JPWO2011129422A1 - 被覆ｃＢＮ焼結体 - Google Patents

Abstract

耐摩耗性、耐欠損性、基材と被膜との密着性に優れ、従来よりも工具寿命を延長できる被覆ｃＢＮ焼結体の提供を目的にする。ｃＢＮ焼結体の基材とその表面に被覆された被膜とからなり、ｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮ：７６〜９０体積％と、結合相および不可避的不純物：１０〜２４体積％とからなり、ｃＢＮの平均粒径は０．５〜５．０μｍであり、結合相の厚さの平均値が０．０５〜０．８μｍであり、結合相の厚さの標準偏差が０．８μｍ以下である被覆ｃＢＮ焼結体。

Description

本発明は被覆ｃＢＮ焼結体に関する。

立方晶窒化硼素焼結体（ｃＢＮ）の従来技術として、ｃＢＮ粒子を結合相で焼結した焼結体であって、前記結合相が二次元的に見て連続しており、この結合相は、周期律表４ａ，５ａ，６ａ族遷移金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、硼化物、Ａｌの窒化物、硼化物、酸化物、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの少なくとも１種の炭化物、窒化物、炭窒化物、硼化物、およびこれらの相互固溶体よりなる群から選択される１種以上を含み、ｃＢＮの含有率が体積％で４５−７０％で、ｃＢＮ粒子の平均粒度が０．０１以上２．０μｍ未満であり、結合相厚みの平均値が１．０μｍ以下で、その標準偏差が０．７以下であることを特徴とするｃＢＮ焼結体がある（特許文献１参照。）。

また、工具用の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）焼結成形体であって、（ａ）体積平均粒度約３〜６μｍのｃＢＮ約６０〜８０体積％、（ｂ）セラミック結合剤相であって、（ｉ）その約２０〜６０体積％が第ＩＶＢ族又は第ＶＩＢ族金属の炭化物、窒化物又はホウ化物の１種以上で（ｉｉ）その約４０〜８０体積％がアルミニウムの炭化物、窒化物、ホウ化物又は酸化物の１種以上であるセラミック結合剤相約４０〜２０体積％、及び（ｃ）タングステン約３〜１５重量％を含んでなる焼結ｃＢＮ成形体がある（特許文献２参照。）。

特開２００８−２０８０２７号公報 特開２００４−１６０６３７号公報

近年、切削加工において、被削材の難削性が増す一方で加工の高能率化が求められている。上記特許文献１の発明や上記特許文献２の発明を切削工具として用いたとき、耐欠損性が低く、これらの要求に十分に答えられないという問題があった。本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、耐摩耗性、耐欠損性、被膜と基材との密着性に優れ、従来よりも工具寿命を延長できる被覆ｃＢＮ焼結体を提供することを目的とする。

本発明者等が研究を重ねたところ、ｃＢＮ（立方晶窒化硼素）の含有量を高くし、結合相の厚さのバラツキを小さくしたｃＢＮ焼結体の基材に被膜を被覆すると、耐摩耗性および耐欠損性が共に向上するという知見を得た。すなわち、本発明の被覆ｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮ焼結体の基材とその表面に被覆された被膜とからなり、ｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮ：７６〜９０体積％と、結合相および不可避的不純物：１０〜２４体積％とからなり、ｃＢＮの平均粒径は０．５〜５．０μｍであり、結合相の厚さの平均値が０．０５〜０．８μｍであり、結合相の厚さの標準偏差が０．８μｍ以下であり、より好ましくは、熱伝導率が６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、より好ましくは、ｃＢＮ焼結体に含まれるタングステン元素量がｃＢＮ焼結体全体に対して０〜８質量％であるものである。

本発明の被覆ｃＢＮ焼結体は、耐摩耗性、耐欠損性、基材と被膜との密着性に優れ、従来よりも工具寿命を延長できるという効果を奏する。

本発明のｃＢＮ焼結体において、ｃＢＮが９０体積％を超えて多くなり、結合相および不可避的不純物が１０体積％未満になると、基材と被膜との密着性が悪くなり耐摩耗性が低下し、逆にｃＢＮが７６体積％未満になり、結合相および不可避的不純物が２４体積％を超えて多くなると、相対的に強度の低い結合相の割合が増え、熱伝導率の低下により耐欠損性および耐摩耗性が共に低下する。そのため、ｃＢＮ：７６〜９０体積％、結合相および不可避的不純物：１０〜２４体積％とした。その中でもｃＢＮ：７７〜８５体積％、結合相および不可避的不純物：１５〜２３体積％がより好ましく、その中でもｃＢＮ：７７〜８３体積％、結合相および不可避的不純物：１７〜２３体積％がさらに好ましい。ｃＢＮと、結合相および不可避的不純物の含有量は、ｃＢＮ焼結体の断面組織をＳＥＭ（走査電子顕微鏡）で撮影し、１０００〜５０００倍で撮影された断面組織写真を画像解析することで、求めることができる。

本発明のｃＢＮの平均粒径は、０．５μｍ未満であると個々のｃＢＮ粒子を囲む結合相の表面積が小さくなるため、切削中にｃＢＮを保持することが難しくなり、焼結体の熱伝導率が低下し、亀裂の進展を抑制することができなくなり耐摩耗性と耐欠損性が低下する傾向が見られる。ｃＢＮの平均粒径は、５．０μｍを超えて大きくなると結合相が厚くなるため強度が低下し耐欠損性が低下する傾向が見られる。そのため、ｃＢＮの平均粒径は０．５〜５．０μｍとした。その中でもｃＢＮの平均粒径は０．７〜４．０μｍであると好ましく、その中でも１．５〜４．０μｍであるとさらに好ましい。本発明のｃＢＮの平均粒径は、ｃＢＮ焼結体の断面組織をＳＥＭで１０００〜５０００倍に拡大して撮影した写真から、単位長さあたり及び単位面積内に含まれるｃＢＮ数をカウントし、フルマンの式（式１）を用いて求めることができる。
（式１）
ｄｍ＝（４／π）×（ＮＬ／ＮＳ）
（式１中、ｄｍは平均粒径、πは円周率、ＮＬは断面組織上の任意の直線によってヒットする単位長さあたりのｃＢＮ数、ＮＳは任意の単位面積内に含まれるｃＢＮの数である。）。

本発明のｃＢＮ焼結体の結合相は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌの金属、これら金属の炭化物、炭窒化物、窒化物、硼窒化物、硼化物、酸化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種からなる。具体的には、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣ、ＴｉＢ₂、ＴｉＢＮ、ＴｉＡｌＮ、Ｔｉ₂ＡｌＮ、ＡｌＮ、ＡｌＢ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＣ、ＨｆＣ、ＶＣ、ＮｂＣ、ＴａＣ、Ｃｒ₃Ｃ₂、Ｍｏ₂Ｃ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＶＮ、ＮｂＮ、ＴａＮ、ＣｒＮ、ＷＣ、ＷＢ、Ｗ₂Ｂ、ＣｏＷＢ、Ｗ₂Ｃｏ₂₁Ｂ₆、Ｃｏ₃Ｗ₃Ｃ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉなどを挙げることができる。その中でも焼入鋼の切削加工においては、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣ、ＡｌＮ、ＡｌＢ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＢ₂、ＣｏＷＢ、Ｗ₂Ｃｏ₂₁Ｂ₆、ＷＣの中の少なくとも１種であると、工具寿命が向上するので、さらに好ましく、その中でもＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣ、ＡｌＮ、ＡｌＢ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＢ₂の中の少なくとも１種であると、焼入鋼の切削加工における工具寿命が向上するので、さらに好ましい。

本発明のｃＢＮ焼結体の結合相の厚さの平均値が０．０５μｍ未満になると、基材と被膜との密着性が悪くなり耐摩耗性が低下し、結合相の厚さの平均値が０．８μｍを超えて大きくなると耐欠損性が低下してしまうことから、結合相の厚さの平均値は０．０５〜０．８μｍとした。その中でも結合相の厚さの平均値が０．１〜０．５μｍであるとさらに好ましい。

本発明のｃＢＮ焼結体における結合相の厚さの標準偏差は次の（式２）を用いて求められる。
（式２）

（式２中、σは結合相の厚さの標準偏差、Ｄ_ｉは結合相の厚さの測定値、Ｄは結合相の厚さの平均値、ｎは測定数である。）。
結合相の厚さの標準偏差は０．８μｍを超えると基材と被膜との密着性や耐欠損性が低下するので、０．８μｍ以下とした。さらに好ましい結合相の厚さの標準偏差は０．６μｍ以下である。なお、結合相の厚さの標準偏差を０．０５μｍ未満にすることは製造上難しいので、現実的には、結合相の厚さの標準偏差は０．０５〜０．８μｍの範囲が好ましく、０．０５〜０．６μｍの範囲がさらに好ましい。結合相の厚さの平均値と標準偏差は、ｃＢＮ焼結体の断面組織をＳＥＭで３０００〜５０００倍に拡大して写真撮影し、得られた３０００〜５０００倍の断面組織写真に任意に直線を引き、その直線上にある結合相について、結合相と交差する直線の長さを結合相の厚さとして測定して、その平均値と標準偏差を計算する。このとき、画像解析を行って、結合相の厚さを測定しても好ましい。また、結合相の厚さの測定数は多いほど平均値と標準偏差の信頼性が増すので好ましく、具体的には、例えば、１断面あたり２００以上の測定数で少なくとも３断面を測定した６００以上の測定数であると好ましい。

本発明のｃＢＮ焼結体の製造方法において、本発明で規定される結合相の厚さの平均値と標準偏差を実現するために、原料粉末を混合する工程ではＷＣ基超硬合金ボールを使用したボールミル混合を行うと好ましい。しかしながら、ＷＣ基超硬合金ボールを使用するとタングステン元素がｃＢＮ焼結体に混入する。ｃＢＮ焼結体に混入したタングステン元素はＷＣ、ＷＢ、Ｗ₂Ｂ、ＣｏＷＢ、Ｗ₂Ｃｏ₂₁Ｂ₆、Ｃｏ₃Ｗ₃Ｃ、Ｗなどの形で存在する。これらのＷの金属およびタングステン化合物は切削時の欠損や亀裂の起点となりやすいので、本発明のｃＢＮ焼結体に含まれるタングステン元素量は０〜８質量％が好ましく、その中でも０〜５質量％がさらに好ましく、その中でも０〜３質量％がさらに好ましい。なお、本発明のｃＢＮ焼結体のタングステン元素量はＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分析装置）またはＩＣＰ−ＡＥＳ（誘導結合プラズマ発光分光分析装置）などを用いて測定することができる。

本発明のｃＢＮ焼結体の不可避的不純物としては、ｃＢＮ焼結体の製造工程から混入されるＦｅを挙げることができる。不可避的不純物の合計はｃＢＮ焼結体全体に対して１．０質量％以下であり、通常はｃＢＮ焼結体全体に対して０．５質量％以下に抑えることができるので、本発明の特性値に影響を及ぼすことはない。なお、本発明においては、本発明のｃＢＮ焼結体の特性を損わない範囲で、ｃＢＮと結合相と不可避的不純物に他に、不可避的不純物とはいえない他の成分を少量含有してもよい。

本発明のｃＢＮ焼結体の熱伝導率が６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満になると温度上昇により化学反応による摩耗が生じ耐摩耗性が低下する傾向を示すので、ｃＢＮ焼結体の熱伝導率は６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上が好ましい。本発明のｃＢＮ焼結体の熱伝導率は高いほど好ましく、７５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であるとさらに好ましい。なお、本発明のｃＢＮ焼結体の熱伝導率が１６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）を超えて高くなることはないので、熱伝導率は６０〜１６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の範囲が好ましい。本発明のｃＢＮ焼結体の熱伝導率はレーザーフラッシュ法などにより測定することができる。

本発明のｃＢＮ焼結体基材の表面に被膜を被覆した被覆ｃＢＮ焼結体は耐摩耗性、潤滑性、耐酸化性が向上するため、好ましい。被膜はＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉの金属、これら金属の酸化物、炭化物、炭窒化物、窒化物、硼化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種からなる。具体的にはＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ、（Ａｌ，Ｃｒ）ＮＯ、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ、Ａｌ₂Ｏ₃、（Ａｌ，Ｃｒ）₂Ｏ₃などが挙げられる。被膜は単層または２層以上の積層のいずれで構成されても好ましく、被膜の少なくとも１層は、組成が異なる層厚５〜２００ｎｍの薄膜を交互に積層した交互積層膜でも好ましい。被膜全体の総膜厚は、平均膜厚で、０．３μｍ未満であると耐摩耗性が低下し、１５μｍを超えると耐欠損性が低下することから、０．３〜１５μｍであると好ましく、その中でも０．５〜５μｍであるとさらに好ましい。なお、被膜は従来からあるＰＶＤ法、ＣＶＤ法によって被覆できる。

本発明の被覆ｃＢＮ焼結体は、耐摩耗性、耐欠損性、基材と被膜との密着性に優れる。本発明の被覆ｃＢＮ焼結体は、切削工具として用いると従来よりも工具寿命を延長できることから、切削工具用被覆ｃＢＮ焼結体として用いると好ましく、その中でも焼入鋼切削工具用被覆ｃＢＮ焼結体として用いるとさらに好ましい。

本発明の被覆ｃＢＮ焼結体は、例えば、以下の方法で製造することができる。
［工程１］平均粒径２．０μｍ超７．０μｍ以下の粗粒ｃＢＮ粉末と、平均粒径０．５μｍ以上２．０μｍ以下の微粒ｃＢＮ粉末と、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌの金属、これらの金属の炭化物、炭窒化物、窒化物、硼化物、酸化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種からなる結合相形成用粉末を用意し、粗粒ｃＢＮ粉末と微粒ｃＢＮ粉末の割合は体積比で粗粒ｃＢＮ粉末：微粒ｃＢＮ粉末＝（９．５〜７）：（０．５〜３）（但し、粗粒ｃＢＮ粉末と微粒ｃＢＮ粉末の合計は１０とする。）の範囲内で、粗粒ｃＢＮ粉末は５６〜７６体積％、微粒ｃＢＮ粉末は４〜２４体積％、結合相形成用粉末は１０〜２４体積％、これらの合計は１００体積％となるように粗粒ｃＢＮ粉末と微粒ｃＢＮ粉末と結合相形成用粉末を秤量する。上記のように平均粒径２．０μｍ超７．０μｍ以下の粗粒ｃＢＮ粉末と平均粒径０．５μｍ以上２．０μｍ以下の微粒ｃＢＮ粉末を、体積比で粗粒ｃＢＮ粉末：微粒ｃＢＮ粉末＝（９．５〜７）：（０．５〜３）（但し、粗粒ｃＢＮ粉末と微粒ｃＢＮ粉末の合計は１０とする。）の範囲内にすることにより、ｃＢＮの平均粒径を０．５〜５．０μｍの範囲内にするとともに、ｃＢＮ焼結体の結合相の厚さを薄くし、ｃＢＮ焼結体の熱伝導率を高くすることができる。
［工程２］ｃＢＮ粉末以外の結合相形成用粉末を、ＷＣ基超硬合金ボールと有機溶媒とポットとからなる湿式ボールミルを用いて混合し、有機溶媒を蒸発させ、混合粉末を得る。
［工程３］混合粉末を７００℃以上１０００℃以下の温度で熱処理して反応させて脆性のある相にする。
［工程４］脆性のある相をＷＣ基超硬合金ボールと有機溶媒とポットとからなる湿式ボールミルを用いて混合し、細かく粉砕する。
［工程５］工程３で得られた脆性のある相の粉末と平均粒径０．５μｍ以上２．０μｍ以下の微粒ｃＢＮ粉末とを混合し、細かく粉砕した脆性のある相と微粒ｃＢＮ粉末とをほぐして、これらを均一に分散させる。混合する方法としては、混合時間１〜２４時間の湿式ボールミル、混合時間１〜３０分間の超音波混合などを挙げることができる。
［工程６］工程４で得られた混合粉末に、平均粒径２．０μｍ超７．０μｍ以下の粗粒ｃＢＮ粉末を加えて混合し、これらを均一に分散させる。混合する方法としては、混合時間２〜６時間の湿式ボールミル、混合時間１〜３０分間の超音波混合などを挙げることができる。
［工程７］工程５で得られた混合粉末をＴａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｚｒなどの金属カプセルに入れ、金属カプセルを超高圧高温発生装置に装填し、圧力６〜８ＧＰａ、温度１２００〜１６００℃の条件下で焼結すると本発明のｃＢＮ焼結体が得られる。
［工程８］本発明のｃＢＮ焼結体の表面にＰＶＤ法、ＣＶＤ法によって被膜を被覆することで本発明の被覆ｃＢＮ焼結体が得られる。

平均粒径１．０μｍの微粒ｃＢＮ粉末、平均粒径３．２μｍの粗粒ｃＢＮ粉末、平均粒径１．５μｍのＴｉＮ粉末、平均粒径３．１μｍのＡｌ粉末、平均粒径０．４μｍのＣｏ粉末、平均粒径２．０μｍのＷＣ粉末を用意し、表１に示す配合組成になるように秤量した。ｃＢＮ粉末以外の結合相形成用粉末をＷＣ基超硬合金ボールと有機溶媒とポットとからなる湿式ボールミルを用いて混合した。得られた混合粉末を８５０℃で熱処理して反応させ脆性のある相にした。得られた脆性のある相をＷＣ基超硬合金ボールと有機溶媒とポットとからなる湿式ボールミルを用いて細かく粉砕した。細かく粉砕した脆性のある相の粉末に平均粒径１．０μｍの微粒ｃＢＮ粉末を加えて、ＷＣ基超硬合金ボールと有機溶媒とポットとからなる湿式ボールミルを用いて１時間混合した。この混合物にさらに平均粒径３．２μｍの粗粒ｃＢＮ粉末を加えて、ＷＣ基超硬合金ボールと有機溶媒とポットとからなる湿式ボールミルを用いて６時間混合した。得られた混合粉末をＴａカプセルに入れ、Ｔａカプセルを超高圧高温発生装置に装填し、表２に示す焼結温度と焼結圧力で焼結して発明品と比較品のｃＢＮ焼結体を得た。

得られたｃＢＮ焼結体についてＸ線回折測定を行って、ｃＢＮ焼結体の組成を定性分析した。次にｃＢＮ焼結体の断面組織をＳＥＭで３０００〜５０００倍に拡大して撮影した。得られた断面組織写真を画像解析することでｃＢＮと結合相の含有量（体積％）を求めた。また、断面組織写真に任意に直線を引き、その直線上にある結合相について、結合相と交差する直線の長さを結合相の厚さとして測定して、その平均値と標準偏差を求めた。このとき結合相の厚さの測定数は１試料当たり６００箇所であった。さらに断面組織をＳＥＭで１０００〜５０００倍に拡大して撮影した写真から単位長さ及び単位面積あたりのｃＢＮ数をカウントし、フルマンの式を用いることでｃＢＮの平均粒径を求めた。

ＥＤＳを用いてｃＢＮ焼結体に含まれるタングステン元素量を測定した。ｃＢＮ焼結体の熱伝導率はレーザーフラッシュ法により測定した。これらの結果は表４に示した。

試料番号１〜６，８のｃＢＮ焼結体をワイヤ放電加工機で、試料番号７のｃＢＮ焼結体をレーザーカット加工機で、所定の形状にカットしてＣＮＧＡ形状の超硬基材にろう付けし、研削仕上げ加工をしてＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８切削インサート形状の切削工具を得た。この切削工具にＰＶＤ法により平均膜厚１．０μｍのＴｉＣＮ膜を被覆して被覆ｃＢＮ焼結体の切削工具を得た。

発明品と比較品の切削工具を用いて以下の切削試験を行った。発明品と比較品の工具寿命は表５に示した。

［連続切削試験］
加工形態：旋削加工、
被削材：ＳＣＭ４１５Ｈ（形状：円柱状）、
切削速度：１３０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、
切り込み：０．１５ｍｍ、
雰囲気：湿式、
寿命判定：切削工具の逃げ面摩耗が０．１ｍｍを超えたときを工具寿命とした。

［断続切削試験］
加工形態：旋削加工、
被削材：ＳＣＭ４３５Ｈ（形状：円柱に２本のＶ溝を入れた略円柱状）、
切削速度：１３０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、
切り込み：０．１５ｍｍ、
雰囲気：湿式、
寿命判定：切削工具が欠損したときを工具寿命とした。

表５から発明品は比較品よりも工具寿命が長いことが分かる。ｃＢＮ量が８０体積％を超えて多くなると結合相の割合が少なくなり基材と被膜との密着性が低下し、タングステン元素量が増加することにより工具寿命が低下しはじめる。ｃＢＮ量が７５体積％未満であると熱伝導率が低下し、結合相の厚さの平均値と標準偏差が大きくなることで工具寿命が低下する。

平均粒径１．０μｍの微粒ｃＢＮ粉末、平均粒径３．２μｍの粗粒ｃＢＮ粉末、平均粒径１．５μｍのＴｉＮ粉末、平均粒径１．２μｍのＴｉＣ粉末、平均粒径１．２μｍのＴｉＣＮ粉末、平均粒径３．１μｍのＡｌ粉末を用意し、表６に示す配合組成になるように秤量した。

ｃＢＮ粉末以外の結合相形成用粉末をＷＣ基超硬合金ボールと有機溶媒とポットとからなる湿式ボールミルを用いて混合した。得られた混合粉末を８５０℃で熱処理して反応させ脆性のある相にした。得られた脆性のある相をＷＣ基超硬合金ボールと有機溶媒とポットとからなる湿式ボールミルを用いて細かく粉砕した。試料番号９〜１２、１４，１５については、細かく粉砕した脆性のある相の粉末に平均粒径１．０μｍの微粒ｃＢＮ粉末を加えて、ＷＣ基超硬合金ボールと有機溶媒とポットとからなる湿式ボールミルを用いて表７に示す混合方法で混合した。試料番号１３については、細かく粉砕した脆性のある相の粉末に平均粒径１．０μｍの微粒ｃＢＮ粉末を加えて、表７に示す超音波混合を行った。

試料番号９〜１２、１４，１５については、得られた混合物にさらに平均粒径３．２μｍの粗粒ｃＢＮ粉末を加えて、ＷＣ基超硬合金ボールと有機溶媒とポットとからなる湿式ボールミルを用いて表８に示す混合方法で混合した。試料番号１３については、得られた混合物にさらに平均粒径３．２μｍの粗粒ｃＢＮ粉末を加えて、表８に示す超音波混合を行った。

得られた混合粉末をＴａカプセルに入れ、Ｔａカプセルを超高圧高温発生装置に装填し、焼結圧力７．４ＧＰａ、焼結温度１４５０℃で焼結して、ｃＢＮ焼結体を得た。得られたｃＢＮ焼結体について実施例１と同様な方法でｃＢＮ焼結体の組成、ｃＢＮ量と結合相量、ｃＢＮの平均粒径、結合相の厚さの平均値と標準偏差を測定した。これらの結果は表９に示した。

ＥＤＳを用いてｃＢＮ焼結体に含まれるタングステン元素量を測定した。ｃＢＮ焼結体の熱伝導率はレーザーフラッシュ法により測定した。その結果は表１０に示した。

ｃＢＮ焼結体をワイヤ放電加工機で所定の形状にカットしてＣＮＧＡ形状の超硬基材にろう付けし、研削仕上げ加工をしてＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８切削インサート形状の切削工具を得た。この切削工具にＰＶＤ法により平均膜厚１．３μｍの（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ膜を被覆し被覆ｃＢＮ焼結体からなる切削工具を得た。得られた切削工具を用いて以下の切削試験を行った。

［断続切削試験］
加工形態：旋削加工、
被削材：ＳＣＭ４３５Ｈ（形状：円柱に２本のＶ溝を入れた略円柱状）、
切削速度：１３０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、
切り込み：０．１５ｍｍ、
雰囲気：湿式、
寿命判定：切削工具が欠損したときを工具寿命とした。

切削試験の結果は表１０に併記した。表１０から、ｃＢＮ焼結体に含まれるタングステン元素量が多くなると耐欠損性が低下する傾向があることが分かる。

平均粒径０．４〜１．０μｍの微粒ｃＢＮ粉末、平均粒径３．２〜５．７μｍの粗粒ｃＢＮ粉末、平均粒径１．５μｍのＴｉＮ粉末、平均粒径３．１μｍのＡｌ粉末を用意し、表１１に示す配合組成になるように秤量した。

試料番号１６と試料番号２２について、ｃＢＮ粉末以外の結合相形成用粉末をＷＣ基超硬合金ボールと有機溶媒とポットとからなる湿式ボールミルを用いて混合した。得られた混合粉末を８５０℃で熱処理して反応させ脆性のある相にした。得られた脆性のある相をＷＣ基超硬合金ボールと有機溶媒とポットとからなる湿式ボールミルを用いて細かく粉砕した。試料番号１６は細かく粉砕した脆性のある相の粉末に表１１に示す平均粒径０．４μｍの微粒ｃＢＮ粉末を加えて、ＷＣ基超硬合金ボールと有機溶媒とポットとからなる湿式ボールミルを用いて１０時間混合した。試料番号２２は細かく粉砕した脆性のある相の粉末に表１１に示す平均粒径５．７μｍの粗粒ｃＢＮ粉末を加えて、ＷＣ基超硬合金ボールと有機溶媒とポットとからなる湿式ボールミルを用いて６時間混合した。得られた混合粉末をＴａカプセルに入れ、Ｔａカプセルを超高圧高温発生装置に装填し、表１２に示す焼結温度と焼結圧力で焼結してｃＢＮ焼結体を得た。

試料番号１７〜２１について、ｃＢＮ粉末以外の結合相形成用粉末をＷＣ基超硬合金ボールと有機溶媒とポットとからなる湿式ボールミルを用いて混合した。得られた混合粉末を８５０℃で熱処理して反応させ脆性のある相にした。得られた脆性のある相をＷＣ基超硬合金ボールと有機溶媒とポットとからなる湿式ボールミルを用いて細かく粉砕した。細かく粉砕した脆性のある相の粉末に表１１に示す平均粒径１．０μｍの微粒ｃＢＮ粉末を加えて、ＷＣ基超硬合金ボールと有機溶媒とポットとからなる湿式ボールミルを用いて１時間混合した。この混合物にさらに平均粒径２．４〜５．７μｍの粗粒ｃＢＮ粉末を加えて、ＷＣ基超硬合金ボールと有機溶媒とポットとからなる湿式ボールミルを用いて６時間混合した。得られた混合粉末をＴａカプセルに入れ、Ｔａカプセルを超高圧高温発生装置に装填し、表１２に示す焼結温度と焼結圧力で焼結してｃＢＮ焼結体を得た。

得られたｃＢＮ焼結体について実施例１と同様な方法でｃＢＮ焼結体の組成、ｃＢＮ量と結合相量、ｃＢＮの平均粒径、結合相の厚さの平均値と標準偏差を測定した。これらの結果は表１３に示した。

ＥＤＳを用いてｃＢＮ焼結体に含まれるタングステン元素量を測定した。また、ｃＢＮ焼結体の熱伝導率をレーザーフラッシュ法により測定した。それらの結果は表１４に示した。

ｃＢＮ焼結体をワイヤ放電加工機で所定の形状にカットしてＣＮＧＡ形状の超硬基材にろう付けし、研削仕上げ加工をしてＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８切削インサート形状の切削工具を得た。この切削工具にＰＶＤ法により、層厚２０ｎｍの（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎからなる薄層と層厚２０ｎｍの（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎからなる薄層とを交互に積層した交互積層膜からなる被膜を、被膜全体の総膜厚が平均膜厚で１．８μｍになるように被覆し、被覆ｃＢＮ焼結体からなる切削工具を得た。得られた切削工具を用いて以下の切削試験を行った。切削工具の工具寿命は表１５に示した。

［連続切削試験］
加工形態：旋削加工、
被削材：ＳＣＭ４１５Ｈ（形状：円柱状）、
切削速度：１３０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、
切り込み：０．１５ｍｍ、
雰囲気：湿式、
寿命判定：切削工具の逃げ面摩耗が０．１ｍｍを超えたときを工具寿命とした。

［断続切削試験］
加工形態：旋削加工、
被削材：ＳＣＭ４３５Ｈ（形状：円柱に２本のＶ溝を入れた略円柱状）、
切削速度：１３０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、
切り込み０．１５ｍｍ、
雰囲気：湿式、
寿命判定：切削工具が欠損したときを工具寿命とした。

表１５より、試料番号１６の耐摩耗性と耐欠損性が低いことが分かる。これは、ｃＢＮが微粒であるので熱伝導率が低く、亀裂が伝播しやすいためと考えられる。また、表１５より、試料番号２２の耐摩耗性と耐欠損性が低いことが分かる。これは、ｃＢＮが粗粒であり、結合相厚さの平均値と標準偏差が大きいので、結合相が選択的に摩耗するためと考えられる。

Claims (24)

1. ｃＢＮ焼結体の基材とその表面に被覆された被膜とからなり、ｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮ：７６〜９０体積％と、結合相および不可避的不純物：１０〜２４体積％とからなり、ｃＢＮの平均粒径は０．５〜５．０μｍであり、結合相の厚さの平均値が０．０５〜０．８μｍであり、結合相の厚さの標準偏差が０．８μｍ以下である被覆ｃＢＮ焼結体。
2. ｃＢＮ焼結体が、ｃＢＮ：７７〜８５体積％、結合相および不可避的不純物：１５〜２３体積％とからなる請求項１に記載の被覆ｃＢＮ焼結体。
3. ｃＢＮ焼結体が、ｃＢＮ：７７〜８３体積％、結合相および不可避的不純物：１７〜２３体積％とからなる請求項１に記載の被覆ｃＢＮ焼結体。
4. ｃＢＮの平均粒径が０．７〜４．０μｍの範囲である請求項１〜３のいずれか１項に記載の被覆ｃＢＮ焼結体。
5. ｃＢＮの平均粒径が１．５〜４．０μｍの範囲である請求項１〜３のいずれか１項に記載の被覆ｃＢＮ焼結体。
6. 結合相の厚さの平均値が０．１〜０．５μｍの範囲である請求項１〜５のいずれか１項に記載の被覆ｃＢＮ焼結体。
7. 結合相の厚さの標準偏差が０．０５〜０．８μｍの範囲である請求項１〜６のいずれか１項に記載の被覆ｃＢＮ焼結体。
8. 結合相の厚さの標準偏差が０．０５〜０．６μｍの範囲である請求項１〜６のいずれか１項に記載の被覆ｃＢＮ焼結体。
9. 結合相は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌの金属、それらの金属の炭化物、炭窒化物、窒化物、硼窒化物、硼化物、酸化物およびこれらの相互固溶体の中から成る群より選ばれた少なくとも１種からなる請求項１〜８のいずれか１項に記載の被覆ｃＢＮ焼結体。
10. 結合相が、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣ、ＴｉＢ₂、ＴｉＢＮ、ＴｉＡｌＮ、Ｔｉ₂ＡｌＮ、ＡｌＮ、ＡｌＢ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＣ、ＨｆＣ、ＶＣ、ＮｂＣ、ＴａＣ、Ｃｒ₃Ｃ₂、Ｍｏ₂Ｃ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＶＮ、ＮｂＮ、ＴａＮ、ＣｒＮ、ＷＣ、ＷＢ、Ｗ₂Ｂ、ＣｏＷＢ、Ｗ₂Ｃｏ₂₁Ｂ₆、Ｃｏ₃Ｗ₃Ｃ、Ｗ、ＣｏおよびＮｉから成る群より選ばれた少なくとも１種からなる請求項１〜８のいずれか１項に記載の被覆ｃＢＮ焼結体。
11. 結合相が、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣ、ＡｌＮ、ＡｌＢ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＢ₂、ＣｏＷＢ、Ｗ₂Ｃｏ₂₁Ｂ₆およびＷＣから成る群より選ばれた少なくとも１種からなる請求項１〜８のいずれか１項に記載の被覆ｃＢＮ焼結体。
12. 結合相が、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣ、ＡｌＮ、ＡｌＢ₂、Ａｌ₂Ｏ₃およびＴｉＢ₂から成る群より選ばれた少なくとも１種からなる請求項１〜８のいずれか１項に記載の被覆ｃＢＮ焼結体。
13. 被膜が、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉの金属、それらの金属の酸化物、炭化物、炭窒化物、窒化物、硼化物およびこれらの相互固溶体の中から選ばれた少なくとも１種からなる請求項１〜１２のいずれか１項に記載の被覆ｃＢＮ焼結体。
14. 被膜が、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ、（Ａｌ，Ｃｒ）ＮＯ、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ、Ａｌ₂Ｏ₃および（Ａｌ，Ｃｒ）₂Ｏ₃から成る群より選ばれた少なくとも１種からなる請求項１〜１２のいずれか１項に記載の被覆ｃＢＮ焼結体。
15. 被膜の少なくとも１層が、組成が異なる層厚５〜２００ｎｍの薄膜を交互に積層した交互積層膜である請求項１〜１４のいずれか１項に記載の被覆ｃＢＮ焼結体。
16. 被膜全体の総膜厚は、平均膜厚で、０．３〜１５μｍである請求項１〜１５のいずれか１項に記載の被覆ｃＢＮ焼結体。
17. 被膜全体の総膜厚は、平均膜厚で、０．５〜５μｍである請求項１〜１５のいずれか１項に記載の被覆ｃＢＮ焼結体。
18. ｃＢＮ焼結体の熱伝導率が６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である請求項１〜１７のいずれか１項に記載の被覆ｃＢＮ焼結体。
19. ｃＢＮ焼結体の熱伝導率が７５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である請求項１〜１７のいずれか１項に記載の被覆ｃＢＮ焼結体。
20. ｃＢＮ焼結体の熱伝導率が１６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下である請求項１〜１９のいずれか１項に記載の被覆ｃＢＮ焼結体。
21. ｃＢＮ焼結体に含まれるタングステン元素量がｃＢＮ焼結体全体に対して０〜８質量％である請求項１〜２０のいずれか１項に記載の被覆ｃＢＮ焼結体。
22. ｃＢＮが、平均粒径２．０μｍ超７．０μｍ以下の粗粒ｃＢＮ粉末と平均粒径０．５μｍ以上２．０μｍ以下の微粒ｃＢＮ粉末を、体積比で粗粒ｃＢＮ粉末：微粒ｃＢＮ粉末＝（９．５〜７）：（０．５〜３）（但し、粗粒ｃＢＮ粉末と微粒ｃＢＮ粉末の合計は１０とする。）の範囲内で混合したものを焼結したものである請求項１〜２１のいずれか１項に記載の被覆ｃＢＮ焼結体。
23. ｃＢＮが、粗粒ｃＢＮ粉末を５６〜７６体積％、微粒ｃＢＮ粉末を４〜２４体積％、結合相形成用粉末を１０〜２４体積％とし、これらの合計が１００体積％となるように粗粒ｃＢＮ粉末、微粒ｃＢＮ粉末および結合相形成用粉末を混合したものを焼結したものである請求項２２に記載の被覆ｃＢＮ焼結体。
24. 請求項１〜２３のいずれか１項に記載の被覆ｃＢＮ焼結体を切削工具として用いる切削工具用被覆ｃＢＮ焼結体。