(57)【要約】【課題】ｃＢＮ焼結体と被膜との密着性が高く、切削工具として用いた場合に工具寿命を延長できる被覆ｃＢＮ焼結体を提供する。【解決手段】ｃＢＮ焼結体基材と、その表面に被覆された被膜とからなり、被膜は、ｃＢＮ焼結体基材の表面に被覆された最内層と、最内層の表面に被覆された外層とからなり、最内層は、Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｚｒの硼化物、窒硼化物およびこれらの相互固溶体素の中の少なくとも１種からなり、外層は、周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉの炭化物、窒化物、酸化物、硼化物、硫化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種からなる被覆ｃＢＮ焼結体。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｃＢＮ焼結体基材と、その表面に被覆された被膜とからなり、被膜は、ｃＢＮ焼結体基材の表面に被覆された最内層と、最内層の表面に被覆された外層とからなり、最内層は、Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｚｒの硼化物、窒硼化物およびこれらの相互固溶体素の中の少なくとも１種からなり、外層は、周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉの炭化物、窒化物、酸化物、硼化物、硫化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種からなる被覆ｃＢＮ焼結体。
【請求項２】
最内層の平均厚さが０．０１〜１．０μｍである請求項１に記載の被覆ｃＢＮ焼結体。
【請求項３】
外層の平均厚さが０．５〜１０μｍである請求項１または２に記載の被覆ｃＢＮ焼結体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被覆ｃＢＮ（立方晶窒化硼素）焼結体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
被覆ｃＢＮ焼結体を用いた切削工具は、浸炭焼入れ鋼、硬質焼結合金、耐熱合金、ダクタイル鋳鉄などの難削材の切削加工に使用されている。被覆ｃＢＮ焼結体の従来技術としては、ｃＢＮ焼結体の表面に窒化チタンからなる平均層厚：０．５〜１０μｍの硬質膜を被覆した切削工具用表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結体材料がある（例えば、特許文献１参照。）。  
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１−９６０８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１の発明では、ｃＢＮ焼結体と被膜との密着性が低いため、切削加工中に被膜の剥離が発生し、被膜の剥離部分のｃＢＮ粒子が脱落して寿命に至るため、寿命の延長が困難であるという問題があった。本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、切削工具として用いると工具寿命を延長できる被覆ｃＢＮ焼結体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の被覆ｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮ焼結体基材と、その表面に被覆された被膜とからなり、被膜はｃＢＮ焼結体基材の表面に被覆された最内層と、最内層の表面に被覆された外層とからなり、最内層は、Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｚｒの硼化物、窒硼化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種からなり、外層はＴｉ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｚｒ、Ｓｉの炭化物、窒化物、酸化物、硼化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種からなり、最内層の平均厚さは０．０１〜１．０μｍであると好ましく、外層の平均厚さは０．５〜１０μｍであると好ましいものである。
【０００６】
本発明のｃＢＮ焼結体基材は、２０〜９８体積％のｃＢＮ粉末と２〜８０体積％の結合相形成粉末を超高圧、高温下で焼結して得られる。本発明のｃＢＮ焼結体基材の結合相形成粉末は、周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｎｉの金属、窒化物、炭化物、硼化物、酸化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種からなる。結合相形成粉末として具体的には、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｓｉおよびこれらの合金、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＢ2、ＷＣ、ＷＢ2、Ｗ2ＣｏＢ2、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮ、ＡｌＢ12およびこれらの相互固溶体などを挙げることができる。これらはｃＢＮ焼結体の焼結助剤になると同時に、ｃＢＮ焼結体の結合相を形成して強度、靱性、耐熱性、耐化学反応性などを向上させている。
【０００７】
本発明の最内層はｃＢＮ焼結体基材の表面に被覆されるものでｃＢＮ焼結体基材との密着性が高い。最内層はＴｉ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｚｒの硼化物、窒硼化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種からなる。本発明の最内層として具体的に、ＴｉＢ2、ＴｉＢＮ、ＡｌＢ12などを挙げることができる。本発明の最内層の平均厚さは、０．０１μｍ未満になると密着性を向上させる効果が得られず、１．０μｍを超えて厚くなると被膜の残留応力の増加により基材との密着性が低下するので、本発明の最内層の平均厚さは０．０１〜１．０μｍであると好ましい。本発明の最内層は基材側と外層側とで組成が異なる傾斜膜であると基材に含まれる結合材との親和性が良好となるので、好ましい。
【０００８】
本発明の外層は最内層の表面に被覆されるもので、耐摩耗性を向上させる。本発明の外層は周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉの炭化物、窒化物、酸化物、硼化物、硫化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種からなる。本発明の外層として具体的に、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＡｌＮ、ＴｉＺｒＮ、ＣｒＺｒＮ、ＣｒＺｒＢＮ、Ａｌ2Ｏ3などを挙げることができる。本発明の外層は１種からなる単層膜、２種以上からなる多層膜でもよく、組成が異なる層厚５〜１００ｎｍの薄膜を交互に積層させた交互積層膜でもよい。本発明の外層の平均厚さは、０．５μｍ未満になると、耐摩耗性を向上させる効果が小さく、１０μｍを超えて厚くなると  外層の残留応力の増加により被膜と基材との密着性が低下するので、本発明の外層の平均厚さは０．５〜１０μｍであると好ましい。
【０００９】
被覆ｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮ焼結体基材の表面に、アークイオンプレーティング装置（以下、真空アーク装置という。）やスパッタリング装置などのＰＶＤ装置を用いて、最内層、外層を被覆して作製することができる。具体的には、ｃＢＮ焼結体基材の表面に、真空アーク装置を用いて基材温度：５７３〜９７３Ｋ、圧力：０．５〜４．０Ｐａ、アーク電流：８０〜２００Ａ、基材バイアス電圧：−３０〜−２００Ｖという条件で最内層を被覆し、さらに外層を被覆すると本発明の被覆ｃＢＮ焼結体が得られる。また、スパッタリング装置を用いる場合は、Ｔｉ、ＴｉＢ2のターゲットをスパッター電極に使用し、Ａｒガス、または、Ｎ2、Ｏ2、ＣＨ4の１種以上の反応ガスとＡｒとの体積比が、反応ガス：Ａｒ＝１０：９０になるように調整した混合ガスを導入し、圧力：０．１〜１．５Ｐａ、スパッター電力：１００〜５００Ｗ、基材バイアス電圧：−３０〜−８０Ｖという被覆条件で被覆した。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の被覆ｃＢＮ焼結体は、耐摩耗性に優れる。本発明の被覆ｃＢＮ焼結体を切削工具として用いると長寿命を実現するという効果を奏する。その中でも高速度加工、高送り加工、硬さの高い被削材の加工など加工条件が厳しい切削加工において効果が高い。
【実施例１】
【００１１】
超硬合金製ポットおよび超硬合金製ボールを用いて、体積で３５％のＴｉＮと１０％のＡｌとからなる結合相形成粉末と、体積で５５％のｃＢＮ粉末とを混ぜ合わせ、Ｔａ製容器に充填し、それを超高圧高温発生装置に入れて、１４００℃で６０分焼結し、ｃＢＮ焼結体を得た。得られたｃＢＮ焼結体を３ｍｍ×３ｍｍ×１ｍｍに切断し、それを超硬合金にろう付けしたものをＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８形状に加工してｃＢＮ焼結体基材とした。
【００１２】
ｃＢＮ焼結体基材を４つのアーク用電極と２つのＤＣスパッター電極を備えた真空アーク装置内に装入して、圧力：１×１０-3Ｐａまで真空排気を行った後、真空アーク装置内の輻射加熱ヒーターで７７３Ｋまで基材を加熱した。Ａｒボンバードを、圧力：０．５×１０-2Ｐａ、基材バイアス電圧：−２２０Ｖ、保持時間：３０分の条件で行った。
【００１３】
発明品の最内層は、表１に示すように、スパッター電極に設置したＴｉＢ2、ＡｌＢ12のターゲットを使って、Ａｒガス、または、Ｎ2、Ｏ2、ＣＨ4の１種以上の反応ガスとＡｒとの体積比が、反応ガス：Ａｒ＝１０：９０になるように調整した混合ガスを導入し、圧力：０．１〜１．５Ｐａ、スパッター電力：５００Ｗ、基材バイアス電圧：−３０〜−８０Ｖという被覆条件で表１に示す最内層を被覆した。最内層を被覆した後、引き続き表２に示すように、各種ターゲットを用いて、アーク電流：１００〜１５０Ａ、圧力：１．８〜５．０Ｐａ、反応ガスとしてＮ2、Ｏ2、ＣＨ4またはこれらの混合ガスを供給し、基板バイアス電圧：−３０〜−１５０Ｖという被覆条件で表２に示す外層を被覆した。
【００１４】
【表１】
2010247262.tif 000002
【００１５】
【表２】
2010247262.tif 000003
【００１６】
比較品１、２は、Ａｒエッチングを発明品と同じ条件で行い、表３に示すターゲットを用いて、供給ガス：Ｎ2、圧力：３．０Ｐａ、アーク電流：１２０Ａ、基材バイアス電圧：−３０Ｖという被覆条件で表３に示す被膜を被覆した。
【００１７】
【表３】
2010247262.tif 000004
【００１８】
比較品３〜６は、Ａｒエッチングを発明品と同じ条件で行い、表４に示すターゲットを用いて、供給ガス：Ｎ2圧力：３．０Ｐａ、アーク電流：１２０Ａ、基材バイアス電圧：−３０Ｖという被覆条件で表４に示す最内層を被覆した後、表５に示すターゲットを用いて、供給ガス：Ｎ2またはＯ2、必要圧力：３．０Ｐａ、アーク電流：１２０Ａ、基材バイアス電圧：−３０Ｖという被覆条件で表５に示す外層を被覆した。
【００１９】
【表４】
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【００２０】
【表５】
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【００２１】
切削試験は、下記の浸炭処理した丸棒の外周旋削加工を行った。
被削材：ＳＣＭ４１５Ｈ（浸炭処理）
切削速度：Ｖｃ＝１５０ｍ／ｍｉｎ
切り込み：ａｐ＝０．２５ｍｍ
送り：ｆ＝０．１０ｍｍ／ｒｅｖ
切削雰囲気：乾式切削
【００２２】
逃げ面平均摩耗量ＶＢが０．１ｍｍとなるまでの切削加工時間を工具寿命とした。なお、切削時間５分ごとに切削試験チップ損傷を観察し、摩耗状態と被膜の剥離の有無を調査した。これらの結果は表６に示した。
【００２３】
【表６】
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【００２４】
表６に示すように発明品は、比較品よりも長寿命を実現できた。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明の被覆ｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮ焼結体基材の表面に、密着性に優れた最内層と、耐摩耗性に優れた外層を被覆することによって、特に、高速度加工、高送り加工、硬さの高い被削材の加工など加工条件が厳しい切削加工において工具寿命を延長できるので、産業上の利用可能性が高い。