JPWO2020045431A1 - インサートおよび切削工具 - Google Patents

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Abstract

本開示のインサートは、β−Ｓｉ3Ｎ4を主成分として含有する窒化珪素質焼結体を具備する。前記窒化珪素質焼結体の表面から０．５ｍｍの範囲を第１領域とする。該第１領域は、酸素量が０．８質量％未満である。前記第１領域は、ＲｅＭｇＳｉ2Ｏ5Ｎ（Ｒｅは、ＹｂおよびＹの少なくともいずれか１種）を有する。本開示の切削工具は、第１端から第２端に向かって延び、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前述のインサートを有する。【選択図】図１

Description

本開示は、インサートおよび切削工具に関する。
窒化珪素質焼結体は、耐熱性及び耐摩耗性に優れた材料であることから、切削工具用のインサートとして用いられている。インサートは使用時に高速で被加工物と接触するため、高温に曝される。そのため、耐熱性及び耐摩耗性が求められるインサートには高い熱伝導率を有する窒化珪素質焼結体が用いられる。難焼結性材料である窒化珪素質焼結体は、緻密性を向上させるために焼結助剤を用いる必要がある。焼結助剤の量が多いと、緻密化は達成できるものの、純粋な窒化珪素結晶に比べると熱伝導率が低くなる。そこで、特許文献１には、焼結助剤の組成を工夫するなどして、焼結助剤の量を減らすことが開示されている。
また、特許文献２には、焼結助剤の量を減らすことに加えて、窒化珪素質焼結体の焼結体表面から０．５ｍｍまでの酸素量を０．８〜１．５質量％とすることで窒化珪素質焼結体の耐摩耗性、特に高速加工における耐アブレシブ摩耗性が向上することが開示されている。また、窒化珪素質焼結体の表面の酸素量が０．８質量％を下回ると、窒化珪素質焼結体の表面に緻密化していないいわゆる白色の部分が残留するという問題があることが開示されている。
特許第３５５０４２０号 特許第４４７８１９８号
本開示のインサートは、β−Ｓｉ3Ｎ4を主成分として含有する窒化珪素質焼結体を具備する。前記窒化珪素質焼結体の表面から０．５ｍｍの範囲を第１領域とする。該第１領域は、酸素量が０．８質量％未満である。前記第１領域は、ＲｅＭｇＳｉ2Ｏ5Ｎ（Ｒｅは、ＹｂおよびＹの少なくともいずれか１種）を有する。
本開示の切削工具は、第１端から第２端に向かって延び、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前述のインサートを有する。
本開示のインサートの一例を示す斜視図である。 第１領域、第２領域、第３領域の説明図である。 本開示の切削工具の平面図である。
＜インサート＞
以下、本開示のインサートについて、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、各実施形態を説明する上で必要な主要部材のみを簡略化して示したものである。したがって、インサートは、参照する各図に示されていない任意の構成部材を備え得る。また、各図中の部材の寸法は、実際の構成部材の寸法及び各部材の寸法比率等を忠実に表したものではない。
本実施形態においては、インサートとして用いられる基体３を示す。図１に示すインサート１は、ホルダ（不図示）の先端の所定の位置に取り付けられて使用される刃先交換型の切削インサートの一例である。
インサート１は、例えば、多角板形状であって、第１面５と、第１面５に隣接する第２面７とを有する。また、第１面５及び第２面７が交わる部分の少なくとも一部に位置する切刃９を有している。図１においては、上面が第１面５に相当しており、側面が第２面７に相当している。第１面５がいわゆるすくい面であるとき、第２面７がいわゆる逃げ面である。第１面５がいわゆる逃げ面であるとき、第２面がいわゆるすくい面である。インサート１において切刃９は、少なくとも一部に位置していればよい。切刃９は、図１に示すように２つの辺に相当する部分に位置してもよく、第１面５の外周部分の全体に環状に位置していてもよい。
インサート１は、基体３の表面に位置する被覆層１１をさらに有していてもよい。インサート１の大きさとしては特に限定されるものではないが、例えば、第１面５の一辺の長さが５〜２０ｍｍ程度に設定してもよい。第１面５から第１面５の反対側に位置する面（下面）までの高さは３〜２０ｍｍ程度に設定してもよい。被覆層１１の厚みとしては特に限定されるものではないが、例えば、３〜２５μｍに設定してもよい。インサート１の大きさに対する被覆層１１の厚みが非常に小さいため、被覆層１１を有するインサートであっても、その大きさは実質的に基体３の大きさと同じである。
本開示のインサート１における基体３は、β−Ｓｉ3Ｎ4を主成分として含有する窒化珪素質焼結体である。そして、本開示のインサート１の窒化珪素質焼結体では、図２に示すように基体３の表面３ａから０．５ｍｍの範囲を第１領域２１とする。本開示のインサート１の第１領域２１の酸素量は、０．８質量％未満である。また、本開示のインサート１は、第１領域２１にＲｅＭｇＳｉ2Ｏ5Ｎを有する。ここで、Ｒｅとは、ＹｂおよびＹの少なくともいずれか１種である。なお、図２は、基体３の断面図を用いた各領域（第１〜第３領域）の説明図である。図２では、複数の領域の位置関係を明確にするため、ハッチングを省略している。
このような構成を有する窒化珪素質焼結体は、第１領域２１の酸素量が０．８質量％未満と少ないため、第１領域２１の熱伝導率が高い。また、緻密化していない、いわゆる白色の部分が残留するという問題も抑制されている。
そのため、インサート１が高速で被加工物（図示せず）と接触しても、発生した熱が迅速にインサート１の表面を伝って移動するため、インサート１の被加工物との接触部分が過剰に加熱されることが抑制される。また、本開示のインサート１は、窒化珪素質焼結体の耐熱性、耐摩耗性も高いため、長寿命である。
また、本開示のインサート１は、第１領域２１におけるＲｅＭｇＳｉ2Ｏ5Ｎの（１１−１）の結晶面におけるＸ線強度Ｉａと、第１領域２１におけるβ−Ｓｉ3Ｎ4の（１０１）の結晶面におけるＸ線強度Ｉｂとの比（Ｉａ／Ｉｂ）が０．１０以上であってもよい。特に、比（Ｉａ／Ｉｂ）が０．１５以上であってもよい。このような構成を有する窒化珪素質焼結体は、熱伝導率が高い。
なお、Ｘ線強度Ｉａは、ＲｅＭｇＳｉ2Ｏ5Ｎの（１１−１）の結晶面のピークを用いる。また、Ｘ線強度Ｉｂは、β−Ｓｉ3Ｎ4の（１０１）の結晶面のピークを用いる。
Ｘ線強度Ｉａは、窒化珪素質焼結体の表面３ａに近いほど大きく、表面３ａから遠いほど小さい。表面３ａから０．５ｍｍの位置でＸ線強度ＩａおよびＸ線強度Ｉｂを測定したときに、比（Ｉａ／Ｉｂ）が０．１０以上であれば、第１領域２１の比（Ｉａ／Ｉｂ）も０．１０以上である。
なお、ＲｅＭｇＳｉ2Ｏ5ＮのＸ線データは、ＲｅがＹｂの場合には、International Centre for Diffraction Data ００−０４８−１６３４を用いるとよい。また、ＲｅがＹの場合には、International Centre for Diffraction Data ００−０４８−１６３２を用いるとよい。ＲｅがＹおよびＹｂを含む場合には、実際に測定したＸ線ピークと近いＸ線データを用いるとよい。β−Ｓｉ3Ｎ4のＸ線データは、International Centre for Diffraction Data ０１―０７１―０６２３を用いるとよい。
また、本開示のインサート１は、窒化珪素質焼結体の表面３ａから１．０ｍｍ以上の範囲を第２領域２３としたとき、第２領域２３の酸素量が、１．２０質量％未満であってもよい。特に、第２領域２３の酸素量が、１．１０質量％未満であってもよい。このような構成を有すると、窒化珪素質焼結体の表面３ａに加え、第２領域２３の位置においても比較的高い熱伝導率が達成されるため、インサート１全体の熱伝導率が高い。
また、本開示のインサート１における窒化珪素質焼結体は、Ｍｇを０．０５質量％以上、０．４０質量％以下、Ｒｅを１．４質量％以上、２．０質量％以下の範囲で含有していてもよい。Ｒｅは、１．５質量％以上、１．７質量％以下としてもよい。このような構成を有すると、ＲｅＭｇＳｉ2Ｏ5Ｎを含有しやすく、インサート１は、緻密で熱伝導率に優れた窒化珪素質焼結体を有する。
また、本開示のインサート１における窒化珪素質焼結体は、Ｚｒを０．０５質量％以上、０．１５質量％以下含有していてもよい。このような構成を有すると、窒化珪素質焼結体の表面３ａの色むらが抑制されやすくなる。また、本開示のインサート１における窒化珪素質焼結体は、Ａｌを０．０５質量％以上、０．２５質量％以下含有していてもよい。また、他の元素を含有していてもよい。
本開示のインサート１では、窒化珪素質焼結体の表面３ａから１ｍｍの範囲を第３領域２５とする。この第３領域２５の熱伝導率は、６１Ｗ／ｍ・Ｋを超えていてもよい。なお、図２に示すように、第３領域２５の中には、第１領域２１が含まれる。また、本開示のインサート１は、第３領域２５の熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であってもよい。このような特性を有するインサート１は、発生した熱が放散されやすいため長寿命である。
本開示のインサート１は、窒化珪素質焼結体が、β−Ｓｉ3Ｎ4を面積比で９０％以上、特に９５％以上、さらに９８％以上含有していてもよい。このような構成を有するとインサート１全体の熱伝導率が高い。
また、本開示のインサート１に用いられる被覆層１１は、ＣＶＤによって形成された硬質膜であってもよい。また、本開示のインサート１に用いられる被覆層１１は、ＰＶＤによって形成された硬質膜であってもよい。このように被覆層１１を有すると耐摩耗性が高い。
＜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端側（先端側）にポケット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、第１面３及び第２面５が交わる稜線における切刃７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１を用いてもよい。
以下に本開示のインサートの実施例を示す。本開示のインサートは、窒化珪素質焼結体を具備している。窒化珪素質焼結体は、例えば、原料粉末である、α−Ｓｉ3Ｎ4粉末と、Ｙｂ2Ｏ3粉末またはＹ2Ｏ3粉末と、Ｍｇ（ＯＨ）2粉末と、必要に応じ、ＺｒＯ2粉末とＡｌ2Ｏ3粉末とを混合した調合粉末にバインダーを加え、プレス成型を行い、インサートとなる形状に形成した後、以下に説明する第１の焼成プロセスおよび第２の焼成プロセスを経ることで得られる。
原料粉末の粒径は、それぞれ、２．０μｍ以下とするとよい。また、１．０μｍ以下とすると焼成時間を短くすることができる。
本実施例では、平均粒径が０．７μｍのα−Ｓｉ3Ｎ4粉末、平均粒径が１．０μｍのＹｂ2Ｏ3粉末、Ｙ2Ｏ3粉末、平均粒径が０．４μｍのＭｇ（ＯＨ）2粉末、平均粒径が０．１μｍのＺｒＯ2粉末、平均粒径が０．３μｍのＡｌ2Ｏ3粉末を用いた。
第１の焼成プロセスは、第１の焼成温度：１７４０〜１８４０℃で１〜３時間加熱し、さらにそののち第２の焼成温度：１９００〜１９９０℃で２〜６時間加熱したのち、一旦冷却するプロセスである。第１の焼成プロセスの雰囲気は、０．５〜２ＭＰａの窒素雰囲気である。
第２の焼成プロセスは、第１の焼成プロセスで得られた焼結体をさらに第３の焼成温度：１８４０〜１９００℃で２〜６時間加熱するプロセスである。第２の焼成プロセスの雰囲気は０．０１ＭＰａ〜０．４ＭＰａの窒素雰囲気である。
このように２段階の焼成プロセスを経る過程で、第１の焼成プロセスの雰囲気の圧力よりも、第２の焼成プロセスの雰囲気の圧力を小さくすることで、焼結体の表面において、酸素量を少なくすることができる。また、いわゆる緻密化不足により白色の部分が生じることもない。
本実施例では、表１に示す焼成条件で焼成を行った。得られた窒化珪素焼結体の中心部分の組成（Ｒｅ、Ｍｇ、Ｚｒ）は、同じ調合組成の成形体を用いた場合、ほぼ同じであるため、表２にまとめて示した。なお、窒化珪素質焼結体は、他に窒化珪素を構成するＳｉとＮを含んでいるが、記載は省略した。
Figure 2020045431
Figure 2020045431
得られた窒化珪素質焼結体の表面から０．５ｍｍの範囲、すなわち第１領域の酸素量と、結晶相を測定した。酸素量の測定は、第１領域が残留するように窒化珪素質焼結体を加工し、その残った窒化珪素質焼結体を粉状に粉砕して、ＬＥＣＯ社製の型番ＴＣＨ−６００を用いた酸窒素分析にて行った。また、結晶相は、酸素量の測定の前に露出した窒化珪素質焼結体の表面から０．５ｍｍの部分に対して、理学電気工業株式会社製の型番ＭｉｎｉＦｌｅｘ６００を用いて測定した。ＭｉｎｉＦｌｅｘ６００のＸ線管は、Ｃｕ（Ｋα）である。管電圧は４０ｋＶである。管電流は１５ｍＡである。測定範囲は１０°〜８０°である。測定ステップは０．０２ｄｅｇである。速度は２０ｄｅｇ／分である。
また、窒化珪素質焼結体の表面から０．５ｍｍの深さを加工して除去した後、理学電気工業株式会社製の型番ＭｉｎｉＦｌｅｘ６００を用いて測定してもよい。
また、焼結体の表面から１ｍｍの範囲、すなわち第３領域の熱伝導率は、焼結体の表面から１ｍｍ以上の部分、すなわち、第２領域を取り除くように加工して、第３領域からなる厚みが１ｍｍの板を作製して、京都電子工業社製の型番ＬＦＡ−５０２を用いてレーザーフラッシュ法で測定した。測定条件は、ＪＩＳ Ｒ１６１１ ２０１０に準拠している。これらの測定値を表３に示す。なお、表３においては、β−Ｓｉ3Ｎ4の結晶は全ての試料で検出されたため記載を省略した。
Figure 2020045431
表１〜３に示すように、第１領域の酸素量が０．８質量％を超える試料Ｎｏ．１、２では、熱伝導率は比較的低いものであった。第１領域にＲｅＭｇＳｉ2Ｏ5Ｎが存在している試料Ｎｏ．２においても熱伝導率は低かった。一方、第１領域にＲｅＭｇＳｉ2Ｏ5Ｎが存在し、第１領域の酸素量が０．８質量％以下の試料Ｎｏ．３〜７では、６１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高い熱伝導率が得られた。また、試料Ｎｏ．３〜７の窒化珪素質焼結体の表面にはいわゆる緻密過不足の白色部分は存在しなかった。なお、ＲｅとしてＹを用いた場合であっても、同様の結果であった。
本開示のインサート及びこれを用いた切削工具は、上述の形態に限定されず、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ってもよい。
１・・・インサート
３・・・基体
５・・・第１面
７・・・第２面
９・・・切刃
１１・・・被覆膜
１７・・・貫通穴
２１・・・第１領域
２３・・・第２領域
２５・・・第３領域

Claims (8)

  1. β−Ｓｉ3Ｎ4を主成分として含有する窒化珪素質焼結体からなるインサートであって、
    前記窒化珪素質焼結体は、表面から０．５ｍｍの範囲を第１領域としたとき、
    該第１領域は、酸素量が０．８質量％未満であり、ＲｅＭｇＳｉ2Ｏ5Ｎ（Ｒｅは、ＹｂおよびＹの少なくともいずれか１種）を有する、インサート。
  2. 前記窒化珪素質焼結体は、前記第１領域におけるＲｅＭｇＳｉ2Ｏ5Ｎの（１１−１） の結晶面におけるＸ線強度Ｉａと、前記第１領域における前記β−Ｓｉ3Ｎ4の（１０ １）の結晶面におけるＸ線強度Ｉｂとの比（Ｉａ／Ｉｂ）が０．１０以上である、請求 項１に記載のインサート。
  3. 前記窒化珪素質焼結体は、表面から１．０ｍｍ以上の範囲を第２領域としたとき、該第２領域における酸素量が１．１０質量％未満である、請求項１または２に記載のインサート。
  4. 前記窒化珪素質焼結体は、Ｍｇを０．０５質量％以上、０．４０質量％以下、Ｒｅを１．５０質量％以上、１．７０質量％以下含有する、請求項１〜３のいずれかに記載のインサート。
  5. 前記窒化珪素質焼結体は、Ｚｒを０．０５質量％以上、０．１５質量％以下含有する、請求項１〜４のいずれかに記載のインサート。
  6. 前記窒化珪素質焼結体は、表面から１ｍｍの範囲を第３領域としたとき、該第３領域における熱伝導率が６１Ｗ／ｍ・Ｋを超える、請求項１〜５のいずれかに記載のインサート。
  7. 前記窒化珪素質焼結体は、表面から１ｍｍの範囲を第３領域としたとき、該第３領域における熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である、請求項１〜６のいずれかに記載のインサート。
  8. 第１端から第２端に向かって延び、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のいずれかに記載のインサートと、を備えた切削工具。
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