硬質難削材の高速切削加工ですぐれた耐欠損性を発揮する表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具
【課題】硬質難削材の高速切削加工ですぐれた耐欠損性を発揮する表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具を提供する。
【解決手段】窒化チタン１３〜３０％、アルミニウムおよび／または酸化アルミニウム６〜１８％、残部窒化ほう素（以上、いずれも質量％）からなる圧粉体の超高圧焼結材料で構成され、分散相を形成する立方晶窒化ほう素相と連続相を形成する窒化チタン相との界面に超高圧焼結反応生成物が介在した組織を有する表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具において、（ａ）硬質被覆層は、１〜３μｍの平均層厚を有する下部層と０．３〜３μｍの平均層厚を有する上部層とからなり、（ｂ）下部層は、特定の組成式：［Ｔｉ１−ＸＡｌＸ］Ｎからなり、（ｃ）上部層は、一層平均層厚がそれぞれ０．０５〜０．３μｍの薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造を有し、薄層Ａは、特定の組成式：［Ｔｉ１−ＸＡｌＸ］Ｎからなる。
【解決手段】窒化チタン１３〜３０％、アルミニウムおよび／または酸化アルミニウム６〜１８％、残部窒化ほう素（以上、いずれも質量％）からなる圧粉体の超高圧焼結材料で構成され、分散相を形成する立方晶窒化ほう素相と連続相を形成する窒化チタン相との界面に超高圧焼結反応生成物が介在した組織を有する表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具において、（ａ）硬質被覆層は、１〜３μｍの平均層厚を有する下部層と０．３〜３μｍの平均層厚を有する上部層とからなり、（ｂ）下部層は、特定の組成式：［Ｔｉ１−ＸＡｌＸ］Ｎからなり、（ｃ）上部層は、一層平均層厚がそれぞれ０．０５〜０．３μｍの薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造を有し、薄層Ａは、特定の組成式：［Ｔｉ１−ＸＡｌＸ］Ｎからなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ダイス鋼、軸受鋼、マンガン鋼などのような、工具表面に溶着し易い高硬度の硬質難削材を高速切削加工した場合でも、硬質被覆層がすぐれた耐欠損性を有し、長期にわたって安定した切削性能を発揮することができる、立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料で構成された切削工具基体の表面に硬質被覆層を形成した表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具（以下、被覆ｃＢＮ基焼結工具という）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、被覆ｃＢＮ基焼結工具には、各種の鋼や鋳鉄などの被削材の旋削加工にバイトの先端部に着脱自在に取り付けて用いられるインサートや、前記インサートを着脱自在に取り付けて、面削加工や溝加工、さらに肩加工などに用いられるソリッドタイプのエンドミルと同様に切削加工を行うインサート式エンドミルなどが知られている。
【０００３】
また、被覆ｃＢＮ基焼結工具としては、各種の立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料（以下、ｃＢＮ基焼結材料という）で構成された工具本体の表面に、Ｔｉ窒化物（ＴｉＮ）層、ＴｉとＡｌの複合窒化物（（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ）層などの表面被覆層を蒸着形成してなる被覆ｃＢＮ基焼結工具が知られており、これらが例えば各種の鋼や鋳鉄などの切削加工に用いられていることも知られている。
【０００４】
さらに、上記の被覆ｃＢＮ基焼結工具が、例えば図２に概略説明図で示される物理蒸着装置の１種であるアークイオンプレーティング装置に上記の工具基体を装入し、ヒータで装置内を、例えば５００℃に加熱した状態で、金属ＴｉあるいはＴｉ−Ａｌ合金からなるカソード電極（蒸発源）と、アノード電極との間に、例えば９０Ａの電流を印加してアーク放電を発生させ、同時に装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して、例えば２Ｐａの反応雰囲気とし、一方前記工具基体には、たとえば−１００Ｖのバイアス電圧を印加した条件で、前記工具基体の表面に、ＴｉＮ層や（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層など、所望の層を蒸着形成することにより製造されることも知られている。
【特許文献１】特開平７−３００６４９号公報
【特許文献２】特開平８−１１９７７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年の切削加工装置のＦＡ化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴い、切削加工は、通常の切削条件に加えて、より高速条件下での切削加工が要求される傾向にあるが、上記の従来被覆工具においては、各種の鋼や鋳鉄を通常条件下で切削加工した場合に特段の問題は生じない。しかし、これを、工具表面に溶着し易いダイス鋼、軸受鋼、マンガン鋼などのような高硬度かつ高溶着性の硬質難削材の高速切削に用いた場合には、切刃部に発生する高熱により被削材および切粉は高温に加熱され、これに伴って硬質被覆層表面に対する溶着性および反応性が一段と増すようになり、この結果、切刃の刃先の境界部分に異常損傷（以下、境界異常損傷という）を生じ、これが原因で、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、工具表面に溶着し易いダイス鋼、軸受鋼、マンガン鋼などのような高硬度かつ高溶着性の硬質難削材の高速切削加工で、硬質被覆層がすぐれた耐欠損性を発揮する被覆ｃＢＮ基焼結工具を開発すべく研究を行った結果、
(ａ) 硬質被覆層を構成するＴｉとＡｌの複合窒化物（以下、（Ｔｉ１−ＸＡｌＸ）Ｎで示す）層は、Ａｌの含有割合Ｘ（原子比）の値が、０．４〜０．６の範囲内において所定の耐熱性、高温硬さ及び高温強度を有し、通常の切削加工条件下において必要とされる耐摩耗性は具備しているが、高硬度かつ高溶着性の硬質難削材の高速切削加工においては、切刃部に発生する高熱により被削材および切粉は高温に加熱され、硬質被覆層表面に対する溶着性および反応性が一段と増すようになり、一方、（Ｔｉ１−ＸＡｌＸ）Ｎ層からなる硬質被覆層は潤滑性、耐溶着性が不十分であるために、切刃の境界部分には境界異常損傷が生じ、そして、これが欠損の原因となること。
【０００７】
（ｂ）一方、Ｃｒ窒化物（以下、ＣｒＮで示す）層は、高温強度、耐熱性、高温硬さは十分ではないが、すぐれた潤滑性、耐溶着性を有しているために、大きな発熱を伴う高硬度、高溶着性の硬質難削材の高速切削加工においては、被削材、切粉が硬質被覆層に溶着するのを防止し得ること。
【０００８】
（ｃ）上記（ａ）のＡｌの含有割合Ｘが４０〜６０原子％の耐熱性、高温硬さ及び所定の高温強度を有する（Ｔｉ１−ＸＡｌＸ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４〜０．６）層（以下、薄層Ａという）と、前記薄層Ａに比べて高温強度、耐熱性、高温硬さは劣るものの、その一方で、すぐれた潤滑性、耐溶着性を有するＣｒ窒化物（ＣｒＮ）層（以下、薄層Ｂという）を、それぞれの一層平均層厚を０．０５〜０．３μｍの薄層とした状態で交互積層して硬質被覆層の上部層を構成すると、この交互積層構造の硬質被覆層は、薄層Ａのもつすぐれた高温硬さ、高温強度、耐熱性とともに、薄層Ｂのもつすぐれた潤滑性、耐溶着性を相兼ね備えるようになり、その結果、被削材および切粉の硬質被覆層に対する溶着性、反応性が低下し、境界異常損傷の発生が防止され、耐欠損性が向上すること。
以上（ａ）〜（ｃ）に示される研究結果を得たのである。
【０００９】
この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、
窒化チタン１３〜３０％、アルミニウムおよび／または酸化アルミニウム６〜１８％、残部窒化ほう素（以上、％は、いずれも質量％を示す）からなる配合組成を有する圧粉体の超高圧焼結材料で構成され、かつ、走査型電子顕微鏡による組織観察で、分散相を形成する立方晶窒化ほう素相と連続相を形成する窒化チタン相との界面に超高圧焼結反応生成物が介在した組織を有するインサート本体の表面に硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具において、
（ａ）硬質被覆層は、１〜３μｍの平均層厚を有する下部層と０．３〜３μｍの平均層厚を有する上部層とからなり、
（ｂ）硬質被覆層の下部層は、蒸着形成された、
組成式：（Ｔｉ１−ＸＡｌＸ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４〜０．６を示す）を満足するＴｉとＡｌの複合窒化物層、
（ｃ）硬質被覆層の上部層は、下部層の表面に蒸着形成された、いずれも一層平均層厚がそれぞれ０．０５〜０．３μｍの薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造を有し、
上記薄層Ａは、
組成式：（Ｔｉ１−ＸＡｌＸ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４〜０．６を示す）を満足するＴｉとＡｌの複合窒化物層、
上記薄層Ｂは、Ｃｒ窒化物（ＣｒＮ）層、
からなる硬質被覆層を蒸着形成した、ダイス鋼、軸受鋼、マンガン鋼などのような、工具表面に溶着し易い高硬度の硬質難削材の高速切削加工ですぐれた耐欠損性を発揮する表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具（被覆ｃＢＮ基焼結工具）に特徴を有するものである。
【００１０】
つぎに、この発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具において、これを構成するインサート本体のｃＢＮ基焼結材料の配合組成および硬質被覆層の組成、層厚を限定した理由を説明する。
（ａ）インサート本体のｃＢＮ基焼結材料の配合組成
（イ）ＴｉＮ
焼結材料中のＴｉＮ成分は、焼結性を向上させるとともに焼結体中で連続相を形成して強度を向上させる作用があるが、その配合割合が１３質量％未満では所望の強度を確保することができず、一方その配合割合が３０質量％を超えると相対的にｃＢＮの含有量が少なくなり、すくい面摩耗などが生じやすくなることから、その配合割合を１３〜３０質量％と定めた。
【００１１】
（ロ）アルミニウムおよび／または酸化アルミニウム
これらの成分は焼結時に優先的にｃＢＮ粉末の表面に凝集し、反応して反応生成物を形成し、焼結後のｃＢＮ基材料中で、連続相を形成するＴｉＮ相と硬質分散相を形成するｃＢＮ相の間に介在するようになり、この反応生成物は前記連続相を形成するＴｉＮ相と硬質分散相を形成するｃＢＮ相のいずれとも強固に密着接合する性質をもつことから、前記ｃＢＮ相の連続結合相であるＴｉＮ相に対する密着性が著しく向上し、この結果切刃の耐チッピング性が向上するようになるが、アルミニウムおよび／または酸化アルミニウムの配合割合が６〜１８質量％の範囲からはずれると、中間密着層として前記硬質分散相と連続相の間に強固な密着性を確保することができないので、アルミニウムおよび／または酸化アルミニウムの配合割合を６〜１８質量％と定めた。
【００１２】
（ハ）窒化ほう素（ｃＢＮ）
超高圧焼結材料製工具基体中の窒化ほう素（ｃＢＮ）は、きわめて硬質で、焼結材料中で分散相を形成し、そしてこの分散相によって耐摩耗性の向上が図れるが、その配合割合が少なすぎると所望のすぐれた耐摩耗性を確保することができず、一方その配合割合が多くなりすぎると、窒化ほう素（ｃＢＮ）基材料自体の焼結性が低下し、この結果切刃に欠損が生じやすくなる。窒化ほう素（ｃＢＮ）の配合割合は、焼結材料の構成成分であるＴｉＮ、アルミニウムおよび酸化アルミニウムの残部、即ち、５２〜８１質量％となる。
【００１３】
（ｂ）硬質被覆層の下部層
硬質被覆層の下部層を構成する（Ｔｉ１−ＸＡｌＸ）Ｎ層におけるＴｉ成分は高温強度の維持、Ａｌ成分は高温硬さと耐熱性の向上に寄与することから、硬質被覆層の下部層を構成する（Ｔｉ１−ＸＡｌＸ）Ｎ層は、所定の高温強度、高温硬さおよび耐熱性を具備する層であって、ダイス鋼、軸受鋼、マンガン鋼などのような、工具表面に溶着し易い硬質難削材の高速切削加工時における切刃部の耐摩耗性を確保する役割を基本的に担う。ただ、Ａｌの含有割合Ｘが６０原子％を超えると下部層の高温硬さと耐熱性は向上するものの、Ｔｉ含有割合の相対的な減少によって、高温強度が低下し欠損が生じやすくなり、一方、Ａｌの含有割合Ｘが４０原子％未満になると、高温硬さと耐熱性が低下し、その結果、耐摩耗性の低下がみられるようになることから、Ａｌの含有割合Ｘの値を０．４〜０．６と定めた。
また、下部層の平均層厚が１μｍ未満では、自身のもつ耐熱性、高温硬さおよび高温強度を硬質被覆層に長期に亘って付与できず、工具寿命短命の原因となり、一方その平均層厚が３μｍを越えると、欠損が生じ易くなることから、その平均層厚を１〜３μｍと定めた。
【００１４】
なお、超高圧焼結材料製切削工具基体と下部層との十分な密着性を確保するために、基体と下部層との間にチタンまたはクロムの窒化物（ＴｉＮまたはＣｒＮ）の薄層を介在させることができる。該ＴｉＮまたはＣｒＮの薄層は、その層厚が０．０１μｍ未満では密着性改善の効果が少なく、一方、０．５μｍを超えた層厚としても密着性の更なる向上が期待できるわけではないことから、基体と下部層との間に介在させるＴｉＮ層またはＣｒＮの層厚は０．０１μｍ以上０．５μｍ以下とすることが望ましい。
【００１５】
（ｃ）硬質被覆層の上部層
（イ）上部層の薄層Ａ
上部層の薄層Ａを構成する（Ｔｉ１−ＸＡｌＸ）Ｎ層（ただし、原子比で、Ｘは０．４〜０．６を示す）は、下部層と実質同様の層であって、所定の耐熱性、高温硬さおよび高温強度を具備し、工具表面に溶着し易い硬質難削材の高速切削加工時における切刃部の耐摩耗性を確保する作用を有する。
【００１６】
（ロ）上部層の薄層Ｂ
ＣｒＮ層からなる薄層Ｂは、薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造からなる上部層において、云わば、薄層Ａに不足する特性（潤滑性、耐溶着性）を補うことを主たる目的とするものである。
すでに述べたように、上部層の薄層Ａは、所定の耐熱性、高温硬さと高温強度を有する層であるが、高い熱発生を伴うダイス鋼、軸受鋼、マンガン鋼などの硬質難削材の高速切削加工では、潤滑性、耐溶着性が不十分となり、そのためこれらが原因となり境界異常損傷、欠損を生じることになる。
そこで、すぐれた潤滑性と耐溶着性を有するＣｒＮ層からなる薄層Ｂを、薄層Ａと交互に配し交互積層構造を構成することで、隣接する薄層Ａの潤滑性不足、耐溶着性不足を補い、上部層全体として、前記薄層Ａのもつすぐれた耐熱性、高温硬さ、高温強度を何ら損なうことなく、前記薄層Ｂのもつよりすぐれた潤滑性、耐溶着性を兼ね備えた上部層を形成する。
ＣｒＮ層は、すぐれた潤滑性と耐溶着性を備え、高熱発生を伴う硬質難削材の高速切削加工における切刃部への溶着を防止し、その結果として、切刃の刃先の境界部分に生じる境界異常損傷、欠損の発生を防止する作用を有する。
【００１７】
（ハ）上部層の薄層Ａと薄層Ｂの一層平均層厚、上部層の平均層厚
上部層の薄層Ａと薄層Ｂ、それぞれの一層平均層厚が０．０５μｍ未満ではそれぞれの薄層の備えるすぐれた特性を発揮することができず、この結果、上部層にすぐれた高温硬さ、高温強度および耐熱性と、耐溶着性、潤滑性を確保することができなくなり、またそれぞれの一層平均層厚が０．３μｍを越えるとそれぞれの薄層がもつ欠点、すなわち薄層Ａであれば耐溶着性、潤滑性の不足、薄層Ｂであれば高温硬さ、高温強度、耐熱性の不足が層内に局部的に現れるようになり、これが原因で、切刃刃先の境界異常損傷が発生したり、摩耗が急速に進行するようになることから、それぞれの一層平均層厚は０．０５〜０．３μｍと定めた。
すなわち、薄層Ｂは、上部層に耐溶着性、潤滑性を付与するために設けたものであるが、薄層Ａ、薄層Ｂそれぞれの一層平均層厚が０．０５〜０．３μｍの範囲内であれば、薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造からなる上部層は、すぐれた高温硬さ、高温強度、耐熱性と、すぐれた耐溶着性、潤滑性を具備したあたかも一つの層であるかのように作用するが、薄層Ａ、薄層Ｂそれぞれの一層平均層厚が０．３μｍを越えると、薄層Ａの耐溶着性、潤滑性の不足、あるいは、薄層Ｂの高温硬さ、高温強度、耐熱性さ不足が層内に局部的に現れるようになり、上部層が全体として一つの層としての良好な特性を呈することができなくなるため、薄層Ａ、薄層Ｂそれぞれの一層平均層厚を０．０５〜０．３μｍと定めた。
薄層Ａと薄層Ｂの一層平均層厚を０．０５〜０．３μｍの範囲内とした交互積層構造からなる上部層を下部層表面に形成することにより、優れた高温硬さ、高温強度、耐熱性とともに、すぐれた耐溶着性、潤滑性を兼ね備えた硬質被覆層が得られ、その結果、ダイス鋼、軸受鋼、マンガン鋼などのような硬質難削材の高速切削加工において、切刃の刃先の境界部分に生じる異常損傷の発生を防止することができる。
また、上部層の合計平均層厚（即ち、交互積層構造を構成する薄層Ａと薄層Ｂの各層の平均層厚を合計した層厚）は、０．３μｍ未満では、硬質難削材の高速切削加工で必要とされる十分な高温硬さ、高温強度、耐熱性および耐溶着性、潤滑性を上部層に付与することができず、工具寿命短命の原因となり、一方その平均層厚が３μｍを越えると、欠損が発生し易くなることから、その平均層厚は０．３〜３μｍと定めた。
【００１８】
なお、この発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具では、最外表面の被覆層の層厚のちがいによって、それぞれ微妙に異なる干渉色を生じ、工具外観が不揃いとなることがある。このような場合には、最外表面に、ＴｉとＡｌの複合窒化物（ＴｉＡｌＮ）層を厚く蒸着形成することによって、工具外観の不揃いを防止することができる。その際、ＴｉＡｌＮ層の平均層厚が０．２μm未満では外観の不揃いを防止することはできず、また、２μmまでの平均層厚があれば外観の不揃いを十分防止できることから、ＴｉとＡｌの複合窒化物（ＴｉＡｌＮ）層の平均層厚は０．２〜２μmとすればよい。
また、この発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具基体の表面粗度は、Ｒａで０．０５以上１．０以下であることが望ましい。表面粗度Ｒａが０．０５以上であれば、アンカー効果による基体と硬質被覆層との付着強度の向上が期待でき、一方、Ｒａが１．０を超えるようになると、被削材の仕上げ面精度に悪影響を及ぼすようになるためである。
【発明の効果】
【００１９】
この発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具は、硬質被覆層が上部層と下部層からなり、硬質被覆層の上部層を薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造とすることによってすぐれた高温硬さ、高温強度、耐熱性および耐溶着性、潤滑性を兼ね備えることから、ダイス鋼、軸受鋼、マンガン鋼などのような、工具表面に溶着し易い高硬度の硬質難削材の、高熱発生を伴う高速切削という厳しい条件下の切削加工であっても、前記硬質被覆層に境界異常損傷、欠損の発生はなく、長期に亘って、すぐれた耐摩耗性を発揮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
つぎに、この発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具を実施例により具体的に説明する。
【実施例】
【００２１】
原料粉末として、いずれも０．５〜４μｍの範囲内の平均粒径を有する立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）粉末、窒化チタン（ＴｉＮ）粉末、Ａｌ粉末、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）粉末を用意し、これら原料粉末を表１に示される配合組成に配合し、ボールミルで８０時間湿式混合し、乾燥した後、１２０ＭＰａの圧力で直径：５０ｍｍ×厚さ：１．５ｍｍの寸法をもった圧粉体にプレス成形し、ついでこの圧粉体を、圧力：１Ｐａの真空雰囲気中、９００〜１３００℃の範囲内の所定温度に６０分間保持の条件で焼結して切刃片用予備焼結体とし、この予備焼結体を、別途用意した、Ｃｏ：８質量％、ＷＣ：残りの組成、並びに直径：５０ｍｍ×厚さ：２ｍｍの寸法をもったＷＣ基超硬合金製支持片と重ね合わせた状態で、通常の超高圧焼結装置に装入し、通常の条件である圧力：５ＧＰａ、温度：１２００〜１４００℃の範囲内の所定温度に保持時間：０．８時間の条件で超高圧焼結し、焼結後上下面をダイヤモンド砥石を用いて研磨し、ワイヤー放電加工装置にて一辺３ｍｍの正三角形状に分割し、さらにＣｏ：５質量％、ＴａＣ：５質量％、ＷＣ：残りの組成およびＣＩＳ規格ＳＮＧＡ１２０４１２の形状（厚さ：４．７６mm×一辺長さ：１２．７mmの正方形）をもったＷＣ基超硬合金製インサート本体のろう付け部（コーナー部）に、質量％で、Ｃｕ：２６％、Ｔｉ：５％、Ｎｉ：２．５％、Ａｇ：残りからなる組成を有するＡｇ合金のろう材を用いてろう付けし、所定寸法に外周加工した後、切刃部に幅：０．１３ｍｍ、角度：２５°のホーニング加工を施し、さらに仕上げ研摩を施すことによりＩＳＯ規格ＳＮＧＡ１２０４１２のインサート形状をもった工具基体Ａ〜Ｊをそれぞれ製造した。
【００２２】
（ａ）ついで、上記の工具基体Ａ〜Ｊのそれぞれを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図１に示されるアークイオンプレーティング装置内の回転テーブル上の中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に外周部にそって装着し、一方側のカソード電極（蒸発源）として、上部層の薄層Ｂ形成用金属Ｃｒを、また、他方側のカソード電極（蒸発源）として、それぞれ表２に示される目標組成に対応した成分組成をもった上部層の薄層Ａおよび下部層形成用Ｔｉ−Ａｌ合金を前記回転テーブルを挟んで対向配置し、
（ｂ）まず、装置内を排気して０．１Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を５００℃に加熱した後、Ａｒガスを導入して、０．７Ｐａの雰囲気とすると共に、前記テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−２００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、もって工具基体表面をアルゴンイオンによってボンバード洗浄し、
（ｃ）装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して３Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ前記薄層Ａおよび下部層形成用Ｔｉ−Ａｌ合金とアノード電極との間に１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、もって前記工具基体の表面に、表２に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成し、
（ｄ）ついで装置内に導入する反応ガスとしての窒素ガスの流量を調整して２Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−１０〜−１００Ｖの範囲内の所定の直流バイアス電圧を印加した状態で、前記薄層Ｂ形成用金属Ｃｒのカソード電極とアノード電極との間に５０〜２００Ａの範囲内の所定の電流を流してアーク放電を発生させて、前記工具基体の表面に所定層厚の薄層Ｂを形成し、前記薄層Ｂ形成後、アーク放電を停止し、代って前記薄層Ａおよび下部層形成用Ｔｉ−Ａｌ合金のカソード電極とアノード電極間に同じく５０〜２００Ａの範囲内の所定の電流を流してアーク放電を発生させて、所定層厚の薄層Ａを形成した後、アーク放電を停止し、再び前記薄層Ｂ形成用金属Ｃｒのカソード電極とアノード電極間のアーク放電による薄層Ｂの形成と、前記薄層Ａおよび下部層形成用Ｔｉ−Ａｌ合金のカソード電極とアノード電極間のアーク放電による薄層Ａの形成を交互に繰り返し行い、もって前記工具基体の表面に、層厚方向に沿って表２に示される目標組成および一層目標層厚の薄層Ａと薄層Ｂの交互積層からなる上部層を同じく表２に示される合計層厚（平均層厚）で蒸着形成することにより、本発明被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜１０をそれぞれ製造した。
【００２３】
また、比較の目的で、上記の工具基体Ａ〜Ｊのそれぞれを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図２に示される通常のアークイオンプレーティング装置に装入し、カソード電極（蒸発源）として、それぞれ表３に示される目標組成に対応した成分組成をもったＴｉ−Ａｌ合金を装着し、まず、装置内を排気して０．１Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を５００℃に加熱した後、Ａｒガスを導入して、０．７Ｐａの雰囲気とすると共に、前記テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−２００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、もって工具基体表面をアルゴンイオンによってボンバード洗浄し、ついで装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して３Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記工具基体に印加するバイアス電圧を−１００Ｖに下げて、前記Ｔｉ−Ａｌ合金のカソード電極とアノード電極との間にアーク放電を発生させ、もって前記工具基体Ａ〜Ｊのそれぞれの表面に、表３に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成することにより、従来被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜１０をそれぞれ製造した。
【００２４】
この結果得られた各種の被覆ｃＢＮ基焼結工具のインサート本体を構成するｃＢＮ基焼結材料について、その組織を走査型電子顕微鏡を用いて観察したところ、いずれのインサート本体も、実質的に分散相を形成するｃＢＮ相と連続相を形成するＴｉＮ相との界面に超高圧焼結反応生成物が介在した組織を示した。
【００２５】
さらに、同表面被覆層について、その組成を透過型電子顕微鏡を用いてのエネルギー分散型Ｘ線分析法により測定したところ、それぞれ目標組成と実質的に同じ組成を示し、また、その平均層厚を透過型電子顕微鏡を用いて断面測定したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均値（５ヶ所の平均値）を示した。
【００２６】
つぎに、上記の各種の被覆ｃＢＮ基焼結工具を、いずれも工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてネジ止めした状態で、本発明被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜１０および従来被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜１０のうち、本発明被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜５および従来被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜５については、以下に示す切削条件Ａ〜Ｃで高速断続切削試験を行い、また、本発明被覆ｃＢＮ基焼結工具６〜１０および従来被覆ｃＢＮ基焼結工具６〜１０については、同じく以下に示す切削条件ａ〜ｃで高速連続切削試験を実施した。
[切削条件Ａ]
被削材：ＪＩＳ・ＳＫＤ１１（硬さ：ＨＲＣ６２）の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： ２００ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．１２ ｍｍ、
送り： ０．０８ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件でのダイス鋼の乾式断続高速切削加工試験（通常の切削速度は１２０ｍ／ｍｉｎ．）、
[切削条件Ｂ]
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＪ２（硬さ：ＨＲＣ６１）の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： ２１０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．１０ ｍｍ、
送り： ０．０９ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ６ 分、
の条件での軸受鋼の乾式断続高速切削加工試験（通常の切削速度は１３０ｍ／ｍｉｎ．）、
[切削条件Ｃ]
被削材：ＪＩＳ・ＳＭｎ４３８（硬さ：ＨＲＣ５８）の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： ２００ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．０９ ｍｍ、
送り： ０．０９ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ６ 分、
の条件でのマンガン鋼の乾式断続高速切削加工試験（通常の切削速度は１３０ｍ／ｍｉｎ．）、
[切削条件ａ]
被削材：ＪＩＳ・ＳＫＤ６１（硬さ：ＨＲＣ６１）の丸棒、
切削速度： ２３０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．１２ ｍｍ、
送り： ０．０６ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ８ 分、
の条件でのダイス鋼の乾式連続高速切削加工試験（通常の切削速度は１５０ｍ／ｍｉｎ．）、
[切削条件ｂ]
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＪ２（硬さ：ＨＲＣ６１）の丸棒、
切削速度： ２５０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．１４ ｍｍ、
送り： ０．１２ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ８ 分、
の条件での軸受鋼の乾式連続高速切削加工試験（通常の切削速度は１６０ｍ／ｍｉｎ．）、
[切削条件ｃ]
被削材：ＪＩＳ・ＳＭｎＣ４４３（硬さ：ＨＲＣ６０）の丸棒、
切削速度： ２４０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．１０ ｍｍ、
送り： ０．１１ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ８ 分、
の条件でのマンガンクロム鋼の乾式連続高速切削加工試験（通常の切削速度は１６０ｍ／ｍｉｎ．）、
を行い、いずれの切削加工試験でも切刃の逃げ面摩耗幅（ｍｍ）と被削材の仕上げ面精度（ＪＩＳ Ｂ０６０１−２００１による算術平均高さ（Ｒａ(μｍ)）を測定した。この測定結果を表４に示した。
【００２７】
【表１】
【００２８】
【表２】
【００２９】
【表３】
【００３０】
【表４】
【００３１】
表２〜４に示される結果から、本発明被覆ｃＢＮ基焼結工具は、いずれも硬質被覆層が、一層平均層厚がそれぞれ０．０５〜０．３μｍの薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造を有する平均層厚（合計層厚）０．３〜３μｍの上部層と、１〜３μｍの平均層厚を有する下部層とからなり、前記下部層がすぐれた耐熱性、高温強度とすぐれた高温硬さを備え、さらに、前記上部層がすぐれた耐熱性、高温強度、高温硬さに加えてすぐれた潤滑性と耐溶着性を備えているので、ダイス鋼、軸受鋼、マンガン鋼などのような、工具表面に溶着し易い高硬度の硬質難削材の高速切削であっても、前記硬質被覆層に境界異常損傷、欠損の発生はなく、長期に亘って、すぐれた耐摩耗性を発揮するとともに、被削材のすぐれた仕上げ面精度を確保することができるのに対して、硬質被覆層が単一の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる従来被覆ｃＢＮ基焼結工具は、特に硬質被覆層の潤滑性、耐溶着性不足が原因で、刃先に境界異常損傷や欠損が発生し、被削材の仕上げ面精度を維持することができないばかりか、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
【００３２】
上述のように、この発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具は、各種の鋼や鋳鉄などの通常の切削条件での切削加工は勿論のこと、特にダイス鋼、軸受鋼、マンガン鋼などのような、工具表面に溶着し易い高硬度の硬質難削材の高速連続切削あるいは高速断続切削であっても、前記硬質被覆層がすぐれた耐境界異常損傷性、耐欠損性を発揮し、すぐれた被削材仕上げ面精度を長期に亘って維持するとともにすぐれた耐摩耗性をも示すものであるから、切削加工装置の高性能化、並びに切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に十分満足に対応できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具を構成する硬質被覆層を形成するのに用いたアークイオンプレーティング装置を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略正面図である。
【図２】通常のアークイオンプレーティング装置の概略説明図である。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ダイス鋼、軸受鋼、マンガン鋼などのような、工具表面に溶着し易い高硬度の硬質難削材を高速切削加工した場合でも、硬質被覆層がすぐれた耐欠損性を有し、長期にわたって安定した切削性能を発揮することができる、立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料で構成された切削工具基体の表面に硬質被覆層を形成した表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具（以下、被覆ｃＢＮ基焼結工具という）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、被覆ｃＢＮ基焼結工具には、各種の鋼や鋳鉄などの被削材の旋削加工にバイトの先端部に着脱自在に取り付けて用いられるインサートや、前記インサートを着脱自在に取り付けて、面削加工や溝加工、さらに肩加工などに用いられるソリッドタイプのエンドミルと同様に切削加工を行うインサート式エンドミルなどが知られている。
【０００３】
また、被覆ｃＢＮ基焼結工具としては、各種の立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料（以下、ｃＢＮ基焼結材料という）で構成された工具本体の表面に、Ｔｉ窒化物（ＴｉＮ）層、ＴｉとＡｌの複合窒化物（（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ）層などの表面被覆層を蒸着形成してなる被覆ｃＢＮ基焼結工具が知られており、これらが例えば各種の鋼や鋳鉄などの切削加工に用いられていることも知られている。
【０００４】
さらに、上記の被覆ｃＢＮ基焼結工具が、例えば図２に概略説明図で示される物理蒸着装置の１種であるアークイオンプレーティング装置に上記の工具基体を装入し、ヒータで装置内を、例えば５００℃に加熱した状態で、金属ＴｉあるいはＴｉ−Ａｌ合金からなるカソード電極（蒸発源）と、アノード電極との間に、例えば９０Ａの電流を印加してアーク放電を発生させ、同時に装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して、例えば２Ｐａの反応雰囲気とし、一方前記工具基体には、たとえば−１００Ｖのバイアス電圧を印加した条件で、前記工具基体の表面に、ＴｉＮ層や（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層など、所望の層を蒸着形成することにより製造されることも知られている。
【特許文献１】特開平７−３００６４９号公報
【特許文献２】特開平８−１１９７７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年の切削加工装置のＦＡ化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴い、切削加工は、通常の切削条件に加えて、より高速条件下での切削加工が要求される傾向にあるが、上記の従来被覆工具においては、各種の鋼や鋳鉄を通常条件下で切削加工した場合に特段の問題は生じない。しかし、これを、工具表面に溶着し易いダイス鋼、軸受鋼、マンガン鋼などのような高硬度かつ高溶着性の硬質難削材の高速切削に用いた場合には、切刃部に発生する高熱により被削材および切粉は高温に加熱され、これに伴って硬質被覆層表面に対する溶着性および反応性が一段と増すようになり、この結果、切刃の刃先の境界部分に異常損傷（以下、境界異常損傷という）を生じ、これが原因で、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、工具表面に溶着し易いダイス鋼、軸受鋼、マンガン鋼などのような高硬度かつ高溶着性の硬質難削材の高速切削加工で、硬質被覆層がすぐれた耐欠損性を発揮する被覆ｃＢＮ基焼結工具を開発すべく研究を行った結果、
(ａ) 硬質被覆層を構成するＴｉとＡｌの複合窒化物（以下、（Ｔｉ１−ＸＡｌＸ）Ｎで示す）層は、Ａｌの含有割合Ｘ（原子比）の値が、０．４〜０．６の範囲内において所定の耐熱性、高温硬さ及び高温強度を有し、通常の切削加工条件下において必要とされる耐摩耗性は具備しているが、高硬度かつ高溶着性の硬質難削材の高速切削加工においては、切刃部に発生する高熱により被削材および切粉は高温に加熱され、硬質被覆層表面に対する溶着性および反応性が一段と増すようになり、一方、（Ｔｉ１−ＸＡｌＸ）Ｎ層からなる硬質被覆層は潤滑性、耐溶着性が不十分であるために、切刃の境界部分には境界異常損傷が生じ、そして、これが欠損の原因となること。
【０００７】
（ｂ）一方、Ｃｒ窒化物（以下、ＣｒＮで示す）層は、高温強度、耐熱性、高温硬さは十分ではないが、すぐれた潤滑性、耐溶着性を有しているために、大きな発熱を伴う高硬度、高溶着性の硬質難削材の高速切削加工においては、被削材、切粉が硬質被覆層に溶着するのを防止し得ること。
【０００８】
（ｃ）上記（ａ）のＡｌの含有割合Ｘが４０〜６０原子％の耐熱性、高温硬さ及び所定の高温強度を有する（Ｔｉ１−ＸＡｌＸ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４〜０．６）層（以下、薄層Ａという）と、前記薄層Ａに比べて高温強度、耐熱性、高温硬さは劣るものの、その一方で、すぐれた潤滑性、耐溶着性を有するＣｒ窒化物（ＣｒＮ）層（以下、薄層Ｂという）を、それぞれの一層平均層厚を０．０５〜０．３μｍの薄層とした状態で交互積層して硬質被覆層の上部層を構成すると、この交互積層構造の硬質被覆層は、薄層Ａのもつすぐれた高温硬さ、高温強度、耐熱性とともに、薄層Ｂのもつすぐれた潤滑性、耐溶着性を相兼ね備えるようになり、その結果、被削材および切粉の硬質被覆層に対する溶着性、反応性が低下し、境界異常損傷の発生が防止され、耐欠損性が向上すること。
以上（ａ）〜（ｃ）に示される研究結果を得たのである。
【０００９】
この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、
窒化チタン１３〜３０％、アルミニウムおよび／または酸化アルミニウム６〜１８％、残部窒化ほう素（以上、％は、いずれも質量％を示す）からなる配合組成を有する圧粉体の超高圧焼結材料で構成され、かつ、走査型電子顕微鏡による組織観察で、分散相を形成する立方晶窒化ほう素相と連続相を形成する窒化チタン相との界面に超高圧焼結反応生成物が介在した組織を有するインサート本体の表面に硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具において、
（ａ）硬質被覆層は、１〜３μｍの平均層厚を有する下部層と０．３〜３μｍの平均層厚を有する上部層とからなり、
（ｂ）硬質被覆層の下部層は、蒸着形成された、
組成式：（Ｔｉ１−ＸＡｌＸ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４〜０．６を示す）を満足するＴｉとＡｌの複合窒化物層、
（ｃ）硬質被覆層の上部層は、下部層の表面に蒸着形成された、いずれも一層平均層厚がそれぞれ０．０５〜０．３μｍの薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造を有し、
上記薄層Ａは、
組成式：（Ｔｉ１−ＸＡｌＸ）Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４〜０．６を示す）を満足するＴｉとＡｌの複合窒化物層、
上記薄層Ｂは、Ｃｒ窒化物（ＣｒＮ）層、
からなる硬質被覆層を蒸着形成した、ダイス鋼、軸受鋼、マンガン鋼などのような、工具表面に溶着し易い高硬度の硬質難削材の高速切削加工ですぐれた耐欠損性を発揮する表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具（被覆ｃＢＮ基焼結工具）に特徴を有するものである。
【００１０】
つぎに、この発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具において、これを構成するインサート本体のｃＢＮ基焼結材料の配合組成および硬質被覆層の組成、層厚を限定した理由を説明する。
（ａ）インサート本体のｃＢＮ基焼結材料の配合組成
（イ）ＴｉＮ
焼結材料中のＴｉＮ成分は、焼結性を向上させるとともに焼結体中で連続相を形成して強度を向上させる作用があるが、その配合割合が１３質量％未満では所望の強度を確保することができず、一方その配合割合が３０質量％を超えると相対的にｃＢＮの含有量が少なくなり、すくい面摩耗などが生じやすくなることから、その配合割合を１３〜３０質量％と定めた。
【００１１】
（ロ）アルミニウムおよび／または酸化アルミニウム
これらの成分は焼結時に優先的にｃＢＮ粉末の表面に凝集し、反応して反応生成物を形成し、焼結後のｃＢＮ基材料中で、連続相を形成するＴｉＮ相と硬質分散相を形成するｃＢＮ相の間に介在するようになり、この反応生成物は前記連続相を形成するＴｉＮ相と硬質分散相を形成するｃＢＮ相のいずれとも強固に密着接合する性質をもつことから、前記ｃＢＮ相の連続結合相であるＴｉＮ相に対する密着性が著しく向上し、この結果切刃の耐チッピング性が向上するようになるが、アルミニウムおよび／または酸化アルミニウムの配合割合が６〜１８質量％の範囲からはずれると、中間密着層として前記硬質分散相と連続相の間に強固な密着性を確保することができないので、アルミニウムおよび／または酸化アルミニウムの配合割合を６〜１８質量％と定めた。
【００１２】
（ハ）窒化ほう素（ｃＢＮ）
超高圧焼結材料製工具基体中の窒化ほう素（ｃＢＮ）は、きわめて硬質で、焼結材料中で分散相を形成し、そしてこの分散相によって耐摩耗性の向上が図れるが、その配合割合が少なすぎると所望のすぐれた耐摩耗性を確保することができず、一方その配合割合が多くなりすぎると、窒化ほう素（ｃＢＮ）基材料自体の焼結性が低下し、この結果切刃に欠損が生じやすくなる。窒化ほう素（ｃＢＮ）の配合割合は、焼結材料の構成成分であるＴｉＮ、アルミニウムおよび酸化アルミニウムの残部、即ち、５２〜８１質量％となる。
【００１３】
（ｂ）硬質被覆層の下部層
硬質被覆層の下部層を構成する（Ｔｉ１−ＸＡｌＸ）Ｎ層におけるＴｉ成分は高温強度の維持、Ａｌ成分は高温硬さと耐熱性の向上に寄与することから、硬質被覆層の下部層を構成する（Ｔｉ１−ＸＡｌＸ）Ｎ層は、所定の高温強度、高温硬さおよび耐熱性を具備する層であって、ダイス鋼、軸受鋼、マンガン鋼などのような、工具表面に溶着し易い硬質難削材の高速切削加工時における切刃部の耐摩耗性を確保する役割を基本的に担う。ただ、Ａｌの含有割合Ｘが６０原子％を超えると下部層の高温硬さと耐熱性は向上するものの、Ｔｉ含有割合の相対的な減少によって、高温強度が低下し欠損が生じやすくなり、一方、Ａｌの含有割合Ｘが４０原子％未満になると、高温硬さと耐熱性が低下し、その結果、耐摩耗性の低下がみられるようになることから、Ａｌの含有割合Ｘの値を０．４〜０．６と定めた。
また、下部層の平均層厚が１μｍ未満では、自身のもつ耐熱性、高温硬さおよび高温強度を硬質被覆層に長期に亘って付与できず、工具寿命短命の原因となり、一方その平均層厚が３μｍを越えると、欠損が生じ易くなることから、その平均層厚を１〜３μｍと定めた。
【００１４】
なお、超高圧焼結材料製切削工具基体と下部層との十分な密着性を確保するために、基体と下部層との間にチタンまたはクロムの窒化物（ＴｉＮまたはＣｒＮ）の薄層を介在させることができる。該ＴｉＮまたはＣｒＮの薄層は、その層厚が０．０１μｍ未満では密着性改善の効果が少なく、一方、０．５μｍを超えた層厚としても密着性の更なる向上が期待できるわけではないことから、基体と下部層との間に介在させるＴｉＮ層またはＣｒＮの層厚は０．０１μｍ以上０．５μｍ以下とすることが望ましい。
【００１５】
（ｃ）硬質被覆層の上部層
（イ）上部層の薄層Ａ
上部層の薄層Ａを構成する（Ｔｉ１−ＸＡｌＸ）Ｎ層（ただし、原子比で、Ｘは０．４〜０．６を示す）は、下部層と実質同様の層であって、所定の耐熱性、高温硬さおよび高温強度を具備し、工具表面に溶着し易い硬質難削材の高速切削加工時における切刃部の耐摩耗性を確保する作用を有する。
【００１６】
（ロ）上部層の薄層Ｂ
ＣｒＮ層からなる薄層Ｂは、薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造からなる上部層において、云わば、薄層Ａに不足する特性（潤滑性、耐溶着性）を補うことを主たる目的とするものである。
すでに述べたように、上部層の薄層Ａは、所定の耐熱性、高温硬さと高温強度を有する層であるが、高い熱発生を伴うダイス鋼、軸受鋼、マンガン鋼などの硬質難削材の高速切削加工では、潤滑性、耐溶着性が不十分となり、そのためこれらが原因となり境界異常損傷、欠損を生じることになる。
そこで、すぐれた潤滑性と耐溶着性を有するＣｒＮ層からなる薄層Ｂを、薄層Ａと交互に配し交互積層構造を構成することで、隣接する薄層Ａの潤滑性不足、耐溶着性不足を補い、上部層全体として、前記薄層Ａのもつすぐれた耐熱性、高温硬さ、高温強度を何ら損なうことなく、前記薄層Ｂのもつよりすぐれた潤滑性、耐溶着性を兼ね備えた上部層を形成する。
ＣｒＮ層は、すぐれた潤滑性と耐溶着性を備え、高熱発生を伴う硬質難削材の高速切削加工における切刃部への溶着を防止し、その結果として、切刃の刃先の境界部分に生じる境界異常損傷、欠損の発生を防止する作用を有する。
【００１７】
（ハ）上部層の薄層Ａと薄層Ｂの一層平均層厚、上部層の平均層厚
上部層の薄層Ａと薄層Ｂ、それぞれの一層平均層厚が０．０５μｍ未満ではそれぞれの薄層の備えるすぐれた特性を発揮することができず、この結果、上部層にすぐれた高温硬さ、高温強度および耐熱性と、耐溶着性、潤滑性を確保することができなくなり、またそれぞれの一層平均層厚が０．３μｍを越えるとそれぞれの薄層がもつ欠点、すなわち薄層Ａであれば耐溶着性、潤滑性の不足、薄層Ｂであれば高温硬さ、高温強度、耐熱性の不足が層内に局部的に現れるようになり、これが原因で、切刃刃先の境界異常損傷が発生したり、摩耗が急速に進行するようになることから、それぞれの一層平均層厚は０．０５〜０．３μｍと定めた。
すなわち、薄層Ｂは、上部層に耐溶着性、潤滑性を付与するために設けたものであるが、薄層Ａ、薄層Ｂそれぞれの一層平均層厚が０．０５〜０．３μｍの範囲内であれば、薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造からなる上部層は、すぐれた高温硬さ、高温強度、耐熱性と、すぐれた耐溶着性、潤滑性を具備したあたかも一つの層であるかのように作用するが、薄層Ａ、薄層Ｂそれぞれの一層平均層厚が０．３μｍを越えると、薄層Ａの耐溶着性、潤滑性の不足、あるいは、薄層Ｂの高温硬さ、高温強度、耐熱性さ不足が層内に局部的に現れるようになり、上部層が全体として一つの層としての良好な特性を呈することができなくなるため、薄層Ａ、薄層Ｂそれぞれの一層平均層厚を０．０５〜０．３μｍと定めた。
薄層Ａと薄層Ｂの一層平均層厚を０．０５〜０．３μｍの範囲内とした交互積層構造からなる上部層を下部層表面に形成することにより、優れた高温硬さ、高温強度、耐熱性とともに、すぐれた耐溶着性、潤滑性を兼ね備えた硬質被覆層が得られ、その結果、ダイス鋼、軸受鋼、マンガン鋼などのような硬質難削材の高速切削加工において、切刃の刃先の境界部分に生じる異常損傷の発生を防止することができる。
また、上部層の合計平均層厚（即ち、交互積層構造を構成する薄層Ａと薄層Ｂの各層の平均層厚を合計した層厚）は、０．３μｍ未満では、硬質難削材の高速切削加工で必要とされる十分な高温硬さ、高温強度、耐熱性および耐溶着性、潤滑性を上部層に付与することができず、工具寿命短命の原因となり、一方その平均層厚が３μｍを越えると、欠損が発生し易くなることから、その平均層厚は０．３〜３μｍと定めた。
【００１８】
なお、この発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具では、最外表面の被覆層の層厚のちがいによって、それぞれ微妙に異なる干渉色を生じ、工具外観が不揃いとなることがある。このような場合には、最外表面に、ＴｉとＡｌの複合窒化物（ＴｉＡｌＮ）層を厚く蒸着形成することによって、工具外観の不揃いを防止することができる。その際、ＴｉＡｌＮ層の平均層厚が０．２μm未満では外観の不揃いを防止することはできず、また、２μmまでの平均層厚があれば外観の不揃いを十分防止できることから、ＴｉとＡｌの複合窒化物（ＴｉＡｌＮ）層の平均層厚は０．２〜２μmとすればよい。
また、この発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具基体の表面粗度は、Ｒａで０．０５以上１．０以下であることが望ましい。表面粗度Ｒａが０．０５以上であれば、アンカー効果による基体と硬質被覆層との付着強度の向上が期待でき、一方、Ｒａが１．０を超えるようになると、被削材の仕上げ面精度に悪影響を及ぼすようになるためである。
【発明の効果】
【００１９】
この発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具は、硬質被覆層が上部層と下部層からなり、硬質被覆層の上部層を薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造とすることによってすぐれた高温硬さ、高温強度、耐熱性および耐溶着性、潤滑性を兼ね備えることから、ダイス鋼、軸受鋼、マンガン鋼などのような、工具表面に溶着し易い高硬度の硬質難削材の、高熱発生を伴う高速切削という厳しい条件下の切削加工であっても、前記硬質被覆層に境界異常損傷、欠損の発生はなく、長期に亘って、すぐれた耐摩耗性を発揮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
つぎに、この発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具を実施例により具体的に説明する。
【実施例】
【００２１】
原料粉末として、いずれも０．５〜４μｍの範囲内の平均粒径を有する立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）粉末、窒化チタン（ＴｉＮ）粉末、Ａｌ粉末、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）粉末を用意し、これら原料粉末を表１に示される配合組成に配合し、ボールミルで８０時間湿式混合し、乾燥した後、１２０ＭＰａの圧力で直径：５０ｍｍ×厚さ：１．５ｍｍの寸法をもった圧粉体にプレス成形し、ついでこの圧粉体を、圧力：１Ｐａの真空雰囲気中、９００〜１３００℃の範囲内の所定温度に６０分間保持の条件で焼結して切刃片用予備焼結体とし、この予備焼結体を、別途用意した、Ｃｏ：８質量％、ＷＣ：残りの組成、並びに直径：５０ｍｍ×厚さ：２ｍｍの寸法をもったＷＣ基超硬合金製支持片と重ね合わせた状態で、通常の超高圧焼結装置に装入し、通常の条件である圧力：５ＧＰａ、温度：１２００〜１４００℃の範囲内の所定温度に保持時間：０．８時間の条件で超高圧焼結し、焼結後上下面をダイヤモンド砥石を用いて研磨し、ワイヤー放電加工装置にて一辺３ｍｍの正三角形状に分割し、さらにＣｏ：５質量％、ＴａＣ：５質量％、ＷＣ：残りの組成およびＣＩＳ規格ＳＮＧＡ１２０４１２の形状（厚さ：４．７６mm×一辺長さ：１２．７mmの正方形）をもったＷＣ基超硬合金製インサート本体のろう付け部（コーナー部）に、質量％で、Ｃｕ：２６％、Ｔｉ：５％、Ｎｉ：２．５％、Ａｇ：残りからなる組成を有するＡｇ合金のろう材を用いてろう付けし、所定寸法に外周加工した後、切刃部に幅：０．１３ｍｍ、角度：２５°のホーニング加工を施し、さらに仕上げ研摩を施すことによりＩＳＯ規格ＳＮＧＡ１２０４１２のインサート形状をもった工具基体Ａ〜Ｊをそれぞれ製造した。
【００２２】
（ａ）ついで、上記の工具基体Ａ〜Ｊのそれぞれを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図１に示されるアークイオンプレーティング装置内の回転テーブル上の中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に外周部にそって装着し、一方側のカソード電極（蒸発源）として、上部層の薄層Ｂ形成用金属Ｃｒを、また、他方側のカソード電極（蒸発源）として、それぞれ表２に示される目標組成に対応した成分組成をもった上部層の薄層Ａおよび下部層形成用Ｔｉ−Ａｌ合金を前記回転テーブルを挟んで対向配置し、
（ｂ）まず、装置内を排気して０．１Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を５００℃に加熱した後、Ａｒガスを導入して、０．７Ｐａの雰囲気とすると共に、前記テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−２００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、もって工具基体表面をアルゴンイオンによってボンバード洗浄し、
（ｃ）装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して３Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ前記薄層Ａおよび下部層形成用Ｔｉ−Ａｌ合金とアノード電極との間に１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、もって前記工具基体の表面に、表２に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成し、
（ｄ）ついで装置内に導入する反応ガスとしての窒素ガスの流量を調整して２Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−１０〜−１００Ｖの範囲内の所定の直流バイアス電圧を印加した状態で、前記薄層Ｂ形成用金属Ｃｒのカソード電極とアノード電極との間に５０〜２００Ａの範囲内の所定の電流を流してアーク放電を発生させて、前記工具基体の表面に所定層厚の薄層Ｂを形成し、前記薄層Ｂ形成後、アーク放電を停止し、代って前記薄層Ａおよび下部層形成用Ｔｉ−Ａｌ合金のカソード電極とアノード電極間に同じく５０〜２００Ａの範囲内の所定の電流を流してアーク放電を発生させて、所定層厚の薄層Ａを形成した後、アーク放電を停止し、再び前記薄層Ｂ形成用金属Ｃｒのカソード電極とアノード電極間のアーク放電による薄層Ｂの形成と、前記薄層Ａおよび下部層形成用Ｔｉ−Ａｌ合金のカソード電極とアノード電極間のアーク放電による薄層Ａの形成を交互に繰り返し行い、もって前記工具基体の表面に、層厚方向に沿って表２に示される目標組成および一層目標層厚の薄層Ａと薄層Ｂの交互積層からなる上部層を同じく表２に示される合計層厚（平均層厚）で蒸着形成することにより、本発明被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜１０をそれぞれ製造した。
【００２３】
また、比較の目的で、上記の工具基体Ａ〜Ｊのそれぞれを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図２に示される通常のアークイオンプレーティング装置に装入し、カソード電極（蒸発源）として、それぞれ表３に示される目標組成に対応した成分組成をもったＴｉ−Ａｌ合金を装着し、まず、装置内を排気して０．１Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を５００℃に加熱した後、Ａｒガスを導入して、０．７Ｐａの雰囲気とすると共に、前記テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−２００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、もって工具基体表面をアルゴンイオンによってボンバード洗浄し、ついで装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して３Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記工具基体に印加するバイアス電圧を−１００Ｖに下げて、前記Ｔｉ−Ａｌ合金のカソード電極とアノード電極との間にアーク放電を発生させ、もって前記工具基体Ａ〜Ｊのそれぞれの表面に、表３に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成することにより、従来被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜１０をそれぞれ製造した。
【００２４】
この結果得られた各種の被覆ｃＢＮ基焼結工具のインサート本体を構成するｃＢＮ基焼結材料について、その組織を走査型電子顕微鏡を用いて観察したところ、いずれのインサート本体も、実質的に分散相を形成するｃＢＮ相と連続相を形成するＴｉＮ相との界面に超高圧焼結反応生成物が介在した組織を示した。
【００２５】
さらに、同表面被覆層について、その組成を透過型電子顕微鏡を用いてのエネルギー分散型Ｘ線分析法により測定したところ、それぞれ目標組成と実質的に同じ組成を示し、また、その平均層厚を透過型電子顕微鏡を用いて断面測定したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均値（５ヶ所の平均値）を示した。
【００２６】
つぎに、上記の各種の被覆ｃＢＮ基焼結工具を、いずれも工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてネジ止めした状態で、本発明被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜１０および従来被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜１０のうち、本発明被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜５および従来被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜５については、以下に示す切削条件Ａ〜Ｃで高速断続切削試験を行い、また、本発明被覆ｃＢＮ基焼結工具６〜１０および従来被覆ｃＢＮ基焼結工具６〜１０については、同じく以下に示す切削条件ａ〜ｃで高速連続切削試験を実施した。
[切削条件Ａ]
被削材：ＪＩＳ・ＳＫＤ１１（硬さ：ＨＲＣ６２）の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： ２００ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．１２ ｍｍ、
送り： ０．０８ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件でのダイス鋼の乾式断続高速切削加工試験（通常の切削速度は１２０ｍ／ｍｉｎ．）、
[切削条件Ｂ]
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＪ２（硬さ：ＨＲＣ６１）の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： ２１０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．１０ ｍｍ、
送り： ０．０９ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ６ 分、
の条件での軸受鋼の乾式断続高速切削加工試験（通常の切削速度は１３０ｍ／ｍｉｎ．）、
[切削条件Ｃ]
被削材：ＪＩＳ・ＳＭｎ４３８（硬さ：ＨＲＣ５８）の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度： ２００ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．０９ ｍｍ、
送り： ０．０９ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ６ 分、
の条件でのマンガン鋼の乾式断続高速切削加工試験（通常の切削速度は１３０ｍ／ｍｉｎ．）、
[切削条件ａ]
被削材：ＪＩＳ・ＳＫＤ６１（硬さ：ＨＲＣ６１）の丸棒、
切削速度： ２３０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．１２ ｍｍ、
送り： ０．０６ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ８ 分、
の条件でのダイス鋼の乾式連続高速切削加工試験（通常の切削速度は１５０ｍ／ｍｉｎ．）、
[切削条件ｂ]
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＪ２（硬さ：ＨＲＣ６１）の丸棒、
切削速度： ２５０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．１４ ｍｍ、
送り： ０．１２ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ８ 分、
の条件での軸受鋼の乾式連続高速切削加工試験（通常の切削速度は１６０ｍ／ｍｉｎ．）、
[切削条件ｃ]
被削材：ＪＩＳ・ＳＭｎＣ４４３（硬さ：ＨＲＣ６０）の丸棒、
切削速度： ２４０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．１０ ｍｍ、
送り： ０．１１ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ８ 分、
の条件でのマンガンクロム鋼の乾式連続高速切削加工試験（通常の切削速度は１６０ｍ／ｍｉｎ．）、
を行い、いずれの切削加工試験でも切刃の逃げ面摩耗幅（ｍｍ）と被削材の仕上げ面精度（ＪＩＳ Ｂ０６０１−２００１による算術平均高さ（Ｒａ(μｍ)）を測定した。この測定結果を表４に示した。
【００２７】
【表１】
【００２８】
【表２】
【００２９】
【表３】
【００３０】
【表４】
【００３１】
表２〜４に示される結果から、本発明被覆ｃＢＮ基焼結工具は、いずれも硬質被覆層が、一層平均層厚がそれぞれ０．０５〜０．３μｍの薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造を有する平均層厚（合計層厚）０．３〜３μｍの上部層と、１〜３μｍの平均層厚を有する下部層とからなり、前記下部層がすぐれた耐熱性、高温強度とすぐれた高温硬さを備え、さらに、前記上部層がすぐれた耐熱性、高温強度、高温硬さに加えてすぐれた潤滑性と耐溶着性を備えているので、ダイス鋼、軸受鋼、マンガン鋼などのような、工具表面に溶着し易い高硬度の硬質難削材の高速切削であっても、前記硬質被覆層に境界異常損傷、欠損の発生はなく、長期に亘って、すぐれた耐摩耗性を発揮するとともに、被削材のすぐれた仕上げ面精度を確保することができるのに対して、硬質被覆層が単一の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層からなる従来被覆ｃＢＮ基焼結工具は、特に硬質被覆層の潤滑性、耐溶着性不足が原因で、刃先に境界異常損傷や欠損が発生し、被削材の仕上げ面精度を維持することができないばかりか、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
【００３２】
上述のように、この発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具は、各種の鋼や鋳鉄などの通常の切削条件での切削加工は勿論のこと、特にダイス鋼、軸受鋼、マンガン鋼などのような、工具表面に溶着し易い高硬度の硬質難削材の高速連続切削あるいは高速断続切削であっても、前記硬質被覆層がすぐれた耐境界異常損傷性、耐欠損性を発揮し、すぐれた被削材仕上げ面精度を長期に亘って維持するとともにすぐれた耐摩耗性をも示すものであるから、切削加工装置の高性能化、並びに切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に十分満足に対応できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具を構成する硬質被覆層を形成するのに用いたアークイオンプレーティング装置を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略正面図である。
【図２】通常のアークイオンプレーティング装置の概略説明図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化チタン１３〜３０％、アルミニウムおよび／または酸化アルミニウム６〜１８％、残部窒化ほう素（以上、％は、いずれも質量％を示す）からなる配合組成を有する圧粉体の超高圧焼結材料で構成され、かつ、走査型電子顕微鏡による組織観察で、分散相を形成する立方晶窒化ほう素相と連続相を形成する窒化チタン相との界面に超高圧焼結反応生成物が介在した組織を有するインサート本体の表面に硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具において、
（ａ）硬質被覆層は、１〜３μｍの平均層厚を有する下部層と０．３〜３μｍの平均層厚を有する上部層とからなり、
（ｂ）硬質被覆層の下部層は、蒸着形成された、
組成式：［Ｔｉ１−ＸＡｌＸ］Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４〜０．６を示す）を満足するＴｉとＡｌの複合窒化物層、
（ｃ）硬質被覆層の上部層は、下部層の表面に蒸着形成された、いずれも一層平均層厚がそれぞれ０．０５〜０．３μｍの薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造を有し、
上記薄層Ａは、
組成式：［Ｔｉ１−ＸＡｌＸ］Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４〜０．６を示す）を満足するＴｉとＡｌの複合窒化物層、
上記薄層Ｂは、Ｃｒ窒化物（ＣｒＮ）層、
からなる硬質被覆層を蒸着形成した、硬質難削材の高速切削加工ですぐれた耐欠損性を発揮する表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具。
【請求項１】
窒化チタン１３〜３０％、アルミニウムおよび／または酸化アルミニウム６〜１８％、残部窒化ほう素（以上、％は、いずれも質量％を示す）からなる配合組成を有する圧粉体の超高圧焼結材料で構成され、かつ、走査型電子顕微鏡による組織観察で、分散相を形成する立方晶窒化ほう素相と連続相を形成する窒化チタン相との界面に超高圧焼結反応生成物が介在した組織を有するインサート本体の表面に硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具において、
（ａ）硬質被覆層は、１〜３μｍの平均層厚を有する下部層と０．３〜３μｍの平均層厚を有する上部層とからなり、
（ｂ）硬質被覆層の下部層は、蒸着形成された、
組成式：［Ｔｉ１−ＸＡｌＸ］Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４〜０．６を示す）を満足するＴｉとＡｌの複合窒化物層、
（ｃ）硬質被覆層の上部層は、下部層の表面に蒸着形成された、いずれも一層平均層厚がそれぞれ０．０５〜０．３μｍの薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造を有し、
上記薄層Ａは、
組成式：［Ｔｉ１−ＸＡｌＸ］Ｎ（ただし、原子比で、Ｘは０．４〜０．６を示す）を満足するＴｉとＡｌの複合窒化物層、
上記薄層Ｂは、Ｃｒ窒化物（ＣｒＮ）層、
からなる硬質被覆層を蒸着形成した、硬質難削材の高速切削加工ですぐれた耐欠損性を発揮する表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００８−１８５０４（Ｐ２００８−１８５０４Ａ）
【公開日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１９３４９４（Ｐ２００６−１９３４９４）
【出願日】平成１８年７月１４日（２００６．７．１４）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【出願人】（５９６０９１３９２）三菱マテリアル神戸ツールズ株式会社 (203)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月１４日（２００６．７．１４）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【出願人】（５９６０９１３９２）三菱マテリアル神戸ツールズ株式会社 (203)
【Ｆターム（参考）】
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