(57)【要約】【課題】炭素鋼や合金鋼等の切削加工において、耐溶着性、及び、耐欠損性、特に、断続切削等における耐チッピング性、耐欠損性においても優れた表面被覆切削工具の製造方法を提供する。【解決手段】  ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットからなる工具基体に少なくとも酸化アルミニウム層を含む硬質被覆層を形成してなる表面被覆切削工具の製造方法において、（ａ）工具基体の表面に、該表面から順に、    ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層およびＴｉＣＮＯ層（以下、まとめて、Ｔｉ化合物層という。）のうちの１層または２層以上からなる、硬質被覆層の下部層と、    Ａｌ２Ｏ３層を含む硬質被覆層の上部層と、            下側層としてＴｉＯＸ（ただし、Ｘ＝１．３〜１．９）、上側層としてＴｉＯＮからなる最表面層と、      を化学蒸着法により形成し、    （ｂ）次に、ブラスト材として酸化ジルコニウム粒を用いた乾式または湿式ショットブラスト処理にて、少なくともすくい面の前記最表面層を除去することを特徴とする、表面被覆切削工具の製造方法。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットからなる工具基体に少なくとも酸化アルミニウム層を含む硬質被覆層を形成してなる表面被覆切削工具の製造方法において、
（ａ）工具基体の表面に、該表面から順に、
ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層およびＴｉＣＮＯ層（以下、まとめて、Ｔｉ化合物層という。）のうちの１層または２層以上からなる、硬質被覆層の下部層と、
Ａｌ２Ｏ３層を含む硬質被覆層の上部層と、
下側層としてＴｉＯＸ（ただし、Ｘ＝１．３〜１．９）上側層としてＴｉＯＮからなる最表面層と、
を化学蒸着法により形成し、
（ｂ）次に、ブラスト材として酸化ジルコニウム粒を用いた乾式または湿式ブラスト処理にて、少なくとも、すくい面の前記最表面層を除去することを特徴とする、表面被覆切削工具の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の表面被覆切削工具の製造方法において、前記（ｂ）における乾式または湿式ブラスト処理が、湿式ブラスト処理であることを特徴とする、請求項１に記載された表面被覆切削工具の製造方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の表面被覆切削工具の製造方法において、前記（ｂ）のブラスト処理が、０．２５〜０．３５ＭＰａの圧力でブラスト処理することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の表面被覆切削工具の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、炭素鋼や合金鋼等の切削加工において、耐溶着性、及び、耐欠損性、特に、断続切削等における耐チッピング性、耐欠損性においても優れた表面被覆切削工具(以下、単に「被覆工具」という)の製造方法に関し、被覆後の後処理の際に、主として最表面層のみを選択的に除去するための信頼性の高い方法を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、炭化タングステン（以下、ＷＣで示す）基超硬合金または炭窒化チタン（以下、ＴｉＣＮで示す）基サーメットで構成された基体（以下、工具基体という）の表面に、硬質被覆層の下部層として、Ｔｉの炭化物（以下、ＴｉＣで示す）層、窒化物（以下、同じくＴｉＮで示す）層、炭窒化物（以下、ＴｉＣＮで示す）層、炭酸化物（以下、ＴｉＣＯで示す）層および炭窒酸化物（以下、ＴｉＣＮＯで示す）層のうちの１層または２層以上からなるＴｉ化合物層を被覆し、その上に硬質被覆層の上部層として、α型結晶構造を有するＡｌ２Ｏ３層を被覆する、硬質被覆層を設けた被覆工具の製造方法が知られている。
そして、前記硬質被覆層を形成した被覆工具の切削性能を高めるための製造方法として、従来から種々の提案がなされている。
【０００３】
例えば、特許文献１によれば、従来の被覆切削工具においては、硬質被膜層の上部層であるＡｌ２Ｏ３層の上に、ＴｉＣｘＮｙＯｚ層を設け、該ＴｉＣｘＮｙＯｚ層をブラスト処理により除去することにより、最表面層であるＡｌ２Ｏ３層の残留応力が緩和され、耐欠損性に優れた被覆が形成されるものの、ブラスト処理によりＡｌ２Ｏ３層厚の減少が生じた場合には、剥離が発生するとの問題があったため、硬質被膜層の上部層であるＡｌ２Ｏ３層の上に、ＴｉＯｘ層を介してＴｉＣｘＮｙＯｚ層を設けて、アルミナ粒を用いて低いブラスト圧力でブラスト処理を行うことで、すくい面において、Ａｌ２Ｏ３層の直上層のＴｉＯｘ層を一部残留させるのみで、すくい面の最外層である、ＴｉＯｘ層及びＴｉＣｘＮｙＯｚ層をほぼ除去しつつ、前記したＡｌ２Ｏ３層の膜厚減少を抑制し剥離発生の問題を解決するとの提案がなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２９７５８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記特許文献１に示される被覆工具の製造方法の提案は、硬質被膜層の上部層であるＡｌ２Ｏ３層において、Ａｌ２Ｏ３層の層厚の減少を回避し、一定の層厚を維持することにより、Ａｌ２Ｏ３層の耐剥離性の改善を図るとするものであるが、昨今の被覆工具においては、断続切削等においても耐えうる、一層の耐チッピング性、耐欠損性が求められており、そのためには、Ａｌ２Ｏ３層の残留引張応力の一層の低減化を図るとともに、Ａｌ２Ｏ３層の更なる平滑化や最外層の除去による耐溶着性の向上を図ることが求められている。
しかしながら、これらの課題に関して、Ａｌ２Ｏ３層の低引張残留応力あるいは圧縮応力を達成するために、高いブラスト圧力でブラスト処理を行った場合には、最外層が完全に除去されるだけでなく、Ａｌ２Ｏ３層が過剰に研磨されてＡｌ２Ｏ３層の膜厚減少の虞が再度生じてしまうこととなる。
そこで、被覆工具の製造方法として、低引張残留応力あるいは圧縮応力を達成しつつ、Ａｌ２Ｏ３層の膜厚減少が抑制できる製造方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者等は、被覆工具の製造方法において、高いブラスト圧力でブラスト処理を行ってもＡｌ２Ｏ３層の膜厚の減少を抑制ができる製造方法について鋭意研究を重ねた結果、次のような知見を得た。
【０００７】
即ち、ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットからなる工具基体に少なくとも酸化アルミニウム層を含む硬質被覆層を形成し、更に、その上層として、下側層としてＴｉＯＸ（ただしｘ＝１．３から１．９）、上側層としてＴｉＯＮの一種以上からなる最表面層を化学蒸着法により形成した後、従来、ブラスト材として用いられていた酸化アルミニウム粉に換えて、特に、酸化ジルコニウム粒を用いブラスト処理を行うことで、Ａｌ２Ｏ３層の膜厚が減少することなく、前記最表面層の一部の面または全面を除去することができることを見出したものである。
ここで、ブラスト材として用いる酸化ジルコニウム粒は、従来用いられていた酸化アルミニウム粉に比べて、硬度が低いために研磨加工能力が劣るが、前記最表面層と組み合わせることで、Ａｌ２Ｏ３層の膜厚が減少することなく前記最表面層の除去が可能となるとともに、比重が、酸化アルミニウムに比べ、大きいため、酸化アルミニウム層の表面に対し低引張残留応力あるいは圧縮応力を付与するとの観点からも好ましいものである。
そして、さらに、ブラスト条件、具体的には、ウエットブラストを用い、例えば、砥粒の形状や粒径、並びに、投射角度などを調整することにより、実施することができる。
【０００８】
本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであって、
「（１）  ＷＣ基超硬合金またはＴｉＣＮ基サーメットからなる工具基体に少なくとも酸化アルミニウム層を含む硬質被覆層を形成してなる表面被覆切削工具の製造方法において、
（ａ）工具基体の表面に、該表面から順に、
ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層およびＴｉＣＮＯ層（以下、まとめて、Ｔｉ化合物層という。）のうちの１層または２層以上からなる、硬質被覆層の下部層と、
Ａｌ２Ｏ３層を含む硬質被覆層の上部層と、
下側層としてＴｉＯＸ（ただしｘ＝１．３から１．９）、上側層としてＴｉＯＮからなる最表面層と、
を化学蒸着法により形成し、
（ｂ）次に、ブラスト材として酸化ジルコニウム粒を用いたブラスト処理にて、少なくとも、すくい面の前記最表面層を除去することを特徴とする、表面被覆切削工具の製造方法。
（２）  前記（１）に記載の表面被覆切削工具の製造方法において、前記（ｂ）における乾式または湿式ブラスト処理が、湿式ブラスト処理であることを特徴とする、前記（１）に記載された表面被覆切削工具の製造方法。
（３）  前記（１）または（２）に記載の表面被覆切削工具の製造方法において、前記（ｂ）のブラスト処理が、０．２５〜０．３５ＭＰａの圧力でブラスト処理することを特徴とする前記（１）または（２）に記載の表面被覆切削工具の製造方法。」
に特徴を有するものである。
【０００９】
以下に、本発明に係る被覆工具の製造方法において得られる、硬質被覆層および最表面層や、ブラスト条件について説明をする。
【００１０】
（１）硬質被覆層
下部層；
Ｔｉ化合物層からなる下部層は、基本的には、Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層の下部に設けられ、工具基体と上部層のいずれにも強固に密着し、硬質被覆層の工具基体に対する密着性向上に寄与する作用を有するが、下部層自身の特性である高い硬度によって硬質被覆層に高い耐摩耗性、特に優れた耐逃げ面摩耗性を具備する。
このような下部層に好適な膜種としては、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＣＯ層およびＴｉＣＮＯ層のうちの１層または２層以上のＴｉ化合物層を挙げることができ、これらの層のうちの１層または２層以上により下部層を構成する。
また、下部層の平均層厚については特に限定するものではないが、その平均層厚が３μｍ未満では、前記作用を十分に発揮させることができず、一方、その平均層厚が２０μｍを越えると、耐欠損性に悪影響を及ぼすことから、下部層の平均層厚は３〜２０μｍとすることが望ましい。
【００１１】
上部層：
Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層は、その硬さ、耐熱性、耐酸化性によって、被覆工具の耐摩耗性を向上させる。本発明では、上部層の層厚を特に制限するものではないが、Ａｌ２Ｏ３層の平均層厚が１μｍ未満では長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性発揮することができず、一方、その平均層厚が１５μｍを超えると、チッピング、欠損、剥離等の異常損傷を発生しやすくなる。したがって、Ａｌ２Ｏ３層からなる上部層の平均層厚は１〜１５μｍとすることが望ましい。
【００１２】
（２）最表面層、ブラスト材としての酸化ジルコニウム粒、および、ブラスト条件
最表面層は、逃げ面においては、摩耗識別層としての機能を有しているが、すくい面においては、耐溶着性を向上させるために、ブラスト処理によって最表面層を除去し、耐溶着性に優れたＡｌ２Ｏ３層を露出させるとともに、被膜表面の平滑性を向上させる必要がある。特に、最表面層の上層側であるＴｉＯＮ層が摩耗識別層としての機能を有する。
酸化ジルコニウム粒はアルミナ粒よりも比重が大きいため、同一粒度の砥粒を用い同一圧力でブラスト処理を行った場合であっても、被膜の残留応力への効果が大きく、耐欠損性が向上する。しかしながら、ブラスト材としての酸化ジルコニウム粒は硬度が低く、アルミナ粒よりも研磨加工能力に劣るため、Ａｌ２Ｏ３層が露出しない虞があるが、最表面層の下側層として密着性に劣るＴｉＯｘを用いることで、研磨加工能力が劣る酸化ジルコニウム粒によるブラスト処理であっても、確実に最表面層の除去が可能となり、その結果、Ａｌ２Ｏ３層が膜厚減少することなく確実に最表面層を除去することが可能となる。
ここで、ＴｉＯＮ層は、まず、ＴｉＯｘ層を形成し、次いで、前記ＴｉＯｘ層の上に通常の条件でＴｉＮ層を蒸着形成することで、前記ＴｉＯｘ層から前記ＴｉＮ層への酸素の拡散反応によって形成する。
なお、密着性および摩耗識別の観点から、ＴｉＯｘ層およびＴｉＯＮ層の膜厚が、それぞれ、０．１〜３μｍ、０．０５〜２μｍが好ましい。
ブラストとしては、乾式ブラスト、および、湿式ブラストのうち、ブラスト材のハンドリングの観点から、湿式ブラストが好ましい。
また、ブラスト条件は切削性能に合わせて適宜設定するが、砥石粒度は１００〜４２５μｍ、ブラスト圧力は０．１５〜０．３５ＭＰａが好ましい。特に、ブラスト圧力については、Ａｌ２Ｏ３層の露出と残留応力の観点から、特に、０．２５〜０．３５ＭＰａが好ましい。
【００１３】
なお、投射角度を調整することにより、ブラスト処理液をすくい面および逃げ面の両方に投射することも可能である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る被覆工具の製造方法は、酸化ジルコニウム粒をブラスト材として用い、上部層であるＡｌ２Ｏ３層の最表面に形成されているＴｉＯｘ層−ＴｉＯＮ層からなる最表面層を除去することにより、上部層であるＡｌ２Ｏ３層の膜厚の減少を抑制しつつ、残留応力の緩和により、耐溶着性、耐チッピング性、耐欠損性において、すぐれた切削性能を発揮する被覆工具を製造し、その提供を行うものである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
つぎに、この発明の被覆工具の製造を実施例により具体的に説明する。
なお、ここでは、工具基体として、ＷＣ基超硬合金を使用した例を示すが、工具基体として、ＴｉＣＮ基サーメットを使用した場合も同様である。
【実施例１】
【００１６】
原料粉末として、いずれも１〜３μｍの平均粒径を有するＷＣ粉末、Ｃｒ３Ｃ２粉末およびＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、表１に示す配合組成に配合し、ワックスを加えてアセトン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を５Ｐａの真空中、１４５０℃、１時間保持の条件で真空焼結し、焼結後、切刃部にＲ：０．０５ｍｍのホーニング加工を施すことによりＩＳＯ・ＣＮＭＧ１２０４０８に規定するインサート形状のＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａを製造した。
【００１７】
ついで、この工具基体を、通常の化学蒸着装置に装入し、
まず、表２（表２中のｌ−ＴｉＣＮは特開平６−８０１０号公報に記載される縦長成長結晶組織をもつＴｉＣＮ層の形成条件を示すものであり、これ以外は通常の粒状結晶組織の形成条件を示すものである）に示される条件にて、表３に示される目標層厚のＴｉ化合物層を硬質被覆層の下部層として蒸着形成した。
【００１８】
ついで、前記下部層の表面に、表２に示される条件で表３に示される目標層厚のＡｌ２Ｏ３層を蒸着形成し、さらに、同じく表２に示される条件で、該Ａｌ２Ｏ３層上に表３に示される目標層厚のＴｉＯｘ層を形成した後、該ＴｉＯｘ層の上にＴｉＮ層を蒸着形成し、前記ＴｉＯｘ層から前記ＴｉＮ層への酸素の拡散反応によってＴｉＯＮ層を形成した。
下部層、上部層の厚さを、走査型電子顕微鏡を用いて測定（縦断面測定）したところ、いずれも目標層厚と実質的に同じ平均層厚（５点測定の平均値）を示した。また、ＴｉＯｘ層のｘはＥＰＭＡにより１．３〜１．９であることを確認した。
【００１９】
ついで、砥粒としてＺｒＯ２粒およびＡｌ２Ｏ３粒を用い、表４に示す条件にてすくい面に対してウエットブラスト処理を施した。なお、砥粒の種類以外のブラスト条件について、下記に示す条件とした。
砥粒粒度：１５０〜２１０μｍ
砥粒濃度：２０ｖｏｌ％
噴射角度：すくい面に対して９０゜方向
処理後の最表面の状態について、光学顕微鏡やＳＥＭを用いて観察した。
【００２０】
【表１】
2017177291.tif 000002
【００２１】
【表２】
2017177291.tif 000003
【００２２】
【表３】
2017177291.tif 000004
【００２３】
【表４】
2017177291.tif 000005
【００２４】
表４に示される結果から、本発明例である、最表面層の下側層としてＴｉＯｘ、上側層としてＴｉＯＮを被覆した被覆工具１に対してＺｒＯ２粒でブラスト処理を行った場合には、確実にすくい面のＡｌ２Ｏ３層を露出させることができるばかりでなく、比較的高い圧力でブラスト処理を行っても下地層であるＴｉ化合物層が露出することはない。一方、被覆工具１に対してＡｌ２Ｏ３粒でブラスト処理を行った場合（比較例１）には、比較的高い圧力では下地層であるＴｉ化合物層が露出してしまう。
また、最表面層としてＴｉＮを被覆した被覆工具２に対してＺｒＯ２粒でブラスト処理を行った場合（比較例２）に、最表面層を研磨除去してＡｌ２Ｏ３層を露出させるためには、長時間比較的高い圧力でブラスト処理することが必要となる。
また、被覆工具２に対してＡｌ２Ｏ３粒でブラスト処理を行った場合（比較例３）では、Ａｌ２Ｏ３粒は研磨加工性に優れているため比較的低い圧力でＡｌ２Ｏ３層を露出させることはできるが、残留応力の観点から高い圧力で処理を行うと、Ａｌ２Ｏ３層が薄膜化したり、研磨除去されて下地層であるＴｉ化合物層が露出したりしてしまう。
なお、本実施例では、比較的薄膜である２μｍにおいて、ブラスト処理後の膜厚測定を行わずに、露出状態を観察することで、Ａｌ２Ｏ３層の膜厚減少の影響についての作用効果を確認したが、厚膜においても同様な効果があることは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
以上のとおり、本発明によって製造される被覆工具は、比較的高い圧力でブラスト処理を行っても、最表面層を除去しつつＡｌ２Ｏ３層の膜厚減少が抑制できることから、切削装置の高性能化並びに切削加工の省力化および省エネ化による低コスト化および高作業性を実現できるものである。