JP5124793B2

JP5124793B2 - 表面被覆切削工具

Info

Publication number: JP5124793B2
Application number: JP2010161905A
Authority: JP
Inventors: 秀明金岡; 実伊藤; 吉生岡田; 智恵鈴木; パサート・アノンサック
Original assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Current assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Priority date: 2010-07-16
Filing date: 2010-07-16
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2030-07-16
Also published as: EP2594352A1; JP2012020391A; EP2594352A4; KR101384421B1; KR20120073333A; US20120231227A1; WO2012008185A1; EP2594352B1; CN102639267B; CN102639267A; US8465828B2

Description

本発明は、基材と該基材表面に形成された被覆層とを含む表面被覆切削工具に関する。

従来、一般の鋼や鋳物の切削加工には、ＷＣ−Ｃｏ合金もしくはＷＣ−Ｃｏ合金にＴｉおよび／またはＴａ、Ｎｂ等の炭窒化物を添加した合金からなる超硬合金製の切削工具が用いられてきた。しかし、その切削加工の際に、切削工具の刃先は８００℃以上の高温となるので、これらの超硬合金よりなる切削工具は、その切削加工時の熱により塑性変形しやすかった。そして、その結果、逃げ面摩耗の進行が増大しやすくなっていた。

そこで、高温での切削工具の切削特性を改善するために、上記超硬合金を母材（基材）とし、その表面に、周期律表のＩＶａ族金属の炭化物、窒化物、または炭窒化物（ＴｉＣ、ＴｉＮ、またはＴｉＣＮなど）、あるいはＡｌ₂Ｏ₃等といった硬質セラミックスの単一層、またはこれらの硬質セラミックスの複合層からなる被覆層を形成した表面被覆切削工具が使用されている。これらの被覆層の形成には、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などの化学的蒸着法、またはイオンプレーティング法やイオンスパッタリング法などの物理的蒸着法が用いられる。

これらの方法で形成された被覆層のうち、特に化学的蒸着法により形成した被覆層は、超硬合金の母材との密着強度が非常に高く、耐摩耗性が非常に優れている。近年、切削の高速化および高能率化の要望から被覆層はますます厚くなる傾向にあるため、超硬合金母材と被覆層との密着強度は重要である。

しかし一方で、化学的蒸着法で被覆層を形成する際には、被覆層の温度が約１０００℃近くの高温となるため、被覆層形成後に室温まで冷却すると、超硬合金母材と被覆層との熱膨張係数の差により被覆層に引張応力が残留する。その結果、切削加工時に被覆層の表面を起点として亀裂が発生すると、引張応力によりその亀裂が伝播し、被覆層の脱落やチッピングが発生する。具体的には、超硬合金母材の熱膨張係数は約５．１×１０^-6Ｋ^-1程度であるのに対し、被覆層の熱膨張係数は、たとえばＴｉＮの場合約９．２×１０^-6Ｋ^-1であり、ＴｉＣの場合約７．６×１０^-6Ｋ^-1であり、Ａｌ₂Ｏ₃の場合約８．５×１０^-6Ｋ^-1である。

現在一般に使用されている表面被覆切削工具の被覆層の厚みは、約数μｍから約十数μｍの範囲であるのは、被覆層の厚みを厚くするほど耐摩耗性が向上するものの、上記の理由から厚い被覆層ほど工具が異常損傷を引き起こす可能性が高まり、耐欠損性が低下することに起因する。

そこで、このような被覆層の特性を改善するための様々な技術が提案されている。たとえば特開平０７−２１６５４９号公報（特許文献１）には、アルミナ層成膜後の冷却時に発生するクラックを無くすことで、切削工具の切削寿命を向上させる技術が記載されている。

また、特開平０５−０５７５０７号公報（特許文献２）には、硬質材料からなる工具母材の表面に、化学気相成長法によって最外層としてＴｉＮ、ＴｉＣＮのいずれかの膜を、最外層に隣接する内層としてＡｌ₂Ｏ₃膜を形成した後、工具刃先部のみを研磨処理し、Ａｌ₂Ｏ₃膜を露出することで切屑の耐溶着性と切削加工時の耐衝撃性を向上することができるとされ、工具の長寿命化を図る技術として提案されている。

特開平０７−２１６５４９号公報特開平０５−０５７５０７号公報

しかしながら、特許文献１に開示された工具であっても、被覆層中には依然として引張応力が残留しているため、高速加工および高能率加工で断続的に切削を行なう場合には、依然として耐欠損性に劣るという問題があった。また、切削工具の刃先稜線部における被覆層は、薄膜化や応力付与が施されておらず、切削時の断続負荷が刃先に作用した際に亀裂が被覆層同士の界面または被覆層と基材との界面に発生し欠損するという問題があった。

また、特許文献２に開示された工具は刃先部の表面粗さに主眼をおいており、被覆層同士の界面および被覆層と基材との界面において切削時の断続負荷が集中する場合には亀裂が当該界面に発生するという問題があった。

上記のような問題に起因して、被覆層の脱落やチッピングによって摩耗が不均一に進行し、耐摩耗性が低下するという問題があった。これらの問題は、表面被覆切削工具全般にわたる問題であるが、とりわけフライス加工や溝付き材の旋削加工などの切削加工に用いられる表面被覆切削工具において特に顕著となる問題であった。上記の用途に用いられる表面被覆切削工具では、断続的な荷重が負荷されることによって刃先の欠損が極めて起こりやすかった。したがって、本発明は、耐摩耗性と耐欠損性との両者に優れた表面被覆切削工具を提供することを目的とする。

本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材表面に形成された被覆層とを含み、該被覆層は、１層または複数の層により構成され、すくい面の中心における被覆層表面の法線と２つの逃げ面が交差する稜とを含む平面で表面被覆切削工具を切断した断面において、該被覆層のうち、刃先稜線部において最も薄くなる部分の厚みをＴ₁、刃先稜線からすくい面方向に１ｍｍ離れた地点における厚みをＴ₂とする場合、Ｔ₁＜Ｔ₂を満たし、かつ、該被覆層表面において、刃先稜線からすくい面方向に距離Ｄ_a離れた地点をａとし、逃げ面方向に距離Ｄ_b離れた地点をｂとする場合、該Ｄ_aは０．０５ｍｍ≦Ｄ_a≦０．５ｍｍを満たし、該Ｄ_bは０．０１ｍｍ≦Ｄ_b≦０．２ｍｍを満たすものであって、地点ａから地点ｂまでの該被覆層における、表面から厚み０．１Ｔ₁〜０．９Ｔ₁を占める領域Ｅの１０％以上の領域において、該被覆層を構成する結晶粒の結晶方位のずれが５度以上１０度未満となることを特徴とする。

ここで、上記Ｄ_aは、０．０５ｍｍ≦Ｄ_a≦０．２５ｍｍを満たすことが好ましく、上記領域Ｅの厚みは、０．５Ｔ₁〜０．９Ｔ₁であることが好ましい。

また、上記被覆層は、複数の層により構成され、上記刃先稜線部における被覆層の構成と上記刃先稜線部以外の領域における被覆層の構成とが異なることが好ましい。また、上記被覆層は、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）、アルミニウム、およびシリコンからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素とからなる化合物により構成されることが好ましい。また、上記Ｔ₂は、３μｍ以上３０μｍ以下であることが好ましい。

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、優れた耐摩耗性と優れた耐欠損性とを有している。

すくい面の中心における被覆層表面の法線と２つの逃げ面が交差する稜とを含む平面で切断した場合の本発明の表面被覆切削工具の刃先稜線部周辺の模式的断面図である。本発明の表面被覆切削工具の刃先稜線部周辺の顕微鏡写真である。

以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
＜表面被覆切削工具＞
本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材表面に形成された被覆層とを含む。このような構成を有する本発明の表面被覆切削工具は、たとえばドリル加工用、エンドミル加工用、フライス加工用、旋削加工用、クランクシャフトのピンミーリング加工用等の刃先交換型切削チップとして有用に用いることができるが、これらの用途および形状に限定されるものではない。本発明の表面被覆切削工具は、フライス加工や溝付き材の旋削加工など、断続的な荷重が負荷される切削加工用途において特に適している。

＜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、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等の炭窒化物等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、およびこれらの混合体など）、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体等をこのような基材の例として挙げることができる。

そして本発明においては、上記のような基材の中でも、特に硬質化合物よりなる複数の硬質相（通常マトリックスとなる）と、該硬質相同士を結合する結合相とを含む構造を有したものが好ましく、特に硬質化合物である金属炭化物の粉末等を焼結して製造される超硬合金が好ましい。ここで、このような硬質化合物としては、たとえば周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、およびＶＩａ族元素のいずれかに属する少なくとも一種の元素の炭化物、窒化物、および炭窒化物からなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物と、炭化タングステンと、からなることが好ましい。またあるいは、上記硬質化合物は、炭化タングステンのみであることが好ましい。なお、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、およびＶＩａ族元素のいずれかに属する少なくとも一種の元素の炭化物、窒化物、および炭窒化物からなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物の具体例としては、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴａＣ、ＮｂＣ、ＺｒＣＮ、Ｃｒ₃Ｃ₂、ＺｒＣ、ＺｒＮ、ＴｉＣＮ等を挙げることができる。当該化合物と炭化タングステンとの配合比率、および当該化合物を複数配合する場合の各配合比率は特に限定されず、従来公知の配合比率を採用することができる。またなお、上記硬質相は上記の硬質化合物の代わりに、サーメット等により構成されるものであってもよい。

上記のような硬質化合物で構成される硬質相は、硬質であり、耐摩耗性に優れている。また、高温時の硬度低下も小さい。このため、本発明の表面被覆切削工具の基材の素材として適している。

一方、上記結合相は、上記硬質相同士を結合する作用を有するものであり、たとえば鉄系金属、すなわち鉄、コバルト、およびニッケルからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素により構成されることが好ましい。このような元素による結合相は、上記の硬質相、特に金属炭化物よりなる硬質相同士の結合を強化する性質を有しているので好適である。なお、硬質相がサーメットよりなっている場合、結合相はコバルト、ニッケル、またはコバルトとニッケルとの合金であることが特に好ましい。

本発明において、基材として超硬合金を使用する場合、そのような超硬合金は、組織中に遊離炭素やη相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。なお、本発明で用いる基材は、その表面が改質されたものであっても差し支えない。たとえば、超硬合金の場合はその表面に脱β層が形成されていたり、サーメットの場合には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。

＜被覆層＞
本発明の被覆層は、１層または複数の層により構成される。すなわち、該被覆層は、単一層であってもよいし、複数の層からなる複合層であってもよい。このような被覆層を基材表面に形成することにより、耐摩耗性が向上する。

本発明の被覆層は、基材上の全面を被覆する態様を含むとともに、部分的に被覆層が形成されていない態様をも含み、さらにまた表面被覆切削工具の特定の部分において被覆層の一部の積層態様が異なっているような態様をも含む。特に、このような被覆層は、複数の層により構成される場合、後述の刃先稜線部における被覆層の構成と刃先稜線部以外の領域における被覆層の構成とが異なることが好ましい。これにより、膜（被覆層）界面の数を減少させ、耐チッピング性が向上するという効果が得られる。

本発明の被覆層としては、従来公知の組成の被覆層を特に限定なく採用することができ、たとえば硬質セラミックス、特に周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、アルミニウム、およびシリコンからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素と、炭素、窒素、酸素、および硼素からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素とからなる化合物により構成されることが好ましい。これにより、耐摩耗性をより一層向上させることができる。

このような化合物としては、より具体的には、周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、アルミニウム、およびシリコンからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、炭酸化物、炭酸窒化物、硼窒化物、および硼炭窒化物よりなる群から選ばれる少なくとも一種の化合物が挙げられ、さらに具体的には、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＨｆＮ、ＴｉＮｂＮ、ＴｉＴａＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＣｒＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＴｉＡｌＳｉＣｒＮ、ＴｉＢＮ、ＴｉＡｌＢＮ、ＴｉＳｉＢＮ、ＴｉＢＣＮ、ＴｉＡｌＢＣＮ、ＴｉＳｉＢＣＮ、ＣｒＮ、ＡｌＮ、ＡｌＣｒＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＮ、ＺｒＣＮ、ＺｒＯ₂、ＶＮ、ＴｉＯ₂等を挙げることができる。

なお、このような被覆層は、後述のＴ₂で表わされる厚みが３μｍ以上３０μｍ以下であること（被覆層が複数の層で構成される場合は全体の厚みを示す）が好ましく、より好ましくは７μｍ以上２３μｍ以下である。上記厚みを３μｍ以上とすることにより、被覆層の耐摩耗性向上の効果を得ることができ、被覆層の厚みが厚くなるほど耐摩耗性は向上する。一方、被覆層の厚みを３０μｍ以下とすることにより、被覆層の耐欠損性を確保することができる。なお、Ｔ₂はすくい面側の厚みであるが、刃先稜線部を除く逃げ面側の厚みもこれと同じ程度の厚みとすることが好ましい。

＜刃先稜線部における特徴＞
本発明は、すくい面の中心における被覆層表面の法線と２つの逃げ面が交差する稜とを含む平面で本発明の表面被覆切削工具を切断した断面において、該被覆層のうち、刃先稜線部において最も薄くなる部分の厚みをＴ₁、刃先稜線からすくい面方向に１ｍｍ離れた地点における厚みをＴ₂とする場合、Ｔ₁＜Ｔ₂を満たし、かつ、該被覆層表面において、刃先稜線からすくい面方向に距離Ｄ_a離れた地点をａとし、逃げ面方向に距離Ｄ_b離れた地点をｂとする場合、該Ｄ_aは０．０５ｍｍ≦Ｄ_a≦０．５ｍｍを満たし、該Ｄ_bは０．０１ｍｍ≦Ｄ_b≦０．２ｍｍを満たすものであって、地点ａから地点ｂまでの該被覆層における、表面から厚み０．１Ｔ₁〜０．９Ｔ₁を占める領域Ｅの１０％以上の領域において、該被覆層を構成する結晶粒の結晶方位のずれが５度以上１０度未満となることを特徴とする（図１参照）。これにより、本発明の表面被覆切削工具は、チッピングの起点となる刃先稜線部の膜厚が薄膜化され、かつ被覆層の上部が歪みを生じているため、刃先強度を増強させることができる。その結果、被覆層によって耐摩耗性を向上しつつ、被覆層の脱落やチッピングを防ぐことができ、優れた耐摩耗性と優れた耐欠損性とを得ることができる。

ここで、本発明における「刃先稜線」と「刃先稜線部」とは異なった概念を示す。「刃先稜線」は、本発明の表面被覆切削工具１０（基材１表面に被覆層２が形成されている）の上記断面において、すくい面３と逃げ面４とが交差する稜を示すものであるが、このような稜はホーニング処理により加工されているため現実には存在せず、したがって本発明においては、図１に示したようにかかる断面においてすくい面３と逃げ面４とをそれぞれ直線で近似し、その直線を延長した場合に両延長線が交差する交点を刃先稜線５とする。これに対し、「刃先稜線部」とは、切削加工時において被削材の切削に最も関与する部位のひとつであり、上記刃先稜線５の周辺部を示すものであるが、本発明においては、上記断面においてすくい面３と逃げ面４とをそれぞれ直線で近似した場合に、ホーニング処理により当該直線が屈曲する点を結んだ領域（すなわち被覆層２表面におけるすくい面３の屈曲点から逃げ面４の屈曲点までの領域）を刃先稜線部（本発明では単に「刃先」と呼ぶこともある）とする。なお、上記地点ａおよび地点ｂを、それぞれすくい面３の屈曲点および逃げ面４の屈曲点と一致させることが好ましいが、これらが一致しない場合であっても本発明の範囲を逸脱するものではない。

一方、上記で規定される平面に関し、「すくい面の中心」とはすくい面の幾何学的な意味での中心を意味し、すくい面の中央部に当該表面被覆切削工具を取り付けるための貫通孔が開けられている場合は、その貫通孔が開けられていないと仮定した場合のすくい面の幾何学的な意味での中心を意味する。また、「２つの逃げ面が交差する稜」とは、２つの逃げ面が交差する稜を意味するが、この稜が明瞭な稜を形成しない場合は、両逃げ面をそれぞれ幾何学的に拡大した場合に両者が交差する仮定的な稜を意味するものとする。なお、このように規定される平面が、１個の表面被覆切削工具に２以上存在する場合は、いずれか１の平面を選択するものとする。

そして、本発明においては、上記断面において、該被覆層のうち、刃先稜線部において最も薄くなる部分の厚みをＴ₁、刃先稜線からすくい面方向に１ｍｍ離れた地点における厚みをＴ₂とする場合、Ｔ₁＜Ｔ₂を満たすことにより、刃先稜線部における被覆層が薄膜化されるため、刃先強度が飛躍的に向上する。この場合、Ｔ₁／Ｔ₂は０．０５≦Ｔ₁／Ｔ₂≦０．９５とすることが好ましく、０．３≦Ｔ₁／Ｔ₂≦０．７とすることがより好ましい。Ｔ₁／Ｔ₂＝０の場合、刃先稜線部に被覆層が形成されないため、耐摩耗性が著しく低下し、Ｔ₁／Ｔ₂＞０．９５の場合は、刃先稜線部における薄膜化が十分ではなく耐欠損性が劣る場合がある。

さらに、本発明においては、図１に示したように、上記断面における被覆層２の表面において、刃先稜線５からすくい面３方向に距離Ｄ_a離れた地点をａとし、逃げ面４方向に距離Ｄ_b離れた地点をｂとする場合、該Ｄ_aは０．０５ｍｍ≦Ｄ_a≦０．５ｍｍを満たし、該Ｄ_bは０．０１ｍｍ≦Ｄ_b≦０．２ｍｍを満たすものであって、地点ａから地点ｂまでの該被覆層２における、表面から厚み０．１Ｔ₁〜０．９Ｔ₁を占める領域Ｅの１０％以上の領域において、該被覆層を構成する結晶粒の結晶方位のずれが５度以上１０度未満となることを特徴とする。これにより被覆層の上部に歪みを生じ、上記薄膜化と相俟って刃先強度を一層増強させることができる。その結果、被覆層によって耐摩耗性を向上しつつ、被覆層の脱落やチッピングを防ぐことができ、優れた耐摩耗性と優れた耐欠損性とを得ることができるのである。

ここで、結晶方位のずれは、表面被覆切削工具を研磨することにより研磨面として露出した上記断面の被覆層に対して、電界放出型走査電子顕微鏡を用いて電子線を照射し、５０ｎｍ間隔で上記領域Ｅの被覆層を構成する結晶粒の結晶を観察することにより判断する。具体的には、まず後方散乱光回折分析装置を用いて１００００個の結晶粒を観察し、各方位毎の結晶方位の平均値を求める。次いで、５０ｎｍ間隔の各観察点において、上記各方位毎の平均値からのずれが５度以上１０度未満となる観察点を画像解析ソフト（後方散乱光回折分析装置に付帯している分析ソフトを使用することができる）を用いてマッピングし、当該マッピングされた観察点で囲まれた領域の面積が上記領域Ｅの１０％以上となる場合に、本発明の規定が満たされるものとする。当該面積が１０％未満となる場合は、刃先の強度が十分に確保されず、耐欠損性が低下する。また、当該面積は大きくなればなるほど好ましい効果が得られるため、上限は特に限定されないが、大きくなるほど被覆層中の歪みが増大し、被覆層の密着力低下が懸念されるとの理由から、その上限を９０％とすることが好ましい。当該面積は、より好ましくは、上記領域Ｅの２０％以上８０％以下である。

上記領域Ｅの厚みが０．１Ｔ₁未満の場合は、刃先の強度が十分に確保されず、耐欠損性が低下する。また、該厚みが０．９Ｔ₁を超えると被覆層と基材との密着性が低下する。このため、上記領域Ｅの厚みは、０．５Ｔ₁〜０．９Ｔ₁とすることがより好ましい。

また、上記Ｄ_aおよびＤ_bが、Ｄ_a＜０．０５ｍｍまたはＤ_b＜０．０１ｍｍとなる場合、刃先の強度が十分に確保されず、耐欠損性が低下する。また、上記Ｄ_aおよびＤ_bが、０．５ｍｍ＜Ｄ_aまたは０．２ｍｍ＜Ｄ_bとなる場合、被覆層と基材との密着性が低下する。このため、上記Ｄ_aおよびＤ_bは、０．０５ｍｍ≦Ｄ_a≦０．２５ｍｍ、０．０２ｍｍ≦Ｄ_b≦０．１ｍｍとすることがより好ましい。

また、結晶方位のずれが５度未満の場合は、被覆層中に十分な歪みが生じないため刃先強度が向上せず、１０度以上になると別方位の結晶となってしまう。

＜製造方法＞
本発明の表面被覆切削工具は、たとえば次のようにして製造することができる。まず、硬質化合物よりなる複数の硬質相と、硬質相同士を結合する結合相とを含む基材を準備する。続いて、この基材に対して、ブラシまたはプラスティックメディアを用いて、上記の刃先稜線部に相当する部位をホーニング処理する。なお、ホーニング処理は、ショットピーニングを用いてアルミナ等の微粒子を基材に衝突させる方法を用いてもよい。

次いで、基材の表面に被覆層を形成する。被覆層は、たとえばチャンバ内に基材を配置し、ＣＶＤ法などの気相合成法を用いて、８００℃以上１１００℃以下の温度（ＭＴ（moderate temperature）法の場合は８００℃以上１０５０℃以下の温度）で基材上に成膜される。特にＣＶＤ法により形成した被覆層は、基材との密着強度が非常に強い。その結果、被覆層を厚くすることができ、耐摩耗性を向上することができる。また、ＣＶＤ法の代わりに、イオンプレーティング法やイオンスパッタリング法などの物理的蒸着法を用いてもよい。

次に、上記のようにして成膜された被覆層に対して、上記領域Ｅを形成するためにすくい面側は刃先稜線からたとえば０．５ｍｍの部分を、逃げ面側は刃先稜線からたとえば０．２ｍｍの部分を、それぞれ覆わないようにして残りの部分をたとえば厚さ０．２ｍｍ〜３．２ｍｍの金属製（たとえばステンレス製）プレートによりマスキングする。続いて、ショットピーニング、あるいはブラシまたはプラスティックメディアを用いて、マスキング部分とマスキングされていない部分の両方の被覆層（ただし刃先稜線部およびその周辺部分）に対してホーニング処理を行なう。この場合、マスキングを行なうことにより、ホーニング処理時にメディアがマスキング部分に回り込むことを抑制できるため、マスキングされていない部分のみに歪み（結晶方位のずれ）を形成させることが可能となる。このマスキングされていない部分が、図１における地点ａから地点ｂまでの領域となる。したがって、上記のマスキングする部分の位置を調節することにより、上記Ｄ_a、Ｄ_bで表わされる距離を０．０５ｍｍ≦Ｄ_a≦０．５ｍｍ、０．０１ｍｍ≦Ｄ_b≦０．２ｍｍの範囲に任意に調整することができる。なお、マスキングを行なわずにホーニング処理を行なう場合は、図１における地点ａから地点ｂまでの領域に歪み（結晶方位のずれ）を形成させることができず、耐欠損性を向上させることができない。

ここで、上記ホーニング処理の条件として、２種類以上の複数のメディアを混載させ、かつマスキング用の金属製プレートの厚みを０．２ｍｍ〜３．２ｍｍの各範囲で選択することにより、結晶方位のずれおよびその領域の占める割合を調整することができる。

この場合、複数のメディアの選択は、ホーニング処理を精密に制御できるように、研削および応力付与という異なる２種の機能を分化させるという観点から、研削力に優れ、硬度が高いという特性を備える素材と、研削性が高くなく、被研削物に対して衝撃を加えることで応力を付与できるという特性を備える素材とを組み合わせることが好ましい。たとえば前者の素材としては、ＳｉＣ、ＴｉＣ、ダイヤモンド等を挙げることができ、後者の素材としては、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂等を挙げることができる。

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＞
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基材として準備した。なお、この基材は、後述の各試料（Ａ１〜Ａ６）毎に３個ずつ計１８個準備した。また、この基材の組成は、８７．０ｗｔ％のＷＣと、７．０ｗｔ％のＣｏと、３．０ｗｔ％のＴｉＣと、３．０ｗｔ％のＮｂＣとにより構成されている。

そして、この基材の刃先稜線部に対してＳｉＣブラシ等を用いてホーニング処理を施した。次いで、このようにホーニング処理された基材の表面上に被覆層を形成した。この被覆層は、ＣＶＤ法により形成し、まず基材表面と接するように１．０μｍの厚みを有するＴｉＮを形成し、その上に順次、１０．０μｍの厚みを有するＭＴ（moderate temperature）−ＴｉＣＮ、１．０μｍの厚みを有するＴｉＮ、４．０μｍの厚みを有するＡｌ₂Ｏ₃、および１．５μｍの厚みを有するＴｉＮをこの順に成膜した。なお、以上の厚みは上記Ｔ₂における厚みとした。

続いて、上記のようにして成膜された被覆層に対して、すくい面側は刃先稜線から０．５ｍｍの部分を、逃げ面側は刃先稜線から０．２ｍｍの部分を、それぞれ覆わないようにして残りの部分を以下のような厚みの金属製（ＳＵＳ３０４製）プレートによりマスキングした。すなわち、試料Ａ２は０．１ｍｍ、試料Ａ３は０．５ｍｍ、試料Ａ４は１．０ｍｍ、試料Ａ５は２．０ｍｍ、試料Ａ６は５．０ｍｍとした。これに対し、試料Ａ１についてはマスキングを行なわなかった。そして、試料Ａ２〜Ａ６についてはマスキング部分およびマスキングを行なっていない部分（ただし刃先稜線部およびその周辺部分）、および試料Ａ１については試料Ａ２〜Ａ６と同様の部分に対して、ＳｉＣブラシが７５面積％およびアルミナブラシが２５面積％含まれた混載ブラシを用いて同条件のホーニング処理（条件：回転数１５００ｒｐｍ、送り５０００ｍｍ／分、切り込み３．０ｍｍ）を行なった。

このようにして得られた各試料（表面被覆切削工具）のうち、各試料毎に１個ずつ、すくい面の中心における被覆層表面の法線と２つの逃げ面が交差する稜とを含む平面に沿って試料を切断し、その断面を機械研磨した。そして、研磨面として露出した断面の被覆層に対して、電界放出型走査電子顕微鏡を用いて電子線を照射し、５０ｎｍ間隔で上記領域Ｅの被覆層を構成する結晶粒の結晶方位を観察することにより、結晶方位のずれを測定した。かかる測定の具体的方法は、上記に記載した方法に倣った。なお、上記測定と同時に、刃先稜線部における被覆層の最も薄くなる部分の厚みＴ₁およびＤ_a、Ｄ_bを測定した。これらの結果を表１に示す。Ｔ₁、Ｔ₂の単位はμｍであり、Ｄ_a、Ｄ_bの単位はｍｍである。

一方、上記で切断しなかった試料のうち、各試料毎に１個ずつを用いて以下の条件により耐摩耗性を評価した。さらに、また残りの試料について、各試料毎に１個ずつを用いて以下の条件により耐欠損性（耐チッピング性）を評価した。これらの結果を同じく以下の表１に示す。なお、試料Ａ３の上記断面を撮影した顕微鏡写真（撮影条件：走査型電子顕微鏡を用いて５００倍で撮影）を図２に示す。

＜耐摩耗性の評価＞
被削材：ＳＣＭ４３５（ＪＩＳ）
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ．
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．
切込み：１．５ｍｍ
切削油：湿式
切削時間：２０ｍｉｎ．
評価：逃げ面摩耗量を測定（該数値が小さい方が耐摩耗性に優れる）。

＜耐欠損性の評価＞
被削材：ＳＣＭ４３５（ＪＩＳ）溝入材
切削速度：３３０ｍ／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（長い方が耐欠損性に優れる）。

表１中、「領域Ｅの厚み」の項は、領域Ｅの厚みを示し、「領域Ｅに占める割合」の項は、結晶粒の結晶方位のずれが５度以上１０度未満となる領域の、領域Ｅに占める割合を示す。

表１中、試料Ａ３〜Ａ５が実施例であり、試料Ａ１、Ａ２およびＡ６が比較例である。表１より明らかなように、本発明の実施例である試料Ａ３〜Ａ５は、試料Ａ１およびＡ２と同等の逃げ面摩耗量の結果が得られている一方で、試料Ａ１およびＡ２よりもチッピングまたは欠損するまでの時間（表１の「衝撃時間」）が飛躍的に長くなっている。一方、試料Ａ６は、試料Ａ３〜Ａ５に比し、逃げ面摩耗量が増加し、衝撃時間は短くなっていた。したがって、以上の結果より、本発明の表面被覆切削工具は、耐摩耗性と耐欠損性との両者において優れていることが確認できた。

＜実施例２＞
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基材として準備した。なお、このような基材は、後述の各試料（Ｂ１〜Ｂ５）毎に３個ずつ計１５個準備した。また、この基材の組成は、８８．０ｗｔ％のＷＣと、５．０ｗｔ％のＣｏと、３．０ｗｔ％のＴｉＣと、２．０ｗｔ％のＴａＣと、２．０ｗｔ％のＮｂＣとにより構成されている。

そして、この基材の刃先稜線部に対してＳｉＣブラシ等を用いてホーニング処理を施した。次いで、このようにホーニング処理された基材の表面上に被覆層を形成した。この被覆層は、ＣＶＤ法により形成し、まず基材表面と接するように０．５μｍの厚みを有するＴｉＮを形成し、その上に順次、１０．０μｍの厚みを有するＭＴ（moderate temperature）−ＴｉＣＮ、１．０μｍの厚みを有するＴｉＢＮ、６．０μｍの厚みを有するＡｌ₂Ｏ₃、および１．５μｍの厚みを有するＴｉＮをこの順に成膜した。なお、以上の厚みは上記Ｔ₂における厚みとした。

続いて、上記のようにして成膜された被覆層に対して、すくい面側は刃先稜線から０．５ｍｍの部分を、逃げ面側は刃先稜線から０．２ｍｍの部分を、それぞれ覆わないようにして残りの部分を１ｍｍの厚みの金属製（ＳＵＳ３０４製）プレートによりマスキングした。そして、マスキング部分およびマスキングを行なっていない部分（ただし刃先稜線部およびその周辺部分）に対して、ショット時の圧力を０．２ＭＰａとし、ＳｉＣ砥粒が１５質量％およびアルミナ砥粒が８５質量％含まれた混載メディアを用いて処理時間を以下のように変更することにより、ショットピーニングによりホーニング処理を行なった。すなわち、試料Ｂ１は１秒、試料Ｂ２は５秒、試料Ｂ３は１０秒、試料Ｂ４は１５秒、試料Ｂ５は２０秒とした。

このようにして得られた各試料（表面被覆切削工具）のうち、各試料毎に１個ずつ、すくい面の中心における被覆層表面の法線と２つの逃げ面が交差する稜とを含む平面に沿って試料を切断し、その断面を機械研磨した。そして、研磨面として露出した断面の被覆層に対して、電界放出型走査電子顕微鏡を用いて電子線を照射し、５０ｎｍ間隔で上記領域Ｅの被覆層を構成する結晶粒の結晶を観察することにより、結晶方位のずれを測定した。かかる測定の具体的方法は、上記に記載した方法に倣った。なお、上記測定と同時に、刃先稜線部における被覆層の最も薄くなる部分の厚みＴ₁およびＤ_a、Ｄ_bを測定した。これらの結果を表２に示す。Ｔ₁、Ｔ₂の単位はμｍであり、Ｄ_a、Ｄ_bの単位はｍｍである。

一方、上記で切断しなかった試料のうち、各試料毎に１個ずつを用いて実施例１と同じ条件により耐摩耗性を評価した。さらに、また残りの試料について、各試料毎に１個ずつを用いて実施例１と同じ条件により耐欠損性（耐チッピング性）を評価した。これらの結果を同じく以下の表２に示す。

表２中、「領域Ｅの厚み」の項は、領域Ｅの厚みを示し、「領域Ｅに占める割合」の項は、結晶粒の結晶方位のずれが５度以上１０度未満となる領域の、領域Ｅに占める割合を示す。

表２中、試料Ｂ２〜Ｂ４が実施例であり、試料Ｂ１およびＢ５が比較例である。表２より明らかなように、本発明の実施例である試料Ｂ２〜Ｂ４は、試料Ｂ１と同等の逃げ面摩耗量の結果が得られている一方で、試料Ｂ１よりもチッピングまたは欠損するまでの時間（表２の「衝撃時間」）が飛躍的に長くなっている。一方、試料Ｂ５は、試料Ｂ２〜Ｂ４に比し、逃げ面摩耗量が増加し、衝撃時間は短くなっていた。したがって、以上の結果より、本発明の表面被覆切削工具は、耐摩耗性と耐欠損性との両者において優れてい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特許請求の範囲によって示され、特許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。

１基材、２被覆層、３すくい面、４逃げ面、５刃先稜線、１０表面被覆切削工具。

Claims

基材と、該基材表面に形成された被覆層とを含む表面被覆切削工具であって、
前記被覆層は、１層または複数の層により構成され、
すくい面の中心における前記被覆層表面の法線と２つの逃げ面が交差する稜とを含む平面で前記表面被覆切削工具を切断した断面において、前記被覆層のうち、刃先稜線部において最も薄くなる部分の厚みをＴ₁、刃先稜線からすくい面方向に１ｍｍ離れた地点における厚みをＴ₂とする場合、Ｔ₁＜Ｔ₂を満たし、かつ、
前記被覆層表面において、刃先稜線からすくい面方向に距離Ｄ_a離れた地点をａとし、逃げ面方向に距離Ｄ_b離れた地点をｂとする場合、前記Ｄ_aは０．０５ｍｍ≦Ｄ_a≦０．５ｍｍを満たし、前記Ｄ_bは０．０１ｍｍ≦Ｄ_b≦０．２ｍｍを満たすものであって、地点ａから地点ｂまでの前記被覆層における、表面から厚み０．１Ｔ₁〜０．９Ｔ₁を占める領域Ｅの１０％以上の領域において、前記被覆層を構成する結晶粒の結晶方位のずれが５度以上１０度未満となる、表面被覆切削工具。
前記Ｄ_aは、０．０５ｍｍ≦Ｄ_a≦０．２５ｍｍを満たす、請求項１記載の表面被覆切削工具。
前記領域Ｅの厚みは、０．５Ｔ₁〜０．９Ｔ₁である、請求項１または２に記載の表面被覆切削工具。
前記被覆層は、複数の層により構成され、
前記刃先稜線部における前記被覆層の構成と前記刃先稜線部以外の領域における前記被覆層の構成とが異なる、請求項１〜３のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
前記Ｔ₂は、３μｍ以上３０μｍ以下である、請求項１〜４のいずれかに記載の表面被覆切削工具。