JP5288309B2 - 冷却体流路を有する複合物品および工具製造方法 - Google Patents

冷却体流路を有する複合物品および工具製造方法 Download PDF

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Description

技術分野および発明の産業上の適用可能性
本発明は概して、工具のブランク（blank、半加工品）など、異なる組成および／またはミクロ組織の領域を含む複合構造を有する物品を形成する方法を対象とする。本発明はさらに、複合構造と少なくとも一つの冷却体流路とを有する回転工具、および回転工具のための工具のブランクを対象とする。本発明の方法は回転工具の製造に一般的に適用され、そして例えば、孔あけ（drilling）、リーマー仕上げ（reaming）、皿座ぐり（countersinking）、深座ぐり（counterboring）、および端面削り（end milling）などの材料除去操作において用いられる焼結炭化物合金（cemented carbide）の回転工具の製造に適用することができる。
発明の背景の説明
焼結炭化物合金の回転工具（すなわち、回転するように駆動される工具）は一般に、例えば、孔あけ（drilling）、リーマー仕上げ（reaming）、皿座ぐり（countersinking）、深座ぐり（counterboring）、端面削り（end milling）、および雌ねじ切り（tapping）などの切削加工操作において用いられる。このような工具は典型的に、中実の一体構造のものである。そのような工具のための製造プロセスは、（粒状のセラミックと結合剤金属からなる）冶金粉末を固めて圧粉体を形成することを含むだろう。次いで、圧粉体は焼結されて、中実の一体構造を有する円柱状の工具のブランクが形成される。ここで用いられるものとして、一体構造とは、工具が、工具の内部の全ての有効容積において実質的に同じ特性を有する材料（例えば焼結炭化物合金材料）で構成されていることを意味する。焼結に続いて、工具のブランクは適当に機械加工されて、回転工具の特定の形態からなる刃先やその他の特徴点が形成される。回転工具には例えば、ドリル、エンドミル、リーマー（穴ぐり具）およびタップ（tap、雌ねじ切り）が含まれる。
焼結炭化物合金で構成される回転工具は、金属、木材およびプラスチックなどの構造物の材料を切削することや成形することを含めた多くの工業用途に適合される。これらの材料の特徴である引張り強さ、耐摩耗性および靭性の組合わせにより、焼結炭化物合金の工具は工業的に重要である。焼結炭化物合金材料は少なくとも二つの相を含む：すなわち、少なくとも一つの硬質セラミック成分と、金属結合剤の軟質母材である。硬質セラミック成分は、例えば、周期表のIVB〜VIB族に含まれる元素の炭化物であろう。一般的な例は炭化タングステンである。結合剤は金属または合金であり、典型的にはコバルト、ニッケル、鉄またはこれらの金属の合金であろう。結合剤は、三次元で相互に連結した母材の中でセラミック成分を「接合する（cement）」。焼結炭化物合金は、少なくとも一つの粉末化したセラミック成分と少なくとも一つの粉末化した結合剤からなる冶金粉末ブレンドを固めることによって製造することができる。
焼結炭化物合金材料の物理的特性と化学的特性は、ある程度、この材料を製造するのに用いられる冶金粉末の個々の成分に依存する。焼結炭化物合金材料の特性は、例えば、セラミック成分の化学組成、セラミック成分の粒度、結合剤の化学組成、およびセラミック成分に対する結合剤の比率によって決められる。冶金粉末の成分を変えることによって、ドリルやエンドミルなどの回転工具を、特定の用途に調和した特有の性質を備えたものとして製造することができる。
一体式の回転工具はさらに、油や水などの冷却体を回転工具の切削面へ流すことを可能にするために、その本体と軸部（shank）を通って延びる冷却体流路を有していてもよい。冷却体は軸端において流路に入り、ドリル先端において出ることができる。冷却体は回転工具と加工物を冷却し、また穴から削りくずとごみを排出するのを助ける。切削加工操作の間の冷却体の使用は、工具の寿命を延ばすことに加えて、回転工具のより高い切削速度とより速い送り速度の使用を可能にする。冷却体流路を有する回転工具は、硬い材料に深い穴を穿孔するのに特に適している。
しかし、回転工具の一体構造は本質的に、それらの性能と適用の範囲を制限する。例として、図１は、木材、金属およびプラスチックなどの構造材料に穴を形成して仕上げるために用いられる典型的な構造を有する捩れドリル（twist drill）10の側面図と端面図を示す。捩れドリル10は、のみ状の刃（chisel edge）11を有し、これは加工物に最初の切削部分を形成する。ドリル10の切削端14がのみ状の刃11に続き、そして穴が穿孔されているときに材料の大部分を除去する。切削端14の外周部16が穴を仕上げる。切削処理を行う間、切削速度はドリルの中心部からドリルの外周部までかなり相違する。この現象は図２に示され、これは、典型的な捩れドリルの切削端での内側（D1）、外側（D3）および中間（D2）の直径における切削速度をグラフによって比較したものである。図２(b) において、外側の直径（D3）は１.００インチであり、直径D1とD2はそれぞれ０.２５インチおよび０.５０インチである。図２(a) は、捩れドリルが毎分２００回転で動くときの三つの異なる直径における切削速度を示す。図２(a) と(b) に示すように、回転工具の刃先の様々な点で測定される切削速度は、工具の回転軸からの距離に伴って増大するだろう。
切削速度のこれらの変動のため、一体構造を有するドリルやその他の回転工具は、工具の切削面の中心部から外側の縁までの範囲の異なる点において、工具の刃先の均一な摩耗および／または欠損や亀裂を受けないだろう。また、肌焼きした材料を穿孔する際には、のみ状の刃は典型的に表面を貫くために用いられ、一方、ドリル本体の残りの部分は肌焼きした材料の軟らかいコア（心部）から材料を除去する。従って、その用途に用いられる一体構造の一般的なドリルののみ状の刃は、刃先の残りの部分よりもずっと速い速度で摩耗し、その結果、そのようなドリルについての使用寿命は比較的短くなるだろう。両者の場合において、一般的な焼結炭化物合金のドリルの一体構造の故に、刃先の頻繁な再研磨が必要であり、これによりこのビットの使用寿命は著しく制限される。頻繁な再研磨と工具の取替えは、用いられている切削加工工具についての過大な中断時間をももたらす。
従って、米国特許6,511,265号に記載される工具のような複合回転工具などの複合物品が用いられている。この米国特許6,511,265号の全体は本明細書に参照として組込まれる。適切に設計された場合は、複合回転工具は、より一体的な構造を有する回転工具と比較して長い工具使用寿命を有するだろう。しかし、工具の異なる領域において異なる特性を有していて、冷却体流路を有しているドリルやその他の回転工具の必要性が存在する。例えば、工具の回転軸に対する工具面の上での位置にかかわらず実質的に均一な摩耗を受けて、そして切削面における冷却が可能な焼結炭化物合金のドリルやその他の回転工具の必要性が存在する。複合回転工具が一体式の回転工具と同じ利益を有するような、冷却体流路を有する複合回転工具の必要性が存在する。また、複合回転工具や冷却体流路を有する複合回転工具を製造するための多角的な方法の必要性も存在する。
概要
本発明の態様は、少なくとも第一の領域と第二の領域を有する複合物品を含む。第一の領域は第一の複合材料を含んでいてもよく、この第一の領域は重量で５wt.％未満の立方晶炭化物（cubic carbide）を含み、そして第二の領域は第二の複合材料を含んでいてもよく、この第二の複合材料は第一の複合材料とは少なくとも一つの特性において異なっている。複合物品はさらに少なくとも一つの冷却体流路を有していてもよい。特定の態様において、第一および第二の複合材料はそれぞれ結合剤中に硬質粒子を含んでいてもよく、それらの硬質粒子はそれぞれ炭化物、窒化物、ホウ化物、ケイ化物、酸化物およびこれらの固溶体のうちの少なくとも一つを含み、そして結合剤はコバルト、ニッケル、鉄およびこれらの合金から選択される少なくとも一つの金属を含む。特定の態様において、第一の複合材料と第二の複合材料はそれぞれ結合剤中に金属炭化物を含んでいてもよい。
特性とは、弾性率、硬さ、耐摩耗性、破壊靭性、引張り強さ、耐食性、熱膨張率および熱伝導率からなる群から選択される少なくとも一つの特性であってもよい。複合物品は、例えば回転工具、回転工具のブランク、ドリル、エンドミル、タップ（tap、雌ねじ切り）、ロッドおよびバーのうちの一つであってもよい。幾つかの態様において、複合物品は２以上の冷却体流路をさらに有していてもよく、また冷却体流路は実質的に直線状の形または実質的につる巻状の形とすることができる。
本発明の態様は物品を形成する方法をさらに含み、この方法は金属炭化物を含む少なくとも二つの複合材料を共押出しして、それによりグリーン（green：未焼結体）の圧粉体を形成することを含む。複合材料は上で説明したものであってよい。少なくとも二つの複合材料を共押出しすることは、ダイを通して行うことができ、そして特定の態様においては、ダイはグリーンの圧粉体の中に内部流路を形成するための手段を有していてもよい。ダイはグリーンの圧粉体の中に内部流路を形成するために少なくとも一つのワイヤを有していてもよく、このときワイヤは堅いものでも可撓性のものでもよい。
また本発明の態様には、複合構造を有する回転工具を製造する方法も含まれ、その方法は、押出した第一の粉末金属を型の空所の第一領域中に配置することと、第二の冶金粉末金属を該空所の第二領域中に配置することとを含み、このとき押出した第一粉末金属は第二冶金粉末とは異なるものであり、そして型を加圧して押出した第一粉末金属と第二粉末金属とを固めてグリーンの圧粉体を形成することを含む。グリーンの圧粉体を焼結して物品を形成してもよい。材料は、焼結する前かあるいはその後に少なくとも一つの刃先を付与するためにグリーンの圧粉体から除去された材料であってもよい。
読者は、本発明の態様についての以下の詳細な説明を考慮したときに、本発明の以下の細部や利点およびその他のことについての真価を認めるであろう。読者はまた、本発明を用いるときには、本発明の追加の細部や利点も理解するであろう。
発明の態様の説明
本発明は、複合構造を有する回転切削工具、切削工具のブランク、ロッド、およびその他の物品、ならびにそのような物品を製造する方法を提供する。物品はさらに、望ましい場合には、冷却体流路などの内部流路を有していてもよい。本明細書で用いられるとき、回転工具とは、回転するように駆動される少なくとも一つの刃先（cutting edge）を有する工具である。本明細書で用いられるとき、「複合」構造とは、化学組成および／またはミクロ組織（microstructure）が異なっている領域を有する物品を指す。これらの相違により、少なくとも一つの特性に関して異なる性質を有する領域が生じる。特性とは、例えば、硬さ、引張り強さ、耐摩耗性、破壊靭性、弾性率、耐食性、熱膨張率および熱伝導率のうちの少なくとも一つであってもよい。本発明において提示されるようにして構成されうる複合回転工具としては、ドリルやエンドミル、さらには例えば、材料の孔あけ（drilling）、リーマー仕上げ（reaming）、皿座ぐり（countersinking）、深座ぐり（counterboring）、端面削り（end milling）、および雌ねじ切り（tapping）において用いることのできるその他の工具がある。
本発明は特に、少なくとも一つの刃先、少なくとも一つの特性に関して異なっている焼結炭化物合金材料からなる少なくとも二つの領域、および少なくとも一つの冷却体流路を有する複合回転工具を提供する。異なる特性は、焼結炭化物合金材料からなる二つの領域の中の化学組成とミクロ組織のうちの少なくとも一つを変えることによって付与することができる。領域の化学組成は、例えば、セラミック成分および／または領域の結合剤の化学組成や、該領域の炭化物対結合剤の比率の関数である。例えば、回転工具の二つの焼結炭化物合金材料の領域のうちの一つは、その二つの領域のうちの他方よりも高い耐摩耗性、高い硬度および／または高い弾性率を示すだろう。
図４(a) において軸を横断する断面図で示される工具のブランク400に関して、本発明の見地を記述することができる。工具のブランク400は、二つの同軸状に配置された焼結炭化物合金の領域410、420および冷却体流路430を有する概ね円柱状の焼結された圧粉体である。しかしながら、本発明についての以下の説明は、もっと複雑な形態および／または二つよりも多い領域を有する複合回転工具および工具のブランクの製造にも適合できることが、当業者にとっては明らかであろう。従って、以下の説明は本発明を限定することを意図してはおらず、本発明の態様を例示するにすぎない。
図４(a) の態様において、円柱状の回転工具のブランク400は、二つの異なる焼結炭化物合金の領域であるコア領域420と外側領域410で構成されている。コア領域420と外側領域410は両者とも、結合剤からなる連続した母材の中にセラミック粒子を含んでいる焼結炭化物合金材料からなる。好ましくは、コア領域420と外側領域410における焼結炭化物合金材料は、周期表のIVB〜VIB族に属する１以上の元素の炭化物で構成されたセラミック成分を含み、また５％未満の立方晶炭化物、あるいは幾つかの適用においては３wt.％未満の立方晶炭化物を含む。本発明の態様は５wt.％未満の立方晶炭化物を含んでいてもよいが、その理由は、立方晶炭化物は物品の横破断強度を低下させ、製造コストを増大させ、また破壊靭性を低下させることがあるからである。このことは、機械加工によって剪断作用が生じて、ドリルの強度を最も高くする必要のある硬い加工物を機械加工するために用いられる工具について特に重要である。
各々の領域において、セラミック成分は好ましくは、焼結炭化物合金材料の全重量の約６０〜約９８重量パーセントを占める。炭化物の粒子は、好ましくは各々の領域における全ての材料の約２〜約４０重量パーセントを構成する結合剤材料からなる母材の中に埋め込まれる。結合剤は好ましくはCo、Ni、Fe、およびこれらの元素の合金のうちの１以上のものである。結合剤はまた、例えばW、Cr、Ti、Ta、V、Mo、Nb、Zr、HfおよびCなどの元素を、結合剤中でのこれらの元素の溶解限度まで含んでいてもよい。さらに、結合剤はCu、Mn、Ag、AlおよびRuなどの元素を５重量パーセント以下含んでいてもよい。当業者であれば、焼結炭化物合金材料のいずれかの成分または全ての成分を、元素の形で、化合物として、および／または母合金（master alloy）として導入できることを理解するであろう。
工具のブランク400のコア領域420は、境界面415において外側領域410に自原的に接合される。図４(a) において境界面415は円柱状であるように示されているが、本発明の複合回転工具の焼結炭化物合金材料領域の境界面の形状は、円柱形状に限定されないことが理解されよう。境界面415における領域間の自原的な（autogenously）接合は、例えばコア領域420から外側領域410まで三次元方向に延びる結合剤の母材によって形成されうる（逆の方向も可能である）。二つの領域におけるセラミック成分に対する結合剤の比率は、同じであっても異なっていてもよく、また領域どうしの相対的な特性に影響を及ぼすように領域間で変化していてもよい。例として挙げるだけであるが、複合工具のブランク400の隣接する領域におけるセラミック成分に対する結合剤の比率は１〜１０重量パーセントで相違していてもよい。本発明の複合回転工具の異なる領域における焼結炭化物合金材料の特性は、特定の適用に応じて調整することができる。
当業者であれば、本発明の説明を考慮した後には、異なる焼結炭化物合金材料からなる幾つかの層を有するようにして本発明の改善された回転工具を構成し、それにより工具の中央の領域からその外周まで１以上の特性の度合いが漸進するようにすることができることを理解するであろう。従って、例えば、捩れドリルを焼結炭化物合金材料からなる複数の同軸状に配置された領域を有するように用意して、このときそのような領域の各々が、隣接する中央寄りに配置された領域よりも連続的に大きくなる硬度および／または耐摩耗性を有するようにすることができる。冷却体流路は、領域のいずれかに、あるいは２以上の領域と相交わるように、設けてもよい。本発明の方法は、押出し物品の設計において、設計上の大きな適応性をもたらす。あるいは、本発明の回転工具を、他の複合形態を有するように製造して、このとき工具の異なる領域において特定の特性の差異が生じるようにすることができる。
本発明の複合焼結炭化物合金の回転工具の主な利点は、工具の領域の特性を調整して様々な用途に適合させることができる、工具の設計者にとって利用可能な融通性である。例えば、本発明の特定の複合ブランクの個々の焼結炭化物合金材料の領域の大きさ、位置、厚さ、形状、および／または物理的特性を、そのブランクから製造される回転工具の特定の用途に適合するように選択することができる。さらに、冷却体流路を所望の位置に配置することができ、またそれを、つる巻状（helical）、らせん状（spiral）、直線状、またはそれらの形状の組合わせとしてもよい。従って、例えば、使用する間に顕著な曲げを受ける回転工具の１以上の焼結炭化物合金の領域の剛性を高い弾性率を有する焼結炭化物合金材料のものとし、切削面を有していて他の領域よりも大きな切削速度を受ける１以上の焼結炭化物合金の領域の硬度および／または耐摩耗性を増大させ、そして／または、使用する間に化学的接触を受ける焼結炭化物合金材料の領域の耐食性を高めることができる。
図４(b) と図４(c) は本発明のさらなる態様を示す。これらの態様は冷却体流路などの流路をさらに含んでいてもよい。図４(b) の態様は、異なる焼結炭化物合金グレードの内部領域を有するチューブを含む。この実施例において、ロッド440は、第一の焼結炭化物合金からなる外側領域441、第二の焼結炭化物合金からなる第一の内側領域442、および同じであるかまたは異なる焼結炭化物合金を含みうる追加の内側領域443を有する。ロッド440は、例えば、ロッド452および453を充填したチューブ451を含むセット450を共押出しすることによって製造することができる。例えば、ロッド452はロッド453とは異なる少なくとも一つの特性を有する焼結炭化物合金から形成することができる。
例示するだけであるが、本発明の回転工具の追加の態様を図４と図５に示す。図４は本発明に従って構成されたステップドリル110を示す。ドリル110は、幾つかのつる巻状に方向づけられた刃先114を含む切削部分112を有する。ドリル110はまた、ドリルを機械工具（図示せず）に取り付けるために、チャックに収容される取付け部分116を有する。ドリル110は、少なくとも一つの特性に関して互いに異なる焼結炭化物合金材料からなる三つの領域を見せるために、部分断面図として示されている。第一領域118がドリル110の切削端に配置される。領域118を構成する焼結炭化物合金材料は、ドリル110のコアを形成する中央の領域120と比較して高い耐摩耗性と硬さを示す。コアの領域は、残りの二つの領域と比較して高い弾性率を示す焼結炭化物合金材料からなる。高い弾性率は、ドリル110が加工物に押し付けられるときに曲がる傾向を低減する。ドリルはまた、幾つかのつる巻状に方向づけられた刃先114を画定する外側領域122を含む。外側領域はコア領域120を囲んでいて、またこれに対して同軸状に配置されている。外側領域122は、コアの領域120と先端の領域118の両者と比較して高い硬さと耐摩耗性を示す焼結炭化物合金材料で構成されている。外側領域122によって画定される切削面114は、ドリルの中心軸に近接する切削領域よりも速い切削速度を受ける。従って、外側領域122の高い耐摩耗性と硬さは、切削面の均一な摩耗が達成されるように選択することができる。
本発明の態様はまた、複合焼結炭化物合金の物品を製造する方法をさらに含む。その態様は、焼結炭化物合金を含む少なくとも二つの複合材料を共押出ししてグリーンの圧粉体を形成することにより複合物品を形成する方法を含む。共押出しは、直接または間接の押出しプロセスによって行うことができる。押出機の供給室には、二つのグレードの炭化物粉末のような二つのグレードの材料と、プラスチック結合剤と混合された結合剤粉末とが充填される。プラスチック結合剤材料はおよそ３３wt.％〜６７wt.％の濃度で存在してもよく、これは押出しを可能にするために粉末金属混合物の粘度を低下させる。
焼結炭化物合金のための押出しプロセスは当分野で良く知られている。典型的な押出しプロセスにおいて、金属粉末はプラスチック結合剤と混合される。ベンジルアルコール、セルロース、ポリマーまたは石油製品を主成分とするプラスチック結合剤など、あらゆる典型的なプラスチック結合剤を用いてもよい。典型的には、金属粉末とプラスチック結合剤の間の密な接触を確実にするために、ハイシーン（high sheen）混合プロセスが用いられる。
次いで、金属/結合剤混合物をスクリューフィーダーによって押出機を通して送り出し、押出し製品を製造してもよい。本発明の方法の態様は、少なくとも二つの焼結炭化物合金グレードのものを共押出しすることを含む。本明細書に用いられる共押出しという用語は、二つの材料を同時に押出すことにより両方の材料が組込まれた単一の物品を形成することを意味する。本発明の方法においては、いかなる共押出しプロセスを用いてもよく、例えば、二つのグレードの焼結炭化物合金を漏斗（funnel）またはダイの分離した区画に送り出し、このときその二つのグレードは互いに密に接触してダイから出る。
共押出しプロセスの態様を図６(a) に示す。供給室600に、第一のグレードの焼結炭化物合金粉末からなるロッド610と第二のグレードの焼結炭化物合金粉末からなるチューブ620が充填される。ロッド610とチューブ620はそれぞれ、当分野で知られている別個の押出しプロセスによって形成されたものである。特定の態様において、チューブ620は供給室600の中に直接押出すことができる。次いで、別の押出しプロセスにおいて形成されたロッド610を、供給室600の中にすでにあるチューブ620の中に挿入することができる。
押出しプロセスのこの態様において、プランジャー（図示せず）によってロッド610とチューブ620を押して、供給室の中を通して漏斗630の中に入れる。漏斗630は供給室からダイ640へと断面積が減少する。漏斗630は焼結炭化物合金粉末の圧縮と固化を生じさせ、その結果、ロッド610とチューブ620の間の密な接触が起こり、グリーンの圧粉体（「押出した材料」）が形成される。
特定の態様において、押出しプロセスは漏斗630とダイ640の間に組み込まれた流路ダイ650を含んでいてもよい。流路ダイは二つのワイヤ660を含み、あるいは流路ダイはグリーンの圧粉体の中に内部流路を形成するための他の手段を含んでいてもよい。ワイヤ660は、それらが押出した材料に接触できるように、ワイヤ660を保持するアーム670に連結される。ワイヤ660により、押出した材料の中に流路が形成される。ワイヤ660は押出した材料の中に流路を形成することが可能ないかなる材料から製造されてもよく、例えば、限定するものではないが、ナイロン、ポリマー被覆金属ワイヤ、ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリエステル、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、アラミド、ケブラー（Kevlar）、ポリエーテルエーテルケトン、天然材料、綿糸、麻（hemp）、およびジュートがある。つる巻状に方向づけられた流路を形成するためなどの特定の適用において、好ましくはワイヤは可撓性のワイヤである。しかし、直線状に方向づけられた流路のためや、幾つかのつる巻状での適用においては、堅いワイヤを用いてもよい。流路は回転工具における冷却体流路として用いることができる。ワイヤ660は、つる巻状に方向づけられた流路、直線状に方向づけられた流路、あるいはこれらの組合わせを形成するために用いることができる。ワイヤまたはその他の流路形成要素の断面は、円形、楕円形、三角形、四角形および六角形など、いかなる形状であってもよい。
つる巻状に方向づけられた流路は、押出した材料が流路ダイ650に対して回転するような態様で、押出した材料の中に形成されてもよい。押出した材料は、ダイ640にらせん状の刻み目を組み込むことによって回転させることができる。図６(c) において、押出した材料680は、ダイ645の内表面上のつる巻状の刻み目を有するダイ645から出る。押出した材料が刻み目の上を通過するとき、押出した材料は流路ダイ（図示せず）に対して回転する。あるいは、ダイが回転して、それにより押出した材料が流路ダイに対して回転するようにしてもよい。他の流路ダイを用いてもよく、例えば、固定したつる巻状のコイルを有するダイであって、押出した材料が流路ダイに対してつる巻状のコイルと同じ回転で回転するようにしたものや、あるいはあらゆるその他の流路形成手段である。
流路ダイは、押出装置における漏斗、ダイ、またはその他の要素と分離した要素であっても、あるいは一体のものであってもよい。流路ダイは、押出した材料の中に少なくとも一つの流路を形成することのできるものであってもよい。流路の数と大きさは、押出した材料の大きさ、流路の大きさ、および押出した材料の最終的な用途についての適用によって限定されるだろう。ワイヤを有する流路ダイを含む態様において、ワイヤの数は押出した材料に形成される流路の数と一致するだろう。回転工具への適用について、例えば縦溝（flute）となるものと同じ数の流路を有するのが好ましいだろう。
本発明の態様はさらに、少なくとも二つの焼結炭化物合金グレードのものを供給室に装填することを含むだろう。供給室に装填される少なくとも一つの焼結炭化物合金グレードのものは、ロッド、チューブ、バー、ストリップ、長方形、歯車形または星形のいずれかの押出した形態、あるいは押出しプロセスにおいて形成されうるあらゆるその他の形状であってもよい。回転工具またはローラーへの適用において、二つの焼結炭化物合金グレードのもののうちの少なくとも一つはロッド形状の形態であって、そして少なくとも一つの焼結炭化物合金はチューブの形状であるのが好ましいだろう。他の適用において、供給室には、異なる焼結炭化物合金グレードからなる複数のチューブおよび／または複数のロッドが充填されてもよい。複数のロッドが用いられる場合、押出した材料を、特定の領域において特定のグレードの焼結炭化物合金を有するように形成してもよく、あるいは押出した材料の断面の全体にランダムに分布させてもよい。
本発明のさらなる態様は、焼結炭化物合金のグレードを押出して、押出したグリーン圧粉体を形成すること、そしてこの押出したグリーン圧粉体を第二の焼結炭化物合金グレードとプレスして、プレスされたグリーン圧粉体を形成することを含んでもよい。押出したグリーンの圧粉体は、例えば上述のように形成された内部流路を任意に有していてもよい。
本発明に従う複合回転工具を提供するための前述の方法の適用の実際例を行うことができる。
本発明を特定の態様に関して説明したが、当業者であれば、以上の説明を考慮することにより、本発明の多くの修正と変形を用いることができることを理解するであろう。本発明のそのような全ての変形と修正は、以上の説明と添付の特許請求の範囲によって包含されることが意図されている。
図１(a) と図１(b) はそれぞれ、冷却体流路を有する一般的な捩れドリルの平面図と端面図である。 図２(a) は、図２(b) に示される一般的な捩れドリルの三つの直径D1、D2およびD3における切削速度を示すグラフである。 図３(a) と図３(b) は、焼結炭化物合金グレードBからなるコアと焼結炭化物合金グレードAからなるシェルを含む本発明の方法の態様によって製造されたロッドの横断面（図３(a)）と縦断面（図３(b)）を示す。 図４(ａ)は複合焼結炭化物合金の態様の断面図を示す。 図４(ｂ)は複合焼結炭化物合金の態様の断面図を示す。 図４(ｃ)は複合焼結炭化物合金の態様の断面図を示す。 図４(ｄ)は複合焼結炭化物合金の態様の断面図を示す。 図５(a) 〜(d) は冷却体流路の異なる形態の例を示すブランクの態様であり、図５（a）は直線状の単一の冷却体流路を示す。図５(b)は二つの直線状の流路を示す。図５(c)は二つのつる巻状またはらせん状の流路を示す。図５(d)は三つのつる巻状またはらせん状の流路を示す。 図６(a) は、グレードAのチューブとグレードBのロッドを内部にらせん状の刻み目を有するダイを通じて共押出しし、つる巻状またはらせん状の流路を有するブランクを製造するのに用いる、共押出しプレス装置を示す。 図６(b) は流路のダイを示す。 図６(c) は、らせん状の刻み目を有するダイから出つつある、内部流路を有する共押出しした複合焼結炭化物合金のロッドの写真である。 図７は、焼結炭化物合金グレードAから製造された内部流路を有する押出したロッドと共に焼結炭化物合金グレードBを固めることを含む本発明の方法の態様において用いられるドライバッグアイソスタチック（等方圧）プレス装置（dry bag isostatic pressing apparatus）を示す。 図８(a) は、本発明の内部冷却体流路を有する複合ロッドの縦断面の写真であり、写真におけるナイロンワイヤは流路の中に挿入されており、冷却体流路の位置と経路をより明瞭に示している。図８(b) は、内部冷却体流路を有する複合焼結炭化物合金から製造されたドリルの縦断面の写真である。

Claims (59)

  1. 少なくとも外側領域、同軸上に配置されたコア領域、および
    少なくとも一つの冷却体流路
    を含み、該外側領域は第一の複合材料および５ｗｔ．％未満の立方晶炭化物を含み、該コア領域は第二の複合材料を含み、そして第一の複合材料は第二の複合材料と少なくとも一つの特性において異なっている複合物品であって、
    該冷却体流路は該複合物品の内部に長手方向に配置されており、該冷却体流路は該外側領域及び該コア領域との境界に形成され該外側領域と該コア領域との両領域にまたがって延在する、前記複合物品。
  2. 該第一の複合材料および該第二の複合材料がそれぞれ結合剤中に硬質粒子を含んでおり、それら硬質粒子はそれぞれ炭化物、窒化物、ホウ化物、ケイ化物、酸化物およびこれらの固溶体のうちの少なくとも一つを含み、そして結合剤はコバルト、ニッケル、鉄、コバルト合金、ニッケル合金および鉄合金からなる群から選択される少なくとも一つの材料を含む、請求項１に記載の複合物品。
  3. 該特性が、弾性率、硬さ、耐摩耗性、破壊靭性、引張り強さ、耐食性、熱膨張率および熱伝導率からなる群から選択される少なくとも一つの特性である、請求項１に記載の複合物品。
  4. 該第一の複合材料と第二の複合材料がそれぞれ結合剤中に金属炭化物を含む、請求項１に記載の複合物品。
  5. 第一の複合材料の該金属炭化物の金属と第二の複合材料の該金属炭化物の金属が、それぞれ、ＩＶＢ族元素、ＶＢ族元素およびＶＩＢ族元素からなる群から選択される、請求項４に記載の複合物品。
  6. 該外側領域が、該外側領域から該コア領域まで又は該コア領域から該外側領域まで伸びる該結合剤の母材によって該コア領域に接合されている、請求項４に記載の複合物品。
  7. 第一の複合材料の該結合剤と第二の複合材料の該結合剤が、それぞれ個々に、コバルト、コバルト合金、ニッケル、ニッケル合金、鉄、および鉄合金からなる群から選択される材料を含む、請求項４に記載の複合物品。
  8. 第一の複合材料の該結合剤と第二の複合材料の該結合剤とが化学組成において異なる、請求項４に記載の複合物品。
  9. 第一の複合材料の該結合剤の重量パーセントが、第二の複合材料の該結合剤の重量パーセントとは異なる、請求項４に記載の複合物品。
  10. 第一の複合材料の該金属炭化物が、第二の複合材料の該金属炭化物と、化学組成および平均粒度のうちの少なくとも一つにおいて異なる、請求項４に記載の複合物品。
  11. 該第一の複合材料と該第二の複合材料が、それぞれ、２〜４０重量パーセントの結合剤および６０〜９８重量パーセントの金属炭化物を含む、請求項４に記載の複合物品。
  12. 第一の複合材料および第二の複合材料のうちの一方は、第一の複合材料および第二の複合材料のうちの他方のものよりも結合剤を１〜１０重量パーセント多く含む、請求項１１に記載の複合物品。
  13. 複合物品が、回転工具、回転工具のブランク、ドリル、エンドミル、タップ、ロッドおよびバーのうちの一つである、請求項１に記載の複合物品。
  14. 外側領域中の第一の複合材料の弾性率が、コア領域中の第二の複合材料の弾性率と異なる、請求項３に記載の複合物品。
  15. 外側領域中の第一の複合材料の硬さおよび耐摩耗性のうちの少なくとも一つが、コア領域中の第二の複合材料とは異なる、請求項３に記載の複合物品。
  16. 少なくとも一つの冷却体流路は直線状である、請求項１に記載の複合物品。
  17. 少なくとも一つの冷却体流路はつる巻状の形である、請求項１に記載の複合物品。
  18. 二つの冷却体流路を有する、請求項１〜１７のいずれかに記載の複合物品。
  19. 該第一の複合材料および該第二の複合材料が焼結炭化物合金である、請求項１〜１８のいずれかに記載の複合物品。
  20. 該焼結炭化物合金材料のそれぞれが弾性率を有し、該外側領域中の第一の焼結炭化物合金材料の該弾性率が、９０×１０６〜９５×１０６ｐｓｉであり、該コア領域中の第二の焼結炭化物合金材料の該弾性率が、６９×１０６〜９２×１０６ｐｓｉである、請求項１９に記載の複合物品。
  21. 請求項１に記載の複合物品を形成する方法であって、
    金属炭化物を含む少なくとも二つの複合材料を共押出ししてグリーンの圧粉体を形成することを含み、該少なくとも二つの複合材料が、少なくとも２種類の焼結炭化物合金グレードである前記方法。
  22. 少なくとも二つの複合材料を共押出しすることが、ダイを通して行われる、請求項２１に記載の物品を形成する方法。
  23. 該ダイが、該グリーンの圧粉体の中に内部流路を形成するための手段を有する、請求項２２に記載の方法。
  24. ダイが少なくとも一つのワイヤを有する、請求項２２に記載の方法。
  25. 該少なくとも一つのワイヤは、該グリーンの圧粉体の中に内部流路を形成する、請求項２４に記載の方法。
  26. ダイが少なくとも二つのワイヤを有する、請求項２４に記載の方法。
  27. ダイが三つのワイヤを有する、請求項２６に記載の方法。
  28. 該少なくとも一つのワイヤが、可撓性のワイヤである、請求項２４に記載の方法。
  29. 該可撓性のワイヤが、ナイロン、ポリマー被覆金属ワイヤ、ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリエステル、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、アラミド、ケブラー、ポリエーテルエーテルケトン、綿糸、動物の腸、麻およびジュートのうちの少なくとも一つを含む、請求項２８に記載の方法。
  30. ワイヤが非可撓性である、請求項２４に記載の方法。
  31. ワイヤが金属を含む、請求項３０に記載の方法。
  32. 少なくとも一つの焼結炭化物合金のグレードは、押出した形態にある、請求項２１に記載の方法。
  33. 該押出した形態が、ロッド、バーおよびチューブのうちの少なくとも一つである、請求項３２に記載の方法。
  34. 少なくとも一つの焼結炭化物合金がロッド形状であり、他の少なくとも一つの焼結炭化物合金がチューブ形状である、請求項２１に記載の方法。
  35. 少なくとも二つの焼結炭化物合金が、チューブの形状である、請求項３２に記載の方法。
  36. ロッドの形態の焼結炭化物合金が、共押出機の供給室の中に直接に押出される、請求項３４に記載の方法。
  37. グリーンの圧粉体が二つの焼結炭化物合金のグレードを含み、それら焼結炭化物合金のグレードが同軸状に配置される、請求項２１に記載の方法。
  38. ダイが流路ダイを含む、請求項２２に記載の方法。
  39. 該少なくとも二つの複合材料が、少なくとも二種類の焼結炭化物合金であり、該ダイが、内部にらせん状の刻み目を有する、請求項２２に記載の方法。
  40. 該少なくとも二つの複合材料が、少なくとも二種類の焼結炭化物合金であり、該ダイが回転する、請求項２２に記載の方法。
  41. グリーンの圧粉体が少なくとも一つの流路を有する、請求項２２に記載の方法。
  42. グリーンの圧粉体が二つのつる巻状の流路を有する、請求項２２に記載の方法。
  43. 前記第一の複合材料が第一の焼結炭化物合金材料であり、前記第二の複合材料が第二の焼結炭化物合金材料であり、該第一の焼結炭化物合金材料および第二の焼結炭化物合金材料のうちの少なくとも一つが、０.３〜１０μｍの平均粒度を有する炭化タングステン粒子を含む、請求項１に記載の複合物品。
  44. 前記第一の複合材料が第一の焼結炭化物合金材料であり、前記第二の複合材料が第二の焼結炭化物合金材料であり、該第一の焼結炭化物合金材料および第二の焼結炭化物合金材料のうちの少なくとも一つが０.５〜１０μｍの平均粒度を有する炭化タングステン粒子を含み、そして第一の焼結炭化物合金材料および第二の焼結炭化物合金材料のうちの他方が０.３〜１.５μｍの平均粒度を有する炭化タングステン粒子を含む、請求項１に記載の複合物品。
  45. 前記第一の複合材料が第一の焼結炭化物合金材料であり、前記第二の複合材料が第二の焼結炭化物合金材料であり、該第一の焼結炭化物合金材料および前記第二の焼結炭化物合金材料のうちの一方が、第一の焼結炭化物合金材料および第二の焼結炭化物合金材料のうちの他方よりも前記結合剤を１〜１０重量パーセント多く含む、請求項５に記載の複合物品。
  46. 前記第一の複合材料が第一の焼結炭化物合金材料であり、前記第二の複合材料が第二の焼結炭化物合金材料であり、前記外側領域中の第一の焼結炭化物合金材料の弾性率が、前記コア領域中の第二の焼結炭化物合金材料の弾性率と異なる、請求項１に記載の複合物品。
  47. 前記第一の複合材料が第一の焼結炭化物合金材料であり、前記第二の複合材料が第二の焼結炭化物合金材料であり、前記外側領域中の第一の焼結炭化物合金材料の硬さおよび耐摩耗性のうちの少なくとも一つが、前記コア領域中の第二の焼結炭化物合金材料と異なる、請求項１に記載の複合物品。
  48. 前記第一の複合材料が第一の焼結炭化物合金材料であり、前記第二の複合材料が第二の焼結炭化物合金材料であり、該第一の焼結炭化物合金材料が６〜１５重量パーセントのコバルト合金を含み、そして第二の焼結炭化物合金材料が１０〜１５重量パーセントのコバルト合金を含む、請求項１に記載の複合物品。
  49. 複合構造を有する回転工具を製造する方法であって：
    押出した第一冶金粉末を含むグリーンの圧粉体をドライバッグゴム型の第一の領域中に配置すること；
    前記第一冶金粉末とは異なる第二冶金粉末を、ドライバッグゴム型の第二の領域中に配置すること；
    該ドライバッグゴム型を等方圧縮して押出したグリーンの圧粉体および第二冶金粉末を固め、少なくとも外側領域と同軸上に配置されたコア領域とを有する圧縮されたグリーンの圧粉体を形成すること；および
    該グリーンの圧粉体を過圧焼結すること；
    を含み、該圧縮されたグリーンの圧粉体は、該圧縮されたグリーンの圧粉体の内部に長手方向に配置された少なくとも一つの冷却体流路を有しており、該冷却体流路は、該外側領域及び該コア領域と交わっている、前記方法。
  50. グリーンの圧粉体から材料を除去して少なくとも一つの刃先を付与することをさらに含む、請求項４９に記載の方法。
  51. グリーンの圧粉体から材料を除去することが、圧粉体を機械加工して、少なくとも一つのつる巻状に方向づけられた刃先を画定する少なくとも一つのつる巻状に方向づけられた縦溝を形成することを含む、請求項５０に記載の方法。
  52. 第一冶金粉末および第二冶金粉末の両者が、粉末化した結合剤と、ＩＶＢ族元素、ＶＢ族元素およびＶＩＢ族元素からなる群から選択される元素の少なくとも一つの炭化物の粒子とを含む、請求項４９に記載の方法。
  53. 第一冶金粉末および第二冶金粉末の結合剤が、それぞれ個々に、コバルト、コバルト合金、ニッケル、ニッケル合金、鉄、および鉄合金からなる群から選択される少なくとも一つの金属を含む、請求項５２に記載の方法。
  54. 第一冶金粉末および第二冶金粉末が、それぞれ個々に、２〜４０重量パーセントの粉末化した結合剤と、６０〜９８重量パーセントの炭化物粒子とを含む、請求項５３に記載の方法。
  55. 第一冶金粉末および第二冶金粉末のうちの少なくとも一つが、０.３〜１０μｍの平均粒度を有する炭化タングステン粒子を含む、請求項４９に記載の方法。
  56. 圧粉体を過圧焼結することが、圧粉体を１３５０℃〜１５００℃の温度において３００〜２０００ｐｓｉの圧力下で加熱することを含む、請求項４９に記載の方法。
  57. 型を加圧することが、５０００〜５００００ｐｓｉの圧力で型を等方圧縮することを含む、請求項４９に記載の方法。
  58. 型を加圧することにより形成されたグリーンの圧粉体が：
    第一冶金粉末の固化により与えられる第一焼結炭化物合金材料を含む外側領域と、
    第二冶金粉末の固化により与えられる第二焼結炭化物合金材料を含むコア領域とを含み、
    該外側領域および該コア領域は少なくとも一つの特性において異なる、請求項４９に記載の方法。
  59. 該特性が、弾性率、硬さ、耐摩耗性、破壊靭性、引張り強さ、耐食性、熱膨張率および熱伝導率からなる群から選択される少なくとも一つである、請求項５８に記載の方法。
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