JP7305054B2 - 切削工具 - Google Patents
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- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
- C23C28/04—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
- C23C28/044—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material coatings specially adapted for cutting tools or wear applications
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Description
前記被膜は、第一層を含み、
前記第一層は、MoC1-xで示される化合物からなるMoC1-x層、又は、TaC1-yで示される化合物からなるTaC1-y層からなり、
前記MoC1-xで示される化合物は、六方晶型の結晶構造からなり、
前記xは、0.40以上0.60以下であり、
前記TaC1-yで示される化合物は、六方晶型の結晶構造を95質量%以上含み、
前記yは、0.40以上0.60以下である、切削工具である。
近年、負荷の高い高速、高能率加工の要求がますます高まっており、高速高能率可能においても長い工具寿命を有することのできる切削工具が求められている。
本開示によれば、高速高能率加工においても長い工具寿命を有する切削工具を提供することができる。
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
(1)本開示の切削工具は、基材と、前記基材上に配置された被膜と、を備える切削工具であって、
前記被膜は、第一層を含み、
前記第一層は、MoC1-xで示される化合物からなるMoC1-x層、又は、TaC1-yで示される化合物からなるTaC1-y層からなり、
前記MoC1-xで示される化合物は、六方晶型の結晶構造からなり、
前記xは、0.40以上0.60以下であり、
前記TaC1-yで示される化合物は、六方晶型の結晶構造を95質量%以上含み、
前記yは、0.40以上0.60以下である、切削工具である。
前記硬質被膜層は、第一単位層を含み、
前記第一単位層の組成は、前記第一層の組成と異なり、
前記第一単位層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、アルミニウム及び珪素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素からなる、又は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、アルミニウム及び珪素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、炭素、窒素、酸素及びホウ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からなることが好ましい。
前記第一単位層の厚さは、0.1μm以上15μm以下であることが好ましい。
前記第二単位層の組成は、前記第一層の組成及び前記第一単位層の組成と異なり、
前記第二単位層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、アルミニウム及び珪素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素からなる、又は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、アルミニウム及び珪素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、炭素、窒素、酸素及びホウ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からなり、
前記第一単位層及び前記第二単位層は、それぞれが交互に1層以上積層された多層構造を形成していることが好ましい。
前記第二単位層の厚さは、1nm以上100nm以下であることが好ましい。これによると、切削工具の耐欠損性及び耐摩耗性が向上する。
前記硬質被膜層の厚さは、0.1μm以上10μm以下であることが好ましい。これによると、切削工具の耐欠損性及び耐摩耗性が向上する。
本開示の切削工具の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。本開示の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、必ずしも実際の寸法関係を表すものではない。
本開示に係る切削工具(以下、実施形態1又は本実施形態とも記す)は、基材と、前記基材上に配置された被膜と、を備える切削工具であって、
前記被膜は、第一層を含み、
前記第一層は、MoC1-xで示される化合物からなるMoC1-x層、又は、TaC1-yで示される化合物からなるTaC1-y層からなり、
前記MoC1-xで示される化合物は、六方晶型の結晶構造からなり、
前記xは、0.40以上0.60以下であり、
前記TaC1-yで示される化合物は、六方晶型の結晶構造を95質量%以上含み、
前記yは、0.40以上0.60以下である、切削工具である。
本実施形態の基材は、この種の基材として従来公知のものであればいずれのものも使用することができる。例えば、上記基材は、超硬合金(例えば、炭化タングステン(WC)基超硬合金、WC-Co系超硬合金、WC-TaC-Co系超硬合金、更にCr、Ti、Ta、Nb等の炭窒化物を添加した超硬合金等)、サーメット(TiC、TiN、TiCN等を主成分とするもの)、高速度鋼、セラミックス(炭化チタン、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム等)、立方晶型窒化硼素焼結体(cBN焼結体)及びダイヤモンド焼結体からなる群より選ばれる少なくとも1種を含むことが好ましく、超硬合金、サーメット及びcBN焼結体からなる群より選ばれる少なくとも1種を含むことがより好ましい。
本実施形態に係る「被膜」は、上記基材の表面の少なくとも一部を被覆することで、切削工具における耐欠損性、耐摩耗性等の諸特性を向上させる作用を有するものである。ここで、「基材の表面の少なくとも一部」には、切削加工時に被削材と接する部分が含まれる。該被削材と接する部分とは、例えば、基材の表面において、刃先稜線からの距離が2mm以内の領域とすることができる。なお、上記基材の一部が上記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りしていたとしても本実施形態の範囲を逸脱するものではない。
本実施形態において、被膜は、第一層を含み、該第一層は、MoC1-xで示される化合物からなるMoC1-x層、又は、TaC1-yで示される化合物からなるTaC1-y層からなる。
本実施形態において、MoC1-x層は、MoC1-xで示される化合物からなる。「MoC1-xで示される化合物」(以下、「MoC1-x」と表記する場合がある。)とは、モリブデン元素(Mo)の元素比を1とした場合、炭素元素(C)の元素比が1-xである炭化モリブデンを意味する。上記MoC1-x層は、本実施形態に係る切削工具が奏する効果を損なわない範囲において、不可避不純物を含んでいてもよい。該不可避不純物としては、例えば、水素、酸素、窒素、アルゴンが挙げられる。該不可避不純物の含有割合は、MoC1-x層の全質量に対して0質量%以上0.2質量%以下であることが好ましい。後述する「硬質被膜層」及び「他の層」の表記についても同様に、本実施形態に係る切削工具が奏する効果を損なわない範囲において、不可避不純物が含まれていてもよい。
加速電圧:200kV
プローブ電流:0.29nA
プローブサイズ:0.2nm
走査軸:2θ-θ
X線源:Cu-Kα線(1.541862Å)
検出器:0次元検出器(シンチレーションカウンタ)
管電圧:45kV
管電流:40mA
入射光学系:ミラーの利用
受光光学系:アナライザ結晶(PW3098/27)の利用
ステップ:0.03°
積算時間:2秒
スキャン範囲(2θ):10°~120°
本実施形態において、TaC1-y層は、TaC1-yで示される化合物からなる。「TaC1-yで示される化合物」(以下、「TaC1-y」と表記する場合がある。)とは、タンタル元素(Ta)の元素比を1とした場合、炭素元素(C)の元素比が1-yである炭化タンタルを意味する。上記TaC1-y層は、本実施形態に係る切削工具が奏する効果を損なわない範囲において、不可避不純物が含まれていてもよい。該不可避不純物としては、例えば、水素、酸素、窒素、アルゴンが挙げられる。該不可避不純物の含有割合は、TaC1-y層の全質量に対して0質量%以上0.2質量%以下であることが好ましい。
使用X線源:mono-AlKα線 (hν=1486.6eV)
検出深さ:1nm~10nm
X線ビーム径:約100μmφ
中和銃:デュアルタイプ使用
Ar+:加速電圧 4kV
ラスターサイズ:1×1mm
スパッタ速度(Ar+):SiO2スパッタ換算値 28.3nm/min
圧子: バーコビッチ
荷重: 1gf
負荷時間: 10sec
保持時間: 2sec
除荷時間: 10sec
上記被膜は、上記基材と上記第一層との間に配置された硬質被膜層を更に含むことが好ましい。該硬質被膜層は、第一単位層を含むことが好ましい。該第一単位層の組成は、第一層の組成と異なることが好ましい。ここで「基材と第一層との間に配置された」とは、基材と第一層との間に硬質被膜層が配置されていればよく、硬質被膜層が、基材及び第一層に接触していることを要しない。基材と硬質被膜層との間に他の層が配置されていてもよいし、硬質被膜層と第一層との間に他の層が配置されていてもよい。
第一単位層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、アルミニウム及び珪素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素からなる、又は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、アルミニウム及び珪素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、炭素、窒素、酸素及びホウ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からなることが好ましい。第一単位層は、クロム、アルミニウム、チタン及び珪素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、又は、クロム、アルミニウム、チタン及び珪素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、炭素、窒素、酸素及びホウ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からなることがより好ましい。周期表4族元素としては、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)等が挙げられる。周期表5族元素としては、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)等が挙げられる。周期表6族元素としては、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)等が挙げられる。
硬質被膜層は、更に第二単位層を含むことが好ましい。第二単位層の組成は、第一層の組成及び第一単位層の組成と異なることが好ましい。第二単位層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、アルミニウム及び珪素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素からなる、又は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、アルミニウム及び珪素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、炭素、窒素、酸素及びホウ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からなることが好ましい。第二単位層は、クロム、アルミニウム、チタン及び珪素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、又は、クロム、アルミニウム、チタン及び珪素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、炭素、窒素、酸素及びホウ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からなることがより好ましい。周期表4族元素、5族元素及び6族元素それぞれの具体例としては、上述した各元素が挙げられる。
本実施形態の効果を損なわない範囲において、上記被膜は、第一層及び硬質被膜層に加えて、他の層を更に含んでいてもよい。上記他の層は、上記第一層及び上記硬質被膜層とは組成が異なっていてもよいし、同じであってもよい。被膜における他の層の位置も特に限定されない。例えば、他の層としては、上記基材と上記第一層との間に設けられている下地層、上記第一層と上記硬質被膜層との間に設けられている中間層、上記第一層の上に設けられている表面層等が挙げられる。他の層としては、例えば、TiN層、TiWCN層、TiCN層、ZrB2層、TiSiN相、AlCrN層等を挙げることができる。
本実施形態に係る切削工具の製造方法は、基材準備工程と、第一層被覆工程とを含む。以下、各工程について説明する。
基材準備工程では、上記基材を準備する。上記基材としては、上述したようにこの種の基材として従来公知のものであればいずれの基材も使用することができる。例えば、上記基材が超硬合金からなる場合、まず所定の配合組成(質量%)からなる原料粉末を市販のアトライターを用いて均一に混合する。続いてこの混合粉末を所定の形状(例えば、SEET13T3AGSN、CNMG120408N-EG等)に加圧成形する。その後、所定の焼結炉において1300~1500℃以下で、上述の加圧成形した混合粉末を1~2時間焼結することにより、超硬合金からなる上記基材を得ることができる。また、基材は、市販品をそのまま用いてもよい。市販品としては、例えば、住友電工ハードメタル株式会社製のEH520(商標)が挙げられる。
第一層被覆工程では、上記基材の表面の少なくとも一部を第一層で被覆して切削工具を得る。ここで、「基材の表面の少なくとも一部」には、切削加工時に被削材と接する部分が含まれる。該被削材と接する部分とは、例えば、基材の表面において、刃先稜線からの距離が2mm以内の領域とすることができる。
Moは融点が高く、溶かしにくい。よって、物理的蒸着法において安定した放電を維持できず、六方晶型のMoCからなり、良好な膜質を有するMoC層を形成することができなかった。本発明者らは鋭意検討の結果、六方晶型のMoC1-xからなる良好な膜質を有するMoC1-x層を安定して作製できる方法を見出した。その方法の一例として、アークイオンプレーティング法により六方晶型の結晶構造からなるMoC1-x層(0.40≦x≦0.60)を形成する場合について以下に説明する。
Taは融点が高く、溶かしにくい。よって、物理的蒸着法において安定した放電を維持できず、立方晶型のTaCを含み、良好な膜質を有するTaC層を形成することができなかった。本発明者らは鋭意検討の結果、六方晶型のTaC1-yを含む良好な膜質を有するTaC1-y層を安定して作製できる方法を見出した。その方法の一例として、アークイオンプレーティング法により六方晶型の結晶構造を95質量%以上含むTaC1-y層(0.40≦y≦0.60)を形成する場合について以下に説明する。
本実施形態に係る切削工具の製造方法は、上記第一層被覆工程の前に硬質被膜層被覆工程を更に含むことが好ましい。硬質被膜層の形成方法は、特に制限なく、従来の方法を用いることが可能である。具体的には、例えば、上述したPVD法によって硬質被膜層を形成することが挙げられる。
本実施形態に係る製造方法は、上述した工程の他にも、基材と上記第一層との間に下地層を形成する下地層被覆工程、上記第一層と上記硬質被膜層との間に中間層を形成する中間層被覆工程及び上記第一層の上に表面層を形成する表面層被覆工程を含むことができる。上述の下地層、中間層及び表面層等の他の層を形成する場合、従来の方法によって他の層を形成してもよい。具体的には、例えば、上述したPVD法によって上記他の層を形成することが挙げられる。
本開示の切削工具は、基材と、前記基材上に配置された被膜と、を備える切削工具であって、
前記被膜は、MoC1-xで示される化合物からなるMoC1-x層を含み、
前記xは、0.40以上0.60以下であり、
前記MoC1-xで示される化合物は、六方晶型の結晶構造からなる、切削工具である。
前記MoC1-x層は、遊離炭素を含まないことが好ましい。
前記MoC1-x層の膜硬度は、2700mgf/μm2以上4200mgf/μm2以下であることが好ましい。
前記MoC1-x層は、前記基材に接していることが好ましい。
本開示の切削工具は、基材と、前記基材上に配置された被膜と、を備える切削工具であって、
前記被膜は、TaC1-yで示される化合物からなるTaC1-y層を含み、
前記yは、0.40以上0.60以下であり、
前記TaC1-yで示される化合物は、六方晶型の結晶構造を95質量%以上含む、切削工具である。
前記TaC1-y層は、遊離炭素を含まないことが好ましい。
前記TaC1-y層の膜硬度は、2700mgf/μm2以上4200mgf/μm2以下であることが好ましい。
前記TaC1-y層は、前記基材に接していることが好ましい。
≪切削工具の作製≫
[試料1~試料26]
<基材準備工程>
基材として、JIS規格K10超硬(形状:JIS規格SEET13T3AGSN-L、CNMG120408N-EG)を準備した。次に、上記基材をアークイオンプレーティング装置(株式会社神戸製鋼所製、商品名:AIP)の所定の位置にセットする。
アークイオンプレーティング法により上記基材の上にMoC1-x層を形成した。具体的には以下の方法で行う。まずMoCターゲットを装置内のアーク式蒸発源にセットし、基板(基材)温度を450~600℃に設定し、真空排気を行う。続いて、例えばアルゴンガス及びクリプトンガスの一方又は両方を導入し該装置内のガス圧を1.0~3.0Paに設定する。そして、DC電源を介し基板に負のバイアス電圧を200~1000V印加して基材の表面を40分間クリーニングする。その後、カソード電極に80~200Aのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源から金属イオン等を発生させることによりMoC1-x層(0.40≦x≦0.60)を形成する。このとき、MoC1-x層の形成初期(膜厚が0.1μm以下の範囲)では基材温度を400~450℃とし、基板バイアスを-50Vとし、形成終了に向けて徐々に温度を450℃~550℃、基板バイアスを-60~-75Vまで上昇させる。上記の方法で、表1及び表2の「MoC1-x層」の「厚さ」欄に記載の厚さまでMoC1-x層を形成した。アークイオンプレーティング法に用いる装置としては、株式会社神戸製鋼所製のAIP(商品名)を用いた。
基材とMoC1-x層との間に下地層を形成した試料(試料5、試料6)については、MoC1-x層被覆工程を行う前に以下の手順にて、基材の上に下地層を形成した。まず表1に記載の下地層の組成の欄における金属組成を含むターゲットをアークイオンプレーティング装置のアーク式蒸発源にセットした。次に、基材温度を600℃及び該装置内のガス圧を1Paに設定した。窒化物の下地層(試料5)の場合は、窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガスを導入した。炭窒化物の下地層(試料6)の場合は、反応ガスとしては窒素ガスとメタンガスとアルゴンガスとの混合ガスを導入した。その後、カソード電極に150Aのアーク電流を供給した。アーク電流の供給でアーク式蒸発源から金属イオン等を発生させることによって、表1の「下地層」の括弧内に記載の厚さまで下地層を形成した。
基材とMoC1-x層との間に硬質被膜層を設けた試料(試料7~試料13、試料16~試料22、試料25、試料26)については、MoC1-x層被覆工程を行う前に以下の手順にて、基材の上に硬質被膜層を形成した。まず表1及び表2に記載の硬質被膜層の組成の欄における金属組成を含むターゲットをアークイオンプレーティング装置のアーク式蒸発源にセットした。次に、基材温度を550℃及び該装置内のガス圧を4.0Paに設定した。反応ガスとしては、窒化物の硬質被膜層の場合は窒素ガスを導入した。炭窒化物の硬質被膜層の場合は、反応ガスとしては窒素ガスとメタンガスとの混合ガスを導入した。酸窒化物の硬質被膜層の場合は、反応ガスとしては酸素ガスと窒素ガスとの混合ガスを導入した。その後、カソード電極に150Aのアーク電流を供給した。アーク電流の供給でアーク式蒸発源から金属イオン等を発生させることによって、表1及び表2の「硬質被膜層」の括弧内に記載の厚さまで硬質被膜層を形成した。
MoC1-x層上に表面層を設けた試料(試料5、試料7、試料8、試料11、試料12)については、MoC1-x層被覆工程後に以下の手順にて、MoC1-x層の上に表面層を形成した。まず表1に記載の表面層の組成の欄における金属組成を含むターゲットをアークイオンプレーティング装置のアーク式蒸発源にセットした。次に、基材温度を550℃及び該装置内のガス圧を4.0Paに設定した。反応ガスとしては、窒化物の表面層の場合は窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガスを導入した。その後、カソード電極に150Aのアーク電流を供給した。アーク電流の供給でアーク式蒸発源から金属イオン等を発生させることによって、表1の「表面層」の括弧内に記載の厚さまで表面層を形成した。
基材として、試料1と同一の基材を準備した。該基材上に、アークイオンプレーティング法により上記基材の上にMoC1-x層を形成した。具体的には以下の方法で行った。まずMoCターゲットをアークイオンプレーティング装置のアーク式蒸発源にセットした。次に、基材温度を390℃及び該装置内のガス圧を2Paに設定した。上記ガスとしては、アルゴンガスを導入した。そして、基板バイアス電圧を-50Vに維持したまま、カソード電極に120Aのアーク電流を供給した。アーク電流の供給でアーク式蒸発源から金属イオン等を発生させることにより、MoC1-x層を形成して切削工具を得た。
基材として、試料1と同一の基材を準備した。該基材上に、アークイオンプレーティング法により上記基材の上にMoC1-x層を形成した。具体的には以下の方法で行った。まずMoCターゲットをアークイオンプレーティング装置のアーク式蒸発源にセットした。次に、基材温度を620℃及び該装置内のガス圧を0.5Paに設定した。上記ガスとしては、アルゴンガスを導入した。そして、基板バイアス電圧を-40Vに維持したまま、カソード電極に130Aのアーク電流を供給した。アーク電流の供給でアーク式蒸発源から金属イオン等を発生させることにより、MoC1-x層を形成して切削工具を得た。
基材として、試料1と同一の基材を準備した。該基材上に、特許文献1に記載の方法でWC0.56層を形成して切削工具を得た。
基材として、試料1と同一の基材を準備した。該基材上に、TiN層(下地層)及びAlTiN層を前記の順で形成した。TiN層は試料5と同一の方法で形成した。AlTiN層は試料12の第一単位層と同一の方法で形成した。
上述のようにして作製した各試料のMoC1-x層について、組成x、結晶構造及び該結晶構造の含有率、遊離炭素の有無、及び、硬度を測定した。硬度に関して、試料1-3及び試料1-4では、硬質被膜層の硬度を測定した。具体的な測定方法は実施形態1に記載されているため、その説明は繰り返さない。結果を表1及び表2の「MoC1-x層」の「組成x」、「結晶構造」、「含有率(質量%)」、「遊離炭素」及び「硬度(mgf/μm2)」欄に示す。表1及び表2中、「遊離炭素」の欄における「無」との表記は、MoC1-x層中に遊離炭素が含まれていないことを示し、「有」との表記は、MoC1-x層中に遊離炭素が含まれていること示す。試料1~試料24、試料1-1及び試料1-2では、MoC1-x層は100質量%の六方晶型の結晶構造からなることが確認された。
上述のようにして作製した各試料の切削工具を用いて、以下の切削条件により切削工具が欠損するまでの切削時間を測定し、当該切削工具の耐欠損性を評価した。以下の切削条件は、負荷の高い、高速高能率加工に該当する。結果を表1及び表2に示す。切削時間が長いほど耐欠損性が優れていることを示す。
インサート:SEET13T3AGSN-L
被削材(材質):Ti-6Al-4V
速度 :70m/min
送り :0.1mm/刃
切り込み :切込み深さ:5mm、径方向切込み:10mm
上述のようにして作製した各試料の切削工具を用いて、以下の切削条件により切削試験を行い、当該切削工具の耐摩耗性を評価した。以下の切削条件は、負荷の高い、高速高能率加工に該当する。結果を表1及び表2に示す。切削時間が長いほど耐摩耗性が優れていることを示す。
インサート:CNMG120408N-EG
被削材(材質):Ti-6Al-4V
速度 :140m/min
送り :0.15mm/刃
切り込み :切込み深さ:0.8mm
寿命判定基準:逃げ面摩耗が0.2mmを超える時間
≪切削工具の作製≫
[試料1A~試料25A]
<基材準備工程>
基材として、JIS規格K10超硬(形状:JIS規格SEET13T3AGSN-L、CNMG120408N-EG)を準備した。次に、上記基材をアークイオンプレーティング装置(株式会社神戸製鋼所製、商品名:AIP)の所定の位置にセットした。
アークイオンプレーティング法により上記基材の上にTaC1-y層を形成した。具体的には以下の方法で行った。まずTaCターゲットを装置内のアーク式蒸発源にセットし、基板(基材)温度を450~600℃に設定し、真空排気を行う。続いて、例えばアルゴンガス及びクリプトンガスの一方又は両方を導入し該装置内のガス圧を1.0~3.0Paに設定する。そして、DC電源を介し基板に負のバイアス電圧を200~1000V印加して基材の表面を40分間クリーニングする。その後、カソード電極に80~200Aのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源から金属イオン等を発生させることにより六方晶型の結晶構造を95質量%以上含むTaC1-y層(0.40≦y≦0.60)を形成する。このとき、TaC1-y層の形成初期(膜厚が0.1μm以下の範囲)に基材温度を400~450℃とし、基板バイアスを-50Vとし、形成終了に向けて徐々に温度を450℃~550℃、基板バイアスを-60~-75Vまで上昇させる。上記の方法で、表3及び表4の「TaC1-y層」の「厚さ」欄に記載の厚さまでTaC1-y層を形成した。アークイオンプレーティング法に用いる装置としては、株式会社神戸製鋼所製のAIP(商品名)を用いた。
基材とTaC1-y層との間に下地層を形成した試料(試料5A、試料6A)については、TaC1-y層被覆工程を行う前に以下の手順にて、基材の上に下地層を形成した。まず表3に記載の下地層の組成の欄における金属組成を含むターゲットをアークイオンプレーティング装置のアーク式蒸発源にセットした。次に、基材温度を600℃及び該装置内のガス圧を1Paに設定した。窒化物の下地層(試料5A)の場合は、窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガスを導入した。炭窒化物の下地層(試料6A)の場合は、反応ガスとしては窒素ガスとメタンガスとアルゴンガスとの混合ガスを導入した。その後、カソード電極に150Aのアーク電流を供給した。アーク電流の供給でアーク式蒸発源から金属イオン等を発生させることによって、表3の「下地層」の括弧内に記載の厚さまで下地層を形成した。
基材とTaC1-y層との間に硬質被膜層を設けた試料(試料7A~試料13A、試料17A~試料25A)については、TaC1-y層被覆工程を行う前に以下の手順にて、基材の上に硬質被膜層を形成した。まず表3及び表4に記載の硬質被膜層の組成の欄における金属組成を含むターゲットをアークイオンプレーティング装置のアーク式蒸発源にセットした。次に、基材温度を550℃及び該装置内のガス圧を4.0Paに設定した。反応ガスとしては、窒化物の硬質被膜層の場合は窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガスを導入した。炭窒化物の硬質被膜層の場合は、反応ガスとしては窒素ガスとメタンガスとの混合ガスを導入した。酸窒化物の硬質被膜層の場合は、反応ガスとしては酸素ガスと窒素ガスとの混合ガスを導入した。その後、カソード電極に150Aのアーク電流を供給した。アーク電流の供給でアーク式蒸発源から金属イオン等を発生させることによって、表3及び表4の「硬質被膜層」の括弧内に記載の厚さまで硬質被膜層を形成した。
TaC1-y層上に表面層を設けた試料(試料5A、試料7A、試料8A、試料11A、試料12A)については、TaC1-y層被覆工程後に以下の手順にて、TaC1-y層の上に表面層を形成した。まず表3に記載の表面層の組成の欄における金属組成を含むターゲットをアークイオンプレーティング装置のアーク式蒸発源にセットした。次に、基材温度を550℃及び該装置内のガス圧を4.0Paに設定した。反応ガスとしては、窒化物の表面層の場合は窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガスを導入した。その後、カソード電極に150Aのアーク電流を供給した。アーク電流の供給でアーク式蒸発源から金属イオン等を発生させることによって、表3の「表面層」の括弧内に記載の厚さまで表面層を形成した。
基材として、試料1Aと同一の基材を準備した。該基材上に、アークイオンプレーティング法により上記基材の上にTaC1-y層を形成した。具体的には以下の方法で行った。まずTaCターゲットをアークイオンプレーティング装置のアーク式蒸発源にセットした。次に、基材温度を380℃及び該装置内のガス圧を1.5Paに設定した。上記ガスとしては、アルゴンガスを導入した。そして、基板バイアス電圧を-55Vに維持したまま、カソード電極に120Aのアーク電流を供給した。アーク電流の供給でアーク式蒸発源から金属イオン等を発生させることにより、TaC1-y層を形成して切削工具を得た。
基材として、試料1Aと同一の基材を準備した。該基材上に、アークイオンプレーティング法により上記基材の上にTaC1-y層を形成した。具体的には以下の方法で行った。まずTaCターゲットをアークイオンプレーティング装置のアーク式蒸発源にセットした。次に、基材温度を610℃及び該装置内のガス圧を0.8Paに設定した。上記ガスとしては、アルゴンガスを導入した。そして、基板バイアス電圧を-43Vに維持したまま、カソード電極に120Aのアーク電流を供給した。アーク電流の供給でアーク式蒸発源から金属イオン等を発生させることにより、TaC1-y層を形成して切削工具を得た。
基材として、試料1Aと同一の基材を準備した。該基材上に、特許文献1に記載の方法でWC0.56層を形成して切削工具を得た。
基材として、試料1Aと同一の基材を準備した。該基材上に、TiN層(下地層)及びAlTiN層を前記の順で形成した。TiN層は試料5と同一の方法で形成した。AlTiN層は試料12Aの第一単位層と同一の方法で形成した。
基材として、試料1と同一の基材を準備した。該基材上に、アークイオンプレーティング法により上記基材の上にTaC1-y層を形成した。具体的には以下の方法で行った。まずTaCターゲットをアークイオンプレーティング装置のアーク式蒸発源にセットした。次に、基材温度を420℃及び該装置内のガス圧を1Paに設定した。上記ガスとしては、アルゴンガスを導入した。そして、基板バイアス電圧を-69Vに維持したまま、カソード電極に120Aのアーク電流を供給した。アーク電流の供給でアーク式蒸発源から金属イオン等を発生させることにより、TaC1-y層を形成して切削工具を得た。
上述のようにして作製した各試料のTaC1-y層について、組成y、結晶構造、六方晶のTaC1-yの含有率、遊離炭素の有無、及び、硬度を測定した。具体的な測定方法は実施形態1に記載されているため、その説明は繰り返さない。結果を表3及び表4の「TaC1-y層」の「組成y」、「結晶構造」、「立方晶含有率(質量%)」「遊離炭素」及び「硬度(mgf/μm2)」欄に示す。表3及び表4の「結晶構造」欄の「六方晶+立方晶」という表記は、TaC1-y層中に六方晶のTaC1-yと立方晶のTaC1-yとが混在していたことを示す。例えば、試料16Aでは、六方晶のTaC1-yが95質量%存在し、残り(5質量%)が立方晶のTaC1-yであることを示す。表3及び表4の「遊離炭素」の欄における「無」との表記は、TaC1-y層中に遊離炭素が含まれていないことを示し、「有」との表記は、TaC1-y層中に遊離炭素が含まれていること示す。
上述のようにして作製した各試料の切削工具を用いて、実施例1の切削試験1と同一の切削条件により切削工具が欠損するまでの切削時間を測定し、当該切削工具の耐欠損性を評価した。該切削条件は、高速高能率加工に該当する。結果を表3及び表4に示す。切削時間が長いほど耐欠損性が優れていることを示す。
上述のようにして作製した各試料の切削工具を用いて、実施例1の切削試験2と同一の切削条件により切削試験を行い、当該切削工具の耐摩耗性を評価した。該切削条件は、高速高能率加工に該当する。結果を表3及び表4に示す。切削時間が長いほど耐摩耗性が優れていることを示す。
Claims (10)
- 基材と、前記基材上に配置された被膜と、を備える切削工具であって、
前記被膜は、
第一層からなる、
前記基材上に配置された前記第一層と、前記第一層の上に配置された表面層と、からなる、又は、
前記第一層と、前記基材と前記第一層との間に配置された下地層及び硬質被膜層の一方又は両方と、を含み、
前記第一層は、MoC1-xで示される化合物からなるMoC1-x層からなり、
前記MoC1-xで示される化合物は、六方晶型の結晶構造からなり、
前記xは、0.40以上0.60以下であり、
前記第一層の膜硬度は、2700mgf/μm 2 以上4200mgf/μm 2 以下であり、
前記表面層は、TiN層、TiCN層、ZrB2層、TiSiN層及びArCrN層からなる群より選ばれる少なくとも1種を含む、切削工具。 - 前記第一層は、遊離炭素を含まない、請求項1に記載の切削工具。
- 前記被膜は前記硬質被膜層を含み、
前記硬質被膜層は、第一単位層を含み、
前記第一単位層の組成は、前記第一層の組成と異なり、
前記第一単位層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、アルミニウム及び珪素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素からなる、又は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、アルミニウム及び珪素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、炭素、窒素、酸素及びホウ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からなる、請求項1または請求項2に記載の切削工具。 - 前記硬質被膜層は、前記第一単位層からなり、
前記第一単位層の厚さは、0.1μm以上15μm以下である、請求項3に記載の切削工具。 - 前記硬質被膜層は、更に第二単位層を含み、
前記第二単位層の組成は、前記第一層の組成及び前記第一単位層の組成と異なり、
前記第二単位層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、アルミニウム及び珪素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素からなる、又は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、アルミニウム及び珪素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素と、炭素、窒素、酸素及びホウ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からなり、
前記第一単位層及び前記第二単位層は、それぞれが交互に1層以上積層された多層構造を形成している、請求項3に記載の切削工具。 - 前記第一単位層の厚さは、1nm以上100nm以下であり、
前記第二単位層の厚さは、1nm以上100nm以下である、請求項5に記載の切削工具。 - 前記被膜は前記硬質被膜層を含み、
前記第一層の厚さは、0.1μm以上10μm以下であり、
前記硬質被膜層の厚さは、0.1μm以上10μm以下である、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の切削工具。 - 前記被膜は、
前記第一層からなる、又は、
前記基材上に配置された前記第一層と、前記第一層の上に配置された前記表面層と、からなり、
前記第一層は、前記基材に接している、請求項1または請求項2に記載の切削工具。 - 前記被膜の厚さは、0.2μm以上20μm以下である、請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の切削工具。
- 前記基材は、超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶窒化硼素焼結体及びダイヤモンド焼結体からなる群より選ばれる少なくとも1種を含む、請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の切削工具。
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