(57)【要約】【課題】焼入鋼の加工等において、特に、設備剛性またはワーク剛性などが低い環境下で焼入鋼の加工等を行った場合において、少なくとも切れ刃部分が立方晶窒化硼素焼結体からなる基材を含む工具の耐摩耗性を向上させること。【解決手段】表面被覆窒化硼素焼結体工具は、少なくとも切れ刃部分が立方晶窒化硼素焼結体と立方晶窒化硼素焼結体の表面上に形成された被覆層とを含む。被覆層のＢ層は、組成の異なる２種以上の薄膜層が交互にそれぞれ１つ以上積層されてなる。薄膜層の１種であるＢ１薄膜層は、組成の異なる２種以上の化合物層が交互にそれぞれ１つ以上積層されてなり、化合物層のそれぞれの厚さは、０．５ｎｍ以上３０ｎｍ未満である。薄膜層の１種であってＢ１薄膜層とは異なるＢ２薄膜層は、３０ｎｍよりも大きく２００ｎｍ未満である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも切れ刃部分が立方晶窒化硼素焼結体と前記立方晶窒化硼素焼結体の表面上に形成された被覆層とを含む表面被覆窒化硼素焼結体工具であって、
前記立方晶窒化硼素焼結体は、立方晶窒化硼素を３０体積％以上８０体積％以下含み、元素の周期表の第４族元素、第５族元素および第６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種の化合物とアルミニウム化合物と不可避不純物とを含む結合相をさらに含み、
前記被覆層は、Ａ層とＢ層とを含み、
前記Ａ層は、ＭＬａza1（Ｍは元素の周期表の第４族元素、第５族元素および第６族元素、ＡｌならびにＳｉの１種以上を表わし、ＬａはＢ、Ｃ、ＮおよびＯの１種以上を表わし、ｚａ１は０．８５以上１．０以下である）からなり、
前記Ｂ層は、組成の異なる２種以上の薄膜層が交互にそれぞれ１つ以上積層されてなり、
前記薄膜層のそれぞれの厚さは、３０ｎｍよりも大きく２００ｎｍ未満であり、
前記薄膜層の１種であるＢ１薄膜層は、組成の異なる２種以上の化合物層が交互にそれぞれ１つ以上積層されてなり、
前記化合物層のそれぞれの厚さは、０．５ｎｍ以上３０ｎｍ未満であり、
前記化合物層の１種であるＢ１ａ化合物層は、（Ｔｉ1-xb1-yb1Ｓｉxb1Ｍ１yb1）（Ｃ1-zb1Ｎzb1）（Ｍ１はＴｉを除く元素の周期表の第４族元素、第５族元素および第６族元素ならびにＡｌの１種以上を表わし、ｘｂ１は０．０１以上０．２５以下であり、ｙｂ１は０以上０．７以下であり、ｚｂ１は０．４以上１以下である）からなり、
前記化合物層の１種であって前記Ｂ１ａ化合物層とは異なるＢ１ｂ化合物層は、（Ａｌ1-xb2Ｍ２xb2）（Ｃ1-zb2Ｎzb2）（Ｍ２は元素の周期表の第４族元素、第５族元素および第６族元素ならびにＳｉの１種以上を表わし、ｘｂ２は０．２以上０．７７以下であり、ｚｂ２は０．４以上１以下である）からなり、
前記薄膜層の１種であって前記Ｂ１薄膜層とは異なるＢ２薄膜層は、（Ａｌ1-xb3Ｍ３xb3）（Ｃ1-zb3Ｎzb3）（Ｍ３は元素の周期表の第４族元素、第５族元素および第６族元素ならびにＳｉの１種以上を表わし、ｘｂ３は０．２以上０．７７以下であり、ｚｂ３は０．４以上１以下である）からなり、
前記Ａ層の厚さは、０．２μｍ以上１０μｍ以下であり、
前記Ｂ層の厚さは、０．０６μｍ以上５μｍ以下であり、
前記被覆層全体の厚さは、０．２６μｍ以上１５μｍ以下である表面被覆窒化硼素焼結体工具。
【請求項２】
前記Ａ層は、（Ｔｉ1-xaＭａxa）（Ｃ1-za2Ｎza2）（ＭａはＴｉを除く元素の周期表の第４族元素、第５族元素および第６族元素、ＡｌならびにＳｉの１種以上を表わし、ｘａは０以上０．７以下であり、ｚａ２は０以上１以下である）からなる請求項１に記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
【請求項３】
前記Ａ層では、Ｎの組成ｚａ２が、前記立方晶窒化硼素焼結体側から当該Ａ層の表面側へ向かってステップ状または傾斜状に変化する請求項２に記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
【請求項４】
前記Ａ層は、当該Ａ層の表面側に、前記立方晶窒化硼素焼結体側よりもＣの組成の高い領域を有する請求項２または３に記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
【請求項５】
前記Ｍ２はＴｉおよびＣｒの少なくとも１つを表わし、前記Ｍ２の組成ｘｂ２は０．２５以上０．５以下である請求項１〜４のいずれか１項に記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
【請求項６】
前記Ｍ３はＴｉおよびＣｒの少なくとも１つを表わし、前記Ｍ３の組成ｘｂ３は０．２５以上０．５以下である請求項１〜５のいずれか１項に記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
【請求項７】
前記Ｍ３は前記Ｍ２と同一の元素を表わし、前記Ｍ３の組成ｘｂ３は前記Ｍ２の組成ｘｂ２と同一の値である請求項６に記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
【請求項８】
前記Ｂ１薄膜層の平均厚さｔ１と前記Ｂ２薄膜層の平均厚さｔ２との比であるｔ２／ｔ１が、０．５＜ｔ２／ｔ１≦１０．０を満たす請求項１〜７のいずれか１項に記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
【請求項９】
前記ｔ２／ｔ１は、０．７＜ｔ２／ｔ１≦５．０を満たす請求項８に記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
【請求項１０】
前記Ｂ層は、前記Ａ層よりも前記立方晶窒化硼素焼結体側に設けられており、
前記ｔ２／ｔ１は、前記立方晶窒化硼素焼結体側では１．１＜ｔ２／ｔ１≦５．０を満たし、前記Ａ層側に向かうにつれて小さくなり、前記Ａ層側では０．７＜ｔ２／ｔ１＜２を満たす請求項８または９に記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
【請求項１１】
前記Ｂ層全体におけるＳｉ組成の平均値は、０．００３以上０．１以下である請求項１〜１０のいずれか１項に記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
【請求項１２】
前記Ｂ層全体におけるＳｉ組成の平均値は、０．００５以上０．０７以下である請求項１１に記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
【請求項１３】
前記Ａ層は、前記Ｂ層よりも前記表面被覆窒化硼素焼結体工具の表面側に設けられている請求項１〜１２のいずれか１項に記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
【請求項１４】
前記被覆層は、前記Ａ層と前記Ｂ層との間に設けられたＣ層をさらに含み、
前記Ｃ層は、ＭｃＬｃzc（Ｍｃは元素の周期表の第４族元素、第５族元素および第６族元素、ＡｌならびにＳｉの１種以上を表わし、ＬｃはＢ、Ｃ、ＮおよびＯの１種以上を表わし、ｚｃは０以上０．８５以下である）からなり、
前記Ｃ層の厚さは、０．００５μｍ以上０．５μｍ以下である請求項１〜１３のいずれか１項に記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
【請求項１５】
前記Ｌｃの組成ｚｃは０よりも大きく０．７未満である請求項１４に記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
【請求項１６】
前記Ｃ層は、前記Ａ層および前記Ｂ層を構成する元素の少なくとも１種以上を含む請求項１４または１５に記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
【請求項１７】
前記被覆層は、前記立方晶窒化硼素焼結体と前記Ｂ層との間に設けられたＤ層をさらに含み、
前記Ｄ層は、ＭｄＬｄzd（Ｍｄは元素の周期表の第４族元素、第５族元素および第６族元素、ＡｌならびにＳｉの１種以上を表わし、ＬｄはＢ、Ｃ、ＮおよびＯの１種以上を表わし、ｚｄは０．８５以上１以下である）からなる請求項１〜１６のいずれか１項に記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
【請求項１８】
前記立方晶窒化硼素焼結体は、前記立方晶窒化硼素を５０体積％以上６５体積％以下含む請求項１〜１７のいずれか１項に記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
【請求項１９】
前記立方晶窒化硼素焼結体と前記被覆層との界面では、
前記立方晶窒化硼素からなる粒子が前記結合相よりも前記被覆層側に突出しており、
前記立方晶窒化硼素からなる粒子と前記結合相との段差が０．０５μｍ以上１．０μｍ以下である請求項１〜１８のいずれか１項に記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
【請求項２０】
前記立方晶窒化硼素焼結体における前記立方晶窒化硼素の体積含有率は、前記立方晶窒化硼素焼結体と前記被覆層との界面から前記立方晶窒化硼素焼結体の内部に向かって高くなる請求項１〜１９のいずれか１項に記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
【請求項２１】
前記立方晶窒化硼素焼結体に含まれる前記立方晶窒化硼素の粒径は、前記立方晶窒化硼素焼結体と前記被覆層との界面から前記立方晶窒化硼素焼結体の内部に向かって大きくなる請求項１〜２０のいずれか１項に記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも切れ刃部分が、立方晶窒化硼素焼結体と立方晶窒化硼素焼結体上に形成された被覆膜とを含む表面被覆窒化硼素焼結体工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
立方晶窒化硼素焼結体の表面をセラミックス等の被覆膜で被覆した工具は、優れた耐摩耗性を発揮するため、焼入鋼の切削加工用の切削工具として用いられている。昨今、このような切削加工においては高精度が要求されており、被削材表面の面粗度を向上させることが求められている。
【０００３】
このような要求を満たすため、たとえば国際公開第２０１０／１５０３３５号パンフレット（特許文献１）および国際公開第２０１２／００５２７５号パンフレット（特許文献２）は、立方晶窒化硼素焼結体の表面を特定のセラミックス組成の多層からなる下部層と化合物層からなる上部層とで構成される被覆膜で被覆した工具を提案している。
【０００４】
また、このような多層で被覆した工具の基材としては、立方晶窒化硼素焼結体ばかりではなく、たとえば超硬合金等も用いられている（特開２００８−１８８６８９号公報（特許文献３）および特表２００８−５３４２９７号公報（特許文献４））。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１０／１５０３３５号パンフレット
【特許文献２】国際公開第２０１２／００５２７５号パンフレット
【特許文献３】特開２００８−１８８６８９号公報
【特許文献４】特表２００８−５３４２９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
鋼加工を行なう切削工具として、超硬合金からなる基材の表面をセラミックス組成の多層により被覆した工具を用いると、耐摩耗性が向上することが知られている。しかしながら、焼入鋼の加工を行なう場合、この用途に用いられる立方晶窒化硼素焼結体を基材とする切削工具の表面を、セラミックス組成の多層により被覆しても耐摩耗性を向上させることはできなかった。また、被削材表面の面粗度のさらなる向上も要求されている。たとえば、設備剛性またはワーク剛性などが低い環境下で焼入鋼の加工等を行った場合でも、被削材表面の面粗度の向上が要求されている。
【０００７】
本発明は、このような状況に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、焼入鋼の加工等において、特に、設備剛性またはワーク剛性などが低い環境下で焼入鋼の加工等を行った場合において、少なくとも切れ刃部分が立方晶窒化硼素焼結体からなる基材を含む工具の前切れ刃部における境界摩耗を抑制し、被削材の面粗度を表面被覆窒化硼素焼結体工具の寿命判定基準とする高精度加工においても工具性能を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、上記課題を解決するために、焼入鋼の加工を行なう場合に発生する工具の摩耗の状況を詳細に検討した。その結果、通常のクレータ摩耗および逃げ面摩耗に加えて、摩耗部の一方端である前切れ刃の境界部において境界摩耗が発生することが明らかとなり、この境界摩耗が工具寿命に最も大きな影響を与えていることが判明した。特に、設備剛性またはワーク剛性などが低い環境下で焼入鋼の加工等を行うと、被削材との接触部分が微小振動するので、工具の被覆層に微小な亀裂が発生し、その結果、前切れ刃の境界部においてチッピングを伴いながら境界摩耗が進行することが判明した。
【０００９】
本発明者は、この知見に基づき検討を重ねた結果、この境界摩耗を抑制するためには特定の組成の層を特定の積層態様で積層させることが最も効果的であるとのさらなる知見が得られ、この知見に基づきさらに検討を重ねることによって本発明を完成させた。
【００１０】
本発明の表面被覆窒化硼素焼結体工具は、少なくとも切れ刃部分が立方晶窒化硼素焼結体と立方晶窒化硼素焼結体の表面上に形成された被覆層とを含む。立方晶窒化硼素焼結体は、立方晶窒化硼素を３０体積％以上８０体積％以下含み、元素の周期表の第４族元素、第５族元素および第６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種の化合物とアルミニウム化合物と不可避不純物とを含む結合相をさらに含む。被覆層は、Ａ層とＢ層とを含む。Ａ層は、ＭＬａza1（Ｍは元素の周期表の第４族元素、第５族元素および第６族元素、ＡｌならびにＳｉの１種以上を表わし、ＬａはＢ、Ｃ、ＮおよびＯの１種以上を表わし、ｚａ１は０．８５以上１．０以下である）からなる。Ｂ層は、組成の異なる２種以上の薄膜層が交互にそれぞれ１つ以上積層されてなり、薄膜層のそれぞれの厚さは、３０ｎｍよりも大きく２００ｎｍ未満である。薄膜層の１種であるＢ１薄膜層は、組成の異なる２種以上の化合物層が交互にそれぞれ１つ以上積層されてなり、化合物層のそれぞれの厚さは、０．５ｎｍ以上３０ｎｍ未満である。化合物層の１種であるＢ１ａ化合物層は、（Ｔｉ1-xb1-yb1Ｓｉxb1Ｍ１yb1）（Ｃ1-zb1Ｎzb1）（Ｍ１はＴｉを除く元素の周期表の第４族元素、第５族元素および第６族元素ならびにＡｌの１種以上を表わし、ｘｂ１は０．０１以上０．２５以下であり、ｙｂ１は０以上０．７以下であり、ｚｂ１は０．４以上１以下である）からなる。化合物層の１種であってＢ１ａ化合物層とは異なるＢ１ｂ化合物層は、（Ａｌ1-xb2Ｍ２xb2）（Ｃ1-zb2Ｎzb2）（Ｍ２は元素の周期表の第４族元素、第５族元素および第６族元素ならびにＳｉの１種以上を表わし、ｘｂ２は０．２以上０．７７以下であり、ｚｂ２は０．４以上１以下である）からなる。薄膜層の１種であってＢ１薄膜層とは異なるＢ２薄膜層は、（Ａｌ1-xb3Ｍ３xb3）（Ｃ1-zb3Ｎzb3）（Ｍ３は元素の周期表の第４族元素、第５族元素および第６族元素ならびにＳｉの１種以上を表わし、ｘｂ３は０．２以上０．７７以下であり、ｚｂ３は０．４以上１以下である）からなる。Ａ層の厚さは、０．２μｍ以上１０μｍ以下である。Ｂ層の厚さは、０．０６μｍ以上５μｍ以下である。被覆層全体の厚さは、０．２６μｍ以上１５μｍ以下である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明では、焼入鋼の加工等において、特に、設備剛性またはワーク剛性などが低い環境下で焼入鋼の加工等を行った場合において、前切れ刃部における境界摩耗を抑制し、被削材の面粗度を表面被覆窒化硼素焼結体工具の寿命判定基準とする高精度加工においても工具性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例における表面被覆窒化硼素焼結体工具の構成の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の実施例における表面被覆窒化硼素焼結体工具の要部の構成の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明についてさらに詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明では、図面を用いて説明しているが、本願の図面において同一の参照符号を付したものは、同一部分または相当部分を示している。
【００１４】
＜表面被覆窒化硼素焼結体工具の構成＞
本発明にかかる表面被覆窒化硼素焼結体工具の少なくとも切れ刃部分は、立方晶窒化硼素焼結体（以下では「ｃＢＮ焼結体」と記す。「ｃＢＮ」は「cubic Boron Nitride」の略語である。）と、ｃＢＮ焼結体の表面上に形成された被覆層とを含む。このような基本的構成を有する表面被覆窒化硼素焼結体工具は、焼結合金や難削鋳鉄の機械加工（たとえば切削加工）または焼入鋼の加工において特に有効に用いることができる他、これら以外の一般的な金属の各種加工においても好適に用いることができる。
【００１５】
＜ｃＢＮ焼結体＞
ｃＢＮ焼結体は、表面被覆窒化硼素焼結体工具の切れ刃部分のうち当該工具の基材を構成するものであり、３０体積％以上８０体積％以下の立方晶窒化硼素（以下では「ｃＢＮ」と記す）を含み、結合相をさらに含む。ここで、結合相は、元素の周期表の第４族元素、第５族元素および第６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種の化合物とアルミニウム化合物と不可避不純物とを含み、ｃＢＮ同士を互いに結合する。ｃＢＮ焼結体が３０体積％以上のｃＢＮを含んでいれば、表面被覆窒化硼素焼結体工具の基材の耐摩耗性の低下を防止できる。また、ｃＢＮ焼結体が８０体積％以下のｃＢＮを含んでいれば、ｃＢＮ焼結体においてｃＢＮを分散させることができるので、結合相によるｃＢＮ同士の接合強度を確保することができる。本明細書では、ｃＢＮの含有体積率は次に示す方法にしたがって求められたものである。ｃＢＮ焼結体を鏡面研磨し、任意の領域のｃＢＮ焼結体組織の反射電子像を電子顕微鏡にて２０００倍で写真撮影する。このとき、ｃＢＮからなる粒子（以下では「ｃＢＮ粒子」と記す。）は黒色領域となり、結合相は灰色領域または白色領域となる。撮影されたｃＢＮ焼結体組織の写真からｃＢＮ焼結体領域と結合相領域とを画像処理により２値化し、ｃＢＮ粒子の占有面積を求める。求められたｃＢＮ粒子の占有面積を以下に示す式に代入すれば、ｃＢＮの含有体積率が求まる。
（ｃＢＮの含有体積率）＝（ｃＢＮ粒子の占有面積）÷（撮影されたｃＢＮ焼結体組織の面積）×１００。
【００１６】
好ましくは、ｃＢＮ焼結体が５０体積％以上６５体積％以下のｃＢＮを含むことである。ｃＢＮ焼結体が５０体積％以上のｃＢＮを含んでいれば、耐摩耗性と耐欠損性とのバランスに優れた表面被覆窒化硼素焼結体工具の基材を提供することができる。また、ｃＢＮ焼結体が６５体積％以下のｃＢＮを含んでいれば、結合相によるｃＢＮ同士の接合強度を高めることができる。
【００１７】
好ましくは、ｃＢＮ焼結体と被覆層との界面では、ｃＢＮ粒子が結合相よりも被覆層側に突出していることである。これにより、ｃＢＮ焼結体と被覆層との密着性を高めることができる。より好ましくは、ｃＢＮ粒子と結合相との段差が０．０５μｍ以上１．０μｍ以下であることである。この段差が０．０５μｍ以上であれば、アンカー効果を得ることができる。また、この段差が１．０μｍ以下であれば、ｃＢＮ粒子がｃＢＮ焼結体から脱落することを防止できる。さらに好ましくは、ｃＢＮ粒子と結合相との段差が０．１μｍ以上０．５μｍ以下であることである。この段差が０．１μｍ以上であれば、アンカー効果を有効に得ることができる。また、この段差が０．５μｍ以下であれば、ｃＢＮ粒子がｃＢＮ焼結体から脱落することをさらに防止できる。本明細書では、上記段差は、後述する被覆層の全体の厚さなどの測定方法と同一の方法にしたがって測定されたものである。
【００１８】
好ましくは、ｃＢＮ焼結体におけるｃＢＮの体積含有率は、ｃＢＮ焼結体と被覆層との界面からｃＢＮ焼結体の内側へ向かうにつれて高くなることである。これにより、ｃＢＮ焼結体と被覆層との界面では、結合相の体積含有率がｃＢＮの体積含有率よりも高いので、ｃＢＮ焼結体と被覆層との密着性を高めることができる。一方、ｃＢＮ焼結体の内部では、ｃＢＮの体積含有率の方が結合相の体積含有率よりも高いので、ｃＢＮ焼結体の耐欠損性を向上させることができる。たとえば、ｃＢＮの体積含有率は、被覆層との界面側（ｃＢＮ焼結体と被覆層との界面からｃＢＮ焼結体の内側へ向かって０μｍ以上２０μｍ以下離れた領域）では４０体積％であり、ｃＢＮ焼結体の厚さ方向中央付近（ｃＢＮ焼結体と被覆層との界面からｃＢＮ焼結体の内側へ向かって２０μｍを超えて１００μｍ以下離れた領域）では６０体積％である。
【００１９】
好ましくは、ｃＢＮ焼結体に含まれるｃＢＮ粒子の粒径は、ｃＢＮ焼結体と被覆層との界面からｃＢＮ焼結体の内側へ向かうにつれて大きくなることである。これにより、ｃＢＮ焼結体と被覆層との界面では、ｃＢＮ粒子の粒径は小さいので、ｃＢＮ焼結体と被覆層との密着性を高めることができる。一方、ｃＢＮ焼結体の内部では、ｃＢＮ粒子の粒径は大きいので、靱性を高めることができる。たとえば、ｃＢＮ粒子の粒径は、ｃＢＮ焼結体と被覆層との界面からｃＢＮ焼結体の内側へ向かって０μｍ以上２０μｍ以下離れた領域では０．１μｍ以上１μｍ以下であり、ｃＢＮ焼結体と被覆層との界面からｃＢＮ焼結体の内側へ向かって２０μｍを超えて３００μｍ以下離れた領域では２μｍ以上１０μｍ以下である。本明細書では、ｃＢＮ粒子の粒径は次に示す方法にしたがって求められたものである。ｃＢＮの含有体積率を求めるさいに得られたｃＢＮ焼結体組織の反射電子像におけるｃＢＮ粒子に外接する面の直径を測定し、測定された直径をｃＢＮ粒子の粒径としている。
【００２０】
なお、ｃＢＮ焼結体は、表面被覆窒化硼素焼結体工具の切れ刃部分に設けられていればよい。そのため、表面被覆窒化硼素焼結体工具の基材は、ｃＢＮ焼結体からなる切れ刃部分と、ｃＢＮ焼結体とは異なる材料（たとえば超硬合金）からなる基材本体とを含んでいてもよい。この場合、ｃＢＮ焼結体からなる切れ刃部分はロウ材等を介して基材本体に接着されていることが好ましく、ロウ材の材料としては、接合強度または融点を考慮して選定することができる。また、ｃＢＮ焼結体は、表面被覆窒化硼素焼結体工具の基材全体を構成していてもよい。
【００２１】
＜被覆層＞
被覆層は、Ａ層とＢ層とを含む。本発明の被覆層は、Ａ層とＢ層とを含む限り、Ａ層およびＢ層以外に他の層を含んでいても差し支えない。このような他の層としては、たとえば後述のようなＡ層とＢ層との間に設けられるＣ層または最下層であるＤ層などを挙げることができるが、これらのみに限られるものではない。
【００２２】
被覆層の厚さは、０．２６μｍ以上１５μｍ以下である。被覆層の厚さが０．２６μｍ以上であれば、被覆層の厚さが薄いことに起因する表面被覆窒化硼素焼結体工具の耐摩耗性の低下を防止することができる。被覆層の厚さが１５μｍ以下であれば、切削初期における被覆層の耐チッピング性を高めることができる。好ましくは、被覆層の厚さが１．０μｍ以上４．０μｍ以下である。
【００２３】
本明細書では、被覆層の全体の厚さおよび後述の各層の厚さならびに積層数は、いずれも表面被覆窒化硼素焼結体工具を切断し、その断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）またはＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）を用いて観察することにより求められたものである。また、被覆層を構成する後述のような各層の組成は、ＳＥＭまたはＴＥＭ付帯のＥＤＸ分析器（エネルギー分散型Ｘ線分析器）を用いて測定されたものである。
【００２４】
被覆層は、表面被覆窒化硼素焼結体工具の切れ刃部分にのみ設けられていればよいが、表面被覆窒化硼素焼結体工具の基材の表面全面を被覆していてもよいし、切れ刃部分とは異なる部分の一部において設けられていなくてもよい。また、切れ刃部分とは異なる部分では、被覆層の一部の積層構成が部分的に異なっていてもよい。
【００２５】
＜Ａ層＞
Ａ層は、ＭＬａza1（Ｍは元素の周期表の第４族元素、第５族元素および第６族元素、ＡｌならびにＳｉの１種以上を表わし、ＬａはＢ、Ｃ、ＮおよびＯの１種以上を表わし、ｚａ１は０．８５以上１．０以下である）からなる。これにより、Ａ層は、滑らかに摩耗する。別の言い方をすると、Ａ層は、剥離、割れ、または、チッピングなどを伴うことなく摩耗する。よって、表面被覆窒化硼素焼結体工具の耐クレータ摩耗性または耐逃げ面摩耗性などを高めることができる。
【００２６】
好ましくは、Ａ層は、（Ｔｉ1-xaＭａxa）（Ｃ1-za2Ｎza2）（ＭａはＴｉを除く元素の周期表の第４族元素、第５族元素および第６族元素、ＡｌならびにＳｉの１種以上を表わし、ｘａは０以上０．７以下であり、ｚａ２は０以上１以下である）からなることである。Ａ層がＴｉを含んでいれば、摩耗時におけるＡ層の剥離、割れ、または、チッピングなどをさらに防止することができる。より好ましくは、Ｍａの組成ｘａが０以上０．３以下であることである。これにより、摩耗時におけるＡ層の剥離、割れ、または、チッピングなどをさらに防止することができる。なお、Ａ層が（Ｔｉ1-xa(1)-xa(2)Ｍａ（１）xa(1)Ｍａ（２）xa(2)）（Ｃ1-za2Ｎza2）からなる場合には、ｘａ（１）とｘａ（２）との和が上記範囲を満たしていることが好ましい。このことは、以下に示すＢ層、Ｃ層およびＤ層においても言える。
【００２７】
好ましくは、Ａ層では、Ｎの組成は、ｃＢＮ焼結体側から当該Ａ層の表面側へ向かってステップ状または傾斜状に変化することである。たとえばＡ層のｃＢＮ焼結体側においてＮの組成が大きければ、耐欠損性および耐剥離性を高めることができる。また、Ａ層の表面側においてＮの組成が小さければ、摩耗時におけるＡ層の剥離、割れ、または、チッピングなどをさらに防止することができる。ここで、「Ｎの組成がｃＢＮ焼結体側からＡ層の表面側へ向かってステップ状に変化する」とは、Ｎの組成がｃＢＮ焼結体側からＡ層の表面側へ向かって不連続に減少または増加することを意味し、たとえばＮの組成が互いに異なる２以上の層を積層することにより得られる構成である。また、「Ｎの組成がｃＢＮ焼結体側からＡ層の表面側へ向かって傾斜状に変化する」とは、Ｎの組成がｃＢＮ焼結体側からＡ層の表面側へ向かって連続に減少または増加することを意味し、たとえばＮの原料ガスとＣの原料ガスとの流量比を連続的に変化させて形成することにより得られる構成である。
【００２８】
好ましくは、Ａ層は、当該Ａ層の表面側に、ｃＢＮ焼結体側よりもＣの組成の高い領域を有することである。これによっても、Ａ層のｃＢＮ焼結体側では耐欠損性および耐剥離性を高めることができ、Ａ層の表面側では摩耗時におけるＡ層の剥離、割れ、または、チッピングなどをさらに防止することができる。ここで、Ａ層のｃＢＮ焼結体側とは、ｃＢＮ焼結体の最も近くに位置するＡ層の面からＡ層の内部へ向かって０μｍ以上Ａ層の厚さの１／２倍以下離れた領域、および、ｃＢＮ焼結体の最も近くに位置するＡ層の面からＡ層の内部へ向かって０μｍ以上０．１μｍ以下離れた領域のうち狭い方を意味する。また、Ａ層の表面側とは、Ａ層のｃＢＮ焼結体側とは反対側を意味し、Ａ層のｃＢＮ焼結体側とは異なる部分を意味する。
【００２９】
Ａ層の厚さは、０．２μｍ以上１０μｍ以下である。Ａ層の厚さが０．２μｍ以上であれば、耐クレータ摩耗性または耐逃げ面摩耗性などに優れた表面被覆窒化硼素焼結体工具を提供することができる。一方、Ａ層の厚さが１０μｍを超えると、表面被覆窒化硼素焼結体工具の耐クレータ摩耗性または耐逃げ面摩耗性などをさらに向上させることが難しいことがある。
【００３０】
好ましくは、Ａ層がＢ層よりも表面被覆窒化硼素焼結体工具の表面側に設けられていることである。これにより、Ａ層が滑らかに摩耗してクラックの発生を防止することができる。また、クラックが発生した場合であっても、Ｂ層が、発生したクラックの基材側への伝搬を防止することができる。
【００３１】
＜Ｂ層＞
Ｂ層は、組成の異なる２種以上の薄膜層が交互にそれぞれ１つ以上積層されてなる。以下では、Ｂ層として、Ｂ１薄膜層とＢ２薄膜層とが交互にそれぞれ１つ以上積層されて構成されたものを挙げるが、本発明のＢ層は、Ｂ１薄膜層とＢ２薄膜層とを含む限り、Ｂ１薄膜層およびＢ２薄膜層以外に他の層を含んでいても差し支えない。Ｂ層の厚さは、０．０６μｍ以上５μｍ以下である。
【００３２】
好ましくは、Ｂ層全体におけるＳｉ組成の平均値が０．００３以上０．１以下であることである。これにより、Ｂ層の耐剥離性を高めることができるので、酸素がＢ層とＡ層または基材との界面に侵入することを防止することができる。Ｂ層全体におけるＳｉ組成の平均値は、より好ましくは０．００５以上０．０７以下であり、さらに好ましくは０．００７以上０．０５以下である。本明細書では、Ｂ層全体におけるＳｉ組成の平均値は、次の計算式を用いて求められたものである。
（Ｂ層全体におけるＳｉ組成の平均値）＝｛（Ｂ層を構成する各層のＳｉ組成）×（当該各層の厚さ）の総和｝÷（Ｂ層全体の厚さ）。
【００３３】
Ｂ１薄膜層は、組成の異なる２種以上の化合物層が交互にそれぞれ１つ以上積層されてなる。以下では、Ｂ１薄膜層として、Ｂ１ａ化合物層とＢ１ｂ化合物層とが交互にそれぞれ１つ以上積層されて構成されたものを挙げるが、本発明のＢ１薄膜層は、Ｂ１ａ化合物層とＢ１ｂ化合物層とを含む限り、Ｂ１ａ化合物層およびＢ１ｂ化合物層以外に他の層を含んでいても差し支えない。Ｂ１薄膜層の厚さは、３０ｎｍよりも大きく２００ｎｍ未満である。
【００３４】
Ｂ１ａ化合物層は、（Ｔｉ1-xb1-yb1Ｓｉxb1Ｍ１yb1）（Ｃ1-zb1Ｎzb1）（Ｍ１はＴｉを除く元素の周期表の第４族元素、第５族元素および第６族元素ならびにＡｌの１種以上を表わし、ｘｂ１は０．０１以上０．２５以下であり、ｙｂ１は０以上０．７以下であり、ｚｂ１は０．４以上１以下である）からなる。Ｂ１ａ化合物層の厚さは、０．５ｎｍ以上３０ｎｍ未満である。
【００３５】
Ｂ１ｂ化合物層は、（Ａｌ1-xb2Ｍ２xb2）（Ｃ1-zb2Ｎzb2）（Ｍ２は元素の周期表の第４族元素、第５族元素および第６族元素ならびにＳｉの１種以上を表わし、ｘｂ２は０．２以上０．７７以下であり、ｚｂ２は０．４以上１以下である）からなる。Ｍ２は、ＴｉおよびＣｒの少なくとも１つを表わすことが好ましい。Ｍ２の組成ｘｂ２は、好ましくは０．２５以上０．５以下であり、より好ましくは０．２５以上０．４以下である。Ｂ１ｂ化合物層の厚さは、０．５ｎｍ以上３０ｎｍ未満である。
【００３６】
Ｂ２薄膜層は、（Ａｌ1-xb3Ｍ３xb3）（Ｃ1-zb3Ｎzb3）（Ｍ３は元素の周期表の第４族元素、第５族元素および第６族元素ならびにＳｉの１種以上を表わし、ｘｂ３は０．２以上０．７７以下であり、ｚｂ３は０．４以上１以下である）からなる。Ｍ３は、好ましくはＴｉおよびＣｒの少なくとも１つを表わし、より好ましくはＭ２と同じ元素を表わす。Ｍ３の組成ｘｂ３は、好ましくは０．２５以上０．５以下であり、より好ましくは０．２５以上０．４以下であり、さらに好ましくはＭ２の組成ｘｂ２と同一の値である。Ｂ２薄膜層の厚さは、３０ｎｍよりも大きく２００ｎｍ未満である。
【００３７】
好ましくは、Ｂ１薄膜層の平均厚さｔ１とＢ２薄膜層の平均厚さｔ２との比であるｔ２／ｔ１が０．５＜ｔ２／ｔ１≦１０．０を満たすことである。これにより、表面被覆窒化硼素焼結体工具の耐境界摩耗性など（たとえば、設備剛性またはワーク剛性などが低い環境下で焼入鋼の加工等を行った場合に表面被覆窒化硼素焼結体工具の耐境界摩耗性など）をより向上させることができる。本明細書では、Ｂ１薄膜層の平均厚さｔ１は、次の計算式を用いて求められたものである。Ｂ２薄膜層の平均厚さｔ２も同様である。
（Ｂ１薄膜層の平均厚さｔ１）＝（Ｂ１薄膜層の厚さの合計）÷（Ｂ１薄膜層の層数）。
【００３８】
より好ましくは、ｔ２／ｔ１が０．７＜ｔ２／ｔ１≦５．０を満たすことである。これにより、表面被覆窒化硼素焼結体工具の耐境界摩耗性など（たとえば、設備剛性またはワーク剛性などが低い環境下で焼入鋼の加工等を行った場合に表面被覆窒化硼素焼結体工具の耐境界摩耗性など）をより向上させることができる。よって、繰り返される衝撃または振動などに対して優れた耐摩耗性を有する表面被覆窒化硼素焼結体工具を提供することができる。さらに好ましくは、ｔ２／ｔ１が１．１＜ｔ２／ｔ１≦４．５を満たすことである。
【００３９】
さらに好ましくは、Ａ層がＢ層よりも表面側に設けられている場合には、ｔ２／ｔ１は、ｃＢＮ焼結体側では１．１＜ｔ２／ｔ１≦５．０を満たし、Ａ層側に向かうにつれて小さくなり、Ａ層側では０．７＜ｔ２／ｔ１＜２を満たすことである。これにより、Ｂ層のＡ層側では、クラックの発生を防止することができ、Ｂ層のｃＢＮ焼結体側では、クラックがｃＢＮ焼結体側へ伝搬することを防止することができる。ここで、Ｂ層のＡ層側とは、Ａ層の最も近くに位置するＢ１薄膜層およびＢ２薄膜層を意味する。また、Ｂ層のｃＢＮ焼結体側とは、ｃＢＮ焼結体の最も近くに位置するＢ１薄膜層およびＢ２薄膜層を意味する。
【００４０】
＜Ｃ層＞
好ましくは、被覆層がＡ層とＢ層との間に設けられたＣ層をさらに含むことであり、Ｃ層がＭｃＬｃzc（Ｍｃは元素の周期表の第４族元素、第５族元素および第６族元素、ＡｌならびにＳｉの１種以上を表わし、ＬｃはＢ、Ｃ、ＮおよびＯの１種以上を表わし、ｚｃは０以上０．８５以下である）からなることである。これにより、Ａ層とＢ層との密着性を高めることができる。また、Ａ層がＢ層よりも表面側に設けられている場合には、Ａ層で発生したクラックの基材側への伝搬をＣ層で止めることができる。
【００４１】
より好ましくは、Ｃ層の厚さが０．００５μｍ以上０．５μｍ以下であることである。Ｃ層の厚さが０．００５μｍ以上であれば、Ｃ層を設けたことにより得られる効果を十分に得ることができる。Ｃ層の厚さが０．５μｍ以下であれば、Ｃ層を設けたことにより被覆層の厚さが大きくなりすぎることを防止することができる。さらに好ましくは、Ｃ層の厚さが０．０１μｍ以上０．２μｍ以下であることである。
【００４２】
より好ましくは、Ｌｃの組成ｚｃが０よりも大きく０．７未満であることである。Ｌｃの組成ｚｃが０よりも大きければ、Ｃ層の耐熱性および化学的な耐摩耗性を高めることができるので、Ａ層で発生したクラックの基材側への伝搬をＣ層で有効に止めることができる。さらに好ましくは、Ｌｃの組成ｚｃが０．２以上０．５以下であることである。
【００４３】
より好ましくは、Ｃ層は、Ａ層およびＢ層を構成する元素の少なくとも１種以上を含むことである。Ｃ層がＡ層を構成する元素の少なくとも１種以上を含むのであれば、Ａ層とＣ層との密着性を高めることができる。Ｃ層がＢ層を構成する元素の少なくとも１種以上を含むのであれば、Ｂ層とＣ層との密着性を高めることができる。さらに好ましくは、Ｃ層は、Ａ層およびＢ層のそれぞれのうちＣ層側に位置する部分を構成する元素の少なくとも１種以上を含むことである。
【００４４】
＜Ｄ層＞
好ましくは、被覆層が基材とＢ層との間に設けられたＤ層をさらに含むことであり、Ｄ層がＭｄＬｄzd（Ｍｄは元素の周期表の第４族元素、第５族元素および第６族元素、ＡｌならびにＳｉの１種以上を表わし、ＬｄはＢ、Ｃ、ＮおよびＯの１種以上を表わし、ｚｄは０．８５以上１．０以下である）からなることである。このようなＤ層はｃＢＮ焼結体との密着性に優れる。よって、被覆層がＤ層をさらに含むのであれば、ｃＢＮ焼結体と被覆層との密着性を高めることができる。より好ましくは、ＬｄがＮであることである。
【００４５】
より好ましくは、Ｄ層が（Ａｌ1-xdＭｄ２xd）Ｌｄzd（Ｍｄ２は、元素の周期表の第４族元素、第５族元素および第６族元素ならびにＳｉの１種以上を表わし、ｘｄは０．２５以上０．４５以下である）からなることである。Ｄ層がＡｌを含んでいれば、ＢＮ焼結体と被覆層との密着性をより高めることができる。さらに好ましくは、Ｍｄ２がＴｉ、ＣｒおよびＶの少なくとも１種以上であることである。
【００４６】
より好ましくは、Ｄ層の厚さが０．０５μｍ以上１μｍ以下である。Ｄ層の厚さが０．０５μｍ以上であれば、Ｄ層を設けたことにより得られる効果を十分に得ることができる。Ｄ層の厚さが１μｍ以下であれば、Ｄ層を設けたことにより被覆層の厚さが大きくなりすぎることを防止することができる。さらに好ましくは、Ｄ層の厚さが０．１μｍ以上０．５μｍ以下であることである。
【００４７】
＜表面被覆窒化硼素焼結体工具の製造方法＞
本発明にかかる表面被覆窒化硼素焼結体工具の製造方法は、たとえば、ｃＢＮ焼結体を少なくとも切れ刃部分に有する基材を準備する工程と、少なくともｃＢＮ焼結体上に被覆層を形成する工程とを含む。基材を準備する工程は、ｃＢＮ焼結体を形成する工程を含むことが好ましく、ｃＢＮ焼結体を形成する工程は、ｃＢＮ粒子と結合相の原料粉末との混合物を高温高圧下で焼結させる工程を含むことが好ましい。基材を準備する方法は、所定の形状を有する基材本体にｃＢＮ焼結体を接合させる工程をさらに含むことがより好ましい。
【００４８】
被覆層を形成する工程は、アークイオンプレーティング法（真空アーク放電を利用して固体材料を蒸発させるイオンプレーティング法）またはスパッタ法により被覆層を形成する工程を含むことが好ましい。アークイオンプレーティング法では、被覆層を構成することになる金属種を含む金属蒸発源とＣＨ4、Ｎ2またはＯ2などの反応ガスとを用いて、被覆層を形成することができる。被覆層を形成する条件としては、公知の条件を採用することができる。また、スパッタ法では、被覆層を構成することになる金属種を含む金属蒸発源とＣＨ4、Ｎ2またはＯ2などの反応ガスとＡｒ、ＫｒまたはＸｅなどのスバッタガスとを用いて、被覆層を形成することができる。被覆層を形成する条件としては、公知の条件を採用することができる。
【実施例】
【００４９】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００５０】
＜表面被覆窒化硼素焼結体工具の製造＞
図１は、実施例における表面被覆窒化硼素焼結体工具の構成の一例を示す断面図である。図２は、実施例における表面被覆窒化硼素焼結体工具の要部の構成の一例を示す断面図である。
【００５１】
＜試料１の製造＞
＜ｃＢＮ焼結体Ａの形成＞
まず、原子比でＴｉ：Ｎ＝１：０．６となるように、平均粒子径が１μｍのＴｉＮ粉末と平均粒子径が３μｍのＴｉ粉末とを混合した。得られた混合物を真空中で１２００℃で３０分間、熱処理してから、粉砕した。これにより、ＴｉＮ0.6からなる金属間化合物粉末を得た。
【００５２】
次に、質量比でＴｉＮ0.6：Ａｌ＝９０：１０となるように、ＴｉＮ0.6からなる金属間化合物粉末と平均粒子径が４μｍのＡｌ粉末とを混合した。得られた混合物を真空中で１０００℃で３０分間、熱処理した。熱処理により得られた化合物を、直径が６ｍｍの超硬合金製ボールメディアを用いて、ボールミル粉砕法により均一に粉砕した。これにより、結合相の原料粉末を得た。
【００５３】
続いて、ｃＢＮ焼結体におけるｃＢＮの含有率が３０体積％となるように平均粒径が１．５μｍのｃＢＮ粒子と結合相の原料粉末とを配合し、直径が３ｍｍの窒化硼素製ボールメディアを用いてボールミル混合法により均一に混合した。得られた混合粉末を超硬合金製支持板に積層してからＭｏ製カプセルに充填した。そののち、超高圧装置を用いて、圧力５．５ＧＰａで温度１３００℃で３０分間焼結した。これにより、ｃＢＮ焼結体Ａを得た。
【００５４】
＜基材の形成＞
形状がＩＳＯ規格のＣＮＧＡ１２０４８であり、超硬合金材料（Ｋ１０相当）からなる基材本体を準備した。準備した基材本体の刃先（コーナ部分）に上記ｃＢＮ焼結体Ａ（形状：頂角が８０°であり当該頂角を挟む両辺がそれぞれ２ｍｍである二等辺三角形を底面とし、厚さが２ｍｍの三角柱状のもの）を接合した。接合には、Ｔｉ−Ｚｒ−Ｃｕからなる口ウ材を用いた。接合体の外周面、上面および下面を研削し、刃先にネガランド形状（ネガランド幅が１５０μｍであり、ネガランド角が２５°）を形成した。このようにして、切れ刃部分がｃＢＮ焼結体Ａからなる基材３を得た。
【００５５】
得られた基材３を成膜装置内に入れて真空引きを行ない、５００℃に加熱してからＡｒイオンによりエッチングを行なった。そののち、成膜装置内からＡｒガスを排気した。
【００５６】
＜被覆層の形成＞
＜Ｄ層の形成＞
上記成膜装置内でＤ層２０を基材３上に形成した。具体的には、以下に示す条件で、厚さが０．２μｍであるＤ層を蒸着により形成した。
ターゲット：Ａｌを６５原子％、Ｃｒを３５原子％含む
導入ガス：Ｎ2
成膜圧力：４Ｐａ
アーク放電電流：１２０Ａ
基板バイアス電圧：−５０Ｖ
テーブル回転速度：３ｒｐｍ。
【００５７】
＜Ｂ層の形成＞
上記成膜装置内でＢ層３０をＤ層２０上に形成した。具体的には、まず、以下に示す条件で、全体の厚さが５０ｎｍであるＢ１薄膜層３１を蒸着により形成した。このとき、Ｂ１ａ化合物層３１Ａの厚さが４ｎｍとなるように、且つ、Ｂ１ｂ化合物層３１Ｂの厚さが６ｎｍとなるように、ターゲットＢ１ａ、Ｂ１ｂのアーク電流と基材をセットした回転テーブルの回転速度とを調整した。
ターゲットＢ１ａ：Ｔｉを９０原子％、Ｓｉを３原子％、Ｃｒを７原子％含む
ターゲットＢ１ｂ：Ａｌを６５原子％、Ｃｒを３５原子％含む
導入ガス：Ｎ2
成膜圧力：３Ｐａ
基板バイアス電圧：−５０Ｖ。
【００５８】
次に、以下に示す条件で、全体の厚さが１２０ｎｍであるＢ２薄膜層３２を蒸着により形成した。
ターゲットＢ２：Ａｌを６５原子％、Ｃｒを３５原子％含む
導入ガス：Ｎ2
成膜圧力：３Ｐａ
アーク放電電流：１２０Ａ
基板バイアス電圧：−７５Ｖ
テーブル回転速度：３ｒｐｍ。
【００５９】
そして、Ｂ１薄膜層３１とＢ２薄膜層３２とを交互に積層し、それぞれを６層ずつ形成した。このようにして、全体の厚さが１．０２μｍであるＢ層３０を形成した。
【００６０】
＜Ｃ層の形成＞
上記成膜装置内でＣ層４０をＢ層３０上に形成した。具体的には、以下に示す条件で、厚さが０．２μｍであるＣ層４０を蒸着により形成した。
ターゲット：Ｔｉ
導入ガス：Ａｒ
成膜圧力：２Ｐａ
アーク放電電流：１５０Ａ
基板バイアス電圧：−７０Ｖ
テーブル回転速度：３ｒｐｍ。
【００６１】
＜Ａ層の形成＞
上記成膜装置内でＡ層５０をＣ層４０上に形成した。具体的には、以下に示す条件で、厚さが０．１μｍであるＡ層を蒸着により形成した。
ターゲット：Ｔｉ５０原子％、Ａｌ５０原子％を含む。
導入ガス：Ｎ2
成膜圧力：４Ｐａ
アーク放電電流：１２０Ａ
基板バイアス電圧：−６００Ｖ
テーブル回転速度：３ｒｐｍ。
【００６２】
このようにして、基材３の上には、Ｄ層２０とＢ層３０とＣ層４０とＡ層５０とが順に積層されてなる被覆層１０が形成され、よって、試料１が製造された。
【００６３】
＜試料２〜７の製造＞
Ａ層の厚さを表１に示す数値となるように変更したことを除いては上記試料１の製造方法にしたがって、試料２〜７を製造した。
【００６４】
＜試料８の製造＞
ｃＢＮ焼結体におけるｃＢＮの含有率が表３に示す数値となるようにｃＢＮ粒子と結合相の原料粉末とを配合したことを除いては上記ｃＢＮ焼結体Ａの形成方法にしたがって、ｃＢＮ焼結体Ｄを得た。得られたｃＢＮ焼結体Ｄを用いて、上記試料１の基材の製造方法にしたがって、試料８の基材を形成した。
【００６５】
次に、上記試料１の製造方法にしたがって、Ｄ層およびＢ層を順に形成した。そののち、Ｃ層を形成することなくＡ層を形成した。具体的には、Ａ層の形成開始時からＡ層の厚さが１μｍとなるまでの間は、Ｎ2のみを導入して成膜圧力を２Ｐａとした。そののち、ＣＨ4を徐々に増やしながらＮ2を徐々に減らして、Ａ層をさらに１μｍ形成した。このとき、組成がＴｉＣ0.5Ｎ0.5となるまで、ＣＨ4を徐々に増やしながらＮ2を徐々に減らした。そののち、ＣＨ4およびＮ2のそれぞれの供給量を変更することなくＡ層をさらに０．５μｍ形成した。このようにして試料８を製造した。
【００６６】
なお、試料８を製造するさい、表１〜表２に示す組成からなる層が得られるように、ターゲットを調製し、導入ガスの種類およびその供給量を調整した。導入ガスとしては、Ａｒ、Ｎ2またはＣＨ4などを適宜用いた。成膜圧力を０．１Ｐａ〜７Ｐａの範囲内で適宜、調整し、アーク放電電流を６０Ａ〜２００Ａの範囲内で適宜、調整し、基板バイアス電圧を−２５Ｖ〜−７００Ｖの範囲内で適宜、調整した。以下に示す試料９〜５６においても同様とした。
【００６７】
＜試料９〜１３の製造＞
ＴｉＮ0.5からなるＣ層を形成したことを除いては上記試料８の製造方法にしたがって、試料９〜１３を製造した。
【００６８】
＜試料１４〜１９の製造＞
ｃＢＮ焼結体におけるｃＢＮの含有率が表３に示す数値となるようにｃＢＮ粒子と結合相の原料粉末とを配合したことを除いては上記ｃＢＮ焼結体Ａの形成方法にしたがって、ｃＢＮ焼結体Ｃを得た。得られたｃＢＮ焼結体Ｃを用いて、上記試料１の基材の製造方法にしたがって、試料１４〜１９の基材を形成した。
【００６９】
次に、上記試料１の製造方法にしたがってＤ層およびＢ層を順に形成してから、Ｃ層を形成することなく上記試料８の製造方法にしたがってＡ層を形成した。このようにして試料１４〜１９を製造した。
【００７０】
＜試料２０〜２５の製造＞
ｃＢＮ焼結体におけるｃＢＮの含有率が表３に示す数値となるようにｃＢＮ粒子と結合相の原料粉末とを配合したことを除いては上記ｃＢＮ焼結体Ａの形成方法にしたがって、ｃＢＮ焼結体Ｂを得た。得られたｃＢＮ焼結体Ｂを用いて、上記試料１の基材の製造方法にしたがって、試料２０〜２５の基材を形成した。
【００７１】
次に、上記試料１の製造方法にしたがって、Ｄ層、Ｂ層、Ｃ層およびＡ層を順に形成した。これにより、試料２０〜２５を製造した。
【００７２】
＜試料２６〜３０の製造＞
ｃＢＮ焼結体におけるｃＢＮの含有率が表３に示す数値となるようにｃＢＮ粒子と結合相の原料粉末とを配合したことを除いては上記ｃＢＮ焼結体Ａの形成方法にしたがって、ｃＢＮ焼結体Ｅを得た。得られたｃＢＮ焼結体Ｅを用いて、上記試料１の基材の製造方法にしたがって、試料２６の基材を形成した。
【００７３】
次に、上記試料１の製造方法にしたがって、Ｄ層、Ｂ層およびＡ層を順に形成した。これにより、試料２６〜３０を製造した。
【００７４】
＜試料３１〜３５の製造＞
平均粒径が０．５μｍのｃＢＮ粒子と結合相の原料粉末とを配合したことを除いては上記ｃＢＮ焼結体Ｄの形成方法にしたがって、ｃＢＮ焼結体Ｆを得た。得られたｃＢＮ焼結体Ｆを用いて、上記試料１の基材の製造方法にしたがって、試料３１〜３５の基材を形成した。
【００７５】
次に、上記試料１の製造方法にしたがって、Ｄ層、Ｂ層およびＡ層を順に形成した。これにより、試料３１〜３５を製造した。
【００７６】
＜試料３６〜４０の製造＞
平均粒径が３μｍのｃＢＮ粒子と結合相の原料粉末とを配合したことを除いては上記ｃＢＮ焼結体Ｄの形成方法にしたがって、ｃＢＮ焼結体Ｇを得た。得られたｃＢＮ焼結体Ｇを用いて、上記試料１の基材の製造方法にしたがって、試料３６〜４０の基材を形成した。
【００７７】
次に、上記試料１、８の製造方法にしたがって、Ｄ層、Ｂ層、Ｃ層およびＡ層を順に形成した。これにより、試料３６〜４０を製造した。
【００７８】
＜試料４１〜４５の製造＞
まず、原子比でＴｉ：Ｃ：Ｎ＝１：０．３：０．３となるように、平均粒子径が１μｍのＴｉＣＮ粉末と平均粒子径が３μｍのＴｉ粉末とを混合した。得られた混合物を真空中で１２００℃で３０分間、熱処理してから、粉砕した。これにより、ＴｉＣ0.3Ｎ0.3からなる金属間化合物粉末を得た。
【００７９】
次に、質量比でＴｉＣ0.3Ｎ0.3：Ａｌ＝９０：１０となるように、ＴｉＣ0.3Ｎ0.3からなる金属間化合物粉末と平均粒子径が４μｍのＡｌ粉末とを混合した。得られた混合物を真空中で１０００℃で３０分間、熱処理した。熱処理により得られた化合物を、直径が６ｍｍの超硬合金製ボールメディアを用いて、ボールミル粉砕法により均一に粉砕した。これにより、結合相の原料粉末を得た。そののちは、上記ｃＢＮ焼結体Ｄの形成方法にしたがって、ｃＢＮ焼結体Ｈを得た。得られたｃＢＮ焼結体Ｈを用いて、上記試料１の基材の製造方法にしたがって、試料４１〜４５の基材を形成した。
【００８０】
次に、上記試料１、８の製造方法にしたがって、Ｄ層、Ｂ層、Ｃ層およびＡ層を順に形成した。これにより、試料４１〜４５を製造した。
【００８１】
＜試料４６〜５３の製造＞
表１に示すｃＢＮ焼結体を用いて、上記試料１の基材の製造方法にしたがって、試料４６〜５３の基材を形成した。次に、上記試料１、８の製造方法にしたがって、Ｄ層、Ｂ層およびＡ層を順に形成した。これにより、試料４６〜５３を製造した。
【００８２】
＜試料５４の製造＞
まず、原子比でＴｉ：Ｃ＝１：０．６となるように、平均粒子径が１μｍのＴｉＣ粉末と平均粒子径が３μｍのＴｉ粉末とを混合した。得られた混合物を真空中で１２００℃で３０分間、熱処理してから、粉砕した。これにより、ＴｉＣ0.6からなる金属間化合物粉末を得た。
【００８３】
次に、質量比でＴｉＣ0.6：Ａｌ＝９０：１０となるように、ＴｉＣ0.6からなる金属間化合物粉末と平均粒子径が４μｍのＡｌ粉末とを混合した。得られた混合物を真空中で１０００℃で３０分間、熱処理した。熱処理により得られた化合物を、直径が６ｍｍの超硬合金製ボールメディアを用いて、ボールミル粉砕法により均一に粉砕した。これにより、結合相の原料粉末を得た。そののちは、上記ｃＢＮ焼結体Ｄの形成方法にしたがって、ｃＢＮ焼結体Ｉを得た。得られたｃＢＮ焼結体Ｉを用いて、上記試料１の基材の製造方法にしたがって、試料５４の基材を形成した。
【００８４】
続いて、試料４６〜５３の製造方法にしたがって、Ｄ層、Ｂ層およびＡ層を順に形成した。これにより、試料５４を製造した。
【００８５】
＜試料５５の製造＞
Ｂ層、Ｃ層およびＤ層を形成しなかったことを除いては上記試料１の製造方法にしたがって、試料５５を製造した。
【００８６】
＜試料５６の製造＞
Ａ層およびＣ層を形成しなかったことを除いては上記試料１の製造方法にしたがって、試料５６を製造した。
【００８７】
【表１】
2014195858.tif 000003
【００８８】
【表２】
2014195858.tif 000004
【００８９】
【表３】
2014195858.tif 000005
【００９０】
表１におけるＴｉＣＮ*01〜ＴｉＣＮ*05については、表４に示すとおりである。また、表２において、層数*21は、Ｂ１ａ化合物層の層数とＢ１ｂ化合物層の層数との合計であり、層数*22は、Ｂ１薄膜層の層数とＢ２薄膜層の層数との合計である。また、表２において、焼結体側*31はＢ層のｃＢＮ焼結体側におけるｔ２／ｔ１を意味し、Ａ層側*32はＢ層のＡ層側におけるｔ２／ｔ１を意味し、平均*33はＢ層全体におけるｔ２／ｔ１を意味する。焼結体側*31およびＡ層側*32が空欄の場合である試料では、ｔ２／ｔ２はｃＢＮ焼結体側とＡ層側とにおいて同じ値をとる。
【００９１】
【表４】
2014195858.tif 000006
【００９２】
＜逃げ面摩耗量ＶＢおよび面粗度Ｒｚの測定＞
製造された試料１〜５６を用いて、以下に示す切削条件にしたがって切削加工（切削距離：２ｋｍ）を行った。そののち、光学顕微鏡を用いて逃げ面摩耗量ＶＢを測定し、ＪＩＳ規格にしたがって被削材表面の面粗度Ｒｚを測定した。逃げ面摩耗量ＶＢの測定結果を表５の「ＶＢ（ｍｍ）」の欄に示し、被削材表面の面粗度Ｒｚの測定結果を表５の「Ｒｚ（μｍ）」の欄に示す。ＶＢが小さいほど、表面被覆窒化硼素焼結体工具は耐逃げ面摩耗性に優れる。Ｒｚが小さいほど、被削材の面粗度を表面被覆窒化硼素焼結体工具の寿命判定基準とする高精度加工において工具性能が優れる。
【００９３】
（切削条件）
被削材：高硬度鋼（ＳＣＭ４１５Ｈ／ＨＲＣ６０）（外径φ３０ｍｍ、長手切削長さ１０ｍｍ）
工具：ＣＮＧＡ１２０４０８ワイパー
切削速度：１５０ｍｍ／ｍｉｎ
送り：ｆ＝０．２ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：ａｐ＝０．２ｍｍ
切削油：エマルジョン（日本フルードシステム学会製造の商品名「システムカット９６」）を２０倍希釈したもの（ｗｅｔ状態）。
【００９４】
＜工具寿命の測定＞
製造された試料１〜５６を用いて、上記切削条件にしたがって切削加工を行った。そして、表面粗さ計を用いて被削材の面粗度Ｒｚを測定し、被削材の面粗度Ｒｚが３．２μｍとなった時点の切削距離を測定した。その結果を表５の「切削距離」の欄に示す。切削距離が長いほど、表面被覆窒化硼素焼結体工具は耐逃げ面摩耗性、耐クレータ摩耗性および耐境界摩耗性に優れる。
【００９５】
＜結果と考察＞
【００９６】
【表５】
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【００９７】
試料２〜６、８〜１３、１５〜１８、２１〜２４、２７〜２９、３２〜３４、３７〜３９、４２〜４４および４６〜５４では、ＶＢが小さく、Ｒｚが１．１μｍ以下であり、切削距離は８ｋｍ以上であった。よって、これらの試料は設備剛性またはワーク剛性などが低い環境下で焼入鋼の加工等を行った場合において耐逃げ面摩耗性、耐クレータ摩耗性および耐境界摩耗性に優れることが分かった。
【００９８】
一方、試料１、７、１４、１９、２０、２５、２６、３０、３１、３５、３６、４０、４１、４５、５５および５６では、Ｒｚが２．２μｍよりも大きく、切削距離は３〜４ｋｍ程度であった。よって、これらの試料では、設備剛性またはワーク剛性などが低い環境下で焼入鋼の加工等を行った場合において、被覆層の剥離またはチッピングが発生した。したがって、これらの試料は、耐逃げ面摩耗性、耐クレータ摩耗性および耐境界摩耗性に優れないことが分かった。
【００９９】
＜試料４、８、５５、５６＞
まず、試料８と試料５６とについて考察する。Ｂ層の組成、Ｂ層の厚さ、Ｄ層の組成およびＤ層の厚さは、試料８と試料５６とで互いに酷似しているが、Ａ層は、試料８では設けられているのに対して試料５６では設けられていない。そして、試料８では、Ｒｚは１μｍ以下であり切削距離は８．５ｋｍ以上であるのに対し、試料５６では、ＶＢは試料８の２倍程度でありＲｚは試料８の２倍以上であった。
【０１００】
次に、試料４と試料５５とについて考察する。Ａ層の組成およびＡ層の厚さは、試料４と試料５５とで互いに酷似しているが、Ｂ層は、試料４では設けられているのに対して試料５５では設けられていない。そして、試料４では、Ｒｚは０．８μｍ以下であり切削距離は９ｋｍ以上であるのに対し、試料５５では、Ｒｚは試料４の２倍以上（３．０μｍ）であり切削距離は３〜４ｋｍ程度であった。
【０１０１】
以上のことから、Ａ層およびＢ層のどちらか一方を備えていない表面被覆窒化硼素焼結体工具は、設備剛性またはワーク剛性などが低い環境下で焼入鋼の加工等を行った場合において、耐逃げ面摩耗性、耐クレータ摩耗性および耐境界摩耗性に優れないことがわかった。しかしながら、Ａ層およびＢ層の両方を備える表面被覆窒化硼素焼結体工具は、驚くべきことに、設備剛性またはワーク剛性などが低い環境下で焼入鋼の加工等を行った場合において、耐逃げ面摩耗性、耐クレータ摩耗性および耐境界摩耗性のすべてに優れることがわかった。これは、本発明者らによって初めて見出されたことである。
【０１０２】
＜試料１〜７＞
試料１〜７では、Ａ層の厚さが互いに異なる。試料１、７では、Ｒｚは２．２μｍよりも大きく、切削距離は４ｋｍ程度であった。一方、試料２〜６では、Ｒｚは１μｍ以下であり、切削距離は８ｋｍ以上であった。これらのことから、Ａ層の厚さが０．２μｍ以上１０μｍ以下であれば、設備剛性またはワーク剛性などが低い環境下で焼入鋼の加工等を行った場合において、表面被覆窒化硼素焼結体工具の耐逃げ面摩耗性、耐クレータ摩耗性および耐境界摩耗性が高まることが分かった。
【０１０３】
また、試料２〜５では、Ｒｚは０．８μｍ以下であり、切削距離は８．５ｋｍ以上であった。試料３、４では、Ｒｚは０．７５μｍ以下であり、切削距離は９ｋｍ以上であった。これらのことから、Ａ層の厚さは、０．５μｍ以上５μｍ以下であることが好ましく、１μｍ以上５μｍ以下であることがより好ましいことも分かった。
【０１０４】
＜試料８〜１３＞
試料８〜１３では、Ｃ層の厚さが互いに異なるが、Ｒｚは１μｍ以下であり、切削距離は８．５ｋｍ以上であった。また、試料９〜１１では、Ｒｚは０．８μｍ以下であり、切削距離は９ｋｍ程度であった。これらのことから、Ｃ層の厚さは、０．００５μｍ以上０．５μｍ以下であることが好ましく、０．００５μｍ以上０．２μｍ以下であることがより好ましく、０．０１μｍ以上０．２μｍ以下であることがさらに好ましいということが分かった。
【０１０５】
＜試料１４〜１９＞
試料１４〜１９では、Ｂ１ａ化合物層の組成が互いに異なる。試料１４、１９では、Ｒｚは２μｍよりも大きく、切削距離は４ｋｍ程度であった。一方、試料１５〜１８では、Ｒｚは１μｍ以下であり、切削距離は９ｋｍ程度であった。これらのことから、Ｂ１ａ化合物層のＳｉ組成が０．０１以上０．２５以下であれば、設備剛性またはワーク剛性などが低い環境下で焼入鋼の加工等を行った場合において、表面被覆窒化硼素焼結体工具の耐逃げ面摩耗性、耐クレータ摩耗性および耐境界摩耗性が高まることが分かった。
【０１０６】
また、試料１６〜１８では、Ｒｚは０．８μｍ以下であり、切削距離は９ｋｍ程度であった。試料１７、１８では、Ｒｚは０．７５μｍ以下であり、切削距離は９ｋｍ以上であった。よって、Ｂ１ａ化合物層のＴｉ組成は、０．７以上０．９以下であることが好ましく、０．７５以上０．８５以下であることがより好ましいことも分かった。別の言い方をすると、Ｂ１ａ化合物層のＳｉ組成は、０．１以上０．２５以下であることが好ましく、０．１５以上０．２５以下であることがより好ましいことも分かった。
【０１０７】
＜試料２０〜２５＞
試料２０〜２５では、Ｂ１ａ化合物層およびＢ１ｂ化合物層のそれぞれの厚さが互いに異なる。試料２０、２５では、Ｒｚは２．２μｍよりも大きく、切削距離は３〜４ｋｍ程度であった。一方、試料２１〜２４では、Ｒｚは１．１μｍ以下であり、切削距離は７ｋｍ以上であった。これらのことから、Ｂ１ａ化合物層の厚さおよびＢ１ｂ化合物層の厚さのそれぞれが０．５ｎｍ以上３０ｎｍ未満であれば、設備剛性またはワーク剛性などが低い環境下で焼入鋼の加工等を行った場合において、表面被覆窒化硼素焼結体工具の耐逃げ面摩耗性、耐クレータ摩耗性および耐境界摩耗性が高まることが分かった。
【０１０８】
また、試料２１〜２３では、Ｒｚは１μｍ以下であり、切削距離は８ｋｍ以上であった。よって、Ｂ１ａ化合物層の厚さおよびＢ１ｂ化合物層の厚さは、それぞれ、１ｎｍ以上２５ｎｍ以下であることが好ましく、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることがより好ましく、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることがさらに好ましいということも分かった。
【０１０９】
＜試料２６〜３０＞
試料２６〜３０では、Ｂ１ｂ化合物層およびＢ２薄膜層のそれぞれの組成が互いに異なる。試料２６、３０では、Ｒｚは３μｍ以上であり、切削距離は３ｋｍ程度であった。一方、試料２７〜２９では、Ｒｚは１．１μｍ以下であり、切削距離は８ｋｍ以上であった。これらのことから、Ｂ１ｂ化合物層およびＢ２薄膜層のそれぞれのＡｌ組成が０．２３以上０．８以下であれば、設備剛性またはワーク剛性などが低い環境下で焼入鋼の加工等を行った場合において、表面被覆窒化硼素焼結体工具の耐逃げ面摩耗性、耐クレータ摩耗性および耐境界摩耗性が高まることが分かった。
【０１１０】
また、試料２８では、Ｒｚは最低値であり、切削距離は最長であった。よって、Ｂ１ｂ化合物層およびＢ２薄膜層のそれぞれのＡｌ組成は、０．５以上０．７５以下であることが好ましく、０．６以上０．７５以下であることがより好ましいことも分かった。
【０１１１】
＜試料３１〜３５＞
試料３１〜３５では、Ｂ１薄膜層の厚さが互いに異なる。試料３１、３５では、Ｒｚは２．２μｍよりも大きく、切削距離は３〜４ｋｍ程度であった。一方、試料３２〜３４では、Ｒｚは１．１μｍ以下であり、切削距離は８ｋｍ以上であった。これらのことから、Ｂ１薄膜層の厚さが３０ｎｍよりも大きく２００ｎｍ未満であれば、設備剛性またはワーク剛性などが低い環境下で焼入鋼の加工等を行った場合において、表面被覆窒化硼素焼結体工具の耐逃げ面摩耗性、耐クレータ摩耗性および耐境界摩耗性が高まることが分かった。
【０１１２】
また、試料３２、３３では、Ｒｚは１μｍ以下であり、切削距離は８．５ｋｍ程度であった。よって、Ｂ１薄膜層の厚さは、４０ｎｍ以上１８０ｎｍ以下であることが好ましく、４０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることがより好ましいということも分かった。
【０１１３】
＜試料３６〜４０＞
試料３６〜４０では、Ｂ２薄膜層の厚さが互いに異なる。試料３６、４０では、Ｒｚは２．２μｍよりも大きく、切削距離は３〜４ｋｍ程度であった。一方、試料３７〜３９では、Ｒｚは１μｍ以下であり、切削距離は８ｋｍ以上であった。これらのことから、Ｂ２薄膜層の厚さが３０ｎｍよりも大きく２００ｎｍ未満であれば、設備剛性またはワーク剛性などが低い環境下で焼入鋼の加工等を行った場合において、表面被覆窒化硼素焼結体工具の耐逃げ面摩耗性、耐クレータ摩耗性および耐境界摩耗性が高まることが分かった。
【０１１４】
また、試料３８では、Ｒｚは最低値であり、切削距離は最長であった。よって、Ｂ２薄膜層の厚さは、４０ｎｍ以上１８０ｎｍ以下であることが好ましく、４０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることがより好ましいということも分かった。
【０１１５】
＜試料４１〜４５＞
試料４１〜４５では、Ｂ１薄膜層およびＢ２薄膜層のそれぞれの層数が互いに異なるので、Ｂ層の厚さが互いに異なる。試料４１、４５では、Ｒｚは２．５μｍ以上であり、切削距離は３ｋｍ程度であった。一方、試料４２〜４４では、Ｒｚは１μｍ程度であり、切削距離は８ｋｍ程度であった。これらのことから、Ｂ層の厚さが０．０６μｍ以上５μｍ以下であれば、設備剛性またはワーク剛性などが低い環境下で焼入鋼の加工等を行った場合において、表面被覆窒化硼素焼結体工具の耐逃げ面摩耗性、耐クレータ摩耗性および耐境界摩耗性が高まることが分かった。
【０１１６】
また、試料４３では、Ｒｚは最低値であり、切削距離は最長であった。よって、Ｂ層の厚さは、０．１μｍ以上５μｍ以下であることが好ましく、０．２μｍ以上３μｍ以下であることがより好ましいということも分かった。
【０１１７】
＜試料４６〜５４＞
試料４６〜５４では、ｃＢＮ焼結体の組成が互いに異なるが、Ｒｚは０．８μｍ以下であり、切削距離は８．５ｋｍ以上であった。これらのことから、立方晶窒化硼素焼結体における立方晶窒化硼素の体積含有率は、３０体積％以上８５体積％以下であることが好ましいということがわかった。
【０１１８】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１１９】
３  基材、１０  被覆層、２０  Ｄ層、３０  Ｃ層、３１  Ｂ１薄膜層、３１Ａ  Ｂ１ａ化合物層、３１Ｂ  Ｂ１ｂ化合物層、３２  Ｂ２薄膜層、４０  Ｃ層、５０  Ａ層。
【図１】
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【図２】
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