JPH10245287A

JPH10245287A - 切削工具用硬質層被覆高圧相窒化ほう素焼結体

Info

Publication number: JPH10245287A
Application number: JP6740597A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Shintani; 一博新谷; Yutaka Kuroyama; 豊黒山; Masatoshi Sakurai; 正俊桜井; Mitsuhiro Furuta; 光拡古田
Original assignee: O S G KK; Showa Kinzoku Kogyo Co Ltd; NOF Corp; OSG Mfg Co
Current assignee: O S G KK; Showa Kinzoku Kogyo Co Ltd; NOF Corp; OSG Mfg Co
Priority date: 1997-03-04
Filing date: 1997-03-04
Publication date: 1998-09-14

Abstract

(57)【要約】【課題】高圧相窒化ほう素焼結体を高硬化度で、剛性
が高く、高温曲げ強度が高く、しかも耐化学反応性に優
れるものとし、被覆層を熱応力に耐え、強い密着強度を
保つ耐摩耗性と耐欠損性を有するものにできる切削工具
用硬質層被覆高圧相窒化ほう素焼結体を提供する。【解決手段】窒化ほう素焼結体は、（１）高圧相窒化
ほう素の原料１５〜８０体積％と、（２）結合相の原料
２０〜８５体積％との焼結体に、被覆層として０．１〜
２μｍの窒化チタンよりなる第１層、その上に０．５〜
１０μｍのチタンアルミニウムの窒化物よりなる第２層
が形成されている。（１）高圧相窒化ほう素の原料：粒
径が０．１〜１０μｍのＣＢＮ及び平均粒径が１０ｎｍ
〜１μｍのＷＢＮの少なくとも１種。（２）結合相の原
料：炭化チタン、窒化チタンのそれぞれ単独若しくはそ
れらの混合物又はそれらの固溶体とアルミニウムとから
なるもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、高強度の鋳鉄、
高硬度の焼入れ鋼及び難削材の切削加工に好適な切削工
具用硬質層被覆高圧相窒化ほう素焼結体に関するもので
ある。特に、熱応力に耐えて強い密着強度を保つ優れた
耐摩耗性と耐欠損性を有する切削工具用硬質層被覆高圧
相窒化ほう素焼結体に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ダイヤモンド焼結体工具は高硬度であ
り、工具材料としては極めて優れているが、熱的不安定
さや鉄系金属と高温で反応する欠点がある。そのため、
鉄系材料の切削には適さないという問題があった。

【０００３】現在、鉄系材料の切削加工には、サーメッ
ト、セラミック、超硬合金、これらに主にセラミックス
をコーティングしたもの、そして立方晶窒化ほう素（以
下、ＣＢＮという）又はウルツ鉱型窒化ほう素（以下、
ＷＢＮという）焼結体の工具が用いられている。これら
の中で高硬度の焼入れ鋼や高強度の鋳鉄の高速かつ高精
度加工には、ＣＢＮ又はＷＢＮ焼結体工具が優れた性能
を示す。

【０００４】しかし、切削加工現場の能率化が進むにつ
れて、ＣＢＮ又はＷＢＮ焼結体工具に要求される特性は
次第に増している。その中でも、焼入れ鋼や高強度の鋳
鉄を切削する場合の耐摩耗性や耐欠損性は要求が高ま
り、能率的な切削条件においてはそれらＣＢＮ又はＷＢ
Ｎの焼結体工具においても要求性能を満足することが難
しくなってきている。

【０００５】高圧相窒化ほう素焼結体切削工具は、本来
硬質層の被覆は必要としなかった。しかし、耐摩耗性及
び耐欠損性を向上させるために焼結体の基材表面にチタ
ン（Ｔｉ）化合物を被覆した切削工具が提案されてい
る。例えば、特開平８−３２３５０６号公報では、高圧
相型窒化ほう素を２０体積％以上含む硬質焼結体の基材
表面に、窒化チタン（ＴｉＮ）層と窒化アルミニウム
（ＡｌＮ）層とを交互に繰り返し積層し、そして各層の
層厚が０．２〜２０ｎｍである超格子積層化合物層の構
造とし、更にその外側に酸化アルミニウム（Ａｌ
₂Ｏ₃）層又はＡｌ₂Ｏ₃と炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）
とからなる層を２層以上積層した硬質耐摩耗層複合被覆
切削工具が開示されている。

【０００６】そして、それを高硬度の焼入れ鋼の連続及
び断続切削、普通鋳鉄、高強度の鋳鉄及び軟鋼の連続及
び断続切削に切削工具として用いる試みがなされてい
る。また、特開平２−１９４１５９号公報では、超硬合
金の表面に直接にチタンアルミニウムの窒化物〔（Ｔ
ｉ，Ａｌ）Ｎ〕層を備えた硬質層被覆切削工具が開示さ
れおり、特開平８−３９３１７号公報にも工具本体を高
速度工具鋼又は超硬合金とするものが開示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来より、
高圧相窒化ほう素焼結体切削工具により、被削材として
の高強度材料である高硬度の焼入れ鋼を切削している。
その工具損傷は、工具刃先に被削材が高硬度かつ高強度
であるために高温にさらされた切りくずが工具すくい面
を連続的若しくは断続的に擦過させるためにクレータ摩
耗が発生すると同時に、工具逃げ面においても常に被削
材と接触するために高温にさらされた工具自身が擦過さ
れて逃げ面摩耗を起こし、及びそれらと同時に被削材表
面と工具との接触部において逃げ面で起こる以上の高温
での擦過が発生して大きく境界摩耗が起こるものであ
り、その結果、上記クレータ摩耗と逃げ面摩耗の進行に
よって、それらの摩耗の互いに隣接する稜線においての
チッピング若しくは欠損が工具寿命を決定することが大
半を占めていた。

【０００８】今回、工具損傷について更に検討を重ねた
結果、工具刃先では上記クレータ摩耗部及び逃げ面摩耗
部においてＣＢＮ粒子が結合相部よりも速く損傷してい
ること、及びＣＢＮ粒子が破砕したり粒子脱落や粒子摩
耗をしていることが原因で工具寿命に至るケースが確認
されるという問題があった。このことは、高硬度の焼入
れ鋼の場合のみではなく高強度の鋳鉄の場合についても
起こり、それは高精度な電子顕微鏡の観察から明らかと
なった。

【０００９】また、これまでにも高圧相窒化ほう素焼結
体切削工具に硬質層を被覆する例があったが、それらは
以下のような問題があった。特開平８−３２３５０６号
公報に開示の切削工具では、窒化ほう素焼結体と硬質層
との密着性が考慮されていないため、切削工具としたと
きの硬質層の剥離が生じ、耐逃げ面磨耗性や耐クレータ
摩耗性などが不十分である。さらに、高圧相窒化ほう素
は常圧高温では逆転換により軟らかい低圧相となるた
め、チタンとの反応を生ずる温度まで反応温度を上げる
ことができない。このため、チタンとの親和性が充分で
はない。加えて、高圧相窒化ほう素の体積％が増加する
につれ、高圧相窒化ほう素に対する硬質層の密着性が低
下する。

【００１０】また、特開平２−１９４１５９号公報及び
特開平８−３９３１７号公報に開示の内容では、工具本
体が軟質であり、被覆層はそれより硬質であるため、被
覆層が工具本体の弾性変形に追従できず、さらに工具本
体と被覆層の熱膨張率が異なる。このため、切削温度の
上昇に伴い、工具本体の軟化及び熱応力によって容易に
剥離又は破壊してしまうという問題点があった。

【００１１】この発明は、上記のような従来技術に存在
する問題点に着目してなされたものである。その目的と
するところは、高圧相窒化ほう素焼結体の表面に被覆層
を設け、高圧相窒化ほう素焼結体を高硬化度で、剛性が
高く、高温曲げ強度が高く、しかも耐化学反応性に優れ
るものとし、被覆層を熱応力に耐え、強い密着強度を保
つ耐摩耗性と耐欠損性を有するものとし、特に高強度の
鋳鉄、高硬度の焼入れ鋼及び難削材の切削加工に好適な
切削工具用硬質層被覆高圧相窒化ほう素焼結体を提供す
ることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、第１の発明の切削工具用硬質層被覆高圧相窒化ほう
素焼結体は、下記に示す（１）高圧相窒化ほう素の原料
１５〜８０体積％と、（２）結合相の原料２０〜８５体
積％とを焼結して形成した焼結体の表面に、被覆層とし
て０．１〜２μｍの窒化チタンよりなる第１層を形成
し、その第１層の上に０．５〜１０μｍのチタンアルミ
ニウムの窒化物よりなる第２層を形成したものである。

【００１３】（１）高圧相窒化ほう素の原料：粒径が
０．１〜１０μｍの立方晶窒化ほう素及び平均粒径が１
０ｎｍ〜１μｍのウルツ鉱型窒化ほう素の少なくとも１
種からなるもの。

【００１４】（２）結合相の原料：炭化チタン、窒化
チタンのそれぞれ単独若しくはそれらの混合物又はそれ
らの固溶体とアルミニウムとからなるもの。第２の発明
の切削工具用硬質層被覆高圧相窒化ほう素焼結体は、第
１の発明において、前記高圧相窒化ほう素の原料は、立
方晶窒化ほう素とウルツ鉱型窒化ほう素を用い、ウルツ
鉱型窒化ほう素の含有量が立方晶窒化ほう素に対し６〜
２０体積％であり、結合相の原料は、アルミニウムに対
する炭化チタン、窒化チタンのそれぞれ単独若しくはそ
れらの混合物又はそれらの固溶体の重量比率が１〜９で
ある。

【００１５】第３の発明の切削工具用硬質層被覆高圧相
窒化ほう素焼結体は、第１又は第２の発明において、被
覆層として０．０１〜０．１μｍのチタンアルミニウム
の窒化物よりなる第１層を形成し、その第１層の上に
０．１〜２μｍの窒化チタン、炭化チタン及び炭窒化チ
タンの少なくとも１種からなる第２層を形成し、その第
２層の上に０．５〜１０μｍのチタンアルミニウムの窒
化物よりなる第３層を形成したものである。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、この発明の切削工具用硬質
層被覆高圧相窒化ほう素焼結体の実施形態について詳細
に説明する。

【００１７】切削工具用硬質層被覆高圧相窒化ほう素焼
結体は、下記に示す（１）高圧相窒化ほう素の原料１５
〜８０体積％と、（２）結合相の原料２０〜８５体積％
とを焼結して形成した焼結体の表面に、被覆層として２
層を被覆したものである。

【００１８】（１）高圧相窒化ほう素の原料：粒径が
０．１〜１０μｍの立方晶窒化ほう素及び平均粒径が１
０ｎｍ〜１μｍのウルツ鉱型窒化ほう素の少なくとも１
種からなるもの。

【００１９】（２）結合相の原料：炭化チタン、窒化
チタンのそれぞれ単独若しくはそれらの混合物又はそれ
らの固溶体とアルミニウムとからなるもの。被覆層は、
０．１〜２μｍの窒化チタンよりなる第１層と、その第
１層の上に０．５〜１０μｍのチタンアルミニウムの窒
化物よりなる第２層とよりなる。

【００２０】前記高圧相窒化ほう素の原料は、立方晶窒
化ほう素及びウルツ鉱型窒化ほう素の少なくとも１種か
らなるものである。その総量は焼結体の原料中、１５〜
８０体積％、好ましくは１５〜４０体積％である。

【００２１】ここで、ＣＢＮはその殆どが静的超高圧下
で合成される単結晶である。このため、へき開性があ
り、焼結体とした場合に靱性を低下させる原因になる。
一方、ＷＢＮは無触媒で１０ＧＰａ以上の静的超高圧下
又は爆薬の爆発などによる衝撃超高圧によって合成され
る。爆薬を用いたものが主で多結晶体となっている。従
って、ＷＢＮは一次粒径が数十ｎｍの多結晶凝集体であ
る。

【００２２】高圧相窒化ほう素の原料の割合が１５体積
％未満では、焼結はできるものの、焼結体自体の強度の
ばらつきが生じ、被覆層を有する焼結体を切削工具とし
ても、焼結体の性能の不安定さが工具寿命を支配するた
め、切削工具しては適さない。逆に、８０体積％を超え
ると高圧相窒化ほう素粒子同士が接触を起こし、その結
果すべての高圧相窒化ほう素粒子に結合相が濡れず、容
易に焼結体の欠損が起こり易くなるため、工具としては
適さない。なお、窒化ほう素の高圧相は、高圧において
安定に存在する窒化ほう素の意味であり、低圧において
安定に存在する低圧相窒化ほう素に対する語である。

【００２３】前記ＣＢＮは、最小粒径が０．１μｍで、
最大粒径が１０μｍである。この場合、ＣＢＮの平均粒
径は５μｍ以下であることが望ましい。また、ＣＢＮの
最小粒径が０．１μｍで、最大粒径が６μｍであること
が好ましい。この場合、ＣＢＮの平均粒径は３μｍ以下
であることが望ましい。加えて、ＣＢＮの最小粒径が
０．１μｍで、最大粒径が４μｍであることが更に好ま
しい。この場合、ＣＢＮの平均粒径は２μｍ以下である
ことが望ましい。

【００２４】ＣＢＮの平均粒径が０．１μｍ未満では、
焼結体を製造する上でＣＢＮの分散性が悪くなるからで
ある。逆に、１０μｍを超える場合には、被覆層の効果
はなく、高圧相窒化ほう素粒子が摩耗を起こし、それが
起点となって被覆層を破壊し、更に焼結体自体の摩耗や
破壊が進行するようになるため好ましくない。

【００２５】前記ＷＢＮは一次粒径が数十ｎｍの多結晶
凝集体であり、その平均粒径は１μｍ以下であり、その
下限は一次粒径の１０ｎｍである。平均粒径が１μｍを
超える場合には、焼結体自体の靱性が低下する。

【００２６】ＣＢＮとＷＢＮを併用する場合の好ましい
配合割合は、ＷＢＮがＣＢＮに対して６〜２０体積％で
ある。この範囲であれば、焼結体中に適切にチタンのほ
う化物（以下、ＴｉＢ₂という）が生成されて焼結体自
体を十分緻密にすることができる。ＷＢＮがＣＢＮに対
し６体積％未満であると、焼結体の緻密化が不十分とな
る傾向にある。一方、２０体積％を超えると、焼結体の
靱性が低下する傾向にある。

【００２７】ＣＢＮ又はＷＢＮそれぞれ単体での使用も
可能であるが、ＣＢＮ単体であると焼結体の靱性が不足
する傾向にある。また、ＷＢＮ単体であると微粒凝集体
になって分散性が低下し、焼結体自体の耐摩耗性が劣
り、更に過剰にＴｉＢ₂が生成されやすい。このＴｉＢ
₂が脆性物質であるため、焼結体の靱性が若干低下する
傾向にある。

【００２８】次に、結合相の原料は、炭化チタン（Ｔｉ
Ｃ）、窒化チタン（ＴｉＮ）のそれぞれ単独若しくはそ
れらの混合物又はそれらの固溶体とアルミニウム（Ａ
ｌ）とからなるものである。固溶体は、ＴｉＣ、ＴｉＮ
などの複合体よりなるチタンの炭窒化物である。この結
合相の原料を、Ｔｉ（Ｃ_Y，Ｎ_Z）_Xと表現する。ここ
で、ｘ，ｙ，ｚはモル分率、通常ｙ＋ｚ＝１を意味して
いる。

【００２９】前記Ａｌに対するＴｉＣ、ＴｉＮのそれぞ
れ単独若しくはそれらの混合物又はそれらの固溶体の重
量比率は、好ましくは１〜９であり、さらに好ましくは
２．５〜６の範囲内である。この重量比率が９を超える
と、焼結体の靱性が低下しやすくなる。逆に、重量比率
が１未満の場合には、焼結体硬度が低く、また切削中高
温になったときに焼結体自体が軟化しやすい。

【００３０】結合相中には、前記以外のセラミック成分
を配合することができ、そのようなセラミック成分とし
ては、ジルコニウム及びハフニウムの炭化物、窒化物、
ほう化物及びチタンのほう化物等が、この発明の目的を
逸脱しない範囲で添加可能である。

【００３１】また、結合相中にはＡｌ以外の金属成分を
配合することができ、そのような金属成分としては、
Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｆｅ等の１種又は２種以上が挙
げられる。これらの金属成分を使用するときは、セラミ
ック物質と予め反応させておくことが望ましい。また、
工具の軟化という観点から金属の種類は焼結物質が工具
となったときに受けると予想される温度によって選択さ
れるべきである。

【００３２】前記固溶体を使用する場合には、ＴｉＣ、
ＴｉＮ及びＡｌと必要により上記に挙げた金属成分を所
定の焼結条件下に予め焼結しておく。この場合の焼結条
件としては、反応成分の反応が可能で、所望とする固溶
体を得るために、焼結温度が好ましくは７００〜１５０
０℃、更に好ましくは９００〜１３００℃である。焼結
時間は反応を完結できるに足る時間、すなわち好ましく
は１０〜６０分、更に好ましくは１５〜４０分である。
また、焼結時の雰囲気は、真空下又はアルゴンなどの不
活性ガス雰囲気であることが望ましい。

【００３３】上記のような高圧相窒化ほう素の原料と結
合相の原料を所定条件下に焼結することにより、高圧相
窒化ほう素と結合相とからなる切削工具用高圧相窒化ほ
う素焼結体が得られる。この場合の焼結条件としては、
焼結温度が好ましくは９００〜２０００℃、更に好まし
くは１０００〜１７００℃である。焼結温度が９００℃
未満では、焼結が不十分で、所望とする硬度を得ること
ができず、２０００℃を超えるとＣＢＮ粒子が相変化し
たりして、焼結体の硬度を十分に保持できなくなる。ま
た、焼結圧力は２ＧＰａ以上が好ましく、３〜５ＧＰａ
が更に好ましい。焼結圧力が２ＧＰａ未満では、焼結体
が切削工具用として必要な緻密なものにならず、５ＧＰ
ａを越えてもその効果は向上せず、かえって製造コスト
が上昇する。

【００３４】次に、切削工具用硬質層被覆高圧相窒化ほ
う素焼結体は、高圧相窒化ほう素焼結体のＸ線回折分析
の結果が、下記の特定の値を有する場合に焼結体の耐摩
耗性が特に優れたものとなり好ましい。即ち、Ｘ線回折
分析はある特定の面方位及び回折角から求められるもの
である。そして、焼結体中のＴｉＢ₂の生成量に起因す
るものが重要であるが、原料として別途ＴｉＢ₂を添加
したものであっても良い。このＴｉＢ₂の生成量が下記
の数式（１）で規定される範囲内であることが望まし
い。

【００３５】

【数１】ＴｉＢ₂の生成量がこの範囲内であることにより、Ｔｉ
Ｂ₂が焼結体中に均一に生成され、さらに焼結体の緻密
化が起こる。上記数式（１）の比率が０．０８未満の場
合、焼結体自体の強度が不足し、工具性能である逃げ面
摩耗量が大きくなり、さらに仕上げ面粗さが悪化する傾
向にある。また、この比が０．５を超えると、焼結体の
靱性が不足するため工具として好ましくない傾向にあ
る。

【００３６】上述のような特定の範囲に限定された焼結
体表面に被覆層すなわち硬質層を備えた場合、特定の範
囲に限定された焼結体を使用することで焼結体表面近傍
における残留応力が低減でき、かつ高温で激しく擦過さ
れる高硬度の焼入れ鋼などの切削において優れた耐摩耗
性と耐欠損性を発揮することができる。従来は、軟らか
い工具基材の表面にそれよりも硬い被覆をするか、又は
工具基材と同程度の硬さの被覆をして工具の性能を上昇
させていた。これに対し、この発明では、高硬度の高圧
相窒化ほう素焼結体の表面に、それよりも軟らかい被覆
を施すという構成により、優れた性能を発揮することが
できるのである。

【００３７】次に、焼結体表面への被覆層の形成につい
て、図１に基づいて説明する。図１は、切削工具用硬質
層被覆高圧相窒化ほう素焼結体の概念を断面図で表した
ものであり、被覆層が２層の場合を示している。図１に
示すように、高圧相窒化ほう素焼結体１１の外周面に、
窒化チタン（ＴｉＮ）よりなる第１層１２が形成され、
さらにその外周面にチタンアルミニウムの窒化物〔（Ｔ
ｉ，Ａｌ）Ｎ〕よりなる第２層１３が形成されている。

【００３８】図１において、焼結体１１が最も硬度が高
く、順に第２層１３、第１層１２と硬度が低くなる。第
１層１２は、焼結体１１と第２層１３との中間に位置し
ているので中間層である。この中間層は焼結体１１と第
２層１３との密着性を向上させる。また、例えばチタン
金属層を焼結体１１の表面に、適当な厚さで被覆させる
ことも可能である。この場合、チタン金属層は切削荷重
による応力を緩和させる働きを有する。第２層１３は、
その硬質層自体の特徴である耐摩耗性を向上させる作用
を発揮する。

【００３９】第１層１２の厚さは、０．１〜２μｍであ
る。この第１層１２の厚さが２μｍを超えると、第１層
１２と焼結体１１の熱膨張差によって層間剥離が発生す
る。また、逆に０．１μｍを下回ると、それ自体での強
度が不足して第２層１３の剥離が発生し易くなる。この
第１層１２は、ＴｉＮよりなるいわゆる単層であり、積
層状態とは異なるものである。

【００４０】また、第２層１３の厚さは、０．５〜１０
μｍである。第２層１３の厚さが１０μｍを超えると、
第２層１３にクラックが入り易く、第２層１３が第１層
１２から剥離し易くなるため、切削工具として使用に適
さない。逆に、０．５μｍを下回ると、焼結体１１の表
面を被覆することによる耐摩耗効果が得られず、実用性
を有しなくなる。この第２層１３は（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎよ
りなるいわゆる単層である。

【００４１】前記焼結体１１の表面に第１層１２と第２
層１３とを被覆する場合、焼結体１１の表面と第１層１
２との間に５０〜２００Åの厚さのチタンよりなる層、
例えば純チタンの層を形成することができる。この場
合、切削時において被覆層の第１層１２に加わる衝撃力
を緩和することができる。

【００４２】次に、この発明では、被覆層を３層にする
ことができる。被覆層が３層の場合には、第１層として
０．０１〜０．１μｍのチタンアルミニウムの窒化物よ
りなる層を形成し、第２層として第１層の上に０．１〜
２μｍの窒化チタン、炭化チタン及び炭窒化チタンの少
なくとも１種からなる層を形成し、第３層として第２層
の上に０．５〜１０μｍのチタンアルミニウムの窒化物
よりなる第３層を形成する。このように被覆層を３層に
形成する場合、前述の２層の場合に対してさらに焼結体
上に第１層としてチタンアルミニウムの窒化物よりなる
層を形成した点に特徴を有する。この第３層を形成する
ことにより、第１層から第３層の密着性を維持しつつ、
第１の発明の効果をより向上させることができる。

【００４３】この第１層の厚みが０．１μｍを超えると
焼結体と第１層のチタンアルミニウムの窒化物の熱膨張
差によって層間剥離が発生しやすくなり、逆に０．０１
μｍより小さいと第１層のチタンアルミニウムの窒化物
自体の強度が不足して充分な密着性が得られなくなる。

【００４４】前記焼結体１１の表面に被覆層として３層
を形成する場合、前記２層の場合と同様に、焼結体１１
の表面と第１層１２との間に５０〜２００Åの厚さのチ
タンよりなる層、例えば純チタンの層を形成することが
できる。このようにすれば、切削時において被覆層の第
１層１２に加わる衝撃力を緩和することができる。

【００４５】焼結体上に前記のような被覆層を形成する
方法としては、アーク方式のイオンプレーティング装置
を用いる方法などが採用される。上記のような実施形態
によれば、次のような効果が発揮される。・実施形態における切削工具用硬質層被覆高圧相窒化
ほう素焼結体によれば、高圧相窒化ほう素焼結体の表面
に複数層よりなる被覆層が形成されている。このため、
切削工具とした場合、ＣＢＮの粒子の損傷或いは破砕に
基づく摩耗が抑制され、高圧相窒化ほう素焼結体が本来
有する好ましい性能である耐摩耗性と耐欠損性を向上さ
せることができる。・高圧相窒化ほう素として、粒径の小さい立方晶窒化
ほう素と所定粒径のウルツ鉱型窒化ほう素を用い、結合
相を所定のものに設定したことから、高圧相窒化ほう素
焼結体を高硬化度で、剛性が高く、高温曲げ強度が高
く、しかも耐化学反応性に優れるものとすることができ
る。・また、結合相の組成と被覆層の第１層及び第２層の
組成を類似するものとしたため、切削中高温になったと
きに発生する熱応力に耐えることができることから、焼
結体と被覆層との間の密着強度を保つことができる。・さらに、被覆層の第１層として窒化チタンよりなる
層を設けたことから、焼結体と被覆層の第２層に対する
濡れ性を高めることができ、焼結体と第２層との間の密
着性をより高めることができる上に、第２層としてチタ
ンアルミニウムの窒化物を設けたことから、第２層に加
わる衝撃を和らげことができる。また、焼結体表面にチ
タンよりなる層、例えば純チタン層を設け、その上に上
記第１層を形成することによっても被覆層に加わる衝撃
を和らげことができる。・ＷＢＮをＣＢＮに対して６〜２０体積％の範囲に設
定することにより、焼結体中に適切にチタンのほう化物
（ＴｉＢ₂）を生成させることができ、焼結体自体を十
分緻密にすることができるとともに、焼結体の靱性を向
上させることができる。・Ａｌに対するＴｉＣ、ＴｉＮのそれぞれ単独若しく
はそれらの混合物又はそれらの固溶体の重量比率を１〜
９の範囲に設定することにより、焼結体の靱性を向上さ
せることができるとともに、焼結体の硬度を向上させる
ことができ、切削中高温になったときに焼結体自体の軟
化を防止することができる。・被覆層を３層にした場合にも、第１層から第３層の
密着性を維持しつつ、熱応力に耐えて強い密着強度を保
つ優れた耐摩耗性と耐欠損性を向上させることができ
る。また、焼結体表面にチタンよりなる層、例えば純チ
タン層を設け、その上に上記第１層を形成することによ
っても同様の効果を得ることができる。・従って、実施形態の切削工具用硬質層被覆高圧相窒
化ほう素焼結体は、特に高強度の鋳鉄、高硬度の焼入れ
鋼及び難削材の切削加工に好適である。

【００４６】

【実施例】以下、この発明を実施例及び比較例により具
体的に説明する。（実施例１〜６及び比較例１〜５）窒化チタン（平均粒
径０．８μｍＴｉＮ_0.8）７５重量％とアルミニウム
（平均粒径１０μｍ）２５重量％を超硬合金ポットとボ
ールを用いてエチルエーテル中でボールミル粉砕混合を
し、脱エチルエーテルした後ペレット状にした。それを
１２００℃、２５分間反応させ、平均粒径０．９μｍに
粉砕して結合相用の粉末とした。これらの結合相用粉末
と下記表１に示す高圧相窒化ほう素粉末（表１中に高圧
相窒化ほう素量をＢＮ量として表記した）とから焼結用
混合粉末を調製した。ここで用いた高圧相窒化ほう素原
料は、平均粒径１μｍ、粒径２μｍ以下のＣＢＮ粒子
と、平均粒径１μｍ以下のＷＢＮ粒子であった。なお、
表１において、ＷＢＮ量に対するＣＢＮ量の比をＱ値と
して表記した。

【００４７】この焼結用混合粉末を外径４５mm、厚さ２
mmに型押し成形した板及び同じく同寸に型押し成形した
超硬合金板（コバルト含有量８重量％）をジルコニウム
（Ｚｒ）製の容器に入れ、黒鉛製の加熱ヒータ及び塩化
ナトリウム（ＮａＣｌ）製の圧力媒体に組み込んだ。こ
のアセンブリをベルト型超高圧装置にセットし、圧力
４．８ＧＰａ、温度１３００℃で１５分間焼結した。

【００４８】得られた焼結体についてＸ線回折により測
定したところ、全ての焼結体にＣＢＮのピークと、チタ
ンの窒化物としてＴｉＮ、チタンのほう化物としてＴｉ
Ｂ₂、アルミニウム化合物としてＡｌＢ₂、ＡｌＮ、Ａ
ｌ₂Ｏ₃等のピークが確認された。試料によってはコバ
ルト（Ｃｏ）、Ｚｒ或いはタングステン（Ｗ）を含む炭
化物、窒化物及びほう化物なども微量ではあるが検出さ
れた。

【００４９】得られた焼結体を放電加工により所定のス
ローアウェイチップ用の大きさに切断し、ＩＳＯ規格
（ＳＮＧＮ１２０３０８）の形状の工具に仕上げた。そ
のスローアウェイチップを、Ｔｉ_0.5Ａｌ_0.5をカソー
ド電極とするアーク方式イオンプレーティング装置の基
板ホルダに取り付けた。本装置には、焼結体上に被覆層
を均一に形成するため、基板回転機構及びヒータが設置
されている。被覆層の形成にあたっては、まず基板表面
をヒータにより６００℃に加熱したまま、基板表面の清
浄化と皮膜の付着強度向上のため、基板に−１０００Ｖ
のバイアス電圧を印加し、アーク電流１００Ａ、アーク
電圧２０ＶでＴｉイオンボンバードを行った。

【００５０】その後、装置内に高純度窒素（Ｎ₂）を２
０ｍＴｏｒｒまで導入し、基板に−１００Ｖのバイアス
電圧を印可して、基板表面に形成したＴｉＮ皮膜層の厚
さをｄ１値として表記し、更にその外表面に形成した
（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎよりなる皮膜層の厚さをｄ２値として
表１中に示した。

【００５１】これらの試作工具により、焼入れ鋼の丸棒
（ＳＮＣＭ４４７５４〜５８HRC，直径１００mm）を
長手方向に旋盤を用いて切削した。ここで工具刃先形状
は（−５，−５，５，５，１５，１５，０．８）とし
た。その条件は切削速度１２０m/min 、送り量１回転当
たり０．１mm、切込み０．１mm、乾式にて行い、６０分
切削後の逃げ面摩耗幅（ＶＢ値として表１中に示し
た。）で工具の耐摩耗性を評価した結果も合わせて表１
に示した。なお、表１中の＊印は硬質層の剥離があった
ことを示す。

【００５２】

【表１】表１に示したように、実施例１〜６においては、逃げ面
摩耗幅は０．２mm以下と優れていた。これに対し、ＢＮ
量が少ない場合（比較例１）、被覆層の第１層又は第２
層の厚さが薄過ぎたり、厚すぎたりした場合（比較例２
〜５）では、逃げ面摩耗幅が０．２mmを越えるか、又は
欠損した。比較例４，５については切削開始後それぞれ
表中記載の時間で工具刃先付近の硬質層の剥離が発生
し、間もなく欠損した。その原因は、比較例４では（Ｔ
ｉ，Ａｌ）Ｎ層が厚かったこと、比較例５ではＴｉＮ中
間層がなかったことが挙げられる。（実施例７〜１０及び比較例６〜１１）結合相の原料と
して、窒化チタン（平均粒径０．８μｍＴｉＮ_0.8）
５５重量％とアルミニウム（平均粒径１０μｍ）３５重
量％と炭化チタン（平均粒径０．５μｍＴｉＣ_0.9）
１０重量％を用いた。高圧相窒化ほう素原料は、ＣＢＮ
に対するＷＢＮの比（Ｑ値）を１５とし、ＣＢＮの平均
粒径を変化させた。それ以外は、実施例１と同じ方法
で、表２に示すように配合を変え、被覆焼結体工具を作
成した。

【００５３】次に、焼入れ鋼（ＳＵＪ２材、６２ＨＲ
Ｃ，直径１００mm）の丸棒外周を切削速度１３０m/min
、送り量１回転当たり０．１mm、切込み０．２mmで乾
式連続切削した。そして、切削開始後６０分経過後の逃
げ面摩耗幅（ＶＢ値）及び欠損に至るまでの時間を測定
して評価し、それらの結果をＶＢ値とともに表２に示し
た。

【００５４】

【表２】表２に示したように、実施例７〜１０においては、ＣＢ
Ｎの平均粒径が５μｍのものでも硬質層を被覆した効果
が得られ、それ以下の粒径ではその効果がさらに優れて
いた。これに対し、ＢＮ量が過小又は過大な場合（比較
例６，７）では、焼結体自体の性能異常を示した。被覆
層の第１層又は第２層の厚さが薄過ぎたり、厚すぎたり
した場合（比較例８〜１１）では、逃げ面摩耗幅が０．
２mmを超えた。（実施例１１〜１４）窒化チタン（平均粒径０．５μｍ
ＴｉＮ_0.8）とアルミニウム（平均粒径１０μｍ）
を、以下の表３に示す様に配合比を変え、実施例１と同
じ操作で結合相用粉末を作製した。結合相用粉末と高圧
相窒化ほう素原料（平均粒径１μｍ、粒径２μｍ以下の
ＣＢＮ粒子と、１μｍ以下のＷＢＮ粒子で、Ｑ値は１０
とした。）とを１対１で混合して焼結用混合粉末を作
り、以下実施例１と同じような方法で焼結体工具とし
た。

【００５５】その焼結体工具にＴｉＮを中間層として厚
さ０．３μｍ、その外表面に（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎを硬質層
として厚さ７μｍの被覆処理を施し、被覆焼結体工具と
した。この評価に当たっては、焼入れ鋼（ＳＮＣＭ４４
７材、５５ＨＲＣ）の丸棒外周連続切削で、切削条件は
切削速度１２０m/min 、送り量１回転当たり０．１mm、
切込み０．２５mm、乾式で行ない、６０分切削後の工具
刃先逃げ面摩耗量（ＶＢ値）、及び工具の熱的特性の指
標の一つであるクレータ摩耗量を測定し、表３に表記し
た。

【００５６】

【表３】表３に示したように、実施例１１〜１４はＶＢ値及びク
レータ摩耗量が優れたものであった。

【００５７】これらの実施例及び比較例について、耐摩
耗性は工具逃げ面摩耗幅（ＶＢ値）によって評価され
る。また、耐欠損性はその文字通り欠損があるかないか
によって評価し、密着性はＴｉＮ層、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ
層の２層からなる被覆層の厚さによって評価し、また耐
熱応力については、被覆層の切削中での挙動、例えばク
レータ摩耗量、切削中の被覆層の欠損或いは剥離によっ
て評価できるものである。（実施例１５）被覆層として、第１層に層厚０．０５μ
ｍの（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を、第２層に層厚０．２μｍの
ＴｉＮ層を、第３層に層厚１０．０μｍの（Ｔｉ，Ａ
ｌ）Ｎ層を形成した以外は、実施例９と同じ方法で工具
の耐摩耗性を評価した結果、ＶＢ値が０．０９mmと優れ
たものであった。

【００５８】なお、前記実施形態より把握される技術的
思想について以下に記載する。・焼結体中のチタンのほう化物（ＴｉＢ₂）の生成量
が下記の数式（１）で規定される範囲内である請求項１
〜３のいずれかに記載の切削工具用硬質層被覆高圧相窒
化ほう素焼結体。

【００５９】

【数２】このように構成した場合、焼結体を緻密にでき、耐摩耗
性及び耐欠損性を向上させることができる。・前記焼結体の表面に５０〜２００Åのチタンよりな
る層を形成した請求項１〜３のいずれかに記載の切削工
具用硬質層被覆高圧相窒化ほう素焼結体。

【００６０】このように構成した場合、切削時において
被覆層の第１層に加わる衝撃力を緩和することができ
る。

【００６１】

【発明の効果】以上詳述したように、この発明によれ
ば、次のような優れた効果を奏する。第１の発明の切削
工具用硬質層被覆高圧相窒化ほう素焼結体によれば、高
圧相窒化ほう素と結合相の組成を変更したことから、高
圧相窒化ほう素焼結体を高硬化度で、剛性が高く、高温
曲げ強度が高く、しかも耐化学反応性に優れるものとす
ることができる。また、被覆層を所定の複数層に形成し
たことから、被覆層を熱応力に耐え、強い密着強度を保
つ耐摩耗性と耐欠損性を有するものにすることができ
る。従って、この発明の切削工具用硬質層被覆高圧相窒
化ほう素焼結体は、特に高強度の鋳鉄、高硬度の焼入れ
鋼及び難削材の切削加工に好適である。

【００６２】第２の発明の切削工具用硬質層被覆高圧相
窒化ほう素焼結体によれば、焼結体中に適切にチタンの
ほう化物（ＴｉＢ₂）を生成させることができ、焼結体
自体を十分緻密にすることができるとともに、焼結体の
靱性を向上させることができる。しかも、焼結体の硬度
を向上させることができる。

【００６３】第３の発明の切削工具用硬質層被覆高圧相
窒化ほう素焼結体によれば、被覆層における第１層から
第３層の密着性を維持しつつ、第１の発明の効果をより
向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】硬質層被覆高圧相窒化ほう素焼結体の構造を
示す断面図。

フロントページの続き (72)発明者黒山豊愛知県知多郡武豊町字上山三丁目３番地 (72)発明者桜井正俊愛知県豊川市白雲町三丁目21番地の27 (72)発明者古田光拡愛知県知多郡武豊町六貫山二丁目34番地

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下記に示す（１）高圧相窒化ほう素の原
料１５〜８０体積％と、（２）結合相の原料２０〜８５
体積％とを焼結して形成した焼結体の表面に、被覆層と
して０．１〜２μｍの窒化チタンよりなる第１層を形成
し、その第１層の上に０．５〜１０μｍのチタンアルミ
ニウムの窒化物よりなる第２層を形成した切削工具用硬
質層被覆高圧相窒化ほう素焼結体。（１）高圧相窒化ほう素の原料：粒径が０．１〜１０
μｍの立方晶窒化ほう素及び平均粒径が１０ｎｍ〜１μ
ｍのウルツ鉱型窒化ほう素の少なくとも１種からなるも
の。（２）結合相の原料：炭化チタン、窒化チタンのそれ
ぞれ単独若しくはそれらの混合物又はそれらの固溶体と
アルミニウムとからなるもの。
【請求項２】前記高圧相窒化ほう素の原料は、立方晶
窒化ほう素とウルツ鉱型窒化ほう素を用い、ウルツ鉱型
窒化ほう素の含有量が立方晶窒化ほう素に対し６〜２０
体積％であり、結合相の原料は、アルミニウムに対する
炭化チタン、窒化チタンのそれぞれ単独若しくはそれら
の混合物又はそれらの固溶体の重量比率が１〜９である
請求項１に記載の切削工具用硬質層被覆高圧相窒化ほう
素焼結体。
【請求項３】前記被覆層に代えて、焼結体の表面に、
被覆層として０．０１〜０．１μｍのチタンアルミニウ
ムの窒化物よりなる第１層を形成し、その第１層の上に
０．１〜２μｍの窒化チタン、炭化チタン及び炭窒化チ
タンの少なくとも１種からなる第２層を形成し、その第
２層の上に０．５〜１０μｍのチタンアルミニウムの窒
化物よりなる第３層を形成した請求項１又は請求項２に
記載の切削工具用硬質層被覆高圧相窒化ほう素焼結体。