(57)【要約】【課題】高速切削に耐えられる工具材を提供することである。【解決手段】触媒を用いないで得られた立方晶窒化ほう素の粒子と、Ｔｉの酸化物、Ｔｉの窒化物、Ｔｉの炭化物、Ｔｉの炭窒化物、Ａｌの酸化物、ＴｉとＡｌとの金属間化合物、ＴｉとＡｌとの複合酸化物、ＴｉとＡｌとの複合窒化物、ＴｉとＡｌとの複合炭化物、ＴｉとＡｌとの複合炭窒化物の群の中から選ばれる一つ又は二つ以上との燒結体を用いて構成されてなる工具材。【選択図】　図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒を用いないで得られた立方晶窒化ほう素と、結合剤とを用いて構成されてなることを特徴とする工具材。
【請求項２】
触媒を用いないで得られた立方晶窒化ほう素の粒子と、Ｔｉの酸化物、Ｔｉの窒化物、Ｔｉの炭化物、Ｔｉの炭窒化物、Ａｌの酸化物、ＴｉとＡｌとの金属間化合物、ＴｉとＡｌとの複合酸化物、ＴｉとＡｌとの複合窒化物、ＴｉとＡｌとの複合炭化物、ＴｉとＡｌとの複合炭窒化物の群の中から選ばれる一つ又は二つ以上との燒結体を用いて構成されてなることを特徴とする工具材。
【請求項３】
触媒を用いないで得られた立方晶窒化ほう素の割合が４０〜８０容積％であることを特徴とする請求項１又は請求項２の工具材。
【請求項４】
立方晶窒化ほう素は、径が１μｍ以下の微細結晶粒と、径が３μｍ以上の結晶粒とを含むものであり、前記１μｍ以下の微細結晶粒が前記３μｍ以上の結晶粒を囲む構造のものであることを特徴とする請求項１〜請求項３いずれかの工具材。
【請求項５】
立方晶窒化ほう素は、六方晶窒化ほう素から触媒を用いない直接変換法で得られたものであることを特徴とする請求項１〜請求項４いずれかの工具材。
【請求項６】
請求項１〜請求項５いずれかの工具材を用いて構成されてなることを特徴とする切削加工用工具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばダクタイル、鋳鉄、焼き入れ鋼等の切削加工用工具に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
立方晶窒化ほう素（ｃ−ＢＮ）粒子は、通常、六方晶窒化ほう素（ｈ−ＢＮ）に、例えば塩化マグネシウム等の触媒を加え、高温・高圧（１８２０Ｋ／５．５ＧＰａ）処理を施すことによって合成されている。そして、このような手法により合成されたｃ−ＢＮ粒子をｃＢＮ基超高圧焼結体の硬質分散粒子として用いていた。
【０００３】
しかし、このようにして得られたｃ−ＢＮ粒子を用いて燒結された燒結体製の切削工具を用いて高速切削を行うと、工具の温度上昇に伴う高温環境下で急速に摩耗が進行し、切削に耐えられない。
【０００４】
特に、近年、鋼材に匹敵する強度を有することから、オーステンパ球状黒鉛鋳鉄（ＡＤＩ）材が注目されている。この材は、一次造形性に優れており、鋳造加工によって複雑な形状のものでも簡単に得られ易く、部材の軽量化や高強度化を望め、多くの構造用部品に適用できると期待されている。しかしながら、ＡＤＩ材は、機械的強度に優れる反面、難削材としても知られている。そして、このＡＤＩ材の切削には高硬度のｃ−ＢＮ製工具が適していると言われている。
【０００５】
ところで、ｃ−ＢＮ製工具を使用した場合においても、切削速度は２ｍ／ｓ程度が限界であり、しかも短寿命である。
【０００６】
従って、本発明が解決しようとする課題は、高速切削に耐えられる工具材を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記ｃ−ＢＮ製工具を用いてＡＤＩ材を高速切削した場合に耐久性が乏しい原因についての検討を鋭意押し進めて行った結果、次のようなことが判って来た。
【０００８】
先ず、切削加工の高能率化から切削速度は益々高まり、切削工具の刃先は著しい高温に曝されるようになっている。ところで、従来のｃ−ＢＮ製工具におけるｃ−ＢＮは、前述の通り、塩化マグネシウム等の触媒を六方晶窒化ほう素（ｈ−ＢＮ）に加えて高温・高圧処理を施すことによって合成されている。この為、ｃ−ＢＮ粒子の結晶中には触媒が取り込まれている。このような状況下において、ｃ−ＢＮ粒子が高温に曝されると、触媒とｃ−ＢＮ粒子とが作用し合い、焼結体が急速に変質し始め、結合剤に先んじてｃ−ＢＮ粒子の摩耗・損傷が急速に進行し、２ｍ／ｓを越えた高速切削に耐えられないものになるのであろうことが予想された。
【０００９】
そこで、このことを確かめる為、先ず、各種製法によるｃ−ＢＮ粒子の強度の比較を以下に述べる方法により検討した。すなわち、粉砕による強度試験を行った。試験に用いた装置は遊星型ボールミルであり、２個のカプセルが内蔵されている。このカプセル内に粉砕用超硬合金製ボール（φ１０とφ５のボールを容積の２／３）とｃ−ＢＮ粒子を入れ、時間の経過に伴う粒子径サイズの変化を計測した。各カプセルは自転、公転しており、その公転回転教は３００ｍｉｎ−１で行った。用いたｃ−ＢＮ粒子は、無触媒でｈ−ＢＮより直接変換方式にて合成したものである。比較に用いた従来から用いられているタイプのｃ−ＢＮ粒子は、塩化マグネシウムの触媒を用いて合成したものである。尚、いずれのものも、２５０±５０μｍに分級したものである。
【００１０】
この実験の結果が図１に示される。すなわち、図１に、粉砕時間の経過に伴って変化する粒子面積率（粉砕実験前の粒子の平均面積を１００として各々の粉砕時間における粒子の平均面積の割合）を示す。この図１からすると、無触媒でｈ−ＢＮより直接変換方式にて合成されたｃ−ＢＮ粒子（以下、ＲｃＢＮ粒子とも言う。）は、塩化マグネシウム等の触媒を用いて合成されたｃ−ＢＮ粒子（以下、ＦｃＢＮ粒子とも言う。）に比べて、時間の経過に伴う粒子面積の減少率が低いことが判る。そして、この減少率を粒子強度と捉えたならば、ＲｃＢＮ粒子の方が強度に優れていると考えられる。
【００１１】
図２は、粉砕開始６０秒後におけるｃＢＮ粒子を観察した写真（（ａ）は本発明になるＲｃＢＮ粒子のもので、（ｂ）が比較例になるＦｃＢＮ粒子のもの）である。これによっても、ＲｃＢＮ粒子の方がＦｃＢＮ粒子よりも耐破砕性に優れていることが判る。
【００１２】
このような知見に基づいて本発明が達成されたものである。
【００１３】
すなわち、前記の課題は、触媒を用いないで得られた立方晶窒化ほう素と、結合剤とを用いて構成されてなることを特徴とする工具材によって解決される。
【００１４】
特に、触媒を用いないで得られた立方晶窒化ほう素の粒子と、Ｔｉの酸化物、Ｔｉの窒化物、Ｔｉの炭化物、Ｔｉの炭窒化物、Ａｌの酸化物、ＴｉとＡｌとの金属間化合物、ＴｉとＡｌとの複合酸化物、ＴｉとＡｌとの複合窒化物、ＴｉとＡｌとの複合炭化物、ＴｉとＡｌとの複合炭窒化物の群の中から選ばれる一つ又は二つ以上との燒結体を用いて構成されてなることを特徴とする工具材によって解決される。
【００１５】
本発明において、触媒を用いないで得られた立方晶窒化ほう素（ＲｃＢＮ）は、その含有割合の好ましい範囲は４０〜８０容積％、特に５０〜６５容積％である。残りがＴｉＣＮやＡｌ化合物などの結合剤である。
【００１６】
本発明において、立方晶窒化ほう素は、特に好ましくは、径が１μｍ以下の微細結晶粒と径が３μｍ以上の結晶粒とを含むものであり、前記１μｍ以下の微細結晶粒が前記３μｍ以上の結晶粒を囲む構造のものである。このような形態のものである場合、工具が高温に曝される高速切削に対する耐久性に著しく優れている。
【００１７】
触媒を用いないで立方晶窒化ほう素を得る方法は、従来からも知られており、例えばｈ−ＢＮを７．７ＧＰａと言った超高圧で、そして２５００Ｋと言った高温で処理すると言うような直接変換法により純度９９．２％以上のものが得られる。
【００１８】
又、前記の課題は、上記の工具材を用いて構成されてなることを特徴とする切削加工用工具によって解決される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明になる工具材は、触媒を用いないで得られた立方晶窒化ほう素と、結合剤とを用いて構成されたものである。特に、触媒を用いないで得られた立方晶窒化ほう素の粒子と、Ｔｉの酸化物、Ｔｉの窒化物、Ｔｉの炭化物、Ｔｉの炭窒化物、Ａｌの酸化物、ＴｉとＡｌとの金属間化合物、ＴｉとＡｌとの複合酸化物、ＴｉとＡｌとの複合窒化物、ＴｉとＡｌとの複合炭化物、ＴｉとＡｌとの複合炭窒化物の群の中から選ばれる一つ又は二つ以上との燒結体を用いて構成されたものである。触媒を用いないで得られた立方晶窒化ほう素の割合は、特に、４０〜８０容積％、更には５０〜６５容積％である。又、工具材における立方晶窒化ほう素は、径が１μｍ以下（下限値は０．３μｍ）の微細結晶粒と径が３μｍ以上（上限値は１５μｍ）の結晶粒とを含むものであり、前記１μｍ以下の微細結晶粒が前記３μｍ以上の結晶粒を囲む構造のものである。そして、立方晶窒化ほう素は、六方晶窒化ほう素から触媒を用いない直接変換法で得られたものである。
【００２０】
本発明になる切削加工用工具は、上記の工具材を用いて構成されたものである。
【００２１】
以下、更に、詳しく説明する。
本発明になる工具材は、図３に示される工程を経て作製される。
先ず、ｈ−ＢＮを、例えば７．７ＧＰａ，２３５０℃の条件下で直接変換法（無触媒）により燒結する。この後、従来と同様な工程（粉砕、酸処理、分級）を経て純度９９．２％以上のｃ−ＢＮ粉末（粒子）を得た。尚、このようにして得られたｃ−ＢＮ粉末は、製法上、塩化マグネシウム等の触媒を用いていないから、当然、触媒を含んでいない。そして、得られた粉末の平均粒径は約３μｍ程度のものであった。
【００２２】
一方、ＴｉＣ：Ａｌ化合物が７：３の結合剤を用意し、この混合物を１１００℃で６０分間かけて燒結した。次いで、粉砕し、酸処理を行い、そして分級し、結合剤粉末（ＴｉＣＮ＋Ａｌ化合物）を得た。
【００２３】
この後、上記ｃ−ＢＮ粉末と結合剤粉末とを混合し、燒結することによって、本発明になる工具材が得られた。尚、この工具材におけるｃ−ＢＮの含有率は約６０容積％であった。又、この工具材においては、径が１μｍ以下のｃ−ＢＮ微細結晶粒と径が３μｍ以上（約１０μｍ）のｃ−ＢＮ結晶粒とを含むものであり、１μｍ以下のｃ−ＢＮ微細結晶粒が１０μｍのｃ−ＢＮ結晶粒を囲む構造のものであった。又、ビッカース硬さ（２９３Ｋ）は４０００であった。
【００２４】
又、比較の為、塩化マグネシウムの触媒を用いた触媒変換法を用いた以外は同様にして比較例になる工具材を得た。尚、この比較例になる工具材におけるｃ−ＢＮの含有率も６０容積％であった。そして、そのビッカース硬さ（２９３Ｋ）は３２００であった。
【００２５】
そして、上記工具材を用いて切削実験を行った。
工具の形状は（−５，−５，５，５，１５，１５，０．８）で、切れ刃に３０°×０．２ｍｍのネガランドを設け、切れ刃稜線には０．０２ｍｍの丸ホーニングを施した。切削条件は仕上げ加工を目指していることから、切り込みｔ＝０．２ｍｍ、送りｆ＝０．０５ｍｍとし、切削速度はＶ＝２ｍ／ｓ〜７ｍ／ｓの範囲とした。
【００２６】
切削実験に使用した被削材は、上部ベイナイト素地からなる球状黒鉛鋳鉄（ＦＣＡＤ１０００−５）であり、これはパーライト球状黒鉛鋳鉄（ＦＣＤ７００）を熱処理（１１４８Ｋで２Ｈｒオーステナイト化した後、６４８Ｋで２Ｈｒベイナイト化処理）を行うことにより調質したものであって、主要化学成分はＣ＝３．１７ｍａｓｓ％，Ｓｉ＝２．３１ｍａｓｓ％，Ｍｎ＝０．３２ｍａｓｓ％，Ｍｏ＝０．２９ｍａｓｓ％，Ｍｇ＝０．０４８ｍａｓｓ％，Ｆｅ＝Ｂａｌ．であり、ビッカース硬さは３１８であった。そして、この被削材の形状は、外径１５０ｍｍ、内径１１０ｍｍで、長さ３００ｍｍの円筒形状であり、黒皮部を３ｍｍ切除した後に外周旋削を行った。
【００２７】
図４は、本発明になる工具材の工具（６０ＲｃＢＮ工具）と比較例になる従来型の工具材の工具（６０ｃＢＮ工具）の摩耗曲線を、６０ｃＢＮ工具の最適切削速度である２ｍ／ｓの条件で比較したものである。これによれば、本発明になる６０ＲｃＢＮ工具は初期摩耗が小さく、しかも比較例になる６０ｃＢＮ工具に比べて、定常域での逃げ面摩耗の進行が緩やかとなっている。
【００２８】
図５は、この原因を明らかにする為、両工具を切削距離Ｌ＝５０ｍ時において、逃げ面摩耗部をＳＥＭで観察した写真（（ａ）は本発明のもので、（ｂ）が比較例のものである。）である。図５の（ｂ）の写真から判る通り、摩耗特性に劣る６０ｃＢＮ工具はＦｃＢＮ粒子自身の破砕が原因のスクラッチ痕が見られ、結合剤部より早く損傷が進行する様子が観察された。これに対して、本発明になる６０ＲｃＢＮ工具は、図５の（ａ）の写真から判る通り、比較例の場合に認められたスクラッチ痕は存在せず、結合剤とＲｃＢＮ粒子とがほぼ平滑に均衡を保って摩耗している。これは、６０ＲｃＢＮ工具の原材料であるＲｃＢＮ粒子の強度が６０ｃＢＮ工具の原材料であるＦｃＢＮより優れていることによるものと考えられる。
【００２９】
図６は、逃げ面摩耗速度の切削速度依存性を示したものである。この図６によれば、比較例になる６０ｃＢＮ工具は、２ｍ／ｓで摩耗速度の最小値を示した後、切削速度の上昇と共に摩耗速度も上昇しているのに対して、本発明になる６０ＲｃＢＮ工具は、４ｍ／ｓまでは摩耗速度は減少あるいは殆ど変わらず、４ｍ／ｓを境に上昇する傾向を示していることが判る。従って、本発明になる６０ＲｃＢＮ工具は、従来の６０ｃＢＮ工具に比べて、高速域で耐摩耗性に優れており、高速加工用（高能率加工用）工具として好適なことが判る。尚、この理由としては、６０ＲｃＢＮ工具のＲｃＢＮ粒子が触媒添加により生成する介在物（異相）を含んでおらず、熱的に安定している為と考えられる。
【００３０】
以上のことから、無触媒でｈＢＮより直接変換で合成したＲｃＢＮ粒子を焼結して得た工具は耐摩耗性に優れており、特に高速特性に優れており、例えば４ｍ／ｓと言った切削速度でも磨耗は小さく、高能率で切削加工が可能になる。
【００３１】
尚、上記においては、結合剤としてＴｉＣＮ＋Ａｌ化合物の場合で説明しているが、これは他の種類の結合剤（バインダ）でも同様な傾向が認められたので、詳細は省略する。
【００３２】
【発明の効果】
高速域で耐摩耗性に優れており、高速加工用（高能率加工用）工具が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】粉砕時間と粒子面積率との関係を示すグラフ
【図２】粉砕開始６０秒後におけるｃＢＮ粒子の写真
【図３】本発明になる工具材の製造工程図
【図４】逃げ面の摩耗曲線を示すグラフ
【図５】切削距離Ｌ＝５０ｍ時における工具の逃げ面摩耗部のＳＥＭ写真
【図６】逃げ面摩耗速度の切削速度依存性を示すグラフ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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