(57)【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からなる工具基体と超硬合金母材とをろう付け部のろう材で接合し、かつ、工具基体と超硬合金母材の表面に硬質膜を物理蒸着で形成した表面被覆切削工具において、
上記ろう付け部の表面に露出するろう材の全表面積をＡとし、該表面に露出するろう材のうちで硬質膜と接するろう材の全表面積をＢとした場合に、Ｂ／Ａが０．０５≦Ｂ／Ａ≦０．８であることを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
上記硬質膜が、Ｔｉの窒化物層、Ｔｉの炭窒化物層およびＴｉとＡｌの複合窒化物層のうちの何れか一層または二層以上からなる請求項１に記載の表面被覆切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、切刃を構成する立方晶窒化ほう素（以下、ｃＢＮで示す）基超高圧焼結材（以下、ｃＢＮ焼結材で示す）を超硬合金母材にろう付けで接合し、かつ、ｃＢＮ焼結材と超硬合金母材の表面に硬質被覆層を物理蒸着で形成した表面被覆切削工具（以下、ｃＢＮ被覆工具という）に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、鋼、鋳鉄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、ｃＢＮ焼結材を用いることが知られており、耐摩耗性の向上、工具寿命の改善等の観点から、工具表面に硬質被覆層を物理蒸着で形成したｃＢＮ被覆工具も良く知られている。
例えば、特許文献１に示すように、ｃＢＮ焼結材の表面に、４ａ族金属の窒化物、炭窒化物等の硬質被覆層を形成した高温耐塑性変形性、耐摩耗性、耐欠損性に優れたｃＢＮ被覆工具が知られている。
また、特許文献２に示すように、ｃＢＮ焼結材の表面に、４ａ、５ａ、６ａ族金属、Ａｌ及びＳｉから選ばれる少なくとも１種の金属元素の炭化物、窒化物等からなる硬質被覆層を形成した耐摩耗性、耐欠損性に優れたｃＢＮ被覆工具も知られている。
ただ、上記従来のｃＢＮ被覆工具においては、ｃＢＮ焼結材は、通常、超硬合金母材にろう付けで接合されるが、例えば、切刃に高負荷が作用する切削条件で用いられた場合には、ろう付け部からクラックが発生し、このため工具寿命が短いという問題点があった。
また、ｃＢＮ焼結材と超硬合金母材をろう付けで接合したｃＢＮ工具において、例えば、特許文献３に示されるように、ｃＢＮ焼結材と超硬合金母材とのろう付け部の起立側面と底面の交差角を、ｃＢＮ焼結材の背面と底面の交差角よりも小さくすることにより、ろう付け部のコーナを掘り下げずにｃＢＮ焼結材の背面下側エッジ部を受け入れるぬすみ部を形成することにより、ろう付け時にｃＢＮ焼結材に亀裂、割れが発生するのを防止するようにしたｃＢＮ工具も知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−３３０３２１号公報
【特許文献２】特開２００６−２６３８５７号公報
【特許文献１】特開２０００−５２１１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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、より厳しい条件下での切削加工がおこなわれる傾向にあるが、特に、物理蒸着で硬質膜を形成した上記従来のｃＢＮ被覆工具においては、通常条件下での切削加工に用いた場合には特段の問題は生じないが、これを、切刃に高負荷が作用する高速断続切削に用いた場合には、ｃＢＮ焼結材と超硬合金母材とのろう付け部にクラックが発生し、これの進展によりｃＢＮ被覆工具が破損し、そのため、比較的短寿命であり、長期の使用に亘って十分な切削性能を発揮し得ないという問題点があった。
そして、ｃＢＮ焼結材と超硬合金母材とのろう付け部に、前記特許文献３に示された改善を試みても、ろう付け時のクラック発生は防止し得るものの、切削加工時のクラック発生、亀裂の進展は抑制することができず、依然として工具寿命の延命化を図れないという問題点があった。
したがって、長期の使用に亘って、すぐれた切削性能を発揮させるためには、ｃＢＮ被覆工具において、ろう付け部からのクラックの発生を防止するとともに、亀裂の進展を抑制す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、物理蒸着で硬質膜を形成したｃＢＮ被覆工具のろう付け部からのクラック発生防止、亀裂の進展抑制の観点から鋭意研究を進めたところ、次のような知見を得た。
【０００６】
まず、本発明者等は、物理蒸着で硬質膜を形成したｃＢＮ被覆工具のろう付け部の破損は、切刃に高負荷が作用する切削時に、まず、硬質膜に発生したクラックが起点となり、これがろう付け部のろう材に伝播し、物理蒸着で形成された硬質膜とろう付け部のろう材との界面に存在する残留応力が引き金となり、ろう付け部のろう材へのクラック、亀裂が進展し、これが破損の主たる原因であることを突き止めた。
そこで、本発明者等は、ろう付け部のろう材へのクラック伝播、亀裂の進展を抑制するためには、硬質膜とろう付け部のろうとの界面における残留応力を緩和しておくことが効果的であると考え、更に検討を進めたところ、ｃＢＮ焼結材と超硬合金母材とをろう付け部で接合し、その表面に物理蒸着で硬質膜を形成した後、ろう付け部の表面に露出するろう材と接する硬質膜の一部を表面処理技術、例えば、ウエットブラストやショットピーニング処理等で除去することによって、硬質膜とろう材との界面に発生する残留応力が緩和され、その結果、高負荷が作用する切削条件下でも、ろう材中へのクラック、亀裂の進展は抑制され、工具寿命の延命化が図れることを見出したのである。
【０００７】
本発明は、上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からなる工具基体と超硬合金母材とをろう付け部のろう材で接合し、かつ、工具基体と超硬合金母材の表面に硬質膜を物理蒸着で形成した表面被覆切削工具において、
上記ろう付け部の表面に露出するろう材の全表面積をＡとし、該表面に露出するろう材のうちで硬質膜と接するろう材の全表面積をＢとした場合に、Ｂ／Ａが０．０５≦Ｂ／Ａ≦０．８であることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）  上記硬質膜が、Ｔｉの窒化物層、Ｔｉの炭窒化物層およびＴｉとＡｌの複合窒化物層のうちの何れか一層または二層以上からなる前記（１）に記載の表面被覆切削工具。」
を特徴とするものである。
【０００８】
以下、本発明について、図１、図２とともに説明する。
【０００９】
立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料（ｃＢＮ焼結材）：
図１において、ｃＢＮ焼結材（１）中の立方晶窒化ほう素（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に寄与する。
ｃＢＮ焼結材（１）中の他の構成成分、例えば、結合相等としては、周期律表ＶＩａ、Ｖａ、ＩＶａ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ことができる。
ｃＢＮ焼結材（１）のｃＢＮの組成、その他の構成成分の種類、組成については、特に制限はなく通常使用されているｃＢＮ焼結材を用いることができる。
【００１０】
超硬合金母材：
超硬合金母材（２）としては、例えば、Ｃｏ：５質量％、ＴａＣ：５質量％、ＷＣ：残りの組成からなるタングステンカーバイド基超硬合金を用いることができるが、通常使用されている超硬合金母材（２）であればよく、その成分、組成等について特に制限するものではない。
超硬合金母材（２）は、例えば、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として作製し、そのろう付け部（３）において、ろう材（４）を用いて上記ｃＢＮ焼結材をろう付け接合する。
【００１１】
ろう材：
ろう材（４）としては、すでによく知られているろう材、例えば、重量％で、２０〜３０％Ｔｉ、２０〜３０％Ｚｒ（あるいは更に１０〜３０％Ｎｉ）を含有するＣｕ合金からなるろう材、あるいは、０．５〜２０％Ｔｉ、０．５〜２０％Ｚｒ、１０〜４０％Ｃｕを含有するＡｇ合金からなるろう材、を用いることができる。
そして、上記ｃＢＮ焼結材（１）と超硬合金母材（２）をろう材（４）を介して密着させ、真空雰囲気中、Ａｒ雰囲気中で加熱することによって、ろう付け部（３）において、上記ｃＢＮ焼結材（１）と超硬合金母材（２）をろう材（４）を介して接合する。
【００１２】
硬質膜の成膜：
図２に示すように、ろう付け部（３）で接合されたｃＢＮ焼結材（１）と超硬合金母材（２）の表面に、物理蒸着、例えば、アークイオンプレーティングにより硬質膜（６）をまず成膜する。
なお、ろう付け部（３）で接合されたｃＢＮ焼結材（１）と超硬合金母材（２）との間には、通常、２００μｍ以下の幅のろう材が充填され、かつ、表面に露出する接合界面（５）が形成されるが、上記で言う“ろう付け部（３）で接合されたｃＢＮ焼結材（１）と超硬合金母材（２）の表面”とは、ろう付け部（３）においてろう材（４）が表面に露出する接合界面（５）の表面をも含むものである。
硬質膜（６）としては、例えば、Ｔｉの窒化物層、Ｔｉの炭窒化物層およびＴｉとＡｌの複合窒化物層のうちの何れか一層または二層以上を設けることができるが、成膜する硬質膜の種類は上記のものに限定されるわけではなく、他のいかなる硬質膜でも構わない。
なお、ＴｉとＡｌの複合窒化物層を形成する場合、これを
組成式：（Ｔｉ１−ＸＡｌＸ）Ｎ
で表した場合には、Ｘの値（但し、原子比）が０．６５を超えると、結晶構造の変化により膜の高温強度が低下し欠損を生じやすくなり、また、Ｘの値（但し、原子比）が０．１５未満では膜の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、Ｘの値（但し、原子比）は０．１５〜０．６５の範囲内とすることが望ましい。
また、硬質膜（６）の層厚についても特に制限するものではないが、耐チッピング性、耐摩耗性の観点からは、１〜５μｍの層厚とすることが望ましい。
【００１３】
ろう材（４）と硬質膜（６）の接触面積：
この発明では、ろう材（４）と硬質膜（６）の接触面積の大小が大きな意味を持つ。
即ち、硬質膜（６）が物理蒸着で被覆されたｃＢＮ被覆工具においては、本発明の知見として既に述べたように、ろう付け部（３）のろう材（４）へのクラック伝播、亀裂の進展を抑制するためには、硬質膜（６）とろう付け部（３）のろう材（４）との界面における残留応力を緩和しておくことが効果的であり、そして、これによって、高負荷が作用する切削条件下でも、ろう材（４）中へのクラック、亀裂の進展は抑制され、工具寿命の延命化が図れるのである。
そして、硬質膜（６）とろう付け部（３）のろう材（４）との界面における残留応力の緩和は、表面処理技術、例えば、ウエットブラストやショットピーニング処理により、ろう付け部（３）の表面に露出するろう材（４）と接する硬質膜（６）の一部を除去し、ろう材（４）と硬質膜（６）の接触面積を少なくすることで実現できる。
具体的には、ろう付け部（３）の表面に露出するろう材（４）の全表面積をＡとし、また、ろう付け部（３）の表面に露出するろう材（４）のうちで硬質膜（６）と接するろう材（４）の全表面積をＢとした場合に、Ｂ／Ａの値（接触面積比に相当する）を０．０５〜０．８の範囲内とする。
Ｂ／Ａの値が０．８を超え、ろう付け部（３）の表面に露出するろう材（４）の大部分が硬質膜（６）と接する従来の接触状態の場合には、ろう材（４）と物理蒸着で成膜した硬質膜（６）との界面における残留応力が大であるために、硬質膜（６）に発生したクラックがろう材（４）へ伝播し、ろう材（４）中で亀裂が進展し、ろう付け部（３）からの破損が発生する。このような観点から、Ｂ／Ａの値はできるだけ小さい方が良く、0のとき最良といえるが、Ｂ／Ａの値が０．０５より小さいときには、表面処理条件が強すぎるためにロウ付け部以外の皮膜、例えば、切刃先端、すくい面表面に形成されている硬質被覆層も除去されることになり、ｃＢＮ被覆工具全体としての耐摩耗性が低下し、工具寿命も短いものとなるため、Ｂ／Ａの値を０．０５〜０．８の範囲とした。
【００１４】
表面処理技術、例えば、ウエットブラストによる処理の場合には以下のような条件で行うとよい。
ブラストの噴射圧力を０．２〜０．２４ＭＰａ、噴射時間を１０〜２０ｓｅｃとし、これを３〜５回繰り返す。圧力が０．２ＭＰａ未満、時間が１０ｓｅｃ未満、あるいは繰り返し回数が２回以下だと、ブラストの効果が弱く、Ｂ／Ａが０．８より大きくなり、また、圧力が０．２４ＭＰａより大きく、時間が２０ｓｅｃより長く、繰り返し回数が６回以上だと、ブラストが強すぎるため、切刃先端、すくい面表面に形成されている硬質被覆層も除去されてしまう。
なお、ブラストに使用したスラリーは、アルミナ粒子を使用しており、粒子径が２２０〜１５００番、スラリー濃度は１５〜６０ｗｔ％である。
【発明の効果】
【００１５】
上記のとおり、本発明のｃＢＮ被覆工具は、ｃＢＮ焼結材からなる工具基体と超硬合金母材とをろう付け部のろう材で接合し、かつ、工具基体と超硬合金母材の表面に硬質膜を物理蒸着で形成した表面被覆切削工具において、ろう付け部の表面に露出するろう材の全表面積Ａと、該表面に露出するろう材のうちで硬質膜と接するろう材の全表面積Ｂの比の値Ｂ／Ａを０．０５〜０．８にしていることから、硬質膜とろう付け部のろう材との界面における残留応力が緩和され、これによって、高負荷が作用する切削条件下でも、ろう材中へのクラック、亀裂の進展は抑制され、その結果として、工具寿命の延命化を図ることができるのである。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の表面被覆切削工具のろう付け部近傍の概観を示す斜視図である。
【図２】本発明の表面被覆切削工具のろう付け部の部分拡大図である。
【図３】本発明の表面被覆切削工具のろう付け部上の硬質膜剥離部を示す斜視図である。
【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つ本発明ｃＢＮ工具基体１〜１０を製造した。
【００１９】
【表１】
0005447845.tif 000002
【００２０】
ついで、上記本発明ｃＢＮ工具基体１〜１０を、物理蒸着装置の一種であるアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）装置内に自転公転自在に支持装着し、
まず、装置内を真空排気して０．５Ｐａ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、１．５ＰａのＡｒガス雰囲気とし、ｃＢＮ工具基体１に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加して、前記ｃＢＮ工具基体をＡｒガスボンバード洗浄し、
ついで、前記装置内でアークイオンプレーティングを行い、表２に示される所定の目標層厚、層種別の硬質膜を形成した。
【００２１】
ついで、上記硬質膜を形成した本発明ｃＢＮ工具基体１〜１０に対して、表３に示す噴射圧力、噴射時間にてアルミナ粒子を用いたウエットブラスト処理を施し、図３に示すように、ろう付け部の表面に露出するろう材と接する硬質膜の一部を除去することにより、表４に示すＩＳＯ規格ＳＮＧＡ１２０４１２に規定するスローアウエイチップ形状の本発明ｃＢＮ被覆工具１〜１０（本発明１〜１０という）を作製した。
【００２２】
上記本発明１〜１０について、ろう付け部の表面に露出するろう材の全表面積Ａおよび該表面に露出するろう材のうちで硬質膜と接するろう材の全表面積Ｂを市販の画像寸法測定ソフト付デジタルマイクロスコープ、例えば、キーエンス社製の機種ＶＨＸ−１００を用いてろう材部近傍を観察し、上記面積Ａ、Ｂに該当する部分を選択して数値化することにより、Ｂ／Ａの値を算出した。
表４に、Ｂ／Ａの値を示す。
【００２３】
【表２】
0005447845.tif 000003
【００２４】
【表３】
0005447845.tif 000004
【００２５】
【表４】
0005447845.tif 000005
【００２６】
比較のため、実施例で使用した硬質膜を形成したｃＢＮ工具基体１〜８に対して、表５に示す条件でウエットブラスト処理を施し、ろう付け部の表面に露出するろう材と接する硬質膜の一部あるいは全部を除去した表６に示す比較例ｃＢＮ被覆工具１〜６（比較例１〜８）を作製した。また、比較例１〜８についてもＢ／Ａの値を算出し、その値を表６に示す。また比較例１〜５はブラストの効果が強すぎるためにロウ付け部だけではなく、切刃先端、すくい面表面に形成されている硬質被覆層にも剥離が存在する。
さらに比較のため、実施例で使用した硬質膜を形成したｃＢＮ工具基体９，１０に対しては、ウエットブラスト処理を施さないで、これをこのまま比較例ｃＢＮ被覆工具９，１０（比較例９，１０）として用いた。なお、当然のことながら比較例９，１０では、Ｂ／Ａ＝１である。
【００２７】
【表５】
0005447845.tif 000006
【００２８】
【表６】
0005447845.tif 000007
【００２９】
上記の本発明１〜１０および比較例１〜１０を用い、以下の切削条件で切削加工試験を実施した。
《切削条件１》
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＪ２の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒（硬さ：ＨＲＡ６０）、
切削速度：  １８０  ｍ／ｍｉｎ、
送り：  ０．２５  ｍｍ／ｒｅｖ、
切込み：  ０．１８  ｍｍ、
切削時間：  ４  分
の条件での、焼入れ軸受鋼の湿式高速断続切削加工試験（通常の切削速度は、１２０ｍ／ｍｉｎ）、
《切削条件２》
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４２０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒（硬さ：ＨＲＡ６０）、
切削速度：  ２２０  ｍ／ｍｉｎ、
送り：  ０．２０  ｍｍ／ｒｅｖ、
切込み：  ０．２０  ｍｍ、
切削時間：  ４  分
の条件で、高硬度クロム鋼の湿式高速断続切削加工試験（通常の切削速度は、１８０ｍ／ｍｉｎ）、
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７に示した。なお逃げ面摩耗幅が０．１５ｍｍに到達したときを寿命と判断し、その場合は寿命に至った切削時間（分）を示す。
【００３０】
【表７】
0005447845.tif 000008
【００３１】
表７に示される結果から、本発明ｃＢＮ被覆工具１〜１０は、切刃に断続的かつ繰り返しの衝撃的な高負荷が作用する高硬度鋼の高速断続切削に用いた場合でも、ろう付け部からの工具の破損を発生することはなく、長期の使用に亘って優れた切削性能を示した。
これに対して、０．０５＞Ｂ／Ａである比較例ｃＢＮ被覆工具１〜５においては、ロウ付け部だけではなく、切刃先端、すくい面表面に形成されている硬質被覆層にも剥離が存在するため、耐摩耗性の低下によって工具寿命が短く、一方、Ｂ／Ａ＞０．８である比較例ｃＢＮ被覆工具６〜１０においては、ろう材中へのクラック、亀裂の進展によって工具寿命が短いものとなっていた。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
上述のように、この発明のｃＢＮ被覆工具は、高硬度鋼の高速断続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、他の各種の鋼や鋳鉄などの通常の切削条件での切削加工にも勿論使用可能である。
【符号の説明】
【００３３】
（１）ｃＢＮ焼結材
（２）超硬合金母材
（３）ろう付け部
（４）ろう材
（５）接合界面
（６）硬質膜
（７）ろう付け部の硬質膜剥離部
【図１】
0005447845.tif 000009
【図２】
0005447845.tif 000010
【図３】
0005447845.tif 000011