JPWO2012053375A1 - 立方晶窒化硼素焼結体工具 - Google Patents
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Abstract
Description
<立方晶窒化硼素焼結体工具>
本発明のcBN焼結体工具は、cBN粒子と結合相とを含むcBN焼結体を少なくとも刃先に有するものである。すなわち、cBN焼結体のみによってcBN焼結体工具が構成されていてもよいし、超硬合金やサーメット等の基材の刃先に接合材を用いてcBN焼結体を接合してcBN焼結体工具が構成されていてもよい。また、cBN焼結体工具の表面を硬質セラミックス被覆層で覆っていてもよい。かかる硬質セラミックス被覆層は、従来公知の組成のものを用いることができる。なお、本発明において、「刃先」とは、被削材と接触する部分を意味する。
本発明のcBN焼結体は、cBN粒子と結合相とを含むものであって、cBN粒子を40〜70体積%含むことを特徴とする。かかる体積比率でcBN粒子を含むことにより、cBN焼結体の強度と耐熱性とのバランスが優れたものとなり、耐熱性と耐欠損性とを高度に両立させることができる。cBN粒子が40体積%未満であると、難削なダクタイル鋳鉄の切削加工において、強度が足りず、耐欠損性が低下する。一方、70体積%を超えると、相対的に結合相の含有量が低下するため、耐熱性が低下し、切削加工の際に生じる熱によってcBNが反応し、摩耗が進行しやすくなる。かかるcBN粒子の体積比率は、50体積%以上65体積%以下であることがより好ましい。なお、本発明において、cBN焼結体は、cBN粒子と結合相との他に、さらに他の成分を含んでいてもよい。
本発明のcBN焼結体に含まれるcBN粒子は、材料強度を高めるという観点から、その平均粒子径は小さいことが好ましく、6μm以下の平均粒子径であることが好ましい。また、cBN焼結体の靭性を損なわないようにするという観点から、cBN粒子の平均粒子径は、0.1μm以上であることが好ましい。このような材料強度および靭性のバランスの観点からは、cBN粒子の平均粒子径が1μm以上4μm以下であることがより好ましい。また、cBN粒子は、その表面を金属層で被覆されたものを用いることが好ましいが、この理由や金属層に関しては後述する。
本発明において、結合相は、cBN粒子を結合する作用を示すものであって、第1成分と第2成分とを含むことを特徴とするものである。ここで、第1成分は、TiCであり、第2成分は、TiB2およびAlB2のいずれか一方もしくは両方である。
本発明に用いられるcBN焼結体は、以下のようにして作製する。まず、cBN粒子の表面に、TiまたはAlのいずれか一方もしくは両方からなる金属層を被覆することが好ましい。このような金属層は、たとえばRFスパッタリングPVDによって成膜される。かかる金属層で被覆したcBN粒子と、結合相を構成する原料粉末とを超高圧装置に導入した上で、これらの混合粉末を超高圧焼結することにより、cBN焼結体を作製する。このようにcBN粒子を焼結させる前に、その表面を金属層で被覆することにより、焼結後にcBN粒子の周囲に、第2成分(TiB2またはAlB2)が局所的に配置されることになり、もってcBN粒子と結合相との結合力を高めることができる。
以下のようにして、cBN焼結体工具を作製した。まず、平均粒子径3μmのcBN粒子の表面に、RFスパッタリングPVD装置を用いて、TiAlからなる金属層を被覆した。上記のスパッタリングの条件は、2kW/hの電力で、アルゴンガスを14.0ccmで流しながら、チャンバの回転数を18Hzとして、8時間半行なうことにより、cBN粒子の表面に対する質量比が、15質量%となるように被覆した。
実施例1のcBN焼結体工具に対し、cBN含有率、金属層の被覆量、および結合相を構成する原料粉末の組成および質量比を表1のように変えたことが異なる他は、実施例1と同様の方法により実施例2〜7、比較例1〜4のcBN焼結体工具を作製した。特に、金属相の被覆量においては、後述する表1の「I2/I1」に示す値となるように、その質量比を調整した。たとえば、実施例2においては、cBN焼結体に含まれるcBN粒子の体積比率を60体積%とし、cBN粒子の表面を被覆する金属層の被覆量を10質量%とし、残部の結合相を構成する原料粉末を97質量%のTiCと3質量%のAlとにしたことを示す。なお、実施例2のcBN焼結体工具に対し、金属層を被覆していないcBN粒子を用いたことを除いては、実施例2と同一の方法によって、比較例3のcBN焼結体工具を作製した。
以下のようにして、cBN焼結体工具を作製した。まず、平均粒子径2μmのcBN粒子に対し、RFスパッタリングPVD装置を用いて、15質量%のTiAlからなる金属層を被覆した。次に、平均粒子径1.5μmのTiC粉末と平均粒子径3μmのAl粉末とを質量比で、TiC:Al=95:5となるように混合し、真空中で1200℃、30分間熱処理して化合物を得た。この化合物を直径6mmの超硬合金製ボールメディアを用いてボールミル粉砕法により均一に粉砕し、結合相を構成する原料粉末を得た。
実施例8のcBN焼結体工具に対し、金属層で被覆したcBN粒子と、被覆していないcBN粒子との混合比を表2のように変えたことが異なる他は、実施例8と同様の方法により実施例9〜12のcBN焼結体工具を作製した。このようにcBN粒子の混合比を変えることにより、後述の表3の「第2成分含有率」および「占有率」に示すように、実施例9〜12のcBN焼結体の第2成分の体積比および占有率が調整された。
市販されているcBN焼結体(製品名:BX930(株式会社タンガロイ製))を用いた。
市販されているcBN焼結体(製品名:MB710(三菱マテリアル株式会社製))を用いた。
各実施例および各比較例のcBN焼結体に対し、「X線回折強度の比I2/I1」、「cBN含有率」、「占有率」、および「cBN焼結体を構成する化合物」を以下のようにして算出した。
各実施例および各比較例のcBN焼結体に対し、X線回折装置(製品名:SmartLab−2D−PILATUS(株式会社リガク製))を用いて、X線回折測定を行なうことにより、第1成分の(200)面のX線回折強度I1、および第2成分の(101)面のX線回折強度I2を測定した。そして、これらの比I2/I1を表1および表3の「I2/I1」の欄に示した。
表1および表3の「cBN含有率」は、cBN焼結体に含まれるcBN粒子の体積比を示すものであり、以下のようにして算出した。まず、各実施例および各比較例で作製されたcBN焼結体を鏡面研磨し、任意の領域のcBN焼結体組織を電子顕微鏡にて5000倍で反射電子像を撮影したところ、黒色領域と灰色領域と白色領域が観察された。その観察画像を付属のEDX(エネルギー分散型X線分析)で観察することにより、黒色領域はcBN粒子、灰色領域と白色領域は結合相であることを推定した。
表3の「占有率」は、立方晶窒化硼素粒子の表面に占める第2成分の割合を示すものであり、上記と同様の方法で撮影した10000倍の観察画像を用いて、以下のように算出した。まず、1μm以上の粒子径のcBN粒子を20個選定し、その外周の総和を算出した。次に、cBN粒子の外周のうち、第2成分と接触している部分の長さの総和を算出した。そして、第2成分と接触している部分の長さの総和を、cBN粒子の外周の総和で除することにより、cBN粒子の表面に占める第2成分の占有率(%)を算出した。この結果を表3に示す。
各実施例および各比較例のcBN焼結体を構成する化合物は、cBN焼結体を鏡面研磨した面の任意の領域を電子顕微鏡にて50000倍で写真撮影し、付属のEDXにより、各種元素の重なり状態とX線回折測定の化合物同定結果に基づいて推定した。このようにして測定したEDXの組成分析の結果を表1および表3の「cBN焼結体を構成する化合物」の欄に示した。
超硬合金製の基材として、形状がISO CNMA120408である超硬合金(K10相当)を準備し、その刃先に各実施例および各比較例の立方晶窒化硼素焼結体(形状:頂角が80°でありそれを挟む両辺が各2.5mmの二等辺三角形を底面とする厚みが2mmの三角柱状のもの)を、Ti−Zr−Cuからなるロウ材を用いることにより接合した。
被削材 :FCD450(硬度:160HB、外周部にV溝が付いた丸棒の外形切削)
切削条件:切削速度 Vc=400m/min.
送り量 f=0.2mm/rev.
切り込み量 ap=0.2mm
湿式切削
(切削試験2)
被削材 :FCD700(硬度:260HB、外周部にV溝が付いた丸棒の外形切削)
切削条件:切削速度 Vc=400m/min.
送り量 f=0.2mm/rev.
切り込み量 ap=0.2mm
湿式切削
表1および表3の「工具寿命」の結果から明らかなように、実施例1〜12の本発明に係る立方晶窒化硼素焼結体工具は、比較例1〜6の立方晶窒化硼素焼結体工具に比し、工具寿命を長寿命化したものであることが明らかである。
Claims (2)
- 立方晶窒化硼素粒子と結合相とを含む立方晶窒化硼素焼結体を少なくとも刃先に有する立方晶窒化硼素焼結体工具であって、
前記立方晶窒化硼素焼結体は、前記立方晶窒化硼素粒子を40〜70体積%含み、
前記結合相は、第1成分と第2成分とを含み、
前記第1成分は、TiCであり、
前記第2成分は、TiB2およびAlB2のいずれか一方または両方であり、
前記第1成分の(200)面のX線回折強度をI1、前記第2成分の(101)面のX線回折強度をI2とする場合、前記I1は、前記立方晶窒化硼素焼結体において前記立方晶窒化硼素粒子を除く全成分のX線回折強度中最大であり、かつ0.01≦I2/I1≦0.1を満たす、立方晶窒化硼素焼結体工具。 - 前記第2成分の少なくとも一部は、前記立方晶窒化硼素粒子の表面と接触するように存在し、
前記立方晶窒化硼素粒子の表面に占める前記第2成分の占有率は、20〜70%であり、
前記結合相は、前記第2成分を1〜10体積%含む、請求項1記載の立方晶窒化硼素焼結体工具。
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