特表 2024-502736 工具

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-01-23

(54)【発明の名称】工具

(51)【国際特許分類】

   B23B 29/12 20060101AFI20240116BHJP

   B23K 1/00 20060101ALI20240116BHJP

   B23K 35/30 20060101ALI20240116BHJP

   C22C 5/08 20060101ALI20240116BHJP

   C22C 9/00 20060101ALI20240116BHJP

   C22C 38/00 20060101ALI20240116BHJP

   C22C 38/52 20060101ALI20240116BHJP

   C21D 6/00 20060101ALI20240116BHJP

   B23K 1/008 20060101ALN20240116BHJP

【ＦＩ】

B23B29/12 Z

B23K1/00 330B

B23K35/30 310B

B23K35/30 310C

C22C5/08

C22C9/00

C22C38/00 302N

C22C38/52

C21D6/00 M

B23K1/008 B

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023536989

(86)(22)【出願日】2021-12-15

(85)【翻訳文提出日】2023-08-15

(86)【国際出願番号】 EP2021085834

(87)【国際公開番号】W WO2022129133

(87)【国際公開日】2022-06-23

(31)【優先権主張番号】20214970.4

(32)【優先日】2020-12-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】520333435

【氏名又は名称】エービー サンドビック コロマント

(74)【代理人】

【識別番号】110002077

【氏名又は名称】園田・小林弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】ウリツカ， ティモ

(72)【発明者】

【氏名】ティルマン， ヴォルフガング

(72)【発明者】

【氏名】ダール， レイフ

【テーマコード（参考）】

3C046

【Ｆターム（参考）】

3C046MM00

(57)【要約】

本発明は、超硬合金部分（２）とマルエージング鋼部分（１）とを備え、この２つの部分がろう付けによって接合されている工具に関する。本発明はまた、このような工具の作製に関する。本工具によって、均一な硬度を有する強力なろう付け接合部と鋼部分が得られる。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

超硬合金部分であって、前記超硬合金が、金属結合剤相マトリックスに埋め込まれた硬質相を含んでおり、前記硬質相の少なくとも５０重量％がＷＣである、超硬合金部分と、
０～２０ＨＶ１の間の標準偏差で３５０～６００ＨＶ１の間の硬度を有するマルエージング鋼部分と、
前記超硬合金部分および前記鋼部分を接合させるろう付け接合部と
を備える工具であって、
前記ろう付け接合部がＴｉを含んでおり、前記ろう付け接合部が、０．０３～５μｍの間の厚さを有し前記超硬合金部分に隣接しているＴｉＣ層を含んでいる、工具。

【請求項2】

前記マルエージング鋼部分が、０～１４ＨＶ１の間の標準偏差で４００～４６０ＨＶ１の間の硬度を有する、請求項１に記載の工具。

【請求項3】

前記ろう付け接合部が、２０～２００μｍの間の厚さを有する、請求項１または２に記載の工具。

【請求項4】

前記ろう付け接合部の剪断強度が、少なくとも１３０ＭＰａである、請求項１から３のいずれか一項に記載の工具。

【請求項5】

前記ろう付け接合部が、Ｃｕ、Ａｇ、およびＳｎを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の工具。

【請求項6】

前記ろう付け接合部が、３０～８０重量％の量のＡｇ、１５～６５重量％の量のＣｕ、０．３～１５重量％の量のＴｉ、および０～１０重量％の量のＳｎを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の工具。

【請求項7】

前記マルエージング鋼が、１３～２５重量％のＮｉと、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ａｌ、およびＣｒから選択される１０～２７重量％の量の１つまたは複数の合金元素と、０．３重量％未満のＣと、残部としてＦｅとを含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の工具。

【請求項8】

前記マルエージング鋼が、１３～２５重量％のＮｉ、７～１５重量％のＣｏ、３～１０重量％のＭｏ、０．１～１．６重量％のＴｉ、０．０５～０．１５重量％のＣｒ、０～０．２重量％のＡｌ、０．３重量％未満のＣ、ならびに残部としてＦｅおよび不可避不純物を含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の工具。

【請求項9】

請求項１から８のいずれか一項に記載の工具を作製する方法であって、
超硬合金部分を得る工程と、
マルエージング鋼部分を得る工程と、
ろう付け材料であってその０．３～１５重量％の量でＴｉを含むろう付け材料を、前記超硬合金部分と前記マルエージング鋼部分との間にそれらと接触させて配する工程と、
７００～１２００℃の間の温度の炉内で５～６０分の間の期間、前記超硬合金部分および前記マルエージング鋼部分を、前記ろう付け材料を挟んだ状態でろう付け工程にかける工程であって、ろう付けが真空下で行われる、工程と、
少なくとも前記マルエージング鋼部分を、３００～７００℃の間の温度で５分～１２時間にわたり時効処理工程にかける工程と
を含む、工具を作製する方法。

【請求項10】

前記ろう付け工程が、７００～９５０℃の間の温度で、５～１５分の間の期間にわたり実施される、請求項９に記載の工具を作製する方法。

【請求項11】

前記時効処理工程が、５５０～６００℃の間の温度で、３～６時間にわたり実施される、請求項９から１０のいずれか一項に記載の工具を作製する方法。

【請求項12】

前記ろう付け材料が、４８８～１１２３℃の間の固相線温度、および６１２～１１８０℃の間の液相線温度を有しており、前記ろう付け材料が、Ｔｉに加えて、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｚｒ、Ｈｆ、およびＣｒから選択される１つまたは複数の元素をさらに含む、請求項９から１１のいずれか一項に記載の工具を作製する方法。

【請求項13】

ろう付け前の前記ろう付け材料の厚さが２５～２００μｍの間である、請求項９から１２のいずれか一項に記載の工具を作製する方法。

【請求項14】

０．５～１０ＭＰａの間の型締力が、前記ろう付け工程中に加えられる、請求項９から１３のいずれか一項に記載の工具を作製する方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超硬合金部分とマルエージング鋼部分とを備え、これらの部分がろう付けによって接合されている工具に関する。本発明はまた、このような工具の作製に関する。

【背景技術】

【0002】

ろう付けまたは溶接によって鋼を超硬合金と接合させることは、工具を作製する技術分野で長い間知られている。鋼を超硬合金と接合させる際にいくつかの難題、例えば、ＣＴＥ（熱膨張率）の差、ろう付け接合部の強度、鋼の望ましくない硬度プロファイルなどが存在する。

【0003】

これらの課題のそれぞれを個々に改善できる解決策がいくつか存在するが、その解決策は他の分野で課題をもたらすことが多いため、すべての課題が解決可能というわけではない。

【0004】

ろう付けの原理は、加熱に際して２つの片を接合させるろう付け材料を使用することである。ろう付け接合部を加熱する方法がいくつか存在し、最も一般的な方法の１つは誘導コイルを用いた誘導加熱である。コイルを使用する利点の１つは、ろう付け接合部の周囲の局所領域のみが加熱され、工具の残りの部分は影響を受けず残るという点である。しかし、この局所的な加熱は、鋼部分に望ましくない硬度プロファイルを生じさせるおそれがあるため、回転工具や他の切削工具などを締結するために鋼部分にねじ切りを設けられる場合に課題が生じる可能性がある。

【0005】

コイルを用いた加熱のさらなる欠点は、各工具の取扱いを個々に行う必要があるという点であるため、より自動的な工業プロセスが好ましい。

【0006】

鋼部分および超硬合金部分全体を加熱すると、硬度プロファイルはより均一になるが、その後の温度上昇が鋼部分全体に影響を及ぼすため、全体的な硬度が低下してしまう。

【0007】

切削工具を固定するために鋼部分にねじ切りを設ける場合に起こり得る別の課題は、摩耗である。この工具、例えばシャンクは好ましくは長時間使用されるため、切削工具に多くの変化が起こり、ねじ切りの摩耗が切削工具の締結に悪影響を及ぼすおそれがある。

【0008】

本発明の１つの目的は、均一な硬度プロファイルおよび高い硬度を有し、その結果として耐摩耗性が改善された強力なろう付け接合部と鋼部分の両方を有する工具を提供することである。

【0009】

本発明の別の目的は、使用が容易であって、かつ高強度を有する予測可能な接合部および予測可能な硬度を有する鋼部分が得られる、鋼と超硬合金とを接合させるプロセスを提供することである。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明９の超硬合金部分とろう付け材料との間の接触面のＳＥＭ画像を倍率１０，０００倍で示す図である。

【図2】本発明９の超硬合金部分とろう付け材料との間の接触面のＳＥＭ画像を倍率４０，０００倍で示す図である。

【図3】本発明の一実施形態の超硬合金部分とろう付け材料との間の接触面における元素ＴｉのＥＤＳマッピング示す図である。

【図4】本発明の一実施形態の超硬合金部分とろう付け材料との間の接触面のＳＥＭ画像を倍率１０，０００倍で示す図である。

【図5】誘導加熱が使用された工具の硬度プロファイルを示す図である。Ａは鋼部分、Ｂはろう付け接合部、Ｃは超硬合金である。

【図6】剪断試験デバイスの概略図を示す図であり、１は鋼部分、２は超硬合金部分である。

【図7】実施例７のろう付け接合部の様々な部分を示す図であり、Ａは超硬合金部分、Ｂはマルエージング鋼部分である。

【図8】実施例７のろう付け接合部の様々な部分を示す図であり、Ａは超硬合金部分、Ｂはマルエージング鋼部分である。

【図9】実施例７のろう付け接合部の様々な部分を示す図であり、Ａは超硬合金部分、Ｂはマルエージング鋼部分である。

【図10】特許請求された方法の工程を示す図であり、Ａは超硬合金部分を得る工程、Ｂはマルエージング鋼部分を得る工程、Ｃは超硬合金部分とマルエージング鋼部分との間にろう付け材料を配する工程である。Ｄはろう付け工程であり、Ｅは時効処理工程である。

【図11】ろう付けされたシャンクの一例を示す図であり、Ａは超硬合金部分、Ｂは鋼部分である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本発明は、超硬合金部分と、０～２０ＨＶ１の間の標準偏差で３５０～６００ＨＶ１の間の硬度を有するマルエージング鋼部分とを備える工具に関する。本工具は、上記超硬合金部分と上記鋼部分とを接合させるろう付け接合部をさらに備えており、上記ろう付け接合部はＴｉを含み、上記ろう付け接合部は、０．０３～５μｍの間の厚さを有し超硬合金部分に隣接しているＴｉＣ層を含む。

【0012】

超硬合金部分は、当該技術分野で一般的なあらゆる超硬合金で作製できる。超硬合金は、金属結合剤相マトリックスに埋め込まれた硬質相を含む。

【0013】

超硬合金とは、本明細書中で硬質相の少なくとも５０重量％がＷＣであることを意味する。

【0014】

好適には、金属結合剤相の量は、超硬合金の３～２０重量％の間、好ましくは４～１５重量％の間である。好ましくは、金属結合剤相の主な成分は、Ｃｏ、Ｎｉ、およびＦｅのうち１つまたは複数から選択され、より好ましくは金属結合剤相の主な成分はＣｏである。

【0015】

主な成分とは、本明細書中で、結合相を形成するために他の元素が添加されないことを意味するが、例えばＣｒのような他の成分が添加される場合、これは焼結中、必然的に結合剤に溶解されることになる。

【0016】

本発明の一実施形態では、超硬合金はまた、元素として、または炭化物、窒化物、もしくは炭窒化物として存在するＣｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｎｂ、およびＶから選択される超硬合金元素に共通する他の成分も含むことができる。

【0017】

鋼部分はマルエージング鋼で作製される。マルエージング鋼は、金属間化合物の析出によって硬化する鋼の一種である。マルエージング鋼は、好適には１３～２５重量％のＮｉと、１つまたは複数の合金元素であって、合金元素の１０～２７重量％、好ましくは１１～２３重量％の総量でＣｏ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ａｌ、およびＣｒから選択される合金元素と含有している。マルエージング鋼は、典型的に従来の鋼よりも炭素が少なく、好適には０．０３重量％以下の炭素を含有している。残部はＦｅと不可避不純物である。

【0018】

本発明によるマルエージング鋼は、好ましくは１３～２５重量％のＮｉ、好ましくは１７～２５重量％のＮｉを含有している。合金元素は、好適には、７～１５重量％の量のＣｏ、好ましくは８．５～１２．５重量％のＣｏ、３～１０重量％の量のＭｏ、好ましくは３～６重量％のＭｏ、０．１～１．６重量％の量のＴｉ、好ましくは０．５～１．２重量％のＴｉ、０．０５～０．１５重量％のＣｒ、０～０．２重量％の量のＡｌ、および０．０３重量％未満のＣである。残部は、Ｆｅと不可避不純物である。

【0019】

本発明の一実施形態では、マルエージング鋼は、１７～１９重量％のＮｉ、８．５～１２．５重量％のＣｏ、４～６重量％のＭｏ、０．５～１．２重量％のＴｉ、０．０５～０．１５重量％のＣｒ、０～０．２重量％のＡｌ、０．０３重量％未満のＣ、ならびに残部としてＦｅおよび不可避不純物という組成を有している。

【0020】

マルエージング鋼部分の平均硬度は、好適には３５０～６００ＨＶ１の間、好ましくは４００～４６０ＨＶ１の間、およびより好ましくは４１０～４５０ＨＶ１の間である。硬度は、１ｋｇｆ（キログラム力）の荷重および１５秒の荷重時間を加えて、ビッカース硬度計によって測定される。マルエージング鋼部分の全材料（表面ではない）には３×６の刻み目（ｉｎｄｅｎｔｓ）のパターンが適用された。平均値は、これら測定点の平均値である。硬度値の標準偏差は、好適には０～２０ＨＶ１の間、好ましくは０～１４ＨＶ１の間である。

【0021】

ろう付けの技術は、いわゆる活性ろう付けである。これは、ろう付け材料を溶融させて金属結合を形成することによって接合部が形成されるだけでなく、接合部には接合対象である材料の一方または両方との化学反応も必要であることを意味する。ろう付け材料中の反応性元素は、通常Ｔｉであるが、Ｈｆ、Ｖ、Ｚｒ、およびＣｒなどの元素も活性元素と見なされる。本発明によれば、Ｔｉが活性元素である。

【0022】

ろう付け接合部とは、本明細書中で、超硬合金部分とマルエージング鋼部分との間にあり、ろう付け材料で充填されるとともにろう付けプロセス中に形成される領域または質量を意味しており、下記を参照されたい。

【0023】

ろう付け接合部の厚さは、好適には２０～２００μｍの間、好ましくは３０～１００μｍの間である。

【0024】

ろう付け接合部は、均質相ではない。代わりに、ろう付けの後、ろう付け材料中の元素は、異なる相を形成する。

【0025】

ろう付け接合部は、好適にはＴｉを含有する。ろう付けの間、Ｔｉは、超硬合金部分中の炭素と反応して、ろう付け接合部と超硬合金部分との間の接触面にＴｉＣ層を形成する。

【0026】

どの種類の機器が使用されるかに応じて、ＴｉＣ層の存在を検出する方法がいくつか存在する。

【0027】

十分な高分解能を有する走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）が使用される場合、ＴｉＣ層は超硬合金部分に隣接して明確に視認できる。例えば、図１および図２を参照されたい。

【0028】

使用されるＳＥＭにＴｉＣ層を示すほどの分解能がない場合、ろう付け材料と超硬合金との間の接触面におけるＴｉおよび／またはＣの蓄積は、例えばＷＤＳを有するＳＥＭ－ＥＤＳまたはＳＥＭ－ＥＰＭＡを用いて確認できる。Ｔｉの蓄積は、本明細書中では以降Ｔｉ蓄積層と呼ばれ、ＳＥＭ画像中で視認により検出されなくとも、ＴｉＣ層が形成されていることを示す優れた指標である。Ｔｉ蓄積層は実際のＴｉＣ層よりもかなり厚く、これはすべてのＴｉがＴｉＣを形成するわけではないことを意味し得る。Ｔｉ蓄積層の厚さは、分析方法による影響も部分的に受ける。

【0029】

本発明の一実施形態では、ＴｉＣ層の厚さは、０．０３～５μｍの間、より好ましくは０．０５～０．５μｍの間、および最も好ましくは０．０５～０．２５μｍの間である。

【0030】

好ましくは、ろう付け接合部は、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒから選択される１つまたは複数の元素をさらに含む。より好ましくは、Ａｇ、Ｃｕ、およびＳｎから選択される。

【0031】

ろう付け後のろう付け接合部の組成は、元素が均一に分配されていないことから判定が困難である。ペーストまたは箔は均質な混成物であるので、利用可能な場合、最も容易な方法は、使用されたろう付け材料を確認することである。また、ろう付け接合部は、接合対象である材料からの少量の元素、例えば、超硬合金からのＣｏやＷ、およびマルエージング鋼からのＦｅやＮｉなどを含む場合がある。

【0032】

ろう付け接合部のＴｉおよび他の元素の量は、エネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＥＤＳ：Ｅｎｅｒｇｙ－ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ－ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ａｎａｌｙｓｉｓ）を使用して測定することもできる。しかし、ろう付け接合部中の元素の分配が不均一であるため、多くの測定点を使用する必要があり、標準偏差が大きくなる。好ましくは、ろう付け接合部は、平均で、３０～８０重量％、好ましくは４０～７５重量％の量のＡｇ、１５～６５重量％、好ましくは２０～４０重量％の量のＣｕ、０．３～１５重量％、好ましくは０．５～５重量％の量のＴｉ、および０～１０重量％、好ましくは０～２重量％の量のＳｎを含む。

【0033】

ろう付け接合部は、好適には少なくとも１３０ＭＰａ、好ましくは少なくとも１４０ＭＰａ、より好ましくは１４０～３００ＭＰａの間の剪断強度を有する。剪断強度は、剪断試験によって測定される。

【0034】

ろう付け接合部とマルエージング鋼部分との間の接触面では、Ｔｉもろう付け接合部に蓄積され、マルエージング鋼中の鉄との金属結合を形成する。マルエージング鋼表面にあるＴｉの蓄積層の厚さは、好ましくは１～１０μｍの間、好ましくは２～５μｍの間であり、例えばＥＤＳによって測定することができる。

【0035】

本発明の一実施形態では、マルエージング鋼部分は、少なくともろう付け接合部側の表面上に、２～１０μｍの間、好ましくは４～６μｍの間の平均厚さを有するＮｉ層を設けられる。

【0036】

Ｎｉ層は、箔として設けるか、または、例えば物理蒸着のようなあらゆる好適な堆積方法により堆積させることができる。

【0037】

本発明の一実施形態では、Ｎｉ層はマルエージング鋼部分に設けられない。

【0038】

本発明の一実施形態では、マルエージング鋼は、１７～１９重量％のＮｉ、８．５～１２．５重量％のＣｏ、４～６重量％のＭｏ、０．５～１．２重量％のＴｉ、０．０５～０．１５重量％のＣｒ、０～０．２重量％のＡｌ、０．０３重量％未満のＣ、ならびに残部としてＦｅおよび不可避不純物という組成を有しており、好ましくはグレード１．２７０９のマルエージング鋼が使用される。超硬合金は、４～１５重量％のＣｏ、０．１～１重量％のＣｒ、および残りとしてＷＣという組成を有する。ろう付け接合部は、５５～７５重量％のＡｇ、２０～３６重量％のＣｕ、１～３重量％のＴｉ、および２～８重量％のＳｎという平均組成を有する。

【0039】

本工具は、超硬合金部分がろう付けにより鋼部分に接合されている、当該技術分野で一般的なあらゆる工具、または工具の一部とすることができる。例として、ドリル、エンドミル、シャンクのようなツールホルダなどがある。

【0040】

本発明の一実施形態では、本工具は、インサートやドリルヘッドなどの切削工具用のツールホルダとして使用されるシャンクである。このシャンクは、超硬合金部分および鋼部分によって形成されており、超硬合金部分は安定性をもたらすために使用され、鋼部分は切削工具を締結するためのねじ切りを作り出すのに必要とされる。

【0041】

本発明はまた、上記による工具を作製する方法であって、
超硬合金部分およびマルエージング鋼部分を得る工程と、
ろう付け材料であってその０．３～１５重量％の量でＴｉを含むろう付け材料を、超硬合金部分とマルエージング鋼部分との間にそれらと接触させて配する工程と、
７００～１２００℃の間の温度の炉内で５～６０分の間の期間、超硬合金部分およびマルエージング鋼部分を、ろう付け材料を挟んだ状態でろう付け工程にかける工程であって、ろう付けが真空下で行われる、工程と、
少なくともマルエージング鋼部分を、３００～７００℃の間の温度で５分～１２時間にわたり時効処理工程にかける工程と
を含む方法に関する。

【0042】

超硬合金部分およびマルエージング鋼部分は、上述のような組成を有する。ろう付け前のマルエージング部分の硬度は、マルエージング鋼のグレード、および鋼が時効処理されているか否かによって、上述のものとは異なる可能性がある。

【0043】

超硬合金部分およびマルエージング鋼部分の形状とサイズは、作製対象である工具の種類に左右される。

【0044】

本発明によるろう付け材料（フィラーメタルまたははんだとも呼ばれる）は、ろう付け材料の０．３～１５重量％、好ましくは１～５重量％の総量でＴｉを含有する。本発明のろう付け材料は、好適には４８８～１１２３℃の間、好ましくは６５０～７８０℃の間の固相線温度を有する。さらに、本発明のろう付け材料は、６１２～１１８０℃の間、好ましくは７５０～８５０℃の間の液相線温度を有する。ろう付け材料は、Ｔｉに加えて、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｚｒ、Ｈｆ、およびＣｒから選択される１つまたは複数の元素をさらに含む。

【0045】

本発明の一実施形態では、ろう付け材料は、３０～８０重量％、好ましくは４０～７５重量％の量のＡｇ、１５～６５重量％、好ましくは２０～４０重量％の量のＣｕ、０．３～１５重量％、好ましくは０．５～５重量％の量のＴｉ、および０～１０重量％、好ましくは０～２重量％の量のＳｎを含む。

【0046】

好適には、ろう付け材料は、箔またはペーストとして設けられる。

【0047】

ろう付け材料は、超硬合金部分および鋼部分の接合面に設けられる。

【0048】

ろう付けプロセス前のろう付け材料の厚さは、好適には２５～２００μｍの間、好ましくは５０～１００μｍの間である。

【0049】

次いで、これらの部分は、不活性環境、すなわち酸素が最小量である炉内に入れられる。好ましくは、炉内のろう付け温度は、７５０～１２００℃の間、好ましくは８００～９５０℃の間、より好ましくは８００～８３０℃の間である。これらの部分が高温にさらされる時間は、５～６０分の間、好ましくは５～１５分の間である。高温での時間が短い場合、ろう付け接合部が形成されＴｉが反応することで所望のろう付け接合部の強度を達成するのに十分な時間がない。高温での時間が長い場合、Ｔｉを含有する脆い反応区域は制御されることなく成長するため、接合特性、例えば剪断強度に悪影響を及ぼすことになる。

【0050】

ろう付けは、好適には真空下、または低分圧のアルゴンの存在下で行われる。真空とは、本明細書中では炉内の圧力が５×１０^－４ｍｂａｒ未満、好ましくは５×１０^－５ｍｂａｒ未満であることを意味する。アルゴンが存在する場合、アルゴンの圧力は１×１０^－２ｍｂａｒ未満である。

【0051】

炉内でのろう付け中、ろう付けをさらに強化するために型締力が加えられてもよい。型締力とは、本明細書中では、好ましくは外部分銅を炭化物部分に置くことによって力が加えられるように、鋼部分と超硬合金部分とが互いに押し付けられることを意味する。超硬合金部分またはマルエージング鋼部分の重量によってろう付け接合部に作用する力は、どちらの部分が他方の部分の上にあるかに応じて、これらの値に含まれない。

【0052】

一実施形態では、０．５～１０ＭＰａの間、好ましくは２～８ＭＰａの間の型締力が加えられる。

【0053】

本発明の一実施形態では、型締力は加えられない。

【0054】

ろう付け後、これらの部分は、３００～７００℃の間、好ましくは５００～６００℃、および最も好ましくは５５０～６００℃の間の高い時効処理温度に５分～１２時間、好ましくは３～６時間にわたりさらされることにより、時効処理工程にかけられる。

【0055】

好適には、時効処理温度までの加熱速度は、１～５０℃／分の間、好ましくは５～１０℃／分の間である。好適には、時効処理温度から、少なくともろう付け材料の固相線温度未満の温度への冷却速度は、１～５０℃／分の間、好ましくは５～１０℃／分の間である。

【0056】

本発明に従い使用されるろう付け炉は、上述したように、真空、加熱、および冷却速度などに関して制御が良好な条件を提供できる、いずれかの炉とすることができる。ろう付けおよび時効処理の工程は、同じ炉内、または２つ別々の炉内のいずれかで行うことができる。

【0057】

鋼部分は、例えばねじ切りなどの機械操作にかけられることが一般的である。鋼部分の機械加工を可能とするには、硬度は高すぎない方がよく、選択されるマルエージング鋼グレードの種類に応じて、時効処理工程は、工具完成品において所望の硬度および耐摩耗性を達成するために、鋼部分の機械加工の前または後のいずれかで行うことができる。

【0058】

本発明の一実施形態では、時効処理はろう付け工程の直後に行われ、例えばねじ切りのような鋼に対するあらゆる機械加工は、既に時効処理されたマルエージング鋼に対して、すなわち時効処理工程の後に実施される。

【0059】

本発明の別の実施形態では、時効処理は、例えばねじ切りなどの鋼に対するあらゆる機械加工後に行われる。

【実施例1】

【0060】

（本発明）
マルエージング鋼１．２７０９で作製した鋼部分を、１０重量％のＣｏ、１重量％の他の炭化物、および残りとしてＷＣという組成を有する超硬合金部分とともに得た。

【0061】

ろう付け材料を厚さ１００μｍの箔の形で得た。ろう付け材料は、６５．０重量％のＡｇ、２８．０重量％のＣｕ、２．０重量％のＴｉ、および５．０重量％のＳｎという組成を有していた。固相線温度は約７００℃、液相線温度は約７５０℃である。

【0062】

マルエージング鋼部分と超硬合金部分との間に箔を配し、両片が箔に接触するようにした。次いで、組み立てられた接合片をＳｃｈｍｅｔｚの真空炉（型：ＥＵ８０／１Ｈ ３０×４５×３０ ６ｂａｒ Ｓｙｓｔｅｍ ^＊２ＲＶ^＊）に入れ、先ず温度を２０℃／分の速度で８１５℃に上昇させた。８１５℃のろう付け温度を時間ｔ_{ｂｒａｚｉｎｇ}にわたり維持し、その後に片を５℃／分の速度で３００℃に降温した。３００℃に達した後、片をフリークーリング（ｆｒｅｅ ｃｏｏｌｉｎｇ）した。

【0063】

試料の一部については、ろう付け材料に面するマルエージング鋼部分の表面を、０．２μｍの標準偏差で４．７μｍの平均厚さを有するＮｉ層でコーティングした。Ｎｉ層はアーク物理蒸着（Ａｒｃ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により塗布された。

【0064】

ろう付け工程の後、ろう付けされた片を時効処理プロセスにかけることで、マルエージング鋼の硬度を保持した。片を炉内に入れ、先ず温度を５℃／分の速度で５８０℃に上昇させた。５８０℃の温度を３時間維持し、その後に片を５℃／分の速度で３００℃に降温した。３００℃に達した後、片をフリークーリングした。

【実施例2】

【0065】

（本発明）
マルエージング鋼１．２７０９で作製した鋼部分を、１０重量％のＣｏ、１重量％の他の炭化物、および残りとしてＷＣという組成を有する超硬合金部分に接合させることにより、工具シャンクを製造した。

【0066】

ろう付け材料を厚さ１００μｍの箔の形で得た。ろう付け金属は、６５．０重量％のＡｇ、２８．０重量％のＣｕ、２．０重量％のＴｉ、および５．０重量％のＳｎという組成を有していた。固相線温度は約７００℃、液相線温度は約７５０℃である。

【0067】

箔をマルエージング鋼部分と超硬合金部分との間に配し、組み立てられた接合片をＳｃｈｍｅｔｚの真空炉（型：ＥＵ８０／１Ｈ ３０×４５×３０ ６ｂａｒ Ｓｙｓｔｅｍ ^＊２ＲＶ^＊）に入れ、先ず温度を２０℃／分の速度で８１５℃に上昇させた。８１５℃のろう付け温度を時間ｔ_{ｂｒａｚｉｎｇ}＝１５分間にわたり維持し、その後に片を５℃／分の速度で３００℃に降温した。３００℃に達した後、片をフリークーリングした。

【0068】

本実施例により作製された工具を、以降、本発明９と呼ぶ。

【実施例3】

【0069】

（比較例）
マルエージング鋼１．６５８２（３４ＣｒＮｉＭｏ６）で作製した鋼部分を、１０重量％のＣｏ、０．４重量％のＣｒ、および残りとしてＷＣという組成を有する超硬合金部分とともに得た。

【0070】

ろう付け材料は、Ａｇ４９Ｚｎ２３Ｃｕ１６Ｍｎ７．５Ｎｉ４．５であってワイヤの形にあり、直径１～２ｍｍのリングとして適用された。

【0071】

コイルを用いた誘導加熱により、ろう付け接合部を速やかに７００℃に加熱することによって片を接合し、１５秒間保持した後、粉末を切り、工具を室温に降温する。図５には鋼部分の硬度値が示されており、測定点は、鋼部分のろう付け接合部から、ろう付け接合部を越えて超硬合金部分までの距離の線に沿って配されている。

【0072】

この試料を本明細書中では比較例１と表す。

【実施例4】

【0073】

（比較例）
炭素硬化熱間加工鋼（ｃａｒｂｏｎ－ｈａｒｄｅｎｉｎｇ ｈｏｔ－ｗｏｒｋ ｓｔｅｅｌ）１．２３４４で作製した鋼部分を、１０重量％のＣｏ、１重量％の他の炭化物、および残りとしてＷＣという組成を有する超硬合金部分とともに得た。熱間加工鋼成分はプリハードン状態にあった。この鋼を真空炉内でＮ_２により１０６０℃から急冷し、続いて２００℃で１０分間の緩和を３回行った。急冷された１．２３４４部分の平均硬度値は５８２ＨＶ１であり、標準偏差は６６ＨＶ１であった。

【0074】

ろう付け材料１を厚さ１００μｍの箔の形で得た。ろう付け材料２をペーストの形で得た。ろう付け材料１は、６０．０重量％のＡｇ、２４．０重量％のＣｕ、１４．０重量％のＩｎ、および２．０重量％のＴｉという組成を有していた。固相線温度は約６２０℃、液相線温度は約７２０℃である。ろう付け材料２は、５９．０重量％のＡｇ、２７．２５重量％のＣｕ、１２．５重量％のＩｎ、および１．２５重量％のＴｉという組成を有していた。固相線温度は約６０５℃、液相線温度は約７１５℃である。

【0075】

マルエージング鋼部分と超硬合金部分との間にろう付け材料を配し、両片がろう付け材料に接触するようにした。組み立てられた接合片を炉に入れ、先ず温度を２０℃／分の速度で５００℃に上昇させ、５分間保持した。次いで、５００℃のろう付け温度から、５０℃／分の速度によりろう付け温度Ｔ_{Ｂｒａｚｉｎｇ}まで上昇させたが、６８５℃（ろう付け材料１）と７１５℃（ろう付け材料２）とで異なっていた。Ｔ_{Ｂｒａｚｉｎｇ}を４分間の滞留時間にわたり維持し、その後、片をフリークーリングにより室温に降温した。

【0076】

硬度を測定し、その結果を表２に示す。

【0077】

６８５℃（ろう付け材料１）および７１５℃（ろう付け材料２）の２つの試料を、本明細書中ではそれぞれ比較例２および比較例３と表す。

【0078】

剪断強度値の判定は行わなかった。

【実施例5】

【0079】

（比較例）
炭素硬化熱間加工鋼１．２３４４で作製した鋼部分を、１０重量％のＣｏ、１重量％の他の炭化物、および残りとしてＷＣという組成を有する超硬合金部分とともに得た。

【0080】

ろう付け材料を厚さ１００μｍの箔の形で得た。ろう付け金属は、１００．０重量％のＣｕの組成を有していた。溶融温度は１０８５℃である。

【0081】

マルエージング鋼部分と超硬合金部分との間に箔を配し、組み立てられた接合片を炉に入れ、先ず温度を２０℃／分の速度で６５０℃に上昇させ、５分間保持した。次いで、６５０℃のろう付け温度から、１０Ｋ／分の速度によりろう付け温度Ｔ_{Ｂｒａｚｉｎｇ}まで上昇させ、１１００℃とした。Ｔ_{Ｂｒａｚｉｎｇ}を１５分の滞留時間にわたり維持し、その後、片を５０Ｋ／分の冷却速度で８５０℃に降温した。２バールの過圧および２５００分^－１のファン周波数（ｆａｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）で、標本をＮ_２により８５０℃から急冷した。

【0082】

続いて、炭素硬化熱間加工鋼１．２３４４を有する超硬合金－鋼接合部に、６３０℃で２時間、２回の時効処理を行った。

【0083】

この試料を本明細書中では比較例４と表す。

【実施例6】

【0084】

（比較例）
炭素硬化冷間加工鋼１．２７１４で作製した鋼部分を、１０重量％のＣｏ、１重量％の他の炭化物、および残りとしてＷＣという組成を有する超硬合金部分とともに得た。

【0085】

ろう付け金属を厚さ１００μｍの箔の形で得た。ろう付け材料１は、１００．０重量％のＣｕの組成を有していた。溶融温度は１０８５℃である。

【0086】

マルエージング鋼部分と超硬合金部分との間に箔を配し、組み立てられた接合片を炉に入れ、先ず温度を２０℃／分の速度で６５０℃に上昇させ、５分間保持した。次いで、６５０℃のろう付け温度から、１０Ｋ／分の速度によりろう付け温度Ｔ_{Ｂｒａｚｉｎｇ}まで上昇させ、１１００℃とした。Ｔ_{Ｂｒａｚｉｎｇ}を１５分の滞留時間にわたり維持した。滞留時間の後、室温になるまでフリークーリングを開始した。

【0087】

続いて、炭素硬化冷間加工鋼１．２７１４部分を有する超硬合金－鋼接合部を、トーチによって１０分間、８５０℃の温度に加熱し、次いで油の中で室温に急冷した。その後、引張緩和を真空炉内にて、２００℃で２時間行った。

【0088】

続いて、炭素硬化冷間加工鋼１．２７１４部分を有する超硬合金－鋼接合部に、５００℃で２時間、時効処理を行った。

【0089】

この試料を本明細書中では以降、比較例５と呼ぶ。

【実施例7】

【0090】

組み立てられた接合片を、ろう付け接合部の剪断強度、マルエージング鋼部分の硬度、および必要に応じてろう付け接合部のＴｉＣ層の硬度を測定することによって評価した。

【0091】

接合強度特性を評価するために、図６に示すような剪断デバイス設定を使用して試料に剪断試験を行い、このとき、１は鋼円筒形状の鋼部分（φ＝２０ｍｍ、ｈ＝５ｍｍ）、２は超硬合金円筒形状の超硬合金部分（φ＝１０ｍｍ、ｈ＝５ｍｍ）である。鋼円筒は、剪断強度試験デバイスの間隙に配置されるので、荷重方向にのみ動かすことができる。デバイスの表面に侵食したノッチにより、接合された部分同士が正確な位置に保持され、ろう付け接合部への均等に分配された力の誘導が確保される。加える力を、ろう付け接合部が破損し、超硬合金円筒が剪断されるまで常に増加させた。次いで、測定された最大の力と初期の接合面との商（Ａ＝７８、５ｍｍ^２）により、極限剪断強度を算出した。ろう付け接合部の剪断強度の判定前に、ろう付け材料は除去されなかった。ロッドに試験を行う場合も同じ方法を適用した。

【0092】

マルエージング１．２７０９鋼部分の硬度を、ビッカース硬度計により、マルエージング鋼部分の断面上、１ｋｇｆ（キログラム力）の荷重および１５秒の荷重時間を加えることで測定した。断面中のマルエージング鋼１．２７０９部分の完全なプロファイル（約２０×５ｍｍ^２）をカバーする３×６の刻み目のパターンを適用した。

【0093】

本発明１～８のろう付け接合部と超硬合金との接触面を分析するために、ＳＥＭ－ＥＤＳ技術を使用した。使用したＳＥＭはＪｅｏｌ ＪＳＭ－７００１Ｆであり、熱電界放射陰極（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）を備えた高分解能の電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ：Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）であった。本発明１～８のろう付け接合部におけるＴｉＣ層の厚さを、ＳＥＭ画像上、倍率１０，０００倍で測定した。後方散乱電子モードで、ＴｉＣ層を外観により特定した。図４には、ＴｉＣ層が明確に視認可能な本発明２のＳＥＭ画像を示す。表２に提供するＴｉＣ層の厚さの値は、３回の測定の平均であり、測定はすべてろう付け接合部の中央、すなわち縁部から離れた場所にて行われた。

【0094】

Ｔｉの蓄積は、ＥＤＳを用いてＴｉ蓄積層として特定かつ測定することができる。蓄積層とは、本明細書中ではＥＤＳ走査から推定される蓄積の厚さを意味する。表２の値は、ＥＤＳ走査の目視検査による推定値であるため、間隔として提供される。

【0095】

本発明９のろう付け接合部と超硬合金との接触面を分析するために、異なるＳＥＭとして、Ｓｃｈｏｔｔｋｙ型銃を備えた電界放射型ＳＥＭ（ＳＵ７０００型、日立）を使用した。画像を入射エネルギー１０ｋｅＶの電子ビームで取得し、フォトダイオード型後方散乱電子検出器によってシグナルを収集した。後方散乱電子モードで、ＴｉＣ層を外観により特定した。図１には、ＴｉＣ層が明確に視認可能な本発明９のＳＥＭ画像を倍率１０，０００倍で示す。図２は、本発明９のＳＥＭ画像を倍率４０，０００倍で示す図である。表２の厚さは、５回の測定の平均であり、測定はすべてろう付け接合部の中央、すなわち縁部から離れた場所にて、ＳＥＭ画像上、倍率１０，０００倍で行われた。

【0096】

図３には、Ｔｉの蓄積がＥＤＳを用いて示されている。

【0097】

この蓄積が実際にＴｉＣ層であることを、ＥＰＭＡを用いてＴｉおよびＣを分析することにより確認した。

【実施例8】

【0098】

実施例１から本発明２のろう付け接合部を、ＳＥＭ－ＥＤＳおよびＳＥＭ画像によって分析し、それとともに、ろう付け接合部の３つの異なる部分として部分１、２、および３に対するＥＤＳマッピングを、それぞれ図７～図８に示す。確認できるように、ろう付け接合部は均質ではない。

【0099】

ろう付け接合部の３つの異なる部分における様々な元素を、ＥＤＳを用いたマッピングにより領域の化学組成を測定することによって分析し、その結果を表３に示す。確認できるように、鋼からＦｅ、Ｎｉ、およびＴｉの一部、ならびに超硬合金からＷおよびＣｏが幾分含まれている。

【0100】

表３から明らかなように、ろう付け接合部内の元素の分配は、同じろう付け接合部の異なる部分間で変動し、ろう付け接合部の極めて良好な平均組成を得るには、ろう付け接合部の１つより多くの部分を分析する必要がある。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【国際調査報告】