特許 6061409 超硬合金の表面仕上げ方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6061409

(24)【登録日】2016年12月22日

(45)【発行日】2017年1月18日

(54)【発明の名称】超硬合金の表面仕上げ方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 15/00 20060101AFI20170106BHJP

   B23B 27/14 20060101ALN20170106BHJP

【ＦＩ】

   B23K15/00 502

   !B23B27/14 B

【請求項の数】1

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2015-117071(P2015-117071)

(22)【出願日】2015年6月10日

(65)【公開番号】特開2017-1058(P2017-1058A)

(43)【公開日】2017年1月5日

【審査請求日】2016年1月28日

(73)【特許権者】

【識別番号】000132725

【氏名又は名称】株式会社ソディック

(72)【発明者】

【氏名】井上 基弘

【審査官】 奥隅 隆

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−０４９８８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／１４５２１５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００６−２８１３８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１６９２０４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ １５／００−１５／１０

Ｂ２３Ｂ ２７／００−２７／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

真空チャンバ内の上側にカソード電極を固定し、前記カソード電極から鉛直方向に所定距離離れて前記真空チャンバ内の下側に超硬合金の被照射体を設置し、前記真空チャンバ内に稀ガスを注入して少なくとも０．０５Ｐａまで減圧した状態で、前記カソード電極と前記被照射体との間に配設されている環状のアノード電極に所定のアノード電圧を印加して前記アノード電極内にプラズマを生成してから前記カソード電極に２５ｋＶ以上３０ｋＶ以下の所定のカソード電圧を印加して前記被照射体に電子ビームを照射し、前記電子ビームの照射を１回または２回行なって前記被照射体の被照射面において超硬合金の含有物質を溶融し均等に分散させ、冷却後の再凝固によって被照射面から３μｍ以上５μｍ以下の範囲内の均一な深さの変質層を形成し、前記変質層を研磨によって除去することを特徴とする超硬合金の表面仕上げ方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、大面積電子ビームの照射による超硬合金の表面仕上げ方法に関する。

【背景技術】

【0002】

高硬度材料である超硬合金は、ダイヤモンド工具のような超硬合金と同等以上の硬度を有する切削工具による切削加工または放電加工によって所望の形状に加工することができる。ただし、切削加工または放電加工によって超硬合金の表面を数μｍ以下の形状精度および１μｍＲｚ以下の面粗度で鏡面のように仕上げることは難しい。そのため、必要に応じてラップあるいはバフのような研磨によって表面を仕上げることが要求されることがある。

【0003】

特に、表面が磨きにくい形状を有する超硬工具の刃先あるいは超硬合金の片面を表面仕上げする場合は、専ら熟練作業者の手磨きによって表面仕上げが行なわれている。超硬合金の手磨きにあたっては、超硬合金が高硬度であるため、作業者にかかる負担がより大きい。また、作業者の能力によって仕上がり具合に差が出てしまって、表面にうねりやダレが生じることもある。そのため、作業者に高度な研磨技術が求められ、均一の高品質の超硬合金の製品を効率よく量産することが困難である。

【0004】

例えば、特許文献１は、超硬合金の少なくともすくい面と逃げ面の交わる切刃稜線部位にレーザ光を照射し、または電子ビームを照射して加熱することによって超硬工具の耐磨耗性を向上させることを開示している。特許文献１の発明によると、超硬合金の炭化物の含有割合にもよるが、局所的に加熱層が形成されて、耐磨耗性を向上させることができる。しかしながら、レーザ光の照射または電子ビームのスポット照射によって加熱するので、局所的に耐磨耗性を得ることができるが、加熱層の表面および加熱層と本体との間の境界部位にうねりが生じて、表面の全体にわたって均一に高精度で高面粗度の表面を得ることが困難である。

【0005】

特許文献２には、いわゆる大面積電子ビームを照射して均一に被照射体の表面を改質することができる表面改質方法が開示されている。特許文献２に開示されている電子ビーム照射装置を使って超硬合金の被照射体に大面積電子ビームを照射した場合、炭化タングステン粒子が溶融して飛散するとともに、コバルトが表面に溶出して被照射体の被照射面から数μｍの均一の深さでコバルトの被覆層が形成されることが知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開平１０−２３０４１０号公報

【特許文献2】特開２０１４−１６９２０４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

超硬合金に比較的エネルギ密度が小さい大面積電子ビームを繰返し照射することによって、耐蝕性が高く、摩擦力が低減される平滑な表面の製品を得ることができる。数μｍの薄いコバルトの被覆層は、超硬合金本体に馴染んで一体的に密着する。しかしながら、コバルトの被覆層は、超硬合金が有している硬度を得ることができないので、切削工具のように超硬合金としての硬度が要求される製品の表面の性質としては、適していない。

【0008】

本発明は、上記課題に鑑みて、超硬合金の表面をより容易に仕上げることができる超硬合金の表面仕上げ方法を提供することを主たる目的とする。本発明の表面仕上げ方法によって得ることができるいくつかの利点は、本発明の実施の形態の説明において、具体的に示される。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の超硬合金の表面仕上げ方法は、上記課題を解決するために、真空チャンバ（１）内の上側にカソード電極（５Ａ）を固定し、カソード電極（５Ａ）から鉛直方向に所定距離（ｄ）離れて真空チャンバ（１）内の下側に超硬合金の被照射体を設置し、真空チャンバ（１）内に稀ガスを注入して少なくとも０．０５Ｐａまで減圧した状態で、カソード電極（５Ａ）と被照射体（６）との間に配設されている環状のアノード電極（５Ｂ）に所定のアノード電圧を印加してアノード電極（５Ｂ）内にプラズマを生成してからカソード電極（５Ａ）に２５ｋＶ以上３０ｋＶ以下の所定のカソード電圧を印加して被照射体（６）に電子ビームを照射し、電子ビームの照射を１回または２回行なって被照射体（６）の被照射面において超硬合金の含有物質を溶融し均等に分散させ、冷却後の再凝固によって被照射面から３μｍ以上５μｍ以下の範囲内の均一な深さの変質層を形成し、変質層を研磨によって除去するようにするものである。

【発明の効果】

【0010】

超硬合金にエネルギ密度が比較的低い大面積電子ビームを被照射体に照射すると、被照射体の被照射面に溶出した材料が冷却し凝固して改質層が形成される。被照射体が超硬合金であるとき、カソードに２５ｋＶ以上３０ｋＶ以下のカソード電圧を印加して大面積電子ビームを照射すると、電子ビームの衝突エネルギがより小さいために、被照射面においてコバルトの被覆層が生成されず、炭化タングステン粒子とコバルトが溶融した後に均等に分散し混合して、数μｍの均一のタングステンとコバルトの変質層が形成される。

【0011】

変質層は、炭化タングステン粒子が溶融して脆弱になっており、炭化タングステン粒子がバインダであるコバルトによって焼結されている被照射体本体に対して異なる性質を有し、被照射体本体との間の結合性が低い。そのため、比較的弱い力で変質層だけを剥離させるように被照射体を研磨することによって、被照射体本体の表面が１μｍ以下の小さい面粗度に磨かれたような状態で変質層が除去される。その結果、より容易に高硬度、高精度、高面粗度の表面を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の表面仕上げ方法を実施するための電子ビーム照射装置を示す側面図である。

【図2】変質層を示す試料の断面写真である。

【図3】本発明の表面仕上げ方法によって変質層が除去された後の超硬合金の内部構造を示す試料の断面写真である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

図１は、本発明の超硬合金の表面仕上げ方法を実施するために適する大面積電子ビーム照射装置の側面を模式的に示す。図１においては、真空チャンバが断面で示されている。

【0014】

電子ビーム照射装置は、真空チャンバ１と、移動装置２と、真空装置３と、稀ガス供給装置４と、電子ビーム発生装置５と、を含んでなる。実施の形態の電子ビーム照射装置は、被照射体６の被照射面から生じた滓を含むチャンバ１の中の汚れたガスを強制的に排出できる図示しない浄化装置を含んでなる。被照射体６は、超硬合金である。

【0015】

真空チャンバ１は、被照射体６を収容する手段である。真空チャンバ１は、基台１Ａの上に設置されている。真空チャンバ１は、電子ビーム照射装置の前面で被照射体６を出し入れするために開口している。真空チャンバ１には、開口を閉鎖する密閉扉１Ｂが設けられている。密閉扉１Ｂを閉鎖することによって、真空チャンバ１を密閉することができる。

【0016】

移動装置２は、水平１軸方向と、水平１軸方向に直交する他の水平１軸方向と、鉛直方向と、に被照射体６を移動させる手段である。移動装置２は、水平１軸方向に往復移動できる移動体１０と、水平１軸方向に直交する他の水平１位軸方向に往復移動できる移動体２０と、上下方向に往復移動できる昇降装置３０と、を備える。昇降装置３０の上に被照射体６を載置できる取付台であるテーブル４０が設置されている。

【0017】

真空装置３は、密閉された真空チャンバ１の中を減圧して真空に近い状態にする手段である。真空装置３は、真空ポンプによって真空チャンバ１の中の空気を抜く、いわゆる真空引きをして真空チャンバ１の中を減圧する。真空ポンプは、スクロールポンプ３Ａとターボ分子ポンプ３Ｂでなる。真空チャンバ１の中の空気を抜いた後は、流量調整弁３Ｃ，３Ｄを閉じて真空チャンバ１の中を真空に近い状態に保持する。真空ポンプは、電子ビームを照射している間稼働しており、真空チャンバ１の排気をして、真空チャンバ１の中の減圧状態を維持している。

【0018】

稀ガス供給装置４は、真空チャンバ１の中に稀ガスを供給する手段である。稀ガスは、長周期表第１８族元素であるヘリウム，ネオン，アルゴン，クリプトン，キセノン，ラドンを示す。本発明では、稀ガスと窒素ガスのような化学反応性の低い気体とを含めて不活性ガスという。実施の形態の電子ビーム照射装置において、稀ガスは、具体的に、アルゴンガスである。アルゴンガスは、プラズマの生成を促す。窒素ガスは、図示しない浄化装置において、真空チャンバ１の中から汚れたアルゴンガスを追い出して真空チャンバ１の中を清浄にするときに使用される。

【0019】

稀ガス供給装置４は、液化アルゴンを封入したボンベ４Ａと、真空チャンバ１に接続する配管４Ｂと、ボンベ４Ａを開放するバルブ４Ｃと、を含んでなる。電子ビーム照射装置は、真空チャンバ１内の気圧を０．０３Ｐａ以上０．１Ｐａ以下の範囲で減圧状態を維持することができるように設計されている。

【0020】

電子ビーム発生装置５は、電子銃であるカソード電極５Ａと、環状のアノード電極５Ｂと、被照射体６に通電するコレクタ５Ｃと、磁場を形成するソレノイド５Ｄと、を含んでなる。コレクタ５Ｃは、実質的にテーブル４０である。テーブル４０は、グランドライン５Ｅによって真空チャンバ１にアースする。

【0021】

電子ビーム発生用電源装置５Ｆは、カソード電極５Ａとテーブル４０に通電する被照射体６との両極間に電子ビームを発生させるための電圧パルスを印加する高圧電源とを含む。プラズマ発生用電源装置５Ｇは、カソード電極５Ａとアノード電極５Ｂとの間に設けられ、アノード電極５Ｂの環内にプラズマを発生させる電圧を供給する。スイッチ５Ｈは、カソード電極５Ａの電源の接続を切り換える。

【0022】

カソード電極５Ａは、所定の断面積を有する断面円形の基板にチタンの多数の針状突起が設けられて成る。本発明の表面改質方法を実施する電子ビーム照明装置においては、カソード電極５Ａが多数の電子銃を有していると見做すことができる。断面積が比較的大きいカソード電極５Ａによって直径が大きくエネルギ密度がより小さい電子の粒子線束を発生させることができる。そのため、一度の照射においてより広範囲に均一に被照射面に電子ビームを衝突させることができ、表面から数μｍ程度の極浅い深さで材料を変質させることができる。

【0023】

カソード電極５Ａは、密閉された真空チャンバ１内の上側に固定される。カソード電極５Ａの上側の密閉空間の中には、カソードのギャップスイッチが存在する。カソード電極５Ａをチャンバ１の上側に配置することによって、カソード電極５Ａを直下の鉛直方向に所定距離ｄ離れて真空チャンバ１内の下側に設けられているテーブル４０の上に被照射体６を設置することができる。そのため、被照射体６に断面積の大きい電子ビームを重力方向に直線的にかつばらつきなく照射することができる。

【0024】

アノード電極５Ｂは、カソード電極５Ａの断面積よりも大きい内径を有するリング形状を有している。本発明の超硬合金の表面仕上げ方法を実施できる電子ビーム照射装置では、具体的に、カソード電極５Ａの直径が６０ｍｍφのときで、アノード電極５Ｂの内径が２１０ｍｍφである。アノード電極５Ｂは、円環内に比較的存在期間の短いプラズマを生成する。プラズマの電離層は、カソード電極５Ａから放出される電子を収束する。

【0025】

以下に、本発明の超硬合金の表面仕上げ方法の実施の形態を説明する。まず、真空チャンバ１の上側にカソード電極５Ａを固定する。より具体的に、カソード電極５Ａの直径は、カソード電極５Ａに供給し得るカソード電圧と電子線束（電子ビーム柱）の要求される直径を考慮して３０ｍｍφ以上８０ｍｍφ以下である。

【0026】

超硬合金の被照射体６は、カソード電極５Ａから鉛直方向に所定距離ｄ離れて真空チャンバ１内の下側に設けられているテーブル４０上に配置される。所定距離ｄは、電子が被照射体６に衝突するときの速度を考慮して１６０ｍｍ以上２００ｍｍ以下が適当である。

【0027】

アノード電極５Ｂは、カソード電極５Ａと被照射体６との間であって環内に生成されるプラズマの電離層で電子が収束されるために適する位置に予め配設されている。アノード電極５Ｂの直径は、カソード電極５Ａの直径に対応して発生する電子線束の直径に合わせて決定し、１００ｍｍφ以上２００ｍｍφ以下である。

【0028】

被照射体６を設置したら、密閉扉１Ｂを閉めて、真空装置３によって気圧が一度０．０３Ｐａに達するまで真空チャンバ１内を真空引きし、その後、真空チャンバ１内に稀ガス、例えば、アルゴンガスを注入して、真空チャンバ１内を０．０５Ｐａまで減圧した状態にする。

【0029】

次に、カソード電極５Ａと被照射体６との間に配設されている環状のアノード電極５Ｂに所定のアノード電極、例えば、５．０ｋＶの電圧を印加して、アノード電極５Ｂにプラズマを生成する。このとき、電子の速度が低下して被照射体６に電子が到達しないということがないように、ソレノイド５Ｄに１．０ｋＶ以上２．０ｋＶ以下の電圧を印加して磁場を形成して電圧を加速するようにする。そして、直ちにカソード電極５Ａに２５ｋＶ以上３０ｋＶ以下の所定のカソード電圧を印加して約１５ｍｓｅｃ（ミリ秒）の間、被照射体６に電子ビームを照射する。

【0030】

プラズマの生成から電子ビームの照射までの間で１回の電子ビームの照射として、通常１回から２回の電子ビームの照射によって被照射体６の被照射面において超硬合金の含有物質を溶融し均等に分散させることができる。そして、数秒の冷却期間による自然冷却後の再凝固によって被照射面から３μｍないし５μｍの範囲内の均一な深さの変質層が形成される。このとき形成される変質層は、炭化タングステン粒子が溶融し、少しの炭素粒子が残留することがあるが、主に炭化タングステンとコバルトおよびいくらかの添加物が融合している状態になる。

【0031】

３回以上の電子ビームの照射を否定するものではない。ただし、通常は、３回以上の電子ビームの照射を行なうと、被照射面において炭化タングステンの飛散または昇華が進行して炭化タングステンの割合が減少し、コバルトの溶出による改質層が徐々に形成されてくる。したがって、被照射体６の被照射面の見掛け上の性状から超硬合金の組織が十分に崩壊していないと判断されるときに限って３回目の電子ビームの照射を行なうようにすることが望ましい。

【0032】

３０ｋＶよりも高いカソード電圧を印加して電子ビームを照射すると、電子が被照射体６に衝突するときのエネルギが大きすぎて、１回目の電子ビームの照射によって、コバルトの被覆層の形成が進行する。そのため、被照射体６の被照射面を研磨によって薄く均等に除去することが困難になり、本発明の表面仕上げ方法においては、不適当である。また、カソード電圧が２５ｋＶよりも低い電圧値であると、電子が被照射体６に衝突するときのエネルギが小さすぎて、被照射面が殆ど変化しない。もっとも、本来の表面改質の点から言うなら、硬度が低く剥離しやすい変質層の形成は、不測のものであり、そのままでは製品の価値がないと言える。

【0033】

変質層は、研磨によって除去される。変質層においては、炭化タングステン粒子がコバルトによって強固に結合している状態が崩壊しており、超硬合金が有する硬度と耐磨耗性の特性が失われている。また、変質層においては、炭化タングステン粒子が溶融して存在しない状態であるので、被照射体６の本体を構成している超硬合金との間の結合性が相当に低下しており、変質層が被照射体６の本体から一体的に離脱しやすくなっている。

【0034】

そのため、大面積電子ビームを照射後の被照射体６の被照射面を軽く研磨することによって、簡単に被照射体６の本体から変質層だけが除去されて、超硬合金の本体の均一で面粗度が小さい表面が現れる。このとき、研磨する力が強すぎて磨きすぎてしまうと、被照射体６の本体の表面まで傷付けられて、かえって形状精度と面粗度を低下させるおそれがある。そのため、手作業によるときは、粒子のサイズが＃１０００以上＃３０００以下の研磨剤を使用して、十分に小さい力で研磨を行なうことが望ましい。

【0035】

図２は、本発明の実施例における電子ビームの照射によって形成された被照射体６の変質層を示す。このとき、カソード電極５Ａの直径が６０ｍｍφでカソード電圧が３０ｋＶ、アノード電極５Ｂの直径が１２０ｍｍφで内径が約１９０ｍｍφであってアノード電圧が５ｋＶ、ソレノイド電極５Ｅのソレノイド電圧が１．５ｋＶ、真空チャンバ１内の気圧が０．０５Ｐａ、カソード電極５Ａと被照射体６との間の所定距離ｄが１７０ｍｍ、電子ビームの照射時間が１５ｍｍｓｅｃ、照射回数が１回である。

【0036】

図３は、図２に示される被照射体６の表面を＃１０００の研磨剤で手磨きによって研磨して変質層を一体的に除去した後の被照射体６を示す。図３に示されるように、大面積電子ビームの照射による固有の被照射体本体と変質層との均一な境界がそのまま超硬合金の被照射体６の表面になるので、より容易に均一な面粗度の表面に仕上げることができる。なお、図３において研磨後に残る薄い層は再蒸着層である。

【0037】

以上のとおり、実施の形態の超硬合金の表面仕上げ方法によると、超硬合金の高硬度を特性を失うことなく、より容易に高精度で高面粗度の表面を有する超硬合金の製品を得ることができる。特に、超硬合金製の切削工具のように、表面形状が平坦ではない超硬合金製の製品の製作に有効である。

【産業上の利用可能性】

【0038】

本発明は、超硬合金の製品に適用することができる。特に、本発明は、表面形状が平坦ではない超硬工具あるいは超硬金型に有益である。本発明は、超硬合金製の製品の品質の向上と生産性の向上に寄与する。

【符号の説明】

【0039】

１ 真空チャンバ
１Ａ 基台
１Ｂ 密閉扉
２ 移動装置
３ 真空装置
４ 稀ガス供給装置
５ 電子ビーム発生装置
５Ａ カソード電極
５Ｂ アノード電極
５Ｃ コレクタ
５Ｄ ソレノイド
５Ｅ グランドライン
５Ｆ 電子ビーム発生用電源装置
５Ｇ プラズマ発生用電源装置
５Ｈ スイッチ５Ｈ
６ 超硬合金である。
１０ 移動体
２０ 移動体
３０ 昇降装置
４０ テーブル

【図1】

【図2】

【図3】