JP5594568B2

JP5594568B2 - 立方晶窒化ホウ素基超高圧焼結材料製切削工具及び表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具

Info

Publication number: JP5594568B2
Application number: JP2010052915A
Authority: JP
Inventors: 忠一大橋; 逸郎田嶋; 庸介宮下
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2010-03-10
Filing date: 2010-03-10
Publication date: 2014-09-24
Anticipated expiration: 2030-03-10
Also published as: JP2011183524A

Description

本発明は、切削工具、表面被覆切削工具のすくい面のクレータ摩耗の発生の低減を図るとともに、クレータ摩耗の発達による刃先強度の低下を防止し、もって、耐チッピング性の向上を図った立方晶窒化ホウ素（以下、ｃＢＮで示す）基超高圧焼結材料製切削工具（以下、ｃＢＮ工具という）及びｃＢＮ工具に硬質膜を蒸着形成した表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具（以下、被覆ｃＢＮ工具という）に関する。

従来、鋼、鋳鉄等の鉄系被削材の切削加工には、被削材との親和性の低い工具材料としてｃＢＮ基超高圧焼結材料（以下、ｃＢＮ焼結材という）を用いたｃＢＮ工具が知られており、また、ｃＢＮ工具の耐摩耗性の向上、工具寿命の改善等の観点から、ｃＢＮ工具表面に硬質膜を蒸着形成した被覆ｃＢＮ工具も良く知られている。
例えば、特許文献１に示すように、高硬度鋼の切削加工において、耐摩耗性の向上を図るため、ｃＢＮ工具の表面に、ＴｉＡｌＮ等のＴｉベースの硬質膜を物理蒸着で蒸着形成した被覆ｃＢＮ工具が知られているが、この被覆ｃＢＮ工具によれば、逃げ面摩耗の抑制に効果はみられるものの、すくい面に発生するクレータ摩耗の抑制効果は十分とはいえなかった。
また、クレータ摩耗の抑制を図るための切削工具としては、例えば、特許文献２に示すように、超硬合金からなる工具基体の表面に酸化アルミニウム（以下、Ａｌ_２Ｏ_３で示す）を化学蒸着で形成した被覆超硬工具が知られている。

特開平８−１１９７７４号公報特開昭５２−１００３７６号公報

従来のｃＢＮ工具においては耐クレータ摩耗性が十分でなく、また、これを改善するために、ｃＢＮ工具に対してＡｌ_２Ｏ_３膜からなる硬質膜を化学蒸着で形成しようとした場合、ｃＢＮ工具はその刃先を超硬合金母材等にろう付けしているが、化学蒸着時にろう付け部の温度が高温にさらされ、そのため、被覆ｃＢＮ工具の刃先がろう付け部から脱落しやすいという問題点があった。
そこで、本発明は、耐クレータ摩耗性にすぐれ、刃先強度の低下がなく耐チッピング性にすぐれたｃＢＮ工具を提供するとともに、ｃＢＮ工具に対して硬質膜を蒸着形成した場合にも、ろう付け部からの刃先の脱落の恐れがなく、しかも、耐クレータ摩耗性、耐チッピング性にすぐれた被覆ｃＢＮ工具を提供することを目的とする。

本発明者等は、上記課題を解決するため、ｃＢＮ工具あるいは被覆ｃＢＮ工具のｃＢＮ焼結材構成成分であるｃＢＮ粒子に着目し、鋭意研究したところ、次のような知見を得た。

従来のｃＢＮ工具あるいは被覆ｃＢＮ工具の作製に際して、ｃＢＮ焼結材構成成分であるｃＢＮ粉末を、バインダー（結合相）形成成分であるＴｉＮ粉末、ＴｉＡｌ_３粉末、Ａｌ_２Ｏ_３粉末等と混合し、これを超高圧高温条件下で焼結することによりｃＢＮ焼結材を作製し、これを超硬合金母材にろう付け接合し刃先を形成していたため、工具の耐クレータ摩耗性向上のために、化学蒸着等によるＡｌ_２Ｏ_３硬質膜の蒸着形成を行った場合には、蒸着時の高温にさらされることによる刃先の脱落が生じていた。

そこで、本発明者らは、ｃＢＮ焼結材の作製に際し、ｃＢＮ焼結材の構成成分であるｃＢＮ粒子表面に、例えば、ＡＬＤ（ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ。真空チャンバ内の基材に、原料化合物の分子を一層ごと反応させ、Ａｒや窒素によるパージを繰り返し行うことで成膜する方法で、ＣＶＤ法の一種である。）法等により、微小膜厚のＡｌ_２Ｏ_３膜を予め形成しておき、この予めＡｌ_２Ｏ_３膜でコーティングされたｃＢＮ粒子を原料粉末として用いてｃＢＮ焼結材を作製したところ、ｃＢＮ粒子の表面がＡｌ_２Ｏ_３膜でコーティングされた焼結材が得られるため、このｃＢＮ焼結材を工具基体とした場合には、すくい面表面に直接ｃＢＮが露出することがなく、すぐれた耐クレータ摩耗性が得られ、また、このｃＢＮ焼結材を超硬合金母材にろう付けした後、Ａｌ_２Ｏ_３硬質膜を蒸着で形成する必要もない。
つまり、ｃＢＮ焼結材の構成成分であるｃＢＮ粒子として、予め微小膜厚のＡｌ_２Ｏ_３膜をコーティングしたｃＢＮ粒子を用いることにより、蒸着時の高温による刃先の脱落が生じる恐れのあるＡｌ_２Ｏ_３硬質膜の蒸着形成を行わなくとも、耐クレータ摩耗性にすぐれたｃＢＮ工具が得られることを見出したのである。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「（１）立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料からなる工具基体を超硬合金母材にろう付け接合した立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具において、
上記立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料は、酸化アルミニウムによってその表面が均一に切れ間なく被覆され、かつ、該酸化アルミニウムの被覆厚さと立方晶窒化ほう素粒子の粒径の比の値は０．００３３３〜０．１３６６７である立方晶窒化ほう素粒子粉末と、ＴｉＣ粉末、ＴｉＮ粉末およびＴｉＣＮ粉末の内の一種以上と、ＴｉＡｌ_３粉末、Ａｌ_２Ｏ_３粉末およびＷＣ粉末との焼結材であることを特徴とする立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具。
（２）立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料からなる工具基体を超硬合金母材にろう付け接合した立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具において、
上記立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料の構成成分である立方晶窒化ほう素粒子の表面は酸化アルミニウムによって均一に切れ間なく被覆され、かつ、該酸化アルミニウムの被覆厚さと立方晶窒化ほう素粒子の粒径の比の値は０．００３３３〜０．１３６６７であり、また、上記立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料のその他の構成成分は、ＴｉＣ、ＴｉＮおよびＴｉＣＮの内の一種以上と、Ａｌ_２Ｏ_３、ＷＣ、および、ＴｉまたはＡｌを含む反応生成物とからなることを特徴とする立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具。
（３）前記（１）または（２）に記載の立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具の表面に、硬質膜を蒸着形成したことを特徴とする表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具。」
を特徴とするものである。

本発明について、以下に説明する。

本発明のｃＢＮ工具、被覆ｃＢＮ工具では、ｃＢＮ焼結材料で工具基体が構成されるが、該ｃＢＮ焼結材のｃＢＮ原料粉末としては、微小膜厚のＡｌ_２Ｏ_３膜が予めでコーティングされたｃＢＮ粒子を使用する。
例えば、ＡＬＤ法により、ｃＢＮ粒子表面に微小膜厚のＡｌ_２Ｏ_３膜をコーティングする場合、流動層炉内にｃＢＮ粒子を装入し、０．８Ｔｏｒｒの減圧下にて、２００℃程度に昇温し、Ａｌ（ＣＨ_３）_３ガス流入工程、Ａｒガスパージ工程、Ｈ_２Ｏガス流入工程、Ａｒガスパージ工程を１サイクルとして、このサイクルを目標層厚になるまで繰り返す（例えば、１時間かけて１０ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３膜を成膜する）ことにより、Ａｌ _２Ｏ _３の被覆厚さと立方晶窒化ほう素粒子の粒径の比の値が０．００３３３〜０．１３６６７であるＡｌ_２Ｏ_３膜をｃＢＮ粒子表面に形成することができる。
ここで、上記ｃＢＮ粒子表面にコーティングされたＡｌ_２Ｏ_３膜に切れ間があると、すくい面表面にｃＢＮが直接露出する可能性が高くなるため、Ａｌ_２Ｏ_３膜は均一に切れ間なくｃＢＮ粒子表面をコーティングする程度の平均被覆厚さを有する必要があるが、Ａｌ_２Ｏ_３膜の平均被覆厚さがｃＢＮ粒子の平均直径の１／２を超えるようになると、刃先エッジに存在するＡｌ_２Ｏ_３がｃＢＮ粒子より先に摩滅するためｃＢＮ粒子の脱落が顕著になり、刃先のシャープさを維持できなくなることから、Ａｌ_２Ｏ_３膜の平均被覆厚さは、ｃＢＮ粒子の平均直径の１／２以下と定める。本発明では、実施例に基づき、Ａｌ _２Ｏ _３の被覆厚さと立方晶窒化ほう素粒子の粒径の比の値が０．００３３３〜０．１３６６７となるようにＡｌ _２Ｏ _３膜の平均被覆厚さを定めた。
ｃＢＮ粒子表面のＡｌ_２Ｏ_３膜の被覆の均一性については、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）観察を行うことによって確認することができる。

上記で作製した微小膜厚のＡｌ_２Ｏ_３膜でコーティングされたｃＢＮ粒子を硬質相の原料粉末として用い、ｃＢＮ焼結材中の他の構成成分、例えば、結合相（バインダー）成分等としては、周期律表ＶＩａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素の窒化物、炭化物、硼化物、酸化物ならびにこれらの固溶体からなる群の中から選択された少なくとも１種の粉末とを所定配合組成になるように配合し、これを通常の超高圧高温条件下で焼結することにより、ｃＢＮ焼結材を作製し、これを、超硬合金からなる母材にろう付け接合することにより、本発明ｃＢＮ工具を作製する。
本発明ｃＢＮ工具は、少なくともそのすくい面に、Ａｌ_２Ｏ_３膜の露出はあっても、ｃＢＮ粒子が露出することはないので、耐クレータ摩耗性にすぐれ、さらに、刃先強度の低下が少ないことから耐チッピング性にすぐれるという性能を備える。

図１に、ｃＢＮ焼結材中に存在するｃＢＮ粒子、ｃＢＮ粒子表面を被覆するＡｌ_２Ｏ_３膜及び結合相（バインダー）の概略模式図を示す。

さらに、上記で作製した本発明ｃＢＮ工具の表面に、例えば、Ｔｉの窒化物層、Ｔｉの炭窒化物層、ＴｉとＡｌの複合窒化物層等の硬質膜を物理蒸着等で被覆形成することにより被覆ｃＢＮ工具を作製すると、蒸着時の高温によってろう付け部からの刃先の脱落が生じる恐れはなく、耐クレータ摩耗性、耐チッピング性に加え、より一段とすぐれた耐摩耗性を有し、長寿命の被覆ｃＢＮ工具を得ることができる。
なお、硬質膜の種類は上記のものに限定されるわけではなく、他のいかなる硬質膜でも構わない。

上記のとおり、本発明のｃＢＮ工具においては、ｃＢＮ焼結材の構成成分であるｃＢＮ粒子の表面が、Ａｌ_２Ｏ_３膜によって均一に切れ間なく被覆され、かつ、該酸化アルミニウムの被覆厚さと立方晶窒化ほう素粒子の粒径の比の値は０．００３３３〜０．１３６６７であることによって、すぐれた耐クレータ摩耗性、耐チッピング性を発揮し、さらに、本発明ｃＢＮ工具に物理蒸着等によってＴｉＡｌＮ等の硬質膜を蒸着形成した本発明の被覆ｃＢＮ工具は、蒸着時の高温による刃先の脱落もなく、より一段とすぐれた耐摩耗性を発揮し、工具寿命の延命化を図ることができる。

本発明のｃＢＮ工具、被覆ｃＢＮ工具のｃＢＮ焼結材中におけるｃＢＮ粒子、ｃＢＮ粒子表面を被覆するＡｌ_２Ｏ_３膜及び結合相（バインダー）の概略模式図を示す。

以下に、本発明のｃＢＮ工具、被覆ｃＢＮ工具を実施例に基づいて説明する。

微小膜厚のＡｌ_２Ｏ_３膜でコーティングされたｃＢＮ粒子粉末の作製：
平均粒径３μｍのｃＢＮ粒子を基材とし、これに、表１に示される条件のＡＬＤ（ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、表１に示される膜厚のＡｌ_２Ｏ_３膜を均一にかつ切れ間なく形成する。
なお、上記で得られた微小膜厚のＡｌ_２Ｏ_３膜でコーティングされたｃＢＮ粒子粉末について、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）を用いて観察したところ、ｃＢＮ粒子表面に表１に示される（Ａｌ_２Ｏ_３コーティング膜厚）／（ｃＢＮ粒径）の値が０．００３３３〜０．１３６６７であるＡｌ_２Ｏ_３膜が均一にかつ切れ間なくコーティングされていることが確認された。

原料粉末として、上記で作製した微小膜厚のＡｌ_２Ｏ_３膜でコーティングされたｃＢＮ粒子粉末と、いずれも０．３〜０．９μｍの範囲内の平均粒径を有するＴｉＣ粉末、ＴｉＮ粉末、ＴｉＣＮ粉末、ＴｉＡｌ_３粉末、Ａｌ_２Ｏ_３粉末、ＷＣ粉末を用意し、これら原料粉末を表２に示される配合組成に配合し（但し、微小膜厚のＡｌ_２Ｏ_３膜でコーティングされたｃＢＮ粒子粉末の配合割合は、いずれも７０容量％）、ボールミルで２４時間アセトンを用いて湿式混合し、乾燥した後、油圧プレスにて成形圧１ＭＰａで直径：５０ｍｍ×厚さ：１．５ｍｍの寸法にプレス成形し、ついでこの成形体を、圧力：１Ｐａの真空雰囲気中、１０００〜１３００℃の範囲内の所定温度に３０〜６０分間保持して熱処理し、揮発成分および粉末表面への吸着成分を除去して切刃片用予備焼結体とし、この予備焼結体を、別途用意した、Ｃｏ：８質量％、ＷＣ：残りの組成、並びに直径：５０ｍｍ×厚さ：２ｍｍの寸法をもったＷＣ基超硬合金製支持片と重ね合わせた状態で、通常の超高圧焼結装置に装入し、通常の条件である圧力：５ＧＰａ、温度：１５００℃、保持時間：３０分間の条件で超高圧高温焼結し、ｃＢＮ焼結材を得る。このｃＢＮ焼結材の構成成分であるｃＢＮ粒子の表面はＡｌ_２Ｏ_３によって均一に切れ間なく被覆されており、また、ｃＢＮ焼結材のその他の構成成分は、ＴｉＣ、ＴｉＮおよびＴｉＣＮの内の一種以上と、Ａｌ_２Ｏ_３、ＷＣ、および、ＴｉまたはＡｌを含む反応生成物とからなる。このｃＢＮ焼結材円板を、ワイヤー放電加工装置で所定寸法に切断し、Ｃｏ：５質量％、ＴａＣ：５質量％、ＷＣ：残りの組成およびＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８のインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製インサート本体のろう付け部（コーナー部）に、質量％で、Ｃｕ：２６％、Ｔｉ：５％、Ａｇ：残りからなる組成を有するＡｇ合金のろう材を用いてろう付けし、上下面および外周研磨、ホーニング処理を施すことによりＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８のインサート形状をもつ表２に示す配合組成の本発明ｃＢＮ工具１〜１０を製造した。
なお、本発明ｃＢＮ工具１〜１０のｃＢＮ焼結材について、ワイヤーカットで切断した後、イオン研磨を用いて表面を平滑化し、その断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）とＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザー）を用いて観察したところ、いずれも、図１の模式図に示すように、ｃＢＮ粒子表面にＡｌ_２Ｏ_３膜が均一かつ切れ間なくコーティングされ、かつ、（Ａｌ _２Ｏ _３コーティング膜厚）／（ｃＢＮ粒径）の値が０．００３３３〜０．１３６６７であることが確認された。

比較のため、原料粉末として、微小膜厚のＡｌ_２Ｏ_３膜コーティングを行っていない平均粒径３μｍのｃＢＮ粒子粉末と、いずれも０．３〜０．９μｍの範囲内の平均粒径を有するＴｉＣ粉末、ＴｉＮ粉末、ＴｉＣＮ粉末、ＴｉＡｌ_３粉末、Ａｌ_２Ｏ_３粉末、ＷＣ粉末を用意し、これら原料粉末を表２に示される配合組成に配合し（但し、微小膜厚のＡｌ_２Ｏ_３膜コーティングを行っていないｃＢＮ粒子粉末の配合割合は、いずれも７０容量％）、上記本発明ｃＢＮ工具１〜１０と同様な方法で、ＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８のインサート形状をもつ表３に示す比較例ｃＢＮ工具１１〜２０を製造した。

上記の本発明ｃＢＮ１〜１０および比較例ｃＢＮ１１〜２０を用い、以下の切削条件１で切削加工試験を実施し、切削時間：１０分経過後のクレータ摩耗深さを測定するとともに、チッピングの有無を観察した。
切削加工試験の測定結果を表４に示した。
《切削条件１》
被削材：ＪＩＳ・ＳＫＤ１１の丸棒（硬さ：ＨＲＣ６０）、
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、
切込み：０．３ｍｍ、
切削時間：１０分
の条件での、ダイス鋼の乾式切削加工試験。
なお、クレータ摩耗深さの測定は、レーザー顕微鏡を用いて試験前の刃先直線形状からのへこみ量を測定することにより行った。

表４に示される結果から、本発明ｃＢＮ工具１〜１０は、ｃＢＮ粒子の表面が０．０１〜０．４１μｍの膜厚のＡｌ_２Ｏ_３膜によって均一かつ切れ間なくコーティングされ、かつ、（Ａｌ _２Ｏ _３コーティング膜厚）／（ｃＢＮ粒径）の値が０．００３３３〜０．１３６６７であることから、すくい面の耐クレータ摩耗にすぐれ、その結果、刃先強度の低下がなく耐チッピング性にもすぐれているのに対して、比較例ｃＢＮ工具１１〜２０は、ｃＢＮ粒子表面にＡｌ_２Ｏ_３膜コーティングがないため、クレータ摩耗深さが深く、その結果、耐チッピング性、耐欠損性にも劣ることが明らかである。

なお、上記本発明ｃＢＮ工具１〜１０に対して、当業者によく知られているＰＶＤ法により硬質被覆層（具体的には、ＴｉＡｌＮ層）を蒸着形成することにより本発明被覆ｃＢＮ工具を作製し、上記切削条件１と同条件で切削加工試験を行ったところ、いずれも、すぐれた耐クレータ摩耗性、すぐれた耐チッピング性を示すことを確認した。

上述のように、この発明のｃＢＮ工具、被覆ｃＢＮ工具は、耐摩耗性、耐チッピング性にすぐれ、切削加工装置の高性能化、並びに切削加工の省力化および省エネ化、低コスト化に十分満足に対応できるものである。

Claims

立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料からなる工具基体を超硬合金母材にろう付け接合した立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具において、
上記立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料は、酸化アルミニウムによってその表面が均一に切れ間なく被覆され、かつ、該酸化アルミニウムの被覆厚さと立方晶窒化ほう素粒子の粒径の比の値は０．００３３３〜０．１３６６７である立方晶窒化ほう素粒子粉末と、ＴｉＣ粉末、ＴｉＮ粉末およびＴｉＣＮ粉末の内の一種以上と、ＴｉＡｌ_３粉末、Ａｌ_２Ｏ_３粉末およびＷＣ粉末との焼結材であることを特徴とする立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具。
立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料からなる工具基体を超硬合金母材にろう付け接合した立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具において、
上記立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料の構成成分である立方晶窒化ほう素粒子の表面は酸化アルミニウムによって均一に切れ間なく被覆され、かつ、該酸化アルミニウムの被覆厚さと立方晶窒化ほう素粒子の粒径の比の値は０．００３３３〜０．１３６６７であり、また、上記立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料のその他の構成成分は、ＴｉＣ、ＴｉＮおよびＴｉＣＮの内の一種以上と、Ａｌ_２Ｏ_３、ＷＣ、および、ＴｉまたはＡｌを含む反応生成物とからなることを特徴とする立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具。
前記請求項１または２に記載の立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具の表面に、硬質膜を蒸着形成したことを特徴とする表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具。