JP2017030082A - 耐欠損性にすぐれた立方晶窒化硼素焼結体切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】高硬度鋼の断続切削加工においても、すぐれた耐欠損性を発揮し、長期の使用に亘りすぐれた切削性能を発揮するｃＢＮ工具を提供する。
【解決手段】硬質相としての立方晶窒化硼素粒子と結合相としてのＴｉＣ相を含む立方晶窒化硼素焼結体を工具基体とする立方晶窒化硼素焼結体切削工具において、前記立方晶窒化硼素粒子の表面から、距離３００ｎｍ以内の範囲の領域に含まれるＴｉとＣを有する化合物の含有割合は、前記領域の全体積の９０ｖｏｌ％以上であり、かつ、前記立方晶窒化硼素粒子に接し該領域を超える長さのＡｌ化合物を有する立方晶窒化硼素粒子が焼結体中に存在する割合が１５％以下であり、かつ、焼結体のＸ線回折を行った場合に得られるＴｉＢ_２の（１０１）面の回折ピーク強度Ｉｔと立方晶窒化硼素の（１１１）面の回折ピーク強度Ｉｃの比の値Ｉｔ／Ｉｃは、Ｉｔ／Ｉｃ≦０．１５を満足する立方晶窒化硼素焼結体切削工具。
【選択図】図３

Description

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（以下、「ｃＢＮ工具」という場合もある）に関し、特に、合金鋼、軸受鋼等の焼入れ材からなる高硬度鋼の断続切削加工において、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発揮する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、ｃＢＮ焼結体を超高圧焼結により作製するにあたり、硬質粒子であるｃＢＮ粒子の表面に被膜を形成して、ｃＢＮ粒子を被膜で包囲することにより、ｃＢＮ粒子間や結合相間、またはｃＢＮ粒子と結合相間に現れるポアを低減し、耐摩耗性、靭性の向上を図ることが提案されている。
また、特許文献２には、ｃＢＮ粒子を包囲する被膜を金属層にし、ｃＢＮ粒子を構成する硼素を結合相中に拡散することを促進させることにより、ｃＢＮ焼結体の耐熱性や耐欠損性を向上させることが提案されている。

特開昭５８−６１２５３号公報 国際公開２０１２／０５３３７５号公報

前記特許文献1には、結合強化金属としてのＡｌと、Ａｌの酸化物および窒化物のうちの１種または２種を含有し、残りがｃＢＮと不可避不純物からなる組成で、かつ結合強化金属がｃＢＮ粒子を０．１μｍ〜１μｍの平均層厚で包囲した組織を有するｃＢＮ焼結体が開示されているが、この焼結体では、焼入れ鋼を切削する場合など刃先の温度が１０００℃以上に達する用途では、金属Ａｌが溶融し刃先の強度が低下するため、断続切削に使用すると刃先が欠損しやすくなり、工具寿命が短命であるという課題があった。

また、前記特許文献２には、あらかじめ金属層としてＴｉ、Ａｌ、ＴｉＡｌで表面を被覆したｃＢＮ粒子を原料として用いることにより、ｃＢＮ粒子を構成する硼素と被覆したＴｉＡｌを反応させ、ｃＢＮ粒子の周囲にＴｉＢ_２やＡｌＢ_２を配置する組織を有する焼結体が開示されている。この焼結体では、ｃＢＮ粒子と結合相との付着力向上および焼結体全体としての耐熱性向上との観点から、ｃＢＮ粒子の外周の２０〜７０％がＴｉＢ_２やＡｌＢ_２によって占有された構造となっているが、刃先へ高負荷が作用する断続切削に使用すると刃先が欠損しやすくなり、工具寿命が短命であるという問題があった。
また、ｃＢＮ焼結体の原料として添加されるＡｌは、特にＴｉＣセラミックス結合相のｃＢＮ焼結体においては、Ａｌが主にｃＢＮ表面で反応することで、ｃＢＮ粒表面上に粗大なＡｌ化合物が局所的かつ過剰に生成することがあった。このような粗大なＡｌ化合物の生成は、ｃＢＮと結合相との界面付着強度を減少させ、その結果、焼結体の硬さを低下させるため、耐摩耗性が十分でないという問題もあった。

そこで、本発明は、例えば、高硬度鋼の断続切削加工といった刃先に高負荷が作用する切削条件においても、刃先に欠損が生じにくく、長期に亘って、すぐれた切削性能を発揮する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工具を構成するｃＢＮ焼結体の硬質相成分であるｃＢＮ粒子に着目し、鋭意研究したところ、次のような知見を得た。

ｃＢＮ粉末表面にあらかじめＡｌ_２Ｏ_３層を第１層として被覆し、次いで、ＴｉＣ層を第２層として被覆したｃＢＮ粉末を原料粉末として用い、ＴｉＣ粉末を結合相形成用原料粉末として含むｃＢＮ焼結体を作製した場合には、結合相形成用原料粉末中に含まれるＡｌはｃＢＮ粉末へあらかじめ被覆した第１層と第２層からなる膜によりｃＢＮ粒子表面に到達する割合は少なく、また、焼結体中のｃＢＮ粒子表面に接するＡｌ化合物の生成部位は、被覆した膜の切れ間や混合工程中に不可避で生じた切れ間を通じた部分が主であり、さらに、第２層のＴｉＣ層により、Ａｌ化合物の局所的な生成あるいは過剰な生成を抑制することができるため、ｃＢＮ粒子と結合相との界面付着強度を向上させることができ、さらに、硬さの高いｃＢＮ焼結体を得ることができることを見出した。
また、ｃＢＮ焼結体におけるｃＢＮ粒子表面に生成するＡｌ化合物の厚さを適正化することにより、欠損の原因となるクラックの発生を抑制し得るとともに、ｃＢＮ粒子表面周囲のＴｉＣやＴｉＣＮといったＴｉとＣからなる化合物の体積割合を適正化することにより、ｃＢＮ粒子と結合相との界面付着強度をより一段と向上させ得ることを見出したのである。

そして、前記のｃＢＮ焼結体からなる切削工具においては、高硬度鋼の断続切削加工のような刃先に高負荷が作用する切削条件に供した場合でも、すぐれた耐欠損性を示し、長期に亘って、すぐれた切削性能を発揮することを見出したのである。

本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「 硬質相としての立方晶窒化硼素粒子と結合相としてのＴｉＣ相を含む立方晶窒化硼素焼結体を工具基体とする立方晶窒化硼素焼結体切削工具において、
該焼結体の断面組織を観察したとき、前記立方晶窒化硼素粒子の表面から、距離３００ｎｍ以内の範囲の領域に含まれるＴｉとＣを含む化合物の含有割合は、前記領域の全体積の９０ｖｏｌ％以上であり、かつ、前記立方晶窒化硼素粒子に接し該領域を超える長さのＡｌ化合物を有する立方晶窒化硼素粒子が存在する個数割合は、１５％以下であり、かつ、焼結体のＸ線回折を行った場合に得られるＴｉＢ_２の（１０１）面の回折ピーク強度Ｉｔと立方晶窒化硼素の（１１１）面の回折ピーク強度Ｉｃの比の値Ｉｔ／Ｉｃは、Ｉｔ／Ｉｃ≦０．１５を満足することを特徴とする立方晶窒化硼素焼結体切削工具。」
を特徴とするものである。

本発明について、以下に詳細に説明する。

ｃＢＮ焼結体：
ｃＢＮ焼結体は、通常、硬質相成分と結合相成分からなるが、本発明のｃＢＮ焼結体切削工具の工具基体であるｃＢＮ焼結体においては、Ａｌ_２Ｏ_３層が第１層として被覆され、次いで、ＴｉＣ層が第２層として被覆されたｃＢＮ粉末を硬質相成分の原料粉末として用い、一方、結合相成分の原料粉末としては、ＴｉＣ粉末に加え、ＴｉＮ粉末、ＴｉＣＮ粉末、ＴｉＡｌ_３粉末、金属Ａｌ粉末、Ａｌ_２Ｏ_３粉末、ＷＣ粉末等から選ばれる粉末を用いる。
そして、上記各原料粉末を混合、成形、超高圧高温処理してｃＢＮ焼結体を製造することによって、該焼結体の断面組織を観察したとき、焼結体中のｃＢＮ粒子の表面から距離３００ｎｍ以内の範囲の領域において、該領域内に占めるＴｉＣやＴｉＣＮといったＴｉとＣを含む化合物の含有割合が、該領域の全体積の９０ｖｏｌ％以上であり、また、前記ｃＢＮ粒子に接し該領域を超える長さのＡｌ化合物を有するｃＢＮ粒子が存在する個数割合が１５％以下であり、かつ、焼結体のＸ線回折を行い、ＴｉＢ_２の（１０１）面の回折ピーク強度をＩｔ、また、ｃＢＮの（１１１）面の回折ピーク強度をＩｃとした場合、ＴｉＢ_２の回折ピーク強度ＩｔとｃＢＮの回折ピーク強度Ｉｃの比の値Ｉｔ／Ｉｃが、Ｉｔ／Ｉｃ≦０．１５を満足するｃＢＮ焼結体を作製することができる。
ここで、前記Ａｌ化合物とは、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮおよびＡｌＢ_２である。
Ａｌ化合物のうちのＡｌ_２Ｏ_３は、原料粉末であるｃＢＮ粉末表面に予め被覆した第１層（Ａｌ_２Ｏ_３層）が、超高圧高温処理において未反応のまま残留したものと混合や焼結時に結合相のＡｌを含む原料から生成されたものである。
また、前記Ａｌ化合物のうちのＡｌＮ、ＡｌＢ_２は、ｃＢＮ粒子と結合相のＡｌを含む原料が、超高圧高温処理時に反応して生成された反応生成物である。

原料粉末としてのｃＢＮ粉末へのＡｌ_２Ｏ_３層（第１層）、ＴｉＣ層（第２層）の被覆：
硬質相を構成するｃＢＮ粉末に対するＡｌ_２Ｏ_３層（第１層）およびＴｉＣ層（第２層）の被覆は、例えば、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって形成することができる。

ＡＬＤ法は、ＣＶＤ法の一種であり、真空チャンバ内の基材に、原料化合物の分子を一層ごと反応させ、Ａｒや窒素による原料化合物のパージを繰り返し行うことで成膜する方法である。
まず、ＡＬＤ法により第１層であるＡｌ_２Ｏ_３層を形成する方法について説明する。
炉内にｃＢＮ粉末を装入し、３５０℃程度に昇温し、Ａｌの先駆体であるＡｌ（ＣＨ_３）_３ガス、および、反応ガスとしてＨ_２Ｏガスを用い、
（１）Ａｒ＋Ａｌ（ＣＨ_３）_３ガス流入工程、
（２）Ａｒガスパージ工程、
（３）Ａｒ＋Ｈ_２Ｏガス流入工程、
（４）Ａｒガスパージ工程
前記（１）〜（４）を１サイクルとして、このサイクルを目標層厚になるまで繰り返し行い、例えば、１時間かけて成膜することにより、原料粉末であるｃＢＮ粉末の表面に、平均層厚１０ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３層を第１層として被覆形成する。
次いで、ｃＢＮ粉末表面上に被覆形成されたＡｌ_２Ｏ_３層（第１層）の表面に、同じくＡＬＤ法によって所望の層厚のＴｉＣ層を第２層として被覆形成する。

ｃＢＮ粒子へ成膜するＡｌ_２Ｏ_３層とＴｉＣ層の層厚：
Ａｌ_２Ｏ_３層は、１ｎｍより薄いと均一な層厚の制御が難しく、３０ｎｍより大きいとｃＢＮ粒表面から３００ｎｍ中にＡｌ化合物が占める割合が多くなり、ＴｉとＣからなる化合物が占める割合が少なくなり、焼結体としての強度が低下するため、好ましくない。
ＴｉＣ層は、４０ｎｍより薄いと、ｃＢＮ粒への原料中に含まれるＴｉやＡｌがｃＢＮへ到達する量の制御の役割が十分でなく、ｃＢＮ粒子近傍で粗大なＡｌ化合物が生成し易くなり、ｃＢＮ粒子に接する厚み３００ｎｍより厚いＡｌ化合物がｃＢＮ焼結体中に存在する割合が多くなるため、高負荷な切削用工具として使用した場合、Ａｌ化合物の内部を起点としたクラックが発生しやすくなり、好ましくない。また厚みが２７０ｎｍより厚いと、ｃＢＮ粒との熱膨張特性の違いから起因する応力によって、原料の混合工程中に膜が大きく剥がれ易くなり、剥がれた部分では粗大なＡｌ化合物が生成し、ｃＢＮ粒子に接する厚み３００ｎｍより厚いＡｌ化合物がｃＢＮ焼結体中に存在する割合が多くなるため、高負荷な切削用工具として使用した場合、Ａｌ化合物の内部を起点としたクラックが発生しやすくなり、好ましくない。

ついで、Ａｌ_２Ｏ_３層（第１層）およびＴｉＣ層（第２層）が被覆形成されたｃＢＮ粉末を、結合相形成成分であるＴｉＣを含む原料粉末とともに湿式混合し、必要によりｃＢＮ成形体を作製し、次いで、超高圧高温処理（例えば、圧力：５ＧＰａ、温度：１５００℃、保持時間：３０分間の条件で超高圧高温焼結）することによりｃＢＮ焼結体を作製する。
そして、前記超高圧高温処理時に、ｃＢＮ粒子表面を被覆する第１層のＡｌ_２Ｏ_３は未反応のまま残留することで、ｃＢＮと結合相の付着強度を保つために必要なＡｌ化合物をｃＢＮ周囲に配置することができ、２層目のＴｉＣ層の膜厚により、原料中に含まれるＴｉやＡｌがｃＢＮへ到達する量を制御し、Ａｌ化合物の局所的かつ過剰な生成を抑え、ｃＢＮ粒子と結合相との付着強度を保つために必要なＡｌ化合物（Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮおよびＡｌＢ_２やＡｌＢ_１２）が、ｃＢＮ粒子の表面から距離３００ｎｍ以内の範囲の領域に分布した組織が形成される。

ｃＢＮ粒子の平均粒径：
本発明で用いるｃＢＮ粒子の平均粒径は、特に限定されるものではないが、０．５〜８．０μｍの範囲であることが好ましい。
ｃＢＮ焼結体切削工具中の硬質なｃＢＮ粒子が存在することで工具としての耐欠損性が維持されるが、平均粒径が０．５〜８．０μｍのｃＢＮ粒子を焼結体内に分散することにより、工具使用中に工具表面のｃＢＮ粒子が脱落して生じる刃先の凹凸形状を起点とする欠損、チッピングを抑制するだけでなく、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播を焼結体中に分散した所定の粒径のｃＢＮ粒子により抑制することにより、耐欠損性を高めることができる。
したがって、本発明で用いるｃＢＮ粒子の平均粒径は、０．５〜８．０μｍの範囲とすることが好ましい。

ｃＢＮ焼結体に占めるｃＢＮ粒子の含有割合：
本発明のｃＢＮ焼結体に占めるｃＢＮ粒子の含有割合は特に制限されるものではないが、４０〜８０ｖｏｌ％の範囲とすることが好ましい。
これは、ｃＢＮ粒子の含有割合が４０ｖｏｌ％未満では、焼結体中に硬質物質が少なく、工具として使用した場合に、耐欠損性が十分ではない。一方、８０ｖｏｌ％を超えると、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、４０〜８０ｖｏｌ％の範囲とすることが好ましい。

ｃＢＮ粒子表面から距離３００ｎｍ以内の範囲の領域：
本発明は、原料粉末であるｃＢＮ粉末の表面に、あらかじめ、Ａｌ_２Ｏ_３層（第１層）およびＴｉＣ層（第２層）を被覆形成した状態で超高圧高温処理を施すことから、ｃＢＮ焼結体のｃＢＮ粒子表面の周囲、即ち、ｃＢＮ粒子表面から距離３００ｎｍ以内の範囲の領域は、ほとんど、ＴｉとＣを含む化合物（例えば、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ）とＡｌ_２Ｏ_３とで形成される。
なお、Ａｌ_２Ｏ_３は、ｃＢＮ粉末表面に予め被覆した第１層のＡｌ_２Ｏ_３である。
一方、Ａｌ_２Ｏ_３層（第１層）の表面にはＴｉＣ層（第２層）が形成されていることで、結合相形成成分の原料粉末に含まれるＴｉやＡｌのｃＢＮ粒子への到達量が制限され、その結果、Ａｌ化合物の局所的な生成、過剰な生成が抑制される。したがって、ＴｉＣ層（第２層）はバリヤー層としての機能を備え、ｃＢＮ粒子表面から距離３００ｎｍ以内の範囲の領域において、ＡｌやＴｉやＢからなる反応生成物の過度の生成を抑制し、適量のＡｌ化合物を形成するために重要な役割を果たす層である。

ｃＢＮ粒子表面から距離３００ｎｍ以内の範囲の領域において、ＡＥＳを用いてＢ元素とＴｉ元素とＣ元素とＡｌ元素とＮ元素のマッピング像を取得し、該領域においてＴｉとＣを含む化合物が占める体積割合を求めたとき、ＴｉとＣを含む化合物の含有割合が９０ｖｏｌ％未満であると、ＴｉＣに比べて強度の弱いＡｌ化合物がｃＢＮ粒周囲を占める割合が多くなるため、ｃＢＮ粒周囲の強度が落ち、刃先に高負荷が作用する切削条件で使用した場合に、Ａｌ化合物の内部を起点としたクラックが生じやすくなり、工具刃先の耐欠損性が低下する。
したがって、前記ｃＢＮ粒子表面から距離３００ｎｍ以内の範囲の領域におけるＴｉとＣを含む化合物の含有割合は９０ｖｏｌ％以上とすることが必要である。

ｃＢＮ粒子表面から距離３００ｎｍ以内の範囲の領域の９０ｖｏｌ％以上をＴｉとＣを含む化合物で占める必要があることは前記のとおりであるが、ｃＢＮ粒子表面に接し前記領域を超える長さのＡｌ化合物が結合相中に存在する(図１１の矢印参照)と、高負荷な切削用工具として使用した場合、Ａｌ化合物の内部を起点としたクラックが発生しやすくなるが、ｃＢＮ粒子表面に接し前記領域を超える長さのＡｌ化合物を有するｃＢＮ粒子がｃＢＮ焼結体中に存在する割合が１５％より大きいと、ｃＢＮ粒周囲をＴｉＣに比べて強度の弱いＡｌ化合物により占めるｃＢＮ粒子がｃＢＮ焼結体中に存在する割合が多くなるため、ｃＢＮ粒周囲の強度が落ち、刃先に高負荷が作用する切削条件で使用した場合、ｃＢＮ粒子に接し前記領域を超える長さのＡｌ化合物の内部を起点としたクラックがさらに発生しやすくなり、工具刃先の耐欠損性が低下する。

また、本発明は、ｃＢＮ粉末の表面に、あらかじめ、Ａｌ_２Ｏ_３層（第１層）およびＴｉＣ層（第２層）を被覆形成した原料粉末を用いたｃＢＮ焼結体のＸ線回折を行い、ＴｉＢ_２の（１０１）面の回折ピーク強度をＩｔ、また、ｃＢＮの（１１１）面の回折ピーク強度をＩｃとして、Ｉｔ、Ｉｃの値を求めた場合、ＴｉＢ_２の回折ピーク強度ＩｔとｃＢＮの回折ピーク強度Ｉｃの比の値Ｉｔ／Ｉｃが、Ｉｔ／Ｉｃ≦０．１５を満足するｃＢＮ焼結体を得ることができる。

ＴｉＢ_２やＡｌＢ_２やＡｌＢ_１２やＡｌＮはｃＢＮ焼結体を焼結する過程で生成されるが、ｃＢＮ粒近傍のＴｉＢ_２やＡｌのほう化物のＢ元素やＡｌＮのＮ元素はｃＢＮ粒より供給される。そのため、反応生成物はｃＢＮ粒表面近傍に生成する。ＴｉＢ_２やＡｌのほう化物は、ＡｌＮに比べて強度は高いが、生成量の増加はｃＢＮ粒と結合相原料との反応によるｃＢＮの減少を示し、さらにＡｌほう化物だけでなくＡｌＮも増加するため、結果として焼結体としての強度や耐摩耗性が低下する。ｃＢＮと結合相原料とのｃＢＮ粒表面における反応量の定性的な比較は、Ｘ線回折のピークによって判断することができ、Ａｌ化合物に比べてＴｉＢ_２の方がピーク強度は高いため、より精度よく判断することができる。よって、前記Ｉｔ／Ｉｃの値は、超高圧高温処理時の反応において、ＴｉＢ_２の生成されやすさの指標となる値であるが、Ｉｔ／Ｉｃの値が０．１５を超える場合には、ｃＢＮ粒表面でのｃＢＮと結合相との反応量が多いことを示し、ｃＢＮ焼結体全体として反応生成物がｃＢＮ粒周囲に多く存在するため、結合相の強度が低下し、焼結体としての硬さも低下し、その結果として、高負荷な切削用工具として使用した場合、耐欠損性の劣化を招くこととなる。
したがって、ｃＢＮ焼結体のＩｔ／Ｉｃは、０．１５以下とする。

本発明は、ｃＢＮ焼結体の断面組織を観察したとき、ｃＢＮ粒子の表面から、距離３００ｎｍ以内の範囲の領域に含まれるＴｉとＣを含む化合物の含有割合は、該領域の全体積の９０ｖｏｌ％以上であり、かつ、前記ｃＢＮ粒子に接し該領域を超える長さのＡｌ化合物を有するｃＢＮ粒子が焼結体中に存在する個数割合が１５％以下であり、かつ、焼結体のＴｉＢ_２の（１０１）面のＸ線回折ピーク強度ＩｔとｃＢＮの（１１１）面のＸ線回折ピーク強度Ｉｃの比の値Ｉｔ／Ｉｃは０．１５以下であることによって、ｃＢＮ粒子と結合相の付着強度が高く、また、高硬度を有することから、刃先に高負荷が作用する高硬度鋼の断続切削加工において、すぐれた耐欠損性を示し、長期の使用に亘って、すぐれた切削性能が発揮されるという効果を奏する。

Ｂ元素のマッピング像（黒い部分）の一例を示す。 Ｎ元素のマッピング像（黒い部分）の一例を示す。 図１と図２から求められるｃＢＮ粒子界面、ｃＢＮ界面から距離３００ｎｍの領域（白い部分）およびｃＢＮ粒子界面から距離３００ｎｍの領域（白い部分）の面積Ｓ_Ａを示す。 Ｔｉ元素のマッピング像（黒い部分）の一例を示す。 Ｃ元素のマッピング像（黒い部分）の一例を示す。 Ａｌ元素のマッピング像（黒い部分）の一例を示す。 図３と図４と図５と図６から求められる、ｃＢＮ粒子界面から距離３００ｎｍの範囲内でＴｉとＣの両方が重ならない部分（黒い部分）の面積Ｓ_Ｂを示す。 図６において、ｃＢＮ粒子界面に接しているＡｌ化合物と、ｃＢＮ粒子界面に接していないＡｌ化合物の一例を示す。 Ａｌ元素のマッピング像と、ｃＢＮ粒界面から距離３００ｎｍ離れた領域の関係の一例を示す。 比較例ｃＢＮ焼結体について、Ｂ元素のマッピング像とＮ元素のマッピング像の重なりから求めたｃＢＮ粒子界面像の一例を示す。 比較例ｃＢＮ焼結体について、Ａｌ元素のマッピング像とｃＢＮ粒子界面から距離３００ｎｍ離れた領域の関係の一例を示す。

以下に、本発明のｃＢＮ工具を実施例に基づいて具体的に説明する。

原料粉末としてのｃＢＮ粉末の作製：
平均粒径０．５〜８．０μｍのｃＢＮ粉末を基材とし、これに、ＡＬＤ法（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：真空チャンバ内の基材に、原料化合物の分子を一層ごと反応させ、Ａｒや窒素による原料化合物のパージを繰り返し行うことで成膜する方法で、ＣＶＤ法の一種）を用い、まず、第１層であるＡｌ_２Ｏ_３層を被覆形成した。
より具体的にいえば、炉内に、平均粒径０．５〜８．０μｍのｃＢＮ粉末を装入し、炉内を３５０℃に昇温し、成膜用ガスとして、Ａｌの先駆体であるＡｌ（ＣＨ_３）_３ガス、および、反応ガスとしてＨ_２Ｏを用い、
（１）Ａｒ＋Ａｌ（ＣＨ_３）_３流入工程、
（２）Ａｒガスパージ工程、
（３）Ａｒ＋Ｈ_２Ｏ流入工程、
（４）Ａｒガスパージ工程
前記（１）〜（４）を１サイクルとして、このサイクルを目標層厚になるまで繰り返し行い、所定の層厚のＡｌ_２Ｏ_３層を第１層としてｃＢＮ粉末表面に被覆形成した。
次いで、前記Ａｌ_２Ｏ_３層（第１層）の表面に、同じくＡＬＤ法によって第２層であるＴｉＣ層を、所望の層厚に被覆した。
前記の手順で、表１に示す、Ａｌ_２Ｏ_３層（第１層）およびＴｉＣ層（第２層）が被覆されたｃＢＮ焼結体の原料粉末としてのｃＢＮ粉末を作製した。

ｃＢＮ焼結体の作製：
前記工程で作製したＡｌ_２Ｏ_３層（第１層）およびＴｉＣ層（第２層）が被覆された表１に示すｃＢＮ粉末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ＴｉＣ粉末、ＴｉＮ粉末、Ａｌ粉末、ＴｉＡｌ_３粉末、ＷＣ粉末を結合相形成用原料粉末として用意し、これら原料粉末の中から選ばれたＴｉＣ粉末を含むいくつかの原料粉末とｃＢＮ粉末の合量を１００ｖｏｌ％としたときのｃＢＮ粉末の含有割合が４０〜８０ｖｏｌ％となるように配合し、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：５ＧＰａ、温度：１５００℃、保持時間：３０分間の条件で超高圧高温焼結をすることにより、本発明ｃＢＮ焼結体１〜１０を作製した。
この超高圧高温焼結処理時に、ｃＢＮ粉末表面に予め被覆されていたＡｌ_２Ｏ_３層（第１層）は未反応のまま残留することで、ｃＢＮと結合相の付着強度を保つために必要なＡｌ化合物をｃＢＮ周囲に配置することができ、２層目のＴｉＣ層の膜厚により、原料中に含まれるＴｉやＡｌがｃＢＮへ到達する量を制御し、Ａｌ化合物の局所的かつ過剰な生成を抑え、ｃＢＮ粒子の表面から距離３００ｎｍの範囲のほとんどがＴｉとＣを含む化合物で占められる。
なお、２層目のＴｉＣ層の膜厚により、原料中に含まれるＴｉやＡｌがｃＢＮへ到達する量を制御し、Ａｌ化合物の局所的かつ過剰な生成を抑えることから、ｃＢＮ粒子に接するＡｌ化合物は、ｃＢＮ粒子表面から距離３００ｎｍの領域内にほとんどが収まる。

なお、前記で作製した本発明ｃＢＮ焼結体１〜１０について、ｃＢＮ粒子表面から距離３００ｎｍ以内の範囲の領域においてＴｉとＣを含む化合物が占める体積割合と、ｃＢＮ粒子表面から距離３００ｎｍを超える長さのＡｌ化合物が接するｃＢＮ粒子がｃＢＮ焼結体中に存在する割合をオージェ電子分光法（Ａｕｇｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＡＥＳ）による元素マッピング像を用いて算出し、また、各ｃＢＮ焼結体についてＸ線回折を行い、ＴｉＢ_２の回折ピーク強度Ｉｔ、ｃＢＮの回折ピーク強度Ｉｃを測定し、回折ピーク強度比Ｉｔ／Ｉｃの値を算出した。
また、ｃＢＮ焼結体の結合相成分は、ＸＲＤ（Ｘ−ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）により決定した。

ｃＢＮ粒子表面から距離３００ｎｍ以内の範囲の領域に占めるＴｉとＣを含む化合物の割合と、ｃＢＮ粒子表面から距離３００ｎｍを超える長さのＡｌ化合物が接するｃＢＮ粒子がｃＢＮ焼結体中に存在する割合：
ｃＢＮ粒子表面から距離３００ｎｍ以内の範囲の領域について、本発明ｃＢＮ焼結体１〜１０の断面組織をオージェ電子分光法（Ａｕｇｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＡＥＳ）にて元素分析を行うことにより、ＴｉとＣを含む化合物の体積割合を求めた。
図面とともにより具体的に説明する。
すなわち、ｃＢＮ焼結体組織を観察し、Ｂ、Ｎ、Ｔｉ、Ｃ、Ａｌの各元素の元素マッピング像（それぞれの元素マッピング像を、それぞれ、図１、図２、図４．図５、図６に示す。）を取得し、得られたＢとＮ元素の情報（図１、図２参照）から図３に示すようにｃＢＮ粒子界面を決定し、また、図３に示すようにｃＢＮ粒子界面から距離３００ｎｍの範囲領域を決定し、ｃＢＮ粒子界面から距離３００ｎｍの領域の面積Ｓ_Ａを算出する。次にＴｉとＣ元素の情報（図４、図５参照）と図３と図６から図７に示すように、ｃＢＮ粒子界面から距離３００ｎｍの範囲内でＴｉとＣ元素の両方が重ならない領域の面積Ｓ_Ｂを求め、先に求めたｃＢＮ粒子界面から距離３００ｎｍの領域の面積Ｓ_ＡからＴｉとＣ元素が重ならない領域の面積Ｓ_Ｂを差し引いた面積Ｓ_Ａ−Ｓ_Ｂを、ｃＢＮ粒子界面から距離３００ｎｍの領域内におけるＴｉとＣを有する化合物が占める面積Ｓ_Ｃとし、Ｓ_Ｃ／Ｓ_Ａを算出することにより、ｃＢＮ粒子界面から距離３００ｎｍの領域内にＴｉとＣを有する化合物が占める割合を求めた。
画像は、１個のｃＢＮ粒子全体について、ｃＢＮ粒子界面から距離５００ｎｍ離れた領域が含まれる倍率が望ましく、５画像を前記方法にて処理して求め、それぞれの値の平均値からｃＢＮ粒子表面から距離３００ｎｍ以内の範囲の領域に含まれるＴｉとＣを有する化合物の占める割合を算出した。
表２に、その結果を示す。
また上記と同じ元素マッピング像より、得られたＢとＮ元素の情報（図１、図２参照）からｃＢＮ粒子界面を決定し（図３参照）、Ａｌ元素の情報（図６参照）から図８に示すように、Ａｌ化合物が接するｃＢＮ粒子かを判断し、少なくとも２０個のｃＢＮ粒子を観察し、ｃＢＮ粒子に接し該表面から距離３００ｎｍの領域を超える長さのＡｌ化合物を有するｃＢＮ粒子がｃＢＮ焼結体中に存在する割合を求めた。
なお、図９は、ｃＢＮ粒子に接し該表面から距離３００ｎｍの領域を超える長さのＡｌ化合物が存在しないｃＢＮ粒子を示す。

ＴｉＢ_２の回折ピーク強度Ｉｔと立方晶窒化硼素の回折ピーク強度Ｉｃの比Ｉｔ／Ｉｃ：
作製したｃＢＮ焼結体のＸ線回折スペクトルを測定し、ＴｉＢ_２の(１０１)面の回折強度ＩｔとｃＢＮの（１１１）面の回折強度Ｉｃとのピーク強度比Ｉｔ／Ｉｃの値を算出した。
表２に、その結果を示す。

参考のために、本発明ｃＢＮ焼結体１〜１２におけるｃＢＮの平均粒径および含有割合（ｖｏｌ％）についても測定した。
ｃＢＮ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、二次電子像を得た。得られた画像内の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、この直径より計算し求めた各粒子の体積を基に縦軸を体積百分率［％］、横軸を直径［μｍ］としてグラフを描画させ、体積百分率が５０％の値を取得した１画像におけるｃＢＮ粒子の平均粒径とし、少なくとも３画像を処理し求めた値の平均値をｃＢＮの平均粒径［μｍ］とした。
なお、画像処理に用いる観察領域として、ｃＢＮ粒子の平均粒径３μｍの場合、１５μｍ×１５μｍ程度の視野領域が望ましい。

また、本発明ｃＢＮ焼結体１〜１２に占めるｃＢＮ粒子の含有割合（ｖｏｌ％）については、ｃＢＮ焼結体の断面組織をＳＥＭによって観察し、得られた二次電子像内の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（ｖｏｌ％）とした。
なお、画像処理に用いる観察領域として、ｃＢＮ粒子の平均粒径３μｍの場合、１５μｍ×１５μｍ程度の視野領域が望ましい。
表２に、前記で測定した本発明ｃＢＮ焼結体１〜１２におけるｃＢＮ粒子の平均粒径、含有割合（ｖｏｌ％）を示す。

工具の作製：
前記で作製した本発明ｃＢＮ焼結体１〜１２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表２に示す本発明ｃＢＮ工具１〜１２を製造した。

比較のため、Ａｌ_２Ｏ_３層（第１層）あるいはＴｉＣ層（第２層）の本発明範囲外の厚みとなるように被覆したｃＢＮ粉末とＡｌ_２Ｏ_３層（第１層）あるいはＴｉＣ層（第２層）の少なくともいずれかを、あるいは被覆形成していない表３に示す平均粒径０．５〜８．０μｍのｃＢＮ粉末を硬質相形成用原料粉末とし、また、いずれも０．３〜０．９μｍの範囲内の平均粒径を有するＴｉＣ粉末、ＴｉＮ粉末、Ａｌ粉末、ＴｉＡｌ_３粉末、ＷＣ粉末を結合相形成用原料粉末として用意し、これら原料粉末の中から選ばれたいくつかのＴｉＣ粉末を含む原料粉末とｃＢＮ粉末の合量を１００ｖｏｌ％としたときのｃＢＮ粉末の含有割合が４０〜８０ｖｏｌ％となるように配合した後、本発明の場合と同様な処理操作を行うことにより比較例ｃＢＮ焼結体１３〜２０を作製し、さらに、このｃＢＮ焼結体から本発明の場合と処理操作を行って表４に示す比較例ｃＢＮ工具１３〜２０を製造した。

比較例ｃＢＮ焼結体１３〜２０について、本発明と同様な測定を行い、ｃＢＮ粒子表面から距離３００ｎｍ以内の範囲の領域に占めるＴｉとＣを含む化合物の体積割合、ｃＢＮ粒子に接し前記領域を超える長さのＡｌ化合物を有するｃＢＮ粒子がｃＢＮ焼結体中に存在する個数割合、焼結体のＸ線回折ピーク強度比Ｉｔ／Ｉｃの値を求め、さらに、ｃＢＮ粒子の平均粒径および含有割合（ｖｏｌ％）についても測定した。
表４にその結果を示す。
また、図１０に、比較例ｃＢＮ焼結体２０について、Ｂ元素のマッピング像とＮ元素のマッピング像の重なりから求めたｃＢＮ粒子界面像を示し、さらに、図１１に、同じく比較例ｃＢＮ焼結体２０について求めたＡｌ元素のマッピング像と、ｃＢＮ粒子界面から距離３００ｎｍ離れた領域の関係を示す。なお、図１１において、図中の矢印は、ｃＢＮ粒子表面から距離３００ｎｍを超える長さのＡｌ化合物の存在を示している。

次いで、本発明ｃＢＮ工具１〜１２および比較品ｃＢＮ工具１３〜２０について、次のような条件で、切削加工試験を実施した。
被削材：クロム鋼鋼材ＳＣｒ４２０（ＨＲＣ５８〜６２）の軸方向に８本の溝入りφ１００ｍｍ丸棒、
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み：０．２ｍｍ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削油：乾式
上記条件の切削加工試験で、断続回数３０，０００回までの刃先の欠損の有無を確認し、欠損が発生するまでの断続回数を測定した。測定の仕方は、断続回数２０，０００回まで試験後、一度刃先の欠損有無を確認し、それ以降は２，０００回毎に観察を行った。
表５および表６に、切削加工試験の結果を示す。

表２、４、５、６に示される結果から、本発明ｃＢＮ工具１〜１２は、ｃＢＮ粒子表面から距離３００ｎｍ以内の範囲の領域は、ほとんど（体積％で９０ｖｏｌ％以上）ＴｉとＣを含む化合物により占め、ｃＢＮ粒子に接し前記領域を超える長さのＡｌ化合物を有するｃＢＮ粒子はほとんどｃＢＮ焼結体中に存在せず（個数割合で１５％以下）、しかも、回折ピーク強度比Ｉｔ／Ｉｃが０．１５以下であって、ｃＢＮ粒表面近傍で過剰に反応生成物は生成しないため、ｃＢＮ粒子と結合相が強固な付着強度を有し、かつ、高硬度を有するため、断続的・衝撃的な高負荷が刃先に作用する高硬度鋼の断続切削加工に用いた場合でも、すぐれた耐欠損性が発揮される。
これに対して、比較例ｃＢＮ工具１３〜２０は、ｃＢＮ粒子表面周囲に本発明で規定したようなＴｉとＣを含む化合物が占める割合が少ない、反応生成物の生成が過多となる、あるいは、Ａｌ化合物が局所的かつ過剰に生成される等の理由により、高硬度鋼の断続切削加工に用いた場合、欠損等の発生により比較的短時間で寿命に至ることが明らかである。

前述のように、本発明のｃＢＮ工具は、耐欠損性にすぐれることから、高硬度鋼の断続切削以外の切削条件でも適用可能であり、切削加工装置の高性能化ならびに切削加工の省力化および省エネ化、低コスト化に十分満足に対応できる。

Claims (1)

1. 硬質相としての立方晶窒化硼素粒子と結合相としてのＴｉＣ相を含む立方晶窒化硼素焼結体を工具基体とする立方晶窒化硼素焼結体切削工具において、
   該焼結体の断面組織を観察したとき、前記立方晶窒化硼素粒子の表面から距離３００ｎｍ以内の範囲の領域に含まれるＴｉとＣを含む化合物の含有割合は、前記領域の全体積の９０ｖｏｌ％以上であり、かつ、前記立方晶窒化硼素粒子に接し該領域を超える長さのＡｌ化合物を有する立方晶窒化硼素粒子が存在する個数割合は、１５％以下であり、かつ焼結体のＸ線回折を行った場合に得られるＴｉＢ_２の（１０１）面の回折ピーク強度Ｉｔと立方晶窒化硼素の（１１１）面の回折ピーク強度Ｉｃの比の値Ｉｔ／Ｉｃは、Ｉｔ／Ｉｃ≦０．１５を満足することを特徴とする立方晶窒化硼素焼結体切削工具。