切削工具及びその製造方法並びに切削方法

本発明は、金属等の切削加工に用いられる切削工具及びその製造方法並びに前記切削工具を用いた切削方法に関する。

従来から、超硬合金又はサーメット等からなる基体の表面にＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮ、Ａｌ２Ｏ３等をＣＶＤ法（化学蒸着法）、ＰＶＤ法（物理蒸着法）により被覆してなる硬質材が、切削工具に用いられている。 このような切削工具は、被覆層の耐摩耗性と、基体の強靭性とを兼ね備えており、例えば金属の切削加工等に幅広く利用されている。

しかしながら、上記のような切削工具において、基体と該基体の表面に形成された被覆層の密着性が劣る場合、切削加工中に被覆層が基体から剥離することにより急激に摩耗が進行し、切削工具の寿命が低下してしまうという問題があった。 また、基体と該基体の表面に形成された被覆層との密着性が低いことにより、切削加工において刃先に大きな衝撃が加わる場合、被覆層が剥離し、欠損が発生するという問題がある。

このような問題点を解決するために、従来は、基体の表面を粗面化して表面積を増加させてアンカー効果を得ることにより、基体と被覆層の密着力を向上させる方法（例えば、特許文献１参照）が提案されている。 また、基体の組成成分を被覆層に拡散させることにより、基体と被覆層との密着性を向上させる方法（例えば、特許文献２又は特許文献３参照）が提案されている。

具体的には、Ｃｏを含むＷＣ基超硬合金からなる基体の表面にＣＶＤ法により、ＴｉＣ又はＴｉＮの第１層、柱状晶結晶を含むＴｉＣＮの第２層、ＴｉＣ、ＴｉＣＯ等の第３層、Ａｌ２Ｏ３の第４層を順次被覆形成し、第１層と第２層又は第１〜３層までに基体中のＷ及びＣｏを拡散させた切削工具が開示されている。

特開平５−４４０１２号公報

特開平７−２４３０２３号公報

特開平８−１１８１０５号公報

しかしながら、基体の表面を粗面化してアンカー効果により基体と被覆層の密着力を向上させる方法では、粗面化された基体表面上に形成される被覆層の結晶状態にばらつきが発生し、十分に密着力を向上させることはできないという問題がある。

また、基体の組成成分を被覆層に拡散させることにより、基体と被覆層との密着性を向上させる方法では、基体表面において、被覆層中の拡散を詳細に観察すると、拡散層は著しく不均一になっている。 具体的に説明すると、結合金属であるＣｏが基体表面に露出した部分においては拡散量が多くなる。 しかし、炭化タングステン等の立方晶構造化合物の表面においては十分に拡散していない。 そのため、基体と被覆層との密着性の改善が不十分であるという問題がある。

そこで本発明は、上記問題点に鑑み、硬質相を結合金属にて結合した超硬合金からなる基体と、基体の表面上に形成されるＴｉＮ層との密着性を改善した硬質材からなる切削工具及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明における切削工具は、硬質材からなり、前記硬質材は、硬質相と結合金属とを含む基体と、該基体の表面に形成されたＴｉＮ層とを備えており、前記基体は、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒの少なくとも１種と、Ｗとを含む炭化物、窒化物、炭窒化物の少なくとも１種の固溶体からなるβ相を有しており、前記β相は、少なくとも一部が前記基体の表面に存在しており、前記ＴｉＮ層は、前記基体表面のβ相の直上に、該β相の結晶と同じ方位関係を持った結晶を有することを特徴とする。

また、上記発明における切削工具の製造方法は、硬質材からなる切削工具の製造方法であって、硬質相と、結合金属と、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒの少なくとも１種と、Ｗとを含む炭化物、窒化物、炭窒化物の少なくとも１種の固溶体からなるβ相とを含む基体を研磨して、前記β相を前記基体の表面に露出させる研磨工程と、前記基体表面の酸化を還元するともに、該基体表面にＮの結合肢を発生させる前処理工程と、ＣＶＤ法により前記基体上に、前記基体表面に露出したβ相上でエピタキシャル成長した部分を有するＴｉＮ層を形成するＴｉＮ層成膜工程とを有することを特徴とする。

本発明を用いることにより、基体と被覆層との密着力を向上させることができる。 これにより、切削加工時における膜剥離に起因する欠損を抑制できるとともに、耐欠損性に優れた切削工具を提供することができる。

本発明は、金属等の切削加工に用いられる切削工具に関するものである。 具体的には硬質相を結合金属にて結合した超硬合金からなる基体の表面上に、少なくともＴｉＮ層が形成された硬質材を用いた切削工具に関するものである。

なお、上記切削工具としては、ソリッドタイプのドリル又はエンドミルや、ろう付けタイプ又はスローアウェイタイプの旋削バイトに用いられるチップ等、切削に寄与する切刃部分を有するものが該当する。

本発明に用いられる基体は、硬質相と結合金属とを含んでいる。 本発明に用いられる硬質相は、周期表の４、５、６族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物から選ばれる少なくとも１種を含んでいるものが好ましい。 具体的には主成分は炭化タングステン（ＷＣ）であり、副成分として炭化チタニウム、炭化タンタル、炭化ニオブ、炭化ジルコニウム等が用いられる。 また、結合金属としては、従来から用いられているものであれば特に限定はなく、例えばＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ等の鉄族金属が使用可能である。

基体の表面には、被覆層が形成されており、該被覆層は１層または複数層を積層したものである。 本発明において、被覆層の最も基体側にはＴｉＮ層が形成されている。 ＴｉＮ層上には、例えば、柱状晶結晶を含むＴｉＣＮ層、ＴｉＣ層、ＴｉＣＯ層、Ａｌ２Ｏ３層等が適宜積層されていることが好ましい。

また、本発明に用いられる基体は、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒの少なくとも１種と、Ｗとを含む炭化物、窒化物、炭窒化物の少なくとも１種の固溶体からなるβ相を有している。

本発明の特徴として、前記ＴｉＮ層は、前記基体表面のβ相の直上に、該β相の結晶と同じ方位関係、すなわちエピタキシャル関係を持った結晶を有する。 換言すると、ＴｉＮ層は、基体との界面においてβ相の直上でエピタキシャル成長した部分を有する。 これにより、基体と被覆層との密着力を向上させることができる。

なお、エピタキシャル成長とは、基板結晶上に該基板結晶と同じ方位関係を持った結晶を成長させることをいう。

ここで、エピタキシャル成長した粒子は、透過型電子顕微鏡によって２００万倍でβ相とその直上のＴｉＮ層の粒子を確認した際に観察される結晶格子の縞模様（格子縞）がβ相からＴｉＮ粒子にかけて連続して見える状態にあると共に、制限視野電子線回折像において、β相とＴｉＮ粒子とが同じ格子構造を示す像であることの二点について分析することによって確認できる。

前記β相は、基体に対して１〜８ｗｔ％含まれていることが好ましい。 この範囲内においては、ＴｉＮ膜と基体の密着力と基体自体の強度のバランスが良好となる。 そのため、切削工具の耐摩耗性と耐欠損性が優れるものとなる。 なお、β相が１ｗｔ％以上の場合は、β相上にエピタキシャル成長するＴｉＮ層の面積が増加するとともに、基体とＴｉＮ層との密着力が向上しやすい。 β相が８ｗｔ％以下では、β相が適度に分散されており基体内で凝集し難い。 これにより、破壊の起点となりやすいβ相の凝集部分が発生しにくく、さらなる耐欠損性を得ることができる。

また、前記基体のＴｉＮ層との界面は、基準長さ１０μｍに対する最大高さＲｍａｘが０．０５〜０．３５μｍであることが好ましい。 特に最大高さＲｍａｘが０．１〜０．２μｍであることが好ましい。

前記Ｒｍａｘが０．０５μｍ以上の場合は、加工された表面が適度に活性な面となっており、加工後に基体の表面が過度に酸化するのを抑制することができるため、ＴｉＮ層がβ相上においてエピタキシャル成長しやすくなる。 また、前記Ｒｍａｘが０．３５μｍ以下であれば、表面が平滑に保たれており、ＴｉＮ層がβ相上においてエピタキシャル成長しやすい。

また、前記ＴｉＮ膜におけるＴｉＮ結晶の膜厚方向に対して垂直な方向の平均結晶幅が１０〜５０ｎｍの場合に最も付着力が向上し、エピタキシャル成長しやすくなる。 特に、前記平均結晶幅が１０〜３０ｎｍであることが好ましい。

前記ＴｉＮ膜におけるＴｉＮ結晶の膜厚方向に対して垂直な方向の平均結晶幅が１０ｎｍ以上の場合は、単位面積あたりの粒界が多くなりすぎず、エピタキシャル成長する領域を確保することができる。 また、前記平均結晶幅が５０ｎｍ以下の場合は、ＴｉＮ粒子自体の強度が維持されているため、強い衝撃が加わった場合であっても、ＴｉＮ層が破壊されにくく、欠損しにくくなる。

（製造方法）
上記本発明の切削工具を構成する超硬合金の製造方法の一例について説明する。

まず、炭化タングステン（ＷＣ）粉末に対して、金属コバルト（Ｃｏ）粉末を５．０〜１５．０ｖｏｌ％と、β相を形成するための化合物粉末として、炭化チタン粉末を０．８〜４．５ｖｏｌ％、炭化タンタル粉末を０．５〜７．０ｖｏｌ％の比率で調合する。

上記のように調合した粉末に加えて、所定時間混合・粉砕してスラリー状にした後、当該スラリーにバインダを添加し、スプレードライヤー等を用いて乾燥しながら混合粉末の造粒を行なう。 次に、造粒された粉末を用いてプレス成形により切削工具形状に成形を行なう。 その後、焼成炉にて脱脂を行なった後、焼成炉の温度を１４２０〜１５５０℃に上げて、１〜１．５時間焼成して超硬合金を作製することができる。

次に、研磨工程として、前記超硬合金からなる基体の表面を♯４００〜１０００程度の砥粒を用いてブラシで研磨する。 これにより、前記基体の表面にＴｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒの少なくとも１種と、Ｗとを含む炭化物、窒化物、炭窒化物の少なくとも１種の固溶体からなるβ相を露出させるとともに、その上に形成されるＴｉＮ層が、前記β相とエピタキシャル成長しやすい状態に整えることができる。 具体的には、基体のＴｉＮ層との界面は、基準長さ１０μｍに対する最大高さＲmaxが０．０５〜０．３５μｍとなるように、前記研磨工程におけるブラシの回転数及び圧力等を適宜調整する。

なお、ブラシによる研磨は、サンドブラストやエッチング等の表面粗さが大きくなりやすい研磨方法に比べて、表面粗さを上記範囲に調整しやすいため好ましい。

次に、前処理工程として、ＣＶＤ炉内において、Ｈ２を５０〜７５ｖｏｌ％、Ｎ２を２５〜５０ｖｏｌ％の範囲内でそれぞれ含み合計が１００ｖｏｌ％になるように混合したガスを導入し、前記導入するガスの常温常圧での体積をＶｇ（Ｌ／ｍｉｎ）、前記ＣＶＤ炉内の体積をＶｒ（Ｌ）としたときのＶｇ／Ｖｒ（１／ｍｉｎ）が０．１〜０．３になるように制御し、前記基体を前記ＣＶＤ炉内に保持する。 この前処理工程は、前記基体表面の酸化を還元するともに、該基体表面にＮの結合肢を発生させることを目的とするものである。 これにより、基体表面に形成されるＴｉＮ層が、基体の表面におけるβ相の結晶と同じ方位関係を持った結晶となりやすくなる。 換言すると、ＴｉＮ層が基体の表面におけるβ相とエピタキシャル成長しやすい状態にすることができる。

なお、前記処理時間は１０〜６０分程度、ＣＶＤ炉内の圧力は１０〜３０ｋＰａ、処理温度は８５０〜９５０℃で行なうことが好ましい。 当該範囲においては、基体表面にエピタキシャル成長が起こりやすい表面状態となる。

次に、ＴｉＮ層成膜工程として、前記ＣＶＤ炉内において、ＴｉＣｌ４が０．３〜１．２ｖｏｌ％、Ｈ２が３５〜６５ｖｏｌ％、Ｎ２が３５〜６５ｖｏｌ％の範囲内でそれぞれ含み合計が１００ｖｏｌ％になるように混合したガスを導入し、一定の圧力で前記Ｖｇ／Ｖｒ（１／ｍｉｎ）が０．７〜１．１になるように制御し、ＣＶＤ法により前記基体上に、前記基体表面に露出したβ相上でエピタキシャル成長した部分を有するＴｉＮ層を形成する。

このＴｉＮ層成膜工程においては、Ｖｇ（Ｌ／ｍｉｎ）の数値が大きくなる、即ち導入するガス量が前記前処理工程よりも大きく増加している。 この状態で、一定の圧力雰囲気下であればＣＶＤ炉でフローしているガスの流速が速くなる。 これにより、ＣＶＤ法によって成膜されるＴｉＮ層にエピタキシャル成長に必要なエネルギーを運動エネルギーとして供給することができる。

なお、前記圧力としては、７〜２０ｋＰａ、処理温度は、８６０〜１０００℃で行なうことが好ましい。 当該範囲においては、基体表面にＴｉＮ層がエピタキシャル成長しやすくなる。

上記製造方法のように、所定の研磨工程、所定の前処理工程を基体に施した後に所定のＴｉＮ層成膜工程を行なうことにより、基体表面に露出したβ相上にＴｉＮ層がエピタキシャル成長しやすくなり、基体とＴｉＮ層を含む被覆層との密着性を向上させることができる。

即ち、従来技術のように基体の表面を粗面化すると、その表面ではエピタキシャル成長が起こり難くなってしまう。 しかし、基体表面に研磨を施すと、表面の酸化が進み、基体表面のβ相上に形成するＴｉＮ層をエピタキシャル成長させることができる。 なお、本発明における研磨工程としては、鏡面またはＲｍａｘが０．０５μｍ以下であることが好ましい。

また、基体の材料である超硬合金は、例えば炭化タングステン等の六方晶であるのに対して、ＴｉＮ層は立方晶であり結晶系が異なることから、不整合転位などを加える必要があるなど、基体の表面に形成するＴｉＮ層を、前記β相の結晶と同じ方位関係を持った結晶とすることは非常に困難であった。

さらに、基体の表面に形成するＴｉＮ層を、基体のβ相とエピタキシャル成長をさせるためには、基体の結晶の格子幅にＴｉＮ層の格子幅を一致させる必要があった。 しかし、格子幅を一致されるためには大きなエネルギーが必要であり、ＣＶＤ法によってＴｉＮ層を形成する場合は、ＴｉＮ層成膜工程において十分なエネルギーを付与することはが困難であった。

そこで、出願人は実験を繰り返した結果、（１）基体の表面にＴｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒの少なくとも１種と、Ｗとを含む炭化物、窒化物、炭窒化物の少なくとも１種の固溶体からなるβ相を露出させるとともに、基体表面を平滑にする研磨工程、（２）前記基体表面の酸化を還元するともに、該基体表面にＮの結合肢を発生させる前処理工程、（３）所定の条件でＣＶＤ炉内にガス流を発生させて、ＴｉＮ層の成膜時にエピタキシャル成長に必要なエネルギーを供給するＴｉＮ層成膜工程、これらを順次行なうことにより、従来技術ではなしえなかった基体との界面においてＴｉＮ層をβ相の直上でエピタキシャル成長させることに成功した。

以下に本発明の実施例を、表を参照して説明する。

（実施例）
平均粒径１．４μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末、平均粒径１．６μｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末、平均粒径１．５μｍの炭化チタン（ＴｉＣ）粉末、平均粒径１．４μｍのＴａＣ粉末、その他ＺｒＣ、ＮｂＣをそれぞれ表１に記載の配合組成で添加、混合して、プレス成形により切削工具形状（ＣＮＭＧ１２０４０８）に成形した後、脱バインダ処理を施し、表１に記載の方法で焼成して試料Ｎｏ． Ａ−Ｄの超硬合金を作製した。

前記試料Ａ−Ｄの超硬合金内に含まれるβ相の量を蛍光Ｘ線回折分析（ＸＲＦ）により測定し、炭化物換算計算および体積換算計算したところ試料Ｎｏ． Ａは１．４ｖｏｌ％、試料Ｎｏ． Ｂは８ｖｏｌ％、試料Ｎｏ． Ｃは１ｖｏｌ％、試料Ｎｏ． Ｄは０ｖｏｌ％であった。

上記試料Ｎｏ． Ａ−Ｄの超硬合金を基体として、Ｎｏ． １から１５までの試料をそれぞれ準備して、基材の表面に表２に記載の各研磨工程を施した。 なお、表２における層厚は、基体と被覆層との界面、又は被覆層の各層の界面を含む任意破断面５ヵ所について、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を撮り、それぞれの層厚を数点測定し平均値を算出したものである。

さらに、前処理工程を表２及び表３に記載の各条件に設定して行なった。 次いで、成膜工程として、表２に記載の各層を表３の条件でＣＶＤ法により試料Ｎｏ． １から１５の切削工具を作製した。

なお、ＴｉＮ層が、基体表面のβ相の直上に、該βの結晶と同じ方位関係の結晶を含むか否か、即ちエピタキシャル成長しているか否かの確認については、制限視野電子線解析像で確認するともに、高分解能透過型電子顕微鏡（ＨＲ−ＴＥＭ）により、各資料の基材とＴｉＮ層との界面近傍の断面を観察し、多波干渉像にＴｉＮ層において基体のβ相部分から格子縞が連続である領域が確認されたものを、該β相と同じ方位関係を有しているものと判断した。 それに対して、ＴｉＮ層において基体のβ相部分から格子縞が不連続であり、それぞれの粒子の方位は異なっているものについては、β相の直上において、該β相と同じ方位関係を有していないと判断した。 なお、図１に、基材と被覆層との界面付近のエピタキシャル成長が確認できる断面の概略図を示す。

表２の結果から分かるように、本発明の製造方法を用いた試料Ｎｏ． １−１０については、ＴｉＮ層において基体のβ相部分から格子縞が連続である領域、即ち、β相の直上において、前記β相と同じ方位関係を有している箇所が確認された。 それに対して、試料Ｎｏ． １１−１５については、ＴｉＮ層は、β相の直上において、該β相と格子縞が不連続であり、前記β相と同じ方位関係を有している箇所は確認できなかった。

上記試料Ｎｏ． １から１５を用いて下記条件により、切削試験を行い、耐摩耗性（逃げ面摩耗、境界摩耗）、耐欠損性、刃先状態をそれぞれ測定した。 その結果を以下の表４に示す。

（切削条件）
（１）耐摩耗性試験被削材 ：ＳＵＳ３０４ 円柱材工具形状：ＣＮＭＧ１２０４０８
切込速度：２００ｍ／分送り速度：０．２ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１．５ｍｍ
切削時間：２０分切削状態：湿式切削（２）耐欠損性試験被削材 ：ＳＵＳ３０４ 円柱材（溝付き）
工具形状：ＣＮＭＧ１２０４０８
切込速度：１７０ｍ／分送り速度：０．３ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１．５ｍｍ
切削状態：湿式切削

表４から分かるように、ＴｉＮ層が、基体表面のβ相の直上に、該βの結晶と同じ方位関係の結晶を含む試料Ｎｏ． １−１０については、エピタキシャル成長した部分が確認できなかった試料Ｎｏ． １１−１５に比べて、逃げ面摩耗、境界摩耗、耐欠損試験、刃先状態のすべてにおいて優れた結果を得ることができた。

これは、ＴｉＮ層が基体表面のβ相の結晶と同じ方位関係の結晶ことにより、当該箇所において基体と被覆層との密着力を向上し、その結果、切削加工時における欠損を抑制できたものと考えられる。 また、基体と被覆層との界面において、圧力が集中する部分を低減することができ、切削工具の耐久性を向上させることができたものと考えられる。

次に、本発明の切削工具を用いた切削方法について図面を参照して説明する。

図２から図４に本発明の切削方法における概略図を示す。 まず、図２に示すように、切削工具１５と被削材２０とを準備し、被削材２０を回転させて切削工具１５を被削材２０に近づける。 なお、切削工具１５と被削材２０とは、相対的に近づけば良く、例えば、被削材１０を切削工具１５に近づけても良い。

次いで、図３に示すように、切削工具１５を被削材２０に接触させて切削する。 その後、図４に示すように被削材２０から切削工具１５を離間させる。 なお、切削加工を継続する場合は、被削材２０を回転させた状態を保持して、被削材２０の異なる箇所に切削工具１５を接触させる工程を繰り返す。

上記切削方法としては、外径加工、具体的には横引き加工を例に説明したが、内径加工等その他の切削加工にも用いることができる。

基材と被覆層との界面付近のを含む断面の概略図である。

本発明の切削方法の工程を示す概略図である。

本発明の切削方法の工程を示す概略図である。

本発明の切削方法の工程を示す概略図である。

符号の説明

１ 基材２ ＴｉＮ層３ 界面４ β相Ａ ＴｉＮ層のエピタキシャル成長箇所（β相の結晶と同じ方位関係を有する箇所）