JP4192037B2 - 切削工具およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダイヤモンド質焼結体からなる芯材の外周を、超硬合金やサーメット等の焼結合金からなる表皮材にて被覆してなる複合構造体を用いた切削工具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼などの各種材料を加工するための切削工具として使用されるスローアウェイチップの切刃は一般に超硬合金などで形成されている。この切削工具は、精密切削から汎用切削まで幅広く使用されており、一方、ダイヤモンドは、高い硬度を有するという特性を生かして、ダイヤモンド粒子間を鉄属金属にて結合したダイヤモンド質焼結体が、切削工具または掘削用の工具や耐摩耗部材として利用されている。
【０００３】
このような従来の切削工具では、硬度と破壊靭性は相反する特性であり、耐摩耗性と耐チッピング性、耐欠損性を両立することが困難であり、切刃の耐摩耗性と耐欠損性を同時に高めることが必要とされている。また、従来のダイヤモンド質焼結体は、高硬度、高熱伝導性によって、優れた耐摩耗性を示すものの、鉄族金属を結合材として用いているため、鉄族金属の低い特性、特に硬度、耐反応性、耐酸化性によって、機械的擦り減り、切削熱による酸化、被削材との反応、被削材成分の拡散などが進行し、優れた耐摩耗性を阻害していた。
【０００４】
そこで、特許文献１によれば、ダイヤモンド粒子の周囲をＴｉ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂなどを溶融させて形成した炭化物からなる結合材にて結合することにより、ダイヤモンド粒子の結合力が向上することが提案されている。
【０００５】
また、特許文献２によれば、ダイヤモンド質焼結体からなる長尺状の芯材の外周にＷＣ等からなる表皮材を配置した靭性の高い複合繊維体が開示され、これを集束して掘削工具等の刃先全周表面が集束体断面となるように貼り付けることによって掘削工具の耐欠損性を改善することが提案されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００３−９５７４３号公報
【０００７】
【特許文献２】
米国特許第６０６３５０２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１のようにダイヤモンド粉末と金属原料を混合して、焼結時の加熱溶融し炭化物を形成させたダイヤモンド質焼結体は、結合相としてダイヤモンド質焼結体中に炭化物を分散させることによって焼結体の硬度は高硬度になるものの、靭性が低くなり、また、焼結体組織中における炭化物の分散が不均一で焼結体特性のバラツキが大きくなるという問題があった。さらに、特許文献１では構造体を切削工具として用いた際の切削特性に対する具体的な効果については全く検討されておらず、その構成は切削工具として適したものではなかった。
【０００９】
また、上記特許文献２には、掘削工具用としての具体例について記載されるが、旋削やフライス切削などの切削工具については記載されておらず、複合繊維体をこのような切削工具に応用する際の繊維体の特性を十分に発揮するための具体的な構造については全く検討されていなかった。
【００１０】
したがって、本発明の目的は、芯材がダイヤモンド質焼結体からなる複合構造体において、芯材の外周に表皮材を配して高靭性化するとともに芯材の焼結性を維持したまま硬度をより高硬度化して耐欠損性と耐摩耗性を両立させた切削工具を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題に対して検討した結果、各種材料を加工するための切削工具において、単純で均一な組織からなる従来の焼結体に代えて、芯材とその表皮材である表皮材からなる複合繊維体を集束した複合構造体を用い、特に芯材に優れた硬度、耐反応性、耐酸化性を持ったＴｉまたはＨｆの少なくとも１種の炭化物および炭窒化物の少なくとも１種からなる結合材中にダイヤモンド粒子を均一に分散させたダイヤモンド質焼結体を用い、表皮材に優れた靭性をもつ超硬合金、サーメット等の焼結合金を用いることによって、耐摩耗性と耐欠損性を両立した優れた切削特性を有する複合構造体となることを知見した。
【００１２】
すなわち、本発明の切削工具は、平均粒径ｄ１が０．１〜３．５μｍで含有比率が７０体積％以上のダイヤモンド粒子間をＴｉまたはＨｆの少なくとも１種の炭化物および炭窒化物の少なくとも１種にて結合し、断面における走査型電子顕微鏡写真において、前記ダイヤモンド粒子の８５％以上の数の粒子が、該粒子の外周表面の８０％以上が前記ＴｉまたはＨｆの少なくとも１種の炭化物および炭窒化物の少なくとも１種と接する状態で包含されたダイヤモンド質焼結体からなる長尺状の芯材の外周を、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の群から選ばれる少なくとも１種の金属元素の炭化物、窒化物および炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種の硬質粒子を鉄族金属にて結合した焼結合金からなる表皮材にて被覆し、前記芯材中の鉄族金属含有量が５体積％以下の複合繊維体を具備することを特徴とする切削工具である。
【００１３】
ここで、前記ダイヤモンド粒子の９０％以上の数の粒子がＴｉまたはＨｆの少なくとも１種の炭化物および炭窒化物の少なくとも１種に包含されている、すなわち、断面における走査型電子顕微鏡写真において、前記ダイヤモンド粒子の９０％以上の数の粒子が、該粒子の外周表面の８０％以上が前記ＴｉまたはＨｆの少なくとも１種の炭化物および炭窒化物の少なくとも１種と接する状態で包含されていることによって、ダイヤモンドと結合材との密着が強固になりダイヤモンド粒子の脱落を抑えるという効果がある。
【００１４】
また、芯材のビッカース硬度Ｈｖが４５ＧＰａ以上であることによって、複合構造体全体の耐摩耗性がさらに向上するという効果がある。
【００１５】
さらに、前記芯材に含有されるダイヤモンド粒子の平均粒径ｄ１を０．１〜３．５μｍとすることが耐欠損性を向上させる点で重要である。
【００１６】
また、前記ダイヤモンド質焼結体におけるダイヤモンド粒子の含有比率が７０体積％以上であることが、芯材を高硬度化して切削工具の耐摩耗性を高める点で重要である。
【００１７】
また、上記切削工具を得るには、（ａ）金属Ｔｉまたは金属Ｈｆの少なくとも１種を含有するコーティング層を被覆したダイヤモンド粒子と有機バインダとからなる混合物を長尺状に成形して芯材用成形体を作製する工程と、（ｂ）前記（ａ）工程の成形体とは異なる組成からなる表皮材用成形体を成形して前記（ａ）工程の芯材用成形体の外周を被覆するように配した複合成形体を作製する工程と、（ｃ）前記芯材中において、前記ダイヤモンド粒子と前記コーティング層中の金属とを焼成中に反応させて、ダイヤモンド粒子間を周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の群から選ばれる少なくとも１種の金属元素の炭化物および炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種にて結合したダイヤモンド質焼結体を作製する工程とを具備することを特徴とするものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の切削工具の一実施例について、これに含有される複合繊維体の概略図である図１をもとに詳細を説明する。
【００１９】
図１によれば、複合繊維体１は、ダイヤモンド粒子２、２間をＴｉまたはＨｆの少なくとも１種の炭化物および炭窒化物の少なくとも１種の結合相３にて結合したダイヤモンド質焼結体からなる長尺状の芯材４の外周を、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の群から選ばれる少なくとも１種以上の金属元素の炭化物、窒化物および炭窒化物のうちの１種以上からなる硬質粒子６を鉄族金属７にて結合した焼結合金からなる表皮材８にて被覆してなる。
【００２０】
本発明によれば、ダイヤモンド質焼結体である芯材４中の鉄族金属量が５体積％以下であることが大きな特徴であり、これによって芯材４の硬度を向上させて耐摩耗性と耐欠損性を両立した優れた切削特性を有する複合繊維体１を作製することができる。
【００２１】
すなわち、優れた硬度、耐反応性、耐酸化性を持った結合材にてダイヤモンド粒子２を結合して得られたダイヤモンド質焼結体４を、優れた靭性を持った表皮材８で被覆・保持することによって、複合繊維体１は高靭性となり、耐欠損性、耐チッピング性の向上とともに、機械的摩耗、酸化摩耗、拡散摩耗、凝着摩耗に対する耐摩耗性が向上する。さらに、原料として被覆ダイヤモンド粉末を用いず単純な組織のダイヤモンド粉末と鉄族金属相以外の炭化物、炭窒化物をなす結合相粉末とを混合する場合では、ダイヤモンド粒子２の保持が困難であり、ダイヤモンド粒子２の脱落により耐摩耗性が低下するのに対して、反応生成した炭化物または炭窒化物相で強固に結合したダイヤモンド粒子２を、鉄族金属を含んだ硬質相によって強固に保持することによって、焼結体中に分散したダイヤモンド粒子２が脱落することなく、複合繊維体１の耐摩耗性を向上させるという効果がある。
【００２２】
ここで、鉄族金属の含有量を５体積％以下としたのは、鉄族金属が５体積％より多いと優れた硬度、耐反応性、耐酸化性が損なわれて、耐摩耗性が低下するからであり、特に好ましいのは２体積％以下である。
【００２３】
また、本発明における芯材４の結合相３としては、ＴｉまたはＨｆの少なくとも１種の炭化物および炭窒化物の少なくとも１種からなる材料を用いる。
【００２４】
具体的には、芯材４の結合相３を構成する材質としては、ＴｉまたはＨｆの少なくとも１種の炭化物および炭窒化物の少なくとも１種の硬質粒子として、特に炭化チタンまたは炭窒化チタンの少なくとも１種が好適に使用可能である。なお、５体積％以下で鉄族金属が含有される場合はこの鉄族金属も結合相として機能する。
【００２５】
また、ダイヤモンド粒子２の９０％以上の個数の粒子がＴｉまたはＨｆの少なくとも１種の炭化物および炭窒化物の少なくとも１種に包含されていることが、ダイヤモンド粒子２の脱落による耐摩耗性の低下を抑止するという点で望ましい。なお、本発明において、ダイヤモンド粒子２がＴｉまたはＨｆの少なくとも１種の炭化物および炭窒化物の少なくとも１種に包含されているか否かについては複合構造体の断面における走査型電子顕微鏡写真において反射電子像（ＢＥＩ）によるコントラスト、または電子プローブマイクロ分析法（ＥＰＭＡ）による組成マッピングにて定量化することができ、包含しているとはダイヤモンド粒子２の外周表面の８０％以上がＴｉまたはＨｆの少なくとも１種の炭化物および炭窒化物の少なくとも１種と接した状態を指す。
【００２６】
さらに、芯材４のビッカース硬度Ｈｖは４５ＧＰａ以上であることが複合繊維体１の硬度を著しく向上させ、切削工具の機械的摩耗に対する耐摩耗性を著しく向上させるという点で望ましい。
【００２７】
一方、芯材４をなす焼結体のダイヤモンド粒子２の平均粒径ｄ１は、複合繊維体３１の硬度および強度向上、ダイヤモンド粒子２の凝集を防止するとともに保持力を高めてダイヤモンド粒子２の脱落を防止するという点で０．１〜３．５μｍであることが重要であり、特に０．１〜２μｍであることが望ましい。
【００２８】
また、芯材４をなすダイヤモンド質焼結体におけるダイヤモンド粒子２の含有比率が７０体積％以上、特に９０体積％以上であることが、芯材４を高硬度化して切削工具の耐摩耗性を高める点で重要である。
【００２９】
さらに、前記ダイヤモンド質焼結体中の残留炭素の含有量が５体積％以下であること、前記ダイヤモンド質焼結体中の気孔率が０．５体積％以下であることが、芯材４の強度を向上させて切削工具の耐欠損性を高める点で望ましい。
【００３０】
一方、芯材４の外周を覆う表皮材８としては、周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属の炭化物、窒化物または炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種以上の硬質粒子を鉄族金属３〜５０体積％、特に６〜３０体積％にて結合した材料を用いる。
【００３１】
具体的には、表皮材８を構成する材質としては、周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属の炭化物、窒化物および炭窒化物の１種以上の硬質粒子として、特に炭化タングステン、炭化チタン、炭窒化チタン、窒化チタン、炭化タンタル、炭化ニオブ、炭化ジルコニウム、窒化ジルコニウム、炭化バナジウム、炭化クロムおよび炭化モリブデンの群から選ばれる少なくとも１種、さらには炭化タングステン、炭化チタンまたは炭窒化チタンの群から選ばれる少なくとも１種を５０〜９７体積％、特に炭化タングステン、炭化チタンまたは炭窒化チタンを、鉄族金属、特にコバルトおよび／またはニッケルからなる結合金属３〜５０体積％にて結合してなる硬質焼結体、すなわち超硬合金またはサーメットが好適に使用可能である。
【００３２】
ここで、図２（ａ）（ｂ）は本発明において用いられる複合繊維体の概略斜視図である。（ａ）の複合繊維体１ｓは、芯材４とこの芯材４の外周を被覆し芯材４とは異なる組成の材料からなる表皮材８とからなるシングルタイプの繊維体である。また、（ｂ）の複合繊維体１ｍは、（ａ）のシングルタイプの繊維体の集合体を伸延したものでマルチタイプの繊維体である。本発明によれば、図３において切刃稜１８を形成する複合構造体９は、このような（ａ）または（ｂ）の複合繊維体１を集束した構造体によって形成される。望ましくは、（ｂ）のマルチタイプの繊維体を用いることが耐欠損性に優れる。
【００３３】
また、複合繊維体１のサイズは、裏打板１９との密着性向上および工具１１としての耐欠損性を高めるために、芯材４の直径が５〜３００μｍ、表皮材８を含めた複合繊維体１の１本の直径が６〜５００μｍであることが望ましい。
【００３４】
また、図３の切削工具１１の切刃チップ１２部分についての上面図である図４に示すように、複合構造体９において並列に規則正しく整列した複数の複合繊維体１、１、・・・の繊維方向Ｌｆと、切刃稜１８における稜線での接線ＬＣとのなす角度θが、切刃部分のどの場所、つまり、切刃稜１８における点１での角度θ１、点２での角度θ２、点３での角度θ３のいずれにおいても角度θが２°以上、好ましくは５°以上、より好ましくは１０°以上であることが、切削時にかかる最も高い応力の方向が配列された複合繊維体１の境界方向、または複合繊維体１の芯材４と表皮材８との界面方向からずれることによって、この界面に切削による応力が集中するのを防止し、且つ発生した応力を高強度で高靭性である複合繊維体１の長手方向に分散させて、切刃稜線１８における耐チッピング性および耐欠損性を高める点で望ましい。
【００３５】
なお、上記角度θは、工具形状に対する複合繊維体１における複合繊維体１の配置方向、および切刃稜１８の形成領域、すなわちノーズＲ部の形状や角度ｒ等の工具形状そのものを調整することによって制御される。例えばノーズＲ部の角度ｒが９０°未満、特に８０°以下、さらに６０°以下ですくい面１５が三角形状または菱形形状からなる、いわゆるＴ、Ｄ、Ｖタイプ形状のスローアウェイチップが適応可能である。また、図４によれば、ノーズＲ部は、頂点（Ｐ）から両方向に拡がり、直線部２１との境であるつなぎ部２２までの稜線を意味する。
【００３６】
ちなみに、図４によれば、複合繊維体１の繊維方向ＬｆとノーズＲ部の頂点Ｐにおける接線Ｌｃ２とのなす角度θ（θ２）が９０°、すなわち、複合繊維体１の繊維方向ＬｆがノーズＲ部の頂点Ｐに向かって垂直に伸びるように整列した配列となっている。また、このノーズＲの角度ｒが９０°ですくい面１５の形状が正方形形状からなる、いわゆるＳタイプ形状のスローアウェイチップにおいては、図５のようにノーズＲ部の片側のみを切刃稜１８として用い、逆側２３は切刃として使用しない、すなわち右勝手または左勝手に限定されたスローアウェイチップであれば、複合繊維体１の繊維方向Ｌｆと各切刃位置での接線ＬＣ１とのそれぞれの角度θが２°以上を満足する限り、複合繊維体１の繊維方向ＬｆとノーズＲ部の頂点Ｐにおける接線Ｌｃ２とのなす角度θが４５°以下となっても差し支えない。
【００３７】
さらに、本発明によれば、図６に示すように、複合構造体９が、複数の複合繊維体１を一方向に並べて整列させたものからなり、図６（ａ）に示すように単層のシート状９ｓであってもよいが、単層の複合構造体９ｓを厚み方向に複数層積層した多層の複合構造体９ｍであることがより高い応力分散効果がある点で望ましい。
【００３８】
また、本発明によれば、図６（ｃ）に示すように、多層構造の複合構造体９ｍを作製するにあたって、隣接する複合シート９ｓ，９ｓ間で複合繊維体１の向きが異なるように積層することが望ましく、これによって複合構造体９ｍの靭性をさらに高めて、切削工具１１としての耐欠損性をさらに向上させることができる。
【００３９】
さらに、複合繊維体１の繊維方向がすくい面１５に平行であるか、または複合繊維体１の繊維方向と工具本体１３の座面とのなす角度が０°〜３０°の範囲にあることが切刃稜線１８のすくい面１５における耐チッピング性および耐欠損性を高め、かつ逃げ面１７における耐摩耗性を向上できる点で望ましい。
【００４０】
なお、本発明によれば、切削工具としてはソリッドタイプの工具であっても良いが、低コスト、製造の容易さ等の点でスローアウェイ式の工具であることが望ましい。
【００４１】
さらに、本発明の切削工具は、図３のように、工具本体１３の切刃部分を切り欠いて複合繊維体１（１ｓ、１ｍ）からなる複合構造体９を有する切刃チップ１２を取付座１４にはめ込んでろう付け等で固定した構造からなることから、工具の切刃形状に対する複合繊維体１の繊維方向を容易に制御することができ、また、複数のコーナーに切刃稜１８を設ける際にも複合繊維体１の配列が容易に行えるというメリットがある。
【００４２】
○製造方法
次に、本発明の複合構造体を製造する方法について図７、８の模式図をもとに説明する。
【００４３】
複合繊維体１を作製するにあたり、まず、芯材用成形体４ａを作製する。具体的な方法として、初めに、平均粒径０．１〜３．５μｍの金属Ｔｉまたは金属Ｈｆの少なくとも１種を物理的気相蒸着法（真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法など）、化学的気相蒸着法（熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法など）、ゾルゲル法、メッキ法などにより被覆したダイヤモンド粉末を特に８０質量％以上と、所望により、平均粒径０．０１〜１０μｍの鉄族金属粉末を５０質量％以下と、の割合で混合し、さらに有機バインダ、可塑剤、溶剤を添加して混錬し、プレス成形または鋳込み成形等の成形法により円柱形状に成形して芯材用成形体４ａを作製する（図７（ａ）参照）。
【００４４】
ここで、後述する共押出成形によって均質な複合成形体を得るためには、前記有機バインダの添加量を５０〜２００体積部、特に７０〜１５０体積部とすることが望ましい。
【００４５】
有機バインダとしては、パラフィンワックス、ポリスチレン、ポリエチレン、エチレン‐エチルアクリレート、エチレン‐ビニルアセテート、ポリブチルメタクリレート、ポリエチレングリコール、ジブチルフタレート等を使用することができる。
【００４６】
一方、芯材用成形体４ａとは異なる組成の表皮材をなす材料を前述したバインダとともに混錬してプレス成形、押出成形または鋳込み成形等の成形方法により半割円筒形状の２本の表皮材用成形体８ａを作製する。この表皮材用成形体８ａを芯材用成形体４ａの外周を覆うように配置した成形体１ａを作製する（図７（ｂ）および（ｃ）参照）。
【００４７】
そして、押出機１００を用いて芯材用成形体４ａと表皮材用成形体８ａとからなる上記成形体１ａを共押出成形することにより、芯材用成形体４ａの周囲に表皮材用成形体８ａが被覆され、細い径に伸延された図２（ａ）のシングルタイプの複合繊維体１ｓを作製することができる（図７（ｄ）参照）。
【００４８】
また、複合繊維体１の形成にあたり、図８に示すように、上記共押出した長尺状の複合繊維体１ｓを複数本集束した集束体３１を再度共押出成形することによって、図２（ｂ）の繊維密度の高いマルチタイプの複合繊維体１ｍを作製することができる。なお、複合繊維体１ｓ、１ｍの断面は、円形のみならず、四角形、三角形でもよい。
【００４９】
そして、図６（ａ）〜（ｃ）に示したように、この長尺状の複合繊維体１を２列〜１００列に整列させて型内で加熱加圧して複合シート９ｓを得、所望により、さらにこの複合シート９ｓの複数枚を、隣接する複合シート９ｓ、９ｓの複合繊維体１同士の向きが異なる角度となるように複合シート９ｓを厚み方向に複数枚積層して多層構造の複合構造体９ｍを得る。但し、この場合、複合シート９ｓのうち切刃を形成する最上層の複合シート９ｓにおける複合繊維体１の繊維方向が前述したように切刃稜線１８との関係で特定の角度になるように調整することが望ましい。
【００５０】
また、この複合構造体９ｍを、必要に応じ、図９に示すように、一対のローラ４２間に通して圧延処理し、さらに高密度の複合積層体３２を作製することもできる。
【００５１】
そして、単層の複合シート９ｓ、多層の複合構造体９ｍまたは複合積層体３２を超硬合金製の裏打板１９上に載置して、３００〜７００℃、１０〜２００時間で昇温または保持させて脱バインダ処理し、ついで、超高圧装置内にセットして加圧圧力４〜６ＧＰａ、温度１３５０〜１６００℃、時間１〜６０分、特に１〜１０分で焼成して一体化することにより裏打板１９と接合一体化された複合構造体９または複合積層体３２からなる切刃チップ１２を作製することができる。
【００５２】
本発明に因れば、上記ダイヤモンド粒子に被覆したコーティング層中の金属成分がダイヤモンド粒子の炭素と反応してダイヤモンド粒子の外周表面を炭化物および／または炭窒化物にて結合した組織からなる。また、炭化による体積膨張により生成した炭化物または炭窒化物はダイヤモンド粒子に圧縮残留応力を生ぜしめてより強固に結合されたダイヤモンド質焼結体を作製することができる。
【００５３】
また、本発明に因れば、上記焼成時に表皮材用成形体８ａ中に存在する鉄族金属が芯材用成形体４ａ中に拡散する場合もあるが、上記焼成条件であれば芯材４中の鉄族金属の含有量を５体積％以下に制御することができる。
【００５４】
この複合構造体９は、切削工具１１の切刃稜１８との関係が前述したように所定の角度θとなるように、ワイヤー放電加工機、切削、研磨等で切刃形状に加工する。
【００５５】
そして、裏打板１９と複合構造体９とが一体化された切刃チップ１２を、取付座１４に銀ろうなどを用いてろう付けする。
【００５６】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。
【００５７】
表１のような周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属をイオンプレーティング法により被覆したダイヤモンド粉末に、有機バインダとしてセルロース、ポリエチレングリコールを、溶剤としてポリビニルアルコールを総量で１００体積部加えて混錬して、直径が２０ｍｍの円柱形状にプレス成形して芯材用成形体を作製した。なお、ダイヤモンド粉末へのコーティング層の被覆量は被覆前後の質量差をコーティング層の質量として算出し表１に示した。
【００５８】
一方、表皮材をなす焼結体中の硬質粒子の平均粒径が表１のようになるＷＣ粉末、ＴｉＣＮ粉末に、焼結体が表１の組成となるように平均粒径２μｍのＴｉＣ粉末、ＴｉＮ粉末、Ｃｏ粉末、Ｎｉ粉末とを混合し、これに上記と同様の有機バインダと溶剤を加えて混錬して半割円筒形状の厚さが１ｍｍの表皮材用成形体をプレス成形にて２つ作製し、これらを前記芯材用成形体の外周を覆うように配置して複合繊維体を作製した。
【００５９】
そして、上記複合繊維体を共押出して直径が１ｍｍの伸延された複合成形体を作製した後、この伸延された複合成形体１００本を集束して再度共押出成形し、直径が１ｍｍのマルチフィラメント構造の複合繊維体を作製した。
【００６０】
次に、上記マルチフィラメント構造の複合繊維体を１００ｍｍの長さにカットし、並列に整列させてシート状とし、この複合シート３枚を積層して多層構造の複合構造体を作製した。
【００６１】
その後、この積層体の下面に平均粒径２μｍのＷＣ粒子を敷き詰めて表１の組成からなる厚さ５ｍｍの超硬合金からなる裏打板を配し、これを３００〜７００℃まで１００時間で昇温することによって脱バインダ処理を行った後、超高圧装置に配置し、表１の焼成条件で５分焼成し、複合構造体と裏板が一体化された切刃チップを作製した。その後、この切刃チップを加工して、超硬合金からなる工具本体の取付座に銀ろうを用いて７００℃でろう付けした。
【００６２】
なお、表１の切削工具において、前記シートを構成する複合繊維体の繊維方向Ｌｆと切刃チップの切刃稜線における接線Ｌｃとのなすそれぞれの角度θのうち最も小さい角度が３０°とし、チップ先端角度（ノーズＲ）を６０°とした。
【００６３】
上記のようにして作製したダイヤモンド質焼結体切削工具に対して、
被削材：ＡＤＣ１２、４本溝入り
切込み量ｄ＝１ｍｍ
切削速度Ｖ＝５００ｍ／分
送りｆ＝０．２ｍｍ／刃
の条件にて切削試験を行い、欠損またはチッピングが発生するまでの衝撃回数（最大２００００回）を評価するとともに、２００００回加工できた試料についてはその時点での摩耗量を測定し、チッピング状態を観察した。結果は表１に示した。
【００６４】
【表１】
【００６５】
表１から明らかなとおり、ＴｉＣ相を結合材とした単純なダイヤモンド質焼結体にて作製した試料Ｎｏ．１０では、切削試験初期に欠損してしまった。
【００６６】
また、Ｃｏ相を結合材とした均一な組織のダイヤモンド質焼結体にて作製した試料Ｎｏ．１１では、２００００回加工できたものの、摩耗幅が大きく、さらにチッピングが発生していた。
【００６７】
さらに、芯材中のＣｏ相量が５体積％を越える試料Ｎｏ．７では、２００００回加工できたものの、摩耗が大きく進行していた。また、被覆材として金属成分を含まないＴｉＮを被覆した試料Ｎｏ．９では、ダイヤモンド粒子の脱落により摩耗が進行して耐摩耗性が低いものであった。
【００６８】
これに対して、本発明に従って作製した試料Ｎｏ．１〜６とＮｏ.８では、いずれも摩耗量が少なく、かつチッピングや欠損の発生のないものであった。また、試料Ｎｏ．１〜６についてマイクロビッカース硬度計にて荷重９８ｋＰａ（１ｋｇｆ）にてビッカース硬度Ｈｖを測定したところいずれも４５ＧＰａ以上の硬度を有することがわかった。
【００６９】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明によれば、各種材料を加工するための切削工具において、単純で均一な組織からなる従来の焼結体に代えて、平均粒径ｄ１が０．１〜３．５μｍで含有比率が７０体積％以上のダイヤモンド粒子間をＴｉまたはＨｆの少なくとも１種の炭化物および炭窒化物の少なくとも１種と鉄族金属にて結合し、断面における走査型電子顕微鏡写真において、前記ダイヤモンド粒子の８５％以上の数の粒子が、該粒子の外周表面の８０％以上が前記ＴｉまたはＨｆの少なくとも１種の炭化物および炭窒化物の少なくとも１種と接する状態で包含されたダイヤモンド質焼結体からなる長尺状の芯材の外周を、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の群から選ばれる少なくとも１種の金属元素の炭化物、窒化物および炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種の硬質粒子を鉄族金属にて結合した焼結合金からなる表皮材にて被覆してなる複合構造体であって、前記芯材中の鉄族金属量を５体積％以下とすることによって、耐摩耗性と耐欠損性を両立した優れた切削工具を形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複合構造体の一例を示す概略断面図である。
【図２】本発明にかかる切削工具の複合繊維体の構造を示す、（ａ）シングルタイプ、（ｂ）マルチタイプの斜視図である。
【図３】本発明にかかる切削工具の一実施形態を示す（ａ）斜視図、（ｂ）切刃チップ付近の断面図である。
【図４】図３の切刃チップのすくい面側から見た上面図である。
【図５】本発明の他の実施態様についての上面図である。
【図６】本発明にかかる切削工具の複合構造体の構造を説明するための概略斜視図である。
【図７】本発明にかかる切削工具のシングルタイプの複合繊維体の製造方法を示す工程図である。
【図８】本発明にかかる切削工具のマルチタイプの複合繊維体の製造方法を示す工程図である。
【図９】本発明にかかる切削工具の複合積層体の製造方法の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
１ 複合繊維体
１ａ 複合成形体
１ｓ 複合繊維体（シングルタイプ）
１ｍ 集束繊維体（マルチタイプ）
２ ダイヤモンド粒子
３ 結合相
４ 芯材（ダイヤモンド質焼結体）
４ａ 芯材用成形体
６ 硬質粒子
７ 鉄族金属
８ 表皮材（焼結合金）
８ａ 表皮材用成形体
９ 複合構造体
９ｓ 単層の複合構造体（複合シート）
９ｍ 多層の複合構造体
１１ 切削工具
１２ 切刃チップ
１３ 工具本体
１４ 取付座
１５ すくい面
１６ 着座面
１７ 逃げ面
１８ 切刃稜
１９ 裏打板
２０ 取付孔
２１ 直線部
２２ つなぎ部
３１ 集束体
３２ 複合積層体
４１ 押出機
４２ ローラ
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダイヤモンド質焼結体からなる芯材の外周を、超硬合金やサーメット等の焼結合金からなる表皮材にて被覆してなる複合構造体を用いた切削工具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼などの各種材料を加工するための切削工具として使用されるスローアウェイチップの切刃は一般に超硬合金などで形成されている。この切削工具は、精密切削から汎用切削まで幅広く使用されており、一方、ダイヤモンドは、高い硬度を有するという特性を生かして、ダイヤモンド粒子間を鉄属金属にて結合したダイヤモンド質焼結体が、切削工具または掘削用の工具や耐摩耗部材として利用されている。
【０００３】
このような従来の切削工具では、硬度と破壊靭性は相反する特性であり、耐摩耗性と耐チッピング性、耐欠損性を両立することが困難であり、切刃の耐摩耗性と耐欠損性を同時に高めることが必要とされている。また、従来のダイヤモンド質焼結体は、高硬度、高熱伝導性によって、優れた耐摩耗性を示すものの、鉄族金属を結合材として用いているため、鉄族金属の低い特性、特に硬度、耐反応性、耐酸化性によって、機械的擦り減り、切削熱による酸化、被削材との反応、被削材成分の拡散などが進行し、優れた耐摩耗性を阻害していた。
【０００４】
そこで、特許文献１によれば、ダイヤモンド粒子の周囲をＴｉ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂなどを溶融させて形成した炭化物からなる結合材にて結合することにより、ダイヤモンド粒子の結合力が向上することが提案されている。
【０００５】
また、特許文献２によれば、ダイヤモンド質焼結体からなる長尺状の芯材の外周にＷＣ等からなる表皮材を配置した靭性の高い複合繊維体が開示され、これを集束して掘削工具等の刃先全周表面が集束体断面となるように貼り付けることによって掘削工具の耐欠損性を改善することが提案されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００３−９５７４３号公報
【０００７】
【特許文献２】
米国特許第６０６３５０２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１のようにダイヤモンド粉末と金属原料を混合して、焼結時の加熱溶融し炭化物を形成させたダイヤモンド質焼結体は、結合相としてダイヤモンド質焼結体中に炭化物を分散させることによって焼結体の硬度は高硬度になるものの、靭性が低くなり、また、焼結体組織中における炭化物の分散が不均一で焼結体特性のバラツキが大きくなるという問題があった。さらに、特許文献１では構造体を切削工具として用いた際の切削特性に対する具体的な効果については全く検討されておらず、その構成は切削工具として適したものではなかった。
【０００９】
また、上記特許文献２には、掘削工具用としての具体例について記載されるが、旋削やフライス切削などの切削工具については記載されておらず、複合繊維体をこのような切削工具に応用する際の繊維体の特性を十分に発揮するための具体的な構造については全く検討されていなかった。
【００１０】
したがって、本発明の目的は、芯材がダイヤモンド質焼結体からなる複合構造体において、芯材の外周に表皮材を配して高靭性化するとともに芯材の焼結性を維持したまま硬度をより高硬度化して耐欠損性と耐摩耗性を両立させた切削工具を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題に対して検討した結果、各種材料を加工するための切削工具において、単純で均一な組織からなる従来の焼結体に代えて、芯材とその表皮材である表皮材からなる複合繊維体を集束した複合構造体を用い、特に芯材に優れた硬度、耐反応性、耐酸化性を持ったＴｉまたはＨｆの少なくとも１種の炭化物および炭窒化物の少なくとも１種からなる結合材中にダイヤモンド粒子を均一に分散させたダイヤモンド質焼結体を用い、表皮材に優れた靭性をもつ超硬合金、サーメット等の焼結合金を用いることによって、耐摩耗性と耐欠損性を両立した優れた切削特性を有する複合構造体となることを知見した。
【００１２】
すなわち、本発明の切削工具は、平均粒径ｄ１が０．１〜３．５μｍで含有比率が７０体積％以上のダイヤモンド粒子間をＴｉまたはＨｆの少なくとも１種の炭化物および炭窒化物の少なくとも１種にて結合し、断面における走査型電子顕微鏡写真において、前記ダイヤモンド粒子の８５％以上の数の粒子が、該粒子の外周表面の８０％以上が前記ＴｉまたはＨｆの少なくとも１種の炭化物および炭窒化物の少なくとも１種と接する状態で包含されたダイヤモンド質焼結体からなる長尺状の芯材の外周を、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の群から選ばれる少なくとも１種の金属元素の炭化物、窒化物および炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種の硬質粒子を鉄族金属にて結合した焼結合金からなる表皮材にて被覆し、前記芯材中の鉄族金属含有量が５体積％以下の複合繊維体を具備することを特徴とする切削工具である。
【００１３】
ここで、前記ダイヤモンド粒子の９０％以上の数の粒子がＴｉまたはＨｆの少なくとも１種の炭化物および炭窒化物の少なくとも１種に包含されている、すなわち、断面における走査型電子顕微鏡写真において、前記ダイヤモンド粒子の９０％以上の数の粒子が、該粒子の外周表面の８０％以上が前記ＴｉまたはＨｆの少なくとも１種の炭化物および炭窒化物の少なくとも１種と接する状態で包含されていることによって、ダイヤモンドと結合材との密着が強固になりダイヤモンド粒子の脱落を抑えるという効果がある。
【００１４】
また、芯材のビッカース硬度Ｈｖが４５ＧＰａ以上であることによって、複合構造体全体の耐摩耗性がさらに向上するという効果がある。
【００１５】
さらに、前記芯材に含有されるダイヤモンド粒子の平均粒径ｄ１を０．１〜３．５μｍとすることが耐欠損性を向上させる点で重要である。
【００１６】
また、前記ダイヤモンド質焼結体におけるダイヤモンド粒子の含有比率が７０体積％以上であることが、芯材を高硬度化して切削工具の耐摩耗性を高める点で重要である。
【００１７】
また、上記切削工具を得るには、（ａ）金属Ｔｉまたは金属Ｈｆの少なくとも１種を含有するコーティング層を被覆したダイヤモンド粒子と有機バインダとからなる混合物を長尺状に成形して芯材用成形体を作製する工程と、（ｂ）前記（ａ）工程の成形体とは異なる組成からなる表皮材用成形体を成形して前記（ａ）工程の芯材用成形体の外周を被覆するように配した複合成形体を作製する工程と、（ｃ）前記芯材中において、前記ダイヤモンド粒子と前記コーティング層中の金属とを焼成中に反応させて、ダイヤモンド粒子間を周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の群から選ばれる少なくとも１種の金属元素の炭化物および炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種にて結合したダイヤモンド質焼結体を作製する工程とを具備することを特徴とするものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の切削工具の一実施例について、これに含有される複合繊維体の概略図である図１をもとに詳細を説明する。
【００１９】
図１によれば、複合繊維体１は、ダイヤモンド粒子２、２間をＴｉまたはＨｆの少なくとも１種の炭化物および炭窒化物の少なくとも１種の結合相３にて結合したダイヤモンド質焼結体からなる長尺状の芯材４の外周を、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の群から選ばれる少なくとも１種以上の金属元素の炭化物、窒化物および炭窒化物のうちの１種以上からなる硬質粒子６を鉄族金属７にて結合した焼結合金からなる表皮材８にて被覆してなる。
【００２０】
本発明によれば、ダイヤモンド質焼結体である芯材４中の鉄族金属量が５体積％以下であることが大きな特徴であり、これによって芯材４の硬度を向上させて耐摩耗性と耐欠損性を両立した優れた切削特性を有する複合繊維体１を作製することができる。
【００２１】
すなわち、優れた硬度、耐反応性、耐酸化性を持った結合材にてダイヤモンド粒子２を結合して得られたダイヤモンド質焼結体４を、優れた靭性を持った表皮材８で被覆・保持することによって、複合繊維体１は高靭性となり、耐欠損性、耐チッピング性の向上とともに、機械的摩耗、酸化摩耗、拡散摩耗、凝着摩耗に対する耐摩耗性が向上する。さらに、原料として被覆ダイヤモンド粉末を用いず単純な組織のダイヤモンド粉末と鉄族金属相以外の炭化物、炭窒化物をなす結合相粉末とを混合する場合では、ダイヤモンド粒子２の保持が困難であり、ダイヤモンド粒子２の脱落により耐摩耗性が低下するのに対して、反応生成した炭化物または炭窒化物相で強固に結合したダイヤモンド粒子２を、鉄族金属を含んだ硬質相によって強固に保持することによって、焼結体中に分散したダイヤモンド粒子２が脱落することなく、複合繊維体１の耐摩耗性を向上させるという効果がある。
【００２２】
ここで、鉄族金属の含有量を５体積％以下としたのは、鉄族金属が５体積％より多いと優れた硬度、耐反応性、耐酸化性が損なわれて、耐摩耗性が低下するからであり、特に好ましいのは２体積％以下である。
【００２３】
また、本発明における芯材４の結合相３としては、ＴｉまたはＨｆの少なくとも１種の炭化物および炭窒化物の少なくとも１種からなる材料を用いる。
【００２４】
具体的には、芯材４の結合相３を構成する材質としては、ＴｉまたはＨｆの少なくとも１種の炭化物および炭窒化物の少なくとも１種の硬質粒子として、特に炭化チタンまたは炭窒化チタンの少なくとも１種が好適に使用可能である。なお、５体積％以下で鉄族金属が含有される場合はこの鉄族金属も結合相として機能する。
【００２５】
また、ダイヤモンド粒子２の９０％以上の個数の粒子がＴｉまたはＨｆの少なくとも１種の炭化物および炭窒化物の少なくとも１種に包含されていることが、ダイヤモンド粒子２の脱落による耐摩耗性の低下を抑止するという点で望ましい。なお、本発明において、ダイヤモンド粒子２がＴｉまたはＨｆの少なくとも１種の炭化物および炭窒化物の少なくとも１種に包含されているか否かについては複合構造体の断面における走査型電子顕微鏡写真において反射電子像（ＢＥＩ）によるコントラスト、または電子プローブマイクロ分析法（ＥＰＭＡ）による組成マッピングにて定量化することができ、包含しているとはダイヤモンド粒子２の外周表面の８０％以上がＴｉまたはＨｆの少なくとも１種の炭化物および炭窒化物の少なくとも１種と接した状態を指す。
【００２６】
さらに、芯材４のビッカース硬度Ｈｖは４５ＧＰａ以上であることが複合繊維体１の硬度を著しく向上させ、切削工具の機械的摩耗に対する耐摩耗性を著しく向上させるという点で望ましい。
【００２７】
一方、芯材４をなす焼結体のダイヤモンド粒子２の平均粒径ｄ１は、複合繊維体３１の硬度および強度向上、ダイヤモンド粒子２の凝集を防止するとともに保持力を高めてダイヤモンド粒子２の脱落を防止するという点で０．１〜３．５μｍであることが重要であり、特に０．１〜２μｍであることが望ましい。
【００２８】
また、芯材４をなすダイヤモンド質焼結体におけるダイヤモンド粒子２の含有比率が７０体積％以上、特に９０体積％以上であることが、芯材４を高硬度化して切削工具の耐摩耗性を高める点で重要である。
【００２９】
さらに、前記ダイヤモンド質焼結体中の残留炭素の含有量が５体積％以下であること、前記ダイヤモンド質焼結体中の気孔率が０．５体積％以下であることが、芯材４の強度を向上させて切削工具の耐欠損性を高める点で望ましい。
【００３０】
一方、芯材４の外周を覆う表皮材８としては、周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属の炭化物、窒化物または炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種以上の硬質粒子を鉄族金属３〜５０体積％、特に６〜３０体積％にて結合した材料を用いる。
【００３１】
具体的には、表皮材８を構成する材質としては、周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属の炭化物、窒化物および炭窒化物の１種以上の硬質粒子として、特に炭化タングステン、炭化チタン、炭窒化チタン、窒化チタン、炭化タンタル、炭化ニオブ、炭化ジルコニウム、窒化ジルコニウム、炭化バナジウム、炭化クロムおよび炭化モリブデンの群から選ばれる少なくとも１種、さらには炭化タングステン、炭化チタンまたは炭窒化チタンの群から選ばれる少なくとも１種を５０〜９７体積％、特に炭化タングステン、炭化チタンまたは炭窒化チタンを、鉄族金属、特にコバルトおよび／またはニッケルからなる結合金属３〜５０体積％にて結合してなる硬質焼結体、すなわち超硬合金またはサーメットが好適に使用可能である。
【００３２】
ここで、図２（ａ）（ｂ）は本発明において用いられる複合繊維体の概略斜視図である。（ａ）の複合繊維体１ｓは、芯材４とこの芯材４の外周を被覆し芯材４とは異なる組成の材料からなる表皮材８とからなるシングルタイプの繊維体である。また、（ｂ）の複合繊維体１ｍは、（ａ）のシングルタイプの繊維体の集合体を伸延したものでマルチタイプの繊維体である。本発明によれば、図３において切刃稜１８を形成する複合構造体９は、このような（ａ）または（ｂ）の複合繊維体１を集束した構造体によって形成される。望ましくは、（ｂ）のマルチタイプの繊維体を用いることが耐欠損性に優れる。
【００３３】
また、複合繊維体１のサイズは、裏打板１９との密着性向上および工具１１としての耐欠損性を高めるために、芯材４の直径が５〜３００μｍ、表皮材８を含めた複合繊維体１の１本の直径が６〜５００μｍであることが望ましい。
【００３４】
また、図３の切削工具１１の切刃チップ１２部分についての上面図である図４に示すように、複合構造体９において並列に規則正しく整列した複数の複合繊維体１、１、・・・の繊維方向Ｌｆと、切刃稜１８における稜線での接線ＬＣとのなす角度θが、切刃部分のどの場所、つまり、切刃稜１８における点１での角度θ１、点２での角度θ２、点３での角度θ３のいずれにおいても角度θが２°以上、好ましくは５°以上、より好ましくは１０°以上であることが、切削時にかかる最も高い応力の方向が配列された複合繊維体１の境界方向、または複合繊維体１の芯材４と表皮材８との界面方向からずれることによって、この界面に切削による応力が集中するのを防止し、且つ発生した応力を高強度で高靭性である複合繊維体１の長手方向に分散させて、切刃稜線１８における耐チッピング性および耐欠損性を高める点で望ましい。
【００３５】
なお、上記角度θは、工具形状に対する複合繊維体１における複合繊維体１の配置方向、および切刃稜１８の形成領域、すなわちノーズＲ部の形状や角度ｒ等の工具形状そのものを調整することによって制御される。例えばノーズＲ部の角度ｒが９０°未満、特に８０°以下、さらに６０°以下ですくい面１５が三角形状または菱形形状からなる、いわゆるＴ、Ｄ、Ｖタイプ形状のスローアウェイチップが適応可能である。また、図４によれば、ノーズＲ部は、頂点（Ｐ）から両方向に拡がり、直線部２１との境であるつなぎ部２２までの稜線を意味する。
【００３６】
ちなみに、図４によれば、複合繊維体１の繊維方向ＬｆとノーズＲ部の頂点Ｐにおける接線Ｌｃ２とのなす角度θ（θ２）が９０°、すなわち、複合繊維体１の繊維方向ＬｆがノーズＲ部の頂点Ｐに向かって垂直に伸びるように整列した配列となっている。また、このノーズＲの角度ｒが９０°ですくい面１５の形状が正方形形状からなる、いわゆるＳタイプ形状のスローアウェイチップにおいては、図５のようにノーズＲ部の片側のみを切刃稜１８として用い、逆側２３は切刃として使用しない、すなわち右勝手または左勝手に限定されたスローアウェイチップであれば、複合繊維体１の繊維方向Ｌｆと各切刃位置での接線ＬＣ１とのそれぞれの角度θが２°以上を満足する限り、複合繊維体１の繊維方向ＬｆとノーズＲ部の頂点Ｐにおける接線Ｌｃ２とのなす角度θが４５°以下となっても差し支えない。
【００３７】
さらに、本発明によれば、図６に示すように、複合構造体９が、複数の複合繊維体１を一方向に並べて整列させたものからなり、図６（ａ）に示すように単層のシート状９ｓであってもよいが、単層の複合構造体９ｓを厚み方向に複数層積層した多層の複合構造体９ｍであることがより高い応力分散効果がある点で望ましい。
【００３８】
また、本発明によれば、図６（ｃ）に示すように、多層構造の複合構造体９ｍを作製するにあたって、隣接する複合シート９ｓ，９ｓ間で複合繊維体１の向きが異なるように積層することが望ましく、これによって複合構造体９ｍの靭性をさらに高めて、切削工具１１としての耐欠損性をさらに向上させることができる。
【００３９】
さらに、複合繊維体１の繊維方向がすくい面１５に平行であるか、または複合繊維体１の繊維方向と工具本体１３の座面とのなす角度が０°〜３０°の範囲にあることが切刃稜線１８のすくい面１５における耐チッピング性および耐欠損性を高め、かつ逃げ面１７における耐摩耗性を向上できる点で望ましい。
【００４０】
なお、本発明によれば、切削工具としてはソリッドタイプの工具であっても良いが、低コスト、製造の容易さ等の点でスローアウェイ式の工具であることが望ましい。
【００４１】
さらに、本発明の切削工具は、図３のように、工具本体１３の切刃部分を切り欠いて複合繊維体１（１ｓ、１ｍ）からなる複合構造体９を有する切刃チップ１２を取付座１４にはめ込んでろう付け等で固定した構造からなることから、工具の切刃形状に対する複合繊維体１の繊維方向を容易に制御することができ、また、複数のコーナーに切刃稜１８を設ける際にも複合繊維体１の配列が容易に行えるというメリットがある。
【００４２】
○製造方法
次に、本発明の複合構造体を製造する方法について図７、８の模式図をもとに説明する。
【００４３】
複合繊維体１を作製するにあたり、まず、芯材用成形体４ａを作製する。具体的な方法として、初めに、平均粒径０．１〜３．５μｍの金属Ｔｉまたは金属Ｈｆの少なくとも１種を物理的気相蒸着法（真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法など）、化学的気相蒸着法（熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法など）、ゾルゲル法、メッキ法などにより被覆したダイヤモンド粉末を特に８０質量％以上と、所望により、平均粒径０．０１〜１０μｍの鉄族金属粉末を５０質量％以下と、の割合で混合し、さらに有機バインダ、可塑剤、溶剤を添加して混錬し、プレス成形または鋳込み成形等の成形法により円柱形状に成形して芯材用成形体４ａを作製する（図７（ａ）参照）。
【００４４】
ここで、後述する共押出成形によって均質な複合成形体を得るためには、前記有機バインダの添加量を５０〜２００体積部、特に７０〜１５０体積部とすることが望ましい。
【００４５】
有機バインダとしては、パラフィンワックス、ポリスチレン、ポリエチレン、エチレン‐エチルアクリレート、エチレン‐ビニルアセテート、ポリブチルメタクリレート、ポリエチレングリコール、ジブチルフタレート等を使用することができる。
【００４６】
一方、芯材用成形体４ａとは異なる組成の表皮材をなす材料を前述したバインダとともに混錬してプレス成形、押出成形または鋳込み成形等の成形方法により半割円筒形状の２本の表皮材用成形体８ａを作製する。この表皮材用成形体８ａを芯材用成形体４ａの外周を覆うように配置した成形体１ａを作製する（図７（ｂ）および（ｃ）参照）。
【００４７】
そして、押出機１００を用いて芯材用成形体４ａと表皮材用成形体８ａとからなる上記成形体１ａを共押出成形することにより、芯材用成形体４ａの周囲に表皮材用成形体８ａが被覆され、細い径に伸延された図２（ａ）のシングルタイプの複合繊維体１ｓを作製することができる（図７（ｄ）参照）。
【００４８】
また、複合繊維体１の形成にあたり、図８に示すように、上記共押出した長尺状の複合繊維体１ｓを複数本集束した集束体３１を再度共押出成形することによって、図２（ｂ）の繊維密度の高いマルチタイプの複合繊維体１ｍを作製することができる。なお、複合繊維体１ｓ、１ｍの断面は、円形のみならず、四角形、三角形でもよい。
【００４９】
そして、図６（ａ）〜（ｃ）に示したように、この長尺状の複合繊維体１を２列〜１００列に整列させて型内で加熱加圧して複合シート９ｓを得、所望により、さらにこの複合シート９ｓの複数枚を、隣接する複合シート９ｓ、９ｓの複合繊維体１同士の向きが異なる角度となるように複合シート９ｓを厚み方向に複数枚積層して多層構造の複合構造体９ｍを得る。但し、この場合、複合シート９ｓのうち切刃を形成する最上層の複合シート９ｓにおける複合繊維体１の繊維方向が前述したように切刃稜線１８との関係で特定の角度になるように調整することが望ましい。
【００５０】
また、この複合構造体９ｍを、必要に応じ、図９に示すように、一対のローラ４２間に通して圧延処理し、さらに高密度の複合積層体３２を作製することもできる。
【００５１】
そして、単層の複合シート９ｓ、多層の複合構造体９ｍまたは複合積層体３２を超硬合金製の裏打板１９上に載置して、３００〜７００℃、１０〜２００時間で昇温または保持させて脱バインダ処理し、ついで、超高圧装置内にセットして加圧圧力４〜６ＧＰａ、温度１３５０〜１６００℃、時間１〜６０分、特に１〜１０分で焼成して一体化することにより裏打板１９と接合一体化された複合構造体９または複合積層体３２からなる切刃チップ１２を作製することができる。
【００５２】
本発明に因れば、上記ダイヤモンド粒子に被覆したコーティング層中の金属成分がダイヤモンド粒子の炭素と反応してダイヤモンド粒子の外周表面を炭化物および／または炭窒化物にて結合した組織からなる。また、炭化による体積膨張により生成した炭化物または炭窒化物はダイヤモンド粒子に圧縮残留応力を生ぜしめてより強固に結合されたダイヤモンド質焼結体を作製することができる。
【００５３】
また、本発明に因れば、上記焼成時に表皮材用成形体８ａ中に存在する鉄族金属が芯材用成形体４ａ中に拡散する場合もあるが、上記焼成条件であれば芯材４中の鉄族金属の含有量を５体積％以下に制御することができる。
【００５４】
この複合構造体９は、切削工具１１の切刃稜１８との関係が前述したように所定の角度θとなるように、ワイヤー放電加工機、切削、研磨等で切刃形状に加工する。
【００５５】
そして、裏打板１９と複合構造体９とが一体化された切刃チップ１２を、取付座１４に銀ろうなどを用いてろう付けする。
【００５６】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。
【００５７】
表１のような周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属をイオンプレーティング法により被覆したダイヤモンド粉末に、有機バインダとしてセルロース、ポリエチレングリコールを、溶剤としてポリビニルアルコールを総量で１００体積部加えて混錬して、直径が２０ｍｍの円柱形状にプレス成形して芯材用成形体を作製した。なお、ダイヤモンド粉末へのコーティング層の被覆量は被覆前後の質量差をコーティング層の質量として算出し表１に示した。
【００５８】
一方、表皮材をなす焼結体中の硬質粒子の平均粒径が表１のようになるＷＣ粉末、ＴｉＣＮ粉末に、焼結体が表１の組成となるように平均粒径２μｍのＴｉＣ粉末、ＴｉＮ粉末、Ｃｏ粉末、Ｎｉ粉末とを混合し、これに上記と同様の有機バインダと溶剤を加えて混錬して半割円筒形状の厚さが１ｍｍの表皮材用成形体をプレス成形にて２つ作製し、これらを前記芯材用成形体の外周を覆うように配置して複合繊維体を作製した。
【００５９】
そして、上記複合繊維体を共押出して直径が１ｍｍの伸延された複合成形体を作製した後、この伸延された複合成形体１００本を集束して再度共押出成形し、直径が１ｍｍのマルチフィラメント構造の複合繊維体を作製した。
【００６０】
次に、上記マルチフィラメント構造の複合繊維体を１００ｍｍの長さにカットし、並列に整列させてシート状とし、この複合シート３枚を積層して多層構造の複合構造体を作製した。
【００６１】
その後、この積層体の下面に平均粒径２μｍのＷＣ粒子を敷き詰めて表１の組成からなる厚さ５ｍｍの超硬合金からなる裏打板を配し、これを３００〜７００℃まで１００時間で昇温することによって脱バインダ処理を行った後、超高圧装置に配置し、表１の焼成条件で５分焼成し、複合構造体と裏板が一体化された切刃チップを作製した。その後、この切刃チップを加工して、超硬合金からなる工具本体の取付座に銀ろうを用いて７００℃でろう付けした。
【００６２】
なお、表１の切削工具において、前記シートを構成する複合繊維体の繊維方向Ｌｆと切刃チップの切刃稜線における接線Ｌｃとのなすそれぞれの角度θのうち最も小さい角度が３０°とし、チップ先端角度（ノーズＲ）を６０°とした。
【００６３】
上記のようにして作製したダイヤモンド質焼結体切削工具に対して、
被削材：ＡＤＣ１２、４本溝入り
切込み量ｄ＝１ｍｍ
切削速度Ｖ＝５００ｍ／分
送りｆ＝０．２ｍｍ／刃
の条件にて切削試験を行い、欠損またはチッピングが発生するまでの衝撃回数（最大２００００回）を評価するとともに、２００００回加工できた試料についてはその時点での摩耗量を測定し、チッピング状態を観察した。結果は表１に示した。
【００６４】
【表１】
表１から明らかなとおり、ＴｉＣ相を結合材とした単純なダイヤモンド質焼結体にて作製した試料Ｎｏ．１０では、切削試験初期に欠損してしまった。
【００６６】
また、Ｃｏ相を結合材とした均一な組織のダイヤモンド質焼結体にて作製した試料Ｎｏ．１１では、２００００回加工できたものの、摩耗幅が大きく、さらにチッピングが発生していた。
【００６７】
さらに、芯材中のＣｏ相量が５体積％を越える試料Ｎｏ．７では、２００００回加工できたものの、摩耗が大きく進行していた。また、被覆材として金属成分を含まないＴｉＮを被覆した試料Ｎｏ．９では、ダイヤモンド粒子の脱落により摩耗が進行して耐摩耗性が低いものであった。
【００６８】
これに対して、本発明に従って作製した試料Ｎｏ．１〜６とＮｏ.８では、いずれも摩耗量が少なく、かつチッピングや欠損の発生のないものであった。また、試料Ｎｏ．１〜６についてマイクロビッカース硬度計にて荷重９８ｋＰａ（１ｋｇｆ）にてビッカース硬度Ｈｖを測定したところいずれも４５ＧＰａ以上の硬度を有することがわかった。
【００６９】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明によれば、各種材料を加工するための切削工具において、単純で均一な組織からなる従来の焼結体に代えて、平均粒径ｄ１が０．１〜３．５μｍで含有比率が７０体積％以上のダイヤモンド粒子間をＴｉまたはＨｆの少なくとも１種の炭化物および炭窒化物の少なくとも１種と鉄族金属にて結合し、断面における走査型電子顕微鏡写真において、前記ダイヤモンド粒子の８５％以上の数の粒子が、該粒子の外周表面の８０％以上が前記ＴｉまたはＨｆの少なくとも１種の炭化物および炭窒化物の少なくとも１種と接する状態で包含されたダイヤモンド質焼結体からなる長尺状の芯材の外周を、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の群から選ばれる少なくとも１種の金属元素の炭化物、窒化物および炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種の硬質粒子を鉄族金属にて結合した焼結合金からなる表皮材にて被覆してなる複合構造体であって、前記芯材中の鉄族金属量を５体積％以下とすることによって、耐摩耗性と耐欠損性を両立した優れた切削工具を形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複合構造体の一例を示す概略断面図である。
【図２】本発明にかかる切削工具の複合繊維体の構造を示す、（ａ）シングルタイプ、（ｂ）マルチタイプの斜視図である。
【図３】本発明にかかる切削工具の一実施形態を示す（ａ）斜視図、（ｂ）切刃チップ付近の断面図である。
【図４】図３の切刃チップのすくい面側から見た上面図である。
【図５】本発明の他の実施態様についての上面図である。
【図６】本発明にかかる切削工具の複合構造体の構造を説明するための概略斜視図である。
【図７】本発明にかかる切削工具のシングルタイプの複合繊維体の製造方法を示す工程図である。
【図８】本発明にかかる切削工具のマルチタイプの複合繊維体の製造方法を示す工程図である。
【図９】本発明にかかる切削工具の複合積層体の製造方法の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
１ 複合繊維体
１ａ 複合成形体
１ｓ 複合繊維体（シングルタイプ）
１ｍ 集束繊維体（マルチタイプ）
２ ダイヤモンド粒子
３ 結合相
４ 芯材（ダイヤモンド質焼結体）
４ａ 芯材用成形体
６ 硬質粒子
７ 鉄族金属
８ 表皮材（焼結合金）
８ａ 表皮材用成形体
９ 複合構造体
９ｓ 単層の複合構造体（複合シート）
９ｍ 多層の複合構造体
１１ 切削工具
１２ 切刃チップ
１３ 工具本体
１４ 取付座
１５ すくい面
１６ 着座面
１７ 逃げ面
１８ 切刃稜
１９ 裏打板
２０ 取付孔
２１ 直線部
２２ つなぎ部
３１ 集束体
３２ 複合積層体
４１ 押出機
４２ ローラ
Claims (4)
- 平均粒径ｄ１が０．１〜３．５μｍで含有比率が７０体積％以上のダイヤモンド粒子間をＴｉまたはＨｆの少なくとも１種の炭化物および炭窒化物の少なくとも１種にて結合し、断面における走査型電子顕微鏡写真において、前記ダイヤモンド粒子の８５％以上の数の粒子が、該粒子の外周表面の８０％以上が前記ＴｉまたはＨｆの少なくとも１種の炭化物および炭窒化物の少なくとも１種と接する状態で包含されたダイヤモンド質焼結体からなる長尺状の芯材の外周を、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の群から選ばれる少なくとも１種の金属元素の炭化物、窒化物および炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種の硬質粒子を鉄族金属にて結合した焼結合金からなる表皮材にて被覆した、前記芯材中の鉄族金属含有量が５体積％以下の複合繊維体を具備することを特徴とする切削工具。
- 前記ダイヤモンド粒子の９０％以上の数の粒子が、該粒子の外周表面の８０％以上が前記ＴｉまたはＨｆの少なくとも１種の炭化物および炭窒化物の少なくとも１種と接する状態で包含されていることを特徴とする請求項１記載の切削工具。
- 前記芯材のビッカース硬度Ｈｖが４５ＧＰａ以上であることを特徴とする請求項１または２記載の切削工具。
- （ａ）金属Ｔｉまたは金属Ｈｆの少なくとも１種を含有するコーティング層を被覆したダイヤモンド粒子と有機バインダとからなる混合物を長尺状に成形して芯材用成形体を作製する工程と、
（ｂ）前記（ａ）工程の成形体とは異なる組成からなる表皮材用成形体を成形して前記（ａ）工程の芯材用成形体の外周を被覆するように配した複合成形体を作製する工程と、
（ｃ）前記芯材中において、前記ダイヤモンド粒子と前記コーティング層中の金属とを焼成中に反応させて、ダイヤモンド粒子間をＴｉまたはＨｆの少なくとも１種の炭化物および炭窒化物の少なくとも１種にて結合したダイヤモンド質焼結体を作製する工程とを具備することを特徴とする複合構造体の製造方法。
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