WO2014129273A1

WO2014129273A1 - 表面被覆切削工具およびその製造方法

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Publication number: WO2014129273A1
Application number: PCT/JP2014/051908
Authority: WO
Inventors: 秀明金岡; パサート・アノンサック; 晋奥野; 喬啓市川
Original assignee: 住友電工ハードメタル株式会社
Priority date: 2013-02-21
Filing date: 2014-01-29
Publication date: 2014-08-28
Also published as: EP2959994B1; CN105142831A; JP6213867B2; KR101906658B1; US20160002772A1; EP2959994A4; CN105142831B; JP2014184546A; EP2959994A1; US9920423B2; KR20150107882A

Abstract

優れた耐摩耗性および耐欠損性を兼ね備えるとともに、刃先稜線部の使用状態の判別を極めて容易に行なうことができる注意喚起機能を備える表面被覆切削工具を提供する。本発明の実施形態に係る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表面被覆切削工具であって、該被膜は複数の層を含み、該複数の層のうち最表面層は、Ｔｉ_xＢ_y（ｘ、ｙは原子％を示し、１．５＜ｙ／ｘ＜２．５）からなるホウ化チタン層であり、且つ絶対値が０．１ＧＰａ以上である圧縮残留応力を有する。

Description

表面被覆切削工具およびその製造方法

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およびその製造方法に関する。

従来から、超硬合金などからなる切削工具を用いて、鋼や鋳物の切削加工が行なわれている。このような切削工具の刃先は、切削加工時に８００℃以上の高温となるため、加工時の熱により切削工具が塑性変形したり、逃げ面摩耗量が多くなったりするなどの課題を有していた。

そこで、高温における切削性能の改善を目的として、超硬合金のような基材の表面に各種被膜を形成した表面被覆切削工具が提案されている。たとえば、特許文献１には、ホウ素含有膜を酸化アルミニウム膜よりも工具表面側に被覆した被覆工具が開示されている。また、たとえば、特許文献２には、基板材料上に二ホウ化チタン層を形成した切削加工工具が開示されている。

特開２００３－２６６２１３号公報特表２０１１－５０５２６１号公報

上記のような被膜の形成には、ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法などの化学蒸着法、イオンプレーティング法やイオンスパッタ法などの物理蒸着法が用いられている。

このような方法で形成された被膜のうち、とりわけ化学蒸着法によって形成された被膜は、母材である超硬合金との密着強度が高く、耐摩耗性にも優れている。近年、切削加工の高速化および高能率化の要望から、被膜は益々厚くなる傾向にあるため、基材と被膜との密着強度は非常に重要である。したがって、このような観点からは、化学蒸着法によって被膜を形成することが好ましい。

ところが、化学蒸着法によって成膜を行なうと、成膜時に被膜が１０００℃程度の高温に曝されるため、かかる被膜を成膜後に室温まで冷却すると、母材である超硬合金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してしまう。

このように、被膜に引張応力が残留すると、切削加工時に被膜の表面を起点として亀裂が発生した場合、この引張応力によって亀裂が伝播しやすいという側面がある。したがって、このような切削工具では被膜の脱落やチッピングの発生を十分に抑制できない。

また、被膜の厚みを厚くするほど耐摩耗性は向上するものの、その反面、被膜に引張応力が残留しやすくなるため、工具が異常損傷する頻度が高まり、耐欠損性が低下する。すなわち、化学蒸着法によって被膜を形成した場合、耐摩耗性と耐欠損性とを両立させることは極めて困難であった。

ところで、切削工具のうち、旋削加工用工具やフライス加工用工具などは、単数または複数の表面被覆切削工具を備えている。このような表面被覆切削工具は、工具寿命に達したときに刃先を交換しなければならない。このとき、刃先稜線部が１個のみである工具にあっては、その工具自体を交換しなければならない。これに対して、複数個の刃先稜線部を有する表面被覆切削工具は、同じ座面で何回も向きを変えて使用することができる。すなわち、未使用の刃先稜線部を切削位置に設置することにより、別の切削位置で使用することができる。また、刃先稜線部を別の座面に付け直すことにより、未使用の刃先稜線部を利用することもできる。

しかしながら、実際の切削作業現場では、刃先稜線部が未使用であるにも拘わらず、表面被覆切削工具が取り替えられたり向きを変えられたりする事象がしばしば発生している。この原因は、刃先交換の際や刃先稜線部の方向転換の際に、刃先稜線部が使用済みであるか否かを、現場作業者が容易に判別できないことにある。したがって、このような交換作業は、刃先稜線部が使用済みであるか否かを慎重かつ十分に確認して行なわれているのが現状である。

特許文献１に開示される被覆工具は、有色のホウ素含有膜を工具の最外層部分に配置することにより、工具として使用済みか否かを判別しやすくするものである。そして、該ホウ素含有膜が引張残留応力を有することにより、ホウ素含有膜と下地膜との密着性を高め、耐摩耗性を向上させている。しかしながら、上述のように、最外層部分に引張残留応力を有する工具は、耐欠損性が十分ではないという問題がある。

そして、このような被覆工具の表面に機械的な処理を付すことにより、引張残留応力を解消しようとすると、最外層の色彩が損なわれ、使用状態の判別が難しくなることもある。

他方、特許文献２に開示される切削加工工具は、工具の使用状態を判別するという観点から、上記のような課題に対して十分な解決手段を提供するものではない。

さらには、特許文献１または特許文献２に開示されるような工具の表面に機械的な処理を付すと最外層の摩滅により工具としての耐摩耗性が低下する場合もあった。

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、優れた耐摩耗性および耐欠損性を兼ね備えるとともに、刃先稜線部の使用状態の判別を極めて容易に行なうことができる注意喚起機能を備える表面被覆切削工具を提供することにある。

本発明者は、上記課題を解決すべく、鋭意検討した結果、複数の層からなる被膜の最外層を特定の化合物から構成するとともに、ことさら従来知られた条件よりも強い条件で被膜に後処理を付すことによって、耐摩耗性などを向上させつつ、被膜に使用状態の判別がしやすい層を残すことができるのではないかとの知見を得た。そして、この知見に基づきさらに検討を重ねることによって本発明を完成させたものである。

すなわち、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表面被覆切削工具であって、該被膜は複数の層を含み、該複数の層のうち最表面層は、Ｔｉ_xＢ_y（ｘ、ｙは原子％を示し、１．５＜ｙ／ｘ＜２．５）からなるホウ化チタン層であり、且つ絶対値が０．１ＧＰａ以上である圧縮残留応力を有する。

ここで、上記被膜は、上記最表面層の下層として、Ａｌ酸化物からなるＡｌ酸化物層を含むことが好ましい。

さらに、上記被膜は、上記最表面層と上記Ａｌ酸化物層との間に中間層を有し、該中間層は、周期律表の４族元素、５族元素、６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、窒素および酸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構成される１以上の層を含むことが好ましい。

また、上記中間層は、ＴｉＣＮ層およびＴｉＮ層の少なくともいずれかを含むことが好ましい。また、上記中間層は、ＴｉＣ層を含むものであってもよい。

また、本発明は、上記の表面被覆切削工具の製造方法にも係わり、該製造方法は、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の製造方法であって、該基材上に化学蒸着法によって複数の層を形成する工程と、該複数の層のうち最表面層に、ブラスト法、ブラシ法、バレル法およびイオン注入法より選ばれる方法によって、絶対値が０．１ＧＰａ以上である圧縮残留応力を付与する工程と、を有し、該最表面層はＴｉ_xＢ_y（ｘ、ｙは原子％を示し、１．５＜ｙ／ｘ＜２．５）からなるホウ化チタン層である。

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、優れた耐摩耗性および耐欠損性を兼ね備えるとともに、刃先稜線部の使用状態の判別を極めて容易に行なうことができる注意喚起機能を備えるという効果を有する。

以下、本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜表面被覆切削工具＞
本発明の実施の形態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ている。そして、該被膜は、複数の層から構成されており、該複数の層のうち最表面層は、Ｔｉ_xＢ_y（ｘ、ｙは原子％を示し、１．５＜ｙ／ｘ＜２．５）からなるホウ化チタン層であり、且つ絶対値が０．１ＧＰａ以上である圧縮残留応力を有する。

本発明の表面被覆切削工具は、すくい面および逃げ面の少なくとも一部に被膜を有しており、該被膜の最表面層として、耐摩耗性などに特別に優れるホウ化チタン層を備えている。当該ホウ化チタン層は、高い硬度およびヤング率を有するものであるため、従来技術と同様、またはそれよりも強い条件で被膜に機械的な後処理を付しても、色彩などが損なわれることがなく、刃先稜線部の使用状態の判別に何ら支障をきたすことがない。

そして、従来よりも強い条件で機械的な後処理を付すことにより、被膜の引張残留応力が解消され、圧縮残留応力を付与することができる。これにより、被膜の最表面層のみならず、被膜の下層部分における耐摩耗性や耐欠損性をも高めることができ、これと最表面層の高い硬度およびヤング率とが相まって、切削工具の耐摩耗性および耐欠損性が飛躍的に向上するものである。

また、本発明の表面被覆切削工具は、上記のような構成を備えることにより、刃先稜線部の使用状態の判別を極めて容易に行なうことができる注意喚起機能を有している。

本発明の表面被覆切削工具は、未使用状態では銀色または白色を呈している。そして、刃先稜線部による切削が開始されると、刃先稜線部に隣接する領域が変色して、工具のすくい面のうち、刃先稜線部の隣接部分に比較的大きな初期変化が生じる。このように変色した領域は、銀色または白色とは、全く異なる色を呈するものであり、工具の使用具合によっては、元の色より遥かに黒ずんだ下層が見えるようになる。したがって、作業者は、極めて容易に工具が未使用であるか否かを判別することが可能である。

ここで、工具が変色するメカニズムは、色彩コントラストの変化または明るさコントラストの変化に基づくものの他、前述のように下層が露出することにより生じるものや、熱による変化、たとえば酸化現象の結果として起こるものであっても良い。

酸化現象の結果として起こるものとしては、工具と被削材との摩擦熱によって、刃先稜線部の温度が上昇し、刃先稜線部に隣接する領域が酸化して、焼き戻し色を呈するものなどを例示することができる。

また、ここでいう変色には、切りくずや切削油などが付着することによって、あたかも変色したかのような外観を呈する場合も含まれるものとする。

このように、本発明の表面被覆切削工具は、短時間でも使用されると、すくい面および逃げ面が上記のような外観を呈し、明りょうな痕跡が残るため、作業者は一見して、未使用の刃先稜線部と使用後の刃先稜線部とを判別することができる。なお、本明細書において、このように変色または変質することによって、工具の使用状態を識別させる機能（すなわち、注意喚起機能）を有する層を「使用状態表示層」と記すこともある。

そして、本発明の表面被覆切削工具は、複数の刃先稜線部を有することが好ましい。上記のように、本発明の表面被覆切削工具は、刃先稜線部の使用状態の判別を容易に行なうことができるという優れた注意喚起機能を有する。そのため、複数の利用可能な刃先稜線部を有していても、それぞれの刃先稜線部が未使用のまま交換されることがない。したがって、工具の保守を大幅に簡素化することができるため、極めて有用性が高い。

また、切削工具としては、たとえば、ドリル、エンドミル、フライス加工用刃先交換型切削チップ、旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切り工具、リーマ、またはタップなどを挙げることができる。

  以下、本発明の表面被覆切削工具を構成する各部について説明する。
  ＜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従来公知のものを特に限定なく用いることができる。そのような基材としては、たとえば、炭化タングステン（ＷＣ）基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化ホウ素焼結体、ダイヤモンド焼結体などを挙げることができる。

ここで、基材がＷＣ基超硬合金から構成される場合は、かかる超硬合金は、硬質相と結合相とを含むことが好ましい。すなわち、超硬合金は、ＷＣからなる硬質相と、鉄族元素（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉをいい、鉄系金属ともいう）の１種以上からなる結合相とを含むことが好ましい。

また、たとえば、上記超硬合金は、周期律表の４族元素（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆなど）、５族元素（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａなど）、および６族元素（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗなど）からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）およびホウ素（Ｂ）からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とから構成される化合物の１種以上からなる化合物相または固溶体相や、不可避不純物などを含んでいても良い。なお、ここで、「化合物相または固溶体相」とはかかる相を構成する化合物が固溶体を形成していてもよいし、固溶体を形成せず、個々の化合物として存在していてもよいことを示す。

さらに、上記超硬合金は、組織中に局所的に遊離炭素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。また、上記超硬合金は、その表面に脱β層やＣｏ富化層や表面硬化層が形成されていても良く、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、化学蒸着法によって形成された複数の層から構成されている。そして、かかる被膜は複数の層の最表面層として、ホウ化チタン層を備えており、該ホウ化チタン層には、後発的に絶対値が０．１ＧＰａ以上である圧縮残留応力が付与されている。

本発明の被膜は、表面被覆切削工具のすくい面および逃げ面の少なくとも一部に形成されていることを要する。ここで、複数の層は、３層以上の層から構成されていることが好ましいが、その層数の上限については特に限定されない。

被膜の厚み（２層以上で形成される場合はその全体の厚み）は、３μｍ以上４０μｍ以下であることが好ましい。その厚みが３μｍ未満の場合、耐摩耗性の向上作用が十分に示されないためであり、一方４０μｍを超えてもそれ以上の諸特性の向上が認められないことから経済的に有利ではない。しかし、経済性を無視する限りその厚みは４０μｍを超えるものとしても何等差し支えなく、本発明の効果は示される。

このような被膜の厚みは、たとえば被膜を形成した基材（すなわち、表面被覆切削工具）を切断し、その断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）で観察することにより測定するものとする。また、被膜の組成は、エネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ：Energy Dispersive x-ray Spectroscopy）により測定するものとする。なお、この測定方法は、被膜を構成する各層の厚みおよび組成の測定方法としても適用される。

＜ホウ化チタン層＞
本発明のホウ化チタン層は、被膜の最表面に形成されており、極めて高い硬度を有するため、表面被覆切削工具の耐摩耗性を高めることができる。また、ホウ化チタン層は、白色または銀色などの鮮やかな色彩を呈するため、被膜がホウ化チタン層の下に、これと異なる色彩を有する下層を備えることによって、使用状態表示層としての機能を発揮することができる。また、このような外観は意匠性に優れるため商品価値の向上にも資するものである。

ホウ化チタン層は、工具のすくい面および逃げ面のうち、切削に関与する部位の少なくとも１部に形成されていることが特に好ましい。ここで、「切削に関与する部位」とは、具体的には刃先稜線部だけではなく、刃先稜線部の近傍部を含む。ここで、「刃先稜線部の近傍部」とは、刃先稜線部からすくい面の中心部に向かって０ｍｍ～３ｍｍ程度の距離をもって広がった領域を示す。このような部位に、ホウ化チタン層が形成されることにより、切削時にホウ化チタン層が有する優れた耐摩耗性が極めて有効に作用するとともに、刃先稜線部の使用状態が明りょうとなり、工具が未使用か否かを確実に判別することができる。

ホウ化チタン層を構成するチタンのホウ化物は、化学式Ｔｉ_xＢ_yで表わすことができる。ここで、式中、ｘ、ｙは原子％を示し、１．５＜ｙ／ｘ＜２．５の関係を満たすことを要する。また、より好ましくは、ｘ、ｙが１．９＜ｙ／ｘ＜２．１の関係を満たすことが好適である。ｘ、ｙが上記のような関係を満たすことにより、ホウ化チタン層の硬度およびヤング率をより一層高いものとすることができる。

ホウ化チタン層の厚みは、０．０５μｍ以上３μｍ以下であることが好ましく、０．１μｍ以上２μｍ以下であればさらに好適である。ホウ化チタン層の厚みが０．０５μｍ未満である場合には、十分な耐摩耗性を発揮できない可能性があり、また圧縮残留応力を付与する際に層の一部が摩滅して、工具の外観を害する可能性があるため好ましくない。また、ホウ化チタン層の厚みが３μｍを超える場合には、被膜の下層部分に十分な圧縮残留応力を付与することができない可能性があるため好ましくない。

＜圧縮残留応力＞
本発明のホウ化チタン層は、成膜後の後処理により、後発的に圧縮残留応力が付与されていることを特徴としている。そして、該圧縮残留応力は、絶対値が０．１ＧＰａ以上であることを要するものである。

ここで、「圧縮残留応力」とは、被膜に存する内部応力（固有ひずみ）の一種であって、「－」（マイナス）の数値（単位：本発明では「ＧＰａ」を使う）で表される応力をいう。このため、圧縮残留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、圧縮残留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。因みに、引張残留応力とは、被膜に存する内部応力（固有ひずみ）の一種であって、「＋」（プラス）の数値で表される応力をいう。なお、単に残留応力という場合は、圧縮残留応力と引張残留応力との両者を含むものとする。

なお、このような圧縮残留応力（残留応力）は、Ｘ線応力測定装置を用いたｓｉｎ²ψ法により測定することができる。そして、このような圧縮残留応力は被膜中の圧縮残留応力が付与される層に含まれる任意の点（１点、好ましくは２点、より好ましくは３～５点、さらに好ましくは１０点（複数点で測定する場合の各点は当該層の応力を代表できるように互いに０．１ｍｍ以上の距離を離して選択することが好ましい））の応力を該ｓｉｎ²ψ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。

このようなＸ線を用いたｓｉｎ²ψ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５４～６７頁に詳細に説明されている方法を用いれば良い。

また、上記圧縮残留応力は、ラマン分光法を用いた方法を利用することにより測定することも可能である。このようなラマン分光法は、狭い範囲、たとえばスポット径１μｍといった局所的な測定ができるというメリットを有している。このようなラマン分光法を用いた残留応力の測定は、一般的なものであるが、たとえば、「薄膜の力学的特性評価技術」（サイぺック（現在リアライズ理工センターに社名変更）、１９９２年発行）の２６４～２７１頁に記載の方法を採用することができる。

さらに、上記圧縮残留応力は、放射光を用いて測定することもできる。この場合、被膜の厚み方向で残留応力の分布を求めることができるというメリットがある。

前述のように、本発明のホウ化チタン層に、後発的に付与されている圧縮残留応力は、その絶対値が０．１ＧＰａ以上である。これにより、本発明の表面被覆切削工具の靭性が顕著に向上する。かかる圧縮残留応力の絶対値は、より好ましくは、０．２ＧＰａ以上であり、さらに好ましくは０．５ＧＰａ以上である。圧縮残留応力の絶対値が０．１ＧＰａ未満である場合には、十分な靭性が得られない場合がある。また、表面被覆切削工具の靭性を高める観点から、圧縮残留応力の絶対値は大きいほど好ましいが、その絶対値が１０ＧＰａを超えるとホウ化チタン層が剥離する場合があるため好ましくない。

＜下層＞
本発明の「下層」とは、基材上に形成された複数の層のうち、最表面層の下に形成された層を示し、単層であっても複層であっても良い。下層はホウ化チタン層とは異なった色を呈するものであり、基材の全面に形成されていることが好ましい。

下層の厚みは、２μｍ以上３０μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは２μｍ以上２５μｍ以下である。下層の厚みが２μｍ未満である場合、耐摩耗性を十分に発揮することができないことがあるため好ましくない。また、下層の厚みが３０μｍを超えてもそれ以上の耐摩耗性の向上が認められないことから経済的に有利ではない。しかし、経済性を無視する限りその厚みは３０μｍを超えるものとしても何ら差し支えなく、本発明の効果は示される。

本発明の表面被覆切削工具は、前述のようなホウ化チタン層を被膜の最表面層として備えるため、従来技術よりも強い条件で被膜に機械的な後処理を付すことによって、最表面層のみならず、下層にも圧縮残留応力を付与することができる。ここで、下層が有する圧縮残留応力は、切削に関与する部位の少なくとも一部において付与されていることが好ましい。これにより、靭性が付与された刃先の欠損を極めて有効に防止することができる。

なお、ここで、「切削に関与する部位」とは、工具の形状、被削材の種類や大きさ、切削加工の態様により異なるものであるが、通常、被削材と接触する（または、最近接する）刃先稜線部から、すくい面側および逃げ面側に各々３ｍｍの幅を有して広がった領域を示す。

圧縮残留応力は、切削に関与する部位の全域に亘って付与されていることが好ましいが、種々の事情により、そのような部位の一部において付与されていない場合がある。しかし、上記のように、切削に関与する部位の少なくとも一部において圧縮残留応力が付与されている限り、上記のような効果の発現に何ら支障はなく、刃先の欠損を極めて有効に防止することができる。

下層が有する圧縮残留応力は、その絶対値が０．１ＧＰａ以上であることが好ましく、より好ましくは０．２ＧＰａ以上であり、さらに好ましくは０．５ＧＰａ以上である。下層の有する圧縮残留応力の絶対値が０．１ＧＰａ未満である場合には、十分な靭性が得られない場合がある。また、表面被覆切削工具の靭性を高める観点から、圧縮残留応力の絶対値は大きいほど好ましいが、その絶対値が１０ＧＰａを超えると、下層の層間に剥離が発生する場合があるため好ましくない。

このような下層の層構成は特に限定されないが、Ａｌ酸化物からなるＡｌ酸化物層を含んでいることが好ましい。そして、下層が複層である場合には、Ａｌ酸化物層は、かかる複層の最外層として形成されていることが好適である。

＜Ａｌ酸化物層＞
Ａｌ酸化物層は、前述のようにＡｌ酸化物からなる層である。このようなＡｌ酸化物層は、耐摩耗性に優れているため、被膜中において耐摩耗層としての機能を有することもできる。このようなＡｌ酸化物層を備えることにより、最表面層を構成するホウ化チタン層の硬度と、Ａｌ酸化物層の耐摩耗性とが相乗的に作用し、工具寿命を飛躍的に延長させることができるとともに、高速切削などの過酷な使用環境にも適用できるという優れた効果を示す。

また、Ａｌ酸化物層は、黒ずんだ色を呈することができる。上述のように本発明の表面被覆切削工具は、最表面層として、銀色または白色などの鮮やかな色彩を呈するホウ化チタン層を備えている。したがって、下層が黒ずんだ色を呈するＡｌ酸化物層を備えることによって、最表面層との間で、際立ったコントラストを形成することができ、表面被覆切削工具の注意喚起機能をより一層高めることができる。そして、Ａｌ酸化物層が下層の最外層として形成されている場合には、特に際立ったコントラストを形成することができるため、さらに好ましい。

なお、Ａｌ酸化物層は、正確にはそれ自身が黒ずんだ色を呈するものではなく、Ａｌ酸化物層よりも下に形成されている層の色の影響を受けて、黒色に近い色彩を呈するものであるが、本明細書では、このような場合にも、黒ずんだ色または単に黒色と表現することもある。

Ａｌ酸化物層を構成するＡｌ酸化物の結晶構造は特に限定されない。たとえば、α－アルミナ（α‐Ａｌ₂Ｏ₃）、κ－アルミナ（κ‐Ａｌ₂Ｏ₃）、γ－アルミナ（γ‐Ａｌ₂Ｏ₃）またはアモルファス状態のアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）などを挙げることができ、または、これらが混在した状態であっても良い。

ここで、「Ａｌ酸化物からなるＡｌ酸化物層」とは、その層の一部として、少なくともＡｌ酸化物を含んでいること、すなわちＡｌ酸化物が５０質量％以上含まれていることを示し、その残部は、ＺｒＯ₂、Ｙ₂Ｏ₃などによって構成することもでき、さらに塩素（Ｃｌ）、炭素（Ｃ）、ホウ素（Ｂ）、窒素（Ｎ）などの元素が含まれていても良い。これは、たとえばＡｌ酸化物層がＺｒＯ₂やＹ₂Ｏ₃などを含む場合には、Ａｌ酸化物にＺｒやＹなどが添加されたものからなる層であるとみなすこともできるからである。

＜その他＞
本発明の下層には、Ａｌ酸化物層以外にも、たとえば、ＴｉＣＮ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＢＮ、ＺｒＯ₂、ＡｌＮなどの化合物からなる層が含まれていても良い。たとえば、基材の全面に、まず厚みが数μｍのＴｉＮ層を成膜し、その上に厚みが数μｍのＴｉＣＮ層を成膜し、さらにその上に厚みが数μｍのＡｌ酸化物層を成膜したものを下層の好適な例として挙げることができる。このような下層は全体として、優れた耐摩耗性を示し、耐摩耗層としての機能を有することもできる。

また、本発明の下層が、Ａｌ酸化物層よりも下の層として、Ｔｉと、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）およびホウ素（Ｂ）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構成される層を備えている場合は、さらに好適である。このような構成を採用することにより、Ａｌ酸化物層とその下の層との間で特に優れた密着性を得ることができ、表面被覆切削工具の耐摩耗性をより一層高めることができる。このような化合物としては、たとえば、ＴｉＮ、ＴｉＢＮ、ＴｉＢＮＯ、ＴｉＣＢＮ、ＴｉＣＮＯなどを挙げることができる。また、これら以外にも、同様の効果を示す化合物の例として、ＡｌＯＮ、ＡｌＣＮＯなどを挙げることもできる。

＜中間層＞
本発明の被膜は、最表面層と下層との間に、中間層を有することができる。このような中間層の構成としては、たとえば、周期律表の４族元素、５族元素、６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（Ｃ）、窒素（Ｎ）および酸素（Ｏ）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構成される１以上の層を挙げることができる。

上記のような化合物としては、たとえば、ＴｉＣＮ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＯ₂、ＴｉＮＯ、ＴｉＣ、ＴｉＢＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＣｒＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＴｉＡｌＳｉＣｒＮ、ＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＣＮ、ＡｌＣｒＶＮ、ＴｉＡｌＢＮ、ＴｉＢＣＮ、ＴｉＡｌＢＣＮ、ＴｉＳｉＢＣＮ、ＡｌＮ、ＡｌＣＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＮ、ＺｒＣＮ、ＺｒＮ、ＺｒＯ₂、ＨｆＣ、ＨｆＮ、ＨｆＣＮ、ＮｂＣ、ＮｂＣＮ、ＮｂＮ、Ｍｏ₂Ｃ、ＷＣ、Ｗ₂Ｃなどを挙げることができる。また、上記の化合物に対し、他の元素が微量にドープされたものであってもよい。これらの組成中、各原子比は上記一般式に倣うものとする。

なお、本発明において上記のように化合物を化学式で表わす場合、原子比を特に限定しない場合は従来公知のあらゆる原子比を含むものとし、必ずしも化学量論的範囲のもののみに限定されるものではない。たとえば、単に「ＴｉＣＮ」と記す場合、「Ｔｉ」と「Ｃ」と「Ｎ」の原子比は５０：２５：２５の場合のみに限られず、また、「ＴｉＮ」と記す場合も「Ｔｉ」と「Ｎ」の原子比は５０：５０の場合のみに限られず、従来公知のあらゆる原子比が含まれるものとする。

理由の詳細は不明ながら、このような中間層を備えることにより、Ａｌ酸化物層とホウ化チタン層との密着性を高めることができる。ここで、中間層としては、ＴｉＣＮ層およびＴｉＮ層の少なくともいずれかが特に好適であり、このような構成とすることにより、Ａｌ酸化物層とホウ化チタン層との密着性は極めて高いものとなり、これにより表面被覆切削工具に優れた耐摩耗性が付与される。

なお、中間層が最表面層と下層との間に形成されている限り、上記のようなＡｌ酸化物層とホウ化チタン層との密着性を高める効果は示される。すなわち、中間層がＡｌ酸化物層とホウ化チタン層に直に接して形成されている必要はなく、たとえば、中間層とＡｌ酸化物層との間や、中間層とホウ化チタン層との間にさらに別の層が形成されていても良い。

また、中間層も、最表面層および下層と同様に、圧縮残留応力を有することが好ましい。中間層の有する圧縮残留応力は、その絶対値が０．１ＧＰａ以上であることが好ましく、より好ましくは０．２ＧＰａ以上であり、さらに好ましくは０．５ＧＰａ以上である。
中間層の有する圧縮残留応力の絶対値が０．１ＧＰａ未満である場合には、十分な靭性が得られない場合がある。また、表面被覆切削工具の靭性を高める観点から、圧縮残留応力の絶対値は大きいほど好ましいが、その絶対値が１０ＧＰａを超えると、中間層とその他の層との間に剥離が発生する場合があるため好ましくない。

＜耐溶着性＞
また中間層は、Ａｌ酸化物層とホウ化チタン層との密着性を低下させる層であってもよい。この場合は、表面被覆切削工具に耐溶着性を付与することができる。すなわち、Ａｌ酸化物層とホウ化チタン層との密着性が低下することにより、切削初期にホウ化チタン層を容易に剥離させ、Ａｌ酸化物層を露出させることができる。Ａｌ酸化物層は鉄系被削材との反応性が低く、耐溶着性に優れている。したがって、Ａｌ酸化物層が露出されやすくすることにより、表面被覆切削工具の耐溶着性が高まることになる。ここで、Ａｌ酸化物層とホウ化チタン層との密着性を低下させる中間層としては、たとえばＴｉＣ層を挙げることができる。

＜製造方法＞
以上に説明した本発明の表面被覆切削工具は、次のような製造方法によって製造することができる。すなわち、次のような製造方法によって製造される表面被覆切削工具は、優れた耐摩耗性および耐欠損性を兼ね備えるとともに、刃先稜線部の使用状態の判別を極めて容易に行なうことができる注意喚起機能を備えるという効果を有する。

本発明の表面被覆切削工具の製造方法は、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の製造方法であって、該基材上に化学蒸着法によって複数の層を形成する工程と、複数の層のうち最表面層に、ブラスト法、ブラシ法、バレル法およびイオン注入法より選ばれる方法によって、絶対値が０．１ＧＰａ以上である圧縮残留応力を付与する工程と、を有しており、該最表面層はＴｉ_xＢ_y（ｘ、ｙは原子％を示し、１．５＜ｙ／ｘ＜２．５）からなるホウ化チタン層である。

＜化学蒸着法によって複数の層を形成する工程＞
複数の層を形成する化学蒸着法としては、従来公知のＣＶＤ法を用いることができるが、複数の層のうち少なくとも１層はＭＴ－ＣＶＤ（Medium Temperature-CVD）法を用いて成膜されていることが好適である。ＭＴ－ＣＶＤ法によって成膜される層の好適例としては、たとえば、耐摩耗性に優れる炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）層などを挙げることができる。

従来のＣＶＤ法は、約１０２０℃～１０３０℃で成膜を行なうのに対して、ＭＴ－ＣＶＤ法は約８５０℃～９５０℃という比較的低温で行なうことができるため、成膜の際に加熱による基材へのダメージを低減することができる。したがって、ＭＴ－ＣＶＤ法によって成膜される層は、基材に近接させて形成されていることが好ましい。

また、成膜の際に使用するガスとしては、ニトリル系のガス、特にアセトニトリル（ＣＨ₃ＣＮ）を用いると量産性に優れるため好ましい。なお、上記のようなＭＴ－ＣＶＤ法により成膜される層と、ＨＴ－ＣＶＤ（High Temperature-CVD）法により成膜される層とを積層させた積層構造とすることによって、被膜を構成する層と層との密着力が向上することがあり、好ましい場合もある。

なお、ここでの説明において、ＨＴ－ＣＶＤ法とは上記でいう従来のＣＶＤ法を示している。

＜圧縮残留応力を付与する工程＞
本発明の表面被覆切削工具の製造方法は、化学蒸着法によって形成された複数の層の最表面層に、後発的に圧縮残留応力を付与する工程を含み、該最表面層はホウ化チタン層であることを特徴としている。ここで、圧縮残留応力を付与する方法としては、ブラスト法、ブラシ法、バレル法およびイオン注入法より選ばれる方法を用いることができる。これらの方法のうち、機械的方法であるブラシ法、ブラスト法、バレル法などが特に好ましい。

圧縮残留応力を付与する方法としてブラスト法を採用する場合、使用する研磨材の粒子の種類として、このような用途に対して一般的なものを使用することができる。たとえば、スチールグリッド、スチールショット、カットワイヤー、アルミナ、ジルコニア、ガラスビーズ、珪砂などを使用することができる。また、中間層が最表面層と下層との密着性を低下させる層（たとえばＴｉＣ層）を含む場合には、圧縮残留応力を付与する方法として、公知のブラシ法を採用することが好ましい。

なお、複数の層のうち、最表面層以外の層についても圧縮残留応力を付与することができる。その際にも、最表面層に圧縮残留応力を付与する方法として例示した方法を好適に用いることができる。また、最表面層に圧縮残留応力を付与する際に、適宜条件を調整して、最表面層の下層に対しても同時に圧縮残留応力を付与することも可能である。

本発明の表面被覆切削工具の製造方法の好適な一例としては、次のような態様を挙げることができる。すなわち、基材上にまずＣＶＤ法によりＴｉＮ層を成膜し、その上にＭＴ－ＣＶＤ法によりＴｉＣＮ層を成膜し、さらにその上にＣＶＤ法によりＡｌ酸化物層を成膜して、下層を形成する。次いで、該下層の上に中間層として、ＣＶＤ法によりＴｉＣＮ層を成膜した後、最表面層として、ＣＶＤ法によりホウ化チタン層を成膜する。そして、後発的にブラスト法によって、最表面層であるホウ化チタン層に０．１ＧＰａ以上の圧縮残留応力を付与することにより、表面被覆切削工具とすることができる。また、このとき、最表面層のみならず、中間層および下層にも圧縮残留応力を付与しても良い。

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。なお、以下の説明において、表面被覆切削工具の各層の厚みは、前述のように、表面被覆切削工具の断面をＳＥＭ観察することにより測定したものである。

＜実施例１＞
まず、表面被覆切削工具の基材として、ＪＩＳ（Japanese Industrial Standard）に規定されるＪＩＳＢ４１２０（１９９８）ＣＮＭＧ１２０４０８の切削工具形状を有する超硬合金母材を準備した。この超硬合金母材は、８９．０ｗｔ％のＷＣと、８．０ｗｔ％のＣｏと、３．０ｗｔ％のＴｉＣとから構成されていた。

次いで、ホーニング処理された基材の表面上に、ＣＶＤ法により基材全面に亘って成膜を行ない、被膜を形成した。すなわち、基材の表面側から順に、下層として、０．５μｍのＴｉＮ層と、７．０μｍのＴｉＣＮ層（ＭＴ－ＣＶＤ）と、α－アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）からなる２．０μｍのＡｌ酸化物層とを積層した。

そして、その上に、中間層として０．３μｍのＴｉＣＮ層と、最表面層として０．７μｍのＴｉＢ₂からなるホウ化チタン層とを積層することにより、基材上に複数の層を含む被膜を形成した。この被膜構成を被膜Ｎｏ．１とする。

なお、被膜Ｎｏ．１において、中間層であるＴｉＣＮ層および最表面層であるＴｉＢ₂からなるホウ化チタン層が使用状態表示層を構成している。また、「ＴｉＣＮ層（ＭＴ－ＣＶＤ）」とはＭＴ－ＣＶＤ法によって成膜したＴｉＣＮ層であることを示している。

上記と同様にして、全面に表１に示す被膜Ｎｏ．２～７を形成した超硬合金基材をそれぞれ作製した。

表１中、下層の最外層であるＡｌ酸化物層（α－Ａｌ₂Ｏ₃（２．０μｍ）またはκ－Ａｌ₂Ｏ₃（２．０μｍ））は被膜の種類に係わらず、すべて黒色を呈するものであった。また、ホウ化チタン層である最表面層は銀色または白色を呈していた。

次いで、被膜を形成した基材それぞれに対して、表２に示す後処理を行ない最表面層に対して圧縮残留応力を付与した。後処理条件Ｂ～Ｄでは公知のブラスト法を用いて、表２に示す投射圧で後処理を行なった。なお、後処理条件Ｂ～Ｄにおける投射時間は５秒間とした。また、後処理条件Ｅでは公知のブラシ法による処理を行なった。

以上のようにして、表面被覆切削工具Ｎｏ．１～２６を得た。各表面被覆切削工具の被膜と後処理条件との組み合わせを表３に示す。表３中、「※」の印が付された表面被覆切削工具Ｎｏ．３、４、７、８および２６が実施例の表面被覆切削工具である。

＜残留応力の測定＞
以上のようにして得られた表面被覆切削工具Ｎｏ．１～２６の最表面層の残留応力を、Ｘ線応力測定装置を用いたｓｉｎ²ψ法により測定した。その結果を表３に示す。表３中、「残留応力」の欄の数値が、「－」（マイナス）の数値のものは、圧縮残留応力を有していたことを示し、「＋」（プラス）の数値のものは引張残留応力を有していたことを示している。

＜切削性能評価＞
さらに、表面被覆切削工具Ｎｏ．１～２６の切削性能を耐摩耗性試験および耐欠損性試験により評価した。それぞれの試験条件を以下に示す。また、評価結果を表３に示す。

  ＜耐摩耗性試験条件＞
  被削材：ＳＣＭ４３５（ＪＩＳ）
  切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ．
  送り：０．３０ｍｍ／ｒｅｖ．
  切込み：１．５ｍｍ
  切削油：湿式
  切削時間：２５分
  評価：逃げ面摩耗量。

  ＜耐欠損性試験条件＞
  被削材：ＳＣＭ４３５（ＪＩＳ）溝入材
  切削速度：１５０ｍ／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（工具寿命）。

表３中、「逃げ面摩耗量」が少ないほど、耐摩耗性に優れている。また、表３中、「切れ刃の使用状態の識別」の欄には、切れ刃が使用済みか否かの識別のしやすさの評価結果を示している。すなわち、切削試験後の目視確認によって、未使用品と比較して、明りょうに変色しており使用の有無が一見して識別できるものを「容易」とし、やや変色しているものを「やや困難」とし、使用前後で変色が少なく使用の有無の識別が難しいものを「困難」として評価した。

さらに、切削試験終了後の工具の刃先および被削材の加工面を目視観察することにより、工具の耐溶着性を追加評価した。表３中、「刃先への被削材の溶着状態」の欄が「無し」であり、「被削材加工面の状態」が「光沢有り」であるものは耐溶着性に優れている。
なお、耐溶着性に優れる工具のうち中間層としてＴｉＣ層を備えるＮｏ．２６の表面被覆切削工具は、被削材加工面が鏡面に近い状態であり特に耐溶着性に優れるものであった。
したがって耐溶着性の観点から、中間層はＴｉＣ層を含むことが特に好ましいと言える。

他方、工具の刃先に被削材が溶着しているものは、被削材の加工面も白濁しており、加工面の仕上げ粗さが大きいものであった。

表３より明らかなように、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、該被膜は複数の層を含み、該複数の層のうち最表面層は、Ｔｉ_xＢ_y（ｘ、ｙは原子％を示し、１．５＜ｙ／ｘ＜２．５）からなるホウ化チタン層であり、且つ絶対値が０．１ＧＰａ以上である圧縮残留応力を有する、実施例の表面被覆切削工具は、かかる条件を満たさない比較例の表面被覆切削工具に比し、優れた耐摩耗性および耐欠損性を有するとともに、刃先稜線部の使用状態の判別を極めて容易に行なうことができる優れた注意喚起機能を備えるものであることが確認できた。

＜実施例２＞
まず、表面被覆切削工具の基材として、ＪＩＳ（Japanese Industrial Standard）に規定されるＪＩＳＢ４１２０（１９９８）ＣＮＭＧ１２０４０８の切削工具形状を有する超硬合金母材を準備した。この超硬合金母材は、９０．０ｗｔ％のＷＣと、７．０ｗｔ％のＣｏと、３．０ｗｔ％のＴｉＣとから構成されていた。

次いで、ホーニング処理された基材の表面上に、ＣＶＤ法により基材全面に亘って成膜を行ない、被膜を形成した。すなわち、基材の表面側から順に、下層として、０．３μｍのＴｉＮ層と、３．０μｍのＴｉＣＮ層（ＭＴ－ＣＶＤ）と、α－アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）からなる２．０μｍのＡｌ酸化物層とを積層した。

そして、その上に、中間層として０．２μｍのＴｉＣＮ層と、最表面層として０．６μｍのＴｉＢ₂からなるホウ化チタン層とを積層することにより、基材上に複数の層を含む被膜を形成した。この被膜構成を被膜Ｎｏ．８とする。

なお、被膜Ｎｏ．８において、中間層であるＴｉＣＮ層および最表面層であるＴｉＢ₂からなるホウ化チタン層が使用状態表示層を構成している。

上記と同様にして、全面に表４に示す被膜Ｎｏ．９を形成した超硬合金基材を作製した。

表４中、下層の最外層であるＡｌ酸化物層（α－Ａｌ₂Ｏ₃（２．０μｍ））は被膜の種類に係わらず、すべて黒色を呈するものであった。また、ホウ化チタン層である最表面層は銀色または白色を呈していた。

次いで、被膜を形成した基材それぞれに対して、公知のブラスト法を用いて、表５に示す投射時間で後処理を行ない、最表面層に対して圧縮残留応力を付与した。なお、すべての処理において投射圧は０．１５ＭＰａとした。

以上のようにして、表面被覆切削工具Ｎｏ．２７～３４を得た。各表面被覆切削工具の被膜と後処理条件との組み合わせを表６に示す。表６中、「※」の印が付された表面被覆切削工具Ｎｏ．２９および３０が実施例の表面被覆切削工具である。

＜残留応力の測定＞
表面被覆切削工具Ｎｏ．２７～３４の最表面層の残留応力を、Ｘ線応力測定装置を用いたｓｉｎ²ψ法により測定した。その結果を表６に示す。表６中、「残留応力」の欄の数値が、「－」（マイナス）の数値のものは、圧縮残留応力を有していたことを示し、「＋」（プラス）の数値のものは引張残留応力を有していたことを示している。

＜切削性能評価＞
さらに、表面被覆切削工具Ｎｏ．２７～３４の切削性能を耐摩耗性試験および耐欠損性試験により評価した。それぞれの試験条件を以下に示す。また、評価結果を表６に示す。

  ＜耐摩耗性試験条件＞
  被削材：ＳＵＳ３０４（ＪＩＳ）
  切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ．
  送り：０．２０ｍｍ／ｒｅｖ．
  切込み：１．５ｍｍ
  切削油：湿式
  切削時間：２５分
  評価：逃げ面摩耗量。

  ＜耐欠損性試験条件＞
  被削材：ＳＵＳ３０４（ＪＩＳ）溝入材
  切削速度：１００ｍ／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（工具寿命）。

表６中、「逃げ面摩耗量」が少ないほど、耐摩耗性に優れている。また、表６中、「切れ刃の使用状態の識別」の欄には、切れ刃が使用済みか否かの識別のしやすさの評価結果を示している。すなわち、切削試験後の目視確認によって、未使用品と比較して、明りょうに変色しており使用の有無が一見して識別できるものを「容易」とし、やや変色しているものを「やや困難」とし、使用前後で変色が少なく使用の有無の識別が難しいものを「困難」として評価した。

表６より明らかなように、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、該被膜は複数の層を含み、該複数の層のうち最表面層は、Ｔｉ_xＢ_y（ｘ、ｙは原子％を示し、１．５＜ｙ／ｘ＜２．５）からなるホウ化チタン層であり、且つ絶対値が０．１ＧＰａ以上である圧縮残留応力を有する、実施例の表面被覆切削工具は、かかる条件を満たさない比較例の表面被覆切削工具に比し、優れた耐摩耗性および耐欠損性を有するとともに、刃先稜線部の使用状態の判別を極めて容易に行なうことができる優れた注意喚起機能を備えるものであ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を含むものである。

Claims

  基材と、前記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、
  前記被膜は複数の層を含み、
  前記複数の層のうち最表面層は、Ｔｉ_xＢ_y（ｘ、ｙは原子％を示し、１．５＜ｙ／ｘ＜２．５）からなるホウ化チタン層であり、且つ絶対値が０．１ＧＰａ以上である圧縮残留応力を有する、表面被覆切削工具。
前記被膜は、前記最表面層の下層として、Ａｌ酸化物からなるＡｌ酸化物層を含む、請求項１に記載の表面被覆切削工具。
前記被膜は、前記最表面層と前記Ａｌ酸化物層との間に中間層を有し、
前記中間層は、周期律表の４族元素、５族元素、６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、窒素および酸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構成される１以上の層を含む、請求項２に記載の表面被覆切削工具。
前記中間層は、ＴｉＣＮ層およびＴｉＮ層の少なくともいずれかを含む、請求項３に記載の表面被覆切削工具。
前記中間層は、ＴｉＣ層を含む、請求項３に記載の表面被覆切削工具。
  基材と、前記基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具の製造方法であって、
  前記基材上に化学蒸着法によって複数の層を形成する工程と、
  前記複数の層のうち最表面層に、ブラスト法、ブラシ法、バレル法およびイオン注入法より選ばれる方法によって、絶対値が０．１ＧＰａ以上である圧縮残留応力を付与する工程と、を有し、
  前記最表面層はＴｉ_xＢ_y（ｘ、ｙは原子％を示し、１．５＜ｙ／ｘ＜２．５）からなるホウ化チタン層である、表面被覆切削工具の製造方法。