JP2008302438A - 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 - Google Patents

Abstract

【課題】高硬度材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を提供する。
【解決手段】ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣの１種又は２種以上からなるＴｉ化合物：３５〜５０％、Ａｌ及び／又はＡｌ_２Ｏ_３：８〜１６％、ＷＣ：１〜６％、残部：ｃ−ＢＮ（いずれも質量％）からなる圧粉体の超高圧焼結材料で構成され、分散相を形成するｃ−ＢＮ相と連続相を形成するＴｉ化合物相との界面に超高圧焼結反応生成物が介在した組織を有するインサート本体の表面に、硬質被覆層として、（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）Ｎ層（原子比で、Ｘ＝０．４〜０．６５）からなる下部層と、上部層とを蒸着形成し、該上部層は、ＴｉＮ層と（Ｔｉ_１−ＹＡｌ_Ｙ）Ｎ層（原子比で、Ｙ＝０．４〜０．６５）との交互積層構造として構成する。
【選択図】 なし

Description

この発明は、合金工具鋼や軸受け鋼の焼入れ材などの高硬度材を、高速切削加工した場合でも、硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を有し、長期にわたって安定した切削性能を発揮することができる、立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料で構成された切削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ほう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、各種の立方晶窒化ほう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、チタン窒化物層、チタンとアルミニウムの複合窒化物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。

さらに、上記の被覆ｃＢＮ基焼結工具が、例えば図２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上記の工具基体を装入し、ヒータで装置内を、例えば５００℃に加熱した状態で、金属Ｔｉあるいは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、たとえば−１００Ｖのバイアス電圧を印加した条件で、前記工具基体の表面に、チタン窒化物層、チタンとアルミニウムの複合窒化物層など、所望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。
特開２００１−２３４３２８号公報 特開平８−１１９７７４号公報

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、より厳しい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、各種の鋼や鋳鉄を通常条件で切削加工した場合に特段の問題は生じないが、これを、合金工具鋼や軸受け鋼の焼入れ材などの高硬度材の高速切削に用いた場合には、高熱下で切刃部に大きな機械的負荷がかかるため、切刃の逃げ面摩耗の発達が早くなり、被削材の寸法精度が悪化するか、あるいは、切刃の刃先の境界部分に生じる異常損傷（以下、境界異常損傷という）を生じ、これが原因で被削材の仕上げ面精度が悪化し、いずれの場合においても、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、合金工具鋼や軸受け鋼の焼入れ材などの高硬度材の高速切削加工で、硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する被覆ｃＢＮ基焼結工具を開発すべく研究を行った結果、次のような知見を得た。
(ａ) 硬質被覆層を構成するＴｉとＡｌの複合窒化物層（以下、ＴｉＡｌＮ層で示す）を、
組成式：（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）Ｎ
で表した場合、Ｔｉとの合量に占めるＡｌの含有割合Ｘ（原子比）の値が、０．４〜０．６５の範囲内において所定の高温硬さ、耐酸化性及び高温強度を有し、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、合金工具鋼や軸受け鋼の焼入れ材などの高硬度材の高速切削加工においては、切刃部に発生する高熱により被削材および切粉は極めて高温に加熱されると同時に切刃部に大きな機械的負荷がかかるため、切刃の境界部分には境界異常損傷が生じ、そして、これが欠損や被削材の仕上げ面精度悪化の原因となること。

（ｂ）上記（ａ）のＴｉＡｌＮ層を硬質被覆層の下部層とし、その上に、チタンの窒化物（以下、ＴｉＮで示す）層を上部層として蒸着形成せしめ、ＴｉＮ層の具備するすぐれた靭性、耐衝撃性によって、硬質被覆層の境界異常損傷、欠損の発生を防止することも考えられるが、このような層構造では、耐境界異常損傷性、耐欠損性は改善されるものの、ＴｉＮ層は十分な高温硬さを備えていないために、硬質被覆層の耐摩耗性が低下するという不都合が生じること。

（ｃ）しかし、上記上部層を、すぐれた靭性、耐衝撃性を具備するＴｉＮ層と、すぐれた高温硬さ、耐酸化性及び高温強度を備える（Ｔｉ_１−ＹＡｌ_Ｙ）Ｎ層（但し、Ｙの値は、原子比で０．４〜０．６５）との交互積層構造として構成することにより、ＴｉＮ層の高温硬さの不足を補完し耐摩耗性を改善できる同時に、合金工具鋼や軸受け鋼の焼入れ材などの高硬度材の高速切削加工において、境界異常損傷、欠損の発生を防止できること。

この発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「 窒化チタン（ＴｉＮ）、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）および炭化チタン（ＴｉＣ）のうちから選ばれる１種又は２種以上のチタン（Ｔｉ）化合物を３５〜５０％、アルミニウム（Ａｌ）および／または酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を８〜１６％、炭化タングステン（ＷＣ）を１〜６％、残部立方晶窒化ほう素（ｃＢＮ）（以上、％は、いずれも質量％を示す）からなる配合組成を有する圧粉体の超高圧焼結材料で構成され、かつ、走査型電子顕微鏡による組織観察で、分散相を形成する立方晶窒化ほう素（ｃＢＮ）相と連続相を形成するチタン（Ｔｉ）化合物相との界面に超高圧焼結反応生成物が介在した組織を有するインサート本体の表面に硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆立方晶窒化ほう素（ｃＢＮ）基超高圧焼結材料製切削工具において、
（ａ）硬質被覆層は、０．５〜２μｍの平均層厚を有する下部層と、０．５〜３μｍの合計平均層厚を有する上部層を有し、
（ｂ）硬質被覆層の下部層は、
組成式：（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）Ｎ
で表した場合、Ｘが０．４〜０．６５（但し、原子比）である蒸着形成されたチタンとアルミニウムの複合窒化物（ＴｉＡｌＮ）層、
（ｃ）硬質被覆層の上部層は、下部層の表面に蒸着形成された、一層平均層厚が０．０５〜０．３μｍの薄層Ａと、一層平均層厚が０．０２〜０．２μｍの薄層Ｂの各１層以上の交互積層構造を有し、
上記薄層Ａは、
組成式：ＴｉＮで表されるチタンの窒化物（ＴｉＮ）層、
上記薄層Ｂは、
組成式：（Ｔｉ_１−ＹＡｌ_Ｙ）Ｎ
で表した場合、Ｙが０．４〜０．６５（但し、原子比）であるチタンとアルミニウムの複合窒化物（ＴｉＡｌＮ）層、
からなる硬質被覆層を蒸着形成した、表面被覆立方晶窒化ほう素（ｃＢＮ）基超高圧焼結材料製切削工具（被覆ｃＢＮ基焼結工具）。」
に特徴を有するものである。

つぎに、この発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具において、これを構成するインサート本体のｃＢＮ基焼結材料の配合組成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）インサート本体のｃＢＮ基焼結材料の配合組成
（イ）ＴｉＮ、ＴｉＣＮおよびＴｉＣのうちから選ばれる１種又は２種以上のＴｉ化合物
焼結材料中のＴｉ化合物成分は、焼結性を向上させるとともに焼結体中で連続相を形成して強度を向上させる作用があるが、その配合割合が３５質量％未満では所望の強度を確保することができず、一方その配合割合が５０質量％を超えると相対的にｃＢＮの含有量が少なくなり、すくい面摩耗などが生じやすくなることから、その配合割合を３５〜５０質量％と定めた。

（ロ）Ａｌおよび／またはＡｌ_２Ｏ_３
これらの成分は焼結時に優先的にｃＢＮ粉末の表面に凝集し、反応して反応生成物を形成し、焼結後のｃＢＮ基材料中で、連続相を形成するＴｉ化合物相と硬質分散相を形成するｃＢＮ相の間に介在するようになり、この反応生成物は前記連続相を形成するＴｉ化合物相と硬質分散相を形成するｃＢＮ相のいずれとも強固に密着接合する性質をもつことから、前記ｃＢＮ相の連続結合相であるＴｉ化合物相に対する密着性が著しく向上し、この結果切刃の耐チッピング性が向上するようになるが、Ａｌおよび／またはＡｌ_２Ｏ_３の配合割合が８〜１６質量％の範囲からはずれると、中間密着層として前記硬質分散相と連続相の間に強固な密着性を確保することができないので、Ａｌおよび／またはＡｌ_２Ｏ_３の配合割合を８〜１６質量％と定めた。

（ハ）ＷＣ
結合相の主成分であるＴｉ化合物とｃＢＮが焼結時に反応を起こすと、ＴｉＢ_２という硬いが脆い化合物が生成する。そのため、ＴｉＢ_２が多く生成すると、切刃のチッピングが生じやすくなる。ＷＣを添加すると、ｃＢＮ近傍でＷのホウ化物を生成し、ＴｉＢ_２の生成を抑制するため、耐チッピング性の向上が期待できる。ＷＣ添加量が１％未満では、ＴｉＢ_２の生成を十分に抑制できず、逆に、６％を超えて添加すると、ＷＣ成分が残留し、逆に耐チッピング性の低下を招くことから、ＷＣの配合割合を１〜６質量％と定めた。

（ニ）ｃＢＮ
超高圧焼結材料製工具基体中の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が図れるが、その配合割合が少なすぎると所望のすぐれた耐摩耗性を確保することができず、一方その配合割合が多くなりすぎると、ｃＢＮ基材料自体の焼結性が低下し、この結果切刃に欠損が生じやすくなることから、ｃＢＮの配合割合は、焼結材料の構成成分であるＴｉ化合物、Ａｌおよび／またはＡｌ_２Ｏ_３の残部、ＷＣの残部、即ち、２８〜５６質量％となる。

（ｂ）硬質被覆層の下部層
硬質被覆層の下部層を構成するＴｉＡｌＮ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酸化性の向上に寄与することから、硬質被覆層の下部層を構成する（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）Ｎ層は、所定の高温強度、高温硬さおよび耐酸化性を具備する層であって、合金工具鋼や軸受け鋼の焼入れ材などの高硬度材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６５原子％を超えると、結晶構造の変化により、高温強度が低下し欠損が生じやすくなり、一方、Ａｌの含有割合Ｘが４０原子％未満になると、高温硬さと耐酸化性が低下し、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Ｘの値を０．４〜０．６５と定めた。
また、下部層の平均層厚が０．５μｍ未満では、自身のもつ耐酸化性、高温硬さおよび高温強度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２μｍ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０．５〜２μｍと定めた。

なお、超高圧焼結材料製切削工具基体と下部層との十分な密着性を確保するために、基体と下部層との間にチタンまたはクロムの窒化物（ＴｉＮまたはＣｒＮ）の薄層を介在させることができる。該ＴｉＮまたはＣｒＮの薄層は、その層厚が０．０１μｍ未満では密着性改善の効果が少なく、一方、０．５μｍを超えた層厚としても密着性の更なる向上が期待できるわけではないことから、基体と下部層との間に介在させるＴｉＮ層またはＣｒＮの層厚は０．０１μｍ以上０．５μｍ以下とすることが望ましい。

（ｃ）硬質被覆層の上部層
（イ）上部層の薄層Ａ
上部層の薄層Ａを構成するＴｉＮ層は、所定の靭性、耐衝撃性を備えるため、高硬度材の高速切削加工において、硬質被覆層に境界異常損傷、欠損が発生することを防止する作用を有するが、その一層平均層厚が０．０５μｍ未満では上記のすぐれた特性を十分発揮することはできず、一方、その一層平均層厚が０．３μｍを超えると、上部層の高温硬さが不足し耐摩耗性が低下傾向を示すので、薄層Ａの一層平均層厚は、０．０５〜０．３μｍと定めた。

（ロ）上部層の薄層Ｂ
上部層の薄層Ｂを構成するＴｉＡｌＮ層は、薄層Ａと薄層Ｂとで交互積層構造を構成することにより、薄層Ａの有する靭性、耐衝撃性を損なうことなしに、薄層Ａに不足する特性（高温硬さ、高温強度、耐酸化性）を補完する。
つまり、薄層Ｂを構成するＴｉＡｌＮ層は、
組成式：（Ｔｉ_１−ＹＡｌ_Ｙ）Ｎ層
で表した場合、下部層（組成式（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）Ｎで表されるＴｉＡｌＮ層）の場合と同様、すぐれた高温硬さ、高温強度、耐酸化性を具備し、薄層Ａに不足する特性を補完するために、Ｙの値を０．４〜０．６５に定めた。
なお、硬質被覆層の下部層と薄層Ｂを構成する材料は同一成分系の材料であって、一種類のターゲットを用いて下部層（のＴｉＡｌＮ層）と薄層Ｂ（のＴｉＡｌＮ層）を形成した場合には、同一組成のＴｉＡｌＮ層（即ち、Ｘの値＝Ｙの値）が形成される。ただ、下部層のＴｉＡｌＮ層と、薄層ＢのＴｉＡｌＮ層は、必ずしも同一組成である必要はなく、物理蒸着を行う際、例えば、異なった組成（Ｘの値≠Ｙの値）の複数のターゲットを使用した場合には、下部層と薄層Ｂは異なった組成のＴｉＡｌＮ層が形成されるが、Ｘの値およびＹの値がそれぞれ０．４〜０．６５の範囲内であれば、硬質被覆層の特性上何らの不都合を生じるものではない。
また、上部層の薄層Ａは、すでに述べたように、所定の靭性、耐衝撃性を備えた層であり、高硬度材の高速切削加工時における境界異常損傷、欠損の発生を抑制するが、その一方で、高温硬さの不足により耐摩耗性の低下が生じやすいので、すぐれた高温硬さ、高温強度、耐酸化性を備えた上記薄層Ｂを薄層Aと交互に積層することにより、高温硬さの不足を補完し、しかも薄層Ａの有する特性を劣化させることなく、交互積層構造からなる上部層全体として、すぐれた高温硬さ、靭性、耐衝撃性を確保するが、薄層Ｂの一層平均層厚が０．０２μｍ未満ではＴｉＮ層の高温硬さの低下を補うことはできず、一方、その一層平均層厚が０．２μｍを超えると、チッピングを発生しやすくなるので、薄層Ｂの一層平均層厚は、０．０２〜０．２μｍと定めた。

（ハ）上部層の薄層Ａと薄層Ｂの一層平均層厚、上部層の平均層厚
薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造からなる上部層は、その合計平均層厚が、０．５μｍ未満では、高硬度材の高速切削加工で必要とされる十分な靭性、耐衝撃性を発揮することができず、一方その平均層厚が３μｍを越えると、欠損が発生し易くなることから、その平均層厚は０．５〜３μｍとすることが望ましい。

なお、この発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具では、最外表面の被覆層が層厚のちがいによって、それぞれ微妙に異なる干渉色を生じ、工具の外観が不揃いとなることがある。このような場合には、最外表面にＴｉＡｌＮ層を厚く蒸着形成することによって、工具外観の不揃いを防止することができる。その際、ＴｉＡｌＮ層の平均層厚が０．２μｍ未満では外観の不揃いを防止することはできず、また、２μｍまでの平均層厚があれば、外観の不揃いを十分に防止できることから、ＴｉＡｌＮ層の平均層厚は０．２〜２μｍとすればよい。
また、この発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具基体の表面粗度は、Ｒａで０．０５以上１．０以下であることが望ましい。表面粗度Ｒａが０．０５以上であれば、アンカー効果による基体と硬質被覆層の下部層との付着強度の向上が期待でき、一方、Ｒａが１．０を超えるようになると、被削材の仕上げ面精度に悪影響を及ぼすようになるためである。

この発明の被覆ｃＢＮ基焼結工具は、硬質被覆層を上部層と下部層とで構成し、そして、硬質被覆層の上部層を薄層Ａと薄層Ｂの交互積層構造とすることによって特にすぐれた高温硬さ、靭性、耐衝撃性を兼ね備え、合金工具鋼や軸受け鋼の焼入れ材などの高硬材の、高熱発生とともに切刃部に大きな機械的負荷がかかる高速切削という厳しい切削条件下であっても、前記硬質被覆層に境界異常損傷、欠損の発生はなく、長期に亘って、すぐれた耐摩耗性を発揮することができる。

つぎに、この発明の被覆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、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、ＴｉＣＮ粉末、ＴｉＣ粉末、Ａｌ粉末、Ａｌ_２Ｏ_３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った工具基体Ａ〜Ｊをそれぞれ製造した。

（ａ）ついで、上記の工具基体Ａ〜Ｊ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そって装着し、一方側のカソード電極（蒸発源）として、上部層の薄層Ａ形成用金属Ｔｉを、また、他方側のカソード電極（蒸発源）として、表２に示される目標組成に対応した成分組成をもった下部層および薄層Ｂ形成用Ｔｉ−Ａｌ合金を前記回転テーブルを挟んで対向配置（なお、図１には示していないが、下部層と薄層Ｂを異なった組成とする場合には、下部層形成用Ｔｉ−Ａｌ合金と薄層Ｂ形成用Ｔｉ−Ａｌ合金の二種類のカソード電極（蒸発源）を配置する）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ガスを導入して、０．７Ｐａの雰囲気とすると共に、前記テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−２００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、もって工具基体表面をアルゴンイオンによってボンバード洗浄し、
（ｃ）装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して３Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ下部層形成用Ｔｉ−Ａｌ合金とアノード電極との間に１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、もって前記工具基体の表面に、表２に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）Ｎ層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成し、
（ｄ）つ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２Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記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、前記薄層Ａ形成用金属Ｔｉのカソード電極とアノード電極との間に１００〜２００Ａ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、前記工具基体の表面に所定層厚のＴｉＮ層からなる薄層Ａを形成した後、
（ｅ）ついで、同じく２Ｐａの窒素ガス反応雰囲気中で、薄層Ｂ形成用Ｔｉ−Ａｌ合金のカソード電極とアノード電極間に同じく１００〜２００Ａ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、目標組成および目標層厚の（Ｔｉ_１−ＹＡｌ_Ｙ）Ｎ層からなる薄層Ｂを形成した後、
（ｆ）上記（ｄ）、（ｅ）を、所定の上部層合計層厚になるまで交互に繰り返し行い、もって前記工具基体の表面に、層厚方向に沿って表２に示される目標組成および一層目標層厚の薄層Ａと薄層Ｂの交互積層からなる上部層を同じく表２に示される上部層合計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。

また、比較の目的で、上記の工具基体Ａ〜Ｊ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２に示される通常のアークイオンプレーティング装置に装入し、カソード電極（蒸発源）として、それぞれ表３に示される目標組成に対応した成分組成をもったＴｉ−Ａｌ合金を装着し、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ガスを導入して、０．７Ｐａの雰囲気とすると共に、前記テーブル上で自転しながら回転する工具基体に−２００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、もって工具基体表面をアルゴンイオンによってボンバード洗浄し、ついで装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して３Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記工具基体に印加するバイアス電圧を−１００Ｖに下げて、前記Ｔｉ−Ａｌ合金のカソード電極とアノード電極との間にアーク放電を発生させ、もって前記工具基体Ａ〜Ｊのそれぞれの表面に、表３に示される目標組成および目標層厚のＴｉＡｌＮ層からなる硬質被覆層を蒸着形成することにより、従来被覆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、ＴｉＣＮ相、ＴｉＣ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、同表面被覆層について、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。

つぎに、上記の各種の被覆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および従来被覆ｃＢＮ基焼結工具１〜１０ついて、以下に示す切削条件Ａ〜Ｃで高速連続切削試験を実施した。
[切削条件Ａ]
被削材：ＪＩＳ・ＳＣＭ４２０（硬さ：ＨＲＣ６０）の丸棒、
切削速度： ３００ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．２ ｍｍ、
送り： ０．０５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ８ 分、
の条件での浸炭焼入れ合金鋼の乾式連続高速切削加工試験（通常の切削速度は、１６０ ｍ／ｍｉｎ．）、
[切削条件Ｂ]
被削材：ＪＩＳ・ＳＣｒ４２０（硬さ：ＨＲＣ６１）の丸棒、
切削速度： ３１０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．１６ ｍｍ、
送り： ０．０７ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ８ 分、
の条件での浸炭焼入れクロム鋼の乾式連続高速切削加工試験（通常の切削速度は、１６０ ｍ／ｍｉｎ．）、
[切削条件Ｃ]
被削材：ＪＩＳ・ＳＵＪ２（硬さ：ＨＲＣ６１）の丸棒、
切削速度： ２９０ ｍ／ｍｉｎ．、
切り込み： ０．１８ ｍｍ、
送り： ０．０６ ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間： ８ 分、
の条件での焼入れ軸受鋼の乾式連続高速切削加工試験（通常の切削速度は、１６０ ｍ／ｍｉｎ．）、
そして、上記の各切削加工試験における切刃の逃げ面摩耗幅（ｍｍ）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、１．５〜３μｍの平均層厚を有する下部層と、一層平均層厚が０．１〜０．３μｍの薄層Ａと一層平均層厚が０．０２〜０．２μｍの薄層Ｂの交互積層構造の合計層厚０．５〜３μｍの上部層とからなり、前記下部層がすぐれた高温強度、高温硬さおよび耐酸化性を備え、前記上部層がすぐれた高温硬さ、靭性、耐衝撃性を備えているので、合金工具鋼や軸受け鋼の焼入れ材などの高硬度材の高速切削に用いた場合であっても、前記硬質被覆層に境界異常損傷、欠損の発生はなく、長期に亘って、すぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、硬質被覆層が単一のＴｉＡｌＮ層からなる従来被覆ｃＢＮ基焼結工具は、特に硬質被覆層の靭性、耐衝撃性不足が原因で、刃先に境界異常損傷や欠損が発生し、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、特に合金工具鋼や軸受け鋼の焼入れ材などの高硬度材の高速切削であっても、前記硬質被覆層がすぐれた耐境界異常損傷性、耐欠損性を発揮し、長期に亘って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。

本発明の被覆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。 通常のアークイオンプレーティング装置の概略説明図である。

Claims (1)

1. 窒化チタン、炭窒化チタンおよび炭化チタンのうちから選ばれる１種又は２種以上のチタン化合物を３５〜５０％、アルミニウムおよび／または酸化アルミニウムを８〜１６％、炭化タングステンを１〜６％、残部立方晶窒化ほう素（以上、％は、いずれも質量％を示す）からなる配合組成を有する圧粉体の超高圧焼結材料で構成され、かつ、走査型電子顕微鏡による組織観察で、分散相を形成する立方晶窒化ほう素相と連続相を形成するチタン化合物相との界面に超高圧焼結反応生成物が介在した組織を有するインサート本体の表面に硬質被覆層を蒸着形成した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において、
   （ａ）硬質被覆層は、０．５〜２μｍの平均層厚を有する下部層と、０．５〜３μｍの合計平均層厚を有する上部層を有し、
   （ｂ）硬質被覆層の下部層は、
   組成式：（Ｔｉ_１−ＸＡｌ_Ｘ）Ｎ
   で表した場合、Ｘが０．４〜０．６５（但し、原子比）である蒸着形成されたチタンとアルミニウムの複合窒化物層、
   （ｃ）硬質被覆層の上部層は、下部層の表面に蒸着形成された、一層平均層厚が０．０５〜０．３μｍの薄層Ａと、一層平均層厚が０．０２〜０．２μｍの薄層Ｂの各１層以上の交互積層構造を有し、
   上記薄層Ａは、
   組成式：ＴｉＮで表されるチタンの窒化物層、
   上記薄層Ｂは、
   組成式：（Ｔｉ_１−ＹＡｌ_Ｙ）Ｎ
   で表した場合、Ｙが０．４〜０．６５（但し、原子比）であるチタンとアルミニウムの複合窒化物層、
   からなる硬質被覆層を蒸着形成した、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。

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