューブの長手方向で切削時にかかる応力を分散して受け止めることができ、高い耐欠損性を実現することが可能となる。図５に示す本実施形態では、カーボンナノチューブ３２の配向方向はすくい面とほぼ平行である（角度θ＝０°）。本発明において、角度θは、切削工具をすくい面から垂直にカットし、その断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、各ナノチューブのベクトルの総和を算出して求めた値である。

本発明によれば、切削工具としてはソリッドタイプの工具であっても良いが、低コストであり、簡単に製造できる上でスローアウェイ式の工具であることが望ましい。さらに、図２に示すように、工具本体１２の切刃部分を切り欠いて、複合構造体１６を有する切刃チップ１４を取付座１３にはめ込み、ろう付け等で固定することによって、工具の切刃形状に対するカーボンナノチューブ３２の配向方向を容易に制御することができる。また、複数のコーナーに切刃を設ける際にも、カーボンナノチューブ３２の配列が容易に行えるというメリットがある。

＜製造方法＞
以下、本発明における切削工具の製造方法の一例について、図面を参照して詳細に説明する。図６〜図９は、本発明の複合繊維体およびこれを複数集合させて構成される複合構造体を製造する方法を示す概略図である。これらのうち、図６および図７は、複合成形体を作製する製造方法を示す概略図であり、図８は、複合成形体をシートに成形する方法を示す概略図であり、図９は、シートを複合積層体に成形する方法を示す概略図である。

（芯材用成形体）
まず、前記したダイヤモンド粉末および鉄族金属を混合し、必要に応じて、この混合物にカーボンナノチューブ、焼結助剤成分粉末、有機バインダ、可塑剤、溶剤、分散剤、滑剤等を添加し混練する。ついで、図６（ａ）に示すように、得られた混合物をプレス成形または鋳込み成形等の成形法により円柱形状に成形して芯材用成形体５０を作製する。ここで、後述する共押出成形によって均質な複合成形体を得るためには、前記有機バインダの添加量を３０〜７０体積％、特に４０〜６０体積％とするのが望ましい。

有機バインダ、可塑剤としては、例えば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‐エチルアクリレート、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を使用することができる。溶剤、分散剤および滑剤としては、例えばポリエチレングリコール、ミネラルオイル、ブチルオリエート、ステアリン酸等を使用することができる。

（表皮材用成形体）
前記硬質粒子、鉄族金属およびカーボンナノチューブを混合して混合物を得た後、必要に応じて、この混合物に上記した焼結助剤成分粉末、有機バインダ、可塑剤、溶剤等を添加し、混合する。ついで、図６（ｂ）に示すように、得られた混合物をプレス成形または鋳込み成形等の成形法により半割円筒形状に成形し、２つの表皮材用成形体５１，５１を作製する。そして、図６（ｃ）に示すように、得られた表皮材用成形体５１，５１を上記で得られた芯材用成形体５０の外周面を覆うように配置し、成形体５２を作製する。

（押出成形）
ついで、図６（ｄ）に示すように、押出機１００を用いて、上記成形体５２を押出成形（芯材用成形体５０と表皮材用成形体５１，５１を共押出成形）することによって、芯材用成形体５０の周囲に表皮材用成形体５１が被覆され、細い径に伸延された複合成形体５３を作製する。このとき、複合成形体５３の繊維方向と配向したカーボンナノチューブの繊維方向（配向方向）は同じ方向に揃っている。押出し方向への配向は、押出成形時のせん断速度や吐出口の大きさ等で制御可能であるが、吐出部に電場をつくることによって、より効果的に配向させることもできる。

また、図７に示すように、複合成形体５３を複数本集束した集束体５４を再度押出成形することによって、カーボンナノチューブがより配向した複合成形体５５を作製してもよい。なお、複合成形体５３，５５の断面は、押出機１００の出口形状を変えることによって円形の他、三角形、四角形、五角形、六角形、楕円形等の任意形状に成形することもできる。

（シート、積層体）
そして、図８（ａ）に示すように、この長尺状の複合成形体５３を２列〜１００列程度に整列させ、型内で加熱加圧して複合シート５６を作製する。なお、図８（ｂ）に示すように、複数枚の複合シート５６を、複合成形体５３の長尺方向が同一の方向となるように積層し、複合積層シート５７ａを作製してもよい。また、図８（ｃ）に示すように、複数枚の複合シート５６を、複合成形体５３の長尺方向を一段おきに約９０°ずらして積層し、複合積層シート５７ｂを作製してもよい。なお、ずらす角度は９０°に限定されるものではなく、積層する複数の複合シート５６における成形体５３の長尺方向が、一段おきに異なるような角度であればよい。また、複合積層シート５７ｂの場合には、切刃を形成する最上層の複合シート５６における成形体５３の繊維方向は、前述したように切刃稜線１７との関係で特定の角度になるように調整することが望ましい。図９に示すように、必要に応じて複合積層シート５７ａ，５７ｂを、一対のローラ５８間に通して圧延処理し、さらに高密度の複合積層体５９を作製してもよい。なお、複合シート５６、複合積層シート５７ａ，５７ｂまたは複合積層体５９を作製する上で、複合成形体５３に代えて複合成形体５５を用いてもよい。

そして、単層の複合シート５６、多層の複合積層シート５７ａ，５７ｂまたは複合積層体５９を超硬合金製の図２に示した裏板１９上に載置する。このとき、複合シート５６、複合積層シート５７ａ，５７ｂまたは複合積層体５９の具体的な載置方向としては、幅方向に並列に整列した複数の成形体５３の繊維方向、すなわち成形体５３が含有するカーボンナノチューブ３２の繊維方向が、切刃部１７の稜線と平行にならないように配置する。

より具体的には、図３に示すように、成形体５３、５３、・・・の繊維方向、すなわちカーボンナノチューブ３２の繊維方向Ｌ_fと、切刃部１７における稜線での接線Ｌ_Cとのなす角度αが、切刃部分のどの場所においても２°以上、好ましくは５°以上、より好ましくは１０°以上であるように配置する。つまり、切刃部１７における点１での角度α₁、点２での角度α₂、点３での角度α₃が、いずれも上記範囲を満足する。

（焼成）
ついで、複合シート５６、複合積層シート５７ａ，５７ｂまたは複合積層体５９を裏板１９上に載置したものを、３００〜７００℃、１０〜２００時間で昇温または保持させて脱バインダ処理する。そして、超高圧装置内にセットし、加圧圧力４〜６ＧＰａ、１３５０〜１６００℃、１〜６０分で焼成して一体化することにより、裏板１９と複合構造体１６とからなる切刃チップ１４を作製することができる。この複合構造体１６は、図１に示すような複合繊維体１が複数本集束された構造を有している。

上記で得られた切刃チップ１４を、カーボンナノチューブ３２の配向方向と切刃部１７の稜線の接線とのなす角度αが上記した所定の角度となるように、ワイヤー放電加工機、切削、研磨等で切刃形状に加工し、裏板１９と複合構造体１６とが一体化された切刃チップ１４を、取付座１３に銀ろうなどを用いてろう付けすることにより、図２に示す切削工具１１を得ることができる。

以下、実施例および比較例を挙げて本発明の複合構造体およびこれを用いた切削工具について、さらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

［実施例］
＜切削工具の作製＞
表１に示す組み合わせで、平均粒径１．５μｍのダイヤモンド粒子と、平均粒径１．０μｍのＣｏ粉末と、平均直径２０ｎｍ、長さ１μｍ〜３μｍのカーボンナノチューブまたは平均直径１５０ｎｍ、長さ４μｍ〜６μｍのカーボンナノチューブとを表１に示す割合で混合し、これに有機バインダとしてセルロース、ポリエチレングリコールを、溶剤としてポリビニルアルコールを混錬して、円柱形状に押出成形して芯材用成形体を作製した。有機バインダおよび溶剤の合計添加量は、ダイヤモンド粒子、Ｃｏ粉末およびカーボンナノチューブの合計体積と同量（体積）とした。

ついで、表１に示す組み合わせで、平均粒径２．０μｍのＷＣ粉末と、平均粒径１．０μｍのＣｏ粉末と、平均直径２０ｎｍ、長さ１μｍ〜３μｍのカーボンナノチューブまたは平均直径１５０ｎｍ、長さ４μｍ〜６μｍのカーボンナノチューブとを表１に示す割合で混合し、これに上記と同様の有機バインダおよび溶剤を加えて混錬し、半割円筒形状に押出成形して２つの表皮材用成形体を作製した。ついで、これらの表皮材用成形体を芯材用成形体の外周を覆うように配置して成形体を作製した。ここで、平均直径２０ｎｍのカーボンナノチューブとしては、予めＳｉ／ＳｉＯ₂混合粉末を配置したアルミナ坩堝に入れ、１３００℃、真空中で被覆処理を行い、カーボンナノチューブの表面にＳｉＣが被覆されたものを用いた。

そして、上記成形体を押出して直径が２ｍｍの伸延された複合成形体を作製した。なお、伸延された複合成形体をミクロトームで薄片に切断し、走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）を用いて観察したところ、添加したカーボンナノチューブは明らかに押出し方向（繊維長手方向）に配向していた。

この伸延された複合成形体を１００ｍｍの長さにカットし、並列に整列させてシート状の複合シートとし、このシート３枚を繊維方向がすべて同一方向となるように積層して複合積層シートを作製した。その後、この複合積層シートの下面に厚さ５ｍｍの超硬合金の焼結体からなる裏板を配し、これを３００〜７００℃まで１００時間で昇温することによって脱バインダ処理を行った後、超高圧装置に配置し、１４５０℃×１０分の条件で焼成し、複合構造体と裏板が一体化された切刃チップを作製した。焼結後、切刃チップ中のカーボンナノチューブは一方向に配向していることが確認された。その後、この切刃チップをそれぞれ加工し、超硬合金からなる工具本体の取付座に、銀ろうを用いて７００℃でろう付けし、切削工具をそれぞれ作製した（表１の試料Ｎｏ．２〜６、８〜１０）。

ここで、上記でえられた切削工具について、前記複合構造体中のカーボンナノチューブの繊維方向Ｌ_fと切刃チップの切刃稜線における接線Ｌ_cとのなす角度αのうち、最も小さい角度をαｍｉｎとし、表２に示した。なお、角度αは、切刃稜線近傍の組織を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で走査しながら観察し、各点での角度の平均値を求めた。

また、チップ先端角度（ノーズＲ）は６０°とし、ノーズＲの頂点Ｐにおける繊維方向Ｌ_fと頂点Ｐにおける接線Ｌ_cとのなす角度αｐを表２に併せて示した。なお、実施例の試料Ｎｏ８〜１０については、ノーズＲ部において切刃として用いる部分はノーズＲの頂点Ｐから右半分のみ、すなわち右勝手の刃先仕様とした。

表１には、複合構造体中のカーボンナノチューブの直径およびアスペクト比を示す。これらの直径およびアスペクト比は、複合構造体をカットし、その断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて観察した。具体的には、複合構造体の断面の５カ所でＳＥＭ観察を行い、５μｍ×５μｍの範囲に存在するカーボンナノチューブを全数測定し、その平均値を算出した。なお、試料Ｎｏ．５、１０は参考試料である。

［比較例］
カーボンナノチューブを添加しない（試料Ｎｏ．１）、またはカーボンナノチューブの含有量が４５体積％を越える割合で添加した（試料Ｎｏ．７）以外は、実施例と同様にして、切刃チップをそれぞれ作製した。ついで、得られた切刃チップを用いて、実施例と同様にして、切削工具をそれぞれ作製した。

＜被削材の加工数の評価方法＞
上記工程にて作製した各切削工具について、複数の被削材（ＡＤＣ１２、８本溝入り）を切削し、欠損またはチッピングが発生するまでの被削材の加工数（最大２０００個）を評価した。評価条件を以下に示すと共に、その評価結果を表２に併せて示す。
（被削材の加工数の評価条件）
切込み量ｄ＝２ｍｍ
切削速度Ｖ＝８００ｍ／分
送りｆ＝０．１ｍｍ／ｒｅｖ
湿式切削

表２から明らかなように、カーボンナノチューブの含有量が１体積％より少ない試料Ｎｏ．１では早期に摩耗が進行した。また、カーボンナノチューブの含有量が４５体積％より多い試料Ｎｏ．７では切刃部でチッピングが発生した。これに対して、カーボンナノチューブを１〜４５体積％の割合で含有した試料Ｎｏ．２〜６、８〜１０では、いずれも優れた切削性能を示した。なお、試料Ｎｏ．５、１０は参考試料である。

本発明の一実施形態にかかる複合繊維体を示す斜視図である。 本発明の一実施形態にかかる切削工具を示す斜視図である。 本発明の切削工具における切刃部の一例を示す拡大平面図である。 本発明の切削工具における切刃部の他の例を示す拡大平面図である。 本発明の切削工具における切刃部付近の一例を示す概略断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、複合成形体を作製する製造方法を示す概略図である。 複合成形体を作製する製造方法を示す概略図である。 （ａ）〜（ｃ）は、複合成形体をシートに成形する方法を示す概略図である。 シートを複合積層体に成形する方法を示す概略図である。

符号の説明

１ 複合繊維体
２ 芯材
３ 表皮材
１１ 切削工具
１２ 工具本体
１３ 取付座
１４ 切刃チップ
１５ すくい面
１６ 複合構造体
１７ 切刃部
１８ 取付孔
１９ 裏板
２０ 逃げ面
２１ 着座面
３２ カーボンナノチューブ
５０ 芯材用成形体
５１ 表皮材用成形体
５２ 成形体
５３，５５ 複合成形体
５４ 集束体
５６ 複合シート
５７ａ，５７ｂ 複合積層シート
５９ 複合積層体

Claims (8)

1. ダイヤモンド粒子間を鉄族金属で結合したダイヤモンド質焼結体からなる長尺状の芯材の外周面を、周期律表４ａ，５ａ，６ａ族金属の群から選ばれる少なくとも１種の金属元素の炭化物、窒化物および炭窒化物のうち１種以上の硬質粒子を鉄族金属で結合した焼結合金からなる表皮材で被覆してなる複合繊維体であって、
   （ａ）ダイヤモンド粒子、鉄族金属および有機バインダを含む芯材用混合物を円柱形状に成形して芯材用成形体を作製する工程と、
   （ｂ）周期律表４ａ，５ａ，６ａ族金属の群から選ばれる少なくとも１種の金属元素の炭化物、窒化物および炭窒化物のうち１種以上の硬質粒子、鉄族金属、並びにカーボンナノチューブを含む表皮材用混合物を芯材用成形体の外周を被覆するように配した成形体を共押出成形して、前記カーボンナノチューブを長尺方向に配向させた複合成形体を作製する工程と、
   （ｃ）前記（ｂ）で得られた複合成形体を焼成して、長尺状の芯材の外周面に表皮材が被覆された複合繊維体を作製する工程とを経て、
   前記表皮材は、前記複合繊維体の断面観察において、平均直径が１〜１９ｎｍ、アスペクト比が７５〜５００の前記カーボンナノチューブを１〜４５体積％含有するとともに、前記カーボンナノチューブが複合繊維体の長尺方向に配向していることを特徴とする複合繊維体。
2. 前記芯材が前記カーボンナノチューブを含有しないか、または前記カーボンナノチューブを０．５体積％以下含有する請求項１記載の複合繊維体。
3. 前記カーボンナノチューブの表面の一部または全部が、周期律表４ａ，５ａ，６ａ族金属、ＡｌおよびＳｉから選ばれる少なくとも１種の金属、または該金属の炭化物、窒化物および炭窒化物の少なくとも１種で被覆されている請求項１または２記載の複合繊維体。
4. 少なくとも切刃部が請求項１〜３のいずれかに記載の複合繊維体からなることを特徴とする切削工具。
5. 前記カーボンナノチューブが、該カーボンナノチューブの配向方向と前記切刃部の切刃稜線における接線とのなす角度αが２°以上となるように配向している請求項４記載の切削工具。
6. 前記カーボンナノチューブの配向方向とノーズＲ部の頂点における接線とのなす角度αが４５°以上である請求項４または５記載の切削工具。
7. 前記カーボンナノチューブの配向方向とすくい面とのなす角度θが０〜４５°である請求項４〜６のいずれかに記載の切削工具。
8. 工具本体と、該工具本体の取付座にろう付けされた切刃チップとからなり、該切刃チップの少なくとも前記切刃部が前記複合繊維体からなる請求項４〜７のいずれか記載の切削工具。

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