JP7204558B2

JP7204558B2 - 窒化硼素質焼結体、インサートおよび切削工具

Info

Publication number: JP7204558B2
Application number: JP2019060827A
Authority: JP
Inventors: 太志磯部; 亜寿紗飯盛
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2023-01-16
Anticipated expiration: 2039-03-27
Also published as: JP2020158361A

Description

本開示は、窒化硼素質焼結体、インサートおよび切削工具に関する。

窒化硼素質焼結体は、高い硬度を有する。その特性を利用して、粉砕部材や工具のインサートなどに用いられている。特許文献１には、立方晶窒化硼素を含有する窒化硼素質焼結体（窒化硼素多結晶体）が記載されている。

ＷＯ２０１８／０６６２６１

窒化硼素質焼結体は、高い硬度を有する一方で、欠けやすいため、耐衝撃性を向上させて、長寿命とすることが求められている。長寿命の窒化硼素質焼結体、インサートおよび切削工具を提供する。

本開示の窒化硼素質焼結体は、平均粒径が０．３μｍ以下の小粒子と、平均粒径が０．５μｍ以上、５０μｍ以下の大粒子とを有する。前記小粒子は、立方晶窒化硼素粒子と、圧縮型窒化硼素粒子およびウルツ型窒化硼素粒子のうち少なくとも一方とを有する。前記大粒子は、立方晶窒化硼素粒子である。前記小粒子のマトリックス中に、前記大粒子が離れて存在する。本開示のインサートは、上述のインサートを具備する。本開示の切削工具は、第１端から第２端に亘る長さを有し、前記第１端側にポケットを有するホルダと、前記ポケットに位置する上述の記載のインサートと、を備える。

本開示の窒化硼素質焼結体、インサートおよび切削工具は、長寿命である。

図１は、本開示の窒化硼質焼結体の一例を示す断面の模式図である。図２は、本開示のインサートの一例を示す斜視図である。図３は、本開示のインサートの他の例を示す斜視図である。図４は、本開示の切削工具の一例を示す正面図である。図５は、窒化硼素粒子の構成を説明する断面の模式図である。

以下、本開示の窒化硼素質焼結体、インサートおよび切削工具について、図面を用いて詳細に説明する。但し、以下で参照する各図は、説明の便宜上、必要な主要部分のみを簡略化して示したものである。
＜窒化硼素質焼結体＞
図１に本開示の窒化硼素質焼結体１の断面における模式図を示す。本開示の窒化硼素質焼結体１は、平均粒径が０．３μｍ以下の小粒子３と、平均粒径が０．５μｍ以上、５０μｍ以下の大粒子５とを有する。小粒子３は、立方晶窒化硼素粒子３ａを有する。また、小粒子３は、圧縮型窒化硼素粒子３ｂおよびウルツ型窒化硼素粒子３ｃのうち少なくとも一方と、を有する。図１においては、圧縮型窒化硼素粒子３ｂおよびウルツ型窒化硼素粒
子３ｃを有する例を記載した。大粒子５は、立方晶窒化硼素粒子５である。小粒子３のマトリックス中に、大粒子５が離れて存在する。言い換えると、大粒子５同士の間に小粒子３が位置している。なお、小粒子３のマトリックスは、小粒子３同士が複数、接触して構成される。

なお、図１においては、小粒子３および大粒子５形状として、球体である例を示したが図１はあくまでも模式図であり、窒化硼素粒子は、多角形状であってもよく、不定形状であってもよい。

本開示の窒化硼素質焼結体１は、このような構成を有することにより、高い耐衝撃性を有し、寿命が長い。窒化硼素質焼結体１に衝撃が加わると、窒化硼素質焼結体１に亀裂が生じる。この亀裂が進展することで破壊に至る。本開示の窒化硼素質焼結体１では、亀裂の進展が大粒子５によって抑制される。大粒子５の平均粒径が０．５μｍ未満であると、亀裂の進展を抑制する機能が小さい。大粒子５の平均粒径が５０μｍを超えると、窒化硼素質焼結体１の強度が低くなる。

なお、窒化硼素質焼結体１における、小粒子３および大粒子５の平均粒径は、鏡面研磨した窒化硼素質焼結体１の断面を電子顕微鏡（ＳＥＭまたはＴＥＭ）で観察することで測定することができる。具体的には、電子顕微鏡で撮影した画像データを画像ソフトＭａｃ－Ｖｉｅｗ（株式会社マウンテック製バージョン４）を用いて画像解析することで小粒子３および大粒子５の平均粒径を求める。

小粒子３の粒径は、１視野に大粒子３が５０～１００個入る倍率で撮影した画像を用いる。また、大粒子５の粒径は、１視野に大粒子５が５０～１００個入る倍率で撮影した画像を用いる。これらの画像を用いて、画像解析を行い、画像解析においては、小粒子３および大粒子５をそれぞれ５０個以上、測定する。

小粒子３の場合には、例えば、１視野が２μｍ^２となる領域で測定を行ってもよい。

粒子の検出と確定条件は、取得モードを非球形とし、検出感度は２０とする。また、検出確度は、標準（０．７）とした。粒子の操作条件において、走査密度は標準とし、走査回数は１回とする。そして、得られたデータから求めたＨｅｙｗｏｏｄ径を小粒子３および大粒子５の平均粒径とする。

また、小粒子３および大粒子５の面積率も、同様の条件で、Ｍａｃ－Ｖｉｅｗを用いて求める。

また、各結晶の特定は、立方晶窒化硼素についてはＪＣＰＤＳカードＮｏ．０１－０７５－６３８１を基礎とする。また、六方晶窒化硼素についてはＪＣＰＤＳカードＮｏ．００―０４５―０８９３を基礎とする。また、後述するウルツ型窒化硼素については、ＪＣＰＤＳカードＮｏ．００－０４９－１３２７を基礎とする。

本開示の窒化硼素質焼結体１は、断面において、大粒子５が２０～８０面積％を占めていてもよい。大粒子５の割合が２０面積％以上であり、４０体積％未満であると、窒化硼素質焼結体１の硬度が高い。大粒子５の割合が６０面積％以上であり、８０体積％未満であると、窒化硼素質焼結体１の強度が高い。大粒子５の割合が４０面積％以上であり、６０体積％未満であると、窒化硼素質焼結体１は、硬度と耐衝撃性のバランスに優れる。

本開示の窒化硼素質焼結体１は、上述の通り、大粒子５の割合を制御することで、硬度と耐衝撃性を制御することができる。

本開示の窒化硼素質焼結体１は、熱伝導率が、８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、１２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であってもよい。このような構成を有すると、上記の範囲の熱伝導率を有する材料が求められる用途に適用できる。例えば、熱伝導率が上記の範囲であれば、窒化硼素質焼結体１をインサートとして用いる場合にも十分に熱を排出することができる。また、１２０Ｗ／ｍ・Ｋを超えるような熱伝導率の高い焼結体に比べ、インサートの耐衝撃性が高い。その理由として、例えば、１２０Ｗ／ｍ・Ｋを超えるような焼結体に比べて、窒化硼素質焼結体１の温度が高いため、窒化硼素質焼結体１がわずかに変形しやすくなり、耐衝撃性が高い。

また、本開示の窒化硼素質焼結体１は、ヌープ硬度が、４０００ｋｇｆ以上、４３００ｋｇｆ以下であってもよい。このような構成を有すると、窒化硼素質焼結体１をインサートとして用いる場合にも十分な加工性を有する。
＜インサート＞
図２に本開示のインサート５１の一例を示す。図２の例では、インサート５１は、多角形状を有する本開示の窒化硼素質焼結体１である。

図３に本開示のインサート５１の他の例を示す。図３の例では、窒化硼素質焼結体１が超硬合金からなる基体５３に接合されている。基体５３は、インサート５１と合わせて多角形状となっている。図３の例では、インサート５１の角部のうち、一つに窒化硼素質焼結体１が位置しているが、複数の角部にそれぞれ窒化硼素質焼結体１を配置していてもよい。このような構成を有すると、インサートに占める比較的高価な窒化硼素質焼結体１の割合を小さくすることができる。

また、基体５３の上下面を貫く貫通孔５５を有していてもよい。このような構成を有すると、後述するホルダにインサート５１を固定しやすい。

窒化硼素質焼結体１と基体５３との間には、例えば、ＴｉやＡｇを含有する接合材（図示しない）が位置していてもよい。窒化硼素質焼結体１と基体５３とは、従来周知の接合法を用いて接合材を介して一体化することができる。
＜切削工具＞
次に、本開示の切削工具について図面を用いて説明する。

本開示の切削工具１０１は、図４に示すように、例えば、第１端（図４における上端）から第２端（図４における下端）に向かって延びる棒状体である。

切削工具１０１は、図４に示すように、第１端（先端）から第２端に亘る長さを有し、第１端側に位置するポケット１０３を有するホルダ１０５と、ポケット１０３に位置する上記のインサート１とを備えている。切削工具１０１は、インサート１を備えているため、長期に渡り安定した切削加工を行うことができる。

ポケット１０３は、インサート１が装着される部分であり、ホルダ１０５の下面に対して平行な着座面と、着座面に対して垂直であるか、または、傾斜する拘束側面とを有している。また、ポケット１０３は、ホルダ１０５の第１端側において開口している。

ポケット１０３にはインサート１が位置している。このとき、インサート１の下面がポケット１０３に直接に接していてもよく、また、インサート１とポケット１０３との間にシート（不図示）が挟まれていてもよい。

インサート１は、すくい面５及び逃げ面７が交わる稜線における切刃９として用いられ
る部分の少なくとも一部がホルダ１０５から外方に突出するようにホルダ１０５に装着される。本実施形態においては、インサート１は、固定ネジ１０７によって、ホルダ１０５に装着されている。すなわち、インサート１の貫通孔１７に固定ネジ１０７を挿入し、この固定ネジ１０７の先端をポケット１０３に形成されたネジ孔（不図示）に挿入してネジ部同士を螺合させることによって、インサート１がホルダ１０５に装着されている。

ホルダ１０５の材質としては、鋼、鋳鉄などを用いることができる。これらの部材の中で靱性の高い鋼を用いてもよい。

本実施形態においては、いわゆる旋削加工に用いられる切削工具を例示している。旋削加工としては、例えば、内径加工、外径加工及び溝入れ加工などが挙げられる。なお、切削工具としては旋削加工に用いられるものに限定されない。例えば、転削加工に用いられる切削工具に上記の実施形態のインサート５１を用いてもよい。
＜製造方法＞
以下に、本開示の窒化硼素質焼結体の製造方法について説明する。まず、原料粉末である窒化硼素質粉末を準備する。図５に、用いる窒化硼素粒子６１の断面図を示す。窒化硼素粉末６０は複数の窒化硼素粒子６１からなる。窒化硼素粒子６１の平均粒径は０．５～５０μｍである。図５においては、窒化硼素粒子６１を球体として記載したが、多角形状であってもよい。

窒化硼素粒子６１は、圧縮型窒化硼素６１ａである部分と、立方晶窒化硼素６１ｂである部分とを有している。すなわち、窒化硼素粒子６１は、一つの粒子中に、圧縮型窒化硼素６１ａである部分と、立方晶窒化硼素６１ｂである部分の両方を含有している。

図５に示す窒化硼素粒子６１は、窒化硼素粒子６１の中心部に立方晶窒化硼素６１ｂが存在し、窒化硼素粒子６１の表層部分に圧縮型窒化硼素６１ａが存在している。

以下に、窒化硼素粉末６０の製造方法について説明する。

まず、平均粒径が０．５～５０μｍの立方晶の窒化硼素粉末を準備する。次に、この立方晶窒化硼素粉末をＮ_２ガスやＡｒガスなどの非酸化性雰囲気中で、１４００～２２００℃の温度域で熱処理する。この熱処理する工程で、立方晶窒化硼素粉末の表面から立方晶窒化硼素が圧縮型窒化硼素に変化する。そして、窒化硼素粉末に含まれている立方晶窒化硼素の全てが圧縮型窒化硼素に相転移する前に熱処理を止めることで、本開示の窒化硼素粉末を製造することができる。

立方晶窒化硼素の少なくとも一部が圧縮型窒化硼素に相転移するために要する時間は、１４００℃であれば、４時間程度である。２２００℃であれば、３０分程度である。

原料粉末として、０．５～３０μｍ程度の平均粒径の立方晶の窒化硼素粉末を用いると、窒化硼素粉末の比表面積が比較的大きい。したがって、比較的、短い時間で圧縮型窒化硼素の割合を増加させることができる。

原料粉末として、３０μｍよりも大きい窒化硼素粉末を用いると、窒化硼素粉末の比表面積が比較的小さい。したがって、圧縮型窒化硼素の割合を増加させるためには比較的長い時間をかけるとよい。

このような熱処理工程により、圧縮型窒化硼素６１ａの割合を２０～８０％とする。次に、窒化硼素粉末６０を所望の方法により、成形し、１８００°以上、２３００℃以下の温度、７ＧＰａ以上、１０ＧＰａ以下の圧力で焼成することで、本開示の窒化硼素質焼結
体１を得ることができる。

原料として用いる、立方晶の窒化硼素粉末は、９９％以上の純度を有する高純度のものであってもよい。また、立方晶の窒化硼素粉末を製造する際に用いた触媒成分を含有するものであってもよい。９９％未満の純度の原料粉末を用いてもよい。

以上、本開示の窒化硼素質焼結体、インサートおよび切削工具について説明したが、上述の実施形態に限定されず、本開示の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行なってもよい。

平均粒径が、０．５～６０μｍの数種類の立方晶窒化硼素粉末を準備した。これらの立方晶窒化硼素粉末を１４００～２４００℃の温度で、０．５～４時間熱処理し、表面が六方晶窒化硼素であり、内部が立方晶窒化硼素である、窒化硼素粉末を得た。これらの窒化硼素粉末を成形し、表１に示す温度、圧力で焼成し、窒化硼素質焼結体を得た。

次に、これらの窒化硼素質焼結体の断面を鏡面研磨して、電子顕微鏡で微構造を観察した。そして、窒化硼素質焼結体に含まれる小粒子および大粒子の粒径、面積％を測定した。また、窒化硼素質焼結体の結晶相はＸ線回折で同定した。また、窒化硼素質焼結体のヌープ硬度、熱伝導率も求めた。これらの値を表１に示す。各結晶相については、存在が確認されたものを〇と表記し、存在が確認されなかったものを×と表記した。

なお、本開示の窒化硼素焼結体はいずれも、小粒子のマトリックス中に、大粒子が離れて位置していた。

表１において、大粒子の粒径が大きい試料は、大きい粒径の立方晶窒化硼素粒子を用いた。また、大粒子の面積割合が大きい試料は、上記の熱処理時間が短かった。これらの窒化硼素質焼結体をインサート形状に加工して、下記の条件で摩耗試験を行った。本開示の切削工具を用いたインサートは長寿命であった。
切削速度：２０ｍ／分
切込み：０．１ｍｍ
送り：０．１ｍｍ／ｒｅｖ

１・・・窒化硼素質焼結体
３・・・小粒子
３ａ・・立方晶窒化硼素粒子である小粒子
３ｂ・・圧縮型窒化硼素粒子である小粒子
３ｃ・・ウルツ型窒化硼素粒子である小粒子
５・・・大粒子
５１・・・インサート
５３・・・基体
６０・・・窒化硼素粉末
６１・・・窒化硼素粒子
６１ａ・・圧縮型窒化硼素
６１ｂ・・立方晶窒化硼素
１０１・・切削工具
１０３・・ポケット
１０５・・ホルダ

Claims

平均粒径が０．３μｍ以下の小粒子と、平均粒径が０．５μｍ以上、５０μｍ以下の大粒子とを有し、
前記小粒子は、立方晶窒化硼素粒子と、圧縮型窒化硼素粒子およびウルツ型窒化硼素粒子のうち少なくとも一方とを有し、
前記大粒子は、立方晶窒化硼素粒子であり、
前記小粒子のマトリックス中に、前記大粒子が離れて存在し、
断面において、前記大粒子の占める割合は２０面積％以上、８０面積％以下である、窒化硼素質焼結体。
前記窒化硼素質焼結体の熱伝導率は、８０Ｗ／ｍＫ以上、１２０Ｗ／ｍＫ以下である、請求項１に記載の窒化硼素質焼結体。
前記窒化硼素質焼結体のヌープ硬度は、４０００ｋｇｆ以上、４３００ｋｇｆ以下である、請求項１または２に記載の窒化硼素質焼結体。
請求項１～３のいずれか一つに記載の窒化硼素質焼結体を具備する、インサート。
基体に前記窒化硼素質焼結体が接合され、前記窒化硼素質焼結体が切削部である、請求項４に記載のインサート。
第１端から第２端に亘る長さを有し、前記第１端側にポケットを有するホルダと、
前記ポケットに位置する請求項４または請求項５に記載のインサートと、を備えた切削工具。