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Info
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Abstract
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
る。
である。
の後の、本発明の基体を示す図である。
インサートを示す図である。
Claims (6)
- 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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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