低炭快削鋼の切削工具及び切削方法
【課題】 低炭非鉛快削鋼の切削において切削面の品質を向上し、低炭非鉛快削鋼の切削面品質を、従来の低炭鉛快削鋼で実現できていたレベルを超えて良好な品質にすることのできる切削工具を提供する。
【解決手段】 主切れ刃と副切れ刃のいずれか一方又は両方の刃先丸みが半径５０μｍ以下であり、被削材と接触する面の一部又は全部の表層が硬質被膜で被覆されてなり、該硬質被膜は、原子％でＮ：４０〜６０％、Ｔｉ：４０〜６０％を含むことを特徴とする切削工具である。硬質被膜はさらにＡｌ又はＺｒの１種又は２種を原子％で４０％以下の範囲で含む。低炭非鉛快削鋼の切削に用いたとき、鋼が刃先に凝着しにくいために構成刃先が生成しづらく、刃先丸みを半径で５０μｍ以下とすることによって従来にない良好な表面粗さを実現できると同時に、刃先の欠けが発生しづらく、十分に良好な工具寿命を実現できる。
【解決手段】 主切れ刃と副切れ刃のいずれか一方又は両方の刃先丸みが半径５０μｍ以下であり、被削材と接触する面の一部又は全部の表層が硬質被膜で被覆されてなり、該硬質被膜は、原子％でＮ：４０〜６０％、Ｔｉ：４０〜６０％を含むことを特徴とする切削工具である。硬質被膜はさらにＡｌ又はＺｒの１種又は２種を原子％で４０％以下の範囲で含む。低炭非鉛快削鋼の切削に用いたとき、鋼が刃先に凝着しにくいために構成刃先が生成しづらく、刃先丸みを半径で５０μｍ以下とすることによって従来にない良好な表面粗さを実現できると同時に、刃先の欠けが発生しづらく、十分に良好な工具寿命を実現できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低炭快削鋼、特に低炭非鉛快削鋼の切削において切削表面粗さを良好にする切削工具及び切削方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
切削加工の合理化、高能率化および部品の仕上げ精度の向上はますます強く要求されており、切削工具の改良とあわせて性能の高い快削鋼の採用が進んでいる。低炭快削鋼は、炭素濃度が０．２％以下であり、低炭素で削られやすい鋼である。被削性、即ち切り屑を出して鋼を加工する切削容易性を通常の鋼よりも高めるため化学成分的な工夫を施した鋼である。切削工具寿命が高いだけでなく、切削面の表面粗さなどの切削面の品質や切り屑処理性で他の鋼より優れた性能を有する。
【０００３】
現在、ＪＩＳに規定されている低炭快削鋼は、硫黄および硫黄−鉛複合快削鋼である。具体的には、ＪＩＳ Ｇ ４８０４に規定されるＳＵＭ２２、ＳＵＭ２３、ＳＵＭ２４Ｌ、ＳＵＭ２５などが一般的である。
【０００４】
硫黄快削鋼は、最も古い快削鋼であり、Ｓを０．０８〜０．３５％含有している。鉛快削鋼は、鋼中にＰｂを微細均一に分布させたもので、Ｐｂは通常０．１０〜０．３５％の範囲で含有されている。硫黄快削鋼のＭｎＳが圧延方向に伸びるのに対し、鉛快削鋼のＰｂはＭｎＳが周囲に付着するか、微細な粒状で単独に分布するため、機械的性質の異方性は比較的少なく、熱処理特性も基本鋼とほとんど差がない。また、工具表面でのＰｂ薄膜による潤滑効果と切り欠き効果により、切削力を減じ、切り屑破砕性が向上する。従来の低炭快削鋼としては、鉛を含有する低炭鉛快削鋼が主に用いられていた。
【０００５】
低炭快削鋼を切削する際に用いる切削工具として、主として高速度鋼工具、あるいはＷＣをＣｏで焼結した超硬合金工具などが使用されていた。アルミナセラミックスや、ＴｉＣをＮｉで焼結したサーメットなども使用されることがある。
【０００６】
高速度鋼は工具摩耗しやすく、摩耗部に構成刃先が生成しやすくなるため、表面粗さと寸法精度を維持するためには頻繁な工具交換／再研磨が必要であった。
【０００７】
ＪＩＳ Ｂ ４０５３−１９９６に表示されるＫ０１〜Ｋ３０（いわゆるＫ種）相当またはＶ１０〜Ｖ３０（Ｖ種）相当の超硬合金の焼結工具は、鉛快削鋼に対しては耐摩耗性に優れるため、良好な表面や寸法精度を得ることができ、加工面品質、工具寿命など切削性能と工具費用を含めたコストの面で優れ、鉛快削鋼（例えばＳＵＭ２４Ｌ、ＳＡＥ１２Ｌ１４相当）の切削に適している。
【０００８】
特許文献１においては、ＷＣとＣｏを主成分とする超硬合金に、さらに鋼中に介在するマンガン硫化物のＳと化学的親和性の強いＺｒを含有させることにより、工具面上にマンガン硫化物皮膜を形成させ、このマンガン硫化物皮膜をして鋼と工具との凝着を抑制させることにより、構成刃先生成を抑制して優れた切削仕上げ面を形成する発明が記載されている。ただし、特許文献１に記載のものは、Ｚｒを含有する焼結体工具であり、工具の欠損特性などの安定性に問題があり、工具形状の自由度が小さいために広い範囲での切削には不向きであった。
【０００９】
超硬合金、高速度鋼、あるいは特殊鋼などからなる工具基体の表面に、単層又は多層の硬質被膜を施した被覆工具が知られている。一般に、被覆工具の硬質被膜としては、耐摩耗性及び靭性に優れることが要求されるため、周期律表４、５、６族金属の炭化物、窒化物、又は炭窒化物からなる膜が用いられており、また耐酸化性に優れる酸化アルミニウム膜も用いられている。これら硬質被膜は、ＣＶＤ法あるいはＰＶＤ法により成膜される。切削加工時に刃先が比較的高い温度まで昇温する旋削工具等の被膜としては、ＣＶＤ法で成膜されたＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、Ａｌ2Ｏ3膜などが実用化されている。
【００１０】
上記のような被覆工具は、鉛快削鋼を切削する場合においては、鋼との凝着の程度が通常の超硬合金工具よりも悪いために切削面の表面粗さがかえって悪化する。また被覆工具は従来工具に比較して高価であるため、鉛快削鋼の切削工具としてはあまり普及していない。
【００１１】
低炭快削鋼の切削においては、切削面の表面粗さが良好であることが要求される。一般に、切れ刃の刃先丸みを小さくして刃先を鋭利にすることにより、切削面の表面粗さを改善することができる。しかし、刃先丸みを半径で５０μｍ以下まで小さくしても表面粗さの改善程度には限度がある。構成刃先が形成されるためと考えられる。一方で、超硬合金工具のように脆い材料では、刃先丸みを半径で５０μｍ以下まで小さくすると、刃先が欠けやすくなり、工具使用回数が少ない段階で欠けが発生し、かえって切削面の表面粗さが悪化するために工具寿命が短くなるという弊害さえ存する。そのため、低炭鉛快削鋼の切削に超硬合金工具などを用いる場合において、従来は切れ刃の刃先丸みを半径で１００μｍ程度とするか、あるいはチャンファーと呼ばれる先端に負のすくい角をつけるなど、故意に刃先を鈍くして欠損を避ける手法がとられている。そのような形状では十分に良好な粗さが得られなかった。また刃先先端を鋭くすると被覆工具の場合、表面の硬質被膜が剥離しやすくなるため、故意に刃先を丸くする場合も多い。たとえば市販の被覆工具では刃先丸みは１００μｍ程度、チャンファ−の場合、刃先を局部的に−４５゜程度のすくい角にするものも多い。これにより、切削面の表面粗さと工具寿命とのバランスを保っていた。従来、低炭鉛快削鋼を用いた場合の切削面の表面粗さは、品質要求に対して十分に良好なレベルには至っていなかった。
【００１２】
近年、鉛の人体や生物への有害性が懸念され、近年ではシュレッダーダストとして処理された場合にも残存すると考えられ、リサイクルなど、製品のライフサイクルを考えた環境負荷を低減するという考えから、鋼中に含まれるわずかなＰｂについても規制が検討されている。そのため、鉛快削鋼に含まれるＰｂについても環境に対して懸念がもたれるにいたり、最近は低炭鉛快削鋼から鉛を含有しない低炭非鉛快削鋼に転換することが要請されている。
【００１３】
このような鋼中鉛廃止の動きが高まる中で、被削材の非鉛化に対応した切削工具が求められている。
【００１４】
【特許文献１】特開昭６２−１５２６１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
超硬合金工具を鉛快削鋼の切削に用いると、そこそこ好適な表面粗さを実現できるものの、決して十分に良好であるとはいえなかった。また、超硬合金工具を低炭非鉛快削鋼の切削に用いると、表面粗さが劣化し、切削面の品質として十分に良好な表面粗さを得られないという問題が生じる。
【００１６】
本発明は、低炭非鉛快削鋼の切削に用いることのできる切削工具であって、切削面の品質を向上することのできる切削工具を提供することを目的とする。さらに本発明は、低炭非鉛快削鋼の切削面品質を、従来の低炭鉛快削鋼で実現できていたレベルを超えて良好な品質にすることのできる切削工具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
鉛快削鋼の切削に超硬合金工具が好適に用いられた理由は、鉛快削鋼に含まれるＰｂが工具表面でＰｂ薄膜を形成して潤滑性を確保するためであった。これに対し、非鉛快削鋼の切削に超硬合金工具を用いた場合には、Ｐｂによる潤滑効果が得られず、工具表面に鋼が凝着しやすくなり、これがために工具表面に構成刃先が形成され、切削面の表面粗さを悪化させる原因になっていた。
【００１８】
工具の被削材と接する面がＴｉＮを含んだＴｉ−Ａｌ−Ｚｒ系窒化物を主体とする材料であった場合、被削材がＰｂを含有しない非鉛快削鋼であっても、工具表面への鋼の凝着を防止することができることが明らかになった。
【００１９】
さらに、低炭非鉛快削鋼とＴｉ−Ａｌ−Ｚｒ系窒化物系工具とを組み合わせた場合、その凝着しにくさの度合は、低炭鉛快削鋼と超硬合金工具との組み合わせの場合よりも良好であることが明らかになった。
【００２０】
低炭非鉛快削鋼とＴｉ−Ａｌ−Ｚｒ系窒化物系工具とを組み合わせた場合、鋼が刃先に凝着しにくいために構成刃先が生成しづらく、工具切れ刃の刃先丸みを小さくすればするほど表面粗さが改善され、刃先丸みを半径で５０μｍ以下とすることによって従来にない良好な表面粗さを実現できることがわかった。さらに、鋼が刃先に凝着しにくいため、刃先丸みを半径で５０μｍ以下としても、刃先の欠けが発生しづらく、十分に良好な工具寿命を実現できることがわかった。
【００２１】
本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨とするところは以下のとおりである。
（１）主切れ刃と副切れ刃のいずれか一方又は両方の刃先丸みが半径５０μｍ以下であり、被削材と接触する面の一部又は全部の表層が硬質被膜で被覆されてなり、該硬質被膜は、原子％でＮ：４０〜６０％、Ｔｉ：４０〜６０％を含み、残部は実質的に不可避不純物からなることを特徴とする切削工具。
（２）主切れ刃と副切れ刃のいずれか一方又は両方の刃先丸みが半径５０μｍ以下であり、被削材と接触する面の一部又は全部の表層が硬質被膜で被覆されてなり、該硬質被膜は、原子％でＮ：４０〜６０％、Ｔｉ：１０％以上６０％未満に加え、Ａｌ又はＺｒの１種又は２種の合計を原子％で５０％以下の範囲で含み、残部は実質的に不可避不純物からなることを特徴とする切削工具。
（３）主切れ刃と副切れ刃のいずれか一方又は両方のすくい角が−１０〜３０°の範囲であり、逃げ角が２〜１５°であることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の切削工具。
（４）硬質被膜の内部に配置された基材が、工具鋼、超硬合金、サーメット、セラミックスのいずれかであることを特徴とする上記（３）に記載の切削工具。
（５）主切れ刃と副切れ刃のいずれか一方又は両方の刃先丸みが半径５０μｍ以下であり、少なくとも被削材と接触する面の一部又は全部の表層が、Ｔｉを含む炭化物、炭窒化物、窒化物およびそれらの複合物の硬質相を５０質量％以上と、Ｔｉを含まないＴａ、Ｎｂ、Ｗ炭化物、炭窒化物、窒化物およびそれらの複合物の硬質相を３０質量％以下と、Ｃｏ又はＮｉの１種又は２種を合計で２０質量％以下とを含み、残部は実質的に不可避不純物からなる焼結材で構成されてなることを特徴とする切削工具。
（６）主切れ刃と副切れ刃のいずれか一方又は両方のすくい角が−１０〜３０°の範囲であり、逃げ角が２〜１５°であることを特徴とする上記（５）に記載の切削工具。
（７）低炭非鉛快削鋼の切削用であることを特徴とする上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の切削工具。
（８）上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の切削工具を用い、被削材として低炭快削鋼を用い、切削速度１〜４００ｍ／ｍｉｎで切削することを特徴とする低炭快削鋼の切削方法。
（９）上記（７）に記載の切削工具を用い、被削材として低炭非鉛快削鋼を用い、切削速度１〜４００ｍ／ｍｉｎで切削することを特徴とする低炭非鉛快削鋼の切削方法。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の切削工具は、切れ刃の刃先丸みが半径５０μｍ以下であり、被削材と接触する工具面の組成についてＴｉＮを主成分とすることにより、低炭非鉛快削鋼の切削に用いたときに、切削面の表面粗さを向上することができ、同時に工具寿命を通常と同等に維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の切削工具は、低炭非鉛快削鋼の切削に用いたときに特に優れた効果を発揮する。ここではまず低炭非鉛快削鋼について説明する。
【００２４】
低炭非鉛快削鋼とは比較的低炭素で、被削性（切り屑を出して鋼を加工する“しやすさ”）を通常の鋼より高めるため化学成分的な工夫を施したもの低炭快削鋼の中で、Ｐｂを含有しない鋼をさす。つまり低炭素で「削られやすい鋼」の中でＰｂを含まない鋼のことである。
【００２５】
具体的にはＪＩＳ Ｇ ４８０４に規定されるＳＵＭ２２，ＳＵＭ２３，ＳＵＭ２５を挙げることができる。また、ＪＩＳ規定外であっても、Ｃ≦０．１５％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｐ：０．００１〜０．２％、Ｓ：０．００１〜０．７％、Ｎ：０．００１〜０．０２５％に、Ｃｒ：０．１〜３．０％、Ｎｂ：０．０１〜０．３％、Ｔｉ：０．０１〜０．３％、Ｂ：０．０００２〜０．０２％、Ｖ：０．０５〜０．５％、Ｍｏ：０．０５〜０．５％、Ｗ：０．０５〜０．５％、Ｃｏ：０．０５〜０．５％、Ｃｕ：０．０１〜０．５％、Ｎｉ：０．０１〜０．５％、Ｔｅ：０．０００２〜０．０５％のうち１種または２種以上を含み、さらにＭｇ：０．０００２〜０．００５％、Ａｌ：０．００２〜０．０４％、Ｃａ：０．０００１〜０．０１％、Ｚｒ：０．０００１〜０．０１％、Ｓｉ≦０．１％の１種または２種以上を含み、残部がＦｅと不可避的不純物からなり、Ｐｂ≦０．０１％に制限した鋼であって、快削性に優れた鋼を用いることもできる。
【００２６】
本発明の第１の特徴は、上記低炭非鉛快削鋼を切削するための切削工具として、被削材と接触する面の一部又は全部の表層が硬質被膜で被覆されてなり、該硬質被膜は、原子％でＮ：４０〜６０％、Ｔｉ：４０〜６０％を含み、残部は実質的に不可避不純物からなることを特徴とする切削工具を用いる点にある。前記硬質被膜はまた、原子％でＮ：４０〜６０％、Ｔｉ：１０％以上６０％未満、ＡｌまたはＺｒの１種または２種の合計を５０％以下の範囲で含み、残部は実質的に不可避不純物からなることが好ましい。この硬質被膜を、以下「ＴｉＮ含有硬質被膜」と呼ぶこともある。
【００２７】
鉛快削鋼を切削する場合においては、鉛快削鋼中のＰｂが工具表面でＰｂ薄膜を形成し、切削工具としてＷＣをＣｏで焼結した超硬合金工具を用いた場合でも、良好な潤滑特性を示し、工具すくい面での鋼凝着が少なくそこそこの切削面表面粗さを実現していた。
【００２８】
ところが、非鉛快削鋼の切削に上記超硬合金工具を用いると、被削材と接する工具表面にＦｅが凝着し、工具表面に構成刃先の成長が促進され、結果として切削面の表面粗さが非常に悪化するという結果を招くこととなる。
【００２９】
これに対し、低炭非鉛快削鋼の切削に本発明のＴｉＮ含有硬質被膜を有する工具を用いると、被削材と接する工具表面にはＦｅがほとんど凝着せず、ＭｎとＳの凝着が見られる。快削鋼のマンガン硫化物系介在物が凝着したものと考えられる。凝着物がＦｅではないので、切り屑と工具との間の凝着力も小さくなり、構成刃先の生成が抑制される。この傾向は、被削材の低炭非鉛快削鋼が硫黄を含有しているときに顕著であるが、低炭非鉛快削鋼が硫黄を含有していない場合においても、被削材と接する工具表面へのＦｅの凝着が極めて僅かであるという特徴を有する。
【００３０】
低炭非鉛快削鋼と本発明のＴｉＮ含有硬質被膜を有する切削工具との組み合わせは、その凝着のしにくさにおいて、鉛快削鋼と超硬合金工具との組み合わせよりも良好な結果を得ることができる。それに反し、低炭非鉛快削鋼と超硬合金工具との組み合わせは、凝着のしにくさの観点で最も成績が悪いという結果となった。
【００３１】
低炭非鉛快削鋼と本発明のＴｉＮ含有硬質被膜を有する切削工具との組み合わせは、工具表面への凝着が非常に少ないという特徴を有することに起因して、もうひとつの本発明の特徴を導き出すこととなった。即ち、切れ刃の刃先丸みを減らして刃先を尖鋭化していったとき、従来の限界を超え、刃先丸みの半径が５０μｍ以下の領域においても尖鋭化するに従って切削面の表面粗さが向上し続け、従来実現することのできなかった極めて良好な表面粗さを実現することが可能となった。さらに、凝着が非常に少ないことと相俟って、刃先丸みの半径を５０μｍ以下としても刃先の欠けが発生せず、良好な工具寿命を維持することができる。
【００３２】
従来の鉛快削鋼と超硬合金工具との組み合わせでは、刃先丸みの半径が５０μｍ程度で表面粗さの改善が飽和し、それよりも尖鋭化しても表面粗さの改善はわずかであった。その一方で、刃先丸みの半径が５０μｍ以下となると、刃先の欠けの発生が激しくなって工具寿命の劣化をきたすこととなっていた。鉛快削鋼とＴｉＮ含有硬質被膜を有する切削工具の組み合わせでも同様である。従って、本発明の良好な表面粗さを実現するためには、被削材の鉛含有量が少ないことが重要である。
【００３３】
本発明の切削工具は、主切れ刃と副切れ刃のいずれか一方又は両方の刃先丸みが半径５０μｍ以下であり、その結果として、低炭非鉛快削鋼を切削したときに極めて良好な切削表面粗さを実現することができる。刃先丸みの半径を３０μｍ以下とするとより好ましい。刃先丸みの半径を２０μｍ以下とするとさらに好ましい。
【００３４】
これまで切削面の表面粗さを改善するには工具形状や切削条件を工夫することで改善されることが多かった。たとえば工具の刃先を鋭利にする（具体的には刃先丸みを小さくし、すくい角を大きくする）と仕上げ面粗さが改善される。しかし刃先が鋭利な工具は形状的に欠損を生じやすくなる。比較的軟質な低炭快削鋼でも凝着力が大きく、工具と被削材の接触面積が大きくなると、先端に欠損を生じやすくなるため、工具寿命と表面性状を両立させるために、一般には刃先を円弧形状に丸めたり、チャンファーやネガランドと呼ばれるすくい角を局部的に鈍角にすることが一般的で、表面粗さを低下させざるを得なかった。
【００３５】
一方、本発明では被削材の鋼とそれに接する工具材質の組み合わせを設計することで切削時の工具−被削材（鋼）間に生じる凝着力や摩擦力を低下させることができる。その結果、切削抵抗は従来工具よりも低減できるので、本発明のような脆い工具材種でも刃先を鋭利に仕上げて切削可能であり、さらにそのことが切削表面粗さを向上させることを可能にしている。
【００３６】
本発明に示された発明工具は特にＰｂを含まない低炭快削鋼の切削において凝着力や摩擦力を低下させる効果が大きいため、工具刃先丸みを小さくすることができ、その結果、工具寿命を維持しつつ表面粗さ向上効果も大きい。
【００３７】
ここで、切削工具形状について説明する。図１（ａ）に旋盤のプランジ切削工具１で切削された被削材１１の形状、（ｂ）にプランジ切削における切れ刃と仕上げ面の関係、（ｃ）にプランジ切削用工具１の形状および（ｄ）に切断面２３の工具断面を示す。問題となる表面粗さは図中主切れ刃２による仕上げ面２１および副切れ刃３による仕上げ面２２である。その断面において、一般に刃先部には刃先丸み７やチャンファーなどをつけることが一般的である。
【００３８】
図２（ａ）に旋盤の長手旋削で切削された被削材１１の形状、（ｂ）に長手旋削における切れ刃と仕上げ面の関係、（ｃ）に切削用工具１の形状および（ｄ）に切断面２３ａ、２３ｂの工具断面を示す。問題となる表面粗さは、主切れ刃は図中主切れ刃２による仕上げ面２１および副切れ刃３による仕上げ面２２である。その断面において、プランジ切削用工具と同様、長手旋削工具においても一般に刃先部には刃先丸み７やチャンファーなどをつけることが一般的である。プランジ切削工具よりも旋削の場合、副切れ刃３が表面粗さへの影響が大きくなる特徴がある。
【００３９】
本発明において切削面の表面粗さを改善するため、通常は主切れ刃２が重要である。一方、副切れ刃３についても仕上げ面性状が重要視される場合がある。図１または２に示したとおり、図１（ａ）のようにプランジ切削でも溝１２の側壁が重要な場合には副切れ刃の形状に注意を払う必要がある。また図２（ｂ）のように長手旋削では円筒面の切削面１３が仕上げ面であり、直接接触する切れ刃は副切れ刃３である。従って、円筒面の精度が重要な場合には副切れ刃３の形状も重要である。このような理由から、製品で重要視される切削面と接触する切れ刃の形状が重要であり、主切れ刃によって創成された面が重要な場合、主切れ刃の刃先丸みを半径５０μｍ以下に調整する必要があり、同様に副切れ刃による創成面が重要であれば、副切れ刃の刃先丸みを半径５０μｍ以下に調整する必要がある。
【００４０】
本発明のＴｉＮ含有硬質被膜の好ましい性状について説明する。
【００４１】
具体的には工具表面の被膜の場合、原子％でＮ：４０〜６０％、Ｔｉ含有量は４０〜６０％を含み、残部は実質的に不可避不純物からなる組成である。さらにＡｌまたはＺｒの１種または２種を含む場合、これらの元素はＴｉと置き換わるため、Ｔｉの含有量はそれらの含有量に応じて、減じても良い。すなわち原子％でＮ：４０〜６０％、Ｔｉ：１０％以上６０％未満を含み、さらにＡｌまたはＺｒの１種または２種の合計を５０％以下含み、残部は実質的に不可避不純物からなる組成の硬質被膜である。Ａｌ又はＺｒを含有する場合、ＴｉＮまたはＴｉの一部がＡｌまたはＺｒに置換された、ＨＶ１０００以上の硬質被膜を形成したものをさす。他に不可避的な不純物として酸素を５％以下含んでも硬質被膜の特性は何ら問題はない。
【００４２】
ＡｌとＺｒのいずれも含まない場合、Ｔｉの含有量が４０％未満では十分な硬度や密着性が得られない。６０％超になるとＴｉ過剰になりＮとの比率が崩れ切削の過酷な環境に耐えるだけの硬質被膜は得られない。一方、ＡｌまたはＺｒの１種または２種を含む場合、Ｔｉが１０％未満では十分な硬度や被膜の場合には密着性が得られない。またＴｉが６０％以上ではＴｉ過剰になり、Ｎとの比率が崩れ、切削の過酷な環境に耐えるだけの硬質被膜が得られない。そのため、本発明はＴｉ含有量の範囲を１０％以上６０％未満とした。
【００４３】
Ｎは４０％未満であるとＴｉ、Ａｌ、Ｚｒの窒化物としての硬さが不足し、耐磨耗性や凝着特性が低下し、良好な表面粗さを得られない。６０％超であると硬質膜としての硬さは飽和し、過剰なＮは膜の靭性を劣化させ、基材との密着性を低下させる。そのため、本発明はＮ含有量の範囲を４０〜６０％とした。
【００４４】
本発明の硬質被膜は上述のとおり、Ｔｉの一部を置換してＡｌ又はＺｒの１種又は２種の合計を原子％で５０％以下の範囲で含むこととすると好ましい。これら硬質被膜中のＡｌおよびＺｒは含有されなくとも良好な表面粗さを得られることもあるが、耐磨耗性や基材との密着性を確保するとともに、被削材である低炭非鉛快削鋼との凝着を抑制する上でも含有させることが好ましく、その含有量はＡｌとＺｒの合計で１０％以上であることが好ましい。
【００４５】
Ａｌが５０％を超えると相対的に硬質被膜中のＴｉ量が減少し、耐磨耗性や凝着特性が低下し、良好な表面粗さを得られないので、上限を５０％とする。
【００４６】
同様にＺｒが５０％を超えると硬質被膜中のＴｉ量が減少し、耐磨耗性や凝着特性が低下し、良好な表面粗さを得られないので、上限を５０％とする。
【００４７】
これらは被膜として硬質基材の上に生成することが一般的であり、ＣＶＤ処理などでも成膜可能であるが、イオンプレーティングなどいわゆるＰＶＤ処理によって１μｍ以上の被膜を成膜することが好ましい。特に基材との密着性を増すために基材と被膜の界面にはＴｉ、Ｚｒなどの金属をわずかに成膜しておくことが好ましい。
【００４８】
上記本発明の硬質被膜は、切削工具の表層であって被削材と接触する面の一部又は全部の表層に被覆する。被削材と接触する面のうち、すくい面に被覆することが重要である。すくい面全体である必要はなく、刃先から被削材および切り屑と接触する場所に被覆してあればよい。さらに切削工具の逃げ面に被覆することも有効であり、切削では被削材は弾性変形の影響などで、逃げ面でも接触しているため、逃げ面の凝着を抑制できるため、磨耗と切削抵抗を抑制する効果がある。被覆工具を再研摩した場合には逃げ面またはすくい面のいずれか一方にしか被膜が残らない場合もあるが、いずれかに被膜が残れば被削材との凝着を抑制でき、被覆の効果がみられる。特にすくい面に被膜が残留した方が、その効果は大きい。ただし、逃げ面への被覆は必須ではない。
【００４９】
次に、刃先形状のうち、図１（ｄ）、図２（ｄ）に示すすくい角８と逃げ角９について説明する。
【００５０】
前述のとおり、切削工具形状のうち、主切れ刃と副切れ刃の形状が重要な役割りを有している。製品で重要視される切削面と接触する切れ刃の形状が重要であり、主切れ刃によって創成された面が重要な場合、主切れ刃の形状が重要であり、同様に副切れ刃による創成面が重要であれば、副切れ刃の形状が重要になる。本発明においては、主切れ刃と副切れ刃のいずれか一方又は両方のすくい角が−１０〜３０°の範囲であり、逃げ角が２〜１５°であることが好ましい。
【００５１】
すくい角が３０゜を超えると欠損を生じやすくなるため、これを上限とした。すくい角−１０゜より小さくなると切削抵抗が増し、工具寿命が低下すると共に表面粗さが低下するため、これを下限とした。旋削やフライス切削を中心とした切削に適したすくい角は−１０〜３０゜であり、表面粗さと工具寿命をバランスよく確保できる。表面粗さをさらに改善するにはすくい角は大きいほうが良好で、すくい角３゜以上が好ましく、さらにはすくい角１０゜以上が好ましい。
【００５２】
工具形状において、チャンファーと呼ばれる平面を形成する場合があるが、本発明の切削工具においては、鋼と工具とが凝着しにくいため、このチャンファーを小さくすることができる。またチャンファ−は刃先のすくい角を鈍角にするため、チャンファーをつける場合でもすくい角αを本発明の規定−１０〜３０゜の範囲に調整する必要がある。
【００５３】
逃げ角は２゜以下では被削材との接触面積が大きくなりすぎ、抵抗を増加させ工具磨耗を促進する。また１５゜を超えると刃先が鋭利になり容易に工具磨耗を生じやすくなる。そこで逃げ角は２〜１５゜とした。切れ刃形状があまり鋭利な場合、欠けを生じやすくなる場合もあるため、逃げ角は１０゜以下であることが好ましい。５゜程度を用いることが好ましい。
【００５４】
これらの工具形状の詳細は被削材の性質、工具素材の欠損性、被覆工具の場合には被膜剥離性、切削品の完成精度（表面粗さや寸法精度）、加工機械能力（剛性や主軸出力など）によって精密に調整されるべきである。
【００５５】
本発明の切削工具であって、被削材と接触する面の一部又は全部の表層が硬質被膜で被覆されている切削工具においては、硬質皮膜の内側部分は基材によって構成される。基材については、たとえ表面が硬質被膜で覆われていても切削熱などの影響をうけ、高温強度を維持する必要があること、被膜が局部的に損耗や剥離を生じても安定した切削を工具交換までの時間続行するためには基材も一般的な工具用材料であることが好ましい。また表層被膜との密着性が良いほうが基材として好ましい。すなわち高速度鋼を含む工具鋼、超硬合金、サーメットおよびセラミックスのいずれかが良く、特に超硬合金、サーメット、高速度鋼は適している。
【００５６】
ここでいう基材の工具鋼、超硬合金、サーメットおよびセラミックスとは、一般的に切削工具として使用する材質であり、工具鋼：ＪＩＳ Ｇ ４４０１・４４０３等で規定される材質、超硬合金：ＪＩＳ Ｂ ４１０４等で規定される材質である。サーメットは、炭化チタン（ＴｉＣ）・窒化チタン（ＴｉＮ）・炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）を主成分とし、これらをＣｏやＮｉ等の金属で焼結したものである。またセラミックスは、基本成分が金属酸化物・炭化物等で、高温での熱処理によって焼結したものを示す。
【００５７】
以上、本発明の切削工具として、被削材と接触する面にＴｉＮ含有硬質被膜を形成してなる切削工具について説明を行った。本発明においては、表面に硬質被膜を有する切削工具のみならず、表面に硬質被膜を有しない焼結セラミックスそのものを工具として用いることもできる。
【００５８】
焼結セラミックスそのものを本発明の切削工具とする場合、少なくとも被削材と接触する面の一部又は全部の表層が、Ｔｉを含む炭化物、炭窒化物、窒化物およびそれらの複合物の硬質相を５０質量％以上と、Ｔｉを含まないＴａ、Ｎｂ、Ｗ炭化物、炭窒化物、窒化物およびそれらの複合物の硬質相を３０質量％以下と、Ｃｏ又はＮｉの１種又は２種を合計で２０質量％以下とを含み、残部は実質的に不可避不純物からなる焼結材で構成を用いる。
【００５９】
Ｔｉを含む炭化物、炭窒化物、窒化物およびそれらの複合硬質相が質量％で５０％未満であると、工具としての硬さが不足し、耐磨耗性が低下するとともに、被削材との凝着が抑制できないために良好な表面粗さが得られなかったり、刃先先端の欠損を誘発する。ここでいう硬質相とはＪＩＳ Ｂ ４０５３−１９９６ Ｐ８ 参考表１〜４に示す硬質相を指す。以下同様である。
【００６０】
Ｔｉを含まないＴａ、Ｎｂ、Ｗ炭化物、炭窒化物、窒化物およびそれらの複合物の硬質相を含有することにより、硬度と靭性のバランスを調整できる。その含有量は０％でも良いが、５％以上であると好ましい。ただし３０％を超えるとＴｉを含む硬質相の含有率を抑制せざるを得なくなり、凝着特性が低下し、良好な表面粗さが得られなくなる。また耐磨耗性も低下し、工具としての硬度と靭性のバランスを取り難くなる。
【００６１】
バインダーとしてＣｏまたはＮｉの１種または２種を含有させる。含有量は２％以上であると好ましい。ただし２０％を超えるとＴｉ、Ｔａ，Ｎｂの炭化物、炭窒化物、窒化物およびそれらの複合硬質相が相対的に減少するため、硬度が不足したり、耐磨耗性や凝着特性が低下する。
【００６２】
本発明の焼結工具の工具形状としては、主切れ刃と副切れ刃のいずれか一方又は両方の刃先丸みが半径５０μｍ以下である点を含め、上記本発明の被覆工具が具備すべき形状条件と同様である。従って、主切れ刃と副切れ刃のいずれか一方又は両方のすくい角が−１０〜３０°の範囲であり、逃げ角が２〜１５°であることとすると好ましい。その理由についても被覆工具について述べた理由と同様である。
【００６３】
本発明の切削工具は、低炭非鉛快削鋼の切削用として用いるときに特に優れた効果を発揮する。低炭非鉛快削鋼の切削に本発明の切削工具を用いた場合、鋼と工具との間の凝着が特に起きにくく、切れ刃の刃先丸みを半径５０μｍ以下とすることと相まって、極めて優れた切削面表面粗さを実現することができるからである。
【００６４】
即ち、低炭快削鋼の中で、Ｐｂを含有しない低炭非鉛快削鋼に対して、特に表面粗さ改善効果が大きく、工具寿命と表面粗さを両立させ、工業的に良質の切削が可能になる。この低炭非鉛快削鋼は他の鋼種に比べ、切削工具寿命と表面粗さに優れ、切り屑も処理しやすいように短く分断しやすくなっている。
【００６５】
特にこのＰｂ含有量の制限が重要である。鋼にＰｂが添加されると被削性が向上することは良く知られているが、その原因はＰｂの潤滑効果といわれている。従来のＫ種相当の超硬合金工具材種ではＰｂを添加しないと工具との凝着力が大きくなり、良好な加工面を得られない。
【００６６】
逆に低炭非鉛快削鋼に適した凝着特性を有する本発明の切削工具でＰｂを含有した低炭快削鋼を切削すると、低炭非鉛快削鋼を切削した場合と比べて、良好な切削面を得ることは困難になり、たとえ工具を通常より鋭利にして良好な切削面を得ることができても、凝着力が大きいため、工具形状に変更による表面粗さ改善効果が小さかったり、工具寿命が得られなかったりする。そのため、良好な切削面を得るためには被削材のＰｂを制限することが好ましく、非常に重要である。
【００６７】
次に、本発明の切削工具を用いた低炭快削鋼の切削方法について説明する。
【００６８】
本発明の低炭快削鋼の切削方法においては、上記本発明の切削工具を用い、被削材として低炭快削鋼を用い、切削速度１〜４００ｍ／ｍｉｎで切削すると好ましい。一般に切削速度が大きくなれば構成刃先が生じ難くなるため、表面粗さが改善されるとされているが、切削速度が速くなると工具寿命も低下するので、工具寿命と切削面の粗さや精度をバランスさせた条件で切削することが良い。具体的には高速度鋼を基材とした被覆工具では１０〜１００ｍ／ｍｉｎが好ましく、超硬合金やサーメットを基材とした被覆工具および焼結体工具の場合は１０〜３００ｍ／ｍｉｎであり、可能であれば３０ｍ／ｍｉｎ以上が好ましく、工具寿命優先の場合には２５０ｍ／ｍｉｎ以下にすることが好ましい。
【００６９】
その他の切削条件は切削方法や形状によって、規定が複雑ではあるが、プランジ切削（突切切削）では切削幅５ｍｍ以下の場合では半径方向への工具送り量０．００５〜０．１ｍｍ／ｒｅｖ程度、切削幅がさらに広い場合には半径方向への工具送り量を０．００１〜０．０１ｍｍ／ｒｅｖ程度に抑制することが好ましい。
【００７０】
さらに長手旋削では切込量０．００５〜１．０ｍｍ、長手方向への送り量は０．００５〜０．７ｍｍ／ｒｅｖ程度であり、切込量が大きければ送り量を小さくすべきであり、逆に送り量が大きければ切込量を小さく抑制すべきである。
【００７１】
幾何的に下記式から計算される工具／被削材の接触面積で示されるＳの値が０．００１〜１程度であれば良く、０．０１〜０．５程度が好ましく、切削能率と良好な仕上げ面を確保できる。
プランジ切削の場合
Ｓ＝［刃幅ｗ（ｍｍ）］×［被削材１回転あたりの送り量ｆ（ｍｍ／ｒｅｖ）］
長手旋削の場合
Ｓ＝［切込み量ｄ（ｍｍ）］×［被削材１回転あたりの送り量ｆ（ｍｍ／ｒｅｖ）］
【００７２】
上記本発明の低炭快削鋼の切削方法は、もちろん低炭非鉛快削鋼の切削に適用したときに最大の効果を発揮することができる。
【実施例】
【００７３】
本発明の切削工具を用いて低炭快削鋼を切削した結果を以下に示す。
【００７４】
本発明のＴｉＮ含有硬質膜を有する切削工具（以下「被覆工具」ともいう。）として、表１に示すものを用いた。表１に示す基材に同じく表１に示す表層材料を厚さ２μｍとなるように被覆し、切削工具とした。本発明の焼結切削工具については、以下の各実施例においてその成分を示す。比較材としてのＫ種超硬合金工具には、被覆のないＪＩＳ Ｂ ４０５３−１９９６ Ｐ８ 参考表１ Ｋ１０種相当（ＷＣ：９４．５％、Ｃｏ：５．５％）の工具を用いた。
【００７５】
被削材の低炭非鉛快削鋼として、表２に示す鋼を用いた。ここで、表中の非鉛快削鋼−１とはＪＩＳ Ｇ ４８０８に示す硫黄快削鋼ＳＵＭ２３相当鋼のＳ量を０．４％まで増量するとともにＢ，Ｎをそれぞれ０．００９％、０．０１％添加した鋼でである。またＳＵＭ２３とはＪＩＳ Ｇ ４８０８に示す硫黄快削鋼ＳＵＭ２３相当鋼である。表２に記載の成分以外の鋼については、各実施例においてその成分を示す。
【００７６】
低炭快削鋼の工具寿命は構造用鋼の工具の場合と異なり、たとえ工具が切削に耐えうる状態であっても十分な表面粗さを得られない場合には工具寿命と判定され、交換されることが一般的である。そのため本実施例において、被削鋼が低炭非鉛快削鋼−１の場合には表面粗さＲｙが７μｍを超えたとき、被削鋼がＳＵＭ２３の場合には表面粗さＲｙが２０μｍを超えたときの工具による切削数をもって、工具寿命を示すものとする。
【００７７】
具体的には、切削開始から２０個目、５０個目の粗さを測定し、その後、１００個目、１５０個目と５０個加工ごとの粗さを測定した。その粗さが被削鋼毎に上記基準を超えた場合に、工具寿命に達したと判定した。その際、６００個まで加工し、その粗さが劣化していなければ工具寿命に達していないとして、加工数＞６００とした。
【００７８】
【表１】
【００７９】
【表２】
【００８０】
（実施例１）
プランジ切削において、本発明の被覆工具を用いた場合に、切り刃の刃先丸みの大きさをはじめとする切削工具の形状が、切削面の表面粗さに及ぼす影響について比較を行った。切削条件、使用工具、被削材については表３に示すとおりである。表３において、本発明範囲から外れる数値にはアンダーラインを付している。表４以下についても同様である。
【００８１】
使用工具は表１に示す被覆工具のうち、基材をＫ種超硬合金としたものである。基本となる工具形状は突切切削用工具であり、切削幅５ｍｍ、主切れ刃すくい角１５゜、逃げ角６゜である。被削材は表２に示すものを用いている。
【００８２】
図３に切削方法の概要を示す。被削材は鉛の添加されていない快削鋼で被削材直径φ５０ｍｍの丸棒を旋盤に取り付けてプランジ切削（溝入れ切削）した。１回の溝入れ切削（０．３ｓｅｃ切削）を２０回繰り返し、その溝底部の切削面を触針式粗さ計で評価した。その他切削条件は切削速度８０ｍ／ｍｉｎ、送り０．０５ｍｍ／ｒｅｖ、油性切削油剤を使用した湿式切削である。
【００８３】
表３から明らかなように、刃先丸み半径が５０μｍ以下の実施例については、いずれも良好な粗さＲｙを実現している。それに対し、刃先半径が５０μｍを超える、あるいはすくい角が−１０°未満となるなど工具刃先の形状が規定範囲から外れると各被削材とも極端に表面粗さが低下する。
【００８４】
被削材２品種それぞれでの成績を比較すると、ＳＵＭ２３における粗さＲｙは非鉛快削鋼−１の粗さＲｙの値に比較してやや大きな値となっている。一方、それぞれの品種で刃先丸み半径が５０μｍ超の比較例と５０μｍ以下の本発明例を対比すると、いずれの品種でも、刃先丸み半径を５０μｍ以下とすることによって粗さが改善されており、低炭非鉛快削鋼のいずれの品種でも刃先丸み半径を５０μｍ以下とすることによる本発明効果が発揮されている。
【００８５】
刃先丸み半径５μｍ以下を含み、すべての条件において工具寿命６００回以上を達成し、良好な工具寿命を実現した。
【００８６】
【表３】
【００８７】
（実施例２）
長手切削において、本発明の被覆工具を用いた場合に、切り刃の刃先丸みの大きさをはじめとする切削工具の形状が、切削面の表面粗さに及ぼす影響について比較を行った。切削条件、使用工具、被削材については表４に示すとおりである。それ以外の条件については、上記実施例１と同様としている。
【００８８】
図４に切削方法の概要を示す。被削材は直径１０ｍｍの伸線材であり、先端から１０ｍｍを外周切削し、それを１本として、２０本切削後の工具観察および表面粗さを評価した。
【００８９】
工具形状は外周切削用工具である。工具形状は主切れ刃すくい角５゜、逃げ角５゜、副切れ刃すくい角５゜、逃げ角５゜、図５の詳細に示すように前切れ刃角を先端の２ｍｍだけ被削材回転軸と平行にした、いわゆる前切れ刃角を０゜にした工具である。切削条件は切削速度：６０ｍ／ｍｉｎ、切込み量１ｍｍ、送り量０．０５ｍｍ／ｒｅｖ湿式（水溶性切削油）である。
【００９０】
表４から明らかなように、刃先丸み半径が５０μｍ以下の実施例については、いずれも良好な粗さＲｙを実現している。それに対し、刃先半径やすくい角が規定外の範囲では良好な表面を得られない。
【００９１】
刃先丸み半径５μｍ以下を含み、すべての条件において工具寿命６００回以上を達成し、良好な工具寿命を実現した。
【００９２】
【表４】
【００９３】
（実施例３）
プランジ切削において、本発明の焼結工具を用いた場合に、切り刃の刃先丸みの大きさをはじめとする切削工具の形状が、切削面の表面粗さに及ぼす影響について比較を行った。切削条件、使用工具、被削材については表５に示すとおりである。
【００９４】
表３に焼結工具の形状の影響を評価した結果を示す。規定の材質に調整した焼結工具の形状を変化させ、図３に示すプランジ切削試験を行い、溝面の表面粗さを評価した。切削条件等は切削速度８０ｍ／ｍｉｎ、送り０．０５ｍｍ／ｒｅｖ、油性切削油剤を使用した湿式切削である。
【００９５】
表５に示すように焼結工具の場合でも被覆工具と同様に形状が不備であれば良好な表面粗さを得られない。
【００９６】
刃先丸み半径５μｍ以下を含み、すべての条件において工具寿命６００回以上を達成し、良好な工具寿命を実現した。
【００９７】
【表５】
【００９８】
（実施例４）
長手切削において、本発明の焼結工具を用いた場合に、切り刃の刃先丸みの大きさをはじめとする切削工具の形状が、切削面の表面粗さに及ぼす影響について比較を行った。切削条件、使用工具、被削材については表６に示すとおりである。
【００９９】
表６に焼結工具の形状の影響を評価した結果を示す。規定の材質に調整した焼結工具の形状を変化させ、図４に示す長手切削試験を行った。
【０１００】
工具形状は主切れ刃すくい角５゜、逃げ角５゜、副切れ刃すくい角５゜、逃げ角５゜、図５の詳細に示すように前切れ刃４を設け、前切れ刃角を先端の２ｍｍだけ被削材回転軸と平行にした、いわゆる前切れ刃角を０゜にした工具である。切削条件は切削速度：６０ｍ／ｍｉｎ、切込み量１ｍｍ、送り量０．０５ｍｍ／ｒｅｖ湿式（水溶性切削油）である。
【０１０１】
表６に示すように刃先半径やすくい角が規定外の範囲では良好な表面を得られない。
【０１０２】
刃先丸み半径５μｍ以下を含み、すべての条件において工具寿命６００回以上を達成し、良好な工具寿命を実現した。
【０１０３】
【表６】
【０１０４】
（実施例５）
被削材として鉛快削鋼を含む種々の成分の材料を用い、切削工具として従来の超硬合金工具および本発明の被覆工具を用い、切削面の表面粗さについて比較を行った。被削材、切削工具については表７に示すとおりである。表７のＮｏ．５４〜５９がプランジ切削、Ｎｏ．６０〜６５が長手旋削であり、それぞれ図３および図４に示すものと同様である。
【０１０５】
すなわち長手旋削については、工具形状は主切れ刃の刃先丸み半径５μｍ以下、すくい角５゜、逃げ角５゜、副切れ刃の刃先丸み半径５μｍ以下、すくい角５゜、逃げ角５゜、図５の詳細に示すように前切れ刃角を先端の２ｍｍだけ被削材回転軸と平行にした、いわゆる前切れ刃角を０゜にした工具である。切削条件は切削速度：６０ｍ／ｍｉｎ、切込み量１ｍｍ、送り量０．０５ｍｍ／ｒｅｖ湿式（水溶性切削油）である。
【０１０６】
またプランジ切削については、工具形状は主切れ刃の刃先丸み半径５μｍ以下、すくい角１５゜、逃げ角６゜である。切削条件は切削速度８０ｍ／ｍｉｎ、送り０．０５ｍｍ／ｒｅｖ、油性切削油剤を使用した湿式切削である。
【０１０７】
表７のＮｏ．５４〜５７、６０〜６３は低炭非鉛快削鋼であり、Ｎｏ．５８、５９、６４、６５は低炭鉛快削鋼である。さらに具体的にいうと、 Ｎｏ．５４、６０はＳＵＭ２３相当鋼であり、Ｎｏ．５５〜５７、６１〜６３は鉛を含まず、ＳＵＭ２３にＳ，Ｃｒ，Ｂ等を加えたいわゆる低炭非鉛快削鋼である。またＮｏ．５８，５９，６４，６５はいずれも鉛を含むＳＵＭ２４Ｌ相当鋼である。
【０１０８】
表７中従来工具の「ＷＣ（Ｋ種）」とは工具刃先丸みを５０μｍ以下に仕上げたＴｉ系硬質粒子を含まないＫ種超硬合金工具であり、本発明工具中ＴｉＡｌＮ−１、ＴｉＺｒＮ−１、ＴｉＮ−１は表１に示す工具を使用した。
【０１０９】
表７において、Ｒｙは切削面表面粗さを示す。またΔＲｙは、本発明工具のＲｙと従来工具のＲｙとの差を示す。
【０１１０】
本発明工具と従来工具を本発明で対象とするＰｂを添加しない非鉛快削鋼とＰｂを添加した鉛快削鋼で比較すると、非鉛快削鋼では従来工具から本発明工具に工具材種を変化させると、表面粗さは大きく改善されるが、Ｐｂを含む鉛快削鋼の場合、表面粗さはほとんど変化しない。すなわち対象とする被削材の成分を規定すべきことが分かる。
【０１１１】
また、低炭非鉛快削鋼の品種別にＲｙの挙動を観察すると、品種毎にＲｙのレベルに差がある一方、低炭非鉛快削鋼のいずれの品種においても、従来工具のＲｙに対して本発明工具のＲｙは小さな値であり、ΔＲｙが大きな値となっている。即ち、低炭非鉛快削鋼を被削材とした場合において、本発明工具の優位性が明らかである。
【０１１２】
本実施例において、工具寿命は切削開始から２０個目、５０個目の粗さを測定し、その後、１００個目、１５０個目と５０個加工ごとの粗さを測定した。実施例５４、５７、６０、６３についてはＲｙが２０μｍを超えると工具寿命と判定した。またその他の表７記載の実施例ではＲｙが７μｍを超えると工具寿命と判定した。その結果、比較例で従来工具を用いた場合にはいずれも加工数３００個以内に工具寿命に至り、早いものでは最初の２０個目でも良好な表面粗さを得られなかった。また発明工具で従来の鉛快削鋼を削った場合でも表面粗さの改善はそれほど見られず、６００個を超える工具寿命を得たものは見られなかった。一方、発明例で発明工具を使用した場合にはいずれも加工数６００個を超えても寿命に至らず、良好な表面粗さを維持できた。
【０１１３】
【表７】
【０１１４】
（実施例６）
低炭非鉛快削鋼を切削するプランジ切削において、被覆工具、焼結工具の各成分条件が及ぼす影響について評価した。被削材として表２に示す２種類の成分材料を用いた。
【０１１５】
表８のＮｏ．６６〜７７は被覆工具、Ｎｏ．７８は被覆を有しないＫ種超硬合金工具（比較例）である。被覆層成分を変化させ、被削材毎に切削面粗さを評価した。Ｎｏ．７６、７７は被覆層の成分が本発明範囲を外れる比較例である。表９は焼結工具であり、Ｎｏ．７９、８０は本発明例、Ｎｏ．８１、８２はＴｉ炭化物の成分が本発明範囲を外れる比較例である。表８、９に表面粗さに及ぼす工具材種の影響を示す。工具形状はプランジ切削（突切切削用）工具であり、切削幅５ｍｍ、主切れ刃の刃先丸み半径５μｍ以下、すくい角１５゜、逃げ角６゜である。その他切削条件は切削速度８０ｍ／ｍｉｎ、送り０．０５ｍｍ／ｒｅｖ、油性切削油剤を使用した湿式切削である。
【０１１６】
いずれの場合も工具表層の材料成分の規定が本発明の範囲外であれば良好な表面粗さを得られない。また被覆工具の場合、範囲外では良好な表面粗さを得られない場合だけでなく、被膜が剥離し、十分な工具寿命を得られない場合もある。比較例８３のように高速度鋼工具では非鉛快削鋼−１では良好な表面でもＳＵＭ２３では良好な性能が得られない場合もある。
【０１１７】
このような凝着特性は工具と切り屑の接触面積を測定することで評価できる。またこの接触域は被削材と工具の両者の成分、材質によって異なる。さらにプランジ切削での各種鋼材とさまざまな工具材種の接触域を図６に示す。従来の一般的な組み合わせＫ種超硬合金工具とＰｂ添加材の組み合わせではＫ種超硬合金工具は適した工具であるものの、本発明の規定工具では逆に接触幅１８が広がる場合も認められた。一方、非鉛快削鋼ではＫ種超硬合金以外の本発明規定工具ではＫ種超硬合金に比べ、小さな接触幅になっていることが分かる。これらの接触幅は最終的には表面粗さに反映され、実施例の表３〜９に示すとおりである。
【０１１８】
工具寿命についてみると、本発明例Ｎｏ．６６〜７５、７９、８０はいずれも寿命が６００回を超え、良好な結果であった。比較例Ｎｏ．７６、７７は使用初期に被膜の剥離が発生したために表面粗さが劣化した。また、比較例Ｎｏ．７８、８１〜８３はいずれも寿命が６００回に満たなかった。
【０１１９】
【表８】
【０１２０】
【表９】
【０１２１】
（実施例７）
表１０に表面粗さに及ぼす切削方法の影響を示す。低炭非鉛快削鋼を被削材とし、表１０に示す本発明の被覆工具、焼結工具を用い、切削条件は表に示すとおりで、湿式長手旋削を行った。主切れ刃の刃先丸み半径５μｍ以下、すくい角１５゜、逃げ角６゜である。切削条件として、切削速度が大きく影響するため、各工具材種に対して切削速度を大きく変化させて評価した。被削材は表２に示す非鉛快削鋼−１およびＳＵＭ２３であり、工具形状は長手旋削に用いた図５と同様の形状である。なお、Ｎｏ．８２の工具は材質にサーメットを用いた焼結工具である。サーメットはＪＩＳ Ｂ ４０５３−１９９６ Ｐ８の下段の参考表２に示したＴｉ，Ｔａ，Ｎｂを主成分とした炭化物、炭窒化物、窒化物またはこれらの複合体の硬質粒子をＮｉ，Ｃｏを主体としたバインダーでつないで焼結した材料である。したがって表層はＴｉを含む本発明の焼結工具を構成している。
【０１２２】
被削材は高速度で切削するためにφ８０ｍｍで熱間鍛造または圧延した後、９２０℃×１ｈｒ→放冷のいわゆる低炭素鋼の焼準を行った。
【０１２３】
その結果、表１０に示すとおり、本発明のＮｏ．７８〜８４は良好な表面粗さを実現できた。比較例Ｎｏ．８５〜８７は切削速度が４００ｍ／ｍｉｎを超えており、ほとんど切削できなかった。
【０１２４】
【表１０】
【０１２５】
（実施例８）
被削材に低炭鉛快削鋼を用い、切削工具としてＫ種超硬合金工具（実施例５で用いたと同様のもの）を用い、刃先丸みを半径５０μｍ超とした従来の切削方法を用いて切削を行った。刃先丸み半径以外の切削条件については、上記実施例５と同様とした。
【０１２６】
切削方法別に、被削材の成分、刃先丸み半径、切削面粗さ実績Ｒｙを表１１に示す。表１１から明らかなように、切削面粗さは上記本発明の実施例と対比して良くない結果となっている。一方、工具寿命については、刃先丸み半径を大きくした結果として、寿命６００回を超える結果となった。
【０１２７】
【表１１】
【図面の簡単な説明】
【０１２８】
【図１】プランジ切削における仕上げ面と工具形状の関係を示す図であり、（ａ）はプランジ切削状況を示す斜視図、（ｂ）はプランジ切削における切れ刃と仕上げ面の関係を示す図、（ｃ）はプランジ切削用工具詳細を示す斜視図、（ｄ）は切れ刃断面形状を示す図である。
【図２】長手旋削における仕上げ面と工具形状の関係を示す図であり、（ａ）は長手旋削状況を示す斜視図、（ｂ）は長手旋削における切れ刃と仕上げ面の関係を示す図、（ｃ）は長手旋削用工具詳細を示す斜視図、（ｄ）は切れ刃断面形状を示す図である。
【図３】プランジ切削と評価面を示す図であり、（ａ）はプランジ切削状況を示す斜視図、（ｂ）は評価面である。
【図４】長手旋削と評価面を示す図であり、（ａ）は長手旋削状況を示す斜視図、（ｂ）は評価面である。
【図５】長手旋削工具を示す図であり、（ａ）は概略図、（ｂ）は詳細図である。
【図６】切削におけるすくい面の接触幅観察例を示す図であり、（ａ）は工具刃先近傍の切り屑生成部の概要を示す断面図、（ｂ）は切削における工具すくい面の接触幅を測定するための顕微鏡写真を示す図である。
【符号の説明】
【０１２９】
１ 切削工具
２ 主切れ刃
３ 副切れ刃
４ 前切れ刃
５ すくい面
６ 横逃げ面
７ 刃先丸み
８ すくい角
９ 逃げ
１０ ノーズ半径
１１ 被削材
１２ 溝
１３ 切削面
１４ 送り方向
１５ 被削材送り方向
１６ 切り屑
１７ 構成刃先
１８ すくい面の接触幅
２１ 主切れ刃による仕上げ面
２２ 副切れ刃による仕上げ面
２３ 切断面
２４ 評価面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低炭快削鋼、特に低炭非鉛快削鋼の切削において切削表面粗さを良好にする切削工具及び切削方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
切削加工の合理化、高能率化および部品の仕上げ精度の向上はますます強く要求されており、切削工具の改良とあわせて性能の高い快削鋼の採用が進んでいる。低炭快削鋼は、炭素濃度が０．２％以下であり、低炭素で削られやすい鋼である。被削性、即ち切り屑を出して鋼を加工する切削容易性を通常の鋼よりも高めるため化学成分的な工夫を施した鋼である。切削工具寿命が高いだけでなく、切削面の表面粗さなどの切削面の品質や切り屑処理性で他の鋼より優れた性能を有する。
【０００３】
現在、ＪＩＳに規定されている低炭快削鋼は、硫黄および硫黄−鉛複合快削鋼である。具体的には、ＪＩＳ Ｇ ４８０４に規定されるＳＵＭ２２、ＳＵＭ２３、ＳＵＭ２４Ｌ、ＳＵＭ２５などが一般的である。
【０００４】
硫黄快削鋼は、最も古い快削鋼であり、Ｓを０．０８〜０．３５％含有している。鉛快削鋼は、鋼中にＰｂを微細均一に分布させたもので、Ｐｂは通常０．１０〜０．３５％の範囲で含有されている。硫黄快削鋼のＭｎＳが圧延方向に伸びるのに対し、鉛快削鋼のＰｂはＭｎＳが周囲に付着するか、微細な粒状で単独に分布するため、機械的性質の異方性は比較的少なく、熱処理特性も基本鋼とほとんど差がない。また、工具表面でのＰｂ薄膜による潤滑効果と切り欠き効果により、切削力を減じ、切り屑破砕性が向上する。従来の低炭快削鋼としては、鉛を含有する低炭鉛快削鋼が主に用いられていた。
【０００５】
低炭快削鋼を切削する際に用いる切削工具として、主として高速度鋼工具、あるいはＷＣをＣｏで焼結した超硬合金工具などが使用されていた。アルミナセラミックスや、ＴｉＣをＮｉで焼結したサーメットなども使用されることがある。
【０００６】
高速度鋼は工具摩耗しやすく、摩耗部に構成刃先が生成しやすくなるため、表面粗さと寸法精度を維持するためには頻繁な工具交換／再研磨が必要であった。
【０００７】
ＪＩＳ Ｂ ４０５３−１９９６に表示されるＫ０１〜Ｋ３０（いわゆるＫ種）相当またはＶ１０〜Ｖ３０（Ｖ種）相当の超硬合金の焼結工具は、鉛快削鋼に対しては耐摩耗性に優れるため、良好な表面や寸法精度を得ることができ、加工面品質、工具寿命など切削性能と工具費用を含めたコストの面で優れ、鉛快削鋼（例えばＳＵＭ２４Ｌ、ＳＡＥ１２Ｌ１４相当）の切削に適している。
【０００８】
特許文献１においては、ＷＣとＣｏを主成分とする超硬合金に、さらに鋼中に介在するマンガン硫化物のＳと化学的親和性の強いＺｒを含有させることにより、工具面上にマンガン硫化物皮膜を形成させ、このマンガン硫化物皮膜をして鋼と工具との凝着を抑制させることにより、構成刃先生成を抑制して優れた切削仕上げ面を形成する発明が記載されている。ただし、特許文献１に記載のものは、Ｚｒを含有する焼結体工具であり、工具の欠損特性などの安定性に問題があり、工具形状の自由度が小さいために広い範囲での切削には不向きであった。
【０００９】
超硬合金、高速度鋼、あるいは特殊鋼などからなる工具基体の表面に、単層又は多層の硬質被膜を施した被覆工具が知られている。一般に、被覆工具の硬質被膜としては、耐摩耗性及び靭性に優れることが要求されるため、周期律表４、５、６族金属の炭化物、窒化物、又は炭窒化物からなる膜が用いられており、また耐酸化性に優れる酸化アルミニウム膜も用いられている。これら硬質被膜は、ＣＶＤ法あるいはＰＶＤ法により成膜される。切削加工時に刃先が比較的高い温度まで昇温する旋削工具等の被膜としては、ＣＶＤ法で成膜されたＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、Ａｌ2Ｏ3膜などが実用化されている。
【００１０】
上記のような被覆工具は、鉛快削鋼を切削する場合においては、鋼との凝着の程度が通常の超硬合金工具よりも悪いために切削面の表面粗さがかえって悪化する。また被覆工具は従来工具に比較して高価であるため、鉛快削鋼の切削工具としてはあまり普及していない。
【００１１】
低炭快削鋼の切削においては、切削面の表面粗さが良好であることが要求される。一般に、切れ刃の刃先丸みを小さくして刃先を鋭利にすることにより、切削面の表面粗さを改善することができる。しかし、刃先丸みを半径で５０μｍ以下まで小さくしても表面粗さの改善程度には限度がある。構成刃先が形成されるためと考えられる。一方で、超硬合金工具のように脆い材料では、刃先丸みを半径で５０μｍ以下まで小さくすると、刃先が欠けやすくなり、工具使用回数が少ない段階で欠けが発生し、かえって切削面の表面粗さが悪化するために工具寿命が短くなるという弊害さえ存する。そのため、低炭鉛快削鋼の切削に超硬合金工具などを用いる場合において、従来は切れ刃の刃先丸みを半径で１００μｍ程度とするか、あるいはチャンファーと呼ばれる先端に負のすくい角をつけるなど、故意に刃先を鈍くして欠損を避ける手法がとられている。そのような形状では十分に良好な粗さが得られなかった。また刃先先端を鋭くすると被覆工具の場合、表面の硬質被膜が剥離しやすくなるため、故意に刃先を丸くする場合も多い。たとえば市販の被覆工具では刃先丸みは１００μｍ程度、チャンファ−の場合、刃先を局部的に−４５゜程度のすくい角にするものも多い。これにより、切削面の表面粗さと工具寿命とのバランスを保っていた。従来、低炭鉛快削鋼を用いた場合の切削面の表面粗さは、品質要求に対して十分に良好なレベルには至っていなかった。
【００１２】
近年、鉛の人体や生物への有害性が懸念され、近年ではシュレッダーダストとして処理された場合にも残存すると考えられ、リサイクルなど、製品のライフサイクルを考えた環境負荷を低減するという考えから、鋼中に含まれるわずかなＰｂについても規制が検討されている。そのため、鉛快削鋼に含まれるＰｂについても環境に対して懸念がもたれるにいたり、最近は低炭鉛快削鋼から鉛を含有しない低炭非鉛快削鋼に転換することが要請されている。
【００１３】
このような鋼中鉛廃止の動きが高まる中で、被削材の非鉛化に対応した切削工具が求められている。
【００１４】
【特許文献１】特開昭６２−１５２６１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
超硬合金工具を鉛快削鋼の切削に用いると、そこそこ好適な表面粗さを実現できるものの、決して十分に良好であるとはいえなかった。また、超硬合金工具を低炭非鉛快削鋼の切削に用いると、表面粗さが劣化し、切削面の品質として十分に良好な表面粗さを得られないという問題が生じる。
【００１６】
本発明は、低炭非鉛快削鋼の切削に用いることのできる切削工具であって、切削面の品質を向上することのできる切削工具を提供することを目的とする。さらに本発明は、低炭非鉛快削鋼の切削面品質を、従来の低炭鉛快削鋼で実現できていたレベルを超えて良好な品質にすることのできる切削工具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
鉛快削鋼の切削に超硬合金工具が好適に用いられた理由は、鉛快削鋼に含まれるＰｂが工具表面でＰｂ薄膜を形成して潤滑性を確保するためであった。これに対し、非鉛快削鋼の切削に超硬合金工具を用いた場合には、Ｐｂによる潤滑効果が得られず、工具表面に鋼が凝着しやすくなり、これがために工具表面に構成刃先が形成され、切削面の表面粗さを悪化させる原因になっていた。
【００１８】
工具の被削材と接する面がＴｉＮを含んだＴｉ−Ａｌ−Ｚｒ系窒化物を主体とする材料であった場合、被削材がＰｂを含有しない非鉛快削鋼であっても、工具表面への鋼の凝着を防止することができることが明らかになった。
【００１９】
さらに、低炭非鉛快削鋼とＴｉ−Ａｌ−Ｚｒ系窒化物系工具とを組み合わせた場合、その凝着しにくさの度合は、低炭鉛快削鋼と超硬合金工具との組み合わせの場合よりも良好であることが明らかになった。
【００２０】
低炭非鉛快削鋼とＴｉ−Ａｌ−Ｚｒ系窒化物系工具とを組み合わせた場合、鋼が刃先に凝着しにくいために構成刃先が生成しづらく、工具切れ刃の刃先丸みを小さくすればするほど表面粗さが改善され、刃先丸みを半径で５０μｍ以下とすることによって従来にない良好な表面粗さを実現できることがわかった。さらに、鋼が刃先に凝着しにくいため、刃先丸みを半径で５０μｍ以下としても、刃先の欠けが発生しづらく、十分に良好な工具寿命を実現できることがわかった。
【００２１】
本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨とするところは以下のとおりである。
（１）主切れ刃と副切れ刃のいずれか一方又は両方の刃先丸みが半径５０μｍ以下であり、被削材と接触する面の一部又は全部の表層が硬質被膜で被覆されてなり、該硬質被膜は、原子％でＮ：４０〜６０％、Ｔｉ：４０〜６０％を含み、残部は実質的に不可避不純物からなることを特徴とする切削工具。
（２）主切れ刃と副切れ刃のいずれか一方又は両方の刃先丸みが半径５０μｍ以下であり、被削材と接触する面の一部又は全部の表層が硬質被膜で被覆されてなり、該硬質被膜は、原子％でＮ：４０〜６０％、Ｔｉ：１０％以上６０％未満に加え、Ａｌ又はＺｒの１種又は２種の合計を原子％で５０％以下の範囲で含み、残部は実質的に不可避不純物からなることを特徴とする切削工具。
（３）主切れ刃と副切れ刃のいずれか一方又は両方のすくい角が−１０〜３０°の範囲であり、逃げ角が２〜１５°であることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の切削工具。
（４）硬質被膜の内部に配置された基材が、工具鋼、超硬合金、サーメット、セラミックスのいずれかであることを特徴とする上記（３）に記載の切削工具。
（５）主切れ刃と副切れ刃のいずれか一方又は両方の刃先丸みが半径５０μｍ以下であり、少なくとも被削材と接触する面の一部又は全部の表層が、Ｔｉを含む炭化物、炭窒化物、窒化物およびそれらの複合物の硬質相を５０質量％以上と、Ｔｉを含まないＴａ、Ｎｂ、Ｗ炭化物、炭窒化物、窒化物およびそれらの複合物の硬質相を３０質量％以下と、Ｃｏ又はＮｉの１種又は２種を合計で２０質量％以下とを含み、残部は実質的に不可避不純物からなる焼結材で構成されてなることを特徴とする切削工具。
（６）主切れ刃と副切れ刃のいずれか一方又は両方のすくい角が−１０〜３０°の範囲であり、逃げ角が２〜１５°であることを特徴とする上記（５）に記載の切削工具。
（７）低炭非鉛快削鋼の切削用であることを特徴とする上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の切削工具。
（８）上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の切削工具を用い、被削材として低炭快削鋼を用い、切削速度１〜４００ｍ／ｍｉｎで切削することを特徴とする低炭快削鋼の切削方法。
（９）上記（７）に記載の切削工具を用い、被削材として低炭非鉛快削鋼を用い、切削速度１〜４００ｍ／ｍｉｎで切削することを特徴とする低炭非鉛快削鋼の切削方法。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の切削工具は、切れ刃の刃先丸みが半径５０μｍ以下であり、被削材と接触する工具面の組成についてＴｉＮを主成分とすることにより、低炭非鉛快削鋼の切削に用いたときに、切削面の表面粗さを向上することができ、同時に工具寿命を通常と同等に維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の切削工具は、低炭非鉛快削鋼の切削に用いたときに特に優れた効果を発揮する。ここではまず低炭非鉛快削鋼について説明する。
【００２４】
低炭非鉛快削鋼とは比較的低炭素で、被削性（切り屑を出して鋼を加工する“しやすさ”）を通常の鋼より高めるため化学成分的な工夫を施したもの低炭快削鋼の中で、Ｐｂを含有しない鋼をさす。つまり低炭素で「削られやすい鋼」の中でＰｂを含まない鋼のことである。
【００２５】
具体的にはＪＩＳ Ｇ ４８０４に規定されるＳＵＭ２２，ＳＵＭ２３，ＳＵＭ２５を挙げることができる。また、ＪＩＳ規定外であっても、Ｃ≦０．１５％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｐ：０．００１〜０．２％、Ｓ：０．００１〜０．７％、Ｎ：０．００１〜０．０２５％に、Ｃｒ：０．１〜３．０％、Ｎｂ：０．０１〜０．３％、Ｔｉ：０．０１〜０．３％、Ｂ：０．０００２〜０．０２％、Ｖ：０．０５〜０．５％、Ｍｏ：０．０５〜０．５％、Ｗ：０．０５〜０．５％、Ｃｏ：０．０５〜０．５％、Ｃｕ：０．０１〜０．５％、Ｎｉ：０．０１〜０．５％、Ｔｅ：０．０００２〜０．０５％のうち１種または２種以上を含み、さらにＭｇ：０．０００２〜０．００５％、Ａｌ：０．００２〜０．０４％、Ｃａ：０．０００１〜０．０１％、Ｚｒ：０．０００１〜０．０１％、Ｓｉ≦０．１％の１種または２種以上を含み、残部がＦｅと不可避的不純物からなり、Ｐｂ≦０．０１％に制限した鋼であって、快削性に優れた鋼を用いることもできる。
【００２６】
本発明の第１の特徴は、上記低炭非鉛快削鋼を切削するための切削工具として、被削材と接触する面の一部又は全部の表層が硬質被膜で被覆されてなり、該硬質被膜は、原子％でＮ：４０〜６０％、Ｔｉ：４０〜６０％を含み、残部は実質的に不可避不純物からなることを特徴とする切削工具を用いる点にある。前記硬質被膜はまた、原子％でＮ：４０〜６０％、Ｔｉ：１０％以上６０％未満、ＡｌまたはＺｒの１種または２種の合計を５０％以下の範囲で含み、残部は実質的に不可避不純物からなることが好ましい。この硬質被膜を、以下「ＴｉＮ含有硬質被膜」と呼ぶこともある。
【００２７】
鉛快削鋼を切削する場合においては、鉛快削鋼中のＰｂが工具表面でＰｂ薄膜を形成し、切削工具としてＷＣをＣｏで焼結した超硬合金工具を用いた場合でも、良好な潤滑特性を示し、工具すくい面での鋼凝着が少なくそこそこの切削面表面粗さを実現していた。
【００２８】
ところが、非鉛快削鋼の切削に上記超硬合金工具を用いると、被削材と接する工具表面にＦｅが凝着し、工具表面に構成刃先の成長が促進され、結果として切削面の表面粗さが非常に悪化するという結果を招くこととなる。
【００２９】
これに対し、低炭非鉛快削鋼の切削に本発明のＴｉＮ含有硬質被膜を有する工具を用いると、被削材と接する工具表面にはＦｅがほとんど凝着せず、ＭｎとＳの凝着が見られる。快削鋼のマンガン硫化物系介在物が凝着したものと考えられる。凝着物がＦｅではないので、切り屑と工具との間の凝着力も小さくなり、構成刃先の生成が抑制される。この傾向は、被削材の低炭非鉛快削鋼が硫黄を含有しているときに顕著であるが、低炭非鉛快削鋼が硫黄を含有していない場合においても、被削材と接する工具表面へのＦｅの凝着が極めて僅かであるという特徴を有する。
【００３０】
低炭非鉛快削鋼と本発明のＴｉＮ含有硬質被膜を有する切削工具との組み合わせは、その凝着のしにくさにおいて、鉛快削鋼と超硬合金工具との組み合わせよりも良好な結果を得ることができる。それに反し、低炭非鉛快削鋼と超硬合金工具との組み合わせは、凝着のしにくさの観点で最も成績が悪いという結果となった。
【００３１】
低炭非鉛快削鋼と本発明のＴｉＮ含有硬質被膜を有する切削工具との組み合わせは、工具表面への凝着が非常に少ないという特徴を有することに起因して、もうひとつの本発明の特徴を導き出すこととなった。即ち、切れ刃の刃先丸みを減らして刃先を尖鋭化していったとき、従来の限界を超え、刃先丸みの半径が５０μｍ以下の領域においても尖鋭化するに従って切削面の表面粗さが向上し続け、従来実現することのできなかった極めて良好な表面粗さを実現することが可能となった。さらに、凝着が非常に少ないことと相俟って、刃先丸みの半径を５０μｍ以下としても刃先の欠けが発生せず、良好な工具寿命を維持することができる。
【００３２】
従来の鉛快削鋼と超硬合金工具との組み合わせでは、刃先丸みの半径が５０μｍ程度で表面粗さの改善が飽和し、それよりも尖鋭化しても表面粗さの改善はわずかであった。その一方で、刃先丸みの半径が５０μｍ以下となると、刃先の欠けの発生が激しくなって工具寿命の劣化をきたすこととなっていた。鉛快削鋼とＴｉＮ含有硬質被膜を有する切削工具の組み合わせでも同様である。従って、本発明の良好な表面粗さを実現するためには、被削材の鉛含有量が少ないことが重要である。
【００３３】
本発明の切削工具は、主切れ刃と副切れ刃のいずれか一方又は両方の刃先丸みが半径５０μｍ以下であり、その結果として、低炭非鉛快削鋼を切削したときに極めて良好な切削表面粗さを実現することができる。刃先丸みの半径を３０μｍ以下とするとより好ましい。刃先丸みの半径を２０μｍ以下とするとさらに好ましい。
【００３４】
これまで切削面の表面粗さを改善するには工具形状や切削条件を工夫することで改善されることが多かった。たとえば工具の刃先を鋭利にする（具体的には刃先丸みを小さくし、すくい角を大きくする）と仕上げ面粗さが改善される。しかし刃先が鋭利な工具は形状的に欠損を生じやすくなる。比較的軟質な低炭快削鋼でも凝着力が大きく、工具と被削材の接触面積が大きくなると、先端に欠損を生じやすくなるため、工具寿命と表面性状を両立させるために、一般には刃先を円弧形状に丸めたり、チャンファーやネガランドと呼ばれるすくい角を局部的に鈍角にすることが一般的で、表面粗さを低下させざるを得なかった。
【００３５】
一方、本発明では被削材の鋼とそれに接する工具材質の組み合わせを設計することで切削時の工具−被削材（鋼）間に生じる凝着力や摩擦力を低下させることができる。その結果、切削抵抗は従来工具よりも低減できるので、本発明のような脆い工具材種でも刃先を鋭利に仕上げて切削可能であり、さらにそのことが切削表面粗さを向上させることを可能にしている。
【００３６】
本発明に示された発明工具は特にＰｂを含まない低炭快削鋼の切削において凝着力や摩擦力を低下させる効果が大きいため、工具刃先丸みを小さくすることができ、その結果、工具寿命を維持しつつ表面粗さ向上効果も大きい。
【００３７】
ここで、切削工具形状について説明する。図１（ａ）に旋盤のプランジ切削工具１で切削された被削材１１の形状、（ｂ）にプランジ切削における切れ刃と仕上げ面の関係、（ｃ）にプランジ切削用工具１の形状および（ｄ）に切断面２３の工具断面を示す。問題となる表面粗さは図中主切れ刃２による仕上げ面２１および副切れ刃３による仕上げ面２２である。その断面において、一般に刃先部には刃先丸み７やチャンファーなどをつけることが一般的である。
【００３８】
図２（ａ）に旋盤の長手旋削で切削された被削材１１の形状、（ｂ）に長手旋削における切れ刃と仕上げ面の関係、（ｃ）に切削用工具１の形状および（ｄ）に切断面２３ａ、２３ｂの工具断面を示す。問題となる表面粗さは、主切れ刃は図中主切れ刃２による仕上げ面２１および副切れ刃３による仕上げ面２２である。その断面において、プランジ切削用工具と同様、長手旋削工具においても一般に刃先部には刃先丸み７やチャンファーなどをつけることが一般的である。プランジ切削工具よりも旋削の場合、副切れ刃３が表面粗さへの影響が大きくなる特徴がある。
【００３９】
本発明において切削面の表面粗さを改善するため、通常は主切れ刃２が重要である。一方、副切れ刃３についても仕上げ面性状が重要視される場合がある。図１または２に示したとおり、図１（ａ）のようにプランジ切削でも溝１２の側壁が重要な場合には副切れ刃の形状に注意を払う必要がある。また図２（ｂ）のように長手旋削では円筒面の切削面１３が仕上げ面であり、直接接触する切れ刃は副切れ刃３である。従って、円筒面の精度が重要な場合には副切れ刃３の形状も重要である。このような理由から、製品で重要視される切削面と接触する切れ刃の形状が重要であり、主切れ刃によって創成された面が重要な場合、主切れ刃の刃先丸みを半径５０μｍ以下に調整する必要があり、同様に副切れ刃による創成面が重要であれば、副切れ刃の刃先丸みを半径５０μｍ以下に調整する必要がある。
【００４０】
本発明のＴｉＮ含有硬質被膜の好ましい性状について説明する。
【００４１】
具体的には工具表面の被膜の場合、原子％でＮ：４０〜６０％、Ｔｉ含有量は４０〜６０％を含み、残部は実質的に不可避不純物からなる組成である。さらにＡｌまたはＺｒの１種または２種を含む場合、これらの元素はＴｉと置き換わるため、Ｔｉの含有量はそれらの含有量に応じて、減じても良い。すなわち原子％でＮ：４０〜６０％、Ｔｉ：１０％以上６０％未満を含み、さらにＡｌまたはＺｒの１種または２種の合計を５０％以下含み、残部は実質的に不可避不純物からなる組成の硬質被膜である。Ａｌ又はＺｒを含有する場合、ＴｉＮまたはＴｉの一部がＡｌまたはＺｒに置換された、ＨＶ１０００以上の硬質被膜を形成したものをさす。他に不可避的な不純物として酸素を５％以下含んでも硬質被膜の特性は何ら問題はない。
【００４２】
ＡｌとＺｒのいずれも含まない場合、Ｔｉの含有量が４０％未満では十分な硬度や密着性が得られない。６０％超になるとＴｉ過剰になりＮとの比率が崩れ切削の過酷な環境に耐えるだけの硬質被膜は得られない。一方、ＡｌまたはＺｒの１種または２種を含む場合、Ｔｉが１０％未満では十分な硬度や被膜の場合には密着性が得られない。またＴｉが６０％以上ではＴｉ過剰になり、Ｎとの比率が崩れ、切削の過酷な環境に耐えるだけの硬質被膜が得られない。そのため、本発明はＴｉ含有量の範囲を１０％以上６０％未満とした。
【００４３】
Ｎは４０％未満であるとＴｉ、Ａｌ、Ｚｒの窒化物としての硬さが不足し、耐磨耗性や凝着特性が低下し、良好な表面粗さを得られない。６０％超であると硬質膜としての硬さは飽和し、過剰なＮは膜の靭性を劣化させ、基材との密着性を低下させる。そのため、本発明はＮ含有量の範囲を４０〜６０％とした。
【００４４】
本発明の硬質被膜は上述のとおり、Ｔｉの一部を置換してＡｌ又はＺｒの１種又は２種の合計を原子％で５０％以下の範囲で含むこととすると好ましい。これら硬質被膜中のＡｌおよびＺｒは含有されなくとも良好な表面粗さを得られることもあるが、耐磨耗性や基材との密着性を確保するとともに、被削材である低炭非鉛快削鋼との凝着を抑制する上でも含有させることが好ましく、その含有量はＡｌとＺｒの合計で１０％以上であることが好ましい。
【００４５】
Ａｌが５０％を超えると相対的に硬質被膜中のＴｉ量が減少し、耐磨耗性や凝着特性が低下し、良好な表面粗さを得られないので、上限を５０％とする。
【００４６】
同様にＺｒが５０％を超えると硬質被膜中のＴｉ量が減少し、耐磨耗性や凝着特性が低下し、良好な表面粗さを得られないので、上限を５０％とする。
【００４７】
これらは被膜として硬質基材の上に生成することが一般的であり、ＣＶＤ処理などでも成膜可能であるが、イオンプレーティングなどいわゆるＰＶＤ処理によって１μｍ以上の被膜を成膜することが好ましい。特に基材との密着性を増すために基材と被膜の界面にはＴｉ、Ｚｒなどの金属をわずかに成膜しておくことが好ましい。
【００４８】
上記本発明の硬質被膜は、切削工具の表層であって被削材と接触する面の一部又は全部の表層に被覆する。被削材と接触する面のうち、すくい面に被覆することが重要である。すくい面全体である必要はなく、刃先から被削材および切り屑と接触する場所に被覆してあればよい。さらに切削工具の逃げ面に被覆することも有効であり、切削では被削材は弾性変形の影響などで、逃げ面でも接触しているため、逃げ面の凝着を抑制できるため、磨耗と切削抵抗を抑制する効果がある。被覆工具を再研摩した場合には逃げ面またはすくい面のいずれか一方にしか被膜が残らない場合もあるが、いずれかに被膜が残れば被削材との凝着を抑制でき、被覆の効果がみられる。特にすくい面に被膜が残留した方が、その効果は大きい。ただし、逃げ面への被覆は必須ではない。
【００４９】
次に、刃先形状のうち、図１（ｄ）、図２（ｄ）に示すすくい角８と逃げ角９について説明する。
【００５０】
前述のとおり、切削工具形状のうち、主切れ刃と副切れ刃の形状が重要な役割りを有している。製品で重要視される切削面と接触する切れ刃の形状が重要であり、主切れ刃によって創成された面が重要な場合、主切れ刃の形状が重要であり、同様に副切れ刃による創成面が重要であれば、副切れ刃の形状が重要になる。本発明においては、主切れ刃と副切れ刃のいずれか一方又は両方のすくい角が−１０〜３０°の範囲であり、逃げ角が２〜１５°であることが好ましい。
【００５１】
すくい角が３０゜を超えると欠損を生じやすくなるため、これを上限とした。すくい角−１０゜より小さくなると切削抵抗が増し、工具寿命が低下すると共に表面粗さが低下するため、これを下限とした。旋削やフライス切削を中心とした切削に適したすくい角は−１０〜３０゜であり、表面粗さと工具寿命をバランスよく確保できる。表面粗さをさらに改善するにはすくい角は大きいほうが良好で、すくい角３゜以上が好ましく、さらにはすくい角１０゜以上が好ましい。
【００５２】
工具形状において、チャンファーと呼ばれる平面を形成する場合があるが、本発明の切削工具においては、鋼と工具とが凝着しにくいため、このチャンファーを小さくすることができる。またチャンファ−は刃先のすくい角を鈍角にするため、チャンファーをつける場合でもすくい角αを本発明の規定−１０〜３０゜の範囲に調整する必要がある。
【００５３】
逃げ角は２゜以下では被削材との接触面積が大きくなりすぎ、抵抗を増加させ工具磨耗を促進する。また１５゜を超えると刃先が鋭利になり容易に工具磨耗を生じやすくなる。そこで逃げ角は２〜１５゜とした。切れ刃形状があまり鋭利な場合、欠けを生じやすくなる場合もあるため、逃げ角は１０゜以下であることが好ましい。５゜程度を用いることが好ましい。
【００５４】
これらの工具形状の詳細は被削材の性質、工具素材の欠損性、被覆工具の場合には被膜剥離性、切削品の完成精度（表面粗さや寸法精度）、加工機械能力（剛性や主軸出力など）によって精密に調整されるべきである。
【００５５】
本発明の切削工具であって、被削材と接触する面の一部又は全部の表層が硬質被膜で被覆されている切削工具においては、硬質皮膜の内側部分は基材によって構成される。基材については、たとえ表面が硬質被膜で覆われていても切削熱などの影響をうけ、高温強度を維持する必要があること、被膜が局部的に損耗や剥離を生じても安定した切削を工具交換までの時間続行するためには基材も一般的な工具用材料であることが好ましい。また表層被膜との密着性が良いほうが基材として好ましい。すなわち高速度鋼を含む工具鋼、超硬合金、サーメットおよびセラミックスのいずれかが良く、特に超硬合金、サーメット、高速度鋼は適している。
【００５６】
ここでいう基材の工具鋼、超硬合金、サーメットおよびセラミックスとは、一般的に切削工具として使用する材質であり、工具鋼：ＪＩＳ Ｇ ４４０１・４４０３等で規定される材質、超硬合金：ＪＩＳ Ｂ ４１０４等で規定される材質である。サーメットは、炭化チタン（ＴｉＣ）・窒化チタン（ＴｉＮ）・炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）を主成分とし、これらをＣｏやＮｉ等の金属で焼結したものである。またセラミックスは、基本成分が金属酸化物・炭化物等で、高温での熱処理によって焼結したものを示す。
【００５７】
以上、本発明の切削工具として、被削材と接触する面にＴｉＮ含有硬質被膜を形成してなる切削工具について説明を行った。本発明においては、表面に硬質被膜を有する切削工具のみならず、表面に硬質被膜を有しない焼結セラミックスそのものを工具として用いることもできる。
【００５８】
焼結セラミックスそのものを本発明の切削工具とする場合、少なくとも被削材と接触する面の一部又は全部の表層が、Ｔｉを含む炭化物、炭窒化物、窒化物およびそれらの複合物の硬質相を５０質量％以上と、Ｔｉを含まないＴａ、Ｎｂ、Ｗ炭化物、炭窒化物、窒化物およびそれらの複合物の硬質相を３０質量％以下と、Ｃｏ又はＮｉの１種又は２種を合計で２０質量％以下とを含み、残部は実質的に不可避不純物からなる焼結材で構成を用いる。
【００５９】
Ｔｉを含む炭化物、炭窒化物、窒化物およびそれらの複合硬質相が質量％で５０％未満であると、工具としての硬さが不足し、耐磨耗性が低下するとともに、被削材との凝着が抑制できないために良好な表面粗さが得られなかったり、刃先先端の欠損を誘発する。ここでいう硬質相とはＪＩＳ Ｂ ４０５３−１９９６ Ｐ８ 参考表１〜４に示す硬質相を指す。以下同様である。
【００６０】
Ｔｉを含まないＴａ、Ｎｂ、Ｗ炭化物、炭窒化物、窒化物およびそれらの複合物の硬質相を含有することにより、硬度と靭性のバランスを調整できる。その含有量は０％でも良いが、５％以上であると好ましい。ただし３０％を超えるとＴｉを含む硬質相の含有率を抑制せざるを得なくなり、凝着特性が低下し、良好な表面粗さが得られなくなる。また耐磨耗性も低下し、工具としての硬度と靭性のバランスを取り難くなる。
【００６１】
バインダーとしてＣｏまたはＮｉの１種または２種を含有させる。含有量は２％以上であると好ましい。ただし２０％を超えるとＴｉ、Ｔａ，Ｎｂの炭化物、炭窒化物、窒化物およびそれらの複合硬質相が相対的に減少するため、硬度が不足したり、耐磨耗性や凝着特性が低下する。
【００６２】
本発明の焼結工具の工具形状としては、主切れ刃と副切れ刃のいずれか一方又は両方の刃先丸みが半径５０μｍ以下である点を含め、上記本発明の被覆工具が具備すべき形状条件と同様である。従って、主切れ刃と副切れ刃のいずれか一方又は両方のすくい角が−１０〜３０°の範囲であり、逃げ角が２〜１５°であることとすると好ましい。その理由についても被覆工具について述べた理由と同様である。
【００６３】
本発明の切削工具は、低炭非鉛快削鋼の切削用として用いるときに特に優れた効果を発揮する。低炭非鉛快削鋼の切削に本発明の切削工具を用いた場合、鋼と工具との間の凝着が特に起きにくく、切れ刃の刃先丸みを半径５０μｍ以下とすることと相まって、極めて優れた切削面表面粗さを実現することができるからである。
【００６４】
即ち、低炭快削鋼の中で、Ｐｂを含有しない低炭非鉛快削鋼に対して、特に表面粗さ改善効果が大きく、工具寿命と表面粗さを両立させ、工業的に良質の切削が可能になる。この低炭非鉛快削鋼は他の鋼種に比べ、切削工具寿命と表面粗さに優れ、切り屑も処理しやすいように短く分断しやすくなっている。
【００６５】
特にこのＰｂ含有量の制限が重要である。鋼にＰｂが添加されると被削性が向上することは良く知られているが、その原因はＰｂの潤滑効果といわれている。従来のＫ種相当の超硬合金工具材種ではＰｂを添加しないと工具との凝着力が大きくなり、良好な加工面を得られない。
【００６６】
逆に低炭非鉛快削鋼に適した凝着特性を有する本発明の切削工具でＰｂを含有した低炭快削鋼を切削すると、低炭非鉛快削鋼を切削した場合と比べて、良好な切削面を得ることは困難になり、たとえ工具を通常より鋭利にして良好な切削面を得ることができても、凝着力が大きいため、工具形状に変更による表面粗さ改善効果が小さかったり、工具寿命が得られなかったりする。そのため、良好な切削面を得るためには被削材のＰｂを制限することが好ましく、非常に重要である。
【００６７】
次に、本発明の切削工具を用いた低炭快削鋼の切削方法について説明する。
【００６８】
本発明の低炭快削鋼の切削方法においては、上記本発明の切削工具を用い、被削材として低炭快削鋼を用い、切削速度１〜４００ｍ／ｍｉｎで切削すると好ましい。一般に切削速度が大きくなれば構成刃先が生じ難くなるため、表面粗さが改善されるとされているが、切削速度が速くなると工具寿命も低下するので、工具寿命と切削面の粗さや精度をバランスさせた条件で切削することが良い。具体的には高速度鋼を基材とした被覆工具では１０〜１００ｍ／ｍｉｎが好ましく、超硬合金やサーメットを基材とした被覆工具および焼結体工具の場合は１０〜３００ｍ／ｍｉｎであり、可能であれば３０ｍ／ｍｉｎ以上が好ましく、工具寿命優先の場合には２５０ｍ／ｍｉｎ以下にすることが好ましい。
【００６９】
その他の切削条件は切削方法や形状によって、規定が複雑ではあるが、プランジ切削（突切切削）では切削幅５ｍｍ以下の場合では半径方向への工具送り量０．００５〜０．１ｍｍ／ｒｅｖ程度、切削幅がさらに広い場合には半径方向への工具送り量を０．００１〜０．０１ｍｍ／ｒｅｖ程度に抑制することが好ましい。
【００７０】
さらに長手旋削では切込量０．００５〜１．０ｍｍ、長手方向への送り量は０．００５〜０．７ｍｍ／ｒｅｖ程度であり、切込量が大きければ送り量を小さくすべきであり、逆に送り量が大きければ切込量を小さく抑制すべきである。
【００７１】
幾何的に下記式から計算される工具／被削材の接触面積で示されるＳの値が０．００１〜１程度であれば良く、０．０１〜０．５程度が好ましく、切削能率と良好な仕上げ面を確保できる。
プランジ切削の場合
Ｓ＝［刃幅ｗ（ｍｍ）］×［被削材１回転あたりの送り量ｆ（ｍｍ／ｒｅｖ）］
長手旋削の場合
Ｓ＝［切込み量ｄ（ｍｍ）］×［被削材１回転あたりの送り量ｆ（ｍｍ／ｒｅｖ）］
【００７２】
上記本発明の低炭快削鋼の切削方法は、もちろん低炭非鉛快削鋼の切削に適用したときに最大の効果を発揮することができる。
【実施例】
【００７３】
本発明の切削工具を用いて低炭快削鋼を切削した結果を以下に示す。
【００７４】
本発明のＴｉＮ含有硬質膜を有する切削工具（以下「被覆工具」ともいう。）として、表１に示すものを用いた。表１に示す基材に同じく表１に示す表層材料を厚さ２μｍとなるように被覆し、切削工具とした。本発明の焼結切削工具については、以下の各実施例においてその成分を示す。比較材としてのＫ種超硬合金工具には、被覆のないＪＩＳ Ｂ ４０５３−１９９６ Ｐ８ 参考表１ Ｋ１０種相当（ＷＣ：９４．５％、Ｃｏ：５．５％）の工具を用いた。
【００７５】
被削材の低炭非鉛快削鋼として、表２に示す鋼を用いた。ここで、表中の非鉛快削鋼−１とはＪＩＳ Ｇ ４８０８に示す硫黄快削鋼ＳＵＭ２３相当鋼のＳ量を０．４％まで増量するとともにＢ，Ｎをそれぞれ０．００９％、０．０１％添加した鋼でである。またＳＵＭ２３とはＪＩＳ Ｇ ４８０８に示す硫黄快削鋼ＳＵＭ２３相当鋼である。表２に記載の成分以外の鋼については、各実施例においてその成分を示す。
【００７６】
低炭快削鋼の工具寿命は構造用鋼の工具の場合と異なり、たとえ工具が切削に耐えうる状態であっても十分な表面粗さを得られない場合には工具寿命と判定され、交換されることが一般的である。そのため本実施例において、被削鋼が低炭非鉛快削鋼−１の場合には表面粗さＲｙが７μｍを超えたとき、被削鋼がＳＵＭ２３の場合には表面粗さＲｙが２０μｍを超えたときの工具による切削数をもって、工具寿命を示すものとする。
【００７７】
具体的には、切削開始から２０個目、５０個目の粗さを測定し、その後、１００個目、１５０個目と５０個加工ごとの粗さを測定した。その粗さが被削鋼毎に上記基準を超えた場合に、工具寿命に達したと判定した。その際、６００個まで加工し、その粗さが劣化していなければ工具寿命に達していないとして、加工数＞６００とした。
【００７８】
【表１】
【００７９】
【表２】
【００８０】
（実施例１）
プランジ切削において、本発明の被覆工具を用いた場合に、切り刃の刃先丸みの大きさをはじめとする切削工具の形状が、切削面の表面粗さに及ぼす影響について比較を行った。切削条件、使用工具、被削材については表３に示すとおりである。表３において、本発明範囲から外れる数値にはアンダーラインを付している。表４以下についても同様である。
【００８１】
使用工具は表１に示す被覆工具のうち、基材をＫ種超硬合金としたものである。基本となる工具形状は突切切削用工具であり、切削幅５ｍｍ、主切れ刃すくい角１５゜、逃げ角６゜である。被削材は表２に示すものを用いている。
【００８２】
図３に切削方法の概要を示す。被削材は鉛の添加されていない快削鋼で被削材直径φ５０ｍｍの丸棒を旋盤に取り付けてプランジ切削（溝入れ切削）した。１回の溝入れ切削（０．３ｓｅｃ切削）を２０回繰り返し、その溝底部の切削面を触針式粗さ計で評価した。その他切削条件は切削速度８０ｍ／ｍｉｎ、送り０．０５ｍｍ／ｒｅｖ、油性切削油剤を使用した湿式切削である。
【００８３】
表３から明らかなように、刃先丸み半径が５０μｍ以下の実施例については、いずれも良好な粗さＲｙを実現している。それに対し、刃先半径が５０μｍを超える、あるいはすくい角が−１０°未満となるなど工具刃先の形状が規定範囲から外れると各被削材とも極端に表面粗さが低下する。
【００８４】
被削材２品種それぞれでの成績を比較すると、ＳＵＭ２３における粗さＲｙは非鉛快削鋼−１の粗さＲｙの値に比較してやや大きな値となっている。一方、それぞれの品種で刃先丸み半径が５０μｍ超の比較例と５０μｍ以下の本発明例を対比すると、いずれの品種でも、刃先丸み半径を５０μｍ以下とすることによって粗さが改善されており、低炭非鉛快削鋼のいずれの品種でも刃先丸み半径を５０μｍ以下とすることによる本発明効果が発揮されている。
【００８５】
刃先丸み半径５μｍ以下を含み、すべての条件において工具寿命６００回以上を達成し、良好な工具寿命を実現した。
【００８６】
【表３】
【００８７】
（実施例２）
長手切削において、本発明の被覆工具を用いた場合に、切り刃の刃先丸みの大きさをはじめとする切削工具の形状が、切削面の表面粗さに及ぼす影響について比較を行った。切削条件、使用工具、被削材については表４に示すとおりである。それ以外の条件については、上記実施例１と同様としている。
【００８８】
図４に切削方法の概要を示す。被削材は直径１０ｍｍの伸線材であり、先端から１０ｍｍを外周切削し、それを１本として、２０本切削後の工具観察および表面粗さを評価した。
【００８９】
工具形状は外周切削用工具である。工具形状は主切れ刃すくい角５゜、逃げ角５゜、副切れ刃すくい角５゜、逃げ角５゜、図５の詳細に示すように前切れ刃角を先端の２ｍｍだけ被削材回転軸と平行にした、いわゆる前切れ刃角を０゜にした工具である。切削条件は切削速度：６０ｍ／ｍｉｎ、切込み量１ｍｍ、送り量０．０５ｍｍ／ｒｅｖ湿式（水溶性切削油）である。
【００９０】
表４から明らかなように、刃先丸み半径が５０μｍ以下の実施例については、いずれも良好な粗さＲｙを実現している。それに対し、刃先半径やすくい角が規定外の範囲では良好な表面を得られない。
【００９１】
刃先丸み半径５μｍ以下を含み、すべての条件において工具寿命６００回以上を達成し、良好な工具寿命を実現した。
【００９２】
【表４】
【００９３】
（実施例３）
プランジ切削において、本発明の焼結工具を用いた場合に、切り刃の刃先丸みの大きさをはじめとする切削工具の形状が、切削面の表面粗さに及ぼす影響について比較を行った。切削条件、使用工具、被削材については表５に示すとおりである。
【００９４】
表３に焼結工具の形状の影響を評価した結果を示す。規定の材質に調整した焼結工具の形状を変化させ、図３に示すプランジ切削試験を行い、溝面の表面粗さを評価した。切削条件等は切削速度８０ｍ／ｍｉｎ、送り０．０５ｍｍ／ｒｅｖ、油性切削油剤を使用した湿式切削である。
【００９５】
表５に示すように焼結工具の場合でも被覆工具と同様に形状が不備であれば良好な表面粗さを得られない。
【００９６】
刃先丸み半径５μｍ以下を含み、すべての条件において工具寿命６００回以上を達成し、良好な工具寿命を実現した。
【００９７】
【表５】
【００９８】
（実施例４）
長手切削において、本発明の焼結工具を用いた場合に、切り刃の刃先丸みの大きさをはじめとする切削工具の形状が、切削面の表面粗さに及ぼす影響について比較を行った。切削条件、使用工具、被削材については表６に示すとおりである。
【００９９】
表６に焼結工具の形状の影響を評価した結果を示す。規定の材質に調整した焼結工具の形状を変化させ、図４に示す長手切削試験を行った。
【０１００】
工具形状は主切れ刃すくい角５゜、逃げ角５゜、副切れ刃すくい角５゜、逃げ角５゜、図５の詳細に示すように前切れ刃４を設け、前切れ刃角を先端の２ｍｍだけ被削材回転軸と平行にした、いわゆる前切れ刃角を０゜にした工具である。切削条件は切削速度：６０ｍ／ｍｉｎ、切込み量１ｍｍ、送り量０．０５ｍｍ／ｒｅｖ湿式（水溶性切削油）である。
【０１０１】
表６に示すように刃先半径やすくい角が規定外の範囲では良好な表面を得られない。
【０１０２】
刃先丸み半径５μｍ以下を含み、すべての条件において工具寿命６００回以上を達成し、良好な工具寿命を実現した。
【０１０３】
【表６】
【０１０４】
（実施例５）
被削材として鉛快削鋼を含む種々の成分の材料を用い、切削工具として従来の超硬合金工具および本発明の被覆工具を用い、切削面の表面粗さについて比較を行った。被削材、切削工具については表７に示すとおりである。表７のＮｏ．５４〜５９がプランジ切削、Ｎｏ．６０〜６５が長手旋削であり、それぞれ図３および図４に示すものと同様である。
【０１０５】
すなわち長手旋削については、工具形状は主切れ刃の刃先丸み半径５μｍ以下、すくい角５゜、逃げ角５゜、副切れ刃の刃先丸み半径５μｍ以下、すくい角５゜、逃げ角５゜、図５の詳細に示すように前切れ刃角を先端の２ｍｍだけ被削材回転軸と平行にした、いわゆる前切れ刃角を０゜にした工具である。切削条件は切削速度：６０ｍ／ｍｉｎ、切込み量１ｍｍ、送り量０．０５ｍｍ／ｒｅｖ湿式（水溶性切削油）である。
【０１０６】
またプランジ切削については、工具形状は主切れ刃の刃先丸み半径５μｍ以下、すくい角１５゜、逃げ角６゜である。切削条件は切削速度８０ｍ／ｍｉｎ、送り０．０５ｍｍ／ｒｅｖ、油性切削油剤を使用した湿式切削である。
【０１０７】
表７のＮｏ．５４〜５７、６０〜６３は低炭非鉛快削鋼であり、Ｎｏ．５８、５９、６４、６５は低炭鉛快削鋼である。さらに具体的にいうと、 Ｎｏ．５４、６０はＳＵＭ２３相当鋼であり、Ｎｏ．５５〜５７、６１〜６３は鉛を含まず、ＳＵＭ２３にＳ，Ｃｒ，Ｂ等を加えたいわゆる低炭非鉛快削鋼である。またＮｏ．５８，５９，６４，６５はいずれも鉛を含むＳＵＭ２４Ｌ相当鋼である。
【０１０８】
表７中従来工具の「ＷＣ（Ｋ種）」とは工具刃先丸みを５０μｍ以下に仕上げたＴｉ系硬質粒子を含まないＫ種超硬合金工具であり、本発明工具中ＴｉＡｌＮ−１、ＴｉＺｒＮ−１、ＴｉＮ−１は表１に示す工具を使用した。
【０１０９】
表７において、Ｒｙは切削面表面粗さを示す。またΔＲｙは、本発明工具のＲｙと従来工具のＲｙとの差を示す。
【０１１０】
本発明工具と従来工具を本発明で対象とするＰｂを添加しない非鉛快削鋼とＰｂを添加した鉛快削鋼で比較すると、非鉛快削鋼では従来工具から本発明工具に工具材種を変化させると、表面粗さは大きく改善されるが、Ｐｂを含む鉛快削鋼の場合、表面粗さはほとんど変化しない。すなわち対象とする被削材の成分を規定すべきことが分かる。
【０１１１】
また、低炭非鉛快削鋼の品種別にＲｙの挙動を観察すると、品種毎にＲｙのレベルに差がある一方、低炭非鉛快削鋼のいずれの品種においても、従来工具のＲｙに対して本発明工具のＲｙは小さな値であり、ΔＲｙが大きな値となっている。即ち、低炭非鉛快削鋼を被削材とした場合において、本発明工具の優位性が明らかである。
【０１１２】
本実施例において、工具寿命は切削開始から２０個目、５０個目の粗さを測定し、その後、１００個目、１５０個目と５０個加工ごとの粗さを測定した。実施例５４、５７、６０、６３についてはＲｙが２０μｍを超えると工具寿命と判定した。またその他の表７記載の実施例ではＲｙが７μｍを超えると工具寿命と判定した。その結果、比較例で従来工具を用いた場合にはいずれも加工数３００個以内に工具寿命に至り、早いものでは最初の２０個目でも良好な表面粗さを得られなかった。また発明工具で従来の鉛快削鋼を削った場合でも表面粗さの改善はそれほど見られず、６００個を超える工具寿命を得たものは見られなかった。一方、発明例で発明工具を使用した場合にはいずれも加工数６００個を超えても寿命に至らず、良好な表面粗さを維持できた。
【０１１３】
【表７】
【０１１４】
（実施例６）
低炭非鉛快削鋼を切削するプランジ切削において、被覆工具、焼結工具の各成分条件が及ぼす影響について評価した。被削材として表２に示す２種類の成分材料を用いた。
【０１１５】
表８のＮｏ．６６〜７７は被覆工具、Ｎｏ．７８は被覆を有しないＫ種超硬合金工具（比較例）である。被覆層成分を変化させ、被削材毎に切削面粗さを評価した。Ｎｏ．７６、７７は被覆層の成分が本発明範囲を外れる比較例である。表９は焼結工具であり、Ｎｏ．７９、８０は本発明例、Ｎｏ．８１、８２はＴｉ炭化物の成分が本発明範囲を外れる比較例である。表８、９に表面粗さに及ぼす工具材種の影響を示す。工具形状はプランジ切削（突切切削用）工具であり、切削幅５ｍｍ、主切れ刃の刃先丸み半径５μｍ以下、すくい角１５゜、逃げ角６゜である。その他切削条件は切削速度８０ｍ／ｍｉｎ、送り０．０５ｍｍ／ｒｅｖ、油性切削油剤を使用した湿式切削である。
【０１１６】
いずれの場合も工具表層の材料成分の規定が本発明の範囲外であれば良好な表面粗さを得られない。また被覆工具の場合、範囲外では良好な表面粗さを得られない場合だけでなく、被膜が剥離し、十分な工具寿命を得られない場合もある。比較例８３のように高速度鋼工具では非鉛快削鋼−１では良好な表面でもＳＵＭ２３では良好な性能が得られない場合もある。
【０１１７】
このような凝着特性は工具と切り屑の接触面積を測定することで評価できる。またこの接触域は被削材と工具の両者の成分、材質によって異なる。さらにプランジ切削での各種鋼材とさまざまな工具材種の接触域を図６に示す。従来の一般的な組み合わせＫ種超硬合金工具とＰｂ添加材の組み合わせではＫ種超硬合金工具は適した工具であるものの、本発明の規定工具では逆に接触幅１８が広がる場合も認められた。一方、非鉛快削鋼ではＫ種超硬合金以外の本発明規定工具ではＫ種超硬合金に比べ、小さな接触幅になっていることが分かる。これらの接触幅は最終的には表面粗さに反映され、実施例の表３〜９に示すとおりである。
【０１１８】
工具寿命についてみると、本発明例Ｎｏ．６６〜７５、７９、８０はいずれも寿命が６００回を超え、良好な結果であった。比較例Ｎｏ．７６、７７は使用初期に被膜の剥離が発生したために表面粗さが劣化した。また、比較例Ｎｏ．７８、８１〜８３はいずれも寿命が６００回に満たなかった。
【０１１９】
【表８】
【０１２０】
【表９】
【０１２１】
（実施例７）
表１０に表面粗さに及ぼす切削方法の影響を示す。低炭非鉛快削鋼を被削材とし、表１０に示す本発明の被覆工具、焼結工具を用い、切削条件は表に示すとおりで、湿式長手旋削を行った。主切れ刃の刃先丸み半径５μｍ以下、すくい角１５゜、逃げ角６゜である。切削条件として、切削速度が大きく影響するため、各工具材種に対して切削速度を大きく変化させて評価した。被削材は表２に示す非鉛快削鋼−１およびＳＵＭ２３であり、工具形状は長手旋削に用いた図５と同様の形状である。なお、Ｎｏ．８２の工具は材質にサーメットを用いた焼結工具である。サーメットはＪＩＳ Ｂ ４０５３−１９９６ Ｐ８の下段の参考表２に示したＴｉ，Ｔａ，Ｎｂを主成分とした炭化物、炭窒化物、窒化物またはこれらの複合体の硬質粒子をＮｉ，Ｃｏを主体としたバインダーでつないで焼結した材料である。したがって表層はＴｉを含む本発明の焼結工具を構成している。
【０１２２】
被削材は高速度で切削するためにφ８０ｍｍで熱間鍛造または圧延した後、９２０℃×１ｈｒ→放冷のいわゆる低炭素鋼の焼準を行った。
【０１２３】
その結果、表１０に示すとおり、本発明のＮｏ．７８〜８４は良好な表面粗さを実現できた。比較例Ｎｏ．８５〜８７は切削速度が４００ｍ／ｍｉｎを超えており、ほとんど切削できなかった。
【０１２４】
【表１０】
【０１２５】
（実施例８）
被削材に低炭鉛快削鋼を用い、切削工具としてＫ種超硬合金工具（実施例５で用いたと同様のもの）を用い、刃先丸みを半径５０μｍ超とした従来の切削方法を用いて切削を行った。刃先丸み半径以外の切削条件については、上記実施例５と同様とした。
【０１２６】
切削方法別に、被削材の成分、刃先丸み半径、切削面粗さ実績Ｒｙを表１１に示す。表１１から明らかなように、切削面粗さは上記本発明の実施例と対比して良くない結果となっている。一方、工具寿命については、刃先丸み半径を大きくした結果として、寿命６００回を超える結果となった。
【０１２７】
【表１１】
【図面の簡単な説明】
【０１２８】
【図１】プランジ切削における仕上げ面と工具形状の関係を示す図であり、（ａ）はプランジ切削状況を示す斜視図、（ｂ）はプランジ切削における切れ刃と仕上げ面の関係を示す図、（ｃ）はプランジ切削用工具詳細を示す斜視図、（ｄ）は切れ刃断面形状を示す図である。
【図２】長手旋削における仕上げ面と工具形状の関係を示す図であり、（ａ）は長手旋削状況を示す斜視図、（ｂ）は長手旋削における切れ刃と仕上げ面の関係を示す図、（ｃ）は長手旋削用工具詳細を示す斜視図、（ｄ）は切れ刃断面形状を示す図である。
【図３】プランジ切削と評価面を示す図であり、（ａ）はプランジ切削状況を示す斜視図、（ｂ）は評価面である。
【図４】長手旋削と評価面を示す図であり、（ａ）は長手旋削状況を示す斜視図、（ｂ）は評価面である。
【図５】長手旋削工具を示す図であり、（ａ）は概略図、（ｂ）は詳細図である。
【図６】切削におけるすくい面の接触幅観察例を示す図であり、（ａ）は工具刃先近傍の切り屑生成部の概要を示す断面図、（ｂ）は切削における工具すくい面の接触幅を測定するための顕微鏡写真を示す図である。
【符号の説明】
【０１２９】
１ 切削工具
２ 主切れ刃
３ 副切れ刃
４ 前切れ刃
５ すくい面
６ 横逃げ面
７ 刃先丸み
８ すくい角
９ 逃げ
１０ ノーズ半径
１１ 被削材
１２ 溝
１３ 切削面
１４ 送り方向
１５ 被削材送り方向
１６ 切り屑
１７ 構成刃先
１８ すくい面の接触幅
２１ 主切れ刃による仕上げ面
２２ 副切れ刃による仕上げ面
２３ 切断面
２４ 評価面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主切れ刃と副切れ刃のいずれか一方又は両方の刃先丸みが半径５０μｍ以下であり、被削材と接触する面の一部又は全部の表層が硬質被膜で被覆されてなり、該硬質被膜は、原子％でＮ：４０〜６０％、Ｔｉ：４０〜６０％を含み、残部は実質的に不可避不純物からなることを特徴とする切削工具。
【請求項２】
主切れ刃と副切れ刃のいずれか一方又は両方の刃先丸みが半径５０μｍ以下であり、被削材と接触する面の一部又は全部の表層が硬質被膜で被覆されてなり、該硬質被膜は、原子％でＮ：４０〜６０％、Ｔｉ：１０％以上６０％未満に加え、Ａｌ又はＺｒの１種又は２種の合計を原子％で５０％以下の範囲で含み、残部は実質的に不可避不純物からなることを特徴とする切削工具。
【請求項３】
主切れ刃と副切れ刃のいずれか一方又は両方のすくい角が−１０〜３０°の範囲であり、逃げ角が２〜１５°であることを特徴とする請求項１又は２に記載の切削工具。
【請求項４】
前記硬質被膜の内部に配置された基材が、工具鋼、超硬合金、サーメット、セラミックスのいずれかであることを特徴とする請求項３に記載の切削工具。
【請求項５】
主切れ刃と副切れ刃のいずれか一方又は両方の刃先丸みが半径５０μｍ以下であり、少なくとも被削材と接触する面の一部又は全部の表層が、Ｔｉを含む炭化物、炭窒化物、窒化物およびそれらの複合物の硬質相を５０質量％以上と、Ｔｉを含まないＴａ、Ｎｂ、Ｗ炭化物、炭窒化物、窒化物およびそれらの複合物の硬質相を３０質量％以下と、Ｃｏ又はＮｉの１種又は２種を合計で２０質量％以下とを含み、残部は実質的に不可避不純物からなる焼結材で構成されてなることを特徴とする切削工具。
【請求項６】
主切れ刃と副切れ刃のいずれか一方又は両方のすくい角が−１０〜３０°の範囲であり、逃げ角が２〜１５°であることを特徴とする請求項５に記載の切削工具。
【請求項７】
低炭非鉛快削鋼の切削用であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の切削工具。
【請求項８】
請求項１乃至６のいずれかに記載の切削工具を用い、被削材として低炭快削鋼を用い、切削速度１〜４００ｍ／ｍｉｎで切削することを特徴とする低炭快削鋼の切削方法。
【請求項９】
請求項７に記載の切削工具を用い、被削材として低炭非鉛快削鋼を用い、切削速度１〜４００ｍ／ｍｉｎで切削することを特徴とする低炭非鉛快削鋼の切削方法。
【請求項１】
主切れ刃と副切れ刃のいずれか一方又は両方の刃先丸みが半径５０μｍ以下であり、被削材と接触する面の一部又は全部の表層が硬質被膜で被覆されてなり、該硬質被膜は、原子％でＮ：４０〜６０％、Ｔｉ：４０〜６０％を含み、残部は実質的に不可避不純物からなることを特徴とする切削工具。
【請求項２】
主切れ刃と副切れ刃のいずれか一方又は両方の刃先丸みが半径５０μｍ以下であり、被削材と接触する面の一部又は全部の表層が硬質被膜で被覆されてなり、該硬質被膜は、原子％でＮ：４０〜６０％、Ｔｉ：１０％以上６０％未満に加え、Ａｌ又はＺｒの１種又は２種の合計を原子％で５０％以下の範囲で含み、残部は実質的に不可避不純物からなることを特徴とする切削工具。
【請求項３】
主切れ刃と副切れ刃のいずれか一方又は両方のすくい角が−１０〜３０°の範囲であり、逃げ角が２〜１５°であることを特徴とする請求項１又は２に記載の切削工具。
【請求項４】
前記硬質被膜の内部に配置された基材が、工具鋼、超硬合金、サーメット、セラミックスのいずれかであることを特徴とする請求項３に記載の切削工具。
【請求項５】
主切れ刃と副切れ刃のいずれか一方又は両方の刃先丸みが半径５０μｍ以下であり、少なくとも被削材と接触する面の一部又は全部の表層が、Ｔｉを含む炭化物、炭窒化物、窒化物およびそれらの複合物の硬質相を５０質量％以上と、Ｔｉを含まないＴａ、Ｎｂ、Ｗ炭化物、炭窒化物、窒化物およびそれらの複合物の硬質相を３０質量％以下と、Ｃｏ又はＮｉの１種又は２種を合計で２０質量％以下とを含み、残部は実質的に不可避不純物からなる焼結材で構成されてなることを特徴とする切削工具。
【請求項６】
主切れ刃と副切れ刃のいずれか一方又は両方のすくい角が−１０〜３０°の範囲であり、逃げ角が２〜１５°であることを特徴とする請求項５に記載の切削工具。
【請求項７】
低炭非鉛快削鋼の切削用であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の切削工具。
【請求項８】
請求項１乃至６のいずれかに記載の切削工具を用い、被削材として低炭快削鋼を用い、切削速度１〜４００ｍ／ｍｉｎで切削することを特徴とする低炭快削鋼の切削方法。
【請求項９】
請求項７に記載の切削工具を用い、被削材として低炭非鉛快削鋼を用い、切削速度１〜４００ｍ／ｍｉｎで切削することを特徴とする低炭非鉛快削鋼の切削方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００６−２５５８４８（Ｐ２００６−２５５８４８Ａ）
【公開日】平成１８年９月２８日（２００６．９．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−７８９６０（Ｐ２００５−７８９６０）
【出願日】平成１７年３月１８日（２００５．３．１８）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年９月２８日（２００６．９．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月１８日（２００５．３．１８）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
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