PCBNの性能と応用に関する研究

1.性能

立方晶窒化ホウ素（cBN）は、その高い熱間硬度と熱安定性により、加工効率と環境保護に対する現代の要求を満たしている。その結果、乾式切削に適したPCBN工具材料は、主要な研究ホットスポットとなっている。製品の性能は、異なるバインダーシステムによって異なります。PCBN材料の性能に影響を与える数多くの要因の中でも、結合は重要な問題の一つであることが研究により実証されています。このセクションでは、これらの具体的な側面について詳しく分析します。

1.1 cBN複合材料における異なるチタン-炭素源とアルミニウム含有量の影響

燃焼合成としても知られる自己伝播型高温合成(SHS)は、従来のプロセスと比較して、装置が簡素化され、反応時間が短縮され、エネルギー消費量が少ないなどの利点がある。

三元系化合物であるTi₃AlC₂は、低密度、高融点、良好な電気・熱伝導性、耐酸化性、耐熱衝撃性など、金属とセラミックスの優れた特性を併せ持ち、加工性にも優れた重要なセラミックス材料である。機械加工によって高精度のセラミック部品を製造することができる。従来の酸化物セラミックバインダーと比較して、Ti₃AlC₂は元素Tiを含み、cBN表面のホウ素および窒素と反応して遷移層を形成する。これにより、Ti₃AlC₂マトリックスとcBN結晶粒間の結合力が大幅に強化される。

この実験では、SHS法を用いて、Ti、Al、TiC、グラファイト粉末、cBNを原料として利用し、チタン-アルミニウム-炭素系バインダーcBN材料を作製し、TiC源とAl含有量が複合材料の作製に及ぼす影響を調べた。

SHS後に25％のcBNを含むTi-TiC-Al系の成形体について、XRD相分析から、試料中の主要な相には、TiC、Ti₃Al、TiAl、TiN、TiB₂、および未反応のcBNが含まれることが示された。Al含有量が低い場合、三元相Ti₃AlC₂の回折ピーク強度は弱く、収量が少ないことを示した。Al含有量が増加するにつれて、Ti₃AlC₂の回折ピーク強度が著しく強くなり、それに応じて合成体積が増加したことが示された。さらに、TiB₂、TiN、AlNなどの相がXRD結果に検出され、焼結中にcBNがTiやAlと化学反応して、対応するホウ化物や窒化物を形成したことが確認された。

同じくSHSに供した25％のcBNを含むTi-Al-C系では、XRD分析の結果、すべての試料でTi₃AlC₂の特徴的な回折ピークが明確に検出された。Ti-TiC-Al系と比較して、この系のTi₃AlC₂回折ピークはより明瞭であり、その強度はAl含有量の増加とともに連続的に強まった。Alの原子比が1.27に達したとき、Ti₃AlC₂の相対含有量は最大に達した。

分析によると、低融点Alは焼結初期に液相を形成し、TiとC元素の拡散を促進し、粒子間の接触面積を増加させ、Ti₃AlC₂の合成反応を加速させる。一方、TiとAlの発熱反応は相当量の熱を放出し、得られたTi-Al中間化合物はさらにTi₃AlC₂の生成と結晶成長に有利な条件を提供する。

両方の系にcBNを導入した後、その成分内のBとN元素は、高温で周囲のTiとAlと相互拡散する。このin-situにより、cBN粒子とマトリックスとの間にホウ化物と窒化物（TiB₂、TiN、AlNなど）の遷移層が形成され、界面結合の強化に役立つ。しかし、粒径の大きいcBNを使用すると、粒子が部分的に他の原料の拡散を妨げ、反応速度の低下と全体的な焼結速度の低下を招く。

1.2 共有結合性化合物バインダーの焼結と特性に関する研究

熱力学とTiNの非化学量論的欠陥構造理論に基づき、本研究はTiN₀.₃/AlN 複合材料とAlの反応メカニズムを探ることを目的とする。界面構造特性を調整することで、TiN₀.₃/AlN 複合材料の結合強度と靭性を向上させ、乾式切削で使用されるPCBN切削工具のバインダーとしてより適したものにすることを目指す。

界面構造から、反応領域はAl近傍の層状構造を含み、AlNがTiNマトリックス相内に分布していることが明らかになった。AlNからTiN₀.₃まで、マトリックス相中のAl組成は勾配変化を示し、それは次のように表すことができる：Al / TiN + TiN + Al / TiN₀.₃.

AlN拡散界面の元素表面分布から、各反応領域の組成が確認された。

異なる高温高圧（HTHP）条件下で焼結したTiN₀.₃/AlN 複合バインダーの顕微鏡観察から、以下のことが明らかになった：焼結温度が低い場合、材料は比較的均一だが反応が不十分な微細構造を示した。焼結温度が高くなるにつれて、界面反応は著しく強まり、もともと添加されていたAlN相は徐々に分解し、新たに形成されたAlN粒子に置き換わった。この新しいAlN粒子は、リング状に配列する傾向があり、中心にあるTiN相を包み込んで、規則正しいコアシェル構造を形成した。しかし、焼結温度をさらに上げると、過反応や結晶粒の粗大化によってこの秩序構造が破壊され、界面の透明度が低下し、不均一な微細構造になる傾向が見られた。

1.3 PCBN成形体の微細構造と特性に及ぼすAl添加の影響

PCBN成形体の結合相には、Al、AlN、TiN、Ti(C,N)などの金属、セラミックス、サーメットが含まれる。Alは融点が低いため、溶融後にcBNと反応してセラミック相AlNを形成することができます。AlNは高硬度、高熱伝導率、cBNに近い熱膨張係数を有するため、高性能PCBN成形体の作製に役立ちます。そのため、Al粉末の添加はPCBN成形体の製造における焦点となっている。

Xu Hongliangらは、cBN、Al粉末、および超硬合金を原料としてHTHP焼結法で複合成形体を作製し、XRD、SEM、および機械的特性を分析した。その結果、以下のことがわかった：

1.成形体のXRDパターンに2つの結晶相が現れた。これは、HTHP条件下で、溶融AlがcBNと以下のように反応することを示している：Al＋BN→AlN＋B、それによってAlNが形成される。AlNの回折ピーク強度は、Al添加量の増加とともに強まり、Al含有量の増加に対応していることを示した。

2.複合層中のcBN粒（黒く見える）は均一に分布しており、湿式混合プロセスが均質な混合を達成したことを示している。

3.機械的特性はAl添加量と密接な関係があった。Al含有量が増加するにつれて、硬度は最初に上昇し、次に低下し、最適値が存在することが示された。

1.4 異なるcBN-TiC-Al材料組成がPCBN性能に及ぼす影響

高強度、高耐摩耗性のPCBN焼結体を得るためには、金属相とセラミック相の含有量を厳密に制御する必要がある。配合比が正確かどうか、選択したバインダーが均一に混合されているかどうかは、高品質のPCBNを製造する上で重要な要素である。

異なるTiC/Alバインダー比で調製したPCBN成形体のSEM微細構造から、cBN粒子が均一に分散していることが示された。暗灰色、白色、および淡灰色の領域は、それぞれネットワーク状の緻密な構造を形成しており、バインダー相もcBN粒子も局所的な凝集は見られなかった。

異なる色の領域は、異なる相に対応していた：白色領域は主にTiとC元素を含み、TiCが支配的であった；淡灰色領域はAl元素が支配的で、AlNまたはAlB₂を表していると思われる；そして濃灰色領域はcBNを表していた。

1.5 多結晶PCBNの性能に影響を与える要因の分析

1.5.1 基板の選択と影響

最も一般的に使用される基板材料は超硬合金で、WC/TiC/TaC粒子と金属バインダー（Fe、Co、Niなど）の混合物から焼結される。CoをバインダーとするWC-Co系は、最も普及している基材である。その耐摩耗性は、粒径が小さくなりCo含有量が低下するにつれて向上し、耐衝撃性は、粒径が大きくなりCo含有量が高くなるにつれて向上する。超硬合金基材に要求される性能は、WCの粒径とCo含有量を調整することで調整できる。

1.5.2 結合剤の選択

現在、世界的に使用されているPCBNバインダーは、 主に3種類ある：

1.金属バインダーと金属合金バインダー： 金属および金属合金バインダー：金属バインダーは、PCBN工具の切削性能のニーズを満たさなければならない。主元素はFe、Ni、Coから選択する必要があり、バインダー質量の40%～50%を占める。合金元素は、Cr、Mo、W、Ta、Y、Nb、Ti、Zr、V、Hf、またはAlから選択する必要があり、5%～60%を占める。微量元素は、C、Mg、S、Si、Cu、P、B、N、またはSnから選択することができる。

2.セラミック・バインダー： 例えば、エレメントシックスは、PCBNを合成するために、炭化物、窒化物、炭窒化物、焼結炭窒化物を含む様々なセラミックベースのバインダーを利用しています。

3.サーメット（ハイブリッド）バインダー： 純粋な金属バインダーで合成されたPCBNは、良好な靭性を示すが、高温で軟化する傾向があり、その結果、硬度と耐摩耗性が劣る。逆に、純粋なセラミック・バインダーは、高温での軟化は解決するが、靭性が低いため、チッピングが発生しやすく、工具寿命が短くなる。ハイブリッド・サーメット・バインダーは両者の長所を併せ持ち、それぞれの欠点を補います。

1.5.3 cBN粒度の選択

研究によると、多峰性(混合)粒径は単一(単分散)粒径よりも優れており、粒径分布が広い方が狭いよりも優れた混合効果が得られる。これは、cBN粒径がPCBNの靭性に直接影響するためで、粒径が大きいと機械的耐摩耗性は向上しますが、耐欠損性は低下し、工具の刃先が鋭利でなくなります。混合粒径は、効果的に粒充填を最適化し、嵩密度を増加させ、より完全な結晶化をもたらす。

粗粒と細粒の混合法を採用することを推奨する。粗粒は10～300μm、細粒は0～10μmで、粗粒と細粒の比率は約3:1である。複数の粒度をブレンドすることもできる。バインダーの粒径は0.001～0.15mmにコントロールするのが理想的である。

厚いPCBN層は合成が難しく高価なだけでなく、クラックや内部残留応力のような欠陥が発生しやすく、使用中にエッジの欠けにつながります。より厚いPCBN寸法を達成するために、二層または多層構造を実装することができる。基板とcBN層との界面は、平滑な平面でも、波形の溝を持つテクスチャ表面でもよい。

1.6 ろう付けPCBN砥粒における微小破壊形態のフラクタル解析

研削中の破砕によるPCBN砥粒の摩耗挙動は、加工品質に影響する重要な要因である。

研究者らは、3D走査型電子顕微鏡（3D-SEM）と従来のSEMを用いて、特定条件下でのPCBN砥粒の研削プロセスを観察した。研究者らは、フラクタル理論に基づく画像再構成法を適用して、砥粒の研削後の摩耗形態を解析した。

フラクタル次元は、幾何学的形状の複雑さを特徴付けるために用いられる定量的指標である。一般に、フラクタル次元が大きいほど、より詳細で複雑な形状であることを示す。

フラクタル次元を用いてPCBN砥粒の研削中の摩耗形態変化を評価しようとする場合、フラクタル次元は、砥粒の摩耗形態がより複雑であることを示す：

砥粒がマクロ摩耗または大規模な破砕を受けると、上部に平坦なプラトーが形成され、細部が少なくフラクタル次元が小さい規則的なプロファイルが得られる。

砥粒が微細な破砕を受けると、境界面のプロファイルは空間的に複雑になり、非常に不規則になるため、フラクタル次元が大きくなります。

1.7 異なるグレードの多結晶cBNの硬度研究

国内外のさまざまなグレードのPCBNを試料として用い，デジタル微小硬度計とSEMを用いて硬度と微細構造の分析を行った。

その結果、異なるPCBNグレードの微小硬度は、主にcBN含有量、バインダータイプ、粒度分布の影響を受けて大きく異なることが示された。cBN含有量の高い試料（DBW85、BN700など）は、含有量の低いグレード（DBC50、BN250など）よりも有意に高い硬度を示した。同時に、混合結晶粒構造は緻密化を促進し、硬度値を上昇させる。

1.8 立方晶窒化ホウ素成形体の界面および性能特性

PCBN成形体は、通常、cBNとバインダーの混合物を、 HTHP下で超硬合金基板上に直接焼結することによって作 製される。初期界面は平面に近くなるように平坦化されるが、電子顕微鏡で観察すると、cBN切削層と超硬合金基板との間の明確な相互拡散と材料浸透が確認され、非理想的な平面形態を示す。

この浸透挙動は、合成温度、圧力、保持時間、接触面積、および材料組成に共同で影響され、接合強度の決定的な要因となっている。cBN層と超硬合金の間の熱膨張係数と弾性率の著しい不一致のため、使用中の応力集中は容易に亀裂や剥離を引き起こす。不具合の多くは、界面からおよそ0.1mm離れたcBN層内に集中しています。

したがって、接合強度を向上させる鍵は、2相間の効果的な相互浸透を促進することにある。3種類の超硬合金が基材として使用できるが、弾性率が高く、cBNとの化学的親和性が高いグレードが好ましい。

1.9 Si₃N₄ウィスカーバインダーで合成したPCBNの微細構造研究

W10とW5のダイヤモンド砥粒を使用した研磨機で試料を精研磨した後、微細構造分析を行った。その結果、PCBN材料は均一な微細構造を有し、cBN粒子はバインダー内に高密度に分布しており、明らかなボイドや凝集は見られず、優れた製造プロセスであることが示された。

さらに、導入されたSi₃N_2084ウィスカーは、典型的なラス状の形態を示した。この構造は、クラックの伝播を妨げ、PCBN複合材料の全体的な強度と破壊靭性を効果的に向上させます。

1.10 PCBN材料特性に影響を与える要因に関する研究

(1) PCBN切削工具の微小硬度に対する温度の影響

合成時間と圧力を一定に保つと、成形体の硬度は温度の上昇に伴ってまず上昇し、その後安定する傾向がある。しかし、過度に高温になると、剥離や金属脈の析出を引き起こす可能性がある。

(2) PCBNの耐摩耗性と導電性に及ぼす合成圧力の影響

合成温度と時間が一定の場合、耐摩耗性は圧力の上昇とともに増加するが、ある値に達すると横ばいになる。圧力を適切に上昇させることにより、PCBNの緻密化が促進され、気孔率が減少し、cBN粒子がより密に配列される。

粉末成形理論によると、圧力が高いほど気孔の収縮が顕著になり、より高密度の材料になります。高密度化は耐摩耗性を強化するだけでなく、より連続的な導電ネットワークにより導電性も向上させます。これは、放電加工（EDM）のワイヤーカット作業に非常に有益である。

(3) PCBN複合材料の性能に対する炭窒化チタンの効果

PCBNは比較的靭性が低く、切削時にエッジが欠けやすいため、幅広い用途への適用が制限されている。

Ti(C,N)は、TiCとTiNの長所である高融点、高硬度、優れた熱伝導性、電気伝導性、化学的安定性を兼ね備えている。Ti(C,N)/Al₂O₃複合セラミックスでは、二相の粒子が互いに絡み合い、結晶粒の成長を抑制し、機械的特性を高める強靭化と補強効果をもたらす。サーメット工具では、Ti(C,N)は曲げ強度と破壊靭性を著しく向上させ、高速切削時に優れた赤色硬度と低摩擦係数を維持し、優れた表面仕上げをもたらす。

(4) PCBN成形体の焼結と特性に及ぼすCoの影響

実験により、Coは高濃度PCBN成形体の焼結エネルギー消費量を大幅に低下させ、電気抵抗を大幅に低減することができ、放電加工ワイヤーカットに適し、被削性を向上させることが明らかになった。

組成と微細構造が性能を左右するため、PCBNの内部構造を研究することは極めて重要である。

観察によると、検出されたCoの含有量は添加量よりも多く、原料配合には含まれていない元素であるWも検出された。これは、WとCoが超硬合金基板からcBN層の細孔に移動・浸透したことを示している。高cBN成形体におけるWとCoの浸透量は、低cBN試料よりも大きかったが、これは合成パラメータと関連している可能性がある。

金属バインダーとして、CoはPCBNの焼結を促進し、cBNや他のバインダーと固溶体を形成することで、焼結強度を高める。ある範囲内では、PCBNの曲げ強度はCo含有量が多いほど高くなる。その結果、高cBN含有量の成形体は、Coの浸透が大きいため、低含有量の成形体よりも高い強度を示す。

(5)PCBNの構造と性能に対する異なるバインダー成分の影響

その構造に基づいて、PCBN材料は、超硬合金基板を持つ複合成形体と、基板を持たないソリッド(割出可能)PCBNインサートに分けることができる。ソリッドチップは、面取りと端面研削の後、切削チップとして直接使用できる。

ソリッドチップは、複合材料成形品のろう付け不良によるチップ脱落のリスクを排除します。ソリッドチップは、複数の切れ刃を備えているため、切れ刃あたりのコストを削減し、優れた機械的性能と熱伝導性を発揮します。耐用年数終了後は、再研磨または格下げして再利用することができ、実用的な価値を提供します。

アプリケーションでは、対象となるワークピースに基づいて、適切なcBN粒径、含有量、およびバインダーの種類を選択する必要があります：

より微細なcBN粒径はより高い耐摩耗性をもたらし、微細な粒径は粒界面積を増加させ、結合強度と亀裂伝播に対する抵抗性を高める。

cBN含有量が高いほど、硬度と耐摩耗性が高くなります。

異なるバインダーは、異なる用途シナリオに対応します。

(6)PCBNの性能に及ぼすcBN粒径とアセンブリモードの影響

cBN粒度を選択する原則は、セクション1.5に詳述されている。さらに、組み立ての際、「ガス貯蔵室」の高さは適度でなければなりません。小さすぎると、ガスが効率的に逃げられず、PCBN表面のピンホールやガスポケットにつながります。大きすぎると、溶融塩がHTHP焼結中にMoカップ内に浸入しやすくなり、超硬合金基板やcBN層を腐食して性能を低下させる。適度な高さは、溶融塩の浸入を防ぎながら効果的なアウトガスを確保し、欠陥のない製品外観を保証します。

2.用途

機械製造業の急速な発展に伴い、難削材が広く採用され、切削工具に厳しい課題を突きつけている。高い耐摩耗性、優れた熱安定性、強い耐衝撃性を持つ超硬切削工具の開発は、避けられないトレンドとなっている。高能率加工、高硬度加工、ドライ加工、超精密加工、高度難削材加工は、工具産業の将来の方向性を定義している。

cBN工具は、高硬度の鉄系金属の加工における独自の利点により、精密加工や超精密加工を実現するために不可欠な工具となっている。

cBNの硬度と熱伝導率はダイヤモンドに次ぐもので、その熱安定性は傑出しており、大気中で1000℃まで加熱しても酸化せず、鉄系金属に対して化学的に不活性なままである。工具材料として、cBNは高硬度、高安定性、化学的不活性を兼ね備えています。その単結晶劈開傾向は劇的に減少し、切削中の継続的な微小摩耗により、新鮮な切れ刃が露出する。高速切削、硬質切削、ドライ切削、グリーン製造に広く使用されている。

このセクションでは、これらの具体的な用途の問題を徹底的に分析する。

2.1 グリーン低炭素経済とPCBN工具

グリーン製造は、省エネルギー、省材料、低公害、環境保護を重視する。切削油剤による環境への悪影響を排除する最も効果的な方法は、乾式切削である。湿式切削に比べて、乾式切削は生産効率を大幅に高めることができる。

ドライカッティングの前提は、高い切削温度下で被削材の強度が著しく低下することである。多くの場面で、「研削の代わりに旋削」「研削の代わりにフライス加工」を可能にし、高精度と優れた表面品質を実現する。

2.2 PCBN-難削材の第一選択

高速切削： 効率を高め、加工時間を短縮し、コストを下げる。

製造の柔軟性の向上： 刃先形状と送り経路を変更することで、複雑なワークも加工可能。切削効率は高く、サイクルタイムは短く、コストは低い。ワークへの切削熱の侵入が少ないため、表面の火傷やマイクロクラックを防ぎ、重要な部品の表面の完全性を保つことができます。硬質切削はクーラントを必要としないため、環境汚染を避けることができる。

2.3 焼入れ鋼加工用PCBNドライカット

エネルギーを節約し効率を高めるため、PCBN工具を使用して焼入れ鋼の「研削の代わりに旋削」を実現するメーカーが増えている。しかし、焼入れ鋼の加工中、工具の刃先は高い圧力に耐えるため、マイクロチッピングが発生しやすく、工具寿命が不安定になる。

現在の最先端技術は、PCBN工具による乾式加工に頼っている。

研究によると、PCBN材料の高密度化と耐久性は、研削比と硬度が高くなるにつれて必ずしも対称的に増加するとは限らない。したがって、研削比と硬度をPCBNの切削性能を評価する唯一の指標とするのは不適切です。

2.4 焼入れ鋼の連続切削と断続切削

焼入れ鋼は機械製造に広く使用されている。高硬度、高強度、熱伝導率の低さ、切削温度の高さ、エッジ・チッピングの発生しやすさなどから、典型的な難削材である。機械加工材料の中で大きなシェアを占めており、巨大な市場ポテンシャルを秘めている。この種の加工には、一般的に低BN含有PCBN工具が選択される。

PCBNの耐衝撃性を検証するため、3種類の工具で断続旋削加工実験を行いました。

一般に、PCBNの強度は、cBN含有量が低くなるにつれて低下する。切削距離が延びるにつれて、逃げ面摩耗が徐々に増加しますが、摩耗率は段階によってわずかに異なります。

2.5 焼入れNi基超合金の旋削におけるPCBN工具の切削性能

工具ノーズ半径を適切に大きくすることは、放熱に有益であり、工具摩耗を最小限に抑えることができる。半径が0.8mmを超えると、摩耗率が平坦になる傾向がある。R=0.8～1.0mmを推奨する。

2.6 焼入れ鋼のPCBN断続旋削に関する実験的研究

連続切削（v = 80 m/min）では、AおよびBチップともに5500 mを超える切削距離を達成したが、軽度の断続切削条件では約1000 mに低下し、重度の断続切削条件ではわずか250～450 mに激減した。これは、断続モードが工具寿命に大きく影響することを示している。

連続切削では、切削力は一定である。断続切削では、被削材との係合と離脱のサイクルにより、切削力の大きさと方向が急激に変動するため、工具は致命的な破損を起こしやすくなる。

断続条件下では、切削速度が上がるにつれて工具寿命が短くなる：

v = 120 m/minの場合、切削距離は約1000 mである；

v = 150 m/minの場合 → 500-750 m；

v = 180 m/minの場合 → 250-450 m。

重い割り込みの衝撃強度は軽い割り込みの約4倍であり、割り込み強度がエスカレートするにつれて工具寿命は急激に低下する。

2.7 エンジンシリンダーブロック加工におけるソリッドPCBN工具の応用

エンジン・シリンダー・ブロックの6つの主面の荒加工は、伝統的に最も効率が悪く、最も高価なプロセスであり、通常はコーティングされた超硬フェース・フライス・カッターに頼っている。

効率を高め、コストを削減するために、中国南西部のエンジン工場では、鄭州Halnn超硬材料有限公司が独自に開発したソリッドPCBNインサートを採用しました。合金鋳鉄シリンダーブロックの上面を高送り乾式粗加工し、満足度の高い結果を得た。

高BN含有工具（DBW85、BN700など）は、高い硬度と強い耐摩耗性を持つ。CoとAlのバインダーは、靭性と熱伝導性を向上させ、高速切削時の切削抵抗と温度を低く保ちます。これにより、機械的摩耗と接着摩耗が最小限に抑えられ、工具寿命の延長につながる。

2.8 ADIのドライ切削におけるPCBN工具の切削力と工具寿命に関する研究

1.オーステンパー・ダクタイル鋳鉄（ADI）の断続切削に4種類の工具を使用した場合、半径方向の力（F_p）が最も大きく、主切削力（F_c）がそれに続き、軸方向の力（F_f）が最も小さかった。3方向の力は速度変化に対して同様の傾向を示したため、半径方向の力（F_p）を主な研究対象とした。

2.異なるPCBN工具組成は、異なる切削力特性を示した：

低BN含有工具（DBC50、BN250）： 切削抵抗は速度の上昇とともに増加し、DBC50＞BN250であった；

高BN含有工具（DBW85、BN700）： 切削抵抗は速度によって複雑に変化した：

v < 100 m/minの場合、切削抵抗は速度とともに増加した。

vが100m/min未満では、切削抵抗は速度とともに増加した。vが増加し続けると、切削抵抗は減少した。

v > 150 m/minのとき、切削抵抗は再び上昇した。

これは、PCBN組成が工具性能に大きな影響を及ぼすことを示している。

1.ピーク衝撃力と準静的衝撃力との差（「衝撃振幅」と定義）は、入口と出口の瞬間の衝撃の大きさを如実に反映する。この差が大きいほど、刃先が欠ける可能性が高くなります。

この実験では、衝撃力はまず速度とともに増加し、次に減少することがわかった。その理由は以下の通りである：

2.低速では、ADIは高い硬度を示すため、回転速度を上げると総インパルスが増加し、衝撃力が上昇する。

高速では、ADIの熱伝導率が低いため、工具とチップの接触部の温度が急激に上昇し、材料の軟化点に近づく。材料が軟化すると、弾性圧力が低下し、摩擦係数が変化するため、代わりに衝撃力が低下します。

3.工具寿命の不一致は、依然として性能によって左右される：

DBW85とBN700： 高硬度、高耐摩耗性で、Co/Alバインダーが靭性と熱伝導性を向上させる。高速回転下でも摩耗が少なく、長寿命。

DBC50とBN250: バインダーとしてTiC/TiNを使用し、高温に耐えるが耐衝撃性に劣る。高速断続切削でチッピングが発生しやすく、摩耗が早く工具寿命が短い。

2.9 焼入れ鋼の乾式切削と湿式切削におけるPCBN工具の摩耗比較

逃げ面摩耗ランド幅(VB)は、工具寿命の基準として普遍的に使用されている。

1.工具寿命に対するcBN含有量の影響: 乾式切削または湿式切削のいずれにおいても、切削距離0-1500 mの段階では、PCBN50、60、70工具の摩耗量に有意な差は見られなかった。しかし、包括的な傾向として、指定された切削条件下では、cBN含有量が低いほど逃げ面摩耗がわずかに少ないことが示された。

2.工具寿命に対する切削モードの影響： PCBN50を例にとると、3000mまでのドライ切削ではVB=0.29mmであったのに対し、ウェット切削ではVB=0.20mmであった。切削油剤が潤滑とフラッシング作用を与えるため、摩耗が減少する。

2.10 PCBNドライ切削における焼入れ鋼の表面完全性に関する研究

ドライカットされたワークピースの表面層の微細構造分析から、断面は4つの異なる特徴的なゾーンに分けられることが示された：

1.白層

2.白色層の下の黒色層（表面下層）；

3.黒色層の下にある厚さ約10μmのトランジションゾーン；

4.ベースマトリックスの微細構造。

工具摩耗が激しくなるにつれて、白色層と黒色層の両方の厚さが増加する。一方、湿式切削では、その冷却効果により切削温度が低く維持されるため、表面最表層のみが軽く影響を受け、ベースマトリックスとのコントラストが最小の、薄くぼやけた白層が得られる。これは、クーラントが効果的に白層の形成を抑制し、表面層の欠陥を減少させることを証明している。

2.11 ホウ素鋳鉄旋削における異なるPCBN工具の比較研究

シリンダー・ライナーはホウ素鋳鉄から遠心鋳造されることが多 いが、高い耐摩耗性と機械的特性を達成するためには、タイプA の黒鉛分布が必要であり、難削材に分類される。PとCuを含む黒鉛鋳鉄の加工は、工具寿命、表面粗さ、切削速度に厳しい課題をもたらす。

負のすくい角は、切削温度と逃げ面摩耗に顕著な影響を与える。刃先処理（ホーニング/面取り）や特殊な工具形状を採用することで、切削温度を下げ、工具寿命を延ばすことができる。

2.12 チタン合金TC4の切削における異なる結合材を使用したPCBN工具の性能調査

チタン合金は、高い比強度、耐酸化性、優れた耐熱性、熱安定性を持つ。チタン合金は、航空宇宙（航空機の構造重量シェアは5％から14％以上に上昇）、宇宙船、船舶、自動車、化学処理、医療分野で広く利用されている。しかし、機械加工性が低いため、より広い範囲での採用には限界がある。

機械加工性の悪さは主に次のような点に現れている：

1.切削温度が高い；

2.単位面積当たりの切削抵抗が大きい；

3.高い化学反応性；

4.低弾性率

2.13 PCBN工具のドライ切削への応用

ドライ切削は、高温工具材料の進歩とともに発展してきた。これは、切削油を使用せずに理想的な加工結果を得るために、特定の工具とパラメータに依存するプロセスを指す。その基本的なメカニズムは、高速切削によって発生する集中熱が切削領域に集中し、被削材を軟化させる（降伏強度を低下させる）ことで加工効率を高めることにある。

PCBNは優れた高温硬度と熱安定性を持ち、積極的な切削速度の使用を可能にする。その結果、切削熱が被削材を軟化させ、許容可能な工具寿命を確保しながら切削を容易にします。

切削温度は、主に切削速度によって支配され、次に送り速度（送りが大きくなるにつれて影響が強まる）によって支配される。

PCBN工具は、様々な材料を加工する際に優れた表面粗さを達成することができ、従来の超硬工具よりもはるかに優れています。

工具摩耗は、加工効率、品質、コストに直接影響します。PCBN乾式切削中の摩耗は、単一の孤立したモードに支配されるのではなく、複数の同時発生メカニズムによる累積的な結果です。

著者 王光祖、王雲、秦宇