JP2015085444A - 高硬度鋼の高速切削加工ですぐれた耐チッピング性を長期にわたって発揮する表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】高速切削加工においても、すぐれた切削性能を発揮する被覆ｃＢＮ基焼結工具を提供する。
【解決手段】ｃＢＮ粒子を含有する焼結体を工具基体とし硬質被覆層を蒸着形成し、（ａ）焼結体中のｃＢＮ粒子の含有割合が４０〜７０容量％であり、（ｂ）ｃＢＮ粒子は、粒径が２μｍ未満のものと２〜４μｍのものとが混在し、（ｃ）工具基体と硬質被覆層の界面において、粒径が２μｍ未満のｃＢＮ粒子上の硬質被覆層中に１０〜１００ｎｍの粒径を有する結晶粒の個数割合が８０％以上、粒径が２〜４μｍ未満のｃＢＮ粒子上の硬質被覆層中に１００ｎｍ〜３００ｎｍの粒径を有する結晶粒の個数割合が８０％以上であり、
（ｄ）硬質被覆層は、工具基体側から、第一層：Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ、第二層：Ｔｉ_{１−ｙ−ｚ}Ａｌ_ｙＳｉ_ｚＮ、第三層：Ｔｉ_１−ａＡｌ_ａ（Ｃ_ｂＮ_１−ｂ）の皮膜の積層構造を有する。
【選択図】なし

Description

本発明は、硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性とともに、すぐれた密着性を具備し、したがって、合金鋼の焼入れ材などの高硬度鋼の高速切削加工に用いた場合にも、すぐれた耐摩耗性を発揮し、長期の切削に亘ってすぐれた切削性能を維持することができる、立方晶窒化硼素基超高圧焼結材料で構成された工具基体の表面に硬質被覆層を形成した表面被覆立方晶窒化硼素基超高圧焼結材料製切削工具（以下、被覆ｃＢＮ基焼結工具という）に関するものである。

一般に、被覆ｃＢＮ基焼結工具には、各種の鋼や鋳鉄などの被削材の旋削加工にバイトの先端部に着脱自在に取り付けて用いられるインサートや、前記インサートを着脱自在に取り付けて、面削加工や溝加工、さらに肩加工などに用いられるソリッドタイプのエンドミルと同様に切削加工を行うインサート式エンドミルなどが知られている。

また、被覆ｃＢＮ基焼結工具としては、各種の立方晶窒化硼素基超高圧焼結材料（以下、ｃＢＮ基焼結材料という）で構成された工具本体の表面に、Ｔｉ窒化物（ＴｉＮ）層、ＴｉとＡｌの複合窒化物（（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ）層などの表面被覆層を蒸着形成してなる被覆ｃＢＮ基焼結工具が知られており、これらが、例えば、各種の鋼や鋳鉄などの切削加工に用いられていることも知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

さらに、前記被覆ｃＢＮ基焼結工具が、例えば、図１に概略説明図で示される物理蒸着装置の１種であるアークイオンプレーティング装置に前記工具基体を装入し、ヒーターで装置内を、例えば、５００℃に加熱した状態で、金属Ｔｉや、それぞれ所定の組成を有するＴｉ−Ａｌ合金からなるカソード電極（蒸発源）と、アノード電極との間に、例えば、９０Ａの電流を印加してアーク放電を発生させ、同時に装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して、例えば、２Ｐａの反応雰囲気とし、一方、前記工具基体には、例えば、−１００Ｖのバイアス電圧を印加した条件で、工具基体の表面に、ＴｉＮ層や（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層など、所望の成分組成の層を蒸着形成することにより製造されることも知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

また、（Ｔｉ，Ａｌ）（Ｃ，Ｎ）層にＳｉを微量含有させた炭窒化物は、硬度が高く、しかも、酸化開始温度も高くなること、さらに、その組成が（Ｔｉ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＳｉ_ｙ)（Ｃ_１−ｚＮ_ｚ)で示される化学式において０．０５≦ｘ≦０．７５，０．０１≦ｙ≦０．１，０．６≦ｚ≦１を満足する場合は、高硬度で耐酸化性の良好な硬質皮膜となり、すぐれた耐摩耗性を発揮することも知られている（例えば、特許文献３参照）。

さらに、ｃＢＮ基焼結材料からなる工具基体の表面に、硬質被覆層として、（Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ）Ｎ層からなる下部層、ＴｉＮ層からなる第１中間層、Ｔｉ（Ｃ_１−ｙＮ_ｙ）層からなる第２中間層、｛１１１｝面配向性を有するＴｉＮ層からなる上部層を蒸着形成することによって、高硬度材の高速切削加工において、すぐれた耐チッピング性、耐欠損性と仕上げ面精度を発揮することも知られている（例えば、特許文献４参照）。

特開平７−３００６４９号公報 特開平８−１１９７７４号公報 特許２７９３７７３号公報 特開２００９−２５５２８２号公報

近年の切削加工装置の自動化はめざましく、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、前記被覆ｃＢＮ基焼結工具においては、各種の鋼や鋳鉄を通常条件下で切削加工した場合に特段の問題は生じない。しかし、これを、合金鋼の焼入れ材などのビッカース硬さ（Ｃスケール）５０以上の高い硬さを有する高硬度鋼の高速連続切削に用いた場合には、切刃部に発生する高熱、あるいは、切刃部に断続的・衝撃的に加わる大きな機械的負荷により、切刃の刃先の境界部分にはチッピングや欠損を生じ、この結果として、長期に亘ってすぐれた切削性能を維持することは困難となり、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。

そこで、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち、本発明の目的は、合金鋼の焼入れ材などの高硬度鋼の高速切削加工に用いた場合にも、すぐれた耐摩耗性を発揮し、長期の切削に亘ってすぐれた切削性能を維持することができる被覆ｃＢＮ基焼結工具を提供することである。

本発明者等は、前述のような観点から、特に合金鋼の焼入れ材などの高硬度鋼の高速連続切削（以下、単に「高速切削」という）加工で、硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する被覆ｃＢＮ基焼結工具を開発すべく研究を行った結果、
(ａ) 硬質被覆層を構成するＴｉとＡｌの複合窒化物（［Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ］Ｎ）層は、Ａｌの含有割合ｘ（原子比）の値が、０．４０〜０．７０の範囲内において所定の耐熱性、高温硬さおよび高温強度を有し、通常の切削加工条件下において必要とされる耐摩耗性は具備しているが、切刃部にきわめて大きな発熱を伴い、あるいは同時に、切刃部に断続的・衝撃的に大きな機械的負荷がかかる高硬度鋼の高速切削加工においては、ＴｉとＡｌの複合窒化物（［Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ］Ｎ）層からなる硬質被覆層は高温強度が不足するために、切刃の境界部分に境界異常損傷が生じ、そして、これが原因となり切削性能を長時間維持することができず、比較的短時間で使用寿命に達してしまうこと。

（ｂ）一方、ＴｉとＡｌとＳｉの複合窒化物（［Ｔｉ_{１−ｙ−ｚ}Ａｌ_ｙＳｉ_ｚ］Ｎ）層は、Ａｌの含有割合ｙ（原子比）の値が、０．４５〜０．６５の範囲内、Ｓｉの含有割合ｚ（原子比）の値が、０．０１〜０．１の範囲内において、所定の耐熱性、高温硬さおよび高温強度を有し、通常の切削加工条件下において必要とされる耐摩耗性は具備しているが、切刃部にきわめて大きな発熱を伴い、あるいは同時に、切刃部に断続的・衝撃的に大きな機械的負荷がかかる高硬度鋼の高速切削加工においては、ＴｉとＡｌとＳｉの複合窒化物（［Ｔｉ_{１−ｙ−ｚ}Ａｌ_ｙＳｉ_ｚ］Ｎ）層からなる硬質被覆層はｃＢＮ基焼結材料との密着力が劣るために、切刃の境界部分に境界異常損傷が生じ、そして、これが原因となり切削性能を長時間維持することができず、比較的短時間で使用寿命に達してしまうこと。

（ｃ）ＴｉとＡｌの複合窒化物（［Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ］Ｎ）層と［Ｔｉ_{１−ｙ−ｚ}Ａｌ_ｙＳｉ_ｚ］Ｎ）層との積層構造とすることによって、前述したようなそれぞれの層が有する作用が相乗的に作用するとともに、一方の層が持つ欠点に対して、他方の層が持つ利点が補完的に作用する結果、硬質被覆層全体としての耐摩耗性が向上すること。

（ｄ）ＴｉとＡｌの複合炭窒化物層（［Ｔｉ_１−ａＡｌ_ａ］［Ｃ_ｂＮ_１−ｂ］）層を最表面層として形成することによって、硬質被覆層全体の硬さおよび耐熱性が向上し、耐摩耗性が向上すること。

（ｅ）工具基体を構成するｃＢＮ基焼結材料中のｃＢＮの結晶粒径を制御することにより、工具基体上に形成する硬質被覆層を構成する結晶粒の粒径を制御することができ、その結果、耐チッピング性を向上させるとともに、切削時の耐摩耗性を向上することができること。

本発明は、前述した（ａ）〜（ｅ）に示される研究結果に基づいてなされたものであって、
「（１） 硬質相成分として、少なくとも立方晶窒化硼素粒子を含有する焼結体を工具基体とし該工具基体に硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、
（ａ）前記焼結体全体を１００容量％とした時の立方晶窒化硼素粒子の含有割合が、４０〜７０容量％であり、
（ｂ）前記立方晶窒化硼素粒子は、粒径が２μｍ未満のものと２〜４μｍのものとが混在し、その容量比が、１：９〜５：５であり、
（ｃ）前記工具基体と硬質被覆層の界面において、粒径が２μｍ未満の立方晶窒化硼素粒子が存在する場所では前記界面から硬質被覆層の最表面までに存在する結晶粒の全数を１００％とした場合に１０〜１００ｎｍの粒径を有する結晶粒の個数割合が８０％以上であるとともに粒径が２〜４μｍ未満の立方晶窒化硼素粒子が存在する場所では前記界面から硬質被覆層の最表面までに存在する結晶粒の全数を１００％とした場合に１００ｎｍを超え３００ｎｍ以下の粒径を有する結晶粒の個数割合が８０％以上であり、
（ｄ）前記硬質被覆層は、全層厚が１．８〜５．０μｍであり、工具基体側から、
第一層：Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ（０．４０≦ｘ≦０．７０）、
第二層：Ｔｉ_{１−ｙ−ｚ}Ａｌ_ｙＳｉ_ｚＮ（０．４５≦ｙ≦０．６５、０．０１≦ｚ≦０．１０）
第三層：［Ｔｉ_１−ａＡｌ_ａ］［Ｃ_ｂＮ_１−ｂ］（０．４≦ａ≦０．７、０＜ｂ≦０．３０）、
の皮膜の積層構造を有するとともに各層の層厚が、
第一層：０．２〜１．０μｍ、第二層：０．８〜２．０μｍ、第三層：０．８〜２．０μｍであることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２） 前記工具基体は、チャンファーホーニング幅：０．１０〜０．１５ｍｍ、チャンファーホーニング角度：２０〜３０度、コーナーＲ：５〜２５μｍのインサート形状であることを特徴とする（１）記載の表面被覆切削工具。」
に特徴を有するものである。

つぎに、本発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具において、これを構成する工具基体のｃＢＮ基焼結材料の配合組成、工具形状および硬質被覆層の組成、層厚を限定した理由を説明する。
（ａ）ｃＢＮ基焼結材料中のｃＢＮ粒子の含有割合と粒径
（イ）ｃＢＮ粒子の含有割合：
ｃＢＮ基焼結材料中のｃＢＮ成分は、きわめて硬質で、ｃＢＮ基焼結材料中で分散相を形成して、耐摩耗性の向上が図れるが、ｃＢＮ基焼結材料全体に対する含有割合が４０容量％未満では、ｃＢＮ基焼結材料中に存在する硬質物質が少なく、所望の耐摩耗性を確保することができない。一方、７０容量％を超えると、ｃＢＮ基焼結材料自体の焼結性が低下し、ｃＢＮ基焼結材料中にクラックの起点となる空隙が生成し、耐欠損性が低下する。そのため、本発明が奏する効果をより一層発揮するためには、ｃＢＮ基焼結材料全体に占めるｃＢＮ粒子の含有割合は、４０〜７０容量％の範囲とすることが好ましい。
ここで、ｃＢＮ焼結材料に占めるｃＢＮ粒子の含有割合（容量％）は、ｃＢＮ焼結材料の断面組織をＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）によって１５μｍ×１５μｍ程度の視野領域で観察し、得られた二次電子像内のｃＢＮ粒子の部分を画像処理によって抜き出し、画像解析によってｃＢＮ粒子が占める面積を算出し、この面積割合をｃＢＮ粒子の含有割合（容量％）とした。

（ロ）ｃＢＮ粒子の粒径：
本発明におけるｃＢＮ粒子は、粒径が２μｍ未満のものと２〜４μｍのものとが混在しており、両者の容量比が、１：９〜５：５であることを特徴としている。
その理由は、工具基体の界面に現れるｃＢＮ粒子が結晶核となり、その上に形成される硬質被覆層の結晶粒の粒径に影響を与えており、粒径が２μｍ未満のｃＢＮ粒子が存在している箇所の上に粒径が１０〜１００ｎｍの比較的微粒の結晶粒が個数割合で８０％以上存在し、粒径が２〜４μｍのｃＢＮ粒子が存在している箇所の上に粒径が１００〜３００ｎｍの比較的粗粒の結晶粒が個数割合で８０％以上存在する。この時、微粒の結晶粒が多く存在することにより、工具基体と硬質被覆層との密着力が発現される。また、粗粒の結晶粒が多く存在することにより、切削時の外力による耐性が強くなり、耐摩耗性を発現する。本発明は、工具基体を構成するｃＢＮ粒子の粒径を制御することにより、硬質被覆層の結晶粒の分布割合を制御し、それにより、もっとも切削性能の向上に寄与する結晶粒の分布割合を幾つもの試験結果に基づき導出したところ、粒径が２μｍ未満のｃＢＮ粒子と２〜４μｍのｃＢＮ粒子との混在比は、１：９〜５：５であると定めた。

（ハ）工具基体形状：
チャンファー角度が２０度未満、もしくは、チャンファーホーニング幅０．１０ｍｍ未満、もしくは、コーナーＲが５μｍ未満のいずれかの場合、高速切削加工時における切削抵抗が大きく長時間切削で耐欠損性が確保できない。チャンファー角度が３０度を超える、もしくは、チャンファーホーニング幅０．１５ｍｍを超える、もしくは、コーナーＲが２５μｍを超える場合、高速切削加工時における切削抵抗は小さいが仕上げ面粗さが大きい。
そのため、本発明における工具基体基体の形状については、チャンファーホーニング幅：０．１０〜０．１５ｍｍ、チャンファーホーニング角度：２０〜３０度、コーナーＲ：５〜２５μｍが好ましい。

（ｂ）硬質被覆層の第一層：
硬質被覆層の第一層を構成するＴｉとＡｌの複合窒化物（［Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ］Ｎ）層におけるＴｉ成分は高温強度の維持、Ａｌ成分は高温硬さと耐熱性の向上に寄与することから、硬質被覆層の第一層を構成するＴｉとＡｌの複合窒化物（［Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘ］Ｎ）層は、所定の高温強度、高温硬さおよび耐熱性、工具基体との密着性を具備する層であって、焼入れ鋼等の高硬度鋼の高速切削加工時における切刃部の耐摩耗性を確保する役割を基本的に担う。ただ、Ａｌの含有割合ｘが７０原子％を超えると第一層の高温硬さと耐熱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、立方晶単相から立方晶と六方晶の混相となり、硬さが低下するため、耐摩耗性が低下しやすくなり、一方、Ａｌの含有割合ｘが４０原子％未満になると、高温での耐酸化性が低下し、その結果、耐チッピング性の低下がみられるようになることから、Ａｌの含有割合ｘの値を０．４０〜０．７０と定めた。
また、第一層の層厚が１．８μｍ未満である場合、工具基体と硬質被覆層の第一層の密着性が不十分となることから、高速切削加工時に耐剥離性が不十分のため耐摩耗性が確保できない。また、第一層の層厚が５．０μｍを超える厚膜である場合、硬質被覆層中の圧縮残留応力により工具基体表面における単位面積当たりに皮膜に蓄積される力が大きくなり、高速切削加工時にチッピングが起こりやすい。そのため、第一層の層厚を１．８〜５．０μｍと定めた。

（ｃ）硬質被覆層の第二層：
硬質被覆層の第二層を構成するＴｉとＡｌとＳｉの複合窒化物（［Ｔｉ_{１−ｙ−ｚ}Ａｌ_ｙＳｉ_ｚ］Ｎ）層におけるＴｉ成分は高温強度の維持、Ａｌ成分は高温硬さと耐熱性の向上、Ｓｉ成分は靭性の向上に寄与することから、硬質被覆層の第二層を構成するＴｉとＡｌとＳｉの複合窒化物（［Ｔｉ_{１−ｙ−ｚ}Ａｌ_ｙＳｉ_ｚ］Ｎ）層は、所定の高温強度、高温硬さ、耐熱性および靭性を具備する層であって、焼入れ鋼等の高硬度鋼の高速切削加工時における切刃部の耐摩耗性を確保する役割を基本的に担う。ただ、Ａｌの含有割合ｙが６５原子％を超えると第二層の高温硬さと耐熱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、高温強度が低下しチッピングを発生しやすくなり、一方、Ａｌの含有割合ｙが４５原子％未満になると、高温硬さと耐熱性が低下し、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０．４５〜０．６５と定めた。また、Ｓｉの含有割合ｚが１０原子％を超えると第二層の硬さは向上するものの、Ａｌ含有割合およびＴｉ含有割合の相対的な減少によって、高温強度が低下し、チッピングを発生しやすくなる。一方、Ｓｉの含有割合ｚが１原子％未満になると、硬さと耐熱性が低下し、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、Ｓｉの含有割合ｚの値を０．０１〜０．１０と定めた。
また、第二層の層厚が０．２μｍ未満である場合、高速切削加工時に切削初期に皮膜が消失してしまい、耐摩耗性が確保できない。また、第二層の層厚が１．０μｍを超える厚膜である場合、硬質被覆層中の圧縮残留応力により工具基体表面における単位面積当たりに皮膜に蓄積される力が大きくなり、高速切削加工時にチッピングが起こりやすい。そのため、第二層の層厚を０．２〜１．０μｍと定めた。

（ｄ）硬質被覆層の第三層：
硬質被覆層の第三層を構成するＴｉとＡｌの複合炭窒化物（［Ｔｉ_１−ａＡｌ_ａ］［Ｃ_ｂＮ_１−ｂ］）層におけるＴｉ成分は高温強度の維持、Ａｌ成分は高温硬さと耐熱性の向上に寄与することから、硬質被覆層の第三層を構成するＴｉとＡｌの複合炭窒化物（［Ｔｉ_１−ａＡｌ_ａ］［Ｃ_ｂＮ_１−ｂ］）層は、所定の高温強度、高温硬さおよび耐熱性を具備する層であって、焼入れ鋼等の高硬度鋼の高速切削加工時における切刃部の耐摩耗性を確保する役割を基本的に担う。ただ、Ａｌの含有割合ａが７０原子％を超えると第三層の高温硬さと耐熱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、立方晶単相から立方晶と六方晶の混相となり、硬さが低下するため、耐摩耗性が低下しやすくなり、一方、Ａｌの含有割合ａが４０原子％未満になると、高温での耐酸化性が低下し、その結果、耐チッピング性の低下がみられるようになることから、Ａｌの含有割合ａの値を０．４０〜０．７０と定めた。さらに、ＣとＮの合量に対するＣの含有割合ｂが３０原子％以下の割合でＣ成分を含有する時、ＴｉとＡｌの複合炭窒化物（［Ｔｉ_１−ａＡｌ_ａ］［Ｃ_ｂＮ_１−ｂ］）層は高温状況下での耐酸化性が向上する。一方、ＣとＮの合量に対するＣの含有割合ｂの値が３０原子％を超えると皮膜の性状劣化による機械強度の低下などが生じるため好ましくない。したがって、Ｃの含有割合ｂの値を０＜ｂ≦０．３０と定めた。
また、第三層の層厚が０．８μｍ未満である場合、高速切削加工時に切削初期に皮膜が消失してしまい、耐摩耗性が確保できない。また、第三層の層厚が２．０μｍを超える厚膜である場合、硬質被覆層中の圧縮残留応力により工具基体表面における単位面積当たりに皮膜に蓄積される力が大きくなり、高速切削加工時にチッピングが起こりやすい。そのため、第二層の層厚を０．８〜２．０μｍと定めた。

本発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具は、工具基体を構成するｃＢＮ粒子が粒径２μｍ未満のものと２〜４μｍのものとが混在するとともに、硬質被覆層が所定の組成を有する第一層と第二層と第三層との積層構造とすることによって、硬質被覆層中の結晶粒の粒径を制御するという新規な構成により、すぐれた耐熱性、高温硬さ、高温強度および耐衝撃強さを兼ね備えるという従来の被覆ｃＢＮ基焼結工具とは、異質の効果を奏するものであって、特に合金鋼の焼入れ材などのような高硬度鋼の、高熱発生を伴う、かつ、切刃部に断続的・衝撃的な機械的負荷が加わる高速連続切削の厳しい条件下の切削加工であっても、硬質被覆層に境界異常損傷の発生がなく、長期に亘って、すぐれた耐摩耗性を発揮するとともに、被削材のすぐれた仕上げ面精度を維持することができるなど、その効果は絶大である。

本発明および比較品の被覆ｃＢＮ基焼結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装置を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略正面図である。

つぎに、本発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具を実施例により具体的に説明する。

原料粉末として、２μｍ未満の平均粒径を有する立方晶窒化硼素粉末（以下、微粒ｃＢＮ粉末という）および２〜４μｍの平均粒径を有する立方晶窒化硼素粉末（以下、粗粒ｃＢＮ粉末という）、ならびに、いずれも０．５〜４μｍの範囲の平均粒径を有する窒化チタン（ＴｉＮ）粉末、Ａｌ粉末、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）粉末を用意する。この時、目の大きさが４μｍのメッシュを用いて原料粉末をフィルタリングしているため、粒径が４μｍより大きい粒子は原料粉末の中に含まれていない。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時間湿式混合する。そして、得られた混合粉末を乾燥した後、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：５ＧＰａ、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ＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８の形状（厚さ：４．７６mm×一辺長さ：１２．７mmの正三角形）をもったＷＣ基超硬合金製チップ本体のろう付け部（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、切刃部にチャンファーホーニング幅：０．１３ｍｍ、チャンファーホーニング角度：２５°、コーナーＲ：１５μｍ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ＣＮＧＡ１２０４０８のインサート形状をもった工具基体Ａ〜Ｄ、Ｆ〜Ｉをそれぞれ製造した。また、ろう付けの工程まで同様で、切刃部のホーニング形状が異なる工具基体として、チャンファーホーニング幅：０．１３ｍｍ、チャンファーホーニング角度：２５°、コーナーＲ：３０μｍのホーニング加工を施し、さらに仕上げ研磨を施すことによりＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８のインサート形状をもった工具基体Ｅ、Ｊをそれぞれ製造した。（ただし、工具基体Ｆ〜Ｊは、後述する比較品用である）

（ａ）ついで、前記工具基体Ａ〜Ｅのそれぞれを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、図１に示されるアークイオンプレーティング装置内の回転テーブル上の中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に外周部に沿って装着し、一方側のカソード電極（蒸発源）として、また、他方側のカソード電極（蒸発源）として、それぞれ表２に示される目標組成に対応した成分組成を有する第一層および第三層形成用ＴｉＡｌ合金と第二層形成用ＴｉＡｌＳｉ合金を、回転テーブルを挟んで対向配置し、
（ｂ）まず、装置内を排気して０．１Ｐａ以下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ガス圧力：０．５〜１．０Ｐａの雰囲気とすると共に、タングステンフィラメントに電流５０〜６０Ａの条件下で１分のボンバード処理を３回繰り返す。ボンバード処理の間はタングステンフィラメントに電流を流さない時間を１分設定する事で、ろう材が溶融することを防止する。これらの処理により、工具基体表面に不可避的に付着している有機物等の汚染物を除去する。
（ｃ）さらに、Ａｒガス圧力：２〜４Ｐａの雰囲気とすると共に、タングステンフィラメントに電流５０〜６０Ａの条件下で２分のボンバード処理を８〜１０回繰り返す。ボンバード処理の間はタングステンフィラメントに電流を流さない時間を１分設定する事で、ろう材が溶融することを防止する。
（ｄ）次いで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して２〜６Ｐａの範囲内の所定の反応雰囲気とすると共に、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−５０〜−１００Ｖの範囲内の所定の直流バイアス電圧を印加し、かつ第一層形成用Ｔｉ−Ａｌ合金とアノード電極との間に１００〜１５０Ａの範囲内の所定の電流を流してアーク放電を発生させて、工具基体の表面に、表２に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層を硬質被覆層の第一層として蒸着形成し、
（ｅ）次いで、装置内に導入する反応ガスとしての窒素ガスの流量を調整して６〜１０Ｐａの範囲内の所定の反応雰囲気とすると共に、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−１０〜−１００Ｖの範囲内の所定の直流バイアス電圧を印加した状態で、第二層形成用Ｔｉ−Ａｌ−Ｓｉ合金のカソード電極とアノード電極との間に５０〜１５０Ａの範囲内の所定の電流を流してアーク放電を発生させて、第一層の表面に所定層厚の第二層を形成し、
（ｆ）次いで、装置内に導入する反応ガスとしての窒素ガスとメタンガスの流量を調整して６〜１０Ｐａの範囲内の所定の反応雰囲気とすると共に、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−１０〜−１００Ｖの範囲内の所定の直流バイアス電圧を印加した状態で、第三層形成用Ｔｉ−Ａｌ合金のカソード電極とアノード電極との間に５０〜１５０Ａの範囲内の所定の電流を流してアーク放電を発生させて、第三層の表面に所定層厚の第三層を形成し、もって工具基体の表面に、層厚方向に沿って表２に示される目標組成および目標層厚の第一層と第二層と第三層の積層からなる硬質被覆層を同じく表２に示される合計層厚（平均層厚）で蒸着形成することにより、本発明被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜１０をそれぞれ製造した。
本発明では、前記（ｃ）のボンバード処理により、工具基体表面露出している結晶粒径が２μｍ未満の微粒ｃＢＮは周辺の導電性バインダーを介してボンバードされ、その微粒ｃＢＮは表面が粗化されるため、皮膜の成膜初期においては結晶核が形成されやすく、したがって、その上には結晶粒径が１００ｎｍ未満の結晶粒が主の皮膜が形成される。一方、工具基体表面露出している結晶粒径が２μｍ以上の粗粒ｃＢＮは、ｃＢＮ粒子は非導電性であるため、粗粒ｃＢＮは、ほとんどボンバードされることがなく、その粗粒ｃＢＮは表面の粗化処理がなされないため結晶核が形成されにくく、したがって、その上には結晶粒径が１００ｎｍ以上の結晶粒が主の皮膜が形成される。

また、比較の目的で、工具基体Ｆ〜Ｊを用い、前述した（ａ）〜（ｆ）と同様の方法を用いて、工具基体の表面に、層厚方向に沿って表３に示される目標組成および目標層厚の第一層と第二層と第三層の積層からなる硬質被覆層を同じく表３に示される合計層厚（平均層厚）で蒸着形成することにより、比較品被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜１０をそれぞれ製造した。

この結果得られた各種の被覆ｃＢＮ基焼結工具のインサート本体を構成するｃＢＮ基焼結材料について、その組織を走査型電子顕微鏡を用いて観察したところ、いずれのインサート本体も、実質的に分散相を形成するｃＢＮ相と連続相を形成するＴｉＮ相との界面に超高圧焼結反応生成物が介在した組織を示した。

さらに、硬質被覆層について、その組成を透過型電子顕微鏡を用いてのエネルギー分散型Ｘ線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、また、その平均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。
さらに、それぞれの硬質被覆層について、ナノインデンテーション硬さ試験機を用いて、ナノインデンテーション硬さを測定する。具体的には、頂角１３６°の四角錐形状のダイヤモンド圧子を硬質被覆層に押しつけ、その圧痕表面積で試験加重を除算することにより求めた。５ヶ所の測定を行い、その平均値をナノインデンテーション硬さとした。
また、立方晶窒化硼素粒子上の硬質被覆層の結晶粒径の測定方法を以下に記載する。工具基体の断面を切り出し、その断面をＳＥＭにて観察する。硬質被覆層と立方晶窒化硼素粒子との界面において、立方晶窒化硼素粒子の端部から硬質被覆層表面に向かい界面と垂直に直線を引く。なお、硬質被覆層と立方晶窒化硼素粒子との界面において立方晶窒化硼素粒子の端部間の直線距離を、界面における立方晶窒化硼素の粒径と定義する。界面において粒径が２μｍ未満の立方晶窒化硼素（以下、界面における微粒ｃＢＮという）上の硬質被覆層、および界面において粒径が２〜４μｍの立方晶窒化硼素（以下、界面における粗粒ｃＢＮという）上の領域に形成されている硬質被覆層において、それぞれ硬質被覆層表面から深さ０．５μｍの領域に形成されている結晶粒、および硬質被覆層内における工具基体と硬質被覆層の界面から厚さ０．５μｍの領域に形成されている結晶粒にて、工具基体表面と平行に直線を引き、結晶粒界間の距離を粒径と定義する。なお、工具基体表面と平行に直線を引く位置は、各結晶粒において最長の結晶粒径となる位置とする。界面における微粒ｃＢＮ、および界面における粗粒ｃＢＮ上の硬質被覆層において、計測する結晶粒の個数は、それぞれの位置で各２００個とする。界面における微粒ｃＢＮ、および界面における粗粒ｃＢＮ上の硬質被覆層の結晶粒径はそれぞれ４００個分の計測データを用いて、界面における微粒ｃＢＮ結晶粒上の硬質被覆層における粒径が１０〜１００ｎｍである結晶粒の個数割合、および界面における粗粒ｃＢＮ結晶粒上の硬質被覆層における粒径が１００〜３００ｎｍである結晶粒の個数割合算出した。図２に模式図を示す。
表２、表３にこれらの値を示す。

つぎに、前記各種の被覆ｃＢＮ基焼結工具を、いずれも工具鋼製バイトの先端部に固定治具にてネジ止めした状態で、本発明被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜１０および比較品被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜１０のうち、本発明被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜５および比較品被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜５については、以下に示す切削条件Ａ、Ｂで高速連続切削試験を行い、また、本発明被覆ｃＢＮ基焼結工具６〜１０および比較品被覆ｃＢＮ基焼結工具６〜１０については、同じく以下に示す切削条件ａ、ｂで高速連続切削試験を実施した。
[切削条件Ａ]
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４１５の浸炭焼入れ材（硬さ：ＨＲＣ６１）の丸棒、
切削速度： １８０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．２ ｍｍ、
送り： ０．１５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １５ 分、
の条件での合金鋼の乾式連続高速切削加工試験（通常の切削速度は１５０ｍ／ｍｉｎ．）、
[切削条件Ｂ]
被削材：ＪＩＳ・ＳＣｒ４２０の浸炭焼入れ材（硬さ：ＨＲＣ６０）の丸棒、
切削速度： １８０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．２ ｍｍ、
送り： ０．１５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： １５ 分、
の条件での合金鋼の乾式連続高速切削加工試験（通常の切削速度は１５０ｍ／ｍｉｎ．）、
[切削条件ａ]
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４１５の浸炭焼入れ材（硬さ：ＨＲＣ６１）の丸棒、
切削速度： ２５０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．２ ｍｍ、
送り： ０．１０ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件での合金鋼の乾式連続高速切削加工試験（通常の切削速度は１５０ｍ／ｍｉｎ．）、
[切削条件ｂ]
被削材：ＪＩＳ・ＳＣｒ４２０の浸炭焼入れ材（硬さ：ＨＲＣ６０）の丸棒、
切削速度： ２５０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．２ ｍｍ、
送り： ０．１ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ５ 分、
の条件での合金鋼の乾式連続高速切削加工試験（通常の切削速度は１５０ｍ／ｍｉｎ．）を行い、いずれの切削加工試験でも切刃の逃げ面摩耗幅（ｍｍ）と被削材の仕上げ面精度（ＪＩＳ Ｂ０６０１−２００１による最大高さ（Ｒｚ(μｍ)）を測定した。この測定結果を表４に示した。

表２〜４に示される結果から、本発明被覆ｃＢＮ基焼結工具は、いずれも硬質被覆層が、全層厚がそれぞれ１．８〜５．０μｍで、第一層：層厚０．２〜１．０μｍのＴｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ（０．４≦ｘ≦０．７）層、第二層：層厚０．８〜２．０μｍのＴｉ_{１−ｙ−ｚ}Ａｌ_ｙＳｉ_ｚＮ（０．４５≦ｙ≦０．６５、０．０１≦ｚ≦０．１）層、第三層：層厚０．８〜２．０μｍの［Ｔｉ_１−ａＡｌ_ａ］［Ｃ_ｂＮ_１−ｂ］（０．４≦ａ≦０．７、０＜ｂ≦０．３０）層とからなる積層構造を有し、第一層がすぐれた耐熱性、高温強度とすぐれた高温硬さを備え、第二層がすぐれた耐熱性、高温硬さとより一段とすぐれた高温強度と耐衝撃強さを備え、さらに第三層がすぐれた耐摩耗性を備えているとともに、硬質被覆層中の結晶粒の粒径が制御されていることにより、合金鋼の焼入れ鋼等の高硬度鋼の高速切削加工でも、欠損、境界異常損傷およびチッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を発揮するとともに、被削材のすぐれた仕上げ面精度を確保することができるのに対して、硬質被覆層が本発明のような条件を備えていない比較品被覆ｃＢＮ基焼結工具は、特に硬質被覆層の高温強度、耐衝撃強さ不足が原因で、刃先に欠損、境界異常損傷やチッピングが発生し、被削材の仕上げ面精度を維持することができないばかりか、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
また、硬質被覆層のナノインデンテーション硬さの絶対的な評価は難しいが、前述の結果から、本発明の硬質被覆層は、比較品の硬質被覆層に比べて、ナノインデンテーション硬さ高いことが明らかである。このことが硬質被覆層の耐摩耗性の向上に寄与していると考えられる。

本発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具は、各種の鋼や鋳鉄などの通常の切削条件での切削加工は勿論のこと、特に合金鋼の焼入れ材等のような高硬度鋼の、高熱発生を伴い切刃部にきわめて大きな断続的・衝撃的な機械的負荷が加わる高速連続切削であっても、硬質被覆層がすぐれた耐境界異常損傷性を発揮し、すぐれた被削材仕上げ面精度を長期に亘って維持するとともにすぐれた耐摩耗性をも示すものであるから、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。

Claims (2)

1. 硬質相成分として、少なくとも立方晶窒化硼素粒子を含有する焼結体を工具基体とし該工具基体に硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、
   （ａ）前記焼結体全体を１００容量％とした時の立方晶窒化硼素粒子の含有割合が、４０〜７０容量％であり、
   （ｂ）前記立方晶窒化硼素粒子は、粒径が２μｍ未満のものと２〜４μｍのものとが混在し、その容量比が、１：９〜５：５であり、
   （ｃ）前記工具基体と硬質被覆層の界面において、粒径が２μｍ未満の立方晶窒化硼素粒子が存在する場所では前記界面から硬質被覆層の最表面までに存在する結晶粒の全数を１００％とした場合に１０〜１００ｎｍの粒径を有する結晶粒の個数割合が８０％以上であるとともに粒径が２〜４μｍ未満の立方晶窒化硼素粒子が存在する場所では前記界面から硬質被覆層の最表面までに存在する結晶粒の全数を１００％とした場合に１００ｎｍを超え３００ｎｍ以下の粒径を有する結晶粒の個数割合が８０％以上であり、
   （ｄ）前記硬質被覆層は、工具基体側から、
   第一層：Ｔｉ_１−ｘＡｌ_ｘＮ（０．４≦ｘ≦０．７）、
   第二層：Ｔｉ_{１−ｙ−ｚ}Ａｌ_ｙＳｉ_ｚＮ（０．４５≦ｙ≦０．６５、０．０１≦ｚ≦０．１）
   第三層：Ｔｉ_１−ａＡｌ_ａ（Ｃ_ｂＮ_１−ｂ）（０．４≦ａ≦０．７、０＜ｂ≦０．３）、
   の皮膜の積層構造を有するとともに全層厚が１．８〜５．０μｍ、第一層の層厚が０．２〜１．０μｍ、第二層の層厚が０．８〜２．０μｍ、第三層の層厚が０．８〜２．０μｍであることを特徴とする表面被覆切削工具。
2. 前記工具基体は、チャンファーホーニング幅：０．１０〜０．１５ｍｍ、チャンファーホーニング角度：２０〜３０度、コーナーＲ：５〜２５μｍのインサート形状であることを特徴とする請求項１記載の表面被覆切削工具。