JP2007331107A - 表面被覆立方晶窒化硼素焼結体工具 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な耐摩耗性および靭性を有し、断続切削時に被覆膜が剥離・欠損することを制御できる表面被覆ｃＢＮ焼結体工具を提供する。
【解決手段】本発明の表面被覆ｃＢＮ焼結体工具は、ｃＢＮを２０体積％以上有するｃＢＮ焼結体からなる部分を有する母材２と、その母材２のｃＢＮ焼結体上に形成された被覆膜１とを備えている。被覆膜１は、たとえばＴｉＣＮを含む材質よりなっており、かつ−１０ＧＰａ以上０ＧＰａ以下の内部応力を有し、かつ表面側と裏面側である母材側とで１ＧＰａ以上の応力差を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）を主成分とした焼結体（以下、ｃＢＮ焼結体と称する）を母材とする切削工具材料の改良に関し、耐摩耗性および靭性の双方に優れる表面被覆ｃＢＮ焼結体工具に関するものである。

従来のｃＢＮ焼結体工具は、ダイヤモンドに次ぐ高硬度と高熱伝導率により、過酷な切削条件下で使用されてきた。しかし、工具刃先の熱的・機械的な摩耗・欠損により、高速・高能率の分野において十分な寿命を達成できていないのが現状である。

そしてｃＢＮ焼結体での切削において、耐摩耗性および耐欠損性をさらに向上させるため、たとえば特開平８−１１９７７４号公報、特開平１−９６０８３号公報、特開平１−９６０８４号公報などに開示されているように、ｃＢＮ焼結体にＴｉＮ、ＴｉＡｌＮなどを被覆する方法が提案されている。
特開平８−１１９７７４号公報 特開平１−９６０８３号公報 特開平１−９６０８４号公報

しかし、被覆膜に高耐摩耗性を要求すると靭性が低下し、靭性を要求すると耐摩耗性が低下するということから、断続切削時に被覆膜が初期に剥離・欠損するという問題が生じている。

それゆえ、本発明の目的は、良好な耐摩耗性および靭性を有し、断続切削時においても被覆膜の剥離および欠損を抑制できる表面被覆ｃＢＮ焼結体工具を提供することである。

本願発明者らは、被覆膜の耐摩耗性の向上と靭性の向上との両立を実現するため、被覆膜中の内部応力について研究した。一般に、イオンプレーティング法により形成された被覆膜中には、圧縮応力が発生する。このような残留圧縮応力は被覆膜の耐摩耗性に悪影響を及ぼすことが問題であるが、残留圧縮応力を低下させると靭性が低下するということが判明した。さらに、種々検討した結果、被覆膜中の圧縮応力を膜内で変化させることにより、耐摩耗性および靭性の双方が向上することがわかった。

特に、靭性を必要とする場合には、被覆膜中の圧縮応力を母材側から表面側に向かって連続的あるいは段階的に増加させることが効果的であり、耐摩耗性を必要とする場合には被覆膜中の圧縮応力を母材側から表面側に向けて連続的あるいは段階的に低下させることが効果的であることが判明した。

また、被覆膜中の圧縮応力が大きくなるほど靭性が良好となり、圧縮応力が小さくなるほど耐摩耗性が良好となることが判明した。

それゆえ、本発明の表面被覆ｃＢＮ焼結体工具は、ｃＢＮを２０体積％以上有するｃＢＮ焼結体からなる部分を有する母材と、母材のｃＢＮ焼結体上に形成された被覆膜とを備え、その被覆膜は、ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素、Ａｌ（アルミニウム）、Ｂ（ボロン）およびＧｅ（ゲルマニウム）よりなる群から選ばれる１種以上の窒化物、炭化物、炭窒化物および酸化物のいずれかを含む材質を有し、かつ−１０ＧＰａ以上０ＧＰａ以下の内部応力を有し、かつ表面側と裏面側である母材側とで１ＧＰａ以上の応力差を有している。なお、内部応力において「−」の記号は圧縮応力であることを示している。

このように被覆膜の表面側と母材側とで１ＧＰａ以上の応力差を有するよう内部応力を変化させたことにより、耐摩耗性および靭性の双方に優れた表面被覆ｃＢＮ焼結体工具を得ることができる。なお、応力差が１ＧＰａ未満では、被覆膜中で内部応力を変化させる効果が十分に得られない。また、ｃＢＮの含有率を２０体積％以上としたのは、２０体積％未満では欠損が生じやすくなるからである。

上記の表面被覆ｃＢＮ焼結体工具において好ましくは、被覆膜の膜厚は０．５μｍ以上１０μｍ以下である。これは被覆膜の厚みが０．５μｍ未満では被覆の効果が少なく、１０μｍを超えると被覆膜が剥離しやすくなるからである。

上記の表面被覆ｃＢＮ焼結体工具において好ましくは、被覆膜の内部応力は、母材側から表面側へ向けて連続的あるいは段階的に圧縮応力が増加するよう変化している。これにより、靭性が顕著に向上する。これは、表面側ほど高い内部圧縮応力が導入されることにより、表面に入った微小クラックの進展が抑えられるため、チッピングなどの欠けを防ぐことができるためと考えられる。

上記の表面被覆ｃＢＮ焼結体工具において好ましくは、被覆膜の内部応力は、表面側から母材側へ向けて連続的あるいは段階的に圧縮応力が増加するよう変化している。これにより、耐摩耗性が顕著に向上する。これは、表面側ほど低い内部圧縮応力を導入することで膜表面が柔らかくなり、切削時の溶着が剥がれるときに膜全体が剥がれなくなる（膜の表面近傍のみが剥がれる）ため耐摩耗性が向上するものと考えられる。

上記の表面被覆ｃＢＮ焼結体工具において好ましくは、母材と被覆膜との間に、ＩＶａ族元素の窒化物、炭化物、炭窒化物および酸化物のいずれかの材質を有する第１の薄膜がさらに備えられている。これにより、被覆膜と母材との付着強度が向上するため、より高性能が期待される。

上記の表面被覆ｃＢＮ焼結体工具において好ましくは、被覆膜の表面上に、ＩＶａ族元素の窒化物、炭化物、炭窒化物および酸化物のいずれかの材質を有する第２の薄膜がさらに備えられている。これにより、より高性能が期待される。

上記の表面被覆ｃＢＮ焼結体工具において好ましくは、ｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮを３５体積％以上８５体積％以下含み、かつｃＢＮ粒子同士を結合するための結合材を含み、結合材は以下のａ、ｂ、ｃ、ｄおよびｅよりなる群から選ばれる１種以上とＡｌ化合物と不可避不純物とを含む。

ａ：ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素
ｂ：ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素の窒化物
ｃ：ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素の硼化物
ｄ：ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素の炭化物
ｅ：ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素、ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素の窒化物、硼化物、炭化物よりなる群から選ばれる２種以上からなる固溶体
このように母材の材料を適切に選択することにより、切削性能の著しい向上を図ることができる。ｃＢＮの含有率が８５体積％を超えると、母材の耐摩耗性が悪くなり、これが被覆膜の耐摩耗性に影響を与えるため、耐摩耗性の向上が妨げられる。またｃＢＮの含有率が３５体積％未満となると、ｃＢＮ焼結体の特徴が高い硬度であるにもかかわらず、その硬度が低下してしまい、たとえば焼入れ鋼のような高い硬度の被削材を高速で切削するための強度が不足してしまう。

上記の表面被覆ｃＢＮ焼結体工具において好ましくは、ｃＢＮ粒子の平均粒径が４μｍ以下である。

これにより、切削性能の著しい向上を図ることができる。ｃＢＮ粒子の平均粒径が４μｍを超えると、ｃＢＮ粒子と結合材との接触面積が減少し、ｃＢＮ粒子と結合材との結合力が弱まることにより、たとえば焼入れ鋼のような高い硬度の被削材を高速で切削するための強度が不足する。

以上説明したように本発明の表面被覆ｃＢＮ焼結体工具では、被覆膜の表面側と母材側とで−１０ＧＰａ以上０ＧＰａ以下の範囲内で１ＧＰａ以上の応力差を有するように内部応力を変化させたことにより、耐摩耗性および靭性の双方に優れた表面被覆ｃＢＮ焼結体工具を得ることができる。これにより、本発明の表面被覆ｃＢＮ焼結体工具は、ドリル、エンドミル、フライス用スローアウェイチップ、切削用刃先交換型チップ、メタルソー、刃切り工具、リーマー、タップなどの切削工具などに良好に適用することが可能である。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施の形態における表面被覆ｃＢＮ焼結体工具の部分断面図である。図１を参照して、母材２は、工具刃先の少なくとも切削に関与する部分においてｃＢＮを２０体積％以上有するｃＢＮ焼結体よりなっている。この母材２のｃＢＮ焼結体部分の表面上に被覆膜１が形成されている。この被覆膜１は、ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素、Ａｌ、ＢおよびＧｅならびにこれらの任意の組合せの合金の窒化物、炭化物、炭窒化物および酸化物から選ばれた１種以上を含む化合物よりなり、かつ−１０ＧＰａ以上０ＧＰａ以下の内部応力を有し、かつ表面側と裏面側である母材側とで１ＧＰａ以上の応力差を有している。

なお、被覆膜１の内部応力は、たとえばＸ線回折法により測定される。この測定方法の詳細は、たとえば「ＰＶＤ・ＣＶＤ皮膜の基礎と応用」、（社）表面技術協会編、山本恒雄発行、ｐｐ．１５６−１６４に記載されている。

また被覆膜１の膜厚は、０．５μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。
被覆膜１の内部応力は、母材側から表面側へ向けて図２に示すように連続的に、または図３に示すように段階的に圧縮応力が増加するよう変化していてもよい。これにより、表面被覆ｃＢＮ焼結体工具の靭性の向上が著しくなる。また被覆膜１の内部応力は、母材側から表面側に向けて図４に示すように連続的に、または図５に示すように段階的に圧縮応力が減少するように変化していてもよい。これにより、表面被覆ｃＢＮ焼結体工具の耐摩耗性の向上が顕著となる。

また図６に示すように母材２と被覆膜１との間には、ＩＶａ族元素の窒化物、炭化物、炭窒化物および酸化物のいずれかの材質を有する付着強化層３ａが設けられていることが好ましい。また図７に示すように被覆膜１の表面上に、ＩＶａ族元素の窒化物、炭化物、炭窒化物および酸化物のいずれかの材質を有する薄膜３ｂが形成されていてもよい。

母材２のｃＢＮ焼結体部分は、ｃＢＮを３５体積％以上８５体積％以下含み、かつｃＢＮ粒子同士を結合するための結合材を含んでおり、結合材は、以下のａ、ｂ、ｃ、ｄおよびｅよりなる群から選ばれる１種以上とＡｌ化合物と不可避不純物とを含んでいることが好ましい。

ａ：ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素
ｂ：ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素の窒化物
ｃ：ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素の硼化物
ｄ：ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素の炭化物
ｅ：ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素、ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素の窒化物、硼化物、炭化物よりなる群から選ばれる２種以上からなる固溶体
またｃＢＮ粒子の平均粒径は４μｍ以下であることが好ましい。

以下、本発明の実施例について詳細に述べる。
（実施例１）
まず、超硬合金製ポットおよびボールを用いて、結合材材料であるＴｉＮ、Ｔｉ、Ａｌを混合し、結合材粉末を得た。次に、結合材粉末とｃＢＮ粉末を混ぜ合わせ、Ｍｏ（モリブデン）製容器に充填し、圧力５ＧＰａ、温度１４００℃で２０分間焼結した。この焼結体を、ＩＳＯ規格ＳＮＧＮ１２０４０８の形状に加工し、ｃＢＮ焼結体母材を得た。そのｃＢＮ焼結体母材のｃＢＮ含有率は６５体積％であり、ｃＢＮ粒子の平均粒径は２．５μｍであった。

その母材に表３に示す膜厚３．５μｍの各種のＴｉＣＮの被覆を、公知のアーク式イオンプレーティング法を用いて施した。また、その被覆を施した各サンプルを使って高炭素クロム軸受鋼丸棒の切削を表１の条件で行ない、切削後の各サンプルの逃げ面摩耗量を測定した。

次に、上記各サンプルと同条件で被覆を施したサンプルの靭性試験を行なった。靭性試験は、合金工具鋼丸棒で６本のＶ字形状の溝を有する被削材の外周切削を表２の条件で行ない、被覆膜が正常摩耗以外に剥離するまでの時間を測定することで、靭性の評価とした。

表３に、各サンプルの被覆膜の応力分布と、切削試験を行なった場合の逃げ面摩耗量（耐摩耗性）および膜剥離までの切削時間（靭性）を評価した結果とを示す。

表３の結果より、ＴｉＣＮ層内で内部応力を−１０ＧＰａ以上０ＧＰａ以下の範囲内で１ＧＰａ以上変化させた本発明例のサンプル１〜４では、耐摩耗性および靭性の双方において優れていることがわかる。一方、内部応力の変化のないサンプル５〜９および本発明の応力範囲と異なる範囲で内部応力を変化させたサンプル１０、１１では、耐摩耗性および靭性の少なくともいずれかが低い値を示すことがわかる。

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。

本発明の一実施の形態における表面被覆ｃＢＮ焼結体工具の部分断面図である。 被覆膜中の内部応力の分布の第１の形態を示す図である。 被覆膜中の内部応力の分布の第２の形態を示す図である。 被覆膜中の内部応力の分布の第３の形態を示す図である。 被覆膜中の内部応力の分布の第４の形態を示す図である。 被覆膜と母材との間に付着強化層を設けた構成の部分断面図である。 被覆膜の表面上に追加の薄膜を設けた構成を示す部分断面図である。

符号の説明

１ 被覆膜、２ 母材、３ａ 付着強化層、３ｂ 薄膜。

Claims (10)

1. 立方晶窒化硼素を２０体積％以上有する立方晶窒化硼素焼結体からなる部分を有する母材と、
   前記母材の前記立方晶窒化硼素焼結体上に形成された被覆膜とを備え、
   前記被覆膜は、ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素、Ａｌ、ＢおよびＧｅよりなる群から選ばれる１種以上の窒化物、炭化物、炭窒化物および酸化物のいずれかを含む材質を有し、かつ−１０ＧＰａ以上０ＧＰａ以下の内部応力を有し、かつ表面側と裏面側である前記母材側とで１ＧＰａ以上の応力差を有している、表面被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。
2. 前記被覆膜の膜厚は０．５μｍ以上１０μｍ以下である、請求項１に記載の表面被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。
3. 前記被覆膜の内部応力は、前記母材側から前記表面側へ向けて連続的に圧縮応力が増加するよう変化している、請求項１または２に記載の表面被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。
4. 前記被覆膜の内部応力は、前記母材側から前記表面側へ向けて段階的に圧縮応力が増加するよう変化している、請求項１または２に記載の表面被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。
5. 前記被覆膜の内部応力は、前記表面側から前記母材側へ向けて連続的に圧縮応力が増加するよう変化している、請求項１または２に記載の表面被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。
6. 前記被覆膜の内部応力は、前記表面側から前記母材側へ向けて段階的に圧縮応力が増加するよう変化している、請求項１または２に記載の表面被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。
7. 前記母材と前記被覆膜との間に、ＩＶａ族元素の窒化物、炭化物、炭窒化物および酸化物のいずれかの材質を有する第１の薄膜をさらに備えた、請求項１〜６のいずれかに記載の表面被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。
8. 前記被覆膜の表面上に、ＩＶａ族元素の窒化物、炭化物、炭窒化物および酸化物のいずれかの材質を有する第２の薄膜をさらに備えた、請求項１〜７のいずれかに記載の表面被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。
9. 前記立方晶窒化硼素焼結体は、前記立方晶窒化硼素を３５体積％以上８５体積％以下含み、かつ立方晶窒化硼素粒子同士を結合するための結合材を含み、
   以下のａ、ｂ、ｃ、ｄおよびｅにおいて、
   ａ：ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素、
   ｂ：ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素の窒化物、
   ｃ：ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素の硼化物、
   ｄ：ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素の炭化物、
   ｅ：ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素、ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素の窒化物、硼化物、炭化物よりなる群から選ばれる２種以上からなる固溶体、
   前記結合材の材質はａ、ｂ、ｃ、ｄおよびｅよりなる群から選ばれる１種以上とアルミニウム化合物と不可避不純物とを含む、請求項１〜８のいずれかに記載の表面被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。
10. 前記立方晶窒化硼素粒子の平均粒径が４μｍ以下である、請求項９に記載の表面被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。

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