JP2990935B2 - 複合硬質厚膜被覆切削工具 - Google Patents

複合硬質厚膜被覆切削工具

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JP2990935B2
JP2990935B2 JP4085969A JP8596992A JP2990935B2 JP 2990935 B2 JP2990935 B2 JP 2990935B2 JP 4085969 A JP4085969 A JP 4085969A JP 8596992 A JP8596992 A JP 8596992A JP 2990935 B2 JP2990935 B2 JP 2990935B2
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寿彦 岡村
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、普通鋼、ステンレス
鋼、鋳鋼などの鉄系合金を切削することができる最表面
に立方晶窒化ホウ素(以下、cBNと記す)膜を被覆し
てなる複合硬質厚膜被覆切削工具に関するものであり、
特に複合硬質厚膜をろう付けしてなる切削工具に関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】一般に、cBNは結晶構造がダイヤモン
ドに近似し、硬い物質であるところから焼結基体に被覆
するなどして切削工具として用いられている。このcB
N被覆切削工具は、cBN自体がダイヤモンドのように
高温で鉄と反応することがないので、鉄系合金の切削に
使用することができるなどの利点をもっている。
【0003】上記cBN被覆切削工具としてはすでにい
ろいろなものが開示されており、特開昭57−9588
1号公報には、超硬合金、アルミナ、窒化硅素などを基
体とし、その基体の表面にcBN膜を形成したcBN膜
被覆切削工具が記載されており、その中でも窒化硅素を
基体とするものが最も好ましいことが記載されている。
さらに、特開昭61−41768号公報には、超硬合金
基体の表面にcBNを主体とし、これに六方晶窒化ホウ
素、非晶質窒化ホウ素、周期律表4a,5a,6a族金
属の炭化物、窒化物、ホウ化物およびAl2 3 の少な
くとも1種を混合してなるcBN混合膜を被覆した切削
工具が開示されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記cBN膜
は一般に超硬合金、アルミナ、窒化硅素などの基体に対
する密着性が低く、またcBN膜を基体表面に20μm
程度の厚膜として被覆しようとすると、cBN厚膜形成
後に炉から取出す際にcBN膜に亀裂が発生することが
多く、たとえcBN厚膜に亀裂が発生することなく炉か
ら取出すことができたとしても、上記cBN厚膜被覆切
削工具を用いて切削すると短時間のうちに大部分のcB
N厚膜被覆切削工具が欠損し、実用に供することができ
なかった。
【0005】そのために、一般にcBN膜は厚さ:10
μm以下の薄膜となるように被覆して上記欠点を希釈し
ようとしているが、10μm以下の膜厚では長時間の切
削に対する耐摩耗性が不足するなどの課題があった。
【0006】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明者は、従
来よりも厚いcBN膜を被覆しても優れた特性を有する
切削工具を得るべく研究を行った結果、 (1) 気相合成ダイヤモンド膜の上にcBN膜を被覆
すると、cBN膜の膜厚が10μmを越えてもcBN厚
膜形成後に炉から取出す際にcBN厚膜に亀裂を生ずる
ことはない、 (2) 気相合成ダイヤモンド膜に対するcBN膜の密
着性は優れており、上記気相合成ダイヤモンド膜とcB
N膜の間にダイヤモンドおよびcBNの混合膜を介在さ
せると、上記気相合成ダイヤモンド膜とcBN膜の密着
性は一層向上する。
【0007】(3) cBN膜と気相合成ダイヤモンド
膜とのろう付け性を比較すると気相合成ダイヤモンド膜
の方がろう付け性は優れている、などの知見を得たので
ある。
【0008】この発明は、かかる知見にもとづいてなさ
れたものであって、ダイヤモンド層およびcBN層から
なる複合硬質厚膜、またはダイヤモンド層、ダイヤモン
ドとcBNの混合層およびcBN層からなる複合硬質厚
膜をcBN層が最外面となるようにダイヤモンド層側を
切削工具基体にろう付けしてなる複合硬質厚膜被覆切削
工具に特徴を有するものである。
【0009】上記cBNおよびダイヤモンドの混合層
は、cBNとダイヤモンドの濃度分布が均一であっても
よいが、ダイヤモンド層方向に向ってダイヤモンド濃度
が増加し、cBN層方向に向ってcBN濃度が増加して
いる傾斜濃度を有する混合層である方が一層好ましい。
【0010】次に、この発明の複合硬質厚膜被覆切削工
具の製造法を図面にもとづいて具体的に説明する。
【0011】図1は、複合硬質厚膜を製造するための装
置の概略図であり、図1において、1はSi基板、2は
基板支持台、3は石英管、4はタングステンフィラメン
ト、5はRFプラズマコイル、6はホウ素イミドB
2 (NH)3 を充填したボンベ、7はメタンCH4 を充
填したボンベ、8は水素H2 を充填したボンベを示す。
【0012】図1に示される装置の基板支持台2の上に
Si基板1を載せ、タングステンフィラメント4を加熱
しておくとともに基板支持台2を加熱することにより基
板支持台2上のSi基体1を加熱しておき、さらにRF
プラズマコイル5によりSi基板1に高周波プラズマが
印加される状態にしておく。かかる状態においてボンベ
7および8を開放し、CH4 およびH2 を石英管3内に
導入すると、CH4 は励起されてSi基体1の表面にダ
イヤモンド層が形成される。
【0013】ついで、ボンベ7のバルブ7′を締め、ボ
ンベ6が開放されるようにバルブ6′を操作すると、ホ
ウ素イミドB2 (NH)3 は、石英管3内にて、 B2 (NH)3 →2BN+NH3 の如く分解され、上記ダイヤモンド層の上にcBN層が
形成される。
【0014】また、ボンベ6,7および8の各バルブ
6′,7′および8′を同時に開放するとダイヤモンド
およびcBNの混合層が形成される。上記混合層が傾斜
濃度をもつようにするにはバルブ6′および7′を調整
し、CH4 とB2 (NH)3 の流量を任意に変えるよう
にすればよい。
【0015】上記cBN膜の生成は赤外線吸収スペクト
ルの吸収ピークを測定することにより判定することがで
きる。
【0016】
【実施例】
実施例1 図1の基板支持台2の上に、たて:40mm、横:40m
m、高さ:1mmのSi基板1を載置し、上記Si基板1
を温度:800℃に加熱し、タングステンフィラメント
4を温度:2000℃に加熱しながらRFプラズマコイ
ル5に300Wの電力を供給した。
【0017】ついで、石英管5内にメタンガスおよび水
素ガスを、 CH4 :10cc/min.、 H2 :1000cc/min.、 となるように流し、Si基板表面に厚さ:0.02mmの
ダイヤモンド層を形成し、続いて上記メタンガスの供給
を停止し、ホウ素イミドガスおよび水素ガスを、 B2 (NH)3 :10cc/min.、 H2 :1000cc/min.、 となるように供給することにより上記ダイヤモンド層の
上に厚さ:0.08mmのcBN層を形成し、全体の膜厚
が0.1mmの複合硬質厚膜を形成した。上記複合硬質厚
膜が形成されたSi基板を石英管5内から取出したとこ
ろ上記複合硬質厚膜に亀裂の発生は見られなかった。
【0018】上記複合硬質厚膜が形成されたSi基板1
を熱王水に1時間浸漬することにより完全に溶解除去
し、取出された複合硬質厚膜のダイヤモンド層側をJI
SZ3261の銀ろうを用いて切削工具基体にろう付け
し、表面がcBN層からなる本発明複合硬質厚膜被覆切
削工具(以下、本発明切削工具という)1を作製した。
【0019】上記本発明切削工具1を用い、 被削材:FC25、 切削速度:700m/min.、 送り:0.1mm/rev.、 切込み:0.1mm、 切削時間:20分、 なる条件で連続切削試験し、逃げ面摩耗幅を測定したと
ころ、0.02mmであった。
【0020】実施例2 実施例1で用意したSi基板表面に、実施例1と同一条
件でメタンガスおよび水素ガスを、 CH4 :10cc/min.、 H2 :1000cc/min.、 となるように流し、Si基板表面に厚さ:0.02mmの
ダイヤモンド層を形成し、続いて上記メタンガス、ホウ
素イミドガスおよび水素ガスを、 CH4 :5cc/min.、 B2 (NH)3 :5cc/min.、 H2 :1000cc/min.、 となるように供給し、厚さ:0.03mmのダイヤモンド
とcBNの混合比が1:1の混合層を形成した。
【0021】上記ダイヤモンドとcBNの混合層を形成
したのち、メタンガスの供給を停止し、さらに、 B2 (NH)3 :10cc/min.、 H2 :1000cc/min.、 となるように流すことにより厚さ:0.05mmのcBN
層を形成し、全体の膜厚が0.1mmの複合硬質厚膜を形
成した。
【0022】上記複合硬質厚膜が形成されたSi基板を
石英管5内から取出したところ、得られた複合硬質厚膜
に亀裂の発生は見られなかった。
【0023】上記複合硬質厚膜が形成されたSi基板1
を実施例1と同様に熱王水で溶解除去し、取出された複
合硬質厚膜のダイヤモンド層側をJISZ3261の銀
ろうを用いて切削工具基体にろう付けし、表面がcBN
層からなる本発明切削工具2を作製した。得られた本発
明切削工具2についても実施例1と同一条件の連続切削
試験を行ない、逃げ面摩耗幅を測定したところ0.01
mmであった。
【0024】実施例3 実施例2において、混合層を形成するに際し、ホウ素イ
ミドガスおよびメタンガスの流量を、 B2 (NH)3 :0cc/min.→10cc/min. CH4 :10cc/min.→0cc/min. となるように変化させながら供給し、同時に水素ガス
を、 H2 :1000cc/min.(一定) となるように供給することによりダイヤモンドとcBN
の混合割合が層厚方向に変化する厚さ:0.03mmの混
合層を形成する以外は実施例2と同一条件でダイヤモン
ド層(厚さ:0.02mm)およびcBN層(厚さ:0.
05mm)を形成し、全体の膜厚が0.1mmの複合硬質厚
膜を形成した。
【0025】上記複合硬質厚膜が形成されたSi基板を
石英管5から取出したところ、複合硬質厚膜に亀裂は見
られなかった。
【0026】上記Si基板を熱王水で溶解除去すること
により取出された複合硬質厚膜を切削工具基体に銀ろう
付けして表面がcBN層からなる本発明切削工具3を作
製し、実施例1と同一条件の連続切削試験を行ない、逃
げ面摩耗幅を測定したところ0.005mmであった。
【0027】従来例1 実施例1で用意したSi基板1の上に、ホウ素イミドガ
スおよび水素ガスを、 B2 (NH)3 :10cc/min.、 H2 :1000cc/min.、 となるように供給し、厚さ:0.1mmのcBN単層膜を
形成した。
【0028】上記cBN単層膜を形成したSi基板1を
石英管3から取出し、観察した結果、cBN単層膜に亀
裂が見られた。
【0029】上記Si基板1を実施例1と同様にして熱
王水により溶解除去し、cBN単層膜を取出したとこ
ろ、上記cBN単層膜は上記亀裂に沿って割れ、切削工
具基体にろう付けするcBN単層膜として使用すること
ができなかった。
【0030】たまたま割れることなく取出されたcBN
単層膜を切削工具基体にろう付けし、従来切削工具1を
作製し、実施例1と同一条件の連続切削試験を行ったと
ころ、5分で亀裂部分に沿って界面剥離が生じ、またろ
う付け強度が不足していることがわかった。
【0031】
【発明の効果】実施例1〜3および従来例から明らかな
ように、従来はcBN単層厚膜を亀裂を生ずることなく
生成させることは困難であり、またcBN単層厚膜を亀
裂を生ずることなく得られたとしてもろう付け性が悪い
ために界面剥離が生じやすく、実用に耐えることのでき
る切削工具を得ることができなかったが、この発明によ
るとダイヤモンド層の上に亀裂を生じせしめることなく
cBN厚膜を生成させることができ、さらにcBNのろ
う付け性不良の欠点をダイヤモンド膜を介してろう付け
することにより改善し、強固にろう付けされたcBN厚
膜被覆切削工具を得ることができ、産業上大いに貢献す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明で使用する装置の概略図である。
【符号の説明】
1 Si基板 2 基板支持台 3 石英管 4 タングステンフィラメント 5 RFプラズマコイル 6 B2 (NH)3 ボンベ 7 CH4 ボンベ 8 H2 ボンベ 6′ バルブ 7′ バルブ 8′ バルブ
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI C30B 25/02 C30B 25/02 P 29/04 29/04 X

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ダイヤモンド層および立方晶窒化ホウ素
    (以下、cBNと記す)層からなる複合硬質厚膜を上記
    cBN層が最外面となるようにダイヤモンド層側を切削
    工具基体にろう付けしてなることを特徴とする複合硬質
    厚膜被覆切削工具。
  2. 【請求項2】 ダイヤモンド層およびcBN層の間にダ
    イヤモンドとcBNの混合層が介在した複合硬質厚膜
    を、上記cBN層が最外面となるようにダイヤモンド層
    側を切削工具基体にろう付けしてなることを特徴とする
    複合硬質厚膜被覆切削工具。
  3. 【請求項3】 上記混合層は、ダイヤモンド層方向に向
    ってダイヤモンド濃度が増加し、cBN層方向に向って
    cBN濃度が増加している傾斜濃度を有することを特徴
    とする請求項2記載の複合硬質膜被覆切削工具。
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