JP2011051060A - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】焼入れ鋼等の高硬度鋼の高速断続切削加工で、硬質被覆層が優れた付着強度を有するとともに、長期の使用に亘って優れた耐欠損性、耐摩耗性を発揮する表面被覆切削工具を提供すること。
【解決手段】 高ｃＢＮ含有率のｃＢＮ基超高圧焼結材料製工具基体の表面に、 平均層厚０．１〜０．３μｍの非晶質ＢＮからなる下部層、平均層厚０．１〜０．３μｍのＴｉＢＮからなる中間層、平均層厚１．０〜２．０μｍのＴｉＡｌＮからなる上部層、を順次蒸着形成することによって、優れた付着強度を有する硬質被覆層を構成する。
【選択図】 なし

Description

本発明は、焼入れ鋼等の高硬度鋼の高速断続切削加工において、硬質被覆層がすぐれた付着強度を有することにより、長期の使用に亘ってすぐれた耐欠損性と耐摩耗性を発揮する立方晶窒化ほう素（以下、ｃＢＮで示す）基超高圧焼結材料製表面被覆切削工具（以下、ｃＢＮ被覆工具という）に関する。

従来、鋼、鋳鉄等の鉄系被削材の切削加工には、被削材との親和性の低い工具材料として、ｃＢＮ基超高圧焼結材料を用いることは良く知られている。
また、特許文献１に示すように、ｃＢＮ基超高圧焼結材料を工具基体（以下、ｃＢＮ工具基体という）とし、その表面に４ａ、５ａ、６ａ族元素およびＡｌから選択される元素の窒化物（例えば、ＴｉＡｌＮ）からなる耐摩耗性被膜を形成し、かつ、該耐摩耗性被膜中に、非晶質構造のＢＮ、ＴｉＢ、ＳｉＮ_Ｘ（Ｘ＝０．５〜１．３３）等からなる超微粒化合物を含有させたｃＢＮ被覆工具（以下、従来被覆工具という）も知られており、この従来被覆工具によれば、切削加工における耐摩耗性、潤滑性、耐焼付き性、加工精度が向上し、工具寿命も改善されるようになることが知られている。
ところで、ｃＢＮ被覆工具においては、一般的に、耐摩耗性の向上を図るため、ｃＢＮ焼結体中のｃＢＮ含有割合を高くする試みがなされているが、ｃＢＮ含有割合を７０ｖｏｌ％程度以上に高くした場合には、硬質被覆層（例えば、上記従来被覆工具におけるＴｉＡｌＮからなる耐摩耗性被膜）と工具基体との付着強度が低下傾向を示すようになるため、切削条件が過酷になるほど、チッピング、欠損、剥離等が生じ易くなり工具寿命の改善が十分ではないのが現状である。

特許第３９１４６８７号明細書

近年の切削加工装置のＦＡ化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴い、切削加工は、通常の切削条件に加えて、より高速条件下での切削加工が要求される傾向にあるが、上記の従来被覆工具においては、通常条件下での切削加工に用いた場合には特段の問題は生じない。しかし、これを、焼入れ鋼等の高硬度鋼の高速断続切削に用いた場合には、ｃＢＮ工具基体と硬質膜（耐摩耗性被膜）との付着強度が十分でないため、これが原因で、欠損を生じやすく、そのため、比較的短時間で使用寿命に至り、長期の使用に亘って、十分な耐摩耗性を発揮することができない。
したがって、長期の使用に亘って、すぐれた切削性能を発揮させるためには、ｃＢＮ工具基体と硬質膜の付着強度を向上させることが大きな課題となっている。

本発明者等は、ｃＢＮ基超高圧焼結材料を工具基体材料とし、硬質被覆層としてＴｉとＡｌの複合窒化物を形成した被覆工具において、基体と硬質膜間の付着強度を確保・向上させるための中間層について鋭意研究したところ、次のような知見を得た。

ｃＢＮの含有割合が高い（７０ｖｏｌ％以上）ｃＢＮ基超高圧焼結材料からなるｃＢＮ工具基体の表面に、非晶質構造のＢＮ（以下、ａＢＮで示す）層を下部層として形成し、次いで、この上に、ＴｉとＢとＮの複合化合物（以下、ＴｉＢＮで示す）層を中間層として形成し、さらにこの上に、ＴｉとＡｌの複合窒化物（以下、ＴｉＡｌＮで示す）層を上部層として形成したところ、下部層は、ｃＢＮ工具基体および中間層の双方に対し強固な付着強度を備えるとともに、中間層は、上部層に対して優れた付着強度を有することを見出した。
したがって、ｃＢＮ工具基体表面に、上記の下部層、中間層及び上部層の三層構造からなる硬質被覆層を形成したｃＢＮ被覆工具は、すぐれた付着強度を有することとなり、その結果として、焼入れ鋼等の高硬度被削材の高速断続切削加工において、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を発生することなく、長期の使用に亘って、優れた耐摩耗性を発揮するとともに、工具寿命の延命化が図られることを見出したのである。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「（１） ７０ｖｏｌ％以上の立方晶窒化ほう素を含有し、残部は硬質分散相と結合相とからなる立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製工具基体の表面に、
平均層厚０．１〜０．３μｍの非晶質ＢＮ層からなる下部層、
平均層厚０．１〜０．３μｍのＴｉとＢとＮの複合化合物層からなる中間層、
平均層厚１．０〜２．０μｍのＴｉとＡｌの複合窒化物層からなる上部層、
を順次蒸着形成したことを特徴とする表面被覆切削工具。
（２） 上記中間層は、
組成式：Ｔｉ_{０．３３（１−Ｘ）}Ｂ_{０．６７（１−Ｘ）}Ｎ_Ｘ
で表した場合、Ｘの値（但し、原子比）が０．０５〜０．５を満足する組成割合のＴｉとＢとＮの複合化合物層であり、また、
上記上部層は、
組成式：（Ｔｉ_１−ＹＡｌ_Ｙ）Ｎ層
で表した場合、Ｙの値（但し、原子比）が０．４〜０．６５を満足する組成割合のＴｉとＡｌの複合窒化物層である前記（１）に記載の表面被覆切削工具。」
を特徴とするものである。

本発明について、以下に説明する。

立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製工具基体（ｃＢＮ工具基体）：
超高圧焼結材料製工具基体中の窒化ほう素（ｃＢＮ）は、きわめて硬質で、焼結材料中で分散相を形成し、そしてこの分散相によって耐摩耗性の向上を図ることができる。
一般的には、ｃＢＮ含有割合が７０ｖｏｌ％以上となると、硬さは向上するものの、硬質被覆層との密着性が低下し、欠損発生の原因となるが、本発明では、下部層（非晶質のＢＮ層（ａＢＮ層））および中間層（ＴｉＢＮ層）を介在形成することにより、ｃＢＮ工具基体−上部層（ＴｉＡｌＮ層）間の付着強度を十分確保することができるため、ｃＢＮ含有割合が７０ｖｏｌ％以上の高含有量のｃＢＮ工具基体をも切削工具として利用することが可能となった。
本発明では、長期の使用に亘って優れた耐摩耗性を備える表面被覆切削工具を提供するという観点から、ｃＢＮ含有割合は７０ｖｏｌ％以上とする。

なお、ｃＢＮ焼結体の他の構成成分、例えば、結合相等としては、周期律表ＶＩａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素の窒化物、炭化物、硼化物、酸化物ならびにこれらの固溶体からなる群の中から選択された少なくとも１種とアルミニウム化合物のセラミックス系結合材を用いることができる。

下部層（非晶質のＢＮ層（ａＢＮ層））：
下部層は、ｃＢＮ工具基体および中間層（ＴｉＢＮ層）の双方に対し強固な付着強度を有するが、下部層の平均層厚が０．１μｍ未満では、付着強度向上効果が十分でなく、一方、その平均層厚が０．３μｍを超えると耐摩耗性が劣るからであるから、平均層厚は０．１〜０．３μｍと定めた。
また、下部層のａＢＮ層は、例えば、六方晶窒化ほう素（ｈ−ＢＮ）焼結体をターゲットとしたアルゴン−窒素混合雰囲気中で、ＲＦスパッタリングで成膜することができる。

中間層（ＴｉＢＮ層）：
中間層は、ＴｉとＢとＮの複合化合物層から構成するが、中間層の平均層厚が０．１μｍ未満では、付着強度向上効果が十分でなく、一方、その平均層厚が０．３μｍを超えると、耐摩耗性が低下傾向を示し、長期の使用に亘って満足できる工具特性を発揮することができなくなることから、平均層厚は０．１〜０．３μｍと定めた。
この中間層は、Ｎ濃度が高い場合に、主としてＴｉＮ＋ａＢＮ＋ＴｉＢ_２（微量）の混合層からなるが、ａＢＮとＴｉＮの含有割合が高いことから、下部層（ａＢＮ層）と上部層（ＴｉＡｌＮ層）のいずれに対しても強固な付着強度を有する。
中間層（ＴｉＢＮ層）を、
組成式：Ｔｉ_{０．３３（１−Ｘ）}Ｂ_{０．６７（１−Ｘ）}Ｎ_Ｘ
で表した場合、Ｘの値（但し、原子比）が０．０５〜０．５を満足する組成割合であるときに、下部層と上部層に対して、一段と優れた付着強度を示す。
また、中間層のＴｉＢＮ層は、例えば、ＴｉＢ_２焼結体をターゲットとしたアルゴン−窒素混合雰囲気中で、ＤＣスパッタリングで成膜することができる。

上部層（ＴｉＡｌＮ層）：
ＴｉＡｌＮ層からなる上部層は、すぐれた高温強度、高温硬さ、耐熱性および耐高温酸化性を具備する層であるが、該上部層を、
組成式：（Ｔｉ_１−ＹＡｌ_Ｙ）Ｎ層
で表した場合、Ｙの値（但し、原子比）が０．４〜０．６５を満足する組成割合であるときに、最も好ましい特性を発揮する。
即ち、上部層の構成成分であるＴｉは所定の高温強度の維持に寄与し、Ａｌ成分は高温硬さ、耐熱性、耐高温酸化性の向上に寄与するが、Ａｌの含有割合Ｙが０．６５を超えると耐高温酸化性は向上するものの、Ｔｉ含有割合の相対的な減少によって耐摩耗性が低下し、一方、Ａｌの含有割合Ｙが０．４未満になると、高温硬さ、耐熱性が低下し、その結果、耐摩耗性の低下がみられるようになることから、Ａｌの含有割合Ｙの値を０．４〜０．６５とすることが好ましい。
また、上部層の平均層厚が１．０μｍ未満では、自身のもつ高温硬さ、耐熱性および耐高温酸化性を硬質被覆層に長期に亘って付与できず、工具寿命短命の原因となり、一方その平均層厚が２．０μｍを越えると、欠損が生じ易くなることから、その平均層厚を１．０〜２．０μｍと定めた。
ＴｉＡｌＮ層からなる上部層は、通常用いられるアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）法によって成膜することができる。

上記のとおり、本発明では、７０ｖｏｌ％以上のｃＢＮを含有するｃＢＮ工具基体表面にＴｉＡｌＮ層からなる硬質被覆層を形成するにあたり、ｃＢＮ工具基体とＴｉＡｌＮ層の間に、下部層としてａＢＮ層、また、中間層としてＴｉＢＮ層を介在形成することにより、ｃＢＮ工具基体と硬質被覆層間の付着強度の向上が図られ、その結果、本発明の表面被覆切削工具は、焼入れ鋼等の高硬度鋼の高速断続切削という厳しい切削条件下で用いた場合でも、欠損発生の恐れはなく、長期の使用にわたって、すぐれた耐摩耗性を維持し、工具寿命の大幅な延長を図ることが可能である。

この発明の被覆工具を構成する硬質被覆層を形成するのに用いたアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）装置、ＲＦマグネトロンスパッタリング（ＲＦ−ＳＰ）装置とＤＣスパッタリング（ＤＣ−ＳＰ）装置を併設した蒸着装置を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略正面図である。

以下に、本発明の表面被覆切削工具を実施例に基づいて説明する。

原料粉末として、いずれも０．５〜４μｍの範囲内の平均粒径を有するｃＢＮ粉末、ＴｉＮ粉末、ＡｌＮ粉末、ＴｉＣ粉末、ＴｉＣＮ粉末、Ｔｉ_３Ａｌ粉末、Ｔｉ_２Ａｌ粉末、ＴｉＡｌ_３粉末、Ａｌ粉末、Ａｌ_２Ｏ_３粉末、Ｃｏ粉末、ＷＣ粉末を用意し、これら原料粉末を表１に示される配合組成に配合し、ボールミルで８０時間湿式混合し、乾燥した後、１２０ＭＰａの圧力で直径：５０ｍｍ×厚さ：１．５ｍｍの寸法をもった圧粉体にプレス成形し、ついでこの圧粉体を、圧力：１Ｐａの真空雰囲気中、９００〜１３００℃の範囲内の所定温度に６０分間保持の条件で焼結して切刃片用予備焼結体とし、この予備焼結体を、別途用意した、Ｃｏ：８質量％、ＷＣ：残りの組成、並びに直径：５０ｍｍ×厚さ：２ｍｍの寸法をもったＷＣ基超硬合金製支持片と重ね合わせた状態で、通常の超高圧焼結装置に装入し、通常の条件である圧力：４ＧＰａ、温度：１２００〜１４００℃の範囲内の所定温度に保持時間：０．８時間の条件で超高圧焼結し、焼結後上下面をダイヤモンド砥石を用いて研磨し、ワイヤー放電加工装置またはダイヤモンド切断機にて一辺３ｍｍの正三角形状に分割し、さらにＣｏ：５質量％、ＴａＣ：５質量％、ＷＣ：残りの組成およびＣＩＳ規格ＳＮＧＡ１２０４１２の形状（厚さ：４．７６mm×一辺長さ：１２．７mmの正方形）をもったＷＣ基超硬合金製インサート本体のろう付け部（コーナー部）に、質量％で、Ｃｕ：２６％、Ｔｉ：５％、Ｎｉ：２．５％、Ａｇ：残りからなる組成を有するＡｇ合金のろう材を用いてろう付けし、所定寸法に外周加工した後、切刃部に幅：０．１３ｍｍ、角度：２５°のホーニング加工を施し、さらに仕上げ研摩を施すことによりＩＳＯ規格ＳＮＧＡ１２０４１２のインサート形状をもち、ｃＢＮ含有割合が７０ｖｏｌ％以上である表１に示されるｃＢＮ工具基体１〜１０を製造した。

ついで、図１に示される成膜装置、即ち、ＴｉＢ_２焼結体ターゲットおよびｈ−ＢＮ焼結体ターゲットを備えたスパッタリング装置と、Ｔｉ−Ａｌ合金ターゲットを備えたアークイオンプレーティング装置を併設した成膜装置の内部にｃＢＮ工具基体を装着し、
上記のｃＢＮ工具基体を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、前記装置内に自転公転自在に支持装着し、
（ａ）まず、装置内を真空排気して０．５Ｐａの真空に保持しながら、ヒーターで装置内を５００℃に加熱した後、Ａｒガスを導入し、１．５ＰａのＡｒガス雰囲気とし、ｃＢＮ工具基体１に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加して、前記ｃＢＮ工具基体をＡｒガスボンバード洗浄し、
（ｂ）ついで、前記装置内に、ＡｒとＮ_２との混合ガス（Ａｒ／Ｎ_２＝５０％）を導入し、作動圧を３．３Ｐａになるように制御し、前記回転テーブル上で自転しながら回転するｃＢＮ工具基体側に−２０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、ｈ−ＢＮ焼結体ターゲット側に５００Ｗの１３．５６ＭＨｚの周波数の高周波を印加することにより、ｃＢＮ工具基体の上に表２に示される目標膜厚のａＢＮ層（下部層）を形成し、
（ｃ）ついで、前記装置内をＡｒとＮ_２との混合ガス（Ａｒ／Ｎ_２＝５０％）雰囲気に維持し、かつ、作動圧を３．３Ｐａ，５００℃に維持したまま、前記回転テーブル上で自転しながら回転するｃＢＮ工具基体に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加して、ＴｉＢ_２焼結体のターゲットに直流電源を用いてスパッタを行うことにより、前記ａＢＮ層（下部層）の表面に表２に示される目標層厚、所定組成のＴｉＢＮ層からなる中間層（ＴｉＢＮ層）を形成し、
（ｄ）ついで、装置内を５００℃とした状態で、ｃＢＮ工具基体に−１５〜−２５Ｖの直流バイアス電圧を印加して、Ｔｉ−Ａｌ合金カソード電極とアノード電極との間に１２０Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、前記中間層（ＴｉＢＮ層）の表面に表３に示される目標層厚、所定組成のＴｉＡｌＮ層からなる上部層を形成することにより、
ＩＳＯ規格ＳＮＧＡ１２０４１２に規定するスローアウエイチップ形状の本発明ｃＢＮ被覆工具１〜１０を作製した。

比較のため、実施例で使用したｃＢＮ工具基体１〜１０の上に、表３に示される所定組成のＴｉＡｌＮ層からなる硬質被覆層を、アークイオンプレーティングにより所定の平均層厚で蒸着形成することにより、比較例ｃＢＮ被覆工具１〜１０を作製した。

上記本発明ｃＢＮ被覆工具１〜１０について、下部層（ａＢＮ層）、中間層（ＴｉＢＮ層）および上部層（ＴｉＡｌＮ層）の膜組成を、また、比較例ｃＢＮ被覆工具１〜１０のＴｉＡｌＮ層についての膜組成を、オージェ電子分光分析法により測定したところ、それぞれ目標組成と実質的に同じ組成を示した。
表２における中間層のＸ値、上部層の値は、各層の組成の平均値（５ヶ所の平均値）を示す。
また、本発明ｃＢＮ被覆工具１〜１０および比較例ｃＢＮ被覆工具１〜１０の各層の層厚を透過型電子顕微鏡を用いて断面測定したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均値（５ヶ所の平均値）を示した。
これらの測定値を、表２、３に示す。

上記の本発明ｃＢＮ被覆工具１〜１０および比較例ｃＢＮ被覆工具１〜１０を用い、以下の切削条件で切削加工試験を実施した。
《切削条件１》
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＪ２の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒（硬さ：Ｈ_ＲＡ６０）、
切削速度： １９０ ｍ／ｍｉｎ、
送り： ０．１０ ｍｍ／ｒｅｖ、
切込み： ０．１５ ｍｍ、
切削時間： １０ 分
の条件での、焼入れ軸受鋼の湿式高速断続切削加工試験（通常の切削速度は、１２０ｍ／ｍｉｎ）、
《切削条件２》
被削材：ＪＩＳ・ＳＣｒ４２０の長さ方向等間隔４本縦溝入り丸棒（硬さ：Ｈ_ＲＡ６２）、
切削速度： １８０ ｍ／ｍｉｎ、
送り： ０．１０ ｍｍ／ｒｅｖ、
切込み： ０．１５ ｍｍ、
切削時間： １０ 分
の条件で、高硬度クロム鋼の湿式高速断続切削加工試験（通常の切削速度は、１５０ｍ／ｍｉｎ）、
を行い、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
上記切削条件１，２による切削加工試験の測定結果を表４に示した。

表２〜４に示される結果から、本発明ｃＢＮ被覆切削工具１〜１０は、７０ｖｏｌ％以上のｃＢＮを含有するｃＢＮ工具基体表面に、ａＢＮ層からなる下部層、ＴｉＢＮ層からなる中間層を介して、ＴｉＡｌＮ層からなる上部層を形成することにより、ｃＢＮ工具基体と硬質被覆層との付着強度が向上することから、焼入れ鋼等の高硬度鋼の高速断続切削加工に用いた場合でも、すぐれた耐欠損性を示すとともに、長期の使用にわたって、すぐれた耐摩耗性を発揮し、工具寿命の大幅な延長が図られている。
これに対して、比較例ｃＢＮ被覆工具１〜１０においては、ｃＢＮ工具基体と硬質被覆層（ＴｉＡｌＮ層）との付着強度が劣るため膜の剥離や欠損等を発生し、膜が剥離した場合には逃げ面摩耗が進行しやすく耐摩耗性に劣り、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。

上述のように、この発明のｃＢＮ被覆工具は、高硬度鋼の高速断続切削加工用の切削工具として好適であり、切削加工装置の高性能化、並びに切削加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に十分満足に対応できるものであるが、各種の鋼や鋳鉄などの通常の切削条件での切削加工にも勿論使用可能である。

Claims (2)

1. ７０ｖｏｌ％以上の立方晶窒化ほう素を含有し、残部は硬質分散相と結合相とからなる立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製工具基体の表面に、
   平均層厚０．１〜０．３μｍの非晶質ＢＮ層からなる下部層、
   平均層厚０．１〜０．３μｍのＴｉとＢとＮの複合化合物層からなる中間層、
   平均層厚１．０〜２．０μｍのＴｉとＡｌの複合窒化物層からなる上部層、
   を順次蒸着形成したことを特徴とする表面被覆切削工具。
2. 上記中間層は、
   組成式：Ｔｉ_{０．３３（１−Ｘ）}Ｂ_{０．６７（１−Ｘ）}Ｎ_Ｘ
   で表した場合、Ｘの値（但し、原子比）が０．０５〜０．５を満足する組成割合のＴｉとＢとＮの複合化合物層であり、また、
   上記上部層は、
   組成式：（Ｔｉ_１−ＹＡｌ_Ｙ）Ｎ層
   で表した場合、Ｙの値（但し、原子比）が０．４〜０．６５を満足する組成割合のＴｉとＡｌの複合窒化物層である請求項１に記載の表面被覆切削工具。

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