JPH0825151A

JPH0825151A - 切削工具及びその製造方法

Info

Publication number: JPH0825151A
Application number: JP16684794A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Noro; 良久野呂
Original assignee: SHIMIZU SHOKUHIN KK; Shimizu Shokuhin Kaisha Ltd
Current assignee: SHIMIZU SHOKUHIN KK; Shimizu Shokuhin Kaisha Ltd
Priority date: 1994-07-19
Filing date: 1994-07-19
Publication date: 1996-01-30

Abstract

(57)【要約】【目的】粉末冶金法の一種である金属粉末射出成型法
により複合材料を一体成型しかつ焼結加工することによ
り成型される多用途向け切削工具及びその成型方法を提
供する。【構成】予め寒天バインダーでペレット化した超硬金
属よりなるチップ（切刃）材を成型し、同様に予め寒天
バインダーでペレット化した傾斜機能結合材料よりなる
結合材を成型し、チップ材と結合材とを金型の所定位置
へ位置付けた後、予め寒天バインダーでペレット化した
所定の特性（例えば耐摩耗性）を有する母材を構成する
金属粉末を金型内へ射出することによって、複合材料か
らなる成型体を成型し、次いでこの成型品を加熱焼結す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、切削チップ即ち切刃
と、該切削チップを切削縁部へ固着している母材と、か
ら構成されている、多用途向け切削工具及びその製造方
法に関する。より詳細には、粉末冶金法の一種である金
属粉末射出成型法により複合材料を一体成型しかつ焼結
加工することにより成型される木工用、金属加工用、更
には掘削工事用の切削工具及びその成型方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】今日の木工用、金属加工用、更には掘削
工事用の切削工具１０の多くは、図３に示すように、切
刃としての切削チップ材１２と、これを保持している母
材１４と、から構成されている。しかしてこの種の切削
工具１０では、例えば掘削工事用切削工具を例に取る
と、チップ材１２は、土中に含まれる岩石等の堅い物質
を迅速に削り取るという機能が求められている。一方、
母材１４に対しては、土圧による背面摩耗に対し確実に
耐え得るという機能が求められている。このように互い
に異なる機能を要求されている２つの素材は、それぞれ
別々に製造され、その後、複雑な工程を経て、一体化さ
れて切削工具１０が構成されていることは知られてい
る。即ち、チップ材は、通常、超硬工具に使用される素
材、例えば、タングステンカーバイト・コバルト合金に
より粉末冶金法により製造される。その後、適当な素材
から成る金属母材へ対し、該チップ材を、クロム・モリ
ブデン低合金鋼、高シリコン・クロム鋼、粉末ハイス、
熔製ハイスや高クロム鋳鉄等で鋳ぐるんだり、又はロウ
付け手段によって、前記チップ材と母材とを一体化して
いる。また、ある場合には母材の耐摩耗性を高めるため
に、母材の上に耐摩耗性に富んだ材料を肉盛することも
ある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】これまでの切削工具の
製造においては、上述のような複雑な工程を必要とする
うえに、工具の製造の際にチップ材には何度も熱が繰り
返しかかり、合金の結晶構造や成分組成が変化して機械
的強度が低下するという課題があった。

【０００４】また母材としての金属の熔湯に耐摩耗性の
高い砥粒を均質に混合させるにも限界があり、更に材料
の選択にも制限を受ける。例えば、鋳ぐるみ法の場合に
は均一な熔湯になりにくい素材や湯流れの悪い材料は使
用出来ない。またチップ材を母材へロウ付けする場合も
使用される素材がロウ付けが可能な素材にのみに限られ
るという課題があった。

【０００５】更にまた、工具の長寿命化が求められてい
る昨今において、従来の製造法においてはこのように使
用される材料の制限を受け、長寿命化に限界を生じた
り、複雑な製造工程を要するためコスト高を招いている
という課題がある。また、粉末冶金法では、鋳ぐるみ法
に比べて材料の制限は受けにくいが、工具の形状に制約
が付されることが多いという課題がある。

【０００６】また、近年、プラスチックバインダーによ
る金属粉末の射出成型法が開発され、形状の制限は粉末
冶金法に比べて少なくなったものの、焼結前に行われる
脱脂工程が障害となって微小部品しか製造出来ず、掘削
工事用の工具のような大型部品の製造は極めて困難であ
るという課題があった。

【０００７】さらにまた、これまでの工具製造方法にお
いては、物理的特性の異なる２つの金属を一体化成型し
これを焼結したとき、焼結収縮率が互いに異なるため、
チップ材１２と母材１４との間の境界面に亀裂が入るこ
とが多く、結局工具の長寿命化が図かれなかった等の課
題があった。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上述のような種
々の課題を解決すために、寒天バインダーを用いたペレ
ットによって粉末冶金法の一種である金属粉末射出成型
法による成型をし、傾斜機能材を接合材として使用する
ことによって、複合材料の一体成型及び焼結により耐摩
耗性に優れた切削工具及びその製造方法を提供すること
により上記課題を解決する。

【０００９】

【作用】切削工具の長寿命化高品質化を図るため、１０
０゜Ｃ程度の温度下で、寒天バインダ−中に均一分散し
たチップ材と、同様に寒天バインダ−中に均一分散した
チップ材と母材とから成る傾斜機能接合材と、により、
それぞれ個別にチップ材と接合材とを成型し、これらを
一つの金型に配置した後、寒天バインダ−中に均一分散
した母材を射出し、こうして切削工具素材を成型し、そ
の後に、当該成型された切削工具素材を焼結するため、
使用されるタングステンカーバイト・コバルト合金等の
超硬合金の熱変性が小さく、耐摩耗性の高い素材を母材
として選択出来、更に傾斜機能材を接合材として使用す
ることにより、チップ材と母材との一体化を容易にす
る。

【００１０】

【実施例】図１は本件発明の方法によって製造した切削
工具２０の一例を示す。この切削工具２０は、切刃とし
てのチップ材２２と、該チップ材２２を保持している母
材２４と、該チップ材２２と母材２４とを結合している
結合材２６と、により構成されている。

【００１１】本発明による切削工具２０は以下のように
して製造される。初めに、チップ（切刃）材２２として
使用される材料、例えばタングステンカーバイト及びコ
バルト粉末等から成る超硬合金用原料粉末を寒天バイン
ダー中に均一に分散したペレットを形成する。次いで当
該ペレットを使用して予め準備した所定の形状の金型に
よって所定形状のチップ材２２を射出成型する。なお、
寒天バインダーを用いて物品を射出成型する方法は、特
開平４−８８１０１号、特開平４−３３７００２号、米
国特許第５２５８１５５号等によって開示されていると
ころである。このような寒天粉末をバインダーとする射
出成型法によれば、脱脂工程を必要とせず、複雑な形状
の大型部品の焼結加工が可能であることが知られてい
る。

【００１２】即ち、寒天バインダーに使用される寒天
は、テングサに代表される海藻から抽出される天然多糖
類で、９２〜９６°Ｃで水に溶解してゾル状態になり、
３７〜４２°Ｃで固化して弾性ゲル状態になる可逆性ゾ
ル・ゲル反応を示す性質をもっている。この寒天をセラ
ミックや金属粉末の射出成型用バインダーとして利用す
ることにより、セラミックや金属粉末と寒天バインダー
とを均質に混練したペレットは、加熱すると流動性を示
し、冷却すると固化することから、従来のプラスチック
バインダーと同様に、粉体の射出成型が可能となる。

【００１３】寒天バインダーはそのバインダー中に８０
〜８５ＷＴ％の水分を含んでいる。従って、穏やかな加
熱条件で加熱すると、寒天バインダーは、１００°Ｃに
至るまでに水分は蒸発し、気孔率の高い多孔質（ポーラ
ス）な海綿体となる。非酸化物系のセラミックや金属粉
末の焼結は、真空下で行われることが多いが、そのよう
な真空下では水の沸点は６０〜７０°Ｃに低下し、この
温度では寒天は軟化せず極めて弱い力の水素イオン結合
で網目構造に結合していた水分を遊離し、多孔質とな
る。

【００１４】水分が完全に蒸発した後、更に加熱する
と、寒天は褐変化しながら縮合反応を開始し、寒天の主
成分である多糖類の化学構造式からも明らかなように、
多数存在する（−Ｈ）イオンと（−ＯＨ）イオンとがＨ
₂ Ｏとなり、次いで、六員環構造を繋いでいる酸素原子
が六員環構造の炭素原子と反応してＣＯ₂ ガスとなり、
前に形成された気孔を通って蒸発する。この反応は２７
０〜２８０°Ｃで終了する。

【００１５】プラスチックバインダーに１０〜１５％含
まれるパラフィンワックス類は加熱され熔融状態となっ
て成型体の外へ滲み出し、熱分解されてガス化する。こ
のとき、プラスチックバインダーに含まれている熱可塑
性プラスチックは軟化しており、急激に加熱すると、パ
ラフィンワックスは成型体の外へ滲み出す前にガス化し
てプラスチックを発泡させ、成型体を割ったり、変形さ
せたり、膨張させてしまう。望ましいポーラスな状態に
するには、前述の水を蒸発させるよりも昇温速度を遅く
しなければならない。また、１０〜１５％しか含まれて
いないパラフィンワックスは８０〜８５％含まれている
水分よりも熱分解しなければならない分子量は多く長時
間を要する。

【００１６】パラフィンワックスが完全にガス化した
後、熱可塑性プラスチックは炭化水素のモノマー又はオ
リゴノマーに熱分解されるが、極めて穏やかな加熱条件
でないと、発泡してガスを内在させパラフィンワックス
と同様、割れ、変形、膨張の原因となる。更に、この反
応は４００〜５００°Ｃの高温で終了する。

【００１７】このことから、寒天バインダーを用いた成
型体は焼結炉へ直接入れて加熱しても割れ、変形、膨張
を起こさず脱脂工程も必要としないが、プラスチックバ
インダーの成型体はバインダーを分解する長時間の脱脂
工程を必要とするのである。

【００１８】チップ材２２を射出成型した後、次いで、
母材２４を構成する素材を準備する。この素材は最終的
に形成される工具の用途、形状、寸法その他の要素によ
り種々変更されるであろう。例えば掘削用の工具の場合
を例にとって述べると、この場合には母材の耐摩耗性を
向上させる必要がある。そのためＳＵＳ４３０、タング
ステン・コバルトやタングステン・ニッケル合金の中
に、研削加工工具に使用されているアルミナや炭化ケイ
素等の砥粒を均一に分散させ耐摩耗性を極めて高くした
素材を準備する必要があろう。より詳細には、母材の組
成材料としては、例えばＳＵＳ４３０粉末に対して体積
比で２０％のアルミナ砥粒、ＳＵＳ４３０粉末に対して
体積比で２０％の被覆処理した炭化ケイ素砥粒、９０重
量％タングステンと１０重量％コバルト粉末に対して体
積比で２０％のアルミナ砥粒、９０重量％タングステン
と１０重量％コバルト粉末に対して体積比で２０％の炭
化ケイ素砥粒、９０重量％タングステンと１０重量％ニ
ッケル粉末に対して体積比で２０％のアルミナ砥粒、９
０重量％タングステンと１０重量％ニッケル粉末に対し
て体積比で２０％の被覆処理した炭化ケイ素砥粒等の、
アルミナ砥粒を含有するステンレス系素材、被覆処理し
た炭化ケイ素砥粒含有するステンレス系素材、アルミナ
砥粒を含有するタングステン・ニッケル及びタングステ
ン・コバルト合金素材、又は被覆処理した炭化ケイ素砥
粒を含有するタングステン・ニッケル及びタングステン
・コバルト合金素材等がある。

【００１９】こうして母材２４の素材を特定した後に、
結合材２６を準備する。結合材には焼結収縮率を含む種
々の物理的特性の異なる２つの物質を互いに結合する機
能が要求される。これまでは、使用されるチップ材及び
母材の特性に関係なく、予め定められた既製の結合材を
使用していたため、しばしばチップ材と母材との境界面
に亀裂が入ることがあったことに鑑み、本件発明におけ
る結合材２６は、チップ材２２と母材２４との原料を、
例えば、５０％づつ配合した傾斜機能を有する素材によ
って構成する。即ち、例えば５０％のタングステンカー
バイト及びコバルト素材と、５０％の、ＳＵＳ４３０粉
末に対して体積比で２０％のアルミナ砥粒、ＳＵＳ４３
０粉末に対して体積比で２０％の被覆処理した炭化ケイ
素砥粒、９０重量％タングステンと１０重量％コバルト
粉末に対して体積比で２０％のアルミナ砥粒、９０重量
％タングステンと１０重量％コバルト粉末に対して体積
比で２０％の炭化ケイ素砥粒、９０重量％タングステン
と１０重量％ニッケル粉末に対して体積比で２０％のア
ルミナ砥粒、９０重量％タングステンと１０重量％ニッ
ケル粉末に対して体積比で２０％の被覆処理した炭化ケ
イ素砥粒等を含有する素材を用意し、これを寒天バイン
ダー中に均一に分散して傾斜機能を有するペレットに
し、このペレットを使用してチップ材２２と母材２４と
を繋ぐ所定の形状を有する傾斜機能結合材２６の成型品
を別の金型により予め成型する。好ましくは傾斜機能材
の配合比率や傾斜機能段階に応じて複数段階の成型品を
予め用意しておき、チップ材２２と母材２４との間に必
要な傾斜機能段階の結合材を選択して一個又は複数個挿
入するようにすれば作業はより迅速に達成出来よう。

【００２０】次いで予め成型しておいたチップ材２２を
図２に示す金型２８の空所部分３０へ配置する。該チッ
プ材２２を適切に所定位置へ配置した後、次いで、同様
に予め成型しておいた傾斜機能結合材２６を当該チップ
材２２に隣接した空所部分３２へ配置する。該傾斜機能
結合材２６を同様に適切に金型内の所定位置へ配置した
後、金型２８の温度を寒天バインダーの軟化温度である
９４〜９６゜Ｃに保持する。金型温度が所定の温度に達
した時点で先に準備した母材成型用ペレットを射出用ス
プルー３６から金型２８内の空所部分３４へ射出する。
所定の射出圧力をかけることによりチップ材２０と傾斜
機能結合材２２と母材２４とを一体化させる。その後に
金型に冷却水を通して成型品全体を冷却し、当該成型品
を金型から取り出す。取り出した成型品を公知に手段に
よって焼結する。焼結が完了した後、チップ材２２を研
削し仕上げるのである。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、チップ材及び母材の傾
斜機能を有する結合材によってチップ材と母材とが接合
しているためこれまでのようにチップ材と母材との間に
亀裂が入るということが防止されている。また、鋳込み
法や肉盛法等による従来の切削工具の製造方法に比較し
て、加熱処理が工程が少ないため、工具製造途中の熱に
よる合金の結晶構造や成分組成の変化が少ないことから
耐摩耗性を向上させられる。また、耐摩耗性の高い任意
の素材を選択出来ることから更に耐摩耗性の高い切削工
具が製造出来る。また、チップ材として使用されるタン
グステンカーバイト・コバルト合金等の超硬合金の熱変
性を小さくし、耐摩耗性の高い素材を母材として選択し
ながらチップ材との一体化が容易に達成出来、これによ
り切削工具の長寿命化を図ることが出来、さらにチップ
材として使用されるタングステンカーバイト及びコバル
ト粉末等の超硬合金用原料粉末を寒天バインダ−中に均
一分散したペレットにすることにより、所定の形状の金
型でチップ材を射出成型することが出来、またこれによ
り、大型で複雑な形状の切削工具も容易に製造出来るの
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によって成型した切削工具の断面図であ
る。

【図２】本発明による切削工具を成型する金型の断面図
である。

【図３】公知のチップ材と母材とから成る切削工具の断
面図である。

【符号の説明】

１０：公知の切削工具１２：チップ材１４：母材２０：本件発明に
よる切削工具２２：チップ材２４：母材２６：結合材２８：金型３０：チップ材３２：結合材３４：母材３６：スプール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｅ２１Ｂ 10/46

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】タングステンカーバイト及びコバルトよ
りなるチップ材と、アルミナ砥粒を含有するステンレス
系母材と、これらのチップ材及び母材を結合する結合材
と、から成る切削工具であって、該結合材が、タングス
テンカーバイト及びコバルトの性質とアルミナ砥粒を含
有するステンレス系母材の性質とを合わせ持つ傾斜機能
材により構成されていることを特徴とする切削工具。
【請求項２】タングステンカーバイト及びコバルトよ
りなるチップ材と、被覆処理した炭化ケイ素砥粒を含有
するステンレス系母材と、これらのチップ材及び母材を
結合する結合材と、から成る切削工具であって、該結合
材が、タングステンカーバイト及びコバルトの性質と被
覆処理した炭化ケイ素砥粒を含有するステンレス系母材
の性質とを合わせ持つ傾斜機能材により構成されている
ことを特徴とする切削工具。
【請求項３】タングステンカーバイト及びコバルトよ
りなるチップ材と、アルミナ砥粒を含有するタングステ
ン・ニッケル及びタングステン・コバルト合金母材と、
これらのチップ材及び母材を結合する結合材と、から成
る切削工具であって、該結合材が、タングステンカーバ
イト及びコバルトの性質とアルミナ砥粒を含有するタン
グステン・ニッケル及びタングステン・コバルト合金と
の性質とを合わせ持つ傾斜機能材により構成されている
ことを特徴とする切削工具。
【請求項４】タングステンカーバイト及びコバルトよ
りなるチップ材と、被覆処理した炭化ケイ素砥粒を含有
するタングステン・ニッケル及びタングステン・コバル
ト合金母材と、これらのチップ材及び母材を結合する結
合材と、から成る切削工具であって、該結合材が、タン
グステンカーバイト及びコバルトの性質と被覆処理した
炭化ケイ素砥粒を含有するタングステン・ニッケル及び
タングステン・コバルト合金との性質とを合わせ持つ傾
斜機能材により構成されていることを特徴とする切削工
具。
【請求項５】請求項１〜４に記載の切削工具であっ
て、該切削工具が、木工用、金属加工用、又は掘削工事
用の工具である請求項１〜４に記載の切削工具。
【請求項６】チップ材として使用するタングステンカ
ーバイト及びコバルト金属粉末物質を準備すること、母
材として使用するアルミナ砥粒を含有するステンレス系
砥粒物質を準備すること、これらのチップ材及び母材を
結合する結合材として使用するため、タングステンカー
バイト及びコバルト金属粉末とアルミナ砥粒を含有する
ステンレス系砥粒との性質とを合わせ持つ傾斜機能粉末
物質を準備すること、これらの３つの物質をそれぞれ寒
天バインダーを使用してペレットに成型すること、タン
グステンカーバイト及びコバルト金属粉末物質のペレッ
トによりチップ材を射出成型すること、タングステンカ
ーバイト及びコバルト金属粉末とアルミナ砥粒を含有す
るステンレス系砥粒との性質とを合わせ持つ傾斜機能粉
末物質のペレットにより結合材を射出成型すること、こ
れらのチップ材及び結合材の成型品を一つの金型に挿入
すること、その後アルミナ砥粒を含有するステンレス系
砥粒物質のペレットにより当該金型へ母材を射出成型す
ること、これら３つの複合物質から成る一体化した製品
を金型から取り出すこと、この一体化した製品を焼結す
ること、の諸段階から成る切削工具の製造方法。
【請求項７】チップ材として使用するタングステンカ
ーバイト及びコバルト金属粉末物質を準備すること、母
材として使用する被覆処理した炭化ケイ素砥粒を含有す
るステンレス系砥粒物質を準備すること、これらのチッ
プ材及び母材を結合する結合材として使用するため、タ
ングステンカーバイト及びコバルト金属粉末と被覆処理
した炭化ケイ素砥粒を含有するステンレス系砥粒との性
質とを合わせ持つ傾斜機能粉末物質を準備すること、こ
れらの３つの物質をそれぞれ寒天バインダーを使用して
ペレットに成型すること、タングステンカーバイト及び
コバルト金属粉末物質のペレットによりチップ材を射出
成型すること、タングステンカーバイト及び被覆処理し
た炭化ケイ素砥粒を含有するステンレス系砥粒との性質
とを合わせ持つ傾斜機能粉末物質のペレットにより結合
材を射出成型すること、これらのチップ材及び結合材の
成型品を一つの金型に挿入すること、その後被覆処理し
た炭化ケイ素砥粒を含有するステンレス系砥粒物質のペ
レットにより当該金型へ母材を射出成型すること、これ
ら３つの複合物質から成る一体化した製品を金型から取
り出すこと、この一体化した製品を焼結すること、の諸
段階から成る切削工具の製造方法。
【請求項８】チップ材として使用するタングステンカ
ーバイト及びコバルト金属粉末物質を準備すること、母
材として使用するアルミナ砥粒を含有するタングステン
・ニッケル及びタングステン・コバルト合金粉末物質を
準備すること、これらのチップ材及び母材を結合する結
合材として使用するため、タングステンカーバイト及び
コバルト金属粉末とアルミナ砥粒を含有するタングステ
ン・ニッケル及びタングステン・コバルト合金粉末との
性質とを合わせ持つ傾斜機能粉末物質を準備すること、
これらの３つの物質をそれぞれ寒天バインダーを使用し
てペレットに成型すること、タングステンカーバイト及
びコバルト金属粉末物質のペレットによりチップ材を射
出成型すること、タングステンカーバイト及びコバルト
金属粉末とアルミナ砥粒を含有するタングステン・ニッ
ケル及びタングステン・コバルト合金粉末との性質とを
合わせ持つ傾斜機能粉末物質のペレットにより結合材を
射出成型すること、これらのチップ材及び結合材の成型
品を一つの金型に挿入すること、その後アルミナ砥粒を
含有するタングステン・ニッケル及びタングステン・コ
バルト合金粉末物質のペレットにより当該金型へ母材を
射出成型すること、これら３つの複合物質から成る一体
化した製品を金型から取り出すこと、この一体化した製
品を焼結すること、の諸段階から成る切削工具の製造方
法。
【請求項９】チップ材として使用するタングステンカ
ーバイト及びコバルト金属粉末物質を準備すること、母
材として使用する被覆処理した炭化ケイ素砥粒を含有す
るタングステン・ニッケル及びタングステン・コバルト
合金粉末物質を準備すること、これらのチップ材及び母
材を結合する結合材として使用するため、タングステン
カーバイト及びコバルト金属粉末と被覆処理した炭化ケ
イ素砥粒を含有するタングステン・ニッケル及びタング
ステン・コバルト合金粉末との性質とを合わせ持つ傾斜
機能粉末物質を準備すること、これらの３つの物質をそ
れぞれ寒天バインダーを使用してペレットに成型するこ
と、タングステンカーバイト及びコバルト金属粉末物質
のペレットによりチップ材を射出成型すること、タング
ステンカーバイト及びコバルト金属粉末と被覆処理した
炭化ケイ素砥粒を含有するタングステン・ニッケル及び
タングステン・コバルト合金粉末との性質とを合わせ持
つ傾斜機能粉末物質のペレットにより結合材を射出成型
すること、これらのチップ材及び結合材の成型品を一つ
の金型に挿入すること、その後被覆処理した炭化ケイ素
砥粒を含有するタングステン・ニッケル及びタングステ
ン・コバルト合金粉末物質のペレットにより当該金型へ
母材を射出成型すること、これら３つの複合物質から成
る一体化した製品を金型から取り出すこと、この一体化
した製品を焼結すること、の諸段階から成る切削工具の
製造方法。
【請求項１０】請求項６〜９に係る切削工具の製造方
法であって、別々の金型で成型した異なる組成の２つの
成型品を一つの金型内に挿入し、挿入した２つの成型品
が軟化する温度まで当該金型の温度を昇温させた後、更
に別の異なる組成の材料を当該金型内へ射出して前記異
なる組成の２つの成型品と一体化させることにより複合
粉末材料から成る切削工具の射出成型方法。