JP5409199B2

JP5409199B2 - 切削工具

Info

Publication number: JP5409199B2
Application number: JP2009196354A
Authority: JP
Inventors: 直昭山口
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2009-08-27
Filing date: 2009-08-27
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2029-08-27
Also published as: JP2011045955A

Description

本発明は、立方晶窒化硼素焼結体からなる切削工具に関する。

立方晶窒化硼素焼結体（ｃＢＮ焼結体）は優れた耐摩耗性を有することから、切削工具として用いられ、特に難削材の加工に広く用いられている。かかるｃＢＮ焼結体からなる切削工具において、例えば、特許文献１では、超硬合金からなる台金にロウ付けされるｃＢＮ焼結体に大きな圧縮残留応力を加えることによって、ロウ付け接合時に試料に亀裂や割れが発生することを防止できることが開示されている。

また、特許文献２では、ＳＨＳ／ＨＩＰプロセスを用いて焼成することにより、金属成分が過剰に拡散しないｃＢＮ焼結体等のセラミックス焼結体と金属材料との積層体を作製できることが開示され、積層体の最外層から内層に向かって熱膨張係数が大きくなるように調製することにより、最外層において大きな残留応力を発生させることができて破壊靭性が向上することが開示されている。

特開２０００−１２９３８７号公報特開平８−２９１３５６号公報

しかしながら、上記特許文献１、２に記載のｃＢＮ焼結体の積層構造体のように、焼結体の全体の残留応力を制御する方法では、切削工具として用いた際の工具性能が最適化されているとはいえなかった。

そこで、本発明の目的は、切削工具として最適な残留応力を考慮して耐欠損性が高いｃＢＮ焼結体からなる切削工具を提供することである。

本発明の切削工具は、すくい面と逃げ面との交差稜線部を切刃とし、該切刃が、立方晶窒化硼素を主体として、Ｔｉの炭化物、窒化物または炭窒化物の少なくとも１種を含む立方晶窒化硼素質焼結体から構成され、隣接する２つの前記逃げ面間に位置する前記切刃にノーズを形成した切削工具において、前記ノーズから１ｍｍ以内の前記すくい面における前記ノーズの両側の前記切刃で挟まれる角度の二等分線上にて２Ｄ法で立方晶窒化硼素の残留応力を測定した際、前記すくい面に平行でかつ該すくい面の中心から測定点に最も近い前記ノーズに向かう方向についての残留応力ｃＢＮ−σ_１１が圧縮応力で１０〜１００ＭＰａ（ｃＢＮ−σ_１１＝−１０〜−１００ＭＰａ）であり、前記すくい面に平行でかつ前記σ_１１方向と垂直な方向についての残留応力ｃＢＮ−σ_２２が前記σ_１１方向の残留応力ｃＢＮ−σ_１１よりも引張り側の値（ｃＢＮ−σ_２２＞ｃＢＮ−σ_１１）である。

ここで、前記立方晶窒化硼素質焼結体中にＴｉＮを含有するとともに、ＴｉＮのσ_１１方向の圧縮残留応力ＴｉＮ−σ_１１が前記ｃＢＮ粒子のσ_１１方向の残留応力ｃＢＮ−σ_１１よりも圧縮側の値（ＴｉＮ−σ_１１＜ｃＢＮ−σ_１１）であることが望ましい。

本発明の切削工具によれば、前記ノーズから１ｍｍ以内の前記すくい面における前記ノーズの両側の前記切刃で挟まれる角度の二等分線上における残留応力は、すくい面に平行でかつ該すくい面の中心から測定点に最も近い前記ノーズに向かう方向についてのｃＢＮ残留応力ｃＢＮ−σ_１１が圧縮応力で１０〜１００ＭＰａ（ｃＢＮ−σ_１１＝−１０〜−１００ＭＰａ）であり、前記すくい面に平行でかつ前記σ_１１方向と垂直な方向についての残留応力ｃＢＮ−σ_２２が前記σ_１１方向の残留応力ｃＢＮ−σ_１１よりも引張り側の値ｃＢＮ−σ_２２＞ｃＢＮ−σ_１１）であることによって、切削加工におけるノーズ摩耗が低減されるとともに境界損傷が抑制できて耐チッピング性が向上する。

ここで、前記立方晶窒化硼素質焼結体中にＴｉＮを含有するとともに、ＴｉＮのσ_１１方向の残留応力ＴｉＮ−σ_１１が前記ｃＢＮ粒子のσ_１１方向の残留応力ｃＢＮ−σ_１１よりも圧縮側の値（ＴｉＮ−σ_１１＜ｃＢＮ−σ_１１）であることが、ｃＢＮ粒子がｃＢＮ焼結体中から脱落することを防止できて切削工具の耐摩耗性がさらに向上する点で望ましい。

本発明の切削工具の一例についての概略斜視図である。

本発明の切削工具の一例であるスローウェイチップについての概略斜視図を示す図１のように、スローアウェイチップ（以下、単にチップと略す。）１は、すくい面２と逃げ面３との交差稜線を切刃４とし、切刃４が、立方晶窒化硼素（以下、ｃＢＮと称す。）を主体として、Ｔｉの炭化物、窒化物または炭窒化物の少なくとも１種を含むｃＢＮ焼結体６から構成され、隣接する２つの逃げ面３間に位置する切刃４にノーズ５を形成した構成からなる。また、図１（ａ）によれば、ｃＢＮ焼結体６からなる切刃部７はチップ本体１０の先端に裏打ち板１１を介してロウ付けされた構造からなる。

本発明によれば、すくい面２のノーズ５から１ｍｍ以内でノーズ５の両側の切刃４で挟まれる角度の二等分線上にて２Ｄ法でｃＢＮの残留応力を測定した際、すくい面２に平行でかつすくい面２の中心から測定点に最も近いノーズ５に向かう方向についての残留応力ｃＢＮ−σ_１１が圧縮応力で１０〜１００ＭＰａ（ｃＢＮ−σ_１１＝−１０〜−１００ＭＰａ）であり、すくい面２に平行でかつｃＢＮ−σ_１１方向と垂直な方向についての残留応力ｃＢＮ−σ_２２が前記σ_１１方向の残留応力ｃＢＮ−σ_１１よりも引張り側の値（ｃＢＮ−σ_２２＞ｃＢＮ−σ_１１）となっている。これによって、切削加工時のノーズ５においてｃＢＮ粒子の接着力が高くチップ１のアブレーシブ摩耗を低減できるのでノーズ摩耗が低減される。また、内部応力が高すぎて突発的な衝撃により欠損するという不具合も解消して境界損傷が抑制できる結果耐チッピング性が向上する。

なお、本発明における残留応力の測定について、測定位置は、図１に示すように、ｃＢＮ焼結体６のノーズ５における残留応力を測定するために、切刃４のうちのノーズ５から１ｍｍ以内の位置Ｐで測定する。本発明における残留応力の測定法は２Ｄ法（多軸応力測定法／フルデバイリングフィッティング法）を用いて測定する。また、ｃＢＮの残留応力の測定に用いるＸ線回折ピークは、２θの値が１３６．５°の間に現れる（３３１）面のピークを用いる。なお、残留応力の算出に際しては、ｃＢＮのポアソン比＝０．２１、ヤング率＝７１００００ＭＰａを用いて算出する。また、Ｘ線回折測定の条件としては、鏡面加工したすくい面に、Ｘ線の線源としてＣｕＫα線を用い、出力＝４５ｋＶ、１１０ｍＡの条件で照射して残留応力の測定を行う。また、後述するＴｉＮの残留応力の測定に用いるＸ線回折ピークは、２θの値が１４．５°の間に現れる（５１１）面のピークを用いる。なお、残留応力の算出に際しては、立方晶窒化硼素のポアソン比＝０．１９、ヤング率＝２５００００ＭＰａを用いて算出する。

ここで、ｃＢＮ焼結体６中にＴｉＮを含有するとともに、ＴｉＮのσ_１１方向の残留応力ＴｉＮ−σ_１１がｃＢＮのσ_１１方向の残留応力ｃＢＮ−σ_１１よりも圧縮側の値（ＴｉＮ−σ_１１＜ｃＢＮ−σ_１１）であることが、ｃＢＮ粒子がｃＢＮ焼結体６の表面から脱落することを防止できてチップ１の耐摩耗性がさらに向上する点で望ましい。

なお、ｃＢＮ焼結体６は、ｃＢＮ焼結体６に含有される結合材はＴｉＣ、ＴｉＮまたはＴｉＣＮの他に、ＴｉＢ_２や、ＡｌＮ等のＡｌ化合物、Ｃｏ、ＮｉおよびＷが含有され、結合材は総量で１０〜７０体積％、特に１０〜３０体積％の割合で構成されている。また、ｃＢＮ焼結体６がｃＢＮ粒子を７０体積％以上含んでいることが望ましく、このようにｃＢＮ粒子の含有量が高くても結合材の結合力が高くｃＢＮ粒子の脱落を抑制できるものであることから、チップ１の耐摩耗性が高いものである。

また、ｃＢＮ粒子の粒径は、耐摩耗性、強度の点から０．２〜１０μｍ、特に望ましくは３〜７μｍの範囲にあることが望ましい。なお、ｃＢＮの粒径の測定は、ＣＩＳ−０１９Ｄ−２００５に規定された超硬合金の平均粒径の測定方法に準じて測定する。

次に、上述した焼結体の製造方法について説明する。

例えば、原料粉末として０．２〜１０μｍの範囲内の所定の平均粒径を有するｃＢＮ原料粉末、平均粒径０．２〜３μｍの周期表第４、５および６族金属から選ばれる１種または２種以上の元素の金属粉末、炭化物粉末、窒化物粉末、平均粒径０．５〜５μｍのＡｌの原料粉末、および所望により鉄族金属粉末を特定の組成に秤量し、１６〜７２時間ボールミルにて粉砕混合する。

その後、必要があれば、所定形状に成形する。成形には、プレス成形、射出成形、鋳込み成形、押し出し成形等の周知の成形手段を用いることができる。

ついでこれを別途用意した超硬合金製裏打ち支持体と共に超高圧焼結装置に装入し、１３００〜１６００℃の範囲内の所定の温度に４〜６ＧＰａの圧力下で１０〜６０分保持することによって、ｃＢＮ焼結体を得る。

また、作製したｃＢＮ焼結体からワイヤ放電加工によって所定寸法の切刃部を切り出す。本発明によれば、ｃＢＮ焼結体から切り出す刃先部のノーズＲ部の切り出し形状をノーズＲの角度よりも１０〜２０％大きくする。そして、この切り出した切刃部を超硬合金製台金の先端角部に形成した切り込み段部にロウ付けする。ロウ付けに際しては、ロウ材を溶融させて接着した後の冷却時に、超硬合金製台金からはみ出したｃＢＮ焼結体部分に熱伝導性のよいブロック材を接触させて、このはみ出した部分を先に冷却させる。その後、ロウ付けしたチップの上面を研削加工し、続いて切刃部の側面をｃＢＮ焼結体のはみ出した部分を含めて研削加工する。さらに切刃先端部にホーニング加工を施すことによって、本発明の切削工具を作製することができる。

平均粒径５μｍのｃＢＮ粉末、平均粒径３μｍのＴｉ粉末、平均粒径１．５μｍのＡｌ粉末、平均粒径２μｍのＣｏ粉末を用いて表１の組成に調合し、この粉体を、アルミナ製ボールを用いたボールミルで１５時間混合した。次に混合した粉体を圧力９８ＭＰａで加圧成形した。この成形体を、超高圧装置を用いて、５０℃／分で昇温し、圧力５．０ＧＰａで、表１の焼成温度、時間により焼成した後、５０℃／分で降温することにより焼成してｃＢＮ質焼結体を得た。

次に、作製した焼結体からワイヤ放電加工によってノーズＲの切り出し角度が表１の角度となる寸法に切り出し、超硬合金基体の切刃先端部に形成した切り込み段部にロウ付けした。ロウ付けに際し、試料Ｎｏ．１〜３については、ｃＢＮ焼結体のはみ出した部分に窒化アルミニウム製ブロック材を接触させて、この部分だけを先に冷却させた。そして、このｃＢＮ焼結体の切刃に対してダイヤモンドホイールを用いて刃先処理（チャンファホーニングおよびＲホーニング）を施し、ＪＩＳ・ＣＮＧＡ１２０４０８形状のスローアウェイチップを作製した。

得られたチップについて、切刃部のｃＢＮ焼結体に対し、すくい面から、２Ｄ法（装置：Ｘ線回折 BrukerAXS社製 D8 DISCOVER with GADDS Super Speed、線源：CuK_α、コリメータ径：0.8mmφ）を用いてｃＢＮおよびＴｉＮの残留応力を測定した。

また、ｃＢＮ焼結体の任意断面について、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による組織観察によりｃＢＮ焼結体中のｃＢＮ粒子の含有比率を算出した。なお、ｃＢＮ粒子の平均粒径についてはＣＩＳ−０１９Ｄ−２００５に基づいて測定したところいずれも３．５〜４．５μｍであった。また、結合材については、ＸＲＤ測定により、析出した物質を特定した。結果は表２に示した。

次に、得られたスローアウェイチップを用いて以下の切削条件にて切削試験を行った。結果は表２に合わせて示した。
切削方法：軽断続端面加工
被削材：ＳＣＭ４３５（浸炭焼入鋼：ｃスケールのロックウェル硬度（ＨＲＣ）５８〜６２）、３個穴付き
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ
送り：０．１０ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：肩切り込み０．１ｍｍ、深さ切り込み０．２ｍｍ
切削状態：乾式
評価方法：摩耗または欠損に至るまでの加工数を評価した。

表１、２に示した結果によれば、ロウ付け前のｃＢＮ焼結体のノーズＲの切り出し角度がチップのノーズＲ角度と同じ試料Ｎｏ．４、およびロウ付け中にはみ出した部分をＡｌＮブロック材に接触させて先に冷却させなかった試料Ｎｏ．５では、ｃＢＮ−σ_１１とｃＢＮ−σ_２２とが同じであり、切削試験における被削材の加工数が少なかった。

これに対して、本発明の範囲内の試料Ｎｏ．１〜３はいずれも加工数が多いものであった。

１チップ（スローアウェイチップ）
２すくい面
３逃げ面
４切刃
５ノーズ
６ｃＢＮ焼結体
７切刃部
σ_１１方向
すくい面に平行でかつ、すくい面の中心から測定点に最も近いノーズに向かう方向
σ_２２方向
すくい面に平行でかつσ_１１方向に垂直な方向

Claims

すくい面と逃げ面との交差稜線部を切刃とし、該切刃が、立方晶窒化硼素を主体として、Ｔｉの炭化物、窒化物または炭窒化物の少なくとも１種を含む立方晶窒化硼素質焼結体から構成され、隣接する２つの前記逃げ面間に位置する前記切刃にノーズを形成した切削工具において、
前記ノーズから１ｍｍ以内の前記すくい面における前記ノーズの両側の前記切刃で挟まれる角度の二等分線上にて２Ｄ法で残留応力を測定した際、前記すくい面に平行でかつ該すくい面の中心から測定点に最も近い前記ノーズに向かう方向についての残留応力ｃＢＮ−σ_１１が圧縮応力で１０〜１００ＭＰａ（ｃＢＮ−σ_１１＝−１０〜−１００ＭＰａ）であり、前記すくい面に平行でかつ前記σ_１１方向と垂直な方向についての残留応力ｃＢＮ−σ_２２が前記σ_１１方向の残留応力ｃＢＮ−σ_１１よりも引張り側の値（ｃＢＮ−σ_２２＞ｃＢＮ−σ_１１）である切削工具。
前記立方晶窒化硼素質焼結体中にＴｉＮを含有するとともに、ＴｉＮのσ_１１方向の残留応力ＴｉＮ−σ_１１が前記ｃＢＮ粒子のσ_１１方向の残留応力ｃＢＮ−σ_１１よりも圧縮側の値（ＴｉＮ−σ_１１＜ｃＢＮ−σ_１１）である請求項１記載の切削工具。