JP3637882B2 - 表面被覆窒化硼素焼結体工具 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、立方晶型窒化硼素（ｃＢＮ）、ウルツ鉱型窒化硼素（ｗＢＮ）等の高圧相型窒化硼素を含有する焼結体（以下、ｃＢＮ焼結体という）を基材とする切削工具材料の改良に関するものであり、特に、密着力に優れ、かつ平滑性に優れる硬質被覆膜を有する表面被覆高圧相型窒化硼素焼結体切削工具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ｃＢＮ (cubic boron nitride)は、ダイヤモンドに次ぐ硬度・熱伝導率を持ち、また、ダイヤモンドと比較して、鉄系金属との反応性が低いという優れた特徴を有する。そのため、このｃＢＮを含有するｃＢＮ焼結体を用いた切削工具は、加工能率向上、及び設備費低減などの利点から、鉄系難削材加工において、研削加工用工具ないしは超硬合金やサーメット等の切削工具に取って代わってきた。
【０００３】
切削工具用のｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮ粒子と結合材からなる焼結体で、下記の２つのタイプに大別することができる。
(1)体積で３０〜８０％のｃＢＮ粒子を含有し、ｃＢＮ粒子がＴｉＮ，ＴｉＣ，ＴｉＣＮなどのＴｉ系セラミックスを主成分とする結合材を介して結合されており、耐摩耗性と強度のバランスに優れている焼結体で、主に焼入鋼用途で使用されている。
(2)体積で８０〜９０％のｃＢＮ粒子を含有、ｃＢＮ粒子同士が直接結合され、残部がＡｌ化合物又はＣｏ化合物を主成分とする結合材からなり、熱伝導率と強度に優れる焼結体で、主に鋳鉄用途で使用されている。
【０００４】
近年では研削スラッジなどの産業廃棄物の削減、及び地球温暖化対策としての消費電力の低減など地球環境問題に対する意識の高まりを背景に、切削用ｃＢＮ焼結体工具は、地球環境問題に適合した工具としてますます注目されている。
しかしながら、ｃＢＮ粒子はビッカース硬度Ｈｖ＝５，０００前後と高硬度（結合材の硬度は高々Ｈｖ＝２，０００〜２，８００程度）であるにもかかわらず、Ｆｅ系金属に対する親和性がＴｉＮ，ＴｉＣ，ＴｉＣＮ結合材よりも高いこと、及びへき開性を有するという欠点を持ち合わせており、ｃＢＮ焼結体工具も、最終的には工具刃先の熱的な摩耗、及び摩耗の進行に起因する欠損により寿命に至るため、更なる長寿命化が望まれていた。
【０００５】
特に、最近では、焼入れ鋼部品の多様（変種変量）化、及び高機能化の観点からも益々ｃＢＮ焼結体工具に対する期待は高まっており、より高速・高能率で、かつ加工面性状を高品位に加工できる工具の開発が望まれていた。
例えば、ｃＢＮ焼結体の耐摩耗性及び耐欠損性を更に向上させるため、ｃＢＮ焼結体にＴｉＮ，ＴｉＣＮ，ＴｉＡｌＮ被膜等を被覆する方法が提案されている。しかし、ｃＢＮ焼結体工具は過酷な条件下で使用されるため、突発的な被覆膜の剥離がしばしば発生し、寿命のばらつきが大きいという問題点があった。
【０００６】
被覆膜の密着力向上を目的として、例えば特開平７−１８４１５号公報、又は米国特許第５，７０９，９０７号明細書で示されるように、あらかじめ基材の表面に０．５〜１２．５μｍの凹凸を付け、粗面化した状態で成膜を行う工具も提案されている。しかしながら、これらの工具で切削を行う場合、工具表面形状が被削材に転写されるため、寸法精度や加工面の品位（面粗度など）が従来のｃＢＮ焼結体工具よりも悪化する。ｃＢＮ工具は、従来工具と比較し、μｍオーダーでの加工精度が要求される用途での適用が特に多いことから、これらの工具による実用切削は困難であった。
【０００７】
一方、ｃＢＮ基材を粗面化せずに被覆膜の密着強度を向上させる手段として、例えば特開平１−９６０８３号公報、又は特開平１−９６０８４号公報で示されるように、ｃＢＮ焼結体の表面に平均層厚０．０５〜０．３μｍの金属Ｔｉ層を介して、窒化チタンからなる硬質被覆膜を被覆した工具が提案されている。しかしながら、これらの方法では、比較的高硬度の鉄系難削材の切削を行う際には、刃先が高圧・高温環境に曝されるため、金属チタンが軟化し、硬質被覆膜が簡単に欠損、剥離してしまうという問題があった。
また、特開平８−１１９７７４号公報のＴｉＡｌＮ被覆ｃＢＮ工具においては、ｃＢＮ基材表面を粗面化することなく、ＴｉＡｌＮ膜を密着力良く付ける手法として、ｃＢＮ基材とＴｉＡｌＮ被覆膜との間にＴｉＮ層を中間層として被覆する技術が開示されているが、本手法では原理的にｃＢＮ基材とＴｉＮ膜との密着力以上の向上が望めない上に、ｃＢＮ焼結体中のＴｉＮやＴｉＣなどの結合材の小さい、すなわちｃＢＮの含有率の高い焼結体に被覆する場合には、硬質被覆膜層の密着力の低下が不可避であった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明者らは、過酷な条件で切削を行っても、ｃＢＮ焼結体工具に被覆した硬質被覆膜が剥離せずに、高品位な加工面を長時間にわたって維持できる工具の開発を目的として、被覆ｃＢＮ焼結体工具における硬質被覆膜の欠損、剥離のメカニズムの研究を行った。
【０００９】
その結果、
（Ｉ）ｃＢＮ焼結体と、例えばＴｉＮ，ＴｉＣＮ又はＴｉＡｌＮといった硬質薄膜は、基材と硬質被覆膜間の拡散や反応等によって接合されるのであるが、難焼結性のｃＢＮ粒子よりも、結合材部と強固な結合を生じ、硬質被覆膜層が基材との密着力を維持していること及び
（ＩＩ）硬質被覆膜層内に過度の応力が残留している場合や、例えば断続部を有する被削材の加工など外部から硬質被覆膜層に衝撃が負荷されるような場合には、これらの応力により、硬質被覆膜とｃＢＮ焼結体との界面、或いは硬質被覆膜内での破壊に起因する膜剥離が生じていること、
を見出して本発明に到達した。
すなわち、本発明は上記した従来技術の問題点を解消し、特に中間層の改良に着目することで基材に対する硬質被覆膜の密着力が著しく改善された被覆高圧相型窒化硼素焼結体工具を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は以下に要約した各発明及び態様によって有利に達成される。
（１）工具刃先の少なくとも切削に関与する部分が、高圧相型窒化硼素焼結体を基材とし、その表面に形成された表面被覆層が存在し、該表面被覆膜層が、前記高圧相窒化硼素焼結体基材との界面に連続して存在する中間層と、更にその上に形成された硬質被膜層からなり、該中間層がＴｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、およびＶからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素からなり、該中間層の平均厚さが０．００５μｍ以上０．０４μｍ以下、好ましくは０．０２〜０．０４μｍであることを特徴とする、表面被覆窒化硼素焼結体工具。
（２）中間層が、Ｃｒ，Ｚｒ，Ｖ元素の少なくとも１種を含むことを特徴とする、上記（１）に記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
【００１１】
（３）硬質被膜層が、４ａ，５ａ，６ａ族元素、Ａｌ，Ｂ，Ｓｉ及びＹの中から選択される１種以上の元素と、Ｃ，Ｎ及びＯの中から選択される１種以上の元素とからなる少なくとも１層以上でヌープ硬度Ｈｋ＝２，０００以上の硬度を有する化合物による層を含み、膜厚が０．５μｍ以上且つ１０μｍ以下であることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
（４）表面被覆層がイオンプレーティング法、スパッタ蒸着法、又は真空アーク蒸着法により形成されることを特徴とする、上記（１）〜（３）のいずれかに記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
【００１２】
（５）表面被覆層の最表面層が、Ｔｉ又はＣｒから選択される１種以上の元素と、Ｃ，ＮおよびＯの中から選択される１種以上の元素とからなる化合物であることを特徴とする、上記（１）〜（４）のいずれかに記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
（６）表面被覆層の最表面層が、ＣｒＮ層であることを特徴とする、上記（１）〜（５）のいずれかに記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
【００１３】
（７）少なくとも切削に関与する箇所に、ＪＩＳ Ｂ０６０１（但し測定長０．８ｍｍ）に規定された中心線平均粗さＲａが０．２μｍ以下である表面被覆層を有することを特徴とする上記（１）〜（６）のいずれかに記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
（８）工具刃先の少なくとも切削に関与する部分が、立方晶窒化硼素を３０体積％以上８０体積％以下含み、残部結合材が周期律表４ａ，５ａ，６ａ族元素の窒化物、硼化物、炭化物及びＡｌ化合物、ならびにこれらの固溶体からなる群から選択される少なくとも１種と、不可避不純物からなる立方晶窒化硼素焼結体を基材とする、上記（１）〜（７）のいずれかに記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
【００１４】
（９）工具刃先の少なくとも切削に関与する部分が、立方晶窒化硼素を８０体積％以上９０体積％以下含み、残部結合材がＣｏ化合物、Ａｌ化合物及びこれらの固溶体からなる群から選択される少なくとも１種と不可避不純物からなる立方晶窒化硼素焼結体を基材とする、上記（１）〜（７）のいずれかに記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
（１０）立方晶窒化硼素粒子の平均粒径が４μｍ以下である、上記（１）〜（９）のいずれかに記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
【００１５】
上記（１）の発明は、表面被覆窒化硼素焼結体工具において、本発明者らが、ｃＢＮ焼結体を粗面化せずに密着力を向上させるためには、ｃＢＮ焼結体の主成分であるｃＢＮ粒子との反応性のよい中間層を生成することにより、ｃＢＮ焼結体基材に硬質被膜層を高い密着力で被覆可能であると考え、種々検討した結果、中間層が周期律表４ａ，５ａ及び６ａ族元素の元素群から選ばれた少なくとも１つの元素からなる金属、及び金属間化合物を特定の厚さで形成された場合に、ｃＢＮ焼結体基材に硬質被膜層が高い密着強度で被覆され、過酷な条件での切削においても硬質被膜が剥離しなくなることを見出したことで達成されたものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
上記中間層の成分としては、金属Ｃｒ，Ｔｉ，Ｖ，Ｚｒ，Ｗが好ましい。これは、基材であるｃＢＮ焼結体の主成分であるｃＢＮなどの高圧相型窒化硼素との反応性に富む金属Ｃｒ，Ｔｉ，Ｖ，Ｚｒ，Ｗが前記ｃＢＮ基材と前記中間層界面で前記金属の窒化物及び硼化物を反応生成することにより、密着力が向上し、更に中間層の上に被覆する硬質被膜層と中間層も反応して、Ｃｒ，Ｔｉ，Ｖ，Ｚｒ及びＷの窒化物、炭化物、炭窒化物及び酸化物を生成しやすく、その結果、基材であるｃＢＮ焼結体と硬質被膜が高い密着強度で接合するからである。
また、中間層を形成する際に、中間層を構成する元素がｃＢＮ焼結体表面に入射する運動エネルギーによって立方晶窒化硼素粒子および結合材部分において焼結体の内部へ拡散し、組成が連続的に変化する傾斜組成材料を生成する。こうして形成された中間層を構成する元素を含むｃＢＮ焼結体表面は、中間層との密着力をさらに向上させる。
中間層と硬質被膜層との界面も上記と同様に硬質被膜層内部に、中間層を構成する元素の傾斜組成部分が形成され、該界面の密着力を向上させる。さらに、硬質被膜層を構成する化合物層（例えばＴｉＡｌＮ）に中間層を形成する元素が微量添加されることにより、硬質被膜層の耐摩耗性および耐酸化性が向上し、切削工具としての性能がさらに向上する。
【００１７】
ｃＢＮ基材界面での密着強度を向上させても、硬質被覆膜層内に過度の応力が残留している場合には、この残留応力により膜内での破壊に起因した膜剥離が生ずることがある。硬質被覆層よりも展延性に優れる中間層を適正な厚さを以て連続的に配置することにより、硬質皮膜層内での破壊に起因する膜剥離を抑制することができる。
この中間層の厚さは、平均厚さが、０．００５μｍ以上０．０５μｍ未満、好ましくは０．０２μｍ以上０．０４μｍ以下で高い密着力を得ることができる（図１及び図２）。これは、中間層が０．００５μｍ未満の場合、ｃＢＮ焼結体基材との間に充分な密着力を得るだけの拡散層又は反応層を生成することができず、また中間層が０．０５μｍ以上の場合は、拡散あるいは反応しきれない硬度の低い金属成分からなる層が厚くなりすぎ切削時の高温高圧下で硬質皮膜層が剥離するためである。
本発明では、このように中間層の厚さを薄くすることに特徴を有するが、薄くすることによってｃＢＮ焼結体と硬質被膜層との密着力はより増加し、中間層の軟化による剥離・欠損を抑制するという効果が得られる。
【００１８】
上記中間層の成分としては、Ｃｒ，Ｚｒ，Ｖが特に好ましい。Ｃｒは、Ｔｉの融点が１６７５℃なのに対し、１８９０℃と高融点であること、及びＣｒは高融点金属でありながら、低融点金属のＡｌ並に蒸気圧が高いことから、中間層の被覆の際に粗大粒子となりにくく、均質で緻密な上に、面粗さの滑らかな中間層を得ることができるからである。この結果、金属Ｃｒを中間層に用いた場合には、表面被覆窒化硼素焼結体切削工具の面粗さも滑らかとなり、金属Ｔｉ，Ｖ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｗからなる中間層を有する前記切削工具よりも、加工面性状を高品位に加工できる。
【００１９】
Ｚｒは、中間層成膜時に高圧相窒化硼素と反応し硼化物を生成するが、Ｔｉの硼化物がＦｅ系金属と親和性が比較的高いのに対し、Ｚｒの硼化物は、Ｆｅ系金属に対して極めて安定である。この結果、金属Ｚｒを中間層に用いた場合には、金属Ｔｉを中間層に用いた場合より、切削時に金属中間層が受けるダメージが少なく、刃先摩耗時の密着力の低下が少ない。
Ｖ及びＶ化合物は、切削時の高温下で、潤滑作用を有する酸化物を生成するため切削抵抗を低減できる。
中間層の形成方法としては、真空蒸着法、スパッタ蒸着法、真空アーク蒸着法、イオンプレーティング法などのＰＶＤ法や、各種ＣＶＤ法など、公知の手法を用いることができる。これらの中でも、イオンプレーティング法、スパッタ蒸着法、真空アーク蒸着法は原料のイオン化率が高く、イオンの基材の打ち込み効果等により、基材との間で高い密着力が得られるため、特に好ましい。中間層を形成する場合に、厚さを０．００５μｍ以上０．０５μｍ以下にコントロールするには通常は成膜装置の操作に際し、ターゲット種に応じて、ガス種、ガス圧、真空度、アーク電流、バイアス電圧及び成膜時間を調整することにより行う。
【００２０】
前述したようにｃＢＮ焼結体のみでは、耐摩耗性が不足する場合や、或いは切削中のｃＢＮ粒子のへき開粒子、及び脱落粒子の工具刃先への巻き込みにより、工具逃げ面摩耗部に形成される筋状の擦過痕となり、これが、加工面に転写され、加工面の面粗度を低下させる場合がある。
そこで、硬質被膜層は、４ａ，５ａ，６ａ族元素、Ａｌ，Ｂ，Ｓｉ及びＹの中から選択される１種以上の元素と、Ｃ，Ｎ及びＯの中から選択される１種以上の元素とからなる少なくとも１種以上の化合物による層を含むことが好ましい。前記硬質被膜層をｃＢＮ焼結体基材に密着力良く被覆し、ｃＢＮ粒子と鉄系難削材との接触を抑制することにより、工具の耐摩耗性、耐欠損性の向上、及び加工面を高品位で加工することができる等の効果があるからである。特に、Ｙを固溶させる場合は、膜の硬度と耐酸化性が向上する。
【００２１】
硬質被膜層は適宜に複数層とすることができるが最表面層がＴｉＮ又はＣｒＮ層であることが、好ましい。これは、ｃＢＮ焼結体工具は黒色であるのに対し、ＴｉＮ、及びＣｒＮは、それぞれ鮮やかな金色、銀色を有するので、本被覆ｃＢＮ焼結体工具をマスプロダクションで使用する際に、寿命に達した工具と未使用の工具の区別が容易になり、工具管理が徹底できるからである。硬質被膜層の最表面層がＣｒＮ層であることが、特に好ましい。摩擦係数が極めて小さいＣｒＮ層を最表面に被覆することにより、切削時の溶着を抑制できるため良好な仕上げ面を長時間にわたり維持できるからである。
従来ＣｒＮ膜は、前記の優れた耐溶着性を有するにもかかわらず、ＴｉＮ膜のＨｋ＝２，０００に対しＨｋ＝１，７００と硬度が低いことから、ｃＢＮ母材に単層で被覆した場合や超硬合金母材を用いた場合には、膜表面に大きな応力集中が生じるとＣｒＮ膜ないしは、超硬合金母材が塑性変形を起こし、その変形量に追従できずＣｒＮ膜がヒビ割れ、剥離を生じてしまうという問題点があった。
本発明ではＣｒＮよりも硬度に優れるｃＢＮ焼結体やＴｉＡｌＮ（Ｈｋ＝２，５００以上）を下地とすることにより、大きな応力集中が生じても変形量が抑制されＣｒＮ膜の損傷を抑制し、耐久性を著しく向上させることに成功した。
【００２２】
硬質被膜層の膜厚は、０．５μｍ以上且つ１０μｍ以下であることが好ましい。これは、膜厚が０．５μｍ未満であると、切削時に硬質被膜層が短時間に摩耗するため硬質被膜層の効果が得られないし、また膜厚が１０μｍを超えると硬質被膜層中の残留応力の影響で基材との密着力の低下が生じるからである。
表面被覆層の形成方法としては、真空蒸着法、スパッタ蒸着法、真空アーク蒸着法、イオンプレーティング法などのＰＶＤ法や、各種ＣＶＤ法など、公知の手法を用いることができる。これらの中でも、イオンプレーティング法、スパッタ蒸着法、真空アーク蒸着法は原料のイオン化率が高く、イオンの基材の打ち込み効果等により、中間層と基材との間で高い密着力が得られるため、特に好ましい。特に、イオンプレーティング等のＰＶＤ法による薄膜形成ではイオン化した原料物質が、蒸発源と被コーティング基材との間に印加されたバイアス電圧によって基材に打ち込まれ、界面を清浄化し、また、界面に一種のミキシング層を形成するので高い密着強度が得られる。尚、本発明では、中間層と硬質被膜層は同一装置で連続して成膜するので、上記の効果は両方の膜の形成時に作用する。
【００２３】
基材であるｃＢＮ焼結体は、好ましい組成の例として下記の（１）及び（２）があげられる。
（１）ｃＢＮを３０体積％以上８０体積％以下含み、残部が周期律表４ａ，５ａ，６ａ族元素の窒化物、硼化物、炭化物及びアルミニウム化合物、ならびにこれらの固溶体からなる群から選択される少なくとも１種からなる結合材、及び不可避不純物からなるｃＢＮ焼結体。
このｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮ粒子が主に、鉄との親和性の低い前記結合材を介して強固に結合されたもので、耐摩耗性と強度が向上している。
本焼結体におけるｃＢＮ含有率は体積で３０％以上８０％以下含むことが好ましい。これは、ｃＢＮの含有率が３０体積％未満となると、ｃＢＮ焼結体の硬度が低下し、例えば焼入鋼のような高い硬度の被削材を切削するための硬度が不足するからであり、逆にｃＢＮの含有率が８０体積％を超える場合は、結合材を介したｃＢＮ粒子同士の結合が困難になり、ｃＢＮ焼結体の強度が低下するからである。
【００２４】
（２）ｃＢＮを８０体積％以上９０体積％以下含み、ｃＢＮ粒子同士が結合しており、残部結合材がＡｌ化合物、若しくはＣｏ化合物を主成分とするｃＢＮ焼結体。
このｃＢＮ焼結体は、触媒作用を有するＡｌ又はＣｏを含有する金属、或いは金属間化合物を出発原料として液相焼結を行うことにより、ｃＢＮ粒子同士を結合させ、かつｃＢＮ粒子の含有率を高めることができる。ｃＢＮ粒子の含有率が高いため耐摩耗性に劣るものの、ｃＢＮ粒子同士が強固な骨格構造を形成していることから耐欠損性に優れ、酷な条件での切削が可能となる。
本焼結体におけるｃＢＮ含有率は体積で８０％以上９０％以下含むことが好ましい。これは、ｃＢＮの含有率が８０体積％未満となると、ｃＢＮ粒子同士の結合による骨格構造を形成するのが難しくなり、逆にｃＢＮの含有率が９０体積％を超える場合には、触媒作用を有する前記結合材が不足により、ｃＢＮ焼結体に未焼結部を生ずるため、ｃＢＮ焼結体の強度が低下するからである。
【００２５】
また、基材であるｃＢＮ焼結体中のｃＢＮ粒子の平均粒径が４μｍ以下であるものの場合、切削性能の向上が著しい。これは、ｃＢＮ粒子が４μｍ以下になると、ｃＢＮ粒子の表面積が増加し、ｃＢＮ粒子と硬質被膜層と密着力が向上するためである。ｃＢＮ粒子の平均粒径の好ましい範囲は０．５〜３．５μｍである。
【００２６】
【実施例】
以下、本発明を実施例について詳細に説明するが本発明の限定を意図するものではない。
（実施例１）
（１）試料の作製
まず、超硬合金製ポット及びボールを用いて、質量で４０％のＴｉＮと１０％のＡｌからなる結合材粉末と粒径２μｍのｃＢＮ粉末５０％を混ぜ合わせ、超硬合金製容器に充填し、圧力５Ｇｐａ、温度１４００℃で６０分焼結し、焼入れ鋼連続切削用のｃＢＮ焼結体を得た。このｃＢＮ焼結体を加工し、ＩＳＯ規格ＳＮＧＡ１２０４０８の形状の切削用チップを得た。
そのチップに、以下の方法を用いた硬質被膜層を成膜した。
図３（Ａ）及び（Ｂ）は、この発明で用いた成膜装置の模式図であり、本装置は公知のアークイオンプレーティング法を用いている。図３（Ａ）を参照すると、成膜装置１は、チャンバー２と主テーブル３と支持棒４とアーク式蒸発源５ａ及び５ｂと、陰極６ａ及び６ｂと、可変電源としての直流電源７ａ，７ｂ及び８と、ガスを供給するためのガス導入口９とを備えている。
チャンバー２は真空ポンプと連結されており、チャンバー２内の圧力を変化させることが可能である。チャンバー内に主テーブル３と支持棒４とガス導入口９と陰極６ａ及び６ｂが設けられている。
【００２７】
チャンバー２内に設けられた支持棒４は、主テーブル３を支持する。支持棒４内には回転軸が設けられており、この回転軸が主テーブル３を回転させる。主テーブル３に基材１０を保持するための治具１１が設けられている。支持棒４、主テーブル３及び治具１１は直流電源８の負極と電気的に接続されている。直流電源８の正極はアースされている。
チャンバー２の側壁には、アーク式蒸発源５ａとそのアーク式蒸発源５ａに接続された陰極６ａと向かい合うように、チャンバー２の側壁にアーク式蒸発源５ｂと陰極６ｂが取り付けられている。
アーク式蒸発源５ａ及び陰極６ａは、直流電源７ａの負極と電気的に接続されている。直流電源７ａの正極はアースされ、かつチャンバー２と電気的に接続されている。直流電源７ｂの正極はアースされ、かつチャンバー２に電気的に接続されている。（また、図３（Ｂ）に示されているように紙面垂直方向にも１対の蒸発源５ｃ，５ｄが設置されている。）
【００２８】
アーク式蒸発源５ａおよび５ｂは陰極６ａ及び６ｂとチャンバー２との間のアーク放電によって、陰極６ａ及び６ｂを部分的に溶解させて、陰極物質を矢印１２ａ及び１２ｂに示す方向に蒸発させるものである。陰極６ａ及び６ｂとチャンバー２との間には電圧が印加される。陰極６ａは（Ｔｉ０．５、Ａｌ０．５）により構成される。陰極６ｂはＴｉ，Ｃｒ，Ｚｒ或いはＶ等の周期律表４ａ，５ａ及び６ａ族元素の元素群から選ばれた少なくとも１つの元素からなる金属、及び金属間化合物より構成される。なお（Ｔｉ０．５、Ａｌ０．５）とは、ＴｉとＡｌの原子数比が０．５：０．５の化合物をいう。
ガスを供給するガス導入口９には、矢印１３で示す方向から様々なガスが導入される。このガスの例として、アルゴン，窒素，水素，酸素ガスまたは例えばメタン，アセチレン，ベンゼンなどの炭化水素ガスなどがある。
【００２９】
まず、図３（Ａ）で示すような装置を用いて、主テーブル３を回転させながら、真空ポンプによりチャンバー２内を減圧し、ヒーター（図示せず）により基材１０を温度４５０℃に加熱して、チャンバー２内の圧力が１．５×１０^-5Ｐａとなるまで真空引きを行った。次に、ガス導入口９からアルゴンガスを導入してチャンバー内の圧力を３．０Ｐａに保持し、直流電源８の電圧を徐々に上げながら、−１０００Ｖとし、基材１０の表面クリーニングを２０分間行った。その後、アルゴンガスを排気した。
次に、チャンバー２内の圧力が０．５〜１０．０Ｐａになるようにガス導入口９からアルゴンガスを導入した。直流電源７ｂから５０〜２００Ａのアーク電流を供給し、陰極６ｂから金属イオンを発生させた。直流電源８のバイアス電圧を−５０〜−３００Ｖとし、基材１０の表面において各種中間層の形成を行い、所定の厚み（１０ｎｍ）に達するまでこの状態を維持した。ターゲット種に応じて、前記ガス圧、アーク電流、バイアス電圧、及び成膜時間を調整することにより、連続中間層を形成した。その後、直流電源７ｂ及び８を切り、アルゴンガスを排気した。
【００３０】
前記中間層膜の形成が終了すると、チャンバー２内の圧力が５Ｐａとなるように、ガス導入口９から窒素ガスを導入し、直流電源７ａから１００Ａのアーク電流を供給し、陰極６ａを構成する（Ｔｉ０．５、Ａｌ０．５）を蒸発させ、直流電源８に−１５０Ｖの電圧をかけ、基材１０の表面に厚さが約３μｍの硬質被覆膜である（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎを形成した。
引き続き、直流電源７ａを切り、直流電源７ｂに１００Ａのアーク電流を供給し、陰極６ｂからＣｒイオンを発生させ、基材１０の最表面に約０．５μｍのＣｒＮ膜を形成した。
また、陰極６ａ及び６ｂを変え、また成膜時間を変化させ、他は上記と同じ方法で、本発明品（試料Ｎｏ．１〜４）のチップを作製した。
【００３１】
比較品として、中間層の形成なしに硬質被膜層を形成した試料Ｎｏ．１３、中間層の材質が本発明品の範囲に含まれない試料Ｎｏ．１４、中間層の膜厚が本発明品の範囲に含まれない試料Ｎｏ．５及び１０、硬質被膜層の膜厚が本発明の範囲に含まれない試料Ｎｏ．２０、超硬合金基材（Ｐ３０）上に本発明の表面被覆層を被覆した試料Ｎｏ．２１、及び表面被覆層を被覆していないｃＢＮ焼結体試料Ｎｏ．２２のチップについても用意した。
次に、前記各種これらの硬質被覆膜の硬度（Ｈｋ）を測定するために＃１００００のラッピングペーパーでラップした後、荷重２５ｇ、１０秒の条件で、ヌープ圧子を押し込んだ際の圧痕サイズから測定した。
【００３２】
（２）切削試験
次に、これらの切削チップを用い、焼入鋼の１種であるＳＵＪ２の丸棒（ＨＲＣ６３）の外周切削を行った。切削速度１５０ｍ／ｍｉｎ、切り込み０．２ｍｍ、送り０．１ｍｍ／ｒｅｖ．、乾式で２５分間の条件で切削を行い、逃げ面摩耗量と硬質被覆膜の剥離状態を評価した。
試料の詳細と切削試験を行った場合の評価結果を表１に示す。
【００３３】
【表１】

【００３４】
以上の結果より、中間層が周期律表４ａ，５ａ及び６ａ族元素群から選ばれた少なくとも１つの元素から形成されている本発明の試料Ｎｏ．１〜４、６〜９、１１、１２、１６〜２０は、中間層がない試料Ｎｏ．１３や中間層が周期律表４ａ，５ａ及び６ａ族元素群以外である試料Ｎｏ．１５と比較して切削試験において膜剥離が生じにくいことが分かる。また従来の焼入れ鋼切削用ｃＢＮ焼結体である試料Ｎｏ．２２と比較して、摩耗が大幅に減少しているのが分かる。
中間層の厚さが本発明と比較して厚い試料Ｎｏ．５，１０や、硬質被覆膜が本発明と比較して厚い試料Ｎｏ．２０は、切削初期において膜剥離が生じ、短寿命である。
また、超硬合金基材に本発明の表面被覆層を被覆した試料Ｎｏ．２１は、切削初期から基材の塑性変形に伴い、基材、表面被覆層とも欠損を生じてしまい、本実施例の加工条件では使用できない。
【００３５】
（実施例２）
（１）試料の作製
超硬合金製ポット及びボールを用いて、質量で１５％のＣｏと５％のＡｌからなる結合材粉末との３μｍのｃＢＮ粉末８０％を混ぜ合わせ、超硬合金製容器に充填し、圧力５ＧＰａ、温度１４００℃で６０分焼結し、焼入れ鋼断続切削用のｃＢＮ焼結体を得た。このｃＢＮ焼結体を加工し、ＩＳＯ規格ＳＮＧＡ１２０４０８の形状の切削用チップを得た。
そのチップに、Ｙを質量％で３％含有する（Ｔｉ０．５、Ａｌ０．５）により構成される陰極６ａを用い、実施例１と同様の方法を用いて各種表面被覆層を成膜、硬度を測定した。
【００３６】
（２）切削試験
次に、これらの切削チップを用い、焼入鋼の１種であるＳＣＭ４１５の丸棒で２本のＵ字状の溝を有する被削材（ＨＲＣ５８）の外周切削を行った。切削速度２００ｍ／ｍｉｎ、切り込み０．２ｍｍ、送り０．１ｍｍ／ｒｅｖ．、乾式で１０分間の条件で切削を行い、逃げ面摩耗量と、硬質被覆膜の剥離状態を評価した。
試料の詳細と切削試験を行った場合の評価結果を表２に示す。
【００３７】
【表２】

【００３８】
以上の結果より、中間層が周期律表４ａ，５ａ及び６ａ族元素群から選ばれた少なくとも１つの元素から形成されている試料Ｎｏ．２３，２５，２６〜２７は、中間層がない試料Ｎｏ．２８や中間層が周期律表４ａ，５ａ及び６ａ族元素群以外である試料Ｎｏ．２９と比較して、切削試験において膜剥離が生じにくく、切削時に長寿命となることが分かる。また従来のｃＢＮ焼結体である試料Ｎｏ．３１と比較して長寿命となっている。
中間層の厚さが本発明と比較して厚い試料Ｎｏ．２４では、切削初期において膜剥離が生じ、逆に短寿命となっていることが分かる。
また、超硬合金基材に本発明の表面被覆層を被覆した試料Ｎｏ．３０は、切削初期から基材の塑性変形に伴い、基材、表面被覆層とも欠損を生じてしまい、本実施例の加工条件では使用できない。
【００３９】
（実施例３）
（１）試料の作製
まず、超硬合金製ポット及びボールを用いて、質量で５０％のＴｉＮと５％のＡｌからなる結合材粉末と粒径１μｍのｃＢＮ粉末４５％を混ぜ合わせ、超硬合金製容器に充填し、圧力５ＧＰａ、温度１４００℃で４０分焼結し、焼入れ鋼高精度切削用のｃＢＮ焼結体を得た。このｃＢＮ焼結体を加工し、ＩＳＯ規格ＳＮＧＡ１２０４０８の形状の切削用チップを得た。
そのチップに、（Ｔｉ０．７、Ａｌ０．３）により構成される陰極６ａを用い、実施例１と同様の方法を用いて各種表面被覆膜を成膜、硬度を測定した。
また、その際切削に関与する部分の表面被覆層表面の中心線平均粗さＲａ〔ＪＩＳ Ｂ０６０１（但し測定長０．８ｍｍ）に規定〕を評価した。表面被覆層の表面粗さについては、成膜時の真空度を１×１０^-6〜１×１０^-4Ｔｏｒｒの間で変化させ種々の粗さの試料を作製した。
【００４０】
（２）切削試験
次に、これらの切削チップを用い、焼入鋼の１種であるＳＣＭ４１５の丸棒で（ＨＲＣ６０）の外周切削を行った。切削速度２００ｍ／ｍｉｎ、切り込み０．１ｍｍ、送り０．０８ｍｍ／ｒｅｖ．、乾式で４０分間の条件で切削を行い、被削材の１０点平均面粗さＲｚ（ＪＩＳ Ｂ０６０１に規定）と、硬質被覆膜の剥離状態を評価した。
試料の詳細と切削試験を行った場合の評価結果を以下の表３に示す。
【００４１】
【表３】

【００４２】
以上の結果より、中間層が周期律表４ａ，５ａ及び６ａ族元素群から選ばれた少なくとも１つの元素から形成されている試料Ｎｏ．３２〜３７は、中間層が周期律表４ａ，５ａ及び６ａ族元素群以外である試料Ｎｏ．３８と比較して、試料の面粗さが小さく、すなわち滑らかで、切削試験において被削材の面粗さＲｚが小さな加工、つまり高精度加工が可能であり、かつ膜剥離が生じにくく、切削時に長寿命となることが分かる。従来の焼入れ鋼高精度加工用ｃＢＮ焼結体（試料Ｎｏ．３９）と比較しても、高精度な加工面が得られていることが分かる。
中間層が周期律表４ａ，５ａ及び６ａ族元素群から選ばれた少なくとも１つの元素から形成されている試料Ｎｏ．３２〜３７の中でも、特に中間層がＣｒの場合、試料の面粗さＲａが小さく、また、同じ面粗さを有する中間層がＴｉからなる本発明品よりも、被削材の面粗さＲｚも小さく、切削時に長寿命となることが分かる。
【００４３】
（実施例４）
（１）試料の作製
まず、超硬合金製ポット及びボールを用いて、質量で４０％のＴｉＮと１５％のＡｌからなる結合材粉末と粒径３μｍのｃＢＮ粉末４５％を混ぜ合わせ、超硬合金製容器に充填し、圧力５ＧＰａ、温度１４００℃で５０分焼結し、焼入れ鋼汎用切削用のｃＢＮ焼結体を得た。このｃＢＮ焼結体を加工し、ＩＳＯ規格ＳＮＧＡ１２０４１２の形状の切削用チップを得た。
そのチップに、（Ｔｉ０．６、Ａｌ０．４）により構成される陰極６ａを用い、実施例１と同様の方法を用いて各種表面被覆膜を成膜、硬度を測定した。
【００４４】
（２）切削試験
次に、これらの切削チップを用い、鋼の１種であるＳＣＭ４３５の丸棒（ＨＲＣ２０）の外周切削を行った。切削速度６００ｍ／ｍｉｎ、切り込み０．５ｍｍ、送り０．３ｍｍ／ｒｅｖ．、乾式で３０分間の条件で切削を行い、逃げ面摩耗量と、硬質被覆膜の剥離状態を評価した。
試料の詳細と切削試験を行った場合の評価結果を表４に示す。
【００４５】
【表４】

【００４６】
以上の結果より、中間層が周期律表４ａ，５ａ及び６ａ族元素群から選ばれた少なくとも１つの元素から形成されている試料Ｎｏ．４０〜４５は、中間層がない試料Ｎｏ．４６や中間層が周期律表４ａ，５ａ及び６ａ族元素群以外である試料Ｎｏ．４７と比較して、切削試験において膜剥離が生じにくく、切削時に長寿命となることが分かる。また従来のｃＢＮ焼結体である試料Ｎｏ．４９と比較して摩耗が少なく長寿命となっている。
特にＶを中間層とする本発明の試料Ｎｏ．４２〜４４では、切削時の溶着もなく、良好な摩耗形態を呈する。
また、超硬合金基材に本発明の表面被覆層を被覆した試料Ｎｏ．４８は、比較的切削初期から基材の塑性変形に伴い、基材、表面被覆層とも欠損を生じてしまい、本実施例の加工条件では使用できない。
【００４７】
（実施例５）
（１）試料の作製
高圧相窒化硼素焼結体（ｃＢＮ、或いはｗＢＮ）の作製において、結合材及び高圧相窒化硼素粉末の混合比、又は粉末の粒度を適宜変更させて、それ以外は実施例１の方法と同様にして、試料を作製した。被覆膜はすべて、Ｃｒ中間層（０．０３μｍ）、硬質被覆膜第１層がＴｉＡｌＮ（３．０μｍ）、最表面がＣｒＮ（０．３μｍ）とした。
【００４８】
（２）切削試験
次に、これらの切削チップを用い、ダイス鋼であるＳＫＤ１１の丸棒で６本のＶ字状の溝を有する被削材（ＨＲＣ５９）の外周切削を行った。切削速度１２０ｍ／ｍｉｎ、切り込み０．２ｍｍ、送り０．１ｍｍ／ｒｅｖ．、乾式で切削を行い、表面被膜が剥離、又はｃＢＮ基材ごと欠損するまでの時間を評価した。
試料の詳細と切削試験を行った場合の評価結果を表５に示す。
【００４９】
【表５】

【００５０】
以上の結果より、基材ｃＢＮ焼結体の結合材が、周期律表４ａ，５ａ及び６ａ族元素の窒化物、硼化物、炭化物ならびにこれらの固溶体からなる群から選択される少なくとも１種と、Ａｌ化合物とからなる結合材と、不可避不純物からなる結合材である試料Ｎｏ．５０〜５７において、ｃＢＮの含有率が本発明外である試料Ｎｏ．５０及び５７は基材ｃＢＮ焼結体の強度が弱く、切削初期において欠損して寿命に致ることが分かる。さらに、ｃＢＮの平均粒径が大きい試料Ｎｏ．５８では、膜剥離しやすいことが分かる。
また、基材ｃＢＮ焼結体の結合材が、Ｃｏ化合物、Ａｌ化合物及びこれらの固溶体からなる群から選択される少なくとも１種と不可避不純物からなる結合材である試料Ｎｏ．５９〜６１において、ｃＢＮの含有率が本発明外である試料Ｎｏ．５９及び試料Ｎｏ．６１は基材ｃＢＮ焼結体の強度が弱く、切削初期において欠損して寿命に至ることが分かる。さらに、ｃＢＮの平均粒径が大きい試料Ｎｏ．６２では、膜剥離しやすいことが分かる。
【００５１】
（実施例６）
（１）試料の作成
実施例４と同様の方法を用いて、下記のように切削用チップを作成した。
まず、超硬合金製ポットおよびボールを用いて、質量で４０％のＴｉＮと１５％のＡｌからなる結合材粉末と粒径３μｍのｃＢＮ粉末４５％を混ぜ合わせ、超硬製容器に充填し、圧力５ＧＰａ、温度１４００℃で５０分焼結し、焼入れ鋼汎用切削用のｃＢＮ焼結体を得た。このｃＢＮ焼結体を加工し、ＩＳＯ規格ＳＮＧＡ１２０４１２の形状の切削用チップを得た。
得られたチップに（Ｔｉ０．６Ａ１０．４）により構成される陰極６ａを用い、実施例１と同様の方法を用いて、実施例４の試料Ｎｏ．４１と同じ構成の表面被覆層を成膜した。ただしバイアス電圧は−３００Ｖとした。
【００５２】
（２）元素分布分析
次に、上記で得られた切削チップを表面被覆層に垂直な方向に切断して薄片を作成し、得られた薄片をイオンシニング法により透過型電子顕微鏡用の試料とした。同試料を透過型電子顕微鏡で観測し、表面被覆層についてその基材側の界面から膜厚方向に数箇所を選択してエネルギー分散型Ｘ線微小分析装置（ＥＤＸ）を用いて、各分析地点の構成元素の組成を求めた。定量化については標準試料から求めた検量線で校正した。尚、分析は、基材のｃＢＮ結晶粒の上部にあたる部分と、結合材の上部にあたる部分の２箇所について実施した。得られた結果を表６に示す。
【００５３】
【表６】

得られた結果について、Ｃｒの元素分布の界面からの距離に対してプロットしたものを図４に示す。ｃＢＮ結晶粒の上部、結合材の上部のいずれの場合も界面部から表面被覆層の成長方向に向かってＣｒの分布が減少しており、傾斜組成材料が形成されていることが確認できた。
【００５４】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明の表面被覆立方晶型窒化硼素焼結体工具は、従来のものと比較してｃＢＮ焼結体基材に対する硬質被覆膜の密着力を向上させ、ｃＢＮ粒子と鉄系難削材との接触を抑制することにより工具の耐摩耗性、耐欠損性の向上、加工面の高品質化等優れた効果を奏することができ、それにより工具の寿命も向上するという顕著な効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】ｃＢＮ基材表面に本発明に係る中間層を被覆した状態を示す平面図。
【図２】ｃＢＮ基材表面に本発明に係る中間層を被覆した状態を示す横断面図。
【図３】本発明の焼結体の製造に用いるアークイオンプレーティング法による成膜装置を示す模式図。（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図。
【図４】本発明に係る表面被覆層内のＣｒの元素分布を界面からの距離（ｎｍ）に対してプロットしたグラフ。
【符号の説明】
１：成膜装置
２：チャンバー
３：主テーブル
４：支持棒
５ａ，５ｂ：アーク式蒸発源
６ａ，６ｂ：陰極
７ａ，７ｂ：直流電源
８：直流電源
９：ガス導入口
１０：基材
１１：治具
１２ａ，１２ｂ：蒸発方向

Claims (10)

1. 工具刃先の少なくとも切削に関与する部分が、高圧相型窒化硼素焼結体を基材とし、その表面に形成された表面被覆層が存在し、該表面被覆層が、前記高圧相型窒化硼素焼結体基材との界面に連続して存在する中間層と、更にその上に形成された硬質被膜層からなり、該中間層がＴｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、およびＶからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素からなり、該中間層の平均厚さが０．００５μｍ以上０．０４μｍ以下であることを特徴とする、表面被覆窒化硼素焼結体工具。
2. 中間層が、Ｃｒ，Ｚｒ，Ｖ元素の少なくとも１種を含むことを特徴とする、請求項１に記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
3. 硬質被膜層が、４ａ，５ａ，６ａ族元素、Ａｌ，Ｂ，Ｓｉ及びＹの中から選択される１種以上の元素と、Ｃ，Ｎ及びＯの中から選択される１種以上の元素とからなる少なくとも１層以上でヌープ硬度Ｈｋ＝２，０００以上の硬度を有する化合物による層を含み、膜厚が０．５μｍ以上且つ１０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
4. 表面被覆層がイオンプレーティング法、スパッタ蒸着法、又は真空アーク蒸着法により形成されることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
5. 表面被覆層の最表面層が、Ｔｉ又はＣｒから選択される１種以上の元素と、Ｃ，Ｎ及びＯの中から選択される１種以上の元素とからなる化合物からなることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
6. 表面被覆層の最表面層が、ＣｒＮ層であることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれかに記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
7. 少なくとも切削に関与する箇所に、ＪＩＳ Ｂ０６０１（但し測定長０．８ｍｍ）に規定された中心線平均粗さＲａが０．２μｍ以下である表面被覆層を有することを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
8. 工具刃先の少なくとも切削に関与する部分が、立方晶窒化硼素を３０体積％以上８０体積％以下含み、残部結合材が周期律表４ａ，５ａ，６ａ族元素の窒化物、硼化物、炭化物及びＡｌ化合物、ならびにこれらの固溶体からなる群から選択される少なくとも１種と不可避不純物からなる立方晶窒化硼素焼結体を基材とする、請求項１ないし７のいずれかに記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
9. 工具刃先の少なくとも切削に関与する部分が、立方晶窒化硼素を８０体積％以上９０体積％以下含み、残部結合材がＣｏ化合物、Ａｌ化合物及びこれらの固溶体からなる群から選択される少なくとも１種と不可避不純物からなる立方晶窒化硼素焼結体を基材とする、請求項１ないし７のいずれかに記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。
10. 立方晶窒化硼素粒子の平均粒径が４μｍ以下である、請求項１ないし９のいずれかに記載の表面被覆窒化硼素焼結体工具。

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