(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
硬質合金からなる基材の表面に、酸化物の膜と酸化物以外の膜とを含む多層の被覆膜を備える被覆切削工具であって、
前記被覆膜のうち、切削に作用する領域は、
前記酸化物の膜を含む１層以上を除去することで、前記酸化物以外の膜が表面に露出された露出部を備え、
前記露出部の表層の膜における残留応力が厚み方向に分布を持ち、該分布は圧縮応力となる部分を有し、該圧縮応力の最大値が１００ＭＰａ以上１１００ＭＰａ以下である被覆切削工具。
【請求項２】
前記圧縮応力の最大値が、３００ＭＰａ以下である請求項１に記載の被覆切削工具。
【請求項３】
前記酸化物の膜が、周期律表４，５，１３族元素から選択される１種以上の元素の酸化物の膜である請求項１又は請求項２に記載の被覆切削工具。
【請求項４】
前記露出部の表層の膜が、窒化物又は炭窒化物の膜である請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
【請求項５】
前記基材が、ＷＣとＣｏを含む超硬合金である請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
【請求項６】
前記圧縮応力の最大値は、前記露出部の表面から膜の厚み方向に見たとき、前記露出部の表層の膜厚の８．３〜９２％の間に部分的に形成されている請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硬質合金からなる基材表面に被覆膜を備える被覆切削工具に関する。特に、耐摩耗性及び耐欠損性に優れる被覆切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
WC基超硬合金、サーメット、高速度鋼等の硬質の基材の表面に、耐摩耗性向上のために、チタンの窒化物、炭化物、炭窒化物等からなる被覆膜を1層以上形成した被覆切削工具が知られている。
【０００３】
金属材料の切削、特に鋼の切削ではすくい面の最高温度は1000℃以上の高温になることもあり、耐熱性を持たせるためにAl2O3を代表とする酸化物膜が上記被覆膜の上層に被覆されている。しかし、この酸化物膜は、高硬度であるが脆いため、耐欠損性が低くなるという欠点を持つ。特許文献1には、被加工材との摩擦領域、例えば切れ刃稜線部において、酸化物膜を除去して、酸化物以外の膜を露出することで耐欠損性に優れた被覆硬質合金工具が開示されている。この酸化物膜の除去方法の実験例として、公知のCVD法で基材の表面に被覆処理を行った後、バレル研磨、ダイヤブラシ、ショットブラスト、弾性砥石等で除去する方法が挙げられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０８‐０１１００５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、特許文献1で行われている酸化物膜の除去は機械的に行われているため、除去処理の処理量の制御を行い難く、その処理量にばらつきが生じる。よって、表面に露出されるべき酸化物以外の膜(チタンの窒化物、炭化物、炭窒化物等からなる被覆膜)まで除去してしまい、その膜厚が小さくなる虞がある。また、処理する領域が広くなり、局所的な処理を行い難い。
【０００６】
被加工材との摩擦領域において、表面に露出された酸化物以外の膜の応力が圧縮の場合、耐欠損性に優れると考えられている。しかし、機械的な除去方法で酸化物膜を除去すると、除去処理によって表面に露出された膜の応力の制御を行い難い。よって、基材の表面に被覆膜を成膜する段階において、その被覆膜が引張応力であれば、機械的な方法で酸化物膜の除去を行っても、表面に露出された酸化物以外の膜は引張応力のままであり、その引張応力を緩和することは難しい。そのため、被加工材との摩擦領域が引張残留応力になっていることで、耐欠損性の向上は難しい。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、耐摩耗性及び耐欠損性に優れる被覆切削工具を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、酸化物の膜の除去処理方法に工夫を施すことで、除去処理に伴って表面に露出される膜の応力の制御を可能とし、上記目的を達成する。
【０００９】
本発明の被覆切削工具は、硬質合金からなる基材の表面に、酸化物の膜と酸化物以外の膜とを含む多層の被覆膜を備える。この工具において、上記被覆膜のうち、切削に作用する領域は、上記酸化物の膜を含む1層以上を除去することで、酸化物以外の膜が表面に露出された露出部を備える。この露出部の表層の膜における残留応力が厚み方向に分布を持ち、該分布は圧縮応力となる部分を有し、該圧縮応力の最大値が50MPa超1100MPa以下であることを特徴とする。
【００１０】
上記構成によれば、切削に作用する領域において、耐欠損性の低い酸化物の膜が存在せず、耐欠損性に優れる酸化物以外の膜が表面に露出しているので、被加工材との切削に優れた性能を示し、工具寿命を向上させることができる。この酸化物以外の膜は、被覆膜中に少なくとも1層含まれている。特に、本発明の被覆切削工具は、上記切削に作用する領域において、表面に露出された酸化物以外の膜の残留応力が厚み方向に分布を持ち、該分布が部分的に圧縮となっていることで、切削加工による割れや亀裂、熱的ダメージ等を抑制することができる。この圧縮応力の最大値(以下、最大圧縮残留応力と呼ぶ)は、50MPa超であることで効果的に耐欠損性を向上することができる。一方、1100MPa超の場合にはその耐欠損性の向上効果は小さい。最大圧縮残留応力の下限は、より好ましくは80MPa以上であり、特に好ましくは100MPa以上である。一方、最大圧縮残留応力の上限は、より好ましくは500MPa以下であり、特に好ましくは300MPa以下である。
【００１１】
上記構成では、切削に作用する領域以外で耐熱性を要する領域においては、酸化物の膜は除去されないので、切削によって高温となる箇所、例えばすくい面上の摩耗を抑制することができる。酸化物の膜は、耐熱性に優れているため、被覆膜中の上層側に形成されていることが好ましい。つまり、耐欠損性に優れる酸化物以外の膜に対して上層側に酸化物の膜が形成されている。この酸化物の膜は被覆膜中に少なくとも1層含まれている。
【００１２】
切削に作用する領域とは、被加工材との摩擦が生じる領域であって、例えば刃先稜線部が挙げられる。この刃先稜線部において、酸化物の膜が除去されることが好ましく、その他、刃先稜線部と連続するすくい面や逃げ面にかかる一部の酸化物の膜も除去してもよい。切削に作用する領域において、酸化物の膜はその全域に亘って除去されていることが好ましいが、一部領域であっても効果は得られる。また、酸化物の膜が被覆膜中に複数層存在する場合、少なくとも1層除去すればよく、全層を除去するとさらに耐欠損性が向上して好ましい。
【００１３】
本発明の一形態として、上記圧縮応力の最大値は、上記露出部の表面から膜の厚み方向に見たとき、上記露出部の表層の膜厚の8.3〜92％の間に部分的に形成されていることが挙げられる。
【００１４】
圧縮応力の最大値が、上記範囲8.3〜92％の間に形成されていると、工具としての耐欠損性が向上することを見出した。圧縮応力の最大値が上記範囲外(8.3％未満92％超)の場合、酸化物以外の膜が剥離する虞がある。より好ましい範囲は、10〜90％である。
【００１５】
以下、図1に基づいて、本発明の被覆切削工具を詳細に説明する。図1は、本発明の被覆切削工具の断面の一面を拡大して示す図である。被覆切削工具は、すくい面2と逃げ面3とを有し、これら両面2,3に繋がる部分で刃先稜線部1が構成される。刃先稜線部1は、被加工材との摩擦が生じて切削に作用する領域である。
【００１６】
［被覆切削工具］
本発明の被覆切削工具は、硬質合金からなる基材10の表面に、酸化物の膜と酸化物以外の膜とを含む多層の被覆膜20を備える。
【００１７】
（基材）
WCとCoを含む超硬合金は、耐摩耗性及び耐欠損性に非常に優れるため切削加工に最適であり、基材10として用いることができる。WCとCoを含む超硬合金として、K種、P種、M種超硬合金がある。K種超硬合金は、WCとCoからなり、機械的な衝撃に強い。しかし、熱に弱いので、熱の発生し難い不連続の切りくずを出す被加工材に使用するとよい。P種超硬合金は、WCとCoを含み、さらにTaCとTiCとを含む。TaCとTiCとを添加することで耐熱性を有し、耐摩耗性に優れる。摩耗に強いので、連続した切りくずを出す被加工材に使用するとよい。また、耐溶着性にも優れる。M種超硬合金は、K種超硬合金とP種超硬合金の中間の性質をもっており、耐熱性と機械的衝撃に程よく優れる。
【００１８】
（被覆膜）
被覆膜20は、酸化物の膜と酸化物以外の膜とを少なくとも1層ずつ含む多層構造である。図1は、超硬合金からなる基材10の表面に、第1層21(TiN),第2層22(TiCN),第3層23(TiBN),第4層24(Al2O3),第5層25(TiN)の順に成膜した5層の被覆膜20を備えた場合を例に挙げている。
【００１９】
被覆膜20の成膜方法は、従来公知の種々の成膜方法を採用することができる。ここで第2層22として成膜しているTiCN膜に関しては、CVD法で成膜することが好ましく、特にMT-CVD(Moderate  Temperature  CVD)法により成膜することが好ましい。従来のCVD法は約1020〜1030℃で成膜を行うのに対して、MT-CVD法は約850〜900℃と比較的低温で成膜を行うことができるため、成膜の際、加熱による基材10へのダメージを低減することができる。よって、基材10に近接する被覆膜20は、MT-CVD法によって成膜することがより好ましい。成膜の際に使用するガスは、ニトリル系のガス、特にアセトニトリル(CH3CN)を用いると、量産性に優れて好ましい。CVD法により成膜されたTiCN膜は、通常、成膜時においては引張残留応力を有する。
【００２０】
酸化物の膜としては、周期律表4,5,13族元素から選択される1種以上の元素の酸化物の膜であることが挙げられる。この酸化物の膜として、Al2O3,ZrO2(またはイットリア安定化ジルコニア(YSZ)),TiO2,VO2等が挙げられ、工具の耐熱性をより高めることができる。
【００２１】
酸化物以外の膜としては、周期律表4,5,6族元素、Al及びSiからなる群より選択される少なくとも1種の元素、または上記元素と、硼素、炭素及び窒素からなる群より選択される少なくとも1種とからなる化合物が挙げられる。例えば、Cr,Ti,Al,Si,V,Zr,Hf,TiC,TiN,TiB2,TiCBN,TiCN,TiBN,HfN,HfC,TiAlN,AlCrN,CrN,VN,ZrN,ZrCN,ZrBN,ZrCBN,TiSiN,TiAlC,TiSiCN,AlN,AlCN,AlTiSiN,AlTiCrN,TiAlCN,NbC,NbCN,Mo2C等が挙げられる。
【００２２】
特に、上記酸化物以外の膜として、後述する露出部30における表層の膜は、窒化物又は炭窒化物の膜であることが挙げられる。窒化物又は炭窒化物は、金属との耐焼付性に優れているので、露出部30における表面に存在することで、耐欠損性をより高めることができる。この窒化物又は炭窒化物の膜として、周期律表4,5,6族元素、Al及びSiからなる群より選択される少なくとも1種の元素の窒化物又は炭窒化物が挙げられる。例えば、TiN,TiCN,HfN,TiAlN,AlCrN,CrN,VN,TiSiN,TiSiCN等が挙げられる。特に、TiCN膜は耐摩耗性、耐欠損性がより向上するので好ましい。中でも、C:Nのモル比が5：5〜7：3の範囲のTiCN膜は、非常に優れた耐欠損性を示し、工具寿命をさらに向上することができる。
【００２３】
被覆膜20のうち、基材10と接する膜は密着性の高い膜が好ましく、第1層21として、例えば、TiN等の膜を成膜することが挙げられる。また、被覆膜20の表層は美的効果を高められる膜が好ましく、第5層25として、例えば、TiN等の膜を成膜することが挙げられる。このような表層膜は、真鍮のような輝きまたは金色の輝きを放つので、摩耗具合を目視で確認することもできる。図1において、多層被覆膜20の各膜は、第1層21のTiN膜は基材10と第2層22との密着性を高め、第2層22のTiCN膜は耐摩耗性を高め、第3層23のTiBN膜は第4層24との密着力を高め、かつレーザ光を吸収し、第4層24のAl2O3膜は耐熱性を高め、第5層25のTiN膜は美的効果を高め、かつ摩耗具合を計るために設けている。しかし、図1は例示であるため、被覆膜20の構成膜、膜順序は限定されるものではない。但し、酸化物の膜は、露出部30の表層を形成する酸化物以外の膜に対して上層側に形成されている。この酸化物の膜と露出部30の表層を形成する膜は、隣接していても良いし、両膜の間に別の膜が介在されていても良い。そして、酸化物の膜は露出部30の表層を形成する膜よりも耐熱性や耐摩耗性に優れる材質を選択し、露出部30の表層を形成する膜は酸化物の膜よりも耐欠損性に優れる材質を選択することが好ましい。
【００２４】
本発明において、被覆膜20のうち切削に作用する領域は、酸化物の膜を含む1層以上を除去することで、酸化物以外の膜が表面に露出された露出部30を備える。図1では、この露出部30は、刃先稜線部1に沿って形成されている。
【００２５】
≪露出部≫
露出部30は、切削に作用する領域の30％以上の領域に形成されていることで、被加工材との切削に優れた性能を示し、工具寿命を向上させることができる。この露出部30の形成は、上記領域の50％以上がより好ましく、100％であることが特に好ましい。露出部30は、切削に作用する領域よりも広い領域、例えば刃先稜線部1と連続するすくい面2の一部、または逃げ面3にかかる一部もしくは全面にまで及んで形成してもよい。
【００２６】
次に、上述した本発明の被覆切削工具の製造方法に関して説明する。ここでは、被覆膜の切削に作用する領域における酸化物の膜の除去、つまり上記露出部の形成方法を中心に説明する。
【００２７】
［製造方法］
基材10の表面に被覆膜20を成膜した後、その被覆膜20の表面上にパルスレーザを照射することで、露出部30を形成する。被覆膜20の各膜の成膜方法は、上述した通りである。
【００２８】
パルスレーザを照射することで、酸化物の膜の除去処理において、その処理量の制御を行うことができる。上述の酸化物の膜(ここでは第4層24(Al2O3))は後述のレーザ波長に対して透明であるため、酸化物の下層にレーザ光を吸収する膜(ここでは第3層23(TiBN))を設けることで、パルスレーザにより、この膜(第3層23(TiBN))に急熱急冷処理とレーザアブレーションによる圧力を加えることができる。よって、上記レーザ光を吸収する膜を起点に酸化物の膜を除去することが出来る。従って、酸化物の膜を直接加工する訳ではないため、極めて効率的に当該酸化物の膜を除去することが可能である。この酸化物の下層の膜として、切削性能に寄与する膜(ここでは第2層22(TiCN))にレーザ光を吸収させて、同様の構造にすることも可能であるが、該切削性能に寄与する膜の厚みの減少を防ぐため、上記のようなレーザ光を吸収する膜を別途設けた方が好ましい。ここで言う処理量の制御とは、パルスレーザの照射領域の広さとその深さ方向のことである。パルスレーザを照射した広さを確実に除去できるので、除去処理の広さに対して処理量にばらつきが生じにくい。また、パルスレーザを照射した深さ方向も制御できるので、酸化物の層を含む除去したい層のみを除去することができ、露出部の膜厚減少を防止できる。さらに、パルスレーザ照射は局所的な熱衝撃による除去のため、露出部の膜に欠損が生じにくい。
【００２９】
特に、パルスレーザを用いることで、被覆膜のうち、表面に露出された酸化物以外の膜の応力の制御を行うことができる。後述する特定の条件でパルスレーザを照射することで、照射された領域においては、その領域の膜における残留応力が厚み方向に分布を持ち、部分的に圧縮とすることができる。よって、耐欠損性に優れる被覆切削工具を得ることができる。
【００３０】
パルスレーザの照射条件として、レーザのパルス幅は10〜500nsであることが好ましい。より好ましくは30〜300nsであり、この範囲のパルス幅を用いることで、酸化物の膜を含む1層以上を確実に除去でき、表面に露出される酸化物以外の膜に熱的ダメージを及ぼさず、かつその酸化物以外の膜における残留応力が厚み方向に分布を持ち、部分的に圧縮とできる。パルスレーザ光の波長は266〜1064nmであることが好ましい。
【００３１】
パルスレーザの場合、レーザ光の強度はレーザ光の集光点のピークパワー密度(W/cm2)で決まる。ピークパワー密度は、集光点における(2×レーザ光のパルスエネルギー)／(レーザ光のビームスポット断面積×パルス幅)により求められる。このピークパワー密度を調整する方法として、集光点におけるレーザ光のパルスエネルギー、またはビームスポット断面積、またはパルス幅を変更することが挙げられる。中でも最も簡便な調整方法は、集光レンズに入射する手前で、凹レンズと凸レンズの組レンズや、ビーム拡大鏡(ビームエキスパンダー)を用いて、レーザ光の発散角とレーザビーム直径を調整して集光レンズに入射して、ビームスポット断面積を調整すること、つまりレーザビーム直径を調整することである。このレーザビーム直径は、レーザ光としての空間的な幅のことであり、強度がピーク強度値の1/e2(e：自然対数の底)まで減衰したときの空間的な幅のことである。
【００３２】
上記パルスレーザのピークパワー密度の大きさは、除去する層の厚みが増す程、または薄くなる程大きくする必要がある。除去する層の厚みが厚い場合、その除去に必要なエネルギーは大きくなり、ピークパワー密度が大きくなる。何故なら、酸化物の膜の除去に必要なエネルギーは、レーザ光を吸収する膜が急熱急冷して発生するエネルギーとレーザアブレーションによって発生するエネルギーとに依るためである。これらは、レーザによって投入されるエネルギーと密度に依存する。一方、除去する層の厚みが薄い場合、露出部の表面の酸化物以外の膜への熱的ダメージを抑制するためにパルス幅を短くするので、ピークパワー密度が大きくなる。
【００３３】
パルスレーザとして、Qスイッチ型を用いると瞬間的に非常に強いパワーを発振することができて好ましい。
【００３４】
パルスレーザは、レーザ光の繰り返し周波数とスキャン速度とを適切に設定する必要があり、これらパラメータは少なくともレーザビームスポット直径の10〜90％のオーバーラップを持たせるように設定することが好ましい。より好ましくは、40〜60％のオーバーラップを持たせるような設定である。例えば、50％のオーバーラップを持たせるためには、レーザビームスポット直径が50μmの場合、繰り返し周波数を5kHz、スキャン速度を125mm/sに設定するとよい。
【００３５】
パルスレーザによって酸化物の膜を除去した箇所は、酸化物の膜が残存している箇所と比べて膜の高さが不連続となるため、追加の処理（例えば、バレル研磨、ダイヤブラシ、ショットブラスト、弾性砥石など）によって、膜の高さを連続的にするとより好ましい。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の被覆切削工具は、切削に作用する領域において、耐欠損性の低い酸化物の膜が存在せず、耐摩耗性に優れる膜が表面に露出しているので、被加工材との切削に優れた性能を示し、工具寿命を向上させることができる。特に、上記切削に作用する領域において、表面に露出された膜における残留応力が厚み方向に分布を持ち、部分的に圧縮となっていることで、耐欠損性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の被覆切削工具の断面の一部を拡大して示す一つの例示図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
硬質合金からなる基材表面に被覆膜を備える被覆切削工具を作製し、被覆膜中の残留応力、及び切削性能を調べた。
【００３９】
［試験例1(実施例1〜7、比較例1〜3,10〜12)］
≪被覆切削工具の製造≫
超硬合金からなる基材の表面に、以下に示す5層の被覆膜を第1層から順に第5層まで成膜した。基材には、Ｐ種超硬合金(WC＋Co＋TaC＋TiC)で、型番CNMG120408NのGU型を用いた。
【００４０】
第1層は、0.5μmのTiNで、H2-1.0Vol％TiCl4-40.0Vol％N2の組成ガスを用いて、圧力を6kPa、基板温度を840℃としMT-CVD法にて成膜した。
【００４１】
第2層は、12μmのTiCNで、H2-2.0Vol％TiCl4-20.0Vol％N2-0.5Vol％CH3CNの組成ガスを用いて、圧力を10kPa、基板温度を860℃としMT-CVD法にて成膜した。
【００４２】
第3層は、0.2μmのTiBNで、H2-2.0Vol％TiCl4-4.0Vol％BCl3-5.0Vol％N2の組成ガスを用いて、圧力を60kPa、基板温度を970℃としCVD法にて成膜した。
【００４３】
第4層は、4.0μmのAl2O3で、H2-3.0Vol％AlCl3-3.5Vol％CO2-0.4Vol％H2S-3.0Vol％HClの組成ガスを用いて、圧力を6kPa、基板温度を1000℃としCVD法にて成膜した。
【００４４】
第5層は、0.5μmのTiNで、H2-2.0Vol％TiCl4-30.0Vol％N2の組成ガスを用いて、圧力を20kPa、基板温度を1000℃としCVD法にて成膜した。
【００４５】
基材の表面に上記5層の被覆膜を成膜した後、この被覆膜のうち、切削に作用する領域において、酸化物の膜(Al2O3)を除去し、酸化物以外の膜(TiCN)を露出させる除去処理を行う。この除去処理として、パルスレーザを用いて行った例を実施例1〜7、比較例2,3とする。除去処理として、ブラッシングを用いた例を比較例1、連続波レーザを用いた例を比較例11、変調レーザ(連続波レーザを断続的に出力するレーザ)を用いた例を比較例12とする。また、除去を行わなかった未処理品を比較例10とする。ただし、連続波レーザ及び変調レーザは、パルスレーザではないため、ピークパワー密度（W/cm2）で定義ができない（即ち、値が0となる）。また、両レーザ（連続波レーザ及び変調レーザ）とも出力が高くなると連続的に基材への入熱量が大きくなり、基材への熱ダメージが大きくなる。そこで、微細加工用に用いられるレーザの出力レベルとして、両レーザとも平均出力が30Wとなるように調整したレーザを用いた。
【００４６】
パルスレーザを用いた場合、逃げ面に垂直な方向からパルスレーザをスキャンしながら照射した。逃げ面上でのレーザビームスポット直径は75μmとなるようにし、繰り返し周波数は25kHz、スキャン速度は750mm/sとした。ピークパワー密度は、パルス幅を1ns,5ns,10ns,20ns,50ns,100ns,200ns,300ns,500nsと変えることによって調整した。なお、連続波レーザ（比較例11）及び変調レーザ（比較例12）においても、ビームスポット径を同一の75μmとし、変調レーザについては、変調周波数（断続的に出力する周波数）を25kHzとした。この試験例では、パルスレーザ、連続波レーザ、変調レーザともレーザ光の波長は1064nmである。
【００４７】
上記条件のパルスレーザを照射することで、パルスレーザを照射した領域において、被覆膜の第3層〜第5層の膜を除去することができ、第2層を露出することができた。得られた被覆切削工具は、パルスレーザを照射した領域(以下、露出部と呼ぶ)においては、基材の表面にTiN膜、TiCN膜が順に備えられており、TiBN膜、Al2O3膜、TiN膜は存在しない。
【００４８】
≪評価≫
（被覆膜中の残留応力）
得られた被覆切削工具において、露出部の表層の膜(TiCN膜)中の厚み方向の応力分布を高輝度放射光を用いたX線回折により、sin2ψ法で厚み方向の応力状態を精密に測定した。その結果を表1に示す。表1のTiCN膜の応力状態は、応力分布において、圧縮応力が存在する場合は、その圧縮応力の最大値を示し、圧縮応力が存在せず引張り応力のみが存在する場合は、その引張応力の最大値を示している。
【００４９】
（切削性能）
また、得られた被覆切削工具を用いて、SCM415製被加工材(外周に4つの溝があり断続切削になる丸棒材)を、以下に示す条件で切削し、耐欠損性を調べた。その結果を表1に併せて示す。
〈切削条件〉
切削速度  ：250m/min
送り      ：0.25mm/rev
切込み    ：1.5mm
切削形態  ：湿式
使用ホルダ：PCLNR2525-43
なお、寿命の判定は、光学顕微鏡とSEM(走査電子顕微鏡による反射電子像観察、及び二次電子像観察)を併用して行い、基材が露出(欠損)した時点を寿命とし、その欠損までの衝撃回数を測定した。
【００５０】
【表１】
0005760640.tif 000002
【００５１】
≪結果≫
表1に示すように、除去処理として、0.01GW/cm2超のピークパワー密度のパルスレーザを用いた場合(実施例1〜7、比較例3)とブラッシングを用いた機械的な除去の場合(比較例1)は、酸化物の膜(Al2O3)を除去し、酸化物以外の膜(TiCN)を露出させることができた。また、得られた被覆切削工具において、露出部箇所を実際に切断して、その断面をSEM(走査型電子顕微鏡)で観察して、膜厚を測定したところ、この露出部のTiCN膜にはパルスレーザの照射によって有意な膜厚減少は確認されなかった。
【００５２】
（被覆膜中の残留応力）
除去処理として、0.01GW/cm2超のピークパワー密度のパルスレーザを用いた場合(実施例1〜7、比較例3)は、TiCN膜の応力は圧縮(部分的に圧縮)となっている。このとき、圧縮応力の最大値が測定された位置は、露出部のTiCN膜の表面から膜の厚み方向に見たときの1〜11μm(TiCN膜の膜厚の約8.3〜92％)の間であった。一方、ブラッシングを用いた機械的な除去の場合(比較例1)は、TiCN膜の応力は引張となっている。これは、機械的な除去では、TiCN膜の成膜時に形成された引張応力は緩和できないということである。また、未処理品(比較例10)の場合TiCN膜の応力は引張となっていることから、本発明の切削工具(実施例1〜7)は、露出部のTiCN膜は部分的に圧縮応力を有しており、露出部以外のTiCN膜(酸化物の膜(Al2O3)が被覆されているTiCN膜)は引張応力のままであると考えられる。
【００５３】
（切削性能）
除去処理として、0.01GW/cm2超5GW/cm2以下のピークパワー密度のパルスレーザを用いた場合(実施例1〜7)は、欠損までの衝撃回数が多く、耐欠損性に優れることがわかる。除去方法として、0.01GW/cm2超のピークパワー密度のパルスレーザを用いてはいるが、ピークパワー密度が5GW/cm2超と高すぎる場合(比較例3)は、TiCN膜の応力が部分的に圧縮であっても、その圧縮応力が低く、欠損までの衝撃回数も少ない。
【００５４】
［試験例2(実施例8〜14、比較例4,5)］
試験例2は、被覆膜を構成する酸化物の膜が試験例1と異なる。ここでは、Al2O3に代えて4.0μmのZrO2を成膜した。成膜条件は、Ar-33.9Vol％H2-33.9Vol％CO2-1.7Vol％ZrCl4の組成ガスを用いて、圧力を4kPa、基板温度を850℃とし、CVD法にて成膜した。試験例2において、酸化物の膜(ZrO2)を除去し、酸化物以外の膜(TiCN)を露出させる除去処理は、試験例1と同様のパルスレーザを用いて行った。そして、パルス幅を変えることによって、ピークパワー密度を調整した。このパルス幅の値は、試験例1と同様である。試験例1と同様の評価方法を行った結果を表2に示す。
【００５５】
【表２】
0005760640.tif 000003
【００５６】
≪結果≫
表2に示すように、除去処理としてパルスレーザを用いた場合、酸化物の膜(ZrO2)を除去し、酸化物以外の膜(TiCN)を露出させることができた。この露出部のTiCN膜には有意な膜厚減少は確認されなかった。
【００５７】
被覆膜中の残留応力及び切削性能の結果については、試験例1と同様の結果を得ることができた。つまり、除去処理として、0.01GW/cm2超5GW/cm2以下のピークパワー密度のパルスレーザを用いた場合(実施例8〜14)は、試験例１と同様に、部分的に高い圧縮応力となり、この圧縮応力の最大値が測定された位置は、露出部のTiCN膜の表面から膜の厚み方向に見たときの1〜11μm(TiCN膜の膜厚の約8.3〜92％)の間であった。この場合、欠損までの衝撃回数が多く、耐欠損性に優れることがわかる。
【００５８】
［試験例3(実施例15〜21、比較例6,7)］
試験例3は、被覆膜を構成する酸化物の膜が試験例1と異なる。ここでは、Al2O3に代えて4.0μmのTiO2を成膜した。成膜条件は、H2-2.0Vol％TiCl4-0.4Vol％COの組成ガスを用いて、圧力を8kPa、基板温度を980℃としたCVD法である。試験例3において、酸化物の膜(TiO2)を除去し、酸化物以外の膜(TiCN)を露出させる除去処理は、試験例1と同様のパルスレーザを用いて行った。そして、パルス幅を変えることによって、ピークパワー密度を調整した。このパルス幅の値は、試験例1と同様である。試験例1と同様の評価方法を行った結果を表3に示す。
【００５９】
【表３】
0005760640.tif 000004
【００６０】
≪結果≫
表3に示すように、除去処理としてパルスレーザを用いた場合、酸化物の膜(TiO2)を除去し、酸化物以外の膜(TiCN)を露出させることができた。この露出部のTiCN膜には、パルスレーザの照射によって有意な膜厚減少は確認されなかった。
【００６１】
被覆膜中の残留応力及び切削性能の結果については、試験例1と同様の結果を得ることができた。つまり、除去方法として、0.01GW/cm2超5GW/cm2以下のピークパワー密度のパルスレーザを用いた場合(実施例15〜21)は、試験例１と同様に、部分的に高い圧縮応力となり、この圧縮応力の最大値が測定された位置は、露出部のTiCN膜の表面から膜の厚み方向に見たときの1〜11μm(TiCN膜の膜厚の約8.3〜92％)の間であった。この場合、欠損までの衝撃回数が多く、耐欠損性に優れることがわかる。
【００６２】
［試験例4(実施例22〜28、比較例8,9)］
試験例4は、被覆膜を構成する酸化物の膜が試験例1と異なる。ここでは、Al2O3に代えて4.0μmのVO2を成膜した。成膜条件は、75Vol％H2O-25Vol％VCl4の組成ガスを用いて、圧力を101kPa、基板温度を600℃とし、CVD法にて成膜した。試験例4において、酸化物の膜(VO2)を除去し、酸化物以外の膜(TiCN)を露出させる除去処理は、試験例1と同様のパルスレーザを用いて行った。そして、パルス幅を変えることによって、ピークパワー密度を調整した。このパルス幅の値は、試験例1と同様である。試験例1と同様の評価方法を行った結果を表4に示す。
【００６３】
【表４】
0005760640.tif 000005
【００６４】
≪結果≫
表4に示すように、除去処理としてパルスレーザを用いた場合、酸化物の膜(VO2)を除去し、酸化物以外の膜(TiCN)を露出させることができた。この露出部のTiCN膜にはパルスレーザの照射によって有意な膜厚減少は確認されなかった。
【００６５】
被覆膜中の残留応力及び切削性能の結果については、試験例1と同様の結果を得ることができた。つまり、除去処理として、0.01GW/cm2超5GW/cm2以下のピークパワー密度のパルスレーザを用いた場合(実施例22〜28)は、試験例１と同様に、部分的に高い圧縮応力となり、この圧縮応力の最大値が測定された位置は、露出部のTiCN膜の表面から膜の厚み方向に見たときの1〜11μm(TiCN膜の膜厚の約8.3〜92％)の間であった。この場合、欠損までの衝撃回数が多く、耐欠損性に優れることがわかる。
【００６６】
［まとめ］
上記試験例1〜4から、本発明の被覆切削工具は、耐摩耗性及び耐欠損性に優れることがわかる。これは、基材の表面に成膜された被覆膜のうち、切削に作用する領域は、酸化物の膜を含む層が除去され、酸化物以外の膜が露出されており、この酸化物以外の膜の応力が50MPa超1100MPa以下の圧縮残留応力であることに起因すると考えられる。
【００６７】
なお、上述した実施の形態は、本発明の要旨を逸脱することなく、適宜変更することが可能であり、本発明の範囲は上述した構成に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明の被覆切削工具は、耐欠損性に優れることが望まれる切削加工に好適に利用することができる。
【符号の説明】
【００６９】
1  刃先稜線部  2  すくい面  3  逃げ面
10  基材
20  (多層)被覆膜
21  第1層  22  第2層  23  第3層  24  第4層  25  第5層
30  露出部
【図１】
0005760640.tif 000006