産業素材

鋳鉄旋削加工用工具
A C 4 2 0 K と B N C 5 0 0 の開発＊岡田

吉生・ Anongsack Paseuth ・松岡村克己・深谷朋田裕介

弘Development of “ACE-COAT® AC420K” Coated Carbide and “SUMIBORON® BNC500” Coated PcBN for Cast IronTurning ─ by Yoshio Okada, Anongsack Paseuth, Yusuke Matsuda, Katsumi Okamura and Tomohiro Fukaya ─Cast iron is widely used in various products for daily applications and industrial machine components. In theautomotive industry, growing global awareness on environmental issues has required the improvement of fuelefficiency. Accordingly, the ratio of the automotive parts made of ductile cast iron is increasing for weight saving.
However, while superior in tensile strength, ductile cast iron parts are inferior in machinability to those of gray castiron. This is leading to increasing demand for improved productivity, cost reduction and higher precision in ductile
cast iron machining including roughing and finishing. To satisfy the market demand, the authors have developed“ACE-COAT® AC420K” for ductile cast iron roughing and “SUMIBORON® BNC500” for finishing. The features andcutting performance of these products are described in this paper.
Keywords: cast iron turning, CVD, PcBN, ductile cast iron1.

緒言

切削加工に用いられる刃先交換型チップ（以下、チップ

このような市場のニーズに応えるために、ダクタイル鋳と略する）は、超硬合金、サーメット、セラミックス、鉄加工の粗加工用コーティド超硬「エースコート®AC420K」

CBN ※1 焼結体、ダイヤモンド焼結体とこれら基材の表面にと、仕上げ加工用コーティド CBN「コーティドスミボロン®

硬質セラミックスコーティング膜を被覆したコーティド超BNC500」を開発したので、その開発経緯および工具性能

硬、コーティドサーメット、コーティドセラミックス、について述べる。

コーティド CBN が使われている。図 1 は切削工具材料の種類と位置づけを示したものである。特にコーティド超硬は耐摩耗性と耐欠損性のバランスに優れることから、汎用的優れるな加工用途に広く使われ日本でのチップの生産個数の約

ダイヤモンド焼結体

耐摩耗性（工具材料の硬さ）70 ％を占める材種となっている。
また、サーメット、コーティドサーメット、CBN 焼結体、コーティド CBN は仕上げ加工用途に使われ、特に高い硬度と優れた耐熱性を示す CBN 焼結体に硬質セラミックスコーティング膜を被覆したコーティド CBN は、従来のCBN 焼結体を越える長寿命と仕上げ加工精度が得られる優れた材種となっている。これら刃先交換型チップはすべての被削材を加工できるわけではなく、被削材別に工具材種

CBN焼結体セラミックス
コーティッド超硬サーメット

超硬合金
超微粒
超硬合金
高速度鋼

劣るを使い分けている。

靭性（工具材料の強靭さ）劣る

被削材のうち鋳鉄は、日用品から機械部品など様々な工図1

業製品に用いられている。近年、地球環境への配慮から各優れる切削工具材料の種類と位置づけ部品の薄肉・軽量化を目的として、従来のねずみ鋳鉄（普通鋳鉄）に代わり、より強度が高く被削性の悪い球状黒鉛鋳鉄（ダクタイル鋳鉄）など、鋳鉄被削材の難削化が進んでいる。また、複雑な形状における断続加工、鋳込み肌の2.

市場の動向と鋳鉄の被削性まま加工する粗加工、仕上げ加工の高速化・高精度化など、鋳物は成形性および加工性のよさから、18 世紀なかばに工具の使用環境が厳しくなっており、工具の長寿命化およ起きたイギリス産業革命以降、多彩な工業製品に用いられび高信頼性への要求がますます強くなってきている。ている。特に機械部品の中で、自動車用のシリンダブロッ

2 0 1 1 年 7 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 9 号 −（ 69 ）−ク、クランクシャフト、カムシャフト、エキゾーストマニ

り、強度が低く、被削性の良いねずみ鋳鉄から、強度が高ホールド、オイルポンプハウジング、ブレーキロータなどく被削性の悪いダクタイル鋳鉄や合金鋳鉄などへ置換えが形状が複雑で、耐摩耗性、制振性、耐熱性、熱伝導性が要進んでいる。これらねずみ鋳鉄とダクタイル鋳鉄では黒鉛求される部品に鋳鉄が使われる。これは、砂や金属で作っの状態が異なり、図 3 に示すように切り屑の生成も異なる。

た型の中に、溶かした金属を注ぎ込んで複雑な形状でも自ねずみ鋳鉄の組織は片状黒鉛のため、被削材は刃先先端で由自在に作ることができるからである。また、鋳鉄は鉄と微小破壊を起こしながら切削されていく。一方黒鉛が球状黒鉛の複合材料で、硬さと粘り強さを兼ね備えた材料であになるダクタイル鋳鉄は、組織が破壊されにくく、引張強り、特に黒鉛が振動を抑えたり、潤滑剤の役目をはたしてさが高いために切り屑が延びやすい、また組織によっては、摩耗を防いだり、熱・腐食にも強い性質を有するからであ切れ刃に激しい溶着を起こし、それに加え鋳物の特性である。図 2

は、主要な世界各国の全鋳造品生産量の推移を示（1）している。各国で推移の増減はあるもののリーマンショックる微小硬質粒子が切れ刃を擦過して加速度的に切れ刃が損傷する。

以前の 2007 年までは確実に生産量を延ばしている。

ねずみ鋳鉄（普通鋳鉄）

3500

生産量万トン

30002500

中国

アメリカ

インド

日本

ロシア

ドイツ

中国

黒鉛

2000
1500

パーライト
フェライト

ロシア
アメリカ

1000
500
0

球状黒鉛鋳鉄（ダクタイル鋳鉄）

切り屑

切り屑

日本
ドイツ
1990年

工具断面

インド
1995年

2000年

2002年

2004年

2006年

2007年

図3

年

図2

工具断面
被削材

被削材

鋳鉄の組織と切り屑模式図

世界主要国の全鋳造品生産量の推移（1）

図 4 は被削材別の工具損傷形態の事例を示す。ねずみ鋳

一般的に鋳鉄は、その特徴である黒鉛が脆いために引張鉄加工はすくい面損傷が小さく、逃げ面の損傷が大きくな強度が低く、被削性は鋼製品よりも良いとされる。しかし、る。また、鋼加工は切り屑が連続的に排出され、すくい面鋳込み方法によっては表面がチル化したり、湯口残り、バ損傷が大きく、逃げ面の摩耗が小さい損傷となる。ダクタ

リ、あるいは砂噛みが発生することがあるため、一様に被イル鋳鉄の加工はこの 2 つの損傷形態を含んでおり、より削性が良いとはいえない。また、部品の軽量化や生産性向被削性が悪くなる。

上のため、部品の薄肉化や鋳型の多数個取り化が進んでお表1

表 1 に代表的な鋳鉄の特徴・被削率を示す。

代表的な鋳鉄の組織とその被削性

材料記号 被削率※3組織備考

普通鋳鉄（ネズミ鋳鉄）

FC150
FC200
FC250
FC300
FC350

7070656560

球状黒鉛鋳鉄（ダクタイル鋳鉄）

FCD450
FCD500
FCD550
FCD600
FCD7005555505045

削りにくい

バーミキュラ鋳鉄（CV 鋳鉄）FCV35060

FC250 と FCD450 の中間的な性質を示す。溶着しやすい。

黒芯可鍛鋳鉄FCMB35110

比較的削りやすい。

オーステナイト鋳鉄

FCA50Ni、Cr が多く削りにくい（耐熱性）。

削りやすい

片状黒鉛により切粉は粉々に粉砕されるので比較的削りやすい。

球状黒鉛の影響で強度が高く削りにくい。
工具への負担が高い。

−（ 70 ）− 鋳鉄旋削加工用工具 AC420K と BNC500 の開発

球状黒鉛鋳鉄（ダクタイル鋳鉄）
FCD700鋼
SCM435300

鋳鉄の工具刃先損傷事例

切削速度

図4

【参考】

Cutting Speeds（m/min）

ねずみ鋳鉄（普通鋳鉄）
FC250

3.

連続〜弱断続切削には

AC410K200

黒皮加工・断続切削にはAC420K

AC300G

AC700G
100AC820P

コーティド超硬とコーティド CBN の要求特性と特徴
3－1

強度

コーティド超硬「AC420K」の要求特性

軽・連続が高く被削性の悪いダクタイル鋳鉄の加工は、バリ・砂噛先に溶着・微小チッピングが発生し、突発的な欠損が発生

切削状態

図6

断続・強断続Medium Cut

仕上切削 Finishing

み・表面組織のチル化など鋳込み肌の表面（以下、黒皮と略する）を加工する粗加工では、図 5 に示すように工具刃連続・一部断続

Continuous Cut

Interrupted CutRoughing 粗切削
Cutting Conditions

鋳鉄旋削用コーティド超硬材種のラインナップと適応領域しやすくなる。また鋳物の特徴である複雑な被削材形状での断続加工が加わると、更にチッピング損傷が助長されて、Super-Smooth film
interface andsurface

寿命が不安定となり工具管理が難しくなる。
これら黒皮と断続の粗加工において、チップへの信頼性

Al 2O 3Flatと長寿命化が要求される。

Ultra-finestructures

TiCN

溶着

母材

溶着

Fine

High wear resistanceHigh welding resistanceSuper FF-Al2O 3High wear resistanceHigh chipping resistanceSuper FF-TiCN

従来材種

図7

AC420K のコーティング膜の断面写真

チッピング
従来セラミック被膜

3－2

FCD 加工におけるコーティド超硬の初期刃先損傷

コーティド超硬「AC420K」の特徴

当社の鋳表面組織

図5スーパーFFコート®

物旋削加工用のコーティド超硬の材種ラインナップを図 6
耗性が必要な領域を AC410K、断続から粗切削において耐溶着性、耐剥離性、耐欠損性の必要な領域を新規開発のAC420K で対応し、汎用的に使用されるコーティド超硬の断面組織に示す（2）。連続切削から一部断続切削において耐こすり摩領域をカバーできるようにラインナップしている。
AC420K は、特殊専用超硬合金母材と図 7 に示す専用

図8

スーパー FF コート®“FF-TiCN”の特長

CVD ※2 コーティング膜「スーパー FF コート®」から構成されている。
特に黒皮断続加工には耐チッピング性が必要であり、膜の強度向上が必須である。図 8 に従来技術でコーティングした炭窒化チタン（TiCN）膜とスーパー FF コーティング緻密且つ均一な組織になっていることがわかる。これにより、TiCN 膜が高強度化し、耐チッピング性が向上した。
加えて、高温での安定性が高く高硬度なα型アルミナを採技術により被覆した FF-TiCN 膜の組織写真を示す。スー用した。従来のα型アルミナは膜粒度が粗く表面粗さが粗

パー FF コート®は、膜の粒度を大幅に微粒化するとともに、くなるために溶着、チッピング損傷が大きくなる欠点が

2 0 1 1 年 7 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 9 号 −（ 71 ）−あったが、成膜条件の最適化により、図 9 に示すように、従来比 1/2 の表面粗さの平滑なα型アルミナを得ることに成功した。

被削材 ：FCD溝材（黒皮）
工具形状：CNMG120408
加工条件： c＝150m/min＝0.25mm/rev
p＝1.5mm、wet

AC420K
他社A
（K15）
他社B
（K15）

インデンテーション硬度（mgf/µm2）

6000

100200300

工具寿命 sec
5500

新開発
平滑α型アルミナ

5000

従来αアルミナ

新開発
平滑α型アルミナ

4500

AC420K

膜断面写真

膜断面写真

刃先損傷状態（写真）すべて150sec時点

図 10

従来κ型アルミナ

00.2

0.40.6

表面粗さ

図9

他社B（K20）

従来αアルミナ

4000

3500

他社A（K15）0.8

1AC420K の黒皮・強断続加工での切削結果

1.2Ra（µm）

スーパー FF コート®“FF-α型アルミナ”の特長を達成できていることがわかる。
3－3

粗加

コーティド CBN「BNC500」の要求特性工である黒皮削りを AC420K で実施した後、コーティドCBN「BNC500」で高精度に仕上げることができる。ダク
タイル鋳鉄は、その難削性のため最新のコーティド超硬をこれら、スーパー FF コート 技術に加え、コーティング用いても、切削速度 300m/min.以上の高速切削では実用®

膜の内部応力制御技術により、CVD コーティング膜特有の的な寿命が得られないため、CBN 工具が適用される場合が残留引張応力の一部を圧縮残留応力に変えることに成功し、ある。顧客での CBN 工具の寿命要因を分析した結果、図従来材種より耐溶着性と耐欠損性を飛躍的に向上させた。

11 のように、70 ％以上が工具の耐摩耗性不足に起因する

また写真 1 のように、AC420K はチップ全体は黒色であるが、これは特殊な表面処理を施し、耐酸化性・耐溶着性加工精度不良であることが判明し、従来の CBN 工具対比 2倍の耐摩耗性を BNC500 の目標性能とした。に優れるα型アルミナ膜を最外層に配することにより、溶着からの欠損を抑えるためである。
耐欠損性起因：20％（欠損）その他：7％

耐摩耗性起因：73％（平面度・真円度・面粗度）

図 11
従来材種の外観

写真 1

ダクタイル鋳鉄加工における CBN 工具の寿命要因

特殊な表面処理を施した
AC420Kの外観

AC420K の耐溶着性・強度に優れた特殊表面処理の外観

3－4

コーティド CBN「BNC500」の特徴

図 12 に

BNC500 の特徴を示す。一般に、ダクタイル鋳鉄の加工で図 10 に、強度が高く被削性の悪いダクタイル鋳鉄 FCD

は、耐摩耗性を向上させるために、CBN 焼結体の結合材と材を使用し、さらに黒皮を残した溝付きの強断続試験を行して TiC が採用される。BNC500 では TiC 結合材の製造プうことにより耐欠損性を評価した結果を示す。他社品はロセスを抜本的に改良し、不純物含有量を従来比 1/10 以150sec 加工したところで、刃先にチッピング・欠損が発下まで減少させることにより、TiC の高純度化に成功した。

生しているが、AC420K は刃先に溶着もほとんど起こらず、その結果、CBN 焼結体の耐欠損性が維持されながら、耐摩チッピング・欠損が見られず、安定加工ができ約 2 倍寿命

耗性が従来 CBN 対比 1.5 倍以上に向上した。加えて、焼入−（ 72 ）− 鋳鉄旋削加工用工具 AC420K と BNC500 の開発

鋼切削用のスミボロン®BNC シリーズ（3）で採用されているでは実用的な工具寿命が得られるのが分かる。Rz1.6µm

耐熱性に優れる特殊 TiAIN コーティングを適用することに基準では、超硬やセラミックスでは初期から面粗度が出なより、従来 CBN 工具対比 2 倍の耐摩耗性を実現した。

いが、BNC500 では実用切削が可能であることが分かる。

CBN焼結体材

種

cBN含有率 cBN粒径［vol％］ （µm）

BNC50060-65

従来CBN65-704BNC500

母材の機械特性結合材

コーティングTRS
硬 度［GPa］ ［GPa］

高純度TiC 32-34

1.0-1.1なし

セラミックス

20-250.7-0.9なし

コーティド超硬15-20

2.0-3.0あり

図 12TiC

10.010.05.05.000-5.0-5.01.0-1.1 特殊TiAlN32-346セラミックス

Ra=0.6µm-10.0

Ra=2.3µm-10.0

BNC500 の特徴
チッピング
被削材 ：FCD700
型番：4NC-CNGA120408
切削条件： c＝400m/min., ＝0.2mm/rev., p＝0.2mm, Wet
切削距離：3km

BNC500 と従来 CBN を用いて FCD450 の内径加工を実施した。寸法変化の推移と工具の刃先写真を図 13 に示す。

図 14

内径公差 30µm に対して、従来 CBN は逃げ面摩耗の進行

BNC500 とセラミックス工具の面粗度比較が著しく速いため加工径の変化が大きく、刃先位置補正の回数が多かったが、BNC500 では、耐摩耗性に優れるため加工径の変化が小さく、最初の刃先位置補正までの加工距加工径変化量（µm）

従来CBN

寸法変化推移セラミックス500

BNC500

コーティド超硬100

被削材 ：FCD700
加工条件 ： ＝0.2mm/rev., p＝0.2mm, wet
工具型番 ：4NC-CNGA120408
0.1

18km切削時

10100

BNC500500

被削材 ：FCD700
加工条件 ： ＝0.05mm/rev., p＝0.05mm, wet
工具型番 ：4NC-CNGA120408
1000.11

工具寿命（km）

10

工具寿命（km）-20-10

刃先位置補正0★寿命+10+20048

図 15

径公差30µm

121620

切削長（km）

BNC500

加工径変化量（µm）

1000

切削速度 c (m/min)

被削材： FCD450, ø90内径 工具型番：2NC-CCGW09T304
切削条件： c＝350m/min. ＝0.15mm/rev. p＝0.3mm, Wet

切削速度 c (m/min)

離が従来 CBN の 10 倍以上の結果が得られた。

寿命判定：Rz＝1.6µm

寿命判定：Rz＝12.5µm
1000

Vbmax=0.346mm

従来CBN寸法変化推移

20km切削時

4．ダクタイル鋳鉄加工における適用領域と使用実例-20-10

径公差30µm★継続可能

0+10+20048121620

切削長（km）

図 13V-T 線図（寿命判定基準：面粗度）

Vbmax=0.249mm

BNC500

BNC500 の耐摩耗性と寸法精度

図 16 にダクタイル鋳鉄加工における各種工具の適用領域を示す。切り込み量が 0.5mm を超える粗加工ではコーティド超硬が推奨され、特に黒皮断続加工のような不安定切削では AC420K が抜群の信頼性と長寿命を示す。面粗度
6.3z 以 下 、 寸 法 精 度 IT6 級 の 高 精 度 仕 上 げ 加 工 に はBNC500 が推奨され、切削速度 300m/min.以上の高速切図 14 に 、 BNC500 と セ ラ ミ ッ ク ス 工 具 を 用 い て 、削が可能である。

チッピングが集積し切れ味が低下し、面粗度が悪い結果となった。一方、BNC500 は刃先稜線が鋭利な状態を維持できているため、面粗度が優れているのが分かる。図 15 に、寿命判定基準を面粗度（Rz ＝ 12.5µm、1.6µm）としてFCD700 を切削した場合の V-T 線図を示す。Rz ＝ 12.5µm

IT10AC420K

IT9AC410K

IT8BNC500

IT7IT6優01.6

基準では、超硬やセラミックスは使用可能であるが、V ＝300m/min.を超えると寿命が極端に短くなるが、BNC500

3.2

6.312.5

面粗度 Rz（µm）

図 1625

切削速度（m/min）ミックス工具は、切削距離 3km 時点で刃先稜線に微小な寸法精度（等級）FCD700 の外径を加工した場合の面粗度比較を示す。セラ500
400

BNC500セラミックス300

AC420K200

AC410K

10000.05 0.10.20.5

15

切り込み量 ap（mm）

ダクタイル鋳鉄加工における工具材種の適用領域

2 0 1 1 年 7 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 9 号 −（ 73 ）−●ダクタイル鋳鉄外径粗加工
被削材：デフケース（FCD450）
加工内容：外径粗加工
AC420K306●ダクタイル鋳鉄断続粗加工
工具材質

AC420K

工具型番

CNMG120412

c m/min

180mm/rev0.2p mm

1.5-2.0250

他社 K15
加工数

250 個

安定加工でき、さらに1.2 倍寿命を達成

切削液

被削材：カムシャフト（FCD700）
加工内容：断続粗加工
AC420K
加工数

150 個

Wet

安定加工でき、さらに2 倍寿命を達成

c m/min90-254mm/rev

0.15-0.3

p mm

1mm 以上切削液

Wet

AC420K-GZ

他社 K15AC420K- ベタ

250 個加工250 個加工（安定）150 個加工300 個加工寿命判定基準：面粗さ Rz＝12.5µm

従来CBN

WNMG080408

150

他社 K15●ダクタイル鋳鉄内径仕上げ加工

BNC500AC420K

工具型番

他社 K15

被削材：ナックル部品（FCD450）
加工内容：内径連続加工

加工数（個） 0300

工具材質

500

●ダクタイル鋳鉄内径仕上げ加工

工具材質

BNC500

工具型番

3NC-TPGW110308

c m/min400

c m/min

350mm/rev

0.2mm/rev

0.15p mm

0.2

切削液

Wet

被削材：ATケーススリーブ（FCD450） 工具材質
加工内容：内径連続加工
工具型番

寿命判定基準：寸法精度 IT7 級1000 1500

加工数（個） 0・従来 CBN は摩耗大により短寿命
・BNC500 は、摩耗量が少なく、従来の 2 倍寿命を達成した。

図 17

図 17 に AC420K と BNC500 の 使 用 実 例 を 示 す 。

AC420K は、ダクタイル鋳鉄の粗加工で優れた耐チッピン

200400

BNC5002NC-CCGW09T304

p mm

0.3

切削液

Wet600・従来 CBN は摩耗大により短寿命
・BNC500 は、摩耗量が少なく、他社 CBN の 3 倍寿命を達成した。

BNC500
他社 CBN

使用実例

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

CBN

グ性を発揮し、抜群の信頼性と長寿命を実現している。

cubic boron nitride ：ダイヤモンドに次ぐ硬度・熱伝導

BNC500 は、ダクタイル鋳鉄の仕上げ加工で、優れた耐摩率を示し、鉄系金属との反応性が低い。

耗性を発揮し、従来工具比で 2 倍以上の寸法精度寿命を実現している。

※2

CVD

chemical vapor deposition ：化学反応を利用した薄膜を

5.

結言

ダクタイル鋳鉄の粗加工用コーティド超硬「エースコー形成する蒸着法の一種。
※3

被削率

ト AC420K」と、仕上げ加工用コーティド CBN「コー材料の削られやすさ（にくさ）を切削工具の寿命に及ぼす

ティドスミボロン ® BNC500」は、ダクタイル鋳鉄の粗、影響から評価した値。

®

断続、高速、高精度加工等のあらゆる市場ニーズに対応し、高能率長寿命化が可能な材種である。今後、益々進む鋳鉄の難削化の中で、加工コスト削減、生産性向上、加工精度向上に大きく貢献できると期待される。

参考

文

献

（1） 鋳造ジャーナル（2010 年 7 月号）、日本鋳造協会、p.14 ～ 15（2） 伊藤 他、「鋳鉄旋削用工具『エースコート AC300G/AC700G』の開発」、SEI テクニカルレビュー第 158 号、p.69-74（2010.7.20）（3） 岡村 他、「焼入鋼高能率加工用コーティドスミボロン® 新『BNC200』の開発」、SEI テクニカルレビュー第 174 号、p.12-17（2009）−（ 74 ）− 鋳鉄旋削加工用工具 AC420K と BNC500 の開発

執筆岡田者 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------吉 生＊： MOTHERSON TECHNO TOOLS LTD. 主席
超硬製切削工具の開発に従事

Anongsack Paseuth ：住友電工ハードメタル㈱

コア材料開発部松田

裕 介 ：住友電工ハードメタル㈱

コア材料開発部

岡村

克 己 ：住友電工ハードメタル㈱

コア材料開発部

主査

深谷朋 弘 ：住友電工ハードメタル㈱

コア材料開発部

次長------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------＊主執筆者

2 0 1 1 年 7 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 9 号 −（ 75 ）−