JP4145465B2

JP4145465B2 - 表面被覆立方晶窒化硼素焼結体工具

Info

Publication number: JP4145465B2
Application number: JP2000164939A
Authority: JP
Inventors: 倫子大田; 治世福井; 久典大原; 光宏後藤
Original assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Current assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Priority date: 2000-06-01
Filing date: 2000-06-01
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2020-06-01
Also published as: JP2001341006A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）を主成分とした焼結体（以下、ｃＢＮ焼結体と称する）を母材とする切削工具材料の改良に関するものであり、耐摩耗性、耐溶着性に優れる表面被覆ｃＢＮ焼結体工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ｃＢＮは、ダイヤモンドに次ぐ高い硬度を有する材料で、ｃＢＮ焼結体は、主に金属の切削工具として使用されている。そしてｃＢＮ焼結体での切削において耐摩耗性をさらに向上させるため、たとえば特開昭５９−１３４６０３号公報、特開昭６１−１８３１８７号公報、特開平１−９６０８３号公報、特開平１−９６０８４号公報に開示されているように、ｃＢＮ焼結体にＴｉＮ（窒化チタン）などの各種耐摩耗層を被覆する方法が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
近年、加工能率を一層向上させるため、切削速度がより高速になってきており、そのことに伴い工具には一層の耐摩耗性、耐酸化性が要求されるようになってきた。このような背景の下、従来の被覆技術だけでは、近年の高速切削用途には問題があり、被覆膜の耐摩耗性がさらに重要となってきた。
【０００４】
それゆえ本発明の目的は、高速切削においても良好な耐摩耗性を有する表面被覆ｃＢＮ焼結体工具を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本願発明者らは、被覆膜の耐摩耗性の向上を達成するため、応力歪について研究した。一般に格子欠陥や転位が多く入った材料は転位の動きが制約されるため硬くなる。そこで、被覆膜に欠陥を導入すれば耐摩耗性が向上するのではないかと考えた。
【０００６】
そして、ｃＢＮ焼結体に種々のＴｉＣＮ（炭窒化チタン）を被覆し、その被覆膜に転位や格子欠陥を導入して耐摩耗性を調べた。その結果、転位や格子欠陥が導入されると、耐摩耗性が向上することが判明した。また非常に興味深いことであるが、転位や格子欠陥が増えると被覆膜の色調も変わることが判明した。
【０００７】
ＴｉＣＮでは、一般にＣ（炭素）とＮ（窒素）との含有比が変わると色調が変化することが知られているが、本願発明者らは、切削性能の向上が見られるほど転位や格子欠陥が十分に入った場合のみ、色度ａ^*（赤方向）が０以上１０以下、色度ｂ^*（黄方向）が０以上２０以下、明度Ｌ^*が０以上１００以下となることを見出した。
【０００８】
そのうち、特に色度ａ^*（赤方向）が０以上５以下、色度ｂ^*（黄方向）が０以上１０以下、明度Ｌ^*が１０以上５０以下のものは切削性能が著しく良くなることがわかった。
【０００９】
それゆえ本発明の表面被覆ｃＢＮ焼結体工具は、ｃＢＮを２０体積％以上有するｃＢＮ焼結体からなる部分を有する母材と、その母材のｃＢＮ焼結体上に形成されかつ最外層がＴｉＣＮよりなる被覆膜とを備え、被覆膜の最外層の色調において、色度ａ^*が０以上１０以下、色度ｂ^*が０以上２０以下、明度Ｌ^*が０以上１００以下である。
【００１０】
これにより、被覆膜に十分な転位や格子欠陥が導入され、高速切削においても良好な耐摩耗性が得られる。ｃＢＮの含有率を２０体積％以上としたのは、２０体積％未満では欠損が生じやすくなるからである。
【００１１】
なお、色度ａ^*、色度ｂ^*および明度Ｌ^*による色の表示方法は、ＪＩＳＺ８７３０に準拠するものであり、分光測色方法により測定する場合には、ＪＩＳＺ８７２２の４．（分光測色方法）の規定により、刺激値直読方法により測定する場合には、ＪＩＳＺ８７２２の５．（刺激値直読方法）の規定による。ただし、測定に用いる光電色彩計は、計器の指示から直接Ｌ^*ａ^*ｂ^*を求めるものでもよい。
【００１２】
上記の表面被覆ｃＢＮ焼結体工具において好ましくは、被覆膜の色調において、色度ａ^*が０以上５以下、色度ｂ^*が０以上１０以下、明度Ｌ^*が１０以上５０以下である。
【００１３】
これにより、高速切削においてより良好な耐摩耗性を得ることができる。
上記の表面被覆ｃＢＮ焼結体工具において好ましくは、被覆膜の厚みは０．５μｍ以上１０μｍ以下である。
【００１４】
これは被覆膜の厚みが０．５μｍ未満では被覆の効果が少なく、１０μｍを超えると被覆膜が剥離しやすくなるからである。
【００１５】
上記の表面被覆ｃＢＮ焼結体工具において好ましくは、母材と被覆膜との間に、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｃｒ（クロム）、ＴｉＮ（窒化チタン）、ＴｉＣ（炭化チタン）、ＺｒＮ（窒化ジルコニウム）、ＺｒＣ（炭化ジルコニウム）、ＣｒＮ（窒化クロム）およびＣｒＣ（炭化クロム）よりなる群から選ばれる１種以上からなる付着強化層がさらに備えられている。
【００１６】
これにより、被覆膜と母材との付着強度が向上するため、より高性能が期待される。
【００１７】
上記の表面被覆ｃＢＮ焼結体工具において好ましくは、ｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮを３５体積％以上８５体積％以下含み、かつｃＢＮ粒子同士を結合するための結合材とを含んでおり、結合材は以下のａ、ｂ、ｃ、ｄおよびｅよりなる群から選ばれる１種以上とＡｌ（アルミニウム）化合物と不可避不純物とを含んでいる。
【００１８】
ａ：ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素
ｂ：ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素の窒化物
ｃ：ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素の硼化物
ｄ：ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素の炭化物
ｅ：ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素、ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素の窒化物、硼化物、炭化物よりなる群から選ばれる２種以上からなる固溶体
このように母材の材料を適切に選択することにより、切削性能の著しい向上を図ることができる。ｃＢＮの含有率が８５体積％を超えると、母材の耐摩耗性が悪くなり、これが被覆膜の耐摩耗性に影響を与えるため、耐摩耗性の向上が妨げられる。またｃＢＮの含有率が３５体積％未満となると、ｃＢＮ焼結体の特徴が高い硬度であるにもかかわらず、その硬度が低下してしまい、たとえば焼入れ鋼のような高い硬度の被削材を高速で切削するための強度が不足してしまう。
【００１９】
上記の表面被覆ｃＢＮ焼結体工具において好ましくは、ｃＢＮ粒子の平均粒径が４μｍ以下である。
【００２０】
これにより、切削性能の著しい向上を図ることができる。ｃＢＮ粒子の平均粒径が４μｍを超えると、ｃＢＮ粒子と結合材との接触面積が減少し、ｃＢＮ粒子と結合材との結合力が弱まることにより、たとえば焼入れ鋼のような高い硬度の被削材を高速で切削するための強度が不足する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
【００２２】
図１は、本発明の一実施の形態における表面被覆ｃＢＮ焼結体工具の部分断面図である。図１を参照して、母材２は、工具刃先の少なくとも切削に関与する部分においてｃＢＮを２０体積％以上有するｃＢＮ焼結体よりなっている。このｃＢＮ焼結体よりなる母材２の表面上に、ＴｉＣＮを含む被覆膜１が形成されている。この被覆膜１の色調において、色度ａ^*（赤方向）が０以上１０以下、色度ｂ^*（黄方向）が０以上２０以下、明度Ｌ^*が０以上１００以下である。特に色度ａ^*（赤方向）が０以上５以下、色度ｂ^*（黄方向）が０以上１０以下、明度Ｌ^*が１０以上５０以下であることが好ましい。
【００２３】
また被覆膜１の厚みは、被覆の効果および剥離防止を考慮すると、０．５μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。
【００２４】
また被覆膜１と母材２との間には、図２に示すように付着強化層３が形成されていることが好ましく、この付着強化層３は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｒ、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＺｒＮ、ＺｒＣ、ＣｒＮおよびＣｒＣのいずれかの材質よりなっていてもよく、またこれらの任意の組合せの材質よりなっていてもよい。
【００２５】
母材２のｃＢＮ焼結体部分は、ｃＢＮを３５体積％以上８５体積％以下含み、かつｃＢＮ粒子同士を結合するための結合部材を含んでおり、結合材は以下のａ、ｂ、ｃ、ｄおよびｅよりなる群から選ばれる１種以上とＡｌ化合物と不可避不純物とを含んでいることが好ましい。
【００２６】
ａ：ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素
ｂ：ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素の窒化物
ｃ：ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素の硼化物
ｄ：ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素の炭化物
ｅ：ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素、ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素の窒化物、硼化物、炭化物よりなる群から選ばれる２種以上からなる固溶体
またｃＢＮ粒子の平均粒径は４μｍ以下であることが好ましい。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明の実施例について詳細に述べる。
【００２８】
（実験例１）
まず、超硬合金製ポットおよびボールを用いて、結合材材料であるＴｉＮ、Ｔｉ、Ａｌを混合し、結合材粉末を得た。次に、結合材粉末とｃＢＮ粉末とを混ぜ合わせ、Ｍｏ（モリブデン）製容器に充填し、圧力５ＧＰａ、温度１４００℃で２０分間焼結した。この焼結体を、ＩＳＯ規格ＳＮＧＮ１２０４０８の形状に加工し、ｃＢＮ焼結体母材を得た。このｃＢＮ焼結体母材におけるｃＢＮ含有率は６５体積％であり、ｃＢＮ粒子の平均粒径は２．５μｍであった。
【００２９】
その母材に表２に示す各種のＴｉＣＮの被覆を、公知のアーク式イオンプレーティング法を用いて施した。また、その被覆を施した各サンプルを使ってクロムモリブデン鋼鋼材丸棒の切削を表１の条件で行ない、切削後の各サンプルの逃げ面摩耗量を測定した。その逃げ面摩耗量の結果を表２に併せて示す。
【００３０】
【表１】

【００３１】
【表２】

【００３２】
表２の結果から、色度ａ^*（赤方向）が０以上１０以下、色度ｂ^*（黄方向）が０以上２０以下、明度Ｌ^*が０以上１００以下の範囲内の色調を有する本発明品のサンプル１〜５では、その範囲外の色調を有するサンプル６〜８よりも逃げ面摩耗量が少なく、耐摩耗性が高いことがわかる。さらに、色度ａ^*（赤方向）が０以上５以下、色度ｂ^*（黄方向）が０以上１０以下、明度Ｌ^*が１０以上５０以下の範囲内の色調を有するサンプル１、２および５では、その範囲外の色調を有するサンプル３および４よりもさらに高い耐摩耗性が得られることがわかる。
【００３３】
（実験例２）
次に母材と被覆膜の界面に付着強化層としてＴｉ、Ｚｒ、Ｃｒ、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＺｒＮ、ＺｒＣ、ＣｒＮ、ＣｒＣ薄膜を配したことの効果を確かめる実験を行なった。その実験として、実験例１のサンプル２と同じ被覆膜と母材との界面の間に上記各付着強化層を形成したサンプル１１〜１９を作製し、実験例１と同じ条件で切削し耐摩耗性を評価した。その結果を表３に示す。
【００３４】
【表３】

【００３５】
表３の結果より、付着強化層を配置することにより、さらに逃げ面摩耗量が少なくなり、耐摩耗性が向上していることがわかる。
【００３６】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の表面被覆ｃＢＮ焼結体工具では、被覆膜の色調において、色度ａ^*が０以上１０以下、色度ｂ^*が０以上２０以下、明度Ｌ^*が０以上１００以下であるため、被覆膜に十分な転位や格子欠陥が導入され、高速切削においても良好な耐摩耗性が得られる。これにより、本発明の表面被覆ｃＢＮ焼結体工具は、ドリル、エンドミル、フライス用スローアウェイチップ、切削用刃先交換型チップ、メタルソー、刃切り工具、リーマー、タップなどの切削工具などに良好に適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における表面被覆ｃＢＮ焼結体工具の部分断面図を示す図である。
【図２】本発明の一実施の形態における表面被覆ｃＢＮ焼結体工具において被覆膜と母材との間に付着強化層を備えた構成を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１被覆膜、２母材、３付着強化層。

Claims

立方晶窒化硼素を２０体積％以上有する立方晶窒化硼素焼結体からなる部分を有する母材と、
前記母材の前記立方晶窒化硼素焼結体上に形成され、かつ最外層がＴｉＣＮよりなる被覆膜とを備え、
前記被覆膜の前記最外層の色調において、色度ａ^*が０以上１０以下、色度ｂ^*が０以上２０以下、明度Ｌ^*が０以上１００以下である、表面被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。
前記被覆膜の色調において、色度ａ^*が０以上５以下、色度ｂ^*が０以上１０以下、明度Ｌ^*が１０以上５０以下である、請求項１に記載の表面被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。
前記被覆膜の厚みが０．５μｍ以上１０μｍ以下である、請求項１または２に記載の表面被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。
前記母材と前記被覆膜との間に、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｒ、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＺｒＮ、ＺｒＣ、ＣｒＮおよびＣｒＣよりなる群から選ばれる１種以上からなる付着強化層をさらに備えた、請求項１〜３のいずれかに記載の表面被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。
前記立方晶窒化硼素焼結体は、前記立方晶窒化硼素を３５体積％以上８５体積％以下含み、かつ立方晶窒化硼素粒子同士を結合するための結合材を含み、
以下のａ、ｂ、ｃ、ｄおよびｅにおいて、
ａ：ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素、
ｂ：ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素の窒化物、
ｃ：ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素の硼化物、
ｄ：ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素の炭化物、
ｅ：ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素、ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素の窒化物、硼化物、炭化物よりなる群から選ばれる２種以上からなる固溶体、
前記結合材の材質はａ、ｂ、ｃ、ｄおよびｅよりなる群から選ばれる１種以上とアルミニウム化合物と不可避不純物とを含む、請求項１〜４のいずれかに記載の表面被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。
前記立方晶窒化硼素粒子の平均粒径が４μｍ以下である、請求項５に記載の表面被覆立方晶窒化硼素焼結体工具。