JPWO2017094628A1 - 工具 - Google Patents

Abstract

少なくとも切刃の一部が立方晶窒化硼素を含む焼結体からなる工具であって、前記焼結体は、内部領域と、前記内部領域の少なくとも一部の表面上に形成された結合相富化層と、を一体不可分に有し、前記内部領域は、１５体積％以上９０体積％以下の立方晶窒化硼素と、１０体積％以上８５体積％以下の結合相と不可避不純物との混合物と、からなり、前記結合相富化層は、９０体積％以上１００体積％以下の前記結合相と前記不可避不純物との前記混合物と、０体積％以上１０体積％以下の立方晶窒化硼素と、からなり、前記結合相は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｃｏ、ＮｉおよびＳｉからなる群より選択される少なくとも１種の元素、並びに、前記元素と、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群より選択される少なくとも１種の元素との化合物、からなる群より選択される少なくとも１種を含む、工具。

Description

本発明は、工具および被覆工具に関する。

立方晶窒化硼素は、ダイヤモンドに次ぐ硬さと優れた熱伝導性とを併せ持つ。また、立方晶窒化硼素は、鉄との親和性が低いという特徴を有する。立方晶窒化硼素と金属やセラミックスの結合相とからなる焼結体（以下、背景技術の項において「立方晶窒化硼素焼結体」という。）は、切削工具や耐摩耗工具などに応用されている。

例えば、そのような立方晶窒化硼素焼結体の従来技術として、立方晶窒化硼素を２０容量％以上含有する硬質焼結体切削工具において、レーザーを用いた少なくとも１加工工程を経ることによる凸状、または凸と凹の組み合わせの形状で形成された工具すくい面を持ち、該工具すくい面のうち、硬質焼結体部分のすくい面の全体が遊離研磨砥粒を用いた研磨による研磨面を有することを特徴とするチップブレーカー付き硬質焼結体切削工具が知られている（特許文献１参照。）。

また、立方晶窒化硼素焼結体からなる硬質焼結体切削工具において、少なくとも前記切刃の工具すくい面表面に電子ビームが照射されることにより、前記工具すくい面表面から深さ２０μｍ以内の範囲にあるダイヤモンドおよび／又は立方晶窒化硼素がセラミック組織に変換された後、前記工具すくい面表面が遊離砥粒を用いた研磨方法により研磨されることによって、前記セラミック組織が減少又は除去され、且つ、前記工具すくい面が平滑に仕上げられていることを特徴とする硬質焼結体切削工具が知られている（特許文献２参照。）。

特開２００４−２２３６４８号公報 特開２００６−２８１３８６号公報

加工能率を高めるため、従来よりも切削条件が厳しくなる傾向の中で、これまでよりも工具寿命を長くすることが求められている。しかしながら、上記特許文献１に記載されたチップブレーカー付き硬質焼結体切削工具は、局所的に１０００℃〜３０００℃に達するレーザー加工による加熱の熱的影響により、焼結体の表面に亀裂が発生する。その結果、特許文献１に記載された硬質焼結体切削工具は、刃先の強度が低下するという問題がある。また、レーザー加工により、すくい面における焼結体の表面は高温になるため、その表面における立方晶窒化硼素が六方晶窒化硼素に変態する。その結果、特許文献１に記載された硬質焼結体切削工具は、耐クレーター摩耗性が低下するという問題がある。クレーター摩耗が進行すると、刃先の強度が低下し、チッピングや欠損の発生につながるため、工具寿命は短くなる。

上記特許文献２の硬質焼結体切削工具は、立方晶窒化硼素がセラミック組織に変換された後、遊離研磨方法により研磨されるため、立方晶窒化硼素が露出する。立方晶窒化硼素は、反応摩耗が進行しやすいため、特許文献２の硬質焼結体切削工具では、耐クレーター摩耗性が十分ではない。

本発明は、このような問題を解決するもので、少なくとも切刃の一部が立方晶窒化硼素を含む焼結体からなる工具、および、その工具の表面に被覆層を有する被覆工具であって、耐クレーター摩耗性を向上させることにより、耐チッピング性および耐欠損性を向上させ、工具寿命を長くする工具および被覆工具を提供することを目的とする。

本発明者らは、立方晶窒化硼素を含む焼結体部分を有する工具に関する研究を行ってきたところ、焼結体部分のクレーター摩耗を抑制するためには、その焼結体部分の耐酸化性を向上させることが有効であるという知見を得た。本発明者は、このような知見に基づいて本発明を完成させた。

本発明の要旨は、以下の通りである。
（１）少なくとも切刃の一部が立方晶窒化硼素を含む焼結体からなる工具であって、前記焼結体は、内部領域と、前記内部領域の少なくとも一部の表面上に形成された結合相富化層と、を一体不可分に有し、前記内部領域は、１５体積％以上９０体積％以下の立方晶窒化硼素と、１０体積％以上８５体積％以下の結合相と不可避不純物との混合物と、からなり、前記結合相富化層は、９０体積％以上１００体積％以下の前記結合相と前記不可避不純物との前記混合物と、０体積％以上１０体積％以下の立方晶窒化硼素と、からなり、前記結合相は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｃｏ、ＮｉおよびＳｉからなる群より選択される少なくとも１種の元素、並びに、前記元素と、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群より選択される少なくとも１種の元素との化合物、からなる群より選択される少なくとも１種を含む、工具。
（２）前記焼結体の表面において、前記結合相富化層が、前記焼結体の表面全体に対して、３０面積％以上１００面積％以下存在し、前記内部領域が、前記焼結体の表面全体に対して、０面積％以上７０面積％以下存在する、（１）の工具。
（３）前記結合相富化層の平均厚さが、０．１μｍ以上８．０μｍ以下である、（１）または（２）の工具。
（４）前記結合相は、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌ、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＢ_２、ＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＢ_２、Ｃｒ_２Ｎ、ＷＣ、ＺｒＯ_２、ＺｒＯ、ＺｒＮ、ＺｒＢ_２およびＳｉ_３Ｎ_４からなる群より選択される少なくとも２種の組成を有する、（１）〜（３）のいずれかの工具。
（５）（１）〜（４）のいずれかの工具と、その工具の表面に形成された被覆層とを有する、被覆工具。
（６）前記被覆層が、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、ＡｌおよびＳｉからなる群より選択される少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群より選択される少なくとも１種の元素とからなる化合物を含む、（５）の被覆工具。
（７）前記被覆層が、単層または２層以上の多層である、（５）または（６）の被覆工具。
（８）前記被覆層全体の平均厚さが、０．５μｍ以上２０μｍ以下である、（５）〜（７）のいずれかの被覆工具。

本発明によると、少なくとも切刃の一部が立方晶窒化硼素を含む焼結体からなる工具、および、その工具の表面に被覆層を有する被覆工具であって、耐クレーター摩耗性を向上させることにより、耐チッピング性および耐欠損性を向上させ、工具寿命を長くする工具および被覆工具を提供することができる。

本発明の工具の一態様を示す模式断面図である。

以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明を実施するための形態（以下、単に「本実施形態」という。）について詳細に説明するが、本発明は下記本実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。なお、図面中、同一要素には同一符号を付すこととし、重複する説明は省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。更に、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。

本実施形態の工具は、少なくとも切刃の一部が立方晶窒化硼素を含む焼結体（以下、「立方晶窒化硼素焼結体」という。）からなる。具体的には、本実施形態の工具は、立方晶窒化硼素焼結体と台金（基体）とが一体化された構成を有することが好ましい。台金としては、工具の台金として用いられ得るものであれば、特に限定はされず、例えば、超硬合金、サーメットおよびセラミックスが挙げられ、超硬合金が好ましい。ただし、本実施形態の工具は、当然ながら、台金を含まなくてもよい。このような構成を有する本実施形態の工具は、鉄系焼結合金や難削鋳鉄の機械加工において特に有効に用いることができる。また、一般的な金属の各種加工においても有効に用いることができる。ここで、「少なくとも切刃の一部」とは、工具が有する切刃のうち、被加工物と接触する部分を意味する。

本実施形態の工具は、例えば、ドリル、エンドミル、フライス加工用または旋削加工用刃先交換型切削チップ、歯切工具、リーマ、およびタップ等として有用に用いることができる。

本実施形態の工具における立方晶窒化硼素焼結体は、立方晶窒化硼素と、結合相と、不可避不純物とからなる。
本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体は、内部領域と、その内部領域の少なくとも一部の表面上に形成された結合相富化層と、を一体不可分に有する。図１は、本実施形態の工具の一態様を示す模式断面図である。工具１００は、立方晶窒化硼素焼結体１０と台金２０とを備え、立方晶窒化硼素焼結体１０は、内部領域１２と、その内部領域１２の表面上に形成された結合相富化層１４とを一体不可分に有する。ここで、「一体不可分」とは、立方晶窒化硼素焼結体の内部領域と結合相富化層との間でへき開していないことを意味する。内部領域は、１５体積％以上９０体積％以下の立方晶窒化硼素と、１０体積％以上８５体積％以下の結合相と不可避不純物との混合物とからなる。また、結合相富化層は、９０体積％以上１００体積％以下の結合相と不可避不純物との混合物と、０体積％以上１０体積％以下の立方晶窒化硼素とからなる。つまり、結合相富化層は、立方晶窒化硼素を任意に含むものである。

立方晶窒化硼素焼結体の内部領域において、内部領域の全体量（１００体積％）に対して、立方晶窒化硼素の含有量が１５体積％以上になり、結合相と不可避不純物との混合物の含有量が８５体積％以下になると、立方晶窒化硼素焼結体の強度が高く維持されるため、耐欠損性が向上する。一方、立方晶窒化硼素焼結体の内部領域において、内部領域の全体量（１００体積％）に対して、立方晶窒化硼素の含有量が９０体積％以下になり、結合相と不可避不純物との混合物の含有量が１０体積％以上になると、立方晶窒化硼素粒子同士の結合に必要な結合相の量を確保できるため、巣孔の増加を抑制することができる。そのため、巣孔を起点にした欠損の発生を防止できるので、耐欠損性が向上する。同様の観点から、内部領域は、２０体積％以上９０体積％以下の立方晶窒化硼素と、１０体積％以上８０体積％以下の結合相と不可避不純物との混合物とからなると好ましい。
立方晶窒化硼素焼結体の結合相富化層において、結合相富化層の全体量（１００体積％）に対して、立方晶窒化硼素の含有量が１０体積％以下になり、結合相と不可避不純物との混合物の含有量が９０体積％以上になると、反応摩耗を抑制する効果をより高めことができる。そのため、クレーター摩耗の進行を抑制し、耐チッピング性および耐欠損性が向上する。

本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体における結合相は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｃｏ、ＮｉおよびＳｉからなる群より選択される少なくとも１種の元素、並びに、その元素とＣ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群より選択される少なくとも１種の元素との化合物、からなる群より選択される少なくとも１種を有する。その中でも、結合相は、好ましくは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｗ、Ａｌ、Ｃｏ、ＮｉおよびＳｉからなる群より選択される少なくとも１種の元素、並びに、その元素とＣ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群より選択される少なくとも１種の元素との化合物、からなる群より選択される少なくとも１種を有する。また、結合相は、より好ましくは、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌ、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＢ_２、ＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＢ_２、Ｃｒ_２Ｎ、ＷＣ、ＺｒＯ_２、ＺｒＯ、ＺｒＮ、ＺｒＢ_２およびＳｉ_３Ｎ_４からなる群より選択される少なくとも２種の組成を有し、更に好ましくは、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＢ_２、ＷＣ、ＺｒＯ_２、ＺｒＯ、ＺｒＮ、ＺｒＢ_２およびＳｉ_３Ｎ_４からなる群より選択される少なくとも２種の組成を有する。これにより、立方晶窒化硼素焼結体の強度が向上する。

本実施形態の工具は、立方晶窒化硼素焼結体の表面に結合相富化層を有すると、反応摩耗を抑制することができる。そのため、少なくとも切刃の一部における耐クレーター摩耗性が向上するので、耐チッピング性および耐欠損性を向上させることができる。また、結合相富化層は、ＣＶＤまたはＰＶＤなどにより形成される従来の被覆層よりも、密着性に優れるため、工具の耐チッピング性および耐欠損性を低下させることなく、耐摩耗性を向上させることができる。

立方晶窒化硼素焼結体において、その表面全体が結合相富化層であると特に好ましいが、表面全体が結合相富化層である必要はなく、内部領域の一部が露出していてもよい。より具体的には、立方晶窒化硼素焼結体の表面において、結合相富化層が、立方晶窒化硼素焼結体の表面全体（１００面積％）に対して、３０面積％以上１００面積％以下存在し、内部領域が、立方晶窒化硼素焼結体の表面全体に対して、０面積％以上７０面積％以下存在すると、好ましい。立方晶窒化硼素焼結体の表面において、その表面全体に対して、結合相富化層が、３０面積％以上存在し、内部領域が７０面積％以下存在する（又は内部領域が存在しない）と、反応摩耗を抑制する効果が高まる傾向があるため、耐欠損性の低下を更に抑制することができる。

結合相富化層の平均厚さが０．１μｍ以上であると、反応摩耗をより抑制する効果があるため、耐欠損性が更に向上する傾向にある。一方、結合相富化層の平均厚さが８．０μｍ以下であると、立方晶窒化硼素焼結体の表面における靱性が一層高まる傾向にあるため、耐欠損性が向上する傾向にある。そのため、結合相富化層の平均厚さは、０．１μｍ以上８．０μｍ以下であると好ましい。

本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体に不可避的に含有される不純物である不可避不純物としては、原料粉末などに含まれるリチウムなどが挙げられる。不可避不純物の合計の含有量は、通常は立方晶窒化硼素焼結体の全体量に対して１質量％以下に抑えることができるので、本実施形態の特性値に影響を及ぼすことは極めて少ない。なお、不可避不純物の合計の含有量は少ないほど好ましく、その下限は特に限定されない。

本実施形態の立方晶窒化硼素焼結体において、結合相富化層および内部領域における立方晶窒化硼素および結合相の含有量（体積％）は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮影した立方晶窒化硼素焼結体の組織写真から、市販の画像解析ソフトで解析して求めることができる。より具体的には、立方晶窒化硼素焼結体を、その表面に対して直交する方向に鏡面研磨する。次に、ＳＥＭを用いて、鏡面研磨して現れた立方晶窒化硼素焼結体の鏡面研磨面の反射電子像を観察する。この際、ＳＥＭを用いて５，０００〜２０，０００倍に拡大した立方晶窒化硼素焼結体の鏡面研磨面を反射電子像にて観察する。ＳＥＭに付属しているエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）を用いることにより、黒色領域を立方晶窒化硼素と、灰色領域および白色領域を結合相と特定することができる。その後、ＳＥＭを用いて立方晶窒化硼素の上記断面の組織写真を撮影する。市販の画像解析ソフトを用い、得られた組織写真から立方晶窒化硼素および結合相の占有面積をそれぞれ求め、その占有面積から含有量（体積％）を求める。このとき、立方晶窒化硼素焼結体の表面から深さ方向に、結合相および不可避不純物の合計量が９０体積％以上１００体積％以下となる範囲の領域を結合相富化層とし、結合相富化層よりも深い内部の領域を内部領域とした。また、上述の方法により得られた、任意の３箇所以上の組織写真から、結合相富化層の厚さを測定して、その平均値を結合相富化層の平均厚さとすることができる。

ここで、立方晶窒化硼素焼結体の鏡面研磨面とは、立方晶窒化硼素焼結体の表面または任意の断面を鏡面研磨して得られた立方晶窒化硼素焼結体の断面である。立方晶窒化硼素焼結体の鏡面研磨面を得る方法としては、例えばダイヤモンドペーストを用いて研磨する方法を挙げることができる。

結合相の組成は、市販のＸ線回折装置を用いて同定することができる。例えば、株式会社リガク製のＸ線回折装置（製品名「ＲＩＮＴ ＴＴＲIII」）を用いて、Ｃｕ−Ｋα線を用いた２θ／θ集中光学系のＸ線回折測定を、下記条件で測定すると、結合相の組成を同定することができる。ここで測定条件は、出力：５０ｋＶ、２５０ｍＡ、入射側ソーラースリット：５°、発散縦スリット：１／２°、発散縦制限スリット：１０ｍｍ、散乱スリット２／３°、受光側ソーラースリット：５°、受光スリット：０．１５ｍｍ、ＢＥＮＴモノクロメータ、受光モノクロスリット：０．８ｍｍ、サンプリング幅：０．０２°、スキャンスピード：１°／ｍｉｎ、２θ測定範囲：２０〜５０°という条件であるとよい。

立方晶窒化硼素焼結体の表面全体に対する、結合相富化層の面積の比率（以下、「面積率」ともいう。）と内部領域の面積率は、ＳＥＭで撮影した立方晶窒化硼素焼結体の組織写真から市販の画像解析ソフトで解析して求めることができる。より具体的には、ＳＥＭを用いて１，０００〜５，０００倍に拡大した立方晶窒化硼素焼結体の表面を反射電子像にて観察する。この際、立方晶窒化硼素焼結体の表面の組織写真をＳＥＭを用いて撮影する。市販の画像解析ソフトを用い、撮影した組織写真から結合相富化層の面積率と内部領域の面積率をそれぞれ求めることができる。組織写真の内部領域を塗りつぶし、画像解析ソフトの二値化処理にて、結合相富化層の面積率と内部領域の面積率を求めてもよい。面積率は、切削加工に影響を及ぼすすくい面または逃げ面の任意の位置にて測定することが好ましい。

本実施形態の被覆工具は、上記の立方晶窒化硼素焼結体からなる工具と、その工具の表面に形成された被覆層とを有する。このような被覆工具であると、耐摩耗性が更に向上するため、好ましい。さらに、本実施形態の被覆工具は、立方晶窒化硼素焼結体の表面に結合相富化層を有する。結合相富化層の表面に、ＣＶＤ法またはＰＶＤ法により、被覆層を形成すると、一層被覆層の密着性が向上する。これにより、被覆工具の耐チッピング性および耐欠損性が更に向上する。

本実施形態に係る被覆層は、被覆工具の被覆層として使用されるものであれば、特に限定されない。本実施形態に係る被覆層は、第１の元素と、第２の元素とを含む化合物の層であることが好ましい。また、本実施形態に係る被覆層は、単層、または、２層以上の多層であることが好ましい。第１の元素は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、ＡｌおよびＳｉからなる群より選択される少なくとも１種の元素であることが好ましい。第２の元素は、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群より選択される少なくとも１種の元素であることが好ましい。被覆層がこれらのような構成を有する場合、被覆工具の耐摩耗性が更に向上する。

被覆層の例として、ＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＡｌＣｒＳｉＮ及びＡｌＣｒＮが挙げられる。被覆層は、単層、または、２層以上の多層のいずれでもよい。耐摩耗性を更に向上させる観点から、被覆層は、好ましくは、組成が異なる複数の層を交互に積層した構造を有する。被覆層が２層以上の多層である場合、各層の平均厚さは、５ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましい。

被覆層全体の平均厚さは、０．５μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。被覆層全体の平均厚さが０．５μｍ以上である場合、耐摩耗性が更に高まる傾向にある。被覆層全体の平均厚さが２０μｍ以下である場合、耐欠損性が更に高まる傾向にある。

本実施形態の被覆工具における被覆層を構成する各層の厚さおよび被覆層全体の厚さは、被覆工具の断面組織から光学顕微鏡、ＳＥＭ、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）などを用いて測定することができる。なお、本実施形態の被覆工具における各層の平均厚さおよび被覆層全体の平均厚さは、金属蒸発源に対向する面の刃先から当該面の中心部に向かって５０μｍの位置の近傍において、３箇所以上の断面から、各層の厚さおよび被覆層全体の厚さを測定して、その平均値を計算することで求めることができる。

また、本実施形態の被覆工具における被覆層を構成する各層の組成は、本実施形態の被覆工具の断面組織から、ＥＤＳや波長分散型Ｘ線分析装置（ＷＤＳ）などを用いて測定することができる。

本実施形態の被覆工具における被覆層の製造方法は特に限定されるものではないが、例えば、イオンプレーティング法、アークイオンプレーティング法、スパッタ法およびイオンミキシング法などの物理蒸着法が挙げられる。その中でも、アークイオンプレーティング法は、被覆層と立方晶窒化硼素焼結体との密着性に一層優れるので、さらに好ましい。

例えば、本実施形態の工具の製造方法は、以下の工程（Ａ）〜（Ｈ）を含む。
工程（Ａ）：平均粒径０．２〜５．０μｍの立方晶窒化硼素１５〜９０体積％と、平均粒径０．０５〜８．０μｍの、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｃｏ、ＮｉおよびＳｉからなる群より選択される少なくとも１種の元素、または、上記元素とＣ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群より選択される少なくとも１種の元素との化合物の粉末１０〜８５体積％とを配合（ただし、これらの合計は１００体積％である。）して原料粉を得る工程と、
工程（Ｂ）：工程（Ａ）において配合した原料粉を、超硬合金製ボールにて５〜２４時間の湿式ボールミルにより混合し、混合物を準備する混合工程と、
工程（Ｃ）：工程（Ｂ）において得られた混合物を所定の形状に成形して成形体を得る成形工程と、
工程（Ｄ）：工程（Ｃ）において得られた成形体を超高圧発生装置に収容し、４．０〜７．０ＧＰａの圧力にて１３００〜１５００℃の範囲の焼結温度で所定の時間保持し焼結して焼結体を得る焼結工程と、
工程（Ｅ）：工程（Ｄ）において得られた焼結体を、放電加工機により工具形状に合わせて切り出す工程と、
工程（Ｆ）：工程（Ｅ）において切り出した焼結体を、ろう付けにより台金と接合してホーニング前工具を得る工程と、
工程（Ｇ）：工程（Ｆ）を経て得られたホーニング前工具にホーニング加工を施して結合相富化層形成前工具を得る工程と、
工程（Ｈ）：工程（Ｇ）を経て得られた結合相富化層形成前工具に、ピコ秒レーザーの出力を４Ｗ〜１２Ｗ、パルス幅を８ｐｓ〜２７ｐｓ、周波数を８００ｋＨｚ〜１５００ｋＨｚ、ピコ秒レーザーを移動させる速さを８００ｍｍ／ｓ〜１５００ｍｍ／ｓとする条件にて、ピコ秒レーザー処理を施すことにより、結合相富化層を形成する工程とを含む。

本実施形態の被覆工具は、工程（Ａ）から工程（Ｈ）までの各工程を経て得られた工具に対して、化学蒸着法または物理蒸着法を使用して、被覆層を形成することにより得られてもよい。

工程（Ａ）では、立方晶窒化硼素焼結体の内部領域の組成を調整することができる。配合する結合相の組成として、例えば、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ａｌ、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＢ_２、ＷＣ、ＺｒＯ_２、ＺｒＮ、ＺｒＢ_２およびＳｉ_３Ｎ_４が挙げられる。

工程（Ｂ）では、所定の配合組成の原料粉を均一に混合させることができる。

工程（Ｃ）では、工程（Ｂ）において得られた混合物を所定の形状に成形する。得られた成形体を以下の工程（Ｄ）（焼結工程）において焼結する。

工程（Ｄ）では、４．０〜７．０ＧＰａの圧力にて１３００〜１５００℃の範囲の温度で焼結することにより、立方晶窒化硼素焼結体を作製することができる。

工程（Ｅ）では、放電加工機を用いることにより、立方晶窒化硼素焼結体を任意の工具形状に切り出すことができる。

工程（Ｆ）では、切り出した立方晶窒化硼素焼結体と、台金とをろう付けにより接合することができる。

工程（Ｇ）では、ホーニング加工を施すことにより、切れ刃の強度を向上させることができる。

工程（Ｈ）では、ピコ秒レーザーを用いて、結合相富化層を形成することができる。ピコ秒レーザーの出力を４Ｗ〜１２Ｗ、パルス幅を８ｐｓ〜２７ｐｓ、周波数を８００ｋＨｚ〜１５００ｋＨｚ、ピコ秒レーザーを移動させる速さを８００ｍｍ／ｓ〜１５００ｍｍ／ｓの条件で調整することにより、結合相富化層における立方晶窒化硼素の含有量を１０体積％以下にすると共に、結合相富化層の厚さを制御することができる。結合相富化層は、ピコ秒レーザーの出力を高くする、または周波数を高くするほど、厚くなる。さらに、立方晶窒化硼素焼結体の単位面積あたりにピコ秒レーザーを照射する時間が長くなるほど、結合相富化層は厚くなる。そのため、ピコ秒レーザーを移動させる速さを遅くした場合や、立方晶窒化硼素焼結体の同じ箇所に対して繰り返しピコ秒レーザーを照射した場合、結合相富化層は厚くなる。

立方晶窒化硼素焼結体の表面における、結合相富化層の面積率と内部領域の面積率は、ピコ秒レーザーを照射する面積を調整することにより、制御することができる。また、研磨および研削により、結合相富化層を除去し、結合相富化層の面積率と内部領域の面積率を制御してもよい。

以下、実施例によって本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
平均粒径３．０μｍの立方晶窒化硼素（以下、「ｃＢＮ」という。）粉末、平均粒径１．０μｍのＴｉＮ粉末、平均粒径１．０μｍのＴｉ（Ｃ，Ｎ）粉末、平均粒径１．０μｍのＴｉＣ粉末、平均粒径０．５μｍのＴｉＢ_２粉末、平均粒径０．６μｍのＺｒＯ_２粉末、平均粒径１．０μｍのＡｌ_２Ｏ_３粉末、平均粒径２．０μｍのＷＣ粉末、平均粒径０．４μｍのＳｉ_３Ｎ_４粉末、平均粒径１．５μｍのＣｏ粉末、平均粒径８．０μｍのＣｒ粉末、平均粒径１．５μｍのＮｉ粉末、および平均粒径１．５μｍのＡｌ粉末を用いて表１に示す配合組成にて配合した。

比較品４および比較品５については、内部側と表面側とにおいて組成が異なる層となるように、表１に示す配合組成にて配合した。

配合した原料粉を超硬合金製ボールとヘキサン溶媒とともにボールミル用のシリンダーに収容して、湿式ボールミルにより混合した。ボールミルにより混合して得られた混合物を圧粉成型して成形体を得た後、１．３３×１０^−３Ｐａ、７５０℃の条件で仮焼結をし、仮焼結体を得た。得られた仮焼結体を超高圧高温発生装置に収容し、表２に示す条件で焼結し、発明品および比較品の立方晶窒化硼素焼結体を得た。

こうして得られた立方晶窒化硼素焼結体を、放電加工機により所定の工具形状（下記参照。）に切り出す工程、超硬合金からなる台金にろう付けにより接合する工程、およびホーニング加工を施す工程を経て、ＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８インサート形状の切削工具に加工した。なお、この加工の際、切刃の全部が立方晶窒化硼素焼結体からなるように、切削工具に加工した。

切削工具に加工した後、発明品１〜１６、比較品１、２の立方晶窒化硼素焼結体に対して、表３に示す条件でピコ秒レーザー処理を施した。このとき、発明品１０〜１６については、ピコ秒レーザー処理の照射面積の調整、およびピコ秒レーザー処理の後に研磨処理を行った。これにより、立方晶窒化硼素焼結体がその表面に有する結合相富化層の面積を制御した。比較品３の立方晶窒化硼素焼結体については、出力を３０Ｗ、パルス幅を１００ｎｓ、周波数を１８ｋＨｚ、ナノ秒レーザーを移動させる速さを２０００ｍｍ／ｓ、とする条件でナノ秒レーザーを用いて立方晶窒化硼素焼結体の表面を処理した。ナノ秒レーザーは、ピコ秒レーザー処理よりも立方晶窒化焼結体の表面から深さ方向に影響を及ぼす。そのため、ナノ秒レーザーを移動させる速さを大きくした。比較品４〜８については、ピコ秒レーザー処理を施さなかった。なお、比較品４、５については、立方晶窒化硼素焼結体の内部側と表面側とで、組成が異なる層が得られた。

得られた立方晶窒化硼素焼結体工具の表面全体に対する、結合相富化層の面積率と内部領域の面積率は、ＳＥＭで撮影した立方晶窒化硼素焼結体の組織写真から市販の画像解析ソフトで解析して求めた。より具体的には、ＳＥＭを用いて２，０００倍に拡大した立方晶窒化硼素焼結体の表面を反射電子像にて観察した。この際、立方晶窒化硼素焼結体の表面の組織写真をＳＥＭを用いて撮影した。市販の画像解析ソフトを用いて、撮影した組織写真から結合相富化層の面積率と内部領域の面積率をそれぞれ求めた。このとき、組織写真における内部領域を塗りつぶし、画像解析ソフトの二値化処理にて、結合相富化層の面積率と内部領域の面積率とをそれぞれ求めた。それらの値を表４に示した。なお、比較品については、立方晶窒化硼素焼結体の表面側と内部側とで組成が異なる場合、便宜上、表面側の領域を結合相富化層とし、内部側の領域を内部領域とした。

ナノ秒レーザーを用いた比較品３は、立方晶窒化硼素焼結体の表面に亀裂が無数に存在していた。しかし、ピコ秒レーザー処理した試料は、亀裂が観察されなかった。

こうして得られた工具について、Ｘ線回折測定を行って、立方晶窒化硼素焼結体の組成を調べた。また、ＳＥＭを用いて５，０００倍に拡大した立方晶窒化硼素焼結体の断面組織を撮影した。撮影した断面組織写真について、市販の画像解析ソフトを用いてｃＢＮの含有量（体積％）、結合相の含有量（体積％）を測定した。このとき、立方晶窒化硼素焼結体の表面から深さ方向に、結合相および不可避不純物の合計量が９０体積％以上１００体積％以下となる領域の厚さを結合相富化層とし、結合相富化層よりも深い内部の領域を内部領域とした。また、任意の３箇所以上の断面組織写真から、結合相富化層の厚さを測定した。得られた厚さの平均値を結合相富化層の平均厚さとした。これらの結果を表５に示した。

得られた工具を用いて、下記の切削試験（耐摩耗性試験）を行った。立方晶窒化硼素焼結体中のｃＢＮの含有量に応じて、切削試験の条件を選択した。切削試験１が最も緩やかな条件での切削試験であり、切削試験１、切削試験２、切削試験３の順に条件が厳しくなる。その結果を表６、表７および表８に示す。但し、比較品５は、内部領域と結合相富化層との間に、亀裂（へき開）が発生していた。よって、比較品５は、切削試験による評価ができないと判断した。

［切削試験１］
切削方法：外周連続切削（旋削）、
被削材：浸炭焼入れしたＳＣＭ４２０、
被削材形状：円柱φ１００ｍｍ×２５０ｍｍ、
切削速度：１８０ｍ／ｍｉｎ、
切込み：０．１５ｍｍ、
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、
クーラント：湿式、
評価試料：発明品１、１２、１３、比較品１、６
評価項目：試料が欠損したとき、または試料の最大逃げ面摩耗幅が０．１５ｍｍに至ったときを工具寿命とし、工具寿命に達するまでの加工（切削）時間を測定した。

［切削試験２］
切削方法：外周連続切削（旋削）、
被削材：浸炭焼入れしたＳＣＭ４２０、
被削材形状：円柱φ１００ｍｍ×２００ｍｍ、
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ、
切込み：０．２５ｍｍ、
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、
クーラント：湿式、
評価試料：発明品２、３、６〜１１、１６、比較品４、７
評価項目：試料が欠損したとき（欠損または微小なチッピング）、または試料の最大逃げ面摩耗幅が０．１５ｍｍに至ったときを工具寿命とし、工具寿命に達するまでの加工（切削）時間を測定した。

［切削試験３］
切削方法：外周連続切削（旋削）、
被削材：浸炭焼入れしたＳＣＭ４２０、
被削材形状：円柱φ１００ｍｍ×２００ｍｍ、
切削速度：１２０ｍ／ｍｉｎ、
切込み：０．２５ｍｍ、
送り：０．２０ｍｍ／ｒｅｖ、
クーラント：湿式、
評価試料：発明品４、５、１４、１５、比較品２、３、８
評価項目：試料が欠損したとき、または試料の最大逃げ面摩耗幅が０．１５ｍｍに至ったとき（正常摩耗）を工具寿命とし、工具寿命に達するまでの加工（切削）時間を測定した。

発明品の工具は、比較品の工具に比べて、加工時間が長くなった。したがって、発明品の工具は、耐摩耗性が向上したことにより、比較品に比べて工具寿命が長くなった。

（実施例２）
実施例１の発明品１〜１６の表面にＰＶＤ装置を用いて被覆層を形成した。具体的には、発明品１〜５の立方晶窒化硼素焼結体の表面に被覆層として平均厚さ３μｍのＴｉＮ層を形成したものを発明品１７〜２１とし、発明品６〜１１の立方晶窒化硼素焼結体の表面に被覆層として平均厚さ３μｍのＴｉＡｌＮ層を形成したものを発明品２２〜２７とした。また、発明品１２〜１６の立方晶窒化硼素焼結体の表面に、１層あたりの平均厚さ３ｎｍのＴｉＡｌＮと、１層あたりの平均厚さ３ｎｍのＴｉＡｌＮｂＷＮとを交互に５００層ずつ積層した被覆層を形成したものを発明品２８〜３２とした。発明品１７〜３２について、実施例１と同じ切削試験を行った。その結果を表９、表１０および表１１に示す。

被覆層を形成した発明品１７〜３２は、被覆層を形成していない場合よりも、さらに工具寿命を長くすることができた。

本出願は、２０１５年１２月４日出願の日本特許出願（特願２０１５−２３７４８９）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

本発明の工具および被覆工具は、耐摩耗性に優れるので、産業上の利用可能性が高い。

１０…焼結体、１２…内部領域、１４…結合相富化層、２０…台金、１００…工具。

本発明の要旨は、以下の通りである。
（１）少なくとも切刃の一部が立方晶窒化硼素を含む焼結体からなる工具であって、前記焼結体は、内部領域と、前記内部領域の少なくとも一部の表面上に形成された結合相富化層と、を一体不可分に有し、前記内部領域は、１５体積％以上９０体積％以下の立方晶窒化硼素と、１０体積％以上８５体積％以下の結合相と不可避不純物との混合物と、からなり、前記結合相富化層は、９０体積％以上１００体積％以下の前記結合相と前記不可避不純物との前記混合物と、０体積％以上１０体積％以下の立方晶窒化硼素と、からなり、前記結合相は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｃｏ、ＮｉおよびＳｉからなる群より選択される少なくとも１種の元素、並びに、前記元素と、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群より選択される少なくとも１種の元素との化合物、からなる群より選択される少なくとも１種を含む、工具。
（２）前記焼結体の表面において、前記結合相富化層が、前記焼結体の表面全体に対して、３０面積％以上１００面積％以下存在し、前記内部領域が、前記焼結体の表面全体に対して、０面積％以上７０面積％以下存在する、（１）の工具。
（３）前記結合相富化層の平均厚さが、０．１μｍ以上８．０μｍ以下である、（１）または（２）の工具。
（４）前記結合相は、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌ、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＢ₂、ＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＢ₂、Ｃｒ₂Ｎ、ＷＣ、ＺｒＯ₂、ＺｒＯ、ＺｒＮ、ＺｒＢ₂およびＳｉ₃Ｎ₄からなる群より選択される少なくとも２種の組成を有する、（１）〜（３）のいずれかの工具。

（参考例１）
実施例１の発明品１〜１６の表面にＰＶＤ装置を用いて被覆層を形成した。具体的には、発明品１〜５の立方晶窒化硼素焼結体の表面に被覆層として平均厚さ３μｍのＴｉＮ層を形成したものを参考品１７〜２１とし、発明品６〜１１の立方晶窒化硼素焼結体の表面に被覆層として平均厚さ３μｍのＴｉＡｌＮ層を形成したものを参考品２２〜２７とした。また、発明品１２〜１６の立方晶窒化硼素焼結体の表面に、１層あたりの平均厚さ３ｎｍのＴｉＡｌＮと、１層あたりの平均厚さ３ｎｍのＴｉＡｌＮｂＷＮとを交互に５００層ずつ積層した被覆層を形成したものを参考品２８〜３２とした。参考品１７〜３２について、実施例１と同じ切削試験を行った。その結果を表９、表１０および表１１に示す。

被覆層を形成した参考品１７〜３２は、被覆層を形成していない場合よりも、さらに工具寿命を長くすることができた。

本発明の要旨は、以下の通りである。
（１）少なくとも切刃の一部が立方晶窒化硼素を含む焼結体からなる工具であって、前記焼結体は、内部領域と、前記内部領域の少なくとも一部の表面上に形成された結合相富化層と、をへき開していない状態で有し、前記内部領域は、１５体積％以上９０体積％以下の立方晶窒化硼素と、１０体積％以上８５体積％以下の結合相と不可避不純物との混合物と、からなり、前記結合相富化層は、９０体積％以上１００体積％以下の前記結合相と前記不可避不純物との前記混合物と、０体積％以上１０体積％以下の立方晶窒化硼素と、からなり、前記結合相は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｃｏ、ＮｉおよびＳｉからなる群より選択される少なくとも１種の元素、並びに、前記元素と、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群より選択される少なくとも１種の元素との化合物、からなる群より選択される少なくとも１種を含む、工具。
（２）前記焼結体の表面において、前記結合相富化層が、前記焼結体の表面全体に対して、３０面積％以上１００面積％以下存在し、前記内部領域が、前記焼結体の表面全体に対して、０面積％以上７０面積％以下存在する、（１）の工具。
（３）前記結合相富化層の平均厚さが、０．１μｍ以上８．０μｍ以下である、（１）または（２）の工具。
（４）前記結合相は、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌ、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＢ₂、ＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＢ₂、Ｃｒ₂Ｎ、ＷＣ、ＺｒＯ₂、ＺｒＯ、ＺｒＮ、ＺｒＢ₂およびＳｉ₃Ｎ₄からなる群より選択される少なくとも２種の組成を有する、（１）〜（３）のいずれかの工具。

Claims (8)

1. 少なくとも切刃の一部が立方晶窒化硼素を含む焼結体からなる工具であって、
   前記焼結体は、内部領域と、前記内部領域の少なくとも一部の表面上に形成された結合相富化層と、を一体不可分に有し、
   前記内部領域は、１５体積％以上９０体積％以下の立方晶窒化硼素と、１０体積％以上８５体積％以下の結合相と不可避不純物との混合物と、からなり、
   前記結合相富化層は、９０体積％以上１００体積％以下の前記結合相と前記不可避不純物との前記混合物と、０体積％以上１０体積％以下の立方晶窒化硼素と、からなり、
   前記結合相は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｃｏ、ＮｉおよびＳｉからなる群より選択される少なくとも１種の元素、並びに、前記元素と、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群より選択される少なくとも１種の元素との化合物、からなる群より選択される少なくとも１種を含む、工具。
2. 前記焼結体の表面において、前記結合相富化層が、前記焼結体の表面全体に対して、３０面積％以上１００面積％以下存在し、前記内部領域が、前記焼結体の表面全体に対して、０面積％以上７０面積％以下存在する、請求項１に記載の工具。
3. 前記結合相富化層の平均厚さが、０．１μｍ以上８．０μｍ以下である、請求項１または請求項２に記載の工具。
4. 前記結合相は、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌ、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＢ_２、ＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＢ_２、Ｃｒ_２Ｎ、ＷＣ、ＺｒＯ_２、ＺｒＯ、ＺｒＮ、ＺｒＢ_２およびＳｉ_３Ｎ_４からなる群より選択される少なくとも２種の組成を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の工具。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の工具と、その工具の表面に形成された被覆層とを有する、被覆工具。
6. 前記被覆層が、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、ＡｌおよびＳｉからなる群より選択される少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群より選択される少なくとも１種の元素とからなる化合物を含む、請求項５に記載の被覆工具。
7. 前記被覆層が、単層または２層以上の多層である、請求項５または６に記載の被覆工具。
8. 前記被覆層全体の平均厚さが、０．５μｍ以上２０μｍ以下である、請求項５〜７のいずれか１項に記載の被覆工具。