JP4457870B2 - 難削材の高速切削ですぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削チップ - Google Patents

Description

この発明は、特に軟鋼やステンレス鋼などの相対的に軟質にして粘性の高い難削材の高速切削に用いた場合にすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削チップ（以下、被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップという）に関するものである。

技術背景

従来、一般に、被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップとして、各種の立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料（以下、ｃ−ＢＮ基焼結材料という）で構成された切削チップ本体の表面に、窒化チタン（以下、ＴｉＮで示す）層や、ＴｉとＳｉの複合ほう窒化物［以下、（Ｔｉ，Ｓｉ）ＢＮで示す］層、さらにＴｉとＡｌ複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎで示す］層などの表面被覆層を１〜８μｍの平均層厚で蒸着形成してなる、被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップが知られており、これが例えば各種の鋼や鋳鉄などの切削に用いられていることも知られている。
いる。

また、上記の被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップが、例えば図１に概略説明図で示される物理蒸着装置の１種であるアークイオンプレーティング装置に、上記切削チップ本体を装入し、ヒータで装置内を、例えば５００℃に加熱した状態で、金属Ｔｉや、それぞれ所定の組成を有するＴｉ−Ａｌ合金やＴｉ−Ｓｉ合金などからなるカソード電極（蒸発源）と、アノード電極との間に、例えば９０Ａの電流を印加してアーク放電を発生させ、同時に装置内に反応ガスとして窒素ガス、またはほう窒化ガスを導入して、例えば２Ｐａの反応雰囲気とし、一方前記切削チップ本体には、たとえば−１００Ｖのバイアス電圧を印加した条件で、前記切削チップ本体の表面に、ＴｉＮ層や、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層、あるいは（Ｔｉ，Ｓｉ）ＢＮ層などを蒸着形成することにより製造されることも知られている。
特開平８−１１９７７４号公報 特開２００３−３４０６０５号公報

一方、近年の切削装置の高性能化および高出力化はめざましく、また切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に対する要求も強く、これに伴い、切削加工は高速化の傾向にあるが、上記の従来被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップにおいては、これを、通常の炭素鋼や低合金鋼の焼入材、さらに鋳鉄などの被削材の高速切削に用いた場合には問題はないが、これを、例えば軟鋼やステンレス鋼などの難削材の高速切削に用いた場合には、表面被覆層と切削チップ本体では、切削時に発生する高熱による熱膨張や硬さ変化などが異なるばかりでなく、これが原因で軟鋼やステンレス鋼などの軟質にして高粘性の難削材の高速切削では、切刃部に大きな内部応力の発生も避けられず、このため切刃部にチッピング（微少欠け）が発生し易くなり、この結果比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、特に軟鋼やステンレス鋼などの難削材の高速切削に用いた場合にすぐれた耐摩耗性を発揮する被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップを開発すべく、研究を行った結果、
被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップの切削チップ本体を、質量％で（以下、％は質量％を示す）、
窒化チタン（以下、ＴｉＮで示す）：３１〜３６％、
炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）：１０〜１５％、
ＴｉとＡｌの金属間化合物（以下、Ｔｉ−Ａｌ化合物で示す）：１〜５％、
ＴｉとＡｌの複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎで示す］：２〜６％、
炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）：１．５〜６．５％、
立方晶窒化ほう素（以下、ｃ−ＢＮで示す）：残り（ただし、４１〜４７％含有）、
からなる配合組成を有する圧粉体の超高圧焼結材料にして、走査型電子顕微鏡による組織観察で、分散相を形成するｃ−ＢＮ相と連続相を形成するＴｉＣＮ相との界面に、ほう化チタン（ＴｉＢ_２）やほう化タングステン（ＷＢ）などの超高圧焼結反応生成物が介在した組織を有するｃ−ＢＮ基焼結材料に特定すると共に、これの表面に、蒸着形成される表面被覆層を
組成式：（Ｔｉ_１−ＸＳｉ_Ｘ）Ｎ、（ただし、Ｘは、原子比で０．０１〜０．０５）、
を満足するＴｉとＳｉの複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎで示す］層に特定すると、この結果の被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップは、特に軟質にして高粘性であるために、切削に際しては一段と高い熱発生および応力発生を伴う軟鋼やステンレス鋼などの難削材の高速切削に用いた場合にも、表面被覆層と切削チップ本体とが切削時に発生する高熱による高温加熱環境に相互に適合し合い、内部応力の発生も著しく抑制されることから、切刃部におけるチッピング発生が皆無となり、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するようになる、という研究結果を得たのである。

この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、
ＴｉＮ：３１〜３６％、
ＴｉＣＮ：１０〜１５％、
Ｔｉ−Ａｌ化合物：１〜５％、
（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ：２〜６％、
ＷＣ：１．５〜６．５％、
ｃ−ＢＮ：残り（ただし、４１〜４７％含有）、
からなる配合組成を有する圧粉体の超高圧焼結材料で構成され、かつ、走査型電子顕微鏡による組織観察で、分散相を形成するｃ−ＢＮ相と連続相を形成するＴｉＣＮ相との界面に超高圧焼結反応生成物が介在した組織を有する切削チップ本体の表面に、
組成式：（Ｔｉ_１−ＸＳｉ_Ｘ）Ｎ、（ただし、Ｘは、原子比で０．０１〜０．０５）、
を満足する（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる表面被覆層を１〜８μｍの平均層厚で蒸着形成してなる、難削材の高速切削ですぐれた耐摩耗性を発揮する被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップに特徴を有するものである。

つぎに、この発明の被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップにおいて、これを構成する切削チップ本体のｃ−ＢＮ基焼結材料の配合組成および表面被覆層の組成を上記の通りに限定した理由を説明する。
（Ａ）切削チップ本体のｃ−ＢＮ基焼結材料の配合組成
（ａ）ＴｉＮおよびＴｉＣＮ
これらの成分には、焼結性を向上させると共に、焼結時に相互に固溶し、炭素（Ｃ）成分に対して相対的に窒素（Ｎ）成分の含有割合の高いＴｉＣＮ相からなる連続相を形成してチップ強度を向上させる作用があるが、その配合割合がＴｉＮおよびＴｉＣＮのいずれかでも、ＴｉＮ：３１％未満、ＴｉＣＮ：１０％未満になると、所望の高強度を確保することができず、一方その配合割合がＴｉＮおよびＴｉＣＮのいずれかでも、ＴｉＮにあっては３６％、ＴｉＣＮにあっては１５％を越えると硬さが急激に低下し、摩耗促進の原因となることから、その配合割合をＴｉＮ：３１〜３６％、ＴｉＣＮ：１０〜１５％と定めた。

（ｂ）Ｔｉ−Ａｌ化合物、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、およびＷＣ
これらの成分には、その主体が焼結時にｃ−ＢＮ粉末の表面と優先的に反応して、ＴｉＢ_２やＷＢなどの超高圧焼結反応生成物を形成し、分散相であるｃ−ＢＮ相と上記の連続相であるＴｉＣＮ相の界面に介在して、前記ｃ−ＢＮ相（分散相）とＴｉＣＮ相（連続相）の密着接合性を著しく向上させ、もって耐摩耗性向上に寄与する作用があるが、これら成分のうちのいずれの成分の配合割合が上記の範囲から少ない方に外れても、前記分散相と連続相の間に強固な密着接合性を確保することができず、一方これら成分のうちのいずれの成分の配合割合でも上記の範囲から多い方に外れると、チップ自体の強度に低下傾向が現れるようになることから、Ｔｉ−Ａｌ化合物、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、およびＷＣの上記の配合割合を、それぞれＴｉ−Ａｌ化合物：１〜５％、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ：２〜６％、ＷＣ：１．５〜６．５％、と定めた。

（ｃ）ｃ−ＢＮ
分散相を構成するｃ−ＢＮは、きわめて硬質で、これによって耐摩耗性の向上が図られるが、その配合割合が４１％未満では所望のすぐれた耐摩耗性を確保することができず、一方その配合割合が４７％を越えると、ｃ−ＢＮ基焼結材料自体の焼結性が低下し、所定の強度を確保することができなくなることから、その配合割合を４１〜４７％と定めた。

（Ｂ）表面被覆層の（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の組成
表面被覆層は、これを構成する（Ｔｉ，Ｓｉ）ＮにおけるＴｉ成分が高温強度を向上させ、一方Ｓｉ成分は高温硬さおよび耐熱性を向上させ、もって高速切削時に発生する高熱による高温加熱環境における表面被覆層の熱膨張や硬さ変化などを切削チップ本体のそれと相互に適合させて、切削チップにおける内部応力の発生を著しく抑制せしめる性質を有するが、Ｓｉの含有割合を示すＸ値がＴｉとの合量に占める割合（原子比）で０．０１未満でも、また同０．０５を越えても、表面被覆層と切削チップ本体との間の適合性がずれるようになり、チッピング発生の原因となることから、Ｘ値を０．０１〜０．０５と定めた。

なお、上記のこの発明の被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップには、その表面に切削チップ使用前後識別層として、黄金色の色調を有する窒化チタン（以下、ＴｉＮで示す）層を蒸着形成してもよく、この場合の蒸着層厚は、平均層厚が０．５μm未満では識別に十分な黄金色の色調を付与することができず、一方識別は５μmまでの平均層厚で十分であることから、０．５〜５μmの平均層厚とすればよい。

この発明の被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップは、軟質にして粘性が高く、それ故に切削では高熱発生を伴う軟鋼やステンレス鋼などの難削材の切削を高速で行っても、これを構成する表面被覆層と切削チップ本体とが切削時に発生する高熱による高温加熱環境で相互に適合し合い、内部応力の発生も著しく抑制されることから、切刃部におけるチッピング発生が皆無となり、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するのである。

つぎに、この発明の被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップを実施例により具体的に説明する。

原料粉末として、いずれも０．５〜４μｍの範囲内の所定の平均粒径を有する、連続相形成用としてのＴｉＮ粉末およびＴｉＣＮ粉末、Ｔｉ−Ａｌ化合物としてＴｉ−Ａｌ_３粉末、（Ｔｉ，Ａｌ）ＮとしてＴｉ₂ＡｌＮ粉末、ＷＣ粉末、および分散相形成用としてのｃ−ＢＮ粉末を用意し、これら原料粉末を表１に示される配合組成に配合し、ボールミルで６０時間湿式混合し、乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で直径：５０ｍｍ×厚さ：１．５ｍｍの寸法をもった圧粉体にプレス成形し、この成形体を１Ｐａの真空中、９００〜１３００℃の範囲内の所定の温度に１時間保持の条件で予備焼結し、ついでこれを別途用意した直径：５０ｍｍ×厚さ：２ｍｍの寸法をもった超硬合金チップ（組成：ＷＣ−８％Ｃｏ）と重ね合わせた状態で超高圧焼結装置に装入し、１２００〜１４００℃の範囲内の所定温度に５ＧＰａの圧力下で４０分保持の条件で焼結し、焼結後上下面をダイヤモンド砥石を用いて研削し、アーク放電によるワイヤカットにより一辺が３ｍｍの正方形チップに分割することにより前記超硬合金で裏打されたｃ−ＢＮ基焼結材料からなる切削チップ本体Ａ−１〜Ａ−１１をそれぞれ製造した。

ついで、これら切削チップ本体Ａ−１〜Ａ−１１を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、それぞれ図１に示される通常のアークイオンプレーティング装置内に装着し、カソード電極（蒸発源）として、表２に示される目標組成の本発明被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップの表面被覆層［（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層］に対応した成分組成をもったＴｉ−Ｓｉ合金を装着し、まず装置内を排気して０．５Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を５００℃に加熱した後、前記切削チップ本体に−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、一方カソード電極の前記Ｔｉ−Ｓｉ合金とアノード電極との間には１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、もって前記切削チップ本体表面を前記Ｔｉ−Ｓｉ合金でボンバート洗浄し、ついで装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して５Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記切削チップ本体に印加する直流バイアス電圧を−１００Ｖに下げて、前記Ｔｉ−Ｓｉ合金のカソード電極とアノード電極との間にアーク放電を発生させ、もって前記切削チップ本体のそれぞれの表面に、表２に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる表面被覆層を蒸着形成することにより本発明被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップ１〜１１をそれぞれ製造した。

また、比較の目的で、同じく図１に示される通常のアークイオンプレーティング装置を用い、カソード電極（蒸発源）として、金属Ｔｉ、または表３に示される目標組成の比較被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップの表面被覆層に対応した成分組成をもったＴｉ−Ａｌ合金を用いる以外は、同一の条件で、上記の切削チップ本体Ａ−１〜Ａ−１１のそれぞれの表面に、表３に示される目標組成および目標層厚のＴｉＮ層または（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる表面被覆層を蒸着形成することにより比較被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップ１〜１１をそれぞれ製造した。

この結果得られた各種の被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップの切削チップ本体を構成するｃ−ＢＮ基焼結材料について、その組織を走査型電子顕微鏡を用いて観察したところ、いずれの切削チップ本体も、実質的に分散相を形成するｃ−ＢＮ相と連続相を形成するＴｉＣＮ相との界面に超高圧焼結反応生成物が介在した組織を示した。

さらに、同表面被覆層について、その組成を透過型電子顕微鏡を用いてのエネルギー分散型Ｘ線分析法により測定したところ、目標組成と実質的に同じ組成を示し、また、その平均層厚を透過型電子顕微鏡を用いて断面測定したところ、いづれも目標層厚と実質的に同じ平均値（５ヶ所の平均値）を示した。

ついで、これらの被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップを、超硬合金本体（組成：ＷＣ−１０％Ｃｏ）の切刃先端部に形成した切り込み段部にろう付けすることによりＪＩＳ・ＴＮＭＡ１６０４０８に規定する形状をもったスローアウエイ型切削工具とし、
被削材：ＪＩＳ・Ｓ１０Ｃの長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：８００ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．０ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：５分、
の条件での軟鋼の乾式断続高速切削試験（通常の切削速度は５００ｍ／ｍｉｎ）、および、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４の丸棒、
切削速度：４５０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：０．４ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：５分、
の条件でのステンレス鋼の乾式連続高速切削試験（通常の切削速度は３００ｍ／ｍｉｎ）、を行い、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。この測定結果を表２，３に示した。

表１に示される結果から、本発明被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップ１〜１１は、いずれも難削材である軟鋼やステンレス鋼の切削を高速で行っても切刃にチッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を示し、すぐれた切削性能を長期に亘って発揮するのに対して、表面被覆層がＴｉＮ層や（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる比較被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップ１〜１１においては、いずれも表面被覆層と切削チップ本体が切削時に発生する高熱による熱膨張や硬さ変化などに適合せず、この結果切刃にチッピングが発生し、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。

上述のように、この発明の被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップは、各種の鋼や鋳鉄などの通常の切削条件での切削加工は勿論のこと、特に切削時に高熱発生が避けられない軟鋼やステンレス鋼などの高速切削でも切刃部にチッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するものであるから、切削加工の省力化および省エネ化にも十分満足に対応できるものである。

通常のアークイオンプレーティング装置の概略説明図である。

Claims (1)

1. 窒化チタン：３１〜３６％、
   炭窒化チタン：１０〜１５％、
   ＴｉとＡｌの金属間化合物：１〜５％、
   ＴｉとＡｌの複合窒化物：２〜６％、
   炭化タングステン：１．５〜６．５％、
   立方晶窒化ほう素：残り（ただし、４１〜４７％含有）、
   からなる配合組成（以上、％は質量％を示す）を有する圧粉体の超高圧焼結材料で構成され、かつ、走査型電子顕微鏡による組織観察で、分散相を形成する立方晶窒化ほう素相と連続相を形成する炭窒化チタン相との界面に超高圧焼結反応生成物が介在した組織を有する切削チップ本体の表面に、
   組成式：（Ｔｉ_１−ＸＳｉ_Ｘ）Ｎ、（ただし、Ｘは、原子比で０．０１〜０．０５）、
   を満足するＴｉとＳｉの複合窒化物層からなる表面被覆層を１〜８μｍの平均層厚で蒸着形成してなる、難削材の高速切削ですぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削チップ。

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