(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合回転切削工具であって、
コア焼結炭化物材料を含んでいる細長いコア領域と、
少なくとも一つの特性が前記コア焼結炭化物材料と異なる第一の焼結炭化物材料を含み且つ第一の螺旋状に配向された切り刃を画成している第一の領域であり、前記コア領域に対して同軸状に配置されている前記第一の領域と、
少なくとも一つの特性が前記第一の焼結炭化物材料及び前記コア焼結炭化物材料と異なる第二の焼結炭化物材料を含み且つ少なくとも一つの寸法が前記第一の螺旋状に配向された切り刃と異なる第二の螺旋状に配向された切り刃を画成している第二の領域とを含み、
前記第一の領域と第二の領域とが前記コア領域に対して溶解結合されており、
前記焼結炭化物材料が、各々、バインダと金属炭化物とを含んでおり、
前記第一の焼結炭化物材料内のバインダの重量パーセントが、前記コア焼結炭化物材料及び前記第二の焼結炭化物材料のうちの少なくとも一つ内のバインダの重量パーセントと異なる、ことを特徴とした、複合回転切削工具。
【請求項２】
請求項１に記載の複合回転切削工具であり、
前記第二の螺旋状に配向された切り刃が、前記第一の螺旋状に配向された切り刃より直径が大きい複合回転切削工具。
【請求項３】
請求項２に記載の複合回転切削工具であり、
当該複合回転切削工具が、複溝ドリル又は段付きドリルである、複合回転切削工具。
【請求項４】
請求項１に記載の複合回転切削工具であり、
前記コア領域が前記第一の領域よりも大きい弾性係数を有している、複合回転切削工具。
【請求項５】
請求項１に記載の複合回転切削工具であり、
前記コア焼結炭化物材料の前記金属炭化物の金属、前記第一の焼結炭化物材料及び第二の焼結炭化物材料が、各々個々に、ＩＶＢ族、ＶＢ族及びＶＩＢ族からなる群から選択される、複合回転切削工具。
【請求項６】
請求項１に記載の複合回転切削工具であり、
前記コア焼結炭化物材料のバインダ、前記第一の焼結炭化物材料及び第二の焼結炭化物材料が、各々個々に、コバルト、コバルト合金、ニッケル、ニッケル合金、鉄、鉄合金からなる群から選択される、複合回転切削工具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、概して、種々の組成及び／又は微細構造領域を含んでいる複合構造を有する工具及び工具用ブランクに関する。より特定すると、本発明は、複合構造を有する焼結炭化物回転バイト及びバイト用ブランクに関する。更に、本発明は、複合構造を有する回転バイト及び回転バイト用ブランクを製造する方法に関する。本発明の方法は、回転バイトの製造に一般的な用途を有し且つ例えば孔開け、孔ぐり、皿もみ、端ぐり及び正面削りのような材料切削作業に使用される焼結炭化物回転バイトの製造に適用することができる。
【０００２】
発明の背景の説明
焼結炭化物回転バイト（すなわち、回転するように駆動されるバイト）は、一般的には、例えば、孔開け、孔ぐり、皿もみ、端ぐり、正面削り及びねじ立てのような機械加工において使用される。このようなバイトは、一般的には、堅固な均質構造である。このようなバイトの製造方法は、コンパクトを形成するために、（特定のセラミックとバインダ金属とからなる）冶金粉末を固めることを含んでいる。このコンパクトは、次いで、焼結されて均質構造を有する円筒形のバイト用のブランクが形成される。ここで使用されている均質構造という用語は、バイトが、例えば、バイト内のあらゆる加工部分がほぼ同じ特性を有する焼結炭化物材料のような材料からなることを意味している。バイト用ブランクは、焼結に続いて、回転バイトの切刃及び特定の幾何学的構造のその他の特徴を形成するように適当に加工される。回転バイトとしては、例えば、ドリル、エンドミル、リーマー及びタップがある。
【０００３】
焼結炭化物によって構成された回転バイトは、金属、木材及びプラスチックのような構造材料の機械加工及び形削りを含む多くの工業的用途に適用される。焼結炭化物は、これらの材料の特徴である引っ張り強度、耐摩耗性及び靭性の組み合わせにより工業的に重要なものである。焼結炭化物材料は、少なくとも二つの相すなわち少なくとも一つの硬いセラミック成分と金属バインダのより柔らかいマトリクスとを含んでいる。硬いセラミック成分は、例えば、周期律表のＩＶＢ族ないしＶＩＢ族に含まれる元素の炭化物であっても良い。一般的な例は、タングステン炭化物である。バインダは、金属又は金属合金、典型的には、コバルト、ニッケル、鉄又はこれらの金属の合金とすることができる。バインダは、三次元で連結されたマトリクス内のセラミック成分を“固める”。焼結炭化物は、少なくとも一つの粉末のセラミック成分と、少なくとも一つの粉末のバインダとの冶金粉末ブレンドを固めることによって製造することができる。
【０００４】
焼結炭化物材料の物理的及び化学的特性は、材料を製造するために使用される冶金粉末の個々の成分に部分的に依存している。焼結炭化物材料の特性は、例えば、セラミック成分の化学的組成、セラミック成分の粒子サイズ、バインダの化学的組成及びセラミック成分に対するバインダの比率によって決定される。冶金粉末の成分を変えることによって、ドリル及びエンドミルのような回転バイトは、特別な用途に合致した独特の特性に製造することができる。
【０００５】
回転バイトの均質構造は、本質的に、それらの性能及び用途範囲を制限する。一つの例として、図１は、木材、金属及びプラスチックのような構造材料に孔を形成し且つ仕上げるために使用される典型的な設計を有するツイストドリル１０の側面及び断面図である。回転ドリル１０は、加工物に最初の切り込みを入れるチゼルエッジ１１を含んでいる。ドリル１０の切断チップ１４は、チゼルエッジ１１に従い、孔が開けられる際に材料の殆どを切除する。切断チップ１４の外周１６は孔を仕上げる。切断過程中において、切断速度は、ドリルの中心からドリルの外周までに亘って大きく変化する。この現象は図２に示されており、図２においては、典型的にツイストドリルの切断チップの内側の径（Ｄ１）、外側の径（Ｄ３）及び中間の径（Ｄ２）における切断速度をグラフによって比較している。図２（ｂ）においては、外側の径（Ｄ３）は２５．４ミリメートル（１．００インチ）であり、Ｄ１及びＤ２は、各々、６．３５ミリメートル（０．２５インチ）及び１２．７ミリメートル（０．５インチ）である。図２（ａ）は、ツイストドリルが１分間当たり２００回転で作動するときのこれらの三つの異なる直径における切断速度を示している。図２（ａ）及び２（ｂ）に図示されているように、回転バイトの切刃上の種々の点において測定された切断速度は、バイトの回転軸線からの距離に従って増すであろう。
【０００６】
切断速度のこのような変化により、均質構造を有するドリル及びその他の回転バイトは、中心からバイトの切断面の外側端縁までに亘る種々の点において均一な摩耗及び／又はバイトの切刃のチッピング及びクラックを受けるであろう。更に、肌焼きした材料に孔を開ける場合には、チゼルエッジは、典型的には、肌を貫通するために使用され、一方、ドリル本体の残りの部分は、肌焼きした材料のより軟らかいコアから材料を切除する。従って、この用途に使用される均質構造の一般的なドリルのチゼルエッジは、切刃の残りの部分よりも遙かに速い速度で摩耗し、このようなドリルの比較的短い耐用寿命をもたらすであろう。どちらの場合にも、一般的な焼結炭化物ドリルの均質な構造のために、切刃は、より頻繁に粉砕再生する必要があり、従って、ビットの耐用寿命に著しい制限を加える。頻繁な粉砕再生及びバイトの交換はまた、使用されている加工バイトのための過度の中断時間を生じる。
【０００７】
均質構造のその他のタイプの回転バイトも、同様の欠点を有する。例えば、特別に設計されたドリルのビットが、同時にたくさんの動作を行うために使用される。このようなドリルの例としては、段付きドリル及び複みぞ段付きドリルがある。段付きドリルは、ドリルの直径上に一以上の段を研磨して製造される。このようなドリルは、たくさんの直径の孔を開けるために使用される。複みぞ段付きドリルは、孔開け、皿もみ及び／又は端ぐりのような複数の作業を行うために使用することができる。一般的なツイストドリルの場合と同様に、一般的な均質な焼結炭化物構造の段付きドリル及び複みぞ段付きドリルの耐用寿命は、ドリルの種々の直径が受ける切断速度の大きな違いにより、厳しく制限を受けるかもしれない。
【０００８】
均質な回転バイトの制限はまた、エンドミルにおいても例示される。一般的に、エンドミルは、カッターの端部が支持されておらず且つエンドミルの直径対長さの比が通常は大きい（通常は２：１より大きい）ので、非効率的な金属切除技術である。これは、エンドミルの過剰な曲がりを生じさせ且つ使用することができる切削深さ及び送り速度を厳しく制限する。
【０００９】
均質な回転バイトに伴う問題点を処理するために、種々の箇所に種々の特性を有する回転バイトを製造する試みがなされて来た。例えば、脱炭素化した表面を有する焼結炭化物ドリルが、米国特許第５，６０９，４４７号及び第５，６２８，８３７号に記載されている。これらの特許に開示されている方法においては、均質な焼結炭化物構造の炭化物ドリルは、保護環境下で６００ないし１１００℃まで加熱される。硬化させたドリルを製造する方法は、大きな制限を有する。第一に、ドリルの硬化させた表面層は、極めて薄く且つかなり迅速に摩耗して、その下に位置するより軟らかい焼結炭化物材料を露出させる。第二に、ひとたびドリルが修復されると、硬化させた表面は完全に失われる。第三に、脱炭素化ステップ、付加的な処理ステップは、仕上げされたドリルのコストを著しく高くする。
【００１０】
このように、バイトの種々の領域に種々の特性を有するドリル及びその他の回転バイトの必要性がある。一例として、バイトの回転軸線に対するバイトの面上の位置にかかわらず、ほぼ均一な摩耗を受ける焼結炭化物及びその他の回転バイトの必要性がある。付加的な例として、引っ張り強度及び靭性を犠牲にして高い剛性が達成されるのではない、より剛性の高いエンドミルの必要性が存在する。
【００１１】
発明の概要
本発明は、少なくとも第一の領域と第二の領域とを含んでいる複合回転バイトを提供することによって、上記の必要性に対処している。バイトは、例えば、複合回転バイトの第一の領域が、第二の焼結炭化物材料を含んでいる第二の領域に溶解して結合されている第一の焼結炭化物材料を含んでいる焼結炭化物によって作ることができる。ここで使用されている“溶解結合”という用語は、溶加材を添加することなく、焼結炭化物又はその他の材料間に成形される結合を指している。第一の焼結炭化物材料と第二の焼結炭化物材料とは、少なくとも一つの特性が異なっている。この特性は、例えば、弾性係数、硬度、耐摩耗性、破壊靭性値、引っ張り強度、耐食性、熱膨張係数及び熱伝導率とすることができる。バイト内の焼結炭化物材料の領域は、同軸状に配置してもよく、さもなければそれらの領域の特別な特性を利用するために、これらの領域を有利に配置するように配置しても良い。本発明の複合回転バイトの好ましい実施形態としては、ツイストドリル、エンドミル、複みぞ段付きドリル及びここに記載した複合焼結炭化物構造のタップがある。
【００１２】
焼結炭化物材料は、概して、バインダと、例えば、ＩＶＢ族、ＶＢ族及びＶＩＢ族の元素から選択された少なくとも一つの元素の炭化物と、含んでいる。本発明において使用される焼結炭化物は、６０ないし９８重量パーセントの炭化物成分を含んでいるのが好ましい。焼結炭化物材料のバインダは、典型的には、コバルト、ニッケル、鉄又はこれらの金属の合金からなる群から選択された金属である。本発明において使用される焼結炭化物材料は、２ないし４０重量パーセントのバインダを含んでいるのが好ましい。（ここに提供されている重量パーセントの範囲は、他に注記しない限り、記載された上限及び下限を含んでいる。）本発明において使用される焼結炭化物材料の特性は、炭化物成分の化学的組成、炭化物成分の粒子サイズ、バインダの化学的組成又は炭化物成分の量に対するバインダの量の割合の一つまたはいくつかの組み合わせを変えることによって、特定の用途に合わせることができる。
【００１３】
本発明においては、一以上の炭化物成分またはバインダの化学的組成、セラミック成分の粒子サイズ及びセラミック成分の量に対するバインダの量の割合は、焼結炭化物材料の二以上の領域の相対的な特性を有利に選択するために、焼結炭化物材料の少なくとも二つの領域内で異なる。一例として、本発明に従って作られた回転バイトの一つの領域の硬度及び耐摩耗性は、もう一つ別の焼結炭化物に対して高めても良い。このようにして、バイトは、比較的速い切削速度を受ける切刃の領域が、より遅い切削速度を受ける領域に類似した速度で摩耗し且つ欠けるように作ることができる。本発明は、限定された数の焼結炭化物材料の領域を有する回転バイトによって提供されるけれども、本発明は、各々が選択された特性を有しているある数の焼結炭化物材料の領域を提供するように適用してもよいことは理解されるであろう。
【００１４】
本発明はまた、本発明の複合回転バイトを製造する新規な方法をも含んでいる。この方法は、型内の空洞の第一の領域内に第一の冶金粉末を配置することを含んでいる。第二の冶金粉末が型内の空洞の第二の領域内に配置される。型は、例えば、型の空洞内に物理的な仕切を配置して領域を分けることによって、二つ（又はそれ以上）の領域に分けても良い。冶金粉末は、固める際に、上記した所望の特性を有する焼結炭化物材料を提供するように選択しても良い。少なくとも第一の冶金粉末と第二の冶金粉末との一部分が、型内で接触状態に置かれる。型は、次いで、均衡に圧縮され、冶金粉末が固められてコンパクトが形成される。コンパクトは、続いて、更に圧縮強化し且つ領域間に溶解結合を形成するために焼結される。コンパクトは、３００ないし１５００℃の温度で過圧焼結される。続いて、焼結したコンパクトから材料を切除して溝を形成するか又はさもなければ回転バイトの切刃若しくはその他の特徴を形成する。
【００１５】
読者は、本発明の実施形態の以下の詳細な説明を考慮に入れたときに、本発明の上記の詳細な説明及び利点だけでなくその他の事項を理解するであろう。読者はまた、本発明を使用して、本発明のこのような付加的な詳細及び利点をも理解するかもしれない。
【００１６】
発明の実施形態の説明
本発明は、従来の回転バイトの均質な構造ではなく、むしろ複合構造を有する回転バイト切削工具又は切削工具用ブランクを提供する。ここで使用されている回転バイトは、回転するように駆動され且つ加工物から材料を切除するために加工物と接触せしめられる少なくとも一つの切刃を有する工具である。ここで使用されている、“複合”構造を有する回転バイトは、化学的組成及び／又は微細構造が異なる領域を有するものを指している。これらの構造の相異は、少なくとも一つの特性が相異する領域がもたらされる。特性は、例えば、硬度、引っ張り強さ、耐摩耗性、破壊靭性値、弾性係数、耐食性、熱膨張係数及び熱伝導率から選択することができる。本発明において提供されるようにして作ることができる複合回転バイトとしては、ドリル及びエンドミルだけでなく、例えば、材料の孔開け、孔ぐり、皿もみ、端ぐり、正面削り及びタップ立てにおいて使用することができるその他の工具がある。
【００１７】
本発明は、より特別には、螺旋状に配向された切刃のような少なくとも一つの切刃を有し且つ溶解によって互いに結合され且つ少なくとも一つの特性が相異している焼結炭化物材料の少なくとも二つの領域を含んでいる複合回転バイトを提供する。相異する特性は、焼結炭化物材料の二つの領域間の化学的組成及び微細構造のうちの少なくとも一つの変化によって提供することができる。一つの領域の化学的組成は、例えば、セラミック成分及び／又はその領域のバインダの化学的組成及びその領域のバインダに対する炭化物の割合の関数である。例えば、回転バイトの二つの溶解結合された焼結炭化物材料領域のうちの一つは、同二つの領域のうちの他方よりもより大きな耐摩耗性、高い硬度及び／又は弾性係数を呈しても良い。
【００１８】
本発明の特徴を、各々、ブランクの中心軸線及び同中心軸線を横切る軸線を通る断面図で示した図３（ａ）及び３（ｂ）に示されたバイトのブランク３０に関して記載することができる。バイトのブランク３０は、二つの同軸状に配置された焼結炭化物領域を備えた概して円筒形の焼結されたコンパクトである。しかしながら、本発明の以下の説明はまた、より複雑な幾何学的構造及び／又は二以上の領域を有する複合回転バイト及び同バイトのブランクの製造に適合させても良いことは、当業者に明らかであろう。従って、以下の説明は、本発明を限定することを意図しておらず、単に本発明の実施形態を例示することを意図したものである。
【００１９】
再度、図３（ａ）及び３（ｂ）を参照すると、円筒形の回転バイトのブランク３０は、二つの異なる焼結炭化物、すなわちコア領域３１と外側領域３２とから構成されている。コア領域３１と外側領域３２とは、両方とも、バインダの連続的なマトリクス内にセラミック粒子を含んでいる焼結炭化物材料からなる。好ましくは、コア領域３１及び外側領域３２内の焼結炭化物材料としては、周期律表のＩＶＢ族に属する一以上の元素の炭化物によって構成されたセラミック成分を含んでいる。セラミック成分は、各領域内の全重量の約６０ないし約９８重量パーセントの焼結炭化物材料を含んでいるのが好ましい。炭化物粒子は、各領域内の全材料の約２ないし約４０重量パーセントを構成するが好ましいバインダ材料のマトリクス内に埋設されている。バインダは、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ及びこれらの元素の合金の一以上であるのが好ましい。バインダはまた、バインダ内のこれらの元素の溶解限度まで、例えば、Ｗ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃのような元素を含んでいても良い。更に、バインダは、５重量パーセントのＣｕ、Ｍｎ、Ａｇ、Ａｌ、Ｒｕのような元素を含んでいても良い。当業者は、焼結炭化物材料の成分のいくらか又は全部を、化合物及び／又は母金属として元素の形態で導入されても良いことを理解するであろう。
【００２０】
再度、図３（ａ）及び３（ｂ）を参照すると、バイト用のブランク３０のコア領域は、境界部３３において、外側領域３２に溶解結合されている。境界部３３は、図３（ａ）及び３（ｂ）においては円筒形として示されているけれども、本発明の複合回転バイトの焼結炭化物材料領域の境界部の形状は円筒形に限られないことが理解されるであろう。境界部３３におけるこれらの領域間の溶解結合は、例えば、コア領域３１から外側領域３２まで又はその逆に三次元で延びているバインダのマトリクスによって形成することができる。これらの二つの領域内のセラミック成分に対するバインダの比率は、同じであっても又は異なっていて良く且つ領域の相対的な特性に影響を及ぼすように領域間で変えても良い。単に例として、複合バイト用のブランク３０の隣接する領域内のセラミック成分に対するバインダの比率は、１ないし１０重量パーセントだけ相異しても良い。本発明の複合回転バイトの種々の領域内の焼結炭化物材料の特性は、特定の用途用に合わせても良い。
【００２１】
本発明の説明を考慮した後に、当業者は、本発明の改良された回転バイトは、バイトの中心領域からその周囲まで一以上の特性の大きさの連続を形成するために、異なる焼結炭化物材料のいくつかの層によって形成することができることを理解するであろう。従って、例えば、ツイストドリルに、複数の同軸状に配置した焼結炭化物材料の領域を設け、このような領域の各々が、隣接するより中心側に配置された領域よりも連続的により高い硬度及び／又は耐摩耗性を有するようにしてもよい。別の方法として、本発明の回転バイトは、特定の特性の相異がバイトの種々の領域において起こる他の複合形態を形成することができる。代替的な形態の例が図３（ｃ）及び図３（ｄ）に示されている。
【００２２】
図３（ｃ）は、肌焼きした材料に孔を開けるために使用されるドリルを製造することができる円筒形のブランクとして特に有用な本発明の一つの実施形態を示している。肌焼きした材料に孔を開けるためには、肌を貫通するために、典型的にはドリルチップが使用され、一方、ドリルの本体部は、より軟らかいコア部から材料を切除する。この実施形態においては、第一の領域３４と第二の領域３５とが、ブランクの第一及び第二の端部に配設されている。第一の端部はドリルの先端となり、第二の端部は加工工具のチャックに固定される端部となるであろう。第一の領域３４は、例えば、同第一の領域３４内に約６ないし１５重量パーセントの材料を含むコバルト合金バインダ内にタングステン炭化物粒子（０．３ないし１．５μｍの平均粒子サイズ）を含む焼結炭化物のような硬くて耐摩耗性の材料によって作られても良い。第二の領域３５は、例えば、同第二の領域３５内に約２ないし６重量パーセントの材料を含んでいるコバルト合金バインダ内にタングステン炭化物粒子（１．０ないし１０μｍの平均粒子サイズ）によって構成しても良い。第一の領域３４は、第二の領域３５に溶解結合されている。第二の領域３５は、圧力をかけられてドリルにされたときに撓みに耐えるために、第一の領域３４よりも高い弾性係数を有する。
【００２３】
図３（ｄ）に示された実施形態は、図３（ａ）と３（ｃ）との実施形態の特徴を結合している。切断チップ３６は、異なるグレードの焼結炭化物材料からなる二つの領域、すなわち、コア領域３７と外側領域３８とを含んでいる。コア領域３７と外側領域３８とは、同軸状に配置されており且つ溶解によって第三の領域３９に結合されている。領域３７及び３８は、図３（ａ）及び３（ｄ）の実施形態の領域３１及び３２と組成的に類似していてもよく又は外側領域３８がコア領域３７に対して高い硬度及び耐摩耗性を有するように他のグレードの焼結炭化物であっても良い。
【００２４】
本発明の複合焼結炭化物回転バイトの主要な利点は、種々の用途に適合するためにバイトの領域の製造特性が利用可能な自由度を有することである。例えば、本発明の特別な複合ブランクの個々の焼結炭化物材料の厚み、幾何学的構造及び／又は物理的特性は、ブランクから製造される回転バイトの特定の用途に適合するように選択されてもよい。従って、例えば、使用中に著しい曲げを受ける回転バイトの一以上の焼結炭化物の領域の剛性は、高い弾性係数を有する焼結炭化物材料としても良く、切断面を有し且つ他の領域よりも速い切断速度を受ける、一以上の焼結炭化物領域の硬度及び／又は耐摩耗性を増加させてもよく、及び／又は使用中に化学的接触にさらされる焼結炭化物材料の領域の耐摩耗性を高めても良い。例えば、前記コア領域は、弾性係数は６２０５２８ないし６５５００２Ｍｐａ（９０×１０６ないし９５×１０６ｐｓｉ）の第一の焼結炭化物材料とし、前記外側領域は、弾性係数が４７５７３８ないし６３４３１８Ｍｐａ（６９×１０６ないし９２×１０６ｐｓｉ）の第二の焼結炭化物材料とすることができる。
【００２５】
本発明の複合回転バイトは、当技術において知られているあらゆる適当な方法によって作っても良いけれども、以下に説明するドライバッグ・アイソスタティック成形方法を使用して作るのが好ましい。ドライバッグ・アイソスタティック成形方法は、多くの異なる形態（その例が図３（ａ）ないし３（ｄ）に提供されている）を備えた複合回転バイト及びバイト用ブランクの製造を可能にするので、特に適している。図３（ｃ）及び３（ｄ）に示された形態は、不可能ではない場合でも、型による締め固め、押し出し及びウェットバッグ・アイソスタティック成形のような他の粉末圧密技術を使用して製造するのは極めて難しい。
【００２６】
単なる例として、本発明の回転バイトの付加的な実施形態が図４及び５に示されている。図４は、本発明に従って作られた段付きドリル１１０を示している。ドリル１１０は、いくつかの螺旋状に配向された切刃１１４を含んでいる切断部分１１２を含んでいる。ドリル１１０はまた、加工工具（図示せず）にドリルを取り付けるためにチャックに受け入れられる取り付け部分１１６をも含んでいる。ドリル１１０は、少なくとも一つの特性が互いに異なる焼結炭化物の三つの領域を露呈させるために部分的に断面で示されている。第一の領域１１８は、ドリル１１０の切断チップに配置されている。領域１１８が形成される焼結炭化物材料は、ドリル１１０のコア部分を形成しているコア領域１２０に対して高い耐摩耗性及び硬度を呈する。コア領域は、残りの二つの領域に対して高い弾性係数を呈する焼結炭化物材料からなる。この高い弾性係数は、加工物と接触するように付勢されたときにドリル１１０が曲がる傾向を少なくする。このドリルはまた、いくつかの螺旋状に配向された切刃１１４を画成している外側領域１２２をも含んでいる。この外側領域は、コア領域１２０を包囲し且つ同軸状に配置されている。外側領域１２２は、コア領域１２０及び先端領域１１８の両方に対して高い硬度及び耐摩耗性を呈する焼結炭化物材料によって構成されている。外側領域１２２によって画成された切断面１１４は、ドリルの中心軸線に近い切断領域よりもより速い切断速度を受ける。従って、外側領域１２２の高い耐摩耗性及び硬度は、切断面の摩耗の均一性が達成されるように選択することができる。
【００２７】
単なる例として、図５は、本発明に従って作られた複みぞ段付きドリル２１０を示している。図４と同様に、図５は、種々の焼結炭化物材料からなる三つの領域を露呈させるために、ドリルの中心軸線を通る部分的な断面によって複みぞ段付きドリル２１０を示している。上記されているように、焼結炭化物材料からなる異なる領域は、例えば、炭化物成分又はバインダ成分の化学的組成、炭化物成分の粒子サイズ又は材料内のバインダに対する炭化物成分の割合のうちの一以上が異なっても良い。複みぞ段付きドリル２１０は、複数の螺旋状に配向された切刃２１４を含む切断部分２１２を含んでいる。ドリル２１０はまた、取り付け部分２１６をも含んでいる。ドリル２１０のコア領域２１８は、断面で露出されているドリル２１０の残りの二つの領域に対して高い弾性係数を有している焼結炭化物材料によって構成されている。段付きドリル１１０と同様に、複みぞ段付きドリル２１０のコア領域２１８は、孔開け動作中に圧力がかかると、ドリル２１０の曲がりを呈する。先端領域２２０は、コア領域２１８に対して高い耐摩耗性及び硬度を有する焼結炭化物材料によって構成されている。ドリル１１０に関して説明した利点がこれによっても達成される。しかしながら、図５の実施形態は、コア領域２１８がドリル２１０の末端２２４まで延びており且つ同軸状に配置され且つ先端領域２２０によって包囲されているという点において、図４の実施形態とは異なっている。コア領域２１８及び先端領域２２０の同軸関係は、各々、末端２２４に隣接する切断チップ２１２の部分においてドリル２１０の曲がりを呈する。
【００２８】
本発明はまた、本発明の複合回転バイト及びこれらのバイトを製造するために使用される複合ブランクを製造するための方法をも含んでいる。このような方法の一つは、型の第一の領域の空洞内に第一の冶金粉末を配置することを含んでいる。この型はドライバッグのゴム型であるのが好ましい。第二の冶金粉末が型の空洞の第二の領域内に配置される。回転バイトにおいて望ましい種々の焼結炭化物材料からなる領域の数に依存して、型は付加的な領域に分けられ、これらの付加的な領域内に特定の冶金粉末が配置される。型は、いくつかの領域を画成するために型の空洞内に物理的な隔壁を配置することによって、領域に分けても良い。冶金粉末は、上記した回転バイトの対応する領域の所望の特性を達成するために選択される。少なくとも第一の領域及び第二の領域の一部分が互いに接触せしめられ、型は、次いで、均衡に圧縮されて冶金粉末を圧縮強化し、固められた粉末のコンパクトを形成する。コンパクトは、次いで、同コンパクトを更に圧縮強化し且つ第一と第二の領域間の溶解結合及び存在する場合にはその他の領域間の溶解結合を形成するために焼結される。焼結されたコンパクトは、特別な回転バイトの幾何学的構造の切刃及び／又はその他の物理的特徴を含むように加工してもよいブランクを提供する。このような特徴は、当業者に知られており、ここでは特に説明はしない。
【００２９】
本発明による複合回転バイトを提供するための上記の方法の実際的な適用例を以下に示す。
例１
この例は、本発明の方法を、均質な構造の従来のエンドミルの性能に対して改良を加えた新規な複合焼結炭化物エンドミルを製造するために適用している。知られているように、従来のエンドミルは、バイトの端部が支持されておらず且つ直径に対する長さの比率が大きいので、比較的非効率的な金属切除技術である。これは、エンドミルの過剰な曲がりを生じさせることがあり、従って、通常は、浅い切削深さ、遅い送り速度及び遅い切断速度が採用される。本発明によって作られた複合エンドミルは、曲がりに抗する高い弾性係数並びにエンドミル用途に適した比較的強く且つ丈夫な外側領域を含むことができる。
【００３０】
この例においては、エンドミルに二つの同軸状に配置された領域を設けた。内側のコア領域は、高い弾性係数を示し、従って、コア領域が作られる材料として、テレダイン（Ｔｅｌｅｄｙｎｅ）（テネシー州、Ｌａｖｅｒｇｎｅ）のグレードＨＣＡ焼結炭化物材料が選択された。一般的に、より少ないバインダ量を有する結合された炭化物は、より高い弾性係数を有するであろう。テレダイングレードのＨＣＡは、５．５重量パーセントのコバルトのバインダと、セラミック成分としてのタングステン炭化物と、中間結晶粒組織と、９２．４ＨＲＡの硬度と、約６３５ｋＮ／ｍｍ2（９１×１０6ｐｓｉ）の弾性係数とを含んでいる。外側領域（加工面）用の材料として、テレダインのグレードＨ−９１を選択した。一般的に、フライス削りに適したグレードは、断続切削中に受ける力に耐える引っ張り強度及び靭性を有していなければならない。テレダインのグレードＨ−９１は、多くのフライス削り用途に適していることがわかっている。グレードＨ−９１は、１１．０重量パーセントのコバルトからなるバインダ、セラミック成分としてのタングステン炭化物、中間結晶粒組織、８９．７ＨＲＡの硬度及び約５７５ｋＮ／ｍｍ2（８２×１０6ｐｓｉ）の弾性係数を有している。
【００３１】
この例のエンドミルは、図６に図示されたドライバッグ・アイソスタティック成形の構造及び作動方法は、当業者に知られており、従って、ここでは詳細に説明しない。図６に示されているように、薄肉のステンレス鋼管６１の形態の円筒形スリーブをドライバッグ・アイソスタティック成形型６２内に挿入した。管６１の内側領域６３に第一の冶金粉末を充填して、エンドミルの内側領域（グレードＨＣＡの焼結炭化物材料）を形成した。管６１の外側の領域（グレードＨ−９１の焼結炭化物材料）を形成した。次いで、管６１を型６２から取り出して、第一の冶金粉末と第二の冶金粉末とが接触するようにした。約２０６８４３ｋＮ／ｍ2（３０，０００ｐｓｉ）の圧力で粉末を型内で圧縮して、約３５．６センチメートル（１４インチ）の長さの二つの異なる焼結炭化物グレードからなる複合コンパクトを形成した。このコンパクトを、次いで、１４００℃及び約５５１６ｋＮ／ｍ2（８００ｐｓｉ）の圧力で、焼結−ＨＩＰ真空炉（マサチュ−セッツ州、ＡｙｅｒにあるＡＶＡ，Ｉｎｃ．，によって製造されたもの）内で過圧焼結した。同じく、焼結−ＨＩＰとして知られている過圧焼結方法においては、コンパクトを含んでいるチャンバは、最初に焼結温度まで加熱され、次いで、加圧される。従来のＨＩＰと比較すると、焼結ＨＩＰは、より低い圧力及びより高い温度を利用し、コスト効率がより高く、より均一な微細構造を生成し、これら全てが結果的に得られる構成成分の信頼性を犠牲にしない。焼結−ＨＩＰ真空炉の構造及び動作方法は、当業者に知られており、従って、ここでは詳細に説明しない。過圧焼結の完了に引き続いて、圧縮強化されたコンパクトを適切に加工して、エンドミルの切刃及びその他の表面的な特徴を形成した。
【００３２】
図７は、焼結炭化物材料（グレードＨＣＡ）からなる第一の領域７１と焼結炭化物材料（グレードＨ−９１）からなる第二の領域７２との間の境界部７３の近くにおける、この例に記載したようにして製造した回転バイトの領域の２０００倍の拡大率の顕微鏡写真である。第二の領域７２よりも高いセラミック成分に対するバインダの比率を有する第一の領域７１との間の遷移部分としての境界部７３の溶解結合が顕微鏡写真に見ることができる。この顕微鏡写真は、図示した境界領域が空洞及び介在物を欠いていることを示している。
【００３３】
例２
この例は、本発明の方法を、均質な構造の従来のドリルの性能に対して改良を加えた新規な複合焼結炭化物ドリルを製造するために適用している。図１に示されているように、ドリルの切刃上の比較的小さい直径でドリルのチゼルエッジによって、加工物内に最初の切り込みを入れた。同じく、図２（ａ）及び２（ｂ）に示されているように、切断速度は、切刃上のより小さい直径においては遙かに遅い。従って、ドリルの内側コアは、遅い速度（粗い切削）で材料の塊を切除すると予想され、一方、切刃の外側の直径は仕上げの切削を行う。これは、ドリルの中心に過剰な熱の生成を生じ、時期尚早なクラックを生じ得る。更に、コア領域は、装置が領域と比較して、より速い速度で欠け且つひび割れすると予想され得る。従って、均一なチッピング及び摩耗を得るために、若干、軟らかく且つより丈夫な（従って、チッピング及び熱クラッキングに耐える）コアを有することが有利である。従って、本発明に従って作られた複合ドリルは、比較的軟らかく且つ丈夫な内側領域と、比較的硬く且つ耐摩耗性の外側領域とを含むことができる。
【００３４】
この例においては、ドリルは、二つの同軸状に配置された領域を含んでいる。内側のコア領域は、高い靭性を呈し、従って、テレダインのグレードＦＲ−１５焼結炭化物材料がコア領域の材料として選択された。一般的に、高いバインダ量を有する焼結炭化物は、高い靭性と、チッピング及び熱クラッキングに対する耐性とを有するであろう。テレダインのグレードＦＲ−１５は、１５重量パーセントのコバルトからなるバインダと、タングステン炭化物のセラミック成分と、微粒子構造（平均粒子サイズが約０．８ミクロン）と、９０．２ＨＲＡの硬度と、を有している。テレダインのグレードＦＲ−１０を、外側領域のための材料として選択した。グレードＦＲ−１０は、高速の孔開け用途に特に適していることがわかった。これは、１０重量パーセントのコバルトのバインダ、タングステン炭化物からなるセラミック成分、微粒子構造（平均粒子サイズが０．８ミクロン）及び９１．９ＨＲＡの硬度を有している。
【００３５】
例１におけるように、例２のドリルは、図６に図示したドライバッグ・アイソスタティック成形装置を使用して冶金粉末によって製造した。ステンレス鋼管６１の形態の隔壁をドライバッグ・アイソスタティック成形型９２内に挿入した。管６１の内側領域をグレードＦＲ−１５粉末によって充填して、ドリルの内側コア領域を形成した。管６１の外側の領域６４にグレードＦＲ−１０の粉末を充填して、ドリルの外側領域を形成した。次いで、管６１を型６２から取り外して、二つの粉末グレードが接触するようにした。この粉末を、約２０６８４３ｋＮ／ｍ2（３０，０００ｐｓｉ）の圧力で圧縮して、約３５．６センチメートル（１４インチ）の長さの複合コンパクトを形成した。このコンパクトを、次いで、例１におけるように、過圧焼結し、続いて、加工して、ドリルの切刃及びその他の表面的な特徴を形成した。
【００３６】
図８は、焼結炭化物材料（グレードＦＲ−１５）からなる第一の領域８１と焼結炭化物材料（グレードＦＲ−１０）からなる第二の領域８２との間の境界部８３の近くにおける、この例に記載したようにして製造したドリルの領域の１６００倍の拡大率の顕微鏡写真である。第二の領域８２よりも高いセラミック成分に対するバインダの比率を有する第一の領域８１との間の遷移部分としての境界部８３の溶解結合が顕微鏡写真に見ることができる。この顕微鏡写真は、図示した境界領域が空洞及び介在物を欠いていることを示している。
【００３７】
例３
例１及び２の回転バイトは、コバルトのバインダの量が異なる焼結炭化物グレードの領域を含んでいた。しかしながら、これらの領域内のタングステン炭化物の粒子サイズはほぼ同じであった。この例では、複合ロッドの形態の回転バイト用のブランクが、バインダ量及び平均タングステン炭化物の粒子サイズが異なる焼結炭化物グレードを結合することによって提供された。複合ロッドの第一の領域は、微細炭化物粒子構造を有するテレダインのグレードＨ−１７によって構成された。（グレードＨ−１７は、約０．８ミクロンの平均粒子サイズ、１０．０重量パーセントのコバルト成分及び９１．７ＨＲＡの硬度を有している。）この複合ロッドの第二の領域は、粗い炭化物粒子構造を有するテレダインのグレードＲ−６１によって構成されている。（グレードＲ−６１は、約４．０ミクロンの平均粒子サイズ、１５重量パーセントのコバルトの量及び８６．０ＨＲＡの硬度を有している。）この複合ロッドは、例１及び２に使用されているのとほぼ同じ方法で製造した。
【００３８】
図９は、第一の領域９１（グレードＨ−１７）と第二の領域９２（グレードＲ−６１）との間の境界部８３の近くにおける、この例の複合ロッドの領域の１０００倍の拡大率の顕微鏡写真である。二つの領域８間の遷移部分としての境界部９３の溶解結合が図９に見ることができる。この例は、更に、特定の用途に適合するように本発明の回転バイトの種々の領域の特性を合わせるために、本発明の方法を使用して得られる大きな自由度を示している。
【００３９】
以上、いくつかの実施形態に関連して本発明を説明したが、上記の説明を考慮したとき、当業者は、本発明の多くの変形及び変更を採用してもよいことを認識するであろう。本発明のこのような変更及び変形の全てが、上記の説明及び特許請求の範囲によって包含されることを意図されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１（ａ）及び１（ｂ）は、各々、従来のツイストドリルの平面図及び端面図である。
【図２】  図２（ａ）は、図２（ｂ）に示された従来のツイストドリルの三つの直径Ｄ１、Ｄ２及びＤ３における切断速度を示しているグラフである。
【図３】  図３（ａ）ないし３（ｄ）は、本発明に従って作られた複合回転バイトを製造するのに有用な新規なブランクの断面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）に斜視図で示されたブランクの断面端面図である。
【図４】  図４は、本発明に従って作られた段付きドリルの実施形態の部分破断平面図である。
【図５】  図５は、本発明に従って作られた複みぞ段付きドリルの実施形態の部分破断平面図である。
【図６】  図６は、本発明に含まれる複合エンドミルを製造するために、実施例１において使用されるドライバッグ・アイソスタティック成形装置の図である。
【図７】  図７は、実施例１において本発明に従って製造されたエンドミル内の焼結炭化物材料の第一の領域と第二の領域との間の境界領域の２０００倍に拡大した顕微鏡写真である。
【図８】  図８は、実施例２において本発明に従って製造された製品内の焼結炭化物材料の第一の領域と第二の領域との間の境界領域の１６００倍に拡大した顕微鏡写真である。
【図９】  図９は、実施例３において本発明に従って製造された複合ロッド内の焼結炭化物材料の第一の領域と第二の領域との間の境界領域の１０００倍に拡大した顕微鏡写真である。
【図２】
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【図１（ａ）】
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【図１（ｂ）】
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【図３（ａ）】
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【図３（ｂ）】
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【図３（ｃ）】
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【図３（ｄ）】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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