JPH054102A - 高硬度焼結体切削工具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）焼結体からなる切
削工具において刃先部の局部的摩耗を防止し、工具寿命
を向上させる。 【構成】 刃先部は第１の焼結体層１１と第２の焼結体
層１２とから構成される。第１の焼結体層１１はｃＢＮ
を８０体積％以上含有し、残部が第１の結合材からな
る。第２の焼結体層１２は第１の焼結体層に接合され、
ｃＢＮを４０体積％以上６５体積％未満含有し、残部が
第２の結合材からなる。第１の結合材はＣｏとＡｌとＷ
Ｃを含み、第２の結合材はＡｌとＴｉ化合物を含む。第
１の焼結体層１１の主表面がすくい面を構成する。第１
の焼結体層１１の厚みが０．０４ｍｍ以上０．２ｍｍ未
満である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、立方晶窒化硼素（以
下、ｃＢＮと称する）を用いた高硬度焼結体切削工具の
改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】ｃＢＮは、ダイヤモンドに次ぐ高硬度物
質であり、その焼結体は種々の切削工具に使用されてい
る。近年、超高圧焼結の技術を用いて微細なｃＢＮ粒子
を金属で結合した焼結体や種々のセラミックスで結合し
た焼結体が市販されている。これらの市販ｃＢＮ焼結体
を機械加工用工具として用いる場合、切れ刃となる部分
のみにｃＢＮを含有する硬質層を設け、これを剛性の高
い母材に接合した複合材として工具を構成する。

【０００３】図４は従来の切削工具の刃先部分を示す部
分斜視図である。図４を参照して、ｃＢＮ焼結体からな
る刃先部２０は超硬合金からなる母材５０に接合されて
いる。刃先部２０は切れ刃２０ｃを境としてすくい面２
０ａと逃げ面２０ｂを構成する。

【０００４】図５は図４に示された工具を用いた切削状
況を示す部分断面図である。図５に示すように、被削材
１００は矢印の方向に高速度で回転している。この回転
している被削材１００に刃先部２０が入り込むように切
削工具の母材５０が設けられる。刃先部２０のすくい面
２０ａの上方に切り屑１０１が発生する。切削時間の経
過に伴って、すくい面２０ａにすくい面摩耗３１が生ず
る。また、すくい面２０ａと交差する逃げ面２０ｂには
逃げ面摩耗３２が生ずる。

【０００５】これらの摩耗の状態は図６に示される。被
削材１００の表面に接する切れ刃２０ｃを境にすくい面
摩耗（クレータ摩耗）３１と逃げ面摩耗３２が生ずる。
一方、被削材１００の表面に接する部分と周囲の空気に
接する部分との境界部には境界摩耗３３が生ずる。この
ように、切削時間の経過に伴って、刃先部に一様な摩耗
が生ずるのではなく、局所的に摩耗が進行する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
切削工具においては、刃先部２０は一様な組成を有する
ｃＢＮ焼結体から構成されている。そのため、上記３つ
の摩耗のうち、いずれかの摩耗が局部的に進行すれば、
切削不能になるという問題点があった。したがって、そ
の寿命が比較的短くなるという問題点があった。

【０００７】そこで、この発明の目的は、上記のような
問題点を解消することであり、局部的な摩耗の進行によ
る寿命の低下を防止するとともに、切削工具の寿命をよ
り長くすることが可能な高硬度焼結体切削工具の構造を
提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本願発明者らは、上述の
目的を達成するために鋭意検討した結果、すくい面を構
成する焼結体層と、逃げ面を主に構成する焼結体層との
ｃＢＮの体積含有率を異ならせれば、従来のｃＢＮ焼結
体からなる切削工具よりも寿命が長くなることを見出し
た。

【０００９】すなわち、この発明に従った高硬度焼結体
切削工具は、第１の焼結体層と、第２の焼結体層とを備
える。第１の焼結体層は立方晶窒化硼素を８０体積％以
上含有し、残部が第１の結合材からなる。第２の焼結体
層は第１の焼結体層に接合され、立方晶窒化硼素を４０
体積％以上６５体積％未満含有し、残部が第２の結合材
からなる。第１の結合材は、Ｃｏを３重量％以上１５重
量％以下、Ａｌを１重量％以上５重量％以下含有し、残
部がＷＣと不可避不純物とからなる。第２の結合材は、
Ａｌを２重量％以上３０重量％以下含有し、残部が、
（Ｔｉ，，Ｍ）Ｃ、（Ｔｉ，Ｍ）Ｎおよび（Ｔｉ，Ｍ）
（ＣＮ）からなる群から選択された１種以上のＴｉ化合
物と不可避不純物とからなる。ここで、ＭはＴｉ以外の
周期律表第ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族の遷移金属元素であ
る。

【００１０】上記のように構成された第１の焼結体層と
第２の焼結体層とが切削工具の刃先部を構成する。第１
の焼結体層の主表面がすくい面を構成するように配され
る。第１の焼結体層の厚みは０．０４ｍｍ以上０．２ｍ
ｍ未満である。

【００１１】好ましくは、上記ＭはＨｆである。

【００１２】

【作用】この発明の高硬度焼結体切削工具においては、
第１の焼結体層の主表面がすくい面を構成する。この第
１の焼結体層を構成するｃＢＮの体積含有率は第２の焼
結体層に比べて高くなっている。ｃＢＮは化学的に安定
であるため、境界摩耗やすくい面摩耗に対する耐性は第
２の焼結体層よりも第１の焼結体層の方が強くなる。

【００１３】一方、第２の焼結体層を構成するｃＢＮの
体積含有率は第１の焼結体層よりも低く、ｃＢＮ粒子が
強固に結合材により保持されている。そのため、第２の
焼結体層においては、ｃＢＮの結合力の低下が防止され
るので、ｃＢＮ粒子の脱落が生じにくくなっている。そ
の結果、第２の焼結体層の表面においては逃げ面摩耗が
第１の焼結体層に比べて進行し難くなる。

【００１４】このように、この発明の切削工具において
は、摩耗部位に応じてｃＢＮ焼結体層が刃先部分を構成
する。これにより、局部的な摩耗の進行が防止され、切
削工具の寿命が長くなる。

【００１５】また、この発明においては、すくい面を構
成する第１の焼結体層の厚みが０．０４ｍｍ以上０．２
ｍｍ未満である。第１の焼結体層の厚みが０．０４ｍｍ
未満であると、すくい面摩耗や境界摩耗が第１の焼結体
層の厚み以上の摩耗量で発生する可能性があるので、好
ましくない。また第１の焼結体層の厚みが０．２ｍｍを
超えると、第１の焼結体層の主表面に交差する面におい
て逃げ面摩耗が進行しやすくなるので好ましくない。

【００１６】また、第１の焼結体層のｃＢＮの体積含有
率は８０体積％以上である。ｃＢＮが８０体積％未満で
は、強度および硬度が低下し、境界摩耗が進展しやすく
なったり、化学的に安定なｃＢＮの量が相対的に少なく
なりすくい面摩耗が生じやすくなる。

【００１７】さらに、第２の焼結体層のｃＢＮの体積含
有率は４０体積％以上６５体積％未満である。ｃＢＮが
４０体積％未満であると、焼結体の強度および硬度が低
下し、相対的に結合材が多くなることにより、たとえ
ば、高硬度鋳鉄や高硬度鉄系材料を切削した場合、機械
的摩耗の進展が早くなったりする。ｃＢＮが６５体積％
を超えると、ｃＢＮ粒子を保持している結合材とｃＢＮ
の結合強度が低下したり、結合強度が弱いｃＢＮ粒子同
士の結合が起こり、ｃＢＮ粒子の脱落が生じる。

【００１８】第１の結合材はＣｏを３重量％以上１５重
量％以下含有する。Ｃｏが３重量％未満であれば、ｃＢ
Ｎ粒子同士の結合力が低下したり、結合材中のＷＣとｃ
ＢＮの結合力が低下し、たとえば耐熱合金を切削した場
合、刃先に欠損が生じやすくなる。Ｃｏが１５重量％を
超えると、相対的に結合材中の耐摩耗性に優れるＷＣの
量が減少するため、耐クレータ摩耗性が低下する。

【００１９】また、第１の結合材はＡｌを１重量％以上
５重量％以下含有する。Ａｌが１重量％未満であれば、
ＡｌとｃＢＮの反応が不充分なために結合材によるｃＢ
Ｎの保持力が弱くなる。Ａｌが５重量％を超えると、相
対的に結合材中のＷＣの量が減少するため、耐摩耗性が
低下する。

【００２０】第２の結合材はＡｌを２重量％以上３０重
量％以下含有する。Ａｌが２重量％未満であれば、Ａｌ
とｃＢＮおよび結合材との反応が不充分なため、結合材
によるｃＢＮの保持力が弱くなる。Ａｌが３０重量％を
超えると、ＡｌＢ₂ 等の反応生成物が多くなり、ｃＢＮ
と結合材の結合強度は強くなるものの、ＡｌＢ₂ 等より
も耐摩耗性に優れた（Ｔｉ，Ｍ）Ｃ，（Ｔｉ，Ｍ）Ｃ
Ｎ，（Ｔｉ，Ｍ）Ｎ化合物の相対的な含有量が低下する
ので充分な耐摩耗性が得られない。

【００２１】第１の結合材の残部をＷＣが構成するので
耐摩耗性が向上する。第２の結合材を構成するＴｉ化合
物においてＭがＨｆであれば、Ｔｉ化合物の耐熱性が改
善され、特に高速切削等での耐摩耗性が向上するので好
ましい。

【００２２】

【実施例】

実施例１ 第１の焼結体層の原料粉末として、Ｃｏを５重量％、Ａ
ｌを３重量％含有し、残部がＷＣである結合材粉末と、
ｃＢＮ粉末とを準備した。結合材粉末とｃＢＮ粉末とを
体積比で１５対８５となるように混合した。この混合粉
末を超硬合金製ポットとボールを用いて均一に混合する
ことにより、所定の粒度を有する第１の焼結体層の原料
粉末を作製した。

【００２３】次に、第２の焼結体層の結合材粉末とし
て、表１に示される組成を有するように、Ｔｉを含有す
る炭化物、窒化物、炭窒化物またはこれらの固溶体粉末
とアルミニウム粉末との混合粉末を準備した。この結合
材粉末とｃＢＮ粉末とを体積比で４０対６０となるよう
に配合し、これを超硬合金製ポットとボールを用いて均
一混合することにより、所定の粒度を有する第２の焼結
体層の原料粉末を準備した。

【００２４】その後、Ｍｏ製の容器内にＷＣ−１０重量
％Ｃｏ組成の超硬合金からなる円板を入れた後、第２の
焼結体層の原料粉末、第１の焼結体層の原料粉末の順に
混合粉末を充填した。次に、この容器を超高圧高温装置
に入れ、圧力５０ｋｂ、温度１３５０℃で１５分間焼結
した。

【００２５】得られた焼結体の組織を観察したところ、
超硬合金上に上記２種の混合粉末に対応する２層構造を
有する焼結体が強固に接合していることが確認された。

【００２６】上記各焼結体を切削加工用チップに加工し
た。各焼結体の第１層がすくい面を構成し、かつその厚
みが０．０７ｍｍとなるように加工し、切削加工用の各
チップを作製した。各チップが超硬合金母材に取付けら
れた切削工具を用いて、直径が１５０ｍｍのダクタイル
鋳鉄（ＦＣＤ７０）材からなる丸棒の外周を切削した。
切削条件は、切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ、切込み：
０．２５ｍｍ、送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ、湿式で切削
時間は２０分間であった。２０分間切削後の刃先の摩耗
状態と欠損の有無を調べたところ、表１に示す結果が得
られた。

【００２７】

【表１】

【００２８】実施例２ 第１の焼結体層の結合材粉末として、表２に示される組
成のＣｏとＡｌを含み、残部がＷＣである混合粉末を準
備した。これらの結合材粉末とｃＢＮ粉末とを体積比で
１２対８８の割合で配合し、これを超硬合金製ポットと
ボールを用いて均一に混合することにより、第１の焼結
体層の原料粉末を作製した。

【００２９】次に、第２の焼結体層の結合材粉末とし
て、（Ｔｉ，Ｈｆ）Ｃ粉末とアルミニウム粉末とを重量
比で９対１の割合で混合した粉末を準備した。この結合
材粉末とｃＢＮ粉末とを体積比で３７対６３となるよう
に配合し、これを超硬合金製ポットとボールを用いて均
一に混合することにより、第２の焼結体層の原料粉末を
準備した。

【００３０】実施例１と同様に、Ｍｏ製の容器内にＷＣ
−１０重量％Ｃｏ組成の超硬合金からなる円板を入れた
後、その上に第２の焼結体層の原料粉末を充填し、さら
にその上に第１の焼結体層の原料粉末を充填した。その
後、この容器を超高圧・高温装置に入れ、圧力４５ｋ
ｂ、温度１３００℃で２０分間焼結した。

【００３１】得られた焼結体の組織を観察したところ、
超硬合金上に上記２種の混合粉末に対応する２層構造を
有する焼結体が強固に接合していることが確認された。

【００３２】上記各焼結体を切削加工用チップに加工し
た。各焼結体の第１層がすくい面を構成し、かつその厚
みが表２に示される厚みとなるように、切削加工用の各
チップを作製した。各チップが超硬合金母材に取付けら
れた切削工具を用いて、直径が１００ｍｍのインコネル
７１８材の丸棒の外周を切削した。切削条件は、切削速
度：２００ｍ／ｍｉｎ、切込み：０．２０ｍｍ、送り：
０．１２ｍｍ／ｒｅｖ、湿式であった。切削可能時間を
測定し、切削が不可能になった原因を調査したところ、
表２に示す結果が得られた。

【００３３】

【表２】

【００３４】比較例の試料Ｎｏ．１５においては、第１
の焼結体層の厚みが薄いため、境界摩耗の進行が著し
く、寿命が短くなったものと考えられる。比較例の試料
Ｎｏ．１６では、第１の焼結体層の結合材においてＣｏ
の含有量が多いため、第１の焼結体層のすくい面摩耗
（クレータ摩耗）の進行が著しかった。比較例の試料Ｎ
ｏ．１７では、第１の焼結体層の結合材においてＣｏの
含有量が少ないため、ｃＢＮ粒子間の結合強度が低下
し、欠損を招いたものと考えられる。比較例の試料Ｎ
ｏ．１８では、第１の焼結体層の厚みが大きいので、逃
げ面摩耗の進行が著しかった。

【００３５】実施例３ 第１の焼結体層の結合材粉末として、Ｃｏを７重量％、
Ａｌを４重量％含有し、残部がＷＣである混合粉末を準
備した。この結合材粉末とｃＢＮ粉末とを体積比で表３
に示される配合比となるように超硬合金製ポットとボー
ルを用いて均一に混合することにより、各試料の第１の
焼結体層の原料粉末を作製した。

【００３６】第２の焼結体層の結合材粉末として、（Ｔ
ｉ，Ｈｆ）（Ｃ，Ｎ）粉末とアルミニウム粉末とを重量
比で９対１の割合で混合した粉末を準備した。この結合
材粉末とｃＢＮ粉末とを体積比で表３で示される組成を
有するように配合し、これを超硬合金製ポットとボール
を用いて均一に混合することにより、第２の焼結体層の
原料粉末を各試料ごとに作製した。

【００３７】次に、Ｍｏ製の容器内にＷＣ−１０重量％
Ｃｏ組成の超硬合金からなる円板を入れた後、その上面
に第２の焼結体層の原料粉末を充填し、さらに第１の焼
結体層の原料粉末を充填した。その後、この容器を超高
圧・高温装置に入れ、圧力４５ｋｂ、温度１３００℃で
２０分間焼結した。

【００３８】得られた焼結体の組織を観察したところ、
超硬合金上に上記２種の混合粉末に対応する２層構造を
有する焼結体が強固に接合していることが確認された。

【００３９】上記各焼結体を切削加工用チップに加工し
た。各焼結体の第１層がすくい面を構成し、かつその厚
みが０．０５ｍｍとなるように加工し、切削加工用の各
チップを作製した。各チップが超硬合金母材に取付けら
れた切削工具を用いて、直径が１００ｍｍで外周にＶ形
状の溝を有するＦＣＤ１００材の丸棒の外周を切削し
た。切削条件は、切削速度：１２０ｍ／ｍｉｎ、切込
み：０．２０ｍｍ、送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、湿式
であった。切削可能であった時間を測定したところ、表
３に示す結果が得られた。

【００４０】

【表３】

【００４１】この発明により切削工具の刃先部を構成す
る焼結体の構造は図１に示される。刃先部１０は、ｃＢ
Ｎを体積で高濃度に含有する第１の焼結体層１１と、ｃ
ＢＮを体積で低濃度に含有する第２の焼結体層１２とか
ら構成される。第１の焼結体層１１の厚みは０．０４ｍ
ｍ以上０．２ｍｍ未満である。

【００４２】図２は、図１に示された刃先部１０を超硬
合金母材に取付けた状態を示す部分斜視図である。第１
の焼結体層１１の主表面がすくい面１０ａを構成する。
切れ刃１０ｃを境にすくい面１０ａと隣り合う逃げ面１
０ｂは、主に第２の焼結体層１２から構成される。この
ような配置になるように２層構造の焼結体からなる刃先
部１０が母材５０に取付けられる。

【００４３】図３はこの発明の切削工具を用いた切削状
況を示す部分断面図である。切れ刃１０ｃが被削材１０
０の表面に入り込むように刃先部１０が設けられる。す
くい面１０ａを構成する第１の焼結体層１１の上方に切
り屑１０１が発生する。

【００４４】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、摩耗
部位に応じて２層構造の焼結体から切削工具の刃先部が
構成されるので、局部的に著しく摩耗が進行せず、切削
工具の寿命を長くすることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に従った切削工具の刃先部を構成する
焼結体の構造を示す断面図である。

【図２】この発明に従った切削工具を示す部分斜視図で
ある。

【図３】この発明の切削工具を用いて被削材が切削され
る状況を示す部分断面図である。

【図４】従来の切削工具を示す部分斜視図である。

【図５】従来の切削工具を用いて被削材を切削する状態
を示す部分断面図である。

【図６】切削工具の刃先部における摩耗部位を概念的に
示す部分斜視図である。

【符号の説明】

図において、１０は刃先部、１０ａはすくい面、１０ｂ
は逃げ面、１０ｃは切れ刃、１１は第１の焼結体層、１
２は第２の焼結体層を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 立方晶窒化硼素を８０体積％以上含有
   し、残部が第１の結合材からなる第１の焼結体層と、立
   方晶窒化硼素を４０体積％以上６５体積％未満含有し、
   残部が第２の結合材からなり、前記第１の焼結体層に接
   合された第２の焼結体層とを備え、前記第１の結合材
   は、Ｃｏを３重量％以上１５重量％以下、Ａｌを１重量
   ％以上５重量％以下含有し、残部がＷＣと不可避不純物
   とからなり、前記第２の結合材は、Ａｌを２重量％以上
   ３０重量％以下含有し、残部が、（Ｔｉ，Ｍ）Ｃ、（Ｔ
   ｉ，Ｍ）Ｎおよび（Ｔｉ，Ｍ）（ＣＮ）からなる群から
   選択された１種以上のＴｉ化合物（但し、ＭはＴｉ以外
   の周期律表第ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族の遷移金属元素で
   ある）と不可避不純物とからなり、前記第１および第２
   の焼結体層が刃先部を構成し、前記第１の焼結体層の主
   表面がすくい面を構成するように配され、前記第１の焼
   結体層の厚みが０．０４ｍｍ以上０．２ｍｍ未満であ
   る、高硬度焼結体切削工具。
2. 【請求項２】 前記ＭはＨｆである、請求項１に記載の
   高硬度焼結体切削工具。