JPH054102A - 高硬度焼結体切削工具 - Google Patents

高硬度焼結体切削工具

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JPH054102A
JPH054102A JP3153100A JP15310091A JPH054102A JP H054102 A JPH054102 A JP H054102A JP 3153100 A JP3153100 A JP 3153100A JP 15310091 A JP15310091 A JP 15310091A JP H054102 A JPH054102 A JP H054102A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 立方晶窒化硼素(cBN)焼結体からなる切
削工具において刃先部の局部的摩耗を防止し、工具寿命
を向上させる。 【構成】 刃先部は第1の焼結体層11と第2の焼結体
層12とから構成される。第1の焼結体層11はcBN
を80体積%以上含有し、残部が第1の結合材からな
る。第2の焼結体層12は第1の焼結体層に接合され、
cBNを40体積%以上65体積%未満含有し、残部が
第2の結合材からなる。第1の結合材はCoとAlとW
Cを含み、第2の結合材はAlとTi化合物を含む。第
1の焼結体層11の主表面がすくい面を構成する。第1
の焼結体層11の厚みが0.04mm以上0.2mm未
満である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、立方晶窒化硼素(以
下、cBNと称する)を用いた高硬度焼結体切削工具の
改良に関する。
【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、その焼結体は種々の切削工具に使用されてい
る。近年、超高圧焼結の技術を用いて微細なcBN粒子
を金属で結合した焼結体や種々のセラミックスで結合し
た焼結体が市販されている。これらの市販cBN焼結体
を機械加工用工具として用いる場合、切れ刃となる部分
のみにcBNを含有する硬質層を設け、これを剛性の高
い母材に接合した複合材として工具を構成する。
【0003】図4は従来の切削工具の刃先部分を示す部
分斜視図である。図4を参照して、cBN焼結体からな
る刃先部20は超硬合金からなる母材50に接合されて
いる。刃先部20は切れ刃20cを境としてすくい面2
0aと逃げ面20bを構成する。
【0004】図5は図4に示された工具を用いた切削状
況を示す部分断面図である。図5に示すように、被削材
100は矢印の方向に高速度で回転している。この回転
している被削材100に刃先部20が入り込むように切
削工具の母材50が設けられる。刃先部20のすくい面
20aの上方に切り屑101が発生する。切削時間の経
過に伴って、すくい面20aにすくい面摩耗31が生ず
る。また、すくい面20aと交差する逃げ面20bには
逃げ面摩耗32が生ずる。
【0005】これらの摩耗の状態は図6に示される。被
削材100の表面に接する切れ刃20cを境にすくい面
摩耗(クレータ摩耗)31と逃げ面摩耗32が生ずる。
一方、被削材100の表面に接する部分と周囲の空気に
接する部分との境界部には境界摩耗33が生ずる。この
ように、切削時間の経過に伴って、刃先部に一様な摩耗
が生ずるのではなく、局所的に摩耗が進行する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
切削工具においては、刃先部20は一様な組成を有する
cBN焼結体から構成されている。そのため、上記3つ
の摩耗のうち、いずれかの摩耗が局部的に進行すれば、
切削不能になるという問題点があった。したがって、そ
の寿命が比較的短くなるという問題点があった。
【0007】そこで、この発明の目的は、上記のような
問題点を解消することであり、局部的な摩耗の進行によ
る寿命の低下を防止するとともに、切削工具の寿命をよ
り長くすることが可能な高硬度焼結体切削工具の構造を
提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本願発明者らは、上述の
目的を達成するために鋭意検討した結果、すくい面を構
成する焼結体層と、逃げ面を主に構成する焼結体層との
cBNの体積含有率を異ならせれば、従来のcBN焼結
体からなる切削工具よりも寿命が長くなることを見出し
た。
【0009】すなわち、この発明に従った高硬度焼結体
切削工具は、第1の焼結体層と、第2の焼結体層とを備
える。第1の焼結体層は立方晶窒化硼素を80体積%以
上含有し、残部が第1の結合材からなる。第2の焼結体
層は第1の焼結体層に接合され、立方晶窒化硼素を40
体積%以上65体積%未満含有し、残部が第2の結合材
からなる。第1の結合材は、Coを3重量%以上15重
量%以下、Alを1重量%以上5重量%以下含有し、残
部がWCと不可避不純物とからなる。第2の結合材は、
Alを2重量%以上30重量%以下含有し、残部が、
(Ti,,M)C、(Ti,M)Nおよび(Ti,M)
(CN)からなる群から選択された1種以上のTi化合
物と不可避不純物とからなる。ここで、MはTi以外の
周期律表第IVa、Va、VIa族の遷移金属元素であ
る。
【0010】上記のように構成された第1の焼結体層と
第2の焼結体層とが切削工具の刃先部を構成する。第1
の焼結体層の主表面がすくい面を構成するように配され
る。第1の焼結体層の厚みは0.04mm以上0.2m
m未満である。
【0011】好ましくは、上記MはHfである。
【0012】
【作用】この発明の高硬度焼結体切削工具においては、
第1の焼結体層の主表面がすくい面を構成する。この第
1の焼結体層を構成するcBNの体積含有率は第2の焼
結体層に比べて高くなっている。cBNは化学的に安定
であるため、境界摩耗やすくい面摩耗に対する耐性は第
2の焼結体層よりも第1の焼結体層の方が強くなる。
【0013】一方、第2の焼結体層を構成するcBNの
体積含有率は第1の焼結体層よりも低く、cBN粒子が
強固に結合材により保持されている。そのため、第2の
焼結体層においては、cBNの結合力の低下が防止され
るので、cBN粒子の脱落が生じにくくなっている。そ
の結果、第2の焼結体層の表面においては逃げ面摩耗が
第1の焼結体層に比べて進行し難くなる。
【0014】このように、この発明の切削工具において
は、摩耗部位に応じてcBN焼結体層が刃先部分を構成
する。これにより、局部的な摩耗の進行が防止され、切
削工具の寿命が長くなる。
【0015】また、この発明においては、すくい面を構
成する第1の焼結体層の厚みが0.04mm以上0.2
mm未満である。第1の焼結体層の厚みが0.04mm
未満であると、すくい面摩耗や境界摩耗が第1の焼結体
層の厚み以上の摩耗量で発生する可能性があるので、好
ましくない。また第1の焼結体層の厚みが0.2mmを
超えると、第1の焼結体層の主表面に交差する面におい
て逃げ面摩耗が進行しやすくなるので好ましくない。
【0016】また、第1の焼結体層のcBNの体積含有
率は80体積%以上である。cBNが80体積%未満で
は、強度および硬度が低下し、境界摩耗が進展しやすく
なったり、化学的に安定なcBNの量が相対的に少なく
なりすくい面摩耗が生じやすくなる。
【0017】さらに、第2の焼結体層のcBNの体積含
有率は40体積%以上65体積%未満である。cBNが
40体積%未満であると、焼結体の強度および硬度が低
下し、相対的に結合材が多くなることにより、たとえ
ば、高硬度鋳鉄や高硬度鉄系材料を切削した場合、機械
的摩耗の進展が早くなったりする。cBNが65体積%
を超えると、cBN粒子を保持している結合材とcBN
の結合強度が低下したり、結合強度が弱いcBN粒子同
士の結合が起こり、cBN粒子の脱落が生じる。
【0018】第1の結合材はCoを3重量%以上15重
量%以下含有する。Coが3重量%未満であれば、cB
N粒子同士の結合力が低下したり、結合材中のWCとc
BNの結合力が低下し、たとえば耐熱合金を切削した場
合、刃先に欠損が生じやすくなる。Coが15重量%を
超えると、相対的に結合材中の耐摩耗性に優れるWCの
量が減少するため、耐クレータ摩耗性が低下する。
【0019】また、第1の結合材はAlを1重量%以上
5重量%以下含有する。Alが1重量%未満であれば、
AlとcBNの反応が不充分なために結合材によるcB
Nの保持力が弱くなる。Alが5重量%を超えると、相
対的に結合材中のWCの量が減少するため、耐摩耗性が
低下する。
【0020】第2の結合材はAlを2重量%以上30重
量%以下含有する。Alが2重量%未満であれば、Al
とcBNおよび結合材との反応が不充分なため、結合材
によるcBNの保持力が弱くなる。Alが30重量%を
超えると、AlB2 等の反応生成物が多くなり、cBN
と結合材の結合強度は強くなるものの、AlB2 等より
も耐摩耗性に優れた(Ti,M)C,(Ti,M)C
N,(Ti,M)N化合物の相対的な含有量が低下する
ので充分な耐摩耗性が得られない。
【0021】第1の結合材の残部をWCが構成するので
耐摩耗性が向上する。第2の結合材を構成するTi化合
物においてMがHfであれば、Ti化合物の耐熱性が改
善され、特に高速切削等での耐摩耗性が向上するので好
ましい。
【0022】
【実施例】
実施例1 第1の焼結体層の原料粉末として、Coを5重量%、A
lを3重量%含有し、残部がWCである結合材粉末と、
cBN粉末とを準備した。結合材粉末とcBN粉末とを
体積比で15対85となるように混合した。この混合粉
末を超硬合金製ポットとボールを用いて均一に混合する
ことにより、所定の粒度を有する第1の焼結体層の原料
粉末を作製した。
【0023】次に、第2の焼結体層の結合材粉末とし
て、表1に示される組成を有するように、Tiを含有す
る炭化物、窒化物、炭窒化物またはこれらの固溶体粉末
とアルミニウム粉末との混合粉末を準備した。この結合
材粉末とcBN粉末とを体積比で40対60となるよう
に配合し、これを超硬合金製ポットとボールを用いて均
一混合することにより、所定の粒度を有する第2の焼結
体層の原料粉末を準備した。
【0024】その後、Mo製の容器内にWC−10重量
%Co組成の超硬合金からなる円板を入れた後、第2の
焼結体層の原料粉末、第1の焼結体層の原料粉末の順に
混合粉末を充填した。次に、この容器を超高圧高温装置
に入れ、圧力50kb、温度1350℃で15分間焼結
した。
【0025】得られた焼結体の組織を観察したところ、
超硬合金上に上記2種の混合粉末に対応する2層構造を
有する焼結体が強固に接合していることが確認された。
【0026】上記各焼結体を切削加工用チップに加工し
た。各焼結体の第1層がすくい面を構成し、かつその厚
みが0.07mmとなるように加工し、切削加工用の各
チップを作製した。各チップが超硬合金母材に取付けら
れた切削工具を用いて、直径が150mmのダクタイル
鋳鉄(FCD70)材からなる丸棒の外周を切削した。
切削条件は、切削速度:250m/min、切込み:
0.25mm、送り:0.2mm/rev、湿式で切削
時間は20分間であった。20分間切削後の刃先の摩耗
状態と欠損の有無を調べたところ、表1に示す結果が得
られた。
【0027】
【表1】
【0028】実施例2 第1の焼結体層の結合材粉末として、表2に示される組
成のCoとAlを含み、残部がWCである混合粉末を準
備した。これらの結合材粉末とcBN粉末とを体積比で
12対88の割合で配合し、これを超硬合金製ポットと
ボールを用いて均一に混合することにより、第1の焼結
体層の原料粉末を作製した。
【0029】次に、第2の焼結体層の結合材粉末とし
て、(Ti,Hf)C粉末とアルミニウム粉末とを重量
比で9対1の割合で混合した粉末を準備した。この結合
材粉末とcBN粉末とを体積比で37対63となるよう
に配合し、これを超硬合金製ポットとボールを用いて均
一に混合することにより、第2の焼結体層の原料粉末を
準備した。
【0030】実施例1と同様に、Mo製の容器内にWC
−10重量%Co組成の超硬合金からなる円板を入れた
後、その上に第2の焼結体層の原料粉末を充填し、さら
にその上に第1の焼結体層の原料粉末を充填した。その
後、この容器を超高圧・高温装置に入れ、圧力45k
b、温度1300℃で20分間焼結した。
【0031】得られた焼結体の組織を観察したところ、
超硬合金上に上記2種の混合粉末に対応する2層構造を
有する焼結体が強固に接合していることが確認された。
【0032】上記各焼結体を切削加工用チップに加工し
た。各焼結体の第1層がすくい面を構成し、かつその厚
みが表2に示される厚みとなるように、切削加工用の各
チップを作製した。各チップが超硬合金母材に取付けら
れた切削工具を用いて、直径が100mmのインコネル
718材の丸棒の外周を切削した。切削条件は、切削速
度:200m/min、切込み:0.20mm、送り:
0.12mm/rev、湿式であった。切削可能時間を
測定し、切削が不可能になった原因を調査したところ、
表2に示す結果が得られた。
【0033】
【表2】
【0034】比較例の試料No.15においては、第1
の焼結体層の厚みが薄いため、境界摩耗の進行が著し
く、寿命が短くなったものと考えられる。比較例の試料
No.16では、第1の焼結体層の結合材においてCo
の含有量が多いため、第1の焼結体層のすくい面摩耗
(クレータ摩耗)の進行が著しかった。比較例の試料N
o.17では、第1の焼結体層の結合材においてCoの
含有量が少ないため、cBN粒子間の結合強度が低下
し、欠損を招いたものと考えられる。比較例の試料N
o.18では、第1の焼結体層の厚みが大きいので、逃
げ面摩耗の進行が著しかった。
【0035】実施例3 第1の焼結体層の結合材粉末として、Coを7重量%、
Alを4重量%含有し、残部がWCである混合粉末を準
備した。この結合材粉末とcBN粉末とを体積比で表3
に示される配合比となるように超硬合金製ポットとボー
ルを用いて均一に混合することにより、各試料の第1の
焼結体層の原料粉末を作製した。
【0036】第2の焼結体層の結合材粉末として、(T
i,Hf)(C,N)粉末とアルミニウム粉末とを重量
比で9対1の割合で混合した粉末を準備した。この結合
材粉末とcBN粉末とを体積比で表3で示される組成を
有するように配合し、これを超硬合金製ポットとボール
を用いて均一に混合することにより、第2の焼結体層の
原料粉末を各試料ごとに作製した。
【0037】次に、Mo製の容器内にWC−10重量%
Co組成の超硬合金からなる円板を入れた後、その上面
に第2の焼結体層の原料粉末を充填し、さらに第1の焼
結体層の原料粉末を充填した。その後、この容器を超高
圧・高温装置に入れ、圧力45kb、温度1300℃で
20分間焼結した。
【0038】得られた焼結体の組織を観察したところ、
超硬合金上に上記2種の混合粉末に対応する2層構造を
有する焼結体が強固に接合していることが確認された。
【0039】上記各焼結体を切削加工用チップに加工し
た。各焼結体の第1層がすくい面を構成し、かつその厚
みが0.05mmとなるように加工し、切削加工用の各
チップを作製した。各チップが超硬合金母材に取付けら
れた切削工具を用いて、直径が100mmで外周にV形
状の溝を有するFCD100材の丸棒の外周を切削し
た。切削条件は、切削速度:120m/min、切込
み:0.20mm、送り:0.15mm/rev、湿式
であった。切削可能であった時間を測定したところ、表
3に示す結果が得られた。
【0040】
【表3】
【0041】この発明により切削工具の刃先部を構成す
る焼結体の構造は図1に示される。刃先部10は、cB
Nを体積で高濃度に含有する第1の焼結体層11と、c
BNを体積で低濃度に含有する第2の焼結体層12とか
ら構成される。第1の焼結体層11の厚みは0.04m
m以上0.2mm未満である。
【0042】図2は、図1に示された刃先部10を超硬
合金母材に取付けた状態を示す部分斜視図である。第1
の焼結体層11の主表面がすくい面10aを構成する。
切れ刃10cを境にすくい面10aと隣り合う逃げ面1
0bは、主に第2の焼結体層12から構成される。この
ような配置になるように2層構造の焼結体からなる刃先
部10が母材50に取付けられる。
【0043】図3はこの発明の切削工具を用いた切削状
況を示す部分断面図である。切れ刃10cが被削材10
0の表面に入り込むように刃先部10が設けられる。す
くい面10aを構成する第1の焼結体層11の上方に切
り屑101が発生する。
【0044】
【発明の効果】以上のように、この発明によれば、摩耗
部位に応じて2層構造の焼結体から切削工具の刃先部が
構成されるので、局部的に著しく摩耗が進行せず、切削
工具の寿命を長くすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に従った切削工具の刃先部を構成する
焼結体の構造を示す断面図である。
【図2】この発明に従った切削工具を示す部分斜視図で
ある。
【図3】この発明の切削工具を用いて被削材が切削され
る状況を示す部分断面図である。
【図4】従来の切削工具を示す部分斜視図である。
【図5】従来の切削工具を用いて被削材を切削する状態
を示す部分断面図である。
【図6】切削工具の刃先部における摩耗部位を概念的に
示す部分斜視図である。
【符号の説明】
図において、10は刃先部、10aはすくい面、10b
は逃げ面、10cは切れ刃、11は第1の焼結体層、1
2は第2の焼結体層を示す。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 立方晶窒化硼素を80体積%以上含有
    し、残部が第1の結合材からなる第1の焼結体層と、立
    方晶窒化硼素を40体積%以上65体積%未満含有し、
    残部が第2の結合材からなり、前記第1の焼結体層に接
    合された第2の焼結体層とを備え、前記第1の結合材
    は、Coを3重量%以上15重量%以下、Alを1重量
    %以上5重量%以下含有し、残部がWCと不可避不純物
    とからなり、前記第2の結合材は、Alを2重量%以上
    30重量%以下含有し、残部が、(Ti,M)C、(T
    i,M)Nおよび(Ti,M)(CN)からなる群から
    選択された1種以上のTi化合物(但し、MはTi以外
    の周期律表第IVa、Va、VIa族の遷移金属元素で
    ある)と不可避不純物とからなり、前記第1および第2
    の焼結体層が刃先部を構成し、前記第1の焼結体層の主
    表面がすくい面を構成するように配され、前記第1の焼
    結体層の厚みが0.04mm以上0.2mm未満であ
    る、高硬度焼結体切削工具。
  2. 【請求項2】 前記MはHfである、請求項1に記載の
    高硬度焼結体切削工具。
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