JP2001181825A - 複合高硬度材料 - Google Patents
複合高硬度材料Info
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- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
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- C04B41/80—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics
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- C04B41/85—Coating or impregnation with inorganic materials
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- C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
- C04B41/45—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
- C04B41/50—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 焼入鋼の高速・高能率・高精度加工に適し、
かつ長寿命を得ることが出きる工具に最適な複合高硬度
材料を提供する。 【解決手段】 cBNを20体積％以上95体積％以下含む焼
結体の基材と、基材表面の少なくとも一部に形成された
硬質被膜とを具える複合高硬度材料である。硬質被膜
は、立方晶型結晶構造を有して組成の異なる２種以上の
化合物層を積層した薄膜積層部を具える。各化合物層
は、周期律表4a、5a、6a族元素、Al、Si、Bからなる群
の中から選択される１種以上の元素とB、C、NおよびOか
ら選択される１種以上の元素とを主成分とする。
かつ長寿命を得ることが出きる工具に最適な複合高硬度
材料を提供する。 【解決手段】 cBNを20体積％以上95体積％以下含む焼
結体の基材と、基材表面の少なくとも一部に形成された
硬質被膜とを具える複合高硬度材料である。硬質被膜
は、立方晶型結晶構造を有して組成の異なる２種以上の
化合物層を積層した薄膜積層部を具える。各化合物層
は、周期律表4a、5a、6a族元素、Al、Si、Bからなる群
の中から選択される１種以上の元素とB、C、NおよびOか
ら選択される１種以上の元素とを主成分とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は硬質被膜を具えた立
方晶窒化硼素（cBN）基焼結体に関するものである。特
に、耐摩耗性、高温硬度、高温強度、耐酸化性を向上で
きる複合高硬度材料に関するものである。
方晶窒化硼素（cBN）基焼結体に関するものである。特
に、耐摩耗性、高温硬度、高温強度、耐酸化性を向上で
きる複合高硬度材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】cBNはダイヤモンドに次ぐ高硬度を有す
る材料で、cBN焼結体は主に金属の切削工具として使用
されている。cBN焼結体は結合材を用いてcBN結晶粒子を
高温高圧下で焼結させて作られ、主に切削加工用途に使
用されているcBN焼結体は次の２種類に大別できる。
る材料で、cBN焼結体は主に金属の切削工具として使用
されている。cBN焼結体は結合材を用いてcBN結晶粒子を
高温高圧下で焼結させて作られ、主に切削加工用途に使
用されているcBN焼結体は次の２種類に大別できる。
【０００３】 cBN粒子を20〜80体積％含有し、結合
材としてTiの炭化物、窒化物、炭窒化物及びAlの化合物
を用いる。この焼結体は、主に焼入鋼の切削加工に利用
されている。（例 特開昭53-77811号公報）
材としてTiの炭化物、窒化物、炭窒化物及びAlの化合物
を用いる。この焼結体は、主に焼入鋼の切削加工に利用
されている。（例 特開昭53-77811号公報）
【０００４】 cBN粒子を70体積％以上含有し、結合
材としてAl、Co金属を用いる。この焼結体は、主に高硬
度鋼や鋳鉄の切削加工に利用されている。（例 特公昭
52-43846号公報）
材としてAl、Co金属を用いる。この焼結体は、主に高硬
度鋼や鋳鉄の切削加工に利用されている。（例 特公昭
52-43846号公報）
【０００５】その他、これらのcBN焼結体の耐摩耗性を
向上させるために、各種耐摩耗性被覆を形成する技術も
提案されている。（例 特開昭59-134603号、特開昭61-
183187号、特開平1-96083号、特開平1-96084号、特公平
2-44790号、特開平8-104583号、特開平8-134629号公
報）
向上させるために、各種耐摩耗性被覆を形成する技術も
提案されている。（例 特開昭59-134603号、特開昭61-
183187号、特開平1-96083号、特開平1-96084号、特公平
2-44790号、特開平8-104583号、特開平8-134629号公
報）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】近年のコスト競争力強
化、製品納期短縮および環境問題も配慮した使用エネル
ギーの省力化などの合理化が進む中で、焼入鋼の切削加
工工程においてもより高速・高能率・高精度に加工がで
き、さらに長寿命な工具材料が要求されている。
化、製品納期短縮および環境問題も配慮した使用エネル
ギーの省力化などの合理化が進む中で、焼入鋼の切削加
工工程においてもより高速・高能率・高精度に加工がで
き、さらに長寿命な工具材料が要求されている。
【０００７】上記従来の被覆cBN焼結体材料でも、ある
程度の高速・高能率・高精度な加工は可能であった。し
かし、工具刃先の摩耗進展、チッピング等により、更な
る長寿命化の要求に対し十分満足する結果が達成できて
いないのが現状である。
程度の高速・高能率・高精度な加工は可能であった。し
かし、工具刃先の摩耗進展、チッピング等により、更な
る長寿命化の要求に対し十分満足する結果が達成できて
いないのが現状である。
【０００８】従って、本発明の主目的は、高速・高能率
・高精度な加工ができ、更なる長寿命化が可能な複合高
硬度材料を提供することにある。
・高精度な加工ができ、更なる長寿命化が可能な複合高
硬度材料を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、刃先の摩
耗状態をミクロに観察することで、被覆cBNによる焼入
鋼の高速・高能率・高精度加工において工具が寿命に至
る原因を究明した。その結果、表面被膜が剥がれた後、
cBN粒子または結合相を構成する硬質微粒子が切削表面
から徐々に脱落することで摩耗が進展し、それにより切
削抵抗が増加するため、更に摩耗進展が加速されて寿命
に至るとの知見を得た。本発明は、このような知見に基
づくもので、切削加工時に被膜が剥がれるまでの寿命向
上に加え、cBN焼結体の切削に関与する面からcBNおよび
結合相の硬質粒子が脱落することを抑制する。
耗状態をミクロに観察することで、被覆cBNによる焼入
鋼の高速・高能率・高精度加工において工具が寿命に至
る原因を究明した。その結果、表面被膜が剥がれた後、
cBN粒子または結合相を構成する硬質微粒子が切削表面
から徐々に脱落することで摩耗が進展し、それにより切
削抵抗が増加するため、更に摩耗進展が加速されて寿命
に至るとの知見を得た。本発明は、このような知見に基
づくもので、切削加工時に被膜が剥がれるまでの寿命向
上に加え、cBN焼結体の切削に関与する面からcBNおよび
結合相の硬質粒子が脱落することを抑制する。
【００１０】すなわち、本発明複合高硬度材料は、cBN
を20体積％以上95体積％以下含む焼結体の基材と、基材
表面の少なくとも一部に形成された硬質被膜とを具え
る。この硬質被膜は、立方晶型結晶構造を有して互いに
異なる組成の２種以上の化合物層を積層した薄膜積層部
を具える。そして、各化合物層は、周期律表4a、5a、6a
族元素、Al、Si、Bからなる群の中から選択される１種
以上の元素とB、C、N、およびOから選択される１種以上
の元素とを主成分とすることを特徴とする。以下、各構
成要件ごとに詳しく説明する。
を20体積％以上95体積％以下含む焼結体の基材と、基材
表面の少なくとも一部に形成された硬質被膜とを具え
る。この硬質被膜は、立方晶型結晶構造を有して互いに
異なる組成の２種以上の化合物層を積層した薄膜積層部
を具える。そして、各化合物層は、周期律表4a、5a、6a
族元素、Al、Si、Bからなる群の中から選択される１種
以上の元素とB、C、N、およびOから選択される１種以上
の元素とを主成分とすることを特徴とする。以下、各構
成要件ごとに詳しく説明する。
【００１１】（基材）基材には、cBNを20体積％以上95
体積％以下含む焼結体を用いる。cBNの含有量を限定す
ることで、基材の強度と耐摩耗性を両立させる。より好
ましいcBNの含有量としては20体積％以上80体積％以下
である。その他、cBNの含有量を70体積％以上とするこ
とも好適である。
体積％以下含む焼結体を用いる。cBNの含有量を限定す
ることで、基材の強度と耐摩耗性を両立させる。より好
ましいcBNの含有量としては20体積％以上80体積％以下
である。その他、cBNの含有量を70体積％以上とするこ
とも好適である。
【００１２】cBNの原料粉末は、0.0001〜2.5μmの粒度
分布を持つことが好ましい。これを超える粒度分布で
は、脱落開始時にcBN粒子１粒の脱落による摩耗量が大
きく、摩耗進展を抑制することが難しくなる。
分布を持つことが好ましい。これを超える粒度分布で
は、脱落開始時にcBN粒子１粒の脱落による摩耗量が大
きく、摩耗進展を抑制することが難しくなる。
【００１３】基材の結合相としては、次の２つの構成の
いずれかが好適である。 周期律表IVa、Va、VIa族元素の窒化物、酸化物、硼化
物、炭化物並びにこれらの固溶体からなる群から選択さ
れる少なくとも１種と、アルミニウム化合物とを含む材
料。 Co、Cu、Al、Fe、Niおよびこれらの固溶体からなる群
から選択される少なくとも１種を含む材料。
いずれかが好適である。 周期律表IVa、Va、VIa族元素の窒化物、酸化物、硼化
物、炭化物並びにこれらの固溶体からなる群から選択さ
れる少なくとも１種と、アルミニウム化合物とを含む材
料。 Co、Cu、Al、Fe、Niおよびこれらの固溶体からなる群
から選択される少なくとも１種を含む材料。
【００１４】これら結合相の成分も基材の耐摩耗性と強
度の観点から選択した。前者の結合相とした場合、cB
Nの含有量は20体積％以上80体積％以下とすることが好
ましい。また、後者の結合相とした場合、cBNの含有
量は70体積％以上とすることが望ましい。
度の観点から選択した。前者の結合相とした場合、cB
Nの含有量は20体積％以上80体積％以下とすることが好
ましい。また、後者の結合相とした場合、cBNの含有
量は70体積％以上とすることが望ましい。
【００１５】このような結合相は、その原料粉末の粒度
分布の上限がcBNの平均粒度以下であることが望まし
い。特に、0.0001〜１μmの粒度分布とすることが好適
である。これを超える粒度分布では、脱落開始時に結合
相粒子１粒の脱落による摩耗量が大きく、摩耗進展を抑
制することが難しくなる。
分布の上限がcBNの平均粒度以下であることが望まし
い。特に、0.0001〜１μmの粒度分布とすることが好適
である。これを超える粒度分布では、脱落開始時に結合
相粒子１粒の脱落による摩耗量が大きく、摩耗進展を抑
制することが難しくなる。
【００１６】基材の製造は、4GPa以上の超高圧と1000℃
以上の高温を発生させることのできる超高圧容器を用い
て焼結することが好適である。なお、基材に不可避的不
純物が含まれても良いことは言うまでもない。
以上の高温を発生させることのできる超高圧容器を用い
て焼結することが好適である。なお、基材に不可避的不
純物が含まれても良いことは言うまでもない。
【００１７】（硬質被膜）硬質被膜には、立方晶型結晶
構造を有して組成の異なる２種以上の化合物層を積層し
た薄膜積層部を設ける。薄膜積層部の全ての化合物層が
cBN及び結合相と同じ立方晶構造であるため、基材との
間に高い密着力が得られる。
構造を有して組成の異なる２種以上の化合物層を積層し
た薄膜積層部を設ける。薄膜積層部の全ての化合物層が
cBN及び結合相と同じ立方晶構造であるため、基材との
間に高い密着力が得られる。
【００１８】各化合物層は、周期律表4a、5a、6a族元
素、Al、Si、Bからなる群の中から選択される１種以上
の元素とB、C、NおよびOから選択される１種以上の元素
とを主成分とする。具体例としては、TiN、TiCN、TiAl
N、Al2O3、ZrN、ZrC、CrN、VN、HfN、HfCまたはHfCNが
挙げられる。
素、Al、Si、Bからなる群の中から選択される１種以上
の元素とB、C、NおよびOから選択される１種以上の元素
とを主成分とする。具体例としては、TiN、TiCN、TiAl
N、Al2O3、ZrN、ZrC、CrN、VN、HfN、HfCまたはHfCNが
挙げられる。
【００１９】各化合物層の積層パターンは、規則的であ
っても不規則的であっても良い。規則的な積層例として
は、２種類の化合物層を交互に積層したり、３種類以上
の異なる組成の化合物層の積層体を一つの積層単位と
し、この積層単位を繰り返すことなどが挙げられる。す
なわち、隣接する化合物層と同じ組成でないことが望ま
しい。
っても不規則的であっても良い。規則的な積層例として
は、２種類の化合物層を交互に積層したり、３種類以上
の異なる組成の化合物層の積層体を一つの積層単位と
し、この積層単位を繰り返すことなどが挙げられる。す
なわち、隣接する化合物層と同じ組成でないことが望ま
しい。
【００２０】このように、ナノメートルオーダーの微粒
子でナノメートルオーダーの厚さの化合物層を構成し、
その化合物層を重ねて超薄膜積層構造にする主な理由は
次の通りである。
子でナノメートルオーダーの厚さの化合物層を構成し、
その化合物層を重ねて超薄膜積層構造にする主な理由は
次の通りである。
【００２１】基材表面におけるcBN粒子や結合相粒子
の結合界面に残存している欠陥をナノメートルオーダー
の微粒子で被覆して修復することで、cBN粒子や結合相
粒子の脱落を抑える。 超薄膜積層構造にすることにより、各化合物層内の転
移の伝搬に対する抵抗が増大して転移を抑制し、各化合
物層自身の耐欠損性が向上する。 超薄膜積層構造にすることにより、各化合物層を越え
て伝搬する転移やクラックの成長を各化合物層間におい
て抑制するため、薄膜積層部自身の耐欠損性が向上す
る。 超薄膜積層構造にすることにより、各化合物層を構成
する結晶粒の肥大化を抑制し、かつ非常に緻密化するこ
とで、耐摩耗性が向上する。
の結合界面に残存している欠陥をナノメートルオーダー
の微粒子で被覆して修復することで、cBN粒子や結合相
粒子の脱落を抑える。 超薄膜積層構造にすることにより、各化合物層内の転
移の伝搬に対する抵抗が増大して転移を抑制し、各化合
物層自身の耐欠損性が向上する。 超薄膜積層構造にすることにより、各化合物層を越え
て伝搬する転移やクラックの成長を各化合物層間におい
て抑制するため、薄膜積層部自身の耐欠損性が向上す
る。 超薄膜積層構造にすることにより、各化合物層を構成
する結晶粒の肥大化を抑制し、かつ非常に緻密化するこ
とで、耐摩耗性が向上する。
【００２２】上記化合物層の単層の厚みは、0.2nm〜20n
mが好ましく、薄膜積層部全体の厚みは0.05μm〜５μm
が望ましい。各化合物層の厚みが0.2nm未満では、元素
の拡散によって積層構造が殆ど消失する。逆に20nmを超
えると、転位の伝播を抑制する効果が低減される。ま
た、薄膜積層部全体の厚みが0.05μm未満では耐摩耗性
の向上効果が低く、20nmを超えると薄膜積層部中の残留
応力の影響によって基材との密着力が低下する。
mが好ましく、薄膜積層部全体の厚みは0.05μm〜５μm
が望ましい。各化合物層の厚みが0.2nm未満では、元素
の拡散によって積層構造が殆ど消失する。逆に20nmを超
えると、転位の伝播を抑制する効果が低減される。ま
た、薄膜積層部全体の厚みが0.05μm未満では耐摩耗性
の向上効果が低く、20nmを超えると薄膜積層部中の残留
応力の影響によって基材との密着力が低下する。
【００２３】薄膜積層部と基材との密着性をより向上さ
せて、薄膜積層部の効果をより確かなものにするために
は、薄膜積層部と基材との間に中間層を設けることが好
ましい。この中間層の成分は、周期律表4a、5a、6a族元
素、Al、Si、Bからなる群の中から選択される１種以上
の元素と、B、C、NおよびOから選択される１種以上の元
素とを含むことが好適である。基材に対して比較的密着
強度の高いTiN等の材料が最適である。中間層の厚み
は、0.01μm〜１μmが望ましい。特に、各化合物層より
もやや厚め（例えば５nm以上）につけた方が好ましい。
中間層の膜厚が0.01μm未満では密着性向上効果があま
り得られず、１μmを超えても密着性改善効果の向上が
あまりみられない。
せて、薄膜積層部の効果をより確かなものにするために
は、薄膜積層部と基材との間に中間層を設けることが好
ましい。この中間層の成分は、周期律表4a、5a、6a族元
素、Al、Si、Bからなる群の中から選択される１種以上
の元素と、B、C、NおよびOから選択される１種以上の元
素とを含むことが好適である。基材に対して比較的密着
強度の高いTiN等の材料が最適である。中間層の厚み
は、0.01μm〜１μmが望ましい。特に、各化合物層より
もやや厚め（例えば５nm以上）につけた方が好ましい。
中間層の膜厚が0.01μm未満では密着性向上効果があま
り得られず、１μmを超えても密着性改善効果の向上が
あまりみられない。
【００２４】さらに、耐摩耗性の向上を目的として、薄
膜積層部の表面側に表面層を設けることも望ましい。こ
の表面層の成分としては、周期律表4a、5a、6a族元素、
Al、Si、Bからなる群の中から選択される１種以上の元
素と、B、C、NおよびOから選択される１種以上の元素と
を含むものが挙げられる。表面層の膜厚は0.05μm〜５
μmが望ましい。0.05μm未満では耐摩耗性の向上効果が
殆どなく、5μmを超えると剥離しやすくなる。
膜積層部の表面側に表面層を設けることも望ましい。こ
の表面層の成分としては、周期律表4a、5a、6a族元素、
Al、Si、Bからなる群の中から選択される１種以上の元
素と、B、C、NおよびOから選択される１種以上の元素と
を含むものが挙げられる。表面層の膜厚は0.05μm〜５
μmが望ましい。0.05μm未満では耐摩耗性の向上効果が
殆どなく、5μmを超えると剥離しやすくなる。
【００２５】本発明材料における硬質被膜自身の効果に
ついては、特開平8-134629号公報に示されている効果と
ほぼ同じである。ただし、基材であるcBN焼結体の粒度
分布を前記のように規定することで、より切削寿命が向
上することを見い出した。特開平8-134629号公報記載の
技術では、硬質被膜の効果はcBN焼結体自身の特性を変
化させるものではなく、被膜自身の耐摩耗性によって工
具寿命向上を狙っている。これに対し、本発明はcBN焼
結体基材の結晶粒径を微粒化することで、硬質被膜がほ
とんど剥がれた後でも、cBN焼結体粒子界面に残存する
超薄膜（化合物層）により、cBN焼結体基材の粒子脱落
が抑制され、基材単体よりも耐摩耗性を向上することが
できる。
ついては、特開平8-134629号公報に示されている効果と
ほぼ同じである。ただし、基材であるcBN焼結体の粒度
分布を前記のように規定することで、より切削寿命が向
上することを見い出した。特開平8-134629号公報記載の
技術では、硬質被膜の効果はcBN焼結体自身の特性を変
化させるものではなく、被膜自身の耐摩耗性によって工
具寿命向上を狙っている。これに対し、本発明はcBN焼
結体基材の結晶粒径を微粒化することで、硬質被膜がほ
とんど剥がれた後でも、cBN焼結体粒子界面に残存する
超薄膜（化合物層）により、cBN焼結体基材の粒子脱落
が抑制され、基材単体よりも耐摩耗性を向上することが
できる。
【００２６】被膜の形成個所は基材の少なくとも一部で
良い。切削工具として本発明材料を用いる場合、少なく
とも切削に関与する面に被膜を形成する。切削に関与す
る面とは、すくい面、逃げ面、ネガランド面の少なくと
も一つである。より具体的には、すくい面から逃げ面に
かけての個所またはすくい面からネガランド面を経て逃
げ面にかけての個所である。特に、工具が被削材と接す
る個所およびその近傍に被膜を形成すると有効である。
良い。切削工具として本発明材料を用いる場合、少なく
とも切削に関与する面に被膜を形成する。切削に関与す
る面とは、すくい面、逃げ面、ネガランド面の少なくと
も一つである。より具体的には、すくい面から逃げ面に
かけての個所またはすくい面からネガランド面を経て逃
げ面にかけての個所である。特に、工具が被削材と接す
る個所およびその近傍に被膜を形成すると有効である。
【００２７】硬質被膜の形成手段は公知の成膜技術が利
用できる。例えば、スパッタリング、イオンプレーティ
ングなどのPVD法や、プラズマCVD法などのCVD法が利用
できる。中でも、アークイオンプレーティング法は、原
料元素蒸気のイオン化率が高いので、基材との密着性が
高い硬質被膜を形成できて望ましい。なお、薄膜積層部
の形成に関しては、特開平8-134629号公報に具体的な製
造条件例が開示されている。
用できる。例えば、スパッタリング、イオンプレーティ
ングなどのPVD法や、プラズマCVD法などのCVD法が利用
できる。中でも、アークイオンプレーティング法は、原
料元素蒸気のイオン化率が高いので、基材との密着性が
高い硬質被膜を形成できて望ましい。なお、薄膜積層部
の形成に関しては、特開平8-134629号公報に具体的な製
造条件例が開示されている。
【００２８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。この実施の形態において、被膜の膜厚測定
は、基材上に被膜を形成したチップを作製し、このチッ
プを実際に切断して、その断面を直接SEM（走査型電子
顕微鏡）で観察して評価した。なお、本発明の複合高硬
度材料は、後述の具体例にのみ限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更
を加え得ることは勿論である。
て説明する。この実施の形態において、被膜の膜厚測定
は、基材上に被膜を形成したチップを作製し、このチッ
プを実際に切断して、その断面を直接SEM（走査型電子
顕微鏡）で観察して評価した。なお、本発明の複合高硬
度材料は、後述の具体例にのみ限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更
を加え得ることは勿論である。
【００２９】表１に示される組成及び粒度分布のcBNと
結合材との混合粉末を、4.5GPa、1300℃の超高圧高温条
件で20分間焼結することで、基材となるcBN焼結体を得
た。表１におけるNo.の焼結体は粒度分布の上限が５
μmと大きく、比較用の焼結体である。得られたcBN焼結
体21を切削工具インサートの刃先部分に蝋付けし、図２
に示す切削工具用チップ20（SNGN120408）の形に加工
し、後に述べる被膜の形成を行う。なお、図２で用いて
いるcBN焼結体21は１層の構造であるが、cBN焼結体と超
硬合金とを重ね合わせた２層構造のものも使用できる。
結合材との混合粉末を、4.5GPa、1300℃の超高圧高温条
件で20分間焼結することで、基材となるcBN焼結体を得
た。表１におけるNo.の焼結体は粒度分布の上限が５
μmと大きく、比較用の焼結体である。得られたcBN焼結
体21を切削工具インサートの刃先部分に蝋付けし、図２
に示す切削工具用チップ20（SNGN120408）の形に加工
し、後に述べる被膜の形成を行う。なお、図２で用いて
いるcBN焼結体21は１層の構造であるが、cBN焼結体と超
硬合金とを重ね合わせた２層構造のものも使用できる。
【００３０】後述する成膜手順により、各焼結体の表面
にアーク式イオンプレーティング法を用いてTiN膜（中
間層）を形成し、その上に表２、３に示す構造の薄膜積
層部を形成して、さらに表面層を形成する。基材の刃先
には５〜30μmのホーニング処理を施した後、硬質被膜
の形成を行った方が性能が安定したため、今回は20μm
のホーニング処理を行った。中間層または表面層のない
ものも比較のため作製し、合計44種類の試料を用意し
た。No.12〜19、25、31、37、43は比較例（表２の「判
定」で×印）である。なお、表２、３において、「薄膜
積層部組成」における「A」と「B」は、組成Aと組成Bの
化合物層を交互に積層したことを示し、「単層厚み」は
各化合物層単層の厚みを、「薄膜積層部厚み」は同積層
部全体の厚みを示している。
にアーク式イオンプレーティング法を用いてTiN膜（中
間層）を形成し、その上に表２、３に示す構造の薄膜積
層部を形成して、さらに表面層を形成する。基材の刃先
には５〜30μmのホーニング処理を施した後、硬質被膜
の形成を行った方が性能が安定したため、今回は20μm
のホーニング処理を行った。中間層または表面層のない
ものも比較のため作製し、合計44種類の試料を用意し
た。No.12〜19、25、31、37、43は比較例（表２の「判
定」で×印）である。なお、表２、３において、「薄膜
積層部組成」における「A」と「B」は、組成Aと組成Bの
化合物層を交互に積層したことを示し、「単層厚み」は
各化合物層単層の厚みを、「薄膜積層部厚み」は同積層
部全体の厚みを示している。
【００３１】
【表１】
【００３２】成膜装置の概略構成を図１に示す。この装
置は、真空容器１内に複数個のターゲット２、３が対向
して配置され、両ターゲットの中間点を通る軸を回転軸
とするテーブル４を具えている。テーブル４の上には円
筒状の基材保持具５が固定され、その保持治具５に上記
チップ６が装着される。また、真空容器１にはガス導入
口と、真空排気ポンプにつながる排気口とが設けられ、
内部を所定の圧力に調整できると共に所要のガスを供給
できるよう構成されている。さらに、基材は基材加熱ヒ
ーター10により所定の温度に加熱することができる。そ
して、各ターゲット２、３には真空アークの放電電流
（ターゲット材料の蒸発）を調整する電源７、８が接続
され、基材保持具には基材にバイアス電圧を加えるバイ
アス電源９が接続されている。
置は、真空容器１内に複数個のターゲット２、３が対向
して配置され、両ターゲットの中間点を通る軸を回転軸
とするテーブル４を具えている。テーブル４の上には円
筒状の基材保持具５が固定され、その保持治具５に上記
チップ６が装着される。また、真空容器１にはガス導入
口と、真空排気ポンプにつながる排気口とが設けられ、
内部を所定の圧力に調整できると共に所要のガスを供給
できるよう構成されている。さらに、基材は基材加熱ヒ
ーター10により所定の温度に加熱することができる。そ
して、各ターゲット２、３には真空アークの放電電流
（ターゲット材料の蒸発）を調整する電源７、８が接続
され、基材保持具には基材にバイアス電圧を加えるバイ
アス電源９が接続されている。
【００３３】成膜手順は次のとおりである。真空容器１
内に複数個の周期律表4a、5a、6a族元素、Al、Si、Bお
よびこれらの合金ターゲット２、３を配置する。基材保
持治具５に上記チップ６を装着し、真空アーク（電源
７、８）の放電電流（ターゲット材料の蒸発量）を制御
しながら中間層、薄膜積層部および表面層をコーティン
グした。
内に複数個の周期律表4a、5a、6a族元素、Al、Si、Bお
よびこれらの合金ターゲット２、３を配置する。基材保
持治具５に上記チップ６を装着し、真空アーク（電源
７、８）の放電電流（ターゲット材料の蒸発量）を制御
しながら中間層、薄膜積層部および表面層をコーティン
グした。
【００３４】まず、真空容器１内の真空度を７×10-３P
aの雰囲気とし、ついでアルゴンガスを導入して1×10
-１Paの雰囲気に保持しながら、基板加熱ヒーター10を
用いて400℃まで加熱し、基材保持具４に-1000Vの電圧
（バイアス電源９）をかけて洗浄を行った後、アルゴン
ガスを排気した。
aの雰囲気とし、ついでアルゴンガスを導入して1×10
-１Paの雰囲気に保持しながら、基板加熱ヒーター10を
用いて400℃まで加熱し、基材保持具４に-1000Vの電圧
（バイアス電源９）をかけて洗浄を行った後、アルゴン
ガスを排気した。
【００３５】次に、真空容器１内にN２ガス、水素ガ
ス、アルゴンガス、メタンガス、アセチレンガスのいず
れか一種類あるいは数種類を導入し、真空容器１内の圧
力を２Paに保持し、真空アーク放電により金属ターゲッ
トを蒸発、イオン化させることによってチップ上に中間
層、薄膜積層部および表面層が形成される。このとき、
基材保持具４に-50〜-400Vの電圧（バイアス電源９）を
かけておいた。
ス、アルゴンガス、メタンガス、アセチレンガスのいず
れか一種類あるいは数種類を導入し、真空容器１内の圧
力を２Paに保持し、真空アーク放電により金属ターゲッ
トを蒸発、イオン化させることによってチップ上に中間
層、薄膜積層部および表面層が形成される。このとき、
基材保持具４に-50〜-400Vの電圧（バイアス電源９）を
かけておいた。
【００３６】このようにして得られた切削工具インサー
トを、下記条件で切削加工し、切削時間20分、30分、40
分の各時点での逃げ面摩耗量を測定した。評価結果も併
せて表２、３に示す。 被削材 SUJ２(硬度HRC60)丸棒 φ100×200mm外周切削 切削速度 150m/min 切り込み量 0.2mm 送り量 0.1mm/rev 乾式 （１）1.5Km（10分）切削 （２）3.0Km（20分）切削 （３）4.5Km（30分）切削
トを、下記条件で切削加工し、切削時間20分、30分、40
分の各時点での逃げ面摩耗量を測定した。評価結果も併
せて表２、３に示す。 被削材 SUJ２(硬度HRC60)丸棒 φ100×200mm外周切削 切削速度 150m/min 切り込み量 0.2mm 送り量 0.1mm/rev 乾式 （１）1.5Km（10分）切削 （２）3.0Km（20分）切削 （３）4.5Km（30分）切削
【００３７】
【表２】
【００３８】
【表３】
【００３９】この結果から明らかなように、切削初期の
摩耗は被膜特性に依存するのに対し、30分切削後のデー
タより、被膜が剥がれてからの耐摩耗性は基材特性に依
存することが判る。特に粗粒を含んだcBN焼結体No.19、
25、31、37、43は、切削後期の摩耗進展が著しく、被膜
の効果が切削中期（約20分切削時）までしか発現しな
い。これに対し、微粒cBN焼結体を基材として薄膜積層
部を形成した場合、基材自身で切削している切削後期の
耐摩耗性向上が確認できた。
摩耗は被膜特性に依存するのに対し、30分切削後のデー
タより、被膜が剥がれてからの耐摩耗性は基材特性に依
存することが判る。特に粗粒を含んだcBN焼結体No.19、
25、31、37、43は、切削後期の摩耗進展が著しく、被膜
の効果が切削中期（約20分切削時）までしか発現しな
い。これに対し、微粒cBN焼結体を基材として薄膜積層
部を形成した場合、基材自身で切削している切削後期の
耐摩耗性向上が確認できた。
【００４０】さらに、ＸＲＤ（X‐ray diffraction）
により硬質被膜の結晶構造の分析を行ったところ、全て
立方晶形の結晶構造であることが確認された。なお、cB
N焼結体基材は蝋付けでなく一体焼結したチップでも同
じ効果が得られた。
により硬質被膜の結晶構造の分析を行ったところ、全て
立方晶形の結晶構造であることが確認された。なお、cB
N焼結体基材は蝋付けでなく一体焼結したチップでも同
じ効果が得られた。
【００４１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明複合高硬度
材料によれば、薄膜積層構造の硬質被膜をcBN基焼結体
基材の上に形成することで、高速・高能率・高精度な加
工ができる。特に、微細な粒子の基材との組合せによ
り、更なる長寿命化が実現できる。従って、焼入鋼切削
加工時の工具寿命を大幅に向上させることができる。
材料によれば、薄膜積層構造の硬質被膜をcBN基焼結体
基材の上に形成することで、高速・高能率・高精度な加
工ができる。特に、微細な粒子の基材との組合せによ
り、更なる長寿命化が実現できる。従って、焼入鋼切削
加工時の工具寿命を大幅に向上させることができる。
【図１】本発明材料に硬質被膜を形成する成膜装置の概
略図である。
略図である。
【図２】本発明焼結体を用いたチップの一例の外観図で
ある。
ある。
1 真空容器 2、3 ターゲット 4 回転テーブル 5 基材保持治具 6 チップ 7、8 アーク電源 9 バイアス電源 10 基材加熱ヒーター 20 チップ 21 cBN焼結体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 白石 順一 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 中井 哲男 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 大原 久典 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 福井 治世 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内 Ｆターム(参考） 3C046 FF11 FF12 FF13 FF16 FF25 FF35 FF39 FF42 FF46 FF53 FF55 HH04 4K029 AA04 BA41 BA44 BA54 BA55 BA56 BA59 BA60 BB02 BB07 BC02 BD05 EA01
Claims (11)
- 【請求項１】 cBNを20体積％以上95体積％以下含む焼
結体の基材と、基材表面の少なくとも一部に形成された
硬質被膜とを具える複合高硬度材料であって、 前記硬質被膜は、立方晶型結晶構造を有して組成の異な
る２種以上の化合物層を積層した薄膜積層部を具え、 各化合物層は、周期律表4a、5a、6a族元素、Al、Si、B
からなる群の中から選択される１種以上の元素とB、C、
NおよびOから選択される１種以上の元素とを主成分とす
ることを特徴とする複合高硬度材料。 - 【請求項２】 前記基材は、 20〜80体積％のcBNと、 周期律表IVa、Va、VIa族元素の窒化物、酸化物、硼化
物、炭化物並びにこれらの固溶体からなる群から選択さ
れる少なくとも１種と、アルミニウム化合物とを含む結
合相とを具えることを特徴とする請求項１に記載の複合
高硬度材料。 - 【請求項３】 前記基材は、 70体積％以上のcBNと、 Co、Cu、Al、Fe、Niおよびこれらの固溶体からなる群か
ら選択される少なくとも１種を含む結合相とを具えるこ
とを特徴とする請求項１に記載の複合高硬度材料。 - 【請求項４】 前記基材に用いるcBNの原料粉末が、0.0
001〜2.5μmの粒度分布を持つことを特徴とする請求項
２または３に記載の複合高硬度材料。 - 【請求項５】 前記基材に用いる結合相の原料粉末が、
0.0001〜１μmの粒度分布を持つことを特徴とする請求
項２〜４のいずれかに記載の複合高硬度材料。 - 【請求項６】 前記各化合物層の厚さが、0.2nm〜20nm
であること特徴とする請求項１に記載の複合高硬度材
料。 - 【請求項７】 前記薄膜積層部全体の膜厚が５nm〜15μ
mであることを特徴とする請求項１に記載の複合高硬度
材料。 - 【請求項８】 前記薄膜積層部と基材との間に中間層が
介在され、 この中間層は、周期律表4a、5a、6a族元素、Al、Si、B
からなる群の中から選択される１種以上の元素と、B、
C、NおよびOから選択される１種以上の元素とを含むこ
とを特徴とする請求項１に記載の複合高硬度材料。 - 【請求項９】 前記中間層の膜厚が0.01μm〜１μmであ
ることを特徴とする請求項８に記載の複合高硬度材料。 - 【請求項１０】 前記薄膜積層部の表面側に表面層を具
え、 この表面層は、周期律表4a、5a、6a族元素、Al、Si、B
からなる群の中から選択される１種以上の元素と、B、
C、NおよびOから選択される１種以上の元素とを含むこ
とを特徴とする請求項１に記載の複合高硬度材料。 - 【請求項１１】 前記表面層の膜厚が0.05μm〜５μmで
あることを特徴とする請求項10に記載の複合高硬度材
料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35990199A JP4375691B2 (ja) | 1999-12-17 | 1999-12-17 | 複合高硬度材料 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35990199A JP4375691B2 (ja) | 1999-12-17 | 1999-12-17 | 複合高硬度材料 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001181825A true JP2001181825A (ja) | 2001-07-03 |
| JP4375691B2 JP4375691B2 (ja) | 2009-12-02 |
Family
ID=18466879
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP35990199A Expired - Lifetime JP4375691B2 (ja) | 1999-12-17 | 1999-12-17 | 複合高硬度材料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4375691B2 (ja) |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007152543A (ja) * | 2005-11-08 | 2007-06-21 | Mitsubishi Materials Corp | 高硬度鋼の高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する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 |
| JP2007191765A (ja) * | 2006-01-20 | 2007-08-02 | Kobe Steel Ltd | 硬質皮膜 |
| JP2008018509A (ja) * | 2006-07-14 | 2008-01-31 | Mitsubishi Materials Corp | 硬質難削材の高速連続切削加工ですぐれた耐欠損性を発揮する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 |
| JP2008018507A (ja) * | 2006-07-14 | 2008-01-31 | Mitsubishi Materials Corp | 硬質難削材の高速連続切削加工ですぐれた仕上げ面精度を長期に亘って発揮する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 |
| JP2010115760A (ja) * | 2008-11-14 | 2010-05-27 | Sumitomo Electric Hardmetal Corp | 表面被覆切削工具 |
| JP2012233260A (ja) * | 2012-07-03 | 2012-11-29 | Kobe Steel Ltd | 硬質皮膜 |
| US8673435B2 (en) | 2010-07-06 | 2014-03-18 | Tungaloy Corporation | Coated cBN sintered body tool |
| US8765272B2 (en) | 2009-03-10 | 2014-07-01 | Tungaloy Corporation | Cermet and coated cermet |
| US8784977B2 (en) | 2009-06-22 | 2014-07-22 | Tungaloy Corporation | Coated cubic boron nitride sintered body tool |
| US8999531B2 (en) | 2010-04-16 | 2015-04-07 | Tungaloy Corporation | Coated CBN sintered body |
| KR20200045482A (ko) * | 2017-08-31 | 2020-05-04 | 발터 악티엔게젤샤프트 | TiAlN 나노층 필름들을 포함하는 내마모성 PVD 공구 코팅 |
| WO2022004530A1 (ja) * | 2020-06-30 | 2022-01-06 | 京セラ株式会社 | インサートおよび切削工具 |
-
1999
- 1999-12-17 JP JP35990199A patent/JP4375691B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (13)
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| JP2012233260A (ja) * | 2012-07-03 | 2012-11-29 | Kobe Steel Ltd | 硬質皮膜 |
| KR20200045482A (ko) * | 2017-08-31 | 2020-05-04 | 발터 악티엔게젤샤프트 | TiAlN 나노층 필름들을 포함하는 내마모성 PVD 공구 코팅 |
| KR102610954B1 (ko) | 2017-08-31 | 2023-12-06 | 발터 악티엔게젤샤프트 | TiAlN 나노층 필름들을 포함하는 내마모성 PVD 공구 코팅 |
| WO2022004530A1 (ja) * | 2020-06-30 | 2022-01-06 | 京セラ株式会社 | インサートおよび切削工具 |
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