切削工具の製造方法
【課題】 耐摩耗性と耐欠損性を兼ね備えた切削工具を提供する。
【解決手段】 硬質合金母材の表面に被覆層が形成されてなる切削工具の製造方法であって、前記被覆層の形成に先立ち、前記母材の表面に、前記母材表面を平滑にする第１加工と、前記母材表面に物理的手法により凹部を設ける第２加工とを施す。好ましくは、前記第１加工としてブラシ研磨加工を施し、前記第２加工としてショットブラスト加工を施す。前記母材は、周期表の４、５、６族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物からなる群より選ばれる１種以上であり、炭窒化チタンまたは炭化タングステンのいずれか一方を少なくとも必須とする第一材料（Ａ）と、鉄族金属を主成分とする第二材料（Ｂ）とから形成する。
【解決手段】 硬質合金母材の表面に被覆層が形成されてなる切削工具の製造方法であって、前記被覆層の形成に先立ち、前記母材の表面に、前記母材表面を平滑にする第１加工と、前記母材表面に物理的手法により凹部を設ける第２加工とを施す。好ましくは、前記第１加工としてブラシ研磨加工を施し、前記第２加工としてショットブラスト加工を施す。前記母材は、周期表の４、５、６族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物からなる群より選ばれる１種以上であり、炭窒化チタンまたは炭化タングステンのいずれか一方を少なくとも必須とする第一材料（Ａ）と、鉄族金属を主成分とする第二材料（Ｂ）とから形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、ソリッドタイプのドリル、エンドミルや、旋削、フライス、ドリル加工用のスローアウェイチップ等として有用な切削工具の製造方法に関するものであり、詳しくは、硬質合金からなる母材の表面を被覆層で被覆してなる切削工具の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）や炭化タングステン（ＷＣ）等を主体とする硬質相と、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）等の鉄族金属の結合相とからなる超硬合金、サーメット等の硬質合金、もしくはＷＣ−Ｃｏ系などの超硬合金に周期表の４、５、６族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物等の固溶相を分散せしめた硬質合金は、従来から、切削工具に適した材料として知られている。そして、さらにその硬度を補強する目的で、上記硬質合金からなる母材の表面に、該硬質合金よりも高硬度の硬質膜からなる被覆層を形成した切削工具が汎用されている。
【０００３】
ところが、硬質合金である母材の表面に被覆層を形成する場合、焼成された硬質合金の焼き肌面に直接被覆層を形成すると、硬質合金表面に焼結により不可避的に発生する脱炭層や金属富化層などの異質層が存在することや、その表面粗さが大きいことが起因して、母材に対する被覆層の付着性が低下し、切削時に膜剥離が生じてしまうという問題が起こる。また、用途に応じた形状を作製するために母材を機械加工で研削した際に、研削屑の付着、クラックの発生、硬質相と結合相との界面欠陥などにより母材表面に生じる加工変質層も、被覆層との密着性を低下させる原因となる。母材と被覆層との間で剥離が生じると、耐摩耗性が低下し、切削工具としての寿命が短くなる。
【０００４】
そこで、硬質合金の表面に被覆層を形成するにあたり、硬質合金母材の表面に予め何らかの加工を施して、硬質合金母材に対する被覆層の付着性を向上させる方法が提案されている。例えば、硬質合金母材の少なくとも刃先を含む表面の平均表面粗さＲａをブラシ研磨によって特定範囲に納まるように調整することにより、硬質膜の付着性を向上させた超硬合金（特許文献１）や、特定の電解液中で電解研磨することにより、硬質合金母材表面の硬質相に機械加工によるクラックが存在しないようにした焼結合金（特許文献２）などである。
【特許文献１】特開平６−１０８２５３号公報
【特許文献２】特開２０００−２１２７４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載の硬質合金によれば、被覆層の密着性は改善され、耐摩耗性の向上は期待できるものの、靭性は不充分であり、耐欠損性に関しては満足しうるレベルにはなかった。その原因としては、所望の平均表面粗さＲａとなるように、もしくは母材表面の硬質相にクラックが存在しないように、ブラシ研磨加工や電解研磨加工を行なった場合、母材表面全体が凹凸のない滑らかな状態となるために、その上に被覆層として硬質膜を形成する際、結晶粒子（柱状結晶）は膜の成長方向と同じ方向に揃って配列されることが考えられる。つまり、結晶が様々な方向に成長していると、コーティング後の冷却時に生じる収縮が様々な方向に発生し、熱応力が分散されて高靭性化が図れる。しかし、結晶配列が揃っていると、同じ方向にしか収縮することができなくなり、冷却過程で発生する熱応力は分散、緩和されることなく、靭性が低下するのである。また、結晶配列が揃っていると結晶の成長がその過程で互いに淘汰されることがなく、マイクロボイドの発生を抑制することができるので、高硬度化を図ることができる。その反面、後述するようなマイクロボイドにより生じる応力緩和は得られず、靭性は低くなってしまう。
【０００６】
ところで、硬質合金の表面処理としては、エッチング加工が知られている。エッチング加工により被覆層を形成する前の母材表面を処理した場合、エッチング液が表面の結合相（例えばコバルト）を腐食し、硬質相（例えば炭化タングステン）の粒子と粒子の間に僅かな隙間ができる。この隙間に被覆層がある程度は入り込むために、母材に対する被覆層の付着力に関しては優れた効果が期待できる。しかし、このような僅かな隙間は、被覆層をコーティングしても完全に充填されることはないので、母材と被覆層との界面に比較的大きなボイドを生じさせることになる。その結果、切削時に該ボイドに被削材が侵入して異常摩耗を発生させるという問題を招く。
【０００７】
他方、硬質合金の表面処理として、ブラスト加工も知られている。被覆層を形成する前に母材表面をブラスト加工した場合、母材の表面は荒らされ、凹凸が設けられることになるため、柱状結晶の成長は様々な方向に成長し、結晶成長が止まる部分が多くなる。その結果、マイクロボイドが大量に生じて低硬度化が起こり、耐摩耗性が低下する。また、硬質相（例えば炭化タングステン）のエッジ部では、被覆層として形成される膜の結晶が大きな角度で成長する（換言すると、結晶の成長角度αが大きくなる）ので、該結晶は粗粒化することとなり、これによっても低硬度化が生じる。さらに、ブラスト加工によれば、母材界面は硬質相（例えば炭化タングステン）粒子が脱粒して面が荒れた状態になるため、膜生成時に凹凸部に未成膜部が生じて、膜の密着性が低下するという問題も起こる。また、一般的な条件で行うショットブラストは衝撃力が大きいため、ブラスト加工時に硬質相が脱粒するおそれもある。
【０００８】
本発明の課題は、優れた耐摩耗性と耐欠損性とを兼ね備えた切削工具を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、硬質合金母材の表面に被覆層を形成するにあたり、あらかじめ、前記母材表面を平滑にする第１加工と、前記母材表面に物理的手法により凹部を設ける第２加工とを施すことにより、高硬度と高靭性とを両立させることができ、ひいては優れた耐摩耗性と耐欠損性とを発現させることが可能になることを見出した。つまり、第１加工によって平滑にされた母材表面では、被覆層を形成する際に、柱状結晶が真直ぐに揃って成長して、マイクロボイドのない膜領域が形成されることとなり、該領域が高硬度化に寄与する。他方、第２加工によって凹部が設けられた母材表面では、被覆層を形成する際に、大きな傾きで成長した結晶同士がぶつかって互いに淘汰される結果、マイクロボイドが形成された膜領域が形成されることとなる。このマイクロボイドが形成された膜領域が存在することで、残留応力が緩和され、クラックが進行してきた場合にも、クラック先端の応力場においてマイクロボイドがマイクロクラックとして作用し、応力集中が緩和されてクラックの進展を抑制でき、高靭性化が図れるのである。本発明は、このような知見により完成したものである。
【００１０】
すなわち、本発明は以下の構成からなる。
【００１１】
（１）硬質合金母材の表面に被覆層が形成されてなる切削工具の製造方法であって、前記被覆層の形成に先立ち、前記母材の表面に、前記母材表面を平滑にする第１加工と、前記母材表面に物理的手法により凹部を設ける第２加工とを施す、ことを特徴とする切削工具の製造方法。
【００１２】
（２）前記母材を、周期表の４、５、６族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物からなる群より選ばれる１種以上であり、炭窒化チタンまたは炭化タングステンのいずれか一方を少なくとも必須とする第一材料（Ａ）と、鉄族金属を主成分とする第二材料（Ｂ）とから形成する、前記（１）記載の切削工具の製造方法。
【００１３】
（３）前記第１加工としてブラシ研磨加工を施し、前記第２加工としてショットブラスト加工を施す、前記（２）記載の切削工具の製造方法。
【００１４】
（４）前記ショットブラスト加工は、前記第一材料（Ａ）よりも硬度が低く、前記第二材料（Ｂ）よりも硬度が高い砥粒を使用して行なう、前記（３）記載の切削工具の製造方法。
【００１５】
（５）前記ブラシ研磨加工は、番手＃４００以上の砥粒を使用して行なう、前記（３）または（４）に記載の切削工具の製造方法。
【００１６】
（６）前記第１加工により母材表面の表面粗さＲｚを０．０５〜０．７μｍとする、前記（１）乃至（５）のいずれかに記載の切削工具の製造方法。
【００１７】
（７）前記被覆層を物理蒸着法により形成する、前記（１）乃至（６）のいずれかに記載の切削工具の製造方法。
【００１８】
（８）前記被覆層を化学蒸着法により形成する、前記（１）乃至（６）のいずれかに記載の切削工具の製造方法。
【００１９】
（９）前記被覆層のうち、少なくとも一部を中温化学蒸着法によって形成する、（８）に記載の切削工具の製造方法。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、母材の表面に、高硬度化した領域と高靭性化した領域とを備えた被覆層が形成されるので、被覆層が剥離しにくいことは勿論、高硬度であると同時に高靭性であり、優れた耐摩耗性と耐欠損性とを兼ね備えた切削工具を提供することができる、という効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の切削工具の製造方法は、母材の表面に被覆層を形成する方法である。
【００２２】
前記母材は、通常、硬質相と該硬質相を結合する結合相とからなる硬質合金母材である。
【００２３】
前記硬質相を形成する第一材料（Ａ）としては、一般に硬質合金における硬質相に用いられる原料であれば、特に制限されることはない。例えば、好ましい態様としては、周期表の４、５、６族金属（例えば、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｃｒなど）の炭化物、窒化物、炭窒化物からなる群より選ばれる１種以上であり、炭窒化チタンおよび炭化タングステンのうちいずれか一方を少なくとも必須とする硬質材料が挙げられる。これらの炭化物、窒化物、炭窒化物等のさらなる具体例については、特に制限されない。
【００２４】
他方、前記結合相を形成する第二材料（Ｂ）としては、一般に硬質合金における結合相に用いられる原料であり、前記硬質相よりも硬度が低くなるものであれば、特に制限されることはない。例えば、好ましい態様としては、鉄族金属（例えば、Ｃｏ、Ｎｉなど）を主成分とする結合材料が挙げられる。この鉄族金属等のさらなる具体例については、特に制限されない。
【００２５】
なお、硬質相および結合相の硬度は、ナノインデンテーション法等によって測定することができる。微粒超硬など、相を構成する粒子の粒径が非常に小さく上記方法による測定が困難な場合は、ＷＤＳ等の元素分析によって相の組成を同定することで、相の硬度を見積もることも可能である。
【００２６】
前記硬質合金母材において、硬質相は全体積中８５〜９２体積％、結合相は８〜１５体積％の割合で存在させるのがよい。
【００２７】
前記硬質合金母材は、通常、硬質材料と結合材料の粉末を所定の割合で混合し、成形したものを１３５０〜１５５０℃程度の真空雰囲気中で焼成することにより得られる。
【００２８】
本発明の製造方法においては、前記被覆層の形成に先立ち、前記母材の表面に、前記母材表面を平滑にする第１加工と、前記母材表面に物理的手法により凹部を設ける第２加工とを施す。
【００２９】
前記第１加工としては、ブラシ研磨加工を施すことが好ましい。
【００３０】
前記ブラシ研磨加工において用いるブラシとしては、毛足が長いものが好ましい。具体的には、カップブラシ、ホイールブラシ、ロールブラシ等のブラシが好ましく用いられる。ブラシ研磨加工を行う際には、ダイヤモンドの砥粒を使用することが一般的だが、炭化珪素（ＳｉＣ）からなる砥粒を用いると、研磨加工によって生じる研磨傷が低減され、より平滑な加工面状態となるので好ましい。また、平滑な加工面を得るためには、ブラシ研磨加工は、番手＃４００以上の砥粒を用いて行うのが好ましく、特に、加工効率を上げるためには、＃５００〜＃２０００の砥粒を使用するのがよい。
【００３１】
前記第１加工によって平滑にされた母材表面は、表面粗さＲｚが０．０５〜０．７μｍとなっていることが好ましい。母材の表面粗さを前記範囲にしておくことにより、得られる切削工具に充分に高い硬度を保持させることが可能になる。
【００３２】
前記第２加工としては、ショットブラスト加工を施すことが好ましい。前記ブラシ研磨加工により母材表面全体を平滑にしたのち、ショットブラスト加工を施すことにより、母材の硬質相の部分ではブラシ研磨で形成された平滑性をそのまま維持させながら、結合相（例えばＣｏ）の部分の少なくとも一部を除去して凹部形状を形成することができる。なお、前記第２加工は、物理的手法であることが重要であり、例えばエッチング加工などの化学的手法では、本発明の効果は奏しえない。
【００３３】
前記ショットブラスト加工においては、前記第一材料（Ａ）（例えば、ＷＣ）よりも硬度が低く、前記第二材料（Ｂ）（例えば、Ｃｏ）よりも硬度が高い砥粒を使用することが好ましい。これにより、ブラシ研磨で形成された平滑性をより確実に保持させることができるとともに、凹部の形成が容易であり、形成された凹部形状も良好なものとなる。つまり、このようにして形成された凹部の形状は、例えばエッチング加工で形成される凹部に比べ、底部が丸みを帯びており、エッチング加工のように内部まで深く削られた形状とはならない。それによって、前述した結晶と結晶との成長間の淘汰が起こりやすく、ひいては靭性を向上させやすくなるのである。
【００３４】
なお、砥粒の硬度は、粉体の硬度を測定する種々の測定方法によって測定することができ、硬度の単位も、測定方法によって、ブリネル硬度（ＨＢ）、ビッカース硬度（ＨＶ）等適宜選択し得る。
【００３５】
前記ショットブラスト加工は、砥粒をエアー等とともに噴射して加工する乾式で行ってもよいし、砥粒を液体（溶媒）と同時に噴射して加工する湿式で行ってもよい。用いる砥粒としては、一般的に加工で使用されている砥粒、具体的には、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、炭化珪素（ＳｉＣ）、ダイヤモンドといった砥粒が使用可能であるが、結合相のみをショットブラストにて除去させるために、酸化クロム（Ｃｒ３Ｏ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）など、比較的硬度が低く比重が大きいものが好ましい。また、ショットブラストを湿式で行う際には、溶媒として、一般的な湿式ブラストで使用されている溶媒、例えば水などを用いることができる。ショットブラスト加工を行う際の条件としては、一般的な加工よりも弱めの条件、詳しくは、噴射圧を０．１〜０．７ＭＰａ、噴射角度を３０〜６０°、被加工物と噴射ノズルとの距離を２〜５ｃｍ、砥粒の番手を＃３６０〜＃１０００とするのがよい。
【００３６】
前記硬質合金母材の表面に形成される被覆層の組成は、特に制限されるものではなく、例えば、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化アルミニウムチタン（ＴｉＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などの周期表の４、５、６族金属およびＡｌの炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物から選ばれる１種以上を単層または複数層形成すればよい。
【００３７】
前記被覆層の膜厚は２μｍ以上であることが好ましく、より好ましくは３〜２０μｍであるのがよい。
【００３８】
前記被覆層は、従来公知の方法によって形成することができる。例えば、化学蒸着法（ＣＶＤ法）により形成してもよいし、スパッタリング法、イオンプレーティング法、蒸着法などの物理蒸着法（ＰＶＤ法）により形成してもよい。
【００３９】
以下、本発明の製造方法により得られる切削工具について、図面を用いて説明する。図１は、本発明の切削工具を厚み方向に切断したときの断面を模式的に表した説明図である。
【００４０】
図１に示すように、母材１０は硬質相１１と結合相１２とから構成されている。そして、母材表面（上部側）のうち硬質相１１が占める部分は、平滑に加工された平滑面部１３になっており、母材表面（上部側）のうち結合相１２が占める部分では、該結合相１２が除去されて凹部１４が形成されている。このように、硬質合金母材表面の平滑面部１３は、全て硬質相１１で構成されていることが好ましく、この平滑面部１３以外の部分は、凹部１４になっていることが好ましい。
【００４１】
なお、平滑面部１３は、実質的に硬質相１１からなるものであり、製造上不可避な成分、例えば、金属間化合物等を含むものであっても構わない。
【００４２】
なお、凹部１４の表面は、図１では結合相のみで構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、図１においてもそうであるように、凹部内側面部の表面よりの部分では硬質相１１との間に存在する結合相１２が非常に薄くなっているため、第２加工の程度によってはこの部分も削り取られ、凹部表面の一部に硬質相１１が露出することもある。このように、凹部１４の表面は、結合相１２または結合相１２および硬質相１１からなる。なお、ここでいう凹部１４の表面が結合相１２または結合相１２および硬質相１１からなるとは、凹部１４の表面が実質的に結合相１２または結合相１２および硬質相１１からなるものである。このとき、加工によって生じる酸化物等の製造上不可避的な成分を含むものであっても構わない。
【００４３】
前記凹部１４は、その表面が結合相１２、または結合相１２および硬質相１１からなるものであるが、これは換言すれば、前記凹部の表面の少なくとも一部に結合相１２が存在しているということでもある。
【００４４】
特に、前記凹部１４の表面は、結合相１２からなることが望ましい。すなわち、前記凹部１４は、母材表面の結合相部分のうち、硬質相１１が露出しないよう結合相部分の表面側だけを除去して形成されてなり、前記凹部１４表面に結合相１２と硬質相１１の境界が存在しないよう形成されているものがよい。このような構成により、硬質相と結合相との界面欠陥などによって加工変質層が形成されることを抑制でき、被覆相との密着性を向上させることができる。
【００４５】
前記凹部１４の窪み部分の形状は、特に限定されない。例えば、前記凹部１４は、硬質相１１で挟まれてなる少なくとも１本の溝状に形成されていてもよく、さらに複数の溝状凹部１４が網目状に形成されていてもよい。
【００４６】
前記凹部１４の深さは平均０．１〜２μｍであることが好ましい。前記凹部１４の平均深さが前記範囲であると、被覆層２０を被覆したときに適度なマイクロボイドが形成され、高靭性化を図ることができると同時に、凹部上に成膜された被覆層２０の強度も充分に保持させることができ、凹部１４を起点として発生しうる剥離やチッピングを回避することができる。なお、凹部の深さの平均とは、母材表面に存在する全ての凹部１４の平均であるが、便宜上、前記硬質合金母材１０と前記被覆層２０の厚み方向に直交する平面における長さ２０μｍの中に存在する凹部１４の平均を以って、前記平均深さとしてもよい。
【００４７】
前記凹部１４は、前記硬質合金母材１０と前記被覆層２０の厚み方向に直交する平面における長さ２０μｍの中に３〜４０個、好ましくは１０〜３０個が存在することが好ましい。この凹部の個数が前記範囲であると、被覆層２０を被覆したときに適度なマイクロボイドが形成され、高靭性化を図ることができると同時に、凹部上に成膜された被覆層の強度も充分に保持させることができ、凹部を起点として発生しうる剥離やチッピングを回避することができる。
【００４８】
被覆層２０は、前記平滑面部１３と前記凹部１４の上に形成される。母材１０に被覆層２０を形成する際には、平滑面部１３上では、柱状結晶が真直ぐに揃って成長することとなる。一方、凹部１４内において被覆層２０が成膜される際には、その部分の柱状結晶は集束するように成長するため、結晶成長が止まる部分が多くなり、結晶と結晶との成長間の淘汰によって、マイクロボイド（ここでは、数１０ｎｍのレベルのボイド）が形成される。つまり、図１に示すように、前記平滑面部１３上には垂直成長部２１が形成されることになり、前記凹部１４上には多方向成長部２２が形成されることになる。ここで、垂直成長部２１とは、切削工具の厚み方向に直交する平面に対して８５〜９０度の角度（図１に角度βで図示）で結晶成長した部分であり、多方向成長部２２とは、前記平面に対して８５度未満の角度（図１に角度αで図示）で結晶成長した部分である。
【００４９】
前記垂直成長部２１では、厚み方向に直交する平面に対してほぼ垂直に結晶成長するため、マイクロボイドが生じることがない。よって、この垂直成長部２１は高い硬度を有する領域となる。他方、多方向成長部２２は、切削工具の厚み方向に直交する平面に対して比較的大きい傾き（角度α）をもって結晶成長するため、成長した結晶同士がぶつかって互いに淘汰され、マイクロボイドが形成されることになる。このようにマイクロボイドが形成されている多方向成長部２２では、クラックが進行してきた場合にも、クラック先端の応力場においてマイクロボイドがマイクロクラックとして作用し、応力集中が緩和されてクラックの進展を抑制できるため、高い靭性を発現する。
【００５０】
前記多方向成長部２２は、下記（ｉ）、（ｉｉ）または（ｉｉｉ）のうち少なくとも１つを満足する態様で存在していることが好ましい。これにより、垂直成長部２１と多方向成長部２２とは最適なバランスで存在することとなる。その結果、高硬度化と高靭性化との両立をバランスよく達成することができる。
【００５１】
（ｉ）厚み方向に切断した断面において、母材１０と被覆層２０との界面における直線
２０μｍの長さ範囲のうち５〜４０％を多方向成長部２２が占めていること。すなわち、母材１０と被覆層２０との界面における直線とは、図１中ｘ−ｘ間を結ぶ直線のことであり、図１中ｙで示す範囲が長さ２０μｍであるとすると、この範囲における前記直線を見たときに多方向成長部２２が存在している長さ範囲ｚ１が、２０μｍの５〜４０％に相当するのである。なお、長さ範囲ｙの中に多方向成長部２２が複数存在する場合には、各多方向成長部２２が占める長さｚ１、ｚ２、ｚ３・・・の合計（但し、ｚ２以降は図示せず）の長さが２０μｍの５〜４０％相当するものであればよい。
【００５２】
（ｉｉ）厚み方向に切断した断面において、多方向成長部２２の幅は、被覆層２０の外表面から母材１０側に向けて増大していること。すなわち、図１に示す多方向成長部２２のように、母材１０と被覆層２０との界面（ｘ−ｘ間を結ぶ直線部分）でみると、多方向成長部２２の幅はｚ１であるが、この界面を平行移動させた直線でみると、被覆層表面側に移動するにつれてその幅は狭くなっていくのである。
【００５３】
（ｉｉｉ）厚み方向に切断した断面において、母材１０と被覆層２０との界面上の直線２０μｍのなかに、互いに独立した多方向成長部２２が３〜４０個存在していること。すなわち、前記（ｉ）と同様に、図１中ｙで示す範囲が長さ２０μｍであるとすると、この範囲の中に、互いに独立した（換言すると、垂直成長部２１に囲まれた）多方向成長部２２が３〜４０個存在しているのである（図１においては１個しか図示していない）。
【００５４】
前記被覆層２０は、成長始点における成長方向の角度θｇが２５度未満である柱状結晶（Ｉ）と、成長始点における成長方向の角度θｇが２５度以上である柱状結晶（ＩＩ）とが存在し、厚み方向に切断した断面において、母材１０と被覆層２０との界面よりも０．３μｍ被覆層２０側に位置する仮想直線上で、前記柱状結晶（Ｉ）が占める領域の幅をＷａＩとし、前記柱状結晶（ＩＩ）が占める領域の幅をＷａＩＩとしたとき、ＷａＩＩ／ＷａＩの値が０．１〜１であることが好ましい。これにより、衝撃が多方向成長部に集中した場合にも、膜が破壊されたり、膜剥離やチッピングの発生を回避することができる。ここで言う柱状結晶（Ｉ）は、前記垂直成長部２１を構成し、柱状結晶（ＩＩ）は前記多方向成長部２２を構成する。なお、母材１０と被覆層２０との界面よりも０．３μｍ被覆層２０側に位置する仮想直線とは、母材１０と被覆層２０との界面における直線、すなわち図１中ｘ−ｘ間を結ぶ直線を被覆層２０側に０．３μｍ平行移動させてなる直線を意味する。
【００５５】
このように、本発明の製造方法により得られる切削工具においては、被覆層２０に存在する垂直成長部２１が高硬度化した領域となり、一方、被覆層２０に存在する多方向成長部２２がマイクロボイドを有することで高靭性化された領域となる。つまり、本発明の製造方法により得られる切削工具は、その被覆層２０において高硬度化した領域と高靭性化した領域とが混在しているので、相反する両方の優れた特性を保持するものとなる。その結果、優れた耐摩耗性と耐欠損性を両立して発現させることが可能となる。しかも、前述のマイクロボイドは、非常に小さいボイドであるので、耐摩耗性に影響を及ぼすおそれもない。また、硬質合金母材表面に存在する凹部によって、凹凸によるアンカー効果も得られるので、被覆層と母材との密着性も高い。
【００５６】
なお、被覆層２０を厚み方向に切断した断面（すなわち、切削工具の面と略垂直な断面）において、上述した種々の特性、例えば、凹部１４の深さおよび数、界面における直線２０μｍの長さ範囲に占める多方向成長部２２の割合（前記（i）の要件）、多方向成長部２２の幅の変化（前記（ii）の要件）、界面における直線２０μｍの長さ範囲における互いに独立した多方向成長部２２の個数（前記（iii）の要件）、あるいは上述したＷａＩおよびＷａＩＩの値について測定する際には、例えば、該断面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）または透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて５０００倍〜２００００倍の倍率で観察すればよい。
【００５７】
本発明の製造方法で得られる切削工具は、例えば、外形、内径、溝入れ、ねじ切り、突っ切り等の各種旋削、フライス、ドリル、エンドミル等の切削工具として有用であるが、中でも、旋削、フライス、ドリル加工に用いる切削工具に適しており、特に、断続加工や不安定加工に用いる旋削工具として最適である。
【実施例】
【００５８】
以下、実施例を挙げて本発明についてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００５９】
（実施例１）
平均粒径１．５μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末に対して、平均粒径１．５μｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末を６質量％、平均粒径１．５μｍの炭化チタン（ＴｉＣ）粉末を０．５質量％、炭化タンタル（ＴａＣ）粉末を１質量％の割合で添加、混合して、プレス成形により切削工具形状（ＣＮＭＡ１２０４１２）に成形した。その後、脱バインダ処理を施し、０．０１Ｐａの真空中、１５００℃で１時間保持し焼成して硬質合金母材を作製した。
【００６０】
次に、この母材の表面に、表１に示す第１加工と第２加工とを順次施した。各加工の条件等は、表２に示す通りである。その後、各加工を施した母材の表面に、化学蒸着法にて、窒化チタン（ＴｉＮ）層、柱状晶炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）層、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）層からなる硬質膜（総膜厚１２．０μｍ）を形成して、切削工具を作製した。
【００６１】
窒化チタン（ＴｉＮ）層の成膜条件は、成膜温度８８０℃、圧力２００ｍｂａｒ、四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）が１．５ｖｏｌ％、窒素（Ｎ２）が２０ｖｏｌ％、残りが水素（Ｈ２）である。
【００６２】
中温化学蒸着法による柱状晶炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）層の成膜条件は、成膜温度８６０℃、圧力９０ｍｂａｒ、四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）が１．５ｖｏｌ％、アセトニトリル（ＣＨ３ＣＮ）が０．６ｖｏｌ％、窒素（Ｎ２）が３０ｖｏｌ％、残りが水素（Ｈ２）である。
【００６３】
酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）層の成膜条件は、成膜温度１０１０℃、圧力９０ｍｂａｒ、三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ３）が１．６ｖｏｌ％、二酸化炭素（ＣＯ２）が３．５ｖｏｌ％、硫化水素（Ｈ２Ｓ）が０．１ｖｏｌ％、残りが水素（Ｈ２）である。
【００６４】
各層の厚みについては、基体側から窒化チタン（ＴｉＮ）層（０．３μｍ厚み）−柱状結晶からなる炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）層（８．０μｍ厚み）−粒状結晶からなる炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）層（０．１μｍ厚み）−炭酸窒化チタン（ＴｉＣＮＯ）層（０．１μｍ厚み）−酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）層（３．０μｍ厚み）−窒化チタン（ＴｉＮ）層（０．５μｍ厚み）の順に成膜した。
【００６５】
得られた各切削工具について、硬質合金母材と被覆層の厚み方向に切断し、その断面を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて１００００倍の倍率で観察した。その結果、硬質相からなる平滑面部の有無、凹部の有無およびその表面における結合相の有無、切断面に直交する平面における長さ２０μｍの中にある凹部の状態（個数および平均深さ）、界面における直線２０μｍの長さ範囲に占める多方向成長部の割合、多方向成長部の幅の変化（すなわち、母材側＞被覆層表面側となっていれば「○」、なっていなければ「×」）、界面における直線２０μｍの長さ範囲における互いに独立した多方向成長部の個数、および上述したＷａＩＩとＷａＩの比は、表１に示す通りであった。
【００６６】
なお、表１中のＮｏ．１（本発明の範囲内）と、Ｎｏ．８（本発明の範囲外）においては、第１加工および第２加工を施した後、被覆層を形成する前に、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を３０００倍の倍率で撮影した。Ｎｏ．１（本発明の範囲内）の電子顕微鏡写真を図２に、Ｎｏ．８（本発明の範囲外）の電子顕微鏡写真を図３に、それぞれ示す。
【００６７】
【表１】
【００６８】
【表２】
【００６９】
上記切削工具を用い、下記の条件により、連続切削試験および強断続切削試験を行い、連続切削試験にて耐摩耗性を、強断続切削試験にて耐欠損性をそれぞれ評価した。この切削試験の結果を表３に示す。
【００７０】
（連続切削試験条件）
被削材 ：ＳＣＭ４３５
工具形状：ＣＮＭＧ１２０４０８
切削速度：３００ｍ／分
送り速度：０．３ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：２ｍｍ
切削時間：２０分
切削液 ：エマルジョン１５％＋水８５％混合液
評価項目：顕微鏡にて切刃を観察し、フランク摩耗量・先端摩耗量を測定
（強断続切削試験条件）
被削材 ：ＳＣＭ４４０ ４本溝入材
工具形状：ＣＮＭＧ１２０４０８
切削速度：３００ｍ／分
送り速度：０．４ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：２ｍｍ
切削液 ：エマルジョン１５％＋水８５％混合液
評価項目：欠損に至る衝撃回数
【００７１】
【表３】
【００７２】
上記表１乃至表３から分かるように、第１加工として所定のブラシ加工で母材表面を平滑にした後、この平滑にした母材表面に第２加工として所定のショットブラスト加工で凹部を設けて得られた本発明の試料Ｎｏ．１−７については、いずれも、フランク摩耗、先端摩耗、欠損に至る衝撃回数すべてにおいて優れた結果を得ることができた。これは、平滑にした母材表面に敢えて凹部を設けておくことにより、その上に形成される被覆層には高硬度化した領域と高靭性を有する領域とが共存することになり、強断続加工での強い衝撃の際に、コーティング層にクラックが発生した場合であっても、クラックの発生を抑制し、欠損を防止することができたものと考えられる。
【００７３】
（実施例２）
実施例１と同様に作製した母材を、表４に示す加工方法で加工した後、アークイオンプレーティング法にて（Ｔｉ，Ａｌ）合金をターゲットとし、窒素ガスを反応ガスとして炉内温度５００℃、バイアス電圧―５０Ｖの成膜条件で（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ膜を膜厚２．５μｍ成膜し、試料Ｎｏ．２１〜３０の試料を作製した。また、実施例１と同様の方法で硬質相からなる平滑面部の有無、凹部の有無およびその表面における結合相の有無、切断面に直交する平面における長さ２０μｍの中にある凹部の状態（個数および平均深さ）、界面における直線２０μｍの長さ範囲に占める多方向成長部の割合、多方向成長部の幅の変化、界面における直線２０μｍの長さ範囲における互いに独立した多方向成長部の個数、および上述したＷａＩＩとＷａＩの比を測定した。結果は表４に示した。
【００７４】
【表４】
【００７５】
次に、作製した試料を、実施例１と同様の切削試験を行い、切削性能を評価した。結果は表５に示した。
【００７６】
【表５】
【００７７】
上記表４および５から分かるように、実施例１と同様に、本発明の範囲内となるように作製された試料Ｎｏ．２１〜２７においては、本発明の範囲外である試料Ｎｏ．２８〜３０よりも切削性能に優れる結果となった。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の切削工具を厚み方向に切断したときの断面を模式的に示した説明図である。
【図２】表１中のＮｏ．１の試料を得るに際し、加工（第１加工および第２加工）を施した後の母材表面の電子顕微鏡写真である。
【図３】表１中のＮｏ．８の試料を得るに際し、加工（第１加工および第２加工）を施した後の母材表面の電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００７９】
１０：母材
１１：硬質相
１２：結合相
１３：平滑面部
１４：凹部
２０：被覆層
２１：垂直成長部
２２：多方向成長部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、ソリッドタイプのドリル、エンドミルや、旋削、フライス、ドリル加工用のスローアウェイチップ等として有用な切削工具の製造方法に関するものであり、詳しくは、硬質合金からなる母材の表面を被覆層で被覆してなる切削工具の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）や炭化タングステン（ＷＣ）等を主体とする硬質相と、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）等の鉄族金属の結合相とからなる超硬合金、サーメット等の硬質合金、もしくはＷＣ−Ｃｏ系などの超硬合金に周期表の４、５、６族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物等の固溶相を分散せしめた硬質合金は、従来から、切削工具に適した材料として知られている。そして、さらにその硬度を補強する目的で、上記硬質合金からなる母材の表面に、該硬質合金よりも高硬度の硬質膜からなる被覆層を形成した切削工具が汎用されている。
【０００３】
ところが、硬質合金である母材の表面に被覆層を形成する場合、焼成された硬質合金の焼き肌面に直接被覆層を形成すると、硬質合金表面に焼結により不可避的に発生する脱炭層や金属富化層などの異質層が存在することや、その表面粗さが大きいことが起因して、母材に対する被覆層の付着性が低下し、切削時に膜剥離が生じてしまうという問題が起こる。また、用途に応じた形状を作製するために母材を機械加工で研削した際に、研削屑の付着、クラックの発生、硬質相と結合相との界面欠陥などにより母材表面に生じる加工変質層も、被覆層との密着性を低下させる原因となる。母材と被覆層との間で剥離が生じると、耐摩耗性が低下し、切削工具としての寿命が短くなる。
【０００４】
そこで、硬質合金の表面に被覆層を形成するにあたり、硬質合金母材の表面に予め何らかの加工を施して、硬質合金母材に対する被覆層の付着性を向上させる方法が提案されている。例えば、硬質合金母材の少なくとも刃先を含む表面の平均表面粗さＲａをブラシ研磨によって特定範囲に納まるように調整することにより、硬質膜の付着性を向上させた超硬合金（特許文献１）や、特定の電解液中で電解研磨することにより、硬質合金母材表面の硬質相に機械加工によるクラックが存在しないようにした焼結合金（特許文献２）などである。
【特許文献１】特開平６−１０８２５３号公報
【特許文献２】特開２０００−２１２７４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載の硬質合金によれば、被覆層の密着性は改善され、耐摩耗性の向上は期待できるものの、靭性は不充分であり、耐欠損性に関しては満足しうるレベルにはなかった。その原因としては、所望の平均表面粗さＲａとなるように、もしくは母材表面の硬質相にクラックが存在しないように、ブラシ研磨加工や電解研磨加工を行なった場合、母材表面全体が凹凸のない滑らかな状態となるために、その上に被覆層として硬質膜を形成する際、結晶粒子（柱状結晶）は膜の成長方向と同じ方向に揃って配列されることが考えられる。つまり、結晶が様々な方向に成長していると、コーティング後の冷却時に生じる収縮が様々な方向に発生し、熱応力が分散されて高靭性化が図れる。しかし、結晶配列が揃っていると、同じ方向にしか収縮することができなくなり、冷却過程で発生する熱応力は分散、緩和されることなく、靭性が低下するのである。また、結晶配列が揃っていると結晶の成長がその過程で互いに淘汰されることがなく、マイクロボイドの発生を抑制することができるので、高硬度化を図ることができる。その反面、後述するようなマイクロボイドにより生じる応力緩和は得られず、靭性は低くなってしまう。
【０００６】
ところで、硬質合金の表面処理としては、エッチング加工が知られている。エッチング加工により被覆層を形成する前の母材表面を処理した場合、エッチング液が表面の結合相（例えばコバルト）を腐食し、硬質相（例えば炭化タングステン）の粒子と粒子の間に僅かな隙間ができる。この隙間に被覆層がある程度は入り込むために、母材に対する被覆層の付着力に関しては優れた効果が期待できる。しかし、このような僅かな隙間は、被覆層をコーティングしても完全に充填されることはないので、母材と被覆層との界面に比較的大きなボイドを生じさせることになる。その結果、切削時に該ボイドに被削材が侵入して異常摩耗を発生させるという問題を招く。
【０００７】
他方、硬質合金の表面処理として、ブラスト加工も知られている。被覆層を形成する前に母材表面をブラスト加工した場合、母材の表面は荒らされ、凹凸が設けられることになるため、柱状結晶の成長は様々な方向に成長し、結晶成長が止まる部分が多くなる。その結果、マイクロボイドが大量に生じて低硬度化が起こり、耐摩耗性が低下する。また、硬質相（例えば炭化タングステン）のエッジ部では、被覆層として形成される膜の結晶が大きな角度で成長する（換言すると、結晶の成長角度αが大きくなる）ので、該結晶は粗粒化することとなり、これによっても低硬度化が生じる。さらに、ブラスト加工によれば、母材界面は硬質相（例えば炭化タングステン）粒子が脱粒して面が荒れた状態になるため、膜生成時に凹凸部に未成膜部が生じて、膜の密着性が低下するという問題も起こる。また、一般的な条件で行うショットブラストは衝撃力が大きいため、ブラスト加工時に硬質相が脱粒するおそれもある。
【０００８】
本発明の課題は、優れた耐摩耗性と耐欠損性とを兼ね備えた切削工具を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、硬質合金母材の表面に被覆層を形成するにあたり、あらかじめ、前記母材表面を平滑にする第１加工と、前記母材表面に物理的手法により凹部を設ける第２加工とを施すことにより、高硬度と高靭性とを両立させることができ、ひいては優れた耐摩耗性と耐欠損性とを発現させることが可能になることを見出した。つまり、第１加工によって平滑にされた母材表面では、被覆層を形成する際に、柱状結晶が真直ぐに揃って成長して、マイクロボイドのない膜領域が形成されることとなり、該領域が高硬度化に寄与する。他方、第２加工によって凹部が設けられた母材表面では、被覆層を形成する際に、大きな傾きで成長した結晶同士がぶつかって互いに淘汰される結果、マイクロボイドが形成された膜領域が形成されることとなる。このマイクロボイドが形成された膜領域が存在することで、残留応力が緩和され、クラックが進行してきた場合にも、クラック先端の応力場においてマイクロボイドがマイクロクラックとして作用し、応力集中が緩和されてクラックの進展を抑制でき、高靭性化が図れるのである。本発明は、このような知見により完成したものである。
【００１０】
すなわち、本発明は以下の構成からなる。
【００１１】
（１）硬質合金母材の表面に被覆層が形成されてなる切削工具の製造方法であって、前記被覆層の形成に先立ち、前記母材の表面に、前記母材表面を平滑にする第１加工と、前記母材表面に物理的手法により凹部を設ける第２加工とを施す、ことを特徴とする切削工具の製造方法。
【００１２】
（２）前記母材を、周期表の４、５、６族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物からなる群より選ばれる１種以上であり、炭窒化チタンまたは炭化タングステンのいずれか一方を少なくとも必須とする第一材料（Ａ）と、鉄族金属を主成分とする第二材料（Ｂ）とから形成する、前記（１）記載の切削工具の製造方法。
【００１３】
（３）前記第１加工としてブラシ研磨加工を施し、前記第２加工としてショットブラスト加工を施す、前記（２）記載の切削工具の製造方法。
【００１４】
（４）前記ショットブラスト加工は、前記第一材料（Ａ）よりも硬度が低く、前記第二材料（Ｂ）よりも硬度が高い砥粒を使用して行なう、前記（３）記載の切削工具の製造方法。
【００１５】
（５）前記ブラシ研磨加工は、番手＃４００以上の砥粒を使用して行なう、前記（３）または（４）に記載の切削工具の製造方法。
【００１６】
（６）前記第１加工により母材表面の表面粗さＲｚを０．０５〜０．７μｍとする、前記（１）乃至（５）のいずれかに記載の切削工具の製造方法。
【００１７】
（７）前記被覆層を物理蒸着法により形成する、前記（１）乃至（６）のいずれかに記載の切削工具の製造方法。
【００１８】
（８）前記被覆層を化学蒸着法により形成する、前記（１）乃至（６）のいずれかに記載の切削工具の製造方法。
【００１９】
（９）前記被覆層のうち、少なくとも一部を中温化学蒸着法によって形成する、（８）に記載の切削工具の製造方法。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、母材の表面に、高硬度化した領域と高靭性化した領域とを備えた被覆層が形成されるので、被覆層が剥離しにくいことは勿論、高硬度であると同時に高靭性であり、優れた耐摩耗性と耐欠損性とを兼ね備えた切削工具を提供することができる、という効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の切削工具の製造方法は、母材の表面に被覆層を形成する方法である。
【００２２】
前記母材は、通常、硬質相と該硬質相を結合する結合相とからなる硬質合金母材である。
【００２３】
前記硬質相を形成する第一材料（Ａ）としては、一般に硬質合金における硬質相に用いられる原料であれば、特に制限されることはない。例えば、好ましい態様としては、周期表の４、５、６族金属（例えば、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｃｒなど）の炭化物、窒化物、炭窒化物からなる群より選ばれる１種以上であり、炭窒化チタンおよび炭化タングステンのうちいずれか一方を少なくとも必須とする硬質材料が挙げられる。これらの炭化物、窒化物、炭窒化物等のさらなる具体例については、特に制限されない。
【００２４】
他方、前記結合相を形成する第二材料（Ｂ）としては、一般に硬質合金における結合相に用いられる原料であり、前記硬質相よりも硬度が低くなるものであれば、特に制限されることはない。例えば、好ましい態様としては、鉄族金属（例えば、Ｃｏ、Ｎｉなど）を主成分とする結合材料が挙げられる。この鉄族金属等のさらなる具体例については、特に制限されない。
【００２５】
なお、硬質相および結合相の硬度は、ナノインデンテーション法等によって測定することができる。微粒超硬など、相を構成する粒子の粒径が非常に小さく上記方法による測定が困難な場合は、ＷＤＳ等の元素分析によって相の組成を同定することで、相の硬度を見積もることも可能である。
【００２６】
前記硬質合金母材において、硬質相は全体積中８５〜９２体積％、結合相は８〜１５体積％の割合で存在させるのがよい。
【００２７】
前記硬質合金母材は、通常、硬質材料と結合材料の粉末を所定の割合で混合し、成形したものを１３５０〜１５５０℃程度の真空雰囲気中で焼成することにより得られる。
【００２８】
本発明の製造方法においては、前記被覆層の形成に先立ち、前記母材の表面に、前記母材表面を平滑にする第１加工と、前記母材表面に物理的手法により凹部を設ける第２加工とを施す。
【００２９】
前記第１加工としては、ブラシ研磨加工を施すことが好ましい。
【００３０】
前記ブラシ研磨加工において用いるブラシとしては、毛足が長いものが好ましい。具体的には、カップブラシ、ホイールブラシ、ロールブラシ等のブラシが好ましく用いられる。ブラシ研磨加工を行う際には、ダイヤモンドの砥粒を使用することが一般的だが、炭化珪素（ＳｉＣ）からなる砥粒を用いると、研磨加工によって生じる研磨傷が低減され、より平滑な加工面状態となるので好ましい。また、平滑な加工面を得るためには、ブラシ研磨加工は、番手＃４００以上の砥粒を用いて行うのが好ましく、特に、加工効率を上げるためには、＃５００〜＃２０００の砥粒を使用するのがよい。
【００３１】
前記第１加工によって平滑にされた母材表面は、表面粗さＲｚが０．０５〜０．７μｍとなっていることが好ましい。母材の表面粗さを前記範囲にしておくことにより、得られる切削工具に充分に高い硬度を保持させることが可能になる。
【００３２】
前記第２加工としては、ショットブラスト加工を施すことが好ましい。前記ブラシ研磨加工により母材表面全体を平滑にしたのち、ショットブラスト加工を施すことにより、母材の硬質相の部分ではブラシ研磨で形成された平滑性をそのまま維持させながら、結合相（例えばＣｏ）の部分の少なくとも一部を除去して凹部形状を形成することができる。なお、前記第２加工は、物理的手法であることが重要であり、例えばエッチング加工などの化学的手法では、本発明の効果は奏しえない。
【００３３】
前記ショットブラスト加工においては、前記第一材料（Ａ）（例えば、ＷＣ）よりも硬度が低く、前記第二材料（Ｂ）（例えば、Ｃｏ）よりも硬度が高い砥粒を使用することが好ましい。これにより、ブラシ研磨で形成された平滑性をより確実に保持させることができるとともに、凹部の形成が容易であり、形成された凹部形状も良好なものとなる。つまり、このようにして形成された凹部の形状は、例えばエッチング加工で形成される凹部に比べ、底部が丸みを帯びており、エッチング加工のように内部まで深く削られた形状とはならない。それによって、前述した結晶と結晶との成長間の淘汰が起こりやすく、ひいては靭性を向上させやすくなるのである。
【００３４】
なお、砥粒の硬度は、粉体の硬度を測定する種々の測定方法によって測定することができ、硬度の単位も、測定方法によって、ブリネル硬度（ＨＢ）、ビッカース硬度（ＨＶ）等適宜選択し得る。
【００３５】
前記ショットブラスト加工は、砥粒をエアー等とともに噴射して加工する乾式で行ってもよいし、砥粒を液体（溶媒）と同時に噴射して加工する湿式で行ってもよい。用いる砥粒としては、一般的に加工で使用されている砥粒、具体的には、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、炭化珪素（ＳｉＣ）、ダイヤモンドといった砥粒が使用可能であるが、結合相のみをショットブラストにて除去させるために、酸化クロム（Ｃｒ３Ｏ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）など、比較的硬度が低く比重が大きいものが好ましい。また、ショットブラストを湿式で行う際には、溶媒として、一般的な湿式ブラストで使用されている溶媒、例えば水などを用いることができる。ショットブラスト加工を行う際の条件としては、一般的な加工よりも弱めの条件、詳しくは、噴射圧を０．１〜０．７ＭＰａ、噴射角度を３０〜６０°、被加工物と噴射ノズルとの距離を２〜５ｃｍ、砥粒の番手を＃３６０〜＃１０００とするのがよい。
【００３６】
前記硬質合金母材の表面に形成される被覆層の組成は、特に制限されるものではなく、例えば、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化アルミニウムチタン（ＴｉＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などの周期表の４、５、６族金属およびＡｌの炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物から選ばれる１種以上を単層または複数層形成すればよい。
【００３７】
前記被覆層の膜厚は２μｍ以上であることが好ましく、より好ましくは３〜２０μｍであるのがよい。
【００３８】
前記被覆層は、従来公知の方法によって形成することができる。例えば、化学蒸着法（ＣＶＤ法）により形成してもよいし、スパッタリング法、イオンプレーティング法、蒸着法などの物理蒸着法（ＰＶＤ法）により形成してもよい。
【００３９】
以下、本発明の製造方法により得られる切削工具について、図面を用いて説明する。図１は、本発明の切削工具を厚み方向に切断したときの断面を模式的に表した説明図である。
【００４０】
図１に示すように、母材１０は硬質相１１と結合相１２とから構成されている。そして、母材表面（上部側）のうち硬質相１１が占める部分は、平滑に加工された平滑面部１３になっており、母材表面（上部側）のうち結合相１２が占める部分では、該結合相１２が除去されて凹部１４が形成されている。このように、硬質合金母材表面の平滑面部１３は、全て硬質相１１で構成されていることが好ましく、この平滑面部１３以外の部分は、凹部１４になっていることが好ましい。
【００４１】
なお、平滑面部１３は、実質的に硬質相１１からなるものであり、製造上不可避な成分、例えば、金属間化合物等を含むものであっても構わない。
【００４２】
なお、凹部１４の表面は、図１では結合相のみで構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、図１においてもそうであるように、凹部内側面部の表面よりの部分では硬質相１１との間に存在する結合相１２が非常に薄くなっているため、第２加工の程度によってはこの部分も削り取られ、凹部表面の一部に硬質相１１が露出することもある。このように、凹部１４の表面は、結合相１２または結合相１２および硬質相１１からなる。なお、ここでいう凹部１４の表面が結合相１２または結合相１２および硬質相１１からなるとは、凹部１４の表面が実質的に結合相１２または結合相１２および硬質相１１からなるものである。このとき、加工によって生じる酸化物等の製造上不可避的な成分を含むものであっても構わない。
【００４３】
前記凹部１４は、その表面が結合相１２、または結合相１２および硬質相１１からなるものであるが、これは換言すれば、前記凹部の表面の少なくとも一部に結合相１２が存在しているということでもある。
【００４４】
特に、前記凹部１４の表面は、結合相１２からなることが望ましい。すなわち、前記凹部１４は、母材表面の結合相部分のうち、硬質相１１が露出しないよう結合相部分の表面側だけを除去して形成されてなり、前記凹部１４表面に結合相１２と硬質相１１の境界が存在しないよう形成されているものがよい。このような構成により、硬質相と結合相との界面欠陥などによって加工変質層が形成されることを抑制でき、被覆相との密着性を向上させることができる。
【００４５】
前記凹部１４の窪み部分の形状は、特に限定されない。例えば、前記凹部１４は、硬質相１１で挟まれてなる少なくとも１本の溝状に形成されていてもよく、さらに複数の溝状凹部１４が網目状に形成されていてもよい。
【００４６】
前記凹部１４の深さは平均０．１〜２μｍであることが好ましい。前記凹部１４の平均深さが前記範囲であると、被覆層２０を被覆したときに適度なマイクロボイドが形成され、高靭性化を図ることができると同時に、凹部上に成膜された被覆層２０の強度も充分に保持させることができ、凹部１４を起点として発生しうる剥離やチッピングを回避することができる。なお、凹部の深さの平均とは、母材表面に存在する全ての凹部１４の平均であるが、便宜上、前記硬質合金母材１０と前記被覆層２０の厚み方向に直交する平面における長さ２０μｍの中に存在する凹部１４の平均を以って、前記平均深さとしてもよい。
【００４７】
前記凹部１４は、前記硬質合金母材１０と前記被覆層２０の厚み方向に直交する平面における長さ２０μｍの中に３〜４０個、好ましくは１０〜３０個が存在することが好ましい。この凹部の個数が前記範囲であると、被覆層２０を被覆したときに適度なマイクロボイドが形成され、高靭性化を図ることができると同時に、凹部上に成膜された被覆層の強度も充分に保持させることができ、凹部を起点として発生しうる剥離やチッピングを回避することができる。
【００４８】
被覆層２０は、前記平滑面部１３と前記凹部１４の上に形成される。母材１０に被覆層２０を形成する際には、平滑面部１３上では、柱状結晶が真直ぐに揃って成長することとなる。一方、凹部１４内において被覆層２０が成膜される際には、その部分の柱状結晶は集束するように成長するため、結晶成長が止まる部分が多くなり、結晶と結晶との成長間の淘汰によって、マイクロボイド（ここでは、数１０ｎｍのレベルのボイド）が形成される。つまり、図１に示すように、前記平滑面部１３上には垂直成長部２１が形成されることになり、前記凹部１４上には多方向成長部２２が形成されることになる。ここで、垂直成長部２１とは、切削工具の厚み方向に直交する平面に対して８５〜９０度の角度（図１に角度βで図示）で結晶成長した部分であり、多方向成長部２２とは、前記平面に対して８５度未満の角度（図１に角度αで図示）で結晶成長した部分である。
【００４９】
前記垂直成長部２１では、厚み方向に直交する平面に対してほぼ垂直に結晶成長するため、マイクロボイドが生じることがない。よって、この垂直成長部２１は高い硬度を有する領域となる。他方、多方向成長部２２は、切削工具の厚み方向に直交する平面に対して比較的大きい傾き（角度α）をもって結晶成長するため、成長した結晶同士がぶつかって互いに淘汰され、マイクロボイドが形成されることになる。このようにマイクロボイドが形成されている多方向成長部２２では、クラックが進行してきた場合にも、クラック先端の応力場においてマイクロボイドがマイクロクラックとして作用し、応力集中が緩和されてクラックの進展を抑制できるため、高い靭性を発現する。
【００５０】
前記多方向成長部２２は、下記（ｉ）、（ｉｉ）または（ｉｉｉ）のうち少なくとも１つを満足する態様で存在していることが好ましい。これにより、垂直成長部２１と多方向成長部２２とは最適なバランスで存在することとなる。その結果、高硬度化と高靭性化との両立をバランスよく達成することができる。
【００５１】
（ｉ）厚み方向に切断した断面において、母材１０と被覆層２０との界面における直線
２０μｍの長さ範囲のうち５〜４０％を多方向成長部２２が占めていること。すなわち、母材１０と被覆層２０との界面における直線とは、図１中ｘ−ｘ間を結ぶ直線のことであり、図１中ｙで示す範囲が長さ２０μｍであるとすると、この範囲における前記直線を見たときに多方向成長部２２が存在している長さ範囲ｚ１が、２０μｍの５〜４０％に相当するのである。なお、長さ範囲ｙの中に多方向成長部２２が複数存在する場合には、各多方向成長部２２が占める長さｚ１、ｚ２、ｚ３・・・の合計（但し、ｚ２以降は図示せず）の長さが２０μｍの５〜４０％相当するものであればよい。
【００５２】
（ｉｉ）厚み方向に切断した断面において、多方向成長部２２の幅は、被覆層２０の外表面から母材１０側に向けて増大していること。すなわち、図１に示す多方向成長部２２のように、母材１０と被覆層２０との界面（ｘ−ｘ間を結ぶ直線部分）でみると、多方向成長部２２の幅はｚ１であるが、この界面を平行移動させた直線でみると、被覆層表面側に移動するにつれてその幅は狭くなっていくのである。
【００５３】
（ｉｉｉ）厚み方向に切断した断面において、母材１０と被覆層２０との界面上の直線２０μｍのなかに、互いに独立した多方向成長部２２が３〜４０個存在していること。すなわち、前記（ｉ）と同様に、図１中ｙで示す範囲が長さ２０μｍであるとすると、この範囲の中に、互いに独立した（換言すると、垂直成長部２１に囲まれた）多方向成長部２２が３〜４０個存在しているのである（図１においては１個しか図示していない）。
【００５４】
前記被覆層２０は、成長始点における成長方向の角度θｇが２５度未満である柱状結晶（Ｉ）と、成長始点における成長方向の角度θｇが２５度以上である柱状結晶（ＩＩ）とが存在し、厚み方向に切断した断面において、母材１０と被覆層２０との界面よりも０．３μｍ被覆層２０側に位置する仮想直線上で、前記柱状結晶（Ｉ）が占める領域の幅をＷａＩとし、前記柱状結晶（ＩＩ）が占める領域の幅をＷａＩＩとしたとき、ＷａＩＩ／ＷａＩの値が０．１〜１であることが好ましい。これにより、衝撃が多方向成長部に集中した場合にも、膜が破壊されたり、膜剥離やチッピングの発生を回避することができる。ここで言う柱状結晶（Ｉ）は、前記垂直成長部２１を構成し、柱状結晶（ＩＩ）は前記多方向成長部２２を構成する。なお、母材１０と被覆層２０との界面よりも０．３μｍ被覆層２０側に位置する仮想直線とは、母材１０と被覆層２０との界面における直線、すなわち図１中ｘ−ｘ間を結ぶ直線を被覆層２０側に０．３μｍ平行移動させてなる直線を意味する。
【００５５】
このように、本発明の製造方法により得られる切削工具においては、被覆層２０に存在する垂直成長部２１が高硬度化した領域となり、一方、被覆層２０に存在する多方向成長部２２がマイクロボイドを有することで高靭性化された領域となる。つまり、本発明の製造方法により得られる切削工具は、その被覆層２０において高硬度化した領域と高靭性化した領域とが混在しているので、相反する両方の優れた特性を保持するものとなる。その結果、優れた耐摩耗性と耐欠損性を両立して発現させることが可能となる。しかも、前述のマイクロボイドは、非常に小さいボイドであるので、耐摩耗性に影響を及ぼすおそれもない。また、硬質合金母材表面に存在する凹部によって、凹凸によるアンカー効果も得られるので、被覆層と母材との密着性も高い。
【００５６】
なお、被覆層２０を厚み方向に切断した断面（すなわち、切削工具の面と略垂直な断面）において、上述した種々の特性、例えば、凹部１４の深さおよび数、界面における直線２０μｍの長さ範囲に占める多方向成長部２２の割合（前記（i）の要件）、多方向成長部２２の幅の変化（前記（ii）の要件）、界面における直線２０μｍの長さ範囲における互いに独立した多方向成長部２２の個数（前記（iii）の要件）、あるいは上述したＷａＩおよびＷａＩＩの値について測定する際には、例えば、該断面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）または透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて５０００倍〜２００００倍の倍率で観察すればよい。
【００５７】
本発明の製造方法で得られる切削工具は、例えば、外形、内径、溝入れ、ねじ切り、突っ切り等の各種旋削、フライス、ドリル、エンドミル等の切削工具として有用であるが、中でも、旋削、フライス、ドリル加工に用いる切削工具に適しており、特に、断続加工や不安定加工に用いる旋削工具として最適である。
【実施例】
【００５８】
以下、実施例を挙げて本発明についてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００５９】
（実施例１）
平均粒径１．５μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末に対して、平均粒径１．５μｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末を６質量％、平均粒径１．５μｍの炭化チタン（ＴｉＣ）粉末を０．５質量％、炭化タンタル（ＴａＣ）粉末を１質量％の割合で添加、混合して、プレス成形により切削工具形状（ＣＮＭＡ１２０４１２）に成形した。その後、脱バインダ処理を施し、０．０１Ｐａの真空中、１５００℃で１時間保持し焼成して硬質合金母材を作製した。
【００６０】
次に、この母材の表面に、表１に示す第１加工と第２加工とを順次施した。各加工の条件等は、表２に示す通りである。その後、各加工を施した母材の表面に、化学蒸着法にて、窒化チタン（ＴｉＮ）層、柱状晶炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）層、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）層からなる硬質膜（総膜厚１２．０μｍ）を形成して、切削工具を作製した。
【００６１】
窒化チタン（ＴｉＮ）層の成膜条件は、成膜温度８８０℃、圧力２００ｍｂａｒ、四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）が１．５ｖｏｌ％、窒素（Ｎ２）が２０ｖｏｌ％、残りが水素（Ｈ２）である。
【００６２】
中温化学蒸着法による柱状晶炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）層の成膜条件は、成膜温度８６０℃、圧力９０ｍｂａｒ、四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）が１．５ｖｏｌ％、アセトニトリル（ＣＨ３ＣＮ）が０．６ｖｏｌ％、窒素（Ｎ２）が３０ｖｏｌ％、残りが水素（Ｈ２）である。
【００６３】
酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）層の成膜条件は、成膜温度１０１０℃、圧力９０ｍｂａｒ、三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ３）が１．６ｖｏｌ％、二酸化炭素（ＣＯ２）が３．５ｖｏｌ％、硫化水素（Ｈ２Ｓ）が０．１ｖｏｌ％、残りが水素（Ｈ２）である。
【００６４】
各層の厚みについては、基体側から窒化チタン（ＴｉＮ）層（０．３μｍ厚み）−柱状結晶からなる炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）層（８．０μｍ厚み）−粒状結晶からなる炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）層（０．１μｍ厚み）−炭酸窒化チタン（ＴｉＣＮＯ）層（０．１μｍ厚み）−酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）層（３．０μｍ厚み）−窒化チタン（ＴｉＮ）層（０．５μｍ厚み）の順に成膜した。
【００６５】
得られた各切削工具について、硬質合金母材と被覆層の厚み方向に切断し、その断面を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて１００００倍の倍率で観察した。その結果、硬質相からなる平滑面部の有無、凹部の有無およびその表面における結合相の有無、切断面に直交する平面における長さ２０μｍの中にある凹部の状態（個数および平均深さ）、界面における直線２０μｍの長さ範囲に占める多方向成長部の割合、多方向成長部の幅の変化（すなわち、母材側＞被覆層表面側となっていれば「○」、なっていなければ「×」）、界面における直線２０μｍの長さ範囲における互いに独立した多方向成長部の個数、および上述したＷａＩＩとＷａＩの比は、表１に示す通りであった。
【００６６】
なお、表１中のＮｏ．１（本発明の範囲内）と、Ｎｏ．８（本発明の範囲外）においては、第１加工および第２加工を施した後、被覆層を形成する前に、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を３０００倍の倍率で撮影した。Ｎｏ．１（本発明の範囲内）の電子顕微鏡写真を図２に、Ｎｏ．８（本発明の範囲外）の電子顕微鏡写真を図３に、それぞれ示す。
【００６７】
【表１】
【００６８】
【表２】
【００６９】
上記切削工具を用い、下記の条件により、連続切削試験および強断続切削試験を行い、連続切削試験にて耐摩耗性を、強断続切削試験にて耐欠損性をそれぞれ評価した。この切削試験の結果を表３に示す。
【００７０】
（連続切削試験条件）
被削材 ：ＳＣＭ４３５
工具形状：ＣＮＭＧ１２０４０８
切削速度：３００ｍ／分
送り速度：０．３ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：２ｍｍ
切削時間：２０分
切削液 ：エマルジョン１５％＋水８５％混合液
評価項目：顕微鏡にて切刃を観察し、フランク摩耗量・先端摩耗量を測定
（強断続切削試験条件）
被削材 ：ＳＣＭ４４０ ４本溝入材
工具形状：ＣＮＭＧ１２０４０８
切削速度：３００ｍ／分
送り速度：０．４ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：２ｍｍ
切削液 ：エマルジョン１５％＋水８５％混合液
評価項目：欠損に至る衝撃回数
【００７１】
【表３】
【００７２】
上記表１乃至表３から分かるように、第１加工として所定のブラシ加工で母材表面を平滑にした後、この平滑にした母材表面に第２加工として所定のショットブラスト加工で凹部を設けて得られた本発明の試料Ｎｏ．１−７については、いずれも、フランク摩耗、先端摩耗、欠損に至る衝撃回数すべてにおいて優れた結果を得ることができた。これは、平滑にした母材表面に敢えて凹部を設けておくことにより、その上に形成される被覆層には高硬度化した領域と高靭性を有する領域とが共存することになり、強断続加工での強い衝撃の際に、コーティング層にクラックが発生した場合であっても、クラックの発生を抑制し、欠損を防止することができたものと考えられる。
【００７３】
（実施例２）
実施例１と同様に作製した母材を、表４に示す加工方法で加工した後、アークイオンプレーティング法にて（Ｔｉ，Ａｌ）合金をターゲットとし、窒素ガスを反応ガスとして炉内温度５００℃、バイアス電圧―５０Ｖの成膜条件で（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ膜を膜厚２．５μｍ成膜し、試料Ｎｏ．２１〜３０の試料を作製した。また、実施例１と同様の方法で硬質相からなる平滑面部の有無、凹部の有無およびその表面における結合相の有無、切断面に直交する平面における長さ２０μｍの中にある凹部の状態（個数および平均深さ）、界面における直線２０μｍの長さ範囲に占める多方向成長部の割合、多方向成長部の幅の変化、界面における直線２０μｍの長さ範囲における互いに独立した多方向成長部の個数、および上述したＷａＩＩとＷａＩの比を測定した。結果は表４に示した。
【００７４】
【表４】
【００７５】
次に、作製した試料を、実施例１と同様の切削試験を行い、切削性能を評価した。結果は表５に示した。
【００７６】
【表５】
【００７７】
上記表４および５から分かるように、実施例１と同様に、本発明の範囲内となるように作製された試料Ｎｏ．２１〜２７においては、本発明の範囲外である試料Ｎｏ．２８〜３０よりも切削性能に優れる結果となった。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の切削工具を厚み方向に切断したときの断面を模式的に示した説明図である。
【図２】表１中のＮｏ．１の試料を得るに際し、加工（第１加工および第２加工）を施した後の母材表面の電子顕微鏡写真である。
【図３】表１中のＮｏ．８の試料を得るに際し、加工（第１加工および第２加工）を施した後の母材表面の電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００７９】
１０：母材
１１：硬質相
１２：結合相
１３：平滑面部
１４：凹部
２０：被覆層
２１：垂直成長部
２２：多方向成長部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材の表面に被覆層が形成されてなる切削工具の製造方法であって、
前記被覆層の形成に先立ち、前記母材表面を平滑にする第１加工と、前記母材表面に物理的手法により凹部を設ける第２加工とを施す、ことを特徴とする切削工具の製造方法。
【請求項２】
前記母材を、周期表の４、５、６族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物からなる群より選ばれる１種以上であり、炭窒化チタンまたは炭化タングステンのいずれか一方を少なくとも必須とする第一材料（Ａ）と、鉄族金属を主成分とする第二材料（Ｂ）とから形成する、請求項１記載の切削工具の製造方法。
【請求項３】
前記第１加工としてブラシ研磨加工を施し、前記第２加工としてショットブラスト加工を施す、請求項２記載の切削工具の製造方法。
【請求項４】
前記ショットブラスト加工は、前記第一材料（Ａ）よりも硬度が低く、前記第二材料（Ｂ）よりも硬度が高い砥粒を使用して行なう、請求項３記載の切削工具の製造方法。
【請求項５】
前記ブラシ研磨加工は、番手＃４００以上の砥粒を使用して行なう、請求項３または４に記載の切削工具の製造方法。
【請求項６】
前記第１加工により母材表面の表面粗さＲｚを０．０５〜０．７μｍとする、請求項１乃至５のいずれかに記載の切削工具の製造方法。
【請求項７】
前記被覆層を物理蒸着法により形成する、請求項１乃至６のいずれかに記載の切削工具の製造方法。
【請求項８】
前記被覆層を化学蒸着法により形成する、請求項１乃至６のいずれかに記載の切削工具の製造方法。
【請求項９】
前記被覆層のうち、少なくとも一部を中温化学蒸着法によって形成する、請求項８に記載の切削工具の製造方法。
【請求項１】
母材の表面に被覆層が形成されてなる切削工具の製造方法であって、
前記被覆層の形成に先立ち、前記母材表面を平滑にする第１加工と、前記母材表面に物理的手法により凹部を設ける第２加工とを施す、ことを特徴とする切削工具の製造方法。
【請求項２】
前記母材を、周期表の４、５、６族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物からなる群より選ばれる１種以上であり、炭窒化チタンまたは炭化タングステンのいずれか一方を少なくとも必須とする第一材料（Ａ）と、鉄族金属を主成分とする第二材料（Ｂ）とから形成する、請求項１記載の切削工具の製造方法。
【請求項３】
前記第１加工としてブラシ研磨加工を施し、前記第２加工としてショットブラスト加工を施す、請求項２記載の切削工具の製造方法。
【請求項４】
前記ショットブラスト加工は、前記第一材料（Ａ）よりも硬度が低く、前記第二材料（Ｂ）よりも硬度が高い砥粒を使用して行なう、請求項３記載の切削工具の製造方法。
【請求項５】
前記ブラシ研磨加工は、番手＃４００以上の砥粒を使用して行なう、請求項３または４に記載の切削工具の製造方法。
【請求項６】
前記第１加工により母材表面の表面粗さＲｚを０．０５〜０．７μｍとする、請求項１乃至５のいずれかに記載の切削工具の製造方法。
【請求項７】
前記被覆層を物理蒸着法により形成する、請求項１乃至６のいずれかに記載の切削工具の製造方法。
【請求項８】
前記被覆層を化学蒸着法により形成する、請求項１乃至６のいずれかに記載の切削工具の製造方法。
【請求項９】
前記被覆層のうち、少なくとも一部を中温化学蒸着法によって形成する、請求項８に記載の切削工具の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００８−２６４９８８（Ｐ２００８−２６４９８８Ａ）
【公開日】平成２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１８９１１（Ｐ２００８−１８９１１）
【出願日】平成２０年１月３０日（２００８．１．３０）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月３０日（２００８．１．３０）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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