JP2005271133A - 被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】 耐摩耗性と耐欠損性の向上をはかる被覆切削工具を提供する。
【解決手段】 本発明被覆切削工具は、基材と、基材上に形成される耐摩耗層と、この耐摩耗層上に形成される最表層とを有する。耐摩耗層は、(1)（Ti_xAl_y）：0.3≦x≦0.7、0.3≦y≦0.7、x＋y＝1、(2)（Ti_xAl_ySi_z）：0.3≦x≦0.7、0.3≦y≦0.7、0.05≦z≦0.2、x＋y＋z＝1、(3)（Ti_xSi_z）：0.8≦x≦0.95、0.05≦z≦0.2、x＋z＝1のいずれかの窒化物、炭窒化物、窒酸化物または炭窒酸化物からなる。最表層は、Alの窒化物、炭窒化物、窒酸化物または炭窒酸化物からなり、六方晶の結晶構造を持つ。そして、耐摩耗層と最表層の合計膜厚が0.5μm以上15.0μm以下、最表層の膜厚が0.1μm以上5.0μm以下である。
【選択図】 図1

Description

本発明は、ドリル、エンドミル、フライス加工用または旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどの切削工具に関する。特に、優れた耐摩耗性を有すると共に、耐欠損性、耐チッピング性に優れ、切削性能を向上することができる被覆切削工具に関する。

機械加工の現場では加工コストの低減、需要変化への迅速な対応のため、高能率化、高精度・高品位化が志向されるととともに、被削材も多様化してきている。さらに、1990年代後半以降、地球温暖化、ダイオキシンの問題など環境汚染に対する関心が高まる中で、機械加工においても地球環境保全、作業環境改善が重視されるようになった。この結果、切削油剤の使用を極力抑制すること、究極的には切削油剤を一切使わず完全なゼロエミッション加工となるドライ加工が要請されている。特にドライ加工では切削油剤を使用しないため冷却効果が少なく、刃先に対する負荷や刃先温度の上昇が大きい。従って、工具の耐熱性、耐酸化性、800〜900℃の高温における耐摩耗性がますます重要であり、工具材料に要求される特性は厳しくなる一方である。

このような状況下、特許文献1は、Siを適量含有したTiを主成分とする窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物からなるａ層と、TiとAlを主成分とする窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物からなるb層とを有する硬質被覆膜工具を開示している。このa層はSi₃N₄およびSiを独立相として含有する。そして、a、b各層が一層以上交互に被覆されている。このような工具により、乾式の高速切削加工において、切削工具の性能を改善している。

特許文献1によれば、従来のTiAlN膜を有する切削工具は、大気中の耐酸化試験において皮膜近傍のアルミが最表面に外向拡散し、そこでアルミナ層を形成する。このようにして形成されるアルミナ層は酸素の内向拡散に対し酸化保護膜として機能する。しかし、動的な切削加工においては、最表面のアルミナ層は、その直下のポーラスなTi酸化物層より容易に剥離してしまい、酸化の進行に対し十分な効果を持たない。これに対し、特許文献1の技術では、TiSi系被覆膜自体の耐酸化性が高いだけでなく、工具の使用時に最表面に非常に緻密なTiとSiの複合酸化物が形成され、かつポーラスなTi酸化物層が形成されないので工具性能の向上が実現できるとしている。

一方、他の被覆切削工具としては、特許文献２に、超硬合金やサーメットを基材として（Ti_1-ｘAl_ｘ）Nなどを被覆し、その上に酸化アルミニウム層を設け、さらに表面潤滑層として窒化アルミニウムを被覆した工具が開示されている。

特許第3347687号 特開2003-25112号公報

しかし、高速・高能率加工や完全に潤滑油剤を使わないドライ加工を行なうためには、上述の高温での被覆膜の安定性だけでは不十分である。すなわち、特性の優れた膜を、剥離や欠損を発生させずに密着性よく長時間にわたって基材表面にいかに維持させるかが問題である。

図3(A)は、切削工具の典型的刃先の断面模式図である。刃先はすくい面12と逃げ面11によって構成され、多くの場合、すくい面12と逃げ面11のなす角度は鋭角または直角である。このような工具刃先に物理的蒸着法により被覆膜20を形成すると、膜厚は図に示されるように、逃げ面膜厚ｔ1、すくい面膜厚ｔ2に比べ刃先先端部ｔ3が最も厚くなる。

次に、刃先での理想的な摩耗進行を図3(B)〜(D)で説明する。工具としての理想的な摩耗は、まず、図3(B)のように被覆膜20が除々に摩耗し、やがて図3(C)の様に基材10に達した後、ついには図3(D)の様に被覆膜20と基材10が共に露出して摩耗することである。

しかし、本発明者らが切削工具の摩耗状態を詳細に調査した結果、上記図3(B)〜(D)のように摩耗が進行せず、切削初期において、図3(E)に示すように被覆膜20だけでなく基材10の刃先先端部分が既になくなって基材10が露出しており、その形態から、欠損していることがわかった。また、基材10において露出部分13は、既に酸化していることがわかった。

これらのことから、上記特許文献1に記載されるような耐酸化性に優れる被覆膜を具えていても、切削初期に基材が露出されることで、工具寿命の著しい向上は困難であると考えられる。一方、特許文献２に記載の工具では、硬度の高い酸化アルミニウム層を有しているため、図3に示したように、この酸化アルミニウム層と共に（Ti_1-ｘAl_ｘ）N層や基材も共に欠損することが予想され、やはり基材の露出を防ぐことは難しいと考えられる。

従って、高速加工やドライ加工などといった過酷な条件に使用される切削工具において、被覆膜の耐酸化性を向上させることはもちろんであるが、切削初期に起こる刃先の欠損やチッピングを抑制する、即ち、基材の露出を抑制させることが重要である。

そこで、本発明の主目的は、耐酸化性、耐摩耗性に優れると共に、被覆膜の耐欠損性、耐チッピング性を改善させて、切削性能に優れる表面被覆切削工具を提供することにある。

本発明は、基材上の被覆として耐摩耗層と最表層を設け、最表層の高硬度化を図るのではなく、耐摩耗層を高硬度とし、最表層を低硬度とすることで上記の目的を達成する。

本発明被覆切削工具は、基材と、基材上に形成される耐摩耗層と、この耐摩耗層上に形成される最表層とを有する被覆切削工具である。耐摩耗層は、第一元素の窒化物、炭窒化物、窒酸化物または炭窒酸化物からなり、立方晶の結晶構造を持つ。この第一元素は以下の第一から第三のいずれかの組成である。
第一の組成：（Ti_xAl_y）で、0.3≦x≦0.7、0.3≦y≦0.7、x＋y＝1
第二の組成：（Ti_xAl_ySi_z）で、0.3≦x≦0.7、0.3≦y≦0.7、0.05≦z≦0.2、x＋y＋z＝1
第三の組成：（Ti_xSi_z）で、0.8≦x≦0.95、0.05≦z≦0.2、x＋z＝1
また、最表層は、Alの窒化物、炭窒化物、窒酸化物または炭窒酸化物からなり、六方晶の結晶構造を持つ。そして、以下の(a)、(b)の条件を満たすことを特徴とする。
(a)耐摩耗層と最表層の合計膜厚：0.5μm以上15.0μm以下
(b)最表層の膜厚：0.1μm以上5.0μm以下

発明者らは、基材上に各種被覆膜を持つ工具について、被覆膜の耐欠損（チッピング）性を検討した。その際、被覆膜の最表面を高硬度化する従来の発想を変え、図1に示すように、基材上に高硬度の耐摩耗層21を形成し、耐摩耗層の上を低硬度の最表層22で覆った工具の方が、寿命が長いのではないかと考えた。つまり、特に切削初期においては、低硬度の最表層22は欠損することなく摩耗が進行するため、下層の耐摩耗層21と共に基材まで欠損することを抑制することができると考えて本発明を完成するに至った。

耐摩耗層は、第一元素「（Ti_xAl_y）、（Ti_xAl_ySi_z）または（Ti_xSi_z）」の窒化物、炭窒化物、窒酸化物または炭窒酸化物で構成され、立方晶の結晶構造を持つ。第一元素が上記第一の組成または第二の組成の場合、xとyの値は、0.3≦x≦0.7、0.3≦y≦0.7とする。この範囲のAlが耐摩耗層中に存在すると、結晶は立方晶の構造を持ち、かつ耐摩耗層の耐酸化性が向上する。yが0.7を超えると耐摩耗層の硬度が低下するので耐摩耗性に劣る。特に、yの値は0.45以上0.65以下であることが好ましい。この範囲は、耐摩耗層の硬度が特に高くなり、且つ残留応力が低くなる領域である。従って、この範囲の値であると特に耐摩耗性に優れている。

また、第一元素が上記第二の組成または第三の組成の場合、Si量zは0.05≦z≦0.2の範囲とする。耐摩耗層中に上記範囲のSiが存在すると、耐摩耗層の硬度が向上する。zが0.2を超えると耐摩耗層が脆くなり、刃先のチッピングが発生しやすくなる。また、耐摩耗層の成膜時に用いる合金ターゲットを熱間静水圧加圧処理で作製する場合、Si量zが0.2を超えると、ターゲットが作製中に割れてしまい成膜に使用可能な材料強度が得られない。このSi量zのより好ましい範囲は0.05≦z≦0.15である。第一元素を第二の組成とした本発明工具の場合、その耐摩耗層は反応性に富む被削材の切削に適している。さらに、第一元素を第三の組成とした本発明工具は、耐酸化性の高い層なので、高速切削に適している。

耐摩耗層の第一元素におけるTiの一部は、B、Mg、Ca、V、Cr、ZnおよびZrよりなる群から選ばれた１種以上の置換元素で置換することが好ましい。その場合、第一元素中における置換元素の合計含有量は原子比で0.01〜0.2とする。これらの置換元素が耐摩耗層中に含まれると、メカニズムはわかっていないが耐摩耗層を構成する結晶粒子が微細化され、さらに高硬度な被覆膜が得られる。また、切削中の表面酸化によって形成されるB、Mg、Ca、V、Cr、Zn、Zrの酸化物が特にAlの酸化物を緻密化することからも好ましい。さらに、BおよびVの酸化物は低融点であるので切削時の潤滑剤として作用し、Mg、Ca、Zn、Zrの酸化物は被削材の凝着を抑える効果を有する点で望ましい。

最表層は、Alの窒化物、炭窒化物、窒酸化物または炭窒酸化物で構成され、その結晶は六方晶の結晶構造を持っている。これらの六方晶の結晶構造を持つ化合物は、低硬度に加えて1000℃を超えても酸化が進行せず、また鉄鋼材料との反応性も低い。このことから刃先の凝着が抑制されるので、突発的な欠損やチッピングが抑制されると共に、被削材の面品位も向上するという効果がある。

耐摩耗層と最表層の合計膜厚は0.5〜15.0μmとする。この厚みが0.5μm未満では耐摩耗性の向上が少なく、逆に15.0μmを越えると被覆膜中の残留応力が大きくなり、被覆膜と基材との密着強度が低下するので好ましくない。膜厚の測定法としては、工具を切断し、その断面をSEM（走査型電子顕微鏡）を用いて観察して求めることができる。

最表層の膜厚は0.1μm以上5.0μm以下とする。この膜厚が5.0μmを越えると硬度の低い最表層が厚すぎて耐摩耗層の効果が減少し、0.1μm未満であると最表層が低硬度であることにより欠損を抑制して摩耗を進行させる効果を発揮できない。

最表層のナノインデンテーション硬さは10GPa以上20GPa以下であることが望ましい。ナノインデンテーション法については、後で詳細に説明する。特許文献1など、従来からの検討では、工具表面の硬度は20GPa以上の高硬度にすることで、耐摩耗性を向上させている。すなわち、工具表面の材質を硬くすることで、摩耗を抑制しようとしている。しかし、本発明では、最表層を従来被覆膜より低硬度として、耐チッピング性や耐欠損性を向上させて、結果として、工具寿命を向上させている。ここで、硬度が20GPaを越えると、切削時の衝撃で刃先のチッピングが発生しやすい。また、硬度が10GPa未満では、工具寿命の向上効果が少ない。

一方、耐摩耗層のナノインデンテーション硬さは20GPa超とすることが望ましい。耐摩耗層を最表層よりも高硬度の層とすることで、欠損を効果的に抑制しながら耐摩耗性を高め、結果として工具寿命を高めることができる。

最表層の第二元素であるAlの一部をB、Mg、Si、Ca、V、Cr、Zn、ZrおよびTiよりなる群から選ばれた１種以上の置換元素で置換することが好ましい。その場合、第二元素中における置換元素の合計含有量は原子比で0.01〜0.15とする。この範囲の置換元素を含むと、切削中に表面に形成されるAlの酸化物を緻密化させることができ、高温の摩擦係数が低くなるので好ましい。また、V、Cr、Zr、Tiの窒化物、炭窒化物、窒酸化物、炭窒酸化物は導電性を示すことから、例えば最表層の成膜時におけるカソードの放電が安定するとともに、基材に印加される直流バイアス電圧が有効となる。

また、本発明工具において、耐摩耗層の圧縮残留応力値は-6GPa以上0GPa未満とすることが好ましい。残留応力値がプラスになると、被覆膜には引っ張りの残留応力が負荷されることとなり、化学的蒸着法よる膜と同様に被覆膜に亀裂が入りやすいので、耐欠損性に問題がある。また、残留応力が-6GPaより小さい場合、切削以前に刃先部分で耐摩耗層が応力により剥離ないしはチッピングを起こしやすいので、好ましくない。

本発明工具は、さらに前記基材と耐摩耗層との間に中間層を設けても良い。この中間層は、Tiの窒化物、Crの窒化物、TiまたはCrからなることが好ましい。この中間層は、基材表面と耐摩耗層との両方に密着性が良いので、基材と耐摩耗層の密着性を一層向上させることができる。そのため、耐摩耗層が基材から剥がれることなく切削工具寿命をさらに向上させることができる。

中間層の厚みは、0.005〜0.5μmであることが望ましい。耐摩耗層と基材の密着強度を高めるためには、この範囲が望ましい。0.5μmを越えると耐熱性が悪くなり剥離しやすくなる。また、0.005μm未満では、密着強度の向上効果が少ない。

基材は、WC基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス（炭化硅素、窒化硅素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど）、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化硅素焼結体、酸化アルミニウムと炭化チタンとを含む焼結体のいずれかであることが好ましい。

さらに本発明工具は、ドリル、エンドミル、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマまたはタップなどであることが好ましい。これらの具体的用途において、工具寿命の向上効果が期待できる。

表面被覆切削工具は物理的蒸着法により被覆されることが望ましい。物理的蒸着法は、被覆膜を構成する化合物の結晶性を高める働きがあるからである。物理的蒸着法には、バランスドおよびアンバランスドマグネトロンスパッタリング法、イオンプレーティング法などがある。特に、原料元素のイオン化率が高いカソードアーク式イオンプレーティング法またはマグネトロンスパッタリング法が適している。中でもカソードアークイオンプレーティング法は、耐摩耗層を形成する前に、基材表面に対して金属のイオンボンバードメント処理ができ、被覆膜の密着性が格段によくなる。そのため、この方法は被覆膜の密着性という意味からも好ましいプロセスである。

次に、ナノインデンテーション法について説明する。ナノインデンテーション法は文献「トライボロジスト、第47巻、第3号、(2002)p177〜183」に詳しく説明されている硬さ試験の一種である。従来のヌープ硬度測定法やビッカース硬度測定法は押し込み後の圧痕形状から硬度を求めているが、ナノインデンテーション法は圧子の押し込み時の荷重と深さの関係から硬さやヤング率を求める方法である。

これらの試験方法を図2に示す。ビッカース硬度やヌープ硬度のような従来の硬度測定法では、光学顕微鏡で人が測定するので、圧痕形状が大きくなければ測定できなかった。従って、図2（B）に示すように、圧子30の押し込み荷重を大きくし、圧痕の幅Wを大きくして測定せざるを得なかった。ところが、このとき被覆膜20と基材10の両方に圧痕が付くので、基材の影響を受けた硬度が得られていた。

これに対して本発明では、ナノインデンテーション法により、基材の影響のない、被覆膜だけの硬度を求めた。具体的には、図2（A）に示すように圧子30を被覆膜20の膜厚の約1/10以下の深さになるように押し込んで、基材10の影響を取り除いて硬度の測定を行なう。例えば、１μmの被覆膜の硬度を測定する場合、押し込み深さは100nm以下とすることが望ましい。ナノインデンテーション法では機械的に深さを求めるので、上記のような小さな深さでも高精度の測定ができる。最大押し込み深さhmaxだけ圧子30を押し込み、hmaxと荷重から硬度などを算出する。荷重を除去すると、弾性変形分だけ元に戻るので、圧痕の深さはhmaxより浅くなる。

ナノインデンテーション法による硬度は、被覆膜表面の凹凸や、平均粒子径、残留応力、被覆膜の厚さの影響を受けるので、従来の硬度とは異なり状況によってかなり値がばらつく。しかし、インデンテーション法による被覆切削工具の最表層の硬度は、切削性能に影響を与える因子の１つである。

この発明に従えば、ドリル、エンドミル、フライス加工用および旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどの切削工具における耐摩耗性の向上が図れるため、寿命の長い表面被覆切削工具を提供することができる。また、アルミナ層を設けるには酸素雰囲気が必要であるが、本発明工具はアルミナ層ではなく窒化物の被覆膜を用いるので、窒素雰囲気で耐摩耗層と最表層を成膜でき、量産性にも優れる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

基材として、グレードがJIS規格P30の超硬合金、チップ形状はJIS規格のSPGN120308のものを用意し、カソードアークイオンプレーティング装置に装着した。まず、真空ポンプによりチャンバー内を減圧するとともに、装置内に設置されたヒーターにより基材を温度650℃に加熱し、チャンバー内の圧力が1.0×10^-４Paとなるまで真空引きを行った。次に、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、基板バイアス電源の電圧を徐々に上げながら、-2000Vとし、基材の表面を15分間クリーニングした。その後、アルゴンガスを排気した。

被覆膜成分の金属蒸発源である合金製ターゲットとしてTi_0.5Al_0.5、Ti_0.9Si_0.1またはTi_0.4Al_0.55Si_0.05を上記装置に装着した。次に窒素ガスを被覆膜中の窒素の供給ガスとして供給した。基板温度650℃、反応ガス圧力2.0Pa、基板バイアス電圧を-60Vに維持し、カソード電極に100Ａのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源から金属イオンを発生させ耐摩耗層を形成した。そして、3μmの膜厚となったところで蒸発源に供給する電流をストップさせた。

引き続き、最表層をコーティングした。金属蒸発源をAlとし、供給ガスは窒素および供給基板バイアス電圧を-25Vにする以外は、耐摩耗層のコーティング条件と同様にした。膜厚は、2μmとした。

膜種をXPS（（X-ray Photo-electronic Spectroscopy）Ｘ線光電子分光法）によって測定し、耐摩耗層はそれぞれ（Ti_0.5Al_0.5）N、（Ti_0.9Si_0.1）N、（Ti_0.4Al_0.55Si_0.05）Nで、Ｘ線回折測定により立方晶であることがわかった。また、最表層はすべて六方晶のAlNであり、そのナノインデンテーション硬度は約18GPaであった。これらの試料を被削材SCM435で切削速度300m、送り0.3mm切り込み2.0mmで切削テストしたところ、耐摩耗層が（Ti_0.5Al_0.5）Nの試料における刃先摩耗が最も小さかった。また、前記の切削条件のうち切削速度を500mとして高速切削試験を行ったところ、耐摩耗層が（Ti_0.9Si_0.1）Nの試料が最も優れていた。また、ピンオンディスク方式による耐溶着テストを行ったところ、耐摩耗層が（Ti_0.4Al_0.55Si_0.05）Nの試料が最も優れていた。

（１）サンプルの作製
基材として、グレードがJIS規格P30の超硬合金、チップ形状はJIS規格のSPGN120308のものを用意し、カソードアークイオンプレーティング装置に装着した。まず、真空ポンプによりチャンバー内を減圧するとともに、装置内に設置されたヒーターにより基材を温度650℃に加熱し、チャンバー内の圧力が1.0×10^-４Paとなるまで真空引きを行った。次に、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、基板バイアス電源の電圧を徐々に上げながら、-2000Vとし、基材の表面を15分間クリーニングした。その後、アルゴンガスを排気した。

被覆膜成分の金属蒸発源である合金製ターゲットを上記装置に装着した。次に窒素ガス、メタンガス、酸素ガスを被覆膜中の窒素、炭素および酸素の供給ガスとして供給した。実施例の各試料番号に相当する組成の被覆膜が得られるように、上記のガスを組み合わせて導入した。基板温度650℃、反応ガス圧力2.0Pa、カソード電極に100Aのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源から金属イオンを発生させ耐摩耗層を形成した。そして、所定の膜厚の膜厚となったところで蒸発源に供給する電流をストップさせた。ただし、基板バイアス電圧は-30Vから-200Vの間で変動させた。

引き続き、最表層をコーティングした。金属蒸発源、供給ガスおよび供給基板バイアス電圧を-25Vにする以外は（-30V以下の電圧で直流電源でも放電が安定した）、耐摩耗層のコーティング条件と同様にし、表１に示す本発明品を得た。また、従来品として、最表層のないサンプル（試料番号20、21）も用意した。なお、表面被覆膜の形成はカソードアークイオンプレーティング法以外の、例えばバランスドまたはアンバランスドスパッタリング法によっても成膜することができる。

表１の中の膜種はXPSによって測定し、金属元素の原子比は蒸発源と同じであることが確認できた。また表2の中の残留応力はＸ線回折法によって、膜の硬度と最大押し込み深さ（hmax）はナノインデンター（MTS社製Nano Indenter XP）、焼付性はSUJ2を相手材として大気中800℃の条件で高温型ピン・オン・ディスク式トライボ試験器（CSM社製TRIBOMETER/HT-800）により測定した。さらに、Ｘ線回折により各試料の被覆を測定し、耐摩耗層が全て立方晶であり、最表層が全て六方晶であることを確認した。

（2）被覆切削工具の寿命評価
上述の工程で製造したサンプルである本発明品、従来品のそれぞれについて、表2に示す条件による乾式の連続旋削試験および断続旋削試験を行った。工具の寿命は、表3に示す切削時間経過後の刃先の逃げ面摩耗幅を測定して評価し、その結果を表2に示す。表2から明らかなように、本発明の切削工具は、従来品と比較して寿命が大きく向上したことが確認された。

実施例2の試料番号1、8、15および従来品である試料番号20、21と同じ条件により、外径8mmのドリル（JISK10超硬合金）にそれぞれにコーティングした。表4では、それぞれ「試料番号１」などのように記載した。次に、これらのサンプルを用いて、SCM440（HRC30）の穴開け加工を行いその寿命評価を行なった。切削条件は、切削速度90m/min、送り量0.2mm/rev、切削油剤は用いず（エアーブローを使用）、深さ24mmの止まり穴加工を行った。なお、寿命の判定は、被加工材の寸法精度が規定の範囲をはずれるまでの加工数量で示し、その結果を表4に示す。本発明のドリルの寿命が大きく向上していることが確認された。なお、以下の実施例4および実施例5の結果も表4に示している。

実施例2の試料番号1、8、15および従来品である試料番号20、21と同じ条件により、外径8mmの6枚刃エンドミル（JISK10超硬合金）にコーティングした。次に、これらのサンプルを用いて、SKD11（HRC60）のエンドミル側面削り加工を行いその寿命評価を行なった。切削条件は、切削速度200m/min、送り0.03mm/刃、切り込み量Ad＝12mm、Rd＝0.2mm、切削油剤は用いず（エアーブローを使用）側面切削を行った。なお、寿命は、被加工材の寸法精度が規定の範囲をはずれるまでの切削長さで判定し、結果を表4に示す。その結果、本発明のエンドミルの寿命が大きく向上していることが確認された。

超硬合金製ポットおよびボールを用いて、40重量％のTiNと10重量％のAlからなる結合材粉末と平均粒径2.5μmのcBN粉末50重量％とを混ぜ合わせた。この混合粉末を超硬合金製容器に充填し、圧力5GPa、温度1400℃で60分焼結した。このcBN焼結体を加工し、ISO規格SNGN120408の形状の切削用チップを得た。

実施例2の試料番号1、8、15および従来品である試料番号20、21と同じ条件により、上記の切削用チップにコーティングした。この切削チップを用い、SCM415の丸棒（HRC62）の外周切削を行った。切削速度160m/min、切り込み0.1mm、送り0.08mm/rev、乾式で切削試験を行った。なお、初期面粗度Rzは1分間切削後の被削材の面粗さとし、被覆膜の耐久性は被削材の面粗さRzが3.2μmとなる切削時間により評価した。ここで、RzはJIS-B0601に定められた10点平均粗さである。その結果を表4に示すが、本発明の切削チップの寿命が大きく向上していることが確認された。

基材として、グレードがJIS規格P10の超硬合金、チップ形状はISO規格のSNMG120408のものを用意した。そのチップに、実施例2の試料番号2、10、17および従来品である試料番号20、21と同じ条件によりコーティングした。この切削チップを用い、SCM415の丸棒の外周切削を行った。切削速度100m/min、切り込み２mm、送り0.3mm/rev、湿式で切削試験を20分間行い、被削材の面品位を調査した。

その結果、本発明品で加工された面は虹色に光沢があったが、この時点で従来品21、22は仕上げ面が白濁し、全く光沢がなくなっていた。工具最表面にAlを主成分とする窒化物、炭窒化物、窒酸化物、炭窒酸化物が被覆されていると、刃先のチッピングが抑制されるとともに、構成刃先の生成も抑制され、切れ味が維持できるので、仕上げ面品位が格段に向上することが確認できた。

本発明で得られた被覆切削工具は、メタルソーや歯切工具、リーマ、タップなどに利用できる。

本発明工具の刃先部分の模式断面図である。 硬度試験の様子を示す説明図であり、(A)はナノインデンテーション法による硬度試験、(B)はマイクロビッカース硬度試験を示す。 切削工具の典型的な刃先部分の構造を示す断面模式図であり、(A)は切削前の状態、(B)〜(D)は理想的な摩耗が進行している場合の切削初期、切削中期、切削後期の状態をそれぞれ示し、(E)は従来の切削工具において切削初期の摩耗状態を示す。

符号の説明

10 基材、 11 逃げ面、 12 すくい面、 13 露出部分
20 被覆膜、 21 耐摩耗層、 22 最表層、 30 圧子

Claims (11)

1. 基材と、基材上に形成される耐摩耗層と、この耐摩耗層上に形成される最表層とを有する被覆切削工具であって、
   前記耐摩耗層は、第一元素の窒化物、炭窒化物、窒酸化物または炭窒酸化物からなって立方晶の結晶構造を持ち、
   この第一元素は次の(1)〜(3)のいずれかであり、
   (1)（Ti_xAl_y）で、0.3≦x≦0.7、0.3≦y≦0.7、x＋y＝1
   (2)（Ti_xAl_ySi_z）で、0.3≦x≦0.7、0.3≦y≦0.7、0.05≦z≦0.2、x＋y＋z＝1
   (3)（Ti_xSi_z）で、0.8≦x≦0.95、0.05≦z≦0.2、x＋z＝1
   前記最表層は、第二元素であるAlの窒化物、炭窒化物、窒酸化物または炭窒酸化物からなって六方晶の結晶構造を持ち、
   以下の(a)、(b)の条件を満たすことを特徴とする被覆切削工具。
   (a)耐摩耗層と最表層の合計膜厚：0.5μm以上15.0μm以下
   (b)最表層の膜厚：0.1μm以上5.0μm以下
2. 前記耐摩耗層の第一元素におけるTiの一部をB、Mg、Ca、V、Cr、ZnおよびZrよりなる群から選ばれた１種以上の置換元素で置換し、第一元素中における置換元素の合計含有量が原子比で0.01〜0.2であることを特徴とする請求項1に記載の被覆切削工具。
3. 耐摩耗層の圧縮残留応力値が-6GPa以上0GPa未満であることを特徴とする請求項１に記載の被覆切削工具。
4. 前記最表層のナノインデンテーション硬さが10GPa以上20GPa以下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切削工具。
5. 前記最表層の第二元素であるAlの一部をB、Mg、Si、Ca、V、Cr、Zn、ZrおよびTiよりなる群から選ばれた１種以上の置換元素で置換し、第二元素中における置換元素の合計含有量が原子比で0.01〜0.15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切削工具。
6. さらに前記基材と耐摩耗層との間に中間層を有し、
   この中間層は、Tiの窒化物、Crの窒化物、TiまたはCrからなることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の被覆切削工具。
7. 前記中間層の厚みが0.005〜0.5μmであることを特徴とする請求項６に記載の被覆切削工具。
8. 前記基材が、WC基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化硅素焼結体または酸化アルミニウムと炭化チタンとを含む焼結体のいずれかであることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の被覆切削工具。
9. 前記被覆切削工具は、ドリル、エンドミル、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマまたはタップであることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の被覆切削工具。
10. 前記耐摩耗層および最表層の少なくとも一方は、物理的蒸着法により形成されたことを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の被覆切削工具。
11. 物理的蒸着法がアーク式イオンプレーティング法またはマグネトロンスパッタ法であることを特徴とする請求項10に記載の被覆切削工具。

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