WO2022130706A1 - 切削工具 - Google Patents
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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
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- 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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- C23C28/40—Coatings including alternating layers following a pattern, a periodic or defined repetition
- C23C28/42—Coatings including alternating layers following a pattern, a periodic or defined repetition characterized by the composition of the alternating layers
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- C23C28/40—Coatings including alternating layers following a pattern, a periodic or defined repetition
- C23C28/44—Coatings including alternating layers following a pattern, a periodic or defined repetition characterized by a measurable physical property of the alternating layer or system, e.g. thickness, density, hardness
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- B23B2228/10—Coatings
- B23B2228/105—Coatings with specified thickness
Definitions
- Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 06-262405 is characterized in that a film having a thickness of 0.5 to 100 ⁇ m containing 30% by volume or more of cubic tungsten carbide is present on the surface of a base material. Covered parts for tools or polishing tools are disclosed.
- Patent Document 2 discloses a surface coating tool in the form of a coating layer composed of one or two of tungsten and tungsten carbide.
- the cutting tool of the present disclosure is a cutting tool including a base material and a coating film arranged on the base material.
- the coating comprises a first layer of metallic tungsten and hexagonal ditungsten carbide.
- the elastic deformation rate of the first layer is 43.0 or more and 58.0 or less.
- FIG. 1 is a perspective view illustrating one aspect of a cutting tool.
- FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a cutting tool according to an embodiment of the present embodiment.
- FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a cutting tool according to another aspect of the present embodiment.
- FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a cutting tool according to another aspect of the present embodiment.
- FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a cutting tool according to another aspect of the present embodiment.
- FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a cutting tool according to another aspect of the present embodiment.
- FIG. 7 is a coordinate system showing an example of a load-displacement curve created based on the nanoindentation test results.
- the cutting tool of the present disclosure can have a long tool life even in an environment with a high heat load, such as when milling a titanium alloy.
- the cutting tool of the present disclosure is a cutting tool including a base material and a coating film arranged on the base material.
- the coating comprises a first layer of metallic tungsten and hexagonal ditungsten carbide.
- the elastic deformation rate of the first layer is 43.0 or more and 58.0 or less.
- the cutting tool of the present disclosure can have a long tool life even in an environment with a high heat load such as when milling a titanium alloy.
- the thickness of the first layer is preferably 0.3 ⁇ m or more and 4.0 ⁇ m or less. According to this, the chipping resistance and the wear resistance of the tool are improved.
- the coating further includes a second layer arranged on the first layer.
- the second layer contains at least a first unit layer having a composition different from that of the first layer.
- the first unit layer is formed by at least one element selected from the group consisting of Group 4 elements, Group 5 elements, Group 6 elements, aluminum and silicon of the Periodic Table, or at least one of the elements, and carbon, nitrogen and oxygen. And preferably composed of a compound consisting of at least one element selected from the group consisting of boron.
- the chipping resistance and wear resistance of the tool are improved.
- the second layer further includes a second unit layer.
- the composition of the second unit layer is different from that of the first layer and the first unit layer.
- the second unit layer is formed by at least one element selected from the group consisting of Group 4 elements, Group 5 elements, Group 6 elements, aluminum and silicon of the Periodic Table, or at least one of the elements, and carbon, nitrogen and oxygen. And a compound consisting of at least one element selected from the group consisting of boron. It is preferable that the first unit layer and the second unit layer each form a multilayer structure in which one or more layers are alternately laminated.
- the chipping resistance and wear resistance of the tool are improved.
- the thickness of the first unit layer is preferably 1 nm or more and 100 nm or less, and the thickness of the second unit layer is preferably 1 nm or more and 100 nm or less. According to this, the chipping resistance and the wear resistance of the tool are improved.
- the coating further includes a third layer arranged below the first layer.
- the third layer contains at least a first A unit layer having a composition different from that of the first layer.
- the 1A unit layer is formed by at least one element selected from the group consisting of Group 4 elements, Group 5 elements, Group 6 elements, aluminum and silicon of the Periodic Table, or at least one of the elements, and carbon, nitrogen and oxygen. And preferably composed of a compound consisting of at least one element selected from the group consisting of boron.
- the chipping resistance and wear resistance of the tool are improved.
- the third layer further includes a second A unit layer.
- the composition of the second A unit layer is different from that of the first layer and the first A unit layer.
- the second A unit layer is formed by at least one element selected from the group consisting of Group 4 elements, Group 5 elements, Group 6 elements, aluminum and silicon of the Periodic Table, or at least one of the elements, and carbon, nitrogen and oxygen. And a compound consisting of at least one element selected from the group consisting of boron. It is preferable that the first A unit layer and the second A unit layer each form a multilayer structure in which one or more layers are alternately laminated.
- the chipping resistance and wear resistance of the tool are improved.
- the thickness of the first A unit layer is preferably 1 nm or more and 100 nm or less, and the thickness of the second A unit layer is preferably 1 nm or more and 100 nm or less. According to this, the chipping resistance and the wear resistance of the tool are improved.
- the base material preferably contains at least one selected from the group consisting of cemented carbide, cermet, high-speed steel, ceramics, cBN sintered body and diamond sintered body. According to this, the tool is excellent in hardness and strength at high temperature.
- the notation in the form of "A to B” means the upper and lower limits of the range (that is, A or more and B or less), and when there is no description of the unit in A and the unit is described only in B, A.
- the unit of and the unit of B are the same.
- a compound or the like when represented by a chemical formula, it shall include all conventionally known atomic ratios when the atomic ratio is not particularly limited, and should not necessarily be limited to those in the stoichiometric range.
- the ratio of the number of atoms constituting TiN when described as "TiN", includes any conventionally known atomic ratio.
- the cutting tool of the present embodiment is a cutting tool including a base material and a coating film arranged on the base material.
- the coating comprises a first layer of metallic tungsten and hexagonal ditungsten carbide.
- the elastic deformation rate of the first layer is 43.0 or more and 58.0 or less.
- the cutting tool of this embodiment can have a long tool life even in an environment with a high heat load such as when milling a titanium alloy. The reason for this is not clear, but it is presumed that the inclusion of metallic tungsten and hexagonal di-tungsten carbide in the first layer suppresses the diffusion reaction between the coating film and the work material.
- the cutting tool of the present embodiment is, for example, a drill, an end mill, a cutting tip with a replaceable cutting edge for a drill, a cutting tip with a replaceable cutting edge for an end mill, a cutting tool with a replaceable cutting edge for milling, a cutting tip with a replaceable cutting edge for milling, a metal saw, and the like. It can be a gear cutting tool, reamer, tap, etc.
- FIG. 1 is a perspective view illustrating one aspect of a cutting tool.
- a cutting tool having such a shape is used, for example, as a cutting tip with a replaceable cutting edge.
- the cutting tool 10 has a rake face 1, a flank surface 2, and a cutting edge ridge line portion 3 where the rake face 1 and the flank surface 2 intersect. That is, the rake surface 1 and the flank surface 2 are surfaces that are connected to each other with the cutting edge ridge line portion 3 interposed therebetween.
- the cutting edge ridge line portion 3 constitutes the cutting edge tip portion of the cutting tool 10.
- the shape of such a cutting tool 10 can also be grasped as the shape of the base material of the cutting tool. That is, the base material has a rake face, a flank surface, and a cutting edge ridge line portion connecting the rake face and the flank surface.
- the base material of the present embodiment conventionally known base materials can be used as this type of base material.
- the base material is a cemented carbide (for example, a cemented carbide (WC) -based cemented carbide, a cemented carbide containing Co in addition to WC, and a carbon nitride such as Cr, Ti, Ta, Nb in addition to WC.
- a cemented carbide for example, a cemented carbide (WC) -based cemented carbide, a cemented carbide containing Co in addition to WC, and a carbon nitride such as Cr, Ti, Ta, Nb in addition to WC.
- 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 crystals It is preferable to contain at least one selected from the group consisting of a type nitride boron sintered body (cBN sintered body) and a diamond sintered body, and at least one selected from the group consisting of cemented carbide, cermet and cBN sintered body. It is more preferable to include seeds.
- cBN sintered body type nitride boron sintered body
- diamond sintered body at least one selected from the group consisting of cemented carbide, cermet and cBN sintered body. It is more preferable to include seeds.
- a cemented carbide When a cemented carbide is used as a base material, the effect of the present 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 this embodiment may have a modified surface.
- a de ⁇ layer may be formed on the surface thereof, or in the case of cermet, a surface hardened layer may be formed, and even if the surface is modified in this way, the present embodiment may be formed. The effect of is shown.
- the base material may or may not have a chip breaker.
- the shape of the ridgeline of the cutting edge is a combination of sharp edges (ridges where the rake face and flanks intersect), honing (shapes that give a radius to the sharp edges), negative land (chamfered shape), and honing and negative land. Any shape is included in the shapes.
- the "coating" according to the present embodiment covers at least a part of the above-mentioned base material (for example, a portion in contact with a work material during cutting), and thus has various characteristics such as chipping resistance and wear resistance in a cutting tool. It has the effect of improving.
- the coating may cover the entire surface of the substrate. It should be noted that even if a part of the base material is not covered 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 0.1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less, more preferably 0.3 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less, further preferably 0.5 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less, and 1 ⁇ m or more and 6 ⁇ m or less. It is even more preferable that it is 1.5 ⁇ m or more and 4 ⁇ m or less. If the thickness is less than 0.1 ⁇ m, the wear resistance tends to decrease. When the thickness exceeds 10 ⁇ m, for example, when a large stress is applied between the coating film and the base material in the intermittent processing, the coating film tends to be peeled off or broken at a high frequency.
- the thickness of the coating refers to a coating such as a first layer, a second layer (first unit layer, second unit layer) and a third layer (first A unit layer, second A unit layer), which will be described later. It means the total thickness of each of the constituent layers.
- the thickness of the coating film is, for example, measured at any three points in a cross-sectional sample parallel to the normal direction of the surface of the substrate using a transmission electron microscope (TEM), and the thickness of the three points is measured. It can be obtained by taking the average value of.
- TEM transmission electron microscope
- the transmission electron microscope include a spherical aberration corrector "JEM-2100F (trademark)" manufactured by JEOL Ltd.
- the coating comprises a first layer composed of metallic tungsten and hexagonal ditungsten carbide.
- the first layer may contain unavoidable impurities as long as the effect of the cutting tool according to the present embodiment is not impaired.
- the unavoidable impurities include iron (Fe), calcium (Ca), zinc (Zn), sodium (Na), fluorine (F), nickel (Ni), molybdenum (Mo), and chromium (Cr). ..
- the content ratio of the unavoidable impurities is preferably 0% by mass or more and 0.2% by mass or less with respect to the total mass of the first layer. The content ratio of unavoidable impurities is measured by glow discharge mass spectrometry.
- the fact that the first layer is composed of metallic tungsten and hexagonal dicarbonate carbide ( W2C ) is that any of the above-mentioned first layers can be obtained by irradiating the surface of the measurement sample on the opposite side to the base material with X-rays. It can be confirmed by performing X-ray diffraction measurement (XRD measurement) on the region and analyzing it.
- XRD measurement X-ray diffraction measurement
- the first layer contains metallic tungsten
- peaks derived from crystal planes such as the (110) plane and the (220) plane of the metallic tungsten are observed in the XRD measurement.
- the first layer has hexagonal ditungsten carbide, a peak derived from a crystal plane such as a hexagonal ditungsten carbide (011) plane is observed in the XRD measurement.
- peaks derived from other layers such as the second layer, the third layer and the intermediate layer and the base material other than the peaks derived from the metallic tungsten of the first layer and the hexagonal ditungsten carbide (hereinafter, “others”). Also referred to as “peak”) may be detected.
- the peak derived from the first layer is identified by the following method.
- the measurement method when there is another layer on the surface side of the coating than the first layer is as follows. First, the surface of the measurement sample opposite to the base material is irradiated with X-rays to perform XRD measurement, and a diffraction pattern A is obtained. Next, the layer (other layer) on the surface side (X-ray irradiation side) of the first layer of the above-mentioned measurement sample is mechanically removed to expose the first layer. The exposed surface of the first layer is irradiated with X-rays to perform XRD measurement, and a diffraction pattern B is obtained. Next, in the exposed measurement sample of the first layer, the first layer is mechanically removed to expose the base material or the layer existing on the base material side with respect to the first layer.
- the surface of the exposed substrate or the layer existing on the substrate side of the first layer is irradiated with X-rays to perform XRD measurement, and a diffraction pattern C is obtained.
- the peak derived from the first layer is identified.
- the measurement method is as follows when the first layer is arranged on the outermost side of the coating and there is no other layer on the surface side of the coating than the first layer. First, the surface of the measurement sample opposite to the base material, that is, the surface of the first layer is irradiated with X-rays to perform XRD measurement, and a diffraction pattern B is obtained. Next, in the above-mentioned measurement sample, the first layer is mechanically removed to expose the base material or the layer existing on the base material side with respect to the first layer. The surface of the exposed substrate or the layer existing on the substrate side of the first layer is irradiated with X-rays to perform XRD measurement, and a diffraction pattern C is obtained. By comparing the diffraction pattern B and the diffraction pattern C, the peak derived from the first layer is identified.
- the thickness of the first layer is 1 ⁇ m or more, it is possible to identify the peak derived from the first layer by performing thin film X-ray measurement with the first layer exposed.
- Examples of the device used for the above-mentioned X-ray diffraction measurement include "SmartLab” (trade name) manufactured by Rigaku Co., Ltd., "X'pert” (trade name) manufactured by PANalytical, and the like.
- XRD measurement conditions Scanning axis: 2 ⁇ - ⁇ X-ray source: Cu-K ⁇ ray (1.541862 ⁇ ) Detector: 0-dimensional detector (scintillation counter) Tube voltage: 45kV Tube current: 40mA Incident optical system: Use of mirror Light receiving optical system: Use of analyzer crystal (PW3098 / 27) Step: 0.03 ° Accumulation time: 2 seconds Scan range (2 ⁇ ): 10 ° to 120 °
- the elastic deformation rate of the first layer is 43.0 or more and 58.0 or less.
- the lower limit of the elastic deformation rate of the first layer can be 43.0 or more, 44.0 or more, and 45.0 or more.
- the upper limit of the elastic deformation rate of the first layer can be 58.0 or less, 53.0 or less, and 48.5 or less.
- the elastic deformation rate of the first layer is preferably 44.0 or more and 53.0 or less, and more preferably 45.0 or more and 48.5 or less.
- the elastic deformation rate of the first layer is measured by a nanoindentation test in accordance with ISO14577. Specifically, it is measured under the following conditions using a nano indenter (“ENT1100a” (trademark) manufactured by Elionix Inc.).
- Indenter material Diamond Indenter shape: Berkovich indenter Test load: 20 mN Number of measurement points: 10 points
- FIG. 7 is a coordinate system showing an example of a displacement load curve created based on the nanoindentation test results.
- the X-axis shows the displacement and the Y-axis shows the load.
- FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a cutting tool according to one embodiment of the present embodiment.
- the first layer 12 may be in contact with the base material 11.
- the first layer 12 may be provided directly above the base material 11.
- the lower limit of the thickness of the first layer is preferably 0.3 ⁇ m or more. According to this, the diffusion reaction between the first layer and the work material is suppressed.
- the lower limit of the thickness of the first layer is preferably 0.3 ⁇ m or more, 0.5 ⁇ m or more, and 0.7 ⁇ m or more.
- the upper limit of the thickness of the first layer is preferably 4.0 ⁇ m or less. According to this, the coating film has high hardness and good wear resistance.
- the upper limit of the thickness of the first layer is preferably 4.0 ⁇ m or less, 2.0 ⁇ m or less, and 1.5 ⁇ m or less.
- the thickness of the first layer is preferably 0.3 ⁇ m or more and 4.0 ⁇ m or less, preferably 0.5 ⁇ m or more and 2.0 ⁇ m or less, and preferably 0.7 ⁇ m or more and 1.5 ⁇ m or less.
- the coating preferably further comprises a second layer arranged on top of the first layer.
- the "second layer arranged on the first layer” may mean that the second layer is provided on the upper side (opposite to the base material) of the first layer and is in contact with each other. I don't need that.
- another layer may be provided between the first layer and the second layer.
- the second layer 13 may be provided directly above the first layer 12.
- the second layer may be the outermost layer (surface layer).
- the second layer preferably contains at least a first unit layer having a composition different from that of the first layer.
- the first unit layer is composed of at least one element selected from the group consisting of Group 4 elements, Group 5 elements, Group 6 elements, aluminum (Al) and silicon (Si) in the periodic table, or at least one of the above elements. , Carbon, nitrogen, oxygen and a compound consisting of at least one element selected from the group consisting of boron.
- the Group 4 element of the periodic table include titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf) and the like.
- Examples of the Group 5 element of the periodic table include vanadium (V), niobium (Nb), tantalum (Ta) and the like.
- the Group 6 element of the periodic table examples include chromium (Cr), molybdenum (Mo), and tungsten (W).
- the first unit layer is at least one element selected from the group consisting of Cr, Al, Ti and Si, or at least one selected from the group consisting of at least one element and carbon, nitrogen, oxygen and boron. More preferably, it consists of a compound consisting of a species element.
- Examples of the compound constituting the first unit layer include TiAlN, TiAlSiN, TiCrSiN, TiAlCrSiN, AlCrN, AlCrO, AlCrSiN, TiZrN, TiAlMoN, TiAlNbN, TiSiN, AlCrTaN, AlTiVN, TiB 2 , TiCrHfN, CrSiWN, TiAlCN.
- the thickness of the first unit layer is 0.1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less. It is preferable, and it is more preferable that it is 0.5 ⁇ m or more and 7 ⁇ m or less.
- the second layer further includes a second unit layer in addition to the first unit layer, and the second unit layer preferably has a different composition from the first layer and the first unit layer.
- the second unit layer is composed of at least one element selected from the group consisting of Group 4 elements, Group 5 elements, Group 6 elements, aluminum (Al) and silicon (Si) in the periodic table, or at least one of the above elements. , Carbon, nitrogen, oxygen and a compound consisting of at least one element selected from the group consisting of boron.
- the second unit layer is at least one element selected from the group consisting of Cr, Al, Ti and Si, or at least one selected from the group consisting of at least one element and carbon, nitrogen, oxygen and boron. More preferably, it consists of a compound consisting of a species element.
- Specific examples of the Group 4 element, the Group 5 element, and the Group 6 element in the periodic table include the above-mentioned elements.
- Examples of the compound constituting the second unit layer include the compounds exemplified in the first unit layer.
- the first unit layer and the second unit layer each form a multilayer structure in which one or more layers are alternately laminated. That is, as shown in FIG. 4, the second layer 13 preferably includes a multilayer structure including the first unit layer 131 and the second unit layer 132.
- the multilayer structure may be started from either the first unit layer or the second unit layer. That is, the interface on the first layer side in the multilayer structure may be composed of either the first unit layer or the second unit layer. Further, the interface on the opposite side of the first layer side in the multilayer structure may be composed of either the first unit layer or the second unit layer.
- the thickness of the second layer is preferably 0.1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less, and more preferably 0.5 ⁇ m or more and 7 ⁇ m or less.
- the thickness of the first unit layer is preferably 1 nm or more and 100 nm or less, and more preferably 2 nm or more and 25 nm or less. Further, the thickness of the second unit layer is preferably 1 nm or more and 100 nm or less, and more preferably 2 nm or more and 25 nm or less. In one aspect of the present embodiment, when the second layer includes the multilayer structure, the thickness of the first unit layer is 1 nm or more and 100 nm or less, and the thickness of the second unit layer is 1 nm or more and 100 nm or less. Is preferable.
- the "thickness of the first unit layer” means the thickness of the first unit layer per layer.
- the “thickness of the second unit layer” means the thickness of the second unit layer per layer.
- the number of layers of the multilayer structure includes an embodiment in which the first unit layer and the second unit layer are laminated one by one as long as the thickness of the entire second layer is within the above range. It is preferable that both layers are laminated with 20 to 2500 layers each.
- the coating preferably further comprises a third layer arranged beneath the first layer.
- the "third layer arranged under the first layer” means that the third layer may be provided on the lower side (base material side) of the first layer and is in contact with each other. Does not need. In other words, another layer may be provided between the first layer and the third layer. Further, as shown in FIG. 5, the third layer 14 may be provided directly below the first layer 12.
- the third layer preferably contains at least a first A unit layer having a composition different from that of the first layer.
- the 1A unit layer is composed of at least one element selected from the group consisting of Group 4 elements, Group 5 elements, Group 6 elements, aluminum (Al) and silicon (Si) in the periodic table, or at least one of the above elements. , Carbon, nitrogen, oxygen and a compound consisting of at least one element selected from the group consisting of boron.
- Examples of the Group 4 element of the periodic table include titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf) and the like.
- Examples of the Group 5 element of the periodic table include vanadium (V), niobium (Nb), tantalum (Ta) and the like.
- the Group 6 element of the periodic table examples include chromium (Cr), molybdenum (Mo), and tungsten (W).
- the first unit layer is at least one element selected from the group consisting of Cr, Al, Ti and Si, or at least one selected from the group consisting of at least one element and carbon, nitrogen, oxygen and boron. More preferably, it consists of a compound consisting of a species element.
- Examples of the compound constituting the first A unit layer include TiAlN, TiAlSiN, TiCrSiN, TiAlCrSiN, AlCrN, AlCrO, AlCrSiN, TiZrN, TiAlMoN, TiAlNbN, TiSiN, AlCrTaN, AlTiVN, TiB 2 , TiCrHfN, CrSiWN, TiCN. , AlZrON, AlCrCN, AlHfN, CrSiBON, TiAlWN, AlCrMoCN, TiAlBN, TiAlCrSiBCNO, ZrN, ZrCN, CrWCN, AlTiCrN, TiN, TiBN and the like.
- the thickness of the first A unit layer is preferably 0.1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less, preferably 0.5 ⁇ m or more. It is more preferably 7 ⁇ m or less.
- the third layer further includes a second A unit layer in addition to the first A unit layer, and the second A unit layer preferably has a different composition from the first layer and the first A unit layer.
- the second A unit layer is composed of at least one element selected from the group consisting of Group 4 elements, Group 5 elements, Group 6 elements, aluminum (Al) and silicon (Si) in the periodic table, or at least one of the above elements. , Carbon, nitrogen, oxygen and a compound consisting of at least one element selected from the group consisting of boron.
- the second unit layer is at least one element selected from the group consisting of Cr, Al, Ti and Si, or at least one selected from the group consisting of at least one element and carbon, nitrogen, oxygen and boron. More preferably, it consists of a compound consisting of a species element.
- Specific examples of the Group 4 element, the Group 5 element, and the Group 6 element in the periodic table include the above-mentioned elements.
- Examples of the compound constituting the second A unit layer include the compounds exemplified in the first A unit layer.
- the first A unit layer and the second A unit layer each form a multilayer structure in which one or more layers are alternately laminated. That is, as shown in FIG. 6, the third layer 14 preferably includes a multilayer structure composed of the first A unit layer 141 and the second A unit layer 142.
- the multilayer structure may be started from either the first A unit layer or the second A unit layer. That is, the interface on the side opposite to the first layer (that is, the base material side) in the multilayer structure may be composed of either the first A unit layer or the second A unit layer. Further, the interface on the first layer side in the multilayer structure may be composed of either the first A unit layer or the second A unit layer.
- the thickness of the third layer is preferably 0.1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less, and more preferably 0.5 ⁇ m or more and 7 ⁇ m or less.
- the thickness of the first A unit layer is preferably 1 nm or more and 100 nm or less, and more preferably 2 nm or more and 25 nm or less.
- the thickness of the second A unit layer is preferably 1 nm or more and 100 nm or less, and more preferably 2 nm or more and 25 nm or less.
- the thickness of the first A unit layer is 1 nm or more and 100 nm or less
- the thickness of the second A unit layer is 1 nm or more and 100 nm or less. Is preferable.
- the "thickness of the first A unit layer” means the thickness of the first A unit layer per layer.
- the “thickness of the second A unit layer” means the thickness of the second A unit layer per layer.
- the number of layers of the multilayer structure includes an embodiment in which the first A unit layer and the second A unit layer are laminated one by one as long as the thickness of the entire third layer is within the above range. It is preferable that both layers are laminated with 20 to 2500 layers each.
- the coating film may further contain other layers as long as the effects of the present embodiment are not impaired.
- the other layers may have different compositions or the same composition as the first layer and the second layer.
- examples of other layers include a TiN layer and a TiWCN layer.
- the order of stacking is not particularly limited.
- examples of the other layer include an intermediate layer provided between the first layer and the second layer, a surface layer provided on the outermost surface of the tool, and the like.
- the thickness of the other layers is not particularly limited as long as the effect of the present embodiment is not impaired, and examples thereof include 0.1 ⁇ m and more and 2 ⁇ m or less.
- the method for manufacturing the cutting tool according to the first embodiment will be described below.
- the following manufacturing method is an example, and the cutting tool of the first embodiment may be manufactured by another method.
- the method for manufacturing a cutting tool according to the present embodiment includes a base material preparation step and a first layer coating step. Hereinafter, each step will be described.
- the above base material is prepared.
- any base material conventionally known as this type of base material can be used.
- the base material is made of cemented carbide
- a raw material powder having a predetermined compounding composition (% by mass) is uniformly mixed using a commercially available attritor.
- this mixed powder is pressure-molded into a predetermined shape (for example, SEET13T3AGSN, CNMG120408, etc.).
- the above-mentioned base material made of cemented carbide can be obtained by sintering the above-mentioned pressure-molded mixed powder at 1300 to 1500 ° C. or lower in a predetermined sintering furnace for 1 to 2 hours.
- a commercially available product may be used as it is.
- First layer coating process In the first layer coating step, at least a part of the surface of the base material is coated with the first layer.
- “at least a part of the surface of the base material” includes a portion that comes into contact with the work material during cutting.
- Examples of the method of covering at least a part of the base material with the first layer include a physical vapor deposition method (PVD method).
- PVD method physical vapor deposition method
- Examples of the physical vapor deposition method include a sputtering method, an ion plating method, an arc ion plating method, and an electron ion beam vapor deposition method.
- the cathode arc ion plating method or the sputtering method which has a high ion ratio of the raw material element, is used, the surface of the substrate can be treated with a metal or gas ion bombardment before the coating is formed. Therefore, the coating and the substrate can be treated. It is preferable because the adhesion with the ion is significantly improved.
- a WC target for example, a binderless WC having a composition of 93% by mass or more of WC and a sintered target having a C content of 3 to 6.1% by mass
- the substrate (base material) temperature is set to 400 to 550 ° C. and the gas pressure in the apparatus is set to 1.0 to 4.0 Pa.
- argon gas As the above gas, only argon gas or a mixed gas of methane gas and argon gas, which are hydrocarbon-based gases, is introduced.
- hydrocarbon gas examples include acetylene gas and methane gas.
- an arc current of 80 to 150 A is supplied to the cathode electrode to generate metal ions and the like from the arc type evaporation source. Thereby, the first layer can be formed. Tungsten filaments are also discharged during film formation (emission current 10A or more and less than 25A). This makes it possible to increase the number of ions in the plasma.
- Examples of the device used for the arc ion plating method include AIP (trade name) manufactured by Kobe Steel, Ltd.
- the first layer is composed of metallic tungsten and hexagonal dicarbonized ditungsten, and the elastic deformation rate of the first layer is 43.0 or more and 58.0 or less.
- the above conditions have been newly discovered by the present inventors as a result of trial and error.
- the method for manufacturing a cutting tool according to the present embodiment further includes a second layer coating step after the first layer coating step.
- the method for forming the second layer is not particularly limited, and a conventional method can be used.
- the second layer may be formed by the PVD method described above.
- the method for manufacturing a cutting tool according to the present embodiment further includes a third layer coating step before the first layer coating step.
- the method for forming the third layer is not particularly limited, and a conventional method can be used.
- the third layer may be formed by the PVD method described above.
- an intermediate layer coating step of forming an intermediate layer between the first layer and the second layer, and a surface layer being formed on the outermost surface of the coating film in addition to the above-mentioned steps, an intermediate layer coating step of forming an intermediate layer between the first layer and the second layer, and a surface layer being formed on the outermost surface of the coating film.
- 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.
- the apparatus for performing the surface treatment include Sirius Z manufactured by Fuji Seisakusho Co., Ltd.
- the first layer coating step the first layer was formed on the above-mentioned substrate by the arc ion plating method. Specifically, the method was as follows. First, a WC target (a binderless WC having a composition of 93% by mass or more of WC and a sintered target having a C content of 3 to 6.1% by mass) is used as two opposing arc evaporation sources in the apparatus. I set it. The substrate (base material) temperature was set to 400 to 550 ° C. and the gas pressure in the apparatus was set to 1.0 to 4.0 Pa.
- a WC target a binderless WC having a composition of 93% by mass or more of WC and a sintered target having a C content of 3 to 6.1% by mass
- an arc current of 80 to 150 A is supplied to the cathode electrode while the substrate (negative) bias voltage is maintained at 10 to 150 V and DC or pulse DC (frequency 20 to 350 kHz), and an arc type evaporation source is used.
- the first layer was formed by generating metal ions and the like from the above.
- the tungsten filament was also discharged during the film formation (emission current 10 A or more and less than 25 A).
- an arc current of 80 to 150 A is supplied to the cathode electrode while maintaining the substrate (negative) bias voltage at 160 V and DC or pulse DC (frequency 20 to 350 kHz), and an arc type is used.
- the first layer was formed by generating metal ions and the like from the evaporation source.
- the tungsten filament was also discharged during the film formation (emission current 5 to 9.5 A).
- ⁇ Third layer coating process> For samples (Samples 18 to 23) in which the third layer is provided between the base material and the first layer, the third layer is placed on the base material by the following procedure before performing the first layer coating step. Formed. First, a target (sintered target or dissolution target) containing a metal composition in the composition column of the third layer shown in Tables 1 and 2 was set in the arc evaporation source of the arc ion plating apparatus. Next, the substrate temperature was set to 400 to 650 ° C. and the gas pressure in the apparatus was set to 0.8 to 5 Pa. As the reaction gas, in the case of the third layer of the nitride, a mixed gas of nitrogen gas and argon gas was introduced.
- the third layer of the carbonitride In the case of the third layer of the carbonitride, a mixed gas of nitrogen gas, methane gas and argon gas was introduced as the reaction gas. Then, an arc current of 80 to 150 A was supplied to the cathode electrode.
- the third layer was formed to the thickness shown in Tables 1 and 2 by generating metal ions and the like from an arc type evaporation source by supplying an arc current.
- the first A unit layer and the second A unit layer are repeatedly formed in order from the one shown on the left side in Table 1 until the desired thickness is reached. It was laminated to form a third layer.
- a TiB 2 layer which is the second layer, was prepared by the HiPIMS method.
- the TiB 2 target was set in the HiPIMS evaporation source of the composite device of the arc ion plating device and the HiPIMS device.
- the inside of the chamber was evacuated and an inert gas (Ar) was introduced.
- a bias voltage was applied to the substrate via the bias power supply, and pulse power was supplied to the target via the HiPIMS power supply to start the film formation operation on the HiPIMS apparatus.
- the film forming conditions are as follows.
- the target (sintered target or dissolution target) containing the metal composition in the composition column of the second layer shown in Table 2 was set in the arc type evaporation source of the arc ion plating apparatus.
- the substrate temperature was set to 500 to 650 ° C. and the gas pressure in the apparatus was set to 0.8 to 5.0 Pa.
- the reaction gas in the case of the second layer of the nitride, a mixed gas of nitrogen gas and argon gas was introduced. Then, an arc current of 80 to 150 A was supplied to the cathode electrode.
- the first unit layer and the second unit layer are repeatedly formed to the desired thickness in order from the one shown on the left side in Table 2. It was laminated to form a second layer.
- the first layer coating step the first layer was formed on the above-mentioned substrate by the arc ion plating method.
- the method was as follows. First, a WC target (a binderless WC having a composition of 93% by mass or more of WC and a sintered target having a C content of 3 to 6.1% by mass) is used as two opposing arc evaporation sources in the apparatus. I set it. The substrate (base material) temperature was set to 400 to 550 ° C. and the gas pressure in the apparatus was set to 0.3 to 1.5 Pa. As the above gas, only argon gas was introduced.
- a WC target a binderless WC having a composition of 93% by mass or more of WC and a sintered target having a C content of 3 to 6.1% by mass
- the substrate (base material) temperature was set to 400 to 550 ° C. and the gas pressure in the apparatus was set to 0.3 to 1.5 Pa. As the above gas, only argon gas was introduced.
- the first layer was formed by supplying an arc current of 130 A to the cathode electrode and generating metal ions and the like from the arc type evaporation source while maintaining the substrate (negative) bias voltage at 40 V and DC.
- the first layer coating step the first layer was formed on the above-mentioned substrate by the arc ion plating method.
- the method was as follows. First, a WC target (for example, a binderless WC having a composition of 93% by mass or more of WC and a sintered target having a C content of 3 to 6.1% by mass) is subjected to arc evaporation of two opposing machines in the apparatus. I set it in the source. The substrate (base material) temperature was set to 400 to 550 ° C. and the gas pressure in the apparatus was set to 0.3 to 1.5 Pa.
- a WC target for example, a binderless WC having a composition of 93% by mass or more of WC and a sintered target having a C content of 3 to 6.1% by mass
- the substrate (base material) temperature was set to 400 to 550 ° C. and the gas pressure in the apparatus was set to 0.3 to 1.5 Pa.
- a pulse arc current (frequency 0.25 Hz) of 120 A is supplied to the cathode electrode, and metal ions and the like are generated from the arc type evaporation source to form the first layer. Formed.
- the first layer coating step the first layer was formed on the above-mentioned substrate by the arc ion plating method. Specifically, the method was as follows. First, a WC target (for example, a sintered target having a composition of WC and a C content of 3 to 6.1% by mass) was set in two opposing arc evaporation sources in the apparatus. The substrate (base material) temperature was set to 450 ° C. and the gas pressure in the apparatus was set to 1.0 to 1.5 Pa.
- a WC target for example, a sintered target having a composition of WC and a C content of 3 to 6.1% by mass
- the substrate (negative) bias voltage is 30 V pulse DC (frequency 30 kHz and 200 kHz are applied alternately), an arc current of 150 A is supplied to the cathode electrode, and metal ions etc. are generated from the arc type evaporation source to form the first layer. Formed.
- composition of the first layer By irradiating the surface of each sample on the opposite side of the base material with X-rays, XRD measurement was performed on the first layer, and the composition and crystal structure of the first layer were specified. When the second layer and / or the third layer was formed, these layers were mechanically removed before measurement. Since the specific measurement method is described in the first embodiment, the description thereof will not be repeated.
- the thicknesses of the first layer, the third layer, the second layer (first unit layer, second unit layer) and the coating film were determined as follows. First, using a transmission electron microscope (TEM) (manufactured by JEOL Ltd., trade name: JEM-2100F), arbitrary three points in a cross-sectional sample parallel to the normal direction of the surface of the substrate were measured. Then, it was obtained by taking the average value of the thicknesses of the three measured points. The results are shown in the "Thickness" column of each layer in Tables 1 and 2.
- TEM transmission electron microscope
- the notation “-" in “third layer” and “second layer” indicates that the corresponding layer does not exist in the coating film.
- the notation of "TiAlBN (8 nm) / TiAlCrN (14 nm)" in the "third layer” is a multi-layer structure in which the third layer is a multilayer structure in which TiAlBN layers having a thickness of 8 nm and TiAlCrN layers having a thickness of 14 nm are alternately laminated vertically (total thickness). It is shown that it is formed by 2.0 ⁇ m).
- TiN (10 nm) / TiBN (2 nm) in the "second layer” means that the second layer is a TiN layer (first unit layer) having a thickness of 10 nm and a TiBN layer (second unit layer) having a thickness of 2 nm. It is shown that it is formed by a multi-layer structure (total thickness 1.5 ⁇ m) in which and are alternately laminated on the upper and lower sides.
- the cutting tools of Samples 1 to 27 correspond to Examples, and the cutting tools of Samples 1-1 to 1-5 correspond to Comparative Examples. From the results of the above cutting test, it was found that the cutting tools of Samples 1 to 27 are superior in fracture resistance and have a long tool life as compared with the cutting tools of Samples 1-1 to 1-5. From this, it was suggested that the cutting tools of Samples 1 to 27 are suitable for applications in an environment with a high heat load during processing.
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Abstract
基材と、前記基材上に配置される被膜とを備える切削工具であって、前記被膜は、金属タングステンと、六方晶炭化二タングステンと、からなる第一層を含み、前記第一層の弾性変形率は43.0以上58.0以下である。
Description
本開示は、切削工具に関する。本出願は、2020年12月16日に出願した日本特許出願である特願2020-208258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。
切削工具の長寿命化を目的として、種々の検討がなされている。特開平06-262405号公報(特許文献1)には、基材の表面に、立方晶炭化タングステンを30容量%以上含有する膜厚0.5~100μmの被膜が存在することを特徴とする切削工具用または研磨工具用被覆部品が開示されている。
特開昭54-152281号公報(特許文献2)には、タングステンおよびタングステンカーバイドのうちの1種または2種からなる被覆層を形態した表面被覆工具が開示されている。
本開示の切削工具は、基材と、前記基材上に配置される被膜とを備える切削工具であって、
前記被膜は、金属タングステンと、六方晶炭化二タングステンと、からなる第一層を含み、
前記第一層の弾性変形率は43.0以上58.0以下である。
前記被膜は、金属タングステンと、六方晶炭化二タングステンと、からなる第一層を含み、
前記第一層の弾性変形率は43.0以上58.0以下である。
[本開示が解決しようとする課題]
チタン合金のミリング加工時のように、熱負荷の高い環境下においても、長い工具寿命を有する切削工具が求められている。
チタン合金のミリング加工時のように、熱負荷の高い環境下においても、長い工具寿命を有する切削工具が求められている。
そこで、本開示は、特にチタン合金のミリング加工時のような熱負荷の高い環境下においても、長い工具寿命を有する切削工具を提供することを目的とする。
[本開示の効果]
本開示の切削工具は、特にチタン合金のミリング加工時のような熱負荷の高い環境下においても、長い工具寿命を有することができる。
本開示の切削工具は、特にチタン合金のミリング加工時のような熱負荷の高い環境下においても、長い工具寿命を有することができる。
[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。
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
(1)本開示の切削工具は、基材と、前記基材上に配置される被膜とを備える切削工具であって、
前記被膜は、金属タングステンと、六方晶炭化二タングステンと、からなる第一層を含み、
前記第一層の弾性変形率は43.0以上58.0以下である。
前記被膜は、金属タングステンと、六方晶炭化二タングステンと、からなる第一層を含み、
前記第一層の弾性変形率は43.0以上58.0以下である。
本開示の切削工具は、特にチタン合金のミリング加工時のような熱負荷の高い環境下においても、長い工具寿命を有することができる。
(2)前記第一層の厚さは、0.3μm以上4.0μm以下であることが好ましい。これによると、工具の耐欠損性及び耐摩耗性が向上する。
(3)前記被膜は、前記第一層の上に配置される第二層を更に含み、
前記第二層は、前記第一層とは組成が異なる第一単位層を少なくとも含み、
前記第一単位層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、アルミニウム及び珪素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、又は前記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物からなることが好ましい。
前記第二層は、前記第一層とは組成が異なる第一単位層を少なくとも含み、
前記第一単位層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、アルミニウム及び珪素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、又は前記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物からなることが好ましい。
これによると、工具の耐欠損性及び耐摩耗性が向上する。
(4)前記第二層は、第二単位層を更に含み、
前記第二単位層は、前記第一層及び前記第一単位層とは組成が異なり、
前記第二単位層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、アルミニウム及び珪素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、又は前記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物からなり、
前記第一単位層及び前記第二単位層は、それぞれが交互に1層以上積層された多層構造を形成することが好ましい。
前記第二単位層は、前記第一層及び前記第一単位層とは組成が異なり、
前記第二単位層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、アルミニウム及び珪素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、又は前記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物からなり、
前記第一単位層及び前記第二単位層は、それぞれが交互に1層以上積層された多層構造を形成することが好ましい。
これによると、工具の耐欠損性及び耐摩耗性が向上する。
(5)前記第一単位層の厚さは1nm以上100nm以下であり、前記第二単位層の厚さは1nm以上100nm以下であることが好ましい。これによると、工具の耐欠損性及び耐摩耗性が向上する。
(6)前記被膜は、前記第一層の下に配置される第三層を更に含み、
前記第三層は、前記第一層とは組成が異なる第1A単位層を少なくとも含み、
前記第1A単位層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、アルミニウム及び珪素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、又は前記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物からなることが好ましい。
前記第三層は、前記第一層とは組成が異なる第1A単位層を少なくとも含み、
前記第1A単位層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、アルミニウム及び珪素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、又は前記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物からなることが好ましい。
これによると、工具の耐欠損性及び耐摩耗性が向上する。
(7)前記第三層は、第2A単位層を更に含み、
前記第2A単位層は、前記第一層及び前記第1A単位層とは組成が異なり、
前記第2A単位層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、アルミニウム及び珪素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、又は前記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物からなり、
前記第1A単位層及び前記第2A単位層は、それぞれが交互に1層以上積層された多層構造を形成することが好ましい。
前記第2A単位層は、前記第一層及び前記第1A単位層とは組成が異なり、
前記第2A単位層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、アルミニウム及び珪素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、又は前記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物からなり、
前記第1A単位層及び前記第2A単位層は、それぞれが交互に1層以上積層された多層構造を形成することが好ましい。
これによると、工具の耐欠損性及び耐摩耗性が向上する。
(8)前記第1A単位層の厚さは1nm以上100nm以下であり、前記第2A単位層の厚さは1nm以上100nm以下であることが好ましい。これによると、工具の耐欠損性及び耐摩耗性が向上する。
(9)前記基材は、超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、cBN焼結体及びダイヤモンド焼結体からなる群より選ばれる少なくとも1種を含むことが好ましい。これによると、工具は高温における硬度と強度とに優れる。
[本開示の実施形態の詳細]
本開示の一実施形態(以下、「本実施形態」とも記す。)の切削工具の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。本開示の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、必ずしも実際の寸法関係を表すものではない。
本開示の一実施形態(以下、「本実施形態」とも記す。)の切削工具の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。本開示の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、必ずしも実際の寸法関係を表すものではない。
本明細書において「A~B」という形式の表記は、範囲の上限下限(すなわちA以上B以下)を意味し、Aにおいて単位の記載がなく、Bにおいてのみ単位が記載されている場合、Aの単位とBの単位とは同じである。
本明細書において化合物などを化学式で表す場合、原子比を特に限定しないときは従来公知のあらゆる原子比を含むものとし、必ずしも化学量論的範囲のもののみに限定されるべきではない。たとえば「TiN」と記載されている場合、TiNを構成する原子数の比は、従来公知のあらゆる原子比が含まれる。
[実施形態1:切削工具]
本実施形態の切削工具は、基材と、該基材上に配置される被膜とを備える切削工具であって、
該被膜は、金属タングステンと、六方晶炭化二タングステンと、からなる第一層を含み、
該第一層の弾性変形率は43.0以上58.0以下である。
本実施形態の切削工具は、基材と、該基材上に配置される被膜とを備える切削工具であって、
該被膜は、金属タングステンと、六方晶炭化二タングステンと、からなる第一層を含み、
該第一層の弾性変形率は43.0以上58.0以下である。
本実施形態の切削工具は、特にチタン合金のミリング加工時のような熱負荷の高い環境下においても、長い工具寿命を有することができる。この理由は明らかではないが、第一層が金属タングステンと六方晶炭化二タングステンとを含むことにより、被膜と被削材との拡散反応が抑制されるためと推察される。
本実施形態の切削工具は、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、ミリング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。
図1は、切削工具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、例えば、刃先交換型切削チップとして用いられる。切削工具10は、すくい面1と、逃げ面2と、すくい面1と逃げ面2とが交差する刃先稜線部3とを有する。すなわち、すくい面1と逃げ面2とは、刃先稜線部3を挟んで繋がる面である。刃先稜線部3は、切削工具10の切刃先端部を構成する。このような切削工具10の形状は、切削工具の基材の形状と把握することもできる。すなわち、上記基材は、すくい面と、逃げ面と、すくい面及び逃げ面を繋ぐ刃先稜線部とを有する。
<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を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より選ばれる少なくとも1種を含むことが好ましく、超硬合金、サーメット及びcBN焼結体からなる群より選ばれる少なくとも1種を含むことがより好ましい。
本実施形態の基材は、この種の基材として従来公知のものを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より選ばれる少なくとも1種を含むことが好ましく、超硬合金、サーメット及びcBN焼結体からなる群より選ばれる少なくとも1種を含むことがより好ましい。
なお、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。たとえば、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、サーメット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。
切削工具が、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等)である場合、基材は、チップブレーカーを有するものも、有さないものも含まれる。刃先の稜線部分の形状は、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。
<被膜>
本実施形態に係る「被膜」は、上記基材の少なくとも一部(例えば、切削加工時に被削材と接する部分)を被覆することで、切削工具における耐欠損性、耐摩耗性等の諸特性を向上させる作用を有するものである。上記被膜は、上記基材の全面を被覆してもよい。なお、上記基材の一部が上記被膜で被覆されていなかったり被膜の構成が部分的に異なってい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、上記基材の少なくとも一部(例えば、切削加工時に被削材と接する部分)を被覆することで、切削工具における耐欠損性、耐摩耗性等の諸特性を向上させる作用を有するものである。上記被膜は、上記基材の全面を被覆してもよい。なお、上記基材の一部が上記被膜で被覆されていなかったり被膜の構成が部分的に異なっていても本実施形態の範囲を逸脱するものではない。
上記被膜は、その厚さが0.1μm以上10μm以下であることが好ましく、0.3μm以上10μm以下であることがより好ましく、0.5μm以上10μm以下であることが更に好ましく、1μm以上6μm以下であることが更により好ましく、1.5μm以上4μm以下であることが特に好ましい。上記厚さが0.1μm未満である場合、耐摩耗性が低下する傾向がある。上記厚さが10μmを超えると、例えば、断続加工において被膜と基材との間に大きな応力が加わった際に被膜の剥離又は破壊が高頻度に発生する傾向がある。
本明細書中、被膜の厚さとは、後述する第一層、第二層(第一単位層、第二単位層)及び第三層(第1A単位層、第2A単位層)等の被膜を構成する層それぞれの厚さの総和を意味する。上記被膜の厚さは、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3点を測定し、測定された3点の厚さの平均値をとることで求めることが可能である。後述する第一層、第二層(第一単位層、第二単位層)及び第三層(第1A単位層、第2A単位層)等のそれぞれの厚さ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球面収差補正装置「JEM-2100F(商標)」が挙げられる。
(第一層)
上記被膜は、金属タングステンと、六方晶炭化二タングステンと、からなる第一層を含む。第一層は本実施形態に係る切削工具が奏する効果を損なわない範囲において、不可避不純物を含んでいてもよい。該不可避不純物としては、例えば、鉄(Fe)、カルシウム(Ca)、亜鉛(Zn)、ナトリウム(Na)、フッ素(F)、ニッケル(Ni)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)が挙げられる。該不可避不純物の含有割合は、第一層の全質量に対して0質量%以上0.2質量%以下であることが好ましい。不可避不純物の含有割合は、グロー放電質量分析法により測定される。後述する「第二層」、「第一単位層」、「第二単位層」、「第三層」、「第1A単位層」、「第2A」単位層及び「他の層」の表記についても同様に、本実施形態に係る切削工具が奏する効果を損なわない範囲において、不可避不純物が含まれていてもよい。
上記被膜は、金属タングステンと、六方晶炭化二タングステンと、からなる第一層を含む。第一層は本実施形態に係る切削工具が奏する効果を損なわない範囲において、不可避不純物を含んでいてもよい。該不可避不純物としては、例えば、鉄(Fe)、カルシウム(Ca)、亜鉛(Zn)、ナトリウム(Na)、フッ素(F)、ニッケル(Ni)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)が挙げられる。該不可避不純物の含有割合は、第一層の全質量に対して0質量%以上0.2質量%以下であることが好ましい。不可避不純物の含有割合は、グロー放電質量分析法により測定される。後述する「第二層」、「第一単位層」、「第二単位層」、「第三層」、「第1A単位層」、「第2A」単位層及び「他の層」の表記についても同様に、本実施形態に係る切削工具が奏する効果を損なわない範囲において、不可避不純物が含まれていてもよい。
第一層が金属タングステンと六方晶炭化二タングステン(W2C)とからなることは、測定試料の基材と反対側の表面にX線を照射することにより、上述の第一層の任意の領域に対してX線回折測定(XRD測定)を行い分析することで確認できる。第一層が金属タングステンを含む場合、XRD測定において、金属タングステンの(110)面及び(220)面等の結晶面に由来するピークが観察される。第一層が六方晶炭化二タングステンを有する場合、XRD測定において、六方晶炭化二タングステン(011)面等の結晶面に由来するピークが観測される。具体的には、X線回折パターンにおいて、金属タングステンの(110)面及び六方晶炭化二タングステン(011)面に由来するピークは2θ=39.6~40.1°に観察され、金属タングステンの(220)面に由来するピークは2θ=86.0~86.5°に観察される。
XRD測定において、第一層の金属タングステン及び六方晶炭化二タングステンに由来するピーク以外の、第二層、第三層及び中間層などの他の層や基材に由来するピーク(以下、「他のピーク」とも記す。)が検出される場合がある。この場合は、以下の方法により、第一層に由来するピークを同定する。
第一層よりも被膜の表面側に他の層が存在する場合の測定方法は次の通りである。まず、測定試料の基材と反対側の表面にX線を照射してXRD測定を行い、回折パターンAを得る。次に、上記の測定試料の第一層よりも表面側(X線照射側)の層(他の層)を機械的に除去して第一層を露出させる。露出した第一層の表面にX線を照射してXRD測定を行い、回折パターンBを得る。次に、上記の第一層の露出した測定試料において、第一層を機械的に除去して、基材又は第一層よりも基材側に存在する層を露出させる。露出した基材又は第一層よりも基材側に存在する層の表面にX線を照射してXRD測定を行い、回折パターンCを得る。回折パターンAと回折パターンBと回折パターンCとを比較することにより、第一層に由来するピークを同定する。
第一層が被膜の最も外側に配置され、第一層よりも被膜の表面側に他の層が存在しない場合の測定方法は次の通りである。まず、測定試料の基材と反対側の表面、すなわち第一層の表面にX線を照射してXRD測定を行い、回折パターンBを得る。次に、上記測定試料において、第一層を機械的に除去して、基材又は第一層よりも基材側に存在する層を露出させる。露出した基材又は第一層よりも基材側に存在する層の表面にX線を照射してXRD測定を行い、回折パターンCを得る。回折パターンBと回折パターンCとを比較することにより、第一層に由来するピークを同定する。
なお、第一層の厚みが1μm以上の場合は、第一層が露出した状態で薄膜X線測定を行うことにより、第一層に由来するピークを同定することもできる。
上記X線回折測定に用いる装置としては、たとえば、株式会社リガク製の「SmartLab」(商品名)、パナリティカル製の「X’pert」(商品名)等が挙げられる。
本明細書において、XRD測定の条件は下記の通りである。
(XRD測定条件)
走査軸 :2θ-θ
X線源 :Cu-Kα線(1.541862Å)
検出器 :0次元検出器(シンチレーションカウンタ)
管電圧 :45kV
管電流 :40mA
入射光学系 :ミラーの利用
受光光学系 :アナライザ結晶(PW3098/27)の利用
ステップ :0.03°
積算時間 :2秒
スキャン範囲(2θ) :10°~120°
(XRD測定条件)
走査軸 :2θ-θ
X線源 :Cu-Kα線(1.541862Å)
検出器 :0次元検出器(シンチレーションカウンタ)
管電圧 :45kV
管電流 :40mA
入射光学系 :ミラーの利用
受光光学系 :アナライザ結晶(PW3098/27)の利用
ステップ :0.03°
積算時間 :2秒
スキャン範囲(2θ) :10°~120°
なお、出願人が測定した限りでは、同一の試料において上記の分析をする限りにおいては、測定領域を変更して複数回行っても、分析結果のばらつきはほとんどなく、任意に測定領域を設定しても恣意的にはならないことが確認された。
上記第一層の弾性変形率は43.0以上58.0以下である。第一層の弾性変形率が43.0以上であると、被膜の硬度が高く、切削工具は優れた耐摩耗性を有することができる。第一層の弾性変形率の下限は、43.0以上、44.0以上、45.0以上とすることができる。第一層の弾性変形率が58.0以下であると、切削工具の使用時に、被膜の内部に亀裂が発生しにくく、切削工具は優れた耐欠損性を有することができる。第一層の弾性変形率の上限は、58.0以下、53.0以下、48.5以下とすることができる。第一層の弾性変形率は、44.0以上53.0以下が好ましく、45.0以上48.5以下が更に好ましい。
本明細書において、第一層の弾性変形率はISO14577に準拠して、ナノインデンテーション試験により測定される。具体的にはナノインデンター(Elionix社製「ENT1100a」(商標))を用いて、以下の条件で測定される。
(ナノインデンターの測定条件)
圧子材質:ダイヤモンド
圧子形状:バーコビッチ圧子
試験荷重:20mN
測定点数:10点
圧子材質:ダイヤモンド
圧子形状:バーコビッチ圧子
試験荷重:20mN
測定点数:10点
上記第一層よりも被膜の表面側に他の層が存在する場合は、機械研磨等で該他の層を除去して、上記第一層を露出させてから測定を行う。上記第一層における任意の10点それぞれを測定して弾性変形率を求め、求められた10点の弾性変形率の平均値を第一層における弾性変形率とする。第一層の弾性変形率は、荷重変位曲線からオリバーとパーの理論に基づき算出する。図7は、ナノインデンテーション試験結果に基づき作成される変位荷重曲線の一例を示す座標系である。図7の座標系において、X軸は変位を示し、Y軸は荷重を示す。図7の座標系において、弾性変形仕事(図7においてWelastで示される領域)と、塑性変形仕事(図7においてWplastで示される領域)との和が全変形仕事Wtotalである。すなわち、Wtotal=Welast+Wplastである。弾性変形率ηITは以下の式(1)で示される。
ηIT=(Welast/Wtotal)×100
ηIT=(Welast/Wtotal)×100
なお、出願人が測定した限りでは、同一の試料において上記の測定をする限りにおいては、測定箇所を変更して複数回行っても、測定結果のばらつきはほとんどなく、任意に測定箇所を設定しても恣意的にはならないことが確認された。
図2は、本実施形態の一態様における切削工具の模式断面図である。図2に示すように、上記第一層12は、上記基材11に接していてもよい。言い換えると、上記第一層12は、上記基材11の直上に設けられていてもよい。
上記第一層の厚さの下限は、0.3μm以上が好ましい。これによると、第一層と被削材との拡散反応が抑制される。上記第一層の厚さの下限は、0.3μm以上、0.5μm以上、0.7μm以上が好ましい。上記第一層の厚さの上限は、4.0μm以下が好ましい。これによると、被膜が高い硬度を有し、耐摩耗性が良好である。上記第一層の厚さの上限は、4.0μm以下、2.0μm以下、1.5μm以下が好ましい。上記第一層の厚さは、0.3μm以上4.0μm以下が好ましく、0.5μm以上2.0μm以下が好ましく、0.7μm以上1.5μm以下が好ましい。
(第二層)
上記被膜は、上記第一層の上に配置される第二層を更に含むことが好ましい。ここで「上記第一層の上に配置される第二層」とは、上記第一層の上側(基材と反対側)に第二層が設けられていればよく、互いに接触していることを要しない。言い換えると、上記第一層と、第二層との間に他の層が設けられていてもよい。また、図3に示されるように上記第二層13は、上記第一層12の直上に設けられていてもよい。上記第二層は、最外層(表面層)であってもよい。
上記被膜は、上記第一層の上に配置される第二層を更に含むことが好ましい。ここで「上記第一層の上に配置される第二層」とは、上記第一層の上側(基材と反対側)に第二層が設けられていればよく、互いに接触していることを要しない。言い換えると、上記第一層と、第二層との間に他の層が設けられていてもよい。また、図3に示されるように上記第二層13は、上記第一層12の直上に設けられていてもよい。上記第二層は、最外層(表面層)であってもよい。
上記第二層は、上記第一層とは組成が異なる第一単位層を少なくとも含むことが好ましい。
(第一単位層)
上記第一単位層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、アルミニウム(Al)及び珪素(Si)からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、又は上記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物からなることが好ましい。周期表4族元素としては、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)等が挙げられる。周期表5族元素としては、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)等が挙げられる。周期表6族元素としては、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)等が挙げられる。上記第一単位層は、Cr、Al、Ti及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素又は、上記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物からなることがより好ましい。
上記第一単位層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、アルミニウム(Al)及び珪素(Si)からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、又は上記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物からなることが好ましい。周期表4族元素としては、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)等が挙げられる。周期表5族元素としては、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)等が挙げられる。周期表6族元素としては、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)等が挙げられる。上記第一単位層は、Cr、Al、Ti及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素又は、上記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物からなることがより好ましい。
上記第一単位層を構成する化合物としては、例えば、TiAlN、TiAlSiN、TiCrSiN、TiAlCrSiN、AlCrN、AlCrO、AlCrSiN、TiZrN、TiAlMoN、TiAlNbN、TiSiN、AlCrTaN、AlTiVN、TiB2、TiCrHfN、CrSiWN、TiAlCN、TiSiCN、AlZrON、AlCrCN、AlHfN、CrSiBON、TiAlWN、AlCrMoCN、TiAlBN、TiAlCrSiBCNO、ZrN、ZrCN、CrWCN、AlTiCrN、TiN、TiBN等が挙げられる。
上記第二層が上記第一単位層のみからなる場合(例えば、図3の場合)、上記第一単位層(すなわち、上記第二層)は、その厚さが0.1μm以上10μm以下であることが好ましく、0.5μm以上7μm以下であることがより好ましい。
(第二単位層)
上記第二層は、上記第一単位層に加えて第二単位層を更に含み、該第二単位層は、上記第一層及び上記第一単位層とは組成が異なることが好ましい。
上記第二層は、上記第一単位層に加えて第二単位層を更に含み、該第二単位層は、上記第一層及び上記第一単位層とは組成が異なることが好ましい。
上記第二単位層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、アルミニウム(Al)及び珪素(Si)からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、又は上記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物からなることが好ましい。上記第二単位層は、Cr、Al、Ti及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素又は、上記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物からなることがより好ましい。周期表4族元素、5族元素及び6族元素それぞれの具体例としては、上述した各元素が挙げられる。
上記第二単位層を構成する化合物としては、上記第一単位層で例示した化合物等が挙げられる。
さらに、上記第一単位層及び第二単位層は、それぞれが交互に1層以上積層された多層構造を形成していることが好ましい。すなわち、図4に示されるように、第二層13は、第一単位層131及び第二単位層132からなる多層構造を含むことが好ましい。ここで上記多層構造は、上記第一単位層又は上記第二単位層のいずれの層から積層を開始してもよい。すなわち、上記多層構造における上記第一層側の界面は、上記第一単位層又は上記第二単位層のどちらで構成されていてもよい。また、上記多層構造における上記第一層側と反対側の界面は、上記第一単位層又は上記第二単位層のどちらで構成されていてもよい。
上記第二層が上記多層構造を含む場合、上記第二層は、その厚さが0.1μm以上10μm以下であることが好ましく、0.5μm以上7μm以下であることがより好ましい。
上記第二層が上記多層構造を含む場合、上記第一単位層は、その厚さが1nm以上100nm以下であることが好ましく、2nm以上25nm以下であることがより好ましい。さらに上記第二単位層は、その厚さが1nm以上100nm以下であることが好ましく、2nm以上25nm以下であることがより好ましい。本実施形態の一態様において、上記第二層が上記多層構造を含む場合、上記第一単位層の厚さは1nm以上100nm以下であり、且つ上記第二単位層の厚さは1nm以上100nm以下であることが好ましい。ここで、「第一単位層の厚さ」とは、上記第一単位層の1層あたりの厚さを意味する。「第二単位層の厚さ」とは、上記第二単位層の1層あたりの厚さを意味する。
また、当該多層構造の積層数は、上記第二層全体の厚さが上記範囲内となる限り、上記第一単位層、上記第二単位層をそれぞれ1層ずつ積層させる態様が含まれるとともに、好ましくは両層をそれぞれ20~2500層ずつ積層させたものとすることができる。
(第三層)
上記被膜は、上記第一層の下に配置される第三層を更に含むことが好ましい。ここで「上記第一層の下に配置される第三層」とは、上記第一層の下側(基材側)に第三層が設けられていればよく、互いに接触していることを要しない。言い換えると、上記第一層と、第三層との間に他の層が設けられていてもよい。また、図5に示されるように、上記第三層14は、上記第一層12の直下に設けられていてもよい。
上記被膜は、上記第一層の下に配置される第三層を更に含むことが好ましい。ここで「上記第一層の下に配置される第三層」とは、上記第一層の下側(基材側)に第三層が設けられていればよく、互いに接触していることを要しない。言い換えると、上記第一層と、第三層との間に他の層が設けられていてもよい。また、図5に示されるように、上記第三層14は、上記第一層12の直下に設けられていてもよい。
上記第三層は、上記第一層とは組成が異なる第1A単位層を少なくとも含むことが好ましい。
(第1A単位層)
上記第1A単位層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、アルミニウム(Al)及び珪素(Si)からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、又は上記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物からなることが好ましい。周期表4族元素としては、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)等が挙げられる。周期表5族元素としては、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)等が挙げられる。周期表6族元素としては、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)等が挙げられる。上記第一単位層は、Cr、Al、Ti及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素又は、上記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物からなることがより好ましい。
上記第1A単位層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、アルミニウム(Al)及び珪素(Si)からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、又は上記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物からなることが好ましい。周期表4族元素としては、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)等が挙げられる。周期表5族元素としては、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)等が挙げられる。周期表6族元素としては、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)等が挙げられる。上記第一単位層は、Cr、Al、Ti及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素又は、上記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物からなることがより好ましい。
上記第1A単位層を構成する化合物としては、例えば、TiAlN、TiAlSiN、TiCrSiN、TiAlCrSiN、AlCrN、AlCrO、AlCrSiN、TiZrN、TiAlMoN、TiAlNbN、TiSiN、AlCrTaN、AlTiVN、TiB2、TiCrHfN、CrSiWN、TiAlCN、TiSiCN、AlZrON、AlCrCN、AlHfN、CrSiBON、TiAlWN、AlCrMoCN、TiAlBN、TiAlCrSiBCNO、ZrN、ZrCN、CrWCN、AlTiCrN、TiN、TiBN等が挙げられる。
上記第三層が上記第1A単位層のみからなる場合、上記第1A単位層(すなわち、上記第三層)は、その厚さが0.1μm以上10μm以下であることが好ましく、0.5μm以上7μm以下であることがより好ましい。
(第2A単位層)
上記第三層は、上記第1A単位層に加えて第2A単位層を更に含み、該第2A単位層は、上記第一層及び上記第1A単位層とは組成が異なることが好ましい。
上記第三層は、上記第1A単位層に加えて第2A単位層を更に含み、該第2A単位層は、上記第一層及び上記第1A単位層とは組成が異なることが好ましい。
上記第2A単位層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、アルミニウム(Al)及び珪素(Si)からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、又は上記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物からなることが好ましい。上記第二単位層は、Cr、Al、Ti及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素又は、上記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物からなることがより好ましい。周期表4族元素、5族元素及び6族元素それぞれの具体例としては、上述した各元素が挙げられる。
上記第2A単位層を構成する化合物としては、上記第1A単位層で例示した化合物等が挙げられる。
さらに、上記第1A単位層及び上記第2A単位層は、それぞれが交互に1層以上積層された多層構造を形成していることが好ましい。すなわち、図6に示されるように、第三層14は、第1A単位層141及び第2A単位層142からなる多層構造を含むことが好ましい。ここで上記多層構造は、上記第1A単位層又は上記第2A単位層のいずれの層から積層を開始してもよい。すなわち、上記多層構造における上記第一層と反対側(すなわち、基材側)の界面は、上記第1A単位層又は上記第2A単位層のどちらで構成されていてもよい。また、上記多層構造における上記第一層側の界面は、上記第1A単位層又は上記第2A単位層のどちらで構成されていてもよい。
上記第三層が上記多層構造を含む場合、上記第三層は、その厚さが0.1μm以上10μm以下であることが好ましく、0.5μm以上7μm以下であることがより好ましい。
上記第三層が上記多層構造を含む場合、上記第1A単位層は、その厚さが1nm以上100nm以下であることが好ましく、2nm以上25nm以下であることがより好ましい。さらに上記第2A単位層は、その厚さが1nm以上100nm以下であることが好ましく、2nm以上25nm以下であることがより好ましい。本実施形態の一態様において、上記第三層が上記多層構造を含む場合、上記第1A単位層の厚さは1nm以上100nm以下であり、且つ上記第2A単位層の厚さは1nm以上100nm以下であることが好ましい。ここで、「第1A単位層の厚さ」とは、上記第1A単位層の1層あたりの厚さを意味する。「第2A単位層の厚さ」とは、上記第2A単位層の1層あたりの厚さを意味する。
また、当該多層構造の積層数は、上記第三層全体の厚さが上記範囲内となる限り、上記第1A単位層、上記第2A単位層をそれぞれ1層ずつ積層させる態様が含まれるとともに、好ましくは両層をそれぞれ20~2500層ずつ積層させたものとすることができる。
(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。上記他の層は、上記第一層及び上記第二層とは組成が異なっていてもよいし、同じであってもよい。他の層としては、例えば、TiN層、TiWCN層等を挙げることができる。なお、その積層の順も特に限定されない。例えば、上記他の層としては、上記第一層と上記第二層との間に設けられている中間層、工具の最表面に設けられている表面層等が挙げられる。上記他の層の厚さは、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。上記他の層は、上記第一層及び上記第二層とは組成が異なっていてもよいし、同じであってもよい。他の層としては、例えば、TiN層、TiWCN層等を挙げることができる。なお、その積層の順も特に限定されない。例えば、上記他の層としては、上記第一層と上記第二層との間に設けられている中間層、工具の最表面に設けられている表面層等が挙げられる。上記他の層の厚さは、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。
[実施形態2:切削工具の製造方法]
実施形態1の切削工具の製造方法について以下に説明する。なお、以下の製造方法は一例であり、実施形態1の切削工具は、他の方法で作製されたものでもよい。本実施形態に係る切削工具の製造方法は、基材準備工程と、第一層被覆工程とを含む。以下、各工程について説明する。
実施形態1の切削工具の製造方法について以下に説明する。なお、以下の製造方法は一例であり、実施形態1の切削工具は、他の方法で作製されたものでもよい。本実施形態に係る切削工具の製造方法は、基材準備工程と、第一層被覆工程とを含む。以下、各工程について説明する。
<基材準備工程>
基材準備工程では、上記基材を準備する。上記基材としては、上述したようにこの種の基材として従来公知のものであればいずれの基材も使用することができる。例えば、上記基材が超硬合金からなる場合、まず所定の配合組成(質量%)からなる原料粉末を市販のアトライターを用いて均一に混合する。続いてこの混合粉末を所定の形状(例えば、SEET13T3AGSN、CNMG120408等)に加圧成形する。その後、所定の焼結炉において1300~1500℃以下で、上述の加圧成形した混合粉末を1~2時間焼結することにより、超硬合金からなる上記基材を得ることができる。また、基材は、市販品をそのまま用いてもよい。
基材準備工程では、上記基材を準備する。上記基材としては、上述したようにこの種の基材として従来公知のものであればいずれの基材も使用することができる。例えば、上記基材が超硬合金からなる場合、まず所定の配合組成(質量%)からなる原料粉末を市販のアトライターを用いて均一に混合する。続いてこの混合粉末を所定の形状(例えば、SEET13T3AGSN、CNMG120408等)に加圧成形する。その後、所定の焼結炉において1300~1500℃以下で、上述の加圧成形した混合粉末を1~2時間焼結することにより、超硬合金からなる上記基材を得ることができる。また、基材は、市販品をそのまま用いてもよい。
<第一層被覆工程>
第一層被覆工程では、上記基材の表面の少なくとも一部を第一層で被覆する。ここで、「基材の表面の少なくとも一部」には、切削加工時に被削材と接する部分が含まれる。
第一層被覆工程では、上記基材の表面の少なくとも一部を第一層で被覆する。ここで、「基材の表面の少なくとも一部」には、切削加工時に被削材と接する部分が含まれる。
上記基材の少なくとも一部を第一層で被覆する方法としては、例えば、物理蒸着法(PVD法)が挙げられる。
物理蒸着法としては、例えばスパッタリング法、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、電子イオンビーム蒸着法等を挙げることができる。特に原料元素のイオン率が高いカソードアークイオンプレーティング法又はスパッタリング法を用いると、被膜を形成する前に基材表面に対して金属又はガスイオンボンバードメント処理が可能となるため、被膜と基材との密着性が格段に向上するので好ましい。
アークイオンプレーティング法により第一層を形成する場合、例えば以下のような条件を挙げることができる。まずWCターゲット(例えば、組成がWCを93質量%以上含むバインダレスWCであって、C量が3~6.1質量%である焼結ターゲット)を装置内の対向する2機のアーク式蒸発源にセットする。基板(基材)温度を400~550℃及び該装置内のガス圧を1.0~4.0Paに設定する。
上記ガスとしては、アルゴンガスのみ又は炭化水素系ガスであるメタンガスとアルゴンガスとの混合ガスを導入する。ここで、炭化水素系ガスとしては例えばアセチレンガス、メタンガス等が挙げられる。
基板(負)バイアス電圧を10~150V且つDC又はパルスDC(周波数20~350kHz)に維持したまま、カソード電極に80~150Aのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源から金属イオン等を発生させることにより第一層を形成することができる。成膜中にタングステンフィラメントも放電する(エミッション電流10A以上25A未満)。これにより、プラズマ中のイオンを増加させることができる。アークイオンプレーティング法に用いる装置としては、例えば、株式会社神戸製鋼所製のAIP(商品名)が挙げられる。
上記の条件で第一層を形成することにより、第一層は金属タングステンと、六方晶炭化二タングステンと、からなり、第一層の弾性変形率は43.0以上58.0以下となる。上記の条件は本発明者らが試行錯誤の結果、新たに見出したものである。
<第二層被覆工程>
本実施形態に係る切削工具の製造方法は、上記第一層被覆工程の後に第二層被覆工程を更に含むことが好ましい。第二層の形成方法は、特に制限なく、従来の方法を用いることが可能である。具体的には、例えば、上述したPVD法によって第二層を形成することが挙げられる。
本実施形態に係る切削工具の製造方法は、上記第一層被覆工程の後に第二層被覆工程を更に含むことが好ましい。第二層の形成方法は、特に制限なく、従来の方法を用いることが可能である。具体的には、例えば、上述したPVD法によって第二層を形成することが挙げられる。
<第三層被覆工程>
本実施形態に係る切削工具の製造方法は、上記第一層被覆工程の前に第三層被覆工程を更に含むことが好ましい。第三層の形成方法は、特に制限なく、従来の方法を用いることが可能である。具体的には、例えば、上述したPVD法によって第三層を形成することが挙げられる。
本実施形態に係る切削工具の製造方法は、上記第一層被覆工程の前に第三層被覆工程を更に含むことが好ましい。第三層の形成方法は、特に制限なく、従来の方法を用いることが可能である。具体的には、例えば、上述したPVD法によって第三層を形成することが挙げられる。
<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、上記第一層と上記第二層との間に中間層を形成する中間層被覆工程、被膜の最表面に表面層を形成する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。上述の中間層及び表面層等の他の層を形成する場合、従来の方法によって他の層を形成してもよい。具体的には、例えば、上述したPVD法によって上記他の層を形成することが挙げられる。表面処理をする工程としては、例えば、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、上記第一層と上記第二層との間に中間層を形成する中間層被覆工程、被膜の最表面に表面層を形成する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。上述の中間層及び表面層等の他の層を形成する場合、従来の方法によって他の層を形成してもよい。具体的には、例えば、上述したPVD法によって上記他の層を形成することが挙げられる。表面処理をする工程としては、例えば、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≫
[試料1~試料27、試料1-3、試料1-4]
<基材準備工程>
まず、基材準備工程として、JIS規格K10超硬(形状:JIS規格RCMT1204)を基材として準備した。次に、上記基材をアークイオンプレーティング装置(株式会社神戸製鋼所製、商品名:AIP)の所定の位置にセットした。
[試料1~試料27、試料1-3、試料1-4]
<基材準備工程>
まず、基材準備工程として、JIS規格K10超硬(形状:JIS規格RCMT1204)を基材として準備した。次に、上記基材をアークイオンプレーティング装置(株式会社神戸製鋼所製、商品名:AIP)の所定の位置にセットした。
<第一層被覆工程>
第一層被覆工程として、アークイオンプレーティング法により上記基材の上に第一層を形成した。具体的には以下の方法で行った。まずWCターゲット(組成がWCを93質量%以上含むバインダレスWCであって、C量が3~6.1質量%である焼結ターゲット)を装置内の対向する2機のアーク式蒸発源にセットした。基板(基材)温度を400~550℃及び該装置内のガス圧を1.0~4.0Paに設定した。
第一層被覆工程として、アークイオンプレーティング法により上記基材の上に第一層を形成した。具体的には以下の方法で行った。まずWCターゲット(組成がWCを93質量%以上含むバインダレスWCであって、C量が3~6.1質量%である焼結ターゲット)を装置内の対向する2機のアーク式蒸発源にセットした。基板(基材)温度を400~550℃及び該装置内のガス圧を1.0~4.0Paに設定した。
上記ガスとしては、アルゴンガスのみ又は炭化水素系ガスであるメタンガスとアルゴンガスとの混合ガスを導入した。
試料1~試料27では、基板(負)バイアス電圧を10~150V且つDC又はパルスDC(周波数20~350kHz)に維持したまま、カソード電極に80~150Aのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源から金属イオン等を発生させることにより第一層を形成した。成膜中にタングステンフィラメントも放電した(エミッション電流10A以上25A未満)。
試料1-3及び試料1-4では、基板(負)バイアス電圧を160V且つDC又はパルスDC(周波数20~350kHz)に維持したまま、カソード電極に80~150Aのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源から金属イオン等を発生させることにより第一層を形成した。成膜中にタングステンフィラメントも放電した(エミッション電流5~9.5A)。
<第三層被覆工程>
基材と第一層との間に第三層を設けた試料(試料18~試料23)については、第一層被覆工程を行う前に以下の手順にて、基材の上に第三層を形成した。まず表1及び表2に記載の第三層の組成の欄における金属組成を含むターゲット(焼結ターゲット又は溶成ターゲット)をアークイオンプレーティング装置のアーク式蒸発源にセットした。次に、基材温度を400~650℃及び該装置内のガス圧を0.8~5Paに設定した。反応ガスとしては、窒化物の第三層の場合は窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガスを導入した。炭窒化物の第三層の場合は、反応ガスとしては窒素ガスとメタンガスとアルゴンガスとの混合ガスを導入した。その後、カソード電極に80~150Aのアーク電流を供給した。アーク電流の供給でアーク式蒸発源から金属イオン等を発生させることによって、表1及び表2に記載の厚さまで第三層を形成した。なお、多層構造の第三層を形成する場合(試料21)は、表1において左側に記載されているものから順に、第1A単位層、第2A単位層として目的の厚さになるまで繰り返して積層して第三層を形成した。
基材と第一層との間に第三層を設けた試料(試料18~試料23)については、第一層被覆工程を行う前に以下の手順にて、基材の上に第三層を形成した。まず表1及び表2に記載の第三層の組成の欄における金属組成を含むターゲット(焼結ターゲット又は溶成ターゲット)をアークイオンプレーティング装置のアーク式蒸発源にセットした。次に、基材温度を400~650℃及び該装置内のガス圧を0.8~5Paに設定した。反応ガスとしては、窒化物の第三層の場合は窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガスを導入した。炭窒化物の第三層の場合は、反応ガスとしては窒素ガスとメタンガスとアルゴンガスとの混合ガスを導入した。その後、カソード電極に80~150Aのアーク電流を供給した。アーク電流の供給でアーク式蒸発源から金属イオン等を発生させることによって、表1及び表2に記載の厚さまで第三層を形成した。なお、多層構造の第三層を形成する場合(試料21)は、表1において左側に記載されているものから順に、第1A単位層、第2A単位層として目的の厚さになるまで繰り返して積層して第三層を形成した。
<第二層被覆工程>
また、第一層の上に第二層を設けた試料(試料22、試料23)については、第一層被覆工程を行った後に以下の手順にて、第一層の上に第二層を形成し、本実施形態に係る切削工具を作製した。
また、第一層の上に第二層を設けた試料(試料22、試料23)については、第一層被覆工程を行った後に以下の手順にて、第一層の上に第二層を形成し、本実施形態に係る切削工具を作製した。
試料22では、HiPIMS法により第二層であるTiB2層を作製した。まず、TiB2ターゲットをアークイオンプレーティング装置とHiPIMS装置との複合装置のHiPIMS蒸発源にセットした。次に、チャンバ内を真空にし、不活性ガス(Ar)を導入した。次に基材に対し、バイアス電源を介してバイアス電圧を印加するとともに、ターゲットに対し、HiPIMS電源を介してパルス電力を供給することにより、HiPIMS装置に対して成膜動作を開始させた。成膜条件は以下のとおりである。
(成膜条件)
ターゲット :TiB2
Ar圧 :0.4Pa
平均電力 :5kW
出力周波数 :800Hz
Duty比 :5%
バイアス電圧 :50V
基材温度 :450℃
ターゲット :TiB2
Ar圧 :0.4Pa
平均電力 :5kW
出力周波数 :800Hz
Duty比 :5%
バイアス電圧 :50V
基材温度 :450℃
これにより、チャンバ内にプラズマが発生し、且つTiB2ターゲットにイオンが衝突することにより、TiB2ターゲットからTi原子、Bi原子、Tiイオン、Biイオンが放出され、基材上に表1の記載の厚さのTiB2層が形成された。
試料23では、まず表2に記載の第二層の組成の欄における金属組成を含むターゲット(焼結ターゲット又は溶成ターゲット)をアークイオンプレーティング装置のアーク式蒸発源にセットした。次に、基材温度を500~650℃及び該装置内のガス圧を0.8~5.0Paに設定した。反応ガスとしては、窒化物の第二層の場合は窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガスを導入した。その後、カソード電極に80~150Aのアーク電流を供給した。アーク電流の供給でアーク式蒸発源から金属イオン等を発生させることによって、表2において左側に記載されているものから順に第一単位層、第二単位層として目的の厚さになるまで繰り返して積層し第二層を形成した。
[試料1-1]
<基材準備工程>
基材準備工程として、上記の試料1と同一の基材を準備し、該基材をアークイオンプレーティング装置(株式会社神戸製鋼所製、商品名:AIP)の所定の位置にセットした。
<基材準備工程>
基材準備工程として、上記の試料1と同一の基材を準備し、該基材をアークイオンプレーティング装置(株式会社神戸製鋼所製、商品名:AIP)の所定の位置にセットした。
<第一層被覆工程>
第一層被覆工程として、アークイオンプレーティング法により上記基材の上に第一層を形成した。具体的には以下の方法で行った。まずWCターゲット(組成がWCを93質量%以上含むバインダレスWCであって、C量が3~6.1質量%である焼結ターゲット)を装置内の対向する2機のアーク式蒸発源にセットした。基板(基材)温度を400~550℃及び該装置内のガス圧を0.3~1.5Paに設定した。上記ガスとしては、アルゴンガスのみを導入した。
第一層被覆工程として、アークイオンプレーティング法により上記基材の上に第一層を形成した。具体的には以下の方法で行った。まずWCターゲット(組成がWCを93質量%以上含むバインダレスWCであって、C量が3~6.1質量%である焼結ターゲット)を装置内の対向する2機のアーク式蒸発源にセットした。基板(基材)温度を400~550℃及び該装置内のガス圧を0.3~1.5Paに設定した。上記ガスとしては、アルゴンガスのみを導入した。
基板(負)バイアス電圧を40V且つDCに維持したまま、カソード電極に130Aのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源から金属イオン等を発生させることにより第一層を形成した。
[試料1-2]
<基材準備工程>
基材準備工程として、上記の試料1と同一の基材を準備し、該基材をアークイオンプレーティング装置(株式会社神戸製鋼所製、商品名:AIP)の所定の位置にセットした。
<基材準備工程>
基材準備工程として、上記の試料1と同一の基材を準備し、該基材をアークイオンプレーティング装置(株式会社神戸製鋼所製、商品名:AIP)の所定の位置にセットした。
<第一層被覆工程>
第一層被覆工程として、アークイオンプレーティング法により上記基材の上に第一層を形成した。具体的には以下の方法で行った。まずWCターゲット(例えば、組成がWCを93質量%以上含むバインダレスWCであって、C量が3~6.1質量%である焼結ターゲット)を装置内の対向する2機のアーク式蒸発源にセットした。基板(基材)温度を400~550℃及び該装置内のガス圧を0.3~1.5Paに設定した。
第一層被覆工程として、アークイオンプレーティング法により上記基材の上に第一層を形成した。具体的には以下の方法で行った。まずWCターゲット(例えば、組成がWCを93質量%以上含むバインダレスWCであって、C量が3~6.1質量%である焼結ターゲット)を装置内の対向する2機のアーク式蒸発源にセットした。基板(基材)温度を400~550℃及び該装置内のガス圧を0.3~1.5Paに設定した。
上記ガスとしては、炭化水素系ガスであるメタンガスと、アルゴンガスとの混合ガスを導入した。
基板(負)バイアス電圧を20V且つDCに維持したまま、カソード電極に120Aのパルスアーク電流(周波数0.25Hz)を供給し、アーク式蒸発源から金属イオン等を発生させることにより第一層を形成した。
[試料1-5]
<基材準備工程>
基材準備工程として、上記の試料1と同一の基材を準備し、該基材をアークイオンプレーティング装置(株式会社神戸製鋼所製、商品名:AIP)の所定の位置にセットした。
<基材準備工程>
基材準備工程として、上記の試料1と同一の基材を準備し、該基材をアークイオンプレーティング装置(株式会社神戸製鋼所製、商品名:AIP)の所定の位置にセットした。
<第一層被覆工程>
第一層被覆工程として、アークイオンプレーティング法により上記基材の上に第一層を形成した。具体的には以下の方法で行った。まずWCターゲット(例えば、組成がWCであって、C量が3~6.1質量%である焼結ターゲット)を装置内の対向する2機のアーク式蒸発源にセットした。基板(基材)温度を450℃及び該装置内のガス圧を1.0~1.5Paに設定した。
第一層被覆工程として、アークイオンプレーティング法により上記基材の上に第一層を形成した。具体的には以下の方法で行った。まずWCターゲット(例えば、組成がWCであって、C量が3~6.1質量%である焼結ターゲット)を装置内の対向する2機のアーク式蒸発源にセットした。基板(基材)温度を450℃及び該装置内のガス圧を1.0~1.5Paに設定した。
上記ガスとしては、アルゴンガスのみを導入した。
基板(負)バイアス電圧を30VパルスDC(周波数30kHzと200kHzを交互に印加)とし、カソード電極に150Aのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源から金属イオン等を発生させることにより第一層を形成した。
≪切削工具の特性評価≫
上述のようにして作製した試料(試料1~試料27、試料1-1~試料1-5)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。
上述のようにして作製した試料(試料1~試料27、試料1-1~試料1-5)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。
(第一層の組成)
各試料の基材と反対側の表面にX線を照射することにより、第一層に対してXRD測定を行い、第一層の組成及び結晶構造を特定した。なお、第二層及び/又は第三層が形成されている場合は、これらの層を機械的に除去してから測定した。具体的な測定方法は、実施形態1に記載されているため、その説明は繰り返さない。
各試料の基材と反対側の表面にX線を照射することにより、第一層に対してXRD測定を行い、第一層の組成及び結晶構造を特定した。なお、第二層及び/又は第三層が形成されている場合は、これらの層を機械的に除去してから測定した。具体的な測定方法は、実施形態1に記載されているため、その説明は繰り返さない。
結果を表1及び表2の「第一層」の「組成」欄に示す。「組成」欄において、「W+hW2C」とは、第一層が金属タングステンと、六方晶炭化二タングステンとからなることを示し、「W」とは、第一層が金属タングステンからなることを示し、「W+cWC+hW2C」とは、第一層が金属タングステンと、立方晶炭化タングステンと、六方晶炭化二タングステンとからなることを示、「hW2C」とは、第一層が六方晶炭化二タングステンからなることを示す。
(弾性変形率)
各試料の表面をダイヤモンドペーパー又はダイヤモンドペーストで研磨して第一層を露出させて、該第一層の弾性変形率を測定した。具体的な測定方法は、実施形態1に記載されているため、その説明は繰り返さない。結果を表1及び表2に示す。
各試料の表面をダイヤモンドペーパー又はダイヤモンドペーストで研磨して第一層を露出させて、該第一層の弾性変形率を測定した。具体的な測定方法は、実施形態1に記載されているため、その説明は繰り返さない。結果を表1及び表2に示す。
(各層の厚さ)
第一層、第三層、第二層(第一単位層、第二単位層)及び被膜の厚さは、以下のようにして求めた。まず透過型電子顕微鏡(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3点を測定した。その後、測定された3点の厚さの平均値をとることで求めた。結果を表1及び表2の各層の「厚さ」欄に示す。
第一層、第三層、第二層(第一単位層、第二単位層)及び被膜の厚さは、以下のようにして求めた。まず透過型電子顕微鏡(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3点を測定した。その後、測定された3点の厚さの平均値をとることで求めた。結果を表1及び表2の各層の「厚さ」欄に示す。
表1及び表2中、「第三層」及び「第二層」における「-」との表記は、該当する層が被膜中に存在しないことを示す。「第三層」における「TiAlBN(8nm)/TiAlCrN(14nm)」の表記は、第三層が厚さ8nmのTiAlBN層と厚さ14nmのTiAlCrN層とを上下交互に積層した多層構造(合計厚み2.0μm)により形成されていることを示している。「第二層」における「TiN(10nm)/TiBN(2nm)」の表記は、第二層が厚さ10nmのTiN層(第一単位層)と厚さ2nmのTiBN層(第二単位層)とを上下交互に積層した多層構造(合計厚み1.5μm)により形成されていることを示している。
≪切削試験≫
上述のようにして作製した各切削工具を用いて、以下の切削条件により切削工具が欠損するまでの切削時間(工具寿命)を測定した。その結果を表2の「切削試験」の「工具寿命」欄に示す。
上述のようにして作製した各切削工具を用いて、以下の切削条件により切削工具が欠損するまでの切削時間(工具寿命)を測定した。その結果を表2の「切削試験」の「工具寿命」欄に示す。
(切削条件)
被削材(材質):Ti-6Al-4V
速度 :V50m/min
送り :0.1mm/刃
切り込み :ad10mm、ae10mm
上記の切削条件は、チタン合金のミリング加工に該当し、加工時に切削工具に高い熱負荷がかかる。
被削材(材質):Ti-6Al-4V
速度 :V50m/min
送り :0.1mm/刃
切り込み :ad10mm、ae10mm
上記の切削条件は、チタン合金のミリング加工に該当し、加工時に切削工具に高い熱負荷がかかる。
試料1~試料27の切削工具は実施例に該当し、試料1-1~試料1-5の切削工具は比較例に該当する。上記切削試験の結果から、試料1~試料27の切削工具は、試料1-1~試料1-5の切削工具に比べて、耐欠損性に優れており、工具寿命が長いことが分かった。このことから、試料1~試料27の切削工具は、加工時の熱負荷の高い環境下の用途に向いていることが示唆された。
以上のように本発明の実施形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施形態およ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およ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およ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。
1 すくい面、2 逃げ面、3 刃先稜線部、10 切削工具、11 基材、12 第一層、13 第二層、131 第一単位層、132 第二単位層、14 第三層、141 第1A単位層、142 第2A単位層
Claims (9)
- 基材と、前記基材上に配置される被膜とを備える切削工具であって、
前記被膜は、金属タングステンと、六方晶炭化二タングステンと、からなる第一層を含み、
前記第一層の弾性変形率は43.0以上58.0以下である、切削工具。 - 前記第一層の厚さは、0.3μm以上4.0μm以下である、請求項1に記載の切削工具。
- 前記被膜は、前記第一層の上に配置される第二層を更に含み、
前記第二層は、前記第一層とは組成が異なる第一単位層を少なくとも含み、
前記第一単位層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、アルミニウム及び珪素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、又は前記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物からなる、請求項1又は請求項2に記載の切削工具。 - 前記第二層は、第二単位層を更に含み、
前記第二単位層は、前記第一層及び前記第一単位層とは組成が異なり、
前記第二単位層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、アルミニウム及び珪素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、又は前記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物からなり、
前記第一単位層及び前記第二単位層は、それぞれが交互に1層以上積層された多層構造を形成する、請求項3に記載の切削工具。 - 前記第一単位層の厚さは1nm以上100nm以下であり、前記第二単位層の厚さは1nm以上100nm以下である、請求項4に記載の切削工具。
- 前記被膜は、前記第一層の下に配置される第三層を更に含み、
前記第三層は、前記第一層とは組成が異なる第1A単位層を少なくとも含み、
前記第1A単位層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、アルミニウム及び珪素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、又は前記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物からなる、請求項1に記載の切削工具。 - 前記第三層は、第2A単位層を更に含み、
前記第2A単位層は、前記第一層及び前記第1A単位層とは組成が異なり、
前記第2A単位層は、周期表4族元素、5族元素、6族元素、アルミニウム及び珪素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素、又は前記元素の少なくとも1種と、炭素、窒素、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素とからなる化合物からなり、
前記第1A単位層及び前記第2A単位層は、それぞれが交互に1層以上積層された多層構造を形成する、請求項6に記載の切削工具。 - 前記第1A単位層の厚さは1nm以上100nm以下であり、前記第2A単位層の厚さは1nm以上100nm以下である、請求項7に記載の切削工具。
- 前記基材は、超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、cBN焼結体及びダイヤモンド焼結体からなる群より選ばれる少なくとも1種を含む、請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の切削工具。
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