WO2005105348A1

WO2005105348A1 - 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

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Publication number: WO2005105348A1
Application number: PCT/JP2005/003295
Authority: WO
Inventors: Katsumi Okamura; Satoru Kukino; Tomohiro Fukaya
Original assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp.
Priority date: 2004-04-30
Filing date: 2005-02-28
Publication date: 2005-11-10
Also published as: EP1741505B8; US8178220B2; EP1741505A4; JPWO2005105348A1; CN101804467B; KR100771026B1; CA2559807C; US20080193724A1; EP1741505B1; KR20070004962A; CN101804467A; CN1950165B; CA2559807A1; CN1950165A; EP1741505A1; JP4500810B2; US20110262700A1

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

明細書

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

技術分野

[0001] 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。

背景技術

[0002] 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、る。

[0003] 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力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、刃こぼれゃチッビングを防止する目的で、切刃に面取りや R形などのホーユ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力て減少していると、被膜の剥離性、切刃の微小チッビング性に優れることが開示されている。

特許文献 1：特開 2002— 3284号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] 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、亀裂力 Sさらに伝播し、 CBN焼結体にチッビ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。

[0005] 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つても、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)の亀裂とチッビングを抑制し、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。

課題を解決するための手段

[0006] 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。

[0007] 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. 05 μ m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力好ましい。

[0008] 本発明における表面被覆膜は、 Ti、 Cr、 Zrおよび Vからなる群力選択される少なくとも 1種と、 Al、 Siおよび B力もなる群力も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。

[0009] 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力、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力好ましい。

[0010] 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。

[0011] 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、砲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。

[0012] 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力もなる群力も選択される少なくとも 1種と、 Al、 Siおよび Bからなる群力も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。

[0013] 本発明の表面被覆 CBN焼結体工具の製造方法において、前記ネガランドをカロェする工程の後に、ネガランドの周縁の少なくとも一部をホー-ングカ卩ェする工程をさらに含むの力好ましい。

発明の効果

[0014] 本発明によれば、ネガランドの少なくとも一部にぉ、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、チッビングを抑制し、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 CB N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。

[0015] 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ぐ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。

図面の簡単な説明

[0016] [図 1]本発明の表面被覆 CBN焼結体工具の断面図である。

[図 2]本発明工具に用いる工具素材の斜視図である。

[図 3A]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ェ程を示す。

[図 3B]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。

[図 3C]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ェ程を示す。

符号の説明

[0017] 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。

発明を実施するための最良の形態

[0018] 以下、本発明の実施の形態を説明する。

[0019] 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を簡略ィ匕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。

[0020] 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ぐまた、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、ずれであつてもよい。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 CB N焼結体工具 1を例示して、る。

[0021] 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。

[0022] 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。

[0023] 本発明における基材 2は CBN焼結体で構成される力この 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、。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、酸ィ匕物ならびにこれらの固溶体力なる群の中から選択された少なくとも一種と、ァルミ-ゥ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、ァルミの酸ィ匕物、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!/、るが、上記の基材は焼入れ鋼の切削に適して!/、る。

[0024] 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力前記露出した CBN焼結体における C BN粒子は、当該 CBN粒子表面から 0. 05 μ m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力好ましい。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. 05 μ m以下の深さに Ti、 Cr、 Zr、 V、 Arのうち力選ばれる 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ではなぐ 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。

[0025] 本発明者らは、チッビ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つた。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焼結体工具にっ、て詳細な分析と実験を行、、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、チッビ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ゃチッビングは少な、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。 [0026] 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 5 μ m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. 05 μ m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ビ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. 05 μ m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ビ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. 05 μ m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 Dispersiv e Spectrometer)を用いた分析により確認することができる。

[0027] 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ぐ耐摩耗性、耐剥離性、耐チッビ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力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からなる群力選択される少なくとも 1種と、 Al、 Siおよび B力もなる群力も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。

[0028] ここで、「Ti、 Cr、 Zrおよび Vからなる群力も選択される少なくとも 1種と、 Al、 Siおよび Bからなる群力も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、 Cr CN、 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。これらの中でも而摩耗性に優れる TiAlN、 TiSiAlCN、 CrAlCN、 TiCNが好ましい。

[0029] 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からなる群力も選択される少なくとも 1種と、 Al、 Siおよび B力もなる群力も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 Diffrac tometer)を用いた分析により確認することができる。

[0030] 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. 1一 5 μ mであるのが好ましぐ 0. 5-2 μ mであるのがより好ましい。表面被覆膜 3の厚みが 0.： L m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 5 mを超えると、ネガランド 4を加工する際に表面被覆膜 3にチッビングが起こる場合があるためである。

[0031] 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。これによつて、従来の工具で生じて、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、チッビングを抑制し、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。

[0032] 本発明にお、て、ネガランド 4は、その少なくとも一部にぉ、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、る場合が挙げられる。このようにネガランド 4の全部にぉヽて 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。

[0033] 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。

[0034] 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ぐ 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、切削条件にもよる力多くの場合、切削断面がネガランド部を超えてしま、、本発明の効果が十分に得られな、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!/、面 11とが交差するエッジ 12までの距離を、すく、面 11に投影した長さを指す。

[0035] なお、本発明にお、て、ネガランド 4の幅 Wは、切削条件とも密接に関係して、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!、て、被削材が当たるネガランド 4には表面被覆膜 3が形成されなヽため、亀裂によるチッビングが発生せず、安定して長期間の切削に供することができる

[0036] 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、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 (ma x)≤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) ZRa (max)はネガランド研削に使用する砲石の粒度に依存し、粒度が粗いと Ra (min) ZRa (max)が小さくなり、細力、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-ングカ卩ェ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) ZRa (max)は、ほぼ 1 となる。 Ra (min) ZRa (max)が 0. 3未満であると研磨筋の凹凸が大きくなり過ぎ、チッビ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) ZRa (max;^ O. 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。

[0037] 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ぐ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、て特に顕著であるが、連続切削におヽても同様の効果がある。

[0038] 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 ΙΠ-ΙΠ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力もなる群力も選択される少なくとも 1種と、 Al、 Siおよび Bからなる群力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カ卩ェ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。

[0039] 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〖こは、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、全体力CBN 焼結体力も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ィ匕されたェ具素材 40を用いた場合を示して、る。

[0040] 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 4 0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。

[0041] なお本発明の製造方法にぉヽて、形成される表面被覆膜 3は、 Ti、 Cr、 Zrおよび V 力もなる群力も選択される少なくとも 1種と、 Al、 Siおよび B力もなる群力も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。

[0042] 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、 CB N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。ダイヤモンド砲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 C BN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。

[0043] 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、経済面力有利な表面被覆 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ちある。 [0044] 本発明の表面被覆 CBN焼結体工具の製造方法においては、前記ネガランドをカロェする工程の後に、ネガランドの周縁の少なくとも一部をホー-ングカ卩ェする工程をさらに含むことが好ましい。このホー-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ビ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-ングカ卩ェして図 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ビングを抑制することができる。

[0045] ホー-ング加工は、具体的には、回転ブラシとダイヤンモンド砲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ヽ。

[0046] 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。

[0047] <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 1 μ m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°C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、酸ィ匕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砲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。

[0048] 次に、表面被覆膜の形成方法にっ、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%A卜 10at%Siなどを用いた。ここで at%は、原子⁰ /₀を示す。まず、成膜装置を 1. 33 X 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— 10 OOVのバイアス電圧をカ卩えながら、 Arイオンおよびターゲットを構成して、る金属ィ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。

[0049] 次に、 500°Cまで加熱し、 Arガスを排気した後反応ガスとして Nガスを導入し、チッ

2

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、ネガランドカ卩ェして試料を作製した。

[0050] 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 Nに加え CHを用いた。こ

2 4

れら Nと CH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

2 4

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。

[0051] [表 1]

[0052] (表 1中の「加工工程」の欄にぉ、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-ングカ卩ェ )

[0053] 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、 11一 14は、ネガランド力卩ェに続いてさらにホー-ングカ卩ェしている。同様に、工具素材にまずネガランドカ卩ェし、以下表 1に示すように表面被覆、ホー-ングカ卩ェの工程をカ卩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カ卩ェおよびホー-ングカ卩ェをカ卩えたものである。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、砲粒の粒度が 800メッシュのダイャモンド砥石を用いてネガランドカ卩ェした。

[0054] 実施例である試料番号 1一 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. Ο μ mの T1A1N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-ングカ卩ェを行った。一方、試料番号 1一 5、 11一 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カ卩ェした。ホーユング力卩ェを行った試料番号 1、 3、 4、 6— 14のホーユングの形状は、いずれも 0. 0 2mm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カ卩ェは、研削により 25° の角度と 0. 2mmの幅を有する加工をした。

[0055] 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 1一 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。

[0056] (切削試験 1)

表 1に記載されて、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。

[0057] 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= 120mmZmin.

送り f= 0. 1 mm/rev.

切り込み d= 0. 15mm

湿式、切削時間 30分

工具型番； SNGN 120408

[0058] [表 2] 逃げ面庫耗量面粗さ Rz

試料番号評価

^.mm ηπ ) 損傷状態

1 実施例 0.085 2.7 正常糜耗優

2実施例 0.078 4.5 0.01 mmの微小チッビング良

3実施例 0.081 3.2 正常摩耗優

4実施例 0.135 1 .9 正紫庫耗優

5実施例 0.129 3.8 0.01 mmの微小チッビング良

6比較例 ― ― 6.2分で 0.5 の欠損不可

7比較例 ― ― 6.3分で 0.5mmの欠損不可

&比較例 ― 8.2分で 0.6mmの欠損不可

9比較例 0.21 7 3.8 庫耗大、 0.06mmのチッビング可

10実施例 0.084 2.8 0O5mmの微小チッビング良

1 1 実施例 0.075 3.0 IE常摩耗優

12実施例 0.074 3.1 正常摩耗優

13実施例 0.09 1 .4 正常摩耗

14実施例 0.095 1 .2 正常摩耗優

[0059] 表 2に示すように実施例である試料番号 1一 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、 11一 14のものは、ホー-ングカ卩ェ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が小さぐ表面状態の良好なカ卩ェができたと、うことができる。ホー-ング加工してヽな、試料番号 2および 5は微小チッビングが見られ、被削材の面粗さ Rzがホー-ングカ卩ェしたものに比較すると大きい。従って、ホーユングカ卩ェしたものの方力優れているということができる。

[0060] ネガランドカ卩ェ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 YZX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ビ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、チッビ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。

[0061] 実施例である試料番号 1一 5、 11一 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 1 0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タリ一ユ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 1一 5、 11一 14 では、 Ti、 Cr、 Zr、 V、 Arを検出できな力つた。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 1一 5、 11 一 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、チッビ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。

[0062] 耐欠損性向上の観点からは試料番号 1一 5、 11一 14の工具が優れている力これらの工具は取り代が多ぐ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力卩ェの取り代を低減できため、コスト面では有利になる。

[0063] (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。

[0064] 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. 1 mm/rev.

切り込み d=0. lmm

乾式、切削時間 50分

[0065] [表 3]

[0066] 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ぐ美、仕上げ面を得ることができた。この中でも、ホー-ングカ卩ェしたものは損傷状態が正常摩耗であり、ホーユングカ卩ェ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ィ匕する。

産業上の利用可能性

[0067] 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ビ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

請求の範囲

[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!/、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からなる群力も選択される少なくとも 1種と、 Al、 Siおよび Bからなる群力も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. 05 μ m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からなる群力も選択される少なくとも 1種と、 Al、

Siおよび Bからなる群力も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ェ具。

[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!/、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ェ具。

[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からなる群力も選択される少なくとも 1種と、 Al、 Siおよび B力もなる群力も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] 前記ネガランドをカ卩ェする工程の後に、ネガランドの周縁の少なくとも一部をホー- ング加ェする工程をさらに含む、請求項 21に記載の方法。