特表 2024-527282 切削工具

(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】2024-07-24

(54)【発明の名称】切削工具

(51)【国際特許分類】

   B23B 27/14 20060101AFI20240717BHJP

   B23K 35/30 20060101ALI20240717BHJP

   C22C 5/08 20060101ALI20240717BHJP

   C22C 9/00 20060101ALI20240717BHJP

   C22C 38/00 20060101ALI20240717BHJP

   C22C 38/52 20060101ALI20240717BHJP

   C22C 38/60 20060101ALI20240717BHJP

   C21D 6/00 20060101ALI20240717BHJP

   B23K 1/00 20060101ALI20240717BHJP

   B23K 1/19 20060101ALI20240717BHJP

   B23K 1/008 20060101ALI20240717BHJP

   B23K 31/02 20060101ALI20240717BHJP

   B23P 15/28 20060101ALI20240717BHJP

   B23B 27/20 20060101ALI20240717BHJP

   B23B 27/18 20060101ALI20240717BHJP

   B23K 101/20 20060101ALN20240717BHJP

【ＦＩ】

B23B27/14 B

B23K35/30 310B

B23K35/30 310C

C22C5/08

C22C9/00

C22C38/00 302N

C22C38/52

C22C38/60

C21D6/00 M

B23K1/00 330B

B23K1/19 J

B23K1/008 B

B23K31/02 310C

B23K31/02 310F

B23P15/28 Z

B23B27/20

B23B27/18

B23K101:20

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023579043

(86)(22)【出願日】2022-06-17

(85)【翻訳文提出日】2024-02-16

(86)【国際出願番号】 EP2022066581

(87)【国際公開番号】W WO2022268660

(87)【国際公開日】2022-12-29

(31)【優先権主張番号】21181162.5

(32)【優先日】2021-06-23

(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】ダール， レイフ

(72)【発明者】

【氏名】ウリツカ， ティモ

【テーマコード（参考）】

3C046

【Ｆターム（参考）】

3C046FF35

3C046FF41

3C046FF46

3C046HH04

(57)【要約】

本発明は、超硬合金基材に結合された多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）または立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）の焼結体を含む超硬質部位、およびマルエージング鋼部位を含み、超硬合金基材およびマルエージング鋼部位は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。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１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

超硬合金基材に結合した多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）または立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）の焼結体を含む超硬質部位と；
０～２０ＨＶ１の標準偏差で３５０～５８０ＨＶ１の硬度を有するマルエージング鋼部位と；
前記超硬合金基材と前記マルエージング鋼部位を接合するろう付け接合部と
を含む切削工具であって、
前記ろう付け接合部がＴｉを含み、前記ろう付け接合部が、超硬合金基材に隣接して０．０３～５μｍの厚さのＴｉＣ層を含む、
切削工具。

【請求項2】

マルエージング鋼部位が、０～１４ＨＶ１の標準偏差で４００～５８０のＨＶ１の硬度を有する、請求項１に記載の切削工具。

【請求項3】

ろう付け接合部が５～２００μｍの厚さを有する、請求項１または２に記載の切削工具。

【請求項4】

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切削工具。

【請求項5】

ろう付け接合部が、Ｃｕ、ＡｇおよびＩｎを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の切削工具。

【請求項6】

ろう付け接合部が、３０～８０ｗｔ％の量のＡｇ、１５～６５ｗｔ％の量のＣｕ、０．３～１５ｗｔ％の量のＴｉおよび１０～２５ｗｔ％の量のＩｎおよび不可避の不純物を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の切削工具。

【請求項7】

マルエージング鋼が、１３～２５ｗｔ％のＮｉ、ならびに１０～２７ｗｔ％の量のＣｏ、Ｍｏ、Ｔｉ、ＡｌおよびＣｒから選択される１つまたは複数の合金元素、０．３ｗｔ％未満のＣならびに残余Ｆｅを含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の切削工具。

【請求項8】

マルエージング鋼が、１７～１９ｗｔ％のＮｉ、８．５～１２．５ｗｔ％のＣｏ、４～６ｗｔ％のＭｏ、０．５～１．２ｗｔ％のＴｉ、０～０．１５ｗｔ％のＣｒ、０～０．２ｗｔ％のＡｌ、０．１ｗｔ％未満のＭｎ、ＰおよびＳのいずれか、ならびに０．０３ｗｔ％未満のＣ、ならびに残余Ｆｅを含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の切削工具。

【請求項9】

請求項１から８のいずれか一項に記載の切削工具を製造する方法であって、以下の工程
－ 超硬合金基材に結合された多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）または立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）の焼結体を含む超硬質部位を提供する工程；
－ マルエージング鋼部位を提供する工程；
－ ろう付け材料の０．３～１５ｗｔ％の量でＴｉを含むろう付け材料を、超硬合金基材とマルエージング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質部位およびマルエージング鋼部位を、６００～７８０℃の温度の炉中のろう付け工程に１～６０分の期間供する工程であり、ろう付けが真空中で行われる工程；
－ 少なくともマルエージング鋼部位を、３００～６００℃の温度で５分～１２時間エージング工程に供する工程
を含む、方法。

【請求項10】

ろう付け工程が６００～７８０℃の温度で５～１５分の期間行われる、請求項９に記載の切削工具を製造する方法。

【請求項11】

エージング工程が、３００～６００℃の温度で５分～１２時間行われる、請求項９または１０に記載の切削工具を製造する方法。

【請求項12】

ろう付け材料が４８８～１１２３℃の固相線温度および６１２～１１８０℃の液相線温度を有し、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切削工具を製造する方法。

【請求項13】

ろう付け工程中に０．５～１０ＭＰａの締付力が加えられる、請求項９から１３のいずれか一項に記載の切削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、超硬合金基材に結合した多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）または立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）の焼結体を含む超硬質部位およびマルエージング鋼部位を含む切削工具であって、部位がろう付けによって接合されている、切削工具に関する。本発明は、こうした切削工具の製造にも関する。

【背景技術】

【0002】

切削工具に多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）または立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）を使用することは、当該技術分野で公知である。多くの事例では、ＰＣＤまたはｃＢＮ材料は超硬合金基材に結合される。これにはいくつかの理由があり、例えば、製造を単純化するため、また超硬合金中のＣｏが製造中にＰＣＤまたはｃＢＮ材料に浸透し、従ってＰＣＤまたはｃＢＮ材料の触媒またはバインダーとして機能するためでもある。

【0003】

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。

【0004】

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。

【0005】

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。制御されない冷却、不均一な熱分布（表皮効果）および望まない格子変換によって引き起こされる残留応力をもたらす可能性もある。

【0006】

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。

【0007】

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。

【0008】

切削工具を固定するために鋼部位にねじ切りが提供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り、例えば、工具が固着して取り外すことができなくなる可能性がある。

【0009】

別の問題は、高いろう付け温度がＰＣＤまたはｃＢＮ材料にマイナスの影響を与える恐れがあることである。高温は、亀裂をもたらし得る応力を引き起こす恐れがある。ＰＣＤについては、高温でダイヤモンド粒子の黒鉛化も起こり得る。

【0010】

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切削工具を提供することである。

【0011】

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。

【0012】

本発明の別の目的は、鋼部位と、超硬合金基材に結合された多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）または立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）の焼結体を含む超硬質部位とを接合する方法であって、ＰＣＤまたはｃＢＮ材料にマイナスの影響を有さない方法を提供することである。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】工具の模式図を示す図である。Ａは鋼部位であり、Ｂはろう付け接合部であり、Ｃは超硬合金支持体であり、Ｄは超硬質成形体（ｓｕｐｅｒｈａｒｄ ｃｏｍｐａｃｔ）である。

【図2】例１における発明１の超硬合金部位とろう付け材料の間の接触面の、倍率１００００でのＳＥＭ画像を示す図である。

【図3】例１における発明１の超硬合金部位とろう付け材料の間の接触面の、倍率４００００でのＳＥＭ画像を示す図である。

【図4】例１における発明１の超硬合金部位とろう付け材料の間の接触面における、倍率１００００での元素ＴｉのＥＤＳマッピングを示す図である。

【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】剪断試験装置の略図を示す図である。１は鋼部位であり２は超硬合金部位である。

【図7】発明１のろう付け接合部の異なる部位を示す図である。Ａは超硬合金部位であり、Ｂはマルエージング鋼部位である。

【図8】発明１のろう付け接合部の異なる部位を示す図である。Ａは超硬合金部位であり、Ｂはマルエージング鋼部位である。

【図9】発明１のろう付け接合部の異なる部位を示す図である。Ａは超硬合金部位であり、Ｂはマルエージング鋼部位である。

【図10】特許請求される方法の工程を示す図である。Ａは超硬合金部位を提供する工程であり、Ｂはマルエージング鋼部位を提供する工程であり、Ｃは超硬合金部位とマルエージング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はエージングする工程である。

【図11】ろう付けされた工具の例を示す図である。Ａは超硬合金に支持されたＰＣＤ部位であり、Ｂはマルエージング鋼部位である。

【図12】例１における発明２の鋼部位の断面における、硬度測定のパターンを示す図である。

【図13】例１における発明２で行われた硬度測定の結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本発明は、
－ 超硬合金基材に結合した多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）または立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）の焼結体を含む超硬質部位；
－ ０～２０ＨＶ１の標準偏差で３５０～５８０ＨＶ１の硬度を有するマルエージング鋼部位
を含む切削工具に関する。切削工具は、前記超硬合金基材と前記マルエージング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に隣接して０．０３～５μｍの厚さのＴｉＣ層を含む。

【0015】

本明細書でＰＣＤ（多結晶ダイヤモンド）焼結体とは、一緒に焼結されたダイヤモンド結晶を含み、ダイヤモンド結晶の量が５０～１００ｖｏｌ％である材料を意味する。ダイヤモンド結晶は、典型的には０．５～３０μｍの粒径を有する。ＰＣＤ焼結体は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｖ、ＦｅおよびＳｉから選択される１つまたは複数の成分も含むことができる。

【0016】

本明細書でｃＢＮ焼結体とは、金属および／またはセラミックバインダーに埋め込まれたｃＢＮ粒を含み、ｃＢＮ粒の量が３０～９９ｖｏｌ％である材料を意味する。セラミックバインダーは、Ｃｏ、Ｎｉおよび元素周期表の第４～６族から選択される元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、ホウ化物または酸化物である１つまたは複数の成分を含有することができる。

【0017】

多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）および立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）の焼結体は、通常、好適な粉末混合物を提供し、これを高温高圧（ＨＰＨＴ）焼結工程に供して焼結体を形成することによって製造される。成形体を超硬合金基材に結合する場合、これを行う１つの方法は、底部に超硬合金ディスクを備えたカップを使用することである。次いでカップに選択したＰＣＤまたはｃＢＮの粉末混合物を満たし、次いでカップを密封する。次いで密封したカップを高温高圧（ＨＰＨＴ）焼結工程に供する。ＰＣＤまたはｃＢＮ材料は、焼結工程中に超硬合金に結合される。次いで、例えばレーザーまたはＷＥＤＭ（ワイヤー放電加工）を使用して、ディスクを好適な片に切断することができる。

【0018】

ＰＣＤまたはｃＢＮの焼結体用の基材として使用される超硬合金は、当該技術分野で一般的な任意の超硬合金から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。

【0019】

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。

【0020】

好適には、結合金属相の量は、超硬合金の３～２０ｗｔ％、好ましくは４～１５ｗｔ％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つ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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

マルエージング鋼は、金属間化合物の沈澱によって硬化された（ｈａｒｄｅｎｅｄ）鋼の一種である。マルエージング鋼は、好適には１３～２５ｗｔ％のＮｉ、ならびにＣｏ、Ｍｏ、Ｔｉ、ＡｌおよびＣｒから選択される１つまたは複数の合金元素を、合金元素の１０～２７ｗｔ％、好ましくは１１～２３ｗｔ％の全量で含有する。マルエージング鋼は、典型的には従来の鋼より少ない、好適には０．０３ｗｔ％以下の炭素を含有する。残余はＦｅである。

【0024】

本発明によるマルエージング鋼は、好ましくは１１～２５ｗｔ％のＮｉ、好ましくは１７～２５ｗｔ％のＮｉを含有する。合金元素は、好適には７～１５ｗｔ％の量のＣｏ、好ましくは８．５～１２．５ｗｔ％のＣｏ、３～１０ｗｔ％の量のＭｏ、好ましくは３～６ｗｔ％のＭｏ、０．１～１．６ｗｔ％の量のＴｉ、好ましくは０．５～１．２ｗｔ％のＴｉ、０～０．１５ｗｔ％のＣｒ、０～０．２ｗｔ％の量のＡｌ、０．１ｗｔ％未満のＭｎ、ＰおよびＳのうちのいずれか、ならびに０．０３ｗｔ％未満のＣである。残余はＦｅである。

【0025】

本発明の一実施形態では、マルエージング鋼は、１７～１９ｗｔ％のＮｉ、８．５～１２．５ｗｔ％のＣｏ、４～６ｗｔ％のＭｏ、０．５～１．２ｗｔ％のＴｉ、０～０．１５ｗｔ％のＣｒ、０～０．２ｗｔ％のＡｌ、０．１ｗｔ％未満のＭｎ、ＰおよびＳのうちのいずれか、ならびに０．０３ｗｔ％未満のＣの組成を有する。残余はＦｅである。

【0026】

マルエージング鋼部位の平均硬度は、好適には３５０～５８０ＨＶ１、好ましくは４００～５８０ＨＶ１、より好ましくは４１０～５８０ＨＶ１である。

【0027】

硬度はビッカース硬さ試験機により、１ｋｇｆ（キログラム重）の荷重および１５秒の負荷時間を加えることにより測定する。マルエージング鋼部位の（表面ではなく）断面にわたって均一に分布した、少なくとも１５のくぼみのパターンを施す必要がある。本明細書で断面全体にわたって均一に分布したとは、くぼみ間の距離がわずかに変化しても、くぼみが断面全体を覆うように配置されるべきであることを意味する。

【0028】

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０～２０ＨＶ１、好ましくは０～１４ＨＶ１である。

【0029】

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。

【0030】

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とマルエージング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。

【0031】

ろう付け接合部の厚さは、好適には５～２００μｍ、好ましくは１５～１００μｍである。

【0032】

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。

【0033】

ろう付け接合部は、Ｔｉを含有する。ろう付け中に、Ｔｉは、超硬合金部位の炭化タングステン中の炭素と反応し、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。

【0034】

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。

【0035】

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。例えば図２および３を参照されたい。層の組成を確認するために、ＳＥＭ－ＥＤＳ（エネルギー分散型分光法）および／またはＷＤＳ（波長分散型分光法）を備えたＳＥＭ－ＥＰＭＡ（電子プローブ顕微鏡分析）を使用して、ＴｉＣ層の個々の元素を確認することができる。

【0036】

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基材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。本明細書でＴｉの蓄積は以下Ｔｉ蓄積層（例えば図４を参照されたい）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１つの指標である。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。

【0037】

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

【0038】

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Ｉｎから。

【0039】

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、Ｗなど、およびマルエージング鋼からのＦｅ、Ｎｉなどを含み得る。

【0040】

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、０．３～１５ｗｔ％、好ましくは０．５～５ｗｔ％の量のＴｉ、０～１０ｗｔ％、好ましくは０～２ｗｔ％の量のＳｎおよび０～３０ｗｔ％、好ましくは１０～２５ｗｔ％の量のＩｎを含み、残余は不可避不純物である。

【0041】

本明細書で不可避不純物とは、ろう付け工程の前にろう付け材料に存在する可能性のある、上に挙げたもの以外の少量の元素、および接合される材料からの元素、例えば超硬合金からのＣｏ、Ｗなど、およびマルエージング鋼からのＦｅ、Ｎｉなどを意味する。ろう付け工程中に高温に供されて、ろう付け材料が溶融し、接合部位からの拡散が可能になると、接合される部位から少量の元素がろう付け材料中に不可避的に溶解される。温度および時間などのろう付けプロセスのパラメータが、本発明による範囲内にある限り、不可避不純物の全量は少なく、ろう付け接合部の性能に影響を与えることはない。

【0042】

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。

【0043】

ろう付け接合部とマルエージング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は鋼中の鉄と金属結合を形成する。マルエージング鋼表面におけるＴｉの蓄積層の厚さは、好ましくは１～１０μｍ、好ましくは２～５μｍであり、例えばＥＤＳによって測定することができる。

【0044】

本発明の一実施形態では、マルエージング鋼は１．２７０９であり、超硬合金は、４～１５ｗｔ％のＣｏ、０．１～１ｗｔ％のＣｒおよび残りのＷＣの組成を有する。ろう付け接合部は、５８～６２ｗｔ％のＡｇ、２２～２６ｗｔ％のＣｕ、１３～１５ｗｔ％のＩｎおよび１．５～２．５ｗｔ％のＴｉの平均組成を有する。

【0045】

切削工具は、超硬合金基材に結合された多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）または立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）の焼結体が、ろう付けによって鋼部位に接合された工具または工具の一部、例えば、図１１に示されるカッターであり得る。

【0046】

本発明は、上記による切削工具を製造する方法であって、以下の工程：
－ 超硬合金基材に結合された多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）または立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）の焼結体を含む超硬質部位を提供する工程；
およびマルエージング鋼部位；
－ ろう付け材料の０．３～１５ｗｔ％の量でＴｉを含むろう付け材料を、超硬合金基材とマルエージング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支持超硬質部位およびマルエージング鋼部位を、６００～７８０℃、好ましくは６５０～７５０℃、より好ましくは７００～７４０℃の温度の炉中のろう付け工程に１～６０分の期間供する工程であり、ろう付けが真空中で行われる工程；
－ 少なくともマルエージング鋼部位を、３００～６００℃の温度で５分～１２時間、エージング工程に供する工程
を含む、方法にも関する。

【0047】

多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）または立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）の焼結体を含む超硬質部位およびマルエージング鋼部位は、上述の組成を有する。ろう付けに先立つ、マルエージング鋼の硬度は、マルエージング鋼のグレードおよび鋼がエージングされたか否かに応じて、上述したものと異なり得る。一実施形態では、マルエージング鋼は、約３４０ＨＶ１の硬度で溶体化焼鈍されて（ｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｎｎｅａｌ）提供される。

【0048】

超硬質部位およびマルエージング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。

【0049】

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４８８～１１２３℃、好ましくは６００～７００℃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６１２～１１８０℃、好ましくは７００～７５０℃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。

【0050】

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、０．３～１５ｗｔ％、好ましくは０．５～５ｗｔ％の量のＴｉ、０～１０ｗｔ％、好ましくは０～２ｗｔ％の量のＳｎ、および０～３０ｗｔ％、好ましくは１０～２５ｗｔ％の量のＩｎを含む。

【0051】

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。

【0052】

ろう付け材料は、超硬合金基材と鋼部位の接合表面上に提供される。

【0053】

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２０～２００μｍ、好ましくは５０～１００μｍである。

【0054】

次いで、部位は不活性または還元性環境、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、６００～７８０℃、好ましくは６５０～７５０℃、より好ましくは７３０～７４０℃である。部位が高温に供される時間は、１～６０分、好ましくは５～１５分である。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。

【0055】

ろう付けは、好適には真空中または低い分圧のアルゴンの存在下で行われる。本明細書で真空とは、炉中の圧力が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。

【0056】

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マルエージング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。

【0057】

一実施形態では、０．５～１０ＭＰａ、好ましくは２～８ＭＰａの締付力が加えられる。

【0058】

本発明の一実施形態では、締付力は加えられない。

【0059】

ろう付けの後に、部位を、３００～６００℃、好ましくは３５０～５００℃、最も好ましくは４００～４４０℃の高いエージング温度に５分～１２時間、好ましくは３～６時間供することによって、部位はエージング工程に供される。

【0060】

好適には、エージング温度までの加熱速度は、１～５０℃／分、好ましくは５～１０℃／分である。好適には、エージング温度から少なくともろう付け材料の固相線温度未満、好ましくは３００℃未満の温度までの冷却速度は、１～５０℃／分、好ましくは５～１０℃／分である。

【0061】

本発明により使用されるろう付け炉は、真空、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。ろう付けおよびエージングの工程は、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。

【0062】

鋼部位が、例えばねじ切り、研削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、選択されるマルエージング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、エージング工程を行うことができる。

【0063】

本発明の一実施形態では、ろう付け工程の後にエージングは直接行われ、すでにエージングされたマルエージング鋼の上に、すなわちエージング工程の後に、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。

【0064】

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、エージングは行われる。

【実施例】

【0065】

例１（本発明）

【0066】

マルエージング鋼１．２７０９で製造された鋼部位を、１０ｗｔ％の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提供した。

【0067】

ろう付け材料を、東京ブレイズ（株）製ペースト（ＴＢ－６２９）の形態で提供し、これを薄い層だが、ろう付けされる表面を覆うのに十分な量で施した。ろう付け材料は、５８～６２ｗｔ％のＡｇ、２２～２６ｗｔ％のＣｕ、１．５～２．５ｗｔ％のＴｉ、および１３～１５ｗｔ％のＩｎの組成を有した。固相線温度は約６２０℃であり、液相線温度は約７２０℃である。

【0068】

ペーストをマルエージング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Ｔｏｒｖａｃ真空炉に入れ、そこで最初に温度を２０℃／分の速度で３５０℃に上げた。温度３５０℃でのろう付け材料の脱バインダー（ｄｅｂｉｎｄｉｎｇ）を１０分間保持した後、部品を２０℃／分の速度で６００℃まで加熱した。温度６００℃での加熱を１０分間保持した後、部品を５℃／分の速度で７４０℃まで加熱した。ろう付け温度７４０℃を２０分間保持した後、部品を５℃／分の速度で３００℃まで冷却した。３００℃の後、自由冷却した。

【0069】

ろう付け工程の後、マルエージング鋼の硬度を上げるために、ろう付けされた部品をエージングプロセスに供した。３つの異なるエージング温度を試験し、１つのろう付けされた部品は、比較のためにエージングプロセスに供しなかった。部品を炉に入れ、温度を５℃／分の速度でエージング温度に上げた。施した異なるエージング温度は、３５５、４４０および４９０℃であった。エージング温度を３時間保持し、その後部品を５℃／分の速度で３００℃まで冷却した。３００℃の後、自由冷却した。

【0070】

例２（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提供した。

【0071】

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。

【0072】

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。

【0073】

本明細書では、この試料を比較２と表示する。

【0074】

例３（比較）
炭素硬化熱間加工鋼１．２３４４で製造された鋼部位を、１０ｗｔ％の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提供した。熱間加工鋼部材は、あらかじめ硬化された状態であった。鋼を真空炉内でＮ_２を用いて１０６０℃から急冷し、その後２００℃で１０分間３回緩和した（ｒｅｌａｘ）。急冷された１．２３４４部位の平均硬度値は、６６ＨＶ１の標準偏差で５８２ＨＶ１であった。

【0075】

ろう付け材料１は、ペーストの形態で提供した。ろう付け材料２は、１００μｍの厚さを有する箔の形態で提供した。ろう付け材料１は、６０．０ｗｔ％のＡｇ、２４．０ｗｔ％のＣｕ、１４．０ｗｔ％のＩｎ、および２．０ｗｔ％のＴｉの組成を有した。固相線温度は約６２０℃であり、液相線温度は約７２０℃である。ろう付け材料２は、５９．０ｗｔ％のＡｇ、２７．２５ｗｔ％のＣｕ、１２．５ｗｔ％のＩｎ、および１．２５ｗｔ％のＴｉの組成を有した。固相線温度は約６０５℃であり、液相線温度は約７１５℃である。

【0076】

ろう付け材料をマルエージング鋼部位と超硬合金部位の間に配置し、その結果両部品はろう付け材料に接した。組み立てられた接合部品を炉の中に入れ、そこで最初に２０℃／分の速度で５００℃に温度を上げ、５分間保持した。次いで温度を５０℃／分の速度で、５００℃から、６８５℃（ろう付け材料１）と７１５℃（ろう付け材料２）の間で異なるろう付け温度Ｔ_ろう付けまで上げた。Ｔ_ろう付けを４分の滞留時間の間保持し、その後部品を自由冷却によって室温まで冷却した。

【0077】

硬度を測定し、結果を表２に示す。

【0078】

本明細書では、２つの試料６８５℃（ろう付け材料１）および７１５℃（ろう付け材料２）をそれぞれ比較３および４と表示する。

【0079】

剪断強度値は、決定されなかった。

【0080】

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提供した。

【0081】

ろう付け材料を、１００μｍの厚さを有する箔の形態で提供した。ろう付け金属は、１００．０ｗｔ％Ｃｕの組成を有した。溶融温度は１０８５℃である。

【0082】

箔を鋼部位とマルエージング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１０Ｋ／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５０Ｋ／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Ｎ_２急冷した。

【0083】

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回エージングを行った。

【0084】

本明細書では、この試料を比較５と表示する。

【0085】

例５（比較）
炭素硬化冷間加工鋼１．２７１４で製造された鋼部位を、１０ｗｔ％の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提供した。

【0086】

ろう付け金属を、１００μｍの厚さを有する箔の形態で提供した。ろう付け材料１は、１００．０ｗｔ％Ｃｕの組成を有した。溶融温度は１０８５℃である。

【0087】

箔をマルエージング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１０Ｋ／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た。滞留時間の後、室温まで自由冷却を開始した。

【0088】

続いて、超硬合金－鋼接合部を、炭素硬化冷間加工鋼１．２７１４部位とともに、トーチによって８５０℃の温度に１０分間加熱し、次いでオイル中で室温に急冷した。その後、２００℃の真空炉で２時間張力緩和（ｔｅｎｓｉｏｎ ｒｅｌａｘｉｎｇ）を行った。

【0089】

続いて、超硬合金－鋼接合部を、炭素硬化冷間加工鋼１．２７１４部位とともに、５００℃で２時間エージングした。

【0090】

本明細書では、この試料を比較６と表示する。

【0091】

例６
ろう付けされた接合部の剪断強度、マルエージング鋼部位ならびに適用可能な場合はろう付け接合部のＴｉＣ層およびＴｉＣ蓄積層の硬度を測定することによって、組み立てられた接合部品を評価した。

【0092】

接合部の強度特性を評価するために、図６に示すようにセットアップされた剪断装置を使用して、試料の剪断試験を行った。ここで、１は鋼シリンダー形状（φ＝２０ｍｍ、ｈ＝５ｍｍ）の鋼部位であり、２は超硬合金シリンダー形状（φ＝１０ｍｍ、ｈ＝５ｍｍ）の超硬合金部位である。鋼シリンダーは剪断強度試験装置の隙間に配置され、従って荷重方向にのみ移動させることができる。装置の表面に侵食されたノッチは、接合された部位を正しい位置に保持し、ろう付け接合部へ均一に分配された力の誘導を保証する。加える力は、ろう付け接合部が破損し、超硬合金シリンダーが削ぎ取られるまで絶えず増加される。次いで、測定された最大の測定された力と初期接合表面（Ａ＝７８．５ｍｍ^２）の商によって、極限剪断強度を計算した。ろう付け接合部の剪断強度を決定するより前に、ろう付け材料は取り去らなかった。

【0093】

マルエージング１．２７０９鋼部位の硬度は、ビッカース硬さ試験機によりマルエージング鋼部位の断面に１ｋｇｆ（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した。断面において、マルエージング鋼１．２７０９部位の完全なプロファイル（約２０×５ｍｍ^２）を覆う、３×６くぼみのパターンを施した。例えば、図１２および１３を参照されたい。

【0094】

発明１～３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、熱電界放射陰極（ショトキー）を備えた高解像度電界放出型走査電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ）である、Ｊｅｏｌ ＪＳＭ－７００１Ｆであった。発明１～３のろう付け接合部におけるＴｉＣ層の厚さは、倍率１００００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３に、ＴｉＣ層が明確に目視可能な発明３のＳＥＭ画像を示す。表２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。

【0095】

ＥＤＳを使用して、Ｔｉの蓄積を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、ＥＤＳ走査から概算された蓄積の厚さを意味する。表２の中の値は、ＥＤＳ走査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。

【0096】

表２のＴｉＣ層の厚さは、全てろう付け接合部の中央、すなわち倍率１００００のＳＥＭ画像の端から離れて得た３つの測定値の平均である。

【0097】

図４では、Ｔｉの蓄積をＥＤＳを使用して示している。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【国際調査報告】