JP5256384B2

JP5256384B2 - 積層超硬チップ及びその製造方法

Info

Publication number: JP5256384B2
Application number: JP2006312803A
Authority: JP
Inventors: 好美服巻
Original assignee: 株式会社スターロイ
Priority date: 2006-11-20
Filing date: 2006-11-20
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2026-11-20
Also published as: JP2008127616A

Description

本発明は、例えばシールド掘進機における掘削用工具であるカッタービットの硬質刃体や、切断刃、金型等を構成するに適した超硬チップ、及びその製造方法に関するものである。

例えば、シールド掘進機のカッタービットは、鋼材のシャンクに硬質刃体である超硬合金のチップ（以下「超硬チップ」という）を固着したものが一般的である。シールド掘進機は、地下でのトンネル掘進等に使用されるため、そのカッタービットは、土砂等の切削性能が高いだけではなく、掘削中での破損の生じにくい高強度のものを使用する必要がある。これは、掘削中に刃先が欠損すると、切削性能が著しく低下するのみならず、その破片によって他の刃体も損傷するからであり、地下での掘削中は、カッタービットを交換することができないので、刃体を構成する超硬チップは、特に優れた耐衝撃性が特に要求されるのである。

超硬合金は、高硬度の金属炭化物粒子をバインダー金属のマトリックス中に分散させたものであり、金属炭化物粒子としては、ＷＣ，ＴｉＣ，ＴａＣ等が用いられている。また、バインダー層を形成する金属としては、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ等が用いられているが、カッタービット用の超硬チップの組成としては、ＷＣ−Ｃｏ合金が最も普通である。

一般に、超硬合金は、炭化物（ＷＣ等）の粒子が細かく、バインダー層（コバルトＣｏ層等）が少ないほど硬度が高く、耐摩耗性に優れ、炭化物の粒子が粗く、バインダー層が多いほど、靭性（強度）が向上し、耐衝撃性に優れて、欠損等が生じにくい傾向がある。すなわち、超硬合金における硬度と強度は概念的には相反するものであり、通常は、炭化物粒度とバインダー層の量を調節して、用途に応じた超硬合金チップを得ている。

上記カッタービットの切削性能と耐摩耗性は、刃体の硬度を上げることによって向上する。しかしながら、上記のとおり、硬度の高い超硬チップは、衝撃により欠損しやすいという欠点があるので、耐摩耗性と耐衝撃性を両立させるため種々の工夫がなされている。下記特許文献は、これらの例を表すものである。

特開２００６−２４１６８１号公報特開平７−３３０６号公報特開平９−７８９８６号公報特開２００５−３６２８１号公報実開平５−１６８９７号公報実開平４−５３８７９号公報

上記特許文献１に記載のものは、超硬合金からなる軟性チップと硬性チップとを接合材を介在して母材にろう付けしたカッタービットであり、上記接合材としては、軟性チップの超硬合金に材質が近似し、該軟性チップよりも軟性の材質からなるものが使用される。このカッタービットは、硬性チップで耐摩耗性を維持し、軟性チップで衝撃を緩衝することにより、長寿命を図るものである。

また、上記特許文献２に記載のものは、高硬度の超硬合金と接合用超硬合金とが拡散接合されたもので、前記接合用超硬合金中の結合層の割合が、前記高硬度の超硬合金中の結合層の割合よりも１０〜４５重量％多いものである。

さらに、上記特許文献３に記載のものはシールド掘進機等のカッタービットであって、硬さ、靭性等の材質が異なる複数層の超硬チップ片を銅板を挟んでろう付けしてなる多層チップを刃体とし、これを鋼材の台金にろう付けしたものである。

上記特許文献４には、超硬合金部材同士を接合面で直接接触させて両合金部材間に圧力を加えながらパルス通電を行い一体化する技術が記載されている。また、上記特許文献５には、トンネル掘進機のカッタビットにおいて、硬質チップと軟質チップを交互に積層してろう付けにより一体化するとともに、カッタビット本体に固着したものが記載されている。さらに、上記特許文献６には、カッタービットチップの刃先部を超微粒子超硬合金で構成し、それ以外の部分を中粒もしくは粗粒の超硬合金により構成したものが記載されている。

上記特許文献１に記載のものは、硬性チップと軟性チップと鋼材とをろう付けにより互いに固着一体化したものであるが、複数層のろう付けを同時に行うのは、煩雑な手間が必要であり、しかも超硬合金チップは、熱衝撃に弱いので、ろう付けによって微小な亀裂が入り、使用中に欠損する恐れがある。また、使用中にろう材層と超硬チップとの間の剥離が生じやすいという問題点もある。

上記特許文献２に記載のものは、高硬度の超硬チップと低硬度の超硬チップとを互いのバインダー層を拡散させることにより接合したものであるが、バインダーの少ない高硬度超硬チップ側へ低硬度超硬チップ側のバインダー層が拡散するので、高硬度超硬チップの硬度が低下し、低硬度超硬チップの靭性が低下するという問題点がある。また、所望の接合強度が得られるようにバインダー層をうまく拡散させるのは困難であり、カッタービットのような厳しい使用条件では、剥離や損傷が生じる恐れが高い。

上記特許文献３及び特許文献５に記載のものは、特許文献１と同様に、複数の超硬チップをろう付けにより一体化したもので、これらも特許文献１に記載のものと同様な問題点を持っている。さらに、上記特許文献４に記載のものは、加圧とパルス通電により異種の超硬チップ同士を溶接で接合するものであるが、この手法では十分な強度を得ることが困難である。

また、上記特許文献６に記載のものは、刃先部を硬度の高い超微粒子超硬合金で構成し、それ以外の部分を中粒もしくは粗粒の超硬合金により構成したものであるが、実際に製造しようとすると、燒結中に粒子の移動や結晶粒子の成長が生じて、組成が変化する恐れがあり、理想的な硬度傾斜状態を得ることは極めて困難である。

そこで、本発明は、上記従来公知の技術を改良し、ろう付けよりも強度が優れた接合方法を採用することにより、耐摩耗性と耐衝撃性を合わせ備えた超硬チップを提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、本発明は次のような構成とした。すなわち、本発明に係る積層超硬チップの製造方法は、接合面を研磨したＷＣ―Ｃｏ系超硬合金からなる超硬チップ同士を、コバルト、ニッケル又は高コバルト超硬合金からなる薄板状の接合材を挟んで上下に重ね合わせた状態で、非酸化性雰囲気中で１３００〜１４００℃の温度に加熱し、接合材に液相を生じさせて前記超硬チップ中に浸透させることにより、超硬チップ同士を接合材を介して一体化することを特徴としている。

上記加熱は３〜１０ｔｏｒｒの真空中で行うのが好ましい。

また、本発明に係る積層超硬チップは、上記請求項１または２の製造方法により製造された積層超硬チップである。

本発明に係る多層超硬チップであって、材質の異なる複数種の超硬チップ、例えば耐摩耗性に優れた硬質の超硬合金チップと、靭性に富んだ軟質の超硬合金チップとを積層し、接合材を介して接合一体化したものは、耐摩耗性と耐衝撃性を一つのチップで両立させることが可能であり、例えばカッタービットの刃体として使用しても、長時間にわたって優れた切削性能を維持することができるのみならず、刃体の損傷が生じにくい。接合材は、両側の超硬チップに拡散浸透するので、ろう付け等に比べて高い接合強度が得られる。また、本発明に係る積層超硬チップの製造方法によれば、上記優れた性能の積層超硬チップを比較的簡単に製造することが可能であり、安定した品質を維持することが可能である。なお、同種の超硬チップ同士を接合一体化することにより、大寸法の超硬チップや、複雑な形状の超硬チップを製作することも可能である。

以下、本発明の実施形態について具体的に説明する。図１は、カッタービットの刃体として使用することのできる本発明に係る積層超硬チップの構造を模式的に表すもので、図１（ａ）に示す積層超硬チップ１は、高硬度の超硬チップＡと、これよりも硬度の低い超硬チップＢとを接合材Ｓを介して接合一体化した２層構造のチップであり、図１（２）に示す積層チップ１は、３種の超硬チップ、すなわち超硬チップＡ、超硬チップＢ、及び超硬チップＣを接合材Ｓで接合一体化した３層構造のチップの例を表す。場合によっては、４種以上の超硬チップを接合一体化することも可能である。

このように、材質の異なる複数種の超硬チップを積層一体化することにより、耐摩耗性と耐衝撃性を両立させることが可能であり、耐摩耗性が要求されるカッタービットの刃先部分には高硬度のチップＡを使用して切削性能を良好に保つとともに、高硬度のチップだけでは耐衝撃性が低下するので、比較的硬度の低い高靭性のチップＢをカッタービットの基部側に用いて耐衝撃性を確保するのである。

上記特許文献に開示されているように、超硬チップの耐摩耗性と耐衝撃性とを両立させるため、材質の異なる複数種の超硬チップを接合一体化する方法は従来も採用されてきたが、本発明は、この接合一体化を接合材を用いて行う点に特徴がある。すなわち、従来公知の方法は、複数種の超硬チップをろう付け、相互拡散、加圧とパルス通電による溶接等であるが、上記のとおり、これらの方法にはそれぞれ問題点があり、厳しい使用条件にさらされるカッタービット用の超硬チップとしては、満足できるものではなかった。本発明は、これら従来の接合方法を改良したもので、複数種の超硬チップに拡散浸透する接合材を介在させることにより、異種チップを高強度に接合一体化させることができるようになったのである。

上記図示例のように、カッタービットの刃先部に使用される超硬チップＡは、比較的硬度の高い超硬合金であり、具体的には、炭化物（ＷＣ）の平均粒度が２〜５ミクロンで、バインダー（Ｃｏ）の量が、全体の７〜１０％（重量％、以下同じ）程度のＷＣ−Ｃｏ系超硬合金が好ましい。また、上記刃先部の超硬チップを支持する耐衝撃用の超硬チップＢの材質は、炭化物の平均粒度が２〜６ミクロンで、コバルト量が全体の１１〜２０％のＷＣ−Ｃｏ系超硬合金が好ましい。

上記異種チップを接合する接合材としては、超硬合金のバインダーとして使用される金属、例えばコバルト、ニッケル等を使用できるが、通常は、接合する超硬チップのバインダー層と同種のものを使用するのが好ましい。なお、ニッケルは液相が出現する温度がコバルトよりも高いので、超硬合金の炭化物の粒成長が生じやすい。このため、接合材としてはコバルトを使用するのが好ましい。これらの接合材は、板状ないし箔状のものを使用することができる。なお、場合によっては、Ｃｏ量が極めて多い高コバルト超硬合金（例えばＣｏ量が２０％以上）を接合材として使用することも可能である。この場合は、高コバルト合金のバインダー層であるコバルトが両側の超硬チップに浸透して接合が行われるのである。

本発明に係る積層超硬チップの製造方法は以下のとおりである。まず、複数種の組成の超硬チップを製造する。この超硬チップの製造は、炭化物粉末とバインダー金属粉末とを混合し、所定の形状、寸法にプレス成形して燒結する公知の粉末冶金法で製造することができる。得られた複数種の超硬チップの接合面を研磨し、板状の接合材を挟んで重ね合わせた状態で、非酸化性雰囲気、好ましくは真空中で所定温度に加熱する。接合材としてコバルト又はニッケルを使用する場合は、その厚みは１ｍｍ以下で十分であり、０．５ｍｍ以下とするのが好ましい。また、接合材として高コバルト超硬合金を使用する場合は、厚みは１〜３ｍｍ程度とするのが好ましく、２ｍｍ以下とするのがより好ましい。接合面の表面粗さは、細かいほど接合性が良好であるが、通常は２５ミクロン以下とするのが好ましく、２０ミクロン以下とするのがより好ましい。

図２は、この加熱状態を表すもので、図示されているように、加熱に際しては、上側の超硬チップ上に適当な重しＰ（比重が高く耐熱性に優れたタングステン塊を用いるのが好ましい）を載置しておくのが好ましい。加熱温度は、接合材に液相が出現する温度以上であり、通常は燒結温度と同程度の１３００〜１４００℃である。この加熱温度が低過ぎると、十分な浸透が行われず、接合強度が不足する。また、加熱温度が高すぎると、粒成長が生じて、超硬チップの性能が低下するおそれがある。接合のための加熱は、真空炉を用いて行うのが好ましい。この場合の真空度は、接合材の蒸発を防ぐことのできる低真空度（３〜１０ｔｏｒｒ）とするのが好ましい。接合のための加熱時間は、通常は３０〜６０分で十分である。

なお、図２は、複数の超硬チップだけを接合する様子を模式的に表しているが、積層一体化された超硬チップをカッタービット等の鋼材のシャンク（台金）に取り付けるには、ろう付けにより固着すればよい。場合によっては、上記積層された超硬チップの接合の際に、最下部の超硬チップの下面とシャンクとの間にニッケル等の接合材を挟んで超硬チップとシャンクとを重ね合わせておき、超硬チップ同士の接合とシャンクに対する接合とを同時に行うことも可能である。しかしながら、鋼材のシャンクを高温に加熱すると、組織が変化して、強度が低下する恐れがあるので、積層超硬チップ１をシャンクにろう付けするのが好ましい。

［実施例１］炭化物平均粒度３．０ミクロン、コバルト量８％の超硬チップＡと、炭化物平均粒度３．５ミクロン、コバルト量１３％の超硬チップＢ（いずれもＷＣ−Ｃｏ合金）を接合材Ｓとしてコバルト板（厚さ０．１ｍｍ）を挟んで重ね合わせ、上側の超硬チップＡの上に２００ｇのタングステン塊Ｐを載せて真空炉で加熱した。超硬チップＡ，Ｂの形状、寸法は３０ｘ１２．５ｘ１０ｍｍの角型であり、接合側の面は、１０ミクロンの表面粗さに研磨しておいた。加熱の際の真空度は５ｔｏｒｒ、加熱温度は１４００℃、加熱時間は６０分であった。

これにより、上下２個の超硬チップＡ，Ｂが極めて薄い結合材Ｓ層を挟んで接合一体化した図４に示す２層構造の積層超硬チップが得られた。この接合部の組織写真を図３に示す。図３（ａ）は１００倍であり、図３（ｂ）は１０００倍である。なお、得られた積層超硬チップの図４における各測定点における硬さ（ＨＲＡ）はａ点で８８．１、ｂ点で８６．８であり、破線の位置で切り出した試験片の３点折り曲げ試験（中央部に接合層が存在する）による抵折力は３０２３Ｎ／ｍｍ² であった。

［実施例２］上記実施例１と同様な２種の超硬チップＡ，Ｂを用い、接合材Ｓとして厚み０．１ｍｍのニッケル板を用いたほかは、実施例１と同様な条件で図４に示すような２層構造の積層超硬チップを製造し、同様な試験を行った。この場合のａ点における硬さ（ＨＲＡ）は８８．０、ｂ点における硬さは８７．０であり、抗折力は２７２５Ｎ／ｍｍ² であった。

［実施例３］上記実施例１と同様な２種の超硬チップＡ，Ｂを用い、接合材Ｓとして厚さ２ｍｍの高コバルト合金（ＷＣ−２０％Ｃｏ）を用いて同様な条件で図４に示すような２層構造の積層超硬チップを製造した。この場合のａ点における硬さ（ＨＲＡ）は８８．２、ｂ点における硬さは８６．９であり、抗折力は２２２１Ｎ／ｍｍ² であった。

［実施例４］図５に示すように、材種の異なる３種の超硬チップＡ，Ｂ，Ｃ（いずれもＷＣ−Ｃｏ合金）を試作し、その硬度と抗折力を測定した。超硬チップの製造方法は、上記各実施例と同様である。この場合における超硬チップの組成は、超硬チップＡがＷＣ−８％Ｃｏ、ＢがＷＣ−１１％Ｃｏ、ＣがＷＣ−１３％Ｃｏであり、接合材Ｓは純コバルトであった。得られた積層超硬チップの各部の硬さ（ＨＲＡ）は、超硬チップＡにおける点ａが８８．０（接合前は８９．４）、チップＢにおける点ｂが８７．４（接合前は８７．８）、チップＣにおけるｃが８７．１（接合前は８６．７）であった。

［実施例５］図５に示すような３層構造の積層超硬チップを上記と同様な方法で製造した。各部の材質は、超硬チップＡがＷＣ−１３％Ｃｏ、チップＢがＷＣ−８％Ｃｏ、チップＣがＷＣ−１３％Ｃｏであり、接合材は純コバルトであった。また、図５中における各部の寸法は、高さＨが３６ｍｍ（各チップの高さｈ＝１２ｍｍ）、幅Ｗが２０ｍｍであった。得られた積層超硬チップの各部の硬度は、点ａが８７．０（接合前は８６．７）、点ｂが８８．２（接合前が８９．４）、点ｃが８６．７（接合前が８６．７）であり、図５の破線の位置で切り出したテストピースＴ１，Ｔ２の抗折力は、Ｔ１（上側の接合部が中央部に位置）が２９１３Ｎ／ｍｍ² 、Ｔ２（下側の接合部が中央部に位置）が３００７Ｎ／ｍｍ² であった。

以上に説明したように、本発明に係る積層超硬チップは、一つのチップで相異なる性質を両立させることが可能であり、しかも接合材のバインダー層への拡散浸透により接合一体化するので、高い接合強度が得られる。なお、以上の説明では、主として材質の異なる複数の異種超硬チップを接合する例について説明したが、必要な場合は、同組成の同種チップ同士を同様に接合一体化することができるのであり、この接合によって、例えば小寸法のチップ同士を接合して大寸法の超硬チップとすることや、複雑な形状の超硬チップを製作することも可能となる。また、本発明は、カッタービット用チップに限らず、切断刃等の切削工具、金型等に効果的に適用することができることは言うまでもない。

本発明に係る積層超硬チップは、耐摩耗性に優れた超硬チップと、耐衝撃性に優れた超硬チップとを高強度に接合一体化することが可能であり、例えばトンネル掘削用カッタービットの刃体等として効果的に使用することができる。

本発明に係る２層型（ａ）及び３層型（ｂ）の積層超硬チップの構造を模式的に表す外観図である。製造方法の説明図である。接合部の組織を表す顕微鏡組織写真である。接合部の組織を表す顕微鏡組織写真である。性質測定点を表す図である。性質測定点を表す図である。

符号の説明

１積層超硬チップ
Ａ超硬チップ
Ｂ超硬チップ
Ｓ接合材

Claims

接合面を研磨したＷＣ―Ｃｏ系超硬合金からなる超硬チップ同士を、コバルト、ニッケル又は高コバルト超硬合金からなる薄板状の接合材を挟んで上下に重ね合わせた状態で、非酸化性雰囲気中で１３００〜１４００℃の温度に加熱し、接合材に液相を生じさせて前記超硬チップ中に浸透させることにより、超硬チップ同士を接合材を介して一体化することを特徴とする積層超硬チップの製造方法。
上記加熱を３〜１０ｔｏｒｒの真空中で行う請求項１に記載の積層超硬チップの製造方法。
上記請求項１または２の製造方法により製造された積層超硬チップ。