JP2000319705A - 多結晶質立方晶窒化硼素の切削工具インサートの製造方法及びこの多結晶質立方晶窒化硼素のボディー - Google Patents

多結晶質立方晶窒化硼素の切削工具インサートの製造方法及びこの多結晶質立方晶窒化硼素のボディー

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 多結晶質立方晶窒化硼素の切削工具インサー
トの製造方法に関する。 【解決手段】 本発明は、原材料粉末として、立方晶窒
化硼素と、六方晶窒化硼素、TiC,TiN,Ti(C,N),WC,W,C,C
o,Co2Al9,Al,AlN 及びAl2O3 から少なくとも１種とを、
適切な液体と加圧成形剤と混合し所望組成の均一スラリ
ーを形成する工程、直径100 μｍの粉末解凝集物をスプ
レー乾燥によって形成する工程、慣用の工具加圧成形技
術を用い所望の大きさと密度を有するボディーを形成す
る工程、ボディーから加圧成形剤を適切な温度と雰囲気
で除去する工程、真空中1000〜1350℃まで温度上昇する
工程、真空中1000〜1350℃で1 〜90分間ボディーを固溶
体焼結し35〜55vol%の多孔率を有するボディーの形成工
程、任意に0.5 〜1000mbarの窒素を保持時間または冷却
する際に焼結雰囲気への添加工程、多孔質ボディーを高
圧高温処理して所望の形状と大きさの緻密ボディーを形
成する工程を含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、超硬合金またはサ
ーメットのボディーに接合される多結晶質立方晶窒化硼
素（ＰｃＢＮ）で形成された切れ刃を備える工具の製造
方法及びＰｃＢＮボディーに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】立方晶
窒化硼素（ｃＢＮ）基材料のような超砥粒( superhard
abrasive) で形成された切れ刃を備える切削工具は、粉
末冶金法で製造されそして鋳鉄及び焼き入れした鋼の機
械加工用に主に使用する。鋳鉄に対しては、８０〜１０
０ｗｔ％のｃＢＮを有する強靱な材料が使用され、一方
焼き入れた鋼に対しては、１０〜５０ｗｔ％のＴｉＣ、
ＴｉＮまたはＴｉ（Ｃ、Ｎ）を一般的に添加する。これ
は靭性を増加させるが、しかし材料の化学安定性を非常
に変化させる。また、ほとんどのＰｃＢＮ材料は、少量
（一般的にはそれぞれが＜１０ｗｔ％で、全部で＜２５
ｗｔ％である）の他の成分、例えばＣｏ、Ｎｉ、ＷＣ、
Ａｌ、ＡｌＮ、Ａｌ 2 Ｃｏ9 及びＡｌ2 Ｏ3 を含有す
る。これらは、原材料粉末に添加するか、または処理す
る際に入れられる。
【０００３】ＰｃＢＮ切削工具は、主に次の二つの異な
る方法で製造される。すなわち、 １）高圧力及び高温度（ＨＰ／ＨＴ）によって、ＰｃＢ
Ｎ粉末混合物を、固体ボディーに焼結し、この固体ボデ
ィーは仕上がり切削工具インサートに切断しそして研磨
する。 ２）ＰｃＢＮ粉末の薄い層を、ＨＰ／ＨＴによって焼結
して同時に基体に接合し、この基体からさらに小さな部
片（刃先）が切り出される。これらの刃先は、通常の超
硬工具（例えば、インサート、エンドミル、ドリル）に
ろう付けして、仕上げた状態に研磨する。これらの工具
は、それが仕上がる前に多くの工程が製品に加えられる
ので、非常に高価である。また、一般的に入手される工
具は、一つの工具あたり一つか又は二つの切れ刃が存在
するだけである。
【０００４】米国特許第５，６７６，４９６号は、さら
に経済的な方法でＰｃＢＮ切削工具インサートを製造す
るための技術を示す。これは、超硬合金またはサーメッ
トの基体を容器内に配置して、その後この基体に適切に
配置された溝にＰｃＢＮ粉末を詰め込むことによって達
成する。この容器を、ＰｃＢＮ粉末が十分緻密なボディ
ーに固められ同時に基体と接合するように、ＨＰ／ＨＴ
焼結する。この基体とＰｃＢＮとの複合物は、切削工具
インサートへとその後直接研磨する。この技術の主な利
点は次のとおりである。すなわち、 １．ろう付け工程が削除される。
【０００５】２．インサート一つあたりの切れ刃の数
が、製造価格の制限まで増やすことが可能である。 記載した方法が切れ刃あたりの大幅な価格低下をもたら
すとはいえ、溝に粉末を詰め込むことが原則的に手作業
によって行うことは大きな欠点である。必要な溝の形状
と組み合わすためのＰｃＢＮ粉末の少ない流動特性が、
自動化処理を確実にすることができない。明らかな健康
上の有害なものは別にして、手作業の詰め込みは、不均
一な詰め込み密度と、ＰｃＢＮ粉末を過度に酸素にさら
すことをもたらす。不均一な詰め込み密度は、詰め込ま
れるＰｃＢＮ量を常に確実に十分にするために、所望よ
り大きな溝寸法にする必要がある。過剰な酸素は固化工
程に悪影響を及ぼすので、ＰｃＢＮ粉末の酸素含有量の
注意深い制御はＨＰ／ＨＴ焼結に対して重要である。原
則として、非常に高い再現性のある詰め込み密度を有す
ること、及び作業中及び保管の際の酸素充填を最小化す
ることが望まれる。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び発明の実施の形態】立
方晶窒化硼素基材料のグリーンボディーを、比較的高温
の真空中で予備焼結することが可能であり、適当な強度
と十分に規定した形状とを備えた多孔質ボディーが得ら
れることが全く驚くべきことに明らかになった。この材
料は、焼結条件を適切に選択することでもって、その後
のＨＰ／ＨＴ焼結工程または切削工具性能に対して有害
である相変態が起きない。特に、準安定なｃＢＮ粒が、
例えば六方晶窒化硼素（ｈＢＮ）、または金属の硼化物
と窒化物へと過度に相変態することを回避することがで
きない。さらにその上に、予備焼結工程は、脱蝋、酸素
還元、及び任意にグリーンボディーの硝化作用を計算に
入れて計画することができる。
【０００７】本発明の一つの態様においては、多孔率３
５〜５５ｖｏｌ％の予備焼結した多孔質のｃＢＮが提供
され、このｃＢＮは、次の特性を備えるその後のＨＰ／
ＨＴ焼結工程に対して特に適合する。すなわち、 １．通常の自動工具加圧技術を用いて、非常に狭い許容
誤差と非常に再現性の高いグリーンボディー密度を備え
た完成形状を製造することができる。
【０００８】２．自動組立に対して十分な強度を備え、
すなわち適切な容器に入れられる超硬合金基体と互いに
自動組立される。 ３．多孔質構造は、十分に壊れやすくてＨＰ／ＨＴ焼結
の際に硼化して、残留クラックまたは割れ目を残さず、
すなわち実質的に多孔性が残留しない。 ４．この材料は、低くて安定な酸素含有量であり（一般
的には＜０．６ｗｔ％）、これが、低酸素収集でもって
の長期の保存と、簡単な取扱と、を容易にする。
【０００９】本発明の第２の態様においては、次の工程
を含んでなる上記材料を製造する粉末冶金法が提供され
る。すなわち、 １．原材料粉末、すなわち、立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）
と、六方晶窒化硼素（ｈＢＮ）、ＴｉＣ、ＴｉＮ、Ｔｉ
（Ｃ、Ｎ）、ＷＣ、Ｗ、Ｃ、Ｃｏ、Ｃｏ2 Ａｌ 9 、Ａ
ｌ、ＡｌＮ及びＡｌ2 Ｏ3 の群から少なくとも１種と
を、適切な液体（例えば、エタノール）と加圧成形剤
（例えば、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ））ととも
に混合して、所望の組成を備えた均一スラリーを形成す
る工程、ＴｉＣ＋ＴｉＮ＋Ｔｉ（Ｃ、Ｎ）の量は＜５０
ｗｔ％であり、且つ他の添加物の量は＜２５ｗｔ％であ
る。
【００１０】２．好ましくはスプレー乾燥を使用して、
典型的には直径１００μｍの粉末解凝集物を形成する工
程。 ３．慣用の工具加圧成形技術を用いて所望の大きさと密
度とを有するグリーンボディーを形成する工程。 ４．選択された加圧成形剤に対して適切な温度と雰囲気
とで（好ましくは、ＰＥＧに対しては、流れる水素内で
２００〜４００℃）、グリーンボディーから加圧成形剤
を除去する工程。
【００１１】５．真空中で１０００〜１３５０℃まで温
度を上昇することによって、原材料の粒表面から酸素を
除去する工程。 ６．真空中の１０００〜１３５０℃で１〜９０分の間上
記材料を固溶体焼結して、所望の強度を得る工程。 ７．任意に、０．５〜１０００ｍｂａｒの窒素を保持時
間または冷却する際に焼結雰囲気に添加して、酸素除去
の際に得られた格子間元素の消失を補償する工程。
【００１２】８．所望の形状及び寸法で緻密なＰｃＢＮ
ボディー、例えば切削工具インサートを得るために、焼
結された多孔質ボディーをＨＰ／ＨＴ処理に施す工程。
その代わりに、この処理の際に、多孔質ボディーは超硬
合金またはサーメットの焼結ボディーと接触させること
ができ、そしてＨＰ／ＨＴ処理の際にそれに接合され
て、複合ボディーすなわち切削工具を形成する。
【００１３】本発明にしたがう方法は、米国特許第５，
６７６，４９６号にしたがうインサート、並びに完全な
形状すなわち切り屑ブレーカーまたは締結用の中央孔を
備えた堅固なＰｃＢＮの工具または工具ボディー以外の
他の形式のインサートを作るために使用できることは明
らかである。
【００１４】
【実施例及び発明の効果】実施例１ 米国特許第５，６７６，４９６号にしたがう切削工具イ
ンサートを本発明に従い製造した。先ず、均一粉末混合
物を得るために、５７ｗｔ％のｃＢＮと、３５ｗｔ％の
Ｔｉ（Ｃ０0.5 、Ｎ0.5 ）と、８ｗｔ％のＣｏ2 Ａｌ9
とを、超硬合金混練物体を使用して、６０分間摩耗混練
した。そのご、６．５ｗｔ％のポリエチレングリコール
すなわちＰＥＧを添加し、そしてこの粉末をタノール中
で混合して均一スラリーした。このスラリーをスプレー
乾燥技術を用いて乾燥して、約１００μｍの平均解凝集
サイズと良好な粒動特性を備える粉末にした。この粉末
を、慣用の工具加圧成形技術を用いて、所望の大きさの
ボディーに加圧成形した。高密度のグリーンボディーを
得るために、加圧成形は、加圧工具を危険にさらすこと
なく可能な限り高い圧密圧力で行った。加圧成形剤を２
００〜３２０℃で流動する水素中で除去した。真空中で
温度を１０℃／分で１０５０℃まで上昇し、その後さら
に真空中で２℃／分で１３００℃まで上昇した。温度が
上昇する際に、酸素は一酸化炭素としてグリーンボディ
ーから離散し、また窒素の損失は僅かであった。この材
料の固溶体焼結は１３００℃に真空中で３０分間行われ
た。その後炉は流動アルゴンガスで室温まで冷却するこ
とができた。
【００１５】固溶体焼結後、このボディーの大きさと密
度を測定した。大きさはグリーンボディーよりわずかに
大きく、約１％の線膨張に相当した。密度は、グリーン
ボディーの２．５０ｇ／ｃｍ3 に比較して２．３３ｇ／
ｃｍ3 であった。これは、６．５ｗｔ％のＰＥＧと０．
７ｗｔ％の一酸化炭素と窒素との重量損失に相当する。
上記のように加圧した十分緻密なボディーの理論密度が
３．９３ｇ／ｃｍ3 であり、混練ボディーから開始した
炭化タングステン（ＷＣ）とコバルト（Ｃｏ）の不可避
的な収集を含むことを考慮すると、固溶体焼結されたボ
ディーの密度は４１ｖｏｌ％の多孔率に相当する。これ
は、加圧成形を除去した工具加圧成形ボディーに対して
は低い値であり、これは高い圧密圧力を用いたためと考
えられる。例えば、工具加圧成形超硬合金ボディーに対
する典型的な値は、３５〜６０ｖｏｌ％の多孔率の範囲
にある。
【００１６】０．７ｗｔ％の隙間損失のために、多孔質
と接触する粒の表面は非常に亜化学量論的になることが
できる。これらの表面は長い保存の間に再酸化し得るの
で、これが問題となる。しかしながら、窒素を、好まし
くは温度保持時間の終末に、焼結雰囲気に添加すること
によって、これらの表面は窒化されて、このような化学
量論性が増加する。これが実質的に再酸化の危険性を減
少する。
【００１７】その後焼結ＰｃＢＮは、上記米国特許第
５，６７６，４９６号にしたがうインサートの製造を示
す図１〜図４に図示するような切削工具インサートの製
造に使用した。図１は得られた予備焼結ボディーを示
す。この具体的なボディーは、複雑な横断面を備えた環
状形であり、図２に示す超硬合金基体の溝にピッタリと
嵌まり込む。図２は、６個のＰｃＢＮ切れ刃を備えた切
削工具インサートを製造するための焼結超硬合金基体を
示す。三つの溝は周囲に沿って対称的に配置する。それ
ぞれの溝から、基体の各側部に一つとして、すなわち二
つの切れ刃が形成される。
【００１８】予備焼結したボディーを、容器内に配置さ
れる図２の超硬合金基体の溝に配置して、約５０ｋｂａ
ｒで１４５０℃で２０分間のＨＰ／ＨＴ処理を施した。
図３は、ＨＰ／ＨＴ焼結処理及び上側からの容器材料の
除去後の，基体すなわちＰｃＢＮ半加工材を示す。この
溝に配置された予備焼結した多孔質のボディーは、溝内
に押しつぶされて、そして溝の内壁と強く接合する十分
に緻密なＰｃＢＮ材料を形成する。最後に、この半加工
材を、図４の６個の切れ刃を備えるＷＮＧＡ型式のイン
サートに研削した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の予備焼結したボディーを示す図であ
る。
【図２】本発明の超硬合金基体のボディーの溝を示す図
である。
【図３】ＨＰ／ＨＴ焼結処理と上側の容器材料の除去と
の後の、本発明の基体を示す図である。
【図４】本発明の６個の切れ刃を備えるＷＮＧＡ型式の
インサートを示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ２３Ｂ 27/14 Ｂ２３Ｂ 27/14 Ｂ Ｃ２２Ｃ 1/05 Ｃ２２Ｃ 1/05 Ｋ 29/14 29/14 Ａ Ｂ Ｃ // Ｂ２３Ｐ 15/28 Ｂ２３Ｐ 15/28 Ｚ

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 原材料粉末として、立方晶窒化硼素と、
    六方晶窒化硼素、ＴｉＣ、ＴｉＮ、Ｔｉ（Ｃ、Ｎ）、Ｗ
    Ｃ、Ｗ、Ｃ、Ｃｏ、Ｃｏ2 Ａｌ9 、Ａｌ、ＡｌＮ及びＡ
    ｌ2 Ｏ3 から少なくとも１種とを、適切な液体と加圧成
    形剤とともに混合して、所望の組成を備えた均一スラリ
    ーを形成する工程、 直径１００μｍの粉末解凝集物を形成する工程、 慣用の工具加圧成形技術を用いて所望の大きさと密度と
    を有するボディーを形成する工程、 前記ボディーから前記加圧成形剤を適切な温度と雰囲気
    とで除去する工程、 真空中で１０００〜１３５０℃まで前記温度を上昇する
    工程、 真空中の１０００〜１３５０℃で１〜９０分の間前記ボ
    ディーを固溶体焼結して、３５〜５５ｖｏｌ％の多孔率
    を有するボディーを形成する工程、 任意に０．５〜１０００ｍｂａｒの窒素を保持時間また
    は冷却する際に焼結雰囲気に添加する工程、及び多孔質
    の前記ボディーを高圧及び高温で処理して所望の形状と
    大きさの緻密ボディーを形成する工程、を特徴とする多
    結晶質立方晶窒化硼素の切削工具インサートの製造方
    法。
  2. 【請求項２】 上記適切な液体が、エタノールであるこ
    とを特徴とする請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 上記加圧成形剤が、ポリエチレングリコ
    ールであることを特徴とする請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記粉末解凝集物を、スプレー乾燥によ
    って形成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか
    １項に記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記多孔質の多結晶質立方晶窒化硼素の
    ボディーを、超硬合金またはサーメットの本体に接触し
    て配置し且つ高温及び高圧の処理によって超硬合金また
    はサーメットの本体と接合することを特徴とする請求項
    １〜４のいずれか１項に記載の方法。
  6. 【請求項６】 混合、加圧成形及び焼結をする粉末冶金
    法によって製造され、且つ３５〜５５ｖｏｌ％の多孔率
    を有することを特徴とする多結晶質立方晶窒化硼素のボ
    ディー。
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