JP5351053B2 - 工具部品 - Google Patents

Description

本発明は、工具部品に関する。

多結晶質ダイヤモンド（ＰＣＤ）としても知られているダイヤモンド成形体、及び、ＰＣＢＮとしても知られている立方晶窒化ホウ素成形体を利用する研削切断用超硬要素又は工具部品は、穿孔(drilling)、フライス削り(milling)、切削(cutting)、及びそれらに類する他の研削用途において、広く用いられている。工具部品の要素は、一般に、支持体、一般に超硬支持体、に接合されたＰＣＤ層又はＰＣＢＮ層を含む。ＰＣＤ層又はＰＣＢＮ層は、鋭利な切削端若しくは切削点、又は切削表面若しくは研摩面を提供することができる。
ＰＣＤは、かなりの量のダイヤモンド−ダイヤモンド直接接合を含む多量のダイヤモンド粒子を含有する。ＰＣＤは、典型的には、コバルト、ニッケル、鉄、又は、それらに類する１種類以上の金属を含有する合金のようなダイヤモンド触媒／溶媒を含む第２の相を有する。ＰＣＢＮは、一般に、典型的にはｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）触媒である接合相、又はそのような触媒を含有する接合相をも有する。適切な接合相の例は、アルミニウム、アルカリ金属、コバルト、ニッケル、タングステン、及び同類のものである。

ＰＣＤ（多結晶質ダイヤモンド）切削要素は、一連の金属及び合金だけでなく、複合木材をも機械加工するためにも、広く用いられている。とりわけ、自動車産業、航空宇宙産業及び木工産業では、ＰＣＤを用いて、ＰＣＤが提供する、より高いレベルの生産性、精度及び一貫性(consistency)によって恩恵が享受されている。アルミニウム合金、バイメタル、銅合金、炭素／黒鉛強化プラスチックス、及び金属基複合材料は、金属工業において、ＰＣＤで機械加工される典型的な材料である。貼合せフローリングボード、セメント板、樹脂合板、パーチクルボード及びベニヤ合板は、このクラスにおける木製品の例である。ＰＣＤはまた、石油掘削産業における掘削体用インサートとして用いられる。
機械加工が行われる間の切削工具の破損は、通常、次の諸プロセスの１つ又は組合せによって引き起こされる。
・突発破砕(catastrophic fracture)（突発破損）によって
・累積摩耗(cumulative wear)（進行性破壊）によって
・可塑的変形(plastic deformation)（突発破損）によって

形状変化に至る可塑的変形は、通常、ＰＣＤ（多結晶質ダイヤモンド）のような超硬切削工具材料であって、高温でそれの強度を維持する超硬切削工具材料においては、あまり重大な因子でない。進行性摩耗に起因する工具の破損は、該工具上で摩耗外観が進行することを特徴とする。典型的な摩耗外観には、逃げ面摩耗、クレータ摩耗、ＤＯＣ（切込み）ノッチ摩耗(notch wear)、及び後縁ノッチ摩耗(trailing edge notch wear)が包含される。逃げ面摩耗ランド(flank wear land)の幅（ＶＢ_Ｂｍａｘ）は、工具の適切な摩耗尺度であり、ＶＢ_Ｂｍａｘの予定値は、工具寿命の望ましい基準と見なされる［国際基準（ＩＳＯ）３６８５，１９９３、一点丸削りバイトに関する工具寿命試験］。特定用途において、摩耗外観（摩耗瘢痕）を引き起こす摩耗形態は、一般に、切削工具の微構造、機械加工条件、及び、切削端の幾何学的条件によって決まる。摩耗形態には、アブレシブ磨耗、微小破壊による摩耗（チッピング、スポーリング及びクラッキング）、凝着磨耗（構成刃先の形成）、又は摩擦化学摩耗(tribochemical wear)（拡散摩耗、及び新たな化合物の形成）が包含されることがある。最適な工具材料、幾何学的条件及び機械加工パラメータを見出だすのに、通常、多大な時間と努力とが費やされる。

ダイヤモンドの硬度が高いことは、ＰＣＤ（多結晶質ダイヤモンド）の優れた摩耗特性の原因であるが、ＰＣＤの耐破壊性又は耐衝撃性に悪影響を与える。この、ＰＣＤの低耐衝撃性は、工具が、ある用途で用いられるときの慣らし運転段階又は初期段階に止まっている間、微小破壊の摩耗モードによって、破滅的な破壊又は摩耗を引き起こすことがある。破滅的な破壊を防止するために、通常、切削端上に、面取り面(chamfers)及びホーン(hones)を作って、工具の強度を増大させる。

ＰＣＤの耐衝撃性は炭化物に比べてより低いので、工具の使用は、仕上げ用途のみに限定される。荒削り用途及び過酷な中断用途（高い送り速度及び切り込み）において、切削端の負荷がより高い場合、ＰＣＤは、容易に破砕して、工具を時期尚早に破損させることがある。他方、炭化物は、ＰＣＤに比べてより速く摩耗するが、耐衝撃性はより大きい。仕上げ作業と異なり、荒削り作業では、寸法許容差は、それほど重大でない（Ｖ_ＢＢｍａｘ＞０．６）。このことは、工具摩耗が支配的な要因ではなく、むしろ耐衝撃性であることを意味する。また、ＭＤＦ（中質繊維板）の低ＳｉＡｌ合金及び樹脂合板のようなあまり過酷でない用途において、摩耗率は、一般により低く、従って、より低い費用対性能比の結果として、炭化物が好ましい。

このことに加えて、ＰＣＤ（多結晶質ダイヤモンド）の硬度が高いために、ＰＣＤの処理加工費は高くなることがあり、炭化物と比べて、ＰＣＤは更にいっそう魅力的ではなくなる。高温高圧（ＨＰＨＴ）合成によって製造される超硬切削工具材料［多結晶質ダイヤモンド（ＰＣＤ）、多結晶質立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）、単結晶ダイヤモンド、等］は、それらが切削工具用インサートとして用いられ得る前に、幾つかの加工処理工程を経なければならない。これらの加工処理工程には、一般に、次のものが包含される。
１）合成されたディスクの超硬摩耗面及び側面から、金属キャップ（通常、タンタル又はニオブ又はモリブデンのキャップ）を除去する工程。
２）超硬研摩テーブルの外側部を大量に除去して、好ましい特性を得る工程。
３）頂面での中削り。
４）頂面での研摩加工工程（仕上げ削り工程）。典型的には、研摩加工されたＰＣＤ層は、９０°、３μｍ針で測定して、Ｒａ＝０．０１μｍの祖面度を有する。ＰＣＢＮは、一般に、研摩加工されない。
５）ディスクをセグメントに切断する工程。ディスクとセグメントとの両者は、市場に供給される。これらの加工処理工程の中でも、研摩加工工程は、研摩材の超硬特性に起因して、恐らく、最も大きな問題となるだろう。一般に、研摩層の高品質表面仕上げは、使用中、該研摩層の性能を高めるために必要とされる。

現在入手可能なＰＣＤ（多結晶質ダイヤモンド）切削工具のもう１つの不都合は、それら切削工具が、鉄鋼材を機械加工するようには設計されていないということである。例えば、鋳鉄を機械加工するとき、切削力、したがって、切削端における切削温度は、非鉄を機械加工するときに比べて、遥かに高い。ＰＣＤは、約７００℃で黒鉛化し始めるので、鉄鋼材を機械加工する場合、切削速度を低下させれば、本工具の用途は制限され、ある用途において、本工具は、炭化物工具と比べて、非経済的になる。

ＵＳ５，８８３，０２１号明細書は、多結晶質ダイヤモンドカッターの使用可能寿命を延ばすために、多結晶質ダイヤモンドの表面に耐火性コーティングが施された多結晶質ダイヤモンドカッターを開示する。該耐火性層は、０．１〜３０μｍの厚さを有し、合成後の操作（例えば、めっき又は化学蒸着又は物理蒸着）で施される。

ＵＳ６，７７９，９５１号明細書は、多結晶質ダイヤモンドカッターであって、多結晶質ダイヤモンドの表面に、モリブデンの層が、他の金属層を介して施されている多結晶質ダイヤモンドカッターを開示する。前記の他の金属層は、ニオブ、タンタル、ジルコニウム、タングステン、及び、類似する他の金属、又はそのような金属を含有する合金である場合がある。それらの層は、厚く、１００μｍより大きい厚さを有する。
ＵＳ６，４３９，３２７号明細書は、回転ドリル用多結晶質ダイヤモンドカッターであって、該カッターの側面に、多結晶質ダイヤモンドの側面に高圧で接合された金属層が備えられている多結晶質ダイヤモンドカッターを開示する。適切な金属の例は、モリブデンである。
ＵＳ３，７４５，６２３号明細書は、チタン又はジルコニウムの保護鞘に入れたＰＣＤ（多結晶質ダイヤモンド）の製法であって、製造の間、該保護鞘の一部分が、炭化物に転換される製法を開示する。このチタン鞘又はジルコニウム鞘の薄層は、チップブレーカ(chip breaker)面の上のＰＣＤ上に置き去りにされてもよい。

本発明は、作業面を有する多結晶質ダイヤモンド層と、１００μｍ以下の厚さを有し、且つ、モリブデン、タンタル及びニオブから選ばれた金属を含有するより軟質の面であって、界面に沿って、前記多結晶質ダイヤモンド層の作業面に接合されているより軟質の層とを有する工具部品において、前記のより軟質の層の金属は、金属炭化物、金属、又はそれらの組合せの形態であり、且つ、前記のより軟質の層からの金属は、前記界面に隣接する多結晶質ダイヤモンド層の領域に存在している、工具部品を提供する。

前記のより軟質の層は、工具部品用多結晶質ダイヤモンドより軟質の層を提供する。前記金属の一部分は、前記のより軟質の層との界面に隣接する多結晶質ダイヤモンドの領域の中に拡散しており、且つ、多結晶質ダイヤモンドのこの領域の中に存在しているという事実のお陰で、前記のより軟質の層は、多結晶質ダイヤモンドの作業面に強力に接合されている。多結晶質ダイヤモンド中の第２の相として存在する、前記金属（例えば、コバルト）の一部分は、より軟質の層の中に存在する。従って、より軟質の層と多結晶質ダイヤモンドとの間の接合は、本質的に拡散接合である。そのような接合は、例えば、多結晶質ダイヤモンドを製造する間に作られ得る。即ち、より軟質の層は、そのような製造の間、その場で(in situ)作り出されて、多結晶質ダイヤモンドに接合される。そのような強力な接合は、ＵＳ５，８８３，０２１号明細書に記述される方法のような合成後の被覆方法又は堆積方法であって、より軟質の炭化物層の層間剥離が過酷な条件の下で起こる恐れがある方法を用いて達成され得ない。

より軟質の最上層をダイヤモンド材料に提供することによって、耐衝撃性が工具材料の重大な必要条件である用途における工具部品の性能が改善されるということが見出だされた。典型的な用途には、（木材を含有する）複合材料、アルミニウム合金、鋳鉄、チタン合金、耐熱超合金（ＨＲＳＡ）及び硬化鋼のフライス削り(milling)、のこ引き(sawing)、並びにリーマ仕上げ(reaming)が包含される。高耐衝撃性を必要とする他の用途は、油及びガスを得るためのボーリング(drilling)にある。この用途において、ドリル用ビットは、（異なる特性を有する）様々なタイプの造岩(rock formation)に穴を開け、結果的に、切削端上に衝撃荷重をもたらす必要がある。ビット回転もまた、結果的に、切削端上に衝撃荷重をもたらす。ある種の丸削り(turning)用途もまた、耐衝撃性を必要とする場合がある。そのような用途の１つは、ＰＣＢＮ（立方晶窒化ホウ素）を含有する硬化鋼の丸削りである。この用途では、工具のすくい面上にクレータが形成し、結果的に、より小さい刃物角(wedge angle)が生じる。この刃物角は、次には、切削端の強度を低下させる。これまでの産業界では、切削端の上に面取り部及び砥石(hone)を施すことによって、また、インサートの刃物角を非常に増大させることによって、このことを補償することが試みられてきた。耐衝撃性を必要とする他の２つの丸削り用途は、切削端上に切り欠き(notches)が形成する傾向が存在する、チタン及び耐熱超合金の丸削りである。過去の産業界では、ノーズ半径(nose radius)を増大させるか、又は、インサートのアプローチ角(approach angle)を変化させることによって、このことを補償してきた。

より軟質の層は、作業面の一部分のみを横切って伸びるか、又は、作業面全体を横切って伸びてもよい。
多結晶質ダイヤモンド層の作業面は、好ましくは、そのような層の上面であり、且つ、交差点で切削点又は切削端の範囲を限定する層のもう１つの表面と交差する。より軟質の層は、好ましくは、切削端又は切削点から、作業面の少なくとも一部分を横切って伸びる。

より軟質の層の金属は、金属それ自体の形態であるか、又は炭化物若しくはそれらの組合せの形態であってもよい。好ましくは、より軟質の層は、主に、炭化物形態の金属と、金属としての、より少ない量の該金属と、多結晶質ダイヤモンドの第２の層からの金属とから成る。
より軟質の層が、１００μｍ以下の厚さを有することは、本発明にとって不可欠である。米国特許第６，７７９，９５１号明細書に記述されるようなより厚い層は、金属加工用途及び木材加工用途においてあまり有効でないことが見出だされ。より軟質の層は、好ましくは、少なくとも５０μｍの厚さを有する。

本発明の工具部品の多結晶質ダイヤモンド層の作業面に接合されたより軟質の層は、該工具部品を製造するとき、その場で(in situ)作られ得る。そのような方法では、多結晶質ダイヤモンド層を作るための諸成分を、金属のカップ又はカプセルの中に置く。次いで、そのカップ又はカプセルを、多結晶質ダイヤモンドを作るのに必要な高温及び高圧の条件にさらす。この金属のカップ又はカプセルの一部分は、製造の間、多結晶質ダイヤモンドの外層に付着するか、又は接合する。該金属は、炭化物前駆体であるので、炭化物形成の一部が、とりわけ、該ダイヤモンドと接触している領域で起こる。高温／高圧装置から多結晶質ダイヤモンドを回収した後、該カップからあらゆる過剰の金属及び／又は炭化物を、例えば研摩することによって除去し、１００μｍ以下の厚さを有するより軟質の層を置き去りにする。カップ又はカプセルからの金属の一部分は、製造の間、多結晶質ダイヤモンドの中に拡散する。同様に、多結晶質ダイヤモンドの第２の層からの一部分の金属（例えば、コバルト）は、炭化物含有層の中に拡散する。

ダイヤモンド層の作業面は、滑らかであり、磨かれているか、又は、粗雑であるか、又は凸凹であってもよい。作業面が、粗雑であるか、又は凸凹である場合、そのような作業面は、作業面をサンドブラスティング(sandblasting)又は類似のプロセスにかけることによって生じるものであってもよい。
より軟質の層の頂部の露出面は、研摩され得る。より軟質の層を研摩することは、多結晶質ダイヤモンド層の表面を研摩することに比べて、明らかにかなりより容易である。

多結晶質ダイヤモンド層は、好ましくは、一般に、作業面の表面と背中合わせの面に沿って、支持体又は基体に接合される。支持体又は基体は、好ましくは、超硬合金で作られる。超硬合金は、好ましくは、炭化タングステン、炭化タンタル、炭化チタン、又は炭化ニオブである。超硬合金を作るのに、超微粒子炭化物が、好ましくは、当該技術分野で知られている方法によって用いられる。

本発明の工具部品の態様の一部分の側断面図である。

従って、本発明は、耐衝撃性が重大な材料要件である用途において改善された性能を有する工具部品を提供する。より軟質の層の性質と、該層の多結晶質ダイヤモンド層との強力な接合とに由来する他の利点は、
より硬質の研摩用層に接合されたより軟質の層は、結果的に、摩耗の初期段階において、切削端の自己丸み付け(self-rounding)効果又は自己砥ぎ上げ(self-honing)効果を生じる。このことによって、次には、切削端の強度が増大し、且つ、損耗段階における破損が減少する。より軟質の層の硬度を増大させるか、又は低下させることによって、丸み付けの程度を制御することができる。該層の材料はまた、多結晶質ダイヤモンド層の端部における孔とピットとを充填し、結果的に、開始部位の損耗がより小さくなる。初期の丸み付けプロセスの後、より軟質の頂部層は、摩耗して、チップブレーカ(chip breaker)の形状になる場合がある。

磨かれたより軟質の頂部層は、結果的に、従来技術の多結晶質ダイヤモンド製品と比べて、作業表面上により少ない傷を生じる。より軟質の層はまた、迅速に変形して、切削の初期段階の間に、より強靭でより多く丸み付けられた刃を提供する。金属層はまた、一般に、多結晶質ダイヤモンドと比べて、より高い破壊靭性を有する。あまり攻撃的でない研摩方法は、結果として、多結晶質ダイヤモンドの表面により小さい応力を生じる。これらの因子は全て、とりわけ、基体の断続的機械加工及び／又は衝撃機械加工において、スポーリング(spalling)、チッピング(chipping)及びクラッキング(cracking)の頻度と重大性とを減少させる。

次に、工具部品の切削端部分を例示する添付図を参照して、本発明の態様を記述する。この図面に関連する工具部品は、多結晶質ダイヤモンド層１２が界面１４に沿って接合されている超硬金属の基体１０を有する。多結晶質ダイヤモンド層１２は、該工具部品の作業面である上部表面１６を有する。表面１６は、該工具部品の切削端の範囲を限定する線２４に沿って、側面１８と交差する。
作業面１６に、より軟質の層２０が接合されている。このより軟質の層２０は、切削端２４まで延びている。より軟質の層２０は、金属としてのモリブデン、ニオブ及びタンタルから選ばれた金属、炭化物又はそれらの組合せから成る。層２０からのこの金属の一部分は、点線で示される、多結晶質ダイヤモンド層の領域２２の中に存在する。多結晶質ダイヤモンド層１２からの一部分の金属は、より軟質の層２０の中に存在する。このように、より軟質の層２０と多結晶質ダイヤモンド層１２との間には、拡散接合(diffusion bond)が存在する。
次に、本発明の実施例を記述する。

接合相としてコバルトを含有する超硬合金基体の表面に、多量のダイヤモンド粒子を置いた。この未接合集合体を、モリブデンのカプセルの中に入れ、次いで、このカプセルを、従来の高圧／高温装置の反応域に置いた。該カプセルの内容物を、約１４００℃の温度及び約５ＧＰａの圧力にさらした。超硬合金の基体に接合された表面と、背中合わせの露出面とを有する多結晶質ダイヤモンドの層を生成するのに十分な時間の間、これらの条件を維持した。該多結晶質ダイヤモンド層は、コバルトを含有する第２の相を有した。
前記反応域から前記カプセルを取り除いた。該多結晶質ダイヤモンドの外面に、モリブデン／炭化モリブデンの層が接合された。このモリブデン／炭化モリブデンの層の外側領域は、該多結晶質ダイヤモンド層の主表面の１つに接合された、多結晶質ダイヤモンドよりも軟質の材料の薄層を研摩し置き去りにすることによって、除去された。

前記のより軟質の層は、１００μｍの厚さを有した。ＥＤＳを用いた分析によって、このより軟質の層は、主に炭化モリブデンと、より少ない量のモリブデン金属と、超硬金属基体からのコバルトとから成ることが分かった。同様のＥＤＳ分析を用いて、そのより軟質の層との界面に隣接する多結晶質ダイヤモンドの領域は、モリブデンを含有することが分かった。そのより軟質の層と多結晶質ダイヤモンド層との間の接合は、強力であった。炭化物で支持された多結晶質ダイヤモンドから、添付図面によって例示されるような構造を持つ切削工具インサートのような、多数の切削工具部品を作製した。これらの切削工具部品は、試験により、木材加工用途及び金属加工用途において効果的であることが分かった。前記のより軟質の層の層間剥離は全く生じなかった。

前記モリブデンカプセルの代わりにニオブカプセルを用いたことを除き、実施例１と同様の方法で、炭化物で支持された多結晶質ダイヤモンド生成物であって、超硬金属の基体に接合された多結晶質ダイヤモンドを有し、且つ、主に炭化ニオブと、より少ない量の、金属としてのニオブと、多結晶質ダイヤモンドからのコバルトとから成る、より軟質の層を有する多結晶質ダイヤモンド生成物を生成した。より軟質の層との界面に隣接する多結晶質ダイヤモンドの領域に、より少ない量のニオブが存在することが分かった。より軟質の層の厚さは、１００μｍであった。この生成物から、多数の工具部品であって、各々が、図面によって例示される構造を持ち、且つ、穿孔用途に適した工具部品を製造した。

Claims (8)

1. 金属を含む第２の相、及び作業面を有する多結晶質ダイヤモンド層と、１００μｍ以下の厚さを有し、且つ、モリブデン、タンタル及びニオブから選ばれた金属を含有するより軟質の層であって、界面に沿って、前記多結晶質ダイヤモンド層の作業面に接合されている該より軟質の層とを有する工具部品において、
   前記のより軟質の層からの金属は、前記界面に隣接する多結晶質ダイヤモンド層の領域に存在し、前記のより軟質の層は、主に、炭化物の形態のモリブデン、タンタル又はニオブと、より少ない量の、金属形態のモリブデン、タンタル又はニオブと、前記多結晶質ダイヤモンドの第２の相の金属とから成るものである、上記工具部品。
2. 前記のより軟質の層は、前記作業面の一部分のみを覆っている、請求項１に記載の工具部品。
3. 前記のより軟質の層は、前記作業面全体を覆っている、請求項１に記載の工具部品。
4. 前記作業面は、交差点において、前記工具部品のための切削端の範囲を限定する側面と交差する、前記多結晶質ダイヤモンド層の上面である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の工具部品。
5. 前記のより軟質の層は、前記切削端から、前記作業面の少なくとも一部分を横切って伸びている、請求項４に記載の工具部品。
6. 前記のより軟質の層は、少なくとも５０μｍの厚さを有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の工具部品。
7. 前記多結晶質ダイヤモンド層は、基体に接合されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の工具部品。
8. 前記基体は、超硬合金の基体である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の工具部品。

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