WO2006046498A1

WO2006046498A1 - 表面被覆切削工具

Info

Publication number: WO2006046498A1
Application number: PCT/JP2005/019476
Authority: WO
Inventors: Yoshio Okada; Naoya Omori; Minoru Itoh; Norihiro Takanashi; Shinya Imamura; Susumu Okuno
Original assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp.
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2005-10-24
Publication date: 2006-05-04
Also published as: EP1806193A4; EP1806193B1; CN100496824C; US8012611B2; IL182724A0; KR20070041791A; CN101048250A; JPWO2006046498A1; JP4680932B2; KR100817658B1; EP1806193A1; IL182724A; US20070292670A1

Abstract

　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（１）であって、該被膜は、ＴｉＣＮからなる第１被膜と、α型Ａｌ2Ｏ3からなる第２被膜とを含み、該第１被膜は、上記基材と上記第２被膜との間に位置し、該第２被膜は、刃先稜線部（４）からすくい面（２）の方向と逃げ面（３）の方向とにそれぞれ少なくとも０．５ｍｍの距離をもって広がった領域Ａ１において圧縮応力Ｓ１を有し、この領域Ａ１以外の領域Ａ２において引張応力Ｓ２を有するとともに、該圧縮応力Ｓ１と該引張応力Ｓ２とが以下の式（Ｉ）によって規定されることを特徴とする表面被覆切削工具（１）に係るものである。　　　　４００ＭＰａ≦｜Ｓ１－Ｓ２｜≦３５００ＭＰａ・・・（Ｉ）

Description

明細書

表面被覆切削工具

技術分野

[0001] 本発明は、ドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型チップ、エンドミル用刃先交換型チップ、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削加工用刃先交換型チップ、メタルソ一、歯切工具、リーマ、タップなどの切削工具に関し、特にその表面に靭性ゃ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。背景技術

[0002] 従来、切削用の工具としては、超硬合金 (WC— Co合金もしくはこれに Ti (チタン）や Ta (タンタル）、 Nb (ニオブ)等の炭窒化物を添加した合金）が用いられてきた。しかし、近年の切削の高速ィ匕に伴い、超硬合金、サーメット、立方晶型窒化硼素焼結体あるいはアルミナ系ゃ窒化珪素系のセラミックスを基材として、その表面に CVD (C hemical Vapor Depositionノ法ゃ PVD (Physical Vapor Deposition)法で、元素周期律表の IVa族元素、 Va族元素、 Via族元素、 A1 (アルミニウム）、 Sほたは B 力選ばれる 1種以上の第 1元素と、 B、 C、 Nまたは O力選ばれる 1種以上の第 2元素とからなる化合物（ただし第 1元素が Bのみの場合、第 2元素は B以外とする）による被覆が 1層以上被覆され、その被覆層の厚みが 3〜20 mである硬質合金工具の使用割合が増大している。

[0003] このような切削工具は、切削加工時において被削材の切り屑と接触するすくい面と、被削材自体に接触する逃げ面とを有し、このすくい面と逃げ面とが交差する稜に相当する部分 (およびその近傍部）が刃先稜線部と呼ばれる。

[0004] 近年、切削加工能率を一層向上させるため、切削速度がより高速になってきており、そのことに伴いこのような切削工具には一層の耐摩耗性が要求されるようになってきている。しかし、高い耐摩耗性を要求すると靭性が低下するということから、高い耐摩耗性および高、靭性の双方を両立させることが要求されて、る。

[0005] このような要求に応える試みとして、たとえば、特開平 05— 177411号公報（特許文献 1)は、基材上に化学的蒸着法 (CVD法）により高温で被覆層を形成した後、それを室温まで冷却した場合に生じる該被覆層の残留引張応力に注目し、この引張応力が切削工具の靭性の低下をもたらすとしてそれに対する解決策を提案している。すなわち、この引張応力は該基材と該被覆層との熱膨張係数の差に起因して発生するものであるが、このような引張応力を有する第 1被覆層をまず基材上に形成し、この第 1被覆層に対して所定の亀裂を形成した後に、その第 1被覆層上に圧縮応力を有する第 2被覆層を形成することにより、高い耐摩耗性を維持しつつ靭性 (耐欠損性 )を向上させると、う手法が採用されて、る。

[0006] また、特開平 05— 177412号公報 (特許文献 2)には、上記同様被覆層の引張応力に注目している力上記とは異なるアプローチが採用されており、硬質セラミックス基材上に引張応力を有する内側被覆層を形成し、その上に圧縮応力を有する外側被覆層を形成する構成のものが提案されている。また、特開平 05— 177413号公報 (特許文献 3)には、サーメットを基材とする特許文献 2と同様の構成の切削工具が提案されている。

[0007] 一方、特開平 06— 055311号公報 (特許文献 4)は、超硬合金製の基材上に化学蒸着法により硬質被覆層を形成した切削工具にお！ヽて、逃げ面部分の硬質被覆層のもつ引張応力を保持したまま、すくい面部分の硬質被覆層の引張応力を実質的に除去してなる切削工具を提案して、る。

[0008] また、特許第 3087465号公報 (特開平 06— 079502号公報、特許文献 5)は、炭窒化チタン基サーメット基体の表面に圧縮応力分布が切刃全体に亘つて実質的に同じである硬質被覆層を形成し、該硬質被覆層に対してショットブラスト処理を施すことにより、すくい面部分のもつ圧縮応力を逃げ面部分のもつ圧縮応力よりも 49MPa 以上大きくさせた切削工具を提案している。

[0009] しかし、上記のような各提案においては、ある程度の靭性と耐摩耗性との両立を図ることはできるものの、昨今の切削工具を取り巻く状況の下、切削工具にはさらに高度な性能が要求されており、そのような性能を十分に満たす切削工具の開発が求められている。

特許文献 1：特開平 05— 177411号公報

特許文献 2：特開平 05— 177412号公報特許文献 3：特開平 05— 177413号公報

特許文献 4：特開平 06— 055311号公報

特許文献 5：特許第 3087465号公報 (特開平 06— 079502号公報）

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0010] 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靭性と耐摩耗性とを高度に両立させた表面被覆切削工具を提供することにある。課題を解決するための手段

[0011] 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、基材を被覆する被膜として特定の素材のものを選択するとともに、基材を複数の層で被覆する場合の各層単位での応力の調整や、すく!、面 Z逃げ面と、つた面単位での応力の調整ではなぐ被膜の特定部位に着目し、その部位の応力を他の部位の応力とは異なるものに調整することが靭性と耐摩耗性との両立には最も効果的であるという知見を得、この知見に基づきさらに研究を重ねることによりついに本発明を完成させるに至つたものである。

[0012] 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、 TiCN力なる第 1被膜と、ひ型 Al O力なる第 2被膜と

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を含み、該第 1被膜は、上記基材と上記第 2被膜との間に位置し、該第 2被膜は、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. 5mmの距離をもって広がった領域 A1において圧縮応力 S1を有し、この領域 A1以外の領域 A 2において引張応力 S2を有するとともに、該圧縮応力 SIと該引張応力 S2とが以下の式 (I)によって規定されることを特徴とする表面被覆切削工具に係るものである。

400MPa≤ I S1 -S2 | ≤3500MPa- · · (I)

[0013] また、上記第 1被膜は、引張応力を有するか、または引張応力が解放されて実質的に応力を有してヽな、ものとすることができる。

[0014] また、上記第 1被膜は、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. 5mmの距離をもって広がった領域 A1におヽて引張応力 SS 1を有し、この領域 A1以外の領域 A2において引張応力 SS2を有するとともに、該引張応力 SSIと該引張応力 SS2とが以下の式 (Π)によって規定されるものとすることができる。

0≤ I SS1 -SS2 I ≤500MPa- - - (II)

[0015] また、上記第 1被膜は、アスペクト比が 3以上である柱状構造を有するとともに、その平均粒径が 0. 05 μ m以上 1. 5 μ m以下である結晶糸且織を有するものとすることができる。また、上記第 1被膜は、 2〜20 mの厚みを有し、上記第 2被膜は、 0. 5〜20 μ mの厚みを有するものとすることができる。

[0016] また、上記第 1被膜は、さらに酸素を含有することができ、また元素周期律表の IVa 族元素、 Va族元素、 Via族元素、 Si、 Y、 Βおよび S力もなる群力も選ばれる少なくとも 1種の元素を含有することもできる。また、上記第 2被膜は、さらに元素周期律表の I Va族元素、 Va族元素、 Via族元素、 Si、 Y、 Βおよび S力もなる群力も選ばれる少なくとも 1種の元素を含有することができる。

発明の効果

[0017] 本発明の表面被覆切削工具は、上記の通りの構成を有することにより、靭性と耐摩耗性とを高度に両立させたものである。

図面の簡単な説明

[0018] [図 1]切削加工時における表面被覆切削工具と被削材との接触状態を模式的に示した概略図である。

[図 2]表面被覆切削工具の概略斜視図である。

[図 3]刃先稜線部 (シャープエッジ)の概略拡大断面図である。

[図 4]刃先処理された刃先稜線部の概略拡大断面図である。

[図 5]面取り処理された刃先稜線部の概略拡大断面図である。

[図 6]表面被覆切削工具の概略断面図である。

符号の説明

[0019] 1 表面被覆切削工具、 2 すくい面、 3 逃げ面、 4 刃先稜線部、 5 被削材、 6 切り屑、 7 貫通孔、 8 基材、 9 被膜、 10 第 1被膜、 11 第 2被膜。

発明を実施するための最良の形態

[0020] 以下、本発明についてさらに詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明では、図面を用いて説明している力本願の図面において同一の参照符号を付したものは、同一部分または相当部分を示している。

[0021] <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構成を有している。

[0022] このような表面被覆切削工具 1は、図 1に示したように切削加工時において被削材 5 の切り屑 6と接触するすくい面 2と、被削材自体に接触する逃げ面 3とを有し、このすくい面 2と逃げ面 3とが交差する稜に相当する部分が刃先稜線部 4と呼ばれ、被削材 5を切削する中心的作用点となっている。そして、本発明者の研究により、図 2〜5に示したようにこの刃先稜線部 4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. 5mmの距離をもって広がった領域 A1が、実質的に被削材に対して切削に関与する部分となることが判明した。

[0023] ここで、本発明の刃先稜線部 4とは、図 3に示したようにすくい面 2と逃げ面 3とが交差する稜に相当する部分 (シャープエッジ)をいうば力りではなぐ図 4に示したよう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、図 5に示したように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ものとする。

[0024] また、この刃先稜線部 4からすくい面 2の方向と逃げ面 3の方向とにそれぞれ少なくとも 0. 5mmの距離をもって広がった領域 A1とは、図 2〜5により明らかなように刃先稜線部 4を中心としてすくい面 2側および逃げ面 3側の両方向に所定の幅をもって広がった領域であって、その広がりの幅が刃先稜線部 4の端部（図 3のようにシャープェッジの場合はそのシャープエッジ部）力それぞれ少なくとも 0. 5mmであることを!、うものとする。

[0025] また、この領域 A1は、このように刃先稜線部 4から少なくとも 0. 5mmの幅を有することが必要となるが、これは該領域 A1が上述のように被削材に対する切削に関与する領域だからである。したがって、該領域 A1の幅の最大値は、あくまでも該領域 A1 が実質的に切削に関与する領域であるということを考慮すると、切削加工時の切込みの深さに依存して変動することになる（なお、切込み深さはチップブレーカに依存する）。すなわち、すくい面方向の幅は、深く切り込んだ場合に切り屑（主分力の働く範囲）と接触する幅も大きくなることからその最大値は 10mm程度とする必要がある場合もある。しかし、通常は 5mm以下、より好ましくは 4mm以下、さらに好ましくは 3m m以下で十分である。一方、逃げ面方向の幅は、切り屑と接触することがないことから、切り込みの深さにはほとんど影響されることはなぐ通常その最大値は 3mm以下で十分である。したがって、該領域 A1の幅は、 0. 5mm以上 3mm以下とすることが特に好ましい。

[0026] このように、該領域 A1の幅が切削に関与する部分よりも小さくなる場合は、切削に関与する部分の全てを包含することができなくなるため、この領域 A1の応力の調整による靭性と耐摩耗性の両立を図るという効果が示されなくなる。また、該領域 A1の幅が上記のような最大値を超えると、実質的に切削に関与しない部分も処理する必要性があるため、処理にコストを要し経済的に不利となる。よって、該領域 A1の幅は、切削加工の条件を考慮して、特に切込み深さとの関係から適宜最適値を選択することが好ましい。

[0027] このような表面被覆切削工具は、たとえばドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型チップ、エンドミル用刃先交換型チップ、フライス加工用刃先交換型チップ、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、タップなどとして用いることができる。

[0028] なお、このような表面被覆切削工具 1は、たとえば刃先交換型チップである場合には図 2に示したようにその中央部に貫通孔 7を設けることができ、これにより工具本体に取り付けることができる。このような貫通孔 7は、必要に応じ、この貫通孔の他に又はその代わりに別の固定手段を設けることもできる。

[0029] く基材>

上記基材としては、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、このような基材として、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、酸化アルミニゥムなど)、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、または酸ィ匕アルミニウムと炭化チタンとからなる混合体等を挙げることができる。

[0030] このような種々の基材の中でも、特に本発明におヽては超硬合金 (WC基超硬合金 )を用いることが好ましい。これは、高硬度なタングステンカーバイドを主体としてコバルトなどの鉄族金属を含有することで、高硬度と高強度とを併せ持った切削工具用の基材として極めてバランスのとれた合金だ力もである。

[0031] <被膜>

図 6に示したように上記基材 8上に形成される被膜 9は、主として更なる靭性の向上と更なる耐摩耗性の向上とを目的として形成されるものであり、 TiCN力もなる第 1被膜 10と、 α型 Al Ο力なる第 2被膜 11とを含むものである。

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[0032] なお、このような被膜は、被膜と基材との密着性をさらに向上させたり、第 1被膜と第 2被膜との密着性をさらに向上させたり、あるいは被膜表面の状態を改良したりすることを目的として、上記第 1被膜と上記第 2被膜以外の第 3の被膜を含むことができる。

[0033] このような第 3の被膜としては、たとえば TiN、 TiC、 TiCO、 TiBN、 ZrCN、 TiZrC N、 A1N、 A10N、 TiAIN等を挙げることができる。

[0034] なお、このような第 3の被膜は、 1層または 2層以上形成することができ、その積層の態様も特に限定されるものではなぐたとえば基材と第 1被膜との間、第 1被膜と第 2 被膜との間、あるいは第 2被膜の表面等、任意の 1以上の積層箇所に形成することができる。

[0035] 以下、第 1被膜と第 2被膜について説明するが、説明の便宜上、第 2被膜から説明する。

[0036] <第 2被膜 >

本発明の第 2被膜は、 α型 Al Οカゝらなるものである。このような素材で構成される

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第 2被膜を、基材の最表面または最表面近傍に形成することにより、基材の酸化を効果的に防止するとともに切削加工時において被削材の構成元素が基材側に拡散することを極めて有効に防止することができる。

[0037] このような第 2被膜は、 α型 Al Ο単独で構成することができるが、さらに元素周期律表の IVa族元素（Ti、 Zr、 Hf等）、 Va族元素（V、 Nb、 Ta等）、 Via族元素（Cr、 M o、 W等）、 Si、 Y、 Bおよび Sからなる群力も選ばれる少なくとも 1種の元素を含有していても良い。また、そのような元素の含有の形態も特に限定されるものではなぐたとえば、そのような元素が上記 α型 Al Οの結晶格子の正規の位置に置換型として入

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る場合、該結晶格子間に侵入型として入る場合、金属間化合物を形成する場合、非晶質として存在する場合等、いずれの形態でも良い。

[0038] また、そのような元素の濃度分布は、該元素が被膜中に均質に分布する場合、結晶粒界にぉ、て高濃度または低濃度で分布する場合、該被膜の表面部分にお!、て高濃度または低濃度で分布する場合等、 Vヽずれの濃度分布を有するようにして存在していても差し支えない。なお、該元素の含有濃度は、 α型 AI Oの A1に対して 0. 0

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1〜30原子％で含有されることが好ましぐより好ましくは、その上限が 20原子％、さらに好ましくは 10原子％、その下限が 0. 05原子％、さらに好ましくは 0. 1原子％である。 0. 01原子％未満では、このような元素を含有すること〖こよりもたらされる効果（たとえば高温時にぉ、て高硬度を示したり高強度を示したり、あるいは良好な潤滑性が付与される等の効果)が示されない場合があり、また 30原子％を超えると、当該第 2被膜の結晶格子が歪み硬度や強度が低下する場合がある。

[0039] また、このような第 2被膜は、 0. 5〜20 μ mの厚みで形成することが好ましぐより好ましくは、その上限が 10 μ m、さらに好ましくは 5 μ m、その下限が 1 μ m、さらに好ましくは 1. 5 mである。 0. 5 m未満では、当該第 2被膜自体の化学的な安定性が損なわれ、凝着摩耗や拡散摩耗等の摩耗の進行が早まる場合があり、また 20 mを超えると、膜の強度が損なわれ、膜の剥離ゃチッビングが生じ、最終的には欠損に至る場合がある。

[0040] そしてこのような第 2被膜は、刃先稜線部力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. 5mmの距離をもって広がった領域 A1において圧縮応力 S1を有し、この領域 A1以外の領域 A2において引張応力 S2を有するとともに、該圧縮応力 S 1と該引張応力 S2とが以下の式 (I)によって規定されることを特徴として、る。

400MPa≤ I S1 -S2 | ≤3500MPa- · · (I)

[0041] 前述の通り、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. 5mmの距離をもって広がった領域 Alは、実質的に被削材に対して切削に関与する部分であり、この部分の応力を圧縮応力 S1とすることにより靭性が飛躍的に向上したものとなる。ここで圧縮応力とは、被膜に存する内部応力（固有ひずみ）の一種であって、「一」（マイナス）の数値（単位： MPa)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。

[0042] また、このような第 2被膜においては、さらに上記領域 A1以外の領域 A2における応力を引張応力 S2とすることにより、膜の密着力を保ち、延いては耐摩耗性の維持を図ったものである。ここで引張応力とは、これも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（単位： MPa)で表される応力をいう。このため、引張応力が大きいという概念は、上記数値が大きくなることを示し、また、引張応力が小さいという概念は、上記数値が小さくなることを示す。

[0043] そしてさらに、本発明の第 2被膜においては、上記圧縮応力 S1と上記引張応力 S2 とが上記の式 (I)によって規定されることを特徴としている。これにより、特に高度なレベルでの靭性と耐摩耗性との両立を図ることが可能となったものである。上記において、圧縮応力 S1と引張応力 S2の差の絶対値（ I S1 -S2 I )が、400MPa未満になると、靭性の向上作用を十分に達成させることができなくなる一方、 3500MPaを超えると、この第 2被膜が下地力剥離するという状態を招く恐れがある。圧縮応力 S1と引張応力 S2の差の絶対値（ I S1 -S2 I )は、より好ましくは、その上限が 3000MP a、さらに好ましくは 1700MPa、その下限が 700MPa、さらに好ましくは lOOOMPa である。

[0044] 本発明の第 2被膜において、上記のような応力分布を形成させる方法としては特に限定されるものではないが、たとえば基材として前述のような超硬合金を使用し、 a 型 Al Oカゝらなる被膜を公知の化学的蒸着法 (CVD法）により形成し、この被膜は通

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常引張応力を有したものとなるのでこの被膜の刃先稜線部力も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. 5mmの距離をもって広がった領域 A1に対してブラシ処理、ブラスト処理 (たとえばサンドブラスト処理やウエットブラスト処理を含む )、ショットピーユング処理または PVDのボンバード処理等の各種手法により圧縮応力を付与することにより所望の応力分布を形成することができる。

[0045] 一方、このような a型 Al O力なる被膜は、公知の物理的蒸着法 (PVD法）により

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形成することもでき、この場合この被膜は通常圧縮応力を有したものとなるので、この被膜の刃先稜線部力すく、面の方向と逃げ面の方向とにそれぞれ少なくとも 0. 5 mmの距離をもって広がった領域 A1以外の領域 A2に対して加熱処理、レーザー処理または高周波処理等の各種手法による処理を施すことによりその部分の圧縮応力を解放し、引張応力を付与するという方法を採用することもできる。

[0046] なお、このような応力分布は、 X線応力測定装置による sin² φ法により、測定回折面として α型 Al Οの（116)面を選択することにより測定することができる。上記領域 A

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1と A2は、それぞれ所定の面積を有するものであるため、上記圧縮応力 S1と上記引張応力 S2はそれぞれ各領域に含まれる任意の点 10点（これらの各点は各領域の応力を代表できるように互、に 0. 5mm以上の距離を離して選択することが好ま、）の応力をこの方法により測定し、その平均値を求めることにより測定することができる

[0047] このような X線を用いた sin² φ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。

[0048] なお、上記のように応力分布を 2 Θ -sin φ線図から求めるためには、被膜のヤング率とポアソン比が必要となる。しかし、該ヤング率はダイナミック硬度計等を用いて測定することができ、ポアソン比は材料によって大きく変化しないため 0. 2前後の値を用いればよい。本発明では、特に正確な応力値が重要となるわけではなぐ応力差が重要である。このため、 2 Θ— sin² φ線図から応力差を求めるに際して、ヤング率を用いることなく格子定数および格子面間隔を求めることにより応力分布の代用とすることちでさる。

[0049] なお、本発明の第 2被膜が上記のように元素周期律表の IVa族元素、 Va族元素、

Via族元素、 Si、 Y、 Βおよび Sからなる群力も選ばれる少なくとも 1種の元素を含有する場合においても、ほぼ同等の 2 Θの位置に（116)面が存在するため、上記と同様にして応力を測定することができる。 [0050] <第 1被膜 >

本発明の第 1被膜は、上記基材と上記第 2被膜との間に位置し、 TiCNからなるものである。上記 α型 Al Ο力なる第 2被膜は、上記のような優れた効果を有するもので

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あるが、相対的に脆いという特性を有しており、このため耐アブレッシブ摩耗性が特に重視される切削温度が比較的低い用途においてより高度な耐摩耗性が求められることがある。本発明の第 1被膜は、正しくこのような要求を満たすことを目的として形成されるものであり、それ自身高温での切削で酸化され易、と、う特性があるものの非常に高い硬度を有することから、上記第 2被膜と基材との間に位置することにより、耐摩耗性を飛躍的に向上させる作用を奏するものである。

[0051] このような第 1被膜は、 TiCN単独で構成することができるが、さらに酸素を含有していても良い。また、このような酸素の含有の形態も特に限定されるものではなぐたとえば、酸素が上記 TiCNの結晶格子の正規の位置に置換型として入る場合、該結晶格子間に侵入型として入る場合、非晶質として存在する場合等、いずれの形態でも良い。

[0052] また、第 1被膜は、上記のように酸素が含まれる場合の他、元素周期律表の IVa族元素、 Va族元素、 Via族元素、 Si、 Y、 Βおよび S力もなる群力も選ばれる少なくとも 1 種の元素を含有することもできる。これらの元素は、酸素とともにあるいは酸素を含むことなくそれ単独で含有されることができる。

[0053] このように第 1被膜は、 TiCN単独で構成される他、 TiCNを主構成とし、酸素をはじめとする上記のような各元素を含むこともできる。

[0054] また、このような酸素等の元素の濃度分布は、該元素が被膜中に均質に分布する場合、結晶粒界において高濃度または低濃度で分布する場合、該被膜の表面部分にお、て高濃度または低濃度で分布する場合等、 V、ずれの濃度分布を有するようにして存在していても差し支えない。なお、このような酸素等の元素の含有濃度は、 Ti CNの Cおよび Nの合計に対して 0. 1〜40原子％で含有されることが好ましぐより好ましくは、その上限が 30原子％、さらに好ましくは 20原子％、その下限が 1原子％、さらに好ましくは 5原子％である。 0. 1原子％未満では、酸素等の元素を含有することによりもたらされる効果 (たとえば結晶粒の微細化等)が示されない場合があり、また 40原子％を超えると、膜の結晶格子が歪み硬度や強度が低下する場合がある。

[0055] また、このような第 1被膜は、 2〜20 μ mの厚みで形成することが好ましぐより好ましくは、その上限が 15 μ m、さらに好ましくは 10 μ m、その下限が 2. 5 m、さらに好ましくは 3 μ mである。 2 μ m未満では、摩耗が進行し、これにより基材が露出することによりさらに摩耗が著しく進行する場合があり、またを超えると、膜の強度が損なわれ、膜の剥離ゃチッビングが生じ、最終的には欠損に至る場合がある。

[0056] また、このような第 1被膜は、アスペクト比が 3以上である柱状構造を有するとともに、その平均粒径が 0. 05 111以上1. 5 m以下である結晶組織を有していることが好ましい。このような結晶組織を有することにより、さらに耐アブレッシブ摩耗性を向上させることができる。ここでアスペクト比とは、第 1被膜に含まれる結晶の平均粒径を以下のような方法で測定し、第 1被膜の膜厚をこの平均粒径で除した数値をいう。このような平均粒径の測定は、当該第 1被膜の断面を鏡面加工するとともに結晶の粒界をエッチングした後、当該第 1被膜の膜厚の 1Z2の地点における各結晶の幅 (膜厚の方向に対して垂直となる方向の各結晶の幅）を測定し、その幅の平均値を平均粒径とすることにより測定できる。

[0057] このようなアスペクト比が 3未満の場合、耐アブレッシブ摩耗性を向上させることができなくなることがある。また、このアスペクト比は、数値が大きくなる程耐アブレツシブ摩耗性が向上するため、あえてその上限を規定する必要はないが、アスペクト比が 300 を超えるものは、結晶が細力べなりすぎて、組織が脆くなり耐欠損性が悪くなる場合がある。アスペクト比として、より好ましくは 7〜200であり、さらに好ましくはその上限が 1 00、特に好ましくは 50、その下限が 15、特に好ましくは 20である。

[0058] また、平均粒径が 0. 05 μ m未満の場合、結晶が細力べなりすぎて、組織が脆くなり耐欠損性が悪ィ匕することがある。平均粒径が 1. 5 /z mを超えると、結晶の組織が粗くなり表面の凹凸も悪ィ匕し、切り屑の流れなど切削抵抗が悪ィ匕することがある。平均粒径として、より好ましくは 0. 1 111以上1. O /z m以下であり、さらに好ましくはその上限力 ^0. 6 m、特に好ましく ίま 0. 4 m、その下限力 ^0. 15 m、特に好ましく ίま 0. 2 μ mである。

[0059] このような第 1被膜は、引張応力を有するか、または引張応力が解放されて実質的に応力を有して、な、ことが好ま U、。第 1被膜の応力をこのような応力とすることにより、基材との間で高度な密着性を得ることができるとともに、特に優れた耐摩耗性を実現させることができる。

[0060] さらに、このような第 1被膜は、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. 5mmの距離をもって広がった領域 A1において引張応力 SS1 を有し、この領域 A1以外の領域 A2において引張応力 SS2を有するとともに、該引張応力 SS1と該引張応力 SS2とが以下の式 (Π)によって規定されたものとすることが好ましい。

0≤ I SS1 -SS2 I ≤500MPa- - - (II)

[0061] ここで領域 A1と領域 A2とは、上記第 2被膜の場合と同一の領域を示す。そして、引張応力 SS1と引張応力 SS2の差の絶対値（ I SS1 -SS2 | )が、上記式 (Π)で表される範囲内のものとする規定は、上記第 2被膜において上記所定の応力分布を有することを目的として行なわれる領域 A1に対する処理 (または領域 A2に対する処理 )の影響が、この第 1被膜には実質的に伝わらない方が好ましいということを表すものである。すなわち、第 1被膜においては、第 2被膜のような応力分布を実質的に有している必要はない。逆に、引張応力 SS1と引張応力 SS2の差の絶対値（ I SS1 -S S2 I )が 500MPaを超えると、下地との密着性を損ない、膜の剥離ゃチッビングが生じ、最終的には欠損に至るという不都合を有する場合がある。引張応力 SS1と引張応力 SS2の差の絶対値（ I SS1 -SS2 I )の上限は、より好ましくは 200MPa、さらに好ましくは lOOMPaである。

[0062] このような第 1被膜は、公知の CVD法により形成することができる。これにより、同時に第 1被膜に対して引張応力を付与することができる。一方、このような第 1被膜は、公知の PVD法により形成することもでき、この場合この被膜は通常圧縮応力を有したものとなる。したがって、このような圧縮応力を引張応力に変更したり、またあるいは引張応力を解放して実質的に応力を有しない状態とするためには、この第 1被膜に対して加熱処理、レーザー処理または高周波処理等の各種手法による処理を施すことが好ましい。

[0063] なお、このような第 1被膜の応力は、 X線応力測定装置による sin² φ法により、測定回折面として TiCNの (422)面を選択することにより、上記第 2被膜の場合と同様にして測定することができる。また、本発明の第 1被膜が上記のようにさらに酸素等の元素を含有する場合においても、ほぼ同等の 2 Θの位置に (422)面が存在するため、同様にして応力を測定することができる。

[0064] <実施例 >

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。

[0065] <実施例 1〜5および比較例 1〜4 >

WC : 86質量％、 Co : 8. 0質量％、 TiC : 2. 0質量％、 NbC : 2. 0質量％、 ZrC : 2. 0質量％の配合割合で各原材料粉末をボールミルを用いて 72時間湿式混合した。続いて、その混合物を乾燥した後プレス成形した。そしてその後、真空雰囲気中で 1 420°C、 1時間の条件で焼結を行なった。

[0066] 得られた焼結体の刃先稜線部に対して SiCブラシホーユング処理により面取り加工を行ない、 ISO ' SNMG120408のチップ形状を有する WC基超硬合金スローアウエィ切削工具の基材を作成した。

[0067] この基材表面に対して、化学蒸着法である公知の熱 CVD法を用いて以下の構成の被膜を形成した。すなわち、基材上にまず厚み 0. 5 mの TiN膜を形成し、その上に第 1被膜である厚み 7. の TiCN膜を形成し、その上に厚み 0. 5 μ m( Ti N膜を形成し、その上に第 2被膜である厚み 3. 0 mのひ型 Al O膜を形成し、その

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上に厚み 0. 5 mの TiN膜を形成することにより、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を作製した。該被膜は、上記のように TiCNカゝらなる第 1被膜と α型 Al Οカゝらなる第 2被膜とを含むものであり、該第 1被膜は該基材と該第

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2被膜との間に位置するものであった。

[0068] 次いで、このようにして作製された表面被覆切削工具の、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 0. 5mmの距離をもって広がった領域 A1に対して、投射圧 0. 01〜0. 5MPa、投射距離 0. 5 ~ 200mm,微粉濃度 5〜40vol%の条件下、粒径 250 μ m以下の Al Oなどのセラミック砲粒によるブラスト処理を施すこ

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とにより以下の表 1に示す応力分布 (各第 2被膜において I S 1— S2 I値および各第 1被膜において I SSI— SS2 I値)を有する実施例 1〜5および比較例 1〜4の表面被覆切削工具を作製した。このような本発明の実施例 1〜5の表面被覆切削工具は、それぞれ第 2被膜の上記領域 A1において圧縮応力 S1を有し、上記領域 A1以外の領域 A2においては引張応力 S2を有するものであり、また第 1被膜は、引張応力を有するか、または弓 I張応力が解放されて実質的に応力を有して!ヽなヽものであった。

[0069] なお、各実施例および比較例の上記応力分布 (各第 2被膜における I S1— S2 I 値および各第 1被膜における I SS1— SS2 I値）は、上記ブラスト処理の条件を上記数値範囲内で適宜調整することにより形成し、その応力分布 (各第 2被膜における I S1 -S2 I値および各第 1被膜における I SS1— SS2 I値）は前述の sin² φ法により測定した。

[0070] また、実施例 1〜5の表面被覆切削工具の第 1被膜は、上記記載の方法により測定した結果、アスペクト比が 35である柱状構造を有するとともに、その平均粒径が 0. 3 μ mの結晶組織を有していた。

[0071] そして、これらの表面被覆切削工具に対して下記条件で旋削切削試験を実施し、欠損が発生するまでの時間を測定した。欠損が発生するまでの時間が長いもの程、靭性および耐摩耗性が優れて、ることを示して、る。

[0072] <試験条件 >

被削材： SCM435溝付き丸棒、

切削速度： 230mZmin

り： 0. 15mmz rev.

切込み： 0. 5mm

切削油：無し

[0073] [表 1] 第 2被膜の第 1被膜の欠損が発生する

I S ト S 2 |値 I S S 1 - S S 2 I値までの時間実施例 1 450 MPa 1 0 MPa 15. 7 分実施例 2 1000 Pa 50 MPa 18. 5 分実施例 3 1500 MPa 0 MPa 1 7. 9 分実施例 4 1500 MPa 150 MPa 1 9. 0 分実施例 5 3400 MPa 430 MPa 20. 0 分比較例 1 0 MPa 0 MPa 1 . 2 分比較例 2 50 MPa 30 MPa 2. 5 分比較例 3 350 MPa 0 MPa 3. 2 分比較例 4 4000 MPa 30 MPa 5. 5 分

[0074] 表 1より明らかなように、表面被覆切削工具の第 2被膜について上記式 (I)における圧縮応力 S1と引張応力 S2の差の絶対値（ I S1— S2 I )カ400MPa以上 3500M Pa以下のもの（実施例 1〜5)は、その差の絶対値がその範囲以外となるもの（比較例 1〜4)に比し、靭性および耐摩耗性が高度に両立されたものであった。

[0075] <実施例 6〜10>

上記実施例 1〜5において、上記領域 A1を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 1. 5mmの距離をもって広がった領域とすることを除き、他は全て同様にして実施例 6〜10の表面被覆切削工具を得た（実施例 1〜5と実施例 6 〜： LOの対応関係はそれぞれ番号順に対応するものとし、表 1に示したのと同様の応力分布を示すように調整した)。

[0076] そして、これらの実施例 6〜10の表面被覆切削工具に対して、切込みを 1. 3mmとすることを除き他は全て上記と同じ条件を採用して旋削切削試験を実施したところ、上記実施例 1〜 5と同様の結果を示した。

[0077] 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。

Claims

請求の範囲

[1] 基材 (8)と、該基材 (8)上に形成された被膜 (9)とを備える表面被覆切削工具 (1) であって、

前記被膜 (9)は、 TiCN力もなる第 1被膜（10)と、 α型 Al Ο力もなる第 2被膜（11)

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とを含み、

前記第 1被膜 ( 10)は、前記基材 (8)と前記第 2被膜 ( 11)との間に位置し、前記第 2被膜 (11)は、刃先稜線部 (4)力もすく、面 (2)の方向と逃げ面 (3)の方向とにそれぞれ少なくとも 0. 5mmの距離をもって広がった領域 A1にお、て圧縮応力

S1を有し、前記領域 A1以外の領域 A2において引張応力 S2を有するとともに、前記圧縮応力 S1と前記引張応力 S2とが以下の式 (I)によって規定されることを特徴とする表面被覆切削工具（1)。

400MPa≤ I S1 -S2 | ≤3500MPa- · · (I)

[2] 前記第 1被膜 (10)は、引張応力を有するか、または引張応力が解放されて実質的に応力を有して、な、ことを特徴とする請求項 1記載の表面被覆切削工具（ 1)。

[3] 前記第 1被膜 (10)は、刃先稜線部 (4)力もすく、面 (2)の方向と逃げ面 (3)の方向とにそれぞれ少なくとも 0. 5mmの距離をもって広がった領域 A1において引張応力

SS1を有し、前記領域 A1以外の領域 A2において引張応力 S S 2を有するとともに、前記引張応力 SS1と前記引張応力 SS2とが以下の式 (Π)によって規定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（1)。

0≤ I SS1 -SS2 I ≤500MPa- - - (II)

[4] 前記第 1被膜（10)は、アスペクト比が 3以上である柱状構造を有するとともに、その平均粒径が 0. 05 μ m以上 1. 5 μ m以下である結晶組織を有することを特徴とする請求項 1記載の表面被覆切削工具（1)。

[5] 前記第 1被膜（10)は、 2〜20 /z mの厚みを有し、前記第 2被膜（11)は、 0. 5〜20 mの厚みを有することを特徴とする請求項 1記載の表面被覆切削工具（1)。

[6] 前記第 1被膜 (10)は、さらに酸素を含有していることを特徴とする請求項 1記載の表面被覆切削工具（1)。

[7] 前記第 1被膜 (10)は、さらに元素周期律表の IVa族元素、 Va族元素、 Via族元素、 Si、 Y、 Bおよび Sからなる群力選ばれる少なくとも 1種の元素を含有していることを特徴とする請求項 1記載の表面被覆切削工具（1)。

前記第 2被膜 (11)は、さらに元素周期律表の IVa族元素、 Va族元素、 Via族元素、 Si、 Y、 Βおよび Sからなる群力選ばれる少なくとも 1種の元素を含有していることを特徴とする請求項 1記載の表面被覆切削工具（1)。