JP2000126904A

JP2000126904A - 被覆超硬合金工具

Info

Publication number: JP2000126904A
Application number: JP30190298A
Authority: JP
Inventors: Hideki Moriguchi; 秀樹森口; Akihiko Ikegaya; 明彦池ケ谷
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1998-10-23
Filing date: 1998-10-23
Publication date: 2000-05-09
Anticipated expiration: 2018-10-23
Also published as: JP3022519B1

Abstract

(57)【要約】【課題】耐欠損性と耐摩耗性の両特性を向上させ、工
具寿命を長寿命化させた被覆超硬合金工具を提供するこ
と。【解決手段】ＷＣをマトリックスとし、鉄族金属を結
合相とした超硬合金を基体とし、その基体の表面に複数
の被覆層を設けた被覆超硬合金製切削工具において、
（ａ）該被覆層の基体に隣接する最内層が厚み０．１〜
３μｍの窒化チタンであり、その上層に０．５〜１０μ
ｍのアルミナが少なくとも一層被覆されており、（ｂ）
前記工具の刃先稜線部の鏡面研磨した断面組織上で、刃
先稜線部の被覆膜中の平均亀裂間隔が逃げ面の被覆膜中
の平均亀裂間隔より小さく、（ｃ）前記刃先稜線部の被
覆膜中の亀裂のうち、基体側の亀裂の先端が前記最内層
の窒化チタン内もしくは窒化チタンよりも上層内もしく
はそれらの層環の界面にあるものが５０％以上であり、
（ｄ）前記刃先稜線部の被覆膜中の亀裂の平均長さが逃
げ面での被覆膜厚の平均値よりも短く、（ｅ）前記アル
ミナ層が刃先稜線部の少なくとも一部で研磨されている
ことを特徴とする被覆超硬合金製切削工具。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は切削工具に関し、特
に鋼および鋳鉄の切削加工に使用する被覆超硬合金製切
削工具として最適であり、耐摩耗性と耐欠損性に同時に
優れるようにしたものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、金属材料切削用の工具材質として
は、超硬合金（ＷＣ−Ｃｏ合金もしくはＷＣ−Ｃｏ合金
にＴｉやＴａ、Ｎｂの炭窒化物を添加した合金）が用い
られてきたが、近年は切削条件が高速化してきた結果、
超硬合金にＣＶＤやＰＶＤで元素周期律表IVａ、Ｖａ、
VIａ族金属およびＡｌ等の炭化物、窒化物、炭窒化物、
炭酸化物又はホウ窒化物、酸化物またはこれらの固溶体
からなる被覆膜を３〜１５μｍの厚さに被覆した超硬合
金工具の使用割合が増大している。被覆膜厚はさらに厚
くなる傾向にあり、２０μｍ以上の膜厚のＣＶＤ被覆超
硬合金も提案されている。このようなＣＶＤ被覆超硬合
金工具では被覆膜と母材の熱膨張係数の違いから、コー
ティング後の冷却過程で被覆膜中に引張り残留応力が発
生し、工具の耐欠損性が低下するという問題点が指摘さ
れていた。

【０００３】これに対して、被覆超硬合金の表面に機械
的衝撃をブラストなどの方法で与え、被覆膜中に母材ま
で貫通したクラックを導入し、耐欠損性を改善する提案
（特公平７−６０６６号公報）がなされた。この提案の
方法では、ある程度、耐欠損性が向上することが確認さ
れたが、母材まで貫通した亀裂を予め被覆膜中に導入し
たため、グリフィスの予亀裂長さが長くなり、この長い
亀裂がもとで耐欠損性が低下したり、被覆膜の摩耗に乱
れが生じ、耐摩耗性が低下する問題点があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の表
面被覆超硬合金工具では耐摩耗性を増大させるために被
覆膜の厚さを増加させると工具の耐欠損性が低下した
り、比較的厚さの大きい被覆膜中に亀裂を予め付与する
場合にも付与された亀裂の状態によってかえって耐摩耗
性が低下するという問題があり、これは未だ解消されて
いない。本発明は、かかる従来の事情に鑑み、耐欠損性
と耐摩耗性の両特性を向上させ、工具寿命を長寿命化さ
せた被覆超硬合金工具を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明者らは、鋭意研究を行った結果、ＷＣをマト
リックスとし、鉄族金属を結合相とした超硬合金を基体
とし、その表面に特定の膜質、構造のセラミック膜を被
覆後、熱的もしくは機械的手法により、被覆膜中に導入
する亀裂長さおよび亀裂間隔を厳密に制御することで、
耐欠損性と耐摩耗性の両特性を向上させ、工具寿命を大
幅に長寿命化できることを見いだした。すなわち、本発
明は下記に要約したとおりの特定された各発明からな
る。

【０００６】（１）ＷＣをマトリックスとし、鉄族金属
を結合相とした超硬合金を基体とし、その基体の表面に
複数の被覆層を設けた被覆超硬合金製切削工具におい
て、（ａ）該被覆層の基体に隣接する最内層が厚み０．
１〜３μｍ、好ましくは０．３〜１μｍの窒化チタンで
あり、その上層に厚み０．５〜１０μｍ、好ましくは３
〜８μｍのアルミナが少なくとも一層被覆されており、
（ｂ）前記工具の鏡面研磨した断面組織上で、刃先稜線
部の被覆膜中の平均亀裂間隔が逃げ面の被覆膜中の平均
亀裂間隔より小さく、（ｃ）前記刃先稜線部の被覆膜中
の亀裂のうち、基体側の亀裂の先端が前記最内層の窒化
チタン内もしくは窒化チタンよりも上層内もしくはそれ
らの層間の界面（窒化チタンとその直上層との界面、上
層内各層間の界面）にあるものが５０％以上であり、
（ｄ）前記刃先稜線部の被覆膜中の亀裂の平均長さが逃
げ面での被覆膜厚の平均値よりも短く、（ｅ）前記アル
ミナ層が刃先稜線部の少なくとも一部で研磨されている
ことを特徴とする被覆超硬合金製切削工具。

【０００７】（２）前記最内層の窒化チタンの上層に、
厚み３〜３０μｍ、好ましくは５〜１５μｍのアスペク
ト比５以上、好ましくは１０〜５０の柱状晶からなる炭
窒化チタン、さらにその上層に厚み０．５〜１０μｍ、
好ましくは３〜８μｍのアルミナが少なくとも一層被覆
されていることを特徴とする上記（１）に記載の被覆超
硬合金製切削工具。（３）前記刃先稜線部の被覆膜中の亀裂のうち、基体側
の亀裂の先端が前記最内層の窒化チタン内、前記柱状晶
からなる炭窒化チタン内、もしくは前記窒化チタンと前
記柱状晶からなる炭窒化チタンとの界面にあるものが５
０％以上、好ましくは８０〜１００％であることを特徴
とする上記（２）に記載の被覆超硬合金製切削工具。

【０００８】（４）前記刃先稜線部の被覆膜中の亀裂間
隔の平均値は１０μｍ以下であることを特徴とする上記
（１）〜（３）のいずれかに記載の被覆超硬合金製切削
工具。（５）前記断面組織上で刃先稜線部の被覆膜中の亀裂間
隔のうち、亀裂間隔の平均値をＸ、逃げ面の被覆膜中の
亀裂間隔の平均値をＹとしたとき、Ｙ／Ｘの値が２以
上、好ましくは５以上の関係を満たすことを特徴とする
上記（１）〜（４）のいずれかに記載の被覆超硬合金製
切削工具。（６）前記アルミナ層が研磨された部分の下層に亀裂間
隔が０．５〜５μｍ、好ましくは１〜３μｍである被覆
層Ａが存在することを特徴とする上記（１）〜（５）の
いずれかに記載の被覆超硬合金製切削工具。（７）前記アルミナ層が研磨された部分の下層に存在す
る被覆層Ａが厚み３〜３０μｍ、好ましくは５〜１５μ
ｍのアスペクト比が５以上、好ましくは１０〜５０の柱
状晶からなる炭窒化チタンであることを特徴とする上記
（２）〜（６）のいずれかに記載の被覆超硬合金製切削
工具。

【０００９】（８）前記刃先稜線部の被覆膜中の亀裂の
うち、前記柱状晶からなる炭窒化チタン膜にのみ存在
し、その上下の被覆層に貫通していないものが５０％以
上、好ましくは７０〜１００％であることを特徴とする
上記（２）〜（７）のいずれかに記載の被覆超硬合金製
切削工具。（９）前記超硬合金表面には脱β層を有することを特徴
とする上記（１）〜（８）のいずれかに記載の被覆超硬
合金製切削工具。

【００１０】（１０）前記研磨されたアルミナ層はα−
アルミナであることを特徴とする上記（１）〜（９）の
いずれかに記載の被覆超硬合金製切削工具。（１１）前記刃先稜線部の被覆膜中の亀裂はコーティン
グ後に機械的に導入されたことを特徴とする上記（１）
〜（１０）のいずれかに記載の被覆超硬合金製切削工
具。（１２）前記柱状晶からなる炭窒化チタンが有機ＣＮ化
合物を反応ガスとするＣＶＤ法によって８００℃以上１
０００℃以下、好ましくは８５０〜９５０℃の温度で被
覆されたことを特徴とする上記（２）〜（１１）のいず
れかに記載の被覆超硬合金製切削工具。（１３）亀裂が各被覆層の膜厚の１／２以上の亀裂長さ
を有することを特徴とする上記（１）〜（１２）のいず
れかに記載の被覆超硬合金製切削工具。（１４）被覆層の厚みの合計が３〜５０μｍの範囲にあ
ることを特徴とする上記（１）〜（１３）のいずれかに
記載の被覆超硬合金製切削工具。なお、前記最内層に被
覆した窒化チタンと前記柱状晶の炭窒化チタンの間およ
び前記柱状晶の炭窒化チタンと前記アルミナ層の間には
中間層が被覆されていても構わない。中間層としては厚
さ０．１〜５μｍ程度の硼窒化チタン、炭化チタン、炭
窒酸化チタン等からなる層が挙げられる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明によれば、ＷＣをマトリッ
クスとし、鉄族金属を結合相とした超硬合金又は必要に
応じてこれに更にＴｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物を添加
した合金を基体とし、その基体の表面に複数の被覆層を
設けた被覆超硬合金製切削工具において、（ａ）該被覆
層の基体に隣接する最内層が厚み０．１〜３μｍ、好ま
しくは０．３〜１μｍの窒化チタンとし、さらにその上
層に０．５〜１０μｍ、好ましくは３〜８μｍのアルミ
ナを少なくとも一層被覆する。更に好ましくは、その前
記窒化チタンと前記アルミナの間に厚み３〜３０μｍ、
好ましくは５〜１５μｍのアスペクト比５以上、好まし
くは１０〜５０の柱状晶からなる炭窒化チタンを被覆す
る。（ｂ）前記工具の鏡面研磨した断面組織上で、刃先
稜線部の被覆膜中の平均亀裂間隔が逃げ面の被覆膜中の
平均亀裂間隔より狭くする。（ｃ）前記刃先稜線部の被
覆膜中の亀裂のうち、基体側の亀裂の先端が前記最内層
の窒化チタン内、もしくは窒化チタンよりも上層内もし
くはそれらの層間の界面にあるものが５０％以上、好ま
しくは８０〜１００％である。前記最内層の窒化チタン
の上層に前記柱状晶からなる炭窒化チタンを被覆した場
合には、前記最内層の窒化チタン内、前記柱状晶からな
る炭窒化チタン内、もしくは前記窒化チタンと前記柱状
晶からなる炭窒化チタンとの界面にあるものが５０％以
上、好ましくは８０〜１００％である。（ｄ）前記刃先
稜線部の被覆膜中の亀裂の平均長さが逃げ面での被覆膜
厚の平均値よりも短くする。（ｅ）前記アルミナ層を刃
先稜線部の少なくとも一部で研磨することが重要であ
る。

【００１２】以下に上記発明（１）における、（ａ）〜
（ｅ）及びその他の発明の限定理由について説明する。（ａ）最内層を窒化チタンとしたのは超硬合金素材に対
する密着力に優れている上、被覆膜中の亀裂が母材に達
するのを防ぐ膜質として非常に優れているからである。
その厚みは０．１μｍ未満ではその効果が期待できず、
３μｍよりも厚くすると耐摩耗性が低下するためこのよ
うに限定した。さらに上層のアルミナ膜は鋼や鋳鉄を高
速切削したさいにすくい面摩耗抑制の観点から必要で、
その厚みが０．５μｍ未満であるとその効果が小さく、
１０μｍを越えると耐欠損性の低下が著しいためこのよ
うに限定した。特に好ましいのは３〜８μｍである。こ
こでアルミナ層は複数設けてもよく、その場合ＴｉＮ、
ＴｉＣＮ、ＴｉＣ、ＴｉＢＮ、ＴｉＢＮＯ層などと適宜
にサンドウィッチ状に積層することができる。更に、ア
ルミナ層の内側には、ＴｉＣ、ＴｉＢＮ、ＴｉＮ、Ｔｉ
ＢＮＯ、ＴｉＣＯ、ＴｉＣＮＯなどの各層、外側にはＴ
ｉＣＮ、ＴｉＢＮ、ＴｉＮなとの各層を適宜に設けるこ
とができる。例えば、ＴｉＣＮＯ層をＴｉＣＮ層とＡｌ
₂Ｏ₃層の間に設ける場合は両者の接着力の増加に役立
ち、またＡｌ₂Ｏ₃層の外側のＴｉＮ層は切削時の使用
済コーナーの色別、金色化による商品価値の向上に役立
つ。また最内層のＴｉＮ層に隣接する層としてはＴｉＣ
Ｎ、Ａｌ₂０₃のほかにＴｉＣ、ＴｉＢＮ、ＴｉＣＮ
Ｏ、ＴｉＣＯの各層を設けることができる。さらに好ま
しくは、前記窒化チタンと前記アルミナの間に炭窒化チ
タン膜を被覆する。この炭窒化チタン膜は耐摩耗性の観
点から被覆することが好ましく、アスペクト比が５以上
の柱状晶膜とすることで、亀裂を導入しやすく、膜その
ものも強靱となるためこのように限定した。また、この
アスペクト比は１０〜５０の範囲にあると特に優れた性
能を期待できる。その厚みは５μｍ未満では耐摩耗性向
上効果が小さく、３０μｍよりも厚くなると耐欠損性の
低下が著しくなるのでこのように限定した。また、上記
のＡｌ₂Ｏ₃としては任意の結晶形のものが用いられる
が、κ−Ａｌ₂Ｏ₃は除去し易いのに対し、α−Ａｌ₂
Ｏ₃はκ−Ａｌ₂Ｏ₃よりも靱性が高く除去しづらいの
で目的に応じて適宜に使い分けることができる。

【００１３】（ｂ）工具の断面組織を鏡面加工後、光学
顕微鏡もしくは走査電子顕微鏡で観察したとき、刃先稜
線部の被覆膜中の平均亀裂間隔が逃げ面の被覆膜中の平
均亀裂間隔よりも狭いと断続切削時の耐欠損性が向上
し、耐摩耗性を支配する逃げ面で亀裂を導入しすぎるこ
とによる膜の破壊、脱落、剥離現象が抑制できるため好
ましい。特に、前記断面組織上で刃先稜線部の被覆膜中
の亀裂間隔の平均値をＸ、逃げ面の被覆膜中の亀裂間隔
の平均値をＹとしたときに、Ｙ／Ｘの値が２以上なる関
係、好ましくは５以上を満たしていると、特にこれらの
効果が顕著に現れるためこのように限定した。なお、前
記刃先稜線部とは刃先稜線部の中央部（範囲としてはす
くい面もしくは逃げ面とのつなぎ部までをいう）、前記
逃げ面とは逃げ面中央部、すくい面とは刃先稜線部とす
くい面のつなぎ部からすくい面側に０〜１００μｍ入っ
た位置を指す（図１、２参照）。また、前記の光学顕微
鏡もしくは走査電子顕微鏡による断面組織の観察は、指
定の場所の被覆膜を距離で約５０〜１００μｍ程度の長
さ分、写真撮影し、これを用いて亀裂の導入状態を評価
する。ただし、この観察視野で導入されている亀裂本数
が少ないときには、測定視野を延長し、指定の場所が５
０μｍ未満の長さしかないときは、測定可能な距離だけ
を測定視野とする。ここでいう亀裂とは各被覆層の膜厚
の１／２以上の長さで被覆膜表面と垂直方向に導入され
た亀裂のことを指す（図３参照）。これは、各層の厚み
の１／２以上の亀裂長さの亀裂が導入されたときに、特
に各層の膜が強靱化し、切削性能が向上するためであ
る。また、各被覆層の平均亀裂間隔が異なるときには、
最も小さい平均亀裂間隔を本発明の平均亀裂間隔とし
た。

【００１４】（ｃ）刃先稜線部の被覆膜中の亀裂のう
ち、母材側の亀裂の先端が前記最内層の窒化チタン内、
前記柱状晶からなる炭窒化チタン内、もしくは前記窒化
チタンと前記柱状晶からなる炭窒化チタンの界面で止ま
っているものが５０％以上あると、母材まで貫通した亀
裂の割合が低くなるため、断続切削時に母材に貫通した
亀裂が応力集中源となって超硬合金が破壊し欠損した
り、被覆膜直下の超硬合金が破壊することによって被覆
膜が剥がれて耐摩耗性が低下する現象が抑制できるため
好ましい。特に好ましいのは８０％以上の時である。

【００１５】（ｄ）前記刃先稜線部の被覆膜中の亀裂の
平均長さが、逃げ面での被覆膜厚の平均値よりも短い
と、表面から母材まで貫通した亀裂が少なくなり、高速
切削時に母材に貫通した亀裂先端で超硬合金母材が酸化
することによる超硬母材の破壊、膜の剥離による摩耗の
増加が抑制できるため好ましい。さらに、前記刃先稜線
部の被覆膜中の亀裂間隔の平均値を１０μｍ以下とする
ことにより、刃先稜線部に負荷された切削応力が特定の
亀裂先端に集中することを防止、すなわち応力分散でき
るため、耐欠損性が向上する上、異常摩耗が抑制される
ため耐摩耗性が向上するので特に好ましい。

【００１６】（ｅ）前記アルミナ層の刃先稜線部の少な
くとも一部を、例えば砥粒を付着、含有するブラシや、
弾性砥石などを用いる研磨法又はバレル処理法、ブラス
ト処理法により除去する。これは被覆膜の剥離を防止
し、耐欠損性、耐摩耗性を向上するためにするもので、
アルミナ層の一部を研磨することによりアルミナ膜を平
滑化し、切屑の流れを円滑にすることで、溶着→切削抵
抗の増大→被膜の欠損の流れが起りにくくなり、またア
ルミナ層の破壊が抑制できるので、破壊したアルミナ粒
子が逃げ面を擦過することによる異常摩耗を抑制するこ
とができる。研磨の仕方は、刃先稜線部の切刃全周に及
ばせるのが好ましい。なお、アルミナ膜に研磨された部
分があるかどうかの判断は、たとえばＳＥＭによって工
具表面を観察することで、アルミナの粒径、粒界が判別
しにくくなった部分があるかどうか、または鏡面研磨し
た断面組織上で刃先稜線部のアルミナ膜の膜厚が逃げ面
もしくはすくい面のアルミナ膜の膜厚よりも薄くなって
いるかどうか〔図４（ａ）参照〕、鏡面研磨した断面組
織上で刃先稜線部のアルミナ膜の粗さが逃げ面もしくは
すくい面の粗さよりも小さいかどうか〔図４（ｂ）参
照〕によって判定することができる。更に研磨の程度
は、一般的には、前記アルミナ層の厚さの５〜９９％、
好ましくは３０〜９５％の範囲とするのが好ましい。

【００１７】また、前記アルミナ層が研磨された部分の
下層に亀裂間隔が０．５〜５μｍである被覆層Ａが存在
すると特に耐溶着性、耐摩耗性に優れ、耐欠損性が素晴
らしく向上するため、特に好ましい。また、前記アルミ
ナ層が研磨された部分の下層に存在する被覆層Ａが厚み
３〜３０μｍのアスペクト比が５以上好ましくは１０〜
５０の柱状晶からなる炭窒化チタンである場合、もしく
は前記刃先稜線部の被覆膜中の亀裂が前記柱状晶からな
る炭窒化チタン膜にのみ存在し、その上下の被覆層に貫
通していないものが５０％以上であると、前記柱状晶か
らなる炭窒化チタン膜の結晶粒は柱状のため、断続切削
時のような衝撃が繰り返し負荷される切削でも亀裂が膜
表面と平行に進展したり、亀裂同士が合体したりするこ
とが少なく、膜のチッピングからの溶着欠損や膜の剥離
による急激な摩耗増大現象が抑制できるため好ましい。
本発明の被覆超硬合金において、被覆の総膜厚範囲は３
〜５０μｍとするのが好ましい。

【００１８】次に、前記超硬合金表面に脱β層（ＷＣお
よび結合相金属以外の析出物を有さない層）を有してい
ると、亀裂が切削応力により母材中に進展したときに超
硬母材表面部での靱性が向上しているため、亀裂進展し
にくく、耐欠損性がさらに向上できる。さらに、脱β層
直下に合金内部よりも硬度の高い部分が存在していると
耐欠損性と耐摩耗性のバランスが向上する。脱β層は窒
化物及び／又は炭窒化物を含有する超硬合金粉末を真空
などの脱窒雰囲気で焼結することによって得ることがで
き、その厚さは５〜５０μｍが好ましい。また、前記研
磨されたアルミナ層は、強度に優れ、研磨時の粒子脱落
の少ないα−アルミナのほうが好ましく、鋳鉄切削時の
逃げ面での耐摩耗性にも優れているのでα−アルミナが
好ましい。なお、前記刃先稜線部の被覆膜中の亀裂はコ
ーティング後に機械的に導入することができ、機械的衝
撃の程度を制御することで本発明の被覆超硬合金製切削
工具を製造することができる。機械的衝撃を与える方法
としてはブラスト処理の他に、砥粒を付着させたブラシ
や弾性砥石による研磨、バレル処理などの方法を挙げる
ことができる。また、前記柱状晶からなる炭窒化チタン
がアセトニトリル（ＣＨ₃ＣＮ）、スクシノニトリル、
トルニトリル、アクリロニトリル、ブチロニトリルなど
の有機ＣＮ化合物を反応ガスとするＣＶＤ法によって８
００℃以上１０００℃以下の温度で被覆されていると、
炭窒化チタン膜がアスペクト比５以上の柱状晶となりや
すく、本発明に記載の亀裂が導入されやすいため好まし
い。

【００１９】

【実施例】以下、実施例により、本発明を説明するが、
これにより本発明が限定されるものではない。（実施例１）重量％で９０％ＷＣ−３％ＴｉＣ−１％Ｚ
ｒＣ−６％Ｃｏなる組成の超硬合金粉末をプレスし、真
空雰囲気中で１４００℃、１時間保持の条件で焼結し、
平研、刃先処理を行い、ＩＳＯ型番ＣＮＭＧ１２０４０
８の形状の超硬合金製チップを作製した。このチップに
下層から順に次の３種類の被覆膜をＣＶＤ法によりコー
ティングした。膜質０．３μｍＴｉＣ−５．７μｍＴｉＣＮ（アスペ
クト比３）−０．５μｍＴｉＣＮＯ−４μｍα−アルミ
ナ−０．５μｍＴｉＮ（総膜厚１１μｍ）膜質０．３μｍＴｉＮ−５．７μｍＴｉＣＮ（アスペ
クト比３）−０．５μｍＴｉＣＮＯ−４μｍα−アルミ
ナ−０．５μｍＴｉＮ（総膜厚１１μｍ）膜質０．３μｍＴｉＮ−５．７μｍＴｉＣＮ（アスペ
クト比７）−０．５μｍＴｉＣＮＯ−４μｍα−アルミ
ナ−０．５μｍＴｉＮ（総膜厚１１μｍ）

【００２０】なお、膜質のＴｉＣＮ膜被覆時には有機
ＣＮ化合物としてアセトニトリルを原料として用い、９
００℃で被覆し、アスペクト比が約７の柱状晶ＴｉＣＮ
膜を形成した。また、いずれの膜質もアルミナ膜被覆時
にはＨ₂Ｓガスを添加ガスとして用い、刃先稜線部と逃
げ面中央部の膜厚が均一となるように被覆した。このた
め、いずれの膜質でも被覆膜厚はすくい面部、刃先稜線
部、逃げ面中央部ともに約１１μｍであった。

【００２１】さらに、この被覆超硬合金の表面を、鉄球
を用いて鉄球のサイズ、投射スピードを変化させて、表
１に示す被覆膜中の亀裂状態の異なるチップを作製し
た。なお、被覆膜中の亀裂の状態は、各被覆超硬合金を
ダイヤモンドホイールで切断し、切断面が見えるように
樹脂に埋込んだ後、切断面を研削盤で＃１４０のダイヤ
モンド砥石を用い、研削速度３０ｍ／ｓｅｃ、送り速度
２０ｃｍ／ｓｅｃ、切り込み量４μｍ（初期）、２μｍ
（中期）、１μｍ（後期）の条件で約３００μｍの厚さ
を平面研削し、更に、研磨盤で＃１５００のダイヤモン
ドペーストで粗研磨、次に＃３０００のダイヤモンドペ
ーストで仕上げ研磨した面を光学顕微鏡を用いて×１５
００で観察し、定量化した。また、Ａｌ₂Ｏ₃層の研磨
の有無は処理した工具の刃先稜線部と逃げ面中央部の被
覆膜をＳＥＭで観察し、刃先稜線部でアルミナの粒径、
粒界が判別しにくくなっている場合にＡｌ₂Ｏ₃層の研
磨ありと判定した。

【００２２】

【表１】

【００２３】次にこれらのチップを用いて、図５に示す
ＳＣＭ４３５製被削材（外周に４つの溝があり、断続形
状になる丸棒材）を下記条件で切削し、各工具の耐欠損
性を評価するとともに、ＳＣＭ４３５製被削材を用いて
下記条件で耐摩耗性テスト１を実施した。

【００２４】寿命判定は欠け発生時点とし、寿命時間は４コーナー平
均とした。

【００２５】

【００２６】その結果を表２に示すが、最下層が０．３
μｍのＴｉＮで、その上層にアスペクト比が３もしくは
７の柱状晶のＴｉＣＮ膜が５μｍ被覆された膜質、
〔前記発明（１）の構成要件（ａ）を満たす〕を被覆
し、前記発明（１）の（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）
の構成要件を満たす試料Ｎｏ．１−６、１−１０、１−
１１、１−１４のチップ（本発明品）は最下層がＴｉＮ
でない試料Ｎｏ．１−１から１−３および膜質、で
あるが、構成要件（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）のい
ずれかを満たさない試料Ｎｏ．１−４、１−５、１−
７、１−８、１−９、１−１２、１−１３、１−１５、
１−１６に比べて、優れた耐欠損性、耐摩耗性を示し
た。中でも刃先稜線部の被覆膜中の亀裂間隔の平均値が
１０μｍ以下である試料Ｎｏ．１−１０、１−１１、１
−１４は特に優れた耐欠損性及び耐摩耗性を示した。さ
らに、Ｙ／Ｘ（刃先稜線部の亀裂間隔の平均値Ｘ、逃げ
面の被覆膜中の亀裂間隔の平均値Ｙ）の値が５以上の範
囲にある試料Ｎｏ．１−１０、１−１１は特に優れた耐
欠損性及び耐摩耗性を示した。

【００２７】

【表２】

【００２８】（実施例２）実施例１と同じ超硬合金でＩ
ＳＯ型番ＣＮＭＧ１２０４０８の形状の超硬合金製チッ
プを作製した。このチップに実施例１に記載した被覆膜
質を被覆し、この被覆超硬合金の表面を＃８００のダ
イヤモンド砥粒を内部に埋め込んだナイロン製ブラシを
用いて、アルミナ膜が研磨されるようにすくい面側から
表面処理し、ブラシ回転速度、ブラシ切込量、研削油の
量などを変化させて表３に示す被覆膜中の亀裂状態の異
なるチップを作製した。これらのチップを用いて、実施
例１と同じ切削テストを実施した。

【００２９】

【表３】

【００３０】その結果を表４中に記載する。本発明品で
ある試料Ｎｏ．２−３から２−７のチップはいずれも優
れた耐欠損性、耐摩耗性を示したが、中でも刃先稜線部
の被覆膜中の亀裂の母材側の先端が最内層窒化チタン、
炭窒化チタン、もしくは両者の界面にある割合が８０％
以上である試料Ｎｏ．２−６と２−７は、特に優れた耐
欠損性、耐摩耗性を示した。

【００３１】

【表４】

【００３２】（実施例３）実施例１と同じ超硬合金でＩ
ＳＯ型番ＣＮＭＧ１２０４０８の形状の超硬合金製チッ
プを作製した。このチップに下層から順に１μｍＴｉＮ
−４．５μｍＴｉＣＮ−０．５μｍＴｉＣ−７μｍκ−
アルミナなる構造の膜を被覆した。なお、ＴｉＣＮ膜は
アセトニトリル、窒素ガス、ＴｉＣｌ₄、水素ガスを原
料ガスもしくはキャリアガスとして用い、被覆時のコー
ティング温度を８００から１０００℃の範囲で変化さ
せ、さらに炉内圧力、ガス組成比を変化させて被覆する
ことで、アスペクト比が５から２０の範囲のものを作製
した。さらに、これらのチップの表面を＃１２００のＳ
ｉＣ砥粒を内部に埋め込んだ弾性砥石を用いて、すくい
面側から表面処理し、砥石回転速度、押しつけ圧力など
を変化させることで表５に示す被覆膜中の亀裂状態の異
なるチップを作製した。これらのチップを用いて、実施
例１と同じ切削テストおよび以下に示す耐摩耗性テスト
２を実施した。

【００３３】

【表５】

【００３４】

【００３５】その結果を表６中に記載する。本発明品で
ある試料Ｎｏ．３−３から３−７のチップはいずれも優
れた耐欠損性、耐摩耗性を示したが、中でも前記アルミ
ナ層が研磨された部分の下層Ａが厚み３〜３０μｍのア
スペクト比が５以上の柱状晶からなる炭窒化チタンであ
るＮｏ．３−４から３−７のチップは、耐欠損性テスト
１及び断続切削による衝撃で膜剥離しやすい耐摩耗性テ
スト２で優れた性能を示した。また、被覆層Ａ中の亀裂
間隔が０．５〜５μｍの範囲にある試料Ｎｏ．３−５〜
３−７のチップは特に優れた耐欠損性、耐摩耗性を示し
た。

【００３６】

【表６】

【００３７】（実施例４）重量％で９０％ＷＣ−３％Ｔ
ｉＣＮ−１％ＺｒＣ−６％Ｃｏなる組成の超硬合金粉末
をプレスし、真空雰囲気中で１４００℃、１時間保持の
条件で焼結し、平研、刃先処理を行い、ＩＳＯ型番ＣＮ
ＭＧ１２０４０８の形状の超硬合金製チップを作製し
た。この超硬合金の断面を鏡面研磨し、組織を光学顕微
鏡で観察したところ合金表面に約２０μｍの脱β層が形
成でき、脱β層の直下に合金内部よりも硬度の高い部分
が形成できていることが断面硬度分布測定により確認で
きた。このチップおよび実施例１で作製した合金表面に
脱β層を有しないチップに実施例３で被覆した試料３−
５と同一の被覆膜をコーティングした。さらに、この被
覆超硬合金の表面を、実施例１と同様にして鉄球を用い
て鉄球のサイズ、投射スピード、投射角度、投射時間を
変化させて、ブラスト処理し、表７に示す被覆膜中の亀
裂状態の異なるチップを作製した。

【００３８】

【表７】

【００３９】次にこれらのチップを用いて、実施例１及
び実施例３と同様にして耐欠損性テスト１、耐摩耗性テ
スト１及び２を実施した。その結果を表８中に記載す
る。本発明品である試料Ｎｏ．４−１〜４−６のチップ
はいずれも優れた耐欠損性、耐摩耗性を示したが、中で
も合金表面に脱β層を有する試料Ｎｏ．４−４〜４−６
は脱β層を有さない試料Ｎｏ．４−１〜４−３と比較し
て、特に優れた耐欠損性、耐摩耗性を有することが確認
できた。中でも亀裂が柱状のＴｉＣＮ膜中にのみ存在す
る割合が５０％以上である試料Ｎｏ．４−５と４−６の
チップは特に優れた耐欠損性、耐摩耗性を有することが
確認できた。

【００４０】

【表８】

【００４１】（実施例５）実施例４と同じ超硬合金でＩ
ＳＯ型番ＣＮＭＧ１２０４０８の形状の超硬合金製チッ
プを作製した。このチップに下層から順に０．５μｍＴ
ｉＮ−５μｍＴｉＣＮ−０．３μｍＴｉＢＮ−９μｍ−
アルミナ−０．２μｍＴｉＮなる構造の膜をアルミナの
結晶相をκ（試料５−１、５−２、５−３）とα（試料
５−４、５−５、５−６）の２種類に変化させて被覆し
た。なお、ＴｉＣＮ膜はアセトニトリルを用いて被覆
し、アルミナ膜の結晶相は原料ガスを調整してκとαに
変化させた。さらに、これらのチップを振動バレル処理
し、表９に示す亀裂状態のチップ（試料５−１〜５−
６）を作製した。これらのチップを用いて、実施例３で
実施したのと同じ切削テストを実施した。

【００４２】

【表９】

【００４３】その結果を表１０中に記載する。

【表１０】

【００４４】本発明品である試料Ｎｏ．５−２、５−
３、５−５、５−６のチップはいずれも優れた耐欠損
性、耐摩耗性を示したが、中でもアルミナの結晶相がα
である試料Ｎｏ．５−５、５−６のチップはすべての切
削テストで優れた性能を示したが、中でも鋼を用いた耐
欠損性テスト１およびダクタイル鋳鉄の耐摩耗性テスト
２で優れた性能を示した。

【００４５】以上、実施例により本発明を例示的に説明
したが、以上の実施例によって本発明が制限されるもの
ではない。

【００４６】

【発明の効果】本発明により超硬合金の被覆層中の亀裂
の間隔、その先端の位置などを定量的に特定すること
で、優れた耐欠損性と耐摩耗性を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明に係るチップの刃先稜線部、逃
げ面、すくい面等を示すための説明図である。

【図２】図２は、図１のチップを上面からみた模式図で
ある。

【図３】図３は、本発明に係る超硬合金の被覆層中にお
ける亀裂の先端の基体に対する位置関係を示す説明図で
ある。

【図４】図４（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ本発明に係る
チップの鏡面研磨した断面組織上で刃先稜線部のアルミ
ナ層の研磨された状態を示す模式図である。

【図５】図５は、実施例の切削テストに用いたＳＣＭ４
３５製被削材（丸棒材）の横断面図である。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１０年１１月４日（１９９８．１１．
４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１６】（ｅ）前記アルミナ層の刃先稜線部の少な
くとも一部を、例えば砥粒を付着、含有するブラシや、
弾性砥石などを用いる研磨法又はバレル処理法、ブラス
ト処理法により研磨する。これは被覆膜の剥離を防止
し、耐欠損性、耐摩耗性を向上するためにするもので、
アルミナ層の一部を研磨することによりアルミナ膜を平
滑化し、切屑の流れを円滑にすることで、溶着→切削抵
抗の増大→被膜の欠損の流れが起りにくくなり、またア
ルミナ層の破壊が抑制できるので、破壊したアルミナ粒
子が逃げ面を擦過することによる異常摩耗を抑制するこ
とができる。研磨の仕方は、刃先稜線部の切刃全周に及
ばせるのが好ましい。なお、アルミナ膜に研磨された部
分があるかどうかの判断は、たとえばＳＥＭによって工
具表面を観察することで、アルミナの粒径、粒界が判別
しにくくなった部分があるかどうか、または鏡面研磨し
た断面組織上で刃先稜線部のアルミナ膜の膜厚が逃げ面
もしくはすくい面のアルミナ膜の膜厚よりも薄くなって
いるかどうか〔図４（ａ）参照〕、鏡面研磨した断面組
織上で刃先稜線部のアルミナ膜の粗さが逃げ面もしくは
すくい面の粗さよりも小さいかどうか〔図４（ｂ）参
照〕によって判定することができる。更に研磨の程度
は、一般的には、前記アルミナ層の厚さの５〜９９％、
好ましくは３０〜９５％の範囲とするのが好ましい。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 3C046 FF03 FF10 FF16 FF22 FF25 FF32 FF40 FF42 FF55 4K030 AA24 BA18 BA38 BA41 BA43 BB01 BB12 BB13 CA03 JA01 JA10 LA22 4K044 AA09 BA13 BA18 BB02 BC01 CA14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＷＣをマトリックスとし、鉄族金属を結
合相とした超硬合金を基体とし、その基体の表面に複数
の被覆層を設けた被覆超硬合金製切削工具において、
（ａ）該被覆層の基体に隣接する最内層が厚み０．１〜
３μｍの窒化チタンであり、その上層に０．５〜１０μ
ｍのアルミナが少なくとも一層被覆されており、（ｂ）
前記工具の刃先稜線部の鏡面研磨した断面組織上で、刃
先稜線部の被覆膜中の平均亀裂間隔が逃げ面の被覆膜中
の平均亀裂間隔より小さく、（ｃ）前記刃先稜線部の被
覆膜中の亀裂のうち、基体側の亀裂の先端が前記最内層
の窒化チタン内もしくは窒化チタンよりも上層内もしく
はそれらの層間の界面にあるものが５０％以上であり、
（ｄ）前記刃先稜線部の被覆膜中の亀裂の平均長さが逃
げ面での被覆膜厚の平均値よりも短く、（ｅ）前記アル
ミナ層が刃先稜線部の少なくとも一部で研磨されている
ことを特徴とする被覆超硬合金製切削工具。
【請求項２】前記最内層の窒化チタンの上層に、厚み
３〜３０μｍのアスペクト比５以上の柱状晶からなる炭
窒化チタンが少なくとも一層被覆されていることを特徴
とする請求項１に記載の被覆超硬合金製切削工具。
【請求項３】前記刃先稜線部の被覆膜中の亀裂のう
ち、前記基体側の亀裂の先端が前記最内層の窒化チタン
内、前記柱状晶からなる炭窒化チタン内、もしくは前記
窒化チタンと前記柱状晶からなる炭窒化チタンとの界面
にあるものが５０％以上であることを特徴とする請求項
２に記載の被覆超硬合金製切削工具。
【請求項４】前記刃先稜線部の被覆膜中の亀裂のう
ち、前記基体側の亀裂の先端が前記最内層の窒化チタン
内、前記柱状晶からなる炭窒化チタン内、もしくは前記
窒化チタンと前記柱状晶からなる炭窒化チタンとの界面
にあるものが８０％以上であることを特徴とする請求項
１〜３のいずれかに記載の被覆超硬合金製切削工具。
【請求項５】前記刃先稜線部の被覆膜中の亀裂間隔の
平均値は１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１
〜４のいずれかに記載の被覆超硬合金製切削工具。
【請求項６】前記断面組織上で刃先稜線部の被覆膜中
の亀裂間隔のうち、亀裂間隔の平均値をＸ、逃げ面の被
覆膜中の亀裂間隔の平均値をＹとしたとき、Ｙ／Ｘの値
が２以上の関係を満たすことを特徴とする請求項１〜５
のいずれかに記載の被覆超硬合金製切削工具。
【請求項７】前記アルミナ層が研磨された部分の下層
に亀裂間隔が０．５〜５μｍである被覆層Ａが存在する
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の被覆
超硬合金製切削工具。
【請求項８】前記アルミナ層が研磨された部分の下層
に存在する被覆層Ａが厚み３〜３０μｍのアスペクト比
が５以上の柱状晶からなる炭窒化チタンであることを特
徴とする請求項２〜７のいずれかに記載の被覆超硬合金
製切削工具。
【請求項９】前記刃先稜線部の被覆膜中の亀裂のう
ち、前記柱状晶からなる炭窒化チタン膜にのみ存在し、
その上下の被覆層に貫通していないものが５０％以上で
あることを特徴とする請求項２〜８のいずれかに記載の
被覆超硬合金製切削工具。
【請求項１０】前記超硬合金表面には脱β層を有する
ことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の被覆
超硬合金製切削工具。
【請求項１１】前記研磨されたアルミナ層はα−アル
ミナであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか
に記載の被覆超硬合金製切削工具。
【請求項１２】前記刃先稜線部の被覆膜中の亀裂はコ
ーティング後に機械的に導入されたことを特徴とする請
求項１〜１１のいずれかに記載の被覆超硬合金製切削工
具。
【請求項１３】前記柱状晶からなる炭窒化チタンが有
機ＣＮ化合物を反応ガスとするＣＶＤ法によって８００
℃以上１０００℃以下の温度で被覆されたことを特徴と
する請求項２〜１２のいずれかに記載の被覆超硬合金製
切削工具。