JP7539492B2 - インサートおよび切削工具 - Google Patents

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Description

本開示は、インサートおよび切削工具に関する。
窒化硼素焼結体は、高い硬度を有する。その特性を利用して、窒化硼素焼結体は、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焼結体が記載されている。また、特許文献１には、ウルツ型窒化硼素を含有するとともに、立方晶窒化硼素の（１１１）面のＸ線回折強度Ｉ（１１１）に対する、立方晶窒化硼素の（２２０）面のＸ線回折強度Ｉ（２２０）の比Ｉ（２２０）／Ｉ（１１１）が０．１未満である配向面を備える、立方晶窒化硼素複合多結晶体が記載されている。言い換えると、この立方晶窒化硼素複合多結晶体における配向面においては、Ｉ（１１１）がＩ（２２０）の１０倍以上である。すなわち、配向面においては、（１１１）面が強く配向しているといえる。この立方晶窒化硼素複合多結晶体は、原料として配向したｐＢＮを用いて得られるものである。また、比較例として六方晶窒化硼素を含む場合には、立方晶窒化硼素が配向面においては、（１１１）面が強く配向していても、摩耗量が大きく、切削工具としての性能が劣ることが記載されている。
特許第５９２９６５５号公報
本開示の一態様によるインサートは、第１面と、第２面と、第１面および第２面との稜部の少なくとも一部に位置する切刃とを有する窒化硼素焼結体を具備する。窒化硼素焼結体は、立方晶窒化硼素と圧縮型窒化硼素とを含有する。第１面に垂直な窒化硼素焼結体の断面に対する、透過型Ｘ線回折において、第１面に垂直な方向における、立方晶窒化硼素の１１１回折のピークの頂点におけるＸ線強度をＩｃＢＮ（１１１）ｖとし、圧縮型窒化硼素の００２回折のピークの頂点におけるＸ線強度をＩｈＢＮ（００２）ｖとし、第１面に平行な方向における、立方晶窒化硼素の１１１回折のピークの頂点におけるＸ線強度をＩｃＢＮ（１１１）ｈとし、圧縮型窒化硼素の００２回折のピークの頂点におけるＸ線強度をＩｈＢＮ（００２）ｈとする。（ＩｈＢＮ（００２）ｖ＋ＩｈＢＮ（００２）ｈ）／（ＩｃＢＮ（１１１）ｖ＋ＩｃＢＮ（１１１）ｈ）で示される圧縮型窒化硼素含有値は、０．００２よりも大きく、０．０１よりも小さい。ＩｃＢＮ（１１１）ｖ／（ＩｃＢＮ（１１１）ｖ＋ＩｃＢＮ（１１１）ｈ）で示される立方晶配向値は、０．５よりも大きい。ＩｈＢＮ（００２）ｖ／（ＩｈＢＮｖ（００２）＋ＩｈＢＮ（００２）ｈ）で示される圧縮型窒化硼素配向値は、立方晶配向値よりも大きい。また、窒化硼素焼結体の第１面に対して垂直な方向におけるビッカース硬度は、１０００℃において４０．０ＧＰａ以上である。
本開示の一態様による切削工具は、第１端から第２端に亘る長さを有し、第１端側にポケットを有するホルダと、ポケットに位置する上述のインサートと、を備える。
図１は、本開示のインサートの一例を示す斜視図である。 図２は、本開示のインサートの他の例を示す斜視図である。 図３は、本開示の切削工具の一例を示す図である。 図４は、高温硬度測定の結果を示すグラフである。
以下に、本開示によるインサートおよび切削工具を実施するための形態（以下、「実施形態」と記載する）について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施形態により本開示が限定されるものではない。また、各実施形態は、処理内容を矛盾させない範囲で適宜組み合わせることが可能である。また、以下の各実施形態において同一の部位には同一の符号を付し、重複する説明は省略される。
また、以下に示す実施形態では、「一定」、「直交」、「垂直」あるいは「平行」といった表現が用いられる場合があるが、これらの表現は、厳密に「一定」、「直交」、「垂直」あるいは「平行」であることを要しない。すなわち、上記した各表現は、例えば製造精度、設置精度などのずれを許容するものとする。
また、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。
窒化硼素焼結体からなるインサートが知られている。この種のインサートには、耐摩耗性を向上させるという点でさらなる改善の余地がある。
＜インサート＞
図１に本開示のインサート１の一例を示す。図１に示す例において、インサート１は、多角形状の窒化硼素焼結体３である。図２に本開示のインサート１の他の例を示す。図２には、窒化硼素焼結体３がたとえば超硬合金からなる基体５に接合される例を示している。基体５は、窒化硼素焼結体３と合わせて多角形状のインサートとなっている。このような構成を有すると、インサート１に占める比較的高価な窒化硼素焼結体３の割合を小さくすることができる。図２に示す例では、インサート１が有する複数の角部のうち、一つに窒化硼素焼結体３が位置している。これに限らず、インサート１が有する複数の角部のうち、二つ以上に窒化硼素焼結体３が位置していてもよい。
窒化硼素焼結体３と基体５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。窒化硼素焼結体３と基体５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。
窒化硼素焼結体３は、第１面７と第２面９とを有している。図１および図２に示す例において、第１面７はインサート１の上面であり、第２面はインサート１の側面である。また、図１および図２に示す例において、第１面７はすくい面に相当し、第２面９は逃げ面に相当する。以後、第１面７をすくい面７ということがある。また、第２面９を逃げ面９ということがある。インサート１は、第１面７と第２面９との稜部の少なくとも一部に切刃１３を有している。
本開示のインサート１における窒化硼素焼結体３は、立方晶窒化硼素と、圧縮型窒化硼素とを含有する。
窒化硼素焼結体３における第１面７に垂直な断面に対する、透過型Ｘ線回折において、得られたデータのうち、第１面７に垂直な方向における、立方晶窒化硼素の１１１回折のＸ線強度をＩｃＢＮ（１１１）ｖとする。また、第１面７に垂直な方向における、圧縮型窒化硼素の００２回折のＸ線強度をＩｈＢＮ（００２）ｖとする。また、窒化硼素焼結体３における第１面７に垂直な断面に対する、透過型Ｘ線回折において、得られたデータのうち、第１面７に平行な方向における、立方晶窒化硼素の１１１回折のＸ線強度をＩｃＢＮ（１１１）ｈとする。また、第１面７に平行な方向における、圧縮型窒化硼素の００２回折のＸ線強度をＩｈＢＮ（００２）ｈとする。
なお、上記の各面の特定は、立方晶窒化硼素についてはＪＣＰＤＳカードＮｏ．０１－０７５－６３８１を基礎とした。また、圧縮型窒化硼素についてはＪＣＰＤＳカードＮｏ．１８－２５１を基礎とした。六方晶窒化硼素についてはＪＣＰＤＳカードＮｏ．００―０４５―０８９３を基礎とした。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を基礎とした。
透過型Ｘ線回折は、例えば、株式会社リガク製の湾曲ＩＰＸ線回折装置ＲＩＮＴ ＲＡＰＩＤ２を用いて行うとよい。
上記の各Ｘ線強度を元に得られる（ＩｈＢＮ（００２）ｖ＋ＩｈＢＮ（００２）ｈ）／（Ｉ（１１１）ｖ＋ＩｃＢＮ（１１１）ｈ）を圧縮型窒化硼素含有値という。圧縮型窒化硼素含有値は、窒化硼素焼結体３に含まれる圧縮型窒化硼素の量と関連する指標である。この値が大きいほど、窒化硼素焼結体３に含まれる圧縮型窒化硼素の量が多い。圧縮型窒化硼素含有値は、含有量そのものではない。
本開示のインサート１における窒化硼素焼結体３は、圧縮型窒化硼素含有値が０．００２よりも大きく、０．０１よりも小さい。すなわち、本開示のインサート１のおける窒化硼素焼結体３は、この条件を満たす程度に圧縮型窒化硼素を含有している。
また、上記の各Ｘ線強度を元に得られるＩｃＢＮ（１１１）ｖ／（ＩｃＢＮ（１１１）ｖ＋ＩｃＢＮ（１１１）ｈ）を立方晶配向値という。立方晶配向値が０．５であると、立方晶窒化硼素の１１１面はランダムな方向を向いており、無配向な状態である。立方晶配向値が大きいほど、窒化硼素焼結体３に含まれる立方晶窒化硼素の１１１面が第１面７と平行に配向する度合いが大きい。
本開示のインサート１における窒化硼素焼結体３は、立方晶配向値が、０．５よりも大きい。言い換えると、垂直方向における立方晶窒化硼素の１１１回折のピークの頂点におけるＸ線強度は、平行方向における立方晶窒化硼素の１１１回折のピークの頂点におけるＸ線強度よりも大きい。すなわち、立方晶窒化硼素の１１１面は、第１面７の法線方向に沿って配向しているともいえる。
上記の各Ｘ線強度を元に得られるＩｈＢＮ（００２）ｖ／（ＩｈＢＮ（００２）ｖ＋ＩｈＢＮ（００２）ｈ）を圧縮型窒化硼素配向値という。圧縮型窒化硼素配向値が０．５であると、圧縮型窒化硼素の００２面はランダムな方向を向いており、無配向な状態である。圧縮型窒化硼素配向値が、大きいほど、窒化硼素焼結体３に含まれる圧縮型窒化硼素の００２面が、第１面７と平行に配向する度合いが大きい。
本開示のインサート１における窒化硼素焼結体３は、圧縮型窒化硼素配向値が、立方晶配向値よりも大きい。すなわち、圧縮型窒化硼素の００２面は、立方晶窒化硼素の１１１面よりも、第１面７と平行に配向する度合いが大きい。
本開示のインサート１は、上述の構成を有することにより、優れた耐摩耗性を有する。この効果は、本開示のインサート１が、少量の圧縮型窒化硼素を含有し、さらに、第１面において圧縮型窒化硼素の００２面が多く配向していることから、第１面に溶着した被削物が圧縮型窒化硼素とともに剥離されることによるものと推測される。
本開示のインサート１における窒化硼素焼結体３は、圧縮型窒化硼素含有値が、０．００４以上、０．００８以下であってもよい。このような構成を有すると、インサート１の硬度が高い。
また、本開示のインサート１における窒化硼素焼結体３は、立方晶配向値が、０．５５以上であってもよい。このような構成を有すると、第１面７における硬度が高い。
また、本開示のインサート１における窒化硼素焼結体３は、圧縮型窒化硼素配向値が、０．８以上であってもよい。このような構成を有すると、インサート１の寿命が長い。
また、本開示のインサート１における窒化硼素焼結体３は、ウルツ型窒化硼素を含有していてもよい。このような構成を有する窒化硼素焼結体３は硬度が高い。
また、本開示のインサート１は、立方晶窒化硼素の平均粒径が、２００ｎｍ以下であってもよい。このような構成を有すると、インサート１の強度が高い。なお、立方晶窒化硼素の平均粒径は、１００ｎｍ以下であってもよい。
また、本開示のインサート１は、窒化硼素焼結体３の表面に硬質被覆層（図示しない）を有していてもよい。
＜ビッカース硬度＞
本開示のインサート１において、窒化硼素焼結体３の第１面７に対して垂直な方向におけるビッカース硬度は、１０００℃において４０．０ＧＰａ以上である。
また、窒化硼素焼結体３の第１面７に対して垂直な方向におけるビッカース硬度は、７００℃において４５．０ＧＰａより大きい。
また、窒化硼素焼結体３の第１面７に対して垂直な方向におけるビッカース硬度は、４００℃において４７．０ＧＰａより大きい。
このように、本開示のインサート１は、高温で高い硬度を有するため、高温切削時の耐摩耗性に優れる。
＜切削工具＞
次に、本開示の切削工具について図３を参照して説明する。図３は、本開示の切削工具の一例を示す図である。
本開示の切削工具１０１は、図３に示すように、例えば、第１端（図３における上端）から第２端（図３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３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（図示しない）が挟まれていてもよい。
インサート１は、すくい面７及び逃げ面９が交わる稜部における切刃１３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、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５５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（図示しない）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１を用いてもよい。
＜製造方法＞
以下に、本開示のインサートにおける窒化硼素焼結体の製造方法について説明する。まず、原料粉末である扁平形状の六方晶窒化硼素粉末を準備する。平均粒径は０．７μｍ以上で、市販の原料のうち酸素不純物量が０．５質量％未満のものを使用する。六方晶窒化硼素粉末の平均粒径とは、電子顕微鏡で測定した窒化硼素粉末の長軸方向の長さの平均値を意味する。六方晶窒化硼素粉末は、平均粒径が、０．２μｍ以上、３０μｍ以下であってもよい。六方晶窒化硼素粉末は、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る触媒成分を含有するものであってもよい。また、９９％未満の純度の原料粉末を用いてもよい。
原料粉末の成形は一軸プレスにて行い、成形時の圧力を制御することで、焼成後の立方晶配向値および圧縮型窒化硼素配向値を制御することができる。一軸プレスで成形するときに扁平な六方晶窒化硼素粉末が配向し、六方晶窒化硼素粉末の００２面がプレスの加圧軸方向と垂直になるように配向する。一軸プレスの際に、同一の成形体に繰り返し、圧力を加えるように行うと成形体における六方晶窒化硼素粉末の配向性が高い。
次に、上記方法で作製した成形体を、１８００～２２００度の温度、８～１０ＧＰａの圧力で焼成することで、本開示の窒化硼素焼結体を得ることができる。窒化硼素焼結体に含まれる圧縮型窒化硼素の割合は、焼成時の温度と圧力により、制御することができる。
以上、本開示の窒化硼素焼結体、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、０．３μｍ、６μｍ、１６μｍで、酸素不純物量が０．３質量％の扁平形状の六方晶窒化硼素粉末を一軸プレスで成形し、成形体を得た。また、同じ六方晶窒化硼素粉末を等圧加圧して成形体を作製した。これらの成形体を表１に示す条件で焼成した。
次に、得られた焼結体を、焼結体の第１面に垂直な方向に切断し、第１面に対して直角に交わる面を有する厚さ約０．５ｍｍの試験片を作製した。この試験片の第１面に垂直な断面を基準として、株式会社リガク製の湾曲ＩＰＸ線回折装置ＲＩＮＴ ＲＡＰＩＤ２を用いて圧縮型窒化硼素含有値、立方晶配向値、圧縮型窒化硼素配向値を求めた。得られた各値を表１に示す。
Figure 0007539492000001
さらに、得られた焼結体の一部を切り出し、インサートを作製した。このインサートの第１面をすくい面として切削試験を行った。以下に切削試験の条件を示す。
＜切削試験の条件＞
被削材：Ｔｉ合金（Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ）
切削条件：Ｖｃ＝１００ｍ／ｍｉｎ、ｆ＝０．１ｍｍ／ｒｅｖ、ａｐ＝０．４ｍｍ、Ｗｅｔ
使用工具：ＣＮＧＡ１２０４０８
等圧成形した成形体から得られた試料である試料Ｎｏ．１～３、７、１１、１５は、いずれも、本開示のインサートにおける窒化硼素焼結体の構成を有していない。また、１軸加圧した成形体を用いた場合であっても、焼成温度が２１００℃であり、焼成圧力が１１ＧＰａの試料Ｎｏ．８～１０では、圧縮型窒化硼素が含まれていなかった。１軸加圧した成形体を用いて、焼成温度が２３００℃であり、焼成圧力が７．７ＧＰａの試料Ｎｏ．１６では、圧縮型窒化硼素を含有していたが、圧縮型窒化硼素配向値が立方晶配向値よりも小さかった。
一方、一軸プレスで成形した試料のうち、試料Ｎｏ．４～６、１２～１４は、圧縮型窒化硼素含有値が０．００５よりも小さく、立方晶配向値が０．５よりも大きく、圧縮型窒化硼素配向値が立方晶配向値よりも大きく、長寿命であった。なお、試料Ｎｏ．４～６、１２～１４の立方晶窒化硼素の平均粒径は、いずれも２００ｎｍ以下であった。特に、平均粒径が小さい原料粉末を用いた試料Ｎｏ．４および試料Ｎｏ．１２の平均粒径は、１００ｎｍ以下であった。
立方晶配向値が０．５５以上である試料Ｎｏ．５、６、１２、１３、１４は、立方晶配向値が０．５５未満である試料Ｎｏ．４よりも長寿命であった。圧縮型窒化硼素配向値が０．８以上である、試料Ｎｏ．１３、１４は、圧縮型窒化硼素配向値が０．８未満の試料Ｎｏ．１２よりも長寿命であった。
本開示のインサートの構成要件を満たさない試料は、本開示のインサートである試料Ｎｏ．４～６、１２～１４よりも寿命が短かった。
＜高温硬度測定＞
平均粒径が、０．３μｍ、６μｍ、１６μｍで、酸素不純物量が０．３質量％の扁平形状の六方晶窒化硼素粉末を一軸プレスで成形し、成形体を得た。この成形体を、焼成温度２１００～２２００℃、圧力９ＧＰａの条件で焼成した。
そして、得られた焼結体に対し、それぞれ２５℃、４００℃、７００℃および１０００℃の温度環境下にてビッカース硬度の測定を行った。ビッカース硬度は、ダイヤモンドで作られたピラミッド形状（正四角錐状）の圧子を焼結体の第１面（すくい面）に押し込み、荷重を除いた後に残ったへこみを測定する周知の試験法を用いて評価された。測定条件は、下記のとおりである。
＜測定条件＞
即例装置 ：ニコン（株）製 高温硬度計 ＱＭ型
圧子押し込み荷重：４．９Ｎ
圧子押し込み時間：１５ｓｅｃ
測定雰囲気 ：真空
図４は、高温硬度測定の結果を示すグラフである。図４に示すように、得られた焼結体の第１面に対して垂直な方向におけるビッカース硬度は、１０００℃において約４２．０ＧＰａ、７００℃において約４６．０ＧＰａ、４００℃において約４８．０ＧＰａであった。
今回開示された実施形態は全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。実に、上記した実施形態は多様な形態で具現され得る。また、上記の実施形態は、添付の請求の範囲およびその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
１・・・インサート
３・・・窒化硼素焼結体
５・・・基体
７・・・すくい面
９・・・逃げ面
１３・・・切刃
１０１・・切削工具
１０３・・ポケット
１０５・・ホルダ

Claims (8)

  1. 第１面と、第２面と、前記第１面および前記第２面との稜部の少なくとも一部に位置する切刃とを有する窒化硼素焼結体を具備するインサートであって、
    前記窒化硼素焼結体は、立方晶窒化硼素と圧縮型窒化硼素とを含有し、
    前記第１面に垂直な前記窒化硼素焼結体の断面に対する、透過型Ｘ線回折において、
    前記第１面に垂直な方向における、前記立方晶窒化硼素の１１１回折のピークの頂点におけるＸ線強度をＩｃＢＮ（１１１）ｖとし、前記圧縮型窒化硼素の００２回折のピークの頂点におけるＸ線強度をＩｈＢＮ（００２）ｖとし、
    前記第１面に平行な方向における、前記立方晶窒化硼素の１１１回折のピークの頂点におけるＸ線強度をＩｃＢＮ（１１１）ｈとし、前記圧縮型窒化硼素の００２回折のピークの頂点におけるＸ線強度をＩｈＢＮ（００２）ｈとしたとき、
    （ＩｈＢＮ（００２）ｖ＋ＩｈＢＮ（００２）ｈ）／（ＩｃＢＮ（１１１）ｖ＋ＩｃＢＮ（１１１）ｈ）で示される圧縮型窒化硼素含有値は、０．００２よりも大きく、０．０１よりも小さく、
    ＩｃＢＮ（１１１）ｖ／（ＩｃＢＮ（１１１）ｖ＋ＩｃＢＮ（１１１）ｈ）で示される立方晶配向値は、０．５よりも大きく、
    ＩｈＢＮ（００２）ｖ／（ＩｈＢＮ（００２）ｖ＋ＩｈＢＮ（００２）ｈ）で示される圧縮型窒化硼素配向値は、前記立方晶配向値よりも大きく、
    前記窒化硼素焼結体の前記第１面に対して垂直な方向におけるビッカース硬度は、１０００℃において４０．０ＧＰａ以上である、インサート。
  2. 前記立方晶配向値は、０．５５以上である、請求項１に記載のインサート。
  3. 前記圧縮型窒化硼素配向値は、０．８以上である、請求項１または２に記載のインサート。
  4. 前記窒化硼素焼結体は、ウルツ型窒化硼素を含有する、請求項１～３のいずれか一つに記載のインサート。
  5. 前記断面における前記立方晶窒化硼素の平均粒径は、２００ｎｍ以下である、請求項１～４のいずれか一つに記載のインサート。
  6. 前記ビッカース硬度は、７００℃において４５．０ＧＰａより大きい、請求項１～５のいずれか一つに記載のインサート。
  7. 前記ビッカース硬度は、４００℃において４７．０ＧＰａより大きい、請求項１～６のいずれか一つに記載のインサート。
  8. 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１～７のいずれか一つに記載のインサートと、を備えた切削工具。
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