JP2009220259A - 立方晶窒化硼素焼結体工具 - Google Patents

Abstract

【課題】高負荷切削条件、高能率切削条件下でも、欠損が発生せずに安定した加工ができる長寿命の立方晶窒化硼素焼結体工具の提供を目的とする。
【解決手段】立方晶窒化硼素の平均粒径の５倍以上を基準長さＳとし、チャンファホーニング面の基準長さＳに含まれる立方晶窒化硼素の断面曲線の長さの合計をＬＣＣと表し、チャンファホーニング面の基準長さＳに含まれる結合相の断面曲線の長さの合計をＬＣＢと表し、ＬＣＢに対するＬＣＣの比をＰＣ（ＰＣ＝ＬＣＣ／ＬＣＢ）と表し、丸ホーニング面の基準長さＳに含まれる立方晶窒化硼素の断面曲線の長さの合計をＬＲＣと表し、丸ホーニング面の基準長さＳに含まれる結合相の断面曲線の長さの合計をＬＲＢと表し、ＬＲＢに対するＬＲＣの比をＰＲ（ＰＲ＝ＬＲＣ／ＬＲＢ）と表したとき、ＰＣに対するＰＲの比（ＰＲ／ＰＣ）は、１．２≦ＰＲ／ＰＣ≦８．０を満たす立方晶窒化硼素焼結体工具。
【選択図】図３

Description

本発明は、切削加工に使用される立方晶窒化硼素焼結体工具に関する。

焼入鋼や耐熱合金などの切削加工には、立方晶窒化硼素焼結体工具が多く用いられている。例えば、焼入鋼を切削加工して自動車のシャフトなどの機械部品を製作する場合、焼入鋼の表面にある浸炭層を切削加工によって除去するが、被削材の形状によっては、焼入れされていない部分を切削加工することがある。このような高負荷切削加工では刃先温度が非常に高くなるため、立方晶窒化硼素焼結体工具が使用されることが多い。立方晶窒化硼素焼結体工具の従来技術としては、刃先稜線部を曲率半径が５μｍ以上、３０μｍ以下であり、工具逃げ面と、工具すくい面又はネガランド面が上記の曲率半径でなめらかにつながっている多結晶硬質焼結体切削工具がある（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００１−２１２７０３号公報

近年、部品加工の加工能率を上げるため、高能率切削加工や高負荷切削加工に耐えうる切削工具が求められるようになってきた。しかしながら、従来の立方晶窒化硼素焼結体工具では、高能率切削加工や高負荷切削加工をおこなうと、刃先の強度不足による欠損やクレータ摩耗の拡大を起因とする欠損が発生しやすく、加工能率向上の要求に十分に答えられなくなってきた。そこで、本発明は、高負荷切削条件、高能率切削条件下でも、欠損が発生せず安定した加工が可能であり工具寿命の長寿命化を達成する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、高負荷切削加工や高能率切削加工のような過酷な切削加工においても工具寿命の長寿命化を達成する立方晶窒化硼素焼結体工具および被覆立方晶窒化硼素焼結体工具の開発に取り組んできたところ、立方晶窒化硼素焼結体工具の各部分と表面組織に最適な組み合わせがあるという知見を得た。丸ホーニング面とチャンファホーニング面では、切削時にかかる力や熱が異なる。丸ホーニング面では、熱的な負荷が大きく刃先強度が要求されるため、高い硬さと高い熱伝導性を示す立方晶窒化硼素量を多くすると好ましい。一方、切り屑の擦過があるチャンファホーニング面では、切り屑の溶着による立方晶窒化硼素の脱落が発生しやすいので、結合相量を多くすると好ましい。丸ホーニング面とチャンファホーニング面にそれぞれ最適な表面組織を設けることによって、高負荷切削加工や高能率切削加工のような過酷な切削加工において工具寿命の長寿命化を達成することが可能となった。

すなわち、本発明の立方晶窒化硼素焼結体工具は、少なくとも切削に関与する部分が、立方晶窒化硼素と結合相と不可避的不純物とからなり、
逃げ面と、すくい面と、チャンファホーニング面と、逃げ面とチャンファホーニング面とが交差する稜線に形成された丸ホーニング面とを備え、丸ホーニング面の形状は曲率半径Ｒが１０〜５０μｍの範囲であり、
立方晶窒化硼素の平均粒径の５倍以上を基準長さＳとし、
チャンファホーニング面の基準長さＳに含まれる立方晶窒化硼素の断面曲線の長さの合計をＬＣＣと表し、
チャンファホーニング面の基準長さＳに含まれる結合相の断面曲線の長さの合計をＬＣＢと表し、
ＬＣＢに対するＬＣＣの比をＰＣ（ＰＣ＝ＬＣＣ／ＬＣＢ）と表し、
丸ホーニング面の基準長さＳに含まれる立方晶窒化硼素の断面曲線の長さの合計をＬＲＣと表し、
丸ホーニング面の基準長さＳに含まれる結合相の断面曲線の長さの合計をＬＲＢと表し、
ＬＲＢに対するＬＲＣの比をＰＲ（ＰＲ＝ＬＲＣ／ＬＲＢ）と表したとき、
ＰＣに対するＰＲの比（ＰＲ／ＰＣ）は、１．２≦ＰＲ／ＰＣ≦８．０を満たす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工具は、少なくとも切削に関与する部分が立方晶窒化硼素焼結体である。本発明の立方晶窒化硼素焼結体工具は、立方晶窒化硼素焼結体を超硬合金台金にロウ付けした立方晶窒化硼素焼結体工具であっても、全部が立方晶窒化硼素焼結体からなる立方晶窒化硼素焼結体工具であってもよい。

本発明の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的不純物とからなる。立方晶窒化硼素の含有量が４０体積％未満であると焼入鋼のような高硬度材料に対して基材の硬さが十分ではなく耐欠損性が低下する。逆に立方晶窒化硼素が９０体積％を超えて多くなると、相対的に結合相の割合が少なくなり、切り屑の擦過と溶着で立方晶窒化硼素の脱落が発生し摩耗が大きく進行する。このため、本発明の立方晶窒化硼素焼結体は、立方晶窒化硼素：４０〜９０体積％と、結合相および不可避的不純物：残部とからなると好ましい。その中でも、立方晶窒化硼素：５０〜８０体積％と、結合相および不可避的不純物：残部とからなると、さらに好ましい。

本発明の立方晶窒化硼素の平均粒径が０．３０μｍ未満では熱伝導性が低下するため、切削加工時に刃先温度が上昇して強度が低下し欠損が発生しやすくなる。逆に立方晶窒化硼素の平均粒径が６．０μｍを超えて大きくなると粒子脱落が生じ易くなりチッピングが発生しやすくなる。このため立方晶窒化硼素の平均粒径は０．３０〜６．０μｍであると好ましい。その中でも、立方晶窒化硼素の平均粒径は１．５〜５．０μｍであると、さらに好ましい。

本発明の立方晶窒化硼素焼結体の結合相は、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｎｉの金属、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種の結合相および不可避的不純物からなると結合相の靭性が高いので好ましい。結合相の具体例としては、金属Ｔｉ、金属Ｃｏ、金属Ｎｉ、金属Ａｌ、ＴｉＮ、Ｔｉ（Ｂ，Ｎ）、Ｔｉ（Ｂ，Ｃ）、Ｔｉ（Ｂ，Ｏ）、Ｔｉ（Ｂ，Ｎ，Ｏ）、Ｔｉ（Ｂ，Ｎ，Ｃ）、Ｔｉ（Ｂ，Ｎ，Ｏ）、Ｔｉ（Ｂ，Ｎ，Ｃ，Ｏ）、（Ｔｉ，Ｌ）（Ｂ，Ｎ）、（Ｔｉ，Ｌ）（Ｂ，Ｃ）、（Ｔｉ，Ｌ）（Ｂ，Ｏ）、（Ｔｉ，Ｌ）（Ｂ，Ｎ，Ｃ）、（Ｔｉ，Ｌ）（Ｂ，Ｎ，Ｏ）、（Ｔｉ，Ｌ）（Ｂ，Ｃ，Ｏ）、（Ｔｉ，Ｌ）（Ｂ，Ｎ，Ｃ，Ｏ）、ＡｌＮ、Ａｌ（Ｂ，Ｎ）、Ａｌ（Ｂ，Ｃ）、Ａｌ（Ｂ，Ｏ）、Ａｌ（Ｂ，Ｎ，Ｏ）、Ａｌ（Ｂ，Ｎ，Ｃ）、Ａｌ（Ｂ，Ｃ，Ｏ）、Ａｌ（Ｂ，Ｎ，Ｃ，Ｏ）、（Ａｌ，Ｌ）（Ｂ，Ｎ）、（Ａｌ，Ｌ）（Ｂ，Ｃ）、（Ａｌ，Ｌ）（Ｂ，Ｏ）、（Ａｌ，Ｌ）（Ｂ，Ｎ，Ｏ）、（Ａｌ，Ｌ）（Ｂ，Ｎ，Ｃ）、（Ａｌ，Ｌ）（Ｂ，Ｃ，Ｏ）、（Ａｌ，Ｌ）（Ｂ，Ｎ，Ｃ，Ｏ）（但し、上記のＬは、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｉ、Ｍｇ、ＣｏおよびＮｉの中の少なくとも１種を示す。）などを挙げることができる。その中でも、本発明の立方晶窒化硼素焼結体の結合相はＴｉ、Ａｌの金属、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種からなると、さらに好ましい。

本発明の立方晶窒化硼素焼結体工具は、少なくとも切削に関与する部分に、すくい面、チャンファホーニング面、丸ホーニング面および逃げ面が設けられている。逃げ面とすくい面との間にチャンファホーニング面を有することで耐欠損性が向上している。さらに逃げ面とチャンファホーニング面との稜線部に丸ホーニング面を形成することで耐欠損性を向上させ安定した切削加工が可能となる。このとき丸ホーニング面の形状の曲率半径Ｒが１０μｍ以上になると耐欠損性を向上させる効果が顕著になる。逆に丸ホーニング面の形状の曲率半径Ｒが５０μｍを超えて大きくなると、切削抵抗が大きく上昇し逆に刃先に欠損が生じやすくなる。このため、丸ホーニング面の形状の曲率半径Ｒを１０〜５０μｍとした。

本発明の立方晶窒化硼素焼結体工具において、立方晶窒化硼素の平均粒径の５倍以上を基準長さＳとし、丸ホーニング面の基準長さＳに含まれる立方晶窒化硼素の断面曲線の長さの合計をＬＲＣと表し、丸ホーニング面の基準長さＳに含まれる結合相の断面曲線の長さの合計をＬＲＢと表し、チャンファホーニング面の基準長さＳに含まれる立方晶窒化硼素の断面曲線の長さの合計をＬＣＣと表し、チャンファホーニング面の基準長さＳに含まれる結合相の断面曲線の長さの合計をＬＣＢと表す。さらに、ＬＲＢに対するＬＲＣの比をＰＲ（ＰＲ＝ＬＲＣ／ＬＲＢ）と表し、ＬＣＢに対するＬＣＣの比をＰＣ（ＰＣ＝ＬＣＣ／ＬＣＢ）と表したとき、ＰＣに対するＰＲの比（ＰＲ／ＰＣ）は、１．２≦ＰＲ／ＰＣ≦８．０を満足する。

本発明の立方晶窒化硼素焼結体工具は、切削加工時の各部位で求められる特性に適した組成とするため、丸ホーニング面とチャンファホーニング面の立方晶窒化硼素の割合を変化させている。ＰＲ／ＰＣが１．２未満になると、丸ホーニング面の立方晶窒化硼素の量がチャンファホーニング面の立方晶窒化硼素の量よりも十分に多くないため、切削温度が高くなり刃先の欠損とクレータ摩耗が生じやすく短寿命になる。逆にＰＲ／ＰＣは８．０を超えて大きいと丸ホーニング面の結合相が極端に少なくなるため、丸ホーニング面の立方晶窒化硼素粒子の脱落が生じてチッピングが発生しやすくなる。このため、ＰＲ／ＰＣを１．２≦ＰＲ／ＰＣ≦８．０とした。その中でも、１．６≦ＰＲ／ＰＣ≦６．０であると好ましく、２．１≦ＰＲ／ＰＣ≦５．０であるとさらに好ましい。

ＬＲＣ、ＬＲＢ、ＬＣＣ、ＬＣＢの測定方法としては下記の方法を挙げることができる。立方晶窒化硼素焼結体工具を放電加工機によって図１のようにＡ−Ａ’線で切断し、得られた断面を＃１５０ダイヤモンド砥石で研磨し、＃１５００ダイヤモンド砥石で研磨し、粒径１μｍのダイヤモンドペーストで鏡面仕上げする。もしくは、立方晶窒化硼素焼結体工具をＡｒイオンによるイオンミリングによって図１のＡ−Ａ’線で切断してもよい。

鏡面仕上げされた断面もしくはイオンミリングによって得られた断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察して立方晶窒化硼素の平均粒径を測定する。立方晶窒化硼素の平均粒径の５倍以上になるように基準長さＳを設定する。基準長さＳが５倍未満であると、ＬＲＣ、ＬＲＢ、ＬＣＣ、ＬＣＢの測定誤差が大きくなるため、５倍以上とした。なお、基準長さＳが長くなれば測定誤差は小さくなるが、基準長さＳを立方晶窒化硼素の平均粒径の２０倍を超える長さにしても測定誤差は十分に小さくならない。そのため、基準長さＳは立方晶窒化硼素の平均粒径の５倍〜２０倍であると、さらに好ましい。また、丸ホーニング面の基準長さＳは、丸ホーニングの曲率半径Ｒで描かれる円弧上で測定する。

鏡面仕上げされた断面を走査電子顕微鏡で観察し、丸ホーニング面とチャンファホーニング面の断面組織を図３のように写真撮影する。チャンファホーニング面については、図４のように断面組織写真を画像解析して、チャンファホーニング面の立方晶窒化硼素の断面曲線の長さＬＣＣ１，ＬＣＣ２，…，ＬＣＣｎ、チャンファホーニング面の立方晶窒化硼素の断面曲線の長さＬＣＢ１，ＬＣＢ２，…，ＬＣＢｎをそれぞれ測定し、それらを合計してＬＣＣ、ＬＣＢを得る。
［式１］ＬＣＣ＝ＬＣＣ１＋ＬＣＣ２＋…＋ＬＣＣｎ
［式２］ＬＣＢ＝ＬＣＢ１＋ＬＣＢ２＋…＋ＬＣＢｎ

丸ホーニング面については、図５のように断面組織写真を画像解析して丸ホーニング面の立方晶窒化硼素の断面曲線の長さＬＲＣ１，ＬＲＣ２，…，ＬＲＣｎ、丸ホーニング面の結合相の断面曲線の長さＬＲＢ１，ＬＲＢ２，…，ＬＲＢｎをそれぞれ測定し、それらを合計してＬＲＣ、ＬＲＢを得る。
［式３］ＬＲＣ＝ＬＲＣ１＋ＬＲＣ２＋…＋ＬＲＣｎ
［式４］ＬＲＢ＝ＬＲＢ１＋ＬＲＢ２＋…＋ＬＲＢｎ

立方晶窒化硼素の平均粒径が大きい、丸ホーニング面の曲率半径Ｒが小さい、または、チャンファホーニング幅Ｔが短いなどの理由により、一カ所の断面曲線だけでは、立方晶窒化硼素の平均粒径の５倍以上の基準長さＳを確保できない場合がある。その場合は、断面曲線の測定箇所を増やし、各断面曲線の基準長さＳｎを合計して基準長さＳを確保してもよい。また、図７のＢ−Ｂ’線、Ｃ−Ｃ’線のようにチャンファホーニング面とすくい面の稜線に平行な方向の断面曲線を観察し基準長さＳを確保してもよい。

本発明の立方晶窒化硼素焼結体工具の表面に被膜を被覆した被覆立方晶窒化硼素焼結体工具は、さらに耐摩耗性、耐酸化性、潤滑作用などが付加され工具寿命を向上させることができるために好ましい。被膜としては、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂ、Ｙ、Ｍｎの窒化物、炭化物、酸化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれる少なくとも１種の被膜であると、耐摩耗性、耐酸化性などを向上させる効果が大きく、工具寿命が向上するため、好ましい。その中でも、立方晶窒化硼素焼結体の直上の被膜の結晶系が、基材の立方晶窒化硼素と同一の結晶系であると、すなわち、被膜の結晶系が立方晶であると、基材と被膜の密着性が向上して被膜の剥離が生じにくくなり被膜の優れた特性を十分に発揮できるため、さらに好ましい。

本発明の被膜としては、具体的には、ＴｉＮ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ，Ｏ）、（Ｔｉ，Ｂ）Ｎ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ，Ｏ）、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ）Ｎ、（Ｔｉ，Ｎｂ）Ｎ、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ、（Ｎｂ，Ｓｉ）Ｎ、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｗ）Ｎ、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ、（Ｈｆ，Ａｌ）Ｎ、（Ｚｒ，Ａｌ）Ｎ、（Ｔｉ，Ｎｂ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ、（Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ、（Ｔｉ，Ｗ，Ｂ）Ｎ、ＣｒＮなどを挙げることができる。その中でも、ＴｉとＡｌとを含む窒化物、炭化物、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種の被膜であると耐酸化性と耐摩耗性のバランスが良いため、さらに好ましい。その中でも、（Ｔｉ_(1-a-b)Ａｌ_aＭ_b）（Ｘ）（但し、ＭはＹ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｎ、Ｗ、Ｈｆ、Ｖ、Ｂから選択される１種類以上の元素を示し、ＸはＣ、Ｎ、Ｏから選択される１種類以上の元素を示し、ａはＴｉ、Ａｌ、Ｍの合計に対するＡｌの原子比を示し、ｂはＴｉ、Ａｌ、Ｍの合計に対するＭの原子比を示し、ａとｂは、０．１≦ａ≦０．７、０．００２≦ｂ≦０．１を満足する。）からなる被膜であると、耐酸化性が高く被膜の硬さが高くなるため、さらに好ましい。ａが０．１以上になると耐酸化性が向上し、切削温度が低下して耐欠損性が向上し、ａが０．７を超えて大きくなると硬さの低いＡｌＮ相が生じて耐摩耗性が低下するため、０．１≦ａ≦０．７の範囲が好ましい。また、ｂが０．００２以上になると耐酸化性が向上するとともに被膜の硬さが高くなり耐摩耗性が向上し、ｂが０．１を超えて大きくなると格子歪みによる圧縮応力が大きくなり被膜の剥離が生じやすくなるため、ｂは０．００２≦ｂ≦０．１の範囲が好ましい。

本発明の立方晶窒化硼素焼結体工具の表面に単層の被膜を被覆しても工具寿命の向上に効果があるが、組成が異なる２種類以上の厚膜を被覆した多層膜の被膜を被覆しても好ましい。例えば、内層として基材直上に密着性を向上させるためにＴｉＮまたはＴｉＣＮを被覆し、外層として潤滑作用、耐溶着性、耐酸化性を向上させるためにＣｒＮ、ＣｒＳｉＮ、ＴｉＢＮ、金属含有ＤＬＣ、ＡｌＣｒＢＮ、ＡｌＣｒＮまたはＴｉＳｉＮを被覆しても好ましい。また、組成が異なる２種類以上の薄膜を１〜３０ｎｍの積層周期で被覆した交互積層膜の被膜を被覆しても好ましい。交互積層膜の被膜は、被膜の硬さが高く、耐摩耗性が向上し、切削加工時に被膜中に発生するクラックの伝播を抑えて被膜の剥離や脱落を抑制する効果がある。

被膜の平均膜厚は、１μｍ以上になると耐摩耗性が向上する効果が顕著になり、６μｍを超えて厚くなると被膜の残留応力の影響によって密着性が低下する傾向がみられるため、１〜６μｍであると好ましく、その中でも２〜５μｍがさらに好ましい。

本発明の立方晶窒化硼素焼結体工具を製造する方法としては、下記のような方法を挙げることができる。立方晶窒化硼素焼結体工具にダイヤモンド砥石による研削加工で刃先の逃げ面、チャンファホーニング面、すくい面の各部位を加工する。その後、逃げ面とチャンファホーニング面の間に所定の曲率半径Ｒの丸ホーニング面を設ける。丸ホーニング面の加工方法の一例としては、砥石、ブラスト、回転ブラシによる加工などの機械的処理、放電加工などの電気的処理、さらにはそれらを組み合わせた処理が挙げられる。

次に丸ホーニング面とチャンファホーニング面の立方晶窒化硼素の表面組成を最適化するために、イオンエッチング電極および成膜装置を具備した真空装置を使用する。イオンエッチング電極としては、熱フィラメントを用いる三極直流スパッタ法などを挙げることができる。成膜装置としては、アークイオンプレーティング装置、マグネトロンスパッタリング装置などを挙げることができる。

希ガス元素を用いたイオンエッチングでは、基材に負の電圧（バイアス電圧）を印加することでイオン化した希ガス元素を基材に引き付け衝突させて、表面物質の除去をおこなうことができる。ここで結合相よりも硬い立方晶窒化硼素のほうが除去されにくいため、立方晶窒化硼素焼結体の表面は、立方晶窒化硼素焼結体の内部よりも立方晶窒化硼素の割合が多くなる。図８にＡｒイオンエッチング処理後の立方晶窒化硼素焼結体の表面組織ＳＥＭ写真を示す。図９にＡｒイオンエッチング処理前の立方晶窒化硼素焼結体の表面組織ＳＥＭ写真を示す。粒状の黒い部分が立方晶窒化硼素であり、立方晶窒化硼素の周りの灰白色の部分が結合相である。希ガスによるイオンエッチング処理をおこなうことで、結合相が優先的に除去されて、立方晶窒化硼素焼結体の表面では、立方晶窒化硼素焼結体の内部よりも立方晶窒化硼素の割合が増えていることが確認できる。またイオンエッチングの際に刃先である丸ホーニング面では、電荷密度が高くなり、他部位よりもスパッタ効率が高くなるが、通常の条件では、丸ホーニング面とチャンファホーニング面のイオンエッチングによるスパッタ効率の差が十分ではないため本発明品を得ることができない。そこで、本発明品を得る手順として、まず丸ホーニング面とチャンファホーニング面に平滑に被膜を被覆する（成膜条件１）。ここでバイアス電圧を１５〜１８Ｖの低い電圧に抑えることで、刃先の丸ホーニング面が極力厚くならないように被覆する。被膜としては、金属膜、窒化物膜、炭化物膜などが挙げられ、特に制限はないが、このあと被膜を希ガスによるイオンエッチングで除去することを考慮すると、イオンエッチングによって除去されやすい金属膜が好ましい。

次に平滑に被覆した被膜を除去するが、ここで１２００〜２０００Ｖの高バイアス電圧条件（イオンエッチング条件１）で希ガス元素によるスパッタリングを短時間おこなうことで、立方晶窒化硼素焼結体の刃先付近が優先的に除去される。その後バイアス電圧を５０Ｖ〜１８０Ｖの条件（イオンエッチング条件２）で丸ホーニング面とチャンファホーニング面を処理することで、先の高バイアス処理によって丸ホーニング面の立方晶窒化硼素焼結体が先に露出し、丸ホーニング面の立方晶窒化硼素焼結体を選択的にエッチングすることができる。さらに処理を続けるとチャンファホーニング面の被膜も除去され、切削に関与する部分全体が処理される。以上の成膜条件１→イオンエッチング条件１→イオンエッチング条件２の工程を必要に応じて繰り返しおこなうことで本発明品を得ることができる。各真空処理装置、工具形状、工具の保持治具形状、工具の基材組成、装置回転機構、真空装置への工具充填率などの各種要因に応じて、成膜、イオンエッチングの各パラメータ、処理時間などを調整することが重要である。

本発明の立方晶窒化硼素焼結体工具は、高負荷切削条件、高能率切削条件下でも、欠損が発生しにくいので安定した加工が可能であり工具寿命の長寿命化を達成するという効果を奏する。

平均粒径１．０μｍの立方晶窒化硼素粉末を用いた配合組成が７５体積％ｃＢＮ−５体積％Ａｌ−１０体積％Ａｌ₂Ｏ₃−１０体積％Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）の混合粉末を圧力５．５ＧＰａ、温度１７７３Ｋの条件で超高温高圧焼結して立方晶窒化硼素焼結体を得た。得られた立方晶窒化硼素焼結体を基材１とした。

ＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８形状の超硬合金台金を用意し、超硬合金台金の刃先となるコーナー部に、基材１をロウ付けした。このロウ付けした工具のすくい面（上下面）、逃げ面（外周面）を＃２７０のダイヤモンド砥石で研削加工し、続いて、すくい面と逃げ面とが成す稜線部に＃４００のダイヤモンド砥石によりチャンファホーニング幅Ｔ０．１０ｍｍ、チャンファホーニング角度θ−２５°のチャンファホーニング面を形成した。さらに回転ブラシを工具刃先部に押し当てて、逃げ面とチャンファホーニング面とが成す稜線部に丸ホーニング加工をおこなった。このとき加工時間を調整しながらコントレーサーで測定し、表１に示す曲率半径Ｒになるように丸ホーニング加工した。丸ホーニング加工後、エタノールおよびアセトンで工具を洗浄し、その後に真空乾燥処理をおこなった。マグネトロンスパッタリング装置およびφ１ｍｍのタングステンワイヤーを熱フィラメントに使用したイオンエッチング装置を具備した真空装置を用いて、立方晶窒化硼素焼結体工具の基材１に対して、表１に示す表面処理をおこなって発明品１〜１５および比較品１〜６の切削工具を得た。なお、基材の表面処理は、基材に対して金属膜の被覆やイオンエッチング（以下、「ＩＥ」という。）をおこなうもので、具体的な表面処理条件は表２，３に示した。

得られた発明品１〜１５および比較品１〜６の切削工具について、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で丸ホーニング面とチャンファホーニング面と焼結体内部の断面を写真撮影した。断面写真を画像解析し、立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）の平均粒径を測定した後、丸ホーニング面とチャンファホーニング面の立方晶窒化硼素と結合相の断面曲線の長さをそれぞれ測定してＰＲ／ＰＣを求め、それらの値を表４に示した。

発明品１〜１５および比較品１〜６の切削工具について切削試験１をおこなった。
［切削試験１］
切削加工の種類：外径強断続切削
被削材材質 ：ＳＣＭ４２０Ｈ（浸炭焼入れ材）
被削材硬さ ：ＨＲＣ６０〜６２
被削材形状 ：溝入り略円盤状（外径１００ｍｍ、厚さ１１ｍｍ）、断続箇所は２４箇所
切削速度 ：２００（ｍ／ｍｉｎ）
送り ：０．１２（ｍｍ／ｒｅｖ）
切り込み ：０．１８（ｍｍ）
繰り返し回数 ：２回
寿命判定 ：欠損が発生するまでの加工数量

切削試験１の結果は表４に示した。なお、加工数量から切削性能が良好な順に◎、○、×とした（以下の切削試験においても同様に表示した。）。この結果から発明品は比較品と比較して加工数量が１．５倍以上に増加することが分かる。

平均粒径１．５μｍの立方晶窒化硼素粉末を用いた表５に示す配合組成の混合粉末を圧力５．５ＧＰａ、温度１７７３Ｋの条件で超高温高圧焼結して立方晶窒化硼素焼結体を得た。得られた立方晶窒化硼素焼結体を基材２〜１０とした。ＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８形状の超硬合金台金を用意し、超硬合金台金の刃先となるコーナー部に、基材２〜１０の立方晶窒化硼素焼結体をロウ付けした。

基材２〜１０の立方晶窒化硼素焼結体をロウ付けした工具のすくい面（上下面）、逃げ面（外周面）を＃２７０のダイヤモンド砥石で研削加工し、続いて、すくい面と逃げ面とが成す稜線部に＃６００のダイヤモンド砥石によりチャンファホーニング幅Ｔ０．２０ｍｍ、チャンファホーニング角度θ−３０°のチャンファホーニング面を形成した。さらに回転ブラシを工具刃先部に押し当てて、逃げ面とチャンファホーニング面とが成す稜線部に丸ホーニング加工をおこなった。このとき加工時間を調整しながらコントレーサーで測定し、曲率半径Ｒが３０μｍになるように丸ホーニング加工した。丸ホーニング加工後、エタノールおよびアセトンで工具を洗浄し、その後に真空乾燥処理をおこなった。マグネトロンスパッタリング装置およびφ１ｍｍのタングステンワイヤーを熱フィラメントに使用したイオンエッチング装置を具備した真空装置を用いて、立方晶窒化硼素焼結体工具の基材２〜１０に対して、表６の表面処理をおこなって発明品１６〜２４および比較品７，８の切削工具を得た。具体的な表面処理条件は、表７に示した。なお、表面処理の条件１は基材の表面処理をおこなわないことを示す。

得られた発明品１６〜２４および比較品７，８の切削工具について、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で丸ホーニング面とチャンファホーニング面と焼結体内部の断面を写真撮影した。断面写真を画像解析し、立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）の平均粒径を測定した後、丸ホーニング面とチャンファホーニング面の立方晶窒化硼素と結合相の断面曲線の長さをそれぞれ測定してＰＲ／ＰＣを求め、それらの値を表８に示した。

発明品１６〜２４および比較品７，８の切削工具について、切削試験２をおこなった。
［切削試験２］
切削加工の種類：外径強断続切削
被削材材質 ：ＳＣＭ４３５Ｈ（浸炭焼入れ材）
被削材硬さ ：ＨＲＣ６０〜６２
被削材形状 ：外径８０ｍｍの略円筒形、断続箇所は２箇所
切削速度 ：１１０（ｍ／ｍｉｎ）
送り ：０．２（ｍｍ／ｒｅｖ）
切り込み ：０．２（ｍｍ）
繰り返し回数 ：２回
寿命判定 ：チッピングまたは欠損が発生するまでの加工時間（ｍｉｎ）。

切削試験２の結果を表８に示す。発明品は比較品に対して、２倍以上の寿命を示した。その中でも発明品１７〜２３が特に良好で、さらには発明品１８、２０、２２は、加工時間３０ｍｉｎでも切削可能であり、比較品７，８に対して約３倍に寿命が向上した。

表９に示す平均粒径の立方晶窒化硼素粉末を用いた配合組成が６５体積％ｃＢＮ−１０体積％Ａｌ−１５体積％Ａｌ₂Ｏ₃−１０体積％ＴｉＮの混合粉末を圧力５．５ＧＰａ、温度１７７３Ｋの条件で超高温高圧焼結して立方晶窒化硼素焼結体を得た。得られた立方晶窒化硼素焼結体を基材１１〜２０とした。ＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８形状の超硬合金台金を用意し、超硬合金台金の刃先となるコーナー部に、基材１１〜２０の立方晶窒化硼素焼結体をロウ付けした。

基材１１〜２０の立方晶窒化硼素焼結体をロウ付けした工具のすくい面（上下面）、逃げ面（外周面）を＃２７０のダイヤモンド砥石で研削加工し、続いて、すくい面と逃げ面とが成す稜線部に＃６００のダイヤモンド砥石によりチャンファホーニング幅Ｔ０．２３ｍｍ、チャンファホーニング角度θ−２０°のチャンファホーニング面を形成した。さらに回転ブラシを工具刃先部に押し当てて、逃げ面とチャンファホーニング面とが成す稜線部に丸ホーニング加工をおこなった。このとき加工時間を調整しながらコントレーサーで測定し、曲率半径Ｒが３０μmになるように丸ホーニング加工した。丸ホーニング加工後、エタノールおよびアセトンで工具を洗浄し、その後に真空乾燥処理をおこなった。マグネトロンスパッタリング装置およびφ１ｍｍのタングステンワイヤーを熱フィラメントに使用したイオンエッチング装置を具備した真空装置を用いて、立方晶窒化硼素焼結体工具の基材１１〜２０に対して、表１０の表面処理をおこなって発明品２５〜３４および比較品９，１０の切削工具を得た。表面処理の条件１８，１９は、それぞれ実施例２の表面処理の条件１８，１９と同じ条件である。なお、条件１は基材の表面処理をおこなわないことを示す。

得られた発明品２５〜３４および比較品９，１０の切削工具について、基材内部の断面を作製し走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で断面の観察をおこない立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）の平均粒径を測定し、その値を表１１に示した。さらに丸ホーニング面とチャンファホーニング面の断面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で写真撮影した。断面写真を画像解析し、丸ホーニング面とチャンファホーニング面の立方晶窒化硼素と結合相の断面曲線の長さをそれぞれ測定してＰＲ／ＰＣを求め、その値を表１１に示した。

発明品２５〜３４および比較品９，１０の切削工具について切削試験３をおこなった。
［切削試験３］
切削加工の種類：外径強断続切削
被削材材質 ：ＳＣＭ４１５Ｈ（浸炭焼入れ材）
被削材硬さ ：ＨＲＣ５９〜６２
被削材形状 ：外径８０ｍｍの略円筒形、断続箇所は２箇所
切削速度 ：１４０（ｍ／ｍｉｎ）
送り ：０．１５（ｍｍ／ｒｅｖ）
切り込み ：０．５（ｍｍ）
繰り返し回数 ：２回
寿命判定 ：チッピングまたは欠損が発生するまでの加工時間（ｍｉｎ）。ただし最大２０ｍｉｎとする。

切削試験３の結果を表１１に示す。発明品は比較品に対して、１．５倍以上の寿命を示した。発明品のうち立方晶窒化硼素の平均粒径１．５〜５μｍのものが特に良好であり、比較品の２倍以上の寿命を示した。

平均粒径３．０μｍの立方晶窒化硼素粉末を用いた配合組成が５５体積％ｃＢＮ−１０体積％Ａｌ−２０体積％Ａｌ₂Ｏ₃−１５体積％ＴｉＮの混合粉末を圧力５．５ＧＰａ、温度１７７３Ｋの条件で超高温高圧焼結して立方晶窒化硼素焼結体を得た。得られた立方晶窒化硼素焼結体を基材２１とした。

ＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８形状の超硬合金台金を用意し、超硬合金台金の刃先となるコーナー部に、基材２１をロウ付けした。このロウ付けした工具のすくい面（上下面）、逃げ面（外周面）を＃２７０のダイヤモンド砥石で研削加工し、続いて、すくい面と逃げ面とが成す稜線部に＃６００のダイヤモンド砥石によりチャンファホーニング幅Ｔ０．２６ｍｍ、チャンファホーニング角度θ−１８°のチャンファホーニング面を形成した。さらに回転ブラシを工具刃先部に押し当てて、逃げ面とチャンファホーニング面とが成す稜線部に丸ホーニング加工をおこなった。このとき加工時間を調整しながらコントレーサーで測定し、曲率半径Ｒが３０μｍになるように丸ホーニング加工した。丸ホーニング加工後、エタノールおよびアセトンで工具を洗浄し、その後に真空乾燥処理をおこなった。マグネトロンスパッタリング装置およびφ１ｍｍのタングステンワイヤーを熱フィラメントに使用したイオンエッチング装置を具備した真空装置を用いて、立方晶窒化硼素焼結体工具の基材２１に対して表１２に示す表面処理をおこなった後、一部の試料を除いてアークイオンプレーティング電極を用いて表１２に示す被膜を被覆し、発明品３５〜５８および比較品１１〜１４の切削工具を得た。具体的な表面処理条件は表１３に示した。なお、表面処理の条件１は基材の表面処理をおこなわないことを示す。また、具体的な被覆条件は表１４に示した。

得られた発明品３５〜５８および比較品１１〜１４の切削工具について、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で丸ホーニング面とチャンファホーニング面と焼結体内部の断面を写真撮影した。断面写真を画像解析し、立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）の平均粒径を測定した後、丸ホーニング面とチャンファホーニング面の立方晶窒化硼素と結合相の断面曲線の長さをそれぞれ測定してＰＲ／ＰＣを求め、それらの値を表１５に示した。

発明品３５〜５８および比較品１１〜１４の切削工具について、切削試験４をおこなった。
［切削試験４］
切削加工の種類：外径強断続切削
被削材材質 ：ＳＣＭ４３５Ｈ（浸炭焼入れ材）
被削材硬さ ：ＨＲＣ５８〜６１
被削材形状 ：外径４８ｍｍの略円筒形、断続箇所は２箇所
切削速度 ：１５０（ｍ／ｍｉｎ）
送り ：０．２５（ｍｍ／ｒｅｖ）
切り込み ：０．１５（ｍｍ）
繰り返し回数 ：３回
寿命判定 ：チッピングまたは欠損が発生するまでの加工時間（ｍｉｎ）。

切削試験４の結果を表１５に示す。比較品１１〜１４の寿命は１０分未満であった。被膜なしの発明品３５の寿命は比較品１１〜１４の寿命の２倍以上を示した。発明品に被膜を被覆することで寿命はさらに向上した。その中でも特にＴｉとＡｌを主成分とする被膜を被覆した発明品４５〜５８の寿命は、比較品１１〜１４の寿命の３〜５倍になった。

本発明立方晶窒化硼素焼結体工具の斜視図 本発明立方晶窒化硼素焼結体工具のＡ−Ａ’線断面図 本発明立方晶窒化硼素焼結体工具のＡ−Ａ’線断面拡大図 本発明立方晶窒化硼素焼結体工具のチャンファホーニング面の断面拡大図 本発明立方晶窒化硼素焼結体工具の丸ホーニング面の断面拡大図 本発明立方晶窒化硼素焼結体工具の斜視図 本発明立方晶窒化硼素焼結体工具破線部(図６)の拡大図 Ａｒイオンエッチング処理後の基材の表面組織ＳＥＭ写真 Ａｒイオンエッチング処理前の基材の表面組織ＳＥＭ写真

符号の説明

１…立方晶窒化硼素焼結体工具
２…超硬合金台金
３…すくい面
４…逃げ面
５…チャンファホーニング面
６…丸ホーニング面
７…立方晶窒化硼素
８…結合相
９…立方晶窒化硼素焼結体の断面曲線

Claims (9)

1. 立方晶窒化硼素と結合相と不可避的不純物とからなり、
   逃げ面と、すくい面と、チャンファホーニング面と、逃げ面とチャンファホーニング面とが交差する稜線に形成された丸ホーニング面とを備え、丸ホーニング面の形状は曲率半径Ｒが１０〜５０μｍの範囲であり、
   立方晶窒化硼素の平均粒径の５倍以上を基準長さＳとし、
   チャンファホーニング面の基準長さＳに含まれる立方晶窒化硼素の断面曲線の長さの合計をＬＣＣと表し、
   チャンファホーニング面の基準長さＳに含まれる結合相の断面曲線の長さの合計をＬＣＢと表し、
   ＬＣＢに対するＬＣＣの比をＰＣ（ＰＣ＝ＬＣＣ／ＬＣＢ）と表し、
   丸ホーニング面の基準長さＳに含まれる立方晶窒化硼素の断面曲線の長さの合計をＬＲＣと表し、
   丸ホーニング面の基準長さＳに含まれる結合相の断面曲線の長さの合計をＬＲＢと表し、
   ＬＲＢに対するＬＲＣの比をＰＲ（ＰＲ＝ＬＲＣ／ＬＲＢ）と表したとき、
   ＰＣに対するＰＲの比（ＰＲ／ＰＣ）は、１．２≦ＰＲ／ＰＣ≦８．０を満たす立方晶窒化硼素焼結体工具。
2. 立方晶窒化硼素焼結体工具は立方晶窒化硼素：４０〜９０体積％と、結合相および不可避的不純物：残部とからなる請求項１に記載の立方晶窒化硼素焼結体工具。
3. 立方晶窒化硼素の平均粒径は０．３０〜６．０μｍである請求項１または２に記載の立方晶窒化硼素焼結体工具。
4. 立方晶窒化硼素焼結体工具の結合相は周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｎｉの金属、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種からなる請求項１〜３のいずれか１項に記載の立方晶窒化硼素焼結体工具。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の立方晶窒化硼素焼結体工具の表面に被膜を被覆した被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。
6. 被膜は周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂ、Ｙ、Ｍｎの窒化物、炭化物、酸化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれる少なくとも１種からなる請求項５に記載の被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。
7. 立方晶窒化硼素焼結体の直上の被膜の結晶系は立方晶である請求項５または６に記載の被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。
8. 被膜は、ＴｉとＡｌとを含む窒化物、炭化物、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種からなる請求項５〜７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。
9. 被膜は（Ｔｉ_(1-a-b)Ａｌ_aＭ_b）（Ｘ）（但し、ＭはＹ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｎ、Ｗ、Ｈｆ、Ｖ、Ｂの中から選択される少なくとも１種の元素を示し、ＸはＣ、Ｎ、Ｏの中から選択される少なくとも１種の元素を示し、ａはＴｉ、Ａｌ、Ｍの合計に対するＡｌの原子比を示し、ｂはＴｉ、Ａｌ、Ｍの合計に対するＭの原子比を示し、ａとｂは、０．１≦ａ≦０．７、０．００２≦ｂ≦０．１を満足する。）からなる請求項５〜８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。

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