JPS63295482A - 高硬度複合焼結体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はダイヤモンド、高圧相窒化ほう素、又は両者共
に含有する高硬度複合焼結体に関する。

更に詳しくはドリルやエンドミル等の回転刃具としてシ
ャンクに両面ろう付けして、チップとして使用される高
硬度複合焼結体に関する。

〔従来の技術〕

ドリル用に供されるダイヤモンドおよび（または）高圧
相窒化ほう素を主体とする高硬度焼結体（以下Ｄ７１３
Ｎ焼結体という）はその片面に超硬合金、又は金属が接
合されている二層構造のタイプ、又はその両面に中間層
を介して超硬合金が接合されている多層構造のタイプが
あり、これらをシャンクにろう付けして回転刃具として
使用されている。

Ｄ／ＢＮ焼結体をろう付は可能にし、かつ補強とじての
支持材である超硬合金は通常、均質な平板が使用されて
いる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

片面が超硬合金であるものはろう付けが一面であるので
ろう付けの接合強度が不充分であシ、負荷の大きい穴あ
け加工ではシャンクより剥れてしまう場合がある。片面
が金属や合金の場合では、ろう付は面での接合強度はさ
らに弱くなり、かつＤ／ＢＮ焼結体との接合は超硬合金
より劣っている。

そこで特開昭５７−６６８０５号公報で開示されるＤ／
Ｂ　Ｎ焼結体の両面に超硬合金を接着するタイプが提案
された。ところが本件発明者は特開昭５７−６６８０５
号にあるようにＤ／ＢＮ焼結体を２枚の超硬合金層の間
に介在接着せしめてなる３層の積層焼結体を試作してみ
たが、ホットプレス後の冷却過程において概ねＤ／ＢＮ
焼結体に水平クラックが入り、安定した品質を確保する
ことは大変難しいことが判明した。これはＤ／ＢＮ焼結
体と超硬合金の熱膨張係数がかなり相異しているため接
合面に垂直な方向に引張力が働くためと考えられる。

そこで特開昭６１−２７０２７１号公報に開示されてい
るようにダイヤモンド焼結体と熱膨張係数が近似してい
る超硬合金全選択し、かつ両者の層の間に鉄族金属を透
過させない中間層を設けて接合したサンドインチ構造体
が提案された。しかしかかる複合体は当然、中間層およ
びその外側に接合する金属、超硬合金がダイヤモンド焼
結体に近い熱膨張係数を有するものに限定される不都合
がある。特に複合体を大径で製造する場合、超高圧・高
温に置かれた反応容器内では避は難い圧力と温度の不均
一な分布により上記選択された超硬合金は靭性が劣るの
で割れやすく、又中間層と超硬合金との接合強度も不充
分で満足すべき複合体は得られない。又両面が金属であ
る構造の複合体も試作してみたが金属のヤング率は超硬
合金と比べて小さいので、ホットプレス後、反りを生じ
やすく、又刃具にした場合も加工中の衝撃に対して歪み
が大きくなる欠点があった。

てらに特開昭６０−４４２０４号公報にあげられるよう
に４５Ｘ１０６ｐｓｉ以下のヤング率を有するソフトメ
タルを両面に接合した場合は、超硬合金の場合と比較し
、高硬度焼結体内の水平クラックや接合界面近くのクラ
ックは発生しにくくはなるが完全に防止することはでき
なかった。又ヤング率が超硬合金と比べ小さいため、製
造時に反りや歪みが生じ、工具に加工する際に支障があ
る。さらに剛性や耐熱性が低下するので工具としての加
工条件に制限がある。

本件発明の目的は イ）　　Ｄ／ＢＮ焼結体と金属５合金又は超硬合金（以
下基板という）とが強固に接合される 口）　　Ｄ／ＢＮ焼結体の組織内および基板との界面に
剥離やクラックが生じない ハ）シャンクとのろう付は面の接着強度が工具用途とし
て十分である 二）複合体としての剛性が高い 高硬度複合焼結体を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本件発明者は種々改良を重ねた結果、金属や合金、ある
いは超硬合金を両面から単に直接接合すると前者は剛性
の点から難点があり、後者はヤング率が大きく支持材と
しては好適であるが、前述のとと（Ｄ／ＢＮ焼結体に単
に平板として接合するとクラックを生じてしまうが、基
板に貫通孔を多数あけＤ／ＢＮ焼結体をこの孔の中に充
填させる形ではさみ込み高温、超高圧で焼結して複合焼
結体を形成する方法が、両面にどのような金属、合金、
超硬合金を使用してもクラックを生じないことを発見し
て本件発明を完成した。すなわち本件発明の要旨はダイ
ヤモンドおよび（または）高圧相窒化ほう素を主体とす
る高硬度焼結体層の両面に貫通孔を有する金属、合金又
は超硬合金層が接合している複合焼結体であって該貫通
孔には前記高硬度焼結体が充填されていることを特徴と
する高硬度複合焼結体にある。

〔発明の構成〕

以下本件発明の詳細な説明する。

Ｄ／ＢＮ焼結体はダイヤモンドおよび（または）高圧相
窒化ほう素を主体とする高硬度焼結体であるが、高圧相
窒化ほう素には立方晶系窒化ほう素およびウルシ鉱型窒
化ほう素が含まれる。ダイヤモンドおよび（ま几は）高
圧相窒化ほう素の焼結体は周知のように結合相が必要で
あり、この結合相としてはＡｔ、Ｎｉ　、　Ｃｏ　、　
Ｍｎ等の金属及び（または）３ｂ、４ａ、４ｂ、５ａ、
６ａ族の元素の窒化物、炭化物、炭窒化物、ほう化物、
酸化物からなるセラミックスが使用される。セしてＤ／
ＢＮ焼結体中の結合相の割合は５〜８０重量％である。

Ｄ／ＢＮ焼結体と接合される外側の基板の材質としては
超硬合金、鉄族金属及びその合金、４ａ、５ａ、６ａの
金属、金、銀、銅やその合金、チタン及びその合金等が
挙げられる。このうち工具シャンクに銀ろう付けした場
合、強度やろう付は性を満足するものとして、超硬合金
、鉄族金属及びその合金、モリブデン及びその合金、タ
ングステン及びその合金等が好ましい。

なおり／ＢＮ焼結体の両側に接合される基板の材質は必
ずしも同じものではなくてもよい。例えば一方が超硬合
金で他方がモリブデン、あるいは一方が超硬合金で他方
が鉄族金属の合金のように組み合わせることができる。

Ｄ／ＢＮ焼結体と基板との構成は図を用いて説明すれば
例えば第１図及び第２図に示す態様で、第１図のＩ　−
Ｉ’の矢印で示される断面が第２図である。すなわちＤ
／ＢＮ焼結体焼結体側に基板２が接合しており基板２に
は貫通孔があり、この貫通孔にはＤ／Ｂ　Ｎ焼結体が充
填されている。このようにすると基板２に用いられる金
属、合金又は超硬合金は、その熱膨張係数を特に限定す
る必要はなく、超硬合金の場合Ｃｏ含有率が５〜１５重
量−の幅広い範囲で使用できる。そして工具として要求
される種々条件、例えば複合体の大きさ、厚さ、Ｄ／Ｂ
Ｎ焼結体の硬度や厚さに鑑みて、基板の組成、孔の大き
さや数が適宜選択されうる。孔の形状は特に限定はしな
いが円形が一般に加工しやすい。又径については直径１
〜４■が好ましい。これ未満では原料が孔の中に均一に
充填されに＜＜、又あまり大きいと応力分布がマクロ的
に不均一になるし。

細分化した時に種々の不均一性が生じてしまう。

基板全体に占める孔の面積比は２０〜８０チが好ましい
。この割合が小さいとＤ／Ｂ　Ｎ焼結体の組織内に水平
クラックが入りやすく、逆に大きすぎるとろう付は時の
接着強度が小さくなり不適当である。

基板の厚みは超硬合金の場合剛性を高めるため０、５　
ｗ以上が好ましく、金属、合金の場合は必要以上に厚く
すると剛性が低下するので０．２〜１．０瓢程度が好ま
しい。

さらにはＤ／ＢＮ焼結体と基板との間に薄板による中間
層を設けることも有効である。すなわち超硬合金基板の
場合には内部のコバルトがホットプレス中に少なからず
Ｄ／Ｂ　Ｎ焼結体中へ拡散する傾向があり、これはＤ／
ＢＮ焼結体の耐熱性・耐摩耗性の劣化を招く。又金属や
合金が基板の場合でも、金属元素がＤ／ＢＮ焼結体中へ
拡散し、反応するので接合界面の強度を劣化させる場合
がある。これらの劣化防止の目的で、タングステン、モ
リブデン、タンタル、ニオブから選ばれる金属又はそれ
らを主成分とする合金よりなる薄板を中間に配置するこ
とができる。基板が鉄族金属の場合には、この中間層が
極めて有効である。モリブデンあるいはタングステンの
基板では、特にダイヤモンド焼結体の場合モリブデン、
タングステンの拡散が多くなるのでタンタル、ニオブを
中間に配置することが好ましい。

これらの中間層の厚みは０．０５〜０．２■が好ましい
。０．０５ｍｍ未満では拡散防止の効果が劣り、０、　
Ｚ　ｗｍを越える場合には剛性が小さくなり好ましくな
い。

又中間層の材質として鉄族金属やその合金も使用できる
。Ｄ／ＢＮ焼結体の原料や超硬合金に含有される鉄族金
属やその合金、又はその他１５００℃以下の融点をもつ
金属や合金の量が少ない場合にはＤ／ＢＮ焼結体や基板
の靭性が劣り、その界面の接合強度も弱くなる。この几
めこれらの中間に鉄族金属及びその合金を配置しホット
プレス時に拡散させることによりこの欠点を改善するこ
とができる。厚さについては、Ｏ，ＯＳ〜０．２　ｔｍ
が好ましい。０．０５１１ＩＩ未満では靭性や接合強度
に効果がなく、０．２　ｍを越えると剛性が小さく耐熱
性も劣ってくる。中間層を設けた場合の複合焼結体の断
面図を第３図に示す。第３図は第１図の１−１矢印の断
面図であり、Ｄ／ＢＮ焼結体１と基板２の間に中間層３
が介在している。

以上のような３〜５層の多層複合体においては高硬度複
合焼結体の剥離や水平クラックが生じないのであるが、
その理由は次のように考えられる。

ホットプレス後冷却された複合体には熱膨張係数の差に
起因した残留応力がある。通常、製造される高硬度複合
焼結体の熱膨張係数の値αは例示すると、 Ｄ／ＢＮ焼結体　α１　＝４〜６ＸＩＯ−６／ｌ　　　
（８００℃Ｏ平均）超硬合金　　６Ｍ１＝５〜７×ｌＯ
／′Ｃ（８ｏｏ℃の平均）モＩＪ　ｌｙ”７　　　（１
Ｍ２＝＝５．５ＸＩＯ−’／’ＩＣ（８０（Ｆ（Ｄ平均
）コバルト　　　６Ｍ３＝１６．８Ｘ１０　　／ｌ　　
　（７５０ＣＯ平均）ハステロイＣαＭ４＝１４．５×
ｌＯ／ｃ　　（８ｏｏｏＤ平均）一般にα１くαエ　で
ある。このためホットプレスの冷却過程でＤ／Ｂ　Ｎ焼
結体で圧縮応力、超硬合金で引張応力となる。超硬合金
層が貫通孔のない平板である従来の技術では第４図に示
すように外周部の界面近傍には応力が集中し、又中央部
には逆向きの引張力が働いて割裂のカを受は図示するよ
うり にクラッチ４が発生する。ところが本件発明に係る複合
焼結体では各応力は分断され、外周部への応力は集中し
にくくなる。さらにＤ／Ｂ　Ｎ焼結体はかなシの部分で
基板内に突出しており、所謂スタッドの役割をするため
せん断力や引張力に抗する充分な接着力と保持力を有す
る。又ろう付けして刃具として使用する場合には、この
突出部によりシャンクへの熱の伝導も良くなり、切刃の
長寿命化にも役立つ。

〔実施例１〕 粒径４μの立方晶窒化ほう素粉末７０重＃チ、粒径１μ
のＴｉｃ粉末２０重量％、Ａｔ粉末１０重量％を混合し
た粉末７．０ｇを、内径３０ｓａｍの六方晶窒化ほう素
スリーブ内に、厚み１．０鵡のＷＣ−６％Ｃ。

超硬合金板で挾むように配置し、軽く圧縮した。

なお超硬合金板には直径３■の貫通孔が等間隔に３５個
あけである。これらをグラファイトヒーター内に組み込
んで、超高圧・高温発生装置にて５５Ｋｂ、１４００℃
３０分間保持し焼結した。外周部を研磨して、外径２９
ｍで、立方晶窒化ほう素焼給体の厚み２．　Ｏｗｍ、全
厚さ４■の複合焼結体が得られた。外周部にはクラック
は見られず、反りもなかった。両側の超硬合金を研削し
て、所定の形状に切断した後シャンクにろう付けして、
第５図（ａ）　＃　（ｂ）に示すドリルを作り硬度がＨ
ＲＣ６０の５ＫＤ−１１の鋼板を穿孔してみたが、その
結果は極めて良好であった。

又１辺５ｍ角に切断された高硬度複合焼結体をＣｏ６％
の超硬合金にろう付けし第６図に示すように曲げ強度を
測定した。その結果一方のろう何面より剥離し強度は２
８ｋｇ／１ｌＩＩ２であった。これは潜在するクラック
がないことを示し実用上十分な強度である。

〔実施例２〕 粒径５〜１０μのダイヤモンド９０重量％とＣＯ粉１０
重量％の混合物を調製した。内径２３膳の六方晶窒化ほ
う素スリーブ内において、厚さ５０翔のＴａ箔を内側に
、外側に厚さ１．０１ｍのＷＣ−６％Ｃ０の超硬合金を
一組として、上下より混合粉末を挾むように配置して軽
く圧縮した。なおＴａ箔と超硬合金板は密着させ、直径
１．５　ｗｍの貫通孔が等間隔に９０個あけである。こ
れらをグラファイトヒーターに組込んで実施例１と同様
の装置にて、６゜Ｋｂ、１５００℃、６０分間保持して
複合焼結体を得た。

ダイヤモンド焼結体の厚さは１．５　ｍ、全厚さは３、
５　ｓｍで剥離、クラックは全く観察されなかった。

実施例１と同様のドリルを作成し１０　％　Ｓｔのアル
ミニウム合金板を多数穿孔したが、極めて精度よく加工
でき、刃先には何ら欠陥は生じなかった。

〔実施例３〕 両側の基板を厚さ３鱈のＷＣ−１５％Ｃｏの超硬合金及
び厚さ０．５　ｓａｍのモリブデン板とする以外は全て
実施例１と同様にして高硬度複合焼結体を作成した。研
磨後のサンプルにはクラックは発生してなく切断片をシ
ャンクに両面ろう付けしても新たなりラックは見られず
接着力も十分であった。

〔実施例４〜６〕 中間層を介した場合の実施例を第１表に示す。

高硬度複合焼結体の作成条件は実施例４及び実施例５が
実施例１と同じであり、実施例６が実施例２と同じであ
る。尚ハステロイＣの成分はＮｉ５５チ、Ｃｒ１６％、
Ｍｏ１７％、Ｆｅ　５％、Ｗ５％である。

〔比較例１〕 実施例１で用いられたＷｅ−６％Ｃｏの超硬合金板に　
　１貫通孔を設けず平板のまま使用した以外は、全て　
　“実施例１と同様に立方晶窒化ほう素の複合焼結体を
作った。この複合焼結体は第４図に示すようなりラック
が発生しており刃具に供することはでき　　”なかりた
。

〔比較例２〕 内径３０ｍ＋の六方晶窒化ほう素スリーブ内に、立方晶
窒化ほう素８０重量％、ＴｉＮ　１４重量％、Ａｔ６重
量％の混合粉末５．０Ｉ！を、厚さ０．５　ｍのモリブ
デンの平板で両側より挾み込み軽く圧縮した。

実施例１と同様の条件で焼結をし、複合焼結体を取り出
して観察したところ、中央が若干凸状に膨んでおり、立
方晶形窒化ほう素の焼結体の中央部より大きくクラック
が入って容易に剥離してしまった。

〔実施例７〕 粒径４μの立方晶窒化ほう素粉末７０重量％。

粒径１μのＴｉｅ粉末２０重量％、Ａｔ粉粉末１電ヒほ
う素スリーブ内に厚み０．　５−のモリブデン板Ｃ挾む
ように配置し軽く圧縮した。なおモリブデ／板には直径
３ｍの貫通孔が等間隔に３５個あけＣある。これらをグ
ラファイトヒーター内に組みへんで超高圧・高温発生装
置にて５５Ｋｂ，１４００Ｃ．３０分間保持し焼結した
。外周部を研磨して外径２９ｍで立方晶窒化ほう素焼給
体の厚み約２、　０　ｍ、全厚３１ａｌの複合焼結体が
得られた。接合部近く及び中央部にはクラックは発生し
ておらず、同面のモリブデンを研削して所定の形状に切
断しｔ後シャンクにろう付けして第５図（ａ）　、　（
ｂ）に示すドリルを作った。接着は強固であり、ＨＲＣ
６０のＳＵＪ鋼を容易に穿孔することができた。

〔実施例８〕 粒径５〜１０μのダイヤモンド９０重量％とＣＯ粉末１
０重量−の混合物を調製した。内径２７ｇ＋〇六方晶窒
化ほう素スリーブ内において、内側に厚さ５０μｍのタ
ンタル箔を、外側に厚さ０．５ａＩＯタンゲス≠ン板を
一組として、上下より混合粉末を挾むように配置して軽
く圧縮した。なおタンタル箔とタングステン板は直径１
．５　＋ｍの貫通孔が等間隔に９０個あけである。これ
らをグラファイトヒーターに組込んで、実施例７と間際
の装置にて、６０Ｋｂ　、１５００℃、６０分間医押し
て高硬度複合焼結体を得た。ダイヤモンド焼結体の厚さ
は１．０鵡、全厚約２鴎の複合体でクラックは全く見ら
れなかった。切断片をシャンクにろう付けしてみたが１
強固に接着し、実用上問題なく使用できた。

〔実施例９，１０、比較例３，４〕 第２表に示す複合焼結体を作成し、結果を観察した。複
合焼結体の作成条件は実施例１０、比較例３が実施例７
と同じであり実施例９、比較例４が実施例８と同じであ
る。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明に係る高硬度複合焼結体は （、）　　任意の組成のＤ／ＢＮ焼結体と基板よりなる
複合焼結体がクラックを生じることなく容易に製造する
ことができる。

（ｂ）　　Ｄ／ＢＮ焼結体と基板が強固に接合される（
ｃ）剛性が大きく、強固にろう付けできる（ｄ）　　工
具用途として優れている 等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本件発明の１実施例を示す正面図、第２図、第
３図はそれぞれ本件発明の１実施例を示す断面図である
。第４図は従来技術による断面図で応力及びクラックを
示す。第５図は本件発明の複合焼結体を使用して作られ
たドリルを示し、（ａ）は側面図（ｂ）はｕ　−ｎ’線
矢視図である。第６図は曲げ強度の測定方法を示す概略
図である。 ｌ・・・Ｄ／ＢＮ焼結体、２・・・基板、２′・・・超
硬合金、３・・・中間層、４・・・クラック、５・・・
高硬度複合焼結体、６・・・シャンク、７・・・ろう材
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ダイヤモンドおよび（または）高圧相窒化ほう素を
   主体とする高硬度焼結体層の両面に貫通孔を有する金属
   、合金又は超硬合金層が接合している複合焼結体であっ
   て、該貫通孔には前記高硬度焼結体が充填されているこ
   とを特徴とする高硬度複合焼結体。 ２、高硬度焼結体層と金属、合金又は超硬合金層との間
   にモリブデン、タングステン、タンタル、ニオブから選
   ばれた金属又はそれらを主成分とする合金よりなる薄板
   を介在させてなる特許請求の範囲第１項記載の高硬度複
   合焼結体。 ３、高硬度焼結体層と金属、合金又は超硬合金層との間
   に鉄、コバルト、ニッケルより選ばれた金属又はそれら
   を主成分とする合金よりなる薄板を介在させてなる特許
   請求の範囲第１項記載の高硬度複合焼結体。 ４、金属、合金又は超硬合金層を貫通する高硬度焼結体
   が充填されている孔の割合が全体の面積の２０〜８０％
   である特許請求の第１項乃至第３項記載の高硬度複合焼
   結体。