JP5239059B2 - 高精度切削加工用被覆ｃＢＮ焼結体工具 - Google Patents

Description

本発明は、立方晶窒化硼素（cＢＮ）を主成分とした焼結体を基材とする高精度切削加工用被覆cＢＮ焼結体工具に関する。

cＢＮ焼結体工具による焼入鋼の高精度加工では、特許文献１のようにcＢＮ焼結体のcＢＮ粒子の粒径を微粒とし、被削材の面粗度を改善した工具が開示されている。しかし、このような多結晶体では焼結体を構成する粒子をどれだけ微粒にしても、Ｒzで１μｍ以下の高精度加工では工具寿命が短く、かつ、切れ刃を構成する粒子の脱落や粒界の損傷により被削材の面に筋が発生するという問題があった。

また、特許文献２にはcＢＮ焼結体に中心線平均粗さＲaが０．２μｍ以下の硬質被膜が形成された焼入鋼高精度加工用の被覆cＢＮ焼結体工具が開示されている。この工具では、被膜により被削材の面を形成する前切れ刃境界部の刃先のcＢＮ粒子の脱落等が抑制され、切れ刃が滑らかに摩耗するためＲz１．６μｍや３．２μｍの高精度加工が可能である。しかし、被膜によりcＢＮ粒子の脱落が抑制されてはいるが、脱落が起こらないわけではないので、やはり、Ｒzで１μｍ以下の高精度加工では工具寿命が短く、被削材の面に筋が発生するという問題があった。

また、非特許文献１には「cＢＮ単結晶の評価」として、cＢＮ単結晶工具による焼入鋼の超精密加工について記述がある。ここでは、被削材および切削条件を選択することで一応、鏡面加工ができたが、予想以上に摩耗が激しいとの記載がある。さらに、このようなcＢＮ単結晶工具は工具を生産するに十分な大きさのcＢＮ単結晶の合成が極めて困難なことと、単結晶と台金の接合が困難で高コストであること等から、実用化には至っていない。

また、特許文献３には精密加工用工具として、切削時の切り込み量または送り量より大きい粒径のcＢＮ単結晶粒子を切れ刃先端部に配置した精密加工用工具が開示され、切り込み量は０．０５ｍｍ以下、送り量は０．０１ｍｍ／rev以下であると記載されている。

特公平６−９４５８０号公報 特許第３５９１４５７号公報 実公昭５８−１６４６０３号公報

ＮＥＷ ＤＩＡＭＯＮＤ、Ｖol.５、Ｎo.４、ｐ２０

本発明は、耐摩耗性に優れ、被削材の面粗度の悪化や筋の発生を抑制する被覆cＢＮ焼結体工具を低コストで提供することを課題とする。

工具により被削材の切削を行う場合、図２に示すように、横切れ刃境界部で被削材が大きく切り取られ、前切れ刃境界部により仕上げ面の形成が行われる。このため、被削材表面には前切れ刃境界部の形状が転写されることとなる。したがって、前切れ刃境界部の摩耗が進行して前切れ刃の表面粗さが悪くなると、被削材表面も粗くなり仕上がり状態が悪くなる。また、被削材表面に筋が発生し始めると境界摩耗が更に発達して前切れ刃境界部に溝が形成され、上記問題が一層顕著となり、短時間で加工表面粗さが悪化してしまう（図３参照）。

本発明者等は、工具刃先の前切れ刃境界部の摩耗が、なるべく平滑に進行するようにすることができれば、被削材の面粗さが悪化しにくく、長寿命で高精度加工が行えることを見出した。すなわち、切れ刃の切削時における前境界部を、cＢＮ単結晶体に、横境界部を多結晶体にすることが有効であることを見出し、本発明を完成させた。なお、「平滑に摩耗する」とは、前切れ刃境界部の摩耗が抑制され、段差や溝（筋）の形成が押さえられて滑らかになる状態のことをいう。

本発明は以下の特徴を有する。
（１）本発明に係る高精度切削加工用被覆cＢＮ焼結体工具は、cＢＮ粒子を含有する焼結体を切れ刃部分とする高精度切削加工用被覆cＢＮ焼結体工具であって、該焼結体のcＢＮ含有率が２０−８０体積％であり、被削材と接触する切れ刃部分において、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％が、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％が、cＢＮ単結晶体で形成され、ｘが１０以上５０以下であり、ｙが１０以上であり、被削材と接触する他の切れ刃部分がcＢＮ多結晶体で形成され、少なくとも前記cＢＮ単結晶体および前記cＢＮ多結晶体の表面が硬質皮膜によって被覆され、該硬質被膜の膜厚が０．０１μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする。
（２）上記（１）に記載の被覆cＢＮ焼結体工具であって、前記硬質被膜が、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素、及びＡl、Ｓi、Ｂの中から選択される一種以上の元素とＣ、Ｎ及びＯの中から選択される一種以上の元素とからなる層を有することを特徴とする。

（３）上記（１）又は（２）に記載の被覆cＢＮ焼結体工具であって、cＢＮ含有率が２０−８０体積％であり、結合相が、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素の窒化物、炭化物、硼化物、酸化物、及びこれらの固容体からなる群から選択される少なくとも一種と、アルミニウムの窒化物、硼化物、酸化物、及びこれらの固容体からなる群から選択される少なくとも一種とを含むことを特徴とする。
（４）上記（１）〜（３）のいずれか一に記載の被覆cＢＮ焼結体工具であって、被削材と接触する切れ刃のうち、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％（１０≦ｘ≦５０）が、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％（１０≦ｙ）の切れ刃部分が、粒子径が５０μｍ以上のcＢＮ粒子からなることを特徴とする。
（５）上記（１）〜（３）のいずれか一に記載の被覆cＢＮ焼結体工具であって、被削材と接触する切れ刃のうち、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％（１０≦ｘ≦５０）が、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％（１０≦ｙ）の切れ刃部分が、粒子径が１００μｍ以上のcＢＮ粒子からなることを特徴とする。

本発明に係る高精度切削加工用被覆cＢＮ焼結体工具は、前境界部を形成する切れ刃がcＢＮ単結晶からなる硬質膜被覆cＢＮ焼結体工具である。このため、前切れ刃が多結晶体である場合に生じる面粗度の悪化や、被削材表面の筋の発生を抑制し、cＢＮ単結晶工具の耐摩耗性の悪化、コスト高等の問題を解決し、被削材の高精度加工を可能とする。

本発明に係る被覆cＢＮ焼結体工具による切削の概略の一例を表す図である。 従来の切削工具による、良好な切削状態の概略を表す図である。 従来の切削工具による、刃先が摩耗した切削状態の概略を表す図である。

図１に示すように、本発明に係る高精度切削加工用被覆cＢＮ焼結体工具は、cＢＮ粒子を含有する焼結体を切れ刃部分とする高精度切削加工用被覆cＢＮ焼結体工具であって、該焼結体のcＢＮ含有率が２０−８０体積％であり、被削材と接触する切れ刃部分において、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％が、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％がcＢＮ単結晶体で形成され、ｘが１０以上５０以下であり、ｙが１０以上であり、被削材と接触する他の切れ刃部分がcＢＮ多結晶体で形成され、少なくとも前記cＢＮ単結晶体および前記cＢＮ多結晶体の表面が硬質皮膜によって被覆され、該硬質被膜の膜厚が０．０１μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする。これにより前切れ刃境界部がcＢＮ単結晶体により形成されるため、粒子の脱落がなく、前切れ刃境界部分が平滑に摩耗するようになり、このため、cＢＮ多結晶体で切削した場合のような被削材表面の面粗度の悪化、筋の発生が抑制され、高精度加工で長寿命の工具となる。

一方、横切れ刃境界部分は、前述のように被削材を大きく切り取る部分であるから、cＢＮ単結晶体で構成されていると劈開性により刃先が欠けるチッピングが生じ、工具寿命が不安定になる可能性がある。このため被削材と接触する切れ刃部分において、切込みが最大となる点から、切り込み量のｘ％（１０≦ｘ≦５０）超の部分がcＢＮ多結晶体により形成されていることが好ましい。更に、cＢＮ単結晶体のみからチップを作製する場合に比べて低コストで提供することが可能となる。特にｙの値が１００以下のときに、低コストで提供することができる。

前述のように、cＢＮ焼結体は、cＢＮ含有率が２０−８０体積％であることを特徴とする。cＢＮの含有率がこれらの範囲にあることにより、焼結体の強度と耐摩耗性を両立させることが可能となる。
更に、焼結体の結合相が、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素の窒化物、炭化物、硼化物、酸化物、及びこれらの固容体からなる群から選択される少なくとも一種と、アルミニウムの窒化物、硼化物、酸化物、及びこれらの固容体からなる群から選択される少なくとも一種とを含むことを特徴とする。これらの結合材成分により、cＢＮ焼結体の耐摩耗性及び強度を向上させることができる。当然、これらの成分以外にも不可避的に不純物が含まれていても構わない。

刃先の耐摩耗性を更に向上させるために、上記工具表面が硬質皮膜により被覆されていることが好ましい。これにより、特に前切れ刃境界部を形成するcＢＮ単結晶からなる切れ刃部分の耐摩耗性が向上し、工具が長寿命となる。特に被削材が肌焼き鋼や焼入れした軸受け鋼等である場合に有効である。これは、鉄系材料を切削する場合、cＢＮ粒子はcＢＮのｈＢＮへの逆変換や化学反応といった熱的な摩耗要因により耐摩耗性が良くないが、これら熱的な摩耗をより安定な被膜により抑制することができるからであると考えられる。

被膜の成分は、十分な硬度を有して高い耐摩耗性が得られるように、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素、及びＡl、Ｓi、Ｂの中から選択される一種以上の元素とＣ、Ｎ及びＯの中から選択される一種以上の元素とからなる化合物を選択した。

硬質被膜の好適な成分の具体例としては、ＴiＡlＮ、ＴiＣＮ、ＴiＮ、Ａl₂Ｏ₃、ＺrＮ、ＺrＣ、ＣrＮ、ＶＮ、ＨfＮ、ＨfＣまたはＨfＣＮが挙げられる。耐摩耗性を改善する効果はこれらのいずれの成分を含む硬質皮膜においても見られるが、特にＴiＡlＮ、ＴiＣＮ、ＴiＮを含む被膜で顕著である。
硬質被膜の構成は、単層でも多層でもいずれでも良い。多層構造とした場合、いずれかの層に上記成分の被膜が含まれていれば良い。

硬質被膜の厚さは０．０１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。この下限値未満では耐摩耗性を改善する効果が小さくなる。逆に、１０μｍを超えると硬質皮膜中の残留応力の影響で基材との密着性が低下する。なお、この膜厚は、多層構造の場合、全被膜の厚さについての限定である。

硬質被膜の形成個所は基材表面の少なくとも一部で良い。切削工具として少なくとも切削に関与する面に被膜を形成する。切削に関与する面とは、すくい面、逃げ面、チャンファー面の少なくとも一つである。より具体的には、すくい面から逃げ面にかけての個所またはすくい面からチャンファー面を経て逃げ面にかけての個所である。特に工具が被削材と接する個所及びその近傍に被膜を形成すると有効である。

硬質被膜の形成手段は公知の成膜技術が利用できる。例えば、スパッタリング、イオンプレーティングなどのＰＶＤ法や、プラズマＣＶＤ法などのＣＶＤ法が利用できる。特にアークイオンプレーティング法は平滑な硬質被膜を形成できる点で好ましい。平滑な硬質被膜が形成できるアークイオンプレーティング法については、特開平１０−６８０７１号公報に記載されている。

本発明に係る高精度切削加工用被覆cＢＮ焼結体工具は、切削時に被削材に接触する切れ刃のうち、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％（１０≦ｘ≦５０）が、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％（１０≦ｙ）の切れ刃がcＢＮ単結晶からなることを特徴とする。該cＢＮ単結晶の粒径が５０μｍ以上であると好ましい。該cＢＮ単結晶の粒径が１００μｍ以上であると更に好ましい。

被削材が肌焼き鋼や焼き入れ軸受け鋼等である場合に、高精度切削加工を行うには、一般的に、切り込み量は０．０５〜０．２ｍｍ、送り量は０．０１〜０．０５ｍｍ／revの条件で行われる。このような場合、摩耗の進展により刃先が後退するため、前記cＢＮ焼結体工具のノーズ先端部分から送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％が、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％がcＢＮ単結晶で形成され、ｘが１０以上５０以下であり、ｙが１０以上であり、被削材と接触する他の切れ刃部分がcＢＮ多結晶体で形成されていることが好ましい。これにより、前切れ刃境界部分が、cＢＮ単結晶体で構成され、横切れ刃境界部分はcＢＮ多結晶体で構成されることとなる。

超硬合金製のポット及びボールを用いて、ＴiＮとＡlＮ、Ｔi₃Ａlを混合してから熱処理を施し、その後粉砕して結合材粉末を得た。次に結合材粉末と平均粒径が２μｍと平均粒径が１５０μｍのcＢＮ粉末を混合し、熱処理を施し、Ｍo製容器に充填し、圧力５．５ＧＰa、温度１，３５０℃で２０分焼結し、cＢＮ体積含有率が６０％のcＢＮ焼結体を得た。

この焼結体を切断し、基材として超硬合金製の台金にロー材を用いて接合した後、研磨加工を実施し、その後、この表面にアークイオン式プレーティング法を用いてＴiＡlＮの硬質皮膜を２μｍの厚みで形成し、被覆cＢＮ焼結体切削工具（ＣＮＧＮ１２０４０４）を作製した。このとき、工具の前切れ刃境界部に粗粒のcＢＮ単結晶が配置され、被削材と接触する切れ刃部分において、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％が、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％がcＢＮ単結晶体で形成され、ｘ、ｙが表１に記載された値となり、被削材と接触する他の切れ刃部分がcＢＮ多結晶体で形成されるように焼結体中の粗粒cＢＮ単結晶粒子の位置を確認した後、切断、接合、研磨を実施した。

硬質被膜の形成は以下のように実施した。アーク式イオンプレーティング法装置の真空容器の真空度を７×１０^-3Ｐaの雰囲気とし、次にアルゴンガスを導入し、１×１０^-1Ｐaの雰囲気に保持しながら、加熱ヒーターを用いて５００℃まで加熱し、工具保持具に−１０００Ｖの電圧をかけて洗浄をおこなった。引き続き、真空アーク放電によりＴiＡlターゲットを蒸発、イオン化させることにより、工具温度が５００℃に上昇するまで、金属イオンによる工具表面クリーニングをおこなった。次に真空容器内に窒素ガスを導入し、真空容器内の圧力を２Ｐaに保持し、真空アーク放電により金属ターゲットを蒸発、イオン化させることにより切削工具上にＴiＡlＮの硬質被膜を形成した。このとき、工具保持具に−２０から−６００Ｖの電圧をかけておいた。

この被覆cＢＮ焼結体切削工具を用いて、被削材としてＳＵＪ２(ＨＲＣ６０）を用い、切削速度２００ｍ／ｍｉｎ、切り込み０．１ｍｍ、送り量０．０２８ｍｍ／rev、ｗｅｔの条件で、切削試験を行った。工具前切れ刃を形成する部分には粗粒ｃＢＮ単結晶体が配置され、切削時に被削材に接触する切れ刃のうち、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％が、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％がcＢＮ単結晶体となるようにした。このときに、表１に記載の条件となるように設定し、切削試験を実施したところ、寿命判定基準をＲｚで０．８μｍとして、表１に記載の工具寿命が得られた。

超硬合金製のポット及びボールを用いて、４ａ、５ａ、６ａ族遷移金属元素やＡlの化合物等の結合材材料を混合してから熱処理を施し、その後粉砕して結合材粉末を得た。次に結合材粉末とcＢＮ粉末を混合し、熱処理を施し、Ｍo製容器に充填し、圧力５ＧＰa、温度１，４００℃で２０分焼結し、cＢＮ焼結体を得た。

この焼結体を切断し、基材として超硬合金製の台金にロー材を用いて接合した後、この表面にアークイオン式プレーティング法を用いてＴiＡlＮやＴiＣＮ，ＴiＮ等の硬質皮膜を形成し、表２に記載の被覆cＢＮ焼結体切削工具（ＣＮＧＡ１２０４０４）を作製した。このとき、工具の前切れ刃境界部に粗粒のcＢＮ単結晶が配置されるように焼結体中の粗粒cＢＮ単結晶粒子の位置を確認した後、切断、接合、研磨を実施した。

硬質被膜の形成は以下のように実施した。アーク式イオンプレーティング法装置の真空容器の真空度を７×１０^-3Ｐaの雰囲気とし、次にアルゴンガスを導入し、１×１０^-1Ｐaの雰囲気に保持しながら、加熱ヒーターを用いて５００℃まで加熱し、工具保持具に−１０００Ｖの電圧をかけて洗浄をおこなった。引き続き、真空アーク放電により金属ターゲットを蒸発、イオン化させることにより、工具温度が５００℃に上昇するまで、金属イオンによる工具表面クリーニングをおこなった。次に真空容器内に窒素ガス、水素ガス、アルゴンガス、メタン、アセチレンのいずれか１種類あるいは数種類を導入し、真空容器内の圧力を２Ｐaに保持し、真空アーク放電により金属ターゲットを蒸発、イオン化させることにより切削工具上に硬質被膜を形成した。このとき、工具保持具に−２０から−６００Ｖの電圧をかけておいた。

この被覆cＢＮ焼結体切削工具を用いて、被削材としてＳＣＭ４１５(ＨＲＣ６０）を用い、工具前切れ刃を形成する部分が粗粒cＢＮ単結晶体となるようにした。この前切れ刃が切削時に被削材に接触する切れ刃のうち、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％（１０≦ｘ≦５０）が、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％（１０≦ｙ）がcＢＮ単結晶体となる条件とした。そして、表３に記載の条件で切削試験を実施したところ、寿命判定基準をＲzで０．８μｍとして、表３に記載の工具寿命が得られた。

Claims (5)

1. cＢＮ粒子を含有する焼結体を切れ刃部分とする高精度切削加工用被覆cＢＮ焼結体工具であって、
   該焼結体のcＢＮ含有率が２０−８０体積％であり、
   被削材と接触する切れ刃部分において、切込みが最大となる点から、
   送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％が、
   送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％が
   cＢＮ単結晶体で形成され、
   ｘが１０以上５０以下であり、
   ｙが１０以上であり、
   被削材と接触する他の切れ刃部分がcＢＮ多結晶体で形成され、
   少なくとも前記cＢＮ単結晶体および前記cＢＮ多結晶体の表面が硬質皮膜によって被覆され、
   該硬質被膜の膜厚が０．０１μｍ以上１０μｍ以下である
   ことを特徴とする高精度切削加工用被覆cＢＮ焼結体工具。
2. 前記硬質被膜が、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素、及びＡl、Ｓi、Ｂの中から選択される一種以上の元素とＣ、Ｎ及びＯの中から選択される一種以上の元素とからなる層を有することを特徴とする請求項１に記載の高精度切削加工用被覆cＢＮ焼結体工具。
3. 前記焼結体の結合相が、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素の窒化物、炭化物、硼化物、酸化物、及びこれらの固容体からなる群から選択される少なくとも一種と、
   アルミニウムの窒化物、硼化物、酸化物、及びこれらの固容体からなる群から選択される少なくとも一種と
   を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の高精度切削加工用被覆cＢＮ焼結体工具。
4. 被削材と接触する切れ刃のうち、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％（１０≦ｘ≦５０）が、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％（１０≦ｙ）の切れ刃部分が、
   粒子径が５０μｍ以上のcＢＮ粒子からなる請求項１〜３のいずれか一に記載の高精度切削加工用被覆cＢＮ焼結体工具。
5. 被削材と接触する切れ刃のうち、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％（１０≦ｘ≦５０）が、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％（１０≦ｙ）の切れ刃部分が、
   粒子径が１００μｍ以上のcＢＮ粒子からなる請求項１〜３のいずれか一に記載の高精度切削加工用被覆cＢＮ焼結体工具。

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