JP5230391B2 - 超硬工具の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、超硬ホブ等の超硬工具の製造方法に関するものである。

従来、刃部の材料に超硬合金（炭化タングステン、炭化チタン等の非常に硬い化合物の粉末とコバルト等の金属粉末を結合剤として高圧で圧縮し、金属が溶けない程度の高温に加熱し焼結、成形させたもの）を使用した超硬工具（超硬ホブ）は、例えば、原料配合→混合／造粒→原料完成の手順を踏む原料調整工程を経て、ＣＩＰ成形→仮焼結→粗加工（ネジ溝）→粗加工（縦溝）→本焼結→仕上の手順を踏む成形・焼結・加工工程に入り、焼成体（超硬ホブ）が完成されるという工程を経て製造される。

製造工程をさらに詳細に説明すると、まず、ＣＩＰ（冷間静水圧プレス；特許文献１参照）成形では、円柱状の金属中子と筒状のゴム型と上下の金属蓋とを備えるＣＩＰ用型枠内に超硬工具原料を投入した後、静水圧でゴム型を縮径させて超硬工具原料を加圧成形して脱型する。これにより、円筒状の成形体が得られ、８００℃程度の仮焼結工程へ送られる。

つぎに、粗加工では、仮焼結により白墨程度の強度にされた円筒状の仮焼体に機械加工によりネジ溝を加工した後、同じく機械加工により縦溝を加工し、１４００℃程度の本焼結工程へ送られる。その後、本焼結された後仕上げ加工されてホブ形状焼成体（超硬工具）が完成（製造）される。
特開昭５８−１６４７０１号公報

ところで、炭化タングステン、炭化チタン等の超硬合金の原料は高価なものであり、近年では、諸外国の市場活況の影響で更なる高騰を続けている。また、粗加工後の切粉は、原料調整工程におけるバインダとの接触や仮焼結時の加熱により新品とは状態が異なり、再使用には不向きである。
以上のことから、近年では、超硬工具の製造にあたっても、成形時から最終製品形状に近いものを作るニアネットシェイプ成形法の実現が希求されているのが現況である。

また、材料費をさらに低減させるため、刃部を高価な微粒で形成（構成）し、刃部以外の部分を安価な粗粒で形成（構成）して、刃部と刃部以外の部分とをロウ付けで接合するようにしたものがある。
しかし、刃部の表面に焼き付き防止用のコーティング材を施すと、刃部と刃部以外の部分とを接合しているロウが剥がれて（溶けて）しまい、刃部と刃部以外の部分との接合が解けてしまう（刃部が刃部以外の部分から取れてしまう）といった問題点があった。

さらに、安価な粗粒で形成（構成）された刃部を有しない半径方向内側の部分を、高価な微粒で形成（構成）された刃部を有する半径方向外側の部分の内周側に嵌め込むようにしたものがある。
しかし、使用中に半径方向外側の部分が半径方向内側の部分に対して振動（揺動）し、加工精度が悪くなるといった問題点があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、高価な微粒で形成された刃部を有する半径方向外側の部分と、安価な粗粒で形成された刃部を有しない半径方向内側の部分とを確実に接合することができる超硬工具の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明に係る超硬工具の製造方法は、原料配合→混合／造粒→原料完成の手順を踏む原料調整工程を経て、ＣＩＰ成形→焼結仕上の手順を踏む成形・焼結・加工工程により焼成体からなる超硬工具を製造する超硬工具の製造方法であって、前記ＣＩＰ成形時に、円筒形状のＣＩＰ用型枠内に、第１の層を形成する微粒の超硬工具原料を投入し、この微粒の超硬工具原料を加圧成形した後、前記第１の層の半径方向内側に第２の層を形成する粗粒の超硬工具原料を投入し、この粗粒の超硬工具原料を加圧成形して、その後、脱型するようにした。

本発明に係る超硬工具の製造方法によれば、第１の層と第２の層とは、第１の層の内周面全体と、第２の層の外周面全体とが接するようにして一体に焼結されているので、製造工程中および使用中に第１の層と第２の層との接合が外れてしまうといった不具合をなくすことができる。
また、第１の層と第２の層とは、第１の層の内周面全体と、第２の層の外周面全体とが接するようにして一体に焼結されているので、使用中に第１の層が第２の層に対して振動（揺動）し、加工精度が悪くなるといった不具合をなくすことができる。

上記超硬工具の製造方法において、前記第１の層の表面全体に、コーティング材を施すようにするとさらに好適である。

このような超硬工具の製造方法によれば、焼き付き防止性を向上させることができる。

上記超硬工具の製造方法において、前記第１の層を形成する微粒の超硬工具原料を投入する前に、第３の層を形成する粒状の第１のコーティング材を投入し、この第１のコーティング材を加圧成形した後、前記第３の層の半径方向内側に第１の層を形成する微粒の超硬工具原料を投入するようにするとさらに好適である。

このような超硬工具の製造方法によれば、焼き付き防止性を向上させることができる。

上記超硬工具の製造方法において、前記第１のコーティング材の表面全体に、第２のコーティング材を施すようにするとさらに好適である。

このような超硬工具の製造方法によれば、コーティング材の接着力（結合力）が向上し（高まり）、焼き付き防止性をさらに向上させることができる。

本発明によれば、高価な微粒で形成された刃部を有する半径方向外側の部分と、安価な粗粒で形成された刃部を有しない半径方向内側の部分とを確実に接合することができるという効果を奏する。

以下、本発明の一実施形態に係る超硬工具について、図１を参照しながら説明する。図１は本実施形態に係る超硬工具の縦断面図である。
図１に示すように、本実施形態に係る超硬工具（ホブ形状焼成体）１は、半径方向外側に位置する第１の層２と、半径方向内側に位置する第２の層３とを備えている。

第１の層２は、微粒（３μｍ以下）の炭化タングステン（タングステン・カーバイド：ＷＣ）で形成（構成）されており、第２の層３は、粗粒（３μｍよりも大きく１０μｍ以下）のＷＣで形成（構成）されている。また、超硬工具１は、第１の層２の内周面２ａ全体と、第２の層３の外周面３ａ全体とが接するようにして一体に焼結されている。
なお、微粒には、１μｍ以下の超微粒、および０．５μｍ以下の超々微粒のものも含まれる。

つぎに、本実施形態に係る超硬工具の製造方法について、図２から図５を参照しながら説明する。
図２は本実施形態に係る超硬工具の製造方法における工程図、図３はＣＩＰ成形の説明図、図４はＣＩＰ成形後から焼成体完成までの説明図、図５はＣＩＰ成形用型枠の作用説明図である。

図２に示すように、原料配合→混合／造粒→原料完成の手順を踏む原料調整工程を経て、ＣＩＰ成形→焼結→仕上の手順を踏む成形・焼結・加工工程により焼成体からなる超硬工具（超硬ホブ）が製造される。

原料配合及び混合／造粒にあたっては、炭化タングステンや炭化チタン等の化合物の粉末とコバルト等の金属粉末がバインダを介してスラリー状に混合されたものが、スプレー乾燥などにより造粒されて超硬工具原料となる。

ＣＩＰ成形時においては、図３に示すように、円柱状の金属中子１１と、例えば、硬度８０のゴム型からなる内筒１２と、例えば、硬度４０のゴム型からなる外筒１３と、金属上蓋（蓋フランジ）１４および下蓋（蓋フランジ）１５と、金属中子１１の上端部および下端部にねじ込まれて金属上蓋１４および下蓋１５の上下位置を規制する図示しないナットを備えるＣＩＰ用型枠１０において、まず、内筒１２の内周面に切刃成形用の紐状の切刃型１６が螺旋状に取り付けられる。

切刃型１６は、図５に示すように、断面台形状の切刃成形部１６ａと断面矩形状の取付部１６ｂとを備え、成形時には取付部１６ｂにおいて、内筒１２の内周面に螺旋状に形成された取付溝１２ａ内に嵌め込まれる（図５の上方図参照）一方、成形圧開放時には、切刃型１６が内筒１２から分離して、すなわち、取付部１６ｂが取付溝１２ａから抜け出して成形体２０側に残置し得るようになっている（図５の下方図参照）。また、切刃型１６の切刃成形部１６ａの長手方向には、切粉排出用の縦溝１８（図４参照）を形成するための突起１６ｃが、予め所定間隔離間して多数形成される（図３中の吹き出し参照）。

そして、ＣＩＰ用型枠１０内に超硬工具原料１７が投入された後、静水圧で内筒１２および外筒１３を縮径させて超硬工具原料１７を加圧成形し、その後脱型する。これにより、ネジ状の切刃１９を備えた円筒状の成形体２０が得られる（図３中の（ａ）ＣＩＰ用型枠断面状況→（ｂ）加圧→（ｃ）成形体脱型の手順参照）。

なお、ＣＩＰ用型枠１０内には、まず、第１の層２を形成する微粒の超硬工具原料（本実施形態では炭化タングステン）１７が投入され、静水圧で内筒１２および外筒１３を縮径させて第１の層２を形成する微粒の超硬工具原料１７が加圧成形される。このとき、金属中子１１としては、図３に示すものよりも径の大きいものが使用され、第２の層３を形成する粗粒の超硬工具原料（本実施形態では炭化タングステン）１７が投入される空間が確保されるようになっている。
つづいて、内筒１２および外筒１３を縮径前（元）の大きさまで拡径させて、金属中子１１が図３に示すもの（微粒の超硬工具原料１７を加圧成形する際に使用したものよりも径の小さいもの）に取り替えられた後、加圧成形された微粒の超硬工具原料１７と金属中子１１との間に第２の層３を形成する粗粒の超硬工具原料１７が投入され、静水圧で内筒１２および外筒１３を再び縮径させて超硬工具原料１７全体が加圧成形される。

また、脱型時の成形圧開放時には、図５に示すように、切刃型１６が内筒１２から分離して、すなわち、取付部１６ｂが取付溝１２ａから抜け出して成形体２０の側に残置される。そして、成形体２０が完全に脱型された後、切刃型１６は成形体２０から剥離される。

つぎに、脱型された成形体２０を８００℃程度の仮焼結を行った後、ネジ状の切刃１９に対し切粉排出用の縦溝１８が機械加工（粗加工）により突起１６ｃによる縦溝部に連通させて形成される。その後、１４００℃程度の本焼結を行った後、仕上げ加工されて超硬工具１が完成（製造）される（図４の手順参照）。

本実施形態に係る超硬工具１の製造方法によれば、第１の層２と第２の層３とは、第１の層２の内周面２ａ全体と、第２の層３の外周面３ａ全体とが接するようにして一体に焼結されているので、製造工程中および使用中に第１の層２と第２の層３との接合が外れてしまうといった不具合をなくすことができる。
また、第１の層２と第２の層３とは、第１の層２の内周面２ａ全体と、第２の層３の外周面３ａ全体とが接するようにして一体に焼結されているので、使用中に第１の層２が第２の層３に対して振動（揺動）し、加工精度が悪くなるといった不具合をなくすことができる。

さらに、脱型時の成形圧開放時、切刃型１６が内筒１２から分離し、成形体２０が完全に脱型された後、切刃型１６が成形体２０から剥離されることとなるので、ＣＩＰ成形時における成形圧開放時の刃こぼれ等を防止することができ、有効にニアネットシェイプ成形を実現することができる。
これにより、ネジ溝加工等の粗加工および粗加工前の脱脂（仮焼結）工程が不要となり、余分な切粉を出さないですむので、原料コストの低減を図ることができるとともに、工程簡略化による工期の短縮、製造コスト低減と脱脂（仮焼結）専用設備の削減による製造設備低減を図ることができる。

さらにまた、半径方向外側に位置する第１の層２が仕上げ用工具と同等の耐摩耗性を有する微粒の炭化タングステンで形成されることとなるので、仕上げ用工具として使用することができる。
さらにまた、半径方向外側に位置する第１の層２のみが高価な微粒の炭化タングステンで形成されることとなるので、製造コストをさらに低減させることができる。

さて、本実施形態に係る超硬工具は、図２、図４および図６に示す製造方法を用いても製造することができる。
図２は本実施形態に係る超硬工具の製造方法における工程図、図６はＣＩＰ成形の説明図、図４はＣＩＰ成形後から焼成体完成までの説明図である。

図２に示すように、原料配合→混合／造粒→原料完成の手順を踏む原料調整工程を経て、ＣＩＰ成形→焼結→仕上の手順を踏む成形・焼結・加工工程により焼成体からなる超硬工具（超硬ホブ）が製造される。

原料配合および混合／造粒においては、炭化タングステンや炭化チタン等の化合物の粉末とコバルト等の金属粉末がバインダを介してスラリー状に混合されたものが、スプレー乾燥等により造粒されて超硬工具原料となる。

つぎに、図６に示すように、超硬工具原料１７は、中子３１と、外筒３２と、上蓋（蓋フランジ）３３と、下蓋（蓋フランジ）３４とを備えたＣＩＰ用型枠３０の内部空間Ｓ１内に投入される。
ここで、中子３１は、中空円筒状のゴム製の部材であり、その中心部（半径方向内側）に形成された空間Ｓ２内に加圧された流体（例えば、圧縮空気）が封入（導入）されることにより、半径方向外側に拡がる（拡径する）ようになっている。

外筒３２は、中子３１の半径方向外側を取り囲むように配置された中空円筒状の金属製の部材であり、その内周面には、切刃成形用の紐状の切刃型３５が螺旋状に形成されている。
上蓋３３は、上側の開口端を閉塞（密封）する平面視円形状の金属製の部材であり、上蓋３３の内面中央部には、中子３１の上端部と嵌合する平面視円形状の貫通穴３３ａが形成されている。一方、下蓋３４は、下側の開口端を閉塞（密封）する平面視円形状の金属製の部材であり、下蓋３４の内面中央部には、中子３１の下端部と嵌合する平面視円形状の貫通穴３４ａが形成されている。そして、中子３１の外周面と、外筒３２の内周面と、上蓋３３の内面と、下蓋３４の内面とにより、内部空間Ｓ１が形成されるようになっている。

ＣＩＰ用型枠１の内部空間Ｓ１内への超硬工具原料１７の投入が完了したら、空間Ｓ２内に加圧された流体を導入（供給）し、中子３１を拡径させて超硬工具原料１７を加圧成形した後、脱型する。
これにより、ネジ状の切刃１９を備えた円筒状の成形体２０が得られる（図６中の（ａ）ＣＩＰ用型枠断面状況→（ｂ）加圧→（ｃ）成形体脱型の手順参照）。

なお、ＣＩＰ用型枠３０内には、まず、第１の層２を形成する微粒の超硬工具原料（本実施形態では炭化タングステン）１７が投入され、空間Ｓ２内に加圧された流体を導入（供給）し、中子３１を拡径させて第１の層２を形成する微粒の超硬工具原料１７が加圧成形される。
つづいて、空間Ｓ２内に導入された流体を一旦抜き、中子３１を拡径前（元）の大きさまで縮径させた後、加圧成形された微粒の超硬工具原料１７と中子３１との間に第２の層３を形成する粗粒の超硬工具原料１７が投入され、空間Ｓ２内に加圧された流体を導入（供給）し、中子３１を再び拡径させて超硬工具原料１７全体が加圧成形される。

つぎに、脱型された成形体２０を７５０℃程度の仮焼結を行った後、ネジ状の切刃１９に対し切粉排出用の縦溝１８が機械加工（粗加工）により形成される。その後、１４００℃程度の本焼結を行った後、仕上げ加工されてホブ形状焼成体（超硬工具）１９が完成（製造）される（図４の手順参照）。

本実施形態に係る超硬工具１の製造方法によれば、第１の層２と第２の層３とは、第１の層２の内周面２ａ全体と、第２の層３の外周面３ａ全体とが接するようにして一体に焼結されているので、製造工程中および使用中に第１の層２と第２の層３との接合が外れてしまうといった不具合をなくすことができる。
また、第１の層２と第２の層３とは、第１の層２の内周面２ａ全体と、第２の層３の外周面３ａ全体とが接するようにして一体に焼結されているので、使用中に第１の層２が第２の層３に対して振動（揺動）し、加工精度が悪くなるといった不具合をなくすことができる。

さらに、金属製の切刃型１５により切刃１６が形成され（形作られ）、切刃１６が精密に加工されることとなるので、ＣＩＰ成形時における成形圧開放時の刃こぼれ等を防止することができ、有効にニアネットシェイプ成形を実現することができる。
これにより、ネジ溝加工等の粗加工および粗加工前の脱脂（仮焼結）工程が不要となり、余分な切粉を出さないですむので、原料コストの低減を図ることができるとともに、工程簡略化による工期の短縮、コスト低減と脱脂（仮焼結）専用設備の削減による製造設備低減を図ることができる。

さらにまた、本実施形態に係る超硬工具の製造方法によれば、最も強度が必要とされる切刃１６の先端部が、金属製の切刃型１５に押し付けられて圧密されることとなるので、切刃１６の先端部における強度を向上させることができて、製造された超硬工具の寿命を長期化させることができる。

さらにまた、半径方向外側に位置する第１の層２が仕上げ用工具と同等の耐摩耗性を有する微粒の炭化タングステンで形成されることとなるので、仕上げ用工具として使用することができる。
さらにまた、半径方向外側に位置する第１の層２のみが高価な微粒の炭化タングステンで形成されることとなるので、製造コストをさらに低減させることができる。

本発明の他の実施形態に係る超硬工具について、図７を参照しながら説明する。図７は本実施形態に係る超硬工具の縦断面図である。
図７に示すように、本実施形態に係る超硬工具（ホブ形状焼成体）４１は、第１の層２の表面全体に第３の層４２を備えているという点で上述した実施形態のものと異なる。その他の構成要素については上述した実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。

第３の層４２は、第１の層２の表面全体を覆うように形成されており（設けられており）、クロムナイトライドやチタンナイトライド等のコーティング材（第１のコーティング材）で形成（構成）されている。
なお、ＣＩＰ成形時には、ＣＩＰ用型枠１０，３０内に、まず、第３の層４２を形成する粒状のコーティング材が投入され、コーティング材が加圧成形された後、第１の層２を形成する微粒の超硬工具原料１７が投入されて、微粒の超硬工具原料１７が加圧成形され、その後、第２の層３を形成する粗粒の超硬工具原料１７が投入され、粗粒の超硬工具原料１７が加圧成形されることとなる。

本実施形態に係る超硬工具によれば、第１の層２の表面全体が、クロムナイトライドやチタンナイトライド等のコーティング材でコーティングされているので、焼き付き防止性を向上させることができる。
その他の作用効果は、上述した実施形態と同じであるので、ここではその説明を省略する。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種変更・変形が可能である。例えば、超硬工具１，４１の表面全体に、チタンアルミナイトライド（TiAlN）等からなるコーティング材（第２のコーティング材）を施しても良い。
これにより、超硬工具１，４１の焼き付き防止性を向上させることができる。
また、クロムナイトライドやチタンナイトライド等からなるコーティング材の表面全体に、チタンアルミナイトライド等からなるコーティング材を施すことにより、コーティング材の接着力（結合力）が向上し（高まり）、焼き付き防止性をさらに向上させることができる。

さらに、切刃型３５は紐状の一連ものでなくても良く、長手方向に多数分割したものでも良い。
さらにまた、本発明は、超硬ホブに限らず、その他の超硬工具にも適用可能である。

本発明の一実施形態に係る超硬工具の縦断面図である。 本発明の一実施形態に係る超硬工具の製造方法における工程図である。 本発明の一実施形態に係る超硬工具の製造方法におけるＣＩＰ成形の説明図である。 本発明の一実施形態に係る超硬工具の製造方法におけるＣＩＰ成形後から焼成体完成までの説明図である。 本発明の一実施形態に係る超硬工具の製造方法におけるＣＩＰ成形用型枠の作用説明図である。 本発明の一実施形態に係る超硬工具の他の製造方法におけるＣＩＰ成形の説明図である。 本発明の他の実施形態に係る超硬工具の縦断面図である。

符号の説明

１ 超硬工具
２ 第１の層
３ 第２の層
１０ ＣＩＰ用型枠
１７ 超硬工具原料
３０ ＣＩＰ用型枠
４１ 超硬工具
４２ 第３の層

Claims (4)

1. 原料配合→混合／造粒→原料完成の手順を踏む原料調整工程を経て、ＣＩＰ成形→焼結仕上の手順を踏む成形・焼結・加工工程により焼成体からなる超硬工具を製造する超硬工具の製造方法であって、
   前記ＣＩＰ成形時に、円筒形状のＣＩＰ用型枠内に、第１の層を形成する微粒の超硬工具原料を投入し、この微粒の超硬工具原料を加圧成形した後、前記第１の層の半径方向内側に第２の層を形成する粗粒の超硬工具原料を投入し、この粗粒の超硬工具原料を加圧成形して、その後、脱型することを特徴とする超硬工具の製造方法。
2. 前記第１の層の表面全体に、コーティング材を施すことを特徴とする請求項１に記載の超硬工具の製造方法。
3. 前記第１の層を形成する微粒の超硬工具原料を投入する前に、第３の層を形成する粒状の第１のコーティング材を投入し、この第１のコーティング材を加圧成形した後、前記第３の層の半径方向内側に第１の層を形成する微粒の超硬工具原料を投入することを特徴とする請求項１に記載の超硬工具の製造方法。
4. 前記第１のコーティング材の表面全体に、第２のコーティング材を施すことを特徴とする請求項３に記載の超硬工具の製造方法。

Images