(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心孔を有する円盤状基板の外周又は内周に超砥粒層を備えてなる超砥粒カッタに用いる、超砥粒カッタ用基板において、前記基板は、相対的に剛性の高い高剛性基板材と、相対的に靱性の高い高靱性基板材とを交互に積層して構成され、前記高剛性基板材と高靱性基板材とは略同一寸法の外径及び内径を有する円環板状に形成され、互いに隣合う前記高剛性基板材と高靱基板材とは焼結法によって全面に亘って結合され、前記積層された高剛性基板材と高靱性基板材の全てが一体化されていることを特徴とする、超砥粒カッタ用基板。
【請求項２】
請求項１に記載の超砥粒カッタ用基板において、前記積層した層の数が３以上の奇数であることを特徴とする、超砥粒カッタ用基板。
【請求項３】
請求項２に記載の超砥粒カッタ用基板において、前記積層の仕方は、中央の層に関して対称に素材が積層していることを特徴とする、超砥粒カッタ用基板。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１に記載の超砥粒カッタ用基板において、中央に配置された高靱性基板材と、該高靱性基板材の上下に配置された高剛性基板材の３層で構成されていることを特徴とする、超砥粒カッタ用基板。
【請求項５】
中心孔を有する円盤状基板の外周又は内周に超砥粒層を備えてなる超砥粒カッタに用いる、超砥粒カッタ用基板の製造方法において、前記製造方法は、相対的に高い靭性を有する基板材を形成する素材からなる円環板状の高靱性層と、相対的に高い剛性を有する基板材を形成する素材からなり、前記高靱性と略同じ寸法の内径及び外径を有する高剛性層を交互に積層し、互いに隣合う前記高靱性層と高剛性層とを焼結法により全面に亘って結合し、積層した全ての高靱性層と高剛性層とを一体化することを特徴とする、超砥粒カッタ用基板の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の超砥粒カッタ用基板の製造方法において、前記積層される各層の素材は、板材又は粉体の状態で供給されることを特徴とする、超砥粒カッタ用基板の製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の超砥粒カッタ用基板の製造方法において、前記積層される層には、少なくとも１つの粉体として供給される層が含まれ、前記粉体として供給される層の焼結が行われると同時に、積層された層全体の結合が行われることを特徴とする、超砥粒カッタ用基板の製造方法。
【請求項８】
請求項５乃至７のいずれか１に記載の超砥粒カッタ用基板の製造方法において、前記焼結法は加圧・通電加熱焼結法であることを特徴とする、超砥粒カッタ用基板の製造方法。
【請求項９】
請求項１乃至４のいずれか１に記載の超砥粒カッタ用基板、又は請求項５乃至８のいずれか１に記載の超砥粒カッタ用基板の製造方法により製造された超砥粒カッタ用基板を用いた、超砥粒カッタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、中心孔を有する円盤状基板の外周又は内周に超砥粒層を固着した超砥粒カッタ用の基板及びその製造方法に関し、さらに詳細に言えば、ガラス、セラミックス、サーメット等の硬脆材料、磁性材料、金属材料等の工業用材料の切断や溝入れに用いて好適な、超砥粒カッタ用の基板及びその製造方法に関する。さらに本願発明は、その方法により製造された基板を用いた超砥粒カッタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
中心孔を有する円盤状基板の外周部又は内周部に超砥粒層を固着してなる外周刃又は内周刃の超砥粒カッタは公知である。従来の円盤状基板にはスチール系素材や超硬合金等が用いられている。
【０００３】
炭素工具鋼、合金工具鋼、高速度工具鋼等のスチール系素材を用いた基板は、材料の入手が容易なこと、加工も比較的容易なことから広く用いられている。しかし、剛性が低いので切断時に基板が撓み、これにより切断精度が低下したり、被切断材料に基板が触れるいわゆる胴当たり現象を起こして切断抵抗が増したり、切断時の切粉で基板の表面が傷つけられ寿命が低下するという問題があった。
【０００４】
一方、超硬合金を用いた基板は、スチール系素材を用いた基板より剛性が高いため切断精度が優れていて、胴当たりの問題も少ない。また、表面の硬度が高いため耐摩耗性が高く寿命も長い。しかし、薄い基板を製造するのが困難であり、刃厚の薄いカッタ用基板とするためには取り代が多く、研削加工に時間がかかる。また、その靭性の低さから、衝撃等に弱く割れ易い。さらに、密度が高いため重量が重く、複数枚のカッタを同軸上に並置してマルチ化した状態で使用する場合等取り扱いが困難である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明は上記従来技術における問題点に鑑みてなされたものであり、スチール系素材が持つような高い靭性・軽量性と、超硬合金が持つような高い剛性・耐摩耗性を併せ持つ、超砥粒カッタ用基板とその製造方法を提供することをその目的とする。さらに、その超砥粒カッタ用基板を用いた超砥粒カッタを提供することをその目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、相対的に剛性の高い高剛性基板材と、相対的に靱性の高い高靱性基板材とを交互に積層して構成され、高剛性基板材と高靱性基板材とは略同一寸法の外径及び内径を有する円環板状に形成され、互いに隣合う高剛性基板材と高靱性基板材とは焼結法により全面に亘って結合され、積層された全ての基板材が一体化されている、超砥粒カッタ用基板を提供する。ある実施の形態では積層の数は３以上の奇数である。またある実施の形態では、その積層の仕方は、中央の層に関して対称となっている。
【０００７】
また本発明は、相対的に高い靭性を有する基板材を形成する素材からなる円環板状の高靱性層と、相対的に高い剛性を有する基板材を形成する素材からなり、高靱性層と略同じ寸法の内径及び外径を有する高剛性層を交互に積層し、互いに隣合う高靱性層と高剛性層とを焼結法により全面に亘って結合し、積層された全ての層を一体化する、超砥粒カッタ用基板の製造方法を提供する。ある実施の形態では、各層の素材は、板材又は粉体の状態として供給される。そして素材が粉体として供給された層の焼結が行われると同時に、層全体の結合が行われる。
【０００８】
さらに本発明は、上記の基板又は製造方法により製造された基板を用いた超砥粒カッタを提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態を説明するが、本願発明の範囲は、以下に説明される実施の形態に限定されるものではない。
【００１０】
本願発明に係る基板を製造するのには２種類以上の素材を使用するが、以下に説明する第一の実施の形態では、２種類の素材を用いる。図１に、第一の実施の形態における基板１の側面断面図を示す。基板１は円盤の形状をしていて、外周部２又は円孔３の内周に、レジンボンド、メタルボンド、電着等の適宜な方法により超砥粒層（図示せず）を固着して、超砥粒カッタとする。外周刃の場合、基板１と同軸芯に形成された円孔３は、基板１をフランジに取り付けるために利用される。
【００１１】
基板１は、２種類の素材を用い、一方の素材の層の両側に他方の素材の層が配置された、３層構造の合板として構成されている。２種類の素材は、一方の素材は他方に比して高い靭性を有する素材であり、他方の素材は一方に対して高い剛性を有する素材である。そしてこの実施の形態では、靭性の高い素材の層の両側に剛性の高い素材の層を配置してある。靭性の高い素材としてスチール系の板材、剛性の高い素材として超硬合金の板材を用いている。具体的には、スチール系の板材として所定の寸法の炭素工具鋼（ＳＫ−５）を用いている。超硬合金の板材は、コバルト含有率１２％のタングステンカーバイト−コバルト合金を用いている。これらの素材を、図１に示すように、中央に配置された層４を炭素工具鋼とし、その上下に配置された層５を超硬合金の板材とし、加圧・通電加熱焼結法により焼結し、これらの板材を結合して基板１を製造する。
【００１２】
ここで、結合の方法として焼結法を用いるが、本実施の形態においては、加圧・通電加熱焼結法の一種である放電プラズマ焼結法を用いている。焼結条件としては、例えば、真空中の雰囲気で、上下方向から１５ＭＰａの圧力をかけ、９００℃とし５分間保持とする。
【００１３】
放電プラズマ焼結法は、圧縮された被焼結体の粒子間の間隙に直接パルス状の電気エネルギーを投入し、火花放電現象により瞬時に発生する放電プラズマの高エネルギーを熱拡散、電界拡散などへ利用した焼結法である。放電プラズマ焼結法を用いた場合、材料の接合面において組成の傾斜化が得られ、界面の強度が高い。さらに、処理速度が速い、組み合わせ可能な異種材料の幅が広い等の利点も得られる。
【００１４】
図２に放電プラズマ焼結装置６の基本構成図を示し、以下にこの装置６を用いて粉体焼結を行う場合について説明する。符号９は、水冷真空チャンバーである。水冷真空チャンバー９は、内部を真空に保つことができる。粉体７の焼結は、水冷真空チャンバー９の内部で真空の雰囲気の下で行われる。符号１１、１３はそれぞれ上部パンチ電極及び下部パンチ電極である。上部パンチ電極１１、及び下部パンチ電極１３は、水冷真空チャンバー９の外部から貫通して配置されている。上部パンチ電極１１、及び下部パンチ電極１３には粉体７にプラズマを発生させるための電圧が、電源装置１９によりかけられ、後述する上部パンチ１５及び下部パンチ１７を介して粉体７に電圧がかけられる。又、上部パンチ電極１１及び下部パンチ電極１３には、加圧機構２１から設定された圧力が加えられるようになっている。符号２２は、制御装置であり、電源装置１９及び加圧機構２１を制御する。
【００１５】
符号１５及び１７はそれぞれ上部パンチ及び下部パンチである。上部パンチ１５及び下部パンチ１７は、黒鉛で製造されていて、同一の外径を有する円柱状に形成されている。符号２０は、焼結ダイである。焼結ダイ２０も黒鉛で製造されていて、内部に軸方向に貫通孔を有する円筒状に形成されている。貫通孔の内径は、上部パンチ１５及び下部パンチ１７の外径と同一である。
【００１６】
焼結時、焼結ダイ２０の貫通孔に、所定量の粉体７が配置される。そして、上部から上部パンチ１５が、下部から下部パンチ１７が、焼結ダイ２０の貫通孔に嵌められる。以上のように配置された粉体７、上部パンチ１５、下部パンチ１７、焼結ダイ２０を、図２に示すように、上部パンチ電極１１と下部パンチ電極１３の間に配置する。前述の通り、上部パンチ電極１１及び下部パンチ電極１３には、加圧機構２１から圧力が加えられていて、その圧力が上部パンチ１５及び下部パンチ１７を介して粉体７に上下方向より加えられる。また、上部パンチ１５及び下部パンチ１７は、それぞれ上部パンチ電極１１及び下部パンチ電極１３と導通しており、上部パンチ電極１１及び下部パンチ電極１３にかけられた所定の電圧が粉体７に加えられる。
【００１７】
以上、放電プラズマ焼結法について、粉体焼結を行う場合について簡単に説明したが、この放電プラズマ焼結法は、板材同士の場合、あるいは、板材に粉体を積層し、粉体の焼結を行うと同時に板材との結合を行うのにも使用可能であり、本実施の形態では前述の通り３枚の板材をこの放電プラズマ焼結法で結合している。この場合においても、各板材間の接合部をミクロ的に見ると、各板材の組成成分中の拡散しやすい成分が高濃度側から低濃度側へ拡散し、組成傾斜する。
【００１８】
以下に、本実施の形態での具体的な実施例を挙げる。また、超硬合金のみで基板を製造した比較例１、及び高速度工具鋼のみで基板を製造した比較例２とを挙げ、それらの剛性を比較する。
【００１９】
【実施例１】
高い靭性を有する素材の板材として、炭素工具鋼（ＳＫ５）を用いる。板厚は０．３ｍｍとし、内径４０ｍｍ、外径１２０ｍｍの円環状に製作してある。高い剛性を有する素材として、焼結して形成した超硬合金の板材を用い、その超硬合金はコバルト含有率１２％のタングステンカーバイト−コバルト合金である。板厚は０．４ｍｍとし、内径４０ｍｍ、外径１２０ｍｍの円環状に製作してある。そして、炭素工具鋼を中央にして、その両面に超硬合金を積層配置したものを被焼結体とする。
【００２０】
以上の被焼結体を、加圧・通電加熱焼結法の一種である放電プラズマ焼結法により焼結を行った。本実施の形態における放電プラズマ焼結装置には、住友石炭鉱業株式会社製の放電プラズマ焼結装置（ＳＰＳ−７．４０）を用いた。素材の配置の仕方を図３に示す。尚、図３は、基板を２枚同時に製造する２段取りの状態を示してある。符号２９は、焼結ダイであり、その貫通孔３０は、前述の如く三層構造とされた被焼結体２５、２５の外径に対応した径を有する。貫通孔３０内には、２セットの焼結体が、図３に示されるように、スペーサー２７ａ、２７ｂ、２７ｃを介在させて配置される。被焼結体２５、２５及びスペーサー２７ａ、２７ｂ、２７ｃは中心に同一の径を持つ貫通孔を有していて、その貫通孔内にそれと同一の外径を有する円柱状のコア２３が配置される。以上のように配置したコア２３、スペーサー２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、被焼結体２５、２５、ダイ２９を、図２に示される上部パンチ１５の下面１６と下部パンチ１７の上面１８の間に配置する。焼結条件として、装置の出力を最高電圧４Ｖ、最高電流９８００Ａとし、真空の雰囲気において材料の上下方向から圧力１５ＭＰａをかけながら、９００℃とし５分間保持とした。
【００２１】
上記の条件で焼結して結合し、外径１２０ｍｍ、内径４０ｍｍ、厚さ１．１ｍｍの円環状の合板を製造した。さらに、上下面を均等に０．３ｍｍづつ研削して、厚さを０．５ｍｍとした。つまり、外径１２０ｍｍ、内径４０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの円環状の合板を得た。
【００２２】
【比較例１】
超硬合金（コバルト含有率１２％のタングステンカーバイト−コバルト合金）の板材とする。形状及び寸法は、実施例１で製造した合板と同じとする。
【００２３】
【比較例２】
高速度工具鋼（ＳＫＨ５１）の板材とする。形状及び寸法は、実施例１で製造した合板と同じとする。
【００２４】
図４に、基板の剛性測定の様子を示す。実施例１、比較例１及び比較例２の被測定基板３１を図４に示すように、外径７０ｍｍのフランジ３３を用いて切断機の軸３４に固定し、外周から５ｍｍの位置３５に５０μｍの変位を与え、そのときの荷重を測定した。測定は、変位を電気マイクロメーター、荷重をキスラー動力計を用いて行った。値は、円周上の任意の４箇所を測定したときの平均値である。
【００２５】
結果は、表１に示してあるように、実施例１で製造された基板は比較例２の高速度工具鋼のみの基板の２倍以上の剛性を有し、比較例１の超鋼合金のみの基板と遜色の無い剛性を有している。
【００２６】
【表１】
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実施例１で製造された基板は、外側に配置された超硬合金が、耐摩耗性も有していることから、切削時の切粉により基板の表面が傷つけられ寿命が低下するという、スチール系基板の短所も改善している。さらに、高速度工具鋼の密度が、超硬合金の密度より低いから、超硬合金のみで製造した基板より軽量であることは、明らかである。また、焼結方法に、加圧・通電加熱焼結法を用いることで、接合状態のよい基板が、短時間で製造できる。
【００２７】
他の実施の形態においては、上記に述べた、相対的に靭性の高い素材の両側に相対的に剛性の高い素材を配置した実施の形態とは異なり、相対的に剛性の高い素材を中央にして、その両側に相対的に靭性の高い素材を配置することが可能である。つまり第二の実施の形態として、図１に示される、中央に配置された層４を相対的に剛性の高い素材、上下に配置された層５を相対的に靭性の高い素材にした実施の形態である。第二の実施の形態での具体的実施例としては、実施例１と同様に、相対的に剛性の高い素材をコバルト含有率１２％のタングステンカーバイト−コバルト合金とする超硬合金、相対的に靭性の高い素材を炭素工具鋼（ＳＫ−５）とするスチール系素材とすることにより、同じ焼結装置を用いて、適宜な焼結条件を設定して基板を製造することができる。第二の実施の形態において、中央に配置する超硬合金の厚みを適宜なものとすることにより、製造された基板は、実施例１と同様に、比較例１に匹敵する高い剛性を有し靭性にも優れたものとなる。
【００２８】
上記の実施の形態においては、素材の組み合わせの例として、相対的に高い靭性を有する素材として炭素工具鋼、合金工具鋼、高速度工具鋼等のスチール系素材を、相対的に高い剛性を有する素材として超硬合金を採用したが、さらに他の実施の形態では、相対的に高い靭性を有する素材として超硬合金、相対的に高い剛性を有する素材としてセラミックスとした組み合わせ等も採用可能である。
【００２９】
上記の実施の形態においては、相対的に高い靭性を有する素材及び相対的に高い剛性を有する素材が、共に既に板材として形成されて提供される場合を述べたが、さらに他の実施の形態においては、どちらか一方又は両方の素材が、粉体として提供され、それらの粉体として供給された素材を焼結すると同時に、それぞれにより形成される層を結合して、基板を製造することができる。
【００３０】
まず、相対的に高い靭性を有する層を形成する素材として板材、相対的に高い剛性を有する層を形成する素材として粉体を用いる実施の形態について述べる。一つの組み合わせ例として、相対的に高い靭性を有する層を形成する素材の板材として炭素工具鋼（ＳＫ−５）を用い、相対的に高い剛性を有する層を形成する素材の粉体として、コバルト含有率８％のタングステンカーバイト−コバルト合金の粉末に、流動性を制動するためにワックスを重量比で２％加えた、粒子径４５〜１０６μｍの混合物からなる超硬合金の粉体を用いる。そして、炭素工具鋼を中央に配置し、その上下に超硬合金の粉体を配置し焼結する。焼結条件としては、例えば前述の放電プラズマ焼結装置を用い、真空中の雰囲気で、上下方向から５０ＭＰａの圧力をかけ、１１４０℃とし５分間保持として、基板を形成することができた。
【００３１】
素材の配置の仕方をかえて、超硬合金の粉体を中央に配置し、その上下に炭素工具鋼の板材を配置し焼結した実施の形態も可能である。
【００３２】
次に、相対的に高い靭性を有する層を形成する素材の粉体、相対的に高い剛性を有する層を形成する素材も粉体を用いる実施の形態について述べる。例として、相対的に高い靭性を有する層を形成する素材の粉体として、クロム４％、モリブデン３％、コバルト９．５％、タングステン９．５％、バナジウム９．５％を含有し、流動性を制動するためにワックスを重量比で２％加えた、粒度−７０〜２５０Ｍｅｓｈの混合物のスチール系の粉体を用い、相対的に高い剛性を有する層を形成する素材の粉体として、コバルト含有率８％のタングステンカーバイト−コバルト合金の粉体に、流動性を制動するためにワックスを重量比で２％加えた、粒子径４５〜１０６μｍの混合物からなる超硬合金の粉体を用いる。そして、スチール系の粉体を中央に配置し、その上下に超硬合金の粉体を配置し焼結して基板を製造する。焼結条件としては、例えば前述の放電プラズマ焼結装置を用いると、真空中の雰囲気で、上下方向から５０ＭＰａの圧力をかけ、１１４０℃とし５分間保持として、基板を形成することができた。
【００３３】
素材の配置の仕方をかえて、超硬合金の粉体を中央に配置し、その上下にスチール系素材の粉体を配置し焼結した実施の形態も可能である。
【００３４】
さらには、相対的に高い靭性を有する層を形成する素材として粉体、相対的に高い剛性を有する層を形成する素材として板材を用いる実施の形態も可能である。素材としては例えば、相対的に高い靭性を有する層を形成する素材の粉体として、クロム４％、モリブデン３％、コバルト９．５％、タングステン９．５％、バナジウム９．５％を含有し、流動性を制動するためにワックスを重量比で２％加えた、粒度−７０〜２５０Ｍｅｓｈの混合物のスチール系粉体を用い、相対的に剛性の高い層を形成する素材の板材として、コバルト含有率１２％のタングステンカーバイト−コバルト合金の超硬合金を用いることが可能である。
【００３５】
以上、本願発明の実施の形態として、用いる素材が２種類で３層に積層した場合の形態を述べてきたが、さらに多くの層を積層した場合や、さらに多くの素材を用いた実施の形態も可能である。
【００３６】
２種類の素材をさらに多く積層させた実施の形態の例として、図５には、２種類の素材を５層に積層させたものが示されている。ここで、素材Ａ及び素材Ｂは、どちらか一方が他方に対して高い靭性を有していて、他方は一方に対して高い剛性を有している素材である。素材Ａと素材Ｂの積層の順序、又は素材Ａと素材Ｂが板材として供給されるかあるいは粉体として供給されるかについては、前述の実施の態様で説明したように各種の態様が可能である。さらに必要に応じて、７層、９層、・・・の層からなる基板を製造することができる。
【００３７】
さらに、３種類以上の素材を用いた実施の形態の例として、図６には、５種類の素材を７層に積層させた形態が示されている。Ｃ群の素材及びＤ群の素材は、どちらか一方が他方に対して高い靭性を有していて、他方は一方に対して高い剛性を有している素材である。さらに必要に応じて、図６に示される積層体のさらに上下にＣ群、Ｄ群の素材を順次積層させて焼結することにより、素材の種類及び積層の数を増やしていくことができる。ここで、Ｃ群の素材又はＤ群の素材は、すべてが違う素材である必要はない。
【００３８】
尚積層の仕方としては、３層以上の奇数層とするのが望ましい。その際に、中央の層に関して、対称に積層するのが望ましい。すなわち、中央層の上下に重ねられる第一層目は、上下同材質で同寸法、第二層目は、第一層目と材質、寸法は異なったとしても、上下同材質、同寸法とするが如くである。
【００３９】
【発明の効果】
上記説明から分かるように、本願発明により、適度に高い靭性と高い剛性を併せ持つ、超砥粒カッタ用の基板が得られ、さらにこの基板は同寸法の超硬合金製基板に比して軽量であり、スチール系基板に比して耐摩耗性に優れる。この基板を用いることにより、切断精度に優れ、切断時における基板の胴当たりを防止でき、長寿命の超砥粒カッタを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】２種類の素材を用いた場合の実施の形態における側面断面図である。
【図２】放電プラズマ焼結装置の基本構成図である。
【図３】被焼結体の配置図である。
【図４】実施例及び比較例の剛性の測定の様子を示す要部断面図である。
【図５】２種類の素材を５層に積層させた場合の実施の形態を示す断面図である。
【図６】５種類の素材を７層に積層させた場合の実施の形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１  ２種類の素材を用いた場合の本発明の実施の形態に係る基板
２  外周
３  円孔
４  中央に配置された層
５  上下に配置された層
６  放電プラズマ焼結装置の装置部分
７  被焼結体
９  水冷真空チャンバー
１１  上部パンチ電極
１３  下部パンチ電極
１５  上部パンチ
１６  上部パンチ下面
１７  下部パンチ
１８  下部パンチ上面
１９  電源装置
２０  焼結ダイ
２１  加圧機構
２２  制御装置
２３  コア
２５  被焼結体
２７  スペーサー
２９  焼結ダイ
３０  焼結ダイ貫通孔
３１  基板
３３  フランジ
３４  切断機軸
３５  測定位置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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