JPH08104583A

JPH08104583A - 工具用複合高硬度材料

Info

Publication number: JPH08104583A
Application number: JP7215268A
Authority: JP
Inventors: Akira Kukino; 暁久木野; Tetsuo Nakai; 哲男中井; Mitsuhiro Goto; 光宏後藤; Takeshi Yoshioka; 剛吉岡; Makoto Setoyama; 誠瀬戸山
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1994-08-01
Filing date: 1995-08-01
Publication date: 1996-04-23
Anticipated expiration: 2015-08-01
Also published as: JP3743984B2

Abstract

(57)【要約】【目的】立方晶型窒化硼素（ＣＢＮ）を20体積％以上
含むＣＢＮ焼結体からなる基材を有する工具用の複合硬
度材料。【構成】周期律表第IVａ、ＶａおよびVIａ族元素、Ａ
ｌならびにＢから成る群の中から選択される少なくとも
１種の元素の立方晶型結晶構造を有する金属結合性の窒
化物、炭化物または炭窒化物(a) と、常温、常圧、平衡
状態で立方晶型以外の結晶構造を有する少なくとも１種
の共有結合性の化合物(b) とが交互に積層された超薄膜
積層膜(1) を基材(2) の少なくとも切削に関与する箇所
の表面上に有し、超薄膜積層膜を構成する個々の層の厚
さが 0.2〜20nmであり、超薄膜積層膜全体が立方晶型の
結晶構造を有する。【効果】母材強度が高く、耐磨耗性に優れ、高温硬
度、耐酸化性に優れ、難削鋼の切削に用いることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は立方晶型窒化硼素（ＣＢ
Ｎ）を主成分とする焼結体（ＣＢＮ焼結体）よりなる切
削工具材料の改良に関するものであり、特に、耐摩耗性
に優れた工具用複合硬度材料に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】立方晶型窒化硼素（ＣＢＮ）はダイヤモ
ンドに次ぐ高い硬度を有する材料で、このＣＢＮの焼結
体は金属の切削工具として使用されている。ＣＢＮ焼結
体は結合剤（焼結助剤）を用いてＣＢＮ結晶粒子を高温
高圧下で焼結させて作られるが、下記の３つのタイプに
大別することができる： (1) ＣＢＮ結晶粒子を20〜80体積％含み、結合剤として
Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物を用いるもの (例、特
開昭53-77811号) (2) ＣＢＮ結晶粒子を70体積％以上含み、結合剤として
ＡｌおよびＣｏ金属を用いるもの (例、特公昭52-43846
号) (3) ＣＢＮ結晶粒子を95体積％以上含み、結合剤として
Ｍ₃Ｂ₂Ｎ₄( ここで、Ｍはアルカリ土類金属) を用い
るもの (例、特開昭59-57967号)

【０００３】これらのＣＢＮ焼結体は極めて高い硬度を
有し、熱伝導度が高い（高温強度に優れている）ので、
各種の鋼の切削工具として利用されている。例えば、タ
イプ(1) のＣＢＮ焼結体はビッカース硬度 2,800〜3,70
0 を有し、耐摩耗性に優れているので焼入れ鋼の切削等
に利用されており、タイプ(2) のＣＢＮ焼結体はビッカ
ース硬度 3,500〜4,300 を有し、耐摩耗耐欠損性に優れ
ているので高硬度鋳鉄の切削等に利用されており、タイ
プ(3) のＣＢＮ焼結体はビッカース硬度 4,000〜4,800
を有し、熱伝導性に優れているのでボンディグツール等
に利用されている。

【０００４】しかし、これらのＣＢＮ焼結体は壁開性が
あり、耐酸化性および鉄との反応性に弱点があるため、
難削材料、例えばトランスミッション用の鋼の切削で
は、ＣＢＮ焼結体のみでは耐摩耗性が不足し、摩耗が回
避できない。ＣＢＮ焼結体の耐摩耗性を向上させるため
に、ＣＢＮ焼結体に各種耐摩耗層を被覆またはコーティ
ングする方法が提案されている (例えば、特開昭59-134
603号公報、特開昭61-183187 号公報、特開平 1-96083
号公報、特開平 1-96084号公報、特公平 2-44710号公
報) が、公知の耐摩耗層は基材のＣＢＮ焼結体よりも硬
度が低いため工具の摩耗は避けられない。また、超硬合
金にＴｉＮ、 (ＴｉＡl)Ｎ、ＴｉＣＮ、Ａl ₂Ｏ₃等を
被覆した工具も提案されているが、ＨＲＣ60以上の焼入
れ鋼を高速・高能率で切削すると切削温度が高くなっ
て、基材内部が塑性変形し、容易に剥離または破壊して
しまう。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、母材
強度が高く、耐摩耗性、耐反応性に優れ、しかも高温硬
度、耐酸化性に優れた焼入れ鋼や高級鋳鉄等の切削に使
用可能な工具用複合高硬度材料を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、立方晶型窒化
硼素（ＣＢＮ）を20体積％以上含むＣＢＮ焼結体からな
る基材を有する工具用の複合高硬度材料において、少な
くとも切削に関与する箇所の表面上に個々の層の厚さが
0.2〜20nmである超薄膜が交互に積層した構造を有する
超薄膜積層膜を有する点に特徴がある。この「超薄膜積
層膜」とは下記(a) と(b) の化合物： (a) 立方晶型結晶構造を有する周期律表第IVａ、Ｖａお
よびVIａ族元素、ＡｌならびにＢから成る群の中から選
択される少なくとも１種の元素の主として金属結合性の
窒化物または炭窒化物、(b) 常温、常圧、平衡状態で立
方晶型以外の結晶構造を有する少なくとも１種の主とし
て共有結合性の化合物、の層を基材上に交互に積層し且
つ積層膜全体が立方晶型の結晶構造を有するものを意味
する。

【０００７】図１は本発明の工具用複合高硬度材料の概
念的な断面図であり、(1) は超薄膜積層膜であり、 (a)
および(b) は超薄膜積層膜１を構成する各単位層を表し
ており、 (2)は基材、 (3)および(4) は必要に応じて設
けられる中間層および表面層を示している。なお、図１
では超薄膜積層膜(1) を構成する各層 (a)および(b)が
強調して示してあるが、超薄膜積層膜の各層の厚さは実
際には 0.2〜20ｎｍであり、中間層(3) の厚さ 0.05 〜
5 μｍおよび表面層(4) の厚さ 0.1〜5 μｍの約 1/100
であることに注意されたい。

【０００８】「積層周期」とは（a)と(b) の繰り返し単
位を意味し、各層 (a)と(b) の厚さの和λを意味する
(λ＝(a) ＋(b))。

【０００９】本発明の超薄膜積層膜(1) は上記定義のも
のを意味し、少なくとも１種の主として共有結合性化合
物の薄膜の結晶構造を主として金属結合性化合物の結晶
構造である立方晶に変化させて、共有結合性化合物の性
質と金属結合性化合物の性質を併せ持ち且つ全体に立方
晶の単一結晶構造を示す超薄膜積層体である。この超薄
膜積層膜は２種類またはそれ以上の化合物を界面を形成
させないで化合物の組成の全部または一部が連続的に変
化し、そのある部分が立方晶型の共有結合性化合物であ
る構造（以下、「組成変調層」とよぶ）でもよい。ま
た、明瞭な界面と界面を持たない組成変調層とが組み合
わされた構造にすることもできる。

【００１０】本発明の超薄膜積層膜の一つの特徴は、組
成が連続的に変化する組成変調層を超薄膜積層膜の互い
に隣接した２つの単位層の間に有する点にある。この組
織変調層を有する超薄膜積層膜は所望特性の超薄膜積層
膜を得るための製作条件の許容範囲が広くなるという利
点がある。

【００１１】金属結合性化合物と共有結合性化合物は構
成元素の全てが異なる化合物を積層したもの、構成元素
の一部が共有な化合物を積層したもの、全ての構成元素
が同一で組成比のみが異なる化合物を積層したものにす
ることができる。一例としてＴｉＡｌＮの場合にはＴｉ
リッチになると主として金属結合性の化合物となり、Ａ
ｌリッチになると主として共有結合性の化合物になる。
Ａｌの代わりにＢを用いた場合も同様である。また、
(a)および／または(b) の層が複数ある場合には(a)およ
び(b) の各々の層の化合物は全て同じでも、層毎に互い
に違っていてもよい。

【００１２】共有結合性の化合物(b) はＡｌまたはＢの
少なくとも一方を含む化合物にすることができる。好ま
しい化合物は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）である。

【００１３】金属結合性の窒化物、炭化物または炭窒化
物(a) は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｖ、Ｈｆ、ＡｌおよびＢ
からなる群の中から選択される少なくとも一つの元素を
含む窒化物、炭化物、炭窒化物、複合窒化物、複合炭化
物または複合炭窒化物にすることができる。

【００１４】超薄膜積層膜(1) はスパッタリング法やイ
オンプレーティング法等のＰＶＤ法で作ることができ
る。これらの方法は基材強度、工具では基材の耐摩耗
性、耐欠損性を高いレベルに維持したまま表面処理する
ことができる。本発明の超薄膜積層膜を作製するには、
非晶質成分の少ない結晶性の高い共有結合性化合物の層
が形成可能な成膜プロセスが必要である。実際には、原
料元素のイオン化率が高いアーク式イオンプレーティン
グ法が適している。反応性イオンプレーティング法、マ
グネトロンスパッタリングを含めたスパッタリング法で
も共有結合性化合物を成膜できるが、非晶質成分がどう
しても混在するため、特性は低下する。

【００１５】また、より高いイオン化率を得るために
は、窒化物あるいは炭化物の化合物のターゲットを用い
るよりも、少なくともIVａ、Ｖａ、VIａ族元素、Ｂ、Al
の１種以上の元素を含んだ金属あるいは合金の複数のタ
ーゲットとＣ、Ｎのいずれか、あるいは両方を含む気体
を原料として用いる反応性のＰＶＤ法が適している。本
発明の立方晶型の共有結合性化合物を形成するには、イ
オン化率が高く、結晶性の高い共有結合性化合物を形成
することができるアーク式イオンプレーティング法が適
している。この時、形成する化合物の結晶性向上等のた
めに、原料となる気体以外に、Ar、He等の不活性ガス、
Ｈ₂等のエッチング効果を持つ気体を成膜炉内に同時に
導入することもできる。

【００１６】切削工具、特に切削チップに超薄膜積層膜
を被覆する場合には、チップの各面に求められる特性に
応じて、チップの逃げ面とすくい面に積層周期の異なる
超薄膜積層を被覆するのが好ましい。

【００１７】図２(a) は本発明の超薄膜積層膜の作製装
置の第１実施例の概念図である。この実施例では工具チ
ップすなわち基材(2) を回転ホルダー(5) の外周に取付
け、回転ホルダー(5) を回転させながら窒素雰囲気中で
アーク電極(20)との間にアーク放電を起こさせることに
よって２つの蒸発原(10)、(11)からＡｌとＴｉの蒸気を
蒸発させて、基材(2) 上にＡｌＮおよびＴｉＮの超薄膜
を交互に積層させる。この実施例では遮蔽板(6) を用い
ることによって、(b) の概念図に示すような、組成変調
層を実質的に有しない超薄膜積層膜(a/b/a・・・) 、す
なわち、(c) の組成分布図に示すような組成分布を有す
る超薄膜積層膜が基材(2) 上に形成される。

【００１８】図３(a) は本発明の超薄膜積層膜の作製装
置の第２実施例の概念図である。この第２実施例は組成
変調層ｃを有する超薄膜積層膜が得られるようにした点
で第１実施例と相違している。すなわち、この実施例で
は例えば図示したようにＡｌとＴｉの４つの蒸発原(1
0), (10'), (11), (11')を用いて、回転ホルダー(5) を
回転させることによって、基材(2) 上のＡｌおよびＴｉ
の両方の蒸気が到達する部分にＡｌとＴｉの窒化物すな
わち組成変調層ｃが作られる。(b) はこの実施例で得ら
れる超薄膜積層膜の概念図であり、(c) はその超薄膜積
層膜の概念的な組成分布図である。

【００１９】基材(2) と超薄膜積層膜(1) との間には膜
厚が0.05〜5 μｍの少なくとも１層の中間層(3) を設け
るのが好ましい。この中間層(3) は周期律表第IVａ、Ｖ
ａおよびVIａ元素の硼化物、窒化物、炭化物、酸化物並
びにこれらの固溶体より成る群の中から選択される材料
で作るのが好ましい。この中間層(3) は超薄膜積層膜
(1) と基材(2) との間の密着性を向上させる役目をす
る。また、特性が大きく異なる基材および超薄膜積層膜
の間に中間的な特性の中間層を設けることは、特性の変
化を段階的に制御して、膜の残留応力を低減する効果が
期待できる。

【００２０】同様に、超薄膜積層膜(1) の外側表面に膜
厚が 0.1〜5 μｍの表面層(4) を形成することもでき
る。この表面層(4) はIVａ、Ｖａ、VIａ族元素の窒化
物、炭化物、炭窒化物または酸化物中から選択する材料
で作るのが好ましい。

【００２１】

【作用】共有結合性の化合物は一般に立方晶型とは異な
る結晶型を有し、高い硬度と優れた耐熱性を示す。例え
ば焼結体として用いられている窒化アルミ（AlＮ）は常
温、常圧、平衡相でウルツァイト構造をもち、硬度と耐
熱性の両者において優れた特性を示す。また、常温、常
圧下では非平衡相である立方晶型の結晶構造をもつ共有
結合性化合物であるダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素
（ＣＢＮ）も硬度と耐熱性の両者において極めて優れた
特性を有している。このことから、他の共有結合性物質
でも立方晶型の非平衡相は極めて優れた特性を有すると
予測される。しかし、非平衡相である立方晶型の共有結
合性化合物の薄膜は合成が非常に困難であり、また、合
成できたとしても、基材または中間層として一般に用い
られるTiＮ、TiＣＮ等の立方晶 NaCl 型結晶構造を有す
る金属結合性の硬質薄膜との密着性が非常に低いため、
耐摩耗被膜・保護膜として用いられていないのが現状で
ある。

【００２２】また、金属結合性化合物と共有結合性化合
物の両者の性質を取り入れるために両化合物を積層構造
にしても、両化合物の界面の密着性が悪く、容易に剥離
が起こるため、やはり耐摩耗性被膜・保護膜として従来
の積層膜を用いることはできない。すなわち、共有結合
性に対して金属結合性という化合物のもつ結合性の違い
に加えて、結晶構造も異なるため、基材または境界層と
の界面または積層膜の各化合物界面において原子間の十
分な結合が形成されないためである。特公平 5-80547号
には金属表面の保護層として 0.5〜40ｎｍの薄膜を積層
した多層保護膜が開示されているが、この多層保護膜は
結晶格子に対してコヒーレントな界面を有することが必
須である。すなわち、この多層保護膜は各薄膜が完全エ
ピタキシャルに成長するためには、結合が金属結合性化
合物どうしの組成であり，互いに隣接する２つの薄膜の
結晶格子定数（面間隔等）を含めた特性が実質的に同じ
ものでなければならない。

【００２３】本発明では、厚さが 0.2ｎｍ〜20ｎｍの極
めて薄い立方晶の主として金属結合性の化合物の層(a)
と、常温、常圧、平衡状態で立方晶とは異なる結晶構造
を有する主として共有結合性化合物の層(b) とを繰り返
し積層して得られる全体が単一の立方晶型結晶構造を有
する超薄膜積層膜(1) を採用する。

【００２４】すなわち、本発明は、常温、常圧、平衡状
態で立方晶型の結晶構造をもたない主として共有結合型
の化合物を20ｎｍ以下という極めて薄い層厚にし、その
前後に立方晶型の主として金属結合性化合物を同じく20
ｎｍ以下という極めて薄い層厚で積層し、超薄膜積層膜
全体を立方晶型の共有結合性化合物にする。換言すれ
ば、本発明の超薄膜積層膜では２種類の層(a) と(b) と
を交互にサンドイッチすることによって、互いに隣接す
る層の間で結晶構造の変化が起こり、全体が単一の立方
晶型結晶構造になる。このことはＸ線解析データからも
確認されている。

【００２５】本発明の超薄膜積層膜では、共有性化合物
が立方晶型に変化する。この化合物層の結晶構造の変化
に伴って歪みエネルギーが蓄積される効果と、両方の化
合物の境界部分または組成変調層での原子の結合による
各化合物層の歪みによる歪みエネルギーが蓄積される効
果とによって超薄膜積層膜の硬度はさらに向上するもの
と考えられる。

【００２６】本発明の超薄膜積層膜では立方晶型の共有
結合性化合物の極めて優れた特性が発揮されるととも
に、結晶構造を同一にすることで超薄膜積層膜の各層の
間で十分な原子間結合が形成され、基材または中間層と
十分な密着力を示す。この超薄膜積層膜は従来の被膜ま
たはコーティング膜よりも硬度、耐酸化性、耐摩耗性に
優れている。従って、本発明の超薄膜積層膜を有する工
具は優れた耐摩耗性、耐熱性を発揮する。

【００２７】金属結合性化合物の層厚は特に限定されな
いが、共有結合性化合物の層厚に比べて金属結合性化合
物の層厚があまりにも大きくなり過ぎると共有結合性化
合物による高硬度、高耐酸化性などの効果が薄れるの
で、金属結合性化合物の層厚も上限は同じ20ｎｍにする
のが好ましい。逆に、超薄膜積層膜の各化合物の各層
(a)および(b) の層厚を 0.2ｎｍ以下にすると、相互拡
散等の影響により超薄膜積層膜全体が均質な混合層とな
るので上記の効果は期待できない。超薄膜積層膜の全膜
厚が 0.5μｍ未満の場合には耐摩耗性の向上がほとんど
見られない。また、10μｍを越えると超薄膜積層膜中の
残留応力等の影響で基材との密着強度が低下する。従っ
て、積層する超薄膜積層体の全体の膜厚は 0.5μｍ〜10
μｍにする。

【００２８】本発明の超薄膜積層膜の効果は積層した各
化合物層の間の界面で生ずるものではないので、化合物
層間に明瞭、不明瞭を問わず界面が存在する必要はな
い。つまり、隣接する化合物の全てまたは一部の元素が
連続的に変化して、ある組成の範囲が立方晶型の共有結
合性化合物である構造すなわち組成変調層でも上記の効
果は発現される。この場合、共有性化合物の結晶構造は
立方晶型により安定化され、硬度、耐酸化性は向上し、
耐摩耗性、耐熱性に優れた極めて優れた切削特性が実現
され、欠陥や膜応力の急激な変化等による剥離も回避で
きる。本発明の超薄膜積層膜は硬度が非常に高く、荷重
１ｇｆでのビッカース硬度は4,000kgf/mm²以上である。

【００２９】中間層(3) の膜厚は0.05μｍ未満では密着
強度の向上が見られず、逆に５μｍを越えても密着強度
は向上しない。従って、特性および生産性の観点から中
間層(3) の膜厚は0.05〜５μｍの範囲にするのが好まし
い。また、本発明の超薄膜積層膜の最上層の上に形成さ
れる表面層(4) の厚さは 0.1μｍ以上且つ５μｍ以下に
するのが好ましい。この表面層(4) の膜厚が 0.1μｍ以
下では耐摩耗特性の向上は見られず、５μｍを越えると
剥離等により、やはり、耐摩耗特性の向上は見られな
い。

【００３０】本発明の工具用複合高硬度材料は、チッ
プ、ドリル、エンドミル等の切削工具に加工して使用す
ることができる。本発明の工具用複合高硬度材料から作
った工具は切削性能および寿命が格段に向上することが
確認されている。また、切削工具チップにおいては、す
くい面の超薄膜積層膜の積層周期を逃げ面の超薄膜積層
膜の周期より大きくすると、切削チップの切削性能およ
び寿命が格段に向上することが確認されている。また、
異なるチップ形状、切削用途においては、逃げ面の超薄
膜積層膜の積層周期をすいく面の超薄膜積層膜の周期よ
り大きくすると、切削チップの切削性能および寿命が格
段に向上する場合がある。これは、各用途によって逃げ
面とすくい面に要求される耐摩耗性、耐酸化性等の特性
が異なり、最適な超薄膜積層膜の周期が互いに異なるも
のと思われる。

【００３１】基材(2) は前記の３つのタイプのＣＢＮ焼
結体の中から選択できる。好ましいＣＢＮ焼結体として
は下記 (1)〜(3) のものを挙げることができる： (1) 立方晶型窒化硼素（ＣＢＮ）を30〜90体積％含み、
残部が周期律表第IVａ、ＶａおよびVIａ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成
る群の中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、ＴｉＢ₂とからなる結合材および不可避的
不純物である焼結体。残部結合材は、50〜98重量％のＴ
ｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、（ＴｉＭ）Ｃ、（ＴｉＭ）Ｎ
および（ＴｉＭ）ＣＮから成る群の中から選択される少
なくとも１種（ここで、ＭはＴｉを除く周期律表第IV
ａ、ＶａおよびVIａ元素の中から選択される遷移金属）
と、２〜50重量％のアルミニウム化合物とからなるのが
好ましい。

【００３２】(2) 立方晶型窒化硼素（ＣＢＮ）を40〜95
体積％含み、残部がＴｉＮ、ＣｏまたはＷの硼化物また
は炭化物、窒化アルミニウム、硼化アルミニウムならび
にこれらの固溶体から成る群の中から選択される少なく
とも１種の結合材および不可避的不純物からなる焼結
体。残部結合材は１〜50重量％のＴｉＮを含むのが好ま
しい。 (3) 立方晶型窒化硼素（ＣＢＮ）を90体積％以上を含
み、残部が周期律表第１ａまたは２ａ元素の硼窒化物と
ＴｉＮとを含む結合材と、不可避的不純物からなる焼結
体。残部結合材は１〜50重量％のＴｉＮを含むのが好ま
しい。

【００３３】タイプ１(1) のＣＢＮ焼結体自体は公知で
あり、その特性および製造方法は特開昭53-77811号公報
に詳細に記載されている。タイプ１(2) のＣＢＮ焼結体
は特公昭52-43846号に記載の結合材にＴｉＮを加えたも
のにすることができる。ＴｉＮを加えることによって超
薄膜積層膜との接着性が良くなる。タイプ１(3) のＣＢ
Ｎ焼結体は特開昭59-57967号に記載の結合材にＴｉＮを
加えたものにすることができる。このタイプのＣＢＮ焼
結体もＴｉＮを加えることによって超薄膜積層膜との接
着性が良くなる。

【００３４】ＣＢＮ粉末と、結合材粉末であるTiＮ、Ti
Ｃおよびこれらの固溶体とアルミニウムおよび／または
アルミニウム化合物と、不可避的不純物とを出発原料と
したタイプ(1) のＣＢＮ焼結体では、高温高圧下での焼
結時に結合材とＣＢＮとが反応して硼化チタン（Ti
Ｂ₂)、硼化アルミニウム（AlＢ₂)、窒化アルミニウム
（AlＮ）等の化合物がＣＢＮ粒子と結合材との界面に生
成して各粒子間の結合力を高め、焼結体の靭性および強
度を向上させている。

【００３５】特に出発結合材としてTiＮまたはTiＣを用
いた場合には、TiＮ_ZおよびTiＣ_Zのｚの値をそれぞれ
0.5≦ｚ≦0.85、0.65≦ｚ≦0.85として化学量論比から
ずらして遊離チタン量を増やすことによって、ＣＢＮと
結合材との反応を効果的に促進させるたとができ、AlＢ
₂、AlＮ、TiＢ₂等の反応生成物によって良好な摩耗特
性および強度を有するＣＢＮ焼結体が得られる。ここ
で、TiＮ_ZおよびTiＣ_Zのｚの値をそれぞれ 0.5≦ｚ≦
0.85、0.65≦ｚ≦0.85と規定したのは、それぞれのｚ値
が 0.5および0.65未満になると酸化反応による発熱によ
り粉末の充填操作が困難になり、0.85を超えるとＣＢＮ
と結合材との反応性が化学量論比のTiＮおよびTiＣを用
いた場合とほとんど変わらなくなるためである。

【００３６】タイプ(1) のＣＢＮ焼結体の出発結合材粉
末としてTiＮ_Z(0.5≦ｚ≦0.85) またはTiＣ_Z（0.65≦
ｚ≦0.85）を用いた場合、ＣＢＮ焼結体中のアルミニウ
ム化合物量が２重量％未満では、アルミニウムおよび／
またはアルミニウム化合物とＣＢＮとの反応が不十分に
なるため、結合材によるＣＢＮの保持力が弱くなる。逆
に40重量％を超えるとAlＢ₂およびAlＮに比べ硬度や機
械的強度に優れるＣＢＮの相対的な含有量が低下するた
め耐摩耗性が著しく低下する。従って、従来の工具用硬
度材料では、出発結合材粉末としてTiＮ_Z（0.5 ≦ｚ≦
0.85）またはTiＣ_Z（0.65≦ｚ≦0.85）を用いたタイプ
(1) のＣＢＮ焼結体を切削工具として用いる場合には、
焼結体中の結合材の組成としては60〜80重量％のTiＮま
たはTiＣと、20〜40重量％のアルミニウム化合物、TiＢ
₂および不可避的不純物からなるものが最も適してい
た。

【００３７】しかし、本発明の工具用複合高硬度材料に
おいては、耐摩耗性に優れた超薄膜積層膜を被覆するこ
とによって耐摩耗性に劣るＣＢＮ焼結体に優れた耐摩耗
性を付与させることができるので、本発明の工具用複合
高硬度材料の基材用のＣＢＮ焼結体には、耐摩耗性より
も高靭性かつ高強度であることがより重要な要素として
要求される。換言すれば、本発明では、従来では十分な
靭性を備えていても耐摩耗性に欠点があるために高硬度
の難削材の切削に用いることができなかった材料、例え
ば、焼結体中の結合材が多量のアルミニウム化合物とTi
Ｂ₂および不可避的不純物を含むＣＢＮ焼結体でも、本
発明の超薄膜積層膜を被覆することによって耐欠損性と
耐摩耗性とを兼ね備えた理想的な工具用複合高硬度材料
となり得る。

【００３８】特に、タイプ(1) のＣＢＮ焼結体の出発結
合材粉末として、TiＮ_Z（0.5 ≦ｚ≦0.85）またはTiＣ
_Z（0.65≦ｚ≦0.85）と、アルミニウムおよび／または
アルミニウム化合物と、不可避的不純物とを用いた場合
には、焼結体中の結合材部の組成が50〜80重量％のTiＮ
と、20〜50重量％のアルミニウム化合物、TiＢ₂および
不可避的不純物とからなる抗折力（ＪＩＳ規格により測
定）が 110 kgf/mm²以上である材料と、焼結体中の結合
材部の組成が50〜80重量％のTiＣと、20〜50重量％のア
ルミニウム化合物、TiＢ₂および不可避的不純物とから
なり抗折力（ＪＩＳ規格により測定）が 105 kgf/mm²以
上である材料で上記の効果顕著であり、通常のＣＢＮ焼
結体工具や従来の耐摩耗層被覆ＣＢＮ焼結体工具では切
削不可能であった高硬度焼入鋼の強断続切削においても
実用レベルを十分に満たす工具寿命を実現することがで
きる。なお、出発結合材粉末として、TiＮ_Z(0.5≦ｚ≦
0.85）またはTiＣ_Z（0.65≦ｚ≦0.85）を用いる場合、
焼結体中のアルミニウム化合物、TiＢ₂および不可避的
不純物が50重量％を超えるとＣＢＮ焼結体の硬度および
強度が不十分となり、本発明の工具用複合高硬度材料の
基材としては不適当になる。

【００３９】タイプ(2) のＣＢＮ焼結体は、平均粒径が
３μｍ以下のＣＢＮ粉末を出発材料として用いることに
よって抗折力が 105 kgf/mm²以上のＣＢＮ焼結体を製造
することが可能となり、得られた高靭性のＣＢＮ焼結体
を基材として超薄膜積層膜を被覆することによって、通
常のＣＢＮ焼結体工具や従来の耐摩耗層被覆ＣＢＮ焼結
体工具では切削不可能であった高硬度の焼入鋼の強断続
切削でも実用レベルを十分に満たす工具寿命を実現でき
る。

【００４０】以下、本発明の実施例を説明するが、本発
明が下記の実施例に限定されるものではない。

【実施例】実施例１超硬合金製ポットとボールとを用いてＴｉＮ粉末とアル
ミニウム粉末とを80：20の重量比で混合して、結合材粉
末を得た。次に、この結合材粉末とＣＢＮ粉末とを体積
比で30：70となるように配合した後、Ｍｏ製容器に充填
し、48kbの圧力で 1,400℃で20分間焼結した。

【００４１】得られた焼結体を切削工具用のチップの形
に加工した後、チップの切削に関与する部分に真空アー
ク放電によるイオンプレーティング法によって超薄膜積
層膜を付けた。すなわち、図２に示す成膜装置内にＴｉ
のターゲットと、Ａｌのターゲットとを配置し、これら
のターゲットの中心に設けた回転式の基材保持具にチッ
プを装着し、成膜装置を 10 ^-5 Torr の真空度まで減圧
し、アルゴン(Ar)ガスを導入して 10 ^-2Torrの雰囲気に
して 500℃に加熱し、基材保持具を回転させながらチッ
プに−2,000 Ｖの電圧を加えて洗浄する。次いで、Arガ
スを排気し、Ｎ₂ガスを300 cc/min の割合で導入し、
真空アーク放電によってＴｉおよびＡｌのターゲットと
を蒸発イオン化してチップ上にＴｉＮの層とＡｌＮの層
とを交互に積層した。超薄膜積層膜の積層周期と層厚は
基材保持具の回転速度と真空アーク放電量とを調整して
制御し、全体の層厚は積層時間で制御した。Ｔｉターゲ
ットを周期律表IVａ〜VIａ族の他の元素（Ｚｒ等）に代
えて同様な超薄膜積層膜層を形成させた。比較例とし
て、同じチップに公知の方法でコーテング膜を付けたも
のを作った（試料番号１−28〜30) 。被覆層の構成は
〔表１〕〜〔表４〕にまとめて示してある。

【００４２】

【表１】

【００４３】

【表２】

【００４４】

【表３】

【００４５】

【表４】

【００４６】〔表１〜４〕で☆を付けた部分は本発明の
定義からズレる部分を示している。例えば、試料１−１
では、ＴｉＮ層＝0.14 nm 、ＡｌＮ層＝ 0.16 nmで、積
層周期が 0.3 nm の超薄膜積層膜 (全膜厚さ＝3.4 μ
ｍ）であり、本発明の定義に入らない。この超薄膜積層
膜膜をＴＥＭで観察したところ、明瞭な積層構造は観ら
れず、アイランド状の混合層となる。

【００４７】〔表１〕の試料１−28〜30は比較例であ
り、公知のコーティングした切削チップである。試料１
−28、29は通常の成膜装置を使用して真空アーク放電を
用いたイオンプレーティング法で上記と同じ組成・形状
の切削チップの表面にＴｉＮ層とＴｉＣＮ層とを単独ま
たは組み合せたて付けた硬質被覆層を有するチップであ
る。試料１−30は通常のＣＶＤ法で上記と同じ組成・形
状のチップの表面にＴｉＮとＡ1₂Ｏ₃とを組合せて付け
た硬質被覆層を有するチップである。

【００４８】得られた各チップに対して切削テストを行
って耐摩耗性を調べた。すなわち、被削材として硬度Ｈ
ＲＣ60のＳＵＪ２の丸棒を用い、この丸棒の外周を切削
速度120 m/min 、切込み量 0.2 mm 、送り量 0.1 mm/re
v で乾式で20分間切削した後の逃げ面の摩耗幅 (mm) を
測定した。結果は〔表５〕にまとめて示してある。

【００４９】

【表５】

【００５０】実施例２実施例１と同じ操作を繰り返したが、成膜装置を図３の
ものに代え（ＴｉおよびＡｌのターゲット数を合計４つ
にした）、実施例１の試料１−６と同じ材料と同じ条件
（TiN 層厚：5.9 nm、AlN 層厚：4.0 nm) を用いて超薄
膜積層膜を作った。この超薄膜積層膜が組成変調層を有
することはＴＥＭ（透過電子顕微鏡）、ＥＤＸ（分析Ｔ
ＥＭ付帯のエネルギー分散型Ｘ線分析計）およびＥＥＬ
Ｓ（電子エネルギー損失分析）で確認された。この場合
の逃げ面摩耗幅は 0.100ｍｍであった。

【００５１】実施例３実施例１と同様な操作を行ったが、基材のＣＢＮ含有率
（体積％）および結合材の組成（重量％）を〔表６〕に
示すものに代えた。得られた焼結体をＸ線回折で観察す
ると、不可避不純物としてのα- Al₂O₃、ＷＣおよびCo
と思われるピークが観察された。各ＣＢＮ焼結体を用い
て切削チップを作製し、チップの切削に関与する表面に
ＴｉＮの中間層をＰＶＤ法で２μｍの厚さに被覆した
後、実施例１と同様な方法ＴｉＮとＡｌＮとを超薄膜積
層膜の全膜厚が 4.2μｍとなるように交互に成膜した。
各層の厚さは 2.6 nm で、積層周期は 5.2 nm である。
なお、成膜装置を図２のものを使用した。全ての超薄膜
積層膜のＸ線回折パターンは立方晶構造であることを示
した。〔表６〕には外周４箇所にＶ形状の溝を有する浸
炭焼き入れしたＳＣＭ415 の丸棒の外周を各工具を用い
て切削した場合の欠損時間（工具が欠損するまでの時
間：分）が示してある。

【００５２】

【表６】

【００５３】実施例４ＣＢＮ粉末と、CoＷＢ、 Co₃Ｗ₃Ｂ、AlＮおよびAlＢ₂
よりなる結合材とを体積比で80：20となるように混合し
たものを焼結圧力 50kb 、焼結温度1,450 ℃で0.5 時間
焼結して得られたＣＢＮ焼結体を作った。なお、成膜
装置を図２のものを使用した。各ＣＢＮ焼結体を切削工
具用チップの形に加工した後、実施例１と同様な方法で
チップの切削に関与する部分に真空アーク放電によるイ
オンプレーティング法で超薄膜積層膜を成膜した。ター
ゲットとしてはTi、Al、Ti−Al、Zr、Ｖ、HfおよびCrを
用いた。各積層膜TiＮ、AlＮ、TiAlＮ、TiＣＮ、ZrＮ、
ＶＮ、CrＮおよびHfＮの層厚は被覆時間を調節して制御
した。被覆層の構成は〔表７〕〜〔表１０〕にまとめて
示してある。

【００５４】

【表７】

【００５５】

【表８】

【００５６】

【表９】

【００５７】

【表１０】

【００５８】〔表７〜10〕で☆を付けた部分は本発明の
定義からズレる部分を示している。また、試料３−27〜
29は比較例の従来法の被覆切削チップであり、実施例１
の比較例と同じ方法で作製した。得られた各切削チップ
を用い切削テストを行った。切削テストでは、硬度ＨＲ
Ｃ60のＳＫＤ11材の丸棒からなる被削材の外周を切削速
度 220m/min 、切込み量 0.5mm、送り量 0.25mm/rev
で、乾式で15分間切削した場合の逃げ面摩耗幅(mm)を測
定した。結果は〔表１１〕にまとめて示してある。

【００５９】

【表１１】

【００６０】実施例５実施例１と同じ操作を繰り返したが、Ａｌターゲットの
代わりにＢターゲットを用いた。超薄膜積層膜の構成は
〔表12〕〔表13〕に、また、結果は〔表14〕に示してあ
る。

【００６１】

【表１２】

【００６２】

【表１３】＊常温、常圧、平衡状態での単層成膜時の結晶構造 ** 超薄膜積層膜全体のＸ線回折パターン

【００６３】

【表１４】超薄膜積層膜を被覆していないＣＢＮ工具の逃げ面摩耗
幅： 0.230 mm

【００６４】実施例６基材のＣＢＮ焼結体を〔表１５〕〔表１６〕に示すＣＢ
Ｎ含有率（体積％）および結合材組成（重量％）のもの
に代えた。各組成は50kb、1450°で15分間焼結した。得
られた焼結体をＳＮＧＮ120408（ＩＳＯ規格）型のチッ
プに加工した後、ＣＨ₄ガスとＮ₂ガスとを用いて実施
例１と同様の方法で、先ず、ＴｉＣＮから成る中間層を
２μｍ被覆し、次に、ＴｉＣとＡｌＮとからなる超積層
薄膜を膜厚が５μｍと成るように被覆した。なお、Ｔｉ
Ｃの層厚は３nm、ＡｌＮの層厚は３nmであった。この超
薄膜積層膜を被覆した切削工具を用いて、外周に４箇所
のＵ字形状の溝を有する硬度ＨＲＣ60のＳＫＤ11を被削
材として、切削速度 120ｍ／分、切り込み 0.2mm、送り
0.1mm／回転で乾式切削し、１km切削したときの欠損率
（サンプル数５）を測定した。比較ために、超薄膜積層
膜を被覆していない通常のＣＢＮ焼結体もテストした。
得られた結果は〔表１７〕にまとめて示してある。

【００６５】

【表１５】

【００６６】

【表１６】

【００６７】

【表１７】

【００６８】

【発明の効果】本発明の複合硬度材料は母材強度が高
く、耐摩耗性に優れ、高温硬度（耐酸化性）に優れてい
るので、難削鋼の切削に用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の複合硬度材料の概念的な断面図。

【図２】本発明の複合硬度材料の超薄膜積層膜を作製
する１つの実施例の装置と、この装置で得られる超薄膜
積層膜の概念図と、超薄膜積層膜の組成分布とを示す概
念図。

【図３】本発明の複合硬度材料の超薄膜積層膜を作製
する別の実施例の装置と、この装置で得られる組成変調
層を有する超薄膜積層膜の概念図と、この超薄膜積層膜
の組成分布とを示す概念図。

【符号の説明】

１超薄膜積層膜 1(a) 金属結合性の窒化物、炭化物または炭窒化物 1(b) 共有結合性の化合物 2 ＣＢＮ焼結体 3 中間層 4 表面層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者吉岡剛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)発明者瀬戸山誠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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】立方晶型窒化硼素（ＣＢＮ）を20体積％
以上含むＣＢＮ焼結体からなる基材(2) を有する工具用
の複合高硬度材料において、周期律表第IVａ、ＶａおよびVIａ族元素、Ａｌ並びにＢ
から成る群の中から選択される少なくとも１種の元素の
立方晶型結晶構造を有する主として金属結合性の窒化
物、炭化物または炭窒化物(a) と、常温、常圧、平衡状
態で立方晶型以外の結晶構造を有する少なくとも１種の
主として共有結合性の化合物(b) とが交互に積層された
超薄膜積層膜(1) を基材(2) の少なくとも切削に関与す
る箇所の表面上に有し、超薄膜積層膜(1) を構成する個
々の単位層は厚さが 0.2〜20nmであり、超薄膜積層膜
(1) 全体が立方晶型の結晶構造を有することを特徴とす
る工具用の複合高硬度材料。
【請求項２】超薄膜積層膜(1) の互いに隣接した２つ
の単位層の間に組成が連続的に変化する組成変調層を有
する請求項１に記載の材料。
【請求項３】共有結合性の化合物(b) がＡｌまたはＢ
の少なくとも一方を含む化合物である請求項１に記載の
材料。
【請求項４】金属結合性の窒化物、炭化物または炭窒
化物(a) がＴｉ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｖ、Ｈｆ、ＡｌおよびＢ
からなる群の中から選択される少なくとも一つの元素を
含む窒化物、炭化物、炭窒化物、複合窒化物、複合炭化
物または複合炭窒化物である請求項１〜３のいずれか一
項に記載の材料。
【請求項５】周期律表第IVａ、ＶａおよびVIａ元素の
硼化物、窒化物、炭化物、酸化物並びにこれらの固溶体
より成る群の中から選択される少なくとも１種の材料か
らなる膜厚が0.05〜5 μｍの中間層(3) を基材(2) と超
薄膜積層膜(1)との間に有する請求項１〜４のいずれか
一項に記載の材料。
【請求項６】周期律表第IVａ、ＶａおよびVIａ元素の
窒化物、炭化物、炭窒化物および酸化物から成る群の中
から選択される少なくとも１種の材料からなる膜厚が
0.1〜5 μｍの表面層(4) を超薄膜積層膜(1) の外側表
面有する請求項１〜５のいずれか一項に記載の材料。
【請求項７】超薄膜積層膜(1) の厚さが 0.5〜10μｍ
である請求項１〜６のいずれか一項に記載の材料。
【請求項８】基材(2) が立方晶型窒化硼素（ＣＢＮ）
を30〜90体積％含む焼結体であり、このＣＢＮ焼結体の
残部結合材が周期律表第IVａ、ＶａおよびVIａ元素の窒
化物、炭化物、硼化物、酸化物並びにこれらの固溶体か
ら成る群の中から選択される少なくとも１種とアルミニ
ウム化合物とからなる結合材および不可避的不純物であ
る請求項１〜７のいずれか一項に記載の材料。
【請求項９】残部結合材が、50〜98重量％のTiＣ、Ti
Ｎ、TiＣＮ、（TiＭ）Ｃ、（TiＭ）Ｎおよび（TiＭ）Ｃ
Ｎから成る群の中から選択される少なくとも１種（ここ
で、ＭはTiを除く周期律表第IVａ、ＶａおよびVIａ元素
の中から選択される遷移金属）と、２〜50重量％のアル
ミニウム化合物とからなる請求項８に記載の材料。
【請求項１０】残部結合材が50〜98重量％のＴｉＮ
と、２〜50重量％のアルミニウム化合物および不可避的
不純物とからなる請求項９に記載の材料。
【請求項１１】基材(2) が、ＣＢＮ粉末と、結合材粉
末であるＴｉＮ_Z(0.5≦ｚ≦0.85）、アルミニウムおよ
び／またはアルミニウム化合物および不可避的不純物と
を出発原料とした焼結体であって、50〜80重量％のＴｉ
Ｎと20〜50重量％のアルミニウム化合物、TiＢ₂および
不可避不純物とからなり、抗折力（ＪＩＳ規格により測
定）が 110 kgf／mm²以上である請求項10に記載の材
料。
【請求項１２】残部結合材が50〜98重量％のＴｉＣ
と、２〜50重量％のアルミニウム化合物、TiＢ₂および
および不可避的不純物とからなる請求項９に記載の材
料。
【請求項１３】基材(2) がＣＢＮ粉末と、結合材粉末
であるＴｉＣ_Z(0.65≦ｚ≦0.85）、アルミニウムおよ
び／またはアルミニウム化合物および不可避的不純物と
を出発原料とした焼結体であって、50〜80重量％のTiＣ
と、20〜50重量％のアルミニウムおよび／またはアルミ
ニウム化合物、TiＢ₂および不可避的不純物とからな
り、抗折力（ＪＩＳ規格による測定）が 105 kgf／mm²
以上である請求項12に記載の材料。
【請求項１４】基材(2) が立方晶型窒化硼素（ＣＢ
Ｎ）を40〜95体積％含む焼結体であり、このＣＢＮ焼結
体の残部結合材が、ＴｉＮ、ＣｏまたはＷの硼化物また
は炭化物、窒化アルミニウム、硼化アルミニウムおよび
これらの固溶体から成る群の中から選択される少なくと
も１種の結合材およびおよび不可避的不純物である請求
項１〜７のいずれか一項に記載の材料。
【請求項１５】ＣＢＮ粒子の平均粒径が３μｍ以下
で、抗折力（ＪＩＳ規格により測定）が 105 kgf／mm²
以上である請求項14に記載の材料。
【請求項１６】残部結合材が１〜50重量％のＴｉＮ
と、ＣｏまたはＷの硼化物または炭化物、窒化アルミニ
ウム、硼化アルミニウムおよびこれらの固溶体から成る
群の中から選択される少なくとも１種とを含む請求項14
に記載の材料。
【請求項１７】基材(2) が立方晶型窒化硼素（ＣＢ
Ｎ）を90体積％以上を含む焼結体であり、このＣＢＮ焼
結体の残部結合材が周期律表第ＩａまたはIIａ元素の硼
窒化物と、ＴｉＮと、不可避的不純物とである請求項１
〜７のいずれか一項に記載の材料。
【請求項１８】残部結合材が１〜50重量％のＴｉＮ
と、周期律表第ＩａまたはIIａ元素の硼窒化物とを含む
請求項17に記載の材料。