JP6410210B2 - 立方晶窒化硼素複合焼結体インサート - Google Patents
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Description
前記特許文献1〜3に記載されるインサートも、インサートの構造をcBN複合焼結体として構成し、しかも、cBNの粒径あるいは含有率を異ならせたcBN複合焼結体とすることによって、耐摩耗性、工具寿命等の切削性能を改善したものである。
しかし、前記特許文献1〜3に記載されるインサートでは、すくい面摩耗(クレータ摩耗)と逃げ面摩耗を改善することは可能であったとしても、刃先稜線のチッピング、欠損の発生を抑制することはできなった。
そのため、チッピングあるいは欠損発生が原因となり、cBN複合焼結体インサートの寿命は短命であるという問題があった。
そこで本発明は、cBN複合焼結体インサートの前記問題点を解決し、耐チッピング性、耐欠損性にすぐれ、長期の使用に亘って優れた耐逃げ面摩耗性及び耐すくい面摩耗性(耐クレータ摩耗性)を発揮するcBN複合焼結体インサートを提供せんとするものである。
そして、前記3層構造からなるcBN複合焼結体をインサートとして切削加工に供したところ、チッピング、欠損の発生を防止し得るとともに、耐逃げ面摩耗性及び耐すくい面摩耗性(耐クレータ摩耗性)にすぐれるというすぐれた切削性能が得られることを見出したのである。
「(1)立方晶窒化硼素複合焼結体インサートにおいて、
(a)前記立方晶窒化硼素複合焼結体を、逃げ面を構成する第1立方晶窒化硼素焼結体層、刃先稜線を構成する第2立方晶窒化硼素焼結体層およびすくい面を構成する第3立方晶窒化硼素焼結体層の3層からなる複合焼結体として構成し、
(b)前記第1立方晶窒化硼素焼結体層は、立方晶窒化硼素の含有割合40〜60vol%である立方晶窒化硼素焼結体からなり、
(c)前記第3立方晶窒化硼素焼結体層は、前記第1立方晶窒化硼素焼結体層の立方晶窒化硼素の含有割合より少なくとも10vol%以上多い立方晶窒化硼素を含有し、
(d)前記第2立方晶窒化硼素焼結体層は、前記第3立方晶窒化硼素焼結体層の立方晶窒化硼素の含有割合よりさらに5vol%以上多い立方晶窒化硼素を含有し、かつ、第2立方晶窒化硼素焼結体層の厚さは、30〜200μmの範囲内であることを特徴とする立方晶窒化硼素複合焼結体インサート。」
を特徴とするものである。
なお、本発明で規定するcBN含有割合(vol%)については、以下の方法で測定して求めることができる。
立方晶窒化硼素複合焼結体インサートの縦断面について、倍率5,000倍のSEM画像を取得し、画像処理ソフトにて二値化し、cBN粒子の占める面積%を算出することで、cBN含有量を求め、3視野について求めたcBN含有量の平均値をcBNの含有割合とする。
本発明のcBN複合焼結体インサートは、逃げ面を構成する第1cBN焼結体層と、すくい面を構成する第3cBN焼結体層を備え、さらに、前記第1cBN焼結体層と第3cBN焼結体層との間に介在形成された第2cBN焼結体層を備え、かつ、刃先稜線は前記第2cBN焼結体層によって形成されている。
本発明のcBN複合焼結体インサートは、上記のように3層構造のcBN複合焼結体から構成される。
まず、第1、第2、第3の各cBN焼結体層の組成に見合った配合組成となるように原料成分を混合して、第1、第2、第3の各原料粉末を作製する。
ついで、最終的に第1、第2、第3の各cBN焼結体層の層厚になるように、各層に応じて第1、第2、第3の各原料粉末を秤量する。
ついで、成形用金型内へと、まず、第1cBN焼結体層を構成するcBN焼結体用の第1原料粉末を充填し、例えば、1ton/cm2の加圧力で成形し、第1成形体を作製する。
ついで、成形用金型内の前記第1成形体の上面に、第2cBN焼結体層を構成するcBN焼結体用の第2原料粉末を充填し、例えば、1ton/cm2の加圧力で成形し、第1成形体と第2成形体からなる複合成形体を作製する。
ついで、成形用金型内の前記第1成形体と第2成形体からなる複合積層体の上面に、第3cBN焼結体層を構成するcBN焼結体用の第3原料粉末を充填し、例えば、3ton/cm2の加圧力で成形し、第1成形体、第2成形体および第3成形体からなる複合成形体を作製する。
ついで、前記第1層成形体、第2層成形体および第3層成形体からなる複合成形体を、例えば、真空中1Pa、温度1000℃、保持時間30分の条件で真空焼結することにより、予備焼結体を作製する。
ついで、前記予備焼結体を、WC基超硬合金からなる裏打ち材上に載置し、例えば、圧力5GPa、温度1500℃、保持時間30分の条件で超高圧高温処理し、一体焼結することによってcBN複合焼結体を作製する。
前記の手順によって、各層ごとの所望のcBN含有割合、層厚を有する本発明の3層構造のcBN複合焼結体を作製することができる。
さらに、前記cBN複合焼結体を、所定形状に加工し、WC超硬合金基体に形成した凹所に取り付け、ロウ付け等により接合することによって、チッピング、欠損の発生を防止し得るとともに、耐逃げ面摩耗性及び耐すくい面摩耗性(耐クレータ摩耗性)にすぐれた3層構造のcBN複合焼結体からなる本発明のcBN複合焼結体インサートを作製することができる。
cBN焼結体中のcBNは、きわめて硬質で、焼結材料中で分散相を形成し、そしてこの分散相によって耐摩耗性の向上が図られる。
しかし、cBN焼結体インサートにおけるcBN含有割合によって、逃げ面摩耗とすくい面摩耗(クレータ摩耗)に対する挙動が異なっていることから、インサートの位置に応じてcBN含有割合を変化させることが必要となってくる。
そして、インサートの逃げ面を構成する第1cBN焼結体層においては、cBN含有割合が60vol%を超えると耐逃げ面摩耗性が低下し、一方、cBN含有割合が40vol%より少なくなると、インサートの強度が低下してくることから、cBN含有割合は40〜60vol%とすることが必要である。
cBN焼結体インサートのすくい面を構成する第3cBN焼結体層においては、第1cBN焼結体層におけるcBN含有割合よりも、10vol%以上cBNを多く含有させることにより、耐すくい面摩耗性(耐クレータ摩耗性)を高める。
ただ、第3cBN焼結体層におけるcBN含有割合が多くなりすぎると、cBN焼結体の焼結性の低下による強度低下が生じることから、cBN含有割合は、最大でも80vol%とすることが望ましい。
cBN焼結体インサートの刃先稜線を構成する第2cBN焼結体層においては、第3cBN焼結体層におけるcBN含有割合よりも、さらに5vol%以上cBNを多く含有させることにより、刃先のチッピング発生、欠損発生を抑制する。
ただ、第3cBN焼結体層の場合と同等、cBN含有割合が多くなりすぎると、cBN焼結体の焼結性の低下による強度低下が生じることから、cBN含有割合は、最大でも85vol%とすることが望ましい。
また、第2cBN焼結体層がインサートの刃先稜線を構成するためには、少なくとも30μm以上の層厚が必要であるが、層厚が200μmを超えると逃げ面摩耗性を低下させるようになることから、第2cBN焼結体層の層厚は30〜200μmとする。好ましい第2cBN焼結体層の層厚は30〜100μmである。
しかし、例えば、Ti化合物(TiN、TiCNおよびTiCのうちから選ばれる1種又は2種以上)については、焼結性を向上させるとともに焼結体中で連続相を形成して強度を向上させる作用があるが、その配合割合が少なすぎては強度の向上を望むことはできず、一方その配合割合が多すぎると、相対的にcBNの含有量が少なくなり、すくい面摩耗(クレータ摩耗)などが生じやすくなることから、これらの観点からその配合量を定めることが望ましい。
(b) ついで、まず、第1原料粉末を、所定の層厚となるように秤量し、これを成形用金型内へ充填して1ton/cm2の加圧力で成形し、第1成形体を作製した。
(c) ついで、第2原料粉末を、所定の層厚が得られるように秤量し、これを成形用金型内の前記第1成形体の上面に充填し、1ton/cm2の加圧力で成形し、第1成形体と第2成形体からなる複合成形体を作製した。
(d) ついで、第3原料粉末を、所定の層厚が得られるように秤量し、これを成形用金型内の前記第1成形体と第2成形体からなる複合成形体の上面に充填し、3ton/cm2の加圧力で成形し、第1成形体、第2成形体および第3成形体からなる複合成形体を作製した。
(e) ついで、第1成形体、第2成形体および第3成形体からなる複合成形体を真空中1Pa、温度1000℃、保持時間30分の条件で真空焼結することにより、予備焼結体を作製した。
(f) ついで、前記予備焼結体を、WC基超硬合金からなる裏打ち材上に載置し、圧力5GPa、温度1500℃、保持時間30分の条件で超高圧高温処理し、一体焼結することによってcBN複合焼結体を作製した。
(g) ついで、前記cBN複合焼結体を、WC基超硬合金基体に形成した凹所に取り付け、950℃でAg−26質量%Cu−5質量%Ti系ろう材でろう付し、上下面および外周研磨およびホーニング処理を施すことにより、表2に示されるISO規格CNGA120408の本発明cBN複合焼結体インサート(以下、「本発明インサート」という)1〜3を作製した。
本発明インサート1〜7の各縦断面について、第1、第2、第3の各cBN焼結体層の厚さを、cBN焼結体の縦断面についての倍率200倍のSEM画像から測定した。
次に、各cBN焼結体層の倍率5,000倍のSEM画像を取得する。この際、各cBN焼結体層の境界付近ではなく、倍率200倍のSEM画像から測定した各cBN焼結体層の厚みの中心付近を観察する。取得したSEM画像を画像処理ソフトにて二値化し、cBN粒子の占める面積%を算出することでcBN含有量を求め、3視野について求めたcBN含有量の平均値を各cBN焼結体層のcBN含有量割合とした。
測定結果を表1に示す。
上記比較例インサート1、2は、実施例の前記工程(f),(g)と同様にして、作製した。
なお、上記比較例インサート1、2では、刃先稜線は、第2cBN焼結体層内に形成されている。
また、比較例インサート3は第1原料粉末を、所定の層厚となるように秤量し、これを成形用金型内へ充填して1ton/cm2の加圧力で成形し、第1成形体を作製し、ついで、第3原料粉末を、所定の層厚が得られるように秤量し、これを成形用金型内の前記第1成形体の上面に充填し、3ton/cm2の加圧力で成形し、第1成形体および第3成形体からなる複合成形体を作製し、ついで、第1成形体および第3成形体からなる複合成形体を真空中1Pa、温度1000℃、保持時間30分の条件で真空焼結することにより、予備焼結体を作製した。
即ち、比較例インサート4−6は、表2に示されるcBN含有割合となるように原料粉末を配合し、所定の層厚となるように秤量し、これを成形用金型内へ充填して3ton/cm2の加圧力で成形して成形体を作製し、ついで、この成形体を真空中1Pa、温度1000℃、保持時間30分の条件で真空焼結することにより、予備焼結体を作製した後、実施例の前記工程(f),(g)と同様にして、比較例インサート4−6を作製した。
また、インサートを構成する各層の層厚も、実施例と同様の測定方法によって求めた。
表2に、その結果を示す。
≪切削条件A≫
被削材:JIS・SCM415の長さ方向等間隔8本縦溝入り丸棒の乾式断続切削
切削速度:150 m/min
送り:0.2 mm/rev
切込み:0.2 mm
≪切削条件B≫
被削材:JIS・SCr420の丸棒の乾式外径連続切削
切削速度:150 m/min
送り:0.1 mm/rev
切込み:0.2 mm
表3に切削加工試験結果を示す。
その結果として、断続切削加工と連続切削加工ともに加工距離が長く、長時間加工可能である。
これに対して、比較例インサート1と2では第2cBN焼結体層の厚さが大きすぎるため、比較例1インサートでは第3cBN焼結体層の効果が得られず、工具寿命が短く、比較例2インサートでは第1cBN焼結体層の効果が得られず逃げ面摩耗が悪くなっており、工具寿命と耐逃げ面摩耗性が両立されていない。比較例インサート3−6においては、本発明インサートに比して、耐逃げ面摩耗性に劣るばかりか、欠損の発生により工具寿命が短いことが分かる。
Claims (1)
- 立方晶窒化硼素複合焼結体インサートにおいて、
(a)前記立方晶窒化硼素複合焼結体を、逃げ面を構成する第1立方晶窒化硼素焼結体層、刃先稜線を構成する第2立方晶窒化硼素焼結体層およびすくい面を構成する第3立方晶窒化硼素焼結体層の3層からなる複合焼結体として構成し、
(b)前記第1立方晶窒化硼素焼結体層は、立方晶窒化硼素の含有割合40〜60vol%である立方晶窒化硼素焼結体からなり、
(c)前記第3立方晶窒化硼素焼結体層は、前記第1立方晶窒化硼素焼結体層の立方晶窒化硼素の含有割合より少なくとも10vol%以上多い立方晶窒化硼素を含有し、
(d)前記第2立方晶窒化硼素焼結体層は、前記第3立方晶窒化硼素焼結体層の立方晶窒化硼素の含有割合よりさらに5vol%以上多い立方晶窒化硼素を含有し、かつ、第2立方晶窒化硼素焼結体層の厚さは、30〜200μmの範囲内であることを特徴とする立方晶窒化硼素複合焼結体インサート。
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