JP2011121141A

JP2011121141A - 表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具

Info

Publication number: JP2011121141A
Application number: JP2009281527A
Authority: JP
Inventors: Hidemitsu Takaoka; 秀充高岡; Manyasu Nishiyama; 満康西山; Giichi Okada; 義一岡田; Takuji Saeki; 卓司佐伯
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2009-12-11
Filing date: 2009-12-11
Publication date: 2011-06-23
Anticipated expiration: 2029-12-11
Also published as: CN102120268A; CN102120268B; JP5418833B2

Abstract

【課題】高硬度材の高速断続切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐溶着性、耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する表面被覆ｃＢＮ切削工具を提供する。
【解決手段】（ａ）ホーニングの幅がすくい面方向からみて０．０３〜０．３ｍｍ、ホーニングの角度がすくい面とのなす角度で１０〜３５度の範囲にあるホーニング形状を有するｃＢＮ製工具基体に硬質被覆層を形成した表面被覆ｃＢＮ切削工具において、（ｂ）下部層は（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層、（ｃ）上部層は、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層とＴｉＮ層の交互積層構造で構成し、（ｄ）上部層の最外層は、ホーニング面と逃げ面との稜線部以外の領域では（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層とし、一方、ホーニング面と逃げ面との稜線部においては、最外層は存在せず、上記（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層とＴｉＮ層の交互積層断面構造が露出形成していることにより、耐溶着性、耐チッピング性、耐摩耗性の向上を図る。
【選択図】図１

Description

この発明は、合金工具鋼や軸受け鋼の焼入れ材などの高硬度材を高速断続切削加工した場合でも、硬質被覆層がすぐれた耐溶着性、耐チッピング性、耐摩耗性を有し、長期にわたって安定した切削性能を発揮することができる、立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料で構成された切削工具基体の表面に硬質被覆層を形成した表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具（以下、被覆ｃＢＮ基焼結工具という）に関するものである。

一般に、被覆ｃＢＮ基焼結工具には、各種の鋼や鋳鉄などの被削材の旋削加工にバイトの先端部に着脱自在に取り付けて用いられるインサートや、前記インサートを着脱自在に取り付けて、面削加工や溝加工、さらに肩加工などに用いられるソリッドタイプのエンドミルと同様に切削加工を行うインサート式エンドミルなどが知られている。

また、被覆ｃＢＮ基焼結工具としては、例えば、特許文献１に示されるように、立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料（以下、ｃＢＮ基焼結材料という）で構成された工具本体の表面に、ＴｉＮ層、ＴｉとＡｌの複合窒化物（以下、ＴｉＡｌＮで示す）層などの表面被覆層を蒸着形成してなる被覆ｃＢＮ基焼結工具が知られており、これらを各種の鋼や鋳鉄などの切削加工に用いられていることが知られている。

そしてこれら被覆ｃＢＮ基焼結工具において、その切削性能を高めるためにさらに種々の改良がなされている。
例えば、特許文献２には、工具基体のすくい面と逃げ面との間に、ホーニング面を備えた切刃が形成されるとともに、これらすくい面，ホーニング面，逃げ面にかけて硬質被覆層が形成された被覆ｃＢＮ基焼結工具において、上記ホーニング面上における上記硬質被覆層の層厚を、該ホーニング面と上記すくい面または逃げ面の少なくともいずれか一方との稜線部において、他のホーニング面上の部分よりも小さくすることによって、被覆ｃＢＮ基焼結工具の硬質膜の剥離を防止し、その耐摩耗性を高めることが知られている。

特開２００８−３０２４３８号公報特開２００４−１７１７４号公報

近年の切削加工装置のＦＡ化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴い、切削加工は、通常の切削条件に加えて、より高速条件下での切削加工が要求される傾向にあるが、上記従来のｃＢＮ基焼結工具においては、各種の鋼や鋳鉄を通常条件下で切削加工した場合に特段の問題は生じないが、これを、合金工具鋼や軸受け鋼の焼入れ材などの高硬度材の高速断続切削に用いた場合には、切刃部に発生する高熱により被削材および切粉は高温に加熱されるため、特に切刃の稜線部において被削材との溶着が発生しやすくなり、さらに、切刃には衝撃的な高負荷が断続的に作用するため、切刃の刃先に境界異常損傷を生じ、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、合金工具鋼や軸受け鋼の焼入れ材などの高硬度材の高速断続切削加工で、硬質被覆層がすぐれた耐溶着性を備えるとともに、すぐれた耐チッピング性、耐摩耗性を発揮する被覆ｃＢＮ基焼結工具を開発すべく、硬質被覆層の材質と構造の両面から研究を行った結果、次のような知見を得た。
まず、硬質被覆層の材質の面からは、前記特許文献１にも示されているように、
（イ）硬質被覆層の下部層を、
組成式：（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）Ｎ
で表した場合、Ｘが０．３〜０．６（但し、原子比）である０．５〜４μｍの平均層厚を有するＴｉＡｌＮ層、
（ロ）硬質被覆層の上部層を、それぞれ一層平均層厚が０．０３〜０．３μｍの薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造として構成し、かつ、
薄層Ａを、
組成式：（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）Ｎ
で表した場合、Ｘが０．３〜０．６（但し、原子比）であるＴｉＡｌＮ層、
薄層Ｂを、ＴｉＮ層で構成した場合には、
合金工具鋼や軸受け鋼の焼入れ材などの高硬度材の高速切削加工において、境界異常損傷、欠損の発生を一定程度は防止することができる。
しかし、切刃に対して、衝撃的な高負荷が断続的に作用する高速断続切削加工においては、前記特許文献１に開示された被覆ｃＢＮ基焼結工具では、境界異常損傷、欠損の発生防止は十分に満足できるものではない。

そこで、本発明者等は、被覆層の構造という観点からさらに研究を進めたところ、前記特許文献１に示される交互積層構造からなる上部層構造において、ホーニング面と逃げ面との稜線部以外の領域の最外層を薄層Ａと同組成のＴｉＡｌＮ層で構成するとともに、その層厚を０．１〜０．８μｍとし、一方、ホーニング面と逃げ面との稜線部においては、薄層Ａ（ＴｉＡｌＮ層）と薄層Ｂ（ＴｉＮ層）との交互積層断面を露出形成させることによって、一段と、耐溶着性の向上を図り得るとともに、耐チッピング性、耐摩耗性に優れた被覆ｃＢＮ基焼結工具が得られることを見出したのである。

この発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「立方晶窒化ほう素を５０〜８５体積％含有する立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料からなる工具基体表面に下部層と上部層からなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具において、
（ａ）上記工具基体は、ホーニングの幅がすくい面方向からみて０．０３〜０．３ｍｍ、ホーニングの角度がすくい面とのなす角度で１０〜３５度の範囲にあるホーニング形状を有し、
（ｂ）上記硬質被覆層の下部層は、
組成式：（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）Ｎ
で表した場合、Ｘが０．３〜０．６（但し、原子比）である０．５〜４μｍの平均層厚を有するＴｉとＡｌの複合窒化物層からなり、
（ｃ）上記硬質被覆層の上部層は、それぞれ一層平均層厚が０．０３〜０．３μｍの薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造からなり、
上記薄層Ａは、上記ＴｉとＡｌの複合窒化物層、
上記薄層Ｂは、Ｔｉの窒化物層であり、
（ｄ）上記上部層の最外層は、ホーニング面と逃げ面との稜線部以外は平均層厚が０．１〜０．８μｍの上記ＴｉとＡｌの複合窒化物層で構成され、一方、ホーニング面と逃げ面との稜線部においては、上記最外層は存在せず上記薄層Ａと薄層Ｂの交互積層断面構造が露出形成されていることを特徴とする表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具（被覆ｃＢＮ基焼結工具）。」
に特徴を有するものである。

つぎに、この発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具において、詳細に説明する。

（ａ）ｃＢＮ基焼結材料：
超高圧焼結材料製工具基体中のｃＢＮは、きわめて硬質で、焼結材料中で分散相を形成し、そしてこの分散相によって耐摩耗性の向上が図れるが、その配合割合が少なすぎると所望のすぐれた耐摩耗性を確保することができず、一方その配合割合が多くなりすぎると、ｃＢＮ基材料自体の焼結性が低下し、この結果切刃に欠損が生じやすくなることから、ｃＢＮの配合割合は、５０〜８５体積％とする。
なお、ｃＢＮ基焼結材料には、その成分として、例えば、Ｔｉ化合物，Ａｌおよび／またはＡｌ_２Ｏ_３，ＷＣ等が含有されるが、この発明においては、これらの含有量を特に制限するものではない。
しかし、例えば、Ｔｉ化合物（ＴｉＮ、ＴｉＣＮおよびＴｉＣのうちから選ばれる１種又は２種以上）については、焼結性を向上させるとともに焼結体中で連続相を形成して強度を向上させる作用があるが、その配合割合が少なすぎては所望の強度を確保することができず、一方その配合割合が多すぎては相対的にｃＢＮの含有量が少なくなり、すくい面摩耗などが生じやすくなることから、これらの観点からその配合量を定めることが望ましい。
また、Ａｌおよび／またはＡｌ_２Ｏ_３は焼結時に優先的にｃＢＮ粉末の表面に凝集し、反応して反応生成物を形成し、焼結後のｃＢＮ基材料中で、連続相を形成するＴｉ化合物相と硬質分散相を形成するｃＢＮ相の間に介在するようになり、この反応生成物は前記連続相を形成するＴｉ化合物相と硬質分散相を形成するｃＢＮ相のいずれとも強固に密着接合する性質をもつことから、前記ｃＢＮ相の連続結合相であるＴｉ化合物相に対する密着性が著しく向上させ、切刃の耐チッピング性を向上させるが、その量が多くなりすぎると、ｃＢＮの含有量が少なくなり、すくい面摩耗などが生じやすくなることから、これらの観点からその配合量を定めることが必要である。
さらに、ＷＣについては、ｃＢＮ粒子の近傍でＷのホウ化物を生成し、ＴｉＢ_２の生成を抑制するため、耐チッピング性の向上に寄与するが、ＷＣ含有量が多すぎると、ＷＣ成分が残留し、逆に耐チッピング性の低下を招くことから、ＷＣの配合割合は少量とすることが望ましい。

（ｂ）ホーニング形状：
本発明のｃＢＮ基焼結材料からなる工具本体のホーニング形状は、図１に示すように、ホーニングの幅がすくい面方向からみて０．０３〜０．３ｍｍ、ホーニングの角度がすくい面とのなす角度で１０〜３５度の範囲とする。
これは、刃先強度を確保するための形状であり、ホーニングの角度については、１０度以下では刃先強度が保てなくなり、３５度以上になると切削時のすくい角が負に大きくなりすぎて切れ味が低下する。また、ホーニング幅について、０．０３ｍｍ未満では刃先強度が確保できず、一方、０．３ｍｍを超えると刃先抵抗が大きくなり切れ味の低下を招くという理由による。

（ｃ）硬質被覆層の下部層：
硬質被覆層の下部層を構成するＴｉＡｌＮ層におけるＴｉ成分は高温強度の維持、Ａｌ成分は高温硬さと耐酸化性の向上に寄与することから、硬質被覆層の下部層を構成する（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）Ｎ層は、所定の高温強度、高温硬さおよび耐酸化性を具備する層であって、合金工具鋼や軸受け鋼の焼入れ材などの高硬度材の高速断続切削加工時における切刃部の耐摩耗性を確保する役割を基本的に担う。ただ、Ａｌの含有割合Ｘが６０原子％を超えると、結晶構造の変化により、高温強度が低下し欠損が生じやすくなり、一方、Ａｌの含有割合Ｘが３０原子％未満になると、高温硬さと耐酸化性が低下し、その結果、耐摩耗性の低下がみられるようになることから、Ａｌの含有割合Ｘの値を０．３〜０．６と定めた。
また、下部層の平均層厚が０．５μｍ未満では、自身のもつ耐酸化性、高温硬さおよび高温強度を硬質被覆層に長期に亘って付与できず、工具寿命短命の原因となり、一方その平均層厚が４μｍを越えると、欠損が生じ易くなることから、その平均層厚を０．５〜４μｍと定めた。

なお、超高圧焼結材料製切削工具基体と下部層との十分な密着性を確保するために、基体と下部層との間にＴｉＮの薄層を介在させることができるが、該ＴｉＮの薄層の層厚は０．０１μｍ以上０．５μｍ以下とすることが望ましい。

（ｄ）硬質被覆層の上部層：
上部層の薄層Ａ：
上部層の薄層Ａを構成するＴｉＡｌＮ層は、薄層Ａと薄層Ｂとで交互積層構造を構成することにより、薄層Ｂの有する靭性、耐衝撃性を損なうことなしに、薄層Ｂに不足する特性（高温硬さ、高温強度、耐酸化性）を補完する。
しかも、交互積層構造を構成するにあたり、ホーニング部以外の箇所（主として、逃げ面）については、上部層の最外層をＴｉＡｌＮ層で構成することによって高硬度鋼の高速断続切削に耐え得る耐摩耗性を確保する。
（なお、ホーニング部の層構造については、後記する。）
そして、薄層Ａを構成するＴｉＡｌＮ層は、
組成式：（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）Ｎ層
で表した場合、下部層（組成式（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）Ｎで表されるＴｉＡｌＮ層）の場合と同様、すぐれた高温硬さ、高温強度、耐酸化性を具備し、薄層Ｂに不足する特性を補完するために、Ｘの値を０．３〜０．６に定めた。
なお、硬質被覆層の下部層と薄層Ａを構成する材料は同一成分系の材料であるから、例えば、物理蒸着であるアークイオンプレーティングで成膜する際に、一種類のターゲットを用いて下部層（のＴｉＡｌＮ層）と薄層Ａ（のＴｉＡｌＮ層）を形成した場合には、同一組成のＴｉＡｌＮ層が形成される。ただ、下部層のＴｉＡｌＮ層と、薄層ＡのＴｉＡｌＮ層は、必ずしも同一組成である必要はなく、物理蒸着を行う際、例えば、異なった組成の複数のターゲットを使用した場合には、下部層と薄層Ａは異なった組成のＴｉＡｌＮ層が形成されるが、いずれの場合でも、Ｔｉとの合量に占めるＸの含有割合（原子比）がそれぞれ０．３〜０．６の範囲内であれば、硬質被覆層の特性上何らの不都合を生じるものではない。
また、上部層の薄層Ｂは、後記するように、所定の靭性、耐衝撃性を備えた層であり、高硬度材の高速断続切削加工時における境界異常損傷、欠損の発生を抑制するが、その一方で、高温硬さの不足により耐摩耗性の低下が生じやすいので、すぐれた高温硬さ、高温強度、耐酸化性を備えた上記薄層Ａを薄層Ｂと交互に積層することにより、高温硬さの不足を補完し、しかも薄層Ｂの有する特性を劣化させることなく、交互積層構造からなる上部層全体として、すぐれた高温硬さ、靭性、耐衝撃性を確保するが、薄層Ａの一層平均層厚が０．０３μｍ未満ではＴｉＮ層の高温硬さの低下を補うことはできず、一方、その一層平均層厚が０．３μｍを超えると、チッピングを発生しやすくなるので、薄層Ａの一層平均層厚は、０．０３〜０．３μｍと定めた。

上部層の薄層Ｂ：
上部層の薄層Ｂを構成するＴｉＮ層は、所定の靭性、耐衝撃性を備えるため、高硬度材の高速断続切削加工において、硬質被覆層に境界異常損傷、欠損が発生することを防止する作用を有するが、その一層平均層厚が０．０３μｍ未満では上記のすぐれた特性を十分発揮することはできず、一方、その一層平均層厚が０．３μｍを超えると、上部層の高温硬さが不足し耐摩耗性が低下傾向を示すので、薄層Ｂの一層平均層厚は、０．０３〜０．３μｍと定めた。

（ｅ）ホーニング面以外の面（すくい面、逃げ面）における上部層の平均層厚：
ホーニング面以外の面（すくい面、逃げ面）における薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造からなる上部層は、その合計平均層厚が、０．８μｍ未満では、高硬度材の高速断続切削加工で必要とされる十分な靭性、耐衝撃性を発揮することができず、一方その平均層厚が３μｍを越えると、欠損が発生し易くなることから、その平均層厚は０．８〜３μｍとすることが望ましく、かつ、交互積層構造からなる上部層の最外層は、耐摩耗性に優れたＴｉＡｌＮ層で構成することが望ましく、その平均層厚が0.1μｍ未満では耐摩耗性を発揮させるには薄く、一方その平均層厚が0.8μmを越えると、欠損が発生しやすくなることから、その平均層厚は0.1〜0.8μmとすることが望ましい。

（ｆ）ホーニング面における上部層：
ホーニング部のホーニング面中央では、上部層の最外層を構成するＴｉＡｌＮ層の平均層厚を０．１〜０．８μｍ、好ましくは、０．１〜０．５μｍ、とするが、ホーニング面と逃げ面との稜線部においては、図２に示すように、最外層を除去し、薄層Ａと薄層Ｂの交互積層断面構造を露出形成させる。
また、ホーニング面と逃げ面との稜線部において、最外層を除去し、薄層Ａと薄層Ｂの交互積層断面構造を形成させる方法としては、例えば、すくい面に対して４３〜４７°の傾斜角で上部層にウエットブラスト処理を行い、ホーニング面と逃げ面との稜線部における最外層を除去し、薄層Ａと薄層Ｂの交互積層断面構造を露出させることにより形成することができる。
本発明は、切刃部およびホーニング部における上記上部層構造を最大の特徴としており、特に、ホーニング面中央および逃げ面では耐摩耗性の高いＴｉＡｌＮ層を最外層として耐摩耗性を確保し、一方、ホーニング面と逃げ面との稜線部においては、薄層Ａと薄層Ｂの交互積層断面構造を露出形成することにより、切刃エッジの硬質被覆層の強度を高め、切刃エッジからの硬質膜の剥離を抑制する。
そして、このような層構造により、合金工具鋼や軸受け鋼の焼入れ材などの高硬度材の高速断続切削において、切刃部に高熱が発生し、切刃部に衝撃的・断続的高負荷が作用したとしても、ホーニング面と逃げ面との稜線部における溶着発生、硬質被覆層の剥離を防止することができ、また、十分な耐摩耗性を確保することができる。

この発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具は、硬質被覆層を上部層と下部層とで構成し、そして、硬質被覆層の上部層を薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造とし、さらに、ホーニング部については、そのホーニング面中央で、上部層の最外層を構成するＴｉＡｌＮ層の層厚を適正に確保し、一方、ホーニング面と逃げ面との稜線部においては、最外層のＴｉＡｌＮ層を除去し、薄層Ａと薄層Ｂの交互積層断面構造を露出形成させることによって、ホーニング面と逃げ面との稜線部においては特に強度を高め、それ以外の箇所（すくい面、逃げ面）では十分な耐摩耗性を確保していることから、合金工具鋼や軸受け鋼の焼入れ材などの高硬材の、高熱発生とともに切刃部に衝撃的・断続的な高負荷が作用する高速断続切削という厳しい切削条件下であっても、前記硬質被覆層に溶着、境界異常損傷、欠損の発生はなく、長期に亘って、すぐれた耐摩耗性を発揮することができる。

本発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具のホーニング部近傍の概略断面図を示す。本発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具のホーニング面と逃げ面との稜線部においては、薄層Ａと薄層Ｂの交互積層断面構造が露出形成している概略説明図を示す。

つぎに、この発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具を実施例により具体的に説明する。

原料粉末として、いずれも０．５〜４μｍの範囲内の平均粒径を有するｃＢＮ粉末、ＴｉＮ粉末、ＴｉＣＮ粉末、ＴｉＣ粉末、Ａｌ粉末、Ａｌ_２Ｏ_３粉末、ＷＣ粉末を用意し、これら原料粉末を表１に示される配合組成に配合し、ボールミルで８０時間湿式混合し、乾燥した後、１２０ＭＰａの圧力で直径：５０ｍｍ×厚さ：１．５ｍｍの寸法をもった圧粉体にプレス成形し、ついでこの圧粉体を、圧力：１Ｐａの真空雰囲気中、９００〜１３００℃の範囲内の所定温度に６０分間保持の条件で焼結して切刃片用予備焼結体とし、この予備焼結体を、別途用意した、Ｃｏ：８質量％、ＷＣ：残りの組成、並びに直径：５０ｍｍ×厚さ：２ｍｍの寸法をもったＷＣ基超硬合金製支持片と重ね合わせた状態で、通常の超高圧焼結装置に装入し、通常の条件である圧力：４ＧＰａ、温度：１２００〜１４００℃の範囲内の所定温度に保持時間：０．８時間の条件で超高圧焼結し、焼結後上下面をダイヤモンド砥石を用いて研磨し、ワイヤー放電加工装置にて一辺３ｍｍの正三角形状に分割し、さらにＣｏ：５質量％、ＴａＣ：５質量％、ＷＣ：残りの組成およびＣＩＳ規格ＳＮＧＡ１２０４１２の形状（厚さ：４．７６mm×一辺長さ：１２．７mmの正方形）をもったＷＣ基超硬合金製インサート本体のろう付け部（コーナー部）に、質量％で、Ｃｕ：２６％、Ｔｉ：５％、Ｎｉ：２．５％、Ａｇ：残りからなる組成を有するＡｇ合金のろう材を用いてろう付けし、所定寸法に外周加工した後、切刃部に0.2mmのチャンファーホーニング加工を施し、さらに刃先の稜線部をダイヤモンドブラシによって仕上げ研摩を施すことによりＩＳＯ規格ＳＮＧＡ１２０４１２のインサート形状をもった工具基体Ａ〜Ｊをそれぞれ製造した。

（ａ）ついで、上記の工具基体Ａ〜Ｊのそれぞれを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図１に示されるアークイオンプレーティング装置内の回転テーブル上の中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に外周部にそって装着し、一方側のカソード電極（蒸発源）として、表２に示される目標組成に対応した成分組成をもった下部層および薄層Ａ形成用Ｔｉ−Ａｌ合金を、また、他方側のカソード電極（蒸発源）として、上部層の薄層Ｂ形成用金属Ｔｉを前記回転テーブルを挟んで対向配置（なお、図１には示していないが、下部層と薄層Ａを異なった組成とする場合には、下部層形成用Ｔｉ−Ａｌ合金と薄層Ａ形成用Ｔｉ−Ａｌ合金の二種類のカソード電極（蒸発源）を配置する）し、
（ｂ）まず、装置内を排気して０．１Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を５００℃に加熱した後、Ａｒガスを導入して、０．７Ｐａの雰囲気とすると共に、前記テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−２００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、もって工具基体表面をアルゴンイオンによってボンバード洗浄し、
（ｃ）装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して３Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ下部層形成用Ｔｉ−Ａｌ合金とアノード電極との間に１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、もって前記工具基体の表面に、表２に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）Ｎ層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成し、
（ｄ）ついで装置内に導入する反応ガスとしての窒素ガスの流量を調整して２Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−１０〜−１００Ｖの範囲内の所定の直流バイアス電圧を印加した状態で、前記薄層Ｂ形成用金属Ｔｉのカソード電極とアノード電極との間に１００〜２００Ａの範囲内の所定の電流を流してアーク放電を発生させて、前記工具基体の表面に所定層厚のＴｉＮ層からなる薄層Ｂを形成した後、
（ｅ）ついで、同じく２Ｐａの窒素ガス反応雰囲気中で、薄層Ａ形成用Ｔｉ−Ａｌ合金のカソード電極とアノード電極間に同じく１００〜２００Ａの範囲内の所定の電流を流してアーク放電を発生させて、目標組成および目標層厚の（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）Ｎ層からなる薄層Ａを形成した後、
（ｆ）上記（ｄ）、（ｅ）を、所定の上部層合計層厚になるまで交互に繰り返し行い、最後に、（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）Ｎ層からなる最外層を所定層厚で形成し、もって前記工具基体の表面に、層厚方向に沿って表２に示される目標組成および一層目標層厚の薄層Ａと薄層Ｂの交互積層からなる上部層（但し、上部層の最外層はＴｉＡｌＮ層で構成する）を同じく表２に示される上部層合計層厚で蒸着形成した。

ついで、上記下部層および上部層からなる硬質被覆層を蒸着形成した工具基体について、すくい面に対して４３〜４７°の傾斜角で硬質被覆層にウエットブラスト処理（メディア：アルミナ粒子（粒径２０μｍ），ブラスト圧力：０．１ＭＰａ，ブラスト時間：１０ｓｅｃ，インサート回転速度：６０ｒｐｍ）を行い、ホーニング面と逃げ面との稜線部における最外層を除去し、該稜線部には、薄層Ａと薄層Ｂの交互積層断面構造を露出形成させることにより、表２に示す本発明被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜１０をそれぞれ製造した。

比較の目的で、上記の工具基体Ａ〜Ｊのそれぞれに、本発明被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜１０と同様な硬質被覆層を蒸着形成した従来被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜１０をそれぞれ製造した。
つまり、従来被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜１０では、ウエットブラスト処理を施さず、硬質被覆層の層厚は、逃げ面、すくい面、ホーニング面のいずれの面についても同一厚さであり、また、薄層Ａと薄層Ｂはいずれの箇所においても正に交互積層であって、交互積層断面構造が露出形成されている箇所はない。

参考のために、工具基体Ａ，Ｂを用いて、前記特許文献２に記載される構造の硬質被覆層を形成した。
すなわち、工具基体Ａに対しては、ＴｉＮ層の単層を層厚３μｍで被覆するとともに、ホーニング面と逃げ面の稜線部において、ウエットブラスト処理を施した参考被覆ｃＢＮ基焼結工具１を作製した。
また、工具基体Ｂに対しては、ＴｉＡｌＮ（Ｔｉ５０原子％−Ａｌ５０原子％）層の単層を層厚３μｍで被覆するとともに、ホーニング面と逃げ面の稜線部においては、ウエットブラスト処理を施した参考被覆ｃＢＮ基焼結工具２を作製した。

上記で作製した各被覆ｃＢＮ基焼結工具の表面被覆層について、その組成を透過型電子顕微鏡を用いてのエネルギー分散型Ｘ線分析法により測定したところ、それぞれ目標組成と実質的に同じ組成を示し、また、その平均層厚を透過型電子顕微鏡を用いて断面測定したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均値（５ヶ所の平均値）を示した。

つぎに、上記の各種の被覆ｃＢＮ基焼結工具を、いずれも工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてネジ止めした状態で、本発明被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜１０、従来被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜１０および参考被覆ｃＢＮ基焼結工具１，２について、以下の切削条件Ａ〜Ｃで高速断続切削試験を実施した。
[切削条件Ａ]
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４２０（硬さ：ＨＲＣ６０）の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：０．２ｍｍ、
送り：０．１１ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：８分、
の条件での浸炭焼入れ合金鋼の乾式高速断続切削加工試験（通常の切削速度は、１２０ｍ／ｍｉｎ．）、
[切削条件Ｂ]
被削材：ＪＩＳ・ＳＣｒ４２０（硬さ：ＨＲＣ６１）の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：２７０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：０．１６ｍｍ、
送り：０．１０ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：８分、
の条件での浸炭焼入れクロム鋼の乾式高速断続切削加工試験（通常の切削速度は、１２０ｍ／ｍｉｎ．）、
[切削条件Ｃ]
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＪ２（硬さ：ＨＲＣ６１）の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：２６０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：０．２０ｍｍ、
送り：０．１１ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：８分、
の条件での焼入れ軸受鋼の乾式高速断続切削加工試験（通常の切削速度は、１２０ｍ／ｍｉｎ．）、
そして、上記の各切削加工試験における切刃の逃げ面摩耗幅（ｍｍ）を測定した。この測定結果を表４に示した。

表２〜４に示される結果から、本発明被覆ｃＢＮ基焼結工具は、硬質被覆層が、下部層と、薄層Ａと薄層Ｂとの交互積層構造からなり、かつ、特に、ホーニング面と逃げ面との稜線部においては、最外層が存在せず、薄層Ａと薄層Ｂの交互積層断面構造が露出形成していることによって、硬質被覆層が全体としてすぐれた高温強度、高温硬さ、耐酸化性、靭性、耐衝撃性を備えているとともに、ホーニング面と逃げ面との稜線部においては、特に優れた耐溶着性、強度を有するために、合金工具鋼や軸受け鋼の焼入れ材などの高硬度材の高速断続切削に用いた場合であっても、切刃部からの硬質被覆層に剥離、境界異常損傷等の発生はなく、長期に亘って、すぐれた耐摩耗性を発揮する。
これに対して、ホーニング面と逃げ面との稜線部に交互積層断面構造が露出形成されていない従来被覆ｃＢＮ基焼結工具、あるいは、ホーニング面と逃げ面との稜線部において硬質被覆層が単層であり、交互積層膜が露出していない参考被覆ｃＢＮ基焼結工具においては、硬質被覆層の溶着、靭性、耐衝撃性不足等が原因で、刃先に剥離や境界異常損傷が発生し、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。

上述のように、この発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具は、各種の鋼や鋳鉄などの通常の切削条件での切削加工は勿論のこと、特に合金工具鋼や軸受け鋼の焼入れ材などの高硬度材の高速断続切削であっても、前記硬質被覆層がホーニング面と逃げ面との稜線部においては、特に優れた耐溶着性と強度を有するために、長期に亘ってすぐれた切削性能を発揮するものであるから、切削加工装置の高性能化、並びに切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に十分満足に対応できるものである。

Claims

立方晶窒化ほう素を５０〜８５体積％含有する立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料からなる工具基体表面に下部層と上部層からなる硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具において、
（ａ）上記工具基体は、ホーニングの幅がすくい面方向からみて０．０３〜０．３ｍｍ、ホーニングの角度がすくい面とのなす角度で１０〜３５度の範囲にあるホーニング形状を有し、
（ｂ）上記硬質被覆層の下部層は、
組成式：（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）Ｎ
で表した場合、Ｘが０．３〜０．６（但し、原子比）である０．５〜４μｍの平均層厚を有するＴｉとＡｌの複合窒化物層からなり、
（ｃ）上記硬質被覆層の上部層は、それぞれ一層平均層厚が０．０３〜０．３μｍの薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造からなり、
上記薄層Ａは、上記ＴｉとＡｌの複合窒化物層、
上記薄層Ｂは、Ｔｉの窒化物層であり、
（ｄ）上記上部層の最外層は、ホーニング面と逃げ面との稜線部以外は平均層厚が０．１〜０．８μｍの上記ＴｉとＡｌの複合窒化物層で構成され、一方、ホーニング面と逃げ面との稜線部においては、上記最外層は存在せず上記薄層Ａと薄層Ｂの交互積層断面構造が露出形成されていることを特徴とする表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具。