JP2007313636A - 切削工具およびそれを用いた被削材の切削方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い耐欠損性を切削液の保持力に優れた切削工具を提供する。
【解決手段】 基体と該基体の表面に形成された層とを有してなる本体部を備え、該本体部は、すくい面と、逃げ面と、前記すくい面と前記逃げ面との交差部に形成された切刃部と、を有してなり、前記すくい面のうち前記切刃部の近傍領域を領域Ａとしたとき、前記領域Ａにおける最大高さ粗さ（Ｒｚ_Ａ）が０．５μｍ〜１μｍであり、かつ、スキューネス（Ｒｓｋ_Ａ）が負の値をとる切削工具である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、基体と該基体の表面に形成された層とを有した切削工具に関する。

従来より、金属の切削加工に広く用いられている切削工具は、超硬合金やサーメット、セラミックス等の基体の表面に、炭化チタン（ＴｉＣ）層、窒化チタン（ＴｉＮ）層、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）層および酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）層、または窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）層等の層を単層または複数層形成した切削工具が多用されている。

かかる切削工具においては工具表面の微小な凹凸が被削材との摩擦や切削液による冷却効果を支配する。その為、工具表面に大きな凹凸が存在する場合には、次のような問題があった。連続切削においては、切刃が高温になって被削材が溶着して耐摩耗性が著しく低下するという問題があった。また、断続切削など切刃に大きな衝撃が加わる切削においては、層表面の凹凸によって衝撃のかかり方が微視的に偏ってしまうために応力集中が生じ、該応力集中により発生したクラックを起点として、チッピングが発生し、耐欠損性が著しく低下するという問題があった。

そこで、特許文献１には、ブラシを用いた研磨やラッピング等の機械加工にて切刃先端の表面粗さ（Ｒｍａｘ）を０．２μｍ以下に小さくすることが提案されている。これによって、表面の凹凸に起因する溶着やマイクロチッピングを防止し工具寿命を向上できることが記載されている。

一方、近年の切削加工の高能率化に伴い、切削速度が速い高速切削加工が行われるようになっている。このような高速切削加工は、切削液を使用した切削条件においても切刃が非常に高温になって耐摩耗性が低下したり、切刃に溶着が発生しやすくなったりする場合が多かった。そのため、この耐摩耗性の低下および切刃の凝着が引き金となって切刃の欠損や異常摩耗が発生して、工具寿命を延ばすことができないという問題があった。

そこで、特許文献２や特許文献３では、アークイオンプレーティング法により形成した層について、層の表面に突出したドロップレット（粗大粒子）をバレル加工やホーニング加工等の機械加工により除去することによって、層の表面に頂部が突出したドロップレット粒子が層中に埋没した部分も含めてまるごと層から引き抜かれるように除去されて、層の表面に深い凹部（微細孔）が形成されることが提案されている。これにより、このクレータ部（深い凹部、微細孔）が切削液の液溜まりとなって切削時の潤滑性を高めることができ、耐摩耗性が向上することが記載されている。
ＷＯ０２−００４１５６号公報 特開平７−１５７８６２号公報 特開２００２−１４６５１５号公報

しかしながら、特許文献１のように切刃先端の表面粗さを小さくする方法では、チッピングなどの異常摩耗は防ぐことができるものの、高速切削加工やステンレス等のように熱伝導性の悪い被削材の加工においては切刃が高温になることは避けられない。そのため、高温になった切刃は、耐摩耗性が低下したり、被削材が溶着しやすく、これが引き金となって切刃が突発的に欠損したり異常摩耗が発生したりして工具寿命を延ばすことができないという問題があった。

また、上記特許文献２や特許文献３のように、アークイオンプレーティング膜の表面を研磨して層の表面にクレータ部を形成した層においても、粗大粒子を除去した跡にできたクレータ部のサイズが大きくしかもその端部が不連続な状態となる為に、このクレータ部を起点としてクラックが発生しやすくなり、層の耐欠損性が低下してしまうという問題があった。

従って、本発明は上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、高速切削加工やステンレス等のように熱伝導性の悪い被削材の加工においても、切刃が高温になることによる耐摩耗性の低下や、溶着の発生等を低減させ、切刃の欠損や異常摩耗の発生等の突発的な工具損傷を低減して、耐摩耗性および耐欠損性に優れる長寿命の切削工具を提供することにある。

本発明は、高い耐欠損性を維持しつつ切削液の保持力を高められる層の表面性状について検討したもので、基体と該基体の表面に形成された層とを有してなる本体部を備え、該本体部は、すくい面と、逃げ面と、前記すくい面と前記逃げ面との交差部に形成された切刃部と、を有してなり、前記すくい面のうち前記切刃部の近傍領域を領域Ａとしたとき、前記領域Ａにおける最大高さ粗さ（Ｒｚ_Ａ）が０．５μｍ〜１μｍであり、かつ、スキューネス（Ｒｓｋ_Ａ）が負の値をとるよう制御することによって、領域Ａが切削時に受ける衝撃や摩擦に応じた最適な表面となり、工具寿命を向上できるという効果を有するものである。

ここで、前記Ｒｓｋ_Ａが−０．５〜−０．１であることが、領域Ａにおける耐欠損性が向上するとともに、切削液の潤滑性と冷却性の向上によって耐摩耗性が向上するため望ましい。

また、前記切刃部におけるすくい面側の領域を領域Ｂとしたとき、前記領域Ｂにおける最大高さ粗さ（Ｒｚ_Ｂ）が０．１μｍ〜１．５μｍであり、かつ、スキューネス（Ｒｓｋ_Ｂ）が０以下の値をとるとともに、前記Ｒｓｋ_Ａが前記Ｒｓｋ_Ｂよりも小さいことが、切刃の耐欠損性とすくい面における耐摩耗性のバランスが最適化され、優れた耐摩耗性と耐欠損性を示す切削工具となるため望ましい。

さらに、前記Ｒｓｋ_Ｂが−０．２〜０であることが、切屑がスムーズに排出されると共に、衝撃によってクラックが発生することを防ぎ、耐欠損性を向上させることができるため望ましい。

また、前記Ｒｚ_Ａが、前記Ｒｚ_Ｂよりも大きいことが、領域Ａがより潤滑性に優れた面となり、領域Ｂがより耐欠損性に優れる面となり、工具の耐欠損性と潤滑性とのバランスを最適化することができ、優れた切削性能を発揮する切削工具を実現することができるため望ましい。

さらに、前記Ｒｚ_Ｂが０．１μｍ〜０．５μｍであることが、切削温度を低下させることによって工具の強度が低下することを抑えるとともに、破壊源となる深い凹部を減らすことによって、耐欠損性を高めることができるため望ましい。

また、前記すくい面の前記領域Ａよりも内側に形成されたブレーカ溝を有することが、切屑の流れを安定させる点で望ましく、かつ、該ブレーカ溝の最深部に位置する底面領域を領域Ｃとしたとき、前記領域Ｃにおける最大高さ粗さ（Ｒｚ_Ｃ）が０．１μｍ〜１．５μｍであり、かつ、スキューネス（Ｒｓｋ_Ｃ）が負の値をとるとともに、前記Ｒｓｋ_Ｃが前記Ｒｓｋ_Ａよりも小さいことが、領域Ａより領域Ｃにおいて多くの凹部領域が得られるので、領域Ｃがより高い潤滑性を発揮し、領域Ｃにて切り屑がスムーズに潤滑するため、安定して切り屑を排出できるとともに、領域Ｃと切り屑の摩擦による熱の発生を抑え、熱による工具材質や被削材の劣化を低減させることができるため望ましい。

さらに、前記Ｒｓｋ_Ｃが−１〜−０．４であることが、上記切り屑の潤滑性を高める効果が向上するため望ましい。

また、前記Ｒｚ_Ｃが０．５μｍ〜１．５μｍであることが、上記切り屑の潤滑性を高める効果が向上するため望ましい。

さらに、前記Ｒｚ_Ｃが前記Ｒｚ_Ａよりも大きいことが、切り屑の潤滑性に優れた領域Ｃと、耐欠損性に優れた領域Ａと、を併せ持ち、高い切削性能を発揮する切削工具を実現することができるため望ましい。

また、前記領域Ａの前記基体と前記層との界面における最大高さ粗さ（Ｒｚ’_Ａ）が０．３μｍ〜１．５μｍであり、かつ、前記界面の基準長さ５μｍにおいて、最も高い位置と最も低い位置との中点を通る基準線に対して、該基準線よりも上に突き出している部分を１つの凸部と規定したとき、前記基準長さ５μｍにおける前記凸部の数が４個〜１５個であることが、層の上記表面性状の制御が容易であるとともに、基体に対する層の密着性を高めることができる点で望ましい。

さらに、前記すくい面における水の接触角θが３０°〜８０°であることが、切削液が層表面に対し十分に浸透し高い潤滑性を発揮できるため望ましい。

また、本発明は、上記切削工具および被削材の少なくとも一方を回転させ、前記被削材に前記切削工具を近接させる工程と、前記切削工具の切刃部を前記被削材の表面に接触させ、前記被削材を切削する工程と、前記被削材から前記切削工具を離間させる工程と、を備えることで、耐欠損性および耐摩耗性に優れた切削工具を用いるため、加工面精度の高い切削加工が可能となる。

本発明の切削工具は、切屑が激しく衝突するとともに切屑の流れによって表面が激しくこすられる領域Ａにおける表面の凹凸状態を最適化することによって、切削液を用いて切削する、いわゆる湿式加工において切刃が高温になることによる耐摩耗性の低下や、被削材の溶着を低減させ、切刃の欠損や異常摩耗の発生等の突発的な工具損傷を低減して、優れた耐摩耗性および耐欠損性を発揮することができるものである。

さらに、本発明の被削材の切削方法は、耐摩耗性および耐欠損性に優れた切削工具を用いて加工するため、加工面精度の高い安定した切削加工を長時間に渡って実現することができる。

本発明の切削工具の一例について、その工具切刃断面の模式図である図２を基に説明する。

図２によれば、切削工具（以下、単に工具と略す。）１は基体２の表面に単層または複層の層３を形成したものである。すなわち、基体２と基体２の表面に形成された層３とを有してなる本体部を備えてなる工具１である。工具１は、前記本体部の上面に形成されたすくい面５と、側面に形成された逃げ面６と、すくい面５と逃げ面６との交差部に形成された切刃部７とを有している。本発明においては、図２に示すように、工具１のすくい面５と逃げ面６とが交差する切刃部７からの距離によって下記のように領域Ａ、Ｂ、Ｃを定義する。

すなわち、すくい面５のうち切刃部７の近傍領域を領域Ａ、前記切刃部におけるすくい面側の領域を領域Ｂ、領域Ａよりも内側にブレーカ溝９を有する場合、ブレーカ溝９の最深部に位置する底面領域を領域Ｃと規定する。

ここで、すくい面５のうち切刃部７の近傍領域である領域Ａとは、被削材の切屑が通過することから工具１の表面が激しくこすれ、拡散摩耗が発生しやすい領域である。したがって、領域Ａは、切削液が適度に蓄えられる大きさの凹部が表面に存在し、潤滑と冷却の効果が最大限に発揮できることが要求される。そこで、本発明によれば、前記領域Ａにおける最大高さ粗さ（Ｒｚ_Ａ）が０．５μｍ〜１μｍであり、かつ、スキューネス（Ｒｓｋ_Ａ）が負の値をとるように制御することによって、表面は比較的平坦な部分が多いため被削材の溶着を低減させることができる。また、層表面の凹部では切削液が浸透して適度な潤滑性を確保できるため、摩擦による熱の発生が抑えられ、耐摩耗性が向上する。

なお、領域Ａは、刃先近傍のクレーター摩耗が進行しやすい部分であり、切削形態によって領域が異なる。具体的には、切削時の切り込み幅の距離に対して５％〜３０％の幅分だけ、より具体的には、すくい面５のうち工具の内接円直径の寸法に対して０．５％〜３％の幅分だけ切刃部７より内側に位置する領域である。例えば、本体部の内接円直径が１２ｍｍである場合、すくい面５と逃げ面６とが交差する切刃部７に対してすくい面５側に１００μｍの距離だけ離れた位置Ｘ１から切刃部７に対してすくい面５側に２００μｍの距離だけ離れた位置Ｘ２の間の領域である。

なお、切刃部７がＲホーニング処理されているような場合は、図３に示すように、領域Ａを規定することができる。すなわち、領域Ａは、切刃部７とすくい面５との交点からすくい面側へ１００μｍ幅の領域と規定できる。より具体的には、例えば、切刃部７に連続するすくい面５の平面部分と切刃部７に連続する逃げ面６の平面部分との仮想延長線（Ｌ５、Ｌ６）のなす角の二等分線Ｍと切刃部７との交点を切刃部７の基準位置Ｏとして、該基準位置Ｏからすくい面側に１００μｍの距離だけ離れた位置を前記Ｘ１、２００μｍの距離だけ離れた位置を前記Ｘ２とする。その時の前記Ｘ１と前記Ｘ２との間の領域をＡ領域とすることができる。なお、切刃部７がチャンファホーニング処理されている場合も、同様にして規定することができる。

ここで、スキューネス（Ｒｓｋ）とはＪＩＳ Ｂ ０６０１―２００１およびＩＳＯ１３０２―２００２に規定されるように、表面粗さプロファイルの平均線に対しての振幅分布曲線の相対性を示すものである。図１（Ａ）、（Ｂ）は表面粗さプロファイルと振幅分布曲線を示す。ここで振幅分布曲線（確率密度関数）とは、表面状態を示す測定曲線の最も高い山頂と最も深い谷底との間を等間隔に分割し、２本の平行線内の領域に存在するデータの数ｎと全データＮとの比を横軸に、測定曲線の高さ方向を縦軸にとってプロットしたものである。図１に示すように、振幅分布が表面粗さプロファイルの平均線より下にある場合（図１（Ａ））はスキューネス（Ｒｓｋ）が正であり、その逆に振幅分布が表面粗さプロファイルの平均線より上にある場合（図１（Ｂ））はスキューネス（Ｒｓｋ）が負である。

スキューネス（Ｒｓｋ）が正であるということは平均線より上部に位置する体積（図１では面積）部分が少ないことを表わし、層の表面は尖った先端が多く突き出した形状であることを意味する。逆に、スキューネス（Ｒｓｋ）が負であるということは平均線より上部に位置する体積（図１では面積）が多いことを表わし、層の被削材や切屑と接触する面積が多い形状であることを意味する。

また、スキューネスが０に近い値であれば摩擦係数は小さいが、被削材または切屑と接触する層の面積比率が十分でないために、すなわち、被削材や切屑との接触面積が増大するため、耐摩耗性が低下し、層表面の凸部が早期に摩耗し、その結果切削液の液だまりとなる凹部領域が不足して潤滑性が低下する。

ここで、焼成後の基体は表面が荒れた状態であり、該基体表面にそのまま層が形成された工具では、工具表面に凸部が多く存在してスキューネスが正の値となってしまう。そうなると、層の表面の耐溶着性が低下するとともに拡散摩耗や凝着摩耗が進行して耐摩耗性が低下してしまう。

これに対して、基体の表面をブラシ加工にて研削すると基体表面の表面粗さ、スキューネスともゼロに近い値になり、このような表面に形成された層の表面においては、表面粗さは基体表面の平滑性を反映して０に近い値となるがスキューネスは正となる。そして、この層の表面を再度研磨して層表面のスキューネスをゼロにすると層の表面における表面粗さが小さくなりすぎてしまう。そのため、工具表面において切削液を十分に保持することができず、十分な冷却、潤滑効果が得られず耐摩耗性が低下してしまう。

そこで、本発明の切削工具では、特許文献２、３のアークイオンプレーティング膜の表面を研磨してドロップレットの跡のクレータが残存し、Ｒｚが２μｍ以上と非常に大きなものとなり、それに応じてＲｓｋの絶対値も非常に大きな値をとる構成とは異なり、焼成後の基体表面および層表面を適切に加工することで、適切な表面粗さ（最大高さ粗さ（Ｒｚ））と適切なスキューネス（Ｒｓｋ）を有している。そのため、マイクロクラックの発生が低減でき、耐欠損性が高い切削工具となる。従来は、特に大きなドロップレットが生じたアークイオンプレーティング膜では、Ｒｚが１０μｍ程度となり、耐欠損性が大変低くなる場合があったが、本発明の切削工具では、ＲｚおよびＲｓｋを制御して、表面性状が好適なものとなっているので、優れた耐欠損性を発揮させることができる。

すなわち、領域Ａにおける最大高さ粗さ（Ｒｚ）を０．５μｍ以上とすることで、切削液が蓄えられる凹部が小さくなり、潤滑と冷却の効果が発揮できずに耐摩耗性が低下することを低減することができる。そして、領域Ａにおける最大高さ粗さ（Ｒｚ）を１μｍ以下とすることで、凹凸の差が大きすぎて切屑の流れが悪くなり、切削抵抗が増大して耐摩耗性が低下することを低減することができる。また、領域Ａにおけるスキューネス（Ｒｓｋ）を負とすることで、層の被削材や切屑と接触する面積が多い表面性状とすることができる。そのため、層表面の凸部が早期に摩耗することによって、切り屑の潤滑性が低下することを低減するとともに、切削中の凸部への衝撃によって生じる亀裂の低減が図れる。その結果、耐欠損性の向上が図れる。

さらに、領域Ａにおけるスキューネス（Ｒｓｋ）を−０．５以上とすることで、凹部が深くなりすぎて切削中の衝撃により亀裂が生じて耐欠損性が低下することを抑制することができる。一方、領域Ａにおけるスキューネス（Ｒｓｋ）を−０．１以下とすることで、切削液が蓄えられる凹部が小さくなって潤滑性と冷却性が低下して摩耗が進行してしまうことを抑制することができる。そのため、耐欠損性および耐摩耗性の低下を抑制する効果が高まる。

次に、上述した切刃部におけるすくい面側の領域である領域Ｂについて説明する。該領域Ｂは、切刃先端で切削による大きな切削荷重が加わる領域である。領域Ａと同じく、被削材の切屑が通過する領域であり、ある程度の潤滑は必要であるが、領域Ａよりも切削荷重が大きい領域である。

そのため、領域Ｂは、領域Ｂにおける最大高さ粗さ（Ｒｚ_Ｂ）が０．１μｍ〜１．５μｍであり、かつ、スキューネス（Ｒｓｋ_Ｂ）が０以下の値をとるとともに、前記Ｒｓｋ_Ａが前記Ｒｓｋ_Ｂよりも小さくなるよう構成することが望ましい。このような構成により、領域Ｂが、チッピングや凝着の発生を低減させる効果が高い表面性状となるため、異常摩耗の低減が図れる。そのため、切刃の耐欠損性とすくい面の耐摩耗性のバランスが最適化され、優れた耐欠損性と耐摩耗性を示す切削工具を実現することができる。

さらに、Ｒｓｋ_Ｂが−０．２〜０であるのがより好ましい。これにより、衝撃によってクラックが発生することを低減でき、耐欠損性を向上させることができる
また、Ｒｚ_ＡがＲｚ_Ｂよりも大きい関係にあることが望ましい。これにより、領域Ａが潤滑性に優れるとともに領域Ｂがより耐欠損性に優れ、工具全体としての工具寿命の向上が図れる。そのため、切刃の耐欠損性とすくい面の耐摩耗性さらに、Ｒｚ_Ｂが、０．１μｍ〜０．５μｍであることで、領域Ｂでの耐欠損性がより一層向上するため、チッピングによる加工精度の低下を低減させることができる。すなわち、切削温度を低下させるとともに、破壊源となる深い凹部を減らすことによって、耐欠損性を高めることができる。

特に、Ｒｚ_Ｂが０．１μｍ〜０．５μｍであり、かつ、Ｒｓｋ_Ｂが−０．２〜０であることが望ましい。これにより、切刃部７が高温になることを防ぎ、切削熱によって生じるる拡散摩耗、凝着摩耗やチッピングなどの異常摩耗を低減させることができる。そのため、高い耐摩耗性と耐欠損性を維持することができる。

なお、前記領域Ｂは、より具体的には、切刃部７のうち、逃げ面６との交点からすくい面５側の領域のことである。

なお、前述の領域Ａ同様、切刃部７がＲホーニング処理されているような場合には、領域Ｂは、刃先処理が施された部位（ホーニングされた部位）と規定することができる。具体的には、図３に示すように、前記切刃部７の基準位置Ｏ（切刃部７に連続するすくい面５の平面部分と切刃部７に連続する逃げ面６の平面部分との仮想延長線（Ｌ５、Ｌ６）のなす角の二等分線Ｍと切刃部７との交点）における接線Yとすくい面５の仮想直線Ｌ５との交点をＰ５とした時、基準位置ＯからＰ５における領域を領域Ｂと規定する。

また、工具１が、すくい面５の前記領域Ａよりも内側にブレーカ溝９を有する場合、ブレーカ溝９では強い衝撃はあまりかからず切屑が常に流れ続けるため、耐衝撃性よりも潤滑性が必要となる。つまり、ブレーカ溝の潤滑性を向上させ、切屑の流れをスムーズにすることが必要である。そこで、本発明の一実施形態である工具１は、ブレーカ溝９の最深部に位置する底面領域を領域Ｃとしたとき、領域Ｃにおける最大高さ粗さ（Ｒｚ_Ｃ）が０．１μｍ〜１．５μｍであり、かつ、スキューネス（Ｒｓｋ_Ｃ）が負の値をとるとともに、Ｒｓｋ_ＣがＲｓｋ_Ａよりも小さい構成とすることが望ましい。これにより、クレータ摩耗の低減および潤滑性の向上が高まる。すなわち、領域Ｃにより多くの凹部領域が得られるため、領域Ｃが優れた潤滑性を備えることができる。そのため、切屑が領域Ｃをスムーズに潤滑するため、切屑と領域Ｃとの摩擦による熱の発生を低減させることができる。その結果、摩擦熱によって工具材質や被削材が劣化することを低減することができる。

さらに、Ｒｓｋ_Ｃが−１〜−０．４であることが望ましい。これにより、潤滑性の向上が一層高まる。そのため、湿式加工において、高い切削性能を発揮することができる。

特に、Ｒｚ_Ｃが０．５μｍ〜１．５μｍであることが望ましい。これにより、上記範囲にＲｓｋを容易に制御でき、領域Ｃの潤滑性を向上させる効果が高まる。さらには、Ｒｚ_ＣがＲｚ_Ａよりも大きい関係にあることが望ましい。これにより、耐摩耗性に優れた領域Ａと、潤滑性に優れた領域Ｃとを併せ持つことができる。その結果、工具寿命を向上させる効果が高まる。

特に、領域Ｃにおける最大高さ粗さ（Ｒｚ_Ｃ）が０．５μｍ〜１．５μｍであり、かつ、スキューネス（Ｒｓｋ_Ｃ）が−１〜−０．４であることが望ましい。これにより、ブレーカ溝９における潤滑性を高く維持するとともに、耐クレータ摩耗性を向上させることができる。

なお、領域Ｃは、前述のとおりブレーカ溝の最深部に位置する底面領域である。ブレーカ溝９のうち切屑が摺動する領域のことである。すなわち、強い衝撃があまりかからず、切屑が常に流れ続けるため、耐衝撃性よりも潤滑性が求められる領域である。より具体的には、例えば、ＣＮＭＧ１２０４０８タイプの切削インサートの場合、領域Ｃは、ブレーカ溝の形状によって変化するが、およそブレーカ溝９の最深部を中心とするレンジ１ｍｍ幅（前後５００μｍ幅）の領域と規定することができる。

なお、ブレーカ溝９の最深部が図２と異なり、一つの平面上で構成されるような場合は、該最深部に相当する平面の任意の一点を図２のＸ３（最深部）として、上述と同様に、領域Ｃを規定することができる。

さらに、Ａ領域における基体２と層３との界面ににおける最大高さ粗さ（Ｒｚ’_Ａ）が０．３μｍ〜１．５μｍであり、かつ、前記界面の基準長さ５μｍにおいて、最も高い位置と最も低い位置との中点を通る基準線に対して、該基準線よりも上に突き出している部分を１つの凸部と規定したとき、前記基準長さ５μｍにおける前記凸部の数が４個〜１５個であることが望ましい。これにより、層３の上記表面性状の制御が容易であるとともに基体２に対する層３の密着性を高めることができる。

また、領域Ｂおよび領域Ｃについても、上記表面性状をなすとともに、前述した領域Ａにおける前記凸部の数と同程度の前記凸部を有してなることが好ましい。これにより、基体２に対する層３の密着性を高める効果が向上する。

ここで、基体２と層３との界面における最大高さ粗さ（Ｒｚ’）は、層３の組織観察において、基体２と層３との界面における凹凸形状をトレースした線からＪＩＳ Ｂ ０６０１−２００１（ＩＳＯ４２８７−１９９７）に規定される最大高さ粗さ（Ｒｚ）の算出方法に準じて基準長さを５μｍとしたときに求められる値と定義する。

また、基準長さ５μｍにおける凸部の数は、上記トレースした線９から図４に示す方法で求めることができる。

すなわち、まず、工具１の切断面または破断面を５０００倍〜２００００倍の倍率の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察する。そして、得られた画像から凹凸形状をトレースする。トレースした線９を用いて、基体２と層３の界面での最高凸部を通り基体２と略平行な直線Dから、最深凹部を通り基体２と略平行な直線Eまでの最短距離の中点を通り、基体２に平行な直線を引き、これを基準線Fとする。そして、トレースした線９のうち、基準線Fよりも上に突き出しているものを凸部、基準線Fよりも下に凹んでいるものを凹部として、基準線Fから凸部の個数を数える（図４では２個）ことにより算出する（図４参照）。

また、すくい面５における水の接触角θが３０°〜８０°であることが望ましい。これにより、切削液がすくい面５に対して十分に浸透し、高い潤滑性を発揮することができる。なお、水の接触角はＪＩＳ Ｒ ３２５７―１９９９に基づく静滴法によって測定される。

ところで、上記層の表面性状を持つ切削工具は、例えば以下のような構成および製法によって作製することができるものである。

基体２は、炭化タングステン（ＷＣ）と、所望により周期律表第４、５、６族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種とからなる硬質相を、コバルト（Ｃｏ）および／またはニッケル（Ｎｉ）の鉄属金属からなる結合相にて結合させた超硬合金や、Ｔｉ基サーメット、または窒化ケイ素、酸化アルミニウム、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素等のセラミックスのいずれかからなる。

基体２を構成する上記セラミックスの主結晶または超硬合金またはＴｉ基サーメットの硬質相の平均粒径は１〜２μｍであることが望ましい。また、超硬合金またはＴｉ基サーメットの場合、基体２の表面には、結合相濃度が内部と異なる厚み１０〜１００μｍの層が存在するものであってもよい。

かかる基体２の製法の一実施形態を、基体２として超硬合金を用いる場合を例として説明する。まず、超硬合金の組成は、金属コバルト（Ｃｏ）粉末が３質量％〜２０質量％、周期律表第４、５、６族金属の炭化物（炭化タングステンを除く）、窒化物、炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種の硬質相を形成可能な化合物が０．１質量％〜１０質量％、残部が炭化タングステン（ＷＣ）粉末である。これらの原料粉末を混合して、プレス成形により切削工具形状に成形する。そして、この成形体に対して脱バインダ処理を施した後、真空中にて、炉内温度１３５０℃〜１４５０℃で０．５時間〜３時間焼成して超硬合金からなる基体を作製する。

次に、層を形成する前の基体表面に対して、層と基体の密着性を向上させ、かつ、基体表面の表面性状を層の表面性状に反映させる目的で、基体表面全体にブラスト加工を施す。加工条件としては、アルミナ＃２００〜１０００の砥粒を使用し、２Ｍｐａ〜１０Ｍｐａの噴出圧力にて基体表面の最大高さ粗さ（Ｒｚ）が０．３μｍ〜１．５μｍ程度の均一な粗さとなるよう調節する。このとき、切刃に向かって集中的にブラスト加工を施すことによって、切刃に丸ホーニングを施すことも可能である。また、成形時に生じる切刃のバリを除去することも可能である。

さらに、所望により、ブラスト加工前にブラシ加工によって切刃に丸ホーニングを施してもよい。ホーニング幅（曲率半径：Ｒ）を０．０２ｍｍ〜０．０６ｍｍとすることで、切れ味、耐欠損性ともにバランスが取れた切刃形状となる。また、後述するように、ブラスト処理された層の表面に対して、切刃のみにブラシがあたるようブラシ位置を調節する等の調整を行って切刃のみを加工する場合がある。このような場合でも、領域Ａの基体２の表面の最大高さ粗さ（Ｒｚ’_Ａ）＝０．３μｍ〜１．５μｍとなるように調製する。

そして、ブラスト処理した基体２の表面にＣＶＤ法によって層３を形成する。層３の構成としては、単層でもよいが多層構成としたものであってもよい。具体的な層構成としては、以下の形成順序によって得られる構成が挙げられる。

例えば、基体２の表面に第１層として０．２μｍ〜０．５μｍ厚みのＴｉＮ層を形成する。第１層の上に第２層として耐摩耗性、耐欠損性に優れる柱状結晶組織からなるＴｉＣＮ層を１．５μｍ〜５μｍの厚みとなるよう形成する。第２層の上に第３層として粒状のＴｉＣＮ層を０．０５μｍ〜０．２μｍの厚みとなるよう形成し、第３層の上に第４層としてＴｉＣＮＯ層を０μｍ〜０．２μｍの厚みとなるよう形成する。そして、第４層の上に第５層として耐酸化性に優れるＡｌ２Ｏ３層を形成する。さらに、第５層の上に第６層としてＴｉＮ層またはＴｉＣ層を０．５μｍ〜１．５μｍの厚みで形成する。

なお、層３は層厚みが厚いほど耐摩耗性に優れる反面、基体と層との熱膨張差による残留応力により耐欠損性が低下する。したがって、層３の層厚みは被削材や切削条件などの切削工具の切削用途に応じた最適な値を設定する必要がある。その際、基体の表面性状を層の表面性状に反映させるため層３の総厚みを１５μｍ以下とすることが望ましい。

層の成膜条件の一実施形態を以下に示す。炉内温度８００℃〜１１００℃、炉内圧力５ｋＰａ〜８５ｋＰａに調整されたＣＶＤ炉に反応ガスを導入する。反応ガスは、０．１体積％〜１０体積％の塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）ガスが、５体積％〜６０体積％の窒素（Ｎ_２）ガス、残りを占める水素（Ｈ_２）ガスからなる混合ガスである。

第２層である炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）層を形成するには、炉内温度７５０℃〜９００℃、炉内圧力５ｋＰａ〜８５ｋＰａに調整されたＣＶＤ炉に反応ガスを導入する。反応ガスは、０．１体積％〜１０体積％の塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）ガス、０体積％〜４０体積％の窒素（Ｎ_２）ガス、１体積％〜１０体積％のアセトニトリル（ＣＨ_３ＣＮ）ガスおよび残りを占める水素（Ｈ_２）ガスからなる混合ガスである。

第３層である粒状のＴｉＣＮ層を形成するには、炉内温度が９５０℃〜１１００℃、炉内圧力が５ｋＰａ〜８５ｋＰａに調整されたＣＶＤ炉に反応ガスを導入する。反応ガスは、３体積％〜１０体積％の塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）ガス、５体積％〜４０体積％の窒素（Ｎ_２）ガス、１体積％〜１５体積％のメタン（ＣＨ_４）ガスおよび残りを占める水素（Ｈ_２）ガスからなる混合ガスである。

第４層であるＴｉＣＮＯ層を形成するには、炉内温度が８００℃〜１１００℃、炉内圧力が５ｋＰａ〜３０ｋＰａに調整されたＣＶＤ炉に反応ガスを導入する。反応ガスは、０．１体積％〜３体積％の塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）ガス、０．１体積％〜１０体積％のメタン（ＣＨ_４）ガス、０．０１体積％〜５体積％の二酸化炭素（ＣＯ_２）ガス、５体積％〜６０体積％の窒素（Ｎ_２）ガスおよび残りを占める水素（Ｈ_２）ガスからなる混合ガスである。

第５層であるＡｌ_２Ｏ_３層を形成するには、炉内温度が９００℃〜１１００℃、炉内圧力が５ｋＰａ〜１０ｋＰａに調整されたＣＶＤ炉に反応ガスを導入する。反応ガスは、３体積％〜２０体積％の塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ_３）ガス、０．５体積％〜３．５体積％の塩化水素（ＨＣｌ）ガス、０．０１体積％〜５．０体積％の二酸化炭素（ＣＯ_２）ガス、０体積％〜０．０１体積％の硫化水素（Ｈ_２Ｓ）ガス、残りを占める水素（Ｈ_２）ガスからなる混合ガスである。

第６層である窒化チタン（ＴｉＮ）または炭化チタン（ＴｉＣ）を形成するには、炉内温度が８００℃〜１１００℃、炉内圧力が５ｋＰａ〜８５ｋＰａに調整されたＣＶＤ炉に反応ガスを導入する。窒化チタン（ＴｉＮ）の場合の反応ガスは、０．１体積％〜１０体積％の塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）ガス、５体積％〜６０体積％の窒素（Ｎ_２）ガスおよび残りが水素（Ｈ_２）ガスからなる混合ガスである。炭化チタン（ＴｉＣ）の場合の反応ガスは、０．１体積％〜１０体積％の塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）ガス、５体積％〜６０体積％のメタン（ＣＨ_３）ガスおよび残りが水素（Ｈ_２）ガスからなる混合ガスである。

形成された層３の表面に対して、ブラシ加工を行う。砥粒は、＃１０００以上のダイヤモンド砥粒や＃３００以上のＳｉＣ砥粒、または＃３００以上のＡｌ_２Ｏ_３を例示できる。ブラシは、豚毛、またはナイロン製でかつ毛丈が１００ｍｍ以上の比較的柔らかいものが好ましい。基体の表面性状を反映した層の表面を除去しすぎないために、ブラシ加工の加工時間を２０秒〜１００秒の間で調整する。これにより、層３の表面を、最適な表面性状に加工することができる。また、ブラシ加工された層の表面に対して、切刃のみにブラシがあたるようブラシ位置を調節する等の調整を行って、切刃のみを加工することもできる。

最後に、本発明に係る被削材の切削方法について説明する。

図５は、本発明にかかる切削方法の工程図を示す（図においては、例として旋削工具を記載する。）まず、切削工具ホルダ１１に切削工具１を取り付ける。そして、図５（ａ）に示すように、切削工具１の切刃を被削材１０に近づける。なお、切削工具１と被削材１０とが相対的に近づけば良く、例えば、被削材１０を切削工具１１に近づけてもよい。

そして、被削材１０と切削工具１の少なくとも一方を回転させる。なお、図５（ａ）〜（ｃ）においては、被削材が回転するものを例示している。次いで、図５（ｂ）に示すように切削工具１の切刃を被削材１０に接触させて切削する。その後、図５（ｃ）に示すように被削材１０から切削工具を離間させる。なお、切削加工を継続する場合は、切削工具１と被削材１０とを相対的に回転させた状態を保持して、被削材１０の異なる箇所に切削工具１の切刃を接触させる工程を繰り返す。

上述のように、耐欠損性に優れ、切削液の保持力に優れた切削工具によって被削材が加工されるため、加工面精度の高い加工物を得ることができる。特に、湿式加工においては、切削液の浸透に優れる切削工具を用いることから、より一層の加工面精度の向上が図れる。また、切削工具が、切屑排出性に優れるため、切屑の噛み込みを低減でき、安定した切削加工を長期にわたって行うことができる。その結果、加工効率の向上が図れる。特に、本発明にかかる切削工具は、延性が大きく、熱伝導性が低いステンレス鋼の切削加工において上述した効果がより顕著なものとなる。

そのため、ステンレスのように、切削時に切刃に溶着しやすい被削材の旋削加工において優れた耐溶着性を発揮することができるため、仕上げ面精度の高い加工が可能となる。

平均粒径１．５μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末に対して、平均粒径１．５μｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末を６質量％、平均粒径１．５μｍの炭化チタン（ＴｉＣ）粉末を０．５質量％、ＴａＣ粉末を１質量％の割合で添加、混合して、プレス成形により切削工具形状（ＣＮＭＧ１２０４０８）に成形した後、脱バインダ処理を施し、０．０１Ｐａの真空中、１５００℃で１時間焼成して超硬合金を作製した。

さらに、作製した超硬合金に表２に示す加工方法で表面処理、切刃処理を施した。

なお、表面処理条件はブラスト処理の場合、アルミナ砥粒＃５００を使用し噴出圧力２ＭＰａにてウエットブラスト処理を工具表面全体に施す条件とした。そして、一部の試料については＃５００のＳｉＣ砥粒を用い、ブラシ回転速度を４００ｒｐｍとしたブラシ加工にてホーニング加工を施した。このとき、ブラスト処理された表面を除去しないように、切刃のみにブラシがあたるようブラシ位置を調節した。

次に、上記超硬合金に対して、ＣＶＤ法により、表１に示す条件にて基体から順に、第１層としてＴｉＮ層（０．４μｍ厚み）−第２層として柱状結晶からなるＴｉＣＮ層（２．５μｍ厚み）−第３層として粒状結晶からなるＴｉＣＮ層（０．１μｍ厚み）−第４層としてＴｉＣＮＯ層（０．１μｍ厚み）−第５層としてＡｌ_２Ｏ_３層（０．５μｍ厚み）−第６層としてＴｉＮ層（０．７μｍ厚み）を形成した。また、上記超硬合金に対して、アークイオンプレーティング法によりＴｉＡｌＮ膜を３．０μｍ形成した試料を試料Ｎｏ．９（比較例）として作製した。

その後、表２に示す表面加工を施した。この時、ブラシ加工する条件は、ダイヤモンド砥粒＃１０００を使用し、ブラシ毛丈を１２０ｍｍ、ブラシ回転速度を１００ｒｐｍで４０秒加工する条件とした。なお、ブラシ加工の方法としては、ブラシの回転軸が水平方向である縦型ブラシにより切刃のみにブラシがあたるように加工したもの（表中、刃先と記載）、または、ブラシの回転軸が垂直方向である横型ブラシにより切刃のみならずすくい面全面にブラシがあたるように加工したもの（表中、全面と記載）のいずれかにて行った。

また、ブラスト加工の条件は、＃３００のアルミナ砥粒を溶媒である水とともに噴出圧力２．０ＭＰa、噴出ノズル径をΦ１０ｍｍ、ノズルとチップとの距離を２０ｍｍに設定し、チップのすくい面に垂直方向から噴出させて行った。

このようにして、基体の表面に形成される層として、ＣＶＤ法によって形成された層を備える試料Ｎｏ．１〜８および１０〜２０と、ＰＶＤ法によって形成された層を備える試料Ｎｏ．９との合計２０個の切削工具を作製した。

得られた切削工具について、触針式の表面粗さ測定器を用いて、領域Ａ，ＢおよびＣにおける最大高さ粗さ（Ｒｚ）およびスキューネス（Ｒｓｋ）をＪＩＳ Ｂ ０６０１−２００１に準拠してカットオフ値０．２５ｍｍ、基準長さ：０．８ｍｍ、走査速度：０．１ｍｍ／秒の条件で測定した。なお、測定に際しては、領域Ａ，ＢおよびＣ内の任意３箇所について各々測定し、最小値〜最大値として表３に記載した。

また、得られた工具のすくい面の平坦部について、表面における水の接触角θの測定をＪＩＳ Ｒ ３２５７―１９９９に準拠した静滴法を用いて行った。さらに、領域Ａについて、ＪＩＳ Ｂ ０６０１−２００１（ＩＳＯ４２８７−１９９７）に規定される最大高さ粗さ（Ｒｚ）の算出方法に準じて基準長さを５μｍとしたときに求められる値を界面における最大高さ粗さ（Ｒｚ’_Ａ）として算出した。詳しくは、基体と層との界面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて１５０００倍で観察し、基体の面粗さを測定した。具体的には、図４に示すように、基体と層との界面での最も基体が突出している最高点Ｈを通る基体と略平行な直線Dと、最も基体がへこんでいる最低点Ｌを通り基体と略平行な直線Eと、を形成する。その直線Dと直線Eの最短距離の中点を通り、基体と略平行な直線を基準線Fとした。直線Dと直線Eとの最短距離を最大高さ粗さ（Ｒｚ’_Ａ）として、任意の５箇所（１箇所あたり界面における５μｍ長さの範囲）について測定し、その平均を各試料について算出した。また、基準線Fよりも上に突き出した凸部の個数を最大高さ粗さ（Ｒｚ’_Ａ）と同様に、任意の５箇所でカウントし、その平均を各試料について算出した。結果はそれぞれ表３に示した。

そして、この切削工具を用いて下記の条件により、連続切削試験および断続切削試験を行い、耐摩耗性および耐欠損性を評価した。結果は表３に示した。

（連続切削試験）
被削材 ：ＳＵＳ３０４
切削速度：１２０ｍ／分
送り速度：０．３ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：２ｍｍ
切削時間：４０分
その他 ：水溶性切削液使用
評価項目：顕微鏡にて切刃を観察し、フランク摩耗量を測定
（断続試験）
被削材 ：ＳＵＳ３０４
切削速度：１００ｍ／分
送り速度：０．４ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：２ｍｍ
その他 ：水溶性切削液使用
評価項目：欠損に至る衝撃回数
層の表面状態が本発明の範囲外となる試料Ｎｏ．３、５〜９では、すくい面摩耗の進行が早く、チッピングや膜剥離による異常摩耗や欠損が発生し、短い工具寿命であった。試料Ｎｏ．７については、Ｒｓｋの最小値〜最大値の中に正の値を有してなるため、領域Ａの一部においてＲｓｋが正の値をとる領域に、尖った表面部分が存在してしまい、該部分を起点とする欠損が発生してしまい、耐欠損性が低いものとなっていた。

これに対して、ブラストによって基体表面を研磨し、該ブラスト処理面を残存させるよう好適にホーニング処理することで、層の表面状態が本発明の規定範囲となっている試料Ｎｏ．１、２および４は、切刃やランドのすくい面摩耗が比較的小さく、切刃のチッピングや膜剥離も無く、優れた耐摩耗性および耐欠損性を発揮した。また、層の表面状態が本発明の規定範囲となっている試料Ｎｏ．１０〜２０も、優れた耐摩耗性および耐欠損性を発揮した。

（Ａ）はスキューネス（Ｒｓｋ）が正のときの表面粗さプロファイルとその振幅分布曲線（確立密度関数）、（Ｂ）はスキューネス（Ｒｓｋ）が負のときの表面粗さプロファイルとその振幅分布曲線（確立密度関数）を各々示す概略図である。 本発明の工具切刃断面の模式図である。 領域ＡおよびＢを説明するための説明図である。 基体と層との界面における凸部の数を測定する方法を説明するための模式図である。 本発明にかかる切削方法の工程図である。

符号の説明

１ 切削工具（工具）
２ 基体
３ 層
５ すくい面
６ 逃げ面
７ 切刃部
９ ブレーカ溝
Ａ すくい面５のうち切刃部７の近傍領域
Ｂ 切刃近傍領域７におけるすくい面側の領域
Ｃ ブレーカ溝９の最深部に位置する底面領域

Claims (13)

1. 基体と該基体の表面に形成された層とを有してなる本体部を備え、
   該本体部は、すくい面と、逃げ面と、前記すくい面と前記逃げ面との交差部に形成された切刃部と、を有してなり、
   前記すくい面のうち前記切刃部の近傍領域を領域Ａとしたとき、前記領域Ａにおける最大高さ粗さ（Ｒｚ_Ａ）が０．５μｍ〜１μｍであり、かつ、スキューネス（Ｒｓｋ_Ａ）が負の値をとる切削工具。
2. 前記Ｒｓｋ_Ａが−０．５〜−０．１である請求項１記載の切削工具。
3. 前記切刃部におけるすくい面側の領域を領域Ｂとしたとき、前記領域Ｂにおける最大高さ粗さ（Ｒｚ_Ｂ）が０．１μｍ〜１．５μｍであり、かつ、スキューネス（Ｒｓｋ_Ｂ）が０以下の値をとるとともに、前記Ｒｓｋ_Ａが前記Ｒｓｋ_Ｂよりも小さい請求項１または２記載の切削工具。
4. 前記Ｒｓｋ_Ｂが−０．２〜０である請求項３記載の切削工具。
5. 前記Ｒｚ_Ａが、前記Ｒｚ_Ｂよりも大きい請求項３または４記載の切削工具。
6. 前記Ｒｚ_Ｂが０．１μｍ〜０．５μｍである請求項３乃至５いずれか記載の切削工具。
7. 前記すくい面の前記領域Ａよりも内側に形成されたブレーカ溝を有し、かつ、該ブレーカ溝の最深部に位置する底面領域を領域Ｃとしたとき、前記領域Ｃにおける最大高さ粗さ（Ｒｚ_Ｃ）が０．１μｍ〜１．５μｍであり、かつ、スキューネス（Ｒｓｋ_Ｃ）が負の値をとるとともに、前記Ｒｓｋ_Ｃが前記Ｒｓｋ_Ａよりも小さい請求項１乃至６いずれか記載の切削工具。
8. 前記Ｒｓｋ_Ｃが−１〜−０．４である請求項７記載の切削工具。
9. 前記Ｒｚ_Ｃが０．５μｍ〜１．５μｍである請求項７または8記載の切削工具。
10. 前記Ｒｚ_Ｃが前記Ｒｚ_Ａよりも大きい請求項７乃至９いずれか記載の切削工具。
11. 前記領域Ａの前記基体と前記層との界面における最大高さ粗さ（Ｒｚ’_Ａ）が０．３μｍ〜１．５μｍであり、かつ、前記界面の基準長さ５μｍにおいて、最も高い位置と最も低い位置との中点を通る基準線に対して、該基準線よりも上に突き出している部分を１つの凸部と規定したとき、前記基準長さ５μｍにおける前記凸部の数が４個〜１５個である請求項１乃至１０いずれか記載の切削工具。
12. 前記すくい面における水の接触角θが３０°〜８０°である請求項１乃至１１いずれか記載の切削工具。
13. 請求項１乃至１２いずれか記載の切削工具および被削材の少なくとも一方を回転させ、前記被削材に前記切削工具を近接させる工程と、
    前記切削工具の切刃部を前記被削材の表面に接触させ、前記被削材を切削する工程と、
    前記被削材から前記切削工具を離間させる工程と、
    を備える被削材の切削方法。

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