JP2002346812A - 切削工具及びホルダ付き工具 - Google Patents

切削工具及びホルダ付き工具

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JP2002346812A JP2001157481A JP2001157481A JP2002346812A JP 2002346812 A JP2002346812 A JP 2002346812A JP 2001157481 A JP2001157481 A JP 2001157481A JP 2001157481 A JP2001157481 A JP 2001157481A JP 2002346812 A JP2002346812 A JP 2002346812A
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 耐溶着性や耐摩耗性等の切削性能を、安定的
かつ良好に発揮することができる硬質被膜を備えた切削
工具及びホルダ付き工具を提供する。 【解決手段】 切削工具は、例えばＪＩＳ規格Ｋ１０相
当の超硬合金（ＷＣ−Ｃｏ系の超硬合金）の硬質材料か
らなる基材を、ＩＳＯ規格ＳＰＧＮ１２０３１２の形状
に研磨加工し、その表面に厚さ１〜５μｍの範囲内のＴ
ｉＡｌＮ系、例えばＴｉ／Ａｌ比＝１の硬質被膜が形成
されており、この切削工具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％以下であり、しか
も、硬質被膜は、その表面粗さＲａが０．１μｍ以下で
且つ表面粗さＲｚが１μｍ以下である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、耐溶着性および耐
摩耗性に優れた硬質被膜を表面に被覆した切削工具及び
ホルダ付き工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より、ＴｉＡｌＮ系のＰＶＤコーテ
ィング（物理蒸着法によるコーティング）を行う場合に
は、ＴｉＡｌ金属のイオン化に高エネルギーが必要なこ
とや、密着性の優れた被覆層が得られやすいといった多
くの利点のために、アークイオン式のＰＶＤ方式が取ら
れることが多い。
【０００３】しかし、この方式では、ＴｉＡｌターゲッ
トの表面状態やアーク発生の不均一によって、アークが
局所的に集中し、粗大なＴｉＡｌ粒子が発生することが
あり、それによって粗大なＴｉＡｌＮ粒子が生成されて
いた。その粗大粒子の中には、数μｍから数十μｍにも
達するものがあり、その様な粒子が表面に存在すると、
切削工具に使用した時には、被削材の切り粉の接触や機
械的振動等により、粗大粒子の脱粒が生じることがあ
る。それによって、基材が露出すると、切削性能（耐溶
着性や耐摩耗性）が安定しなかったり、最悪の場合、切
削性能の低下を招くことがあった。
【０００４】そのため、各ＰＶＤの装置メーカーや切削
工具メーカーは、粗大粒子を含まない被膜の条件や被覆
方法を検討しているが、現状では、粗大粒子の発生を小
さく抑えるために、ターゲットへの負荷電流を低くした
り、あるいはターゲットと被覆基材の間にトラップを設
けて、粗大粒子を取り除く等の方法が採用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上述した方
法では、被膜の成膜速度が遅くなるため、生産性が低下
し、コスト高となる問題があった。また、被膜によって
は、ＴｉＮ，ＡｌＮ等の多層化により、粗大粒子の発生
を改善した表面を備えたものも存在するが、ＴｉＡｌＮ
膜が本来備えている耐熱性や耐摩耗性等の性能が十分発
揮できず、性能的に満足のいくものではなかった。
【０００６】更に、特許公報第２９０１０４３号に記載
のように、被覆後、処理を行うことによって、粗大粒子
を除去し、特定のクレーターを有した表面とすること
で、性能改善を図ったものもある。しかし、この場合
も、実際に工具として使用したときには、クレーター部
では基材が露出していることがあり、クレーター部に被
削材の溶着が発生すると、その溶着部分が剥離する際に
硬質被膜や基材も一緒に剥がす現象が生じ、そこから異
常摩耗が生じる等、必ずしも満足のいく性能のものでは
なかった。しかも、被覆後に粗大粒子の処理工程が必要
となるため、生産性の低下、コスト高となるという問題
もあった。
【０００７】本発明はこの様な事情に着目してなされた
ものであって、その目的は、耐溶着性や耐摩耗性等の切
削性能を、安定的かつ良好に発揮することができる硬質
被膜を備えた切削工具及びホルダ付き工具を提供するこ
とにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】上記目的
を達成するため、本発明者は、ＴｉＡｌＮ系のＰＶＤ膜
において、切削性能を安定的かつ良好に保つための条件
の検討を重ねた結果、粗大粒子の大きさと量をある範囲
に制御し、また、その表面の平滑度を表面粗さで規定す
ることにより、被削材の耐溶着性を抑制し、耐摩耗性の
安定化を達成できることを見出し、本発明に到ったもの
である。以下、各請求項毎に説明する。
【０００９】（１）請求項１の発明は、基材の表面に、
ＴｉＡｌＮ系の硬質被膜（表面被覆層）を形成した切削
工具において、前記硬質被膜の厚みが１〜５μｍである
とともに、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％以下であることを特徴とする
切削工具を要旨とする。
【００１０】本発明における硬質被膜の膜厚を１μｍ〜
５μｍとしたのは、１μｍ未満では、所望の切削性能
（即ち高い耐溶着性及び耐摩耗性）が得られないし、５
μｍを超えると、被膜の残留応力が高くなるために、被
膜の自己破壊が生じ、切削性能を低下させるためであ
る。
【００１１】また、本発明において、（その面積％を規
定する）粗大粒子の大きさを表面の硬質被膜の膜厚以上
としたのは、膜厚以上の粒子では、切削加工中に脱粒を
生じた場合、基材まで露出する可能性が高くなり、基材
が露出すると、溶着及び剥離が発生し、異常摩耗が生じ
てしまうためである。つまり、粗大粒子の大きさが硬質
被膜の膜厚未満であれば、脱粒が生じても基材の露出に
はいたらず、切削性能の低下を抑制することができるの
で、規制する粗大粒子の大きさを、硬質被膜の膜厚以上
とした。
【００１２】更に、硬質被膜に存在する膜厚以上の粗大
粒子を５面積％以下としたのは、それより多くなると、
脱粒による切削性能の低下を生じる可能性が高くなるた
めであり、より好ましくは、３面積％以下であるのが良
い。また、膜厚未満の粒子でも、できるだけ少ない方が
より好ましい。
【００１３】つまり、本発明では、以上のように構成さ
れているので、粗大粒子の脱粒による切削性能の低下を
生じることなく、非常に優れた切削性能を、安定して長
期に渡って実現することが可能となる。 （２）請求項２の発明は、前記硬質被膜は、その表面粗
さＲａが０．１μｍ以下及び表面粗さＲｚが１μｍ以下
の条件のうち、少なくとも一方の条件を満たすことを特
徴とする前記請求項１に記載の切削工具を要旨とする。
【００１４】本発明では、硬質被膜の表面平滑性は、Ｒ
ａ：０．１μｍ以下及びＲｚ：１μｍ以下の少なくとも
一方の条件を満たしている。つまり、上述した表面粗さ
の条件を満たさない場合には、被削材が膜表面を擦過す
る時、粒子の脱粒が生じやすくなったり、摩擦抵抗が増
すという現象が生じ、、これによって、被削材の溶着
（及びその後の剥離）が起こりやすくなり、切削性能の
低下を招く恐れがあるためである。
【００１５】尚、Ｒａとは周知の中心線平均粗さＲａの
ことであり、Ｒｚとは周知の十点平均粗さＲｚのことで
ある。 （３）請求項３の発明は、前記基材は、超硬合金、サー
メット、セラミック、及びハイス等の硬質材料からなる
ことを特徴とする前記請求項１又は２に記載の切削工具
を要旨とする。
【００１６】本発明は、切削工具の基材を構成する材料
を例示したものであり、この様な材料を使用することに
より、高い切削性能が得られる。 （４）請求項４の発明は、前記硬質被膜は、アークイオ
ン式物理蒸着により形成された蒸着膜であることを特徴
とする前記請求項１〜３のいずれかに記載の切削工具を
要旨とする。
【００１７】本発明は、硬質被膜を例示したものであ
り、アークイオン式物理蒸着により形成された蒸着膜
は、基材表面に緻密な硬質被膜を好適に形成することが
できる。 （５）請求項５の発明は、前記請求項１〜４のいずれか
に記載の切削工具が、ホルダに取り付けられていること
を特徴とするホルダ付工具を要旨とする。
【００１８】本発明は、切削工具（例えばチップ）をホ
ルダに取り付けたホルダ付き工具を示している。 （６）請求項６の発明は、前記ホルダ付き工具は、フラ
イス加工用又は溝入れ加工用であることを特徴とする前
記請求項５に記載のホルダ付工具を要旨とする。
【００１９】本発明は、フライス加工用のホルダ付き工
具又は溝入れ加工用ホルダ付き工具を示している。これ
らのホルダ付き工具を用いることにより、好適にフライ
ス加工や溝入れ加工を行うことができる。尚、本発明に
おける、ＴｉＡｌＮ系の硬質被膜は、金属成分として、
ＴｉＡｌに特に限定されるものではなく、高硬度で高耐
摩耗性の被膜を形成し得るものであれば、ＴｉＡｌ合金
に４ａ，５ａ，６ａ族金属やＳｉ、Ｙおよび希土類元素
等の金属成分を若干固溶した組成の物でも良い。また、
ＴｉとＡｌ、あるいはその他の金属成分比も特に限定さ
れるものではない。さらに、金属成分以外に含有される
軽元素においても、窒素のみでなく、炭素や酸素、ホウ
素等からなる化合物であっても良い。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の切削工具及びホ
ルダ付き工具の実施の形態の例（実施例）について説明
する。 （実施例） ａ）まず、本実施例の切削工具について説明する。
【００２１】図１に示す様に、本実施例の切削工具１
は、例えばＪＩＳ規格Ｋ１０相当の超硬合金（ＷＣ−Ｃ
ｏ系の超硬合金）の硬質材料からなる基材３（図２参
照）を、ＩＳＯ規格ＳＰＧＮ１２０３１２の形状に研磨
加工し、その表面に硬質被膜を形成したスローアウェイ
チップである。
【００２２】つまり、切削工具１は、図１の上方である
すくい面（主面側）の方が広い板状のポジチップであ
り、基材３表面には、厚さ１〜５μｍ（例えば３μｍ）
の範囲内のＴｉＡｌＮ系、例えば（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎから
なり、そのＴｉ／Ａｌ比＝１の硬質被膜が形成されてい
る。
【００２３】特に、本実施例では、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（つまり、例えば３
μｍ以上の粗大粒子）が、硬質被膜の表面の５面積％以
下であり、しかも、硬質被膜の表面は、表面粗さＲａが
０．１μｍ以下で且つ表面粗さＲｚが１μｍ以下であ
る。
【００２４】尚、表面粗さＲａ：０．１μｍ及びさＲ
ｚ：１μｍ以下の少なくとも一方の条件を満たしていれ
ばよい。 ｂ）次に、前記切削工具１の製造方法を説明する。 ・まず、基材３の材料であるＷＣ粉末とＣｏ粉末とを所
定量秤量した後に、湿式にて混合粉砕を行う。
【００２５】・次に、粉砕した材料に、パラフィンを２
重量％添加し、乾燥・造粒を行い、成型用粉末を得る。 ・次に、得られた粉末を、所定のポジチップ形状に金型
成形し、真空中で焼成する。
【００２６】・次に、この焼成物を研磨して、所定の寸
法公差の範囲内の基材３とする。 ・次に、この基材３に対して、ＴｉＡｌＮ系のＰＶＤコ
ーティング、具体的にはアークイオン式物理蒸着法によ
るコーティングを実施して、基材３表面に硬質被膜を形
成し、切削工具１を完成する。
【００２７】ここで、前記アークイオン式物理蒸着法に
ついて説明する。図２に示す様な、アークイオンプレー
ティング装置（アークイオン式ＰＶＤ装置）５を用い、
その真空チャンバ７内のターンテーブル９上に基材３を
配置する。そして、真空チャンバ７内に反応ガス（例え
ばＮ2）を供給する状態で、ターンテーブル９を介して
基材３にバイアス電源（−）を印加するとともに、硬質
被膜の金属材料（ＴｉＡｌ合金）を備えた蒸発源（カソ
ード）１１にアーク電源（−）を印加する。
【００２８】これにより、カソード１１からのＴｉ及び
Ａｌの金属イオンが、基材３の表面に蒸着するととも
に、供給された反応ガス（Ｎ2）が反応し、基材３表面
に、（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎ、Ｔｉ／Ａｌ比＝１の硬質被膜が
形成される。尚、本実施例では、下記の被覆条件（ＰＶ
Ｄ条件１）で物理蒸着を行うが、その際には、被覆時間
（コーティング時間）を調整することにより、硬質被膜
の膜厚を調整する。
【００２９】＜ＰＶＤ条件１＞ 金属材料 ：Ｔｉ／Ａｌ比＝１のＴｉＡｌ合金 反応ガス圧 ：１．２０Ｐａ 基材温度 ：５００℃、 バイアス電圧：−１５０Ｖ、 アーク電流 ：１００Ａ 尚、印加する電流・電圧やガス圧を調整することによ
り、表面粗さを調整することができる。
【００３０】ｃ）次に、前記切削工具１を装着したホル
ダ付き工具について説明する。図３（ａ）、（ｂ）に示
す様に、本実施例のホルダ付き工具（フライスカッタ
ー）２０は、略円柱状のカッターボディ本体（ホルダ）
２１を有し、その先端側（加工面側）の外周に沿って、
８箇所に切削部２３が設けられたものである。
【００３１】つまり、ホルダ２１の先端側の外周に沿っ
て、８箇所に凹状の取付部２５が設けられ、この取付部
２５内に、前記切削工具（チップ）１、切削工具１を取
り付けるための合金鋼製のカートリッジ２７、及び同じ
合金鋼製のクサビ２９等の部材が配置されて、切削部２
３が構成されている。
【００３２】尚、図３（ｂ）では、フライスカッターの
構造を明瞭にするために、８箇所の切削部２３のうち、
２箇所の切削部２３には切削工具１が配置されておら
ず、１箇所の切削部２３には切削工具１及びクサビ２９
が配置されていない状態を示している。
【００３３】ｄ）この様に、本実施例の切削工具１は、
その基材３の表面に形成したＴｉＡｌＮ系の硬質被膜の
厚みが１〜５μｍであるとともに、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％以下であ
る。従って、脱粒による耐溶着性及び耐摩耗性が低下す
る可能性が少なく好適である。
【００３４】また、本実施例の切削工具１は、Ｒａが
０．１μｍ以下及びＲｚが１μｍ以下と、非常に表面が
平滑である。従って、被削材が膜表面を擦過する時、粒
子の脱粒が生じ難く、摩擦抵抗が少なく、これによって
も、被削材の溶着（及び剥離）が起こり難く、高い切削
性能を有する。
【００３５】つまり、本実施例では、粗大粒子の脱粒に
よる切削性能（耐溶着性及び耐摩耗性）の低下を生じる
ことなく、非常に優れた切削性能を、安定して長期に渡
って実現することができるという顕著な効果を奏する。
よって、上述した切削工具１を装着したフライスカッタ
ー２０を用いることにより、安定して長期間にわたり切
削を行うことができる。
【００３６】ｅ）次に、本実施例の効果を確認するため
の実験例について説明する。 前記実施例の製造方法にて製造した基材に対し、前記
ＰＶＤ条件１でアークイオン式物理蒸着法によるコーテ
ィングを実施して、基材表面に硬質被膜を形成した。こ
れによって、実験に供する本発明（請求項１）の範囲内
の試料Ｎo.２〜４の切削工具を製造した。
【００３７】また、他の本発明（請求項２）の範囲内の
試料として、実施例と同様な基材に対して、同様な同じ
アークイオン式ＰＶＤ装置を使用し、下記の被覆条件
（ＰＶＤ条件２）で被覆を行って、試料Ｎo.７の切削工
具を製造した。 ＜ＰＶＤ条件２＞ 反応ガス圧 ：１．３３Ｐａ 基材温度 ：５００℃ バイアス電圧 ：−２００Ｖ アーク電流 ：１５０Ａ 一方、本発明の範囲外の比較例（膜厚が範囲外のもの）
として、実施例と同様な基材に対して、同様な同じアー
クイオン式ＰＶＤ装置を使用し、前記ＰＶＤ条件１にて
被覆を行って、比較例（試料Ｎo.１、５）の切削工具を
得た。
【００３８】更に、他の比較例（粗大粒子が範囲外のも
の）として、実施例と同様な基材に対して、同様な同じ
アークイオン式ＰＶＤ装置を使用し、下記被覆条件（Ｐ
ＶＤ条件３）で被覆を行って、比較例（試料Ｎo.６）の
切削工具を得た。 ＜ＰＶＤ条件３＞ 反応ガス圧 ：１．３３Ｐａ 基材温度 ：５００℃ バイアス電圧 ：−２００Ｖ アーク電流 ：２００Ａ また、前記本発明例及び従来の切削工具に対して、走
査型電子顕微鏡により、硬質被膜の膜厚と硬質被膜に存
在する膜厚以上の大きさを持った粗大粒子の量を調べ
た。
【００３９】その走査電子顕微鏡写真（１０００倍）を
図４に示すが、本発明の範囲内のもの、即ち、図４
（ａ）に示す試料Ｎo.３の本発明品は、その表面に粗大
粒子が少なく、表面が平滑であることが分かる。尚、こ
の試料における３μｍ以上の粗大粒子は、３面積％であ
った。
【００４０】それに対して、本発明品とは異なる図４
（ｂ）に示す従来品は、本発明品と比べて、その表面に
粗大粒子が多く、表面が粗いことが分かる。 更に、本発明例及び比較例の切削工具に対して、表面
粗さ計により、硬質被膜の表面平滑性を示す表面粗さＲ
ａ、Ｒｚを測定した。その結果を下記表１に記す。
【００４１】更に、本発明例及び比較例の切削工具を
前記フライスカッターのホルダに取り付け、下記に示す
条件（i）、(ii)で、耐チッピング性及び耐熱衝撃性の
切削性能評価を行った。その結果を同じく下記表１に記
す。尚、切削工具には、上述した溶着・剥離により耐摩
耗性等が低下する現象があり、その剥離した部分を顕微
鏡で観察するとチッピングとして把握できるので、ここ
では、耐溶着性（従って耐摩耗性）を示すものとして耐
チッピング性の実験を行った。また、熱衝撃によりチッ
ピングの発生状況が変化するので、耐熱衝撃性の実験も
行った。
【００４２】(i)耐チッピング性 耐チッピング性の試験では、下記条件にて切削を実施し
た場合に、切削工具が欠損するまでの衝撃回数（切削を
実施した回数）を測定した。 切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ、 送り速度：０．０７ｍｍ／刃、 切り込み：１．５ｍｍ 被削材 ：ＳＮＣＭ４３９（ＨＢ３００）、乾式 (ii)耐熱衝撃性 耐熱衝撃性の試験では、下記条件にて切削を実施した場
合に、切削工具が欠損するまでの衝撃回数（切削を実施
した回数）を測定した。
【００４３】尚、本発明例では、湿式による切削を行う
ので、切削毎に水がかかる状態とかからない状態とが繰
り返される。よって、これを耐熱衝撃性の試験とした。 切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ、 送り速度：０．２５ｍｍ／刃、 切り込み：１．５ｍｍ 被削材 ：ＳＮＣＭ４３９（ＨＢ３００）、湿式
【００４４】
【表１】
【００４５】この表１からも明らかなように、本発明
（請求項１）の範囲の切削工具(試料Ｎo.２〜４、７)
は、比較例に対して、耐チッピング性及び耐熱衝撃性の
切削性能（従って耐溶着性及び耐摩耗性）が著しく優れ
ており、これを実際の加工に使用した場合は、安定した
加工を長時間行うことが可能となる。また、本発明の請
求項２の表面粗さの条件を満たすもの（試料Ｎo.２〜
４）は、切削性能が一層優れていることが分かる。
【００４６】つまり、本発明の切削工具は、粗大粒子の
脱粒による切削性能の低下を生じることなく、非常に優
れた切削性能を、安定して長期に渡って実現することが
できるという顕著な効果を奏する。それに対して、比較
例のもの（試料Ｎo.１、５、６）は、耐チッピング性や
耐熱衝撃性の切削性能が劣っており、好ましくない。
【００４７】尚、本発明は前記実施例になんら限定され
るものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲におい
て種々の態様で実施しうることはいうまでもない。 （１）例えば切削工具の基材の材料としては、前記超硬
合金以外に、サーメット、セラミック、及びハイス等の
各種の硬質材料を使用することができる。
【００４８】（２）また、前記硬質被膜は、アークイオ
ン式物理蒸着により形成することが好ましいが、他の周
知の方法（例えばＡＲＥ法等）を採用することも可能で
ある。 （３）前記実施例では、ホルダ付き工具として、フライ
ス加工用のフライスカッターを例に挙げたが、本発明
は、溝入れ加工用の切削工具などにも適用することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例の切削工具を示す斜視図である。
【図２】 アークイオン式ＰＶＤ装置を示す説明図であ
る。
【図３】 実施例の切削工具をホルダに取り付けた状態
を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図である。
【図４】 切削工具の表面を示し、（ａ）は本発明品の
表面を示す走査電子顕微鏡写真、（ｂ）は従来品の表面
を示す走査電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１…切削工具 ３…ホルダ ５…アークイオン式ＰＶＤ装置

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 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、 前記硬質被膜の厚みが１〜５μｍであるとともに、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％以下であることを特徴とする切削工具。
  2. 【請求項２】 前記硬質被膜は、その表面粗さＲａが
    ０．１μｍ以下及び表面粗さＲｚが１μｍ以下の条件の
    うち、少なくとも一方の条件を満たすことを特徴とする
    前記請求項１に記載の切削工具。
  3. 【請求項３】 前記基材は、超硬合金、サーメット、セ
    ラミック、及びハイス等の硬質材料からなることを特徴
    とする前記請求項１又は２に記載の切削工具。
  4. 【請求項４】 前記硬質被膜は、アークイオン式物理蒸
    着により形成された蒸着膜であることを特徴とする前記
    請求項１〜３のいずれかに記載の切削工具。
  5. 【請求項５】 前記請求項１〜４のいずれかに記載の切
    削工具が、ホルダに取り付けられていることを特徴とす
    るホルダ付工具。
  6. 【請求項６】 前記ホルダ付き工具は、フライス加工用
    又は溝入れ加工用であることを特徴とする前記請求項５
    に記載のホルダ付工具。
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