JP5283016B2 - 粗粒ダイヤモンド粒子を含有する切削工具用ダイヤモンド焼結体 - Google Patents

Description

本発明は、ダイヤモンドを主成分として刃先に有する切削工具を製造するためのダイヤモンド焼結体に関する。

従来、アルミ合金等、軟質金属の超精密加工に単結晶ダイヤモンド工具が用いられている。しかし、大きなサイズの単結晶ダイヤモンドが高価であることから、単結晶ダイヤモンド工具は製造コストが高いという問題点がある。また、ダイヤモンド粉末をＣo等の結合材により焼結した多結晶ダイヤモンド焼結体は、単結晶ダイヤモンド工具よりも安価であるが、多結晶体であるがゆえに超精密加工で要求されるＲzで０．５μｍ以下の面粗度は得られず、被削材の表面にも筋が発生するという問題もある。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑みて、耐摩耗性に優れ、被削材の面粗度の改善が可能な切削工具を安価に製造することを可能とする切削工具用ダイヤモンド焼結体を提供することを課題とする。

被削材を切削加工する場合、図３に示すように、横切れ刃境界部で被削材が大きく切り取られ、前切れ刃境界部により仕上げ面の形成が行われる。このため、被削材表面には前切れ刃境界部の形状が転写されることとなる。したがって、前切れ刃境界部の摩耗が進行して前切れ刃の表面粗さが悪くなると、被削材表面も粗くなり仕上がり状態が悪くなる。また、被削材表面に筋が発生し始めると境界摩耗が更に発達して前切れ刃境界部に溝が形成され、上記問題が一層顕著となり、短時間で加工表面粗さが悪化してしまう。（図４参照）

本発明者等は、工具刃先の前切れ刃境界部の摩耗が、なるべく平滑に進行するようにすることができれば、被削材の面粗さが悪化しにくく、長寿命で高精度加工が行えることを見出した。すなわち、少なくとも、切れ刃の切削時における前境界部分を、ダイヤモンド単結晶体にすることが有効であることを見出し、本発明を完成させた。なお、「平滑に摩耗する」とは、前切れ刃境界部の摩耗が抑制され、段差や溝（筋）の形成が押さえられて滑らかになる状態のことをいう。
以上のように、本発明者等は、ダイヤモンド切削工具による切削加工において被削材の面粗度を改善させるべく鋭意研究を重ねた結果、切削では切れ刃の各部位で異なった特性が要求されることを見出した。

しかしながら、従来のダイヤモンド焼結体は様々なダイヤモンド粒径の焼結体が用いられているが、これら従来の焼結体ではダイヤモンド粒子の粒径が連続的に分布しており、かつ、焼結体中でダイヤモンド粒子の粒度分布が焼結体全体のダイヤモンド粒度分布に近い状態となっているため、切れ刃を作製した場合に該切れ刃の任意の部分の機能は等しいものとなっている。このため、従来のダイヤモンド焼結体中の任意の部分の機能が等しい焼結体では、上述したような切れ刃の部位によって異なる要求特性に対して、共に機能が発揮されるように材料設計がなされるが、各部位の要求特性に対する最適な材料設計とはならず、性能に限度がある。

本発明者等は以上の点に着目し、粗粒のダイヤモンド粒子と微粒のダイヤモンド粒子とが適切に混合されたダイヤモンド焼結体により、各部位の要求特性が最適なものとなる切れ刃を提供できることを見出し、本発明を完成させた。すなわち、本発明は以下の特徴を有する。

（１）本発明に係る切削工具用ダイヤモンド焼結体は、
ダイヤモンド含有率が７０−９８体積％であり、
第１ダイヤモンド粒子群と第２ダイヤモンド粒子群とを有し、
該第１ダイヤモンド粒子群の平均粒径が５０μｍ以上であり、かつ、第２ダイヤモンド粒子群の平均粒径の５倍以上であり、
第２ダイヤモンド粒子群の平均粒径が２０μｍ以下であり、かつ、第２ダイヤモンド粒子群の含有率が５０体積％以上であり、
結合相が少なくとも鉄族金属を有することを特徴とする。
（２）上記（１）に記載のダイヤモンド焼結体であって、前記鉄族金属として、Ｆe、Ｃo、Ｎiのいずれかを有することを特徴とする。
（３）上記（１）又は（２）に記載のダイヤモンド焼結体であって、前期第１ダイヤモンド粒子群の平均粒径（粒子直径）が１００μｍ以上であり、前記第２ダイヤモンド粒子群の平均粒径が８μｍ以下であることを特徴とする。

本発明に係るダイヤモンド焼結体中には、所定以上の粒子直径を有するダイヤモンド粒子が配置されているため、大粒径のダイヤモンド単結晶体を切れ刃、もしくは切れ刃の一部とする、ダイヤモンド焼結体工具の生産が可能となる。これら大粒径のダイヤモンド単結晶体を、切れ刃の前境界部に用いることにより軟質金属の超精密加工でＲz（十点平均粗さ）が０．５μｍ以下の優れた面粗度が得られる。また、単結晶ダイヤモンドからなる従来の切削工具よりも安価な工具の生産を可能とするダイヤモンド焼結体を提供することができる。

ダイヤモンド焼結体を用いた好ましい切削工具の一例を示す図である。 本発明に係るダイヤモンド焼結体の刃先部分を焼結体から切り出す一例を示す図である。 従来の切削工具による、良好な切削状態の概略を表す図である。 従来の切削工具による、刃先が摩耗した切削状態の概略を表す図である。

本発明に係るダイヤモンド焼結体は、第１ダイヤモンド粒子群と第２ダイヤモンド粒子群とを有し、該第１ダイヤモンド粒子群の平均粒径（粒子直径）が５０μｍ以上であり、かつ、第１ダイヤモンド粒子群の平均粒径が第２ダイヤモンド粒子群の平均粒径の５倍以上であることを特徴とする。平均粒径が５０μｍ以上の粗粒ダイヤモンド粒子（単結晶体）と、平均粒径が該粗粒ダイヤモンド粒子の１／５以下である微粒のダイヤモンド粒子とを有することにより、切削工具の切れ刃の任意の部分に所期の機能を持たせることが可能となる。

例えば、前切れ刃境界部を含む前切れ刃部分に粗粒のダイヤモンド単結晶体を配置することにより、前切れ刃の摩耗を平滑に進行させて、被削材の面粗度を良好にすることができる。この観点から、前記第１ダイヤモンド粒子群の、より好ましい平均粒径は１００μｍ以上である。

一方、ダイヤモンド単結晶体の劈開性によるチッピング等が問題となる場合には、その切れ刃部分を微粒のダイヤモンド粒子群によるダイヤモンド多結晶体により構成すれば良い。また、前切れ刃部分以外の切れ刃部分をダイヤモンド多結晶体により形成すれば、ダイヤモンド単結晶体のみから工具を作製する場合に比べて低コストで提供することが可能となるメリットもある。これらの観点から、前記第２ダイヤモンド粒子群のより好ましい平均粒径は８μｍ以下である。

上記ダイヤモンド焼結体は、ダイヤモンド含有率が７０−９８体積％であることを特徴とする。ダイヤモンドの含有率がこれらの範囲にあることにより、焼結体の強度と耐摩耗性を両立させることが可能となる。より好ましいダイヤモンド含有率の範囲は、８０〜９５体積％である。

更に、焼結体の結合相が、少なくとも鉄族金属を有することを特徴とする。該鉄族金属としては、Ｆe、Ｃo、Ｎiから選ばれるいずれか１種以上を有することが好ましい。これらの結合材成分により、ダイヤモンド焼結体の耐摩耗性及び強度を向上させることができる。当然、これらの成分以外にも不可避的に不純物が含まれていても構わない。

本発明に係るダイヤモンド焼結体により、例えば、以下のような切削工具の製造が可能となる。
<前切れ刃境界部が単結晶体である切削工具の作製>
前述のように、被削材表面を平滑に仕上るには、前切れ刃境界部付近の刃先摩耗は凹凸無く平滑に進行することが好ましい。図３に示すように、前切れ刃境界部により仕上り面の形成が行われるため、被削材表面には前切れ刃境界部の形状が転写されるからである。なお、「平滑に摩耗する」とは、前切れ刃境界部の摩耗が抑制され、段差や溝（筋）の形成が押さえられて滑らかになる状態のことをいう。

したがって、被削材の面粗度を良好にするためには、図１に示すように、被削材と接触する切れ刃部分において、切り込み量が最大となる点から、送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％（ｘ≧１０）が、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％（ｙ≧１０）がダイヤモンド単結晶体で形成されていることが好ましい。これにより、前切れ刃境界部分もダイヤモンド単結晶体により形成されるため、耐摩耗性に優れた前切れ刃となる。このため、ダイヤモンド多結晶体で切削した場合のような被削材表面の面粗度の悪化、筋の発生を抑制すると同時に、前切れ刃境界部分が平滑に摩耗するようになり、長寿命の切削工具となる。

一方、横切れ刃境界部分は、被削材を大きく切り取る部分であり、特に仕上げ面の面粗さに影響を与えることは無い。このため、前記切り込み量が最大となる点から、送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％（ｘ≧１０）を、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％（ｙ≧１０）を越える部分をダイヤモンド多結晶体で形成すれば、ダイヤモンド単結晶体のみから工具を作製する場合に比べて低コストで提供することが可能となる。また、ｘとｙは各々８０を超えると刃先の研磨コストが高くなるため、８０以下であることが好ましい。

このような切削工具を作製するためには、本発明に係るダイヤモンド焼結体から、前切れ刃部分がダイヤモンド単結晶体により、横切れ刃部分がダイヤモンド多結晶体により構成されるように切り出せば良い（図２参照）。このとき、切削時に被削材に接触する切れ刃のうち、切り込み量が最大となる点から、送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％（ｘ≧１０）まで、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％（ｙ≧１０）までが、粒子直径が５０μｍ以上のダイヤモンド粒子により構成されることが好ましい。該ダイヤモンド単結晶体の粒子直径は１００μｍ以上であることがより好ましい。

被削材がアルミ合金や無酸素銅等である場合に、超精密切削加工を行うには、一般的に、切り込み量は０．０１〜０．１５ｍｍ、送り量は０．００１〜０．２ｍｍ／ｒｅｖの条件で行われる。このような場合、摩耗の進展により刃先が後退するため、前記ダイヤモンド焼結体工具のノーズ先端部分から送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％が、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％がダイヤモンド単結晶体で形成され、ｘ、ｙが１０以上であることが望ましい。これにより、前切れ刃境界部分が、ダイヤモンド単結晶体で構成され、横切れ刃境界部分はダイヤモンド多結晶体で構成されることとなる。

超硬合金製のポット及びボールを用いて、ダイヤモンド粒子とＣo、ＷＣ等の結合材材料を混合してから熱処理を施し、この粉末をＣo板と共にＭo製容器に充填し、圧力５．５ＧＰa、温度１，４１０℃で２２分焼結し、表１に記載のダイヤモンド焼結体を得た。この焼結体を切断し、基材として超硬合金製の台金にロー材を用いて接合した後、研磨加工を実施し、切削工具（ＴＰＧＮ１１０３０８）を作製した。このとき、工具の前切れ刃境界部に粗粒のダイヤモンド単結晶体が配置され、被削材と接触する切れ刃部分において、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃は切り込み量の３０％が、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量の４０％がダイヤモンド単結晶体で形成され、被削材と接触する他の切れ刃部分がダイヤモンド多結晶体で形成されるように焼結体中の粗粒ダイヤモンド単結晶粒子の位置を確認した後、切断、接合、研磨を実施した。

この切削工具を用いて、被削材として無酸素銅を用い、表２に記載の条件で切削試験を実施した。その結果、寿命判定基準をＲzで０．４μｍとして、表２に記載の工具寿命が得られた。

Claims (3)

1. ダイヤモンド含有率が７０−９８体積％であり、
   第１ダイヤモンド粒子群と第２ダイヤモンド粒子群とを有し、
   第１ダイヤモンド粒子群の平均粒径が５０μｍ以上であり、かつ、第２ダイヤモンド粒子群の平均粒径の５倍以上であり、
   第２ダイヤモンド粒子群の平均粒径が２０μｍ以下であり、かつ、第２ダイヤモンド粒子群の含有率が５０体積％以上であり、
   結合相が少なくとも鉄族金属を有することを特徴とする切削工具用ダイヤモンド焼結体。
2. 前記鉄族金属として、Ｆe、Ｃo、Ｎiのいずれかを有することを特徴とする請求項１に記載の切削工具用ダイヤモンド焼結体。
3. 前期第１ダイヤモンド粒子群の平均粒径（粒子直径）が１００μｍ以上であり、前記第２ダイヤモンド粒子群の平均粒径が８μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の切削工具用ダイヤモンド焼結体。

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