JP5239061B2 - 刃先横境界部の損傷を抑制する被覆ｃＢＮ焼結体工具 - Google Patents

Description

本発明は、立方晶窒化硼素（cＢＮ）を主成分とした焼結体を基材とする刃先横境界部の損傷を抑制する被覆cＢＮ焼結体工具に関する。

cＢＮ焼結体工具による難削材の加工では刃先の横境界部が損傷し、工具寿命に至る場合がある。例えばインコネル７１８やワスパロイ等の耐熱合金の切削加工では、cＢＮ含有率が高く、Ｗ，Ｃoの硼化物を結合相の主体としたcＢＮ焼結体工具が用いられるが、このとき、刃先の横境界部が溝状の摩耗が発達する等、選択的に損傷し、工具寿命に至る。また、鋳鉄の黒皮粗加工では鋳鉄の表面がチル化されているため、刃先の横境界部に摩耗が発達し、工具寿命に至る。

また、特許文献１にはcＢＮ含有率が２０体積％以上のcＢＮ焼結体にＴiとＡlを主成分とする硬質被膜を０．５μｍから１５μｍの厚さで被覆し、焼入鋼切削加工での耐摩耗性を改善した工具が開示されているが、このような被覆cＢＮ焼結体工具でも、上記の耐熱合金や鋳鉄の黒皮粗加工ではその横境界部の損傷が激しく、短寿命であった。

特許第３８６６３０５号公報

本発明は、鋳鉄の黒皮粗加工や、耐熱合金等の難削材料の切削加工時において、横切れ刃境界部を含む横切れ刃部分の損傷を低減し、長寿命の被覆cＢＮ焼結体工具を低コストで提供することを課題とする。

本発明者等は上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、横切れ刃境界部を含む横切れ刃部分をcＢＮ単結晶体により構成することが有効であることを見出し、本発明を完成させた。
本発明は以下の特徴を有する。
（１）本発明に係る切削加工用被覆cＢＮ焼結体工具は、cＢＮ粒子を含有する焼結体を切れ刃部分とする刃先横境界部の損傷を抑制する被覆cＢＮ焼結体工具であって、該焼結体のcＢＮ含有率が２０−９９体積％であり、被削材と接触する切れ刃部分において、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃が切り込み量のｘ％（６０≦ｘ≦９９）からｙ％（１０１≦ｙ）までがcＢＮ単結晶体で形成され、被削材と接触する他の切れ刃部分がcＢＮ多結晶体で形成され、少なくとも前記cＢＮ単結晶体および前記cＢＮ多結晶体の表面が硬質皮膜によって被覆され、前記硬質被膜の膜厚が、０．０１μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする。
（２）上記（１）に記載の被覆cＢＮ焼結体工具であって、前記硬質被膜が、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素、及びＡl、Ｓi、Ｂの中から選択される一種以上の元素とＣ、Ｎ及びＯの中から選択される一種以上の元素とからなる層を有することを特徴とする。

（３）上記（１）又は（２）に記載の被覆cＢＮ焼結体工具であって、前記焼結体の結合相が、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素の窒化物、炭化物、硼化物、酸化物、及びこれらの固容体からなる群から選択される少なくとも一種と、Ａlの窒化物、硼化物、酸化物、及びこれらの固容体からなる群から選択される少なくとも一種とを含む、もしくは、Ｗ、Ｃo、Ｚr、Ｎi、Ｃr、Ａlのうち少なくとも１種以上の窒化物、炭化物、炭窒化物、硼化物、酸化物からなる、もしくはＡlの窒化物、硼化物、酸化物のうち少なくとも１種以上からなる、ことを特徴とする。
（４）上記（１）〜（３）のいずれか一に記載の被覆cＢＮ焼結体工具であって、被削材と接触する切れ刃のうち、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃が、切り込み量のｘ％（６０≦ｘ≦９９）からｙ％（１０１≦ｙ）までがcＢＮ単結晶体で形成され、このcＢＮ単結晶体の粒子径が５０μｍ以上であることを特徴とする。
（５）上記（１）〜（３）のいずれか一に記載の被覆cＢＮ焼結体工具であって、被削材と接触する切れ刃のうち、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃が、切り込み量のｘ％（６０≦ｘ≦９９）からｙ％（１０１≦ｙ）までがcＢＮ単結晶体で形成され、このcＢＮ単結晶体の粒子径が１００μｍ以上であることを特徴とする。

耐熱合金の切削では切りくず厚みが厚い横境界部で切りくずが加工硬化により高硬度となり、この切りくずが接触する横境界部で損傷が発達する。鋳鉄の黒皮粗加工では、鋳鉄の表面が鋳造時に急冷されチル化して高硬度となっており、チル化された組織と切削する横境界部で損傷が発達する。これら横境界部が損傷する原因は、結合相粒子自体もしくはcＢＮ粒子と結合相の粒界、もしくは、cＢＮ粒子同士の粒界が、切削中に横境界にかかる負荷により損傷し、cＢＮ粒子の脱落が進展するためである。したがって、本発明のcＢＮ焼結体工具は負荷がかかる横切れ刃境界部が強度に優れた単一のcＢＮ粒子から構成されているため、上記の横切れ刃の損傷が抑制され、工具寿命の大幅な改善を可能とする。

本発明に係る被覆cＢＮ焼結体工具による切削の概略の一例を表す図である。

図１に示すように、本発明に係る切削加工用被覆cＢＮ焼結体工具は、被削材と接触する切れ刃部分において、送り方向の切れ刃が、切込みが最大となる点から、切り込み量のｘ％（６０≦ｘ≦９９）からｙ％（１０１≦ｙ）までがcＢＮ単結晶体で形成され、被削材と接触する他の切れ刃部分がcＢＮ多結晶体で形成され、少なくとも前記cＢＮ単結晶体および前記cＢＮ多結晶体の表面が硬質皮膜によって被覆されていることを特徴とする。換言すれば、切削加工時に横切れ刃境界部となる切れ刃部分がcＢＮ単結晶体であり、その他の切れ刃部分がcＢＮ多結晶体で形成されていることを特徴とする。
cＢＮ単結晶体はダイヤモンドに次ぐ非常に優れた高度と強度を有する。このため、横境界部で発生する切りくずが加工効果により硬度が高くなり刃先を攻撃する耐熱合金の加工や、横境界部分で表面層がチル化され高硬度となっている鋳鉄の黒皮粗加工においても、横切れ刃境界部の損傷を抑制することが可能となる。

上記の通り、本発明に係る被覆cＢＮ焼結体工具は、横切れ刃境界部を含む横切れ刃部分が単一のcＢＮ粒子から構成されていることを特徴とする。かかるcＢＮ焼結体チップは、粗粒のcＢＮ粒子と微粒のcＢＮ粒子とを原材料として用いるcＢＮ焼結体から切り出して作製される。すなわち、前記、横切れ刃部分が単一のcＢＮ粒子から構成されるように、該焼結体中の粗粒のcＢＮ粒子部分を選択して横切れ刃となるように切り出せば良い。

このとき、被削材と接触する切れ刃のうち、送り方向の切れ刃が、切り込みが最大となる点から、切り込み量のｘ％（６０≦ｘ≦９９）からｙ％（１０１≦ｙ）までがcＢＮ単結晶体となるように、横切れ刃部分を構成するように選択される焼結体中のcＢＮ粒子の粒径は、５０μｍ以上であることが好ましい。これにより、切削時に横切れ刃となる切れ刃の大部分を強度に優れたcＢＮ単結晶体により構成することができる。この観点から、横切れ刃を構成するcＢＮ粒子の粒径が１００μｍ以上であることがより好ましい。また、ｙの値が２００以下のときに、コストが特に低くなる。

cＢＮ単結晶体は鉄族金属に対して熱的な摩耗が進行しやすいため、強度が必要な横切れ刃以外の切れ刃部分は熱的な摩耗に対して優れるcＢＮ多結晶体とすることが好ましい。

上記cＢＮ焼結体は、cＢＮ含有率が２０−９９体積％であることを特徴とする。cＢＮの含有率がこれらの範囲にあることにより、焼結体の強度と耐摩耗性を両立することが可能となる。
更に、焼結体の結合相が、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素の窒化物、炭化物、硼化物、酸化物、及びこれらの固容体からなる群から選択される少なくとも一種と、Ａlの窒化物、硼化物、酸化物、及びこれらの固容体からなる群から選択される少なくとも一種とを含む、 もしくは、Ｗ、Ｃo、Ｚr、Ｎi、Ｃr、Ａlのうち少なくとも１種以上の窒化物、炭化物、炭窒化物、硼化物、酸化物からなる、 もしくはＡlの窒化物、硼化物、酸化物のうち少なくとも１種以上からなる、ことを特徴とする。
これらの結合材成分により、cＢＮ焼結体の耐摩耗性及び強度を向上させることができる。当然、これらの成分以外にも不可避的に不純物が含まれていても構わない。

刃先の耐摩耗性を更に向上させるために、上記工具の表面が硬質皮膜により被覆されていることが好ましい。これにより横境界部のcＢＮ単結晶体からなる刃先部分の耐摩耗性が改善されるとともに、横切れ刃以外の刃先部分の耐摩耗性も改善される。
これは、鉄系材料を切削する場合、cＢＮ粒子はcＢＮのhＢＮへの逆変換や化学反応といった熱的な摩耗要因により耐摩耗性が良くないが、これら熱的な摩耗をより安定な被膜により抑制することができるからである。

被膜の成分は、十分な硬度を有して高い耐摩耗性が得られるように、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素、及びＡl、Ｓi、Ｂの中から選択される一種以上の元素とＣ、Ｎ及びＯの中から選択される一種以上の元素とからなる化合物を選択した。

硬質被膜の好適な成分の具体例としては、ＴiＡlＮ、ＴiＣＮ、ＴiＮ、Ａl₂Ｏ₃、ＺrＮ、ＺrＣ、ＣrＮ、ＶＮ、ＨfＮ、ＨfＣまたはＨfＣＮが挙げられる。耐摩耗性を改善する効果はこれらのいずれの成分を含む硬質皮膜においても見られるが、特にＴiＡlＮ、ＴiＣＮ、ＴiＮを含む被膜で顕著である。
硬質被膜の構成は、単層でも多層でもいずれでも良い。多層構造とした場合、いずれかの層に上記成分の被膜が含まれていれば良い。

硬質被膜の厚さは０．０１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。この下限値未満では耐摩耗性を改善する効果が小さくなる。逆に、１０μｍを超えると硬質皮膜中の残留応力の影響で基材との密着性が低下する。なお、この膜厚は、多層構造の場合、全被膜の厚さについての限定である。

硬質被膜の形成個所は基材表面の少なくとも一部で良い。切削工具として少なくとも切削に関与する面に被膜を形成する。切削に関与する面とは、すくい面、逃げ面、チャンファー面の少なくとも一つである。より具体的には、すくい面から逃げ面にかけての個所またはすくい面からチャンファー面を経て逃げ面にかけての個所である。特に工具が被削材と接する個所及びその近傍に被膜を形成すると有効である。

硬質被膜の形成手段は公知の成膜技術が利用できる。例えば、スパッタリング、イオンプレーティングなどのＰＶＤ法や、プラズマＣＶＤ法などのＣＶＤ法が利用できる。特にアークイオンプレーティング法は耐摩耗性の良好な硬質被膜を形成できる点で好ましい。耐摩耗性の良好な硬質被膜が形成できるアークイオンプレーティング法については、特開平１０−６８０７１号公報に記載されている。

超硬合金製のポット及びボールを用いて、ＴiＮとＡlＮ、Ｔi₃Ａlを混合してから熱処理を施し、その後粉砕して結合材粉末を得た。次に結合材粉末と平均粒径が１μｍと平均粒径が１５０μｍのcＢＮ粉末を混合し、熱処理を施し、Ｍo製容器に充填し、圧力５．３ＧＰa、温度１，３００℃で２０分焼結し、cＢＮ体積含有率が５５％のcＢＮ焼結体を得た。

この焼結体を切断し、基材として超硬合金製の台金にロー材を用いて接合した後、研磨加工を実施し、その後、この表面にアークイオン式プレーティング法を用いてＴiＡlＮの硬質皮膜を１．５μｍの厚みで形成し、被覆cＢＮ焼結体切削工具（ＣＮＧＮ１２０４１２）を作製した。このとき、工具の横切れ刃境界部に粗粒のcＢＮ単結晶体が配置され、被削材と接触する切れ刃部分において、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃が切り込み量のｘ％（６０≦ｘ≦９９）からｙ％（１０１≦ｙ）までがcＢＮ単結晶体で形成され、被削材と接触する他の切れ刃部分がcＢＮ多結晶体で形成され、ｘ、ｙが表１に記載された値となるように焼結体中の粗粒cＢＮ単結晶粒子の位置を確認した後、切断、接合、研磨を実施した。

硬質被膜の形成は以下のように実施した。アーク式イオンプレーティング法装置の真空容器の真空度を７×１０^-3Ｐaの雰囲気とし、次にアルゴンガスを導入し、１×１０^-1Ｐaの雰囲気に保持しながら、加熱ヒーターを用いて５００℃まで加熱し、工具保持具に−１０００Ｖの電圧をかけて洗浄をおこなった。引き続き、真空アーク放電によりＴiＡlターゲットを蒸発、イオン化させることにより、工具温度が５００℃に上昇するまで、金属イオンによる工具表面クリーニングをおこなった。次に真空容器内に窒素ガスを導入し、真空容器内の圧力を２Ｐaに保持し、真空アーク放電により金属ターゲットを蒸発、イオン化させることにより切削工具上にＴiＡlＮの硬質被膜を形成した。このとき、工具保持具に−２０から−６００Ｖの電圧をかけておいた。

この被覆cＢＮ焼結体切削工具を用いて、被削材として表面がチル化されたＦＣＤ４５０を用い、切削速度４００ｍ／ｍｉｎ、切り込み１ｍｍ、送り量０．２ｍｍ／ｒｅｖ、ｗｅｔの条件で、工具横切れ刃を形成する粗粒cＢＮ単結晶体が切削時に被削材に接触する切れ刃のうち、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃が切り込み量のｘ％（６０≦ｘ≦９９）からｙ％（１０１≦ｙ）までがcＢＮ単結晶体で形成され、被削材と接触する他の切れ刃部分がcＢＮ多結晶体で形成され、ｘ、ｙが表１に記載された値となるように設定し、切削試験を実施したところ、寿命判定基準を横境界部の損傷として、表１に記載の工具寿命が得られた。

次に、超硬合金製のポット及びボールを用いて、４ａ、５ａ、６ａ族遷移金属元素やＡlの化合物等の結合材材料、もしくはＷ、Ｃo、Ｚr、Ｎi、Ｃr、Ａlのうち少なくとも１種以上の窒化物、炭化物、炭窒化物、硼化物、酸化物からなる結合材材料、もしくはＡlの窒化物、硼化物、酸化物のうち少なくとも１種以上からなる結合材材料を混合してから熱処理を施し、その後粉砕して結合材粉末を得た。次に結合材粉末とcＢＮ粉末を混合し、熱処理を施し、Ｍo製容器に充填し、圧力５ＧＰa、温度１，４００℃で２０分焼結し、cＢＮ焼結体を得た。

この焼結体を切断し、基材として超硬合金製の台金にロー材を用いて接合した後、この表面にアークイオン式プレーティング法を用いてＴiＡlＮやＴiＣＮ，ＴiＮ等の硬質皮膜を形成し、表２に記載の被覆cＢＮ焼結体切削工具（ＣＮＧＡ１２０４１２）を作製した。このとき、実施例１１〜３０においては、工具の横切れ刃境界部に粗粒のcＢＮ単結晶体が配置されるように焼結体中の粗粒cＢＮ単結晶粒子の位置を確認した後、切断、接合、研磨を実施した。

硬質被膜の形成は以下のように実施した。アーク式イオンプレーティング法装置の真空容器の真空度を７×１０^-3Ｐaの雰囲気とし、次にアルゴンガスを導入し、１×１０^-1Ｐaの雰囲気に保持しながら、加熱ヒーターを用いて５００℃まで加熱し、工具保持具に−１０００Ｖの電圧をかけて洗浄をおこなった。引き続き、真空アーク放電により金属ターゲットを蒸発、イオン化させることにより、工具温度が５００℃に上昇するまで、金属イオンによる工具表面クリーニングをおこなった。次に真空容器内に窒素ガス、水素ガス、アルゴンガス、メタン、アセチレンのいずれか１種類あるいは数種類を導入し、真空容器内の圧力を２Ｐaに保持し、真空アーク放電により金属ターゲットを蒸発、イオン化させることにより切削工具上に硬質被膜を形成した。このとき、工具保持具に−２０から−６００Ｖの電圧をかけておいた。

この被覆cＢＮ焼結体切削工具を用いて、被削材としてインコネル７１８（ＨＲＣ４０）を用い、表３に記載の条件で切削試験を実施したところ、寿命判定基準を工具横境界の欠損として、表３に記載の工具寿命が得られた。

また、この被覆cＢＮ焼結体切削工具を用いて、被削材としてねずみ鋳鉄ＦＣ２５０を用い、表４に記載の条件で黒皮加工の切削試験を実施したところ、寿命判定基準を工具横境界の欠損として、表４に記載の工具寿命が得られた。

Claims (5)

1. cＢＮ粒子を含有する焼結体を切れ刃部分とする刃先横境界部の損傷を抑制する被覆cＢＮ焼結体工具であって、
   該焼結体のcＢＮ含有率が２０−９９体積％であり、
   被削材と接触する切れ刃部分において、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃が
   切り込み量のｘ％からｙ％までがcＢＮ単結晶体で形成され、
   ｘが６０以上９９以下であり、
   ｙが１０１以上であり、
   被削材と接触する他の切れ刃部分がcＢＮ多結晶体で形成され、
   少なくとも前記cＢＮ単結晶体および前記cＢＮ多結晶体の表面が硬質皮膜によって被覆され、
   該硬質被膜の膜厚が０．０１μｍ以上１０μｍ以下である
   ことを特徴とする刃先横境界部の損傷を抑制する被覆cＢＮ焼結体工具。
2. 前記硬質被膜が、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素、及びＡl、Ｓi、Ｂの中から選択される一種以上の元素とＣ、Ｎ及びＯの中から選択される一種以上の元素とからなる層を有することを特徴とする請求項１に記載の刃先横境界部の損傷を抑制する被覆cＢＮ焼結体工具。
3. 前記焼結体の結合相が、
   周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素の窒化物、炭化物、硼化物、酸化物、及びこれらの固容体からなる群から選択される少なくとも一種と、Ａlの窒化物、硼化物、酸化物、及びこれらの固容体からなる群から選択される少なくとも一種とを含む、
   もしくは、Ｗ、Ｃo、Ｚr、Ｎi、Ｃr、Ａlのうち少なくとも１種以上の窒化物、炭化物、炭窒化物、硼化物、酸化物からなる、
   もしくはＡlの窒化物、硼化物、酸化物のうち少なくとも１種以上からなる、
   ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の刃先横境界部の損傷を抑制する被覆cＢＮ焼結体工具。
4. 被削材と接触する切れ刃のうち、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃が、切り込み量のｘ％（６０≦ｘ≦９９）からｙ％（１０１≦ｙ）までがcＢＮ単結晶体で形成され、このcＢＮ単結晶体の粒子径が５０μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一に記載の刃先横境界部の損傷を抑制する被覆cＢＮ焼結体工具。
5. 被削材と接触する切れ刃のうち、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃が、切り込み量のｘ％（６０≦ｘ≦９９）からｙ％（１０１≦ｙ）までがcＢＮ単結晶体で形成され、このcＢＮ単結晶体の粒子径が１００μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一に記載の刃先横境界部の損傷を抑制する被覆cＢＮ焼結体工具。

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