(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
硬質合金を主成分とする母材と、
その母材の表面を被覆する複数層からなるセラミック膜とを備えた被覆硬質合金工具において、
前記セラミック膜に複数の亀裂を含み、前記工具の平坦面から切れ刃稜線部に向かって前記セラミック膜の複数の前記亀裂の間隔が減少しており、前記切れ刃稜線部における前記亀裂間隔が前記平坦面における前記亀裂間隔の０．２倍以上０．７倍以下であることを特徴とする、被覆硬質合金工具。
【請求項２】
前記セラミック膜が、周期律表ＩＶａ族元素の炭化物、前記ＩＶａ族元素の窒化物、前記ＩＶａ族元素の炭窒化物、前記ＩＶａ族元素の硼窒化物、アルミニウム（Ａｌ）の酸化物およびこれらの少なくとも１種を含む固溶体からなる群より選ばれた１種を主成分とする膜の２層以上の複数層として形成されることを特徴とする、請求項１に記載の被覆硬質合金工具。
【請求項３】
前記セラミック膜の厚みが２０μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の被覆硬質合金工具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、耐摩耗性の要求される切削工具やその他の耐摩工具として利用される被覆硬質合金工具に関し、特に耐摩耗性に優れかつ断続切削における耐欠損性に優れた被覆硬質合金工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鋼切削用の工具としては、超硬合金（ＷＣ−Ｃｏ合金にＴｉ、ＴａおよびＮｂの炭窒化物を添加した合金）が用いられてきた。しかし、近年は切削の高速化に伴い、超硬合金、サーメット、ならびにアルミナ系および窒化硅素系のセラミックを母材として、その表面にＣＶＤ法で元素周期律表のＩＶａ、ＶａおよびＶＩａ族金属ならびにアルミニウムなどの炭化物、窒化物、炭窒化物、硼窒化物、酸化物およびこれらの少なくとも１種を含む固溶体からなる複数の膜を３〜２０μｍの厚さに被覆した硬質合金工具の使用割合が増大している。
【０００３】
これらの硬質合金工具の耐摩耗性は確かに向上したが、耐欠損性は逆に低下する傾向にあった。その理由は、日本金属学会誌第５０巻第３号１９８６年３２０頁等によると、被覆硬質合金工具の被覆膜中に残留する引張り応力が関係していると考えられている。
【０００４】
そこで、耐欠損性を向上させるために鋼球使用のショットブラスト処理などを施すことにより、被覆膜に微小クラックを導入する方法（特公平５−８１３６５号、特公平５−８１３６６号）、被覆膜および基材合金に圧縮残留応力を付与する方法（特公平６−１５７１７号）が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の公報に開示される技術では被覆硬質合金工具の耐欠損性の向上に関してはある程度の効果が得られるが、耐摩耗性の向上に関しては十分な効果を挙げるに至っていない。その結果、被覆硬質合金工具における鋼の断続切削等においては実用に供することができないのが現状である。この原因は２つ考えられ、１つは被覆膜に圧縮応力が付与されると、切削中に被覆膜が剥離しやすくなり、耐摩耗性が低下するからである。もう１つは被覆膜に微小クラックを導入した場合、クラックを通して酸化摩耗が進行するからである。そこで耐摩耗性と耐欠損性のバランスを十分に考慮した被覆硬質合金工具の開発が望まれていた。
【０００６】
本発明の目的は、耐欠損性と耐摩耗性をバランスよく向上させ、それにより、金属材料の切削において優れた性能を示し、しかも長寿命を有する被覆硬質合金工具を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、上記の課題を解決するために以下の（１）〜（３）に示されるように、被覆硬質合金工具が提供される。
【０００８】
（１）  被覆硬質合金は、硬質合金を主成分とする母材と、その母材の表面を被覆する複数層からなるセラミック膜とを備え、セラミック膜に複数の亀裂を含み、工具の平坦面に向かってセラミック膜の複数の亀裂の間隔が減少しており、切れ刃稜線部における亀裂間隔が平坦面における亀裂間隔の０．２倍以上０．７倍以下であることを特徴とする（請求項１）。
【０００９】
ここで、「工具の平坦面」とは、工具のすくい面や逃げ面の中央部のことをいう。また、「切れ刃稜線部」とは、刃先の強化処理を施した領域であり、図１（ｂ）または図１（ｃ）の４で示す部分をいう。
【００１０】
（２）  セラミック層が、ＩＶａ族元素の炭化物、ＩＶａ族元素の窒化物、ＩＶａ族元素の炭窒化物、ＩＶａ族元素の硼窒化物、アルミニウム（Ａｌ）の酸化物およびこれらの少なくとも１種を含む固溶体からなる群より選ばれた１種を主成分とする膜の２層以上の複数層として形成されることを特徴とする（請求項２）。
【００１１】
ここで、「ＩＶａ族元素」とは、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）をいう。
【００１２】
（３）  セラミック膜の厚みが、２０μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする（請求項３）。
【００１３】
【発明の作用】
本発明の被覆硬質合金工具は、上記（１）で記載されたように、硬質合金を主成分とする母材と、その母材の表面を被覆する複数層からなるセラミック膜とを備えた被覆硬質合金工具において、被覆膜に複数の亀裂を備えるものである。また、工具の平坦面に向かってセラミック膜の各々の亀裂間の平均的な距離すなわち亀裂間隔が減少しており、切れ刃稜線部における亀裂間隔が平坦面における亀裂間隔の０．２倍以上０．７倍以下であることを特徴とするものである。切れ刃稜線部における亀裂間隔が平坦面の０．２倍未満では、切れ刃稜線部の酸化摩耗の進行により耐摩耗性が劣化しやすい。また、切れ刃稜線部における亀裂間隔が平坦面の０．７倍を超えると耐欠損性の向上が小さい。さらに、切れ刃稜線部における亀裂間隔が平坦面の０．３〜０．５倍の場合、特に耐摩耗性、耐欠損性ともに向上が著しい。
【００１４】
また、被覆膜の亀裂間隔が、平坦面から切れ刃稜線部に向かって連続的あるいは断続的に減少している構造であっても耐摩耗性または耐欠損性の向上が見られるが、連続的に減少しているほうが好ましい。
【００１５】
また、セラミック膜が、周期律表ＩＶａ族元素の炭化物、ＩＶａ族元素の窒化物、ＩＶａ族元素の炭窒化物、ＩＶａ族元素の硼窒化物、アルミニウム（Ａｌ）の酸化物およびこれらの少なくとも１種を含む固溶体からなる群より選ばれた１種を主成分とする膜の２層以上の複数層として形成されることが望ましい。
【００１６】
セラミック膜の厚みが２０μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。セラミック膜の厚みが２０μｍ以上のとき、耐欠損性、耐摩耗性の向上が得られるが、５０μｍを超えると、耐欠損性が低下する。また、特に好ましいセラミック膜の厚みの範囲は、２５μｍ〜４０μｍである。
【００１７】
被覆膜の亀裂は表面より金属顕微鏡や偏光顕微鏡により観察でき、被覆硬質合金工具を沸騰した硝酸でエッチングすることにより、より鮮明に観察できる。また、亀裂間隔は、２００倍で撮影した写真上で任意の直線を引き、その直線の長さを横切る亀裂の本数で除したものを亀裂間隔として求めることができる。亀裂間隔は、亀裂の延びる方向に直交する断面をラッピングし金属顕微鏡により観察することによっても測定できる。
【００１８】
なお、本発明において切れ刃稜線部の被覆膜の亀裂間隔を選択的に減少させるために、以下のような方法を採用した。その方法とは、公知のＣＶＤ法で硬質合金上に被覆処理を行なった後、バレル研磨、ショットブラスト、ショットピーニング、弾性砥石、砥粒を有する樹脂性のブラシ等によって切れ刃稜線部を中心に機械的な衝撃を加える方法である。この中で特に振動バレル処理でチップ間に挟むスペーサの間隔を小さくする等の方法により、簡便に実施できる。この場合、研摩材が平坦面に接触し難くなり、切れ刃稜線部に選択的に機械的衝撃を与えることができる。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明の実施例について詳細に述べる。
【００２０】
（実施例１）
型番ＣＮＭＧ４３３形状のＩＳＯ  Ｍ２０超硬合金母材に化学蒸着法により多層セラミック膜を被覆した表１に示すサンプルＡの被覆硬質合金工具（チップ）を準備した。
【００２１】
【表１】
0003572722.tif 000002
【００２２】
このチップを長さの違うスペーサを用いて串刺しにセットすることによりチップ同士の間隔を変え、それぞれの串の間隔を３ｍｍ〜１５ｍｍに変えて冶具にセットした。次に、これらを振動バレル機を用いて３０分〜９０分間処理を施し、平坦面から切れ刃稜線部に向かって被覆膜の亀裂間隔を減少させ、表２に示す本発明品１〜４と比較品２〜４の工具を得た。
【００２３】
【表２】
0003572722.tif 000003
【００２４】
なお、それぞれの工具を水と硝酸の混合比率が１対１の硝酸水溶液中で３０秒間エッチングし、亀裂間隔を偏光顕微鏡による観察により測定した。亀裂間隔は、２００倍で撮影した写真の四角形の対角線を横切る亀裂本数の平均値で対角線長さを除することにより求めた。次に、ここで得た本発明品１〜４、未処理の比較品１または亀裂間隔の分布が適当でない比較品２〜４を用いてＳＣＭ４３５（硬さ：ＨＢ２５０）の丸棒を下記条件で切削し、各工具の摩耗量を測定した。
【００２５】
切削速度    ：２００ｍ／ｍｉｎ
送り        ：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み    ：１．５ｍｍ
切削形態    ：湿式
使用ホルダ  ：ＰＣＬＮＲ２５２５−４３
切削時間    ：３０分
さらにＳＣＭ４４０（硬さ：ＨＢ２８０）の角材を下記条件で切削し、欠損に至るまでの測定時間を測定した。
【００２６】
切削速度    ：１００ｍ／ｍｉｎ
送り        ：０．３ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み    ：１．５ｍｍ
切削形態    ：乾式
使用ホルダ  ：ＰＣＬＮＲ２５２５−４３
その結果、表２に示したように、未処理の比較品１または亀裂間隔が適当でない比較品２〜４に比べ発明品１〜４は優れた耐摩耗性と耐欠損性を示した。
【００２７】
（実施例２）
型番ＳＮＭＡ４３２の形状のＩＳＯ  Ｋ３０超硬合金母材に多層セラミック層を化学蒸着法で被覆した表１のサンプルＢの被覆硬質合金工具（チップ）を準備した。このチップを実施例１と同じ方法で処理し、表３に示す本発明品５〜８と比較品５〜７の工具を得た。
【００２８】
【表３】
0003572722.tif 000004
【００２９】
なお、それぞれの工具の直角断面をラッピングし、金属顕微鏡で１５００倍の倍率で観察し、平均亀裂間隔を測定した。
【００３０】
次に、ここで得た比較品５〜８、本発明品５〜７の工具を用いてＳＣＭ４３５（硬さ：ＨＢ２５０）の角材を下記条件で切削し、欠損に至るまでの切削時間を測定した。
【００３１】
切削速度    ：１８０ｍ／ｍｉｎ
送り        ：０．２０ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み    ：２．０ｍｍ
切削形態    ：湿式
使用カッタ  ：ＤＮＦ４１６０Ｒ
その結果、表３に示したように、未処理の比較品１および亀裂間隔が適当でない比較品５〜７に比べ発明品５〜８は優れた耐摩耗性と耐欠損性を示した。
【００３２】
（実施例３）
型番ＣＮＭＧ４３２の形状のＩＳＯ  Ｐ２０サーメット母材に化学蒸着法により多層セラミック膜を被覆した表１のサンプルＣ〜Ｆの被覆硬質合金工具（チップ）を準備した。このチップを実施例１と同じ方法で処理し、表４に示す本発明品９〜１２の工具を得た。
【００３３】
【表４】
0003572722.tif 000005
【００３４】
なお、それぞれの工具の被覆膜の亀裂間隔を実施例１と同じ方法により測定した。
【００３５】
次に、ここで得た本発明品９〜１２、未処理の比較品８〜１１を用いてＦＣＤ７０の溝付き材を下記条件で切削し、摩耗量またはチッピング量が０．３ｍｍに達するまでの時間を測定し、これを工具寿命とした。
【００３６】
切削速度    ：２００ｍ／ｍｉｎ
送り        ：０．３５ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み    ：１．５ｍｍ
切削形態    ：湿式
使用ホルダ  ：ＰＣＬＮＲ２５２５−４３
切削時間    ：３０分
その結果、表４に示したように、未処理の比較品８〜１１に比べ発明品９〜１２は耐摩耗性と耐欠損性が優れ、寿命の向上が認められた。また、特に膜厚が２５μｍ〜４０μｍのものが寿命向上の効果が大きかった。
【００３７】
今回開示される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だけで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。
【００３８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の被覆硬質合金工具は、従来の被覆焼結合金と比較して耐欠損性、耐摩耗性が大幅に向上するという効果があり、その結果、工具の寿命も向上するという顕著な効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】切削工具（チップ）の一部を示す斜視図（ａ）と、（ａ）のＸ−Ｙ断面を拡大して示す図の一例（ｂ）、（ｃ）である。
【符号の説明】
１  すくい面
２  逃げ面
３  ノーズＲ部
４  切れ刃稜線部
【図１】
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