JP4748447B2 - 硬質難削材の高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具 - Google Patents

Description

この発明は、硬質被覆層がすぐれた耐熱性、高温硬さ、高温強度および潤滑性を具備し、したがって、軸受鋼やマンガン鋼の焼入れ材などの硬質難削材の高熱発生を伴う高速切削加工に用いた場合にも、すぐれた耐チッピング性を発揮する、立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料で構成された切削工具基体の表面に硬質被覆層を形成した表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具（以下、被覆ｃＢＮ基焼結工具という）に関するものである。

一般に、被覆ｃＢＮ基焼結工具には、各種の鋼や鋳鉄などの被削材の旋削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スローアウエイチップや、前記スローアウエイチップを着脱自在に取り付けて、面削加工や溝加工、さらに肩加工などに用いられるソリッドタイプのエンドミルと同様に切削加工を行うスローアウエイエンドミルなどが知られている。

また、被覆ｃＢＮ基焼結工具としては、各種の立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料（以下、ｃＢＮ基焼結材料という）で構成された工具本体の表面に、チタン窒化物（ＴｉＮ）層、ＴｉとＡｌの複合窒化物層、ＣｒとＳｉの複合窒化物層、ＴｉとＣｒとＳｉの複合窒化物層などの表面被覆層を蒸着形成してなる被覆ｃＢＮ基焼結工具が知られており、これらが例えば各種の鋼や鋳鉄などの切削加工に用いられていることも知られている。

さらに、上記の被覆ｃＢＮ基焼結工具が、例えば図１に概略説明図で示される物理蒸着装置の１種であるアークイオンプレーティング装置に上記の工具基体を装入し、ヒータで装置内を、例えば５００℃に加熱した状態で、金属Ｔｉや、それぞれ所定の組成を有するＴｉ−Ａｌ合金、Ｃｒ−Ｓｉ合金、Ｔｉ−Ｃｒ−Ｓｉ合金などからなるカソード電極（蒸発源）と、アノード電極との間に、例えば９０Ａの電流を印加してアーク放電を発生させ、同時に装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して、例えば２Ｐａの反応雰囲気とし、一方前記工具基体には、たとえば−１００Ｖのバイアス電圧を印加した条件で、前記工具基体の表面に、ＴｉＮ層や、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層、（Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎ層あるいは（Ｔｉ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎ層など、所望の成分組成の層を蒸着形成することにより製造されることも知られている。
特開平７−３００６４９号公報

近年の切削加工装置の高性能化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴い、切削加工は高速化の傾向にあるが、上記の各種の従来被覆ｃＢＮ基焼結工具においては、これを、各種の炭素鋼や低合金鋼、さらに鋳鉄などの通常の切削加工に用いた場合には、特に問題はない。しかし、これを、軸受鋼やマンガン鋼の焼入れ材などのビッカース硬さ（Ｃスケール）で５０以上の高い硬さを有し、しかも、粘性の高い被削材（硬質難削材）の切削加工に用いた場合、特に、高熱発生を伴う高速切削加工条件下で用いた場合には、硬質被覆層の潤滑性不足のため切粉が切刃部に溶着しやすくなり、これが原因で、切刃部にチッピング（微少欠け）が発生したりする結果、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、特に軸受鋼の焼入れ材などの高硬度かつ高粘性の硬質難削材の高速切削加工で、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する被覆ｃＢＮ基焼結工具を開発すべく研究を行った結果、
(ａ) 硬質被覆層を構成するＴｉとＣｒとＳｉの複合窒化物（［Ｔｉ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｃｒ_ＸＳｉ_Ｙ］Ｎ）層は、Ｃｒの含有割合Ｘ（原子比）の値が、０．０３〜０．５０、Ｓｉの含有割合Ｙ（原子比）の値が、０．０１〜０．０５の範囲内において所定の耐熱性、高温硬さ及び高温強度を有し、通常の切削加工条件下において必要とされる耐摩耗性は具備しているが、高熱の発生を伴う硬質難削材の高速切削加工においては、ＴｉとＣｒとＳｉの複合窒化物（［Ｔｉ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｃｒ_ＸＳｉ_Ｙ］Ｎ）層からなる硬質被覆層は潤滑性（耐溶着性）が不足するために、溶着、チッピングを発生しやすいこと。

（ｂ）一方、組成式：［Ｃｒ_１−ＺＳｉ_Ｚ］Ｎ（Ｚは原子比で０．０１〜０．１）で表されるＣｒとＳｉの複合窒化物層はすぐれた潤滑性（耐溶着性）を有しているが、耐熱性、高温硬さ、高温強度が十分とはいえないことから、高い発熱を伴う硬質難削材の高速切削加工においては、硬質被覆層を、ＣｒとＳｉの複合窒化物［Ｃｒ_１−ＺＳｉ_Ｚ］Ｎ（ただし、原子比で、Ｚは０．０１〜０．１）層のみで構成しても十分な耐摩耗性を具備するとはいえないこと。

（ｃ）上記（ａ）のＣｒの含有割合Ｘが、３〜５０原子％、Ｓｉの含有割合Ｙが１〜５原子％の耐熱性、高温硬さ及び高温強度を有する［Ｔｉ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｃｒ_ＸＳｉ_Ｙ］Ｎ（ただし、それぞれ原子比で、Ｘは０．０３〜０．５０、Ｙは０．０１〜０．０５）層（以下、薄層Ａという）と、前記薄層Ａに比べれば耐熱性、高温硬さ及び高温強度は劣るものの、その一方で、すぐれた潤滑性（耐溶着性）を有するＣｒとＳｉの複合窒化物［Ｃｒ_１−ＺＳｉ_Ｚ］Ｎ（Ｚは原子比で０．０１〜０．１）層（以下、薄層Ｂという）を、それぞれの一層平均層厚を０．０１〜０．３μｍの薄層とした状態で交互積層して硬質被覆層の上部層を構成すると、この交互積層構造の硬質被覆層は、薄層Ａのもつすぐれた耐熱性、高温硬さとともに、薄層Ｂのもつすぐれた潤滑性（耐溶着性）とを相兼ね備えるようになり、しかも、薄層Ａと薄層Ｂとは密着性にすぐれることから各薄層間の接合強度も大であり、上部層全体として、また、硬質被覆層全体としてすぐれた高温強度を有すること。
以上（ａ）〜（ｃ）に示される研究結果を得たのである。

この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、
窒化ほう素を３０〜９５質量％含有する超高圧焼結材料製インサートの表面に、硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具において、
（ａ）硬質被覆層は、１．５〜６μｍの平均層厚を有する下部層と０．３〜３μｍの平均層厚を有する上部層とからなり、
（ｂ）硬質被覆層の下部層は、蒸着形成された、
組成式：［Ｔｉ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｃｒ_ＸＳｉ_Ｙ］Ｎ（ただし、いずれも原子比で、Ｘは０．０３〜０．５０、Ｙは０．０１〜０．０５を示す）を満足するＴｉとＣｒとＳｉの複合窒化物層、
（ｃ）硬質被覆層の上部層は、下部層の表面に蒸着形成された、いずれも一層平均層厚がそれぞれ０．０１〜０．３μｍの薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造を有し、
上記薄層Ａは、
組成式：［Ｔｉ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｃｒ_ＸＳｉ_Ｙ］Ｎ（ただし、いずれも原子比で、Ｘは０．０３〜０．５０、Ｙは０．０１〜０．０５を示す）を満足するＴｉとＣｒとＳｉの複合窒化物層、
上記薄層Ｂは、
組成式：［Ｃｒ_１−ＺＳｉ_Ｚ］Ｎ（ただし、Ｚは、原子比で、０．０１〜０．１を示す）を満足するＣｒとＳｉの複合窒化物層、
からなる硬質被覆層を蒸着形成してなる、軸受鋼やマンガン鋼の焼入れ材などのように高硬度かつ高粘性の硬質難削材の高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具（被覆ｃＢＮ基焼結工具）に特徴を有するものである。

つぎに、この発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具の硬質被覆層に関し、上記のとおりに数値限定した理由を説明する。
（ａ）窒化ほう素（ｃＢＮ）の含有量
超高圧焼結材料製インサート中の窒化ほう素（ｃＢＮ）含有量が３０質量％より少なくなると、ｃＢＮ焼結材料の硬さが低下し、超高圧焼結材料製インサートを用いて高硬度かつ高粘性の硬質難削材の高速切削加工を行うに際し、最小限必要とされる硬さを備えることができなくなり、耐摩耗性が低下し、一方、窒化ほう素（ｃＢＮ）含有量が９５質量％より多くなると、ｃＢＮ焼結材料と硬質被覆層の密着強度を確保しにくくなり、その結果硬質被覆層の剥離が生じやすくなるため、この発明では、窒化ほう素（ｃＢＮ）含有量を３０〜９５質量％と定めた。

（ｂ）下部層を構成する硬質被覆層
下部層を構成するＴｉとＣｒとＳｉの複合窒化物（［Ｔｉ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｃｒ_ＸＳｉ_Ｙ］Ｎ）層におけるＴｉ成分は耐熱性の保持、Ｃｒ成分は高温強度の維持、また、Ｓｉ成分は高温硬さの向上にそれぞれ寄与することから、硬質被覆層の下部層を構成するＴｉとＣｒとＳｉの複合窒化物（［Ｔｉ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｃｒ_ＸＳｉ_Ｙ］Ｎ）層は、所定の耐熱性、高温強度と高温硬さを具備する層であって、硬質難削材の高速切削加工時における切刃部の耐摩耗性を確保する役割を基本的に担う。ただ、Ｃｒの含有割合Ｘが５０原子％を超えると下部層の高温強度は向上するものの、Ｔｉ含有割合の相対的な減少によって、耐熱性が低下し、一方、Ｃｒの含有割合Ｘが３原子％未満になると、高温強度が低下しチッピングを発生しやすくなるので、Ｃｒの含有割合Ｘの値を０．０３〜０．５０と定めた。また、Ｓｉの含有割合Ｙが５原子％を超えると、下部層の高温硬さが大となり耐摩耗性は向上するものの、Ｔｉの含有割合の相対的な減少によって、耐熱性が低下し、一方、Ｓｉの含有割合Ｙが１原子％未満になると、高温硬さが低下し、硬質難削材の高速切削加工時における切刃部の摩耗進行が急激に促進するようになり、耐摩耗性を十分に確保できなくなることから、Ｓｉの含有割合Ｙの値を０．０１〜０．０５と定めた。
また、下部層の平均層厚が１．５μｍ未満では、自身のもつ耐熱性、高温硬さおよび高温強度を硬質被覆層に長期に亘って付与できず、工具寿命短命の原因となり、一方その平均層厚が６μｍを越えると、チッピングが発生し易くなることから、その平均層厚を１．５〜６μｍと定めた。
なお、超高圧焼結材料製インサート基体と下部層との十分な密着性を確保するために、基体と下部層との間にチタン窒化物（ＴｉＮ）の薄層を介在させることができる。該ＴｉＮの薄層は、その層厚が０．０１μｍ未満では密着性改善の効果が少なく、一方、０．５μｍを超えた層厚としても密着性の更なる向上が期待できるわけではないことから、基体と下部層との間に介在させるＴｉＮ層の層厚は０．０１μｍ以上０．５μｍ以下とすることが望ましい。

（ｃ）上部層の薄層Ａ
上部層の薄層Ａを構成するＴｉとＣｒとＳｉの複合窒化物（［Ｔｉ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｃｒ_ＸＳｉ_Ｙ］Ｎ）層（ただし、それぞれ原子比で、Ｘは０．０３〜０．５０、Ｙは０．０１〜０．０５を示す）は、下部層と実質同様の層であって、所定の耐熱性、高温硬さおよび高温強度を具備し、硬質難削材の高速切削加工時における切刃部の耐摩耗性を確保する作用を有する。

（ｄ）上部層の薄層Ｂ
組成式：［Ｃｒ_１−ＺＳｉ_Ｚ］Ｎ（ただし、Ｚは、原子比で、０．０１〜０．１を示す）を満足するＣｒとＳｉの複合窒化物層からなる薄層Ｂは、薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造からなる上部層において、云わば、薄層Ａに不足する特性（潤滑性，耐溶着性）を補うことを主たる目的とするものである。
すでに述べたように、上部層の薄層Ａは、所定の耐熱性、高温硬さと高温強度を有する層であるが、高硬度かつ高粘性の硬質難削材の高い発熱を伴う高速切削加工という条件下では、その潤滑性が十分とはいえない。
そこで、上部層の薄層Ｂとして、すぐれた潤滑性を有すると同時に、薄層Ａとの密着性にすぐれたＣｒとＳｉの複合窒化物（［Ｃｒ_１−ＺＳｉ_Ｚ］Ｎ（Ｚは、原子比で、０．０１〜０．１））層を、薄層Ａと交互に配し交互積層構造を構成することで、隣接する薄層Ａの潤滑性不足を補い、かつ密着性の良い薄層Ｂを介して交互積層構造を構成することで各層の接合強度を高め、その結果として、上部層全体として、また、硬質被覆層全体としての強度を高め、もって、前記薄層Ａのもつすぐれた耐熱性、高温硬さを何ら損なうことなく、前記薄層Ｂのもつすぐれた潤滑性（耐溶着性）を備え、さらに、より一段と向上した高温強度を備えた上部層を形成する。
ＣｒとＳｉの複合窒化物層（［Ｃｒ_１−ＺＳｉ_Ｚ］Ｎ層）におけるＣｒ成分は潤滑性の向上に寄与し、また、Ｓｉ成分は［Ｔｉ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｃｒ_ＸＳｉ_Ｙ］Ｎからなる薄層Ａとの密着強度の向上に寄与することから、薄層Ｂを構成するＣｒとＳｉの複合窒化物層（［Ｃｒ_１−ＺＳｉ_Ｚ］Ｎ（Ｚは、原子比で０．０１〜０．１）層）は、すぐれた潤滑性とともにすぐれた密着性を具備する層であって、硬質難削材の高速切削加工時における切刃部への切粉の溶着を防止し、ピッチングの発生を防止する作用をもたらす。ただ、Ｓｉの含有割合Ｚが１０原子％を超えると、薄層Ａと薄層Ｂを密着接合する強度は大となるもののＣｒ含有割合の減少によって潤滑性が低下するようになり、一方、Ｓｉの含有割合Ｚが１原子％未満になると、潤滑性にはすぐれるものの薄層Ａと薄層Ｂの間の密着強度の向上を期待できなくなるため、Ｓｉの含有割合Ｚの値は０．０１〜０．１と定めた。

（ｅ）上部層の薄層Ａと薄層Ｂの一層平均層厚、上部層の平均層厚
上部層の薄層Ａと薄層Ｂ、それぞれの一層平均層厚が０．０１μｍ未満ではそれぞれの薄層の備えるすぐれた特性を発揮することができず、この結果、上部層にすぐれた耐熱性、高温硬さ、高温強度および潤滑性（耐溶着性）を確保することができなくなり、またそれぞれの一層平均層厚が０．３μｍを越えるとそれぞれの薄層がもつ欠点、すなわち薄層Ａであれば潤滑性の不足、薄層Ｂであれば耐熱性、高温硬さおよび高温強度の不足が層内に局部的に現れるようになり、これが原因でチッピングが発生したり、摩耗が急速に進行するようになることから、それぞれの一層平均層厚は０．０１〜０．３μｍと定めた。
すなわち、薄層Ｂは、上部層に潤滑性（耐溶着性）を付与するために設けられたものであるが、薄層Ａ、薄層Ｂそれぞれの一層平均層厚が０．０１〜０．３μｍの範囲内であれば、薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造からなる上部層は、すぐれた耐熱性、高温硬さ、高温強度に加えて、すぐれた潤滑性（耐溶着性）を具備したあたかも一つの層であるかのように作用するが、薄層Ａ、薄層Ｂそれぞれの一層平均層厚が０．３μｍを越えると、薄層Ａの潤滑性不足、あるいは、薄層Ｂの耐熱性、高温硬さおよび高温強度不足が層内に局部的に現れるようになり、上部層が全体として一つの層としての良好な特性を呈することができなくなるため、薄層Ａ、薄層Ｂそれぞれの一層平均層厚を０．０１〜０．３μｍと定めた。
薄層Ａと薄層Ｂの一層平均層厚を０．０１〜０．３μｍの範囲内とした交互積層構造からなる上部層を下部層表面に形成することにより、優れた耐熱性、高温硬さ、高温強度とともに優れた潤滑性（耐溶着性）を兼ね備えた硬質被覆層が得られる。
また、上部層の合計平均層厚（即ち、交互積層構造を構成する薄層Ａと薄層Ｂの各層の平均層厚を合計した層厚）は、０．３μｍ未満では、硬質難削材の高速切削加工で必要とされる十分な耐熱性、高温硬さ、高温強度および潤滑性（耐溶着性）を上部層に付与することができず、工具寿命短命の原因となり、一方その平均層厚が３μｍを越えると、チッピングが発生し易くなることから、その平均層厚は０．３〜３μｍと定めた。

なお、この発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具では、最外表面の被覆層の層厚のちがいによって、それぞれ微妙に異なる干渉色を生じ、工具外観が不揃いとなることがある。このような場合には、最外表面に、Ｔｉ窒化物（ＴｉＮ）層またはＴｉとＳｉの複合窒化物（ＴｉＳｉＮ）層を厚く蒸着形成することによって、工具外観の不揃いを防止することができる。その際、ＴｉＮ層またはＴｉＳｉＮ層の平均層厚が０．２μm未満では外観の不揃いを防止することはできず、また、２μmまでの平均層厚があれば外観の不揃いを十分防止できることから、Ｔｉ窒化物（ＴｉＮ）層またはＴｉとＳｉの複合窒化物（ＴｉＳｉＮ）層の平均層厚は０．２〜２μmとすればよい。

また、この発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具基体の表面粗度は、Ｒａで０．０５以上１．０以下であることが望ましい。表面粗度Ｒａが０．０５以上であれば、アンカー効果による基体と硬質被覆層との付着強度の向上が期待でき、一方、Ｒａが１．０を超えるようになると、被削材の仕上げ面精度に悪影響を及ぼすようになるためである。

この発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具は、硬質被覆層が上部層と下部層からなり、硬質被覆層の上部層を薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造とすることによってすぐれた耐熱性、高温硬さ、高温強度とともにすぐれた潤滑性（耐溶着性）をも兼ね備えることから、特に軸受鋼やマンガン鋼の焼入れ材などのように高硬度かつ高粘性の硬質難削材の高熱発生を伴う高速切削加工でも、前記硬質被覆層にチッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するものである。

つぎに、この発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具を実施例により具体的に説明する。

原料粉末として、いずれも０．５〜４μｍの範囲内の平均粒径を有する立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）粉末、炭化チタン（ＴｉＣ）粉末、窒化チタン（ＴｉＮ）粉末、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）粉末、炭化タングステン（ＷＣ）粉末、Ａｌ粉末、Ｃｏ粉末、ＴｉとＡｌの金属間化合物粉末であるＴｉ_３Ａｌ粉末、ＴｉＡｌ粉末、およびＴｉＡｌ_３粉末、さらに組成式：Ｔｉ_２ＡｌＮを有する複合金属窒化物粉末、ＴｉＢ_２粉末、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末、硼化アルミニウム（ＡｌＢ_２）粉末、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）粉末を用意し、これら原料粉末を表１に示される配合組成に配合し、ボールミルで８０時間湿式混合し、乾燥した後、１２０ＭＰａの圧力で直径：５０ｍｍ×厚さ：１．５ｍｍの寸法をもった圧粉体にプレス成形し、ついでこの圧粉体を、圧力：１Ｐａの真空雰囲気中、９００〜１３００℃の範囲内の所定温度に６０分間保持の条件で焼結して切刃片用予備焼結体とし、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：１２００〜１４００℃の範囲内の所定温度に保持時間：０．８時間の条件で超高圧焼結し、焼結後上下面をダイヤモンド砥石を用いて研磨し、ワイヤー放電加工装置にて一辺３ｍｍの正三角形状に分割し、さらにＣｏ：５質量％、ＴａＣ：５質量％、ＷＣ：残りの組成およびＣＩＳ規格ＳＮＧＡ１２０４１２の形状（厚さ：４．７６mm×一辺長さ：１２．７mmの正三角形）をもったＷＣ基超硬合金製チップ本体のろう付け部（コーナー部）に、質量％で、Ｃｕ：３０％、Ｚｎ：２８％、Ｎｉ：２％、Ａｇ：残りからなる組成を有するＡｇ合金のろう材を用いてろう付けし、所定寸法に外周加工した後、切刃部に幅：０．１５ｍｍ、角度：２５°のホーニング加工を施し、さらに仕上げ研摩を施すことによりＩＳＯ規格ＳＮＧＡ１２０４１２のチップ形状をもった工具基体Ａ〜Ｊをそれぞれ製造した。

（ａ）ついで、上記の工具基体Ａ〜Ｊのそれぞれを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図１に示される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し、一方側のカソード電極（蒸発源）として、それぞれ表２に示される目標組成に対応した成分組成をもった上部層の薄層Ｂ形成用Ｃｒ−Ｓｉ合金を、また、他方側のカソード電極（蒸発源）として、同じくそれぞれ表２に示される目標組成に対応した成分組成をもった上部層の薄層Ａおよび下部層形成用Ｔｉ−Ｃｒ−Ｓｉ合金を前記回転テーブルを挟んで対向配置し、
（ｂ）まず、装置内を排気して０．１Ｐａ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、Ａｒガスを導入して、０．７Ｐａの雰囲気とすると共に、前記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し、
（ｃ）装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して３Ｐａ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−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ前記薄層Ａおよび下部層形成用Ｔｉ−Ｃｒ−Ｓｉ合金とアノード電極との間に１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、もって前記工具基体の表面に、表２に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎ層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成し、
（ｄ）ついで装置内に導入する反応ガスとしての窒素ガスの流量を調整して２Ｐａ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−１０〜−１００Ｖの範囲内の所定の直流バイアス電圧を印加した状態で、前記薄層Ｂ形成用Ｃｒ−Ｓｉ合金のカソード電極とアノード電極との間に５０〜２００Ａの範囲内の所定の電流を流してアーク放電を発生させて、前記工具基体の表面に所定層厚の薄層Ｂを形成し、前記薄層Ｂ形成後、アーク放電を停止し、代って前記薄層Ａおよび下部層形成用Ｔｉ−Ｃｒ−Ｓｉ合金のカソード電極とアノード電極間に同じく５０〜２００Ａの範囲内の所定の電流を流してアーク放電を発生させて、所定層厚の薄層Ａを形成した後、アーク放電を停止し、再び前記薄層Ｂ形成用Ｃｒ−Ｓｉ合金のカソード電極とアノード電極間のアーク放電による薄層Ｂの形成と、前記薄層Ａおよび下部層形成用Ｔｉ−Ｃｒ−Ｓｉ合金のカソード電極とアノード電極間のアーク放電による薄層Ａの形成を交互に繰り返し行い、もって前記工具基体の表面に、層厚方向に沿って表２に示される目標組成および一層目標層厚の薄層Ａと薄層Ｂの交互積層からなる上部層を同じく表２に示される合計層厚（平均層厚）で蒸着形成することにより、本発明被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜９をそれぞれ製造した。

また、比較の目的で、上記の工具基体Ａ〜Ｊのそれぞれを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図２に示される通常のアークイオンプレーティング装置に装入し、カソード電極（蒸発源）として、それぞれ表３に示される目標組成に対応した成分組成をもったＴｉ−Ｃｒ−Ｓｉ合金を装着し、まず、装置内を排気して０．１Ｐａ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、Ａｒガスを導入して、０．７Ｐａの雰囲気とすると共に、前記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し、ついで装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して３Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記工具基体に印加するバイアス電圧を−１００Ｖに下げて、前記Ｔｉ−Ｃｒ−Ｓｉ合金のカソード電極とアノード電極との間にアーク放電を発生させ、もって前記工具基体Ａ〜Ｊのそれぞれの表面に、表３に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎ層からなる硬質被覆層を蒸着形成することにより、従来被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜９をそれぞれ製造した。

つぎに、上記の各種の被覆ｃＢＮ基焼結工具を、いずれも工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてネジ止めした状態で、本発明被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜９および従来被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜９について、
被削材：ＪＩＳ・ＳＭｎ４４３（硬さ：ＨＲＣ６１）の丸棒、
切削速度： ２５０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．１２ ｍｍ、
送り： ０．１２ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ８ 分、
の条件（切削条件Ａという）でのマンガン鋼の乾式連続高速切削加工試験（通常の切削速度は１８０ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＪ２の焼入れ材（硬さ：ＨＲＣ６２）の丸棒、
切削速度： ２４０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．２０ ｍｍ、
送り： ０．０８ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ８ 分、
の条件（切削条件Ｂという）での軸受鋼の乾式連続高速切削加工試験（通常の切削速度は１５０ｍ／ｍｉｎ．）、
被削材：ＪＩＳ・ＳＣｒ４３０（硬さ：ＨＲＣ６０）の丸棒、
切削速度： ２８０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．１８ ｍｍ、
送り： ０．０７ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ８ 分、
の条件（切削条件Ｃという）でのクロム鋼の乾式連続高速切削加工試験（通常の切削速度は２００ｍ／ｍｉｎ．）
を行い、いずれの切削加工試験でも切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。この測定結果を表４に示した。

この結果得られた本発明被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜９および従来被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜９の硬質被覆層の組成を、透過型電子顕微鏡を用いてのエネルギー分散型Ｘ線分析法により測定したところ、それぞれ目標組成と実質的に同じ組成を示した。

また、上記の硬質被覆層の構成層の平均層厚を透過型電子顕微鏡を用いて断面測定したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均値（５ヶ所の平均値）を示した。

表２〜４に示される結果から、本発明被覆ｃＢＮ基焼結工具は、いずれも硬質被覆層が、一層平均層厚がそれぞれ０．０１〜０．３μｍの薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造を有する平均層厚（合計層厚）０．３〜３μｍの上部層と、１．５〜６μｍの平均層厚を有する下部層とからなり、前記下部層がすぐれた耐熱性、高温強度とすぐれた高温硬さを備え、さらに、前記上部層がすぐれた耐熱性、高温強度、高温硬さと潤滑性（耐溶着性）を備えているので、軸受鋼やマンガン鋼の焼入れ材等の高硬度かつ高粘性の硬質難削材の高熱発生を伴う高速切削加工でも、チッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、硬質被覆層が単一の（Ｔｉ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎ層からなる従来被覆ｃＢＮ基焼結工具は、特に硬質被覆層の潤滑性（耐溶着性）不足が原因でチッピングが発生するため、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。

上述のように、この発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具は、各種の鋼や鋳鉄などの通常の切削条件での切削加工は勿論のこと、特に軸受鋼やマンガン鋼の焼入れ材等のように高硬度かつ高粘性の硬質難削材の高熱発生を伴う高速切削加工でも、長期に亘ってすぐれた耐チッピング性、耐摩耗性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。

本発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具を構成する硬質被覆層を形成するのに用いたアークイオンプレーティング装置を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略正面図である。 通常のアークイオンプレーティング装置の概略説明図である。

Claims (1)

1. 窒化ほう素を３０〜９５質量％含有する超高圧焼結材料製インサートの表面に、硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具において、
   （ａ）硬質被覆層は、１．５〜６μｍの平均層厚を有する下部層と０．３〜３μｍの平均層厚を有する上部層とからなり、
   （ｂ）硬質被覆層の下部層は、蒸着形成された、
   組成式：［Ｔｉ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｃｒ_ＸＳｉ_Ｙ］Ｎ（ただし、いずれも原子比で、Ｘは０．０３〜０．５０、Ｙは０．０１〜０．０５を示す）を満足するＴｉとＣｒとＳｉの複合窒化物層、
   （ｃ）硬質被覆層の上部層は、下部層の表面に蒸着形成された、いずれも一層平均層厚がそれぞれ０．０１〜０．３μｍの薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造を有し、
   上記薄層Ａは、
   
   組成式：［Ｔｉ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｃｒ_ＸＳｉ_Ｙ］Ｎ（ただし、Ｘ、Ｙは、いずれも原子比で、Ｘは０．０３〜０．５０、Ｙは０．０１〜０．０５を示す）を満足するＴｉとＣｒとＳｉの複合窒化物層、
   
   上記薄層Ｂは、
   組成式：［Ｃｒ_１−ＺＳｉ_Ｚ］Ｎ（ただし、Ｚは、原子比で、０．０１〜０．１を示す）を満足するＣｒとＳｉの複合窒化物層
   からなる硬質被覆層を蒸着形成した、硬質難削材の高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具。
   

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