JP4680932B2

JP4680932B2 - 表面被覆切削工具

Info

Publication number: JP4680932B2
Application number: JP2006543119A
Authority: JP
Inventors: 吉生岡田; 直也大森; 実伊藤; 智裕高梨; 晋也今村; 晋奥野
Original assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Current assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2005-10-24
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2025-10-24
Also published as: WO2006046498A1; IL182724A; IL182724A0; CN101048250A; US20070292670A1; EP1806193A1; KR100817658B1; US8012611B2; EP1806193B1; KR20070041791A; JPWO2006046498A1; CN100496824C; EP1806193A4

Description

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、メタルソー、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や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。

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、近年の切削の高速化に伴い、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や窒化珪素系のセラミックスを基材として、その表面にＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＰＶＤ（ＰｈｙｓｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で、元素周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ（アルミニウム）、ＳｉまたはＢから選ばれる１種以上の第１元素と、Ｂ、Ｃ、ＮまたはＯから選ばれる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３〜２０μｍである硬質合金工具の使用割合が増大している。

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。

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い靭性の双方を両立させることが要求されている。

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）を向上させるという手法が採用されている。

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が、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。

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いて、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いる。

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っ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。

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。
特開平０５−１７７４１１号公報特開平０５−１７７４１２号公報特開平０５−１７７４１３号公報特開平０６−０５５３１１号公報特許第３０８７４６５号公報（特開平０６−０７９５０２号公報）

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。

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、すくい面／逃げ面といった面単位での応力の調整ではなく、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ったものである。

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に係るものである。
４００ＭＰａ≦｜Ｓ１−Ｓ２｜≦３５００ＭＰａ・・・（Ｉ）

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いないものとすることができる。

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（ＩＩ）によって規定されるものとすることができる。
０≦｜ＳＳ１−ＳＳ２｜≦５００ＭＰａ・・・（ＩＩ）

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０．０５μｍ以上１．５μｍ以下である結晶組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、２〜２０μｍの厚みを有し、上記第２被膜は、０．５〜２０μｍの厚みを有するものとすることができる。

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、ＢおよびＳからなる群から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ＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ｓｉ、Ｙ、ＢおよびＳからなる群から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。

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。

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。表面被覆切削工具の概略斜視図である。刃先稜線部（シャープエッジ）の概略拡大断面図である。刃先処理された刃先稜線部の概略拡大断面図である。面取り処理された刃先稜線部の概略拡大断面図である。表面被覆切削工具の概略断面図である。

符号の説明

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。

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が、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。

＜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。

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。

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）をいうばかりではなく、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。

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のようにシャープエッジの場合はそのシャープエッジ部）からそれぞれ少なくとも０．５ｍｍであることをいうものとする。

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３ｍｍ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く、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。

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。

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。

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。

＜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、酸化アルミニウムなど）、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、または酸化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。

このような種々の基材の中でも、特に本発明においては超硬合金（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からである。

＜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からなる第１被膜１０と、α型Ａｌ₂Ｏ₃からなる第２被膜１１とを含むものである。

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。

このような第３の被膜としては、たとえばＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＯ、ＴｉＢＮ、ＺｒＣＮ、ＴｉＺｒＣＮ、ＡｌＮ、ＡｌＯＮ、ＴｉＡｌＮ等を挙げることができる。

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く、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。

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。

＜第２被膜＞
本発明の第２被膜は、α型Ａｌ₂Ｏ₃からなるものである。このような素材で構成される第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。

このような第２被膜は、α型Ａｌ₂Ｏ₃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、Ｍｏ、Ｗ等）、Ｓｉ、Ｙ、ＢおよびＳからなる群から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く、たとえば、そのような元素が上記α型Ａｌ₂Ｏ₃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、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。

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いて高濃度または低濃度で分布する場合等、い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Ａｌ₂Ｏ₃のＡｌに対して０．０１〜３０原子％で含有されることが好ましく、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によりもたらされる効果（たとえば高温時におい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。

また、このような第２被膜は、０．５〜２０μｍの厚みで形成することが好ましく、より好ましくは、その上限が１０μｍ、さらに好ましくは５μｍ、その下限が１μｍ、さらに好ましくは１．５μｍである。０．５μｍ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２０μｍを超えると、膜の強度が損なわれ、膜の剥離やチッピングが生じ、最終的には欠損に至る場合がある。

そしてこのような第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している。
４００ＭＰａ≦｜Ｓ１−Ｓ２｜≦３５００ＭＰａ・・・（Ｉ）

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Ａ１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、「−」（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。

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。

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（｜Ｓ１−Ｓ２｜）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被膜が下地から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（｜Ｓ１−Ｓ２｜）は、より好ましくは、その上限が３０００ＭＰａ、さらに好ましくは１７００ＭＰａ、その下限が７００ＭＰａ、さらに好ましくは１０００ＭＰａである。

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、α型Ａｌ₂Ｏ₃か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ェットブラスト処理を含む）、ショットピーニング処理または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。

一方、このようなα型Ａｌ₂Ｏ₃からなる被膜は、公知の物理的蒸着法（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ので、この被膜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少なくとも０．５ｍｍ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。

なお、このような応力分布は、Ｘ線応力測定装置によるｓｉｎ²ψ法により、測定回折面としてα型Ａｌ₂Ｏ₃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Ａ１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いに０．５ｍｍ以上の距離を離して選択することが好ましい）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。

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５４〜６６頁に詳細に説明されている方法を用いれば良い。

なお、上記のように応力分布を２θ−ｓｉｎ²ψ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く、応力差が重要である。このため、２θ−ｓｉｎ²ψ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もできる。

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、ＢおよびＳからなる群から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２θ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。

＜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Ａｌ₂Ｏ₃からなる第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いとい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。

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く、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。

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、ＢおよびＳからなる群から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。

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。

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いて高濃度または低濃度で分布する場合等、い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、ＴｉＣＮ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く、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。

また、このような第１被膜は、２〜２０μｍの厚みで形成することが好ましく、より好ましくは、その上限が１５μｍ、さらに好ましくは１０μｍ、その下限が２．５μｍ、さらに好ましくは３μｍである。２μｍ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２０μｍを超えると、膜の強度が損なわれ、膜の剥離やチッピングが生じ、最終的には欠損に至る場合がある。

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０．０５μｍ以上１．５μｍ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１／２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。

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ッ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、結晶が細かくなりすぎて、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１００、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。

また、平均粒径が０．０５μｍ未満の場合、結晶が細かくなりすぎて、組織が脆くなり耐欠損性が悪化することがある。平均粒径が１．５μｍを超えると、結晶の組織が粗くなり表面の凹凸も悪化し、切り屑の流れなど切削抵抗が悪化することがある。平均粒径として、より好ましくは０．１μｍ以上１．０μｍ以下であり、さらに好ましくはその上限が０．６μｍ、特に好ましくは０．４μｍ、その下限が０．１５μｍ、特に好ましくは０．２μｍである。

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いないことが好ましい。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。

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（ＩＩ）によって規定されたものとすることが好ましい。
０≦｜ＳＳ１−ＳＳ２｜≦５００ＭＰａ・・・（ＩＩ）

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（｜ＳＳ１−ＳＳ２｜）が、上記式（ＩＩ）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（｜ＳＳ１−ＳＳ２｜）が５００ＭＰａを超えると、下地との密着性を損ない、膜の剥離やチッピングが生じ、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（｜ＳＳ１−ＳＳ２｜）の上限は、より好ましくは２００ＭＰａ、さらに好ましくは１００ＭＰａである。

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。

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ｓｉｎ²ψ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２θ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。

＜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。

＜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１４２０℃、１時間の条件で焼結を行なった。

得られた焼結体の刃先稜線部に対してＳｉＣブラシホーニ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ェイ切削工具の基材を作成した。

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０．５μｍのＴｉＮ膜を形成し、その上に第１被膜である厚み７．０μｍのＴｉＣＮ膜を形成し、その上に厚み０．５μｍのＴｉＮ膜を形成し、その上に第２被膜である厚み３．０μｍのα型Ａｌ₂Ｏ₃膜を形成し、その上に厚み０．５μｍ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からなる第１被膜とα型Ａｌ₂Ｏ₃からなる第２被膜とを含むものであり、該第１被膜は該基材と該第２被膜との間に位置するものであった。

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２５０μｍ以下のＡｌ₂Ｏ₃などのセラミック砥粒によるブラスト処理を施すことにより以下の表１に示す応力分布（各第２被膜において｜Ｓ１−Ｓ２｜値および各第１被膜において｜ＳＳ１−ＳＳ２｜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、または引張応力が解放されて実質的に応力を有していないものであった。

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｜Ｓ１−Ｓ２｜値および各第１被膜における｜ＳＳ１−ＳＳ２｜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｜Ｓ１−Ｓ２｜値および各第１被膜における｜ＳＳ１−ＳＳ２｜値）は前述のｓｉｎ²ψ法により測定した。

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０．３μｍの結晶組織を有していた。

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いることを示している。

＜試験条件＞
被削材：ＳＣＭ４３５溝付き丸棒、
切削速度：２３０ｍ／ｍｉｎ
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．
切込み：０．５ｍｍ
切削油：無し

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（｜Ｓ１−Ｓ２｜）が４００ＭＰａ以上３５００ＭＰａ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。

＜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６〜１０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）。

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。

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

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からなる第１被膜（１０）と、α型Ａｌ₂Ｏ₃からなる第２被膜（１１）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）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、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≦｜Ｓ１−Ｓ２｜≦３５００ＭＰａ・・・（Ｉ）
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いない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１被膜（１０）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ＳＳ２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（ＩＩ）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≦｜ＳＳ１−ＳＳ２｜≦５００ＭＰａ・・・（ＩＩ）
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０．０５μｍ以上１．５μｍ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）。
前記第１被膜（１０）は、２〜２０μｍの厚みを有し、前記第２被膜（１１）は、０．５〜２０μｍ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）。
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）。
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からなる群から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、ＢおよびＳからなる群から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）。