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(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】2024-04-10
(54)【発明の名称】工具およびその製造方法
(51)【国際特許分類】
B23B 27/18 20060101AFI20240403BHJP
B23K 1/00 20060101ALI20240403BHJP
B23K 1/008 20060101ALI20240403BHJP
B23P 15/28 20060101ALI20240403BHJP
C22C 38/00 20060101ALI20240403BHJP
C22C 38/58 20060101ALI20240403BHJP
C22C 5/08 20060101ALI20240403BHJP
C22C 9/00 20060101ALI20240403BHJP
B23K 35/30 20060101ALI20240403BHJP
C21D 9/50 20060101ALI20240403BHJP
C21D 9/22 20060101ALI20240403BHJP
B23B 27/14 20060101ALI20240403BHJP
C22C 29/08 20060101ALN20240403BHJP
【ＦＩ】
B23B27/18
B23K1/00 330B
B23K1/008 A
B23P15/28 Z
C22C38/00 301H
C22C38/58
C22C5/08
C22C9/00
B23K35/30 310B
B23K35/30 310C
C21D9/50 101B
C21D9/22
B23B27/14 B
C22C29/08
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023560381
(86)(22)【出願日】2022-03-30
(85)【翻訳文提出日】2023-11-28
(86)【国際出願番号】 EP2022058424
(87)【国際公開番号】W WO2022207711
(87)【国際公開日】2022-10-06
(31)【優先権主張番号】21166490.9
(32)【優先日】2021-04-01
(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】591106875
【氏名又は名称】セコ ツールズ アクティエボラーグ
(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】ラーソン－フリッツ， ステファン
【テーマコード（参考）】
3C046
4K042
【Ｆターム（参考）】
3C046GG00
4K042AA12
4K042AA24
4K042BA14
4K042CA06
4K042CA08
4K042CA10
4K042DA01
4K042DA02
4K042DC02
4K042DC03
4K042DC04
4K042DE02
4K042DE05
(57)【要約】
本発明は、ろう付けによって接合された超硬合金部位および鋼部位を含む工具であって、鋼部位が３９０～５１０ ＨＶ３０の平均硬度を有する、工具に関する。ろう付け接合部は、Ｔｉおよび超硬合金部位に隣接して０．０３～５μｍの厚さのＴｉＣ層を含む。工具は、強いろう付け接合部および均一な硬度を有する鋼部位を提供する。
【選択図】図３
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
超硬合金部位；０．６３～０．７０ｗｔ％のＣ、１．４０～１．６０ｗｔ％のＳｉ、１．３５～１．５５ｗｔ％のＭｎ、１．００～１．２０ｗｔ％のＣｒ、０．２３～０．２７ｗｔ％のＭｏ、０．２５ｗｔ％未満のＮｉ、０．０２５ｗｔ％未満のＰおよび０．００１５ｗｔ％未満のＳならびに残余Ｆｅの組成を有し；０と３０ ＨＶ３０の間の標準偏差で３９０と５１０ ＨＶ３０の間の平均硬度を有する鋼部位；
前記超硬合金部位および前記鋼部位を接合するろう付け接合部；
を含む工具であって、
前記ろう付け接合部がＴｉを含み、前記ろう付け接合部が、超硬合金部位に隣接して０．０３と５μｍの間の厚さのＴｉＣ層を含む、工具。
【請求項2】
鋼部位が、０と１５ ＨＶ１の間の標準偏差で４２０と４８０ ＨＶ３０の間の平均硬度を有する、請求項１に記載の工具。
【請求項3】
ろう付け接合部が、２０と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】
ろう付け接合部が、ＣｕおよびＡｇを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の工具。
【請求項5】
ろう付け接合部が、３０～８０ｗｔ％の量のＡｇ、１５～６５ｗｔ％の量のＣｕ、０～１５ｗｔ％の量のＩｎおよび０．３～１５ｗｔ％の量のＴｉの組成を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の工具。
【請求項6】
請求項１から６のいずれか一項に記載の工具を製造する方法であって、－ 超硬合金部位を提供する工程と；
－ ０．６３～０．７０ｗｔ％のＣ、１．４０～１．６０ｗｔ％のＳｉ、１．３５～１．５５ｗｔ％のＭｎ、１．００～１．２０ｗｔ％のＣｒ、０．２３～０．２７ｗｔ％のＭｏ、０．２５ｗｔ％未満のＮｉ、０．０２５ｗｔ％未満のＰおよび０．００１５ｗｔ％未満のＳならびに残余Ｆｅの組成を有する鋼部位を提供する工程と；
－ ろう付け材料を間に有する超硬合金部位および鋼部位を、８００と１１００℃の間の温度の炉中のろう付け工程に５と６０分の間の期間供する工程であり、ろう付けが不活性雰囲気中で、１０～４００ｍＢａｒの間の圧力で行われる、ろう付け工程に供する工程と；
－ ろう付け後に、２００℃未満の温度に到達するまで、少なくとも４００ｍＢａｒの圧力で不活性ガスを炉の中へ流入させることによって、ろう付け材料を間に有する超硬合金部位および鋼部位を焼入れ工程に供する工程と、
－ 少なくとも鋼部位を、３００と７００℃の間の温度で１５分と３時間の間、焼戻し工程に供する工程と
を含む、方法。
【請求項7】
ろう付け工程が８５０と９８０℃の間の温度で１５と４５分の間の期間行われる、請求項６に記載の工具を製造する方法。
【請求項8】
ろう付け中の不活性雰囲気がＡｒおよび／またはＮ２である、請求項６または７に記載の工具を製造する方法。
【請求項9】
焼入れ中の温度が少なくとも３０℃／分の速度で下げられる、請求項６から８のいずれか一項に記載の工具を製造する方法。
【請求項10】
焼入れ中に炉の中へ流入させるのに使用される不活性ガスが、ＡｒもしくはＮ２のうちの１方またはそれらの混合物である、請求項６から９のいずれか一項に記載の工具を製造する方法。
【請求項11】
焼戻し工程が、４００と６５０℃の間の温度で１５分と３時間の間行われる、請求項６から１０のいずれか一項に記載の工具を製造する方法。
【請求項12】
ろう付け材料が４８８と１１２３℃の間の固相線温度および６１２と１１８０℃の間の液相線温度を有し、ろう付け材料が、Ｔｉに加えて、Ｚｎ、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６から１１のいずれか一項に記載の工具を製造する方法。
【請求項13】
ろう付け材料が、３０～８０ｗｔ％の量のＡｇ、１５～６５ｗｔ％の量のＣｕ、０～１５ｗｔ％の量のＩｎおよび０．３～１５ｗｔ％の量のＴｉを含む、請求項６から１２のいずれか一項に記載の工具を製造する方法。
【請求項14】
ろう付け工程中に０．５～１０ＭＰａの締付力が加えられる、請求項６から１３のいずれか一項に記載の工具を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、超硬合金部位およびスチール部位を含む工具であって、部位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、こうした工具の製造にも関する。
【背景技術】
【0002】
ろう付けまたは溶接によって鋼を超硬合金に接合することは、工具製造の分野では長い間知られてきた。鋼を超硬合金と接合する場合、例えば、ＣＴＥ（熱膨張係数）の違い、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、いくつかの課題がある。
【0003】
これらの問題のそれぞれを個別に改善できるいくつかの解決策があるが、これらの解決策はしばしば他の領域で問題をもたらし、全ての問題が解決できるわけではない。
【0004】
ろう付けの原理は、加熱時に２つの部品を接合す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いくつかの方法があり、最も一般的な方法の１つは誘導コイルを使用する誘導加熱である。コイルを使用する利点の１つは、ろう付け接合部のまわりの局所的領域だけが加熱され、工具の残りを影響されずに残すことである。しかし、この局所加熱は鋼部位に望まない硬度プロファイルをもたらす可能性があり、回転バイトおよび他の切削工具などを固定するためのねじ切りなどが鋼部位に提供される場合に、問題を引き起こす恐れがある。
【0005】
加熱にコイルを使用する別の不利点は、各工具を個別に扱う必要があり、より自動的な工業プロセスが好ましいことである。
【0006】
鋼および超硬合金部位全体を加熱すると、硬度プロファイルをより均一にするが、次いで、上昇した温度は鋼部位全体に影響し、従って全体の硬度を低下させる。
【0007】
切削工具を固定するために鋼部位にねじ切りが適用される場合に起こり得る別の問題は、磨耗である。同じ工具、例えばシャンクは長期間使用されることが好ましいので、切削工具の交換が頻繁に行われ、ねじ切りの磨耗が切削工具の固定にマイナスの影響を与える恐れがある。
【0008】
本発明の１つの目的は、強固なろう付け接合部、ならびに均一な硬度プロファイルおよび高硬度を備え、結果的に耐摩耗性が改善された鋼部位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、鋼と超硬合金を接合する使いやすい方法を提供し、高強度であ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位をもたらすことである。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本発明によるろう付け接合部の倍率１０００でのＳＥＭ画像を示す図である。Ａは鋼部位であり、Ｂはろう付け接合部であり、Ｃは超硬合金部位であり、ＤはＴｉＣ層である。
【図2】本発明によるろう付け接合部の倍率１５００でのＳＥＭ画像を示す図である。
【図3】本発明によるろう付け接合部の倍率１００００でのＳＥＭ画像を示す図である、Ｂはろう付け接合部であり、Ｃは超硬合金部位であり、ＤはＴｉＣ層であり、ＥはＴｉ蓄積層である。
【図4】本発明によるろう付け接合部の、ろう付け接合部と鋼部位の間の接触面における倍率１００００でのＳＥＭ画像を示す図である。Ａは鋼部位であり、Ｂはろう付け接合部であり、Ｆは鋼表面のＴｉＣ層である。
【図5】誘導加熱を使用した、工具の硬度プロファイルを示す図である。Ａは鋼部位であり、Ｂはろう付け接合部であり。Ｃは超硬合金である。
【図6】特許請求される方法の工程を示す図である。Ａは超硬合金部位を用意する工程であり、Ｂは鋼部位を用意する工程であり、Ｃは超硬合金部位と鋼部位の間にろう付け材料を配置する工程であり、Ｄはろう付けする工程であり、Ｅは焼入れ工程であり、Ｆは焼戻し工程である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
本発明は、超硬合金部位および鋼部位を含む工具であって、鋼部位が、０．６３～０．７０ｗｔ％のＣ、１．４０～１．６０ｗｔ％のＳｉ、１．３５～１．５５ｗｔ％のＭｎ、１．００～１．２０ｗｔ％のＣｒ、０．２３～０．２７ｗｔ％のＭｏ、０．２５ｗｔ％未満のＮｉ、０．０２５ｗｔ％未満のＰおよび０．００１５ｗｔ％未満のＳならびに残余Ｆｅの組成を有する、工具に関する。鋼部位は、０と３０ ＨＶ３０の間の標準偏差で３９０と５１０ ＨＶ３０の間の平均硬度を有する。工具は、前記超硬合金部位と前記鋼部位を接合しているろう付け接合部をさらに含み、前記ろう付け接合部はＴｉを含み、前記ろう付け接合部は超硬合金部位に隣接して０．０３と５μｍの間の厚さのＴｉＣ層を含む。
【0012】
超硬合金部位は、当該技術分野で一般的な任意の超硬合金で製造することができる。超硬合金は、結合金属相（ｍｅｔａｌｌｉｃ ｂｉｎｄｅｒ ｐｈａｓｅ）マトリックスに埋め込まれた硬質相を含む。
【0013】
本明細書で超硬合金とは、硬質相の少なくとも５０ｗｔ％がＷＣであることを意味する。
【0014】
好適には、結合金属相の量は、超硬合金の３と２０ｗｔ％の間、好ましくは４と１５ｗｔ％の間である。好ましくは、結合金属相の主成分は、Ｃｏ、ＮｉおよびＦｅの１種または複数から選択され、より好ましくは、結合金属相の主成分はＣｏである。
【0015】
本明細書で主成分とは、バインダー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、それは焼結中にバインダー中に必然的に溶解される。
【0016】
本発明の一実施形態では、超硬合金は、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、超硬合金元素において一般的な他の成分も含むことができる。
【0017】
本発明による鋼部位は、好ましくは０．６３～０．７０ｗｔ％のＣ、１．４０～１．６０ｗｔ％のＳｉ、１．３５～１．５５ｗｔ％のＭｎ、１．００～１．２０ｗｔ％のＣｒ、０．２３～０．２７ｗｔ％のＭｏ、０．２５ｗｔ％未満のＮｉ、０．０２５ｗｔ％未満のＰおよび０．０１５ｗｔ％未満のＳを含有する。残余は、Ｆｅである。
【0018】
鋼部位の平均硬度は、好適には３９０と５１０ ＨＶ３０の間、好ましくは４２０と４８０ ＨＶ３０の間である。硬度はビッカース硬さ試験機により、３０ｋｇｆ（キログラム重）の荷重および１５秒の負荷時間を加えて測定する。鋼部位の断面に、３×３のくぼみのパターンを施した。平均値は、これらの測定箇所の平均である。硬度値の標準偏差は、好適には０と３０ ＨＶ３０の間、好ましくは０と１５ ＨＶ３０の間である。
【0019】
ろう付け技術は、いわゆるアクティブなろう付けである。それは、接合部が、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形成されるだけでなく、接合する材料の一方または両方との化学反応も伴うことを意味する。ろう付け材料における反応性元素は、通常Ｔｉであるが、Ｈｆ、Ｖ、ＺｒおよびＣｒなどの元素もアクティブな元素であると考えられる。本発明によれば、Ｔｉはアクティブな元素である。
【0020】
本明細書でろう付け接合部とは、ろう付け材料によって埋められ、ろう付けプロセス中に形成される超硬合金部位と鋼部位の間の領域または塊を意味し、以下を参照されたい。
【0021】
ろう付け接合部の厚さは、好適には２０と２００μｍの間、好ましくは３０と１００μｍの間である。
【0022】
ろう付け接合部は、均一な相ではない。むしろ、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。
【0023】
ろう付け接合部は、好適にはＴｉを含有する。ろう付け中にＴｉは超硬合金部位中の炭素と反応し、ろう付け接合部と超硬合金部位の間の接触面にＴｉＣ層を形成する。
【0024】
ＴｉＣ層の存在を検出するには、使用する機器のタイプに応じていくつかの方法がある。
【0025】
十分高い分解能を有する走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を使用する場合、ＴｉＣ層は、超硬合金部位に隣接して明瞭に目視可能である。それがＴｉＣ層であることを確認するために、ＥＤＳ、またはＷＤＳを備えたＳＥＭ－ＥＰＭＡを使用することができる。
【0026】
使用するＳＥＭがＴｉＣ層を示すのに十分な分解能を有さない場合、ろう付け材料と超硬合金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ＳＥＭ－ＥＤＳ、またはＷＤＳを備えたＳＥＭ－ＥＰＭＡを使用して見ることができる。Ｔｉの蓄積は以下Ｔｉ蓄積層と呼び、ＳＥＭ画像で視覚的に検出されなくとも、ＴｉＣ層が形成されているよい指標である。Ｔｉ蓄積層は実際のＴｉＣ層より相当に厚く、これは全ての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、分析方法によっても部分的には影響を受ける。
【0027】
本発明の一実施形態では、ＴｉＣ層の厚さは、０．０３と５μｍの間、より好ましくは０．０５と０．５μｍの間、最も好ましくは０．０５と０．２５μｍの間である。
【0028】
好ましくは、ろう付け接合部は、Ｚｎ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒから選択される１種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Ｉｎから、最も好ましくは、ＡｇおよびＣｕから。
【0029】
ろう付け後のろう付け接合部の組成は、元素が均一に分布していないので決定することが困難である。可能であれば、ペーストまたは箔は均一なブレンドであるので、最も容易な方法は使用したろう付け材料を調べることである。さらに、ろう付け接合部は、接合する材料からの少量の元素、例えば、超硬合金からのＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｗなど、および鋼からのＦｅ、Ｎｉなどを含み得る。
【0030】
ろう付け接合部におけるＴｉおよび他の元素の量は、エネルギー分散型Ｘ線分光法分析（ＥＤＳ）を使用して測定することもできる。しかし、ろう付け接合部における元素の不均一な分布のために、多くの測定点を使用する必要があり、標準偏差は大きい。好ましくはろう付け接合部は、平均で、３０～８０ｗｔ％、好ましくは４０～７５ｗｔ％の量のＡｇ、１５～６５ｗｔ％、好ましくは２０～４０ｗｔ％の量のＣｕ、０～１５ｗｔ％の量のＩｎ、および０．３～１５ｗｔ％、好ましくは０．５～５ｗｔ％の量のＴｉを含む。
【0031】
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と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。
【0032】
ろう付け接合部と鋼部位の間の接触面において、Ｔｉはろう付け接合部にも蓄積され、ＴｉはＴｉＣ層を形成する。鋼接触面におけるこのＴｉＣ層の厚さは、好ましくは１と１０μｍの間、好ましくは２と５μｍの間であり、例えば、ＳＥＭ－ＥＤＳによって測定することができる。
【0033】
工具は、超硬合金部位が鋼部位とろう付けによって接合された、当該技術分野において一般的な任意の工具または工具の一部であり得る。具体例は、ドリル、エンドミル、シャンクのようなツールホルダなどである。
【0034】
本発明の一実施形態では、工具は、差込み工具、ドリルヘッドなどのような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。シャンクは超硬合金部位および鋼部位によって形成され、超硬合金部位は安定性を生成するために使用され、鋼部位は切削工具を固定するためのねじ切りを生成するのに必要である。
【0035】
本発明は、上記による工具を製造する方法であって、以下の工程：
－ 超硬合金部位を用意する工程；
－ ０．６３～０．７０ｗｔ％のＣ、１．４０～１．６０ｗｔ％のＳｉ、１．３５～１．５５ｗｔ％のＭｎ、１．００～１．２０ｗｔ％のＣｒ、０．２３～０．２７ｗｔ％のＭｏ、０．２５ｗｔ％未満のＮｉ、０．０２５ｗｔ％未満のＰおよび０．００１５ｗｔ％未満のＳならびに残余Ｆｅの組成を有する鋼部位を用意する工程、
－ ろう付け材料の０．３～１５ｗｔ％の量でＴｉを含むろう付け材料を、超硬合金部位と鋼部位の間でそれぞれに接して配置する工程、
－ ろう付け材料を間に有する超硬合金部位および鋼部位を、８００と１１００℃の間の温度の炉中のろう付け工程に５と６０分の間の期間供する工程であり、ろう付けが不活性雰囲気中で、１０と４００ｍＢａｒの間の圧力で行われる工程；
－ ろう付けの後に、２００℃未満の温度に到達するまで、少なくとも４００ｍＢａｒの圧力で不活性ガスを炉の中へ流入させることによって、ろう付け材料を間に有する超硬合金部位および鋼部位を焼入れ工程に供する工程、
－ 少なくとも鋼部位を、３００と７００℃の間の温度で１５分と３時間の間、焼戻し工程に供する工程
を含む。
－ 超硬合金部位を用意する工程；
－ ０．６３～０．７０ｗｔ％のＣ、１．４０～１．６０ｗｔ％のＳｉ、１．３５～１．５５ｗｔ％のＭｎ、１．００～１．２０ｗｔ％のＣｒ、０．２３～０．２７ｗｔ％のＭｏ、０．２５ｗｔ％未満のＮｉ、０．０２５ｗｔ％未満のＰおよび０．００１５ｗｔ％未満のＳならびに残余Ｆｅの組成を有する鋼部位を用意する工程、
－ ろう付け材料の０．３～１５ｗｔ％の量でＴｉを含むろう付け材料を、超硬合金部位と鋼部位の間でそれぞれに接して配置する工程、
－ ろう付け材料を間に有する超硬合金部位および鋼部位を、８００と１１００℃の間の温度の炉中のろう付け工程に５と６０分の間の期間供する工程であり、ろう付けが不活性雰囲気中で、１０と４００ｍＢａｒの間の圧力で行われる工程；
－ ろう付けの後に、２００℃未満の温度に到達するまで、少なくとも４００ｍＢａｒの圧力で不活性ガスを炉の中へ流入させることによって、ろう付け材料を間に有する超硬合金部位および鋼部位を焼入れ工程に供する工程、
－ 少なくとも鋼部位を、３００と７００℃の間の温度で１５分と３時間の間、焼戻し工程に供する工程
を含む。
【0036】
超硬合金部位および鋼部位は、上述の組成を有する。ろう付けに先立つ、部位の平均硬度は、鋼のグレードおよび鋼が焼戻されたか否かに応じて、上述したものと異なり得る。
【0037】
超硬合金部位および鋼部位の形状および大きさは、製造すべき工具のタイプに依存する。
【0038】
本発明によるろう付け材料（溶加材（ｆｉｌｌｅｒ ｍｅｔａｌ）またははんだとも呼ばれる）は、全量で、ろう付け材料の０．３～１５ｗｔ％、好ましくは１～５ｗｔ％のＴｉを含有する。本発明のろう付け材料は、好適には４８８と１１２３℃の間、好ましくは６５０と８５０℃の間の固相線温度（ｓｏｌｉｄｕｓ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）を有する。さらに、本発明のろう付け材料は、の６１２と１１８０℃の間、好ましくは７５０と９００℃の間の液相線温度を有する。ろう付け材料はＴｉに加えて、Ｚｎ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｚｒ、ＨｆおよびＣｒ、好ましくはＡｇ、ＣｕおよびＩｎ、最も好ましくはＡｇおよびＣｕから選択される１種または複数の元素をさらに含む。
【0039】
本発明の一実施形態では、ろう付け材料は、３０～８０ｗｔ％、好ましくは４０～７５ｗｔ％の量のＡｇ、１５～６５ｗｔ％、好ましくは２０～４０ｗｔ％の量のＣｕ、０～１５ｗｔ％の量のＩｎ、および０．３～１５ｗｔ％、好ましくは０．５～５ｗｔ％の量のＴｉを含む。
【0040】
本発明の一実施形態では、ろう付け材料は、５５～７５ｗｔ％のＡｇ、２０～３０ｗｔ％のＣｕ、０～１５ｗｔ％のＩｎ、および１～５ｗｔ％のＴｉ、好ましくは６５～７５ｗｔ％のＡｇ、２５～３０ｗｔ％のＣｕおよび１～５ｗｔ％のＴｉを含む。
【0041】
好適には、ろう付け材料は箔またはペーストとして提供される。
【0042】
ろう付け材料は、超硬合金部位と鋼部位の接合表面上に提供される。
【0043】
ろう付けプロセス前のろう付け材料の厚さは、材料のタイプ、すなわち、箔またはペーストに依存する。ペーストが使用される場合、十分な材料が施され、ろう付けされる表面は覆われる。典型的には、厚さは２５と２００μｍの間、好ましくは５０と１００μｍの間である。
【0044】
次いで部位は、不活性な環境、すなわち最小量の酸素を有する炉に入れられる。好ましくは、炉中のろう付け温度は、８００と１１００℃の間、好ましくは８５０と９８０℃の間である。部位が高温に供される時間は、５と６０分の間、好ましくは１５と４５分の間である。高温での時間がより短い場合、ろう付け接合部を形成し、Ｔｉが反応してろう付け接合部の所望の強度に到達するための十分な時間がない。高温での時間がより長い場合、Ｔｉを含有する脆い反応域が制御されずに成長し、接合部の性質、例えば、剪断強度にマイナスの影響を及ぼす。
【0045】
ろう付けは、不活性ガス、好ましくはアルゴンの存在下で、好適には低圧で行われる。好適には、圧力は１０～４００ｍＢａｒの間、好ましくは２０～２００ｍＢａｒの間である。
【0046】
炉中でのろう付け中に、ろう付けをさらに強化するために、締付力を加えてもよい。本明細書で締付力とは、鋼部位および超硬合金部位を互いに対して押しつけ、好ましくはカーバイド部位に外部重量を配置することによって、力を加えることを意味する。超硬合金部位または鋼部位の重量によってろう付け接合部に作用する力は、どの部位が他の部位の上にあるかに依存するが、これらの値には含まれない。
【0047】
一実施形態では、０．５と１０ＭＰａの間、好ましくは２と８ＭＰａの間の締付力が加えられる。
【0048】
本発明の一実施形態では、締付力は加えられない。
【0049】
本明細書で焼入れとは、ろう付け材料を間に有する超硬合金部位および鋼部位を、ろう付け工程の後に、不活性ガスを炉の中へ流入させることによって急速に冷却することを意味する。不活性ハス（ｉｎｅｒｔ ｈａｓ）は、ＡｒもしくはＮ２のうちの１種、またはそれらの混合物であり得る。温度は、酸化が起こる温度未満に下げる必要がある。好ましくは、炉中の温度は、２００℃未満、好ましくは１５０℃未満に、好ましくは少なくとも３０℃／分の速度、より好ましくは少なくとも４５℃／分の速度で下げられる。その後、空気中での自由冷却が許され得る。
【0050】
ろう付けの後、部位を３００と７００℃の間、好ましくは４００と６５０℃の間の高温に、１５分と３時間の間の期間供することによって、部位は焼戻し工程に供される。好ましくは、焼戻しは不活性雰囲気中、例えば、Ａｒおよび／またはＮ２中で行われる。正確な時間および温度は、鋼部位の目的とする平均硬度レベルに依存する。
【0051】
本発明により使用されるろう付け炉は、圧力、加熱速度および冷却速度などに関して、上述したような、よく制御された状態を提供することができる任意の炉であり得る。ろう付けおよび焼戻しの工程は、同じ炉、または２つの別個の炉のいずれでも行うことができる。
【0052】
鋼部位が、例えばねじ切りなどのような、機械加工作業に供されることは一般的である。鋼部位を機械加工することができるためには、硬度が高すぎることはあり得ず、最終工具における所望の硬度および耐摩耗性を達成するために、選択される鋼グレードのタイプに応じて、鋼部位の機械加工の前または後に、焼戻し工程を行うことができる。
【0053】
本発明の一実施形態では、ろう付け工程の後に焼戻しは直接行われ、すでに焼戻された鋼の上に、すなわち焼戻し工程の後に、例えばねじ切りのような鋼の任意の機械加工が実行される。
【0054】
本発明の別の実施形態では、例えばねじ切りなどのような鋼の任意の機械加工の後に、焼戻しは行われる。
【実施例】
【0055】
例１（本発明）
０．６３～０．７０ｗｔ％のＣ、１．４～１．６ｗｔ％のＳｉ、１．３５～１．５５ｗｔ％のＭｎ、１～１．２ｗｔ％のＣｒ、０．２３～０．２７ｗｔ％のＭｏおよび残りのＦｅの組成を有する軸受鋼グレードＯｖａｋｏ ６７７で製造された鋼部位を、１０ｗｔ％Ｃｏおよび残りのＷＣの組成を有する超硬合金部位とともに用意した。
０．６３～０．７０ｗｔ％のＣ、１．４～１．６ｗｔ％のＳｉ、１．３５～１．５５ｗｔ％のＭｎ、１～１．２ｗｔ％のＣｒ、０．２３～０．２７ｗｔ％のＭｏおよび残りのＦｅの組成を有する軸受鋼グレードＯｖａｋｏ ６７７で製造された鋼部位を、１０ｗｔ％Ｃｏおよび残りのＷＣの組成を有する超硬合金部位とともに用意した。
【0056】
ろう付け材料を、ペーストの形態で、接合する表面を覆うのに十分な量で用意した。ろう付け材料は、７０ｗｔ％Ａｇ、２８ｗｔ％Ｃｕおよび２ｗｔ％Ｔｉの組成を有した。
【0057】
ペーストを鋼部位と超硬合金部位の間に配置し、その結果両部位はペーストに接した。次いで、組み立てられた接合部品を、真空焼結炉、ＰＶＡ ＣＯＶ ２３１の中に入れ、そこで１０－２ｍＢａｒの真空度を最初に達成して全ての酸素を除去し、その後不活性雰囲気、５０ｍＢａｒのＡｒを導入した。最初に温度を２５０℃に上げて５分間保持し、次いで５５０℃で５分間再度停止した。ろう付け温度８８０℃を３０分間保持し、その後温度が１５０℃未満になるまで６００ｍＢａｒの圧力で炉の中へＡｒガスを流すことによって、部品を焼入れした。
【0058】
ろう付け／焼入れ工程の後、鋼の硬度を保持するために、ろう付けされた部品を焼戻しプロセスに供した。部品を炉内に入れ、そこで部品を５０ｍＢａｒ Ａｒの不活性雰囲気中で、温度５５０℃に加熱し、それを３０分間保持し、その後部品を冷却した。
【0059】
本明細書では、この試料を発明１と表示する。
【0060】
例２（比較２）
０．２１ｗｔ％Ｃ、０．９ｗｔ％Ｓｉ、０．４５ｗｔ％Ｍｎ、１３．５ｗｔ％Ｃｒ、０．２ｗｔ％Ｍｏ、０．６ｗｔ％Ｎｉおよび０．２５ｗｔ％Ｖならびに残りのＦｅの組成を有するＵｄｄｅｈｏｌｍ Ｉｄｕｎで製造された鋼部位を、１０ｗｔ％Ｃｏおよび残りのＷＣの組成を有する超硬合金部位とともに用意した。
０．２１ｗｔ％Ｃ、０．９ｗｔ％Ｓｉ、０．４５ｗｔ％Ｍｎ、１３．５ｗｔ％Ｃｒ、０．２ｗｔ％Ｍｏ、０．６ｗｔ％Ｎｉおよび０．２５ｗｔ％Ｖならびに残りのＦｅの組成を有するＵｄｄｅｈｏｌｍ Ｉｄｕｎで製造された鋼部位を、１０ｗｔ％Ｃｏおよび残りのＷＣの組成を有する超硬合金部位とともに用意した。
【0061】
ろう付け材料を、ペーストの形態で、接合する表面を覆うのに十分な量で用意した。ろう付け材料は、７０ｗｔ％Ａｇ、２８ｗｔ％Ｃｕおよび２ｗｔ％Ｔｉの組成を有した。
【0062】
ペーストを鋼部位と超硬合金部位の間に配置し、その結果両部品はペーストに接した。次いで、組み立てられた接合部品を、真空焼結炉、ＰＶＡ ＣＯＶ ２３１の中に入れ、そこで１０－２ｍＢａｒの真空度を最初に達成して全ての酸素を除去し、その後不活性雰囲気、５０ｍＢａｒのＡｒを導入した。最初に温度を２５０℃に上げて５分間保持し、次いで５５０℃で５分間再度停止した。ろう付け温度８８０℃を３０分間保持し、その後温度が１５０℃未満になるまで６００ｍＢａｒの圧力で炉の中へＡｒガスを流すことによって、部品を焼入れした。
【0063】
ろう付け／焼入れ工程の後、鋼の硬度を保持するために、ろう付けされた部品を焼戻しプロセスに供した。部品を炉内に入れ、そこで、部品を５０ｍＢａｒ Ａｒの不活性雰囲気中で、温度５５０℃に加熱し、それを３０分間保持し、その後部品を１００℃未満に冷却し、その後部品を温度５５０℃に再度加熱し、それを３０分間保持し、その後部品を冷却した。この鋼タイプには、２回の焼戻しサイクルが推奨される。本明細書では、この試料を比較１と表示する。
【0064】
例３（比較）
鋼１．６５８２（３４ＣｒＮｉＭｏ６）で製造された鋼部位を、１０ｗｔ％Ｃｏおよび０．４ｗｔ％Ｃｒならびに残りのＷＣの組成を有する超硬合金部位とともに用意した。
鋼１．６５８２（３４ＣｒＮｉＭｏ６）で製造された鋼部位を、１０ｗｔ％Ｃｏおよび０．４ｗｔ％Ｃｒならびに残りのＷＣの組成を有する超硬合金部位とともに用意した。
【0065】
ろう付け材料は、１～２ｍｍの直径を有する環として適用されるワイヤー形態のＡｇ４９Ｚｎ２３Ｃｕ１６Ｍｎ７．５Ｎｉ４．５であった。
【0066】
部品は、コイルを使用する誘導加熱により、ろう付け接合部を７００℃に急速加熱して１５秒間保持することによって接合し、その後粉末（ｐｏｗｄｅｒ）を切り、工具を室温に放冷した。図５に鋼部位の硬度値を示しており、そこでは、鋼部位のろう付け接合部から、ろう付け接合部を越えて、超硬合金部位までの距離からの線に沿って計測点が配置されている。
【0067】
本明細書では、この試料を比較２と表示する。
【0068】
例４（比較）
炭素硬化熱間加工鋼（ｃａｒｂｏｎ－ｈａｒｄｅｎｉｎｇ ｈｏｔ－ｗｏｒｋ ｓｔｅｅｌ）１．２３４４で製造された鋼部位を、１０ｗｔ％Ｃｏ、１ｗｔ％の他のカーバイドおよび残りのＷＣの組成を有する超硬合金部位とともに用意した。
炭素硬化熱間加工鋼（ｃａｒｂｏｎ－ｈａｒｄｅｎｉｎｇ ｈｏｔ－ｗｏｒｋ ｓｔｅｅｌ）１．２３４４で製造された鋼部位を、１０ｗｔ％Ｃｏ、１ｗｔ％の他のカーバイドおよび残りのＷＣの組成を有する超硬合金部位とともに用意した。
【0069】
ろう付け材料を、１００μｍの厚さを有する箔の形態で用意した。ろう付け金属は、１００ｗｔ％Ｃｕの組成を有した。溶融温度は１０８５℃である。
【0070】
箔を鋼部位と超硬合金部位の間に配置し、組み立てられた接合部品を炉の中に入れ、温度は最初に２０℃／分の速度で６５０℃まで上げ、５分間保持した。次いで温度を１０℃／分の速度で、６５０℃から、１１００℃であるろう付け温度Ｔろう付けまで上げた。Ｔろう付けを１５分の滞留時間の間保持し、その後部品を５０℃／分の冷却速度で８５０℃まで冷却した。８５０℃からは、２ｂａｒの過剰圧力および２５００分－１のファン振動数で標本をＮ２急冷した。
【0071】
続いて、超硬合金－鋼接合部を、炭素硬化熱間加工鋼１．２３４４をとともに、６３０℃で２時間、２回焼戻した。
【0072】
本明細書では、この試料を比較３と表示する。
【0073】
例５
硬度はビッカース硬さ試験機を使用して、３０ｋｇｆ（ＨＶ３０）および１ｋｇｆ（ＨＶ１）の荷重を加えて測定した。荷重は、１５秒間加えた。
硬度はビッカース硬さ試験機を使用して、３０ｋｇｆ（ＨＶ３０）および１ｋｇｆ（ＨＶ１）の荷重を加えて測定した。荷重は、１５秒間加えた。
【0074】
発明１および比較２について、ろう付け接合部と超硬合金の間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、Ｏｘｆｏｒｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ＮｏｒｄｌｙｓＭａｘ２ ＥＢＳＤ検出器を備え、Ｏｘｆｏｒｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｘ－ＭａｘＮ ＥＤＳシステムを提供する、Ｚｅｉｓｓ Ｓｉｇｍａ ＶＰであった。
【0075】
発明１および比較１のろう付け接合部におけるＴｉＣ層の厚さは、倍率１０００のＳＥＭ画像上で測定した。ＴｉＣ層は、後方散乱電子モードで視覚的外観によって確認した。図１および２に、ＴｉＣ層が明確に目視可能な発明１のＳＥＭ画像を示す。表１に示すＴｉＣ層の厚さの値は、全てろう付け接合部の中央、すなわち端から離れて得た３つの測定値の平均である。
【0076】
ＥＤＳを使用すると、Ｔｉの蓄積をＳＥＭ画像の中で確認することができ、Ｔｉ蓄積層として測定した。本明細書で蓄積層とは、ＳＥＭ画像の中で確認され、ＥＤＳによって確認された蓄積の厚さを意味し、図３を参照されたい。表１の中の値は、ＳＥＭ画像の目視検査からの概算値であり、従って幅（ｉｎｔｅｒｖａｌ）として与えられる。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【国際調査報告】