JP4787388B2 - 耐欠損性に優れた切削工具とその製造方法 - Google Patents
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Description
【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、強度の面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、強い衝撃が刃先に加わるような用途では、衝撃により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、強度を向上することにより、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欠損性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1.0μm以下で、その標準偏差は0.7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0.01以上2.0μm未満である。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0.01〜2μm)は結合相厚みの標準偏差が0.7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。焼結体に衝撃が加わったときに、この部分は応力が集中しやすく、かつ強度が弱いため、ここを起点に破壊が発生しやすく、工具の耐欠損性が十分でない。
【0008】
刃先に衝撃が加わる用途では、上述したように、衝撃により上記の欠陥の部分に応力が集中し、かつこの部分の強度が弱いために、ここと起点として破壊が発生し、刃先が欠損すると考えられる。
【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規定値を越えると、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粒子が上記規定よりも微粒では粒子の耐熱性が劣って摩耗が発達しやすくなり、規定よりも粗粒ではcBN粒子自体が衝撃により劈開し、刃先が欠損して工具の耐欠損性が不足するので、cBN粒子の粒度は0.01−2μm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1μm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40nm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→アセトン中にcBNと結合材の粉末を投入し、23.5kHz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、235rpm 、340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1.5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:SNG432 NL−25*0.15−0.2
ホルダー:FN11R
切削条件:V=100m/min、d=0.2mm、f=0.13mm/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1.0μm以下、その標準偏差が0.7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。
【0021】
(実施例2)
73重量%のTiの窒化物、19重量%のAl、4重量%のCoおよび4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0.5μm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)法とで混合した。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→エチルアルコール中にcBNと結合材の粉末を投入し、22.3kHz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、215rpm 、450分、アセトン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:SNG432 NL−25*0.15−0.2
ホルダー:FN11R
切削条件:V=90m/min、d=0.23mm、f=0.14mm/rev、dry
【0033】
(実施例3)
92重量%のTiの窒化物と18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1.5μm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45nm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、235rpm、550分、エチルアルコール中で湿式混合により行った。そして、この混合粉末を4.9GPa 、1380℃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:SNG432 NL−25*0.15−0.2
ホルダー:FN11R
切削条件:V=110m/min、d=0.15mm、f=0.09mm/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。
【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1270℃、28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1.8μmのcBN粉末をcBNの体積含有率が64%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、245rpm、750分、エチルアルコール中で湿式混合により行った。分散材としては、ポリビニルアルコールを1.8重量%添加した。そして、混合粉末を4.8GPa、1330℃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:SNG432 NL−25*0.15−0.2
ホルダー:FN11R
切削条件:d=0.15mm、f=0.11mm/rev、dry
【0044】
No.18〜25のいずれの試料も、結合相厚さの平均値が1μm以下で、その標準偏差が0.7以下である。そして、工具寿命はいずれも30分前後と好結果が得られている。また、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)
78重量%のTiの窒化物、16重量%のAl、4重量%のCoおよび2重量%のNiを混合し、真空中で1260℃、20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法により混合した。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、20.5kHzの超音波振動を付加して行った。そして、この混合粉末を5.0GPa、1400℃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。
【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:SNG432 NL−25*0.15−0.2
ホルダー:FN11R
切削条件:V=100m/min、d=0.21mm、f=0.12mm/rev、dry
【0050】
この結果から明らかなように、cBNの平均粒径が0.01μm以上2μm未満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 (3)
- cBN粒子を結合相で焼結した焼結体を備える耐欠損性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0.01以上2.0μm未満であり、
結合相厚みの平均値が1.0μm以下で、その標準偏差が0.7以下であり、
この工具は、110m/min以下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欠損性に優れた切削工具。 - 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に記載の耐欠損性に優れた切削工具。
(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 - 平均粒度が0.01以上2.0μm未満の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1.0μm以下、その標準偏差を0.7以下とし、110m/min以下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欠損性に優れた切削工具の製造方法。
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