JPH0361555B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ この発明は特に耐摩耗性にすぐれた複合焼結体
工具の製造方法に関するものである。

＜従来の技術＞ 微細なダイヤモンド粒子を鉄族金属等の結合部
材を用いて超高圧、高温下で焼結して得られるダ
イヤモンド焼結体は、切削工具や伸縮ダイス、ま
たはドリルビツトの刃先材として、従来の超硬合
金に比較して格段に優れた耐摩耗性を有すること
から新しい工具材として注目されている。

このダイヤモンド焼結体は工具材として優れた
特徴を有しているが、その製造には超高圧装置を
必要とするため、焼結体の大きさ、形状において
は超硬合金に比較すると制約される点が多い。

一般には第１図にＡで示したような円板状の複
合焼結体とし、図中１がダイヤモンド焼結体部、
２はこれをサポートする超硬合金製の母材部であ
る。３は例えば特願昭54−129127号に記載されて
いるような中間接合層である。この複合焼結体を
円板のまま、または適宜切断して例えば切削工具
の場合は鋼製のバイト、シヤンクにロウ付けして
バイトを製作する。このようなロウ付け加工時に
ダイヤモンド焼結体部が約700℃以上に一定時間
以上加熱されると特性の劣化が生じることが判明
している。このため、通常低融点の銀ロウ材等を
用いてロウ付けしている。

ところで、第２図の複合焼結体Ａの母材端面へ
の支持体５の接合は用途によつて必要とされる接
合強度は異なつてくる。つまり、応力に比較し
て、接合部の面積が大きい場合には、ロウ材のよ
うに強度の低い接合材でも十分に実用に耐え得
る。

ところが、岩石を掘削するドリルビツトにこの
焼結体を応用する場合は、この方法では不十分で
あることが判明した。

ドリルビツトでは第１図に示したような複合焼
結体Ａを第６図イおよびロに示す如く多数ビツト
クラウンに埋め込んで刃先として使用する。この
ような例は、米国特許第4098362号に開示されて
いる。

第１図のごとき複合焼結体を融点700℃以下の
低融点ロウ材によりビツトクラウンに接合したド
リルビツトを用いて岩石の掘削を行なうと、比較
的柔らかく掘削が容易な砂岩等を掘削する場合は
あまり問題はないが、火成岩等の中、硬質岩を掘
削すると、ロウ付け部より刃先焼結体が脱落した
り、またはロウ付け部が動くといつた問題が生じ
た。低融点ロウ材として一般的に用いられる銀ロ
ウ（例えばJIS規格BAg−１）は室温での剪断強
度が高々20Kg／mm²程度で高温になると、著しく強
度が低下する。ドリルビツトでは先ず刃先に加わ
る掘削応力が大きく、また岩石は均一なものは少
ないため、その応力の変動が大きい。

さらに泥水等の掘削液体を使用しても高深度の
地層を掘削する場合は、掘削時の刃先部のみなら
ず、ビツト自体の温度も高温になる。

また地層によつては泥水が使用できない場合も
生じる。

そこで、特開昭59−38491号公報に示す複合焼
結体の母材と支持体の接合方法が知られている。
この接合方法は、複合焼結体の母材部と硬質焼結
合金の支持体との間に介在したインサート材を高
エネルギービームにより溶解させる方法を採用し
ている。

＜発明が解決しようとする課題＞ ところで、上記従来のビーム溶接方法では、溶
接できるだけのエネルギーを持つたビームを到達
深さと、接合強度との間には密接な関連がある。

即ち、複合焼結体の母材部と硬質焼結合金の支
持体との接合部分の径が大きい場合には、エネル
ギービームがインサート材の内部まで到達しない
ため、接合部分の外周部は溶接できても、内部は
溶接できないため、接合強度の著しい低下を招
く。

その結果、従来のビーム溶接方法では、例えば
第６図イ，ロに示すような岩石を掘削するドリル
ビツトに応用される複合焼結工具の溶接には使用
できないという不都合がある。

この発明は、上記従来の課題を解決するために
なされたもので、例えばドリルビツトのような大
きい径のものであつても、ビツトクラウンへの焼
結体の接合強度を高めることが可能な複合焼結体
工具の製造方法を提供することを目的とする。

＜課題を解決するための手段＞ 上述したようにダイヤモンド焼結体をドリルビ
ツトに応用する際には、焼結体のビツトクラウン
への固定方法が非常に重要である。

この発明者らは、鋭意研究の末、摩擦溶接方法
を高い応力がかかる分野に応用することにより、
従来から困難とされていた硬質焼結合金自体の溶
接が容易となることが判つた。さらに、引き続く
研究により、ドリルビツトのような大きな径のも
のでも接合強度が飛躍的に増大するという、全く
予期し得ない効果を見出して、本願発明を完成す
るに至つたものである。

即ち、この発明は、第１工程において、ダイヤ
モンドを50体積％以上含有するダイヤモンド焼結
体部と硬質合金からなる母材部とを直接または厚
さ0.5mm以下の中間接合層を介して重ね合せ、こ
れを超高圧高温下で焼結して複合焼結体を製造
し、第２工程において、上記複合焼結体の母材部
端面とWCあるいは（Mo、Ｗ）Ｃを主成分とす
る硬質焼結合金からなる支持体との間に、高強度
の金属（Ni、Co）またはこれらの合金からなる
接合部材を挟み、上記複合焼結体または支持体の
一方あるいは双方を高速回転させて加圧し、上記
高強度の金属またはこれらの合金からなる接合部
材を摩擦させて加熱し、高融点金属を流動させる
ことにより、複合焼結体の母材と支持体とを圧着
する方法である。

さらに別の方法として、上記第１工程で得られ
た複合焼結体の母材部端面または／およびWCあ
るいは（Mo、Ｗ）Ｃを主成分とする硬質焼結合
金からなる支持体の端面に、第２工程において、
高強度の金属（Ni、Co）またはこれらの合金を
接合し、第３工程において、上記複合焼結体また
は硬質焼結合金の支持体の一方あるいは双方は高
速回転させて加圧し、上記高強度の金属またはこ
れらの合金同志あるいは該高強度の金属またはこ
れらの合金と複合焼結合金とを摩擦させて加熱
し、高融点金属を流動させて、複合焼結体の母材
と支持体を圧着させる方法である。

＜作用＞ この発明によれば、摩擦溶接方法を応用して、
複合焼結体結体の母材部端面と硬質焼結合金の支
持体との接合部分を接合させているから、上記接
合部分をその外周部から内部にわたつて全体的に
均一に溶接できる。従つて、接合強度を十分に高
めることができる。

＜実施例＞ 以下、実施例によりこの発明を詳細に説明す
る。

第１図及び第２図に示す複合焼結体Ａは、ダイ
ヤモンドを50体積％以上含有するダイヤモンド焼
結体部１と硬質焼結合金製の母材部２の間に中間
接合層３を挟み、超高圧、高温下で焼結接合して
製造される。

超高圧、高温下で焼結したこれらの複合焼結体
Ａをさらに体積が大きい硬質合金製の支持体５に
接合するに当たつて、図の如く母材部２と支持体
５の間に接合部材４として高強度の金属または合
金の接合部分４を挟み、複合焼結体Ａまたは支持
体５の一方あるいは双方を高速回転させて加圧す
る。この時、複合焼結体Ａの母材部２と高強度金
属または合金あるいは高強度金属または合金と支
持体５との間で摩擦熱が生じ、高強度の金属また
はこれらの合金が軟化して流動するため、複合焼
結体Ａと支持体５の接合部全体にわたつて均一に
接合させることが可能である。

また、複合焼結体Ａを高温高圧下で製造する
時、第３図のように硬質焼結合金母材部２の端面
に高強度の金属または合金を接合部材４として接
合させておき、この複合焼結体の母材部２と予め
高強度金属または合金を接合部材４′として接合
した硬質合金支持体５を第４図に示すように、摩
擦溶接することもできる。なお第４図における７
は複合焼結体固定用治具を示し、８は支持体固定
用治具を示す。

この場合、複合焼結体母材部２に接合する高強
度金属または合金と、支持体５に接合する高強度
金属または合金を同一のものとすれば、非常によ
く接合する。

さらに複合焼結体の母材部２もしくは硬質焼結
合金の支持体５のどちらか一方に高強度金属また
は合金を接合しておき、硬質焼結合金と高強度金
属または合金との摩擦溶接も可能である。

摩擦溶接では摩擦部近傍のみが高温となるた
め、焼結ダイヤモンドが劣化することはなく、焼
結ダイヤモンドブランクを接合する有効な手段で
あることがわかつた。しかし、複合焼結体Ａの厚
さが薄い場合は、摩擦熱の伝達により焼結ダイヤ
モンドの温度上昇が生じるが、この場合はダイヤ
モンド焼結部Ａを銅、超硬合金等のヒートシンク
で冷却して摩擦溶接を行なえば、焼結ダイヤモン
ドの劣化が生じることなく接合することができ
る。

ダイヤモンド焼結体の母材部（第１図および第
２図の２）は、WC、TiC、TaC、MoCなどの周
期律表の第4a、5a、6a族の炭化物、炭窒化物、
窒化物等を鉄族金属で結合した硬質焼結合金が用
いられる。

好適な例は、WCまたはMoCまたは（Mo、Ｗ）
ＣをまたはNiで結合した焼結合金である。

なお、例えばWC−Co合金の液相出現温度は約
1320℃である。

この発明で使用する支持体（例えば第２図の
５）は母材部（例えば第１図の２）と同様の硬質
焼結合金である。

母材部２と支持体５を接合する接合部材４，
４′としての高強度金属あるいは合金としては、
鉄族金属またはこれらを主成分とする合金が適し
ている。なかでもCoまたはNiは接合すべき硬質
焼結合金の結合相として使用されており、接合時
に接合強度を低下せしめるような冶金学的な欠陥
を生じ難い点で好ましい。

特に接合部材としてNiまたはNi合金を用いた
場合は、接合時に硬質焼結合金中の例えばWCや
（Mo、Ｗ）Ｃ等の炭化物が分解して接合部材の
金属と反応して有害な複合炭化物相が析出するよ
うなことが少なく、極めて高強度の接合が可能で
ある。

接合部材としての高強度金属接合層の厚さは１
mm以下が好ましい。これは厚さが１mmをこえる
と、高強度金属接合層の耐摩耗性が劣つて好まし
くないためである。

この発明の複合焼結体Ａをドリルビツト刃先と
して使用するに当つては、第６図イおよびロに示
すように、ビツトクラウンの部分に凹所１１を設
け、これに支持体部１２を圧入または焼きばめし
て強固に固定することができる。また体積の大き
な支持体部を利用して通常のロウ付けによつてダ
イヤモンド焼結体部に加熱による劣化を生じさせ
ることなく固定することも可能である。なお、１
０はビツトボデイである。

以上主としてドリルビツトへの応用を中心に述
べたが、他の用途、例えば掘削工具、穴あけ工
具、砥石のドレツサーや耐摩用途に対しても刃先
部の焼結体と工具支持部の接合面積が比較的に小
さく、接合強度が通常のロウ付けで不足する場合
には極めて有用である。

実施例 １ 超高圧、高温下で焼結して得られた第３図に示
すような複合焼結体を準備した。この複合焼結体
は直径は13mm、ダイヤモンド焼結体部１は体積で
約91％のダイヤモンド粒子をCoを結合材として
超高圧高温下で焼結したもので厚みは0.7mmであ
る。

母材部２は厚さ2.9mmの（Mo、Ｗ）Ｃ−Ni−
Co合金であり、この底面に厚さ0.2mmのNi板を接
合部材４としてダイヤモンド焼結体製造時に同時
に接合したものである。

次に直径14mmで長さ10mmのWC−Coの端面に１
mmのNi板を接合部材４′として接合した支持体５
を用意し、第４図に示す如く支持体５を3000回
転／分で回転させながら複合焼結体母材部端面に
圧力1000Kgで２秒間接触させて接合部を加熱し
た。

その後圧力を2500KgにしてNiを流動させたの
ち、回転を止めて冷却した。

試料を摩擦溶接機より取りはずして接合部を観
察したところ、厚さ0.1mmのNi層を介して複合焼
結体は全面にわたつて支持体に接合されていた。

次にこの接合部の剪断強度を測定した。比較の
ためJIS BAg−１相当の銀ロウを用いて同様の
焼結体と支持体をロウ付けした試料も作成し、剪
断強度を測定した。

その結果、この発明のものは通常で85Kg／mm²、
400℃でも70Kg／mm²の値を示したのに対し、比較
材はそれぞれ20Kg／mm²、10Kg／mm²の値であつた。

また焼結ダイヤモンドの劣化は認められなかつ
た。

実施例 ２ 超高圧、高温下で焼結して得られた第１図のよ
うな複合焼結体を準備した。この複合焼結体は直
径は13mm、ダイヤモンド焼結体部１は体積で約90
％のダイヤモンド粒子をCoを結合部材として超
高圧、高温下で焼結したもので厚みは0.5mmであ
る。母材部２は厚さ３mmのWC−６％Coの超硬合
金で、この母材部とダイヤモンド焼結体部は厚さ
30μの中間接合層３を介して焼結と同時に接合さ
れている。中間接合層はCBNを体積で60％と
TiN−10重量％Alの焼結体で形成されている。

この複合ダイヤモンド焼結体Ａを接合面に１mm
のNi−Cr合金を接合部４′として張り合せたWC
−Co超硬合金支持体６に接触させ、圧力1100Kg、
2500回転で超硬合金支持体６を回転させながら
1.5秒間加熱したのち、圧力を3000KgにしてNi−
Crを流動させ、回転を止め冷却した。

この複合焼結体工具をSCM鋼で製作されたビ
ツトボデイへ圧入し、３枚歯よりなる直径60mmの
コアビツトを作成した。

比較のため市販のビツト用ダイヤモンド焼結体
を超硬合金にロウ付けした複合ダイヤモンド焼結
体を同様にしてSCM製のビツトボデイに圧入し
たコアビツトも作成した。

これらのコアビツトで一軸圧縮応力1800Kg／cm²
の花崗岩を60mm／分の速度で30ｍ掘削したとこ
ろ、この発明のビツトは刃先の脱落もなく、さら
に掘削可能であつた。

一方、市販の複合ダイヤモンド焼結体を用いた
ビツトは３ケのダイヤモンド焼結体がロウ付け部
より剥離した。

実施例 ３ 直径14mmのWC−Co合金母材部に直接接合され
た厚さ3.6mmのダイヤモンド焼結体ブランクを用
意した。ダイヤモンド焼結体は90容量％のダイヤ
モンド粒子を含有しており、厚さは0.6mmである。

接合部材金属による接合強度を調査するため厚
さ0.8mmのNi、Co、Fe板を用意した。

この複合焼結ダイヤモンドと直径15mm、長さ５
mmのWC−Co超硬合金の間に、これらの板を押入
して溶融させ、WC−Co超硬合金を2000回転／分
で回転させながら、圧入1600Kgで加圧して３秒間
金属板を加熱した後、圧力を3000Kgにして金属板
を流動させ、回転を止めて冷却した。

これらの常温での剪断強度を測定したところ、
Niを接合材として用いたものは、88Kg／mm²、Co
を用いたものは80Kg／mm²、Feを用いたものは50
Kg／mm²であつた。

＜発明の効果＞ 以上のように、この発明によれば、摩擦溶接法
を摩擦溶接方法を応用して、複合焼結体結体の母
材部端面と硬質焼結合金の支持体とを接合させる
から、従来のビーム溶接とは異なり、複合焼結体
の母材と支持体との接合部分をその外周部から内
部にわたつて全体的に均一に溶接できる。従つ
て、接合強度が十分に高まるので、該複合焼結体
工具を例えばドリルビツトのような大きな径のも
のに用いることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図および第３図は、この発明で用いる複合
ダイヤモンド焼結体の構造を示す斜視図、第２図
および第４図はこの発明の複合焼結体工具の製法
を説明する説明図、第５図はこの発明で使用する
支持体の１例を示す斜視図、第６図はこの発明の
応用であるドリルビツトの説明図であつて、イが
正面図、ロが平面図である。 １……ダイヤモンド焼結体部、２……母材部、
３……中間接合層、４，４′……接合部材、５，
６……支持体、７……複合焼結体固定用治具、８
……支持体固定用治具、１０……ビツトボデイ、
１１……凹所、１２……支持体部、Ａ……複合焼
結体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ダイヤモンドを50体積％以上含有するダイヤ
   モンド焼結体部と硬質合金からなる母材部とを直
   接または厚さ0.5mm以下の中間接合層を介して重
   ね合せ、これを超高圧高温下で焼結して複合焼結
   体を製造する第１工程と、 この複合焼結体の母材部端面とWCあるいは
   （Mo、Ｗ）Ｃを主成分とする硬質焼結合金から
   なる支持体との間に、高強度の金属（Ni、Co）
   またはこれらの合金からなる接合部材を挟み、上
   記複合焼結体または支持体の一方あるいは双方を
   高速回転させて加圧し、上記高強度の金属または
   これらの合金からなる接合部材を摩擦させて加熱
   し、高融点金属を流動させて、複合焼結体の母材
   と支持体とを圧着する第２工程とを備えたことを
   特徴とする複合焼結体工具の製造方法。 ２ ダイヤモンドを50体積％以上含有するダイヤ
   モンド焼結体部と硬質合金からなる母材部とを直
   接または厚さ0.5mm以下の中間接合層を介して重
   ね合せ、これを超高圧高温下で焼結して複合焼結
   体を製造する第１工程と、 上記複合焼結体の母材部端面または／および
   WCあるいは（Mo、Ｗ）Ｃを主成分とする硬質
   焼結合金からなる支持体の端面に、高強度の金属
   （Ni、Co）またはこれらの合金を接合する第２工
   程と、 上記複合焼結体または支持体の一方あるいは双
   方を高速回転させて加圧し、上記高強度の金属ま
   たはこれらの合金同志あるいは該高強度の金属ま
   たはこれらの合金と硬質焼結合金とを摩擦させて
   加熱し、高融点金属を流動させて、複合焼結体の
   母材と支持体とを圧着する第３工程とを備えたこ
   とを特徴とする複合焼結体工具の製造方法。