JP5246596B2 - 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
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Description
「 立方晶窒化ほう素の含有量が70容量%以上の立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料からなる工具基体の表面に、下部層、中間層および上部層からなる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)上記下部層は、0.05〜0.5μmの層厚を有し、
組成式:B1−X−YCXNY
で表した場合、X、Yが、それぞれ、0.05〜0.3、0.1〜0.4(但し、X、Yのいずれも原子比)を満足するB、CおよびNの複合化合物層、
(b)上記中間層は、0.05〜0.5μmの層厚を有するB4C層、
(c)上記上部層は、0.5〜5μmの層厚を有し、
組成式:(Ti1−ZAlZ)N層
で表した場合、Zが0.3〜0.65(但し、Zは原子比)であるTiとAlの複合窒化物層、
であることを特徴と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。
下部層を構成するBCN層は、結晶構造はアモルファスであるが、高温での安定性にすぐれ、かつ硬さも高い。また、短範囲での結合形態がダイヤモンド構造に類似したものであることから、工具基体および中間層を構成するB4C層のいずれに対してもすぐれた密着性を有し、層間付着強度の向上に寄与する。
下部層を構成するBCNを、
組成式:B1−X−YCXNY
で表した場合、X、Yが、それぞれ、0.05〜0.3、0.1〜0.4(但し、X、Yのいずれも原子比)を満足するように定めた理由は、以下のとおりである。
炭素はB−C−N層をアモルファス層として安定化させるために含有され、0.05未満では六方晶構造になりやすく、よって硬さの低下を招き、逆に0.3を超えて含有すると、熱的に不安定となりやすく、高温での安定性が低下する。
窒素は基体の主成分であるcBN相との密着性確保のために含有され、0.1未満では密着性が確保できなくなり、逆に0.4を超えて含有すると、アモルファス層としての熱安定性に劣るようになるためである。
なお、工具基体および中間層を構成するB4C層との密着性、付着強度を高めるためには、工具基体側では、相対的にNの含有比率を高くしCの含有比率を下げ、逆に、中間層側では、相対的にNの含有比率を下げC含有比率を高める組成傾斜構造を有するBCN層を形成することが望ましい。Nの含有比率が高くCの含有比率が低い工具基体側のBCN層、および、Nの含有比率が低くCの含有比率が高い中間層側のBCN層は、それぞれ、工具基体および中間層と類似する成分、組成の界面となるため、密着性、付着強度がより一層高められる。
BCN層中に組成傾斜構造を構成する場合には、スパッタリングによる成膜初期に、雰囲気ガス中の窒素ガス含有割合を高めておき、成膜後期には、雰囲気ガス中の窒素ガス含有割合を低減させることが必要である。
また、形成するBCN層の層厚が0.05μm未満では、密着層としての効果が十分でなく、一方、その層厚が0.5μmを超えると、膜全体としての強度が低下し、高負荷での切削時に破壊が生じやすくなることから、BCN層の層厚は、0.05〜0.5μmと定めた。
中間層を構成するB4C層は、BCN層からなる下部層およびTiAlN層からなる上部層のいずれに対してもすぐれた密着性を有し、層間付着強度の向上に寄与する。
B4C層は、BCN層からなる下部層の場合と同様、ターゲットにB4C焼結体を使用した高周波スパッタリングを行うことにより形成できるが、この場合、雰囲気ガスとしては、Arガス雰囲気を使用する。
また、形成するB4C層の層厚が0.05μm未満では、密着層としての効果が十分に得られず、一方、その層厚が0.5μmを超えると、膜全体の強度の低下を招き、欠損を生じやすくなることから、B4C層の層厚は、0.05〜0.5μmと定めた。
TiAlN層におけるTi成分は高温強度の維持、Al成分は高温硬さと耐酸化性の向上に寄与することから、TiAlN層は、所定の高温強度、高温硬さおよび耐熱性を具備する層であって、合金工具鋼や軸受け鋼の焼入れ材などの高硬度材からなる被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、上部層を構成するTiAlN層を、
組成式:(Ti1−ZAlZ)N
で表した場合に、Alの含有割合Zが0.65を超えると、結晶構造の変化により、高温強度が低下し欠損が生じやすくなり、一方、Alの含有割合Zが0.3未満になると、高温硬さと耐熱性が低下し、その結果、耐摩耗性の低下がみられるようになることから、Alの含有割合Zの値を0.3〜0.65(但し、原子比)と定めた。
また、上部層の層厚が0.5μm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、一方その層厚が5μmを越えると、欠損が生じ易くなることから、その層厚を0.5〜5μmと定めた。
(a)まず装置内を排気して0.5Pa以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を450〜600℃に加熱した後、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−200Vのパルスバイアス電圧を印加して、さらに2.0PaのAr雰囲気として、もって工具基体表面をArガスボンバード洗浄し、
(b)ついで、装置内に反応ガスとして、所定の窒素含有割合になるように調整したアルゴン−窒素混合ガス(あるいは、スパッタの進行とともに、窒素含有割合を低減させるように調整するアルゴン−窒素混合ガス)を導入して0.3Pa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て、B4C焼結体のターゲットに高周波電源を用いて300Wの高周波電力を印加してスパッタを行い、工具基体表面に目標層厚の下部層(BCN層)を形成し、
(c)ついで、装置内に反応ガスとして、アルゴンガスを導入して0.3Paの反応雰囲気とすると共に、B4C焼結体のターゲットに高周波電源を用いて300Wの高周波電圧を印加してスパッタを行い、また、−200Vのパルス電圧を印加することにより前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体表面に目標層厚の中間層(B4C層)を形成し、
(d)ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して2〜4Paの反応雰囲気とすると共に、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−10〜−50Vのパルスバイアス電圧を印加し、前記Ti−Al合金からなるカソード電極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表面に、表2に示される目標組成および目標層厚をもったTiAlN層からなる上部層を蒸着することにより、
ISO規格SNGA120412に規定するスローアウエイチップ形状の本発明の被覆cBN基焼結工具1〜10(本発明工具1〜10という)をそれぞれ製造した。
(a)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に概略示される通常の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、また、装置内には、硬質被覆層(TiAlN層)形成用のTi−Al合金からなるカソード電極を配置し、
(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、2.0Pa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のパルス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2〜4Pa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〜−50Vのパルスバイアス電圧を印加し、Ti−Al合金のカソード電極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3に示される目標組成および目標層厚のTiAlN層を硬質被覆層として蒸着形成することにより、
比較被覆cBN基焼結工具1〜10(比較工具1〜10という)をそれぞれ製造した。
さらに、本発明被覆cBN基焼結工具1〜10および比較被覆cBN基焼結工具1〜10の各層の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。
[切削条件A]
被削材:JIS・SCr420 (硬さ:HRC60)の丸棒、
切削速度: 250 m/min.、
切り込み: 0.3 mm、
送り: 0.3 mm/rev.、
切削時間: 15 分、
の条件での焼入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、120m/min.)、
[切削条件B]
被削材:JIS・SUJ2 (硬さ:HRC61)の丸棒、
切削速度: 200 m/min.、
切り込み: 0.3 mm、
送り: 0.3 mm/rev.、
切削時間: 15 分、
の条件での焼入軸受鋼の乾式連続高速切削加工試験(通常の切削速度は、130m/min.)、
表4に、切削加工試験結果を示す。
これに対して、下部層、中間層を形成せず、工具基体表面に直接TiAlN層を被覆形成した比較被覆cBN基焼結工具は、工具基体−TiAlN層間の付着強度が十分でないため欠損、剥離等を発生し、そのため、逃げ面摩耗が発生しやすく耐摩耗性に劣るため、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
Claims (1)
- 立方晶窒化ほう素の含有量が70容量%以上の立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料からなる工具基体の表面に、下部層、中間層および上部層からなる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)上記下部層は、0.05〜0.5μmの層厚を有し、
組成式:B1−X−YCXNY
で表した場合、X、Yが、それぞれ、0.05〜0.3、0.1〜0.4(但し、X、Yのいずれも原子比)を満足するB、CおよびNの複合化合物層、
(b)上記中間層は、0.05〜0.5μmの層厚を有するB4C層、
(c)上記上部層は、0.5〜5μmの層厚を有し、
組成式:(Ti1−ZAlZ)N層
で表した場合、Zが0.3〜0.65(但し、Zは原子比)であるTiとAlの複合窒化物層、
であることを特徴と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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JP2009053294A JP5246596B2 (ja) | 2009-03-06 | 2009-03-06 | 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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JP2009053294A JP5246596B2 (ja) | 2009-03-06 | 2009-03-06 | 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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JP2009053294A Active JP5246596B2 (ja) | 2009-03-06 | 2009-03-06 | 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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JP3884378B2 (ja) * | 2002-12-27 | 2007-02-21 | 株式会社神戸製鋼所 | 密着性に優れた硬質皮膜 |
JP4725774B2 (ja) * | 2004-12-27 | 2011-07-13 | 三菱マテリアル株式会社 | 硬質被覆層が高硬度鋼の断続重切削加工で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硼素基焼結材料製切削工具 |
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