JP4739236B2 - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Description

本発明は、ドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型チップ、エンドミル用刃先交換型チップ、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削加工用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどの切削工具に関し、特にその表面に靭性や耐摩耗性等の特性を向上させる被膜を形成した表面被覆切削工具に関する。

従来、切削用の工具としては、超硬合金（ＷＣ−Ｃｏ合金もしくはこれにＴｉ（チタン）やＴａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）等の炭窒化物を添加した合金）が用いられてきた。しかし、近年の切削の高速化に伴い、超硬合金、サーメット、立方晶型窒化硼素焼結体あるいはアルミナ系や窒化珪素系のセラミックスを基材として、その表面にＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で、元素周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ａｌ（アルミニウム）、ＳｉまたはＢから選ばれる１種以上の第１元素と、Ｂ、Ｃ、ＮまたはＯから選ばれる１種以上の第２元素とからなる化合物（ただし第１元素がＢのみの場合、第２元素はＢ以外とする）による被覆が１層以上被覆され、その被覆層の厚みが３〜２０μｍである硬質合金工具の使用割合が増大している。

このような切削工具は、切削加工時において被削材の切り屑と接触するすくい面と、被削材自体に接触する逃げ面とを有し、このすくい面と逃げ面とが交差する稜に相当する部分（およびその近傍部）が刃先稜線部と呼ばれる。

近年、切削加工能率を一層向上させるため、切削速度がより高速になってきており、そのことに伴いこのような切削工具には一層の耐摩耗性が要求されるようになってきている。しかし、高い耐摩耗性を要求すると靭性が低下するということから、高い耐摩耗性および高い靭性の双方を両立させることが要求されている。

このような要求に応える試みとして、たとえば、特開平０５−１７７４１１号公報（特許文献１）は、基材上に化学的蒸着法（ＣＶＤ法）により高温で被覆層を形成した後、それを室温まで冷却した場合に生じる該被覆層の残留引張応力に注目し、この引張応力が切削工具の靭性の低下をもたらすとしてそれに対する解決策を提案している。すなわち、この引張応力は該基材と該被覆層との熱膨張係数の差に起因して発生するものであるが、このような引張応力を有する第１被覆層をまず基材上に形成し、この第１被覆層に対して所定の亀裂を形成した後に、その第１被覆層上に圧縮応力を有する第２被覆層を形成することにより、高い耐摩耗性を維持しつつ靭性（耐欠損性）を向上させるという手法が採用されている。

また、特開平０５−１７７４１２号公報（特許文献２）には、上記同様被覆層の引張応力に注目しているが、上記とは異なるアプローチが採用されており、硬質セラミックス基材上に引張応力を有する内側被覆層を形成し、その上に圧縮応力を有する外側被覆層を形成する構成のものが提案されている。また、特開平０５−１７７４１３号公報（特許文献３）には、サーメットを基材とする特許文献２と同様の構成の切削工具が提案されている。

一方、特開平０６−０５５３１１号公報（特許文献４）は、超硬合金製の基材上に化学蒸着法により硬質被覆層を形成した切削工具において、逃げ面部分の硬質被覆層のもつ引張応力を保持したまま、すくい面部分の硬質被覆層の引張応力を実質的に除去してなる切削工具を提案している。

また、特許第３０８７４６５号公報（特開平０６−０７９５０２号公報、特許文献５）は、炭窒化チタン基サーメット基体の表面に圧縮応力分布が切刃全体に亘って実質的に同じである硬質被覆層を形成し、該硬質被覆層に対してショットブラスト処理を施すことにより、すくい面部分のもつ圧縮応力を逃げ面部分のもつ圧縮応力よりも４９ＭＰａ以上大きくさせた切削工具を提案している。

しかし、上記のような各提案においては、ある程度の靭性と耐摩耗性との両立を図ることはできるものの、昨今の切削工具を取り巻く状況の下、切削工具にはさらに高度な性能が要求されており、そのような性能を十分に満たす切削工具の開発が求められている。
特開平０５−１７７４１１号公報 特開平０５−１７７４１２号公報 特開平０５−１７７４１３号公報 特開平０６−０５５３１１号公報 特許第３０８７４６５号公報（特開平０６−０７９５０２号公報）

本発明は、上記のような現状に鑑みなされたものであって、その目的とするところは靭性と耐摩耗性とを高度に両立させた表面被覆切削工具を提供することにある。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねたところ、基材を被覆する被膜として特定の素材のものを選択するとともに、基材を複数の層で被覆した場合の各層単位での応力に着目するのではなく、すくい面／逃げ面といった面単位での応力の調整に着目し、すくい面と逃げ面とにおいて特定の応力を付与することが靭性と耐摩耗性との両立には最も効果的であるという知見を得、この知見に基づきさらに研究を重ねることによりついに本発明を完成させるに至ったものである。

すなわち、本発明は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、該被膜は、ＴｉＣＮからなる第１被膜と、α型Ａｌ₂Ｏ₃からなる第２被膜とを含み、該第１被膜は、上記基材と上記第２被膜との間に位置し、該第２被膜は、すくい面において圧縮応力Ｓ１を有し、逃げ面において引張応力Ｓ２を有するとともに、該圧縮応力Ｓ１と該引張応力Ｓ２とが以下の式（Ｉ）によって規定されることを特徴とする表面被覆切削工具に係るものである。
４４１ＭＰａ≦｜Ｓ１−Ｓ２｜≦３５００ＭＰａ・・・（Ｉ）

また、上記第１被膜は、引張応力を有するか、または引張応力が解放されて実質的に応力を有していないものとすることができる。

また、上記第１被膜は、すくい面において引張応力ＳＳ１を有し、逃げ面において引張応力ＳＳ２を有するとともに、該引張応力ＳＳ１と該引張応力ＳＳ２とが以下の式（ＩＩ）によって規定されるものとすることができる。
０≦｜ＳＳ１−ＳＳ２｜≦５００ＭＰａ・・・（ＩＩ）

また、上記表面被覆切削工具は、そのすくい面の増加表面積比をＡ、その逃げ面の増加表面積比をＢとした場合に、以下の式（ＩＩＩ）によって規定される表面粗度を有するものとすることができる。
０．０５≦Ａ／Ｂ≦０．５０・・・（ＩＩＩ）

また、上記第１被膜は、さらに酸素を含有することができ、また元素周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ｓｉ、Ｙ、ＢおよびＳからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含有することができる。また、上記第２被膜は、さらに元素周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ｓｉ、Ｙ、ＢおよびＳからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含有することができる。

また、上記第１被膜は、アスペクト比が３以上である柱状構造を有するとともに、その平均粒径が０．０５μｍ以上１．５μｍ以下である結晶組織を有するものとすることができる。また、上記第１被膜は、２〜２０μｍの厚みを有し、上記第２被膜は、０．５〜２０μｍの厚みを有するものとすることができる。

本発明の表面被覆切削工具は、上記の通りの構成を有することにより、靭性と耐摩耗性とを高度に両立させたものである。

切削加工時における表面被覆切削工具と被削材との接触状態を模式的に示した概略図である。 表面被覆切削工具の概略斜視図である。 表面被覆切削工具の概略断面図である。

符号の説明

１ 表面被覆切削工具、２ すくい面、３ 逃げ面、４ 刃先稜線部、５ 被削材、６ 切り屑、７ 貫通孔、８ 基材、９ 被膜、１０ 第１被膜、１１ 第２被膜。

以下、本発明についてさらに詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明では、図面を用いて説明しているが、本願の図面において同一の参照符号を付したものは、同一部分または相当部分を示している。

＜表面被覆切削工具＞
本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備える構成を有している。

このような表面被覆切削工具１は、図１に示したように切削加工時において被削材５の切り屑６と接触するすくい面２と、被削材自体に接触する逃げ面３とを有し、このすくい面２と逃げ面３とが交差する稜に相当する部分が刃先稜線部４と呼ばれ、被削材５を切削する中心的作用点となっている。なお、本願でいうすくい面および逃げ面とは、表面被覆切削工具の表面に位置する面だけではなく、被膜内部に位置する相当の面をも含む概念である。

そして、本発明者の研究によれば、切削加工時において被削材はまず上記すくい面２に接触し、この最初の接触による衝撃がすくい面２の靭性に対して大きく影響するとともに、この衝撃による発熱によりすくい面２がかなり高温に曝されることが判明した。とりわけこの現象は、切削と接触とが繰り返して生じる断続切削工程において特に顕著となる。したがって、すくい面２に対してこれらの現象に対する対策を講じることが重要であり、本発明は正しくその有効な対策を提供するものである。

このような表面被覆切削工具は、たとえばドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型チップ、エンドミル用刃先交換型チップ、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削加工用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどとして用いることができる。

なお、このような表面被覆切削工具１は、たとえば刃先交換型チップである場合には図２に示したようにその中央部に貫通孔７を設けることができ、これにより工具本体に取り付けることができる。このような貫通孔７は、必要に応じ、この貫通孔の他に又はその代わりに別の固定手段を設けることもできる。

＜基材＞
上記基材としては、このような切削工具の基材として知られる従来公知のものを特に限定なく使用することができる。たとえば、このような基材として、超硬合金（たとえばＷＣ基超硬合金、ＷＣの他、Ｃｏを含み、あるいはさらにＴｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物を添加したものも含む）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を主成分とするもの）、高速度鋼、セラミックス（炭化チタン、炭化硅素、窒化硅素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど）、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化硅素焼結体、または酸化アルミニウムと炭化チタンとからなる混合体等を挙げることができる。

このような種々の基材の中でも、特に本発明においては超硬合金（ＷＣ基超硬合金）を用いることが好ましい。これは、高硬度なタングステンカーバイドを主体としてコバルトなどの鉄族金属を含有することで、高硬度と高強度とを併せ持った切削工具用の基材として極めてバランスのとれた合金だからである。

＜被膜＞
図３に示したように上記基材８上に形成される被膜９は、主として更なる靭性の向上と更なる耐摩耗性の向上とを目的として形成されるものであり、ＴｉＣＮからなる第１被膜１０と、α型Ａｌ₂Ｏ₃からなる第２被膜１１とを含むものである。

なお、このような被膜は、被膜と基材との密着性をさらに向上させたり、第１被膜と第２被膜との密着性をさらに向上させたり、あるいは被膜表面の状態を改良したりすることを目的として、上記第１被膜と上記第２被膜以外の第３の被膜を含むことができる。

このような第３の被膜としては、たとえばＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＯ、ＴｉＢＮ、ＺｒＣＮ、ＴｉＺｒＣＮ、ＡｌＮ、ＡｌＯＮ、ＴｉＡｌＮ等を挙げることができる。

なお、このような第３の被膜は、１層または２層以上形成することができ、その積層の態様も特に限定されるものではなく、たとえば基材と第１被膜との間、第１被膜と第２被膜との間、あるいは第２被膜の表面等、任意の１以上の積層箇所に形成することができる。

以下、第１被膜と第２被膜について説明するが、説明の便宜上、第２被膜から説明する。

＜第２被膜＞
本発明の第２被膜は、α型Ａｌ₂Ｏ₃からなるものである。このような素材で構成される第２被膜を、基材の最表面または最表面近傍に形成することにより、基材の酸化を効果的に防止するとともに切削加工時において被削材の構成元素が基材側に拡散することを極めて有効に防止することができる。そして、このような酸化や拡散は、切削加工時における発熱により助長されることになるが、α型Ａｌ₂Ｏ₃は高温安定性にも優れているため、これらの効果が相乗的に作用することにより極めて優れた効果が示される。

このような第２被膜は、α型Ａｌ₂Ｏ₃単独で構成することができるが、さらに元素周期律表のＩＶａ族元素（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等）、Ｖａ族元素（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ等）、ＶＩａ族元素（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等）、Ｓｉ、Ｙ、ＢおよびＳからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含有していても良い。また、そのような元素の含有の形態も特に限定されるものではなく、たとえば、そのような元素が上記α型Ａｌ₂Ｏ₃の結晶格子の正規の位置に置換型として入る場合、該結晶格子間に侵入型として入る場合、金属間化合物を形成する場合、非晶質として存在する場合等、いずれの形態でも良い。

また、そのような元素の濃度分布は、該元素が被膜中に均質に分布する場合、結晶粒界において高濃度または低濃度で分布する場合、該被膜の表面部分において高濃度または低濃度で分布する場合等、いずれの濃度分布を有するようにして存在していても差し支えない。なお、該元素の含有濃度は、α型Ａｌ₂Ｏ₃のＡｌに対して０．０１〜３０原子％で含有されることが好ましく、より好ましくは、その上限が２０原子％、さらに好ましくは１０原子％、その下限が０．０５原子％、さらに好ましくは０．１原子％である。０．０１原子％未満では、このような元素を含有することによりもたらされる効果（たとえば高温時において高硬度を示したり高強度を示したり、あるいは良好な潤滑性が付与される等の効果）が示されない場合があり、また３０原子％を超えると、当該第２被膜の結晶格子が歪み硬度や強度が低下する場合がある。

また、このような第２被膜は、０．５〜２０μｍの厚みで形成することが好ましく、より好ましくは、その上限が１０μｍ、さらに好ましくは５μｍ、その下限が１μｍ、さらに好ましくは１．５μｍである。０．５μｍ未満では、当該第２被膜自体の化学的な安定性が損なわれ、凝着摩耗や拡散摩耗等の摩耗の進行が早まる場合があり、また２０μｍを超えると、膜の強度が損なわれ、膜の剥離やチッピングが生じ、最終的には欠損に至る場合がある。

そしてこのような第２被膜は、すくい面において圧縮応力Ｓ１を有し、逃げ面において引張応力Ｓ２を有するとともに、該圧縮応力Ｓ１と該引張応力Ｓ２とが以下の式（Ｉ）によって規定されることを特徴としている。
４４１ＭＰａ≦｜Ｓ１−Ｓ２｜≦３５００ＭＰａ・・・（Ｉ）

前述の通り、すくい面は、切削加工時において被削材と最初に接触する部分であり、また高温に曝される部分でもあるので、この部分の応力を圧縮応力Ｓ１とすることにより靭性を極めて有効に向上させることができる。ここで圧縮応力とは、被膜に存する内部応力（固有ひずみ）の一種であって、「−」（マイナス）の数値（単位：ＭＰａ）で表される応力をいう。このため、圧縮応力が大きいという概念は、上記数値の絶対値が大きくなることを示し、また、圧縮応力が小さいという概念は、上記数値の絶対値が小さくなることを示す。

そして、この圧縮応力Ｓ１は、４４１ＭＰａ（４５ｋｇ／ｍｍ²）より大きい圧縮応力（｜Ｓ１｜＞４４１ＭＰａ）を有していることが特に好ましい。これにより、ほぼ通常の使用条件下において十分となる靭性を得ることができるからである。

また、このような第２被膜においては、逃げ面における応力を引張応力Ｓ２とすることにより、耐摩耗性の維持を図るとともに被膜自体が剥離することを防止したものである。ここで引張応力とは、これも被膜に存する内部応力（固有ひずみ）の一種であって、「＋」（プラス）の数値（単位：ＭＰａ）で表される応力をいう。このため、引張応力が大きいという概念は、上記数値が大きくなることを示し、また、引張応力が小さいという概念は、上記数値が小さくなることを示す。この逃げ面の引張応力Ｓ２は、基材が超硬合金である場合、通常５０ＭＰａ〜３００ＭＰａの値を有する。

そしてさらに、本発明の第２被膜においては、上記圧縮応力Ｓ１と上記引張応力Ｓ２とが上記の式（Ｉ）によって規定されることを特徴としている。より好ましくは、５００ＭＰａ≦｜Ｓ１−Ｓ２｜≦３０００ＭＰａである。

これにより、特に高度なレベルでの靭性と耐摩耗性との両立を図ることが可能となったものである。上記において、圧縮応力Ｓ１と引張応力Ｓ２の差の絶対値（｜Ｓ１−Ｓ２｜）が、４４１ＭＰａ（４５ｋｇ／ｍｍ²）未満になると、靭性の向上作用を十分に達成させることができなくなる一方、３５００ＭＰａを超えると、この第２被膜が基材から剥離するという状態を招く恐れがある。

本発明の第２被膜において、上記のような応力分布を形成させる方法としては特に限定されるものではないが、たとえばα型Ａｌ₂Ｏ₃からなる被膜を公知の化学的蒸着法（ＣＶＤ法）により形成し、この被膜は通常引張応力を有したものとなるのでこの被膜のすくい面部分に対してブラシ処理、ブラスト処理（たとえばサンドブラスト処理やウェットブラスト処理を含む）、ショットピーニング処理、またはＰＶＤのボンバード処理等の各種手法により圧縮応力を付与することにより所望の応力分布を形成することができる。

一方、このようなα型Ａｌ₂Ｏ₃からなる被膜は、公知の物理的蒸着法（ＰＶＤ法）により形成することもでき、この場合この被膜は通常圧縮応力を有したものとなるので、この被膜の逃げ面部分に対して加熱処理、レーザー処理または高周波処理等の各種手法による処理を施すことによりその部分の圧縮応力を解放し、引張応力を付与するという方法を採用することもできる。

なお、このような応力分布は、Ｘ線応力測定装置によるｓｉｎ²ψ法により、測定回折面としてα型Ａｌ₂Ｏ₃の（１１６）面を選択することにより測定することができる。上記すくい面と逃げ面は、それぞれ所定の面積を有するものであるため、上記圧縮応力Ｓ１と上記引張応力Ｓ２はそれぞれ各面に含まれる任意の点１０点（これらの各点は各面の応力を代表できるように互いに０．５ｍｍ以上の距離を離して選択することが好ましい）の応力をこの方法により測定し、その平均値を求めることにより測定することができる。

このようなＸ線を用いたｓｉｎ²ψ法は、多結晶材料の残留応力の測定方法として広く用いられているものであり、たとえば「Ｘ線応力測定法」（日本材料学会、１９８１年株式会社養賢堂発行）の５４〜６６頁に詳細に説明されている方法を用いれば良い。

なお、上記のように応力分布を２θ−ｓｉｎ²ψ線図から求めるためには、被膜のヤング率とポアソン比が必要となる。しかし、該ヤング率はダイナミック硬度計等を用いて測定することができ、ポアソン比は材料によって大きく変化しないため０．２前後の値を用いればよい。本発明では、特に正確な応力値が重要となるわけではなく、応力差が重要である。このため、２θ−ｓｉｎ²ψ線図から応力差を求めるに際して、ヤング率を用いることなく格子定数および格子面間隔を求めることにより応力分布の代用とすることもできる。

なお、本発明の第２被膜が上記のように元素周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ｓｉ、Ｙ、ＢおよびＳからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含有する場合においても、ほぼ同等の２θの位置に（１１６）面が存在するため、上記と同様にして応力を測定することができる。

＜第１被膜＞
本発明の第１被膜は、上記基材と上記第２被膜との間に位置し、ＴｉＣＮからなるものである。上記α型Ａｌ₂Ｏ₃からなる第２被膜は、上記のような優れた効果を有するものであるが、相対的に脆いという特性を有しており、このため耐アブレッシブ摩耗性が特に重視される切削温度が比較的低い用途においてより高度な耐摩耗性が求められることがある。本発明の第１被膜は、正しくこのような要求を満たすことを目的として形成されるものであり、それ自身高温での切削で酸化され易いという特性があるものの非常に高い硬度を有することから、上記第２被膜と基材との間に位置することにより、耐摩耗性を飛躍的に向上させる作用を奏するものである。

このような第１被膜は、ＴｉＣＮ単独で構成することができるが、さらに酸素を含有していても良い。また、このような酸素の含有の形態も特に限定されるものではなく、たとえば、酸素が上記ＴｉＣＮの結晶格子の正規の位置に置換型として入る場合、該結晶格子間に侵入型として入る場合、非晶質として存在する場合等、いずれの形態でも良い。

また、第１被膜は、上記のように酸素が含まれる場合の他、元素周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ｓｉ、Ｙ、ＢおよびＳからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含有することもできる。これらの元素は、酸素とともにあるいは酸素を含むことなくそれ単独で含有されることができ、上記の酸素と同様にいずれの含有形態をとることもできる。

このように第１被膜は、ＴｉＣＮ単独で構成される他、ＴｉＣＮを主構成とし、酸素をはじめとする上記のような各元素を含むこともできる。

また、このような酸素等の元素の濃度分布は、該元素が被膜中に均質に分布する場合、結晶粒界において高濃度または低濃度で分布する場合、該被膜の表面部分において高濃度または低濃度で分布する場合等、いずれの濃度分布を有するようにして存在していても差し支えない。なお、このような酸素等の元素の含有濃度は、ＴｉＣＮのＣおよびＮの合計に対して０．１〜４０原子％で含有されることが好ましく、より好ましくは、その上限が３０原子％、さらに好ましくは２０原子％、その下限が１原子％、さらに好ましくは５原子％である。０．１原子％未満では、酸素等の元素を含有することによりもたらされる効果（たとえば結晶粒の微細化等）が示されない場合があり、また４０原子％を超えると、膜の結晶格子が歪み硬度や強度が低下する場合がある。

また、このような第１被膜は、２〜２０μｍの厚みで形成することが好ましく、より好ましくは、その上限が１５μｍ、さらに好ましくは１０μｍ、その下限が２．５μｍ、さらに好ましくは３μｍである。２μｍ未満では、摩耗が進行し、これにより基材が露出することによりさらに摩耗が著しく進行する場合があり、また２０μｍを超えると、膜の強度が損なわれ、膜の剥離やチッピングが生じ、最終的には欠損に至る場合がある。

また、このような第１被膜は、アスペクト比が３以上である柱状構造を有するとともに、その平均粒径が０．０５μｍ以上１．５μｍ以下である結晶組織を有していることが好ましい。このような結晶組織を有することにより、さらに耐アブレッシブ摩耗性を向上させることができる。ここでアスペクト比とは、第１被膜に含まれる結晶の平均粒径を以下のような方法で測定し、第１被膜の膜厚をこの平均粒径で除した数値をいう。このような平均粒径の測定は、当該第１被膜の断面を鏡面加工するとともに結晶の粒界をエッチングした後、当該第１被膜の膜厚の１／２の地点における各結晶の幅（膜厚の方向に対して垂直となる方向の各結晶の幅）を測定し、その幅の平均値を平均粒径とすることにより測定できる。

このようなアスペクト比が３未満の場合、耐アブレッシブ摩耗性を向上させることができなくなることがある。また、このアスペクト比は、数値が大きくなる程耐アブレッシブ摩耗性が向上するため、あえてその上限を規定する必要はないが、アスペクト比が３００を超えるものは、結晶が細かくなりすぎて組織が脆くなり耐欠損性が悪くなる場合がある。アスペクト比として、より好ましくは７〜２００であり、さらに好ましくはその上限が１００、特に好ましくは５０、その下限が１５、特に好ましくは２０である。

また、平均粒径が０．０５μｍ未満の場合、結晶が細かくなりすぎて組織が脆くなり耐欠損性が悪化することがある。平均粒径が１．５μｍを超えると、結晶の組織が粗くなり表面の凹凸も悪化し、切り屑の流れなど切削抵抗が悪化することがある。平均粒径として、より好ましくは０．１μｍ以上１μｍ以下であり、さらに好ましくはその上限が０．６μｍ、特に好ましくは０．４μｍ、その下限が０．１５μｍ、特に好ましくは０．２μｍである。

このような第１被膜は、引張応力を有するか、または引張応力が解放されて実質的に応力を有していないことが好ましい。第１被膜の応力をこのような応力とすることにより、基材との間で高度な密着性を得ることができるとともに、特に優れた耐摩耗性を実現させることができる。通常、基材が超硬合金である場合、このような引張応力は５０ＭＰａ〜３００ＭＰａの値を有する。

さらに、このような第１被膜は、すくい面において引張応力ＳＳ１を有し、逃げ面において引張応力ＳＳ２を有するとともに、該引張応力ＳＳ１と該引張応力ＳＳ２とが以下の式（ＩＩ）によって規定されたものとすることが好ましい。
０≦｜ＳＳ１−ＳＳ２｜≦５００ＭＰａ・・・（ＩＩ）

ここですくい面と逃げ面とは、上記第２被膜の場合と同一の領域を示す。そして、引張応力ＳＳ１と引張応力ＳＳ２の差の絶対値（｜ＳＳ１−ＳＳ２｜）が、上記式（ＩＩ）で表される範囲内のものとする規定は、上記第２被膜において上記所定の応力分布を有することを目的として行なわれるすくい面に対する処理（または逃げ面に対する処理）の影響が、この第１被膜には実質的に伝わらない方が好ましいということを表すものである。すなわち、第１被膜においては、第２被膜のような応力分布を実質的に有している必要はない。逆に、引張応力ＳＳ１と引張応力ＳＳ２の差の絶対値（｜ＳＳ１−ＳＳ２｜）が５００ＭＰａを超えると、下地との密着性を損ない、膜の剥離やチッピングが生じ、最終的には欠損に至るという不都合を有する場合がある。引張応力ＳＳ１と引張応力ＳＳ２の差の絶対値（｜ＳＳ１−ＳＳ２｜）の上限は、より好ましくは２００ＭＰａ、さらに好ましくは１００ＭＰａである。

このような第１被膜は、公知のＣＶＤ法により形成することができる。これにより、同時に第１被膜に対して引張応力を付与することができる。一方、このような第１被膜は、公知のＰＶＤ法により形成することもでき、この場合この被膜は通常圧縮応力を有したものとなる。したがって、このような圧縮応力を引張応力に変更したり、またあるいは引張応力を解放して実質的に応力を有しない状態とするためには、この第１被膜に対して加熱処理、レーザー処理または高周波処理等の各種手法による処理を施すことが好ましい。

なお、このような第１被膜の応力は、Ｘ線応力測定装置によるｓｉｎ²ψ法により、測定回折面としてＴｉＣＮの（４２２）面を選択することにより、上記第２被膜の場合と同様にして測定することができる。また、本発明の第１被膜が上記のようにさらに酸素等の元素を含有する場合においても、ほぼ同等の２θの位置に（４２２）面が存在するため、同様にして応力を測定することができる。

＜表面粗度＞
本発明の表面被覆切削工具は、そのすくい面の増加表面積比をＡ、その逃げ面の増加表面積比をＢとした場合に、以下の式（ＩＩＩ）によって規定される表面粗度を有することが好ましい。
０．０５≦Ａ／Ｂ≦０．５０・・・（ＩＩＩ）

ここで、増加表面積比とは、被膜表面の面粗さを３次元的な視点から規定するものであり、高さ方向のみの２次元的な面粗さを規定する従来の面粗度ＲａやＲｍａｘとは全く異なった概念を有するものである。すなわち、この増加表面積比は、所定の測定視野に含まれる垂直方向と水平方向の全方向の凹凸を含めて得られる総表面積ａ１と同測定視野の２次元的な面積ａ２との比ａ１／ａ２から１を引いた（ａ１／ａ２）−１で表されるものである。この増加表面積比は値が小さくなる程、平滑性が向上することを示す。このような増加表面積比は、より具体的には、株式会社エリオニクス製電子線三次元粗さ解析装置（ＥＲＡ−８０００等）を用いて測定した値から求めることができる。たとえば、被膜表面の巨視的なうねりを排除し微細な凹凸を測定可能とするために倍率を５０００倍に設定して被膜の表面を測定し、すくい面および逃げ面において測定視野内の水平方向と垂直方向のサンプリング数をそれぞれ２８０点、２１０点とすることにより測定することができる。なお、これと同様の原理で計測可能な装置であれば、その装置を用いて測定することができる。

そして、上記のようにして測定されたこのすくい面の増加表面積比をＡ、逃げ面の増加表面積比をＢとした場合に、Ａ／Ｂ値が上記の式（ＩＩＩ）によって規定されることが好ましい。該Ａ／Ｂ値が式（ＩＩＩ）で規定される範囲内の数値を示すことにより、すくい面の平滑性が特に平滑なものとなるため、切削加工時の切り屑の排出性が特に良好となり、すくい面の温度上昇を抑制する効果が奏される。これは、切削加工時において、高温となる切り屑が良好に排出されるので、それにともないすくい面の温度上昇が抑制されるためと考えられる。

上記Ａ／Ｂ値が０．５０を超えると、切り屑の排出性が劣り上記のような効果が期待できなくなる一方、０．０５未満としても上記効果に大差なく、平滑処理にコストを要し経済的に不利となる。

本発明の表面被覆切削工具が式（ＩＩＩ）で規定される表面粗度を有するためには、表面、特にそのすくい面に対して公知の研磨処理や平滑処理を施すことが好ましい。そのような処理としては、たとえばバフ研磨、ブラシ研磨、バレル研磨、ダイヤモンドラップ、ブラスト研磨等を挙げることができる。

＜実施例＞
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜実施例１〜５および比較例１〜４＞
ＷＣ：８６質量％、Ｃｏ：８．０質量％、ＴｉＣ：２．０質量％、ＮｂＣ：２．０質量％、ＺｒＣ：２．０質量％の配合割合で各原材料粉末をボールミルを用いて７２時間湿式混合した。続いて、その混合物を乾燥した後、プレス成形した。そしてその後、真空雰囲気中で１４２０℃、１時間の条件で焼結を行なった。

得られた焼結体の刃先稜線部に対してＳｉＣブラシホーニング処理により面取り加工を行ない、ＩＳＯ・ＳＮＭＧ１２０４０８のチップ形状を有するＷＣ基超硬合金スローアウェイ切削工具の基材を作成した。

この基材表面に対して、化学蒸着法である公知の熱ＣＶＤ法を用いて以下の構成の被膜を形成した。すなわち、基材上にまず厚み０．５μｍのＴｉＮ膜を形成し、その上に第１被膜である厚み７．０μｍのＴｉＣＮ膜を形成し、その上に厚み０．５μｍのＴｉＮ膜を形成し、その上に第２被膜である厚み３．０μｍのα型Ａｌ₂Ｏ₃膜を形成し、その上に厚み０．５μｍのＴｉＮ膜を形成することにより、基材と該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具を作製した。該被膜は、上記のようにＴｉＣＮからなる第１被膜とα型Ａｌ₂Ｏ₃からなる第２被膜とを含むものであり、該第１被膜は該基材と該第２被膜との間に位置するものであった。

次いで、このようにして作製された表面被覆切削工具の、すくい面全面に対して投射圧０．０１〜０．５ＭＰａ、投射距離０．５〜２００ｍｍ、微粉濃度５〜４０ｖｏｌ％の条件下、粒径２５０μｍ以下のＡｌ₂Ｏ₃などのセラミック砥粒によるウェットブラスト処理を施すことにより以下の表１に示す応力分布（各第２被膜において｜Ｓ１−Ｓ２｜値および各第１被膜において｜ＳＳ１−ＳＳ２｜値）を有する実施例１〜５および比較例１〜４の表面被覆切削工具を作製した。このような本発明の実施例１〜５の表面被覆切削工具は、それぞれ第２被膜のすくい面において圧縮応力Ｓ１を有し、逃げ面においては引張応力Ｓ２を有するものであり、また第１被膜は、引張応力を有するか、または引張応力が解放されて実質的に応力を有していないものであった。

なお、各実施例および比較例の上記応力分布（各第２被膜における｜Ｓ１−Ｓ２｜値および各第１被膜における｜ＳＳ１−ＳＳ２｜値）は、上記ウェットブラスト処理の条件を上記数値範囲内で適宜調整することにより形成し、その応力分布（各第２被膜における｜Ｓ１−Ｓ２｜値および各第１被膜における｜ＳＳ１−ＳＳ２｜値）は前述のｓｉｎ²ψ法により測定した。

また、実施例１〜５の表面被覆切削工具の第１被膜は、上記記載の方法により測定した結果、アスペクト比が３０である柱状構造を有するとともに、その平均粒径が０．２３μｍの結晶組織を有していた。

そして、これらの表面被覆切削工具に対して下記条件で旋削切削試験を実施し、欠損が発生するまでの時間を測定した。欠損が発生するまでの時間が長いもの程、靭性および耐摩耗性が優れていることを示している。

＜試験条件＞
被削材：ＳＣＭ４３５溝付き丸棒、
切削速度：２３０ｍ／ｍｉｎ
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ．
切込み：１．０ｍｍ
切削油：無し

表１より明らかなように、表面被覆切削工具の第２被膜について上記式（Ｉ）における圧縮応力Ｓ１と引張応力Ｓ２の差の絶対値（｜Ｓ１−Ｓ２｜）が４４１ＭＰａ以上３５００ＭＰａ以下のもの（実施例１〜５）は、その差の絶対値がその範囲以外となるもの（比較例１〜４）に比し、靭性および耐摩耗性が高度に両立されたものであった。

なお、実施例１〜５の表面被覆切削工具各々について、すくい面の増加表面積比Ａと逃げ面の増加表面積比Ｂとを電子線三次元粗さ解析装置（ＥＲＡ−８０００、株式会社エリオニクス製）により測定したところ、Ａ／Ｂは実施例１が０．６１、実施例２が０．４９、実施例３が０．４１、実施例４が０．４３、実施例５が０．４５であった。

＜実施例６〜１０＞
実施例１〜５の表面被覆切削工具各々のすくい面に対して、以下の平滑処理を施した（実施例１のものが本実施例６に対応し、以降のものもそれぞれ番号順の対応関係を有する）。

すなわち、各表面被覆切削工具の各々のすくい面に対して、表２に示したように異なる粒度（＃４００〜＃４０００）のダイヤモンド砥粒を使用するとともに異なるラッピング処理時間を採用することにより、平滑処理を実施した。

その後、このような平滑処理を施した表面被覆切削工具各々について、すくい面の増加表面積比Ａと逃げ面の増加表面積比Ｂとを電子線三次元粗さ解析装置（ＥＲＡ−８０００、株式会社エリオニクス製）により測定したところ、Ａ／Ｂは表２の通りであった。

そして、これらの表面被覆切削工具に対して上記と同様の条件で旋削切削試験を実施し、欠損が発生するまでの時間を測定した。欠損が発生するまでの時間が長いもの程、靭性および耐摩耗性が優れていることを示している。その結果を表２に示す。

表１および２より明らかなように、表面被覆切削工具においてＡ／Ｂが０．０５以上０．５０以下のもの（実施例２〜１０）は、実施例１（Ａ／Ｂが０．６１）に比し、さらに優れた靭性および耐摩耗性を示し、特にＡ／Ｂが小さくなればなる程、より優れた靭性および耐摩耗性が示された。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

Claims (8)

1. 基材（８）と、該基材（８）上に形成された被膜（９）とを備える表面被覆切削工具（１）であって、
   前記被膜（９）は、ＴｉＣＮからなる第１被膜（１０）と、α型Ａｌ₂Ｏ₃からなる第２被膜（１１）とを含み、
   前記第１被膜（１０）は、前記基材（８）と前記第２被膜（１１）との間に位置し、引張応力を有するか、または引張応力が解放されて実質的に応力を有しておらず、
   前記第２被膜（１１）は、すくい面（２）において圧縮応力Ｓ１を有し、逃げ面（３）において引張応力Ｓ２を有するとともに、前記圧縮応力Ｓ１と前記引張応力Ｓ２とが以下の式（Ｉ）によって規定されることを特徴とする表面被覆切削工具（１）。
   ４４１ＭＰａ≦｜Ｓ１−Ｓ２｜≦３５００ＭＰａ・・・（Ｉ）
2. 前記第１被膜（１０）は、すくい面（２）において引張応力ＳＳ１を有し、逃げ面（３）において引張応力ＳＳ２を有するとともに、前記引張応力ＳＳ１と前記引張応力ＳＳ２とが以下の式（ＩＩ）によって規定されることを特徴とする請求項１記載の表面被覆切削工具（１）。
   ０≦｜ＳＳ１−ＳＳ２｜≦５００ＭＰａ・・・（ＩＩ）
3. 前記表面被覆切削工具（１）は、そのすくい面（２）の増加表面積比をＡ、その逃げ面（３）の増加表面積比をＢとした場合に、以下の式（ＩＩＩ）によって規定される表面粗度を有することを特徴とする請求項１記載の表面被覆切削工具（１）。
   ０．０５≦Ａ／Ｂ≦０．５０・・・（ＩＩＩ）
4. 前記第１被膜（１０）は、さらに酸素を含有していることを特徴とする請求項１記載の表面被覆切削工具（１）。
5. 前記第１被膜（１０）は、さらに元素周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ｓｉ、Ｙ、ＢおよびＳからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含有していることを特徴とする請求項１記載の表面被覆切削工具（１）。
6. 前記第２被膜（１１）は、さらに元素周期律表のＩＶａ族元素、Ｖａ族元素、ＶＩａ族元素、Ｓｉ、Ｙ、ＢおよびＳからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含有していることを特徴とする請求項１記載の表面被覆切削工具（１）。
7. 前記第１被膜（１０）は、アスペクト比が３以上である柱状構造を有するとともに、その平均粒径が０．０５μｍ以上１．５μｍ以下である結晶組織を有することを特徴とする請求項１記載の表面被覆切削工具（１）。
8. 前記第１被膜（１０）は、２〜２０μｍの厚みを有し、前記第２被膜（１１）は、０．５〜２０μｍの厚みを有することを特徴とする請求項１記載の表面被覆切削工具（１）。

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