JP3398626B2 - 硬質工具 - Google Patents
硬質工具Info
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Description
CBN砥粒などの超砥粒とろう材とからなる砥材層を基
材上に形成した硬質工具に関する。
の研磨、研削用の工具類として、ダイヤモンド砥粒やC
BN砥粒などの超砥粒とマトリックスボンドからなる砥
材層を基材上に形成した硬質工具が用いられている。こ
のような硬質工具に形成される砥材層としては、工具類
の寿命、強度、精度を確保するために、砥粒の保持力、
耐摩耗性、緻密性、表面の平滑性、耐熱性などの特性が
要求され、とくに表面の平滑性、耐摩耗性を維持する点
から砥粒の保持力が重要視される。
る。研削や孔開けなど様々な加工が可能な旋盤や円筒研
削盤においては、被加工物を正確に芯出しすることが重
要であり、芯出しのためのワークセンタが用いられてい
る。ワークセンタの先端部は切削または研削時に強い力
が集中的に加わるため磨耗しやすく、この摩耗を軽減す
る対策として、シャンク先端部に円錐状に形成したダイ
ヤモンド焼結体のチップを嵌め込んだワークセンタが実
用化されている。本出願人もダイヤモンド焼結体のチッ
プを用いたワークセンタとして、特開平9−20170
3号公報、特開平9−201704号公報、特開平9−
201705号公報に記載のワークセンタを提案してい
る。
うなダイヤモンド焼結体は、超高圧、高温下で焼結する
ことにより製作されるものであり、その製作に大がかり
な設備を必要とし、製作コストも高いという難点があ
る。また、焼結体の形状は円筒状や平板上のものに限ら
れ、円錐状などの立体的な形状の焼結体を得ることが難
しいので、円錐状に整形するために後加工が必要であ
る。さらに、寸法の面でも制約があり、砥粒層の厚さが
5mmを超える大きさのものは製作が困難である。
ークセンタの場合にダイヤモンド焼結体の使用量を節減
するための方策として、尖端周辺部を金属質またはサー
メット系高剛性材で構成し、基体の尖端を除く傾斜周面
に焼結超砥粒層を接合したワークセンタが、特開平8−
52602号公報に開示されている。このように、先端
部の一部のみにダイヤモンド焼結体を用いるようにする
ことによって、大型のワークセンタについてもダイヤモ
ンド焼結体の適用が可能となる。
問題として、砥粒の集中度が150程度以上の高集中度
の場合、砥粒とマトリックスの間の結合力が不十分なた
め、砥粒の脱落が生じやすく、耐摩耗性に欠けるという
という問題がある。また高集中度の場合、砥材層と基材
との熱膨張差により、界面からの剥離を生じやすいとい
う問題がある。これらの問題は上記のワークセンタに限
らず、他の工具類についても言えることである。
耗性が要求される部分に形成される砥材層として、砥粒
とマトリックス、基材との間の結合力を高めるととも
に、砥材層と基材との熱膨張差による残留応力を緩和し
て、砥粒の脱落および砥材層の剥離を防止することにあ
る。
イヤモンド,CBNなどの超砥粒を炭化物形成元素で被
覆した砥粒と、Cu−Sn系、Ag−Cu系、Ni系な
どのろう材に1〜15質量%の活性金属を含有する活性
金属含有ろう材とからなる砥材層を、線膨張係数が4×
10-6〜8×10-6K-1の金属である基材上に形成した
ことを特徴とする。
化物形成元素で被覆した砥粒を用いたことによって、砥
材層を焼結する工程において砥粒被覆金属がろう材中に
拡散して、砥粒がろう材に強固に固着される。また、砥
材層を焼結する工程は従来のダイヤモンド焼結体の製作
時のような高温、高圧力を必要としないので、製造コス
トは安価であり、大型、立体的形状の砥材層を形成する
ことも容易である。
しいのは、TiまたはCrである。炭化物形成元素とし
てはTi、Cr以外にV、Fe、W、Si、などがある
が、砥粒への被覆のしやすさ、被覆層の結合力、耐熱性
などの点から、とくにTiまたはCrが望ましい。
5質量%の活性金属を含有したろう材を用いたことによ
って、砥材層を焼結する工程において、ろう材中の活性
金属が砥粒のCと反応して化学的に結合するので、砥粒
がより強固に基材に固着される。
と、砥粒と反応する量が少なく、化学的結合が不十分と
なり、15質量%を超えると、焼結が困難となり、ろう
材の強度が低下するので、活性金属の含有量は上記の範
囲内とする。
e、Mo、W、Si、Zrのいずれか1つ以上を用いる
ことができる。このような活性金属を用いることによ
り、耐摩耗性、耐熱性、強度に優れた砥材層を得ること
ができる。とくに活性金属としてTiやCrなどの炭化
物形成元素を含むろう材を用いると、焼結工程におい
て、ろう材中の活性金属が砥粒のCと反応しやすくな
り、化学的結合が充分に起こるため、砥粒保持力が高
く、砥粒の脱落が起こりにくくなる。ろう材の基本成分
系はCu−Sn系、Ag−Cu系、Ni系などとし、こ
れに必要に応じてTi、Cr、Vなどを添加することが
できる。
膨張係数が4×10-6〜8×10-6K-1の金属を用いた
ことによって、砥材層と基材との熱膨張差による残留応
力が小さくなり、基材からの砥材層の剥離が生じにくく
なる。上記した砥粒とろう材の混合物の線膨張係数は8
×10-6〜10×10-6K-1の範囲であるから、これに
近い線膨張係数の金属を基材として用いることにより、
熱膨張差による残留応力を小さくすることができる。こ
のような金属としては、Fe−Ni−Co系、WC−C
o系などの金属を用いることができるが、とくに砥材層
の線膨張係数に近いFe−Ni−Co系金属(コバー
ル)を用いることが望ましい。
な手順により製作することができる。 ダイヤモンド砥粒(20〜30μm)にTi(または
Cr)を被覆した砥粒を準備する。 ろう材として、Cu60〜80質量%、Sn16〜2
0質量%、Ti2〜15質量%、Zr2〜5質量%の活
性金属ろう材(金属粉)を準備する。 ろう材に砥粒を25〜60体積%混合する。 上記混合物をカーボン製の型に充填し、非酸化性雰囲
気中で900〜1000℃、30〜60分間、加圧しな
がら焼結する。
用した実施形態について説明する。図1は実施形態にお
けるセンタ先端部を示す図で、(a)は砥材層形成前の
正面図、(b)は砥材層形成後の正面(一部断面)図で
ある。
10mm、先端角度60度のワークセンタであり、前記
の製作手順にしたがって製作したものである。砥材層は
粒径30μmのダイヤモンド砥粒にTiを厚さ1μm被
覆した砥粒を用い、ろう材はCu77質量%、Sn18
質量%にTiとZrをそれぞれ2.5質量%添加した金
属粉末を用いた。ダイヤモンド砥粒の混合比率は50体
積%(集中度200)とし、基材はCo17質量%、N
i29質量%、Fe54質量%の組成で線膨張係数が5
×10-6K-1のコバールを用いた。
図1(a)に示すように、角度60度の傾斜面を階段状
にして複数段の平面12を形成している。このように階
段状にすることによって、同図(b)に示すように、砥
材層20との接合面積を大きくして接合強度を大きくす
ることができる。また図示していないが、階段状とする
のに代えて傾斜面に複数条の溝を形成しても、同様に接
合面積を大きくすることができる。
形態のワークセンタ(発明品)と、比較例として特開平
8−52602号公報記載のダイヤモンド焼結体を材料
とするワークセンタを作成した(比較品)。これらのワ
ークセンタを旋盤に取り付けて耐用試験を行った。図2
に試験結果を示す。
の耐用度指数を100としたときの発明品のワークセン
タの耐用度指数を示す図である。ここで耐用度とは、素
材表面の形状が崩れ、工具交換に至るまでの使用時間を
もって表したものである。発明品のワークセンタは、砥
材層の剥離や割れが発生せず、比較品のワークセンタに
比して耐用度が20%向上している。また、比較品に比
べて発明品は、製造装置、材料、製造方法の面で著しく
低コストで製造することができた。
ができる。
成元素で被覆した砥粒を用いたことによって、砥材層を
焼結する工程において砥粒被覆金属がろう材中に拡散し
て、砥粒がろう材に強固に固着される。また、砥材層を
焼結する工程は従来のダイヤモンド焼結体の製作時のよ
うな高温、高圧力を必要としないので、製造コストは安
価であり、大型、立体的形状の砥材層を形成することも
容易である。
e、Mo、W、Si、Zrなどの活性金属を特定量含有
させた活性金属含有ろう材を用いることにより、耐摩耗
性、耐熱性、強度に優れた砥材層を得ることができる。
〜8×10-6K-1の金属を用いることにより、砥材層と
基材との熱膨張差による残留応力を小さくすることがで
き、基材からの砥材層の剥離を防止することができる。
す図で、(a)は砥材層形成前の正面図、(b)は砥材
層形成後の正面(一部断面)図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 ダイヤモンド,CBNなどの超砥粒を炭
化物形成元素で被覆した砥粒と、Cu−Sn系、Ag−
Cu系、Ni系などのろう材に1〜15質量%の活性金
属を含有する活性金属含有ろう材とからなる砥材層を、
線膨張係数が4×10-6〜8×10-6K-1の金属である
基材上に一体焼結により形成した硬質工具。 - 【請求項2】 前記炭化物形成元素がTiまたはCrで
ある請求項1記載の硬質工具。 - 【請求項3】 前記活性金属がTi、V、Cr、Fe、
Mo、W、Si、Zrのいずれか1つ以上である請求項
1または2記載の硬質工具。 - 【請求項4】 前記基材がFe−Ni−Co系金属であ
る請求項1〜3のいずれかに記載の硬質工具。
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