JPS5938491A - 複合焼結体工具およびその製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）背景技術 微細なダイヤモンド粒子を鉄族金属等の結合材を用いて
超高圧、高温下で焼結して得られるダイヤモンド焼結体
は切削工具や伸線ダイス又はドリルビットの刃先材とし
て従来の超硬合金に比較して格段に優れた耐摩耗性を有
することから新らしい工具材として注目されている。

このダイヤモンド焼結体は工具利として優れた特徴を有
しているが、その製造には超高圧装置を必要とするため
、焼結体の大きさ、形状においては超硬合金に比較する
と制約される点が多い。

一般には第１図に示したような円板状の焼結体とし、図
の１がダイヤモンド焼結体部で、２はこれをサポートす
る超硬合金製の母材である。３は例えば特願昭５４−１
２９１ｚｑ号に記載されているような中間接合層である
。この複合焼結体を円板のまま又は適宜切断して例えば
切削工具の場合は鋼製のバイト・シャンクにロウ付けし
てバイトを製作する。このようなロウ付は加工時にダイ
ヤモンド焼結体部が約７００℃以上に一定時間以上加熱
されると特性の劣化が生じることが判明している。

このため通常低融点の銀ロウ材等を用いてロウ付けして
いる。一般の切削工具等の用途に対してはこのような低
融点のロウ材を用いたロウ付けでも工具に加わる切削応
力が比較的小さい使用条件下では問題はない。ところが
岩石を掘削するドリルビットにこの焼結体を応用する場
合はこの方法では不充分であることが判明した。

ドリルビットでは第１図に示したような焼結体を第４１
図に示す如く多数ビットクラウンに埋め込んで刃先とし
て使用する。このような例は米国特許第４・０９８３（
３２号に開示されている。第１図の如き複合焼結体を融
点７００°Ｃ以下の低融点ロウ材を用いてビットクラウ
ンに接合したドリルビットを用いて岩石の掘削を行なう
と、比較的柔らかく掘削が容易な砂岩等を掘削する場合
は余り問題はないが、火成岩等の中・硬質岩を掘削する
とロウ付は部より刃先焼結体７が脱落したり、又はロウ
伺は部が動くといった問題が生じた。これはダイヤモン
ド焼結体の刃先に摩耗を生じると岩石との摩擦熱により
母材部及びロウ付は部が高温になるためである。低融点
ロウ材として一般的に用いられる銀ロウ（例えばＪＩＳ
規格ＢＡｇ−１）　　は室温での　　□せん断強度が高
々２０　Ｋ９７ｍ几２程度で３００°Ｃ以」ユの高温に
なると著しく強度が低下する。ドリルビットでは先ず刃
先に加わる掘削応力が太ぎく、また岩石は均一なものは
少ないため、その応力の変動が大きい。更に泥水等の掘
削液体を使用しても高深度の地層を掘削する場合は掘削
時の刃先部のみならずビット自体の温度も高温になる。

又地層によっては泥水が使用できない場合も生じる。

以上のことから特にダイヤモンド焼結体をドリルビット
に応用する際には第１図の如き焼結体のビットクラウン
への固定方法が非常に重要である。

（ロ）発明の開示 本発明は上記の目的に対し種々検討を行なつた結果、到
達したものである。第２図及び第３図により本発明の詳
細な説明する。

第２図及び第３図の１．２．３は第１図と同じものであ
る。超高圧、高温下で焼結したこの複合焼結体を更に体
積が大きい硬質焼結合金の支持体５に接合するに当って
、図の如く母材部２と支持体５の間に鉄族金属結合料量
を多く含有する硬質焼結合金の板４・をはさみ、この部
分を電子ビーム又はレーサーの如き高エネルギーの細い
ビーム６を用いて瞬間的に溶解させ接合を行なう。この
とき、この中間にそう人するインサート合金４・はやは
り母材、支持体と同様に硬質炭化物粒子を含有するもの
であり、溶解、凝固後も通常のロウ材もしくは単なる金
属層よりも強度が高く、且つ高温下での強度低下も少い
合金である。ダイヤモンド焼結体の母材（第１．２．３
図の２）はＷＣｒ　ＴｉＣ＋　Ｔａｃｔ（Ｍｏ、Ｗ）Ｃ
等の周期律表の第４ａ＋　５ａ＋　６ａ　族の炭化物、
炭窒化物、窒化物等を鉄族金属で結合した硬質焼結合金
が用いられる。好適な例はＷＣ又は（Ｍｏ、　Ｗ　）　
ＣをＣｏ又はＮｉ　　で結合した焼結合金である。本発
明で使用する支持体（第２．３図の５）は母材（第２．
３図の２）と同様の硬質焼結合金である。このような硬
質焼結合金同士を接合する方法としてはロウ付けが最も
一般的であるが、その他にはインサート材として金属の
箔を用いて高温下で拡散接合する方法等が考えられる。

しかしながらこれ等の方法では高強度で高温下でも強度
低下の少ない接合を行なうには接合そのものを高温下で
行なう必要があった。ダイヤモンド焼結体の如く加熱温
度が制約される場合は従来の方法では目的とする接合を
得ることは困難であった。

本発明はダイヤモンド焼結体の劣化が生じない条件下で
母材と支持体の硬質焼結合金を接合するものである。そ
のために加熱は接合する部分のみに限定して行なうが、
これには電子ビームやレーザー等の高エネルギーの細い
ビームを加熱源として用いる。また接合すべき硬質焼結
合金そのものを加熱溶解せしめ接合することも不可能で
はないが、充分高強度の接合を得ることは難しい。ＷＣ
−１２％Ｃｏ合金を用いて電子ビームによる突き合せ接
合実験を行なってみた。接合界面を観察すると多数の空
孔が観察され、また組織中には脱炭により生じた異常相
が見られた。これは合金中のＷＣの一部が分解し、雰囲
気中の０２　　と結合してＣＯガス等が生成したことに
よるものと思われる。

実験の結果、ｃｏ　　等の結合金属相量が多い場合、又
特にＮｉ　　を結合金属の主成分とする合金においては
このような欠陥が少いことが見出された。

ＷＣ−Ｎｉ合金はＷＣ−Ｃｏ合金に比較して２相が安定
に存在し得る合金中の炭素含有量の巾が広く、脱炭によ
る異常相が生じ難いためと考えられる。

焼結ダイヤモンドの母材又は支持体に用いる硬質焼結合
金は例えばビットの刃先材としてこれを用いる場合には
硬度と耐摩耗性、更には刃先となる焼結ダイヤモンド層
を補強する剛性が要求される。従って合金中の結合金属
量は適切な範囲内のものを選択する必要があり、３〜２
０重量％の結合金属量のものが適している。しかし前記
した如く、接合のためには更に結合金属含有量の多い合
金が適している。本発明はこのため、母材及び支持体よ
りも結合金属含有量の多い別の硬質焼結合金をインサー
ト材として用い、これを高エネルギービームで溶解して
接合を行なうものである。

本発明のこのインサート材は２０〜８０重量％の結合金
属を含有し、母材又は支持体と同様の炭化物を硬質粒子
として含有する硬質焼結合金を用いる。結合金属量が２
０％未満ては前記した如く溶接欠陥が生じ易く、また８
０％を越えると硬質炭化物粒子による強度上昇が見られ
ず通常の金属インサート材と同じ強度しか得られない。

硬質炭化物としてはＷＣ又は（Ｍｏ　、Ｗ　）　Ｃが強
度面から優れており、又結合金属は前記した理由からＣ
ｏ＋ＦｅよりもＮｉ　　が適している。インサート材の
厚みは２　ｍｍ以下であり、好ましくは０，０５〜１ｍ
ｍである。

それ以下では電子ビーム、レーザー等の加熱源のビーム
径より薄くなり、母材及び支持体側が溶解作用を受ける
。

本発明によるこのインサート材は接合すべきものと類似
の材料であり、熱膨張係数も近い値であるため、溶接に
よる歪も少くてすむ。

本発明の複合焼結体をドリルビット刃先として使用する
に当っては、第３図に示す如くビットクラウンの部分に
凹所を設け、これに支持体部を圧入又は焼ばめして強固
に固定することができる。

又体積の大きな支持体部を利用して通常のロウ付けによ
ってダイヤモンド焼結体部に加熱による劣化を生じさせ
ることなく固定することも可能となる。

以上上としてドリルビットへの応用を中心に述べたが、
他の用途例えば切削工具、穴明は工具、砥石のドレッサ
ーや耐摩用途に対しても刃先部の焼結体と工具支持部の
接合面積が比較的に小さく接合強度が通常のロウ付けで
不足する場合には極めて有用である。

以下実施例により詳細に説明する。

実施例１゜ 超高圧、高温下で焼結して得られた第１図の如き焼結体
を準備した。直径は１０ｍｘダイヤダイヤモンド粒ｌは
体積で約９０％のダイヤモンド粒子をＣＯを結合材とし
て超高圧、高温下で焼結したもので厚みは０．！１ｍで
ある。母材２は厚さ３　ｍｙｎ、のＷＣ−１２％Ｃｏの
超硬合金で、この母材とダイヤモンド焼結体は厚さ４０
ｍの中間接合層を介して焼結と同時に接合されている。

中間接合層はＣＢＮを体積で６０％とＴｉＮ−１０重量
％Ａ７？　　の焼結体で形成されている。この複合ダイ
ヤモンド焼結体を直径１ＯｒｎＪｒＬで長さがＩＯＩＩ
ＩＭのＷＣ−１２％Ｃｏ合金製の支持体に接合した。イ
ンサー＋、、：ｌとしてＷＣ−３０％Ｎｉ　　合金の直
径ｌＯｍｘ、厚さ０．３Ｍの板４・を用いた。各々を脱
脂洗浄、脱磁処理後第２図の如くセットした。これを真
空チャンバー内に装入し、加速電圧１５０ＫＶ、ビーム
電流１５　ｍＡ　、ビーム径約０．３ｍｘ、溶接速度ｏ
、５ｍ／分（１ケの溶接時間約１秒）でインサート材を
溶解せしめて接合した。比較のためにＪＩＳ　ＢＡｇ　
−１相当の銀ロウ利を用いて同じ焼結体と支持体をロウ
付けした試料を作成した。

常温及び３５０°Ｃで双方の接合部のせん断強度を測定
したところ、本発明のものは常温で８０　Ｋ９／ｍＭＱ
８５０°Ｃでも７５　Ｋ９７ｍ、２の値を示した。比較
材は各々２０　Ｋ９／Ｂ”　＋　Ｉ　Ｑ　Ｋｇ／Ｂｓで
あった。

実施例２゜ ＷＣ−３ＯＮｉ合金インサート材の代りにｗｃと３０重
量％Ｎｉ　　の混合粉末の型押成型体、７００°Ｃで３
０分間中間焼結を行なったものを用いて実施例１と同様
の実験を行なったが、いずれも焼結体を用いた実施例１
のものと同じ結果が得られた。　一実施例３゜ 超高圧、高温下で焼結して得られた実施例１と同様の第
１図の如き焼結体を準備した。支持体としてＷＣ−２０
％Ｃｏ合金の第８図５の如き形状のものを用い、インサ
ート材′＆ては（Ｍｏ　ｏ、ｓ　＋　Ｗｏ、５　）　Ｃ
−３０％Ｎｉ−３０％憎＝啼中唸Ｃｏ合金の厚さ０．５
荘の板を使用し、電子ビームにより溶接した。溶接条件
は実施例１と同じである。この複合ダイヤモンド焼結体
を８ヶ作成し、第５図（イ）、（ロ）に正面図、上面図
で示したようなビットを製作した。図の９は鋼製のビッ
トボディで、これに複合ダイヤモンド焼結体８が圧入さ
れている。ビット径は７６．２ＩｕＬであった。比較の
ために銀ロウを用いて第３図の如くロウ付けした複合焼
結体を使用したビットも製作した。

圧縮強度１７００に９７ｃｍ２（７）安山岩を５ｏｃｍ
１分の掘進率で掘削試験した結果、本発明の刃先イ」を
使用したビットは問題なく、５０ｍ以上掘削ができたが
、比較材を用いたビットではｌ　Ｑ　ｍ掘削したところ
で掘削不可能となり、引き」二げてみたところ、刃先の
ロウ付は部からダイヤモンド焼結体が脱落していた。

実施例４゜ 実施例１と同様のＷＣ−１２％Ｃｏ合金の母材に接合し
たダイヤモンド焼結体を作成した。支持体として直径１
０朋、長さＩＱｍｍの第１表の如き合金を準備した。厚
さ０．５ｍ　のインサート利を表の如く種々変えて電子
ビーム溶接を行ない、溶接部のせん断強度を測定した。

結果は表の通りであった。

第１表

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明で用いるダイヤモンド焼結体の構造を示
す斜視図、第２図、第３図は本発明の複合焼結体工具及
びその製法を説明する図である。 第４９図、第５図は本発明の応用であるビットの例であ
り、（イ）がその正面図、（ロ）が上面図である。 １；ダイヤモンド焼結体、２；母材部、３；中間層、４
・；インサート材、５；支持体、６；高エネルギービー
ム、７；ビットボディ、８；複合焼１”＋！’ｉ：＋＋
；１５９−３８４９１　（５）芳１図 ■２図　　　　７ｒ３０ 労４図 （イ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　（ロ）芳５図 （イ）　　　　　　８

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）ダイヤモンドを体積で５０％以上含有するダイヤ
   モンド焼結体部と、これに超高圧、高温下での焼結時に
   直接、または厚さ０．５ｍｊｒＬ以下の中間層を介在し
   て結合された硬質焼結合金製の母材部からなる複合焼結
   体が該母材部より大きな体積を有する支持体に接合され
   た複合焼結体工具において、該支持体が硬質焼結合金で
   あり、上記複合焼結体の１：ノ、材部端面と該支持体と
   が母材及び支持体の硬質焼結合金より鉄族金属含有量り
   ；多い別の硬質焼結合金の厚さ２ｒｕＬ以下のインサー
   ト材を介して溶接接合されてなることを特徴とする複合
   焼結体工具。 （２、特許請求の範囲第（１）項記載の複合焼結体工具
   において、１″ｔＪ：　ＡＡ、支持体及びインサート材
   がＷＣ又は（Ｍｏ　、Ｗ　）　Ｃもしくは更にＴｉ、　
   Ｚｒ＋　ＨＬ　Ｃｒ＋　Ｖ＋１’Ｊｂ、Ｔａ　　から選
   ばれた金属の炭化物を１種又はそれ以上硬質相として含
   有し、３〜８０重に％の鉄族金属を結合金属とする硬質
   焼結合金であることを特徴とする複合焼結体工具。 （３）特許請求の範囲第（１）項、第（２）項記載の複
   合焼結体工具において、毎月及び支持体である硬質焼結
   合金中の鉄族金属含有量が３〜２０重量％であり、イン
   サート材である硬質焼結合金の結合金属がＮｉを２０〜
   ８０重量％、Ｃｏを０〜６０重量％、Ｆｅ　　を０〜６
   ０重量％含有することを特徴とする複合焼結体工具。 （４）ダイヤモンドを体積で５０％以上含有するダイヤ
   モンド焼結体部と、これに超高圧、高ｒ７．ａ下での焼
   結時に直接、または厚さ０．５１１１Ｊ以下の中間Ｉ・
   ガを介在して結合された硬質焼結合金製のは材部からな
   る複合焼結体を、この複合焼結体の１υ：相部端面とこ
   の母材部より大きな体積を有する硬質焼結合金製支持体
   端面との間に、上記母材及び支持体硬質焼結合金より鉄
   族金属含有量の多い硬質焼結合金組成の粉末、型押体又
   は焼結体よりなるインサート材をはさみ、このインサー
   ト利を高エネルギービームによって加熱溶融させ、ダイ
   ヤモンド焼結体部及び１寸月、支持体の硬質焼結合金が
   実質的に劣化しない状態で該母材と支持体とを溶接接合
   させることを特徴とする複合焼結体工具の製造法。 （５）特許請求の範囲第（４）項記載の複合焼結体の製
   造法において、母材、支持体及びインサート材がＷＣ又
   は（Ｍｏ　、ＷＩ　Ｃもしくは更にＴｉｐ　Ｚｒ＋　Ｈ
   Ｌ　Ｃｒ＋Ｖｅ　Ｎｌ）、　Ｔａから選ばれた金属の炭
   化物を１種又はそれ以上硬質相として含有し、３〜８０
   重量％の鉄族金属を結合金属とする硬質焼結合金である
   ことを特徴とする複合焼結体工具の製造法。 （６）特許請求の範囲第（４）項、第（５）項記載の製
   造法において、母材及び支持体である硬質焼結合金中の
   鉄族金属含有量が３〜２０重量％であり、インサート利
   である硬質焼結合金の結合金属がＮｉ　　を２０〜８０
   重量％、Ｃｏ　　を０〜６０重量％、Ｆｅを０〜６０重
   量％含有することを特徴とする複合焼結体工具の製造法
   。 （７）特許請求の範囲第（４）項乃至第（６）項の複合
   焼結体の製造法において、高エネルギービームが電子ビ
   ームまたはレーザービームであることを特徴とする複合
   体焼結工具の製造法。