JPWO2010150335A1 - 被覆立方晶窒化硼素焼結体工具 - Google Patents

Abstract

摩耗進行や酸化による被覆層剥離などを抑制して工具寿命を長くできる被覆立方晶窒化硼素焼結体工具の提供を目的とする。被覆層は基材側の下部層とその上の上部層とを含み、上部層を、平均層厚０．５〜３．０μｍの組成式Ｍα（ＭはＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｓｉの１種以上を表し、αはＣ、Ｎ、Ｂ、Ｏの１種以上を表す。）の化合物層で構成し、下部層を、組成式（Ｔｉ（１−ｘ）Ｌｘ）β（ＬはＡｌ、Ｂ、Ｓｉの１種以上を表し、ｘはＴｉとＬの合計に対するＬの原子比を示し、０．０１≦ｘ≦０．７。βはＣおよびＮから選択される少なくとも１種の元素を表す。）からなる第１薄層と、組成式（Ａｌ（１−ｙ）Ｊｙ）γ（ＪはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏの１種以上を表し、ｙはＡｌとＪの合計に対するＪの原子比を示し、０．１≦ｙ≦０．５。γはＣおよびＮから選択される少なくとも１種の元素を表す。）からなる第２薄層と、を交互に積層した平均層厚が０．５〜３．０μｍの交互積層体で構成した、被覆立方晶窒化硼素焼結体工具である。

Description

本発明は、少なくとも刃先が被覆立方晶窒化硼素焼結体からなる被覆立方晶窒化硼素焼結体工具に関する。

立方晶窒化硼素焼結体は、硬さが高く熱伝導性に優れていることから、焼入れ鋼や耐熱合金などを加工する切削工具として使用されている。近年、加工能率向上のため、立方晶窒化硼素焼結体基材の表面に被覆層を被覆した被覆立方晶窒化硼素焼結体工具が用いられてきた。

被覆立方晶窒化硼素焼結体工具の従来技術としては、立方晶型窒化硼素を２０体積％以上含むＣＢＮ焼結体からなる基体の表面にＴｉ／（Ｔｉ＋Ａｌ）の原子比Ｘが０．３≦Ｘ≦０．５であるＴｉＡｌＮ膜を被覆した焼入鋼切削工具用複合高硬度材料がある（例えば、特許文献１参照。）。しかしながら、この材料を切削工具として用いると、切削速度が高速になると、工具刃先が高温になり、ＴｉＡｌＮ膜が熱分解および酸化して被膜が基板表面から剥離して異常摩耗するという問題がある。

また、［Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ］Ｎ（Ｘは０．４〜０．６を示す）を満足するＴｉとＡｌの複合窒化物層の下部層と、［Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ］Ｎ（Ｘは０．４〜０．６を示す）を満足するＴｉとＡｌの複合窒化物層の薄層Ａ及びＣｒ窒化物層の薄層Ｂの交互積層構造を有する上部層と、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がある（例えば、特許文献２参照。）。しかしながら、この切削工具は、焼入れ鋼の加工における工具刃先の高温化に伴い、上部層中のＣｒが硬質被覆層に拡散して硬質被覆層が壊れて異常摩耗するという問題がある。

第３８６６３０５号公報 特開２００８−１８５０４号公報

本発明は、従来の被覆立方晶窒化硼素焼結体工具の課題である摩耗進行や酸化による被覆層剥離などを抑制して工具寿命を長くできる被覆立方晶窒化硼素焼結体工具の提供を目的とする。

本発明者は、高負荷加工や高能率加工のような過酷な切削加工に用いられる被覆立方晶窒化硼素焼結体の寿命向上について研究してきたところ、耐摩耗性と耐熱性に優れた上部層と、硬さが高くヤング率の低い平均層厚６０〜２００ｎｍのＴｉ含有複合化合物の第１薄層と硬さが低くヤング率が高い平均層厚６０〜２００ｎｍのＡｌ含有複合化合物の第２薄層とを交互に積層した下部層と、を含む被覆層を有する被覆立方晶窒化硼素焼結体工具が工具寿命の長寿命化を実現できることを知見した。

本発明は、少なくとも刃先が、立方晶窒化硼素焼結体基材の表面に被覆層を被覆した被覆立方晶窒化硼素焼結体からなる、被覆立方晶窒化硼素焼結体工具であって、
被覆層が基材側の下部層とその上の上部層とを含み、
（１）上部層が、
組成式Ｍα（但し、ＭはＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＡｌおよびＳｉから選択される少なくとも１種の元素を表し、αはＣ、Ｎ、ＢおよびＯから選択される少なくとも１種の元素を表す。）で表される平均層厚０．５〜３．０μｍの化合物層であり、
（２）下部層が、
組成式（Ｔｉ_{（１−ｘ）}Ｌ_ｘ）β（但し、ＬはＡｌ、ＢおよびＳｉから選択される少なくとも１種の元素を表し、ｘはＴｉとＬの合計に対するＬの原子比を示し、０．０１≦ｘ≦０．７を満足し、βはＣおよびＮから選択される少なくとも１種の元素を表す。）で表される化合物からなる平均層厚６０〜２００ｎｍの第１薄層と、
組成式（Ａｌ_{（１−ｙ）}Ｊ_ｙ）γ（但し、ＪはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、ＮｂおよびＭｏから選択される少なくとも１種の元素を表し、ｙはＡｌとＪの合計に対するＪの原子比を示し、０．１≦ｙ≦０．５を満足し、γはＣおよびＮから選択される少なくとも１種の元素を表す。）で表される化合物からなる平均層厚６０〜２００ｎｍの第２薄層と、を交互に積層した交互積層体であり、交互積層体の平均層厚が０．５〜３．０μｍである、
被覆立方晶窒化硼素焼結体工具である。

本発明の立方晶窒化硼素焼結体基材は、２０体積％以上の立方晶窒化硼素粉末と８０体積％以下の結合相形成粉末とを超高圧高温焼結して得られる。本発明の結合相形成粉末は、周期表４ａ、５ａ、６ａ族の金属元素およびＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｎｉの金属、ならびにこれら金属の合金、窒化物、炭化物、硼化物、酸化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種からなる。本発明の結合相形成粉末の具体例としては、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｓｉおよびこれらの合金、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＢ_２、ＷＣ、ＷＢ_２、Ｗ_２ＣｏＢ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＡｌＢ_１２およびこれらの相互固溶体などを挙げることができる。

本発明の立方晶窒化硼素焼結体基材の表面には被覆層が被覆される。本発明の被覆層は、基材側の下部層と表面側の上部層とを含む。なお、本発明の被覆層は、下部層および上部層に加えて、基材と下部層との間の最下層、あるいは下部層と上部層との間の中間層をさらに含むことができる。

本発明の上部層は、平均層厚０．５〜３．０μｍの組成式Ｍα（但し、ＭはＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＡｌおよびＳｉから選択される少なくとも１種の元素を表し、αはＣ、Ｎ、ＢおよびＯから選択される少なくとも１種の元素を表す。）で表される化合物で構成される。これにより、耐摩耗性と耐熱性を向上させることができる。その中でも、化合物がＴｉＮ、ＴｉＣＮ、Ａｌ_２Ｏ_３またはＴｉＡｌＮであると、高温での強度が高くなるのでより好ましい。上部層の平均層厚は０．５〜３．０μｍである。上部層の平均層厚が０．５μｍ以上であると、上部層が薄すぎることがなく、耐摩耗性と耐熱性の両方を向上させる効果が得られる。上部層の平均層厚が３．０μｍ以下であると、加工初期におけるチッピングの発生を抑えることができる。上部層の平均層厚は、より好ましくは１．０〜２．０μｍである。ここで、上層部の平均層厚とは、ＳＥＭ観察において、上部層の断面を５０００〜３００００倍に拡大し、５視野の写真の平均値により測定した。また、特に断らない限り、平均層厚とは、ＳＥＭ又はＴＥＭにより被覆各層の断面を５視野写真にとり、その平均値をいう。

さらに、上層部は、Ｃｕ−Ｋα線を用いたＸ線回折測定により得られた回折線の中でピーク強度が最も高い回折線の半価幅が０．８０°以下である上層部であると、上部層を構成する粒子が大きくなるため粒子の脱落が生じにくくなり、粒子脱落による摩耗進行を抑制することができるので、より好ましい。上部層がＴｉＮ、ＴｉＡｌＮのときは半価幅が０．３５°以下であると、また、上部層がＴｉＣＮのときは半価幅が０．７５°以下であると、さらに好ましい。

本発明の上部層の半価幅は、市販のＸ線回折装置によって測定することができる。具体的には、Ｃｕ−Ｋα線を用いた２θ／θ系のＸ線回折測定において、出力：電圧５０ｋＶ、電流２５０ｍＡ、ステップ幅：０．０２°、２θ測定範囲：４°〜１４０°という測定条件で測定することが可能である。なお上部層の回折線と他の回折線が重なっている場合はＸ線回折装置付属の解析ソフトウェアによるピーク分離を行うと良い。

本発明の下部層は、硬さが高くヤング率が低いＴｉ系複合化合物の第１薄層と硬さが低くヤング率が高いＡｌ系複合化合物の第２薄層との交互積層体からなり、この交互積層体が優れた切削性能を工具に付与する。第１薄層は、平均層厚６０〜２００ｎｍの組成式（Ｔｉ_{（１−ｘ）}Ｌ_ｘ）β（但し、ＬはＡｌ、ＢおよびＳｉの中から選択される少なくとも１種の元素を表し、ｘはＴｉとＬの合計に対するＬの原子比を示し、０．０１≦ｘ≦０．７を満足し、βはＣおよびＮから選択される少なくとも１種の元素を表す。）で表される化合物層からなる。第１薄層は硬さが高くヤング率が低い。原子比ｘは、０．０１≦ｘ≦０．７である。ｘが０．０１以上であると十分な硬さが得られ、ｘが０．７以下であると第１薄層の強度が低下することがない。その中でもｘは、ＬがＡｌのときは０．４≦ｘ≦０．７であると、またＬがＳｉ、Ｂのときは０．０１≦ｘ≦０．３であると、第１薄層の硬さが高くなるのでより好ましい。

本発明の第２薄層は、平均層厚６０〜２００ｎｍの組成式（Ａｌ_{（１−ｙ）}Ｊ_ｙ）γ（但し、ＪはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、ＮｂおよびＭｏの中から選択される少なくとも１種の元素を表し、ｙはＡｌとＪの合計に対するＪの原子比を示し、０．１≦ｙ≦０．５を満足し、γはＣおよびＮから選択される少なくとも１種の元素を表す。）で表される化合物層からなる。第２薄層は硬さが低くヤング率が高い。第２薄層のＪは、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、ＮｂおよびＭｏの中から選択される少なくとも１種の元素を表すが、その中でもＪがＣｒ、ＴｉおよびＺｒの中から選択される少なくとも１種の元素であると第２薄層の強度が高くなるので好ましい。その中でも、ＪがＣｒであるとより好ましい。原子比ｙは、０．１≦ｙ≦０．５である。ｙが０．１以上であると、またｙが０．５以下であると、硬さの低下が抑えられる。その中でも、０．２≦ｙ≦０．４であるとより好ましい。

本発明の下部層における第１薄層と第２薄層の平均層厚は、各々６０〜２００ｎｍである。平均層厚が６０ｎｍ以上であると被覆時における核発生頻度が増加することによる第１薄層と第２薄層の粒径の微細化が抑えられ、切削時に薄層粒子の脱落が防止できるので摩耗の進行を抑えることができ、平均層厚が２００ｎｍ以下であるとクラックの伝播防止効果が確保できるので、耐欠損性が低下することがない。その中でも、下部層における第１薄層、第２薄層の平均層厚は、各々７０〜１５０ｎｍであるとより好ましい。ここで、下層部の第１薄層および第２薄層の平均層厚は、ＳＥＭ観察において、下部層の断面を３００００〜１０００００倍に拡大し、５視野の写真の平均値により測定した。なお、ＳＥＭ観察以外にもＴＥＭ観察を行って平均層厚を測定してもよい。

下層部はこの第１薄層と第２薄層とを交互に１層以上積層する。本発明の交互積層体としての下部層全体の平均層厚は０．４〜３．０μｍである。下部層全体の平均層厚が０．４μｍ以上であると加工衝撃によるクラックの伝播防止効果を確保でき、３．０μｍ以下であるとチッピングの発生を抑えることができる。その中でも、本発明の下部層全体の平均層厚は、１．０〜２．０μｍであるとより好ましい。

本発明の立方晶窒化硼素焼結体基材と下部層との間に、組成式（Ａｌ_{（１−ｙ）}Ｃｒ_ｙ）Ｎ（但し、ｙはＡｌとＣｒの合計に対するＣｒの原子比を示し、０．２≦ｙ≦０．４を満足する。）で表される化合物で構成した最下層を存在させると、被覆層と立方晶窒化硼素焼結体基材との密着性が向上するので好ましい。最下層の平均層厚は好ましくは６０〜２００ｎｍである。最下層の平均層厚が６０ｎｍ以上であると十分な密着性が得られ、２００ｎｍ以下であると加工衝撃によるクラックの伝播防止効果が確保できるので、耐欠損性や耐チッピング性が低下することがない。その中でも、最下層の平均層厚は７０〜１５０ｎｍであるとより好ましい。

また、本発明の下部層と上部層との間に、平均層厚５〜１００ｎｍの上部層の成分Ｍからなる金属で構成した中間層を存在させると、下部層と上部層との密着性が向上するので好ましい。この中間層は、上部層の成分Ｍからなる金属相であると、下部層と上部層との密着性が向上し、下部層と上部層との剥離を防止することができるので好ましい。中間層の平均層厚は好ましくは５〜１００ｎｍである。中間層の平均層厚が５ｎｍ以上であると下部層と上部層との密着性を向上させる効果が得られ、１００ｎｍ以下であると耐摩耗性が低下することがない。その中でも、中間層の平均層厚は５０〜８０ｎｍであるとより好ましい。

本発明の被覆立方晶窒化硼素焼結体工具は、少なくとも刃先が本発明の被覆立方晶窒化硼素焼結体からなる。刃先以外は、本発明で基材用に使用する立方晶窒化硼素焼結体でもよく、あるいは立方晶窒化硼素焼結体とは異なる材料、例えば超硬合金でもよい。具体的には、切削工具形状に加工した超硬合金の刃先部分に本発明の立方晶窒化硼素焼結体をろう付けし、その後、本発明の立方晶窒化硼素焼結体の表面に本発明の被覆層を被覆することもできる。

本発明の被覆層を被覆する方法としては、立方晶窒化硼素焼結体基材の表面を有機溶剤や水で超音波洗浄した後、従来から行われているＰＶＤ法、ＣＶＤ法またはプラズマＣＶＤ法により被覆層を被覆する方法を挙げることができる。その中でも層厚を調整しやすく、基材との密着性に優れるＰＶＤ法が好ましい。ＰＶＤ法にはアークイオンプレーティング法やマグネトロンスッパタリング法などが挙げられるが、アークイオンプレーティング法は金属元素のイオン化率が高いことや被覆膜を被覆する前に基材の表面に対して金属イオンボンバード処理が可能であり、被覆層と基材との密着性に優れるので、より好ましい。

本発明の被覆立方晶窒化硼素焼結体工具は、高温での被覆層の熱安定性を向上させることで工具強度を低下させず、被覆層の粒子の脱落による摩耗進行や熱分解による被覆層の剥離などの異常摩耗を抑制することにより、工具寿命を長くすることが可能になった。特に焼入れ鋼加工などの高負荷切削加工や高能率切削加工において、工具寿命を長くする効果が高い。

［実施例］
発明品１〜３、７、９、１０、１２、１３、１６、１８、２０〜２４の被覆立方晶窒化硼素焼結体工具は、以下の方法により準備した基材に、表１に示す組成及び膜厚を有する最下層、下部層、中間層、上部層を、以下の条件で順次形成した。

（１）基材の準備
体積で３５％のＴｉＮと１０％のＡｌとからなる結合相形成粉末および体積で５５％の立方晶窒化硼素粉末の混合粉末を圧力５．５ＧＰａ、温度１７７３Ｋという超高圧高温条件で焼結して立方晶窒化硼素焼結体を得た。ＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８形状の超硬合金を台金とし、この超硬合金台金の刃先となるコーナー部に、得られた立方晶窒化硼素焼結体をろう付けした。この基材の上下面、外周面を＃２７０メッシュのダイヤモンド砥石で研削加工し、続いて切刃稜線に＃４００メッシュのダイヤモンド砥石により角度−２５°×幅０．１５ｍｍのチャンファホーニングを施した。さらに逃げ面とチャンファホーニング面との稜線に回転ブラシを押し当てて丸ホーニング加工を行った。加工時間を調整しながらコントレーサーで測定し、所望の曲率半径の丸ホーニングを施した。加工後、エタノールおよびアセトンで基材を洗浄し、その後に真空乾燥処理を行った。

基材をアークイオンプレーティング装置内の回転テーブル上に装着し、カソード電極（蒸発源）としてそれぞれ表１に示される被覆層の金属元素に対応した金属ターゲットを配した。まず、装置内を排気し、ヒーターで５００℃に加熱しながら、装置内の圧力が１．０×１０^−４Ｐａになるまで真空引きを行った。次にアルゴンガスを導入し装置内の圧力を０．７Ｐａに保持し、テーブルを回転した状態で−２００Ｖの基材直流バイアス電圧を基材に印加し、基材表面をアルゴンイオンによって洗浄し、その後、装置内からアルゴンガスを排気した。

（２）最下層の形成
発明品７を除く発明品１〜３、９、１０、１２、１３、１６、１８、２０〜２４については、テーブルを回転した状態で、装置内に導入する反応ガスとしての窒素ガスの流量を調整して装置内の圧力を３．０Ｐａにし、基材直流バイアス電圧を−４０Ｖに調整し、表１に示される最下層の金属元素に対応した金属ターゲットを配したカソード電極に１５０Ａのアーク電流を供給し、形成する層厚に依存して放電時間を５〜１５分の範囲で変化させて最下層を被覆した後、アーク放電を停止した。

（３）下部層の形成
続いて、発明品１〜３、７、９、１０、１２、１３、１６、１８、２０〜２４について、テーブルを回転した状態で、装置内に導入する反応ガスとしての窒素ガス（発明品２４は流量比（体積比）２：１の窒素ガスとアセチレンガス）の流量を調整して装置内の圧力を３．０Ｐａにし、基材直流バイアス電圧を−４０Ｖに保持したまま、表１に示される下部層の第１薄層の金属元素に対応した金属ターゲットを配したカソード電極に１５０Ａのアーク電流を供給し、形成する層厚に依存して放電時間を５〜２０分の範囲で変化させて下部層の第１薄層を被覆した。第１薄層の被覆後、アーク放電を停止し、表１に示される下部層の第２薄層の金属元素に対応した金属ターゲットを配したカソード電極に１５０Ａのアーク電流を供給し、形成する層厚に依存して放電時間を８〜２５分の範囲で変化させて下部層の第２薄層を被覆した。このプロセスを繰り返すことにより、第１薄層と第２薄層とを交互に５〜９層積層した交互積層の下層部を被覆した後、アーク放電を停止して反応ガスである窒素ガス（発明品２４は窒素ガスとアセチレンガス）を排気した。なお、薄膜形成の放電時間は、膜厚のほかに金属ターゲットの種類でも異なる。

（４）中間層の形成
交互積層の下部層を被覆した後、発明品７を除く発明品１〜３、９、１０、１２、１３、１６、１８、２０〜２４については、アルゴンガスを導入し、装置内の圧力を３．０Ｐａに保持し、−４０Ｖの基材直流バイアス電圧を基材に印加した状態で、表１に示される中間層の金属元素に対応した金属ターゲットを配したカソード電極に１００Ａのアーク電流を供給し、形成する層厚に依存して放電時間を２〜１５分の範囲で変化させて中間層を被覆した後、アーク放電を停止しアルゴンガスを排気した。

（５）上部層の形成
続いて、発明品１〜３、７、９、１０、１２、１３、１６、１８、２０〜２４について、装置内に導入する反応ガスとしての窒素ガスの流量を調整して装置内の圧力を３．０Ｐａにし、基材直流バイアス電圧を−４０Ｖに保持したまま、表１に示される上部層の金属元素に対応した金属ターゲットを配したカソード電極に１５０Ａのアーク電流を供給し、、形成する層厚に依存して放電時間を３０〜２００分の範囲で変化させて上部層を被覆した後、アーク放電を停止し反応ガスである窒素ガスを排気した。このようにして発明品１〜３、７、９、１０、１２、１３、１６、１８、２０〜２４の被覆立方晶窒化硼素焼結体工具を作製した。

発明品４〜６、８、１１、１７、１９、２５の被覆立方晶窒化硼素焼結体工具は、上記した方法と同様の方法で準備した基材に、以下の条件で被覆層を成膜した。

発明品８を除く発明品４〜６、１１、１７、１９、２５については、テーブルを回転した状態で、装置内に導入する反応ガスとしての窒素ガスの流量を調整して装置内の圧力を３．０Ｐａにし、基材直流バイアス電圧を−４０Ｖに調整し、表１に示される最下層の金属元素に対応した金属ターゲットを配したカソード電極に１５０Ａのアーク電流を供給し、形成する層厚に依存して放電時間を５〜１５分の範囲で変化させて最下層を被覆した後、アーク放電を停止した。

続いて、発明品４〜６、８、１１、１７、１９、２５について、テーブルを回転した状態で、装置内に導入する反応ガスとしての窒素ガス（発明品２５は流量比（体積比）２：１の窒素ガスとアセチレンガス）の流量を調整して装置内の圧力を３．０Ｐａにし、基材直流バイアス電圧を−４０Ｖに保持したまま、表１に示される下部層の第１薄層の金属元素に対応した金属ターゲットを配したカソード電極に１５０Ａのアーク電流を供給し、形成する層厚に依存して放電時間を２〜１２分の範囲で変化させて下部層の第１薄層を被覆した。第１薄層の被覆後、アーク放電を停止し、表１に示される下部層の第２薄層の金属元素に対応した金属ターゲットを配したカソード電極に１５０Ａのアーク電流を供給し、形成する層厚に依存して放電時間を８〜２５分の範囲で変化させて下部層の第２薄層を被覆した。このプロセスを繰り返すことにより、第１薄層と第２薄層とを交互に６〜９層積層した交互積層の下部層を被覆した後、アーク放電を停止し反応ガスである窒素ガス（発明品２５は窒素ガスとアセチレンガス）を排気した。

交互積層の下部層を被覆した後、発明品８を除く発明品４〜６、１１、１７、１９、２５については、アルゴンガスを導入して装置内の圧力を３．０Ｐａに保持し、−４０Ｖの基材直流バイアス電圧を基材に印加した状態でＴｉターゲットを配したカソード電極に８０Ａのアーク電流を供給し、形成する層厚に依存して放電時間を３〜２０分の範囲で変化させて中間層を被覆した後、アーク放電を停止しアルゴンガスを排気した。

続いて、発明品４〜６、８、１１、１７、１９について、装置内に導入する反応ガスとしての流量比（体積比）２：１の窒素ガスとアセチレンガスの流量を調整して装置内の圧力を３．０Ｐａにし、基材直流バイアス電圧を−１００Ｖに調整し、Ｔｉターゲットを配したカソード電極に１５０Ａのアーク電流を供給し、形成する層厚に依存して放電時間を１５〜９０分の範囲で変化させて上部層を被覆した後、アーク放電を停止し反応ガスである窒素ガスおよびアセチレンガスを排気した。このようにして発明品４〜６、８、１１、１７、１９、２５の被覆立方晶窒化硼素焼結体工具を作製した。

発明品１４、１５の被覆立方晶窒化硼素焼結体工具は、上記した方法と同様の方法で準備した基材に、以下の条件で被覆層を成膜した。

テーブルを回転した状態で、装置内に導入する反応ガスとしての窒素ガスの流量を調整して装置内の圧力を３．０Ｐａにし、基材直流バイアス電圧を−４０Ｖに調整し、表１に示される最下層の金属元素に対応した金属ターゲットを配したカソード電極に１５０Ａのアーク電流を１０分供給して基材表面に最下層を被覆した後、アーク放電を停止した。

続いて、テーブルを回転した状態で、装置内に導入する反応ガスとしての窒素ガスの流量を調整して装置内の圧力を３．０Ｐａにし、基材直流バイアス電圧を−４０Ｖに保持したまま、表１に示される下部層の第１薄層の金属元素に対応した金属ターゲットを配したカソード電極に１５０Ａのアーク電流を９．５分供給して下部層の第１薄層を被覆した。第１薄層の被覆後、アーク放電を停止し、表１に示される下部層の第２薄層の金属元素に対応した金属ターゲットを配したカソード電極に１５０Ａのアーク電流を７．５分供給して下部層の第２薄層を被覆した。このプロセスを繰り返すことにより、第１薄層と第２薄層とを交互に８層積層した交互積層の下部層を被覆した後、アーク放電を停止し反応ガスである窒素ガスを排気した。

続いて、装置内に導入する反応ガスとしての酸素ガスの流量を調整して装置内の圧力を３．０Ｐａにし、−７００Ｖの基材パルス直流バイアス電圧を基材に印加し、Ａｌターゲットを配したカソード電極に２００Ａのアーク電流を６５分供給して上部層を被覆した後、アーク放電を停止し反応ガスである酸素ガスを排気した。このようにして発明品１４、１５の被覆立方晶窒化硼素焼結体工具を作製した。

得られた発明品について、ＳＥＭ観察、ＳＥＭ付属のＥＤＳ測定、ＴＥＭ観察、ＴＥＭ付属のＥＤＳ測定を行って、各層の層厚と組成を測定した。また、市販のＸ線回折装置により、Ｃｕ−Ｋα線、出力：電圧５０ｋＶ、電流２５０ｍＡ、ステップ幅：０．０２°、２θ／θ系、２θ測定範囲：４°〜１４０°という測定条件でＸ線回折測定を行った。２θ測定範囲：４°〜１４０°において、得られた上部層の回折線の中で最もピーク強度の高い回折線について半価幅を測定した。それらの結果を表１に示した。

比較品については、発明品と同様の方法で準備した基材上に、最下層及び中間層を設けずに、以下の条件で下部層と上部層からなる被覆層を成膜した。

比較品１〜３、５、７の被覆立方晶窒化硼素焼結体工具は、テーブルを回転した状態で装置内に導入する窒素ガスの流量を調整して装置内の圧力を３．０Ｐａにし、基材直流バイアス電圧を−４０Ｖに調整し、表２に示される下部層の第１薄層の金属元素に対応した金属ターゲットを配したカソード電極に１５０Ａのアーク電流を供給して下部層の第１薄層を被覆した。第１薄層の被覆後、アーク放電を停止し、表２に示される下部層の第２薄層の金属元素に対応した金属ターゲットを配したカソード電極に１５０Ａのアーク電流を供給して下部層の第２薄層を被覆した。このプロセスを繰り返すことにより、第１薄層と第２薄層とを交互に１０〜約４０層積層した交互積層の下部層を被覆した。なおアーク放電時間は、第１薄層が３〜１１分の範囲、第２薄層が２〜８分の範囲であった。

続いて、テーブルを回転した状態で、装置内に導入する窒素ガスの流量を調整して装置内の圧力を３．０Ｐａにし、基材直流バイアス電圧を−４０Ｖに保持したまま表２に示される上部層の金属元素に対応した金属ターゲットを配したカソード電極に１５０Ａのアーク電流を２８〜１０５分供給して上部層を被覆した後、アーク放電を停止し反応ガスである窒素ガスを排気した。このようにして比較品１〜３、５、７の被覆立方晶窒化硼素焼結体工具を作製した。

比較品４、６、８の被覆立方晶窒化硼素焼結体工具は、テーブルを回転した状態で、装置内に導入する窒素ガスの流量を調整して装置内の圧力を３．０Ｐａにし、基材直流バイアス電圧を−４０Ｖに調整し、表２に示される下部層の第１薄層の金属元素に対応した金属ターゲットを配したカソード電極に１５０Ａのアーク電流を供給して下部層の第１薄層を被覆した。第１薄層の被覆後、アーク放電を停止し、表２に示される下部層の第２薄層の金属元素に対応した金属ターゲットを配したカソード電極に１５０Ａのアーク電流を供給して下部層の第２薄層を被覆した。このプロセスを繰り返すことにより、第１薄層と第２薄層とを交互に３〜２２層積層した交互積層の下部層を被覆した後、アーク放電を停止し反応ガスである窒素ガスを排気した。なお、アーク放電時間は、第１薄層が３〜９分、第２薄層が７〜２１分の範囲であった。

続いて、装置内に導入する反応ガスとしての流量比（体積比）２：１の窒素ガスとアセチレンガスの流量を調整して、装置内の圧力を３．０Ｐａにし、基材直流バイアス電圧を−１００Ｖに調整し、Ｔｉターゲットを配したカソード電極に１５０Ａのアーク電流を３０〜１０５分供給して上部層を被覆した後、アーク放電を停止し反応ガスである窒素ガスおよびアセチレンガスを排気した。このようにして比較品４、６、８の被覆立方晶窒化硼素焼結体工具を作製した。

比較品９の被覆立方晶窒化硼素焼結体工具は、装置内に導入する反応ガスとしての窒素ガスの流量を調整して装置内の圧力を３．０Ｐａにし、基材直流バイアス電圧を−４０Ｖに調節し、表２に示される第１薄層の金属元素に対応した金属ターゲットを配したカソード電極に１５０Ａのアーク電流を３分供給して第１薄層を被覆した。第１薄層の被覆後、アーク放電を停止し、表２に示される第２薄層の金属元素に対応した金属ターゲットを配したカソード電極に１５０Ａのアーク電流を２分供給して第２薄層を被覆した。このプロセスを繰り返すことにより、第１薄層と第２薄層とを交互に５０層積層した交互積層の被覆層を被覆した後、アーク放電を停止し反応ガスである窒素ガスを排気した。このようにして比較品９の被覆立方晶窒化硼素焼結体工具を作製した。

得られた比較品１〜９について、ＳＥＭ観察、ＳＥＭ付属のＥＤＳ測定、ＴＥＭ観察、ＴＥＭ付属のＥＤＳ測定を行って、各層の層厚と組成を測定し、それらの結果を表２に示した。

比較品１０の被覆立方晶窒化硼素焼結体工具は、装置内に導入する反応ガスとしての窒素ガスの流量を調整して装置内の圧力を３．０Ｐａにし、基材直流バイアス電圧を−４０Ｖに調節し、表３に示される下部層の金属元素に対応した金属ターゲットを配したカソード電極に１５０Ａのアーク電流６０分供給して下部層を被覆した。

続いて、テーブルを回転した状態で、装置内に導入する窒素ガスの流量を調整して装置内の圧力を３．０Ｐａにし、基材直流バイアス電圧を−４０Ｖに保持したまま表３に示される上部層の第１薄層の金属元素に対応した金属ターゲットを配したカソード電極に１５０Ａのアーク電流を１１分供給して上部層の第１薄層を被覆した。第１薄層の被覆後、アーク放電を停止し、表３に示される上部層の第２薄層の金属元素に対応した金属ターゲットを配したカソード電極に１５０Ａのアーク電流を第１薄層と同様に供給して上部層の第２薄層を被覆した。このプロセスを繰り返すことにより、第１薄層と第２薄層とを交互に１０層積層した交互積層の上部層を被覆した後、アーク放電を停止し反応ガスである窒素ガスを排気した。このようにして比較品１０の被覆立方晶窒化硼素焼結体工具を作製した。

比較品１１の被覆立方晶窒化硼素焼結体工具は、装置内に導入する反応ガスとしての窒素ガスの流量を調整して装置内の圧力を３．０Ｐａにし、基材直流バイアス電圧を−４０Ｖに調整し、Ｔｉターゲットを配したカソード電極に１５０Ａのアーク電流を３０分供給して下部層を被覆した。

続いて、テーブルを回転した状態で、装置内に導入する窒素ガスの流量を調整して装置内の圧力を３．０Ｐａにし、基材直流バイアス電圧を−４０Ｖに保持したまま表３に示される上部層の金属元素に対応した金属ターゲットを配したカソード電極に１５０Ａのアーク電流を１４０分供給して上部層を被覆した。このようにして比較品１１の被覆立方晶窒化硼素焼結体工具を作製した。

比較品１２の被覆立方晶窒化硼素焼結体工具は、装置内に導入する反応ガスとしての窒素ガスの流量を調整して装置内の圧力を３．０Ｐａにし、基材直流バイアス電圧を−４０Ｖに調整し、カソード電極に１５０Ａのアーク電流を２００分供給して被覆層を被覆した。このようにして比較品１２の被覆立方晶窒化硼素焼結体工具を作製した。

得られた比較品１０〜１２について、ＳＥＭ観察、ＳＥＭ付属のＥＤＳ測定、ＴＥＭ観察、ＴＥＭ付属のＥＤＳ測定を行って、各層の層厚と組成を測定し、それらの結果を表３に示した。

得られた発明品および比較品について、下記の切削試験[１]、[２]、[３]を行った。

切削試験[１]：連続切削
加工形態：外径連続旋削加工、ＤＲＹ
被削材：ＳＣＭ４１５Ｈ（浸炭焼入れ鋼）、ＨＲＣ５８〜６２、円柱状（外径６３ｍｍ、長さ２００ｍｍ）
切削速度：１５０（ｍ／ｍｉｎ）
送り：０．１０（ｍｍ／ｒｅｖ）
切込み：０．２５（ｍｍ）
工具寿命：逃げ面摩耗量が０．１５ｍｍになるまでの加工時間もしくは刃先欠損が発生するまでの加工時間

切削試験[２]：高速連続切削
加工形態：外径連続旋削加工、ＤＲＹ
被削材：ＳＣＭ４１５Ｈ（浸炭焼入れ鋼）、ＨＲＣ５８〜６２、円柱状（外径６３ｍｍ、長さ２００ｍｍ）
切削速度：２５０（ｍ／ｍｉｎ）
送り：０．１０（ｍｍ／ｒｅｖ）
切込み：０．２５（ｍｍ）
工具寿命：逃げ面摩耗量が０．１５ｍｍになるまでの加工時間もしくは刃先欠損が発生するまでの加工時間

切削試験[３]：断続切削
加工形態：外径断続旋削加工、ＤＲＹ
被削材：ＳＣＭ４３５Ｈ（浸炭焼入れ鋼）、ＨＲＣ５８〜６０、Ｖ溝２本付き円柱状（外径４８ｍｍ、長さ２００ｍｍ）
切削速度：１５０（ｍ／ｍｉｎ）
送り：０．１０（ｍｍ／ｒｅｖ）
切込み：０．２５（ｍｍ）
工具寿命：逃げ面摩耗量が０．１５ｍｍになるまでの加工時間もしくは刃先欠損が発生するまでの加工時間

表４には、切削試験[１][２][３]における工具寿命を記載した。また、切削試験[１][２][３]の工具寿命と損傷形態から、発明品と比較品の切削性能について総合評価を行った。切削試験[１][２][３]における工具寿命について、切削試験[１]では、６５〜５５分を１点、５４〜４５分を２点、４４〜３５分を３点、３４〜３０分を２点、２９分以下を５点とした点数付けを行った。切削試験[２]では、２５〜２０分を１点、１９〜１５分を２点、１４〜１０分を３点、９〜５分を２点、４分以下を５点とした点数付けを行った。切削試験[３]では、３５〜３０分を１点、２９〜２５分を２点、２４〜２０分を３点、１９〜１５分を４点、１４分以下を５点とした点数付けを行った。次に、切削試験[１][２][３]における点数を合計し、５〜６点を◎、７〜８点を○、９点を△、１０〜１１点を▲、１２〜１３点を×とした総合評価（良い◎＞○＞△＞▲＞×悪い）を行った。総合評価の結果は表４に併記した。

表４から、発明品は比較品と比較して、いずれの加工条件においても工具寿命が長く、総合評価が良好であることが分かる。

本発明の被覆立方晶窒化硼素焼結体工具は、高温での被覆層の熱安定性を向上させることで工具強度を低下させず、被覆層の粒子の脱落による摩耗進行や熱分解による被覆層の剥離などの異常摩耗を抑制することにより、工具寿命を長くすることが可能になる。特に焼入れ鋼加工などの高負荷切削加工や高能率切削加工において、工具寿命を長くする効果が高いので、産業上の利用可能性が高い。

本発明の上部層は、平均層厚０．５〜３．０μｍの組成式Ｍα（但し、ＭはＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＡｌおよびＳｉから選択される少なくとも１種の元素を表し、αはＣ、Ｎ、ＢおよびＯから選択される少なくとも１種の元素を表す。）で表される化合物で構成される。これにより、耐摩耗性と耐熱性を向上させることができる。その中でも、化合物がＴｉＮ、ＴｉＣＮ、Ａｌ_２Ｏ_３またはＴｉＡｌＮであると、高温での強度が高くなるのでより好ましい。上部層の平均層厚は０．５〜３．０μｍである。上部層の平均層厚が０．５μｍ以上であると、上部層が薄すぎることがなく、耐摩耗性と耐熱性の両方を向上させる効果が得られる。上部層の平均層厚が３．０μｍ以下であると、加工初期におけるチッピングの発生を抑えることができる。上部層の平均層厚は、より好ましくは１．０〜２．０μｍである。ここで、上部層の平均層厚とは、ＳＥＭ観察において、上部層の断面を５０００〜３００００倍に拡大し、５視野の写真の平均値により測定した。また、特に断らない限り、平均層厚とは、ＳＥＭ又はＴＥＭにより被覆各層の断面を５視野写真にとり、その平均値をいう。

さらに、上部層は、Ｃｕ−Ｋα線を用いたＸ線回折測定により得られた回折線の中でピーク強度が最も高い回折線の半価幅が０．８０°以下である上部層であると、上部層を構成する粒子が大きくなるため粒子の脱落が生じにくくなり、粒子脱落による摩耗進行を抑制することができるので、より好ましい。上部層がＴｉＮ、ＴｉＡｌＮのときは半価幅が０．３５°以下であると、また、上部層がＴｉＣＮのときは半価幅が０．７５°以下であると、さらに好ましい。

本発明の下部層における第１薄層と第２薄層の平均層厚は、各々６０〜２００ｎｍである。平均層厚が６０ｎｍ以上であると被覆時における核発生頻度が増加することによる第１薄層と第２薄層の粒径の微細化が抑えられ、切削時に薄層粒子の脱落が防止できるので摩耗の進行を抑えることができ、平均層厚が２００ｎｍ以下であるとクラックの伝播防止効果が確保できるので、耐欠損性が低下することがない。その中でも、下部層における第１薄層、第２薄層の平均層厚は、各々７０〜１５０ｎｍであるとより好ましい。ここで、下部層の第１薄層および第２薄層の平均層厚は、ＳＥＭ観察において、下部層の断面を３００００〜１０００００倍に拡大し、５視野の写真の平均値により測定した。なお、ＳＥＭ観察以外にもＴＥＭ観察を行って平均層厚を測定してもよい。

下部層はこの第１薄層と第２薄層とを交互に１層以上積層する。本発明の交互積層体としての下部層全体の平均層厚は０．４〜３．０μｍである。下部層全体の平均層厚が０．４μｍ以上であると加工衝撃によるクラックの伝播防止効果を確保でき、３．０μｍ以下であるとチッピングの発生を抑えることができる。その中でも、本発明の下部層全体の平均層厚は、１．０〜２．０μｍであるとより好ましい。

本発明の被覆層を被覆する方法としては、立方晶窒化硼素焼結体基材の表面を有機溶剤や水で超音波洗浄した後、従来から行われているＰＶＤ法、ＣＶＤ法またはプラズマＣＶＤ法により被覆層を被覆する方法を挙げることができる。その中でも層厚を調整しやすく、基材との密着性に優れるＰＶＤ法が好ましい。ＰＶＤ法にはアークイオンプレーティング法やマグネトロンスッパタリング法などが挙げられるが、アークイオンプレーティング法は金属元素のイオン化率が高いことや被覆層を被覆する前に基材の表面に対して金属イオンボンバード処理が可能であり、被覆層と基材との密着性に優れるので、より好ましい。

［実施例］
発明品１〜３、７、９、１０、１２、１３、１６、１８、２０〜２４の被覆立方晶窒化硼素焼結体工具は、以下の方法により準備した基材に、表１に示す組成及び層厚を有する最下層、下部層、中間層、上部層を、以下の条件で順次形成した。

（３）下部層の形成
続いて、発明品１〜３、７、９、１０、１２、１３、１６、１８、２０〜２４について、テーブルを回転した状態で、装置内に導入する反応ガスとしての窒素ガス（発明品２４は流量比（体積比）２：１の窒素ガスとアセチレンガス）の流量を調整して装置内の圧力を３．０Ｐａにし、基材直流バイアス電圧を−４０Ｖに保持したまま、表１に示される下部層の第１薄層の金属元素に対応した金属ターゲットを配したカソード電極に１５０Ａのアーク電流を供給し、形成する層厚に依存して放電時間を５〜２０分の範囲で変化させて下部層の第１薄層を被覆した。第１薄層の被覆後、アーク放電を停止し、表１に示される下部層の第２薄層の金属元素に対応した金属ターゲットを配したカソード電極に１５０Ａのアーク電流を供給し、形成する層厚に依存して放電時間を８〜２５分の範囲で変化させて下部層の第２薄層を被覆した。このプロセスを繰り返すことにより、第１薄層と第２薄層とを交互に５〜９層積層した交互積層の下部層を被覆した後、アーク放電を停止して反応ガスである窒素ガス（発明品２４は窒素ガスとアセチレンガス）を排気した。なお、薄層形成の放電時間は、層厚のほかに金属ターゲットの種類でも異なる。

表４には、切削試験[１][２][３]における工具寿命を記載した。また、切削試験[１][２][３]の工具寿命と損傷形態から、発明品と比較品の切削性能について総合評価を行った。切削試験[１][２][３]における工具寿命について、切削試験[１]では、６５〜５５分を１点、５４〜４５分を２点、４４〜３５分を３点、３４〜３０分を４点、２９分以下を５点とした点数付けを行った。切削試験[２]では、２５〜２０分を１点、１９〜１５分を２点、１４〜１０分を３点、９〜５分を４点、４分以下を５点とした点数付けを行った。切削試験[３]では、３６〜３０分を１点、２９〜２５分を２点、２４〜２０分を３点、１９〜１５分を４点、１４分以下を５点とした点数付けを行った。次に、切削試験[１][２][３]における点数を合計し、５〜６点を◎、７〜８点を○、９点を△、１０〜１１点を▲、１２〜１３点を×とした総合評価（良い◎＞○＞△＞▲＞×悪い）を行った。総合評価の結果は表４に併記した。

Claims (7)

1. 少なくとも刃先が、立方晶窒化硼素焼結体基材の表面に被覆層を被覆した被覆立方晶窒化硼素焼結体からなる、被覆立方晶窒化硼素焼結体工具であって、
   被覆層が基材側の下部層とその上の上部層とを含み、
   （１）上部層が、
   組成式Ｍα（但し、ＭはＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＡｌおよびＳｉから選択される少なくとも１種の元素を表し、αはＣ、Ｎ、ＢおよびＯから選択される少なくとも１種の元素を表す。）で表される平均層厚０．５〜３．０μｍの化合物層であり、
   （２）下部層が、
   組成式（Ｔｉ_{（１−ｘ）}Ｌ_ｘ）β（但し、ＬはＡｌ、ＢおよびＳｉから選択される少なくとも１種の元素を表し、ｘはＴｉとＬの合計に対するＬの原子比を示し、０．０１≦ｘ≦０．７を満足し、βはＣおよびＮから選択される少なくとも１種の元素を表す。）で表される化合物からなる平均層厚６０〜２００ｎｍの第１薄層と、
   組成式（Ａｌ_{（１−ｙ）}Ｊ_ｙ）γ（但し、ＪはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、ＮｂおよびＭｏから選択される少なくとも１種の元素を表し、ｙはＡｌとＪの合計に対するＪの原子比を示し、０．１≦ｙ≦０．５を満足し、γはＣおよびＮから選択される少なくとも１種の元素を表す。）で表される化合物からなる平均層厚６０〜２００ｎｍの第２薄層と、を交互に積層した交互積層体であり、交互積層体の平均層厚が０．５〜３．０μｍである、
   被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。
2. 下部層の第１薄層が、組成式（Ｔｉ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘ）Ｎ（但し、ｘはＴｉとＡｌの合計に対するＡｌの原子比を示し、０．４≦ｘ≦０．７を満足する。）で表される化合物層である、請求項１に記載の被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。
3. 下部層の第１薄層が、組成式（Ｔｉ_{（１−ｘ）}Ｓｉ_ｘ）Ｎ（但し、ｘはＴｉとＳｉの合計に対するＳｉの原子比を示し、０．０１≦ｘ≦０．３を満足する。）で表される化合物層である、請求項１に記載の被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。
4. 下部層の第２薄層が、組成式（Ａｌ_{（１−ｙ）}Ｃｒ_ｙ）Ｎ（但し、ｙはＡｌとＣｒの合計に対するＣｒの原子比を示し、０．２≦ｘ≦０．４を満足する。）で表される化合物層である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の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基材表面と下部層との間に形成された最下層を有し、
   最下層が、組成式（Ａｌ_{（１−ｙ）}Ｃｒ_ｙ）Ｎ（但し、ｙはＡｌとＣｒの合計に対するＣｒの原子比を示し、０．２≦ｙ≦０．４を満足する。）で表される平均層厚６０〜２００ｎｍの化合物層である、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。
6. 下部層と上部層との間に形成された中間層を有し、
   中間層が、上部層の成分Ｍからなる平均層厚５〜１００ｎｍの金属層である、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。
7. 上部層が、Ｃｕ−Ｋα線を用いたＸ線回折測定における回折線の中でピーク強度が最も高い回折線の半価幅が０．８０°以下の上部層である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。