(57)【要約】  【課題】  被覆層のすくい面および逃げ面における特性の微調整が可能であり、強い衝撃がかかるような切削加工においても耐欠損性が高い切削工具を提供する。  【解決手段】  基体２の表面に２層以上の被覆層３が形成され、複数の被覆層３のうちの厚みが厚い２層について、基体２側に形成された被覆層３を下層３Ｌ、基体２から遠ざかる側に形成された被覆層３を上層３Ｕと特定し、下層３Ｌのすくい面５における厚みをｔｒＬ、逃げ面６における厚みをｔｆＬ、上層３Ｕのすくい面５における厚みをｔｒＵ、逃げ面６における厚みをｔｆＵとしたとき、ｔｒＬ＞ｔｆＬ、かつｔｒＵ＜ｔｆＵであるスローアウェイチップ１等の切削工具である。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体の表面に２層以上の被覆層が形成された切削工具であって、複数の前記被覆層のうちの厚みが厚い２層について、前記基体側に形成された被覆層を下層、前記基体から遠い側に形成された被覆層を上層と特定し、前記下層のすくい面における厚みをｔｒＬ、逃げ面における厚みをｔｆＬ、前記上層のすくい面における厚みをｔｒＵ、逃げ面における厚みをｔｆＵとしたとき、
ｔｒＬ＞ｔｆＬ、かつｔｒＵ＜ｔｆＵであることを特徴とする切削工具。
【請求項２】
０．８≦（ｔｒＬ＋ｔｒＵ）／（ｔｆＬ＋ｔｆＵ）≦１．２であることを特徴とする請求項１記載の切削工具。
【請求項３】
前記下層の前記すくい面と前記逃げ面との交差稜線部に形成される切刃における厚みをｔｃＬ、前記上層の前記切刃における厚みをｔｃＵとしたとき、
０．９≦ｔｃＵ／ｔｃＬ≦１．１であることを特徴とする請求項１または２記載の切削工具。
【請求項４】
前記下層はＴｉ１−ａＭａ（ＣｘＮ１−ｘ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、希土類元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種以上であり、０≦ａ＜１、０≦ｘ≦１である。）からなり、前記上層はＡｌ２Ｏ３からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基体の表面に被覆層が形成された切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、切削加工を行う切削工具においては、より過酷な条件での切削加工に耐えうる切削工具が求められており、工具の耐摩耗性が高く、かつより高い耐欠損性が求められている。そこで、かかる切削工具においては、表面に被覆層を形成して切刃の耐摩耗性を向上することが行われており、併せて被覆層の耐欠損性を高めることも検討されている。
【０００３】
被覆層に関して、すくい面および逃げ面に要求される性能を最適化する方法として、例えば、特許文献１では、耐クレータ摩耗性と耐フランク摩耗性とをともに改善するために、逃げ面に（Ｔｉ１−ｘＡｌｘ）（０＜ｘ≦０．７）の窒化物または炭窒化物からなる硬質皮膜を、すくい面に（Ｔｉ１−ｙＡｌｙ）（０＜ｙ≦０．７）の窒化物または炭窒化物からなる硬質皮膜を被覆した切削工具が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−４１１２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１のように被覆層の種類自体を変えてしまう方法では、耐クレータ摩耗性と耐フランク摩耗性を最大化するための被覆層の硬度と靭性の微調整が難しく、耐クレータ摩耗性と耐フランク摩耗性の最適化には限界があり、また切削条件によってはすくい面の耐欠損性が低下するという問題があった。また、成膜時にすくい面および逃げ面の順にマスキングを施さなければならず、工程が煩雑であった。
【０００６】
本発明は、被覆層のすくい面および逃げ面における被覆層の特性の微調整が可能であり、切削性能に求められるすくい面および逃げ面の性能の最適化が図れる切削工具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の切削工具は、基体の表面に２層以上の被覆層が形成されたものであって、複数の前記被覆層のうちの厚みが厚い２層について、前記基体側に形成された被覆層を下層、前記基体から遠ざかる側に形成された被覆層を上層と特定し、前記下層のすくい面における厚みをｔｒＬ、逃げ面における厚みをｔｆＬ、前記上層のすくい面における厚みをｔｒＵ、逃げ面における厚みをｔｆＵとしたとき、ｔｒＬ＞ｔｆＬ、かつｔｒＵ＜ｔｆＵであることを特徴とする。
【０００８】
ここで、上記構成において、０．８≦（ｔｒＬ＋ｔｒＵ）／（ｔｆＬ＋ｔｆＵ）≦１．２であることが望ましい。
【０００９】
また、前記下層の前記すくい面と前記逃げ面との交差稜線部に形成される切刃における厚みをｔｃＬ、前記上層の前記切刃における厚みをｔｃＵとしたとき、０．９≦ｔｃＵ／ｔｃＬ≦１．１であることが望ましい。
【００１０】
さらに、前記下層はＴｉ１−ａＭａ（ＣｘＮ１−ｘ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、希土類元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種以上であり、０≦ａ＜１、０≦ｘ≦１である。）からなり、前記上層はＡｌ２Ｏ３からなることが望ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の切削工具によれば、下層のすくい面における厚みｔｒＬ、逃げ面における厚みｔｆＬ、上層のすくい面における厚みｔｒＵ、逃げ面における厚みｔｆＵが、ｔｒＬ＞ｔｆＬで、かつｔｒＵ＜ｔｆＵであることから、すくい面と逃げ面との被覆層の性能を微調整することができる。つまり、すくい面から欠損や剥離が発生しやすい切削形態において、すくい面での被覆層の欠損や剥離を改善できる。また、逃げ面においては被覆層の耐摩耗性を高く維持できる。
【００１２】
ここで、上記構成において、０．８≦（ｔｒＬ＋ｔｒＵ）／（ｔｆＬ＋ｔｆＵ）≦１．２であることが、すくい面および逃げ面における耐摩耗性および耐欠損性を高く維持できる点で望ましい。
【００１３】
また、前記下層の前記すくい面と前記逃げ面との交差稜線部に形成される切刃における厚みをｔｃＬ、前記上層の前記切刃における厚みをｔｃＵとしたとき、０．９≦ｔｃＵ／ｔｃＬ≦１．１であることが、切刃に要求される耐摩耗性および耐欠損性をともに高く維持する点で望ましい。
【００１４】
さらに、前記下層はＴｉ１−ａＭａ（ＣｘＮ１−ｘ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、希土類元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種以上であり、０≦ａ＜１、０≦ｘ≦１である。）からなり、前記上層はＡｌ２Ｏ３からなる場合には、すくい面に求められる耐欠損性、耐剥離性と逃げ面に求められる耐フランク摩耗性を改善するための硬度とを最適化した被覆層となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の切削工具の好適例であるスローアウェイチップについての概略斜視図である。
【図２】図１のスローアウェイチップの概略断面図である。
【図３】本発明の切削工具の他の好適例であるエンドミルついての概略横断面図である。
【図４】本発明の切削工具の被覆層を被覆するための成膜装置の一例を示す模式図である。
【図５】図４の成膜装置に試料をセットするセット方法の一例を示す模式図であり、（ａ）下層を成膜する際のセット方法、（ｂ）上層を成膜する際のセット方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の切削工具の好適例であるスローアウェイチップの一例について、概略斜視図である図１、および第１の実施態様のついての概略断面図である図２を基に説明する。
【００１７】
図１、２のスローアウェイチップ（以下、単にチップと略す。）１は、概略平板形状からなり、すくい面５である主面と逃げ面６である側面との間の交差稜線部が切刃７として使用される。
【００１８】
また、チップ１は、図２の断面図に示すように、基体２の表面に２層以上の被覆層３（３Ｌ、３Ｕ）が形成されている。そして、複数の被覆層３のうちの厚みが厚い２層について、基体２側に形成された被覆層３を下層３Ｌ、基体２から遠い側に形成された被覆層３を上層３Ｕと特定する。なお、被覆層３が２層で構成されるときはその２層が下層３Ｌと上層３Ｕとなる。また、３層以上の多層で構成されるときには、すくい面５および逃げ面６の両方で厚みを測定し、すくい面５および逃げ面６のいずれか厚い方の厚みをその層の厚みとして比較する。
【００１９】
ここで、下層３Ｌのすくい面５における厚みをｔｒＬ、逃げ面６における厚みをｔｆＬ、上層３Ｕのすくい面５における厚みをｔｒＵ、逃げ面６における厚みをｔｆＵとしたとき、図２の構成では、ｔｒＬ＞ｔｆＬ、かつｔｒＵ＜ｔｆＵとなっている。
【００２０】
これによって、すくい面５に強い衝撃がかかるような切削加工においても、被覆層の耐欠損性および耐剥離性が高く、かつ逃げ面に求められる被覆層の耐摩耗性を高くできる。
【００２１】
なお、本発明におけるすくい面５および逃げ面６における被覆層３の厚みは、切刃７の付近で増減することがあるので、切刃７の先端位置から１ｍｍの距離だけ離間した位置で測定する。また、切削工具の形状として、図３に示すドリルやエンドミル８のような回転軸を有する形状の切削工具においても、切刃９の先端と回転中心（基体１０の中心）とを通る直線Ａと逃げ面１１とが交差する位置であって２つの逃げ面１１の被覆層１２の厚みが同じである位置で逃げ面１１の厚みを測定し、直線Ａに対して平行な直線Ｂとすくい面１３とが交差する位置で被覆層１２（上層１２Ｕ、下層１２Ｌ）のすくい面１３における厚みを測定する。
【００２２】
また、０．８≦（ｔｒＬ＋ｔｒＵ）／（ｔｆＬ＋ｔｆＵ）≦１．２であることがすくい面５および逃げ面６における耐摩耗性および耐欠損性を高く維持できる点で望ましい。
【００２３】
さらに、下層３Ｌ、１２Ｌのすくい面５と逃げ面６との交差稜線部に形成される切刃７における厚みをｔｃＬ、上層３Ｕ、１２Ｕの切刃７における厚みをｔｃＵとしたとき、０．９≦ｔｃＵ／ｔｃＬ≦１．１であることが、切削時の耐摩耗性および耐欠損性を高める点で望ましい。
【００２４】
ここで、例えば、下層３Ｌ、１２ＬがＴｉ１−ａＭａ（ＣｘＮ１−ｘ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、希土類元素、ＡｌおよびＳｉから選ばれる１種以上であり、０≦ａ＜１、０≦ｘ≦１である。）からなり、上層３Ｕ、１２ＵがＡｌ２Ｏ３からなる場合には、すくい面５における被覆層３、１２の耐欠損性および耐剥離性と、逃げ面６に求められる耐フランク摩耗性を改善するための硬度とを最適化することができる。
【００２５】
例えば、下層３Ｌ、１２Ｌが（ＴｉＡｌ）Ｎで、上層３Ｕ、１２ＵがＡｌ２Ｏ３の構成からなる場合には、すくい面５、１３に強い衝撃がかかるような場合でもすくい面５、１３における被覆層３、１２の欠損を抑制する効果が高く、逃げ面６、１１においては被覆層３、１２の耐フランク摩耗性が改善される。
【００２６】
さらに、下層３Ｌ、１２ＬがＴｉＣＮで上層３Ｕ、１２ＵがＡｌ２Ｏ３の構成からなる場合には、すくい面５、１３において切削時の衝撃によって上層３Ｕ、１２Ｕが剥離しやすいという不具合を解消でき、逃げ面６、１１においては耐摩耗性が高い被覆層３、１２となる。被覆層３、１２の組成については求める切削工具の性能に応じて選択することができる。
【００２７】
なお、被覆層３、１２の組成は、上記組成に限定される訳ではなく、周期表第４、５、６族金属、Ａｌ、Ｓｉの炭化物、窒化物、酸化物、ダイヤモンド、ｃＢＮが好適に適応でき、必要に応じて選択することができる。
【００２８】
また、チップ１を構成する基体２、１０は、例えば超硬合金、サーメット、セラミックス、ダイヤモンド、ｃＢＮ等の硬質焼結体からなる。
【００２９】
また、上記スローアウェイチップを製造する方法について、図１に示すチップ１の被覆層を被覆するための成膜装置の一例についての模式図である図４を基に説明する。
【００３０】
図４は、焼成後の基体２に被覆層３の成膜方法として適応可能なイオンプレーティング装置を示す。詳細な成膜方法の一例について、アークイオンプレーティング成膜装置（以下、ＡＩＰ装置と略す。）２０の模式図である図４を参照して説明する。
【００３１】
図４のＡＩＰ装置２０は、真空チャンバ２１の中にＮ２やＡｒ等のガスをガス導入口２２から導入し、カソード電極２３とアノード電極２４とを配置して、両者間に高電圧を印加してプラズマを発生させ、このプラズマによってターゲット２５から所望の金属あるいはセラミックスを蒸発させるとともにイオン化させて高エネルギー状態とし、このイオン化した金属を試料（基体２）の表面に付着させて、基体２の表面に被覆層３を被覆する構造となっている。また、図４によれば、基体２は試料支持治具２６に設けられた複数の試料支持部２８それぞれにすくい面がターゲット２５に対向するように載置されてタワー２７が複数（図４では試料支持治具２６が８セット、タワー２７が２セット図示されている。）配置された構成となっている。また、タワー２７および試料支持治具２６はそれぞれ回転しており、各試料が順にターゲット２５に対向して被覆層の厚みは均一となるように配慮されている。この構成によって、各試料の切刃全周の厚みばらつきを小さくできるので、全体の厚みが厚くなっても部分的に欠損しやすい部分ができにくい。
【００３２】
さらに、図４によれば、基体２を加熱するためのヒータ２９と、ガスを系外に排出するためのガス排出口３０と、基体２にバイアス電圧を印加するためのバイアス電源３１が配置されている。そして、ターゲット２５を用いて、アーク放電やグロー放電などにより金属源を蒸発させイオン化すると同時に、窒素源の窒素（Ｎ２）ガスや炭素源のメタン（ＣＨ４）／アセチレン（Ｃ２Ｈ２）ガスと反応させることにより、基体２の表面に被覆層７が堆積する。
【００３３】
なお、ターゲット２５としては、例えば、金属チタン（Ｔｉ）、金属アルミニウム（Ａｌ）、金属Ｍ（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、希土類元素およびＳｉから選ばれる１種以上）をそれぞれ独立に含有する金属ターゲット、これらを複合化した合金ターゲット、これらの化合物粉末または焼結体からなる混合物ターゲットを用いることができる。
【００３４】
本発明によれば、図５に示すように、下層を成膜するときの基体のセット方法と上層を成膜するときの基体のセット位置を変えることによって成膜される被覆層の厚みを調整することができる。具体的には、下層を成膜する際には、すくい面がチャンバの側面とほぼ平行に、かつ逃げ面がチャンバの上面とほぼ平行な向きになるように、試料を９０°回転させた状態で成膜する（図５（Ａ）参照）。その後、上層を成膜する際には、逃げ面がチャンバの側面とほぼ平行に、かつすくい面がチャンバの上面とほぼ平行な向きにセットして第２層を成膜する（図５（Ｂ）参照）。
【００３５】
また、成膜条件として、アーク電流１００Ａ以上、バイアス電圧３０〜１５０Ｖとし、成膜装置内にセットする試料の数を、チップの切刃先端と隣り合うチップの切刃先端との隙間ｄ（ｄ１、ｄ２）が５０〜８０ｍｍとなるようにセット位置を調整することによって、すくい面および逃げ面における被覆層の厚みを所定の範囲内に制御することができる。
【００３６】
なお、プラズマを発生するためにはアーク放電やグロー放電などを用い、導入ガスとしては窒素源の窒素（Ｎ２）ガスや炭素源のメタン（ＣＨ４）／アセチレン（Ｃ２Ｈ２）ガスを用いることができる。そして、窒素（Ｎ２）ガスやアルゴン（Ａｒ）ガスを流した状態で成膜する。
【００３７】
さらに、本発明の下層と上層の厚みを制御する方法として、上記基体のセット位置を成膜途中で変える方法の他に、基体に第１層を成膜した後に試料をチャンバから取り出して逃げ面側の第１層を研磨加工により薄くし、再度チャンバ内に第１層を成膜したときと同じ向きに試料をセットして、第２層を成膜する方法によっても作製可能である。
【００３８】
また、成膜方法としては上述したイオンプレーティング法等の物理蒸着法（ＰＶＤ法）以外にも化学蒸着法（ＣＶＤ法）を好適に採用することもできる。
【実施例】
【００３９】
ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、Ｃｒ３Ｃ２粉末およびＶＣ粉末を混合し、溝入加工用スローアウェイチップ（京セラ製スローアウェイチップ型番ＧＭＭ３０２０-０４０ＭＷ）のチップ形状にプレス成形し、焼成して研削加工およびホーニング加工を行った。その後、図４の状態で試料を成膜装置内に載置して、窒素（Ｎ２）ガスをチャンバ内に導入して表１の条件でＰＶＤ法によって表１に示す厚みの被覆層を成膜してチップを作製した（試料Ｎｏ．１〜６）。また、なお、チップ基体のセットは下層を成膜する際は逃げ面がターゲットに対向する向き（図５（Ａ）の向き）でセットして成膜し、上層を成膜する際は表１に示すように試料によってはセットの向きを変えて成膜した。なお、試料Ｎｏ．３については下層を成膜する前にＴｉＮ層を０．５μｍの厚みで成膜した。
【００４０】
得られたチップの断面を観察して、被覆層の下層と上層を特定し、それらのすくい面、逃げ面および切刃における厚みを測定した。結果は表２に示した。
【００４１】
【表１】
2010172972.tif 000003
【００４２】
【表２】
2010172972.tif 000004
【００４３】
そして、このチップをホルダに装着して以下の切削試験を行い、切削性能評価を行った。
切削方法：溝入れ、横引き用加工
１パス毎に０．０３ｍｍ／ｔｏｏｔｈずつ送りを上げていく端面高送り断続加工
被削材  ：ＳＣＭ４４０（φ１８８→φ１３８迄加工、５ｍｍ−４本溝）
切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ
送り    ：０．１ｍｍ／ｔｏｏｔｈ→０．５８ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
切り込み：１．５ｍｍ
切削状態：湿式
評価方法：断続切削を行い、切れ刃に欠損が生じる最大送り量を評価した。結果は表３に示した。
【００４４】
【表３】
2010172972.tif 000005
【００４５】
表１〜３の結果から明らかなように、下層と上層のすくい面および逃げ面における厚みが同じ試料Ｎｏ．４、下層も上層も逃げ面の厚みがすくい面の厚みよりも厚い試料Ｎｏ．５、および下層も上層も逃げ面の厚みがすくい面の厚みよりも薄い試料Ｎｏ．６では、いずれも耐摩耗性および耐欠損性の両方を高くすることはできなかった。
【００４６】
これに対して、本発明に従い、下層は逃げ面が厚く、上層はすくい面が厚い試料Ｎｏ．１〜３では、いずれも耐欠損性および耐摩耗性ともに優れたものであった。
【符号の説明】
【００４７】
１    スローアウェイチップ（チップ）
２、１０    基体
３、１２    被覆層
３Ｌ、１２Ｌ    下層
３Ｕ、１２Ｕ    上層
５、１３    すくい面
６、１１    逃げ面
７、９    切刃
８    エンドミル
２０  アークイオンプレーティング成膜装置（ＡＩＰ装置）
２１  真空チャンバ
２２  ガス導入口
２３  カソード電極
２４  アノード電極
２５  ターゲット
２６  試料支持治具
２７  タワー
２８  試料支持部
２９  ヒータ
３０  ガス排出口
３１  バイアス電源
ｔｒＬ    下層のすくい面における厚み
ｔｆＬ    逃げ面における厚み
ｔｒＵ    上層のすくい面における厚み
ｔｆＵ    逃げ面における厚み
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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