表面被覆切削工具およびその製造方法
【課題】 耐摩耗性、耐欠損性に優れた表面被覆切削工具およびその製造方法を提供することである。
【解決手段】 すくい面と逃げ面との交差稜線を切刃として具備する基材の表面に、所定の硬質膜を少なくとも１層被覆した表面被覆切削工具であって、切刃部における前記硬質膜表面の面粗度は、原子間力顕微鏡で測定した最大高さ（Ｒｚ）が１．０μｍ以下であり、前記硬質膜表面の酸素量は４０原子％以下である表面被覆切削工具であり、前記硬質膜を物理蒸着法により少なくとも１層被覆した後、前記硬質膜の表面に対して、所定のセラミック砥粒溶液と圧縮空気との混合物を、前記硬質膜の切刃の向きに対して０〜４５°の角度θで衝突させるように前記混合物の吐出角度を制御する製造方法である。
【解決手段】 すくい面と逃げ面との交差稜線を切刃として具備する基材の表面に、所定の硬質膜を少なくとも１層被覆した表面被覆切削工具であって、切刃部における前記硬質膜表面の面粗度は、原子間力顕微鏡で測定した最大高さ（Ｒｚ）が１．０μｍ以下であり、前記硬質膜表面の酸素量は４０原子％以下である表面被覆切削工具であり、前記硬質膜を物理蒸着法により少なくとも１層被覆した後、前記硬質膜の表面に対して、所定のセラミック砥粒溶液と圧縮空気との混合物を、前記硬質膜の切刃の向きに対して０〜４５°の角度θで衝突させるように前記混合物の吐出角度を制御する製造方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材の表面を硬質膜で被覆した表面被覆切削工具およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、切削工具の耐摩耗性、耐欠損性等を改善するため、ＴｉＣ、ＴｉＮ、Ａｌ2Ｏ3等の硬質膜を基材の表面に被覆した表面被覆切削工具が知られている。また、前記硬質膜としては、近年の加工速度の高速化やステンレス鋼等の難削材への対応要求より、特に耐熱性、耐酸化性および硬度に優れた（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ膜が多用されている。
【０００３】
前記硬質膜の成膜方法の一つとして、物理蒸着法（以下ＰＶＤと称す）が工業的に広く利用されている。ＰＶＤ法は、陰極に蒸発源となる金属物質を取り付け、アーク放電、グロー放電や、スパッタリングイオンの照射等によって前記金属物質を蒸発およびイオン化させ、この金属物質のイオンと装置内に導入した窒素ガスや炭素含有ガス（メタンやアセチレンなど）、酸素ガスとを反応させることで、金属窒化物、金属炭化物、金属酸化物等の薄膜を基材の表面に成膜させる方法である。
【０００４】
ＰＶＤ法は、蒸発源になる金属物質の組成を変えることで複合金属組成の成膜が可能であり、さらに、蒸発源は全体として固体状態を保持するので立体的に配置できる。その結果、処理空間の効率的な利用が可能となり、成膜時間も短縮できるという利点を有する。ところが、ＰＶＤ法により成膜した硬質膜の表面には、マクロパーティクルやドロップレットと呼ばれる金属元素の粗大粒子が付着することが知られている。この粗大粒子は、蒸発源表面の局部的にアーク放電やグロー放電等が集中して粗大蒸発粒子が生成し、それが被覆層の表面に付着、堆積して残存したものである。このような金属元素の粗大粒子の大きさは、数μｍから数十μｍに達することがある。
【０００５】
一方、切削加工は切削工具の表面形状を被削材に転写していく加工法であるため、粗大粒子の付着による切削工具表面の面粗度の悪化は、被削材の表面精度の低下につながる。また、切削の初期段階において、硬質膜表面から突出した前記粗大粒子が硬質膜表面から脱粒することにより、硬質膜表面に大きな凹凸が生成し、切削抵抗が増大し、被削材の表面精度が低下し、バリが発生するという問題がある。さらに、切刃表面に粗大粒子が突出して表面の凹凸が大きくなり切削抵抗が増大すると、硬質膜が基材表面から部分的に剥離しやすく、その結果、切削工具の耐摩耗性、耐欠損性が低下するという問題がある。このため、硬質膜表面を表面処理して上記金属元素の粗大粒子を除去する必要がある。
【０００６】
特許文献１には、アークイオンプレーティング法により成膜した硬質膜の表面に対してバレル法等によって表面処理を行い、硬質膜表面のマクロ粒子（ドロップレット）を選択的に取り除いて、ドロップレットが実質的に突出しておらずかつ所定の深さのクレーターを有する硬質膜が表面に形成された硬質膜被覆切削工具が記載されている。しかしながら、この文献に記載されるように、ドロップレットを硬質膜表面から全て除去するような条件での表面処理では、硬質膜表面にドロップレットの除去跡（クレーター）が残ってしまい、加工面粗度が悪くなるという問題がある。また、切削工具の切刃部に部分的なクレーターが生じると切削抵抗の増大につながり、摩耗が進行したりチッピングや突発欠損が発生したりする恐れがある。さらに、切削工具のすくい面に部分的な剥離が生じると、切屑の流れが各切刃間で異なり、切削性能にバラツキが生じると共に、外観の美観も損なわれる。
【０００７】
特許文献２には、基材の表面に、ＴｉＡｌＮ系の硬質被膜を形成した切削工具において、成膜条件と成膜時間を制御することによって、前記硬質被膜に存在する膜厚以上の大きさを持った粗大粒子が５面積％以下で、かつ硬質膜の表面粗さが小さい切削工具が記載されている。しかしながら、基体表面の平坦な部分では表面粗さが小さくなるものの、切刃部においてはエッジ効果によって大きなドロップレットが生成してしまい工具寿命には限界があった。
【０００８】
特許文献３には、基体表面にＰＶＤコーティング（硬質膜）を成膜した後、前記硬質層の表面を、粒子サイズが１μｍ〜１００μｍの無機ブラスティング剤を使用してブラストする方法が記載されている。
【０００９】
しかしながら、無機ブラスティング剤を用いたブラスト法であっても通常のブラスト条件、特に乾式ブラスト法のような厳しい加工条件で研削すると、研削部分の表面が局所的に高温、高圧になり、硬質膜の表面が酸化されるという問題がある。硬質膜の表面が酸化されると、硬質膜が部分的に脆化し、その結果、硬質膜が部分的に剥離する。
【００１０】
【特許文献１】特開平０７−１５７８６２号公報
【特許文献２】特開２００２−３４６８１２号公報
【特許文献３】特表２００３−５００２３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の課題は、耐摩耗性、耐欠損性に優れた表面被覆切削工具およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、基材の表面に所定の硬質膜を少なくとも１層被覆した表面被覆切削工具において、切刃部における前記硬質膜表面の面粗度、および基材表面における前記硬質膜表面の酸素量が所定の値である構成とすることによって、耐摩耗性、耐欠損性に優れた表面被覆切削工具が得られるという新たな知見を見出し、本発明を完成するに至った。
【００１３】
すなわち、本発明における表面被覆切削工具は、以下の構成からなる。
（１）すくい面と逃げ面との交差稜線を切刃として具備する基材の表面に、周期律表４ａ，５ａ，６ａ族金属、ＡｌおよびＳｉから選ばれる少なくとも１種の金属元素の炭化物、窒化物、硼化物、酸化物またはこれらの複合化合物からなる硬質膜を少なくとも１層被覆した表面被覆切削工具であって、切刃部における前記硬質膜表面の面粗度は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で測定した最大高さ（Ｒｚ）が１．０μｍ以下であり、前記硬質膜表面の酸素量は４０原子％以下であることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記硬質膜は、膜厚が０．１〜１０μｍであり、かつアークイオンプレーティング法で成膜されたものである前記（１）記載の表面被覆切削工具。
（３）前記硬質膜に、長さ１μｍ以上の粗大粒子が１００μｍ四方あたり１〜１００個の割合で存在している前記（１）または（２）記載の表面被覆切削工具。
（４）前記硬質膜の表面に０．１〜３．０ＧＰａの圧縮残留応力が存在する前記（１）〜（３）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
（５）前記硬質膜の表面における圧縮残留応力が、前記硬質膜の中間厚み部における圧縮残留応力よりも大きい前記（４）記載の表面被覆切削工具。
（６）前記逃げ面の面粗度Ｒｚfが、前記すくい面の面粗度Ｒｚrよりも滑らかである前記（１）〜（５）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
（７）前記逃げ面の面粗度Ｒｚfと、前記すくい面の面粗度Ｒｚrとの比率（Ｒｚf／Ｒｚr）が０．３〜０．８である前記（６）記載の表面被覆切削工具。
（８）回転中心軸を有する軸状をなし、先端に底刃を、側方に側面刃を備えたソリッドエンドミルである前記（１）〜（７）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
（９）前記底刃の逃げ面における面粗度ＲｚfBが、前記側面刃の逃げ面の面粗度ＲｚfFよりも滑らかである前記（８）記載の表面被覆切削工具。
（１０）前記底刃の逃げ面における面粗度ＲｚfBと、前記側面刃の逃げ面の面粗度ＲｚfFとの比率（ＲｚfB／ＲｚfF）が０．３〜０．８である前記（８）または（９）記載の表面被覆切削工具。
【００１４】
本発明における表面被覆切削工具の製造方法は、以下の構成からなる。
（１１）すくい面と逃げ面との交差稜線を切刃として具備する基材の表面に、周期律表４ａ，５ａ，６ａ族金属、ＡｌおよびＳｉから選ばれる少なくとも１種の金属元素の炭化物、窒化物、硼化物、酸化物またはこれらの複合化合物からなる硬質膜を物理蒸着法により少なくとも１層被覆した後、前記硬質膜の表面に対して、平均粒径１〜１００μｍのセラミック砥粒溶液と圧縮空気との混合物を、吐出圧力０．１〜０．６ＭＰａで前記硬質膜の表面に衝突させる湿式ブラスト法によって表面処理を行うことを特徴とする表面被覆切削工具の製造方法。
（１２）前記混合物を前記硬質膜の切刃の向きに対して０〜４５°の角度で衝突させるように前記セラミック砥粒を含む混合物の吐出角度を制御する前記（１１）記載の表面被覆切削工具の製造方法。
（１３）成膜方法がアークイオンプレーティング法である前記（１１）または（１２）に記載の表面被覆切削工具の製造方法。
【発明の効果】
【００１５】
上記（１）〜（３）によれば、硬質膜表面に付着した金属元素の粗大粒子や硬質膜表面が酸化されることなく、かつ硬質膜が部分的に剥離することなく硬質膜表面に付着した粗大粒子を除去して硬質膜表面を平滑化でき、切刃における被削材の溶着を防止できるので、耐摩耗性、耐欠損性に優れた表面被削工具が得られるという効果がある。上記（４），（５）によれば、硬質膜の基材表面への被着力を高めることができる。また、上記（６），（７）によれば、工具の逃げ面の面粗度を平滑化することによって加工時の仕上げ面粗度を平滑にすることができ、かつ切屑が排出される際の摩擦で硬質膜表面の温度が上がって硬質膜が摩耗しやすいすくい面においては逃げ面に比べて表面処理の度合いを小さくすることによってすくい面における硬質膜の膜厚を厚くして、硬質膜が摩滅して工具寿命となることを防止できる。さらに、上記構成の表面被覆切削工具は、（８）の構成の複雑な形状であり機能の異なる複数の切刃を有するソリッドエンドミルに適応した際に特に優れた効果を発揮する。特に、（８）のエンドミルにおいて、（９），（１０）の構成とすることにより、回転速度が遅くて切削抵抗が大きく欠損しやすい底刃における切削抵抗を低減できるとともに、回転速度が速くて摩耗しやすい側面刃において硬質膜の膜厚を維持して耐摩耗性を向上できるという効果が発揮される。
【００１６】
上記（１１）〜（１３）によれば、物理蒸着法で成膜した硬質膜を、所定条件の湿式ブラスト法により表面処理するので、物理蒸着法で発生した金属元素の粗大粒子による硬質膜表面の凹凸を除去でき、その結果、硬質膜表面の面粗度が改善されると共に、硬質膜表面が酸化されたり、部分的に剥離することがなく、耐摩耗性、耐欠損性に優れた表面被覆切削工具を製造することができる。しかも、かかる処理によって前記硬質膜に所定の圧縮残留応力を付与できて、硬質膜の耐欠損性をさらに高めることができる。特に、上記（１３）の成膜方法では、成膜後、硬質膜の表面に粗大粒子が突出した状態となりやすいものであるが、本発明によれば、このような（１３）にて成膜した硬質膜であっても、硬質膜の表面状態を適正な状態に処理することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
＜表面被覆切削工具＞
本発明の表面被覆切削工具は、基材の表面に所定の硬質膜を少なくとも１層被覆したものである。前記基材としては、切削工具の基材として用いることができる各種の公知の材料を用いることができ、例えばアルミナ質焼結体、窒化珪素質焼結体、サーメット、超硬合金、立方晶窒化ホウ素質焼結体（ＣＢＮ／ｃｕｂｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）、ダイヤモンド焼結体（ＰＣＤ／Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｄｉａｍｏｎｄ）等が好適に使用できる。また、前記超硬合金は、Ｋ種超硬合金（ＷＣ−Ｃｏ系）あるいはＭ種、Ｐ種超硬合金（ＷＣ−β−Ｃｏ系）のいずれでもよく、ＷＣの平均粒径は０．１〜２．０μｍであるのが好ましい。
【００１８】
前記硬質膜は、周期律表４ａ，５ａ，６ａ族金属、ＡｌおよびＳｉから選ばれる少なくとも１種の金属元素の炭化物、窒化物、硼化物、酸化物またはこれらの複合化合物からなり、前記複合化合物としては、例えば炭窒化物、炭酸窒化物や、金属間化合物等が挙げられる。具体例としては、例えばＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ、Ａｌ2Ｏ3等が挙げられる。
【００１９】
ここで、前記硬質膜としてＴｉを含有する場合には、（Ｔｉ1-xＭx）（ＣyＮ1-y）（ただし、ＭはＴｉを除く周期律表第４ａ、５ａおよび６ａ族金属元素、ＡｌおよびＳｉの群から選ばれる１種以上、０．１≦ｘ＜０．６５，０≦ｙ≦１）の割合で含有しているのがよい。この範囲であれば、硬質膜の硬度が高くて耐摩耗性が高く、かつ、切削時に切刃が剥離することを抑制できる。
【００２０】
前記硬質膜は、前記基材の表面に少なくとも１層が被覆されていればよいが、被削材や切削加工の条件に応じて２層以上を積層したものであってもよい。また、前記硬質膜は、硬質膜の表面性状の制御が可能な点、および切削に際して耐摩耗性、耐欠損性のバランスがよい点で、総膜厚が０．１〜１０μｍであるのが好ましい。ここで、総膜厚の特に望ましい範囲は、０．５〜１．５μｍである。
【００２１】
さらに前記硬質膜は、物理蒸着法（ＰＶＤ）で成膜されたものであるのがよい。物理蒸着法で成膜された硬質膜は、その表面に粗大粒子が多く付着するので、耐摩耗性、耐欠損性に優れた切削工具が得られる本発明が特に有効である。物理蒸着法として、特に、アークイオンプレーティング法が硬質膜の成膜方法として好適であるが、アークイオンプレーティング法にて作製した硬質膜中にはドロップレットが生成しやすい傾向にある。しかしながら、本発明によれば、硬質膜の表面を後述するブラスト条件で表面処理することによって、アークイオンプレーティング法にて作製した硬質膜であっても平滑な表面の硬質膜とすることができる。
【００２２】
切削工具の切刃部における前記硬質膜表面の面粗度は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で測定した値で、最大高さ（Ｒｚ）が１．０μｍ以下である。これにより、粗大粒子による影響がない切削工具とすることができる。これに対し、前記Ｒｚが１．０μｍを超えると、切削時に粗大粒子が硬質膜の表面から突出した状態となるために切削加工した被削材の仕上げ面が悪くなるとともに、硬質膜の部分的なチッピングが生じるおそれがある。本発明における前記Ｒｚは、硬質膜で被覆された切刃部におけるＪＩＳＢ０６０１−２００１で規定された最大高さを意味する。
【００２３】
前記硬質膜の表面における酸素量は４０原子％以下である。これにより、硬質膜表面が酸化されることによる硬質膜の部分的な剥離を防止できる。これに対し、前記酸素量が４０原子％を超えると、切削時に硬質膜の部分的な剥離が生じるおそれがある。前記硬質膜の表面における酸素量は、硬質膜の表面をＸ線光電子分光分析法（ＸＰＳ）により測定して得られる値である。前記硬質膜の表面における酸素量の望ましい範囲は２５原子％以下である。
【００２４】
本発明における硬質膜は、さらに、硬質膜が部分的に剥離することなく前記基材の表面に被着形成される。ここで、前記硬質膜は、前記基材のほぼ全面（例えば、成膜時に前記工具基体を保持する保持具が接触する部分以外）に形成されていてもよく、または硬質膜が切刃部を含む必要な任意の箇所のみに形成されていてもよい。硬質膜が部分的に剥離した状態とは、成膜された硬質膜中に硬質膜が欠如した部分がある状態を意味する。
【００２５】
前記硬質膜に存在する粗大粒子の存在割合は、１００μｍ四方あたり１〜１００個の割合で存在しているのが好ましい。これにより、質量の大きな粗大粒子が衝突する際に通常サイズのイオンが衝突するより大きな圧縮残留応力を内在させることができる結果、硬質膜の基体への付着力を高めることができる。
【００２６】
本発明における粗大粒子とは、硬質膜中（表面および内部を含む）に存在する粒径１μｍ以上の粒子のことを意味する。前記粗大粒子の大きさや硬質膜表面における付着数は、工具の硬質膜表面を電子顕微鏡で観察することにより求められる。なお、画像処理ソフトウェアを利用して自動的に前記粗大粒子の特定およびカウントを行ってもよい。電子顕微鏡像は、倍率が１０００〜５０００倍程度に調整すると観察が容易であり、１００μｍ四方が見渡せるように顕微鏡像を調整する。場合によっては複数枚の写真を並べて観察してもよい。そして、この顕微鏡像内に存在する直径１μｍ以上の粗大粒子数をカウントする。この際、直径１μｍ未満の付着粒子については、切削工具としての性能に影響しないので粗大粒子とせずカウントから除外する。なお、上記粗大粒子の直径は各粒子内に引ける線分のうち長さが最大となる線分長さを指す。
【００２７】
前記硬質膜には、０．１〜３．０ＧＰａの圧縮残留応力が存在するのが好ましく、さらに、前記硬質膜の表面における圧縮残留応力が、前記硬質膜の中間厚み部における圧縮残留応力よりも大きいのが好ましい。これにより、硬質膜の基材表面への被着力を高めることができる。前記硬質膜の表面における圧縮残留応力は１．５〜３．０ＧＰａであり、前記硬質膜の中間厚み部における圧縮残留応力は０．１〜２．０ＧＰａであるのが好ましく、これらの範囲内で硬質膜の表面および中間厚み部における圧縮残留応力が上記の関係となるのが好ましい。本発明における前記圧縮残留応力は、前記硬質膜についてＸ線回折を用いた２θ―ｓｉｎ2ψ法により測定して得られる値である。また、硬質膜に圧縮残留応力を前記範囲内、前記関係で付与する手段としては、特に、後述する硬質膜のブラスト研摩処理により制御することができる。
【００２８】
また、上記基材の形状は、すくい面と逃げ面との交差稜線を切刃として具備するものである。そして、本発明によれば、前記逃げ面の面粗度Ｒｚfが、前記すくい面の面粗度Ｒｚrよりも滑らかであることが、加工時の仕上げ面粗度を平滑にすることができ、かつ切屑が排出される際の摩擦で硬質膜表面の温度が上がって硬質膜が摩耗しやすいすくい面においては、後述する表面処理量を逃げ面に比べて相対的に少なくし、すくい面における硬質膜の膜厚を厚くして、硬質膜が摩滅して工具寿命となることを防止できる。
【００２９】
特に、すくい面と逃げ面における硬質膜の最適な構成に対して、前記逃げ面の面粗度Ｒｚfと、前記すくい面の面粗度Ｒｚrとの比率（Ｒｚf／Ｒｚr）が０．３〜０．８であることが望ましい。
【００３０】
上述した本発明の表面被覆切削工具は、耐摩耗性および耐欠損性に優れているので、例えばエンドミル、フライス、ドリル、ドリルビット等の切削工具として使用することができるが、特に、図１に示すような回転中心軸Ａを有する軸状をなし、先端に底刃１を側方に側面刃２を備えた複雑な形状をなして、部分的に耐摩耗性が重視される部分と、耐欠損性が重視される部分とが混在するとともに、加工精度と切刃の安定性を要求され、長時間の加工に使用されるエンドミル３用途に好適である。なお、図１において側面刃２の後端にはシャンク４が形成されている。
【００３１】
この場合、底刃１の逃げ面における面粗度ＲｚfBが、側面刃２の逃げ面の面粗度ＲｚfFよりも滑らかであることが、回転速度が遅くて切削抵抗が大きく欠損しやすい底刃１における切削抵抗を低減できるとともに、回転速度が速くて摩耗しやすい側面刃２において硬質膜の膜厚を維持して耐摩耗性を向上できるという効果が発揮される点で望ましい。
【００３２】
なお、底刃１と側面刃２の逃げ面における硬質膜の最適な構成に対して、底刃１の逃げ面における面粗度ＲｚfBと、側面刃２の逃げ面の面粗度ＲｚfFとの比率（ＲｚfB／ＲｚfF）が０．３〜０．８であることが望ましい。
【００３３】
＜表面被覆切削工具の製造方法＞
本発明における表面被覆切削工具の製造方法は、前記した基材の表面に、前記した硬質膜をアーク放電やグロー放電を用いて原料合金（ターゲット）を蒸発させ、これをイオン化し基体表面に堆積させることによって成膜するイオンプレーティング、スパッタリングイオンをターゲット表面にたたきつけることでターゲット表面の金属をイオンとして飛散させ、これを基体表面に堆積させて成膜するスパッタリング等の物理蒸着法（ＰＶＤ）により少なくとも１層被覆する。
【００３４】
物理蒸着法（ＰＶＤ）による成膜条件の一例として、具体的には、具体的には、アークイオンプレーティング法にて、成膜温度４５０〜５５０℃、バイアス電圧１５〜５０Ｖ、アーク電流１００〜１５０Ａの条件で成膜するのがよい。この条件によれば、前記硬質膜に存在する粒径１μｍ以上の粗大粒子の存在割合を、１００μｍ四方あたり１〜１００個の割合に制御することができる。その後、前記硬質膜の表面に対して湿式ブラスト法による表面処理を行う。この時、前記混合物を前記硬質膜の表面に衝突させる条件は、吐出圧力が０．１〜０．６ＭＰａとなるように制御する。
【００３５】
なお、上記圧縮空気の圧力は、前記した範囲の突出圧力が得られる圧力であればよい。ここで、前記吐出圧力が０．１ＭＰａ未満であると、粗大粒子の突出部を除去するのが困難であり、吐出圧力が０．６ＭＰａを超えると、硬質膜が部分的に剥離するおそれがある。
【００３６】
また、前記湿式ブラスト法は、具体的には、セラミック砥粒を混合した溶液と圧縮空気とを混合した混合物（スラリー）を、前記硬質膜の表面に衝突させる。前記セラミック砥粒としては、例えばアルミナ等が挙げられる。前記セラミック砥粒の平均粒径は１〜１００μｍである。セラミック砥粒の平均粒径が１μｍ未満であると、硬質膜表面の粗大粒子の突出部を除去するのが困難であり、セラミック砥粒の平均粒径が１００μｍを超えると、硬質膜表面の面粗度が荒れるとともに硬質膜が部分的に剥離するおそれがある。
【００３７】
これにより、成膜した硬質膜が部分的に剥離することなく、かつ硬質膜表面における酸化量を４０原子％以下に維持した状態で、成膜時に発生した前記粗大粒子の存在に起因する硬質膜表面の凹凸をなくすことができる。また、上記条件のブラスト処理によって硬質膜に所定の圧縮残留応力を付与することができる。
【００３８】
前記溶液の溶剤としては、例えば水、植物油、鉱物油等が挙げられる。本発明では、特に、前記溶剤としてブラスト時の研磨具合を加味すると水を用いるのが好ましい。前記溶液は、前記セラミック砥粒を溶液総量に対して５〜５０重量％の割合で含有した溶液であるのがよい。これにより、効率よく粗大粒子を除去することができる。また、水を使うことにより安全性が高く、かつ廃液処理が容易であるとの利点もある。
【００３９】
また、前記ブラスト処理に際して、切刃の向きに対して逃げ面側に０〜４５°の角度θで衝突させるように前記セラミック砥粒含む混合物の吐出角度を制御するように、前記混合物が吐出するノズル位置が制御されているのがよい。これにより、切削工具のすくい面、切刃および逃げ面における表面研磨量を所定の範囲に制御することができる。また、砥粒を液体に分散させているため、砥粒衝突時の発熱を効率よく除去するとともに、砥粒や砥粒の衝突により除去された破片を効率よく洗い流すことができて、効率よく粗大粒子を除去することができる。
【００４０】
なお、本発明における切刃の向きとは、切刃を含む断面図である図２に示すように、すくい面５の延長線Ｌ1と逃げ面６の延長線Ｌ2との中間に引いた直線Ｌ3方向（延長線Ｌ1と直線Ｌ3とのなす角と、延長線Ｌ2と直線Ｌ3とのなす角度が同じ）を指す。そして、切刃の向き（直線Ｌ3方向）に対する逃げ面６側へ角度θだけ傾けた方向Ｌ4からブラスト用のスラリーを吐出することが望ましい。
【００４１】
ちなみに、図２において、すくい面５は切刃に隣接したランド面５ａと該ランド面５ａに隣接したブレーカ面５ｂとからなっており、前述のすくい面５の延長線Ｌ1は、ランド面５ａの延長線に相当するものである。
【００４２】
さらに、本発明によれば、ソリッドドリルやソリッドエンドミルのような複雑形状の製品、特に回転軸を有する軸状の製品に対して、例えばソリッドエンドミルの場合、主として底刃をブラストするためにエンドミルの先端方向から前記ブラスト用のスラリーを吐出するノズルと、主として側面刃をブラストするためにエンドミルの側方から前記スラリーを吐出する少なくとも１つのノズルと、のように複数のノズルを用いて複数方向からブラストすることが望ましい。
【００４３】
以下、実施例および比較例を挙げて本発明の表面被覆切削工具およびその製造方法について、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。
【００４４】
［実施例］
＜表面被覆切削工具の作製＞
平均粒径１．０μｍのＷＣ粒子をＣｏにて結合した超硬合金からなる刃径２ｍｍのスクエアエンドミルの表面に、アークイオンプレーティング法にて（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ硬質膜を膜厚１．５μｍで成膜した。前記アークイオンプレーティング法の条件は、蒸発金属ターゲットにはＴｉ−Ａｌ合金［Ｔｉ：Ａｌ＝５０：５０（原子比）］を、原料ガスは窒素ガスは圧力４Ｐａ（流量１０００ｍｌ／分）、成膜温度５００℃、バイアス電圧３０Ｖ、バイアス電流１２０Ａとした。
【００４５】
ついで、前記硬質膜が被覆したエンドミルについて、表１に示す研磨条件で表面処理し、表面被覆切削工具を作製した（表１の試料Ｎｏ．１〜４）。なお、表１中において、「圧力」とは、セラミック砥粒を混合した溶液と圧縮空気とを混合した混合物（スラリー）を上記硬質膜に吐出する際の圧力を意味し、「粒径」はセラミック砥粒の平均粒径を意味する。また、前記溶液のうち、溶剤は水を用い、前記セラミック砥粒を溶液総量に対して２５重量％の割合で含有した。スクエアエンドミルをブラストする場合、スラリーを吐出するノズルをエンドミルの先端方向と側方１箇所以上の２箇所以上とし、いずれもノズルの向きが表１に示す吐出角度θとなるように調整した。そして、エンドミルを回転させながらブラスト処理を行った。
【００４６】
上記で得られた表面被覆切削工具について、硬質膜表面の面粗度、酸素量、研磨後の剥離箇所、圧縮残留応力および粗大粒子の存在割合を測定した。各測定方法を以下に示す。
＜測定方法＞
（硬質膜表面の面粗度）
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて、切刃の向き（直線Ｌ３方向）が真上を向くように冶具で固定し、上記で得られた切削工具の硬質膜表面における切刃領域（切刃部）の最大高さ表面粗さ（Ｒｚ）を５０×５０μｍの視野に設定して測定した。その結果を、表１に「表面粗さ」として示す。
【００４７】
（硬質膜表面の酸素量）
上記で得られた切削工具切刃稜線部の硬質膜表面における酸素含有量を、Ｘ線光電子分光分析法（ＸＰＳ）にて以下の条件にて測定した。その結果を、表１に「酸素含有量」として示す。
Ｘ線源 ：モノクロＡｌ Ｋα（出力１０Ｗ、加速電圧１５ｋＶ）
測定領域：約５０μｍφ
パスエネルギー：５８．７０ｅＶ
ステップサイズ：０．１２５ｅＶ
【００４８】
（研磨後の剥離箇所）
研摩工程後の切削工具切れ刃部、特に稜線部を、倍率１０〜１００倍程度の実体顕微鏡、もしくは倍率３０〜５００倍程度の走査型電子顕微鏡で観察し、剥離の有無を確認した。
【００４９】
（硬質膜の圧縮残留応力）
上記で得られた切削工具の硬質膜の圧縮残留応力を、Ｘ線回折測定による２θ―ｓｉｎ2ψ法によって測定した。また、硬質膜の中間部の残留応力を測定する際は、電解研磨により硬質膜を中間部まで研磨した状態で上記方法によって測定した。なお、Ｘ線回折測定では、管球にＣｕを用い、高角度側のピーク（Ｃｕ管球の場合回折角度２θで１００°以上）のピークを用いて測定した。その結果を、表１に「残留応力」として示す。
【００５０】
（硬質膜表面の粗大粒子の存在割合）
上記で得られた切削工具の硬質膜表面を、走査型電子顕微鏡を用いて倍率５００倍で観察し、１００μｍ四方の面積における硬質膜の粗大粒子の数を測定したところ、各試料で５０個であった。なお、粗大粒子は硬質膜表面において突出部が除去されているのが確認できた。
【００５１】
［比較例］
硬質膜を表１に示す研磨条件で表面処理した以外は、実施例１〜４と同様にして、表面被覆切削工具を作製した（表１の試料Ｎｏ．５〜８）。ついで、得られた表面被覆切削工具について、実施例１〜４と同様にして、硬質膜表面の面粗度、酸素量、研磨後の剥離箇所、圧縮残留応力および粗大粒子の存在割合を測定した。その測定結果を表１に併せて示す。なお、硬質膜の粗大粒子の数は、各試料で１００μｍ四方あたり５０個であった。
【００５２】
ついで、上記実施例および比較例の各表面被覆切削工具について、切削試験として耐摩耗性および耐欠損性について評価を実施した。各特性の評価方法を以下に示すと共に、その評価結果を表１に併せて示す。
【００５３】
＜評価方法＞
（摩耗試験）
切削方法：肩加工
被削材 ：ＳＫＤ１１
切削速度：４５ｍ／分 回転数：７２００回転／分
テーブル送り：１１０ｍ／分
切込み ：ｄ＝３．０ｍｍ、ｗ＝０．１ｍｍ
切削状態：湿式
評価方法：３０分間切削を行った後の逃げ面の摩耗幅を測定した。
【００５４】
（折損試験）
切削方法：肩加工（マシニングセンター）
被削材 ：ＳＫＤ１１
切削速度：３０ｍ／分
送り ：２００ｍｍ／分
切込み ：ｄ＝３．０ｍｍ、ｗ＝０．３ｍｍ
切削状態：湿式
評価方法：エンドミルが欠損するまでに刃先にかかった衝撃回数を測定した。また、衝撃回数が１０００回の時の刃先状態を工具顕微鏡にて確認した。
【００５５】
【表１】
表１から明らかなように、実施例の表面被覆切削工具は、比較例に対して、耐摩耗性および耐欠損性に優れているのがわかる。また、実施例の表面被覆切削工具は、研磨後に硬質膜の剥離が生じなかった。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の表面被覆切削工具の好適例であるソリッドエンドミル（スクエアエンドミル）を示す概略側面図である。
【図２】本発明における切刃の向きを説明するための図（本発明の表面被覆切削工具の切刃を含む断面模式図）である。
【符号の説明】
【００５７】
１ 底刃
２ 側面刃
３ ソリッドエンドミル（スクエアエンドミル）
４ シャンク
５ すくい面
５ａ ランド面
５ｂ ブレーカ面
６ 逃げ面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材の表面を硬質膜で被覆した表面被覆切削工具およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、切削工具の耐摩耗性、耐欠損性等を改善するため、ＴｉＣ、ＴｉＮ、Ａｌ2Ｏ3等の硬質膜を基材の表面に被覆した表面被覆切削工具が知られている。また、前記硬質膜としては、近年の加工速度の高速化やステンレス鋼等の難削材への対応要求より、特に耐熱性、耐酸化性および硬度に優れた（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ膜が多用されている。
【０００３】
前記硬質膜の成膜方法の一つとして、物理蒸着法（以下ＰＶＤと称す）が工業的に広く利用されている。ＰＶＤ法は、陰極に蒸発源となる金属物質を取り付け、アーク放電、グロー放電や、スパッタリングイオンの照射等によって前記金属物質を蒸発およびイオン化させ、この金属物質のイオンと装置内に導入した窒素ガスや炭素含有ガス（メタンやアセチレンなど）、酸素ガスとを反応させることで、金属窒化物、金属炭化物、金属酸化物等の薄膜を基材の表面に成膜させる方法である。
【０００４】
ＰＶＤ法は、蒸発源になる金属物質の組成を変えることで複合金属組成の成膜が可能であり、さらに、蒸発源は全体として固体状態を保持するので立体的に配置できる。その結果、処理空間の効率的な利用が可能となり、成膜時間も短縮できるという利点を有する。ところが、ＰＶＤ法により成膜した硬質膜の表面には、マクロパーティクルやドロップレットと呼ばれる金属元素の粗大粒子が付着することが知られている。この粗大粒子は、蒸発源表面の局部的にアーク放電やグロー放電等が集中して粗大蒸発粒子が生成し、それが被覆層の表面に付着、堆積して残存したものである。このような金属元素の粗大粒子の大きさは、数μｍから数十μｍに達することがある。
【０００５】
一方、切削加工は切削工具の表面形状を被削材に転写していく加工法であるため、粗大粒子の付着による切削工具表面の面粗度の悪化は、被削材の表面精度の低下につながる。また、切削の初期段階において、硬質膜表面から突出した前記粗大粒子が硬質膜表面から脱粒することにより、硬質膜表面に大きな凹凸が生成し、切削抵抗が増大し、被削材の表面精度が低下し、バリが発生するという問題がある。さらに、切刃表面に粗大粒子が突出して表面の凹凸が大きくなり切削抵抗が増大すると、硬質膜が基材表面から部分的に剥離しやすく、その結果、切削工具の耐摩耗性、耐欠損性が低下するという問題がある。このため、硬質膜表面を表面処理して上記金属元素の粗大粒子を除去する必要がある。
【０００６】
特許文献１には、アークイオンプレーティング法により成膜した硬質膜の表面に対してバレル法等によって表面処理を行い、硬質膜表面のマクロ粒子（ドロップレット）を選択的に取り除いて、ドロップレットが実質的に突出しておらずかつ所定の深さのクレーターを有する硬質膜が表面に形成された硬質膜被覆切削工具が記載されている。しかしながら、この文献に記載されるように、ドロップレットを硬質膜表面から全て除去するような条件での表面処理では、硬質膜表面にドロップレットの除去跡（クレーター）が残ってしまい、加工面粗度が悪くなるという問題がある。また、切削工具の切刃部に部分的なクレーターが生じると切削抵抗の増大につながり、摩耗が進行したりチッピングや突発欠損が発生したりする恐れがある。さらに、切削工具のすくい面に部分的な剥離が生じると、切屑の流れが各切刃間で異なり、切削性能にバラツキが生じると共に、外観の美観も損なわれる。
【０００７】
特許文献２には、基材の表面に、ＴｉＡｌＮ系の硬質被膜を形成した切削工具において、成膜条件と成膜時間を制御することによって、前記硬質被膜に存在する膜厚以上の大きさを持った粗大粒子が５面積％以下で、かつ硬質膜の表面粗さが小さい切削工具が記載されている。しかしながら、基体表面の平坦な部分では表面粗さが小さくなるものの、切刃部においてはエッジ効果によって大きなドロップレットが生成してしまい工具寿命には限界があった。
【０００８】
特許文献３には、基体表面にＰＶＤコーティング（硬質膜）を成膜した後、前記硬質層の表面を、粒子サイズが１μｍ〜１００μｍの無機ブラスティング剤を使用してブラストする方法が記載されている。
【０００９】
しかしながら、無機ブラスティング剤を用いたブラスト法であっても通常のブラスト条件、特に乾式ブラスト法のような厳しい加工条件で研削すると、研削部分の表面が局所的に高温、高圧になり、硬質膜の表面が酸化されるという問題がある。硬質膜の表面が酸化されると、硬質膜が部分的に脆化し、その結果、硬質膜が部分的に剥離する。
【００１０】
【特許文献１】特開平０７−１５７８６２号公報
【特許文献２】特開２００２−３４６８１２号公報
【特許文献３】特表２００３−５００２３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の課題は、耐摩耗性、耐欠損性に優れた表面被覆切削工具およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、基材の表面に所定の硬質膜を少なくとも１層被覆した表面被覆切削工具において、切刃部における前記硬質膜表面の面粗度、および基材表面における前記硬質膜表面の酸素量が所定の値である構成とすることによって、耐摩耗性、耐欠損性に優れた表面被覆切削工具が得られるという新たな知見を見出し、本発明を完成するに至った。
【００１３】
すなわち、本発明における表面被覆切削工具は、以下の構成からなる。
（１）すくい面と逃げ面との交差稜線を切刃として具備する基材の表面に、周期律表４ａ，５ａ，６ａ族金属、ＡｌおよびＳｉから選ばれる少なくとも１種の金属元素の炭化物、窒化物、硼化物、酸化物またはこれらの複合化合物からなる硬質膜を少なくとも１層被覆した表面被覆切削工具であって、切刃部における前記硬質膜表面の面粗度は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で測定した最大高さ（Ｒｚ）が１．０μｍ以下であり、前記硬質膜表面の酸素量は４０原子％以下であることを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記硬質膜は、膜厚が０．１〜１０μｍであり、かつアークイオンプレーティング法で成膜されたものである前記（１）記載の表面被覆切削工具。
（３）前記硬質膜に、長さ１μｍ以上の粗大粒子が１００μｍ四方あたり１〜１００個の割合で存在している前記（１）または（２）記載の表面被覆切削工具。
（４）前記硬質膜の表面に０．１〜３．０ＧＰａの圧縮残留応力が存在する前記（１）〜（３）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
（５）前記硬質膜の表面における圧縮残留応力が、前記硬質膜の中間厚み部における圧縮残留応力よりも大きい前記（４）記載の表面被覆切削工具。
（６）前記逃げ面の面粗度Ｒｚfが、前記すくい面の面粗度Ｒｚrよりも滑らかである前記（１）〜（５）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
（７）前記逃げ面の面粗度Ｒｚfと、前記すくい面の面粗度Ｒｚrとの比率（Ｒｚf／Ｒｚr）が０．３〜０．８である前記（６）記載の表面被覆切削工具。
（８）回転中心軸を有する軸状をなし、先端に底刃を、側方に側面刃を備えたソリッドエンドミルである前記（１）〜（７）のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
（９）前記底刃の逃げ面における面粗度ＲｚfBが、前記側面刃の逃げ面の面粗度ＲｚfFよりも滑らかである前記（８）記載の表面被覆切削工具。
（１０）前記底刃の逃げ面における面粗度ＲｚfBと、前記側面刃の逃げ面の面粗度ＲｚfFとの比率（ＲｚfB／ＲｚfF）が０．３〜０．８である前記（８）または（９）記載の表面被覆切削工具。
【００１４】
本発明における表面被覆切削工具の製造方法は、以下の構成からなる。
（１１）すくい面と逃げ面との交差稜線を切刃として具備する基材の表面に、周期律表４ａ，５ａ，６ａ族金属、ＡｌおよびＳｉから選ばれる少なくとも１種の金属元素の炭化物、窒化物、硼化物、酸化物またはこれらの複合化合物からなる硬質膜を物理蒸着法により少なくとも１層被覆した後、前記硬質膜の表面に対して、平均粒径１〜１００μｍのセラミック砥粒溶液と圧縮空気との混合物を、吐出圧力０．１〜０．６ＭＰａで前記硬質膜の表面に衝突させる湿式ブラスト法によって表面処理を行うことを特徴とする表面被覆切削工具の製造方法。
（１２）前記混合物を前記硬質膜の切刃の向きに対して０〜４５°の角度で衝突させるように前記セラミック砥粒を含む混合物の吐出角度を制御する前記（１１）記載の表面被覆切削工具の製造方法。
（１３）成膜方法がアークイオンプレーティング法である前記（１１）または（１２）に記載の表面被覆切削工具の製造方法。
【発明の効果】
【００１５】
上記（１）〜（３）によれば、硬質膜表面に付着した金属元素の粗大粒子や硬質膜表面が酸化されることなく、かつ硬質膜が部分的に剥離することなく硬質膜表面に付着した粗大粒子を除去して硬質膜表面を平滑化でき、切刃における被削材の溶着を防止できるので、耐摩耗性、耐欠損性に優れた表面被削工具が得られるという効果がある。上記（４），（５）によれば、硬質膜の基材表面への被着力を高めることができる。また、上記（６），（７）によれば、工具の逃げ面の面粗度を平滑化することによって加工時の仕上げ面粗度を平滑にすることができ、かつ切屑が排出される際の摩擦で硬質膜表面の温度が上がって硬質膜が摩耗しやすいすくい面においては逃げ面に比べて表面処理の度合いを小さくすることによってすくい面における硬質膜の膜厚を厚くして、硬質膜が摩滅して工具寿命となることを防止できる。さらに、上記構成の表面被覆切削工具は、（８）の構成の複雑な形状であり機能の異なる複数の切刃を有するソリッドエンドミルに適応した際に特に優れた効果を発揮する。特に、（８）のエンドミルにおいて、（９），（１０）の構成とすることにより、回転速度が遅くて切削抵抗が大きく欠損しやすい底刃における切削抵抗を低減できるとともに、回転速度が速くて摩耗しやすい側面刃において硬質膜の膜厚を維持して耐摩耗性を向上できるという効果が発揮される。
【００１６】
上記（１１）〜（１３）によれば、物理蒸着法で成膜した硬質膜を、所定条件の湿式ブラスト法により表面処理するので、物理蒸着法で発生した金属元素の粗大粒子による硬質膜表面の凹凸を除去でき、その結果、硬質膜表面の面粗度が改善されると共に、硬質膜表面が酸化されたり、部分的に剥離することがなく、耐摩耗性、耐欠損性に優れた表面被覆切削工具を製造することができる。しかも、かかる処理によって前記硬質膜に所定の圧縮残留応力を付与できて、硬質膜の耐欠損性をさらに高めることができる。特に、上記（１３）の成膜方法では、成膜後、硬質膜の表面に粗大粒子が突出した状態となりやすいものであるが、本発明によれば、このような（１３）にて成膜した硬質膜であっても、硬質膜の表面状態を適正な状態に処理することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
＜表面被覆切削工具＞
本発明の表面被覆切削工具は、基材の表面に所定の硬質膜を少なくとも１層被覆したものである。前記基材としては、切削工具の基材として用いることができる各種の公知の材料を用いることができ、例えばアルミナ質焼結体、窒化珪素質焼結体、サーメット、超硬合金、立方晶窒化ホウ素質焼結体（ＣＢＮ／ｃｕｂｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）、ダイヤモンド焼結体（ＰＣＤ／Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｄｉａｍｏｎｄ）等が好適に使用できる。また、前記超硬合金は、Ｋ種超硬合金（ＷＣ−Ｃｏ系）あるいはＭ種、Ｐ種超硬合金（ＷＣ−β−Ｃｏ系）のいずれでもよく、ＷＣの平均粒径は０．１〜２．０μｍであるのが好ましい。
【００１８】
前記硬質膜は、周期律表４ａ，５ａ，６ａ族金属、ＡｌおよびＳｉから選ばれる少なくとも１種の金属元素の炭化物、窒化物、硼化物、酸化物またはこれらの複合化合物からなり、前記複合化合物としては、例えば炭窒化物、炭酸窒化物や、金属間化合物等が挙げられる。具体例としては、例えばＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ、Ａｌ2Ｏ3等が挙げられる。
【００１９】
ここで、前記硬質膜としてＴｉを含有する場合には、（Ｔｉ1-xＭx）（ＣyＮ1-y）（ただし、ＭはＴｉを除く周期律表第４ａ、５ａおよび６ａ族金属元素、ＡｌおよびＳｉの群から選ばれる１種以上、０．１≦ｘ＜０．６５，０≦ｙ≦１）の割合で含有しているのがよい。この範囲であれば、硬質膜の硬度が高くて耐摩耗性が高く、かつ、切削時に切刃が剥離することを抑制できる。
【００２０】
前記硬質膜は、前記基材の表面に少なくとも１層が被覆されていればよいが、被削材や切削加工の条件に応じて２層以上を積層したものであってもよい。また、前記硬質膜は、硬質膜の表面性状の制御が可能な点、および切削に際して耐摩耗性、耐欠損性のバランスがよい点で、総膜厚が０．１〜１０μｍであるのが好ましい。ここで、総膜厚の特に望ましい範囲は、０．５〜１．５μｍである。
【００２１】
さらに前記硬質膜は、物理蒸着法（ＰＶＤ）で成膜されたものであるのがよい。物理蒸着法で成膜された硬質膜は、その表面に粗大粒子が多く付着するので、耐摩耗性、耐欠損性に優れた切削工具が得られる本発明が特に有効である。物理蒸着法として、特に、アークイオンプレーティング法が硬質膜の成膜方法として好適であるが、アークイオンプレーティング法にて作製した硬質膜中にはドロップレットが生成しやすい傾向にある。しかしながら、本発明によれば、硬質膜の表面を後述するブラスト条件で表面処理することによって、アークイオンプレーティング法にて作製した硬質膜であっても平滑な表面の硬質膜とすることができる。
【００２２】
切削工具の切刃部における前記硬質膜表面の面粗度は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で測定した値で、最大高さ（Ｒｚ）が１．０μｍ以下である。これにより、粗大粒子による影響がない切削工具とすることができる。これに対し、前記Ｒｚが１．０μｍを超えると、切削時に粗大粒子が硬質膜の表面から突出した状態となるために切削加工した被削材の仕上げ面が悪くなるとともに、硬質膜の部分的なチッピングが生じるおそれがある。本発明における前記Ｒｚは、硬質膜で被覆された切刃部におけるＪＩＳＢ０６０１−２００１で規定された最大高さを意味する。
【００２３】
前記硬質膜の表面における酸素量は４０原子％以下である。これにより、硬質膜表面が酸化されることによる硬質膜の部分的な剥離を防止できる。これに対し、前記酸素量が４０原子％を超えると、切削時に硬質膜の部分的な剥離が生じるおそれがある。前記硬質膜の表面における酸素量は、硬質膜の表面をＸ線光電子分光分析法（ＸＰＳ）により測定して得られる値である。前記硬質膜の表面における酸素量の望ましい範囲は２５原子％以下である。
【００２４】
本発明における硬質膜は、さらに、硬質膜が部分的に剥離することなく前記基材の表面に被着形成される。ここで、前記硬質膜は、前記基材のほぼ全面（例えば、成膜時に前記工具基体を保持する保持具が接触する部分以外）に形成されていてもよく、または硬質膜が切刃部を含む必要な任意の箇所のみに形成されていてもよい。硬質膜が部分的に剥離した状態とは、成膜された硬質膜中に硬質膜が欠如した部分がある状態を意味する。
【００２５】
前記硬質膜に存在する粗大粒子の存在割合は、１００μｍ四方あたり１〜１００個の割合で存在しているのが好ましい。これにより、質量の大きな粗大粒子が衝突する際に通常サイズのイオンが衝突するより大きな圧縮残留応力を内在させることができる結果、硬質膜の基体への付着力を高めることができる。
【００２６】
本発明における粗大粒子とは、硬質膜中（表面および内部を含む）に存在する粒径１μｍ以上の粒子のことを意味する。前記粗大粒子の大きさや硬質膜表面における付着数は、工具の硬質膜表面を電子顕微鏡で観察することにより求められる。なお、画像処理ソフトウェアを利用して自動的に前記粗大粒子の特定およびカウントを行ってもよい。電子顕微鏡像は、倍率が１０００〜５０００倍程度に調整すると観察が容易であり、１００μｍ四方が見渡せるように顕微鏡像を調整する。場合によっては複数枚の写真を並べて観察してもよい。そして、この顕微鏡像内に存在する直径１μｍ以上の粗大粒子数をカウントする。この際、直径１μｍ未満の付着粒子については、切削工具としての性能に影響しないので粗大粒子とせずカウントから除外する。なお、上記粗大粒子の直径は各粒子内に引ける線分のうち長さが最大となる線分長さを指す。
【００２７】
前記硬質膜には、０．１〜３．０ＧＰａの圧縮残留応力が存在するのが好ましく、さらに、前記硬質膜の表面における圧縮残留応力が、前記硬質膜の中間厚み部における圧縮残留応力よりも大きいのが好ましい。これにより、硬質膜の基材表面への被着力を高めることができる。前記硬質膜の表面における圧縮残留応力は１．５〜３．０ＧＰａであり、前記硬質膜の中間厚み部における圧縮残留応力は０．１〜２．０ＧＰａであるのが好ましく、これらの範囲内で硬質膜の表面および中間厚み部における圧縮残留応力が上記の関係となるのが好ましい。本発明における前記圧縮残留応力は、前記硬質膜についてＸ線回折を用いた２θ―ｓｉｎ2ψ法により測定して得られる値である。また、硬質膜に圧縮残留応力を前記範囲内、前記関係で付与する手段としては、特に、後述する硬質膜のブラスト研摩処理により制御することができる。
【００２８】
また、上記基材の形状は、すくい面と逃げ面との交差稜線を切刃として具備するものである。そして、本発明によれば、前記逃げ面の面粗度Ｒｚfが、前記すくい面の面粗度Ｒｚrよりも滑らかであることが、加工時の仕上げ面粗度を平滑にすることができ、かつ切屑が排出される際の摩擦で硬質膜表面の温度が上がって硬質膜が摩耗しやすいすくい面においては、後述する表面処理量を逃げ面に比べて相対的に少なくし、すくい面における硬質膜の膜厚を厚くして、硬質膜が摩滅して工具寿命となることを防止できる。
【００２９】
特に、すくい面と逃げ面における硬質膜の最適な構成に対して、前記逃げ面の面粗度Ｒｚfと、前記すくい面の面粗度Ｒｚrとの比率（Ｒｚf／Ｒｚr）が０．３〜０．８であることが望ましい。
【００３０】
上述した本発明の表面被覆切削工具は、耐摩耗性および耐欠損性に優れているので、例えばエンドミル、フライス、ドリル、ドリルビット等の切削工具として使用することができるが、特に、図１に示すような回転中心軸Ａを有する軸状をなし、先端に底刃１を側方に側面刃２を備えた複雑な形状をなして、部分的に耐摩耗性が重視される部分と、耐欠損性が重視される部分とが混在するとともに、加工精度と切刃の安定性を要求され、長時間の加工に使用されるエンドミル３用途に好適である。なお、図１において側面刃２の後端にはシャンク４が形成されている。
【００３１】
この場合、底刃１の逃げ面における面粗度ＲｚfBが、側面刃２の逃げ面の面粗度ＲｚfFよりも滑らかであることが、回転速度が遅くて切削抵抗が大きく欠損しやすい底刃１における切削抵抗を低減できるとともに、回転速度が速くて摩耗しやすい側面刃２において硬質膜の膜厚を維持して耐摩耗性を向上できるという効果が発揮される点で望ましい。
【００３２】
なお、底刃１と側面刃２の逃げ面における硬質膜の最適な構成に対して、底刃１の逃げ面における面粗度ＲｚfBと、側面刃２の逃げ面の面粗度ＲｚfFとの比率（ＲｚfB／ＲｚfF）が０．３〜０．８であることが望ましい。
【００３３】
＜表面被覆切削工具の製造方法＞
本発明における表面被覆切削工具の製造方法は、前記した基材の表面に、前記した硬質膜をアーク放電やグロー放電を用いて原料合金（ターゲット）を蒸発させ、これをイオン化し基体表面に堆積させることによって成膜するイオンプレーティング、スパッタリングイオンをターゲット表面にたたきつけることでターゲット表面の金属をイオンとして飛散させ、これを基体表面に堆積させて成膜するスパッタリング等の物理蒸着法（ＰＶＤ）により少なくとも１層被覆する。
【００３４】
物理蒸着法（ＰＶＤ）による成膜条件の一例として、具体的には、具体的には、アークイオンプレーティング法にて、成膜温度４５０〜５５０℃、バイアス電圧１５〜５０Ｖ、アーク電流１００〜１５０Ａの条件で成膜するのがよい。この条件によれば、前記硬質膜に存在する粒径１μｍ以上の粗大粒子の存在割合を、１００μｍ四方あたり１〜１００個の割合に制御することができる。その後、前記硬質膜の表面に対して湿式ブラスト法による表面処理を行う。この時、前記混合物を前記硬質膜の表面に衝突させる条件は、吐出圧力が０．１〜０．６ＭＰａとなるように制御する。
【００３５】
なお、上記圧縮空気の圧力は、前記した範囲の突出圧力が得られる圧力であればよい。ここで、前記吐出圧力が０．１ＭＰａ未満であると、粗大粒子の突出部を除去するのが困難であり、吐出圧力が０．６ＭＰａを超えると、硬質膜が部分的に剥離するおそれがある。
【００３６】
また、前記湿式ブラスト法は、具体的には、セラミック砥粒を混合した溶液と圧縮空気とを混合した混合物（スラリー）を、前記硬質膜の表面に衝突させる。前記セラミック砥粒としては、例えばアルミナ等が挙げられる。前記セラミック砥粒の平均粒径は１〜１００μｍである。セラミック砥粒の平均粒径が１μｍ未満であると、硬質膜表面の粗大粒子の突出部を除去するのが困難であり、セラミック砥粒の平均粒径が１００μｍを超えると、硬質膜表面の面粗度が荒れるとともに硬質膜が部分的に剥離するおそれがある。
【００３７】
これにより、成膜した硬質膜が部分的に剥離することなく、かつ硬質膜表面における酸化量を４０原子％以下に維持した状態で、成膜時に発生した前記粗大粒子の存在に起因する硬質膜表面の凹凸をなくすことができる。また、上記条件のブラスト処理によって硬質膜に所定の圧縮残留応力を付与することができる。
【００３８】
前記溶液の溶剤としては、例えば水、植物油、鉱物油等が挙げられる。本発明では、特に、前記溶剤としてブラスト時の研磨具合を加味すると水を用いるのが好ましい。前記溶液は、前記セラミック砥粒を溶液総量に対して５〜５０重量％の割合で含有した溶液であるのがよい。これにより、効率よく粗大粒子を除去することができる。また、水を使うことにより安全性が高く、かつ廃液処理が容易であるとの利点もある。
【００３９】
また、前記ブラスト処理に際して、切刃の向きに対して逃げ面側に０〜４５°の角度θで衝突させるように前記セラミック砥粒含む混合物の吐出角度を制御するように、前記混合物が吐出するノズル位置が制御されているのがよい。これにより、切削工具のすくい面、切刃および逃げ面における表面研磨量を所定の範囲に制御することができる。また、砥粒を液体に分散させているため、砥粒衝突時の発熱を効率よく除去するとともに、砥粒や砥粒の衝突により除去された破片を効率よく洗い流すことができて、効率よく粗大粒子を除去することができる。
【００４０】
なお、本発明における切刃の向きとは、切刃を含む断面図である図２に示すように、すくい面５の延長線Ｌ1と逃げ面６の延長線Ｌ2との中間に引いた直線Ｌ3方向（延長線Ｌ1と直線Ｌ3とのなす角と、延長線Ｌ2と直線Ｌ3とのなす角度が同じ）を指す。そして、切刃の向き（直線Ｌ3方向）に対する逃げ面６側へ角度θだけ傾けた方向Ｌ4からブラスト用のスラリーを吐出することが望ましい。
【００４１】
ちなみに、図２において、すくい面５は切刃に隣接したランド面５ａと該ランド面５ａに隣接したブレーカ面５ｂとからなっており、前述のすくい面５の延長線Ｌ1は、ランド面５ａの延長線に相当するものである。
【００４２】
さらに、本発明によれば、ソリッドドリルやソリッドエンドミルのような複雑形状の製品、特に回転軸を有する軸状の製品に対して、例えばソリッドエンドミルの場合、主として底刃をブラストするためにエンドミルの先端方向から前記ブラスト用のスラリーを吐出するノズルと、主として側面刃をブラストするためにエンドミルの側方から前記スラリーを吐出する少なくとも１つのノズルと、のように複数のノズルを用いて複数方向からブラストすることが望ましい。
【００４３】
以下、実施例および比較例を挙げて本発明の表面被覆切削工具およびその製造方法について、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。
【００４４】
［実施例］
＜表面被覆切削工具の作製＞
平均粒径１．０μｍのＷＣ粒子をＣｏにて結合した超硬合金からなる刃径２ｍｍのスクエアエンドミルの表面に、アークイオンプレーティング法にて（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ硬質膜を膜厚１．５μｍで成膜した。前記アークイオンプレーティング法の条件は、蒸発金属ターゲットにはＴｉ−Ａｌ合金［Ｔｉ：Ａｌ＝５０：５０（原子比）］を、原料ガスは窒素ガスは圧力４Ｐａ（流量１０００ｍｌ／分）、成膜温度５００℃、バイアス電圧３０Ｖ、バイアス電流１２０Ａとした。
【００４５】
ついで、前記硬質膜が被覆したエンドミルについて、表１に示す研磨条件で表面処理し、表面被覆切削工具を作製した（表１の試料Ｎｏ．１〜４）。なお、表１中において、「圧力」とは、セラミック砥粒を混合した溶液と圧縮空気とを混合した混合物（スラリー）を上記硬質膜に吐出する際の圧力を意味し、「粒径」はセラミック砥粒の平均粒径を意味する。また、前記溶液のうち、溶剤は水を用い、前記セラミック砥粒を溶液総量に対して２５重量％の割合で含有した。スクエアエンドミルをブラストする場合、スラリーを吐出するノズルをエンドミルの先端方向と側方１箇所以上の２箇所以上とし、いずれもノズルの向きが表１に示す吐出角度θとなるように調整した。そして、エンドミルを回転させながらブラスト処理を行った。
【００４６】
上記で得られた表面被覆切削工具について、硬質膜表面の面粗度、酸素量、研磨後の剥離箇所、圧縮残留応力および粗大粒子の存在割合を測定した。各測定方法を以下に示す。
＜測定方法＞
（硬質膜表面の面粗度）
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて、切刃の向き（直線Ｌ３方向）が真上を向くように冶具で固定し、上記で得られた切削工具の硬質膜表面における切刃領域（切刃部）の最大高さ表面粗さ（Ｒｚ）を５０×５０μｍの視野に設定して測定した。その結果を、表１に「表面粗さ」として示す。
【００４７】
（硬質膜表面の酸素量）
上記で得られた切削工具切刃稜線部の硬質膜表面における酸素含有量を、Ｘ線光電子分光分析法（ＸＰＳ）にて以下の条件にて測定した。その結果を、表１に「酸素含有量」として示す。
Ｘ線源 ：モノクロＡｌ Ｋα（出力１０Ｗ、加速電圧１５ｋＶ）
測定領域：約５０μｍφ
パスエネルギー：５８．７０ｅＶ
ステップサイズ：０．１２５ｅＶ
【００４８】
（研磨後の剥離箇所）
研摩工程後の切削工具切れ刃部、特に稜線部を、倍率１０〜１００倍程度の実体顕微鏡、もしくは倍率３０〜５００倍程度の走査型電子顕微鏡で観察し、剥離の有無を確認した。
【００４９】
（硬質膜の圧縮残留応力）
上記で得られた切削工具の硬質膜の圧縮残留応力を、Ｘ線回折測定による２θ―ｓｉｎ2ψ法によって測定した。また、硬質膜の中間部の残留応力を測定する際は、電解研磨により硬質膜を中間部まで研磨した状態で上記方法によって測定した。なお、Ｘ線回折測定では、管球にＣｕを用い、高角度側のピーク（Ｃｕ管球の場合回折角度２θで１００°以上）のピークを用いて測定した。その結果を、表１に「残留応力」として示す。
【００５０】
（硬質膜表面の粗大粒子の存在割合）
上記で得られた切削工具の硬質膜表面を、走査型電子顕微鏡を用いて倍率５００倍で観察し、１００μｍ四方の面積における硬質膜の粗大粒子の数を測定したところ、各試料で５０個であった。なお、粗大粒子は硬質膜表面において突出部が除去されているのが確認できた。
【００５１】
［比較例］
硬質膜を表１に示す研磨条件で表面処理した以外は、実施例１〜４と同様にして、表面被覆切削工具を作製した（表１の試料Ｎｏ．５〜８）。ついで、得られた表面被覆切削工具について、実施例１〜４と同様にして、硬質膜表面の面粗度、酸素量、研磨後の剥離箇所、圧縮残留応力および粗大粒子の存在割合を測定した。その測定結果を表１に併せて示す。なお、硬質膜の粗大粒子の数は、各試料で１００μｍ四方あたり５０個であった。
【００５２】
ついで、上記実施例および比較例の各表面被覆切削工具について、切削試験として耐摩耗性および耐欠損性について評価を実施した。各特性の評価方法を以下に示すと共に、その評価結果を表１に併せて示す。
【００５３】
＜評価方法＞
（摩耗試験）
切削方法：肩加工
被削材 ：ＳＫＤ１１
切削速度：４５ｍ／分 回転数：７２００回転／分
テーブル送り：１１０ｍ／分
切込み ：ｄ＝３．０ｍｍ、ｗ＝０．１ｍｍ
切削状態：湿式
評価方法：３０分間切削を行った後の逃げ面の摩耗幅を測定した。
【００５４】
（折損試験）
切削方法：肩加工（マシニングセンター）
被削材 ：ＳＫＤ１１
切削速度：３０ｍ／分
送り ：２００ｍｍ／分
切込み ：ｄ＝３．０ｍｍ、ｗ＝０．３ｍｍ
切削状態：湿式
評価方法：エンドミルが欠損するまでに刃先にかかった衝撃回数を測定した。また、衝撃回数が１０００回の時の刃先状態を工具顕微鏡にて確認した。
【００５５】
【表１】
表１から明らかなように、実施例の表面被覆切削工具は、比較例に対して、耐摩耗性および耐欠損性に優れているのがわかる。また、実施例の表面被覆切削工具は、研磨後に硬質膜の剥離が生じなかった。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の表面被覆切削工具の好適例であるソリッドエンドミル（スクエアエンドミル）を示す概略側面図である。
【図２】本発明における切刃の向きを説明するための図（本発明の表面被覆切削工具の切刃を含む断面模式図）である。
【符号の説明】
【００５７】
１ 底刃
２ 側面刃
３ ソリッドエンドミル（スクエアエンドミル）
４ シャンク
５ すくい面
５ａ ランド面
５ｂ ブレーカ面
６ 逃げ面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
すくい面と逃げ面との交差稜線を切刃として具備する基材の表面に、周期律表４ａ，５ａ，６ａ族金属、ＡｌおよびＳｉから選ばれる少なくとも１種の金属元素の炭化物、窒化物、硼化物、酸化物またはこれらの複合化合物からなる硬質膜を少なくとも１層被覆した表面被覆切削工具であって、
切刃部における前記硬質膜表面の面粗度は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で測定した最大高さ（Ｒｚ）が１．０μｍ以下であり、前記硬質膜表面の酸素量は４０原子％以下であることを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
前記硬質膜は、膜厚が０．１〜１０μｍであり、かつアークイオンプレーティング法で成膜されたものである請求項１記載の表面被覆切削工具。
【請求項３】
前記硬質膜に、長さ１μｍ以上の粗大粒子が１００μｍ四方あたり１〜１００個の割合で存在している請求項１または２記載の表面被覆切削工具。
【請求項４】
前記硬質膜に０．１〜３．０ＧＰａの圧縮残留応力が存在する請求項１〜３のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項５】
前記硬質膜の表面における圧縮残留応力が、前記硬質膜の中間厚み部における圧縮残留応力よりも大きい請求項４記載の表面被覆切削工具。
【請求項６】
前記逃げ面の面粗度Ｒｚfが、前記すくい面の面粗度Ｒｚrよりも滑らかである請求項１〜５のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項７】
前記逃げ面の面粗度Ｒｚfと、前記すくい面の面粗度Ｒｚrとの比率（Ｒｚf／Ｒｚr）が０．３〜０．８である請求項６記載の表面被覆切削工具。
【請求項８】
回転中心軸を有する軸状をなし、先端に底刃を、側方に側面刃を備えたソリッドエンドミルである請求項１〜７のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項９】
前記底刃の逃げ面における面粗度ＲｚfBが、前記側面刃の逃げ面の面粗度ＲｚfFよりも滑らかである請求項８記載の表面被覆切削工具。
【請求項１０】
前記底刃の逃げ面における面粗度ＲｚfBと、前記側面刃の逃げ面の面粗度ＲｚfFとの比率（ＲｚfB／ＲｚfF）が０．３〜０．８である請求項８または９記載の表面被覆切削工具。
【請求項１１】
すくい面と逃げ面との交差稜線を切刃として具備する基材の表面に、周期律表４ａ，５ａ，６ａ族金属、ＡｌおよびＳｉから選ばれる少なくとも１種の金属元素の炭化物、窒化物、硼化物、酸化物またはこれらの複合化合物からなる硬質膜を物理蒸着法により少なくとも１層被覆した後、前記硬質膜の表面に対して、平均粒径１〜１００μｍのセラミック砥粒溶液と圧縮空気との混合物を、吐出圧力０．１〜０．６ＭＰａで前記硬質膜の表面に衝突させる湿式ブラスト法によって表面処理を行うことを特徴とする表面被覆切削工具の製造方法。
【請求項１２】
前記混合物を前記硬質膜の切刃の向きに対して０〜４５°の角度で衝突させるように前記セラミック砥粒を含む混合物の吐出角度を制御する請求項１１記載の表面被覆切削工具の製造方法。
【請求項１３】
成膜方法がアークイオンプレーティング法である請求項１１または１２に記載の表面被覆切削工具の製造方法。
【請求項１】
すくい面と逃げ面との交差稜線を切刃として具備する基材の表面に、周期律表４ａ，５ａ，６ａ族金属、ＡｌおよびＳｉから選ばれる少なくとも１種の金属元素の炭化物、窒化物、硼化物、酸化物またはこれらの複合化合物からなる硬質膜を少なくとも１層被覆した表面被覆切削工具であって、
切刃部における前記硬質膜表面の面粗度は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で測定した最大高さ（Ｒｚ）が１．０μｍ以下であり、前記硬質膜表面の酸素量は４０原子％以下であることを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
前記硬質膜は、膜厚が０．１〜１０μｍであり、かつアークイオンプレーティング法で成膜されたものである請求項１記載の表面被覆切削工具。
【請求項３】
前記硬質膜に、長さ１μｍ以上の粗大粒子が１００μｍ四方あたり１〜１００個の割合で存在している請求項１または２記載の表面被覆切削工具。
【請求項４】
前記硬質膜に０．１〜３．０ＧＰａの圧縮残留応力が存在する請求項１〜３のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項５】
前記硬質膜の表面における圧縮残留応力が、前記硬質膜の中間厚み部における圧縮残留応力よりも大きい請求項４記載の表面被覆切削工具。
【請求項６】
前記逃げ面の面粗度Ｒｚfが、前記すくい面の面粗度Ｒｚrよりも滑らかである請求項１〜５のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項７】
前記逃げ面の面粗度Ｒｚfと、前記すくい面の面粗度Ｒｚrとの比率（Ｒｚf／Ｒｚr）が０．３〜０．８である請求項６記載の表面被覆切削工具。
【請求項８】
回転中心軸を有する軸状をなし、先端に底刃を、側方に側面刃を備えたソリッドエンドミルである請求項１〜７のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
【請求項９】
前記底刃の逃げ面における面粗度ＲｚfBが、前記側面刃の逃げ面の面粗度ＲｚfFよりも滑らかである請求項８記載の表面被覆切削工具。
【請求項１０】
前記底刃の逃げ面における面粗度ＲｚfBと、前記側面刃の逃げ面の面粗度ＲｚfFとの比率（ＲｚfB／ＲｚfF）が０．３〜０．８である請求項８または９記載の表面被覆切削工具。
【請求項１１】
すくい面と逃げ面との交差稜線を切刃として具備する基材の表面に、周期律表４ａ，５ａ，６ａ族金属、ＡｌおよびＳｉから選ばれる少なくとも１種の金属元素の炭化物、窒化物、硼化物、酸化物またはこれらの複合化合物からなる硬質膜を物理蒸着法により少なくとも１層被覆した後、前記硬質膜の表面に対して、平均粒径１〜１００μｍのセラミック砥粒溶液と圧縮空気との混合物を、吐出圧力０．１〜０．６ＭＰａで前記硬質膜の表面に衝突させる湿式ブラスト法によって表面処理を行うことを特徴とする表面被覆切削工具の製造方法。
【請求項１２】
前記混合物を前記硬質膜の切刃の向きに対して０〜４５°の角度で衝突させるように前記セラミック砥粒を含む混合物の吐出角度を制御する請求項１１記載の表面被覆切削工具の製造方法。
【請求項１３】
成膜方法がアークイオンプレーティング法である請求項１１または１２に記載の表面被覆切削工具の製造方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００６−２６３８５７（Ｐ２００６−２６３８５７Ａ）
【公開日】平成１８年１０月５日（２００６．１０．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−８５２７８（Ｐ２００５−８５２７８）
【出願日】平成１７年３月２４日（２００５．３．２４）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月５日（２００６．１０．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月２４日（２００５．３．２４）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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