JP6604105B2 - 超硬工具及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、超硬工具に関し、さらに詳しくは、高硬度鋼材加工用の超硬工具に関する。

高硬度鋼材等の鋼材を加工するために、超硬工具が利用される。超硬工具はたとえば、鋼材表面加工用工具、ねじ切削工具、冷間引き抜きプラグ及びビレット穿孔工具等である。鋼材を加工する際、超硬工具と被加工鋼材との摩擦により、超硬工具に機械的摩耗が生じる。特に、高硬度鋼材を切削加工する際は、超硬工具の機械的摩耗が早く、刃先欠損が著しい。そのため工具寿命が短くなる傾向がある。

超硬工具の工具寿命を向上させる方法としてたとえば、窒化処理がある。特開２００２−２１０５２５号公報（特許文献１）に記載されている超硬工具は、ＷＣ（炭化タングステン）の粉末をＣｏ（コバルト）で焼結成形した超硬合金より製造され、その製造品に窒化または軟窒化による表面処理が施されている。これにより、超硬工具の表面硬度が向上し、且つ圧縮応力の増加により、耐摩耗性及び疲労強度を改善できる、と特許文献１には記載されている。

超硬工具の工具寿命を向上させる他の方法としてたとえば、コーティング層の密着力を高める方法がある。特表２０１０−５２４７１０号公報（特許文献２）に記載された、超硬合金工具の製造方法は、超硬合金切削工具母材の表面を０．５〜５μｍの範囲で均一に除去して表面が平滑な面を有しながらタングステンカーバイド粒子の周囲に存在する焼結気孔の面積比率が５％以上が残存するようにする段階と、除去された表面上にコーティングする段階とを備える。これにより、コーティング層の表面粗さが向上し、かつ、コーティング層と母材との結合力が改善される、と特許文献２には記載されている。

特開２００９−１１３１２０号公報（特許文献３）、特開２００９−２０２２８３号公報（特許文献４）及び特表２０１３−５３７１１４号公報（特許文献５）は、上述の技術とは、異なる技術を公開する。これらの文献では、超硬工具の表面に微細な凹凸を付与する。これにより、工具寿命を向上する。

特許文献３に記載された切削工具は、少なくとも切れ刃のすくい面に多数の溝を凹設してなる。これにより、少量の切削液によっても切れ刃表面に高い潤滑性が得られ、従来よりも長寿命化を図ることが出来る、と特許文献３には記載されている。

特許文献４に記載された切削工具は、先端に切れ刃を有する切削工具であり、そのすくい面にうねりを設けたことを特徴とする。これにより、切削加工において工具と被加工材料の摩擦を低減し、切削工具の長寿命化、切削動力の低減、仕上げ面性状の改善を図ることができる、と特許文献４には記載されている。

特許文献５に記載されたボア切削工具は、工具基材と、工具基材の表面上の工具コーティングとを含むボア切削工具である。このボア切削工具は、工具基材の表面内に複数のピットを含み、工具コーティングはピット表面が工具コーティングを含むような形でピット全体にわたり延在していることを特徴とする。これにより、必ずしも切削プロセス中に使用される潤滑剤の量を増大させることなく、工具摩耗の改善を達成することが可能である、と特許文献５には記載されている。

一方で、鋼材を加工する際に生じる切り屑及び切粉は、適切に切削系外に排出される必要がある。鋼材を加工する際、超硬工具と被加工鋼材との摩擦により、加工発熱が生じる。切り屑及び切粉は、加工発熱により軟化し、半溶融状態であることが多い。半溶融状態の切り屑及び切粉は、超硬工具の表面を濡らして、超硬工具の表面に固着する。切り屑及び切粉が超硬工具表面に多量に固着した場合、凝着が生じる。凝着した切り屑及び切粉は、超硬工具の切削機能や切削後の被削鋼材表面形状を著しく損なう。その結果、工具寿命が著しく短くなる。したがって、切り屑による凝着を抑制できる超硬工具が求められる。

特開２０１３−２１２５７２号公報（特許文献６）には、切り屑の排出性を高める技術が記載されている。特許文献６に記載された切削工具は、先端にある切れ刃で切削されて生じた被削材の切屑が接触し得る接触表面上の少なくとも一部に、凹凸模様状の表面テクスチャを設けたすくい面を備える。表面テクスチャは、前記切屑の排出方向に断続した凹部を有する。表面テクスチャ全面から凹部を除いた残面の表面テクスチャ全面に対する面積割合である切屑接触面積率が９〜９０％である。この切削工具は、ウエット環境下は勿論ドライ環境下でも、切削性や生産性の向上を図れる、と特許文献６には記載されている。

また一方で、超硬工具の潤滑性は高いことが好ましい。超硬工具の潤滑性が高ければ、鋼材を加工する際の切削抵抗が抑えられ、工具寿命が長くなる。超硬工具の表面粗さが小さければ、超硬工具の潤滑性が高まる。したがって、超硬工具には、上述の凝着抑制性に加え、表面粗さが小さいこと（優れた潤滑性）が求められる。

特開２００２−２１０５２５号公報 特表２０１０−５２４７１０号公報 特開２００９−１１３１２０号公報 特開２００９−２０２２８３号公報 特表２０１３−５３７１１４号公報 特開２０１３−２１２５７２号公報

上述の特許文献に開示された超硬工具であっても、凝着を十分に抑制できない、あるいは、表面粗さが大きい場合がある。この場合、工具寿命を向上させにくい。

本発明の目的は、優れた工具寿命を有する超硬工具を提供することである。

本実施形態による超硬工具は、基材と、硬質保護膜とを備える。硬質保護膜は、基材の表面上に形成されており、テキスチャーを含む表面を有する。硬質保護膜は、金属窒化物、金属炭化物、金属炭窒化物及び金属酸化物からなる群から選択される少なくとも１種を含有する。テキスチャーは、マトリクス状に配置された複数の凹みを含む。凹みの開口径は０．０５〜０．５０μｍであり、凹みの深さは０．１０〜０．３０μｍであり、隣り合う凹み同士の間隔は１０〜１００μｍである。

本実施形態による超硬工具の製造方法は、準備工程と、成膜工程と、表面加工工程とを備える。準備工程では、基材を準備する。成膜工程では、金属窒化物、金属炭化物、金属炭窒化物及び金属酸化物からなる群から選択される少なくとも１種を含有する硬質保護膜を、基材の表面上に形成する。表面加工工程では、テキスチャーを硬質保護膜の表面に形成する。表面加工工程は、レーザーアブレーションにより行われる。テキスチャーは、マトリクス状に配置された複数の凹みを含む。凹みの開口径は０．０５〜０．５０μｍであり、凹みの深さは０．１０〜０．３０μｍであり、隣り合う凹み同士の間隔は１０〜１００μｍである。

本実施形態による超硬工具は、切り屑による凝着を抑制できる。本実施形態による超硬工具はさらに、表面粗さが小さいため潤滑性が高い。そのため、優れた工具寿命を有する。

図１は、本実施形態による超硬工具１の断面図である。 図２は、硬質保護膜３の表面３１をその法線方向から見た図である。 図３は、図２とは異なる他の実施形態による、硬質保護膜３の表面３１をその法線方向から見た図である。 図４は、図１とは異なる、他の実施形態による超硬工具１０の断面図である。

本発明者らは、超硬工具の工具寿命を向上する方法について種々検討を行った。その結果、以下の知見を得た。

鋼材を加工する際に生じる切り屑と、超硬工具との接触面積は小さいことが好ましい。切り屑は、加工発熱により半溶融状態であることが多い。切り屑と超硬工具との接触面積が小さければ、半溶融状態の切り屑が超硬工具に接触しにくい。したがって、切り屑による凝着を抑制できる。

切り屑と超硬工具との接触面積が小さければさらに、切り屑が排出される際の抵抗が減少する。そのため、切り屑がより速く切削系外へ排出される。すなわち、切り屑排出性が高まる。切り屑排出性が高ければ、切り屑が、超硬工具及び超硬工具のホルダー等に巻きつく頻度が減少する。その結果、超硬工具に巻き付いた切り屑を除去するための作業時間を大幅に削減できる。

そこで、最表層である硬質保護膜の表面にテキスチャーを付与する。テキスチャーは、マトリクス状に配置された複数の凹みを含む。これにより、切り屑と超硬工具との接触面積を小さくする。

ここで、各凹みの開口径は０．０５〜０．５０μｍであり、凹みの深さは０．１０〜０．３０μｍである。半溶融状態の切り屑は、超硬工具の表面を濡らし、固着する。固着量が多い場合、凝着が生じる。したがって、超硬工具の表面の濡れ性が低ければ、凝着を抑制できる。本実施形態において、各凹みは上述の通り微細である。そのため、超硬工具の表面の濡れ性が低い。濡れ性が低いので、半溶融状態の切り屑によって、凹みが埋まりにくい。その結果、凝着が抑制される。

各凹みは微細であり、さらに、上述の凹みは、隣り合う凹み同士の間隔が１０〜１００μｍとなるようにマトリクス状に配置される。このため、テキスチャーを形成した場合であっても、硬質保護膜の表面粗さは小さいまま維持される。表面粗さが小さければ、超硬工具の潤滑性が高まる。

以上の知見に基づいて完成した本実施形態による超硬工具は、基材と、硬質保護膜とを備える。硬質保護膜は、基材の表面上に形成されており、テキスチャーを含む表面を有する。硬質保護膜は、金属窒化物、金属炭化物、金属炭窒化物及び金属酸化物からなる群から選択される少なくとも１種を含有する。テキスチャーは、マトリクス状に配置された複数の凹みを含む。凹みの開口径は０．０５〜０．５０μｍであり、凹みの深さは０．１０〜０．３０μｍであり、隣り合う凹み同士の間隔は１０〜１００μｍである。

本実施形態による超硬工具は、硬質保護膜を備える。硬質保護膜は、マトリクス状に配置された、微細な凹みを含むテキスチャーを含む表面を有する。そのため、本実施形態による超硬工具は、切り屑による凝着を抑制でき、潤滑性が高い。

本実施形態による超硬工具の製造方法は、準備工程と、成膜工程と、表面加工工程とを備える。準備工程では、基材を準備する。成膜工程では、金属窒化物、金属炭化物、金属炭窒化物及び金属酸化物からなる群から選択される少なくとも１種を含有する硬質保護膜を、基材の表面上に形成する。表面加工工程では、テキスチャーを硬質保護膜の表面に形成する。表面加工工程はレーザーアブレーションにより行われる。テキスチャーは、マトリクス状に配置された複数の凹みを含む。凹みの開口径は０．０５〜０．５０μｍであり、凹みの深さは０．１０〜０．３０μｍであり、隣り合う凹み同士の間隔は１０〜１００μｍである。

上述の表面加工工程は、ＹＡＧレーザー加工によって行われることが好ましい。

以下、図面を参照して、本実施形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［超硬工具］
図１は本実施形態による超硬工具の断面図である。図１を参照して、超硬工具１は基材２と硬質保護膜３とを備える。硬質保護膜３は、基材２の表面上に形成されている。

［基材２の化学組成］
基材２の化学組成は特に限定されない。基材２はたとえば、ＷＣ、Ｃｏ、ＴｉＣ及びＴａＣからなる群から選択される２種以上からなり、少なくともＷＣ及びＣｏを含有する。

炭化タングステン（ＷＣ）は、高硬度及び高融点の炭化物であり、靱性及び抗折強度に優れる。そのため、ＷＣは、主に重切削の環境下で工具寿命を向上させる。さらに、ＷＣの熱伝導率が高いため、切削等の加工時に、超硬工具１に発生する摩擦熱を外部へ逃がすことができる。コバルト（Ｃｏ）はＷＣの結晶粒の粒界に介在する。ＣｏはＷＣ結晶粒のバインダ（結合材）として機能し、ＷＣ結晶粒の粒界すべり強度を高める。

基材２はさらに、任意の成分として、炭化チタン（ＴｉＣ）又は炭化タンタル（ＴａＣ）を含有してもよい。ＴｉＣはＷＣと比較して硬度が高い。そのため、ＴｉＣを含有した場合、超硬工具１の強度が向上する。ＴａＣは化学的安定性が高い。そのため、ＴａＣを含有した場合、超硬工具１の化学的安定性が高まる。したがって、基材２はＷＣ及びＣｏとともに、ＴｉＣ及びＴａＣのいずれか１種以上を含有するのが好ましい。

基材２にはさらに、他の成分が含有されてもよい。他の成分はたとえば、窒化物を形成するための成分である。基材２に窒化物を形成するための成分を含有させることによって、窒化処理により効率的に基材２表面を硬化できる。窒化物を形成するための成分は、窒素との親和力が高い元素を含む成分であればよい。窒素との親和力が高い元素はたとえば、アルミニウム（Ａｌ）、バナジウム（Ｖ）、シリコン（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、ボロン（Ｂ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）及びモリブデン（Ｍｏ）である。

［硬質保護膜３］
超硬工具１は、基材２の表面上に、硬質保護膜３を備える。硬質保護膜３は、テキスチャーを含む表面３１を有する。

［硬質保護膜３の化学組成］
硬質保護膜３は、金属窒化物、金属炭化物、金属炭窒化物及び金属酸化物からなる群から選択される少なくとも１種を含有する。硬質保護膜３は、金属窒化物、金属炭化物、金属炭窒化物及び金属酸化物からなる群から選択される２種以上を含有してもよい。

硬質保護膜３は、超硬工具１の硬度及び潤滑性をさらに高める。硬質保護膜３はたとえば、ＴｉやＡｌを含む金属窒化物、金属炭化物、金属炭窒化物、金属酸化物又はこれらの複合化合物である。硬質保護膜３は、基材２と同等又はそれ以上の硬さを有する。硬質保護膜３はさらに、切削等の加工環境下において十分な化学的安定性を有する。そのため、加工対象材、たとえば、高硬度鋼材との凝着が抑制される。

［テキスチャー］
硬質保護膜３は、テキスチャーを含む表面３１を有する。テキスチャーは、マトリクス状に配置された複数の凹みを含む。凹みの開口径は０．０５〜０．５０μｍであり、凹みの深さは０．１０〜０．３０μｍであり、隣り合う凹み同士の間隔は１０〜１００μｍである。

図２は、硬質保護膜３の表面３１をその法線方向から見た図である。表面３１は、テキスチャーを含む。テキスチャーは微細な凹凸構造を意味する。本実施形態では、テキスチャーはマトリクス状に配置された複数の凹み５を含む。各凹み５は半球状である。テキスチャー（つまり、複数の凹み５）は、レーザーアブレーションにより、表面３１に形成される。

図２に示すとおり、各凹み５の開口は円形である。開口の直径（開口径）は、０．０５〜０．５０μｍである。凹み５の開口径が０．０５μｍ未満であれば、前述した切り屑と超硬工具１との接触面積を小さくするという効果が不十分になる。一方、凹み５の開口径が０．５０μｍより大きければ、レーザーの照射時間が長くなり過ぎる。あるいは、レーザーの出力が高くなり過ぎる。この場合、焼結体である基材２にクラックが入る場合がある。凹み５の開口径が０．５０μｍより大きければさらに、硬質保護膜３の表面粗さが粗くなる。この場合、超硬工具１の潤滑性が低下する。凹み５の開口径が０．５０μｍより大きければさらに、硬質保護膜３の濡れ性が高まる。この場合、半溶融状態の切り屑によって、凹み５が埋まり易くなる。そのため、凝着を抑制できない。したがって、凹み５の開口径は０．０５〜０．５０μｍである。凹み５の開口径の下限は好ましくは０．１μｍである。凹み５の開口径の上限は好ましくは０．３μｍである。

凹み５の深さは、０．１０〜０．３０μｍである。凹み５の深さが０．１０μｍ未満であれば、前述した切り屑と超硬工具１との接触面積を小さくするという効果が不十分になる。一方、凹み５の深さが０．３０μｍより大きければ、レーザーによる表面加工工程の際、加工くずが多量に発生する。加工くずは、凹み５の円周に付着しやすい。凹み５の円周に付着した加工くずは、硬質保護膜３の表面３１上で凸部を形成する。凸部により、硬質保護膜３の表面粗さが大きくなる。この場合、超硬工具１の潤滑性が低下する。凹み５の深さが０．３０μｍより大きければさらに、加工くずが凹み５の内部に溜まりやすい。この場合、切削加工した際の凝着量が増加する。したがって、凹み５の深さは、０．１０〜０．３０μｍである。

マトリクス状に配置された複数の凹み５のうち、隣り合う凹み５同士の間隔は、１０〜１００μｍである。ここで、凹み５の間隔とは、隣り合う凹み５同士の最短のピッチ（間隔）を意味する。ピッチは、隣り合う凹み５同士の中心間の距離で定義される。たとえば、図２のように、Ｘ方向の凹み５の配列ピッチ（間隔）と、Ｙ方向の凹み５の配列ピッチとが等しい場合、隣り合う凹み５同士の最短のピッチ（間隔）は、距離ｃではなく、距離ａ及び距離ｂである。隣り合う凹み５同士の間隔は一定でもよいし、１０〜１００μｍの範囲内で変化してもよい。変化する場合は、規則的に変化しても、変則的に変化してもよい。隣り合う凹み５同士の間隔が変化する場合であっても、切り屑による凝着は抑制される。凹み５の形成は、レーザーアブレーションにより行われる。レーザーアブレーションでは、ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ（ＣＮＣ）方式により隣り合う凹み５同士の間隔を制御する。したがって、生産効率を考慮すれば、隣り合う凹み５同士の間隔は、一定の間隔であることが好ましい。

複数の凹み５の配列は、図２に限定されない。たとえば、図３に示すように、正三角形の頂点に各凹み５が配置されるようなマトリクス状の配置であってもよい。この場合、隣り合う凹み５同士の距離ａ、距離ｄ及び距離ｅはいずれも等しい。したがって、隣り合う凹み５同士の間隔は距離ａ、距離ｄ及び距離ｅである。なお、隣り合う凹み５同士の間隔は、一定であってもよいし、１０〜１００μｍの範囲内で変化してもよい。

隣り合う凹み５同士の間隔が１０μｍ未満であれば、硬質保護膜３の濡れ性が高まる。この場合、半溶融状態の切り屑によって、凹み５が埋まり易くなる。そのため、凝着を抑制できない。一方、隣り合う凹み５同士の間隔が１００μｍより大きければ、硬質保護膜３の表面３１に形成される凹み５の数が少なすぎる。この場合、切り屑と超硬工具１との接触面積を十分に小さくできない。そのため、凝着を抑制できない。

本実施形態において、「マトリクス状に配置された」とは、二次元方向に配置されたことをいう。つまり、凹み５の配置は、図２及び図３に図示された配置に限定されない。

硬質保護膜３の表面は、下地となる基材２の表面性状の影響を受ける。基材２の表面粗さは小さい。したがって、硬質保護膜３の表面粗さも小さい。硬質保護膜３は、基材２の表面上に単層で形成される。あるいは、硬質保護膜３は、基材２の表面上に２層以上積層されてもよい。硬質保護膜３を２層以上積層させた場合、少なくとも最表層の硬質保護膜３の表面３１がテキスチャーを有する。

［中間層］
図４は、図１とは異なる、他の実施形態による超硬工具１０の断面図である。超硬工具１０は、基材２と硬質保護膜３との間にさらに中間層４を有している。超硬工具１０のその他の構成は、図１に示した超硬工具１と同じである。中間層４は、基材２の一部であってもよい。中間層４は、基材２の表面上に付加的に形成される層であってもよい。

中間層４はたとえば、窒化層である。窒化層は、窒化処理により基材２の表層に形成される。窒化処理により、基材２に含まれる一部の元素が窒化物を形成する。窒化物の硬度は高い。そのため、基材２の表面の硬度が高まる。基材２の表面の硬度が高ければ、鋼材の加工時に基材２の表面が変形しにくい。基材２の表面が変形しにくければ、硬質保護膜３の密着力が高まる。基材２が、上述の窒化物を形成するための成分を含有する場合は、さらに基材２の表面の硬度が高まる。

上述の窒化層は、特定の結晶構造を持つ窒化物が含まれてもよい。特定の結晶構造を持つ窒化物はたとえば、六方晶窒化ホウ素である。六方晶窒化ホウ素は、ボロンを含む上述の窒化層を、さらに真空熱処理することにより生成される。六方晶窒化ホウ素は、硬度が高くさらに熱伝導率が高い。そのため、超硬工具１０の耐摩耗性が高まる。他の中間層４はたとえば、炭窒化層である。炭窒化層は、基材２を炭窒化処理することで形成できる。

中間層４は、単層でもよいし、２層以上積層されてもよい。中間層４が２層以上である場合はたとえば、基材２を窒化処理した後にショットピーニング処理をする。これにより、基材２はその表層に窒化層を有し、基材２は窒化層の表層にさらに加工硬化層を有する。加工硬化層は、窒化層よりも硬度が高い。加工硬化層はさらに、表面に微細な凹凸を有する。そのため、硬質保護膜３の密着力が高まる。

超硬工具が中間層４を有する場合は、基材２、中間層４及び硬質保護膜３の順番で積層する。中間層４の表面粗さは小さい。したがって、中間層４の上に形成される硬質保護膜３の表面粗さは小さい。上述の通り、中間層４にショットピーニング処理を施した場合であっても、中間層４の表面粗さは小さいまま維持される。

［製造方法］
本実施形態の超硬工具１の製造方法の一例を説明する。本実施形態の超硬工具１の製造方法は、準備工程、成膜工程及び表面加工工程を備える。以下、各工程を詳述する。

［準備工程］
初めに、基材２を製造する。基材２の製造方法は特に限定されない。たとえば、上述の化学組成に対応する成分を含有した原料の炭化物及び金属粉末を、整粒及び混合して混合原料を製造する。混合原料を所定形状の金型で加圧成形して打ち抜きする。得られた成形体を真空中で焼成して、基材２を製造する。基材２が上述の中間層４を有する場合、基材２を製造した後に、中間層４を形成する。たとえば、基材２に対して窒化処理を実施する。窒化処理の代わりに炭窒化処理を実施してもよい。窒化処理の後に、ショットピーニングを実施してもよい。

［成膜工程］
成膜工程では、準備工程の後に、金属窒化物、金属炭化物、金属炭窒化物及び金属酸化物からなる群から選択される少なくとも１種を含有する硬質保護膜３を形成する。具体的には、基材２に対して、周知の成膜工程を実施する。たとえば、物理蒸着法、化学蒸着法及び溶融塩浴処理法のいずれかを実施する。

物理蒸着は、たとえば以下の方法で行うことができる。硬質保護膜３を構成する金属元素を用いた混合粉末を、円板形状に加圧成形して成形体を製造する。成形体を真空焼結後、スパッタ法又はアークイオンプレーテイング法を用いて、金属成分から金属イオンを電磁気的に励起させる。その後、装置気相中に窒素ガス等を充填させる。充填された窒素ガスは分解して窒素イオンとなる。励起した金属イオンは、直流バイアス電源制御により負に帯電した基材２の表面に引き付けられる。窒素イオンと金属イオンとが基材２の表面で化学結合することにより、基材２の表面に硬質保護膜３が形成される。

硬質保護膜３を、基材２の表面上に形成する。硬質保護膜３を、基材２の表面全体に形成してもよいし、基材２の表面の一部のみに形成してもよい。硬質保護膜３は単層でもよいし、２層以上積層させてもよい。硬質保護膜３を２層以上積層させる場合はたとえば、上述の物理蒸着を２回以上繰り返す。

［表面加工工程］
表面加工工程では、成膜工程の後に、レーザーアブレーションにより、硬質保護膜３の表面３１に半球状の凹み５を有するテキスチャーを形成する。レーザーアブレーションとは、高集束のレーザー光を被加工物に照射して溶解、蒸発させて加工する方法である。レーザー光を当てられると、被加工物を構成する元素が原子、分子、ラジカル、クラスター、液滴及びそれらのイオン等の形で爆発的に放出される。レーザーはたとえば、気体レーザー、固体レーザー、半導体レーザー及び色素レーザーである。気体レーザーはたとえば、ＣＯ₂、ヘリウム・ネオン、アルゴンイオン、エキシマＸｅＦ、エキシマＸｅＣｌ、エキシマＫｒＦ及びエキシマＡｒＦである。固体レーザーはたとえば、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）、ルビーである。ＹＡＧはたとえば、エルビウム・イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｅｒ：ＹＡＧ）、ネオジム・イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）である。表面加工方法で用いるレーザーの種類は特に限定されないが、ＹＡＧレーザーであることが好ましい。

形成するテキスチャーは、マトリクス状に配置された複数の凹み５を含み、凹み５の開口径は０．０５〜０．５μｍであり、凹み５の深さは０．１０〜０．３μｍであり、隣り合う凹み５同士の間隔は１０〜１００μｍである。表面加工工程では、硬質保護膜３を形成した基材２を、レーザーアブレーション装置に固定する。そして、硬質保護膜３の表面３１にレーザー光を照射する。レーザー光の照射条件は、上述の凹み５を有するテキスチャーとなるように適宜設定できる。レーザー光の照射条件はたとえば、ＹＡＧレーザーを使用し、発振波長：２６６ｎｍ、出力：５００Ｗである。テキスチャーは、硬質保護膜３の表面３１全体に形成してもよいし、部分的に形成してもよい。部分的に形成する場合は、たとえば、切削刃の機能を有する部分のみに部分的に形成してもよい。たとえば、超硬工具１の中で、超硬工具１の使用時に特に切り屑との接触が多い部分にのみテキスチャーを形成してもよい。これにより、超硬工具１の生産効率を高めつつ、切り屑による凝着を抑制できる。

［準備工程］
２種類の基材を作製した。基材Ａは、ＷＣ：８５質量％、Ｃｏ：１０質量％、ＴｉＣ：３質量％、ＴａＣ：２質量％を混合し、混合原料を作製した。基材Ｂは、ＷＣ：９０質量％、Ｃｏ：１０質量％を混合し、混合原料を作製した。

混合原料を整粒及び混合し、２００ＭＰａで加圧成形した。得られた成形体に対して、大気中にて、１０００℃で仮焼結を実施した。加熱時間は２時間であった。仮焼結後の成形体に対して、真空中にて、１５００〜１７００℃で本焼結を実施して焼結体を製造した。加熱時間は２時間であった。以上の工程により、基材を準備した。

［成膜工程］
各基材上に硬質保護膜を成膜した。成膜工程として物理蒸着法（ＰＶＤ）を用いた。具体的には、アークイオンプレーティング法（ＡＩＰ）を用いた。Ｔｉ及びＡｌを用いた混合粉末を、円板形状に加圧成形して成形体を製造した。成形体を真空焼結後、スパッタ法を用いて、金属成分を電気的に励起させた。その後、装置気相中に窒素ガスを充填させた。励起させた金属成分と基材の成分とを、基材の表面上にて化学結合させて、ＴｉＡｌ−Ｎからなる硬質保護膜を３．０μｍ厚で成膜した。

［表面加工工程］
得られた基材に、表１に示す直径、深さ及び間隔を有する凹みを有するテキスチャーを、ＹＡＧレーザー加工により形成した。レーザー照射の条件は、発振波長：２６６ｎｍ、出力：５００Ｗであった。凹みは、図２に示すとおり、横方向Ｘ及び縦方向Ｙにそれぞれ等間隔に形成した。形成した凹みの間隔は全て同じであった。試験番号１０及び試験番号１１の基材には、表面加工工程を実施しなかった。

[表面粗さ測定試験]
各試験番号の硬質保護膜の表面粗さを測定した。具体的には、株式会社ミツトヨ製、Ｓｕｒｆ Ｓｃａｎ、ＳＶ−６００型表面粗さ測定器を用いて評価した。表面粗さ触針（ダイアモンド製；外径２５μｍ）を用い、室温、荷重；０．１Ｎ、測定速度；０．５ｍｍ／秒として、硬質保護膜の任意表面を試験片の長手方向及び長手方向と直交する方向の双方１０ｍｍ長で計測し、双方向の平均値を以て表面粗さとした。表面粗さは、ＪＩＳ規格Ｂ０６０１（１９９４）に定める「算術平均粗さ；Ｒａ」を採用した。測定結果を表１に示す。

［凝着量測定試験］
各試験番号の超硬工具を用いて切削加工した際の凝着量を測定した。使用した被削材は、ＳＵＳ３０４（１８Ｃｒ−８Ｎｉ鋼）であった。被削材は、直径２２ｍｍの鋼管であった。超硬工具を固定し、被削材を回転させて切削加工を実施した。切削条件は、切削速度１００ｍ／分、切込量０．５ｍｍ、及び、送り量０．１ｍｍ／回転であった。切削加工は、水溶性切削油を噴射しながら実施した。切削長（切削加工開始地点から、切削加工終了地点までの鋼管の長手方向の距離）が１００ｍｍに到達した時点で、超硬工具に固着した凝着量を測定した。

凝着量の測定には、エネルギー分散形Ｘ線分析装置付き走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ−ＥＤＳ）（日本電子製、ＪＳＭ−７１００型ＦＥＳＥＭ）を用いて測定した。超硬工具の刃先部位の任意の５箇所を走査型電子顕微鏡にて観察し、組成を分析した。測定倍率１，０００倍で、加速電圧；１５ｋＶ、照射電流；最大２００ｎＡの電子ビームを照射し、ｋα線のＸ線強度を測定した。各元素のＸ線強度をもとに、それぞれの金属元素の含有量（質量％）を算出し、測定値とした。接触面積１ｍｍ²当たりのＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉ及びＴｉの質量％を５箇所測定の平均値で算出した。各測定値を以下の式（１）に代入し、凝着量を算出した。結果を表１に示す。式（１）において、Ｆｅ、Ｃｒ及びＮｉは、ＳＵＳ３０４に含有される元素であり、Ｔｉは、超硬工具に含有される元素である。
（［Ｆｅ］＋［Ｃｒ］＋［Ｎｉ］）／（［Ｆｅ］＋［Ｃｒ］＋［Ｎｉ］＋［Ｔｉ］）×１００ （１）
ここで、［Ｆｅ］とは、測定により得られたＦｅの質量％を意味する。同様に他の元素についても、測定により得られた各元素の質量％を意味する。

［切削加工寿命測定試験］
各試験番号の超硬工具を用いて、切削加工した際の切削加工寿命を測定した。２種類の被削材を準備した。被削材は、ＳＵＳ３０４（１８Ｃｒ−８Ｎｉ鋼）及びＩｎｃｏｎｅｌ ８００（２１Ｃｒ−３２．５Ｎｉ合金）であった。被削材は、直径２２ｍｍの鋼管であった。被削材に対して、切削速度１００ｍ／分、切込量０．５ｍｍ、及び、送り量０．１ｍｍ／回転の切削条件で切削加工を実施した。切削加工は、水溶性切削油を噴射しながら実施した。超硬工具の刃先に異常（欠損等）を確認するまで切削加工を実施した。切削加工を停止するまでの切削長（ｍｍ）（切削加工開始地点から、切削加工終了地点までの鋼管の長手方向の総距離）を切削加工寿命とした。結果を表１に示す。

［評価結果］
評価結果を表１に示す。表１を参照して、試験番号１〜試験番号９の超硬工具の硬質保護膜の表面は、適切な直径、深さ及び間隔の凹みを有するテキスチャーを有した。そのため、硬質保護膜の表面粗さＲａが０．３０μｍ以下であり、優れた潤滑性を示した。さらに、試験番号１〜試験番号９の超硬工具を用いて切削加工した場合の凝着量は、３５質量％以下であった。さらに、試験番号１〜試験番号９の超硬工具を用いて切削加工した場合、被削鋼材がＳＵＳ３０４では、切削加工寿命が１０００ｍｍ以上であった。試験番号１〜試験番号９の超硬工具を用いて切削加工した場合、被削鋼材がＩｎｃｏｎｅｌ ８００では、切削加工寿命が３００ｍｍ以上であった。つまり、試験番号１〜試験番号９の超硬工具は、優れた工具寿命を示した。

一方、試験番号１０及び試験番号１１の超硬工具は、表面加工工程を実施しなかった。そのため、硬質保護膜の表面粗さＲａは０．３０μｍ以下であったものの、切削加工した場合の凝着量は３５質量％を超えた。さらに、試験番号１０及び試験番号１１の超硬工具を用いて切削加工した場合、被削鋼材がＳＵＳ３０４では、切削加工寿命が１０００ｍｍ未満であった。試験番号１０及び試験番号１１の超硬工具を用いて切削加工した場合、被削鋼材がＩｎｃｏｎｅｌ ８００では、切削加工寿命が３００ｍｍ未満であった。

試験番号１２の超硬工具は、硬質保護膜の表面に形成した凹みの直径が０．５０μｍより大きかった。そのため、硬質保護膜の表面粗さＲａが０．３３μｍであった。さらに、切削加工した場合の凝着量が３８質量％であった。さらに、試験番号１２の超硬工具を用いて切削加工した場合、被削鋼材がＳＵＳ３０４では、切削加工寿命が８８０ｍｍであった。試験番号１２の超硬工具を用いて切削加工した場合、被削鋼材がＩｎｃｏｎｅｌ ８００では、切削加工寿命が２６０ｍｍであった。

試験番号１３の超硬工具は、硬質保護膜の表面に形成した凹みの深さが０．４０μｍであった。そのため、硬質保護膜の表面粗さＲａが０．４２μｍであった。さらに、試験番号１３の超硬工具を用いて切削加工した場合の凝着量は３８質量％であった。さらに、試験番号１３の超硬工具を用いて切削加工した場合、被削鋼材がＳＵＳ３０４では、切削加工寿命が９２０ｍｍであった。試験番号１３の超硬工具を用いて切削加工した場合、被削鋼材がＩｎｃｏｎｅｌ ８００では、切削加工寿命が２７０ｍｍであった。

試験番号１４の超硬工具は、硬質保護膜の表面に形成した凹み同士の間隔が１０５μｍであった。そのため、硬質保護膜の表面粗さは０．３０μｍ以下であったものの、試験番号１４の超硬工具を用いて切削加工した場合の凝着量が３９質量％であった。さらに、試験番号１４の超硬工具を用いて切削加工した場合、被削鋼材がＩｎｃｏｎｅｌ ８００では、切削加工寿命が２６０ｍｍであった。

試験番号１５の超硬工具は、硬質保護膜の表面に形成した凹み同士の間隔が５μｍであった。そのため、硬質保護膜の表面粗さは０．３０μｍ以下であったものの、試験番号１５の超硬工具を用いて切削加工した場合の凝着量が４０質量％であった。さらに、試験番号１５の超硬工具を用いて切削加工した場合、被削鋼材がＩｎｃｏｎｅｌ ８００では、切削加工寿命が２３０ｍｍであった。

以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。

１、１０ 超硬工具
２ 基材
３ 硬質保護膜
３１ 硬質保護膜表面
５ 凹み

Claims (3)

1. 基材と、
   前記基材の表面上に形成されており、金属窒化物、金属炭化物、金属炭窒化物及び金属酸化物からなる群から選択される少なくとも１種を含有し、テキスチャーを含む表面を有する硬質保護膜とを備え、
   前記テキスチャーは、マトリクス状に配置された複数の凹みを含み、前記凹みの開口径は０．０５〜０．５０μｍであり、前記凹みの深さは０．１０〜０．３０μｍであり、隣り合う前記凹み同士の間隔は１０〜１００μｍである、超硬工具。
2. 基材を準備する工程と、
   金属窒化物、金属炭化物、金属炭窒化物及び金属酸化物からなる群から選択される少なくとも１種を含有する硬質保護膜を、前記基材の表面上に形成する工程と、
   マトリクス状に配置された複数の凹みを含み、前記凹みの開口径は０．０５〜０．５０μｍであり、前記凹みの深さは０．１０〜０．３０μｍであり、隣り合う前記凹み同士の間隔は１０〜１００μｍであるテキスチャーを、レーザーアブレーションにより前記硬質保護膜の表面に形成する工程とを備える、超硬工具の製造方法。
3. 請求項２に記載の超硬工具の製造方法であって、
   前記テキスチャーを形成する工程では、ＹＡＧレーザー加工によって前記テキスチャーを形成する、超硬工具の製造方法。

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