JP4770284B2 - 高硬度鋼の高速断続切削加工ですぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削チップ - Google Patents

Description

この発明は、すぐれた高温硬さと高温強度を有し、さらに耐熱性にもすぐれ、したがって、特に高熱発生を伴なうと共に、短いピッチの強力な機械的衝撃が繰り返しかかる、合金工具鋼や軸受鋼の焼入れ材などの高硬度鋼の高速断続切削加工に用いた場合に、切刃部にチッピング（微少欠け）などの発生なく、すぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削チップ（以下、被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップという）に関するものである。

技術背景

従来、一般に、被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップとして、各種の立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料（以下、ｃ−ＢＮ基焼結材料という）で構成された切削チップ本体の表面に、窒化チタン（以下、ＴｉＮで示す）層や、ＴｉとＳｉとＢ（ボロン）の複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ｓｉ，Ｂ）Ｎで示す］層、さらにＴｉとＡｌの複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎで示す］層などの表面被覆層を１〜８μｍの平均層厚で蒸着形成してなる、被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップが知られており、これが例えば各種の鋼や鋳鉄などの連続切削加工や断続切削加工に用いられていることも知られている。
いる。

また、上記の被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップが、例えば図１に概略説明図で示される物理蒸着装置の１種であるアークイオンプレーティング装置に、上記切削チップ本体を装入し、ヒータで装置内を、例えば５００℃に加熱した状態で、金属Ｔｉや、それぞれ所定の組成を有するＴｉ−Ａｌ合金やＴｉ−Ｓｉ−Ｂ合金などからなるカソード電極（蒸発源）と、アノード電極との間に、例えば９０Ａの電流を印加してアーク放電を発生させ、同時に装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して、例えば２Ｐａの反応雰囲気とし、一方前記切削チップ本体には、たとえば−１００Ｖのバイアス電圧を印加した条件で、前記切削チップ本体の表面に、ＴｉＮ層や、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層、あるいは（Ｔｉ，Ｓｉ，Ｂ）Ｎ層などを蒸着形成することにより製造されることも知られている。
特開平８−１１９７７４号公報 特開２００３−３４０６０５号公報

一方、近年の切削装置の高性能化および高出力化はめざましく、また切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に対する要求も強く、これに伴い、切削加工は高速化の傾向にあるが、上記の各種の従来被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップにおいては、これを、各種の炭素鋼や低合金鋼、さらに鋳鉄などの被削材の高速連続切削加工や高速断続切削加工に用いた場合には問題はないが、これを、特に高熱発生を伴なうと共に、短いピッチの強力な機械的衝撃が繰り返しかかる、合金工具鋼や軸受鋼の焼入れ材などの高硬度鋼の高速断続切削加工に用いた場合、いずれの従来被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップも、すぐれた高温硬さを有するものの、高温強度および耐熱性に関しては、これらの特性のうち、少なくともいずれかの特性を満足に具備するものでないために、切刃部にチッピングが発生したり、切刃部に摩耗促進の原因となる偏摩耗が発生し易く、この結果比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、特に合金工具鋼や軸受鋼の焼入れ材などの高硬度鋼の高速断続切削加工に用いた場合に、チッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を発揮する被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップを開発すべく、研究を行った結果、
（ａ）質量％で（以下、％は質量％を示す）、
窒化チタン（以下、ＴｉＮで示す）：１８〜２２％、
金属アルミニウム（以下、Ａｌで示す）：８〜１２％、
酸化アルミニウム（以下、Ａｌ_２Ｏ_３で示す）：０．５〜２％、
立方晶窒化ほう素（以下、ｃ−ＢＮで示す）：残り（ただし、６５〜７３％含有）、
からなる配合組成を有する圧粉体の超高圧焼結材料（ｃ−ＢＮ基焼結材料）は、走査型電子顕微鏡による組織観察で、分散相を形成するｃ−ＢＮ相と連続相を形成するＴｉＮ相との界面に、ＴｉとＡｌの複合窒化物（ＡｌＴｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ほう化アルミニウム（ＡｌＢ_２）、およびほう化チタン（ＴｉＢ_２）などの超高圧焼結反応生成物が介在した組織を有し、前記超高圧焼結反応生成物によって分散相のｃ−ＢＮ相と結合相のＴｉＮ相との間にきわめて強固な反応結合性が確保され、かつ前記連続相のＴｉＮ相の有するすぐれた高温強度と相俟って、材料自体がすぐれた高温強度を有し、さらに分散相の著しく硬質のｃ−ＢＮ相によってすぐれた高温硬さも具備するものであること。

（ｂ）上記（ａ）のｃ−ＢＮ基焼結材料（超高圧焼結材料）は、上記の通りすぐれた高温硬さと高温強度を有するが、十分な耐熱性を具備するものでなく、したがって、前記ｃ−ＢＮ基焼結材料で被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップの切削チップ本体を構成し、さらに、これの表面に、
組成式：（Ｔｉ_１−ＸＳｉ_Ｘ）Ｎ、（ただし、Ｘは、原子比で０．０１〜０．０５）、
を満足する、耐熱性のすぐれたＴｉとＳｉの複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎで示す］層を表面被覆層として蒸着形成すると、この結果の被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップは、すぐれた高温硬さと高温強度に加えて、すぐれた耐熱性を具備するようになるので、特これらの特性が要求される切削加工、すなわち高熱発生を伴なうと共に、短いピッチの強力な機械的衝撃が繰り返しかかる、合金工具鋼や軸受鋼の焼入れ材などの高硬度鋼の高速断続切削加工に用いた場合に、切刃部におけるチッピング発生が皆無となり、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するようになること、
以上（ａ）および（ｂ）に示される研究結果を得たのである。

この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、
ＴｉＮ：１８〜２２％、
Ａｌ：８〜１２％、
Ａｌ_２Ｏ_３：０．５〜２％、
ｃ−ＢＮ：残り（ただし、６５〜７３％含有）、
からなる配合組成を有する圧粉体のｃ−ＢＮ基焼結材料で構成され、かつ、走査型電子顕微鏡による組織観察で、分散相を形成するｃ−ＢＮ相と連続相を形成するＴｉＮ相との界面に超高圧焼結反応生成物が介在した組織を有する切削チップ本体の表面に、
組成式：（Ｔｉ_１−ＸＳｉ_Ｘ）Ｎ、（ただし、Ｘは、原子比で０．０１〜０．０５）、
を満足する（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる表面被覆層を１〜８μｍの平均層厚で蒸着形成してなる、高硬度鋼の高速断続切削加工ですぐれた耐摩耗性を発揮する被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップに特徴を有するものである。

つぎに、この発明の被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップにおいて、これを構成する切削チップ本体のｃ−ＢＮ基焼結材料の配合組成および表面被覆層の組成を上記の通りに限定した理由を説明する。
（Ａ）切削チップ本体のｃ−ＢＮ基焼結材料の配合組成
（ａ）ＴｉＮ
ＴｉＮ成分には、連続相を形成し、自身の具備するすぐれた高温強度と相俟って、切削チップ本体の高温強度を向上させ、かつ焼結時に配合成分であるＡｌやＡｌ_２Ｏ_３、さらにｃ−ＢＮと反応して反応生成物を形成し、前記反応生成物の介在によって分散相を形成するｃ−ＢＮ相との間に強固な反応結合性を確保し、さらに一段の高温強度の向上に寄与する作用があるが、その配合割合が１８％未満では、所望のすぐれた高温強度を確保することができず、一方その配合割合が２２％を越えると高温硬さが急激に低下し、摩耗促進の原因となることから、その配合割合を１８〜２２％と定めた。

（ｂ）Ａｌ
Ａｌ成分には、焼結時にｃ−ＢＮ粉末およびＴｉＮ粉末の表面と反応して、ＡｌＴｉＮ、ＡｌＮ、およびＡｌＢ_２などの超高圧焼結反応生成物を形成し、前記超高圧焼結反応生成物が分散相であるｃ−ＢＮ相と連続相であるＴｉＮ相の界面に介在して、前記ｃ−ＢＮ相（分散相）とＴｉＮ相（連続相）の密着接合性を著しく向上させ、もって高温強度の向上に寄与する作用があるが、その配合割合が８％未満では、前記分散相と連続相の間に強固な密着接合性を確保することができず、この場合すぐれた高温強度の確保は困難であり、一方その配合割合が１２％を越えると、前記超高圧焼結反応生成物の生成割合が多くなり過ぎて、チップ自体の高温強度に低下傾向が現れるようになることから、その配合割合を８〜１２％と定めた。

（ｃ） Ａｌ_２Ｏ_３
Ａｌ_２Ｏ_３成分には、焼結時における超高圧焼結反応生成物の生成を促進する触媒作用があり、したがって、その配合割合が０．５％未満では前記超高圧焼結反応生成物の生成反応が不十分となり、所望のすぐれた高温強度を確保することができず、一方その配合割合が２％を越えると分散相と連続相の界面に存在し、これが分散相と連続相の密着接合性を低下させ、高温強度低下の原因となることから、その配合割合を０．５〜２％と定めた。

（ｄ）ｃ−ＢＮ
分散相を構成するｃ−ＢＮは、きわめて硬質で、これによって耐摩耗性の向上が図られるが、その配合割合が６５％未満では所望のすぐれた耐摩耗性を確保することができず、一方その配合割合が７３％を越えると、ｃ−ＢＮ基焼結材料自体の焼結性が低下し、所定の高温強度確保は困難になることから、その配合割合を６５〜７３％と定めた。

（Ｂ）表面被覆層の（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の組成
表面被覆層は、これを構成する（Ｔｉ，Ｓｉ）ＮにおけるＳｉ成分によってすぐれた耐熱性を具備したものとなり、もって高速切削時に発生する高熱による摩耗進行を著しく抑制する性質を有するが、Ｓｉの含有割合を示すＸ値がＴｉとの合量に占める割合（原子比）で０．０１未満では、所望の耐熱性向上効果を確保することができず、一方、その含有割合が同じく０．０５を越えると、構成成分であるＴｉによってもたらされる高温強度が急激に低下するようになり、チッピング発生の原因となることから、Ｘ値を０．０１〜０．０５と定めた。

なお、上記のこの発明の被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップには、その最表面に切削チップ使用前後識別層として、黄金色の色調を有する窒化チタン（以下、ＴｉＮで示す）層を蒸着形成してもよく、この場合の蒸着層厚は、平均層厚が０．５μm未満では識別に十分な黄金色の色調を付与することができず、一方識別は５μmまでの平均層厚で十分であることから、０．５〜５μmの平均層厚とすればよい。

この発明の被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップは、切削チップ本体がすぐれた高温硬さと高温強度を有し、さらに表面被覆層がすぐれた耐熱性を有し、この結果すぐれた高温硬さと高温強度、および耐熱性を具備したものとなるので、特これらの特性が要求される切削加工、すなわち高熱発生を伴なうと共に、短いピッチの強力な機械的衝撃が繰り返しかかる、合金工具鋼や軸受鋼の焼入れ材などの高硬度鋼の高速断続切削加工に用いた場合に、切刃部におけるチッピング発生が皆無となり、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するのである。

つぎに、この発明の被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップを実施例により具体的に説明する。

原料粉末として、いずれも０．５〜４μｍの範囲内の所定の平均粒径を有する、ＴｉＮ粉末、Ａｌ粉末、Ａｌ_２Ｏ_３粉末、およびｃ−ＢＮ粉末を用意し、これら原料粉末を表１に示される配合組成に配合し、ボールミルで６０時間湿式混合し、乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で直径：５０ｍｍ×厚さ：１．５ｍｍの寸法をもった圧粉体にプレス成形し、この成形体を１Ｐａの真空中、９００〜１３００℃の範囲内の所定の温度に１時間保持の条件で予備焼結し、ついでこれを別途用意した直径：５０ｍｍ×厚さ：２ｍｍの寸法をもった超硬合金チップ（組成：ＷＣ−８％Ｃｏ）と重ね合わせた状態で超高圧焼結装置に装入し、１２００〜１４００℃の範囲内の所定温度に５ＧＰａの圧力下で４０分保持の条件で焼結し、焼結後上下面をダイヤモンド砥石を用いて研削し、アーク放電によるワイヤカットにより一辺が３ｍｍの正方形チップに分割することにより前記超硬合金で裏打されたｃ−ＢＮ基焼結材料からなる本発明切削チップ本体Ａ−１〜Ａ−１３をそれぞれ製造した。

ついで、これら本発明切削チップ本体Ａ−１〜Ａ−１３を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、それぞれ図１に示される通常のアークイオンプレーティング装置内に装着し、カソード電極（蒸発源）として、表２に示される目標組成の本発明被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップの表面被覆層［（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層］に対応した成分組成をもったＴｉ−Ｓｉ合金を装着し、まず装置内を排気して０．５Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を５００℃に加熱した後、前記切削チップ本体に−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、一方カソード電極の前記Ｔｉ−Ｓｉ合金とアノード電極との間には１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、もって前記切削チップ本体表面を前記Ｔｉ−Ｓｉ合金でボンバート洗浄し、ついで装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して５Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記切削チップ本体に印加する直流バイアス電圧を−１００Ｖに下げて、前記Ｔｉ−Ｓｉ合金のカソード電極とアノード電極との間にアーク放電を発生させ、もって前記切削チップ本体のそれぞれの表面に、表２に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる表面被覆層を蒸着形成することにより本発明被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップ１〜１３をそれぞれ製造した。

また、比較の目的で、ｃ−ＢＮ基焼結材料からなる切削チップ本体形成用圧粉体の配合組成を、同じく表１に示される配合組成とする以外は同一の条件で、構成成分のうちのいずれかの配合割合がこの発明の範囲から外れた比較切削チップ本体Ｂ−１〜Ｂ−６を製造し、さらに図１に示される通常のアークイオンプレーティング装置で、同一の条件で、同じく表２に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなる表面被覆層を蒸着形成することにより比較被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップ１〜１０をそれぞれ製造した。

この結果得られた各種の被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップの切削チップ本体を構成するｃ−ＢＮ基焼結材料について、その組織を走査型電子顕微鏡を用いて観察したところ、いずれの切削チップ本体も、実質的に分散相を形成するｃ−ＢＮ相と連続相を形成するＴｉＮ相との界面に超高圧焼結反応生成物が介在した組織を示した。

さらに、同表面被覆層について、その組成を透過型電子顕微鏡を用いてのエネルギー分散型Ｘ線分析法により測定したところ、目標組成と実質的に同じ組成を示し、また、その平均層厚を透過型電子顕微鏡を用いて断面測定したところ、いづれも目標層厚と実質的に同じ平均値（５ヶ所の平均値）を示した。

ついで、これらの被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップを、超硬合金本体（組成：ＷＣ−１０％Ｃｏ）の切刃先端部に形成した切り込み段部にろう付けすることによりＪＩＳ・ＴＮＭＡ１６０４０８に規定する形状をもったスローアウエイ型切削工具とし、
被削材：ＪＩＳ・ＳＫＤ６１の焼入れ材（硬さ：ＨＲＣ５５）の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：０．２ｍｍ、
送り：０．１８ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：２０分、
の条件（切削条件Ａという）での合金工具鋼焼入れ材の乾式断続高速切削試験（通常の切削速度は１２０ｍ／ｍｉｎ）、および、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＪ２３０４の焼入れ材（硬さ：ＨＲＣ５６）の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：１８０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：０．３ｍｍ、
送り：０．２１ｍｍ／ｒｅｖ、
切削時間：２０分、
の条件（切削条件Ｂという）での軸受鋼焼入れ材の乾式断続高速切削試験（通常の切削速度は１００ｍ／ｍｉｎ）、を行い、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。この測定結果を表２に示した。

表１，２に示される結果から、本発明被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップ１〜１３は、いずれもすぐれた高温強度と高温硬さ、および耐熱性を有するので、高熱発生を伴なうと共に、短いピッチの強力な機械的衝撃が繰り返しかかる、合金工具鋼や軸受鋼の焼入れ材などの高硬度鋼の高速断続切削加工で、切刃部にチッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を示し、すぐれた切削性能を長期に亘って発揮するのに対して、比較被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップ１〜１０に見られる通り、切削チップ本体の配合組成において、構成成分のうちのいずれかの成分の配合割合がこの発明の範囲から外れたり、表面被覆層を構成する（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層におけるＳｉ成分の含有割合がこの発明の範囲から外れたりすると、前記の高硬度鋼の高速断続切削加工では、切刃部にチッピングが発生し易くなったり、摩耗進行が急速に促進したりすることから、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。

上述のように、この発明の被覆ｃ−ＢＮ基焼結切削チップは、各種の鋼や鋳鉄などの通常の切削条件での切削加工は勿論のこと、すぐれた高温強度と高温硬さ、さらに耐熱性が要求される高硬度鋼の高速断続切削加工でも切刃部にチッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するものであるから、切削加工の省力化および省エネ化にも十分満足に対応できるものである。

通常のアークイオンプレーティング装置の概略説明図である。

Claims (1)

1. 窒化チタン：１８〜２２％、
   金属アルミニウム：８〜１２％、
   酸化アルミニウム：０．５〜２％、
   立方晶窒化ほう素：残り（ただし、６５〜７３％含有）、
   からなる配合組成（以上、％は質量％を示す）を有する圧粉体の超高圧焼結材料で構成され、かつ、走査型電子顕微鏡による組織観察で、分散相を形成する立方晶窒化ほう素相と連続相を形成する窒化チタン相との界面に超高圧焼結反応生成物が介在した組織を有する切削チップ本体の表面に、
   組成式：（Ｔｉ_１−ＸＳｉ_Ｘ）Ｎ、（ただし、Ｘは、原子比で０．０１〜０．０５）、
   を満足するＴｉとＳｉの複合窒化物層からなる表面被覆層を１〜８μｍの平均層厚で蒸着形成してなる、高硬度鋼の高速断続切削加工ですぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削チップ。

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