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】フェライト相が多く析出した被削材の高速連続切削加工及び断続切削加工で、すぐれた耐摩耗性、耐欠損性、耐溶着性を発揮する表面被覆切削工具を提供する。
【解決手段】ｃＢＮ基超高圧焼結材料からなる工具基体の表面に、下部層、中間層および上部層からなる硬質被覆層を蒸着形成し、下部層はＴｉＢ２層、中間層は、組成式：Ｔｉ１−Ｘ−ＹＢＸＮＹで表した場合、０．１５≦Ｘ≦０．６０、０．０５≦Ｙ≦０．３５、０．５０≦Ｘ＋Ｙ≦０．６５（Ｘ、Ｙは原子比）を満足する平均組成を有し、さらに、下部層側から上部層側へ向うにしたがって、Ｘの値は次第に減少、Ｙの値は次第に増加する傾斜組織を有するＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層、上部層は、組成式：（Ｔｉ１−ＺＡｌＺ）Ｎ層で表した場合、Ｚは０．３〜０．６５（原子比）であるＴｉとＡｌの複合窒化物層で構成し、すくい面とホーニング面の上部層を除去する。
【解決手段】ｃＢＮ基超高圧焼結材料からなる工具基体の表面に、下部層、中間層および上部層からなる硬質被覆層を蒸着形成し、下部層はＴｉＢ２層、中間層は、組成式：Ｔｉ１−Ｘ−ＹＢＸＮＹで表した場合、０．１５≦Ｘ≦０．６０、０．０５≦Ｙ≦０．３５、０．５０≦Ｘ＋Ｙ≦０．６５（Ｘ、Ｙは原子比）を満足する平均組成を有し、さらに、下部層側から上部層側へ向うにしたがって、Ｘの値は次第に減少、Ｙの値は次第に増加する傾斜組織を有するＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層、上部層は、組成式：（Ｔｉ１−ＺＡｌＺ）Ｎ層で表した場合、Ｚは０．３〜０．６５（原子比）であるＴｉとＡｌの複合窒化物層で構成し、すくい面とホーニング面の上部層を除去する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳鉄や焼結合金はパーライト相とフェライト相などが析出するが、特にフェライト相が多く析出したダクタイル鋳鉄や焼結合金などを高速連続切削加工及び断続切削加工した場合でも、硬質被覆層がすぐれた潤滑性、耐溶着性を発揮し、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（以下、工具基体という）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で構成された工具本体の表面に、チタンとアルミニウムの複合窒化物（ＴｉＡｌＮで示す）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、前記被覆ｃＢＮ基焼結工具が、例えば、図１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前記工具基体を装入し、ヒーターで装置内を、例えば、５００℃に加熱した状態で、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、例えば、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、例えば、−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、ＴｉＡｌＮ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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２３４３２８号公報
【特許文献２】特開平８−１１９７７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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、前記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が、これを、ダクタイル鋳鉄や焼結合金などのフェライト相が多く析出した被削材の高速連続切削及び断続切削に用いた場合には、切削時の高熱発生、高負荷による硬質被覆層の付着強度の不足のため、あるいは、溶着等の発生によって、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】
【０００７】
そこで、本発明者らは、前述のような観点から、ダクタイル鋳鉄や焼結合金などのフェライト相が多く析出した被削材の高速連続切削加工及び断続切削加工で、硬質被覆層がすぐれた付着強度を備えるとともにすぐれた潤滑性、耐溶着性を発揮し、長期の使用に亘って、すぐれた切削性能を発揮する被覆ｃＢＮ基焼結工具を開発すべく研究を行った結果、次のような知見を得た。
【０００８】
（ａ）超高圧焼結材料製工具基体中の立方晶窒化ほう素（以下、ｃＢＮで示す）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を図ることができるが、ｃＢＮの配合割合が、例えば、７０容量％以上というように多くなったような場合には、工具基体の硬さ上昇は見込めるものの、耐摩耗性が低下し、さらに、ＴｉＡｌＮ層からなる硬質被覆層との付着強度が低下傾向を示すようになるため、高熱発生を伴うとともに、切刃に対して高負荷が作用する高硬度材の高速連続切削加工及び断続切削加工においては、硬質被覆層の欠損、剥離の発生によって、工具基体の有するすぐれた高温硬さを切削性能向上に生かすことができない。
【０００９】
（ｂ）そこで、工具基体とＴｉＡｌＮ層の付着強度を改善する硬質被覆層構造について、数多くの実験を重ねた結果、硬質被覆層を、下部層、中間層および上部層の三層構造として構成し、さらに、下部層は、ＴｉＢ２層、中間層は、ＴｉＢ２相とＴｉＮ相との２相混合組織からなる層（以下、ＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層で示す）、上部層は、ＴｉＡｌＮ層で形成した場合には、層間付着強度が高いため、その結果、下部層および中間層を介したことにより、工具基体とＴｉＡｌＮ層の付着強度が大幅に改善されることを見出した。
【００１０】
（ｃ）さらに、中間層のＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層について、下部層側ではＴｉＢ２の含有比率を高くしＴｉＮの含有比率を下げ、逆に、上部層側ではＴｉＢ２の含有比率を下げＴｉＮ含有比率を高める傾斜組織構造を採用することにより、より一層、下部層−中間層、また、中間層−上部層間での層間付着強度が高くなることから、硬質被覆層間の付着強度がより一段と高くなることを見出したのである。
【００１１】
（ｄ）したがって、ｃＢＮ含有量が、例えば、７０容量％以上というように多い被覆ｃＢＮ基焼結工具において、ＴｉＢ２層からなる下部層、傾斜組織構造のＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層からなる中間層、ＴｉＡｌＮ層からなる上部層で硬質被覆層を構成した場合には、各層間の付着強度が高くなることに加えて、工具基体と硬質被覆層を合わせた強度の点でも高くなることから、硬質被覆層は全体として、すぐれた高温硬さ、靭性、高温強度を備え、その結果、大きな発熱と高負荷を伴うダクタイル鋳鉄や焼結合金などのフェライト相が多く析出した被削材の高速連続切削加工及び断続切削加工において、欠損、剥離等を生じることなく、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性と耐欠損性を示し、安定した切削性能を発揮するものである。
【００１２】
（ｅ）また、ＴｉＡｌＮ層は、耐摩耗性にすぐれるが、耐溶着性に劣る。そのため、逃げ面にコーティングすることは、耐摩耗性の向上に繋がるが、切屑と接触するすくい面、ホーニング面では溶着が起こり、膜の剥離や摩耗が大きく、チッピング、欠損の原因となる。そこで、すくい面、ホーニング面に耐溶着性に優れたＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層を露出させることによって、溶着が起こりにくく、耐クレータ磨耗性が向上し、また、逃げ面には耐磨耗性にすぐれたＴｉＡｌＮを上部層に残すことで、長期の使用に亘って、すぐれた耐摩耗性と耐欠損性を示し、安定した切削性能を発揮する。すなわち、すくい面、ホーニング面の上部層であるＴｉＡｌＮ層を除去して中間層のＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層を露出させることにより、ＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層のすぐれた潤滑性、耐溶着性が発揮され、ダクタイル鋳鉄や焼結合金などのフェライト相が多く析出した被削材の高速連続切削加工及び断続切削加工を行った場合においても、溶着が起こりにくく、耐クレータ磨耗性が向上し、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性と耐欠損性を示し、安定した切削性能を発揮するものである。
【００１３】
本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「（１） 立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料を母材とする工具本体のすくい面と逃面との交差稜線部にホーニングを施した切刃部が形成されているとともに、前記工具本体の表面に、該工具本体側から順に下部層、中間層および上部層からなる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）前記下部層は、０．０５〜０．５μｍの層厚を有するＴｉＢ２層、
（ｂ）前記中間層は、０．３〜１μｍの層厚を有し、
組成式：Ｔｉ１−Ｘ−ＹＢＸＮＹ
で表した場合、０．１５≦Ｘ≦０．６０、０．０５≦Ｙ≦０．３５、０．５０≦Ｘ＋Ｙ≦０．６５（但し、Ｘ、Ｙはいずれも原子比）を満足する平均組成を有し、さらに、下部層側から上部層側へ向うにしたがって、Ｘの値は次第に減少し、Ｙの値は次第に増加する傾斜組織構造を有するＴｉＢ２相とＴｉＮ相との２相混合層、
（ｃ）前記上部層は、０．５〜５μｍの層厚を有し、
組成式：（Ｔｉ１−ＺＡｌＺ）Ｎ層
で表した場合、Ｚが０．３〜０．６５（但し、Ｚは原子比）であるＴｉとＡｌの複合窒化物層、
であるとともに、
（ｄ）前記工具本体のすくい面とホーニング面は、前記上部層が除去されることにより中間層が主として露出していることを特徴と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。
（２） 前記立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料の立方晶窒化ほう素の含有量が７０容量％以上であることを特徴とする（１）記載の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。」
に特徴を有するものである。
【００１４】
つぎに、本発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具の硬質被覆層を構成する各層について説明する。
【００１５】
下部層：
下部層を構成するＴｉＢ２層は、高温での安定性にすぐれ、かつ、硬さも高く、工具基体および中間層を構成するＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層のいずれに対してもすぐれた密着性を有し、工具基体と硬質被覆層の付着強度の向上に寄与する。
さらに、下部層のＴｉＢ２のヤング率は、工具基体の主成分であるｃＢＮ相のそれに近く、刃先に大きな応力が作用する重切削に用いた場合でも、下部層と工具基体の変形挙動の差が小さく、下部層の剥離や破壊が生じにくいため、結果として安定した刃先を長期に亘って維持することができる。
ＴｉＢ２層は、ターゲットにＴｉＢ２焼結体を使用し、Ａｒガス雰囲気中で高周波スパッタリングを行うことにより形成することができる。
ＴｉＢ２層の層厚は、０．０５μｍ未満では、密着層としての効果が十分でなく、一方、その層厚が０．５μｍを超えると、膜全体としての強度が低下し、高負荷での切削時に破壊が生じやすくなることから、ＴｉＢ２層の層厚は、０．０５〜０．５μｍと定めた。
【００１６】
中間層：
中間層を構成するＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層を、
Ｔｉ１−Ｘ−ＹＢＸＮＹ
で表した場合、Ｘは０．１５〜０．６０、Ｙは０．０５〜０．３５、Ｘ＋Ｙは０．５０〜０．６５（但し、Ｘ、Ｙはいずれも原子比）を満足する平均組成を有し、さらに、下部層側から上部層側へ向うにしたがって、Ｘの値は次第に減少し、Ｙの値は次第に増加する傾斜組織構造を形成するように、中間層中のＴｉＢ２含有割合およびＴｉＮ含有割合を調整する。
前記組成式において、Ｘ、ＹおよびＸ＋Ｙを、それぞれ、０．１５〜０．６０、０．０５〜０．３５および０．５０〜０．６５（但し、Ｘ、Ｙのいずれも原子比）を満足ように定めた理由は、以下のとおりである。
Ｂの含有割合Ｘが０．６０を超える場合、あるいは、Ｎの含有割合Ｙが０．０５を下回る場合には、上部層のＴｉＡｌＮ層との密着強度が十分でなく、層間での剥離が生じやすくなり、逆に、Ｂの含有割合Ｘが０．１５を下回る場合、あるいは、Ｎの含有割合Ｙが０．３５を超える場合には、下部層のＴｉＢ２層と所定の密着性が得られなくなり、同様に層間での剥離が生じやすくなる。また、ＢとＮの合計含有割合Ｘ＋Ｙが０．６５を超えると、相対的にＮの含有割合が減少し、実質的にＴｉＢ２相の量が大部分を占めるようになることを意味し、上部層ＴｉＡｌＮ層との密着強度が十分でなくなる。
また、Ｘ＋Ｙが０．５０を下回る場合には、ＴｉＢ２相とＴｉＮ相の２相混合層を形成することが困難となり、特に、下部層との密着強度が得られなくなる。
したがって、ＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層の平均組成を示すＢの含有割合Ｘ、Ｎの含有割合ＹおよびＢとＮの合計含有割合Ｘ＋Ｙを、それぞれ、０．１５〜０．６０、０．０５〜０．３５および０．５０〜０．６５と定めた。
さらに、下部層および上部層との密着性、付着強度を高めるために、下部層側では、相対的にＴｉＢ２の含有比率を高くしＴｉＮの含有比率を下げ、逆に、上部層側では、相対的にＴｉＢ２の含有比率を下げＴｉＮ含有比率を高める組織傾斜構造を有するＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層を形成することが必要である。ＴｉＢ２の含有比率が高くＴｉＮの含有比率が低い下部層側のＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層、および、ＴｉＢ２の含有比率が低くＴｉＮの含有比率が高い上部層側のＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層は、それぞれ、下部層および上部層と類似する成分、組成の界面を形成するため、密着性、付着強度がより一層高められる。
【００１７】
ＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層は、ターゲットにＴｉＢ２焼結体と金属チタンの２種類を使用し、Ａｒガスと窒素ガスの混合雰囲気中で高周波スパッタリングを行うことにより形成することができる。ただ、ＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層中に傾斜組織構造を構成するために、スパッタリングによる成膜初期には、雰囲気ガス中の窒素ガス含有割合および金属チタンターゲットへの供給電力を小さくしておき、成膜の進行に伴って、雰囲気ガス中の窒素ガス含有割合および金属チタンターゲットへの電力を順次高めていくことが必要である。
また、形成するＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層の層厚が０．３μｍ未満では、密着層としての効果が十分でなく、一方、その層厚が１μｍを超えると、膜全体としての強度が低下し、高負荷での切削時に破壊が生じやすくなることから、ＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層の層厚は、０．３〜１μｍと定めた。
【００１８】
上部層：
ＴｉＡｌＮ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酸化性の向上に寄与することから、ＴｉＡｌＮ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、合金工具鋼や軸受け鋼の焼入れ材などの高硬度材からなる被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、上部層を構成するＴｉＡｌＮ層を、
組成式：（Ｔｉ１−ＺＡｌＺ）Ｎ
で表した場合に、Ａｌの含有割合Ｚが０．６５を超えると、結晶構造の変化により、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Ｚが０．３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Ｚの値を０．３〜０．６５（但し、原子比）と定めた。
また、上部層を構成するＴｉＡｌＮ層は、被削材としてダクタイル鋳鉄や焼結合金などのフェライト相が多く析出した被削材を切削した場合には、溶着しやすいため、すくい面とホーニング面の上部層をウェットブラスト処理で除去し、潤滑性および耐溶着性にすぐれたＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層を露出させる。
ＴｉＡｌＮ層からなる上部層は、例えば、アークイオンプレーティング法により成膜すればよいが、上部層の層厚が０．５μｍ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、その層厚が５μｍを越えると、欠損が生じ易くなることから、上部層の層厚は、０．５〜５μｍと定めた。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具は、ｃＢＮの配合割合が好ましくは、７０容量％以上である工具基体表面に、下部層、中間層および上部層からなる硬質被覆層を形成し、かつ、下部層をＴｉＢ２層、中間層を特定組成の、かつ、傾斜組織構造を有するＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層、また、上部層を特定組成のＴｉＡｌＮ層とするとともに、すくい面とホーニング面の上部層を除去して中間層を露出させることによって、特にすぐれた付着強度を有し、さらに、高温硬さ、靭性、耐衝撃性、潤滑性、耐溶着性を兼ね備えることから、ダクタイル鋳鉄や焼結合金などのフェライト相が多く析出した被削材の、高熱発生を伴い、かつ、切刃に高負荷が作用する高速連続切削及び断続切削条件下であっても、前記硬質被覆層に、剥離や溶着等の発生はなく、長期の使用に亘って、すぐれた耐摩耗性、耐欠損性を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具の硬質被覆層を形成するための高周波スパッタリング（ＲＦ−ＳＰ）装置とアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）装置が併設されている物理蒸着装置の概略説明図を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図を示す。
【図２】本発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具の先端部の断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
つぎに、本発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具を実施例により具体的に説明する。
【実施例】
【００２２】
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ｃＢＮ粉末、ＴｉＮ粉末、ＡｌＮ粉末、Ｎｉ粉末、Ａｌ粉末、Ｃｏ粉末、Ｗ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：４ＧＰａ、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またはダイヤモンド切断機にて一辺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ＴＮＧＡ１６０４０８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ＴＮＧＡ１６０４０８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。
【００２３】
ついで、前記工具基体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（ＡＩＰ）装置とＲＦスパッタリング（ＲＦ−ＳＰ）装置を併設した蒸着装置内の回転テーブル上に外周部に沿って装着し、前記ＡＩＰ装置のカソード電極（蒸発源）として、所定の成分組成をもったＴｉ−Ａｌ合金、前記ＲＦ−ＳＰ装置のターゲット（蒸発源）として金属ＴｉおよびＴｉＢ２焼結体を装着し、
（ａ）まず装置内を排気して０．５Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を４５０〜６００℃に加熱した後、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−２００Ｖのパルスバイアス電圧を印加して、さらに２．０ＰａのＡｒ雰囲気として、もって工具基体表面をＡｒガスボンバード洗浄し、
（ｂ）ついで、装置内に反応ガスとして、アルゴンガスを導入して０．３Ｐａの反応雰囲気とすると共に、ＴｉＢ２焼結体のターゲットに高周波電源を用いて３００Ｗの高周波電力を印加してスパッタを行い、また、−２００Ｖのパルス電圧を印加することにより前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体表面に目標層厚の下部層（ＴｉＢ２層）を形成し、
（ｃ）ついで、装置内に反応ガスとして、アルゴン−窒素混合ガスを導入し、スパッタの進行とともに、窒素含有割合を増加させるように調整しつつ、０．３Ｐａ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て、ＴｉＢ２焼結体のターゲットに高周波電源を用いてスパッタを行うとともに、金属Ｔｉのターゲットに高周波電源を用いてスパッタを行い、それぞれの印加電力を目標組織となるように調整し、工具基体表面に目標層厚、目標傾斜組織の中間層（ＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層）を形成し、
（ｄ）ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して２〜４Ｐａの反応雰囲気とすると共に、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−１０〜−５０Ｖのパルスバイアス電圧を印加し、前記Ｔｉ−Ａｌ合金からなるカソード電極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表面に、表２に示される目標組成および目標層厚をもったＴｉＡｌＮ層からなる上部層を蒸着することにより、
ＩＳＯ規格ＴＮＧＡ１６０４０８に規定するスローアウエイチップ形状の本発明被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜１０（本発明工具１〜１０という）をそれぞれ製造した。
（ｅ）さらに、図２の断面図に示すように、スローアウエイチップ形状の本発明被覆ｃＢＮ基焼結工具のすくい面とホーニング面の上部層をウェットブラスト処理により除去し、中間層を露出させる。ウェットブラスト処理は、噴射研磨材を含有した液体（一般には水）である研磨液を被処理物に噴射して研磨を行なうものであり、弾性砥石やブラシを用いた機械加工はもとより、乾式のブラスト処理と比べても、液体が被処理物との間で噴射研磨材の運動エネルギーを減衰させるため、加工エネルギーの比較的弱いソフトな加工となる。このため、本発明のような最外層の除去に用いることにより、露出させられた中間層表面への研磨傷の発生も少なく抑えることができ、例えば、算術平均粗さＲａで０．１μｍ以下の表面粗さの平滑なすくい面およびホーニング面を形成することが可能となる。
最外層除去後の中間層の厚みは、０．３〜０．９μｍである。
【００２４】
また、比較の目的で、
前記工具基体Ａ〜Ｊに対して、前記と同様の方法で硬質被覆層を形成し、前記（ｅ）の工程を行わず、すなわち、すくい面とホーニング面の上部層の除去を行わずに、表２に示される目標組成および目標層厚の硬質被覆層を蒸着形成した比較被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜１０（比較工具１〜１０という）をそれぞれ製造した。
【００２５】
この結果得られた本発明被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜１０および比較被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜１０の硬質被覆層の各層について、その組成をオージェ電子分光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た。
なお、表２における中間層のＢ、Ｎ含有割合について、下部層側とは、０．１μｍ（膜厚方向）×１μｍ（界面と平行な方向）の領域での測定の平均値、上部層側とは、同様に、０．１μｍ（膜厚方向）×１μｍ（界面と平行な方向）の領域での測定の平均値をいい、また、平均組成（Ｘ値）、平均組成（Ｙ値）とは、中間層の全体（中間層厚）×幅１μｍの領域により測定した値をいう。
さらに、本発明被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜１０および比較被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜１０の各層の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、前記各種の被覆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および比較被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜１０ついて、以下に示す切削条件Ａ、Ｂで高硬度鋼の高速重切削試験を実施した。
[切削条件Ａ]
被削材：ＦＣＤ７００、
切削速度： ３５０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．２ ｍｍ、
送り： ０．１５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １５ 分、
の条件でのダクタイル鋳鉄の乾式・高速連続切削加工試験。逃げ面摩耗量が０．５ｍｍに達するまでの切削時間を工具の寿命とする。（通常の切削条件は、切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ．、切り込み：０．２ｍｍ、送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．）、
[切削条件Ｂ]
被削材： ０．５Ｃ−１．５Ｃｕ−４Ｎｉ−０．５Ｍｏ−残Ｆｅ
切削速度： １９０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．１５ ｍｍ、
送り： ０．２ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １５ 分、
の条件での焼結合金の湿式・断続切削加工試験。刃先が欠損するまでの切削時間を工具寿命とする。（通常の切削条件は、切削速度：１５０ｍｍ／ｍｉｎ．、切り込み：０．１ｍｍ、送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．）。
表３に、切削加工試験結果を示す。
【００２７】
【表１】
【００２８】
【表２】
【００２９】
【表３】
【００３０】
表２〜３に示される結果から、本発明被覆ｃＢＮ基焼結工具は、ｃＢＮの配合割合が７０容量％以上の工具基体表面に、下部層、中間層および上部層からなる硬質被覆層を形成し、かつ、下部層をＴｉＢ２層、中間層を組織傾斜構造を有する特定組成のＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層、また、上部層を特定組成のＴｉＡｌＮ層とするとともに、すくい面およびホーニング面の上部層を除去したことによって、ｃＢＮ含有割合の高い工具基体に対しても、硬質被覆層は特にすぐれた付着強度を備え、さらに、高温硬さ、靭性、耐衝撃性、潤滑性、耐溶着性を兼ね備えることから、ダクタイル鋳鉄や焼結合金などのフェライト相が多く析出した被削材の、高熱発生を伴い、かつ、切刃に対して高負荷が作用する高速連続切削及び断続切削条件下で用いた場合であっても、前記硬質被覆層に、欠損、剥離、溶着等の発生はなく、長期の使用に亘って、すぐれた耐摩耗性、耐欠損性を発揮することができる。
これに対して、すくい面およびホーニング面の上部層の除去を行わない比較被覆ｃＢＮ基焼結工具は、潤滑性、耐溶着性が十分でないため、被削材とＴｉＡｌＮ層との間で溶着が発生し、そのため、被覆膜の剥離によりチッピングが発生しやすく、また、被削材とＴｉＡｌＮ層との間で潤滑性が悪く、そのため、クレータ磨耗が発生しやすく耐摩耗性、耐欠損性に劣るため、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
前述のように、本発明被覆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、特にダクタイル鋳鉄や焼結合金などのフェライト相が多く析出した被削材の高速連続切削加工及び断続切削加工であっても、前記硬質被覆層がすぐれた付着強度、潤滑性を有し耐摩耗性、耐欠損性、耐溶着性に優れるため、長期に亘って安定した切削性能を発揮するものであるから、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。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳鉄や焼結合金はパーライト相とフェライト相などが析出するが、特にフェライト相が多く析出したダクタイル鋳鉄や焼結合金などを高速連続切削加工及び断続切削加工した場合でも、硬質被覆層がすぐれた潤滑性、耐溶着性を発揮し、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（以下、工具基体という）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で構成された工具本体の表面に、チタンとアルミニウムの複合窒化物（ＴｉＡｌＮで示す）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、前記被覆ｃＢＮ基焼結工具が、例えば、図１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前記工具基体を装入し、ヒーターで装置内を、例えば、５００℃に加熱した状態で、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、例えば、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、例えば、−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、ＴｉＡｌＮ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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２３４３２８号公報
【特許文献２】特開平８−１１９７７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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、前記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が、これを、ダクタイル鋳鉄や焼結合金などのフェライト相が多く析出した被削材の高速連続切削及び断続切削に用いた場合には、切削時の高熱発生、高負荷による硬質被覆層の付着強度の不足のため、あるいは、溶着等の発生によって、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】
【０００７】
そこで、本発明者らは、前述のような観点から、ダクタイル鋳鉄や焼結合金などのフェライト相が多く析出した被削材の高速連続切削加工及び断続切削加工で、硬質被覆層がすぐれた付着強度を備えるとともにすぐれた潤滑性、耐溶着性を発揮し、長期の使用に亘って、すぐれた切削性能を発揮する被覆ｃＢＮ基焼結工具を開発すべく研究を行った結果、次のような知見を得た。
【０００８】
（ａ）超高圧焼結材料製工具基体中の立方晶窒化ほう素（以下、ｃＢＮで示す）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を図ることができるが、ｃＢＮの配合割合が、例えば、７０容量％以上というように多くなったような場合には、工具基体の硬さ上昇は見込めるものの、耐摩耗性が低下し、さらに、ＴｉＡｌＮ層からなる硬質被覆層との付着強度が低下傾向を示すようになるため、高熱発生を伴うとともに、切刃に対して高負荷が作用する高硬度材の高速連続切削加工及び断続切削加工においては、硬質被覆層の欠損、剥離の発生によって、工具基体の有するすぐれた高温硬さを切削性能向上に生かすことができない。
【０００９】
（ｂ）そこで、工具基体とＴｉＡｌＮ層の付着強度を改善する硬質被覆層構造について、数多くの実験を重ねた結果、硬質被覆層を、下部層、中間層および上部層の三層構造として構成し、さらに、下部層は、ＴｉＢ２層、中間層は、ＴｉＢ２相とＴｉＮ相との２相混合組織からなる層（以下、ＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層で示す）、上部層は、ＴｉＡｌＮ層で形成した場合には、層間付着強度が高いため、その結果、下部層および中間層を介したことにより、工具基体とＴｉＡｌＮ層の付着強度が大幅に改善されることを見出した。
【００１０】
（ｃ）さらに、中間層のＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層について、下部層側ではＴｉＢ２の含有比率を高くしＴｉＮの含有比率を下げ、逆に、上部層側ではＴｉＢ２の含有比率を下げＴｉＮ含有比率を高める傾斜組織構造を採用することにより、より一層、下部層−中間層、また、中間層−上部層間での層間付着強度が高くなることから、硬質被覆層間の付着強度がより一段と高くなることを見出したのである。
【００１１】
（ｄ）したがって、ｃＢＮ含有量が、例えば、７０容量％以上というように多い被覆ｃＢＮ基焼結工具において、ＴｉＢ２層からなる下部層、傾斜組織構造のＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層からなる中間層、ＴｉＡｌＮ層からなる上部層で硬質被覆層を構成した場合には、各層間の付着強度が高くなることに加えて、工具基体と硬質被覆層を合わせた強度の点でも高くなることから、硬質被覆層は全体として、すぐれた高温硬さ、靭性、高温強度を備え、その結果、大きな発熱と高負荷を伴うダクタイル鋳鉄や焼結合金などのフェライト相が多く析出した被削材の高速連続切削加工及び断続切削加工において、欠損、剥離等を生じることなく、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性と耐欠損性を示し、安定した切削性能を発揮するものである。
【００１２】
（ｅ）また、ＴｉＡｌＮ層は、耐摩耗性にすぐれるが、耐溶着性に劣る。そのため、逃げ面にコーティングすることは、耐摩耗性の向上に繋がるが、切屑と接触するすくい面、ホーニング面では溶着が起こり、膜の剥離や摩耗が大きく、チッピング、欠損の原因となる。そこで、すくい面、ホーニング面に耐溶着性に優れたＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層を露出させることによって、溶着が起こりにくく、耐クレータ磨耗性が向上し、また、逃げ面には耐磨耗性にすぐれたＴｉＡｌＮを上部層に残すことで、長期の使用に亘って、すぐれた耐摩耗性と耐欠損性を示し、安定した切削性能を発揮する。すなわち、すくい面、ホーニング面の上部層であるＴｉＡｌＮ層を除去して中間層のＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層を露出させることにより、ＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層のすぐれた潤滑性、耐溶着性が発揮され、ダクタイル鋳鉄や焼結合金などのフェライト相が多く析出した被削材の高速連続切削加工及び断続切削加工を行った場合においても、溶着が起こりにくく、耐クレータ磨耗性が向上し、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性と耐欠損性を示し、安定した切削性能を発揮するものである。
【００１３】
本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「（１） 立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料を母材とする工具本体のすくい面と逃面との交差稜線部にホーニングを施した切刃部が形成されているとともに、前記工具本体の表面に、該工具本体側から順に下部層、中間層および上部層からなる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）前記下部層は、０．０５〜０．５μｍの層厚を有するＴｉＢ２層、
（ｂ）前記中間層は、０．３〜１μｍの層厚を有し、
組成式：Ｔｉ１−Ｘ−ＹＢＸＮＹ
で表した場合、０．１５≦Ｘ≦０．６０、０．０５≦Ｙ≦０．３５、０．５０≦Ｘ＋Ｙ≦０．６５（但し、Ｘ、Ｙはいずれも原子比）を満足する平均組成を有し、さらに、下部層側から上部層側へ向うにしたがって、Ｘの値は次第に減少し、Ｙの値は次第に増加する傾斜組織構造を有するＴｉＢ２相とＴｉＮ相との２相混合層、
（ｃ）前記上部層は、０．５〜５μｍの層厚を有し、
組成式：（Ｔｉ１−ＺＡｌＺ）Ｎ層
で表した場合、Ｚが０．３〜０．６５（但し、Ｚは原子比）であるＴｉとＡｌの複合窒化物層、
であるとともに、
（ｄ）前記工具本体のすくい面とホーニング面は、前記上部層が除去されることにより中間層が主として露出していることを特徴と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。
（２） 前記立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料の立方晶窒化ほう素の含有量が７０容量％以上であることを特徴とする（１）記載の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。」
に特徴を有するものである。
【００１４】
つぎに、本発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具の硬質被覆層を構成する各層について説明する。
【００１５】
下部層：
下部層を構成するＴｉＢ２層は、高温での安定性にすぐれ、かつ、硬さも高く、工具基体および中間層を構成するＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層のいずれに対してもすぐれた密着性を有し、工具基体と硬質被覆層の付着強度の向上に寄与する。
さらに、下部層のＴｉＢ２のヤング率は、工具基体の主成分であるｃＢＮ相のそれに近く、刃先に大きな応力が作用する重切削に用いた場合でも、下部層と工具基体の変形挙動の差が小さく、下部層の剥離や破壊が生じにくいため、結果として安定した刃先を長期に亘って維持することができる。
ＴｉＢ２層は、ターゲットにＴｉＢ２焼結体を使用し、Ａｒガス雰囲気中で高周波スパッタリングを行うことにより形成することができる。
ＴｉＢ２層の層厚は、０．０５μｍ未満では、密着層としての効果が十分でなく、一方、その層厚が０．５μｍを超えると、膜全体としての強度が低下し、高負荷での切削時に破壊が生じやすくなることから、ＴｉＢ２層の層厚は、０．０５〜０．５μｍと定めた。
【００１６】
中間層：
中間層を構成するＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層を、
Ｔｉ１−Ｘ−ＹＢＸＮＹ
で表した場合、Ｘは０．１５〜０．６０、Ｙは０．０５〜０．３５、Ｘ＋Ｙは０．５０〜０．６５（但し、Ｘ、Ｙはいずれも原子比）を満足する平均組成を有し、さらに、下部層側から上部層側へ向うにしたがって、Ｘの値は次第に減少し、Ｙの値は次第に増加する傾斜組織構造を形成するように、中間層中のＴｉＢ２含有割合およびＴｉＮ含有割合を調整する。
前記組成式において、Ｘ、ＹおよびＸ＋Ｙを、それぞれ、０．１５〜０．６０、０．０５〜０．３５および０．５０〜０．６５（但し、Ｘ、Ｙのいずれも原子比）を満足ように定めた理由は、以下のとおりである。
Ｂの含有割合Ｘが０．６０を超える場合、あるいは、Ｎの含有割合Ｙが０．０５を下回る場合には、上部層のＴｉＡｌＮ層との密着強度が十分でなく、層間での剥離が生じやすくなり、逆に、Ｂの含有割合Ｘが０．１５を下回る場合、あるいは、Ｎの含有割合Ｙが０．３５を超える場合には、下部層のＴｉＢ２層と所定の密着性が得られなくなり、同様に層間での剥離が生じやすくなる。また、ＢとＮの合計含有割合Ｘ＋Ｙが０．６５を超えると、相対的にＮの含有割合が減少し、実質的にＴｉＢ２相の量が大部分を占めるようになることを意味し、上部層ＴｉＡｌＮ層との密着強度が十分でなくなる。
また、Ｘ＋Ｙが０．５０を下回る場合には、ＴｉＢ２相とＴｉＮ相の２相混合層を形成することが困難となり、特に、下部層との密着強度が得られなくなる。
したがって、ＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層の平均組成を示すＢの含有割合Ｘ、Ｎの含有割合ＹおよびＢとＮの合計含有割合Ｘ＋Ｙを、それぞれ、０．１５〜０．６０、０．０５〜０．３５および０．５０〜０．６５と定めた。
さらに、下部層および上部層との密着性、付着強度を高めるために、下部層側では、相対的にＴｉＢ２の含有比率を高くしＴｉＮの含有比率を下げ、逆に、上部層側では、相対的にＴｉＢ２の含有比率を下げＴｉＮ含有比率を高める組織傾斜構造を有するＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層を形成することが必要である。ＴｉＢ２の含有比率が高くＴｉＮの含有比率が低い下部層側のＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層、および、ＴｉＢ２の含有比率が低くＴｉＮの含有比率が高い上部層側のＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層は、それぞれ、下部層および上部層と類似する成分、組成の界面を形成するため、密着性、付着強度がより一層高められる。
【００１７】
ＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層は、ターゲットにＴｉＢ２焼結体と金属チタンの２種類を使用し、Ａｒガスと窒素ガスの混合雰囲気中で高周波スパッタリングを行うことにより形成することができる。ただ、ＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層中に傾斜組織構造を構成するために、スパッタリングによる成膜初期には、雰囲気ガス中の窒素ガス含有割合および金属チタンターゲットへの供給電力を小さくしておき、成膜の進行に伴って、雰囲気ガス中の窒素ガス含有割合および金属チタンターゲットへの電力を順次高めていくことが必要である。
また、形成するＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層の層厚が０．３μｍ未満では、密着層としての効果が十分でなく、一方、その層厚が１μｍを超えると、膜全体としての強度が低下し、高負荷での切削時に破壊が生じやすくなることから、ＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層の層厚は、０．３〜１μｍと定めた。
【００１８】
上部層：
ＴｉＡｌＮ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酸化性の向上に寄与することから、ＴｉＡｌＮ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、合金工具鋼や軸受け鋼の焼入れ材などの高硬度材からなる被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、上部層を構成するＴｉＡｌＮ層を、
組成式：（Ｔｉ１−ＺＡｌＺ）Ｎ
で表した場合に、Ａｌの含有割合Ｚが０．６５を超えると、結晶構造の変化により、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Ｚが０．３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Ｚの値を０．３〜０．６５（但し、原子比）と定めた。
また、上部層を構成するＴｉＡｌＮ層は、被削材としてダクタイル鋳鉄や焼結合金などのフェライト相が多く析出した被削材を切削した場合には、溶着しやすいため、すくい面とホーニング面の上部層をウェットブラスト処理で除去し、潤滑性および耐溶着性にすぐれたＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層を露出させる。
ＴｉＡｌＮ層からなる上部層は、例えば、アークイオンプレーティング法により成膜すればよいが、上部層の層厚が０．５μｍ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、その層厚が５μｍを越えると、欠損が生じ易くなることから、上部層の層厚は、０．５〜５μｍと定めた。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具は、ｃＢＮの配合割合が好ましくは、７０容量％以上である工具基体表面に、下部層、中間層および上部層からなる硬質被覆層を形成し、かつ、下部層をＴｉＢ２層、中間層を特定組成の、かつ、傾斜組織構造を有するＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層、また、上部層を特定組成のＴｉＡｌＮ層とするとともに、すくい面とホーニング面の上部層を除去して中間層を露出させることによって、特にすぐれた付着強度を有し、さらに、高温硬さ、靭性、耐衝撃性、潤滑性、耐溶着性を兼ね備えることから、ダクタイル鋳鉄や焼結合金などのフェライト相が多く析出した被削材の、高熱発生を伴い、かつ、切刃に高負荷が作用する高速連続切削及び断続切削条件下であっても、前記硬質被覆層に、剥離や溶着等の発生はなく、長期の使用に亘って、すぐれた耐摩耗性、耐欠損性を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具の硬質被覆層を形成するための高周波スパッタリング（ＲＦ−ＳＰ）装置とアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）装置が併設されている物理蒸着装置の概略説明図を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図を示す。
【図２】本発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具の先端部の断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
つぎに、本発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具を実施例により具体的に説明する。
【実施例】
【００２２】
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ｃＢＮ粉末、ＴｉＮ粉末、ＡｌＮ粉末、Ｎｉ粉末、Ａｌ粉末、Ｃｏ粉末、Ｗ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：４ＧＰａ、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またはダイヤモンド切断機にて一辺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ＴＮＧＡ１６０４０８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ＴＮＧＡ１６０４０８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。
【００２３】
ついで、前記工具基体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（ＡＩＰ）装置とＲＦスパッタリング（ＲＦ−ＳＰ）装置を併設した蒸着装置内の回転テーブル上に外周部に沿って装着し、前記ＡＩＰ装置のカソード電極（蒸発源）として、所定の成分組成をもったＴｉ−Ａｌ合金、前記ＲＦ−ＳＰ装置のターゲット（蒸発源）として金属ＴｉおよびＴｉＢ２焼結体を装着し、
（ａ）まず装置内を排気して０．５Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を４５０〜６００℃に加熱した後、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−２００Ｖのパルスバイアス電圧を印加して、さらに２．０ＰａのＡｒ雰囲気として、もって工具基体表面をＡｒガスボンバード洗浄し、
（ｂ）ついで、装置内に反応ガスとして、アルゴンガスを導入して０．３Ｐａの反応雰囲気とすると共に、ＴｉＢ２焼結体のターゲットに高周波電源を用いて３００Ｗの高周波電力を印加してスパッタを行い、また、−２００Ｖのパルス電圧を印加することにより前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体表面に目標層厚の下部層（ＴｉＢ２層）を形成し、
（ｃ）ついで、装置内に反応ガスとして、アルゴン−窒素混合ガスを導入し、スパッタの進行とともに、窒素含有割合を増加させるように調整しつつ、０．３Ｐａ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て、ＴｉＢ２焼結体のターゲットに高周波電源を用いてスパッタを行うとともに、金属Ｔｉのターゲットに高周波電源を用いてスパッタを行い、それぞれの印加電力を目標組織となるように調整し、工具基体表面に目標層厚、目標傾斜組織の中間層（ＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層）を形成し、
（ｄ）ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して２〜４Ｐａの反応雰囲気とすると共に、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−１０〜−５０Ｖのパルスバイアス電圧を印加し、前記Ｔｉ−Ａｌ合金からなるカソード電極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表面に、表２に示される目標組成および目標層厚をもったＴｉＡｌＮ層からなる上部層を蒸着することにより、
ＩＳＯ規格ＴＮＧＡ１６０４０８に規定するスローアウエイチップ形状の本発明被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜１０（本発明工具１〜１０という）をそれぞれ製造した。
（ｅ）さらに、図２の断面図に示すように、スローアウエイチップ形状の本発明被覆ｃＢＮ基焼結工具のすくい面とホーニング面の上部層をウェットブラスト処理により除去し、中間層を露出させる。ウェットブラスト処理は、噴射研磨材を含有した液体（一般には水）である研磨液を被処理物に噴射して研磨を行なうものであり、弾性砥石やブラシを用いた機械加工はもとより、乾式のブラスト処理と比べても、液体が被処理物との間で噴射研磨材の運動エネルギーを減衰させるため、加工エネルギーの比較的弱いソフトな加工となる。このため、本発明のような最外層の除去に用いることにより、露出させられた中間層表面への研磨傷の発生も少なく抑えることができ、例えば、算術平均粗さＲａで０．１μｍ以下の表面粗さの平滑なすくい面およびホーニング面を形成することが可能となる。
最外層除去後の中間層の厚みは、０．３〜０．９μｍである。
【００２４】
また、比較の目的で、
前記工具基体Ａ〜Ｊに対して、前記と同様の方法で硬質被覆層を形成し、前記（ｅ）の工程を行わず、すなわち、すくい面とホーニング面の上部層の除去を行わずに、表２に示される目標組成および目標層厚の硬質被覆層を蒸着形成した比較被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜１０（比較工具１〜１０という）をそれぞれ製造した。
【００２５】
この結果得られた本発明被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜１０および比較被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜１０の硬質被覆層の各層について、その組成をオージェ電子分光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た。
なお、表２における中間層のＢ、Ｎ含有割合について、下部層側とは、０．１μｍ（膜厚方向）×１μｍ（界面と平行な方向）の領域での測定の平均値、上部層側とは、同様に、０．１μｍ（膜厚方向）×１μｍ（界面と平行な方向）の領域での測定の平均値をいい、また、平均組成（Ｘ値）、平均組成（Ｙ値）とは、中間層の全体（中間層厚）×幅１μｍの領域により測定した値をいう。
さらに、本発明被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜１０および比較被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜１０の各層の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、前記各種の被覆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および比較被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜１０ついて、以下に示す切削条件Ａ、Ｂで高硬度鋼の高速重切削試験を実施した。
[切削条件Ａ]
被削材：ＦＣＤ７００、
切削速度： ３５０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．２ ｍｍ、
送り： ０．１５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １５ 分、
の条件でのダクタイル鋳鉄の乾式・高速連続切削加工試験。逃げ面摩耗量が０．５ｍｍに達するまでの切削時間を工具の寿命とする。（通常の切削条件は、切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ．、切り込み：０．２ｍｍ、送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．）、
[切削条件Ｂ]
被削材： ０．５Ｃ−１．５Ｃｕ−４Ｎｉ−０．５Ｍｏ−残Ｆｅ
切削速度： １９０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．１５ ｍｍ、
送り： ０．２ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １５ 分、
の条件での焼結合金の湿式・断続切削加工試験。刃先が欠損するまでの切削時間を工具寿命とする。（通常の切削条件は、切削速度：１５０ｍｍ／ｍｉｎ．、切り込み：０．１ｍｍ、送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．）。
表３に、切削加工試験結果を示す。
【００２７】
【表１】
【００２８】
【表２】
【００２９】
【表３】
【００３０】
表２〜３に示される結果から、本発明被覆ｃＢＮ基焼結工具は、ｃＢＮの配合割合が７０容量％以上の工具基体表面に、下部層、中間層および上部層からなる硬質被覆層を形成し、かつ、下部層をＴｉＢ２層、中間層を組織傾斜構造を有する特定組成のＴｉＢ２−ＴｉＮ混合層、また、上部層を特定組成のＴｉＡｌＮ層とするとともに、すくい面およびホーニング面の上部層を除去したことによって、ｃＢＮ含有割合の高い工具基体に対しても、硬質被覆層は特にすぐれた付着強度を備え、さらに、高温硬さ、靭性、耐衝撃性、潤滑性、耐溶着性を兼ね備えることから、ダクタイル鋳鉄や焼結合金などのフェライト相が多く析出した被削材の、高熱発生を伴い、かつ、切刃に対して高負荷が作用する高速連続切削及び断続切削条件下で用いた場合であっても、前記硬質被覆層に、欠損、剥離、溶着等の発生はなく、長期の使用に亘って、すぐれた耐摩耗性、耐欠損性を発揮することができる。
これに対して、すくい面およびホーニング面の上部層の除去を行わない比較被覆ｃＢＮ基焼結工具は、潤滑性、耐溶着性が十分でないため、被削材とＴｉＡｌＮ層との間で溶着が発生し、そのため、被覆膜の剥離によりチッピングが発生しやすく、また、被削材とＴｉＡｌＮ層との間で潤滑性が悪く、そのため、クレータ磨耗が発生しやすく耐摩耗性、耐欠損性に劣るため、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
前述のように、本発明被覆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、特にダクタイル鋳鉄や焼結合金などのフェライト相が多く析出した被削材の高速連続切削加工及び断続切削加工であっても、前記硬質被覆層がすぐれた付着強度、潤滑性を有し耐摩耗性、耐欠損性、耐溶着性に優れるため、長期に亘って安定した切削性能を発揮するものであるから、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。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料を母材とする工具本体のすくい面と逃げ面との交差稜線部にホーニングを施した切刃部が形成されているとともに、前記工具本体の表面に、該工具本体側から順に下部層、中間層および上部層からなる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）前記下部層は、０．０５〜０．５μｍの層厚を有するＴｉＢ２層、
（ｂ）前記中間層は、０．３〜１μｍの層厚を有し、
組成式：Ｔｉ１−Ｘ−ＹＢＸＮＹ
で表した場合、０．１５≦Ｘ≦０．６０、０．０５≦Ｙ≦０．３５、０．５０≦Ｘ＋Ｙ≦０．６５（但し、Ｘ、Ｙはいずれも原子比）を満足する平均組成を有し、さらに、下部層側から上部層側へ向うにしたがって、Ｘの値は次第に減少し、Ｙの値は次第に増加する傾斜組織構造を有するＴｉＢ２相とＴｉＮ相との２相混合層、
（ｃ）前記上部層は、０．５〜５μｍの層厚を有し、
組成式：（Ｔｉ１−ＺＡｌＺ）Ｎ層
で表した場合、Ｚが０．３〜０．６５（但し、Ｚは原子比）であるＴｉとＡｌの複合窒化物層、
であるとともに、
（ｄ）前記工具本体のすくい面とホーニング面は、前記上部層が除去されることにより中間層が主として露出していることを特徴と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２】
前記立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料の立方晶窒化ほう素の含有量が７０容量％以上であることを特徴とする請求項１記載の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】
立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料を母材とする工具本体のすくい面と逃げ面との交差稜線部にホーニングを施した切刃部が形成されているとともに、前記工具本体の表面に、該工具本体側から順に下部層、中間層および上部層からなる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）前記下部層は、０．０５〜０．５μｍの層厚を有するＴｉＢ２層、
（ｂ）前記中間層は、０．３〜１μｍの層厚を有し、
組成式：Ｔｉ１−Ｘ−ＹＢＸＮＹ
で表した場合、０．１５≦Ｘ≦０．６０、０．０５≦Ｙ≦０．３５、０．５０≦Ｘ＋Ｙ≦０．６５（但し、Ｘ、Ｙはいずれも原子比）を満足する平均組成を有し、さらに、下部層側から上部層側へ向うにしたがって、Ｘの値は次第に減少し、Ｙの値は次第に増加する傾斜組織構造を有するＴｉＢ２相とＴｉＮ相との２相混合層、
（ｃ）前記上部層は、０．５〜５μｍの層厚を有し、
組成式：（Ｔｉ１−ＺＡｌＺ）Ｎ層
で表した場合、Ｚが０．３〜０．６５（但し、Ｚは原子比）であるＴｉとＡｌの複合窒化物層、
であるとともに、
（ｄ）前記工具本体のすくい面とホーニング面は、前記上部層が除去されることにより中間層が主として露出していることを特徴と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２】
前記立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料の立方晶窒化ほう素の含有量が７０容量％以上であることを特徴とする請求項１記載の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２０１２−６６３４１（Ｐ２０１２−６６３４１Ａ）
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１３１２３（Ｐ２０１０−２１３１２３）
【出願日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
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