JP2002144111A - 表面被覆窒化硼素焼結体工具 - Google Patents

表面被覆窒化硼素焼結体工具

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 cBN焼結体基材に対する硬質被覆膜の密着
力が著しく改善された被覆高圧相型窒化硼素焼結体工具
を提供すること。 【解決手段】 工具刃先の少なくとも切削に関与する部
分が、高圧相型窒化硼素焼結体を基材とし、その上に形
成された表面被覆層が存在し、表面被覆膜層が、前記高
圧相型窒化硼素焼結体基材に不連続に又は分散した粒子
状として存在する中間層と、更にその上に形成された硬
質被膜層からなり、中間層が周期律表4a,5a及び6
a元素の元素群から選ばれた少なくとも1つの元素から
なることを特徴とする、被覆高圧相型窒化硼素焼結体工
具。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、立方晶型窒化硼素
(cBN)、ウルツ鉱型窒化硼素(wBN)等の高圧相
型窒化硼素を含有する焼結体(以下、cBN焼結体とい
う)を基材とする切削工具材料の改良に関するものであ
り、密着力に優れ、かつ平滑性に優れる硬質被覆膜を有
する表面被覆高圧相型窒化硼素焼結体切削工具に関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】cBN (cubic boron nitride)は、ダイ
ヤモンドに次ぐ硬度・熱伝導率を持ち、また、ダイヤモ
ンドと比較して、鉄系金属との反応性が低いという優れ
た特徴を有する。そのため、このcBNを含有するcB
N焼結体を用いた切削工具は、加工能率向上、及び設備
費低減などの利点から、鉄系難削材加工において、研削
加工用工具ないしは超硬合金やサーメット等の切削工具
に取って代わってきた。
【0003】切削工具用のcBN焼結体は、cBN粒子
と結合材からなる焼結体で、下記の2つのタイプに大別
することができる。 (1)体積で30〜80%のcBN粒子を含有し、cBN
粒子がTiN,TiC,TiCNなどのTi系セラミッ
クスを主成分とする結合材を介して結合されており、耐
摩耗性と強度のバランスに優れている焼結体で、主に焼
入鋼用途で使用されている。 (2)体積で80〜90%のcBN粒子を含有、cBN粒
子同士が直接結合され、残部がAl化合物又はCo化合
物を主成分とする結合材からなり、熱伝導率と強度に優
れる焼結体で、主に鋳鉄用途で使用されている。
【0004】近年では研削スラッジなどの産業廃棄物の
削減、及び地球温暖化対策としての消費電力の低減など
地球環境問題に対する意識の高まりを背景に、切削用c
BN焼結体工具は、地球環境問題に適合した工具として
ますます注目されている。しかしながら、cBN粒子は
ビッカース硬度Hv=5,000前後と高硬度(結合材
の硬度は高々Hv=2,500程度)であるにもかかわ
らず、Fe系金属に対する親和性がTiN,TiC,T
iCN結合材よりも高いこと、及びへき開性を有すると
いう欠点を持ち合わせており、cBN焼結体工具も、最
終的には工具刃先の熱的な摩耗、及び摩耗の進行に起因
する欠損により寿命に至るため、更なる長寿命化が望ま
れていた。
【0005】特に、最近では、焼入れ鋼部品の多様(変
種変量)化、及び高機能化の観点からも益々cBN焼結
体工具に対する期待は高まっており、より高速・高能率
で、かつ加工面性状を高品位に加工できる工具の開発が
望まれていた。例えば、cBN焼結体の耐摩耗性及び耐
欠損性を更に向上させるため、cBN焼結体にTiN,
TiCN,TiAlN被膜等を被覆する方法が提案され
ている。しかし、cBN焼結体工具は過酷な条件下で使
用されるため、突発的な被覆膜の剥離がしばしば発生
し、寿命のばらつきが大きいという問題点があった。
【0006】被覆膜の密着力向上を目的として、例えば
特開平7−18415号公報、又は米国特許第5,70
9,907号明細書で示されるように、あらかじめ基材
の表面に0.5〜12.5μmの凹凸を付け、粗面化し
た状態で成膜を行う工具も提案されている。しかしなが
ら、これらの工具で切削を行う場合、工具表面形状が被
削材に転写されるため、寸法精度や加工面の品位(面粗
度など)が従来のcBN焼結体工具よりも悪化する。c
BN工具は、従来工具と比較し、μmオーダーでの加工
精度が要求される用途での適用が特に多いことから、こ
れらの工具による実用切削は困難であった。
【0007】一方、cBN基材を粗面化せずに被覆膜の
密着強度を向上させる手段として、例えば特開平1−9
6083号公報、又は特開平1−96084号公報で示
されるように、cBN焼結体の表面に平均層厚0.05
〜0.3μmの金属Ti層を介して、窒化チタンからな
る硬質被覆膜を被覆した工具が提案されている。しかし
ながら、これらの方法では、比較的高硬度の鉄系難削材
の切削を行う際には、刃先が高圧・高温環境に曝される
ため、金属チタンが軟化し、硬質被覆膜が容易に欠損、
剥離してしまうという問題があった。また、特開平8−
119774号公報のTiAlN被覆cBN工具におい
ては、cBN基材表面を粗面化することなく、TiAl
N膜を密着力良く付ける手法として、cBN基材とTi
AlN被覆膜との間にTiN層を中間層として被覆する
技術が開示されているが、本手法では原理的にcBN基
材とTiN膜との密着力以上の向上が望めない上に、c
BN焼結体中のTiNやTiCなどの結合材の少ない、
すなわちcBNの含有率の高い焼結体に被覆する場合に
は、硬質被覆膜層の密着力の低下が不可避であった。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】そこで本発明者らは、
過酷な条件で切削を行っても、cBN焼結体工具に被覆
した硬質被覆膜が剥離せずに、高品位な加工面を長時間
にわたって維持できる工具の開発を目的として、被覆c
BN焼結体工具における硬質被覆膜の欠損、剥離のメカ
ニズムの研究を行った。
【0009】その結果、(I)cBN焼結体と、例えば
TiN,TiCN又はTiAlNといった硬質薄膜は、
基材と硬質被覆膜間の拡散や反応等によって接合される
のであるが、難焼結性のcBN粒子よりも、結合材部と
強固な結合を生じ、硬質被覆膜層が基材との密着力を維
持していること、及び(II)硬質被覆膜層内に過度の
応力が残留している場合や、例えば断続部を有する被削
材の加工など外部から硬質被覆膜層に衝撃が負荷される
ような場合には、これらの応力により、硬質被覆膜とc
BN焼結体との界面、或いは硬質被覆膜内での破壊に起
因する膜剥離が生じていること、を見出して本発明に到
達した。すなわち、本発明は上記した従来技術の問題点
を解消し、特に中間層の改良に着目することで基材に対
する硬質被覆膜の密着力が著しく改善された被覆高圧相
型窒化硼素焼結体工具を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記の目的は以下に要約
した各発明及び態様によって有利に達成される。 (1)工具刃先の少なくとも切削に関与する部分が、高
圧相型窒化硼素焼結体を基材とし、その表面に形成され
た表面被覆層が存在し、該表面被覆層が、前記高圧相型
窒化硼素焼結体基材との界面に不連続に存在する中間層
と、更にその上に形成された硬質被膜層を備え、該中間
層が周期律表4a,5a及び6a族元素の元素群から選
ばれた少なくとも1つの元素からなり、該中間層の厚さ
が1μm以下、好ましくは0.005μm以上1μm以
下であることを特徴とする、表面被覆窒化硼素焼結体工
具。 (2)工具刃先の少なくとも切削に関与する部分が、高
圧相型窒化硼素焼結体を基材とし、その表面に形成され
た表面被覆層が存在し、該表面被覆層が、前記高圧相型
窒化硼素焼結体基材との界面に不連続に存在する中間層
と、更にその上に形成された硬質被膜層を備え、該中間
層が周期律表4a,5a及び6a族元素の元素群から選
ばれた少なくとも1つの元素からなる分散した粒子とし
て存在し、0.1μm以上0.5μm未満の粒子の割合
が表面被覆層に対して体積で1%以上20%以下、好ま
しくは1%以上18%以下であり、かつ0.5μm以上
の粒子の割合が表面被覆層に対して体積で5%以下であ
ることを特徴とする、表面被覆窒化硼素焼結体工具。 (3)中間層が、Cr,Zr,V元素の少なくとも1種
を含むことを特徴とする、上記(1)又は(2)に記載
の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
【0011】(4)硬質被膜層が、4a,5a,6a族
元素、Al,B,Si及びYの中から選択される1種以
上の元素と、C,N及びOの中から選択される1種以上
の元素とからなる少なくとも1層以上でヌープ硬度Hk
=2,000以上の硬度を有する化合物による層を含
み、膜厚が0.5μm以上且つ10μm以下、好ましく
は1μm以上5μm以下であることを特徴とする上記
(1)〜(3)のいずれかに記載の表面被覆窒化硼素焼
結体工具。 (5)表面被覆層がイオンプレーティング法、スパッタ
蒸着法、又は真空アーク蒸着法により形成されることを
特徴とする、上記(1)〜(4)のいずれかに記載の表
面被覆窒化硼素焼結体工具。
【0012】(6)表面被覆層の最表面層が、Ti又は
Crから選択される1種以上の元素と、C,NおよびO
の中から選択される1種以上の元素とからなる化合物で
あることを特徴とする、上記(1)〜(5)のいずれか
に記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。 (7)表面被覆層の最表面層が、CrN層であることを
特徴とする、上記(1)〜(6)のいずれかに記載の表
面被覆窒化硼素焼結体工具。
【0013】(8)少なくとも切削に関与する箇所に、
JIS B0601(但し測定長0.8mm)に規定さ
れた中心線平均粗さRaが0.2μm以下である表面被
覆層を有することを特徴とする上記(1)〜(7)のい
ずれかに記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。 (9)工具刃先の少なくとも切削に関与する部分が、立
方晶窒化硼素を30体積%以上80体積%以下含み、残
部結合材が周期律表4a,5a,6a族元素の窒化物、
硼化物、炭化物及びAl化合物ならびにこれらの固溶体
からなる群から選択される少なくとも1種と不可避不純
物からなる立方晶窒化硼素焼結体を基材とする、上記
(1)〜(8)のいずれかに記載の表面被覆窒化硼素焼
結体工具。
【0014】(10)工具刃先の少なくとも切削に関与
する部分が、立方晶窒化硼素を80体積%以上90体積
%以下含み、残部結合材がCo化合物、Al化合物及び
これらの固溶体からなる群から選択される少なくとも1
種と不可避不純物からなる立方晶窒化硼素焼結体を基材
とする、上記(1)〜(8)のいずれかに記載の表面被
覆窒化硼素焼結体工具。 (11)立方晶窒化硼素粒子の平均粒径が4μm以下、
好ましくは0.5μm以上3.5μm以下である、上記
(1)〜(10)のいずれかに記載の表面被覆窒化硼素
焼結体工具。
【0015】上記(1)の発明は、表面被覆窒化硼素焼
結体工具において、本発明者らが、cBN焼結体を粗面
化せずに密着力を向上させるためには、cBN焼結体の
主成分であるcBN粒子との反応性のよい中間層を生成
することにより、cBN焼結体基材に硬質被膜層を高い
密着力で被覆可能であると考え、種々検討した結果、中
間層が周期律表4a,5a及び6a族元素の元素群から
選ばれた少なくとも1つの元素からなる金属、及び金属
間化合物を特定の厚さで形成された場合に、cBN焼結
体基材に硬質被膜層が高い密着強度で被覆され、過酷な
条件での切削においても硬質被膜が剥離しなくなること
を見出したことで達成されたものである。
【0016】
【発明の実施の形態】上記中間層の成分としては、金属
Cr,Ti,V,Zr,Wが好ましい。これは、基材で
あるcBN焼結体の主成分であるcBNなどの高圧相型
窒化硼素との反応性に富む金属Cr,Ti,V,Zr,
Wが前記cBN基材と前記中間層界面で前記金属の窒化
物及び硼化物を反応生成することにより、密着力が向上
する。更に中間層の上に被覆する硬質被膜層と中間層も
反応して、Cr,Ti,V,Zr及びWの窒化物、炭化
物、炭窒化物及び酸化物を生成しやすく、その結果、基
材であるcBN焼結体と硬質被膜層が高い密着強度で接
合するからである。また、中間層を形成する際に、中間
層を構成する元素がcBN焼結体表面に入射する運動エ
ネルギーによって立方晶窒化硼素粒子および結合材部分
において焼結体の内部へ拡散し、組成が連続的に変化す
る傾斜組成材料を生成する。こうして形成された中間層
を構成する元素を含むcBN焼結体表面は、中間層との
密着力をさらに向上させる。中間層と硬質被膜層との界
面も上記と同様に硬質被膜層内部に、中間層を構成する
元素の傾斜組成部分が形成され、該界面の密着力を向上
させる。さらに、硬質被膜層を構成する化合物層(例え
ばTiAlN)に中間層を形成する元素が微量添加され
ることにより、硬質被膜層の耐摩耗性および耐酸化性が
向上し、切削工具としての性能がさらに向上する。
【0017】cBN基材界面での密着強度を向上させて
も、硬質被膜層内に過度の応力が残留している場合に
は、この残留応力により膜内での破壊に起因した膜剥離
が生ずることがある。ところが、本発明により硬質被膜
層よりも展延性に優れる中間層を不連続に配置すること
により、応力集中を緩和し、硬質被膜層内での破壊に起
因する膜剥離を抑制することができる。特に、図2に示
されるように、前記の不連続に形成された中間層が0.
1μm以上0.5μm以下の粒径を有する粒子で構成す
ることが、応力緩和の点では特に好ましい。すなわち、
前記硬質被膜層で粒子状の中間層を囲繞させることによ
り、より緻密で微細な硬質被膜層の骨格構造を形成させ
ることが可能となり、食い付き回数が多い、或いは切込
みの変動が大きい高硬度鉄系難削材の連続切削や、鉄系
難削材の断続切削のような刃先に衝撃が負荷される用途
において特に効果的である。本発明では、このように中
間層を不連続層で形成するか又は粒状不連続層で形成す
ることに特徴を有するが、こうすることによってcBN
焼結体と硬質被膜層との密着力はより増加し、応力集中
を緩和し、硬質被膜層とcBN焼結体基材の剥離を抑制
するという効果が得られる。
【0018】この不連続な中間層は、厚さが、好ましく
は0.005μm以上1μm未満で高い密着力を得るこ
とができる〔不連続中間層、図1(A),(B)参
照〕。これは、中間層が0.005μm未満の場合、c
BN焼結体基材との間に充分な密着力を得るだけの拡散
層又は反応層を生成することができない、また中間層が
厚さ1μmを超える場合は、拡散又は反応しきれない硬
度の低い金属成分からなる層が厚くなりすぎ切削時の高
温高圧下で硬質被膜層が剥離するためである。また不連
続な中間層が分散した粒子で構成されている場合〔粒状
不連続中間層、図2(A),(B)参照〕には表面被覆
層内に占める0.1μm以上0.5μm未満の粒子の割
合が体積で20%を超えるか或いは0.5μm以上の粒
子の割合が体積で5%以上になると、前記同様金属粒子
の物理的特性が支配的となり、表面被覆窒化硼素焼結体
切削工具の切削性能が大幅に低下する。0.1μm以上
0.5μm未満の粒子の割合が体積で1%未満の場合に
は、前記の応力緩和の効果が少なくなる。
【0019】中間層の成分としては、Cr,Zr,Vが
特に好ましい。Crは、金属Ti,V,Zr,Hf,W
と比較して、面粗さの滑らかな中間層を得ることができ
るからである。これは、例えばTiの融点が1675℃
なのに対し、1890℃と高融点であり、中間層の被覆
の際に粗大粒子となりにくいからと考えられる。この結
果、金属Crを中間層に用いた場合には、表面被覆窒化
硼素焼結体切削工具の面粗さも滑らかとなり、金属T
i,V,Zr,Hf,Wからなる中間層を有する前記切
削工具よりも、加工面性状を高品位に加工できる。Zr
は、中間層成膜時に高圧相窒化硼素と反応し硼化物を生
成するが、Tiの硼化物がFe系金属との親和性が比較
的高いのに対し、Zrの硼化物は、Fe系金属に対して
極めて安定である。この結果、金属Zrを中間層に用い
た場合には、金属Tiを中間層に用いた場合より、切削
時に金属中間層が受けるダメージが少なく、刃先摩耗時
の密着力の低下が少ない。V及びV化合物は、切削時の
高温下で、潤滑作用を有する酸化物を生成するため切削
抵抗を低減できる。
【0020】中間層の形成方法としては、真空蒸着法、
スパッタ蒸着法、真空アーク蒸着法、イオンプレーティ
ング法などのPVD法や、各種CVD法など、公知の手
法を用いることができる。これらの中でも、イオンプレ
ーティング法、スパッタ蒸着法、真空アーク蒸着法は原
料のイオン化率が高く、イオンの基材の打ち込み効果等
により、基材との間で高い密着力が得られるため、特に
好ましい。中間層を形成する場合に、厚さを0.005
μm以上1μm未満にコントロールするには通常は成膜
装置の操作に際し、ターゲット種に応じて、ガス種、ガ
ス圧、真空度、アーク電流、バイアス電圧及び成膜時間
を調整することにより行う。不連続もしくは粒状の中間
層を形成する為には、主に被処理基材に印加するバイア
ス電圧を−300V以上−1,000V以下に調整して
行う。該バイアス電圧が−300V未満では連続的な被
膜が形成され、本発明の目的は達成されない。また、該
バイアス電圧が−1,000Vを超えると、スパッタ効
果が大きくなり、中間層が形成されなくなる。
【0021】前述したようにcBN焼結体のみでは、耐
摩耗性が不足する場合や、或いは切削中のcBN粒子の
へき開粒子、及び脱落粒子の工具刃先への巻き込みによ
り、筋状の工具逃げ面摩耗部に形成される筋状の擦過痕
となり、これが、加工面に転写され、加工面の面粗度を
低下させる場合がある。そこで、硬質被膜層は、4a,
5a,6a族元素、Al,B,Si及びYの中から選択
される1種以上の元素と、C,N及びOの中から選択さ
れる1種以上の元素とからなる少なくとも1種以上の化
合物による層を含むことが好ましい。前記硬質被膜層を
cBN焼結体基材に密着力良く被覆し、cBN粒子と鉄
系難削材との接触を抑制することにより、工具の耐摩耗
性、耐欠損性の向上、及び加工面を高品位で加工するこ
とができる等の効果があるからである。特に、Yを固溶
させる場合は、膜の硬度と耐酸化性が向上する。
【0022】硬質被膜層は適宜に複数層とすることがで
きるが最表面層はTiN又はCrN層であることが、好
ましい。これは、cBN焼結体工具は黒色であるのに対
し、TiN、及びCrNは、それぞれ鮮やかな金色、銀
色を有するので、本被覆cBN焼結体工具をマスプロダ
クションで使用する際に、寿命に達した工具と未使用の
工具の区別が容易になり、工具管理が徹底できるからで
ある。硬質被膜層の最表面層がCrN層であることが、
特に好ましい。摩擦係数が極めて小さいCrN層を最表
面に被覆することにより、切削時の溶着を抑制できるた
め良好な仕上げ面を長時間にわたり維持できるからであ
る。従来CrN膜は、前記の優れた耐溶着性を有するに
もかかわらず、TiN膜のHk=2,000に対しHk
=1,700と硬度が低いことから、cBN母材に単層
で被覆した場合や超硬合金母材を用いた場合には、膜表
面に大きな応力集中が生じるとCrN膜ないしは、超硬
合金母材が塑性変形を起こし、その変形量に追従できず
CrN膜がヒビ割れ、剥離を生じてしまうという問題点
があった。本発明ではCrNよりも硬度に優れるcBN
焼結体やTiAlN(Hk=2,500以上)を下地と
することにより、大きな応力集中が生じても変形量が抑
制されCrN膜の損傷を抑制し、耐久性を著しく向上さ
せることに成功した。
【0023】硬質被膜層の膜厚は、0.5μm以上且つ
10μm以下、特に1μm以上5μm以下であることが
好ましい。これは、膜厚が0.5μm未満であると、切
削時に硬質被膜層が短時間に摩耗するため硬質被膜層の
効果が得られないし、また膜厚が10μmを超えると硬
質被膜層中の残留応力の影響で基材との密着力の低下が
生じるからである。表面被覆層の形成方法としては、真
空蒸着法、スパッタ蒸着法、真空アーク蒸着法、イオン
プレーティング法などのPVD法や、各種CVD法な
ど、公知の手法を用いることができる。これらの中で
も、イオンプレーティング法、スパッタ蒸着法、真空ア
ーク蒸着法は原料のイオン化率が高く、イオンの基材の
打ち込み効果等により、中間層と基材との間で高い密着
力が得られるため、特に好ましい。特に、イオンプレー
ティング等のPVD法による薄膜形成ではイオン化した
原料物質が、蒸発源と被コーティング基材との間に印加
されたバイアス電圧によって基材に打ち込まれ、界面を
清浄化し、また、界面に一種のミキシング層を形成する
ので高い密着強度が得られる。尚、本発明では、中間層
と硬質被膜層は同一装置で連続して成膜するので、上記
の効果は両方の膜の形成時に作用する。
【0024】基材であるcBN焼結体は、好ましい組成
の例として下記の(1)及び(2)があげられる。 (1)cBNを30体積%以上80体積%以下含み、残
部が周期律表4a,5a,6a族元素の窒化物、硼化
物、炭化物、アルミニウム化合物ならびにこれらの固溶
体からなる群から選択される少なくとも1種からなる結
合材、及び不可避不純物からなるcBN焼結体。このc
BN焼結体は、cBN粒子が主に、鉄との親和性の低い
前記結合材を介して強固に結合されたもので、耐摩耗性
と強度が向上している。本焼結体におけるcBN含有率
は体積で30%以上80%以下含むことが好ましい。こ
れは、cBNの含有率が30体積%未満となると、cB
N焼結体の硬度が低下し、例えば焼入鋼のような高い硬
度の被削材を切削するための硬度が不足するからであ
り、逆にcBNの含有率が80体積%を超える場合は、
結合材を介したcBN粒子同士の結合が困難になり、c
BN焼結体の強度が低下するからである。
【0025】(2)cBNを80体積%以上90体積%
以下含み、cBN粒子同士が結合しており、残部結合材
がAl化合物、若しくはCo化合物を主成分とするcB
N焼結体。このcBN焼結体は、触媒作用を有するAl
又はCoを含有する金属、或いは金属間化合物を出発原
料として液相焼結を行うことにより、cBN粒子同士を
結合させ、かつcBN粒子の含有率を高めることができ
る。cBN粒子の含有率が高いため耐摩耗性に劣るもの
の、cBN粒子同士が強固な骨格構造を形成しているこ
とから耐欠損性に優れ、酷な条件での切削が可能とな
る。本焼結体におけるcBN含有率は体積で80%以上
90%以下含むことが好ましい。これは、cBNの含有
率が80体積%未満となると、cBN粒子同士の結合に
よる骨格構造を形成するのが難しくなり、逆にcBNの
含有率が90体積%を超える場合には、触媒作用を有す
る前記結合材が不足により、cBN焼結体に未焼結部を
生ずるため、cBN焼結体の強度が低下するからであ
る。
【0026】また、基材であるcBN焼結体中のcBN
粒子の平均粒径が4μm以下であるものの場合、切削性
能の向上が著しい。これは、cBN粒子が4μm以下に
なると、cBN粒子の表面積が増加し、cBN粒子と硬
質被覆膜層と密着力が向上するためである。cBN粒子
の平均粒径の好ましい範囲は0.5μm以上3.5μm
以下である。
【0027】
【実施例】以下、本発明を実施例について詳細に説明す
るが限定を意図するものではない。 (実施例1) (1)試料の作製 まず、超硬合金製ポット及びボールを用いて、質量で4
0%のTiNと10%のAlからなる結合材粉末と粒径
2μmのcBN粉末50%を混ぜ合わせ、超硬合金製容
器に充填し、圧力5Gpa、温度1400℃で60分焼
結し、焼入れ鋼連続切削用のcBN焼結体を得た。この
cBN焼結体を加工し、ISO規格SNGA12040
8の形状の切削用チップを得た。そのチップに、以下の
方法を用いた表面被覆層を成膜した。図3(A)及び
(B)は、この発明で用いた成膜装置の模式図であり、
本装置は公知のアークイオンプレーティング法を用いて
いる。図3(A)を参照すると、成膜装置1は、チャン
バー2と主テーブル3と支持棒4とアーク式蒸発源5a
及び5bと、陰極6a及び6bと、可変電源としての直
流電源7a,7b及び8と、ガスを供給するためのガス
導入口9とを備えている。チャンバー2は真空ポンプと
連結されており、チャンバー2内の圧力を変化させるこ
とが可能である。チャンバー内に主テーブル3と支持棒
4とガス導入口9と陰極6a及び6bが設けられてい
る。
【0028】チャンバー2内に設けられた支持棒4は、
主テーブル3を支持する。支持棒4内には回転軸が設け
られており、この回転軸が主テーブル3を回転させる。
主テーブル3に基材10を保持するための治具11が設
けられている。支持棒4、主テーブル3及び治具11は
直流電源8の負極と電気的に接続されている。直流電源
8の正極はアースされている。チャンバー2の側壁に
は、アーク式蒸発源5aとそのアーク式蒸発源5aに接
続された陰極6aと向かい合うように、チャンバー2の
側壁にアーク式蒸発源5bと陰極6bが取り付けられて
いる。アーク式蒸発源5a及び陰極6aは、直流電源7
aの負極と電気的に接続されている。直流電源7aの正
極はアースされ、かつチャンバー2と電気的に接続され
ている。直流電源7bの正極はアースされ、かつチャン
バー2に電気的に接続されている。(また、図3(B)
に示されているように紙面垂直方向にも1対の蒸発源5
c,5dが設置されている。)
【0029】アーク式蒸発源5aおよび5bは陰極6a
及び6bとチャンバー2との間のアーク放電によって、
陰極6a及び6bを部分的に溶解させて、陰極物質を矢
印12a及び12bに示す方向に蒸発させるものであ
る。陰極6a及び6bとチャンバー2との間には電圧が
印加される。陰極6aは(Ti0.5、Al0.5)に
より構成される。陰極6bはTi,Cr,Zr或いはV
等の周期律表4a,5a及び6a族元素の元素群から選
ばれた少なくとも1つの元素からなる金属、及び金属間
化合物より構成される。なお(Ti0.5、Al0.
5)とは、TiとAlの原子数比が0.5:0.5の化
合物をいう。ガスを供給するガス導入口9には、矢印1
3で示す方向から様々なガスが導入される。このガスの
例として、アルゴン,窒素,水素,酸素ガスまたは例え
ばメタン,アセチレン,ベンゼンなどの炭化水素ガスな
どがある。
【0030】まず、図3(A)で示すような装置を用い
て、主テーブル3を回転させながら、真空ポンプにより
チャンバー2内を減圧し、ヒーター(図示せず)により
基材10を温度450℃に加熱して、チャンバー2内の
圧力が1.5×10-5Paとなるまで真空引きを行っ
た。次に、ガス導入口9からアルゴンガスを導入してチ
ャンバー内の圧力を3〜5.0Paに保持し、直流電源
8の電圧を徐々に上げながら、−1000Vとし、基材
10の表面クリーニングを20分間行った。その後、ア
ルゴンガスを排気した。次に、チャンバー2内の圧力が
0.5〜10.0Paになるようにガス導入口9からア
ルゴンガスを導入した。直流電源7bから50〜200
Aのアーク電流を供給し、陰極6bから金属イオンを発
生させた。直流電源8のバイアス電圧を−300〜−6
00Vとし、基材10の表面において各種中間層の形成
を行い、所定の厚み(10nm)に達するまでこの状態
を維持した。ターゲット種に応じて、前記ガス圧、アー
ク電流、バイアス電圧、及び成膜時間を調整することに
より、不連続な中間層(図1)を形成した。その後、直
流電源7b及び8を切り、アルゴンガスを排気した。前
記中間層膜の形成が終了すると、チャンバー2内の圧力
が5Paとなるように、ガス導入口9から窒素ガスを導
入し、直流電源7aから100Aのアーク電流を供給
し、陰極6aを構成する(Ti0.5、Al0.5)を
蒸発させ、直流電源8に−150Vの電圧をかけ、基材
10の表面に厚さが約3μmの硬質被覆膜である(T
i、Al)Nを形成した。引き続き、直流電源7aを切
り、直流電源7bに100Aのアーク電流を供給し、陰
極6bからCrイオンを発生させ、基材10の最表面に
約0.5μmのCrN膜を形成した。また、陰極6a及
び6bを変え、また成膜時間を変化させ、他は上記と同
じ方法で、本発明品試料No.1〜4のチップを作製し
た。
【0031】比較品として、中間層の形成なしに硬質被
覆膜層を形成した試料No.13、中間層の材質が本発
明品の範囲に含まれない試料No.14、中間層の膜厚
が本発明品の範囲に含まれない試料No.5及び10、
硬質被覆膜層の膜厚が本発明の範囲に含まれない試料N
o.20、超硬合金基材(P30)上に本発明の表面被
覆層を被覆した試料No.21、及び表面被覆層を被覆
していないcBN焼結体試料No.22のチップについ
ても用意した。次に、前記各種これらの硬質被覆膜の硬
度(Hk)を測定するために#10000のラッピング
ペーパーでラップした後、荷重25g、10秒の条件
で、ヌープ圧子を押し込んだ際の圧痕サイズから測定し
た。
【0032】(2)切削試験 次に、これらの切削チップを用い、焼入鋼の1種である
SUJ2の丸棒(HRC63)の外周切削を行った。切
削速度150m/min、切り込み0.2mm、送り
0.1mm/rev.、乾式で25分間の条件で切削を
行い、逃げ面摩耗量と硬質被覆膜の剥離状態を評価し
た。試料の詳細と切削試験を行った場合の評価結果を表
1に示す。
【0033】
【表1】
【0034】以上の結果より、中間層が周期律表4a,
5a及び6a族元素群から選ばれた少なくとも1つの元
素から形成されている本発明の試料No.1〜4、6〜
9、11、12、16〜20は、中間層がない試料N
o.13や中間層が周期律表4a,5a及び6a族元素
群以外である試料No.14と比較して切削試験におい
て膜剥離が生じにくいことが分かる。また従来の焼入れ
鋼切削用cBN焼結体である試料No.22と比較し
て、摩耗が大幅に減少しているのが分かる。中間層の厚
さが本発明と比較して厚い試料No.5,10や、硬質
被覆膜が本発明と比較して厚い試料No.20は、切削
初期において膜剥離が生じ、短寿命である。また、超硬
合金基材に本発明の表面被覆層を被覆した試料No.2
1は、切削初期から基材の塑性変形に伴い、基材、表面
被覆層とも欠損を生じてしまい、本実施例の加工条件で
は使用できない。
【0035】(実施例2) (1)試料の作製 超硬合金製ポット及びボールを用いて、質量で15%の
Coと5%のAlからなる結合材粉末との3μmのcB
N粉末80%を混ぜ合わせ、超硬合金製容器に充填し、
圧力5GPa、温度1400℃で60分焼結し、焼入れ
鋼断続切削用のcBN焼結体を得た。このcBN焼結体
を加工し、ISO規格SNGA120408の形状の切
削用チップとした。そのチップに、Yを質量%で3%含
有する(Ti0.5、Al0.5)により構成される陰
極6aを用い、実施例1と同様の方法を用いて各種表面
被覆層を成膜、硬度を測定した(試料No.23〜3
1)。
【0036】不連続で粒子状の中間層(図2)の形成
は、製膜工程の中間層形成過程において、直流電源8の
バイアス電圧を−600〜−1000V、チャンバー内
の圧力を0.5〜10.0Paとし、各種ターゲット種
においてガス圧、アーク電圧、バイアス電圧、及び成膜
時間を調整することにより実施した。表面被覆膜層内に
存在している0.1μm以上0.5μm未満の粒状不連
続中間層の割合、及び0.5μm以上の粒状中間層の割
合を調査するために、前記の被覆後の試料をFIB(集
束イオンビーム加工装置)により、すくい面に垂直な方
向に分断して得られた面をFE−SEM(電界放射型走
査電子顕微鏡)により分析した(試料No.32〜4
5)。
【0037】(2)切削試験 次に、これらの切削チップを用い、焼入鋼の1種である
SCM415の丸棒で2本のU字状の溝を有する被削材
(HRC58)の外周切削を行った。切削速度200m
/min、切り込み0.2mm、送り0.1mm/re
v.、乾式で15分間の条件で切削を行い、逃げ面摩耗
量と、硬質被覆膜の剥離状態を評価した。以下に、試料
の詳細と切削試験を行った場合の評価結果を表2に示
す。
【0038】
【表2】
【0039】
【表3】
【0040】以上の結果より、中間層が周期律表4a,
5a及び6a族元素群から選ばれた少なくとも1つの元
素から形成されている試料No.24〜26,28,2
9,37〜39,43は、中間層がない試料No.42
や中間層が周期律表4a,5a及び6a族元素群以外で
ある試料No.31及び36と比較して、切削試験にお
いて膜剥離が生じにくく、切削時に長寿命となることが
分かる。また従来のcBN焼結体である試料No.46
と比較して長寿命となっている。中間層の厚さが本発明
と比較して厚い試料No.27、表面被覆膜層における
中間層の0.1μm以上0.5μm未満の粒子の割合が
多い試料No.40及び0.5μm以上の分散粒子の割
合が多い試料No.41では、膜剥離が生じることがあ
り、逆に短寿命となっていることが分かる。また、超硬
合金基材に本発明の表面被覆層を被覆した試料No.4
5は、切削初期から基材の塑性変形に伴い、基材、表面
被覆層とも欠損を生じてしまい、本実施例の加工条件で
は使用できない。
【0041】(実施例3) (1)試料の作製 まず、超硬合金製ポット及びボールを用いて、質量で5
0%のTiNと5%のAlからなる結合材粉末と粒径1
μmのcBN粉末45%を混ぜ合わせ、超硬合金製容器
に充填し、圧力5GPa、温度1400℃で40分焼結
し、焼入れ鋼高精度切削用のcBN焼結体を得た。この
cBN焼結体を加工し、ISO規格SNGA12040
8の形状の切削用チップとした。そのチップに、(Ti
0.7、Al0.3)により構成される陰極6aを用
い、実施例2と同様の方法を用いて各種表面被覆膜を成
膜、硬度を測定した。また、その際切削に関与する部分
の表面被覆層表面の中心線平均粗さRa〔JIS B0
601(但し測定長0.8mm)に規定〕を評価した。
表面被覆層の表面粗さについては、成膜時の真空度を1
×10-6〜1×10-3Torrの間で変化させ種々の粗
さの試料を作製した。表面被覆膜層内に存在している粒
状不連続中間層の存在形態を、実施例2と同様に調査し
たところ、0.1μm以上0.5μm未満の粒状不連続
中間層の割合が体積で8%、0.5μm以上の粒状中間
層の割合が3%であった。
【0042】(2)切削試験 次に、これらの切削チップを用い、焼入鋼の1種である
SCM415の丸棒で(HRC60)の外周切削を行っ
た。切削速度200m/min、切り込み0.1mm、
送り0.08mm/rev.、乾式で40分間の条件で
切削を行い、被削材の10点平均面粗さRz(JIS
B0601に規定)と、硬質被覆膜の剥離状態を評価し
た。試料の詳細と切削試験を行った場合の評価結果を下
記の表3に示す。
【0043】
【表4】
【0044】以上の結果より、中間層が周期律表4a,
5a及び6a族元素群から選ばれた少なくとも1つの元
素から形成されている試料No.47〜52は、中間層
が周期律表4a,5a及び6a族元素群以外である試料
No.53と比較して、試料の面粗さが小さく、すなわ
ち滑らかで、切削試験において被削材の面粗さRzが小
さな加工、つまり高精度加工が可能であり、かつ膜剥離
が生じにくく、切削時に長寿命となることが分かる。従
来の焼入れ鋼高精度加工用cBN焼結体と比較しても、
高精度な加工面が得られていることが分かる。中間層が
周期律表4a,5a及び6a族元素群から選ばれた少な
くとも1つの元素から形成されている試料No.47〜
52の中でも、特に中間層がCrの場合、試料の面粗さ
Raが小さく、また、同じ面粗さを有する中間層がTi
からなる本発明品よりも、被削材の面粗さRzも小さ
く、切削時に長寿命となることが分かる。
【0045】(実施例4) (1)試料の作製 まず、超硬合金製ポット及びボールを用いて、質量で4
0%のTiNと15%のAlからなる結合材粉末と粒径
3μmのcBN粉末45%を混ぜ合わせ、超硬合金製容
器に充填し、圧力5GPa、温度1400℃で50分焼
結し、焼入れ鋼汎用切削用のcBN焼結体を得た。この
cBN焼結体を加工し、ISO規格SNGA12041
2の形状の切削用チップを得た。そのチップに、(Ti
0.6、Al0.4)により構成される陰極6aを用
い、実施例1と同様の方法を用いて各種表面被覆膜を成
膜、硬度を測定した。表面被覆膜層内に存在している粒
状不連続中間層の存在形態を、実施例2と同様に調査し
たところ、0.1μm以上0.5μm未満の粒状不連続
中間層の割合が8%、0.5μm以上の粒状中間層の割
合が3%であった。
【0046】(2)切削試験 次に、これらの切削チップを用い、鋼の1種であるS4
5Cの丸棒(HRC15)の外周切削を行った。切削速
度600m/min、切り込み0.5mm、送り0.3
mm/rev.、乾式で30分間の条件で切削を行い、
逃げ面摩耗量と、硬質被覆膜の剥離状態を評価した。試
料の詳細と切削試験を行った場合の評価結果を表4に示
す。
【0047】
【表5】
【0048】以上の結果より、中間層が周期律表4a,
5a及び6a族元素群から選ばれた少なくとも1つの元
素から形成されている試料No.55〜60は、中間層
がない試料No.61や中間層が周期律表4a,5a及
び6a族元素群以外である試料No.62と比較して、
切削試験において膜剥離が生じにくく、切削時に長寿命
となることが分かる。また従来のcBN焼結体である試
料No.64と比較して摩耗が少なく長寿命となってい
る。特にVを中間層とする本発明の試料No.57〜6
0では、切削時の溶着もなく、良好な摩耗形態を呈す
る。また、超硬合金基材に本発明の表面被覆層を被覆し
た試料No.63は、比較的切削初期から基材の塑性変
形に伴い、基材、表面被覆層とも欠損を生じてしまい、
本実施例の加工条件では使用できない。
【0049】(実施例5) (1)試料の作製 高圧相窒化硼素焼結体(cBN、或いはwBN)の作製
において、結合材及び高圧相窒化硼素粉末の混合比、又
は粉末の粒度を適宜変更させて、それ以外は実施例1の
方法と同様にして、試料を作製した。被覆膜はすべて、
不連続なCr中間層(厚さ0.4μm)を有し、硬質被
覆膜第1層がTiAlN(3.0μm)、最表面をCr
N(0.3μm)とした。
【0050】(2)切削試験 次に、これらの切削チップを用い、ダイス鋼であるSK
D11の丸棒で6本のV字状の溝を有する被削材(HR
C59)の外周切削を行った。切削速度120m/mi
n、切り込み0.2mm、送り0.1mm/rev.、
乾式で切削を行い、表面被膜が剥離、又はcBN基材ご
と欠損するまでの時間を評価した。試料の詳細と切削試
験を行った場合の評価結果を下記表5に示す。
【0051】
【表6】
【0052】以上の結果より、基材cBN焼結体の結合
材が、周期律表4a,5a及び6a族元素の窒化物、硼
化物、炭化物ならびにこれらの固溶体からなる群から選
択される少なくとも1種と、Al化合物とからなる結合
材と、不可避不純物からなる結合材である試料No.6
5〜72において、cBNの含有率が本発明の範囲外で
ある試料No.65及び72は基材cBN焼結体の強度
が弱く、切削初期において欠損して寿命に致ることが分
かる。さらに、cBNの平均粒径が大きい試料No.7
3では、膜剥離しやすいことが分かる。また、基材cB
N焼結体の結合材が、Co化合物、Al化合物及びこれ
らの固溶体からなる群から選択される少なくとも1種と
不可避不純物からなる結合材である試料No.74〜7
6において、cBNの含有率が本発明の範囲外である試
料No.74及び試料No.76は基材cBN焼結体の
強度が弱く、切削初期において欠損して寿命に至ること
が分かる。さらに、cBNの平均粒径が大きい試料N
o.77では、膜剥離しやすいことが分かる。
【0053】(実施例6) (1)試料の作成 実施例4と同様の方法を用いて、下記のように切削用チ
ップを作成した。まず、超硬合金製ポットおよびボール
を用いて、質量で40%のTiNと15%のAlからな
る結合材粉末と粒径3μmのcBN粉末45%を混ぜ合
わせ、超硬製容器に充填し、圧力5GPa、温度140
0℃で50分焼結し、焼入れ鋼汎用切削用のcBN焼結
体を得た。このcBN焼結体を加工し、ISO規格SN
GA120412の形状の切削用チップを得た。得られ
たチップに(Ti0.6Al0.4)により構成される
陰極6aを用い、実施例1と同様の方法を用いて、実施
例4の試料No.56と同じ構成の表面被覆層を成膜し
た。
【0054】(2)元素分布分析 次に、上記で得られた切削チップを表面被覆層に垂直な
方向に切断して薄片を作成し、得られた薄片をイオンシ
ニング法により透過型電子顕微鏡用の試料とした。同試
料を透過型電子顕微鏡で観測し、表面被覆層についてそ
の基材側の界面から膜厚方向に数箇所を選択してエネル
ギー分散型X線微小分析装置(EDX)を用いて、各分
析地点の構成元素の組成を求めた。定量化については標
準試料から求めた検量線で校正した。尚、分析は、基材
のcBN結晶粒の上部にあたる部分と、結合材の上部に
あたる部分の2箇所について実施した。得られた結果を
表6に示す。
【0055】
【表7】 得られた結果について、Crの元素分布の界面からの距
離に対してプロットしたものを図4に示す。cBN結晶
粒の上部、結合材の上部のいずれの場合も界面部から表
面被覆層の成長方向に向かってCrの分布が減少してお
り、傾斜組成材料が形成されていることが確認できた。
【0056】
【発明の効果】以上に述べたように、本発明の表面被覆
立方晶型窒化硼素焼結体工具は、従来のものと比較して
cBN焼結体基材に対する硬質被覆膜の密着力を向上さ
せ、cBN粒子と鉄系難削材との接触を抑制することに
より工具の耐摩耗性、耐欠損性の向上、加工面の高品質
化等優れた効果を奏することができ、それにより工具の
寿命も向上するという顕著な効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】cBN基材表面に本発明に係る中間層を不連続
に被覆した状態を示す平面図(A)及び断面図(B)。
【図2】cBN基材表面に本発明に係る中間層を粒状不
連続相として被覆した状態を示す平面図(A)及び横断
面図(B)。
【図3】本発明の焼結体の製造に用いるアークイオンプ
レーティング法による成膜装置を示す模式図。(A)は
断面図、(B)は平面図。
【図4】本発明に係る表面被覆層内のCrの元素分布を
界面からの距離(nm)に対してプロットしたグラフ。
【符号の説明】
1:成膜装置 2:チャンバー 3:主テーブル 4:支持棒 5a,5b:アーク式蒸発源 6a,6b:陰極 7a,7b:直流電源 8:直流電源 9:ガス導入口 10:基材 11:治具 12a,12b:蒸発方向
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大原 久典 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目1番1号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 福井 治世 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目1番1号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内 Fターム(参考) 3C046 FF04 FF11 FF16 FF20 FF21 FF25 FF27 4K029 AA04 BA02 BA07 BA17 BA43 BA54 BA55 BA58 BB02 BC00 BD05 CA04 CA06 EA01

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 工具刃先の少なくとも切削に関与する部
    分が、高圧相型窒化硼素焼結体を基材とし、その表面に
    形成された表面被覆層が存在し、該表面被覆層が、前記
    高圧相型窒化硼素焼結体基材との界面に不連続に存在す
    る中間層と、更にその上に形成された硬質被膜層を備
    え、該中間層が周期律表4a,5a及び6a族元素の元
    素群から選ばれた少なくとも1つの元素からなり、該中
    間層の厚さが1μm以下であることを特徴とする、表面
    被覆窒化硼素焼結体工具。
  2. 【請求項2】 工具刃先の少なくとも切削に関与する部
    分が、高圧相型窒化硼素焼結体を基材とし、その表面に
    形成された表面被覆層が存在し、該表面被覆層が、前記
    高圧相型窒化硼素焼結体基材との界面に不連続に存在す
    る中間層と、更にその上に形成された硬質被膜層を備
    え、該中間層が周期律表4a,5a及び6a族元素の元
    素群から選ばれた少なくとも1つの元素からなる分散し
    た粒子として存在し、0.1μm以上0.5μm未満の
    粒子の割合が表面被覆層に対して体積で1%以上20%
    以下であり、かつ0.5μm以上の粒子の割合が表面被
    覆層に対して体積で5%以下であることを特徴とする、
    表面被覆窒化硼素焼結体工具。
  3. 【請求項3】 中間層が、Cr,Zr,V元素の少なく
    とも1種を含むことを特徴とする、請求項1又は2に記
    載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
  4. 【請求項4】 硬質被膜層が、4a,5a,6a族元
    素、Al,B,Si及びYの中から選択される1種以上
    の元素と、C,N及びOの中から選択される1種以上の
    元素とからなる少なくとも1層以上でヌープ硬度Hk=
    2,000以上の硬度を有する化合物による層を含み、
    膜厚が0.5μm以上且つ10μm以下であることを特
    徴とする、請求項1又は2に記載の表面被覆窒化硼素焼
    結体工具。
  5. 【請求項5】 表面被覆層がイオンプレーティング法、
    スパッタ蒸着法、又は真空アーク蒸着法により形成され
    ることを特徴とする、請求項1ないし4のいずれかに記
    載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
  6. 【請求項6】 表面被覆層の最表面層が、Ti又はCr
    から選択される1種以上の元素と、C,N及びOの中か
    ら選択される1種以上の元素とからなる化合物であるこ
    とを特徴とする、請求項1ないし5のいずれかに記載の
    表面被覆窒化硼素焼結体工具。
  7. 【請求項7】 表面被覆層の最表面層が、CrN層であ
    ることを特徴とする、請求項1ないし6のいずれかに記
    載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
  8. 【請求項8】 少なくとも切削に関与する箇所に、JI
    S B0601(但し測定長0.8mm)に規定された
    中心線平均粗さRaが0.2μm以下である表面被覆層
    を有することを特徴とする請求項1ないし7のいずれか
    に記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
  9. 【請求項9】 工具刃先の少なくとも切削に関与する部
    分が、立方晶窒化硼素を30体積%以上80体積%以下
    含み、残部結合材が周期律表4a,5a,6a族元素の
    窒化物、硼化物、炭化物及びAl化合物ならびにこれら
    の固溶体からなる群から選択される少なくとも1種と不
    可避不純物からなる立方晶窒化硼素焼結体を基材とす
    る、請求項1ないし8のいずれかに記載の表面被覆窒化
    硼素焼結体工具。
  10. 【請求項10】 工具刃先の少なくとも切削に関与する
    部分が、立方晶窒化硼素を80体積%以上90体積%以
    下含み、残部結合材がCo化合物、Al化合物及びこれ
    らの固溶体からなる群から選択される少なくとも1種と
    不可避不純物からなる立方晶窒化硼素焼結体を基材とす
    る、請求項1ないし8のいずれかに記載の表面被覆窒化
    硼素焼結体工具。
  11. 【請求項11】 立方晶窒化硼素粒子の平均粒径が4μ
    m以下である、請求項1ないし10のいずれかに記載の
    表面被覆窒化硼素焼結体工具。
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