JP5732663B2 - 立方晶窒化硼素焼結体工具 - Google Patents

Description

本発明は立方晶窒化硼素（以下、ｃＢＮとも記載する）を主成分とするｃＢＮ焼結体に関する。

従来、立方晶窒化硼素を用いた高硬度の焼結体が知られている。ｃＢＮ粒子は硬度、強度、靭性がセラミックス結合材より高く、焼結体中の骨格として働き、高硬度焼入鋼の切削に耐えうる材料強度を保持する役割を果たす。一方、セラミックス結合材は、難焼結性材料であるｃＢＮ粒子を工業レベルの圧力温度で焼結可能とする役割を果たすと同時に、鉄との反応性がｃＢＮより低いため、化学的・熱的摩耗を抑制する働きを付加する。

ｃＢＮ焼結体は、大きく２つに分類され、１つはｃＢＮ含有率が高く、ｃＢＮ同士が結合し、残部がＣｏやＡｌを主成分とする結合材からなるｃＢＮ焼結体（以降、高ｃＢＮ含有率焼結体と略す）と、もう１つは、ｃＢＮ含有率が比較的低く、ｃＢＮ同士の接触率が低く、鉄との親和性の低いＴｉの窒化物（ＴｉＮ）や炭化物（ＴｉＣ）からなるセラミックスを介して結合されているものである（以降、低ｃＢＮ含有率焼結体と略す）。

前者の高ｃＢＮ含有率焼結体は、切り屑が分断され、切り屑でのせん断熱の発生し難い用途では、ｃＢＮの優れた機械特性（高硬度、高強度、高靭性）と高熱伝導率により、抜群の安定性と長寿命を達成し、硬質粒子との擦れによる機械的な摩耗や損傷が支配的な鉄系焼結部品や高速断続切削時の熱衝撃による損傷が支配的なねずみ鋳鉄の高能率切削に適している。しかしながら、連続した切り屑により発生する多量のせん断熱により刃先が高温に曝される焼入鋼などの加工では、ｃＢＮ成分が鉄との熱的な摩耗により、従来の超硬工具やセラミックス工具よりも急速に摩耗が発達するため短寿命となる。

一方、後者の低ｃＢＮ含有率焼結体は、ｃＢＮよりも、高温下での鉄との親和性の低いＴｉＮやＴｉＣセラミックスからなる結合材の働きにより、優れた耐摩耗性を発揮し、特に、従来の超硬工具やセラミックス工具では実用加工ができなかった焼入鋼加工において、従来工具の１０倍〜数十倍の工具寿命を達成できる切削工具として、焼入鋼切削市場を開拓してきた。

これらのｃＢＮ焼結体としては種々のものが開発されている。
例えば、特開２０００−０４４３４７号公報（特許文献１）および特開２０００−０４４３５０号公報（特許文献２）には、４５〜７０体積％のｃＢＮ粒子と、４ａ，５ａ，６ａ族元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、硼化物、Ａｌの窒化物、硼化物、酸化物、炭窒化物、硼化物、およびこれらの相互固溶体よりなる群から選択される１種以上を含む結合相とからなるｃＢＮ焼結体において、結合相の厚みの平均値と標準偏差を規定したｃＢＮ焼結体が記載されている。

また、特開２００２−３０２７３２号公報（特許文献３）には、粒径が０．０１μｍ以上０．７０μｍ以下の超微粒ｃＢＮ粒子と、４ａ，５ａ，６ａ族元素、Ａｌ、それらの炭化物、窒化物、硼化物およびそれらの相互固溶体、混合体の少なくと１種からなる結合相とからなるｃＢＮ焼結体において、結合相の厚みの平均値を規定したｃＢＮ焼結体が記載されている。

また前記のとおり、鋳鉄の高能率切削では、高ｃＢＮ含有率焼結体が実用化されている。近年、自動車エンジンの高性能化に伴い、軽量化を狙いシリンダブロックのアルミ化が進んでいる。シリンダブロックのピストン摺動部分であるライナーについては強度と耐摩耗性に優れる鋳鉄が採用されるが、砂型鋳鉄より量産性に優れる遠心鋳造鋳鉄が採用されることが近年、増加している。遠心鋳造法とは、ライナーの鋳造の際に、鋳型を回転させ遠心力を利用して中子を用いずに中空の鋳物を作る手法である。

前記遠心鋳造法では、原理上、鋳型の接触部や最内径部が急冷されるため、同領域では被削性が著しく悪いデンドライト組織やバラ状組織が生成されるが、切削加工により所望の内径に仕上げる際に、切削箇所の鋳鉄組織が前記のデンドライト組織やバラ状組織となる場合に工具寿命が著しく悪化する問題がある。さらに、ライナーの製造ロットによっても、鋳鉄組織が大きく変化するため、工具寿命が安定しない問題もあり、従来の高ｃＢＮ含有率焼結体では耐摩耗性が不足し、満足する工具寿命が得られていないのが最近の実情である。

そのような事情を鑑みて、ＷＯ２００８／０８７９４０号公報（特許文献４）では、結合相の主成分にＡｌ₂Ｏ₃を採用し、かつ、ＺｒＯ₂とＴｉＣを適量添加することにより、遠心鋳造鋳鉄加工における工具寿命の安定化が図られてきたが、満足のいく工具寿命が得られていなかった。

特開２０００−０４４３４７号公報 特開２０００−０４４３５０号公報 特開２００２−３０２７３２号公報 ＷＯ２００８／０８７９４０号公報

本発明は、上記問題点に鑑みて、前記の被削性が悪いデンドライト組織やバラ状組織が混在した遠心鋳造製鋳鉄の切削において、切削性能が高く、かつ工具寿命に優れたｃＢＮ焼結体工具を提供することを課題とする。

デンドライト組織やバラ状組織を有する鋳鉄をｃＢＮ焼結体工具で切削した際の摩耗形態を詳細に観察した結果、Ｔｉ化合物やＡｌ化合物で構成される結合相の中でも、耐熱性に優れるＡｌ₂Ｏ₃粒子の界面又は粒界で亀裂が発生し、同亀裂が伝播することにより摩耗が進行し、場合によっては欠損に至っていることを突き止めた。

従来技術では、Ａｌ₂Ｏ₃、ｃＢＮ、ＺｒＯ₂、ＴｉＣで構成されるｃＢＮ焼結体は、Ａｌ₂Ｏ₃の平均厚みが厚すぎるため、耐欠損性に劣っていた。また、結合相の厚みと標準偏差を適正値に規定した技術は公知であるが、Ａｌ₂Ｏ₃含有量が小さく、遠心鋳造鋳鉄の加工では耐摩耗性が不足していた。

そこで、発明者らは、亀裂の起点となるＡｌ₂Ｏ₃粒子の界面又は粒界の最適配置及びＡｌ₂Ｏ₃を強化する効果が期待できるＺｒ化合物の最適配置を見極めるために、各成分の粒度と含有率及び混合方法を変化させたｃＢＮ焼結体を作製し、切削性能との相関を調査した。その結果、Ｚｒ化合物とｃＢＮ粒子をＡｌ₂Ｏ₃中に最適配置させることにより、耐熱性に優れるが靭性に劣るＡｌ₂Ｏ₃を分断し、Ａｌ₂Ｏ₃の平均厚みと標準偏差を最適な範囲に設定することによって、耐熱性と靭性を高次元で両立させることに成功した。

すなわち、本発明は以下の構成を有する。
（１）立方晶窒化硼素粒子と結合相で構成される立方晶窒化硼素焼結体を少なくとも刃先に有する立方晶窒化硼素焼結体工具であって、
ｃＢＮ含有率が２０体積％以上６０体積％以下であり、
結合相に少なくともＡｌ₂Ｏ₃、及びＺｒ化合物を含み、
焼結体中の任意の直線上において、Ａｌ₂Ｏ₃が占める連続する距離の平均値が０．１μｍ以上１．０μｍ以下であり、かつ該Ａｌ₂Ｏ₃が占める連続する距離の標準偏差が０．８以下であり、
当該直線上において、Ａｌ₂Ｏ₃とＺｒ化合物との接点の数をＸ、Ａｌ₂Ｏ₃とｃＢＮとの接点の数と、Ａｌ₂Ｏ₃とＡｌ₂Ｏ₃及びＺｒ化合物以外の結合相成分との接点の数との合計をＹとした場合、Ｘ／Ｙが０．１以上１以下であり、
Ｚｒ化合物の平均粒径が０．０１μｍ以上０．１μｍ以下である
ことを特徴とする立方晶窒化硼素焼結体工具。
（２）前記の焼結体中に含まれるＺｒ化合物として、ＺｒＣ及びＺｒＯ₂を合計で０．５体積％以上５体積％以下含むことを特徴とする上記（１）に記載の立方晶窒化硼素焼結体工具。
（３）前記の焼結体の任意の直線上において、Ｘ／Ｙが０．５以上０．９以下であることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の立方晶窒化硼素焼結体工具。

本発明により、切削性能が高く、かつ工具寿命に優れたｃＢＮ焼結体工具を提供することができる。すなわち、Ｚｒ化合物とｃＢＮ粒子をＡｌ₂Ｏ₃中に最適配置させることにより、耐熱性に優れるが靭性に劣るＡｌ₂Ｏ₃を分断し、Ａｌ₂Ｏ₃の平均厚みと標準偏差を最適な範囲に設定することによって、耐熱性と靭性を高次元で両立させることに成功した。

また、Ａｌ₂Ｏ₃とｃＢＮ粒子は結合力が弱いため、Ａｌ₂Ｏ₃以外の結合力に優れる高反応性化合物（例えばＴｉＡｌ、Ｔｉ、Ａｌ、ＴｉＺｒ、Ｚｒ等）を介してｃＢＮ粒子とＡｌ₂Ｏ₃粒子を結合させ、Ａｌ₂Ｏ₃中にＺｒ化合物を分散させることによって、より耐摩耗性と耐欠損性を高めることができる。特に、ＺｒやＴｉＺｒをｃＢＮ粒子に事前に被覆しておくことが好ましい。

本発明に係るｃＢＮ焼結体工具は、ｃＢＮ粒子と結合相で構成されるｃＢＮ焼結体を少なくとも刃先に有するｃＢＮ焼結体工具であって、ｃＢＮ含有率が２０体積％以上６０体積％以下、結合相にＡｌ₂Ｏ₃、Ｚｒ化合物を含み、焼結体中の任意の直線上において、Ａｌ₂Ｏ₃が占める距離の平均値と標準偏差がそれぞれ０．１μｍ以上１．０μｍ以下及び０．８以下であり、当該直線上において、Ａｌ₂Ｏ₃とＺｒ化合物との接点の数をＸ、Ａｌ₂Ｏ₃とｃＢＮとの接点の数と、Ａｌ₂Ｏ₃とＡｌ₂Ｏ₃及びＺｒ化合物以外の結合相成分との接点の数との合計をＹとした場合、Ｘ／Ｙが０．１以上１以下であり、Ｚｒ化合物の平均粒径が０．０１μｍ以上０．１μｍ以下であることを特徴とする。

上記ｃＢＮ焼結体工具は、超硬合金製の基材の少なくとも刃先となる部分にｃＢＮ焼結体を有するｃＢＮ焼結体工具であっても、又はｃＢＮ焼結体のみで構成されるｃＢＮ焼結体工具であってもよい。また、刃先となるｃＢＮ焼結体表面に硬質セラミックス被覆層を有していても構わない。

以下、ｃＢＮ焼結体部分について詳述する。
上記ｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮ含有率が２０体積％以上６０体積％以下であることを特徴とする。ｃＢＮ含有率が２０体積％未満であると焼結体の耐欠損性が低下し、６０体積％を超えると耐摩耗性が低下する。ｃＢＮ含有率は、より好ましくは４０体積％以上５０体積％以下である。また、結合相には少なくとも、Ａｌ₂Ｏ₃、及びＺｒ化合物を含むことを特徴とする。これにより耐摩耗性と耐欠損性を向上させることができる。

上記ｃＢＮ焼結体は、焼結体中の任意の直線上において、Ａｌ₂Ｏ₃が占める連続した距離の平均値が０．１μｍ以上１．０μｍ以下であることを特徴とする。当該平均値が０．１μｍ未満であると耐熱性が低下し、１．０μｍを超えると耐欠損性が低下する。該平均値は、より好ましくは０．３μｍ以上０．６μｍ以下である。また、当該任意の直線上において、Ａｌ₂Ｏ₃が占める連続した距離の標準偏差は０．８以下であることを特徴とする。当該標準偏差が０．８を超えると、耐欠損性のバラツキが大きくなる。該標準偏差は、より好ましくは０．２以上０．６以下である。

更に、上記直線上において、Ａｌ₂Ｏ₃とＺｒ化合物との接点の数をＸとし、Ａｌ₂Ｏ₃とｃＢＮとの接点の数と、Ａｌ₂Ｏ₃とＡｌ₂Ｏ₃及びＺｒ化合物以外の結合相成分との接点の数との合計をＹとした場合に、Ｘ／Ｙが０．１以上１以下であることを特徴とする。当該Ｘ／Ｙが０．１未満であるとＺｒ化合物によるＡｌ₂Ｏ₃の靭性向上効果が得られず、１を超えるとＡｌ₂Ｏ₃による耐熱性向上効果が低下する。

上記ｃＢＮ焼結体において、Ｚｒ化合物の平均粒径が０．０１μｍ以上０．１μｍ以下であることを特徴とする。Ｚｒ化合物の平均粒径が０．０１μｍ未満の場合、Ｚｒ化合物によるＡｌ₂Ｏ₃の靭性向上効果が得られず、０．１μｍを超えるとＺｒ化合物自体の破砕が発生しやすくなり、焼結体の耐欠損性が低下する。Ｚｒ化合物の平均粒径は、より好ましくは０．０３μｍ以上０．０６μｍ以下である。

本発明は、上記の構成により、ｃＢＮ焼結体においてＺｒ化合物とｃＢＮ粒子をＡｌ₂Ｏ₃中に最適配置させることによって耐熱性には優れるが靭性に劣るＡｌ₂Ｏ₃を分断し、更に、Ａｌ₂Ｏ₃の平均厚みと標準偏差を最適な範囲に設定することによって、焼結体の耐熱性と靭性を高次元で両立させることを可能にした。

また、前記の焼結体に含まれるＺｒ化合物として、ＺｒＣ及びＺｒＯ₂を合計で０．５体積％以上５体積％以下含むことにより、耐欠損性と耐摩耗性をさらに改善できる。すなわち、本発明に係るｃＢＮ焼結体工具は、前記の焼結体に含まれるＺｒ化合物として、ＺｒＣ及びＺｒＯ₂を合計で０．５体積％以上５体積％以下含むことが好ましい。より好ましくは、１．５体積％以上４．５体積％以下である。

ＺｒＣとＺｒＯ₂は特に、Ａｌ₂Ｏ₃の靭性を改善する効果が高く、両化合物が焼結体中で合計０．５体積％未満の場合は、靭性向上効果が得られず、５体積％超の場合は、相対的にＡｌ₂Ｏ₃の含有量が低下し、耐熱性が低下する。

さらに、前記の焼結体の任意の直線上において、Ｘ／Ｙが０．５以上０．９以下であることで、欠損に対する信頼性が増す。すなわち、本発明に係るｃＢＮ焼結体工具は、前記の焼結体の任意の直線上において、Ｘ／Ｙが０．５以上０．９以下であることが好ましい。

［ｃＢＮ焼結体工具の作製］
（ｃＢＮ焼結体の作製）
平均粒径が５０ｎｍ以下（一部の実施例および比較例を除く）の表１に示すＺｒ化合物と、平均粒径が３００ｎｍ以下のＴｉ化合物と、平均粒径が２００ｎｍ以下のＡｌ₂Ｏ₃とを、事前にφ０．２ｍｍのＺｒＯ₂製ボールメディアで、流速０．２〜０．５Ｌ／ｍｉｎのエタノールの溶媒中で３０〜１２０分間、上記化合物を混合微粉砕し、同メディアを取り除くことにより、超微粒のＺｒ化合物がＡｌ₂Ｏ₃中に均一に分散した特殊結合材を作製した。Ｘ／Ｙの値を制御するためには、実験的に上記範囲内で粉砕混合条件を変更するか、Ｚｒ化合物の含有量を変更することにより達成できる。

実施例１〜１１については、ｃＢＮ粒子と上記結合材とをφ３ｍｍのＺｒＯ₂製ボールメディアでボールミル混合法により均一混合した混合粉末を超硬合金製支持板に積層してＭｏ製カプセルに充填後、超高圧装置によって、圧力７．０ＧＰａ、温度１６００度で３０分間焼結した。

実施例１２、１３については、ＲＦスパッタリングＰＶＤ装置を用いて、予めｃＢＮ粒子にそれぞれＴｉＺｒ及びＺｒを平均膜厚３０ｎｍで被覆し、上記と同様の方法で充填、焼結した。

各実施例及び比較例におけるｃＢＮ焼結体の組成を表１に示す。
（工具の作製）
得られた焼結体を所定の形状に切断し、超硬合金製工具母材に市販のロウ材を用いて接合し、所定の工具形状に研削加工を施した。
［評価］
（ｃＢＮ焼結体特性の測定）
上記により得た各実施例及び比較例におけるｃＢＮ焼結体について、焼結体中の任意の直線上のＡｌ₂Ｏ₃の占める連続した距離の、平均値及び標準偏差を、次に説明する方法により測定した。

まず、ｃＢＮ焼結体を鏡面研磨して、任意の領域のｃＢＮ焼結体組織を電子顕微鏡にて反射電子像を１００００倍で写真撮影した。組成に対応した濃淡のコントラストが観察され、付属のＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）により各種元素の重なり状態から化合物を推定した。その結果、黒色領域はｃＢＮ粒子、灰色領域と白色領域は結合相であることが確認された。さらに、濃い灰色領域はＡｌ₂Ｏ₃であり、濃度の薄い白色領域はＺｒ化合物（酸化物、炭化物、窒化物、硼化物、窒硼化物）であることが特定された。

次に、同写真に任意の直線を引き、当該直線上における、Ａｌ₂Ｏ₃とＺｒ化合物との接点の数をＸとし、Ａｌ₂Ｏ₃とｃＢＮとの接点の数と、Ａｌ₂Ｏ₃とＡｌ₂Ｏ₃及びＺｒ化合物以外の結合相成分との接点の数との合計をＹとして、Ｘ／Ｙの値を求めた。

ここで、当該直線上の接点の合計数は、組織の均一性を考慮し、少なくとも５０点以上となるように直線数を決めた。また、その直線数の直線において、上記Ａｌ₂Ｏ₃が連続して占める距離（長さ）を測定し、その平均値および標準偏差を求めた。ｃＢＮ含有率は、前記の焼結体組織写真から、ｃＢＮ粒子領域と結合相領域を画像処理により２値化し、ｃＢＮ粒子の占有面積を体積含有率とした。結合相組成に関しては、ＸＲＤ（Ｘ線回折）により同定した。

Ｚｒ化合物とＴｉ化合物の含有率に関しても、前記の焼結体組織写真の濃淡コントラストから、それぞれの占有面積を画像処理により算出し、体積含有率とした。Ｚｒ化合物の平均粒径に関しては、仕込みの原料粉の平均粒度を記載しており、前記の焼結体組織写真から、概ね、原料粉の粒径を維持していることを確認した。結果を表１に示す。
（切削試験）
上記で作製した各工具について、以下の条件で切削試験を行った。
被削材 ： ＦＣ２５０（遠心鋳造鋳鉄スリーブの内径加工、硬度：ＨＢ２３０）
工具形状 ： ＣＮＧＡ１２０４０８
切削条件 ： 切削速度 Ｖｃ＝７００ｍ／ｍｉｎ．
送り量 ｆ＝０．３ｍｍ／ｒｅｖ．
切り込み量 ａｐ＝０．０５ｍｍ
切削液あり
工具寿命 ： 逃げ面摩耗量又はチッピングが０．２ｍｍに到達した時点を工具寿命と判断した。

結果を表２に示す。

表２より明らかなように、実施例の工具は、比較例の工具に比し、優れた切削性能を示した。

以上のように本発明の実施の形態及び実施例について説明を行なったが、今回開示された実施の形態及び実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明だけではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

Claims (3)

1. 立方晶窒化硼素粒子と結合相で構成される立方晶窒化硼素焼結体を少なくとも刃先に有する立方晶窒化硼素焼結体工具であって、
   前記立方晶窒化硼素焼結体中の立方晶窒化硼素含有率が２０体積％以上６０体積％以下であり、
   前記結合相に少なくともＡｌ₂Ｏ₃、及びＺｒ化合物を含み、
   前記立方晶窒化硼素焼結体中の任意の直線上において、Ａｌ₂Ｏ₃が占める連続する距離の平均値が０．１μｍ以上１．０μｍ以下であり、かつ該Ａｌ₂Ｏ₃が占める連続する距離の標準偏差が０．８以下であり、
   当該直線上において、Ａｌ₂Ｏ₃とＺｒ化合物との接点の数をＸ、Ａｌ₂Ｏ₃と立方晶窒化硼素との接点の数と、Ａｌ₂Ｏ₃とＡｌ₂Ｏ₃及びＺｒ化合物以外の結合相成分との接点の数との合計をＹとした場合、Ｘ／Ｙが０．１以上１以下であり、
   Ｚｒ化合物の平均粒径が０．０１μｍ以上０．１μｍ以下である
   ことを特徴とする立方晶窒化硼素焼結体工具。
2. 前記立方晶窒化硼素焼結体中に含まれるＺｒ化合物として、ＺｒＣ及びＺｒＯ₂を合計で０．５体積％以上５体積％以下含むことを特徴とする請求項１に記載の立方晶窒化硼素焼結体工具。
3. 前記立方晶窒化硼素焼結体の任意の直線上において、Ｘ／Ｙが０．５以上０．９以下であることを特徴とする請求項１に記載の立方晶窒化硼素焼結体工具。