JP6614541B2 - 回転切削刃用素材及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転切削刃用素材及びその製造方法に関する。本出願は、２０１６年１０月７日に出願した日本特許出願である特願２０１６−１９９２７８号に基づく優先権を主張し、当該日本特許出願に記載された全ての記載内容は、参照によって本明細書に援用するものである。

特表２０１５−５２０６６１号公報（特許文献１）には、回転切削工具の切削刃に加工される超硬質構造の構造物を工具担体に取付けることが記載されている。具体的には、上記構造物と工具担体とをろう付けする、上記構造物にねじ溝等の取付け手段を設ける等により、工具担体への取り付けを可能にしている。

特表２０１５−５２０６６１号公報

本開示の一態様に係る回転切削刃用素材は、シャンクに取付けられて使用される回転切削刃のための回転切削刃用素材であって、前記回転切削刃用素材は、前記シャンクへの取付け部となる取付け構造形成部と、切削刃となる切削構造形成部と、接合部とを有し、前記切削構造形成部は、前記接合部を介して前記取付け構造形成部に設けられるコア部及び表面部を有し、前記表面部は、前記コア部の表面の少なくとも一部を被覆し、前記取付け構造形成部は、硬質成分と、鉄族元素の１種又は２種以上とを含む硬質材料を含むとともに、前記硬質材料は、ヤング率が３５０ＧＰａ以下であり、前記コア部は、超硬合金材料を含み、前記表面部は、ＰＣＤ（多結晶ダイヤモンド）又はＣＢＮ（立方窒化ホウ素）を含み、前記硬質成分は、Ｗ（タングステン）、ＷＣ（炭化タングステン）、ＴｉＣ（炭化チタン）、ＴｉＣＮ（炭窒化チタン）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）、並びに、ＣＢＮ（立方窒化ホウ素）及びダイヤモンドの少なくとも一方とＷ及びＷＣの少なくとも一方との組合せからなる群より選択される少なくとも１つであるものである。

また、本開示の他の態様に係る回転切削刃用素材の製造方法は、前記取付け構造形成部を形成するための第１前駆体と、前記コア部を形成するための第２前駆体と、前記表面部を形成するための第３前駆体とを用いて前記回転切削刃用素材の前駆体を組立てる組立て工程と、前記回転切削刃用素材の前駆体を焼結する焼結工程とを有する。

図１Ａは、本実施の形態の一形態を示す回転切削刃用素材の斜視図である。 図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ断面図である。 図２Ａは、本実施の形態の他の一形態を示す回転切削刃用素材の断面図である。 図２Ｂは、本実施の形態のさらに他の一形態を示す回転切削刃用素材の断面図である。 図２Ｃは、本実施の形態のさらに他の一形態を示す回転切削刃用素材の断面図である。 図３は、本実施の形態のさらに他の一形態を示す回転切削刃用素材の断面図である。 図４は、本実施の形態のさらに他の一形態を示す回転切削刃用素材の斜視図である。 図５は、本実施の形態の回転切削刃用素材から得られる回転切削刃の斜視図である。

[本開示が解決しようとする課題]
ドリルやエンドミルなどの回転切削工具は、その使用に伴って切削刃が消耗するため、切削性能が低下したり所定の使用期間が経過した後などに、少なくとも切削刃を含む切削ヘッドが新しい切削ヘッドに交換される。このとき、切削ヘッドが超硬シャンクに取り外し不可能に取り付けられていると、超硬シャンクは耐用寿命に達していないために交換する必要がない場合であっても、切削刃の交換のタイミングに合わせて超硬シャンクも一緒に交換しなければならない。このような超硬シャンクの交換は、超硬シャンクが比較的高価であるためコスト面から好ましくない。そこで、切削刃が消耗したときに切削ヘッドのみを交換できるように、切削ヘッドを超硬シャンクに取り外し可能に取り付けることが考えられる。

しかしながら、特許文献１に記載の構造物は、工具担体に取付けるための取付け手段の形成やろう付けに際してさらなる改良の余地がある。

本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであって、シャンクへの取付け性に優れた回転切削刃用素材及びその製造方法を提供することを目的とする。

[本開示の効果]
本開示によれば、シャンクへの取付け性に優れた回転切削刃用素材及びその製造方法を提供することができる。

[本発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。

［１］ 本発明の一態様に係る回転切削刃用素材は、シャンクに取付けられて使用される回転切削刃のための回転切削刃用素材であって、前記回転切削刃用素材は、前記シャンクへの取付け部となる取付け構造形成部と、切削刃となる切削構造形成部と、接合部とを有し、前記切削構造形成部は、前記接合部を介して前記取付け構造形成部に設けられるコア部及び表面部を有し、前記表面部は、前記コア部の表面の少なくとも一部を被覆し、前記取付け構造形成部は、硬質成分と、鉄族元素の１種又は２種以上とを含む硬質材料を含むとともに、前記硬質材料は、ヤング率が３５０ＧＰａ以下であり、前記コア部は、超硬合金材料を含み、前記表面部は、ＰＣＤ（多結晶ダイヤモンド）又はＣＢＮ（立方窒化ホウ素）を含み、前記硬質成分は、Ｗ（タングステン）、ＷＣ（炭化タングステン）、ＴｉＣ（炭化チタン）、ＴｉＣＮ（炭窒化チタン）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）、並びに、ＣＢＮ（立方窒化ホウ素）及びダイヤモンドの少なくとも一方とＷ及びＷＣの少なくとも一方との組合せからなる群より選択される少なくとも１つであるものである。

［２］ 前記表面部は、前記コア部が外部に露出しないように前記コア部を被覆しているものである。

［３］ 前記回転切削刃用素材は、前記接合部の少なくとも一部は、鉄族元素の１種又は２種以上を含むものである。

［４］ 前記回転切削刃用素材は、前記接合部のうち前記取付け構造形成部と前記表面部との間の接合部は、鉄族元素の１種又は２種以上を含むものである。

［５］ 前記回転切削刃用素材は、前記コア部は、その内部に中空部を有し、前記取付け構造形成部は、前記中空部に配置される内側コア部を有するものである。

［６］ 前記回転切削刃用素材は、前記硬質材料は、ヤング率が３００ＧＰａ未満であるものである。

［７］ 前記回転切削刃用素材は、前記硬質材料は、伸びが５％以下であるものである。

［８］ 前記回転切削刃用素材は、シャンクに取付けられて使用される回転切削刃のための回転切削刃用素材であって、前記回転切削刃用素材は、前記シャンクへの取付け部となる取付け構造形成部と、切削刃となる切削構造形成部と、接合部とを有し、前記切削構造形成部は、前記接合部を介して前記取付け構造形成部に設けられるコア部及び表面部を有し、前記表面部は、前記コア部の表面の少なくとも一部を被覆し、前記取付け構造形成部は、Ｗ（タングステン）、鉄及びニッケルを含む硬質材料を含むとともに、前記硬質材料は、ヤング率が３００ＧＰａ未満、伸びが５％未満であり、前記コア部は、超硬合金材料を含み、前記表面部は、ＣＢＮ（立方窒化ホウ素）を含み、前記接合部のうち前記取付け構造形成部と前記表面部との間の接合部は、鉄族元素の１種又は２種以上を含む材料であるものである。

［９］ 本発明の他の態様に係る回転切削刃用素材の製造方法は、前記取付け構造形成部を形成するための第１前駆体と、前記コア部を形成するための第２前駆体と、前記表面部を形成するための第３前駆体とを用いて前記回転切削刃用素材の前駆体を組立てる組立て工程と、前記回転切削刃用素材の前駆体を焼結する焼結工程とを有する。

［１０］ 前記回転切削刃用素材の製造方法は、上記組立て工程において、第１前駆体上に、鉄族元素の１種又は２種以上を含む材料を介して、第２前駆体及び第３前駆体を配置するものである。

[本発明の実施形態の詳細]
本実施の形態に係る回転切削刃用素材及びその製造方法の具体例を図面に基づいて以下に説明する。図１Ａは本実施の形態の一形態を示す回転切削刃用素材の斜視図であり、図１Ｂは図１ＡのＡ−Ａ断面図である。図２は、本実施の形態の他の一形態を示す回転切削刃用素材の断面図である。図３は、本実施の形態のさらに他の一形態を示す回転切削刃用素材の断面図である。図４は、本実施の形態のさらに他の一形態を示す回転切削刃用素材の斜視図である。図５は、本実施の形態の回転切削刃用素材から得られる回転切削刃の斜視図である。

〔回転切削刃用素材の構造〕
本実施の形態の回転切削刃用素材１は、シャンク５に取付けられて使用される回転切削刃のための素材であって、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、シャンク５への取付け部２となる取付け構造形成部２０と、切削刃となる切削構造形成部３０と、接合部４０とを有する。そして、図５に示すように、取付け構造形成部２０から取付け部２を得、切削構造形成部３０から切削部３を得ることにより、回転切削刃用素材１から、切削部３及び取付け部２を有し、取付け部２でシャンク５に取付けられて使用される回転切削刃（切削ヘッド）１０を得る。

（取付け構造形成部）
取付け構造形成部２０は、上記回転切削刃用素材１を加工して得られる回転切削刃１０においてシャンク５に取付けるための取付け部２となる（図５）。シャンク５への回転切削刃１０の取付けがねじ締結、ピン止め、その他の係合、圧入などの機械的締結で行われる場合は、取付け構造形成部２０には、切削加工又は研削加工が施されてねじ溝やピン孔等の所定の形状に加工された取付け部２が形成される。また、シャンク５への回転切削刃１０の取付けがろう付けで行われる場合には、取付け構造形成部２０をそのまま取付け部２としてもよく、必要に応じて所定の形状に加工して取付け部２としてもよい。

取付け構造形成部２０は、ねじ締結、ピン止め、その他の係合、圧入などの機械的締結のための構造を形成する切削加工や研削加工を施すことができるように、また、シャンク５へのろう付けが行えるように、形状及び大きさが選択される。

本実施の形態の取付け構造形成部２０は、図１Ａに示すように、切削構造形成部３０との接合面が、切削構造形成部３０の取付け構造形成部２０との接合面と同形状の円形状である円柱形状を有する。

なお、図１Ａでは円形状の接合面を有する円柱形状の取付け構造形成部２０を示したが、円柱形状に限らず、楕円柱形状、三角柱形状や四角柱形状等の多角形柱形状、円錐形状や多角錐形状等の任意の形状であってもよい。図１Ｂでは、取付け構造形成部２０の縦断面（切削構造形成部３０との接合面に対して鉛直方向の断面であり、図１ＡのＡ−Ａ断面に相当）の形状が四角形であるものを示したが、これに限らず、台形、三角形等の任意の形状であってもよい。また、取付け構造形成部２０の接合面についても、図１Ｂに示すように切削構造形成部３０の接合面と同じ形状・サイズであってもよく、例えば図４に示すように切削構造形成部３０の接合面と異なる形状・サイズであってもよい。

取付け構造形成部２０の高さ（切削構造形成部３０との接合面に対して鉛直方向の長さ）は、機械的締結のための構造を形成する切削加工や研削加工を施すことができる高さ、ろう付けが行える高さを有し、取付け構造形成部２０を加工して得られる取付け部２において減振効果が発揮される高さを有していれば特に限定されない。例えば、図１Ａに示す形状の取付け構造形成部２０では、接合面の直径を５ｍｍ〜３０ｍｍ、高さを１ｍｍ〜２０ｍｍとしてもよい。

取付け構造形成部２０は、硬質成分と、鉄族元素から選択される少なくとも１つの元素とを含む硬質材料で形成されている。硬質成分は、Ｗ（タングステン）、ＷＣ（炭化タングステン）、ＴｉＣ（炭化チタン）、ＴｉＣＮ（炭窒化チタン）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）、並びに、ＣＢＮ（立方窒化ホウ素）及びダイヤモンドの少なくとも一方とＷ及びＷＣの少なくとも一方との組合せからなる群より選択される少なくとも１つである。鉄族元素とは、コバルト、鉄、ニッケルのいずれかである。鉄族元素は、硬質成分を焼結体とするための焼結助剤として働く。

硬質材料は、上記硬質成分のうちＷ（タングステン）を含むことが好ましく、上記鉄族元素のうち鉄及びニッケルのうち少なくとも一方を含むことが好ましい。

硬質材料は、上記硬質成分及び上記鉄族元素以外の成分として、銅などの他の成分を含んでいてもよい。

硬質材料に含まれる硬質成分の含有量は、硬質材料の総質量に対して、５０質量％以上であることが好ましく、８０質量％以上であることがより好ましく、９０質量％以上であることがさらに好ましい。硬質材料に含まれる鉄、ニッケル、コバルトの総含有量は、硬質材料の総質量に対して、５０質量％以下であることが好ましく、２０質量％以下であることがより好ましく、１０質量％以下であることがさらに好ましい。

取付け構造形成部２０の硬質成分として、Ｗ（タングステン）、ＷＣ（炭化タングステン）、ＴｉＣ（炭化チタン）、ＴｉＣＮ（炭窒化チタン）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）、並びに、ＣＢＮ（立方窒化ホウ素）及びダイヤモンドの少なくとも一方とＷ及びＷＣの少なくとも一方との組合せからなる群より選択される少なくとも１つの硬質成分を用いた場合には、超硬合金材料を含むコア部３１やＰＣＤ（多結晶ダイヤモンド）又はＣＢＮ（立方窒化ホウ素）を含む表面部３２に比較して、取付け構造形成部２０の硬度を小さくすることができるため、取付け構造形成部２０に優れた快削性を付与することができる。これにより、ねじ締結、ピン止め、その他の係合のために取付け構造形成部２０に施される切削加工または研削加工を行いやすくすることができる。また、上記硬質成分として、金属材料であるＷ（タングステン）を用いた場合、取付け構造形成部２０を取付け部２に加工してシャンク５とろう付けする際に、取付け部２のろう付け濡れ性を向上することができる。

本発明者らは、取付け構造形成部２０が特定の物性を有する硬質材料を含むことにより、取付け構造形成部２０から形成される取付け部２が、回転切削刃１０がシャンク５に取付けられて使用されるときのビビリや折損を抑制する減振効果をもたらし、回転切削刃１０の耐用寿命を向上できることを新たに見出した。

この理由は次のように推測される。取付け構造形成部２０が特定の物性を有する硬質材料を含むことにより、超硬合金材料を含むコア部３１やＰＣＤ又はＣＢＮを含む表面部３２に比較して、取付け構造形成部２０の剛性を小さくすることができる。これにより、本実施の形態の回転切削刃用素材を用いて回転切削刃１０を得た際に、取付け構造形成部２０から形成されるシャンク５への取付け部２も弾性変形しやすくなる。したがって、回転切削刃１０を回転切削工具として使用する際に上記取付け部２にかかる負荷を低減することができるため、回転切削刃１０の折損を抑制することができる。

また、回転切削刃１０の取付け部２は、回転切削工具として使用する際の振動の影響を受けやすいが、上記のように取付け部２が変形しやすい材料で形成されていると振動を吸収しやすくなるため、ビビリを抑制した減振性（防振性）に優れた回転切削工具を提供することができる。

このような取付け構造形成部２０を形成するためには、硬質材料として、温度２５℃におけるヤング率が５００ＧＰａ未満のものを用いることが好ましく、４００ＧＰａ未満であることがより好ましく、３５０ＧＰａ以下であることがさらに好ましく、３００ＧＰａ未満であることが最も好ましい。上記ヤング率は、引張試験にしたがって測定された値である。

また、後述するように、取付け構造形成部２０と切削構造形成部３０をなすコア部３１及び表面部３２とは焼結によって一体化される。本発明者らは、硬質材料を含む取付け構造形成部２０、超硬合金材料を含むコア部３１、ＰＣＤ又はＣＢＮを含む表面部３２を用いた場合、上記焼結による一体化の際に、取付け構造形成部２０とコア部３１及び表面部３２との間の焼結時の接合性が低下する場合があることを見出した。

この原因は次のように推測される。すなわち、焼結時の温度変化に伴って取付け構造形成部２０、コア部３１、表面部３２にはそれぞれ変形（熱膨張）が生じる。取付け構造形成部２０、コア部３１、表面部３２の変形の程度は、各部をなす材料の違いに起因して異なり、取付け構造形成部２０をなす硬質材料は、コア部３１をなす超硬合金材料や表面部３２をなすＰＣＤ又はＣＢＮを含む材料に比較して変形しやすい。このような焼結における変形の違いは、取付け構造形成部２０とコア部３１及び表面部３２との間の焼結時の接合性の低下を引き起こしやすくなる。

本発明者らは、上記硬質材料の伸びを調整することにより、焼結時の接合性の低下を抑制することができることを見出した。具体的には、上記硬質材料の伸びは、５％以下であることが好ましく、１％以下であることがより好ましく、０．５％以下であることがさらに好ましい。硬質材料の伸びが５％以下であると、上記硬質材料で形成された取付け構造形成部２０の塑性変形能を小さくすることができる。その結果、焼結時の温度変化に伴う取付け構造形成部２０の変形が小さくなることにより、焼結時の取付け構造形成部２０と切削構造形成部３０のコア部３１及び表面部３２との変形差を小さくすることができる。これにより、取付け構造形成部２０と切削構造形成部３０との変形差に起因して生じる取付け構造形成部２０と表面部３２との接合性の低下を抑制することができる。上記伸びは、引張試験にしたがって測定された値である。

このように、本実施の形態の取付け構造形成部２０が、硬質成分と鉄族元素とを含み、特定の物性を有する硬質材料を用いて形成されることにより、シャンク５への取付けのための機械的締結のための切削加工又は研削加工や、シャンク５への取付けのためのろう付けを行いやすいものとすることができる。また、回転切削刃１０がシャンク５に取付けられて使用されるときのビビリや折損を抑制する減振効果を得ることができる。そして、硬質材料の伸びを調整することで、焼結時の切削構造形成部３０のコア部３１及び表面部３２との接合性に優れたものとすることもできる。

硬質材料のヤング率及び伸びは、硬質材料中の硬質成分及び鉄族元素の種類及び含有量によって調整することができる。

（切削構造形成部）
切削構造形成部３０は、回転切削刃用素材１を加工して得られる回転切削刃１０において、切削刃を有する切削部３を形成するように加工される（図５）。本実施の形態の切削構造形成部３０は、図１Ａに示すように円柱形状を有する。切削構造形成部３０をなす円柱の底面の大きさ及び円柱の高さは、切削加工又は研削加工によって切削刃を有する切削部３を形成することができれば特に限定されない。例えば、図１Ａに示す形状の切削構造形成部３０では、底面の直径を５ｍｍ〜３０ｍｍ、高さを５ｍｍ〜３０ｍｍとしてもよい。

なお、図１Ａでは円柱形状の切削構造形成部３０を示したが、円柱形状に限らず、楕円柱形状、三角柱形状や四角柱形状等の多角形柱形状、円錐形状や多角錐形状等の任意の形状であってもよい。図１Ｂでは、切削構造形成部３０の縦断面（取付け構造形成部２０との接合面に対して鉛直方向の断面であり、図１ＡのＡ−Ａ断面に相当）の形状が四角形であるものを示したが、これに限らず、台形、三角形等の任意の形状であってもよい。また、切削構造形成部３０の取付け構造形成部２０との接合面についても、取付け構造形成部２０の接合面と同じ形状・サイズであってもよく、異なる形状・サイズであってもよい。

本実施の形態の切削構造形成部３０は、接合部４０を介して取付け構造形成部２０に設けられるコア部３１及び表面部３２を有する。表面部３２は、コア部の表面の一部を被覆している。具体的には、図１Ｂに示すように、コア部３１の表面のうち接合部４０と接する表面以外の表面の少なくとも一部を覆うように設けられる。そして、表面部３２がコア部３１を被覆する部分において、後述する焼結によってコア部３１と表面部３２とは接合された状態となっている。コア部３１及び表面部３２の大きさは、所望の切削刃を切削加工又は研削加工することができるように選択すればよく、形成する切削刃の大きさや形状、取付け構造形成部２０との接合に必要となる大きさを考慮して、コア部３１及び表面部３２の底面の直径や高さを選択すればよい。例えば、図１Ｂに示す形状の切削構造形成部３０では、コア部３１の底面の直径を３ｍｍ〜２７ｍｍ、コア部３１の高さを５ｍｍ〜３０ｍｍとしてもよい。また、表面部３２の底面の外径を５ｍｍ〜３０ｍｍ、表面部３２の高さを５ｍｍ〜３０ｍｍとしてもよい。

（コア部）
本実施の形態のコア部３１は、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、切削構造形成部３０の中心部に設けられ、中実の円柱形状である。なお、図１Ａ及び図１Ｂでは中実の円柱状のコア部３１を示したが、円柱形状に限らず、楕円柱形状、三角柱形状や四角柱形状等の多角形柱形状、円錐形状、多角錐形状等の任意の形状であってもよく、中実形状であってもよく中空形状であってもよい。

コア部３１に形成される中空部は、コア部３１の取付け構造形成部２０と接合する側の面から、コア部３１の取付け構造形成部２０と接合する側とは反対側の面に貫通する形状であってもよく、これらのうちいずれか一方の面のみに貫通する形状であってもよく、いずれの面にも貫通しない形状であってもよい。

コア部３１が中空形状である場合には、図２Ａに示すように、コア部３１の中空部に取付け構造形成部２０をなす硬質材料、コア部３１や取付け構造形成部２０をなす材料とは異なる鋼等の任意の材料で形成された内側コア部３３が設けられていてもよい。内側コア部３３の設け方は特に限定されない。例えば、内側コア部３３は、図２Ａに示すように、コア部３１の中空部の形状と同形状のものを上記中空部に、捩じ込み、焼嵌め、ろう付けで固定してもよい。あるいは、図２Ｂに示すように、内側コア部３３と取付け構造形成部２０とがねじやピン等の固定具によって固定されるように、内側コア部３３の取付け構造形成部２０側の先端にねじ溝を設ける、ピン形状とするようにしてもよい。この場合、内側コア部３３の他方の先端は、ねじやピンの頭部形状に形成する。

また、コア部３１の中空部に取付け構造形成部２０をなす硬質材料と同じ材料の内側コア部３３が配置される場合には、図２Ｃに示すように、コア部３１の中空部に設けられる内側コア部３３と取付け構造形成部２０とを一体的に形成し、内側コア部３３をコア部３１の中空部に配置するように、取付け構造形成部２０と切削構造形成部３０とを組立ててもよい。このように、取付け構造形成部２０をなす硬質材料と同じ材料で取付け構造形成部２０に一体的に内側コア部３３が形成されると、得られる回転切削刃１０の減振性をより一層向上することができる。

図１Ｂ及び図２Ａ〜図２Ｃでは、コア部３１及び内側コア部３３の縦断面（取付け構造形成部２０との接合面に対して鉛直方向の断面であり、図１ＡのＡ−Ａ断面に相当）の形状がどちらも四角形であるものを示したが、両者は同じ形状であっても、異なる形状であってもよく、また、その形状も台形、三角形等の任意の形状であってもよい。

コア部３１は超硬合金材料で形成される。超硬合金材料は、例えば炭化タングステン及びコバルトを含む材料である。コア部３１に超硬合金材料を用いることにより、ＰＣＤ又はＣＢＮで形成された表面部３２よりもコア部３１の硬度を小さくすることができる。これにより、上記コア部３１を有する切削構造形成部３０は、全体をＰＣＤ又はＣＢＮのみで形成した場合に比較して硬度を小さくすることができるため、切削刃を形成するための切削加工及び研削加工が行いやすくなり、切削刃の加工性に優れた切削構造形成部３０を提供することができる。

また、コア部３１として超硬合金材料を用いることにより、後述するようにコア部３１の成形体と表面部３２の成形体とを組立てて焼結したときに、コア部３１とＰＣＤ又はＣＢＮを含む表面部３２との良好な接合状態を得ることができる。

コア部３１をなす超硬合金材料に含まれる炭化タングステンとコバルトとの含有比率は、特に限定されないが、炭化タングステンとコバルトとの総質量に対して、炭化タングステンの含有量が７５質量％以上であることが好ましく、８５質量％以上であることがより好ましい。また、炭化タングステンとコバルトとの総質量に対して、炭化タングステンの含有量が９８質量％以下であることが好ましく、９５質量％以下であることがより好ましい。炭化タングステンとコバルトとの総質量に対して、炭化タングステンの含有量を７５質量％以上とすることにより、コア部の強度を確保することができる。また、炭化タングステンとコバルトとの総質量に対して、炭化タングステンの含有量を９８質量％以下とすることにより、表面部３２と良好に接合することができる。

また、超硬合金材料には、炭化タングステン及びコバルト以外のその他の成分が含まれていてもよい。その他の成分としては例えばＴｉＣ、ＴａＣ、Ｎｉ等のうちの１種または２種以上を挙げることができる。その他の成分は、超硬合金材料の総質量に対して１０質量％以下であることが好ましく、５質量％以下であることがより好ましい。

（表面部）
本実施の形態の表面部３２は、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、中心に前記コア部３１を収容する中空部を有する円柱形状を有している。そして、表面部３２は、図１Ｂに示すように、取付け構造形成部２０に接合し、円柱形状のコア部３１の側面の外周に同心円状に設けられて、コア部３１とともに全体として円柱形状の切削構造形成部３０を形成している。表面部３２はコア部３１を被覆する部分において後述する焼結によりコア部３１に接合している。

表面部３２は、取付け構造形成部に接合する接合面を有し、コア部３１の表面の少なくとも一部を被覆するように設けられる。具体的には、表面部３２は、図１Ｂ及び図２Ａ〜２Ｃに示すように、コア部３１の表面のうち側面部分にのみ設けてもよく、図３に示すように、コア部３１の表面が外部に露出しないように、コア部３１の側面及び頂面に設けられてもよい。これにより、切削部３の先端部にも表面部３２に形成された切削刃を有する回転切削刃１０を製造することができる。

また、表面部３２の形状や大きさは、コア部３１に接合され、切削構造形成部３０を切削加工又は研削加工して切削刃を形成することができれば特に限定されない。したがって、表面部３２は、コア部３１とは異なる外形をなすように形成して、切削構造形成部３０の外形を楕円柱形状、三角柱形状や四角柱形状等の多角形柱形状、円錐形状、多角錐形状等の任意の形状に形成するようにしてもよい。切削刃を形成するために施される切削加工又は研削加工は、表面部３２のみに施されるものであっても、表面部３２とコア部３１との両方に施されるものであってもよい。

表面部３２は、ＰＣＤ（多結晶ダイヤモンド）又はＣＢＮ（立方窒化ホウ素）を含む材料によって形成される。表面部３２をＰＣＤ又はＣＢＮを含む材料によって形成することにより、耐摩耗性や耐折損性に優れた回転切削工具を形成することができる。表面部３２はＣＢＮを含む材料で形成されることが好ましい。

（接合部）
接合部４０は、取付け構造形成部２０と切削構造形成部３０との接合面に形成される。接合部４０は、少なくとも、取付け構造形成部２０の接合面と切削構造形成部３０のコア部３１と接合する第１接合部と、取付け構造形成部２０の接合面と切削構造形成部３０の表面部３２とを接合する第２接合部とを有する。接合部４０の厚さは、必要な接合強度が得られれば特に限定されないが、例えば５μｍ〜２００μｍとすればよい。

接合部４０を設けることにより、取付け構造形成部２０と切削構造形成部３０とを強固に接合することができる。これにより、本実施の形態の回転切削刃用素材を回転切削刃１０に加工して使用したときに、切削構造形成部３０から形成される切削部３と取付け構造形成部２０から形成される取付け部２とが分離することを防止できるとともに、切削部３や取付け部２にクラックが生じることを防止し、回転切削刃１０として使用するときの強度を確保することができる。回転切削刃１０として好適に使用できるようにするためには、接合部４０のせん断試験で測定された強度が、２５ｋｇｆ／ｍｍ^２以上であることが好ましく、３０ｋｇｆ／ｍｍ^２以上であることが好ましい。

接合部４０は、取付け構造形成部２０と切削構造形成部３０とを接合するために、コバルト、鉄、ニッケルからなる鉄族元素の１種又は２種以上を含む材料で形成されるものであってもよい。接合部のうち取付け構造形成部２０と表面部３２とを接合する第２接合部が鉄族元素の１種又は２種以上を含む材料からなる接合部であることにより、取付け構造形成部２０と切削構造形成部３０の表面部３２との接合性を改善することができる。

接合部４０は、取付け構造形成部２０と切削構造形成部３０とを焼結することによって形成されるものであってもよい。具体的には、取付け構造形成部２０と切削構造形成部３０のコア部３１とは、取付け構造形成部２０に含まれる鉄族元素及びコア部３１に含まれる微量のコバルト成分によって焼結時に接合部４０を形成することができる。また、切削構造形成部３０の表面部３２としてＰＣＤを用いた場合にも、焼結時に取付け構造形成部２０と表面部３２との間に接合部４０を形成することができる。ただし、表面部３２としてコバルト成分の含有量が少ないＣＢＮを用いた場合に接合性の低下が問題となりやすいため、表面部３２がＣＢＮを含む場合には、上記鉄族元素を含む接合部４０を設けることが好ましい。これにより、ＣＢＮを含む表面部３２と取付け構造形成部２０とを接合強度３０ｋｇｆ／ｍｍ^２以上で接合することができる。

接合部４０は、鉄族元素の１種又は２種以上を含む材料の接合部及び焼結によって形成される接合部の両者を含むものであってもよく、いずれか一方のみを含むものであってもよい。例えば、取付け構造形成部２０とコア部３１とを接合する第１接合部を焼結によって形成し、取付け構造形成部２０と表面部３２とを接合する第２接合部を鉄族元素の１種又は２種以上を含む材料で形成してもよい。

〔回転切削刃用素材の製造方法〕
本実施の形態の回転切削刃用素材は、取付け構造形成部２０となる第１前駆体、コア部３１となる第２前駆体、表面部３２となる第３前駆体を形成し、これら第１〜第３前駆体を組立てる組立て工程と、組立て工程によって組立てられた回転切削刃用素材の前駆体を焼結する焼結工程を経て製造される。取付け構造形成部２０、コア部３１及び表面部３２の各前駆体は、従来公知の方法にしたがって製造することができ、例えば原料粉末を金型に投入しプレス成形した成形体や、各材料のブランク材等から切削加工や研削加工によって所定の形状にされたブランク加工体を用いることができる。なお、前駆体は焼結により収縮するため、成形体を形成するための金型及びブランク加工体は、前駆体の収縮の程度を考慮した大きさのものを準備することが好ましい。

このようにして得られた表面部３２の前駆体の中空部にコア部３１の前駆体を押し込みにより嵌め込んで、切削構造形成部３０となる前駆体を形成する。次いで、切削構造形成部３０となる前駆体を、コア部３１の前駆体及び表面部３２の前駆体が取付け構造形成部２０の前駆体に接するように配置した状態に組立てて、回転切削刃用素材の前駆体を得、この前駆体を焼結する。この焼結工程により、コア部３１と表面部３２とが接合した状態となり、コア部３１と取付け構造形成部２０との間にコバルトを含む接合部４０が形成される。また、表面部３２をＰＣＤで形成した場合は、表面部３２と取付け構造形成部２０との間にコバルトを含む接合部４０が形成される。

一方、上記前駆体の組立てに際して、取付け構造形成部２０の前駆体上に、ニッケル、鉄、コバルトからなる鉄族元素の１種又は２種以上を含む材料を介して、コア部３１の前駆体及び表面部３２の前駆体とを配置して焼結を行った場合には、上記鉄族元素を含む接合部４０が形成される。鉄族元素を含む材料は、各前駆体間に粉末状で配置しても箔状で配置してもよい。

焼結工程の条件は、従来公知の条件で行えばよいが、本実施の形態では、取付け構造形成部２０、コア部３１、表面部３２にそれぞれ異なる材料を用いているため、焼結時の変形の程度が異なる。この変形の違いに起因して、取付け構造形成部２０、コア部３１、表面部３２をなす各成形体が互いに接する部分で亀裂が生じる可能性がある。そのため、焼結工程は、圧力４．５ＧＰａ〜７．５ＧＰａ、温度１２００〜１７００℃の条件下で焼結を行った後、温度を維持したまま圧力を３ＧＰａ〜４ＧＰａまで下げてコア部３１の圧縮を解放し、圧力を常圧に、温度を常温にする。これにより、各成形体が互いに接する部分で亀裂が生じることなく各成形体が互いに接する部分で良好な接合性を得ることができる。

〔用途〕
本開示の回転切削刃用素材は、図５に示すように、ドリルやエンドミル等の回転切削工具の回転切削刃１０として好適に用いることができる。

以下の実施例及び比較例では、次のように測定及び評価を行った。
［ヤング率及び伸び］
試験片として、長さ３０ｍｍ、幅５ｍｍの短冊形状を用意し、この試験片について、オートグラフ（島津製作所社製）を用い、引張速度０．１ｍｍ／ｍｉｎで引張試験を行い、ひずみゲージ法により、ヤング率及び伸びを測定した。

［振動評価］
実施例及び比較例で得た回転切削工具について、振動計（ＫＥＹＥＮＣＥ社製）を用い、切削速度Ｖを６００ｍ／ｍｉｎ、送り量ｆｚを０．１ｍｍ、切り込み量Ａｅを０．２ｍｍ、Ａｐを２．５ｍｍとして、ダイス鋼の切削を行い、振動の評価を行った。

Ａ：振動計で測定した値が小さく（１．５ｍ／ｓ^２未満）、回転切削工具使用時の減振性が非常に優れていた。

Ｂ：振動計で測定した値が中程度であり（１．５ｍ／ｓ^２以上３．０ｍ／ｓ^２未満）、回転切削工具使用時の減振性に優れていた。

Ｃ：振動計で測定した値が大きく（３．０ｍ／ｓ^２以上）、回転切削工具使用時の減振性が十分ではなかった。

［折損評価］
実施例及び比較例で得た回転切削工具を用いて、切削速度Ｖを６００ｍ／ｍｉｎ、送り量ｆｚを０．３ｍｍ、切り込み量Ａｅを０．２ｍｍ、Ａｐを２．５ｍｍとして、ダイス鋼の切削を行い、回転切削刃（切削ヘッド）の折損の有無を評価した。

〔実施例１〕
まず、図１Ａ及び図１Ｂに示す円柱形状の取付け構造形成部２０、円柱形状のコア部３１、中空円柱形状の表面部３２をそれぞれ焼結によって形成するために、下記の粉末材料を用いて、金型でプレス成形し、取付け構造形成部用成形体、コア部用成形体、表面部用成形体を得た。
・取付け構造形成部用成形体
材料：タングステンを９０質量％、鉄、ニッケル、銅を含む金属結合材を１０質量％含む硬質材料（ヤング率：２８０ＧＰａ、伸び０．４％）
・コア部用成形体
材料：炭化タングステンを９４質量％、コバルトを６質量％含む超硬合金材料の粉末
プレス成形時の圧力：１００ＭＰａ〜２００ＭＰａ
・表面部用成形体
粉末材料：ＣＢＮと不可避不純物とを含む材料の粉末
プレス成形時の圧力：１００ＭＰａ〜２００ＭＰａ
次に、上記のようにして得られた表面部用成形体の中空部に、コア部用成形体を押し込みにより嵌め込んで、切削構造形成部用成形体を得た。次いで、取付け構造形成部用成形体の接合面に、接合部４０を形成するためにニッケル１００質量％の薄板を配置し、この薄板上に、コア部用成形体及び表面部用成形体を配置して、上記の各成形体を組立てた。

上記のようにして組立てられた成形体を、温度１４００℃、圧力５ＧＰａの条件下で焼結し、回転切削刃用素材１を得た。得られた回転切削刃用素材１の大きさは直径が８ｍｍ、高さが２０ｍｍであり、取付け構造形成部２０の高さが１２ｍｍ、コア部３１の直径が５ｍｍ、表面部３２の周方向の厚さが１．５ｍｍ、コア部３１及び表面部３２の高さが５ｍｍであった。

得られた回転切削刃用素材１の切削構造形成部３０に、４枚刃（ネジレ角４５°）の切削刃を形成し、取付け構造形成部２０にねじ溝を形成し、直径７．５ｍｍ、長さ７５ｍｍの超硬シャンク５のねじと締結して、回転切削工具を得た。得られた回転切削工具について、回転切削動作時の振動及び折損を評価した。その結果を表１に示す。

〔比較例１〕
取付け構造形成部用成形体の材料として、実施例１でコア部成形体用の材料として用いた超硬合金材料（ヤング率：６２０ＧＰａ、伸び０．５％）を用いたこと以外は、実施例１と同様に回転切削刃用素材及び回転切削工具を得た。

得られた回転切削工具について、回転切削動作時の振動及び折損を評価した。その結果を表１に示す。

実施例１と比較例１との比較より、取付け構造形成部を硬質材料で形成することにより、回転切削動作時の減振性に優れ、折損を抑制できることがわかった。

〔実施例２〜３〕
取付け構造形成部用成形体の材料として、下記の材料を用いたこと以外は、実施例１と同様に回転切削刃用素材及び回転切削工具を得た。
・取付け構造成形部用成形体
（実施例２の材料）
タングステンを９５質量％、鉄、ニッケル、銅を含む金属結合材５質量％含む硬質材料（ヤング率：３００ＧＰａ、伸び５％）
（実施例３の材料）
タングステンを９５質量％、鉄、ニッケル、銅を含む金属結合材５質量％含む硬質材料（ヤング率：３５０ＧＰａ、伸び２５％）
得られた回転切削工具について、回転切削動作時の振動及び折損を評価した。その結果を表１に示す。

実施例１〜実施例３の比較より、取付け構造形成部のヤング率が小さいほど、得られる回転切削工具の減振性に優れ、折損を防止できることがわかった。

以上のように本発明の実施形態および実施例について説明を行ったが、上述の各実施形態および各実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態および実施例ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 回転切削刃用素材、２ 取付け部、３ 切削部、５ シャンク、１０ 回転切削刃、２０ 取付け構造形成部、３０ 切削構造形成部、３１ コア部、３２ 表面部、３３ 内側コア部、４０ 接合部。

Claims (7)

1. シャンクに取付けられて使用される回転切削刃のための回転切削刃用素材であって、
   前記回転切削刃用素材は、前記回転切削刃を前記シャンクに取付けるための取付け部となる取付け構造形成部と、切削刃となる切削構造形成部と、前記取付け構造形成部と前記切削構造形成部とを接合する接合部と、を有し、
   前記切削構造形成部は、前記接合部を介して前記取付け構造形成部に設けられるコア部及び表面部を有し、
   前記表面部は、前記コア部の表面の少なくとも一部を被覆し、
   前記取付け構造形成部を構成する材料は、硬質成分と、鉄族元素の１種又は２種以上との混合物である硬質材料であるとともに、前記硬質材料は、ヤング率が３５０ＧＰａ以下であり、かつ伸びが２５％以下であり、
   前記コア部は、超硬合金材料を含み、
   前記表面部は、ＰＣＤ（多結晶ダイヤモンド）又はＣＢＮ（立方窒化ホウ素）を含み、
   前記硬質成分は、Ｗ（タングステン）であり、
   前記接合部を構成する材料は、鉄族元素の１種又は２種以上である、回転切削刃用素材。
2. 前記表面部は、前記コア部が外部に露出しないように前記コア部を被覆している、請求項１に記載の回転切削刃用素材。
3. 前記コア部は、その内部に中空部を有し、
   前記取付け構造形成部は、前記中空部に配置される内側コア部を有する、請求項１又は請求項２に記載の回転切削刃用素材。
4. 前記硬質材料は、ヤング率が３００ＧＰａ未満である、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の回転切削刃用素材。
5. 前記硬質材料は、伸びが５％以下である、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の回転切削刃用素材。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の回転切削刃用素材の製造方法であって、
   前記取付け構造形成部を形成するための第１前駆体と、前記コア部を形成するための第２前駆体と、前記表面部を形成するための第３前駆体とを用いて前記回転切削刃用素材の前駆体を組立てる組立て工程と、
   前記回転切削刃用素材の前駆体を焼結する焼結工程とを有する回転切削刃用素材の製造方法。
7. 上記組立て工程において、第１前駆体上に、鉄族元素の１種又は２種以上を含む材料を介して、第２前駆体及び第３前駆体を配置する、請求項６に記載の回転切削刃用素材の製造方法。

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