JP2009095889A

JP2009095889A - 表面被覆工具

Info

Publication number: JP2009095889A
Application number: JP2007266524A
Authority: JP
Inventors: Kenji Noda; 謙二野田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2007-10-12
Filing date: 2007-10-12
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2027-10-12
Also published as: JP5201936B2

Abstract

【課題】ｃＢＮ焼結体を基体とするさらに長寿命な表面被覆工具を提供する。
【解決手段】立方晶型窒化硼素（ｃＢＮ）粒子を含んで残部が結合材からなり、該結合材としてアルミニウム（Ａｌ）化合物とチタン（Ｔｉ）化合物を含有するとともに、前記結合材の総含有量に対する前記Ａｌ化合物の含有量が３０質量％以上で構成されるｃＢＮ焼結体の表面に、（Ａｌ_{１−ａ−ｂ}Ｓｉ_ａＭ_ｂ）Ｃ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ_ｘＯ_ｙ（ただし、Ｍは周期表第４、５および６族金属から選ばれる１種以上、０．００５≦ａ≦０．５、０≦ｂ≦０．６、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）で表される被覆層が形成されている表面被覆工具１である。
【選択図】図１

Description

本発明はｃＢＮ焼結体の表面に被覆層が形成されている表面被覆工具に関する。

ｃＢＮ焼結体はダイヤモンドに次ぐ硬さを持ち、切削工具や掘削工具、研削工具用として広く用いられている。

現在、超硬合金やサーメット等の焼結合金、ダイヤモンドや立方晶窒化硼素質焼結体（ｃＢＮ焼結体）等の高硬度焼結体からなる基体の表面に被覆層を成膜した切削工具が用いられている。中でも、超硬合金やサーメットでは加工が難しい高速加工や難削材、特に鋳鉄や焼入れ鋼の加工には、ダイヤモンドに次ぐ硬度を持ち、かつ鉄との反応も生じにくいｃＢＮ焼結体が用いられている。

例えば、特許文献１では、ｃＢＮ基体の表面にＴｉＣやＴｉＮ、Ａｌ_２Ｏ_３等の被覆層を被覆した切削工具が開示され、一般の鋼や鋳鉄の切削において耐摩耗性の改善が見られたことが記載されている。また、特許文献２では、ｃＢＮ基体の表面にＴｉＡｌＮ被膜を成膜した切削工具が開示され、焼入鋼等の高硬度難削材の切削において長寿命となることが記載されている。さらに、特許文献３では、ｃＢＮ基体の表面をイオンエッチング処理で最表面から０．５〜５μｍの深さに亘って除去して、残留したｃＢＮ分散相（ｃＢＮ粒子）によって粗面化したｃＢＮ基体（ｃＢＮ焼結体）の表面に硬質被覆層を蒸着した切削工具が開示され、基体と硬質被覆層との密着性が向上することが開示されている。
特開昭５９−８６７９号公報特開平８−１１９７７４号公報特開平７−１８４１５号公報

しかしながら、特許文献１、２に記載されるようにｃＢＮ基体の表面に単純に被覆層を形成しても、切削性能は不十分でありさらなる長寿命化が求められていた。すなわち、ｃＢＮ基体からなる切削工具においては、切削中に工具表面からｃＢＮ粒子が脱落してこれが工具表面を削り取ってしまうアブレーシブ摩耗が進行してしまうことが知られているが、上記のような被覆層を形成した場合でも、切削時の衝撃によって被覆層ごとｃＢＮ粒子が脱落してしまうことがあった。これは、特許文献３のようにｃＢＮ基体と被覆層との界面を粗化して両者間の密着性を高めた場合でもさほど改善されず、アブレーシブ摩耗の低減が望まれていた。

そこで、本発明の表面被覆工具は、ｃＢＮ焼結体を基体として被覆層を形成したさらに長寿命な表面被覆工具を提供することを目的とする。

本発明の表面被覆工具は、立方晶型窒化硼素（ｃＢＮ）粒子を含んで残部が結合材からなり、該結合材としてアルミニウム（Ａｌ）化合物とチタン（Ｔｉ）化合物を含有するとともに、前記結合材の総含有量に対する前記Ａｌ化合物の含有量が３０質量％以上で構成されるｃＢＮ焼結体の表面に、（Ａｌ_{１−ａ−ｂ}Ｓｉ_ａＭ_ｂ）Ｃ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ_ｘＯ_ｙ（ただし、Ｍは周期表第４、５および６族金属から選ばれる１種以上、０．００５≦ａ≦０．５、０≦ｂ≦０．６、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）で表される被覆層が形成されていることを特徴とする。

ここで、上記構成において、前記ｃＢＮ焼結体の表面における前記Ａｌ化合物の含有量が、前記ｃＢＮ焼結体の内部における前記Ａｌ化合物の含有量よりも少ないことが望ましい。

また、上記構成において、前記ｃＢＮ焼結体中にｃＢＮ粒子が８０体積％以上含有されていることが望ましい。

さらに、上記構成において、前記ｃＢＮ焼結体の表面と前記被覆層との界面における界面粗さが０．０１〜２μｍであることが望ましい。

本発明の表面被覆工具においては、ｃＢＮ焼結体の結合材におけるＡｌ化合物の含有量が結合材の総含有量に対して３０質量％以上と高いものであるから、ｃＢＮ粒子の接着力が高く切削工具のアブレーシブ摩耗を低減できるという効果がある。なお、結合材のＡｌはｃＢＮ焼結体中でＡｌＮやＡｌＢ_２等の低硬度の化合物を生成する傾向にあるが、本発明によれば、工具の表面は被覆層で覆われているので低硬度の化合物が選択的に摩耗してｃＢＮ粒子が脱落することもない。さらに、本発明の被覆層は耐酸化性が高いものであることから、被覆層を通してｃＢＮ基体の表面が酸化することも抑制され、被覆層の剥離を抑制できるのである。

ここで、上記構成において、前記ｃＢＮ焼結体の表面における前記Ａｌ化合物の含有量が、前記ｃＢＮ焼結体の内部における前記Ａｌ化合物の含有量よりも少ないことが、ｃＢＮ基体の表面においてＡｌ化合物が酸化して被覆層が剥離することを抑制できる点で望ましい。

また、上記構成において、ｃＢＮ焼結体がｃＢＮ粒子を８０体積％以上含んでいることが望ましく、このようにｃＢＮ粒子の含有量が高くても結合材の結合力が高くｃＢＮ粒子の脱落を抑制できるものであることから、工具の耐摩耗性が高いものである。

さらに、前記ｃＢＮ焼結体の表面と前記被覆層との界面における界面粗さが０．０１〜２μｍであることが、ｃＢＮ基体と被覆層との密着性を高めることができる点で望ましい。

本発明の表面被覆工具の好適例について、図１の（ａ）概略斜視図および（ｂ）立方晶窒化硼素質焼結体（ｃＢＮ焼結体）６の要部拡大断面図を基に説明する。

図１（ａ）（ｂ）のように、本発明の表面被覆工具（以下、単に工具と略す。）１は、すくい面２と逃げ面３との交差稜線が切刃４である形状をなし、かつ図１（ｂ）に示すように、立方晶窒化硼素質焼結体（以下、ｃＢＮ焼結体と略す。）６の表面に被覆層７を成膜した構成となっている。また、図１（ａ）によれば、ｃＢＮ焼結体６はチップ本体１０の先端に裏打ち板１１を介してロウ付けされた構造からなる。

ｃＢＮ焼結体６は、立方晶型窒化硼素（ｃＢＮ）粒子を含んで残部が結合材からなり、該結合材としてアルミニウム（Ａｌ）化合物とチタン（Ｔｉ）化合物を含有するとともに、前記結合材の総含有量に対する前記Ａｌ化合物の含有量が３０質量％以上で構成されている。

これによって、ｃＢＮ焼結体６の結合材におけるＡｌ化合物の含有量が結合材の総含有量に対して３０質量％以上と高いものであるから、ｃＢＮ粒子の接着力が高く切削工具のアブレーシブ摩耗を低減できるという効果がある。なお、結合材のＡｌはｃＢＮ焼結体６中でＡｌＮやＡｌＢ_２等の低硬度の化合物を生成する傾向にあるが、本発明によれば、工具の表面は被覆層７で覆われているので低硬度の化合物が選択的に摩耗してｃＢＮ粒子が脱落することもない。さらに、本発明の被覆層７は耐酸化性が高いものであることから、被覆層７を通してｃＢＮ基体の表面が酸化することも抑制され、被覆層７の剥離を抑制できるのである。ｃＢＮ焼結体６の結合材におけるＡｌ化合物の含有量の望ましい範囲は４０質量％以上である。

ここで、上記構成において、ｃＢＮ焼結体６の表面における前記Ａｌ化合物の含有量が、ｃＢＮ焼結体６の内部における前記Ａｌ化合物の含有量よりも少ないことが、ｃＢＮ焼結体６の表面においてＡｌ化合物が酸化して被覆層７が剥離することを抑制できる点で望ましい。

また、ｃＢＮ焼結体６がｃＢＮ粒子を８０体積％以上含んでいることが望ましく、このようにｃＢＮ粒子の含有量が高くても結合材の結合力が高くｃＢＮ粒子の脱落を抑制できるものであることから、工具１の耐摩耗性が高いものである。

さらに、ｃＢＮ焼結体６の表面と被覆層７との界面における界面粗さが０．０１〜２μｍであることが、ｃＢＮ焼結体６と被覆層７との密着性を高めることができる点で望ましい。なお、本発明におけるｃＢＮ焼結体６と被覆層６との界面における界面粗さは、ｃＢＮ焼結体６と被覆層７との界面を含む工具１の断面写真から、ｃＢＮ焼結体６と被覆層７との界面をトレースして凹凸線を描き、この凹凸線から上記ＪＩＳＢ０６０１’０１に準拠して求められる算術平均粗さＲａに相当する値にて測定することができる。また、測定に際してカットオフ値は断面写真の幅で計算する。界面粗さの望ましい範囲は０．９〜１．８μｍである。

また、ｃＢＮ粒子の粒径は、耐摩耗性、強度の点から０．２〜１０μｍ、特に望ましくは３〜７μｍの範囲にあることが望ましい。なお、ｃＢＮの粒径の測定は、ＣＩＳ−０１９Ｄ−２００５に規定された超硬合金の平均粒径の測定方法に準じて測定する。

一方、被覆層７は、（Ａｌ_{１−ａ−ｂ}Ｓｉ_ａＭ_ｂ）Ｃ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ_ｘＯ_ｙ（ただし、Ｍは周期表第４、５および６族金属から選ばれる１種以上、０．００５≦ａ≦０．５、０≦ｂ≦０．６、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）で表される。この被覆層７は耐酸化性が高いものであることから、被覆層７を通してｃＢＮ基体の表面が酸化することも抑制され、被覆層７の剥離を抑制できるのである。

ここで、ａ（Ｓｉの組成比）が０．００５よりも少ないと被覆層７の耐酸化性が低下してしまい、ａ（Ｓｉの組成比）が０．５よりも多いと被覆層７の結晶構造が立方晶から六方晶に変化する傾向があり硬度が低下する。ａの特に望ましい範囲は０．００５≦ａ≦０．０２である。また、ｂ（Ｍ組成比）が０．６よりも多いと金属Ｍの一部が立方晶とは別の低硬度相として存在して被覆層７の硬度が低下する。ｂの特に望ましい範囲は０．４８≦ｂ≦０．５２である。なお、金属ＭはＴｉ、Ｎｂ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒから選ばれる１種以上であるが、中でもＴｉとこれに加えてＮｂまたはＭｏを含有することが耐摩耗性・耐酸化性に最も優れる点があるから望ましい。

なお、被覆層７の非金属成分のうちＣ、Ｎは切削工具に必要な硬度および靭性に優れたものであり、被覆層７の表面に発生するドロップレット（粗大粒子）を抑制するために、ｘ（Ｎ組成比）の特に望ましい範囲は０．５≦ｘ≦１である。ここで、本発明によれば、上記被覆層７の組成は、エネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＸ）またはＸ線光電子分光分析法（ＸＰＳ）にて測定できる。

さらに、工具１は、被覆層７以外に、ＡｌＮ、周期表第４、５および６族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物のうち１つから選ばれる他の被覆層を積層して多層構成とすることもできる。なお、被覆層７の膜厚（被覆層７と他の被覆層１２との総膜厚）が０．５〜８．０μｍであることが、被覆層７の膜剥離やチッピングを防止し、十分な耐摩耗性を維持することができるため望ましい。なお、焼入鋼加工用の切削工具として用いる場合には、被覆層７の厚みが０．５μｍ〜５μｍであり、鋳鉄加工用の切削工具として用いる場合には、被覆層７の厚みが１μｍ〜１０μｍであることが望ましい。

また、本発明における切刃４はシャープエッジでもよいが、チャンファ面またはＲホーニング面をなしていてもよい。

（製造方法）
次に、上述した工具の製造方法について説明する。

例えば、原料粉末として０．２〜１０μｍの範囲内の所定の平均粒径を有するｃＢＮ原料粉末、平均粒径０．２〜３μｍの周期表第４、５および６族金属から選ばれる１種または２種以上の元素の金属粉末、炭化物粉末、窒化物粉末、平均粒径０．５〜５μｍのＡｌの原料粉末、および所望により鉄族金属粉末を特定の組成に秤量し、１６〜７２時間ボールミルにて粉砕混合する。

その後、必要があれば、所定形状に成形する。成形には、プレス成形、射出成形、鋳込み成形、押し出し成形等の周知の成形手段を用いることができる。

ついでこれを別途用意した超硬合金製裏打ち支持体と共に超高圧焼結装置に装入し、１３００〜１６００℃の範囲内の所定の温度に４〜６ＧＰａの圧力下で１０〜６０分保持することによって、立方晶窒化硼素質焼結体を得る。

次に、ｃＢＮ焼結体６の表面に被覆層７を成膜する。被覆層７の成膜方法として、イオンプレーティング法やスパッタリング法等の物理蒸着（ＰＶＤ）法が好適に適応可能である。成膜方法の一例についての詳細として、被覆層７をイオンプレーティング法で作製する場合について説明すると、まず、ｃＢＮ焼結体６を成膜装置内に載置した状態で真空引きを行い、その後、ガス圧１〜５ＰａのＡｒ雰囲気中、バイアス電圧５０〜４００Ｖで１５〜６０分間のイオンボンバードメント処理を行うことが望ましい。これによって、ｃＢＮ基体の表面におけるＡｌ成分を焼結体外に揮散させて、ｃＢＮ焼結体６の表面におけるＡｌ化合物の含有比率を低めることができる。

次に、例えば、金属アルミニウム（Ａｌ）、金属シリコン（Ｓｉ）、金属Ｍ（ＭはＴｉ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒから選ばれる１種以上）をそれぞれ独立に含有する金属ターゲットまたは複合化した合金ターゲットに用い、アーク放電やグロー放電などにより金属源を蒸発させイオン化すると同時に、窒素源の窒素（Ｎ_２）ガスや炭素源のメタン（ＣＨ_４）／アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）ガスと反応させて成膜する。また、成膜雰囲気として窒素（Ｎ_２）ガスとアルゴン（Ａｒ）ガスを１〜１０Ｐａの割合で導入することによって、被覆層７のｃＢＮ焼結体６に対する密着力と硬度が向上する。このとき、窒素（Ｎ_２）ガスとアルゴン（Ａｒ）ガスの混合比は、窒素に対するアルゴンガス流量が１：９〜４：６の割合であることが、被覆層７のｃＢＮ焼結体６に対する密着力と硬度を高めるために望ましい。

なお、イオンプレーティング法やスパッタリング法で被覆層７を成膜する際には、被覆層７の結晶構造および配向性を制御して高硬度な被覆層７を作製できるとともにｃＢＮ焼結体６との密着性を高めるために成膜時に３０〜２００Ｖのバイアス電圧を印加することが好ましい。

平均粒径５μｍのｃＢＮ粉末、平均粒径３μｍのＴｉ粉末、平均粒径１．５μｍのＡｌ粉末、平均粒径２μｍのＣｏ粉末を用いて表１の組成に調合し、この粉体を、アルミナ製ボールを用いたボールミルで１５時間混合した。次に混合した粉体を圧力９８ＭＰａで加圧成形した。この成形体を、超高圧装置を用いて、５０℃／分で昇温し、圧力５．０ＧＰａで、表１の焼成温度、時間により焼成した後、５０℃／分で降温することにより焼成してｃＢＮ質焼結体を得た。また、作製した焼結体からワイヤ放電加工によって所定の寸法に切り出し、超硬合金基体の切刃先端部に形成した切り込み段部にろう付けした。そして、このｃＢＮ焼結体の切刃に対してダイヤモンドホイールを用いて刃先処理（チャンファホーニング）を施した。

このようにして作製した基体（ＪＩＳ・ＣＮＧＡ１２０４０８のスローアウェイチップ形状）に対してアークイオンプレーティング法により被覆層の成膜を行った。具体的には、上記基体をアークイオンプレーティング装置にセットし５００℃に加熱し、まず成膜に先立って表１に示す成膜前のエッチング処理を行った。そして、窒素ガスとアルゴンガスの混合ガス（窒素ガス：アルゴンガス＝２：８）を総圧力２．５Ｐａ導入した雰囲気中、アーク電流１００Ａ、バイアス電圧５０Ｖ、加熱温度５００℃として表２に示す組成の被覆層を成膜した。なお、被覆層の組成は、キーエンス社製走査型電子顕微鏡（ＶＥ８８００）を用いて倍率５００倍にて観察を行い、同装置に付随のＥＤＡＸアナライザ（ＡＭＥＴＥＫＥＤＡＸ−ＶＥ９８００）を用いて加速電圧１５ｋＶにてエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＸ）の一種であるＺＡＦ法により特定した。また、この方法で測定できなかった元素については、ＰＨＩ社製Ｘ線光電子分光分析装置（Ｑｕａｎｔｕｍ２０００）を用い、Ｘ線源はモノクロＡｌＫ（２００μｍ、３５Ｗ、１５ｋＶ）を測定領域約２００μｍに照射して測定を行って定量化した。

また、ｃＢＮ焼結体の任意断面について、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による組織観察によりｃＢＮ焼結体中のｃＢＮ粒子の含有比率を算出した。なお、ｃＢＮ粒子の平均粒径についてはＣＩＳ−０１９Ｄ−２００５に基づいて測定したところいずれも３．５〜４．５μｍであった。また、結合材については、上記エネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＸ）の一種であるＺＡＦ法により各金属成分の含有比率を算出し、これに基づいて結合材の総含有量に対するＡｌ成分の含有比率を見積もった。さらに、上記断面ＳＥＭ観察からｃＢＮ焼結体と被覆層との間の界面粗さを算出した。結果は表２に示した。

次に、得られた入切削工具形状のスローアウェイチップを用いて以下の切削条件にて切削試験を行った。結果は表２に合わせて示した。

切削方法：外径加工
被削材：ＦＣ２５０
切削速度：１０００ｍ／ｍｉｎ
送り：０．１ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：肩切り込み０．２ｍｍ、深さ切り込み０．４ｍｍ
切削状態：乾式
評価方法：摩耗幅０．１ｍｍまたはチッピングが発生するまで加工を実施し、そこまで加工したワークの加工数量により優劣を判断した。

表１、２に示されるように、被覆層を形成しない試料Ｎｏ．１２では、ｃＢＮ粒子の脱粒が激しくてアブレーシブ摩耗が早期に進行した。また、Ｓｉを含まない被覆層を被覆した試料Ｎｏ．１０、１１では、被覆層および基体の表面に酸化が進行して摩耗量が大きくなった。さらに、被覆層中の金属Ｍ成分の含有量ｂが０．６を越える試料Ｎｏ．９では耐摩耗性が悪くて早期に摩耗が進行した。また、結合相中のＡｌ含有量が３０質量％より少ない試料Ｎｏ．８では、ｃＢＮ粒子が脱落して摩耗の進行が速いものであった。

これに対し、本発明の範囲内の構成からなる試料Ｎｏ．１〜７では、優れた耐摩耗性を発揮するとともに耐欠損性も良好であり、その結果、工具寿命が長いものであった。

本発明の表面被覆工具の好適例である切削工具の一例を示し、（ａ）概略斜視図および（ｂ）（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

符号の説明

１工具（表面被覆工具）
２すくい面
３逃げ面
４切刃
６ｃＢＮ焼結体
７被覆層
１０チップ本体
１１裏打ち板
１２他の被覆層

Claims

立方晶型窒化硼素（ｃＢＮ）粒子を含んで残部が結合材からなり、該結合材としてアルミニウム（Ａｌ）化合物とチタン（Ｔｉ）化合物を含有するとともに、前記結合材の総含有量に対する前記Ａｌ化合物の含有量が３０質量％以上で構成されるｃＢＮ焼結体の表面に、（Ａｌ_{１−ａ−ｂ}Ｓｉ_ａＭ_ｂ）Ｃ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ_ｘＯ_ｙ（ただし、Ｍは周期表第４、５および６族金属から選ばれる１種以上、０．００５≦ａ≦０．５、０≦ｂ≦０．６、０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）で表される被覆層が形成されていることを特徴とする表面被覆工具。
前記ｃＢＮ焼結体の表面における前記Ａｌ化合物の含有量が、前記ｃＢＮ焼結体の内部における前記Ａｌ化合物の含有量よりも少ないことを特徴とする請求項１記載の表面被覆工具。
前記ｃＢＮ焼結体中にｃＢＮ粒子が８０体積％以上含有されていることを特徴とする請求項１または２記載の表面被覆工具。
前記ｃＢＮ焼結体の表面と前記被覆層との界面における界面粗さが０．０１〜２μｍであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の表面被覆工具。