JP6507458B2 - 表面被覆切削工具の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、表面被覆切削工具およびその製造方法に関する。

従来から、基材上に被膜を形成した表面被覆切削工具が用いられている。たとえば、特開２０１３−０６３５０４号公報（特許文献１）には、工具基体の表面の法線に対し、Ａｌ₂Ｏ₃結晶粒の（０００１）面の法線がなす傾斜角を測定した場合、その傾斜角が０〜１０度であるＡｌ₂Ｏ₃結晶粒の占める面積割合が、４５面積％以上となる上部層を含む被膜を備える表面被覆切削工具が提案されている。

また、特開２００７−１２５６８６号公報（特許文献２）には、被膜に含まれるＡｌ₂Ｏ₃層が、好ましくは＜００１＞成長方向の柱状のα−Ａｌ₂Ｏ₃結晶粒を含み、ＴＣ（００６）＞１．４の組織係数を有する切削工具インサートが提案されている。

特開２０１３−０６３５０４号公報 特開２００７−１２５６８６号公報

上記特許文献１、２に提案されている表面被覆切削工具は、α−Ａｌ₂Ｏ₃層が（００１）配向することで被膜の強度および熱伝導率が向上し、クレータ摩耗に代表される化学的損傷を抑制することができる効果がある。しかしながら、特定方向への配向性が高くなりすぎると、粒界で亀裂が進展しやすくなるため、被膜の突発的なチッピングが発生する場合がある。

本発明は、上記実情に鑑みてなされ、工具全体として特定方向への配向性を高く保ちながら、刃先部分のみ配向性を比較的低く制御することで、高い熱伝導率を維持し、かつ刃先の突発的なチッピングを抑制することができる表面被覆切削工具およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る表面被覆切削工具は、すくい面と、逃げ面と、該すくい面および該逃げ面の境界をなす刃先稜線とを有する表面被覆切削工具であって、基材と該基材上に形成された被膜とを備え、該被膜は、複数のα−Ａｌ₂Ｏ₃の結晶粒を含むα−Ａｌ₂Ｏ₃層を含み、該α−Ａｌ₂Ｏ₃層は、該刃先稜線と該すくい面上のＡ領域と該逃げ面上のＢ領域とからなる第１領域と、該すくい面において該Ａ領域を除いた領域であって、かつ該被膜に被覆されている領域である第２領域と、該逃げ面において該Ｂ領域を除いた領域である第３領域と、を含み、該Ａ領域は、該すくい面において該刃先稜線に沿って該刃先稜線から１ｍｍ離れた地点を通る仮想線と該刃先稜線とで挟まれる領域であり、該Ｂ領域は、該逃げ面において該刃先稜線に沿って該刃先稜線から１ｍｍ離れた地点を通る仮想線と該刃先稜線とで挟まれる領域であり、配向性指数ＴＣ（ｈｋｌ）においてＴＣ（００６）の該第１領域における平均値がａであり、該ＴＣ（００６）の該第２領域または該第３領域における平均値がｂであるとき、ｂ−ａ＞０．５の関係を満たす。

上記によれば、高い熱伝導率を維持し、かつ刃先の突発的なチッピングを抑制することができる。

Ｘ線回折法を用いてＴＣ（ｈｋｌ）を算出するために、Ｘ線が照射される表面被覆切削工具上の５か所の測定点を模式的に示した説明図である。 表面処理がされる際に、刃先稜線に対してブラストが照射される方向（角度）を模式的に示した説明図である。

［本発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。

［１］本発明の一態様に係る表面被覆切削工具は、すくい面と、逃げ面と、該すくい面および該逃げ面の境界をなす刃先稜線とを有する表面被覆切削工具であって、基材と該基材上に形成された被膜とを備え、該被膜は、複数のα−Ａｌ₂Ｏ₃の結晶粒を含むα−Ａｌ₂Ｏ₃層を含み、該α−Ａｌ₂Ｏ₃層は、該刃先稜線と該すくい面上のＡ領域と該逃げ面上のＢ領域とからなる第１領域と、該すくい面において該Ａ領域を除いた領域であって、かつ該被膜に被覆されている領域である第２領域と、該逃げ面において該Ｂ領域を除いた領域である第３領域と、を含み、該Ａ領域は、該すくい面において該刃先稜線に沿って該刃先稜線から１ｍｍ離れた地点を通る仮想線と該刃先稜線とで挟まれる領域であり、該Ｂ領域は、該逃げ面において該刃先稜線に沿って該刃先稜線から１ｍｍ離れた地点を通る仮想線と該刃先稜線とで挟まれる領域であり、配向性指数ＴＣ（ｈｋｌ）においてＴＣ（００６）の該第１領域における平均値がａであり、該ＴＣ（００６）の該第２領域または該第３領域における平均値がｂであるとき、ｂ−ａ＞０．５の関係を満たす。このような構成により表面被覆切削工具は、高い熱伝導率を維持しながら刃先の突発的なチッピングを抑制することができる。

［２］上記ａは、０．０１＜ａ＜７の関係を満たし、上記ｂは、７＜ｂ＜８の関係を満たすことが好ましい。これにより、より効果的に高い熱導電率を維持することができ、同時に刃先の突発的なチッピングを効果的に抑制することができる。

［３］上記α−Ａｌ₂Ｏ₃層は、上記配向性指数ＴＣ（ｈｋｌ）においてＴＣ（１０４）の上記第１領域における平均値がｃであるとき、上記ａとの関係において０．０５＜ｃ／ａ＜１の関係を満たすことが好ましい。これにより特に、刃先の突発的なチッピングの抑制効果を向上させることができる。

［４］本発明の一態様に係る表面被覆切削工具の製造方法は、上記基材上に上記被膜を形成する工程と、該被膜において前記第１領域に対応する部分に表面処理を行なう工程と、を含む。このような構成により、高い熱伝導率を維持しながら刃先の突発的なチッピングを抑制することができる表面被覆切削工具を製造することができる。

［５］上記表面処理は、ブラシ処理またはブラスト処理を少なくとも含むことが好ましい。これにより、高い熱伝導率を維持しながら刃先の突発的なチッピングを抑制することができる表面被覆切削工具を有利に製造することができる。
［本発明の実施形態の詳細］
以下、本発明の実施形態（以下「本実施形態」とも記す）についてさらに詳細に説明する。

＜表面被覆切削工具＞
本実施形態の表面被覆切削工具は、すくい面と、逃げ面と、このすくい面および逃げ面の境界をなす刃先稜線とを有している。

すくい面とは、切削加工時において主として被削材の切り屑と接する面をいう。たとえば、図１の説明図において、表面被覆切削工具の上面および底面がすくい面となる。逃げ面とは、主として加工面（被削材を切削することにより新たに形成される面）に対向する面をいう。たとえば、図１の説明図において、表面被覆切削工具の側面が逃げ面となる。刃先稜線は、すくい面および逃げ面の境界をなす。換言すれば、すくい面と逃げ面とが交差する部分が刃先稜線となる。刃先稜線は、表面被覆切削工具において通常、切れ刃（以下、「刃先」とも記す）となる部分である。

また、本実施形態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。被膜は、基材の全面を被覆することが好ましい。しかしながら、基材の一部がこの被膜で被覆されていなかったり被膜の構成が部分的に異なっていたりしていたとしても、本発明の範囲を逸脱するものではない。

本実施形態の表面被覆切削工具は、ドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型切削チップ、エンドミル用刃先交換型切削チップ、フライス加工用刃先交換型切削チップ、旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどの切削工具として好適に使用することができる。

＜基材＞
基材は、この種の基材として従来公知のものであればいずれも使用することができる。たとえば、超硬合金（たとえば、ＷＣ基超硬合金、ＷＣのほか、Ｃｏを含み、あるいはＴｉ、Ｔａ、Ｎｂなどの炭窒化物を添加したものも含む）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮなどを主成分とするもの）、高速度鋼、セラミックス（炭化チタン、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど）、立方晶型窒化ホウ素焼結体、またはダイヤモンド焼結体のいずれかであることが好ましい。

これらの各種基材の中でも超硬合金、特にＷＣ基超硬合金、またはサーメット（特にＴｉＣＮ基サーメット）を選択することが好ましい。これらの基材は、特に高温における硬度と強度のバランスに優れ、上記用途の表面被覆切削工具の基材として優れた特性を有している。

表面被覆切削工具が刃先交換型切削チップなどである場合、基材はチップブレーカーを有するものも、有さないものも含まれる。また、刃先稜線の形状は、尖った形状となるシャープエッジであるものをはじめ、ホーニング（シャープエッジに対してアールを付与したもの）、ネガランド（面取りをしたもの）、ホーニングとネガランドとを組み合わせたものなど、いずれのものも含まれる。ただし、本明細書において刃先稜線は、すくい面と逃げ面とが交差する部分の線（面積のないもの）として、後述する第１領域の範囲を決定する際などに用いられるとき、ホーニングまたはネガランドなどを施す前の状態の刃先稜線を前提にして説明される。ホーニングまたはネガランドなどを施せば、線としての刃先稜線が消失してしまい、第１領域の範囲を明確に決定することが困難となるからである。したがって、表面被覆切削工具にホーニングまたはネガランドなどが施されている場合、仮想的にすくい面と逃げ面とを延長させたときにこれらが交差して形成される線を、刃先稜線とみなすものとする。

＜被膜＞
被膜は、複数のα−Ａｌ₂Ｏ₃の結晶粒を含むα−Ａｌ₂Ｏ₃層を含んでいる。たとえば被膜は、α−Ａｌ₂Ｏ₃層を１層以上含み、さらに他の層を含んだ複数の層から構成することができる。

被膜は、平均層厚が３〜３５μｍ（３μｍ以上３５μｍ以下、なお本願において数値範囲を「〜」を用いて表わす場合、その範囲は上限および下限の数値を含むものとする）である。さらに被膜の平均層厚は、５〜２０μｍであることが好適である。この平均層厚が３μｍ未満であれば、被膜の強度が不十分となる恐れがある。この平均層厚が３５μｍを超えると、断続加工において被膜と基材との間に大きな応力が加わった際に、被膜の剥離または破壊が高頻度に発生する恐れがある。

＜α−Ａｌ₂Ｏ₃層＞
α−Ａｌ₂Ｏ₃層は、α−Ａｌ₂Ｏ₃の結晶粒を主成分とする。「α−Ａｌ₂Ｏ₃の結晶粒を主成分とする」とは、α−Ａｌ₂Ｏ₃層を構成するＡｌ₂Ｏ₃の結晶粒のうち、α−Ａｌ₂Ｏ₃の結晶粒が９０質量％以上を占めることを意味する。また、好ましくは不可避的にβ−Ａｌ₂Ｏ₃、γ−Ａｌ₂Ｏ₃およびκ−Ａｌ₂Ｏ₃の少なくとも１つ以上の結晶粒が混入する場合を除き、α−Ａｌ₂Ｏ₃の結晶粒からα−Ａｌ₂Ｏ₃層が構成されることを意味する。

＜α−Ａｌ₂Ｏ₃層における第１領域、第２領域および第３領域＞
α−Ａｌ₂Ｏ₃層は、刃先稜線と、すくい面上のＡ領域と、逃げ面上のＢ領域とからなる第１領域を含む。さらに、すくい面においてＡ領域を除いた領域であって、かつ被膜に被覆されている領域である第２領域を含む。また、逃げ面においてＢ領域を除いた領域である第３領域も含む。ここで、Ａ領域はすくい面において、刃先稜線に沿って刃先稜線から１ｍｍ離れた地点を通る仮想線と刃先稜線とで挟まれる領域である。Ｂ領域は逃げ面において、刃先稜線に沿って刃先稜線から１ｍｍ離れた地点を通る仮想線と刃先稜線とで挟まれる領域である。また、第１領域には、刃先稜線の交点（以下、「コーナー」と記す）、上記仮想線の交点、および刃先稜線と仮想線とが交わる交点が含まれる。第２領域および第３領域に刃先稜線は含まれない。

＜第１領域および第２領域におけるＴＣ（００６）＞
α−Ａｌ₂Ｏ₃層は、配向性指数ＴＣ（ｈｋｌ）においてＴＣ（００６）の第１領域における平均値がａであり、ＴＣ（００６）の第２領域における平均値がｂであるとき、ｂ−ａ＞０．５の関係を満たす。これにより、配向性の高い単一性を保って熱伝導率を高く維持しながら、刃先部分のみ配向性を比較的低く制御することで刃先の突発的なチッピングを抑制することができる。

＜第３領域におけるＴＣ（００６）＞
また、第２領域はすくい面に形成されるが、該すくい面の表面に凹凸が存在して配向性指数ＴＣ（ｈｋｌ）を測定することが困難であるケースがあり得る。この場合であっても、本実施形態のα−Ａｌ₂Ｏ₃層は、ＴＣ（００６）の第３領域における平均値をｂとしたとき、ＴＣ（００６）の第１領域における平均値であるａに対して、ｂ−ａ＞０．５の関係を満たす。これにより、配向性の高い単一性を保って熱伝導率を高く維持しながら、刃先部分のみ配向性を比較的低く制御することで刃先の突発的なチッピングを抑制することができる。

ここで配向性指数ＴＣ（ｈｋｌ）は、下記式（１）のように規定することができる。

式（１）中、Ｉ（ｈｋｌ）は、（ｈｋｌ）反射面のＸ線回折強度を示し、Ｉ₀（ｈｋｌ）は、ＩＣＤＤのＰＤＦカードＮｏ．００−０４２−１４６８による標準強度を示す。また式（１）中のｎは、計算に使用した反射数を示す。（ｈｋｌ）反射として、（０１２）、（１０４）、（１１０）、（００６）、（１１３）、（０２４）、（１１６）および（３００）を使用する。したがって、本実施形態においてｎは８である。

また、α−Ａｌ₂Ｏ₃層における第１領域と、第２領域または第３領域との任意の箇所で測定した地点のＴＣ（００６）は、下記式（２）で示すことができる。

なお、ＩＣＤＤ（登録商標）とは、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｅｎｔｒｅ ｆｏｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｄａｔａ（国際回折データセンター）の略称である。また、ＰＤＦ（登録商標）とは、Ｐｏｗｄｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｆｉｌｅの略称である。

以上のようなＴＣ（ｈｋｌ）の測定は、Ｘ線回折装置を用いた分析により可能となる。ＴＣ（ｈｋｌ）は、たとえば、Ｘ線回折装置（商品名：「ＳｍａｒｔＬａｂ（登録商標）３」、株式会社リガク製）を用いて以下のような条件で測定することができる。

特性Ｘ線： Ｃｕ−Ｋα
管電圧： ４５ｋＶ
管電流： ２００ｍＡ
Ｘ線回折法： θ−２θ法
Ｘ線照射範囲： ピンホールコリメーターを使用し、直径０．３ｍｍ程度の範囲にＸ線を照射。

本実施形態において、ＴＣ（００６）の測定は、たとえば、表面被覆切削工具のすくい面において行なう。表面被覆切削工具のすくい面で測定する限り、ＴＣ（００６）の値を測定するための測定点を、第１領域（Ａ領域）内の重なり合わない任意の箇所に複数設定することができ、同様に第２領域内の重なり合わない任意の箇所に複数設定することができる。そして、これらの測定点に対してＸ線を照射してＴＣ（００６）の値を得て、その平均値であるａおよびｂの値を算出することができる。

また、ＴＣ（００６）の測定は、すくい面に凹凸が存在して配向性指数ＴＣ（ｈｋｌ）を測定することが困難であるとき、表面被覆切削工具の逃げ面において行なってもよい。この場合も、ＴＣ（００６）の値を測定するための測定点を、逃げ面における第１領域（Ｂ領域）内の重なり合わない任意の箇所に複数設定することができ、同様に第３領域内の重なり合わない任意の箇所に複数設定することができる。そして、これらの測定点に対してＸ線を照射してＴＣ（００６）の値を得て、その平均値であるａおよびｂの値を算出することができる。

なお、第１領域上、第２領域上および第３領域上の測定箇所は平坦な部分を選択し、測定点は重なり合わない２点以上とすることが好ましい。ただし、測定点を設定しようとすると、必ず重なり合ってしまうような場合には、測定点を１点のみとすることでも構わない。測定値が明らかに異常値である場合、これを排除することも可能である。

図１に示すように、本実施形態では、たとえば、すくい面の４つの角のうち鋭角（θ＝６０°）の角Ａと角Ｃとを結んだ対角線に沿って、角Ａ（２本の刃先稜線の交点であるコーナー）から０．７５ｍｍ間隔で測定点（第１測定点１、第２測定点２、第３測定点３、第４測定点４、第５測定点５）を設定することができる。これらの測定点に対し、上記条件でＸ線を照射することによりＸ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）データを得て、このＸＲＤデータに基づいてＴＣ（００６）の値を算出することができる。なお、図１において貫通孔１３は、表面被覆切削工具のすくい面から反対側の面（底面）を貫通する孔である。

ここで第１領域は、上述のように刃先稜線と、すくい面上の刃先稜線に沿って刃先稜線から１ｍｍ離れた地点を通る仮想線と刃先稜線とで挟まれる領域（Ａ領域）と、逃げ面上の刃先稜線に沿って刃先稜線から１ｍｍ離れた地点を通る仮想線と刃先稜線とで挟まれる領域（Ｂ領域）とからなる。このため、図１に基づけば、鋭角（θ＝６０°）である角Ａと角Ｃとを結んだ対角線に沿ってコーナーから０．７５ｍｍ間隔で設定された第１測定点１および第２測定点２が第１領域に含まれ、これらの測定点において得られたＴＣ（００６）の値の平均値がａの値となる。また、第２領域は、上述のようにすくい面において、上記Ａ領域となる領域を除き、かつ被膜が被覆されている領域である。このため、上記対角線に沿って０．７５ｍｍ間隔で、第１測定点１および第２測定点２に続いて設定された第３測定点３、第４測定点４および第５測定点５が第２領域に含まれ、これらの測定点において得られたＴＣ（００６）の値の平均値がｂの値となる。そして、本実施形態において、ｂ−ａの値は０．５を超える。ｂ−ａの上限値は、上記式（１）の定義からＴＣ（００６）の上限値が８となるため、ｂ−ａ＜８の関係が成立する。

なお図１において、表面被覆切削工具のコーナーから中心に向かう対角線上に測定点を設定した例を示したが、これに限定されず、たとえば、第１領域、第２領域および第３領域の各領域中で、複数の測定点を極力分散させて設定することができ、これらの測定点においてＴＣ（００６）の値を測定すればよい。

たとえば、第１領域の測定点として、刃先稜線と、刃先稜線に沿って刃先稜線から１ｍｍ離れた地点を通る仮想線との中間線上に１点または２点以上設定することができる。第２領域測定点としては、第１領域との境界線から第２領域側へ１ｍｍ離れた線上に１点または２点以上設定することができ、第３領域の測定点としては、第１領域との境界線から第３領域側へ１ｍｍ離れた線上に１点または２点以上設定することができる。このほか、表面被覆切削工具が四角形以上の正多角形であれば、本実施形態と同じように、測定点を対角線上に設定することもできる。表面被覆切削工具が円形であれば、刃先稜線上の任意の１点、円の中心を通る線上に１点または２点以上として測定点を設定することが可能である。

ＴＣ（００６）の第１領域における平均値であるａは、０．０１＜ａ＜７の関係を満たすことが好ましい。また、ＴＣ（００６）の第２領域における平均値であるｂは、７＜ｂ＜８の関係を満たすことが好ましい。なお、ＴＣ（００６）を第３領域において測定するときにも、その平均値となるｂは、７＜ｂ＜８の関係を満たすことが好ましい。これらの関係を満たすことにより、より効果的に高い熱導電率を維持することができる。同時に、刃先の突発的なチッピングをより効果的に抑制することもできる。

ａがａ≦０．０１の関係となるとき、第１領域においてα−Ａｌ₂Ｏ₃層の特定方向への配向性が低くなりすぎ、第１領域における被膜の所望の硬度および強度を維持することができなくなる恐れがある。７≦ａの関係となれば、第１領域におけるα−Ａｌ₂Ｏ₃層の特定方向への配向性が高くなりすぎ、粒界で亀裂が進展しやすくなって突発的なチッピングが発生する恐れがある。また、ｂ≦７の関係となれば、工具全体におけるα−Ａｌ₂Ｏ₃層の特定方向への配向性が低くなりすぎ、高い熱伝導性を維持することができない恐れがある。なお、上記式（１）の定義から、ＴＣ（００６）の上限値は８となるので、ｂ＜８の関係が成立する。

＜第１領域におけるＴＣ（１０４）＞
α−Ａｌ₂Ｏ₃層は、配向性指数ＴＣ（ｈｋｌ）においてＴＣ（１０４）の第１領域における平均値がｃであるとき、上記ａとの関係において０．０５＜ｃ／ａ＜１の関係を満たすことが好ましい。

一般に、配向する結晶面同士のなす角度（方位差）が大きいほど、亀裂が進展しにくくなって刃先の突発的なチッピングを抑制する効果が得られる。その一方で、配向する結晶面同士のなす角度が大きいほど、熱伝導率を低下させてしまうことが知られる。そのため、配向する結晶面同士のなす角度が４５°前後であるとき、チッピングの抑制効果と熱伝導率を維持する効果とを高度に両立させることができる可能性がある。

そして、（１０４）面と（００６）面とのなす角度が４５°であるため、本実施形態では、（００６）配向するα−Ａｌ₂Ｏ₃層に対し、（１０４）面にも配向性を持たせるように制御し、第１領域において０．０５＜ｃ／ａ＜１の関係を満たすα−Ａｌ₂Ｏ₃層とした。これにより、粒界で亀裂が進展するのをさらに抑制し、かつ刃先の突発的なチッピングをより効果的に抑制することができる効果を得ることができるようにした。

ＴＣ（１０４）の測定は、たとえば、上述したＴＣ（００６）の測定に用いたＸＲＤデータに基づいて行なうことができる。そして、本実施形態においてｃ／ａの値を算出すれば、０．０５を超え１未満となることが好ましい。

ｃ／ａの値がｃ／ａ≦０．０５の関係となるとき、第１領域において特定方向への配向性を比較的低く制御することが不十分となって、刃先の突発的なチッピングを抑制する効果が十分に得られない恐れがある。ｃ／ａ≧１の関係となるとき、第１領域において特定方向への配向性が低くなりすぎ、第１領域における被膜の所望の硬度と強度とを維持することができなくなる恐れがある。

＜他の層＞
被膜は上述のとおり、α−Ａｌ₂Ｏ₃層以外に他の層を含むことができる。他の層として、ＴｉＣＮＯ層、ＴｉＢＮ層、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＡｌＮ層、ＴｉＳｉＮ層、ＡｌＣｒＮ層、ＴｉＡｌＳｉＮ層、ＴｉＡｌＮＯ層、ＡｌＣｒＳｉＣＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＳｉＣ層、ＣｒＳｉＮ層、ＡｌＴｉＳｉＣＯ層、ＴｉＳｉＣＮ層などを例示することができる。ここで本明細書において上記のように化合物を化学式で表わすとき、原子比を特に限定しない場合は従来公知のあらゆる原子比を含み、必ずしも化学量論的範囲のものに限定されない。

たとえば「ＴｉＡｌＮ」と記載されている場合、ＴｉＡｌＮを構成する原子数の比はＴｉ：Ａｌ：Ｎ＝０．５：０．５：１に限られず、従来公知のあらゆる原子比が含まれる。このことは、「ＴｉＡｌＮ」以外の化合物の記載についても同様である。また、本実施形態において、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、ＺｒまたはＣｒなどの金属元素と、Ｎ（窒素）、Ｏ（酸素）またはＣ（炭素）などの非金属元素とは、必ずしも化学量論的な組成を構成している必要がない。

他の層の例示としてたとえば、ＴｉＣＮ層は、α−Ａｌ₂Ｏ₃層と基材との間に配置される。このＴｉＣＮ層は耐摩耗性に優れるため、被膜により好適な耐摩耗性を付与することができる。ＴｉＣＮ層は、とりわけＭＴ−ＣＶＤ（ｍｅｄｉｕｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ＣＶＤ）法により形成することが好ましい。ＭＴ−ＣＶＤ法は約８５０〜９００℃という比較的低温で成膜することができ、成膜時の加熱による基材のダメージを低減することができる。

ＴｉＣＮ層は、平均層厚が５〜１５μｍであることが望ましい。ＴｉＣＮ層の平均層厚は７〜１２μｍであることがさらに望ましい。この平均層厚を５μｍ未満とすれば摩耗が進みやすくなる恐れがある。この平均層厚が１５μｍを超えると耐チッピング性が低下する恐れがある。

なお他の層として、最表面層および中間層なども被膜に含むことができる。最表面層は、被膜の最も表面側に配置される層である。中間層は、この最表面層とα−Ａｌ₂Ｏ₃層との間、α−Ａｌ₂Ｏ₃層とＴｉＣＮ層の間またはＴｉＣＮ層と基材との間などに配置される層である。最表面層としてたとえば、ＴｉＮ層を例示することができる。中間層としてたとえば、ＴｉＣＮＯ層を例示することができる。

＜表面被覆切削工具の製造方法＞
本実施形態の表面被覆切削工具の製造方法は、基材上に被膜を形成する工程を含む。本実施形態では、基材上に被膜を、化学気相蒸着（ＣＶＤ）法により形成することによって好適に製造することができる。ＣＶＤ法を用いると、成膜温度が８００〜１２００℃となり、これは物理蒸着法と比較して高く、これにより基材との密着性が向上する。被膜のうち、α−Ａｌ₂Ｏ₃層以外の他の層が形成される場合、それらの層は従来公知の条件で形成することができる。

α−Ａｌ₂Ｏ₃層を形成するには、原料ガスとしてたとえば、ＡｌＣｌ₃、ＨＣｌ、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｓ、Ｏ₂およびＨ₂を用いればよい。配合量は、ＡｌＣｌ₃を０．５〜５体積％、ＨＣｌを１〜５体積％、ＣＯ₂を０．５〜１体積％、Ｈ₂Ｓを０．５〜１体積％とし、残部をＨ₂とする。さらにＣＶＤ法の諸条件は、温度が９５０〜１０５０℃であり、圧力が１〜１０ｋＰａであり、ガス流量（全ガス量）が１０〜１５０Ｌ／ｍｉｎである。

なお、α−Ａｌ₂Ｏ₃層およびその他の層の厚みは、成膜時間を適宜調節することにより調整することができる。

また、本実施形態の表面被覆切削工具の製造方法は、被膜において第１領域に対応する部分に表面処理を行なう工程を含む。特に表面処理は、ブラシ処理またはブラスト処理を少なくとも含むことが好ましい。これにより、高い熱伝導率を維持しながら刃先の突発的なチッピングを抑制することができる表面被覆切削工具を有利に製造することができる。

具体的には、上述のようにして基材上に被膜を形成した後、この被膜の第１領域に対応する部分に表面処理を行なう。表面処理としてブラスト処理、たとえば、ウェットブラスト処理を施す例を説明する。図２に示すように、表面被覆切削工具１１の刃先稜線１２（たとえば、コーナー）に対し、平均粒径２５〜１００μｍの固体微粒子（たとえば、平均粒径７０μｍのセラミックス砥粒）を１０〜８０°の角度（たとえば、４５°）に配置したノズルの先端から与える。同時に、すくい面の中心の貫通孔１３を軸中心として、表面被覆切削工具１１を１５〜５０ｒｐｍで回転させる。

このときの投射圧は０．０１〜０．２ＭＰａ（例えば０．０５ＭＰａ）、投射距離は２〜２０ｍｍ（例えば５ｍｍ）、投射時間は５〜１０秒、固体微粒子の濃度は１〜１０体積％（残部は水を主成分とする液体）とすることができる。さらに、表面被覆切削工具１１が回転することによって刃先稜線１２からノズル先端までの距離が伸縮するため、刃先稜線１２とノズル先端との間が常に等距離で維持されるように、表面被覆切削工具１１の回転とノズル位置の移動とを同期させることが好ましい。

なお、従来から広く知られるブラシ処理、各種のブラスト処理（サンドブラスト処理、ショットピーニング処理など）を公知の条件により適用してもよい。

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。

＜基材の調製＞
６．５質量％のＣｏと、１．２質量％のＴａＣと、０．８質量％のＴｉＣと、１．３質量％のＮｂＣと、残部のＷＣとからなる組成比で配合した原料粉末をアトライタ（湿式メディア攪拌型微粉砕機、商品名（型番）：「湿式アトライタ１００Ｓ」、日本コークス工業株式会社製）で８時間湿式混合した後、乾燥させた。その後１００ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を真空容器に入れて２Ｐａの真空中で１４００℃、１時間保持した。

次に、この圧粉体を真空容器から取り出し、底面を平面研磨した後、刃先処理としてＳｉＣブラシですくい面から見て０．６ｍｍのホーニングを行なってＪＩＳ（Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄ） Ｂ ４１２０（２０１３）に規定されるＣＮＭＡ１２０４０８の形状のＷＣ超硬合金製の基材（住友電気工業製）を調製した。調製した基材は、後述する３とおりのα−Ａｌ₂Ｏ₃層の形成条件に対応するため、試料１〜試料３と名付けて３グループに分類した。なお、各グループごとにサンプルを２個準備した。

＜被膜の形成＞
上記で得られた各基材に対し、その表面に被膜を形成した。具体的には、基材をＣＶＤ装置内にセットすることにより、ＣＶＤ法により基材上に被膜を形成した。被膜の形成条件は、以下の表１、表２および表３に記載したとおりである。表１に、α−Ａｌ₂Ｏ₃層およびこのα−Ａｌ₂Ｏ₃層以外の各層を作製するための形成条件（温度条件、圧力条件および層厚）を示し、表２にα−Ａｌ₂Ｏ₃層以外の各層を作製するための原料ガスの組成比を示した。表３に、α−Ａｌ₂Ｏ₃層を作製するための原料ガスの組成比を示した。表１および表３に示すように、α−Ａｌ₂Ｏ₃層の形成条件はＸ、Ｙ、Ｚの３とおりのガス条件があり、これらのガス条件を適用した基材を、それぞれ試料１、試料２、試料３と名付けた。

なお、α−Ａｌ₂Ｏ₃層およびα−Ａｌ₂Ｏ₃層以外の各層の層厚は、成膜時間を適宜調節することにより調整することができる。また、表１および表２中、ＭＴ−ＴｉＣＮとは、ＭＴ−ＣＶＤ法により形成するＴｉＣＮ層を意味し、ＨＴ−ＴｉＣＮとは、ＨＴ−ＣＶＤ（Ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ＣＶＤ）法により形成するＴｉＣＮ層を意味する。ＴｉＮ（第１層）とは、基材上にまずＴｉＮ層が成膜されたことを意味する。本実施例において被膜の構成は、基材側から順にＴｉＮ層、ＭＴ−ＴｉＣＮ層、ＨＴ−ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＮＯ層、α−Ａｌ₂Ｏ₃層である。本実施例においてα−Ａｌ₂Ｏ₃層は、被膜の最表面に配置される。

＜表面処理＞
各試料のそれぞれ１個について、その刃先稜線に対して表面処理を行なった。具体的には、表面被覆切削工具を６０ｒｐｍの速度ですくい面の貫通孔を軸中心として回転させながら、粒径７０μｍのセラミック砥粒を４５°の角度に配置したノズルの先端から与え、ウエットブラスト処理を施した。このときのセラミック砥粒の投射圧は０．０５ＭＰａ、投射距離は５ｍｍ、投射時間は５〜１０秒、濃度は５体積％（残部は水を主成分とする溶媒）とした。特に、刃先稜線とノズル先端との間の距離が常に５ｍｍとなるように、表面被覆切削工具の回転とノズルの動きとを同期させた。以下、各試料について表面処理を施した各１個を、試料１Ａ、試料２Ａ、試料３Ａと称する。このようにして、以下の表４に示す試料１〜試料３および試料１Ａ〜試料３Ａからなる表面被覆切削工具を作製した。

＜ＴＣ（００６）およびＴＣ（１０４）の測定＞
各試料に対し、Ｘ線回折装置（商品名：「ＳｍａｒｔＬａｂ（登録商標）３」、株式会社リガク製）を使用し、Ｃｕ−ＫαＸ線を用いたθ−２θ法によってＸＲＤデータを得た。管電圧は４５ｋＶ、管電流は２００ｍＡとし、Ｘ線照射範囲はピンホールコリメーターを使用し、すくい面上の直径０．３ｍｍの範囲にＸ線を照射した。

ここで各試料に関し、すくい面と逃げ面とが交差する線としての刃先稜線はホーニングされて消失しているが、仮想的にすくい面と逃げ面とを延長させて、これらが交差して形成される線を刃先稜線とみなし、この仮想的な刃先稜線に基づいてＸ線の照射部位を設定した。具体的には、図１に示すように、すくい面の鋭角（θ＝６０°、仮想的な２本の刃先稜線の交差角）の角Ａと角Ｃとを結んだ対角線に沿って、角Ａのコーナーから０．７５ｍｍ間隔で測定点（第１測定点１、第２測定点２、第３測定点３、第４測定点４、第５測定点５）を設定し、これらの測定点に対して上記条件でＸ線を照射した。そして、得られたＸＲＤデータから各測定点におけるＴＣ（００６）の値を算出した。

また、各試料に関し、上記のＸ線回折装置を使って得られたＸＲＤデータに基づいてＴＣ（１０４）の値も算出した。これらの測定結果を以下の表４に示す。

なお、本実施例において第１領域は、すくい面上の刃先稜線に沿って刃先稜線から１ｍｍ離れた地点を通る仮想線と刃先稜線とで挟まれる領域（Ａ領域）を含むから、第１測定点１および第２測定点２が第１領域に含まれる。また、第２領域は、すくい面において上記Ａ領域となる領域を除き、かつ被膜に被覆されている領域であるので、第３測定点３、第４測定点４および第５測定点５が第２領域に含まれる。したがって、第１測定点１、第２測定点２において得られたＴＣ（００６）の値の平均値がａの値となる。第３測定点３、第４測定点４、第５測定点５において得られたＴＣ（００６）の値の平均値がｂの値となる。第１測定点１、第２測定点２において得られたＴＣ（１０４）の値の平均値がｃの値となる。

＜切削試験＞
また各試料に対し、以下の条件により切削試験を行なった。

被削材： ＦＣＤ２５０丸棒
切削速度： ５００ｍ／ｍｉｎ
送り： ０．２ｍｍ／ｒｅｖ
切込み： １．５ｍｍ
切削油： 湿式（水溶性油）
評価： 欠損するまでの時間（分）を寿命として測定。

切削試験では、切削工具をＮＣ旋盤にセットし、被削材を切削して当該切削工具に欠損が生じるまでの時間を測定し、これを寿命として評価した。欠損が生じるまでの時間が長いほど寿命が長いといえ、刃先の突発的なチッピングが抑制されたと評価することができる。この結果についても以下の表４に示す。

なお、表４における備考の欄には、切削試験中および切削試験終了後に各試料を観察することで認められた工具の形状変化について記載した。

＜試験結果および考察＞
表４に示すように、試料１および試料２は、ＴＣ（００６）の値からα−Ａｌ₂Ｏ₃層が（００６）配向していることが理解されるものの、切削試験から短寿命となることが分かった。切削試験を観察したところ、短時間で刃先のチッピングが発生し、これを起点に損傷が広がった。また、試料３および試料３Ａは、ＴＣ（００６）の値からα−Ａｌ₂Ｏ₃層が（００６）配向していないことが理解される。切削試験を観察したところ、熱伝導性が低いために刃先温度が上昇し、塑性変形が起こり短寿命となった。

一方、試料１Ａおよび試料２ＡはＴＣ（００６）の値からα−Ａｌ₂Ｏ₃層が（００６）配向していることが理解される。さらに、表面処理の効果により、刃先の突発的なチッピングが抑制され、切削試験において良好な寿命が得られる結果となった。特に、試料２Ａは、ｃ／ａの値から刃先のα−Ａｌ₂Ｏ₃層の大部分が（００６）配向または（１０４）配向していることが理解され、切削試験においてさらに良好な寿命が得られる結果となった。

また、表４から試料１Ａおよび試料２Ａは、ｂ−ａ＞０．５の関係を満たす。特に、試料２Ａは、０．０５＜ｃ／ａ＜１の関係も満たし、０．０１＜ａ＜７の関係を満たし、かつ７＜ｂ＜８の関係をも満たすことが理解される。

したがって、試料１Ａおよび試料２Ａの表面被覆切削工具は、ｂ−ａ＞０．５および０．０５＜ｃ／ａ＜１の関係をいずれも満たさない試料１、試料２、試料３および試料３Ａの表面被覆切削工具に比べ、高い熱伝導率を維持しながら刃先の突発的なチッピングを抑制することができる点で優れているといえる。

以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせたり、様々に変形したりすることも当初から予定している。

今回開示された実施の形態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実施の形態ではなく特許請求の範囲によって示され、特許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。

１ 第１測定点、２ 第２測定点、３ 第３測定点、４ 第４測定点、５ 第５測定点、１１ 表面被覆切削工具、１２ 刃先稜線、１３ 貫通孔。

Claims (3)

1. すくい面と、逃げ面と、該すくい面および該逃げ面の境界をなす刃先稜線とを有し、
   基材と該基材上に形成された被膜とを備え、
   前記被膜は、複数のα−Ａｌ₂Ｏ₃の結晶粒を含むα−Ａｌ₂Ｏ₃層を含み、
   前記α−Ａｌ₂Ｏ₃層は、前記刃先稜線と前記すくい面上のＡ領域と前記逃げ面上のＢ領域とからなる第１領域と、前記すくい面において前記Ａ領域を除いた領域であって、かつ前記被膜に被覆されている領域である第２領域と、前記逃げ面において前記Ｂ領域を除いた領域である第３領域と、を含み、
   前記Ａ領域は、前記すくい面において前記刃先稜線に沿って前記刃先稜線から１ｍｍ離れた地点を通る仮想線と前記刃先稜線とで挟まれる領域であり、
   前記Ｂ領域は、前記逃げ面において前記刃先稜線に沿って前記刃先稜線から１ｍｍ離れた地点を通る仮想線と前記刃先稜線とで挟まれる領域である、表面被覆切削工具の製造方法であって、
   前記基材上に前記被膜を形成する工程と、
   前記被膜において前記第１領域に対応する部分に表面処理を行なう工程と、を含み、
   前記被膜を形成する工程は、前記α−Ａｌ ₂ Ｏ ₃ 層をＣＶＤ法により形成する工程を含み、
   前記α−Ａｌ ₂ Ｏ ₃ 層をＣＶＤ法により形成する工程では、温度を９５０〜１０５０℃とし、圧力を１〜１０ｋＰａとし、ガス流量を１０〜１５０Ｌ／ｍｉｎとし、かつＡｌＣｌ ₃ を０．５〜５体積％、ＨＣｌを１〜５体積％、ＣＯ ₂ を０．５〜１体積％、Ｈ ₂ Ｓを０．５〜１体積％とし、残部をＨ ₂ とした配合量の原料ガスが用いられ、
   前記表面処理は、ブラスト処理を含み、
   前記ブラスト処理は、
   前記すくい面の中心を軸中心として、前記表面被覆切削工具を１５〜５０ｒｐｍで回転させつつ、前記表面被覆切削工具の前記刃先稜線に対して１０〜８０°の角度に配置したノズルの先端から、前記刃先稜線へ平均粒径２５〜１００μｍの固体微粒子を与える操作を含む、表面被覆切削工具の製造方法。
2. 前記固体微粒子を与える操作は、投射圧が０．０１〜０．２ＭＰａであり、投射距離が２〜２０ｍｍであり、投射時間が５〜１０秒であり、前記固体微粒子の濃度が１〜１０体積％である条件下で行なわれる、請求項１に記載の表面被覆切削工具の製造方法。
3. 前記表面被覆切削工具は、配向性指数ＴＣ（ｈｋｌ）においてＴＣ（００６）の前記第１領域における平均値がａであり、前記ＴＣ（００６）の前記第２領域または前記第３領域における平均値がｂであるとき、ｂ−ａ＞０．５の関係を満たす、請求項１または請求項２に記載の表面被覆切削工具の製造方法。

Images