表面被覆切削工具
【課題】 切屑処理性に優れ、高い耐欠損性を有する表面被覆切削工具を提供する。
【解決手段】 基体２表面に硬質被覆層６を被覆し、硬質被覆層６の少なくとも表面にマクロ粒子８が分散するとともに、硬質被覆層６の切刃５の表面に存在するマクロ粒子８の面積比率が、硬質被覆層６のすくい面３の表面に存在するマクロ粒子８の面積比率に比べて少ない切削工具１である。これによって、切刃５においては耐欠損性および加工面粗度が高いとともに、すくい面３においては切屑排出性が良好で、結果として優れた切削性能を発揮できる。
【解決手段】 基体２表面に硬質被覆層６を被覆し、硬質被覆層６の少なくとも表面にマクロ粒子８が分散するとともに、硬質被覆層６の切刃５の表面に存在するマクロ粒子８の面積比率が、硬質被覆層６のすくい面３の表面に存在するマクロ粒子８の面積比率に比べて少ない切削工具１である。これによって、切刃５においては耐欠損性および加工面粗度が高いとともに、すくい面３においては切屑排出性が良好で、結果として優れた切削性能を発揮できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は基体の表面に硬質被覆層を成膜してなる表面被覆切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、切削工具は、ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメット等の硬質材料の表面に様々な硬質被覆層を成膜して摺動性、耐摩耗性、耐欠損性を向上させる手法が使われており、中でも物理気相合成法にて成膜された硬質被覆層は高硬度で耐摩耗性が高く、種々の用途に広く採用されている。かかる物理気相合成法の中において、特に、硬質被覆層の成膜方法として好適に用いられているアークイオンプレーティング法では、成膜時にドロップレットといわれる粗大溶融粒子が生成し、これが基体の表面に飛来し直径１μｍ以上もあるマクロ粒子となって硬質被覆層中に分散することが知られている。特に、硬質被覆層の成膜方法として好適に用いられているアークイオンプレーティング法では、ドロップレットと呼ばれる直径１μｍ以上もあるこのマクロ粒子の発生は切れ刃のチッピングや欠損の要因となったり、切削加工面の平滑性が損なわれて工具の寿命が低下する要因となっている。
【０００３】
そこで、例えば、特許文献１では、アークイオンプレーティング法の成膜条件を制御することによって、成膜された硬質被膜（硬質被覆層）中の粗大粒子（マクロ粒子）を５面積％以下の割合に制御することができ、硬質被膜表面の面粗さをＲａで０．１μｍ以下、Ｒｚで１μｍ以下と平滑化できて、耐溶着性および耐摩耗性を高めることができることが開示されている。
【０００４】
また、特許文献２では、アークイオンプレーティング法にて硬質被覆層を成膜する場合、まず第１層を成膜し、この第１層の表面をブラスト処理等の機械加工にて硬質被覆層の表面に存在するマクロ粒子を除去した後、第２層を成膜することにより、硬質被覆層の表面となる第２層の表面におけるマクロ粒子の発生を低減することができてマクロ粒子の脱落による異常摩耗を抑制できることが開示されている。
【特許文献１】特開２００２−３４６８１２号公報
【特許文献２】特開２００５−２８５４４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および特許文献２のように、硬質被覆層の表面に発生するマクロ粒子を全面的になくした場合には、切屑を排出するすくい面においては硬質被覆層と切屑との潤滑性が十分ではなくなって、硬質被覆層の摩擦抵抗が高くなり、擦れ摩耗や切削の熱による化学的な摩耗が促進されてしまったり、被削材が切刃に溶着してしまい、耐摩耗性の低下や溶着物の脱落時の膜剥離等が発生したりしていた。
【０００６】
本発明は上記問題を解決するためのものであり、その目的は、切屑処理性に優れ、かつ高い耐欠損性と耐摩耗性を有する表面被覆切削工具を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、切刃においては耐欠損性および加工面粗度を高めるために硬質被覆層の表面に発生したマクロ粒子を極力排除したほうがよいものの、すくい面においては切屑を排出する際の硬質被覆層の摩擦係数を低めるために、むしろ硬質被覆層の表面にマクロ粒子を存在させたほうがよいとの知見に基づくものである。
【０００８】
すなわち、本発明の表面被覆切削工具は、基体の表面に硬質被覆層を被覆した切削工具において、前記硬質被覆層の少なくとも表面にマクロ粒子が分散するとともに、前記硬質被覆層の表面の切刃位置に存在する前記マクロ粒子の比率が、前記硬質被覆層の表面のすくい面位置に存在する前記マクロ粒子の比率に比べて少ないことを特徴とするものである。
【０００９】
ここで、前記硬質被覆層の表面の前記切刃位置に存在する前記マクロ粒子の面積比率が５面積％以下であることが、前記切刃の耐摩耗性および耐欠損性をさらに向上できる点で望ましい。
【００１０】
また、前記硬質被覆層の表面の前記すくい面位置に存在する前記マクロ粒子の面積比率が５〜３０面積％であることが、すくい面における切屑処理の際の摩擦抵抗を低減できる点で望ましい。
【００１１】
なお、前記硬質被覆層の前記切刃位置における膜厚が前記すくい面位置における膜厚よりも薄いことが、切刃における耐欠損性が高く、かつすくい面において切屑によるこすれ摩耗によっても硬質被覆層が摩滅することなく良好な切屑処理ができる点で望ましい。
【００１２】
さらに、前記切刃が曲率半径Ｒ＝０．００５〜０．１ｍｍのＲホーニングを有する場合に、上記マクロ粒子の分布が容易に実現できる。
【００１３】
さらには、前記マクロ粒子は、表面が窒化された金属または合金からなることが、すくい面におけるマクロ粒子の機能を持続できて、長期間にわたって切屑処理の摩擦抵抗の低減効果を発揮する点で望ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、切刃においては硬質被覆層表面のマクロ粒子の存在比率が低くて耐欠損性および加工面粗度が高いとともに、すくい面においては硬質被覆層表面にマクロ粒子が存在して切屑を排出する際の硬質被覆層の摩擦係数が低く、結果として優れた切削性能を発揮できるものである。
【００１５】
ここで、前記硬質被覆層の表面の切刃位置に存在するマクロ粒子の面積比率が５面積％以下であることによって、前記切刃の耐欠損性をさらに向上できる。
【００１６】
また、前記硬質被覆層の表面のすくい面位置に存在するマクロ粒子の面積比率が５〜３０面積％であることによって、すくい面における切屑処理の際の摩擦抵抗を低減できる。
【００１７】
なお、前記硬質被覆層の前記切刃位置における膜厚を前記すくい面位置における膜厚よりも薄くすることによって、切刃における耐欠損性が高く、かつすくい面において切屑によるこすれ摩耗によっても硬質被覆層が摩滅することなく良好な切屑処理ができる。
【００１８】
さらに、前記切刃が曲率半径Ｒ＝０．００５〜０．１ｍｍのＲホーニングを有する場合に、上記マクロ粒子の分布が容易に実現できる傾向にある。
【００１９】
さらには、前記マクロ粒子は、表面が窒化された金属または合金からなることによって、マクロ粒子表面での耐摩耗性が高くかつマクロ粒子全体としては切屑の流れに沿った形状に変形できることから、すくい面におけるマクロ粒子の機能を持続できて、長期間にわたって切屑処理の摩擦抵抗の低減効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の表面被覆切削工具の一例について、本発明の表面被覆切削工具の（ａ）概略斜視図、（ｂ）概略断面図である図１、および本発明の表面被覆切削工具の一例を示す顕微鏡写真である図２を用いて説明する。
【００２１】
図１、図２によれば、本発明の表面被覆切削工具（以下、単に工具と略す）１は、主面にすくい面３を、側面に逃げ面４を、すくい面３と逃げ面４との交差稜線に切刃５を有し、基体２の表面に硬質被覆層６を成膜した構成となっている。
【００２２】
硬質被覆層６は、周期律表第４、５、６族元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種以上の金属元素と、窒素、炭素、硼素および酸素から選ばれる１種以上の非金属元素との化合物の少なくとも１層にて構成されている。
【００２３】
本発明によれば、硬質被覆層６の少なくとも表面にマクロ粒子８が分散するとともに、硬質被覆層６の切刃５の表面に存在するマクロ粒子８の面積比率が、硬質被覆層６の表面のすくい面３位置に存在するマクロ粒子８の面積比率に比べて少ないことを特徴とするものである。
【００２４】
これによって、切刃５においては耐欠損性および加工面粗度が高いとともに、すくい面３においてはマクロ粒子８の存在によって切屑を排出する際の硬質被覆層６の摩擦係数が低く、結果として優れた切削性能を発揮できる。
【００２５】
つまり、硬質被覆層６の表面全体にマクロ粒子８が存在する場合には、マクロ粒子８がクラックの起点となりやすくて切刃５における耐欠損性が低下する。逆に、硬質被覆層６の表面全体にマクロ粒子６が存在しない場合には、すくい面３における切屑の摩擦抵抗が大きくなり、摩耗が進行したり、切屑がすくい面３に溶着してしまうことがある。すなわち、いずれの場合にも切削性能を高めることができない。
【００２６】
なお、硬質被覆層６の表面に存在するマクロ粒子８の面積比率は、硬質被覆層６の表面についての走査型顕微鏡写真等の組織写真５μｍ以上×１０μｍ以上の領域にて観察されるマクロ粒子８の面積比率を、ルーゼックス画像解析法によって測定することによって求めることができる。なお、面積比率の算出については任意領域の３箇所以上について測定し、その平均値から算出する。
【００２７】
マクロ粒子８は、硬質被覆層６を構成する金属元素の金属、硬質被覆層６を構成する２種以上の金属元素の合金、または硬質被覆層６を構成する金属元素と非金属元素との化合物、およびそれらの混合物からなり、例えば、周期律表第４、５、６族元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種以上の（１）金属、（２）これら２種以上の金属の合金、（３）窒素、炭素、硼素および酸素から選ばれる１種以上の非金属元素との化合物、または（１）〜（３）の混合物にて構成されている。
【００２８】
ここで、硬質被覆層６の表面の切刃５の位置に存在するマクロ粒子８の面積比率が５面積％以下であることが、衝撃が最もかかる切刃５においてクラックの起点となるマクロ粒子８の影響が低減できて切刃５の耐欠損性をさらに向上できる点で望ましい。さらに、硬質被覆層６の切刃５の位置における算術平均粗さ（Ｒａ）は０．１２μｍ以下であることが切刃５の耐欠損性が高く、かつ切削加工時の切削抵抗を低減できるために望ましい。なお、硬質被覆層６の切刃５の位置における算術平均粗さ（Ｒａ）は、ＪＩＳ Ｂ０６０１’０１に準拠して触針式表面粗さ測定器を用いて、カットオフ値：０．２５ｍｍ、基準長さ：０．８ｍｍ、走査速度：０．１ｍｍ／秒にて測定することができる。
【００２９】
また、硬質被覆層６の表面のすくい面３の位置に存在するマクロ粒子８の面積比率が５〜３０面積％であることが、すくい面３における切屑処理の際の摩擦抵抗を低減できる点で望ましい。
【００３０】
さらに、切刃５は曲率半径Ｒが０．００５ｍｍ未満のシャープエッジであってもよいが、切刃５が曲率半径Ｒ＝０．００５〜０．１ｍｍのＲホーニングを有する場合のほうが、上記特定のマクロ粒子８の分布が容易に実現できる傾向にある。
【００３１】
さらには、マクロ粒子８は、表面が窒化された金属または合金からなることが、マクロ粒子８の表面は硬度が高い窒化物が形成されて耐摩耗性が高く、かつマクロ粒子８の内部は変形しやすい金属または合金であることからマクロ粒子８の全体形状は切屑の流れに沿った形状に変形できる結果、すくい面３におけるマクロ粒子８の機能を持続できて、長期間にわたって切屑処理の摩擦抵抗の低減効果を発揮する点で望ましい。
【００３２】
さらに、硬質被覆層６の膜厚が０．２〜５．０μｍであることが、硬質被覆層６の耐欠損性が高くて膜剥離を防止できるとともに、硬質被覆層６が十分な潤滑性と耐摩耗性を有するため望ましい。なお、硬質被覆層６の切刃５の位置における膜厚をすくい面３の位置における膜厚よりも薄くすることによって、被削材の衝撃が最も大きい切刃５における耐欠損性が高く、かつすくい面３において切屑によるこすれ摩耗によっても硬質被覆層６が摩滅することなく良好な切屑処理ができる。硬質被覆層６の切刃５の位置における膜厚の好ましい範囲は０．５〜２μｍ、硬質被覆層６のすくい面３の位置における膜厚の好ましい範囲は１〜２．５μｍである。
【００３３】
なお、基体２としては、炭化タングステンや、炭窒化チタンを主成分とする硬質相とコバルト、ニッケル等の鉄族金属を主成分とする結合相とからなる超硬合金、サーメット、窒化ケイ素や酸化アルミニウムを主成分とするセラミックス、多結晶ダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素からなる硬質相とセラミックスや鉄族金属等の結合相とを超高圧下で焼成する超高圧焼結体等の硬質材料が好適に使用される。
【００３４】
（製造方法）
次に、本発明の表面被覆切削工具の製造方法について説明する。
【００３５】
まず、工具形状の基体を従来公知の方法を用いて作製する。
【００３６】
次に、この基体表面に、周期律表第４、５、６族元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種以上の金属元素と、窒素、炭素および酸素から選ばれる１種以上の非金属元素との化合物からなる硬質被覆層を成膜する。
【００３７】
なお、成膜方法として、イオンプレーティング法やスパッタリング法等の物理気相合成（ＰＶＤ）法を用いる。成膜方法の数例の詳細について説明すると、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）とを含む複合硬質層をイオンプレーティング法で作製する場合には、金属チタンおよび金属アルミの２種類の金属ターゲットを独立として用いるか、またはチタンアルミ（ＴｉＡｌ）合金をターゲットに用い、アーク放電やグロー放電などにより金属源を蒸発させイオン化すると同時に、窒素源の窒素（Ｎ２）ガスや炭素源のメタン（ＣＨ４）／アセチレン（Ｃ２Ｈ２）ガスと反応させて成膜する。このとき、硬質被覆層の緻密度や基体との密着力を高めるため、および硬質被覆層６中に所定のマクロ粒子８を分散させるために、３０〜２００Ｖのバイアス電圧を印加しながら成膜することが望ましい。
【００３８】
ここで、本発明における硬質被覆層６中のマクロ粒子８の分布状態を実現する方法の一例としては、成膜の途中または終了時にボンバード処理を行なう方法が好適であり、ボンバード処理ではエッジ部が選択的に研磨されることから、成膜された硬質被覆層６の切刃５表面におけるマクロ粒子８を選択的に除去することができ、成膜終了後において、硬質被覆層６の切刃５の表面に存在するマクロ粒子８の面積比率を、硬質被覆層６の表面のすくい面３位置に存在するマクロ粒子８の面積比率に比べて少ない構成とすることができる。
【実施例１】
【００３９】
平均粒径０．８μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末を主成分として、平均粒径１．２μｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末を１０質量％、平均粒径１．０μｍの炭化バナジウム（ＶＣ）粉末を０．２質量％、平均粒径１．０μｍの炭化クロム（Ｃｒ３Ｃ２）粉末を０．６質量％の割合で添加し混合して、プレス成形により溝入切削工具形状（ＧＢＡ４３Ｒ３００ＮＹ）に成形した後、脱バインダ処理を施し、０．０１Ｐａの真空中、１５００℃で１時間焼成して超硬合金を作製した。さらに、作製した超硬合金にブラシ加工にて刃先処理（ホーニング）を施した。
【００４０】
このようにして作製した基体に対してアークイオンプレーティング法により表１に示す種々の組成にて硬質被覆層を成膜した。また、一部の試料については、成膜の途中または終了時に窒素ガスおよびアルゴンガスの混合ガスを用いたボンバード処理を表１の条件で行なって、成膜された硬質被覆層の切刃表面におけるマクロ粒子を除去した。
【００４１】
得られた試料に対して、切刃およびすくい面のランド位置における硬質被覆層の表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察し、マクロ粒子の面積比率を測定した。なお、表１中のマクロ粒子の面積比率は、顕微鏡写真について、切刃の稜線に対して平行な方向に１００μｍ×切刃の稜線に対して垂直な方向に５μｍの領域内におけるマクロ粒子の面積比率をルーゼックス画像解析法にて求め、任意３箇所における平均値をマクロ粒子の面積比率として表１に示した。また、硬質被覆層の膜厚は、切削工具の断面ＳＥＭ写真より求めた。さらに、硬質被覆層の表面の切刃位置における算術平均粗さＲａを接触式の表面粗さ計で任意３箇所について測定し、その平均値から求めた。具体的な測定方法は、ＪＩＳ Ｂ０６０１’０１に準拠して触針式表面粗さ測定器を用いて、カットオフ値：０．２５ｍｍ、基準長さ：０．８ｍｍ、走査速度：０．１ｍｍ／秒にて測定した。
【００４２】
次に、得られた溝入切削工具形状のスローアウェイチップ（切削工具）を用いて以下の切削条件にて切削試験を行った。結果は表２に示した。
【００４３】
切削方法：断続旋削
被削材 ：ＳＣＭ４４０、４本の５ｍｍ幅溝入り
切削速度：１２０ｍ／ｍｉｎ
送り ：０．２ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：２ｍｍ
切削状態：乾式
評価方法：２０００回の衝撃を与えた段階での切刃およびすくい面の状態および欠損に至るまでの衝撃回数
【表１】
【００４４】
【表２】
【００４５】
表１、表２より、成膜の途中または終了時にボンバード処理をせず、硬質被覆層の表面全体にマクロ粒子が多く発生した試料Ｎｏ．１１は、早期にチッピングが発生して工具寿命が短いものであった。また、スパッタ法にて成膜して成膜の途中または終了時にボンバード処理をせず、硬質被覆層の表面全体にマクロ粒子が一様な試料Ｎｏ．１２でも、早期にチッピングが発生して工具寿命が短いものであった。さらに、成膜の途中または終了時にボンバード処理することに代えて成膜後にブラスト処理を行い、硬質被覆層の表面全体のマクロ粒子を一様に低減した試料Ｎｏ．１３でも、すくい面において切屑の溶着が発生して工具寿命が短いものであった。
【００４６】
これに対して、本発明の範囲内である硬質被覆層の表面のすくい面位置におけるマクロ粒子の面積比率が切刃位置におけるそれよりも多い試料Ｎｏ．１〜１０では、いずれも摩擦抵抗が低く切屑処理性が良好であり、かつ切刃における耐欠損性にも優れた良好な切削性能を発揮した。中でも、硬質被覆層の表面の切刃位置に存在するマクロ粒子の面積比率が５面積％以下で、かつ硬質被覆層の表面のすくい面位置に存在するマクロ粒子の面積比率が１０〜３０面積％の試料Ｎｏ．１〜３、６、７、９、１０では特に衝撃回数を延ばすことができて工具寿命が長いものであった。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の表面被覆切削工具の概略斜視図である。
【図２】本発明の表面被覆切削工具の一例を示す図面代用写真である。
【符号の説明】
【００４８】
１ 表面被覆切削工具
２ 基体
３ すくい面
４ 逃げ面
５ 切刃
６ 硬質被覆層
８ マクロ粒子
【技術分野】
【０００１】
本発明は基体の表面に硬質被覆層を成膜してなる表面被覆切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、切削工具は、ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメット等の硬質材料の表面に様々な硬質被覆層を成膜して摺動性、耐摩耗性、耐欠損性を向上させる手法が使われており、中でも物理気相合成法にて成膜された硬質被覆層は高硬度で耐摩耗性が高く、種々の用途に広く採用されている。かかる物理気相合成法の中において、特に、硬質被覆層の成膜方法として好適に用いられているアークイオンプレーティング法では、成膜時にドロップレットといわれる粗大溶融粒子が生成し、これが基体の表面に飛来し直径１μｍ以上もあるマクロ粒子となって硬質被覆層中に分散することが知られている。特に、硬質被覆層の成膜方法として好適に用いられているアークイオンプレーティング法では、ドロップレットと呼ばれる直径１μｍ以上もあるこのマクロ粒子の発生は切れ刃のチッピングや欠損の要因となったり、切削加工面の平滑性が損なわれて工具の寿命が低下する要因となっている。
【０００３】
そこで、例えば、特許文献１では、アークイオンプレーティング法の成膜条件を制御することによって、成膜された硬質被膜（硬質被覆層）中の粗大粒子（マクロ粒子）を５面積％以下の割合に制御することができ、硬質被膜表面の面粗さをＲａで０．１μｍ以下、Ｒｚで１μｍ以下と平滑化できて、耐溶着性および耐摩耗性を高めることができることが開示されている。
【０００４】
また、特許文献２では、アークイオンプレーティング法にて硬質被覆層を成膜する場合、まず第１層を成膜し、この第１層の表面をブラスト処理等の機械加工にて硬質被覆層の表面に存在するマクロ粒子を除去した後、第２層を成膜することにより、硬質被覆層の表面となる第２層の表面におけるマクロ粒子の発生を低減することができてマクロ粒子の脱落による異常摩耗を抑制できることが開示されている。
【特許文献１】特開２００２−３４６８１２号公報
【特許文献２】特開２００５−２８５４４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および特許文献２のように、硬質被覆層の表面に発生するマクロ粒子を全面的になくした場合には、切屑を排出するすくい面においては硬質被覆層と切屑との潤滑性が十分ではなくなって、硬質被覆層の摩擦抵抗が高くなり、擦れ摩耗や切削の熱による化学的な摩耗が促進されてしまったり、被削材が切刃に溶着してしまい、耐摩耗性の低下や溶着物の脱落時の膜剥離等が発生したりしていた。
【０００６】
本発明は上記問題を解決するためのものであり、その目的は、切屑処理性に優れ、かつ高い耐欠損性と耐摩耗性を有する表面被覆切削工具を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、切刃においては耐欠損性および加工面粗度を高めるために硬質被覆層の表面に発生したマクロ粒子を極力排除したほうがよいものの、すくい面においては切屑を排出する際の硬質被覆層の摩擦係数を低めるために、むしろ硬質被覆層の表面にマクロ粒子を存在させたほうがよいとの知見に基づくものである。
【０００８】
すなわち、本発明の表面被覆切削工具は、基体の表面に硬質被覆層を被覆した切削工具において、前記硬質被覆層の少なくとも表面にマクロ粒子が分散するとともに、前記硬質被覆層の表面の切刃位置に存在する前記マクロ粒子の比率が、前記硬質被覆層の表面のすくい面位置に存在する前記マクロ粒子の比率に比べて少ないことを特徴とするものである。
【０００９】
ここで、前記硬質被覆層の表面の前記切刃位置に存在する前記マクロ粒子の面積比率が５面積％以下であることが、前記切刃の耐摩耗性および耐欠損性をさらに向上できる点で望ましい。
【００１０】
また、前記硬質被覆層の表面の前記すくい面位置に存在する前記マクロ粒子の面積比率が５〜３０面積％であることが、すくい面における切屑処理の際の摩擦抵抗を低減できる点で望ましい。
【００１１】
なお、前記硬質被覆層の前記切刃位置における膜厚が前記すくい面位置における膜厚よりも薄いことが、切刃における耐欠損性が高く、かつすくい面において切屑によるこすれ摩耗によっても硬質被覆層が摩滅することなく良好な切屑処理ができる点で望ましい。
【００１２】
さらに、前記切刃が曲率半径Ｒ＝０．００５〜０．１ｍｍのＲホーニングを有する場合に、上記マクロ粒子の分布が容易に実現できる。
【００１３】
さらには、前記マクロ粒子は、表面が窒化された金属または合金からなることが、すくい面におけるマクロ粒子の機能を持続できて、長期間にわたって切屑処理の摩擦抵抗の低減効果を発揮する点で望ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、切刃においては硬質被覆層表面のマクロ粒子の存在比率が低くて耐欠損性および加工面粗度が高いとともに、すくい面においては硬質被覆層表面にマクロ粒子が存在して切屑を排出する際の硬質被覆層の摩擦係数が低く、結果として優れた切削性能を発揮できるものである。
【００１５】
ここで、前記硬質被覆層の表面の切刃位置に存在するマクロ粒子の面積比率が５面積％以下であることによって、前記切刃の耐欠損性をさらに向上できる。
【００１６】
また、前記硬質被覆層の表面のすくい面位置に存在するマクロ粒子の面積比率が５〜３０面積％であることによって、すくい面における切屑処理の際の摩擦抵抗を低減できる。
【００１７】
なお、前記硬質被覆層の前記切刃位置における膜厚を前記すくい面位置における膜厚よりも薄くすることによって、切刃における耐欠損性が高く、かつすくい面において切屑によるこすれ摩耗によっても硬質被覆層が摩滅することなく良好な切屑処理ができる。
【００１８】
さらに、前記切刃が曲率半径Ｒ＝０．００５〜０．１ｍｍのＲホーニングを有する場合に、上記マクロ粒子の分布が容易に実現できる傾向にある。
【００１９】
さらには、前記マクロ粒子は、表面が窒化された金属または合金からなることによって、マクロ粒子表面での耐摩耗性が高くかつマクロ粒子全体としては切屑の流れに沿った形状に変形できることから、すくい面におけるマクロ粒子の機能を持続できて、長期間にわたって切屑処理の摩擦抵抗の低減効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の表面被覆切削工具の一例について、本発明の表面被覆切削工具の（ａ）概略斜視図、（ｂ）概略断面図である図１、および本発明の表面被覆切削工具の一例を示す顕微鏡写真である図２を用いて説明する。
【００２１】
図１、図２によれば、本発明の表面被覆切削工具（以下、単に工具と略す）１は、主面にすくい面３を、側面に逃げ面４を、すくい面３と逃げ面４との交差稜線に切刃５を有し、基体２の表面に硬質被覆層６を成膜した構成となっている。
【００２２】
硬質被覆層６は、周期律表第４、５、６族元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種以上の金属元素と、窒素、炭素、硼素および酸素から選ばれる１種以上の非金属元素との化合物の少なくとも１層にて構成されている。
【００２３】
本発明によれば、硬質被覆層６の少なくとも表面にマクロ粒子８が分散するとともに、硬質被覆層６の切刃５の表面に存在するマクロ粒子８の面積比率が、硬質被覆層６の表面のすくい面３位置に存在するマクロ粒子８の面積比率に比べて少ないことを特徴とするものである。
【００２４】
これによって、切刃５においては耐欠損性および加工面粗度が高いとともに、すくい面３においてはマクロ粒子８の存在によって切屑を排出する際の硬質被覆層６の摩擦係数が低く、結果として優れた切削性能を発揮できる。
【００２５】
つまり、硬質被覆層６の表面全体にマクロ粒子８が存在する場合には、マクロ粒子８がクラックの起点となりやすくて切刃５における耐欠損性が低下する。逆に、硬質被覆層６の表面全体にマクロ粒子６が存在しない場合には、すくい面３における切屑の摩擦抵抗が大きくなり、摩耗が進行したり、切屑がすくい面３に溶着してしまうことがある。すなわち、いずれの場合にも切削性能を高めることができない。
【００２６】
なお、硬質被覆層６の表面に存在するマクロ粒子８の面積比率は、硬質被覆層６の表面についての走査型顕微鏡写真等の組織写真５μｍ以上×１０μｍ以上の領域にて観察されるマクロ粒子８の面積比率を、ルーゼックス画像解析法によって測定することによって求めることができる。なお、面積比率の算出については任意領域の３箇所以上について測定し、その平均値から算出する。
【００２７】
マクロ粒子８は、硬質被覆層６を構成する金属元素の金属、硬質被覆層６を構成する２種以上の金属元素の合金、または硬質被覆層６を構成する金属元素と非金属元素との化合物、およびそれらの混合物からなり、例えば、周期律表第４、５、６族元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種以上の（１）金属、（２）これら２種以上の金属の合金、（３）窒素、炭素、硼素および酸素から選ばれる１種以上の非金属元素との化合物、または（１）〜（３）の混合物にて構成されている。
【００２８】
ここで、硬質被覆層６の表面の切刃５の位置に存在するマクロ粒子８の面積比率が５面積％以下であることが、衝撃が最もかかる切刃５においてクラックの起点となるマクロ粒子８の影響が低減できて切刃５の耐欠損性をさらに向上できる点で望ましい。さらに、硬質被覆層６の切刃５の位置における算術平均粗さ（Ｒａ）は０．１２μｍ以下であることが切刃５の耐欠損性が高く、かつ切削加工時の切削抵抗を低減できるために望ましい。なお、硬質被覆層６の切刃５の位置における算術平均粗さ（Ｒａ）は、ＪＩＳ Ｂ０６０１’０１に準拠して触針式表面粗さ測定器を用いて、カットオフ値：０．２５ｍｍ、基準長さ：０．８ｍｍ、走査速度：０．１ｍｍ／秒にて測定することができる。
【００２９】
また、硬質被覆層６の表面のすくい面３の位置に存在するマクロ粒子８の面積比率が５〜３０面積％であることが、すくい面３における切屑処理の際の摩擦抵抗を低減できる点で望ましい。
【００３０】
さらに、切刃５は曲率半径Ｒが０．００５ｍｍ未満のシャープエッジであってもよいが、切刃５が曲率半径Ｒ＝０．００５〜０．１ｍｍのＲホーニングを有する場合のほうが、上記特定のマクロ粒子８の分布が容易に実現できる傾向にある。
【００３１】
さらには、マクロ粒子８は、表面が窒化された金属または合金からなることが、マクロ粒子８の表面は硬度が高い窒化物が形成されて耐摩耗性が高く、かつマクロ粒子８の内部は変形しやすい金属または合金であることからマクロ粒子８の全体形状は切屑の流れに沿った形状に変形できる結果、すくい面３におけるマクロ粒子８の機能を持続できて、長期間にわたって切屑処理の摩擦抵抗の低減効果を発揮する点で望ましい。
【００３２】
さらに、硬質被覆層６の膜厚が０．２〜５．０μｍであることが、硬質被覆層６の耐欠損性が高くて膜剥離を防止できるとともに、硬質被覆層６が十分な潤滑性と耐摩耗性を有するため望ましい。なお、硬質被覆層６の切刃５の位置における膜厚をすくい面３の位置における膜厚よりも薄くすることによって、被削材の衝撃が最も大きい切刃５における耐欠損性が高く、かつすくい面３において切屑によるこすれ摩耗によっても硬質被覆層６が摩滅することなく良好な切屑処理ができる。硬質被覆層６の切刃５の位置における膜厚の好ましい範囲は０．５〜２μｍ、硬質被覆層６のすくい面３の位置における膜厚の好ましい範囲は１〜２．５μｍである。
【００３３】
なお、基体２としては、炭化タングステンや、炭窒化チタンを主成分とする硬質相とコバルト、ニッケル等の鉄族金属を主成分とする結合相とからなる超硬合金、サーメット、窒化ケイ素や酸化アルミニウムを主成分とするセラミックス、多結晶ダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素からなる硬質相とセラミックスや鉄族金属等の結合相とを超高圧下で焼成する超高圧焼結体等の硬質材料が好適に使用される。
【００３４】
（製造方法）
次に、本発明の表面被覆切削工具の製造方法について説明する。
【００３５】
まず、工具形状の基体を従来公知の方法を用いて作製する。
【００３６】
次に、この基体表面に、周期律表第４、５、６族元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種以上の金属元素と、窒素、炭素および酸素から選ばれる１種以上の非金属元素との化合物からなる硬質被覆層を成膜する。
【００３７】
なお、成膜方法として、イオンプレーティング法やスパッタリング法等の物理気相合成（ＰＶＤ）法を用いる。成膜方法の数例の詳細について説明すると、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）とを含む複合硬質層をイオンプレーティング法で作製する場合には、金属チタンおよび金属アルミの２種類の金属ターゲットを独立として用いるか、またはチタンアルミ（ＴｉＡｌ）合金をターゲットに用い、アーク放電やグロー放電などにより金属源を蒸発させイオン化すると同時に、窒素源の窒素（Ｎ２）ガスや炭素源のメタン（ＣＨ４）／アセチレン（Ｃ２Ｈ２）ガスと反応させて成膜する。このとき、硬質被覆層の緻密度や基体との密着力を高めるため、および硬質被覆層６中に所定のマクロ粒子８を分散させるために、３０〜２００Ｖのバイアス電圧を印加しながら成膜することが望ましい。
【００３８】
ここで、本発明における硬質被覆層６中のマクロ粒子８の分布状態を実現する方法の一例としては、成膜の途中または終了時にボンバード処理を行なう方法が好適であり、ボンバード処理ではエッジ部が選択的に研磨されることから、成膜された硬質被覆層６の切刃５表面におけるマクロ粒子８を選択的に除去することができ、成膜終了後において、硬質被覆層６の切刃５の表面に存在するマクロ粒子８の面積比率を、硬質被覆層６の表面のすくい面３位置に存在するマクロ粒子８の面積比率に比べて少ない構成とすることができる。
【実施例１】
【００３９】
平均粒径０．８μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末を主成分として、平均粒径１．２μｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末を１０質量％、平均粒径１．０μｍの炭化バナジウム（ＶＣ）粉末を０．２質量％、平均粒径１．０μｍの炭化クロム（Ｃｒ３Ｃ２）粉末を０．６質量％の割合で添加し混合して、プレス成形により溝入切削工具形状（ＧＢＡ４３Ｒ３００ＮＹ）に成形した後、脱バインダ処理を施し、０．０１Ｐａの真空中、１５００℃で１時間焼成して超硬合金を作製した。さらに、作製した超硬合金にブラシ加工にて刃先処理（ホーニング）を施した。
【００４０】
このようにして作製した基体に対してアークイオンプレーティング法により表１に示す種々の組成にて硬質被覆層を成膜した。また、一部の試料については、成膜の途中または終了時に窒素ガスおよびアルゴンガスの混合ガスを用いたボンバード処理を表１の条件で行なって、成膜された硬質被覆層の切刃表面におけるマクロ粒子を除去した。
【００４１】
得られた試料に対して、切刃およびすくい面のランド位置における硬質被覆層の表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察し、マクロ粒子の面積比率を測定した。なお、表１中のマクロ粒子の面積比率は、顕微鏡写真について、切刃の稜線に対して平行な方向に１００μｍ×切刃の稜線に対して垂直な方向に５μｍの領域内におけるマクロ粒子の面積比率をルーゼックス画像解析法にて求め、任意３箇所における平均値をマクロ粒子の面積比率として表１に示した。また、硬質被覆層の膜厚は、切削工具の断面ＳＥＭ写真より求めた。さらに、硬質被覆層の表面の切刃位置における算術平均粗さＲａを接触式の表面粗さ計で任意３箇所について測定し、その平均値から求めた。具体的な測定方法は、ＪＩＳ Ｂ０６０１’０１に準拠して触針式表面粗さ測定器を用いて、カットオフ値：０．２５ｍｍ、基準長さ：０．８ｍｍ、走査速度：０．１ｍｍ／秒にて測定した。
【００４２】
次に、得られた溝入切削工具形状のスローアウェイチップ（切削工具）を用いて以下の切削条件にて切削試験を行った。結果は表２に示した。
【００４３】
切削方法：断続旋削
被削材 ：ＳＣＭ４４０、４本の５ｍｍ幅溝入り
切削速度：１２０ｍ／ｍｉｎ
送り ：０．２ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：２ｍｍ
切削状態：乾式
評価方法：２０００回の衝撃を与えた段階での切刃およびすくい面の状態および欠損に至るまでの衝撃回数
【表１】
【００４４】
【表２】
【００４５】
表１、表２より、成膜の途中または終了時にボンバード処理をせず、硬質被覆層の表面全体にマクロ粒子が多く発生した試料Ｎｏ．１１は、早期にチッピングが発生して工具寿命が短いものであった。また、スパッタ法にて成膜して成膜の途中または終了時にボンバード処理をせず、硬質被覆層の表面全体にマクロ粒子が一様な試料Ｎｏ．１２でも、早期にチッピングが発生して工具寿命が短いものであった。さらに、成膜の途中または終了時にボンバード処理することに代えて成膜後にブラスト処理を行い、硬質被覆層の表面全体のマクロ粒子を一様に低減した試料Ｎｏ．１３でも、すくい面において切屑の溶着が発生して工具寿命が短いものであった。
【００４６】
これに対して、本発明の範囲内である硬質被覆層の表面のすくい面位置におけるマクロ粒子の面積比率が切刃位置におけるそれよりも多い試料Ｎｏ．１〜１０では、いずれも摩擦抵抗が低く切屑処理性が良好であり、かつ切刃における耐欠損性にも優れた良好な切削性能を発揮した。中でも、硬質被覆層の表面の切刃位置に存在するマクロ粒子の面積比率が５面積％以下で、かつ硬質被覆層の表面のすくい面位置に存在するマクロ粒子の面積比率が１０〜３０面積％の試料Ｎｏ．１〜３、６、７、９、１０では特に衝撃回数を延ばすことができて工具寿命が長いものであった。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の表面被覆切削工具の概略斜視図である。
【図２】本発明の表面被覆切削工具の一例を示す図面代用写真である。
【符号の説明】
【００４８】
１ 表面被覆切削工具
２ 基体
３ すくい面
４ 逃げ面
５ 切刃
６ 硬質被覆層
８ マクロ粒子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体の表面に硬質被覆層を被覆した切削工具において、前記硬質被覆層の少なくとも表面にマクロ粒子が分散するとともに、前記硬質被覆層の表面の切刃位置に存在する前記マクロ粒子の面積比率が、前記硬質被覆層の表面のすくい面位置に存在する前記マクロ粒子の面積比率に比べて少ないことを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
前記硬質被覆層の表面の前記切刃位置に存在する前記マクロ粒子の面積比率が５面積％以下であることを特徴とする請求項１記載の表面被覆切削工具。
【請求項３】
前記硬質被覆層の表面の前記すくい面位置に存在する前記マクロ粒子の面積比率が５〜３０面積％であることを特徴とする請求項１または２記載の表面被覆切削工具。
【請求項４】
前記硬質被覆層の前記切刃位置における膜厚が前記すくい面位置における膜厚よりも薄いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の表面被覆切削工具。
【請求項５】
前記切刃が曲率半径Ｒ＝０．００５〜０．１ｍｍのＲホーニングを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の表面被覆切削工具。
【請求項６】
前記マクロ粒子は、表面が窒化された金属または合金からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか記載の表面被覆切削工具。
【請求項１】
基体の表面に硬質被覆層を被覆した切削工具において、前記硬質被覆層の少なくとも表面にマクロ粒子が分散するとともに、前記硬質被覆層の表面の切刃位置に存在する前記マクロ粒子の面積比率が、前記硬質被覆層の表面のすくい面位置に存在する前記マクロ粒子の面積比率に比べて少ないことを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
前記硬質被覆層の表面の前記切刃位置に存在する前記マクロ粒子の面積比率が５面積％以下であることを特徴とする請求項１記載の表面被覆切削工具。
【請求項３】
前記硬質被覆層の表面の前記すくい面位置に存在する前記マクロ粒子の面積比率が５〜３０面積％であることを特徴とする請求項１または２記載の表面被覆切削工具。
【請求項４】
前記硬質被覆層の前記切刃位置における膜厚が前記すくい面位置における膜厚よりも薄いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の表面被覆切削工具。
【請求項５】
前記切刃が曲率半径Ｒ＝０．００５〜０．１ｍｍのＲホーニングを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の表面被覆切削工具。
【請求項６】
前記マクロ粒子は、表面が窒化された金属または合金からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか記載の表面被覆切削工具。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００７−１１８１２６（Ｐ２００７−１１８１２６Ａ）
【公開日】平成１９年５月１７日（２００７．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３１２９０９（Ｐ２００５−３１２９０９）
【出願日】平成１７年１０月２７日（２００５．１０．２７）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年５月１７日（２００７．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月２７日（２００５．１０．２７）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]