JP2016500028A - パターン化された表面領域を有する被覆された切削工具 - Google Patents

Abstract

本発明は、被覆された切削工具と、そのような切削工具の製造方法に関するものであり、工具は、基材と、前記基材に堆積されており、その基材の少なくとも一部を覆っている表面被膜と、を備えており、前記表面被膜は、厚さＴｃを有している。基材は、前記基材の被覆された部分のパターン化された表面領域に、前記基材の内部への複数の凹部を有しており、各凹部は、表面被膜で少なくとも部分的に満たされている。【選択図】図１

Description

本発明は、旋削、フライス加工、ドリル加工、又は他のチップ形成加工法に好適な被覆された切削工具に関する。

硬質耐熱性被膜を有する超硬切削工具の被膜は、その工具の耐摩耗性と切削性能を劇的に改善し、それにより、工具の寿命が延び、加工工程における生産性が向上した。工具は、耐摩耗性と性能をさらに向上させるため、特定の用途に対して、超硬基材及び被膜の材料特性と、工具の形状とを最適化するのが一般的である。材料特性の最適化は、一般に、その特定の用途で支配的な摩耗機構を減らすことを目的としており、切削工具の形状の最適化は、一般に、切削プロセス、例えば、チップ除去又は加工片の粗さの改善を目的としている。したがって、１つの最適化によって実現されるプラスの効果は、切削工具及び／又は切削プロセスの他の特性に効果を及ぼさないか、マイナスの効果を及ぼす可能性がある。

例えば、被覆された超硬切削工具インサートは、炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタン、オキシ炭化チタン、オキシ炭窒化チタンから選択される１つ以上の副層からなる内側層と、アルミナからなる外側層とを伴う被膜を、しばしば備える。アルミナ層は、切削工具インサートのすくい面の耐クレータ摩耗性を向上させることが知られている一方で、切削工具インサートの逃げ面では、アルミナは魅力的な特性を有しておらず、ＴｉＣＮが耐アブレシブ摩耗性に大きく寄与する。すくい面のクレータ摩耗は、多くの用途で致命的な摩耗機構であるため、アルミナ層の特性が優先される。耐クレータ摩耗性を向上させる１つの方法は、アルミナ層をより厚くするというものである。しかし、クレータ摩耗に関するこの最適化によって、他の特性、例えば、特に刃先線又は逃げ面の表面における被膜の剥離に対する耐性が犠牲になる。

これに対する１つの解決法として、さまざまな後処理がなされてきた。例えば、アメリカ合衆国特許第５，７７６，５８８号には、多層耐摩耗性被膜で被覆された切削工具が開示されており、その多層耐摩耗性被膜としては、最も内側のＴｉＣＮ層、中間のＡｌ_２Ｏ_３層、及び最も外側のＴｉＮ層が挙げられる。ＴｉＮ層及びＡｌ_２Ｏ_３層は、機械的方法、例えば、振動性タンブリング、ブラシング、ショットブラスト、研磨によって、切削工具の刃先線から除去され、その結果、最も内側のＴｉＣＮ層を露出させ、刃先線における被膜の剥離に対する耐性を向上させる。別の一例として、アメリカ合衆国特許第７，４３１，７４７号には、硬い材料層の表面に堆積されたアルミナ層を含む多層耐摩耗性被膜を有する切削工具が開示されている。アルミナ層は、レーザー処理により、逃げ面の少なくとも一部から選択的に除去され、その下にある硬い材料層は露出され、それと同時に、逃げ面における摩耗跡の幅が広くなるのを阻止し、すくい面における耐クレータ摩耗性を維持する。

これらの後処理により、切削工具インサートの切削性能の全体的な特性が改善され得るあるとはいえ、アルミナ層の厚さの最大値、すなわち、厚さの増加による耐クレータ摩耗性の改善には、限度がある。

本発明の１つの目的は、被覆された切削工具の切削性能を向上させることである。別の１つの目的は、被覆された切削工具の耐摩耗性を向上させることである。本発明のさらに別の１つの目的は、被覆された切削工具の耐クレータ摩耗性を向上させることであり、特に、被覆された切削工具の他の部位における特性を損なうことなく、被覆された切削工具の摩耗特性を局所的に向上させることによって得られるものである。別の１つの目的は、鋼のような鉄系材料を加工するために改善された切削工具を提供することである。

これは、独立請求項に従う被覆された切削工具によって実現される。好ましい実施態様は、従属請求項に開示されている。

本発明の被覆された切削工具は、基材と、前記基材に堆積されており、かつ前記基材の少なくとも一部を被覆している表面被膜とを備えている。前記表面被膜は、厚さＴ_ｃを有しており、前記基材は、前記基材の被覆された部分のパターン化された表面領域に、前記基材の内部への複数の凹部を有する。前記凹部のそれぞれは、深さＤと、凹部の深さの半分（Ｄ／２）の位置における幅Ｗ_ｉとを有し、深さＤは１００μｍ未満であり、好ましくは７５μｍ未満であり、Ｗ_ｉ≦２Ｔ_ｃであり、Ｔ_ｃは２μｍ〜３０μｍであり、好ましくは５〜２５μｍ、より好ましくは５〜２μｍであり、かつ前記凹部は、表面被膜で少なくとも部分的に満たされている。

本発明の切削工具は、このようなパターン化された表面領域がない切削工具と比べて、より高い耐クレータ摩耗性を示す。クレータ摩耗は、典型的には、化学的かつアブレシブ型の摩耗である。この領域では機械的負荷と温度の両方が非常に高い。本発明の工具は、これらの側面の少なくとも１つについて、特性が向上している。

基材に凹部を形成することの１つの利点は、基材の表面積が増大することである。凹部の内部へ適用された被膜は、基材の内部へ延在する被膜を提供する。したがって、被膜で満たされた凹部は、パターン化された表面領域内において、被膜の有効厚さを提供し、その厚みは、被膜それ自体の公称厚さＴ_ｃよりも厚い。表面領域における被膜材料の体積増加が、その改善の１つの理由である。局所的には、そのパターンのため、被膜の有効厚みが増加している。被膜は連続的に摩耗するため、剥落しない限り、被膜の厚みの増加は、耐摩耗性の増加を意味する。凹部は、摩耗に関して非常に重要な領域に形成できるため、被覆された切削工具の耐摩耗性は、その切削工具の他の領域での性能を損なうことなく改善される。

基材に凹部があることの別の利点は、被膜／基材の界面の方向が、例えば、工具の表面のチップが滑る方向と平行でないことである。そのため、剥離に対する抵抗力が増す。

本発明の切削工具は、切削工具インサート又はラウンドツールであってよい。

基材に適した材料は、セラミック、サーメット、超硬、立方晶窒化ホウ素、多結晶ダイヤモンド、又は高速度鋼であり、超硬が好ましい。

パターン化された表面領域は、摩耗に関して非常に重要な領域に位置することが好ましい。パターン化された表面領域は、逃げ面及び／又はすくい面の少なくとも一部を占めてよい。パターンがすくい面に存在する場合には、パターン化された表面領域は、刃先線から少なくとも１００μｍ、好ましくは１５０μｍ超の距離に位置することが好ましい。パターン化された表面領域が逃げ面に存在する場合には、その領域は、刃先線から少なくとも５０μｍにあることが好ましい。ここに、刃先線は、パターン化された表面領域を、そのパターン化された表面領域に垂直な方向から見たとき、工具の縁に沿った線と定義される。パターンが縁に近すぎると、刃先の摩耗が不均一になるリスクが大きくなると考えられる。

本発明の切削工具は、基材に堆積された表面被膜を有する。この表面被膜は、典型的には、切削中に摩耗する領域の少なくとも一部を占める耐摩耗性被膜である。切削工具が、すくい面と逃げ面を有するインサートである場合、被膜は、それらの面の一方又は両方に施されていてよい。

被膜の厚みＴ_ｃは、凹部の外側の平坦面に堆積された被膜の厚みである。基材のうち、パターン化された領域内であっても、凹部の外側である表面を、本願では、基材の第１表面と呼ぶ。基材のこの第１表面は、凹部が配置された表面であり、各凹部を規定する表面と、凹部の壁部と底部は、基材の第１表面の一部ではない。

凹部の幅Ｗ_ｅは、基材の第１表面における幅であると考える。幅Ｗ_ｉは、凹部の半分の深さ（Ｄ／２）の位置における凹部の幅であり、Ｗ_ｉ≦２Ｔ_ｃである。一実施態様では、Ｗ_ｅ＜２Ｔ_ｃである。

凹部は、基材の第１表面、すなわち凹部の外側の基材表面から、凹部の底までの距離である深さＤを有する。凹部の底は、例えば最適化されていないレーザープロセスによって発生した、局所的に深くて狭い穴などの人工物又は不規則物が含まれていてよい。そのような人工物の例を、図３に示す。深さＤは、２μｍを超えることが好ましく、５μｍを超えることがより好ましい。深さＤは、１００μｍ未満であり、好ましくは７５μｍ未満である。深さは、工具の寿命に影響するよう十分に深く、縁の靱性に負の影響を与えないよう十分に浅くするべきである。凹部が深すぎると、工具の寿命は延びないと考えられる。なぜなら、深く摩耗すると、とにかく工具の縁が弱くなるからである。一実施態様では、凹部のアスペクト比Ｄ／Ｗ_ｅは２未満であり、好ましくは０．５〜１．５である。

本発明の一実施態様による被覆された切削工具は、基材と被膜を備え、基材は超硬でできていることが好ましい。基材は、その表面に、孔又は溝のような、凹部を伴う幾何学的パターンを有する。これらの凹部は、被膜で少なくとも部分的に満たされているため、被膜は凹部の中で、少なくとも結合し始めている。各凹部は、表面被膜で少なくとも部分的に満たされているため、表面被膜は凹部の中で一体となって成長する。これは、表面被膜の堆積中に実現される。凹部内のある深さ位置における幅は、凹部の向かい合った側壁に成長する表面被膜の全厚みの２倍未満であるため、表面被膜の一部が最終的に凹部の中で結合する。被膜は、基材表面の輪郭に沿う第１の初期タイプの成長と、被膜が凹部の中で結合し、成長する被膜の表面の一部が、成長する被膜の表面の別の一部と結合する第２のタイプの成長を有してよく、被膜は、被膜の成長が第２のタイプの成長であるときに結合する。このことは、局所的に被膜の厚みをより厚くでき、耐摩耗性が向上するため、有利である。

本発明の一実施態様では、切削工具に被膜が設けられる。凹部に堆積される被膜の厚さは、基材の第１表面に堆積される被膜よりも厚い。

凹部の形は、凹部の底における幅が、基材の第１表面における幅Ｗ_ｅよりも小さくなるようにすることが好ましい。これは、空隙と空孔を回避できるという理由で有利である。凹部は、基材の第１表面に対して垂直な側壁を備えることができる。あるいは壁部は傾斜させることもできる。凹部の側壁と基材の第１表面の間の角度は４５°〜９０°であることが好ましい。本発明の一実施態様では、表面被膜は外面を有し、外面又は外面上に存在している凹部の最も深い点は、基材の第１表面よりも上に位置するため、被膜は、複数の凹部にわたり、基材の第１の表面に平行な線に沿って連続している。これは、例えば、工具の断面で調べることができる。これは、耐摩耗性の増加に有利である。

本発明の一実施態様では、被膜は、少なくともパターン化された表面領域内で、凹部を完全に満たし、基材表面の周囲を覆っている。本発明の一実施態様では、基材のパターン化された表面領域の下にある構造が、被膜の外面上にそのまま保持されることはない。表面の粗さがより小さいことは、より小さな摩耗速度を意味することが多く、これは有利である。

本発明の一実施態様では、凹部は、隣り合っている凹部間のピッチを１０μｍ超かつ１００μｍ未満、好ましくは７０μｍ〜９０μｍにしたパターンで配置される。ピッチは、パターン化された領域内で変えることができるが、パターン化された領域内で一定であることが好ましい。好ましいピッチＰは、凹部の特定の幅Ｗ_ｅに依存するため、ピッチＰは、常に、幅Ｗ_ｅよりも大きくなければならない。

本発明の一実施態様では、パターン化された表面領域に、公称表面積の５０〜９８％、このましくは７５〜９５％を占める凹部が設けられる。パターン化された領域の公称表面積は、凹部が存在していなければ、基材の第１表面に等しい。表面の被覆率をより高くすると、被膜が基材の中に入る量がより多くなる。凹部同士があまりに接近しすぎると、基材の第１表面が狭くなるため、被覆率は高すぎてはならない。表面被覆率が小さすぎると、凹部が全くない表面と同様の摩耗速度になる。

本発明の一実施態様では、切削工具に、コンフォーマルな表面被膜、すなわちコンフォーマル堆積法によって堆積された表面被膜が設けられる。本発明の一実施態様では、被膜はＣＶＤ（化学蒸着）被膜である。ＣＶＤ堆積プロセスの特性によって、被膜は実質的にコンフォーマルになり、そのため、凹部内の基材表面上の被膜は、少なくとも被膜が凹部内で一体に成長するか結合するまで、他の基材表面上と同じ厚みになる。

別の一実施態様では、被膜は、ＰＶＤ（物理蒸着）被膜である。

本発明の一実施態様では、凹部は溝である。溝は、不規則なパターンで配置してもよいし、規則的なパターンで配置してもよい。溝は、刃先に平行な向きにしてもよいし、刃先に垂直な向きにしてもよい。それに代わる一例として、溝は、刃先に対して特定の角度にすることができる。溝は、特定の長さと幅を有することができる。あるいは、溝は、パターン化された領域全体で変化していてもよい。

凹部は、「等軸幅」を有することができ、例えば、円形又は正方形でよい。あるいは、凹部を細長くすることで短い溝を形成してもよい。凹部は、上記の実施態様において、溝に対応するパターンに配置したトラックの中に配置することが好ましい。

本発明の一実施態様では、凹部は、湾曲した外形、例えば円、環、又は楕円を伴うピット又は溝である。凹部は、例えば、より小さな半径の複数の環を取り囲む、より大きな半径の１つの環を備えることができる。これにより、隣り合った２つの凹部の距離は、かなり独立した向きに配置され得るため、有利である。

本発明の一実施態様では、凹部は、複数の溝によって囲まれた複数の島を形成している、交差する溝を伴ったパターンで配置されている。１つの島の最大幅は１００μｍ未満であることが好ましく、７０μｍ未満であることがより好ましく、５０μｍ未満であることがさらに好ましい。こうなっていると有利なのは、熱により、ＣＶＤ被膜の亀裂は、島を形成するのが典型的であり、その島は５０〜７０μｍの範囲を示すからである。凹部に適用される被膜は、人工的な亀裂を伴う被膜と認められる。これらの人工的な亀裂は、トラップ又は応力リザーバとして機能すると考えられ、被膜中に熱亀裂そのもの（大きな熱亀裂）が生じることを回避することができる。被膜中の熱亀裂（大きな熱亀裂）は、摩耗と被膜剥離のリスク増大を常に意味する。

本発明の一実施態様では、被覆された切削工具はすくい面と逃げ面を備えており、パターン化された表面領域は、被覆された切削工具のすくい面にある。被覆された切削工具は、その被覆された切削工具のすくい面のクレータ領域を占めている（覆っている）ことが好ましい。そのクレータ領域は、切削工程で、クレータ摩耗のリスクが大きい領域である。

被膜は、１つ以上の層を含むことができる。層として堆積させるのに適した材料は、４族、５族、６族（ＩＵＰＡＣ）から選択される１種又は数種の第１元素と、Ｎ、Ｂ、Ｏ、Ｃから選択される１種又は数種の第２元素の化合物である。

本発明の一実施態様では、被膜は、４族、５族、６族（ＩＵＰＡＣ）、Ａｌ、及びＳｉから選択される１種又は数種の第１の元素と、Ｎ、Ｂ、Ｏ、Ｃから選択される１種又は数種の第２の元素の化合物の１つ又は複数の層を含んでいる。

本発明の一実施態様では、被膜の厚みの少なくとも半分が、４族、５族、６族（ＩＵＰＡＣ）、Ａｌ、及びＳｉから選択される１種又は数種の第１の元素と、Ｎ、Ｂ、Ｏ、Ｃから選択される１種又は数種の第２の元素の化合物からなる１つ又は複数の層を含んでいる。

本発明の一実施態様では、被膜は、４族、５族、６族（ＩＵＰＡＣ）、Ａｌ、及びＳｉから選択される１種又は数種の第１の元素と、Ｎ、Ｂ、Ｏ、Ｃから選択される１種又は数種の第２の元素の化合物からなる１つ以上の層からなる。

好ましい化合物として、Ｔｉ（Ｃ，Ｏ，Ｎ）、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＣ、ＴｉＮ、又はこれらの組み合わせが挙げられる。これらの層の少なくとも１つで、ＭＴＣＶＤ法を用いることが好ましい。一実施態様では、被膜は、少なくとも１つのＡｌ_２Ｏ_３層と、Ｔｉ（Ｃ，Ｏ，Ｎ）、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＣ、ＴｉＮのグループから選択される耐火性の金属窒化物、金属炭化物、又は金属炭窒化物の少なくとも１つとの層を含んでいる。耐火性の金属窒化物、金属炭化物、金属炭窒化物の層は、Ａｌ_２Ｏ_３層の前に堆積させることが好ましい。

本発明の一実施態様では、被覆された切削工具は、厚さＴ_ｃｉを有する内側層と、厚さＴ_ｃｏを有する外側層を含む被膜を備えている。内側層は、Ｔｉ（Ｃ，Ｏ，Ｎ）、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＣ、ＴｉＮ又はこれらの組み合わせでできており、外側層は、Ａｌ_２Ｏ_３でできていてよい。内側層は２〜１０μｍの厚さＴ_ｃｉを有していてよく、外側層は１〜１０μｍの厚みＴ_ｃｏを有していてよい。

一実施態様では、Ｗ_ｉ＜２Ｔ_ｃｉであり、好ましくはＷ_ｅ＜２Ｔ_ｃｉである。内側層が例えばＴｉ（Ｃ，Ｎ）を含んでいると、これは、耐アブレシブ摩耗性が増大することを意味する。

別の一実施態様では、Ｗ_ｉ＜２（Ｔ_ｃｉ＋Ｔ_ｃｏ）であり、好ましくはＷ_ｅ＜２（Ｔ_ｃｉ＋Ｔ_ｃｏ）である。凹部は内側層と外側層の両方からの材料を含んでいるため、こうなっていると有利である。外側層が例えばＡｌ_２Ｏ_３であると、これは、耐熱効果が大きいことを意味する。熱障壁層、例えばアルミナ層を有するパターン化された表面領域は、クレータ摩耗が通常現われる領域、すなわち切削工具インサートのうちで加工中の温度が最も高くなる、すくい面に配置することが有利である。

本発明の一実施態様による、被覆された切削工具の製造方法は、基材、好ましくは超硬でできている基材を提供するステップと；被覆の前に、好ましくはレーザー加工によって、基材のパターン化された表面領域を形成し、その表面領域の凹部について、深さＤ、基材の第１表面における幅Ｗ_ｅ、凹部の半分の深さ（Ｄ／２）における幅Ｗ_ｉ、及びアスペクト比Ｄ／Ｗ_ｅを２未満とするステップと；そのパターニングされた表面領域の上に、厚さＴ_ｃが２〜３０μｍの被膜を堆積し、Ｗ_ｉ＜２Ｔ_ｃｉとし、凹部をその表面被膜で少なくとも部分的に満たすステップを含んでいる。

表面のパターンを形成する別の方法として、エンボス加工、フォーカスされたイオンビーム、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）のようなエッチング、放電加工、湿式エッチング、又は添付の請求項に従って表面パターンを形成する、公知の他の任意の技術が挙げられる。

凹部はレーザー加工で形成してもよい。用いるレーザー装置は、ピコ秒レーザーであることが好ましい。レーザー加工は、基材にレーザービームを当てることによってなされる。レーザービームを多数回又は一回走査して凹部を形成する。レーザー加工により、基材をほぼ任意の幾何学的パターン、例えば、溝又は穴に構造化することができる。さらに、レーザー加工は、他の多くの加工技術と比べて、加工速度が速い。形成される幾何学的パターンは、秩序化されていても、秩序化されていなくてもよい。凹部の密度の制御に関しては、用いられる特定のレーザー加工システムにより、凹部をどれほど互いに近接して形成できるかに依存する。これは、少なくとも、光学系（レンズ）、レーザーパラメータ（ピーク電力、パルス長、パルス周波数）、基材材料などの問題である。

本発明による表面パターンを形成する方法はさらに、少なくともパターン化された領域には表面被膜が堆積された工具に、最終ブラストを施すステップを含んでもよい。これは、平滑化効果により、パターン化された領域の表面に維持されている小さなパターンを、より小さなサイズにするか、除去することができ、有利である。

本発明の別の目的、利点、及び新規な特徴は、添付の図面と請求項を組み合わせて検討するとき、本発明に関する以下の詳細な説明から明らかになろう。

添付の図面を参照し、これから本発明の実施態様を説明する。

被膜を施した凹部の幾何学的パターンを提供したインサートの一部を示す模式図である。 インサートのすくい面に、レーザーによって形成された、垂直な凹部を示す図である。 インサートのすくい面に、レーザーによって形成された、平行な凹部を示す図である。 インサートのすくい面に、レーザーによって形成された、交差した凹部を示す図である。 （凹部のない）参考用の図である。 切削工具の表面における溝の断面の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。基材は、内側Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層と、その上に凹部内で一緒に成長させたＡｌ_２Ｏ_３層とで被覆される。 図２に示したサンプルＡに対して、実施例１に従う操作を２８分にわたって実施した後の写真である。 図２に示したサンプルＢに対して、実施例１に従う操作を２８分にわたって実施した後の写真である。 図２に示したサンプルＣに対して、実施例１に従う操作を２８分にわたって実施した後の写真である。 図２に示したサンプルＤに対して、実施例１に従う操作を２８分にわたって実施した後の写真である。 図３Ｃに示したインサートのクレータ摩耗の一部のＳＥＭ写真である。 図２に示したサンプルＡに対して、実施例１に従う操作を３６分にわたって実施した後の写真である。 図２に示したサンプルＢに対して、実施例１に従う操作を３６分にわたって実施した後の写真である。 図２に示したサンプルＣに対して、実施例１に従う操作を３６分にわたって実施した後の写真である。 図２に示したサンプルＤに対して、実施例１に従う操作を３６分にわたって実施した後の写真である。

図１は、凹部が設けられた表面の模式図である。各凹部は、深さＤ、基材１の第１表面４における幅Ｗ_ｅ、半分の深さ（Ｄ／２）の位置における幅Ｗ_ｉを有する。凹部は、隣り合っている２つの凹部間のピッチをＰにして配置されている。厚さＴ_ｃを有する被膜２が基材１に適用されている。被膜２は、基材１の第１表面４を覆うとともに、凹部の面３も覆っている。被膜２は、凹部の中で溝が掘られた線７に沿って結合しており、この線の位置で、さまざまな方向に成長している被膜表面が互いに接触している。この表面被膜２は、外面６と、その外面６に残っている凹部の最も深い点５を有する。被膜は、基材の第１表面４に平行であって、複数の凹部にわたる線に沿って連続している。凹部の側壁は、基材の第１表面４に対して傾いていることがわかる。

図１からわかるように、これら凹部は表面被膜で満たされている。なぜなら外面６に残っている凹部の最も深い点５は、基材の第１表面４よりも上に位置するからである。図示していない別の一実施態様では、凹部は表面被膜で完全には満たされていない。

ＤＭＧ社のＬａｓｅｒｔｅｃｈ ４０Ｓピコ秒レーザー（５０Ｗ）を用い、超硬でできた切削インサート１２０４０８ ＮＭ４に溝を形成した。波長は１０６４ｎｍ、スポットの直径は４０〜５０μｍ、パルス頻度は５００ｋＨｚであった。スキャナの速度は２０００ｍｍ／秒、１回の走査で除去した層の厚さは０．６μｍであった。レーザースポットの動きは平行であった。

基部は超硬でできており、７．５重量％のＣｏと、２．９重量％のＴａＣと、０．５重量％のＮｂＣと、１．９重量％のＴｉＣと、０．４重量％のＴｉＮと、残部のＷＣを含む。超硬基材は、ガンマ相のない２２〜３０μｍの表面ゾーンを有し、バルク硬度が１４５０〜１５５０ ＨＶ３、Ｈｃ（ｋＡ／ｍ）が１２．９〜１４．４であった。

パターン化された表面領域は、クレータ摩耗が通常出現する切削工具インサートのすくい面に配置されていて、刃先から０．１５ｍｍ離れている。パターニングされた領域は２×３ｍｍの範囲である。

以下の３通りのパターンの溝を形成した：
− 図２Ａに示したように、主な刃先に垂直な溝（サンプルＡ、本発明）、
− 図２Ｂに示したように、主な刃先に平行な溝（サンプルＢ、本発明）、
− 図２Ｃに示したように、平行な複数の溝が互いに直角に交差していて、複数の島を取り囲む交差した複数の溝のパターンを形成しているもの（サンプルＣ、本発明）。

パターン化されたこれら工具の性能を、レーザー処理されていないためパターン化された表面領域はないが、対応する基材と被膜は備える、図２Ｄに示した参考サンプル（サンプルＤ、先行技術）と比較した。

パターン化された表面の幾何学的形状の断面を光学顕微鏡で調べた。基材の第１表面における溝の最大幅Ｗ_ｅの平均値は約４５〜５０μｍであり、半分の深さ（Ｄ／２）の位置における幅Ｗ_ｉの平均値は約２７μｍである。溝の深さＤは約４５〜５５μｍである。ピッチＰは約８０μｍである。溝の側壁はわずかに傾斜しているため、溝の底のレベルにおける表面領域被覆率は、基材の第１表面における表面領域被覆率よりも小さい。この特別なケースでは、交差したパターンの表面領域被覆率は、基材の第１の表面で約８３％であり、約５０μｍの深さの位置で約４４％である。この輪郭を図１及び図３に示す。図３は、サンプルＣの断面のＳＥＭ顕微鏡写真である。

レーザーマイクロ加工の後、切削インサートは、ＣＶＤ反応装置の中で、被覆された。表面被膜は、厚さが１０μｍの内側ＭＴ−Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）層と、厚さが１０μｍの外側α−アルミナ層からなる。厚さが１μｍの最外ＴｉＮ被膜を堆積させた。２２０メッシュのＡｌ_２Ｏ_３グリットを用い、すべてのインサートを、最終的に湿式ブラストで処理した。

上記のようにして作製した被覆された切削工具を、切削深さ２ｍｍ、切削速度２２０ｍ／分、送り速度０．３ｍｍ／回転で、冷却剤を使用して、ボールベアリング鋼（Ｏｖａｋｏ ８２５Ｂ）の連続長手方向旋削加工を実施したときのクレータ摩耗に関して評価した。

参考となる切削工具の摩耗を光学顕微鏡で２分ごとに調べ、基材の露出した領域のサイズを測定した。パターン化された切削工具の摩耗は、試験終了後に測定した。摩耗したパターン化された領域において、基材の露出した各部分領域を足し合わせた。露出した部分領域の合計を表１に示す。

切削工具は、露出した基材のクレータ面積が０．２ｍｍ^２になるという停止基準に到達したときと、この基準に到達するのに必要な切削時間になったとき、摩耗したと考える。参考インサートでは、２８分でこの停止基準に到達した。平行な溝と垂直な溝のサンプルに関しては、４４分でこの停止基準に到達した。参考工具の旋削は、停止基準に到達したにもかかわらず継続したが、その工具が間もなく完全に破断することが予想されたため、旋削を４０分で停止せねばならなかった。表１からわかるように、溝が交差したサンプルは、４４分の時点で上記の停止基準に到達していなかった。

図４Ａ〜図４Ｄは、加工を２８分間にわたって実施した後のサンプルを示している。基材の露出領域は、明らかに、参考サンプルＤにおいて、他のどのサンプルよりも広い。図５は、図４Ｃに示したサンプルＣの摩耗表面の中心部を接写したＳＥＭ顕微鏡写真である。図６Ａ〜図６Ｄは、加工を３６分間にわたって実施した後のサンプルを示している。図６Ｄに示した参考サンプルは、クレータ摩耗が過剰である。

クレータ摩耗の深さが同じとき、凹部が完全に摩耗していない限り、基材の露出領域がより狭くパターン化された工具と比べて、参考工具では基材の露出領域がより広くなるとしても、この値は、パター化された工具と参考工具で摩耗の割合が異なることを示していると考えられる。さらに、３６分間の加工時間と４０分間の加工時間の間で、参考工具の摩耗の割合が増加していることは、この挙動を裏付ける。このことを確認するため、２８分間の加工時間の後のサンプルで、摩耗跡の深さも調べた。その結果を表１に示す。

サンプルＡ、Ｂ、Ｃ、及びＤの間で逃げ面の摩耗に有意な差はなかった。

上に開示したように交差した溝があるパターン化された領域を有する工具を、パターニングされた領域を全く有しない参考工具と比較し、被膜の厚さの違いを調べた。サンプルＥ及びＦは、厚さ５．５μｍのＭＴ−ＴｉＣＮ内側層と、厚さ４μｍのα−アルミナ層と、厚さ１．２μｍのＴｉＮ最外被膜で被覆した。サンプルＧ及びＨは、厚さ８．５μｍのＭＴ−ＴｉＣＮ内側層と、厚さ４．５μｍのα−アルミナ層と、厚さ１．２μｍのＴｉＮ最外被膜で被覆した。サンプルＩ及びＪは、厚さ１０μｍのＭＴ−ＴｉＣＮ内側層と、厚さ１０μｍのα−アルミナ層と、厚さ０．８μｍのＴｉＮ最外被膜で被覆した。２２０メッシュのＡｌ_２Ｏ_３グリットを用い、これらすべてのインサートを、最終的に湿式ブラストで処理した。

上記のようにして作製した切削工具のクレータ摩耗を、切削深さ２ｍｍ、切削速度２２０ｍ／分、送り速度０．３ｍｍ／回転で、冷却剤を使用して、ボールベアリング鋼（Ｏｖａｋｏ ８２５Ｂ）の連続長手方向旋削加工を実施したときのクレータ摩耗に関して評価した。停止基準は、クレータ面積０．２ｍｍ^２、又は刃先の明らかな塑性変形と、これら停止基準のどれかに到達するのに必要な切削時間とに設定した。それら２つの摩耗レベルのいずれかを伴う刃先は、摩耗して刃先の寿命に達したと考えられる。試験は、逃げ面の摩耗が０．４ｍｍを超えた場合にも停止した。逃げ面の摩耗がは、逃げ面側から見たときの、刃先線と摩耗していない被膜との間の距離として定義される。結果を表２に示す。結果は、同時に行った２回の試験の平均値である。

表２からわかるように、交差した溝と、全厚さが１０．５μｍという最も薄い被膜とを有するサンプルＥは、塑性変形の問題があったのに対し、溝がないそれに対応する参考Ｆは、過剰なクレータ摩耗の問題があった。交差した溝と、厚さが１３．５μｍの被膜とを有するサンプルＧも、塑性変形の問題があったのに対し、それに対応する参考であるサンプルＨは、過剰なクレータ摩耗の問題があった。この実施例で試験した最も厚い被膜は、厚さが２１μｍであり、この場合には、参考であるサンプルＪと、パターン化されたサンプルであるサンプルＩの両方とも、逃げ面の摩耗が０．４ｍｍを超えていたのに対し、参考サンプルＪだけに塑性変形の問題があった。したがって、結論としては、パターン化された工具は、耐クレータ摩耗性が増大していた。

超硬でできた基材で本発明を上に説明した。しかし、被膜の有効厚さが局所的に増大する有利な効果は、異なる材料、例えばセラミック、サーメット、立方晶窒化ホウ素、多結晶ダイヤモンド、高速度鋼でできた切削工具の基材でも実現することができる。

本発明を例示としてのさまざまな実施態様に関して説明してきた。本発明がここに開示した例示としての実施態様に限定されることはなく、逆に、添付の請求項に含まれるさまざまな改変と等価な配置が含まれることを理解されたい。

これは、独立請求項に従う被覆された切削工具によって実現される。好ましい実施態様は、従属請求項に開示されている。即ち、本発明の要旨は次のとおりである。
〈１〉基材（１）と、
前記基材（１）に堆積されており、かつ前記基材（１）の少なくとも一部を被覆している表面被膜（２）と、
を備えており、
前記表面被膜（２）は、厚さＴ _ｃ を有しており、
前記基材（１）は、前記基材の被覆された部分のパターン化された表面領域に、前記基材（１）の内部への複数の凹部を有する、
被覆された切削工具において、
前記凹部のそれぞれが、深さＤと、前記凹部の深さの半分（Ｄ／２）の位置における幅Ｗ _ｉ とを有し、２μｍ＜Ｄ＜１００μｍ、Ｗ _ｉ ≦２Ｔ _ｃ 、かつ、Ｔ _ｃ は２μｍ〜３０μｍであり、かつ
前記凹部は、前記表面被膜（２）で少なくとも部分的に満たされていること、
を特徴とする被覆された切削工具。
〈２〉前記基材（１）の前記パターン化された表面領域は、前記基材（１）の内部への凹部が設けられた第１表面（４）を備えており、
前記凹部の中に堆積された被膜の厚みが、前記基材（１）の前記第１表面（４）に対して垂直な方向で測定したときに、前記基材（１）の前記第１表面（４）の凹部の外側に堆積された被膜よりも厚い、
〈１〉項に記載の被覆された切削工具。
〈３〉前記表面被膜（２）が外面（６）を有し、
前記外面（６）に残っている凹部の最も深い点（５）が、前記基材（１）の第１表面（４）よりも上に位置し、それによって、前記被膜（２）が、複数の凹部にわたり、前記基材（１）の前記第１表面（４）に平行な線に沿って連続している、
〈２〉項に記載の被覆された切削工具。
〈４〉２つの隣り合っている凹部間のピッチＰが、１０μｍ超１００μｍ未満である、〈１〉〜〈３〉項のいずれか１項に記載の被覆された切削工具。
〈５〉前記パターン化された表面領域が、公称表面積の５０〜９８％を占めている、〈１〉〜〈４〉項のいずれか１項に記載の被覆された切削工具。
〈６〉各凹部が２未満のアスペクト比Ｄ／Ｗ _ｅ を有し、Ｗ _ｅ が前記基材（１）の第１表面（４）における凹部の幅である、〈１〉〜〈５〉項のいずれか１項に記載の被覆された切削工具。
〈７〉前記表面被膜が化学蒸着によって堆積されている、〈１〉〜〈６〉項のいずれか１項に記載の被覆された切削工具。
〈８〉各凹部が溝である、〈１〉〜〈７〉項のいずれか１項に記載の被覆された切削工具。
〈９〉複数の前記溝が、複数の前記溝によって囲まれた複数の島を形成している、交差する複数の溝を伴ったパターンで配置されている、〈１〉〜〈８〉項のいずれか１項に記載の被覆された切削工具。
〈１０〉前記凹部が、環又は楕円のような湾曲した外形を伴うピット又は溝である、〈１〉〜〈７〉項のいずれか１項に記載の被覆された切削工具。
〈１１〉前記島の最大幅が１００μｍ未満である、〈９〉項に記載の被覆された切削工具。
〈１２〉前記切削工具がすくい面と逃げ面を備えており、かつ
前記パターン化された表面領域が、前記被覆された切削工具のすくい面にある、
〈１〉〜〈１１〉項のいずれか１項に記載の被覆された切削工具。
〈１３〉前記パターン化された表面領域が、前記被覆された切削工具のすくい面にあるクレータ領域を占めており、かつ
前記クレータ領域が、クレータ摩耗の危険性が増加した領域である、
〈１２〉項に記載の被覆された切削工具。
〈１４〉前記被膜が、４族、５族、６族（ＩＵＰＡＣ）から選択される１種又は数種の第１元素と、Ｎ、Ｂ、Ｏ、Ｃから選択される１種又は数種の第２元素との化合物でできている１つ又は複数の層を含む、〈１〉〜〈１３〉項のいずれか１項に記載の被覆された切削工具。
〈１５〉前記被膜が、４族、５族、６族（ＩＵＰＡＣ）、Ａｌ、又はＳｉから選択される１種又は数種の第１元素と、Ｎ、Ｂ、Ｏ、Ｃから選択される１種又は数種の第２元素との化合物でできている１つ又は複数の層を含む、〈１〉〜〈１４〉項のいずれか１項に記載の被覆された切削工具。
〈１６〉前記被膜が、厚さＴ _ｃｉ の内側層と、厚さＴ _ｃｏ の外側層を含む、〈１〉〜〈１５〉項のいずれか１項に記載の被覆された切削工具。
〈１７〉前記内側層が、Ｔｉ（Ｃ，Ｏ，Ｎ）、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＣ、ＴｉＮ、又はこれらの組み合わせでできており、
前記外側層がＡｌ _２ Ｏ _３ でできている、
〈１６〉項に記載の被覆された切削工具。
〈１８〉Ｗ _ｉ ＜２Ｔ _ｃｉ である、〈１６〉項又は〈１７〉項に記載の被覆された切削工具。
〈１９〉Ｗ _ｉ ＜２（Ｔ _ｃｉ ＋Ｔ _ｃｏ ）である、〈１６〉項又は〈１７〉項に記載の被覆された切削工具。

Claims (19)

1. 基材（１）と、
   前記基材（１）に堆積されており、かつ前記基材（１）の少なくとも一部を被覆している表面被膜（２）と、
   を備えており、
   前記表面被膜（２）は、厚さＴ_ｃを有しており、
   前記基材（１）は、前記基材の被覆された部分のパターン化された表面領域に、前記基材（１）の内部への複数の凹部を有する、
   被覆された切削工具において、
   前記凹部のそれぞれが、深さＤと、前記凹部の深さの半分（Ｄ／２）の位置における幅Ｗ_ｉとを有し、２μｍ＜Ｄ＜１００μｍ、Ｗ_ｉ≦２Ｔ_ｃ、かつ、Ｔ_ｃは２μｍ〜３０μｍであり、かつ
   前記凹部は、前記表面被膜（２）で少なくとも部分的に満たされていること、
   を特徴とする被覆された切削工具。
2. 前記基材（１）の前記パターン化された表面領域は、前記基材（１）の内部への凹部が設けられた第１表面（４）を備えており、
   前記凹部の中に堆積された被膜の厚みが、前記基材（１）の前記第１表面（４）に対して垂直な方向で測定したときに、前記基材（１）の前記第１表面（４）の凹部の外側に堆積された被膜よりも厚い、
   請求項１に記載の被覆された切削工具。
3. 前記表面被膜（２）が外面（６）を有し、
   前記外面（６）に残っている凹部の最も深い点（５）が、前記基材（１）の第１表面（４）よりも上に位置し、それによって、前記被膜（２）が、複数の凹部にわたり、前記基材（１）の前記第１表面（４）に平行な線に沿って連続している、
   請求項２に記載の被覆された切削工具。
4. ２つの隣り合っている凹部間のピッチＰが、１０μｍ超１００μｍ未満である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の被覆された切削工具。
5. 前記パターン化された表面領域が、公称表面積の５０〜９８％を占めている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の被覆された切削工具。
6. 各凹部が２未満のアスペクト比Ｄ／Ｗ_ｅを有し、Ｗ_ｅが前記基材（１）の第１表面（４）における凹部の幅である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の被覆された切削工具。
7. 前記表面被膜が化学蒸着によって堆積されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の被覆された切削工具。
8. 各凹部が溝である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の被覆された切削工具。
9. 複数の前記溝が、複数の前記溝によって囲まれた複数の島を形成している、交差する複数の溝を伴ったパターンで配置されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の被覆された切削工具。
10. 前記凹部が、環又は楕円のような湾曲した外形を伴うピット又は溝である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の被覆された切削工具。
11. 前記島の最大幅が１００μｍ未満である、請求項９に記載の被覆された切削工具。
12. 前記切削工具がすくい面と逃げ面を備えており、かつ
    前記パターン化された表面領域が、前記被覆された切削工具のすくい面にある、
    請求項１〜１１のいずれか１項に記載の被覆された切削工具。
13. 前記パターン化された表面領域が、前記被覆された切削工具のすくい面にあるクレータ領域を占めており、かつ
    前記クレータ領域が、クレータ摩耗の危険性が増加した領域である、
    請求項１２に記載の被覆された切削工具。
14. 前記被膜が、４族、５族、６族（ＩＵＰＡＣ）から選択される１種又は数種の第１元素と、Ｎ、Ｂ、Ｏ、Ｃから選択される１種又は数種の第２元素との化合物でできている１つ又は複数の層を含む、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の被覆された切削工具。
15. 前記被膜が、４族、５族、６族（ＩＵＰＡＣ）、Ａｌ、又はＳｉから選択される１種又は数種の第１元素と、Ｎ、Ｂ、Ｏ、Ｃから選択される１種又は数種の第２元素との化合物でできている１つ又は複数の層を含む、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の被覆された切削工具。
16. 前記被膜が、厚さＴ_ｃｉの内側層と、厚さＴ_ｃｏの外側層を含む、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の被覆された切削工具。
17. 前記内側層が、Ｔｉ（Ｃ，Ｏ，Ｎ）、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、ＴｉＣ、ＴｉＮ、又はこれらの組み合わせでできており、
    前記外側層がＡｌ_２Ｏ_３でできている、
    請求項１６に記載の被覆された切削工具。
18. Ｗ_ｉ＜２Ｔ_ｃｉである、請求項１６又は１７に記載の被覆された切削工具。
19. Ｗ_ｉ＜２（Ｔ_ｃｉ＋Ｔ_ｃｏ）である、請求項１６又は１７に記載の被覆された切削工具。

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