JP3591457B2 - 焼入鋼切削加工用被覆立方晶窒化硼素焼結体工具 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）を主成分とした焼結体（以下、ｃＢＮ焼結体）を基材とする切削工具の改良に関するものである。特に、耐摩耗性に優れ、被削材を高精度に加工しうる被覆立方晶窒化硼素焼結体工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ｃＢＮ焼結体の耐摩耗性を向上させるために、ｃＢＮ焼結体工具にＴｉＮ等の各種耐摩耗層を被覆する方法が提案されている（例えば、特開平１−９６０８３号公報、特開平１−９６０８４号公報）。また、被膜の密着性を向上させ、被膜の耐久性をさらに向上させるために、基材表面をイオンエッチングにより大きく荒らしてから被覆を行う方法も提案されている（特開平７−１８４１５号公報）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、基材表面を大きく荒らして密着性を向上させると、被膜表面も同時に粗くなり、切削抵抗が増大して被膜の剥離が生じやすくなる。
【０００４】
一方、被削材には切削工具の前切れ刃境界部の形状が転写されるため、被削材の面粗さは前切れ刃境界部の形状に大きく依存する。図３はチップを用いて被削材３０を切削している状態をすくい面３１側から見た拡大平面図で、図中の矢印は切削時のチップの送り方向である。ここで、前切れ刃境界部３２とは、仕上げ面形成に作用する切れ刃部分を言う。なお、破線はチップの摩耗状態を示している。また、横切れ刃境界部３３は、切り屑生成に作用する切れ刃部分である。このような切削状態において、被膜表面が粗いとその形状が被削材に転写され、切削初期より被削材面粗度が悪くなる。また、境界摩耗が発達し前切れ刃境界部が平滑に摩耗しないと、この問題は一層顕著になり、短時間のうちに加工面の表面粗さが悪化する。
【０００５】
従って、本発明の主目的は、従来工具に対して著しく長い寿命で被削材を高精度、高品位に加工可能な被覆立方晶窒化硼素焼結体工具を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、工具刃先の前切れ刃境界部の摩耗が平滑であれば被削材の面粗さが悪化しにくく、高寿命で高精度加工が行えるとの知見に基づくものである。即ち、本発明は、ｃＢＮ焼結体に硬質被膜を形成し、この被膜の材質、厚さを特定すると共に、前切れ刃境界部が平滑に摩耗するように被膜の表面粗さを限定することで上記の目的を達成する。この「平滑に摩耗する」とは、前切れ刃境界部の摩耗が抑制され、段差の形成が押えられて滑らかになる状態のことをいう。
【０００７】
本発明は、立方晶窒化硼素を３５体積％以上８５体積％以下含む焼結体の基材と、基材表面に形成された硬質被膜とを具える被覆立方晶窒化硼素焼結体工具である。ここで、前記硬質被膜は、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素およびＡｌの中から選択される一種以上の元素と、Ｃ、ＮおよびＯの中から選択される一種以上の元素とからなる１層以上の化合物層を含む。また、その膜厚は０．３μｍ以上１０μｍ以下とする。そして、被膜表面の中心線平均粗さＲａを０．２μｍ以下としたことを特徴とする。
【０００８】
（基材）
基材には、ｃＢＮを３５体積％以上８５体積％以下含む焼結体を用いる。ｃＢＮの含有量を限定することで、基材の強度と耐摩耗性を両立させる。
【０００９】
基材の結合材としては、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素の窒化物、炭化物、硼化物、酸化物およびこれらの固溶体からなる群から選択される少なくとも一種と、アルミニウムの窒化物、硼化物、酸化物およびこれらの固溶体からなる群から選択される少なくとも一種とからなるものとする。この結合材の成分も基材の耐摩耗性と強度の観点から選択した。なお、基材に不可避的不純物が含まれても良いことは言うまでもない。
【００１０】
基材に含まれるｃＢＮの平均粒径は４．０μｍ以下が望ましい。特に望ましくは２．０μｍ以下である。本発明ｃＢＮ焼結体工具の強度は、基材に用いるｃＢＮ焼結体の強度に依存する。ｃＢＮの平均粒径を４．０μｍ以下とすれば、立方晶窒化硼素と結合材粉末の反応性を高めてｃＢＮ焼結体の強度を高くすることができ、結果的に本発明ｃＢＮ焼結体工具の強度を向上できる。
【００１１】
本発明において基材は、ｃＢＮ焼結体のみから構成されるものでもよいが、例えば、切削工具として少なくとも切削に関与する部分にｃＢＮ焼結体を用い、その他の部分に超硬合金の焼結体を用いても良い。即ち、基材は、ｃＢＮ焼結体に超硬合金の焼結体を接合した２層構造としてもよい。このとき、高価なｃＢＮ焼結体の使用量を少なくすることができ、製造コストを削減できる。
【００１２】
基材の製造は、４ＧＰａ以上の超高圧と１０００℃以上の高温を発生させることのできる超高圧容器を用いて焼結することが好適である。より詳細な製造方法やｃＢＮ焼結体の特性については特開昭５３−７７８１１号公報に記載されている。
【００１３】
（硬質被膜）
被膜の成分は、十分な硬度を有して高い耐摩耗性が得られるように、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素およびＡｌの中から選択される一種以上の元素と、Ｃ、ＮおよびＯの中から選択される一種以上の元素とからなる化合物を選択した。このような硬質被膜を被覆した工具で切削を行うと、前切れ刃境界部と横切れ刃境界部の中央部の逃げ面側から硬質被膜の摩耗が進展する。その結果、前切れ刃境界部の硬質被膜が残る。これにより、被削材面粗さに大きな影響をおよぼす前切れ刃境界部のｃＢＮ粒子および結合材粒子の脱落がより抑制され、つまり前切れ刃境界部の摩耗が平滑となり長期間にわたって高精度の加工が可能となる。また、本発明ｃＢＮ焼結体工具は、耐摩耗性が向上することに伴い、切削抵抗が増大しにくく、被膜の剥離が生じにくく、摩耗が発達しにくくなる。そして、加工時にうねりが生じにくく、寸法精度良く加工ができる寿命が向上する。
【００１４】
硬質被膜の好適な成分の具体例としては、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＮ、ＺｒＣ、ＣｒＮ、ＶＮ、ＨｆＮ、ＨｆＣまたはＨｆＣＮが挙げられる。「前切れ刃境界部の摩耗が平滑となり高精度での加工ができる」という効果は、これらのいずれの成分を含む硬質被膜において見られるが、特にＴｉＮまたはＴｉＡｌＮを含む被膜で顕著である。そのため、硬質被膜としてＴｉＮを成分とする被膜を一層のみ形成した場合でも、前切れ刃境界部の摩耗が平滑であり、高精度の加工が実現できる。このとき、より製造コストを削減することができる。
【００１５】
硬質被膜の構成は、単層でも多層でもいずれでも良い。多層構造とした場合、いずれかの層に上記成分の被膜が含まれていれば良い。
【００１６】
硬質被膜の厚さは０．３μｍ以上１０μｍ以下とする。この下限値未満では前切れ刃境界部の摩耗が平滑となる効果はほとんど見られない。逆に、１０μｍを超えると硬質被膜中の残留応力の影響で基材との密着性が低下する。なお、この膜厚は、多層構造の場合、全被膜の厚さについての限定である。
【００１７】
硬質被膜の表面粗さは中心線平均粗さＲａで０．２μｍ以下とする。さらに好ましいＲａは０．１μｍ以下である。この中心線表面粗さは、ＪＩＳ Ｂ０６０１に規定の方法に準じて測定する。後述する実施例では、測定長を０．８ｍｍとしているが、測定長は測定対象のサイズに応じて適宜変更すれば良い。測定対象のサイズ上、０．８ｍｍの測定長を採ることができなければ、より短い測定長でも構わない。本発明において被膜表面の状態を把握するために中心線平均粗さを用いるのは、硬質被膜がドロップレットと呼ばれる比較的大きな粒子を含む場合があるからである。
【００１８】
硬質被膜の面粗さを上記の規定範囲にするには、基材表面および被膜表面の少なくとも一方を研磨することが好適である。硬質被膜の面粗さは、基材の面粗さに依存するため、硬質被膜の中心線平均粗さＲａを０．２μｍ以下とするには、基材の中心線平均粗さＲａを０．２μｍ以下としておくことが望ましい。基材の面粗さを平滑にするほど硬質被膜の面粗さが向上し、その結果高精度加工が可能となる。上記の研磨手段は特に限定されない。例えば、回転ブラシの表面に遊離砥粒を塗布し、このブラシを基材表面または被膜表面に押しつけることが好適である。
【００１９】
硬質被膜の形成個所は基材表面の少なくとも一部で良い。切削工具として少なくとも切削に関与する面に被膜を形成する。切削に関与する面とは、すくい面、逃げ面、ネガランド面の少なくとも一つである。より具体的には、すくい面から逃げ面にかけての個所またはすくい面からネガランド面を経て逃げ面にかけての個所である。特に、工具が被削材と接する個所およびその近傍に被膜を形成すると有効である。
【００２０】
硬質被膜の形成手段は公知の成膜技術が利用できる。例えば、スパッタリング、イオンプレーティングなどのＰＶＤ法や、プラズマＣＶＤ法などのＣＶＤ法が利用できる。特に、アークイオンプレーティング法は平滑な硬質被膜を形成できる点で好ましい。平滑な硬質被膜が形成できるアークイオンプレーティング法については、特開平１０−６８０７１号公報に記載されている。
【００２１】
（台金との接合）
基材を台金にロー材を介して接合する場合、ロー材は、Ｔｉを含み、融点が７００℃を超えるものとすることが望ましい。基材に用いるｃＢＮ焼結体は非常に高価な超高圧焼結装置を用いて製造される。そこで、安価に工具形状を形成する手段として、切削工具における切削に関与する部分のみをｃＢＮ焼結体で構成し、その他の部分は台金で構成してロー材を介して両者を接合することが考えられる。
【００２２】
この接合体に硬質被膜を施す際、成膜時の温度上昇により接合強度が低下し基材と台金とがお互いにずれるという問題がある。発明者らは種々検討した結果、本発明において十分な密着力を持つ硬質被膜を形成するには500℃以上の温度で成膜する必要があり、基材と台金とを接合するロー材の融点が700℃を超えるものを用いれば成膜時の接合強度の低下を防止できることを見出した。そこで本発明は、基材と台金とを接合するロー材に融点が700℃を越えるものを用いた。成膜温度をロー材の融点より低い650℃の温度とすることでロー材が溶融して基材と台金とにずれが生じることを抑制する。好ましくは、成膜温度を500℃〜600℃とする。
【００２３】
台金の材質としては、超硬合金、セラミック、サーメットおよび鉄系金属のうち少なくとも一種から選ばれる。特に、台金の材料として好ましいのは、強度の高い超硬合金である。
【００２４】
また、ロー材中にＴｉが含まれた場合、ロー材表面と被膜が反応することにより、基材と台金との接合個所（ロー溜り部分）における被膜の密着性を改善できる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。この実施の形態において、被膜の膜厚測定は、基材上に被膜を形成したチップを作製し、このチップを実際に切断して、その断面を直接ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で観察して評価した。なお、本発明被覆立方晶窒化硼素焼結体工具は、後述の具体例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００２６】
（試験例１）
まず、超硬合金製ポットおよびボールを用いて結合材材料であるＴｉＮ、Ｔｉ、Ａｌを混合してから熱処理を施し、その後粉砕して結合材粉末を得た。次に、結合材粉末とｃＢＮ粉末を混ぜ合わせてから熱処理を施し、Ｍｏ製容器に充填し、圧力５ＧＰａ（５０ｋｂ）、温度１４００℃で２０分焼結した。この焼結体を基材２１として超硬合金製の台金２２にロー材を用いて接合し、図１に示す切削工具用チップ（ＳＮＧＮ１２０４０８）の形に加工した接合体２０（６）を得た。
【００２７】
さらに、この接合体２０の表面に下記のように公知のアーク式イオンプレーティング法を用いてＴｉＮ膜を形成し、表１に示す実施例１−１〜１−４を用意した。成膜装置の概略構成を図２に示す。この装置は、真空容器１内に複数個のターゲット２、３が対向して配置され、両ターゲットの中間点を通る軸を回転軸とするテーブル４を具えている。テーブル４の上には円筒状の工具保持具５が固定され、その保持具５に上記接合体６が装着される。また、真空容器１にはガス導入口と、真空排気ポンプにつながる排気口とが設けられ、内部を所定の圧力に調整できると共に所要のガスを供給できるよう構成されている。さらに、接合体６は工具加熱ヒーター１０により所定の温度に加熱することができる。そして、各ターゲット２、３には真空アークの放電電流（ターゲット材料の蒸発）を調整する電源７、８が接続され、工具保持具５には接合体６にバイアス電圧を加えるバイアス電源９が接続されている。
【００２８】
この装置を用いて、まず、真空容器１内の真空度を７×１０−３Ｐａの雰囲気とし、ついでアルゴンガスを導入して１×１０−１Ｐａの雰囲気に保持しながら、工具加熱ヒーター１０を用いて５００℃まで加熱し、工具保持具５に−１０００Ｖの電圧（バイアス電源９）をかけて洗浄を行う。引続き、真空アーク放電により金属ターゲット２、３を蒸発、イオン化させることにより、工具温度が５００℃に上昇するまで、金属イオンによる工具表面クリーニングを行った。
【００２９】
次に、真空容器１内にＮ２ガス、水素ガス、アルゴンガス、メタン、アセチレンのいずれか一種類あるいは数種類を導入し、真空容器１内の圧力を２Ｐａに保持し、真空アーク放電により金属ターゲット２、３を蒸発、イオン化させることにより接合体６上に硬質被膜が形成される。このとき、工具保持具５に−２０〜−６００Ｖの電圧（バイアス電源９）をかけておいた。以上のように基材を台金にロー材を用いて接合した接合体に硬質被膜を形成することで本発明被覆立方晶窒化硼素焼結体工具が得られる。
【００３０】
また、同様に、被膜条件の異なる比較例１−５〜１−１０およびコーティング処理されていない比較例１−１１〜１−１２を用意した。
【００３１】
なお、硬質被膜の表面粗さの相違は、被覆前の基材表面の研磨程度を調整することで実現した。本例では、回転ブラシの表面に５〜８μｍの粒子径（♯２０００相当）のダイヤモンド遊離砥粒を塗布し、これを基材表面に押し当てることで研磨した。
【００３２】
そして、得られた被覆チップを用い、切削テストを行った。被削材にはＳＣＭ４１５材丸棒（硬度ＨＲＣ６１）を用い、この被削材の外周を、切削速度１６０ｍ／ｍｉｎ、切込み０．１ｍｍ、送り０．０８ｍｍ／ｒｅｖ．乾式で切削試験を行った。切削結果も併せて表１に示す。尚、初期面粗度Ｒｚ（μｍ）は、１分間切削時の被削材の面粗さとし、被膜の耐久性は被削材面粗さが３．２μｍとなる時間によって評価した。ここでＲｚは、ＪＩＳ ＢＯ６０１に定められた１０点平均粗さである。そして、表１等に記された３．２Ｚとは、Ｒｚで測定した面粗さが３．２μｍであることを意味する。
【００３３】
【表１】
【００３４】
基材焼結体を焼結後にＸ線回折を行ったところ、ｃＢＮ、ＴｉＮ、ＴｉＢ２（ＡｌＢ２）、ＡｌＮと微少なＷＣ、Ａ１２Ｏ３等のピークが得られた。Ａ１２Ｏ３は、結合材の作製の際や焼結の工程において、Ａｌが酸化されて生成したものと考えられる。
【００３５】
表１に示される結果から、実施例１−１〜１−４は、いずれも被膜が平滑であることより被膜形状が転写される被削材の初期面粗度に優れ、かつ被膜が耐摩耗性に優れるため面粗さ（３．２Ｚ）寿命に優れ、高精度加工が可能となっていることが明らかである。
【００３６】
これに対して、被膜の表面粗さが粗い比較例１−５、１−６は、その被膜の表面粗さが転写されて切削初期から面粗さが粗く、それに伴い面粗さ寿命も短くなる。
【００３７】
また、膜厚が厚すぎる、あるいは簿すぎる比較例１−７、１−８は、被膜の応力が高く剥がれやすい。あるいは被膜の効果が表れないため、被膜の耐摩耗性を発揮できず面粗さ寿命が短くなる。
【００３８】
さらに、基材であるｃＢＮ焼結体のｃＢＮ含有量が低すぎる、あるいは高すぎる比較例１−９、１−１０は、基材の強度に劣りチッピングする、あるいは基材自体の摩耗が進み、面粗さ寿命が短くなる。
【００３９】
そして、コーティング処理されていない比較例１−１１、１−１２は耐摩耗性に劣り面粗度寿命が短くなる。
【００４０】
（試験例２）
試験例１と同様に、表２に示す実施例２−１〜２−４および２−８、２−１１を用意した。また、同様に、表２に示す比較例２−５〜２−７および２−９、２−１０、２−１２を用意した。ここでは主に基材におけるｃＢＮ含有量や結合材の組成を変えている。
【００４１】
そして、得られた被覆チップを用い、試験例１と同条件で切削テストを行った。切削結果を表２に示す。
【００４２】
【表２】
【００４３】
基材焼結体を焼結後にＸ線回折を行ったところ、実施例２−１〜２−４および比較例２−５〜２−６に使用の焼結体からはｃＢＮ、ＴｉＮ、ＴｉＢ２（ＡｌＢ２）、ＡｌＮと微少なＷＣ、Ａ１２０３等のピークが得られた。また、実施例２−８、比較例２−７、２−９に使用の焼結体からはｃＢＮ、ＴｉＣ、ＡｌＮ、ＴｉＢ２（ＡｌＢ２）、微少なＷＣ、Ａ１２０３等のピークが得られた。また、実施例２−１１、比較例２−１０、２−１２に使用の焼結体からはｃＢＮ、ＣｏＷＢ、Ｃｏ２Ｗ２Ｂ、ＡｌＮ、ＡｌＢ２、ＴｉＮ、ＷＣ、微少なＡ１２０３等のピークが得られた。Ａ１２０３は、結合材の作製の際や焼結の工程において、Ａｌが酸化されて生成したものと考えられる。
【００４４】
表２に示される結果から、実施例２−１〜２−４および２−８、２−１１は、いずれも基材であるｃＢＮ焼結体の耐摩耗性および耐欠損性に優れることより面粗さ（３．２Ｚ）寿命に優れ、高精度加工が可能となっていることが明らかである。
【００４５】
それと比較して、耐摩耗性あるいは耐欠損性に劣るｃＢＮ焼結体が基材となっている比較例２−５〜２−７、２−９、２−１０および２−１２は、焼入鋼を切削することによりチッピングが生じ、あるいは摩耗が進み、面粗さ寿命が短くなる。
【００４６】
（試験例３）
試験例１と同様に、表３に示す実施例３−１〜３−５、３−８および３−９用意した。また、同様に、表３に示す比較例３−６、３−７、３−１０および３−１１も用意した。ここでは被覆前の基材の表面粗さや、基材に含まれるｃＢＮの平均粒径を変えている。
【００４７】
そして、得られた被覆チップを用い、試験例１と同条件で切削テストを行った。切削結果を表３に示す。
【００４８】
【表３】
【００４９】
基材焼結体を焼結後にＸ線回折を行ったところ、ｃＢＮ、ＴｉＮ、ＴｉＢ２（ＡｌＢ２）、ＡｌＮと微少なＷＣ、Ａｌ２０３等のピークが得られた。Ａ１２０３は、結合材の作製の際や焼結の工程において、Ａｌが酸化されて生成したものと考えられる。
【００５０】
表３に示される結果から、実施例３−１〜３−５は、いずれも被膜が平滑であることより被膜形状が転写される初期面粗度に優れ、かつ被膜が耐摩耗性に優れるため面粗さ（３．２Ｚ）寿命に優れ、高精度加工が可能となっていることが明らかである。特に、ｃＢＮの平均粒度が２．０μｍ以下である実施例３−１〜３−３は、面粗さ寿命により優れている。
【００５１】
さらに、実施例３−８および３−９は基材である焼結体の表面粗さをより平滑にすることにより、硬質被膜の表面粗さがより平滑となり、それにより被削材の初期面粗度がより優れ、さらに面粗さ寿命（３．２Ｚ）に優れることが明らかである。
【００５２】
それと比較して、基材であるｃＢＮ焼結体のｃＢＮ平均粒度が大きくなっている比較例３−６および３−７は、基材の表面粗さは小さいが、ｃＢＮ上と結合相上とで硬質被膜の成膜速度が異なり、形成される硬質被膜の厚さも異なる。そのため、比較例３−６および３−７は、硬質被膜の表面粗さが粗くなり、面粗度寿命が短くなっている。また、比較例３−１０および３−１１より、基材であるｃＢＮ焼結体の表面粗さが粗くなると、それに伴い硬質被膜の表面粗さが粗くなり、面粗度寿命が短くなる。
【００５３】
（試験例４）
表４に示す実施例４−１、４−２および比較例４−３、４−４を用意した。図４（Ａ）は、ｃＢＮ焼結体２１ａに超硬合金の焼結体２１ｂが接合された２層構造の基材２１を有する接合体４０の斜視図であり、同（Ｂ）は、そのａ−ａ断面の断面図である。この試験例で用いた基材２１は、図４に示すようにｃＢＮ焼結体２１ａに超硬合金の焼結体２１ｂが接合された２層構造である。この基材２１と台金２２との接合を組成および融点の異なるロー材２３により行った。この接合体４０の表面に試験例１に記載の方法でＴｉＮ膜（図示せず）を３．０μｍ成膜した。そして、成膜後の接合部のずれやロー材２３と被膜の密着性について調べてみた。その結果も表４に示す。
【００５４】
【表４】
【００５５】
ｃＢＮ焼結体２１ａを焼結後にＸ線回折を行ったところ、ｃＢＮ、ＴｉＮ、ＴｉＢ２（ＡｌＢ２）、ＡｌＮと微少なＷＣ、Ａ１２０３等のピークが得られた。Ａ１２０３は、結合材の作製の際や焼結の工程において、Ａｌが酸化されて生成したものと考えられる。
【００５６】
ロー材２３の融点が６００℃のもの（比較例４−４）は、成膜時の温度上昇によりロー材２３が軟化して基材２１と台金２２とがその接合部においてズレが生じていることがわかり、切削チップとして使用することができなかった。また、ロー材２３の融点が６５０℃でＴｉを含まない比較例４−３は、基材２１と台金２２の接合部において微少なズレが生じていた。一方、７００℃を超える融点をもつロー材２３で固定した実施例４−１、４−２では基材２１と台金２２の接合部においてズレは発生しなかった。
【００５７】
ロー材２３にＴｉが含まれていない比較例４−３、４−４では、基材２１と台金２２の接合部のロー溜り部分に被膜の剥難を生じた。これに対して、ロー材２３にＴｉが含まれている実施例４−１、４−２の切削チップのロー溜り部分は、ロー材２３表面のＴｉと被膜のＴｉＮとが反応することにより密着力が高まり、被膜の剥離が生じなかった。この効果はロー材２３中のＴｉ量が多いほど高くなる。
【００５８】
（試験例５）
試験例１と同様にして形成した接合体に硬質被膜のコーティング処理を施し、表５に示す実施例５−１〜５−８を用意した。また試験例１と同様にして形成した接合体にコーティング処理されていない比較例５−９を用意した。この試験例では、硬質被膜の構造（単層／多層）および組成を変えている。表５における「第一層」が基材側、「第三層」が硬質被膜表面側である。
【００５９】
そして、得られた被覆チップを用い、試験例１と同条件で切削テストを行った。切削結果を表５に示す。
【００６０】
【表５】
【００６１】
基材焼結体を焼結後にＸ線回折を行ったところ、ｃＢＮ、ＴｉＮ、ＴｉＢ２（ＡｌＢ２）、ＡｌＮと微少なＷＣ、Ａ１２０３等のピークが得られた。Ａ１２０３は、結合材の作製の際や焼結の工程において、Ａｌが酸化されて生成したものと考えられる。
【００６２】
表５に示される結果から、実施例５−１〜５−８は、いずれも被膜が平滑であることより被膜形状が転写される初期面粗度に優れ、かつ被膜が耐摩耗性に優れるため面粗さ（３．２Ｚ）寿命に優れ、高精度加工が可能となっていることが明らかである。特に、実施例５−１〜５−５、５−７及び５−８は、被膜に少なくとも１層のＴｉＮあるいはＴｉＡｌＮが含まれることにより、被膜が均一に平滑を保ち摩耗することにより、さらに面粗さ寿命（３．２Ｚ）に優れる。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明被覆立方晶窒化硼素焼結体工具によれば、基材強度が高く硬質被膜が平滑であり、また切削時に前切れ刃境界部を平滑に摩耗させることができるため、焼入鋼を高精度で長寿命に加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】硬質被膜形成前のチップの形状の一例を示す斜視図である。
【図２】硬質被膜を形成するイオンプレーティング装置の概略図である。
【図３】前切れ刃境界部及び横切れ刃境界部を示す説明図である。
【図４】（Ａ）は、ｃＢＮ焼結体に超硬合金が接合された２層構造の基材を有するチップの形状の一例を示す斜視図であり、（Ｂ）は、そのａ−ａ断面の断面図である。
【符号の説明】
１ 真空容器 ２、３ ターゲット ４ 回転テーブル ５ 工具保持具
６ 接合体 ７、８ アーク電源 ９ バイアス電源 １０ 工具加熱ヒーター
２０・４０ 接合体 ２１ 基材 ２１ａ ｃＢＮ焼結体 ２１ｂ 超硬合金 ２２ 台金
２３ ロー材
３０ 被削材 ３１ すくい面 ３２ 前切れ刃境界部 ３３ 横切れ刃境界部
３４ ネガランド面
【発明の属する技術分野】
本発明は立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）を主成分とした焼結体（以下、ｃＢＮ焼結体）を基材とする切削工具の改良に関するものである。特に、耐摩耗性に優れ、被削材を高精度に加工しうる被覆立方晶窒化硼素焼結体工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ｃＢＮ焼結体の耐摩耗性を向上させるために、ｃＢＮ焼結体工具にＴｉＮ等の各種耐摩耗層を被覆する方法が提案されている（例えば、特開平１−９６０８３号公報、特開平１−９６０８４号公報）。また、被膜の密着性を向上させ、被膜の耐久性をさらに向上させるために、基材表面をイオンエッチングにより大きく荒らしてから被覆を行う方法も提案されている（特開平７−１８４１５号公報）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、基材表面を大きく荒らして密着性を向上させると、被膜表面も同時に粗くなり、切削抵抗が増大して被膜の剥離が生じやすくなる。
【０００４】
一方、被削材には切削工具の前切れ刃境界部の形状が転写されるため、被削材の面粗さは前切れ刃境界部の形状に大きく依存する。図３はチップを用いて被削材３０を切削している状態をすくい面３１側から見た拡大平面図で、図中の矢印は切削時のチップの送り方向である。ここで、前切れ刃境界部３２とは、仕上げ面形成に作用する切れ刃部分を言う。なお、破線はチップの摩耗状態を示している。また、横切れ刃境界部３３は、切り屑生成に作用する切れ刃部分である。このような切削状態において、被膜表面が粗いとその形状が被削材に転写され、切削初期より被削材面粗度が悪くなる。また、境界摩耗が発達し前切れ刃境界部が平滑に摩耗しないと、この問題は一層顕著になり、短時間のうちに加工面の表面粗さが悪化する。
【０００５】
従って、本発明の主目的は、従来工具に対して著しく長い寿命で被削材を高精度、高品位に加工可能な被覆立方晶窒化硼素焼結体工具を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、工具刃先の前切れ刃境界部の摩耗が平滑であれば被削材の面粗さが悪化しにくく、高寿命で高精度加工が行えるとの知見に基づくものである。即ち、本発明は、ｃＢＮ焼結体に硬質被膜を形成し、この被膜の材質、厚さを特定すると共に、前切れ刃境界部が平滑に摩耗するように被膜の表面粗さを限定することで上記の目的を達成する。この「平滑に摩耗する」とは、前切れ刃境界部の摩耗が抑制され、段差の形成が押えられて滑らかになる状態のことをいう。
【０００７】
本発明は、立方晶窒化硼素を３５体積％以上８５体積％以下含む焼結体の基材と、基材表面に形成された硬質被膜とを具える被覆立方晶窒化硼素焼結体工具である。ここで、前記硬質被膜は、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素およびＡｌの中から選択される一種以上の元素と、Ｃ、ＮおよびＯの中から選択される一種以上の元素とからなる１層以上の化合物層を含む。また、その膜厚は０．３μｍ以上１０μｍ以下とする。そして、被膜表面の中心線平均粗さＲａを０．２μｍ以下としたことを特徴とする。
【０００８】
（基材）
基材には、ｃＢＮを３５体積％以上８５体積％以下含む焼結体を用いる。ｃＢＮの含有量を限定することで、基材の強度と耐摩耗性を両立させる。
【０００９】
基材の結合材としては、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素の窒化物、炭化物、硼化物、酸化物およびこれらの固溶体からなる群から選択される少なくとも一種と、アルミニウムの窒化物、硼化物、酸化物およびこれらの固溶体からなる群から選択される少なくとも一種とからなるものとする。この結合材の成分も基材の耐摩耗性と強度の観点から選択した。なお、基材に不可避的不純物が含まれても良いことは言うまでもない。
【００１０】
基材に含まれるｃＢＮの平均粒径は４．０μｍ以下が望ましい。特に望ましくは２．０μｍ以下である。本発明ｃＢＮ焼結体工具の強度は、基材に用いるｃＢＮ焼結体の強度に依存する。ｃＢＮの平均粒径を４．０μｍ以下とすれば、立方晶窒化硼素と結合材粉末の反応性を高めてｃＢＮ焼結体の強度を高くすることができ、結果的に本発明ｃＢＮ焼結体工具の強度を向上できる。
【００１１】
本発明において基材は、ｃＢＮ焼結体のみから構成されるものでもよいが、例えば、切削工具として少なくとも切削に関与する部分にｃＢＮ焼結体を用い、その他の部分に超硬合金の焼結体を用いても良い。即ち、基材は、ｃＢＮ焼結体に超硬合金の焼結体を接合した２層構造としてもよい。このとき、高価なｃＢＮ焼結体の使用量を少なくすることができ、製造コストを削減できる。
【００１２】
基材の製造は、４ＧＰａ以上の超高圧と１０００℃以上の高温を発生させることのできる超高圧容器を用いて焼結することが好適である。より詳細な製造方法やｃＢＮ焼結体の特性については特開昭５３−７７８１１号公報に記載されている。
【００１３】
（硬質被膜）
被膜の成分は、十分な硬度を有して高い耐摩耗性が得られるように、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素およびＡｌの中から選択される一種以上の元素と、Ｃ、ＮおよびＯの中から選択される一種以上の元素とからなる化合物を選択した。このような硬質被膜を被覆した工具で切削を行うと、前切れ刃境界部と横切れ刃境界部の中央部の逃げ面側から硬質被膜の摩耗が進展する。その結果、前切れ刃境界部の硬質被膜が残る。これにより、被削材面粗さに大きな影響をおよぼす前切れ刃境界部のｃＢＮ粒子および結合材粒子の脱落がより抑制され、つまり前切れ刃境界部の摩耗が平滑となり長期間にわたって高精度の加工が可能となる。また、本発明ｃＢＮ焼結体工具は、耐摩耗性が向上することに伴い、切削抵抗が増大しにくく、被膜の剥離が生じにくく、摩耗が発達しにくくなる。そして、加工時にうねりが生じにくく、寸法精度良く加工ができる寿命が向上する。
【００１４】
硬質被膜の好適な成分の具体例としては、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＮ、ＺｒＣ、ＣｒＮ、ＶＮ、ＨｆＮ、ＨｆＣまたはＨｆＣＮが挙げられる。「前切れ刃境界部の摩耗が平滑となり高精度での加工ができる」という効果は、これらのいずれの成分を含む硬質被膜において見られるが、特にＴｉＮまたはＴｉＡｌＮを含む被膜で顕著である。そのため、硬質被膜としてＴｉＮを成分とする被膜を一層のみ形成した場合でも、前切れ刃境界部の摩耗が平滑であり、高精度の加工が実現できる。このとき、より製造コストを削減することができる。
【００１５】
硬質被膜の構成は、単層でも多層でもいずれでも良い。多層構造とした場合、いずれかの層に上記成分の被膜が含まれていれば良い。
【００１６】
硬質被膜の厚さは０．３μｍ以上１０μｍ以下とする。この下限値未満では前切れ刃境界部の摩耗が平滑となる効果はほとんど見られない。逆に、１０μｍを超えると硬質被膜中の残留応力の影響で基材との密着性が低下する。なお、この膜厚は、多層構造の場合、全被膜の厚さについての限定である。
【００１７】
硬質被膜の表面粗さは中心線平均粗さＲａで０．２μｍ以下とする。さらに好ましいＲａは０．１μｍ以下である。この中心線表面粗さは、ＪＩＳ Ｂ０６０１に規定の方法に準じて測定する。後述する実施例では、測定長を０．８ｍｍとしているが、測定長は測定対象のサイズに応じて適宜変更すれば良い。測定対象のサイズ上、０．８ｍｍの測定長を採ることができなければ、より短い測定長でも構わない。本発明において被膜表面の状態を把握するために中心線平均粗さを用いるのは、硬質被膜がドロップレットと呼ばれる比較的大きな粒子を含む場合があるからである。
【００１８】
硬質被膜の面粗さを上記の規定範囲にするには、基材表面および被膜表面の少なくとも一方を研磨することが好適である。硬質被膜の面粗さは、基材の面粗さに依存するため、硬質被膜の中心線平均粗さＲａを０．２μｍ以下とするには、基材の中心線平均粗さＲａを０．２μｍ以下としておくことが望ましい。基材の面粗さを平滑にするほど硬質被膜の面粗さが向上し、その結果高精度加工が可能となる。上記の研磨手段は特に限定されない。例えば、回転ブラシの表面に遊離砥粒を塗布し、このブラシを基材表面または被膜表面に押しつけることが好適である。
【００１９】
硬質被膜の形成個所は基材表面の少なくとも一部で良い。切削工具として少なくとも切削に関与する面に被膜を形成する。切削に関与する面とは、すくい面、逃げ面、ネガランド面の少なくとも一つである。より具体的には、すくい面から逃げ面にかけての個所またはすくい面からネガランド面を経て逃げ面にかけての個所である。特に、工具が被削材と接する個所およびその近傍に被膜を形成すると有効である。
【００２０】
硬質被膜の形成手段は公知の成膜技術が利用できる。例えば、スパッタリング、イオンプレーティングなどのＰＶＤ法や、プラズマＣＶＤ法などのＣＶＤ法が利用できる。特に、アークイオンプレーティング法は平滑な硬質被膜を形成できる点で好ましい。平滑な硬質被膜が形成できるアークイオンプレーティング法については、特開平１０−６８０７１号公報に記載されている。
【００２１】
（台金との接合）
基材を台金にロー材を介して接合する場合、ロー材は、Ｔｉを含み、融点が７００℃を超えるものとすることが望ましい。基材に用いるｃＢＮ焼結体は非常に高価な超高圧焼結装置を用いて製造される。そこで、安価に工具形状を形成する手段として、切削工具における切削に関与する部分のみをｃＢＮ焼結体で構成し、その他の部分は台金で構成してロー材を介して両者を接合することが考えられる。
【００２２】
この接合体に硬質被膜を施す際、成膜時の温度上昇により接合強度が低下し基材と台金とがお互いにずれるという問題がある。発明者らは種々検討した結果、本発明において十分な密着力を持つ硬質被膜を形成するには500℃以上の温度で成膜する必要があり、基材と台金とを接合するロー材の融点が700℃を超えるものを用いれば成膜時の接合強度の低下を防止できることを見出した。そこで本発明は、基材と台金とを接合するロー材に融点が700℃を越えるものを用いた。成膜温度をロー材の融点より低い650℃の温度とすることでロー材が溶融して基材と台金とにずれが生じることを抑制する。好ましくは、成膜温度を500℃〜600℃とする。
【００２３】
台金の材質としては、超硬合金、セラミック、サーメットおよび鉄系金属のうち少なくとも一種から選ばれる。特に、台金の材料として好ましいのは、強度の高い超硬合金である。
【００２４】
また、ロー材中にＴｉが含まれた場合、ロー材表面と被膜が反応することにより、基材と台金との接合個所（ロー溜り部分）における被膜の密着性を改善できる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。この実施の形態において、被膜の膜厚測定は、基材上に被膜を形成したチップを作製し、このチップを実際に切断して、その断面を直接ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で観察して評価した。なお、本発明被覆立方晶窒化硼素焼結体工具は、後述の具体例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００２６】
（試験例１）
まず、超硬合金製ポットおよびボールを用いて結合材材料であるＴｉＮ、Ｔｉ、Ａｌを混合してから熱処理を施し、その後粉砕して結合材粉末を得た。次に、結合材粉末とｃＢＮ粉末を混ぜ合わせてから熱処理を施し、Ｍｏ製容器に充填し、圧力５ＧＰａ（５０ｋｂ）、温度１４００℃で２０分焼結した。この焼結体を基材２１として超硬合金製の台金２２にロー材を用いて接合し、図１に示す切削工具用チップ（ＳＮＧＮ１２０４０８）の形に加工した接合体２０（６）を得た。
【００２７】
さらに、この接合体２０の表面に下記のように公知のアーク式イオンプレーティング法を用いてＴｉＮ膜を形成し、表１に示す実施例１−１〜１−４を用意した。成膜装置の概略構成を図２に示す。この装置は、真空容器１内に複数個のターゲット２、３が対向して配置され、両ターゲットの中間点を通る軸を回転軸とするテーブル４を具えている。テーブル４の上には円筒状の工具保持具５が固定され、その保持具５に上記接合体６が装着される。また、真空容器１にはガス導入口と、真空排気ポンプにつながる排気口とが設けられ、内部を所定の圧力に調整できると共に所要のガスを供給できるよう構成されている。さらに、接合体６は工具加熱ヒーター１０により所定の温度に加熱することができる。そして、各ターゲット２、３には真空アークの放電電流（ターゲット材料の蒸発）を調整する電源７、８が接続され、工具保持具５には接合体６にバイアス電圧を加えるバイアス電源９が接続されている。
【００２８】
この装置を用いて、まず、真空容器１内の真空度を７×１０−３Ｐａの雰囲気とし、ついでアルゴンガスを導入して１×１０−１Ｐａの雰囲気に保持しながら、工具加熱ヒーター１０を用いて５００℃まで加熱し、工具保持具５に−１０００Ｖの電圧（バイアス電源９）をかけて洗浄を行う。引続き、真空アーク放電により金属ターゲット２、３を蒸発、イオン化させることにより、工具温度が５００℃に上昇するまで、金属イオンによる工具表面クリーニングを行った。
【００２９】
次に、真空容器１内にＮ２ガス、水素ガス、アルゴンガス、メタン、アセチレンのいずれか一種類あるいは数種類を導入し、真空容器１内の圧力を２Ｐａに保持し、真空アーク放電により金属ターゲット２、３を蒸発、イオン化させることにより接合体６上に硬質被膜が形成される。このとき、工具保持具５に−２０〜−６００Ｖの電圧（バイアス電源９）をかけておいた。以上のように基材を台金にロー材を用いて接合した接合体に硬質被膜を形成することで本発明被覆立方晶窒化硼素焼結体工具が得られる。
【００３０】
また、同様に、被膜条件の異なる比較例１−５〜１−１０およびコーティング処理されていない比較例１−１１〜１−１２を用意した。
【００３１】
なお、硬質被膜の表面粗さの相違は、被覆前の基材表面の研磨程度を調整することで実現した。本例では、回転ブラシの表面に５〜８μｍの粒子径（♯２０００相当）のダイヤモンド遊離砥粒を塗布し、これを基材表面に押し当てることで研磨した。
【００３２】
そして、得られた被覆チップを用い、切削テストを行った。被削材にはＳＣＭ４１５材丸棒（硬度ＨＲＣ６１）を用い、この被削材の外周を、切削速度１６０ｍ／ｍｉｎ、切込み０．１ｍｍ、送り０．０８ｍｍ／ｒｅｖ．乾式で切削試験を行った。切削結果も併せて表１に示す。尚、初期面粗度Ｒｚ（μｍ）は、１分間切削時の被削材の面粗さとし、被膜の耐久性は被削材面粗さが３．２μｍとなる時間によって評価した。ここでＲｚは、ＪＩＳ ＢＯ６０１に定められた１０点平均粗さである。そして、表１等に記された３．２Ｚとは、Ｒｚで測定した面粗さが３．２μｍであることを意味する。
【００３３】
【表１】
基材焼結体を焼結後にＸ線回折を行ったところ、ｃＢＮ、ＴｉＮ、ＴｉＢ２（ＡｌＢ２）、ＡｌＮと微少なＷＣ、Ａ１２Ｏ３等のピークが得られた。Ａ１２Ｏ３は、結合材の作製の際や焼結の工程において、Ａｌが酸化されて生成したものと考えられる。
【００３５】
表１に示される結果から、実施例１−１〜１−４は、いずれも被膜が平滑であることより被膜形状が転写される被削材の初期面粗度に優れ、かつ被膜が耐摩耗性に優れるため面粗さ（３．２Ｚ）寿命に優れ、高精度加工が可能となっていることが明らかである。
【００３６】
これに対して、被膜の表面粗さが粗い比較例１−５、１−６は、その被膜の表面粗さが転写されて切削初期から面粗さが粗く、それに伴い面粗さ寿命も短くなる。
【００３７】
また、膜厚が厚すぎる、あるいは簿すぎる比較例１−７、１−８は、被膜の応力が高く剥がれやすい。あるいは被膜の効果が表れないため、被膜の耐摩耗性を発揮できず面粗さ寿命が短くなる。
【００３８】
さらに、基材であるｃＢＮ焼結体のｃＢＮ含有量が低すぎる、あるいは高すぎる比較例１−９、１−１０は、基材の強度に劣りチッピングする、あるいは基材自体の摩耗が進み、面粗さ寿命が短くなる。
【００３９】
そして、コーティング処理されていない比較例１−１１、１−１２は耐摩耗性に劣り面粗度寿命が短くなる。
【００４０】
（試験例２）
試験例１と同様に、表２に示す実施例２−１〜２−４および２−８、２−１１を用意した。また、同様に、表２に示す比較例２−５〜２−７および２−９、２−１０、２−１２を用意した。ここでは主に基材におけるｃＢＮ含有量や結合材の組成を変えている。
【００４１】
そして、得られた被覆チップを用い、試験例１と同条件で切削テストを行った。切削結果を表２に示す。
【００４２】
【表２】
基材焼結体を焼結後にＸ線回折を行ったところ、実施例２−１〜２−４および比較例２−５〜２−６に使用の焼結体からはｃＢＮ、ＴｉＮ、ＴｉＢ２（ＡｌＢ２）、ＡｌＮと微少なＷＣ、Ａ１２０３等のピークが得られた。また、実施例２−８、比較例２−７、２−９に使用の焼結体からはｃＢＮ、ＴｉＣ、ＡｌＮ、ＴｉＢ２（ＡｌＢ２）、微少なＷＣ、Ａ１２０３等のピークが得られた。また、実施例２−１１、比較例２−１０、２−１２に使用の焼結体からはｃＢＮ、ＣｏＷＢ、Ｃｏ２Ｗ２Ｂ、ＡｌＮ、ＡｌＢ２、ＴｉＮ、ＷＣ、微少なＡ１２０３等のピークが得られた。Ａ１２０３は、結合材の作製の際や焼結の工程において、Ａｌが酸化されて生成したものと考えられる。
【００４４】
表２に示される結果から、実施例２−１〜２−４および２−８、２−１１は、いずれも基材であるｃＢＮ焼結体の耐摩耗性および耐欠損性に優れることより面粗さ（３．２Ｚ）寿命に優れ、高精度加工が可能となっていることが明らかである。
【００４５】
それと比較して、耐摩耗性あるいは耐欠損性に劣るｃＢＮ焼結体が基材となっている比較例２−５〜２−７、２−９、２−１０および２−１２は、焼入鋼を切削することによりチッピングが生じ、あるいは摩耗が進み、面粗さ寿命が短くなる。
【００４６】
（試験例３）
試験例１と同様に、表３に示す実施例３−１〜３−５、３−８および３−９用意した。また、同様に、表３に示す比較例３−６、３−７、３−１０および３−１１も用意した。ここでは被覆前の基材の表面粗さや、基材に含まれるｃＢＮの平均粒径を変えている。
【００４７】
そして、得られた被覆チップを用い、試験例１と同条件で切削テストを行った。切削結果を表３に示す。
【００４８】
【表３】
基材焼結体を焼結後にＸ線回折を行ったところ、ｃＢＮ、ＴｉＮ、ＴｉＢ２（ＡｌＢ２）、ＡｌＮと微少なＷＣ、Ａｌ２０３等のピークが得られた。Ａ１２０３は、結合材の作製の際や焼結の工程において、Ａｌが酸化されて生成したものと考えられる。
【００５０】
表３に示される結果から、実施例３−１〜３−５は、いずれも被膜が平滑であることより被膜形状が転写される初期面粗度に優れ、かつ被膜が耐摩耗性に優れるため面粗さ（３．２Ｚ）寿命に優れ、高精度加工が可能となっていることが明らかである。特に、ｃＢＮの平均粒度が２．０μｍ以下である実施例３−１〜３−３は、面粗さ寿命により優れている。
【００５１】
さらに、実施例３−８および３−９は基材である焼結体の表面粗さをより平滑にすることにより、硬質被膜の表面粗さがより平滑となり、それにより被削材の初期面粗度がより優れ、さらに面粗さ寿命（３．２Ｚ）に優れることが明らかである。
【００５２】
それと比較して、基材であるｃＢＮ焼結体のｃＢＮ平均粒度が大きくなっている比較例３−６および３−７は、基材の表面粗さは小さいが、ｃＢＮ上と結合相上とで硬質被膜の成膜速度が異なり、形成される硬質被膜の厚さも異なる。そのため、比較例３−６および３−７は、硬質被膜の表面粗さが粗くなり、面粗度寿命が短くなっている。また、比較例３−１０および３−１１より、基材であるｃＢＮ焼結体の表面粗さが粗くなると、それに伴い硬質被膜の表面粗さが粗くなり、面粗度寿命が短くなる。
【００５３】
（試験例４）
表４に示す実施例４−１、４−２および比較例４−３、４−４を用意した。図４（Ａ）は、ｃＢＮ焼結体２１ａに超硬合金の焼結体２１ｂが接合された２層構造の基材２１を有する接合体４０の斜視図であり、同（Ｂ）は、そのａ−ａ断面の断面図である。この試験例で用いた基材２１は、図４に示すようにｃＢＮ焼結体２１ａに超硬合金の焼結体２１ｂが接合された２層構造である。この基材２１と台金２２との接合を組成および融点の異なるロー材２３により行った。この接合体４０の表面に試験例１に記載の方法でＴｉＮ膜（図示せず）を３．０μｍ成膜した。そして、成膜後の接合部のずれやロー材２３と被膜の密着性について調べてみた。その結果も表４に示す。
【００５４】
【表４】
ｃＢＮ焼結体２１ａを焼結後にＸ線回折を行ったところ、ｃＢＮ、ＴｉＮ、ＴｉＢ２（ＡｌＢ２）、ＡｌＮと微少なＷＣ、Ａ１２０３等のピークが得られた。Ａ１２０３は、結合材の作製の際や焼結の工程において、Ａｌが酸化されて生成したものと考えられる。
【００５６】
ロー材２３の融点が６００℃のもの（比較例４−４）は、成膜時の温度上昇によりロー材２３が軟化して基材２１と台金２２とがその接合部においてズレが生じていることがわかり、切削チップとして使用することができなかった。また、ロー材２３の融点が６５０℃でＴｉを含まない比較例４−３は、基材２１と台金２２の接合部において微少なズレが生じていた。一方、７００℃を超える融点をもつロー材２３で固定した実施例４−１、４−２では基材２１と台金２２の接合部においてズレは発生しなかった。
【００５７】
ロー材２３にＴｉが含まれていない比較例４−３、４−４では、基材２１と台金２２の接合部のロー溜り部分に被膜の剥難を生じた。これに対して、ロー材２３にＴｉが含まれている実施例４−１、４−２の切削チップのロー溜り部分は、ロー材２３表面のＴｉと被膜のＴｉＮとが反応することにより密着力が高まり、被膜の剥離が生じなかった。この効果はロー材２３中のＴｉ量が多いほど高くなる。
【００５８】
（試験例５）
試験例１と同様にして形成した接合体に硬質被膜のコーティング処理を施し、表５に示す実施例５−１〜５−８を用意した。また試験例１と同様にして形成した接合体にコーティング処理されていない比較例５−９を用意した。この試験例では、硬質被膜の構造（単層／多層）および組成を変えている。表５における「第一層」が基材側、「第三層」が硬質被膜表面側である。
【００５９】
そして、得られた被覆チップを用い、試験例１と同条件で切削テストを行った。切削結果を表５に示す。
【００６０】
【表５】
基材焼結体を焼結後にＸ線回折を行ったところ、ｃＢＮ、ＴｉＮ、ＴｉＢ２（ＡｌＢ２）、ＡｌＮと微少なＷＣ、Ａ１２０３等のピークが得られた。Ａ１２０３は、結合材の作製の際や焼結の工程において、Ａｌが酸化されて生成したものと考えられる。
【００６２】
表５に示される結果から、実施例５−１〜５−８は、いずれも被膜が平滑であることより被膜形状が転写される初期面粗度に優れ、かつ被膜が耐摩耗性に優れるため面粗さ（３．２Ｚ）寿命に優れ、高精度加工が可能となっていることが明らかである。特に、実施例５−１〜５−５、５−７及び５−８は、被膜に少なくとも１層のＴｉＮあるいはＴｉＡｌＮが含まれることにより、被膜が均一に平滑を保ち摩耗することにより、さらに面粗さ寿命（３．２Ｚ）に優れる。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明被覆立方晶窒化硼素焼結体工具によれば、基材強度が高く硬質被膜が平滑であり、また切削時に前切れ刃境界部を平滑に摩耗させることができるため、焼入鋼を高精度で長寿命に加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】硬質被膜形成前のチップの形状の一例を示す斜視図である。
【図２】硬質被膜を形成するイオンプレーティング装置の概略図である。
【図３】前切れ刃境界部及び横切れ刃境界部を示す説明図である。
【図４】（Ａ）は、ｃＢＮ焼結体に超硬合金が接合された２層構造の基材を有するチップの形状の一例を示す斜視図であり、（Ｂ）は、そのａ−ａ断面の断面図である。
【符号の説明】
１ 真空容器 ２、３ ターゲット ４ 回転テーブル ５ 工具保持具
６ 接合体 ７、８ アーク電源 ９ バイアス電源 １０ 工具加熱ヒーター
２０・４０ 接合体 ２１ 基材 ２１ａ ｃＢＮ焼結体 ２１ｂ 超硬合金 ２２ 台金
２３ ロー材
３０ 被削材 ３１ すくい面 ３２ 前切れ刃境界部 ３３ 横切れ刃境界部
３４ ネガランド面
Claims (8)
- 立方晶窒化硼素を35体積％以上85体積％以下含む焼結体の基材と、基材表面に形成された硬質被膜とを具える焼入鋼切削加工用被覆立方晶窒化硼素焼結体工具であって、
前記硬質被膜は、
周期律表4a、5a、6a族元素およびAlの中から選択される一種以上の元素と、C、NおよびOの中から選択される一種以上の元素とからなる１層以上の化合物層を含み、
膜厚が0.3μｍ以上10μｍ以下であり、
基材表面または被膜表面の少なくとも一方を研磨することにより被膜表面の中心線平均粗さRaを0.2μｍ以下としたことを特徴とする焼入鋼切削加工用被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。 - 前記基材は結合材を含み、
この結合材は、周期律表4a、5a、6a族元素の窒化物、炭化物、硼化物、酸化物およびこれらの固溶体からなる群から選択される少なくとも一種と、アルミニウムの窒化物、硼化物、酸化物およびこれらの固溶体からなる群から選択される少なくとも一種とを含むことを特徴とする請求項１に記載の焼入鋼切削加工用被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。 - 基材に含まれる立方晶窒化硼素の平均粒度が4.0μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の焼入鋼切削加工用被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。
- 基材がロー材を介して台金に接合され、
この台金は、超硬合金、セラミック、サーメットおよび鉄系金属のうち少なくとも一種によって構成され、
前記ロー材は、Tiを含み、融点が700℃を超え、
基材と台金の接合体に硬質被膜を被覆する際の温度が 500 ℃以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の焼入鋼切削加工用被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。 - 硬質被膜が、少なくとも１層のTiN層を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の焼入鋼切削加工用被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。
- 硬質被膜が、少なくとも１層のTiAlN層を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の焼入鋼切削加工用被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。
- 硬質被膜表面の中心線平均粗さRaが0.1μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の焼入鋼切削加工用被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。
- 基材は、立方晶窒化硼素の焼結体に更に超硬合金の焼結体を接合したことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の焼入鋼切削加工用被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。
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