JPWO2009107594A1 - 超硬合金とステンレス鋼との接続方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 短時間で、ステンレス鋼とタングステンカーバイドなどの超硬合金とを接続できる方法を提供する。【解決手段】 タングステンカーバイドの粉末をコバルトで焼結した超硬合金からなる棒状材１２の一方の端面を、前記コバルトの粒子が表面に露出するように平面仕上げする工程と、該平面仕上げされた端面にステンレス鋼の棒状材１１の一方の端面を押圧しつつ、前記超硬合金の棒状材１２又はステンレス鋼の棒状材１１の少なくとも一方を回転させる工程と、回転による摩擦熱でステンレス鋼の棒状材の端部が軟化したとき、前記回転を停止して前記押圧力を高めてステンレス鋼の棒状材１１を超硬金属の棒状材１２に接合する。【選択図】 図１

Description

本発明はタングステンカーバイドを焼結した超硬合金と、ステンレス鋼とを接続する方法に関する。

タングステンカーバイドを主成分とする超硬合金は、靱性があり、耐熱性に優れていることから、金属などの切削加工用の刃物として広く利用されている。また、歯科用の切削工具としても、タングステンカーバイドが使用されている。このような超硬合金を使用することによって、硬い硬度を持った歯牙でも容易に穴を明けることができる。

超硬合金を切削工具として使用する場合、所定の形状及び寸法に成形したチップを、鋼などの台金にロウ付けによって接合するか、或いは台金の部分までを超硬合金としたソリッドタイプとして使用している。

しかし、タングステンカーバイドなどの超硬合金は、高価であり、ソリッドタイプとすると、コストアップとなる。また、ソリッドタイプとした場合、切削工具を把持するハンドピースのチャックを摩耗させ、傷めやすく、また抜けやすくなる。一方、ロウ付けには時間が掛かることや、接合強度が弱い、等の問題がある。

タングステンカーバイドと炭素鋼とを接続する方法としては、特許文献１（特開２００３−５３５５８）がある。これは、丸棒状の炭素鋼と、丸棒状のタングステンカーバイドとを押圧した状態で突き合わせ、一方を回転することで摩擦熱を発生させ、摩擦熱で炭素鋼を半溶融状態にしてから回転を止め、接合するものである。

しかし、この方法は、接合部に熱による残留応力が残りやすく、クラックが入るなどして接合部の強度が不足する、という問題がある。

この問題に対し、特許文献２（特開２００４−２１６４１０）では、特許文献１と同じように回転摩擦により接続するが、中間に鉄−ニッケル−コバルト系合金を介在させることで、熱応力による残留応力を低減する方法を提案している。

しかし、上記特許文献２は、中間材を接合するので、接合の工数が増加し、手間と時間が掛かるという問題がある。

ステンレス鋼とタングステンカーバイドとを接続する方法としては、特許文献３（特開平６−１９９５８０）が知られている。ここでは、タングステンカーバイドとステンレス鋼を、低酸素雰囲気中で所定の押圧力をもって突き合わせるとともに、突き合わせ部を所定の温度に上昇させて接合することを提案している。所定の温度に上昇させる加熱方法としては、通電によるほか、レーザビームやプラズマビームを使用する方法がある。

低酸素雰囲気にするのは、次のような理由による。大気中で突き合わせ溶接した場合、大気中の酸素によって脱炭層の成長が促進される。ステンレス鋼には炭素が殆どないので、タングステンカーバイドの炭素が脱炭し、接合部位のタングステンカーバイドの組成が変化し、接合部が脆くなる、という理由である。
特開２００３−５３５５８ 特開２００４−２１６４１０ 特開平６−１９９５８０

しかしながら、特許文献３に記載の方法では、低酸素雰囲気中で行うので、バッチ処理となり、連続処理ができず、かつ、接合に低酸素雰囲気を保つ部屋などを設ける必要があり、設備代が高額になり、接合に要する時間が長くなるという問題がある。

本発明は、このような問題の解決を図ったもので、短時間で、ステンレス鋼とタングステンカーバイドなどの超硬合金とを接続できる方法を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために本発明のステンレス鋼と超硬合金との接合方法は、タングステンカーバイドの粉末をコバルトで焼結した超硬合金からなる棒状材の一方の端面を平滑面に仕上げる工程と、該平滑面に仕上げられた端面とステンレス鋼の棒状材の一方の端面とを互いに押圧しつつ、前記超硬合金の棒状材又はステンレス鋼の棒状材の少なくとも一方を回転させる工程と、回転による摩擦熱でステンレス鋼の棒状材の端部が軟化したとき、前記回転終了間際に若しくは回転を停止して前記押圧力を高めてステンレス鋼の棒状材を超硬金属の棒状材に接合する工程とを有することを特徴としている。

前記互いに押圧された超硬合金の棒状材又はステンレス鋼の棒状材を回転させる工程で、超硬合金の棒状材とステンレス鋼の棒状材の双方を相互に逆方向に回転させる構成としたり、前記回転摩擦に加えて、前記ステンレス鋼の棒状材に通電することで加熱する構成としたり、前記超硬合金の端面の表面粗さ（Ｒmax）を、０．８〜５．０μｍとしたり、前記ステンレス鋼の端面の表面粗さ（Ｒmax）を、０．８〜５．０μｍとしたりしてもよい。平滑面とは表面に凹凸がない平滑な面を指し、平面と曲面の双方を含むが、曲面の場合は、超硬合金の端面とステンレス鋼の棒状材の端面とが相互に重なり合う形状とする。また、平滑面には、鏡面も含まれる。平滑面の平滑度は、１４０番程度のダイヤモンド砥石・サンドペーパー等で研磨した程度でよい。

超硬合金の棒状材と、ステンレス鋼の棒状材とを互いに押圧していずれか一方或いは双方を回転させるが、このとき、超硬合金の端面は、平滑な面に仕上げされているので、接触面が大きくなり、摩擦熱が多く発生する。摩擦熱でステンレス鋼の方が軟化してきたら、回転を停止して、あるいは回転終了間際にさらに押圧力を加えると、超硬合金の棒状材と、ステンレス鋼の棒状材とは接合される。このとき、超硬合金側に含まれているコバルトと、ステンレス鋼とがお互いに相手の領域に入り込み、相互拡散層を形成する。これによって、残留応力が低減し、接合強度を上げることができる。また、密着した状態で回転摩擦を受け、ステンレス鋼が半溶融状態になると周囲を密閉した状態にするので、低酸素状態となり、脱炭は起こらない。また、短時間での接合で、接合部の強度が十分なものとなるとともに、超硬側へのマイクロクラックの発生を抑えることができ、破断を抑えることができる。

発明を実施するための形態

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１は、本発明の超硬合金とステンレス鋼との接続方法を実施する形態の一例を示す図である。歯科用切削工具として、ここではカーバイドバーを例示して説明する。図１において、ステンレス鋼の丸棒からなる棒状材１１は、回転軸２１の先端に取り付けられたチャック２２の爪２３に固く把持されている。他方の超硬合金の丸棒からなる棒状材１２は、クランプ台２４の把持部２５に同じく固く把持されている。

超硬合金の棒状材１２の接合面となる下端面１２ａに関しては、特許文献２に、摩擦熱を発生しやすくするため、１０μｍ以上の粗面が望ましいとの記載がある。この考えは、ステンレス鋼とタングステンカーバイドとの接続にも共通するように思える。しかし、この方法でステンレス鋼とタングステンカーバイドを接続しても、うまく接合できない。

本発明の発明者は、鋭意研究した結果、ステンレス鋼とタングステンカーバイドを接続する場合、短時間で接合面に相互拡散層を形成することが重要になることを発見した。ステンレス鋼とタングステンカーバイドとを摩擦接触させ、溶融接続させる場合、表面が平滑であれば、タングステンカーバイドを結合しているコバルトがステンレス鋼内に拡散するとともに、ステンレス鋼がタングステンカーバイドのコバルト内に拡散することで、相互拡散層を形成し、強力に結合することができるのである。

そこで、本発明では、超硬合金の棒状材１２の下端面１２ａを、平滑面（平面乃至鏡面）に仕上げている。平面乃至鏡面にするために、実施例では、１４０番の砥粒で研磨している。下端面を１４０番より粗い砥粒で研磨すると、摩擦熱が余計に発生するとともに、時間・距離を多く必要とするため、熱影響が大きく、マイクロクラックが発生しやすくなる。また短時間で行うと相互拡散層の形成が不十分で、結合力が低下してしまう。

ステンレス鋼の棒状材１１と、超硬合金の棒状材１２とが接続したとき相互拡散層の軸方向の長さ（厚さ）が長い（厚い）方が、接合部の強度が上がる。また、残留応力も小さくなる。逆に、相互拡散層が短かったり、無かったりすると、接合部は弱くなる。そのため、超硬合金の棒状材１２の下端面１２ａを平面乃至鏡面にして相互拡散層を形成し易くするのである。

相互拡散層の長さを長くするには、ロウ付けをすることが考えられる。ロウ付けの場合、相互拡散層の厚さは５〜４０μｍとなる。しかし、ロウ付けの場合、相互拡散層の長さをコントロールすることができず、５０本の曲げ強度を調べたところ、標準偏差は９．９と製品間のバラツキが大きくなって、安定性に欠けることになる。ここで言う曲げ強度の試験方法はＩＳＯ８３２５：２００４に従う。

これに対し、上記の摩擦接続の場合は、相互拡散層の厚さは１〜５μｍではあるが、コントロールが可能であり、５０本の曲げ強度を調べたところ、標準偏差は５．２とバラツキが少なく安定した接合強度を得ることができる。

接合面を、１４０番程度で研磨し、表面の粗さ(Rmax)を０．８〜５μｍにすると、摩擦接続したとき相互拡散層を形成し易くし、接合が強固なものとなる。望ましくは、０．８〜１．５μｍである。表面の粗さ(Rmax)を０．８μｍ以下にすると、研磨工程に時間が掛かりすぎて製造コストが上がるので、望ましくない。表面の粗さ(Rmax)が１０μｍ以上になると、接合部の強度が低下する。

ここで、接合部の曲げ強度を調べるため上記方法を用いて曲げ試験を行った所、表面の粗さ(Rmax）が１．４μｍのとき、曲げ強度が１００本の試験の平均で５５Nであり、表面の粗さ(Rmax）が０．８μｍのとき、曲げ強度が１００本の試験の平均で６３Nであり、表面が平滑であるほど接合部の強度が向上することが分かった。

一方ステンレス鋼の棒状材１１の上端面１１ａは、表面の粗さ（Ｒmax）が０．８〜５．０μmの仕上げとしてもよいが、カッター類で切断したままの粗面でもよい。ステンレス鋼は、超硬合金に比べて柔らかく、溶け易いからである。また、ステンレス鋼の棒状材の上端面１１ａと超硬合金の棒状材の下端面１２ａは、平面でなくてもよい。ただし、上端面１１ａと下端面１２ａを重ねたとき、全体が重なり合う形状であることが必要である。

図１の状態に超硬合金の棒状材１２とステンレス鋼の棒状材１１をセットしたら、回転軸２１を回転させる。同時に、クランプ台２４を図１の下方に力ｆで押圧し、超硬合金の棒状材１２の下端面１２ａをステンレス鋼の丸棒１１の上端面１１ａに押し付ける。接触面は、摩擦熱で高温になり、やがて、ステンレス鋼の棒状材１１の上端面１１ａとその近傍が軟化してくる。

図２は、ステンレス鋼の棒状材１１と超硬合金の棒状材１２とが接合している状態を示す図である。ステンレス鋼の棒状材１１の上端面１１ａ近傍が軟化すると、下端面１２ａと上端面１１ａの接触面は、半溶融状態に軟化したステンレス鋼に覆われ、周囲から隔離された状態となる。この状態で回転を停止し、回転終了間際に、若しくは回転を停止してから、クランプ台２４の押圧力を力Ｆに増加する。すると、超硬合金の棒状材１２とステンレス鋼の棒状材１１とは、接合部１３によって接合する。そして、超硬合金の棒状材１２からコバルトがステンレス鋼の棒状材１１の方に拡散し、ステンレス鋼の棒状材１１から超硬合金の棒状材１２の方にステンレス鋼が拡散して相互拡散層１１ｂ、１２ｂを形成し、接合を強固なものにする。

図２に示すように接合部１３は、外側に膨らみ、ステンレス鋼が下方に若干垂れた状態になり、接合部１３は半溶融したステンレス鋼で密閉され、低酸素状態となるが、相互拡散層１１ｂ、１２ｂは、この接合部１３の上下に拡がって形成される。

図３は、超硬合金の棒状材１２とステンレス鋼の棒状材１１とが接合した状態を示す図である。この後、超硬合金の棒状材１２部分を所定の形状に研削加工することで、図４に示すようなステンレス鋼の棒状材１１の先端にカーバイドバーの刃部１５を有するカーバイドバー１６が完成する。

このカーバイドバー１６は、ステンレス鋼の棒状材１１の部分をハンドピースのチャックで把持して使用することになる。

以上の実施例では、ステンレス鋼の棒状材１１を回転させたが、超硬合金の棒状材１２を回転させてもよい。双方を回転させてもよいが、その場合は、お互いに反対方向に回転させると、摩擦力が大きくなって、接合時間を短縮することができる。また、押圧力を増加させるタイミングとしては、回転を完全に停止させてからでも良いし、回転終了間際など、回転途中で増加させても良い。

本発明の超硬合金とステンレス鋼との接続方法を実施する形態の一例を示す図である。 ステンレス鋼の丸棒と超硬合金の丸棒とが接合している状態を示す図である。 超硬合金の丸棒とステンレス鋼の丸棒とが接合した状態を示す図である。 カーバイドバーの図である。

符号の説明

１１ ステンレス鋼の棒状材
１１ａ 上端面
１１ｂ、１２ｂ 相互拡散層
１２ 超硬合金の棒状材
１２ａ 下端面
１３ 接合部
１５ 刃部
１６ カーバイドバー
２１ 回転軸
２２ チャック
２３ 爪
２４ クランプ台
２５ 把持部

Claims (5)

1. タングステンカーバイドの粉末をコバルトで焼結した超硬合金からなる棒状材の一方の端面を平滑面に仕上げる工程と、該平滑面に仕上げられた端面とステンレス鋼の棒状材の一方の端面とを互いに押圧しつつ、前記超硬合金の棒状材又はステンレス鋼の棒状材の少なくとも一方を回転させる工程と、回転による摩擦熱でステンレス鋼の棒状材の端部が軟化したとき、前記回転終了間際に若しくは回転を停止して前記押圧力を高めてステンレス鋼の棒状材を超硬金属の棒状材に接合する工程とを有することを特徴とする超硬合金とステンレス鋼との接続方法。
2. 前記互いに押圧された超硬合金の棒状材又はステンレス鋼の棒状材を回転させる工程で、超硬合金の棒状材とステンレス鋼の棒状材の双方を相互に逆方向に回転させることを特徴とする請求項１記載の超硬合金とステンレス鋼との接続方法。
3. 前記回転による摩擦に加えて、前記ステンレス鋼の棒状材に通電して加熱することで該ステンレス鋼の棒状材の端部を軟化させることを特徴とする請求項１記載の超硬合金とステンレス鋼との接続方法。
4. 前記超硬合金の端面の表面粗さ（Ｒmax）を、０．８〜５．０μｍとすることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の超硬合金とステンレス鋼との接続方法。
5. 前記ステンレス鋼の端面の表面粗さ（Ｒmax）を、０．８〜５．０μｍとすることを特徴とする請求項４に記載の超硬合金とステンレス鋼との接続方法。

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