JP2006175560A - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、耐摩耗性に優れるとともに靭性にも優れた酸化物被膜を有する表面被覆切削工具を提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、該被膜は、硼窒化チタンからなる第１被膜と、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、およびこれらの２以上を主成分とする固溶体からなる群から選ばれる少なくとも１種によって構成される第２被膜とを含み、該第１被膜は、上記基材と上記第２被膜との間であって、上記第２被膜の直下に位置し、該第２被膜は、少なくとも切削に関与する部位において圧縮応力を有することを特徴とする表面被覆切削工具に係る。
【選択図】 なし

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加工用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ、またはクランクシャフトのピンミーリング加工用チップ等の切削工具に関し、特にその表面に靭性や耐摩耗性等の特性を向上させる被膜を形成した表面被覆切削工具に関する。

従来より、切削工具の靭性や耐摩耗性を向上させるために基材の表面に各種の被膜を形成した表面被覆切削工具が用いられてきた。最近、そのような被膜として酸化アルミニウムを中心とする酸化物からなる被膜を最外層に形成することが注目されているが、これは該酸化物が耐酸化性および高温安定性に優れ、良好な耐摩耗性が示されるためである。

しかし、酸化物からなる被膜は、特にそれが酸化アルミニウムである場合、それを最外層に形成させると工具全体が黒色に近い呈色状態となることから、外観の意匠性に問題があるとともに工具の使用状態（特にいずれの刃先稜線部が既に使用されているか否か）を容易に判別することができないという問題を有していた。

このため、比較的薄い厚みの酸化アルミニウム層の下層に金色のＴｉＮ層を形成することによって、酸化アルミニウム層を通してこのＴｉＮ層を観察できるようにし、以って工具全体に黄色味を帯びさせることにより、上記問題を解決することが提案されている（特許文献１）。

しかしながら、この提案においては、使用状態の判別という観点からはある程度の効果は期待できるものの、酸化アルミニウム層とＴｉＮ層との間の密着力が十分でないことから、酸化アルミニウム層が容易に剥離するという問題があった。

一方、この剥離の問題を解決する試みの１つとして、酸化物層の下層として硼窒化チタン層を形成することが提案されている（特許文献２）。この提案により、上記剥離の問題は解決できるものの、かかる酸化物層は、靭性に劣るという問題を有していた。
特開平７−２２７７０３号公報 国際公開第０３／０６１８８５号パンフレット

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、耐摩耗性に優れるとともに靭性にも優れた酸化物被膜を有する表面被覆切削工具を提供することにある。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねたところ、従来技術（特許文献２）における酸化物被膜は硼窒化チタン層上に化学的蒸着法（ＣＶＤ法）により形成されており、このため該酸化物被膜は残留引張応力を有することから靭性を低下させているのではないかという知見を得、この知見に基きさらに検討を重ねることにより、ついに本発明を完成させるに至ったものである。

すなわち、本発明は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、該被膜は、硼窒化チタンからなる第１被膜と、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、およびこれらの２以上を主成分とする固溶体からなる群から選ばれる少なくとも１種によって構成される第２被膜とを含み、該第１被膜は、上記基材と上記第２被膜との間であって、上記第２被膜の直下に位置し、該第２被膜は、少なくとも切削に関与する部位において圧縮応力を有することを特徴とする表面被覆切削工具に係る。

また、このような表面被覆切削工具の上記被膜は、上記基材と上記第１被膜との間に第３被膜を有し、該第３被膜は、周期律表のＩＶａ族元素（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等）、Ｖａ族元素（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ等）、ＶＩａ族元素（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等）、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成されるものとすることができる。

また、上記第１被膜は、ＴｉＢ_XＮ_Y（ただし式中、Ｘ、Ｙはそれぞれ原子％であって、０．００１＜Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）＜０．０４である）で表される硼窒化チタンからなるものとすることができる。

また、上記圧縮応力は、その絶対値が０．２ＧＰａ以上となる圧縮応力とすることができる。

また、上記第１被膜は、０．１μｍ以上３μｍ以下の厚みを有するものとすることができ、上記被膜は、０．２μｍ以上３０μｍ以下の厚みを有するものとすることができる。

また、上記第３被膜は、ＭＴ−ＣＶＤ法により形成された炭窒化チタン層を含むものとすることができ、上記第２被膜は、α型酸化アルミニウムによって構成されるものとすることができる。

また、上記被膜は、さらに第４被膜を含み、該第４被膜は、上記第２被膜上であって、かつ少なくとも切削に関与する部位を除く部分に形成されたものとすることができる。

また、上記基材は、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からなる混合体のいずれかにより構成されたものとすることができ、これらの表面被覆切削工具は、ドリル、エンドミル、フライス加工用または旋削加工用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ、またはクランクシャフトのピンミーリング加工用チップのいずれかのものとすることができる。

本発明の表面被覆切削工具は、上述の通りの構成を有することにより、特に酸化物により構成される第２被膜の少なくとも切削に関与する部位において圧縮応力を有することにより、優れた耐摩耗性と靭性とを両立させることに成功したものである。また、第１被膜が有する呈色状態を第２被膜を通して観察することができるため、黄色味を帯びた外観を呈することができ、以って工具の使用状態（いずれの刃先稜線部が既に使用されているか否か）を容易に判別することができる。

＜表面被覆切削工具＞
本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備えるものである。このような基本的構成を有する本発明の表面被覆切削工具は、ドリル、エンドミル、フライス加工用または旋削加工用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ、またはクランクシャフトのピンミーリング加工用チップとして極めて有用である。

＜基材＞
本発明の表面被覆切削工具の基材としては、このような切削工具の基材として知られる従来公知のものを特に限定なく使用することができる。たとえば、超硬合金（たとえばＷＣ基超硬合金、ＷＣの他、Ｃｏを含み、あるいはさらにＴｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物を添加したものも含む）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を主成分とするもの）、高速度鋼、セラミックス（炭化チタン、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、または酸化アルミニウムと炭化チタンとからなる混合体等をこのような基材の例として挙げることができる。このような基材として超硬合金を使用する場合、そのような超硬合金は、組織中に遊離炭素やε相と呼ばれる異常相を含んでいても本発明の効果は示される。

なお、これらの基材は、その表面が改質されたものであっても差し支えない。たとえば、超硬合金の場合はその表面に脱β層が形成されていたり、サーメットの場合には表面硬化層が形成されていても良く、このように表面が改質されていても本発明の効果は示される。

＜被膜＞
本発明の表面被覆切削工具の上記基材上に形成される被膜は、少なくとも後述の第１被膜と第２被膜とを含むものである。該第１被膜は、上記基材と後述の第２被膜との間であって、該第２被膜の直下に位置するようにして形成される。

さらに、このような被膜は、これらの第１被膜と第２被膜以外に、第３被膜や第４被膜を含むことができる。第３被膜は、上記基材と第１被膜との間に位置し、第４被膜は、上記第２被膜上に形成されるものである。

なお、このような被膜は、０．２μｍ以上３０μｍ以下の厚みを有することが好ましく、より好ましくはその上限が２０μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以下、その下限が０．３μｍ以上、さらに好ましくは１μｍ以上である。その厚みが０．２μｍ未満の場合、耐摩耗性や靭性等の特性が十分に示されない場合があり、３０μｍを超えても効果に大差なく経済的に不利となる。以下、これらの被膜についてさらに詳細に説明する。

＜第１被膜＞
本発明の第１被膜は、硼窒化チタン（ＴｉＢＮ）からなるものであり、上記の通り、基材と第２被膜との間であって、該第２被膜の直下に位置することを特徴とするものである。このような第１被膜は、該第２被膜との密着力に優れ、以って第２被膜が剥離するのを防止する作用を示すものである。

この第１被膜は、それ自身黄色乃至金色の色を呈するため、該第２被膜を通してこの色が観察されることから、工具に対して黄色味を帯びた外観を付与することができる。

このような第１被膜は、特にＴｉＢ_XＮ_Y（ただし式中、Ｘ、Ｙはそれぞれ原子％であって、０．００１＜Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）＜０．０４である）で表される硼窒化チタンから構成されることが好ましい。これにより、特に該第２被膜との密着性が優れたものとなる。

Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）が０．００１以下になると、第２被膜との密着性に劣る場合があり、逆に０．０４以上になると、被削材との反応性が高くなりこの第１被膜が工具表面に露出した場合に被削材と反応して、その溶着物が工具の刃先に強固に付着し被削材の外観を害する場合がある。Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）は、より好ましくは０．００３＜Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）＜０．０２である。なお、上記式においてＴｉとＢＮの合計との原子比は、従来公知のように１:１である必要はない。

このような第１被膜は、０．１μｍ以上３μｍ以下の厚みを有することが好ましく、より好ましくはその上限が２μｍ以下、その下限が０．２μｍ以上である。その厚みが０．１μｍ未満の場合、第２被膜との密着性を向上させる効果が十分に示されない場合があり、３μｍを超えても効果に大差なく経済的に不利となる。

このような第１被膜は、基材上に直接形成されるか、あるいは後述の第３被膜が形成される場合はその第３被膜上に形成することができる。また、その形成方法（成膜方法）は、従来公知の化学的蒸着法（ＣＶＤ法）および物理的蒸着法（ＰＶＤ法）等いかなる方法を採用しても差し支えなく、その形成方法は特に限定されない。

＜第２被膜＞
本発明の第２被膜は、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、およびこれらの２以上を主成分とする固溶体からなる群から選ばれる少なくとも１種によって単層または複層として構成され、上記第１被膜の直上に位置することを特徴とするものである。このような第２被膜は、耐酸化性および高温安定性に優れ、良好な耐摩耗性を示すとともに被削材との反応性に乏しいという優れた特性を有する。なお、上記固溶体は、上記３種の酸化物のうち２以上のものを含むものであり、通常２以上の該酸化物のみによって構成されるものであるが、他の成分の混入を除外するものではないので「これらの２以上を主成分とする」と表現している。

そしてこの第２被膜は、少なくとも切削に関与する部位において圧縮応力を有することにより、優れた靭性を示すものとなり、これにより優れた耐欠損性を有するものとなる。なお、圧縮応力とは、被膜に存する内部応力（固有ひずみ）の一種であって、「−」（マイナス）の数値（単位：本発明では「ＧＰａ」を使う）で表される応力をいう。このため、圧縮応力が大きいという概念は、上記数値の絶対値が大きくなることを示し、また、圧縮応力が小さいという概念は、上記数値の絶対値が小さくなることを示す。因みに、引張応力とは、被膜に存する内部応力（固有ひずみ）の一種であって、「＋」（プラス）の数値で表される応力をいう。当該第２被膜が後述のようにＣＶＤ法で形成されると、引張応力が残留したものとなるので、ブラスト処理等を施すことによりこの引張応力を解放し圧縮応力を付与したことに本発明の特徴が存する。

ここで、切削に関与する部位とは、被削材の切削に実質的に関与する部位であって、具体的には刃先稜線部からすくい面の方向と逃げ面の方向とにそれぞれ少なくとも０．０１ｍｍの幅をもって広がった領域をいう。この幅は、一般的には０．０５ｍｍ以上、より一般的には０．１ｍｍ以上の幅となることが多い。また、上記刃先稜線部とは、工具において被削材の切り屑と接する側の面であるすくい面と被削材自体に接触する側の面である逃げ面とが交差する稜に相当する部分（シャープエッジ）をいうとともに、そのシャープエッジに対して刃先処理が実施されアール（Ｒ）を有するように処理された部分（所謂刃先処理部）や、面取り処理がされた部分（所謂ネガランド処理部）を含むとともに、さらにこれらの刃先処理や面取り処理が組み合わされて処理された部分をも含む概念である。

このように第２被膜に対して少なくとも切削に関与する部位において圧縮応力を有することとしたのは、当該部位は切削加工時において直接被削材と接触し、以って耐欠損性に最も関与する部位と考えられるからである。したがって、この切削に関与するに部位において圧縮応力を有する限り、その部位以外の部分において圧縮応力を有していても良く、第２被膜全体に亘って圧縮応力を有するようにしても良い。

また、このような圧縮応力を付与する方法は、特に限定されるものではなく、たとえば後述のように第２被膜がＣＶＤ法により形成される場合には、その形成後において第２被膜に対してブラスト処理、ショットピーニング処理、バレル処理、ブラシ処理、イオン注入処理等の処理を施すことにより圧縮応力を付与することができる。一方、第２被膜がＰＶＤ法により形成される場合には、形成時において既に圧縮応力が付与された状態となるのであえて上記のような処理を施す必要はない。しかし、この場合でも所望により上記のような処理を施しても差し支えない。

このような圧縮応力は、その絶対値が０．２ＧＰａ以上になることが好ましく、より好ましくは０．５ＧＰａ以上である。その絶対値が０．２ＧＰａ未満では、十分な靭性を得ることができない場合があり、一方、その絶対値は大きくなればなる程靭性の付与という観点からは好ましいが、その絶対値が８ＧＰａを越えると第２被膜自体が剥離することがあり好ましくない。

このような第２被膜は、上記の酸化物中、酸化アルミニウムにより構成されることが好ましく、特にα型酸化アルミニウムにより構成されることが好ましい。特に高温安定性に優れるとともに高硬度を有し、以って極めて優れた耐摩耗性が示され、また被削材ともほとんど反応することがないという優れた特性を有するからである。

このような第２被膜は、０．１μｍ以上２０μｍ以下の厚み（複層で形成される場合はその全体の厚み）を有することが好ましく、より好ましくはその上限が１０μｍ以下、その下限が０．２μｍ以上である。その厚みが０．１μｍ未満の場合、耐摩耗性を向上させる効果が十分に示されない場合があり、２０μｍを超えても効果に大差なく経済的に不利となる。

このような第２被膜は、上記の第１被膜上に直接形成され、その形成方法（成膜方法）は、従来公知の化学的蒸着法（ＣＶＤ法）および物理的蒸着法（ＰＶＤ法）等いかなる方法を採用しても差し支えなく、その形成方法は特に限定されない。

なお、上記圧縮応力は、Ｘ線応力測定装置を用いたｓｉｎ²ψ法により測定することができる。そしてこのような圧縮応力は切削に関与する部位に含まれる任意の点１０点（これらの各点は当該部位の応力を代表できるように互いに０．５ｍｍ以上の距離を離して選択することが好ましい）の応力を該ｓｉｎ²ψ法により測定し、その平均値を求めることにより測定することができる。

このようなＸ線を用いたｓｉｎ²ψ法は、多結晶材料の残留応力の測定方法として広く用いられているものであり、たとえば「Ｘ線応力測定法」（日本材料学会、１９８１年株式会社養賢堂発行）の５４〜６６頁に詳細に説明されている方法を用いれば良い。

＜第３被膜＞
本発明の第３被膜は、所望により、基材と上記第１被膜との間に形成されるものであって、基材と第１被膜との両者に対して優れた密着力を有することにより、第１被膜が剥離するのを防止する作用を示すものである。

このような第３被膜は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって単層または複層として構成される。

このような第３被膜として好適な化合物としては、たとえばＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＢ₂、ＴｉＢＮ、ＴｉＣＢＮ、ＺｒＣ、ＺｒＯ₂、ＨｆＣ、ＨｆＮ、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＣｒＮ、ＣｒＮ、ＶＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＡｌＴｉＣｒＮ、ＴｉＡｌＣＮなどを挙げることができる。

このような第３被膜は、０．０１μｍ以上２７μｍ以下の厚み（複層で形成される場合はその全体の厚み）を有することが好ましい。その厚みが０．０１μｍ未満の場合、基材および第１被膜との密着性を向上させる効果が十分に示されない場合があり、２７μｍを超えても効果に大差なく経済的に不利となる。

このような第３被膜は、基材上に直接形成することができ、その形成方法（成膜方法）は、従来公知の化学的蒸着法（ＣＶＤ法）および物理的蒸着法（ＰＶＤ法）等いかなる方法を採用しても差し支えなく、その形成方法は特に限定されない。

しかし、このような第３被膜は、とりわけＭＴ−ＣＶＤ（ｍｅｄｉｕｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ＣＶＤ）法により形成することが好ましく、特にその方法により形成した耐摩耗性に優れる炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）層を備えることが最適である。従来のＣＶＤ法は、約１０２０〜１０３０℃で成膜を行なうのに対して、ＭＴ−ＣＶＤ法は約８５０〜９００℃という比較的低温で行なうことができるため、成膜の際加熱による基材のダメージを低減することができるからである。したがって、ＭＴ−ＣＶＤ法により形成した層は、基材に近接させて備えることがより好ましい。また、成膜の際に使用するガスは、ニトリル系のガス、特にアセトニトリル（ＣＨ₃ＣＮ）を用いると量産性に優れて好ましい。

＜第４被膜＞
本発明の第４被膜は、所望により、上記第２被膜上であってかつ切削に関与する部位を除く部分に形成されることを特徴とするものである。このような第４被膜は、工具の使用状態をより容易に判別することを可能とする使用状態表示層としての作用を示すものである。また、第２被膜に対して圧縮応力を付与したり、工具の表面平滑性を向上させるために行なわれるブラスト処理が行なわれたか否かを示す指標層としての作用を示すものとすることもできる。

したがって、このような第４被膜は、上記の第２被膜に比し耐摩耗性が劣っていることが好ましく、黄色、金色、銀色、桃色等の色彩を有していることが好適である。

なお、ここでいう切削に関与する部位とは、上記の第２被膜について説明した部位と同一の部位を示す。第４被膜が、このように切削に関与する部位を除く部分に形成されるのは、被削材と反応してその反応物が工具の刃先に溶着することにより被削材の外観が害されるのを防止するためである。

このような第４被膜としては、たとえば周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の金属、または周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、ＡｌおよびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成されることが好ましい。より具体的には、たとえばＴｉＮ、ＺｒＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＴｉＣＮＯ、ＶＮ、Ｃｒ等の元素または化合物により構成することができる。

このような第４被膜は、０．０１μｍ以上５μｍ以下の厚みを有することが好ましい。その厚みが０．０１μｍ未満の場合、上記の作用が十分に示されない場合があり、５μｍを超えると製造効率を悪化させ経済的に不利となる。

このような第４被膜は、第２被膜上に直接形成することができ、その形成方法（成膜方法）は、従来公知の化学的蒸着法（ＣＶＤ法）および物理的蒸着法（ＰＶＤ法）等いかなる方法を採用しても差し支えなく、その形成方法は特に限定されない。しかし、このような形成方法として特に好ましくは、ＣＶＤ法またはＰＶＤ法によりこの第４被膜を第２被膜の全面を覆うようにして形成し、その後、少なくとも切削に関与する部位に形成されたこの第４被膜をブラスト処理等により除去することが好適である。この方法によれば、第２被膜に対する圧縮応力の付与と表面平滑処理とを同時に行なう効果が得られるため、高い生産効率を有したものとなる。

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜実施例１＞
まず、基材として以下の３種類の基材Ａ〜Ｃを作製した。

基材Ａは、超硬合金粉末として、８６．７質量％のＷＣ、３．０質量％のＴａＣ、０．３質量％のＮｂＣ、２．２質量％のＴｉＣ、および７．８質量％のＣｏからなる組成のものをプレスし、その後真空雰囲気中で１４００℃、１時間の条件で焼結を行ない、続いて研削加工処理を行なった後、刃先稜線部に対してＳｉＣブラシホーニング処理により刃先処理（すくい面と逃げ面との交差部に対して半径が約０．０５ｍｍのアール（Ｒ）を付与したもの）をすることにより、切削チップＣＮＭＧ１２０４０８Ｎ−ＧＵ（住友電工ハードメタル（株）製）の形状と同形状の超硬合金製の切削チップとしたものである。

基材Ｂは、超硬合金粉末として、８４．２質量％のＷＣ、１．０質量％のＴａＣ、３．５質量％のＮｂＣ、３．０質量％のＺｒＣ、０．５質量％のＺｒＮ、および７．８質量％のＣｏからなる組成のものを用いることを除き、基材Ａと同様にして作製した。

基材Ｃは、超硬合金粉末として、９３．４質量％のＷＣ、０．６質量％のＴａＣ、０．３質量％のＮｂＣ、０．２質量％のＴｉＣ、および５．５質量％のＣｏからなる組成のものを用いることを除き、基材Ａと同様にして作製した。

なお、基材Ａは表面に脱β層が１０μｍ存在し、基材Ｂは同じく表面に脱β層が１５μｍ存在していたが、基材Ｃには脱β層は存在しなかった。

次いで、これらの基材に対して、以下の表１および表２に示した各被膜を従来公知のＣＶＤ法により形成した。ただし、第３被膜の炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）は、８５０〜９００℃のＭＴ−ＣＶＤ法により形成した。

また、第１被膜は、ＴｉＢ_XＮ_Yで表される硼窒化チタンからなるものであるが、Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）が０．００１＜Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）＜０．０４を満たす場合は、２容量％のＴｉＣｌ₄、０．００５〜２容量％のＢＣｌ₃、５〜１５容量％のＮ₂、５〜１５容量％のＮＯ、および残りＨ₂からなる反応ガスを用いて、圧力４〜１０．７ｋＰａ、温度８００〜９３０℃の条件により成膜した。一方、Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）が０．００１＜Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）＜０．０４を満たさない場合は、２容量％のＴｉＣｌ₄、０．００１容量％以下または５容量％のＢＣｌ₃、５〜１５容量％のＮ₂、１〜１０容量％のＮＯ、および残りＨ₂からなる反応ガスを用いて、圧力１３．３ｋＰａ、温度９５０℃の条件により成膜した。

そしてこのように成膜された被膜は、第２被膜において引張応力が残留しているため、公知のブラスト処理を施すことにより、全面に亘って圧縮応力を付与した（ただし、以下の表２のＮｏ．２５とＮｏ．２６についてはブラスト処理を行なっていない）。このようにして付与された応力をｓｉｎ²ψ法により測定したところ（上記に説明したように切削に関与する部位に含まれる任意の点１０点の平均値として算出した）、表１および表２に示したような残留応力（圧縮応力）を有していた。

このようにして、表１および表２に示したＮｏ．１〜２６の表面被覆切削工具を作製した。Ｎｏ．１〜２２が本発明の実施例であり、Ｎｏ．２３〜２６は比較例である。

そして、これらの表面被覆切削工具について、下記の条件により、耐摩耗性試験と断続切削試験を行なった。その結果を以下の表１および表２に示す。耐摩耗性試験では、逃げ面摩耗量（Ｖ_B）を測定し、その数値が少ないもの程耐摩耗性に優れていることを示している。また、断続切削試験では、工具が欠損するまでの衝撃回数を測定し、その回数が多いもの程靭性に優れていることを示している。

（耐摩耗性試験）
被削材：ＳＣＭ４３５丸棒
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ
切込みｄ：２．０ｍｍ
送りｆ：０．３０ｍｍ／ｒｅｖ．
切削時間：１２分
乾式／湿式：湿式
（断続切削試験）
被削材：ＳＣＭ４４０（４本溝入り丸棒）
切削速度：１８０ｍ／ｍｉｎ
切込み：１．５ｍｍ
送り：０．３５ｍｍ／ｒｅｖ．
乾式／湿式：湿式

表１および表２において、「※」の記号を付したものが比較例である。また、第２被膜において、「α−Ａｌ₂Ｏ₃」はα型酸化アルミニウムを、「κ−Ａｌ₂Ｏ₃」はκ型酸化アルミニウムを示している。また、Ｎｏ．２２の第２被膜は、酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムの質量比９:１からなる固溶体を示している。また、「Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）」とは、第１被膜を構成するＴｉＢ_XＮ_Yの式中のＸ／（Ｘ＋Ｙ）を示し、「残留応力」とは、上記の測定方法で測定された第２被膜の応力を示している。

また、表１および表２において、第３被膜として複数のものが記載されている場合は、左側のものから順に基材上に形成されることを示す。また、Ｎｏ．１８の第４被膜は、ブラスト処理により切削に関与する部位から除去されて形成されている。このように第４被膜を除去しない場合（切削に関与する部位に第４被膜が形成されている場合）は、耐摩耗性が劣るとともに、特に靭性が劣ったものとなり、また被削材の外観も害されたものとなる。

以上、上記の表１および表２から明らかなように、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．２２の本発明の表面被覆切削工具は、いずれも優れた耐摩耗性と靭性とを有していた（第２被膜が剥離するものはなかった）。これに対して、第１被膜を有さないＮｏ．２３およびＮｏ．２４の表面被覆切削工具は、耐摩耗性に劣り、第２被膜が剥離する傾向を示した。また、第２被膜において残留引張応力を有するＮｏ．２５およびＮｏ．２６は、靭性が極めて劣っていた。

また、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．２２の本発明の表面被覆切削工具は、工具全体が黄色味を帯びた外観を呈し、工具の使用状態（いずれの刃先稜線部が既に使用されているか否か）を容易に判別することができた。

なお、本実施例では、基材としてチップブレーカを有するものを用いたが、チップブレーカを有していないものや、切削工具の上下面全面が研磨されたような工具（チップ）でも本実施例と同様の効果を得ることができる。

＜実施例２＞
超硬合金粉末として、８８．７質量％のＷＣ、２．０質量％のＴａＣ、０．８質量％のＮｂＣ、および８．５質量％のＣｏからなる組成のものをプレスし、その後真空雰囲気中で１４００℃、１時間の条件で焼結を行ない、続いて研削加工処理を行なった後、刃先稜線部に対してＳｉＣブラシホーニング処理により刃先処理（すくい面と逃げ面との交差部に対して半径が約０．０４ｍｍのアール（Ｒ）を付与したもの）をすることにより、ＩＳＯ規格ＳＰＧＮ１２０４１２の形状の超硬合金製の切削チップを作製し、これを基材とした。なお、この基材に脱β層は存在しなかった。

次いで、この基材に対して、以下の表３に示した各被膜を従来公知のＣＶＤ法により形成した。ただし、第３被膜の炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）は、８５０〜９００℃のＭＴ−ＣＶＤ法により形成した。また、第１被膜の形成条件は、実施例１と同様にして成膜した。

そしてこのように成膜された被膜は、第２被膜において引張応力が残留しているため、公知のブラスト処理を施すことにより、全面に亘って圧縮応力を付与した（ただし、以下の表３のＮｏ．３９についてはブラスト処理を行なっていない）。このようにして付与された応力を実施例１と同様にしてｓｉｎ²ψ法により測定したところ、表３に示したような残留応力（圧縮応力）を有していた。

このようにして、表３に示したＮｏ．３１〜３９の表面被覆切削工具を作製した。Ｎｏ．３１〜３６が本発明の実施例であり、Ｎｏ．３７〜３９は比較例である。

そして、これらの表面被覆切削工具について、下記の条件により、３種のフライス切削試験を行なった。その結果を以下の表３に示す。鋼耐摩耗性試験と鋳物耐摩耗性試験では、逃げ面摩耗量（Ｖ_B）を測定し、その数値が少ないもの程耐摩耗性に優れていることを示している。また、靭性切削試験では、異なる１０個の切れ刃で切削を行ない、折損した切れ刃の数を計測し、その折損数が少ないもの程靭性に優れていることを示している。

（鋼耐摩耗性試験）
被削材：ＳＣＭ４３５ブロック材
切削速度：３１０ｍ／ｍｉｎ
切込みｄ：２．０ｍｍ
送りｆ：０．２８ｍｍ／ｒｅｖ．
切削時間：１０分
乾式／湿式：湿式
（鋳物耐摩耗性試験）
被削材：ＦＣ２５０ブロック材
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ
切込みｄ：１．５ｍｍ
送りｆ：０．２９ｍｍ／ｒｅｖ．
切削時間：１２分
乾式／湿式：乾式
（靭性切削試験）
被削材：ＳＣＭ４３５ブロック材（スリット有り）
切削速度：１６０ｍ／ｍｉｎ
切込み：２．０ｍｍ
送り：０．３７ｍｍ／ｒｅｖ．
乾式／湿式：湿式

表３中の表記は、表１および表２の表記に準じて記載した。なお、Ｎｏ．３５の第４被膜は、ブラスト処理により切削に関与する部位から除去されて形成されている。このように第４被膜を除去しない場合（切削に関与する部位に第４被膜が形成されている場合）は、耐摩耗性が劣るとともに、特に靭性が劣ったものとなり、また被削材の外観も害されたものとなる。

以上、上記の表３から明らかなように、Ｎｏ．３１〜Ｎｏ．３６の本発明の表面被覆切削工具は、いずれも優れた耐摩耗性と靭性とを有していた（第２被膜が剥離するものはなかった）。これに対して、第１被膜を有さないＮｏ．３７およびＮｏ．３８の表面被覆切削工具は、耐摩耗性および靭性に劣り、第２被膜が剥離する傾向を示した。また、第２被膜において残留引張応力を有するＮｏ．３９は、靭性が極めて劣っていた。

また、Ｎｏ．３１〜Ｎｏ．３６の本発明の表面被覆切削工具は、工具全体が黄色味を帯びた外観を呈し、工具の使用状態（いずれの刃先稜線部が既に使用されているか否か）を容易に判別することができた。

＜実施例３＞
基材としては実施例２と同じものを用い、この基材に対して、以下の表４に示した各被膜を従来公知のイオンプレーティング法により形成することにより表面被覆切削工具を作製した。実施例１および２と異なり、第２被膜は形成時に圧縮応力を有しているため（圧縮応力の測定は実施例１および２と同様にして測定しその結果は表４の通り）、ブラスト処理は行なわなかった。

このようにして、表４に示したＮｏ．４１〜４７の表面被覆切削工具を作製した。Ｎｏ．４１〜４４が本発明の実施例であり、Ｎｏ．４５〜４７は比較例である。

そして、これらの表面被覆切削工具について、下記の条件により、３種のフライス切削試験を行なった。その結果を以下の表４に示す。鋼耐摩耗性試験と鋳物耐摩耗性試験では、逃げ面摩耗量（Ｖ_B）を測定し、その数値が少ないもの程耐摩耗性に優れていることを示している。また、靭性切削試験では、異なる１０個の切れ刃で切削を行ない、折損した切れ刃の数を計測し、その折損数が少ないもの程靭性に優れていることを示している。

（鋼耐摩耗性試験）
被削材：ＳＫＤ１１ブロック材
切削速度：１６０ｍ／ｍｉｎ
切込みｄ：２．０ｍｍ
送りｆ：０．２６ｍｍ／ｒｅｖ．
切削時間：５分
乾式／湿式：湿式
（鋳物耐摩耗性試験）
被削材：ＦＣＤ４５０ブロック材
切削速度：１８０ｍ／ｍｉｎ
切込みｄ：１．５ｍｍ
送りｆ：０．２７ｍｍ／ｒｅｖ．
切削時間：６分
乾式／湿式：乾式
（靭性切削試験）
被削材：Ｓ５０Ｃブロック材（スリット有り）
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ
切込み：２．０ｍｍ
送り：０．３８ｍｍ／ｒｅｖ．
乾式／湿式：湿式

表４中の表記は、表１〜３の表記に準じて記載した。

以上、上記の表４から明らかなように、Ｎｏ．４１〜Ｎｏ．４４の本発明の表面被覆切削工具は、いずれも優れた耐摩耗性と靭性とを有していた（第２被膜が剥離するものはなかった）。これに対して、第１被膜を有さないＮｏ．４５〜Ｎｏ．４７の表面被覆切削工具は、耐摩耗性および靭性に劣とるとともに、第２被膜が剥離する傾向を示した。

また、Ｎｏ．４１〜Ｎｏ．４４の本発明の表面被覆切削工具は、工具全体が黄色味を帯びた外観を呈し、工具の使用状態（いずれの刃先稜線部が既に使用されているか否か）を容易に判別することができた。

以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。

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。

Claims (11)

1. 基材と、該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
   前記被膜は、硼窒化チタンからなる第１被膜と、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、およびこれらの２以上を主成分とする固溶体からなる群から選ばれる少なくとも１種によって構成される第２被膜とを含み、
   前記第１被膜は、前記基材と前記第２被膜との間であって、前記第２被膜の直下に位置し、
   前記第２被膜は、少なくとも切削に関与する部位において圧縮応力を有することを特徴とする表面被覆切削工具。
2. 前記被膜は、前記基材と前記第１被膜との間に第３被膜を有し、
   前記第３被膜は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物によって構成されることを特徴とする請求項１記載の表面被覆切削工具。
3. 前記第１被膜は、ＴｉＢ_XＮ_Y（ただし式中、Ｘ、Ｙはそれぞれ原子％であって、０．００１＜Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）＜０．０４である）で表される硼窒化チタンからなることを特徴とする請求項１または２記載の表面被覆切削工具。
4. 前記圧縮応力は、その絶対値が０．２ＧＰａ以上となる圧縮応力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表面被覆切削工具。
5. 前記第１被膜は、０．１μｍ以上３μｍ以下の厚みを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
6. 前記被膜は、０．２μｍ以上３０μｍ以下の厚みを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
7. 前記第３被膜は、ＭＴ−ＣＶＤ法により形成された炭窒化チタン層を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
8. 前記第２被膜は、α型酸化アルミニウムによって構成されることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
9. 前記被膜は、さらに第４被膜を含み、
   前記第４被膜は、前記第２被膜上であって、かつ少なくとも切削に関与する部位を除く部分に形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
10. 前記基材は、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からなる混合体のいずれかにより構成されることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
11. 前記表面被覆切削工具は、ドリル、エンドミル、フライス加工用または旋削加工用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ、またはクランクシャフトのピンミーリング加工用チップのいずれか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表面被覆切削工具。