JP7400692B2

JP7400692B2 - 立方晶窒化硼素焼結体、及び、立方晶窒化硼素焼結体を有する工具

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Publication number: JP7400692B2
Application number: JP2020178755A
Authority: JP
Inventors: 雄一郎福島
Original assignee: Tungaloy Corp
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 2020-10-26
Filing date: 2020-10-26
Publication date: 2023-12-19
Anticipated expiration: 2040-10-26
Also published as: JP2022069859A

Description

本発明は、立方晶窒化硼素焼結体、及び、立方晶窒化硼素焼結体を有する工具に関する。

立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）は、ダイヤモンドに次ぐ高い硬度と優れた熱伝導性を持つ。また、立方晶窒化硼素は、ダイヤモンドに比べて鉄との親和性が低いという特徴を持つ。そのため、立方晶窒化硼素と、金属やセラミックスの結合相とからなる立方晶窒化硼素焼結体は、切削工具や耐摩耗工具などに用いられてきた。

焼結金属は成形性が高く、複雑な形状を有していることが多いため、工具によって加工した場合に、熱衝撃によって工具に欠損が生じ易い。また、焼結金属は硬質粒子を含むことがあるため、工具が摩耗し易い。そのため、焼結金属の加工には立方晶窒化硼素が用いられることが多く、特に、立方晶窒化硼素含有率の高い立方晶窒化硼素焼結体について多くの検討がなされている。

特許文献１には、周期律表の４ａ族および５ａ族金属の炭化物、窒化物、および炭窒化物、並びに周期律表の６ａ族金属の炭化物、さらにこれらの２種以上の固溶体のうちの１種または２種以上：１０～６０％、Ａｌの炭化物、窒化物、炭窒化物、および硼化物のうちの１種または２種以上：１～３０％、Ｎｉ、ＣｏおよびＦｅのうちの１種または２種以上：１～１０％、Ｐｄ、Ｒｕ、およびＲｈのうちの１種または２種以上：１～１０％、を含有し、残りが立方晶窒化硼素（ただし３０～９０容量％含有）と不可避不純物からなる組成（以上重量％）を有することを特徴とする切削工具用立方晶窒化硼素基超高圧焼結材料が開示されている。

特開昭５９－４１４４５号公報

焼結金属は、Ｃｒなどの硬質粒子を含む場合がある。この硬質粒子を含む焼結金属を、立方晶窒化硼素焼結体からなる工具によって加工した場合、結合相が立方晶窒化硼素よりも早期に摩耗するため、立方晶窒化硼素の粒子が脱落し、工具の耐摩耗性が低下するという問題があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、耐摩耗性及び耐欠損性に優れた立方晶窒化硼素焼結体及びそれを用いた工具を提供することを目的とする。

本発明の要旨は、以下の通りである。
（１）立方晶窒化硼素と結合相とを含む立方晶窒化硼素焼結体であって、
前記立方晶窒化硼素の含有量が、８０．０体積％以上９９．０体積％以下であり、前記結合相の含有量が、１．０体積％以上２０．０体積％以下であり、
前記結合相が、Ｗ_２Ｃｏ_２１Ｂ_６を含み、
前記結合相が、Ｒｕ及び／又はＲｈを含み、
前記結合相に含まれるＷ_２Ｃｏ_２１Ｂ_６の（４２０）面のＸ線回折ピーク強度をＩ_１、前記立方晶窒化硼素の（１１１）面のＸ線回折ピーク強度をＩ_２としたときに、以下の式（１）を満たす、立方晶窒化硼素焼結体。
０．１≦ Ｉ_１／Ｉ_２ ≦１．０ …（１）

（２）前記結合相に含まれるＷ_２Ｃｏ_２１Ｂ_６の（４２０）面のＸ線回折測定におけるピーク位置（２θ）が、３６．０°以上３８．１°未満である、（１）に記載の立方晶窒化硼素焼結体。

（３）前記結合相が、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、ＣｏおよびＡｌからなる群から選択される少なくとも１種の金属を含むか、または、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、ＣｏおよびＡｌからなる群から選択される少なくとも１種の金属と、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群から選択される少なくとも１種の元素との化合物を含む、（１）又は（２）に記載の立方晶窒化硼素焼結体。

（４）（１）から（３）のうちいずれかに記載の立方晶窒化硼素焼結体を含む工具。

本発明によれば、耐摩耗性及び耐欠損性に優れた立方晶窒化硼素焼結体及びそれを用いた工具を提供することができる。

立方晶窒化硼素燒結体を切刃チップとして用いた工具の斜視図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体は、立方晶窒化硼素と結合相とを含む。立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）の含有量は、８０．０体積％以上９９．０体積％以下であり、好ましくは、８５．０体積％以上９５．０体積％以下である。結合相の含有量は、１．０体積％以上２０．０体積％以下であり、好ましくは、５．０体積％以上１５．０体積％以下である。

立方晶窒化硼素の含有量が８０．０体積％以上であると、高い硬度を有する立方晶窒化硼素の割合が高くなるため、耐摩耗性に優れた立方晶窒化硼素焼結体が得られる。一方、立方晶窒化硼素の含有量が９９．０体積％以下であると、後述する結合相の効果が発揮されるため、立方晶窒化硼素焼結体の靭性が向上する。その結果、耐欠損性に優れた立方晶窒化硼素焼結体が得られる。立方晶窒化硼素焼結体に含まれる立方晶窒化硼素および結合相の含有量（体積％）は、例えば、立方晶窒化硼素焼結体の任意の断面をＳＥＭで撮影し、撮影した画像を市販の画像解析ソフトで解析することで求めることができる。

本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体において、結合相は、Ｗ_２Ｃｏ_２１Ｂ_６を含む。結合相に含まれるＷ_２Ｃｏ_２１Ｂ_６の（４２０）面のＸ線回折ピーク強度をＩ_１、立方晶窒化硼素の（１１１）面のＸ線回折ピーク強度をＩ_２としたときに、強度比Ｉ_１／Ｉ_２が以下の式（１）を満たす。
０．１≦ Ｉ_１／Ｉ_２ ≦１．０ …（１）

強度比Ｉ_１／Ｉ_２が０．１以上であると、結合相の効果が得られやすくなるため、立方晶窒化硼素焼結体の靭性が向上する。その結果、耐欠損性に優れた立方晶窒化硼素焼結体が得られる。一方、強度比Ｉ_１／Ｉ_２が１．０以下であると、相対的に立方晶窒化硼素の割合が高くなるため、耐摩耗性に優れた立方晶窒化硼素焼結体が得られる。強度比Ｉ_１／Ｉ_２の大きさは、例えば、立方晶窒化硼素焼結体を製造する際の焼結温度によって制御することが可能である。焼結温度が大きくなると、強度比Ｉ_１／Ｉ_２が大きくなる傾向がある。

本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体において、結合相は、Ｒｕ（ルテニウム）及び／又はＲｈ（ロジウム）を含む。結合相がＲｕ及び／又はＲｈを含むと、Ｗ_２Ｃｏ_２１Ｂ_６へのＲｕ及び／又はＲｈの固溶が生じるため、固溶硬化によって結合相の硬さが向上するという効果が得られる。結合相にＲｕ及び／又はＲｈが含まれるかどうかは、例えば、エネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）で検出されるか否かで確認することができる。

本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体において、結合相に含まれるＷ_２Ｃｏ_２１Ｂ_６の（４２０）面のＸ線回折測定におけるピーク位置（２θ）は、３６．０°以上３８．１°未満であることが好ましい。Ｘ線回折測定において、Ｗ_２Ｃｏ_２１Ｂ_６の（４２０）面のピーク位置（２θ）が３６．０°以上３８．１°未満であると、余剰のＲｕ及び／又はＲｈの析出が抑制される傾向がある。その結果、Ｗ_２Ｃｏ_２１Ｂ_６へのＲｕ及び／又はＲｈの固溶が促進される傾向があるため、固溶硬化によって結合相の硬さが向上する効果がより顕著に得られる。Ｗ_２Ｃｏ_２１Ｂ_６の（４２０）面のピーク位置（２θ）は、例えば、立方晶窒化硼素焼結体の原料に含まれるＲｕ、Ｒｈ、及びＣｏの配合比率によって制御することが可能である。配合比率（（Ｒｕ＋Ｒｈ）／Ｃｏ）が大きくなると、Ｗ_２Ｃｏ_２１Ｂ_６の（４２０）面のピーク位置（２θ）が低角度側にシフトする傾向がある。

本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体において、結合相は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、ＣｏおよびＡｌからなる群から選択される少なくとも１種の金属を含むことが好ましい。または、結合相は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、ＣｏおよびＡｌからなる群から選択される少なくとも１種の金属と、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群から選択される少なくとも１種の元素との化合物を含むことが好ましい。結合相がこれらの金属または化合物を含む場合、立方晶窒化硼素と結合相との反応焼結が促進されるため、耐摩耗性及び耐欠損性に優れた立方晶窒化硼素焼結体が得られる。結合相に含まれる化合物の例として、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＢ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、及び、ＡｌＮなどを挙げることができる。結合相に含まれる化合物の組成は、例えば、Ｘ線回折測定によって同定することができる。

本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体は、立方晶窒化硼素及び結合相以外の他の成分を含有してもよい。例えば、立方晶窒化硼素焼結体は、原料に不可避的に含まれる不純物を含有してもよい。このような不純物の例としては、原料粉末に含まれるリチウムなどが挙げられる。通常、不可避的不純物の含有量は、焼結体全体に対して１質量％以下である。したがって、不可避的不純物が、焼結体の特性に影響を及ぼすことはほとんどない。

本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体の表面には、被覆層が形成されてもよい。立方晶窒化硼素焼結体の表面に被覆層が形成されることによって、立方晶窒化硼素焼結体の耐摩耗性がさらに向上する。

被覆層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、ＡｌおよびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素との化合物を含んでもよい。被覆層は、単層でもよく、２層以上を含む積層構造を有してもよい。

被覆層に含まれる化合物の例として、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＳｉＮ、及び、ＣｒＡｌＮなどを挙げることができる。被覆層は、組成が異なる複数の層を交互に積層した構造を有してもよい。この場合、各層の平均の厚みは、例えば５ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましい。

立方晶窒化硼素焼結体の表面に被覆層を形成する方法は、特に限定されない。被覆層を形成する方法の例として、イオンプレーティング法、アークイオンプレーティング法、スパッタ法、イオンミキシング法などの物理蒸着法を挙げることができる。これらの中でもアークイオンプレーティング法が好ましい。この方法で被覆層を形成すると、被覆層と立方晶窒化硼素焼結体との密着性が向上する。

図１は、本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体を切刃チップとして用いた工具の一例を示す斜視図である。図１に示すように、工具１０は、略菱形の平板状に形成された超硬合金製の基体１２を有する。基体１２の２つの角部１６ａ、１６ｂには、本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体からなる切刃チップ１４が、それぞれろう付けによって接合されている。基体１２の中央部には、基体１２を厚さ方向に貫通するように取付穴１８が形成されている。この取付穴１８によって、基体１２及び切刃チップ１４からなる工具１０を、加工装置のホルダ等に取り付けることができる。

本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体を切刃チップとして用いた工具は、耐欠損性及び耐摩耗性に優れており、焼結金属用切削工具として特に好ましく用いることができる。本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体を用いることのできる工具の例としては、フライス加工用または旋削加工用の刃先交換型切削インサート、ドリル、及びエンドミルなどを挙げることができる。

以下、本発明の実施例について詳細に説明する。
［原料粉末の調製］
ｃＢＮ粉末（平均粒径３．０μｍ）、Ａｌ粉末（平均粒径２．５μｍ）、Ｃｏ粉末（平均粒径１．０μｍ）、ＷＣ粉末（平均粒径１．０μｍ）、ＴｉＮ粉末（平均粒径１．０μｍ）、Ｃｒ_２Ｎ粉末（平均粒径１．５μｍ）、Ｒｕ粉末（平均粒径１．０μｍ）、及びＲｈ粉末（平均粒径１．０μｍ）を、超硬合金製ボールとヘキサン溶媒とパラフィンとともにボールミル用のシリンダーに入れて混合した。各粉末の混合比率は、以下の表１の通りである。原料粉末に含まれるＲｕ、Ｒｈ、及びＣｏの配合比率（Ｒｕ＋Ｒｈ）／Ｃｏは、以下の表２の通りである。なお、原料粉末の平均粒径は、米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）規格Ｂ３３０に記載のフィッシャー法（Fisher Sub-Sieve Sizer（FSSS））により測定されたものである。

［立方晶窒化硼素焼結体の製造］
つぎに、ボールミルで混合した原料粉末を、Ｚｒ製の高融点金属カプセル内に充填し、粉末の表面に吸着している水分及び酸素を除去するため、カプセルを開放したまま真空熱処理を行った。その後、カプセルを密封し、カプセルに充填されている原料粉末を、温度：１３００～１５００℃、圧力：４．０～６．０ＧＰａで、３０分保持して焼結させることで立方晶窒化硼素焼結体を製造した。原料粉末の焼結条件を、以下の表３に示す。

［測定・分析］
立方晶窒化硼素焼結体に含まれるｃＢＮ及び結合相の割合（体積％）を、上述のＳＥＭ画像を用いた方法によって測定した。具体的には、ｃＢＮ焼結体の断面組織の反射電子像をＳＥＭによって１，０００～１０，０００倍程度で撮影し、撮影した写真の画像解析により得られる面積比から、ｃＢＮ及び結合相の含有率（体積％）を求めた。また、結合相の組成を、ＸＲＤによって測定した。さらに、結合相にＲｕ及び／又はＲｈが含まれるかどうかを、ＥＤＳ分析によって確認した。これらの測定・分析結果を、以下の表４に示す。

［ＸＲＤ測定］
結合相に含まれるＷ_２Ｃｏ_２１Ｂ_６の（４２０）面のＸ線回折ピーク強度Ｉ_１を測定した。また、立方晶窒化硼素の（１１１）面のＸ線回折ピーク強度Ｉ_２を測定した。これらの測定結果より、ピーク強度比Ｉ_１／Ｉ_２を計算した。さらに、結合相に含まれるＷ_２Ｃｏ_２１Ｂ_６の（４２０）面のＸ線回折測定におけるピーク位置（２θ）を求めた。これらの測定結果を、以下の表５に示す。表５において、「－」はピークが存在しなかったことを示しており、この場合には、ピーク強度を０として扱っている。

なお、結合相に含まれるＷ_２Ｃｏ_２１Ｂ_６の（４２０）面のＸ線回折ピーク強度Ｉ_１及び立方晶窒化硼素の（１１１）面のＸ線回折ピーク強度Ｉ_２は、市販のＸ線回折装置を用いることにより、測定することができる。例えば、株式会社リガク製のＸ線回折装置（型式：ＲＩＮＴＴＴＲＩＩＩ）を用いて測定することができる。測定方法としては、Ｃｕ－Ｋα線による２θ／θ集中法光学系を用いることができる。測定条件は、例えば、以下の通りである。
出力：５０ｋＶ、２５０ｍＡ、
入射側ソーラースリット：５°、
発散縦スリット：１／２°、
発散縦制限スリット：１０ｍｍ、
散乱スリット：２／３°、
受光側ソーラースリット：５°、
受光スリット：０．１５ｍｍ、
ＢＥＮＴモノクロメータ、
受光モノクロスリット：０．８ｍｍ、
サンプリング幅：０．０２°、
スキャンスピード：２°／分、
２θ測定範囲：３０～５０°

上記の条件でＸ線回折測定を行うことにより、各結晶面のピーク強度を測定することができる。Ｘ線回折図形から各結晶面のピーク強度を求めるときに、Ｘ線回折装置に付属した解析ソフトウェアを用いてもよい。解析ソフトウェアでは、三次式近似を用いてバックグラウンド処理及びＫα２ピーク除去を行い、Ｐｅａｒｓｏｎ－ＶＩＩ関数を用いてプロファイルフィッティングを行うことによって、各ピーク強度を求めることができる。

［工具の作製］
上記で得られた立方晶窒化硼素焼結体を、放電加工機により、工具形状に合わせて切り出した。切り出した焼結体を、超硬合金からなる基体にろう付けによって接合した。これにより、基体及び切刃チップからなる工具を作製した。工具は、ＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８で定められた形状とした。

［切削試験］
作製した工具を用いて、以下の条件で切削試験を行い、工具の耐欠損性および耐摩耗性を評価した。試験結果を以下の表６に示す。
（試験条件）
被削材：ＳＭＦ４０４０焼結金属、
被削材形状：丸棒、
加工方法：外径旋削、
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．１０ｍｍ／ｒｅｖ、
切り込み深さ：０．１０ｍｍ、
クーラント：使用、
性能判定基準：工具が欠損または逃げ面摩耗幅が０．１５ｍｍに至ったときを工具寿命とし、工具寿命までの加工時間を測定した。

表６に示す結果から分かる通り、発明品１～１１の工具は、比較例１～６の工具よりも耐摩耗性及び耐欠損性に優れており、工具寿命が長かった。

１０工具
１２基体
１４切刃チップ

Claims

立方晶窒化硼素と結合相とを含む立方晶窒化硼素焼結体であって、
前記立方晶窒化硼素の含有量が、８０．０体積％以上９９．０体積％以下であり、前記結合相の含有量が、１．０体積％以上２０．０体積％以下であり、
前記結合相が、Ｗ_２Ｃｏ_２１Ｂ_６を含み、
前記結合相が、立方晶窒化硼素焼結体を１００重量％として、０．１重量％以上のＲｕ及び／又は１．０重量％以上のＲｈを含み、
前記結合相に含まれるＷ_２Ｃｏ_２１Ｂ_６の（４２０）面のＸ線回折ピーク強度をＩ_１、前記立方晶窒化硼素の（１１１）面のＸ線回折ピーク強度をＩ_２としたときに、以下の式（１）を満たし、
前記結合相に含まれるＷ _２Ｃｏ _２１Ｂ _６の（４２０）面のＸ線回折測定におけるピーク位置（２θ）が、３６．０°以上３８．１°未満である、立方晶窒化硼素焼結体。
０．１≦ Ｉ_１／Ｉ_２ ≦１．０ …（１）
前記結合相に含まれるＷ_２Ｃｏ_２１Ｂ_６の（４２０）面のＸ線回折測定におけるピーク位置（２θ）が、３６．０°以上３７．８０°以下である、請求項１に記載の立方晶窒化硼素焼結体。
前記結合相が、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、ＣｏおよびＡｌからなる群から選択される少なくとも１種の金属を含むか、または、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、ＣｏおよびＡｌからなる群から選択される少なくとも１種の金属と、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群から選択される少なくとも１種の元素との化合物を含む、請求項１又は請求項２に記載の立方晶窒化硼素焼結体。
請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の立方晶窒化硼素焼結体を含む工具。