(57)【要約】【課題】耐チッピング性、耐摩耗性に優れ、被削材の仕上げ面精度にも優れ、高硬度鋼切削用として好適な、長期の使用にわたって優れた切削性能を発揮する表面被覆切削工具を提供すること。【解決手段】立方晶窒化ほう素粒子を４０〜７０体積％含有し、残部は硬質分散相と結合相とからなる立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製工具基体の表面に、０．５〜５．０μｍの平均膜厚で、柱状に成長した立方晶窒化ほう素の含有割合が３０〜６０面積％である窒化ほう素膜を蒸着してなる表面被覆切削工具。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
４０〜７０体積％の立方晶窒化ほう素を含有し、残部は硬質分散相と結合相とからなる立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製工具基体の表面に、０．５〜５．０μｍの平均膜厚の窒化ほう素膜を蒸着形成してなる表面被覆切削工具において、該窒化ほう素膜は、工具基体の構成成分である立方晶窒化ほう素の結晶から柱状成長した立方晶窒化ほう素からなる相と、アモルファス窒化ほう素、六方晶窒化ほう素および立方晶窒化ほう素からなる相で構成され、かつ、窒化ほう素膜に占める上記柱状成長した立方晶窒化ほう素からなる相の面積割合は、３０〜６０面積％であることを特徴とする表面被覆切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、切削加工時の耐チッピング性、耐摩耗性に優れるばかりか、被削材の仕上げ面精度にも優れ、特に、高硬度鋼等の切削工具として好適な、長期の使用にわたって優れた切削性能を発揮する表面被覆切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高硬度鋼等の鉄系被削材の切削加工には、被削材との親和性の低い工具材料として、立方晶窒化ほう素（以下、ｃＢＮで示す）を用いることは良く知られており、例えば、ｃＢＮ焼結体それ自体を切削工具として使用したり（特許文献１、２）、ｃＢＮ焼結体からなる工具基体の表面にチタン系硬質膜を被覆することにより、切削工具の耐熱性、耐摩耗性、耐欠損性を高める（特許文献３）ことにより、切削工具としての特性向上が図られている。
しかし、ｃＢＮ焼結体は、通常、ｃＢＮ粉末を、金属、セラミック等の結合材と混合し、超高圧高温処理により焼結体として製造することが一般的であるが、この焼結体は、結合材を含むために、ｃＢＮに比して、硬度、熱伝導性等が劣り、ｃＢＮが本来備える特性を充分に生かしきれてはいない。
また、ｃＢＮ焼結体に硬質皮膜を被覆するにあたり、硬質膜と工具基体との付着強度が重要であり、そのため、例えば、ｃＢＮ工具基体の表面にＡｒボンバード処理などを施すことで、硬質膜と工具基体との付着強度を向上させることも知られている（特許文献４）。
しかし、近年の切削の高速化、高能率化をはじめとする切削条件の過酷化に伴い、上記のチタン系硬質膜を上記のｃＢＮ工具基体に被覆した工具では、耐熱性、耐摩耗性、耐欠損性が十分とはいえなくなってきているのが現状である。
そこで、チタン系硬質膜よりさらに硬質の膜を被覆した表面被覆切削工具の開発が期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４１７７８４５号明細書
【特許文献２】特許第４１６０８９８号明細書
【特許文献３】特許第３３７４５９９号明細書
【特許文献４】特開２００４−３４５００６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ｃＢＮは、ダイヤモンドに次ぐ硬度を持ち、しかも熱的および化学的安定性にすぐれており、鉄系材料との反応性がダイヤモンドに比べて低いなどの特性を有することから、ｃＢＮが持っている特性を活かすべく、基材表面にｃＢＮからなる被覆層を形成することにより、低コストで基材の耐摩耗性、耐食性を向上させた成形体を得る試みが広く行われている。このようなｃＢＮによる被覆は、ＣＶＤ法やＰＶＤ法などにより、ｃＢＮの気相合成による被覆が可能になってきている。
しかしながら、上記の気相合成法によって得たｃＢＮ皮膜は、大きな内部応力をもっているため、成膜後に剥離を起こしやすい。
したがって、基材とｃＢＮ膜との付着強度を向上させることが大きな課題となっている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者等は、ｃＢＮ焼結体を工具基体材料とし、特に、高硬度鋼等の切削に際し最適な硬質被覆材料について鋭意研究したところ、次のような知見を得た。
【０００６】
ｃＢＮ焼結体からなる工具基体（以下、ｃＢＮ工具基体という）に含有されるｃＢＮの割合と、ｃＢＮを含有する窒化ほう素膜（以下、ｃＢＮ−ＢＮ膜で示す）の付着強度の関連性について数多くの実験を重ねたところ、比較的ｃＢＮの含有割合が高いｃＢＮ工具基体において、ｃＢＮ−ＢＮ膜の付着強度が優位であることを、まず見出した。
【０００７】
さらに、本発明者等は、ｃＢＮ−ＢＮ膜中のｃＢＮが、ｃＢＮ工具基体のｃＢＮ粒子の表面からエピタキシャル成長することを突き止め、ｃＢＮ粒子がｃＢＮ工具基体の表面に占める割合が多いほど、ｃＢＮ−ＢＮ膜の付着強度が向上することがわかった。即ち、膜中のｃＢＮは、工具基体の構成成分であるｃＢＮ粒子表面から柱状成長し、一方、ｃＢＮ粒子が工具基体表面に露出していない領域、例えば、結合相の上には、ｃＢＮの成長はほとんどなく、ｃＢＮ−ＢＮ膜中の、工具基体のｃＢＮ粒子表面から柱状成長して形成された柱状ｃＢＮ相の間には、六方晶窒化ほう素（以下、ｈＢＮで示す）相とアモルファスＢＮ（以下、ａ−ＢＮで示す）相を主体とする相が形成される（図１参照）。
そして、上記ｃＢＮ−ＢＮ膜中に形成されたｈＢＮ相およびａ−ＢＮ相は、潤滑性にすぐれるため、切削時の切粉と逃げ面表面との摩擦により生じるクレーター摩耗を抑制・低減することができる。
つまり、ｃＢＮ工具基体表面に、柱状ｃＢＮ相とその間を埋めるｈＢＮ相、ａ−ＢＮ相からなるｃＢＮ−ＢＮ膜を形成することによって、基体との付着強度に優れた柱状ｃＢＮ相で耐摩耗性が確保されるとともに、ｈＢＮ相、ａ−ＢＮ相の存在によって摩擦が低減され潤滑性が高められることから、耐摩耗性、高潤滑性を備えた表面被覆切削工具を提供することができる。
【０００８】
更に、ｃＢＮ膜は、一般的に、成膜後に巨大な残留応力が存在することが大きな問題であったが、本発明のｃＢＮ−ＢＮ膜によれば、ｃＢＮ工具基体のｃＢＮ粒子表面からｃＢＮ相を柱状成長させるため、密着性に優れ剥離発生が防止されるばかりか、ｃＢＮ相が柱状に成長するため、ｃＢＮ−ＢＮ膜内に形成される残留応力（残留歪み）は少なく、さらに、柱状ｃＢＮ相間に存在するｈＢＮ相、ａ−ＢＮ相は、すぐれた潤滑性を有するとともに、切削時の熱衝撃、機械的衝撃を緩和し、ｃＢＮ−ＢＮ膜の剥離抑制に寄与する。
【０００９】
以上のとおり、本発明では、ｃＢＮ工具基体表面に、柱状成長したｃＢＮ相を含むｃＢＮ−ＢＮ膜を被覆形成することによって、工具基体と被覆層の密着強度に優れ、高潤滑性とともにすぐれた耐摩耗性を備えた表面被覆切削工具を提供することができ、そして、このような表面被覆切削工具を高硬度鋼の乾式高切込み切削に用いた場合、長期の使用にわたって、すぐれた切削性能を発揮し、工具寿命も大幅に伸びることを本発明者等は知見したのである。
【００１０】
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「  ４０〜７０体積％の立方晶窒化ほう素を含有し、残部は硬質分散相と結合相とからなる立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製工具基体の表面に、０．５〜５．０μｍの平均膜厚の窒化ほう素膜を蒸着形成してなる表面被覆切削工具において、該窒化ほう素膜は、工具基体の構成成分である立方晶窒化ほう素の結晶から柱状成長した立方晶窒化ほう素からなる相と、アモルファス窒化ほう素、六方晶窒化ほう素および立方晶窒化ほう素からなる相で構成され、かつ、窒化ほう素膜に占める上記柱状成長した立方晶窒化ほう素からなる相の面積割合は、３０〜６０面積％であることを特徴とする表面被覆切削工具。」
を特徴とするものである。
【００１１】
本発明について、以下に説明する。
【００１２】
立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製工具基体（ｃＢＮ工具基体）：
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を図ることができる。
本発明では、優れた耐摩耗性を備える表面被覆切削工具を提供することが大前提であるところ、ｃＢＮの含有割合が４０体積％未満であるような場合には、所望の耐摩耗性と付着強度を確保することができないので、ｃＢＮ含有割合は少なくとも４０体積％とする必要がある。一方、ｃＢＮ含有割合を多くしていくと、高硬度鋼の旋削加工において、逃げ面における耐摩耗性が低下し、本発明の被覆を行っても、所望の耐摩耗性を具備させることができなくなることから、ｃＢＮ含有割合の上限は７０体積％とする必要がある。
【００１３】
例えば、ｃＢＮ工具基体の結合相等として、周期律表ＶＩａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素の窒化物、炭化物、硼化物、酸化物ならびにこれらの固溶体からなる群の中から選択された少なくとも１種とアルミニウム化合物のセラミックス系結合材を用いるような場合には、４０〜７０体積％のｃＢＮを使用することが可能である。
【００１４】
硬質膜（ｃＢＮ−ＢＮ膜）：
本発明では、マグネトロンスパッタリングによって、ｃＢＮ工具基体表面にｃＢＮ−ＢＮ膜からなる硬質膜を成膜することができる。
例えば、図２に示すように、ｈＢＮターゲット（図２中ではｈ−ＢＮで示されている）を配置したマグネトロンスパッタ装置と、高周波バイアス装置からなる反応容器を、基体温度を４５０℃に保持しながら、反応容器内にＡｒとＮ２混合ガスを流量比で１：１の割合で導入し、全圧を３．３Ｐａになるように制御し、ターゲット側に５００Ｗ、基体側に６０Ｗの電力量で、１３．５６ＭＨｚの周波数の高周波を印加し、さらに、マグネトロンスパッタ装置に１３．５６ＭＨｚの周波数の高周波を印加し、基体バイアスを−２５０Ｖにしてスパッタリングすることにより、柱状に成長したｃＢＮが含まれるｃＢＮ−ＢＮ膜を形成することができる。
また、雰囲気ガスを、ＡｒとＮ２混合ガスから１００％Ａｒガスに替えることにより、基体バイアスが−１５０Ｖという比較的低い基体バイアス電圧でも、ｃＢＮ相が形成される。この場合、低バイアスでｃＢＮ相を形成できることから、比較的内部応力の低い柱状に成長したｃＢＮが含まれるｃＢＮ―ＢＮ膜を成膜することができる。
【発明の効果】
【００１５】
上記のとおり、本発明では、４０〜７０体積％のｃＢＮを含有するｃＢＮ工具基体表面に、密着強度が高いｃＢＮ−ＢＮ硬質膜が形成されるため、硬質膜の剥離発生はなく、さらに、柱状成長したｃＢＮ相の間に存在するｈＢＮ相、ａ−ＢＮ相によって、切削加工時の硬質膜の潤滑性が担保されるので、本発明の表面被覆切削工具を、厳しい切削条件である高硬度鋼の乾式高切込み切削加工に用いた場合も、チッピング、欠損の発生の恐れはなく、しかも、すぐれた耐摩耗性を維持したまま、長期の使用にわたって、すぐれた切削性能を発揮し、工具寿命の大幅な延長を図ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明表面被覆切削工具の縦断面構造の概略模式図である。
【図２】本発明のｃＢＮ−ＢＮ膜を成膜するための、マグネトロンスパッタリング装置の概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明の表面被覆切削工具を実施例に基づいて説明する。
【実施例】
【００１８】
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、炭化タングステン（ＷＣ）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ＣＮＧＡ１２０４１２の形状（厚さ：４．７６mm×一辺長さ：１２．７mmの正三角形）をもったＷＣ基超硬合金製チップ本体のろう付け部（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ＣＮＧＡ１２０４１２のチップ形状をもったｃＢＮ含有割合が４０〜７０体積％であるｃＢＮ工具基体１〜１０を製造した。
また、ｃＢＮ工具基体１〜１０のｃＢＮ含有割合をｃＢＮ焼結体中のｃＢＮの配合組成に基づき体積％で算出し、ｃＢＮ工具基体１〜１０のそれぞれの表面に露出しているｃＢＮ粒子の面積割合を、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により観察された反射電子像のｃＢＮ粒子の表面に占める割合として算出し、それらの値を表３に示した。
【００１９】
ついで、上記のｃＢＮ工具基体１〜１０を、アセトン中で洗浄し、乾燥した状態で、図２に示されるマグネトロンスパッタリング装置内に装着した。
４３０℃まで加熱した後、Ａｒガスを導入し、１．５ＰａのＡｒガス雰囲気とし、ｃＢＮ工具基体１に−１０５０Ｖの直流バイアス電圧を印加して、前記ｃＢＮ工具基体１〜１０をＡｒボンバード洗浄した。
（なお、Ａｒボンバード処理は、必ず行う必要のある処理であるというわけではないが、ｃＢＮ工具基体とｃＢＮ−ＢＮ膜とのより一段の密着性向上を図る上では、非常に有効な処理である。）
その後、表２に示される条件で、ＡｒとＮ２の混合ガスあるいはＡｒガスを導入し、作動圧を２〜７Ｐａになるように制御し、ターゲット側に５００Ｗ、基体側に６０Ｗ１３．５６ＭＨｚの周波数の高周波を印加し、さらにマグネトロンスパッタ装置に１３．５６ＭＮｚの周波数の高周波を印加し、基体バイアスを−１５０〜−２８０Ｖにして０．５〜２時間成膜することにより、平均膜厚０．５〜５μｍのｃＢＮ−ＢＮ膜からなる硬質膜を蒸着形成した本発明表面被覆切削工具１〜１０を得た。
【００２０】
本発明表面被覆切削工具１〜１０の硬質膜（ｃＢＮ−ＢＮ膜）について、原子間力顕微鏡により組織観察したところ、いずれの硬質膜にも、柱状成長したｃＢＮ相によって形成される三角錐状の部分と、主として、ｈＢＮ相またはａ−ＢＮ相によって形成される平坦部とが観察された。
なお、硬質膜の組織に影響を与える要因は、特に、工具基体表面に露出して存在するｃＢＮ粒子の平均粒径と、ｃＢＮ粒子の面積割合である。
【００２１】
さらに、本発明表面被覆切削工具１〜１０のｃＢＮ−ＢＮ膜中で柱状ｃＢＮ相の占める面積割合、およびｃＢＮ−ＢＮ膜の平均膜厚を測定した。
それぞれの測定法は、以下のとおりである。
ｃＢＮ−ＢＮ膜の被覆された表面被覆切削工具を切断し、断面のｃＢＮ−ＢＮ膜を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察し、柱状のｃＢＮを確認し、ｃＢＮ−ＢＮ膜に占めるｃＢＮの割合を算出し、それをｃＢＮの面積割合とした。
さらに、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により、断面のｃＢＮ−ＢＮ膜の膜厚を測定した。
これらの値を、表３に示す。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
【表２】
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【００２４】
【表３】
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【００２５】
比較のため、実施例で使用したｃＢＮ工具基体１〜１０の上に、表４に示されるＴｉとＡｌの複合窒化物等からなる硬質被覆層を、アークイオンプレーティング法により０．６〜４．５μｍの平均層厚に蒸着形成することにより、比較例表面被覆切削工具１〜１０を作製した。
【００２６】
【表４】
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【００２７】
上記の本発明表面被覆切削工具１〜１０と比較例表面被覆切削工具１〜１０を用い、以下の切削加工条件で切削加工試験を実施した。
《切削条件１》
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＪ２の丸棒（硬さ：ＨＲＡ６０）、
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、
切込み：０．３０ｍｍ（高切込み条件に相当）、
切削時間：１０分
の条件での、焼入れ軸受鋼の乾式高速高切込み切削加工試験、
《切削条件２》
被削材：ＪＩＳ・ＳＣｒ４２０の丸棒（硬さ：ＨＲＡ６２）、
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．１０ｍｍ／ｒｅｖ、
切込み：０．３５ｍｍ（高切込み条件に相当）、
切削時間：１０分
の条件で、高硬度クロム鋼の高速高切込み切削加工試験、
を行い、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
上記切削条件１，２による切削加工試験の測定結果を表５に示した。
【００２８】
【表５】
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【００２９】
表３〜５に示される結果から、本発明表面被覆切削工具１〜１０は、４０〜７０体積％のｃＢＮを含有するｃＢＮ工具基体表面に、窒化ほう素からなる硬質膜（ｃＢＮ―ＢＮ膜）が形成され、かつ、該膜中には、３０〜６０面積％の柱状成長したｃＢＮ相が含まれ、さらに、該柱状成長したｃＢＮ相の間にｈＢＮ相、ａ−ＢＮ相、ｃＢＮ相が存在するため、ｃＢＮ工具基体と硬質膜との付着強度が向上し、すぐれた潤滑性、耐熱衝撃性、耐機械的衝撃性および耐摩耗性を兼ね備え、高硬度鋼の高切込み等の重切削条件に用いた場合でも、長期の使用にわたって、すぐれた切削性能を発揮し、工具寿命の大幅な延長が図られるのに対して、比較例表面被覆切削工具１〜１０においては、ｃＢＮ工具基体自体の破損、硬質膜の剥離・欠損等により工具寿命は短く、しかも、耐摩耗性にも劣るものであった。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
上述のように、この発明の表面被覆切削工具は、硬質膜に対して大きな熱的・機械的負荷が作用する高硬度鋼の重切削加工用の切削工具として好適であり、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が、各種の鋼や鋳鉄などの通常の切削条件での切削加工に使用可能であること勿論である。
【図１】
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【図２】
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