JP5126702B1

JP5126702B1 - 立方晶窒化ほう素基焼結材料製切削工具

Info

Publication number: JP5126702B1
Application number: JP2012199070A
Authority: JP
Inventors: 雅大矢野; 忠一大橋; 庸介宮下
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2011-09-12
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2032-09-11
Also published as: WO2013039093A1; US9499441B2; JP2013075357A; EP2752265A1; US20150003926A1; EP2752265B1; EP2752265A4; CN103796778B; CN103796778A

Abstract

【課題】高硬度鋼の断続切削加工で、すぐれた耐チッピング性、耐欠損性を発揮する立方晶窒化ほう素基焼結材料製切削工具を提供する。
【解決手段】立方晶窒化ほう素基焼結材料製切削工具において、立方晶窒化ほう素粒子の平均粒径は０．５〜８μｍである。該前記立方晶窒化ほう素粒子の表面は、部分的に切れ間が形成された平均膜厚１０〜９０ｎｍの酸化アルミニウム膜によって被覆される。前記切れ間の平均形成割合ｈ／Ｈは、０．０２≦ｈ／Ｈ≦０．０８を満足する。ここで、ｈは酸化アルミニウム膜の切れ間長、Ｈは立方晶窒化ほう素粒子の周囲長を示す。
【選択図】図1

Description

本発明は、耐チッピング性と耐欠損性にすぐれる立方晶窒化ほう素（以下、ｃＢＮで示す）基焼結材料製切削工具（以下、ｃＢＮ工具という）に関する。
本願は、２０１１年９月１２日に、日本に出願された特願２０１１−１９８０１６号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

従来、鋼、鋳鉄等の鉄系被削材の切削加工には、被削材との親和性の低い工具材料としてｃＢＮ基焼結材料（以下、ｃＢＮ焼結体という）を用いたｃＢＮ工具が知られている。例えば、特許文献１に示すように、硬質相としてのｃＢＮを２０〜８０体積％含有し、残部が、周期律表の４ａ、５ａ、６ａの炭化物、窒化物、ほう化物等のセラミックス化合物を結合相としたｃＢＮ工具が知られている。
また、例えば、特許文献２に示すように、ｃＢＮ粒子の表面に、Ａｌ_２Ｏ_３等を被覆した被覆ｃＢＮ粒子を原料粉として焼結体を作製し、このｃＢＮ焼結体を工具基体とするｃＢＮ工具も提案されている。このｃＢＮ工具によれば、工具の耐摩耗性と靭性が改善されることが知られている。

特開昭５３−７７８１１号公報特開昭５８−６１２５３号公報

前記特許文献２に示される従来のｃＢＮ工具においては、ｃＢＮ粒子を被覆するＡｌ_２Ｏ_３膜が、ｃＢＮ工具の靭性向上に寄与している。しかし、この場合、Ａｌ_２Ｏ_３膜が厚い（０．１〜１μｍ）ために、ｃＢＮ焼結体の結合相中のＡｌ_２Ｏ_３が増加し、ｃＢＮ焼結体中の硬質成分であるｃＢＮ粒子の含有割合が相対的に低下することから、工具の硬さが低下するという問題があった。さらに、前記従来ｃＢＮ工具を高硬度鋼の断続切削に用いた場合には、耐チッピング性と耐欠損性が十分でないため、工具寿命が短命であるという問題点もあった。
そこで、本発明は、高硬度鋼の断続切削加工においても、すぐれた耐チッピング性、耐欠損性を発揮し、長期の使用にわたりすぐれた切削性能を発揮するｃＢＮ工具を提供することを目的とする。

本発明者等は、前記課題を解決するため、ｃＢＮ工具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。

特許文献２に示されるような従来のｃＢＮ工具のｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮ粒子表面に予めＡｌ_２Ｏ_３膜を被覆した被覆ｃＢＮ粒子を原料粉として使用している。そして、この原料粉を成形した後、５５ｋｂ、１０００℃以上の高温で焼結を行い、次いで室温にまで冷却することにより作製する。この従来のｃＢＮ工具では、ｃＢＮ粒子表面に被覆したＡｌ_２Ｏ_３膜に、熱膨張特性の違いから、引張残留応力が発生する。
この従来のｃＢＮ工具を、高硬度鋼の断続切削加工に供した場合には、切削時の断続的・衝撃的な負荷と前記引張残留応力により、特に、すくい面の表面に露出したｃＢＮ粒子、及びその表面に被覆したＡｌ_２Ｏ_３膜の界面にクラックが発生する。そして、このクラックが起点となり、チッピング、欠損が生じる。

本発明者らは前記の課題を解決すべく鋭意研究した結果、以下の知見を得た。
まず、ｃＢＮ粒子表面に、ＡＬＤ（ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、薄膜かつ均一なＡｌ_２Ｏ_３膜を被覆する。ＡＬＤとは、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法の一種である。
次に、ボールミル等により前記Ａｌ_２Ｏ_３膜に部分的な切れ間を形成し、切れ間ではｃＢＮ粒子表面が露出するｃＢＮ粒子を作製する。
最後に、前記ｃＢＮ粒子を原料粉として、通常の条件で焼結を行ってｃＢＮ焼結体を作製し、このｃＢＮ焼結体からｃＢＮ工具を作製する。
前記の工程により得られたｃＢＮ工具は、断続的かつ衝撃的負荷が作用する切削加工条件で用いられた場合でも、チッピングの発生、欠損の発生が抑制され、長期の使用にわたって優れた切削性能を発揮する。

つまり、前記ｃＢＮ工具においては、ｃＢＮ粒子表面がＡｌ_２Ｏ_３膜によって部分的に切れ間をもって被覆されていることから、ｃＢＮ粒子表面と、該前記粒子表面を部分的に被覆するＡｌ_２Ｏ_３膜との熱膨張特性の違いに起因する界面のクラック発生がない。そのため、このクラックを原因とするチッピング発生、欠損発生が防止されているのである。

本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、以下に示す態様を持つ。
（１）硬質相成分として立方晶窒化ほう素粒子を含有する立方晶窒化ほう素基焼結材料製切削工具において、前記立方晶窒化ほう素粒子の平均粒径は０．５〜８μｍであり、前記立方晶窒化ほう素粒子のうちには、その表面が、平均膜厚１０〜９０ｎｍの酸化アルミニウム膜により被覆され、前記酸化アルミニウム膜には部分的に切れ間が形成されている前記立方晶窒化ほう素粒子が含まれることを特徴とする立方晶窒化ほう素基焼結材料製切削工具。
（２）酸化アルミニウム膜により被覆されている立方晶窒化ほう素粒子の断面画像を観察し、立方晶窒化ほう素粒子の表面に沿って形成されている酸化アルミニウム膜の切れ間の平均形成割合を求めた場合、０．０２≦ｈ／Ｈ≦０．０８を満足することを特徴とする前記（１）に記載の立方晶窒化ほう素基焼結材料製切削工具。
但し、ｈは酸化アルミニウム膜の切れ間長、Ｈは立方晶窒化ほう素粒子の周囲長。
（３）表面が、平均膜厚１０〜９０ｎｍの酸化アルミニウム膜により被覆され、前記酸化アルミニウム膜には部分的に切れ間が形成されている立方晶窒化ほう素粒子数の割合を求めた場合、（Ｑ−ｑ）／Ｑ≧０．８５を満足することを特徴とする前記（１）または（２）に記載の立方晶窒化ほう素基焼結材料製切削工具。
但し、ｑは酸化アルミニウム膜が被覆されていない立方晶窒化ほう素粒子の数、Ｑは焼結体に含まれる立方晶窒化ほう素粒子の数。

本発明の態様のｃＢＮ工具（以下、本発明のｃＢＮ工具と称する）においては、ｃＢＮ粒子の表面を、部分的に切れ間をもったＡｌ_２Ｏ_３膜で被覆したものを硬質相形成用原料粉末として用いている。これを、例えば、ＴｉＮを主たる結合相とする結合相形成用原料粉末と混合し焼結される。そのため、ｃＢＮ硬質相と結合相との間には、部分的に切れ間が形成されたＡｌ_２Ｏ_３膜が存在し、ｃＢＮ硬質相が焼結体中で均一に分散分布し、均質な工具特性が得られるばかりか、ｃＢＮ硬質相と結合相との界面密着強度が改善される。さらに、部分的に切れ間が形成されたＡｌ_２Ｏ_３膜に発生する引張残留応力は、切れ間が無いものと比べて大幅に低減される。そのため、本発明のｃＢＮ工具を断続的・衝撃的負荷が作用する高硬度鋼の断続切削加工に用いた場合でも、チッピング、欠損の発生は抑えられ、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮する。

本発明ｃＢＮ焼結体のｃＢＮ粒子周りのＡｌ_２Ｏ_３膜の断面模式図を示す。ＦＩＢによる断面加工と、ＳＩＭによる断面画像取得の概略説明図を示す。図２Ａに示された断面加工において、それぞれの奥行きにおける断面画像を示す。本発明のｃＢＮ焼結体における、ｃＢＮ粒子、及び、該前記ｃＢＮ粒子表面に存在する部分的に切れ間が形成されたＡｌ_２Ｏ_３膜のＳＩＭ断面画像の一例を示す。前記ＳＩＭ断面画像によるｃＢＮ粒の周囲長とＡｌ_２Ｏ_３膜の切れ間長の測定例を示す。２値化画像処理前のＳＩＭ断面画像、および２値化画像処理後のＳＩＭ断面画像を示す。２値化画像処理のために作成したヒストグラムを示す。

本発明のｃＢＮ工具の実施形態について、以下に説明する。

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、本実施形態のｃＢＮ工具の基材であるｃＢＮ焼結体は、硬質相成分として部分的な切れ間を持つＡｌ_２Ｏ_３膜によって被覆されたｃＢＮ粒子を含有する。
また、ｃＢＮ焼結体中の他の構成成分としては、例えば、Ｔｉの窒化物、炭化物、炭窒化物及び硼化物、Ａｌの窒化物及び硼化物等、ｃＢＮ焼結体に通常含有される成分が含有される。

ｃＢＮの平均粒径：
本実施形態で用いるｃＢＮ粒子の平均粒径は、０．５〜８μｍの範囲に収まる平均粒径を持つ。
ｃＢＮ粒子の平均粒径が、０．５μｍより小さいと、ｃＢＮ焼結体としての熱伝導率が低下するため、工具使用中の刃先温度が高くなり、その結果、硬度が低下し耐摩耗性が劣化する。一方、ｃＢＮ粒子の平均粒径が、８μｍを超えると、工具使用中に、工具表面のｃＢＮ粒子が脱落した場合、工具の面粗さが大きくなって、被削材表面の面粗さも低下するため望ましくない。
したがって、本実施形態で用いるｃＢＮ粒子の平均粒径は、０．５〜８μｍの範囲内に収まる。
ｃＢＮ焼結体に占めるｃＢＮ粒子の含有割合が５０容積％未満の場合、工具としての耐欠損性が低下する。一方、ｃＢＮ粒子の含有割合が８０容積％を超える場合、結合相の含有割合が相対的に減少し、焼結性が低下する。以上の理由により、ｃＢＮ焼結体に占めるｃＢＮ粒子の含有割合は、５０〜８０容積％であることが好ましい。

Ａｌ_２Ｏ_３膜が被覆形成されたｃＢＮ粒子の作製：
本実施形態で用いられる、部分的な切れ間を持つＡｌ_２Ｏ_３膜がで被覆されたｃＢＮ粒子は、例えば、以下の工程（ａ）、（ｂ）で作製することができる。

（ａ）まず、ｃＢＮ粒子表面に、例えば、ＡＬＤ（ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、均一かつ薄膜のＡｌ_２Ｏ_３膜を被覆形成する。ＡＬＤ法によれば、ｃＢＮ粒子表面に、分子単位で一層ずつＡｌ_２Ｏ_３を成膜させていくことができる。そのため、ｃＢＮ粒子の凝集を引き起こすことなく、均一でかつ薄膜のＡｌ_２Ｏ_３膜を被覆形成することができる。
より具体的にいえば、炉内に、例えば、平均粒径０．５〜８μｍのｃＢＮ粒子を装入し、炉内を３５０℃程度に昇温し、Ａｒ＋Ａｌ（ＣＨ_３）_３ガス流入工程、Ａｒガスパージ工程、Ａｒ＋Ｈ_２Ｏガス流入工程、Ａｒガスパージ工程を１サイクルとして、このサイクルを目標膜厚になるまで繰り返し行う。例えば、５時間かけて成膜することにより、膜厚５０ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３膜をｃＢＮ粒子表面に被覆形成することができる。
なお、ここで得られたｃＢＮ粒子断面をＳＥＭ（ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）観察したところ、ｃＢＮ粒子の表面には、均一で切れ間のないＡｌ_２Ｏ_３膜で被覆されていることが確認された。

（ｂ）次いで、前記（ａ）で作製した均一で薄膜のＡｌ_２Ｏ_３膜で被覆されたｃＢＮ粒子を、超硬合金製容器へ装入し、超硬合金製ボール（直径１ｍｍ）とともに所定の条件でボールミル混合を行うことによって、部分的な切れ間を持ち、所定の膜厚のＡｌ_２Ｏ_３膜によって被覆されたｃＢＮ粒子を作製することができる。
なお、混合するｃＢＮ粒子に対する超硬合金製ボールの重量比が大きくなると切れ間の形成割合は大きくなる。また、ｃＢＮ粒子と超硬合金製ボールとの混合時間が長くなると切れ間の形成割合は大きくなる。
なお、ここで得られたｃＢＮ粒子断面をＳＥＭにて観察したところ、前記（ａ）で作製したＡｌ_２Ｏ_３膜で被覆されたｃＢＮ粒子のＡｌ_２Ｏ_３膜に切れ間が形成されていることが確認された。

前記の工程（ａ）で、まず、均一で切れ間のないＡｌ_２Ｏ_３膜で被覆されたｃＢＮ粒子を作製するのは、これに続く前記（ｂ）の工程で、Ａｌ_２Ｏ_３膜の膜厚を所望の値に制御することができるようにし、かつ、Ａｌ_２Ｏ_３膜の切れ間長ｈと、ｃＢＮ粒子の周囲長Ｈの割合（ｈ／Ｈ）を、同様に、所望の値に制御し、かつ、Ａｌ_２Ｏ_３膜が被覆されていない立方晶窒化ほう素粒子の数ｑと、焼結体に含まれる立方晶窒化ほう素粒子の数Ｑから得られる所定の部分的な切れ間を持った所定の膜厚のＡｌ_２Ｏ_３膜によって被覆されたｃＢＮ粒の含有割合（Ｑ−ｑ）／Ｑを所望の値に制御するようにするという理由による。

Ａｌ_２Ｏ_３膜の平均膜厚：
本実施形態でｃＢＮ粒子表面に被覆形成されるＡｌ_２Ｏ_３膜、即ち、部分的に切れ間が形成され、この切れ間には、ｃＢＮ粒子表面が露出しているＡｌ_２Ｏ_３膜、の平均膜厚は、１０〜９０ｎｍとすることが必要である。
Ａｌ_２Ｏ_３膜の平均膜厚が１０ｎｍ未満であると、ＡＬＤ法で成膜しても均一な膜厚の制御が難しく、クレータ摩耗抑制効果が低減する。一方、Ａｌ_２Ｏ_３膜の平均膜厚が９０ｎｍを超える場合には、焼結体におけるｃＢＮ粒子表面のＡｌ_２Ｏ_３膜内の引張残留応力が大となるため、工具として使用した際に、ｃＢＮ粒子表面とＡｌ_２Ｏ_３膜の界面にクラックが生じやすくなり、耐チッピング性、耐欠損性を低下させることになる。
したがって、本実施形態では、ｃＢＮ粒子表面に被覆形成されるＡｌ_２Ｏ_３膜の平均膜厚は、１０〜９０ｎｍとする。

酸化アルミニウム膜に形成する部分的な切れ間：
ｃＢＮ粒子の表面をＡｌ_２Ｏ_３膜によって覆うことにより、クレータ摩耗抑制効果が得られることから、クレータ摩耗の発達による刃先強度の低下を防止できる。本実施形態において、ｃＢＮ粒子の表面を覆うＡｌ_２Ｏ_３膜には、部分的に切れ間が形成されていることが必要である。該この切れ間では、ｃＢＮ粒子表面がｃＢＮ焼結体の結合相成分（例えば、Ｔｉの窒化物、炭化物、炭窒化物及び硼化物、Ａｌの窒化物及び硼化物等）と実質的に接している。
ここで、ｈは、立方晶窒化ほう素粒子の表面に沿って形成されている酸化アルミニウム膜の切れ間長であり、また、Ｈは、立方晶窒化ほう素粒子の表面の周囲長を表す。
切れ間の平均形成割合ｈ／Ｈが０、すなわち切れ間がないと、ｃＢＮ粒子の表面全体をＡｌ_２Ｏ_３膜で覆った状態になる。そのため、Ａｌ_２Ｏ_３膜には引張残留応力が発生し、切削加工時の断続的・衝撃的負荷と前記引張残留応力との相乗作用により、ｃＢＮ粒子とＡｌ_２Ｏ_３膜の界面にはクラックが発生しやすくなる。一方、切れ間の平均形成割合ｈ／Ｈが０より大きい、すなわち切れ間があると、ｃＢＮ粒子の表面を覆うＡｌ_２Ｏ_３膜に生じる引張残留応力が低減される。そのため、断続的かつ衝撃的負荷が作用する切削加工条件で用いた場合、ｃＢＮ粒子とＡｌ_２Ｏ_３膜の界面にクラックが発生しにくくなり、チッピングの発生、欠損の発生を抑制できる。なお、平均形成割合ｈ／Ｈが０．０２以上０．０８以下の範囲であると、クレータ摩耗抑制効果と欠損の発生の抑制効果がより高くなるので望ましい。

酸化アルミニウム膜に部分的に切れ間が形成されている立方晶窒化ほう素粒子の割合：
Ａｌ_２Ｏ_３膜が被覆されていない立方晶窒化ほう素粒子の数をｑ、焼結体に含まれる立方晶窒化ほう素粒子の数をＱとする。
本実施形態において、部分的に切れ間が形成された酸化アルミニウム膜により被覆されたｃＢＮ粒子数の割合（Ｑ−ｑ）／Ｑが０．８５以上、すなわち、焼結体中の全立方晶窒化ほう素粒子中の８５％以上であると、クレータ摩耗抑制効果が高くなり望ましい。

切れ間の平均形成割合ｈ／Ｈ：
本実施形態では、ｃＢＮ粒子表面に被覆したＡｌ_２Ｏ_３膜に形成した切れ間長ｈと、ｃＢＮ粒子の表面の周囲長Ｈとの割合は、例えば、以下の様な測定法により算出することができる。
即ち、図１に模式図で示す焼結体を作製後、焼結体の断面を研磨し、さらに、図２Ａに示すようにＦＩＢ（ＦｏｃｕｓｅｄＩｏｎＢｅａｍ）で断面を加工し、ＳＩＭ（ＳｃａｎｎｉｎｇＩｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）により、図２Ｂに示すような奥行きの異なる複数の断面画像を取得する。
図２Ａは、ＦＩＢで焼結体を断面加工する場合の例を示す。直方体形状の焼結体の正面の一部であって、縦および横の寸法がそれぞれ１９μｍの正方形の領域（観察領域）について、ＳＩＭ観察像を取得する。
ＦＩＢ加工は、奥行き方向で２００ｎｍごとに行い、その都度前記観察領域のＳＩＭ像を取得する。これは、奥行き方向で粒全体が前記複数の断面画像に収まっているｃＢＮ粒のデータを、後の分析に必要とされる充分数、取得するためである。断面加工する長さ（奥行き）は、（使用したｃＢＮ粒子の平均粒径＋１μｍ）以上とする。
図２Ｂは、断面加工長さ（奥行き）０〜５．２μｍにおける、それぞれの奥行きにおける断面画像を示す。
前記上述の手順で得られた断片的かつ複数の断面画像において、１つのｃＢＮ粒子の全容が分かるｃＢＮ粒子に注目する。ここで、１つのｃＢＮ粒子の全容が分かるとは、前記観察領域中に、そのｃＢＮ粒子全体像が含まれ、かつ奥行き方向で粒全体が前記複数の断面画像に収まっていることを意味する。そのｃＢＮ粒子について、ｃＢＮ粒子の表面の周囲長Ｈ_１と、切れ間の合計長さｈ_１を測定し、切れ間の形成割合ｈ_１／Ｈ_１を求める。さらに、少なくとも１０個以上のｃＢＮ粒子について、同じく切れ間の形成割合ｈ_ｎ／Ｈ_ｎを測定し、これらの平均値から、切れ間の平均形成割合ｈ／Ｈの値を算出することができる。但し、ｃＢＮ粒子表面にＡｌ_２Ｏ_３膜が被覆されていない場合は除く。

より具体的に、切れ間の平均形成割合ｈ／Ｈの測定・算出手順を述べると、以下のとおりである。
Ｎ＝測定するｃＢＮ粒子総数
ｎ＝測定するｃＢＮ粒子の識別番号 ≦ Ｎ
Ｍ＝ｃＢＮ粒子ｎにおいて測定に使用する総取得画像数
ｍ＝ｃＢＮ粒子ｎにおいて測定に使用する取得画像の識別番号 ≦ Ｍ
Ｈ＝ｃＢＮ粒の周囲長
ｈ＝Ａｌ_２Ｏ_３膜の切れ間長
と定義した場合、
（ａ）まず、ある１つのｃＢＮ粒子ｎにおける１断面画像において長さ情報を測定する。
例えば、総取得画像数が２５枚、ｃＢＮ粒子の識別番号＝１とする粒子が１画像目から２１画像目で全容が分かり、８画像目において長さ情報を測定する場合(ｎ＝１、Ｍ＝２１、ｍ＝８)、
ｃＢＮ粒の周囲長＝Ｈ_ｍｎ＝Ｈ_８１＝ａ＋ｂ＋ｃ
Ａｌ_２Ｏ_３膜の切れ間長＝ｈ_ｍｎ＝ｈ_８１＝ａ＋ｂ
となる（図３Ｂ参照）。
（ｂ）次いで、ある１つのｃＢＮ粒子ｎにおける切れ間の形成割合を算出する。
例えば、総取得画像数が２５枚、ｃＢＮ粒子の識別番号＝１とする粒子が１画像目から２１画像目で全容が分かり、これらから切れ間の割合を算出する場合（ｎ＝１、Ｍ＝２１、ｍ＝１〜２１）、
ｃＢＮ粒子の表面の全周平均長さＨ_ｎ
＝ [(Ｈ_１ｎ＋Ｈ_２ｎ＋・・・＋Ｈ_ｍｎ)／Ｍ]
であるから、
Ｈ_１＝ [(Ｈ_１１＋Ｈ_２１＋・・・＋Ｈ_２１１)／２１]
となる。
また、切れ間の合計平均長さｈ_ｎ
＝ [(ｈ_１ｎ＋ｈ_２ｎ＋・・・＋ｈ_ｍｎ)／Ｍ]
であるから、
ｈ_１＝ [(ｈ_１１＋ｈ_２１＋・・・＋ｈ_２１１)／２１]
となる。
よって、切れ間の形成割合ｈ_ｎ／Ｈ_ｎは、
ｈ_ｎ／Ｈ_ｎ＝ｈ_１／Ｈ_１
となる。
（ｃ）次いで、切れ間の平均形成割合を算出する。
例えば、ｃＢＮ粒子を１５個測定する場合（Ｎ＝１５、ｎ＝１〜１５）、
切れ間の平均形成割合[ｈ／Ｈ]
＝[((ｈ_１／Ｈ_１)＋(ｈ_２／Ｈ_２)＋・・・＋(ｈ_ｎ／Ｈ_ｎ))／Ｎ]
である。
したがって、切れ間の平均形成割合[ｈ／Ｈ]は、
[ｈ／Ｈ]
＝[((ｈ_１／Ｈ_１)＋(ｈ_２／Ｈ_２)＋・・・＋(ｈ_１５／Ｈ_１５))／１５]
から求めることができる。

切れ間のあるＡｌ_２Ｏ_３膜で覆われたｃＢＮ粒子の含有割合の測定方法：
本実施形態では、切れ間のあるＡｌ_２Ｏ_３膜で覆われたｃＢＮ粒子の含有割合は、例えば、以下の様な測定法により算出することができる。
即ち、図１に模式図で示す焼結体を作製後、焼結体の断面を研磨し、さらに、図２Ａに示すようにＦＩＢで断面を加工し、ＳＩＭにより、場所の異なる複数の断面画像を取得する。図２Ａは、ＦＩＢで焼結体を断面加工する場合の例を示す。取得するＳＩＭ像は、直方体形状の焼結体の正面の一部であって、縦および横の寸法がそれぞれ１９μｍの正方形の領域（観察領域）について、ＳＩＭ観察像を取得する。
ＦＩＢ加工は、奥行き方向に２００ｎｍ行い、観察領域のＳＩＭ像を取得する。ＦＩＢ加工後の観察領域についてＳＩＭ像を取得するのは、ＦＩＢ加工前の試料表面の汚れ等の影響を無くすためである。観察領域は、取得したＳＩＭ画像において、画像内で対角線を引いた際、対角線と接するｃＢＮ粒の数Ｑが１０個以上とする。また、観察する領域は、場所が異なる領域で５場所以上とする。
前記上述の手順で得られた場所の異なる複数の断面画像において、各断面画像で対角線を引き、接したｃＢＮ粒子に注目する。各断面画像において対角線に接したｃＢＮ粒子数Ｑ_１と、その中でＡｌ_２Ｏ_３膜がついていないｃＢＮ粒子数ｑ_１を測定し、切れ間のあるＡｌ_２Ｏ_３膜で覆われたｃＢＮ粒子数の含有割合（Ｑ_１−ｑ_１）／Ｑ_１を求める。さらに少なくとも４枚以上の場所の異なるＳＩＭ像について、切れ間のあるＡｌ_２Ｏ_３膜で覆われたｃＢＮ粒子数の含有割合（Ｑ_ｎ−ｑ_ｎ）／Ｑ_ｎを求め、これらの平均値から、切れ間のあるＡｌ_２Ｏ_３膜で覆われたｃＢＮ粒子数の含有割合（Ｑ−ｑ）／Ｑを算出することができる。

本発明の実施形態のｃＢＮ工具を作製するにあたり、前記上述の手順で作製した部分的に切れ間をもったＡｌ_２Ｏ_３膜で被覆されたｃＢＮ粒子を硬質相形成用原料粉末として用いる。さらに、主として結合相（バインダー）を構成する成分として、例えば、ＴｉＮ粉末を少なくとも結合相形成用原料粉末として用いる。これら両原料粉末を所定配合組成になるように配合し、通常の超高圧高温条件下で焼結することにより、本実施形態のｃＢＮ焼結体を作製する。このｃＢＮ粒子表面は、部分的に切れ間が形成されたＡｌ_２Ｏ_３膜で被覆される。該この切れ間では、ｃＢＮ粒子表面がｃＢＮ焼結体の結合相成分（例えば、Ｔｉの窒化物、炭化物、炭窒化物及び硼化物、Ａｌの窒化物及び硼化物等）と実質的に接しているので、ｃＢＮ粒子相互の凝集を防止することができる。その結果、ｃＢＮ焼結体全体にわたり、ｃＢＮが均一に分散したｃＢＮ焼結体を作製することができる。
ｃＢＮ焼結体中の他の構成成分としては、ｃＢＮ焼結体に通常含有される成分、即ち、周期律表４ａ、５ａ、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以上、が含有されても良い。

図３Ａに、本発明の実施形態のｃＢＮ焼結体における、ｃＢＮ粒子、及び、このｃＢＮ粒子表面に存在する部分的に切れ間が形成されたＡｌ_２Ｏ_３膜のＳＩＭ断面画像の一例を示す。
また以下に、図３Ｂを参照して、前記画像から測定される[Ａｌ_２Ｏ_３膜の切れ間長]、[ｃＢＮ粒とＡｌ_２Ｏ_３膜が接する長さ]、および[ｃＢＮ粒の周囲長]の相互関係を示す。
[ｃＢＮ粒とＡｌ_２Ｏ_３膜が接する長さ]＝ [ｃＢＮ粒の周囲長]−（ａ＋ｂ）
[Ａｌ_２Ｏ_３膜の切れ間長さ] ＝ａ＋ｂ

立方晶窒化ほう素粒子の断面画像の２値化：
前記断面観察により得られる断面画像は、グレースケール像であり、それぞれの画素が多段階の濃淡情報（画素値）を有している。本実施形態では、前記断面画像は８ビットのグレースケール像であり、それぞれのピクセルは２５６段階（０から２５５）の濃淡情報を持つ。
前記Ａｌ_２Ｏ_３膜の切れ間長さを測定するためには、前記Ａｌ_２Ｏ_３膜の切れ間の形成されている領域と、前記Ａｌ_２Ｏ_３膜の切れ間の形成されていない領域を明確に区別する必要がある。そのためには、上記グレースケール像に対して画像処理を行い、２値化された画像を得る必要がある。
図４には、２値化画像処理前のＳＩＭ断面画像、および２値化画像処理後のＳＩＭ断面画像を示す。

この２値化画像処理を行うためには、数学的処理により２値化のために必要な閾値をまず算出し、この閾値を境界値として画像処理を行い、ｃＢＮ粒子の表面に形成されたＡｌ_２Ｏ_３膜と、このＡｌ_２Ｏ_３膜が形成されていない領域とを区別する。

この２値化画像処理は、以下の手順で行われる。まず、取得されたグレースケール画像の外周４辺で、画像の内側へ向けて縦横の各ピクセル数の２％にあたるピクセル分を取り除く。次に、この外側を切り取ったグレースケール画像について、縦軸を画素数、横軸を画像値としてヒストグラムを生成する。このヒストグラム生成時に、画像の画素値２５５あるいは０が、最大画素数とならないように明るさとコントラストを調整する。ヒストグラムの最大値が５０から１５０の間に入ることが望ましい。

上記の手順で得られるヒストグラムの例を図５に示す。図５の上段および下段に示されたヒストグラムは、同じデータに基づいて作成されたヒストグラムである。上段のヒストグラムでは、縦軸である画素数がリニアスケールで表示してある。下段のヒストグラムでは、縦軸がログスケールで示してある。ログスケールのヒストグラムは、後述する最小画素値および最大画素値の説明を容易にするために示した。

次に、作成されたヒストグラムを用いて、それぞれの画素値間で比較した場合の、最大画素数を決定する。すなわち、上記ヒストグラムにおいて、最も高さの高い（画素数が多い）バーを決定する。そして、この画素数に０．０１を乗じて、最大画素数の１％に相当する値を算出する。
次に、この算出された最大画素数の１％の値を基点として、上記ヒストグラムの横軸に対して平行な線を引く。図５では、この平行線は、水平な点線で示されている。
そして、この平行線と上記ヒストグラムとの交点であって、画素値０から最も近い値を最小画素値とし、画素値２５５から最も近い値を最大画素値とする。
次に、前記最大画素値から前記最小画素値を減算し、差分値を得る。次に、この差分値に０．７５を乗算する。
最後に、前記最大画素値から、この０．７５を乗算した差分値を減算し、２値化処理のための閾値を得る。
２値化処理では、前記閾値よりも小さい画素値を持つ画素は黒い画素へと変換され、前記閾値よりも大きい画素値を持つ画素は白い画素へと変換される。

以下に、本発明のｃＢＮ工具を実施例に基づいて説明する。

部分的に切れ間を持つＡｌ_２Ｏ_３膜で被覆されたｃＢＮ粒子の作製：
（ａ）平均粒径０．５〜８μｍのｃＢＮ粒子を基材とし、この粒子表面に、ＡＬＤ（ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、均一かつ薄膜のＡｌ_２Ｏ_３膜を被覆形成した。
より具体的にいえば、炉内に、例えば、平均粒径３μｍのｃＢＮ粒子を装入し、炉内を３５０℃程度に昇温した。次に、その炉内へ、成膜用ガスとして、Ａｌ（ＣＨ_３）_３とＨ_２Ｏガスを、また、パージ用ガスとしてＡｒガスを使用し、（ｉ）Ａｒ＋Ａｌ（ＣＨ_３）_３ガス流入工程、（ｉｉ）Ａｒガスパージ工程、（ｉｉｉ）Ａｒ＋Ｈ_２Ｏガス流入工程、（ｉｖ）Ａｒガスパージ工程を行った。この（ｉ）から（ｉｖ）の工程を１サイクルとして、このサイクルを所望膜厚に応じて繰り返し行った。１〜１２時間かけて成膜することにより、各所望の膜厚のＡｌ_２Ｏ_３膜を均一にｃＢＮ粒子表面に被覆形成した。
なお、前記上述の手順で得られたＡｌ_２Ｏ_３膜で被覆されたｃＢＮ粒子について、断面をＳＥＭ（ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて観察したところ、ｃＢＮ粒子表面に均一かつ薄膜のＡｌ_２Ｏ_３膜で被覆されていることが確認された。
（ｂ）次いで、前記（ａ）で作製した均一かつ薄膜のＡｌ_２Ｏ_３膜がその表面に被覆形成されたｃＢＮ粒子を、超硬合金製容器内へ装入した。そこへ有機溶剤を加え、超硬合金製ボール（直径１ｍｍ）とともにボールミルの回転数５０ｒｐｍでボールミル混合を行った。ｃＢＮ粒子表面には、所定膜厚を有し、所定の切れ間割合の切れ間を有するＡｌ_２Ｏ_３膜が形成された。この切れ間には、ｃＢＮ粒子表面が露出していた。所定の切れ間を持った所定の膜厚のＡｌ_２Ｏ_３膜によって被覆されたｃＢＮ粒を所定の割合含有するｃＢＮ粒子粉末を作製した。
なお、混合したｃＢＮ粒子と超硬合金製ボールの割合は、重量比で１：１０〜２０となるように調整した。また、混合時間は、０．２５〜１．５時間となるように調整した。

原料粉末として、前記上述の手順で作製した、部分的に切れ間が形成されたＡｌ_２Ｏ_３膜で被覆されたｃＢＮ粒子粉末と、ＴｉＮ粉末、Ａｌ粉末、ＴｉＡｌ_３粉末、Ａｌ_２Ｏ_３粉末を用意し、これら原料粉末を、ｃＢＮ粒子粉末の含有量が５０容積％となるように配合した。前記ＴｉＮ粉末、Ａｌ粉末、ＴｉＡｌ_３粉末、Ａｌ_２Ｏ_３粉末のいずれも、０．３〜０．９μｍの範囲内の平均粒径を有する。有機溶剤中で超音波撹拌機により混合し、乾燥した後、油圧プレスにて成形圧１２０ＭＰａで直径：５０ｍｍ×厚さ：１．５ｍｍの寸法にプレス成形した。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た。次に、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た。次にこれらを、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し、ｃＢＮ焼結体を得た。こうして得られた円板形状のｃＢＮ焼結材を、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た。その後、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本発明ｃＢＮ工具１から４３を製造した。

ｃＢＮ粒子の平均粒径の測定方法：
前記上述の手順で得た各ｃＢＮ焼結体の断面組織を走査型電子顕微鏡にてｃＢＮ焼結体組織を観察し、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粒子の最長径を求め、各粒子の直径［μｍ］とした。
画像解析より求めた各粒子の直径を基に各粒子の体積を計算した。体積は、理想球と仮定して体積の計算を行った(体積＝（４×π×半径^３）/３）。
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ｃＢＮ粒子の平均粒径とした。
画像は、２００個程度の粒子が１画像内で分かる倍率が望ましく、３画像を前記方法にて処理し求めた値の平均値を測定結果とした。
表１に、これらの値を、それぞれ示す。

なお、前記上述の手順で作製した本発明ｃＢＮ工具１から４３のｃＢＮ焼結体について、焼結体の断面を研磨し、さらに、ＦＩＢで断面を加工し、ＳＩＭにより、断面画像を取得した。画像は、画像に対角線を引いた場合、その対角線にｃＢＮ粒が１０個以上接触する倍率が望ましい。例えば、平均粒径３μｍのｃＢＮ粒を用いた場合、倍率は４０００倍程度が望ましい。
ｃＢＮ粒の全体を観察できるようにするために、ＦＩＢ加工は、２００ｎｍごとに行い、また、断面加工する長さ（奥行き）は、使用したｃＢＮ粒子の平均粒径に１μｍを足した値以上とした。
前記上述の手順で得られた断片的かつ複数の断面画像により、全容が把握できるｃＢＮ粒子に注目し、そのｃＢＮ粒子について、ｃＢＮ粒子の周囲長と、切れ間長を測定し、切れ間の形成割合ｈ_１／Ｈ_１を求めた。さらに、他の１５個のｃＢＮ粒子についても、同じくｃＢＮ粒子の周囲長と、切れ間長を測定し、それぞれのｃＢＮ粒子について切れ間の形成割合を求め、これらの平均値から、切れ間の平均形成割合ｈ／Ｈの値を算出した。
ｃＢＮ粒子の表面を被覆する部分的に切れ間が形成されたＡｌ_２Ｏ_３膜の膜厚については、前記で得られた断片的かつ複数の断面画像により、各断面画像に対角線を引き、対角線に接したｃＢＮ粒子に注目する。接した各ｃＢＮ粒子の表面に被覆するＡｌ_２Ｏ_３膜の膜厚を少なくとも１画像当り５ヶ所測定し、その平均値からｃＢＮ粒の膜厚を求めた。さらに、他に対角線に接する複数のｃＢＮ粒子についても、同じくｃＢＮ粒子の表面に被覆するＡｌ_２Ｏ_３膜の膜厚を測定し、これらの平均値を求めることにより、その平均膜厚を求めた。
なお、前記上述の手順で作製した本発明ｃＢＮ工具１から４３のｃＢＮ焼結体について、焼結体の断面を研磨し、さらに、ＦＩＢで場所の異なる複数の断面を加工し、ＳＩＭにより、各断面画像を取得した。画像は、画像に対角線を引いた場合、その対角線にｃＢＮ粒が１０個以上接触する倍率が望ましい。例えば、平均粒径３μｍのｃＢＮ粒を用いた場合、倍率は４０００倍程度が望ましい。
切れ間のあるＡｌ_２Ｏ_３膜で覆われたｃＢＮ粒子の含有割合については、前記上述の手順で得られた場所の異なる複数の断面画像により、各断面画像で対角線を引き、接したｃＢＮ粒子に注目する。各断面画像において、対角線に接したｃＢＮ粒子数Ｑ_１と、その中でＡｌ_２Ｏ_３膜がついていないｃＢＮ粒子数ｑ_１を測定し、切れ間のあるＡｌ_２Ｏ_３膜で覆われたｃＢＮ粒子の含有割合（Ｑ_１−ｑ_１）／Ｑ_１を求める。さらに他の５枚の場所の異なるＳＩＭ像についても、同じく切れ間のあるＡｌ_２Ｏ_３膜で覆われたｃＢＮ粒子の含有割合を求め、これらの平均値から、切れ間のあるＡｌ_２Ｏ_３膜で覆われたｃＢＮ粒子の含有割合（Ｑ−ｑ）／Ｑを算出した。
表１に、これらの値を、それぞれ示す。

比較のため、原料粉末として、Ａｌ_２Ｏ_３膜を被覆形成していないｃＢＮ粒子粉末を用意した。また、切れ間を有さない本発明範囲外の平均膜厚のＡｌ_２Ｏ_３膜を被覆したｃＢＮ粒子粉末を用意した。また、切れ間を有する本発明範囲外の平均膜厚のＡｌ_２Ｏ_３膜を被覆したｃＢＮ粒子粉末を用意した。また、本発明範囲外のｃＢＮ平均粒径のｃＢＮ粉末上に切れ間を有さないＡｌ_２Ｏ_３膜を被覆したｃＢＮ粒子粉末を用意した。また、本発明範囲外のｃＢＮ平均粒径のｃＢＮ粉末上に切れ間を有するＡｌ_２Ｏ_３膜を被覆したｃＢＮ粒子粉末を用意した。本発明範囲以外の平均膜厚のＡｌ_２Ｏ_３膜を被覆したｃＢＮ粒子への切れ間形成については、平均膜厚が１０ｎｍより小さい場合は、混合したｃＢＮ粒子と超硬合金製ボールの割合が、重量比で１：１０〜２０、混合時間が０．０８〜０．１５時間となるように調整した。平均膜厚が９０ｎｍより大きい場合は、混合したｃＢＮ粒子と超硬合金製ボールの割合が、重量比で１：２０〜４０、混合時間が、最大で４８時間となるように調整した。また、本発明範囲外のｃＢＮ平均粒径のｃＢＮ粉末上に厚み１０ｎｍ〜９０ｎｍの範囲内に被覆したＡｌ_２Ｏ_３膜への切れ間形成については、本発明の場合と同様の条件を用いた。また、いずれも０．３〜０．９μｍの範囲内の平均粒径を有するＴｉＮ粉末、Ａｌ粉末、ＴｉＡｌ_３粉末、Ａｌ_２Ｏ_３粉末を用意し、これら原料粉末を、ｃＢＮ粒子粉末の含有量が５０容積％となるように配合した後、以降は、本発明の場合と同様な処理操作（混合、乾燥、成形、熱処理、予備焼結、焼結等）を行うことにより、比較例ｃＢＮ工具４４から７３を製造した。

前記上述の手順で作製した比較例４４から７３について、本発明ｃＢＮ工具１から４３の場合と同様に、ｃＢＮ粒子の平均粒径を求めた。
表２に、これらの値を、それぞれ示す。

なお、前記上述の手順で作製した比較例ｃＢＮ工具４４から７３について、本発明ｃＢＮ工具１から４３の場合と同様にして、ｃＢＮ粒子の平均粒径、切れ間の平均形成割合ｈ／Ｈ、Ａｌ_２Ｏ_３膜の平均膜厚、切れ間のあるＡｌ_２Ｏ_３膜で覆われたｃＢＮ粒子の含有割合（Ｑ−ｑ）／Ｑを求めた。
表２に、これらの値を、それぞれ示す。

前記本発明ｃＢＮ工具１から４３、比較例ｃＢＮ工具４４から７３について、表３に示す切削条件で、最大加工長７０００ｍまでの切削加工試験を実施し、加工長１００ｍ毎にチッピング、欠損発生の有無を確認した。
表４に、前記切削加工試験の結果を示す。

表１から４に示される結果から、以下が示される。本発明ｃＢＮ工具１から４３では、ｃＢＮ粒子表面に、部分的に切れ間が形成されたＡｌ_２Ｏ_３膜が被覆形成されている。これにより、ｃＢＮ硬質相が焼結体中で均一に分散分布し、均質な工具特性が得られるだけでなく、ｃＢＮ硬質相と結合相との界面密着強度が改善される。さらに、部分的に切れ間が形成されたＡｌ_２Ｏ_３膜に発生する引張残留応力は、切れ間が無いものと比べて大幅に低減される。したがって、断続的・衝撃的負荷が作用する高硬度鋼の断続切削加工に用いた場合でも、チッピング、欠損の発生は抑制され、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮する。
これに対して、比較例ｃＢＮ工具４４から７３では、ｃＢＮ粒子表面にＡｌ_２Ｏ_３膜が形成されていないため、あるいは、本発明で規定する範囲外の平均膜厚のＡｌ_２Ｏ_３膜、本発明で規定する範囲外の切れ間の平均形成割合ｈ／Ｈであるために、耐チッピング性、耐欠損性に劣り、いずれも短命である。

上述のように、この発明のｃＢＮ工具は、耐チッピング性、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、並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ものである。

Claims

硬質相成分として立方晶窒化ほう素粒子を含有する立方晶窒化ほう素基焼結材料製切削工具において、
前記立方晶窒化ほう素粒子の平均粒径は０．５〜８μｍであり、
前記立方晶窒化ほう素粒子のうちには、その表面が、平均膜厚１０〜９０ｎｍの酸化アルミニウム膜により被覆され、
前記酸化アルミニウム膜には部分的に切れ間が形成されている前記立方晶窒化ほう素粒子が含まれることを特徴とする立方晶窒化ほう素基焼結材料製切削工具。
酸化アルミニウム膜により被覆されている立方晶窒化ほう素粒子の断面画像を観察し、立方晶窒化ほう素粒子の表面に沿って形成されている酸化アルミニウム膜の切れ間の平均形成割合を求めた場合、０．０２≦ｈ／Ｈ≦０．０８を満足することを特徴とする請求項１に記載の立方晶窒化ほう素基焼結材料製切削工具。
但し、ｈは酸化アルミニウム膜の切れ間長、Ｈは立方晶窒化ほう素粒子の周囲長。
表面が、平均膜厚１０〜９０ｎｍの酸化アルミニウム膜により被覆され、前記酸化アルミニウム膜には部分的に切れ間が形成されている立方晶窒化ほう素粒子数の割合を求めた場合、（Ｑ−ｑ）／Ｑ≧０．８５を満足することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の立方晶窒化ほう素基焼結材料製切削工具。
但し、ｑは酸化アルミニウム膜が被覆されていない立方晶窒化ほう素粒子の数、Ｑは焼結体に含まれる立方晶窒化ほう素粒子の数。