JP2004338041A - 切削インサート及び工具ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】従来の様に、立方晶窒化ホウ素を含む表面層の被覆後に、表面層が短い期間で基体から剥離することがなく、表面層の密着性が高い切削インサート及び工具ユニットを提供すること。
【解決手段】被覆膜（５）は、基体（３）側より、基体表面に設けられた窒化チタンからなるベース層（７）と、ベース層（７）の外表面に設けられたチタン、ホウ素、及び窒素からなる中間層（９）と、中間層（９）の外表面に設けられた窒化ホウ素からなる表面層（１１）とからなる。ベース層（７）は、その厚みが０．１〜０．５μｍの範囲である。中間層（９）は、表面層（１１）に向かって、ホウ素の含有量が漸近的に増加するとともに、チタンの含有量が漸近的に減少する構成を有する。表面層（１１）は、その厚みが０．５〜１．５μｍであり、表面層（１１）中の全窒化ホウ素に対する立方晶窒化ホウ素の割合が、１０〜７０ｍｏｌ％である。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐摩耗性、耐熱性、電気絶縁性、及び熱伝導性に優れた窒化ホウ素により被覆された切削インサート及びその切削インサートを備えた工具ユニットに関するものであり、例えば切削工具、研削工具などに用いられる切削インサート及び工具ユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、立方晶窒化ホウ素（Ｃｕｂｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ：以下ｃＢＮとも記す）は、電気絶縁性及び熱伝導性に優れていることから、ＩＣのヒートシンク材料やパッシベーション膜として有用であることが知られている。
【０００３】
また、ｃＢＮは、ダイアモンドに次ぐ高硬度を持つ物質で、しかも、ダイアモンドより熱的に安定であり、その上、鉄との反応性が低いため、切削工具、研削工具、耐摩耗部品等に広く使用されている。
このｃＢＮは、高温・高圧下で人工的に合成されており、その合成には、１７００℃以上、５万気圧以上という極めて高い圧力と温度が必要とされ、高価な超高圧発生装置を使用しなければならなかった。
【０００４】
また、超高圧装置で形成できるのは、小型円盤形状の製品に限られ、通常用いられる切削工具形状に加工するのは極めて困難である。そのため、ｃＢＮを刃先部分にろう付けした製品が一般的であるが、どちらにしても大変高価なものである。
【０００５】
これとは別に、近年では、気相合成法により、ｃＢＮ薄膜を減圧下で基板表面に形成する方法が研究されている。この方法は、様々な問題点はあるものの、物理蒸着法（ＰＶＤ）並びに化学蒸着法（ＣＶＤ）により、ｃＢＮが合成可能となっている。
【０００６】
前記気相合成法により、ｃＢＮを切削工具の表面に形成することができれば、ｃＢＮが、その硬さ、耐熱性、耐酸化性、摩擦係数、鉄との反応性などの点で、優れた特長を持つことから、寿命や性能に関して大きな改善が期待できる。
ところが、気相合成法を用いたｃＢＮ合成法は、いずれも、励起もしくは加速されたイオンの衝撃作用によって立方晶相（Ｃｕｂｉｃ Ｐｈａｓｅ）を形成するものであるため、ｃＢＮ膜が形成されても、内部応力が大きく、工具のベースとなる基板である（超硬合金を含めた）金属基板やセラミックス基板との密着性が極めて乏しい。その結果、ｃＢＮの被覆後、直ちに又は数日以内に基板から剥離してしまう。
【０００７】
そのため、ｃＢＮを被覆した切削工具などの実用化には、特にｃＢＮ膜と基板材料との接合強度の改善が必要とされる。
この対策として、近年では、下記▲１▼〜▲４▼の各種の方法が提案されている。
▲１▼基体とｃＢＮ層との間に中間層を設け、その中間層をＴｉ層と（ＢとＮの）傾斜組成層とから構成する方法（特許文献１参照）。
【０００８】
▲２▼基体とｃＢＮ膜との間に、Ｔｉ膜とＢ−αＢＮ膜とを設ける方法（特許文献２参照）。
▲３▼基体とｃＢＮ層との間に、Ｓｉ層とＳｉ_３Ｎ_４層とを設ける方法（特許文献３参照）。
【０００９】
▲４▼基体とｃＢＮ層との間に、Ｔｉ層とＴｉＢ層とＴｉＢＮ層とを設ける方法（特許文献４参照）。
【００１０】
【特許文献１】
特開平３−２６００５４号公報 （第２頁、第１図）
【特許文献２】
特開平４−１６８２６３号公報 （第２頁、第１図）
【特許文献３】
特開平３−２５７１５４号公報 （第３頁）
【特許文献４】
特開平１０−２０４６１８号公報 （第２頁、第２図）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の方法では、依然としてｃＢＮ膜の密着性が低く、切削工具などとして用いるには十分ではなく、一層の改善が求められていた。本発明は上記問題点を解決するものであり、その目的は、従来の様に、ｃＢＮを含む表面層の被覆後に、表面層が短い期間で基体から剥離することがなく、表面層の密着性が高い切削インサート及び工具ユニットを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
（１）請求項１の発明は、基体と、該基体表面に設けられた窒化チタンを主成分とするベース層と、該ベース層の外表面に設けられた中間層と、該中間層の外表面に設けられた窒化ホウ素を主成分とする表面層と、を備えた切削インサートに関するものであり、特に本発明では、前記中間層が、ホウ素、チタン、及び窒素を含むとともに、前記表面層中の全窒化ホウ素に対する立方晶窒化ホウ素の割合が、１０〜７０ｍｏｌ％であり、更に、前記表面層の厚みが、０．５〜１．５μｍであることを特徴とする。
【００１３】
本発明では、ベース層は主として窒化チタンから構成されているので、基体との密着性に優れている。また、ベース層と表面層との間に、ホウ素、チタン、及び窒素を含む中間層が配置されているので、表面層に生じる応力を緩和できる。特に本発明では、表面層中の全窒化ホウ素（ＢＮ）に対する立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）の割合が、１０ｍｏｌ％以上であるので、ｃＢＮを含むことによる効果、即ち、耐摩耗性、耐熱性、電気絶縁性、及び熱伝導性に関する優れた効果を発揮できる。更に、全ＢＮに対するｃＢＮの割合が、７０ｍｏｌ％以下であるので、形成された表面層の応力が過大にならず、高い密着性を確保することができる。
【００１４】
その上、本発明では、表面層の厚みが０．５μｍ以上であり、十分な厚みを備えているので、ｃＢＮによる効果、即ち、耐摩耗性、耐熱性、電気絶縁性、及び熱伝導性に関する優れた効果を発揮できる。更に、表面層の厚みが１．５μｍ以下であるので、形成された表面層の応力が過大にならず、高い密着性を確保することができる。
【００１５】
これにより、本発明の切削インサートは、従来の様に、表面層の被覆後直ちに又は数日以内の様な短期間で基体から剥離することがなく、実用に耐えるものである。
（２）請求項２の発明は、 前記表面層中の全窒化ホウ素に対する立方晶窒化ホウ素の割合が、１０〜５０ｍｏｌ％であることを特徴とする。
【００１６】
本発明は、ｃＢＮの割合の好ましい範囲を例示したものであり、ｃＢＮの割合が、５０ｍｏｌ％以下の場合には、一層密着性が高いという利点がある。
（３）請求項３の発明は、前記ベース層の厚みが、０．１〜０．５μｍであることを特徴とする。
【００１７】
本発明では、ベース層の厚みが０．１μｍ以上であるので、基体との密着性が高い。更に、ベース層の厚みが０．５μｍより厚くなると、表面層の密着性維持のために、表面層の厚みを薄くするかｃＢＮの含有率を低くする必要があり、耐摩耗性等の所望の性能を得られないので、０．５μｍ以下が好適である。
【００１８】
（４）請求項４の発明は、前記中間層は、前記表面層に向かって、前記ホウ素の含有量が漸近的に増加するとともに、前記チタンの含有量が漸近的に減少する構成を有することを特徴とする。
本発明は、中間層の構成を例示したものであり、表面層に向かって、ホウ素の含有量が漸近的に増加するとともにチタンの含有量が漸近的に減少する構成を有することにより、応力緩和の能力に優れている。
【００１９】
（５）請求項５の発明は、前記請求項１〜４のいずれかに記載の切削インサートと、該切削インサートを保持するホルダと、を備えたことを特徴とする工具ユニットを特徴とする。
本発明は、上述した切削インサートをホルダに取り付けた工具ユニットを例示したものである。
【００２０】
尚、切削インサートとは、鋳鉄や鋼等の金属材料の加工に使用される工具であり、ホルダ等に機械的に装着して使用され交換可能なチップのことである。
また、前記表面層や中間層を構成する物質のうち、ｃＢＮ以外の構成相としては、例えば六方晶窒化ホウ素（ＨＢＮ）、ウルツ鉱型窒化ホウ素（ｗＢＮ）、非晶質のアモルファスＢＮ等が挙げられる。
【００２１】
更に、基体を構成する材料としては、超硬合金、セラミックス、サーメット、ハイス等が挙げられる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の切削インサート及び工具ユニットの実施の形態の例（実施例）について説明する。
（実施例）
ａ）まず、本実施例の切削インサートについて説明する。
【００２３】
図１に示す様に、本実施例の切削インサート（切削工具）１は、例えばＪＩＳ規格のＫ１０種相当の超硬合金（ＷＣ−Ｃｏ系の超硬合金）の硬質材料からなる基体３（図２参照）を、ＩＳＯ規格ＳＮＧＡ１２０４０８の形状に研磨加工し、その表面に複数の層構造を有する被覆膜５を形成したチップである。
【００２４】
図２に切削インサート１を破断し拡大して示す様に、前記被覆膜５は、基体３側より、基体表面に設けられた窒化チタン（ＴｉＮ）からなるベース層７と、該ベース層７の外表面に設けられたチタン（Ｔｉ）、ホウ素（Ｂ）、及び窒素（Ｎ）からなる中間層９と、該中間層９の外表面に設けられた窒化ホウ素（ＢＮ）からなる表面層１１とから構成されている。
【００２５】
このうち、前記ベース層７は、その厚みが、０．１〜０．５μｍの範囲である。
また、前記中間層９は、表面層１１に向かって、Ｂの含有量が漸近的に増加するとともに、Ｔｉの含有量が漸近的に減少する構成を有している。
【００２６】
更に、前記表面層１１は、その厚みが、０．５〜１．５μｍであり、表面層１１中の全ＢＮに対する立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）の割合が、１０〜７０ｍｏｌ％（好ましくは１０〜５０ｍｏｌ％）である。
従って、上述した構成を備えた本実施例の切削インサート１は、耐摩耗性、耐熱性、電気絶縁性、及び熱伝導性に関する優れた効果を発揮でき、しかも、表面層１１の密着性が高いという特長がある。
【００２７】
ｂ）次に、本実施例の切削インサート１を装着した工具ユニットについて説明する。
図３に示す様に、前記切削インサート１は、鉄製の柱状のチップホルダ１３に、着脱可能に取り付けて使用される。尚、切削インサート１を装着したチップホルダ１３を工具ユニット１５と称する。
【００２８】
具体的には、切削インサート１を、チップホルダ１３の先端に設けられた凹状の取付部１７に、切削インサート１の外周面が支持されるように嵌め込む。そして、その際に同図の紙面側となった切削インサート１の上面１９から、切削インサート１の貫通孔２１（図１参照）に固定ネジ２３を嵌め込んで、ネジ止めすることにより、切削インサート１をチップホルダ１３に固定する。これにより、チップホルダ１３に切削インサート１が装着された工具ユニット１５が得られる。
【００２９】
ｃ）次に、前記切削インサート１の製造方法を説明する。
・まず、基体３の材料である炭化タングステン（ＷＣ）粉末とコバルト（Ｃｏ）粉末とを所定量秤量した後に、湿式にて混合粉砕を行う。
・次に、粉砕した材料に、パラフィンを２重量％添加し、乾燥・造粒を行い、成型用粉末を得る。
【００３０】
・次に、得られた粉末を、所定の切削インサート形状に金型成形し、真空中で焼成する。
・次に、この焼成物を研磨して、所定の寸法公差の範囲内の基体３とする。
・次に、この基体３に対して、ＰＶＤコーティング、具体的にはアークイオン式物理蒸着法によるコーティングを実施する。
【００３１】
・ここで、前記アークイオン式物理蒸着法について説明する。
図４に示す様な、アークイオンプレーティング装置（アークイオン式ＰＶＤ装置）２５を用い、その真空チャンバ２７内のターンテーブル２９上に基体３を配置する。
【００３２】
次に、真空チャンバ２７内を１．３３×１０^−４Ｐａ以下まで真空排気した状態で、反応ガス（例えばＮ_２）を供給し、加熱ヒータ（図示せず）によって基体３を加熱する。
そして、高周波電源（図示せず）によって基体３に２００Ｗの出力で電力を供給し、ターンテーブル２９を介して基体３にバイアス電源（−）を印加するとともに、被覆膜５のベース層７を構成する金属材料（Ｔｉ）を備えた第１蒸発源（第１カソード）３１にアーク電源（−）を印加する。
【００３３】
これにより、第１カソード３１からのＴｉの金属イオンが、基体３の表面に衝突して蒸着するとともに、供給された反応ガス（Ｎ_２）が反応し、基体３表面に、ＴｉＮのベース層７が形成される。
尚、本実施例では、下記の被覆条件（ＰＶＤ条件１）で物理蒸着を行うが、その際には、被覆時間（コーティング時間）を調整することにより、被覆膜５の各層の膜厚を調整する。
【００３４】
＜ＰＶＤ条件１＞
金属材料 ：Ｔｉ
反応ガス圧 ：１．２０Ｐａ
基体温度 ：５００℃
バイアス電圧：−３００Ｖ
アーク電流 ：１００Ａ
高周波電源 ：２００Ｗ
・次に、真空チャンバ２７内の別の位置（第２カソード）３３に配置されたＢに対し、第２カソード３３に印加するアーク電流値を増加させる方法で制御することにより、その蒸発量を漸近的に増加させる一方、第１カソード３１に印加するアーク電流値を減少させる方法で制御することにより、Ｔｉの蒸発量を漸近的に減少させる。これにより、ベース層７の上に、Ｂ−Ｔｉの組成が傾斜した中間層９を形成する。
【００３５】
尚、被覆条件（ＰＶＤ条件２）は、下記の通りである。
＜ＰＶＤ条件２＞
金属材料 ：Ｔｉ、Ｂ
反応ガス圧 ：１．２０Ｐａ
基体温度 ：５００℃
バイアス電圧：−３００Ｖ
アーク電流 ：１００Ａ
高周波電源 ：２００Ｗ
・その後、下記ＰＶＤ条件３により、表面層１１を形成する。つまり、Ｔｉの第１カソード３１への電圧の印加を止め、基体３に高周波電源より５００Ｗの出力で電力を供給し、−６００Ｖのバイアス電圧を発生させ、Ｂの第２カソード３３のみに電圧を印加し、ｃＢＮを含有する所定厚さの表面層１１を形成する。
【００３６】
＜ＰＶＤ条件３＞
金属材料 ：Ｂ
反応ガス圧 ：１．２０Ｐａ
基体温度 ：５００℃
バイアス電圧：−６００Ｖ
アーク電流 ：１００〜１５０Ａ
高周波電源 ：５００Ｗ
尚、ｃＢＮの含有量は、Ｂに印加するアーク電流により制御する。
【００３７】
つまり、上述したアークイオン式物理蒸着法により、基体３表面に、順次、ベース層７、中間層９、表面層１１を形成して被覆膜５を設け、切削インサート１を完成する。
ｄ）次に、上述した製造方法にて得られた切削インサートの特性を確認した実験例について説明する。
（実験例）
ここでは、上述した製造方法により、下記表１に示す本発明例の試料Ｎｏ．２〜４、６、７、１０〜１３の切削インサートを製造するとともに、本発明の範囲外の比較例の試料Ｎｏ．１、５、８、９、１４の切削インサートを製造した。
【００３８】
そして、各試料に対して、被覆膜を構成するベース層、中間層、表面層の厚みを測定した。具体的には、各試料を破断し、その断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の写真から、各層の厚みを測定した。その結果を同じく下記表１に記す。
また、各試料の表面層におけるｃＢＮの含有率を求めた。具体的には、Ｘ線回折により、ｃＢＮの含有率を測定した。その結果を同じく下記表１に記す。
【００３９】
更に、各試料を用い、以下の条件で切削性能試験を実施し、その逃げ面摩耗量を測定した。その結果を同じく下記表１に記す。

【００４０】
【表１】

【００４１】
この表１に示すように、本発明例の試料（請求項１〜４の発明のいずれか）では、被覆膜に剥離が無く、密着性に優れており、また、逃げ面摩耗量が０．２５ｍｍ以下と小さいので、耐摩耗性に優れており、切削工具として好適である。
それに対して、比較例の試料では、剥離が発生したり、（剥離が無いものでも）逃げ面摩耗量が０．４２ｍｍ以上と大きいので、密着性が低く、また、耐摩耗性が十分でなく、好ましくない。
【００４２】
この様に、本発明の範囲の実施例の切削インサートは、優れた密着性を有し、しかも、ｃＢＮによる優れた性能が発揮されるため、切削工具として使用した場合、優れた耐摩耗性を発揮し、安定した加工を長時間にわたり実施することができるという顕著な効果を奏する。
【００４３】
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
（１）例えば本発明の切削インサートは、フライス工具やドリル等の他の工具ユニットに適用することができる。
【００４４】
尚、本発明の切削インサートと同様な、基体、ベース層、中間層、表面層を備えた構成品は、耐摩耗部品（例えばベアリング、軸受け、セラミックス成形用金型）としても利用できる。
（２）また、前記被覆層は、アークイオン式物理蒸着により形成することが好ましいが、他の周知の方法（例えばＡＲＥ法等）を採用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の切削インサートを示す斜視図である。
【図２】実施例の切削インサートの一部破断し拡大して示す断面図である。
【図３】実施例の切削インサートをホルダに取り付けた工具ユニットを示す上面図である。
【図４】アークイオン式ＰＶＤ装置を示す説明図である。
【符号の説明】
１…切削インサート（切削工具）
３…基体
５…被覆膜
７…ベース層
９…中間膜
１１…表面層
１３…ホルダ
１５…工具ユニット

Claims (5)

1. 基体と、該基体表面に設けられた窒化チタンを主成分とするベース層と、該ベース層の外表面に設けられた中間層と、該中間層の外表面に設けられた窒化ホウ素を主成分とする表面層と、を備えた切削インサートにおいて、
   前記中間層が、ホウ素、チタン、及び窒素を含むとともに、前記表面層中の全窒化ホウ素に対する立方晶窒化ホウ素の割合が、１０〜７０ｍｏｌ％であり、更に、前記表面層の厚みが、０．５〜１．５μｍであることを特徴とする切削インサート。
2. 前記表面層中の全窒化ホウ素に対する立方晶窒化ホウ素の割合が、１０〜５０ｍｏｌ％であることを特徴とする請求項１に記載の切削インサート。
3. 前記ベース層の厚みが、０．１〜０．５μｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の切削インサート。
4. 前記中間層は、前記表面層に向かって、前記ホウ素の含有量が漸近的に増加するとともに、前記チタンの含有量が漸近的に減少する構成を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の切削インサート。
5. 前記請求項１〜４のいずれかに記載の切削インサートと、該切削インサートを保持するホルダと、を備えたことを特徴とする工具ユニット。

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