JP4714022B2 - 工具用表面被覆高硬度材料 - Google Patents
工具用表面被覆高硬度材料 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4714022B2 JP4714022B2 JP2005511032A JP2005511032A JP4714022B2 JP 4714022 B2 JP4714022 B2 JP 4714022B2 JP 2005511032 A JP2005511032 A JP 2005511032A JP 2005511032 A JP2005511032 A JP 2005511032A JP 4714022 B2 JP4714022 B2 JP 4714022B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- coating film
- cutting
- film
- hardness material
- tool
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims description 95
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title claims description 94
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims description 70
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 20
- 238000003754 machining Methods 0.000 claims description 19
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 14
- 229910000760 Hardened steel Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 7
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 6
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 claims description 4
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 150000004767 nitrides Chemical group 0.000 claims description 4
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 4
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 4
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 claims description 3
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- -1 aluminum compound Chemical class 0.000 claims description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 2
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 claims description 2
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010408 film Substances 0.000 description 146
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 120
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 35
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 32
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 20
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 17
- 238000000034 method Methods 0.000 description 14
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 11
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 10
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 10
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 238000007733 ion plating Methods 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 3
- JXOOCQBAIRXOGG-UHFFFAOYSA-N [B].[B].[B].[B].[B].[B].[B].[B].[B].[B].[B].[B].[Al] Chemical compound [B].[B].[B].[B].[B].[B].[B].[B].[B].[B].[B].[B].[Al] JXOOCQBAIRXOGG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 2
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 2
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 2
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 2
- 229910000851 Alloy steel Inorganic materials 0.000 description 1
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010038 TiAl Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010037 TiAlN Inorganic materials 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N alumane Chemical class [AlH3] AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000005524 ceramic coating Methods 0.000 description 1
- 239000011195 cermet Substances 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000007788 roughening Methods 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 230000005476 size effect Effects 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000007514 turning Methods 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23B—TURNING; BORING
- B23B27/00—Tools for turning or boring machines; Tools of a similar kind in general; Accessories therefor
- B23B27/14—Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C30/00—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process
- C23C30/005—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process on hard metal substrates
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23B—TURNING; BORING
- B23B27/00—Tools for turning or boring machines; Tools of a similar kind in general; Accessories therefor
- B23B27/04—Cutting-off tools
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23B—TURNING; BORING
- B23B27/00—Tools for turning or boring machines; Tools of a similar kind in general; Accessories therefor
- B23B27/14—Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material
- B23B27/148—Composition of the cutting inserts
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23B—TURNING; BORING
- B23B27/00—Tools for turning or boring machines; Tools of a similar kind in general; Accessories therefor
- B23B27/14—Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material
- B23B27/18—Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material with cutting bits or tips or cutting inserts rigidly mounted, e.g. by brazing
- B23B27/20—Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material with cutting bits or tips or cutting inserts rigidly mounted, e.g. by brazing with diamond bits or cutting inserts
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
- C04B41/45—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
- C04B41/50—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials
- C04B41/5053—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials non-oxide ceramics
- C04B41/5062—Borides, Nitrides or Silicides
- C04B41/5068—Titanium nitride
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
- C04B41/45—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
- C04B41/52—Multiple coating or impregnating multiple coating or impregnating with the same composition or with compositions only differing in the concentration of the constituents, is classified as single coating or impregnation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
- C04B41/80—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics
- C04B41/81—Coating or impregnation
- C04B41/85—Coating or impregnation with inorganic materials
- C04B41/87—Ceramics
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
- C04B41/80—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics
- C04B41/81—Coating or impregnation
- C04B41/89—Coating or impregnation for obtaining at least two superposed coatings having different compositions
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23B—TURNING; BORING
- B23B2222/00—Materials of tools or workpieces composed of metals, alloys or metal matrices
- B23B2222/28—Details of hard metal, i.e. cemented carbide
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23B—TURNING; BORING
- B23B2224/00—Materials of tools or workpieces composed of a compound including a metal
- B23B2224/32—Titanium carbide nitride (TiCN)
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23B—TURNING; BORING
- B23B2226/00—Materials of tools or workpieces not comprising a metal
- B23B2226/12—Boron nitride
- B23B2226/125—Boron nitride cubic [CBN]
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23B—TURNING; BORING
- B23B2226/00—Materials of tools or workpieces not comprising a metal
- B23B2226/31—Diamond
- B23B2226/315—Diamond polycrystalline [PCD]
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23B—TURNING; BORING
- B23B2228/00—Properties of materials of tools or workpieces, materials of tools or workpieces applied in a specific manner
- B23B2228/10—Coatings
- B23B2228/105—Coatings with specified thickness
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
- Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
- Y10T428/25—Web or sheet containing structurally defined element or component and including a second component containing structurally defined particles
- Y10T428/252—Glass or ceramic [i.e., fired or glazed clay, cement, etc.] [porcelain, quartz, etc.]
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
- Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
- Y10T428/26—Web or sheet containing structurally defined element or component, the element or component having a specified physical dimension
- Y10T428/263—Coating layer not in excess of 5 mils thick or equivalent
- Y10T428/264—Up to 3 mils
- Y10T428/265—1 mil or less
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
- Drilling Tools (AREA)
Description
本発明は立方晶窒化硼素（ＣＢＮ）を主成分とするＣＢＮ焼結体を基材とし、その上に薄膜を被覆した工具用材料の改良に関するものである。
ＣＢＮはダイヤモンドに次ぐ高い硬度を有する材料であって金属との反応性が低いので、その焼結体は耐熱合金や焼入れ鋼の切削に使用されている。このように硬度の高いＣＢＮ焼結体においても、被覆をすることにより刃先の摩耗を防止できるなどの効果を有している。被覆膜は、切刃エッジの部分で丸みを持ち膜厚が厚くなると丸みも大きくなる。特許文献１は、ＣＢＮ焼結体の上に耐摩耗層と中間層と最表面層を有する被覆ＣＢＮ焼結体を開示している。耐摩耗層としてＴｉＡｌ（ＣＮＯ）など、中間層や最表面層としてＴｉＮなどを被覆した工具用表面被覆高硬度材料が提供されている。
特許文献２は、ＣＢＮ焼結体にチタンとアルミニウムを含む複合窒化物、複合炭窒化物などの被覆膜を有するものである。特に、被覆膜の結晶面（２００）のＸ線の回折強度と結晶面（１１１）のＸ線回折強度の比が特定の範囲にあり、被覆膜の厚さが１〜１５μｍの複合硬質膜被覆部材である。
従来の被覆工具は、被覆膜の厚さが１μｍ以上の厚さを有していた。最近は、焼入れ鋼等の断続切削加工での長寿命化や精密仕上げ加工の高精度化が望まれるようになってきたため、従来の被覆工具では被膜の安定性が不足し、十分な工具寿命が得られていない。断続切削加工において、ＣＢＮ焼結体より強度の劣るセラミックス被覆膜は膜厚が大きいと断続の衝撃により膜剥離・膜破壊が切れ刃部に生じ、被覆工具の欠損や被削材の面粗度悪化の原因となる。また、送り量が被覆膜厚に近づくにつれて、被覆膜の下に基材のない部分で切削する比率が高くなり、被覆膜の剥離が生じ易くなる。
一般に、被覆超硬合金工具では高精度加工ではなく切り込み、送り量の大きい高能率加工を対象としているので、高い切削負荷による膜剥離の発生が問題となる。一方、ＣＢＮ工具による切削では高精度な仕上げ面が得られるため、送り量が小さい仕上げ加工を対象とする場合が多い。発明者らが得た知見では、低送り加工においても比切削抵抗（切削抵抗を切削断面積で割った値）が高くなることにより膜剥離が発生し易くなる。比切削抵抗が高くなる理由は、送り量が小さい場合、切削断面積が小さくなることで被削材内部の欠陥の存在確率が小さくなるため、材質強度が相対的に高まることが考えられる（比切削抵抗の寸法効果）。特にプランジカットである溝入れ加工では、切れ刃の接触面積が大きくその高い切削負荷のためトラバースカットより送り量が小さく、かつその加工終了時には送りがゼロの状態となり、被覆膜に大きな切削応力がかかり、膜の剥離につながる。以上から被覆膜の剥離防止が第一の課題である。
また、高精度加工において従来の被覆膜の切れ刃エッジ部に生じる「丸み」は加工精度を低下させ、且つ比切削抵抗も高くなるため、この「丸み」を小さくすることが第二の課題である。
本発明は、ＣＢＮ焼結体を基材として、基材の表面に、ＴｉとＡｌの窒化物からなる被覆膜を厚さ０．１μｍ以上１μｍ未満で有する工具用表面被覆高硬度材料である。そのほかにＴｉＮなどからなる中間層や最表面層を設けてもよい。
本発明の工具用表面被覆高硬度材料において、被覆膜は、（Ｔｉ １−Ｘ Ａｌ Ｘ ）Ｎ、０．３≦Ｘ≦０．６で表される組成からなり、被覆膜のＸ線回折における（１１１）面からの回折強度をＩ（１１１）、（２００）面からの回折強度をＩ（２００）としたとき、０≦Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）≦３である。回折強度は成膜条件に依存するのだが、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）が３を超えると、圧縮応力の低下および結晶粒の粗大化による耐摩耗性と耐欠損性の低下を招くため、３以下とした。
種々の実験から、従来膜より膜厚の薄い本発明における被覆膜は、（Ｔｉ１−ＸＡｌＸ）Ｎ、０．３≦Ｘ≦０．６で表される組成を有する。ＴｉＡｌＮ系の被覆膜がＣＢＮ基材より熱膨張係数が大きいため、成膜完了後の冷却時にそれぞれの収縮率の差により被覆膜内部に引張応力が発生し、成膜時に発生した残留圧縮応力が緩和される。ここで被覆膜中のＡｌの比率が高くなるに従い、被覆膜の熱膨張係数が低くなると推定されＸが０．６を超えると、ＣＢＮ基材との熱膨張係数の差による圧縮応力の緩和効果が薄れ、膜内部の高い圧縮応力が残留してしまい切削時に膜剥離が発生し易くなる。また、Ｘが０．３未満であると硬度が低くなり摩耗抑制効果が得られないため、０．３≦Ｘ≦０．６とした。この範囲は、耐摩耗性と耐剥離性のバランスに優れ、断続切削や溝入れ加工に適した組成である。さらに好ましくは０．３≦Ｘ≦０．４５であることがわかった。
本発明の被覆膜を構成する結晶の平均粒径は、５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることが望ましい。一般に結晶粒径が微細になるに従い、膜の硬度が高くなる一方、靭性は低下すると考えられ、上記の範囲が耐摩耗性と耐欠損性のバランスに優れ、断続切削や溝入れ加工に適した結晶粒径である。
前記被覆膜に含まれるＴｉの一部を、Ｓｉ、ＢならびにＴｉを除く周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族遷移金属元素の中から選択される少なくとも１種の元素に置換し、置換された元素の被覆膜中の含有量が原子％で１０％未満であることが望ましい。Ｔｉ、Ａｌに加えて前記のような第３元素を添加することで、被覆膜を構成する結晶粒子の粒径がさらに微細化され、かつ均一な結晶構造となり、膜の強度が向上するからである。
本発明の工具用表面被覆高硬度材料を溝入れ工具として利用すると顕著な効果が得られる。溝入れ加工では、もともと低送り条件である上、溝底部で送りがゼロの状態となり、被覆膜に大きな応力がかかり、被覆膜が厚い場合は膜の剥離につながる。本発明の被覆膜は膜厚が薄いため、前記のような溝入れ加工特有の高い応力に耐えることができる。
本発明で用いる基材は、ＣＢＮ粉末３０〜９０体積％と残部結合材からなる焼結体であって、残部結合材が周期律表第４ａ、５ａおよび６ａ族元素の窒化物、炭化物、硼化物、酸化物ならびにこれらの固溶体からなる群の中から選択された少なくとも一種と、アルミニウム化合物と不可避不純物からなる。ここでＡｌ化合物としては、アルミの酸化物、硼化物、窒化物などである。ＣＢＮ焼結体として種々なものが知られているが、上記の基材は焼入れ鋼の切削に適している。
さらに望ましくは、被覆膜の膜厚が０．１μｍ以上であって０．５μｍ未満である。膜厚を薄くすることで、切削時の送り量を小さくすることができ、高精度加工を可能とする。本発明における高精度加工とは、送り量が０．０８ｍｍ／ｒｅｖ以下の加工のことである。本発明で被覆膜の膜厚と言うときは、中間層、耐摩耗層および最表面層などの各種層の合計膜厚を指す。
本発明の工具用表面被覆高硬度材料からなる切削工具は、乾式工具としてはもちろん湿式工具としても使用可能である。断続切削加工では熱サイクルが著しく、工具寿命の観点からは乾式加工が望ましいのだが、寸法精度の観点からは湿式加工が望ましい場合がある。その際、ＣＢＮ基材と硬質被覆膜の熱膨張係数が異なるため、従来の膜では断続の衝撃に加えて熱サイクルによる膜剥離、膜破壊が生じ十分な摩耗抑制効果が得られていなかった。しかしながら、本発明では圧縮応力を負荷する事で膜自体の耐欠損性を高めている上に、膜厚を薄くすることで熱サイクルにより発生する熱応力に依存する全応力を抑制し、耐剥離性を大幅に向上させている。このため、湿式条件下での断続切削においても膜破壊、膜剥離が生じにくく、十分な摩耗抑制効果が得られる。
本発明の工具用表面被覆高硬度材料は優れた強度、硬度および靭性を有するＣＢＮ焼結体に、優れた硬度と耐熱性を有する硬質被覆膜を従来膜より薄く被覆し、膜の耐剥離性、耐欠損性を大幅に改善したものである。
本発明では、被覆膜を薄くすることにより断続切削加工や高精度加工において長寿命化を実現する工具用表面被覆高硬度材料およびその材料を用いた溝入れ工具を提供しようとするものである。断続切削では、断続の衝撃に耐え得るだけの高い耐剥離性が要求されるのは当然であるが、連続切削においても送り量の小さい条件下では被覆膜に高い応力がかかり、膜剥離を引き起こす。この理由を次に示す図１〜図３を用いて説明する。
外径切削において、図１に示す基材１からなる工具を被削材３の軸方向に送るトラバースカットと図２に示す径方向に送るプランジカットがある。いずれの加工においても、被削材３が矢印の方向に回転し、基材１からなる工具が矢印の方向に移動して、送り量Ｆに比例する厚みを有する切屑が除去されることで加工が進行する。なお、実線で示す基材１の位置とその一回転前の基材の位置７などに囲まれた斜線部は切削断面積を示す。図１、２から分かるように、特にプランジカットはトラバースカットに比較し切れ刃の接触面積が大きく切削抵抗が高い。従ってプランジカットである溝入れ加工ではもともとトラバースカットより送り量が小さく、かつ、溝入れの最後のところで工具の進行が止まり工具先端と溝の底が擦れるという段階がある。
図３は、図２における被削材加工部位のＡ−Ａ断面図であり、本発明の材料からなる溝入れ工具を用いて、被削材の溝を切削している状態を表す。基材１の表面に被覆膜２があり、被削材３を矢印の方向に回転させ切削している。高精度加工や溝入れ加工では、切削加工時の送りを小さくする必要がある。切削加工において送りＦに相当する幅の部分が切粉５として取り除かれ、溝壁６を形成する。送りＦを小さくすると、やがて切粉として取り除かれる部分の厚さが、被覆膜２の厚さに近づいてくる。こうなると、切削時に工具にかかる負荷のうち、被覆膜２で受ける割合が高くなり被覆膜２の剥離の原因になる。被覆膜２を薄くすると、同じ送りＦであっても基材１にかかる負荷の割合を増やすことができ、被覆膜の剥離を抑制できる。
つまり溝入れ加工では、通常のトラバースカットより送り量が小さく、刃先先端部に切削応力が集中する。従来の厚い被覆膜であれば、被覆膜内で受ける切削応力の割合が高くなるので、基材からの膜剥離や膜欠損が起こり易い。これに対して本発明の溝入れ工具は、被覆膜の厚さが薄いので膜剥離や膜欠損のような問題はない。
基材に膜を被覆すると、図３に示すように基材の切刃エッジに丸み４が発生する。本発明の被覆膜は例えばＰＶＤ法で被覆されるが、そのとき切刃エッジに電荷が集まり易くどうしても切刃エッジの丸みを防ぐことができない。丸み４の部分にかかる負荷は大きく、膜が損傷を受け易い構造となっている。本発明では、被覆膜の厚さを薄くしているので、丸みを小さく抑制することができる。
本発明の被覆膜は、イオンプレーティングなどのＰＶＤ法で形成することができる。本発明の被覆膜を形成する方法は、原料元素のイオン化率が高く、反応性に富み、基材にバイアス電圧を印加することにより密着性に優れた被覆膜を得ることができるアーク式イオンプレーティング法が最も適している。ここで、バイアス電圧とは基材と金属ターゲット間の電位差を指す。
一般にアーク式イオンプレーティング法では、被覆膜の構成物質をバイアス電圧で加速する。つまり基材に負のバイアスを付加することで、イオン化された金属陽イオンが加速され、基材表面に到達し膜が成長していく。バイアス電圧と残留応力の関係は文献Ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ Ｃｏａｔｉｎｇｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｖｏｌ．１６３−１６４ ｐ１３５−１４３（２００３）のＦｉｇ．７に開示されているが、この文献ではバイアス電圧が高くなるに従って残留圧縮応力が高くなり、１００Ｖで極大値となり、それ以上では逆に残留圧縮応力が低下することを示している。
ここでバイアス電圧が「高い」とは、基材にかける負のバイアス電圧の絶対値が大きいことを意味し、後述する表８や図４などでは絶対値で表示している。バイアス電圧が高くなると、加速された陽イオンの基材への打ち込み（ボンバード）効果が高まり圧縮応力が増加するが、同時に基材と被覆膜の温度も上昇するため応力緩和が働き、あるバイアス電圧から圧縮応力が低下する傾向を示す。前記の文献に対し本発明の被覆膜（被覆膜の組成：（Ｔｉ０．６Ａｌ０．４）Ｎ、膜厚：０．４５μｍ）は、図４に示すようにバイアス電圧が２００Ｖで残留圧縮応力が極大となり、かつ残留圧縮応力の絶対値も上記の文献よりも大きくなる。
この理由は次のように推定される。ＣＢＮ基材の熱伝導率は被覆膜の熱伝導率よりはるかに大きく、成膜時に被覆膜に発生した熱を逃がす働きがあるが、その放熱効果は膜厚に依存する。つまり、膜厚が薄いと放熱効果に優れるため被覆膜の温度上昇による応力緩和効果が小さくなり、圧縮応力が高くなると推定される。このことは被覆膜を薄くすることでより高い圧縮応力を付加できることを意味する。
被覆膜内部の圧縮応力は高い方が膜の硬度、強度が高くなるが、膜厚が厚いと全応力（内部応力×膜厚）が大きくなり切削負荷によって基材からの剥離が発生しやすくなるため、適切なところで制御する必要がある。特に基材がＣＢＮ焼結体の場合、ＣＢＮ粒子がセラミックス結合相より化学的に安定であるため被覆膜との界面での拡散反応が起こりにくい。さらにＣＢＮ粒子が機械的強度にも優れるため、陽イオンの打ち込みによる基材の表面粗さが得られないためアンカー効果も小さい。このため、従来の１μｍ以上の膜厚で、基材がＣＢＮ焼結体の場合は、超硬合金やサーメットに比べ密着力が出にくく、バイアス電圧を高くすると膜内部の全応力が高くなり切削時に被覆膜が剥離するので、通常１００Ｖ以下で成膜されていた。
しかし、本発明のように薄い被覆膜の場合には、高い内部圧縮応力を維持しながら被覆膜の全応力を制御することが可能であるため、バイアス電圧を上記より高くすることが望ましい。従って、本発明で用いるバイアス電圧は１００Ｖ〜３００Ｖの範囲が望ましい。
本発明の被覆膜は、単層でも複層でもよい。ただし最表面層を設ける場合は、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＣｒＮ、ＴｉＣ、ＨｆＣなどが望ましい。これはＣＢＮ焼結体が黒色であるのに対し、前記の膜は鮮やかな明色を呈するからである。最表面層を設けた本発明の被覆ＣＢＮ焼結体工具をマスプロダクションで使用する際に、寿命に達した工具またはコーナーと未使用の工具またはコーナーの区別が容易になり、工具管理が徹底できるからである。
以下、本発明の実施の形態を説明する。
超硬合金製ポットおよびボールを用いてＴｉＮとアルミニウムを８０：２０の重量比で混合した結合材粉末を得た。次に、この結合材とＣＢＮ粉末とを体積比で４０：６０となるように配合し、Ｍｏ製容器に充填し、圧力５０ｋｂ（５ＧＰａ）、温度１４５０℃で２０分間焼結した。焼結体の中には、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムと硼化アルミニウムと思われるアルミニウム化合物が含まれていた。この焼結体を切削工具用のチップの形状（型番ＳＮＧＮ１２０４０８）および溝入れ工具用のチップの形状（型番ＢＮＧＮＴ０２５０Ｒ）に加工した後、チップに真空アーク放電によるイオンプレーティング法で表１に示す被覆膜を被覆した。
成膜装置内は、複数個のターゲットを配置し、これらのターゲットの中心に設けた回転式基材保持具に上記チップを装着して成膜した。ターゲットとしては、被覆膜の金属分の成分と同じ組成としＴｉ０．５Ａｌ０．５、Ｔｉ０．３Ａｌ０．７、Ｔｉ０．７Ａｌ０．３、Ｔｉ０．６Ａｌ０．４およびＴｉなどを用いた。まず、成膜装置を１．３３×１０−３Ｐａ（１０−５ｔｏｒｒ）の真空度まで減圧し、Ａｒガスを導入して１．３３Ｐａ（１０−２ｔｏｒｒ）の雰囲気中でチップに−１０００Ｖの電圧を加えて洗浄した。次に、５００℃まで加熱し、Ａｒガスを排気した後反応ガスとしてＮ２ガスを導入し、チップに−１２０Ｖの電圧を加えて、真空アーク放電によりアーク電流１００Ａで前記のターゲットを蒸発イオン化させて被覆した。圧力は、１．３３Ｐａ（１０−２ｔｏｒｒ）とし、また、膜厚は被覆時間によって制御した。
被覆膜がＮに加えＣ、Ｏを含む膜の場合には、反応ガスとしてＮ２に加えＣＨ４、Ｏ２を用い、各々の流量の割合を調整してＣ、Ｎ、Ｏの割合を調整した。また、中間層、最表面層としてＴｉＮを被覆するが、そのときＴｉをターゲットとして配置し、上記と同じ要領で順次成膜した。このようにして得られた試料を表１に示す。被覆膜の結晶系は、立方晶型の結晶構造であった。
表１において試料Ｎｏ．９、１０、２１および２２は、基材と耐摩耗層の間に膜厚０．０５μｍのＴｉＮからなる中間層を設けたもので、中間層は被覆膜の接合強度を高める働きがある。また、試料Ｎｏ．１、１０、２１、２７および２８は、最表面層のない被覆膜構造となっている。ＴｉＮからなる最表面層は、金色であり工具の使用済みのコーナーを識別しやすいので被覆されている。試料Ｎｏ．１５〜１８において、被覆膜は炭窒化物や酸窒化物を用いている。また試料Ｎｏ．１９、２０および２５は、Ｔｉのみを金属元素とする被覆膜である。また、試料２７、２８はＴｉ、Ａｌに加えてＳｉやＢを添加したものである。なお試料２６は、市販の被覆膜なしの工具である。
（切削試験１）
表１に記載されているチップを用いて、油穴が加工されている被削材を１０分間切削して断続切削試験（断続度５０％）を実施した。被削材は、焼入れ鋼であるＳＣｒ４２０Ｈ（ＪＩＳ規格）を硬度ＨＲｃ６０に調整したものを用いた。なお、断続度とは被削材の送り方向において、切削する部分の長さに対する空転部分の長さの割合を意味する。本切削試験の断続度５０％では、被削材の切削される長さに対して半分の長さが断続切削であったという意味である。本発明の材料は、断続切削と連続切削が混在する被削材の切削に好適である。被削材全体にスプライン溝などがある場合は、断続度１００％となる。
表１に記載されているチップを用いて、油穴が加工されている被削材を１０分間切削して断続切削試験（断続度５０％）を実施した。被削材は、焼入れ鋼であるＳＣｒ４２０Ｈ（ＪＩＳ規格）を硬度ＨＲｃ６０に調整したものを用いた。なお、断続度とは被削材の送り方向において、切削する部分の長さに対する空転部分の長さの割合を意味する。本切削試験の断続度５０％では、被削材の切削される長さに対して半分の長さが断続切削であったという意味である。本発明の材料は、断続切削と連続切削が混在する被削材の切削に好適である。被削材全体にスプライン溝などがある場合は、断続度１００％となる。
切削試験の条件は以下の通りである。
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ
送り ：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：０．２ｍｍ
切削方式：乾式
このようにして得られた結果を表２に示す。逃げ面摩耗と切削された面の面粗度を合わせて考慮し評価した結果が評価の欄に記載されている。このうち◎が最もよく、以下○、△、×と順次評価は悪くなる。この表示は、以下の切削試験においても同様である。この結果から、中間層と耐摩耗層と最表面層とを合わせた被覆膜の厚さが１μｍを越えるものおよび被覆膜のないものは、×または△の評価であった。ここで表中に示した面粗さＲｚは、被削材の表面を表面粗さ計で測定した粗さ曲線から基準長さを切り取り、その部分の山頂線と谷底線との間隔を粗さ曲線の縦方向に測定し、これをミクロン単位（１μｍ＝０．００１ｍｍ）で表したものを言い、ＪＩＳ（日本工業規格）Ｂ０６０１に定められている。（以下の実施例においても同じ）。
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ
送り ：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：０．２ｍｍ
切削方式：乾式
このようにして得られた結果を表２に示す。逃げ面摩耗と切削された面の面粗度を合わせて考慮し評価した結果が評価の欄に記載されている。このうち◎が最もよく、以下○、△、×と順次評価は悪くなる。この表示は、以下の切削試験においても同様である。この結果から、中間層と耐摩耗層と最表面層とを合わせた被覆膜の厚さが１μｍを越えるものおよび被覆膜のないものは、×または△の評価であった。ここで表中に示した面粗さＲｚは、被削材の表面を表面粗さ計で測定した粗さ曲線から基準長さを切り取り、その部分の山頂線と谷底線との間隔を粗さ曲線の縦方向に測定し、これをミクロン単位（１μｍ＝０．００１ｍｍ）で表したものを言い、ＪＩＳ（日本工業規格）Ｂ０６０１に定められている。（以下の実施例においても同じ）。
（切削試験２）
表１に記載されているチップを用いて、油穴が加工されている被削材を１０分間切削して断続切削試験（断続度５０％）した。被削材は、焼入れ鋼であるＳＣｒ４２０Ｈ（ＪＩＳ規格）を硬度ＨＲｃ６０に調整したもので、切削試験１と同じ形状をしたものを用いた。切削試験の条件は以下の通りである。
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ
送り ：０．０４ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：０．１ｍｍ
切削方式：乾式
表１に記載されているチップを用いて、油穴が加工されている被削材を１０分間切削して断続切削試験（断続度５０％）した。被削材は、焼入れ鋼であるＳＣｒ４２０Ｈ（ＪＩＳ規格）を硬度ＨＲｃ６０に調整したもので、切削試験１と同じ形状をしたものを用いた。切削試験の条件は以下の通りである。
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ
送り ：０．０４ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：０．１ｍｍ
切削方式：乾式
切削試験の条件は、切削試験１と比較すると、送りが小さく且つ切り込みも小さい高精度加工に属する条件である。このようにして得られた結果を表３に示す。表３によれば、膜厚が１．３μｍの試料Ｎｏ．５のものは剥離して使用できないことを示している。また、膜厚０．８μｍの試料Ｎｏ．４は、かろうじて使用できる程度であった。この理由はおそらく、切削試験１と比較すると送り量が小さくなったため、比切削抵抗が増加し、かつ被覆膜内で受ける切削応力の割合が高くなったためと考えられる。
（切削試験３）
表１に記載されているチップを用いて、被削材を２０分間切削して連続切削試験した。被削材は、焼入れ鋼であるＳＣｒ４２０Ｈ（ＪＩＳ規格）を硬度ＨＲｃ６０に調整したものを用いた。切削試験の条件は以下の通りである。
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ
送り ：０．０４ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：０．０５ｍｍ
切削方式：乾式
表１に記載されているチップを用いて、被削材を２０分間切削して連続切削試験した。被削材は、焼入れ鋼であるＳＣｒ４２０Ｈ（ＪＩＳ規格）を硬度ＨＲｃ６０に調整したものを用いた。切削試験の条件は以下の通りである。
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ
送り ：０．０４ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：０．０５ｍｍ
切削方式：乾式
切削試験２よりも、さらに切り込みを半分にした条件で切削試験した。この切削試験は、連続切削なので工具の性能差を把握するために切削時間を２０分間に延長した。このようにして得られた結果を表４に示す。この結果からいえることは、中間層と耐摩耗層と最表面層とを合わせた被覆膜の厚さが１μｍを越えるものおよび被覆膜のないものは、×または△の評価であった。本発明の工具を使用することで、従来では研削でしか達成できないとされていた１．６Ｓ加工（Ｒｚ＝１．６μｍ以下）を切削により実現することができた。
（切削試験４）
表１に記載されているチップを用いて、切削試験１と同様に切削試験した。ここでは、同じ試料Ｎｏ．のチップで０．０２ｍｍ／ｒｅｖと０．１５ｍｍ／ｒｅｖの２種類の送り量を採用して、被削材を２０分間連続切削して比較した。被削材は、焼入れ鋼であるＳＣｒ４２０Ｈ（ＪＩＳ規格）を硬度ＨＲｃ６０に調整したものを用いた。切削試験の条件は以下の通りである。
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ
送り ：表５に記載の通り。
切り込み：０．２ｍｍ
切削方式：乾式
表１に記載されているチップを用いて、切削試験１と同様に切削試験した。ここでは、同じ試料Ｎｏ．のチップで０．０２ｍｍ／ｒｅｖと０．１５ｍｍ／ｒｅｖの２種類の送り量を採用して、被削材を２０分間連続切削して比較した。被削材は、焼入れ鋼であるＳＣｒ４２０Ｈ（ＪＩＳ規格）を硬度ＨＲｃ６０に調整したものを用いた。切削試験の条件は以下の通りである。
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ
送り ：表５に記載の通り。
切り込み：０．２ｍｍ
切削方式：乾式
このようにして得られた結果を表５に示す。表の上から順に試料Ｎｏ．３、４、５、６および８の被覆膜は、被覆膜の厚さの薄いものの順になっていて順に０．４μｍ、０．８μｍ、１．３μｍ、２．１μｍ、１０．１μｍとなっている。被覆膜の薄い試料Ｎｏ．３のものは、０．０２ｍｍ／ｒｅｖの小さな送りでも０．１５ｍｍ／ｒｅｖの送りでも高い評価を得ていて、厚くなるに従い評価が悪くなっていることを示す。
（切削試験５）
この切削試験では、溝入れ加工による切削試験を行った。表１に記載されているチップを用いて、被削材に１２０個の溝を加工して性能評価した。被削材は、焼入れ鋼であるＳＣｒ４２０Ｈ（ＪＩＳ規格）を硬度ＨＲｃ６３に調整したものを用いた。切削試験の条件は以下の通りである。
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ
送り ：０．０２ｍｍ／ｒｅｖ
溝の深さ：０．８ｍｍ
切削方式：乾式
この切削試験では、溝入れ加工による切削試験を行った。表１に記載されているチップを用いて、被削材に１２０個の溝を加工して性能評価した。被削材は、焼入れ鋼であるＳＣｒ４２０Ｈ（ＪＩＳ規格）を硬度ＨＲｃ６３に調整したものを用いた。切削試験の条件は以下の通りである。
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ
送り ：０．０２ｍｍ／ｒｅｖ
溝の深さ：０．８ｍｍ
切削方式：乾式
このようにして得られた結果を表６に示す。ＣＢＮ工具による焼入れ鋼の溝入れ加工は、通常の切削加工より送りが小さく、特に溝の底部を切削するときはいわゆる「ゼロ切削」の状態となり、膜にかかる負荷が通常の旋削より大きい。溝入れ加工においても、被覆膜は薄い方が逃げ面摩耗、膜損傷共に優れている。１μｍ未満の膜厚を持つチップの性能は特に優れている。
（切削試験６）
この切削試験では、切削試験５と同様に溝入れ加工により評価した。表１に記載されているチップを用いて、被削材に１２０個の溝を加工して性能評価した。被削材は、送り方向にスプライン溝を有す断続度１００％の形状で、焼入れ鋼であるＳＣｒ４２０Ｈ（ＪＩＳ規格）を硬度ＨＲｃ６３に調整したものを用いた。
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ
送り ：０．０２ｍｍ／ｒｅｖ
溝の深さ：０．８ｍｍ
切削方式：乾式
この切削試験では、切削試験５と同様に溝入れ加工により評価した。表１に記載されているチップを用いて、被削材に１２０個の溝を加工して性能評価した。被削材は、送り方向にスプライン溝を有す断続度１００％の形状で、焼入れ鋼であるＳＣｒ４２０Ｈ（ＪＩＳ規格）を硬度ＨＲｃ６３に調整したものを用いた。
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ
送り ：０．０２ｍｍ／ｒｅｖ
溝の深さ：０．８ｍｍ
切削方式：乾式
このようにして得られた結果を表７に示す。溝入れ加工の断続切削でもやはり、被覆膜が薄い方が逃げ面摩耗、膜損傷共に優れている。
結晶の配向性と平均粒径を変化させてその効果を調べた。実施例１と同様にして、工具用表面被覆高硬度材料からチップ形状（型番ＳＮＧＮ１２０４０８）に加工した。ただし、膜厚、Ｘ線の回折強度Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）、平均結晶粒径を種々変化させた。この実施例では、主として（Ｔｉ０．６Ａｌ０．４）Ｎを耐摩耗層とし、最表面層と中間層を設けない工具用表面被覆高硬度材料を作製した。バイアス電圧を高くすると、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）の値が小さくなる傾向がある。また平均結晶粒径は、バイアス電圧が高くなると小さくなり、また膜厚が薄くなると小さくなる傾向にある。このようにして得られた、チップの性質を表８に示す。
（切削試験７）
ここでは、表８に記載されているチップを用いて、１０分間の切削試験をした。被削材は、切削試験１で使用したものと同一の断続切削テスト用のものである。切削試験の条件は以下の通りである。
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ
送り ：０．１ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：０．２ｍｍ
切削方式：乾式
このようにして得られた結果を表９に示す。膜厚が０．５μｍ未満、回折強度Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）が３以下、平均粒径が１５０ｎｍ以下の試料Ｎｏ．４１、４２のものが特に優れていた。
ここでは、表８に記載されているチップを用いて、１０分間の切削試験をした。被削材は、切削試験１で使用したものと同一の断続切削テスト用のものである。切削試験の条件は以下の通りである。
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ
送り ：０．１ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：０．２ｍｍ
切削方式：乾式
このようにして得られた結果を表９に示す。膜厚が０．５μｍ未満、回折強度Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）が３以下、平均粒径が１５０ｎｍ以下の試料Ｎｏ．４１、４２のものが特に優れていた。
従来の表面被覆高硬度材料では十分な寿命が得られていなかった被覆膜への負荷が大きい用途、例えば、乾式はもとより湿式条件下での高硬度焼入れ鋼の断続切削や高精度加工分野において広く利用できる。さらに、本発明の材料を溝入れ工具に適用した場合、特に寿命延長効果が顕著に現れる。
［図１］トラバースカットにおける、切削断面積を説明する概念図である。
［図２］プランジカットにおける、切削断面積を説明する概念図である。
［図３］図２のＡ−Ａ断面図であって、本発明の切削工具を用いて、被削材をプランジカットしている状態を模式的に示した図である。
［図４］バイアス電圧と残留応力の関係を示すグラフである。
［図２］プランジカットにおける、切削断面積を説明する概念図である。
［図３］図２のＡ−Ａ断面図であって、本発明の切削工具を用いて、被削材をプランジカットしている状態を模式的に示した図である。
［図４］バイアス電圧と残留応力の関係を示すグラフである。
１ 基材
２ 被覆膜
３ 被削材
４ 丸み
５ 切粉
６ 溝壁
７ １回転前の基材位置
Ｆ 送り
２ 被覆膜
３ 被削材
４ 丸み
５ 切粉
６ 溝壁
７ １回転前の基材位置
Ｆ 送り
Claims (8)
- 立方晶窒化硼素焼結体（以下CBN焼結体）を基材として、
前記基材の表面に、（Ti 1-X Al X ）N、0.3≦X≦0.6で表される組成を有する被覆膜を厚さ0.1μm以上1μm未満で有し、
前記被覆膜のＸ線回折における(111)面の回折強度をI(111)、(200)面の回折強度をI(200)としたとき、0≦I(200)/I(111)≦3であることを特徴とする工具用表面被覆高硬度材料。 - 前記被覆膜が（Ti1-XAlX）N、0.3≦X≦0.45で表される組成を有することを特徴とする請求項１に記載の工具用表面被覆高硬度材料。
- 前記被覆膜を構成する結晶の平均粒径が50nm以上150nm未満であることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の工具用表面被覆高硬度材料。
- 前記被覆膜に含まれるTiの一部を、Si、BならびにTiを除く周期律表4a、5aおよび6a族遷移金属元素の中から選択される少なくとも１種の元素に置換し、置換された元素の被覆膜中の含有量が原子％で10％未満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工具用表面被覆高硬度材料。
- 前記工具用表面被覆高硬度材料の用途が溝入れ工具であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の工具用表面被覆高硬度材料。
- 基材が立方晶窒化硼素（CBN）粉末30〜90体積％と残部結合材からなる焼結体であって、残部結合材が周期律表第4a、5aおよび6a族元素の窒化物、炭化物、硼化物、酸化物ならびにこれらの固溶体からなる群の中から選択された少なくとも一種と、アルミニウム化合物と不可避不純物からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の工具用表面被覆高硬度材料。
- 前記被覆膜の合計の膜厚が0.1μm以上0.5μm未満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工具用表面被覆高硬度材料。
- 前記工具用表面被覆高硬度材料の用途が、焼入れ鋼の高精度加工用工具であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の工具用表面被覆高硬度材料。ここで高精度加工とは送り量0.08mm/rev以下の加工のことである。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2005511032A JP4714022B2 (ja) | 2003-06-27 | 2004-06-24 | 工具用表面被覆高硬度材料 |
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003185661 | 2003-06-27 | ||
| JP2003185661 | 2003-06-27 | ||
| JP2005511032A JP4714022B2 (ja) | 2003-06-27 | 2004-06-24 | 工具用表面被覆高硬度材料 |
| PCT/JP2004/008873 WO2005000508A1 (ja) | 2003-06-27 | 2004-06-24 | 工具用表面被覆高硬度材料 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPWO2005000508A1 JPWO2005000508A1 (ja) | 2006-07-27 |
| JP4714022B2 true JP4714022B2 (ja) | 2011-06-29 |
Family
ID=33549673
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2005511032A Active JP4714022B2 (ja) | 2003-06-27 | 2004-06-24 | 工具用表面被覆高硬度材料 |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US7524569B2 (ja) |
| EP (1) | EP1640089B1 (ja) |
| JP (1) | JP4714022B2 (ja) |
| KR (1) | KR100667639B1 (ja) |
| CN (2) | CN103231079B (ja) |
| CA (1) | CA2531028C (ja) |
| WO (1) | WO2005000508A1 (ja) |
Families Citing this family (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SE528789C2 (sv) * | 2004-09-10 | 2007-02-13 | Sandvik Intellectual Property | PVD-belagt skär av hårdmetall samt sätt att tillverka detta |
| SE528670C2 (sv) * | 2004-12-22 | 2007-01-16 | Sandvik Intellectual Property | Skär belagt med ett transparent färgskikt |
| JP2006247779A (ja) * | 2005-03-10 | 2006-09-21 | Tungaloy Corp | 被覆ｃＢＮ基焼結体切削工具 |
| JP2006281361A (ja) * | 2005-03-31 | 2006-10-19 | Kyocera Corp | 表面被覆部材および表面被覆切削工具 |
| EP1932816B1 (en) * | 2005-10-04 | 2015-11-18 | Sumitomo Electric Hardmetal Corp. | CBN SINTERED BODY FOR HIGH-QUALITY SURFACE ASPECT MACHINING AND CUTTING TOOL OF cBN SINTERED BODY |
| WO2007111301A1 (ja) * | 2006-03-28 | 2007-10-04 | Kyocera Corporation | 表面被覆工具 |
| CN101952070B (zh) * | 2008-01-29 | 2013-03-13 | 京瓷株式会社 | 切削工具 |
| DE102008019202A1 (de) * | 2008-04-17 | 2009-10-22 | Kennametal Inc. | Beschichtungsverfahren , Werkstück oder Werkzeug und dessen Verwendung |
| WO2011016488A1 (ja) * | 2009-08-04 | 2011-02-10 | 株式会社タンガロイ | 被覆部材 |
| IN2012DN03421A (ja) * | 2009-11-11 | 2015-10-23 | Tungaloy Corp | |
| US8409702B2 (en) * | 2011-02-07 | 2013-04-02 | Kennametal Inc. | Cubic aluminum titanium nitride coating and method of making same |
| US9103036B2 (en) | 2013-03-15 | 2015-08-11 | Kennametal Inc. | Hard coatings comprising cubic phase forming compositions |
| US9168664B2 (en) | 2013-08-16 | 2015-10-27 | Kennametal Inc. | Low stress hard coatings and applications thereof |
| US9896767B2 (en) | 2013-08-16 | 2018-02-20 | Kennametal Inc | Low stress hard coatings and applications thereof |
| EP3000913B1 (en) * | 2014-09-26 | 2020-07-29 | Walter Ag | Coated cutting tool insert with MT-CVD TiCN on TiAI(C,N) |
| JP6634647B2 (ja) * | 2014-11-27 | 2020-01-22 | 三菱マテリアル株式会社 | 耐チッピング性、耐摩耗性にすぐれた表面被覆切削工具 |
| US10570501B2 (en) | 2017-05-31 | 2020-02-25 | Kennametal Inc. | Multilayer nitride hard coatings |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08119774A (ja) * | 1994-10-27 | 1996-05-14 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 工具用複合高硬度材料 |
| JPH09104966A (ja) * | 1995-08-03 | 1997-04-22 | Kobe Steel Ltd | 硬質皮膜及び硬質皮膜被覆部材並びに切削工具 |
| JPH11131215A (ja) * | 1997-10-29 | 1999-05-18 | Hitachi Tool Eng Ltd | 被覆硬質工具 |
| JPH11131217A (ja) * | 1997-10-29 | 1999-05-18 | Hitachi Tool Eng Ltd | 被覆硬質工具 |
| JP2001293602A (ja) * | 2000-04-11 | 2001-10-23 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 切削工具とその製造方法および製造装置 |
Family Cites Families (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4714660A (en) * | 1985-12-23 | 1987-12-22 | Fansteel Inc. | Hard coatings with multiphase microstructures |
| SE453369C (sv) * | 1986-05-28 | 1989-08-08 | Vni Instrument Inst | Slitbestaendig belaeggning foer skaerverktyg och foerfarande foer paafoerande av belaeggningen |
| CH673071B5 (ja) * | 1988-06-24 | 1990-08-15 | Asulab Sa | |
| US5882777A (en) * | 1994-08-01 | 1999-03-16 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Super hard composite material for tools |
| JPH08206902A (ja) * | 1994-12-01 | 1996-08-13 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 切削用焼結体チップおよびその製造方法 |
| US5879823A (en) * | 1995-12-12 | 1999-03-09 | Kennametal Inc. | Coated cutting tool |
| PT1021584E (pt) | 1997-09-12 | 2004-04-30 | Unaxis Balzers Ag | Ferramenta com um sistema de camada protectora |
| CN1210434C (zh) * | 1997-09-12 | 2005-07-13 | 尤纳克西斯巴尔策斯公司 | 带有保护层系的刀具 |
| JP3370291B2 (ja) * | 1999-04-27 | 2003-01-27 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | 耐熱硬質被膜被覆工具 |
| US6599062B1 (en) * | 1999-06-11 | 2003-07-29 | Kennametal Pc Inc. | Coated PCBN cutting inserts |
| IL140024A0 (en) * | 1999-12-03 | 2002-02-10 | Sumitomo Electric Industries | Coated pcbn cutting tools |
| JP3599628B2 (ja) | 2000-02-25 | 2004-12-08 | 株式会社タンガロイ | 複合硬質膜被覆部材 |
| DE60038783D1 (de) * | 2000-03-09 | 2008-06-19 | Sulzer Metaplas Gmbh | Hartschichten auf Komponenten |
| JP3476749B2 (ja) * | 2000-06-14 | 2003-12-10 | 東芝タンガロイ株式会社 | 硬質膜被覆超高温高圧焼結体 |
| JP3637882B2 (ja) * | 2000-08-31 | 2005-04-13 | 住友電気工業株式会社 | 表面被覆窒化硼素焼結体工具 |
| ATE441737T1 (de) * | 2000-12-28 | 2009-09-15 | Kobe Steel Ltd | Target zur bildung einer hartschicht |
| ES2552056T3 (es) * | 2002-06-25 | 2015-11-25 | Mitsubishi Materials Corporation | Miembro de herramienta de corte revestida |
-
2004
- 2004-06-24 WO PCT/JP2004/008873 patent/WO2005000508A1/ja active Application Filing
- 2004-06-24 EP EP04746342.7A patent/EP1640089B1/en active Active
- 2004-06-24 JP JP2005511032A patent/JP4714022B2/ja active Active
- 2004-06-24 US US10/562,485 patent/US7524569B2/en active Active
- 2004-06-24 KR KR1020057024912A patent/KR100667639B1/ko active IP Right Grant
- 2004-06-24 CN CN201310165646.0A patent/CN103231079B/zh active Active
- 2004-06-24 CA CA002531028A patent/CA2531028C/en active Active
- 2004-06-24 CN CNA2004800174192A patent/CN1809436A/zh active Pending
-
2009
- 2009-01-16 US US12/355,021 patent/US7794860B2/en active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08119774A (ja) * | 1994-10-27 | 1996-05-14 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 工具用複合高硬度材料 |
| JPH09104966A (ja) * | 1995-08-03 | 1997-04-22 | Kobe Steel Ltd | 硬質皮膜及び硬質皮膜被覆部材並びに切削工具 |
| JPH11131215A (ja) * | 1997-10-29 | 1999-05-18 | Hitachi Tool Eng Ltd | 被覆硬質工具 |
| JPH11131217A (ja) * | 1997-10-29 | 1999-05-18 | Hitachi Tool Eng Ltd | 被覆硬質工具 |
| JP2001293602A (ja) * | 2000-04-11 | 2001-10-23 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 切削工具とその製造方法および製造装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP1640089A4 (en) | 2008-07-16 |
| CN103231079B (zh) | 2017-09-29 |
| US7524569B2 (en) | 2009-04-28 |
| CA2531028C (en) | 2009-07-14 |
| EP1640089A1 (en) | 2006-03-29 |
| US20090181243A1 (en) | 2009-07-16 |
| US7794860B2 (en) | 2010-09-14 |
| KR20060024442A (ko) | 2006-03-16 |
| JPWO2005000508A1 (ja) | 2006-07-27 |
| CN103231079A (zh) | 2013-08-07 |
| US20060182998A1 (en) | 2006-08-17 |
| CN1809436A (zh) | 2006-07-26 |
| WO2005000508A1 (ja) | 2005-01-06 |
| CA2531028A1 (en) | 2005-01-06 |
| KR100667639B1 (ko) | 2007-01-12 |
| EP1640089B1 (en) | 2017-07-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4714022B2 (ja) | 工具用表面被覆高硬度材料 | |
| JP5008984B2 (ja) | 表面被覆切削工具および表面被覆切削工具の製造方法 | |
| KR100215265B1 (ko) | 피복된 경합금 공구 | |
| EP1260611B1 (en) | Cutting tool and tool with holder | |
| EP1726390B1 (en) | Surface-coated cutting tool | |
| WO2005053887A1 (ja) | 表面被覆切削工具 | |
| US20070275268A1 (en) | Cutting tool made of surface-coated cubic boron nitride-based ultra-high-pressure sintered material | |
| JP2002144110A (ja) | 表面被覆窒化硼素焼結体工具 | |
| WO2005105348A1 (ja) | 表面被覆立方晶窒化硼素焼結体工具およびその製造方法 | |
| JP2006192545A (ja) | 表面被覆切削工具およびその製造方法 | |
| WO2007111293A1 (ja) | 切削工具およびその製造方法 | |
| JP2008238281A (ja) | 被覆工具 | |
| JP2006082209A (ja) | 表面被覆切削工具 | |
| JP4721281B2 (ja) | 耐酸化性皮膜及びその皮膜を被覆した部材 | |
| JP2005271133A (ja) | 被覆切削工具 | |
| JP5053561B2 (ja) | 切削工具およびその製造方法 | |
| JP2001179506A (ja) | 複合高硬度工具 | |
| JP2004136430A (ja) | 被覆工具 | |
| JP3198636B2 (ja) | 傾斜硬質層被覆超硬合金製切削工具 | |
| JP2005022071A (ja) | 硬質膜被覆ドリル | |
| JP3859658B2 (ja) | 表面被覆スローアウェイチップ | |
| JP4456905B2 (ja) | 表面被覆切削工具 | |
| EP4035813A1 (en) | Drill | |
| JP2001220268A (ja) | 被覆立方晶窒化硼素焼結体工具 | |
| JP2008137130A (ja) | 表面被覆切削工具 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711 Effective date: 20060608 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20060608 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20080818 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20081007 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20090820 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20091120 |
|
| A911 | Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20100113 |
|
| A912 | Re-examination (zenchi) completed and case transferred to appeal board |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A912 Effective date: 20100702 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20110214 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20110325 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 4714022 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |