JP2015030061A - 耐チッピング性にすぐれた表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】高負荷な切削条件が要求される高硬度鋼の高速切削加工に用いた場合においても、チッピングが発生しにくく、長期に亘ってすぐれた切削性能を維持するｃＢＮ焼結体切削工具を提供する。
【解決手段】工具基体表面に、組成式：Ｔｉ_１−ａＡｌ_ａＮ（但し、ａは原子比で０．３≦ａ≦０．７）の成分系からなる下部層と組成式：Ｔｉ_{１−ｘ―ｙ}Ａｌ_ｘＳｉ_ｙＮ（但し、ｘ、ｙは原子比で０．３≦ｘ≦０．７、０．０１≦ｙ≦０．１）の成分系からなる上部層とからなる硬質被覆層が蒸着形成され、硬質被覆層を貫き連続した帯状微粒組織が工具基体表面の法線に対して平均して３０〜６０°傾斜して存在し、その工具基体表面に平行な方向の平均幅が０．３〜１．５μｍかつ硬質被覆層全体に占める含有割合が５〜２０体積％であることにより前記課題を解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は、硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を備えた表面被覆切削工具に関し、さらに詳しくは、焼き入れ鋼などの高硬度鋼の高速切削加工に用いた場合においても、チッピングが発生しにくく、長期に亘ってすぐれた切削性能を示す表面被覆切削工具（以下、被覆工具という）に関する。

一般に、被覆工具には、各種の鋼や鋳鉄などの被削材の旋削加工や平削り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、被削材の穴あけ切削加工などに用いられるドリルやミニチュアドリル、さらに被削材の面削加工や溝加工、肩加工などに用いられるソリッドタイプのエンドミルなどがあり、またインサートを着脱自在に取り付けて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。

本発明は、立方晶窒化硼素（以下、ｃＢＮで示す）を主成分として、これを超高圧、高温下にて焼結成形してなるｃＢＮ焼結体切削工具に関し、特に、合金鋼、軸受鋼等の焼入れ鋼からなる高硬度鋼の高速切削加工においても、チッピングや欠損の発生を抑制し得るとともに、すぐれた切削性能を長期の使用に亘って維持し得るｃＢＮ焼結体切削工具に関するものである。

従来、高硬度鋼の切削工具としては、ｃＢＮ焼結体を工具基体としたｃＢＮ焼結体切削工具等が知られており、工具寿命の向上を目的として種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、公知の方法を用いて作製された超硬などの工具基体表面に該工具基体表面に対して垂直に伸びる柱状結晶を主体としこれが並んだ組織中に富Ｔｉ柱状結晶が分散している硬質被覆層を被覆することにより、耐摩耗性が高く、かつ高い耐欠損性を有する表面被覆工具が得られる旨、開示されている。
また、特許文献２には、ｃＢＮ焼結体基材上に硬質皮膜を具え該硬質皮膜が立方晶型結晶構造を有して組成の異なる２種以上の化合物層を積層した薄膜積層構造を有することにより、硬質皮膜が剥がれるまでの寿命の長期化と焼結体基材の硬質粒子の脱落を抑制する複合高硬度材料が開示されている。

特開２００８−１８３６２７号公報 特開２００１−１８１８２５号公報

ところが、特許文献１に開示された発明は、硬質被覆層中に富Ｔｉ柱状結晶が分散させることで、高い耐摩耗性がと耐欠損性の両立を図っているが、富Ｔｉ柱状結晶は硬度が低いため、特に焼き入れ鋼の高速切削においては、長期に亘って十分な耐摩耗性が得られないという課題が指摘されていた。
また、特許文献２に開示された発明は、ｃＢＮ焼結体基材上に硬質被覆層を具え該硬質被覆層が立方晶型結晶構造を有して組成の異なる２種以上の化合物層を積層した薄膜積層構造を有することにより、硬質被覆層と基材との耐チッピング性、耐欠損性を向上させているが、より高速切削においては、薄膜積層構造が自壊するという課題が指摘されていた。

そこで、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち、本発明の目的は、高負荷な切削条件が要求される焼き入れ鋼などの高硬度鋼の高速切削加工に用いた場合においても、チッピングが発生しにくく、長期に亘ってすぐれた切削性能を維持するｃＢＮ焼結体切削工具を提供することにある。

本発明者らは、前記課題を解決するため、ｃＢＮ焼結体からなる工具基体上に被覆する硬質被覆層に着目し、鋭意研究したところ、次のような知見を得た。

（１）ｃＢＮ焼結体をｃＢＮ粒子とＴｉの窒化物、炭化物、炭窒化物、硼化物およびＡｌの窒化物、酸化物からなる群から選ばれた少なくとも１種以上の粒子と不可避不純物とを含む結合相とから構成した場合、工具基体上に所定の組成のＴｉＡｌＮ層を形成した場合、結合相形成原料粒子中のＴｉ成分あるいはＡｌ成分がＴｉＡｌＮ層形成過程中にＴｉＡｌＮ層中に拡散することにより、焼結体とＴｉＡｌＮ層との界面で生じがちな応力差や熱伝導率差が緩和されるため、ＴｉＡｌＮ層の密着性および耐剥離性が向上する。
（２）ＴｉＡｌＮ層は、その構成成分であるＴｉ成分によってすぐれた強度と靭性を確保することができ、Ａｌは高温硬さと耐熱性を向上させ、ＡｌとＴｉが共存含有した状態でさらに高温耐酸化性を向上させる作用がある。さらに、岩塩型結晶構造を有するため、高硬度でありｃＢＮ焼結体からなる工具基体上に形成することで耐摩耗性を向上させることができる。
（３）一方、ＴｉＡｌＳｉＮ層は、前記ＴｉＡｌＮ層にＳｉ成分を含有させることで、一層耐熱性が向上する。酸化開始温度が高くて高温耐酸化性が高いため、特に切削時に高温となるような高速切削時の耐摩耗性が向上する。
（４）ｃＢＮ焼結体からなる工具基体上に所定の組成のＴｉＡｌＮ層を成膜し、その上に所定の組成のＴｉＡｌＳｉＮ層を積層させることで、ｃＢＮ粒子間の隙間に存在する結合相上から硬質被覆層内を貫いて成長する帯状微粒組織が形成できる。
（５）ｃＢＮ焼結体中のｃＢＮ粒子の含有割合を調整することでｃＢＮ焼結体表面に露出するｃＢＮ粒子の高さの差を制御することが可能になり、この高さの差が表面に露出するｃＢＮ粒子間の隙間に存在する結合相上に成長する帯状微粒組織の成長方向を制御することが出来る。
（６）硬質被覆層をＴｉＡｌＮ層とＴｉＡｌＳｉＮの積層構造とし、さらに、所定の帯状微粒組織を硬質被覆層内に貫くように所定の角度で傾斜させて成長させることで、硬質被覆層の表面に加わった外力が直接工具基体に加わることなく、帯状微粒組織によって緩和される。
（７）帯状微粒組織内は粒界が多いため、外力が働いた際、粒界すべり等によって応力が緩和し、工具基体へ加わる外力が緩和されるため、耐チッピング性が向上する。
（８）帯状微粒組織が所定の角度で傾斜しているため、硬質被覆層表面に対して垂直な方向および平行な方向のいずれの力に対しても力を分散させる効果があり、このことが、硬質被覆層の切削性能に対する異方性を減少する効果をもたらし、切削工具の使用上の自由度を向上させることが出来る。
（９）また、帯状微粒組織の成長方向と帯状微粒組織の存在割合および硬質被覆層の層厚を調整することにより、硬質被覆層表面から工具基体表面までを結ぶ垂線上に存在する帯状微粒組織の量を制御することが出来るため、（７）、（８）に記載の作用がより効果的に奏される。

前述の知見に基づき本発明者らは、幾多の実験および切削試験を重ねることによって、刃先に高負荷および高温が加わる高硬度鋼の高速切削に使用してもチッピングや欠損が発生しにくく切削寿命の長い切削工具を製造することに成功した。

本発明は、前記の研究結果に基づいてなされたものであって、
「（１） 少なくとも切削に使用する刃先が立方晶窒化硼素焼結体からなる工具基体上に硬質被覆層を有する表面被覆切削工具であって、
前記立方晶窒化硼素焼結体は立方晶窒化硼素粒子とＴｉの窒化物、炭化物、炭窒化物、硼化物およびＡｌの窒化物、酸化物からなる群から選ばれた少なくとも１種以上の粒子と不可避不純物とを含む結合相とからなり、
前記立方晶窒化硼素粒子は平均粒径が０．５〜４．０μｍかつ立方晶窒化硼素焼結体全体に占める含有割合が４０〜７０体積％であり、
前記結合相を構成する粒子は平均粒径が１．０μｍ以下であり、
前記硬質被覆層は少なくとも工具基体直上の下部層Ａとその上に形成された上部層Ｂとからなるとともに平均総層厚が１．０〜８．０μｍであり、
前記下部層Ａは組成式：Ｔｉ_１−ａＡｌ_ａＮ（但し、ａは原子比で０．３≦ａ≦０．７）の成分系からなり、
前記上部層Ｂは組成式：Ｔｉ_{１−ｘ―ｙ}Ａｌ_ｘＳｉ_ｙＮ（但し、ｘ、ｙは原子比で０．３≦ｘ≦０．７、０．０１≦ｙ≦０．１）の成分系からなり、
前記硬質被覆層中に工具基体表面に露出している結合相の一部から下部層Ａおよび上部層Ｂを貫き該上部層Ｂ表面まで連続した帯状微粒組織が工具基体表面の法線に対して平均して３０〜６０°傾斜して存在しているとともに前記帯状微粒組織の工具基体表面に平行な方向の平均幅が０．３〜１．５μｍかつ硬質被覆層全体に占める含有割合が５〜２０体積％であることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２） 前記硬質被覆層中の帯状微粒組織以外を構成する結晶粒の平均粒径が０．０５μｍ以上１．０μｍ以下でありかつ前記帯状微粒組織を構成する結晶粒の平均粒径が０．０５μｍ未満であることを特徴とする（１）に記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。

ここで、本発明の構造について、より詳しく説明する。

（ａ）焼結体中のｃＢＮ粒子の平均粒径：
ｃＢＮ焼結体中に、微細な硬質なｃＢＮ粒子が分散していることにより、工具使用中に工具基体表面のｃＢＮ粒子が脱落して生じる刃先の凹凸形状を起点とするチッピングの発生を抑制することができる。その理由は、たとえ、工具基体表面のｃＢＮ粒子が脱落したとしても、その粒子が所定の粒径以下の微細粒子であるためチッピングを誘発するような大きな凹凸形状とならないためである。
また、焼結体中の微細ｃＢＮ粒子が、工具使用中に刃先に加わる応力により生じるｃＢＮ粒子と結合相との界面から進展するクラック、あるいはｃＢＮ粒子が割れて進展するクラックの伝搬を分散・緩消する役割を担うため、すぐれた耐欠損性を発揮することが出来る。
しかしながら、平均粒径が０．５μｍ未満になると、微細すぎて硬質粒子としてのｃＢＮ粒子の機能が十分に発揮できない。一方、４．０μｍを超えると、本発明における硬質被覆層の層厚と比べてかなり大きな粒子となるため、工具基体表面に露出するｃＢＮ粒子によって形成される凹凸形状が大きくなり過ぎ、後述する帯状微粒組織の傾斜角度を所定の範囲に収めることが出来なくなる。
したがって、ｃＢＮ粒子の平均粒径は、０．５〜４．０μｍと定めた。
ここで、ｃＢＮ粒子の平均粒径は、作製したｃＢＮ焼結体の断面組織を走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＥＭ）にて観察して得られた二次電子画像内のｃＢＮ粒子の部分を画像処理にて抜き出し、画像解析によって各ｃＢＮ粒子の最大長を求め、それを各ｃＢＮ粒子の直径とし、１画像におけるｃＢＮ粒子の直径の平均値を求め、少なくとも３画像について求めた平均値の平均をｃＢＮの平均粒径［μｍ］とした。画像処理に用いる観察領域は予備観察を行うことによって定めたが、ｃＢＮ粒子の平均粒径が０．５〜４．０μｍであることをかんがみ、１５μｍ×１５μｍ程度の視野領域とすることが望ましい。

（ｂ）ｃＢＮ焼結体中のｃＢＮ粒子の体積割合：
ｃＢＮ焼結体に占めるｃＢＮ粒子の含有割合が４０体積％未満では、焼結体中に硬質物質が少なく、ｃＢＮ焼結体の硬度が低下するため、耐摩耗性が低下する。一方、７０体積％を超えると、結合相が不足するため、焼結体中にクラックの起点となる空隙が生成し、耐欠損性が低下する。そのため、本発明が奏する効果をより一層発揮するためには、ｃＢＮ焼結体に占めるｃＢＮ粒子の含有割合は、４０〜７０体積％の範囲とすることが好ましい。
ここで、ｃＢＮ焼結体に占めるｃＢＮ粒子の含有割合（体積％）の測定方法は、ｃＢＮ焼結体の断面組織をＳＥＭによって観察して得られた二次電子画像内のｃＢＮ粒子の部分を画像処理によって抜き出し、画像解析によって観察領域におけるｃＢＮ焼結体の全体の面積に対するｃＢＮ粒子が占める面積を算出し、少なくとも３画像を処理し求めた値の平均値をｃＢＮ粒子の含有割合（体積％）とした。画像処理に用いる観察領域は、ｃＢＮ粒子の平均粒径が０．５〜４．０μｍであることをかんがみ、１５μｍ×１５μｍ程度の視野領域とすることが望ましい。

（ｃ）結合相を構成する粒子の平均粒径：
工具基体表面に露出したｃＢＮ焼結体中の結合相を構成する粒子は、硬質被覆層中に成長する帯状微粒組織の核となる。そのため、所望の帯状微粒組織を成長させるためには、その粒径を所定の値以下に調整する必要がある。本発明においては、幾多の実験結果から、
結合相を構成する粒子の平均粒径を１．０μｍ以下と定義した。結合相を構成する粒子の平均粒径が１．０μｍを超えると、帯状微粒組織を構成する粒子の径が大きくなるため、好ましくない。
なお、その測定方法は、前述したｃＢＮ粒子の平均粒径の測定方法と同様の方法を用いた。

（ｄ）硬質被覆層の平均層層厚：
本発明の硬質被覆層は、硬質被覆層は少なくとも工具基体直上のＴｉ_１−ａＡｌ_ａＮの成分系からなる下部層Ａとその上に形成されたＴｉ_{１−ｘ―ｙ}Ａｌ_ｘＳｉ_ｙＮの成分系からなる上部層Ｂとからなる積層構造を有している。この硬質被覆層は、下部層ＡであるＴｉＡｌＮ層に含まれるＴｉ成分によってすぐれた強度と靭性を確保し、Ａｌが高温硬さと耐熱性を向上させると共にＡｌとＴｉが共存含有した状態でさらに高温耐酸化性を向上させる作用があるとともに岩塩型結晶構造を有するため、高硬度であり工具基体上に形成することで耐摩耗性を向上させることができる。
また、上部層ＢであるＴｉＡｌＳｉＮ層は、前記ＴｉＡｌＮ層にＳｉ成分を含有させることで、一層耐熱性が向上し、酸化開始温度が高くて高温耐酸化性が高いため、特に切削時に高温となるような高速切削時の耐摩耗性が向上する。
特に平均総層厚が１．０〜８．０μｍのとき、その効果が際立って発揮される。その理由は、平均総層厚が１．０μｍ未満では、工具基体表面粗さに比べ硬質被覆層の層厚が薄いため、長期の使用に亘っての耐摩耗性を十分確保することができない。一方、その平均総層厚が８．０μｍを越えると、硬質被覆層を構成する複合窒化物の結晶粒が粗大化し易くなり、チッピングを発生しやすくなる。したがって、その平均総層厚を１．０〜８．０μｍと定めた。
ここで、硬質被覆層の平均総層厚は、ＳＥＭにて観察して得られた二次電子画像内の硬質被覆層の部分を画像処理にて抜き出し、画像解析によって画像内の５箇所について硬質被覆層の層厚を求め、その平均値を求め平均総層厚とした。画像処理に用いる観察領域として、期待する硬質被覆層の平均総層厚が１．０〜８．０μｍであることをかんがみ、１５μｍ×１５μｍ程度の視野領域とすることが望ましい。

（ｅ）硬質被覆層を構成する下部層Ａ：
下部層Ａは、ＡｌのＴｉとＡｌの合量に占める含有割合ａ（但し、ａは原子比）が、０．３≦ａ≦０．７を満足する。
Ａｌ成分の含有量が０．３未満では、Ａｌ成分を含有することによる高温硬さと耐熱性の向上が十分得られず、所望の性能が得られない。また、Ａｌ成分の含有量が０．７を超えると、ＴｉＡｌＮ層が岩塩型結晶構造を維持できず、硬さが極端に低下するため、望ましくない。

（ｆ）硬質被覆層を構成する上部層Ｂ：
上部層Ｂは、ＡｌおよびＳｉのＴｉとＡｌとＳｉの合量に占める含有割合ｘ、ｙ（但し、ｘ、ｙはいずれも原子比）が、それぞれ、０．３≦ｘ≦０．７、０．０１≦ｚ≦０．１を満足する。
この条件を満たすとき、上部層Ｂを構成するＴｉ_{１−ｘ―ｙ}Ａｌ_ｘＳｉ_ｙＮ層は所望の耐酸化性および切削時に高温となるような高速切削時における高い耐摩耗性を発揮する。
一方、Ａｌ成分の含有量が０．３未満では、Ａｌ成分を含有することによる高温硬さと耐熱性の向上が十分得られず、所望の性能が得られない。また、Ａｌ成分の含有量が０．７を超えると、ＡｌＴｉＳｉＮ層が岩塩型結晶構造を維持できず、硬さが極端に低下するため、望ましくない。Ｓｉ成分が０．０１未満では所望の耐摩耗性が発揮されず、０．１を超えると結晶格子の歪みが大きくなり、耐欠損性が低下するため望ましくない。

（ｇ）硬質被覆層を貫く帯状微粒組織の傾斜角、平均幅、含有割合：
下部層であるＴｉＡｌＮ層と上部層であるＴｉＡｌＳｉＮ層の積層構造として構成される硬質被覆層内に貫くように連続した帯状微粒組織を傾斜させて成長させることにより、硬質被覆層の表面に加わった外力が直接工具基体に加わることなく、帯状微粒組織によって緩和される。帯状微粒組織内は粒界が多いため、外力が働いた際、粒界すべり等によって応力が緩和し、工具基体へ加わる外力が緩和されるため、耐チッピング性が向上する。
しかしながら、その傾斜角が工具基体表面の法線に対して３０°未満では、硬質被膜層に垂直な方向の外力に対して十分な緩和効果が得られない。一方、６０°以上の場合、硬質被膜層に平行な方向の外力に対して緩和効果が得にくくなる上、傾きが大きいと周囲組織の粒の成長と競合しやすくなるため、帯状微粒組織の制御が困難となり、安定して所望の効果が得られない。したがって、硬質被覆層を貫く帯状微粒組織の傾斜角は工具基体表面の法線に対して平均して３０〜６０°と定めた。
また、帯状微粒組織の工具基体表面に平行な方向の平均幅が０．３μｍ未満であると微粒組織の幅が狭く前述した工具基体へ加わる外力を緩和する機能が十分に奏されない。一方、平均幅が１．５μｍを超える場合、帯状微粒組織は粒界密度が高いため、粒界から徐々に硬質粒子が脱落する摩耗が進行しやすくなり、硬質被覆層全体としての耐摩耗性が低下する。
したがって、帯状微粒組織の工具基体表面に平行な方向の平均幅は０．３〜１．５μｍと定めた。
さらに、帯状微粒組織の硬質被覆層全体に占める含有割合が５体積％未満であると前述した工具基体へ加わる外力を緩和する機能が十分に奏されず、一方、２０体積％を超える帯状微粒組織は、その発現機構の関係上、形成することが困難であることに加え、硬質被覆層全体に占める微粒組織の割合が大きくなるため、硬質被覆層全体としての耐摩耗性が低下する。また、２０体積％を超えても前述した効果のさらなる向上は確認されなかった。
したがって、帯状微粒組織の硬質被覆層全体に占める含有割合は５〜２０体積％と定めた。
なお、硬質被覆層を貫く帯状微粒組織の平均幅、傾斜角および含有割合は、帯状微粒組織を楕円錘台形状として処理し、算出する。算出手法について以下に示す。まず全体の算出手順について述べ、その後、各手順の具体的な処理法を示す。
楕円錘台形状は、ｃＢＮ焼結体に被覆した硬質被覆層について、工具基体表面の面方向に平行な断面の作製とＳＥＭによる観察を繰り返し、ＳＥＭによる観察で得られた帯状微粒組織の工具基体表面の面方向に平行な断面画像から見積もる。ここで工具基体表面とは、基体の硬質被覆層と接する面の面方向に垂直な断面を直交するように２面切り出し、それぞれの断面における基体と硬質被覆層の界面粗さの基準線を通る面とする。このように定めた工具基体表面の面方向に平行な断面を、形成した硬質被覆層上に作製し、作製した断面の組織観察をＳＥＭによって行い、帯状微粒組織の断面領域を定め、ここで定めた領域を楕円近似する。硬質被覆層表面および工具基体表面に対して硬質被覆層側にそれぞれ０．３μｍの位置に工具基体表面の面方向に平行な断面を作製し、作製した断面における帯状微粒組織の断面である楕円形状を結ぶことで、帯状微粒組織を楕円錐台形状として見積もる。ここで、硬質被覆層表面とは形成した硬質被覆層の表面粗さの基準面とする。こうして見積もった楕円錘台形状について、工具基体表面の面方向に平行な断面を硬質被覆層の層厚方向に等間隔に５面抜き出し、工具基体表面の面方向に平行な断面における、帯状微粒組織の断面である楕円形状の長径の平均値をその帯状微粒組織の平均幅［μｍ］とし、楕円形状の中心点にて直線近似した線分方向と工具基体表面の法線がなす角をその帯状微粒組織の傾斜角［°］とする。さらに断面組織の観察領域に含まれるすべての帯状微粒組織の平均幅と傾斜角の平均値および、硬質被覆層全体に対する含有割合を算出した。
次に、各算出手順における具体的な処理法を示す。硬質被覆層上に作製した工具基体表面の面方向に平行な断面の組織観察において、帯状微粒組織の断面領域と周囲組織の境界は粒径が０．０５μｍ以上の結晶粒と０．０５μｍ未満の結晶粒の粒界とし、帯状微粒組織の断面領域とは、０．０５μｍ未満の結晶粒が０．０２５平方μｍ以上集合した領域とする。帯状微粒組織の断面領域の楕円近似は、得られた帯状微粒組織の断面領域における最大長さを長径とし、得られた領域と同等な面積となるような楕円形状を定め、実施する。
また、各結晶粒の長径、短径は、結晶粒の形状を楕円近似した際の長径、短径とする。また、各結晶粒の長径を結晶粒の粒径と定義する。
基材表面に平行な断面組織の観察領域は、１０μｍ×１０μｍ程度の視野領域とすることが望ましい。

（ｈ）硬質被覆層全体の帯状微粒組織以外を構成する結晶粒の平均粒径と帯状微粒組織を構成する結晶粒の平均粒径：
帯状微粒組織を構成する結晶粒の平均粒径および硬質被覆層全体の帯状微粒組織以外を構成する結晶粒の平均粒径は、特に限定されるわけではないが、硬質被覆層の表面に加わった外力が帯状微粒組織に加わり帯状微粒組織内は粒界が多いため、粒界すべり等によって応力が緩和するという前述の帯状微粒組織の作用がより効果的に奏されるためには、帯状微粒組織を構成する結晶粒の平均粒径は、硬質被覆層全体の帯状微粒組織以外を構成する結晶粒の平均粒径より小さいことが望ましく、さらに、具体的には、硬質被覆層全体の帯状微粒組織以外を構成する結晶粒の平均粒径が０．０５μｍを超え１．０μｍ以下でありかつ帯状微粒組織を構成する結晶粒の平均粒径が０．０５μｍ以下であることが好ましい。

本発明の切削工具は、少なくとも切削に使用する刃先がｃＢＮ焼結体からなる工具基体上に硬質被覆層を有する表面被覆切削工具であって、ｃＢＮ焼結体はｃＢＮ粒子とＴｉの窒化物、炭化物、炭窒化物、硼化物およびＡｌの窒化物、酸化物からなる群から選ばれた少なくとも１種以上の粒子と不可避不純物とを含む結合相とからなり、ｃＢＮ粒子が所定の平均粒径、含有割合が４０〜７０体積％であり、結合相を構成する粒子が所定の平均粒径であり、硬質被覆層は少なくとも工具基体直上の所定の組成のＴｉ_１−ａＡｌ_ａＮ層からなる下部層Ａとその上に形成された所定の組成のＴｉ_{１−ｘ―ｙ}Ａｌ_ｘＳｉ_ｙＮ層からなる上部層Ｂとからなるとともに所定の平均総層厚を有し、硬質被覆層中に工具基体表面に露出している結合相の一部から下部層Ａおよび上部層Ｂを貫き該上部層Ｂ表面まで連続した帯状微粒組織が工具基体表面の法線に対して所定の角度傾斜しており、かつ帯状微粒組織が措定の平均幅と所定の含有割合であることによって、高負荷な切削条件が要求される焼き入れ鋼などの高硬度鋼の高速切削加工に用いた場合においても、チッピングが発生しにくく、長期に亘ってすぐれた切削性能を維持するという効果を発揮するものである。

本発明の切削工具の硬質被覆層の断面模式図を示す。 本発明の切削工具の硬質被覆層を蒸着形成するためのアークイオンプレーティング装置の概略図であり（ａ）が正面図、を（ｂ）が側面図を示す。 本発明の切削工具の工具基体および硬質被覆層のＳＥＭによる断面画像の模式図を示す。

つぎに、本発明の被覆工具を実施例により具体的に説明する。

工具基体の形成工程：
原料粉末として、０．５〜４．０μｍの平均粒径を有するｃＢＮ粒子を硬質相形成用原料粉末として用意するとともに、いずれも０．３〜０．９μｍの範囲内の平均粒径を有するＴｉＮ粉末、ＴｉＣ粉末、ＴｉＣＮ粉末、Ａｌ粉末、ＡｌＮ粉末、Ａｌ_２Ｏ_３粉末を結合相形成用原料粉末として用意する。
これら中からいくつかの原料粉末とｃＢＮ粒子粉末の合量を１００体積％としたときのｃＢＮ粒子粉末の含有割合が４０〜７０体積％となるように表１に示される配合比で配合する。
次いで、この原料粉末をボールミルで７２時間湿式混合し、乾燥した後、油圧プレスにて成形圧１ＭＰａで直径：５０ｍｍ×厚さ：１．５ｍｍの寸法にプレス成形し、ついでこの成形体を、圧力：１Ｐａ以下の真空雰囲気中、１０００℃で３０分間保持して熱処理し、揮発成分および粉末表面への吸着成分を除去して予備焼結体を作製する。
この予備焼結体をワイヤー放電加工機で所定寸法に切断し、Ｃｏ：５質量％、ＴａＣ：５質量％、ＷＣ：残りの組成およびＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８のインサート形状をもった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％、Ａｇ：残りからなる組成を有するＡｇ系ろう材を用いてろう付けし、上下面および外周研磨、ホーニング処理を施すことによりＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８のインサート形状をもった本発明用の工具基体１〜６を製造する。
また、原料粉末としてのｃＢＮ粒子の平均粒径、ｃＢＮ粒子粉末の含有割合の少なくとも片方を前述の範囲外とすることによって比較品用の工具基体７〜１２を製造した。
その結果を表１に示す。

成形工程：
前述の工程によって作製した工具基体１〜６に対して、図２に示したようなアークイオンプレーティング装置を用いて、硬質被覆層を形成した。
（ａ）工具基体１〜６を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、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する。また、カソード電極（蒸発源）として、所定組成のＴｉ−Ａｌ合金およびＴｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金を配置する。
（ｂ）まず、装置内を排気して１０^−２Ｐａ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、２ＰａのＡｒガス雰囲気に設定し、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−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する。
（ｃ）次に、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して２〜１０Ｐａの所定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−２０〜１００Ｖの所定の直流バイアス電圧を印加し、かつ、前記Ｔｉ−Ａｌ合金からなるカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間に９０〜１５０Ａの所定の電流を流してアーク放電を発生させ、前記工具基体の表面に、表２に示される目標平均組成、目標平均層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を蒸着形成する。
（ｄ）次いで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して同じく２〜１０Ｐａの所定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−２０〜１００Ｖの所定の直流バイアス電圧を印加し、かつ、前記Ｔｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金からなるカソード電極（蒸発源）とアノード電極との間に９０〜１５０Ａの所定の電流を流してアーク放電を発生させ、前記工具基体の表面に、表２に示される目標平均組成、目標平均層厚の（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層を蒸着形成する。
前述したような（ａ）〜（ｄ）の工程を経て、本発明切削工具１〜６を製造する。
このとき、工具基体表面におけるｃＢＮ粒子の突き出し量を０．１〜０．５μｍとすることが望ましい。ここでｃＢＮ粒子の突き出し量とは、工具基体表面を基準とし、その表面に露出したｃＢＮ粒子の、工具基体表面に垂直な方向の最大高さを意味している。
工具基体を作製する際、表面を研削することで硬さの小さい結合相が優先的に除去され、表面にｃＢＮ粒子が露出する。さらに、前記（ｂ）のように成膜前にボンバード処理を実施することで表面に露出するｃＢＮ粒子の突き出し量を制御することができる。
帯状微粒組織は結合相上に形成されるため、結合相の周囲のｃＢＮの突き出し量の差が大きいほど、帯状微粒組織は大きく傾いて成長する。したがって、基体表面のｃＢＮ粒子の突き出し量を制御することで帯状微粒組織の傾き角度を制御することができる。
また、ｃＢＮ粒子の粒径、含有量および成膜時のパラメータによって帯状微粒組織の形成される量を制御することで、帯状微粒組織の平均幅および含有割合を所望の値に調整する。

比較のため、工具基体７〜１２に対して、前述したような（ａ）〜（ｄ）の工程を経て、比較品切削工具１〜６を製造した。その結果を表３に示す。

本発明切削工具１〜６、比較品切削工具１〜６のホーニング面を集束イオンビーム（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ：ＦＩＢ）を用いて断面加工し、刃先稜線に垂直な断面を形成し、断面組織をＳＥＭにより観察し、二次電子画像を取得する。
観察領域は、１５μｍ×１５μｍ程度であって、ｃＢＮ焼結体中のｃＢＮ粒子および硬質被覆層の全体が観察できる倍率とする。
この二次電子画像から前述したような方法を用いて、ｃＢＮ粒子の平均粒径、硬質被覆層の平均層厚を測定した。
また、前述の断面加工とＳＥＭによる断面組織観察を繰り返すことにより、二次元電子画像から帯状組織の三次元形状を見積もり、帯状微粒組織の平均幅と平均傾斜角および硬質被覆層全体に対する体積％を算出した。

図３にｃＢＮ焼結体中のｃＢＮ粒子の平均粒径、硬質被覆層の平均層厚の測定に使用したＳＥＭの断面画像の模式図を示している。

その結果を、表２および表３に示す。

本発明切削工具１〜６および比較品切削工具１〜６について、
切削条件Ａ：
被削材：クロム鋼鋼材ＳＣｒ４２０の浸炭焼入れ材（ＨＲＣ６０）の丸棒、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：０．２ｍｍ、
送り：０．１ｍｍ、
の乾式連続切削、
切削条件Ｂ：
被削材：クロム鋼鋼材ＳＣＭ４１５の浸炭焼入れ材（ＨＲＣ６０）の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒、
切削速度：２１０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：０．１５ｍｍ、
送り：０．１ｍｍ、
の乾式断続切削、
という切削条件で、最大切削長を条件Ａでは９００ｍ、条件Ｂでは１２００ｍとし、切削長１００ｍ毎に刃先のチッピングと逃げ面摩耗量を評価した。
その結果を表４に示す。

さらに、本発明切削工具１〜６および比較品切削工具１〜６の硬質被覆層を構成するＴｉＡｌＮ層およびＴｉＡｌＳｉＮ層について、ＦＩＢを用いた薄片加工により、工具逃げ面から、工具基体および硬質被覆層を含む、幅１００μｍ×高さ３００μｍ×厚さ０．２μｍの薄片を切り出し、該薄片のうち、硬質被覆層の厚み領域が全て含まれるよう設定された、幅が１０μｍであり、高さが硬質被覆層の層厚の２倍である視野を、透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＴＥＭ）（倍率は２０００００倍から１００００００倍の範囲から適切な値に設定する）による断面観察を行い、硬質被覆層中の帯状微粒組織を構成する結晶粒の平均粒径および硬質被覆層を構成する帯状微粒組織以外の結晶粒の平均粒径を測定した。断面組織観察視野内のＴｉＡｌＮ層およびＴｉＡｌＳｉＮ層の領域のうち、ＴｉＡｌＮ層およびＴｉＡｌＳｉＮ層の層厚×５μｍの範囲における個々の結晶粒の長径と短径の平均値を、その結晶粒の粒径とし、ＴｉＡｌＮ層およびＴｉＡｌＳｉＮ層の層厚×５μｍの範囲における個々の結晶粒の粒径の平均値を、本発明切削工具１〜６および比較品切削工具１〜６の硬質被覆層の下部層であるＴｉＡｌＮ層および上部層であるＴｉＡｌＳｉＮ層を構成する結晶粒の平均粒径とした。その結果を表２および表３に示した。また同時に、ＴＥＭを用いてのエネルギー分散型Ｘ線分析法（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＥＤＳ）により、本発明切削工具１〜６および比較品切削工具１〜６の硬質被覆層を構成するＴｉＡｌＮ層およびＴｉＡｌＳｉＮ層の組成を測定したところ、いずれも表２および表３に示した目標組成と実質的に同じ組成を示した。

また、本発明切削工具１〜６および比較品切削工具１〜６の硬質被覆層の層厚を、ＳＥＭ（倍率は５０００倍から２０００００倍の範囲から適切な値に設定する）を用いて測定し、観察視野内の５点の層厚を測って平均して平均層厚を求めたところ、いずれも表２および表３に示される目標層厚と実質的に同じ平均層厚を示した。

表２および表４に示される結果から、本発明切削工具は、硬質被覆層中に工具基体表面に露出している結合相の一部から下部層および上部層を貫き該上部層表面まで連続した帯状微粒組織が工具基体表面の法線に対して所定の角度傾斜しており、かつ帯状微粒組織が所定の平均幅と所定の含有割合であることによって、高負荷な切削条件が要求される焼き入れ鋼などの高硬度鋼の高速切削加工に用いた場合においても、チッピングが発生しにくく、長期に亘ってすぐれた切削性能を維持することが明らかである。

一方、表３および表４に示される結果から、比較品切削工具は、硬質被覆層中に所定の帯状微粒組織を有していないために、硬質被覆層全体として、耐欠損性、耐摩耗性の面で劣り、剥離、欠損、チッピングを発生し、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。

本発明の表面被覆切削工具は、各種の鋼などの通常の切削条件での切削加工は勿論のこと、特に高熱発生を伴うとともに、切刃部に対して大きな負荷がかかる合金鋼、ステンレス鋼などの高速断続旋削加工においても、すぐれた耐欠損性および耐摩耗性を発揮し、長期に亘ってすぐれた切削性能を示すものであるから、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 (2)

1. 少なくとも切削に使用する刃先が立方晶窒化硼素焼結体からなる工具基体上に硬質被覆層を有する表面被覆切削工具であって、
   前記立方晶窒化硼素焼結体は立方晶窒化硼素粒子とＴｉの窒化物、炭化物、炭窒化物、硼化物およびＡｌの窒化物、酸化物からなる群から選ばれた少なくとも１種以上の粒子と不可避不純物とを含む結合相とからなり、
   前記立方晶窒化硼素粒子は平均粒径が０．５〜４．０μｍかつ立方晶窒化硼素焼結体全体に占める含有割合が４０〜７０体積％であり、
   前記結合相を構成する粒子は平均粒径が１．０μｍ以下であり、
   前記硬質被覆層は少なくとも工具基体直上の下部層Ａとその上に形成された上部層Ｂとからなるとともに平均総層厚が１．０〜８．０μｍであり、
   前記下部層Ａは組成式：Ｔｉ_１−ａＡｌ_ａＮ（但し、ａは原子比で０．３≦ａ≦０．７）の成分系からなり、
   前記上部層Ｂは組成式：Ｔｉ_{１−ｘ―ｙ}Ａｌ_ｘＳｉ_ｙＮ（但し、ｘ、ｙは原子比で０．３≦ｘ≦０．７、０．０１≦ｙ≦０．１）の成分系からなり、
   前記硬質被覆層中に工具基体表面に露出している結合相の一部から下部層Ａおよび上部層Ｂを貫き該上部層Ｂ表面まで連続した帯状微粒組織が工具基体表面の法線に対して平均して３０〜６０°傾斜して存在しているとともに前記帯状微粒組織の工具基体表面に平行な方向の平均幅が０．３〜１．５μｍかつ硬質被覆層全体に占める含有割合が５〜２０体積％であることを特徴とする表面被覆切削工具。
2. 前記硬質被覆層全体の帯状微粒組織以外を構成する結晶粒の平均粒径が０．０５μｍ以上１．０μｍ以下でありかつ前記帯状微粒組織を構成する結晶粒の平均粒径が０．０５μｍ未満であることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆切削工具。