(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-07-28
(45)【発行日】2023-08-07
(54)【発明の名称】表面被覆切削工具
(51)【国際特許分類】
B23B 27/14 20060101AFI20230731BHJP
B23C 5/16 20060101ALI20230731BHJP
B23F 21/00 20060101ALI20230731BHJP
B23B 51/00 20060101ALI20230731BHJP
B23D 77/00 20060101ALI20230731BHJP
B23G 5/06 20060101ALI20230731BHJP
C23C 14/06 20060101ALI20230731BHJP
【ＦＩ】
B23B27/14 A
B23C5/16
B23F21/00
B23B51/00 J
B23D77/00
B23G5/06 C
C23C14/06 A
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2019001718
(22)【出願日】2019-01-09
(65)【公開番号】P2020110853
(43)【公開日】2020-07-27
【審査請求日】2021-09-24
(73)【特許権者】
【識別番号】523194617
【氏名又は名称】ＮＴＫカッティングツールズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100079108
【弁理士】
【氏名又は名称】稲葉 良幸
(74)【代理人】
【識別番号】100109346
【弁理士】
【氏名又は名称】大貫 敏史
(74)【代理人】
【識別番号】100117189
【弁理士】
【氏名又は名称】江口 昭彦
(74)【代理人】
【識別番号】100134120
【弁理士】
【氏名又は名称】内藤 和彦
(72)【発明者】
【氏名】野▲崎▼ 翔太
(72)【発明者】
【氏名】豊田 亮二
【審査官】増山 慎也
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１０－２３４５０８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－０３１７７９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－０１６７８３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－１１３３２０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２３Ｂ ２７／１４
Ｂ２３Ｂ ５１／００
Ｂ２３Ｃ ５／１６
Ｂ２３Ｄ ７７／００
Ｂ２３Ｆ ２１／００
Ｂ２３Ｇ ５／０６
Ｂ２３Ｐ １５／２８
Ｃ２３Ｃ １４／０２、０６
Ｃ２３Ｃ １６／３２－３６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ＷＣ結晶粒子と絶縁性粒子とを含む工具基体と、前記工具基体の表面を直接被覆する被覆層と、を備えた表面被覆切削工具であって、前記工具基体は、
前記工具基体全体を１００ｖｏｌ％とした場合に、ＷＣの含有率が３０ｖｏｌ％～７０ｖｏｌ％であり、
融点が１６００℃以下の金属を実質的に含まず、
凸部が前記表面の全体に亘ってまんべんなく形成されており、
前記表面被覆切削工具の逃げ面の断面を２０μｍにわたって電子顕微鏡で観察したときに、前記工具基体と前記被覆層との界面には、高さ１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下、幅１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の大きさを有すると共に前記工具基体から前記被覆層側に突出する前記凸部が、５個以上あることを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項2】
前記被覆層は、周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉの炭化物、
周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉの窒化物、及び
周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉの炭窒化物
からなる群より選ばれる少なくとも１種から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆切削工具。
【請求項3】
前記絶縁性粒子はＡｌ２Ｏ３、サイアロン、及び窒化珪素からなる群より選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１又は２に記載の表面被覆切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は表面被覆切削工具に関する。
【背景技術】
【0002】
下記特許文献１には、基材と硬質皮膜との間の界面にＴａ等の金属層が形成された硬質皮膜被覆部材が開示されている。金属層を形成することにより応力が緩和され、硬質皮膜が優れた密着性を発揮すると考えられる、と記載されている。
下記特許文献２には、超硬合金の結合相と被覆層の界面に凸形状が形成された被覆焼結合金が開示されている。被膜と基材との高い密着性が安定して得られるため、突発的な欠損やチッピングが抑えられ、安定した長寿命加工が可能になる、と記載されている。
下記特許文献３には、例えば超硬合金基材の表面に凹凸が形成された表面被覆切削工具が開示されている。この表面被覆切削工具の逃げ面に凹凸を形成する方法としては、ブラスト処理やレーザー加工等が例示されている。そして、このような構成を有することにより、基材と被膜との密着性を良好に保ち、かつ被削材が基材に凝着しにくいという効果を示す、と記載されている。
下記特許文献２には、超硬合金の結合相と被覆層の界面に凸形状が形成された被覆焼結合金が開示されている。被膜と基材との高い密着性が安定して得られるため、突発的な欠損やチッピングが抑えられ、安定した長寿命加工が可能になる、と記載されている。
下記特許文献３には、例えば超硬合金基材の表面に凹凸が形成された表面被覆切削工具が開示されている。この表面被覆切削工具の逃げ面に凹凸を形成する方法としては、ブラスト処理やレーザー加工等が例示されている。そして、このような構成を有することにより、基材と被膜との密着性を良好に保ち、かつ被削材が基材に凝着しにくいという効果を示す、と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０００－１２９４２３号公報
【文献】特開２００７－３１７７９号公報
【文献】特開２０１２－１５７９１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
近年、高能率加工の観点から、高速領域での切削加工におけるチッピングを抑制し、安定加工を実現する技術が求められている。高速領域での切削加工においては、発生する切削熱によって、切削工具の刃先が高温になる傾向がある。
【0005】
特許文献１に開示の技術では、高速領域での切削加工時の温度上昇に伴い皮膜が剥離する可能性があり、密着力強化の手法として好ましくない。詳細には、金属膜は、セラミックスや硬質皮膜と比較して、熱膨張係数が大きいため、切削加工時の刃先の温度上昇により膨張し、硬質皮膜の剥離を引き起こす可能性がある。
また、特許文献２に開示の技術では、超硬合金の表面において凸構造ができるのは一部だけとなり、密着力強化の手法としては不十分である。詳細には、一般的に超硬合金において結合相の割合は５～１２ｗｔ％という限られた範囲で制御されており、結合相に凸構造ができたとしても、大部分を占める硬質相と被膜間の密着力が改善されず、十分な密着力が得られない。
さらに、特許文献３に開示の技術では、逃げ面における凹凸がブラスト処理またはレーザー加工等により形成されるから、超硬合金における軟質なＣｏが優先的にエッチングされ、刃先の強度が低下することが懸念される。
そのうえ、特許文献１、特許文献２、及び特許文献３の技術は、いずれも超硬合金の基材の表面を改質し、皮膜の密着性を向上させるものであるから、高温で軟化する成分（例えばＣｏ）を含む超硬合金を用いる点で耐熱性が十分ではなく、高速領域での切削加工には不向きである。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、高速領域での切削加工における耐チッピング性に優れ、安定加工を実現可能な表面被覆切削工具を提供することを目的とし、以下の形態として実現することが可能である。
また、特許文献２に開示の技術では、超硬合金の表面において凸構造ができるのは一部だけとなり、密着力強化の手法としては不十分である。詳細には、一般的に超硬合金において結合相の割合は５～１２ｗｔ％という限られた範囲で制御されており、結合相に凸構造ができたとしても、大部分を占める硬質相と被膜間の密着力が改善されず、十分な密着力が得られない。
さらに、特許文献３に開示の技術では、逃げ面における凹凸がブラスト処理またはレーザー加工等により形成されるから、超硬合金における軟質なＣｏが優先的にエッチングされ、刃先の強度が低下することが懸念される。
そのうえ、特許文献１、特許文献２、及び特許文献３の技術は、いずれも超硬合金の基材の表面を改質し、皮膜の密着性を向上させるものであるから、高温で軟化する成分（例えばＣｏ）を含む超硬合金を用いる点で耐熱性が十分ではなく、高速領域での切削加工には不向きである。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、高速領域での切削加工における耐チッピング性に優れ、安定加工を実現可能な表面被覆切削工具を提供することを目的とし、以下の形態として実現することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【0006】
〔１〕ＷＣ結晶粒子と絶縁性粒子とを含む工具基体と、前記工具基体の表面を直接被覆する被覆層と、を備えた表面被覆切削工具であって、
前記表面被覆切削工具の逃げ面の断面を２０μｍにわたって電子顕微鏡で観察したときに、前記工具基体と前記被覆層との界面には、高さ１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下、幅１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の大きさを有すると共に前記工具基体から前記被覆層側に突出する凸部が、５個以上あることを特徴とする表面被覆切削工具。
前記表面被覆切削工具の逃げ面の断面を２０μｍにわたって電子顕微鏡で観察したときに、前記工具基体と前記被覆層との界面には、高さ１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下、幅１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の大きさを有すると共に前記工具基体から前記被覆層側に突出する凸部が、５個以上あることを特徴とする表面被覆切削工具。
【0007】
この構成では、表面被覆切削工具の逃げ面において、工具基体と被覆層との界面の２０μｍの範囲に微細な凸部が５個以上あるから、工具基体と被覆層の密着力を向上し、表面被覆切削工具の耐チッピング性を向上することができる。また、この構成の表面被覆切削工具では、工具基体を高温で軟化する成分（Ｃｏ等）を実質的に含まないものとすることで、高速領域での切削熱による工具損傷を抑制することができる。
【0008】
〔２〕前記被覆層は、
周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉの炭化物、
周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉの窒化物、及び
周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉの炭窒化物
からなる群より選ばれる少なくとも１種から構成されていることを特徴とする〔１〕に記載の表面被覆切削工具。
周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉの炭化物、
周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉの窒化物、及び
周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉの炭窒化物
からなる群より選ばれる少なくとも１種から構成されていることを特徴とする〔１〕に記載の表面被覆切削工具。
【0009】
被覆層がこのような構成の場合には、高速領域での切削加工における耐チッピング性を向上することができる。
【0010】
〔３〕前記絶縁性粒子はＡｌ２Ｏ３、サイアロン、及び窒化珪素からなる群より選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする〔１〕又は〔２〕に記載の表面被覆切削工具。
【0011】
工具基体がＡｌ２Ｏ３、窒化珪素、サイアロン等の絶縁性粒子を含む構成では、高速領域での切削加工における耐チッピング性を向上することができる。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、高速領域での切削加工における耐チッピング性に優れ、安定加工を実現可能な表面被覆切削工具を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】インサートの一例の斜視図である。
【図2】ホルダーにインサートを装着した外径加工用切削工具の一例による切削態様を示す説明図である。
【図4】実施例１の表面被覆切削工具の逃げ面の断面をＳＥＭで観察した像である(１００００倍)。
【発明を実施するための形態】
【0014】
１．表面被覆切削工具の構成
表面被覆切削工具はＷＣ結晶粒子と絶縁性粒子とを含む工具基体と、工具基体の表面を直接被覆する被覆層と、を備える。表面被覆切削工具は、表面被覆切削工具の逃げ面の断面を２０μｍにわたって電子顕微鏡で観察したときに、工具基体と被覆層との界面には、高さ１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下、幅１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の大きさを有すると共に工具基体から被覆層側に突出する凸部が、５個以上あることを特徴とする。
表面被覆切削工具はＷＣ結晶粒子と絶縁性粒子とを含む工具基体と、工具基体の表面を直接被覆する被覆層と、を備える。表面被覆切削工具は、表面被覆切削工具の逃げ面の断面を２０μｍにわたって電子顕微鏡で観察したときに、工具基体と被覆層との界面には、高さ１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下、幅１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の大きさを有すると共に工具基体から被覆層側に突出する凸部が、５個以上あることを特徴とする。
【0015】
（１）工具基体
工具基体は、ＷＣ（炭化タングステン）結晶粒子と絶縁性粒子とを含んでいる。工具基体は、ＷＣ結晶粒子と絶縁性粒子とから実質的になるセラミックス焼結体であり、高温で軟化する成分を実質的に含まない。ここでいう高温で軟化する成分とは、高速領域での切削加工を想定して、融点がおおむね１６００℃以下のＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ等の金属を例示することができる。なお、セラミックス焼結体には、製造上不可避的に不純物が混入することがある。実質的に含まないとは、全く含まなくてもよいし、工具基体の作用効果に影響を与えない程度の微量（例えば不可避的不純物に相当する量）を含んでいてもよい。
工具基体は、ＷＣ（炭化タングステン）結晶粒子と絶縁性粒子とを含んでいる。工具基体は、ＷＣ結晶粒子と絶縁性粒子とから実質的になるセラミックス焼結体であり、高温で軟化する成分を実質的に含まない。ここでいう高温で軟化する成分とは、高速領域での切削加工を想定して、融点がおおむね１６００℃以下のＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ等の金属を例示することができる。なお、セラミックス焼結体には、製造上不可避的に不純物が混入することがある。実質的に含まないとは、全く含まなくてもよいし、工具基体の作用効果に影響を与えない程度の微量（例えば不可避的不純物に相当する量）を含んでいてもよい。
【0016】
絶縁性粒子は、特に限定されないが、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、サイアロン、及び窒化珪素からなる群より選ばれる少なくとも１種とすることができる。これらの絶縁性粒子を含む工具基体を用いた場合、高速領域での切削加工における耐チッピング性が向上する。
【0017】
ＷＣ結晶粒子と絶縁性粒子の含有率は特に限定されない。工具基体全体を１００ｖｏｌ％とした場合に、ＷＣの含有率を３０ｖｏｌ％～７０ｖｏｌ％とすることが好ましく、その残部は、絶縁性粒子を構成する化合物（Ａｌ２Ｏ３、サイアロン、窒化珪素等）とすることができる。ＷＣの含有率が３０ｖｏｌ％以上であると、工具基体の強度及び硬度が向上する。また、ＷＣの含有量が７０ｖｏｌ％以下であると、絶縁性粒子の含有率も十分に確保されるので、所定の大きさを有すると共に工具基体から被覆層側に突出する凸部を、工具基体と被覆層との界面の全体に亘ってまんべんなく形成できる。なお、本発明において、「ｖｏｌ％（体積％）」とは、工具基体に含まれる全物質の体積の総量を１００％としたときの、各物質の割合を意味する。
【0018】
（２）被覆層
被覆層は、工具基体の表面を直接被覆する被膜である。本願において、「直接被覆する」とは、工具基体と被覆層との間に、金属層等の他の層が介在しないことを意味する。
被覆層は、工具基体の表面を直接被覆する被膜である。本願において、「直接被覆する」とは、工具基体と被覆層との間に、金属層等の他の層が介在しないことを意味する。
【0019】
表面被覆切削工具における被覆層は、特に限定されないが、周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ（アルミニウム）、Ｓｉ（ケイ素）の炭化物、周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉの窒化物、及び周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉの炭窒化物からなる群より選ばれる少なくとも１種から構成されていることが好ましい。被覆層がこのような構成の場合には、高速領域での切削加工における耐チッピング性を向上できる。
なお、「周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉの炭化物」は、周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、及びＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含む炭化物を示す。
「周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉの窒化物」は、周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、及びＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含む窒化物を示す。
「周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉの炭窒化物」は、周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、及びＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含む炭窒化物を示す。
周期表４ａ族元素としてはＴｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）等が挙げられる。周期表５ａ族元素としてはＶ（バナジウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）等が挙げられる。周期表６ａ族元素としてはＣｒ（クロム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）等が挙げられる。
被覆層としては、組成にＴｉと共に、ＡｌとＳｉの少なくとも一方を含む窒化物か炭窒化物がより好ましい。このような被覆層としては、（ＴｉＡｌ）Ｎ、（ＴｉＡｌ）ＣＮ、（ＴｉＡｌＣｒ）Ｎ、（ＴｉＡｌＣｒ）ＣＮ、（ＴｉＳｉ）Ｎ、（ＴｉＳｉ）ＣＮ、（ＴｉＡｌＳｉ）Ｎ、（ＴｉＡｌＳｉ）ＣＮ、（ＴｉＡｌＶ）Ｎ、（ＴｉＡｌＶ）ＣＮ等を例示することができる。なお、これらの組成式中、かっこ内の各元素の比率は適宜変更可能である。これらの中でも、ＴｉａＡｌｂＮ（ａ＋ｂ＝１）がさらに好ましい。
なお、「周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉの炭化物」は、周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、及びＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含む炭化物を示す。
「周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉの窒化物」は、周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、及びＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含む窒化物を示す。
「周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、Ｓｉの炭窒化物」は、周期表４ａ、５ａ、６ａ族元素、Ａｌ、及びＳｉからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含む炭窒化物を示す。
周期表４ａ族元素としてはＴｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）等が挙げられる。周期表５ａ族元素としてはＶ（バナジウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）等が挙げられる。周期表６ａ族元素としてはＣｒ（クロム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）等が挙げられる。
被覆層としては、組成にＴｉと共に、ＡｌとＳｉの少なくとも一方を含む窒化物か炭窒化物がより好ましい。このような被覆層としては、（ＴｉＡｌ）Ｎ、（ＴｉＡｌ）ＣＮ、（ＴｉＡｌＣｒ）Ｎ、（ＴｉＡｌＣｒ）ＣＮ、（ＴｉＳｉ）Ｎ、（ＴｉＳｉ）ＣＮ、（ＴｉＡｌＳｉ）Ｎ、（ＴｉＡｌＳｉ）ＣＮ、（ＴｉＡｌＶ）Ｎ、（ＴｉＡｌＶ）ＣＮ等を例示することができる。なお、これらの組成式中、かっこ内の各元素の比率は適宜変更可能である。これらの中でも、ＴｉａＡｌｂＮ（ａ＋ｂ＝１）がさらに好ましい。
【0020】
被覆層は、実質、同一組成により構成された単層の被覆層であり、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）による観察で、組成の違いを伴う界面が観察されないものとすることができる。また、本実施形態の表面被覆切削工具には、上記被覆層以外の被覆層（以下、「他の被覆層」という）を有していてもよい。ただし、他の被覆層は、上記被覆層よりも、表面被覆切削工具の外側に位置するものとされる。他の被覆層の組成は、特に限定されない。他の被覆層の数は特に限定されず、単層、複層のいずれであってもよい。また、他の被覆層が複層である場合には、同一組成の層が積層されていてもよいし、異なる組成の層が積層されていてもよい。
【0021】
被覆層の厚みは、特に限定されない。被覆層の厚みは、十分な耐チッピング性を確保する点から、好ましくは０．５μｍ以上であり、より好ましくは０．８μｍ以上であり、特に好ましくは１．５μｍ以上である。なお、被覆層の厚みは、通常１０μｍ以下である。
被覆層の厚みは、表面被覆切削工具を切断し、その断面をＳＥＭにより観察して測定することができる。
被覆層の厚みは、表面被覆切削工具を切断し、その断面をＳＥＭにより観察して測定することができる。
【0022】
（３）表面被覆切削工具の逃げ面の断面の評価
表面被覆切削工具の逃げ面の断面において、工具基体から被覆層側に突出する凸部（以下、凸部２１とも称する）の数え方を図３（Ａ）及び図３（Ｂ）を参照しつつ説明する。図３（Ａ）は、工具基体２０と被覆層３０の界面を模式的に示す説明図であり、図３（Ｂ）は、凸部２１を拡大して示す説明図である。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）において、界面の延びる方向をＸ軸方向とし、被覆層３０の積層方向をＹ軸方向とする。
凸部２１を数えるにあたっては、表面被覆切削工具を逃げ面に対して直交する任意の平面で切断して、切断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により観察する。この切断面において、工具基体２０と被覆層３０との界面を、界面の延びる方向（被覆層３０の積層方向と直交する方向、Ｘ軸方向）について２０μｍにわたって観察し、界面に現れる工具基体２０から被覆層３０側に突出する凸形状の高さおよび幅を測定する。測定した凸形状のうち、高さ１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下、かつ、幅１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の大きさを有するものを凸部２１として数える。
表面被覆切削工具の逃げ面の断面において、工具基体から被覆層側に突出する凸部（以下、凸部２１とも称する）の数え方を図３（Ａ）及び図３（Ｂ）を参照しつつ説明する。図３（Ａ）は、工具基体２０と被覆層３０の界面を模式的に示す説明図であり、図３（Ｂ）は、凸部２１を拡大して示す説明図である。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）において、界面の延びる方向をＸ軸方向とし、被覆層３０の積層方向をＹ軸方向とする。
凸部２１を数えるにあたっては、表面被覆切削工具を逃げ面に対して直交する任意の平面で切断して、切断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により観察する。この切断面において、工具基体２０と被覆層３０との界面を、界面の延びる方向（被覆層３０の積層方向と直交する方向、Ｘ軸方向）について２０μｍにわたって観察し、界面に現れる工具基体２０から被覆層３０側に突出する凸形状の高さおよび幅を測定する。測定した凸形状のうち、高さ１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下、かつ、幅１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の大きさを有するものを凸部２１として数える。
【0023】
凸部２１の幅Ｗ１は、凸形状の両側に位置する突出基端部Ｅ１，Ｅ２のＸ軸方向における間隔（ｎｍ）とする。凸部２１の高さＨ１は、凸形状の両側に位置する突出基端部Ｅ１，Ｅ２のうち低い方から凸形状の突出先端部Ｐ１までのＹ軸方向における間隔（ｎｍ）とする。なお、突出基端部とは、凸形状の裾の末端を意味する。凸形状の両側に位置する突出基端部Ｅ１，Ｅ２のうち低い方とは、突出基端部Ｅ１，Ｅ２のうちＹ軸方向における位置が相対的に工具基体２０側となっている方を指し、図３（Ｂ）では突出基端部Ｅ２を指す。
【0024】
凸部の形状は特に限定されないが、凸部は、断面視にて、略三角形状、略台形状等の突出先端部に向かうにつれて幅が小さくなる山型をなしていてもよい。このような構成により、凸部の形状が被覆層の表面粗度、ひいては、表面被覆切削工具の表面粗度に与える影響が小さくなっている。
凸部の配置は特に限定されないが、耐チッピング性を向上するという観点において、凸部は工具基体と被覆層の界面になるべく分散して配置されることが好ましい。
凸部の配置は特に限定されないが、耐チッピング性を向上するという観点において、凸部は工具基体と被覆層の界面になるべく分散して配置されることが好ましい。
【0025】
本実施形態では、表面被覆切削工具の逃げ面の断面を２０μｍにわたって電子顕微鏡で観察したときに、工具基体と被覆層との界面に、高さ１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下、幅１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の大きさを有する凸部が、５個以上ある（図４参照）。なお、この凸部の数の要件は、表面被覆切削工具の逃げ面の断面を観察した際に、複数の視野で界面を２０μｍにわたって観察して、そのうちの少なくとも１つの視野における任意の範囲で満たしていればよい。
凸部の高さが４００ｎｍ以下であれば、工具基体に凸部が形成されることに起因する切削抵抗の増大を招きにくいので、切削性能を十分に確保することができる。
凸部の高さが１００ｎｍ以上であれば、凸形状によるアンカー効果を十分なものとして、被覆層の密着力を向上できる。
凸部の幅が１０００ｎｍ以下であれば、凸形状によるアンカー効果が弱まりにくく、被覆層の密着力を確保することができる。
凸部の幅が１００ｎｍ以上であれば、凸形状によるアンカー効果を十分なものとして、被覆層の密着力を向上できる。
さらに、このような幅及び高さを有する凸部が２０μｍの範囲に５個以上あれば、互いに隣り合う凸部の間に被覆層が嵌入することにより、被覆層の密着力を向上できる。なお、凸部の個数の上限値は特に定めるものではないが、４０個以下とすることができる。
凸部の高さが４００ｎｍ以下であれば、工具基体に凸部が形成されることに起因する切削抵抗の増大を招きにくいので、切削性能を十分に確保することができる。
凸部の高さが１００ｎｍ以上であれば、凸形状によるアンカー効果を十分なものとして、被覆層の密着力を向上できる。
凸部の幅が１０００ｎｍ以下であれば、凸形状によるアンカー効果が弱まりにくく、被覆層の密着力を確保することができる。
凸部の幅が１００ｎｍ以上であれば、凸形状によるアンカー効果を十分なものとして、被覆層の密着力を向上できる。
さらに、このような幅及び高さを有する凸部が２０μｍの範囲に５個以上あれば、互いに隣り合う凸部の間に被覆層が嵌入することにより、被覆層の密着力を向上できる。なお、凸部の個数の上限値は特に定めるものではないが、４０個以下とすることができる。
【0026】
（４）表面被覆切削工具の種類
表面被覆切削工具は、切削加工に用いられる従来公知の様々な切削工具に適用することができる。表面被覆切削工具として、旋削加工用又はフライス加工用刃先交換型チップ（切削インサート、スローアウェイチップ）、ドリル、エンドミル、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップを好適に例示できる。なお、本発明の切削工具は、広義の切削工具であり、旋削加工、フライス加工などを行う工具全般を言う。
本実施形態の表面被覆切削工具は、例えば、合金鋼の高速加工に使用する切削工具として好適に用いることができる。
表面被覆切削工具は、切削加工に用いられる従来公知の様々な切削工具に適用することができる。表面被覆切削工具として、旋削加工用又はフライス加工用刃先交換型チップ（切削インサート、スローアウェイチップ）、ドリル、エンドミル、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップを好適に例示できる。なお、本発明の切削工具は、広義の切削工具であり、旋削加工、フライス加工などを行う工具全般を言う。
本実施形態の表面被覆切削工具は、例えば、合金鋼の高速加工に使用する切削工具として好適に用いることができる。
【0027】
表面被覆切削工具の一例を図示して説明する。図１は、表面被覆切削工具の一例であるインサート１を示している。インサート１は、前逃げ面２（逃げ面の一例）と、横逃げ面３（逃げ面の一例）と、前逃げ面２と横逃げ面３との間に位置するノーズ４と、すくい面５とを有している。図２は、インサート１をホルダー７に装着した外径加工用切削工具を示している。例えば、外径加工用切削工具を用いて切削加工を行う場合には、前逃げ面２と横逃げ面３との間のノーズ４を、回転するワーク９に押し当てて、切削加工を行う。
【0028】
（５）実施形態の表面被覆切削工具の効果
本願発明者らは、イオンボンバード処理時のバイアス電圧を適宜設定することにより、工具基体と被覆層との界面に研磨加工等では形成し得ないような微細な凸部が形成されることを新たに見出した。そして、このような知見に基づき、本実施形態のものを開発するに至った。
本実施形態では、表面被覆切削工具の逃げ面において、工具基体と被覆層との界面の２０μｍの範囲に微細な凸部が５個以上あるから、工具基体と被覆層の密着力を向上し、表面被覆切削工具の耐チッピング性を向上することができる。
さらに、本実施形態では、凸部が高さ４００ｎｍ以下の微細なものであるから、凸部を設けたことに起因する切削抵抗の増大を招きにくい。このように、本実施形態では、工具基体と被覆層との界面に微細な凸部を設けることにより、切削性能を損なうことなく、工具基体と被覆層の密着力を向上できる。
また、本実施形態の表面被覆切削工具では、被覆層が工具基体を直接被覆するから、高温で熱膨張する金属層等を含まないものとして、高速領域での切削熱による被覆層の剥離を抑制することができる。
本実施形態の表面被覆切削工具では、工具基体を高温で軟化する成分を実質的に含まないものとすることで、高速領域での切削熱による工具損傷を抑制することができる。
これらの結果、本実施形態では、高速領域での切削加工における耐チッピング性に優れ、安定加工を実現可能な表面被覆切削工具を提供することができる。
本願発明者らは、イオンボンバード処理時のバイアス電圧を適宜設定することにより、工具基体と被覆層との界面に研磨加工等では形成し得ないような微細な凸部が形成されることを新たに見出した。そして、このような知見に基づき、本実施形態のものを開発するに至った。
本実施形態では、表面被覆切削工具の逃げ面において、工具基体と被覆層との界面の２０μｍの範囲に微細な凸部が５個以上あるから、工具基体と被覆層の密着力を向上し、表面被覆切削工具の耐チッピング性を向上することができる。
さらに、本実施形態では、凸部が高さ４００ｎｍ以下の微細なものであるから、凸部を設けたことに起因する切削抵抗の増大を招きにくい。このように、本実施形態では、工具基体と被覆層との界面に微細な凸部を設けることにより、切削性能を損なうことなく、工具基体と被覆層の密着力を向上できる。
また、本実施形態の表面被覆切削工具では、被覆層が工具基体を直接被覆するから、高温で熱膨張する金属層等を含まないものとして、高速領域での切削熱による被覆層の剥離を抑制することができる。
本実施形態の表面被覆切削工具では、工具基体を高温で軟化する成分を実質的に含まないものとすることで、高速領域での切削熱による工具損傷を抑制することができる。
これらの結果、本実施形態では、高速領域での切削加工における耐チッピング性に優れ、安定加工を実現可能な表面被覆切削工具を提供することができる。
【0029】
２．表面被覆切削工具の製造方法
表面被覆切削工具の製造方法は特に限定されない。例えば、アークイオンプレーティング蒸発法により、工具基体の表面に被覆層を形成することができる。この製造方法において、被覆層の形成条件を制御することによって所望の表面被覆切削工具を得ることができる。本実施形態では、工具基体の表面に形成される被覆層が単層である場合には、この被覆層の形成には１種類のターゲット（蒸発源）が用いられる。ターゲットとしては、例えばＡｌ及びＴｉを含有する合金製ターゲットを用い、反応ガスとして窒素ガスを用いる。
なお、工具基体から被覆層側に突出する凸形状は、表面被覆切削工具の製造時におけるイオンボンバード処理条件を制御することにより適宜形成することができる。そして、イオンボンバード処理を所定のバイアス電圧で行うことにより、工具基体と被覆層との界面に２０μｍあたり５個以上の凸部を形成することができる。本願発明者らが研究した結果、イオンボンバード処理時のバイアス電圧を所定のバイアス電圧より大きくすると、工具基体から被覆層側に突出する凸形状の高さ及び幅が大きくなる傾向にあり、所定のバイアス電圧より小さくすると、工具基体から被覆層側に突出する凸形状の高さ及び幅が小さくなる（界面が平坦になる場合を含む）傾向にあることが確認された。また、ＷＣ結晶粒子と絶縁性粒子とを含む工具基体に対してイオンボンバード処理を行うと、凸形状が基体の表面の全体に亘ってまんべんなく形成されることを見出した。これは、イオンボンバード処理において、イオン化したアルゴンが工具基体の表面に多分に存在するＷＣ結晶粒子に対して選択的に衝突することによって、ＷＣ結晶粒子が除去されて凸形状を形成するためであると考えられる。
表面被覆切削工具の製造方法は特に限定されない。例えば、アークイオンプレーティング蒸発法により、工具基体の表面に被覆層を形成することができる。この製造方法において、被覆層の形成条件を制御することによって所望の表面被覆切削工具を得ることができる。本実施形態では、工具基体の表面に形成される被覆層が単層である場合には、この被覆層の形成には１種類のターゲット（蒸発源）が用いられる。ターゲットとしては、例えばＡｌ及びＴｉを含有する合金製ターゲットを用い、反応ガスとして窒素ガスを用いる。
なお、工具基体から被覆層側に突出する凸形状は、表面被覆切削工具の製造時におけるイオンボンバード処理条件を制御することにより適宜形成することができる。そして、イオンボンバード処理を所定のバイアス電圧で行うことにより、工具基体と被覆層との界面に２０μｍあたり５個以上の凸部を形成することができる。本願発明者らが研究した結果、イオンボンバード処理時のバイアス電圧を所定のバイアス電圧より大きくすると、工具基体から被覆層側に突出する凸形状の高さ及び幅が大きくなる傾向にあり、所定のバイアス電圧より小さくすると、工具基体から被覆層側に突出する凸形状の高さ及び幅が小さくなる（界面が平坦になる場合を含む）傾向にあることが確認された。また、ＷＣ結晶粒子と絶縁性粒子とを含む工具基体に対してイオンボンバード処理を行うと、凸形状が基体の表面の全体に亘ってまんべんなく形成されることを見出した。これは、イオンボンバード処理において、イオン化したアルゴンが工具基体の表面に多分に存在するＷＣ結晶粒子に対して選択的に衝突することによって、ＷＣ結晶粒子が除去されて凸形状を形成するためであると考えられる。
【実施例】
【0030】
実施例により本発明を更に具体的に説明する。
【0031】
１．表面被覆切削工具の作製（試料１～７）
試料１～７の工具基体として表１の工具基体の組成（ｖｏｌ％）のセラミックス焼結体を用いた。各試料において、チップ形状はＩＳＯ ＴＮＧＮ１６０４０８ Ｚ０１２２５とした。工具基体を、カソードアークイオンプレーティング装置に設置した。
試料１～３については、真空ポンプによりチャンバー内を減圧するとともに、装置内に設置されたヒーターにより工具基体を温度５５０℃に加熱し、チャンバー内の圧力が３．０×１０－３Ｐａとなるまで真空引きを行った。次に、アルゴンガスを導入してチャンバー内の圧力を１．０Ｐａに保持し、基体バイアス電源の電圧を徐々に上げながら、－２００Ｖとし、工具基体の表面のクリーニングを１５分間行った。つまり、試料１～３ではイオンボンバード処理時のバイアス電圧を２００Ｖとした。その後、アルゴンガスを排気した。
試料４についてはイオンボンバード処理時のバイアス電圧を４００Ｖとし、試料５については同バイアス電圧を６００Ｖとし、試料６については同バイアス電圧を１００Ｖとし、試料７については同バイアス電圧を３０Ｖとした他は、試料１～３と同様とした。
次いで、上記装置にＡｌ及びＴｉを含有する合金製ターゲットをセットし、反応ガスとして窒素ガスを導入しながら、基体温度５５０℃、反応ガス圧１．０Ｐａ、基体バイアス電圧を－１００Ｖに維持したまま、カソード電極に１５０Ａのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源から金属イオンを発生させ、刃先に１．５μｍの被覆層を形成した。本発明には磁力線が被処理体まで伸び、被処理体近傍における成膜ガスのプラズマ密度が従来の蒸発源に比べ格段に高いことを特徴とする蒸発源を用いた。このような蒸発源を用いることで表面に「マクロパーティクル」と呼ばれる溶融したターゲット物質の付着が少なくなり、表面粗度が改善され、切削特性の向上につながる。従って、被覆層の成膜には本蒸発源を用いることが有効である。
このようにして、Ｔｉ０．４Ａｌ０．６Ｎの組成を有する被覆層が形成された試料１～７の表面被覆切削工具を得た。
得られた表面被覆切削工具の逃げ面の断面を、ＳＥＭ（走査電子顕微鏡）（日本電子株式会社製、ＪＳＭ－７１００Ｆ）にて１００００倍の倍率で観察し、工具基体と被覆層との界面の評価を行った。評価の結果、試料１～３が本発明の範囲内に含まれ、試料４～７が本発明の範囲外となっていた。評価結果を表１に示す。なお、表１において、「＊」は、本発明の範囲外であることを示す。
試料１～７の工具基体として表１の工具基体の組成（ｖｏｌ％）のセラミックス焼結体を用いた。各試料において、チップ形状はＩＳＯ ＴＮＧＮ１６０４０８ Ｚ０１２２５とした。工具基体を、カソードアークイオンプレーティング装置に設置した。
試料１～３については、真空ポンプによりチャンバー内を減圧するとともに、装置内に設置されたヒーターにより工具基体を温度５５０℃に加熱し、チャンバー内の圧力が３．０×１０－３Ｐａとなるまで真空引きを行った。次に、アルゴンガスを導入してチャンバー内の圧力を１．０Ｐａに保持し、基体バイアス電源の電圧を徐々に上げながら、－２００Ｖとし、工具基体の表面のクリーニングを１５分間行った。つまり、試料１～３ではイオンボンバード処理時のバイアス電圧を２００Ｖとした。その後、アルゴンガスを排気した。
試料４についてはイオンボンバード処理時のバイアス電圧を４００Ｖとし、試料５については同バイアス電圧を６００Ｖとし、試料６については同バイアス電圧を１００Ｖとし、試料７については同バイアス電圧を３０Ｖとした他は、試料１～３と同様とした。
次いで、上記装置にＡｌ及びＴｉを含有する合金製ターゲットをセットし、反応ガスとして窒素ガスを導入しながら、基体温度５５０℃、反応ガス圧１．０Ｐａ、基体バイアス電圧を－１００Ｖに維持したまま、カソード電極に１５０Ａのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源から金属イオンを発生させ、刃先に１．５μｍの被覆層を形成した。本発明には磁力線が被処理体まで伸び、被処理体近傍における成膜ガスのプラズマ密度が従来の蒸発源に比べ格段に高いことを特徴とする蒸発源を用いた。このような蒸発源を用いることで表面に「マクロパーティクル」と呼ばれる溶融したターゲット物質の付着が少なくなり、表面粗度が改善され、切削特性の向上につながる。従って、被覆層の成膜には本蒸発源を用いることが有効である。
このようにして、Ｔｉ０．４Ａｌ０．６Ｎの組成を有する被覆層が形成された試料１～７の表面被覆切削工具を得た。
得られた表面被覆切削工具の逃げ面の断面を、ＳＥＭ（走査電子顕微鏡）（日本電子株式会社製、ＪＳＭ－７１００Ｆ）にて１００００倍の倍率で観察し、工具基体と被覆層との界面の評価を行った。評価の結果、試料１～３が本発明の範囲内に含まれ、試料４～７が本発明の範囲外となっていた。評価結果を表１に示す。なお、表１において、「＊」は、本発明の範囲外であることを示す。
【0032】
２．被覆層の密着力の測定
試料１～７について、スクラッチテスターを用いて被覆層の密着力（Ｎ）を測定した。具体的には、スクラッチ試験用のダイヤモンド圧子を被覆層に接触させ、圧子に加える荷重を増大させながら圧子を被覆層に沿って移動させ、被覆層に破壊ないし剥離が生じ始める荷重（Ｎ）を密着力とした。なお、荷重は、圧子の移動距離１ｍｍにつき１０Ｎの割合で増大するように制御した。密着力の測定結果を表１に示す。この条件において、例えば、密着力が８０Ｎ以上のものを本発明の表面被覆切削工具とすることができる。
試料１～７について、スクラッチテスターを用いて被覆層の密着力（Ｎ）を測定した。具体的には、スクラッチ試験用のダイヤモンド圧子を被覆層に接触させ、圧子に加える荷重を増大させながら圧子を被覆層に沿って移動させ、被覆層に破壊ないし剥離が生じ始める荷重（Ｎ）を密着力とした。なお、荷重は、圧子の移動距離１ｍｍにつき１０Ｎの割合で増大するように制御した。密着力の測定結果を表１に示す。この条件において、例えば、密着力が８０Ｎ以上のものを本発明の表面被覆切削工具とすることができる。
【0033】
３．耐チッピング性に関する評価試験
各表面被覆切削工具を用いて、以下の条件による切削加工を行い、チッピング発生に至る加工距離（チッピング発生距離）を調べた。切削条件は、被削材をＳＣＭ４１５とし、切削速度３００ｍ／ｍｉｎ、送り量０．１ｍｍ／ｒｅｖ、切込み０．２ｍｍとした。試験結果を表１に示す。この条件において、例えば、チッピング発生距離が７ｋｍ以上のものを本発明の表面被覆切削工具とすることができる。
各表面被覆切削工具を用いて、以下の条件による切削加工を行い、チッピング発生に至る加工距離（チッピング発生距離）を調べた。切削条件は、被削材をＳＣＭ４１５とし、切削速度３００ｍ／ｍｉｎ、送り量０．１ｍｍ／ｒｅｖ、切込み０．２ｍｍとした。試験結果を表１に示す。この条件において、例えば、チッピング発生距離が７ｋｍ以上のものを本発明の表面被覆切削工具とすることができる。
【0034】
４．結果
（１）工具基体と被覆層との界面の評価
表面被覆切削工具の逃げ面の断面を２０μｍにわたって観察したところ、試料１～３では、高さ１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下、幅１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の大きさを有すると共に工具基体から被覆層側に突出する凸部が５個以上観察された。
試料４では、上記の高さ及び幅の範囲内となる凸部の数が５個を下回った。
試料５では、上記の高さ及び幅の範囲内となる凸部の数が１個しか確認されなかった。
試料６及び試料７では、界面に凸形状が確認されず、上記の高さ及び幅の範囲内となる凸部がなかった。
なお、試料１～３で観察された凸形状は、最大高さが４００ｎｍ以下であり、最大幅が１０００ｎｍ以下であった。
他方、試料４、５で観察された凸形状は、最大高さが４００ｎｍ超であり、最大幅が１０００ｎｍ超であった。
（２）密着力及びチッピング発生距離
被覆層の密着力の測定結果と、チッピング発生距離に関する結果を表１に示す。
（１）工具基体と被覆層との界面の評価
表面被覆切削工具の逃げ面の断面を２０μｍにわたって観察したところ、試料１～３では、高さ１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下、幅１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の大きさを有すると共に工具基体から被覆層側に突出する凸部が５個以上観察された。
試料４では、上記の高さ及び幅の範囲内となる凸部の数が５個を下回った。
試料５では、上記の高さ及び幅の範囲内となる凸部の数が１個しか確認されなかった。
試料６及び試料７では、界面に凸形状が確認されず、上記の高さ及び幅の範囲内となる凸部がなかった。
なお、試料１～３で観察された凸形状は、最大高さが４００ｎｍ以下であり、最大幅が１０００ｎｍ以下であった。
他方、試料４、５で観察された凸形状は、最大高さが４００ｎｍ超であり、最大幅が１０００ｎｍ超であった。
（２）密着力及びチッピング発生距離
被覆層の密着力の測定結果と、チッピング発生距離に関する結果を表１に示す。
【0035】
【表1】
【0036】
高さ１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下、幅１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の大きさを有する凸部が５個以上確認された試料１～３では、そのような凸部が５個以下である試料４～７に比べて、被覆層の密着力（Ｎ）が高く、チッピング発生距離（ｋｍ）が長いことが確認された。被覆層の密着力（Ｎ）が高くなったのは、所定の大きさを有すると共に工具基体から被覆層側に突出する凸部を、工具基体と被覆層との界面の全体に亘ってまんべんなく形成できたからだと考えられる。
【0037】
また、試料１～３の各々を比較すると、工具基体の絶縁性粒子がＡｌ２Ｏ３、サイアロン、窒化珪素の場合には、絶縁性粒子の種類によらず、イオンボンバード処理時のバイアス電圧を２００Ｖとすることにより凸部が形成されうることが確認できた。また、いずれの絶縁性粒子を用いた場合であっても、試料４～７と比較して密着力の向上と、チッピング発生距離が長くなる効果が確認できた。
【0038】
５．実施例の効果
本実施例によれば、切削速度３００ｍ／ｍｉｎという高速領域での切削加工における耐チッピング性に優れ、安定加工を実現できる表面被覆切削工具を提供することができる。
本実施例によれば、切削速度３００ｍ／ｍｉｎという高速領域での切削加工における耐チッピング性に優れ、安定加工を実現できる表面被覆切削工具を提供することができる。
【0039】
＜他の実施形態（変形例）＞
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。
【0040】
（１）上記実施形態では、旋削加工用を一例として説明したが、本発明は、切削加工に用いられる様々な切削工具に適用することができる。また、チップ形状は、上述したものに限られず、種々の形状とすることができる。
【0041】
１…インサート（表面被覆切削工具）
２…前逃げ面（逃げ面の一例）
３…横逃げ面（逃げ面の一例）
２０…工具基体
２１…凸部
３０…被覆層
２…前逃げ面（逃げ面の一例）
３…横逃げ面（逃げ面の一例）
２０…工具基体
２１…凸部
３０…被覆層
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
