JP7500725B2 - 被覆工具および切削工具 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０２０年６月３０日に出願された日本国特許出願２０２０－１１２９５５号の優先権を主張するものであり、この先の出願の開示全体を、ここに参照のために取り込む。

本開示は、被覆工具およびこれを有する切削工具に関する。

切削工具などに用いられる被覆工具は、基体の上に被覆層を有している。被覆層は、ＣＶＤ法やＰＶＤ法によって成膜される。ＣＶＤ法によって成膜された被覆層の例として、基体の上にＴｉＮ層やＴｉＣＮ層、Ａｌ₂Ｏ₃層を順に積層した被覆層が挙げられる。

ＣＶＤ法で成膜した被覆層は、大きな残留応力を有する場合がある。その残留応力を緩和するためにセラミック粒子を被覆層に投射することが行われている。

例えば、特許第４７３９２３５号公報（特許文献１）には、被覆層に対して、セラミック砥粒によるブラスト処理を施すことが記載されている。

本開示の限定されない一例の被覆工具は、基体と、該基体の上に位置する被覆層とを有する。前記被覆工具は、第１面と、該第１面と隣り合う第２面と、前記第１面と前記第２面の稜線部の少なくとも一部に位置する切刃とを備える。前記被覆層は、Ａｌ₂Ｏ₃層を有する。該Ａｌ₂Ｏ₃層は、前記基体の表面に平行な前記被覆層の表面で前記Ａｌ₂Ｏ₃層の破壊靭性値を測定した場合において、該破壊靭性値が５ＭＰａ・ｍ^0.5以上である第１領域を有する。

本開示の限定されない実施形態の被覆工具を示す斜視図である。 図１に示す被覆工具におけるＩＩ－ＩＩ断面の断面図である。 図２に示す被覆工具における被覆層付近の拡大図である。 球状セラミック粒子の電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。 角状セラミック粒子の電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。 本開示の限定されない実施形態の切削工具を示す斜視図である。

＜被覆工具＞
以下、本開示の限定されない実施形態の被覆工具１について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、以下で参照する各図では、説明の便宜上、実施形態を説明する上で必要な主要部材のみが簡略化して示されている。したがって、被覆工具１は、参照する各図に示されていない任意の構成部材を備え得る。また、各図中の部材の寸法は、実際の構成部材の寸法および各部材の寸法比率などを忠実に表したものではない。

図１～図３においては、被覆工具１の一例として、切削工具に適用可能な切削インサートを示している。被覆工具１は、切削工具の他、例えば、摺動部品や金型などの耐摩部品、掘削工具、刃物などの工具、および、耐衝撃部品などにも適用できる。なお、被覆工具１の用途は、例示したものに限定されない。

被覆工具１は、基体２と、基体２の上に位置する被覆層３とを有していてもよい。

基体２の材質としては、例えば、硬質合金、セラミックスおよび金属などが挙げられ得る。硬質合金としては、例えば、ＷＣ（炭化タングステン）と、所望により、ＷＣ以外の周期表第４、５、６族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種とからなる硬質相を、Ｃｏ（コバルト）やＮｉ（ニッケル）などの鉄属金属からなる結合相で結合させた超硬合金などが挙げられ得る。また、他の硬質合金として、Ｔｉ基サーメットなども挙げられ得る。セラミックスとしては、例えば、Ｓｉ₃Ｎ₄（窒化珪素）、Ａｌ₂Ｏ₃（酸化アルミニウム）、ダイヤモンドおよびｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）などが挙げられ得る。金属としては、例えば、炭素鋼、高速度鋼および合金鋼などが挙げられ得る。なお、基体２の材質は、例示したものに限定されない。

被覆層３は、基体２の表面４の全面を覆ってもよく、また、一部のみを覆ってもよい。被覆層３が基体２の表面４の一部のみを被覆しているときは、被覆層３は、基体２の上の少なくとも一部に位置する、といってもよい。

被覆層３は、化学蒸着（ＣＶＤ）法で成膜されていてもよい。言い換えれば、被覆層３は、ＣＶＤ膜であってもよい。

被覆層３は、特定の厚みに限定されない。例えば、被覆層３の厚みは、１～３０μｍに設定されてもよい。なお、被覆層３の厚み、構造、被覆層３を構成する結晶の形状などの測定は、例えば、電子顕微鏡を用いた断面観察で行ってもよい。電子顕微鏡としては、例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、および、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）などが挙げられ得る。

被覆工具１は、図１および図２に示す限定されない一例のように、第１面５（上面）と、第１面５と隣り合う第２面６（側面）と、第１面５と第２面６の稜線部の少なくとも一部に位置する切刃７とを備えていてもよい。

第１面５は、すくい面であってもよい。第１面５は、その全面がすくい面であってもよく、また、その一部がすくい面であってもよい。例えば、第１面５のうち切刃７に沿った領域が、すくい面であってもよい。

第２面６は、逃げ面であってもよい。第２面６は、その全面が逃げ面であってもよく、また、その一部が逃げ面であってもよい。例えば、第２面６のうち切刃７に沿った領域が、逃げ面であってもよい。

切刃７は、稜線部の一部に位置していてもよく、また、稜線部の全部に位置していてもよい。切刃７は、被削材の切削に用いることが可能である。

被覆工具１は、図１に示す限定されない一例のように、四角板形状であってもよい。なお、被覆工具１の形状は、四角板形状に限定されない。例えば、第１面５は、三角形、五角形、六角形または円形であってもよい。また、被覆工具１は、柱形状であってもよい。

被覆工具１は、特定の大きさに限定されない。例えば、第１面５の一辺の長さは、３～２０ｍｍ程度に設定されてもよい。また、第１面５から第１面５の反対側に位置する面（下面）までの高さは、５～２０ｍｍ程度に設定されてもよい。

ここで、被覆層３は、図３に示す限定されない一例のように、Ａｌ₂Ｏ₃層８を有していてもよい。

Ａｌ₂Ｏ₃層８は、Ａｌ₂Ｏ₃粒子を含有する層であってもよい。また、Ａｌ₂Ｏ₃層８は、Ａｌ₂Ｏ₃を主成分として含有する層であってもよい。「主成分」とは、他の成分と比較して質量％の値が最も大きい成分のことを意味してもよい。これらの点は、他の層においても同様に定義してもよい。

Ａｌ₂Ｏ₃層８は、第１領域を有していてもよい。第１領域は、破壊靭性値が５ＭＰａ・ｍ^0.5以上であってもよい。この破壊靭性値は、基体２の表面４に平行な被覆層３の表面９でＡｌ₂Ｏ₃層８の破壊靭性値を測定した場合の値であってもよい。

上記した「平行」とは、厳密な平行に限定されず、±１０°程度の傾斜を許容することを意味してもよい。また、破壊靭性値は、鏡面加工した面に対してナノインデンターで押し込み試験を行い、得られた圧痕に対して電界放出型走査電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ）を用いてクラックの観察を行うことで測定してもよい。鏡面研磨には、トーメイダイヤ株式会社製の平均粒径１～３μｍのダイヤモンドペーストと、山桂産業株式会社製のオリーブオイルをペースト濃度が２０～３０質量％となるように調整したものを用いてもよい。ナノインデンターとしては、例えば、株式会社エリオニクス社製の超微小押し込み硬さ試験機ＥＮＴ－１１００ｂ／ａを用いて測定してもよい。押し込み荷重が７００（ｍＮ）で、測定に用いる圧子は株式会社東洋テクニカ社製のバーコビッチ圧子ＥＮＴ－２０－１３を用いてもよい。破壊靭性値は、ＪＩＳ Ｒ １６０７：２０１５に準拠して測定してもよい。クラックの観察は日本電子株式会社製のＪＳＭ－７１００Ｆを用いて行ってもよい。

Ａｌ₂Ｏ₃層８が上記の第１領域を有する場合には、被覆層３が欠損しにくいため、耐欠損性に優れる。なお、Ａｌ₂Ｏ₃層８の全てが第１領域で構成されていてもよく、また、Ａｌ₂Ｏ₃層８の一部が第１領域で構成されていてもよい。以後、第１領域における破壊靭性値を第１破壊靭性値という。第１破壊靭性値の上限値は、１０ＭＰａ・ｍ^0.5であってもよい。

Ａｌ₂Ｏ₃層８は、第１面５および第２面６のそれぞれに第１領域を有していてもよい。この場合には、第１面５および第２面６が欠損しにくい。

Ａｌ₂Ｏ₃層８は、第２領域を有していてもよい。被覆工具１におけるＡｌ₂Ｏ₃層８は、全ての領域で高い破壊靭性を備える必要はない。例えば、切削に関与しない領域や、切削に関与する領域であっても大きな力や衝撃が加わらない領域に第２領域が位置していてもよい。なお、切削に関与しない領域とは、切刃７から第１面５および第２面６方向に１ｍｍ以上離れた領域であってもよい。第２領域は、破壊靭性値が５ＭＰａ・ｍ^0.5未満であってもよい。この破壊靭性値は、基体２の表面４に平行な被覆層３の表面９でＡｌ₂Ｏ₃層８の破壊靭性値を測定した場合の値であってもよい。

本開示の第１領域は、例えば、所定の硬度を有する球状のセラミック粉末を用いたブラスト処理工程を経ることにより得られる。ブラスト処理工程では、いわゆるドライブラストやウェットブラストを用いてもよい。ウェットブラストはセラミック粉末の取り扱い性に優れるという利点がある。

Ａｌ₂Ｏ₃層８が上記の第１領域と第２領域を有する場合には、ブラスト処理工程の時間を短縮することもでき、低コストで被覆工具１を作製することができる。以後、第２領域における破壊靭性値を第２破壊靭性値という。なお、第２破壊靭性値の下限値は、０．３ＭＰａ・ｍ^0.5であってもよい。

第１領域における硬度を第１硬度とし、第２領域における硬度を第２硬度とした場合、第２硬度は、第１硬度よりも大きくてもよい。この場合には、被覆工具１の耐摩耗性が高い。

第１硬度および第２硬度は、特定の値に限定されない。例えば、第１硬度は、１０～３０ＧＰａ程度に設定されてもよい。第２硬度は、１５～３０ＧＰａ程度に設定されてもよい。第１硬度および第２硬度は、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃層８の破壊靭性値の測定と同様にナノインデンターを用いた押し込み試験によって測定してもよい。ナノインデンターとしては、例えば、株式会社エリオニクス社製の超微小押し込み硬さ試験機ＥＮＴ－１１００ｂ／ａを用いて測定してもよい。押し込み荷重が７００（ｍＮ）で、測定に用いる圧子は株式会社東洋テクニカ社製のバーコビッチ圧子ＥＮＴ－２０－１３を用いてもよい。

Ａｌ₂Ｏ₃層８は、第１領域を第１面５に有していてもよく、また、第２領域を第２面６に有していてもよい。この場合には、被覆工具１の耐摩耗性および耐欠損性が高い。

被覆層３は、基体２とＡｌ₂Ｏ₃層８との間にＴｉ系被覆層１０を有していてもよい。Ｔｉ系被覆層１０は、ＴｉＣＮ粒子もしくはＴｉＣ粒子またはＴｉＮ粒子を含有する層であってもよい。また、Ｔｉ系被覆層１０は、ＴｉＣＮを主成分として含有する層であってもよい。

Ｔｉ系被覆層１０は、第３領域を有していてもよい。第３領域は、破壊靭性値が１０ＭＰａ・ｍ^0.5以上であってもよい。この破壊靭性値は、基体２の表面４に平行な被覆層３の表面９でＴｉ系被覆層１０の破壊靭性値を測定した場合の値であってもよい。

Ｔｉ系被覆層１０が上記の第３領域を有する場合には、被覆層３が欠損しにくいため、耐欠損性に優れる。なお、Ｔｉ系被覆層１０の全てが第３領域で構成されていてもよく、また、Ｔｉ系被覆層１０の一部が第３領域で構成されていてもよい。以後、第３領域における破壊靭性値を第３破壊靭性値という。第３破壊靭性値の上限値は、２０ＭＰａ・ｍ^0.5であってもよい。

Ｔｉ系被覆層１０は、第４領域を有していてもよい。被覆工具１におけるＴｉ系被覆層１０は、全ての領域で高い破壊靭性を備える必要はない。例えば、切削に関与しない領域や、切削に関与する領域であっても大きな力や衝撃が加わらない領域に第４領域が位置していてもよい。なお、切削に関与しない領域とは、切刃７から第１面５および第２面６方向に１ｍｍ以上離れた領域であってもよい。第４領域は、破壊靭性値が１０ＭＰａ・ｍ^0.5未満であってもよい。この破壊靭性値は、基体２の表面４に平行な被覆層３の表面９でＴｉ系被覆層１０の破壊靭性値を測定した場合の値であってもよい。

本開示の第３領域は、例えば、所定の硬度を有する球状のセラミック粉末を用いたブラスト処理工程を経ることにより得られる。ブラスト処理工程では、いわゆるドライブラストやウェットブラストを用いてもよい。ウェットブラストはセラミック粉末の取り扱い性に優れるという利点がある。

Ｔｉ系被覆層１０が上記の第３領域と第４領域を有する場合には、ブラスト工程の時間を短縮することもでき、低コストで被覆工具１を作製することができる。以後、第４領域における破壊靭性値を第４破壊靭性値という。なお、第４破壊靭性値の下限値は、１．５ＭＰａ・ｍ^0.5であってもよい。

第３領域における硬度を第３硬度とし、第４領域における硬度を第４硬度とした場合、第３硬度は、第４硬度よりも大きくてもよい。この場合には、被覆工具１の耐摩耗性が高い。

第３硬度および第４硬度は、特定の値に限定されない。例えば、第３硬度は、１５～３０ＧＰａ程度に設定されてもよい。第４硬度は、１０～３０ＧＰａ程度に設定されてもよい。第３硬度および第４硬度は、第１硬度および第２硬度と同様にして測定してもよい。

第１領域は、第３領域の上に位置していてもよく、また、第２領域は、第４領域の上に位置していてもよい。この場合には、耐欠損性が高く、ブラスト処理工程の時間を短縮することもでき、低コストで被覆工具１を作製することができる。

Ａｌ₂Ｏ₃層８は、Ｘ線回折において、（１０４）面の半価幅が０．１５°以上であってもよい。この場合には、被覆層３が欠損しにくくなり、耐欠損性に優れる。Ａｌ₂Ｏ₃層８の（１０４）面の半価幅は、以下のように測定してもよい。（１０４）面は、ＪＣＰＤＳカード番号００－０１０－０１７３を基準としてもよい。Ａｌ₂Ｏ₃層８がウェットブラスト処理によって露出している場合には、その露出しているＡｌ₂Ｏ₃層８の表面を鏡面研磨して得られた鏡面でＸＲＤ測定を行ってもよい。Ａｌ₂Ｏ₃層８が露出していない場合には、Ａｌ₂Ｏ₃層８が露出するまで鏡面研磨処理を続けて、Ａｌ₂Ｏ₃層８の露出した鏡面でＸＲＤ測定を行ってもよい。Ａｌ₂Ｏ₃層８のＸＲＤ測定は、表面の凹凸が少ない面を選んで行ってもよい。ＸＲＤ測定は、株式会社リガク社製のＭｉｎｉＦｌｅｘ６００を用いて行ってもよい。測定条件は、特性Ｘ線をＣｕＫβ線として、出力は４０ｋＶ、１５ｍＡで、発信側ソーラースリット２．５°、長手制限スリット５．０ｍｍ、発散スリット０．６２５°で、スキャッタースリット８．０ｍｍ、受光側ソーラースリット２．５°、受光スリット１３．０ｍｍで、ステップ幅を０．０１°、計測スピードを２．０°／分、スキャン角度を２０°～９０°で行ってもよい。なお、Ａｌ₂Ｏ₃層８の（１０４）面の半価幅の上限値は、２．０°であってもよい。

被覆層３は、Ａｌ₂Ｏ₃層８およびＴｉ系被覆層１０以外の層を有していてもよい。他の層としては、例えば、ＴｉＣ層およびＴｉＮ層などが挙げられ得る。被覆層３は、図３に示す限定されない一例のように、基体２の上に順にＴｉＮ層１１、Ｔｉ系被覆層１０、Ａｌ₂Ｏ₃層８が積層された構成であってもよく、さらに、Ａｌ₂Ｏ₃層８の上にＴｉＮ層１２などが積層された構成であってもよい。Ａｌ₂Ｏ₃層８は、Ｔｉ系被覆層１０に接していてもよい。なお、ＴｉＮ層１１を第１ＴｉＮ層１１、ＴｉＮ層１２を第２ＴｉＮ層１２と便宜的にいってもよい。

第１ＴｉＮ層１１、Ｔｉ系被覆層１０、Ａｌ₂Ｏ₃層８および第２ＴｉＮ層１２のそれぞれの厚みは、特定の値に限定されない。例えば、第１ＴｉＮ層１１の厚みは、０．１～３．０μｍに設定されてもよい。Ｔｉ系被覆層１０の厚みは、１．０～２０μｍに設定されてもよい。Ａｌ₂Ｏ₃層８の厚みは、１．０～２０μｍに設定されてもよい。第２ＴｉＮ層１２の厚みは、０．１～１０μｍに設定されてもよい。

被覆工具１は、貫通孔１３を有していてもよい。貫通孔１３は、被覆工具１をホルダに保持する際に、固定ネジまたはクランプ部材などを取り付けるために用いることが可能である。貫通孔１３は、第１面５から第１面５の反対側に位置する面（下面）にかけて形成されていてもよく、また、これらの面において開口していてもよい。なお、貫通孔１３は、第２面６における互いに対向する領域に開口する構成であっても何ら問題ない。

＜被覆工具の製造方法＞
次に、本開示の限定されない実施形態の被覆工具の製造方法について、被覆工具１を製造する場合を例に挙げて説明する。

最初に基体２を作製してもよい。基体２として、硬質合金からなる基体２を作製する場合を例に挙げて説明する。まず、焼成によって基体２を形成できる金属炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物などの無機物粉末に、金属粉末、カーボン粉末などを適宜添加して混合し、混合粉末を得てもよい。次に、この混合粉末を、プレス成形、鋳込成形、押出成形、冷間静水圧プレス成形などの公知の成形方法によって所定の工具形状に成形し、成形体を得てもよい。そして、得られた成形体を真空中または非酸化性雰囲気中で焼成し、基体２を得てもよい。基体２の表面４には、研磨加工やホーニング加工を施してもよい。

次に、得られた基体２の表面４にＣＶＤ法によって被覆層３を成膜してもよい。また、成膜された被覆層３に対して、ウェットブラスト処理を施してもよい。以下では、ウェットブラスト処理を施す前の状態の被覆層３および被覆工具１を未処理被覆層、未処理被覆工具という。そして、ウェットブラスト処理を施した未処理被覆層を被覆層３、未処理被覆工具を被覆工具１という。ウェットブラスト処理を行う前の工程は、基体２の上に未処理被覆層を有する、未処理被覆工具を準備する第１工程といってもよい。

未処理被覆層として、例えば、基体２の上に順に第１ＴｉＮ層１１、Ｔｉ系被覆層１０、Ａｌ₂Ｏ₃層８を成膜してもよい。さらに、Ａｌ₂Ｏ₃層８の上に第２ＴｉＮ層１２などを成膜してもよい。

第１ＴｉＮ層１１は、次のように成膜してもよい。まず、反応ガス組成として、四塩化チタン（ＴｉＣｌ₄）ガスを０．１～１０体積％、窒素（Ｎ₂）ガスを１０～６０体積％、残りが水素（Ｈ₂）ガスからなる混合ガスを調整してもよい。そして、この混合ガスをチャンバ内に導入し、温度を８００～１０１０℃、圧力を１０～８５ｋＰａに設定し、第１ＴｉＮ層１１を成膜してもよい。なお、この成膜条件は、第２ＴｉＮ層１２にも適用可能である。

Ｔｉ系被覆層１０は、次のように成膜してもよい。まず、反応ガス組成として、四塩化チタン（ＴｉＣｌ₄）ガスを０．１～１０体積％、アセトニトリル（ＣＨ₃ＣＮ）ガスを０．１～３．０体積％、残りが水素（Ｈ₂）ガスからなる混合ガスを調整してもよい。そして、この混合ガスをチャンバ内に導入し、温度を８００～１０５０℃、圧力を５～３０ｋＰａに設定し、Ｔｉ系被覆層１０を成膜してもよい。

Ａｌ₂Ｏ₃層８は、次のように成膜してもよい。まず、反応ガス組成として、三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ₃）ガスを０．５～５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体積％、硫化水素（Ｈ₂Ｓ）ガスを０．５体積％以下、残りが水素（Ｈ₂）ガスからなる混合ガスを調整してもよい。そして、この混合ガスをチャンバ内に導入し、温度を９３０～１０１０℃、圧力を５～１０ｋＰａに設定し、Ａｌ₂Ｏ₃層８を成膜してもよい。

次に、成膜された未処理被覆層に対して、ウェットブラスト処理を施す工程を行ってもよい。この工程は、未処理被覆層に対して、硬度（ＨＶ）が１０００以上の球状セラミック粒子を衝突させる第２工程であってもよい。ＨＶ（Ｖｉｃｋｅｒｓ ｈａｒｄｎｅｓｓ：ビッカース硬さ）は、ＪＩＳ Ｚ ２２４４：２００９に準拠して測定してもよい。なお、球状セラミック粒子の硬度（ＨＶ）の上限値は、２５００であってもよい。

球状セラミック粒子などのメディアの硬度は、負荷－除荷試験による硬さ測定で測定してもよい。硬さの測定にあたり、メディアと、埋め込み樹脂とを混合したのち、混合体を硬化させて作製した硬化体を用いてもよい。この硬化体の表面を研磨して研磨面に露出したメディアに対して硬度を測定してもよい。埋め込み樹脂は、例えば、Ｋｕｌｚｅｒ社製のＴｅｃｈｎｏｖｉｔ４００４を用いてもよい。測定を行うメディアと埋め込み樹脂を３：１（質量比）の割合で混合して硬化体とし、表面の研磨を行ってもよい。研磨後に、硬化体のメディアが露出した部分に硬度測定を行ってもよい。測定は、ダイナミック超微小硬度計ＤＵＨ－２１１Ｓを用いて行ってもよい。測定圧子が稜間角１１５°で、三角すい圧子（ダイヤモンド製）で、試験力が４９（ｍＮ）で、負荷速度が２．６６５（ｍＮ／秒）で、保持時間が５秒の条件で測定してもよい。測定回数は１０点行い、その平均値の測定を行ってもよい。

第２工程は、未処理被覆層の表面の全面に対して行ってもよく、また、一部に対して行ってもよい。未処理被覆層の第２工程を行った部分は、Ａｌ₂Ｏ₃層８が第１領域を有するようになり易く、また、Ｔｉ系被覆層１０が第３領域を有するようになり易い。未処理被覆層の第２工程を行わなかった部分は、Ａｌ₂Ｏ₃層８が第２領域を有するようになり易く、また、Ｔｉ系被覆層１０が第４領域を有するようになり易い。

ウェットブラスト処理では、未処理被覆層に対して、液体中に球状セラミック粒子を含有するブラスト液を投射してもよい。なお、ブラスト液はスラリーともいう。液体は、例えば、水を用いてもよい。

球状セラミック粒子とは、原料を粉砕して得られたものではないことを意味してもよい。球状セラミック粒子と区別するために、原料を粉砕して得られたセラミック粒子を角状セラミック粒子といってもよい。図４に球状セラミック粒子の写真を示す。また、図５に角状セラミック粒子の写真を示す。球状セラミック粒子は、比重が６ｇ／ｃｍ³以下であってもよい。比重が６ｇ／ｃｍ³以下の球状セラミック粒子は比較的、比重が小さいために水に分散させやすく、ウェットブラストに適している。例えば、Ａｌ₂Ｏ₃粒子の比重は約４ｇ／ｃｍ³である。

図５に示す写真のように、角状セラミック粒子は、不定形で角を有していてもよい。角状セラミック粒子は、原料粒子を粉砕するなどして製造されたものであってもよく、また、粉砕工程で破砕面および角が形成されたものであってもよい。従来のウェットブラスト処理で用いられているのは、角状セラミック粒子である。

一方、図４に示す写真のように、球状セラミック粒子は、角がなく真球に近い形状であってもよい。球状セラミック粒子の形状は、真球である必要はなく、破砕面や鋭角の角がなければ、多少の球からの変形は許容できる。

なお、球状セラミック粒子に形状が類似するものとして、球状の金属粒子が挙げられ得る。球状金属粒子は形状こそ、球状セラミック粒子に類似しているが、球状セラミック粒子よりも比重が重く、かつ、柔らかい。例えば、球状金属粒子の比重は、７～８ｇ／ｃｍ³である。また、球状金属粒子の硬度（ＨＶ）は、１０００未満である。このような特性に起因すると推察されるが、球状金属粒子を用いた場合には、第１領域や第３領域を有する被覆工具１が得られにくい。また、比重が重いことに起因して、球状金属粒子は、水中に分散しにくく、ウェットブラストには適さない。

同様の理由で、球状セラミック粒子であっても、硬度（ＨＶ）が１０００未満のガラスビーズや、ガラス成分を多く含有すると、第１領域や第３領域を有する被覆工具１が得られにくい。

ウェットブラスト処理では、種々の大きさの球状セラミック粒子を使用することができる。平均粒径が大きい球状セラミック粒子を用いると、ブラスト時間が短縮され易い。球状セラミック粒子の平均粒径は、２００μｍ以下としてもよい。

また、球状セラミック粒子の平均粒径は、３０μｍ以上、１００μｍ以下であってもよい。この範囲の球状セラミック粒子を用いると、種々の未処理被覆層を再現性良くブラスト処理することができる。

球状セラミック粒子の平均粒径は、レーザー回折法によって測定してもよい。また、球状セラミック粒子と、角状セラミック粒子が混在している場合には、ブラスト液を乾燥させて、ＳＥＭ写真で球状セラミックス粒子を抽出し、写真から得られる個々の球状セラミック粒子１００個の円相当径の平均値としてもよい。

球状セラミック粒子の平均円形度は、０．８２以上であってもよい。特に、球状セラミック粒子の平均円形度は、０．８８以上であってもよい。この場合には、製造する被覆工具の耐欠損性が高い。なお、平均円形度の上限値は、０．９８であってもよい。

平均円形度は、次のようにして測定してもよい。まず、ＳＥＭまたはＴＥＭで粒子像を撮影した後、画像解析ソフト（例えば、マウンテック社製の「Ｍａｃ－Ｖｉｅｗ Ｖｅｒｓｉｏｎ．４」）を用いて、粒子の投影面積（Ｓ）と周囲長（Ｌ）を測定してもよい。次に、得られた測定値を、式：４πＳ／Ｌ²に当てはめて、円形度を算出してもよい。円形度の算出は、任意に選んだ１００個の粒子について行い、その平均値を平均円形度としてもよい。

球状セラミック粒子の材質としては、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂およびＳｉＣなどが挙げられ得る。なお、比重の大きい材質の球状セラミック粒子を用いる場合には、平均粒径を小さめにしてもよい。比重の小さい材質の球状セラミック粒子を用いる場合には、平均粒径を大きめにしてもよい。

球状セラミック粒子を水に対して１０～４０体積％含有させて、ブラスト液を作製してもよい。

ブラスト液の投射条件は、投射圧を０．１５～０．３０ＭＰａ、投射時間を０．４～１０．０秒としてもよい。ブラスト液の投射時間は１０．０秒を超えると未処理被覆層の剥離が大きくなりやすいため適さない。なお、未処理被覆層に対してブラスト液を投射する際には、Ａｌ₂Ｏ₃層８の少なくとも一部が残るようにしてもよい。

例えば、上記のような工程で被覆工具１を製造することができる。
なお、ブラスト液は、角状のセラミック粒子を一部含有していてもよい。そのような場合には、セラミック粒子のうち、５０体積％以上が球状セラミック粒子であってもよい。

球状セラミック粒子を含有するブラスト液を投射する前に、角状セラミック粒子を含有するブラスト液を投射してもよい。また、球状セラミック粒子を含有するブラスト液を投射した後に、角状セラミック粒子を含有するブラスト液を投射してもよい。球状セラミック粒子を含有するブラスト液を投射することで、高くなった被覆層３の破壊靭性値は、角状セラミック粒子を含有するブラスト液を投射しても低くなりにくい。

なお、未処理被覆層に球状セラミック粒子を含有するブラスト液を投射する際には、例えば、市販の湿式ブラスト装置を用いてもよい。

未処理被覆工具において、未処理被覆層は引張応力を有していてもよい。なお、引張応力は、特定の値に限定されない。引張応力の絶対値は、５０～５００ＭＰａ程度に設定されてもよい。

未処理被覆層は圧縮応力を有していてもよい。なお、圧縮応力は、特定の値に限定されない。圧縮応力の絶対値は、５０～２０００ＭＰａ程度に設定されてもよい。

引張応力や圧縮応力は、Ｘ線応力測定装置（ＸＲＤ）を用いたｓｉｎ２ψ法によって測定してもよい。なお、残留応力の測定の際、Ａｌ₂Ｏ₃層８はα型Ａｌ₂Ｏ₃の（１１６）面を選択して測定してもよい。Ｔｉ系被覆層１０はＴｉＣＮの（４２２）面を選択して測定してもよい。

得られた被覆工具１において、切刃７を含む領域に研磨加工を施してもよい。これにより、切刃７を含む領域が平滑になる。その結果、被削材の溶着が抑制され、切刃７の耐欠損性が高い。

なお、上記の製造方法は、被覆工具１を製造する方法の一例である。したがって、被覆工具１が、上記の製造方法によって作製されたものに限定されないことはいうまでもない。

＜切削工具＞
次に、本開示の限定されない実施形態の切削工具１０１について、上記の被覆工具１を有する場合を例に挙げて、図６を参照して詳細に説明する。

切削工具１０１は、図６に示す限定されない一例のように、第１端１０２ａから第２端１０２ｂに亘る長さを有し、第１端１０２ａの側に位置するポケット１０３を有するホルダ１０２と、ポケット１０３に位置する被覆工具１と、を有していてもよい。切削工具１０１が被覆工具１を有する場合には、被覆工具１が耐欠損性に優れることから、長期間安定した切削加工を行うことが可能となる。

ポケット１０３は、被覆工具１が装着される部分であってもよい。ポケット１０３は、ホルダ１０２の外周面および第１端１０２ａの側の端面において開口していてもよい。

被覆工具１は、切刃７がホルダ１０２から外方に突出するようにポケット１０３に装着されていてもよい。また、被覆工具１は、固定ネジ１０４によって、ポケット１０３に装着されていてもよい。すなわち、被覆工具１の貫通孔１３に固定ネジ１０４を挿入し、この固定ネジ１０４の先端をポケット１０３に形成されたネジ孔に挿入してネジ部同士を螺合させることによって、被覆工具１がポケット１０３に装着されていてもよい。被覆工具１とポケット１０３との間には、シートが挟まれていてもよい。

ホルダ１０２の材質としては、例えば、鋼および鋳鉄などが挙げられ得る。ホルダ１０２の材質が鋼の場合には、ホルダ１０２の靱性が高い。

図６に示す一例においては、いわゆる旋削加工に用いられる切削工具１０１を例示している。旋削加工としては、例えば、内径加工、外径加工および溝入れ加工などが挙げられ得る。なお、切削工具１０１の用途は、旋削加工に限定されない。例えば、切削工具１０１を転削加工に用いても何ら問題ない。

以下、実施例を挙げて本開示を詳細に説明するが、本開示は以下の実施例に限定されない。

［試料Ｎｏ．１～１１］
＜被覆工具の作製＞
まず、基体を作製した。具体的には、平均粒径１．２μｍのＷＣ粉末に対して、平均粒径１．５μｍの金属Ｃｏ粉末を６質量％、ＴｉＣ（炭化チタン）粉末を２．０質量％、Ｃｒ₃Ｃ₂（炭化クロム）粉末を０．２質量％の比率で添加して混合して混合原料粉末を作製した。次に、混合原料粉末をプレス成形して切削工具形状（ＣＮＭＧ１２０４０８）に成形し、成形体を得た。得られた成形体に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、超硬合金からなる基体を作製した。作製した基体のすくい面（第１面）の側に、ブラシ加工で刃先処理（Ｒホーニング）を施した。

次に、この基体の上に未処理被覆層を成膜した。具体的には、基体の上に基体の側から順に第１ＴｉＮ層、Ｔｉ系被覆層、Ａｌ₂Ｏ₃層、第２ＴｉＮ層を成膜した。成膜条件および厚みは、以下のとおりである。なお、厚みは、ＳＥＭによる断面測定で得た値である。

（第１ＴｉＮ層）
ＴｉＣｌ₄ガス：１．０体積％
Ｎ₂ガス：５５．０体積％
Ｈ₂ガス：残部
温度：８５０℃
圧力：１６ｋＰａ
厚み：１．０μｍ

（Ｔｉ系被覆層）
ＴｉＣｌ₄ガス：７．０体積％
ＣＨ₃ＣＮガス：０．５体積％
Ｈ₂ガス：残部
温度：８５０℃
圧力：１０ｋＰａ
厚み：７．０μｍ

（Ａｌ₂Ｏ₃層）
ＡｌＣｌ₃ガス：４．２体積％
ＨＣｌガス：０．９体積％
ＣＯ₂ガス：４．５体積％
Ｈ₂Ｓガス：０．３体積％
Ｈ₂ガス：残部
温度：９５０℃
圧力：９ｋＰａ
厚み：８．０μｍ

（第２ＴｉＮ層）
ＴｉＣｌ₄ガス：３．０体積％
Ｎ₂ガス：４０．０体積％
Ｈ₂ガス：残部
温度：１０１０℃
圧力：３０ｋＰａ
厚み：２．０μｍ

次に、メディアとして、表１に示す平均粒径の球状Ａｌ₂Ｏ₃粒子、ジルコン（ＺｒＳｉＯ₄）からなる球状粒子、角状Ａｌ₂Ｏ₃粒子をそれぞれ、水に対して２５体積％含まれるようにしてブラスト液を調整した。なお、メディアの硬度（ＨＶ）は、以下のようにして測定した値である。

（メディア硬度）
ブラスト処理で用いたメディアの硬度は、負荷－除荷試験による硬さ測定で測定した。まず、測定を行うメディアを埋め込み樹脂（Ｋｕｌｚｅｒ社製のＴｅｃｈｎｏｖｉｔ４００４）で固定して表面の研磨を行った。具体的には、液状の硬化樹脂と硬化剤を３：１（質量比）で混合した樹脂１ｇに対して、Ａｌ₂Ｏ₃粉末を３ｇ加え、混合した後、常温（２３℃）で１時間程度硬化させて硬化体を得た。その後、この硬化体を研磨する手順を用いた。研磨後に、硬化体のメディアが露出した部分に硬度測定を行った。測定は、ダイナミック超微小硬度計ＤＵＨ－２１１Ｓを用いて行った。測定圧子が稜間角１１５°で、三角すい圧子（ダイヤモンド製）で、試験力が４９（ｍＮ）で、負荷速度が２．６６５（ｍＮ／秒）で、保持時間が５秒の条件で測定した。測定回数は１０点行い、その平均値の測定を行った。

調整したブラスト液を、圧縮空気の圧力（投射圧）を０．２ＭＰａとして、表１に示す時間で未処理被覆層に投射し、被覆工具を得た。なお、ブラスト液は、第１面および第２面の切削に関与する領域に対して投射した。切削に関与する領域は、切刃から第１面および第２面の方向に１ｍｍ未満の領域とした。

＜評価＞
得られた被覆工具について、第１～第４破壊靭性値および第１～第４硬度を測定した。また、切削に関与する領域の（１０４）面の半価幅を測定した。さらに、得られた被覆工具を用いて切削評価を行い、耐欠損性を評価した。測定方法を以下に示すとともに、結果を表２および表３に示す。

（第１～第４破壊靭性値）
鏡面加工した面に対してナノインデンターで押し込み試験を行い、得られた圧痕に対して電界放出型走査電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ）を用いてクラックの観察を行い、破壊靭性値を測定した。ナノインデンターとしては、株式会社エリオニクス社製の超微小押し込み硬さ試験機ＥＮＴ－１１００ｂ／ａを用いて測定を行った。押し込み荷重が７００（ｍＮ）で、測定に用いる圧子は株式会社東洋テクニカ社製のバーコビッチ圧子ＥＮＴ－２０－１３を用いて測定した。破壊靭性値は、ＪＩＳ Ｒ １６０７：２０１５に準拠して測定を行った。クラックの観察は日本電子株式会社製のＪＳＭ－７１００Ｆを用いて行った。

Ａｌ₂Ｏ₃層がウェットブラスト処理によって露出している場合には、その露出しているＡｌ₂Ｏ₃層の表面を鏡面研磨して得られた鏡面で破壊靭性値を測定した。Ａｌ₂Ｏ₃層が露出していない場合には、Ａｌ₂Ｏ₃層が露出するまで鏡面研磨処理を続けて、Ａｌ₂Ｏ₃層の露出した鏡面で破壊靭性値を測定した。

Ｔｉ系被覆層の破壊靭性値も、被覆層の表面からＴｉ系被覆層が露出するまで鏡面研磨を施し、その露出したＴｉ系被覆層の鏡面で測定した。

なお、鏡面研磨には、トーメイダイヤ株式会社製の平均粒径１．４μｍのダイヤモンドペーストと、山桂産業株式会社製のオリーブオイルをペースト濃度が２５質量％となるように調整したものを用いた。また、鏡面研磨は、基体の表面に対して鏡面が平行となるように行った。

（第１～第４硬度）
ナノインデンターを用いた押し込み試験によって測定した。ナノインデンターとしては、株式会社エリオニクス社製の超微小押し込み硬さ試験機ＥＮＴ－１１００ｂ／ａを用いた。押し込み荷重が７００（ｍＮ）で、測定に用いる圧子は株式会社東洋テクニカ社製のバーコビッチ圧子ＥＮＴ－２０－１３を用いた。

（切削に関与する領域の（１０４）面の半価幅）
ウェットブラスト処理を施した面の切削に関与する領域の（１０４）面の半価幅を測定した。Ａｌ₂Ｏ₃層の（１０４）面は、ＪＣＰＤＳカード番号００－０１０－０１７３を基準とした。Ａｌ₂Ｏ₃層がウェットブラスト処理によって露出している場合には、その露出しているＡｌ₂Ｏ₃層の表面を鏡面研磨して得られた鏡面でＸＲＤ測定を行った。Ａｌ₂Ｏ₃層が露出していない場合には、Ａｌ₂Ｏ₃層が露出するまで鏡面研磨処理を続けて、Ａｌ₂Ｏ₃層の露出した鏡面でＸＲＤ測定を行った。Ａｌ₂Ｏ₃層のＸＲＤ測定は表面の凹凸が少ない面を選んで行った。ＸＲＤ測定は、株式会社リガク社製のＭｉｎｉＦｌｅｘ６００を用いて行った。測定条件は、特性Ｘ線をＣｕＫβ線として、出力は４０ｋＶ、１５ｍＡで、発信側ソーラースリット２．５°、長手制限スリット５．０ｍｍ、発散スリット０．６２５°で、スキャッタースリット８．０ｍｍ、受光側ソーラースリット２．５°、受光スリット１３．０ｍｍで、ステップ幅を０．０１°、計測スピードを２．０°／分、スキャン角度を２０°～９０°で行った。

（切削評価）
断続切削試験を以下の条件で行った。
被削材 ：機械構造用炭素鋼（Ｓ４５Ｃ １６本溝入り鋼材）
工具形状：ＣＮＭＧ１２０４０８
切削速度：４８ｍ／分
送り速度：０．２７ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１．０ｍｍ
その他 ：水溶性切削液使用
評価項目：欠損に至る衝撃回数を測定

試料Ｎｏ．１は、未処理被覆層に対してブラスト液を投射する処理を行わなかった。言い換えると、試料Ｎｏ．１は、基体の上に被覆層を成膜しただけの被覆工具である。試料Ｎｏ．１のＡｌ₂Ｏ₃層の破壊靭性値は、第１面および第２面ともに０．８ＭＰａ・ｍ^0.5であった。

試料Ｎｏ．２は、角状セラミック粒子を含有するブラスト液を、第１面および第２面に投射したものである。試料Ｎｏ．２では、Ａｌ₂Ｏ₃層の破壊靭性値が、無処理の試料Ｎｏ．１よりも若干、高くなり、第１面および第２面ともに１．５ＭＰａ・ｍ^0.5であった。

試料Ｎｏ．３、４は、球状ジルコン（ＺｒＳｉＯ₄）粒子を含有するブラスト液を、第１面および第２面に投射したものである。試料Ｎｏ．３、４では、Ａｌ₂Ｏ₃層の破壊靭性値が、無処理の試料Ｎｏ．１よりも若干、高くなり、第１面および第２面ともに１．５ＭＰａ・ｍ^0.5あるいは２．０ＭＰａ・ｍ^0.5であった。

試料Ｎｏ．１～４のＡｌ₂Ｏ₃層の破壊靭性値は、いずれも低い値であった。

これに対して、本開示の被覆工具である試料Ｎｏ．５～１１のＡｌ₂Ｏ₃層は、破壊靭性値が５．０ＭＰａ・ｍ^0.5以上あるいは６．５ＭＰａ・ｍ^0.5の領域を有しており、耐欠損性に優れている。

なお、試料Ｎｏ．５～１１における球状Ａｌ₂Ｏ₃粒子と、試料Ｎｏ．２における角状Ａｌ₂Ｏ₃粒子について、平均円形度を測定した。具体的には、まず、ＳＥＭで粒子像を撮影した後、画像解析ソフト（マウンテック社製の「Ｍａｃ－Ｖｉｅｗ Ｖｅｒｓｉｏｎ．４」）を用いて、粒子の投影面積（Ｓ）と周囲長（Ｌ）を測定した。次に、得られた測定値を、式：４πＳ／Ｌ²に当てはめて、円形度を算出した。円形度の算出は、任意に選んだ１００個の粒子について行い、その平均値を平均円形度とした。平均円形度の測定結果は、以下のとおりである。

（平均円形度）
試料Ｎｏ．５～１１における球状Ａｌ₂Ｏ₃粒子：０．９０
試料Ｎｏ．２における角状Ａｌ₂Ｏ₃粒子：０．７４

１・・・被覆工具
２・・・基体
３・・・被覆層
４・・・表面
５・・・第１面
６・・・第２面
７・・・切刃
８・・・Ａｌ₂Ｏ₃層
９・・・表面
１０・・・Ｔｉ系被覆層
１１・・・ＴｉＮ層（第１ＴｉＮ層）
１２・・・ＴｉＮ層（第２ＴｉＮ層）
１３・・・貫通孔
１０１・・・切削工具
１０２・・・ホルダ
１０２ａ・・第１端
１０２ｂ・・第２端
１０３・・・ポケット
１０４・・・固定ネジ

Claims (8)

1. 基体と、該基体の上に位置する被覆層とを有する被覆工具であって、
   前記被覆工具は、第１面と、該第１面と隣り合う第２面と、前記第１面と前記第２面の稜線部の少なくとも一部に位置する切刃とを備え、
   前記被覆層は、
   Ａｌ₂Ｏ₃層を有し、
   該Ａｌ₂Ｏ₃層は、
   前記基体の表面に平行な前記被覆層の表面で前記Ａｌ₂Ｏ₃層の破壊靭性値を測定した場合において、
   該破壊靭性値が５ＭＰａ・ｍ^0.5以上である第１領域と、
   前記破壊靭性値が５ＭＰａ・ｍ ^0.5 未満である第２領域とを有し、
   前記第１領域における硬度を第１硬度とし、
   前記第２領域における硬度を第２硬度とした場合、
   該第２硬度は、前記第１硬度よりも大きい、被覆工具。
2. 前記Ａｌ₂Ｏ₃層は、
   前記第１面および前記第２面のそれぞれに前記第１領域を有する、請求項１に記載の被覆工具。
3. 前記Ａｌ₂Ｏ₃層は、
   前記第１領域を前記第１面に有し、
   前記第２領域を前記第２面に有する、請求項１に記載の被覆工具。
4. 基体と、該基体の上に位置する被覆層とを有する被覆工具であって、
   前記被覆工具は、第１面と、該第１面と隣り合う第２面と、前記第１面と前記第２面の稜線部の少なくとも一部に位置する切刃とを備え、
   前記被覆層は、
   Ａｌ₂Ｏ₃層を有し、
   該Ａｌ₂Ｏ₃層は、
   前記基体の表面に平行な前記被覆層の表面で前記Ａｌ₂Ｏ₃層の破壊靭性値を測定した場合において、
   該破壊靭性値が５ＭＰａ・ｍ^0.5以上である第１領域を有し、
   前記被覆層は、
   前記基体と前記Ａｌ ₂ Ｏ ₃ 層との間にＴｉ系被覆層を有し、
   該Ｔｉ系被覆層は、
   前記基体の表面に平行な前記被覆層の表面で前記Ｔｉ系被覆層の破壊靭性値を測定した場合において、
   該破壊靭性値が１０ＭＰａ・ｍ ^0.5 以上である第３領域を有する、被覆工具。
5. 前記Ｔｉ系被覆層は、
   前記基体の表面に平行な前記被覆層の表面で前記Ｔｉ系被覆層の破壊靭性値を測定した場合において、
   該破壊靭性値が１０ＭＰａ・ｍ^0.5未満である第４領域を有し、
   前記第３領域における硬度を第３硬度とし、
   前記第４領域における硬度を第４硬度とした場合、
   該第３硬度は、前記第４硬度よりも大きい、請求項４に記載の被覆工具。
6. 前記Ａｌ₂Ｏ₃層は、
   前記基体の表面に平行な前記被覆層の表面で前記Ａｌ₂Ｏ₃層の破壊靭性値を測定した場合において、
   該破壊靭性値が５ＭＰａ・ｍ^0.5未満である第２領域を有し、
   前記第１領域は、前記第３領域の上に位置し、
   前記第２領域は、前記第４領域の上に位置する、請求項５に記載に被覆工具。
7. 前記Ａｌ₂Ｏ₃層は、Ｘ線回折において、（１０４）面の半価幅が０．１５°以上である、請求項１～６のいずれかに記載の被覆工具。
8. 第１端から第２端に亘る長さを有し、前記第１端側に位置するポケットを有するホルダと、
   前記ポケットに位置する請求項１～７のいずれかに記載の被覆工具と、を有する切削工具。

Images