JP5804380B2 - 超高圧焼結体製切削工具 - Google Patents
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Description
しかしながら、cBN焼結体やPCD焼結体自体は、加工が困難で高価なうえ、焼結体形状が円板状に限られ自由に工具形状が形成できないためにその用途が制約されていた。ところが、近年、難削材の使用量の増加に伴い工具加工が困難であるにも関わらずcBN焼結体やPCD焼結体の用途が高まっている。価格、加工性を克服するための方法として、安価で加工性にすぐれたWC基超硬製工具本体とcBN焼結体またはPCD焼結体を素材とする切れ刃部とをろう付けしたり、あるいは、WC基超硬製工具本体とcBN焼結体またはPCD焼結体を素材とする切れ刃部とを拡散接合で接合したりすることにより、WC基超硬製工具本体とcBN焼結体またはPCD焼結体を素材とする切れ刃部とを接合した切削工具が提供されている。
また、前記特許文献2に開示されたAg系ろう材では、Agの機械的強度が低いため十分な接合強度が得られなかった。
また、従前のろう材を用いた接合では、融点が高いため接合時にcBN焼結体やPCD焼結体を劣化させるという課題があった。
そこで、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち、本発明の目的は、接合合金を介して接合されたcBN焼結体またはPCD焼結体を素材とする切れ刃部とWC基超硬製工具本体とを有する超高圧焼結体製切削工具において、接合部からの折損が少ないすぐれた接合強度を有するとともに、接合時の熱によってcBN焼結体やPCD焼結体が劣化することがない超高圧焼結体製切削工具を提供することである。
「(1) WC基超硬製支持片で裏打ちされたcBN焼結体またはPCD焼結体から構成された切れ刃部とWC基超硬製工具本体とを接合合金を介在させて局部加熱で接合した接合部を有する切削工具において、
前記切れ刃部およびWC基超硬製工具本体が、接合合金との接合面にそれぞれCr層を有し、
前記Cr層間の接合層中の5点を測定し平均した合金組成が、Cr:14〜18at%、B:20〜26at%、Si:1〜5at%、Ni:32〜40at%、残部がFeおよび不可避不純物であることを特徴とする切削工具。
(2) 前記Cr層の平均層厚が、0.1〜1.0μmであることを特徴とする(1)に記載の切削工具。
(3) 前記接合部が、接合合金のNi成分が切れ刃部のWC基超硬製支持片内およびWC基超硬製工具本体内に拡散して形成されたNi拡散層と、前記Cr層と、前記Cr層間の接合層とからなり、該接合部の合計平均層厚が5〜50μであることを特徴とする(1)または(2)に記載の切削工具。」
を特徴とするものである。
本発明では、cBN焼結体またはPCD焼結体を素材とする切れ刃部とWC基超硬製工具本体とを接合合金を介在させて接合し、切削工具を構成する。
この切削工具の製造法の一例は、cBN焼結体を切れ刃部の素材とする場合は、以下のとおりである。
(a)65容量%のcBNと残りTiN、TiCN、TiC、Al2O3結合相をボールミルで24時間、アセトンを用いて湿式混合する。
(b)得られた混合粉末を乾燥後、油圧プレスにて成形圧100MPaで成形する。
(c)得られた成形体を真空中1×10−2Pa、温度1000℃、保持時間30分の条件で熱処理し、揮発成分および粉末表面への吸着成分を除去する。
(d)成形体と超硬合金基材を積層し、代表的には圧力5GPa、温度1500℃、保持時間30分の条件で超高圧高温処理し、cBN焼結体を得る。
(e)得られたcBN焼結体の上下面を研削した後、cBN焼結体円板を得る。
(f)cBN焼結体円板をワイヤー放電加工機で所定寸法に切断し、WC基超硬製支持体付き切れ刃用cBN焼結体片を得る。
(g)cBN焼結体片のWC基超硬製支持片とWC基超硬製工具本体の接合面表面にあらかじめ、Crをコーティングする。例えば、無水クロム酸を溶液として電解析出することで超硬表面にCr層を得ることができる。Cr層が厚すぎると接合合金がcBN焼結体片のWC基超硬製支持体およびWC基超硬製工具本体中に拡散することができなくなるため、1.0μm以下が好ましい。
(h)接合合金は、所定量の組成になるように秤量し、真空アーク溶解炉で溶融してボタン形状のインゴットを得る。これを熱間圧延して板状にした後、さらに冷間圧延で所定の厚み、例えば、50μmの薄板を得る。
(i)前記(g)の工程でCrがコーティングされたWC基超硬製工具本体の先端部に前記(h)の方法で得た薄板形状の接合合金、例えば、Ni−Cr−B−Si合金を設置し、さらにcBN焼結体片をWC基超硬製支持体が接合面側に来るように設置する。このcBN焼結体片のWC基超硬製支持体表面には、同じくCrがコーティングされている。この状態で圧力100MPaで加圧し、不活性ガス中にて高周波で接合部を局部加熱することにより接合が形成される。
(j)上下面および外周面を研磨して、ロングネックタイプのボールエンドミル形状を得る。
(k)さらに面取り加工でホーニングを設ける。
(l)その後、必要に応じて、例えば、TiAlNなどからなる硬質被覆層をPVDで設けることによって、耐摩耗性などを向上させることもある。
なお、本発明において、接合層とは、WC基超硬製工具本体に形成したCr層とcBN焼結体片のWC基超硬製支持体表面に形成したCr層との間の層を意味している。また、接合部とは、WC基超硬製工具本体およびBN焼結体片のWC基超硬製支持体中に形成されるNi拡散層と、WC基超硬製工具本体およびBN焼結体片のWC基超硬製支持体の接合面表面に形成したCr層と、前記Cr層間に形成される接合層とから形成されるWC基超硬製工具本体とBN焼結体片との接合領域のことを意味している。
このとき接合部の形成に用いる接合合金の厚みは、厚くなりすぎると接合強度が低下するため50μm以下が望ましい。また、Ni拡散層は、強固な接合強度を得るだけでなく、接合部に発生する応力を緩和する目的があるため、厚みは、2μm以上あることが望ましい。一方、厚くなりすぎると接合部の強度が低下するため15μm以下であることが望ましい。
また、接合合金のNi成分が切れ刃部のWC基超硬製支持片内およびWC基超硬製工具本体内に拡散して形成されたNi拡散層と、Cr層と、Cr層間の接合層とからなる接合部の合計平均層厚は、50μmを超えると接合部自身に曲げ、引っ張り等の力が直接加わり接合部分の強度が低下し、折損の問題が発生する。一方、5μm未満になるとNi接合層、接合層、Cr層の厚みのそれぞれが、薄くなるため、接合強度を十分に発揮できなくなるため好ましくない。そのため、接合部の接合部の合計平均層厚は、5〜50μと定めた。
Cr:
WC、Ni両元素とも濡れ性がよく、接合部の強度を改善する効果がある。しかしながら、含有量が18at%を超えると高温強度低下の原因となる。また、14at%より少ないと十分な濡れ性が得られない。そこで、Crの含有量は、14〜18at%と定めた。
B、Si:
接合は、950℃より低い温度で行う必要がある。というのは、950℃以上になるとcBN焼結体またはPCD焼結体の特性が劣化するからである。特に、バインダとしてCo等の金属を使用した場合、劣化が顕著になるため950℃以下で行う必要がある。
ところが、NiおよびCrは、融点がそれぞれ1455℃、1903℃であり、cBN焼結体やPCD焼結体の接合には高温すぎるため、融点を下げる必要がある。BおよびSiは、NiおよびCrの両方と共晶反応するため、融点を下げることが可能になる。そこで、BおよびSiを用いて融点を下げるのだが、Bが20at%よりも少ないと十分に融点を下げることができず、26at%よりも多いと脆化の原因になる。また、Siが1at%よりも少ないと十分に融点を下げることができず、5at%よりも多いと脆化の原因になる。そこで、BおよびSiの含有量は、B:20〜26at%、Si:1〜5at%と定めた。
Fe:
Feは、安価な素材であるため接合合金の低価格化につながり、Niと同様の効果が期待できるので数at%添加しているが、AES分析では検出されなかったため、その他不可避不純物と同じく量は規定しないが、表3に示すように接合合金中に数wt%添加している。
Ni:
接合層の合金組成において、前記成分を除いた残部を占める成分であって、高温強度が高いので強固な接合強度が得られる。また、Niは、溶融時の移動度も高いため、接合部全体に亘り拡散し、WC基超硬製工具本体とcBN焼結体またはPCD焼結体とを強固に接合する。Niが32at%よりも少ないと強度の改善効果が十分に得られず、40at%より多いと融点が高くなりすぎcBN焼結体やPCD焼結体の性能が劣化する原因となる。
その結果、cBNやPCDチップを刃先に使用したエンドミルやドリルにおいて、接合部からの折損がない強固な接合を得ることが可能になる。また、回転工具だけでなくインサートによる高硬度鋼やAl−SiC複合材料の高負荷加工において、刃先飛びがない強固な結合を安価で得ることが可能になる。
Claims (3)
- WC基超硬製支持片に裏打ちされたcBN焼結体またはPCD焼結体から構成される切れ刃部とWC基超硬製工具本体とを接合合金を介在させて接合した接合部を有する切削工具において、
前記切れ刃部およびWC基超硬製工具本体が、接合合金との接合面にそれぞれCr層を有し、
前記Cr層間の接合層中の5点を測定し平均した合金組成が、Cr:14〜18at%、B:20〜26at%、Si:1〜5at%、Ni:32〜40at%、残部がFeおよび不可避不純物であることを特徴とする切削工具。 - 前記Cr層の平均層厚が、0.1〜1.0μmであることを特徴とする請求項1に記載の切削工具。
- 前記接合部が、接合合金のNi成分が切れ刃部およびWC基超硬製工具本体内に拡散して形成されたNi拡散層と、前記Cr層と、前記Cr層間の接合層とからなり、該接合部の合計平均層厚が5〜50μであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の切削工具。
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