(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
立方晶窒化硼素：立方晶窒化硼素焼結体全体に対して５５〜７５体積％と、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌの金属、炭化物、窒化物、酸化物、硼化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種の結合相：残部とからなり、立方晶窒化硼素は、粒径が０．５〜２．０μｍの微粒立方晶窒化硼素：立方晶窒化硼素全体に対して３０〜７０体積％と、粒径が２．０μｍ超〜１０μｍの粗粒立方晶窒化硼素：立方晶窒化硼素全体に対して３０〜７０体積％とからなり、結合相厚みの平均値は０．５〜１．０μｍである立方晶窒化硼素焼結体。
【請求項２】
請求項１に記載の立方晶窒化硼素焼結体の表面に被膜を被覆した被覆立方晶窒化硼素焼結体。
【請求項３】
請求項１に記載の立方晶窒化硼素焼結体からなる焼入鋼用切削工具。
【請求項４】
請求項２に記載の被覆立方晶窒化硼素焼結体からなる焼入鋼用切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は立方晶窒化硼素焼結体および被覆立方晶窒化硼素焼結体に関し、その中でも特に焼入鋼用切削工具として好適な立方晶窒化硼素焼結体および被覆立方晶窒化硼素焼結体に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼の焼入れを浸炭性雰囲気で行うと鋼の表面に浸炭層が形成される。自動車のシャフトなどの機械部品に焼入鋼を使用する場合、焼入れによって焼入鋼の表面にできた浸炭層を切削加工によって除去することが多い。こうした切削加工には、立方晶窒化硼素焼結体切削工具が多く用いられる。近年、切削加工の能率を上げるため、切り込みを大きくすることが求められ、被削材の形状によっては焼入れされていない部分を切削加工しなければならず、このような切削加工において刃先温度は非常に高くなる。刃先温度が高温になると立方晶窒化硼素が酸化されて脆い酸化硼素となり耐欠損性が低下する。切削時の刃先温度を低下させるためには立方晶窒化硼素焼結体の熱伝導を良くすると好ましく、そのためには、熱伝導度が高い立方晶窒化硼素に比べて熱伝導度が低い結合相の厚みを小さくするとよいと考えられる。
【０００３】
立方晶窒化硼素焼結体の従来技術としては、ｃＢＮの含有率が体積％で４５−７０％で、ｃＢＮ粒子の平均粒度が０．０１以上２μｍ未満であり、結合相厚みの平均値が１．０μｍ以下で、その標準偏差が０．７以下であることを特徴とするｃＢＮ焼結体がある（例えば、特許文献１参照。）。また、ｃＢＮの含有率が体積％で４５−７０％で、ｃＢＮ粒子の平均粒度が２以上６μｍ以下であり、結合相厚みの平均値が１．５μｍ以下で、その標準偏差が０．９以下であることを特徴とするｃＢＮ焼結体がある（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−４４３４７号公報
【特許文献２】特開２０００−４４３５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ｃＢＮの含有率が体積％で４５−７０％で、ｃＢＮ粒子の平均粒度が０．０１以上２μｍ未満であり、結合相厚みの平均値が１．０μｍ以下で、その標準偏差が０．７以下であることを特徴とするｃＢＮ焼結体は、立方晶窒化硼素が微粒であるため立方晶窒化硼素を保持している結合相の表面積が小さくなり立方晶窒化硼素の保持力が小さくなるという問題がある。特に高速切削領域において立方晶窒化硼素の保持が難しくなる。
【０００６】
ｃＢＮの含有率が体積％で４５−７０％で、ｃＢＮ粒子の平均粒度が２以上６μｍ以下であり、結合相厚みの平均値が１．５μｍ以下で、その標準偏差が０．９以下であることを特徴とするｃＢＮ焼結体は、立方晶窒化硼素が粗粒であるために結合相厚みの平均値が大きくなる。そこで、本発明は、切削工具として用いた場合に、特に焼入鋼の切削加工など切削時に刃先温度が高くなる加工において、優れた性能を発揮する立方晶窒化硼素焼結体および被覆立方晶窒化硼素焼結体の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
立方晶窒化硼素焼結体は、熱伝導度が高い立方晶窒化硼素と、熱伝導度が低い結合相とからなる。本発明により、立方晶窒化硼素焼結体に含まれる立方晶窒化硼素を粗粒と微粒とし、それらの混合比を最適化することによって、優れた性能の立方晶窒化硼素焼結体を得ることができた。具体的には、適量の粗粒立方晶窒化硼素を含むことによって立方晶窒化硼素を保持している結合相の表面積を大きくして、立方晶窒化硼素の保持力を高めることができた。また、粗粒立方晶窒化硼素と微粒立方晶窒化硼素の混合比を最適化することで、粗粒立方晶窒化硼素と粗粒立方晶窒化硼素との間にできる厚い結合相の中に微粒立方晶窒化硼素が分散されて結合相の厚みが小さくなり、立方晶窒化硼素焼結体の熱伝導度を高くすることができた。さらには、粗粒立方晶窒化硼素と微粒立方晶窒化硼素の混合比を最適化することで立方晶窒化硼素が最密充填され、単一粒径の立方晶窒化硼素の場合よりも耐摩耗性および耐欠損性を向上させることができた。
【０００８】
すなわち、本発明は、立方晶窒化硼素：立方晶窒化硼素焼結体全体に対して５５〜７５体積％と、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌの金属、炭化物、窒化物、酸化物、硼化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種の結合相：残部とからなり、立方晶窒化硼素は、粒径が０．５〜２．０μｍの微粒立方晶窒化硼素：立方晶窒化硼素全体に対して３０〜７０体積％と、粒径が２．０μｍ超〜１０μｍの粗粒立方晶窒化硼素：立方晶窒化硼素全体に対して３０〜７０体積％とからなり、結合相厚みの平均値は０．５〜１．０μｍである立方晶窒化硼素焼結体である。
【０００９】
本発明の立方晶窒化硼素焼結体は、立方晶窒化硼素：立方晶窒化硼素焼結体全体に対して５５〜７５体積％と、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌの金属、炭化物、窒化物、酸化物、硼化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種の結合相：残部とからなる。これは、立方晶窒化硼素が立方晶窒化硼素焼結体全体に対して５５体積％未満になると相対的に結合相が多くなり、結合相厚みの平均値が大きくなり切削性能が低下し、立方晶窒化硼素が立方晶窒化硼素焼結体全体に対して７５体積％を超えて多くなると相対的に結合相が少なくなり耐摩耗性が減少するので、５５〜７５体積％の範囲とした。
【００１０】
本発明の立方晶窒化硼素焼結体の結合相は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌの金属、炭化物、窒化物、酸化物、硼化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種からなる。具体的には、ＴｉＮ、ＴｉＢ2、ＡｌＮなどを挙げることができる。
【００１１】
立方晶窒化硼素焼結体に含まれる立方晶窒化硼素が微粒と粗粒とからなり最密充填されると、耐摩耗性および耐欠損性が向上する。本発明の立方晶窒化硼素焼結体の立方晶窒化硼素を、粒径が０．５〜２．０μｍの微粒立方晶窒化硼素：立方晶窒化硼素全体に対して３０〜７０体積％と、粒径が２．０μｍ超〜１０μｍの粗粒立方晶窒化硼素：立方晶窒化硼素全体に対して３０〜７０体積％とからなると、立方晶窒化硼素が最密充填され耐摩耗性および耐欠損性が向上する。なお、微粒立方晶窒化硼素と粗粒立方晶窒化硼素との合計は１００体積％になる。粒径が０．５〜２．０μｍの微粒立方晶窒化硼素は立方晶窒化硼素全体に対して３０体積％未満になると、相対的に粗粒立方晶窒化硼素が多くなるため、結合相厚さの平均値が１．０μｍを超えて増加し、粒径が０．５〜２．０μｍの微粒立方晶窒化硼素は立方晶窒化硼素全体に対して７０体積％を超えて多くなると、立方晶窒化硼素を保持している結合相の表面積が小さくなり立方晶窒化硼素の保持力が小さくなる。したがって、本発明の立方晶窒化硼素焼結体に含まれる立方晶窒化硼素は、微粒立方晶窒化硼素：３０〜７０体積％と、粗粒立方晶窒化硼素：３０〜７０体積％とからなると定めた。その中でも、立方晶窒化硼素は、微粒立方晶窒化硼素：４０〜６０体積％と、粗粒立方晶窒化硼素：４０〜６０体積％とからなるとさらに好ましく、その中でも立方晶窒化硼素は、微粒立方晶窒化硼素：４５〜５５体積％と、粗粒立方晶窒化硼素：４５〜５５体積％とからなるとさらに好ましい。
【００１２】
本発明の立方晶窒化硼素焼結体の結合相厚みの平均値は０．５〜１．０μｍとした。立方晶窒化硼素焼結体が、立方晶窒化硼素：立方晶窒化硼素焼結体全体に対して５５〜７５体積％と、結合相：残部とで構成され、立方晶窒化硼素を粒径が０．５〜２．０μｍの微粒立方晶窒化硼素：３０〜７０体積％と、粒径が２．０μｍ超〜１０μｍの粗粒立方晶窒化硼素：３０〜７０体積％とからなると結合相厚みの平均値を１．０μｍ以下にすることができる。しかしながら粗粒立方晶窒化硼素の割合が増加するなどにより、立方晶窒化硼素焼結体の結合相厚みの平均値が１．０μｍを超えると、熱伝導度が低下し、切削時に刃先温度が高温になり立方晶窒化硼素が酸化されて脆い酸化硼素を形成するため、耐欠損性が低下する。また、立方晶窒化硼素焼結体の結合相厚みの平均値が０．５μm未満では結合相が立方晶窒化硼素を保持する力が低下し耐摩耗性が低下する。
【００１３】
本発明の立方晶窒化硼素焼結体の表面に被膜を被覆した被覆立方晶窒化硼素焼結体は、耐摩耗性、潤滑性、耐酸化性が向上するため好ましい。被膜は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉの中の少なくとも１種の金属元素と窒素、炭素、酸素、硼素の中の少なくとも１種の非金属元素との化合物からなる。具体的には、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ、（Ａｌ，Ｃｒ）ＮＯなどを挙げることができる。その中でも（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ、（Ａｌ，Ｃｒ）ＮＯがさらに好ましい。なお、被膜は従来からあるＰＶＤ法、ＣＶＤ法によって被覆することができる。
【００１４】
本発明の立方晶窒化硼素焼結体および被覆立方晶窒化硼素焼結体は、耐摩耗性、耐欠損性に優れるため、切削工具として用いられるのが好ましく、その中でも、切削時に刃先温度が高くなりやすい焼入鋼用切削工具として用いられるとさらに好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の立方晶窒化硼素焼結体および被覆立方晶窒化硼素焼結体は、耐摩耗性、耐欠損性に優れるため、切削工具として用いた場合に優れた性能を示し長寿命を達成する。その中でも特に焼入鋼の切削加工など、切削時に刃先温度が高くなる切削加工において優れた性能を発揮する。
【実施例１】
【００１６】
粒径が０．５〜２．０μｍの微粒立方晶窒化硼素粉末、粒径が２．０μm超〜１０μｍの粗粒立方晶窒化硼素粉末、平均粒径２μｍのＴｉＮ粉末、平均粒径４μｍのＡｌ粉末を用意した。体積比でＴｉＮ：Ａｌ＝５：２となるように配合したものを結合相形成粉末とした。微粒立方晶窒化硼素粉末、粗粒立方晶窒化硼素粉末、結合相形成粉末を表１に示すように配合した。配合した原料粉末を湿式混合し、乾燥させた混合粉末を金属カプセルに充填した後、超高圧発生装置の容器内に挿入し、圧力６．５ＧＰａ、温度１６５０℃、保持時間３０分の焼結条件で焼結し、発明品１〜４および従来品１〜２を得た。ここで比較品１は特開２０００−４４３４７号公報の特許請求の範囲に含まれる。比較品２は特開２０００−４４３５０号公報の特許請求の範囲に含まれる。
【００１７】
【表１】
0005157056.tif 000002
【００１８】
各試料は研磨して、立方晶窒化硼素の粒度分布、結合相厚さ、ヌープ硬さを測定した。得られた発明品と従来品の立方晶窒化硼素の粒度分布、結合相厚さの平均値、結合相厚さの標準偏差、ヌープ硬さを表２に示す。
【００１９】
【表２】
0005157056.tif 000003
【００２０】
得られた焼結体は、組成が重量％で４５Ａｇ−３０Ｃｕ−２５Ｚｎの銀ロウを介して超硬合金基材に接合し、ＪＩＳ規格ＣＮＧＡ１２０４０８形状の切削チップに研磨加工して以下の切削試験を行った。切削試験結果を表３に示す。
【００２１】
［切削試験］
被削材：ギア材用焼入鋼ＳＣＭ４１５（表面から深さ０．６ｍｍ未満の焼入れされている部分はＨＲＣ６０〜６２を示す。表面から深さ０．６ｍｍ以上の内部は焼入れされていない。）
切削速度：Ｖｃ＝８０ｍ／ｍｉｎ
切り込み：ａｐ＝０．８ｍｍ
送り：ｆ＝０．１２ｍｍ／ｒｅｖ
切削油：なし（乾式）
寿命判定基準：切削チップに欠損を生じること  
【００２２】
【表３】
0005157056.tif 000004
【００２３】
表３に示されるように、発明品１〜４は比較品１、２よりも長寿命となった。
【実施例２】
【００２４】
実施例１で得られた発明品１〜４、比較品１、２の表面にＰＶＤ法によって平均膜厚２μｍの（Ａｌ，Ｃｒ）ＮＯ膜を被覆して発明品５〜８、比較品３、４の被覆立方晶窒化硼素焼結体を得た。得られた試料を用いて実施例１の切削試験と同じ条件で切削試験を行った。切削試験結果を表４に示す。
【００２５】
【表４】
0005157056.tif 000005
【００２６】
表４に示されるように、発明品５〜８は比較品３、４よりも長寿命となった。