WO2020213264A1 - 切削工具 - Google Patents
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- C23C14/0676—Oxynitrides
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- 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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- B23B2224/32—Titanium carbide nitride (TiCN)
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- B23C2224/00—Materials of tools or workpieces composed of a compound including a metal
- B23C2224/32—Titanium carbide nitride (TiCN)
Definitions
- Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-331408
- Patent Document 1 describes a wear-resistant film coating tool in which at least one hard film having a hard film and a hard layer having a chemical composition represented by (TiSi) (NB) is coated on a substrate.
- the hard layer is composed of a relatively Si-rich (TiSi) (NB) phase and a relatively low Si (TiSi) (NB) phase, and the Si-rich (TiSi) (NB) phase.
- a wear-resistant coating tool in which the phase is an amorphous phase is disclosed.
- Patent Document 2 contains a coated article containing a base material and a coating structure, and the coating structure includes a PVD coating region coated by physical vapor deposition.
- the coating region comprises aluminum, yttrium, nitrogen, and at least one element selected from the group consisting of titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, and silicon.
- the total content of the aluminum and yttrium is about 3 atomic% to about 55 atomic% of the total of the aluminum, the yttrium, and other elements, and the content of the yttrium is the aluminum, the yttrium, and the above.
- Coated articles are disclosed that account for from about 0.5 atomic% to about 5 atomic% of the sum of the other elements.
- JP-A-2002-331408 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-019052
- the cutting tool according to this disclosure is A cutting tool including a base material including a flank surface and a coating layer covering the flank surface.
- the coating layer contains a matrix region and metal fine particles.
- the matrix region consists of a compound represented by (Al x T y X 1-x-y ) C vO w N 1-v-w .
- x is greater than 0.5 and less than or equal to 0.7.
- y is 0.3 or more and less than 0.5
- 1-xy is 0 or more and 0.1 or less.
- v is 0 or more and 1 or less
- w is 0 or more and 1 or less
- 1-v-w is 0 or more and 1 or less.
- X represents at least one element selected from the group consisting of chromium, silicon, niobium, tantalum, tungsten and boron.
- the metal fine particles contain aluminum or titanium as a constituent element and contain aluminum or titanium as a constituent element.
- the particle size of the metal fine particles is 20 nm or more and 200 nm or less.
- the number of the metal fine particles is 12 or more and 36 or less in a field of view of 3 ⁇ m ⁇ 4 ⁇ m in a cross section parallel to the normal direction at the interface of the coating layer.
- FIG. 1 is a perspective view illustrating one aspect of a base material of a cutting tool.
- FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a cutting tool according to one embodiment of the present embodiment.
- FIG. 3A is a photograph showing an example of an electron diffraction pattern in the coating layer according to the present embodiment.
- FIG. 3B is a photograph showing another example of the electron diffraction pattern in the coating layer according to the present embodiment.
- FIG. 4A is a photograph of a transmission electron microscope showing a cross section of the coating layer according to the present embodiment.
- FIG. 4B is an enlarged photograph of a metal fine particle portion in a transmission electron microscope in a cross section of the coating layer according to the present embodiment.
- the wear-resistant film coating tool described in Patent Document 1 has a low hardness because the film contains an amorphous layer, and therefore, when applied to highly efficient (high feed rate) cutting, further performance (for example). , Crater wear resistance, wear resistance, etc.) are required to be improved.
- the present disclosure has been made in view of the above circumstances, and an object of the present disclosure is to provide a cutting tool having excellent flank wear resistance.
- the cutting tool according to the present disclosure is A cutting tool including a base material including a flank surface and a coating layer covering the flank surface.
- the coating layer contains a matrix region and metal fine particles.
- the matrix region consists of a compound represented by (Al x T y X 1-x-y ) C vO w N 1-v-w .
- x is greater than 0.5 and less than or equal to 0.7.
- y is 0.3 or more and less than 0.5, 1-xy is 0 or more and 0.1 or less.
- v is 0 or more and 1 or less
- w is 0 or more and 1 or less
- 1-v-w is 0 or more and 1 or less.
- X represents at least one element selected from the group consisting of chromium, silicon, niobium, tantalum, tungsten and boron.
- the metal fine particles contain aluminum or titanium as a constituent element and contain aluminum or titanium as a constituent element.
- the particle size of the metal fine particles is 20 nm or more and 200 nm or less.
- the number of the metal fine particles is 12 or more and 36 or less in a field of view of 3 ⁇ m ⁇ 4 ⁇ m in a cross section parallel to the normal direction at the interface of the coating layer.
- the above-mentioned cutting tool can have excellent flank wear resistance.
- the coating layer further contains argon, and the content ratio of argon in the coating layer exceeds 0 at% and is 3 at% or less.
- the above X contains boron.
- the thickness of the coating layer is 3 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less.
- the present embodiment hereinafter referred to as “the present embodiment”.
- the notation in the form of "A to Z” means the upper and lower limits of the range (that is, A or more and Z or less), and when the unit is not described in A and the unit is described only in Z, A The unit of and the unit of Z are the same.
- the compound when the compound is represented by a chemical formula such as "TiC" in which the composition ratio of the constituent elements is not limited, the chemical formula is any conventionally known composition ratio (element ratio). Shall include.
- the above chemical formula shall include not only the stoichiometric composition but also the non-stoichiometric composition.
- the chemical formula of "TiC” includes not only the stoichiometric composition “Ti 1 C 1 " but also a non-stoichiometric composition such as “Ti 1 C 0.8 ". This also applies to the description of compounds other than "TiC”.
- the cutting tool according to this disclosure is A cutting tool including a base material including a flank surface and a coating layer covering the flank surface.
- the coating layer contains a matrix region and metal fine particles.
- the matrix region consists of a compound represented by (Al x T y X 1-x-y ) C vO w N 1-v-w .
- x is greater than 0.5 and less than or equal to 0.7.
- y is 0.3 or more and less than 0.5
- 1-xy is 0 or more and 0.1 or less.
- v is 0 or more and 1 or less
- w is 0 or more and 1 or less
- 1-v-w is 0 or more and 1 or less.
- X represents at least one element selected from the group consisting of chromium, silicon, niobium, tantalum, tungsten and boron.
- the metal fine particles contain aluminum or titanium as a constituent element and contain aluminum or titanium as a constituent element.
- the particle size of the metal fine particles is 20 nm or more and 200 nm or less.
- the number of the metal fine particles is 12 or more and 36 or less in a field of view of 3 ⁇ m ⁇ 4 ⁇ m in a cross section parallel to the normal direction at the interface of the coating layer.
- the surface-coated cutting tool 10 of the present embodiment includes a base material 11 including a flank surface 1b and a coating layer 12 covering the flank surface 1b (hereinafter, may be simply referred to as a “cutting tool”) (FIG. 1 and FIG. 2).
- the cutting tool may further include a base layer provided between the base material and the coating layer.
- the cutting tool may further include an intermediate layer provided between the base layer and the coating layer.
- the cutting tool may further include an outermost surface layer provided on the coating layer.
- Other layers such as the base layer, the intermediate layer and the outermost layer will be described later.
- each of the above-mentioned layers provided on the above-mentioned base material may be collectively referred to as a "coating". That is, the cutting tool includes a coating film that covers the flank surface, and the coating film includes the coating layer. Further, the coating film may further include the base layer, the intermediate layer, or the outermost surface layer.
- the above-mentioned cutting tools include, for example, drills, end mills, replaceable cutting tips for drills, replaceable cutting tips for end mills, replaceable cutting tips for milling, replaceable cutting tips for turning, metal saws, and gear cutting tools. , Reamer, tap, etc.
- the base material of the present embodiment any conventionally known base material of this type can be used.
- the base material is a cemented carbide (for example, a tungsten carbide (WC) -based cemented carbide, a cemented carbide containing Co in addition to WC, and a carbide such as Cr, Ti, Ta, Nb in addition to WC.
- a cemented carbide for example, a tungsten carbide (WC) -based cemented carbide, a cemented carbide containing Co in addition to WC, and a carbide such as Cr, Ti, Ta, Nb in addition to WC.
- Cemented carbide, etc. Cemented carbide, etc.
- cermet mainly composed of TiC, TiN, TiCN, etc.
- high-speed steel ceramics (titanium carbide, silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride, aluminum oxide, etc.), cubic crystal
- ceramics titanium carbide, silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride, aluminum oxide, etc.
- cubic crystal It is preferable to include one selected from the group consisting of a cemented carbide sintered body (cBN sintered body) and a diamond sintered body.
- cemented carbide particularly WC-based cemented carbide
- cermet particularly TiCN-based cermet
- a cemented carbide When a cemented carbide is used as a base material, the effect of this embodiment is shown even if such a cemented carbide contains an abnormal phase called a free carbon or an ⁇ phase in the structure.
- the base material used in the present embodiment may have a modified surface.
- a de ⁇ layer may be formed on the surface thereof, or in the case of a cBN sintered body, a surface hardened layer may be formed, even if the surface is modified in this way. The effect of this embodiment is shown.
- FIG. 1 is a perspective view illustrating one aspect of the base material of the cutting tool.
- a cutting tool having such a shape is used as a cutting tip with a replaceable cutting edge for turning.
- the base material 11 shown in FIG. 1 has a surface including an upper surface, a lower surface, and four side surfaces, and has a quadrangular prism shape that is slightly thin in the vertical direction as a whole. Further, the base material 11 is formed with through holes penetrating the upper and lower surfaces, and at the boundary portions of the four side surfaces, the adjacent side surfaces are connected by an arc surface.
- the upper surface and the lower surface usually form a rake surface 1a, and four side surfaces (and arc surfaces connecting them to each other) form a flank surface 1b, which connects the rake face 1a and the flank surface 1b.
- the arc surface forms the cutting edge portion 1c.
- the "scooping surface” means a surface for scooping out chips scraped from a work material.
- “Fleeing surface” means a surface whose part is in contact with the work material.
- the cutting edge portion is included in the portion constituting the cutting edge of the cutting tool.
- the base material 11 When the cutting tool is a cutting tip with a replaceable cutting edge, the base material 11 includes a shape having a tip breaker and a shape not having a tip breaker.
- the shape of the cutting edge portion 1c is a combination of sharp edge (ridge where the rake face and flank surface intersect), honing (shape that gives a radius to the sharp edge), negative land (shape that is chamfered), honing and negative land.
- any shape is included.
- the cutting tool has a rake face, a flank surface, and a cutting edge portion connecting the rake face and the flank surface.
- the coating film according to this embodiment includes a coating layer.
- the "coating” has an action of improving various properties such as fracture resistance and flank wear resistance of a cutting tool by covering at least a part of the base material (for example, a part of a flank). Is.
- the coating preferably covers the entire surface of the base material. However, even if a part of the base material is not coated with the coating film or the composition of the coating film is partially different, it does not deviate from the scope of the present embodiment.
- the thickness of the coating film is preferably 3 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less, and more preferably 3 ⁇ m or more and 12 ⁇ m or less.
- the thickness of the coating means the total thickness of each of the layers constituting the coating.
- Examples of the "layer constituting the coating film” include other layers such as the above-mentioned coating layer, the above-mentioned base layer, the intermediate layer and the outermost surface layer.
- the thickness of the coating film is, for example, measured at any 10 points in a cross-sectional sample parallel to the normal direction of the surface of the base material using a transmission electron microscope (TEM), and the average of the measured thicknesses of the 10 points. It can be obtained by taking a value.
- TEM transmission electron microscope
- the measurement magnification at this time is, for example, 10000 times.
- the cross-section sample include a sample obtained by thinning the cross-section of the cutting tool with an ion slicer device. The same applies to the case of measuring the thickness of each of the coating layer, the underlayer, the intermediate layer, the outermost surface layer and the like.
- the transmission electron microscope include JEM-2100F (trade name) manufactured by JEOL Ltd.
- the coating layer according to the present embodiment includes a matrix region and metal fine particles.
- the coating layer may be provided directly above the base material as long as the effect of the cutting tool according to the present embodiment is not impaired, or may be provided on the base material via another layer such as a base layer. It may be provided in.
- the coating layer may be provided with another layer such as the outermost surface layer on the coating layer. Further, the coating layer may be provided on the outermost surface of the coating.
- the coating layer may cover the flank surface of the base material, but may also cover the rake face of the base material.
- the coating layer preferably covers the entire surface of the base material. However, even if a part of the base material is not covered with the coating layer, it does not deviate from the scope of the present embodiment.
- the thickness of the coating layer is preferably 3 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less, more preferably 3 ⁇ m or more and 12 ⁇ m or less, and further preferably 3 ⁇ m or more and 8 ⁇ m or less.
- the thickness can be measured, for example, by observing the cross section of the cutting tool as described above with a transmission electron microscope at a magnification of 10000 times.
- the "matrix region” is a region serving as a base of the coating layer, and means a region other than the metal fine particles (when Ar (argon) described later is contained, the metal fine particles and a region other than Ar).
- the matrix region is a region arranged so as to surround each of the metal fine particles.
- most of the matrix region can be grasped as a region arranged so as to surround each of the metal fine particles. It can also be understood that most of the matrix region is arranged between the metal fine particles.
- the matrix region is (Al x T y X 1-x-y ) C v O w N 1-v-w (0.5 ⁇ x ⁇ 0.7, 0.3 ⁇ y ⁇ 0.5, 0 ⁇ ). It is composed of a compound represented by 1-xy ⁇ 0.1, 0 ⁇ v ⁇ 1, 0 ⁇ w ⁇ 1, 0 ⁇ 1-v-w ⁇ 1).
- the metal fine particles described later are dispersed in the matrix region, and a micropolycrystalline structure described later is formed. As a result, the cutting tool has excellent flank wear resistance.
- X represents at least one element selected from the group consisting of Cr (chromium), Si (silicon), Nb (niobium), Ta (tantalum), W (tungsten) and B (boron).
- Boron is usually regarded as a metalloid exhibiting properties intermediate between a metal element and a non-metal element, but in the present embodiment, an element having free electrons is regarded as a metal, and boron is in the range of metal elements. It shall be included in.
- (Al x T y X 1-xy ) C vO w N 1-v-w x is more than 0.5 and 0.7 or less, and 0.55 or more and 0.65 or less. Is preferable.
- the above x can be obtained by analyzing the entire matrix region of the above cross-section sample by energy dispersive X-ray spectroscopy (TEM-EDX) incidental to TEM. The observation magnification at this time is, for example, 20000 times. Specifically, each of the 10 arbitrary points in the matrix region of the cross-sectional sample is measured to obtain the value of x, and the average value of the obtained 10 points is defined as x in the matrix region.
- the "arbitrary 10 points" are selected from crystal grains different from each other in the matrix region. The same applies to the identification of y, v and w described later.
- Examples of the EDX device include JED-2300 (trade name) manufactured by JEOL Ltd.
- (Al x T y X 1-x-y ) y in C v O w N 1-v-w is 0.3 or more and less than 0.5, and preferably 0.3 or more and 0.4 or less. ..
- (Al x T y X 1-xy ) C vO w N 1-v-w 1-xy is 0 or more and 0.1 or less, and 0.03 or more and 0.1 or less. Is preferable.
- (Al x Ti y X 1- x-y) C v O w N 1-v-w in v is 0 or more and 1 or less, is preferably 0 to 0.2.
- (Al x Ti y X 1- x-y) C v O w N w in 1-v-w is 0 or more and 1 or less, is preferably 0 to 0.2.
- (Al x Ti y X 1- x-y) C v O w N 1-v-w in 1-v-w is 0 or more and 1 or less, is preferably 0.6 to 0.9 ..
- (Al x Ti y X 1- x-y) C v O w N X in 1-v-w may contain Cr, Si, Nb, Ta, two or more elements selected from the group consisting of W and B You may be.
- the above-mentioned 1-xy value means the total value of the above two or more kinds of elements.
- the X preferably contains B (boron). By doing so, the cutting tool can have more excellent flank wear resistance.
- Examples of the compound represented by (Al x T y X 1-xy ) C v O w N 1-v-w include AlTiN, AlTiBN, AlTiBCN, AlTiBON, AlTiBCON and the like (however, specifically Subscripts indicated by x, y, v and w in the compound are omitted).
- the metal fine particles according to the present embodiment are present in a dispersed state in the matrix region (for example, the portion surrounded by the broken line in FIG. 4A).
- the above-mentioned "dispersed state” does not exclude those in which the metal fine particles are in contact with each other. That is, the metal fine particles may be in contact with each other or may be separated from each other.
- the present inventor has formed a structure composed of polycrystals having a particle size smaller than that of the periphery on the upper side (opposite side to the base material) of the metal fine particles. They found it for the first time (Fig. 4A, Fig. 4B).
- the presence of such a structure composed of polycrystals (hereinafter, may be referred to as "micropolycrystalline structure”) improves the toughness of the coating layer. Therefore, the cutting tool has excellent flank wear resistance.
- the metal fine particles contain Al (aluminum) or Ti (titanium) as constituent elements. Specific examples thereof include metal fine particles made of Al, metal fine particles made of Ti, and metal fine particles made of an alloy of Al and Ti.
- the composition of the metal fine particles can be determined by analyzing the metal fine particles with a cross-sectional sample using TEM-EDX in the same manner as described above. Further, oxides, carbides, nitrides and the like may be formed on the surface of the metal fine particles as long as the effects of the present disclosure are not impaired.
- the particle size of the metal fine particles is 20 nm or more and 200 nm or less, preferably 20 nm or more and 160 nm or less, and more preferably 20 nm or more and 120 nm or less. If the particle size of the metal fine particles is less than 20 nm, the fine polycrystalline structure tends to be difficult to form. Further, when the particle size of the metal fine particles exceeds 200 nm, the toughness of the coating layer tends to decrease.
- the particle size of the metal fine particles can be determined by using TEM. Specifically, it is obtained by the following procedure. First, the above-mentioned cross-sectional sample is observed by TEM to obtain an observation image. The observation magnification at this time is, for example, 100,000 times.
- the density of the metal fine particles and the matrix region are different. Therefore, a clear contrast difference appears on the obtained observation image, and the metal fine particles and the matrix region can be clearly distinguished.
- the area of the cross section of the metal fine particles is calculated.
- the diameter of a circle having an area equal to the calculated area is calculated.
- the diameter of the circle calculated in this way is defined as the particle size of the metal fine particles.
- metal particles having a particle size of 20 nm or more and 200 nm or less are defined as “metal fine particles”, but metal particles whose particle size is not in the above range are included in the coating layer. It does not exclude that. That is, the coating layer may contain metal particles having a particle size of less than 20 nm or metal particles having a particle size of more than 200 nm, as long as the effects of the present disclosure are not impaired.
- the number of the metal fine particles is 12 or more and 36 or less in a field of view of 3 ⁇ m ⁇ 4 ⁇ m (for example, the field of view F in FIG. 2) in a cross section parallel to the normal direction at the interface of the coating layer.
- the above-mentioned “interface of the coating layer” means the interface on the side closest to the base material among the two interfaces perpendicular to the thickness direction of the coating layer. For example, when the coating layer is arranged directly above the base material, the interface between the base material and the coating layer becomes the above-mentioned "interface of the coating layer".
- the interface between the other layer and the coating layer is described above. It becomes the "interface of the coating layer".
- the method for counting the metal fine particles first, the number of the metal fine particles is counted for each visual field by observing an arbitrary plurality of visual fields in the cross-sectional sample described above with a TEM. The number of the metal fine particles is obtained by averaging the numbers of the metal fine particles counted for each field of view. The magnification at this time is, for example, 50,000 times. The number of visual fields to be measured is at least 3. In addition, metal fine particles whose part is out of the measurement field of view are also counted as one.
- the matrix region includes a micropolycrystalline structure adjacent to the metal fine particles.
- the micropolycrystalline structure can be distinguished from the micropolycrystalline structure in the matrix region by analyzing the image of the cross-sectional sample obtained by TEM.
- the composition of the micropolycrystalline structure is represented by the same composition as the other parts of the matrix region, that is, (Al x T y X 1-x-y ) C v O w N 1-v w .
- the particle size of the crystal grains constituting the fine polycrystalline structure can be obtained by analysis by an electron diffraction method. Specifically, the procedure is as follows.
- the electron diffraction measurement of the upper portion of the metal fine particles is performed. At this time, the measurement is performed while changing the beam diameter of the irradiated electron beam from 2 nm to 30 nm.
- the beam diameter of the electron beam is smaller than the particle size of the crystal grains constituting the micropolycrystalline structure, discrete and large diffraction spots are observed in the electron beam diffraction image (for example, FIG. 3A).
- the beam diameter of the electron beam is larger than the particle size of the crystal grains constituting the micropolycrystalline structure, a continuous ring pattern is observed in the electron diffraction image (for example, FIG. 3B).
- the beam diameter of the electron beam when the observed pattern changes from the diffraction spot to the continuous ring pattern corresponds to the particle size of the crystal grains constituting the polycrystalline structure. ..
- the particle size of the crystal grains constituting the micropolycrystalline structure may be, for example, 2 nm or more and 20 nm or less, or 2 nm or more and 10 nm or less.
- the coating layer further contains Ar (argon), and the content ratio of the Ar in the coating layer is preferably more than 0 at% and 3 at% or less. By doing so, the cutting tool can have more excellent flank wear resistance.
- the content ratio of Ar in the coating layer can be determined by analyzing the entire matrix region with the above-mentioned cross-sectional sample using TEM-EDX.
- the coating may further contain other layers as long as the effects of the present embodiment are not impaired.
- the other layer include an underlayer provided between the base material and the coating layer, an intermediate layer provided between the underlayer and the coating layer, and the coating.
- the outermost surface layer provided on the layer and the like can be mentioned.
- the underlayer may be, for example, a layer made of a compound represented by TiWCN.
- the intermediate layer may be, for example, a layer made of a compound represented by TiN.
- the outermost surface layer may be, for example, a layer made of a compound represented by AlTiCN.
- the thickness of the other layers is not particularly limited as long as the effects of the present embodiment are not impaired, and examples thereof include 0.1 ⁇ m and more and 2 ⁇ m or less.
- the method for manufacturing a cutting tool is The step of preparing the base material (hereinafter, may be referred to as "first step") and A step of forming the coating layer on the flank surface of the base material using a physical vapor deposition method (hereinafter, may be referred to as a “second step”). Including The step of forming the coating layer includes intermittently supplying Ar gas.
- the physical vapor deposition method is a vapor deposition method in which a raw material (also referred to as an "evaporation source” or “target”) is vaporized by utilizing a physical action, and the vaporized raw material is adhered onto a base material or the like.
- a raw material also referred to as an "evaporation source” or “target”
- target a raw material
- the cathode arc ion plating method is used as the physical vapor deposition method used in this embodiment.
- a base material is installed in the apparatus and a target is installed as a cathode, and then a high current is applied to this target to generate an arc discharge.
- a high current is applied to this target to generate an arc discharge.
- the atoms constituting the target are evaporated and ionized, and a negative bias voltage is deposited on the base material to form a film.
- the base material is prepared.
- a cemented carbide base material is prepared as a base material.
- a commercially available base material may be used, or may be produced by a general powder metallurgy method.
- WC powder and Co powder or the like are mixed by a ball mill or the like to obtain a mixed powder.
- the mixed powder is dried, it is molded into a predetermined shape to obtain a molded product. Further, by sintering the molded product, a WC-Co-based cemented carbide (sintered product) is obtained.
- a base material made of a WC-Co-based cemented carbide can be produced by subjecting the sintered body to a predetermined cutting edge processing such as honing treatment.
- a predetermined cutting edge processing such as honing treatment.
- any substrate other than the above can be prepared as long as it is conventionally known as a substrate of this type.
- the coating layer is formed on the flank of the base material.
- various methods are used depending on the composition of the coating layer to be formed. For example, a method of using alloy targets having different particle sizes such as Ti and Al, a method of using a plurality of targets having different compositions, a method of using a bias voltage applied at the time of film formation as a pulse voltage, and a method of forming a film.
- a method of changing the gas flow rate from time to time, a method of adjusting the rotation speed of the base material holder holding the base material in the film forming apparatus, and the like can be mentioned.
- the second step can be performed as follows. First, a chip having an arbitrary shape is mounted as a base material in the chamber of the film forming apparatus. For example, the substrate is attached to the outer surface of a substrate holder on a rotary table rotatably mounted in the center of the chamber of the film forming apparatus. A bias power supply is attached to the base material holder. Nitrogen gas or the like is introduced as a reaction gas in a state where the base material is rotated in the center of the chamber. Further, while maintaining the temperature of the base material at 400 to 700 ° C., the reaction gas pressure at 3 to 6 Pa, and the voltage of the bias power supply at -30 to -800 V, the evaporation source for forming the coating layer is 100 to 200 A.
- a coating layer may be formed on the surface of the base material other than the flank surface (for example, on the surface of the rake face).
- the raw material of the coating layer contains Al and Ti.
- the raw material of the coating layer may further contain at least one selected from the group consisting of Cr, Si, Nb, Ta, W and B.
- the raw material of the coating layer preferably further contains B.
- the Al content ratio (atomic number ratio) is preferably more than 0.5 and 0.7 or less, and 0.55 or more and 0.65 or less, assuming that the entire raw material of the coating layer is 1. Is more preferable.
- the content ratio of Al with respect to the entire raw material usually corresponds to the composition ratio of Al in the matrix region. The same applies to other elements such as Ti and B described later.
- the Ti content ratio (atomic number ratio) is preferably 0.3 or more and less than 0.5, and more preferably 0.3 or more and 0.4 or less, assuming that the entire raw material of the coating layer is 1. preferable.
- the content ratio (atomic number ratio) of boron is preferably 0.03 or more and 0.15 or less when the whole raw material of the coating layer is 1. More preferably, it is 05 or more and 0.1 or less.
- the step of forming the coating layer includes intermittently supplying Ar gas.
- Ar gas may be intermittently supplied at a partial pressure of 1 Pa at intervals of 5 minutes or more and 30 minutes or less. At this time, one supply is performed for 10 seconds or more and 30 seconds or less.
- the above-mentioned reaction gas is not particularly limited as long as it is a reaction gas usually used in the physical vapor deposition method.
- the reaction gas can be appropriately selected depending on the composition of the coating layer.
- Examples of the reaction gas include hydrocarbon gases such as nitrogen gas and acetylene gas, and oxygen gas.
- compressive residual stress may be applied to the coating. This is because the toughness is improved.
- the compressive residual stress can be applied by, for example, a blast method, a brush method, a barrel method, an ion implantation method, or the like.
- a surface layer coating step, a surface treatment step, and the like may be appropriately performed.
- the other layer may be formed by a conventional method.
- the above-mentioned other layer may be formed by the above-mentioned PVD method.
- the surface treatment step include surface treatment using a medium in which diamond powder is supported on an elastic material to which stress is applied.
- Examples of the apparatus for performing the surface treatment include Sirius Z manufactured by Fuji Seisakusho Co., Ltd.
- a surface-coated cutting tool including a base material including a flank surface and a coating layer covering the flank surface.
- the coating layer contains a matrix region and metal fine particles.
- the matrix region is (Al x T y X 1-x-y ) C v O w N 1-v-w (0.5 ⁇ x ⁇ 0.7, 0.3 ⁇ y ⁇ 0.5, 0 ⁇ ).
- 1-xy ⁇ 0.1, 0 ⁇ v ⁇ 1, 0 ⁇ w ⁇ 1, 0 ⁇ 1-v-w ⁇ 1, X is selected from the group consisting of Cr, Si, Nb, Ta, W and B.
- Consists of a compound represented by (indicating at least one element) The metal fine particles contain Al or Ti as constituent elements and contain Al or Ti.
- the metal fine particles have a particle size of 20 nm or more and 200 nm or less.
- a surface coating cutting tool having a number of the metal fine particles of 12 or more and 36 or less in a field of view of 3 ⁇ m ⁇ 4 ⁇ m in a cross section parallel to the normal direction at the interface of the coating layer.
- the coating layer further contains Ar and contains The surface coating cutting tool according to Appendix 1, wherein the content of Ar in the coating layer exceeds 0 at% and is 3 at% or less.
- a cemented carbide tip for surface coating turning (JIS standard, K20 equivalent cemented carbide, DCGT11T3-2R-FY) was prepared as a base material to be formed with a film (first step: preparation of a base material). Process).
- ⁇ Ion bombardment treatment> Prior to the preparation of the coating film described later, the surface of the base material was subjected to ion bombardment treatment according to the following procedure. First, the base material was set in an arc ion plating apparatus. Next, ion bombardment treatment was performed under the following conditions. Gas composition: Ar (100%) Gas pressure: 0.5 Pa Bias voltage: 600V (DC power supply) Processing time: 60 minutes
- a coating film was prepared by forming the coating layers shown in Table 1-1 and Table 1-2 on the surface of the base material subjected to the ion bombardment treatment (on the surface including the flank surface).
- a method for producing the coating layer will be described.
- a coating layer having the compositions shown in Table 1-1 and Table 1-2 was formed on the surface of the flank surface of the base material (second step: coating).
- the evaporation source for forming the coating layer those having the raw material compositions shown in Table 1-1 and Table 1-2 were used.
- sample No. In Nos. 1 to 24 Ar gas was intermittently charged at intervals of 5 minutes or more and 30 minutes or less at a partial pressure of 1 Pa during the formation of the coating layer. At this time, the supply of Ar gas per time was 20 seconds. Sample No. In 25 to 27, the above-mentioned intermittent injection of Ar gas was not performed. By the above steps, the sample No. 1 to 27 cutting tools were produced.
- the thickness of the coating (that is, the thickness of the coating layer) is a cross section parallel to the normal direction of the surface of the base material using a transmission electron microscope (TEM) (manufactured by JEOL Ltd., trade name: JEM-2100F). It was obtained by measuring any 10 points in the sample and taking the average value of the thicknesses of the measured 10 points. The observation magnification at this time was 10,000 times. The results are shown in Table 1-1 and Table 1-2.
- TEM transmission electron microscope
- ⁇ Matrix region in the coating layer The composition of the matrix region in the coating layer was determined by analyzing the entire matrix region by energy dispersive X-ray spectroscopy (TEM-EDX) incidental to TEM. Specifically, the cutting tool is first cut in a direction parallel to the normal direction at the interface of the coating layer, and the cut surface is polished to have a length of 2.5 mm including the base material and the coating film. A section of ⁇ width 0.5 mm ⁇ thickness 0.1 mm was prepared. A measurement sample was obtained by processing this section using an ion slicer device (trade name: "IB-09060CIS", manufactured by JEOL Ltd.) until the thickness of the section became 50 nm or less.
- IB-09060CIS manufactured by JEOL Ltd.
- Each of the 10 arbitrary points in the matrix region of the obtained measurement sample was measured by TEM-EDX, and the composition ratio of each constituent element was calculated. The observation magnification at this time was 20000 times.
- the average value of the obtained composition ratios of 10 points was taken as the composition ratio of the constituent elements in the matrix region.
- the "arbitrary 10 points" were selected from crystal grains different from each other in the matrix region.
- JED-2300 trade name manufactured by JEOL Ltd. was used as the EDX device.
- the composition of the obtained matrix region is shown in Table 1-1 and Table 1-2.
- the particle size of the metal fine particles in the coating layer was determined by the following method. First, the cutting tool was cut in a direction parallel to the normal direction at the interface of the coating layer, and the cut surface was polished using a focused ion beam device. Then, the polished cut surface was observed by TEM to obtain an observation image (FIG. 4B). The observation magnification at this time was 100,000 times. The cross-sectional area of the metal fine particles was calculated in the obtained observation image. After that, the diameter of a circle having an area equal to the calculated area was calculated. The diameter of the circle calculated in this way was taken as the particle size of the metal fine particles. The results are shown in Table 1-1 and Table 1-2.
- the sample No. The cutting tools 1 to 24 gave good results with a cutting time of 20 minutes or more.
- sample No. The cutting tools of 25 to 27 had a cutting time of less than 8 minutes. From the above results, the sample No. It was found that the cutting tools 1 to 24 are excellent in flank wear resistance.
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Abstract
逃げ面を含む基材と、上記逃げ面を被覆する被覆層とを備える切削工具であって、上記被覆層は、マトリックス領域と金属微粒子とを含み、上記マトリックス領域は、(AlxTiyX1-x-y)CvOwN1-v-wで表される化合物からなり、xは0.5を超えて0.7以下であり、yは0.3以上0.5未満であり、1-x-yは0以上0.1以下であり、vは0以上1以下であり、wは0以上1以下であり、1-v-wは0以上1以下であり、Xはクロム、ケイ素、ニオブ、タンタル、タングステン及びホウ素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示し、上記金属微粒子は、アルミニウム又はチタンを構成元素として含み、上記金属微粒子の粒径が20nm以上200nm以下であり、上記金属微粒子の数が上記被覆層の界面における法線方向に対して平行な断面における3μm×4μmの視野において、12以上36以下である、切削工具。
Description
本開示は、切削工具に関する。本出願は、2019年4月19日に出願した日本特許出願である特願2019-079711号に基づく優先権を主張する。当該日本特許出願に記載された全ての記載内容は、参照によって本明細書に援用される。
従来より、超硬合金等からなる切削工具を用いて、鋼及び鋳物等の切削加工が行われている。このような切削工具は、切削加工時において、その刃先が高温及び高応力等の過酷な環境に曝されるため、刃先の摩耗及び欠けが招来される。
したがって、刃先の摩耗及び欠けを抑制することが切削工具の寿命を向上させる上で重要である。
したがって、刃先の摩耗及び欠けを抑制することが切削工具の寿命を向上させる上で重要である。
切削工具の切削性能の改善を目的として、超硬合金等の基材の表面を被覆する被膜の開発が進められている。例えば、特開2002-331408号公報(特許文献1)には、基体上に硬質皮膜、(TiSi)(NB)で示される化学組成からなる硬質層を少なくとも1層被覆された耐摩耗皮膜被覆工具であって、上記硬質層が相対的にSiに富む(TiSi)(NB)相と相対的にSiの少ない(TiSi)(NB)相とから構成され、上記Siに富む(TiSi)(NB)相がアモルファス相である、耐摩耗皮膜被覆工具が開示されている。
また、特開2013-019052号公報(特許文献2)には、基材と、コーティング組織と、を含むコーティング付き物品であって、上記コーティング組織は、物理蒸着で塗布されたPVDコーティング領域を含み、上記コーティング領域は、アルミニウムと、イットリウムと、窒素と、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、およびシリコンからなる群から選択される少なくとも1つの元素とを含み、上記アルミニウムおよびイットリウムの含有量の合計は、上記アルミニウム、上記イットリウム、および他の元素の合計の約3原子%~約55原子%であり、上記イットリウムの含有量は、上記アルミニウム、上記イットリウム、および上記他の元素の合計の約0.5原子%~約5原子%である、コーティング付き物品が開示されている。
本開示に係る切削工具は、
逃げ面を含む基材と、上記逃げ面を被覆する被覆層とを備える切削工具であって、
上記被覆層は、マトリックス領域と金属微粒子とを含み、
上記マトリックス領域は、(AlxTiyX1-x-y)CvOwN1-v-wで表される化合物からなり、
xは、0.5を超えて0.7以下であり、
yは、0.3以上0.5未満であり、
1-x-yは、0以上0.1以下であり、
vは、0以上1以下であり、
wは、0以上1以下であり、
1-v-wは、0以上1以下であり、
Xは、クロム、ケイ素、ニオブ、タンタル、タングステン及びホウ素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示し、
上記金属微粒子は、アルミニウム又はチタンを構成元素として含み、
上記金属微粒子の粒径が20nm以上200nm以下であり、
上記金属微粒子の数が上記被覆層の界面における法線方向に対して平行な断面における3μm×4μmの視野において、12以上36以下である。
逃げ面を含む基材と、上記逃げ面を被覆する被覆層とを備える切削工具であって、
上記被覆層は、マトリックス領域と金属微粒子とを含み、
上記マトリックス領域は、(AlxTiyX1-x-y)CvOwN1-v-wで表される化合物からなり、
xは、0.5を超えて0.7以下であり、
yは、0.3以上0.5未満であり、
1-x-yは、0以上0.1以下であり、
vは、0以上1以下であり、
wは、0以上1以下であり、
1-v-wは、0以上1以下であり、
Xは、クロム、ケイ素、ニオブ、タンタル、タングステン及びホウ素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示し、
上記金属微粒子は、アルミニウム又はチタンを構成元素として含み、
上記金属微粒子の粒径が20nm以上200nm以下であり、
上記金属微粒子の数が上記被覆層の界面における法線方向に対して平行な断面における3μm×4μmの視野において、12以上36以下である。
[本開示が解決しようとする課題]
しかし、特許文献1に記載の耐摩耗皮膜被覆工具は、皮膜にアモルファス層を含むため硬度が低いことから、高効率な(送り速度が大きい)切削加工へ適用する際には更なる性能(例えば、耐クレータ摩耗性、耐摩耗性等)の向上が求められる。
しかし、特許文献1に記載の耐摩耗皮膜被覆工具は、皮膜にアモルファス層を含むため硬度が低いことから、高効率な(送り速度が大きい)切削加工へ適用する際には更なる性能(例えば、耐クレータ摩耗性、耐摩耗性等)の向上が求められる。
本開示は、上記事情に鑑みてなされたものであり、耐逃げ面摩耗性に優れる切削工具を提供することを目的とする。
[本開示の効果]
上記によれば、耐逃げ面摩耗性に優れる切削工具を提供することが可能になる。
上記によれば、耐逃げ面摩耗性に優れる切削工具を提供することが可能になる。
[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
[1]本開示に係る切削工具は、
逃げ面を含む基材と、上記逃げ面を被覆する被覆層とを備える切削工具であって、
上記被覆層は、マトリックス領域と金属微粒子とを含み、
上記マトリックス領域は、(AlxTiyX1-x-y)CvOwN1-v-wで表される化合物からなり、
xは、0.5を超えて0.7以下であり、
yは、0.3以上0.5未満であり、
1-x-yは、0以上0.1以下であり、
vは、0以上1以下であり、
wは、0以上1以下であり、
1-v-wは、0以上1以下であり、
Xは、クロム、ケイ素、ニオブ、タンタル、タングステン及びホウ素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示し、
上記金属微粒子は、アルミニウム又はチタンを構成元素として含み、
上記金属微粒子の粒径が20nm以上200nm以下であり、
上記金属微粒子の数が上記被覆層の界面における法線方向に対して平行な断面における3μm×4μmの視野において、12以上36以下である。
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
[1]本開示に係る切削工具は、
逃げ面を含む基材と、上記逃げ面を被覆する被覆層とを備える切削工具であって、
上記被覆層は、マトリックス領域と金属微粒子とを含み、
上記マトリックス領域は、(AlxTiyX1-x-y)CvOwN1-v-wで表される化合物からなり、
xは、0.5を超えて0.7以下であり、
yは、0.3以上0.5未満であり、
1-x-yは、0以上0.1以下であり、
vは、0以上1以下であり、
wは、0以上1以下であり、
1-v-wは、0以上1以下であり、
Xは、クロム、ケイ素、ニオブ、タンタル、タングステン及びホウ素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示し、
上記金属微粒子は、アルミニウム又はチタンを構成元素として含み、
上記金属微粒子の粒径が20nm以上200nm以下であり、
上記金属微粒子の数が上記被覆層の界面における法線方向に対して平行な断面における3μm×4μmの視野において、12以上36以下である。
上記切削工具は、上述のような構成を備えることによって、優れた耐逃げ面摩耗性を有することが可能になる。
[2]上記被覆層は、アルゴンを更に含み、上記アルゴンは、上記被覆層中におけるその含有割合が0at%を超えて3at%以下である。このように規定することで、上記切削工具は更に優れた耐逃げ面摩耗性を有することが可能になる。
[3]上記Xは、ホウ素を含む。このように規定することで、上記切削工具は更に優れた耐逃げ面摩耗性を有することが可能になる。
[4]上記被覆層の厚みが3μm以上20μm以下である。このように規定することで、上記切削工具は更に優れた耐逃げ面摩耗性を有することが可能になる。
[本開示の実施形態の詳細]
以下、本開示の一実施形態(以下「本実施形態」と記す。)について説明する。ただし、本実施形態はこれに限定されるものではない。本明細書において「A~Z」という形式の表記は、範囲の上限下限(すなわちA以上Z以下)を意味し、Aにおいて単位の記載がなく、Zにおいてのみ単位が記載されている場合、Aの単位とZの単位とは同じである。さらに、本明細書において、例えば「TiC」等のように、構成元素の組成比が限定されていない化学式によって化合物が表された場合には、その化学式は従来公知のあらゆる組成比(元素比)を含むものとする。このとき上記化学式は、化学量論組成のみならず、非化学量論組成も含むものとする。例えば「TiC」の化学式には、化学量論組成「Ti1C1」のみならず、例えば「Ti1C0.8」のような非化学量論組成も含まれる。このことは、「TiC」以外の化合物の記載についても同様である。
以下、本開示の一実施形態(以下「本実施形態」と記す。)について説明する。ただし、本実施形態はこれに限定されるものではない。本明細書において「A~Z」という形式の表記は、範囲の上限下限(すなわちA以上Z以下)を意味し、Aにおいて単位の記載がなく、Zにおいてのみ単位が記載されている場合、Aの単位とZの単位とは同じである。さらに、本明細書において、例えば「TiC」等のように、構成元素の組成比が限定されていない化学式によって化合物が表された場合には、その化学式は従来公知のあらゆる組成比(元素比)を含むものとする。このとき上記化学式は、化学量論組成のみならず、非化学量論組成も含むものとする。例えば「TiC」の化学式には、化学量論組成「Ti1C1」のみならず、例えば「Ti1C0.8」のような非化学量論組成も含まれる。このことは、「TiC」以外の化合物の記載についても同様である。
≪表面被覆切削工具≫
本開示に係る切削工具は、
逃げ面を含む基材と、上記逃げ面を被覆する被覆層とを備える切削工具であって、
上記被覆層は、マトリックス領域と金属微粒子とを含み、
上記マトリックス領域は、(AlxTiyX1-x-y)CvOwN1-v-wで表される化合物からなり、
xは、0.5を超えて0.7以下であり、
yは、0.3以上0.5未満であり、
1-x-yは、0以上0.1以下であり、
vは、0以上1以下であり、
wは、0以上1以下であり、
1-v-wは、0以上1以下であり、
Xは、クロム、ケイ素、ニオブ、タンタル、タングステン及びホウ素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示し、
上記金属微粒子は、アルミニウム又はチタンを構成元素として含み、
上記金属微粒子の粒径が20nm以上200nm以下であり、
上記金属微粒子の数が上記被覆層の界面における法線方向に対して平行な断面における3μm×4μmの視野において、12以上36以下である。
本開示に係る切削工具は、
逃げ面を含む基材と、上記逃げ面を被覆する被覆層とを備える切削工具であって、
上記被覆層は、マトリックス領域と金属微粒子とを含み、
上記マトリックス領域は、(AlxTiyX1-x-y)CvOwN1-v-wで表される化合物からなり、
xは、0.5を超えて0.7以下であり、
yは、0.3以上0.5未満であり、
1-x-yは、0以上0.1以下であり、
vは、0以上1以下であり、
wは、0以上1以下であり、
1-v-wは、0以上1以下であり、
Xは、クロム、ケイ素、ニオブ、タンタル、タングステン及びホウ素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示し、
上記金属微粒子は、アルミニウム又はチタンを構成元素として含み、
上記金属微粒子の粒径が20nm以上200nm以下であり、
上記金属微粒子の数が上記被覆層の界面における法線方向に対して平行な断面における3μm×4μmの視野において、12以上36以下である。
本実施形態の表面被覆切削工具10は、逃げ面1bを含む基材11と、上記逃げ面1bを被覆する被覆層12とを備える(以下、単に「切削工具」という場合がある。)(図1及び図2)。上記切削工具は、上記被覆層の他にも、上記基材と上記被覆層との間に設けられている下地層を更に備えていてもよい。上記切削工具は、上記下地層と上記被覆層との間に設けられている中間層を更に備えていてもよい。上記切削工具は、上記被覆層上に設けられている最表面層を更に備えていてもよい。下地層、中間層及び最表面層等の他の層については、後述する。
なお、上記基材上に設けられている上述の各層をまとめて「被膜」と呼ぶ場合がある。すなわち、上記切削工具は上記逃げ面を被覆する被膜を備え、上記被膜は上記被覆層を含む。また、上記被膜は、上記下地層、上記中間層又は上記最表面層を更に含んでいてもよい。
なお、上記基材上に設けられている上述の各層をまとめて「被膜」と呼ぶ場合がある。すなわち、上記切削工具は上記逃げ面を被覆する被膜を備え、上記被膜は上記被覆層を含む。また、上記被膜は、上記下地層、上記中間層又は上記最表面層を更に含んでいてもよい。
上記切削工具は、例えば、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、タップ等であり得る。
<基材>
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の他にCoを含む超硬合金、WCの他に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から選ばれる1種を含むことが好ましい。
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の他にCoを含む超硬合金、WCの他に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から選ばれる1種を含むことが好ましい。
これらの各種基材の中でも、特に超硬合金(特にWC基超硬合金)、サーメット(特にTiCN基サーメット)を選択することが好ましい。これは、これらの基材が特に高温における硬度と強度とのバランスに優れ、上記用途の切削工具の基材として優れた特性を有するためである。
基材として超硬合金を使用する場合、そのような超硬合金は、組織中に遊離炭素又はη相と呼ばれる異常相を含んでいても本実施形態の効果は示される。なお、本実施形態で用いる基材は、その表面が改質されたものであっても差し支えない。例えば、超硬合金の場合はその表面に脱β層が形成されていたり、cBN焼結体の場合には表面硬化層が形成されていてもよく、このように表面が改質されていても本実施形態の効果は示される。
図1は切削工具の基材の一態様を例示する斜視図である。このような形状の切削工具は、旋削加工用刃先交換型切削チップとして用いられる。
図1に示される基材11は、上面、下面及び4つの側面を含む表面を有しており、全体として、上下方向にやや薄い四角柱形状である。また、基材11には上下面を貫通する貫通孔が形成されており、4つの側面の境界部分においては、隣り合う側面同士が円弧面で繋がれている。
上記基材11では、通常、上面及び下面がすくい面1aを成し、4つの側面(及びこれらを相互に繋ぐ円弧面)が逃げ面1bを成し、すくい面1aと逃げ面1bとを繋ぐ円弧面が刃先部1cを成す。「すくい面」とは、被削材から削り取った切りくずをすくい出す面を意味する。「逃げ面」とは、その一部が被削材と接する面を意味する。刃先部は、切削工具の切れ刃を構成する部分に含まれる。
上記切削工具が刃先交換型切削チップである場合、上記基材11は、チップブレーカーを有する形状も、有さない形状も含まれる。刃先部1cの形状は、シャープエッジ(すくい面と逃げ面とが交差する稜)、ホーニング(シャープエッジに対してアールを付与した形状)、ネガランド(面取りをした形状)、ホーニングとネガランドを組み合わせた形状の中で、いずれの形状も含まれる。
以上、基材11の形状及び各部の名称を、図1を用いて説明したが、本実施形態に係る切削工具において、上記基材11に対応する形状及び各部の名称については、上記と同様の用語を用いることとする。すなわち、上記切削工具は、すくい面と、逃げ面と、上記すくい面及び上記逃げ面を繋ぐ刃先部とを有する。
<被膜>
本実施形態に係る被膜は、被覆層を含む。「被膜」は、上記基材の少なくとも一部(例えば、逃げ面の一部)を被覆することで、切削工具における耐欠損性、耐逃げ面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。上記被膜は、上記基材の全面を被覆することが好ましい。しかしながら、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。
本実施形態に係る被膜は、被覆層を含む。「被膜」は、上記基材の少なくとも一部(例えば、逃げ面の一部)を被覆することで、切削工具における耐欠損性、耐逃げ面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。上記被膜は、上記基材の全面を被覆することが好ましい。しかしながら、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。
上記被膜の厚みが3μm以上20μm以下であることが好ましく、3μm以上12μm以下であることがより好ましい。ここで、被膜の厚みとは、被膜を構成する層それぞれの厚みの総和を意味する。「被膜を構成する層」としては、例えば、上記被覆層、上述した下地層、中間層及び最表面層等の他の層が挙げられる。上記被膜の厚みは、例えば、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて、基材の表面の法線方向に平行な断面サンプルにおける任意の10点を測定し、測定された10点の厚みの平均値をとることで求めることが可能である。このときの測定倍率は、例えば10000倍である。上記断面サンプルとしては、例えば、イオンスライサ装置で上記切削工具の断面を薄片化したサンプルが挙げられる。上記被覆層、上述した下地層、中間層及び最表面層等のそれぞれの厚みを測定する場合も同様である。透過型電子顕微鏡としては、例えば、日本電子株式会社製のJEM-2100F(商品名)が挙げられる。
(被覆層)
本実施形態に係る被覆層は、マトリックス領域と金属微粒子とを含む。上記被覆層は、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、上記基材の直上に設けられていてもよいし、下地層等の他の層を介して上記基材の上に設けられていてもよい。上記被覆層は、その上に最表面層等の他の層が設けられていてもよい。また、上記被覆層は、上記被膜の最表面に設けられていてもよい。上記被覆層は、上記基材の逃げ面を被覆すればよいが、上記基材のすくい面を被覆していてもよい。上記被覆層は、上記基材の全面を被覆することが好ましい。しかしながら、上記基材の一部が上記被覆層で被覆されていなかっ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。
本実施形態に係る被覆層は、マトリックス領域と金属微粒子とを含む。上記被覆層は、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、上記基材の直上に設けられていてもよいし、下地層等の他の層を介して上記基材の上に設けられていてもよい。上記被覆層は、その上に最表面層等の他の層が設けられていてもよい。また、上記被覆層は、上記被膜の最表面に設けられていてもよい。上記被覆層は、上記基材の逃げ面を被覆すればよいが、上記基材のすくい面を被覆していてもよい。上記被覆層は、上記基材の全面を被覆することが好ましい。しかしながら、上記基材の一部が上記被覆層で被覆されていなかっ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。
上記被覆層の厚みが3μm以上20μm以下であることが好ましく、3μm以上12μm以下であることがより好ましく、3μm以上8μm以下であることが更に好ましい。このようにすることで、上記切削工具は更に優れた耐逃げ面摩耗性を有することが可能になる。当該厚みは、例えば、上述したような上記切削工具の断面を、透過型電子顕微鏡を用いて倍率10000倍で観察することで測定可能である。
(マトリックス領域)
「マトリックス領域」とは上記被覆層の母体となる領域であり、金属微粒子以外の領域(後述するAr(アルゴン)を含む場合は、金属微粒子及びAr以外の領域)を意味する。言い換えると、上記マトリックス領域は、上記金属微粒子のそれぞれを取り囲むように配置されている領域である。本実施形態の他の側面において、上記マトリックス領域の大部分は、上記金属微粒子のそれぞれを取り囲むように配置されている領域と把握することもできる。また、上記マトリックス領域の大部分は、上記金属微粒子の間に配置されていると把握することもできる。
「マトリックス領域」とは上記被覆層の母体となる領域であり、金属微粒子以外の領域(後述するAr(アルゴン)を含む場合は、金属微粒子及びAr以外の領域)を意味する。言い換えると、上記マトリックス領域は、上記金属微粒子のそれぞれを取り囲むように配置されている領域である。本実施形態の他の側面において、上記マトリックス領域の大部分は、上記金属微粒子のそれぞれを取り囲むように配置されている領域と把握することもできる。また、上記マトリックス領域の大部分は、上記金属微粒子の間に配置されていると把握することもできる。
上記マトリックス領域は、(AlxTiyX1-x-y)CvOwN1-v-w(0.5<x≦0.7、0.3≦y<0.5、0≦1-x-y≦0.1、0≦v≦1、0≦w≦1、0≦1-v-w≦1)で表される化合物からなる。上記マトリクス領域の組成を上述のようにすることによって、後述する金属微粒子が上記マトリクス領域に分散することと相まって、後述する微小多結晶組織が形成される。その結果、耐逃げ面摩耗性に優れる切削工具となる。ここで、XはCr(クロム),Si(ケイ素),Nb(ニオブ),Ta(タンタル),W(タングステン)及びB(ホウ素)からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。
なお、ホウ素は通常、金属元素と非金属元素との中間の性質を示す半金属として捉えられるが、本実施形態においては、自由電子を有する元素を金属であるとみなしてホウ素を金属元素の範囲に含むものとする。
なお、ホウ素は通常、金属元素と非金属元素との中間の性質を示す半金属として捉えられるが、本実施形態においては、自由電子を有する元素を金属であるとみなしてホウ素を金属元素の範囲に含むものとする。
(AlxTiyX1-x-y)CvOwN1-v-wにおけるxは、0.5を超えて0.7以下であり、0.55以上0.65以下であることが好ましい。上記xは、上述の断面サンプルをTEMに付帯のエネルギー分散型X線分光法(TEM-EDX)で、マトリックス領域の全体を分析することによって求めることが可能である。このときの観察倍率は、例えば、20000倍である。具体的には、上記断面サンプルのマトリックス領域における任意の10点それぞれを測定して上記xの値を求め、求められた10点の値の平均値を上記マトリックス領域におけるxとする。ここで当該「任意の10点」は、上記マトリックス領域中の互いに異なる結晶粒から選択するものとする。後述するy、v及びwの同定の場合も同様である。上記EDX装置としては、例えば、日本電子株式会社製のJED-2300(商品名)が挙げられる。
(AlxTiyX1-x-y)CvOwN1-v-wにおけるyは、0.3以上0.5未満であり、0.3以上0.4以下であることが好ましい。
(AlxTiyX1-x-y)CvOwN1-v-wにおける1-x-yは、0以上0.1以下であり、0.03以上0.1以下であることが好ましい。
(AlxTiyX1-x-y)CvOwN1-v-wにおけるvは、0以上1以下であり、0以上0.2以下であることが好ましい。
(AlxTiyX1-x-y)CvOwN1-v-wにおけるwは、0以上1以下であり、0以上0.2以下であることが好ましい。
(AlxTiyX1-x-y)CvOwN1-v-wにおける1-v-wは、0以上1以下であり、0.6以上0.9以下であることが好ましい。
(AlxTiyX1-x-y)CvOwN1-v-wにおけるXは、Cr,Si,Nb,Ta,W及びBからなる群より選ばれる2種以上の元素を含んでいてもよい。この場合、上述の1-x-yの値は、上記2種以上の元素の合計の値を意味する。
本実施形態の一側面において、上記Xは、B(ホウ素)を含むことが好ましい。このようにすることで、上記切削工具は更に優れた耐逃げ面摩耗性を有することが可能になる。
(AlxTiyX1-x-y)CvOwN1-v-wで表される化合物としては、例えば、AlTiN、AlTiBN、AlTiBCN、AlTiBON、及びAlTiBCON等が挙げられる(ただし、具体的な化合物中のx、y、v及びwで示される添え字は省略した。)。
(金属微粒子)
本実施形態に係る金属微粒子は、上記マトリックス領域中に分散した状態で存在していると把握することができる(例えば、図4Aの破線で囲まれた部分)。なお、上述の「分散した状態」は、金属微粒子同士が互いに接触しているものを排除するものではない。すなわち、各金属微粒子は、互いに接していてもよいし、離合していてもよい。
上記金属微粒子が分散している上記マトリックス領域では、上記金属微粒子の上側(基材とは反対側)において、周辺よりも粒径が小さい多結晶からなる組織が形成されていることを本発明者らは初めて見いだした(図4A、図4B)。このような多結晶からなる組織(以下、「微小多結晶組織」と記載する場合がある。)が存在することによって、上記被覆層の靱性が向上する。そのため、上記切削工具は優れた耐逃げ面摩耗性を有するようになる。
本実施形態に係る金属微粒子は、上記マトリックス領域中に分散した状態で存在していると把握することができる(例えば、図4Aの破線で囲まれた部分)。なお、上述の「分散した状態」は、金属微粒子同士が互いに接触しているものを排除するものではない。すなわち、各金属微粒子は、互いに接していてもよいし、離合していてもよい。
上記金属微粒子が分散している上記マトリックス領域では、上記金属微粒子の上側(基材とは反対側)において、周辺よりも粒径が小さい多結晶からなる組織が形成されていることを本発明者らは初めて見いだした(図4A、図4B)。このような多結晶からなる組織(以下、「微小多結晶組織」と記載する場合がある。)が存在することによって、上記被覆層の靱性が向上する。そのため、上記切削工具は優れた耐逃げ面摩耗性を有するようになる。
上記金属微粒子は、Al(アルミニウム)又はTi(チタン)を構成元素として含む。具体的には、Alからなる金属微粒子、Tiからなる金属微粒子、AlとTiとの合金からなる金属微粒子等が挙げられる。上記金属微粒子の組成は、上述したことと同様に断面サンプルをTEM-EDXで、金属微粒子を分析することによって求めることが可能である。
また、本開示が奏する効果を損なわない範囲において、上記金属微粒子は、その表面において、酸化物、炭化物、窒化物等が形成されていてもよい。
また、本開示が奏する効果を損なわない範囲において、上記金属微粒子は、その表面において、酸化物、炭化物、窒化物等が形成されていてもよい。
上記金属微粒子の粒径が20nm以上200nm以下であり、20nm以上160nm以下であることが好ましく、20nm以上120nm以下であることがより好ましい。金属微粒子の粒径が20nm未満であると、上記微小多結晶組織が形成されにくい傾向がある。また、上記金属微粒子の粒径が200nmを超えると、上記被覆層の靱性が低下する傾向がある。上記金属微粒子の粒径は、TEMを用いて求めることが可能である。具体的には以下の手順で求める。まず、上述した断面サンプルをTEMで観察して観察画像を得る。このときの観察倍率は、例えば、100000倍である。上記金属微粒子と上記マトリックス領域とは密度が異なる。そのため、得られた観察画像上では明確なコントラストの差が現れ、上記金属微粒子と上記マトリックス領域とは明確に区別が可能である。得られた観察画像において上記金属微粒子の断面の面積を算出する。算出された上記面積と等しい面積を有する円の直径を算出する。このようにして算出された円の直径を上記金属微粒子の粒径とする。
なお、本実施形態では、粒径が20nm以上200nm以下である金属の粒子を「金属微粒子」と規定しているが、粒径が上述の範囲にはない金属の粒子が上記被覆層に含まれることを排除するものではない。すなわち、本開示が奏する効果を損なわない範囲において、上記被覆層は、粒径が20nm未満の金属の粒子又は粒径が200nmを超えている金属の粒子を含んでいてもよい。
なお、本実施形態では、粒径が20nm以上200nm以下である金属の粒子を「金属微粒子」と規定しているが、粒径が上述の範囲にはない金属の粒子が上記被覆層に含まれることを排除するものではない。すなわち、本開示が奏する効果を損なわない範囲において、上記被覆層は、粒径が20nm未満の金属の粒子又は粒径が200nmを超えている金属の粒子を含んでいてもよい。
上記金属微粒子の数が上記被覆層の界面における法線方向に対して平行な断面における3μm×4μmの視野(例えば、図2の視野F)において、12以上36以下である。ここで、上述の「被覆層の界面」とは、被覆層の厚み方向に垂直な2つの界面のうち、基材に最も近い側の界面を意味する。例えば、基材の直上に被覆層が配置されている場合、上記基材と上記被覆層との境界面が、上述の「被覆層の界面」となる。基材の上に後述する下地層等の他の層が配置され、上記他の層の直上に被覆層が配置されている場合、上記他の層と上記被覆層との境界面が、上述の「被覆層の界面」となる。
上記金属微粒子の計数方法について具体的には、まず上述した断面サンプルにおける任意の複数の視野をTEMで観察することによって、各視野ごとに上記金属微粒子の数を計数する。各視野ごとに計数した上記金属微粒子の数の平均をとることによって、上記金属微粒子の数を求める。このときの倍率は例えば、50000倍である。また、測定する視野の数は、少なくとも3である。なお、一部が測定視野の外に出ている金属微粒子も1つとしてカウントする。
上記金属微粒子の計数方法について具体的には、まず上述した断面サンプルにおける任意の複数の視野をTEMで観察することによって、各視野ごとに上記金属微粒子の数を計数する。各視野ごとに計数した上記金属微粒子の数の平均をとることによって、上記金属微粒子の数を求める。このときの倍率は例えば、50000倍である。また、測定する視野の数は、少なくとも3である。なお、一部が測定視野の外に出ている金属微粒子も1つとしてカウントする。
(微小多結晶組織)
本実施形態の一側面において、上記マトリックス領域は、上記金属微粒子に隣接する微小多結晶組織を含むと把握することができる。上記微小多結晶組織は、TEMで得られた断面サンプルの画像を解析することによって、マトリックス領域における微小多結晶組織以外の組織と区別することが可能である。上記微小多結晶組織の組成は、マトリックス領域のその他の部分と同じ組成、すなわち(AlxTiyX1-x-y)CvOwN1-v-wで表される。
また、上記微小多結晶組織を構成する結晶粒の粒径は、電子線回折法による分析によって求めることが可能である。具体的には以下の手順で行う。まず上述の断面サンプルにおいて上記金属微粒子の上側部分の電子線回折測定を行う。このとき、照射する電子線のビーム径を2nmから30nmへ変化させながら測定を行う。電子線のビーム径が上記微小多結晶組織を構成する結晶粒の粒径よりも小さい場合、電子線回折像において離散的で大きな回折スポットが観察される(例えば、図3A)。一方、電子線のビーム径が上記微小多結晶組織を構成する結晶粒の粒径よりも大きい場合、電子線回折像において、連続的なリングパターンが観測される(例えば、図3B)。すなわち、電子線回折像において、観察されるパターンが回折スポットから連続的なリングパターンに変化するときの電子線のビーム径が上記多結晶組織を構成する結晶粒の粒径に相当することになる。本実施形態において、上記微小多結晶組織を構成する結晶粒の粒径は、例えば、2nm以上20nm以下であってもよいし、2nm以上10nm以下であってもよい。
本実施形態の一側面において、上記マトリックス領域は、上記金属微粒子に隣接する微小多結晶組織を含むと把握することができる。上記微小多結晶組織は、TEMで得られた断面サンプルの画像を解析することによって、マトリックス領域における微小多結晶組織以外の組織と区別することが可能である。上記微小多結晶組織の組成は、マトリックス領域のその他の部分と同じ組成、すなわち(AlxTiyX1-x-y)CvOwN1-v-wで表される。
また、上記微小多結晶組織を構成する結晶粒の粒径は、電子線回折法による分析によって求めることが可能である。具体的には以下の手順で行う。まず上述の断面サンプルにおいて上記金属微粒子の上側部分の電子線回折測定を行う。このとき、照射する電子線のビーム径を2nmから30nmへ変化させながら測定を行う。電子線のビーム径が上記微小多結晶組織を構成する結晶粒の粒径よりも小さい場合、電子線回折像において離散的で大きな回折スポットが観察される(例えば、図3A)。一方、電子線のビーム径が上記微小多結晶組織を構成する結晶粒の粒径よりも大きい場合、電子線回折像において、連続的なリングパターンが観測される(例えば、図3B)。すなわち、電子線回折像において、観察されるパターンが回折スポットから連続的なリングパターンに変化するときの電子線のビーム径が上記多結晶組織を構成する結晶粒の粒径に相当することになる。本実施形態において、上記微小多結晶組織を構成する結晶粒の粒径は、例えば、2nm以上20nm以下であってもよいし、2nm以上10nm以下であってもよい。
(Ar)
上記被覆層は、Ar(アルゴン)を更に含み、上記Arは、上記被覆層中におけるその含有割合が0at%を超えて3at%以下であることが好ましい。このようにすることで、上記切削工具は更に優れた耐逃げ面摩耗性を有することが可能になる。上記被覆層中におけるArの含有割合は、上述の断面サンプルをTEM-EDXで、マトリックス領域の全体を分析することによって求めることが可能である。
上記被覆層は、Ar(アルゴン)を更に含み、上記Arは、上記被覆層中におけるその含有割合が0at%を超えて3at%以下であることが好ましい。このようにすることで、上記切削工具は更に優れた耐逃げ面摩耗性を有することが可能になる。上記被覆層中におけるArの含有割合は、上述の断面サンプルをTEM-EDXで、マトリックス領域の全体を分析することによって求めることが可能である。
(他の層)
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、他の層を更に含んでいてもよい。上記他の層としては、例えば、上記基材と上記被覆層との間に設けられている下地層、及び上記下地層と上記被覆層との間に設けられている中間層、及び、上記被覆層上に設けられている最表面層等が挙げられる。上記下地層は、例えば、TiWCNで表される化合物からなる層であってもよい。上記中間層は、例えば、TiNで表される化合物からなる層であってもよい。上記最表面層は、例えば、AlTiCNで表される化合物からなる層であってもよい。上記他の層の厚みは、本実施形態の効果を損なわない範囲において、特に制限はないが例えば、0.1μm以上2μm以下が挙げられる。
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、他の層を更に含んでいてもよい。上記他の層としては、例えば、上記基材と上記被覆層との間に設けられている下地層、及び上記下地層と上記被覆層との間に設けられている中間層、及び、上記被覆層上に設けられている最表面層等が挙げられる。上記下地層は、例えば、TiWCNで表される化合物からなる層であってもよい。上記中間層は、例えば、TiNで表される化合物からなる層であってもよい。上記最表面層は、例えば、AlTiCNで表される化合物からなる層であってもよい。上記他の層の厚みは、本実施形態の効果を損なわない範囲において、特に制限はないが例えば、0.1μm以上2μm以下が挙げられる。
≪表面被覆切削工具の製造方法≫
本実施形態に係る切削工具の製造方法は、
上記基材を準備する工程(以下、「第1工程」という場合がある。)と、
物理的蒸着法を用いて上記基材における逃げ面の上に上記被覆層を形成する工程(以下、「第2工程」という場合がある。)と、
を含み、
上記被覆層を形成する工程は、Arガスを断続的に供給することを含む。
本実施形態に係る切削工具の製造方法は、
上記基材を準備する工程(以下、「第1工程」という場合がある。)と、
物理的蒸着法を用いて上記基材における逃げ面の上に上記被覆層を形成する工程(以下、「第2工程」という場合がある。)と、
を含み、
上記被覆層を形成する工程は、Arガスを断続的に供給することを含む。
物理蒸着法とは、物理的な作用を利用して原料(「蒸発源」、「ターゲット」ともいう。)を気化し、気化した原料を基材等の上に付着させる蒸着方法である。特に、本実施形態で用いる物理的蒸着法は、カソードアークイオンプレーティング法を用いる。
カソードアークイオンプレーティング法は、装置内に基材を設置するとともにカソードとしてターゲットを設置した後、このターゲットに高電流を印加してアーク放電を生じさせる。これにより、ターゲットを構成する原子を蒸発させイオン化させて、負のバイアス電圧を印可した基材上に堆積させて被膜を形成する。
<第1工程:基材を準備する工程>
第1工程では基材を準備する。例えば、基材として超硬合金基材が準備される。超硬合金基材は、市販の基材を用いてもよく、一般的な粉末冶金法で製造してもよい。一般的な粉末冶金法で製造する場合、例えば、ボールミル等によってWC粉末とCo粉末等とを混合して混合粉末を得る。該混合粉末を乾燥した後、所定の形状に成形して成形体を得る。さらに該成形体を焼結することにより、WC-Co系超硬合金(焼結体)を得る。次いで該焼結体に対して、ホーニング処理等の所定の刃先加工を施すことにより、WC-Co系超硬合金からなる基材を製造することができる。第1工程では、上記以外の基材であっても、この種の基材として従来公知のものであればいずれも準備可能である。
第1工程では基材を準備する。例えば、基材として超硬合金基材が準備される。超硬合金基材は、市販の基材を用いてもよく、一般的な粉末冶金法で製造してもよい。一般的な粉末冶金法で製造する場合、例えば、ボールミル等によってWC粉末とCo粉末等とを混合して混合粉末を得る。該混合粉末を乾燥した後、所定の形状に成形して成形体を得る。さらに該成形体を焼結することにより、WC-Co系超硬合金(焼結体)を得る。次いで該焼結体に対して、ホーニング処理等の所定の刃先加工を施すことにより、WC-Co系超硬合金からなる基材を製造することができる。第1工程では、上記以外の基材であっても、この種の基材として従来公知のものであればいずれも準備可能である。
<第2工程:被覆層を形成する工程>
第2工程では、上記基材における逃げ面の上に上記被覆層を形成する。その方法としては、形成しようとする被覆層の組成に応じて、各種の方法が用いられる。例えば、Ti及びAl等の粒径をそれぞれ変化させた合金製ターゲットを使用する方法、それぞれ組成の異なる複数のターゲットを使用する方法、成膜時に印可するバイアス電圧をパルス電圧とする方法、成膜時にガス流量を変化させる方法、又は、成膜装置において基材を保持する基材ホルダの回転速度を調整する方法等を挙げることができる。
第2工程では、上記基材における逃げ面の上に上記被覆層を形成する。その方法としては、形成しようとする被覆層の組成に応じて、各種の方法が用いられる。例えば、Ti及びAl等の粒径をそれぞれ変化させた合金製ターゲットを使用する方法、それぞれ組成の異なる複数のターゲットを使用する方法、成膜時に印可するバイアス電圧をパルス電圧とする方法、成膜時にガス流量を変化させる方法、又は、成膜装置において基材を保持する基材ホルダの回転速度を調整する方法等を挙げることができる。
例えば、第2工程は、次のようにして行なうことができる。まず、成膜装置のチャンバ内に、基材として任意の形状のチップを装着する。例えば、基材を、成膜装置のチャンバ内において中央に回転可能に備え付けられた回転テーブル上の基材ホルダの外表面に取り付ける。基材ホルダには、バイアス電源を取り付ける。上記基材をチャンバ内の中央で回転させた状態で、反応ガスとして窒素ガス等を導入する。さらに、基材を温度400~700℃に、反応ガス圧を3~6Paに、バイアス電源の電圧を-30~-800Vの範囲にそれぞれ維持しながら被覆層形成用の蒸発源に100~200Aのアーク電流を供給する。これにより、被覆層形成用の蒸発源から金属イオンを発生させ、所定の時間が経過したところでアーク電流の供給を止めて、基材における逃げ面の表面上に被覆層を形成する。このとき、成膜時間を調節することにより、被覆層の厚みが所定範囲になるように調整する。上記第2工程は、上述した逃げ面に加えて、逃げ面以外の上記基材の表面上(例えば、すくい面の表面上)に被覆層が形成されていてもよい。
上記第2工程において、被覆層の原料は、Al及びTiを含む。上記被覆層の原料は、Cr,Si,Nb,Ta,W及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種を更に含んでいてもよい。本実施形態の一側面において、上記被覆層の原料は、Bを更に含むことが好ましい。
上記Alの含有割合(原子数比)は、被覆層の原料全体を1とした場合、0.5を超えて0.7以下であることが好ましく、0.55以上0.65以下であることがより好ましい。ここで、原料全体に対する上記Alの含有割合は、通常、マトリックス領域における上記Alの組成比に対応する。後述するTi、B等の他の元素についても同様である。
上記Tiの含有割合(原子数比)は、被覆層の原料全体を1とした場合、0.3以上0.5未満であることが好ましく、0.3以上0.4以下であることがより好ましい。
被覆層の原料にホウ素が含まれるとき、上記ホウ素の含有割合(原子数比)は、被覆層の原料全体を1とした場合、0.03以上0.15以下であることが好ましく、0.05以上0.1以下であることがより好ましい。
本実施形態において、上記被覆層を形成する工程は、Arガスを断続的に供給することを含む。このようにすることで、被覆層が形成される過程で、金属微粒子が生成される。Arガスを断続的に供給する方法としては、例えば、Arガスを分圧1Paで、5分間以上30分間以下の間隔で、断続的に供給することが挙げられる。このとき、1回の供給は、10秒間以上30秒間以下で行われる。
本実施形態において、上述した反応ガスは、物理的蒸着法において通常用いられる反応ガスであれば特に制限されない。上記反応ガスは、上記被覆層の組成に応じて適宜選択することができる。上記反応ガスとしては、例えば、窒素ガス、アセチレンガス等の炭化水素ガス、及び酸素ガス等が挙げられる。
被覆層を形成した後、被膜に圧縮残留応力を付与してもよい。靭性が向上するからである。圧縮残留応力は、例えばブラスト法、ブラシ法、バレル法、イオン注入法等によって付与することができる。
<その他の工程>
本実施形態に係る製造方法では、上述した工程の他にも、第1工程と第2工程との間に、上記基材の表面をイオンボンバードメント処理するイオンボンバードメント処理工程、基材と上記被覆層との間に下地層を形成する下地層被覆工程、上記下地層と上記被覆層との間に中間層を形成する中間層被覆工程、上記被覆層の上に最表面層を形成する最表面層被覆工程及び、表面処理する工程等を適宜行ってもよい。上述の下地層、中間層及び最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。表面処理をする工程としては、例えば、応力を付与する弾性材にダイヤモンド粉末を担持させたメディアを用いた表面処理等が挙げられる。上記表面処理を行う装置としては、例えば、株式会社不二製作所製のシリウスZ等が挙げられる。
本実施形態に係る製造方法では、上述した工程の他にも、第1工程と第2工程との間に、上記基材の表面をイオンボンバードメント処理するイオンボンバードメント処理工程、基材と上記被覆層との間に下地層を形成する下地層被覆工程、上記下地層と上記被覆層との間に中間層を形成する中間層被覆工程、上記被覆層の上に最表面層を形成する最表面層被覆工程及び、表面処理する工程等を適宜行ってもよい。上述の下地層、中間層及び最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。表面処理をする工程としては、例えば、応力を付与する弾性材にダイヤモンド粉末を担持させたメディアを用いた表面処理等が挙げられる。上記表面処理を行う装置としては、例えば、株式会社不二製作所製のシリウスZ等が挙げられる。
以上の説明は、以下に付記する特徴を含む。
(付記1)
逃げ面を含む基材と、前記逃げ面を被覆する被覆層とを備える表面被覆切削工具であって、
前記被覆層は、マトリックス領域と金属微粒子とを含み、
前記マトリックス領域は、(AlxTiyX1-x-y)CvOwN1-v-w(0.5<x≦0.7、0.3≦y<0.5、0≦1-x-y≦0.1、0≦v≦1、0≦w≦1、0≦1-v-w≦1、XはCr,Si,Nb,Ta,W及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す)で表される化合物からなり、
前記金属微粒子は、構成元素として、Al又はTiを含み、
前記金属微粒子は、その粒径が20nm以上200nm以下であり、
前記金属微粒子は、その数が前記被覆層の界面における法線方向に対して平行な断面における3μm×4μmの視野において、12以上36以下である、表面被覆切削工具。
(付記2)
前記被覆層は、Arを更に含み、
前記Arは、前記被覆層中におけるその含有割合が0at%を超えて3at%以下である、付記1に記載の表面被覆切削工具。
(付記3)
前記Xは、Bを含む、付記1又は付記2に記載の表面被覆切削工具。
(付記4)
前記被覆層は、その厚みが1μm以上20μm以下である、付記1から付記3のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
(付記1)
逃げ面を含む基材と、前記逃げ面を被覆する被覆層とを備える表面被覆切削工具であって、
前記被覆層は、マトリックス領域と金属微粒子とを含み、
前記マトリックス領域は、(AlxTiyX1-x-y)CvOwN1-v-w(0.5<x≦0.7、0.3≦y<0.5、0≦1-x-y≦0.1、0≦v≦1、0≦w≦1、0≦1-v-w≦1、XはCr,Si,Nb,Ta,W及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す)で表される化合物からなり、
前記金属微粒子は、構成元素として、Al又はTiを含み、
前記金属微粒子は、その粒径が20nm以上200nm以下であり、
前記金属微粒子は、その数が前記被覆層の界面における法線方向に対して平行な断面における3μm×4μmの視野において、12以上36以下である、表面被覆切削工具。
(付記2)
前記被覆層は、Arを更に含み、
前記Arは、前記被覆層中におけるその含有割合が0at%を超えて3at%以下である、付記1に記載の表面被覆切削工具。
(付記3)
前記Xは、Bを含む、付記1又は付記2に記載の表面被覆切削工具。
(付記4)
前記被覆層は、その厚みが1μm以上20μm以下である、付記1から付記3のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
≪切削工具の作製≫
<基材の準備>
まず、被膜を形成させる対象となる基材として、表面被覆旋削加工用超硬チップ(JIS規格、K20相当超硬合金、DCGT11T3-2R-FY)を準備した(第1工程:基材を準備する工程)。
<基材の準備>
まず、被膜を形成させる対象となる基材として、表面被覆旋削加工用超硬チップ(JIS規格、K20相当超硬合金、DCGT11T3-2R-FY)を準備した(第1工程:基材を準備する工程)。
<イオンボンバードメント処理>
後述する被膜の作製に先立って、以下の手順で上記基材の表面にイオンボンバードメント処理を行った。まず、上記基材をアークイオンプレーティング装置にセットした。次に、以下の条件によってイオンボンバードメント処理を行った。
ガス組成 : Ar(100%)
ガス圧 : 0.5Pa
バイアス電圧: 600V(直流電源)
処理時間 : 60分
後述する被膜の作製に先立って、以下の手順で上記基材の表面にイオンボンバードメント処理を行った。まず、上記基材をアークイオンプレーティング装置にセットした。次に、以下の条件によってイオンボンバードメント処理を行った。
ガス組成 : Ar(100%)
ガス圧 : 0.5Pa
バイアス電圧: 600V(直流電源)
処理時間 : 60分
<被膜の作製>
イオンボンバードメント処理を行った上記基材の表面上(逃げ面を含む表面上)に、表1-1及び表1-2に示される被覆層を形成することによって、被膜を作製した。以下、被覆層の作製方法について説明する。
イオンボンバードメント処理を行った上記基材の表面上(逃げ面を含む表面上)に、表1-1及び表1-2に示される被覆層を形成することによって、被膜を作製した。以下、被覆層の作製方法について説明する。
(被覆層の作製)
試料No.1~9及び13~27においては、基材をチャンバ内の中央で回転させた状態で、反応ガスとして窒素ガスを導入した。試料No.10においては、反応ガスとして窒素ガスとアセチレンガスとを導入した。試料No.11においては、反応ガスとして窒素ガスと酸素ガスとを導入した。試料No.12においては、反応ガスとして窒素ガスとアセチレンガスと酸素ガスとを導入した。さらに、基材を温度500℃に、反応ガス圧を6.0Paに、バイアス電源の電圧を50V(直流電源)にそれぞれ維持して被覆層形成用の蒸発源にそれぞれ150Aのアーク電流を供給した。これにより、被覆層形成用の蒸発源から金属イオンを発生させ、基材における逃げ面の表面上に表1-1及び表1-2に示す組成の被覆層を形成した(第2工程:被覆層を形成する工程)。ここで、被覆層形成用の蒸発源は、表1-1及び表1-2に記載の原料組成のものを用いた。また、試料No.1~24では、被覆層の形成中に、Arガスを分圧1Paで、5分間以上30分間以下の間隔で断続的に投入した。このとき、1回あたりのArガスの供給は、20秒間であった。試料No.25~27では、上述のArガスの断続的な投入を行わなかった。
以上の工程によって、試料No.1~27の切削工具を作製した。
試料No.1~9及び13~27においては、基材をチャンバ内の中央で回転させた状態で、反応ガスとして窒素ガスを導入した。試料No.10においては、反応ガスとして窒素ガスとアセチレンガスとを導入した。試料No.11においては、反応ガスとして窒素ガスと酸素ガスとを導入した。試料No.12においては、反応ガスとして窒素ガスとアセチレンガスと酸素ガスとを導入した。さらに、基材を温度500℃に、反応ガス圧を6.0Paに、バイアス電源の電圧を50V(直流電源)にそれぞれ維持して被覆層形成用の蒸発源にそれぞれ150Aのアーク電流を供給した。これにより、被覆層形成用の蒸発源から金属イオンを発生させ、基材における逃げ面の表面上に表1-1及び表1-2に示す組成の被覆層を形成した(第2工程:被覆層を形成する工程)。ここで、被覆層形成用の蒸発源は、表1-1及び表1-2に記載の原料組成のものを用いた。また、試料No.1~24では、被覆層の形成中に、Arガスを分圧1Paで、5分間以上30分間以下の間隔で断続的に投入した。このとき、1回あたりのArガスの供給は、20秒間であった。試料No.25~27では、上述のArガスの断続的な投入を行わなかった。
以上の工程によって、試料No.1~27の切削工具を作製した。
≪切削工具の特性評価≫
上述のようにして作製した試料No.1~27の切削工具を用いて、以下のように、切削工具の各特性を評価した。なお、試料No.1~24の切削工具は実施例に対応し、試料No.25~27の切削工具は比較例に対応する。
上述のようにして作製した試料No.1~27の切削工具を用いて、以下のように、切削工具の各特性を評価した。なお、試料No.1~24の切削工具は実施例に対応し、試料No.25~27の切削工具は比較例に対応する。
<被膜の厚み(被覆層の厚み)の測定>
被膜の厚み(すなわち、被覆層の厚み)は、透過型電子顕微鏡(TEM)(日本電子株式会社製、商品名:JEM-2100F)を用いて、基材の表面の法線方向に平行な断面サンプルにおける任意の10点を測定し、測定された10点の厚みの平均値をとることで求めた。このときの観察倍率は、10000倍であった。結果を表1-1及び表1-2に示す。
被膜の厚み(すなわち、被覆層の厚み)は、透過型電子顕微鏡(TEM)(日本電子株式会社製、商品名:JEM-2100F)を用いて、基材の表面の法線方向に平行な断面サンプルにおける任意の10点を測定し、測定された10点の厚みの平均値をとることで求めた。このときの観察倍率は、10000倍であった。結果を表1-1及び表1-2に示す。
<被覆層におけるマトリックス領域>
被覆層におけるマトリックス領域の組成は、TEMに付帯のエネルギー分散型X線分光法(TEM-EDX)で、マトリックス領域の全体を分析することによって求めた。具体的には、まず切削工具を上記被覆層の界面における法線方向に対して平行な方向に切断し、その切断面を研磨することにより、基材と被膜とが含まれる長さ2.5mm×幅0.5mm×厚み0.1mmの切片を作製した。この切片に対し、イオンスライサ装置(商品名:「IB-09060CIS」、日本電子株式会社製)を用い、切片の厚みが50nm以下となるまで加工することにより測定試料を得た。得られた測定試料のマトリックス領域における任意の10点それぞれを、TEM-EDXで測定して各構成元素の組成比を算出した。このときの観察倍率は、20000倍であった。各構成元素について、求められた10点の組成比の平均値を当該マトリックス領域における当該構成元素の組成比とした。ここで当該「任意の10点」は、上記マトリックス領域中の互いに異なる結晶粒から選択した。EDX装置としては、日本電子株式会社製のJED-2300(商品名)を用いた。求められたマトリックス領域の組成を表1-1及び表1-2に示す。
被覆層におけるマトリックス領域の組成は、TEMに付帯のエネルギー分散型X線分光法(TEM-EDX)で、マトリックス領域の全体を分析することによって求めた。具体的には、まず切削工具を上記被覆層の界面における法線方向に対して平行な方向に切断し、その切断面を研磨することにより、基材と被膜とが含まれる長さ2.5mm×幅0.5mm×厚み0.1mmの切片を作製した。この切片に対し、イオンスライサ装置(商品名:「IB-09060CIS」、日本電子株式会社製)を用い、切片の厚みが50nm以下となるまで加工することにより測定試料を得た。得られた測定試料のマトリックス領域における任意の10点それぞれを、TEM-EDXで測定して各構成元素の組成比を算出した。このときの観察倍率は、20000倍であった。各構成元素について、求められた10点の組成比の平均値を当該マトリックス領域における当該構成元素の組成比とした。ここで当該「任意の10点」は、上記マトリックス領域中の互いに異なる結晶粒から選択した。EDX装置としては、日本電子株式会社製のJED-2300(商品名)を用いた。求められたマトリックス領域の組成を表1-1及び表1-2に示す。
<被覆層におけるArの分析>
上述測定試料をTEM-EDXで、マトリックス領域の全体を分析することによって、上記被覆層中におけるArの含有割合を求めた。結果を表1-1及び表1-2に示す。
上述測定試料をTEM-EDXで、マトリックス領域の全体を分析することによって、上記被覆層中におけるArの含有割合を求めた。結果を表1-1及び表1-2に示す。
<被覆層における金属微粒子の分析>
(金属微粒子の粒径)
被覆層における金属微粒子の粒径を以下の方法で求めた。まず切削工具を上記被覆層の界面における法線方向に対して平行な方向に切断し、その切断面を集束イオンビーム装置を用いて研磨した。その後、研磨された当該切断面について、TEMで観察して観察画像を得た(図4B)。このときの観察倍率は、100000倍であった。得られた観察画像において上記金属微粒子の断面の面積を算出した。その後算出された上記面積と等しい面積を有する円の直径を算出した。このようにして算出された円の直径を上記金属微粒子の粒径とした。その結果を表1-1及び表1-2に示す。
(金属微粒子の粒径)
被覆層における金属微粒子の粒径を以下の方法で求めた。まず切削工具を上記被覆層の界面における法線方向に対して平行な方向に切断し、その切断面を集束イオンビーム装置を用いて研磨した。その後、研磨された当該切断面について、TEMで観察して観察画像を得た(図4B)。このときの観察倍率は、100000倍であった。得られた観察画像において上記金属微粒子の断面の面積を算出した。その後算出された上記面積と等しい面積を有する円の直径を算出した。このようにして算出された円の直径を上記金属微粒子の粒径とした。その結果を表1-1及び表1-2に示す。
(1視野における金属微粒子の個数)
また、1視野における金属微粒子の個数を、上述の観察画像を用いて計数した(図4A)。このときの観察倍率は、50000倍であった。このとき当該視野は、上記被覆層の断面における3μm×4μmの視野とした。結果を表1-1及び表1-2に示す。なお、一部が測定視野の外に出ている金属微粒子も1つとしてカウントした。
また、1視野における金属微粒子の個数を、上述の観察画像を用いて計数した(図4A)。このときの観察倍率は、50000倍であった。このとき当該視野は、上記被覆層の断面における3μm×4μmの視野とした。結果を表1-1及び表1-2に示す。なお、一部が測定視野の外に出ている金属微粒子も1つとしてカウントした。
<被覆層における微小多結晶組織の分析>
TEMで得られた断面サンプルの画像を解析することによって、被覆層における微小多結晶組織の有無を観察した。微小多結晶組織が観察された断面サンプルについては、その後電子線回折法による分析によって上記微小多結晶組織を構成する結晶粒の粒径を求めた。具体的には、まず上述の断面サンプルにおいて上記金属微粒子の上側部分の電子線回折測定を行った。このとき、照射する電子線のビーム径を2nmから30nmへ変化させながら測定を行った。電子線回折像において、観察されるパターンが回折スポットから連続的なリングパターンに変化するときの電子線のビーム径を上記微小多結晶組織を構成する結晶粒の粒径とした。結果を表2に示す。
TEMで得られた断面サンプルの画像を解析することによって、被覆層における微小多結晶組織の有無を観察した。微小多結晶組織が観察された断面サンプルについては、その後電子線回折法による分析によって上記微小多結晶組織を構成する結晶粒の粒径を求めた。具体的には、まず上述の断面サンプルにおいて上記金属微粒子の上側部分の電子線回折測定を行った。このとき、照射する電子線のビーム径を2nmから30nmへ変化させながら測定を行った。電子線回折像において、観察されるパターンが回折スポットから連続的なリングパターンに変化するときの電子線のビーム径を上記微小多結晶組織を構成する結晶粒の粒径とした。結果を表2に示す。
<被覆層の硬度及びヤング率>
「ISO 14577-1: 2015 Metallic materials-Instrumented indentation test for hardness and materials parameters-」において定められている標準手順によるナノインデンテーション法によって、各切削工具における被覆層の硬度とヤング率とを測定した。ここで、押し込み深さは100nmに設定した。測定装置は、株式会社エリオニクス製のENT-1100(商品名)を用いた。結果を表2に示す。
「ISO 14577-1: 2015 Metallic materials-Instrumented indentation test for hardness and materials parameters-」において定められている標準手順によるナノインデンテーション法によって、各切削工具における被覆層の硬度とヤング率とを測定した。ここで、押し込み深さは100nmに設定した。測定装置は、株式会社エリオニクス製のENT-1100(商品名)を用いた。結果を表2に示す。
≪切削試験≫
<旋削加工試験>
上述のようにして作製した試料No.1~27の切削工具を用いて、以下の切削条件により切削工具の逃げ面における摩耗量(Vb摩耗量)が0.2mmを超えるまでの切削時間を測定した。その結果を表2に示す。切削時間が長いほど耐逃げ面摩耗性に優れる切削工具として評価することができる。
切削条件
被削材 :SCM435
切削速度 :120m/min
送り量 :0.1mm/t
切込み量(ap):0.8mm、wet
<旋削加工試験>
上述のようにして作製した試料No.1~27の切削工具を用いて、以下の切削条件により切削工具の逃げ面における摩耗量(Vb摩耗量)が0.2mmを超えるまでの切削時間を測定した。その結果を表2に示す。切削時間が長いほど耐逃げ面摩耗性に優れる切削工具として評価することができる。
切削条件
被削材 :SCM435
切削速度 :120m/min
送り量 :0.1mm/t
切込み量(ap):0.8mm、wet
切削試験について、表2の結果から試料No.1~24の切削工具は、切削時間が20分間以上の良好な結果が得られた。一方試料No.25~27の切削工具は、切削時間が8分間未満であった。以上の結果から、試料No.1~24の切削工具は、耐逃げ面摩耗性に優れることが分かった。
以上のように本発明の実施形態及び実施例について説明を行なったが、上述の各実施形態及び各実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
今回開示された実施の形態及び実施例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実施の形態及び実施例ではなく請求の範囲によって示され、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。
1a すくい面、 1b 逃げ面、 1c 刃先部、 10 切削工具、 11 基材、 12 被覆層、 F 測定視野
Claims (4)
- 逃げ面を含む基材と、前記逃げ面を被覆する被覆層とを備える切削工具であって、
前記被覆層は、マトリックス領域と金属微粒子とを含み、
前記マトリックス領域は、(AlxTiyX1-x-y)CvOwN1-v-wで表される化合物からなり、
xは、0.5を超えて0.7以下であり、
yは、0.3以上0.5未満であり、
1-x-yは、0以上0.1以下であり、
vは、0以上1以下であり、
wは、0以上1以下であり、
1-v-wは、0以上1以下であり、
Xは、クロム、ケイ素、ニオブ、タンタル、タングステン及びホウ素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示し、
前記金属微粒子は、アルミニウム又はチタンを構成元素として含み、
前記金属微粒子の粒径が20nm以上200nm以下であり、
前記金属微粒子の数が前記被覆層の界面における法線方向に対して平行な断面における3μm×4μmの視野において、12以上36以下である、切削工具。 - 前記被覆層は、アルゴンを更に含み、
前記アルゴンは、前記被覆層中におけるその含有割合が0at%を超えて3at%以下である、請求項1に記載の切削工具。 - 前記Xは、ホウ素を含む、請求項1又は請求項2に記載の切削工具。
- 前記被覆層の厚みが3μm以上20μm以下である、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の切削工具。
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