JPWO2005105348A1 - 表面被覆立方晶窒化硼素焼結体工具およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

立方晶窒化硼素（ＣＢＮ）焼結体で形成された基材（２）と、基材（２）表面を被覆する表面被覆膜（３）とを備える工具であって、少なくとも一部でＣＢＮ焼結体が露出したネガランド（４）と、表面被覆膜（３）を有する逃げ面（５）とが形成されてなる、表面被覆ＣＢＮ焼結体工具（１）である。これにより、優れた耐欠損性と耐摩耗性を兼ね備えた表面被覆ＣＢＮ焼結体工具（１）を提供することができる。表面被覆膜（３）は、Ｔｉ、Ｃｒ、ＺｒおよびＶからなる群から選択される少なくとも１種と、Ａｌ、ＳｉおよびＢからなる群から選択される少なくとも１種とからなる化合物の窒化物もしくは炭窒化物、または、Ｔｉの窒化物もしくは炭窒化物を含むことが望ましい。

Description

本発明は立方晶窒化硼素を主成分とする焼結体を基材とし、その表面に薄膜を被覆した工具用材料の改良に関するものである。

立方晶窒化硼素（ＣＢＮ；Ｃｕｂｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ)（以下、単に「ＣＢＮ」と呼ぶ。）は、ダイヤモンドに次ぐ高い硬度を有する材料であって金属との反応性が低いので、その焼結体は耐熱合金や焼入れ鋼の切削用の工具に使用されている。このように硬度の高いＣＢＮ焼結体においても、その上に表面被覆膜を形成して刃先の摩耗を防止することが行なわれている。

特許文献１は、ＣＢＮ焼結体上の表面被覆膜（被膜）が、Ｘ線回折したときに被膜の特定の結晶面からのピーク強度が特定の関係を有することを特徴とした硬質膜被覆超高温高圧焼結体を開示している。この技術では、刃こぼれやチッピングを防止する目的で、切刃に面取りやＲ形などのホーニング形状に加工することが提案されている。そして、被膜厚さが切刃稜線部に向かって減少していると、被膜の剥離性、切刃の微小チッピング性に優れることが開示されている。
特開２００２−３２８４号公報

しかし、特許文献１に開示された技術でも、特に当該工具を断続切削などに用いた場合には、ＣＢＮ焼結体よりも強度、靭性に劣るセラミックスで構成される被膜に断続的な衝撃が加わると亀裂が発生してしまう。さらに切削を続けると、基材と被膜の接合強度が高いので、この亀裂は基材であるＣＢＮ焼結体にまで伝播する。やがて、亀裂がさらに伝播し、ＣＢＮ焼結体にチッピングが発生して工具が寿命に至るということが判明した。

従って、本発明の主目的は、焼入鋼などの高硬度材料を断続切削する場合であっても、ネガランド（工具の刃先を強化するため、切刃に沿って切刃稜線を略同一の幅で面取りして形成された部分）の亀裂とチッピングを抑制し、逃げ面の摩耗量を減少させることができる表面被覆ＣＢＮ焼結体工具およびその製造方法を提供することにある。

本発明は、立方晶窒化硼素（ＣＢＮ）焼結体で形成された基材と、基材表面を被覆する表面被覆膜とを備える工具であって、少なくとも一部で立方晶窒化硼素焼結体が露出したネガランドと、表面被覆膜を有する逃げ面とが形成されてなる、表面被覆立方晶窒化硼素焼結体工具（表面被覆ＣＢＮ焼結体工具）である。

ここにおいて、前記露出したＣＢＮ焼結体におけるＣＢＮ粒子は、当該ＣＢＮ粒子表面から０．０５μｍ以上の深さにおいて、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｖ、Ａｒの少なくとも一種の含有量が不可避不純物量以下であることが、好ましい。

本発明における表面被覆膜は、Ｔｉ、Ｃｒ、ＺｒおよびＶからなる群から選択される少なくとも１種と、Ａｌ、ＳｉおよびＢからなる群から選択される少なくとも１種とからなる化合物の窒化物もしくは炭窒化物、または、Ｔｉの窒化物もしくは炭窒化物を含むことが好ましい。

また本発明の表面被覆ＣＢＮ焼結体工具は、（１）ネガランドの全部において、ＣＢＮ焼結体が露出しているか、または、（２）ネガランドの少なくとも切削断面に関する部分において、ＣＢＮ焼結体が露出していることが、好ましい。

本発明の表面被覆ＣＢＮ焼結体工具は、ネガランドの幅Ｗが０．０５〜０．２ｍｍであるのが好ましい。

本発明の表面被覆ＣＢＮ焼結体工具は、ＣＢＮ焼結体が露出したネガランド部の算出平均表面粗さＲａに関して、砥石の研磨方向と平行方向の表面粗さをＲａ（ｍｉｎ）、砥石の研磨方向と垂直方向の表面粗さをＲａ（ｍａｘ）とした場合、０．３≦Ｒａ（ｍｉｎ）／Ｒａ（ｍａｘ）≦０．８であるのが好ましい。

また本発明は、ＣＢＮ焼結体を切刃部とする工具素材の表面に、Ｔｉ、Ｃｒ、ＺｒおよびＶからなる群から選択される少なくとも１種と、Ａｌ、ＳｉおよびＢからなる群から選択される少なくとも１種とからなる化合物の窒化物もしくは炭窒化物、または、Ｔｉの窒化物もしくは炭窒化物を含む表面被覆膜をＰＶＤ法で形成する工程と、その少なくとも一部においてＣＢＮ焼結体が露出するようにネガランドを加工する工程とを含む、表面被覆ＣＢＮ焼結体工具の製造方法も提供する。

本発明の表面被覆ＣＢＮ焼結体工具の製造方法において、前記ネガランドを加工する工程の後に、ネガランドの周縁の少なくとも一部をホーニング加工する工程をさらに含むのが、好ましい。

本発明によれば、ネガランドの少なくとも一部において基材であるＣＢＮ焼結体が露出してなる構成を備えることにより、従来の工具で生じていたネガランドの表面被覆膜に発生する亀裂の発生を回避し、チッピングを抑制し、耐欠損性に優れ、かつ耐摩耗性にも優れる表面被覆ＣＢＮ焼結体工具を実現できる。このような表面被覆ＣＢＮ焼結体工具は、焼入鋼の断続切削など、工具の耐欠損性が必要とされる用途に、特に好適に使用することができるものである。

また本発明によれば、逃げ面には表面被覆膜が形成される構成を備えるが、断続切削での刃先の食い付き時において被削材と逃げ面とが最初に当たることはないため、逃げ面には表面被覆膜が形成されていても亀裂が発生しにくく、工具の寿命低下が起こることなく表面被覆膜により逃げ面の摩耗が抑制され、長寿命な工具を実現することができる。なお、本発明の工具における逃げ面の表面被覆膜に亀裂が発生しにくい現象は断続切削において特に顕著であるが、連続切削においても同様の効果がある。

本発明の表面被覆ＣＢＮ焼結体工具の断面図である。 本発明工具に用いる工具素材の斜視図である。 本発明の表面被覆ＣＢＮ焼結体工具の製造において工具素材を準備する工程を示す。 本発明の表面被覆ＣＢＮ焼結体工具の製造において表面被覆膜を形成する工程を示す。 本発明の表面被覆ＣＢＮ焼結体工具の製造においてネガランドを形成する工程を示す。

符号の説明

１ 表面被覆ＣＢＮ焼結体工具、２ 基材、３ 表面被覆膜、４ ネガランド、５ 逃げ面、６ 台金、７ 切欠部、４０ 工具素材、Ｗ ネガランドの幅。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の好ましい一例の表面被覆ＣＢＮ焼結体工具１を簡略化して示す断面図である。本発明の表面被覆ＣＢＮ焼結体工具１は、ＣＢＮ焼結体で形成された基材２と、基材２の表面を被覆する表面被覆膜３とを備え、少なくとも一部でＣＢＮ焼結体が露出したネガランド４と、表面被覆膜３を有する逃げ面５とが形成されてなる基本構成を備える。

本発明の表面被覆ＣＢＮ焼結体工具１は、台金６に基材２を取り付けて当該基材２を切刃部として用いるように構成されたものであってもよく、また、全体が基材２で構成されるものであってもよい。また、台金６に基材２を取り付けてなる場合、基材２のみを取り付けた１層タイプ、基材２および超硬合金を取り付けた２層タイプのいずれであってもよい。図１には、台金６に基材２のみを取り付けてなる１層タイプの表面被覆ＣＢＮ焼結体工具１を例示している。

台金６は、たとえばＷＣ−Ｃｏ合金などの超硬合金で形成される。また台金６の形状は、一般的に台金の形状は工具型番により適宜選択され、特に制限されるものではない。図１に示す例においては、断面方形状の板状物であって、その一角に基材２を取り付け可能な形状に切り欠かれて（図１では直角三角形状の底面を有する三角柱状に切り欠かれて）切欠部７が形成されてなる形状を有する。

本発明における基材２は、三角柱状、四角柱状など、従来公知の適宜の形状にて実現され得、その形状は特に制限されるものではない。図１には、基材２が直角三角形状の底面を有する三角柱状に形成され、上述した台金６の切欠部７に取り付けられた例を示している。

本発明における基材２はＣＢＮ焼結体で構成されるが、このＣＢＮ焼結体としては、ＣＢＮ粉末３０〜９０体積％と残部結合材とからなる焼結体を用いるのが好ましい。残部結合材としては、周期律表第４ａ、５ａおよび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と、アルミニウム化合物と不可避不純物が好ましい。ここでアルミニウム化合物としては、アルミの酸化物、硼化物、窒化物などである。ＣＢＮ焼結体として上記以外のものも種々知られているが、上記の基材は焼入れ鋼の切削に適している。

本発明における基材２は、その表面に表面被覆膜３が形成され、その一部においてＣＢＮ焼結体が露出するように形成されるが、前記露出したＣＢＮ焼結体におけるＣＢＮ粒子は、当該ＣＢＮ粒子表面から０．０５μｍ以上の深さにおいて、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｖ、Ａｒの少なくとも一種の含有量が不可避不純物量以下であることが、好ましい。ここで、「不可避不純物量」とは、原料粉となるＣＢＮ粒子の製造過程で残存する不純物を指し、その量は０．１重量％以下である。つまり、前記元素の含有量が「不可避不純物量以下」とは元来のＣＢＮ粒子と同等の組成を維持していることを指す。またＣＢＮ焼結体の表面から０．０５μｍ以下の深さにＴｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｖ、Ａｒのうちから選ばれる２種以上が含まれる場合には、その総量が不可避不純物量以下であることを指す。なお、ここで規定しているのは、ＣＢＮ焼結体の結合相として含まれるＴｉやＺｒではなく、ＣＢＮ焼結体の硬質相であるＣＢＮ粒子自体に含まれる元素を指す。

本発明者らは、チッピングが起こる原因について種々検討した結果、次のことが明らかになった。基材であるＣＢＮ焼結体上にＰＶＤ法にて表面被覆膜を形成する際、表面被覆膜と基材との密着力を高めて切削性能を上げるために、通常、イオンボンバード処理に代表される基材のクリーニングが行われる。しかし本発明者らは、表面被覆ＣＢＮ焼結体工具について詳細な分析と実験を行い、このクリーニングが弊害を起こすことを見出した。すなわち、たとえばイオンボンバード処理を行う場合、当該処理で使用されるＴｉやＣｒに代表される金属イオンやＡｒイオンの基材への打ち込みにより、ＣＢＮ焼結体の表層部に変質層が形成される。そして、この変質層が、たとえ表面被覆膜を薄く形成した場合であっても、チッピングなどの起点となってしまうことを突き止めた。その一方で、ネガランドを有して表面被覆膜のない工具の場合には、ネガランド面の亀裂やチッピングは少ないが、逃げ面の摩耗が著しく進展してしまうことも判明した。

Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｖ、Ａｒは、イオンボンバード処理で使用される元素であり、通常、この処理が行われた基材においては、ＣＢＮ焼結体の表層部（前記表面から５μｍ以下程度の深さ部分）に存在するＣＢＮ粒子に不可避不純物量を超えた量存在して、変質層を構成する。本発明においては露出したＣＢＮ焼結体におけるＣＢＮ粒子は、当該ＣＢＮ粒子表面から０．０５μｍ以上の深さにおいて、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｖ、Ａｒの少なくとも一種の含有量が不可避不純物量以下であり、変質層が実質的に形成されないことが好ましい。これにより、変質層を起点として生じるチッピングや欠損を抑制することができ、更なる長寿命を達成できる。ここで「実質的に形成されない」とは、前記ＣＢＮ粒子表面から０．０５μｍ以上の深さにおいて、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｖ、Ａｒの少なくとも一種が含まれていたとしても、その含有量は不可避不純物量以下であり、変質層が起点となり亀裂が進展することによるチッピングが起こらないことを指す。なお、上述した前記ＣＢＮ粒子表面から０．０５μｍ以上の深さにおいて、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｖ、Ａｒの少なくとも一種が不可避不純物量以下であるか否かは、たとえばＥＤＳ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）を用いた分析により確認することができる。

本発明において基材２上に形成される表面被覆膜３は、特に制限されるものではなく、耐摩耗性、耐剥離性、耐チッピング性に優れた硬質膜を形成する従来公知の適宜の材料にて形成することができるが、焼入鋼の切削に適した表面被覆ＣＢＮ焼結体工具を実現することができることから、Ｔｉ、Ｃｒ、ＺｒおよびＶからなる群から選択される少なくとも１種と、Ａｌ、ＳｉおよびＢからなる群から選択される少なくとも１種とからなる化合物の窒化物もしくは炭窒化物、または、Ｔｉの窒化物もしくは炭窒化物を含むことが好ましい。

ここで、「Ｔｉ、Ｃｒ、ＺｒおよびＶからなる群から選択される少なくとも１種と、Ａｌ、ＳｉおよびＢからなる群から選択される少なくとも１種とからなる化合物の窒化物もしくは炭窒化物」としては、具体的には、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＳｉＡｌＣＮ、ＶＺｒＡｌＮ、ＣｒＡｌＮ、ＣｒＡｌＣＮ、ＣｒＣＮ、ＣｒＢＮなどが挙げられる。また「Ｔｉの窒化物もしくは炭窒化物」は、ＴｉＮ、ＴｉＣＮを指す。これらの中でも耐摩耗性に優れるＴｉＡｌＮ、ＴｉＳｉＡｌＣＮ、ＣｒＡｌＣＮ、ＴｉＣＮが好ましい。

なお、本発明の表面被覆ＣＢＮ焼結体工具における表面被覆膜３に「Ｔｉ、Ｃｒ、ＺｒおよびＶからなる群から選択される少なくとも１種と、Ａｌ、ＳｉおよびＢからなる群から選択される少なくとも１種とからなる化合物の窒化物もしくは炭窒化物」、または、「Ｔｉの窒化物もしくは炭窒化物」が含まれているか否かは、たとえば、ＸＲＤ（Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｏｍｅｔｅｒ）を用いた分析により確認することができる。

本発明における表面被覆膜３は、その厚みについては特に制限されるものではないが、０．１〜５μｍであるのが好ましく、０．５〜２μｍであるのがより好ましい。表面被覆膜３の厚みが０．１μｍ未満であると、表面被覆膜３を形成することによる効果が十分に発揮されない虞があるためであり、また、表面被覆膜３の厚みが５μｍを超えると、ネガランド４を加工する際に表面被覆膜３にチッピングが起こる場合があるためである。

本発明における基材２は、その一角が面取りされて、ネガランド４が形成される。本発明における重要なことの１つは、ネガランド４が、その少なくとも一部において基材２であるＣＢＮ焼結体が露出する構成を備えることである。これによって、従来の工具で生じていたネガランドの表面被覆膜に発生する亀裂の発生を回避し、チッピングを抑制し、耐欠損性に優れ、かつ耐摩耗性にも優れる表面被覆ＣＢＮ焼結体工具を実現できる。このような表面被覆ＣＢＮ焼結体工具は、焼入鋼の断続切削など、工具の耐欠損性が必要とされる用途に、特に好適に使用することができるものである。

本発明において、ネガランド４は、その少なくとも一部において基材２であるＣＢＮ焼結体が露出しているものであればよいが、好ましい一例としては、その全部においてＣＢＮ焼結体が露出している場合が挙げられる。このようにネガランド４の全部においてＣＢＮ焼結体を露出させることで、様々な切削条件下でネガランド部における亀裂の発生を抑制でき、かつ製造コストの上でも優れているという利点があるためである。

また本発明において、ネガランド４は、少なくとも切削断面に関する部分において、ＣＢＮ焼結体が露出しているように実現されても構わない。ネガランド４の切削断面に関する部分以外の部分については、切削には直接関与しないため、表面被覆膜３が形成されていてもよい。ここで「切削断面」とは、工具形状、切り込みおよび送り条件によって決定される形状で、工具の被切削材と接触する部分の断面形状を指す。

本発明の表面被覆ＣＢＮ焼結体工具におけるネガランド４は、その幅Ｗが０．０５〜０．２ｍｍであることが好ましく、０．１〜０．１５ｍｍであることがより好ましい。ネガランド４の幅Ｗが０．０５ｍｍ未満であると、切削条件にもよるが、多くの場合、切削断面がネガランド部を超えてしまい、本発明の効果が十分に得られない傾向にあるためであり、また幅Ｗが０．２ｍｍを超えると、ネガランド加工時の除去体積が多くなり、製造コストが高くなる傾向にあるためである。なお、ネガランド４の幅Ｗとは、図１に示す断面において、ネガランド４の斜面と逃げ面５とが交差するエッジ１０から、ネガランド４の斜面とすくい面１１とが交差するエッジ１２までの距離を、すくい面１１に投影した長さを指す。

なお、本発明において、ネガランド４の幅Ｗは、切削条件とも密接に関係している。たとえば、旋削において、一回転あたりの送り量をネガランド４の幅Ｗよりも小さくしておくことが好ましい。被削材は工具のネガランド４に当たり、生成された切粉はすくい面１１の上をカールしながら排出される。上述したように、本発明の表面被覆ＣＢＮ焼結体工具において、被削材が当たるネガランド４には表面被覆膜３が形成されないため、亀裂によるチッピングが発生せず、安定して長期間の切削に供することができる。

本発明の表面被覆ＣＢＮ焼結体工具は、ＣＢＮ焼結体が露出したネガランド部の表面粗さも切削性能に関係している。ＣＢＮ焼結体が露出したネガランド部の算術平均表面粗さＲａに関して、砥石の研磨方向と平行方向の表面粗さをＲａ（ｍｉｎ）、砥石の研磨方向と垂直方向の表面粗さをＲａ（ｍａｘ）とした場合、０．３≦Ｒａ（ｍｉｎ）／Ｒａ（ｍａｘ）≦０．８であるのが好ましい。なお、上記算術平均粗さＲａは、ＪＩＳ規格のものを指す。Ｒａ（ｍｉｎ）／Ｒａ（ｍａｘ）はネガランド研削に使用する砥石の粒度に依存し、粒度が粗いとＲａ（ｍｉｎ）／Ｒａ（ｍａｘ）が小さくなり、細かいと大きくなる傾向がある。たとえば、回転ブラシとダイヤモンド砥粒を使用したホーニング加工をネガランド面に実施した場合、微小な研磨筋がランダムに配置されるため、Ｒａ（ｍｉｎ）／Ｒａ（ｍａｘ）は、ほぼ１となる。Ｒａ（ｍｉｎ）／Ｒａ（ｍａｘ）が０．３未満であると研磨筋の凹凸が大きくなり過ぎ、チッピングの起点となる場合がある。０．３≦Ｒａ（ｍｉｎ）／Ｒａ（ｍａｘ）≦０．８の範囲では、高い圧縮の残留応力が負荷されるため、亀裂の伝播が抑制される効果が大きい。Ｒａ（ｍｉｎ）／Ｒａ（ｍａｘ）が０．８を超えると、引っ張りの残留応力が負荷されるため亀裂が伝播しやすくなる虞がある。

また本発明の表面被覆ＣＢＮ焼結体工具１においてもう１つの重要なことは、逃げ面５が表面被覆膜３を有する構成を備えることである。すなわち、断続切削での刃先の食い付き時において被削材と逃げ面とが最初に当たることはないため、逃げ面には表面被覆膜が形成されていても亀裂が発生しにくく、工具の寿命低下が起こることなく表面被覆膜により逃げ面の摩耗が抑制され、長寿命な工具を実現することができる。なお、本発明の工具における逃げ面の表面被覆膜に亀裂が発生しにくい現象は断続切削において特に顕著であるが、連続切削においても同様の効果がある。

本発明はまた、上述した本発明の表面被覆ＣＢＮ焼結体工具を製造する方法をも提供する。図２は、本発明の製造方法に供する工具素材４０を模式的に示す斜視図であり、図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃは本発明の製造方法を段階的に示す断面図である。なお、図３Ａは、図２の切断面線ＩＩＩ−ＩＩＩからみた断面図である。本発明の表面被覆ＣＢＮ焼結体工具の製造方法は、ＣＢＮ焼結体を切刃部とする工具素材の表面に、Ｔｉ、Ｃｒ、ＺｒおよびＶからなる群から選択される少なくとも１種と、Ａｌ、ＳｉおよびＢからなる群から選択される少なくとも１種とからなる化合物の窒化物もしくは炭窒化物、または、Ｔｉの窒化物もしくは炭窒化物を含む表面被覆膜をＰＶＤ法で形成する工程と、その少なくとも一部においてＣＢＮ焼結体が露出するようにネガランドを加工する工程とを含むことを特徴とする。以下、本発明の製造方法について段階的に説明する。

本発明の製造方法においては、まず、工具素材４０を準備する（図３Ａ）。工具素材４０には、超硬合金で形成された台金６上に予め形成された切欠部７に、ＣＢＮ焼結体である基材２をたとえばロウ付けにより取り付けてなるタイプ（図２）と、全体がＣＢＮ焼結体からなるタイプとがある。さらに台金６に基材２を取り付けてなるタイプは、基材２がＣＢＮ焼結体のみからなる１層のものと、ＣＢＮ焼結体と超硬合金との２層のものとに分けられる。本発明における工具素材４０としては、上述したいずれのタイプのものも用いることができる。図２および図３には、超硬合金製の台金６における一対の対角位置にＣＢＮ焼結体のみの１層で形成された基材２がロウ付けにより一体化された工具素材４０を用いた場合を示している。

次に、ＰＶＤ法により、工具素材４０の表面に表面被覆膜３を形成する。図３Ｂに示すように、表面被覆膜３は、台金６の表面は勿論のこと、基材２の表面を含む工具素材４０の全面に形成される。勿論、逃げ面５およびすくい面１１にも表面被覆膜３が形成される。

なお本発明の製造方法において、形成される表面被覆膜３は、Ｔｉ、Ｃｒ、ＺｒおよびＶからなる群から選択される少なくとも１種と、Ａｌ、ＳｉおよびＢからなる群から選択される少なくとも１種とからなる化合物の窒化物もしくは炭窒化物、または、Ｔｉの窒化物もしくは炭窒化物を含むことを特徴とする。当該表面被覆膜３の形成材料に関する詳細は、上述したとおりである。

次に、図３Ｃに示すように、工具素材４０における切刃部である基材２の一角に、ネガランド加工して斜面を形成し、ネガランド４を形成する。このネガランド加工は、ＣＢＮ焼結体を部分的に除去できる程度の強さで加工することで、単に表面被覆膜のみを研磨する程度の研磨ではない。ダイヤモンド砥石などによる研削加工によって、経済性のある速度で本発明の工具を製造できる。このネガランド加工により、工具素材４０には、逃げ面５とネガランド４、ネガランド４とすくい面１１とが交差する部分にそれぞれエッジ１０，１２が形成される。そして、このネガランド４の少なくとも一部（図３Ｃに示す場合において、ネガランド４の全部）において表面被覆膜３がなく基材２であるＣＢＮ焼結体が露出し、かつ、逃げ面５およびすくい面１１においては表面被覆膜３が形成された状態の、表面被覆ＣＢＮ焼結体工具を得ることができる。

ネガランド４の少なくとも一部においてＣＢＮ焼結体を露出させる手法として、予めネガランドを工具素材に加工しておき、ネガランド面をマスキングしてネガランド面が被覆されないようにして表面被覆膜を形成する方法も考えられる。しかし、三次元の複雑形状の工具において、ネガランド面と逃げ面を厳密に区分する工業的なマスキングが難しいという問題がある。本発明の製造方法においては、工具素材４０の全体に表面被覆膜３を形成した後にネガランド加工することによって、ネガランド４の少なくとも一部においてＣＢＮ焼結体を露出させる。これにより、確実であり、かつ精度面、経済面から有利な表面被覆ＣＢＮ焼結体工具の製造方法を提供することができる。またさらに、本発明の製造方法では、変質層を容易に除去することも可能であるという利点もある。

本発明の表面被覆ＣＢＮ焼結体工具の製造方法においては、前記ネガランドを加工する工程の後に、ネガランドの周縁の少なくとも一部をホーニング加工する工程をさらに含むことが好ましい。このホーニング加工は、ネガランド面と逃げ面、ネガランド面とすくい面の交わる部分を曲線で滑らかに繋ぐことを目的とする。これらの各面の交わる部分を滑らかに繋ぐ方が、切削時における断続の衝撃、硬質粒子によるチッピングの発生を抑えることができる。すなわち、本発明の製造方法では、ネガランドの周縁（エッジ１０，１２およびその近傍の領域）だけさらにホーニング加工して図1に示すように丸めることによって、当該周縁における表面被覆膜のチッピングを抑制することができる。

ホーニング加工は、具体的には、回転ブラシとダイヤンモンド砥粒などをエッジ付近に当てることで施すことができる。これにより、ネガランドの周縁において表面被覆膜３が主として除去され、基材２部分は殆ど除去されない。

以下、実験例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜実験例１＞
超硬合金製ポットおよびボールを用いてＴｉＮとアルミニウムを８０：２０の重量比で混合した結合材粉末を得た。次に、この結合材と平均粒子径１μｍのＣＢＮ粉末とを体積比で３５：６５となるように配合し、Ｍｏ製容器に充填し、圧力５５ｋｂ（５．６ＧＰａ）、温度１４５０℃で２０分間焼結した。ＸＲＤ（Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｏｍｅｔｅｒ）により分析したところ、焼結体の中には、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムと硼化アルミニウムと思われるアルミニウム化合物が含まれていた。この焼結体を切削工具用のチップに使用できるように、放電加工やダイヤモンド砥石によって切り出した。この実験例では、完成品が型番ＳＮＧＮ１２０４０８となるように工具素材を作製した。

次に、表面被覆膜の形成方法について説明する。この実験例では、真空アーク放電によるイオンプレーティング法で表面被覆膜を工具素材上に形成した。ターゲットとしては、被覆膜の金属分の成分と同じ組成としＴｉ−５０ａｔ％Ａｌ、Ｃｒ−５０ａｔ％Ａｌ、Ｖ−４５ａｔ％Ａｌ−１０ａｔ％Ｚｒ、ＴｉおよびＣｒ−５ａｔ％Ｂ、Ｔｉ−４５ａｔ％Ａｌ−１０ａｔ％Ｓｉなどを用いた。ここでａｔ％は、原子％を示す。まず、成膜装置を１．３３×１０^-3Ｐａ（１０^-5ｔｏｒｒ）の真空度まで減圧し、Ａｒガスを導入して１．３３Ｐａ（１０^-2ｔｏｒｒ）の雰囲気中でチップに−１０００Ｖのバイアス電圧を加えながら、Ａｒイオンおよびターゲットを構成している金属イオンを用いたイオンボンバード処理によりクリーニングした。

次に、５００℃まで加熱し、Ａｒガスを排気した後反応ガスとしてＮ₂ガスを導入し、チップに−１２０Ｖの電圧を加えて、真空アーク放電によりアーク電流１００Ａで前記のターゲットを蒸発イオン化させて被覆した。圧力は、１．３３Ｐａ（１０^-2ｔｏｒｒ）とし、膜厚は被覆時間によって制御した。このように工具素材に表面被覆した後、ネガランド加工して試料を作製した。

表１に各試料の作製条件、膜特性を示す。表１試料番号３のように被覆膜がＮ（窒素）に加えＣ（炭素）を含む膜の場合には、反応ガスとしてＮ₂に加えＣＨ₄を用いた。これらＮ₂とＣＨ₄の流量の割合を調整して被覆膜におけるＮおよびＣの割合を調整することができる。被覆膜の結晶系は、立方晶型の結晶構造であった。

（表１中の「加工工程」の欄において、Ｃ、Ｎ、Ｈは下記の意味を持つ。
Ｃ：表面被覆、 Ｎ：ネガランド加工、 Ｈ：ホーニング加工 ）

次に、各試料の加工工程について表１を用いて説明する。各試料のうち実施例である試料番号１、３、４、１１〜１４は、ネガランド加工に続いてさらにホーニング加工している。同様に、工具素材にまずネガランド加工し、以下表１に示すように表面被覆、ホーニング加工の工程を加えて比較例の試料を作製した（試料番号６〜８）。また試料番号９は、表面被覆することなくネガランド加工およびホーニング加工を加えたものである。ネガランド加工は、いずれも研削により２５°の角度と０．２ｍｍの幅を有するネガランドを形成したものである。この実験例では、砥粒の粒度が８００メッシュのダイヤモンド砥石を用いてネガランド加工した。

実施例である試料番号１〜５、１０〜１４は、いずれもネガランドにおける表面被覆膜を除去している。このうち試料番号１０は、被覆前にあらかじめ研削により２５°の角度と０．１９ｍｍの幅を有するネガランドを加工し、次に逃げ面およびすくい面に１．０μｍのＴｉＡｌＮ膜を成膜し、その後研削により２５°の角度と０．２ｍｍの幅を有するネガランドを加工し、最後にホーニング加工を行った。一方、試料番号１〜５、１１〜１４は、被覆後研削により２５°の角度と０．２ｍｍの幅を有するネガランドを加工した。ホーニング加工を行った試料番号１、３、４、６〜１４のホーニングの形状は、いずれも０．０２ｍｍの曲率を有する円弧状であった。なお、比較例である試料番号６〜９におけるネガランド加工は、研削により２５°の角度と０．２ｍｍの幅を有する加工をした。

さらに、表１には、逃げ面とネガランド面における表面被覆膜の膜厚を測定した結果も示している。実施例である試料番号１〜５、１０〜１４では被覆後にネガランド加工するので、ネガランド面の膜厚はゼロであった。比較例である試料番号６〜８はネガランド面にも表面被覆膜が形成されたものであった。

（切削試験１）
表１に記載されているチップを用いて、長手方向にＵ字型の４つの溝を有する被削材を３０分間切削して各試料を評価した。その結果を表２に示す。被削材は、焼入れ鋼で硬度が５８〜６２ＨＲＣに調整されたＳＣＲ４２０Ｈ（ＪＩＳ規格）を用いた。切削試験の条件は、以下の通りである。

被削材；ＳＣＲ４２０Ｈ（長手方向にＵ字型の４つの溝を有する被削材）
切削条件；切削速度 Ｖ＝１２０ｍｍ／ｍｉｎ．
送り ｆ＝０．１ｍｍ／ｒｅｖ．
切り込みｄ＝０．１５ｍｍ
湿式、切削時間３０分
工具型番；ＳＮＧＮ１２０４０８

表２に示すように実施例である試料番号１〜５、１０〜１４は、３０分間以上の寿命であった。その中で試料番号１、３、４、１１〜１４のものは、ホーニング加工したので工具の損傷状態は正常摩耗であった。その結果、被削材の表面粗さＲｚが小さく、表面状態の良好な加工ができたということができる。ホーニング加工していない試料番号２および５は微小チッピングが見られ、被削材の面粗さＲｚがホーニング加工したものに比較すると大きい。従って、ホーニング加工したものの方が、優れているということができる。

ネガランド加工した後に表面被覆した比較例である試料番号６〜８はそれぞれ６．２分、６．３分および８．２分の切削時間で欠損した。表１によればＹ／Ｘの値が小さい方が欠損までの時間が長いことが分かる。比較例である試料番号９は、切削時間が長くなるに従い、摩耗が大きく発達し、３０分切削した時点ではチッピングが発生していた。逃げ面摩耗量が大きくなると、切削抵抗が増大し、チッピングが発生し易くなるため、同試料は使用限界が近いことを示している。

実施例である試料番号１〜５、１１〜１４は、同じく実施例である試料番号１０と同様な刃先形状でかつネガランドの表面被覆膜を除去しているにもかかわらず、さらなる長寿命を達成できた。表面被覆膜除去後におけるＣＢＮ焼結体基材のネガランドの表面をＥＤＳ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）で分析したところ、試料番号１０では、ＣＢＮ粒子の中心部からＴｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｖ、Ａｒなどのイオンボンバードによるクリーニングに使用した元素の存在が確認できたのに対して、試料番号１〜５、１１〜１４では、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｖ、Ａｒを検出できなかった。切削後の刃先損傷部の詳細な分析の結果、研削加工による取り代が試料番号１０と比較して大きい試料番号１〜５、１１〜１４では表面被覆膜とＣＢＮ焼結体との界面に生成している変質層を完全に取りきれたため、チッピングや欠損の起点となる亀裂の発生が抑制できていることが明瞭になった。

耐欠損性向上の観点からは試料番号１〜５、１１〜１４の工具が優れているが、これらの工具は取り代が多く、手作業によるネガランド加工のコストが増加する。一方、試料番号１０で行ったネガランドの加工方法を用いた場合、第一段階のネガランド加工は、市販の自動外周研削加工機で加工できるので、表面被覆後の手作業によるネガランド加工の取り代を低減できため、コスト面では有利になる。

（切削試験２）
実施例１で製作した型番ＳＮＧＮ１２０４０８の表面被覆ＣＢＮ焼結体工具などを用いて切削試験を行った。被削材は、ＳＣＲ４２０Ｈの丸棒で、連続切削の条件は以下の通りである。その結果を表３に示す。

被削材；ＳＣＲ４２０Ｈ丸棒（外径旋削加工）
切削条件；
切削速度 Ｖ＝１５０ｍｍ／ｍｉｎ．
送り；ｆ＝０．１ｍｍ／ｒｅｖ．
切り込みｄ＝０．１ｍｍ
乾式、切削時間５０分

実施例のものは、被削材の表面粗さＲｚが比較例と比較して小さく、美しい仕上げ面を得ることができた。この中でも、ホーニング加工したものは損傷状態が正常摩耗であり、ホーニング加工していない試料番号２、５に比較するとより良好な仕上げ面を得ることができた。なお、表３の損傷状態の欄で微小剥離とあるが、これは微小領域の膜がはがれ、ＣＢＮ焼結体が露出することを意味する。この場合、切れ刃稜線部に段差が生じ、それが被削材表面に転写され、被削材の面粗度が悪化する。

本発明表面被覆ＣＢＮ焼結体工具は、耐摩耗性が高くしかもチッピングを起こしにくく工具寿命も長い。また、好適な被削材の良好な表面粗さが得られた。従って、本発明表面被覆ＣＢＮ焼結体工具は、焼入れ鋼などの断続切削や連続切削に利用することができる。

Claims (22)

1. 立方晶窒化硼素焼結体で形成された基材と、基材表面を被覆する表面被覆膜とを備える工具であって、
   少なくとも一部で立方晶窒化硼素焼結体が露出したネガランドと、表面被覆膜を有する逃げ面とが形成されてなる、表面被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。
2. ネガランドの少なくとも切削断面に関する部分において、立方晶窒化硼素焼結体が露出していることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆立方晶窒硼素焼結体工具。
3. ネガランドの全部において、立方晶窒化硼素焼結体が露出していることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆立方晶窒硼素焼結体工具。
4. ネガランドの幅Ｗが０．０５〜０．２ｍｍであることを特徴とする請求項３に記載の表面被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。
5. 立方晶窒化硼素焼結体が露出したネガランド部の算術平均表面粗さＲａに関して、砥石の研磨方向と平行方向の表面粗さをＲａ（ｍｉｎ）、砥石の研磨方向と垂直方向の表面粗さをＲａ（ｍａｘ）とした場合、０．３≦Ｒａ（ｍｉｎ）／Ｒａ（ｍａｘ）≦０．８であることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。
6. 表面被覆膜が、Ｔｉ、Ｃｒ、ＺｒおよびＶからなる群から選択される少なくとも１種と、Ａｌ、ＳｉおよびＢからなる群から選択される少なくとも１種とからなる化合物の窒化物もしくは炭窒化物、または、Ｔｉの窒化物もしくは炭窒化物を含むことを特徴とする、請求項１に記載の表面被覆立方晶窒硼素焼結体工具。
7. ネガランドの少なくとも切削断面に関する部分において、立方晶窒化硼素焼結体が露出していることを特徴とする請求項６に記載の表面被覆立方晶窒硼素焼結体工具。
8. 立方晶窒化硼素焼結体が露出したネガランド部の算術平均表面粗さＲａに関して、砥石の研磨方向と平行方向の表面粗さをＲａ（ｍｉｎ）、砥石の研磨方向と垂直方向の表面粗さをＲａ（ｍａｘ）とした場合、０．３≦Ｒａ（ｍｉｎ）／Ｒａ（ｍａｘ）≦０．８であることを特徴とする請求項６に記載の表面被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。
9. ネガランドの全部において、立方晶窒化硼素焼結体が露出していることを特徴とする請求項６に記載の表面被覆立方晶窒硼素焼結体工具。
10. ネガランドの幅Ｗが０．０５〜０．２ｍｍであることを特徴とする請求項９に記載の表面被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。
11. 立方晶窒化硼素焼結体で形成された基材と、基材表面を被覆する表面被覆膜とを備える工具であって、
    少なくとも一部で立方晶窒化硼素焼結体が露出したネガランドと、表面被覆膜を有する逃げ面とが形成されてなり、
    前記露出した立方晶窒化硼素焼結体における立方晶窒化硼素粒子は、当該立方晶窒化硼素粒子表面から０．０５μｍ以上の深さにおいて、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｖ、Ａｒの少なくとも一種を含有し、その総含有量が不可避不純物量以下であることを特徴とする表面被覆立方晶窒硼素焼結体工具。
12. 被覆表面膜が、Ｔｉ、Ｃｒ、ＺｒおよびＶからなる群から選択される少なくとも１種と、Ａｌ、ＳｉおよびＢからなる群から選択される少なくとも１種とからなる化合物の窒化物もしくは炭窒化物、または、Ｔｉの窒化物もしくは炭窒化物を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の表面被覆立方晶窒硼素焼結体工具。
13. ネガランドの少なくとも切削断面に関する部分において、立方晶窒化硼素焼結体が露出していることを特徴とする請求項１２に記載の表面被覆立方晶窒硼素焼結体工具。
14. 立方晶窒化硼素焼結体が露出したネガランド部の算術平均表面粗さＲａに関して、砥石の研磨方向と平行方向の表面粗さをＲａ（ｍｉｎ）、砥石の研磨方向と垂直方向の表面粗さをＲａ（ｍａｘ）とした場合、０．３≦Ｒａ（ｍｉｎ）／Ｒａ（ｍａｘ）≦０．８であることを特徴とする請求項１２に記載の表面被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。
15. ネガランドの全部において、立方晶窒化硼素焼結体が露出していることを特徴とする請求項１２に記載の表面被覆立方晶窒硼素焼結体工具。
16. ネガランドの幅Ｗが０．０５〜０．２ｍｍであることを特徴とする請求項１５に記載の表面被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。
17. ネガランドの少なくとも切削断面に関する部分において、立方晶窒化硼素焼結体が露出していることを特徴とする請求項１１に記載の表面被覆立方晶窒硼素焼結体工具。
18. ネガランドの全部において、立方晶窒化硼素焼結体が露出していることを特徴とする請求項１１に記載の表面被覆立方晶窒硼素焼結体工具。
19. ネガランドの幅Ｗが０．０５〜０．２ｍｍであることを特徴とする請求項１８に記載の表面被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。
20. 立方晶窒化硼素焼結体が露出したネガランド部の算術平均表面粗さＲａに関して、砥石の研磨方向と平行方向の表面粗さをＲａ（ｍｉｎ）、砥石の研磨方向と垂直方向の表面粗さをＲａ（ｍａｘ）とした場合、０．３≦Ｒａ（ｍｉｎ）／Ｒａ（ｍａｘ）≦０．８であることを特徴とする請求項１１に記載の表面被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。
21. 立方晶窒化硼素焼結体を切刃部とする工具素材の表面に、Ｔｉ、Ｃｒ、ＺｒおよびＶからなる群から選択される少なくとも１種と、Ａｌ、ＳｉおよびＢからなる群から選択される少なくとも１種とからなる化合物の窒化物もしくは炭窒化物、または、Ｔｉの窒化物もしくは炭窒化物を含む表面被覆膜をＰＶＤ法で形成する工程と、
    その少なくとも一部において立方晶窒化硼素焼結体が露出するようにネガランドを加工する工程とを含む、表面被覆立方晶窒化硼素焼結体工具の製造方法。
22. 前記ネガランドを加工する工程の後に、ネガランドの周縁の少なくとも一部をホーニング加工する工程をさらに含む、請求項２１に記載の方法。

Images