(57)【要約】【課題】特に熱的、化学的に過酷な切削加工条件においても良好な切削性能を発揮する、ダイヤモンド含有硬質被覆膜を有する切削工具、この切削工具を有する工具及び回転工具を提供すること。【解決手段】超硬合金基材にダイヤモンド含有硬質被覆膜を被覆してなる切削工具において、前記ダイヤモンド含有硬質被覆膜の密度と超硬合金基材の密度とから求められる理論密度に対する見かけ密度の割合が９９％以上であることを特徴とする切削工具、これをホルダーに保持した工具及び回転工具【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超硬合金基材に、粒径が大きくても１μｍであるダイヤモンドを含有するダイヤモンド含有硬質被覆膜を被覆してなる切削工具において、前記ダイヤモンド含有硬質被覆膜の密度と超硬合金基材の密度とから求められる理論密度に対する見かけ密度の割合が９９％以上であることを特徴とする切削工具。
【請求項２】
前記ダイヤモンド含有硬質被覆膜は、その厚みが１０μｍ以上、且つ５０μｍ以下である前記請求項１に記載の切削工具。
【請求項３】
前記超硬合金基材は、その表面の粗さ（Ｒｚ）が４μｍ以上、且つ１０μｍ以下である前記請求項１又は２に記載の切削工具。
【請求項４】
前記請求項１〜３のいずれか一項に記載の切削工具と、この切削工具を保持するホルダーとを有することを特徴とする工具。
【請求項５】
前記請求項４に記載の工具と前記工具を保持する治具とを備えて成ることを特徴とする回転工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は切削工具、工具及び回転工具に関し、更に詳しくは、切削加工中に被覆膜の剥離が容易に生じることがなく、スローアウェイチップ等として使用可能な切削工具、前記切削工具を有することにより切削加工を長時間にわたって行うことのできる工具及び回転工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えばスローアウェイチップ等の工具としてダイヤモンドの皮膜及び／又はダイヤモンド状炭素の被覆膜で被覆してなる工具がある（特許文献１、２，３，４）
【特許文献１】特許第２０５５２７５号（特開平１−１０３９９２）
【特許文献２】特許第２５８４４６７号（特開平１−２０１４７６）
【特許文献３】特許第３２６０１５７号（特開平５−２０９２７４）
【特許文献４】特許第３４６９３１０号（特開平７−９７６０３）
【０００３】
しかしながら、これらの特許文献に記載された被覆膜は耐摩耗性及び／又は耐溶着性を向上させる目的で形成されるのであるが、基材と被覆膜との密着性が未だ完全ではなく、切削加工条件によっては、被覆膜の剥離が生じてしまい、十分な切削加工性能を有する工具とすることができなかった。
【０００４】
具体的にいうと、前記特許文献１に記載の発明においては、「各種切削工具の保護膜として有用なダイヤモンド膜を、密着性良く超硬合金上に形成させることのできるダイヤモンド膜の製造方法」（特許文献１、特開平１−１０３９９２号公報第１頁左欄第１４行〜第１７行参照）を提供する目的を達成するために、基体である「超硬合金を予め真空中で熱処理した後に、炭素源ガスを含む原料ガスを活性化して得られるガスを、前記超硬合金に接触させること」（特開平１−１０３９９２号公報、特許請求の範囲参照）によりダイヤモンド膜が形成されている。前記特許文献４に記載の発明においては、基材の表面粗さを特定の値になるように調整し、その後にダイヤモンドなどの硬質皮膜を基材表面に形成している（特開平７−９７６０３号公報特許請求の範囲参照）。
【０００５】
しかしながら、近年においてはさらなる省力化及び高能率加工についての要求が厳しく、特に熱的、化学的に安定な性能を発揮する切削工具が要望されている。さらにまた、現今においては、切削加工される被削材においても、部品の小型化、軽量化の要望により難削化の問題に直面しており、従来のダイヤモンド及び／又はダイヤモンド状炭素から成る被腹膜を備えた工具では、上記近年の各種問題に対応することができない。
【０００６】
本願発明者は、ダイヤモンド及び／又はダイヤモンド状炭素から成る被覆膜の厚みを大きくすることにより上記問題点を解決することを試みたのであるが、基材と前記被覆膜との密着性に寄与する要因には、基材と被覆膜との間での化学的親和性に基づく要因が殆どなく、基材表面に形成されている凹凸部に被覆膜の凹凸部が嵌合する、つまり物理的嵌合により奏される所謂アンカー効果による要因が大きいので、被覆膜の厚みを大きくするだけでは、切削工具の性能を向上させることができず、十分な性能を発揮するには到っていないのが現状である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この発明の課題は、特に熱的、化学的に過酷な切削加工条件においても良好な切削性能を発揮する、ダイヤモンド含有硬質被覆膜を有する切削工具、この切削工具を有する工具及び回転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】
前記課題を解決するための手段として、
請求項１は、超硬合金基材に、粒径が大きくても１μｍであるダイヤモンドを含有するダイヤモンド含有硬質被覆膜を被覆してなる切削工具において、前記ダイヤモンド含有硬質被覆膜の密度と超硬合金基材の密度とから求められる理論密度に対する見かけ密度の割合が９９％以上であることを特徴とする切削工具であり、
請求項２は、前記ダイヤモンド含有硬質被覆膜は、その厚みが１０μｍ以上、且つ５０μｍ以下である前記請求項１に記載の切削工具であり、
請求項３は、前記超硬合金基材は、その表面の粗さ（Ｒｚ）が４μｍ以上、且つ１０μｍ以下である前記請求項１又は２に記載の切削工具は、
請求項４は、前記請求項１〜３のいずれか一項に記載の切削工具と、この切削工具を保持するホルダーとを有することを特徴とする工具であり、
請求項５は、前記請求項４に記載の工具と前記工具を保持する治具とを備えて成ることを特徴とする回転工具である。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によると、例えば１０００℃を超える高温度の切削条件下に６時間以上、特に１２時間以上もの切削時間が経過してもダイヤモンド含有硬質被覆膜（以下において、単に「被覆膜」と称することがある。）の剥離を起こすことのない切削工具、その切削工具を備えた工具及び回転工具を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
この発明における主眼は、熱的、化学的に過酷な切削条件下にあっても長時間の切削加工を可能にする安定な切削性能を有する切削工具を提供することである。
【００１１】
一般的に、ダイヤモンド及び／又はダイヤモンド状炭素の被覆膜の基材に対する密着性は、基材表面における凹凸に被覆膜が食い込んだ状態となること、つまり基材表面の凹凸面と被覆膜の表面とが嵌合状態に成っていることにより強固な密着性が実現されるものと推測される。そこで基材表面を被覆する被覆膜の剥離現象を詳細に調査したところ、基材表面の一部とダイヤモンドの被覆膜との間に空間つまりポアが生じていることを見いだした。更に、切削加工時には、このポア発生部位でダイヤモンド膜の剥離が生じ、切削工具の寿命を縮めていると考えられた。このポア発生部位に切削加工時に応力集中が起こるものと考えられた。この発明は、切削工具の長寿命化を達成するには、前記ポアの存在をできるだけなくすることが重要であるとの考えに基づく。
【００１２】
この発明に係る切削工具は、超硬合金基材にダイヤモンド含有硬質被覆膜を被覆してなる切削工具において、前記被覆膜の密度と超硬合金基材の密度とから求められる理論密度に対する見かけ密度の比である密度比が９９％以上であることが必須である。
【００１３】
この発明における被覆膜は、粒径が大きくても１μｍであるダイヤモンド粒子により形成される被覆膜であり、その一部においてダイヤモンド状炭素を含有することがある。この被覆膜がダイヤモンド粒子を含有することは、ラマン分光分析によるラマン散乱スペクトルの１３３３ｃｍ−１に現れるダイヤモンド起因のピークにより確認することができる。このラマン散乱スペクトルにおける前記ピークはダイヤモンド粒子が小さくなるにつれて低く成る傾向がある。そこでこの発明においては、極微少な微粒子状のダイヤモンドもダイヤモンド状炭素の概念に含める。ここで被覆膜の理論密度を３．５１５ｇ／ｃｍ３とする。従来の文献に基づくと、ダイヤモンド膜及びダイヤモンド状炭素のいずれにおいてもその理論密度が３．５１５ｇ／ｃｍ３であるからである。一方、超硬合金基材の理論密度は、超硬合金を形成する組成から、炭化タングステン：１５．６、炭化チタン：４．９８３、炭化ニオブ：８．２０、炭化タンタル：１４．５３、コバルト：８．５８の各理論密度を使用し、算術計算によって得られる値である。超硬合金基材の理論密度の算出の一例を以下に示すと、例えば、ＷＣ粉末（平均粒径：１〜２μｍ）８６質量％、Ｃｏ粉末（平均粒径：１〜２μｍ）５質量％、（Ｔｉ／Ｎｂ／Ｔａ）Ｃ粉末９質量％（Ti/Nb/Ta比が4/3/2の場合）を原料にした場合には、100／{（86/15.6）＋（5/8.85）＋（4/4.938）＋（3/8.20）＋（2/14.53）}の計算によりこの超硬合金基材の理論密度（ρｔｈ）は１３．５３ｇ／ｃｍ３であると決定することができる。超硬合金基材の表面に前記被覆膜を形成してなる切削工具自体の見かけ上の密度（見かけ密度。ρprcは、アルキメデス法により、決定することができる。
【００１４】
この発明に係る切削工具における理論密度に対する見かけ密度の割合（理論密度に対する見かけ密度：（ρｐｒｃ／ρｔｈ）×１００）は、９９％以上である。なお、この理論密度に対する見かけ密度の割合が前記範囲を下回ると、超硬合金基材の表面と被覆膜との間にポアが存在するものと考えられ、その考えとおりに被覆膜の超硬合金基材表面に対する密着性が悪くなってしまい、切削工具自体の切削性能が劣化する。
【００１５】
この発明に係る切削工具の基材をなす超硬合金基材は従来から公知の超硬合金で形成される。前記超硬合金として、例えばＷＣ−Ｃｏ系合金、ＷＣ−ＴｉＣ−Ｃｏ系合金、ＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣ−Ｃｏ系合金等のＷＣ基超硬合金を挙げることができる。この発明において好適な超硬合金としては、ＷＣ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａを含有する超硬合金が好ましい。
【００１６】
超硬合金基材は、例えば以下のようにして、前記超硬合金を形成する原料を用いて所定の形状に加工することにより容易に得ることができる。
【００１７】
超硬合金基材例えばＷＣ基超硬合金は、前記超硬合金基材を形成する材料、例えばＷＣ粉末、Ｔｉ、Ｎｂ若しくはＴａ又はこれらのいずれか二種若しくは三種の炭化物と、結合相としてのＣｏ及び／又はＮｉの粉末とを所定の割合にて混合、粉砕し、その後にバインダーとしてのパラフィン、エチレングリコール等の補助結合剤等とを所定の割合にて混合し、切削工具に必要な形状例えば図１に示されるような切削工具形状の成形体に成形する。なお、成形体が取り得る切削工具形状は図１に示す形状に限定されず、様々の形状例えばスローアウェイチップと称される様々の形状を含むことは言うまでもない。
【００１８】
前記超硬合金基材を形成する材料の好適な混合割合として、ＷＣを主成分とし、Ｔｉ、Ｎｂ若しくはＴａ又はこれらのいずれか二種若しくは三種の炭化物は０．２〜２０質量％、好ましくは０．５〜１０質量％、特に好ましくは１〜５質量％、Ｃｏ及び／又はＮｉは２〜１５質量％、好ましくは３〜１０質量％、特に好ましくは４〜７質量％である。
【００１９】
補助結合剤の配合割合は、通常の場合、前記超硬合金基材を形成する材料からなる混合物に対して１〜２質量％である。
【００２０】
前記焼結温度としては、通常の場合１３００〜１６００℃、好ましくは１３５０〜１５５０℃を挙げることができる。
【００２１】
前記成形体を焼結して得られた焼結体を更に表面研磨することにより超硬合金基材を得ることができる。
【００２２】
この発明における超硬合金基材においては、ダイヤモンド含有硬質被覆膜を形成する超硬合金基材の表面の粗さ、つまり表面粗さ（Ｒｚ）は、４μｍ以上、１０μｍ以下であるのが好ましい。超硬合金基材の表面粗さが４μｍ未満であると前記被覆膜との高い密着性を得ることができないことがあり、前記表面粗さが１０μｍを超えると超硬合金基材の凹凸表面における谷部分にまで、ダイヤモンド含有硬質被覆膜が到達しないことがあり、結局、前記被覆膜の超硬合金基材に対する高い密着性を実現することのできないことがある。
【００２３】
なお、前記表面粗さ（Ｒｚ）は、ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４により測定され、決定されることができる。
【００２４】
超硬合金基材の表面を前記表面粗さにするには、焼結して得られた超硬合金の表面を熱処理するのが、良い。熱処理温度としては、１３５０〜１４５０℃であり、超硬合金中に含まれる炭素量及びＣｏ等の金属の含有量によっては熱処理温度の下限値が低くなることがある。要するに、超硬合金の組成等に応じて適切な熱処理温度が決定される。
【００２５】
熱処理時間は、超硬合金基材の表面の凹凸の度合いに最も影響を及ぼす因子である。したがって、この熱処理時間を調節することにより、超硬合金基材の表面の凹凸の程度を調整することができる。効率良く、安定して超硬合金の表面凹凸状態を実現する目的の下では、熱処理時間は、通常、４時間〜３６時間である。
【００２６】
熱処理の雰囲気としては、常圧において超硬合金に対して不活性なガス、例えば希ガス例えばアルゴン等のガス雰囲気を挙げることができる。
【００２７】
熱処理をする装置として、窒素成分を揮発させない耐火物で形成された炉が、好ましい。
【００２８】
かくして表面粗さを特定の範囲に調整された超硬合金基材の表面にダイヤモンド含有硬質被覆膜が形成される。
【００２９】
前記被覆膜は、前記特許文献１〜４等に記載の公知の手法により形成されることができる。好適な被覆膜の形成法として、例えば以下の方法を挙げることができる。すなわち、超硬合金基材の表面を、好適には、活性化処理する。活性化処理は、例えば平均粒径が０．５〜１．０μｍであるダイヤモンド微粉末が懸濁している懸濁液に、この超硬合金基材を浸漬し、その懸濁液に超音波を照射する手法を挙げることができる。次いで、表面が活性化された超硬合金基材の表面に、熱フィラメントＣＶＤ法により、ダイヤモンド含有硬質被覆膜を、形成するのが、良い。熱フィラメントＣＶＤを行う際の反応管としては石英管が好ましい。またフィラメント材質としてはＷが好ましい。フィラメント温度は、超硬合金基材の表面温度が９００〜１１００℃になるように、９５０〜１０５０℃が好ましい。なお、この温度範囲内における低い温度及び前記下限値よりも低い温度になるとダイヤモンド状炭素が形成される傾向が増加する。雰囲気ガスは、炭素源ガスと水素ガスとの混合ガスであり、通常の場合、水素とメタンとの混合ガスが好適に用いられる。熱フィラメントＣＶＤ処理は、通常、１５０Ｔｏｒｒ以下の減圧下に行われる。熱フィラメントＣＶＤ処理の時間は、通常、１０〜３０時間である。
【００３０】
被覆膜として形成されるダイヤモンド及び／又はダイヤモンド状炭素は、その粒径が１μｍ以下であるのが好ましい。また被覆膜の厚みは１０μｍ以上かつ５０μｍ以下であるのが好ましく、特に１０μｍ以上かつ４５μｍ以下であるのが好ましい。ダイヤモンド及び／又はダイヤモンド状炭素の粒径が１μｍを超えると、超硬合金基材の凹凸面の底にまで被覆膜が到達しないことがあり、これがために被覆膜が剥離し易くなることがある。また、被覆膜の厚みが５０μｍを超えると、ダイヤモンドの粒径又はダイヤモンド状炭素の粒径が粗大になり、加工中に切削応力により脱粒し、所望の性能が得られないといった不都合を生じることがある。
【００３１】
かくして超硬合金基材の凹凸面にダイヤモンド含有硬質被覆膜を形成してなる切削工具が得られる。
【００３２】
この切削工具は、図１及び図３に示される形状のスローアウェイチップのみならず、型番ＳＰＧＮ１２０３０８、ＳＮＣＮ４３ＣＮ、ＴＰＣＮ４３ＰＤＲ、ＣＮＭＧ１２０４０４ＺＦ１、ＣＣＭＴ０６０２０４ＡＭ３、ＤＣＧＴ１１Ｔ３０２ＦＭ、ＴＢＧＮ０６０１０８等のスローアウェイチップとして使用されることができる。
【００３３】
また、この切削工具は、図２に示すように外径加工用ホルダーに装着することにより外径加工用工具として使用され、図４に示すように回転治具例えばフライスカッター用ホルダーに装着することによりフライスカッター用回転工具等として使用されることができる。
【００３４】
なお、図１〜４において１はこの発明の一例である切削工具を示し、２は外径加工用ホルダーを示し、３は押さえ金を示し、４は刃先を示し、６はフライスカッター用ホルダーを示し、７はフライスカッター用ホルダー本体を示し、８はスローアウェイチップ装着用カートリッジを示し、９はスローアウェイチップ取付け用くさびを示す。
【実施例】
【００３５】
（実施例及び比較例）
原料粉末として、平均粒径が１〜２μｍのＣｏ粉末５質量％、平均粒径が１〜２μｍの（Ｔｉ／Ｎｂ／Ｔａ）Ｃ粉末９質量％、残部として平均粒径が１〜２μｍのＷＣ粉末をアトライターで６時間かけて湿式混合粉砕した。得られた粉砕物とパラフィン系のバインダーとを、バインダーが２質量％になるように混合し、乾燥・造粒することにより粉末を得た。この粉末を金型に充填し、１．５トン／ｃｍ２以上の圧力で加圧成形することにより、ＩＳＯ規格のＳＰＧＮ１２０３０８のスローアウェイチップの形状に成形し、その後に脱脂処理をし、アルゴン雰囲気下に１４５０℃に加熱しながら１時間の焼結処理を行った。焼結体の表面を研磨した後に、アルゴン雰囲気下に、１４００℃で表１に示す加熱時間にて熱処理を行い、研磨焼結体の表面粗さを表１に示す値にして、基材番号１〜４の超硬合金基材を得た。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
超硬合金基材の表面粗さは、非接触式のレーザー顕微鏡を使用して刃先近傍の表面を測定して求めた。
【００３８】
これら超硬合金基材それぞれを、ダイヤモンド粒子をエタノールに懸濁する懸濁液中に浸漬し、この懸濁液に超音波を照射することにより、超硬合金基材の表面を活性化した。
【００３９】
次いで、活性化処理された前記超硬合金基材を熱フィラメントＣＶＤ装置に装填し、以下の条件下に、ダイヤモンド膜を前記超硬合金基材の表面に形成した。
【００４０】
ダイヤモンド合成条件
反応管：石英で形成された直径５０ｍｍの直管
フィラメント材質：Ｗ
フィラメント温度：２１００℃
超硬合金基材の表面温度：９５０℃
雰囲気ガス：メタンを２％含有する水素／メタン混合ガス
圧力：６０Ｔｏｒｒ
処理時間：７〜４８時間
超硬合金基材自体の理論密度は既に述べたように１３．５３ｇ／ｃｍ３と算出し、ダイヤモンドから成る被覆膜の理論密度を３．５１５ｇ／ｃｍ３とし、得られた切削工具自体の見かけ密度はアルキメデス法により決定して、理論密度に対する見かけ密度の割合を算出した。その割合（表２においては「密度の割合」と表示した。）を表２に示した。
【００４１】
かくして得られた切削工具を、以下の条件下で切削加工試験を行い、耐剥離性を評価した。
【００４２】
切削加工条件
被削材：ＡＣ４Ａ−Ｔ６（Ｓｉ：８〜１０％含有）
切削速度：４７１ｍ／分
切り込み深さ：０．５ｍｍ
送り速度：０．１〜１．６ｍｍ／ｒｅｖ
切削加工状態：湿式
表２における「膜厚」はダイヤモンドの被覆膜の厚みを示し、「粒径」は被覆膜を形成するダイヤモンド粒子の平均直径を示し、「密度の割合」は前記理論密度に対する見かけ密度の割合を示し、「送り量」は前記切削加工試験において被覆膜が剥離を生じさせたときの送り量を示す。
【００４３】
【表２】
2007130698.tif 000004
註１：切削装置の送り量限界である最大送り量の１．６ｍｍに到っても、被覆層の剥離が生じなかった。
註２：＊印は比較例である。
【００４４】
表２の結果から以下の事項を結論することができる。例５と１３とはダイヤモンドから成る被覆膜が超硬合金基材に密着せずに始めから剥離していた。例１０及び例１１は被覆膜の密度比が９８未満であるから送り量が０．２〜０．５程度で被覆膜と超硬合金基材との剥離が発生し、実用に耐え得ない。
例２〜４においては、送り量が１．６ｍｍに達しても被覆膜が超硬合金基材から剥離しなかった。例１においては、超硬合金基材の表面粗さが４μｍ未満であるから、超硬合金基材と被覆膜との密着性が、例２〜４程には高くなかったが、例６，７よりは密着性が高い。
実施例である例２と例６とを比較すると、また、実施例である例４と例７とを比較すると、例６及び例７はダイヤモンドの粒径が１μｍよりも大きく、密度の割合も低いので、例２及び例４の場合よりも被覆層と超硬合金基材との密着性が劣るが、０．７〜１μｍもの送り量を確保することができ、十分に実用に耐え得る。
また、実施例である例８，９は、比較例である例１０，１１と比較すると、同様な結果が得られている。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】図１は本発明のスローアウェイチップの斜視図である。
【図２】図２はホルダーに本発明のスローアウェイチップを装着した外径加工用切削工具の例である。
【図３】図３は本発明のスローアウェイチップの他の例の斜視図である。
【図４】図４はフライスカッター用ホルダーにスローアウェイチップを装着した切削工具の平面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１：スローアウェイチップ
２：外径加工用ホルダー
３：押さえ金
４：刃先
６：フライスカッター用ホルダー
７：フライスカッター用ホルダー本体
８：スローアウェイチップ装着用カートリッジ
９：スローアウェイチップ取付け用くさび
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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