(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＷＣ基超硬合金を基体とし、その表面に内層及び外層の２層からなる硬質膜を被覆してなる切削工具において、前記硬質膜の内層がＴｉの炭化物、窒化物、炭窒化物及び硼窒化物の層のうちの１種若しくは２種以上からなる単層又は複数層から構成され、前記硬質膜の外層がＡｌ2 Ｏ3 層の単層又はＴｉの炭化物、窒化物及び炭窒化物の層のうちの１種若しくは２種以上とＡｌ2 Ｏ3 層との複数層から構成され、かつ、切削工具の切り刃以外のすくい面上に、点又は線状の外層不在部を、少なくとも１ケ所以上設けてなることを特徴とする被覆超硬合金製切削工具。
【請求項２】
外層不在部を座面に設けてなることを特徴とする請求項１に記載の被覆超硬合金製切削工具。
【請求項３】
外層不在部における内層の層厚が、外層が存在する部分における内層の層厚の平均値より薄くなるように構成してなることを特徴とする請求項１又は２に記載の被覆超硬合金製切削工具。
【請求項４】
外層不在部における内層の層厚が、外層が存在する部分における内層と外層を合わせた層厚の平均値の１／２以下となるように構成してなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の被覆超硬合金製切削工具。
【請求項５】
外層不在部の長手方向の大きさが０．０２〜２．００ｍｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の被覆超硬合金製切削工具。
【請求項６】
切り刃稜線部における内層と外層を合わせた層厚が、外層が存在する部分における内層と外層を合わせた層厚の平均値より薄くなるように構成してなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の被覆超硬合金製切削工具。
【請求項７】
切り刃稜線部の引張残留応力が１５ｋｇ／ｍｍ2 以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の被覆超硬合金製切削工具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は強靱かつ耐摩耗性に優れる被覆超硬合金製切削工具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超硬合金を基体としてＴｉＣ、ＴｉＮなどの硬質膜を被覆した被覆超硬合金工具は、基体の強靱性と被覆膜の耐摩耗性を兼備しており、従来から広く使用されている。しかしＴｉＣ、ＴｉＮなどを被覆した超硬合金はすくい面のクレーター摩耗が著しく、耐クレーター摩耗性を改善する目的で前記被覆合金にさらにＡｌ2 Ｏ3 膜を含む硬質膜を被覆した工具も実用化されている。
一方、被覆膜の材質による問題に加えて、切削時の応力により発生する基体の塑性変形又は弾性変形に被覆膜が追随できず、膜剥離や基体に及ぶ亀裂が生じ、これが原因となって耐摩耗性の低下又は欠損が生じ、工具寿命が低下するという問題もあった。
【０００３】
これらの問題に対処するため種々の方法が提案されており、例えば、特開平９−１７００６７号公報には、被覆膜の剥離、チッピングを抑制するために、基材と硬質膜との界面がヘテロエピタキシャル関係を保つように被覆されている結晶配向性高強度被覆部材が、特開平５−２８７３２２号公報には、被覆と超硬合金との付着性を向上させるために、ＷＣ基超硬合金の表面に存在するＷＣの結晶を（１００）面及び／又は（００１）面に配向し、超硬合金に隣接して被覆されるＢ１型化合物の被膜の結晶を（１１１）面に配向させた被覆超硬合金が、特開平７−３４２５０号公報には、内層をＴｉＣＮ、中間層をＴｉＣ等、外層をＡｌ2 Ｏ3 、最外層をＴｉＮという構成として、中間層を微粒な粒状晶とすることにより耐摩耗性を向上させた被覆超硬工具が、特開平６−２４６５１２号公報には、耐衝撃性、耐欠損性を向上させる目的で、ＷＣ基超硬合金基体の表面の硬質被覆層に応力処理を施した超硬合金製切削工具が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記のような改良技術により、被覆膜の耐剥離性、耐摩耗性、耐欠損性が向上し工具寿命の向上は見られるが、なお、十分に満足し得るものではない。その理由は、工具の摩耗、欠損の原因となる被覆膜の剥離、亀裂を基材と膜との間の密着力の向上、被覆膜そのものの特性の向上によって解決しようとしており、剥離や亀裂の原因である基材の変形に対しての対策が施されていないことにある。
本発明はこのような従来技術の実状に鑑み、基体の変形によって被覆膜に負荷がかかった場合においても膜の剥離や、亀裂の発生を抑制することができ、工具寿命の向上が可能な被覆超硬合金製切削工具を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決する手段として次の（１）〜（７）の態様を採るものである。
（１）ＷＣ基超硬合金を基体とし、その表面に内層及び外層の２層からなる硬質膜を被覆してなる切削工具において、前記硬質膜の内層がＴｉの炭化物、窒化物、炭窒化物及び硼窒化物の層のうちの１種若しくは２種以上からなる単層又は複数層から構成され、前記硬質膜の外層がＡｌ2 Ｏ3 層の単層又はＴｉの炭化物、窒化物及び炭窒化物の層のうちの１種若しくは２種以上とＡｌ2 Ｏ3 層との複数層から構成され、かつ、切削工具の切り刃以外のすくい面上に、点又は線状の外層不在部を、少なくとも１ケ所以上設けてなることを特徴とする被覆超硬合金製切削工具。
【０００６】
（２）外層不在部を座面に設けてなることを特徴とする前記（１）の被覆超硬合金製切削工具。
（３）外層不在部における内層の層厚が、外層が存在する部分における内層の層厚の平均値より薄くなるように構成してなることを特徴とする前記（１）又は（２）の被覆超硬合金製切削工具。
【０００７】
（４）外層不在部における内層の層厚が、外層が存在する部分における内層と外層を合わせた層厚の平均値の１／２以下となるように構成してなることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかの被覆超硬合金製切削工具。
（５）外層不在部の長手方向の大きさが０．０２〜２．００ｍｍであることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれかの被覆超硬合金製切削工具。
【０００８】
（６）切り刃稜線部における内層と外層を合わせた層厚が、外層が存在する部分における内層と外層を合わせた層厚の平均値より薄くなるように構成してなることを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれかの被覆超硬合金製切削工具。
（７）切り刃稜線部の引張残留応力が１５ｋｇ／ｍｍ2 以下であることを特徴とする前記（１）〜（６）のいずれかの被覆超硬合金製切削工具。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の被覆超硬合金製切削工具は、ＷＣ基超硬合金を基体（母材）としてその表面に硬質膜の内層を被覆し、さらにその外側に硬質膜の外層を被覆したものである。内層はＴｉの炭化物、窒化物、炭窒化物及び硼窒化物の層のうちの１種若しくは２種以上からなる単層又は複数層から構成される耐摩耗性に優れた硬質膜であり、個々の層の厚みは０．０５〜３０μｍ、内層全体の厚みは０．０５〜６０μｍ程度である。
【００１０】
外層は工具すくい面の耐クレーター摩耗性を改善する目的で前記内層の表面にさらに被覆するもので、Ａｌ2 Ｏ3 層を必須成分としＡｌ2 Ｏ3 層の単層又はＴｉの炭化物、窒化物及び炭窒化物の層のうちの１種若しくは２種以上とＡｌ2 Ｏ3 層との複数層から構成され、個々の層の厚みは０．０５〜３０μｍ、外層全体の厚みは０．０５〜６０μｍ程度である。
【００１１】
本発明の被覆超硬合金製切削工具は、切り刃以外のすくい面上に、すくい面上方から見て点又は線状の外層不在部（外層が存在しない部分）を、少なくとも１ケ所以上設けてなることを特徴とする。このようにすることにより、外層不在部において、母材の塑性変形、弾性変形を吸収し、膜の剥離や亀裂の発生を抑制して、工具寿命を向上させることができる。
【００１２】
図１に被覆超硬合金製切削工具の変形の状況を模式的に示す。図１（ａ）に示す母材１の表面に内層２と外層３からなる硬質の被覆膜４を被覆しただけの従来品では、変形が生じると被覆膜４から母材１に及ぶ亀裂５が発生する。また、場合によっては被覆膜４の剥離が発生する。これに対し、図１（ｂ）に示すように被覆膜４に外層不在部６を形成した本発明品では、外層不在部６が母材１の変形を吸収し、亀裂の発生や被覆膜の剥離を防止することができる。
【００１３】
切削工具のすくい面は、図３及び４に示すように切削時に被削材に接触する切り刃、切り屑を効果的に排出するためのブレーカ（すくい面に設けられた凹凸）、ホルダーセット時にホルダーに接触する座面などからなる。また、基体の切り刃稜線部には切削時のチッピング、欠損を防ぐ目的で刃先処理が施されている。前記の外層不在部はすくい面の切り刃以外のどの部分に形成させても効果があるが、座面上に形成させるのが特に好ましい。外層不在部が座面以外に存在すると、切削条件によってはその部分に切り屑が溶着して膜剥離や欠損につながることがある。外層不在部を座面上とすることによりこのような損傷を防止することができる。
【００１４】
外層不在部はすくい面上方から見て点状又は線状となるように形成させる。すなわち、点状の場合は直径１０〜４０００μｍ程度の穴、線状の場合は幅１〜３０００μｍ程度の溝を形成させればよい。溝の形状は直線状、曲線状のいずれであってもよく、長手方向の大きさ（長さ）は０．０２〜２．００ｍｍ程度とするのが好ましい。外層が存在しない部分の長さが０．０２ｍｍ未満であると、切削条件によっては母材の塑性変形、弾性変形による損傷を十分抑制できないことがある。逆に２．００ｍｍを超えると、外層不在部が座面上にある場合には切削時ホルダーにセットした際の工具の安定性が悪くなり、耐欠損性が低下するおそれがあり、座面以外の個所にある場合には外層不在部に切り屑が溶着して膜剥離や欠損につながる可能性が高くなる。
すくい面全体の面積に対する外層不在部の比率は、切削工具の形状、大きさ等により異なるが、通常は０．０００２〜２０％程度とすれば十分である。
【００１５】
外層不在部の形成方法は特に限定されないが、例えば内層を構成する所定数の被覆層を形成させた基体からなる工具を、すくい面を下にして金網の上にセットし、金網の上からさらに化学蒸着法（ＣＶＤ法）により外層となる所定数の被覆膜を形成させることにより金網との接触部にて外層の形成を防ぎ、この後、金網を取り除くことにより外層不在部を形成させることができる。また、成膜条件によっては工具と金網との接触点の隙間に原料ガスが入り込み、接触点でもある程度の厚みの被覆膜が形成されることがあり、このことを利用して被覆膜成膜前の基体のみからなる工具を、すくい面を下にして金網の上にセットし、金網の上からＣＶＤ法により内層及び外層を構成する所定数の被覆層を形成させて、工具と金網との隙間に形成された被覆膜の外層のみ又は外層と内層の一部を金網とともに取り除くことにより外層不在部を形成させることもできる。
【００１６】
上下２面にすくい面を有する工具の両面に外層不在部を設ける場合には、図２に示すように工具７と金網８とを交互に積み重ねた状態で被覆膜を形成させた後、金網を取り除くことによって工具の両面に外層不在部を有する被覆膜を形成させることができる。すなわち、ＣＶＤ法では金網の網目を通して内側の面にも原料ガスが供給され、また、装置内全体が均一の温度に保たれるため、内側の面にも他の面と同様に被膜が形成されるのである。外層不在部の形成方法について、金網を使用する方法を例にとって説明したが、金網以外にも耐熱性があり表面に金網と類似の凹凸を有するプレート状のもの（例えばカーボン製のプレート）であれば同様に使用することができる。
【００１７】
また、切削条件によっては外層不在部を形成させただけでは母材の塑性変形、弾性変形を十分吸収することができず、膜剥離や亀裂が生じることがある。その場合には外層不在部の深さを深くし、外層不在部における内層の層厚が、外層が存在する部分における内層の層厚の平均値よりも薄くなるようにすることにより、これらの損傷をより効果的に抑制することができる。
【００１８】
さらに、切削工具の膜構造が、外層が比較的薄く内層が比較的厚い場合には、外層不在部の形成あるいはその部分の内層を薄くするだけでは母材の塑性変形、弾性変形を十分吸収できないことがある。その場合、外層不在部における内層の層厚が、外層が存在する部分における内層と外層を合わせた層厚の平均値の１／２以下となるようにすることにより、より確実に母材の塑性変形、弾性変形に起因する剥離、欠損を抑制することができる。
【００１９】
さらに本発明の被覆超硬合金製切削工具の好ましい態様として、最も変形が大きい切り刃稜線部を薄膜とすることにより、前記各効果に加えて、切り刃においても母材の変形への硬質膜の追随を容易にし、膜の剥離、亀裂を防ぎ、工具の寿命をさらに向上させることができる。
また、通常は化学蒸着法で被覆した硬質膜中には引張応力が３０ｋｇ／ｍｍ2 程度残留しているが、ショットピーニング処理等によって切り刃稜線部の引張応力を１５ｋｇ／ｍｍ2 以下とすることによって膜の耐剥離性、耐欠損性が向上し、より安定した切削性能が得られる。
【００２０】
【実施例】
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
（実施例）
すくい面上の所定の位置に外層不在部を形成させたＩＳＯ規格ＣＮＭＧ１２０４０８の形状の切削工具のサンプルを作製し、切削試験を行って耐摩耗性、耐欠損性を調べた。
【００２１】
（サンプルの作製）
ＩＳＯ規格Ｍ２０超硬合金を基体（母材）とする工具について、内層を構成する所定数の被覆層を形成させた工具を、すくい面を下にして金網の上にセットし、金網の上からさらにＣＶＤ法により外層を構成する所定数の被覆膜を形成させた後、金網を取り除くことにより外層不在部を有する被覆超硬合金製切削工具のサンプルを作製した（サンプルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｍ、Ｏ、Ｑ及びＲ）。サンプルＤ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｋ、Ｌ、Ｎ及びＰについては、成膜前の基体のみからなる工具を、すくい面を下にして金網の上にセットし、金網の上からＣＶＤ法により内層及び外層を構成する所定数の被覆層を形成させた後、金網を取り除くことにより外層のみ又は外層と内層の一部を金網とともに取り除き、外層不在部を形成させた。金網の線径、メッシュの細かさ、工具表面と金網との接触状態を調整して外層不在部の位置、大きさを制御した。金網は波打った形状のため、各すくい面上に３〜１０個程度の外層不在部が形成され、さらに成膜中に金網が熱膨張することにより工具が金網上をわずかに移動するため、線状の外層不在部が形成される場合もある。
被覆膜の種類は基体の表面から順に表１のとおりとした。なお、表１は未処理の外層存在部についての膜の種類と厚みを示したものである。
【００２２】
【表１】
0003724170.tif 000002
【００２３】
サンプルＭ、Ｎ、Ｐについては被覆後、切り刃稜線部にブラシ処理を施し薄膜化した。また、サンプルＯ、Ｐは被覆後、ショットピーニングにより応力除去を行った。これらのサンプルの性状一覧を表２に示す。なお、全サンプルとも外層存在部における内層と外層とを合わせた膜厚の平均値は１１．５μｍ、内層の膜厚の平均値は９μｍである。
【００２４】
【表２】
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【００２５】
これらの切削工具サンプルを使用し切削試験を行い、耐摩耗性及び耐欠損性を調べた。切削条件を表３に示す。なお、耐摩耗性は切削時間１０分後の摩耗量で、耐欠損性は欠損に至るまでの工具寿命で評価した。評価結果を表４に示す。
【００２６】
【表３】
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【００２７】
【表４】
0003724170.tif 000005
【００２８】
表４の結果から、外層不在部が切り刃以外の部分（座面、ブレーカ）に存在するサンプルＡは、Ａと同じ膜構造を持ち、切り刃に外層不在部が存在するＱ、外層不在部が存在しないＳに比べ耐欠損性、耐摩耗性ともに優れている。また、別の膜構造で、外層不在部が切り刃以外の部分（座面、ブレーカ）に存在するサンプルＢについても、Ｂと同じ膜構造を持ち、切り刃に外層不在部が存在するＲに比べ耐欠損性、耐摩耗性ともに優れている。さらに、外層不在部が座面のみに存在するサンプルＣは、ブレーカにも外層不在部が存在するＡに比較して耐欠損性、耐摩耗性ともに優れた結果が得られている。
【００２９】
外層不在部における内層の層厚が、外層が存在する部分における内層の層厚より薄いサンプルＤは、Ａに比べて耐欠損性、耐摩耗性ともに優れている。また、外層不在部が座面のみに存在し、かつ外層不在部における内層の層厚が、外層が存在する部分における内層の層厚より薄いサンプルＥは、Ｄよりもさらに耐欠損性、耐摩耗性ともに優れている。
外層不在部における内層の層厚が、外層が存在する部分における内層と外層を合わせた層厚の１／２以下となっているサンプルＦは、Ａに比べて耐欠損性、耐摩耗性ともに優れている。また、外層不在部が座面のみに存在し、かつ外層不在部における内層の層厚が、外層が存在する部分における内層の層厚よりも薄く、かつ外層不在部における内層の層厚が、外層が存在する部分における内層と外層を合わせた層厚の１／２以下となっているサンプルＧは、Ｆに比べてさらに耐欠損性、耐摩耗性が優れている。
【００３０】
外層不在部の長手方向の大きさ（長さ）が０．０２〜２．００ｍｍであるサンプルＩ及びＪは、外層不在部の長さが０．０２ｍｍ未満であるＡ、２．００ｍｍを超えるＨに比べ、耐欠損性、耐摩耗性ともに優れている。また、外層不在部が座面のみに存在し、かつ外層不在部における内層の層厚が、外層が存在する部分における内層の層厚よりも薄く、かつ外層不在部における内層の層厚が、外層が存在する部分における内層と外層を合わせた層厚の１／２以下となっており、さらに外層不在部の長手方向の大きさ（長さ）が０．０２〜２．００ｍｍであるサンプルＫ及びＬは、Ｉ及びＪに比べてさらに耐欠損性、耐摩耗性が優れている。
【００３１】
切り刃稜線部における内層と外層を合わせた層厚が、外層が存在する部分における内層と外層を合わせた層厚より薄くなっているサンプルＭは、Ａに比べて耐欠損性、耐摩耗性ともに優れている。また、請求項１〜５の要件を全て満たし、かつ切り刃稜線部における内層と外層を合わせた層厚が、外層が存在する部分における内層と外層を合わせた層厚より薄くなっているサンプルＮは、Ｍに比べてさらに耐欠損性、耐摩耗性が優れている。
切り刃稜線部の引張残留応力が１５ｋｇ／ｍｍ2 以下であるサンプルＯは、Ａに比べて耐欠損性、耐摩耗性ともに優れている。また、請求項１〜６の要件を全て満たし、かつ切り刃稜線部の引張残留応力が１５ｋｇ／ｍｍ2 以下であるサンプルＰは、Ｏに比べてさらに耐欠損性、耐摩耗性が優れている。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の被覆超硬合金製切削工具は、内層及び外層からなる被覆膜に点状又は線状の外層不在部を設けたことにより、基体の変形によって被覆膜に負荷がかかった場合においても膜の剥離や亀裂の発生がなく、長時間の使用に耐えるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】被覆超硬合金製切削工具の変形の状況を模式的に示す図。
【図２】外層不在部を設けた被覆膜の形成方法を示す説明図。
【図３】切削工具の１例についてその概観を示す図。
【図４】図３の矢印方向から見た断面図。
【符号の説明】
１  母材    ２  内層    ３  外層    ４  被覆膜    ５  亀裂
６  外層不在部    ７  工具    ８  金網
【図１】
0003724170.tif 000006
【図２】
0003724170.tif 000007
【図３】
0003724170.tif 000008
【図４】
0003724170.tif 000009