JP5472678B2 - 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、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を高速切削加工した場合でも、硬質被覆層が工具基体に対して強固な付着強度を有することから、すぐれた耐欠損性を発揮し、被削材の仕上げ面精度を維持したまま、長期にわたって安定した切削性能を発揮することができる、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インサートや、前記インサート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インサート式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で構成された工具本体（以下、ｃＢＮ工具基体という）の表面に、チタン炭化物層、チタン窒化物層、チタン炭窒化物層などのＴｉ化合物層からなる硬質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、ｃＢＮ工具基体と硬質被覆層との密着強度を向上させるために、ｃＢＮ工具基体表面にイオン注入を行って拡散層を形成し、その拡散層を非晶質化することも知られている。

また、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ｃＢＮ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、例えば、窒素ガス、メタンガス等の反応ガスを導入して、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、チタン炭化物層、チタン窒化物層などのチタン化合物層からなる所望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２００１−２３４３２８号公報 特開２００２−１２６９１３号公報

近年の切削加工装置のＦＡ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、通常の切削条件に加えて、より高速条件下での切削加工が要求される傾向にあるが、上記の従来被覆工具においては、各種の鋼や鋳鉄を通常条件下で切削加工した場合に特段の問題は生じないが、これを、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に用いた場合には、ｃＢＮ基体と硬質被覆層との密着強度が十分でないために、切削時の高負荷により、切刃の刃先の境界部分にチッピング等の異常損傷（以下、境界異常損傷という）による欠損を生じたり、また、被削材の仕上げ面精度が悪化したりすることによって、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、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で、硬質被覆層がすぐれた耐欠損性を発揮し、また、長期の使用に亘って、すぐれた仕上げ面精度を維持したまま安定した切削特性を発揮する被覆ｃＢＮ基焼結工具を開発すべく研究を行った結果、ｃＢＮ工具基体と硬質被覆層との間に、非晶質密着層を介在形成すると、ｃＢＮ工具基体と硬質被覆層との密着強度が向上するために、耐欠損性が改善され、また、被削材の仕上げ面精度も向上することを知見したのである。

具体的な非晶質密着層およびその形成法としては、
（ａ）ｃＢＮ工具基体表面に硬質被覆層を形成する前に、ｃＢＮ工具基体表面にＡｒボンバード処理を行うことにより、ｃＢＮ工具基体表面に存在するバインダー成分のみを非晶質層に改質すると、この層が非晶質密着層として作用し、ｃＢＮ工具基体と硬質被覆層との密着接合強度を高めることができる。
（ｂ）ｃＢＮ工具基体表面に硬質被覆層を形成する前に、硬質の非晶質ほう化チタン（ＴｉＢ_２）層、非晶質窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）層を形成すると、この非晶質層が、ｃＢＮ工具基体と硬質被覆層との密着接合強度を高める。
（ｃ）ｃＢＮ工具基体表面に硬質被覆層を形成する前に、結晶質のほう化チタン（ＴｉＢ_２）層、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）層を被覆し、その後、このほう化チタン（ＴｉＢ_２）層、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）層にボンバード処理を行って非晶質化すると、この非晶質層がｃＢＮ工具基体と硬質被覆層との密着接合強度を高める。

上記（ａ）〜（ｃ）のような非晶質密着層を、ｃＢＮ工具基体と硬質被覆層との間に介在形成することによって、密着接合強度が向上し、さらに、硬質被覆層として、高温硬さ、靭性にすぐれたチタン炭化物（以下、ＴｉＣで示す）層、チタン窒化物（以下、ＴｉＮで示す）層、チタン炭窒化物（以下、ＴｉＣＮで示す）層、チタン炭酸化物（以下、ＴｉＣＯで示す）層あるいはチタン炭窒酸化物（以下、ＴｉＣＮＯで示す）層のうちの少なくとも１層で形成してあるので、この発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具は、大きな発熱を伴う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において、すぐれた耐欠損性を示すとともに、高硬度被削材の仕上げ面精度の低下を招くこともなく、長期の使用に亘って安定した切削性能を発揮することを見出したのである。

この発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「（１） 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、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、
上記立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料は、平均粒径０．５〜８μｍの立方晶窒化ほう素粉末を４０〜８０体積％含有し、残部はバインダーからなり、
また、上記硬質被覆層は、チタンの窒化物層、炭窒化物層のうちの少なくとも１層からなるＴｉ化合物層からなり、
さらに、上記工具基体と上記硬質被覆層の間には、１０〜５０ｎｍの層厚の非晶質密着層が形成されており、該非晶質密着層は、立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料の構成成分であるバインダーの非晶質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。
（２） 上記非晶質密着層は、工具基体の表面に被覆された１０〜５０ｎｍの層厚の非晶質ほう化チタン層あるいは非晶質窒化珪素層である前記（１）記載の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。
（３） 上記非晶質密着層は、工具基体の表面に被覆した１０〜５０ｎｍの層厚のほう化チタン結晶質層あるいは窒化珪素結晶質層をボンバード処理によって非晶質化したものである前記（２）記載の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基焼結工具について詳細に説明する。
ｃＢＮ工具基体：
ｃＢＮ工具基体は、立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料から構成されるが、立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料におけるｃＢＮ含有量が４０体積％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鋼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、ｃＢＮ含有量が８０体積％より多くなると、非晶質密着層を介在形成したとしても、ｃＢＮ工具基体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、ｃＢＮ工具基体を構成する立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料におけるｃＢＮ含有量を４０〜８０体積％と定めた。
なお、ｃＢＮ粒子の平均粒径については、これが０．５μｍより小さくなると所望の耐摩耗性が得られず、一方、平均粒径が８μｍを超えると十分な付着強度が得られないため、ｃＢＮ粒子の平均粒径は０．５〜８μｍと定めた。
一方、立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料を構成するバインダーについては、既によく知られている成分、例えば、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉの窒化物、ほう化物およびこれらの相互固溶体等、を用いればよく、特に制限されるものではない。

非晶質密着層：
非晶質密着層およびその形成法を具体的に述べると、次の（ａ）〜（ｃ）のとおりである。
（ａ）ｃＢＮ工具基体表面のバインダー成分のみをボンバード処理で改質した非晶質密着層：
ｃＢＮ工具基体表面に硬質被覆層を形成する前に、例えば、
雰囲気ガス：Ａｒガス ，
雰囲気圧力：１〜１０Ｐａ、
ｃＢＮ工具基体温度：３００〜５００℃、
バイアス電圧：−２００〜−３００Ｖ、
の条件で、ｃＢＮ工具基体表面にＡｒボンバード処理を行い、その後に、
雰囲気ガス：Ａｒガス、
雰囲気圧力：１〜１０Ｐａ、
ｃＢＮ工具基体温度：５００℃、
アーク電流値：１００〜２００Ａ、
バイアス電圧：−８００〜−１０００Ｖ、
の条件で、ｃＢＮ工具基体表面にＴｉボンバード処理を行い、さらにその後、
雰囲気ガス：Ａｒガス、
雰囲気圧力：１〜１０Ｐａ、
ｃＢＮ工具基体温度：３００〜５００℃、
バイアス電圧：−８００〜−１０００Ｖ、
の条件で、ｃＢＮ工具基体表面にＡｒボンバード処理を行うと、
ｃＢＮ粒子に変化はないが、ｃＢＮ工具基体表面に露出し、かつ、ｃＢＮ粒子間隙に存在するバインダー成分のみがボンバード処理によって非晶質化し、非晶質密着層に改質される。
そして、この上に硬質被覆層を蒸着形成した場合に、バインダー成分のみからなる非晶質層が、ｃＢＮ工具基体と硬質被覆層の密着接合強度を高める。

（ｂ）ｃＢＮ工具基体表面に直接形成した硬質非晶質膜からなる非晶質密着層：
ｃＢＮ工具基体表面に硬質被覆層を形成する前に、例えば、
雰囲気ガス：Ａｒガス、
雰囲気圧力：０．２〜０．６Ｐａ、
ｃＢＮ工具基体温度：３００〜５００℃、
スパッタ電力：１２００〜１５００Ｗ、
バイアス電圧：−１０００〜−１２００Ｖ、
の条件でスパッタリングを行い、ｃＢＮ工具基体表面に非晶質ほう化チタン（ＴｉＢ_２）層、あるいは、非晶質窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）層を蒸着形成すると、上記非晶質ほう化チタン（ＴｉＢ_２）層、非晶質窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）層は、ｃＢＮ工具基体と硬質被覆層との密着接合強度を高めるばかりか、ｃＢＮ工具基体と硬質被覆層との界面でのクラックの進展を抑制する効果がある。

（ｃ）ｃＢＮ工具基体表面に形成した硬質結晶質膜をボンバード処理で改質した非晶質密着層：
ｃＢＮ工具基体表面に硬質被覆層を形成する前に、例えば、
雰囲気ガス：Ａｒガス、
雰囲気圧力：０．２〜０．６Ｐａ、
ｃＢＮ工具基体温度：３００〜５００℃、
スパッタ電力：８００〜１０００Ｗ、
バイアス電圧：−１００〜−２００Ｖ、
の条件でスパッタリングを行い、ｃＢＮ工具基体表面に結晶質のほう化チタン（ＴｉＢ_２）層、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）層を被覆し、その後、上記ほう化チタン（ＴｉＢ_２）層、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）層に、
雰囲気ガス：Ａｒガス ，
雰囲気圧力：１〜１０Ｐａ、
ｃＢＮ工具基体温度：５００℃、
カソード電極：金属Ｔｉ
アーク電流値：１００〜２００Ａ、
バイアス電圧：−１０００〜−１２００Ｖ、
の条件で、Ｔｉボンバード処理を行うと、ｃＢＮ工具基体表面の結晶質ほう化チタン（ＴｉＢ_２）層、結晶質窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）層が非晶質化し、この非晶質層がｃＢＮ工具基体と硬質被覆層との密着接合強度を高めるばかりか、ｃＢＮ工具基体と硬質被覆層との界面でのクラックの進展を抑制する効果がある。

非晶質密着層の層厚については、上記（ａ）の非晶質密着層の場合には、ｃＢＮ工具基体の表面に露出し、かつ、ｃＢＮ粒子間隙に存在するバインダー成分のみがボンバード処理によって非晶質密着層に改質されるのであるから、ｃＢＮ工具基体表面に沿って均一層厚の非晶質密着層は形成されないが、ｃＢＮ工具基体内部に向かって深さ１０〜５０ｎｍの領域が改質されて非晶質密着層を形成することが必要である。
非晶質密着層の層厚が１０ｎｍ未満では、密着強度向上効果を期待できず、一方、ｃＢＮ工具基体表面に対する硬質被覆層の密着性向上効果は、表面からの深さが５０ｎｍで十分であるから、非晶質密着層の層厚は１０〜５０ｎｍと定めた。
また、上記（ｂ）の非晶質密着層の場合には、ｃＢＮ工具基体の表面に被覆する硬質非晶質膜の膜厚を１０〜５０ｎｍとすることにより、また、上記（ｃ）の非晶質密着層の場合には、ボンバード処理によって改質する硬質結晶質膜の膜厚を１０〜５０ｎｍとすることにより、非晶質密着層の層厚を１０〜５０ｎｍとすることが必要であり、これは、前記（ａ）の場合と同様、層厚が１０ｎｍ未満では、非晶質密着層を設けたことによる密着強度向上効果を期待できず、一方、ＢＮ工具基体表面に対する硬質被覆層の密着性向上効果は、層厚が５０ｎｍで十分であるという理由による。

被覆ｃＢＮ基焼結工具の表面に、前記（ａ）〜（ｃ）のいずれの非晶質密着層を形成した場合であっても、非晶質層は活性が高いため、ｃＢＮ工具基体との密着性にすぐれるばかりか、この上に蒸着形成されるＴｉ化合物層からなる硬質被覆層との強固な密着接合強度を有し、その結果、大きな発熱を伴う高硬度被削材の高速切削加工において、すぐれた耐欠損性を示すと同時に被削材のすぐれた仕上げ面精度が維持される。

硬質被覆層：
この発明では、ｃＢＮ工具基体表面に、前記非晶質密着層を介して硬質被覆層として、ＴｉＮ層およびＴｉＣＮ層のうちの少なくとも１層以上からなるＴｉ化合物層を蒸着形成するが、上記Ｔｉ化合物層は、いずれも高温硬さ、靭性にすぐれたものであって、被覆ｃＢＮ基焼結工具の耐摩耗性向上に寄与する。

上記のＴｉ化合物層からなる硬質被覆層は、その層厚が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長期に亘って発揮することができず、工具寿命短命の原因となり、一方その層厚が１０μｍを越えると、欠損、剥離等を生じ易くなることから、その層厚を０．５〜１０μｍとすることが望ましい。

この発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具は、ｃＢＮ工具基体表面に活性の高い非晶質密着層を形成し、これを介してＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層のうちの少なくとも１層以上からなる硬質被覆層を形成したことによって、ｃＢＮ工具基体と硬質被覆層は強固な密着接合強度を備え、その結果、大きな発熱を伴う高硬度被削材の高速切削加工において、すぐれた耐欠損性を示すと同時に被削材のすぐれた仕上げ面精度が維持され、長期の使用に亘って、安定した切削性能を発揮することができる。

本発明工具１〜３０の作製に用いたＡＩＰ（アークイオンプレーティング）装置とＳＰ（スパッタリング）装置を併設した物理蒸着装置の概略説明図である。 従来工具１〜１０の作製に用いたＡＩＰ（アークイオンプレーティング）装置の概略説明図である。

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０．５〜８μｍの範囲内の平均粒径を有するｃＢＮ粉末、ＴｉＮ粉末、ＴｉＣＮ粉末、ＴｉＣ粉末、Ａｌ粉末、Ａｌ_２Ｏ_３粉末、ＷＣ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：４ＧＰａ、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ＳＮＧＡ１２０４０８の形状（厚さ：４．７６mm×一辺長さ：１２．７mmの正方形）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％、Ｎｉ：２．５％、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：０．１３ｍｍ、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ＳＮＧＡ１２０４０８のインサート形状をもったｃＢＮ工具基体Ａ〜Ｅをそれぞれ製造した。

ｃＢＮ工具基体表面のバインダー成分のみをボンバード処理で改質した非晶質密着層を備える本発明工具１〜１０の作製：
（ａ）上記のｃＢＮ工具基体Ａ〜Ｅ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ＡＩＰ（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、
（ｂ）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、表２に示される条件でＡｒボンバード処理およびＴｉボンバード処理を行い、ｃＢＮ工具基体表面のｃＢＮ粒子間隙に存在するバインダー成分のみを非晶質化して、表３に示される所定層厚の非晶質密着層を形成し、
（ｃ）その後、装置内に反応ガスとして窒素ガス（あるいは更にメタンガス等）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ｃＢＮ工具基体に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ硬質被覆層形成用金属Ｔｉ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ｃＢＮ工具基体の表面に、表３に示される目標層厚のＴｉ化合物層を硬質被覆層として蒸着形成することにより、
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。

ｃＢＮ工具基体表面に直接形成した硬質非晶質膜からなる非晶質密着層を備える本発明工具１１〜２０の作製：
（ａ）上記のｃＢＮ工具基体Ａ〜Ｅ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、一方側のカソード電極（蒸発源）として非晶質ほう化チタン又は非晶質窒化珪素を、また、他方側のカソード電極（蒸発源）として硬質被覆層形成用金属Ｔｉを配置した図１に示されるＡＩＰ（アークイオンプレーティング）装置とＳＰ（スパッタリング）装置を併設した物理蒸着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、
（ｂ）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、表４に示されるスパッタリング条件でｃＢＮ工具基体表面に非晶質ほう化チタン層又は非晶質窒化珪素層を蒸着して、表５に示される所定層厚の非晶質密着層を形成し、
（ｃ）装置内に反応ガスとして窒素ガス（あるいは更にメタンガス）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ｃＢＮ工具基体に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ硬質被覆層形成用金属Ｔｉ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ｃＢＮ工具基体の表面に、表５に示される目標層厚のＴｉ化合物層を硬質被覆層として蒸着形成することにより、
本発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具１１〜２０（本発明工具１１〜２０という）をそれぞれ製造した。

ｃＢＮ工具基体表面に形成した硬質結晶質膜をボンバード処理で改質した非晶質密着層を備える本発明工具２１〜３０の作製：
（ａ）上記のｃＢＮ工具基体Ａ〜Ｅ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、非晶質密着層形成用の結晶質ほう化チタン又は結晶質窒化珪素からなるカソード電極（蒸発源）、ボンバード処理および硬質被覆層形成用の金属Ｔｉからなるカソード電極（蒸発源）をそれぞれ配置した図１に示されるＡＩＰ（アークイオンプレーティング）装置とＳＰ（スパッタリング）装置を併設した物理蒸着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、
（ｂ）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、表６に示されるスパッタリング条件でｃＢＮ工具基体表面に、表７に示される結晶質ほう化チタン層又は結晶質窒化珪素層を蒸着形成し、
（ｃ）ついで、表６に示されるボンバード条件でＴｉボンバードすることにより、上記結晶質ほう化チタン層又は結晶質窒化珪素層を非晶質化して、表７に示される所定層厚の非晶質密着層を形成し、
（ｄ）ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガス（あるいは更にメタンガス）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ｃＢＮ工具基体に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ硬質被覆層形成用金属Ｔｉ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ｃＢＮ工具基体の表面に、表７に示される目標層厚のＴｉ化合物層を硬質被覆層として蒸着形成することにより、
本発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具２１〜３０（本発明工具２１〜３０という）をそれぞれ製造した。

また、比較の目的で、
上記のｃＢＮ工具基体Ａ〜Ｅ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に示されるアークイオンプレーティング装置内に装着し、硬質被覆層形成用の金属Ｔｉカソード電極（蒸発源）を配置し、
装置内に反応ガスとして窒素ガス（あるいは更にメタンガス等）を導入して３Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記ｃＢＮ工具基体に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、硬質被覆層形成用金属Ｔｉ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ｃＢＮ工具基体の表面に、表８に示される目標層厚のＴｉ化合物層を硬質被覆層として蒸着形成することにより、
従来被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜１０（従来工具１〜１０という）をそれぞれ製造した。

この結果得られた本発明工具１〜３０および従来工具１〜１０のＴｉ化合物層について、そ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。
さらに、本発明工具１〜３０の非晶質密着層については、透過型電子顕微鏡を用いて組織観察（倍率：５０万倍）したところ、ｃＢＮ工具基体表面と硬質被覆層間に非晶質密着層の形成が確認され、また、非晶質密着層の層厚についても、透過型電子顕微鏡を用いて測定したところ１０〜５０ｎｍであることが確認された。
これに対して、従来工具１〜１０では、ｃＢＮ工具基体表面と硬質被覆層間には、非晶質層の形成は見られなかった。
なお、本発明工具１〜３０について測定した非晶質密着層の層厚を、表３、５、７にそれぞれ示す。

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、本発明工具１〜３０および従来工具１〜１０ついて、以下に示す切削条件Ａ〜Ｃで高速連続切削試験を実施した。
[切削条件Ａ]
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４２０（硬さ：ＨＲＣ６０）の丸棒、
切削速度： ２４０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．１５ ｍｍ、
送り： ０．１２ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １０ 分、
の条件での浸炭焼入れ合金鋼の湿式連続高速切削加工試験（通常の切削速度は１８０ｍ／ｍｉｎ．）、
[切削条件Ｂ]
被削材：ＪＩＳ・ＳＣｒ４２０（硬さ：ＨＲＣ６１）の丸棒、
切削速度： ２２０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．２０ ｍｍ、
送り： ０．１２ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １０ 分、
の条件での浸炭焼入れクロム鋼の湿式連続高速切削加工試験（通常の切削速度は１８０ｍ／ｍｉｎ．）、
[切削条件Ｃ]
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＪ２（硬さ：ＨＲＣ６１）の丸棒、
切削速度： ２６０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．１２ ｍｍ、
送り： ０．１２ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １０ 分、
の条件での焼入れ軸受鋼の湿式連続高速切削加工試験（通常の切削速度は１７０ｍ／ｍｉｎ．）、
そして、上記の各切削加工試験における被削材の仕上げ面精度について、ＪＩＳ・Ｂ０６０１−１９９４に従い、Ｒｚ（μｍ）を測定した。
この測定結果を表９、１０に示す。
なお、従来工具１〜１０については、切削時間終了後、すべて被削材の仕上げ面精度（Ｒｚ（μｍ））が３．０μｍから外れてしまっていたため、上記所定の基準値を超えたときの切削時間を寿命（分）と判断し、表１０には、従来工具１〜１０の寿命（分を記載した。

表３、５、７〜１０に示される結果から、この発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具は、ｃＢＮ工具基体表面に活性の高い非晶質密着層を形成し、これを介してＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層のうちの少なくとも１層以上のＴｉ化合物層からなる硬質被覆層を形成したことによって、ｃＢＮ工具基体と硬質被覆層は強固な密着接合強度を備え、その結果、大きな発熱を伴う高硬度被削材の高速切削加工において、すぐれた耐欠損性を示すと同時に被削材のすぐれた仕上げ面精度が維持され、長期の使用に亘って、安定した切削性能を発揮するのに対して、ｃＢＮ工具基体と硬質被覆層との間に非晶質密着層が形成されていない従来被覆ｃＢＮ基焼結工具は、特にｃＢＮ工具基体と硬質被覆層間の密着接合強度の不足が原因で、刃先に境界異常損傷や欠損が発生しやすく、また、使用に伴い被削材の仕上げ面精度が低下（被削材の表面粗さが増大）し、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であっても、前記硬質被覆層がすぐれた耐境界異常損傷性、耐欠損性を発揮し、また、被削材の仕上げ面精度の低下を招くことなく、長期に亘って安定した切削性能を発揮するものであるから、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。

Claims (3)

1. 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、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、
   上記立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料は、平均粒径０．５〜８μｍの立方晶窒化ほう素粉末を４０〜８０体積％含有し、残部はバインダーからなり、
   また、上記硬質被覆層は、チタンの窒化物層、炭窒化物層のうちの少なくとも１層からなるＴｉ化合物層からなり、
   さらに、上記工具基体と上記硬質被覆層の間には、１０〜５０ｎｍの層厚の非晶質密着層が形成されており、該非晶質密着層は、立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料の構成成分であるバインダーの非晶質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。
2. 上記非晶質密着層は、工具基体の表面に被覆された１０〜５０ｎｍの層厚の非晶質ほう化チタン層あるいは非晶質窒化珪素層である請求項１記載の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。
3. 上記非晶質密着層は、工具基体の表面に被覆した１０〜５０ｎｍの層厚のほう化チタン結晶質層あるいは窒化珪素結晶質層をボンバード処理によって非晶質化したものである請求項２記載の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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