WO2022138146A1 - インサートおよび切削工具 - Google Patents
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Abstract
第１面（７）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（７）に垂直な方向の立方晶窒化硼素の１１１回折のピークの頂点におけるＸ線強度をＩｃＢＮ（１１１）ｖとする。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とする。第１面（７）に平行な方向の立方晶窒化硼素の１１１回折のピークの頂点におけるＸ線強度をＩｃＢＮ（１１１）ｈとする。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。これらのＸ線強度より求めた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。立方晶配向値は０．５よりも大きく、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、本開示によるインサート（１）は、窒化硼素焼結体における表面の少なくとも一部に被覆層（２０）を有する。
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。
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、本開示の一態様によるインサートは、窒化硼素焼結体における表面の少なくとも一部に被覆層を有する。
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。
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。
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、すくい面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は、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。
＜被覆層＞
本開示のインサート１は、被覆層を有していてもよい。被覆層は、例えば、窒化硼素焼結体３の耐摩耗性、耐熱性等を向上させることを目的として窒化硼素焼結体３に被覆される。なお、図２に示すインサート１において、被覆層は、窒化硼素焼結体３と基体５とに被覆されてもよい。
本開示のインサート１は、被覆層を有していてもよい。被覆層は、例えば、窒化硼素焼結体３の耐摩耗性、耐熱性等を向上させることを目的として窒化硼素焼結体３に被覆される。なお、図２に示すインサート１において、被覆層は、窒化硼素焼結体３と基体５とに被覆されてもよい。
ここで、インサート１が有する被覆層の構成の一例について図３を参照して説明する。図３は、本開示の被覆層の構成の一例を示す断面図である。
図３に示すように、インサート１は、被覆層２０を有する。被覆層２０の厚みは、たとえば０．１μｍ以上５．０μｍ以下であってもよい。
被覆層２０は、硬質層２１を有する。硬質層２１は、後述する金属層２２と比較して耐摩耗性に優れた層である。硬質層２１は、１層以上の金属窒化物層を有する。硬質層２１は１層であってもよい。また、図３に示すように複数の金属窒化物層が重なっていてもよい。また、硬質層２１は、複数の金属窒化物層が積層された積層部２３と、積層部２３の上に位置する第３金属窒化物層２４とを有していてもよい。硬質層２１の構成については後述する。
また、被覆層２０は、金属層２２を有する。金属層２２は、窒化硼素焼結体３と硬質層２１との間に位置する。具体的には、金属層２２は、第１の面（ここでは下面）において窒化硼素焼結体３の上面に接し、第１の面の反対側に位置する第２の面（ここでは上面）において硬質層２１の下面に接する。
金属層２２は、窒化硼素焼結体３との密着性が硬質層２１と比べて高い。このような特性を有する金属元素としては、たとえば、Ｚｒ、Ｖ、Ｃｒ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｙが挙げられる。金属層２２は、上記金属元素のうち少なくとも１種以上の金属元素を含有する。
なお、Ｔｉの単体、Ｚｒの単体、Ｖの単体、Ｃｒの単体およびＡｌの単体は、金属層２２としては用いられない。これらはいずれも融点が低く、耐酸化性が低いことから、切削工具への使用に適さないためである。また、Ｈｆの単体、Ｎｂの単体、Ｔａの単体、Ｍｏの単体は窒化硼素焼結体３との密着性が低い。ただし、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ａｌを含む合金については、この限りではない。
金属層２２は、Ａｌ－Ｃｒ合金を含有するＡｌ－Ｃｒ合金層であってもよい。かかる金属層２２は、窒化硼素焼結体３との密着性が特に高いことから、窒化硼素焼結体３と被覆層２０との密着性を向上させる効果が高い。
金属層２２がＡｌ－Ｃｒ合金層である場合、金属層２２におけるＡｌの含有量は、金属層２２におけるＣｒの含有量よりも多くてもよい。たとえば、金属層２２におけるＡｌとＣｒとの組成比（原子％）は、７０：３０であってもよい。このような組成比率とすることで、窒化硼素焼結体３と金属層２２との密着性はより高い。
金属層２２は、上記金属元素（Ｚｒ、Ｖ、Ｃｒ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｙ）以外の成分を含有していてもよい。ただし、窒化硼素焼結体３との密着性の観点から、金属層２２は、上記金属元素を合量で少なくとも９５原子％以上含有していてもよい。より好ましくは、金属層２２は、上記金属元素を合量で９８原子％以上含有していてもよい。たとえば、金属層２２がＡｌ－Ｃｒ合金層である場合、金属層２２は、少なくとも、ＡｌおよびＣｒを合量で９５原子％以上含有していてもよい。さらに金属層２２は、少なくとも、ＡｌおよびＣｒを合量で９８原子％以上含有していてもよい。なお、金属層２２における金属成分の割合は、たとえば、ＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光器）を用いた分析により特定可能である。
また、Ｔｉは窒化硼素焼結体３との濡れ性が悪いため、窒化硼素焼結体３との密着性向上の観点から、金属層２２は、Ｔｉを極力含有していないことが好ましい。具体的には、金属層２２におけるＴｉの含有量は、１５原子％以下であってもよい。
このように、本開示のインサート１では、窒化硼素焼結体３との濡れ性が硬質層２１と比べて高い金属層２２を窒化硼素焼結体３と硬質層２１との間に設けることにより、窒化硼素焼結体３と被覆層２０との密着性を向上させることができる。なお、金属層２２は、硬質層２１との密着性も高いため、硬質層２１が金属層２２から剥離するといったことも生じにくい。
また、窒化硼素焼結体３は、絶縁体である。絶縁体である窒化硼素焼結体３には、ＰＶＤ法（物理蒸着）により形成される膜との密着性に改善の余地があった。これに対し、本開示のインサート１は、導電性を有する金属層２２が窒化硼素焼結体３の表面に位置するため、ＰＶＤ法により形成される硬質層２１と金属層２２との密着性が高い。
次に、硬質層２１の構成について図４を参照して説明する。図４は、図３に示すＨ部の模式拡大図である。
図４に示すように、硬質層２１は、金属層２２の上に位置する積層部２３と、積層部２３の上に位置する第３金属窒化物層２４とを有する。
積層部２３は、複数の第１金属窒化物層２３ａと複数の第２金属窒化物層２３ｂとを有する。積層部２３は、第１金属窒化物層２３ａと第２金属窒化物層２３ｂとが交互に積層された構成を有している。
第１金属窒化物層２３ａおよび第２金属窒化物層２３ｂの厚みは、それぞれ１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下としてもよい。このように、第１金属窒化物層２３ａおよび第２金属窒化物層２３ｂを薄く形成することで、第１金属窒化物層２３ａおよび第２金属窒化物層２３ｂの残留応力が小さい。これにより、たとえば、第１金属窒化物層２３ａおよび第２金属窒化物層２３ｂの剥離やクラック等が生じ難くなることから、被覆層２０の耐久性が高い。
第１金属窒化物層２３ａは、金属層２２に接する層であり、第２金属窒化物層２３ｂは、第１金属窒化物層２３ａ上に形成される。
第１金属窒化物層２３ａおよび第２金属窒化物層２３ｂは、金属層２２に含まれる金属を含有していてもよい。
たとえば、金属層２２に２種類の金属（ここでは、「第１の金属」、「第２の金属」とする）が含まれているとする。この場合、第１金属窒化物層２３ａは、第１の金属および第３の金属の窒化物を含有する。第３の金属は、金属層２２に含まれない金属である。また、第２金属窒化物層２３ｂは、第１の金属および第２の金属の窒化物を含有する。
たとえば、実施形態において、金属層２２は、ＡｌおよびＣｒを含有してもよい。この場合、第１金属窒化物層２３ａは、Ａｌを含有してもよい。具体的には、第１金属窒化物層２３ａは、ＡｌおよびＴｉの窒化物であるＡｌＴｉＮを含有するＡｌＴｉＮ層であってもよい。また、第２金属窒化物層２３ｂは、ＡｌおよびＣｒの窒化物であるＡｌＣｒＮを含有するＡｌＣｒＮ層であってもよい。
このように、金属層２２に含まれる金属を含有する第１金属窒化物層２３ａを金属層２２の上に位置させることで、金属層２２と硬質層２１との密着性が高い。これにより、硬質層２１が金属層２２から剥離し難くなるため、被覆層２０の耐久性が高い。
第１金属窒化物層２３ａすなわちＡｌＴｉＮ層は、上述した金属層２２との密着性の他、たとえば耐摩耗性に優れる。また、第２金属窒化物層２３ｂすなわちＡｌＣｒＮ層は、たとえば耐熱性、耐酸化性に優れる。このように、被覆層２０は、互いに異なる組成の第１金属窒化物層２３ａおよび第２金属窒化物層２３ｂを含むことで、硬質層２１の耐摩耗性や耐熱性等の特性を制御することができる。これにより、インサート１の工具寿命を延ばすことができる。たとえば、実施形態に係る硬質層２１においては、ＡｌＣｒＮが持つ優れた耐熱性を維持しつつ、金属層２２との密着性や耐摩耗性といった機械的性質を向上させることができる。
このように、被覆層２０の少なくとも一部は、一層当たりの厚みが１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の複数の層（第１金属窒化物層２３ａおよび第２金属窒化物層２３ｂ）が積層されていてもよい。
なお、積層部２３は、たとえばアークイオンプレーティング法（ＡＩＰ法）により成膜してもよい。ＡＩＰ法は、真空雰囲気でアーク放電を利用してターゲット金属（ここでは、ＡｌＴｉターゲットおよびＡｌＣｒターゲット）を蒸発させ、Ｎ２ガスと結合することによって金属窒化物（ここでは、ＡｌＴｉＮとＡｌＣｒＮ）を成膜する方法である。なお、金属層２２もＡＩＰ法により成膜してもよい。
第３金属窒化物層２４は、積層部２３の上に位置してもよい。具体的には、第３金属窒化物層２４は、積層部２３のうち第２金属窒化物層２３ｂと接する。第３金属窒化物層２４は、たとえば、第１金属窒化物層２３ａと同様、ＴｉおよびＡｌを含有する金属窒化物層（ＡｌＴｉＮ層）である。
第３金属窒化物層２４の厚みは、第１金属窒化物層２３ａおよび第２金属窒化物層２３ｂの各厚みよりも厚くてもよい。具体的には、上述したように第１金属窒化物層２３ａおよび第２金属窒化物層２３ｂの厚みは５０ｎｍ以下とした場合、第３金属窒化物層２４の厚みは、１μｍ以上としてもよい。たとえば、第３金属窒化物層２４の厚みは、１．２μｍであってもよい。
これにより、たとえば、第３金属窒化物層２４の摩擦係数が低い場合には、インサート１の耐溶着性を向上させることができる。また、たとえば、第３金属窒化物層２４の硬度が高い場合には、インサート１の耐摩耗性を向上させることができる。また、たとえば、第３金属窒化物層２４の酸化開始温度が高い場合には、インサート１の耐酸化性を向上させることができる。
また、第３金属窒化物層２４の厚みは、積層部２３の厚みよりも厚くてもよい。具体的には、実施形態において、積層部２３の厚みは０．５μｍ以下とした場合、第３金属窒化物層２４の厚みは、１μｍ以上であってもよい。たとえば、積層部２３の厚みが０．３μｍである場合、第３金属窒化物層２４の厚みは１．２μｍであってもよい。このように、第３金属窒化物層２４を積層部２３よりも厚くすることで、上述した耐溶着性、耐摩耗性等を向上させる効果がさらに高い。
なお、金属層２２の厚みは、たとえば０．１μｍ以上、０．６μｍ未満であってもよい。すなわち、金属層２２は、第１金属窒化物層２３ａおよび第２金属窒化物層２３ｂの各々よりも厚く、且つ、積層部２３よりも薄くてもよい。
＜切削工具＞
次に、本開示の切削工具について図５を参照して説明する。図５は、本開示の切削工具の一例を示す図である。
次に、本開示の切削工具について図５を参照して説明する。図５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５に示すように、例えば、第１端（図５における上端）から第２端（図５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５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。
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。更に上記の製造方法により、窒化硼素質焼結体上に被覆層を形成することができる。
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。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。また、インサートの表面に被覆層を設けた試料も作製した。この被覆層の構成を表２に示す。なお、下記の試験では、被覆層のないインサートと、２種類の被覆層を設けたインサートとを評価した。
これらのインサートの第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
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における窒化硼素焼結体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。いずれの試料においても、被覆層を有するインサートは被覆層を有さないインサートよりも寿命が長かった。特に、金属層を有するインサートは寿命が長かった。
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
２０・・・被覆層
２１・・・硬質層
２２・・・金属層
２３・・・積層部
２３ａ・・第１金属窒化物層
２３ｂ・・第２金属窒化物層
２４・・・第３金属窒化物層
１０１・・切削工具
１０３・・ポケット
１０５・・ホルダ
３・・・窒化硼素焼結体
５・・・基体
７・・・すくい面
９・・・逃げ面
１３・・・切刃
２０・・・被覆層
２１・・・硬質層
２２・・・金属層
２３・・・積層部
２３ａ・・第１金属窒化物層
２３ｂ・・第２金属窒化物層
２４・・・第３金属窒化物層
１０１・・切削工具
１０３・・ポケット
１０５・・ホルダ
Claims (11)
- 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における表面の少なくとも一部に被覆層を有する、インサート。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 前記被覆層の厚みは、０．１μｍ以上５．０μｍ以下である、請求項１～５のいずれか一つに記載のインサート。
- 前記被覆層は、積層された複数の層を有しており、前記窒化硼素焼結体と接する前記被覆層が、金属で形成されている、請求項１～６のいずれか一つに記載のインサート。
- 前記金属は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ａｌの単体以外の金属からなる、請求項７に記載のインサート。
- 前記金属は、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｙのうち少なくとも一種以上の元素を含有する、請求項８に記載のインサート。
- 前記被覆層の少なくとも一部は、一層当たりの厚みが１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の複数の層が積層されている、請求項１～９のいずれか一つに記載のインサート。
- 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１～１０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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