PCBNインサートの製造方法

PCBNインサートの製造方法

2025,11,24

PCBN ( 多結晶立方晶窒化ホウ素) インサートの製造プロセスは、材料の精製、高温高圧焼結、精密機械加工、および性能の最適化を高度に統合したものです。主要な段階については、以下で詳しく説明します。

I. 原料の準備と精製
PCBN インサートのコア材料は立方晶窒化ホウ素 (CBN) 微粉末であり、バインダー (金属またはセラミック) と炭化物基板が添加されています。

材料の選択: CBN 微粉末は、高純度 (99.9% 以上) と均一な粒子サイズ (通常 0.5 ～ 30 μm、仕上げにはより細かい粒子、高耐摩耗性用途にはより粗い粒子) の要件を満たさなければなりません。バインダーは金属タイプ（例：Co、Ni、Ti）とセラミックタイプ（例：TiN、TiC、Al2O3）に分類されます。金属バインダーは靱性を高め、セラミックバインダーは高温安定性を高めます。

精製処理: パイロフィライト、グラファイト、金属不純物、吸着酸素/水分などのCBN 微粉末中の不純物は、複数段階の化学処理を通じて除去する必要があります。

約 300°C でNaOHで処理して、パイロフィライトと六方晶窒化ホウ素 (HBN) を除去します。

過塩素酸で沸騰させて黒鉛を除去します。

HCl で煮沸して金属不純物を除去し、中性になるまで蒸留水ですすぎます。結合剤 (Co、Ni、Al など) は水素還元を受けて表面酸化物を除去します。

II.高温高圧焼結プロセス

型の充填: 精製された CBN 微粉末と結合剤を一定の割合で混合し (結合剤含有量は通常 10% ～ 15%)、グラファイトの型に充填します。複合ブランクの場合、炭化物基板（コバルト含有タングステンカーバイド合金など）を CBN 層の下に配置する必要があります。

焼結条件：専用プレス（6アンビルまたは2アンビル）を使用し、5～8GPaの圧力をかけて1200～1800℃まで加熱し、数分～数時間保持します。このプロセス中に、CBN 粒子は共有結合を形成するか、バインダーの液相拡散によって緻密化を達成します。

金属結合剤 (Co など) を添加すると、焼結温度を適度に下げることができ、炭化物基材からの Co が CBN 粒界に浸透し、層間結合を強化することができます。

純粋な CBN 焼結 (バインダなし) の場合、緻密化は CBN 粒子の再結晶化と成長に依存しており、その結果、非常に高い硬度が得られますが、靭性は劣ります。

Ⅲ．精密加工とエッジ研削

切断とろう付け：複合ブランクはまずインサートプリフォームに切断され、次にツールシャンクにろう付けされます。固体焼結ブロックは直接エッジ研削に進みます。

エッジ研削プロセス:

粗研削：180〜240グリットのレジンボンドダイヤモンド砥石を使用し、送り速度0.01mm/ダブルストロークで予備成形を行います。

精密研削：送り速度0.005mm/ダブルストロークのW10〜W14砥石を使用し、面精度を向上させます。ラッピング：W5～W3ダイヤモンド砥石またはラッピングペーストを使用し、刃先粗さRa0.1～0.4μmを実現し、「研削ではなくハードターニング」の精度要求を満たします。

IV.コーティング技術（オプション）

コーティング材：TiN、Al₂O₃、AlTiN、 CVDダイヤモンド等が一般的に使用され、厚さは2～30μmです。

コーティングプロセス:

前処理：インサート表面の油分や汚れを洗浄します。

蒸着: 物理蒸着 (PVD) または化学蒸着 (CVD) 技術を使用して、インサート表面に均一なコーティングを形成します。

後処理: 熱処理により、表面の黒化を防ぎながら、コーティングと基材の間の強力な結合が確保されます (温度と雰囲気の制御が必要です)。 コーティングにより、耐摩耗性、非付着性、および工具寿命が大幅に向上します。

V. テストと品質管理

性能試験: 模擬作業条件下での硬度 (HV 2600 ～ 3600)、曲げ強度、熱伝導率、切削寿命などの物理的特性の試験が含まれます。

顕微鏡検査：高倍率電子顕微鏡（SEM、TEM）を使用してCBN粒子の結合状態を観察し、微小な亀裂や不純物がないか確認します。刃先には肉眼では見えない微細な欠陥があってはなりません。そうしないと欠けが発生する可能性があります。

寸法精度：幾何公差、表面粗さ、M値（キーインサート寸法）などをチェックし、加工要件を満たしていることを確認します。

上記のプロセスを正確に制御することにより、PCBN インサートは高硬度、強力な耐摩耗性、優れた熱安定性の組み合わせを実現し、HRC 45 を超える高硬度材料 (焼き入れ鋼、 チル鋳鉄など) を加工するための中核工具となります。モデル間の性能の違いは、基本的に、原材料の比率、焼結プロセス、およびコーティング技術のカスタマイズされた設計に起因します。