(57)【要約】  【課題】  切刃に断続的に衝撃がかかる切削条件においても被覆層のチッピングや剥離を抑制できる切削工具を提供する。  【解決手段】  基体の表面が被覆層で被覆され、すくい面と逃げ面との交差稜線部を切刃とする切削工具であって、前記逃げ面における前記基体の表面に深さ０．５μｍ以内の窒素、炭素、硼素、珪素およびチタンの群から選ばれる１種以上の元素が多い基体表面冨化領域１１が存在し、すくい面における前記基体の表面には前記基体表面冨化領域が存在しないとともに、前記逃げ面における前記被覆層の厚みが前記すくい面における前記被覆層の厚みよりも１．２〜３倍厚いスローアウェイチップ１である。【選択図】図１
2011005582.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体の表面が被覆層で被覆され、すくい面と逃げ面との交差稜線部を切刃とする切削工具であって、前記逃げ面における前記基体の表面に深さ０．５μｍ以内の窒素、炭素、硼素、珪素およびチタンの群から選ばれる１種以上の元素が多い基体表面冨化領域が存在し、前記すくい面における前記基体の表面には前記基体表面冨化領域が存在しないとともに、前記逃げ面における前記被覆層の厚みが前記すくい面における前記被覆層の厚みよりも１．２〜３倍厚い切削工具。
【請求項２】
前記被覆層中における窒素、炭素、硼素、珪素およびチタンの群から選ばれる１種以上の元素が、前記逃げ面のほうが前記すくい面よりも多い請求項１記載の切削工具。
【請求項３】
前記逃げ面における前記被覆層の表面にも深さ１μｍ以内の炭素、硼素、珪素およびチタンの群から選ばれる１種以上の元素が多い被覆層表面冨化領域が存在し、前記すくい面には前記被覆層表面冨化領域が存在しない請求項１記載の切削工具。
【請求項４】
前記基体がＣｏを結合相とする超硬合金からなり、前記基体表面冨化領域の内側に隣接して、Ｃｏ冨化層が存在する請求項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】
現在、切削工具では耐摩耗性や摺動性、耐欠損性が必要とされるため、ＷＣ基超硬合金やＴｉＣＮ基サーメット等の硬質基体の表面に様々な被覆層を成膜して切削工具の耐摩耗性、耐欠損性を向上させる手法が使われている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、基体の表面に被覆層（セラミックス膜）を成膜した部材について、被覆層の表面からイオン注入して被覆層の表面にイオン注入した金属原子の濃度冨化層を形成することによって、切削抵抗の大きい被削材を切削する場合でもチッピングの発生を抑制できることが開示されている。
【０００４】
また、特許文献２では、被覆層を成膜する前の基体の表面にＮイオン注入を行い、その後に被覆層を成膜することによって、基体と被覆層との界面に発生する歪みを抑制できることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２１０７号公報
【特許文献２】特開２００７−２１７７７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、フライス切削やドリル加工、エンドミル加工等の断続的な衝撃がかかる回転工具の加工や、表面が粗い被削材を旋削加工するような加工において、上記特許文献１、２の構成の切削工具を用いた場合、切刃において被覆層のチッピングや剥離を充分に抑制できるとは言えず、さらなる改良が必要であった。
【０００７】
本発明は、切刃に断続的に衝撃がかかる切削条件においても被覆層のチッピングや剥離を抑制でき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】
【０００８】
本発明の切削工具は、基体の表面が被覆層で被覆され、すくい面と逃げ面との交差稜線部を切刃とする切削工具であって、前記逃げ面における前記基体の表面に深さ０．５μｍ以内の窒素、炭素、硼素、珪素およびチタンの群から選ばれる１種以上の元素が多い基体表面冨化領域が存在し、前記すくい面における前記基体の表面には前記基体表面冨化領域が存在しないとともに、前記逃げ面における前記被覆層の厚みが前記すくい面における前記被覆層の厚みよりも１．２〜３倍厚いものである。
【０００９】
ここで、前記被覆層中における窒素、炭素、硼素、珪素およびチタンの群から選ばれる１種以上の元素が、前記逃げ面のほうが前記すくい面よりも多いか、または前記逃げ面における前記被覆層の表面にも深さ１μｍ以内の炭素、硼素、珪素およびチタンの群から選ばれる１種以上の元素が多い被覆層表面冨化領域が存在し、前記すくい面には前記被覆層表面冨化領域が存在しないことが望ましい。
【００１０】
また、前記基体がＣｏを結合相とする超硬合金からなり、前記基体表面冨化領域の内部に隣接して、Ｃｏ冨化層が存在することが望ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の切削工具によれば、基体の表面の逃げ面のみにイオン注入などの手法によって深さ０．５μｍ以内の窒素、炭素、硼素、珪素およびチタンの群から選ばれる１種以上の元素が多い基体表面冨化領域を存在させて、逃げ面における被覆層の厚みをすくい面における被覆層の厚みよりも１．２〜３倍に厚くすることによって、強い衝撃のかかる条件での切削において耐摩耗性が求められる逃げ面においては被覆層が厚くても剥離せずかつ摩耗しにくい構成とし、被覆層が剥離しやすいすくい面においては被覆層の剥離を防止できる構成として、耐摩耗性および耐欠損性を兼ね備えた構成からなる。
【００１２】
ここで、前記被覆層中における窒素、炭素、硼素、珪素およびチタンの群から選ばれる１種以上の元素が、前記逃げ面のほうが前記すくい面よりも多いか、または前記逃げ面における前記被覆層の表面にも深さ１μｍ以内の炭素、硼素、珪素およびチタンの群から選ばれる１種以上の元素が多い被覆層表面冨化領域が存在し、前記すくい面には前記被覆層表面冨化領域が存在しない構成とすることによって、逃げ面における耐チッピング性がより向上する。
【００１３】
また、前記基体がＣｏを結合相とする超硬合金からなり、前記基体表面冨化領域の内部に隣接して、Ｃｏ冨化層が存在することが、逃げ面における耐衝撃性を高める点で望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の切削工具の好適例であるスローアウェイ式ミリング工具の一例を示す概略斜視図である。
【図２】図１のスローアウェイ式ミリング工具に装着されるスローアウェイチップの一例を示し、（ａ）概略斜視図、（ｂ）平面図である。
【図３】図２（ａ）におけるａ−ａ線についての概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の切削工具の一例について、その好適例であるスローアウェイチップ（以下、単にチップと略す。）を装着したスローアウェイ式ミリング工具（以下、単に工具と略す。）Ａの先端部についての概略斜視図である図１、装着されるチップ１の（ａ）概略斜視図、（ｂ）平面図である図２、図２のチップ１について図２（ａ）のａ−ａラインについての断面図である図３を基に説明する。
【００１６】
図１〜３によれば、チップ１は、主面が略平板状を呈する基体２のすくい面３をなす主面および逃げ面４をなす側面との交差稜線がコーナー切刃５を挟んで主切刃６および副切刃７を具備した切刃８をなしている。また、工具Ａではホルダ２０のチップポケット２１にチップ１が装着されている。そして、チップ１の中央部に形成されているねじ穴２３にねじ２２を挿入してホルダ２０にねじ２２を螺合することにより、チップ１がホルダ２０にクランプされている。
【００１７】
ここで、図３に示すように、チップ１は、基体２の表面が被覆層９で被覆され、すくい面３と逃げ面４との交差稜線部が切刃８をなしており、逃げ面４における基体２の表面に深さ０．５μｍ以内の窒素、炭素、硼素、珪素およびチタンの群から選ばれる１種以上の元素が多い基体表面冨化領域１１が存在し、すくい面３における基体２の表面には基体表面冨化領域１１が存在しないとともに、逃げ面４における被覆層９の厚みがすくい面３における被覆層９の厚みよりも１．２〜３倍厚い構成となっている。
【００１８】
これによって、強い衝撃のかかる条件での切削において耐摩耗性と耐欠損性が求められる逃げ面においては被覆層が厚くても剥離せずかつ摩耗しにくく、被覆層９が剥離しやすいすくい面３においては被覆層９の剥離を防止できる構成となり、チップ１は耐摩耗性および耐欠損性を兼ね備えた構成となる。
【００１９】
ここで、被覆層９中における窒素、炭素、硼素、珪素およびチタンの群から選ばれる１種以上の元素が、逃げ面４のほうがすくい面３よりも多いか、または逃げ面４における被覆層９の表面にも深さ０．５μｍ以内の窒素、炭素、硼素、珪素およびチタンの群から選ばれる１種以上の元素が多い被覆層表面冨化領域１２が存在し、すくい面３における被覆層９の表面には被覆層表面冨化領域１２が存在しないことが、逃げ面４における耐チッピング性を向上させる点で望ましい。
【００２０】
また、基体２がＣｏを結合相とする超硬合金からなり、基体表面冨化領域１１の内側に隣接してＣｏ冨化層１３が存在することが、逃げ面４における耐衝撃性を高める点で望ましい。
【００２１】
さらに、コーナー切刃５にホーニング１０を設けることもできる。ホーニング１０の形状は、被覆層９の剥離を抑制するためにＲホーニングであることが望ましいが、Ｃホーニング（チャンファホーニング）であってもよい。なお、ホーニング量は、すくい面３側Ｒｒと逃げ面４側Ｒｆとの比率Ｒｒ／Ｒｆが１〜１．５であることが切刃５における切れ味と耐チッピング性能との兼ね合いで望ましい。また、底刃である主切刃６側が大きく外周刃である副切刃７側が小さいことが、切刃８の各位置での切削環境に適した構成を実現して、最適な切削性能を発揮できるために望ましい。
【００２２】
さらに、被覆層９は、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＡｌＮ等が好適に使用可能である。特に、ＴｉＡｌＮについては、単純なＴｉ１−ａＡｌａＮにて構成されていても良いが、例えば、Ｔｉ１−ａ−ｂＡｌａＭｂ（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、Ｓｉ、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）および立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）の群から選ばれる１種以上であり、０≦ａ＜１、０＜ｂ≦１、０≦ｘ≦１である。）にて構成されていることが望ましい。なお、被覆層９の組成はエネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＳ）分析法またはＸ線光電子分光分析法（ＸＰＳ）にて測定できる。
【００２３】
また、基体としては、炭化タングステンや、炭窒化チタンを主成分とする硬質相とコバルト、ニッケル等の鉄族金属を主成分とする結合相とからなる超硬合金やサーメットの他、窒化ケイ素や、酸化アルミニウムを主成分とするセラミック、多結晶ダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素からなる硬質相と、セラミックスや鉄族金属等の結合相とを超高圧下で焼成する超高圧焼結体等の硬質材料が好適に使用される。
【００２４】
本発明の切削工具は、切削工具として種々の切削条件で使用することができるが、特に、切削油を使用しながら切削加工を行う湿式切削条件で、中でも、エンドミル加工、ドリル加工を含むフライス加工や、表面が粗い被削材の旋削加工をする際に優れた耐摩耗性および耐欠損性を示す。
【００２５】
（製造方法）
次に、本発明の切削工具の製造方法の一例について説明する。
【００２６】
まず、工具形状の基体を成形、焼成し、この基体に対して、所望によりすくい面、またはすくい面および逃げ面に研削加工を施す。次に、この基体表面の逃げ面のみにイオン注入を行う。このとき、基体表面の特定の部位のみに局所的にイオン注入を行うことが重要である。
【００２７】
その後、基体の表面に、被覆層を成膜する。被覆層の成膜方法として、イオンプレーティング法やスパッタリング法等の物理蒸着（ＰＶＤ）法が好適に適応可能である。
【００２８】
成膜方法の一例についての詳細について説明すると、被覆層をイオンプレーティング法で作製する場合には、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または複合化した合金ターゲットに用いる。
【００２９】
成膜条件としては、このターゲットを用いて、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）ガスと反応させる条件が好適に採用できる。このとき、窒素（Ｎ２）ガスやアルゴン（Ａｒ）ガスを用いて、イオンプレーティング法またはスパッタリング法によって、成膜温度４５０〜５５０℃、スパッタ電力６ｋＷ〜９ｋＷまたはバイアス電圧３０〜２００Ｖにて被覆層を成膜する。
【００３０】
なお、成膜に際して、逃げ面方向へイオン注入を併用しながら成膜処理を行うことも可能であり、これによって、逃げ面における被覆層の厚みを厚くしても剥離しくにい被覆層を成膜することが可能である。また、成膜した後に、逃げ面の被覆層表面からイオン注入を行うことも可能である。さらに、成膜する際には、工具の逃げ面がターゲットに対向する向きに基体をセットして成膜を行う。
【００３１】
本発明によれば、逃げ面においては内部応力が低いために、被覆層の厚みを増加させても内部応力の蓄積による耐チッピング性の低下などが生じにくい傾向にある。そのため、より厚い被覆層の成膜が可能となり、その場合でも加工中における脆性的な剥離も抑制され、切削工具による耐摩耗性向上の効果を発揮させることができる。
【実施例】
【００３２】
平均粒径０．８μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末を主成分として、平均粒径１．５μｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末を９質量％、平均粒径１．０μｍの炭化バナジウム（ＶＣ）粉末を０．２質量％、平均粒径１．０μｍの炭化クロム（Ｃｒ３Ｃ２）粉末を０．６質量％の割合で添加し混合して、プレス成形により刃先交換式ミリング用スローアウェイチップ形状（ＢＤＭＴ１１Ｔ３０８ＥＲ−ＪＴ）に成形した後、脱バインダ処理を施し、０．０１Ｐａの真空中、１４６０℃で１時間焼成して超硬合金を作製した。
【００３３】
また、各試料のすくい面表面をブラシ加工およびブラスト加工によって研磨加工するとともに、切刃にブラシ加工を施して、ホーニング量がすくい面側から見た研磨量Ｒｒ＝０．０３ｍｍ、逃げ面側から見た研磨量Ｒｆ＝０．０２ｍｍとなるように刃先処理（ホーニング）を行った。そして、表１の方向からイオン注入を行った。
【００３４】
【表１】
2011005582.tif 000003
【００３５】
次に、このようにして作製した基体に対して、アークイオンプレーティング法により成膜温度５００℃で表１に示す条件でＴｉＡｌＮ組成の被覆層を成膜してスローアウェイチップを作製した。なお、試料Ｎｏ．１、２については成膜後に逃げ面にてイオン注入を行い、試料Ｎｏ．３〜８については成膜中に表１に記載した方向からイオン注入を併用した。その後、さらに表１の条件で被覆層の表面からイオン注入を行った。また、被覆層の厚みを調整するために、試料のセットの向き、ターゲットとの距離を調整して成膜した。
【００３６】
得られたチップに対して、被覆層の表面からＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）にて組成分析を行った。また、基体と被覆層との界面における組成分析をＸＰＳ（Ｘ線光電子分光分析）にて行った。さらに、切削工具の断面を走査型電子顕微鏡にて観察して、すくい面および逃げ面における被覆層の厚みを測定した。
【００３７】
また、各チップをホルダに取り付けて図１のエンドミルを作製し、下記条件で切削試験を行った。
切削方法：肩削り（ミリング加工）
被削材  ：ＳＫＤ１１
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ
送り    ：０．１２ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
切り込み：横切り込み１０ｍｍ、深さ切り込み３ｍｍ
切削状態：湿式
評価方法：１５分間切削した時点で、刃先の観察を行うと共に、逃げ面における摩耗量（幅）を測定した。なお、加工済みのホーニング量は摩耗幅には含めないように注意した。
【００３８】
【表２】
2011005582.tif 000004
【００３９】
表１、２より、逃げ面に基体表面冨化領域が存在しない試料Ｎｏ．９では、逃げ面での摩耗幅が大きく、また、すくい面に基体表面冨化領域が存在する試料Ｎｏ．６では、摩耗量が大きいものであった。さらに、逃げ面における被覆層の厚みとすくい面における被覆層の厚みとの比率が１．２よりも小さい試料Ｎｏ．７でも、摩耗量が大きくなり、逆に、逃げ面における被覆層の厚みとすくい面における被覆層の厚みとの比率が３よりも大きい試料Ｎｏ．８では、チッピングが発生した。
【００４０】
これに対し、本発明に従う試料Ｎｏ．１〜５では、切削性能に優れたものであった。
【符号の説明】
【００４１】
Ａ    スローアウェイ式ミリング工具（工具）
１    スローアウェイチップ（チップ）
２    基体
３    すくい面
４    逃げ面
５    コーナー切刃
６    主切刃
７    副切刃
８    切刃
９    被覆層
１０  ホーニング
Ｒｒ  すくい面３側のホーニング量
Ｒｆ  逃げ面４側のホーニング量
２０  ホルダ
２１  チップポケット
２２  ねじ
２３  ねじ穴
【図１】
2011005582.tif 000005
【図２】
2011005582.tif 000006
【図３】
2011005582.tif 000007