JP2001121311A

JP2001121311A - 被覆焼結体切削工具

Info

Publication number: JP2001121311A
Application number: JP30172199A
Authority: JP
Inventors: Shinya Kamisaka; 伸哉上坂; Hitoshi Sumiya; 均角谷
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1999-10-22
Filing date: 1999-10-22
Publication date: 2001-05-08

Abstract

(57)【要約】【課題】耐熱性に優れるとともに、鋳鉄等の高速切削
で優れた耐摩耗性と耐欠損性を有する被覆焼結体切削工
具を提供する。【解決手段】立方晶窒化ホウ素を99.5体積％以上含む
焼結体からなる基材と、この基材表面に形成された被覆
層とを具える。この被覆層は、Siを含有する材料で構成
され、厚さが3〜100μｍである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、立方晶窒化ホウ素
（以下cBNと記す）を用いた被覆焼結体切削工具に関す
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、一般に切削工具用途として市販されている。この
cBNはTiN、TiC、Co等の結合材を用いて超高圧下で焼結
することで焼結体とされ、通常10〜60体積%の結合材が
含まれる。これらは主に鉄系材料の切削加工に使用され
る。この種の焼結体の一例は特開昭53-77811号公報や特
開昭62-228451号に開示されており、焼入鋼や鋳鉄の切
削において高い切削性能を示すことが確かめられてい
る。

【０００３】さらに、上記cBN焼結体切削工具の耐摩耗
性を向上させるために焼結体上に被膜を設ける方法が知
られている。例えば、特公平2-44790号公報にはcBN焼結
体上にA1_２O_３、TiN、TiC等を被覆し、耐摩耗性を改善
する方法が示されている。また、特開平7-164210号公報
にはcBN焼結体上にSiやSi化合物を被覆して、鋳鉄の高
速乾式切削で耐摩耗性を改善する方法が示されている。

【０００４】一方、結合材を含まないcBN焼結体とし
て、ホウ窒化マグネシウムなどの触媒を用いて六方晶窒
化ホウ素（hBN）を原料として反応焼結させた焼結体が
ある。この焼結体は熱伝導率が600〜700W/m・Kと高く、
ヒートシンク材やTABボンディングツールなどに用いら
れている。しかし、この焼結体の中には触媒がいくらか
残留しているため、熱を加えるとこの触媒とcBNとの熱
膨張差による微細クラックが入りやすく、その耐熱温度
は700℃程度と低い。また、cBN粒径が10μｍ前後と大き
いため、熱伝導率が高いものの、強度が十分でなく、切
削工具としては適用出来なかった。

【０００５】他方、cBNは、hBNなどの常圧型BNを超高圧
高温下で、無触媒で合成（直接変換）することが可能で
ある。このhBN→cBN変換と同時に焼結させることで、バ
インダーを含まないcBN焼結体を作製できることが知ら
れている。例えば、特開昭47-34099号公報や特開平3-15
9964号公報には、hBNを超高圧高温下でcBNに変換させ、
cBN焼結体を得る方法が示されている。また、特公昭63-
394号公報や特開平8-47801号公報には、熱分解窒化ホウ
素（pBN）を原料にして、cBN焼結体を作製する方法が示
されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、市販さ
れている結合材を有するcBN焼結体工具では、例えば鋳
鉄の高速切削においては、刃先の摩耗の進行が速く、そ
の寿命が短かったり、刃先が欠損するという問題もあっ
た。

【０００７】また、cBN焼結体にSiやSi化合物の被覆を
施した工具であっても、cBN焼結体の耐熱性や耐熱衝撃
特性が低いために、その使用条件が限られる。例えば、
鋳鉄の高速切削においては乾式でV＝2000m/min程度が実
用的に使用できる範囲であり、それより高速では切削温
度の上昇によって基材となるcBN焼結体自体が劣化し、
急激な摩耗や欠損が生じる。また、切削液を用いたり、
加工物上に切削液が残留している様な場合には、切削時
の刃先の加熱冷却の繰返しにより、基材のcBN焼結体に
熱衝撃による亀裂が発生し寿命が著しく短くなるという
問題があった。

【０００８】結合材を含まないcBN焼結体は、上記の鋳
鉄の高速切削では優れた耐熱性を示すが、V＝3000m/min
程度まで切削速度が上昇すると、刃先の摩耗の進行が速
くなり、工具寿命が低下する。また、湿式条件では、す
くい面上にチッピング等の損傷が生じるために、結合材
を含まないcBN焼結体であってもV＝1500m/min程度が実
用的に使用できる範囲である。

【０００９】従って、本発明の主目的は、耐熱性に優れ
るとともに、鋳鉄等の高速切削で優れた耐摩耗性と耐欠
損性を有する被覆焼結体切削工具を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、基材とな
るcBN焼結体に必要な耐熱性と耐熱衝撃性とを検討した
結果、従来のcBN焼結体は結合材の劣化によって耐熱性
や耐熱衝撃性が低下するとの知見を得た。そこで、本発
明では、実質的にcBNからなる基材にSiを含む被覆層を
形成して、この被覆層の厚みを特定することで上記の目
的を達成する。

【００１１】すなわち、本発明切削工具は、99.5体積％
以上cBNを含む焼結体からなる基材と、この基材表面に
形成された被覆層とを具える被覆焼結体切削工具におい
て、前記被覆層は、Siを含有する材料で構成され、厚さ
が3〜100μｍであることを特徴とする。

【００１２】上記構成のうち、まず基材に関して説明す
る。基材におけるcBNの含有率は99.5体積％以上とす
る。99.5体積％未満であると、不純物などcBN以外の構
成物質はcBNに比べて耐熱性が低いことが多く、鋳鉄の
高速切削などのように切削温度が高温となる条件におい
て、cBN粒子以外の構成物質が劣化し、高温強度が低下
するためである。さらに好ましいcBNの含有率は99.9体
積％以上である。

【００１３】基材におけるcBNの平均粒径は１μm以下で
あることが好ましい。cBNの結晶粒径をこのように微細
にすることで、より一層焼結体の強度を向上させること
ができる。

【００１４】また、基材におけるcBNの（220）面のＸ線
回折強度I₍₂₂₀₎とcBNの（111）面のＸ線回折強度I₍₁₁₁₎
との比I₍₂₂₀₎/I₍₁₁₁₎が0.05以上であることが好まし
い。それにより切削工具としての強度を維持することが
できる。

【００１５】上述の基材の製造方法としては、低結晶性
もしくは微粒の高純度な常圧型BNを出発原料として、高
圧・高温下で直接変換することが挙げられる。常圧型BN
とは、熱力学的に常圧で安定な窒化ホウ素で、六方晶BN
（hBN）、菱面体BN(rBN)、乱層構造のBN(tBN)、および
非晶質のBN(aBN)が含まれる。ただし、もともと配向性
の高いpBNや結晶粒度の大きいhBNを原料に用いると、(1
11)方向に配向したcBN焼結体となり易い。この配向性の
ため、切削工具として使用した場合、層状亀裂、剥離な
どの不具合が生じることがある。低結晶性もしくは微粒
の高純度な常圧型BNを出発原料とすれば、得られるcBN
焼結体は配向し難く、かつ結晶粒子も大きくならない。

【００１６】低結晶性で高純度の常圧型BNは、ホウ素と
酸素を含む化合物を、炭素と窒素とを含む化合物で還元
することにより得られる。さらに、このような常圧型BN
からcBNへの直接変換は、前記ホウ素と酸素とを含む化
合物の沸点以上の温度で、常圧型BNを非酸化性雰囲気で
加熱した後に行うことが好適である。

【００１７】次に、被覆層に関して説明する。被覆層の
材質は、Siを含有する材料で構成する。Siを含有する材
料の具体例としては、Si自体はもちろん、Siと他元素と
の化合物（複合化合物も含む）が挙げられる。Si化合物
としては酸化物、窒化物、酸窒化物が好適である。ま
た、これらの化合物にAl_２O_３、AlNが固溶したものが望
ましい。特に、Al、OおよびNから選択される少なくとも
１種とSiとの化合物が望ましい。従って、Si、Al、O、N
を主たる構成元素とする最適なSi化合物としてはサイア
ロン（以下SiAlON）が挙げられる。また、この被覆層は
基材からの成分を含有しても良い。すなわち、さらにB
を含む被覆層とすれば、基材との結合強度を一層高める
ことができる。

【００１８】被覆層にSi含有材料を用いる理由は次の通
りである。現状のcBN工具で使用可能な切削速度（V＝15
00m/min程度）では刃先にSiを含有する溶着物が生成
し、これが保護膜となって刃先のすくい面および逃げ面
の摩耗が抑制されると考えられている。Siは一般に被削
材である鋳鉄に含有され、これが供給源となり、従来の
cBN焼結体において耐摩耗性が多少向上する。しかし、
鋳鉄のSi含有率は微量であるため、刃先の保護による耐
摩耗性向上には不十分である。そこで、cBN焼結体表面
にSiを含有する被覆層を積極的に形成して、耐摩耗性を
大幅に向上させている。

【００１９】被覆層の厚みは3〜100μｍとする。厚みが
３μｍ未満であると、被覆層の効果が少なく耐摩耗性が
低下する。逆に、100μｍを超えると工具刃先の強度を
維持するcBN焼結体が刃先に少なくなり強度が低下して
欠損を生じやすくなる。

【００２０】被覆層の形成個所は、切削工具の少なくと
もすくい面とすることが望ましい。特に、切削に作用す
るすくい面と逃げ面の両方に設けると最も効果的であ
る。ただし、すくい面のみに被覆した場合でも、特にク
レータ摩耗の発達が著しく抑制できる。

【００２１】被覆層の形成手段は、Si被覆の場合は、無
電界めっき、化学的蒸着法（CVD法）および物理的蒸着
法（PVD法）等が、Si化合物の場合は、CVD法やPVD法な
どの公知のコーティング技術が利用できる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。〔試験例１〕原料として、高純度処理をした低結晶性hB
N粉末をMoカプセルに入れ、ベルト型超高圧発生装置で
6.5GPa、1800℃〜2000℃の温度条件で15分処理した。得
られた焼結体の組成、粒度、X線回折におけるcBNの（22
0）回折強度のcBN（111）回折強度に対する比率を表１
に示す。

【００２３】さらに、これらのcBN焼結体を切削チップ
の形に加工し、このcBN焼結体のすくい面に又はすくい
面と逃げ面の両方にスパッタ法によりSiを厚み20μｍに
被覆した。そして、ねずみ鋳鉄FC250の板材（断面30×2
50mm）の正面フライスカッタによるフライス切削テスト
を行った。切削条件は、切削速度V＝2000m/min、切込み
d＝0.5mm、送りf＝0.15mm/刃、乾式で行った。比較例6
として、上記焼結体のSi未被覆の切削チップを準備し
た。また、2200℃の温度で15分間処理して得たcBN焼結
体（比較例7）と、原料としてpBNを用いて6.5GPa、1880
℃で15分処理して得たcBN焼結体（比較例8）も、切削チ
ップの形に加工後Siを被覆して工具を製作し切削評価に
供した。さらに、鋳鉄の高速切削に用いられる市販のCo
合金を結合材としたcBN焼結体切削工具にもSiを被覆し
て比較例9とした。

【００２４】

【表１】

【００２５】表１から明らかなように、本発明実施例は
いずれもcBNの結晶粒径が1μm以下と小さく、実質的にc
BNのみから構成されている。また、いずれの実施例も回
折強度比I₍₂₂₀₎/I₍₁₁₁₎が0.05以上であった。そして、
切削可能パス回数はいずれの比較例と比べても格段に多
くなっており、本発明切削工具の耐摩耗性が優れている
ことがわかる。特に、すくい面と逃げ面の両方にSiを被
覆した実施例1、３〜５は格別に切削可能パス回数が多
い。

【００２６】〔試験例２〕試験例１と同様に、原料とし
て高純度処理をした低結晶性常圧型BN粉末をMoカプセル
に入れ、ベルト型高圧発生装置を用い圧力6.5GPaで、18
80℃の温度条件で15分処理し、cBNに直接変換焼結し
た。

【００２７】この焼結体を切削チップの形に加工し、こ
のcBN焼結体の表面である工具すくい面と逃げ面にスパ
ッタ法により表２に示す厚みのSiを被覆し、本発明切削
工具および比較切削工具とした。この工具を用いてねず
み鋳鉄FC250の丸棒（φ200×400mm）の外周連続切削テ
ストを行った。切削条件は、切削速度V＝2000m/min、切
込みd＝0.2mm、送りf＝0.1mm/rev、乾式で行い、75分
（150km）切削後の工具の逃げ面摩耗量を測定した。そ
の結果も併せて表２に示す。

【００２８】

【表２】

【００２９】表２に示すように、Siの被覆厚が3〜100μ
mの範囲内である実施例はいずれも欠損が生じず、刃先
摩耗量も少ないことがわかる。これに対して、被覆厚が
2μmの比較例13、被覆厚が120μmの比較例14は刃先摩耗
量が多いか、欠損を生じた。なお、実施例におけるcBN
粒子の平均粒径は、いずれも１μm以下であった。

【００３０】〔試験例３〕試験例１と同様に、原料とし
て高純度処理をした低結晶性常圧型BN粉末をMoカプセル
に入れ、ベルト型高圧発生装置を用いて圧力6.5GPaで、
1880℃の温度条件で15分処理し、cBNに直接変換焼結し
た。

【００３１】この焼結体を切削チップの形に加工し、cB
N焼結体の表面である工具すくい面と逃げ面に化学蒸着
法により表３に示す厚みのSi化合物を被覆して本発明切
削工具（実施例15〜21）および比較切削工具（比較例2
2、23）とした。表３にはSi化合物以外の被覆を施した
比較切削工具（比較例24）も示す。

【００３２】この工具を用いてねずみ鋳鉄FC250の丸棒
（φ200×400mm）の外周連続切削テストを行った。切削
条件は、切削速度V＝3000m/min、切込みd＝0.2mm、送り
f＝0.1mm/rev、乾式で行い、50分（150km）切削後の工
具の逃げ面摩耗量を測定した。測定結果も併せて表３に
示す。

【００３３】

【表３】

【００３４】表３に示すように、Siを含む種々の化合物
において、いずれも実施例では刃先摩耗量が比較例に比
べて少なくなっている。一方、被覆厚が薄すぎた比較例
22、被覆層が厚すぎた比較例23、あるいはSiを含まない
化合物からなる被覆層をもつ比較例24では刃先摩耗量が
格段に多い。なお、実施例におけるcBN粒子の平均粒径
は、いずれも１μm以下であった。

【００３５】〔試験例４〕試験例１と同様に、原料とし
て高純度処理をした低結晶性常圧型BN粉末をMoカプセル
に入れ、ベルト型高圧発生装置を用い圧力6.5GPaで、18
80℃の温度条件で15分処理し、cBNに直接変換焼結し
た。

【００３６】これらのcBN焼結体を切削チップの形に加
工し、このcBN焼結体のすくい面に又はすくい面と逃げ
面の両方に化学蒸着法によりSi化合物を厚み20μｍ被覆
し、ねずみ鋳鉄FC250の板材（断面30×250mm）の正面フ
ライスカッタによるフライス切削テストを行った。切削
条件は、切削速度V＝2000m/min、切込みd＝0.5mm、送り
f＝0.15mm/刃、湿式で行った。比較例29として、上記焼
結体のSi未被覆の切削チップを準備した。市販cBN焼結
体切削工具でCo合金を結合材としcBNを85−90体積％含
有するcBN焼結体切削工具にもSiまたはSi化合物を被覆
して比較例30、31とした。

【００３７】

【表４】

【００３８】表４に示すように、実施例はいずれも欠損
が生じることなく耐摩耗性に優れて長寿命であることが
確認された。なお、実施例におけるcBN粒子の平均粒径
は、いずれも１μm以下であった。

【００３９】尚、本発明の被覆焼結体切削工具は、上述
の実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨
を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは
勿論である。

【００４０】

【発明の効果】以上、説明したように本発明切削工具に
よれば、耐熱性に優れるとともに、鋳鉄等の高速切削に
おいても優れた耐摩耗性を有する被覆焼結体切削工具を
得ることができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】立方晶窒化ホウ素を99.5体積％以上含む
焼結体からなる基材と、この基材表面に形成された被覆
層とを具える被覆焼結体切削工具において、前記被覆層は、Siを含有する材料で構成され、厚さが3
〜100μｍであることを特徴とする被覆焼結体切削工
具。
【請求項２】立方晶窒化ホウ素の平均粒径が１μm以
下であることを特徴とする請求項1に記載の被覆焼結体
切削工具。
【請求項３】基材における立方晶窒化ホウ素の（22
0）面のＸ線回折強度I ₍₂₂₀₎と立方晶窒化ホウ素の（11
1）面のＸ線回折強度I₍₁₁₁₎との比I₍₂₂₀₎/I₍₁₁₁ ₎が0.05
以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の被
覆焼結体切削工具。
【請求項４】基材における立方晶窒化ホウ素の含有率
が99.9体積％以上であることを特徴とする請求項1〜3の
いずれかに記載の被覆焼結体切削工具。
【請求項５】被覆層が、切削工具の少なくともすくい
面に形成されたことを特徴とする請求項1〜4のいずれか
に記載の被覆焼結体切削工具。
【請求項６】 Siを含有する材料が、Al、OおよびNから
選択される少なくとも１種とSiとの化合物であることを
特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の被覆焼結体切
削工具。