(57)【要約】【課題】優れた耐摩耗性を発現し、切削、旋削加工において高い加工品の生産性を実現する立方晶窒化硼素の焼結体、この焼結体を用いた切削工具、この切削工具を用いた鉄系金属材料の切削加工方法を提供する。【解決手段】立方晶窒化硼素と、ＶＩａ族元素の単体金属、窒化硼素以外の窒化物、炭化物、炭窒化物、窒化硼素以外の硼化物、及びこれらの固溶体からなる群より選ばれる少なくとも一種の物質とを含む焼結体を得、この焼結体を用いて切削工具を得、これを用いて切削加工をする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
立方晶窒化硼素と、ＶＩａ族元素の単体金属、窒化硼素以外の窒化物、炭化物、炭窒化物、窒化硼素以外の硼化物、及びこれらの固溶体からなる群より選ばれる少なくとも一種の物質とを含む焼結体。
【請求項２】
焼結体が、結合材を含む請求項１に記載の焼結体。
【請求項３】
ＶＩａ族元素の単体金属、窒化硼素以外の窒化物、炭化物、炭窒化物、窒化硼素以外の硼化物、及びこれらの固溶体からなる群より選ばれる少なくとも一種の物質の粒径が、焼結体中で、０．５μｍ〜３μｍである請求項１または２に記載の焼結体。
【請求項４】
ＶＩａ族元素の単体金属、窒化硼素以外の窒化物、炭化物、炭窒化物、窒化硼素以外の硼化物、及びこれらの固溶体からなる群より選ばれる少なくとも一種の物質の含有量が、０．５面積％〜５面積％である請求項１乃至３の何れか１項に記載の焼結体。
【請求項５】
立方晶窒化硼素の含有量が、５０面積％〜９９．５面積％である請求項１乃至４の何れか１項に記載の焼結体。
【請求項６】
立方晶窒化硼素を含む焼結体の製造方法であって、立方晶窒化硼素粉末と、ＶＩａ族元素の単体金属、窒化硼素以外の窒化物、炭化物、炭窒化物、窒化硼素以外の硼化物、及びこれらの固溶体からなる群より群から選ばれる少なくとも一種の物質の粉末とを混合し、立方晶窒化硼素の安定領域内で、４．５ＧＰａ以上の圧力、１４００℃以上の温度で焼結する焼結体の製造方法。
【請求項７】
立方晶窒化硼素粉末の平均粒径が、０．５μｍ〜６μｍである請求項６に記載の焼結体の製造方法。。
【請求項８】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の焼結体を用いたことを特徴とする切削工具。
【請求項９】
硫黄を含有する鉄系金属材料の切削加工において、請求項８記載の切削工具を用いることを特徴とする切削加工方法。
【請求項１０】
硫黄を含有する鉄系金属材料が、硫黄を０．０２質量％〜０．３５質量％含有する請求項９に記載の切削加工方法。
【請求項１１】
切削加工が、乾式加工である請求項９または１０に記載の切削加工方法。
【請求項１２】
切削加工が、切削速度１００ｍ／分〜１５００ｍ／分で行われる請求項９乃至１１の何れか１項に記載の切削加工方法。
【請求項１３】
硫黄を含有する鉄系金属材料を切削加工する物品の製造方法において、請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の方法を用いることを特徴とする物品の製造方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の製造方法で製造されたことを特徴とする、硫黄を含有する鉄系金属からなる物品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、立方晶窒化硼素の焼結体、この焼結体を用いた切削工具、この切削工具を用いた鉄系金属材料の切削加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
切削工具等の耐摩耗用素材としては、炭化タングステン（ＷＣ）基の超硬材料が使用されてきた。しかしながら、需要者の加工能率向上等の要求がますます厳しくなっている現在、上記ＷＣ基超硬材料では需要者の要求を満たすことが困難となってきており、より優秀な耐摩耗用素材の開発が期待されている。
【０００３】
上記要望に沿う耐磨耗用素材として、特開昭４８−１７５０３号公報には立方晶窒化硼素粉末に少量のＡｌと、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｖからなる群から選択された合金元素の少なくとも一種を含む金属相を含有させた焼結体が、また特開昭４８−１７５０３号公報にはセラミックスを結合材として用いた立方晶窒化硼素焼結体等が提案されている。
【０００４】
近年、切削機械の高性能化は著しく、省力化の要望とも相俟って、切削速度はより一層高速化の傾向にあり、上記の立方晶窒化硼素焼結体を使用した場合でも、例えば鋳鉄を高速切削した場合、耐摩耗性の低下により、その寿命が短いという欠点があった。
【０００５】
また、近年の地球環境保全に関する関心の高まりから、切削加工分野においても地球環境に配慮した対応が強く求められている。工作機械によるエネルギー消費割合のうち切削油剤の供給動力等で消費される割合は実に５３％に達するとの報告がある。さらに、切削油剤として使用される塩素系油剤は、ダイオキシンを発生させないように慎重な廃液処理をする必要がある。
【０００６】
これらの諸問題を解決するために、切削油剤を用いない乾式切削を可能とする工具材料の開発が強く求められている。
【０００７】
上記の特開昭４８−１７５０３号公報あるいは特公昭５７−３６３１号公報に記載された立方晶窒化硼素焼結体が、鋳鉄の高速切削あるいは乾式切削条件下で、十分な耐摩耗性を発現し得ない理由として、前者の場合は、高速切削あるいは乾式切削条件下で発生する切削熱のため工具刃先が高温となり、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｖ等の合金元素からなる結合材が被削材との間で反応を生じ、焼結体の耐摩耗性が低下するものと推察される。
【０００８】
一方、後者のように、ＴｉＮ等のセラミックスを結合材として用いた場合は、高速切削あるいは乾式切削条件下で発生する切削熱のため工具刃先が高温となり、その結果、結合層が軟化し、十分な耐摩耗性が得られないものと考えられる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
硫黄を含有する鉄系金属材料を被削材としたとき、過酷な高速切削条件下あるいは乾式切削条件下においても優れた耐摩耗性を発現し、切削、旋削加工において高い加工品の生産性を実現する立方晶窒化硼素の焼結体、この焼結体を用いた切削工具、この切削工具を用いた鉄系金属材料の切削加工方法を提供する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、立方晶窒化硼素と、ＶＩａ族元素の単体金属、窒化硼素以外の窒化物、炭化物、炭窒化物、窒化硼素以外の硼化物、及びこれらの固溶体からなる群より選ばれる少なくとも一種の物質とを含む焼結体を鉄系金属材料の高速切削加工に用いると、焼結体において高い耐摩耗性が得られることを見出し本発明を完成させた。
【００１１】
すなわち本発明は以下の（１）〜（１４）に関する。
（１）立方晶窒化硼素と、ＶＩａ族元素の単体金属、窒化硼素以外の窒化物、炭化物、炭窒化物、窒化硼素以外の硼化物、及びこれらの固溶体からなる群より選ばれる少なくとも一種の物質とを含む焼結体。
（２）焼結体が、結合材を含む前項１に記載の焼結体。
（３）ＶＩａ族元素の単体金属、窒化硼素以外の窒化物、炭化物、炭窒化物、窒化硼素以外の硼化物、及びこれらの固溶体からなる群より選ばれる少なくとも一種の物質の粒径が、焼結体中で、０．５μｍ〜３μｍである前項１または２に記載の焼結体。
（４）ＶＩａ族元素の単体金属、窒化硼素以外の窒化物、炭化物、炭窒化物、窒化硼素以外の硼化物、及びこれらの固溶体からなる群より選ばれる少なくとも一種の物質の含有量が、０．５面積％〜５面積％である前項１乃至３の何れか１項に記載の焼結体。
（５）立方晶窒化硼素の含有量が、５０面積％〜９９．５面積％である前項１乃至４の何れか１項に記載の焼結体。
【００１２】
（６）立方晶窒化硼素を含む焼結体の製造方法であって、立方晶窒化硼素粉末と、ＶＩａ族元素の単体金属、窒化硼素以外の窒化物、炭化物、炭窒化物、窒化硼素以外の硼化物、及びこれらの固溶体からなる群より群から選ばれる少なくとも一種の物質の粉末とを混合し、立方晶窒化硼素の安定領域内で、４．５ＧＰａ以上の圧力、１４００℃以上の温度で焼結する焼結体の製造方法。
（７）立方晶窒化硼素粉末の平均粒径が、０．５μｍ〜６μｍである前項６に記載の焼結体の製造方法。
【００１３】
（８）前項１乃至５のいずれか１項に記載の焼結体を用いたことを特徴とする切削工具。
（９）硫黄を含有する鉄系金属材料の切削加工において、前項８記載の切削工具を用いることを特徴とする切削加工方法。
（１０）硫黄を含有する鉄系金属材料が、硫黄を０．０２質量％〜０．３５質量％含有する前項９に記載の切削加工方法。
（１１）切削加工が、乾式加工である前項９または１０に記載の切削加工方法。（１２）切削加工が、切削速度１００ｍ／分〜１５００ｍ／分で行われる前項９乃至１１の何れか１項に記載の切削加工方法。
【００１４】
（１３）硫黄を含有する鉄系金属材料を切削加工する物品の製造方法において、前項９乃至１２のいずれか１項に記載の方法を用いることを特徴とする物品の製造方法。
（１４）前項１３に記載の製造方法で製造されたことを特徴とする、硫黄を含有する鉄系金属からなる物品。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明は、立方晶窒化硼素と、ＶＩａ族元素の単体金属、窒化硼素以外の窒化物、炭化物、炭窒化物、窒化硼素以外の硼化物、及びこれらの固溶体からなる群より選ばれる少なくとも一種の物質（以下、「添加物」と記載することがある）とを含む焼結体、この焼結体を用いた切削工具、この切削工具を用いて、硫黄を含有する鉄系金属材料の切削加工を行う方法である。なお、ＶＩａ族元素とは、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗであるが、本発明ではこの中で、ＭｏまたはＷを用いるのが好ましい。
【００１６】
本発明の焼結体に含まれる、添加物とは、例えば、Ｍｏ、Ｍｏ２Ｃ、ＭｏＣ、ＭｏＢ、Ｍｏ２Ｂ５、ＭｏＢ４、Ｍｏ２Ｂ、ＭｏＢ２、Ｗ、ＷＣ、Ｗ２Ｃ、ＷＢ、Ｗ２Ｂ５、ＷＢ４、ＷＮ、Ｗ２Ｎ、これらの固溶体、これらの複合化物、及びこれらの不定比組成の化合物が挙げられる。これらの中で、Ｍｏ、Ｍｏ２Ｃ、ＭｏＣ、ＭｏＢ、Ｍｏ２Ｂ５、ＭｏＢ４、Ｍｏ２Ｂ、ＭｏＢ２、Ｗ、ＷＣ、Ｗ２Ｃ、ＷＢ、Ｗ２Ｂ５、ＷＢ４、ＷＮ、及びＷ２Ｎが好ましく、Ｍｏ、ＭｏＢ、Ｍｏ２Ｂ５、ＭｏＢ２、Ｗ、ＷＢ、Ｗ２Ｂ５、及びＷＢ４が特に好ましい。
【００１７】
本発明の焼結体に用いられる結合材は、例えば、ＴｉＣ、ＴｉＢ２、Ｔｉ２Ｂ５、Ｔｉ３Ｂ４、ＴｉＢ、ＴｉＮ、Ｔｉ２Ｎ、ＴｉＣｘＮ１−ｘ（０＜ｘ＜１）、ＺｒＣ、ＺｒＢ２、ＺｒＢ１２、ＺｒＮ、ＺｒＣｘＮ１−ｘ（０＜ｘ＜１）、ＨｆＣ、ＨｆＢ２、ＨｆＢ、ＨｆＢ１２、Ｈｆ３Ｎ２、ＨｆＮ、Ｈｆ４Ｎ３、ＨｆＣｘＮ１−ｘ（０＜ｘ＜１）、ＶＣ、Ｖ４Ｃ３、Ｖ８Ｃ７、ＶＢ２、Ｖ３Ｂ４、Ｖ３Ｂ１２、ＶＢ、Ｖ２Ｂ５、Ｖ２Ｂ２、ＶＮ、Ｖ２Ｎ、Ｖ　ＣｘＮ１−ｘ（０＜ｘ＜１）、ＮｂＣ、Ｎｂ６Ｃ５、Ｎｂ２Ｃ、ＮｂＢ２、Ｎｂ３Ｂ２、ＮｂＢ、ＮｂＣｘＮ１−ｘ（０＜ｘ＜１）、ＴａＣ、Ｔａ２Ｃ、ＴａＢ２、Ｔａ２Ｂ、Ｔａ３Ｂ２、ＴａＢ、Ｔａ３Ｂ４、ＴａＣｘＮ１−ｘ（０＜ｘ＜１）、ＡｌＢ１２、ＡｌＢ１０、ＡｌＢ２、Ａｌ３Ｂ４８Ｃ２、Ａｌ８Ｂ４Ｃ７、ＡｌＢ１２Ｃ２、ＡｌＮ、これらの固溶体、これらの複合化物、及びこれらの不定比組成の化合物が挙げられる。これらの中で、特に、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣｘＮ１−ｘ（０＜ｘ＜１）、ＴｉＢ２、ＡｌＮ、及びＡｌＢ２が好ましい。
【００１８】
本発明の焼結体は、硫黄の含有量が０．０２〜０．３５質量％、より好ましくは０．０８〜０．１４質量％の鉄系金属材料の切削加工において、特に優れた耐摩耗性を発揮する。また、切削速度１００ｍ／分以上、より好ましくは、４００ｍ／分〜１５００ｍ／分での高速切削時あるいは乾式切削時に、特に優れた耐磨耗性を発揮する。このような切削加工時の工具先端部は、極めて高い温度に達する。Ｍｏ、Ｗ等の添加物を含有する本発明の焼結体により作製した工具を用いて、硫黄を含有する鉄系金属材料を切削すると、高温に達した工具先端部で硫黄とＭｏ、Ｗ等のＶＩａ族元素との化学反応により、ＷＳ２、ＭｏＳ２等の化合物が生成する。これらの化合物は層と層の間が弱いファンデルワールス結合により結び付けられた層状化合物であるため、優れた固体潤滑剤として作用する。そのため、工具先端部での摩擦が低下し、温度上昇が抑制され、その結果、工具の摩耗量が低下するものと考えられる。
【００１９】
本発明の焼結体に含まれる、添加物は、焼結体内で、０．５μｍ〜３μｍの平均粒径を有するのが好ましく、互いに独立して焼結体中に分散していることが好ましい。硫黄とＶＩａ族元素との化学反応により生成する層状化合物は、添加物に比して低密度のため、層状化合物生成時には体積膨張が生じる。そのため、添加物の平均粒径が３μｍを越えたり、立方晶窒化硼素粒子や結合材粒子の周囲を全体にあるいは一部を囲繞する形で分布していると、層状化合物生成時の体積膨張のため焼結体中に亀裂が生成し、工具の欠損にいたるため好ましくない。また、添加物の平均粒径が０．５μｍより小さくなると層状化合物の生成面積が小さくなるため、切削時の刃先部分の摩擦が十分に低下しない。
【００２０】
本発明の焼結体は、添加物の含有量を、０．５〜５面積％とするのが好ましく、２〜５面積％とするのがより好ましい。含有量が０．５面積％より少なくなると、層状化合物の生成量が少なくなるため、切削時の刃先部分の摩擦が十分に低下しない。また、含有量が５面積％より多いと、層状化合物生成時の体積膨張のため焼結体中に亀裂が生成したり、あるいは層状化合物の生成量が多すぎるため、かえって切削時の刃先部分での摩耗量が増大するため、何れも好ましくない。
【００２１】
本発明の焼結体は、立方晶窒化硼素の含有量を、好ましくは５０面積％〜９９．５面積％、より好ましくは７０面積％〜９９．５面積％、最も好ましくは８５面積％〜９９．５面積％とし、残部を結合材と添加物とすることが好ましい。立方晶窒化硼素の含有量が５０面積％より少ないと高速切削や乾式切削に耐えうる十分な硬度が得られないため好ましくない。また立方晶窒化硼素の含有量が９９．５面積％より多いと焼結体の靭性が低下し、欠損が生じ易くなる。
【００２２】
本発明の焼結体製造に用いる立方晶窒化硼素粉末の平均粒径は、０．５μｍ〜６μｍ、好ましくは０．５μｍ〜３μｍである。平均粒径が０．５μｍより小さいと耐欠損性は向上するが耐摩耗性がおとる傾向があり、平均粒径が６μｍより大きいと欠損が生じ易くなる。
【００２３】
本発明の焼結体を得るためには、立方晶窒化硼素粉末と、添加物、好ましくはさらに結合材粉末とを混合し、必要により熱処理を施し、あるいは、熱処理を経ずに超高圧、高温下で焼結する。また、熱処理、あるいは、高温高圧下での焼結過程で、結合材、添加物成分を生成させてもよく、また、両者を併用しても本発明の焼結体を得ることができる。この場合、立方晶窒化硼素粉末も、結合材、添加物の窒素源あるいは硼素源として作用させることが可能である。
【００２４】
本発明の焼結体製造過程における熱処理は、真空中もしくは窒素ガス、アルゴンガス等の非酸化性雰囲気中で行うことが好ましい。また、本発明の焼結体を得るためには、４．５ＧＰａ以上の圧力、１４００℃以上の温度を用いることが好ましい。更に、焼結条件は立方晶窒化硼素の安定領域内であることが必要である。焼結温度が１４００℃よりも低いと、本発明の焼結体を得るのに長時間を要し、また、加熱により所望の結合材を得る製造法において、必要とする結合材、及びこれらの固溶体の生成が不充分となるため好ましくない。
【００２５】
【実施例】
以下、実施例をあげて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例になんら限定されるものではない。
【００２６】
実施例１〜３８、比較例１〜５：
原料粉末として、平均粒径３μｍの立方晶窒化硼素と、添加物、並びに結合材成分とをボールミルを用いて、２４時間湿式混合を行った。混合溶媒にはアセトン（試薬特級）を用いた。混合スラリーを十分に乾燥後、超高圧焼結装置に装入し、１時間の焼結を行い、直径２９ｍｍ、厚さ５ｍｍの燒結体を得た。この焼結体の上下面をダイヤモンド砥石を用いて研削した。表１に焼結条件、ｃＢＮの含有量、添加物および結合材の種類、含有量を示す。なお、立方晶窒化硼素の含有量、添加物並びに結合材の結晶組成は、焼結体の一部を研磨した後、Ｘ線回折装置、電子線マイクロアナライザー、画像解析装置を用いて求めた。
【００２７】
この焼結体を、アーク放電によるワイヤカット装置、あるいは、レーザー加工装置を用いて１３ｍｍ×１３ｍｍのチップに切り出した後、ＪＩＳ／ＳＮＭＮ１２０３０８の形状の切削工具を作製した。
【００２８】
この工具について、硫黄０．０１質量％、炭素３．０質量％、珪素２．０質量％、Ｍｎ０．５質量％、残部が鉄である被削材Ｉと硫黄０．１３質量％、炭素３．０質量％、珪素２．０質量％、Ｍｎ０．５質量％、残部が鉄である被削材ＩＩとをそれぞれ切削した。切削条件は、切削速度５００ｍ／分、切り込み２．０ｍｍ、送り０．３ｍｍ／回転、切削距離１０，０００ｍとした。切削後の切削チップについて、切れ刃の逃げ面摩耗幅を測定した。測定結果を表１に示す。
【００２９】
【表１】
2004026515.tif 000002
【００３０】
【発明の効果】
本発明の立方晶窒化硼素焼結体は、従来の立方晶窒化硼素焼結体に比べ、硫黄を含有する鉄系金属材料を被削材としたとき、過酷な高速切削条件下あるいは乾式切削条件下においても優れた耐摩耗性を発現した。特に切削工具として用いた場合、従来の立方晶窒化硼素工具に比べ、逃げ面摩耗が低減し優れた切削性能を実現でき、切削、旋削加工においてチップ交換頻度を下げられ高い生産性が実現できた。更に、乾式切削条件下においても優れた性能を発揮することから、切削油剤をしない切削加工が可能であり、地球環境への負荷を著しく低減することが可能となった。