特集

難削材仕上げ加工用
スミボロンバインダレス工具

SUMIBORON BINDERLESS Tools for Finishing Difficult-to-Cut Materials
＊植田暁彦

阿部真知子

Akihiko Ueda

Machiko Abe

渡部直樹

石田

Naoki Watanobe

東雄

Yuu Ishida泰助

久木野

Taisuke Higashi

暁

Satoru Kukino

立方晶窒化ホウ素焼結体（CBN）は、ダイヤモンドに次ぐ硬度と鉄との親和性の低さを特長とする cBN を利用した工具材料であり、主に自動車産業での焼入鋼、鋳鉄や焼結合金の高速仕上げ加工で用いられる。航空機や金型産業などでも使用されているが、製品の軽量化、高出力化のため難削材の使用が増加する傾向にある。また加工精度の向上など高付加価値化が課題となっており、CBN 工具に対する長寿命化や高精度化の要望が強くなっている。スミボロンバインダレスは、ナノ～サブミクロンサイズの cBN 粒子が直接強固に結合した、従来 CBN 材種で用いる結合材を一切含まない焼結体である。従来 CBN 材種より硬度あるいは熱伝導率が高く、航空機、金型や医療産業などで用いられるコバルトクロム合金、チタン合金、ニッケル基耐熱合金等の難削材加工における高能率化、長寿命化を実現する。

SUMIBORON BINDERLESS is a polycrystalline cubic boron nitride (CBN) that directly binds nanometer- or sub-micron-levelcBN particles without binder materials (Binderless CBN: BL-CBN). BL-CBN is harder or has better thermal conductivity thanconventional CBN. Therefore, it offers higher efficiency and longer tool life in the machining of difficult-to-cut materials, suchas cobalt-chromium alloys, titanium alloys, nickel-based heat-resistant alloys, and hardened steel, used in the aircraft, mold,and medical industries.
キーワード：切削工具、超高圧、コバルトクロム合金、チタン合金、ニッケル基耐熱合金

1.

緒

言

発生できる量産技術を確立（1）、難削化にも適応し得る革新

切削加工は、自動車、航空機、電機をはじめとする幅広い的な硬質材料として、バインダレスのナノ多結晶ダイヤモ分野での部品加工に用いられており、高速、高能率、高精ンド（BL-PCD）、及びナノ多結晶 CBN（BL-CBN）を実用度に加工するという各産業界からの要求に応えてきた。近年では、自動車分野での燃費向上や電動化推進、半導体・エレクトロニクス分野では無線通信網の高速・大容量化に伴う実装の高密度化、といった技術動向を背景として、加工システムでは多品種変量生産や IoT などのデジタル化が、切削工具には被削材の軽量・高強度化、マルチマテリアル化による難削化への対応が求められている。切削工具材料の開発の変遷を図1に示す。
1923年にドイツで開発された WC-Co 系超硬合金は、高能率加工が可能であり汎用性にも優れていることから現在でも切削工具の主力材料である。一方、顧客の更なる高速・高精度加工の要望に応える形で、1970年代に入りダイヤモンド焼結体（Polycrystalline Diamond: PCD）や立方晶窒化ホウ素焼結体（Polycrystalline Cubic BoronNitride: CBN）を用いた工具が市販されるようになった。超硬合金や CBN については、これらを基材として TiN、CrNや TiAlN 等のセラミックスをコーティングすることで、高い加工能率を実現している。工業的には PCD や CBN は、超高圧技術により5～6GPa の圧力で製造される。当社は、更なる超々高圧技術を追求し、2000年代に最大20GPa が

図1

切削工具材料の開発の変遷

2021 年 1 月・住友電工テクニカルレビュー・第 198 号

15

化した。本稿では、近年の切削工具へのニーズに対応した

表2

BL-CBN を用いたスミボロンバインダレス工具による連続超々微粒BL-CBN(IX002)

焼結体組織

スミボロンバインダレス

2－1

超微粒BL-CBN(NCB100)

CBN加工と断続加工について解説する。

2.

スミボロンバインダレスの特性

スミボロン

スミボロンは、立方晶窒化ホウ素（cubic Boron Nitride:cBN含有率 (vol%)100

100cBN）の粒子を金属やセラミックスなど結合材（バインダ）cBN粒径 (nm)200～500

40～60

ビッカース硬さ (GPa)～54～54

熱伝導率 (W/m·K)～200～80となる粉末と混合した後、高温・高圧で焼結した CBN である。cBN を含む焼結体は CBN と表記する。
cBN は天然には存在せず、人工的に合成される。ダイヤモンドに次ぐ硬度を有し、鉄族元素（Fe, Ni, Co）等との反応性が低いため、主に鉄系難削材の切削で使用する。表1

い。NCB100は、高速加工、高精度加工、長寿命化を狙うに CBN の代表例と特性を示す。焼入鋼など切削温度が上昇刃先交換式 ISO インサートや、耐熱合金、あるいは Additiveし熱的摩耗が支配的となる用途では、cBN より鉄族元素とManufacturing 造形材などの難削材を高速で加工できるラの反応性が低いセラミックスを機能的に分散した結合材をジアスエンドミルに適用している。粒径約50nm の超々微用いた低 cBN 含有率材種が耐摩耗性に優れる。金属を結合

粒 BL-CBN（IX002）は、NCB100と比べて cBN 結晶粒界材に用いると cBN 含有率の高い高硬度な焼結体が得られ、を多く含むため熱伝導率は従来の CBN 程度であるが、刃立機械的摩耗が支配的な鋳鉄や焼結合金の切削で用いられる。

ち性に優れており切削時の刃先温度が上がりにくい焼入鋼金型の鏡面加工用小径エンドミルに適用している。両材種とも、切削での寿命の主要因が機械的摩耗の場合、長寿命

表1CBN化が期待できる。これらのスミボロンバインダレス工具のCBN の代表例と特性
低cBN含有率材種

高cBN含有率材種

外観を写真1に示す。

焼結体組織

cBN含有率（vol%）6085

cBN粒径（µm）

1～21～3結合材（バインダ）

TiN(セラミックス)

焼結条件

WC-Co(金属)約5GPa、1,500℃

ビッカース硬さ（GPa）

3539

熱伝導率（W/m·K）

60100

主な用途

焼入鋼

鋳鉄、焼結合金

2－2

BL-CBN（バインダレス CBN）

写真13.

スミボロンバインダレス工具

連続加工

BL-CBN は常圧相である六方晶窒化ホウ素（hBN）など

超微粒 BL-CBN の NCB100は高い熱伝導率を有することを原料として、10GPa 以上かつ2,000℃以上の圧力・温度から、難削材と言われるコバルトクロム合金やチタン合金

条件で cBN に直接変換すると同時に、粒子同士を強固に結といった、切削温度が上昇して摩耗が進展しやすい耐熱合。金属あるいはセラミックスの金のターニング※1で有効である。ここでは、コバルトクロ合させた焼結体である

（2）
（、3）

ような結合材を一切含まず、高 cBN 含有率材種の究極の形ム合金とチタン合金の評価結果を示す。

態である。スミボロンバインダレスの名称で切削工具に適3－1用して製品化しており、特性を表2に示す。
BL-CBN の粒径は、原料の hBN や焼結時の圧力・温度条件により制御可能である。粒径約350nm の超微粒 BL-CBN（NCB100）は、硬度、熱伝導率共に従来 CBN と比べて高16難削材仕上げ加工用スミボロンバインダレス工具

コバルトクロム合金（Co-Cr）

コバルトクロム合金は航空機エンジン部品に用いられるが、医療用途でも利用されており、人工関節の仕上げ加工を想定した評価を行った。結果を図2に示す。
超硬合金では境界摩耗が大きく発達するのに対し、高と軽微で50km 以上の切削も可能である。このときの仕上げ面は NCB100が最も優れており、ほぼ理論通りの面粗度Rz ＝1.5µm であった。原因検証のため、通常のクーラント条件で、2色放射温度計により刃先温度を測定した報告があり（4）、評価装置の概要を図4に示す。

図2 コバルトクロム合金のターニング結果
図4

刃先温度評価体系（ボーリング）cBN 含有率材種では軽減され、NCB100では解消された。
NCB100は、切削速度 Vc ＝50m/min において4.2km 切削湿式のボーリング※2において、被削材にあけた小孔に挿後の逃げ面摩耗量 Vb は0.02mm 未満であった。また、Vc入した光ファイバの前方を切れ刃が通過する際に逃げ面か＝100m/min の高速条件でも2.8km までであるが、同様にら輻射される赤外線を受光して温度を測定した。赤外線を推移した。加工品位については、面粗さ Ra が0.5µm で外吸収するクーラントの小孔への侵入を防ぐために、測定中観も優れており、仕上げ加工への適用が可能である。

はエアパージを行っている。図5に示す通り、NCB100の3－2

工具逃げ面温度は高 cBN 含有率材種に対して約50℃程度

チタン合金（Ti-6Al-4V）

チタン合金は航空機のエンジン部品などで使用されている。超硬合金製の工具を用いて Vc ＝100m/min 未満の低低い温度であると確認できた。高圧クーラント下ではより冷却効果が強くなり摩耗が低減したと推測する。

速で加工するのが一般的であるが、近年では、刃先冷却の手段として高圧クーラントが利用されていることから、適用して NCB100インサートの冷却効果を評価した。比較には、超硬合金と高 cBN 含有率材種を用いた。また、高圧クーラントの圧力は7MPa とした。図3に結果を示す。切削速度 Vc ＝200m/min における摩耗は、超硬合金が急速に進行するのに対し、高 cBN 含有率材種では抑制されており、NCB100では16km 切削後の最大逃げ面摩耗幅は0.06mm

図53－3チタン合金ターニングにおける刃先温度

切りくず処理性向上の検討

高精度仕上げ切削では、切りくず処理の問題が顕著になる場合がある。切りくずが伸びてワークに傷が付く可能性や、加工設備に絡まり停止することも有り得る。超硬合金
インサートは、金型での型押し成形で製造するため、切りくずを分断して効率的に処理する3次元形状のチップブレーカ形成は容易である。一方、CBN インサートは成形での製図3

NCB100によるチタン合金の高速ターニング結果造は困難で形状付与が難しく、研削よるブレーカ形成が主2021 年 1 月・住友電工テクニカルレビュー・第 198 号

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流である。NCB100でのターニングでも切りくず処理性向て、研ぎ付け型と3次元形状型のチップブレーカによる切上は重要な検討要素と考え、レーザ加工での3次元形状のりくず形状の違いを調査した。研ぎ付け型の場合、らせんチップブレーカ形成と評価を行った。

状で連続した形状であったのに対し、3次元形状型の場合（1）3次元形状チップブレーカの形成は細かく分断されており、有効性を確認した。

レーザによる加工は、光のエネルギーが吸収された加工面近傍が局所的に高温となり溶融し蒸発することで起こる。
ところが、cBN の波長800nm から200nm までの透過率測

表3NCB100インサートに形成したチップブレーカの評価

定結果は図6に示す通り 、吸収端が200nm 以下であるた（5）め、基本波1,064nm や第二高調波532nm のレーザでも加工は困難である。ピコ秒やフェムト秒といった極短パルスレーザによる高強度光では、波長透過材料においても非線形光学効果による多光子吸収が起こり、光子が直接、被加工材料の原子間結合に作用し、結合が切断され原子が除去される（アブレーション）。極短パルスレーザを応用して
写真2に示す狙い通りのブレーカ形状を有する NCB100インサートを開発した。

3－4

ニッケル基耐熱合金

ニッケル基耐熱合金で代表的なインコネルは、チタン合金と同様に航空機エンジンの部品用材料であるが、特に高い耐熱性を有しており高温になるタービンブレードなどに用いられる。NCB100の熱伝導率特性により長寿命化が期待されたが、高 cBN 含有率材種と同様に短寿命であった。
図6

cBN の透過率測定結果

刃先温度低減による摩耗抑制効果が cBN 含有率100％による反応摩耗増大で相殺されることによると考える。一方、
低 cBN 含有率材種は、結合材が反応性の低いセラミックスであり摩耗進展しにくいこと、及び切削熱で被削材が軟化することにより切削できることから適用が可能である。

4.

断続加工

従来 CBN に対して熱伝導率が高い NCB100では、刃先温度上昇が抑制され加工の高速化や工具寿命の延長が期待
写真2

3次元形状ブレーカを形成した NCB100インサートできることを、先の評価で示した。切れ刃を回転させて切削するミリング※3工具は、切削時の加熱と空転時の冷却が繰り返されるため刃先温度は上がりにくい。従って、チタン合金の切削よりも刃先温度が上昇しやすく、工具の損耗（2）切りくず処理性能が大きい傾向にあるニッケル基耐熱合金や焼入鋼でもミリチタン合金を安定的に切削するには、切削温度の低減にングできる可能性がある。そこで、NCB100によるインコ加えて、効率的に切りくずを処理することが重要である。

ネル718と焼入鋼のミリングへの適用可能性を検討した。

そこで NCB100インサートに形成した3次元形状のチップ

4－1

ニッケル基耐熱合金ブレーカを評価した。結果を表3に示す。刃先稜線部にサニッケル基耐熱合金を用いた航空機エンジン部品のター

イズ0.01mm の R ホーニングを付与したインサートにおい

ビンは、従来、ブレードとディスクを別々に加工したのち18

難削材仕上げ加工用スミボロンバインダレス工具

に接合する製造方法が主流であったが、信頼性向上のため

超 硬 合 金 で は、加 工 初 期 か ら 比 較 的 厚 い 塑 性 流 動 層を削りだす手Severe distorted layer が形成され、摩耗発達後には約法が採用されつつある。ニッケル基耐熱合金は切削温度が3.0µm に達した。NCB100 の場合、高速にもかかわらず上昇しやすいことから、従来の超硬合金製エンドミルでは摩耗発達後でも約0.5µm と薄いことが判った。熱伝導率が切削速度を上げることができず、特に仕上げ加工時間の短高いことに加えて、図8に示す NCB100の優れた高温硬度縮が課題である。そこで、NCB100による仕上げ加工の高により切削中も鋭利な切れ刃を維持し、刃先温度が抑えら速化を検討した。NCB100を用いたエンドミルは、円柱状れたことによると推定する。に、接合部をなくして一体としたブリスク※4の NCB100素材を超硬合金製シャンクに接合し、超硬合金切削温度に関して考察するために、図9に示す概略の評製エンドミルと同様の45°のねじれ溝を形成することで試価装置で乾式での基礎評価を行った報告があり（6）、図4にお作した。ブリスク加工を模擬し、5軸加工機を用いて超硬けるインコネル718のボーリングでの測定結果と併せて、合金製エンドミルで粗加工を行ったのち、NCB100製と超切削速度と工具逃げ面温度の関係を図10に示す。

硬合金製エンドミルでそれぞれ仕上げ加工を行い、両者を比較評価した。結果の V-T 線図を図7に示す。
超硬合金製エンドミルでは Vc ＝100m/min 前後の加工速度が上限であるが、Vc ＝700m/min で NCB100は超硬合金比30倍以上の耐摩耗性であり、高速加工条件の適用が可能と考える。切削面の断面観察結果例を表4に示す。

図8

各種 CBN の高温硬度

AA

図7 インコネル718のエンドミル加工における V-T 線図718

表4 インコネル718ミリング後の仕上げ面断面fz

ap

図9

刃先温度評価体系（ミリング）

Vc
3

Vc

NCB100

図10

切削速度と工具逃げ面温度2021 年 1 月・住友電工テクニカルレビュー・第 198 号

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切削速度 Vc ＝300m/min において刃先温度はボーリンも少なかった。

グの方が高かった。一方ミリングでは、Vc ＝500m/min

そこで、図12に示す IX002を用いた高能率加工用の超多において、高 cBN 含有率材種の約820℃に対して NCB100

刃ラジアスエンドミルと鏡面加工用のボールエンドミルをは約670℃で、刃先の顕著な摩耗進展は見られなかった。

開発して、LED 金型を模した焼入鋼を加工した（7）。

セラミックス製の工具では、切削熱で被削材を軟化させて前者は刃径2mm の8枚刃を用いてテーブル送り速度 Vf ＝粗加工するのに対して、NCB100は高硬度でシャープな刃4,000mm/min の高能率条件で加工して、面粗さ Ra0.1µm先による高精度加工が可能であり、インコネル718を含むが 得 ら れ た。後 者 は 刃 径1mm の1枚 刃 に よ る 加 工 で、耐熱合金の高速ミリングによる仕上げ加工に適している。

Ra0.025µm の鏡面が得られた。超々微粒 BL-CBN の滑ら

4－2かな刃先によるもの考えており、熱伝導率の低さは問題に焼入鋼

超々微粒 BL-CBN の IX002は、NCB100と比べて cBN 結ならず優れた仕上げ面を得ることができる。

晶粒界が多いため熱伝導率が低く、高速加工には適さないが、優れた刃立ち性による高品質な鏡面加工が期待できる。
そこで、刃先温度が上がりにくい焼入鋼金型の小径エンド5.

結言ミル加工への適用を検討した。結果を図11に示す。高 cBN

スミボロンバインダレス工具として、超微粒 BL-CBN で含有率材種では刃先に大きな凹凸が見られ、NCB100ではある NCB100を用いた刃先交換式 ISO インサートや耐熱この凹凸は小さくなるが、逃げ面摩耗に筋が見られた。こ合金など難削材加工用のエンドミル、あるいは、超々微粒れらと比較して IX002は逃げ面摩耗が滑らかで摩耗量は最BL-CBN を用いた焼入鋼金型加工用小径エンドミルを開発した。従来 CBN 材種と比べて高硬度、あるいは高熱伝導率の特長を有し、難削材加工の高能率化や長寿命化、焼入鋼金型の鏡面加工などが実現可能である。今後もこのような特色のある新しい切削工具の開発を進めて、各産業分野の発展に貢献する所存である。

用 語 集 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー
※1

ターニング

旋盤を用いた旋削加工であり、回転する被削材に刃物をあてて移動させることで望みの形状寸法に加工する方法。
※2

ボーリング

既に空いている丸穴を広げる、あるいは穴の品位を向上させる加工で、フライス盤等を用いる。
図11

小径エンドミル加工における刃先観察結果

※3

ミリング

回転する刃物をあてた被削材を移動させることで望みの形状寸法に加工する方法であり、フライス盤やマシニングセンタを用いる。転削加工ともいう。
※4

ブリスク

航空機用ジェットエンジンなどターボ機械のローターディスクとブレード一体化した部品。

・スミボロン及び SUMIBORON は住友電気工業㈱の登録商標です。
・インコネル（INCONEL）は、米国 Huntington Alloys Corporation の登録商標です。

図1220

スミボロンバインダレスエンドミルによる金型加工例

難削材仕上げ加工用スミボロンバインダレス工具

参考

文

献

（1）	角谷均、入船徹男、「高硬度ナノ多結晶ダイヤモンドの微細構造と機械特性」、SEI テクニカルレビュー第172号、pp.82-88（2008年1月）（2）	M.Akaishi, T.Satoh, M.Ishii, T.Taniguchi, and S.Yamaoka,
Synthesis of translucent sintered cubic boron nitride, Journal ofMaterials Science Letters, no.12, pp.1883-1885（1993）（3）	原田高志、久木野暁、「バインダレス cBN 焼結体の切削性能」、NEW
DIAMOND、vol.35、no.2、pp.9-13（2019）（4）	A. M. N. A. Kamaruddin, A. Hosokawa, T. Ueda and T. Furumoto,Cutting Characteristics of Binderless Diamond Tools in HighSpeed Turning of Ti-6Al-4V, Int. J. of Automation Technology,vol.10, no.3, pp.411-419（2016）（5）	出川順司、辻一夫、矢津修示、「cBN 単結晶の特性」、ダイヤモンドシンポジウム講演プログラム（第2回）、ニューダイヤモンドフォーラム、1420、pp.39-40（1986）（6）	鈴木健士朗、細川晃、長嶋拓海、小谷野智広、古本達明、橋本洋平、「超硬質工具による耐熱合金の高速エンドミル加工」、日本機械学会
第13回生産加工・工作機械部門講演会講演論文集、No.19-306（2019）（7）	原田高志、岡村克己、久木野暁、「CBN およびダイヤモンド切削工具」、
精密工学会誌、vol.86、no.11、pp.844-847（2020）

執筆者 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー

植田暁 彦＊ ：住友電工ハードメタル㈱グループ長

渡部直樹：住友電工ハードメタル㈱

主査

石田雄

：住友電工ハードメタル㈱

主査

阿部真知子

：住友電工ハードメタル㈱

主査

東泰助

：住友電工ハードメタル㈱主査

暁：住友電工ハードメタル㈱部長

取締役

久木野ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー＊主執筆者

2021 年 1 月・住友電工テクニカルレビュー・第 198 号

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