JP3801215B2 - ダイアモンド研磨工具とその製造方法 - Google Patents

Description

発明の属する技術分野
本発明は、ダイアモンド研磨工具及びその製造方法に関し、該ダイアモンド研磨工具はダイアモンド粒をろう材によってマトリクス支持材内に化学結合させなり、またその工具の製造方法は、溶融されたろう材をダイアモンド粒が含まれるマトリクス支持材に溶浸させて行い、化学結合方式によってダイアモンドを所定の個所に固定させる。
従来技術
従来の研磨工具は、切削、穴あけ、切断、研削、ラッピング及びポリシングなどに使用されている。またダイアモンドは最も硬質な研磨材であり、ソー、ドリル或いはその他の装置におけるスーパー研磨材として幅広く使用されており、その耐摩耗性を利用して他の硬質な材料を切削、成形或いはポリッシュを行う。この種の工具は年間で総額５０万アメリカドル以上の使用が確認された。この工具の大半は切断に使用され、例えば石材、コンクリート及びアスファルトなどの切断に用いられた。
また応用場合によって、他の工具は硬度と耐久性が足りないため、ダイヤモンド被覆工具が特に不可欠なものある。例えば石材加工業では、ダイヤモンド工具は石材の切断、穴開け及び切断などに使用され、唯一硬度及び耐用性に優れた物質であると共に、価格も安い。また若しダイアモンド工具を使用しない場合、関係するこの種の業種は経済上に成算に合わない。同じく精密研磨業においては、優れた耐磨耗性を持つダイアモンド工具が唯一に、必要な小許容度及び実用に十分の耐磨耗性などニーズに応えられる工具である。
上述したように、ダイアモンドが多く使われているといっても、これらの工具は幾つかの顕著な制限に遭っているから使用寿命に不必要な制限が加えられた。その欠点の１つはダイアモンド粒とマトリクス支持材との接合が強固ではなく、切断、穴開け、ポリッシュをするための工具の使用寿命が最長ではない。また殆どの場合、ダイアモンド粒を単に機械方式によって前記マトリクス支持材内に埋設するだけであるので、使用しているうちに、該ダイアモンド粒の打ち出し又は押し出しは早すぎると共に、作業中においては、該ダイアモンド粒は不十分な機械的支承によって結合が緩んでいるので、その工具を工作物に押し当てて研磨材を行った場合、該ダイアモンド粒は衝撃によって工具から脱落してしまう。
概算によると、典型的なダイアモンド工具を応用する場合、ダイアモンド粒の１割以下は、実際に切断、穴開け或いは研磨中に消耗され、その他のダイアモンド粒は工具の使用寿命がきた時に廃棄されている。また結合不良及び不十分な支承によって、使用中に破損する場合もある。若し前記ダイアモンド粒を確実にマトリクス支持材内に位置決めすると共に、安定的に結合を行うことができれば、大部分のダイアモンドを脱落から守ることができる。
更にダイアモンド粒を機械的に一定の場所に安定に保持すると共に、使用中における脱落或いは衝撃による工具本体からの脱離を防止するために、前記マトリクス支持材内に深く埋設する必要がある。しかしそれでは工具の表面に突出する部分のダイアモンド粒が不十分であり、若し工作物を切断する時に粒の突出が少ない場合は、切断できる深さが制限されると共に、その上切断工具による切断速度も制限される。若し前記ダイアモンド粒を更に強くマトリクス支持材内に固着した場合、更に高くマトリクス支持材より突出できると共に、切断深度も更に深く設定でき、且つ切断速度も向上させることができ、結局使用寿命を延ばすことにつながる。更に工作物と工具マトリクス間の摩擦が小さくなり、切断、穴開けなどに必要な動力も低減される。
ダイヤモンドを強固的にマトリクス支持材内と結合するために、マトリクス支持材におけるダイアモンドの周辺に炭化物を形成させることによって化学結合させ、その化学結合は従来の機械性結合の強度より遥かに強固である。更に前記炭化物は、ダイヤモンドと適当な炭化物形成元素である過渡金属との反応によって形成される。また前記過渡金属の典型的な物質には、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）などがある。
前記炭化物を形成するために、前記炭化物形成元素をダイアモンドの周囲に沈積させ、続いて該両者を反応させる必要がある。更に未だ反応していない炭化物形成元素も焼結或いは他の手段によって固着し、これら全ての工程は高温状態下において処理される。しかしダイアモンドは温度が１０００℃以上に曝されると劣化し、その劣化の原因はマトリクス支持材との反応或いは格子内の金属介在物の周囲が徐々に発生するミクロクラックによる。それらの介在物はダイアモンドを合成する時に用いるトラップド触媒である。
また殆どの前記炭化物形成元素は耐高温金属であり、温度が１２００℃以下では固結できない。従って耐高温の炭化物形成元素はマトリクス支持材の主要成分として不適合である。
幾つかの炭化物形成元素は焼結温度が低く、例えばマンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、珪素（Ｓｉ）及びアルミニウム（Ａｌ）などである。しかしそれらの炭化物形成元素も不必要な性質を有するので、マトリクス支持材の主要成分として不適合である。例えば高圧状態（約５０Ｋｂ）においては、ＭｎとＦｅ両者ともダイアモンドを合成するための触媒として用いることができる。しかし、低圧状態においてマトリクス粉末を焼結した場合は、前記両者の触媒作用によってダイアモンドが石墨に回復され、その回復転換はダイアモンドが高温状態において劣化する主要原因になる。
一方アルミニウムは溶点（６６０℃）が低いので、前記ダイアモンド粒を固着することが容易である。しかしダイアモンド粒を使用し速やかに切断する場合は、その摩擦熱がアルミニウムの溶点に達する場合があり、溶点に達するとアルミニウムが軟化してしまい、ダイアモンドを支持できなくなる。更にアルミニウムはダイアモンドとの界面に炭化物ＡＩ₄Ｃ₃を形成する傾向がある。前記炭化物は水解し易く、該炭化物が冷媒に接触した場合は、分解する恐れがある。従ってアルミニウムはダイアモンドを前記マトリクス支持材内に固着する場合において、適当な炭化物形成元素ではない。
また焼結時における高温状態を避けるために、常にタングステンなどの炭化物形成元素を少量含有させ、前記マトリクス支持材内における次位の成分として用いられ、該マトリクス支持材は主にコバルト或いは青銅から形成される。焼結中は、微量の液相が形成されるが、該炭化物形成元素は固体媒体を介してダイアモンド方向へ非常に緩慢な動きで拡散される。その結果ダイアモンドの表面は、炭化物の形成が極めて少ない。従ってマトリクス支持材に前記炭化物形成元素を次位成分として添加すれば、ダイアモンドの固結を改善することができる。しかしその場合、ダイヤモンドの固結改善効果が少ないである。
ダイアモンドの表面に炭化物を形成させることを確保するために、炭化物形成元素はマトリクス材と混合される前にダイアモンド上に塗布されることができる。このような方法によって、該炭化物形成元素はマトリクス支持材内においては少ない成分であるが、ダイアモンドの周囲に集中しているため、所要の結合を形成することができる。
上述したダイアモンドの塗布は、化学方式或いは物理方式を採用することができる。化学塗布の場合、金属の塗膜は化学反応によって形成し、一般その反応が高温状態で行う。例えばダイアモンドはチタン或いはクロムなどの炭化物形成元素と混合し合うと共に、真空状態或いは保護性雰囲気で該混合物を加熱し、薄い炭化物形成元素層がダイアモンド上に沈積する。該塗膜の厚さは温度が上昇するにつれて増加すると共に、その沈積の速率は金属の輸送をよくする気体（例えばＨＣ１蒸気）を添加することによって向上することができる。ＣｈｅｎとＳｕｎｇ（Ｕ，Ｓ，Ｐａｔｅｎｔ第５，０２４，６８０号）に記載される塗布方法はその例である。
その他の塗布方法として、溶融塩内において塗布を行う方法がある。例えばＵ，Ｓ，Ｐａｔｅｎｔ第２，７４６，８８８号に記載される塩化物の溶融塩内においてダイアモンド上にチタン薄層を塗布する方法などである。
ダイアモンドに対する塗布について、一般に使用される化学方法は化学気相沈積法（ＣＶＤ）である。その場合、沈積した金属は高温下での気体反応によって作成したものである。例を挙げると、Ｕ，Ｓ，Ｐａｔｅｎｔ第３，５２０，６６７号に記載されるダイアモンドの表面に珪素（Ｓｉ）薄層を沈積する技術などである。この沈積に係る温度が充分に高いであるため、珪素の炭化物は瞬間的に界面で形成される。
ダイアモンドの高温中での劣化を防止するために、塗布層をできる限りの低温において作成させる。しかし低温下で沈積させた場合は、塗布層が薄くなり過ぎてしまい、例えば典型的な化学方法によって作成させた塗布層の厚さは約１μｍである。ある商用のダイアモンド粒はそれらの薄膜状の塗布層を有する。例えば通用電気会社（ＧＥ社）提供の鋸刃用粒にはチタン質或いはクロム質の薄層が塗布されている。
前記薄層は高温に曝されると、例えば焼結のプロセスの高温に曝されると、その雰囲気において酸化し易く、或いはマトリクス金属内において溶解し易し。この様な商用の製品には明らかな利点を有すると誇示しており、例は使用寿命を１／３延長できることであるが、前記あらゆる製造工程で製造した後に優れた効果を有するかは疑問である。
更に金属における薄い塗布層を保護するために、多層の塗布層を使用する。例を挙げると、Ｕ，Ｓ，Ｐａｔｅｎｔ第５，２３２，４６９及び５，２５０，８０６号に記載されるニッケル或いは他の非炭化物形成元素からなる第２層の構造であり、該第２層は低温下の無電解プロセスによって沈積させる。またＣｈｅｎとＳｕｎｇ（Ｕ，Ｓ，Ｐａｔｅｎｔ第５，０２４，６８０及び５，０６２，８６５号）に記載される三層構造の塗布層におけるダイアモンド粒は、最も内側の層はクロムによって作成されると共に、第二層はチタンのような材質からなり、第三層はタングステンのような材質を該第二層上に被覆してなる。しかしこの様に複雑な塗布層は製造コストが非常に高いので、切断、穴開け及びポリシングに用いる工具を生産する場合、経済的に合わない。
またその他の方法としては、ＣＶＤ方法によって厚い化学塗布層を沈積させることができ、例えばＳｕｎｇ等（Ｕ，Ｓ，Ｐａｔｅｎｔ第４，９４３，４８８及び５，１１６，５６８号）に記載される流動床システムがその例であり、ダイアモンドに数十μｍのタングステンを塗布できる。しかし上述した方法と同じように、この種の塗布層は価格が非常に高いと共に、未だ広く使用されていない。
化学方法と比べて物理方法の方が価格が安いと共に、かなりの低温下においてダイアモンド上に厚い金属塗布層が沈積できる。例えば「流動床法によって鋸刃用のダイアモンド粒に金属を塗布する」（『高級材料の製造及び特性』、２６７〜２７３ページ、１９９５年版、韓国材料研究学会Ｓ，Ｗ，Ｋｉｍ及びＳ，Ｊ，Ｐａｒｋ編）がその例である。また前記塗布系はＵ，Ｓ，Ｐａｔｅｎｔ第４，７７０，９０７号（類似した概念がＵ，Ｓ，Ｐａｔｅｎｔ第５，１４３，５２３号及びヨーロッパ・Ｐａｔｅｎｔ第０５３３４４３Ａ１号に掲示されている）に記載される方法に基づくものである。しかしこの様な方法は、類似した方法と同じように、異なる厚さの塗布層を形成してしまうと共に、非常に小さい（５μｍ以下）金属粉末のみしかダイアモンドの表面に効率的に塗布することができない。従って物理方法を使用してダイアモンド粒に炭化形成元素を含む合金を塗布したとしても、優れた効果はそれほど得られない。
また機械方式によってダイアモンドに金属粉末を塗布する場合、上述したように、その粉末が有機バインダー（例えばＰＶＡ或いはＰＥＧ）によって緩めに固着される。この種の塗布層は、次の様な処理、例えば混合或いは加圧によって簡単にこすり落とすことができ、熱処理によって塗布層の機械強度を増加させたとしても、塗布層を十分な密度に固めることはできない。複数孔を有する塗布層には、切断操作中に反覆の衝撃を受けるダイアモンド粒を支持するための機械強度が欠けている。
更に前記炭化物形成元素は合金中に薄めることができ、該合金が１１００℃以下で溶融する場合、ダイヤモンド用の合金ろう材として使用できると共に、それほどダイヤモンドの劣化現象は起きない。その条件に該当する合金ろう材は多く、その中の大多数の基材は一種或いは多種の炭化物形成元素を含むＩｂ族（銅、銀及び金）の金属溶剤、例えば金−チタン（Ａｕ−Ｔａ）、及び銀−銅−チタン（Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ）などである。しかしこれらの合金ろう材は商業用としては非常に高価であり、更にそれらの材質は軟質であるので、ダイアモンドのマトリクス支持材の成分としては不適合である。
幾つかの高温充填式金属はダイアモンドのろう材として用いることができる。そのろう材は硬質であり、切断中にダイアモンドを一定の位置に保持することができる。例えばＵ，Ｓ，Ｐａｔｅｎｔ第３，８９４，６７３号及び第４，０１８，５７６号に記載されるダイアモンド工具がその例であり、ニッケル−クロム（Ｎｉ−Ｃｒ）を主要成分とする硬化肉盛合金によってろう付けを行う。しかしこれらろう付けしたダイアモンド工具は、使えるけど、ダイアモンド層が一層しか設けられていないので、用途には表面処理の工具に限られている。優れた耐摩耗性の材料、例えば花崗岩などを切断する場合は、耐久性に欠ける。更にこれらの工具におけるろう材は、ダイアモンドを固持する以外に、硬化肉盛としても作用する必要がある。常時この２つの特性を同時に達成させることはできなく、なぜなら前記工具の表面の耐摩耗性は特定の応用に応じて調整する必要があるからである。
他の場合としては、ダイアモンドを結合する合金を使用して、高濃度のダイアモンド粒（４０％Ｖｏｌ以上）への溶浸を行う。ＣｈｅｎとＳｕｎｇ（Ｕ，Ｓ，Ｐａｔｅｎｔ第５，０３０，２７６或いは５，０９６，４６５号）に記載される製品及びその製造方法がその例である。しかし高濃度のダイアモンドは溶浸が非常に困難であると共に、この種の製品の応用範囲は限られ、例えばドリルビットなどである。それらは多く使われる低濃度のダイアモンド（４０％Ｖｏｌ以下）に応用することはできなく、例えば鋸刃或いは研削といしなどに応用することができない。
また前記硬化肉盛合金はマトリクス支持材として使用することもでき、例えばＵ，Ｓ，Ｐａｔｅｎｔ第４，３７８，９７５号に記載される方法がそれである。それは非常に薄いクロム層をダイアモンド粒に塗布し、続いて既に塗布されたダイアモンド粒をニッケル−クロム合金の上面に積み、その積んだダイヤモンド粒はその後焼結工程を通って前記合金と固結される。しかし固結な固相状態において行われるため、マトリクスとダイアモンドとの結合が不十分になる可能性がある。
ダイアモンド工具の製造に関し、焼結法以外に、溶浸法もよく使用される方法の一つであり、特にドリルビットやダイアモンド大粒（アメリカメッシュ３０／４０号以上）を含むその他の特種ダイアモンド工具を製造するために用いる。Ｕ，Ｓ，Ｐａｔｅｎｔ第４，６６８，５５２号に記載される８５０℃（好ましくは７５０℃）以下の温度において銅合金を使用し回転式ドリルビットに対して溶浸を行うがその例である。それらの工具にとって、よく使用される溶浸物は銅を基体とする合金であり、これらの溶浸物はマトリクス粉末中の小孔部に流入或いは浸入する必要があると共に、ダイアモンドの高温下での劣化を防止するために、溶浸物の溶点を下げる必要がある。従って、溶浸物は通常溶点の低い成分（例えばＺｎなど）を含むので、溶浸物の溶点を下げると共に、粘度も減少させる。それによって溶浸物が流動し易くなる。また殆どの炭化物形成元素は溶浸物の溶点を増加させる傾向があるため、それらは殆どの溶浸物から排除される。その結果、それら溶浸物はダイアモンドの結合力を増加させることができない。
幾つかの炭化物形成元素を含む溶浸物はダイアモンドの結合には有利な存在であり、例えばＵ，Ｓ，Ｐａｔｅｎｔ第５，０００，２７３号に記載される研磨工具は主に銅、マンガン及び亜鉛成分を含む合金がマトリクス粉末に溶浸させることによって製造される。しかし前述したように、亜鉛を添加する目的は溶浸物の流動性を増加させるためであるが、異なる環境下において製品を製造した場合は、適用できない恐れが有り、例えば真空状態で溶浸を行った場合、亜鉛は蒸発してしまう。その結果残留の合金の粘度が強くなりすぎ、マトリクス粉末に完全に溶浸できなくなる。
従ってマトリクス粉末に溶浸させてダイアモンドをマトリクス粉末と結合させる改良方法を提出する必要がある。係る方法は、ダイヤモンドに損害を与えないために、低温下で完成しなければならない。また、理想的にはこの種の方法はダイアモンドとマトリクス支持材との結合力を増加させるべきである。
発明の要旨
本発明は上記の課題を解決するものであり、ダイヤモンド粒が配置される研磨工具の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、ダイヤモンド粒をマトリクス支持材に配置され、ろう材をそのマトリクス支持材に溶浸させることによってダイヤモンド粒をマトリクス材に結合させる方法を提供する。
また、う付け工程では、ダイアモンド粒の熱的破損を防止するために、低温状態下で作業を行い、又特定の選択方法によってマトリクス支持材に多数の細孔を形成させて、ろう材を該細孔に流動させることによって、ダイアモンドとマトリクス支持材間の化学的結合を促進させ、更にダイアモンド粒を所定の排列方式によってマトリクス支持材に配置させて、ダイアモンドとマトリクス支持材とを取付けてなる工具の使用寿命を延長させることを目的とする。
本発明における前記目的及びその他の目的は、ろう付けダイアモンド工具を形成させるための新規方法の実施形態から理解することができる。その方法はマトリクス支持材からなるシートを形成させた後、該マトリクス支持材に多数のダイアモンド粒を溶浸させる。また前記マトリクス支持材におけるダイアモンド粒の量は体積の５０％以下であることが好ましく、体積の４０％以下が最も好ましい。次にダイアモンド含浸シートをろう材によって溶浸させる。前記ろう材はダイアモンドを湿潤させる能力を持つので、ダイアモンドと化学的結合ができ、更に該ろう材はマトリクス支持材とも結合できるので、従来技術による単に機械的な結合より、化学的結合によってダイアモンドとマトリクス支持材とを固結させる方が好ましい。また前記技術は鋸刃の製造を適切に行うことができると共に、あらゆるダイアモンド工具にも応用できる。
本発明の１つの態様によれば、前記マトリクス支持材を一般的な金属粉末（例えばコバルト、鉄、青銅或いはこれらの合金又は混合物「ダングステン或いはダングステンの炭化物など」）によって製造でき、該マトリクス支持材を形成させた後、真空雰囲気（約１０^-5Torr）或いは不活性雰囲気（例えばアルゴン或いは窒素）或いは還元雰囲気（例えば水素）において、ダイアモンドろう材の例えばＮｉｃｒｏｂｒａｚ（ＬＭ Ｗａｌｌ Ｃｏｌｍｏｎｏｙ会社製造）をマトリクス支持材に溶浸させる。従って前記ろう材によってダイアモンド粒とマトリクス支持材との間の結合を促進させることができる。
本発明のもう１つの態様では、前記マトリクス支持材は粗粒の金属粉末（例えば４００Ｕ．Ｓ．メッシュ／３４μｍ）から形成される。次の段階の焼結工程を順調に行うため、従来の方法では素地の密度をできる限り高くしているが、本発明ではダイアモンドろう材を流動し易くするため、低い充填密度を有する前駆体を使用することが好ましい。また場合によっては不規則な形状のマトリクス粒を使用することによつて、前駆体の間隙度を故意に増加させることも可能である。この態様は、従来技術における充填密度を増加するために用いる粒をできる限り球状に形成させることとは相違する。
また本発明の更にもう１つの態様では、前記ダイアモンド粒を所定のパターンでマトリクス支持材に配置し、次にダイアモンドろう材をダイアモンド含浸マトリクス支持材に溶浸させることによって、ダイアモンド材との化学的結合の能力を促進させる。更に前記所定のパターンは実質的平面でもよい。即ちテンプレートを使用することによって、ダイアモンドの位置を制御できる。又前記所定のパターンは実質的垂直形でもよい。即ちダイアモンド粒を収納するため、マトリクス支持材に溝を形成させ、その後マトリクス支持材にダイアモンドろう材を溶浸させる。
本発明の更にもう１つの態様では、前記マトリクス支持材に次位成分を含ませることによって、ある性質を強化することができる。例えば耐摩耗性を向上させるため硬い材質例えばタングステン、タングステン炭化物或いは珪素炭化物などを添加する。また固体潤滑剤として添加される柔軟な材質は例えば硫化モリブデン、銅或いは銀などである。
前記支持材は従来の方法によって用意することができる。例えば先ず粉末とダイアモンド粒とを完全に混合させ、またこの段階において混合物を固持させるための有機質結合剤（例えばＰＶＡ或いはＰＶＢ）を添加してもよい。次に前記混合物を冷間圧入することによって、所要の形状（例えば鋸刃）を形成させ、その後適当なダイアモンドろう材を前駆体に溶浸させる。
上述したように、従来工具に用いられる細かい粉末はダイアモンドろう材の溶浸を阻害すると共に、ろう材と過度反応することによって、該ろう材の溶融点が上昇し、結局ろう材の溶浸が不完全になる恐れが有る。
また混合物の処理は、本発明と同時に提出された特許出願（Ｕ．Ｓ．特許出願第０８／８３２，８５２号）に示す方法によって行われてもよい。例えば支持材の粉末混合物を冷間圧延によってシートに形成させ、次に該シートを所要の形状（例えば鋸部材、図１参照）になるように打ち抜く。それによって複数の該部材を組立て、溶浸を行うための前駆体（図２〜図４参照）を形成させる。更に前記特許出願は、二次元の部材を組立てることによって、三次元のボディーを形成させるので、工具におけるダイアモンド粒の分布を確実に制御できると共に、工具中の異なる部分のダイアモンド濃度も調節できる（図１Ａ〜図４参照）。また工具の耐摩耗性を改善させるため、ダイアモンドの分布を制御する必要がある。例えばダイアモンド鋸刃の両面は中央部より磨耗し易いので、該両面により多いダイアモンド粒を装着させることが好ましい（図１Ｂ参照）。
現行の工具を応用する場合、マトリクス支持材に二重の作用を提供することが要求され、その一つは工具の機械的支持を提供することであり、もう一つはマトリクスにダイアモンド粒を固持することである。しかしこの二重の作用を要求することは困難であり、例えば機械的支持にとってはマトリクス支持材に強さ且つ優れた耐磨耗性（例えばコバルト或いは青銅とタングステン炭化物との混合物）が要求されるが、優れた機械的支持能力を有する材質は、通常不活性ダイアモンドに対する結合力が弱い。その反面ろう付け合金（例えばＳｉ−Ｃｕ−Ｔｉ合金）は、ダイアモンドを堅固に固持することができるが、この合金は柔軟過ぎるため、工具ボディーに機械的支持を提供することができない。従ってマトリクス支持材におけるこの二重の作用を分割させるため、複合材質が使用された。このような場合、複合材質の骨組みは機械的支持の作用を最大限発揮できると共に、充填材料（filler material）によってダイアモンドを固持することができる。
上述したように、複合材質を形成するためには塗布ダイアモンドが使用される。この様な場合、先ずダイアモンド粒にダイアモンドろう材が塗布され、次に塗布されたそのダイアモンド粒をマトリクス粉末と混合し合う。しかし塗布工程を行うと製造コストが増加すると共に、大部分のダイアモンドろう材が粉末状ではなく、たとえ該ろう材が粉末状であったとしても、ダイアモンド粒にこれらのろう材を均一に塗布することは非常に困難である。従って現行のダイアモンド工具の製造に使用されている塗布ダイアモンドの量は極めて少ない。
本発明は、ダイアモンドろう材を溶融しダイアモンド粒を含んだ支持材とすることによって複合マトリクス支持材を形成する。ろう材は炭化物形成元素、例えばクロム、マンガン、珪素或いはアルミニウムを含み、揮発性金属例えば亜鉛などは実質的に含まれない。
【図面の簡単な説明】
本発明の上記およびその他の目的、特徴および効果は、図面を参照しつつ以下の詳細な説明を考慮することによって明らかになる：
図１Ａは本発明のスーパー研磨工具に係る複数の平面的、横縦方向の層からなる三次元の研磨部材を示す一部斜視図であり、
図１Ｂは図１Ａにおいて示した研磨工具の一部の断面図であり、
図２Ａは本発明のスーパー研磨工具に係る複数の曲面的、横縦方向の層からなる三次元の研磨部材を示す一部斜視図であり、
図２Ｂは図２Ａにおいて示した研磨工具の一部の断面図であり、
図３は本発明のスーパー研磨工具に係る複数の縦方向の層からなる三次元の研磨部材を示す一部斜視図であり、
図４は本発明のスーパー研磨工具に係る複数の水平方向の層からなる三次元の研磨部材を示す一部斜視図であり、
図５Ａ〜図５Ｄは本発明のダイヤモンド含浸工具の製造方法に係る研磨材の分布が制御された各層を形成する方法を示す図であり、
図６Ａ〜図６Ｃは本発明のダイヤモンド含浸工具の製造方法に係る研磨材の分布が制御された各層を形成する他の方法を示す図であり、
図７Ａは本発明に係わる多数のスロットが形成されるマトリクス支持材の一例を示す側面図であり、
図７Ｂは本発明に係わるマトリクス支持材のスロット内に多数のダイアモンド粒を配置させた場合の側面図であり、
図８は図７Ａ及び７Ｂに示したマトリクス支持材に類似したマトリクス支持材の斜視図である。
詳細な説明
図面を参照して、本発明の様々な要件が数字表示にて示され、当業者にとって本発明の作成および利用が可能となるように説明される。尚、以下の説明は、単に本発明の要旨の一例であって、請求項を限定する説明であると解釈されるべきではない。
図１Ａに示すように、研磨部（１０）は複数のマトリクス層（１４,１６,１８）からなると共に、該マトリクス層（１４,１６,１８）は夫々ダイアモンド粒（２０）が含浸されるマトリクス支持材から形成され、更にろう材（２８）によって溶浸を行い、ダイアモンド粒とマトリクス支持材とを接合する。またダイアモンド粒２０の含量はマトリクス支持材とダイアモンドの混合物の５０％（更に好ましくは４０％以下）であることが好ましい。そうすることによってダイアモンド粒の数量を最少に保持させ、更にコストを縮減させ、同時に製品の使用寿命を延長させることができる。
また前記マトリクス支持材には、クロム、マンガン、珪素及びアルミニウムの中の一種、或いはそれらの合金又は混合物を少なくとも３ｗｔ％含有することが好ましい。更に前記ろう材は１，１００℃以下の液相線温度を有し、それによってろう付けを行う間にダイアモンドの損傷を防止する。
また本発明者が提出されたＵ，Ｓ，特許出願第８０／８３２，８５２号は、複数層のマトリクス薄層によって研磨部１０が形成されると共に、各層内のダイアモンド粒２０の分布状態を制御することによって、ダイアモンドの各次元の分布状態が制御される三次元の研磨部を形成する。その研磨部は、例えばポリシング、切断、研削などに使用できる。更に前記研磨部１０内におけるスーパー研磨粒の分布状態及び濃度を調整することによって、工具における作業条件下においての性能を更に精確に制御することができる。
本発明は前記従来技術を更に改良したものであり、選択したろう材（２８）をマトリクス支持材（２４）に溶浸させることによってダイアモンド粒及びマトリクス支持材（２４）を化学結合させる。従って図１Ａに示すように、ダイアモンド粒の分布状態は前記技術に比べてかなり改善される。又、本発明は前記ろう材（２８）によって形成される化学接合にも依存し、ダイアモンドの機械保持力のみに依存したものではないので、研磨部（１０）の使用寿命を向上させることができる。
また異なるサイズのダイアモンドを分布させることによって、早すぎた摩損を防ぐ切断用の研磨部（１０）を形成することができ、研磨部（１０）の使用寿命を延長させることができる。また図１Ｂは図１Ａにおいて示した本発明に係わる研磨工具における複数層からなる研磨部の断面図であり、前記従来技術における切断用の研磨部（１０）とは異なる。本発明に係る研磨部（１０）は３つの層（１４,１６,１８）からなり、その内の中央層（１６）は複数のサイズ（例えば４０／５０メッシュ）及び濃度を有するスーパー研磨粒（２０ａ）を含み、２つの外層（１４,１８）は複数のサイズ（例えば５０／６０メッシュ）及び中央層（１６）における濃度と異なる濃度を有するスーパー研磨粒（２０ｂ）を含む。更に研磨粒（２０ａ）と比べて、サイズが小さくて分布濃度が高い研磨粒（２０ｂ）を配置させることによって、コンクリート、岩石、アスファルトなどを切断する場合、外層（１４，１８）は優れた耐摩耗性を提供できる。その外層（１４，１８）は優れた耐摩耗性を提供できるので、切断用研磨部（１０）を使用する際に被切断部材の表面に凹凸が発生する現象を防止でき、切断表面を平坦状に保持できる。それによって研磨部（１０）は切断経路を直線的に保持することができるので、切断作業をスムーズに行うことができると共に、工具の使用寿命も延長させることができる。
更にクロム、マンガン、珪素及び／或いはアルミニウム、或いはそれらの合金又は混合物を含有するろう材（２８）をマトリクス支持材（２４）に溶浸させるので、使用寿命を更に延長させることができる。またろう材（２８）に使用される材料であるクロム、マンガン、珪素或いはアルミニウム、或いはそれらの合金又は混合物の含有量は少なくとも３ｗｔ％（最良は５ｗｔ％）が好ましいことを発見した。前記ろう材（２８）をマトリクス支持材（２４）における細孔に充填することができ、前記支持材（２４）は鉄、コバルト、ニッケル或いはアルミニウム、或いはそれらの合金又は混合物より選ばれる粉末である。
またダイアモンド或いはその他のスーパー研磨粒が配置された多層のマトリクス支持材を使用する利点は、多層の構造は容易に所望の形に形成でき、切断、穴開け及び研削などに使用される工具の研磨部（１０）に用いることができる。例えば図２Ａに示す研磨工具の多数層を湾曲させた場合の斜視図がその例であり、横縦方向に湾曲させた多数層を密着してなる三次元のスーパー研磨工具における研磨部（３０）は、ろう材（２８）を溶浸させることによってダイアモンドを研磨部内に固持させる。また弧状の研磨部（３０）は弧状の層（３４，３６，３８）からなる。当然この種の研磨部は非直線的に切断を行う工具、例えば丸のこ刃或いは非直線的なスーパー研磨部を必要とするその他の工具にも使用できる。更に前記３層（３４，３６，３８）は夫々独立に形成されるので、それらを所望の形状に容易に形成できると同時に、既にう付けされたダイアモンド粒（２０）を所定の位置に固持している前記３層（３４，３６，３８）も所望の形状に容易に形成できる。
図２Ｂは研磨工具における湾曲した多数層の研磨部の断面図であり、本発明の研磨部（３０）における各ダイアモンド粒の間隔は、前記従来技術の研磨部（３０）におけるダイアモンド粒の散乱配置される間隔と異なり、平均的に配置されるので、摩損状態が均一であり、それによって研磨部（３０）が早く失効することを防止できる。従って工具の寿命を延長させることができると同時に、スーパー研磨粒の使用量を最小限に抑えることができ、更に前記ダイアモンド粒とマトリクス支持材（２４）とを結合するろう材（２８）は各層の強度を更に高めることができると共に、ダイアモンド粒の脱落も防止できる。
図３は本発明に係わる研磨工具における他の切断工具の研磨部（５０）を示す図であり、そのダイアモンドの層状構成は縦方向或いは水平方向に組合わされると共に、ろう材（２８）は各層或いは図３に示す特定の層に溶浸される。例えば図３に示すように研磨部（５０）は多数の縦状の層から形成される。またその中の第一群層（５６）（図３の右側４層）は比較的濃い濃度のダイアモンド粒（２０）を有し、それらのダイアモンドはう付けによって前記マトリクス支持材（２４）に結合され、また第二群層（５８）（図３の左側９層）における濃度は該第一群層（５６）における濃度より小さいと共に、前記と同じように、ろう付けによってマトリクス支持材（２４）に結合される。
また多くの切断工具における研磨部（５０）に前縁が形成され、殆どの切断作業が該前縁よって行われ、該前縁と被切断部材の表面と接触した際該前縁はかなりの衝撃を受ける。例えば丸のこ刃は通常複数の鋸歯或いは研磨部を有し、該各歯における前縁は切断時に衝撃を受けながら切断を行う。従ってその歯における前縁は背面部より遥かに摩損し易い。また従来技術によってその歯を形成した場合は、歯における研磨粒は均一的に配置されるので、工具の使用時間が長くなるにつれて、前縁もかなりの速度で研磨されていく。しかしダイアモンド粒を塗布したその他の部分は摩損が極めて少なく、前縁における研磨粒は殆ど磨損されるが、その他の歯部分は依然として大量の研磨粒が摩損されないまま残っていいる。従って前記歯を廃棄する際、相当の量のスーパー研磨研磨部も同時に廃棄することになる。しかし図３の実施例を実施すればその様な問題を克服することができる。それは第一群層（５６）に高い濃度のダイアモンド粒（２０）を配置し、第二群層（５８）に低い濃度のダイアモンド粒（２０）を配置することによって、切断用研磨部（５０）全体に均一な摩損程度を提供し、そして該ダイアモンド粒（２０）を第一群層（５６）及び第二群層（５８）内にう付けする。それによって工具の寿命を延長させることができる。
また図４の実施態様を実施すれば、ダイアモンド粒（２０）の分布を調整して、研磨部（７０）を改善できると共に、それによってダイアモンド粒の不必要な消耗を抑えることができるので、より安い研磨工具を提供することができる。更にこの方法を使用すれば、特定の層にのみう付けを行うことができるので、注文通りの研磨部（７０）を製造することができる。
更に本発明の方法によれば、研磨工具の使用寿命を延長させることができると共に、工具の研磨能力（例えば切断能力、穴開け能力及び研削能力など）を最大限発揮させるために形成された特定の研磨部（例えば切断、穴あけ、研削及びその他の場合に使用する）を注文に製造でき、更に研磨工具を形成するためのスーパー研磨粒の使用量も低減させることができる。
図５Ａ〜図５Ｄに示すように、多数層を形成する方法を本発明の原理に基づいて説明する。先ずマトリクス支持材（１０４）によりシート（１００）を形成させ、次に該シート（１００）をスーパー研磨粒（２０）と結合させる。また前記シート（１００）は例えばコバルト、ニッケル、鉄、銅或いは青銅のような粉末からなり、粗い粉末（例えば３４μｍ以上の直径を有する）を使用した場合は後記に説明するように優れた点がある。上述したように本発明は、細かい粉末を使用する従来技術とは反対に、粗い粉末とろう材との接合によってダイアモンド粒を適切な位置に配置することができる。
またマトリクス粉末をシート（１００）に入れる方法は沢山あり、例えば該粉末と適当なバインダー（一般には有機物）と該バインダーを溶解させるための溶媒とを混合させ、次に該混合物をブレンドすることによって適当な粘度を有するスラリーに形成させ、更に処理工程においての粉末の塊状凝集現象を防止するため、適当な湿潤剤（例えばメンヘーデン油及びリン酸エステル）を該粉末に添加させる。それによって前記スラリーをプラスチック製テープ上に注ぐことができると共に、ブレード或いは平担化装置を用いて該スラリーを延びさせ、該ブレードとテープとの間隔を調整することによって、適当な厚さを有する平板を形成させる。また公知の技術である粉末材質から薄いシートを製造するテープキャスティング（Ｔａｐｅ Ｃａｓｔｉｎｇ）法を本発明において試用した結果、優れた効果を発揮できた。
その代わりに、前記粉末と適当なバインダーと溶媒とを混合させることによって、変形可能なケーキを形成させ、該ケーキをスリット状の開口を有するダイから押出させ、そして該開口の間隔の異なりによって押出された該ケーキの厚さを決める。或いは適当な間隔を有する二つのローラーを使用して、適当な厚さを有するシートを形成する。
更に次の工程（例えば工具基質への湾曲）においては、撓み性を有するシートを製造することが好ましく、適当な有機可塑剤を添加することによって、必要な特性を提供することができる。
粉末（例えば金属、プラスチック及びセラミック）処理中に有機添加剤を使用することは、多くのテキストブックに記載されていると共に、当該技術者であれば当然熟知していることである。一般のバインダーには、例えばポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）、ポリエチレングルコール（ＰＥＧ）、パラフィン（Ｐａｒａｆｆｉｎ）、フェノールレジン、ワックスエミュレーション及びアクリルレンジなどがある。また一般のバインダー溶媒には、例えばメタノール、エタノール、アセトン、トリクロルエチレン、トルエンなどがある。また一般の可塑剤には、例えばポリエチレングルコール、ジエチルシュウ酸塩、トリエチレングルコール、ジヒドロアビタテ（Ｄｉｈｙｄｒｏａｂｉｅｔａｔｅ）、グリセリン、オクチルフタル酸などがある。従って有機添加物を利用することによって金属層を製造する。しかしそれらは金属粉末が固化する前に除去する必要があり、それらの除去方法（例えば雰囲気制御下で炉内を加熱する）は当該技術者であれば当然熟知していることである。
またマトリクス支持材（１０４）によってシート（１００）が形成された後、テンプレート（１１０）を該シート（１００）の上面に配置する。該テンプレート（１１０）に形成されるサイズが１つの研磨粒の径より大きい、２つの研磨粒の径より小さい多数のアパーチャ（１１４）によって、各所定の位置には夫々一個の研磨粒しか配置することができない。
前記テンプレート（１１０）の好ましい厚さは研磨粒（２０）の平均高さの１／３〜２／３の間である。研磨粒（２０）を所定の位置に位置決めできれば、異なる厚さのテンプレート（１１０）を運用することもできる。
そして前記テンプレート（１１０）が確実に位置決めされた場合、すぐに研磨粒（２０）を該テンプレート（１１０）上に撒布し、前記各アパーチャ（１１４）に研磨粒（２０）が収納される。前記アパーチャ（１１４）に収納されなかったその他の粒は、基質の傾斜、ブラシによるテンプレートの清掃或いはその他の方法によって除去される。
図５Ｂに示すように、平坦な表面（１２０）を有する例えば鋼板を、前記アパーチャ（１１４）に収納される研磨粒（２０）の上面に配置させ、その後該平坦な表面（１２０）から圧力を加えることによって研磨粒（２０）をある程度にマトリクス支持材（１０４）からなるシート（１００）に圧入されるようにシート（１００）に固定させる。
図５Ｃに示すように、テンプレート（１１０）が外された後、研磨粒（２０）を完全にマトリクス支持材（１０４）のシート（１００）に固着させるため、もう一度平坦な表面（１２０）を利用して押し圧する。平坦な表面（１２０）を利用のは好ましいが、場合によってある研磨粒（２０）をその他の研磨粒よりシート（１００）の表面に突出させることが要求される。その様にする場合、平坦な該表面（１２０）を使用するより、湾曲形成の表面或いはその他の形状の表面を使用した方が、ある研磨粒（２０）をその他の研磨粒より深く固着することができる。
必要な場合は、前記シート（１００）の他面にも図５Ａ〜図５Ｃに示した工程を行ってもよい（図５Ｄ参照）。そうすることによって、全層にわたってダイアモンド粒（２０）が含浸されたシート（１００）を形成させることができる。一般にダイアモンド粒が含浸された多層の薄層或いはシート（１００）を得るために上述した工程が繰り返して行われる。又前記各シート（１００）におけるダイアモンド粒（２０）の分布パターン及び研磨粒の濃度は、必ずしも同じでなくてもよい。
その後ろう材である例えばクロム、マンガン、珪素、アルミニウム或いはそれらの合金又は混合物を前記研磨粒が含浸されたシート（１００）に溶浸させる。また従来技術によれば、ろう材に例えば亜鉛、鉛或いはチタンなどの金属を添加した場合、該ろう材の流動性はより高くなるが、本発明にとって、この様な材質はろう付けの工程を行い難くする。その原因としては、比較的に揮発性を有する前記材質が溶浸期間において真空或いは不活性雰囲気を汚染してしまう傾向があることなどであり、また微量の該揮発性金属はろう材に対してあまり影響を与えないが、１％〜２％の量を添加することは好ましくない。本発明は、真空溶浸工程への妨害を防止するため、揮発性金属例えば亜鉛などは実質的に含まれないことを特徴としている。
また前記ダイアモンドろう材を溶浸する際は、工具本体の形状を維持させるため、溶浸温度をマトリクス粉末の溶融点より低くすることが重要であると共に、ダイアモンドの劣化を防止するため、該溶浸温度もかなり低くする必要がある。またろう付け温度を制御する以外に、該ろう材とダイアモンドとマトリクス粉末との過度反応を防止するため、ろう付けを行う場合は溶浸時間も短くする必要が有る。溶浸温度が高くなった場合はダイアモンドに劣化が発生する恐れが有り、溶浸時間が長くなった場合はマトリクス粉末との合金化によってダイアモンドろう材の溶融点が高くなる可能性があると共に、ダイアモンドろう材が徐々に固結され、結果的に流動性が完全になくなる。
また良い効率を図るために、溶浸工程において環境の制御も行われる。例えば前記ろう材に酸素或いは窒素の強いゲッター（例えばチタンなど）を有する場合は、該ろう材の溶浸中は高度な真空度（例えば最大で１０^-6トル）を維持させる必要があり、その反面ろう材に低感度のゲッター（例えばクロム或いはマンガン）を有する場合は、低い真空度（例えば最小で１０^-5トル）或いは水素の雰囲気が必要になる。
更に溶浸工程が終了した後、製造された部分（例えば鋸刃）を寸法取る（例えば研削）ことによって製品が完成する。そして該製品を工具本体（例えば丸スティール・ブレード）に装着（例えば硬ろう付け）する。
上述したように、本発明ではダイアモンド工具のマトリクス粉末に浸入させるための溶浸剤としてダイアモンドろう材が使用され、該ダイアモンドろう材の大部分は容易にマトリクス粉末（主要成分例えばコバルト、ニッケル、鉄、銅、或いは青銅）を湿潤できるので、溶浸工程をスムーズに行うことができる。
更に焼結工程においての固結現象によってマトリクス粉末内における細孔が減少すると対照して、前記溶浸工程によってろう材を該細孔に充填させる。燒結を行う際に原子の拡散が主に表面に沿って行われるので、燒結工程をスムーズに進行させるため、大きい表面積を有するマトリクス粉末が好まれる。従って燒結工程においては細かい粉末を使用することが好ましく、細かい粉末を使用することによって、燒結工程を低温下で行うことができる。
また、ダイアモンド工具（例えば鋸刃部材）を製造する場合、最も広く使用されているマトリクス粉末はコバルト粉末であり、一般に使用されるコバルト粉末の標準サイズは２μｍ以下である。更にここ十年の間にダイアモンド工具の製造者らは徐々に細かい粉末を使用する傾向になってきており、供給者（例えばＥｕｒｏｔｕｎｇｓｔｅｎ会社）側からは超微粉末（１μｍ）或いは更に超々微粉末（サブミクロン級）が提供されるようになってきた。それに伴い焼結温度も徐々に低下し、該焼結温度の低下によってダイアモンドの劣化現象を軽減することができると共に、製造コストも縮減でき（例えば加熱における電力の消耗を低減できる）、更に石墨型の酸化損失も最小限に抑えることができる。
しかし本発明では、マトリクス粉末の細孔を充填させるためにダイアモンドろう材が使用される。従って従来の焼結工程とは反対に大きいサイズの粉末（例えば４００Ｕ．Ｓ．メッシュ／３４μｍ以上）が使用されると共に、焼結工程の進行を早くするために充填密度をできる限り高める従来方法とは異なり、ダイアモンドろう材を流動し易くするために、より低い充填密度を有する前駆体を使用することが好ましい。必要な場合では、前記前駆体の間隙率を故意に増加させるために、不規則な形状を成すマトリクス粒を使用する。この場合は、従来技術における充填密度を増加するために用いる粒をできる限り球状に形成させることとは相違する。
上述したように、一般の工具に細かいマトリクス粉末を使用した場合、ダイアモンドろう材の溶浸能力が阻害される恐れがあると共に、該粉末とろう材との過度反応によって、ろう材における溶融点温度が上昇し、溶浸工程が不完全になる恐れが有る。
また粗いマトリクス粉末を使用した場合、以下のような利点がある。例えば粗い粉末は他の成分と混合され易いので、マトリクスにおいてダイアモンド粒がより均一的に分布することができ、且つ比較的小さい表面積を有するため、溶浸中に受ける摩擦力が比較的小さい。従って前記粗い粉末が型内に流動し易くなると共に、その粗いマトリクス粉末は非常に価格が低いため、製造コストも縮減できる。
更に本発明におけるマトリクスは単に網状組織としてダイアモンド粒を支持するためだけに使用されているので、そのマトリクスは粉末からなる必要はない。例えばマトリクス本体はＰＣＤボディーのダイアモンド粒が含まれた開口を有する鋼板から形成されてもよい。より詳しい内容について下記の図７Ａ〜図７Ｂを参照しながら説明する。
本発明において最も重要な部分は、ダイアモンドろう材を選択することである。そのダイアモンドろう材には沢山の種類があるが、以下の要求を満たすもののみ適用される。第一にダイアモンドの著しい劣化を防ぐために、そのろう材の溶浸温度をある程度に抑える。前記温度の上限は約１１００℃である。第二にその溶浸温度の上限がろう材の液相線温度より５０℃を超えた温度であることなどである。また粗いマトリクス粉末及び短い溶浸経路の場合は、溶浸温度がろう材の溶融点を超えた分は小さい必要である。
更に前記ダイアモンドろう材はダイアモンドを湿潤させると共に、ダイアモンドと化学結合する必要がある。更に炭化物形成元素を適当な溶媒合金に溶解させることによって、以上の要求を満たすことができる。しかしその炭化物形成元素とダイアモンドと、その炭化物形成元素と酸素或いはその他の気体（例えば窒素或いは水素など）との間に反応度のバランスをとる必要がある。もう１つの問題は、強い炭化物形成元素（例えばチタン或いはジルコニウム）はダイアモンドと結合する以外に、気体捕集剤としても存在している。その強い炭化物形成元素はダイアモンドと炭化物に形成（反応によって）される前に雰囲気中における有害気体と反応してしまう。
また大部分のダイアモンド工具は空気或いは不活性の気体の雰囲気中における石墨型内に製造され、その雰囲気において微量でも酸素或いは湿気を有する場合は、前記炭化物形成元素が酸化されてしまい、ダイアモンドと結合できない恐れがある。ろう付け工程が真空或いは水素雰囲気において行われたとしても、真空度は１０^-6トル以下或いは気体の露点が−６０℃以下に維持されるしか前記結合を確保することはできないが、この様な厳しい条件下では製造にとって不必要なコストが増加してしまう。
その代わり、例えば金属のコバルト或いはニッケルなどは反応が低いため、石墨型内において酸化せずに反応させることができるが、ダイアモンドとも結合させることができない。従って炭化物形成元素にとって、ダイアモンドとの結合能力とその形成元素が酸化する傾向との釣り合いを取る必要がある。
またダイアモンドろう材にとって好適な炭化物形成元素が、クロム、マンガン、珪素、アルミニウム或いはこれらの合金であることが本発明によって発見された。更に前記ダイアモンドろう材における炭化物形成元素の総含有量は少なくとも３ｗｔ％以上が好ましく、最も好ましいのは５ｗｔ％以上である。また前記ろう材は例えばＷａｌｌ Ｃｏｌｍｏｎｏｙ会社（Ｕ．Ｓ．Ａ．）製造のＮＩＣＲＯＢＲＡＺ ＬＭ（Ｎｉ−Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｆｅ）溶融点範囲９７０〜１０００℃、Ｄｅｇｕｓｓａ（ドイツ）製造の２１／８０（Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎｉ）溶融点範囲９７０〜９９０℃などがある。またその他のろう材としては、例えば共析成分に近い約８８０℃の溶融点を有するＣｕ−Ｍｎ合金（約２５ｗｔ％のＭｎ）、共析成分に近い約９７０℃の溶融点を有するＮｉ−Ｓｉ合金（約５０ｗｔ％のＳｉ）、共析成分に近い約８１０℃の溶融点を有するＣｕ−Ｓｉ合金（約３０ｗｔ％のＳｉ）、共析成分に近い約６００℃の溶融点を有するＡｌ−Ｓｉ合金（約１５ｗｔ％のＳｉ）などがある。
前記例の溶浸可能なダイアモンドろう材は、広い範囲の機械的特性及び溶浸温度（例えば液相線温度より５０℃高い温度）に亘り、それらの合金を使用することによって溶浸温度及び機械的な特性を更に調節することができる。また使用されるダイアモンドろう材の種類は所要な応用場合によって選択される。一般的に厳しい状況に応用されるダイアモンドろう材は、例えば花崗岩、コンクリート或いはアスファルトなどののこ引きを行うため、高強度のダイアモンド粒が使用され、従ってより高い温度に耐えられる。尚高い温度に溶融されたろう材は一般に耐摩耗性が高い。その反面要求の低い応用に使用されるダイアモンドろう材は、例えば石灰石或いは大理石などののこ引きを行うので、低強度のダイアモンド粒が使用されると共に、該ダイアモンド粒は高温において劣化し易いので、低い温度でろう付けが行われる。この種のろう材は一般に耐摩耗性が低い。
また工具への取付け方法は、先ずシート（１００）を組立てられた工具部材の前駆体に形成させ、次にダイアモンドろう材を溶浸させる。或いは先ずダイアモンドろう材をシート（１００）に溶浸させ、次に工具部材又は工具本体を形成させる。図５Ａ〜図５Ｄに示した方法は数多くの応用の場合に対して適用されるが、ある場合は研磨粒（２０）がマトリクス支持材におけるシート（１００）から突出することが好ましい。例えば一層の研磨層しか有しない研磨工具は、図５Ａ〜図５Ｂの工程中においてテンプレート（１１０）を所定の位置に置いた後、テンプレート（１１０）を除去して研磨粒（２０）をマトリクス支持材に圧入させないようにする。それによって容易に前記研磨粒（２０）をシートから突出させることができる。
また図６Ａ〜図６Ｃに示す側面図は、前記図５Ａ〜図５Ｄにおいて説明した方法の置換形式であり、図６Ａ〜図６Ｃにおけるマトリクス支持材であるシート（１３０）の厚さは、スーパー研磨粒（２０）の断面厚さ又は直径より薄いので、研磨粒（２０）をシート（１３０）に圧入する際、該シート（１３０）の厚さによって該研磨粒（２０）がマトリクス支持材（１３４）から突出され、その後該シート（１３０）にダイアモンドろう材が溶浸される。
パターン分布としているダイアモンド粒に対してダイアモンドろう材（２８）を使用することは既に説明したが、マトリクス支持材において不規則な分布のダイアモンド粒を使用してもよい。先ずダイアモンド粒をマトリクス支持材に入れ、その後すぐにダイアモンドろう材（例えばクロム、マンガン、アルミニウム或いは珪素が含まれると共に、実質的に揮発性金属は含まれない）を溶融してマトリクス支持材に注ぐ。従って液相のろう材はマトリクス支持材に溶浸すると共に、該ろう材によって、ダイアモンド粒をマトリクス支持材に結合させる。
一般のマトリクス支持材である金属粉末が適用される以外に、例えば図７Ａ及び図７Ｂに示す新しい支持材も適用することができ、図７Ａに示す鋸部材（２１０）のマトリクス支持材（２００）を参照して、多数のスロット（２１４）を有するそのマトリクス支持材（２００）は所定の間隔で切削される。
精密な切削断面を形成するため、前記マトリクス支持材（２００）を耐熱性材質（例えば石墨）からなる型（例えば石墨或いは金属）に配置し、次にダイアモンド粒（２０）を注入してスロット（２１４）を完全に充填させる。そして溶浸工程が行われることによって前記ろう材はスロット内に充満すると共に、前記マトリクス支持材とダイアモンド粒（２０）とを結合させるによって、鋸部材（２１０）が完成する。その鋸部材（２１０）の構造は、従来の工具においてダイアモンド粒はマトリクス本体の全体に分布することと違い、ダイアモンド粒のみによって鋸部材の刃が形成される（図７Ｂ）。従来技術ではこの様な構造を形成させることは殆ど不可能であり、何故なら前記マトリクス支持材は機械的方式によってダイアモンド粒を固持する必要があるからである。一方本発明は、ダイアモンドろう材を使用することによって、即ち該ろう材はダイアモンド粒と支持材とを結合させることによって、該ダイアモンド粒を所定の位置に維持させるので、前記ダイアモンド粒をスロット或いは穴などに列のように位置付けすることができる。また図７Ａ及び図７Ｂに示す実施形態においてはダイアモンド“フィン”（Ｆｉｎ）が形成されると共に、図８に示す針状のダイアモンド列も形成できる。更にスロット或いは穴などを形成することによって、直線状又はあらゆる方向に湾曲できる列を提供できる。従ってこの技術を熟知する者であれば、日常の実験において切断、穴あけ、ポリシングなどに使用する部材を製造することができる。また前記ダイアモンド粒にはダイアモンド微粒子或いは熱安定な多結晶ダイアモンド（ＰＣＤ）のいずれを使用してもよく、前記マトリクス粉末は溶浸工程によって固結されると共に、ダイアモンドもしっかりと結合されているので、一体型のダイアモンド工具を形成することができる。
〈例１〉
４０/５０マッシュダイアモンド粒（ＳＤＡ-８５+Ｄｅ Ｂｅｅｒｓ会社製造）を２００マッシュより粗い鉄粉末と混合させ、更に有機結合剤と混合させることによって、ダイアモンド濃度２０％（総体積の５％）を有する混合物を形成させる。次に鋼型において、冷間圧入によって鋸部材の形状を成形させる。それによって前記前駆体を石墨型に位置させると共に、粉末のＮｉｃｒｏｂｒａｚ ＬＭによって該前駆体上を被覆する。次に前記型を真空雰囲気において１０５０℃で２０分間加熱する。その時溶浸ろう材は既にダイアモンドとマトリクス粉末とに結合されており、それによって部材が形成される。その後２４個のその部材を製造すると共に、所定の許容度を達成させるため該部材を寸法取り、更にこれらの部材を円周１４インチの鋼から成る丸のこ刃に硬ろう付けされる。また前記鋸刃は従来のダイアモンド鋸刃より高い切断速度で花崗岩などを切断することができると共に、従来のダイアモンド鋸刃の使用寿命を延長させることができる。
本発明における切断工具が従来技術によって製造された切断工具より優れている点は、工具の使用方法である。一般にダイアモンド鋸は丸刃の形状に形成されており、一方向回転することによって、被切断部材を切断すると共に、この一方向運動によって“テール”（Ｔａｉｌ）が形成される。即ちダイアモンド鋸は、回転する際にダイアモンド粒の前方のマトリクス材は磨耗されるが、ダイアモンド粒の後方のマトリクス材は該ダイアモンド自身により保護される。従って前記後方のマトリクス材によってダイアモンド粒はその位置に維持される。一旦前記ダイアモンド鋸が逆方向に回転してしまうと、ダイアモンド粒はマトリクス材から脱落し易い。
しかし丸鋸は被切断部材を該丸鋸の直径の半分の深さしか切断できないく、より厚い被切断部材を切断したい場合は、おさのこ盤或いはガングソーガ使用されていた。またこれらは正逆的に回転するため、ダイアモンド粒を鋸の両面にしっかりと固持させる必要があるが、結果的にダイアモンドマトリクスのテール現象によって、ダイアモンド粒を所定の位置に固持させることができなかった。その為正逆回転のダイアモンド鋸は硬い岩石である例えば花崗岩などの切断には使用されなく、柔軟な材質である例えば大理石などの切断工具として使用されてきた。
本発明は上記の構成を有し、ろう材によってダイアモンド粒を化学的に固持することができるので、マトリクスのテール部によってダイアモンドを支持する必要がない。従って本発明の工具は硬い材質を切断するための正逆回転式鋸として使用できるので、従来技術を大幅に進歩させることができると共に、ダイアモンドの応用範囲もかなり広げることができる。
従って、ここにダイアモンドソーろう材作成における改良方法が示された。上記の説明および例は、本発明のある潜在的使用方法について説明したに過ぎない。本発明が広範囲の効用および適用を可能とすることは、当業者にとっては周知のことである。ここに説明された以外の本発明の様々な実施例および適応、バリエーション、変更および均等のアレンジメントは本発明から自明となり、または本発明によって適度に示唆され、その省略された説明が、本発明の適用範囲から離れるものとはならない。従って、本発明がその好適な実施例に関して詳細に示されている一方、本開示は単に本発明のイラストそして実例であり、単に本発明を十分に利用可能に開示する目的で行われたことを理解されたい。省略された説明をもって本発明を制限する意図はなく、その他の実施例、適用、バリエーション、変更および同等のアレンジメントを除外したりする意図もなく、本発明はここに示された請求項および均等の範囲によってのみ制限されるものとする。

Claims (33)

1. ダイヤモンド粒を所定のパターンで配置できるマトリクス支持材と、そのマトリクス支持材に配置され、研磨材である多数のダイヤモンド粒とを有し、
   合金を前記マトリクス支持材及びダイヤモンド粒に溶浸し結合させ、前記合金が金属合金を有し、その金属合金にはＣｒ、Ｍｎ、Ｓｉ及びＡｌから選ばれる１つの元素が２〜５０ｗｔ％含まれ、且つ実質的にＺｎが含まれないことを特徴とする研磨工具。
2. 前記マトリクス支持材にはＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、青銅、及びそれらの混合物又は合金から選ばれるものが５０ｗｔ％以上含まれることを特徴とする請求項１に記載の研磨工具。
3. 前記マトリクス支持材及びダイヤモンドの合計体積に対して、前記マトリクス支持材の体積の割合が前記ダイヤモンドの体積の割合より大きいことを特徴とする請求項１に記載の研磨工具。
4. 前記マトリクス支持材及びダイヤモンドの合計体積に対して、前記ダイヤモンドの体積の割合が４０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の研磨工具。
5. 前記マトリクス支持材は粒度４００Ｕ．Ｓ．メッシュより粒径が大きい粉末からなることを特徴とする請求項１に記載の研磨工具。
6. 前記マトリクス支持材が複数のダイヤモンド含浸シートからなることを特徴とする請求項１に記載の研磨工具。
7. 前記ダイヤモンド含浸シートは金属粉末及びダイヤモンド粒の混合物を圧延、押出又はドクターブレードすることによって形成されることを特徴とする請求項６に記載の研磨工具。
8. 前記ダイヤモンド含浸シートは機械的な平坦化方式でダイヤモンド粒を金属シートに配置させてなることを特徴とする請求項６に記載の研磨工具。
9. 前記金属シートはインゴットを圧延してなる又は金属粉末から製作されることを特徴とする請求項８に記載の研磨工具。
10. 少なくとも１つの前記ダイヤモンド含浸シートには前記合金を溶浸させることを特徴とする請求項６に記載の研磨工具。
11. 前記合金には妨害金属であるＺｎ、Ｐｂ、Ｓｎを含まないことを特徴とする請求項１に記載の研磨工具。
12. 前記合金にはＣｒ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ａｌ及びそれらの混合物又は合金から選ばれるものが３ｗｔ％以上含まれることを特徴とする請求項１に記載の研磨工具。
13. 前記合金はＮＩＣＲＯＢＲＡＺＬＭ、Ｃｕ−Ｍｎ合金、Ｃｕ−Ｓｉ合金及びＡｌ−Ｓｉ合金から選ばれることを特徴とする請求項１に記載の研磨工具。
14. 前記合金は１１００℃以下の液相線温度を有することを特徴とする請求項１に記載の研磨工具。
15. 前記マトリクス支持材に複数のスロットが形成されると共に、そのスロットに前記ダイヤモンド粒が配置されることを特徴とする請求項１に記載の研磨工具。
16. 前記スロットに配置されるダイヤモンド粒と前記マトリクス支持材とを結合するための合金が前記スロットに充填されることを特徴とする請求項１５に記載の研磨工具。
17. 前記ダイヤモンド粒は並列的に前記マトリクス支持材に配置されると共に、そのダイヤモンド粒は前記合金によって固定されることを特徴とする請求項１に記載の研磨工具。
18. 前記列は実質的の直線であることを特徴とする請求項１７に記載の研磨工具。
19. 前記列は曲線であることを特徴とする請求項１７に記載の研磨工具。
20. 前記工具は丸鋸刃である請求項１に記載の研磨工具。
21. 前記工具は直線状の鋸刃である請求項１に記載の研磨工具。
22. （ａ）ダイヤモンド粒を所定のパターンで配置できるマトリクス支持材を用意する工程、
    （ｂ）前記マトリクス支持材に研磨材であるダイヤモンド粒を配置する工程、及び
    （ｃ）合金を前記マトリクス支持材に溶浸する工程
    を有し、
    前記合金にはＣｒ、Ｍｎ、Ｓｉ及びＡｌから選ばれる１つの元素が２〜５０ｗｔ％含まれ、且つ実質的にＺｎが含まれないことを特徴とするダイヤモンド含浸工具の製造方法。
23. 前記工程（ａ）は粒度４００Ｕ．Ｓ．メッシュより粒径が大きい粉末からマトリクス支持材を製作する工程であることを特徴とする請求項２２に記載のダイヤモンド含浸工具の製造方法。
24. 前記工程（ａ）は不規則状の粒子からマトリクス支持材を製作する工程であることを特徴とする請求項２２に記載のダイヤモンド含浸工具の製造方法。
25. 前記合金には妨害金属であるＺｎ、Ｐｂ、Ｓｎを含まないことを特徴とする請求項２２に記載のダイヤモンド含浸工具の製造方法。
26. 前記マトリクス支持材に複数のスロットが形成されると共に、そのスロットに前記ダイヤモンド粒が配置されることを特徴とする請求項２２に記載のダイヤモンド含浸工具の製造方法。
27. 更に、前記マトリクス支持材に形成される複数のスロットに合金ろう材を溶浸させ、前記ダイヤモンド材を前記マトリクス支持材に結合させる工程を含むことを特徴とする請求項２６に記載のダイヤモンド含浸工具の製造方法。
28. 前記溶浸工程が１０^-3ｔｏｒｒ以下の高真空で行うことを特徴とする請求項２２に記載のダイヤモンド含浸工具の製造方法。
29. 前記合金にはＣｒ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ａｌ及びそれらの混合物又は合金から選ばれる炭化物形成剤が５ｗｔ％以上含まれることを特徴とする請求項２２に記載のダイヤモンド含浸工具の製造方法。
30. 前記合金はＮＩＣＲＯＢＲＡＺＬＭ、Ｃｕ-Ｍｎ合金、Ｃｕ−Ｓｉ合金、Ａｌ−Ｓｉ合金及びＮｉ−Ｓｉ合金から選ばれることを特徴とする請求項２２に記載のダイヤモンド含浸工具の製造方法。
31. 前記工具はワイヤソーである請求項１に記載の研磨工具。
32. 前記工具はダイヤモンドワイヤソーである請求項１に記載の研磨工具。
33. 前記ダイヤモンドワイヤソーはスチールケーブルに嵌め込まれる多数のビードを含む請求項３２に記載の研磨工具。

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