WO2014025057A1 - 被覆工具 - Google Patents

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WO2014025057A1
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laminated structure
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coated tool
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翔太 浅利
正和 菊池
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株式会社タンガロイ
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    • Y10T428/24967Absolute thicknesses specified
    • Y10T428/24975No layer or component greater than 5 mils thick

Definitions

  • the present invention relates to a coated tool.
  • Patent Document 1 proposes a cutting tool having excellent wear resistance in which a specific metal element or a compound thereof and a specific alloy compound are stacked on the surface of a base material at a stacking cycle of 0.4 nm to 50 nm. .
  • Patent Document 2 also discloses a first thin layer of composite nitride represented by a composition formula of (Ti 1-X Al X ) N (atomic ratio, X: 0.30 to 0.70), aluminum oxide, 4 layers or more on the surface of the substrate alternately with the second thin layer having a phase ratio of 35 to 65% by mass in the total amount of the titanium nitride phase and an average layer thickness of 0.2 to 1 ⁇ m.
  • a cutting tool which is laminated to have an overall average layer thickness of 2 to 10 ⁇ m and exhibits excellent wear resistance even under heavy cutting conditions.
  • Patent Document 3 includes a layer having a thickness of 100 to 5000 nm, including a partial layer in which layers having a thickness of 1 to 50 nm are sequentially and repeatedly stacked, and a thickness of 100 to 5000 nm.
  • the cutting tool according to the invention of the above-mentioned Patent Document 1 has a problem that the tool is liable to be broken, although it shows high wear resistance, although it has a high wear resistance.
  • the cutting tool which consists of an alternating lamination with which each individual average layer thickness of patent document 2 is thick since the hardness of a film is inadequate, there exists a problem that abrasion resistance is inferior.
  • the cutting tool having the laminated structure of the thin film and the single layer film according to the invention of Patent Document 3 has insufficient fracture resistance, so that the required performance cannot be satisfied.
  • the present invention has been made to solve these problems, and an object thereof is to provide a coated tool having a long tool life with improved fracture resistance without reducing wear resistance.
  • the present inventors have conducted research on extending the tool life of the coated tool, and by improving the layer structure and composition of the coated layer, it is possible to improve the fracture resistance without reducing the wear resistance. As a result, the tool life of the coated tool could be extended.
  • the gist of the present invention is as follows. (1) It includes a substrate and a coating layer formed on the surface of the substrate, the coating layer includes a first laminated structure and a second laminated structure, and the first laminated structure has two or more layers having different compositions. In which the average layer thickness of each layer is periodically stacked so that the average layer thickness is 60 nm or more and 500 nm or less. The second stacked structure includes two or more layers having different compositions, and the average layer thickness of each layer is 2 nm or more.
  • the layers constituting the first laminated structure and the second laminated structure are Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo,
  • a metal comprising at least one metal element selected from W, Al, Si, Sr, Y, Sn and Bi; and a non-metal selected from at least one of these metal elements and carbon, nitrogen, oxygen and boron Consisting of at least one element Containing at least one selected from the group consisting of compounds, coated tools.
  • Each layer constituting the first laminated structure and each layer constituting the second laminated structure are at least two metal elements selected from Ti, Nb, Ta, Cr, W, Al, Si, Sr and Y.
  • the coated tool according to any one of (1) to (5).
  • the metal element contained in the layer constituting the first laminated structure is the same among the layers constituting the first laminated structure, and the metal contained in one layer constituting the first laminated structure Contains one or more metal elements whose absolute value of the difference between the element amount with respect to the whole element and the element amount with respect to the whole metal element contained in the layer constituting the first laminated structure adjacent to the layer is 5 atomic% or more
  • the coated tool according to any one of (1) to (6).
  • the metal element contained in the layer constituting the second laminated structure is the same among the layers constituting the second laminated structure, and the metal contained in one layer constituting the second laminated structure Contains one or more metal elements whose absolute value of the difference between the element amount relative to the entire element and the element amount relative to the entire metal element contained in the layer constituting the second stacked structure adjacent to the layer is 5 atomic% or more
  • the coated tool according to any one of (1) to (7).
  • the metal element contained in one layer constituting the first laminated structure is different from one or more metal elements contained in the layer constituting the first laminated structure adjacent to the layer, (1) to The coated tool according to any one of (6).
  • One or more kinds of metal elements contained in one layer constituting the second laminated structure and one or more metal elements contained in the layer constituting the second laminated structure adjacent to the layer are different (1) to ( The coated tool according to any one of 6) and (9).
  • coated tool of the present invention is excellent in wear resistance and fracture resistance, it has an effect that the tool life is longer than that in the past.
  • the coated tool of the present invention includes a base material and a coating layer formed on the surface of the base material.
  • the substrate in the present invention is not particularly limited as long as it is used as a substrate of a coated tool. Examples thereof include cemented carbide, cermet, ceramics, cubic boron nitride sintered body, diamond sintered body, high Speed steel etc. can be mentioned. Among these, it is more preferable that the base material is a cemented carbide because it is excellent in wear resistance and fracture resistance.
  • the total layer thickness of the entire coating layer in the coated tool of the present invention is less than 0.22 ⁇ m in average layer thickness, the wear resistance tends to decrease, and the total layer thickness of the entire coating layer is 12 ⁇ m in average layer thickness. When the thickness exceeds 1, the fracture resistance tends to be reduced. Therefore, the total thickness of the entire coating layer is preferably 0.22 to 12 ⁇ m in average layer thickness. Among these, the total thickness of the entire coating layer is more preferably 1.0 to 8.0 ⁇ m in terms of average layer thickness.
  • the coating layer in the coated tool of the present invention includes a specific first laminated structure and second laminated structure.
  • Each layer constituting the first laminated structure is A metal comprising at least one metal element selected from Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al, Si, Sr, Y, Sn and Bi; and It contains at least one selected from the group consisting of at least one of these metallic elements and at least one nonmetallic element selected from carbon, nitrogen, oxygen and boron, and is excellent in wear resistance.
  • the layers constituting the first laminated structure are A metal comprising at least two metal elements selected from Ti, Nb, Ta, Cr, W, Al, Si, Sr and Y; and Since it is hard to contain at least one selected from the group consisting of at least two of these metal elements and at least one nonmetallic element selected from carbon, nitrogen, oxygen and boron, preferable.
  • the metal or compound constituting the constituent layer of such a first laminated structure (Al 0.50 Ti 0.50 ) N, (Al 0.60 Ti 0.40 ) N, (Al 0.
  • the first laminated structure in the coating layer of the coated tool of the present invention has a structure in which two or more layers made of these metals or compounds are periodically laminated with the average layer thickness of each layer being 60 nm or more and 500 nm or less.
  • the structure laminated with a certain periodicity includes two or more layers having different compositions. It is preferable that two or more layers having different compositions are alternately laminated from the viewpoint of suppressing the progress of cracks and improving the fracture resistance.
  • FIG. 1 is an example of a schematic diagram of a cross-sectional structure of the coated tool of the present invention.
  • the lamination cycle will be described using this.
  • the A1 layer (5), the B1 layer (6), the C1 layer, and the D1 layer having different compositions from the base material 1 toward the surface of the coating layer 2 are A1 layer ⁇ B1 layer ⁇ C1 layer ⁇ D1 layer ⁇ A1.
  • layers are repeatedly stacked in the order of layer ⁇ B1 layer ⁇ C1 layer ⁇ D1 layer ⁇ .
  • the A1 layer (5) and the B1 layer (6) having different compositions are moved from the base material 1 toward the surface of the coating layer 2, from the A1 layer ⁇ B1 layer ⁇ A1 layer ⁇ B1 layer ⁇ A1 layer ⁇ B1 layer ⁇ .
  • the total thickness of the A1 layer and the B1 layer is defined as a “stacking period”.
  • each layer having an average layer thickness of 60 nm or more and 500 nm or less having a different composition By laminating each layer having an average layer thickness of 60 nm or more and 500 nm or less having a different composition with such periodicity, when a crack that has developed from the surface of the coating layer by using the coating tool reaches the first laminated structure, Therefore, cracks progress in a direction parallel to the interface between the layers having different compositions, and an effect of preventing the cracks from progressing to the base material is obtained.
  • Such an effect is preferable because an alternate laminated structure in which two or more layers having different compositions are alternately laminated is provided. Specifically, A1 layer and B1 layer having different compositions are alternately laminated in the order of two or more layers in the order of A1 layer ⁇ B1 layer ⁇ A1 layer ⁇ B1 layer ⁇ .
  • a structure is preferable as the first laminated structure.
  • the average layer thickness of each layer constituting the first laminated structure is set to 60 nm or more and 500 nm or less.
  • the average layer thickness of each layer constituting the first laminated structure is more preferably 60 nm or more and 250 nm or less.
  • the average thickness of the first laminated structure is less than 0.2 ⁇ m, the number of repetitions of periodic lamination of layers having different compositions is reduced, and the effect of suppressing the cracks from progressing to the base material is reduced. On the contrary, if the thickness exceeds 6 ⁇ m, the residual compressive stress of the entire coating layer becomes high, and the coating layer tends to be peeled off or chipped.
  • the average thickness of the structure is more preferably 0.2 to 6 ⁇ m.
  • the coating layer in the coating tool of the present invention includes the second laminated structure as described above.
  • the layers constituting this second laminated structure are A metal comprising at least one metal element selected from Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al, Si, Sr, Y, Sn and Bi; and It contains at least one selected from the group consisting of at least one of these metallic elements and at least one nonmetallic element selected from carbon, nitrogen, oxygen and boron, and is excellent in wear resistance.
  • the layers constituting the second laminated structure are A metal comprising at least two metal elements selected from Ti, Nb, Ta, Cr, W, Al, Si, Sr and Y; and Since it is hard to contain at least one selected from the group consisting of at least two of these metal elements and at least one nonmetallic element selected from carbon, nitrogen, oxygen and boron, preferable.
  • the metal or compound constituting the constituent layer of such a second laminated structure (Al 0.50 Ti 0.50 ) N, (Al 0.60 Ti 0.40 ) N, (Al 0.
  • the second laminated structure in the present invention has a structure in which two or more layers made of these metals or compounds are periodically laminated with the average layer thickness of each layer being 2 nm or more and less than 60 nm.
  • the structure laminated with a certain periodicity includes two or more layers having different compositions.
  • the second laminated structure is preferably an alternating laminated structure in which two or more layers having different compositions are alternately laminated from the viewpoint of increasing hardness and improving wear resistance.
  • the minimum unit thickness in which the layers are repeatedly laminated is referred to as “lamination cycle”.
  • lamination cycle For example, in FIG. 1, an A2 layer (7), a B2 layer (8), a C2 layer, and a D2 layer having different compositions are moved from the substrate 1 toward the surface of the coating layer 2, from the A2 layer ⁇ B2 layer ⁇ C2 layer ⁇
  • the total thickness from the A2 layer to the D2 layer is defined as “lamination cycle”.
  • the A2 layer (7) and the B2 layer (8) having different compositions are moved from the base material 1 toward the surface of the coating layer 2, from the A2 layer ⁇ B2 layer ⁇ A2 layer ⁇ B2 layer ⁇ A2 layer ⁇ B2 layer ⁇ .
  • the total thickness of the A2 layer and the B2 layer is defined as a “stacking cycle”.
  • the hardness of the second laminated structure in the coated tool of the present invention is increased, and the wear resistance is improved.
  • An effect is obtained.
  • Such an effect is preferable because an alternate laminated structure in which two or more layers having different compositions are alternately laminated is provided.
  • the A2 layer and B2 layer having different compositions are alternately laminated by repeating the lamination of two or more layers in the order of A2 layer ⁇ B2 layer ⁇ A2 layer ⁇ B2 layer ⁇ .
  • the structure is more preferable as the second laminated structure.
  • the average layer thickness of each layer constituting the second laminated structure is set to 2 nm or more and less than 60 nm. From such a viewpoint, it is more preferable that the average layer thickness of each layer constituting the second laminated structure is 5 nm or more and 30 nm or less.
  • the average thickness of the second laminated structure is less than 0.02 ⁇ m, the number of repetitions of the periodic layers is reduced, and the effect of improving the hardness cannot be obtained, while the average thickness of the second laminated structure is obtained.
  • the thickness exceeds 6 ⁇ m, the residual compressive stress of the second laminated structure increases, and the coating layer is liable to be peeled or chipped, and the fracture resistance tends to decrease.
  • the thickness is preferably 0.02 to 6 ⁇ m.
  • the difference (T 1 ⁇ T 2 ) between the average value T 1 of the lamination period of the first laminated structure and the average value T 2 of the lamination period of the second laminated structure in the coated tool of the present invention is less than 20 nm. And a tendency for cracks to progress in a direction parallel to the interface between the first laminated structure and the second laminated structure and to suppress the cracks from progressing to the substrate tends to decrease, while T 1 and T 2 When the difference (T 1 -T 2 ) increases beyond 996 nm, the average thickness of the first stacked structure increases and the defect resistance tends to decrease. Therefore, the difference between T 1 and T 2 (T 1 -T 2 ) is preferably 20 to 996 nm. Among them, the difference (T 1 ⁇ T 2 ) between T 1 and T 2 is more preferably 20 to 500 nm, and further preferably 20 to 250 nm.
  • the average value of the lamination period is, for example, 100 repeating units when the A2 layer ⁇ B2 layer ⁇ A2 layer ⁇ B2 layer ⁇ A2 layer ⁇ B2 layer ⁇ ... And A2 layer ⁇ B2 layer are repeated 100 times. Is the value obtained by dividing the sum of the respective lamination periods by 100, which is the number of repetitions of the sum of the lamination periods.
  • the metal element contained in the layer constituting the first laminated structure in the coated tool of the present invention is the same among the layers constituting the first laminated structure, and further contained in one layer constituting the first laminated structure.
  • Metal element whose absolute value of the difference between the element amount relative to the entire metal element and the element amount relative to the entire metal element contained in another layer constituting the first laminated structure adjacent to the layer is 5 atomic% or more It is preferable that 1 or more types exist.
  • the first laminated structure is an (Al 0.55 Ti 0.45 ) N layer
  • the metal elements of the two layers are the same between the Al element and the Ti element, but are included in the (Al 0.55 Ti 0.45 ) N layer.
  • the amount of Al element contained is 55 atomic% with respect to the entire metal element
  • the amount of Al element contained in the (Al 0.67 Ti 0.33 ) N layer is 67 atomic% with respect to the entire metal element. Since the difference in the amount of Al element in the two layers is 12 atomic%, this requirement is satisfied.
  • the metal elements of the two layers are Al element and Ti.
  • the difference in the amount of Ti element between the two layers is 3 atomic% and the difference in the amount of Cr element between the two layers is 4 atomic%, each of which is less than 5 atomic%. Since the difference in the amount of Al element in the layer is 7 atomic%, this requirement is satisfied.
  • the nitride when expressed as (M a L b ) N, it means that the atomic ratio of M element to the whole metal element is a, and the atomic ratio of L element is b.
  • (Al 0.55 Ti 0.45 ) N has an atomic ratio of Al element to the entire metal element of 0.55 and an atomic ratio of Ti element to the entire metal element of 0.45, that is, Al to the entire metal element. This means that the element amount is 55 atomic%, and the Ti element amount with respect to the whole metal element is 45 atomic%.
  • the metal element contained in the layer which comprises the 2nd laminated structure in the coating tool of this invention is the same between each layer which comprises the 2nd laminated structure, and also in one layer which comprises the 2nd laminated structure.
  • Metal whose absolute value of the difference between the element amount with respect to the whole metal element contained and the element amount with respect to the whole metal element contained in another layer constituting the second laminated structure adjacent to the layer is 5 atomic% or more It is preferable that one or more elements are present.
  • the metal element contained in one layer constituting the first laminated structure in the coated tool of the present invention and the metal element contained in another layer constituting the first laminated structure adjacent to the layer If one or more types are different, the crystal lattice becomes inconsistent at the interface between layers, and cracks tend to progress in a direction parallel to the interface between layers, and the effect of suppressing the cracks from progressing to the substrate has an effect. Since it becomes high, it is more preferable.
  • the metal elements contained in the two layers are In comparison, the two layers contain an Al element and a Ti element, but the Cr element is included in only one of the layers and therefore satisfies this requirement. Further, when the first laminated structure is composed of an (Al 0.50 Cr 0.50 ) N layer and an (Al 0.67 Ti 0.33 ) N layer, the metal elements contained in the two layers are compared. The two layers contain Al element, but Cr element is contained only in one layer, and Ti element is contained only in one layer, so this requirement is satisfied.
  • one kind of metal element contained in one layer constituting the second laminated structure and one metal element contained in another layer constituting the second laminated structure adjacent to the layer is different, the crystal lattice becomes mismatched at the interface between the layers, the cracks tend to progress in the direction parallel to the interface between the layers, and the effect of suppressing the cracks from progressing to the base material is enhanced. More preferred.
  • the coating layer in the coated tool of the present invention includes the first laminated structure having excellent fracture resistance and the second laminated structure having excellent wear resistance, and thus has excellent fracture resistance and wear resistance.
  • the coating layer may include an upper layer on the surface side of the coating layer opposite to the base material of the first laminated structure and the second laminated structure.
  • the said coating layer may also contain a lower layer in the base material side rather than a 1st laminated structure and a 2nd laminated structure.
  • the covering layer may include an intermediate layer between the first laminated structure and the second laminated structure.
  • the configurations of the upper layer, the intermediate layer, and the lower layer are not particularly limited as long as they are used as a coating layer of a coating tool, but among them, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, A metal comprising at least one metal element selected from W, Al, Si, Sr, Y, Sn and Bi; and a non-metal selected from at least one of these metal elements and carbon, nitrogen, oxygen and boron
  • a single layer of a layer composed of at least one selected from the group consisting of a compound composed of at least one element or a multilayer structure having no period is preferable because the wear resistance is improved.
  • the crack is likely to progress in a direction parallel to the interface between the first stacked structure and the second stacked structure. Since the effect which suppresses progressing to a base material is acquired and fracture resistance improves, it is further more preferable.
  • the first laminated structure is closest to the substrate, and the second laminated structure is closest to the surface of the coating layer opposite to the substrate. Either the second laminated structure closest to the substrate or the first laminated structure closest to the surface of the coating layer opposite to the substrate may be used.
  • both the one closest to the substrate and the one closest to the surface opposite to the substrate of the coating layer may be the first laminated structure or the second laminated structure.
  • the residual compressive stress of the first laminated structure is lower than the residual compressive stress of the second laminated structure, and when the first laminated structure is closest to the substrate and the second laminated structure is closest to the surface, Since the tendency which the peeling resistance of a coating layer improves is seen, it is still more preferable.
  • the manufacturing method of the coating layer in the coated tool of the present invention is not particularly limited, for example, using a physical vapor deposition method such as ion plating method, arc ion plating method, sputtering method, ion mixing method, A method of forming each layer such as the first laminated structure and the second laminated structure described above on the substrate can be mentioned.
  • the arc ion plating method is more preferable because it has excellent adhesion between the coating layer and the substrate.
  • the coated tool of the present invention can be obtained by forming each layer on the surface of a substrate by a conventional coating method, and examples thereof include the following production methods.
  • the base material processed into the tool shape is put into a reaction vessel of a physical vapor deposition apparatus, and the inside of the reaction vessel is evacuated until a vacuum of 1 ⁇ 10 ⁇ 2 Pa or less is obtained.
  • the substrate is heated with a heater in the reaction vessel until the temperature of the substrate reaches 200 to 800 ° C.
  • Ar gas is introduced into the reaction vessel so that the pressure is 0.5 to 5.0 Pa.
  • After the surface of the substrate is subjected to ion bombardment treatment, it is evacuated until a pressure of 1 ⁇ 10 ⁇ 2 Pa or less is reached.
  • a reaction gas such as nitrogen gas is introduced into the reaction vessel, the pressure in the reaction vessel is set to 0.5 to 5.0 Pa, a bias voltage of ⁇ 10 to ⁇ 150 V is applied to the substrate, and the metal of each layer
  • Each layer can be formed on the surface of the substrate by evaporating a metal evaporation source corresponding to the component by arc discharge.
  • Two or more types of metal evaporation sources placed at separate positions are simultaneously evaporated by arc discharge, and a rotary table on which a substrate is fixed is rotated to form a layer constituting the first laminated structure or the second laminated structure.
  • the layer thickness of each layer constituting the first laminated structure or the second laminated structure can be controlled by adjusting the number of rotations of the turntable to which the base material in the reaction vessel is fixed.
  • the first laminated structure is adjusted by adjusting the arc discharge time of each metal evaporation source.
  • the layer thickness of each layer constituting the second stacked structure can be controlled.
  • the layer thickness of each layer constituting the coating layer in the coated tool of the present invention can be measured from the cross-sectional structure of the coated tool using an optical microscope, a scanning electron microscope (SEM), a transmission electron microscope (TEM), or the like.
  • the average layer thickness of each layer in the coated tool of the present invention is the layer thickness of each layer from three or more cross sections in the vicinity of a position of 50 ⁇ m from the blade edge of the surface facing the metal evaporation source toward the center of the surface. Can be obtained by measuring and calculating the average value.
  • composition of each layer of the coated tool of the present invention is measured from the cross-sectional structure of the coated tool of the present invention using an energy dispersive X-ray analyzer (EDS), a wavelength dispersive X-ray analyzer (WDS), or the like. Can do.
  • EDS energy dispersive X-ray analyzer
  • WDS wavelength dispersive X-ray analyzer
  • coated tool of the present invention include cutting inserts, drills, end mills and the like.
  • Example 1 An ISO standard SEEN1203 insert shape cemented carbide equivalent to P10 was prepared as a base material. A metal evaporation source having the composition of each layer shown in Tables 1 to 3 was placed in the reaction vessel of the arc ion plating apparatus. The prepared base material was fixed to the fixture of the turntable in the reaction vessel.
  • Ion bombardment treatment with Ar gas on the surface of the substrate by applying a bias voltage of ⁇ 1000 V to the substrate in an Ar gas atmosphere at a pressure of 5.0 Pa, causing a current of 10 A to flow through the tungsten filament in the reaction vessel. For 30 minutes. After completion of the ion bombardment treatment, the reaction vessel was evacuated until the pressure became 5.0 ⁇ 10 ⁇ 3 Pa or less.
  • the A1 layer and the B1 layer of the inventive products 1 to 11 were alternately evaporated by arc discharge to form the A1 layer and the B1 layer.
  • the layer thickness of the A1 layer and the layer thickness of the B1 layer were controlled by adjusting respective arc discharge times.
  • the X layer and the Y layer were similarly formed by alternately evaporating the metal evaporation source of the X layer and the metal evaporation source of the Y layer by arc discharge.
  • the thickness of the X layer and the thickness of the Y layer were controlled by adjusting the respective arc discharge times.
  • the A2 layer metal evaporation source and the B2 layer metal evaporation source were simultaneously evaporated by arc discharge to form the A2 layer and the B2 layer.
  • the layer thickness of the A2 layer and the layer thickness of the B2 layer were controlled by adjusting the rotation speed of the rotary table in the range of 0.2 to 10 min ⁇ 1 .
  • the X layer and the Y layer were formed by simultaneously evaporating the X layer metal evaporation source and the Y layer metal evaporation source by arc discharge.
  • the thickness of the X layer and the thickness of the Y layer were controlled by adjusting the number of rotations of the rotary table in the range of 0.2 to 10 min ⁇ 1 .
  • the heater was turned off and the sample was taken out from the reaction vessel after the sample temperature became 100 ° C. or lower.
  • the average layer thickness of each layer of the obtained sample was measured by TEM observation of three cross sections in the vicinity of the position of 50 ⁇ m from the cutting edge of the surface facing the metal evaporation source of the coated tool toward the center of the surface. The layer thickness was measured and the average value was calculated.
  • the composition of each layer of the obtained sample was measured using EDS in a cross section at a position from the cutting edge of the surface facing the metal evaporation source of the coated tool to the center part up to 50 ⁇ m. The results are also shown in Tables 1 to 3. Note that the composition ratio of the metal element in each layer in Tables 1 to 3 indicates the atomic ratio of each metal element to the entire metal element in the metal compound constituting each layer.
  • the inventive product has a longer working length and a longer tool life than the comparative product having an alternate laminated structure in which layers of various uniform thicknesses are alternately laminated.
  • Example 2 An ISO standard SEEN1203 insert shape cemented carbide equivalent to P10 was prepared as a base material. A metal evaporation source having the composition of each layer shown in Table 5 was placed in the reaction vessel of the arc ion plating apparatus, and samples having the layer configuration shown in Tables 5 and 6 were produced by the same manufacturing method as in Example 1.
  • Example 7 The average layer thickness and composition of each layer of the obtained sample were measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Tables 5 and 6. Further, using the obtained sample, face milling was performed under the same test conditions as in Example 1 to evaluate fracture resistance. The evaluation results are shown in Table 7.
  • the inventive product has a longer working length and a longer tool life than the comparative product having an alternate laminated structure in which layers of various uniform thicknesses are alternately laminated.
  • Example 3 An ISO standard SEEN1203 insert shape cemented carbide equivalent to P10 was prepared as a base material. Inventive products 23 and 25 to 35 and comparative products 3 and 5 to 15 are obtained by disposing a metal evaporation source having the composition of each layer shown in Tables 8 and 10 in the reaction vessel of the arc ion plating apparatus. Samples having the layer structure shown in Tables 9 and 10 were formed by the same production method as in Example 1.
  • Inventive product 24 and comparative product 4 are arranged in a reaction vessel when forming each layer by disposing a metal evaporation source having the composition of each layer shown in Table 8 and Table 10 in the reaction vessel of the arc ion plating apparatus.
  • Samples having a layer configuration shown in Tables 9 and 10 were prepared in the same manner as in Example 1.
  • Example 1 The layer thickness and composition of each layer of the obtained sample were measured in the same manner as in Example 1. The results are also shown in Tables 8 to 10. In addition, the composition ratio of the metal element of each layer of Tables 8 and 10 indicates the atomic ratio of each metal element to the whole metal element in the metal compound constituting each layer. Using the obtained sample, face milling was performed under the same test conditions as in Example 1 to evaluate fracture resistance. The evaluation results are shown in Table 11 and Table 12.
  • the inventive product has a longer working length and a longer tool life than the comparative product having an alternate laminated structure in which layers of various uniform thicknesses are alternately laminated.

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Abstract

 本発明は、基材と、該基材の表面に形成された被覆層とを含み、前記被覆層は第1積層構造(3)と第2積層構造(4)とを含み、前記第1積層構造は組成が異なる2層以上の層を、各層の平均層厚を60nm以上500nm以下の厚みとして周期的に積層した構造であり、前記第2積層構造は組成が異なる2層以上の層を、各層の平均層厚を2nm以上60nm未満の厚みとして周期的に積層した構造であり、前記第1積層構造を構成する層および前記第2積層構造を構成する層は、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、 Mo、W、Al、Si、Sr、Y、SnおよびBiから選択される金属元素の少なくとも1種からなる金属;並びに、これら金属元素の少なくとも1種と炭素、窒素、酸素および硼素から選択される非金属元素の少なくとも1種とからなる化合物からなる群より選ばれた少なくとも1種を含む、被覆工具である。

Description

被覆工具
 本発明は、被覆工具に関するものである。
 近年、切削加工の高能率化の需要の高まりに伴い、従来よりも工具寿命の長い切削工具が求められている。このため、工具材料の要求特性として、切削工具の寿命に関係する耐摩耗性の向上および耐欠損性の向上が一段と重要になっている。そこで、これらの特性を向上させるため、被膜を交互に積層した交互積層膜を基材上に形成した被覆工具が用いられている。
 そこで、このような交互積層膜の特性を改善するための様々な技術が提案されている。たとえば特許文献1には、特定の金属元素あるいはその化合物と、特定の合金化合物とを積層周期0.4nm~50nmで母材表面に積層した、耐摩耗性に優れた切削工具が提案されている。
 また、特許文献2には、(Ti1-XAl)N(原子比で、X:0.30~0.70)の組成式で示される複合窒化物の第1薄層と、酸化アルミニウム相の割合が窒化チタン相との合量に占める割合で35~65質量%である第2薄層とを、個々の平均層厚0.2~1μmにて、基体の表面に4層以上交互積層して全体平均層厚2~10μmとした、重切削条件においても優れた耐摩耗性を示す切削工具が提案されている。
 さらに、特許文献3には、1~50nmの厚さを有する層が順次周期的に繰り返し積層されてなる部分層を含む、100~5000nmの厚さを有する層と、100~5000nmの厚さを有する単一層とが、硬質母材上に交互に10層以上積層されてなる、耐摩耗性および耐溶着性に優れた切削工具が提案されている。
特開平7-205361号公報 特開2003-200306号公報 特開平11-12718号公報
 近年の切削加工では高速化や高送り化および深切り込み化がより顕著となり、加工中に刃先にかかる負荷により工具表面から発生したクラックが基材へと進展したり、刃先温度の急激な増減により基材から発生したクラックが被覆層中に進展したりすることに起因した工具の欠損が多々見られるようになってきた。
 この様な背景により上記特許文献1の発明の積層周期が0.4~50nmと薄膜の積層からなる切削工具では高い耐摩耗性は示すものの、工具の欠損が生じやすいという問題がある。また、特許文献2の発明の個々の平均層厚が厚い交互積層からなる切削工具では、被膜の硬度が不十分なため、耐摩耗性が劣るという問題がある。さらに、特許文献3の発明の薄い膜の積層と単一層膜との積層構造を有する切削工具では耐欠損性が不十分なため、上記要求の性能を満たせなくなってきている。
 本発明は、これらの問題を解決するためになされたものであり、耐摩耗性を低下させずに耐欠損性を向上させた工具寿命の長い被覆工具を提供することを目的とする。
 本発明者らは被覆工具の工具寿命の延長について研究を重ねたところ、被覆層の層構成と組成を改良することによって、耐摩耗性を低下させずに、耐欠損性を向上させることが可能となり、その結果、被覆工具の工具寿命を延長することができた。
 すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
 (1)基材と、基材の表面に形成された被覆層とを含み、該被覆層は第1積層構造と第2積層構造とを含み、前記第1積層構造は組成が異なる2層以上の層を、各層の平均層厚を60nm以上500nm以下の厚みとして周期的に積層した構造であり、前記第2積層構造は組成が異なる2層以上の層を、各層の平均層厚を2nm以上60nm未満の厚みとして周期的に積層した構造であり、前記第1積層構造を構成する層および第2積層構造を構成する層は、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、Sr、Y、SnおよびBiから選択される金属元素の少なくとも1種からなる金属;並びに、これら金属元素の少なくとも1種と炭素、窒素、酸素および硼素から選択される非金属元素の少なくとも1種とからなる化合物からなる群より選ばれた少なくとも1種を含む、被覆工具。
 (2)前記第1積層構造は、組成が異なる2層を交互に各2層以上積層した交互積層構造である(1)の被覆工具。
 (3)前記第2積層構造は、組成が異なる2層を交互に各2層以上積層した交互積層構造である(1)または(2)の被覆工具。
 (4)前記被覆層は、前記第1積層構造と第2積層構造とを交互に2つ以上連続して積層した構造を含む(1)~(3)のいずれかの被覆工具。
 (5)前記第1積層構造の積層周期の平均値Tと、前記第2積層構造の積層周期の平均値Tとの差(T-T)が20nm~996nmである、(1)~(4)のいずれかの被覆工具。
 (6)前記第1積層構造を構成する各層および前記第2積層構造を構成する各層は、Ti、Nb、Ta、Cr、W、Al、Si、SrおよびYから選択される金属元素の少なくとも2種からなる金属;並びに、これら金属元素の少なくとも2種と炭素、窒素、酸素および硼素から選択される非金属元素の少なくとも1種とからなる化合物からなる群より選ばれた少なくとも1種を含む、(1)~(5)のいずれかの被覆工具。
 (7)前記第1積層構造を構成する層に含まれる金属元素は、該第1積層構造を構成する各層の間で同一であり、前記第1積層構造を構成する一の層に含まれる金属元素全体に対する元素量と、当該層に隣接した前記第1積層構造を構成する層に含まれる金属元素全体に対する元素量との差の絶対値が5原子%以上である金属元素が1種以上含まれる、(1)~(6)のいずれかの被覆工具。
 (8)前記第2積層構造を構成する層に含まれる金属元素は、該第2積層構造を構成する各層の間で同一であり、前記第2積層構造を構成する一の層に含まれる金属元素全体に対する元素量と、当該層に隣接した前記第2積層構造を構成する層に含まれる金属元素全体に対する元素量との差の絶対値が5原子%以上である金属元素が1種以上含まれる、(1)~(7)のいずれかの被覆工具。
 (9)前記第1積層構造を構成する一の層に含まれる金属元素と、当該層に隣接する前記第1積層構造を構成する層に含まれる金属元素が1種以上異なる、(1)~(6)のいずれかの被覆工具。
 (10)前記第2積層構造を構成する一の層に含まれる金属元素と、当該層に隣接する前記第2積層構造を構成する層に含まれる金属元素が1種以上異なる(1)~(6)及び(9)のいずれかの被覆工具。
 (11)前記被覆層全体の総層厚は平均層厚で0.22~12μmである(1)~(10)のいずれかの被覆工具。
 (12)前記第1積層構造の平均厚さは0.2~6μmである(1)~(11)のいずれかの被覆工具。
 (13)前記第2積層構造の平均厚さは0.02~6μmである(1)~(12)のいずれかの被覆工具。
 本発明の被覆工具は、耐摩耗性および耐欠損性に優れるので、従来よりも工具寿命が長いという効果を奏する。
本発明の被覆工具の断面組織の模式図の一例である。
 本発明の被覆工具は、基材と基材の表面に形成された被覆層とを含む。本発明における基材は被覆工具の基材として用いられるものであれば特に限定はされないが、その例として、超硬合金、サーメット、セラミックス、立方晶窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、高速度鋼などを挙げることができる。その中でも、基材が超硬合金であると、耐摩耗性および耐欠損性に優れるので、さらに好ましい。
 本発明の被覆工具における被覆層全体の総層厚は、平均層厚で0.22μm未満であると耐摩耗性が低下する傾向がみられ、被覆層全体の総層厚が平均層厚で12μmを超えて厚くなると耐欠損性が低下する傾向がみられるので、被覆層全体の総層厚は平均層厚で0.22~12μmであることが好ましい。その中でも、被覆層全体の総層厚は平均層厚で1.0~8.0μmであるとさらに好ましい。
 次に、上述の通り本発明の被覆工具における被覆層は、特定の第1積層構造及び第2積層構造を含む。その第1積層構造を構成する各層は、
Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、Sr、Y、SnおよびBiから選択される金属元素の少なくとも1種からなる金属;並びに、
これら金属元素の少なくとも1種と炭素、窒素、酸素および硼素から選択される非金属元素の少なくとも1種とからなる化合物
からなる群より選ばれた少なくとも1種を含み、耐摩耗性に優れる。
 その中でも、第1積層構造を構成する層は、
Ti、Nb、Ta、Cr、W、Al、Si、SrおよびYから選択される金属元素の少なくとも2種からなる金属;並びに、
これら金属元素の少なくとも2種と炭素、窒素、酸素および硼素から選択される非金属元素の少なくとも1種とからなる化合物
からなる群より選ばれた少なくとも1種を含むと、硬質であるので、さらに好ましい。そのような第1積層構造の構成層を構成する金属または化合物として具体的には、(Al0.50Ti0.50)N、(Al0.60Ti0.40)N、(Al0.67Ti0.33)N、(Al0.67Ti0.33)CN、(Al0.45Ti0.45Si0.10)N、(Al0.45Ti0.450.10)N、(Al0.50Ti0.30Cr0.20)N、(Al0.50Ti0.45Nb0.05)N、(Al0.50Ti0.45Ta0.05)N、(Al0.50Ti0.450.05)N、(Ti0.90Si0.10)N、(Al0.50Cr0.50)Nなどを挙げることができる。
 本発明の被覆工具の被覆層における第1積層構造は、これらの金属または化合物からなる2層以上を、各層の平均層厚を60nm以上500nm以下の厚みとして周期的に積層した構造を持つ。この一定の周期性をもって積層される構造には、組成が異なる2層以上の層が含まれている。これらの組成が異なる層は、交互に各2層以上積層することが、クラックが進展するのを抑制し、耐欠損性が向上する観点から好ましい。
 本発明において層の積層が繰り返される最小単位の厚さを「積層周期」という。図1は本発明の被覆工具の断面組織の模式図の一例であるが、以下、これを利用して積層周期について説明する。例えば、組成が異なるA1層(5)、B1層(6)、C1層、D1層を、基材1から被覆層2の表面に向かって、A1層→B1層→C1層→D1層→A1層→B1層→C1層→D1層→…と繰り返し積層した場合、A1層からD1層までの層厚の合計を「積層周期」とする。また、組成が異なるA1層(5)とB1層(6)を、基材1から被覆層2の表面に向かって、A1層→B1層→A1層→B1層→A1層→B1層→…と繰り返し積層した場合、A1層の層厚とB1層の層厚の合計を「積層周期」とする。
 組成が異なる平均層厚60nm以上500nm以下の各層を、このような周期性を持たせて積層することで、被覆工具の使用により被覆層の表面から進展したクラックが第1積層構造に到達すると、そこで組成の異なる層と層との界面に平行な方向にクラックが進展するようになり、クラックが基材まで進展することを防止する作用が得られる。このような効果は、組成が異なる2層が交互に各2層以上積層した交互積層構造であるとさらに高くなるので、好ましい。具体的には、組成が異なるA1層とB1層を、基材から被覆層の表面に向かって、A1層→B1層→A1層→B1層→…と交互に2層以上積層を繰り返す交互積層構造が、第1積層構造として好ましい。
 本発明の被覆工具の被覆層における第1積層構造を構成する各層について、その平均層厚が60nm未満であるとクラックが基材まで進展することを防止する作用が低下し、一方500nmを超えて厚くなると耐欠損性が低下するので、前記第1積層構造を構成する各層の平均層厚を60nm以上500nm以下とした。その中でも、前記第1積層構造を構成する各層の平均層厚が60nm以上250nm以下であるとさらに好ましい。
 また、前記第1積層構造の平均厚さは、0.2μm未満であると組成の異なる層の周期的な積層の繰り返し数が少なくなり、基材までクラックが進展することを抑制する作用が低下する傾向を示し、逆に6μmを超えて厚くなると被覆層全体の残留圧縮応力が高くなり、被覆層の剥離や欠損を生じやすく耐欠損性が低下する傾向を示すので、本発明において第1積層構造の平均厚さは、0.2~6μmであるとさらに好ましい。
 次に、本発明の被覆工具における被覆層は、上述の通り第2積層構造を含む。この第2積層構造を構成する層は、
Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、Sr、Y、SnおよびBiから選択される金属元素の少なくとも1種からなる金属;並びに、
これら金属元素の少なくとも1種と炭素、窒素、酸素および硼素から選択される非金属元素の少なくとも1種とからなる化合物
からなる群より選ばれた少なくとも1種を含み、耐摩耗性に優れる。
 その中でも、第2積層構造を構成する層は、
Ti、Nb、Ta、Cr、W、Al、Si、SrおよびYから選択される金属元素の少なくとも2種からなる金属;並びに、
これら金属元素の少なくとも2種と炭素、窒素、酸素および硼素から選択される非金属元素の少なくとも1種とからなる化合物
からなる群より選ばれた少なくとも1種を含むと、硬質であるので、さらに好ましい。そのような第2積層構造の構成層を構成する金属または化合物として具体的には、(Al0.50Ti0.50)N、(Al0.60Ti0.40)N、(Al0.67Ti0.33)N、(Al0.67Ti0.33)CN、(Al0.45Ti0.45Si0.10)N、(Al0.45Ti0.450.10)N、(Al0.50Ti0.30Cr0.20)N、(Al0.50Ti0.45Nb0.05)N、(Al0.50Ti0.45Ta0.05)N、(Al0.50Ti0.450.05)N、(Ti0.90Si0.10)N、(Al0.50Cr0.50)Nなどを挙げることができる。
 本発明における第2積層構造は、これらの金属または化合物からなる2層以上を、各層の平均層厚を2nm以上60nm未満の厚みとして周期的に積層した構造を持つ。この一定の周期性をもって積層された構造には、組成が異なる2層以上の層が含まれている。前記第2積層構造は、この組成が異なる層を交互に各2層以上積層させた交互積層構造であることが、硬度が高くなり耐摩耗性が向上する観点から好ましい。
 第2積層構造についても、層の積層が繰り返される最小単位の厚さを「積層周期」という。例えば、図1において、組成が異なるA2層(7)、B2層(8)、C2層、D2層を、基材1から被覆層2の表面に向かって、A2層→B2層→C2層→D2層→A2層→B2層→C2層→D2層→…と繰り返し積層した場合、A2層からD2層までの層厚の合計を「積層周期」とする。また、組成が異なるA2層(7)とB2層(8)を、基材1から被覆層2の表面に向かって、A2層→B2層→A2層→B2層→A2層→B2層→…と繰り返し積層した場合、A2層の層厚とB2層の層厚の合計を「積層周期」とする。
 組成が異なる平均層厚2nm以上60nm未満の各層を、このような周期性を持たせて積層することで、本発明の被覆工具における第2積層構造の硬度が高くなり、耐摩耗性を向上させる効果が得られる。このような効果は、組成が異なる2層が交互に各2層以上積層した交互積層構造であるとさらに高くなるので、好ましい。具体的には、組成が異なるA2層とB2層を、基材から被覆層の表面に向かって、A2層→B2層→A2層→B2層→…と交互に2層以上積層を繰り返す交互積層構造が、第2積層構造としてさらに好ましい。
 前記第2積層構造を構成する各層について、その平均層厚が2nm未満であると均一な厚さの層を形成することが困難であり、第2積層構造を構成する層の平均層厚が60nm以上になると、硬度が低下して耐摩耗性が低下する。さらに第2積層構造と第1積層構造との層厚差が少なくなり、第1積層構造と第2積層構造の界面に平行な方向にクラックが進展することで基材までクラックが進展することを抑制する効果が十分に得られない。そのため、本発明において第2積層構造を構成する各層の平均層厚を2nm以上60nm未満とした。このような観点から、前記第2積層構造を構成する各層の平均層厚が5nm以上30nm以下であるとさらに好ましい。
 また、前記第2積層構造の平均厚さが0.02μm未満であると、周期的な層の繰り返し数が少なくなり、硬度が向上する作用が得られず、一方第2積層構造の平均厚さが6μmを超えて厚くなると、第2積層構造の残留圧縮応力が高くなって、被覆層の剥離や欠損が生じやすくなり、耐欠損性が低下する傾向を示すことから、第2積層構造の平均厚さは0.02~6μmであることが好ましい。
 次に、本発明の被覆工具における第1積層構造の積層周期の平均値Tと、第2積層構造の積層周期の平均値Tとの差(T-T)が20nm未満であると、第1積層構造と第2積層構造の界面と平行な方向にクラックが進展してクラックが基材まで進展することを抑制する作用が低下する傾向が見られ、一方TとTとの差(T-T)が996nmを超えて大きくなると、第1積層構造の平均厚さが厚くなり耐欠損性が低下する傾向が見られるので、TとTとの差(T-T)は20~996nmであることが好ましい。その中でもTとTとの差(T-T)が20~500nmであるとより好ましく、20~250nmであるとさらに好ましい。
 なお、積層周期の平均値とは、例えば、A2層→B2層→A2層→B2層→A2層→B2層→…とA2層→B2層を100回繰り返し積層した場合、100個の繰り返し単位の各積層周期の合計を求め、その積層周期の合計を繰り返した回数である100で割った値のことをいう。
 本発明の被覆工具における第1積層構造を構成する層に含まれる金属元素は、該第1積層構造を構成する各層の間で同一であり、さらに第1積層構造を構成する一の層に含まれる金属元素全体に対する元素量と、その層に隣接した第1積層構造を構成する別の層に含まれる金属元素全体に対する元素量との差の絶対値が5原子%以上であるような金属元素が1種以上存在することが好ましい。
 このような構成であると、第1積層構造を構成するある層とその隣接層の密着性を低下させずに、層と層の界面において結晶格子の不整合性が得られる。そのため、第1積層構造を構成する層と層の界面と平行な方向にクラックが進展しやすくなり、クラックが基材まで進展することを抑制する効果が高くなるので、さらに好ましい。
 上記の「差の絶対値が5原子%以上であるような金属元素が1種以上存在する」ということについて、例えば、第1積層構造が(Al0.55Ti0.45)N層と、(Al0.67Ti0.33)N層とからなる場合、2つの層の金属元素は、Al元素とTi元素で同一であるが、(Al0.55Ti0.45)N層に含まれるAl元素量は金属元素全体に対して55原子%であり、(Al0.67Ti0.33)N層に含まれるAl元素量は金属元素全体に対して67原子%であり、これら二つの層におけるAl元素量の差は12原子%であるので、この要件を満たす。また、(Al0.49Ti0.39Cr0.12)N層と(Al0.56Ti0.36Cr0.08)N層のように、2つの層の金属元素はAl元素とTi元素とCr元素で同一であり、2つの層のTi元素量の差は3原子%、2つの層のCr元素量の差は4原子%と、それぞれ5原子%未満であっても、2つの層のAl元素量の差は7原子%であるので、この要件を満たす。
 なお、本発明において窒化物を(M)Nと表記する場合は、金属元素全体に対するM元素の原子比がa、L元素の原子比がbであることを意味する。例えば、(Al0.55Ti0.45)Nは、金属元素全体に対するAl元素の原子比が0.55、金属元素全体に対するTi元素の原子比が0.45、すなわち、金属元素全体に対するAl元素量が55原子%、金属元素全体に対するTi元素量が45原子%であることを意味する。
 また、本発明の被覆工具における第2積層構造を構成する層に含まれる金属元素は、第2積層構造を構成する各層の間で同一であり、さらに第2積層構造を構成する一の層に含まれる金属元素全体に対する元素量と、その層に隣接した第2積層構造を構成する別の層に含まれる金属元素全体に対する元素量との差の絶対値が5原子%以上であるような金属元素が1種以上存在することが好ましい。
 このような構成であると、第2積層構造を構成する層とその隣接層の密着性を低下させずに、層と層の界面において結晶格子の不整合性が得られる。そのため、第2積層構造を構成する層と層の界面と平行な方向にクラックが進展しやすくなり、クラックが基材まで進展することを抑制する効果が高くなるので、さらに好ましい。前記の「差の絶対値が5原子%以上であるような金属元素が1種以上存在する」の意味は、上記の第1積層構造について説明したのと同様である。
 また、別の態様として、本発明の被覆工具における第1積層構造を構成する一の層に含まれる金属元素と、その層に隣接した第1積層構造を構成する別の層に含まれる金属元素が1種以上異なると、層と層の界面で結晶格子が不整合となり、層と層の界面に平行な方向にクラックが進展しやすくなり、クラックが基材まで進展することを抑制する効果が高くなるので、さらに好ましい。例えば、第1積層構造が(Al0.50Ti0.50)N層と(Al0.50Ti0.30Cr0.20)N層とからなる場合、2つの層に含まれる金属元素を比較すると、2つの層はAl元素とTi元素を含むが、Cr元素については一方の層のみに含まれるので、この要件を満たす。また、第1積層構造が(Al0.50Cr0.50)N層と、(Al0.67Ti0.33)N層とからなる場合も、2つの層に含まれる金属元素を比較すると、2つの層はAl元素を含むが、Cr元素については一方の層のみに含まれ、Ti元素については一方の層のみに含まれるので、この要件を満たす。
 同様に、本発明の被覆工具において、第2積層構造を構成する一の層に含まれる金属元素と、その層に隣接した第2積層構造を構成する別の層に含まれる金属元素が1種以上異なると、層と層の界面で結晶格子が不整合となり、層と層の界面に平行な方向にクラックが進展しやすくなり、クラックが基材まで進展することを抑制する効果が高くなるので、さらに好ましい。
 本発明の被覆工具における被覆層は耐欠損性に優れる第1積層構造と耐摩耗性に優れる第2積層構造とを含むことで、耐欠損性および耐摩耗性に優れる。前記被覆層は、第1積層構造および第2積層構造よりも被覆層の基材と反対側の表面側に上部層を含んでもよい。また、前記被覆層は、第1積層構造および第2積層構造よりも基材側に下部層を含んでもよい。さらに前記被覆層は、第1積層構造と第2積層構造の間に中間層を含んでもよい。
 これら上部層、中間層及び下部層の構成は、被覆工具の被覆層として用いられるものであれば特に限定はされないが、その中でも、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、Sr、Y、SnおよびBiから選択される金属元素の少なくとも1種からなる金属;並びに、これら金属元素の少なくとも1種と炭素、窒素、酸素および硼素から選択される非金属元素の少なくとも1種とからなる化合物からなる群より選ばれた少なくとも1種からなる層の単層または周期を有さない多層構成であると、耐摩耗性が向上するので、好ましい。
 また、第1積層構造と第2積層構造とを交互に2つ以上連続して積層すると、クラックが第1積層構造と第2積層構造との界面と平行な方向に進展しやすくなり、クラックが基材まで進展することを抑制する効果が得られ、耐欠損性が向上するため、さらに好ましい。第1積層構造と第2積層構造の位置関係については、基材に最も近いのが第1積層構造、被覆層の基材と反対側の表面に最も近いのが第2積層構造であっても、基材に最も近いのが第2積層構造、被覆層の基材と反対側の表面に最も近いのが第1積層構造であっても、いずれでもよい。さらに、基材に最も近いもの及び被覆層の基材と反対側の表面に最も近いものの双方を第1積層構造又は第2積層構造としてもよい。その中でも、第2積層構造の残留圧縮応力よりも第1積層構造の残留圧縮応力の方が低く、第1積層構造を基材に最も近くして第2積層構造を前記表面に最も近くすると、被覆層の耐剥離性が向上する傾向が見られるので、さらに好ましい。
 本発明の被覆工具における被覆層の製造方法は特に限定されるものではないが、例えば、イオンプレーティング法、アークイオンプレーティング法、スパッタ法、イオンミキシング法などの物理蒸着法を使用して、基材上に上記で説明した第1積層構造や第2積層構造等の各層を形成していく方法を挙げることができる。その中でもアークイオンプレーティング法は被覆層と基材の密着性に優れるので、さらに好ましい。
 本発明の被覆工具は、基材の表面に従来の被覆方法で各層を形成することで得られるが、例えば、以下の製造方法を挙げることができる。
 工具形状に加工した基材を物理蒸着装置の反応容器内に入れ、反応容器内を圧力1×10-2Pa以下の真空になるまで真空引きする。真空引きした後、反応容器内のヒーターで基材の温度が200~800℃になるまで加熱する。加熱後、反応容器内にArガスを導入して圧力を0.5~5.0Paとする。圧力0.5~5.0PaのArガス雰囲気にて、基材に-200~-1000Vのバイアス電圧を印加し、反応容器内のタングステンフィラメントに5~20Aの電流を流して、基材の表面をArガスによるイオンボンバードメント処理をする。基材の表面をイオンボンバードメント処理した後、圧力1×10-2Pa以下の真空になるまで真空引きする。
 次いで、窒素ガスなどの反応ガスを反応容器内に導入し、反応容器内の圧力を0.5~5.0Paにして、基材に-10~-150Vのバイアス電圧を印加し、各層の金属成分に応じた金属蒸発源をアーク放電により蒸発させて基材の表面に各層を形成することができる。なお、離れた位置に置かれた2種類以上の金属蒸発源を同時にアーク放電により蒸発させ、基材を固定した回転テーブルを回転して第1積層構造もしくは第2積層構造を構成する層を形成する場合は、反応容器内の基材を固定した回転テーブルの回転数を調整することによって、第1積層構造もしくは第2積層構造を構成する各層の層厚を制御することができ、2種類以上の金属蒸発源を交互にアーク放電により蒸発させて第1積層構造もしくは第2積層構造を構成する層を形成する場合は、それぞれの金属蒸発源のアーク放電時間を調整することによって第1積層構造もしくは第2積層構造を構成する各層の層厚を制御することができる。
 本発明の被覆工具における被覆層を構成する各層の層厚は、被覆工具の断面組織から光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡(SEM)、透過型電子顕微鏡(TEM)などを用いて測定することができる。なお、本発明の被覆工具における各層の平均層厚は、金属蒸発源に対向する面の刃先から当該面の中心部に向かって50μmの位置の近傍において、3箇所以上の断面から各層の層厚を測定して、その平均値を計算することで求めることができる。
 また、本発明の被覆工具の各層の組成は、本発明の被覆工具の断面組織からエネルギー分散型X線分析装置(EDS)や波長分散型X線分析装置(WDS)などを用いて測定することができる。
 本発明の被覆工具の種類として具体的には、切削インサート、ドリル、エンドミルなどを挙げることができる。
 [実施例1]
 基材としてISO規格SEEN1203インサート形状のP10相当の超硬合金を用意した。アークイオンプレーティング装置の反応容器内に表1~3に示す各層の組成になる金属蒸発源を配置した。用意した基材を反応容器内の回転テーブルの固定金具に固定した。
 その後、反応容器内の圧力が5.0×10-3Pa以下の真空になるまで真空引きした。真空引き後、反応容器内のヒーターで基材の温度が500℃になるまで加熱した。加熱後、反応容器内の圧力が5.0PaになるようにArガスを導入した。
 圧力5.0PaのArガス雰囲気にて、基材に-1000Vのバイアス電圧を印加して、反応容器内のタングステンフィラメントに10Aの電流を流して、基材の表面にArガスによるイオンボンバードメント処理を30分間行った。イオンボンバードメント処理終了後、反応容器内の圧力が5.0×10-3Pa以下の真空になるまで真空引きした。
 真空引き後、窒素ガスを反応容器内に導入し、圧力2.7Paの窒素ガス雰囲気にした。基材には-50Vのバイアス電圧を印加してアーク電流200Aのアーク放電により金属蒸発源を蒸発させて各層を形成した。
 なお、発明品1~11のA1層とB1層を形成するときは、A1層の金属蒸発源とB1層の金属蒸発源を交互にアーク放電により蒸発させてA1層とB1層を形成した。このときA1層の層厚とB1層の層厚はそれぞれのアーク放電時間を調整して制御した。層厚が厚い比較品1も同様にX層の金属蒸発源とY層の金属蒸発源を交互にアーク放電により蒸発させてX層とY層を形成した。このときX層の層厚とY層の層厚はそれぞれのアーク放電時間を調整して制御した。
 また、発明品1~11のA2層とB2層を形成するときは、A2層の金属蒸発源とB2層の金属蒸発源とを同時にアーク放電により蒸発させてA2層とB2層を形成した。このときA2層の層厚とB2層の層厚は回転テーブルの回転数を0.2~10min-1の範囲で調整することで制御した。層厚が薄い比較品2の層厚も同様にX層の金属蒸発源とY層の金属蒸発源とを同時にアーク放電により蒸発させてX層とY層を形成した。このときX層の層厚とY層の層厚は回転テーブルの回転数を0.2~10min-1の範囲で調整することで制御した。
 基材の表面に所定の層厚まで各層を形成した後に、ヒーターの電源を切り、試料温度が100℃以下になった後で、反応容器内から試料を取り出した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
 得られた試料の各層の平均層厚は、被覆工具の金属蒸発源に対向する面の刃先から当該面の中心部に向かって50μmの位置の近傍において、3箇所の断面をTEM観察し、各層の層厚を測定し、その平均値を計算することで求めた。得られた試料の各層の組成は、被覆工具の金属蒸発源に対向する面の刃先から中心部に向かって50μmまでの位置の断面でEDSを用いて測定した。それらの結果も、表1~3にあわせて示す。なお、表1~3の各層の金属元素の組成比は、各層を構成する金属化合物における金属元素全体に対する各金属元素の原子比を示す。
 得られた試料を用いて、以下の試験条件で正面フライス加工を行って耐欠損性を評価した。その評価結果を表4に示す。
[試験条件]
被削材:SCM440、
被削材形状:105mm×200mm×60mmの直方体(但し、正面フライス加工を行う直方体の105mm×200mmの面に直径φ30mmの穴が6箇所明けられている。)
切削速度:250m/min、
送り:0.4mm/tooth、
切り込み:2.0mm、
切削幅:105mm、
クーラント:無し、
カッター有効径:φ125mm、
評価項目:試料が欠損する(試料の切れ刃部に欠けが生じる)までの加工長を測定する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
 表4の結果より、発明品は、均一な各種の層厚の層を交互に積層させた交互積層構造を備える比較品よりも加工長が長く、工具寿命が長いことが分かる。
 [実施例2]
 基材としてISO規格SEEN1203インサート形状のP10相当の超硬合金を用意した。アークイオンプレーティング装置の反応容器内に表5に示す各層の組成となる金属蒸発源を配置して、実施例1と同様な製造方法で表5及び6に示す層構成の試料を作製した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
 得られた試料の各層の平均層厚及び各層の組成を実施例1と同様にして測定した。それらの結果を表5及び6に示す。また得られた試料を用いて、実施例1と同じ試験条件で正面フライス加工を行って耐欠損性を評価した。その評価結果を表7に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
 表7より、発明品は、均一な各種の層厚の層を交互に積層した交互積層構造を持つ比較品よりも加工長が長く、工具寿命が長いことが分かる。
 [実施例3]
 基材としてISO規格SEEN1203インサート形状のP10相当の超硬合金を用意した。発明品23、25~35および比較品3、5~15は、アークイオンプレーティング装置の反応容器内に表8及び表10に示す各層の組成となる金属蒸発源を配置して、実施例1と同様な製造方法で表9及び10に示す層構成の試料を形成した。
 また、発明品24と比較品4は、アークイオンプレーティング装置の反応容器内に表8及び表10に示す各層の組成になる金属蒸発源を配置して、各層を形成するときの反応容器内の雰囲気をNガスとCHガスの分圧比がN:CH=1:1となるように混合した混合ガスとし、反応容器内の圧力2.7Paにすること以外は、実施例1と同様に表9及び10に示す層構成の試料を作製した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
 得られた試料の各層の層厚及び各層の組成を実施例1と同様にして測定した。それらの結果を、表8~10に併せて示す。なお、表8及び10の各層の金属元素の組成比は、各層を構成する金属化合物における金属元素全体に対する各金属元素の原子比を示す。得られた試料を用いて、実施例1と同じ試験条件で正面フライス加工を行って耐欠損性を評価した。その評価結果を表11及び表12に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000011
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000012
 表11及び表12より、発明品は、均一な各種の層厚の層を交互に積層させた交互積層構造を備える比較品よりも加工長が長く、工具寿命が長いことが分かる。
1 基材
2 被覆層
3 第1積層構造
4 第2積層構造
5 A1層
6 B1層
7 A2層
8 B2層

Claims (13)

  1.  基材と、基材の表面に形成された被覆層とを含み、該被覆層は第1積層構造と第2積層構造とを含み、
     前記第1積層構造は組成が異なる2層以上の層を、各層の平均層厚を60nm以上500nm以下の厚みとして周期的に積層した構造であり、
     前記第2積層構造は組成が異なる2層以上の層を、各層の平均層厚を2nm以上60nm未満の厚みとして周期的に積層した構造であり、
     前記第1積層構造を構成する層および第2積層構造を構成する層は、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Al、Si、Sr、Y、SnおよびBiから選択される金属元素の少なくとも1種からなる金属;並びに、これら金属元素の少なくとも1種と炭素、窒素、酸素および硼素から選択される非金属元素の少なくとも1種とからなる化合物からなる群より選ばれた少なくとも1種を含む、被覆工具。
  2.  前記第1積層構造は、組成が異なる2層を交互に各2層以上積層した交互積層構造である請求項1に記載の被覆工具。
  3.  前記第2積層構造は、組成が異なる2層を交互に各2層以上積層した交互積層構造である請求項1または2に記載の被覆工具。
  4.  前記被覆層は、前記第1積層構造と第2積層構造とを交互に2つ以上連続して積層した構造を含む請求項1~3のいずれか1項に記載の被覆工具。
  5.  前記第1積層構造の積層周期の平均値Tと、前記第2積層構造の積層周期の平均値Tとの差(T-T)が20nm~996nmである、請求項1~4のいずれか1項に記載の被覆工具。
  6.  前記第1積層構造を構成する各層および前記第2積層構造を構成する各層は、Ti、Nb、Ta、Cr、W、Al、Si、SrおよびYから選択される金属元素の少なくとも2種からなる金属;並びに、これら金属元素の少なくとも2種と炭素、窒素、酸素および硼素から選択される非金属元素の少なくとも1種とからなる化合物からなる群より選ばれた少なくとも1種を含む、請求項1~5のいずれか1項に記載の被覆工具。
  7.  前記第1積層構造を構成する層に含まれる金属元素は、該第1積層構造を構成する各層の間で同一であり、
     前記第1積層構造を構成する一の層に含まれる金属元素全体に対する元素量と、当該層に隣接した前記第1積層構造を構成する層に含まれる金属元素全体に対する元素量との差の絶対値が5原子%以上である金属元素が1種以上含まれる、請求項1~6のいずれか1項に記載の被覆工具。
  8.  前記第2積層構造を構成する層に含まれる金属元素は、該第2積層構造を構成する各層の間で同一であり、
     前記第2積層構造を構成する一の層に含まれる金属元素全体に対する元素量と、当該層に隣接した前記第2積層構造を構成する層に含まれる金属元素全体に対する元素量との差の絶対値が5原子%以上である金属元素が1種以上含まれる、請求項1~7のいずれか1項に記載の被覆工具。
  9.  前記第1積層構造を構成する一の層に含まれる金属元素と、当該層に隣接する前記第1積層構造を構成する層に含まれる金属元素が1種以上異なる、請求項1~6のいずれか1項に記載の被覆工具。
  10.  前記第2積層構造を構成する一の層に含まれる金属元素と、当該層に隣接する前記第2積層構造を構成する層に含まれる金属元素が1種以上異なる請求項1~6及び9のいずれか1項に記載の被覆工具。
  11.  前記被覆層全体の総層厚は平均層厚で0.22~12μmである請求項1~10のいずれか1項に記載の被覆工具。
  12.  前記第1積層構造の平均厚さは0.2~6μmである請求項1~11のいずれか1項に記載の被覆工具。
  13.  前記第2積層構造の平均厚さは0.02~6μmである請求項1~12のいずれか1項に記載の被覆工具。
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