(57)【要約】【課題】  アルミナ系焼結体基材に窒化ホウ素膜を被覆した切削インサートにおいて、窒化ホウ素膜との結合力を改良し膜の剥離を防止し、窒化ホウ素膜が持つ優れた耐摩耗性をより安定して発揮できる切削インサートおよび切削工具の提供。【解決手段】  １５〜５５重量％好ましくは２０〜５０重量％のチタン炭化物またはチタン炭窒化物を含む焼結体基材、好ましくはアルミナ系焼結体基材の表面に窒化チタン膜および六方晶結晶が９０％以下、好ましくは５０〜９０％である窒化ホウ素膜を被覆し、さらに好ましくは窒化チタン膜と窒化ホウ素膜の合計膜厚が０．２〜３μｍである切削インサートおよび切削工具の提供である。【選択図】          図１
2006198687.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１５〜５５重量％のチタン炭化物またはチタン炭窒化物を含む焼結体基材の表面に窒化チタン膜および六方晶結晶が９０％以下である窒化ホウ素膜を被覆した切削インサート。
【請求項２】
焼結体基材中のチタン炭化物またはチタン炭窒化物の含有率が２０〜５０重量％である請求項１に記載の切削インサート。
【請求項３】
前記焼結体基材が、アルミナ系焼結体基材である請求項１又は２に記載の切削インサート。
【請求項４】
窒化ホウ素膜中の六方晶結晶が５０〜９０％である請求項１〜３のいずれかに記載の切削インサート。
【請求項５】
窒化チタン膜と窒化ホウ素膜の合計膜厚が０．２〜３μｍである請求項１〜４のいずれかに記載の切削インサート。
【請求項６】
窒化チタン膜と窒化ホウ素膜が交互に積層されている請求項１〜５のいずれかに記載の切削インサート。
【請求項７】
ホルダーに請求項１〜６のいずれかに記載の切削インサートを備えた切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は切削インサートおよび切削工具に関し、詳しくは、優れた耐熱性と耐摩耗性を持つ窒化ホウ素被覆焼結体の切削インサートおよび切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
切削用工具は図２に例示する外径加工用ホルダーのように、ホルダーと呼ばれる支持体の先端に使い捨ての刃先である切削インサート（スローアウェイチップ、刃先交換チップなどを言う。）を取り付けた構造が多い。この切削インサートには被削材の種類、加工工程、切削速度などによって各種の材料が使用されている。例えば、超硬合金、サーメット、セラミックス、窒化ホウ素、さらにはこれらの表面に高硬度、耐摩耗性の被膜を被覆した材料が用いられている。しかし、切削工具材料に対しては、近年益々その要求性能が過酷化しており、さらなる高性能化、低コスト化も求められている。その中でも高硬度鋼材の加工、特に高速加工には窒化ホウ素膜で被覆したアルミナ系焼結体は高硬度であると共に優れた耐熱性を有するため注目されている。
【０００３】
窒化ホウ素はダイヤモンドに次ぐ高い硬度を有し、かつダイヤモンドより熱的安定性に優れ、さらに鉄系金属との反応性が低いことから、高温化でも優れた耐摩耗特性を有する。金属あるいはセラミック質の結合バインダーと複合化させて焼結体とすることによって鉄系金属材料の切削工具や耐摩耗部材として利用されている。しかしながら、通常窒化ホウ素は高温高圧下でないと合成できず、また金属あるいはセラミック質の結合バインダーと複合化したものも高温高圧下で焼結しないと緻密にならない。このため、高価な合成装置と焼結装置を必要とし製造コストが高くなる問題があった。近年、超硬合金やハイスの基材表面に物理蒸着法や化学蒸着法により窒化ホウ素膜を被覆することによって、窒化ホウ素製切削工具と同等の性能を発揮する切削工具や耐摩部材を、安価な製造コストで製造しようとする技術の開発が精力的に行われている。例えば、特許文献１のようにホウ素と窒素の比率を調整したり、特許文献２のようにチタン系の中間層を形成するなど膜を改質する方法が提案されている。これらは基材と窒化ホウ素膜との結合力を改良し、窒化ホウ素が持つ優れた耐摩耗性をより安定して発揮させようとするものである。
【０００４】
【特許文献１】特開平３−２６００５４号公報
【特許文献２】特開平１０−２０４６１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、切削インサート基材と窒化ホウ素膜との結合力をさらに高め、高速切削時等において耐摩耗性の優れた窒化ホウ素膜の剥離を防ぐことが求められている。さらに高硬度鋼の高速加工では切削インサートが摩耗しやすいだけでなく高温にもなりやすく、切削インサート基材の塑性変形に対しても対策が必要となっている。本発明はこのような問題点を解決し、高硬度鋼などの鉄系金属の高速切削においても耐摩耗性に優れ、長寿命の切削インサートおよび切削工具の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは上述の課題を解決するため以下の手段を見出した。
（１）１５〜５５重量％のチタン炭化物またはチタン炭窒化物を含む焼結体基材の表面に窒化チタン膜および六方晶結晶が９０％以下である窒化ホウ素膜を被覆した切削インサートである。
（２）焼結体基材中のチタン炭化物またはチタン炭窒化物の含有率が２０〜５０重量％である（１）に記載の切削インサート。
（３）前記焼結体基材が、アルミナ系焼結体基材である（１）または（２）に記載の切削インサート。
（４）窒化ホウ素膜中の六方晶結晶が５０〜９０％である（１）〜（３）のいずれかに記載の切削インサートである。
（５）窒化チタン膜と窒化ホウ素膜の合計膜厚が０．２〜３μｍである（１）〜（４）のいずれかに記載の切削インサートである。
（６）窒化チタン膜と窒化ホウ素膜が交互に積層されている（１）〜（５）のいずれかに記載の切削インサートである。
（７）ホルダーに（１）〜（６）のいずれかに記載の切削インサートを備えた切削工具である。
【０００７】
本発明の切削インサートは、１５〜５５重量％、好ましくは２０〜５０重量％のチタンの炭化物または炭窒化物を含む焼結体からなるの基材の表面に窒化チタン膜を被覆し、さらにその上に多くとも９０％、好ましくは５０〜９０％の六方晶結晶の窒化ホウ素からなる窒化ホウ素膜を被覆することで、優れた耐摩耗性を持つ窒化ホウ素膜が基材から剥離することなく耐摩耗性を発揮できる。チタンの炭化物または炭窒化物を含む焼結体がアルミナ系焼結体であればさらに好ましい。なお、窒化チタン膜と窒化ホウ素膜の合計の膜厚は０．２μｍ以上、３μｍ以下であることが好ましい。さらに窒化チタン膜と窒化ホウ素膜を交互に多層積層させることがより好ましい。
【０００８】
本発明の切削インサート基材は、焼結体好ましくはアルミナ系焼結体で構成されており耐熱性、耐塑性変形性に優れている。さらに、基材特性および被覆膜との結合力を向上させるためにチタンの炭化物または炭窒化物を複合化した基材である。基材中のチタンの炭化物または炭窒化物の適量は１５〜５５重量％、好ましくは２０〜５０重量％である。チタン炭化物または炭窒化物の量が上記より少ないと基材の強度が十分でなく膜との結合力も不十分となり、切削インサートの使用時に欠損が発生し易い。また、基材の導電性が小さくなり、例えば物理蒸着による基材への被膜形成時に窒化ホウ素膜の形成ができないか困難となり易い。基材中のチタン炭化物または炭窒化物の量が上記範囲を超えると耐熱衝撃性、耐酸化性が低下し、切削インサートの使用時に欠損が発生し易くなる。
【０００９】
本発明の切削インサートは、チタンの炭化物または炭窒化物を含む焼結体基材の表面に窒化チタン膜を形成し、その上にさらに窒化ホウ素膜を被覆した複層構造をしている。これにより、基材と窒化ホウ素膜の密着性が向上し本発明の切削インサートは被覆膜の剥離がなく、耐摩耗性が向上する。なお、さらに耐摩耗性を改善するために窒化チタン膜と窒化ホウ素膜を交互に多層に積層することがより好ましい。例えば、実施例９ではそれぞれ３層を交互に積層して好結果を得ている。さらに、窒化ホウ素膜は六方晶窒化ホウ素結晶が９０％以下、好ましくは５０〜９０％である。六方晶窒化ホウ素は黒鉛のような層状結晶でありすべりが良く、窒化ホウ素膜の摩擦抵抗を減少させ、高速切削時の切削インサートの摩擦熱を抑え高温化を防ぎ寿命を延ばすことができる。しかし、六方晶窒化ホウ素結晶が９０％を超えると相対的に硬度の高い立方昌窒化ホウ素結晶が減少し、窒化ホウ素膜としての耐摩耗性が低下し、切削インサートとしての性能が落ちてくる。本発明の切削インサートの被覆膜はあまり薄すぎると切削工具としての十分な耐久性を発揮できない場合がある。十分な耐摩耗性を発揮するためには窒化チタンと窒化ホウ素の合計膜厚として０．２μｍ以上とすることが好ましい。しかし、被覆膜は厚すぎると膜形成時の残留応力の影響で膜が破壊し剥離しやすくなる欠点がある。窒化チタンと窒化ホウ素の合計膜厚として３μｍ以下であれば剥離は起こり難く、好適な切削インサートとすることができる。
【００１０】
本発明の切削インサートは、例えばまずチタン炭化物等を含むアルミナ系焼結体を製造し、これを所望の形状に加工してからその上に被膜を形成すれば製造できる。アルミナ系焼結体の製造方法はどのような方法でも良いが、通常は粒度を調節したアルミナ、チタン炭化物またはチタン炭窒化物に、望ましくは焼結助剤等を加えた原料粉末を混合し、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気下で常圧焼結、ホットプレス、熱間静水圧加圧焼結等の焼結方法により焼結すればよい。製造コストが安価な常圧焼結を適用する場合には、通常の焼結同様、焼結助剤を添加し、必要に応じてバインダーを加えて、成形して焼結用成形体としておく。成形にあたっては、後述の加工後の形状を考慮して成形しておくと都合が良い。焼結助剤は、好ましくは１０００℃以上の融点、分解温度またはアルミナとの共晶温度を有する酸化物を適宜選択すればよい。さらに好ましくはマグネシア、希土類酸化物、例えばＹb２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３などを、０．１〜２重量％の範囲で用いることができる。製造コストは高くなるがホットプレス焼結や熱間静水圧加圧焼結（ＨＩＰという）も適用することができる。この場合はバインダーや焼結助剤を不使用または低減できるので焼結体をより緻密で硬度、耐熱性のあるものとすることができる。焼結温度、焼結時間、昇降温速度などは焼結方法、原料粉末、焼結助剤、焼結体性能等を考慮して適宜選択する。通常は最高温度１５００〜１８５０℃で１〜１０時間程度焼結すればよい。また、通常の焼結とＨＩＰを組み合わせ二段階焼結する方法も効果的である。アルミナ系焼結体以外の焼結体でも、それぞれの焼結体を製造し易い方法により焼結体を得ればよい。例えば、窒化珪素、サイアロン、サーメット、チタニア、シリカ、あるいはこれらの複合体などが挙げられる。それぞれに適した焼結条件で焼結してチタン炭化物またはチタン炭窒化物を含む焼結体を製造する。このようにして焼成した焼結体を所望の形状、例えば図１に示すようなスローアウェイチップなどに加工する。この後の被膜形成では数μｍ以内の膜が被覆されるだけで形状はほとんど変化しないので、この加工により実質的に切削インサートの形状が決定される。
【００１１】
上記の焼結体に被膜を被覆する方法としては、アークイオンプレーティング法、反応性イオンプレーティング法など通常用いられる各種物理蒸着法や、マイクロ波ＣＶＤ法、熱フィラメントＣＶＤ法など各種化学蒸着法によることができる。物理蒸着法は比較的低温で成膜できるため残留応力が小さく、アルミナ系焼結体の基材と剥離し難い被膜が形成されるので好適である。窒化チタンの被膜形成条件としては、例えばアークイオンプレーティング法によりターゲットをチタンとし、温度５００℃、真空度１×１０−２Ｐａ、バイアス電圧３００Ｖ、アーク電流１００Ａとすればよい。窒化ホウ素の被膜形成条件としては、例えばアークイオンプレーティング法によりターゲットをホウ素とし、温度５００℃、真空度２×１０−２Ｐａ、バイアス電圧３００Ｖ〜５００Ｖ、アーク電流１００〜１５０Ａとすればよい。これにより、本発明の切削インサートが好適に製造できる。この被膜形成を交互に繰り返せば、窒化チタンの被膜と窒化ホウ素の被膜とが多層に形成された切削インサートが得られる。形成される被膜の厚さは蒸着時間などの被覆条件を調整して制御する。
【００１２】
上述した本発明の切削インサートは高温での硬度および耐磨耗性に優れており、高硬度鋼等の高速切削用の切削工具の刃先として優れた性質を持っている。この切削インサートは耐熱性、耐磨耗性に優れた長寿命の切削用スローアウェイチップとして有用であり、さらに、この切削インサートを例えば図２に示すような切削工具用のホルダーに設置した本発明の切削工具は優れた切削工具として各種の切削加工、特に高速切削加工に好適に使用できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の切削インサートは基材が耐熱性、耐塑性変形性に優れたチタン炭化物またはチタン炭窒化物で強化したアルミナ系焼結体であり、窒化チタン膜を介して耐摩耗性の高い窒化ホウ素膜を被覆することで被膜が剥離することなく優れた耐摩耗性を発揮できるものである。例えばこれを切削工具、耐摩部材、摺動部材として使用した場合、従来材料と比較し摩耗量が著しく少ないため２〜３倍以上長寿命であり好適な効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明を実施するための最良の形態を実施例および比較例によって示す。
【実施例】
【００１５】
（１）切削インサートの作製
市販の平均粒径０．５μｍのアルミナ粉末に平均粒径1μｍのチタン炭化物またはチタン炭窒化物を表１に示す割合で加え、さらに焼結助剤としてＤｙ２Ｏ３粉末を全体の１重量％加えた。この原料粉末をエタノールとともに混合用樹脂ポットに入れ、高純度アルミナボールを使用して混合し混合粉末を得た。この混合粉末を金型プレス成形し成形体を得た。この成形体を０．１ＭＰａのアルゴンガス雰囲気中１８００℃で1時間熱焼成し、さらに１００ＭＰａのアルゴンガス雰囲気中１5００℃で1時間ＨＩＰ処理して焼結体を得た。この焼結体をＩＳＯ規格ＳＮＧＮ１２０４０８の形状に加工し、この加工焼結体にアークイオンプレーティング装置にて、以下に示す条件で表１に示す所定の厚みとなるように窒化チタンおよび窒化ホウ素膜を形成し切削インサートを作製した。なお、窒化ホウ素の成膜は基材との密着力を確保するため、バイアス電圧、アーク電流を徐々に増加させる方法で行った。作製した切削インサートの窒化ホウ素膜の性状、切削性能を表１に示す。
・窒化チタン被覆条件
ターゲット：チタン，    温度：５００℃，    真空度：１×１０−２Ｐａ，
バイアス電圧：３００Ｖ，    アーク電流：１００Ａ
・窒化ホウ素膜被覆条件
ターゲット：ホウ素，    温度：５００℃，    真空度：２×１０−２Ｐａ，
バイアス電圧：３００Ｖ〜５００Ｖ，    アーク電流：１００〜１５０Ａ
【００１６】
（２）切削インサートの性状評価
・アルミナ系焼結体中のチタン炭化物または炭窒化物含有量は、蛍光Ｘ線分析装置により同定した。
・窒化チタンおよび窒化ホウ素膜の膜厚は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により測定した。
・窒化ホウ素膜中の六方晶量は、フーリエ変換赤外吸収分光法（ＦＴ−ＩＲ）により測定した。
【００１７】
（３）切削インサートの性能評価
・切削試験（逃げ面摩耗量測定）条件
被削材：高硬度鋼（ＳＣＭ４２０／ＨＲＣ６０）、加工距離：４ｋｍ
チップ形状：ＳＮＧＮ１２０４０８  刃先処理：０．１ｍｍ×２５°
切削速度：２００ｍｍ／ｍｉｎ、送り：ｆ＝０．１ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：ｄ＝０．２ｍｍ、切削油：なし
【００１８】
【表１】
2006198687.tif 000003
【００１９】
表から判るようにチタン炭窒化物の割合が１０％または６０％の場合、切削インサート
は切削加工中に欠損が生じる。窒化ホウ素膜中の六方晶窒化ホウ素の割合が９５％になると逃げ面摩耗量が増加する傾向がある。また、合計膜厚が４μｍと厚くなるとと剥離の兆候が見られ、逃げ面摩耗量が増加する傾向が窺える。実施例９に示すように窒化チタン膜と窒化ホウ素膜を交互に３層づつ被覆した切削インサートは逃げ面摩耗量が最も少なく、好適な切削性能を示した。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明の切削インサートおよびこれを備えた切削工具は耐磨耗性、耐欠損性に優れた長寿命のスローアウェイチップおよび切削工具として高硬度鋼をはじめとする各種材料の加工に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は切削インサートの例である。
【図２】図２は外径加工用ホルダーにインサートを取り付けた切削工具の例である。
【符号の説明】
【００２２】
１：インサート      ２：ホルダー      ３：押さえ金
【図１】
2006198687.tif 000004
【図２】
2006198687.tif 000005