WO2012026098A1 - 切削工具の製造方法 - Google Patents

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film
cutting tool
manufacturing
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修 神田
研太 坂井
伸行 森
久夫 裏田
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住友金属工業株式会社
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C30/00—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/02—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working
    • C21D7/04—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface
    • C21D7/06—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface by shot-peening or the like
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/58—After-treatment
    • C23C14/5886—Mechanical treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/56—After-treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06—Surface hardening

Definitions

  • the present invention relates to a manufacturing method of a cutting tool used for various cutting processes such as turning, drilling, end milling, and milling.
  • the present invention is excellent in wear resistance and lubricity, and used for tools in various cutting processes.
  • the present invention relates to a method for manufacturing a suitable cutting tool.
  • high strength materials such as so-called “high tensile materials” such as “high tensile 780”, high strength materials such as 13Cr martensitic stainless steel, austenitic and ferrite / austenite two-phase systems. Even for difficult-to-cut materials such as stainless steel, there is a demand for a tool having excellent lubricity without causing adhesion or chipping of the tool edge.
  • carbides such as Ti and Si, nitrides and carbonitrides, and Al 2 O 3 are formed on the surface of a substrate made of a cemented carbide as a hard protective film.
  • CVD method chemical protective method
  • PVD method physical vapor deposition method
  • a conventional cutting tool in which a hard protective film such as TiN, Ti (C, N), TiAlN, and Al 2 O 3 is formed by chemical vapor deposition or physical vapor deposition has excellent wear resistance in light cutting. Demonstrate.
  • a hard protective film layer or a boundary layer between a hard protective film and a cemented carbide substrate (hereinafter referred to as a hard protective film layer) is attached to the cutting edge portion of the tool.
  • the hard protective film is required to have higher mechanical strength than before.
  • conventional techniques relating to the formation of the hard protective film include the following.
  • Patent Document 1 discloses a method for producing a hard protective film based on an ion implantation method.
  • the chemical bond between the metal component in the hard protective film and an additive element such as Cl and S improves the lubricity and wear resistance of the cutting tool, and also suppresses chipping and welding of the tool edge, It is said that a significant improvement in cutting performance can be obtained.
  • Patent Document 2 discloses a method for producing a hard protective film using a plurality of physical vapor deposition methods in combination.
  • the arc ion plating method and the magnetron sputtering method are applied in the same film forming apparatus, and each film forming source is discharged at the same time, thereby forming a hard protective film with a columnar structure and greatly improving cutting performance. It is said that a significant improvement effect can be obtained.
  • Patent Document 1 does not reach a quantitative consideration regarding the mechanical strength such as hardness and toughness of the hard protective film, and there remains room for verification of the detailed relationship between the cutting performance and the mechanical strength. The same applies to Patent Document 2.
  • the present invention aims to provide a method of manufacturing a cutting tool having the following characteristics: In the case of heavy cutting in which external stress much higher than the mechanical strength of the hard protective film layer or cemented carbide substrate interface adhesion layer is applied to the cutting edge part of the cutting tool, such as high-speed cutting and cutting of high-strength materials Even so, it is possible to suppress the surface roughness of the hard protective film and the peeling from the cemented carbide substrate interface adhesion layer, and to produce a cutting tool having excellent wear resistance and lubricity.
  • the gist of the present invention is as follows.
  • a method for manufacturing a cutting tool comprising a substrate made of a cemented carbide and a coating formed on the substrate,
  • the manufacturing method of the cutting tool is: (Step 1) Forming a film made of at least one of metal nitride, metal carbide and metal oxide on the substrate by chemical vapor deposition or physical vapor deposition, (Step 2) including a series of steps of applying a mechanical curing treatment to the surface layer of the coating, A method of manufacturing a cutting tool characterized by the above.
  • the mechanical hardening treatment is performed by shot peening treatment in which metal hard fine particles are sprayed on the surface of the coating, or composite fine particles in which diamond particles are dispersed in the core of an organic resin on the surface of the coating. It is preferable that the gas phase lapping process be performed.
  • the method for manufacturing a cutting tool of the present invention has the following remarkable effects: In the case of heavy cutting in which external stress much higher than the mechanical strength of the hard protective film layer or cemented carbide substrate interface adhesion layer is applied to the cutting edge part of the cutting tool, such as high-speed cutting and cutting of high-strength materials Even so, it is possible to suppress the surface roughness of the hard protective film and the peeling from the cemented carbide substrate interface adhesion layer, and to manufacture a cutting tool having excellent wear resistance and lubricity.
  • FIG. 1 is a diagram showing an outline of a cutting test in the example.
  • FIG. 2 is a diagram showing the hardness test results of the tool coating surface layer in the example.
  • the present inventors use a base material made of a WC—TiC—Co cemented carbide as an example, and details a method for improving the mechanical strength of a hard protective film formed on the surface of the base material. investigated. As a result, the following findings (a) to (c) were obtained.
  • (A) In order to suppress surface roughness of the hard protective film and peeling from the cemented carbide substrate interface adhesion layer, it is effective to raise the hardness at the surface layer from the surface of the hard protective film to a depth of several hundred nanometers.
  • the surface layer portion is most subjected to the lubricity and wear resistance of the cutting tool because the shearing stress is most applied when the cutting tool and the workpiece are slid during cutting.
  • (B) As a method of increasing the hardness of the surface layer of the hard protective film, from the viewpoint of material such as optimization of the film forming conditions and the composition of the hard protective film when forming the hard protective film, or densification of the hard protective film Or a method of mechanically curing the surface layer of the hard protective film after forming the hard protective film.
  • the method that can increase the hardness of the surface layer portion of the hard protective film more easily and inexpensively is the method of performing the latter mechanical curing treatment.
  • shot peening treatment metal hard fine particles are sprayed onto the surface of the hard protective film.
  • Vapor phase lapping treatment Composite fine particles in which diamond grains are dispersed in an organic resin core are sprayed onto the surface of the hard protective film.
  • the composite fine particles referred to here are composite structures in which hard fine particles such as diamond and soft particles such as organic resin are mixed together at a certain ratio.
  • the manufacturing method of the cutting tool of the present invention has been completed based on the findings of the above (a) to (c), and as described above, the substrate made of cemented carbide and the substrate formed on the substrate.
  • a method of manufacturing a cutting tool comprising a coating comprising the following series of steps: (Step 1) forming a film made of at least one of metal nitride, metal carbide and metal oxide on the substrate by chemical vapor deposition or physical vapor deposition; (Step 2) A mechanical curing treatment is applied to the surface layer of the film.
  • a shot peening process as the mechanical hardening process.
  • a vapor phase lapping process may be employed, or both a shot peening process and a vapor phase lapping process may be employed.
  • Tool substrate The substrate is composed of cemented carbide, a metal carbide mainly composed of tungsten carbide (WC) and titanium carbide (TiC), and an auxiliary agent mainly composed of cobalt (Co).
  • a TiC-Co alloy is desirable.
  • WC and TiC are both high hardness and high melting point materials, but the mixing ratio is adjusted based on 50% by mass depending on the purpose of use of the cutting tool. Since WC is excellent in toughness and bending strength, it is mainly used to ensure a tool cutting life in a heavy cutting environment. On the other hand, since TiC has a high hardness of 30 GPa or more, it is used together with WC in order to ensure wear resistance mainly in a high-speed and continuous cutting environment.
  • Co is added to the grain boundary of each crystal grain of WC and TiC, and is added with a reference amount of several mass% as a binder to supplement the grain boundary sliding strength.
  • the base material is produced by a pressure sintering method after filling those raw materials into a molding die having a predetermined shape.
  • a WC—Co alloy As the base material, in addition to the WC—TiC—Co alloy, a WC—Co alloy, a WC—TaC—Co alloy, a WC—TiC—TaC—Co alloy, and the like can be used.
  • a film is formed on the base material of the tool as a hard protective film for ensuring the wear resistance and lubricity of the tool.
  • This film is formed by selecting at least one kind from a compound of metal nitride, metal carbide and metal oxide, and is formed by chemical vapor deposition or physical vapor deposition.
  • This film has mechanical strength equivalent to that of a cemented carbide base material, and has sufficient chemical stability in the cutting environment to suppress adhesion to the work material. There is a need.
  • the film is made of, for example, a metal oxide containing Ti or Al, a metal nitride, a metal carbide, or a composite compound thereof, and is formed as a single layer or a plurality of layers on the substrate.
  • TiN can be 3 ⁇ m thick on the outermost layer
  • Al 2 O 3 can be 5 ⁇ m thick on the intermediate layer
  • TiCN can be 3 ⁇ m thick on the lowermost layer in contact with the substrate.
  • the TiN film By disposing the TiN film on the outermost layer, the film is yellowish brown, so that the contact portion between the tool edge and the material to be cut, that is, the cutting trace can be easily observed.
  • the reason why the Al 2 O 3 film is disposed in the intermediate layer is that the film is excellent in both lubricity and mechanical strength.
  • the TiCN film By disposing the TiCN film in the lowermost layer, the adhesion between the Al 2 O 3 film and the substrate is enhanced.
  • a method for forming a film it is preferable to employ a chemical vapor deposition method which is excellent in terms of film formation speed and manufacturing cost, but a physical vapor deposition method can also be employed.
  • the surface layer of the film is subjected to mechanical curing treatment.
  • the mechanical curing treatment is performed in order to increase the hardness in the surface layer from the surface of the film that is a hard protective film to a depth of several hundred nanometers.
  • the surface layer portion is most subjected to the lubricity and wear resistance of the cutting tool because the shearing stress is most applied when the cutting tool and the workpiece are slid during cutting.
  • the mechanical hardening treatment can improve the hardness of the surface layer portion from the surface of the film to a depth of about 1 ⁇ m by a maximum of about 2 times, as will be demonstrated in Examples described later.
  • Mechanical hardening treatment includes shot peening treatment in which metal hard particles are sprayed onto the surface of the coating, and vapor phase wrap treatment in which composite particles in which diamond grains are dispersed in the core of an organic resin are sprayed onto the surface of the coating. can do. Any treatment of shot peening treatment and vapor phase lapping treatment may be employed as long as the treatment conditions are such that the hardness of the coating surface layer is reliably improved within the range in which the shape of the coating surface is not impaired.
  • a steel ball having a diameter of 50 to 200 ⁇ m made of low carbon steel or pure nickel is used as the metal hard fine particles, and the metal hard fine particles are applied at a pressure of 0.5 MPa for several tens of seconds using compressed air pressure.
  • Spray on the surface of the tool film In the vapor phase lapping process, an organic resin is used as a core, the core is impregnated with moisture and diamond grains are dispersed, and elastic composite particles having a diameter of 50 to 200 ⁇ m formed thereby are used. Using the compressed air pressure, the composite fine particles are sprayed onto the surface of the tool coating for several tens of seconds at a pressure of 0.5 to 1.0 MPa.
  • the method for manufacturing a cutting tool of the present invention since the hardness is increased in the surface layer of the film formed on the base material of the tool, even in the case of heavy cutting such as high-speed cutting or high-strength material cutting, It is possible to suppress the surface roughness and peeling of the film, and it is possible to produce a cutting tool having excellent wear resistance and lubricity.
  • Test tool As a base material of the test tool, a sintered chip of a WC-TiC-Co alloy having a size and shape (width 12.7 mm, length 12.7 mm, and thickness 4.76 mm) specified in ISO standard SNMN120408 is used. Four were prepared. A film composed of three layers was formed on each substrate by chemical vapor deposition. At this time, the outermost layer film was TiN 3 ⁇ m thick, the intermediate layer film was Al 2 O 3 5 ⁇ m thickness, and the lowermost layer film was TiCN 3 ⁇ m thickness.
  • test tools having a film formed on the base material Two of the test tools having a film formed on the base material were subjected to shot peening treatment, and each was used as a test tool of Examples 1 and 2 of the present invention.
  • shot peening treatment a steel ball having a diameter of 50 ⁇ m made of low carbon steel was used and sprayed onto the surface of the coating at a pressure of 0.5 MPa for 10 seconds using compressed air pressure.
  • test tools having a film formed on the substrate were used as test tools of Comparative Examples 1 and 2 without any shot peening treatment.
  • the hardness of the coating surface of each test tool is determined by the nanoindentation device (MTS (NANO Indenter XP / DCM manufactured by Systems).
  • MFS nanoindentation device
  • CSM method continuous stiffness method
  • the conditions of the continuous stiffness method were that the frequency was 45 Hz, the amplitude was 2 nm, the indentation depth was 2000 nm, and the measurement atmosphere was set to room temperature.
  • a total of 30 points were measured for the hardness by the indentation with an interval of 100 ⁇ m in the plane of the coating surface.
  • the hardness of the coating surface layer is sequentially measured at a depth interval of 2 nm for each measurement point, and obtained as a function of the indentation depth.
  • the hardness measured at the time of 180 nm depth in the depth range where the variation is minimum for each measurement point, specifically, the depth range from 100 nm depth to 200 nm depth is As a representative value, an average value of the representative values at each of these measurement points was adopted.
  • the cutting test evaluated the lubricity and wear resistance as the performance of each cutting tool. Specifically, the lubricity of the tool was evaluated using the cutting resistance of the tool as an index, and the wear resistance of the tool was evaluated using the cutting life of the tool as an index.
  • the cutting force of the tool is a three-component strain gauge dynamometer.
  • the dynamometer measures the shear stress (main component force, back component force and force component) in three directions, and the resultant force. (Vector sum) was obtained (see FIG. 1).
  • the cutting speed at the time of this first cutting was 200 m / min as described above, and this corresponded to 637 rpm in terms of the rotational speed of the workpiece.
  • the same tool is used to continuously cut the same workpiece, and the number of cuts until chipping occurs on the tool edge, or on the workpiece surface of the workpiece.
  • the number of cuts until the scratch occurred was investigated as the number of cuts. Note that the cutting speed during this repeated cutting was 200 m / min as described above, and this corresponded to 637 rpm to 740 rpm in terms of the rotational speed of the workpiece.
  • Test results The test results are as shown in FIG.
  • FIG. 2 is a diagram showing the hardness test results of the tool coating surface layer in the example.
  • membrane surface layer in each test tool of this invention example 1 and the comparative example 1 is shown.
  • Table 2 summarizes the hardness test results and cutting test results of the tool coating surface layer. From the results shown in FIG. 2 and Table 2, the following is shown.
  • the tool according to Example 1 of the present invention has an increased hardness over a range of 1 ⁇ m depth from the surface of the coating as compared with the tool of Comparative Example 1, and is subjected to a mechanical curing treatment after the coating is formed.
  • the effect by applying was recognized. Further, there was no damage on the tool surface due to the curing treatment, and the surface properties of the surface roughness and the coefficient of friction tended to be rather small. This is because the surface roughness of the tool was measured with a contact-type surface roughness meter and the arithmetic average roughness Ra (based on JIS B0601) was evaluated, whereas in Comparative Example 1, Ra was 0.09. In the present invention example 1, Ra is suppressed to 0.04.
  • the tools of Examples 1 and 2 of the present invention had a higher cutting surface hardness than the tools of Comparative Examples 1 and 2, and as a result, the cutting resistance was kept low and good. It became clear that it showed lubricity. Furthermore, it was revealed that the tools of Examples 1 and 2 of the present invention have a cutting life that is increased by a factor of two or more and the wear resistance is improved as compared with the tools of Comparative Examples 1 and 2.
  • the present invention includes threading of end portions of oil well pipes, shearing of steel parts such as billets, and steel parts such as axles, wheels and gears, turning, drilling, end milling, milling, etc. It can be effectively used to manufacture cutting tools suitable for all types of cutting.

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Abstract

超硬合金から成る基材と、この基材上に形成された皮膜とを備える切削工具の製造方法は、 （ステップ１）基材上に化学蒸着法または物理蒸着法により金属窒化物、金属炭化物および金属酸化物のうちの少なくとも１種からなる皮膜を形成すること、 （ステップ２）皮膜の表層に機械的硬化処理を施すこと、の一連の各ステップを含む。 これにより、重切削の場合であっても耐摩耗性と潤滑性に優れた切削工具を得ることができる。

Description

切削工具の製造方法
　本発明は、旋削加工、ドリル加工、エンドミル加工、フライス加工などの種々の切削加工に用いられる切削工具の製造方法に関し、特に、耐摩耗性と潤滑性に優れ、種々の切削加工で工具用途に適した切削工具の製造方法に関する。
　近年、工業諸製品の寸法と形状に関する要求特性の高度化に伴って、各種の切削工具には耐摩耗性と潤滑性を向上させることが求められている。
　例えば、切削加工能率を高めるために、高速で切削加工した場合にも良好な耐摩耗性を確保する工具が要求される。また、いわゆる「ハイテン７８０」などの「ハイテン材」と称される高張力鋼をはじめとし、１３Ｃｒ系のマルテンサイト系ステンレス鋼などの高強度材、更には、オーステナイト系やフェライト・オーステナイト二相系のステンレス鋼といった難削材に対しても、凝着や工具刃先の欠損を生じることなく、優れた潤滑性を有する工具が要求される。
　このような要求に対処するために、従来、超硬合金から成る基材の表面に、硬質保護膜として、ＴｉやＳｉなどの炭化物、窒化物および炭窒化物、並びにＡｌ２Ｏ３などを形成させることが行われている。具体的には、化学蒸着法（ＣＶＤ法）や物理蒸着法（ＰＶＤ法）により、基材の表面に上記化合物の硬質保護膜を単層または複層で、数μｍ～十数μｍの厚さで形成させることが行われ、切削工具の摩耗抑制および被切削材との凝着抑制が図られている。
　例えば、化学蒸着法や物理蒸着法により、ＴｉＮ、Ｔｉ（Ｃ、Ｎ）、ＴｉＡｌＮおよびＡｌ２Ｏ３などの硬質保護膜が形成された従来の切削工具は、軽切削では優れた耐摩耗性を発揮する。しかし、従来の切削工具は、高速切削加工や高強度材の切削加工といった重切削では、工具の刃先部位に、硬質保護膜層や互いに密着する硬質保護膜と超硬基材の境界層（以下、「超硬基材界面密着層」という）の機械強度を遙かに上回る外部応力が負荷されるため、硬質保護膜に表面荒れが生じたり、硬質保護膜が超硬基材界面密着層から剥離し、工具の耐摩耗性と潤滑性に寄与する硬質保護膜の機能が著しく損なわれる。
　このため、硬質保護膜には従来よりも増した機械強度が要求される。この要求に応えるべく、硬質保護膜の形成に関する従来の技術は、下記のものがある。
　特許文献１には、イオン注入法を基本とした硬質保護膜の作製方法が開示されている。同文献では、硬質保護膜中の金属成分とＣｌやＳなど添加元素との化学結合により、切削工具の潤滑性と耐摩耗性が改善されるとともに、工具刃先の欠損や溶着なども抑制され、切削性能の大幅な改善効果が得られるとされている。
　特許文献２には、複数の物理蒸着法を併用する硬質保護膜の作製方法が開示されている。同文献では、アークイオンプレーテイング法とマグネトロンスパッタ法を同一成膜装置内で適用し、各々の成膜源を同時に放電させることにより、柱状組織構造の硬質保護膜が形成され、切削性能の大幅な改善効果が得られるとされている。
特開２００６－３７１５２号公報 特開２００６－１９３８０３号公報
　しかし、前記特許文献１では、硬質保護膜の硬度や靱性などの機械強度に関して定量的な考察に及んでおらず、切削性能と機械強度の詳細な関係については検証の余地が残る。前記特許文献２でも同様である。
　本発明は、次の特性を有する切削工具の製造方法を提供することを目的とする：
　高速切削加工や高強度材の切削加工といったように、切削工具の刃先部位に硬質保護膜層や超硬基材界面密着層の機械強度を遙かに上回る外部応力が負荷される重切削の場合であっても、硬質保護膜の表面荒れや超硬基材界面密着層からの剥離を抑制することが可能であり、耐摩耗性と潤滑性に優れた切削工具を製造すること。
　本発明の要旨は、次の通りである。
　超硬合金から成る基材と、この基材上に形成された皮膜とを備える切削工具の製造方法であって、
　当該切削工具の製造方法は、
　（ステップ１）基材上に化学蒸着法または物理蒸着法により金属窒化物、金属炭化物および金属酸化物のうちの少なくとも１種からなる皮膜を形成すること、
　（ステップ２）皮膜の表層に機械的硬化処理を施すこと、の一連の各ステップを含むこと、
を特徴とする切削工具の製造方法。
　この切削工具の製造方法では、前記機械的硬化処理が、金属硬質微粒子を皮膜の表面に噴射するショットピーニング処理、または有機系樹脂の核体にダイアモンド粒を分散させた複合微粒子を皮膜の表面に噴射する気相ラップ処理であることが好ましい。
　本発明の切削工具の製造方法は、下記の顕著な効果を有する：
　高速切削加工や高強度材の切削加工といったように、切削工具の刃先部位に硬質保護膜層や超硬基材界面密着層の機械強度を遙かに上回る外部応力が負荷される重切削の場合であっても、硬質保護膜の表面荒れや超硬基材界面密着層からの剥離を抑制することが可能であり、耐摩耗性と潤滑性に優れた切削工具を製造できること。
図１は、実施例での切削試験の概要を示す図である。 図２は、実施例での工具皮膜表層の硬さ試験結果を示す図である。
　本発明者らは、上記目的を達成するため、一例としてＷＣ－ＴｉＣ―Ｃｏ超硬合金から成る基材を用い、その基材表面に形成する硬質保護膜の機械強度を改善する手法に関して詳細に検討した。その結果、下記の（ａ）～（ｃ）の知見を得た。
　（ａ）硬質保護膜の表面荒れや超硬基材界面密着層からの剥離を抑制するには、硬質保護膜の表面から数百ナノメートル深さまでの表層で硬度を引き上げることが有効である。その表層部位は、切削時に切削工具と被切削材が摺動することに伴って、剪断応力が最も負荷されるため、切削工具の潤滑性と耐摩耗性を最も支配する。
　（ｂ）硬質保護膜の表層の硬度を引き上げる方法としては、硬質保護膜を形成する際の成膜条件や硬質保護膜の組成を適正化したり硬質保護膜の緻密化を図るなどの材質面からの改善方法、または、硬質保護膜を形成した後にこの硬質保護膜の表層部位に機械的に硬化処理を施す方法が挙げられる。これらのうちで、より簡便かつ安価に硬質保護膜の表層部位の硬度を引き上げることが可能な方法は、後者の機械的硬化処理を施す方法である。
　（ｃ）上記（ｂ）の機械的硬化処理として、下記の（１）のショットピーニング処理および（２）の気相ラップ処理うちのいずれか一方、または両方の処理が有効である。
　（１）ショットピーニング処理：硬質保護膜の表面に金属硬質微粒子を噴射する。
　（２）気相ラップ処理：有機系樹脂の核体にダイアモンド粒を分散させた複合微粒子を硬質保護膜の表面に噴射する。ここでいう複合微粒子は、ダイアモンドなどの硬質微粒子と有機系樹脂などの軟質粒子が一定割合で混じり合い、凝集した複合構造である。
　本発明の切削工具の製造方法は、上記（ａ）～（ｃ）の知見に基づき完成させたものであり、上記の通り、超硬合金から成る基材と、この基材上に形成された皮膜とを備える切削工具の製造方法であって、下記の一連の各ステップを含む：
　（ステップ１）基材上に化学蒸着法または物理蒸着法により金属窒化物、金属炭化物および金属酸化物のうちの少なくとも１種からなる皮膜を形成すること；
　（ステップ２）皮膜の表層に機械的硬化処理を施すこと。
　また、本発明の切削工具の製造方法では、機械的硬化処理として、ショットピーニング処理を採用することが好ましい。機械的硬化処理としては、気相ラップ処理を採用してもよいし、ショットピーニング処理と気相ラップ処理の両方を採用することもできる。
　以下に、本発明の切削工具の製造方法の好ましい態様について説明する。
　１．工具の基材
　基材は、超硬合金のなかでも、炭化タングステン（ＷＣ）と炭化チタン（ＴｉＣ）を主成分とする金属炭化物と、コバルト（Ｃｏ）を主とする助剤で構成するＷＣ－ＴｉＣ－Ｃｏ系合金が望ましい。ＷＣとＴｉＣはいずれも高硬度かつ高融点の材料であるが、切削工具の使用目的により、５０質量％を基本に配合比が調整される。ＷＣは靱性や抗折強度に優れることから、主に重切削の環境下で工具切削寿命を確保するために用いられる。一方、ＴｉＣは３０ＧＰａ以上の高硬度を有することから、主に高速かつ連続切削の環境下で耐摩耗性を確保するために、ＷＣとともに用いられる。ＣｏはＷＣおよびＴｉＣの各結晶粒の粒界に介在させ、粒界すべり強度を補う結合材として数質量％を目安に添加される。基材は、それらの原料を所定形状の成形金型に充填した後、加圧焼結方法によって作製される。
　基材には、ＷＣ－ＴｉＣ－Ｃｏ系合金の他に、ＷＣ－Ｃｏ系合金、ＷＣ－ＴａＣ－Ｃｏ系合金、ＷＣ－ＴｉＣ－ＴａＣ－Ｃｏ系合金などを用いることができる。
　２．皮膜の構成と形成方法
　工具の基材上には、工具の耐摩耗性と潤滑性を確保するための硬質保護膜として皮膜を形成する。この皮膜は、金属窒化物、金属炭化物および金属酸化物の化合物のうちから少なくとも１種を選択して成り、化学蒸着法または物理蒸着法により形成される。この皮膜は、特性として、超硬合金の基材と同等の機械強度を有し、その他に、被切削材との凝着を抑制すべく、切削環境下にて十分な化学的安定性を有する必要がある。
　皮膜は、例えば、ＴｉやＡｌを含む金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、またはこれらの複合化合物で構成され、基板上に単層または複層で形成される。
　例えば、皮膜は、三層とする場合、最表層にＴｉＮを３μｍ厚で、中間層にＡｌ２Ｏ３を５μｍ厚で、基材と接する最下層にはＴｉＣＮを３μｍ厚で構成することができる。最表層にＴｉＮの皮膜を配置することにより、当該皮膜が黄褐色であることから、工具刃先と被切削材の接触部位、すなわち切削痕の目視が容易となる。中間層にＡｌ２Ｏ３の皮膜を配置するのは、当該皮膜が潤滑性と機械強度の双方に優れるためである。最下層にＴｉＣＮ膜を配置することにより、Ａｌ２Ｏ３の皮膜と基材の密着性が高まる。
　皮膜を形成する方法としては、成膜速度と製造コストの観点で優れる化学蒸着法を採用することが好ましいが、物理蒸着法を採用することもできる。
　３．皮膜表層の機械的硬化処理
　基材上に皮膜を形成した後、その皮膜の表層に機械的硬化処理を施す。機械的硬化処理は、硬質保護膜である皮膜の表面から数百ナノメートル深さまでの表層で硬度を引き上げるために行う。その表層部位は、切削時に切削工具と被切削材が摺動することに伴って、剪断応力が最も負荷されるため、切削工具の潤滑性と耐摩耗性を最も支配する。機械的硬化処理により、後述する実施例で実証するように、皮膜表面から約１μｍ深さまでの表層部位の硬度を最大で約２倍に向上させることができる。
　機械的硬化処理としては、皮膜の表面に金属硬質微粒子を噴射するショットピーニング処理や、有機系樹脂の核体にダイアモンド粒を分散させた複合微粒子を皮膜の表面に噴射する気相ラップ処理を採用することができる。皮膜表面の形状が損なわれない範疇にて皮膜表層の硬度が確実に向上する処理条件であれば、ショットピーニング処理および気相ラップ処理のいずれの処理を採用しても構わない。
　例えば、ショットピーニング処理では、金属硬質微粒子として低炭素鋼または純ニッケルから成る直径５０～２００μｍの鋼球を用い、圧縮空気圧を利用して、その金属硬質微粒子を０．５ＭＰａの圧力で数１０秒間、工具の皮膜表面に噴射する。また、気相ラップ処理では、有機系樹脂を核体とし、この核体に水分を含浸させるとともにダイアモンド粒を分散させ、これにより形成される弾力性のある直径５０～２００μｍの複合微粒子を用い、圧縮空気圧を利用して、その複合微粒子を０．５～１．０ＭＰａの圧力で数１０秒間、工具の皮膜表面に噴射する。
　本発明の切削工具の製造方法によれば、工具の基材上に形成した皮膜の表層で硬度が引き上げられるため、高速切削加工や高強度材の切削加工といった重切削の場合であっても、皮膜の表面荒れや剥離を抑制することが可能であり、耐摩耗性と潤滑性に優れた切削工具を製造することができる。
　本発明の切削工具の製造方法による効果を確認するため、下記の試験を行った。
　［供試工具］
　供試工具の基材として、ＩＳＯ規格のＳＮＭＮ１２０４０８に規定される寸法形状（幅１２．７ｍｍ、長さ１２．７ｍｍ、および厚さ４．７６ｍｍ）のＷＣ－ＴｉＣ－Ｃｏ系合金の焼結チップを４個準備した。各基材上には、化学蒸着法により、三層から成る皮膜を形成した。このとき、最表層の皮膜はＴｉＮを３μｍ厚で、中間層の皮膜はＡｌ２Ｏ３を５μｍ厚で、最下層の皮膜はＴｉＣＮを３μｍ厚で構成した。
　基材上に皮膜を形成した供試工具のうちの２つにショットピーニング処理を施し、それぞれを本発明例１、２の供試工具とした。ショットピーニング処理では、低炭素鋼から成る直径５０μｍの鋼球を用い、圧縮空気圧を利用して、０．５ＭＰａの圧力で１０秒間、皮膜表面に噴射した。
　また、比較のために、基材上に皮膜を形成した供試工具の残りの２つは、ショットピーニング処理を施すことなくそのままで、それぞれ比較例１、２の供試工具とした。
　［工具皮膜の硬さ試験］
　各供試工具の皮膜表層の硬度をナノインデンテーション装置（MTS
Systems社製のNANO Indenter XP/DCM）を用いて測定した。硬さ測定の際、ダイアモンド製のバーコビッチ型針を皮膜の表面から連続剛性方式（ＣＳＭ式）で押し込んだ。このとき、連続剛性方式の条件は、振動数を４５Ｈｚ、振幅を２ｎｍ、押し込み深さを２０００ｎｍとし、測定雰囲気を室温に設定した。この押し込みによる硬さ測定を皮膜表面の面内で１００μｍの間隔をあけて合計３０ポイント行った。
　このような測定方法では、測定ポイントごとに、皮膜表層の硬度が２ｎｍの深さ間隔で逐次計測され、押し込み深さの関数として得られる。評価する硬度としては、測定ポイントごとに、バラツキが最小となる深さ域、具体的には１００ｎｍ深さから２００ｎｍ深さまでの深さ域のうちで、１８０ｎｍ深さの時点で計測された硬度を代表値とし、これらの各測定ポイントでの代表値の平均値を採用した。
　［切削試験］
　直径が１００ｍｍ、長さが５００ｍｍで、表１に示す化学組成の二相系ステンレス棒鋼材を被切削材とし、上記の各供試工具を用いてＮＣ旋盤装置による剪断加工試験（切削試験）を実施した。図１に、実施例での切削試験の概要を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　切削試験の条件は、次の通りである。
　・送り量：０．３ｍｍ／回転
　・切込量：０．５ｍｍ／回
　・切削速度：２００ｍ／分
　・切削時間：５秒／回
　・潤滑：乾式
　切削試験により、各切削工具の性能として潤滑性と耐摩耗性を評価した。具体的には、工具の潤滑性は工具の切削抵抗を指標とし、工具の耐摩耗性は工具の切削寿命を指標としてそれぞれ評価した。
　工具の切削抵抗としては、３分力歪みゲージ式動力計を用い、初回切削時にその動力計で３方向の剪断応力（主分力、背分力および送分力）を測定し、それらの合力（ベクトル和）を求めた（図１参照）。なお、この初回切削時の切削速度は、上記の通りに２００ｍ／分であり、これは被切削材の回転数で６３７ｒｐｍに相当した。
　工具の切削寿命としては、同一の工具を用いて、同一の被切削材の切削加工を連続して繰り返し、工具の刃先に欠けが発生するまでの切込回数、または被切削材の加工表面にキズが発生するまでの切込回数を切削回数として調査した。なお、この繰り返し切削時の切削速度は、上記の通りに２００ｍ／分であり、これは被切削材の回転数で６３７ｒｐｍ～７４０ｒｐｍに相当した。
　［試験結果］
　試験結果は、図２および表２に示す通りである。
　図２は、実施例での工具皮膜表層の硬さ試験結果を示す図である。同図では、本発明例１と比較例１の各供試工具における皮膜表層の深さ方向の硬度分布を示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２には、工具皮膜表層の硬さ試験結果と、切削試験結果をまとめて示している。図２および表２に示す結果から、次のことが示される。
　図２に示すように、本発明例１の工具は、比較例１の工具と比較して、皮膜の表面から１μｍ深さの範囲にわたり硬度が上昇しており、皮膜形成後に機械的硬化処理を施すことによる効果が認められた。また、硬化処理に伴う工具表面のダメージは無く、表面粗さと摩擦係数の表面物性はむしろ小さくなる傾向にあった。これは、接触式表面粗さ計によって工具の表面粗さを測定し、算術平均粗さＲａ（ＪＩＳ　Ｂ０６０１に準拠）を評価したところ、比較例１ではＲａが０．０９であったのに対し、本発明例１ではＲａが０．０４と抑制されたことによる。これと同時に、ボールオンディスク法により工具表面に鋼球（ＳＵＪ－２）を荷重５Ｎ、速度３．９ｍｍ／ｓで摺動させ、その時の摩擦係数μを評価したところ、比較例１ではμが０．５３であったのに対し、本発明例１ではμが０．２５と抑制されたことによる。
　また、表２に示すように、本発明例１および２の工具は、比較例１および２の工具と比較して、皮膜表層の硬度が引き上げられた結果、切削抵抗が低く抑えられ、良好な潤滑性を示すことが明らかとなった。さらに、本発明例１および２の工具は、比較例１および２の工具と比較して、切削寿命が２倍以上に上昇し、耐摩耗性が向上することが明らかとなった。
　本発明は、油井管の端部のネジ切り加工や、ビレットなどの鋼材、並びに車軸、車輪および歯車などの鋼材部品の剪断加工をはじめとし、旋削加工、ドリル加工、エンドミル加工、フライス加工などのあらゆる切削加工に適した切削工具の製造に有効に利用できる。
 
 

Claims (2)

  1. 　超硬合金から成る基材と、この基材上に形成された皮膜とを備える切削工具の製造方法であって、
    　当該切削工具の製造方法は、
    　（ステップ１）基材上に化学蒸着法または物理蒸着法により金属窒化物、金属炭化物および金属酸化物のうちの少なくとも１種からなる皮膜を形成すること、
    　（ステップ２）皮膜の表層に機械的硬化処理を施すこと、の一連の各ステップを含むこと、
    を特徴とする切削工具の製造方法。
  2. 　前記機械的硬化処理が、金属硬質微粒子を皮膜の表面に噴射するショットピーニング処理、または有機系樹脂の核体にダイアモンド粒を分散させた複合微粒子を皮膜の表面に噴射する気相ラップ処理であること、
    を特徴とする請求項１に記載の切削工具の製造方法。
     
     
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