JP5839289B2 - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Description

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に関する。

従来、鋼や鋳物の切削加工には、ＷＣ−Ｃｏ合金もしくはＷＣ−Ｃｏ合金に対し、ＴｉやＴａ、Ｎｂの炭窒化物を添加した合金からなる超硬合金が用いられてきた。しかし、切削加工のときに切削工具の刃先が８００℃以上の高温となって、切削加工時に熱により塑性変形し、逃げ面摩耗が進行しやすいという問題を有していた。

そこで、切削工具の高温での切削特性を改善するために、上記超硬合金母材の表面に、周期律表のＩＶａ族金属の炭化物、窒化物、または炭窒化物（ＴｉＣ、ＴｉＮ、またはＴｉＣＮなど）、あるいはＡｌ₂Ｏ₃等の硬質セラミックスの単一層または複合層からなる被膜を形成した被覆切削工具が使用されている。これらの被膜の形成には、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などの化学的蒸着法や、イオンプレーティング法やイオンスパッタリング法などの物理的蒸着法が用いられる。ＣＶＤ法等により形成した被膜は、超硬合金母材との密着強度が非常に強く、耐摩耗性が非常に優れるという利点を有する。

その一方で、ＣＶＤ法は、１０００℃程度の高温状態で被膜を成膜するため、成膜後に被膜を室温まで冷却すると、超硬合金母材と被膜との熱膨張係数の差に起因して被膜に引張応力が残留する。その結果、切削加工時に被膜の表面に亀裂が発生すると、引張応力により亀裂が伝播し、被膜の脱落やチッピングが発生する。なお、超硬合金母材の熱膨張係数は、約５．１×１０^-6Ｋ^-1程度であるのに対し、ＴｉＮからなる被膜の熱膨張係数は、約９．２×ｌ０^-6Ｋ^-1である。またＴｉＣからなる被膜の熱膨張係数は約７．６×ｌ０^-6Ｋ^-1であり、Ａｌ₂Ｏ₃からなる被膜の熱膨張係数は約８．５×ｌ０^-6Ｋ^-1である。

近年、切削の高速化および高能率化の要望から、被膜を厚膜化する傾向にあるため、超硬合金母材と被膜との密着強度をさらに向上する必要がある。現在一般に使用している切削工具は、被膜の厚みが約数μｍから約１０数μｍである。被膜の厚みを厚くするほど耐摩耗性が向上するが、厚くしすぎると工具が異常損傷を引き起こしやすくなったり、熱膨張係数差に起因して生じる引張応力により切削工具が異常損傷を引き起こしやすくなったりする。これにより、基材から被膜が剥離すると、異常摩耗に繋がり、切削工具の寿命が短くなったり、耐欠損性が低下したりする。

また、耐欠損性を向上するために、基材を機械加工によって研削してから、刃先にホーニングを施す試みも行なわれている。しかし、基材の表面を研削すると、硬質相同士の界面もしくは硬質相と結合相との界面でクラックが発生したり、研削屑が付着したりして、被膜の密着強度が低下する原因となる。被膜が基材から剥離すると、突発的な欠損につながり、切削工具の寿命が短くなる。

そこで、被膜の密着強度を向上するために様々な試みがなされている。たとえば特開２０００−２１２７４３号公報（特許文献１）では、基材の表面に対し、機械研磨ではなく電解研磨を施すことにより、硬質相の粒子内に機械加工によるクラックをなくして、被膜の基材への密着強度を向上させている。

また、特開２００８−２３８３９２号公報（特許文献２）では、ブラシ研磨加工の後にショットブラスト加工を施すことにより、基材の表面のうちの硬質相部分を平滑にした上で、結合相部分を除去して凹部を形成することにより、被膜の結晶成長の方向を制御する技術が開示されている。このようにして被膜を形成することにより、被膜の柱状組織の結晶成長の方向を制御することができ、被膜の靭性を高めることができる。

特開２０００−２１２７４３号公報 特開２００８−２３８３９２号公報

しかしながら、特許文献１に開示された表面被覆切削工具は、高速加工および高能率加工で断続的に切削を行なう場合に密着強度が低いという問題があった。また、特許文献２に開示された表面被覆切削工具は、高速加工および高能率加工で断続的に切削を行なう場合に、結合相の一部を除去して形成した凹部に切削時の応力が集中する。このため、摩耗に乱れが生じ、耐摩耗性が低下しやすいという問題や、突発的な欠損が発生しやすいという問題があった。これらの問題は、高速加工および高能率加工で断続的に切削を行なう場合であれば切削工具全般に生じる問題である。中でも、上記の各問題は、フライス加工や溝付き材の旋削加工等のように、断続的に荷重が負荷される用途の切削工具で特に顕著に起こりやすかった。

本発明は、上記のような現状に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、基材と被膜との密着強度に優れ、かつ耐摩耗性または耐欠損性に優れた表面被覆切削工具を提供することにある。

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って、該基材は、硬質相と、該硬質相同士を結合する結合相とを有し、被膜は、１層または複数の層により構成され、すくい面の中心における被膜表面の法線と２つの逃げ面が交差する稜とを含む平面で表面被覆切削工具を切断した断面において、刃先稜線からすくい面方向に距離Ｌａ離れた地点を点ａとし、逃げ面方向に距離Ｌｂ離れた地点を点ｂとすると、Ｌａは０．２ｍｍ未満であり、Ｌｂは０．１ｍｍ未満であり、ａから基材の表面に垂直に下ろした点を点ａ’とし、点ｂから基材の表面に垂直に下ろした点を点ｂ’とすると、点ａ’から点ｂ’までの基材の表面のうちの１０μｍの領域において、２００ｎｍ以下の幅のクラックを２〜７本有するか、または点ａ’から点ｂ’までの基材の表面のうちの長さ１０μｍの領域あたりポアが２〜１０個あり、該ポアは、基材と被膜との界面に向けて次第に直径が狭くなる空洞であり、該界面におけるポアの直径が０．０８〜３μｍであることを特徴とする。

上記のＬａは、０．１ｍｍ未満であることが好ましく、Ｌｂは、０．０５ｍｍ未満であることが好ましい。点ａ’から点ｂ’までの基材の表面のうちの１０μｍの領域において、クラックを３〜５本有することが好ましい。点ａ’から点ｂ’までの基材の表面のうちの長さ１０μｍの領域あたりにポアが２〜６個であることが好ましい。

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からなる群より選ばれる１種以上の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群より選ばれる１種以上の元素との化合物からなることが好ましい。被膜は、３μｍ以上３０μｍ以下の厚みであることが好ましい。

硬質相は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、またはＶＩａ族元素の炭化物、窒化物、および炭窒化物からなる群より選ばれる１種以上の化合物と、炭化タングステンとからなるか、または炭化タングステンからなることが好ましい。結合相は、鉄、コバルト、およびニッケルからなる群より選ばれる１種以上の元素からなることが好ましい。

本発明の表面被覆切削工具は、上記のような構成を有することにより、基材と被膜との密着強度に優れ、かつ耐摩耗性または耐欠損性に優れるという効果を示す。

すくい面の中心における被膜表面の法線と２つの逃げ面が交差する稜とを含む平面で切断した場合の本発明の表面被覆切削工具の刃先稜線部周辺の模式的断面図である。 本発明の表面被覆切削工具の刃先稜線部周辺の顕微鏡写真である。 本発明の表面被覆切削工具の刃先稜線部周辺の顕微鏡写真である。

＜表面被覆切削工具＞
本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材表面に形成された被膜とを含む。このような構成を有する本発明の表面被覆切削工具は、たとえばドリル加工用、エンドミル加工用、フライス加工用、旋削加工用、クランクシャフトのピンミーリング加工用等の刃先交換型切削チップとして有用に用いることができるが、これらの用途および形状に限定されるものではない。本発明の表面被覆切削工具は、フライス加工や溝付き材の旋削加工など、断続的な荷重が負荷される切削加工用途において特に適している。

＜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等の炭窒化物等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、およびこれらの混合体など）、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体等をこのような基材の例として挙げることができる。

そして本発明の基材は、特に硬質化合物よりなる複数の硬質相（通常マトリックスとなる）と、該硬質相同士を結合する結合相とを含む構造を有したものが好ましく、硬質化合物である金属炭化物の粉末等を焼結して製造される超硬合金がより好ましい。

ここで、上記の硬質相としては、たとえば周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、およびＶＩａ族元素のいずれかに属する少なくとも一種の元素の炭化物、窒化物、および炭窒化物からなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物と、炭化タングステンと、からなることが好ましい。またあるいは、上記硬質相は、炭化タングステンのみであることが好ましい。なお、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、およびＶＩａ族元素のいずれかに属する少なくとも一種の元素の炭化物、窒化物、および炭窒化物からなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物の具体例としては、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴａＣ、ＮｂＣ、ＺｒＣＮ、Ｃｒ₃Ｃ₂、ＺｒＣ、ＺｒＮ、ＴｉＣＮ等を挙げることができる。当該化合物と炭化タングステンとの配合比率、および当該化合物を複数配合する場合の各配合比率は特に限定されず、従来公知の配合比率を採用することができる。なおまた、上記硬質相は、上記の硬質化合物の代わりに、サーメット等により構成されるものであってもよい。

上記のような化合物で構成される硬質相は、硬質であり、耐摩耗性に優れていることに加えて高温時でも硬度が低下しにくい。このため、本発明の表面被覆切削工具の基材の素材として適している。

一方、上記結合相は、上記硬質相同士を結合する作用を有するものであり、たとえば鉄系金属、すなわち鉄、コバルト、およびニッケルからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素により構成されることが好ましい。鉄系元素による結合相は、上記の硬質相、特に金属炭化物よりなる硬質相同士の結合を強化する性質を有している。なお、硬質相がサーメットからなる場合、結合相はコバルト、ニッケル、またはコバルトとニッケルとの合金であることが特に好ましい。

本発明において、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η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、本発明で用いる基材は、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層が形成されていてもよいし、サーメットの場合には表面硬化層が形成されていてもよく、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＞
本発明の被膜は、１層または複数の層により構成される。すなわち、該被膜は、単一層であってもよいし、複数の層からなる複合層であってもよい。このような被膜を基材表面に形成することにより、耐摩耗性が向上する。特に、被膜が１層で構成されることにより、各層間の界面の数が減少し、耐チッピング性が向上するという効果が得られる。

本発明の被膜は、基材上の全面を被覆する態様を含むとともに、部分的に被膜が形成されていない態様をも含み、さらにまた表面被覆切削工具の特定の部分において被膜の一部の積層態様が異なっているような態様をも含む。

本発明の被膜としては、従来公知の組成の被膜を特に限定なく採用することができ、たとえば硬質セラミックス、特に周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素とからなる化合物により構成されることが好ましい。これにより、耐摩耗性をより一層向上させることができる。

このような化合物としては、より具体的には、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、炭酸化物、炭酸窒化物、硼窒化物、および硼炭窒化物からなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物が挙げられる。上記化合物の具体例は、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＨｆＮ、ＴｉＮｂＮ、ＴｉＴａＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＣｒＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＴｉＡｌＳｉＣｒＮ、ＴｉＢＮ、ＴｉＡｌＢＮ、ＴｉＳｉＢＮ、ＴｉＢＣＮ、ＴｉＡｌＢＣＮ、ＴｉＳｉＢＣＮ、ＣｒＮ、ＡｌＮ、ＡｌＣｒＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＮ、ＺｒＣＮ、ＺｒＯ₂、ＶＮ、ＴｉＯ₂等を挙げることができ、中でもＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、またはＡｌ₂Ｏ₃を好適に用いることができる。

このような被膜は、３μｍ以上３０μｍ以下であること（被膜が複数の層で構成される場合は全体の厚みを示す）が好ましく、より好ましくは７μｍ以上２３μｍ以下である。上記厚みを３μｍ以上とすることにより、被膜の耐摩耗性向上の効果を得ることができ、被膜の厚みが厚くなるほど耐摩耗性は向上する。一方、被膜の厚みを３０μｍ以下とすることにより、被膜の耐欠損性を確保することができる。

＜刃先稜線部における特徴＞
図１は、すくい面の中心における被膜表面の法線と２つの逃げ面が交差する稜とを含む平面で切断した場合の本発明の表面被覆切削工具の刃先稜線部周辺の模式的断面図である。本発明の表面被覆切削工具は、上述のように基材１と該基材１上に形成された被膜２とを有するものである。

そして、図１に示されるように、すくい面３の中心における被膜２表面の法線と２つの逃げ面４が交差する稜とを含む平面で本発明の表面被覆切削工具を切断した断面において、刃先稜線５からすくい面方向に距離Ｌａ離れた地点を点ａとし、逃げ面方向に距離Ｌｂ離れた地点を点ｂとすると、Ｌａは０．２ｍｍ未満であり、Ｌｂは０．１ｍｍ未満であり、点ａから基材１の表面に垂直に下ろした点を点ａ’とし、点ｂから基材１の垂直に下ろした点を点ｂ’とすると、点ａ’から点ｂ’までの基材１の表面のうちの１０μｍの領域において、２００ｎｍ以下の幅のクラックを２〜７本有することを特徴とする。このような微小な幅のクラックが基材の表面に存在することにより、基材１と接する被膜２の表面積が大きくなるため、アンカー効果により被膜の密着力を高めることができる。その結果、被膜により耐摩耗性を向上しつつ、被膜のフレーキングに伴う欠損を防止することができ、耐摩耗性および耐欠損性の両方に優れた表面被覆切削工具を得ることができる。上記のクラックの本数は、基材１の表面のうちの１０μｍの領域において、３〜５本であることが好ましい。

上記のクラックの幅は、２０ｎｍ以上であることが好ましい。２０ｎｍ未満の幅のクラックは上述のアンカー効果を十分に得ることができないからである。上記のクラックの幅は、より好ましくは５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。上記のクラックの幅が２００ｎｍを超えると、硬質相同士、または硬質相と結合相との界面におけるクラックが拡大するか、または研削屑が付着する等の理由により、被膜の密着強度が低下するため好ましくない。また、２００ｎｍ以下の幅のクラックの本数が１本以下であると、アンカー効果を十分に得ることができず、密着強度が低下することになる。また、クラックの本数が８本以上であると、クラックの集積が助長され、突発的な欠損が発生する可能性がある。また、クラックの深さは、０．０２μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは０．０５μｍ以上６μｍ以下である。０．０２μｍ未満であると、アンカー効果の発現に寄与しない可能性があり、１０μｍを超えると、その部分を起点とした欠損が生じやすくなるためである。

また、本発明は、点ａ’から点ｂ’までの基材の表面のうちの長さ１０μｍの領域あたりポアが２〜１０個あり、該ポアは、基材と被膜との界面に向けて次第に直径が狭くなる空洞であり、該界面におけるポアの直径が０．０８〜３μｍであってもよい。かかるポアの個数は２〜６個であることが好ましい。このような微小な径のポアが基材の表面に存在することにより、切削加工時に生じるクラックが進展しても、ポアによってクラックの応力集中が緩和されるため靭性を高めることができる。その結果、被膜の耐摩耗性を向上しつつ、被膜のフレーキングに伴う欠損を防止することができ、耐摩耗性および耐欠損性の両方に優れた表面被覆切削工具を得ることができる。このように本発明は、点ａ’から点ｂ’までの基材の表面のうちの任意の長さ１０μｍの領域に２〜１０個のポアを有していることを特徴とするものであるが、好ましくは基材の表面のうちの全ての長さ１０μｍの領域において２〜１０個のポアを有することが好ましい。なお、本発明におけるポアとは、基材と被膜との界面に向けて次第に直径が狭くなる空洞であるもののみならず、基材と被膜との界面に向けて直径が均一の空洞も含み得るものである。一方、クラックは、基材内部から基材と被膜との界面に向けて空洞の直径が次第に広くなるものを意味する。

上記のポアの直径が０．０８μｍ未満であると、クラックの応力集中を緩和する機能を発揮することができず、耐欠損性が低下する。また、ポアの直径が３μｍを超えると、被膜の密着強度が低下するため、突発的な欠損を招くおそれがある。また、長さ１０μｍの領域あたりポアが１個以下であると、切削加工時に生じる亀裂の進展を抑制することができず、耐欠損性が低下することがある。長さ１０μｍの領域あたりポアが１１個以上であると、被膜の密着力が低下するため、被膜のフレーキングを引き起こす可能性がある。また、ポアの深さは、０．０１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは０．０５μｍ以上５μｍ以下である。０．０１μｍ未満であると、亀裂の進展を抑制する効果を発揮せず、１０μｍを超えると、被膜の密着強度が低下することになるため好ましくない。

ここで、本発明における「刃先稜線」と「刃先稜線部」とは異なった概念を示す。「刃先稜線」は、本発明の表面被覆切削工具１０（基材１表面に被膜２が形成されている）の上記断面において、すくい面３と逃げ面４とが交差する稜を示すものであるが、このような稜はホーニング処理により加工されているため現実には存在せず、したがって本発明においては、図１に示したようにかかる断面においてすくい面３と逃げ面４とをそれぞれ直線で近似し、その直線を延長した場合に両延長線が交差する交点を刃先稜線５とする。これに対し、「刃先稜線部」とは、切削加工時において被削材の切削に最も関与する部位のひとつであり、上記刃先稜線５の周辺部を示すものであるが、本発明においては、上記断面においてすくい面３と逃げ面４とをそれぞれ直線で近似した場合に、ホーニング処理により当該直線が屈曲する点を結んだ領域（すなわち被膜２表面におけるすくい面３の屈曲点から逃げ面４の屈曲点までの領域）を刃先稜線部（本発明では単に「刃先」と呼ぶこともある）とする。なお、上記点ａおよび点ｂを、それぞれすくい面３の屈曲点および逃げ面４の屈曲点と一致させることが好ましいが、これらが一致しない場合であっても本発明の範囲を逸脱するものではない。

一方、上記で規定される平面に関し、「すくい面の中心」とはすくい面の幾何学的な意味での中心を意味し、すくい面の中央部に当該表面被覆切削工具を取り付けるための貫通孔が開けられている場合は、その貫通孔が開けられていないと仮定した場合のすくい面の幾何学的な意味での中心を意味する。また、「２つの逃げ面が交差する稜」とは、２つの逃げ面が交差する稜を意味するが、この稜が明瞭な稜を形成しない場合は、両逃げ面をそれぞれ幾何学的に拡大した場合に両者が交差する仮定的な稜を意味するものとする。なお、このように規定される平面が、１個の表面被覆切削工具に２以上存在する場合は、いずれか１の平面を選択するものとする。

さらに、本発明においては、図１に示したように、上記断面における被膜２の表面において、刃先稜線５からすくい面３方向に距離Ｌａ離れた地点を点ａとし、逃げ面４方向に距離Ｌｂ離れた地点を点ｂとする場合、該Ｌａは０．２ｍｍ未満であり、該Ｌｂは０．１ｍｍ未満であることを特徴とする。これにより切削に最も関与する部分の刃先強度を増強させることができる。その結果、被膜によって耐摩耗性を向上しつつ、被膜の脱落やチッピングを防ぐことができ、優れた耐摩耗性と優れた耐欠損性とを得ることができる。

上記Ｌａが０．２ｍｍ以上である場合、または上記Ｌｂが０．１ｍｍ以上である場合、被膜と基材との密着性が低下する。このため、上記Ｌａは、０．１ｍｍ未満であることがより好ましく、上記Ｌｂは、０．０５ｍｍ未満であることがより好ましい。

＜製造方法＞
本発明の表面被覆切削工具は、たとえば次のようにして製造することができる。まず、硬質化合物よりなる複数の硬質相と、硬質相同士を結合する結合相とを含む基材を準備する。続いて、この基材に対して、ブラシまたはプラスティックメディアを用いて、基材の刃先稜線に相当する部位をホーニング処理する。そして、ホーニング処理後に、ショットピーニングを用いてアルミナ等のメディアを基材に衝突させる。かかるショットピーニング処理を施すことにより、被膜に２００ｎｍ以下の幅のクラックを形成するための予備亀裂を発生させるか、または、基材の表面に０．０８〜３μｍの直径のポアを形成するための核を形成することができる。ショットピーニング処理は、微小クラックを発生しやすくするために、比較的硬度が高い材料からなるメディアを用いることが好ましく、たとえばＳｉＣ、ＴｉＣ、ダイヤモンド等からなるメディアが好適である。また、ショットピーニング処理は、ポアを形成するための核を発生しやすく、かつ基材へのダメージが少ないという観点から、比較的硬度が低い材料からなるメディアを用いることが好ましく、たとえばアルミナ、ジルコニア等からなる材料が好適である。

続いて、基材をアルコール液中に浸して、基材の表面に超音波を照射する。該超音波の周波数を２５ｋＨｚとしたときには、超音波の出力が３００〜６００Ｗに調整することが好ましく、処理時間が５〜１５分であることが好ましい。このような条件で超音波処理を行なうことにより、基材の表面の１０μｍの領域に２００ｎｍ以下の幅のクラックを２〜７本形成することができ、もって基材と被膜との密着強度を高めることができる。なお、基材１の表面には上記のクラックのみならず、微小なポアが存在しても本発明を逸脱するものではなく本発明の効果を発揮する。

一方、上記の超音波処理を行なわない場合は、基材の表面に２００ｎｍ以下のクラックを形成することができず、基材と被膜との密着強度を向上させることができない。また、超音波の出力が３００Ｗ未満であるか、または超音波の処理時間が５分未満であると、基材の表面の１０μｍの領域にクラックを形成する本数が１本以下となり所望のアンカー効果を十分に得ることができず、超音波の出力が６００Ｗを超えるか、または超音波の処理時間が１５分を超えると、基材の表面にクラックを形成する本数が８本を超えるため、耐欠損性に劣る可能性がある。

上記の超音波の出力は、６００〜９００Ｗに調整し、超音波の周波数を２５ｋＨｚとして１０〜３０分程度の処理時間で処理を行なってもよい。このような条件で超音波処理を行なうことにより、基材の表面に０．０８〜３μｍの直径のポアを形成することができ、もって基材と被膜との密着強度を高めることができる。なお、基材１の表面には上記のポアのみならず、２００ｎｍ以下の幅のクラックが存在しても本発明を逸脱するものではない。一方、上記の超音波処理を行なわない場合は、基材の表面に上述のポアを形成することができないため、基材と被膜との密着強度を向上させることができず、また耐欠損性も向上しない。

次いで、基材の表面に被膜を形成する。被膜は、たとえばチャンバ内に基材を配置し、ＣＶＤ法などの気相合成法を用いて、８００℃以上１１００℃以下の温度（ＭＴ（moderate temperature）法の場合は８００℃以上１０５０℃以下の温度）で基材上に成膜される。特にＣＶＤ法により形成した被膜は、基材との密着強度が非常に強いため、被膜を厚くすることができ、耐摩耗性を向上することができる。また、ＣＶＤ法の代わりに、イオンプレーティング法やイオンスパッタリング法などの物理的蒸着法を用いてもよい。

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＞
ＪＩＳ（Japanese Industrial Standard）に規定されるＪＩＳ Ｂ ４１２０（１９９８） ＣＮＭＧ１２０４０８の切削工具形状を有する超硬合金母材を基材として準備した。なお、この基材は、後述の試料Ａ１〜Ａ６毎に３個ずつ計１８個準備した。また、この基材の組成は、８９．０質量％のＷＣと、８．０質量％のＣｏと、３．０質量％のＴｉＣとにより構成されている。

そして、この基材の刃先稜線に対してＳｉＣブラシ等を用いてホーニング処理を施した。次いで、このようにホーニング処理された各試料（ただし、試料Ａ２を除く）の基材に対し、ＳｉＣからなるメディアを用いてショットピーニング処理を施した。一方、試料Ａ２の基材には、ショットピーニング処理を施さなかった。その後、各試料（Ａ１を除く）の基材をアルコール液中に浸し、周波数２５ｋＨｚ、出力４００Ｗの超音波を５〜２０分間照射した。次に、この基材の表面上に被膜をＣＶＤ法により形成した。該被膜は、まず基材表面と接するように１．０μｍの厚みを有するＴｉＮを形成し、その上に順次、１０．０μｍの厚みを有するＭＴ（moderate temperature）−ＴｉＣＮ、１．０μｍの厚みを有するＴｉＮ、４．０μｍの厚みを有するＡｌ₂Ｏ₃、および１．５μｍの厚みを有するＴｉＮをこの順に形成した。

このようにして得られた各試料（表面被覆切削工具）のうち、試料毎に１個ずつ、すくい面の中心における被膜表面の法線と２つの逃げ面が交差する稜とを含む平面に沿って試料を切断し、その断面を機械研磨した。そして、研磨面として露出した断面の基材と被膜とが接する界面近傍を、走査電子顕微鏡を用いて１００００倍の倍率で観察することにより、研磨面における基材の表面にあるクラックの本数を数え、さらにクラックの幅を測定した。これらの結果を表１に示す。表１中、「クラック幅」の項は、１０ｎｍ以上の幅を有するクラックの幅を１０箇所測定した平均値を示し、「クラック密度」の項は、基材の表面の１０μｍの領域における１０〜２００ｎｍの幅のクラックの個数を示す。

一方、上記で切断しなかった試料のうち、試料毎に１個ずつを用いて以下の条件により耐摩耗性を評価した。さらに、また残りの試料について、各試料毎に１個ずつを用いて以下の条件により耐欠損性（耐チッピング性）を評価した。これらの結果を同じく以下の表１に示す。なお、耐欠損性は、チッピングまたは欠損するまでの時間（衝撃時間）を測定することにより評価した。

＜耐摩耗性の評価＞
被削材 ：ＳＣＭ４３５（ＪＩＳ）
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．
送 り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．
切込み ：１．５ｍｍ
切削油 ：湿式
切削時間：２０ｍｉｎ．
評 価：逃げ面摩耗量を測定（該数値が小さい方が耐摩耗性に優れる）。

＜耐欠損性の評価＞
被削材 ：ＳＣＭ４３５（ＪＩＳ）溝入材
切削速度：３３０ｍ／ｍｉｎ．
送 り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．
切込み ：１．５ｍｍ
切削油 ：湿式
評 価：チッピングまたは欠損するまでの時間（長い方が耐欠損性に優れる）。

なお、試料Ａ３の表面被覆切削工具の上記断面を撮影した顕微鏡写真（撮影条件：走査型電子顕微鏡を用いて１００００倍で撮影）を図２に示す。

表１中、試料Ａ３〜Ａ５が実施例であり、試料Ａ１、Ａ２およびＡ６が比較例である。表１より明らかなように、本発明の実施例である試料Ａ３〜Ａ５は、試料Ａ１およびＡ２と同等の逃げ面摩耗量の結果が得られている一方で、試料Ａ１およびＡ２よりもチッピングまたは欠損するまでの時間（表１の「衝撃時間」）が飛躍的に長くなっている。一方、試料Ａ６は、試料Ａ３〜Ａ５に比し、逃げ面摩耗量が増加し、衝撃時間は短くなっていた。したがって、以上の結果より、本発明の表面被覆切削工具は、耐摩耗性と耐欠損性との両者において優れていることが確認できた。

＜実施例２＞
ＪＩＳ（Japanese Industrial Standard）に規定されるＪＩＳ Ｂ ４１２０（１９９８） ＣＮＭＧ１２０４０８の切削工具形状を有する超硬合金母材を基材として準備した。なお、このような基材は、後述の各試料（Ｂ１〜Ｂ６）毎に３個ずつ計１８個準備した。また、この基材の組成は、８８．０ｗｔ％のＷＣと、５．０ｗｔ％のＣｏと、３．０ｗｔ％のＴｉＣと、２．０ｗｔ％のＴａＣと、２．０ｗｔ％のＮｂＣとにより構成されている。

そして、この基材の刃先稜線部に対してＳｉＣブラシ等を用いてホーニング処理を施した。次いで、このようにホーニング処理された各試料（ただし、試料Ｂ２を除く）の基材に対し、ＳｉＣからなるメディアを用いてショットピーニング処理を施した。一方、試料Ｂ２の基材には、ショットピーニング処理を施さなかった。その後、各試料の基材をアルコール液中に浸し、周波数２５ｋＨｚ、出力２００〜７００Ｗの超音波を１０分間照射した。次に、この基材の表面上に被膜を形成した。この被膜は、ＣＶＤ法により形成し、まず基材表面と接するように０．５μｍの厚みを有するＴｉＮを形成し、その上に順次、１０．０μｍの厚みを有するＭＴ−ＴｉＣＮ、１．０μｍの厚みを有するＴｉＢＮ、６．０μｍの厚みを有するＡｌ₂Ｏ₃、および１．５μｍの厚みを有するＴｉＮをこの順に成膜した。

このようにして得られた各試料（表面被覆切削工具）のうち、試料毎に１個ずつ、すくい面の中心における被膜表面の法線と２つの逃げ面が交差する稜とを含む平面に沿って試料を切断し、その断面を機械研磨した。そして、研磨面として露出した断面の被膜を、走査電子顕微鏡を用いて１００００倍で観察することにより、研磨面の表面にあるクラックの本数を数え、さらにクラックの幅を測定した。これらの結果を表２に示す。表２中、「クラック幅」の項は、１０ｎｍ以上の幅を有するクラックの幅を１０箇所測定した平均値を示し、「クラック密度」の項は、基材の表面の１０μｍの領域における１０〜２００ｎｍの幅のクラックの個数を示す。

一方、上記で切断しなかった試料のうち、各試料毎に１個ずつを用いて実施例１と同じ条件により耐摩耗性を評価した。さらに、また残りの試料について、各試料毎に１個ずつを用いて実施例１と同じ条件により耐欠損性（耐チッピング性）を評価した。これらの結果を同じく以下の表２に示す。

表２中、試料Ｂ３〜Ｂ５が実施例であり、試料Ｂ１、Ｂ２、およびＢ６が比較例である。表２より明らかなように、本発明の実施例である試料Ｂ３〜Ｂ５は、試料Ｂ１およびＢ２と同等の逃げ面摩耗量の結果が得られている一方で、試料Ｂ１およびＢ２よりもチッピングまたは欠損するまでの時間（表２の「衝撃時間」）が飛躍的に長くなっている。一方、試料Ｂ６は、試料Ｂ３〜Ｂ５に比し、逃げ面摩耗量が増加し、衝撃時間は短くなっていた。したがって、以上の結果より、本発明の表面被覆切削工具は、耐摩耗性と耐欠損性との両者において優れていることが確認できた。

＜実施例３＞
ＪＩＳ（Japanese Industrial Standard）に規定されるＪＩＳ Ｂ ４１２０（１９９８） ＣＮＭＧ１２０４０８の切削工具形状を有する超硬合金母材を基材として準備した。なお、この基材は、後述の試料Ｃ１〜Ｃ６毎に３個ずつ計１８個準備した。また、この基材の組成は、８９．０質量％のＷＣと、８．０質量％のＣｏと、３．０質量％のＴｉＣとにより構成されている。

そして、この基材の刃先稜線に対してＳｉＣブラシ等を用いてホーニング処理を施した。次いで、このようにホーニング処理された各試料（ただし、試料Ｃ２を除く）の基材に対し、メディアとしてアルミナを用いてショットピーニング処理を施した。一方、試料Ｃ２の基材には、ショットピーニング処理を施さなかった。その後、各試料（Ｃ１を除く）の基材をアルコール液中に浸し、周波数２５ｋＨｚ、出力７００Ｗの超音波を０〜３５分間照射した。次に、この基材の表面上に被膜をＣＶＤ法により形成した。

このようにして得られた各試料（表面被覆切削工具）のうち、試料毎に１個ずつ、すくい面の中心における被膜表面の法線と２つの逃げ面が交差する稜とを含む平面に沿って試料を切断し、その断面を機械研磨した。そして、研磨面として露出した断面の基材と被膜とが接する界面近傍を、走査電子顕微鏡を用いて１００００倍の倍率で観察することにより、研磨面における基材の表面にあるポアの直径および個数を数えた。これらの結果を表３に示す。表３中、「ポア直径」の項は、１０個のポアの直径を測定した平均値を示し、「ポア密度」の項は、基材の表面の長さ１０μｍの領域におけるポアの個数を示す。なお、試料Ｃ３の表面被覆切削工具の上記断面を撮影した顕微鏡写真（撮影条件：走査型電子顕微鏡を用いて１００００倍で撮影）を図３に示す。

一方、上記で切断しなかった試料のうち、試料毎に１個ずつを用いて以下の条件により耐摩耗性を評価した。さらに、また残りの試料について、試料毎に１個ずつを用いて以下の条件により耐欠損性（耐チッピング性）を評価した。これらの結果を同じく以下の表３に示す。なお、耐欠損性は、チッピングまたは欠損するまでの時間（衝撃時間）を測定することにより評価した。

＜耐摩耗性の評価＞
被削材 ：ＳＣＭ４３５（ＪＩＳ）
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．
送 り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．
切込み ：１．５ｍｍ
切削油 ：乾式
切削時間：２０ｍｉｎ．
評 価：逃げ面摩耗量を測定（該数値が小さい方が耐摩耗性に優れる）。

＜耐欠損性の評価＞
被削材 ：ＳＣＭ４３５（ＪＩＳ）溝入材
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．
送 り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．
切込み ：１．５ｍｍ
切削油 ：湿式
評 価：チッピングまたは欠損するまでの時間（長い方が耐欠損性に優れる）。

表３中、試料Ｃ３〜Ｃ５が実施例であり、試料Ｃ１、Ｃ２およびＣ６が比較例である。表３より明らかなように、本発明の実施例である試料Ｃ３〜Ｃ５は、試料Ｃ１およびＣ２と同等の逃げ面摩耗量の結果が得られている一方で、試料Ｃ１およびＣ２よりもチッピングまたは欠損するまでの時間（表３の「衝撃時間」）が飛躍的に長くなっている。一方、試料Ｃ６は、試料Ｃ３〜Ｃ５に比し、逃げ面摩耗量が増加し、衝撃時間は短くなっていた。したがって、以上の結果より、本発明の表面被覆切削工具は、耐摩耗性と耐欠損性との両者において優れていることが確認できた。

＜実施例４＞
ＪＩＳ（Japanese Industrial Standard）に規定されるＪＩＳ Ｂ ４１２０（１９９８） ＣＮＭＧ１２０４０８の切削工具形状を有する超硬合金母材を基材として準備した。なお、このような基材は、後述の各試料（Ｄ１〜Ｄ６）毎に３個ずつ計１８個準備した。また、この基材の組成は、８８．０ｗｔ％のＷＣと、５．０ｗｔ％のＣｏと、３．０ｗｔ％のＴｉＣと、２．０ｗｔ％のＴａＣと、２．０ｗｔ％のＮｂＣとにより構成されている。

そして、この基材の刃先稜線に対してＳｉＣブラシ等を用いてホーニング処理を施した。次いで、このようにホーニング処理された各試料（ただし、試料Ｄ２を除く）の基材に対し、メディアとしてアルミナを用いて、ショットピーニング処理を施した。一方、試料Ｄ２の基材には、ショットピーニング処理を施さなかった。その後、各試料の基材をアルコール液中に浸し、周波数２５ｋＨｚ、出力５００〜１０００Ｗの超音波を１５分間照射した。次に、この基材の表面上に被膜をＣＶＤ法により形成した。この被膜は、まず基材表面と接するように０．５μｍの厚みを有するＴｉＮを形成し、その上に順次、１０．０μｍの厚みを有するＭＴ−ＴｉＣＮ、１．０μｍの厚みを有するＴｉＢＮ、６．０μｍの厚みを有するＡｌ₂Ｏ₃、および１．５μｍの厚みを有するＴｉＮをこの順に成膜した。

このようにして得られた各試料（表面被覆切削工具）のうち、試料毎に１個ずつ、すくい面の中心における被膜表面の法線と２つの逃げ面が交差する稜とを含む平面に沿って試料を切断し、その断面を機械研磨した。そして、研磨面として露出した断面の被膜を、走査電子顕微鏡を用いて１００００倍で観察することにより、研磨面の表面にあるポアの個数を数え、さらにポアの直径を測定した。これらの結果を表４に示す。表４中、「ポア直径」の項は、１０個のポアの直径を測定した平均値を示し、「ポア密度」の項は、基材の表面の長さ１０μｍの領域におけるポアの個数を示す。

一方、上記で切断しなかった試料のうち、各試料毎に１個ずつを用いて実施例３と同じ条件により耐摩耗性を評価した。さらに、また残りの試料について、各試料毎に１個ずつを用いて実施例３と同じ条件により耐欠損性（耐チッピング性）を評価した。これらの結果を同じく以下の表４に示す。

表４中、試料Ｄ３〜Ｄ５が実施例であり、試料Ｄ１、Ｄ２、およびＤ６が比較例である。表４より明らかなように、本発明の実施例である試料Ｄ３〜Ｄ５は、試料Ｄ１およびＤ２と同等の逃げ面摩耗量の結果が得られている一方で、試料Ｄ１およびＤ２よりもチッピングまたは欠損するまでの時間（表４の「衝撃時間」）が飛躍的に長くなっている。一方、試料Ｄ６は、試料Ｄ３〜Ｄ５に比し、逃げ面摩耗量が増加し、衝撃時間は短くなっていた。したがって、以上の結果より、本発明の表面被覆切削工具は、耐摩耗性と耐欠損性との両者において優れていることが確認できた。

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請求の範囲によって示され、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。

本発明の表面被覆切削工具は、フライス加工や溝付き材の旋削加工などの、断続的な荷重が負荷される切削加工に適している。

１ 基材、２ 被膜、３ すくい面、４ 逃げ面、５ 刃先稜線、１０ 表面被覆切削工具。

Claims (10)

1. 基材（１）と、該基材（１）上に形成された被膜（２）とを備える表面被覆切削工具（１０）であって、
   前記基材（１）は、硬質相と、該硬質相同士を結合する結合相とを有し、
   前記被膜（２）は、１層または複数の層により構成され、
   すくい面（３）の中心における前記被膜（２）表面の法線と２つの逃げ面（４）が交差する稜とを含む平面で前記表面被覆切削工具（１０）を切断した断面において、刃先稜線（５）からすくい面（３）方向に距離Ｌａ離れた地点を点ａとし、逃げ面（４）方向に距離Ｌｂ離れた地点を点ｂとすると、前記Ｌａは０．２ｍｍ未満であり、前記Ｌｂは０．１ｍｍ未満であり、前記点ａから前記基材（１）の表面に垂直に下ろした点を点ａ’とし、前記点ｂから前記基材（１）の表面に垂直に下ろした点を点ｂ’とすると、前記点ａ’から前記点ｂ’までの前記基材（１）の表面のうちの１０μｍの領域において、２００ｎｍ以下の幅であって、前記基材（１）の表面に存在し、かつ前記被膜（２）の表面まで貫通することがないクラックを２〜７本有するか、または、前記点ａ’から前記点ｂ’までの前記基材（１）の表面のうちの長さ１０μｍあたりにポアが２〜１０個あり、
   前記ポアは、前記基材（１）と前記被膜（２）との界面に向けて次第に直径が狭くなる空洞であり、該界面における前記ポアの直径が０．０８〜３μｍである、表面被覆切削工具（１０）。
2. 前記Ｌａは、０．１ｍｍ未満である、請求項１に記載の表面被覆切削工具（１０）。
3. 前記Ｌｂは、０．０５ｍｍ未満である、請求項１に記載の表面被覆切削工具（１０）。
4. 前記点ａ’から前記点ｂ’までの前記基材（１）の表面のうちの１０μｍの領域において、前記クラックを３〜５本有する、請求項１に記載の表面被覆切削工具（１０）。
5. 前記点ａ’から前記点ｂ’までの前記基材（１）の表面のうちの長さ１０μｍの領域を基点とするポアが２〜６個ある、請求項１に記載の表面被覆切削工具（１０）。
6. 前記被膜（２）は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ、およびＳｉからなる群より選ばれる１種以上の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群より選ばれる１種以上の元素との化合物からなる、請求項１に記載の表面被覆切削工具（１０）。
7. 前記被膜（２）は、３μｍ以上３０μｍ以下の厚みである、請求項１に記載の表面被覆切削工具（１０）。
8. 前記硬質相は、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、またはＶＩａ族元素の炭化物、窒化物、および炭窒化物からなる群より選ばれる１種以上の化合物と、炭化タングステンとからなる、請求項１に記載の表面被覆切削工具（１０）。
9. 前記硬質相は、炭化タングステンからなる、請求項１に記載の表面被覆切削工具（１０）。
10. 前記結合相は、鉄、コバルト、およびニッケルよりなる群から選ばれる１種以上の元素からなる、請求項１に記載の表面被覆切削工具（１０）。