(57)【要約】  本発明は、金属、金属マトリクス複合材料、木材、合成材料、セラミック、石材及び合成建設材料から選択された材料から構成された工作物を機械加工する方法であって、作業面１６を有する多結晶ダイヤモンド層１２と、金属を含み、境界面に沿って多結晶ダイヤモンド層１２の作業面１６に接合された比較的軟い層２０と、比較的軟い層２０からの金属を含む、境界面に隣接する多結晶ダイヤモンド層１２の領域２２とを含む工具構成部材を備える工具を使用して、工作物を機械加工するステップを含む方法を提供する。
2010520067.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属、金属マトリクス複合材料、木材、合成材料、セラミック、石材及び合成建設材料から選択された材料から作られた工作物を機械加工する方法において、
作業面を有する多結晶ダイヤモンド層と、
金属を含有し、境界面に沿って前記多結晶ダイヤモンド層の前記作業面に接合された比較的軟い層と、
前記比較的軟い層からの金属を含む、前記境界面に隣接する前記多結晶ダイヤモンド層の領域と
を含む工具構成部材を備える工具を使用して、前記工作物を機械加工するステップを含む、工作物を機械加工する方法。
【請求項２】
前記比較的軟い層の前記金属が遷移金属である、請求項１に記載された工作物を機械加工する方法。
【請求項３】
前記比較的軟い層の前記金属が、金属、金属炭化物、窒化物、ホウ化物、ケイ化物、若しくは炭窒化物、又はこれらのうちの２つ以上の組合せとして存在する、請求項１又は請求項２に記載された工作物を機械加工する方法。
【請求項４】
前記比較的軟い層が、炭化物の形態の金属から主として成り、金属の形態の金属と、前記多結晶ダイヤモンドからの金属とを少量含む、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された工作物を機械加工する方法。
【請求項５】
前記金属が、モリブデン、ニオブ、タンタル、チタン及びタングステンから選択される、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載された工作物を機械加工する方法。
【請求項６】
前記比較的軟い層が、最大１００ミクロンの厚さを有する、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載された工作物を機械加工する方法。
【請求項７】
前記比較的軟い層が、前記作業面の一部分を被覆する、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載された工作物を機械加工する方法。
【請求項８】
前記比較的軟い層が、前記作業面の全体を被覆する、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載された工作物を機械加工する方法。
【請求項９】
前記作業面が前記多結晶ダイヤモンド層の上面であり、側面と交差して、前記工具構成部材の切削端部を形成する、請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載された工作物を機械加工する方法。
【請求項１０】
前記比較的軟い層が、前記切削端部から、前記作業面の少なくとも一部分にわたって延在する、請求項９に記載された工作物を機械加工する方法。
【請求項１１】
前記比較的軟い層が少なくとも５０ミクロンの厚さを有する、請求項１から請求項１０までのいずれか一項に記載された工作物を機械加工する方法。
【請求項１２】
前記多結晶ダイヤモンド層が基材に接合される、請求項１から請求項１１までのいずれか一項に記載された工作物を機械加工する方法。
【請求項１３】
前記基材が超硬合金基材である、請求項１３に記載された工作物を機械加工する方法。
【請求項１４】
前記機械加工が、のこ引き、切削、フライス加工、旋削又は穿孔である、請求項１から請求項１３までのいずれか一項に記載された工作物を機械加工する方法。
【請求項１５】
前記工作物が、鉄金属、非鉄金属並びに前記鉄金属又は前記非鉄金属の合金及び超合金から選択された金属材料である、請求項１から請求項１４までのいずれか一項に記載された工作物を機械加工する方法。
【請求項１６】
前記工作物が、コンクリート及びセメントから選択された合成建設材料である、請求項１から請求項１４までのいずれか一項に記載された工作物を機械加工する方法。
【請求項１７】
前記工作物が、天然木、チップ・ボード、パーティクルボート、ファイバ・ボード、及び積層材から選択された木質材料である、請求項１から請求項１４までのいずれか一項に記載された工作物を機械加工する方法。
【請求項１８】
前記工作物が、プラスチック、ガラス及び炭素繊維強化プラスチックから選択された合成複合材料である、請求項１から請求項１４までのいずれか一項に記載された工作物を機械加工する方法。
【請求項１９】
実質的に、添付の図面を参照として本明細書において説明した通りの、請求項１に記載された工作物を機械加工する方法。
【請求項２０】
実質的に、「実施例」のいずれかを参照として本明細書において説明した通りの、請求項１に記載された工作物を機械加工する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作物の機械加工方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）としても知られるダイヤモンド成形体及びＰＣＢＮとしても知られる立方晶窒化ホウ素成形体を使用した、超硬質研磨切削部材又は工具構成部材が、穿孔、フライス加工、切削及び他の研磨用途において広く使用されている。一般的には、このような部材又は工具構成部材は、通常は超硬合金（焼結炭化物）である支持体に接合されたＰＣＤ又はＰＣＢＮの層を含む。ＰＣＤ又はＰＣＢＮの層は、鋭利な切削端部若しくは先端部、又は切削面若しくは研磨面を有することができる。
【０００３】
ＰＣＤは、かなりの量のダイヤモンド間の直接結合を含むダイヤモンド粒子の塊体を含む。通常は、ＰＣＤは、コバルト、ニッケル、鉄、又はそれらの金属の１つ又は複数を含む合金などのダイヤモンド触媒／溶媒を含む第２の相を有する。また、一般的にはＰＣＢＮは、通常はｃＢＮ触媒である結合相、又はｃＢＮ触媒を含む。適切な結合相の例は、アルミニウム、アルカリ金属、コバルト、ニッケル、タングステン等である。
【０００４】
ＰＣＤ切削部材は、様々な金属及び合金並びに木製複合材料を機械加工するために広く使用される。とりわけ、自動車産業、航空宇宙産業、及び木工産業では、ＰＣＤの使用により得られる、より高レベルの生産性、精度、及び一貫性の恩恵を受けている。アルミニウム合金、バイメタル、銅合金、炭素／グラファイト強化プラスチック、及び金属マトリクス複合材料が、金属加工産業においてＰＣＤを用いて機械加工される典型的な材料である。積層フローリング材、セメント板、チップ・ボード、パーティクル・ボード、及び合板が、この部類に属する木製製品の例である。また、ＰＣＤは、石油採掘産業においてはドリル本体用のインサートとして使用される。
【０００５】
通常は、自動車産業、航空宇宙産業、建設業、及び一般的な技術産業向けの構成部材は、それらの使用目的に適合させるのに必要な必要形状精度及び表面一体性を実現するために、かなりの機械加工を要する。現代の工作機械の進歩とともに、切削工具は、工作物の品質及びプロセス効率に影響を与える最も重要な部材となっている。
【０００６】
切削工具を使用して加工される典型的な工作物材料には、金属（鉄金属及び非鉄金属の両方）、それらの合金及び超合金、金属マトリクス複合材料、コンクリート及びセメントを含む石材及び合成建設材料、天然木、チップ・ボード、パーティクル・ボード、ファイバ・ボード、積層ボードを含む木質材料、並びに、プラスチック、ガラス及び炭素繊維強化プラスチック、及びセラミックスを含む合成複合材料が含まれる。
【０００７】
切削工具を使用して工作物に対して行う典型的な加工作業には、のこ引き、切削、フライス加工、旋削、及び穿孔が含まれる。通常は、これらの作業は、機械加工作業において工具に与えられる中断の程度によって分類することが可能である。例えば、旋削作業においては、工具の切削部材が、機械加工作業の間に工作物に連続的に接触状態にある。対照的に、フライス加工作業においては、１つ又は複数の切削部材が、機械加工作業の間に工作物に断続的に接触状態になる。
【０００８】
加工される構成部材の性能向上に対する要求により、全般的にさらに高性能の工作物の開発がなされている。それらは、連続的な機械加工プロセスにおいて、とりわけ切削部材が周期的な熱負荷及び機械負荷を受ける断続的な切削プロセスにおいて、機械加工が本質的に難しいものである。さらに、典型的にはより高速の材料切除速度によって達成される、機械加工作業のさらなる高効率性に対する要求がある。この高速の材料切除速度により、切削工具に対する大きな熱負荷及び機械負荷も生じる。
【０００９】
したがって、建設業及び製造業からのますます進展する要求に応えるために、超耐摩耗性に加えて、高い靭性を有する切削工具を開発しなければならない。
【００１０】
米国特許第３７４５６２３号は、チタン又はジルコニウムの保護シース内でのＰＣＤの製造を開示しているが、その中のいくらかは、製造中に炭化物に転化される。このチタン又はジルコニウムのシースの薄層は、チップ・ブレーカ面にわたってＰＣＤ上に残される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第３７４５６２３号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、金属、金属マトリクス複合材料、木材、合成材料、セラミック、石材及び合成建設材料から選択された材料からできた工作物を機械加工する方法が提供される。この方法は、
作業面を有する多結晶ダイヤモンド層と、
金属を含み、境界面に沿って多結晶ダイヤモンド層の作業面に接合された比較的軟い（より軟らかい）層と、
比較的軟い層からの金属を含む、境界面に隣接する多結晶ダイヤモンド層の領域と
を含む工具構成部材を備える工具を使用して、工作物を機械加工するステップを含む。
【００１３】
比較的軟い層により、工具構成部材に、多結晶ダイヤモンドよりも軟い層が設けられる。この比較的軟い層は、金属の幾分かが、比較的軟い層との境界面に隣接する多結晶ダイヤモンドの領域に拡散して、多結晶ダイヤモンドのこの領域に存在することにより、この多結晶材料の作業面に強固に接合される。また、多結晶ダイヤモンド内に第２の相として存在する金属の幾分かが、比較的軟い層に拡散している。したがって、本質的に、比較的軟い層と多結晶ダイヤモンドとの結合は、拡散接合である。このような接合は、例えば、多結晶ダイヤモンドの製造の間に製作できる、すなわち、その製造の間に比較的軟い層が作られ多結晶ダイヤモンドにその場（ｉｎ−ｓｉｔｕ）で接合される間際に製作できる。
【００１４】
多結晶ダイヤモンド材料の作業面に接して比較的軟い層を設けることにより、チップ抵抗性が重要な工具材料要件であり切削工具が超耐摩耗性に加えて高い靭性を有することが必要となる用途における工具構成部材の性能が向上する。したがって、本発明により、このような工具構成部材を使用した様々な工作物の機械加工の改善が実現される。当該技術分野において知られているように、工作物の機械加工は、工作物と、ツールの切削構成部材の切削端部又は先端部とを互いに対して移動させ、工作物中で切削端部又は先端部を進めることを伴う。機械加工作業の例は、のこ引き、切削、フライス加工、旋削、及び穿孔である。
【００１５】
本発明の方法において機械加工が可能な典型的な工作物材料は、金属（鉄金属及び非鉄金属の両方）、それらの合金及び超合金、金属マトリクス複合材料、コンクリート及びセメントを含む石材及び合成建設材料、天然木、チップ・ボード、パーティクル・ボード、ファイバ・ボード、積層ボードを含む木質材料、並びに、プラスチック、ガラス及び炭素繊維強化プラスチック、及びセラミックスを含む合成複合材料である。他の用途としては、（木材を含む）複合材料、アルミニウム合金、鋳鉄、チタン合金、耐熱超合金（ＨＲＳＡ）及び硬化鋼のフライス加工、のこ引き及びリーマ仕上げが含まれる。
【００１６】
比較的軟い層の金属は、様々な金属のうちの任意の１つであってよいが、好ましくは遷移金属である。適切な遷移金属の例は、モリブデン、ニオブ、タンタル、チタン、及びタングステンである。また、ニッケルも、本発明の実施に特に適した金属と考えられる。
【００１７】
比較的軟い層の金属は、金属、金属炭化物、窒化物、ホウ化物、ケイ化物、若しくは炭窒化物、又はそれらのうちの２つ以上の組合せとして存在できる。好ましくは、比較的軟い層の金属は、金属、金属炭化物、又はそれらの組合せとして存在する。より好ましくは、比較的軟い層は、炭化物の形態の金属から主として成り、金属としての金属と、多結晶ダイヤモンドからの金属、すなわち多結晶ダイヤモンド内の第２の相として存在するコバルトなどの金属とを少量含有して構成される。
【００１８】
比較的軟い層は、作業面の一部分に、又は作業面全体にわたって延在する。
【００１９】
好ましくは、多結晶ダイヤモンド層の作業面は、その層の上面であり、この層の別の面と交差し、その交差部分に切削先端部又は端部を形成する。比較的軟い層は、切断端部又は先端部から、作業面の少なくとも一部分にわたって延在することが好ましい。
【００２０】
比較的軟い層の厚さは、実施される機械加工作業の性質及び工作物材料の性質に応じて異なる。一般的には、比較的軟い層は、最大１００ミクロンの厚さを有する。比較的軟い層は、少なくとも５０ミクロンの厚さを有することが好ましい。
【００２１】
本発明の工具構成部材の多結晶ダイヤモンド層の作業面に接合された比較的軟い層は、工具構成部材の製造中にその場（ｉｎ−ｓｉｔｕ）で形成できる。この方法では、多結晶ダイヤモンド層を形成するための構成部材が、金属カップ又はカプセル内に配置され、次いで、この金属カップ又はカプセルが、多結晶ダイヤモンドの形成に必要な高温及び高圧条件下に置かれる。この金属カップ又はカプセルの幾らかが、製造中に、多結晶ダイヤモンドの外側面に接着し接合する。代替としては、比較的軟い層を形成するように意図された金属の層が、カプセル又はカップ内に、未接合のダイヤモンド粒子と接触して配置されてよい。このカプセル、カップ、又は金属の層に由来する金属の幾分かが、製造中に多結晶ダイヤモンドに拡散する。同様に、例えばコバルトなどの多結晶ダイヤモンドに由来する金属が、比較的軟い層に拡散する。
【００２２】
ダイヤモンド層の作業面は、平滑、研磨済み若しくは粗い、又は不規則なものであってよい。作業面が、粗い又は不規則な場合には、この作業面がサンドブラスト又は同様のプロセスを受けたことによるものであってよい。
【００２３】
比較的軟い層の上部の露出面は、研磨できる。比較的軟い層の研磨は、多結晶ダイヤモンド層の表面の研磨よりもはるかに容易であることは明らかである。
【００２４】
好ましくは、多結晶ダイヤモンド層は、作業面の面とは広い意味で反対側の面に沿って、基材又は支持体に接合される。炭化物は、炭化タングステン、炭化タンタル、炭化チタン、及び炭化ニオブであることが好ましい。好ましくは、超微細炭化物が、当技術において知られている方法による超硬合金（焼結炭化物）の製造に使用される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の方法に使用される工具構成部材の一実施例の一部分の側断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
したがって、本発明によれば、チップ抵抗性が工具材料の重要な要件となる用途における、性能の向上した工具構成部材の使用が提供される。本発明の様々な機械加工作業における、比較的軟い層の性質、及び多結晶ダイヤモンド層と比較的軟い層との強固な結合によりもたらされる他の利点は、以下の通りである。
【００２７】
比較的軟い層が比較的硬い研磨層に接合されることにより、初期の摩耗段階における切削端部の自動丸み付け効果又は自動砥ぎ効果が得られる。さらに、切削端部の強度を高め、慣らし摩耗段階を短縮させる。丸み付けの程度は、比較的軟い層の硬さを上げる又は下げることによって調整することが可能である。また、この層の材料は、多結晶ダイヤモンド層の端部の孔及び穴を塞ぎ、それにより摩耗開始部位がより少なくなる。初期丸み付けプロセスの後に、比較的軟質の上部層は摩耗して、チップ・ブレーカの形状となることが可能である。
【００２８】
先行技術の多結晶ダイヤモンド製品と比較すると、研磨された比較的軟質の上部層により作業面の傷が少なくなる。また、この比較的軟い層は、切削の初期段階の間に素早く変形して、より強固なより丸みを付けられた端部を形成する。また、一般的には金属層は、多結晶ダイヤモンドと比較すると、より大きな破壊靭性を有する。低強度研磨方法により、多結晶ダイヤモンド面内での応力が低下する。これらの全ての要因により、特に基材の断続的な機械加工及び／又は衝突機械加工において、剥落、剥離及びひび割れの頻度及び深刻度が低下する。
【００２９】
次に、工具構成部材の切削端部部分を図示する添付の図面を参照して、本発明の方法において使用する工具構成部材の一例を説明する。この図面を参照すると、工具構成部材は、境界面１４に沿って多結晶ダイヤモンド層１２が接合された超硬合金の基材１０を有する。多結晶ダイヤモンド層１２は、工具構成部材の作業面である上面１６を有する。この上面１６は、工具構成部材の切削端部を規定するライン２４に沿って側面１８と交差する。
【００３０】
比較的軟い層２０が、作業面１６に接合される。この比較的軟い層２０は、切削端部２４まで延在する。比較的軟い層２０は、上記のタイプのものであり、金属を含む。層２０中の金属の幾分かが、破線により示される多結晶ダイヤモンド層の領域２２に存在する。多結晶ダイヤモンド層１２に由来する金属が、比較的軟い層２０に存在する。したがって、比較的軟い層２０と多結晶ダイヤモンド層１２とは、拡散接合されている。
【００３１】
次に、本発明の方法において使用する工具構成部材の例を説明する。
【００３２】
「実施例１」
ダイヤモンド粒子の塊体を、結合相としてコバルトを有する超硬合金基材の表面に配置した。この未接合の塊体を、モリブデン・カプセル内に配置し、このカプセルを、従来の高圧／高温装置の反応領域に配置した。カプセルの内容物を、約１４００℃の温度及び約５ＧＰａの圧力下に置いた。これらの条件を、超硬合金基材との接合面および反対側の露出面を有する多結晶ダイヤモンド層を製造するのに十分な時間の間、維持した。多結晶ダイヤモンド層は、コバルトを含む第２の相を有していた。
【００３３】
このカプセルを反応領域から取り出した。モリブデン／炭化モリブデンの層が、この多結晶ダイヤモンドの外側面に接合された。モリブデン／炭化モリブデンの層の外側領域を研磨により除去し、多結晶ダイヤモンド層の主要面の１つに接合された、多結晶ダイヤモンドよりも軟い材料からなる薄層を残した。
【００３４】
この比較的軟い層の厚さは１００ミクロンであった。ＥＤＳを利用した分析により、この比較的軟い層が、主に炭化モリブデンと、少量のモリブデン金属及び超硬合金基材に由来するコバルトとから構成されることが判明した。同じＥＤＳ分析を用いて、比較的軟い層との境界面に隣接する多結晶ダイヤモンドの領域は、モリブデンを含むことが判明した。比較的軟い層と多結晶ダイヤモンド層との結合は強固であった。この炭化物に支持された多結晶ダイヤモンドから複数の切削工具構成部材を製造した。このような切削工具インサートは、添付の図面に図示されるような構造を有するものであった。試験により、これらの切削工具構成部材は、木工用途及び金属加工用途において効果的であることが判明した。比較的軟い層の層剥離は生じなかった。
【００３５】
「実施例２」
超硬合金基材に接合された多結晶ダイヤモンド層を備え、主に炭化ニオブと、少量のニオブ（金属として）及び多結晶ダイヤモンドに由来するコバルトとから構成される比較的軟い層を有する、超硬合金に支持された多結晶ダイヤモンド製品を、モリブデン・カプセルの代わりにニオブ・カプセルを使用したことを除いては実施例１と同様の態様で製造した。少量のニオブが、比較的軟い層との境界面に隣接する多結晶ダイヤモンドの領域に存在することが判明した。比較的軟い層の厚さは１００ミクロンであった。この製品から、図面に図示される構造をそれぞれ有し、穿孔用途に適した複数の工具構成部材が製造された。
【図１】
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【国際調査報告】
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2010520067.tif 000007
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