JP2012157915A - 表面被覆切削工具およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基材と被膜との密着性を良好に保つとともに、加工面品位に優れた表面被覆切削工具を提供する。
【解決手段】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ものであって、該基材は、硬質粒子と該硬質粒子を結合する結合相とを含み、被膜に接する硬質粒子は、被膜に接する側の表面に凹凸が形成されており、表面被覆切削工具のすくい面に対する法線を含む平面で表面被覆切削工具を切断したときの断面において、基材のすくい面側の表面は、被膜に接する側の表面に位置する長さ５０μｍのすくい面側基準線における面粗度Ｒz,sが１μｍ以上３０μｍ以下であり、基材の逃げ面側の表面は、被膜に接する側の表面に位置する長さ５０μｍの逃げ面側基準線における面粗度Ｒz,nが０．５μｍ以上５μｍ以下であり、かつＲz,sはＲz,nよりも大きいことを特徴の一つとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面被覆切削工具に関し、特に、すくい面側の表面と逃げ面側の表面とで異なる表面粗さを有する基材に対して被膜を被覆した表面被覆切削工具に関する。

表面被覆切削工具の耐摩耗性および表面保護性を向上するために、ＷＣ超硬合金、サーメット等からなる基材の表面に、Ｔｉ、ＴｉＡｌ等の窒化物を単層または複数層積層した被膜を被覆することはよく知られている。

近年、ステンレス、インコネル、チタン合金等のように、被削材の難削化が進んでおり、工具材料に要求される性能は厳しさを増す一方である。難削材の加工には、被膜の耐熱性を向上させることはもちろん、被膜が被削材に溶着して剥離することを防ぐために、基材と被膜とを強固に密着させる必要がある。

たとえば特許文献１では、基材表面に、０．５μｍ以上３０μｍ以下の面粗度Ｒ_maxの凹凸を形成し、該凹凸が形成された基材上に被膜を形成する技術が開示されている。このような凹凸表面の基材に被膜を形成することにより、基材と被膜との間にアンカー効果を作用させて、基材と被膜との密着性の向上を図っている。

また、特許文献２には、基材表面に平均高さが０．０５μｍ以上０．５μｍ以下の略三角形状の凸状結合相を形成し、かかる凸状結合相上に被膜を形成する技術が開示されている。このようにして被膜を形成することにより、凸状結合相と被膜とを密着させることをもって、基材と被膜との密着性の向上を図っている。

特許文献３には、被膜を構成する結晶粒として、微粒の結晶粒と粗粒の結晶粒とを含むことにより、切削時に生じやすい大規模な溶着剥離を抑制する技術が開示されている。また、特許文献４には、被膜にＳｉを混入することにより、耐熱性および耐摩耗性を向上せしめた表面被覆切削工具が開示されている。

特開平０４−２８０９７２号公報 特開２００７−０３１７７９号公報 特開２００８−２８４６３６号公報 特開平０８−１１８１０６号公報

特許文献１に示されるように、基材表面に０．５μｍ以上３０μｍ以下の面粗度Ｒ_maxの凹凸を全面に形成した場合、その上に形成される被膜の表面にも、上記の基材表面と同様の凹凸が反映されるため、表面被覆切削工具の表面が基材の表面と同様の面粗度を有することとなる。このため、表面被覆切削工具の表面の凹凸形状が切削加工後の被削材表面に転写されて、優れた加工面品位を得ることができなかった。

特許文献２に示されるように、基材としてＷＣ超硬合金を用いる場合、基材に含まれる結合相は基材表面において、表面全体の１０％程度を占めるのみに留まる。このため、基材表面に位置する結合相の全てを理想的に被膜に接合させたとしても、基材と被膜とを強固に密着させることはできなかった。

また、特許文献３では、被膜を構成する結晶粒を微粒化したことに伴い、基材を構成する硬質粒子も微粒にする必要がある。このため、基材を構成する材料が大幅に制限されることになる。また、特許文献４に開示される被膜は、Ｓｉを含有するため、圧縮残留応力が非常に高くなり、被膜が基材から剥離しやすいことが課題であった。

以上、要するに、基材と被膜との密着性を向上させる試みは、従来から検討されているものの、ドライ切削、高送り条件等のような過酷な切削条件に耐え得るほど、基材と被膜とを密着させることはできていなかった。また、基材と被膜との密着性を高めるために基材の表面に凹凸を形成すると、その凹凸が表面被覆切削工具の表面に反映されて、被削材の加工面品位が低下するという問題があった。

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、基材と被膜との密着性を良好に保つとともに、加工面品位に優れた表面被覆切削工具を提供することである。

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ものであって、該基材は、硬質粒子と該硬質粒子を結合する結合相とを含み、被膜に接する硬質粒子は、被膜に接する側の表面に凹凸が形成されており、表面被覆切削工具のすくい面に対する法線を含む平面で表面被覆切削工具を切断したときの断面において、基材のすくい面側の表面は、その表面に位置する長さ５０μｍのすくい面側基準線における面粗度Ｒz,sが１μｍ以上３０μｍ以下であり、基材の逃げ面側の表面は、その表面に位置する長さ５０μｍの逃げ面側基準線における面粗度Ｒz,nが０．５μｍ以上５μｍ以下であり、かつＲz,sはＲz,nよりも大きく、すくい面側基準線における硬質粒子の凹凸を構成する凹部のうち、少なくとも１つの凹部において、該凹部を挟む両端の凸部の先端を結ぶ線分Ａsの長さＬsは、０．１μｍ以上０．８μｍ以下であり、線分Ａsに平行でかつ凹部の最深部に接する線分Ｂsと、線分Ａsとの距離Ｄsは、０．１μｍ以上０．８μｍ以下であり、該逃げ面側基準線における硬質粒子の凹凸を構成する凹部のうち、少なくとも１つの凹部において、該凹部を挟む両端の凸部の先端を結ぶ線分Ａnの長さＬnは、０．０５μｍ以上０．５μｍ以下であり、線分Ａnに平行でかつ凹部の最深部に接する線分Ｂnと、線分Ａnとの距離Ｄnは、０．０５μｍ以上０．５μｍ以下であり、Ｌsは、Ｌnよりも大きく、すくい面側の硬質粒子と被膜との接触線の長さをＳsとし、該接触線には１または複数の凹部が含まれ、該凹部のそれぞれの長さＬsの和をＴsとすると、比Ｔs／Ｓsは、０．１以上であり、逃げ面側の硬質粒子と被膜との接触線の長さをＳnとし、該接触線には１または複数の凹部が含まれ、該凹部のそれぞれの長さＬnの和をＴnとすると、比Ｔn／Ｓnは、０．１以上であることを特徴とする。

上記の被膜は、柱状晶の結晶組織からなり、すくい面側の凹部に接する被膜の柱状晶の結晶の幅Ｗsは、Ｌsよりも小さく、逃げ面側の凹部に接する被膜の柱状晶の結晶の幅Ｗnは、Ｌnよりも小さいことが好ましい。長さＬsおよび距離Ｄsが０．１μｍ以上０．５μｍ以下であり、長さＬnおよび距離Ｄnが０．０５μｍ以上０．３μｍ以下であることが好ましい。

被膜は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、およびＣｒからなる群より選ばれる１種以上の第１元素の炭化物、窒化物、または炭窒化物を含み、該第１元素に占めるＳｉの原子比は、２０原子％以下であることが好ましい。第１元素に占めるＳｉの原子比は、３原子％以上１０原子％以下であることが好ましい。基材は、硬質粒子と結合相とを焼結した後に、その表面を処理されるものであって、表面を処理する前の基材の表面の面粗度をＲzとすると、Ｒz,sは、Ｒzよりも大きい。

本発明は、表面被覆切削工具の製造方法に関し、該表面被覆切削工具の製造方法は、表面被覆切削工具のすくい面に対する法線を含む平面で該表面被覆切削工具を切断した場合の断面における基材のすくい面側の表面に位置する長さ５０μｍのすくい面側基準線において、１μｍ以上３０μｍ以下の面粗度Ｒz,sを形成する第１ステップと、上記断面における基材の逃げ面の表面に位置する長さ５０μｍの逃げ面側基準線において、０．５μｍ以上５μｍ以下の面粗度Ｒz,nを形成する第２ステップと、被膜に接する側の基材の表面に位置する硬質粒子に、凹凸を形成する第３ステップと、基材上に、物理的蒸着法により被膜を形成する第４ステップとを含むことを特徴とする。

上記第１ステップは、ブラスト処理またはレーザー加工によって行なわれることが好ましい。第２ステップ、および第３ステップはいずれも、イオンボンバード処理によって行なわれることが好ましい。

本発明の表面被覆切削工具は、上記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つとともに、被削材の加工面品位が優れるという効果を示す。

基材の被膜に接する側の表面近傍の断面を示す模式図である。 基材の被膜に接する側の表面に位置する硬質粒子の断面を示す模式図である。 本発明の表面被覆切削工具を作製するための成膜装置の模式図である。 基材の被膜に接する側のすくい面近傍の断面をＳＥＭで観察したときの画像である。 基材の被膜に接する側の表面に位置する硬質粒子の断面をＳＥＭで観察したときの画像である。

以下、本発明について、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。なおまた、本発明において、膜厚は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）により測定し、被膜の組成はエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ：Energy Dispersive x-ray Spectroscopy）により測定するものとする。

＜表面被覆切削工具＞
本発明の表面被覆切削工具は、基材とその上に形成された被膜とを備えたものである。このような基本的構成を有する本発明の表面被覆切削工具は、たとえばドリル、エンドミル、フライス加工用または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、またはクランクシャフトのピンミーリング加工用チップ等として極めて有用に用いることができる。

＜基材＞
本発明の表面被覆切削工具の基材としては、硬質粒子と該硬質粒子を結合する結合相とを含むものであれば、特に限定なく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の他、Ｃｏを含み、あるいはさらにＴｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物等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）、立方晶型窒化硼素焼結体等をこのような基材の例として挙げることができる。上記の中でも、被膜との密着性を良好に保つという観点から、ＷＣ基超硬合金、サーメット等を用いることが好ましい。基材として超硬合金を使用する場合、そのような超硬合金は、組織中に遊離炭素やη相と呼ばれる異常相を含んでいても本発明の効果は示される。

なお、これらの基材は、その表面が改質されたものであっても差し支えない。たとえば、超硬合金の場合はその表面に脱β層が形成されていたり、サーメットの場合には表面硬化層が形成されていてもよく、このように表面が改質されていても本発明の効果は示される。

本発明において、基材を構成する硬質粒子は、基材の主成分として含まれるものであり、基材の硬度を高めるために含まれるものである。一方、結合相は、上記硬質粒子同士を結合させるために設けられるものである。超硬合金からなる基材を用いる場合、硬質粒子としてはたとえばＷＣ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ等が用いられ、結合相としてはたとえばＣｏ、Ｎｉ等が用いられる。一方、サーメットからなる基材を用いる場合、硬質粒子としてはたとえばＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＷＣ等が用いられ、結合相としてはたとえばＣｏ、Ｎｉ等が用いられる。

本発明に用いられる基材は、その表面にマクロな凹凸が形成されているが、該凹凸とは別に、基材の表面に位置する硬質粒子の被膜側の表面にミクロな凹凸が形成されることを特徴とする。本発明において、前者のマクロな凹凸（基材表面の凹凸）を面粗度というパラメータによって規定し、後者のミクロな凹凸（硬質粒子表面の凹凸）を凹部を挟む凸部の先端を結ぶ線分の長さと該線分から凹部の最深部までの深さというパラメータによって規定する。

そして、前者のマクロな凹凸が基材と被膜との密着性の向上に寄与し、後者のミクロな凹凸が被膜を構成する結晶の幅ＷnおよびＷsを緻密にすることに寄与する。本発明の基材は、前者のマクロな凹凸と後者のミクロな凹凸とが組み合わせられた表面性状を備えることにより、これらの各凹凸によって得られる効果が相俟って、従来技術では予測し得ないほど基材と被膜との密着性を向上させることができ、もって過酷な切削条件に耐え得る表面被覆切削工具を提供することができる。

しかも、基材のすくい面側の表面に形成されるマクロな凹凸が、基材の逃げ面側の表面に形成されるマクロな凹凸よりも粗く、かつすくい面側の硬質粒子の表面に形成されるミクロな凹凸が、基材の逃げ面側の表面に形成されるミクロな凹凸よりも粗いことを特徴とする。このようにすくい面側の基材の表面凹凸を粗くすることによって、基材と被膜との密着性を高める一方で、逃げ面側の表面凹凸を微細にすることによって、基材上に形成される被膜の表面を平滑化して加工面品位を向上させる。以下においては、図１を用いて、前者のマクロな凹凸（基材表面の面粗度）を説明し、図２を用いて、後者のミクロな凹凸（硬質粒子表面の凹凸）を説明する。なお、図１および図２はいずれも、基材のすくい面側の表面を示しているが、基材の逃げ面側の表面も凹凸の粗さが異なる他は同様である。

＜基材表面の面粗度＞
図１は、表面被覆切削工具のすくい面に対する法線を含む平面で切断したときの断面であって、基材の被膜に接する側のすくい面近傍を示す模式図である。本発明の基材は、図１に示される表面被覆切削工具のすくい面に対する法線を含む平面で切断したときの断面において、基材のすくい面側の表面は、その表面に位置する長さ５０μｍのすくい面側基準線における面粗度Ｒz,sが１μｍ以上３０μｍ以下であることを特徴とする。ここで、面粗度Ｒz,sは、基準線内の基材の凸部の最大値（最高高さ）と凹部の最小値（最低高さ）との差であり、その値が大きいほど凹凸の段差が粗いことを示す。

このようなすくい面の面粗度を有する基材は、その上に形成される被膜との接触面積が大きくなるため、被膜との密着性を向上させることができる。すくい面側基準線における面粗度Ｒz,sが１μｍ未満であると、基材と被膜との接触面積を確保することができず、十分な密着性を確保することができなくなる。一方、３０μｍを超えると、基材の表面の凹凸が、その上に形成される被膜にまで影響を与え、被削材が被膜に溶着しやすくなり溶着剥離を起こしやすくなる。

図示はしないが、表面被覆切削工具の逃げ面に対する法線を含む平面で切断したときの断面において、基材の逃げ面側の表面は、その表面に位置する長さ５０μｍの逃げ面側基準線における面粗度Ｒz,nが０．５μｍ以上５μｍ以下であることを特徴とする。このような逃げ面の面粗度を有する基材は、その上に形成される被膜の表面が平滑に形成されるため、被削材の加工面品位を向上させることができる。上記の逃げ面側基準線における面粗度Ｒz,nが０．５μｍ未満であると、基材と被膜との接触面積を確保することができず、十分な密着性を確保することができなくなる。一方、５μｍを超えると、基材の面粗度が、基材上に形成される被膜の表面の面粗度に影響を及ぼすため、被削材の加工面品位が低下しやすくなる。

上述のような理由で、本発明の基材は、すくい面側の基材の面粗度Ｒz,sが、逃げ面側の基材の面粗度Ｒz,nよりも大きいことを特徴とする。すなわち、基材のすくい面側は、被膜との密着性を向上させるために面粗度を粗くし、基材の逃げ面側は、その上に形成される被膜表面の平滑性を高めるため、面粗度を小さく形成する。これにより、基材と被膜との密着性が高く、被削材の加工面品位に優れた表面被覆切削工具とすることができる。

上記の基材のすくい面側の面粗度Ｒz,sおよび逃げ面側の面粗度Ｒz,nは、次のようにして算出する。まず、被膜のすくい面に対する法線を含む平面に沿って被膜および基材を切断し、その断面を機械研磨する。そして、その断面に対する垂直方向からＳＥＭを用いて２５００倍〜５０００倍で観察する（図１は観察画像の模式図である）。この観察画像において、すくい面側基準線内の基材の凸部の最大値と凹部の最小値との差が面粗度Ｒz,sとなり、逃げ面側基準線内の基材の凸部の最大値と凹部の最小値との差が面粗度Ｒz,nとなる。

本発明において、基材は、硬質粒子と結合相とを焼結した後に、その表面を処理されるものであって、上記表面を処理する前の基材の表面の面粗度をＲzとすると、Ｒz,sは、Ｒzよりも大きいことが好ましい。ここで、硬質粒子と結合相とを焼結した後で、該基材の表面を処理する前の基材の表面のことを「焼結肌」と記す。上記の測定方法に基づいて測定した焼結肌の面粗度Ｒzは、通常１μｍ以上３μｍ以下であるが、このような焼結肌の基材の表面に被膜を形成した従来の表面被覆切削工具は、溶着剥離を十分に抑制することができなかった。本発明は、かかる従来技術の課題を克服するために、すくい面の面粗度Ｒz,sを３μｍ以上とすることが好ましい。

＜硬質粒子表面の凹凸＞
図２は、基材の被膜に接するすくい面側の表面に位置する硬質粒子の断面を示す模式図である。図２に示されるように、被膜に接する硬質粒子は、被膜に接する側の表面に凹凸が形成されており、上述のすくい面側基準線における硬質粒子の凹凸を構成する凹部のうち、少なくとも１つの凹部において、該凹部を挟む両端の凸部の先端を結ぶ線分Ａsの長さＬsは、０．１μｍ以上０．８μｍ以下であり、線分Ａsに平行でかつ凹部の最深部に接する線分Ｂsと、線分Ａsとの距離Ｄsは、０．１μｍ以上０．８μｍ以下である。一方、上述の逃げ面側基準線における硬質粒子の凹凸を構成する凹部のうち、少なくとも１つの凹部において、該凹部を挟む両端の凸部の先端を結ぶ線分Ａnの長さＬnは、０．０５μｍ以上０．５μｍ以下であり、線分Ａnに平行でかつ凹部の最深部に接する線分Ｂnと、線分Ａnとの距離Ｄnは、０．０５μｍ以上０．５μｍ以下であり、かつＬsは、Ｌnよりも大きいことを特徴とする。このような形状の凹部を硬質粒子の表面に形成することにより、その上に形成される被膜を構成する結晶の幅ＷsをＬsよりも小さくし、かつ逃げ面側の凹部に接する被膜の柱状晶の結晶の幅Ｗnを、Ｌnよりも小さくすることができ、もって溶着剥離や被膜の破壊が著しく生じにくくなる。

本発明においては、少なくとも１つの凹部におけるＬsが上述の数値範囲を満たすことを特徴とするものであるが、かかる数値範囲を満たすＬsを有する凹部が、すくい面側基準線に含まれる凹凸の半数以上であることが好ましく、より好ましくは、すくい面側基準線に含まれる凹凸の全てである。同様に、Ｌnは、逃げ面側基準線に含まれる凹凸の半数以上であることが好ましく、より好ましくは、逃げ面側基準線に含まれる凹凸の全てである。

上記の基材のすくい面において、長さＬsおよび距離Ｄsはいずれも、０．１μｍ以上０．５μｍ以下であり、上記の基材の逃げ面において、長さＬnおよび距離Ｄnはいずれも、０．０５μｍ以上０．３μｍ以下であることが好ましい。このような硬質粒子の表面とすることにより、溶着剥離の改善効果および被膜の破壊防止効果を高めることができる。

上記の長さＬsが０．１μｍ未満または０．８μｍを超えると、被削材を切削加工するときに溶着剥離や被膜を構成する結晶粒の脱落が生じやすくなる。一方、上記の長さＬnが０．０５μｍ未満または０．５μｍを超えると、被膜を構成する結晶の幅ＷsおよびＷnを微細化しにくく、加工面品位が低下しやすくなる。

本発明におけるすくい面側の硬質粒子の表面に形成される凹凸の形状を示す長さＬsおよび距離Ｄsは、次のようにして算出する。上述の基材表面の面粗度Ｒz,sを算出するときに得た断面に対し、ＳＥＭを用いて２５０００倍〜５００００倍で観察した画像を得る。かかる画像にて観察できる任意の凹部を拡大し、その凹部を挟む凸部の先端を結んで線分Ａsを描き、その線分Ａsの長さＬsを測定する。そして、該線分Ａsに平行でかつ凹部の最深部に接する線分Ｂsと線分Ａsとの距離Ｄsを測定する。上記と同様にして、逃げ面側の硬質粒子の表面に形成される凹凸の形状を示すＬnおよび距離Ｄnを測定する。

本発明においては、すくい面側の硬質粒子と被膜との接触線の長さをＳsとし、該接触線には１または複数の凹部が含まれ、該凹部のそれぞれの長さＬsの和をＴsとすると、比Ｔs／Ｓsは、０．１以上であり、かつ逃げ面側の硬質粒子と被膜との接触線の長さをＳnとし、接触線には１または複数の凹部が含まれ、該凹部のそれぞれの長さＬnの和をＴnとすると、比Ｔn／Ｓnは、０．１以上であることを特徴とする。ここで、「接触線」とは、表面被覆切削工具のすくい面に対する法線を含む平面で表面被覆切削工具を切断したときの断面において、硬質粒子と被膜とが接触する界面部分を線状で表したものをいう。比Ｔs／Ｓsおよび比Ｔs／Ｓsが大きいほど、硬質粒子と被膜とが接触する部分の硬質粒子の表面に凹凸が形成されていることを示す。

このような接触線の長さＳsおよびＳnは、表面被覆切削工具の断面の画像に基づいて直接的に算出する。比Ｔs／Ｓsの算出方法としては、まず、表面被覆切削工具の断面において、すくい面側の硬質粒子と被膜との接触線の長さＳsが１μｍとなる範囲に対し、その長さＳsの範囲を占める部分の凹部の個数を求め、それぞれの凹部のそれぞれの長さＬsを加算してＴsを算出する。このようにして接触線の長さＳsに対する凹部の長さの和Ｔsの比Ｔs／Ｓsを算出する。比Ｔn／Ｓnの算出方法は、上記Ｔs／Ｓsの算出方法と同様に、逃げ面側の硬質粒子と被膜との接触面に着目して算出する。上記の比Ｔs／ＳsおよびＴn／Ｓnは、０．２以上であることがより好ましい。一方、比Ｔs／ＳsまたはＴn／Ｓnのいずれか一方が０．１未満であると、微細な結晶の割合が低くなり、溶着剥離や被膜破壊を抑制する効果が得られにくくなるため好ましくない。

＜被膜＞
本発明における被膜は、基材上の全面を被覆する態様を含むとともに、部分的に被膜が形成されていない態様をも含み、さらにまた部分的に被膜の一部の積層態様が異なっているような態様をも含む。また、本発明の被膜は、その全体の膜厚が１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。１μｍ未満であると耐摩耗性に劣る場合があり、１０μｍを超えると基材との密着性および耐欠損性が低下する場合がある。このような被膜の特に好ましい膜厚は２μｍ以上５μｍ以下である。また、本発明の被膜は、１層のみに限られるものではなく、２層以上積層させたものであってもよい。

本発明の被膜は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、およびＣｒからなる群より選ばれる１種以上の第１元素の炭化物、窒化物、または炭窒化物を含み、該第１元素を占めるＳｉの原子比は、２０原子％以下であることが好ましい。Ｓｉの原子比が２０原子％を超えると、被膜の圧縮残留応力が大きくなりすぎて、被膜自体が自己破壊するため好ましくない。このような組成からなる被膜は、柱状晶の結晶組織からなるものとなる。

従来のようにＳｉを含まないＴｉＮやＴｉＡｌＮからなる被膜は、通常０．５μｍ以上の幅の結晶粒になりやすいが、上記のように被膜の構成成分としてＳｉを含むことにより、被膜を構成する結晶の幅ＷsおよびＷnを微細化することができ、もって耐熱性および耐摩耗性を向上させることができる。耐熱性および耐摩耗性に加え、自己破壊を発生しにくくするという観点から、Ｓｉの原子比は、３原子％以上１０原子％以下であることがより好ましい。

上記の被膜において、すくい面側の凹部に接する被膜の柱状晶の結晶の幅Ｗsは、Ｌsよりも小さく、逃げ面側の凹部に接する被膜の柱状晶の結晶の幅Ｗnは、Ｌnよりも小さいことが好ましい。これにより基材に対する被膜の密着性を向上させることができ、もって被削材の溶着剥離や被膜を構成する粒子の脱落等を著しく発生しにくくすることができる。これによりＳｉを含有したために、被膜の圧縮残留応力が高くなっても、基材と被膜との密着性が低下しにくくなる。なお、上記の結晶の幅ＷnおよびＷsは、被膜の断面をＳＥＭで観察したときに、被膜を構成する結晶粒の長手方向に対し、垂直方向に最短となる線分の長さをいうものとする。

＜製造方法＞
本発明の表面被覆切削工具を作製する方法としては、表面被覆切削工具のすくい面に対する法線を含む平面で該表面被覆切削工具を切断した場合の断面における基材のすくい面側の表面に位置する長さ５０μｍのすくい面側基準線において、１μｍ以上３０μｍ以下の面粗度Ｒz,sを形成する第１ステップと、同切断面における基材の逃げ面側の表面に位置する長さ５０μｍの逃げ面側基準線において、０．５μｍ以上５μｍ以下の面粗度Ｒz,nを形成する第２ステップと、被膜に接する側の基材の表面に位置する硬質粒子の表面に、凹凸を形成する第３ステップと、該基材上に、物理的蒸着法により被膜を形成する第４ステップとを含むことを特徴とする。

ここで、上記の第１ステップ〜第３ステップにおいて、基材および硬質粒子の表面に凹凸を形成する方法としては、イオンボンバード処理、化学的エッチング処理、ショットブラスト処理、およびこれらを組み合わせた処理等を挙げることができる。

中でも、第１ステップは、ブラスト処理やレーザー加工を用いることが好ましい。ブラスト処理やレーザー加工は、基材の表面に対し、比較的大きな面粗度を容易に形成することができるからである。また、第２ステップおよび第３ステップは、イオンボンバード処理を用いることが好ましい。イオンボンバード処理は、基材の表面を処理した後に、それと同一の装置内で被膜を形成するステップを行ない得るため、基材の表面処理から被膜の成膜に至るまでの各ステップを一貫して行なうことができ、生産性に優れるからである。

なお、本発明における「ブラスト処理」とは、処理対象である基材の表面に対し、所定の噴射速度および噴射圧力で砥粒を噴射することができる方法であれば、どのような加工方法をも用いることができ、たとえば圧縮空気等の圧縮流体を利用して砥粒を噴射する乾式ブラストや湿式ブラスト等の流体式の加工方法、羽根車を回転させて砥粒に遠心力を加えて噴射する遠心式（インペラ式）、打出しロータを用いて砥粒を叩き付けて噴射する平打式等を用いることができる。

本発明の被膜は、物理的蒸着法（ＰＶＤ法）により形成されることが好ましい。これは、本発明の被膜を基材表面に成膜するためには結晶性の高い化合物を形成することができる成膜プロセスであることが不可欠であり、種々の成膜方法を検討した結果、物理的蒸着法を用いることが最適であることが見出されたからである。物理的蒸着法には、たとえばスパッタリング法、イオンプレーティング法などがあるが、特に原料元素のイオン率が高いカソードアークイオンプレーティング法を用いると、被膜を形成する前に基材表面に対して金属またはガスイオンボンバードメント処理が可能となるため、被膜と基材との密着性が格段に向上するというメリットがある。したがって、本発明の被膜は、物理的蒸着法の一種であるカソードアークイオンプレーティング法を採用して形成することが好ましい。以下においては、アークイオンプレーティング装置を用いて本発明の表面被覆切削工具を作製する各ステップを図３を参照しつつ説明する。

図３は、本発明の表面被覆切削工具を作製するための成膜装置の模式図である。図３に示される装置は、チャンバー１と、該チャンバー１に原料ガスを導入するためのガス導入口２と、原料ガスを外部に排気するためのガス排出口３とを有する。チャンバー１は、真空ポンプ（図示せず）に接続されており、ガス排出口３を通じてチャンバー１の内部の圧力を変化させることができる。

また、チャンバー１内には基材５を保持するための基材ホルダー４が設けられており、この基材ホルダー４は、基材バイアス直流電源１０の負極に電気的に接続されている。他方、基材バイアス直流電源１０の正極はアースされ、かつチャンバー１と電気的に接続されている。チャンバー１の側壁には、アーク式蒸発源６、７が取り付けられており、アーク式蒸発源６、７はそれぞれ、可変電源である直流電源８、９の負極に接続されており、直流電源８、９の正極はアースされている。

＜第１ステップ＞
第１ステップでは、基材のすくい面側の表面に位置する長さ５０μｍのすくい面側基準線において、１μｍ以上３０μｍ以下の面粗度Ｒz,sを形成する。かかる第１ステップは、基材５に対し、すくい面のみに対するショットブラスト処理を行なうことが好ましい。

＜第２ステップ＞
次に、基材ホルダー４に基材５をセットし、Ａｒガスによるスパッタクリーニング（ボンバード）を兼ねたイオンボンバードを行なう。第２ステップにおいて、基材の逃げ面表面の長さ５０μｍの逃げ面側基準線において、０．５μｍ以上５μｍ以下の面粗度Ｒz,nを形成する。かかる第２ステップは、基材５に対し、チャンバー１内の圧力を０．５Ｐａ以上１．５Ｐａ以下の比較的低圧で、−１０００Ｖ以上−６００Ｖ以下の比較的高いバイアス電圧を基材に維持してイオンボンバード処理することにより行なわれることが好ましい。

＜第３ステップ＞
続く、第３ステップにおいては、基材の被膜に接する側の表面に位置する硬質粒子の表面に凹凸を形成する。かかる第３ステップは、基材５に対し、チャンバー１内の圧力を１．５Ｐａ以上２．５Ｐａ以下の比較的高圧で、−６００Ｖ以上−３００Ｖ以下の比較的低いバイアス電圧を基材に維持してイオンボンバード処理することにより行なわれることが好ましい。

＜第４ステップ＞
上記のようにして基材表面をイオンボンバード処理を行なった後に、該基材上に、物理的蒸着法により被膜を形成する。まず、アーク式蒸発源７に被膜を構成するターゲットをセットする。ターゲットとしては、ＴｉやＣｒの種々の金属単体もしくは金属化合物を用いることができる。

被膜を構成する金属元素が２種以上である場合、アーク式蒸発源７に加えて、アーク式蒸発源６にターゲットをセットすることが好ましい。なお、図３においては、２個のアーク式蒸発源６、７を備える場合を示しているが、３個以上のアーク式蒸発源を用いてもよいことは言うまでもない。

上記のようにターゲットをセットした後に、アーク式蒸発源６、７に直流電流を印加するとともに、アーク式蒸発源６、７とチャンバー１との間に数十から数百Ｖ程度の電圧を印加することにより、アーク式蒸発源６、７とチャンバー１との間をアーク放電させる。そして、アーク式蒸発源６、７にセットされたターゲットを部分的に溶解し、アーク式蒸発源６、７から基材５に向けてターゲットを蒸発させる。この蒸発したターゲットが窒素ガス等の原料ガスと反応させて、基材上に被膜を形成する。

被膜を被覆するときにチャンバー１内に導入する原料ガスとしては、アルゴンガス、窒素ガス、または酸素ガスの他、メタン、アセチレン、ベンゼンなどの炭化水素ガスなどが挙げられ、これらを１種以上混合して用いてもよい。以上の各ステップを含む製造方法によって、本発明の表面被覆切削工具を製造することができる。

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＞
本実施例の表面被覆切削工具の基材として、その材質がＩＳＯ Ｐ３０グレードの超硬合金であって、形状がＳＦＫＮ１２Ｔ３ＡＺＴＮのものを用いた。基材を構成する超硬合金は、硬質粒子としてＷＣを含み、該硬質粒子をＣｏからなる結合相によって結合してなるものである。

図３は、本発明の表面被覆切削工具を作製するための成膜装置の模式図である。まず、第１ステップとして、基材のすくい面に対し、１００ｍｍの投射距離で、投射圧を０．７５ＭＰａとして、３０秒間の乾式ブラストを投射した。これにより基材のすくい面のみを粗面化した。このようにして基材のすくい面側の表面の面粗度Ｒz,sを１．２μｍとした。

次に、上記基材を図３の成膜装置の基材ホルダー４にセットするとともに、アーク式蒸発源７のターゲット材料にＴｉをセットした。そして、真空ポンプによりチャンバー１の内部の圧力を１．０×１０^-3Ｐａとなるまで真空引きを行なった。これと同時に、チャンバー内のヒーター（図示せず）により、チャンバー内の温度を４５０℃まで昇温した。

そして、第２ステップとして、Ａｒガスを導入してチャンバー１の内部の圧力を１．０Ｐａに保持し、直流電源９からＤＣバイアス電圧を徐々に上げながら−７００Ｖに維持し、イオンボンバード処理を３０分間行なった。このようにして基材の逃げ面側の表面の面粗度Ｒz,nを１．１μｍとした。

次に、第３ステップとして、チャンバー内の圧力が２．０Ｐａとなるようにガス導入口２からアルゴンガスを導入したとともに、ＤＣバイアス電圧を−４００Ｖに維持し、イオンボンバード処理を３０分間行なった。このようにして基材の表面に位置する硬質粒子の表面に凹凸を形成した。

その後、チャンバー内の圧力が３．０Ｐａになるようにガス導入口２から窒素ガスを導入するとともに、直流電源９からアーク式蒸発源７に１００Ａの電流を供給し、アーク式蒸発源７から前方向にＴｉイオンを蒸発させた。そして、第４ステップとして、アーク式蒸発源７に電流を供給するとともに、ガス導入口２から窒素ガスを導入した。そして、基材バイアス直流電源１０の電圧を６０Ｖにセットし、その電圧を一定に保った。これにより基材５の表面でＴｉイオンと窒素ガスとを反応させて、基材上に３μｍの厚みのＴｉＮからなる被膜を形成した。以上のようにして、本実施例の表面被覆切削工具を作製した。

＜実施例２〜８および比較例１〜８＞
実施例２〜８および比較例１〜８の表面被覆切削工具は、実施例１の表面被覆切削工具に対し、第２ステップおよび第３ステップのイオンボンバード処理の条件が、表１の「第２ステップ」および「第３ステップ」のように異なり、かつ被膜を形成するターゲット材料が表１の「被膜」の欄に示されるように異なる他は、実施例１と同様の方法により作製した。なお、比較例１〜４においては、第３ステップを行なわなかった。なおまた、実施例８のように、被膜を構成する金属元素が多い場合は、図３中のアーク式蒸発源の両方にターゲット材料をセットした。

なお、目的の組成からなる被膜を得るために、チャンバー１に原料ガスを供給するためのガス導入口２からは、マスフローコントローラー（図示せず）を介して様々な原料ガスを導入した。

＜基材の表面分析＞
上記のようにして作製した実施例１の表面被覆切削工具において、被膜の表面に対する法線を含む平面に沿って被膜および基材を切断し、その断面を機械研磨した。そして、その断面に対する垂直方向からＳＥＭを用いて２５０００倍で観察した。実施例１の表面被覆切削工具の断面をＳＥＭで観察した画像を図４に示す。

図４は、基材の被膜に接する側のすくい面近傍の断面をＳＥＭで観察したときの画像である。図４に示される断面において、長さ５０μｍの基準線における最大値と最小値との差を面粗度とし、特にすくい面の面粗度をＲz,s、逃げ面の面粗度をＲz,nとした。異なる５つの基準線で同様の方法により面粗度Ｒz,sおよびＲz,nを測定し、それぞれ５回の面粗度Ｒz,sおよびＲz,nの測定値の平均を表１の面粗度Ｒz,sおよびＲz,nの欄に示した。

次に、同断面をＳＥＭを用いて２５０００倍で観察した。図５は、基材の被膜に接する側のすくい面側の表面に位置する硬質粒子の断面をＳＥＭで観察したときの画像である。なお、図５においては、凹部のうちの１つを示したものである。基材のすくい面側の表面に位置する硬質粒子の表面の凹凸を構成する凹部のうちの任意の５つの凹部において、該凹部を挟む凸部の先端を結ぶ線分Ａsの長さＬsを求め、その５点の平均値を算出し、表１の「長さＬs」の欄に示した。また、線分Ａsに平行でかつ凹部の最深部に接する線分Ｂsを描き、線分Ａsと線分Ｂsとの距離Ｄsを求め、その５点の平均値を算出し、表１の「距離Ｄs」の欄に示した。上記のすくい面側の凹凸観察と同様にして基材の逃げ面側の表面に位置する硬質粒子の表面の凹凸を観察し、線分Ａnの長さＬn、距離Ｄnを算出し、それぞれ表１の「長さＬs」、「距離Ｄs」の欄に示した。

被膜を構成する結晶粒の幅ＷnおよびＷsとしては、同断面をＳＥＭを用いて２５０００倍で観察した画像において、断面の観察で区別し得る結晶粒の長手方向に対し、垂直で最短となる線分の長さを算出し、その５回測定の平均値を表１の「結晶の幅Ｗs」および「結晶の幅Ｗn」の欄に示した。

上記の各実施例の表面被覆切削工具の断面において、すくい面側の硬質粒子と被膜との接触線の長さＳsが１μｍを占める範囲の凹部の個数を算出し、そのそれぞれの凹部の長さＬsを加算することによりＴs／Ｓsを算出した。同様の方法で５回測定し、その平均値を表１の「Ｔs／Ｓs」の欄に示した。同様の方法で、逃げ面側の硬質粒子と被膜との接触面に基づいてＴn／Ｓnを算出し、表１の「Ｔn／Ｓn」の欄に示した。

以上の分析の結果から、各実施例で作製された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ものであって、該基材は、硬質粒子と該硬質粒子を結合する結合相とを含み、被膜に接する硬質粒子は、被膜に接する側の表面に凹凸が形成されており、表面被覆切削工具のすくい面に対する法線を含む平面で表面被覆切削工具を切断したときの断面において、基材のすくい面側の表面は、被膜に接する側の表面に位置する長さ５０μｍのすくい面側基準線における面粗度Ｒz,sが１μｍ以上３０μｍ以下であり、基材の逃げ面側の表面は、被膜に接する側の表面に位置する長さ５０μｍの逃げ面側基準線における面粗度Ｒz,nが０．５μｍ以上５μｍ以下であり、かつＲz,sはＲz,nよりも大きく、すくい面側基準線における硬質粒子の凹凸を構成する凹部のうち、少なくとも１つの凹部において、該凹部を挟む両端の凸部の先端を結ぶ線分Ａsの長さＬsは、０．１μｍ以上０．８μｍ以下であり、線分Ａsに平行でかつ凹部の最深部に接する線分Ｂsと、線分Ａsとの距離Ｄsは、０．１μｍ以上０．８μｍ以下であり、該逃げ面側基準線における硬質粒子の凹凸を構成する凹部のうち、少なくとも１つの凹部において、該凹部を挟む両端の凸部の先端を結ぶ線分Ａnの長さＬnは、０．０５μｍ以上０．５μｍ以下であり、線分Ａnに平行でかつ凹部の最深部に接する線分Ｂnと、線分Ａnとの距離Ｄnは、０．０５μｍ以上０．５μｍ以下であり、Ｌsは、Ｌnよりも大きく、すくい面側の硬質粒子と被膜との接触線の長さをＳsとし、該接触線には１または複数の凹部が含まれ、該凹部のそれぞれの長さＬsの和をＴsとすると、比Ｔs／Ｓsは、０．１以上であり、逃げ面側の硬質粒子と被膜との接触線の長さをＳnとし、該接触線には１または複数の凹部が含まれ、該凹部のそれぞれの長さＬnの和をＴnとすると、比Ｔn／Ｓnは、０．１以上であることが確認された。

＜工具寿命の評価＞
上記で作製した各実施例および各比較例の表面被覆切削工具のそれぞれについて、乾式の断続切削試験を行なうことにより工具寿命の評価を行なった。断続切削加工の条件は、ＳＵＳ３０４を被削材として用い、切削速度１２０ｍ／ｍｉｎ、送り速度０．２ｍｍ／刃、切り込み２．０ｍｍの条件で、基材の表面が露出するまでフライス切削加工を行なった。そして、基材露出までに切削した切削長さを下記の表２に示した。なお、切削長さが長いほど、工具寿命が長いことを示している。

＜加工面品位の評価＞
上記の乾式の断続切削試験で被削材を切削したときの被削材の加工面の表面粗さＲａを触針式表面粗さ測定機によって測定し、その値を表２の「表面粗さ」の欄に示した。なお、表面粗さ（μｍ）が小さいほど、加工面品位が優れることを示している。

表２の「切削長さ」に示す結果から明らかなように、各実施例の本発明に係る表面被覆切削工具は、各比較例の表面被覆切削工具に比し、工具寿命を向上させていることが明らかである。これは、基材と被膜との密着性が向上したことによるものと考えられる。

また、表２の「表面粗さ」に示す結果から明らかなように、各実施例の本発明に係る表面被覆切削工具は、各比較例の表面被覆切削工具に比し、加工面品位を向上させていることが明らかである。これは、基材の逃げ面側の表面の面粗度が５μｍ以下であることにより、逃げ面の面粗度が低下したことによるものと考えられる。

以上の評価結果から明らかなように、本発明によれば表面被覆切削工具の工具寿命および加工面品位を向上できることを確認した。

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、上述の実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせ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 チャンバー、２ ガス導入口、３ ガス排気口、４ 基材ホルダー、５ 基材、６，７ アーク式蒸発源、８，９ 直流電源、１０ 基板バイアス電源。

Claims (9)

1. 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、
   前記基材は、硬質粒子と該硬質粒子を結合する結合相とを含み、
   前記被膜に接する前記硬質粒子は、前記被膜に接する側の表面に凹凸が形成されており、
   前記表面被覆切削工具のすくい面に対する法線を含む平面で前記表面被覆切削工具を切断したときの断面において、前記基材のすくい面側の表面は、その表面に位置する長さ５０μｍのすくい面側基準線における面粗度Ｒz,sが１μｍ以上３０μｍ以下であり、前記基材の逃げ面側の表面は、その表面に位置する長さ５０μｍの逃げ面側基準線における面粗度Ｒz,nが０．５μｍ以上５μｍ以下であり、かつ前記Ｒz,sは前記Ｒz,nよりも大きく、
   前記すくい面側基準線における前記硬質粒子の前記凹凸を構成する凹部のうち、少なくとも１つの凹部において、該凹部を挟む両端の凸部の先端を結ぶ線分Ａsの長さＬsは、０．１μｍ以上０．８μｍ以下であり、前記線分Ａsに平行でかつ前記凹部の最深部に接する線分Ｂsと、前記線分Ａsとの距離Ｄsは、０．１μｍ以上０．８μｍ以下であり、
   前記逃げ面側基準線における前記硬質粒子の前記凹凸を構成する凹部のうち、少なくとも１つの凹部において、該凹部を挟む両端の凸部の先端を結ぶ線分Ａnの長さＬnは、０．０５μｍ以上０．５μｍ以下であり、前記線分Ａnに平行でかつ前記凹部の最深部に接する線分Ｂnと、前記線分Ａnとの距離Ｄnは、０．０５μｍ以上０．５μｍ以下であり、
   前記Ｌsは、前記Ｌnよりも大きく、
   前記すくい面側の前記硬質粒子と前記被膜との接触線の長さをＳsとし、前記接触線には１または複数の凹部が含まれ、該凹部のそれぞれの前記長さＬsの和をＴsとすると、比Ｔs／Ｓsは、０．１以上であり、
   前記逃げ面側の前記硬質粒子と前記被膜との接触線の長さをＳnとし、前記接触線には１または複数の凹部が含まれ、該凹部のそれぞれの前記長さＬnの和をＴnとすると、比Ｔn／Ｓnは、０．１以上である、表面被覆切削工具。
2. 前記被膜は、柱状晶の結晶組織からなり、
   前記すくい面側の凹部に接する前記被膜の柱状晶の結晶の幅Ｗsは、前記Ｌsよりも小さく、
   前記逃げ面側の凹部に接する前記被膜の柱状晶の結晶の幅Ｗnは、前記Ｌnよりも小さい、請求項１に記載の表面被覆切削工具。
3. 前記長さＬsおよび前記距離Ｄsはいずれも、０．１μｍ以上０．５μｍ以下であり、
   前記長さＬnおよび前記距離Ｄnはいずれも、０．０５μｍ以上０．３μｍ以下である、請求項１または２に記載の表面被覆切削工具。
4. 前記被膜は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、およびＣｒからなる群より選ばれる１種以上の第１元素の炭化物、窒化物、または炭窒化物を含み、
   前記第１元素に占めるＳｉの原子比は、２０原子％以下である、請求項１〜３のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
5. 前記第１元素に占めるＳｉの原子比は、３原子％以上１０原子％以下である、請求項４に記載の表面被覆切削工具。
6. 前記基材は、前記硬質粒子と前記結合相とを焼結した後に、その表面を処理されるものであって、前記表面を処理する前の基材の表面の面粗度をＲzとすると、
   前記Ｒz,sは、前記Ｒzよりも大きい、請求項１〜５のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
7. 表面被覆切削工具のすくい面に対する法線を含む平面で該表面被覆切削工具を切断した場合の断面における基材のすくい面側の表面に位置する長さ５０μｍのすくい面側基準線において、１μｍ以上３０μｍ以下の面粗度Ｒz,sを形成する第１ステップと、
   前記断面における基材の逃げ面の表面に位置する長さ５０μｍの逃げ面側基準線において、０．５μｍ以上５μｍ以下の面粗度Ｒz,nを形成する第２ステップと、
   前記被膜に接する側の前記基材の表面に位置する硬質粒子の表面に、凹凸を形成する第３ステップと、
   前記基材上に、物理的蒸着法により被膜を形成する第４ステップとを含む、表面被覆切削工具の製造方法。
8. 前記第１ステップは、ブラスト処理またはレーザー加工によって行なわれる、請求項７に記載の表面被覆切削工具の製造方法。
9. 前記第２ステップ、および前記第３ステップはいずれも、イオンボンバード処理によって行なわれる、請求項７または８に記載の表面被覆切削工具の製造方法。