JP4787387B2

JP4787387B2 - 耐クレータ性および強度に優れた切削工具とその製造方法

Info

Publication number: JP4787387B2
Application number: JP22367998A
Authority: JP
Inventors: 朋弘深谷; 暁久木野; 順一白石
Original assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Current assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Priority date: 1998-07-22
Filing date: 1998-07-22
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2018-07-22
Also published as: JP2000044350A; CN1242350A; CN1300055C; ZA994665B

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）焼結体を用いた切削工具とその製造方法に関するものである。特に、耐摩耗性および耐欠損性が改良された切削工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ｃＢＮはダイヤモンドに次ぐ高硬度物質であり、ｃＢＮ基焼結体は種々の切削工具、耐摩耗部品、耐衝撃部品などに使用されている。
【０００３】
この種の焼結体では硬度と強度の両立が難しく、この両立を目的とした技術として、例えば特公昭62-25630号公報、特公昭62-25631号公報、特開平5-186272号公報に記載のものが挙げられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の各技術においても、硬度と強度の両立という点で必ずしも十分ではない。例えば、上記の焼結体をバイトに用いた場合、逃げ面摩耗とクレーター摩耗によって刃先が鋭角になり、この刃先が欠損しやすく、その結果、工具寿命が安定しないという問題があった。
【０００５】
従って、本発明の主目的は、耐クレーター性および強度を最適化することにより、耐欠損性に優れたｃＢＮ焼結体を備える切削工具とその製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明切削工具はｃＢＮ粒子を結合相で焼結した焼結体を備える耐クレータ性および強度に優れた切削工具である。この結合相は二次元的に見て連続した構成となっている。また、この結合相は周期律表4a,5a,6a族遷移金属の炭化物，窒化物，炭窒化物，硼化物、Ａｌの窒化物，硼化物，酸化物、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉの少なくとも1種の炭化物，窒化物，炭窒化物，硼化物、およびこれらの相互固溶体よりなる群から選択される1種以上を含む。さらに、結合相厚みの平均値は１．５μｍ以下で、その標準偏差は０．９以下である。ここで、結合相厚みとは焼結体中の任意の直線上で、ｃＢＮ粒子とｃＢＮ粒子の間の距離を意味する。一方、ｃＢＮの含有率は体積％で４５〜７０％である。そして、ｃＢＮ粒子の平均粒度は２以上６μｍ以下である。この平均粒度とは、累積体積％が５０％となる粒径のことをいう。
【０００７】
従来のｃＢＮ焼結体（ｃＢＮ粒子が平均粒度２〜６μｍ）は結合相厚みの標準偏差が０．９を越えている。すなわち、結合相の厚みのばらつきが大きく、結合相だけで大きな体積を占める部分がある。この部分は焼結体中で強度が弱い部分（欠陥）であるので亀裂の進展がしやすく、工具の耐欠損性が十分でない。
【０００８】
高速切削では刃先が高温となるため材料強度が低下する。また、クレーター摩耗が発達し、刃先形状が鋭利になることも刃先の強度を低下させる。このような状態で刃先に負荷される衝撃により、クレーター摩耗の生じた部分に切れ刃と平行に亀裂が発生し、この亀裂が断続の衝撃により進展して欠損に至ると推定される。
【０００９】
そこで、本発明工具の焼結体では結合相厚みのバラツキを従来の焼結体より小さくすることで、欠陥となる部分を少なくし、耐欠損性の改善を図っている。結合相の平均厚みとその標準偏差が上記の１．５μm、０．９μmを越えると、結合相だけで大きな体積を占める部分が増え、耐欠損性の改善効果が少ない。また、結合相の平均厚みの下限は、結合相としての機能を発揮するため、０．２μm程度が好ましい。さらに、ｃＢＮ粒子の平均粒径が２μm未満では、粒子の耐熱性が劣りクレーター摩耗が発達しやすくなって耐欠損性が劣り、６μmを越えると切削時の衝撃に対して耐欠損性が劣るため、ｃＢＮ粒子の粒度は２−６μmが適している。
【００１０】
本発明工具の焼結体を得るには、ｃＢＮに結合相材料を被覆したり、特殊な方法で原料を混合する。結合相材料の被覆は、焼結前に、化学蒸着法（ＣＶＤ法）や物理蒸着法（ＰＶＤ法）、無電解めっき法、あるいは機械的混合時の圧縮せん断力、摩擦力、衝撃力に誘起されたメカノケミカル的な反応を利用する方法が挙げられる。特殊な混合方法については、超音波混合法または分散材を用いたボールミル法が最適である。
【００１１】
なお、本発明工具の焼結体の焼結工程には、プラズマ焼結装置、ホットプレス装置または超高圧焼結装置などが利用できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１３】
（実施例１）
７６重量％のＴｉの窒化物、１８重量％のＡｌ、３重量％のＣｏおよび３重量％のＮｉを混合し、真空中で１２００℃、３０分熱処理をした化合物を粉砕し、結合相粉末を作製した。この結合相粉末は、ＸＲＤ(X‐ray diffraction)ではＴｉＮ、Ｔｉ₂ＡｌＮ、ＴｉＡｌ₃ 等のピークがみられた。この結合相粉末と平均粒径３μｍのｃＢＮ粉末を、ｃＢＮの体積含有率が６０体積％になるように表１に記載の方法で混合した。各混合法の詳細な条件は次の通りである。ここで、Ｎｏ．２において、ｃＢＮにＴｉＮを被覆するのは、ＲＦスパッタリングにより行った。被覆の平均厚みは５０ｎｍである。また、Ｎｏ．２の混合において分散材は用いていない。
【００１４】
超音波混合法→エチルアルコール中にｃＢＮと結合材の粉末を投入し、２０ｋＨｚの超音波振動を付加して混合した。
ＢＭ法→ポットに直径１０mmのボールとｃＢＮ粉末および結合材粉末を入れ、２５０rpm 、８００分、エチルアルコール中で湿式混合を行った。
分散材→分散材としてポリビニルアルコールを２重量％添加した。
【００１５】
【表１】

【００１６】
そして、その混合粉末を５GPa、１３００℃の超高圧、高温下で焼結した。得られた焼結体のＸＲＤはどれもｃＢＮ、ＴｉＮ、ＴｉＢ₂、ＡｌＢ₂、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＷＣが観測された。
【００１７】
これら焼結体の組織を金属組織顕微鏡で1500倍にて撮影したところ、黒く見えるｃＢＮ粒子と白く見える結合相が観察された。この写真で任意の直線を引き、結合相厚みを測定した。この測定は、上記任意の直線状における結合相の厚み、つまりｃＢＮ粒子間の距離を２０点以上測定し、測定値の平均を求めることで行う。そして、各測定値から表１に記載の平均値と標準偏差を求めた。
【００１８】
さらに、これら焼結体を切削工具に加工し、下記の条件で切削試験を実施し、欠損に至る工具寿命を測定したところ、表１に記載の結果が得られた。
【００１９】
切削試験条件：
被削材：ＳＣＭ４１５、ＨＲＣ５８−６２、φ１００mm×Ｌ３００mmで長手方向にＶ形状の溝が６本付けられた形状。
工具形状：ＳＮＧ４３２ＮＬ−２５＊０．１５−０．２
ホルダー：ＦＮ１１Ｒ
切削条件：Ｖ＝１８０m／min、ｄ＝０．３mm、ｆ＝０．１５mm／rev、ｄｒｙ
【００２０】
この結果から明らかなように、結合相厚さの平均値が１．５μm以下、その標準偏差が０．９以下の場合に工具寿命が倍程度に向上していることがわかる。また、このような結合相厚さを有する焼結体を作製するには、結合相材料を混合する際に、超音波混合法または分散材を用いたボールミル法が好ましいことがわかる。また、ｃＢＮ粒子に結合相を被覆する方法も有効である。
【００２１】
（実施例２）
７５重量％のＴｉの窒化物、２２重量％のＡｌ、２重量％のＣｏおよび１重量％のＮｉを混合し、真空中で１２４０℃、３２分熱処理をした化合物を粉砕し、結合相粉末を作製した。ＸＲＤではＴｉＮ、Ｔｉ₂ＡｌＮ、ＴｉＡｌ₃等のピークがみられた。この結合相粉末と平均粒径４．８μmのｃＢＮ粉末を、ｃＢＮの体積含有率が６５％になるように超音波混合法と分散材を用いないボールミル（ＢＭ）法で混合した。各混合法の詳細な条件は次の通りである。
【００２２】
超音波混合法→アセトン中にｃＢＮと結合材の粉末を投入し、２５ｋＨｚの超音波振動を付加して混合した。
ＢＭ法→ポットに直径１０mmのボールとｃＢＮ粉末および結合材粉末を入れ、２００rpm 、６００分、エチルアルコール中で湿式混合を行った。
【００２３】
そして、この粉末を４．８５GPa、１３１０℃の超高圧、高温下で焼結した。得られた焼結体のＸＲＤはどれもｃＢＮ、ＴｉＮ、ＴｉＢ₂、ＡｌＢ₂、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＷＣが観察された。これら焼結体の組織を下記の方法で観察した。なお、下記の各方法において、結合相厚みの測定方法は実施例１と同様である。
1）金属組織顕微鏡にて1500倍で写真撮影したところ、黒く見えるcＢＮ粒子と白く見える結合相が観察された。この写真で任意の直線を引き、結合相厚みを測定した。
【００２４】
2）SEM(Scanning Electron Microscope)にて3000倍で写真撮影したところ、ｃＢＮ粒子と結合相が観察された。この写真で任意の直線を引き、結合相厚みを測定した。
【００２５】
3）TEM(Transmission Electron Microscope)にて10000倍で写真撮影したところ、ｃＢＮ粒子と結合相が観察された。この写真で任意の直線を引き、結合相厚みを測定した。
【００２６】
4）オージェ（Auger Electron Spectroscopy) にて10000倍で写真撮影したところ、ｃＢＮ粒子と結合相が観察された。この写真で任意の直線を引き、結合相厚みを測定した。
【００２７】
5）金属組織顕微鏡にて1500倍で撮影したところ、黒く見えるｃＢＮ粒子と白く見える結合相が観察された。これを画像解析し、ｃＢＮ粒子にあたる黒くみえる粒子の面積比率がｃＢＮの体積含有率と等しくなるように二値化し、結合相に相当する部分を特定し、結合相厚みを測定した。
【００２８】
6）金属組織顕微鏡にて1000倍で撮影したところ、黒く見えるｃＢＮ粒子と白く見える結合相が観察された。これを画像解析し、任意の直線上の輝度を測定したところ周期性が見られた。ある輝度で暗い部分（ｃＢＮ粒子に当たるところ）と明るい部分（結合相に当たるところ）にわけた場合、その比率がｃＢＮの体積含有率と等しくなるように輝度を決定し、明るい部分の長さを結合相厚みとした。
【００２９】
このようにして測定した結合相厚みの平均値と標準偏差を計算したところ表2のようになった。
【００３０】
【表２】

【００３１】
これら焼結体を切削工具に加工し、下記の条件で切削試験を実施し、欠損に至る工具寿命を測定したところ、超音波混合法の焼結体は約２０分、ボールミル法の焼結体は約５分で欠損した。従って、分散材を用いないボールミル法よりも超音波混合法により結合相材料を混合することが好ましいことがわかる。
【００３２】
切削試験条件：
被削材：ＳＣＭ４２０、ＨＲＣ５９−６１、φ100mm ×Ｌ300mm で長手方向にＶ形状の溝が８本付けられた形状。
工具形状：ＳＮＧ４３２ＮＬ−２５＊０．１５−０．２
ホルダー：ＦＮ１１Ｒ
切削条件：Ｖ＝１５０m／min、ｄ＝０．２５mm、ｆ＝０．１１mm／rev、dry
【００３３】
（実施例３）
８０重量％のＴｉの窒化物と２０重量％のＡｌを混合し、真空中で１２００℃、３０分熱処理をした化合物を粉砕し、結合相粉末を作製した。この粉末はＸＲＤではＴｉＮ、Ｔｉ₂ ＡｌＮ、ＴｉＡｌ₃等のピークがみられた。この結合相粉末を平均粒径３．５μｍのｃＢＮ粉末にｃＢＮの体積含有率が表３に記載の割合となるように被覆した。被覆はＲＦスパッタリングＰＶＤ装置を用いて行った。この被覆粉末をＴＥＭで観察したところ、ｃＢＮ粉末にＴｉＮが平均層厚５０ｎｍでほぼ均質に被覆されていることがわかった。このＴｉＮ被覆ｃＢＮ粒子および前記結合相粉末をボールミルで分散材を用いずに混合した。ＢＭ法による混合は、ポットに直径１０mmのボールとｃＢＮ粉末および結合材粉末を入れ、２６０rpm、６５０分、アセトン中で湿式混合により行った。そして、この混合粉末を４．８GPa、１３５０℃の超高圧、高温下で焼結した。得られた焼結体のＸＲＤはどれもｃＢＮ、ＴｉＮ、ＴｉＢ₂、ＡｌＢ₂、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＷＣが観測された。
【００３４】
【表３】

【００３５】
これら焼結体の組織を金属組織顕微鏡にて1500倍で撮影したところ、黒く見えるｃＢＮ粒子と白く見える結合相が観察された。また、この写真で任意の直線を引き、結合相厚みを測定したところ、表３に示す平均値と標準偏差が得られた。
【００３６】
さらに、これら焼結体を切削工具に加工し、下記の条件で切削試験を実施し、欠損に至る工具寿命を測定した。その結果も表３に示す。
【００３７】
切削試験条件：
被削材：ＳＣＭ４１５、ＨＲＣ５８−６２、φ100mm×Ｌ300mmで長手方向にＶ形状の溝が６本付けられた形状。
工具形状：ＳＮＧ４３２ＮＬ−２５＊０．１５−０．２
ホルダー：ＦＮ１１Ｒ
切削条件：Ｖ＝１６０m／min、ｄ＝０．２mm、ｆ＝０．１３mm／rev、dry
【００３８】
これらの結果からｃＢＮの含有率は４５から７０体積％が好ましいことがわかる。特に、６０から７０体積％において好結果となっている。
【００３９】
（実施例４）
種々の組成の結合相原料粉末を混合し、真空中で１２３０℃、３２分熱処理をした化合物を粉砕し、結合相粉末を作製した。この結合相粉末と平均粒径４．１μmのｃＢＮ粉末をｃＢＮの体積含有率が６２％になるように分散材を用いたボールミル法で混合した。ＢＭ法による混合は、ポットに直径１０mmのボールとｃＢＮ粉末および結合材粉末を入れ、１９０rpm、７００分、アセトン中で湿式混合により行った。分散材はポリビニルアルコールである。そして、混合粉末を５．１GPa、１３１０℃の超高圧、高温下で焼結した。得られた焼結体のＸＲＤには表４に記載の化合物のピークが観測された。
【００４０】
【表４】

【００４１】
これら焼結体の組織を金属組織顕微鏡にて1000倍で観察したところ黒く見えるｃＢＮ粒子と白く見える結合相が観察された。この写真で任意の直線を引き、結合相厚みを測定したところ、表４に記載の平均値と標準偏差が得られた。
【００４２】
さらに、これら焼結体を切削工具に加工し、下記の条件で切削試験を実施し、欠損に至る工具寿命を測定したところ表４に記載の結果が得られた。
【００４３】
切削試験条件：
被削材：ＳＣＭ４１５、ＨＲＣ５８−６２、φ100mm×Ｌ300mmで長手方向にＶ形状の溝が６本付けられた形状。
工具形状：ＳＮＧ４３２ＮＬ−２５＊０．１５−０．２
ホルダー：ＦＮ１１Ｒ
切削条件：Ｖ＝１９０m／mｉn、ｄ＝０．１５mm、ｆ＝０．１１mm／rｅv、dry
【００４４】
これからわかるように、結合相として周期律表4a,5a,6a族遷移金属の炭化物，窒化物，炭窒化物，硼化物、Ａｌの窒化物，硼化物，酸化物、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉの少なくとも1種の炭化物，窒化物，炭窒化物，硼化物、およびこれらの相互固溶体よりなる群から選択される1 種以上のものが良いことがわかる。
【００４５】
（実施例５）
７０重量％のＴｉの窒化物、２５重量％のＡｌ、３重量％のＣｏおよび２重量％のＮｉを混合し、真空中で１２５０℃、２５分熱処理をした化合物を粉砕し、結合相粉末を作製した。この粉末はＸＲＤではＴｉＮ、Ｔｉ₂ＡｌＮ、ＴｉＡｌ₃等のピークがみられた。この結合相粉末と表5に記載の平均粒径のｃＢＮ粉末をｃＢＮの体積含有率が５７％になるように超音波混合した粉末を４．９GPa、１３２０℃の超高圧、高温下で焼結した。超音波混合は、エチルアルコール中にｃＢＮと結合材の粉末を投入し、２３ｋＨｚの超音波振動を付加して行った。得られた焼結体のＸＲＤはどれもｃＢＮ、ＴｉＮ、ＴｉＢ₂、ＡｌＢ₂、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＷＣが観察された。
【００４６】
【表５】

【００４７】
これら焼結体の組織を金属組織顕微鏡にて1500倍で撮影したところ黒く見えるｃＢＮ粒子と白く見える結合相が観察された。この写真で任意の直線を引き、結合相厚みを測定したところ、表５に記載の平均値と標準偏差が得られた。
【００４８】
さらに、これら焼結体を切削工具に加工し、下記の条件で切削試験を実施し、欠損に至る工具寿命を測定したところ表５に記載の結果が得られた。
【００４９】
切削試験条件：
被削材：ＳＣＭ４１５、ＨＲＣ５８−６２、φ100mm×Ｌ300mmで長手方向にＶ形状の溝が６本付けられた形状。
工具形状：ＳＮＧ４３２ＮＬ−２５＊０．１５−０．２
ホルダー：ＦＮ１１Ｒ
切削条件：Ｖ＝１７０m／mｉn、ｄ＝０．２５mm、ｆ＝０．１４mm／rev、dry
【００５０】
この結果から明らかなように、ｃＢＮの平均粒径が２．０から６．０μmの場合に欠損を抑制できていることがわかる。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、焼結体における結合相の厚みのばらつきを小さくすることで、耐摩耗性および耐欠損性に優れたｃＢＮ焼結体の切削工具を得ることができる。

Claims

ｃＢＮ粒子を結合相で焼結した焼結体を備える耐クレーター性および強度に優れた切削工具であって、
前記結合相が二次元的に見て連続しており、
この結合相は、周期律表4a,5a,6a族遷移金属の炭化物，窒化物，炭窒化物，硼化物、Ａｌの窒化物，硼化物，酸化物、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉの少なくとも1種の炭化物，窒化物，炭窒化物，硼化物、およびこれらの相互固溶体よりなる群から選択される1種以上を含み、
ｃＢＮの含有率が体積％で４５−７０％で、
ｃＢＮ粒子の平均粒度が２以上６μm以下であり、
結合相厚みの平均値が１．５μm以下で、その標準偏差が０．９以下であり、
この工具は、１５０m／min以上の速度で切削加工するための工具であることを特徴とする耐クレーター性および強度に優れた切削工具。
ｃＢＮ粒子と結合相粉末とからなる原料粉末を以下のいずれかの方法で混合して得られたことを特徴とする請求項1に記載の耐クレーター性および強度に優れた切削工具。
（1）超音波混合法
（2）分散材を用いたボールミル法
（3）この原料粉末のｃＢＮ粒子が前記結合相材料で被覆された粒子を、分散材を用いないボールミル法で混合する方法
ｃＢＮ粒子の平均粒度が２以上６μm以下のｃＢＮ粒子と、周期律表4a,5a,6a族遷移金属の炭化物，窒化物，炭窒化物，硼化物、Ａｌの窒化物，硼化物，酸化物、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉの少なくとも1種の炭化物，窒化物，炭窒化物，硼化物、およびこれらの相互固溶体よりなる群から選択される1種以上の結合相粉末とを準備する工程と、
上記ｃＢＮ粒子と結合相粉末とを以下のいずれかの方法でｃＢＮの含有率が体積％で４５−７０％となるように混合する工程と、
（1）超音波混合法
（2）分散材を用いたボールミル法
（3）この原料粉末のｃＢＮ粒子が前記結合相材料で被覆された粒子を、分散材を用いないボールミル法で混合する方法
混合された原料粉末を焼結して、結合相厚みの平均値を１．５μm以下、その標準偏差を０．９以下とし、１５０m／min以上の速度で切削加工するための工具を得る工程とを備えることを特徴とする耐クレーター性および強度に優れた切削工具の製造方法。