JP2019156692A - 立方晶窒化硼素焼結体、及び、立方晶窒化硼素焼結体を有する工具 - Google Patents
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(1)立方晶窒化硼素と結合相とを含む立方晶窒化硼素焼結体であって、
前記立方晶窒化硼素の含有量は、60体積%以上80体積%以下であり、
前記結合相の含有量は、20体積%以上40体積%以下であり、
前記結合相は、Al化合物と、Ti化合物とを含み、
前記Ti化合物は、Tiの窒化物を主に含み、
前記Al化合物は、Alの酸化物、窒化物、及び硼化物からなる群より選ばれる少なくとも1種の化合物を含み、
前記Al化合物の含有量は、0体積%を超え5体積%未満であり、
前記立方晶窒化硼素焼結体の断面において、下記式(1)で表される条件を満たす、立方晶窒化硼素焼結体。
0.80≦A/B≦1.20 ・・・(1)
(式(1)中、Aは、前記立方晶窒化硼素と前記結合相との界面の長さに対する、前記立方晶窒化硼素と前記Al化合物との界面の長さの割合を表す。Bは、前記結合相の含有量に対する、前記Al化合物の含有量の割合を表す。)
前記立方晶窒化硼素の(200)面のX線回折強度をIcBN(200)、前記TiB2 の(100)面のX線回折強度をITiB2(100)としたとき、ITiB2(100)/IcBN(200)≦0.20である、(4)に記載の立方晶窒化硼素焼結体。
前記立方晶窒化硼素の(200)面のX線回折強度をIcBN(200)、前記AlNの(100)面のX線回折強度をIAlN(100)としたとき、IAlN(100)/IcBN(200)≦0.20を満たす、(1)から(6)のうちいずれかに記載の立方晶窒化硼素焼結体。
本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体は、立方晶窒化硼素と結合相とを含む。立方晶窒化硼素(cBN)の含有量は、60体積%以上80体積%以下である。結合相の含有量は、20体積%以上40体積%以下である。
Ti化合物は、Tiの窒化物を主に含む。ここでいう「主に含む」とは、Ti化合物の全部または大部分がTiの窒化物であることを意味する。より具体的には、Ti化合物の(200)面のX線回折におけるピーク位置(2θ)が42.4°以上42.8°以下の場合は、Ti化合物が主にTiの窒化物を含むといえる。Ti化合物の(200)面のX線回折において41.7°以上42.8°以下の範囲に複数のピークを確認することができる場合は、42.4°以上42.8°以下の範囲に最高のピークが存在する場合に、Ti化合物が主にTiの窒化物を含むといえる。
また、Ti化合物は、Tiの炭化物及びTiの炭窒化物を含まないことが好ましい。
(式(1)中、Aは、立方晶窒化硼素と結合相との界面の長さに対する、立方晶窒化硼素とAl化合物との界面の長さの割合を表す。Bは、結合相の含有量に対する、Al化合物の含有量の割合を表す。)
原料粉末として、cBN粉末と、Al粉末と、Ti化合物粉末とを準備する。準備した原料粉末を混合し、超硬合金製ボールと溶媒とパラフィンとともにボールミル用シリンダーに入れて混合する。混合した原料粉末をZr製の高融点金属カプセル内に充填し、粉末の表面に吸着している水分及び酸素を除去するため、カプセルを開放したまま真空熱処理を行う。次に、カプセルを密封し、カプセルに充填されている原料粉末を高圧で焼結させる。高圧焼結の条件は、例えば、圧力:4.0〜6.0GPa、温度:1200〜1400℃、焼結時間:15分以下である。
[原料粉末の調製]
立方晶窒化硼素(cBN)粉末、TiN粉末、TiC粉末、TiCN粉末、及びAl粉末を、以下の表1に示す比率で混合した。cBN粉末の平均粒径は、3.0μmである。TiN、TiC、及びTiCN粉末の平均粒径は、1.0μmである。Al粉末の平均粒径は、0.5μmである。なお、原料粉末の平均粒径は、米国材料試験協会(ASTM)規格B330に記載のフィッシャー法(Fisher Sub-Sieve Sizer(FSSS))により測定されたものである。
原料粉末を、超硬合金製ボールとヘキサン溶媒とパラフィンとともにボールミル用のシリンダーに入れてさらに混合した。ボールミルで混合した原料粉末を、Zr製の高融点金属カプセル内に充填し、粉末の表面に吸着している水分及び酸素を除去するため、カプセルを開放したまま真空熱処理を行った。
その後、カプセルを密封し、カプセルに充填されている原料粉末を高圧で焼結させた。その際、cBN焼結体の結合相中に過剰な反応生成物が含まれないようにするために、高圧焼結を短時間だけ行った。高圧焼結の条件は、表1に記載の通りである。
高圧焼結によって得られたcBN焼結体の組成を分析した。具体的には、cBN焼結体の断面組織の反射電子像をSEMによって5,000〜20,000倍程度で撮影し、撮影した写真の画像解析を行うことによって、cBN、Ti化合物およびAl化合物の含有率(体積%)を求めた。
高圧焼結によって得られたcBN焼結体の結合相中に含まれる反応生成物をXRDによって分析した。AlNの生成量は、cBNの(200)面とAlNの(100)面のピーク強度比率IAlN(100)/IcBN(200)で評価した。TiB2の生成量は、cBNの(200)面とTiB2の(100)面のピーク強度比率ITiB2(100)/IcBN(200)で評価した。
被削材:SCM415焼入れ鋼、
被削材形状:丸棒、φ80mm×200mm、
加工方法:外径旋削、
切削速度:150m/min、
送り:0.15mm/rev、
切り込み:0.15mm、
クーラント:使用、
評価項目:切削工具が欠損、または逃げ面の摩耗幅が0.15mmに至ったときを工具寿命とし、工具寿命までの加工時間を測定した。
被削材:SCM415焼入れ鋼、
被削材形状:丸棒(溝入り)、φ80mm×200mm、
加工方法:外径旋削、
切削速度:150m/min、
送り:0.15mm/rev、
切り込み:0.15mm、
クーラント:使用、
評価項目:切削工具が欠損、または逃げ面の摩耗幅が0.15mmに至ったときを工具寿命とし、工具寿命までの加工時間を測定した。
[イオンボンバードメント処理の条件]
基材の温度:500℃
圧力:2.7PaのArガス雰囲気
電圧:−400V
電流:40A
時間:30分
基材の温度:500℃
圧力:3.0Paの窒素(N2)ガス雰囲気(窒化物層)、または3.0Paの窒素(N2)ガスとアセチレンガス(C2H2)ガスとの混合ガス雰囲気(炭窒化物層)
電圧:−60V
電流:120A
Claims (12)
- 立方晶窒化硼素と結合相とを含む立方晶窒化硼素焼結体であって、
前記立方晶窒化硼素の含有量は、60体積%以上80体積%以下であり、
前記結合相の含有量は、20体積%以上40体積%以下であり、
前記結合相は、Al化合物と、Ti化合物とを含み、
前記Ti化合物は、Tiの窒化物を主に含み、
前記Al化合物は、Alの酸化物、窒化物、及び硼化物からなる群より選ばれる少なくとも1種の化合物を含み、
前記Al化合物の含有量は、0体積%を超え5体積%未満であり、
前記立方晶窒化硼素焼結体の断面において、下記式(1)で表される条件を満たす、立方晶窒化硼素焼結体。
0.80≦A/B≦1.20 ・・・(1)
(式(1)中、Aは、前記立方晶窒化硼素と前記結合相との界面の長さに対する、前記立方晶窒化硼素と前記Al化合物との界面の長さの割合を表す。Bは、前記結合相の含有量に対する、前記Al化合物の含有量の割合を表す。) - 前記Al化合物の含有量は、1体積%以上4体積%以下である、請求項1に記載の立方晶窒化硼素焼結体。
- 前記Al化合物は、Al2O3を含む、請求項1または請求項2に記載の立方晶窒化硼素焼結体。
- 前記Ti化合物は、Tiの硼化物をさらに含む、請求項1から請求項3のうちいずれか1項に記載の立方晶窒化硼素焼結体。
- 前記Tiの硼化物は、TiB2であり、
前記立方晶窒化硼素の(200)面のX線回折強度をIcBN(200)、前記TiB2 の(100)面のX線回折強度をITiB2(100)としたとき、ITiB2(100)/IcBN(200)≦0.20である、請求項4に記載の立方晶窒化硼素焼結体。 - 前記Ti化合物は、Tiの炭化物とTiの炭窒化物を含まない、請求項1から請求項5のうちいずれか1項に記載の立方晶窒化硼素焼結体。
- 前記Al化合物は、AlNを含み、
前記立方晶窒化硼素の(200)面のX線回折強度をIcBN(200)、前記AlNの(100)面のX線回折強度をIAlN(100)としたとき、IAlN(100)/IcBN(200)≦0.20を満たす、請求項1から請求項6のうちいずれか1項に記載の立方晶窒化硼素焼結体。 - 前記立方晶窒化硼素焼結体の上に形成された被覆層を備える、請求項1から請求項7のうちいずれか1項に記載の立方晶窒化硼素焼結体。
- 前記被覆層が、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、AlおよびSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、C、N、OおよびBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる、請求項8に記載の立方晶窒化硼素焼結体。
- 前記被覆層が、単層、または、2層以上を含む積層構造を有する、請求項8または請求項9に記載の立方晶窒化硼素焼結体。
- 前記被覆層全体の平均厚さが、1.0μm以上5.0μm以下である、請求項8から請求項10のうちいずれか1項に記載の立方晶窒化硼素焼結体。
- 請求項1から請求項11のうちいずれか1項に記載の立方晶窒化硼素焼結体を有する工具。
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