JP5879664B2 - 切削工具 - Google Patents

Description

本発明は、基材と該基材上に形成された被膜とを含む切削工具に関する。

従来から、基材として立方晶窒化硼素焼結体等を用いた切削工具の寿命を向上させる試みが成されてきた。たとえば、以下のような試みが提案されている。

すなわち、特開２００１−２２０２６８号公報（特許文献１）には、基材表面または被膜表面の少なくとも一方を研磨することにより、被膜表面の中心線平均面粗さＲａを０．２μｍ以下とすることが開示されている。

特開２００７−２８３４８７号公報（特許文献２）には、ホーニング面の表面粗さＲｚを０．１Ｚ〜０．５Ｚの範囲に設定したスローアウェイチップが開示されている。

特開２０１２−１５７９１５号公報（特許文献３）および特開２０１２−１５７９１６号公報（特許文献４）には、被膜に接する側の基材表面に凹凸が形成されており、逃げ面とすくい面の表面粗さ、基材上の凹部と凸部の高さと間隔の絶対値、および逃げ面側とすくい面側との大小関係を規定することにより、基材と被膜との密着性を良好に保ち、切削加工での凝着防止もしくは加工面品位の向上を達成することが開示されている。

特開２００５−２７９８２１号公報（特許文献５）および特開２００５−２７９８２２号公報（特許文献６）には、逃げ面とすくい面の表面粗さの大小関係を規定し、耐摩耗性を維持した状態でチッピングを抑制することが開示されている。

特開２００１−２２０２６８号公報 特開２００７−２８３４８７号公報 特開２０１２−１５７９１５号公報 特開２０１２−１５７９１６号公報 特開２００５−２７９８２１号公報 特開２００５−２７９８２２号公報

特許文献１では、被膜への負荷が大きい高能率加工においては、Ｒａ０．２μｍ以下の規定および基材と被膜の少なくとも一方を研磨することによっては不十分であり、表面に溶着が発生することによりチッピング、剥離が発生する可能性がある。

特許文献２では、被膜を有さない切削工具の基材の面粗さを規定し溶着を低減させているが、特に高能率加工において耐摩耗性を向上させるには立方晶窒化硼素焼結体と比べ耐熱性のある被膜が必要であり、基材の面粗さを規定するのみでは寿命の向上は不十分である。

特許文献３および特許文献４では、立方晶窒化硼素焼結体は被膜との密着力が得られにくく、基材凹凸の規定によっては、近年の焼き入れ鋼切削における浸炭除去加工や高送り条件等のような過酷な切削条件に対しては効果が不十分である。また、基材の面粗さのみを規定することによっては、膜表面の平滑さが十分でなく、焼入れ鋼においては切削抵抗の背分力が主分力と比べより高くなるために、ネガランド面と逃げ面に溶着が増加することを防ぎきれない。

特許文献５および特許文献６では、立方晶窒化硼素焼結体を基材とし、基材より硬度の低い被膜を形成した工具を想定していない。特に立方晶窒化硼素焼結体は被膜との密着力が得られにくく、また被膜の総膜厚が薄いため、被覆立方晶窒化硼素焼結体工具に対しては、十分な効果が得られない。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、高負荷および高能率切削条件下でも、安定した加工ができる長寿命の切削工具を提供することを目的とする。

本発明に係る切削工具は、基材と該基材上に形成された被膜とを含む切削工具であって、上記基材は、３０〜８０体積％の立方晶窒化硼素と結合材とを含む焼結体であり、上記結合材は、周期律表４族元素（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）、５族元素（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ）、６族元素（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ）およびアルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、硼素、炭素、窒素および酸素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を少なくとも１種含み、上記被膜と接する上記基材の表面は、上記立方晶窒化硼素からなる複数の凸部と、上記結合材からなる複数の凹部とを有し、上記被膜は、Ｍ１_ｘＬ１_ｙ（ただし、ｘおよびｙは原子比を示し、０＜ｘ≦１．２、ｙ＝１であり、Ｍ１は、周期律表４族元素、５族元素、６族元素、アルミニウムおよび珪素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素であり、Ｌ１は、硼素、炭素、窒素および酸素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素である）という組成を有する層を少なくとも一層含み、上記被膜と接する上記基材の表面の表面粗さＲｓｕｂは、０．１〜０．４μｍであり、上記被膜の最表面の表面粗さＲｓｕｒｆは、０〜０．１５μｍであり、上記被膜の最表面の表面粗さＲａｓｕｒｆは、０〜０．１μｍであり、上記被膜と接する上記基材の表面の表面粗さＲｓｕｂは、上記被膜の最表面の表面粗さＲｓｕｒｆよりも大きいことを特徴とする。

本発明の切削工具は、上記の構成を有することにより、高負荷および高能率切削条件下でも、安定した加工ができる長寿命のものとなる。

[本願発明の実施形態の説明]
まず、本願発明の実施形態（以下「本実施形態」とも記す）の概要を以下の（１）〜（４）に列記して説明する。

（１）本実施形態に係る切削工具は、基材と該基材上に形成された被膜とを含む切削工具であって、上記基材は、３０〜８０体積％の立方晶窒化硼素と結合材とを含む焼結体であり、上記結合材は、周期律表４族元素、５族元素、６族元素およびアルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、硼素、炭素、窒素および酸素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を少なくとも１種含み、上記被膜と接する上記基材の表面は、上記立方晶窒化硼素からなる複数の凸部と、上記結合材からなる複数の凹部とを有し、上記被膜は、Ｍ１_ｘＬ１_ｙ（ただし、ｘおよびｙは原子比を示し、０＜ｘ≦１．２、ｙ＝１であり、Ｍ１は、周期律表４族元素、５族元素、６族元素、アルミニウムおよび珪素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素であり、Ｌ１は、硼素、炭素、窒素および酸素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素である）という組成を有する層を少なくとも一層含み、上記被膜と接する上記基材の表面の表面粗さＲｓｕｂは、０．１〜０．４μｍであり、上記被膜の最表面の表面粗さＲｓｕｒｆは、０〜０．１５μｍであり、上記被膜の最表面の表面粗さＲａｓｕｒｆは、０〜０．１μｍであり、上記被膜と接する上記基材の表面の表面粗さＲｓｕｂは、上記被膜の最表面の表面粗さＲｓｕｒｆよりも大きい。

本実施形態に係る切削工具は、上記の構成を有することにより、高負荷および高能率切削条件下でも、安定した加工ができる長寿命が可能となる。

ここで、走査型電子顕微鏡により測定される被膜と接する基材の表面の表面粗さＲをＲｓｕｂと表し、走査型電子顕微鏡により測定される被膜の最表面の表面粗さＲをＲｓｕｒｆと表し、触針式表面形状測定器により測定される被膜の最表面の表面粗さＲａをＲａｓｕｒｆと表す。

走査型電子顕微鏡により測定される表面粗さＲは、以下のように定義される。すなわち、まず走査型電子顕微鏡を用いて２０００倍で観察した切削工具の刃先破断面の反射電子像を２．５倍に拡大する。次いで、基材と被膜との界面および被膜の最表面の界面を含む５０μｍ四方の部分を抜出し、それぞれの界面を０．３ｍｍ以下の線でトレースして抽出し、この線を画像処理ソフト（たとえば、商品名「Ｗｉｎｒｏｏｆ」三谷商事株式会社製）を用いて数値化することにより平均値を算出し、水平方向に平均線を描く。続いて、その平均線をＸ軸としてその垂直方向をＹ軸とし、Ｘ方向（５０μｍ）の間でのＹの値を積分し、それを５０μｍで割って算出した値を、表面粗さＲとした。なお、上記における刃先破断面とは、工具の切削に使用される箇所近傍のすくい面に対する法線を含む平面で切断したときの、すくい面、逃げ面およびネガランド面の基材と被膜を含む断面をいう。

一方、触針式表面形状測定器により測定される表面粗さＲａは、工具の切削に使用される箇所近傍のすくい面、逃げ面の被膜の表面の４００μｍ四方の部分を触針式表面形状測定器により測定したときのＪＩＳ Ｂ ０６０１−２００１に規定される算術平均粗さである。

（２）上記被膜の厚みは、０．２〜１０μｍであることが好ましい。これにより耐摩耗性および耐剥離性をさらに向上させることができる。ここで、走査型電子顕微鏡を用いて２０００倍で観察した切削工具の刃先破断面の反射電子像の５０μｍ四方の部分を抜出し、抜き出し部分の基材側の凹の部分から、垂直方向に被覆表面まで延ばした線の長さを被膜の厚みとする。

（３）上記被膜と接する上記基材の表面の表面粗さＲｓｕｂは、０．１〜０．１５μｍであり、上記被膜の最表面の表面粗さＲｓｕｒｆは、０〜０．０８μｍであることが好ましい。このように基材の表面を粗くし被膜の表面を平滑にすることにより、耐欠損性および耐剥離性をさらに向上させることができる。

（４）上記焼結体は、６５〜７５体積％の立方晶窒化硼素を含むことが好ましい。これにより耐欠損性をさらに向上させることができる。

[本願発明の実施形態の詳細]
以下、本実施形態に係る切削工具についてより詳細に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。

＜切削工具＞
本実施形態に係る切削工具は、基材と該基材上に形成された被膜とを含む構成を有する。このような被膜は、基材の全面を被覆することが好ましいが、基材の一部がこの被膜で被覆されていなかったり、被膜の構成が部分的に異なっていたとしても本発明の範囲を逸脱するものではない。

このような本実施形態に係る切削工具は、たとえばドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型切削チップ、エンドミル用刃先交換型切削チップ、フライス加工用刃先交換型切削チップ、旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ、クランクシャフトのピンミーリング加工用チップなどを挙げることができる。

また、本実施形態に係る切削工具は、工具の全体が基材と該基材上に形成された被膜とを含む上記構成を有するもののみに限らず、工具の一部（特に刃先部位（切れ刃部）等）のみが上記構成で構成されるものも含む。たとえば、超硬合金等からなる基体（支持体）の刃先部位のみが上記構成で構成されるようなものも本実施形態に係る切削工具に含まれる。なお、この場合は、文言上、その刃先部位を切削工具とみなすものとする。換言すれば、上記構成が切削工具の一部のみを占める場合であっても、上記構成を切削工具と呼ぶものとする。

＜基材＞
本実施形態に係る基材は、３０〜８０体積％の立方晶窒化硼素と結合材とを含む焼結体である。本実施形態に係る焼結体は、以上の２成分を含む限り他の成分を含んでいてもよく、また使用する原材料や製造条件等に起因する不可避不純物を含み得る。

本実施形態に係る焼結体に含まれる立方晶窒化硼素は、それ自体が高硬度であるため、高硬度の焼入れ鋼加工に有利なものである。この立方晶窒化硼素の含有率が、３０体積％を下回ると、耐欠損性が不足し、８０体積％を上回ると、結合材の割合が相対的に減少することから耐熱性が不足し耐摩耗性が低下する。近年高能率化する焼入れ鋼加工に必要な耐欠損性を考慮すれば、立方晶窒化硼素の含有率は６５〜７５体積％であることが特に好ましい。

なお、このような含有率（体積％）は、焼結体の製造時において用いる立方晶窒化硼素粉末の体積％を上記の範囲のものとすることにより達成することができるが、焼結体をＩＣＰ（誘導結合高周波プラズマ分光分析）による定量分析、またはＳＥＭ（走査電子顕微鏡）ないしＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）を用いることにより、組織観察や元素分析等により確認することができる。特に、ＳＥＭを用いて焼結体の組織を観測し、コントラストの差から立方晶窒化硼素と結合材とを区別し、画像解析で面積比率を算出することにより、その面積比率を体積％とみなすことにより確認することができる。これにより、後述の結合材の体積％を同時に求めることができる。

本実施形態に係る焼結体に含まれる結合材は、周期律表４族元素、５族元素、６族元素およびアルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、硼素、炭素、窒素および酸素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を少なくとも１種含むものである。これにより、高硬度の焼入れ鋼加工で良好な耐欠損性を得ることができる。

このような結合材としては、たとえば、ＴｉＮ、ＴｉＢ_２、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＴｉＡｌＮ（ＴｉＮＡｌ）、ＴｉＡｌＣＮ（ＴｉＣＮＡｌ）、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＡｌＢ_２等を挙げることができる。

なお、本明細書において上記のように化合物を化学式で表わす場合、原子比を特に限定しない場合は従来公知のあらゆる原子比を含むものとし、必ずしも化学量論的範囲のもののみに限定されるものではない。たとえば単に「ＴｉＮ」のように記す場合、「Ｔｉ」と「Ｎ」の原子比は５０：５０の場合のみに限られず、また「ＺｒＮ」のように記す場合も、「Ｚｒ」と「Ｎ」の原子比は５０：５０の場合のみに限られず、従来公知のあらゆる原子比が含まれるものとする。

＜被膜＞
本実施形態に係る被膜は、Ｍ１_ｘＬ１_ｙ（ただし、ｘおよびｙは原子比を示し、０＜ｘ≦１．２、ｙ＝１であり、Ｍ１は、周期律表４族元素、５族元素、６族元素、アルミニウムおよび珪素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素であり、Ｌ１は、硼素、炭素、窒素および酸素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素である）という組成を有する層を少なくとも一層含む。これにより、高負荷、高能率な焼入れ鋼加工で良好な耐摩耗性を得ることができる。

上記のような層としては、たとえば、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＣＮ、ＡｌＣｒＮ、ＴｉＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＮｂＣＮ、ＡｌＣｒＳｉＮ、ＡｌＶＣｒＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＴｉＡｌＷＮ等を挙げることができる。

なお、上記のような層を含む限り、他の任意の層が含まれていても差し支えない。
このような本実施形態に係る被膜は、０．２〜１０μｍの厚みを有することが好適である。その厚みが０．２μｍ未満では、耐摩耗性が不十分となる場合があり、１０μｍを超えると、被膜自体が剥離しやすくなる傾向を示す。被膜の厚みは、１〜５μｍとすることがより好ましい。

＜表面粗さ＞
本実施形態において、被膜と接する基材の表面の表面粗さＲｓｕｂは、０．１〜０．４μｍであり、被膜の最表面の表面粗さＲｓｕｒｆは、０〜０．１５μｍであり、被膜の最表面の表面粗さＲａｓｕｒｆは、０〜０．１μｍである。また、被膜と接する基材の表面の表面粗さＲｓｕｂは、被膜の最表面の表面粗さＲｓｕｒｆよりも大きい。このように、被膜の最表面の表面粗さＲｓｕｒｆよりも基材の表面の表面粗さＲｓｕｂを大きくする（すなわち基材の表面を粗くする）ことによりアンカー効果によって基材と被膜との密着力が向上する。また、基材の表面の表面粗さＲｓｕｂよりも被膜の最表面の表面粗さＲｓｕｒｆを小さくする（すなわち被膜表面を平滑にする）ことにより耐欠損性、耐剥離性が向上する。

被膜と接する基材の表面の表面粗さＲｓｕｂが、０．１μｍ未満では、アンカー効果が得られにくく被膜の密着力が低下し性能を得られず、０．４μｍを超えると、被膜表面に反映される面粗さが大きすぎて面粗さを低減することが困難になる。また、被膜の最表面の表面粗さＲｓｕｒｆが、０．１５μｍを超えると、凹凸部分に溶着が発生し、凸部を起点にした剥離やチッピングが発生しやすくなる。また、被膜の最表面の表面粗さＲａｓｕｒｆについても同様に、０．１μｍを超えると、凹凸部分に溶着が発生し、凸部を起点にした剥離やチッピングが発生しやすくなる。被膜と接する基材の表面の表面粗さＲｓｕｂは、０．１〜０．１５μｍであることがより好ましく、被膜の最表面の表面粗さＲｓｕｒｆは、０〜０．０８μｍであることがより好ましく、被膜の最表面の表面粗さＲａｓｕｒｆは、０〜０．０６μｍであることがより好ましい。

一方、本実施形態において、被膜と接する基材の表面は、立方晶窒化硼素からなる複数の凸部と、結合材からなる複数の凹部とを有する。ここで、「複数の」とは、そのような凸部および凹部がひとつしかないような場合を排除することを意味するものであって、具体的な数値を意味するものではない。たとえば該表面の１０μｍ^２当り凸部および凹部をそれぞれ１０個有するものを含む。通常、被膜最表面の表面状態は基材の表面状態を反映した凸凹を有したものとなるため、被膜表面を研磨する場合、基材表面の凸の部分に相当する被膜表面の凸の部分がまず削り取られて、立方晶窒化硼素上の被膜が他の部分（すなわち結合材上の部分）よりも薄くなる。このため、結合材より被膜との密着力が低い立方晶窒化硼素の上の膜厚が選択的に薄くなることにより、耐剥離性を向上させることができる。

また、基材の凸の部分上では、被膜の結晶粒が先行して被膜表面側に成長するため結晶粒サイズが大きくなり、基材の凹の部分上では基材の凸の部分上と比べ被膜の結晶粒サイズが小さくなり、以ってこのように結晶粒サイズが不均一となることによりクラックの伝搬が抑制される。このような効果は、特にチッピングがおこりやすい高能率切削加工において被膜のチッピングが集積して母材が欠損し短寿命となることに対し、チッピングを抑制するため寿命の延長に効果がある。

また、基材の凸の部分上の被膜、すなわち立方晶窒化硼素上の被膜の結晶粒が先行して被膜表面側に成長するため、より被膜表面側には立方晶窒化硼素上の被膜が占める割合が高くなり、基材側ほど結合材上の被膜の占める割合が高くなる。また、立方晶窒化硼素上の被膜の結晶同士の結合力は、異なる化合物やサイズで構成された結合材上の被膜の結晶同士の結合力よりも強いために、被膜表面の強度が高くなる。このため、切削初期は切削終盤に比べて強度の高い被膜で加工することとなり、特に浸炭除去加工のように切削初期に大きな負荷がかかる切削において、チッピングを抑える効果を発揮し、さらに結合材と被膜との密着力が高いため切削終盤まで耐剥離性を維持することができる。

本実施形態に係る切削工具は、稜線から逃げ面にかけての被膜最表面の表面粗さＲｓｕｒｆが、０．０６μｍ以下であることが好ましい。浸炭除去加工の切削の終盤で被削材の硬度が低い場合、特に稜線と逃げ面に溶着が多く発生するが、稜線から逃げ面にかけての表面粗さを０．０６μｍ以下とすることにより、溶着が発生しにくくなり、耐溶着性を向上させることができる。

本実施形態に係る切削工具は、稜線からネガランド面にかけての被膜最表面の表面粗さＲｓｕｒｆが、０．０６μｍ以下であることが好ましい。焼入れ鋼の切削では切削抵抗のうち背分力が高くなるため、稜線からネガランド面にかけての表面粗さを０．０６μｍ以下とすることにより、さらに耐チッピング性と耐剥離性を向上させることができる。

なお、本実施形態において、稜線とは、ネガランド面と逃げ面の接線の交点の部分を意味し、ネガランド面とは、すくい面と逃げ面の接線の交点の部分に研磨により施した面取りの部分を意味する。

また、本実施形態において、上記の表面粗さの各規定は、特に部位の規定がない限り、基材の全面で達成されていてもよいし、基材の一部のみで達成されていてもよい。なお、基材の一部のみで達成される場合として、逃げ面で達成される場合は、特にワークの硬度が低い場合に増加する逃げ面の溶着を低減し、被膜の剥離を抑えるという効果がある。また、基材の一部のみで達成される場合として、すくい面で達成される場合は、背分力が大きくなると起きるすくい面側の膜剥離やフレーキングを抑える効果がある。

＜製造方法＞
本実施形態に係る基材は、超高圧焼結法等の従来公知の製法により得ることができる。そして、得られた基材に対して、イオンボンバード処理を施すことにより、立方晶窒化硼素より結合材が選択的にエッチングされ、基材表面において立方晶窒化硼素が突出し凸部になり、結合材が凹部になる。さらに、従来公知の条件を採用して、基材上に被膜を形成する。続いて、被膜表面を研磨して、被膜の最表面を基材よりも平滑にする。

以上のようにして、本実施形態に係る切削工具を製造することができる。
なお、工具の一部のみが本実施形態の構成で構成される場合、たとえば超硬合金等からなる基体の刃先部位のみが本実施形態の構成で構成される場合は、以下のようにして製造することができる。

まず、超硬合金製の基体は、従来公知の焼結法と成形法により製造することができる。そして、その基体の適切な部位に、公知のロウ材を用いることにより公知の接合法で本実施形態の上記構成のものを接合することにより、切削工具とすることができる。

以下、実施例を挙げて本実施形態をさらに詳細に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。

＜基材の製造＞
以下のようにして表１に示す組成を有する基材Ａ〜Ｖを製造した。

（基材Ａの製造）
まず、原子比でＴｉ：Ｎ＝１：０．６となるように平均粒径１μｍのＴｉＮ粉末と平均粒径が３μｍのＴｉ粉末とを混合することにより混合物を得た。該混合物を真空中１２００℃で３０分間熱処理してから粉砕した。これによりＴｉＮ_0.6からなる金属間化合物粉末を得た。

次に、質量比でＴｉＮ_0.6：Ａｌ＝９０：１０となるように、ＴｉＮ_0.6からなる金属間化合物粉末と平均粒径が４μｍのＡｌ粉末とを混合することにより混合物を得た。該混合物を真空中１０００℃で３０分間熱処理した。熱処理により得られた化合物を、直径が６ｍｍの超硬合金製ボールメディアを用いて、ボールミル粉砕法により均一に粉砕した。これにより結合材の原料粉末を得た。

続いて、基材における立方晶窒化硼素粒子の含有率が２５体積％となるように平均粒径が２μｍの立方晶窒化硼素粒子と結合材の原料粉末とを配合し、直径が３ｍｍの窒化硼素製ボールメディアを用いて、ボールミル混合法により均一に混合して粉末状の混合物を得た。そして該混合物を超硬合金製支持基板に積層してからＭｏ製カプセルに充填した。次いで、超高圧装置を用いて圧力５．５ＧＰａ、温度１３００℃で３０分間焼結した。これにより基材Ａを得た。

（基材Ｂ〜Ｓの製造）
表１に示すように立方晶窒化硼素粒子の体積含有率および平均粒径を変更する以外は、基材Ａと同様にして基材Ｂ〜Ｓを得た。

（基材Ｔ〜Ｖの製造）
まず、原子比でＴｉ：Ｃ：Ｎ＝１：０．３：０．３となるように平均粒径１μｍのＴｉＣＮ粉末と平均粒径が３μｍのＴｉ粉末とを混合することにより混合物を得た。該混合物を真空中１２００℃で３０分間熱処理してから粉砕した。これによりＴｉＣ_0.3Ｎ_0.3からなる金属間化合物粉末を得た。

次に、質量比でＴｉＣ_0.3Ｎ_0.3：Ａｌ＝９５：５となるように、ＴｉＣ_0.3Ｎ_0.3からなる金属間化合物粉末と平均粒径が４μｍのＡｌ粉末とを混合することにより混合物を得た。該混合物を真空中１０００℃で３０分間熱処理した。熱処理により得られた化合物を、直径が６ｍｍの超硬合金製ボールメディアを用いて、ボールミル粉砕法により均一に粉砕した。これにより結合材の原料粉末を得た。そして該結合材の原料粉末を用い、表１に示すように立方晶窒化硼素粒子の体積含有率および平均粒径を変更する以外は、基材Ａと同様にして基材Ｔ〜Ｖを得た。

＜試料の製造＞
（基体の形成）
形状がＩＳＯ規格のＤＮＧＡ１５０４０８であり、超硬合金材料（Ｋ１０相当）からなる基体を準備した。該基体の刃先（コーナー部分）に上記の基材（形状：頂角が５５°であり当該頂角を挟む両辺がそれぞれ２ｍｍである二等辺三角形を底面とし、厚みが２ｍｍの三角柱状のもの）を接合した。なお接合には、Ｔｉ−Ｚｒ−Ｃｕからなるロウ材を用いた。次いで、接合体の外周面、上面および下面を研削し、刃先にネガランド形状（ネガランド幅が１５０μｍであり、ネガランド角が２５°）を形成した。このようにして、刃先（切れ刃）部分がそれぞれに基材Ａ〜Ｖからなる基体を得た。

（成膜装置）
ここで、以降の工程において、被膜の形成に用いる成膜装置について説明する。当該成膜装置には真空ポンプが接続されており、装置内部に真空引き可能な真空チャンバーを有している。真空チャンバー内には、回転テーブルが設置されており、該回転テーブルは治具を介して基体がセットできるように構成されている。真空チャンバー内にセットされた基体は、真空チャンバー内に設置されているヒーターにより加熱することができる。また、真空チャンバーにはエッチングおよび成膜用のガスを導入するためのガス配管が、流量制御用のマスフローコントローラ（ＭＦＣ：Mass Flow Controller）を介して、接続されている。さらに、真空チャンバー内には、エッチング用のＡｒイオンを発生させるためのタングステンフィラメント、必要な電源が接続された成膜用のアーク蒸発源もしくはスパッタ源が配置されている。そして、アーク蒸発源もしくはスパッタ源には、成膜に必要な蒸発源原料（ターゲット）がセットされている。

（イオンボンバード処理）
上記のようにして得られた基体を、成膜装置の真空チャンバー内にセットし、チャンバー内の真空引きを行なった。その後、回転テーブルを３ｒｐｍで回転させながら基体を５００℃に加熱した。次いで、真空チャンバー内にＡｒガスを導入し、タングステンフィラメントを放電させてＡｒイオンを発生させ、基体にバイアス電圧を印加し、Ａｒイオンにより基体のイオンボンバード処理を行なった。なお、このときのイオンボンバード処理の条件は次のとおりで、表２に示す被膜と接する基材の表面の表面粗さＲｓｕｂとなるように時間を調整して処理を行った。イオンボンバード時間が長いほどＲｓｕｂは大きくなる。

Ａｒガスの圧力 ：１Ｐａ
基板バイアス電圧：−６００Ｖ
処理時間 ：１０分〜４５分。

このようにして、立方晶窒化硼素が凸部となって結合材が凹部となり、被膜と接する基材の表面の表面粗さＲｓｕｂが表２に示すようになった。

（試料１〜８、１７〜２２の製造）
上述したように基材Ａ〜Ｈ、Ｑ〜Ｖのイオンボンバード処理を行なった後、基材Ａ〜Ｈ、Ｑ〜Ｖ上にＴｉＡｌＮ層を形成した。具体的には、まず次に示す条件で、厚みが表２に示すように蒸着時間を調整してＴｉＡｌＮ層を形成した。

ターゲット ：Ａｌ、Ｔｉ
導入ガス ：Ｎ₂
成膜圧力 ：４Ｐａ
アーク放電電流 ：１５０Ａ
基板バイアス電圧：−３５Ｖ
テーブル回転数 ：３ｒｐｍ。

次いで、得られた被膜表面を、表２に示す被膜の最表面の表面粗さ（Ｒｓｕｒｆ、Ｒａｓｕｒｆ）となるように、回転ブラシの表面に＃２０００相当のダイヤモンド遊離砥粒を塗布し、これを押し当てる方法で処理時間を調整して研磨した。

以上のようにして、基材Ａ〜Ｈ、Ｑ〜Ｖの上に、ＴｉＡｌＮ層が積層された試料１〜８、１７〜２２を得た。

（試料９、１２〜１５の製造）
上述したように基材Ｉ、Ｌ〜Ｏのイオンボンバード処理を行なった後、基材Ｉ、Ｌ〜Ｏ上にＴｉＡｌＮ層およびＴｉＣＮ層を形成した。具体的には、まず次に示す条件で、総厚みが表２に示すように蒸着時間を調整してＴｉＡｌＮ層およびＴｉＣＮ層を形成した。

１）ＴｉＡｌＮ層の形成条件
ターゲット ：Ａｌ、Ｔｉ
導入ガス ：Ｎ₂
成膜圧力 ：４Ｐａ
アーク放電電流 ：１５０Ａ
基板バイアス電圧：−３５Ｖ
テーブル回転数 ：３ｒｐｍ。

２）ＴｉＣＮ層の形成条件
ターゲット ：Ｔｉ
導入ガス ：Ｎ₂、ＣＨ₄
成膜圧力 ：２Ｐａ
アーク放電電流 ：１８０Ａ
基板バイアス電圧：−３５０Ｖ
テーブル回転数 ：３ｒｐｍ。

次いで、得られた被膜表面を、表２に示す被膜の最表面の表面粗さ（Ｒｓｕｒｆ、Ｒａｓｕｒｆ）となるように、乾式ブラストによりダイヤモンド砥粒を使用した弾性研磨メディアを、加工したい面（すくい面、逃げ面、ネガランド面）に対し１００ｍｍの投射距離で１５度から７０度の投射角度に調整し、３０秒間ブラストを投射するという条件で研磨した。加工したい面に対する投射角度が大きいと、被膜表面の凹凸を減らし面粗さを減少するより被膜の除去が進行し被膜の効果が得られなくなる。投射角度が小さいと弾性研磨メディアの研磨効果が得られず面粗さを減少できなくなる。

以上のようにして、基材Ｉ、Ｌ〜Ｏの上に、ＴｉＡｌＮ層およびＴｉＣＮ層がこの順で積層された試料９、１２〜１５を得た。

（試料１０の製造）
上述したように基材Ｊのイオンボンバード処理を行なった後、基材Ｊ上にＡｌＣｒＮ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層およびＴｉＮ層をこの順で繰り返して形成した。具体的には、まず次に示す条件で、総厚みが表２に示すように蒸着時間を調整してＡｌＣｒＮ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層およびＴｉＮ層をこの順で繰り返して形成した。

１）ＡｌＣｒＮ層の形成条件
ターゲット ：Ａｌ、Ｃｒ
導入ガス ：Ｎ₂
成膜圧力 ：３Ｐａ
アーク放電電流 ：１５０Ａ
基板バイアス電圧：−５０Ｖ。

２）ＴｉＮ層の形成条件
ターゲット ：Ｔｉ
導入ガス ：Ｎ₂
成膜圧力 ：３Ｐａ
アーク放電電流 ：１５０Ａ
基板バイアス電圧：−４０Ｖ。

３）ＴｉＣＮ層の形成条件
ターゲット ：Ｔｉ
導入ガス ：Ｎ₂、ＣＨ₄
成膜圧力 ：２Ｐａ
アーク放電電流 ：１８０Ａ
基板バイアス電圧：−３５０Ｖ
テーブル回転数 ：３ｒｐｍ。

次いで、得られた被膜表面を、表２に示す被膜の最表面の表面粗さ（Ｒｓｕｒｆ、Ｒａｓｕｒｆ）となるように、ゴム部材に砥粒を分散させた砥石でなでるように１０秒間研磨するラッピング法で研磨した。

以上のようにして、基材Ｊの上に、ＡｌＣｒＮ層、ＴｉＮ層、ＴｉＣＮ層およびＴｉＮ層がこの順で３層ずつ繰り返して積層されるようにすることによって試料１０を得た。

（試料１１の製造）
上述したように基材Ｋのイオンボンバード処理を行なった後、基材Ｋ上にＡｌＣｒＮ層、ＴｉＳｉＮ層、ＴｉＮ層およびＴｉＣＮ層を形成した。具体的には、まず次に示す条件で、総厚みおよび被膜最表面粗さが表２に示すように蒸着時間を調整してＡｌＣｒＮ層、ＴｉＳｉＮ層、ＴｉＮ層およびＴｉＣＮ層を形成した。

１）ＡｌＣｒＮ層の形成条件
ターゲット ：Ａｌ、Ｃｒ
導入ガス ：Ｎ₂
成膜圧力 ：３Ｐａ
アーク放電電流 ：１５０Ａ
基板バイアス電圧：−５０Ｖ。

２）ＴｉＳｉＮ層の形成条件
ターゲット ：Ｔｉ、Ｓｉ
導入ガス ：Ｎ₂
成膜圧力 ：３Ｐａ
アーク放電電流 ：１５０Ａ
基板バイアス電圧：−４０Ｖ。

３）ＴｉＮ層の形成条件
ターゲット ：Ｔｉ
導入ガス ：Ｎ₂
成膜圧力 ：３Ｐａ
アーク放電電流 ：１５０Ａ
基板バイアス電圧：−４０Ｖ。

４）ＴｉＣＮ層の形成条件
ターゲット ：Ｔｉ
導入ガス ：Ｎ₂、ＣＨ₄
成膜圧力 ：２Ｐａ
アーク放電電流 ：１８０Ａ
基板バイアス電圧：−３５０Ｖ
テーブル回転数 ：３ｒｐｍ。

次いで、得られた被膜表面を、表２に示す被膜の最表面の表面粗さ（Ｒｓｕｒｆ、Ｒａｓｕｒｆ）となるように、ゴム部材に砥粒を分散させた砥石でなでるように１０秒間研磨するラッピング法で研磨した。

以上のようにして、基材Ｋの上に、ＡｌＣｒＮ層、ＴｉＳｉＮ層、ＴｉＮ層およびＴｉＣＮ層がこの順で積層された試料１１を得た。

（試料１６の製造）
上述したように基材Ｐのイオンボンバード処理を行なった後、基材Ｐ上に被膜を形成しなかった。以上のようにして、基材Ｐの上に、被膜が形成されていない試料１６を得た。

＜表面粗さの測定＞
各表面粗さＲｓｕｂ、Ｒｓｕｒｆ、Ｒａｓｕｒｆは、前述の方法で測定した。

＜評価＞
以上のようにして得られた試料１〜２２に係る切削工具の寿命を、浸炭材の切削により評価した。

（切削条件）
被削材 ：浸炭材（表面ＨＲＣ６０）を、φ１００×３００ｍｍに加工したもの（一般的に浸炭層の厚みは1ｍｍ程度であり、それより深いところのＨＲＣは３０〜５０となり、浸炭層から硬度低下する内部までを加工した）
切削速度 ：１００ｍ／ｍｉｎ
送り量 ：ｆ＝０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
切込み ：ａｐ＝０．５ｍｍ
切削油 ：エマルジョン（日本フルードシステム学会製造の商品名「システムカット９６」）を２０倍希釈したもの（ウェット状態）。

＜寿命の測定＞
損傷幅が０．１ｍｍを超えたときの切削時間を寿命とした。なお、逃げ面の摩耗の大きさ、欠損の大きさ、被膜剥離の大きさのいずれか一つでも０．１ｍｍを超えたときを寿命とする。試料１〜２２に対する寿命測定結果を表３に示す。

＜結果と考察＞
（立方晶窒化硼素の含有率）
試料１〜８の評価では、立方晶窒化硼素の含有率が３０〜８０体積％である試料２〜７は、長い寿命を示す傾向が確認された。したがって、立方晶窒化硼素の含有率は３０〜８０体積％であることが好ましいと確認された。さらに、立方晶窒化硼素の含有率が６５〜７５体積％である試料５および６は、特に長い寿命を示す傾向が確認された。したがって、立方晶窒化硼素の含有率は６５〜７５体積％であることが特に好ましい。

上記の結果より明らかなように、試料２〜７が実施例であり、試料１および８が比較例である。

（被膜と接する基材の表面の表面粗さＲｓｕｂ、および被膜の最表面の表面粗さＲｓｕｒｆとの関係）
試料２０〜２２の評価では、被膜と接する基材の表面の表面粗さが０．１〜０．４μｍである試料２０〜２１は、被膜と接する基材の表面の表面粗さが０．１μｍ未満である試料２２に比し、寿命が長い傾向にあった。よって、被膜と接する基材の表面粗さＲｓｕｂが０．１〜０．４μｍを示すことが好ましいと確認できた。

一方、試料２０〜２２の評価では、被膜と接する基材の表面の表面粗さが被膜の最表面の表面粗さよりも大きい試料２０および２１は、かかる条件を満たさない試料２２に比し、寿命が長い傾向にあった。したがって、被膜と接する基材の表面の表面粗さが被膜の最表面の表面粗さよりも大きいことが好ましいと確認できた。

上記の結果より明らかなように、試料２０および２１が実施例であり、試料２２が比較例である。

（被膜の最表面の表面粗さＲｓｕｒｆ）
試料１７〜１９の評価では、被膜の最表面の表面粗さが０〜０．１５μｍである試料１８および１９は、被膜の最表面の表面粗さが０．１５μｍを超える試料１７に比し、寿命が長い傾向にあった。よって、被膜の最表面の表面粗さＲｓｕｒｆが０〜０．１５μｍを示すことが好ましいと確認できた。

上記の結果より明らかなように、試料１８および１９が実施例であり、試料１７が比較例である。

（被膜の厚み）
試料１１〜１６の評価では、被膜の厚みが０．２〜１０μｍである試料１１〜１３、１５は、被膜を有さない試料１６、被膜の厚みが１０μｍを超える試料１４に比し、優れた寿命を示した。したがって、被膜の厚みは０．２〜１０μｍであることが好ましいと確認された。

なお、試料１１〜１６はすべて実施例である。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

Claims (5)

1. 基材と該基材上に形成された被膜とを含む切削工具であって、
   前記基材は、３０〜８０体積％の立方晶窒化硼素と結合材とを含む焼結体であり、
   前記結合材は、周期律表４族元素、５族元素、６族元素およびアルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、硼素、炭素、窒素および酸素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を少なくとも１種含み、
   前記被膜と接する前記基材の表面は、前記立方晶窒化硼素からなる複数の凸部と、前記結合材からなる複数の凹部とを有し、
   前記被膜は、Ｍ１_ｘＬ１_ｙ（ただし、ｘおよびｙは原子比を示し、０＜ｘ≦１．２、ｙ＝１であり、Ｍ１は、周期律表４族元素、５族元素、６族元素、アルミニウムおよび珪素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素であり、Ｌ１は、硼素、炭素、窒素および酸素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素である）という組成を有する層を少なくとも一層含み、
   前記被膜と接する前記基材の表面の表面粗さＲｓｕｂは、０．１〜０．４μｍであり、
   前記被膜の最表面の表面粗さＲｓｕｒｆは、０〜０．１５μｍであり、
   前記被膜の最表面の表面粗さＲａｓｕｒｆは、０〜０．１μｍであり、
   前記被膜と接する前記基材の表面の表面粗さＲｓｕｂは、前記被膜の最表面の表面粗さＲｓｕｒｆよりも大きく、
   前記被膜の厚みは、０．２〜１０μｍである、切削工具。
2. 前記被膜と接する前記基材の表面の表面粗さＲｓｕｂは、０．１〜０．１５μｍであり、
   前記被膜の最表面の表面粗さＲｓｕｒｆは、０〜０．０８μｍである、請求項１に記載の切削工具。
3. 前記焼結体は、６５〜７５体積％の立方晶窒化硼素を含む、請求項１または請求項２に記載の切削工具。
4. 請求項１に記載の切削工具の製造方法であって、
   前記被膜は、アーク蒸発源もしくはスパッタ源を備えた成膜装置を用いて形成される、切削工具の製造方法。
5. 請求項１に記載の切削工具の製造方法であって、
   前記被膜は、イオンボンバード処理を施した前記基材上に形成され、かつ前記被膜の表面が回転ブラシ、乾式ブラスト、およびラッピング法のいずれかで処理されている、切削工具の製造方法。