(57)【要約】  【課題】  突発欠損しやすい切削加工においても安定した切削加工が可能な切削工具を提供する。  【解決手段】  超硬合金からなる基体６の表面を被覆層５で被覆し、切刃４における基体６と被覆層５との界面にはオージェ分光分析法で測定される酸素量が１０原子％以下であり、かつ界面に算術平均粗さＲａ値換算で５０〜１５０ｎｍの微細凹凸が形成されている切削工具１である。【選択図】  図１
2012030309.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超硬合金からなる基体の表面を被覆層で被覆した切削工具であって、切刃における前記基体と前記被覆層との界面にはオージェ分光分析法で測定される酸素量が１０原子％以下であり、かつ該界面に算術平均粗さＲａ値換算で５０〜１５０ｎｍの微細凹凸が形成されている切削工具。
【請求項２】
すくい面および逃げ面においては、基体と前記被覆層との界面には酸素量が１０原子％より多く、かつ該界面の凹凸が算術平均粗さＲａ値換算で５０ｎｍ未満である請求項１記載の切削工具。
【請求項３】
焼成にて超硬合金からなる基体を作製する工程と、前記超硬合金の少なくとも切刃をホーニング加工する工程と、微細凹凸研磨加工する工程と、洗浄する工程と、該洗浄された基体に被覆層を成膜する工程とを含む切削工具の製造方法。
【請求項４】
砥粒＃２００〜＃４００の砥石を用いて、荷重１５〜３５Ｎで微細凹凸研磨加工する請求項３記載の切削工具の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は切削工具に関し、特に被覆層との密着性に優れた超硬合金からなる切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から金属の切削加工に広く用いられている切削工具として、超硬合金の表面に被覆層を被覆したコーティング工具が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、基体の表面を研磨加工して表面粗さＲａ＝０．１５〜０．４μｍに制御することが開示されている。
【０００４】
また、特許文献２では、基体の表面を洗浄して表面に存在する脆化相を除去する方法が開示されている。
【０００５】
さらに、特許文献３では、超硬合金基体の表面をＲｍａｘが０．２〜１．３μｍとなるように加工した後、レーザ照射等により基体の表面にη相を点在させ、その基体の表面に化学蒸着膜を成膜した切削工具が開示され、高硬度なη相の存在で基体の耐摩耗性が向上して工具寿命が長くなることが記載されている。
【０００６】
さらには、特許文献４では、基体の表面に被覆層を成膜した後、ブラスト加工やブラシ加工によって被覆層の表面を加工する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平０６−１０８２５３号公報
【特許文献２】特開平０９−２４１８２６号公報
【特許文献３】特開２００２−３２９８０８号公報
【特許文献４】特開２００６−１１３５５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１のように基体の表面を研磨加工する方法では、被覆層の密着性が向上するものの、さらなる密着性の向上が必要な場合があった。また、特許文献２のように化学的に脆化相を除去する方法では、脆化相は除去できるが更なる被覆層の密着性の向上が求められていた。さらに、特許文献３のように基体の表面を加工した後にレーザ照射する方法では、加工面に酸化物が生成しやすくて被覆層の密着性には限界があった。また、特許文献４のように被覆層の表面から研磨加工する方法でも、基体と被覆層との界面における密着性には問題があった。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、基体と被覆層との密着性を向上させて、被覆層が剥離しにくい安定した切削性能を発揮することができる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】
【００１０】
本発明の切削工具は、超硬合金からなる基体の表面を被覆層で被覆して、切刃における前記基体と前記被覆層との界面にはオージェ分光分析法で測定される酸素量が１０原子％以下であり、かつ該界面に算術平均粗さＲａ値換算で５０〜１５０ｎｍの微細凹凸が形成
されていることを特徴とする。
【００１１】
ここで、上記構成において、すくい面および逃げ面においては、基体と前記被覆層との界面には酸素量が１０原子％より多く、かつ該界面の凹凸が算術平均粗さＲａ値換算で５０ｎｍ未満であることが望ましい。
【００１２】
また、本発明の切削工具の製造方法は、焼成にて超硬合金からなる基体を作製する工程と、前記超硬合金の少なくとも切刃をホーニング加工する工程と、微細凹凸研磨加工する工程と、洗浄する工程と、該洗浄された基体に被覆層を成膜する工程とを含むものである。
【００１３】
このとき、荷重１５〜３５Ｎで、砥粒＃２００〜＃４００の砥石を用いて微細凹凸加工することが望ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の切削工具によれば、基体と被覆層との界面に酸化物が介在せず、かつ界面の凹凸が算術平均粗さＲａ値換算で５０〜１５０ｎｍであることから、基体と被覆層との間の密着性が良くてチッピングや膜剥離の発生がなく、切削工具として安定した切削が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の切削工具の一例について、（ａ）斜視図、（ｂ）被覆層の近傍についての模式断面図である。
【図２】図１の切削工具について、基体と被覆層との界面における原子間力顕微鏡分析（ＡＦＭ）データであり、（ａ）上方から見た斜視図、（ｂ）上面から見た平面図、（ｃ）（ｂ）のＡ−Ａ線についての断面図である。
【図３】従来の切削工具の一例について、基体と被覆層との界面における原子間力顕微鏡分析（ＡＦＭ）データであり、（ａ）上方から見た斜視図、（ｂ）上面から見た平面図、（ｃ）（ｂ）のＡ−Ａ線についての断面図である。
【図４】（ａ）図１の切削工具、（ｂ）従来の切削工具についての基体と被覆層との界面におけるオージェ電子分光分析（ＡＥＳ）データである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の切削工具の一例について、被覆層の近傍についての模式段面図である図１、図１の切削工具および従来の切削工具の一例について、基体と被覆層との界面における原子間力顕微鏡分析（ＡＦＭ）データであり、（ａ）上方から見た斜視図、（ｂ）上面から見た平面図、（ｃ）（ｂ）のＡ−Ａ線についての断面図である図２、３、（ａ）図１の切削工具、（ｂ）従来の切削工具についての基体と被覆層との界面におけるオージェ電子分光分析（ＡＥＳ）データである図４を基に説明する。
【００１７】
図１のスローアウェイチップ１は、超硬合金からなる基体６の表面を被覆層５で被覆した切削工具であって、すくい面２と逃げ面３との交差稜線部である切刃４における基体６と被覆層５との界面には、図４に示すように酸素含有量は１０原子％以下で、かつ図２、３の原子間力顕微鏡分析（ＡＦＭ）データから明らかなように、この界面には算術平均粗さＲａ値換算で５０〜１５０ｎｍの凹凸が存在する。これによって、基体６と被覆層５との間の密着性が良くてチッピングや膜剥離の発生がなく、切削工具として安定した切削が可能となる。
【００１８】
なお、実際の切削工具については基体６と被覆層５との界面は被覆層５で覆われているので、図２のような原子間力顕微鏡分析（ＡＦＭ）で観察することができないが、基体６
と被覆層５との界面の状態の違いを示すために図２、３を示している。そのため、本発明においては、凹凸の状態を、基体６と被覆層５の界面については断面における顕微鏡写真から見積もっている。具体的には、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察を行い、界面の凹凸をトレースして、ＪＩＳＢ０１６０１に準拠して評価長さ５００ｎｍ、カットオフ値１００ｎｍで算術平均粗さＲａを算出することによって評価する。また、オージェ分光分析法にて基体６と被覆層５との界面での酸素含有量を測定する。
【００１９】
ここで、上記構成において、すくい面２および逃げ面３においては、基体６と被覆層５との界面には酸素量が１０原子％より多く、かつ該界面の凹凸が表面粗さＲａ値換算で５０ｎｍ未満であることが、被覆層５が摩耗して基体が露出する際にベラーグを生成して基体６の摩耗の進行を抑制できるとともに、製造が容易である点で望ましい。
【００２０】
なお、図１（ｂ）によれば、基体６の表面に被覆された被覆層５は、１層目がＴｉＮ層７、２層目がＴｉＣＮ層８（８ａ、８ｂ、８ｃ）、３層目がＴｉ（ＣｘＮｙＯｚ）（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦０．６、０≦ｙ≦０．６、０．２≦ｚ≦０．８）からなる中間層１１、４層目がα型結晶構造のＡｌ２Ｏ３層（以下、単にＡｌ２Ｏ３層と略す。）１２、５層目がＴｉ（ＣｘＮｙＯｚ）ａ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦０．６、０≦ｙ≦０．６、０．２≦ｚ≦０．８、１．０≦ａ≦１．７）からなる最表層１４とが順に積層された構成からなる。
【００２１】
なお、基体６は、ＷＣ相、結合相、および所望によりＢ１型固溶相から形成されている。
【００２２】
（製造方法）
また、本実施形態のスローアウェイチップ１の製造方法の一実施形態について説明する。
【００２３】
まず、上述した硬質合金を焼成によって形成しうる金属炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物等の無機物粉末に、金属粉末、カーボン粉末等を適宜添加、混合し、プレス成形、鋳込成形、押出成形、冷間静水圧プレス成形等の公知の成形方法によって所定の工具形状に成形する。その後、得られた成形体を真空中または非酸化性雰囲気中にて焼成することによって上述した硬質合金からなる基体を作製する。
【００２４】
そして、上記基体の表面に所望によってチップの両面を研磨加工した後、切刃部にホーニング加工を施した後、砥粒＃２００〜＃４００の砥石を用いて、荷重１５〜３５Ｎで研磨加工する微細凹凸研磨加工を施し、酸洗浄した後に有機溶剤にて洗浄する。この工程によって、基体６の表面には所定の凹凸が形成されるとともに、基体の表面に残存している不純物酸素を除去することができる。
【００２５】
次に、得られた基体６の表面に化学気相蒸着（ＣＶＤ）法によって被覆層を形成する。始めに、基体をＣＶＤ装置のチャンバ内にセットする。このとき、中央にネジ孔の空いた基体を串刺しにし、基体間の間隔を調整することにより、すくい面、逃げ面および切刃に成膜される被覆層の厚みを調整することができる。
【００２６】
成膜に際しては、まず、基体の直上に１層目としてＴｉＮ層を形成する。ＴｉＮ層の成膜条件としては、混合ガス組成として四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）ガスを０．５〜１０体積％、窒素（Ｎ２）ガスを１０〜６０体積％の割合で含み、残りが水素（Ｈ２）ガスからなる混合ガスを用い、成膜温度を８００〜９４０℃（チャンバ内）、圧力を８〜５０ｋＰａにて成膜される。
【００２７】
次に、２層目としてＴｉＣＮ層を形成する。ここでは、ＴｉＣＮ層が、平均結晶幅が小さい微細柱状結晶層と、この層よりも平均結晶幅が大きい粗柱状結晶層とのＭＴ−ＴｉＣＮ層と、ＨＴ−ＴｉＣＮ層との３層にて構成する場合の成膜条件について説明する。
【００２８】
ＭＴ−ＴｉＣＮ層のうちの微細柱状結晶層の成膜条件は、四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）ガスを０．５〜１０体積％、窒素（Ｎ２）ガスを１０〜６０体積％、アセトニトリル（ＣＨ３ＣＮ）ガスを０．１〜０．４体積％の割合で含み、残りが水素（Ｈ２）ガスからなる混合ガスを用い、成膜温度を７８０〜９００℃、圧力を５〜２５ｋＰａとする。ＭＴ−ＴｉＣＮ層のうちの粗柱状結晶層の成膜条件は、四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）ガスを０．５〜４．０体積％、窒素（Ｎ２）ガスを０〜４０体積％、アセトニトリル（ＣＨ３ＣＮ）ガスを０．４〜２．０体積％の割合で含み、残りが水素（Ｈ２）ガスからなる混合ガスを用い、成膜温度を７８０〜９００℃、圧力を５〜２５ｋＰａとする。
【００２９】
ＨＴ−ＴｉＣＮ層の成膜条件は、四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）ガスを０．１〜３体積％、メタン（ＣＨ４）ガスを０．１〜１０体積％、窒素（Ｎ２）ガスを０〜１５体積％の割合で含み、残りが水素（Ｈ２）ガスからなる混合ガスを用い、成膜温度を９５０〜１１００℃、圧力を５〜４０ｋＰａとして成膜する。そして、チャンバ内を９５０〜１１００℃、５〜４０ｋＰａとし、四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）ガスを１〜５体積％、メタン（ＣＨ４）ガスを４〜１０体積％、窒素（Ｎ２）ガスを１０〜３０体積％、一酸化炭素（ＣＯ）ガスを４〜８体積％、残りが水素（Ｈ２）ガスからなる混合ガスを調整して反応チャンバ内に１０〜６０分導入して成膜した後、続いて体積％で二酸化炭素（ＣＯ２）ガスを０．５〜４．０体積％、残りが窒素（Ｎ２）ガスからなる混合ガスを調整して反応チャンバ内に導入し、成膜温度を９５０〜１１００℃、５〜４０ｋＰａにて、二酸化炭素（ＣＯ２）ガスを０．５〜１０体積％、残りが窒素（Ｎ２）ガスからなる混合ガスを反応チャンバ内に１０〜６０分導入することによって、ＨＴ−ＴｉＣＮ層を酸化させてＴｉＣＮＯ層に変化させながら中間層を成膜する。なお、このＣＯ２ガスを含む混合ガスを流す工程を経ることなく中間層を形成することもできるが、α型Ａｌ２Ｏ３層を構成する結晶を微細なものとするためには、ＣＯ２ガスを含む混合ガスを流す工程を経ることが望ましい。
【００３０】
続いて体積％で二酸化炭素（ＣＯ２）ガスを０．３〜４．０体積％、残りが窒素（Ｎ２）ガスからなる混合ガスを調整して反応チャンバ内に導入し、成膜温度を１０００〜１１００℃、５〜４０ｋＰａにて、反応チャンバ内に５〜３０分導入することによって、被覆層表面の表面粗さを粗くする。そして、引き続き、α型Ａｌ２Ｏ３層を形成する。α型Ａｌ２Ｏ３層の成膜条件としては、三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ３）ガスを０．５〜５．０体積％、塩化水素（ＨＣｌ）ガスを０．５〜３．５体積％、二酸化炭素（ＣＯ２）ガスを０．５〜５．０体積％、硫化水素（Ｈ２Ｓ）ガスを０〜０．５体積％、残りが水素（Ｈ２）ガスからなる混合ガスをチャンバ内に導入し、成膜温度を９５０〜１１００℃、圧力を５〜１０ｋＰａとして成膜することが望ましい。
【００３１】
さらに、α型Ａｌ２Ｏ３層の上層に最表層を形成する。四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）ガスを１〜１０体積％、メタン（ＣＨ４）ガスを４〜１０体積％、窒素（Ｎ２）ガスを０〜６０体積％の割合で含み、残りが水素（Ｈ２）ガスからなる混合ガスを反応チャンバ内に導入し、チャンバの温度を９６０〜１１００℃、圧力を１０〜８５ｋＰａとして、成膜時間を１分〜１０分の間で成膜することで膜厚みを調整した後、続いて体積％で二酸化炭素（ＣＯ２）ガスを０．５〜４．０体積％、残りが窒素（Ｎ２）ガスからなる混合ガスを調整して反応チャンバ内に導入し、成膜温度を９５０〜１１００℃、５〜４０ｋＰａにて、反応チャンバ内に５〜３０分導入することによって、ＨＴ−ＴｉＣＮ層を酸化させてＴｉＣＮＯ層に変化させながら最表層を成膜する。Ｔｉに対する酸素の比率は、二酸化炭素（ＣＯ２）ガスの濃度や酸化時間により調整する。
【００３２】
そして、所望により形成した被覆層の表面の少なくとも切刃部、望ましくは切刃部とすくい面を研磨加工する。この研磨加工により、切刃部およびすくい面が平滑に加工され、被削材の溶着を抑制して、さらに耐欠損性に優れた切削工具となる。
【実施例】
【００３３】
平均粒径１．５μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末に対して、平均粒径１．２μｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末を６質量％の割合で添加、混合して、プレス成形により切削工具形状（ＣＮＭＧ１２０４１２）に成形した。得られた成形体について、脱バインダ処理を施し、０．５〜１００Ｐａの真空中、１４００℃で１時間焼成して超硬合金を作製した。さらに、作製した超硬合金に対して、両頭加工を施した後、表１に示す条件でＲホーニング加工および微細凹凸加工を施した。
【００３４】
次に、上記の加工した超硬合金の表面に化学気相蒸着（ＣＶＤ）法によって、０．５μｍの窒化チタン（ＴｉＮ）膜、９．０μｍの柱状の結晶構造をなす炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）膜、３μｍのα型酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜の被覆層を順次成膜して、試料Ｎｏ．１〜７の表面被覆切削工具を作製した。
【００３５】
得られた工具に対して、切刃およびすくい面における基体と被覆層との界面（表中、切刃界面およびすくい面界面と記す。）について透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察を行い、界面の凹凸をトレースして、ＪＩＳＢ０１６０１に準拠して評価長さ５００ｎｍ、カットオフ値１００ｎｍで算術平均粗さＲａを算出した。また、オージェ分光分析法にて界面での酸素含有量を測定した。結果は表１に示した。
【００３６】
そして、この工具を用いて下記の条件により強断続切削試験を行い、切削工具の耐欠損性を評価した。
（切削条件）
被削材  ：ＦＣＤ７００
工具形状：ＣＮＭＧ１２０４１２
切削速度：１５０ｍ／分
送り速度：０．１５〜０．３ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１．５ｍｍ
切削液  ：エマルジョン１５％＋水８５％混合液
評価項目：衝撃回数２０００回以内に欠損した試料の個数（評価数２０個）
および衝撃回数２０００回で欠損しなかった試料の刃先状態の確認
結果は表１に示した。
【００３７】
【表１】
2012030309.tif 000003
【００３８】
表１に示す結果より、切刃における基体と被覆層との界面における酸素量が１０原子％を超える試料Ｎｏ．５、および基体と被覆層との界面粗さが５０ｎｍより小さい試料Ｎｏ．６では、膜剥離が発生して少ない衝撃回数で寿命となった。また、基体と被覆層との界面における界面粗さが１５０ｎｍより大きい試料Ｎｏ．７では、早期に膜剥離と欠損が発生してしまった。
【００３９】
これに対して、切刃における基体と被覆層との界面における酸素量が１０原子％以下であり、かつ界面粗さが５０〜１５０ｎｍの微細凹凸が形成されている試料Ｎｏ．１〜４では、突発欠損の発生が抑制されて安定した切削加工が可能であった。
【符号の説明】
【００４０】
１    スローアウェイチップ
２    すくい面
３    逃げ面
４    切刃
５    被覆層
６    基体
７    ＴｉＮ層
８（８ａ、８ｂ、８ｃ）    ＴｉＣＮ層
１１  Ｔｉ（ＣｘＮｙＯｚ）（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦０．６、０≦ｙ≦０．６、０．２≦ｚ≦０．８）からなる中間層
１２  Ａｌ２Ｏ３層
１４  最表層
【図１】
2012030309.tif 000004
【図２】
2012030309.tif 000005
【図３】
2012030309.tif 000006
【図４】
2012030309.tif 000007