JP6324990B2 - 被覆切削工具及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、セラミックス、超硬、多結晶ダイアモンド、立方晶窒化ホウ素、又は高速度鋼でできている、旋削加工、フライス加工、穴あけ加工、又は他のチップ形成加工法に好適な被覆切削工具に関する。

セラミック、サーメット、及び超硬でできた切削工具は、通常、硬質被覆が施され、耐摩耗性及び切削特性を改善する。被膜は、用途に応じて最適化される。この最適化は、特定の用途の顕著な摩耗メカニズムに基づくことが多い。例えば、アルミナは、すくい面の耐クレータ摩耗性に対する耐久性を改善することが知られている。また、別の耐火性金属の窒化物、炭化物、及び炭窒化物、例えば、炭窒化チタンは、逃げ面のアブレッシブ摩耗に対する耐久性を改善することが知られている。異なる特性を有している別々の層を備えている被膜を形成することによって、摩耗メカニズムの違いとも相まって、切削工具の異なる部位の耐摩耗性が、改善される。また、組成、組織、層厚さ等を厳密に最適化することによって、特定の用途における性能が向上する。しかし、このアプローチは、切削工具の異なった部位に関し、摩耗と性能特性との間で妥協が残る。この解決方法として、異なる後処理が用いられている。

アメリカ合衆国特許第５，８６１，２１０号には、複数層の耐摩耗被覆が施された切削工具が開示されており、その被覆は、最外層にＴｉ（Ｃ，Ｎ，Ｏ）又はＺｒ（Ｃ，Ｎ）層を含み、その最外層は、α−Ａｌ_２Ｏ_３層に堆積されている。ブラッシング、研削、研磨、又はブラスティングによって、機械的に、切れ刃のみ、又はすくい面と切れ刃の両方とから、最外層が除去され、下層のα−Ａｌ_２Ｏ_３層が露出され、すくい面と逃げ面の耐摩耗性を同時に改善し、特に、耐フレーキング性を改善する。

アメリカ合衆国特許第５，７７６，５８８号には、複数層の耐摩耗被膜が施された切削工具が開示されており、その被膜は、最内側にＴｉＣＮ層、中間にＡｌ_２Ｏ_３層、及び、最外側にＴｉＮ層を含む。振動タンブリング、ブラッシング、ショットブラスティング、研削等によって、切れ刃から、ＴｉＮ層とＡｌ_２Ｏ_３層が除去され、最内側のＴｉＣＮ層が露出され、切れ刃における被膜の耐チッピング性を改善する。

アメリカ合衆国特許第７，４３１，７４７号には、複数層の耐摩耗被膜が施された切削工具が開示されており、その被膜は、硬質材料に堆積したアルミニウム酸化物を含む。レーザ処理によって、逃げ面の少なくとも一部から、アルミニウム酸化物層が選択的に除去され、下層の硬質材料層が露出され、逃げ面のアルミニウム酸化物層を有することの不利を低減し、それによって、逃げ面における摩耗マークの幅の増加を防ぎ、すくい面における耐クレータ摩耗性を維持する。

本発明の目的の１つは、耐クレータ摩耗性、耐フランク摩耗性、エッジ靱性、耐フレーキング性、及び塑性変形に対する耐性のうち、１つ以上の改善を可能にすることであり、その改善に際し、残りの特性の１つ以上を著しく損なわないことである。

本発明のもう１つ目的は、耐クレータ摩耗性の改善を可能にすることであり、その改善に際し、鋼の切削中、特に鋼の旋削中に、フレーキング及び／又は不十分な靱性によって、エッジの信頼性を損なわないことである。

本発明のさらにもう１つの目的は、逃げ面及び／又はエッジから基材への熱の移動を低減することによって、塑性変形に対する耐性の改善を可能にすることであり、その改善に際し、鋼又はステンレス鋼の切削中、特に鋼又はステンレス鋼の旋削中に、劣化、例えばクレータ摩耗が起こらないことである。

本発明のさらにもう１つの目的は、すくい面から基材への熱の移動を低減することによって、塑性変形に対する耐性の改善を可能にすることであり、その改善に際し、ステンレス鋼の切削中、特にステンレス鋼の旋削中に、エッジの信頼性を損なわないことである。

それらの目的は、独立請求項による、被覆切削工具及びその製造方法によって達成される。

本発明の一実施態様による被覆切削工具は、すくい面、逃げ面、並びに、前記すくい面に沿う第１軸Ｗ及び前記逃げ面に沿う第２軸Ｈを伴う内接された楕円によって描かれた面取りエッジを伴う切れ刃であって、前記すくい面と前記逃げ面の交差部で、前記楕円の４分の１に相当する輪郭を与えている切れ刃を有する基材と、厚さがＴであり、第１層及び前記第１層に堆積されている第２層を有する被膜と、を備える。前記第２層が、内側アルミニウム酸化物層、中間層、及び外側アルミニウム酸化物層からなるサンドイッチ構造を含み、前記内側アルミニウム酸化物層又は前記中間層が、前記外側アルミニウム酸化物層の開口を通じて露出されており、前記開口が、前記切れ刃の少なくとも一部の幅を越え、かつ、直交する方向で前記切れ刃の少なくとも一部に沿って延在している。ここで、直交する方向Ｒの少なくとも一部に沿って延在する前記開口は、前記切れ刃に直交する方向の少なくとも一部に沿って延在する前記開口を意味する。

基材は、セラミック、サーメット、超硬、多結晶ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、又は高速度鋼でできていてよい。被覆切削工具は、旋削加工、フライス加工、穴あけ加工、又は他のチップ形成加工法に好適であってよい。

エッジに比較的薄い厚さの被膜を有するこの方法の利点の１つは、これが被覆切削工具のこの領域の問題を低減することであり、通常は、フレーキング又は靱性欠如等の厚い被膜に関係している。

本発明の一実施態様において、開口は、少なくとも切れ刃の全幅を越えて延在している。図２に示されるように、全幅は、エッジの幅Ｗを意味する。

本発明の一実施態様において、開口は、逃げ面へ延在している。この利点の１つは、外側層のエッジが、切れ刃から、さらに離れて変位しており、切削操作に影響を与えないことである。そして、例えば、塑性変形によって、比較的厚い被膜のフレーキングを防止することである。

本発明の一実施態様において、逃げ面に対して直交する方向で、光学顕微鏡を用いて測定したとき、開口は、少なくとも（Ｈ＋Ｔ＋２）ｍｍの距離にわたって、すくい面から逃げ面へ延在している。切削工具インサートの場合、これは、切削工具インサートを平面上に収め、逃げ面を平面と平行にすることによって行われてよい。インサートの形式、例えば、ネガティブ、ポジティブインサートによって、この方向は、逃げ面に対して完全に直交していなくてもよい。

本発明の一実施態様において、すくい面に対して直交する方向で、光学顕微鏡を用いて測定したとき、開口は、逃げ面からすくい面へ延在している。切削工具インサートの場合、これは、切削工具インサートを平面に収め、すくい面を平面に垂直にすることによって行われてよい。インサートの形式、例えば、ネガティブ、ポジティブインサートによって、この方向は、すくい面に対して完全に直交していなくてもよい。

本発明の一実施態様において、開口は、すくい面へ、別の実施態様においては、部分的にすくい面の第１ランドへ延在しており、好ましくは、すくい面へ少なくともδ＝５０μｍ、より好ましくは、すくい面へ少なくともδ＝１００μｍ、最も好ましくは、すくい面へδ＝１５０μｍである。有利には、切れ刃から離れ、第１ランドへ変位された外側層のエッジを有する。外側層のエッジを第１ランドよりも離れた位置に移動させることは好ましくない。クレータ摩耗が発生し易いすくい面においては、サンドイッチ構造により、層の厚さを２倍にすることが好ましいためである。クレータ摩耗が発生し易い部位の位置は、典型的には、インサートの形状、即ち、インサートの大きさと、切削パラメータとに依存する。

本発明の一実施態様において、開口は、好ましくは、δ＝４００μｍを超えてすくい面へ、より好ましくは、δ＝３００μｍを超えてすくい面へ、最も好ましくは、δ＝２５０μｍを超えてすくい面へ延在するべきではない。

本発明の一実施態様において、中間層は、外側アルミニウム酸化物層の開口で露出されている。

本発明の一実施態様において、内側アルミニウム酸化物は、切れ刃の少なくとも全幅を越えて露出している。一実施態様において、内側アルミニウム酸化層は、すくい面でも、好ましくは、すくい面へ少なくともδ＝５０μｍ、より好ましくは、すくい面へ少なくともδ＝１００μｍ、最も好ましくは、すくい面へδ＝１５０μｍ、露出している。一実施態様において、内側アルミニウム酸化物層は、逃げ面で、好ましくは、逃げ面へ少なくともδ＝（Ｈ＋Ｔ＋２）ｍｍ、露出している。中間層を除去する利点の１つは、被加工物からの材料が中間層に付着してもよいことである。

開口は、好ましくは、外側層の一部を剥離するためのレーザを用いて形成されることが好ましく、さらに、次のように説明される。レーザビームを透過する外側層と、光に対する高い吸収率を有している、好ましくは、外側層よりも、レーザ光に対する高い吸収率を有している中間層と、を備えることによって、外側層を通過して照射された光は、中間層で吸収されることができ、それによって、中間層で熱が発生し、それにしたがって、外側層のその部分が除去される。これは、ナノ秒パルスレーザアブレーションのための典型的な状態である。代わりに、レーザビームによって、原則的に熱を形成させないで、直接的に中間層を蒸発させ、それによって、外側層を分離する。これには、例えば、ピコ秒パルスレーザ源の使用がある。

本発明の一実施態様において、内側層は内側アルミニウム酸化物層であり、外側層は外側アルミニウム酸化物層であり、好ましくは、アルミニウム酸化物層の一方又は両方がα−Ａｌ_２Ｏ_３でできており、好ましくは、ＰＶＤ又はＣＶＤで形成され、より好ましくは、ＣＶＤで形成される。

本発明の一実施態様において、アルミニウム酸化物層は、２〜１０μｍの厚さを有している。内側アルミニウム酸化物層の厚さは、外側アルミニウム酸化物層の厚さと、異なっていてもよい。

本発明の一実施態様において、内側アルミニウム酸化物層は、外側アルミニウム酸化物層よりも薄い。

本発明の一実施態様において、内側アルミニウム酸化物層は、１〜１０μｍ、好ましくは、２〜５μｍであり、外側アルミニウム酸化物層は、２〜２０μｍ、好ましくは、４〜１０μｍである。

上記のＡｌ_２Ｏ_３層は２層で説明されているが、当然のことながら、本発明の代わりの実施態様において、Ａｌ_２Ｏ_３層は、例えば、Ｚｒ等の１種以上の元素を含んでいてもよく、（Ａｌ，Ｚｒ）Ｏのような二元系又は多元系化合物を形成する。Ａｌ_２Ｏ_３層は、２種以上の異なる組成及びミクロ組織からなっていてもよい。

本発明の一実施態様において、第１層は、炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタン、オキシ炭化チタン、及びオキシ炭窒化チタンから選ばれる１種以上のＴｉベース層（以下、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ，Ｏ）層という）からなり、２〜１５μｍの厚さを有する。Ｔｉ（Ｃ，Ｎ，Ｏ）層又はそれら個々の層は、Ｔｉに加えて、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、及びＡｌから選ばれる１種以上を含んでもよい。

本発明の一実施態様において、中間層は、０．１〜３．５μｍのＴｉベース層でできており、例えば、炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタン、オキシ炭化チタン、及びオキシ炭窒化チタンから選ばれる１種以上の層であり、好ましくは、０．５〜３．５μｍの（Ａｌ，Ｔｉ）（Ｃ，Ｏ，Ｎ）層、より好ましくは、０．６〜１μｍの（Ａｌ，Ｔｉ）（Ｃ，Ｏ）、０．８〜１．２μｍのＴｉＮ、０．５〜０．９μｍのＴｉ（Ｃ，Ｏ）からなる。

被膜は、さらに、摩耗標識として働く、最外層の彩色層を備えてもよく、彩色層は、例えば、ＴｉＮ層である。

切れ刃の上又はそれを越える、それに加えて、選択的には、逃げ面の上又はそれを越える、それに加えて、選択的には、エッジ近傍のすくい面における、アルミニウム酸化物層のような外側層の除去は、アルミニウム酸化物の全厚さを低減し、厚いアルミニウム酸化物層を備えることの欠点は、表面領域に、内側層と外側層によって厚い２層を形成することにより、利点を生み出し、その表面領域は、例えば、クレータ摩耗領域である。

内側層と外側層に対して大きなコントラストを有する色彩を備える中間層の利点の１つは、中間層が、逃げ面で、摩耗標識として働くであろうことである。例えば、Ａｌ_２Ｏ_３／（Ａｌ，Ｔｉ）（Ｃ，Ｏ）／Ａｌ_２Ｏ_３からなる最外層としてのサンドイッチ構造と、フランク摩耗が通常発生する距離を超えて逃げ面へ延在している開口と、を有する被膜は、本発明の一実施態様による外側アルミニウム酸化物の除去の後、ＴｉＮ最外層等を堆積することなく、摩耗標識を備えるであろう。

下記のステップを含む、すくい面、逃げ面、及び、前記すくい面と前記逃げ面の交差部に切れ刃を有する基材と、第１層及び本発明の一実施態様による前記第１層に堆積されている第２層を有する被膜と、を備える被覆切削工具の製造方法：
前記すくい面、前記逃げ面、及び前記切れ刃それぞれを越えて延在している表面領域上に前記第１層を堆積するステップと、
前記第１層で被覆された前記表面領域上に、内側層、中間層、及び外側層からなるサンドイッチ構造を備える前記第２層を堆積するステップと、
選択的に、前記外側層を通過して前記中間層を照射するために準備され、前記中間層によって吸収されるレーザ光に、前記サンドイッチ構造が曝露され、前記外側層を剥離によって除去するステップと、
それによって、前記開口が、切れ刃の少なくとも一部の幅を越え、かつ、直交する方向で切れ刃の少なくとも一部に沿って延在し、前記外側層の開口を通じて、前記内側層又は中間層を露出するステップ。

本発明の一実施態様において、前記方法は、さらに、外側層を除去するステップに続いて、被膜切削工具をブラスティングすることを含む。このブラスティングの利点の１つは、内側層の応力状態及び／又は表面粗さが影響を受けることができることであり、例えば、切れ刃の内側層の引張応力を低減できることであり、圧縮応力をも導入できるあろうことである。

本発明の一実施態様において、ブラスティングは、少なくともエッジで、露出された中間層を除去する。エッジで中間層を除去することの利点の１つは、被加工物からの材料を、中間層に付着させるであろうことである。

本発明の一実施態様において、前記方法は、さらに、外側層を除去するステップの前に、被覆切削工具をブラスティングすることを含む。

被膜は、物理的蒸着法（ＰＶＤ）又は化学的蒸着法（ＣＶＤ）を使って蒸着されることが好ましい。

本発明の一実施態様において、レーザビームが、原則的に、逃げ面の法線と平行となるように、レーザビームの入射角は、調整される。

本発明の一実施態様において、レーザビームが、原則的に、すくい面の法線と平行となるように、レーザビームの入射角は、調整される。

本発明の一実施態様において、レーザビームの入射光は、例えば、５軸位置決め機構の使用によって、変えられる。

本発明の一実施態様において、レーザビームが、原則的に、切削インサートの表面の法線と平行となるように、レーザビームの入射角は、調整される。

外側層の除去のためにレーザを用いることの利点の１つは、レーザ技術によって、被覆切削工具のいかなる部分でも除去が可能で、いかなる開口も形成できることである。そして、κ−Ａｌ_２Ｏ_３しか効率よく除去できないブラッシングと比較して、レーザは、α−Ａｌ_２Ｏ_３の層を除去できる。

本発明のさらなる目的、利点、及び新規の特徴は、添付した図面及び請求の範囲を考慮したとき、次に述べる発明の詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明の実施態様は、添付の図面を参照しながら、ここに説明される。

図１は、本発明による２重酸化層を模式的に示す。 図２は、すくい面の一部、エッジ、及び逃げ面の一部から外側酸化物層が除去されている切削工具の切れ刃を模式的に示す。 図３は、本発明の一実施態様による、レーザ剥離が逃げ面の一部で外側酸化物層を除去した切削工具の切れ刃を示す概観斜視図である。 図４は、本発明による、内側酸化物層が開口で露出されている被覆切削工具の断面図である。 図５は、本発明による、内側酸化物層及び中間層が開口で露出されている被覆切削工具の断面図である。 図６は、第１層が開口（切削工具 １ｂ）で露出されている被覆切削工具の断面図である。 図７は、本発明による、内側酸化物層が開口（切削工具 ２ｄ）で露出されている被覆切削工具の断面図である。

（試料１）
本発明の一実施態様による被覆切削工具が製造された。先ず、７．５重量％のＣｏ及び残部ＷＣの組成を有し、Ｈｃ値が１３ｋＡ／ｍ（ＤＩＮ ＩＥＣ ６０４０４−７に準拠する、Ｆｏｅｒｓｔｅｒ Ｋｏｅｒｚｉｍａｔ ＣＳ１．０９６を使用）、かつＨｖ３硬さが１５ＧＰａである超硬基材 ＣＮＭＧ１２０４０８−ＰＭが、圧粉及びその圧粉体を焼結することによって製造された。被膜が堆積される前に、基材は、湿式ブラスティングにより、約５０μｍの面取りが施された。

図１に関し、被膜は、基材にＣＶＤで堆積された第１層と第２層とからなる。第１層は、１０．３μｍの全厚さを有している、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ，Ｏ）層であり、０．４μｍのＴｉＮ、９．１μｍのＭＴＣＶＤで形成されているＴｉ（Ｃ，Ｎ）、０．２μｍのＨＴＣＶＤで形成されているＴｉ（Ｃ，Ｎ）、及び０．６μｍのＴｉ（Ｃ，Ｏ）が、ひと続きになっている層からなる。第２層は、サンドイッチ構造で、４．５μｍの内側α−Ａｌ_２Ｏ_３層、２．５μｍの（Ａｌ，Ｔｉ）（Ｃ，Ｏ）／ＴｉＮ／Ｔｉ（Ｃ，Ｏ）層、及び６．８μｍの外側α−Ａｌ_２Ｏ_３層からなる。被膜は、放射ガス流がある反応室の中で堆積され、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）のＭＴＣＶＤ層及びα−Ａｌ_２Ｏ_３層を成長させるための堆積条件を用いた。Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）のＭＴＣＶＤ層の成長前に、核生成ステップが施された。α−アルミナ層の成長前に、酸化及び核生成ステップが施された。

堆積の後、被膜された切削工具は、レーザ操作、及びそれに続く湿式ブラスティング操作に供された。レーザは、ダイオード励起ＹＡＧレーザ（Ｖｉｏｌｉｎｅ）であり、１０Ｗ、１０６４ｎｍ、６ｎｓのパルス長（１０ｋＨｚで測定）、及び２０ｋＨｚの繰り返し周波数で操作された。焦点距離が２５４ｍｍの単焦点レンズが使用され、その結果、スポットサイズは１００μｍであった。レーザビームは、切削工具の先端（ｎｏｓｅ）の逃げ面に直交する方向に向けられた。そして、ラスタースキャンにおいては、図２に模式的に示されるように、切れ刃に対して直交する方向に平行に０．１ｍｍの幅を有するスキャンラインで、６×２ｍｍの範囲が照射された。図２は、２Ｗ軸と２Ｈ軸を有する、表面に切り込まれた楕円も模式的に示す。ビームは、４００ｍｍ／ｓの速度で変位され、３回通過（パス）された。レーザ操作は、外側α−Ａｌ_２Ｏ_３層を除去し、切れ刃を越える逃げ面からすくい面へ延在している開口で、中間層を露出させる。図３は、レーザ剥離後の被覆切削工具の図である。

湿式ブラスティングは、上面ブラスティングと側面ブラスティングの両方を含み、被覆切削工具のすくい面と逃げ面それぞれに、２２０メッシュのＡｌ_２Ｏ_３粒子を用いて、１．４〜３ｂａｒで、投射材が投射された。

図４に示されるように、湿式ブラスティングは、エッジから逃げ面へ延在している表面領域の中間層を除去した。

（試料２）
図５に示されるように、異なる湿式ブラスティング操作を除き、上面ブラスチィングのみが施されたこと以外、試料１と同様に、被覆切削工具を製造した。

（試料３）
７．５重量％のＣｏ及び残部ＷＣの組成を有し、Ｈｃ値が１３ｋＡ／ｍ（ＤＩＮ ＩＥＣ ６０４０４−７に準拠する、Ｆｏｅｒｓｔｅｒ Ｋｏｅｒｚｉｍａｔ ＣＳ１．０９６を使用）、かつＨｖ３硬さが１５ＧＰａである基材 ＣＮＭＧ１２０４０８−ＰＭと、９μｍのＴｉ（Ｃ，Ｎ）の第１層、４．５μｍのα−Ａｌ_２Ｏ_３の第２層、及びＴｉ（Ｃ，Ｎ）の彩色層を有する被膜とを備えた、従来技術による切削工具を、レーザ操作を行わなかったこと以外は、試料２と同様に製造した。上面ブラスティング操作は、すくい面の彩色層を除去した。

（試料４）
第２アルミニウム酸化物層を除去しなかったこと以外は、試料２と同様に、切削工具を製造した。

（試料５）
フランク摩耗及びクレータ摩耗につき、軸受鋼（Ｏｖａｋｏ ８２５Ｂ、Ｔｉｂｎｏｒ）を旋削することによって、試料２〜４から得た切削工具インサートを試験した。試験条件は、切削深さ２ｍｍ、切削速度２４０ｍ／分、送り０．３ｍｍ／ｒｅｖ、及び冷却剤使用であった。フランク摩耗に対する工具寿命の判断基準は、光学顕微鏡ですくい面と逃げ面のそれぞれを観察し、クレータ摩耗が０．２ｍｍ^２を超え、かつフランク摩耗Ｖ_ｂが０．４ｍｍを超えたときとした。工具寿命を表１に示す。

（試料６）
試料１〜４の被覆切削工具は、球状黒鉛鋳鉄材 ＳＳ０７１７の表面で、断続切削操作を含み、冷却剤なしの次の条件化で試験された。
切削速度、Ｖ_ｃ １７０ｍ／分
送り、ｆ_ｎ ０．１ｍｍ／ｒｅｖ
切削深さ、ａ_ｐ ２ｍｍ

耐フレーキング性は、加工後に観られる、エッジのフレーキングの百分率に基づいて評価した。試料１及び４の被覆切削工具は、全くフレーキングが観られなかったのに対し、個々のインサートのための試料３の切削工具は、全くフレーキングが観られないか、１９〜４５％のフレーキングが観られるかのいずれかであった。試料２の被覆切削工具は、４７〜８５％程度のフレーキングが観られた。

（試料７）
比較例と同様に、本発明のいくつかの実施態様による被覆切削工具が、次のように製造された。先ず、４．１重量％のＣｏ及び残部ＷＣの組成を有し、Ｈｃ値が１６ｋＡ／ｍ（ＤＩＮ ＩＥＣ ６０４０４−７に準拠する、Ｆｏｅｒｓｔｅｒ Ｋｏｅｒｚｉｍａｔ ＣＳ１．０９６を使用）、かつＨｖ３硬さが１６ＧＰａである超硬基材 ＣＮＭＧ１２０４０８−ＰＭが、圧粉及びその圧粉体を焼結することによって製造された。被膜が堆積される前に、基材は、ブラッシングと、それに続く、フラッシグ工程由来のいかなるプラスチック残渣を除去するための低圧水中におけるアルミナグリッドでのブラストにより、円半径（Ｈ＝Ｗ＝４５μｍ）測定で約４５μｍの面取りが施された。ブラスティング圧力は１．８ｂａｒであり、アルミナグリッドはＦ１５０メッシュであった（ＦＥＰＡ ４２−１：２００６）。

本発明の実施態様と同様に、両方の参照を定義するために、３つの異なるＣＶＤプロセスで、前記基材は被覆されている。それらは、全て、次のとおりである。

被膜１は、第１層と第２層からなり、基材上にＣＶＤで堆積されている。第１層は、１１．３μｍの全厚さを有している、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ，Ｏ）層であり、０．４μｍのＴｉＮ、１０．１μｍのＭＴＣＶＤで形成されているＴｉ（Ｃ，Ｎ）、０．２μｍのＨＴＣＶＤで形成されているＴｉ（Ｃ，Ｎ）、及び０．６μｍのＴｉ（Ｃ，Ｏ）が、ひと続きになっている層からなる。第２層は、１１．０μｍのα−Ａｌ_２Ｏ_３層である。

被膜２は、図１に模式的に示されるように、基材上にＣＶＤで堆積されている第１層と第２層からなる被膜である。第１層は、１１．０μｍの全厚さを有している、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ，Ｏ）層であり、０．４μｍのＴｉＮ、９．８μｍのＭＴＣＶＤで形成されているＴｉ（Ｃ，Ｎ）、０．２μｍのＨＴＣＶＤで形成されているＴｉ（Ｃ，Ｎ）、及び０．６μｍのＴｉ（Ｃ，Ｏ）が、ひと続きになっている層からなる。第２層は、サンドイッチ構造で、２．９μｍの内側α−Ａｌ_２Ｏ_３層、１．２μｍのＴｉ（Ｃ，Ｏ）／ＴｉＮ／Ｔｉ（Ｃ，Ｏ）層、及び６．７μｍの外側α−Ａｌ_２Ｏ_３層からなる。

被膜３は、第１層と第２層からなり、基材上にＣＶＤで堆積されている。第１層は、１１．７μｍの全厚さを有している、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ，Ｏ）層であり、０．４μｍのＴｉＮ、１０．５μｍのＭＴＣＶＤで形成されているＴｉ（Ｃ，Ｎ）、０．２μｍのＨＴＣＶＤで形成されているＴｉ（Ｃ，Ｎ）、及び０．６μｍのＴｉ（Ｃ，Ｏ）が、ひと続きになっている層からなる。第２層は、３．０μｍのα−Ａｌ_２Ｏ_３層である。

これらの３つの被膜の変形１、２及び３は、放射ガス流がある反応室の中で堆積され、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）のＭＴＣＶＤ層及びα−Ａｌ_２Ｏ_３層を成長させるための堆積条件を用いた。Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）のＭＴＣＶＤ層の成長前に、核生成ステップが施された。α−アルミナ層の成長前に、酸化及び核生成ステップが施された。

堆積の後、被覆された切削工具は、後処理に供された。即ち、１ｂ及び２ｂは、逃げ面にレーザ操作を施し、被覆切削工具２ｃ、２ｄは、逃げ面に、第１レーザ処理を施し、すくい面に、シャドウマスク材を伴ったレーザ処理を施したのに対し、工具１ａ、２ａ、３ａは、レーザ処理しなかった。

レーザは、ダイオード励起ＹＡＧレーザ（Ｖｉｏｌｉｎｅ３ ｆｒｏｍ Ｌａｓｅｒｖａｌｌ）であり、１０Ｗ、１０６４ｎｍ、６ｎｓのパルス長（１０ｋＨｚで測定）、及び２０ｋＨｚの繰り返し周波数で操作された。焦点距離が２５４ｍｍの単焦点レンズが使用され、その結果、スポットサイズは１００μｍであった。レーザビームは、切削工具の先端（ｎｏｓｅ）の逃げ面に直交する方向に向けられた。そして、ラスタースキャンにおいては、図２に模式的に示されるように、切れ刃に対して直交する方向に平行に０．１ｍｍの幅を有するスキャンラインで、６×２ｍｍの範囲が照射された。ビームは、７５０ｍｍ／ｓの速度で変位され、２回通過（パス）された。レーザ操作は、外側α−Ａｌ_２Ｏ_３層を除去し、切れ刃を越え、逃げ面からすくい面へ延在している開口で、中間層を露出させる。図２は、２Ｗ軸と２Ｈ軸を有する、表面に切り込まれた楕円と、全被膜厚さＴとを示す。また、すくい面から観て、露出された切れ刃から、残留する外側α−Ａｌ_２Ｏ_３層のエッジまでの距離として定義された距離δが、図２に示される。すくい面を反対にして、切削工具を平らな面に置いたとき、すくい面に対して直交する方向で、光学顕微鏡により、距離δは、測定された。方向Ｒは、切削工具の幅に対して、直交する方向である。その幅は、δと同じ面及び方向で測定される。

逃げ面のレーザ剥離処理は、被覆切削工具のエッジの全幅で、すくい面へ、δの距離で、外側α−Ａｌ_２Ｏ_３を除去する。δは、工具１ｂの約５０μｍ、及び工具２ｂに対して約６０μｍである。

工具２ｃ及び２ｄのすくい面の外側α−Ａｌ_２Ｏ_３層を除去する範囲を制御する方法として、超硬シャドウマスクが用いられ、このように除去する範囲は、制御されて定義された。シャドウマスクは、シャドウマスクの下の層を、レーザの露出から保護し、それによって、シャドウマスクの下の領域から、外側α−Ａｌ_２Ｏ_３層は、除去されない。すくい面のレーザ処理で、エッジからすくい面へ、外側α−Ａｌ_２Ｏ_３層が除去されることによって、異なる距離δになるよう、異なるシャドウマスクを用いた。上述したように、すくい面から観て、露出された切れ刃から、残留する外側α−Ａｌ_２Ｏ_３層のエッジまでの距離として、距離δは測定される。

レーザ処理は、全ての試料について、切れ刃の方向で、切削深さの外側位置へ広げられた。

このように、エッジからすくい面への４つの異なる露出距離δ、即ち、約５０μｍ、約６０μｍ、約１３０μｍ、及び約２００μｍを製造した。被膜１を提供された工具は、レーザ処理に供され、エッジから約５０μｍの距離にわたって、すくい面の外側α−Ａｌ_２Ｏ_３を除去した。被膜２を提供された工具は、レーザ処理に供され、エッジから約６０μｍ、約１３０μｍ、及び約２００μｍの距離にわたって、それぞれ、すくい面の外側α−Ａｌ_２Ｏ_３を除去した。レーザ処理された工具１ｂ、２ｂ、２ｃ、及び２ｄの平均距離δの結果を、表２に示す。

最終的に、すべての切削工具に対して、すくい面に湿式ブラスチィングが施された。ここで、これを、最終上面ブラスチィングと呼ぶ。この処理の目的は、最外層に圧縮応力を導入し、それによって、工具のエッジ靱性を増加させることである。目的は、さらに、残留している外側α−Ａｌ_２Ｏ_３のエッジを滑らかにすることであり、中間層を、露出された表面領域で除去することである。ブラストスラリは、水中で、２０体積％のアルミナグリッドからなり、工具インサートのすくい面とブラストスラリの方向との間の角度は、９０度であった。ガンノズルとインサートの表面との間の距離は、約１４５ｍｍであった。ガンへのスラリ圧力は、全ての試料で、１．８ｂａｒであったのに対し、ガンへの空気圧力は、全ての工具で、２．１ｂａｒであった。アルミナグリッドは、Ｆ２２０メッシュ（ＦＥＰＡ ４２−１：２００６）であった。単位面積当たりのブラスティング時間は、約４秒であった。表３に、試料７で製造した被覆切削工具１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、及び３ａについて纏めた。

被覆切削工具１ｂの断面図を図６に、これに対応する被覆切削工具２ｄの図を図７に示す。

（試料８）−靱性試験
試料７の被覆切削工具１ａ、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、及び３ａを靱性試験に供した。

被加工材料は、２つの炭素鋼（Ｆｅ ３６０８ＦＮ）からなり、互いに距離をもって平行にマウントされていた。この被加工物の縦送りの旋削で、切削工具は、１回の旋回に対して、２つの中断が現れるであろう。この試験において、切削工具の靱性は、工具寿命に対して臨界を示した。次の切削データが用いられた。
切削速度Ｖ_ｃ：１３０ｍ／分
切削深さａ_ｐ：１．５ｍｍ
水混和性金属加工液を用いた。

試験中、切削送りは、連続的に増加された。初期値は、０．１５ｍｍ／ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎであった。切削１分後、送り値は０．２０ｍｍ／ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ、そして切削２分後、送り値は０．２５ｍｍ／ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ、さらに切削３分後、送り値は０．３０ｍｍ／ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎであった。

切削抵抗測定装置を用いた。インサートが破損したとき、切削抵抗は明確に増加し、加工機は停止した。異なる切削工具それぞれに対して、２５の切れ刃が評価された。２５の切れ刃それぞれについて、破損したときの実際の送り値が記録された。異なる切削工具それぞれに対して、最小破損送り値から最大破損送り値まで、数値は層別された。表４に、摩耗特性を示す。エッジ番号６については、破損時の送り値を、２５のエッジ全てについては、その中央値（メジアン）を、そして、エッジ番号２０についても、その値を示す。

表４から判るように、比較的薄い外側α−Ａｌ_２Ｏ_３層を有している工具３ａは、この試験で最良の特性を示しており、比較的厚い外側α−Ａｌ_２Ｏ_３層を有している工具２ａは、短い時間で破損したことを示している。レーザ処理が施されている工具２ｄは、エッジの靱性に関する特性が、工具３ａと工具２ａの特性の間であることを示している。このように、エッジに比較的厚い外側α−Ａｌ_２Ｏ_３層を有している工具２ａと比べて、レーザ処理の施されている工具２ｄについては、エッジラインの靱性が僅かに優れている。この試験で、工具２ｄは、工具２ｂ及び１ａよりも、僅かに優れた特性を示す。

（試料９）−クレータ摩耗試験
試料７における、表１による被覆切削工具、即ち、工具１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、３ａは、軸受鋼（１００ＣｒＭｏ７−３）の縦送りの旋削で、次の切削条件により、試験された。
切削速度Ｖ_ｃ：２４０ｍ／分
切削送りｆ：０．３ｍｍ／ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ
切削深さａ_ｆ：２ｍｍ
インサート形式：ＣＮＭＧ１２０４０８−ＰＭ
水混和性金属加工液を用いた。
切削工具ごとの切れ刃を評価した。

クレータ摩耗の分析においては、すくい面で材料の剥がれた領域（クレータ摩耗）を、光学顕微鏡を用いて測定した。それぞれの切削工具の摩耗は、２分にわたり切削した後、光学顕微鏡で評価した。切削工程は、２分ごとに測定をして、継続した。クレータ摩耗とともに、フランク摩耗と構成刃先（ｂｕｉｌｄ ｕｐ ｅｄｇｅ）が観られた。結果を表５に示す。

表５から判るように、クレータ摩耗が観られるのは、工具３ａだけであった。工具１ｂは、１６分にわたり切削後に、過剰なフランク摩耗により、工具寿命に達した。この試験では、工具１ｂのみが、切れ刃と逃げ面に、最外層として、アルミナ層を含まない。この試験では、すべての工具が、すくい面のクレータ領域に、比較的厚いアルミニウム酸化物を備えるため、クレータ摩耗に対して優れた耐久性を示した。

この試験におけるクレータ摩耗領域は、光学顕微鏡で測定して、露出されている切れ刃から約３００μｍの距離ではじまり、これは、すくい面内で最も短い距離であった。

（試料１０）−フランク及びクレータ摩耗試験
試料７における、表１による被覆切削工具、即ち、工具１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、３ａは、軸受鋼（１００ＣｒＭｏ７−３）の縦送りの旋削で、次の切削条件により、試験された。
切削速度Ｖ_ｃ：２５５ｍ／分
切削送りｆ：０．３ｍｍ／ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ
切削深さａ_ｆ：２ｍｍ
インサート形式：ＣＮＭＧ１２０４０８−ＰＭ
水混和性金属加工液を用いた。
切削工具ごとの切れ刃を評価した。

フランク摩耗の分析においては、すくい面と垂直をなして観えるようにし、エッジラインからフランク摩耗の底までの距離を、光学顕微鏡を用いて測定した。クレータ摩耗の分析においては、すくい面で材料の剥がれた領域（クレータ摩耗）を、光学顕微鏡を用いて測定した。それぞれの切削工具の摩耗は、４分にわたり切削した後、光学顕微鏡で評価した。切削工程は、４分ごとに測定をして、継続した。クレータ摩耗とともに、フランク摩耗と構成刃先（ｂｕｉｌｄ ｕｐ ｅｄｇｅ）が観られた。結果を表６に示す。

表６から判るように、切削工具１ａ及び２ａ、即ち、エッジを越えて、比較的厚いアルミニウム酸化物層を備える工具は、耐フランク摩耗性が最も高い。切削工具１ａは、エッジを越えてアルミニウム酸化物を備えないため、耐フランク摩耗性が最も低い。切削工具２ｂ、２ｃ、２ｄは、切削工具１ａと比べて、高い耐フランク摩耗性を示した。切削工具３ａは、工具全体を被覆する、比較的薄いアルミニウム酸化物層を備えるため、この試験でクレータ摩耗を示し、フランク摩耗の判断基準である０．４ｍｍに達する前に、試験を停止した。切削工具２ｄは、２ｂと比べて、高い耐摩耗性を示した。

また、この試験において、クレータ摩耗領域は、光学顕微鏡で測定して、露出されている切れ刃から約３００μｍの距離ではじまり、これは、すくい面内で最も短い距離であった。

（試料１１）−フランク及びクレータ摩耗試験
試料７における、表１による被覆切削工具、即ち、工具１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、３ａは、軸受鋼（１００ＣｒＭｏ７−３）の縦送りの旋削で、次の切削条件により、試験された。
切削速度Ｖ_ｃ：２７０ｍ／分
切削送りｆ：０．３ｍｍ／ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ
切削深さａ_ｆ：２ｍｍ
インサート形式：ＣＮＭＧ１２０４０８−ＰＭ
水混和性金属加工液を用いた。
切削工具ごとの切れ刃を評価した。

フランク摩耗の分析においては、すくい面と垂直をなして観えるようにし、エッジラインからフランク摩耗の底までの距離を、光学顕微鏡を用いて測定した。クレータ摩耗の分析においては、すくい面で材料の剥がれた領域（クレータ摩耗）を、光学顕微鏡を用いて測定した。それぞれの切削工具の摩耗は、４分にわたり切削した後、光学顕微鏡で評価した。切削工程は、４分ごとに測定をして、継続した。クレータ摩耗とともに、フランク摩耗と構成刃先（ｂｕｉｌｄ ｕｐ ｅｄｇｅ）が観られた。２２分後の結果を表７に示す。

表７に示したように、切削工具２ｂ及び２ｃと比べて、切削工具２ｄの耐フランク摩耗性は、僅かに高い。この理由は、エッジの近傍のレーザ剥離が、切れ刃の形状及びミクロ構造に影響を与えるからである。

この試験において、クレータ摩耗領域は、露出されている切れ刃から約３００μｍの距離ではじまり、これは、すくい面内で最も短い距離であった。

本発明は、様々で代表的な実施態様に関して述べられてきたが、本発明は、開示された代表的な実施態様に限定されないと解され、それどころか、添付した請求項の範囲内で、様々な改良及び均等な改変も本発明に包含されるものとする。

Claims (15)

1. すくい面、逃げ面、並びに、前記すくい面と前記逃げ面との交差部で、前記すくい面に沿う第１軸Ｗ及び前記逃げ面に沿う第２軸Ｈを伴う内接された楕円によって描かれた面取りエッジを伴う切れ刃を有する基材と、
   厚さがＴであり、第１層及び前記第１層に堆積されている第２層を有する被膜と、
   を備える被覆切削工具であって、
   前記第２層が、内側アルミニウム酸化物層、中間層、及び外側アルミニウム酸化物層からなるサンドイッチ構造を含み、
   前記内側アルミニウム酸化物層が、前記外側アルミニウム酸化物層の開口を通じて露出されており、前記開口が、切れ刃の少なくとも一部の幅を越え、直交する方向で切れ刃の少なくとも一部に沿って、すくい面から逃げ面へ少なくともＨ＋Ｔ＋２ｍｍにわたって延在していること、
   を特徴とする被覆切削工具。
2. 前記開口が、切れ刃の少なくとも全幅を越えて延在している、請求項１に記載の被覆切削工具。
3. 前記開口が、すくい面へ延在している、請求項１又は２に記載の被覆切削工具。
4. 前記開口が、すくい面の第１ランドへ部分的に延在している、請求項１〜３のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
5. 前記開口が、すくい面へ、少なくとも５０μｍにわたって延在している、請求項１〜４のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
6. 前記開口が、すくい面へ、少なくとも１００μｍにわたって延在している、請求項１〜５のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
7. 前記内側アルニウム酸化物層が、切れ刃の少なくとも全幅を越えて露出されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
8. 前記内側及び外側アルミニウム酸化物層が、α−Ａｌ_２Ｏ_３でできている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
9. 前記内側及び外側アルミニウム酸化物層の厚さが、２〜１０μｍである、請求項１〜８のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
10. 前記内側アルミニウム酸化物層の厚さが、１〜１０μｍ、好ましくは、２〜５μｍであり、前記外側アルミニウム酸化物層の厚さが、２〜２０μｍ、好ましくは、４〜１０μｍである、請求項１〜８のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
11. 前記第１層が、炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタン、オキシ炭化チタン、及びオキシ炭窒化チタンから選ばれる１種以上からなり、２〜１５μｍの厚さを有する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
12. 下記のステップを含む、すくい面、逃げ面、及び、前記すくい面と前記逃げ面の交差部に切れ刃を有する基材と、第１層及び第１層に堆積されている第２層を有する被膜と、を備える被覆切削工具の製造方法であって、
    前記すくい面、前記逃げ面、及び前記切れ刃それぞれを越えて延在している表面領域上に前記第１層を堆積するステップと、
    前記第１層によって被覆された前記表面領域上に、内側アルミニウム酸化物層、中間層、及び外側アルミニウム酸化物層からなるサンドイッチ構造を備える前記第２層を堆積するステップと、
    前記外側アルミニウム酸化物層を通過して前記中間層を照射するために準備され、前記中間層によって吸収されるレーザ光に、前記サンドイッチ構造が曝露され、前記外側アルミニウム酸化物層を剥離によって除去するステップと、
    それによって、前記外側アルミニウム酸化物層の開口を通じて前記内側アルミニウム酸化物層を露出するステップであって、前記開口が、切れ刃の少なくとも一部の幅を越え、直交する方向で切れ刃の少なくとも一部に沿って、すくい面から逃げ面へ少なくともＨ＋Ｔ＋２ｍｍにわたって延在するステップとを含む、方法。
13. 前記外側アルミニウム酸化物層を除去するステップに続いて、前記被覆切削工具をブラスティングすることをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記ブラスティングが、少なくともエッジで、露出されている中間層を除去する、請求項１３に記載の方法。
15. 前記外側アルミニウム酸化物層を除去するステップの前に、前記被覆切削工具をブラスティングすることをさらに含む、請求項１２に記載の方法。

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