(57)【要約】【課題】基材とその表面に形成される被覆層との密着性が高く、しかも優れた耐磨耗性を有する、窒化珪素を主成分とする基材の表面に被覆層を形成して成る切削工具およびこの切削工具を有して成る工具を提供すること。【解決手段】下記式で表されるαが２０〜５０％である、窒化珪素を主成分とする基材の表面に被覆層を形成して成ることを特徴とする切削工具およびこの切削工具とこの切削工具を支持する支持体とを有して成ることを特徴とする工具。  α＝〔(Ｘ−Ｙ)／Ｘ〕×１００  ただし、前記式において、ＸおよびＹは、下記のとおりである。  Ｘ：前記基材の耐欠損性試験における刃先の欠損時の送り速度(ｍｍ／ｒｅｖ)。  Ｙ：前記基材の表面に被覆層を形成して成る切削工具の耐欠損性試験における刃先の欠損時の送り速度(ｍｍ／ｒｅｖ)。  ただし、前記耐欠損性試験の条件は、下記のとおりである。  被削材：ＦＣ２００  切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ  切り込み深さ：２．０ｍｍ  切削方式：乾式  刃先処理：０．２ｍｍ×２５度【選択図】          なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記式で表されるαが２０〜５０％である、窒化珪素を主成分とする基材の表面に被覆層を形成して成ることを特徴とする切削工具。
α＝〔(Ｘ−Ｙ)／Ｘ〕×１００
ただし、前記式において、ＸおよびＹは、下記のとおりである。
Ｘ：前記基材の耐欠損性試験における刃先の欠損時の送り速度(ｍｍ／ｒｅｖ)。
Ｙ：前記基材の表面に被覆層を形成して成る切削工具の耐欠損性試験における刃先の欠損時の送り速度(ｍｍ／ｒｅｖ)。
ただし、前記耐欠損性試験の条件は、下記のとおりである。
被削材：ＦＣ２００
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ
切り込み深さ：２．０ｍｍ
切削方式：乾式
刃先処理：０．２ｍｍ×２５度
【請求項２】
前記基材が、許容可能量として、多くとも４体積％の焼結助剤を含有して成る請求項１に記載の切削工具。
【請求項３】
前記焼結助剤が、Ｍｇ、Ａｌ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｒ、希土類元素の酸化物または窒化物およびこれら相互の固溶体から選ばれた少なくとも一種である請求項２に記載の切削工具。
【請求項４】
前記被覆層が、ＡｌまたはＴｉの酸化物、窒化物、炭化物または硼化物およびこれら相互の固溶体から選ばれた少なくとも一種により形成された単一層または複数層である請求項１〜３のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項５】
前記被覆層が、化学蒸着法によって形成されて成る請求項１〜４のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の切削工具と前記切削工具を支持する支持体とを有して成ることを特徴とする工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、切削工具および工具に関し、さらに詳しくは、基材とその表面に形成される被覆層との密着性が高く、しかも優れた耐磨耗性を有する、窒化珪素を主成分とする基材の表面に被覆層を形成して成る切削工具およびこの切削工具を有して成る工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
耐磨耗性材料、耐衝撃性材料などとして有用なセラミックスは、その特性により、切削工具に広く使用されている。このようなセラミックスの中でも、窒化珪素は、大きい強度と高い靭性とを有し、しかも熱膨張係数が小さいという特性を有していることから、切削工具用材料として特に有用である。
【０００３】
ところが、前記窒化珪素から成る切削工具によって、例えば、タグタイル鋳鉄などの超硬材料を切削した場合、その切削工具の摩耗が著しいという問題があつた。この問題を解消するため、窒化珪素表面に、特定材料から成る被覆層を形成した切削工具が提案されている（特許文献１および２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特公平３−４９６８１号公報
【特許文献２】特開平６−２４６５１１号公報
【０００５】
前記特許文献１には、Ｓｉ３Ｎ４を主体とする基材表面に、Ａｌ２Ｏ３及び／又はＡｌＯＮの被覆層よりなる中間層を設け、この中間層上にＴｉＣ、ＴｉＮ又はＴｉＣＮの被覆層よりなる外層を設けた切削用セラミック工具が開示されている。
【０００６】
また、前記特許文献２には、酸化イットリウム、希土類酸化物および酸化シリコンを含有し、残りが分散相形成成分としての窒化けい素基セラミックス基体の表面に、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物、窒酸化物、および炭窒酸化物、並びに酸化アルミニウムのうち１種の単層または２種以上の複層からなる硬質被覆層を１〜２０μｍの平均層厚で形成してなる窒化けい素基セラミックス製切削工具が開示されている。
【０００７】
前記特許文献１および２における被覆層は、耐磨耗性および耐衝撃性を向上させることを企図して設けられた層である。しかし、熱による残留応力に起因して生じる内部歪は回避し難く、この内部歪が多大であるときは、基材から被覆層が剥離するという不都合があった。
【０００８】
すなわち、前記切削工具は、その製造時または使用時には高温となるので、基材と被覆層との間の熱膨張係数の差または被覆層間の熱膨張係数の差によって、特に高温状態から低温状態に移行する際に大きな残留応力が負荷されることがあり、この応力の負荷によって内部歪が生じるのである。
【０００９】
ところで、前記特許文献１および２においては、基材と被覆層との密着性に関し、被覆層を形成する前の基材の耐欠損性および基材の表面に被覆層を形成して成る切削工具の耐欠損性については、なんら言及されていない。
【００１０】
前記特許文献１および２に記載の切削工具における問題を解消するために、基体表面に、基体側層、中間層および最外層を形成した窒化珪素工具が提案されている（特許文献３参照）。
【００１１】
【特許文献３】特開平１０−２１２１８３号公報
【００１２】
前記特許文献３には、窒化珪素を主成分とする基体の表面に被覆層を有する表面被覆窒化珪素工具において、記被覆は、前記基体の表面に設けられたＡｌＯＮからなる基体側層と、該基体側層の表面に設けられた中間層と、該中間層の表面に設けられたＴｉＮからなる最外層との３種の層を備えるとともに、該被覆層の厚みが２〜８μｍであり、前記中間層は、ＡｌＯＮ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、及びＴｉＣＮの中から選択された１種以上の中間層からなる表面被覆窒化珪素工具が開示されている。
【００１３】
前記表面被覆窒化珪素工具は、基体と被覆層との良好な密着性を維持しつつ、耐摩耗性の向上を企図した工具である。しかし、前記窒化珪素工具は、苛酷な切削加工条件下、熱的および化学的に安定した切削加工性能において、実用上、いまだ満足すべきレベルには達していないものであった。
【００１４】
また、前記特許文献３においても、基体と被覆層との密着性に関し、被覆層を形成する前の基材の耐欠損性および基材の表面に被覆層を形成して成る切削工具の耐欠損性については、なんら言及されていない。
【００１５】
近年、熱的および化学的に苛酷な切削加工条件下、被削材の切削加工においては、ますますその省力化と能率化とが要求されるようになり、この要求については、前記のとおり、基材の表面に被覆層を形成すると共に、その形成される被覆層を厚くすることによって対処してきた。
【００１６】
しかしながら、基材が窒化珪素である場合には、その化学的親和性が乏しいことに起因して、基材である窒化珪素とその表面に形成される被覆層との密着性に劣るという問題があった。このため、窒化珪素を主成分とする基材の表面に被覆層を形成して成る切削工具にあっては、刃先部における被覆層のチッピングや剥離を生じ易くなるという不都合を招いていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
この発明は、このような従来の問題を解消し、基材とその表面に形成される被覆層との密着性が高く、しかも優れた耐磨耗性を有する、窒化珪素を主成分とする基材の表面に被覆層を形成して成る切削工具およびこの切削工具を有して成る工具を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
この発明の前記課題を解決するための第１の手段は、
下記式で表されるαが２０〜５０％である、窒化珪素を主成分とする基材の表面に被覆層を形成して成ることを特徴とする切削工具
である。
α＝〔(Ｘ−Ｙ)／Ｘ〕×１００
ただし、前記式において、ＸおよびＹは、下記のとおりである。
Ｘ：前記基材の耐欠損性試験における刃先の欠損時の送り速度(ｍｍ／ｒｅｖ)。
Ｙ：前記基材の表面に被覆層を形成して成る切削工具の耐欠損性試験における刃先の欠損時の送り速度(ｍｍ／ｒｅｖ)。
ただし、前記耐欠損性試験の条件は、下記のとおりである。
被削材：ＦＣ２００
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ
切り込み深さ：２．０ｍｍ
切削方式：乾式
刃先処理：０．２ｍｍ×２５度
【００１９】
この発明の前記第１の手段における好ましい態様としては、下記（１）〜（４）の切削工具を挙げることができる。
（１）前記基材が、許容可能量として、多くとも４体積％の焼結助剤を含有して成る切削工具。
（２）前記焼結助剤が、Ｍｇ、Ａｌ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｒ、希土類元素の酸化物または窒化物およびこれら相互の固溶体から選ばれた少なくとも一種である切削工具。
（３）前記被覆層が、ＡｌまたはＴｉの酸化物、窒化物、炭化物または硼化物およびこれら相互の固溶体から選ばれた少なくとも一種により形成された単一層または複数層である切削工具。
（４）前記被覆層が、化学蒸着法によって形成されて成る切削工具。
【００２０】
この発明の前記課題を解決するための第２の手段は、
前記第１の手段に係る切削工具と前記切削工具を支持する支持体とを有して成る工具
である。
【発明の効果】
【００２１】
この発明によれば、ある程度、耐欠損性が低下した、窒化珪素を主成分とする基材の表面に被覆層を形成して成る切削工具が提供される。しかし、前記耐欠損性の低下の度合いは、刃先部における被覆層のチッピングや剥離を生じることがなく、実用上、切削性に支障のない範囲にとどめられている。
【００２２】
この発明の切削工具は、前記微小な耐欠損性の低下を実用上差し支えない程度に容認した上で、基材とその表面に形成される被覆層との密着性の向上を図った工具であって、熱的および化学的に苛酷な切削加工条件下、優れた耐磨耗性を有する切削工具となる。
【００２３】
また、この発明によれば、前記切削工具と支持体とを有して成る工具が提供される。よって、工具の設計および製造の分野に寄与するところはきわめて多大である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
この発明の切削工具は、下記式で表されるαが２０〜５０％である、窒化珪素を主成分とする基材の表面に被覆層を形成して成る。
α＝〔(Ｘ−Ｙ)／Ｘ〕×１００
【００２５】
ただし、前記式において、ＸおよびＹは、下記のとおりである。
Ｘ：前記基材の耐欠損性試験における刃先の欠損時の送り速度(ｍｍ／ｒｅｖ)。
Ｙ：前記基材の表面に被覆層を形成して成る切削工具の耐欠損性試験における刃先の欠損時の送り速度(ｍｍ／ｒｅｖ)。
【００２６】
ただし、前記耐欠損性試験の条件は、下記のとおりである。
被削材：ＦＣ２００
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ
切り込み深さ：２．０ｍｍ
切削方式：乾式
刃先処理：０．２ｍｍ×２５度
【００２７】
この発明の切削工具を構成する基材は、窒化珪素を主成分とする。前記基材は、窒化珪素のみであってもよく、焼結助剤を含有していてもよい。
【００２８】
前記窒化珪素を主成分とする基材の製造方法に制限はなくて公知の製造方法を広く採用することができ、一例を示せば、例えば、まず、窒化珪素を主成分とする原料粉末と所望により用いる焼結助剤との混合物を成形して成形体を得、次いで、この成形体を、窒素ガス中、１７００〜１８００℃で０．５〜５時間、加熱処理（この加熱処理を、「一次焼結処理」と称することがある。）し、さらに、窒素ガス中、１４００〜１６００℃で０．５〜３時間、加熱処理（この加熱処理を、「二次焼結処理」と称することがある。）することにより、製造することができる。
【００２９】
前記基材を製造するに当っては、焼結助剤を用いることなく、原料粉末を焼結処理することが望ましい。焼結助剤を用いて製造された基材中に含有される焼結助剤は、不純物として作用するからである。しかし、原料粉末を効率的に焼結し、高密度の基材を製造するためには、焼結助剤の使用はやむを得ない場合が少なくない。
【００３０】
前記焼結助剤に制限はないが、例えば、Ｍｇ、Ａｌ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｒ、希土類元素(Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕ)の酸化物または窒化物およびこれら相互の固溶体から選ばれた少なくとも一種を挙げることができる。これら焼結助剤の中でも、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｙｂ２Ｏ３が好ましい。
【００３１】
前記固溶体は、前記の異なる元素または化合物が相互に固溶した状態に成っている。前記焼結助剤は、前記元素、前記化合物または前記固溶体をそれぞれ単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。
【００３２】
前記のとおり、焼結助剤を用いることなく、原料粉末を焼結処理して、前記基材を製造することが最良であるが、やむを得ず焼結助剤を用いて焼結処理し、前記基材を製造するときは、得られる基材中に含有される焼結助剤の量は、多くとも４体積％であることが許容される。
【００３３】
このようにして製造された窒化珪素を主成分とする基材は、ＩＳＯ規格に規定されるＳＮＧＮ１２０４０８形状に研磨加工される。この発明の切削工具は、このようにして製造された窒化珪素を主成分とする基材の表面に被覆層を形成して成る工具である。
【００３４】
前記基材の表面に形成される被覆層にも制限はないが、例えば、ＡｌまたはＴｉの酸化物、窒化物、炭化物または硼化物およびこれら相互の固溶体から選ばれた少なくとも一種により形成される層を挙げることができる。
【００３５】
前記基材の表面に形成される被覆層は、前記ＡｌまたはＴｉの酸化物、窒化物、炭化物または硼化物およびこれら相互の固溶体から選ばれた少なくとも一種により形成された単一層であってもよく、異なる化合物により形成された複数層であってもよい。
【００３６】
前記基材の表面に形成される被覆層は、化学蒸着法(ＣＶＤ法)によって形成してもよく、物理蒸着法(ＰＶＤ法)によって形成してもよいが、前記基材と前記被覆層との相互拡散および反応により、密着性に優れた被覆層を形成することができるため、ＣＶＤ法によることが好ましい。このＣＶＤ法としては、常用の方法を採用することができ、条件などに特別の制限はない。
【００３７】
この発明の切削工具は、前記のとおり、窒化珪素を主成分とする基材の表面に被覆層を形成して成り、下記式で表されるαが２０〜５０％であることを特徴とする。
α＝〔(Ｘ−Ｙ)／Ｘ〕×１００
【００３８】
ただし、前記式において、ＸおよびＹは、下記のとおりである。
Ｘ：前記基材の耐欠損性試験における刃先の欠損時の送り速度(ｍｍ／ｒｅｖ)。
Ｙ：前記基材の表面に被覆層を形成して成る切削工具の耐欠損性試験における刃先の欠損時の送り速度(ｍｍ／ｒｅｖ)。
【００３９】
ただし、前記耐欠損性試験の条件は、下記のとおりである。
被削材：ＦＣ２００
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ
切り込み深さ：２．０ｍｍ
切削方式：乾式
刃先処理：０．２ｍｍ×２５度
【００４０】
前記耐欠損性試験の条件下、前記式で表されるαが２０〜５０％であるということは、ある程度、耐欠損性が低下した切削工具であることを意味する。しかし、この前記耐欠損性の低下の度合いは、刃先部における被覆層のチッピングや剥離を生じることがなく、実用上、切削性に支障のない範囲にとどめられている。
【００４１】
窒化珪素を主成分とする基材の表面に被覆層を形成して成る切削工具にあっては、熱的および化学的に苛酷な切削加工条件においても、優れた切削加工性を発揮することができるようにするためには、前記基材と前記被覆層との密着性をいかに強固にするかという点が、きわめて重要な要素となる。
【００４２】
ところが、前記の点について種々検討した結果、前記密着性を強固にすればするほど、被覆層を形成する前の基材の耐欠損性に対し、基材の表面に被覆層を形成して成る切削工具の基材の耐欠損性が著しく低下するということが判明した。
【００４３】
前記耐欠損性の低下は、前記基材の表面に被覆層を形成した場合、前記基材と前記被覆層との熱膨張差がきわめて大きいため、切削工具の内部に残留応力が発生し、この応力に起因して生じるものである。
【００４４】
一方、前記基材と前記被覆層との密着性が不良であると、被覆層は容易に剥離するため、耐欠損性の低下は少なくなるが、基材の表面に被覆層を形成して、優れた耐磨耗性を有する切削工具を得るという目的は、達成することができないこととなる。
【００４５】
この発明の切削工具は、前記二律背反の事象に立脚して、許容し得る微小な耐欠損性の低下を容認した上で、基材とその表面に形成される被覆層との密着性の向上を図った工具であって、熱的および化学的に苛酷な切削加工条件下、優れた耐磨耗性と耐衝撃性とを有する切削工具とすることができたのである。
【００４６】
前記式で表されるαは２０〜５０％であることを要する。２０％未満では、前記基材と前記被覆層との密着性に劣り、５０％を越えると、実用上、使用することができなくなるからである。
【００４７】
また、この発明の工具は、前記切削工具とこの切削工具を支持する支持体とを有して成る。
この発明の工具の一例を図１に示す。工具１は、基材２の表面に被覆層３が形成されて成る切削工具４が、支持体５に取り付けられて形成されている。図１においては、切削工具４における被覆層３を一部剥離して基材２を露出した状態にして工具１が示されている。６は逃げ面である。基材２および被覆層３については、前記のとおりである。
【００４８】
この発明の工具は、切削工具４と支持体５とを有して成る限り、図１に示される形状に拘束されることはない。
【実施例】
【００４９】
以下、実施例を挙げてこの発明をさらに具体的に説明するが、これら実施例によって、この発明はなんら限定されることはない。
(実施例１〜７および比較例１〜８)
【００５０】
平均粒径０．５μｍのα型窒化珪素(酸素量１．０％)粉末、それぞれ平均粒径１μｍのＡｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３、ＺｒＯ２またはＹｂ２Ｏ３粉末を、表１に示す組成となるように秤量、採取し、エチルアルコールを溶媒として、ボールミルにより、２４時間、湿式混合粉砕した。その後、パラフィンを２質量％添加し、１ｔｏｎ／ｃｍ２(９８０６．６５×１０−１Ｐａ)の圧力でプレス成形して、成形体を得た。
【００５１】
【表１】
2006082137.tif 000002
【００５２】
前記成形体を脱脂処理した後、窒素ガス雰囲気下、表２に示す焼成条件〔ただし、成形体１については、さらに、１６００℃、２時間、１０００気圧(１０１３．２５×１０５Ｐａ)の窒素ガス中で、熱間静水圧プレス(ＨＩＰ)した。〕で焼成して、表２に示す理論密度比を有する緻密な焼結体を得た。この焼結体を、ＩＳＯ規格のＳＮＧＮ１２０４０８の形状に研磨加工して、基材を得た。
【００５３】
【表２】
2006082137.tif 000003
【００５４】
前記基材を、化学蒸着装置(ＣＶＤ装置)にセットして、前記基材の表面に、下記条件により、被覆層(ＴｉＣＮ層、ＴｉＮ層、Ａｌ２Ｏ３層)を形成して、表３に示す切削工具を製造した。
【００５５】
〔ＴｉＣＮ層〕
温度：９００℃
圧力：７５ｈＰａ
Ｈ２：１８Ｌ／ｍｉｎ
Ｎ２：９．５Ｌ／ｍｉｎ
ＴｉＣｌ４：１．５ｍｌ／ｍｉｎ
ＣＨ３ＣＮ：０．２８ｍｌ／ｍｉｎ
【００５６】
〔ＴｉＮ層〕
温度：９００℃
圧力：６００ｈＰａ
Ｈ２：１３Ｌ／ｍｉｎ
Ｎ２：１０．５Ｌ／ｍｉｎ
ＴｉＣｌ４：１．１ｍｌ／ｍｉｎ
【００５７】
〔Ａｌ２Ｏ３層〕
温度：１０００℃
圧力：８０ｈＰａ
Ｈ２：１７Ｌ／ｍｉｎ
ＣＯ２：０．５Ｌ／ｍｉｎ
ＨＣｌ：０．９Ｌ／ｍｉｎ
ＡｌＣｌ３：１．２ｍｌ／ｍｉｎ
Ｈ２Ｓ：６０ｍＬ／ｍｉｎ
【００５８】
ただし、比較例６〜８については、物理蒸着法(ＰＶＤ法)により、下記条件で、被覆層(ＴｉＣＮ層、ＴｉＮ層)を形成した。
【００５９】
〔ＴｉＣＮ層〕
温度：５５０℃
圧力：２．７Ｐａ
Ｎ２：１０００ｍｌ／ｍｉｎ
ＣＨ４：１０００ｍｌ／ｍｉｎ
アーク電流：１５０Ａ
バイアス電圧：３００Ｖ
【００６０】
〔ＴｉＮ層〕
温度：５００℃
圧力：４．０Ｐａ
Ｎ２：１０００ｍｌ／ｍｉｎ
アーク電流：１５０Ａ
バイアス電圧：１５０Ｖ
【００６１】
【表３】
2006082137.tif 000004
【００６２】
このようにして製造された切削工具を用いて、図１に示す工具を作製した。また、別途、前記被覆層を形成していない基材から成る切削工具を有する工具を作製した。これら二種の工具を用い、切削工具の耐欠損性試験を実施した。この耐欠損性試験の条件は、下記のとおりである。
【００６３】
被削材：ＦＣ２００
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ
切り込み深さ：２．０ｍｍ
送り速度：０．７〜１．３ｍｍ／ｒｅｖ
切削方式：乾式
刃先処理：０．２ｍｍ×２５度
【００６４】
このときの下記式で表されるαを表４に示す。
α＝〔(Ｘ−Ｙ)／Ｘ〕×１００
【００６５】
ただし、前記式において、ＸおよびＹは、下記のとおりである。
Ｘ：前記基材(被覆層を形成していない基材)の耐欠損性試験における刃先の欠損時の送り速度(ｍｍ／ｒｅｖ)。
Ｙ：前記切削工具４の耐欠損性試験における刃先の欠損時の送り速度(ｍｍ／ｒｅｖ)。
【００６６】
また、前記二種の工具を用い、切削工具の耐摩耗性試験を実施した。この耐摩耗性試験の条件は、下記のとおりである。
【００６７】
被削材：ＦＣ２００
切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ
切り込み深さ：１．０ｍｍ
送り速度：０．１ｍｍ／ｒｅｖ
切削方式：乾式
刃先処理：０．２ｍｍ×２５度
切削時間：６０ｍｉｎ
【００６８】
このときの逃げ面の摩耗量を表４に示す。
【００６９】
【表４】
2006082137.tif 000005
【００７０】
表４に示す結果から、αが２０〜５０％にある切削工具は、基材とその表面に形成される被覆層との密着性が高く、優れた耐磨耗性を有する切削工具であることが分る。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】図１は、この発明の工具の一例を示す平面図である。
【符号の説明】
【００７２】
１    工具
２    基材
３    被覆層
４    切削工具
５    支持体
６    逃げ面
【図１】
2006082137.tif 000006