JP2022171411A - Cutting tool - Google Patents

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Abstract

To provide a cutting tool having excellent abrasion resistance and defect resistance.SOLUTION: A cutting tool includes: a base material 10; and a coat 11 disposed on the base material 10. The coat 11 includes a hard particle layer. The hard particle layer is formed of multiple hard particles including titanium, silicon, carbon, and nitrogen. In the hard particle, a concentration of the silicon cyclically changes along a first direction set in the hard particle. An orientation of the hard particle layer is (420) orientation. An average cycle width of the concentration of the silicon ranges 3 nm to 50 nm.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本開示は、切削工具に関する。 The present disclosure relates to cutting tools.

従来、切削工具の耐摩耗性を向上させるために、基材上にTiSiCN膜が形成された切削工具が開発されている。 Conventionally, a cutting tool having a TiSiCN film formed on a substrate has been developed in order to improve the wear resistance of the cutting tool.

特許文献1には、熱CVD法により製造されたTiC1-xのナノ結晶層及び非晶質SiCの第二の相を含むナノ複合被膜が開示されている。 US Pat. No. 5,300,001 discloses a nanocomposite coating comprising a nanocrystalline layer of TiC x N 1-x and a second phase of amorphous SiC x N y produced by thermal CVD.

非特許文献1には、PVD法により形成されたナノコンポジット構造からなるTiSiCN被膜が開示されている。 Non-Patent Document 1 discloses a TiSiCN film having a nanocomposite structure formed by the PVD method.

特表2015-505902号公報Japanese Patent Application Publication No. 2015-505902

Shinya Imamura et al.,“Properties and cutting performance of AlTiCrN/TiSiCN bilayer coatings deposited by cathodic-arc ion plating”,Surface and Coatings Technology,202,(2007),820-825Shinya Imamura et al. , "Properties and cutting performance of AlTiCrN/TiSiCN bilayer coatings deposited by cathodic-arc ion plating", Surface and Coatings Technology, 202, (2007), 820-825

近年、製造コスト低減の要求が益々高まり、長い工具寿命を有する切削工具が求められている。 In recent years, there has been an increasing demand for reducing manufacturing costs, and cutting tools with a long tool life are being demanded.

そこで、本開示は、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。 Accordingly, an object of the present disclosure is to provide a cutting tool having a long tool life.

本開示の切削工具は、基材と、前記基材上に配置された被膜と、を備える切削工具であって、
前記被膜は、硬質粒子層を含み、
前記硬質粒子層は、チタン、珪素、炭素及び窒素を含む複数の硬質粒子からなり、
前記硬質粒子において、前記硬質粒子内に設定される第1方向に沿って、前記珪素の濃度が周期的に変化し、
前記硬質粒子層の配向は、(420)配向である、切削工具である。
A cutting tool of the present disclosure comprises a substrate and a coating disposed on the substrate,
The coating comprises a hard particle layer,
The hard particle layer consists of a plurality of hard particles containing titanium, silicon, carbon and nitrogen,
In the hard particles, the concentration of the silicon periodically changes along a first direction set in the hard particles,
The orientation of the hard particle layer is the (420) orientation of the cutting tool.

本開示によれば、長い工具寿命を有する切削工具を提供することが可能となる。 According to the present disclosure, it is possible to provide a cutting tool with long tool life.

図1は、実施形態1に係る切削工具の断面の一例を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a cross section of a cutting tool according to Embodiment 1. FIG. 図2は、実施形態1に係る切削工具の断面の他の一例を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing another example of the cross section of the cutting tool according to Embodiment 1. FIG. 図3は、実施形態1に係る切削工具の断面の他の一例を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing another example of the cross section of the cutting tool according to Embodiment 1. FIG. 図4は、実施形態1に係る切削工具の断面の他の一例を示す模式図である。4 is a schematic diagram showing another example of the cross section of the cutting tool according to Embodiment 1. FIG. 図5は、実施形態1に係る切削工具の硬質相粒子層の断面の明視野透過電子顕微鏡(BF-STEM)像(観察倍率:10万倍)の一例を模式的に示す図である。5 is a diagram schematically showing an example of a bright-field transmission electron microscope (BF-STEM) image (observation magnification: 100,000 times) of a cross section of the hard phase particle layer of the cutting tool according to Embodiment 1. FIG. 図6は、実施形態1に係る切削工具の硬質相粒子層の断面の明視野透過電子顕微鏡(BF-STEM)像(観察倍率:200万倍)の一例を模式的に示す図である。6 is a diagram schematically showing an example of a bright-field transmission electron microscope (BF-STEM) image (observation magnification: 2,000,000 times) of a cross section of the hard phase particle layer of the cutting tool according to Embodiment 1. FIG. 図7は、実施形態1に係る切削工具の硬質粒子についてライン分析を行った結果を示すグラフの一例である。7 is an example of a graph showing the results of line analysis of hard particles of the cutting tool according to Embodiment 1. FIG. 図8は、実施形態2に係る切削工具の製造に用いられるCVD装置の一例の模式的な断面図である。FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of an example of a CVD apparatus used for manufacturing a cutting tool according to Embodiment 2. FIG.

[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)本開示の切削工具は、基材と、前記基材上に配置された被膜と、を備える切削工具であって、
前記被膜は、硬質粒子層を含み、
前記硬質粒子層は、チタン、珪素、炭素及び窒素を含む複数の硬質粒子からなり、
前記硬質粒子において、前記硬質粒子内に設定される第1方向に沿って、前記珪素の濃度が周期的に変化し、
前記硬質粒子層の配向は、(420)配向である、切削工具である。
[Description of Embodiments of the Present Disclosure]
First, the embodiments of the present disclosure are listed and described.
(1) A cutting tool of the present disclosure comprises a substrate and a coating disposed on the substrate,
The coating comprises a hard particle layer,
The hard particle layer consists of a plurality of hard particles containing titanium, silicon, carbon and nitrogen,
In the hard particles, the concentration of the silicon periodically changes along a first direction set in the hard particles,
The orientation of the hard particle layer is the (420) orientation of the cutting tool.

本開示によれば、切削工具は長い工具寿命を有することができる。 According to the present disclosure, cutting tools can have a long tool life.

(2)前記硬質粒子において、前記チタンの原子数ATiと、前記珪素の原子数ASiとの合計に対する、前記珪素の原子数ASiの百分率{ASi/(ASi+ATi)}×100の平均は、1%以上20%以下であることが好ましい。 (2) In the hard particles, the percentage of the number of silicon atoms A Si to the sum of the number of titanium atoms A Ti and the number of silicon atoms A Si {A Si /(A Si +A Ti )}× The average of 100 is preferably 1% or more and 20% or less.

これによると、切削工具の工具寿命が更に向上する。 According to this, the tool life of the cutting tool is further improved.

(3)前記珪素の濃度の平均周期幅は、3nm以上50nm以下であることが好ましい。これによると、切削工具の工具寿命が更に向上する。 (3) It is preferable that the average period width of the concentration of silicon is 3 nm or more and 50 nm or less. According to this, the tool life of the cutting tool is further improved.

(4)前記硬質粒子層の厚さは、1μm以上20μm以下であることが好ましい。これによると、切削工具の工具寿命が更に向上する。 (4) The thickness of the hard particle layer is preferably 1 μm or more and 20 μm or less. According to this, the tool life of the cutting tool is further improved.

(5)前記基材は、炭化タングステンとコバルトとを含む超硬合金からなり、
前記超硬合金中の前記コバルトの含有率は、6質量%以上11質量%以下であることが好ましい。
(5) the substrate is made of a cemented carbide containing tungsten carbide and cobalt;
The content of cobalt in the cemented carbide is preferably 6% by mass or more and 11% by mass or less.

これによると、切削工具の工具寿命が更に向上する。 According to this, the tool life of the cutting tool is further improved.

[本開示の実施形態の詳細]
本開示の切削工具の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。本開示の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、必ずしも実際の寸法関係を表すものではない。
[Details of the embodiment of the present disclosure]
A specific example of the cutting tool of the present disclosure will be described below with reference to the drawings. In the drawings of this disclosure, the same reference numerals represent the same or equivalent parts. Also, dimensional relationships such as length, width, thickness, and depth are appropriately changed for clarity and simplification of the drawings, and do not necessarily represent actual dimensional relationships.

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。 In this specification, the notation of the form "A to B" means the upper and lower limits of the range (that is, from A to B). and the unit of B are the same.

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「TiSiCN」と記載されている場合、TiSiCN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。 In the present specification, when a compound or the like is represented by a chemical formula, when the atomic ratio is not particularly limited, it includes any conventionally known atomic ratio, and should not necessarily be limited only to the stoichiometric range. For example, when "TiSiCN" is described, the ratio of the number of atoms constituting TiSiCN includes all conventionally known atomic ratios.

[実施形態1:切削工具]
本開示の一実施形態(以下、「本実施形態」とも記す。)の切削工具は、基材と、該基材上に配置された被膜と、を備える切削工具であって、
該被膜は、硬質粒子層を含み、
該硬質粒子層は、チタン、珪素、炭素及び窒素を含む複数の硬質粒子からなり、
該硬質粒子において、該硬質粒子内に設定される第1方向に沿って、該珪素の濃度が周期的に変化し、
該硬質粒子層の配向は、(420)配向である、切削工具である。
[Embodiment 1: Cutting tool]
A cutting tool of one embodiment of the present disclosure (hereinafter also referred to as "this embodiment") is a cutting tool comprising a base material and a coating disposed on the base material,
The coating comprises a hard particle layer,
The hard particle layer consists of a plurality of hard particles containing titanium, silicon, carbon and nitrogen,
In the hard particles, the silicon concentration varies periodically along a first direction set in the hard particles,
The orientation of the hard particle layer is a (420) orientation cutting tool.

本実施形態の切削工具は、長い工具寿命を有することができる。この理由は、以下(i)~(iii)の通りと推察される。 The cutting tool of this embodiment can have a long tool life. The reason for this is presumed to be as follows (i) to (iii).

(i)本実施形態の切削工具において、被膜は、チタン、珪素、炭素及び窒素を含む複数の硬質粒子からなる硬質粒子層を含む。チタン、珪素、炭素及び窒素を含む硬質粒子は硬度が高い。よって、該硬質粒子からなる硬質粒子層は硬度が高く、優れた耐摩耗性を有する。 (i) In the cutting tool of the present embodiment, the coating contains a hard particle layer composed of a plurality of hard particles containing titanium, silicon, carbon and nitrogen. Hard particles containing titanium, silicon, carbon and nitrogen have high hardness. Therefore, the hard particle layer made of the hard particles has high hardness and excellent wear resistance.

(ii)本実施形態の切削工具の硬質粒子において、該硬質粒子内に設定される第1方向に沿って、珪素の濃度が周期的に変化する。これによると、硬質粒子内に歪みが生じ、硬質粒子及び硬質粒子層の硬度が高くなり、切削工具の耐摩耗性が向上する。また、硬質粒子内の組成変化により、クラックの伝播が抑制され、切削工具の耐欠損性が向上する。 (ii) In the hard particles of the cutting tool of the present embodiment, the concentration of silicon periodically changes along the first direction set in the hard particles. According to this, strain occurs in the hard particles, the hardness of the hard particles and the hard particle layer increases, and the wear resistance of the cutting tool improves. In addition, the composition change in the hard particles suppresses the propagation of cracks and improves the chipping resistance of the cutting tool.

(iii)本実施形態の切削工具において、硬質粒子層の配向は、(420)配向である。硬質粒子層の配向が(420)配向であると、双晶密度が高いため該硬質粒子層の硬度が向上する。該硬質粒子層を含む切削工具は、特に工具鋼切削において、優れた耐摩耗性を示す。これは、本発明者等が新たに見出した知見である。 (iii) In the cutting tool of the present embodiment, the orientation of the hard particle layer is (420) orientation. When the orientation of the hard particle layer is the (420) orientation, the hardness of the hard particle layer is improved due to the high twin crystal density. Cutting tools containing the hard particle layer exhibit excellent wear resistance, especially in tool steel cutting. This is a finding newly discovered by the inventors of the present invention.

<切削工具の構成>
図1に示されるように、本実施形態の切削工具1は、基材10と、該基材10上に配置された被膜14とを備える。図1では、該被膜14は、硬質粒子層11のみから構成される。被膜14は、基材の切削に関与する部分の少なくとも一部を被覆することが好ましく、基材の全面を被覆することが更に好ましい。基材の切削に関与する部分とは、基材表面において、刃先稜線からの距離が500μm以内の領域を意味する。基材の一部がこの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、本開示の範囲を逸脱するものではない。
<Configuration of cutting tool>
As shown in FIG. 1 , the cutting tool 1 of this embodiment includes a substrate 10 and a coating 14 placed on the substrate 10 . In FIG. 1, the coating 14 consists of the hard particle layer 11 only. The coating 14 preferably covers at least a portion of the substrate involved in cutting, and more preferably covers the entire surface of the substrate. The portion involved in cutting of the substrate means a region within 500 μm from the ridgeline of the cutting edge on the surface of the substrate. It would not depart from the scope of the present disclosure if portions of the substrate were not coated with this coating or if the composition of the coating varied.

被膜は、硬質粒子層に加えて、他の層を含むことができる。例えば、図2の切削工具21に示されるように、被膜24は、硬質粒子層11に加えて、基材10と硬質粒子層11との間に配置される下地層12を更に含むことができる。 The coating can include other layers in addition to the hard particle layer. For example, as shown in cutting tool 21 in FIG. 2 , coating 24 can further include underlayer 12 disposed between substrate 10 and hard-particle layer 11 in addition to hard-particle layer 11 . .

図3の切削工具31に示されるように、被膜34は、硬質粒子層11及び下地層12に加えて、硬質粒子層11上に配置される最外層13を含むことができる。 As shown in cutting tool 31 of FIG. 3 , coating 34 may include hard particle layer 11 and underlayer 12 as well as outermost layer 13 disposed on hard particle layer 11 .

図4の切削工具41に示されるように、被膜45は、硬質粒子層11、第1下地層12A及び第2下地層12Bの2層構造からなる下地層12、並びに最外層13を含むことができる。 As shown in the cutting tool 41 of FIG. 4, the coating 45 may include the hard particle layer 11, the base layer 12 having a two-layer structure of the first base layer 12A and the second base layer 12B, and the outermost layer 13. can.

<切削工具の種類>
本開示の切削工具は、例えば、ドリル、エンドミル(例えば、ボールエンドミル)、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。
<Types of cutting tools>
Cutting tools of the present disclosure include, for example, drills, end mills (e.g., ball end mills), indexable cutting inserts for drills, indexable cutting inserts for end mills, indexable cutting inserts for milling, indexable cutting inserts for turning. It can be a cutting tip, metal saw, gear cutting tool, reamer, tap, or the like.

<基材>
基材10は、すくい面と逃げ面とを含み、この種の基材として従来公知のものであればいずれも使用することができる。例えば、超硬合金(例えば、炭化タングステンとコバルトとを含むWC基超硬合金、該超硬合金はTi、Ta、Nbなどの炭窒化物を含むことができる)、サーメット(TiC、TiN、TiCNなどを主成分とするもの)、高速度鋼、セラミックス(炭化チタン、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど)、立方晶型窒化ホウ素焼結体またはダイヤモンド焼結体のいずれかであることが好ましい。
<Base material>
The substrate 10 includes a rake face and a flank, and any conventionally known substrate of this type can be used. For example, cemented carbide (for example, WC-based cemented carbide containing tungsten carbide and cobalt, the cemented carbide may contain carbonitrides such as Ti, Ta, Nb), cermet (TiC, TiN, TiCN etc.), high speed steel, ceramics (titanium carbide, silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride, aluminum oxide, etc.), cubic boron nitride sintered body or diamond sintered body is preferred.

これらの各種基材の中でも、炭化タングステンとコバルトとを含む超硬合金からなり、該超硬合金中のコバルトの含有率は、6質量%以上11質量%以下である基材が好ましい。これによると、高温における硬度と強度のバランスに優れ、上記用途の切削工具の基材として優れた特性を有している。基材としてWC基超硬合金を用いる場合、その組織中に遊離炭素、ならびにη相またはε相と呼ばれる異常層などを含んでいてもよい。 Among these various substrates, a substrate made of a cemented carbide containing tungsten carbide and cobalt and having a cobalt content in the cemented carbide of 6% by mass or more and 11% by mass or less is preferable. According to this, it has an excellent balance of hardness and strength at high temperatures, and has excellent properties as a base material for cutting tools for the above applications. When a WC-based cemented carbide is used as the substrate, its structure may contain free carbon, an abnormal layer called η phase or ε phase, and the like.

さらに基材は、その表面が改質されていてもよい。例えば超硬合金の場合、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表面硬化層が形成されていてもよい。基材は、その表面が改質されていても所望の効果が示される。 Further, the substrate may have a modified surface. For example, in the case of cemented carbide, a β-free layer may be formed on the surface, and in the case of cermet, a hardened surface layer may be formed. The substrate exhibits the desired effect even if its surface has been modified.

切削工具が刃先交換型切削チップなどである場合、基材は、チップブレーカーを有しても、有さなくてもよい。刃先稜線部の形状は、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もの)、ネガランド(面取りをしたもの)、又は、ホーニングとネガランドを組み合わせたもの等、いずれも採用できる。 If the cutting tool is an indexable cutting tip or the like, the substrate may or may not have a chip breaker. The shape of the cutting edge ridgeline is sharp edge (the ridge where the rake face and the flank face intersect), honing (sharp edge with radius), negative land (chamfering), or a combination of honing and negative land. Any of them, such as a combination thereof, can be adopted.

<被膜の構成>
本実施形態の被膜は、硬質粒子層を含む。本実施形態の被膜は、硬質粒子層を含む限り、他の層を含んでいてもよい。他の層としては、例えば、下地層及び最外層が挙げられる。硬質粒子層、下地層及び最外層の詳細については後述する。
<Structure of coating>
The coating of this embodiment includes a hard particle layer. The coating of this embodiment may contain other layers as long as it contains the hard particle layer. Other layers include, for example, an underlying layer and an outermost layer. The details of the hard particle layer, underlayer and outermost layer will be described later.

本実施形態の被膜全体の厚さは、1μm以上30μm以下が好ましい。被膜全体の厚さが1μm以上であると、優れた耐摩耗性を有することができる。一方、被膜全体の厚さが30μm以下であると、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の被膜の剥離または破壊の発生を抑制することができる。 The thickness of the entire coating of the present embodiment is preferably 1 μm or more and 30 μm or less. When the thickness of the entire coating is 1 μm or more, excellent abrasion resistance can be obtained. On the other hand, when the thickness of the entire coating is 30 μm or less, it is possible to suppress the occurrence of peeling or breakage of the coating when a large stress is applied between the coating and the substrate during intermittent machining.

上記被膜の厚さは、例えば基材の表面の法線方向に平行な断面サンプルを得て、このサンプルを走査透過型電子顕微鏡(STEM:Scanning Transmission Electron Microscopy)で観察することにより測定される。走査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(商標)が挙げられる。測定条件は加速電圧200kV及び電流量0.3nAとする。 The thickness of the coating is measured, for example, by obtaining a cross-sectional sample parallel to the normal direction of the surface of the substrate and observing this sample with a scanning transmission electron microscope (STEM). Scanning transmission electron microscopes include JEM-2100F (trademark) manufactured by JEOL Ltd., for example. The measurement conditions are an acceleration voltage of 200 kV and a current of 0.3 nA.

本明細書において「厚さ」といった場合、その厚さは平均厚さを意味する。具体的には、断面サンプルの観察倍率を1000倍とし、電子顕微鏡像中に(基材表面に平行な方向100μm)×(被膜の厚さ全体を含む距離)の矩形の測定視野を設定し、該視野において10箇所の厚み幅を測定し、その平均値を「厚さ」とする。下記に記載される各層の厚さ(平均厚さ)についても、同様に測定し、算出される。 As used herein, the term "thickness" means an average thickness. Specifically, the observation magnification of the cross-sectional sample is 1000 times, and a rectangular measurement field of (100 μm in the direction parallel to the substrate surface) × (distance including the entire thickness of the coating) is set in the electron microscope image, Ten thickness widths are measured in the field of view, and the average value is defined as "thickness". The thickness (average thickness) of each layer described below is similarly measured and calculated.

同一の試料において測定する限りにおいては、測定視野の選択個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、任意に測定視野を設定しても恣意的にはならないことが確認されている。 As long as the measurement is performed on the same sample, there is almost no variation in the measurement results even if the measurement field of view is changed and the measurement is performed multiple times. It is

<硬質粒子層>
硬質粒子層は、チタン(Ti)、珪素(Si)、炭素(C)及び窒素(N)を含む複数の硬質粒子からなる。該硬質粒子としては、チタン、珪素、炭素及び窒素からなるTiSiCN粒子が挙げられる。TiSiCN粒子は、チタン、珪素、炭素及び窒素以外に、本開示の効果に影響を与えない限り、不可避不純物を含むことができる。不可避不純物として、たとえば、アモルファス相、金属間化合物(例えばTiSi、CoSi等)を含んでいたとしても、本開示の効果を発揮する限りにおいて本開示の範囲を逸脱するものではない。
<Hard particle layer>
The hard particle layer consists of a plurality of hard particles including titanium (Ti), silicon (Si), carbon (C) and nitrogen (N). The hard particles include TiSiCN particles composed of titanium, silicon, carbon and nitrogen. TiSiCN particles can contain unavoidable impurities other than titanium, silicon, carbon and nitrogen as long as they do not affect the effects of the present disclosure. Even if the inevitable impurities include, for example, amorphous phases and intermetallic compounds (eg, TiSi 2 , Co 2 Si, etc.), they do not deviate from the scope of the present disclosure as long as the effects of the present disclosure are exhibited.

(硬質粒子)
上記硬質粒子において、該硬質粒子内に設定される第1方向に沿って、珪素の濃度が周期的に変化する。本明細書において、第1方向は、以下(A1)~(A4)の方法で特定される方向と定義される。
(hard particles)
In the hard particles, the concentration of silicon varies periodically along the first direction set in the hard particles. In this specification, the first direction is defined as a direction specified by methods (A1) to (A4) below.

(A1)基材のすくい面の法線に沿って切削工具をダイヤモンドワイヤーで切り出し、硬質粒子層の断面を露出させる。このとき、測定サンプルはイオンスライサーなどを用いて加工した薄片サンプルを作成する。 (A1) A cutting tool is cut out with a diamond wire along the normal line of the rake face of the substrate to expose the cross section of the hard particle layer. At this time, the sample to be measured is prepared as a slice sample processed using an ion slicer or the like.

(A2)加工された薄片サンプルを、明視野透過電子顕微鏡(BF-STEM)を用いて10万倍で観察し、1つの硬質粒子を特定する。図5は、本実施形態の硬質粒子層のBF-STEM像(観察倍率:10万倍)の一例を模式的に示す図である。次に、特定された1つの硬質粒子を、200万倍で観察し、BF-STEM像を得る。図6は、図5中に特定された1つの硬質粒子のBF-STEM像(観察倍率:200万倍)の一例を模式的に示す図である。 (A2) Observe the processed flake sample with a bright-field transmission electron microscope (BF-STEM) at a magnification of 100,000 to identify one hard particle. FIG. 5 is a diagram schematically showing an example of a BF-STEM image (observation magnification: 100,000 times) of the hard particle layer of this embodiment. Next, one identified hard particle is observed at a magnification of 2,000,000 times to obtain a BF-STEM image. FIG. 6 is a diagram schematically showing an example of a BF-STEM image (observation magnification: 2,000,000 times) of one hard particle identified in FIG.

(A3)上記BF-STEM像(観察倍率:200万倍)の中で、黒色で示される層(以下、「第1単位層」とも記す。)と、灰色で示される層(以下、「第2単位層」とも記す。)とが交互に略平行に積層している領域(以下、「積層領域」とも記す。)を特定する。黒色で示される第1単位層は、珪素の含有量の多い領域であり、灰色で示される第2単位層は珪素の含有量の少ない領域である。 (A3) In the BF-STEM image (observation magnification: 2,000,000 times), the layer shown in black (hereinafter also referred to as “first unit layer”) and the layer shown in gray (hereinafter, “second unit layer”) A region (hereinafter, also referred to as a “laminated region”) in which two unit layers” are alternately laminated substantially in parallel is specified. The first unit layer shown in black is a region with a high silicon content, and the second unit layer shown in gray is a region with a low silicon content.

(A4)上記で特定された積層領域において、第1単位層(黒色で示される層)と第2単位層(灰色で示される層)との積層方向を特定する。具体的には、制限視野領域の電子線回折パターンと、第1単位層と第2単位層の積層方位を重ね合わせ、回折スポットが示す方位を用いて積層方位を特定する。図6において、第1単位層と第2単位層の積層方向は、丸印Sから丸印Eへの矢印で示される。本明細書において、該積層方向が第1方向と定義される。 (A4) Identify the stacking direction of the first unit layer (black layer) and the second unit layer (gray layer) in the stacking region specified above. Specifically, the stacking orientation of the first unit layer and the second unit layer is superimposed on the electron beam diffraction pattern of the selected visual field region, and the stacking orientation is specified using the orientation indicated by the diffraction spots. In FIG. 6, the lamination direction of the first unit layer and the second unit layer is indicated by an arrow from a circle S to a circle E. As shown in FIG. In this specification, the stacking direction is defined as the first direction.

上記より、本明細書において、第1方向とは、硬質粒子内の積層方向に沿う方向とも定義することができる。 From the above, in this specification, the first direction can also be defined as a direction along the stacking direction in the hard particles.

本実施形態の硬質粒子層において、上記の第1方向に沿う線は、基材と被膜との界面に対して45°以上90°以下の所定の角度で交差する。 In the hard particle layer of the present embodiment, the line along the first direction intersects the interface between the substrate and the coating at a predetermined angle of 45° or more and 90° or less.

本明細書において、硬質粒子において、硬質粒子内に設定される第1方向に沿って、珪素の濃度が周期的に変化することは、以下の方法で確認される。
(B1)上記のBF-STEM像(観察倍率:200万倍)において、第1方向に沿って、SEM付帯のEDX(エネルギー分散型X線分光法:Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)によりライン分析を行い、チタンの原子数基準の含有率ATi及び珪素の原子数基準の含有率ATiを測定する。ライン分析のビーム径は0.5nm以下とし、スキャン間隔は0.5nmとし、ライン分析の長さは50nmとする。
In the present specification, it is confirmed by the following method that the concentration of silicon in the hard particles periodically changes along the first direction set in the hard particles.
(B1) In the above BF-STEM image (observation magnification: 2,000,000 times), line analysis is performed along the first direction by EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) attached to the SEM. Then, the content A Ti of titanium based on the number of atoms and the content A Ti of silicon based on the number of atoms are measured. The beam diameter for line analysis is 0.5 nm or less, the scan interval is 0.5 nm, and the length of line analysis is 50 nm.

(B2)ライン分析結果を、X軸をライン分析の開始点から第1方向に沿う距離(nm)とし、Y軸を珪素の原子数ASiと、チタンの原子数ATiとの合計に対する、珪素の原子数ASiの百分率({ASi/(ASi+ATi)}×100)(%)とする座標系に示したグラフを得る。該グラフは、ライン分析の開始点から第1方向に沿う距離(X軸)の増加に伴う、珪素の原子数ASiとチタンの原子数ATiとの合計に対する珪素の原子数ASiの百分率(Y軸)の変化を示す。 (B2) For the line analysis result, the X axis is the distance (nm) along the first direction from the starting point of the line analysis, and the Y axis is the number of silicon atoms A Si and the number of titanium atoms A Ti . A graph shown in a coordinate system of the percentage of silicon atoms A Si ({A Si /(A Si +A Ti )}×100) (%) is obtained. The graph shows the percentage of the number of silicon atoms A Si to the sum of the number of silicon atoms A Si and the number of titanium atoms A Ti as the distance along the first direction (X-axis) increases from the starting point of the line analysis. (Y-axis) changes.

図6のBF-STEM像の丸印Sから丸印Eへの矢印に対してライン分析を行い、その結果から得られたグラフを図7に示す。図7において、X軸はライン分析の開始点から第1方向に沿う距離(nm)を示し、Y軸は珪素の原子数ASiと、チタンの原子数ATiとの合計に対する、珪素の原子数ASiの百分率({ASi/(ASi+ATi)}×100)(%)を示す。 Line analysis was performed on the arrow from circle mark S to circle mark E in the BF-STEM image of FIG. 6, and a graph obtained from the result is shown in FIG. In FIG. 7, the X-axis indicates the distance (nm) along the first direction from the starting point of the line analysis, and the Y-axis indicates the total number of silicon atoms A Si and titanium atoms A Ti . The percentage of the number A Si ({A Si /(A Si +A Ti )}×100) (%) is shown.

(B3)上記のグラフに{ASi/(ASi+ATi)}×100の平均値を示す線L1を引く。図7において、{ASi/(ASi+ATi)}×100の平均値e1を示す線は線L1で示される。 (B3) A line L1 indicating the average value of {A Si /(A Si +A Ti )}×100 is drawn on the above graph. In FIG. 7, the line L1 indicates the average value e1 of {A Si /(A Si +A Ti )}×100.

(B4)上記のグラフにおいて、線L1よりも{ASi/(ASi+ATi)}×100の値が大きい領域(以下、「第1A領域」とも記す。)と、線L1よりも{ASi/(ASi+ATi)}×100の値が小さい領域(以下、「第1B領域」とも記す。)とが、第1方向に沿って、交互に連続的に存在する場合、硬質粒子において、硬質粒子内に設定される第1方向に沿って、珪素の濃度が周期的に変化すると判定される。ここで、{ASi/(ASi+ATi)}×100がその平均値と同一である領域は、第1A領域とする。 (B4) In the above graph, the region where the value of {A Si /(A Si +A Ti )} × 100 is larger than the line L1 (hereinafter also referred to as “first A region”) and the {A Si / (A Si + A Ti )} × 100 If the regions with a small value (hereinafter also referred to as "first B region") are alternately present along the first direction, in the hard particles , along a first direction set in the hard particles, the concentration of silicon is determined to vary periodically. Here, the region where {A Si /(A Si +A Ti )}×100 is the same as the average value is defined as the first A region.

図7において、第1A領域は、例えば、ライン分析の開始点から第1方向に沿う距離がc1以上c2以下、c3以上c4以下、c5以上c6以下、c7以上c8以下、c9以上c10以下、c11以上c12以下の領域である(c13より大きい距離は記載を省略)。図7において、第2A領域は、例えば、ライン分析の開始点から第1方向に沿う距離がc2超c3未満、c4超c5未満、c6超c7未満、c8超c9未満、c10超c11未満、c12超c13未満の領域である。 In FIG. 7 , the first A region is, for example, c1 or more and c2 or less, c3 or more and c4 or less, c5 or more and c6 or less, c7 or more and c8 or less, c9 or more and c10 or less, or c11 along the first direction from the start point of the line analysis. It is an area of c12 or less (distance greater than c13 is omitted). In FIG. 7, the 2A region is, for example, the distance along the first direction from the start point of the line analysis is more than c2 and less than c3, more than c4 and less than c5, more than c6 and less than c7, more than c8 and less than c9, more than c10 and less than c11, c12 It is the area of super-c13 and below.

各第1A領域において、ライン分析の開始点に最も近い地点から、ライン分析の開始点からの距離の増加に伴い、{ASi/(ASi+ATi)}×100の値が平均値から該第1A領域内の最大値まで増加し、その後、平均値まで減少することが好ましい。 In each 1st A region, from the point closest to the starting point of the line analysis, the value of {A Si / (A Si +A Ti )} × 100 increases from the average value as the distance from the starting point of the line analysis increases. It is preferred to increase to a maximum value within the first A region and then decrease to an average value.

第1A領域における上記の増加とは、単調増加に限られず、増加の途中で、{ASi/(ASi+ATi)}×100の値の平均値と該第1A領域内の最大値との差の50%以内の減少が存在していてもよい。また、第1A領域における上記の減少とは、単調減少に限られず、減少の途中で、{ASi/(ASi+ATi)}×100の値の平均値と該第1A領域内の最大値との差の50%以内の増加が存在していてもよい。 The above-mentioned increase in the 1st A region is not limited to a monotonous increase, and in the middle of the increase, the average value of the values of {A Si /(A Si +A Ti )}×100 and the maximum value in the 1st A region There may be a reduction of up to 50% of the difference. In addition, the above-mentioned decrease in the first A region is not limited to a monotonous decrease, and during the decrease, the average value of the values of {A Si /(A Si +A Ti )}×100 and the maximum value in the first A region There may be an increase of up to 50% of the difference from

各第1B領域において、ライン分析の開始点に最も近い地点から、ライン分析の開始点からの距離の増加に伴い、{ASi/(ASi+ATi)}×100の値が平均値から該第1B領域内の最小値まで減少し、その後、平均値まで増加することが好ましい。 In each 1B region, from the point closest to the starting point of the line analysis, the value of {A Si / (A Si +A Ti )} × 100 increases from the average value as the distance from the starting point of the line analysis increases. Preferably, it decreases to a minimum value within the 1B region and then increases to an average value.

第1B領域における上記の減少とは、単調減少に限られず、減少の途中で、{ASi/(ASi+ATi)}×100の値の平均値と該第1B領域内の最小値との差の50%以内の増加が存在していてもよい。また、第1B領域における上記の増加とは、単調増加に限られず、増加の途中で、{ASi/(ASi+ATi)}×100の値の平均値と該第1B領域内の最小値との差の50%以内の減少が存在していてもよい。 The above decrease in the 1B region is not limited to a monotonous decrease, and in the middle of the decrease, the average value of the values of {A Si /(A Si +A Ti )}×100 and the minimum value in the 1B region There may be an increase of up to 50% of the difference. In addition, the above- mentioned increase in the 1B region is not limited to a monotonous increase. There may be a reduction of up to 50% of the difference between

例えば、図7において、ライン分析の開始点から第1方向に沿う距離がc1以上c2以下の第1A領域では、P1における{ASi/(ASi+ATi)}×100の値a1が第1A領域内の最大値である。該第1A領域では、ライン分析の開始点から第1方向に沿う距離のc1からc2への増加に伴って、{ASi/(ASi+ATi)}×100の値が、平均値e1から最大値a1まで増加し、その後、最大値a1から平均値e1まで減少する。図7において、ライン分析の開始点から第1方向に沿う距離がc2超c3未満の第1B領域では、B1における{ASi/(ASi+ATi)}×100の値b1が第1B領域内の最小値である。該第1B領域では、ライン分析の開始点から第1方向に沿う距離のc2からc3への増加に伴って、{ASi/(ASi+ATi)}×100の値は、平均値e1から最小値b1まで減少し、その後、最小値b1から平均値e1まで増加する。 For example, in FIG. 7, in the first A region where the distance along the first direction from the starting point of the line analysis is c1 or more and c2 or less, the value a1 of {A Si /(A Si +A Ti )}×100 at P1 is the first A Maximum value in the region. In the first A region, the value of {A Si /(A Si +A Ti )}×100 increases from the average e1 to It increases to the maximum value a1 and then decreases from the maximum value a1 to the average value e1. In FIG. 7, in the 1B region where the distance along the first direction from the starting point of the line analysis is more than c2 and less than c3, the value b1 of {A Si / (A Si +A Ti )} × 100 in B1 is within the 1B region is the minimum value of In the 1B region, the value of {A Si /(A Si +A Ti )}×100 increases from the average value e1 to It decreases to the minimum value b1 and then increases from the minimum value b1 to the average value e1.

上記の方法により、硬質粒子において、硬質粒子内に設定される第1方向に沿って、珪素の濃度が周期的に変化することが確認される限り、本開示の効果が示されることが確認されている。 As long as it is confirmed by the above method that the concentration of silicon in the hard particles periodically changes along the first direction set in the hard particles, it is confirmed that the effects of the present disclosure are exhibited. ing.

({ASi/(ASi+ATi)}×100)
本実施形態の硬質粒子において、チタンの原子数ATiと、珪素の原子数ASiとの合計に対する、珪素の原子数ASiの百分率{ASi/(ASi+ATi)}×100の平均は、1%以上20%以下であることが好ましい。
これによると、切削工具の耐摩耗性と耐欠損性が更に向上し、工具寿命が更に向上する。
({A Si /(A Si +A Ti )}×100)
In the hard particles of the present embodiment, the average of the percentage {A Si /(A Si +A Ti )}×100 of the number of silicon atoms A Si with respect to the sum of the number of titanium atoms A Ti and the number A Si of silicon atoms is preferably 1% or more and 20% or less.
According to this, the wear resistance and chipping resistance of the cutting tool are further improved, and the tool life is further improved.

上記{ASi/(ASi+ATi)}×100は、膜硬度及び靱性向上の観点から、1%以上10%以下がより好ましく、1%以上5%以下が更に好ましい。 The above {A Si /(A Si +A Ti )}×100 is more preferably 1% or more and 10% or less, still more preferably 1% or more and 5% or less, from the viewpoint of improving film hardness and toughness.

本明細書において、硬質粒子における上記{ASi/(ASi+ATi)}×100の平均とは、硬質粒子中のライン分析を行った領域における{ASi/(ASi+ATi)}×100の値の平均を意味する。 In this specification, the average of {A Si /(A Si +A Ti )}×100 in the hard particles means {A Si /(A Si +A Ti )}× mean of 100 values.

硬質粒子における{ASi/(ASi+ATi)}×100の最大値は、膜硬度及び靱性向上の観点から、1.5%以上40%以下が好ましく、1.5%以上20%以下がより好ましく、1.5%以上10%以下がより好ましい。本明細書において、「硬質粒子における{ASi/(ASi+ATi)}×100の値の最大値」は、以下の方法で算出される値である。まず、硬質粒子中のライン分析を行った領域に存在する各第1A領域において、各第1A領域内における{ASi/(ASi+ATi)}×100の最大値を測定する。各第1A領域における該最大値の平均が「硬質粒子における{ASi/(ASi+ATi)}×100の値の最大値」に該当する。なお、硬質粒子における{ASi/(ASi+ATi)}×100の最小値は、前記の最大値の算出方法において、最大値を最小値に替えることにより算出することができる。 The maximum value of {A Si /(A Si +A Ti )}×100 in the hard particles is preferably 1.5% or more and 40% or less, and 1.5% or more and 20% or less, from the viewpoint of improving film hardness and toughness. More preferably 1.5% or more and 10% or less. In the present specification, the "maximum value of {A Si /(A Si +A Ti )}×100 in hard particles" is a value calculated by the following method. First, the maximum value of {A Si /(A Si +A Ti )}×100 is measured in each first A region existing in the region where the line analysis was performed in the hard particles. The average of the maximum values in each first A region corresponds to the "maximum value of {A Si /(A Si +A Ti )}×100 in hard particles". The minimum value of {A Si /(A Si +A Ti )}×100 in the hard particles can be calculated by replacing the maximum value with the minimum value in the method for calculating the maximum value.

{ASi/(ASi+ATi)}×100の最大値と最小値との差は、膜硬度及び靱性向上の観点から、1%以上38%以下が好ましく、1%以上20%以下がより好ましく、1%以上8%以下がより好ましい。 The difference between the maximum value and the minimum value of {A Si /(A Si +A Ti )}×100 is preferably 1% or more and 38% or less, more preferably 1% or more and 20% or less, from the viewpoint of improving film hardness and toughness. It is preferably 1% or more and 8% or less.

同一の試料において測定する限りにおいては、硬質粒子中のライン分析の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ている。 As long as the same sample is measured, there is almost no variation in the measurement results even if the line analysis of hard particles is performed multiple times by changing the measurement point, and even if the measurement point is set arbitrarily, it will not be arbitrarily. It has been confirmed that it will not.

(珪素の濃度の平均周期幅)
本実施形態の硬質粒子内に設定される第1方向における珪素の濃度の平均周期幅は、3nm以上50nm以下が好ましい。これによると、耐摩耗性及び耐欠損性が向上し、工具寿命が向上する。珪素の濃度の周期幅の下限は、耐欠損性向上の観点から、3nm以上が好ましく、4nm以上がより好ましく、5nm以上が更に好ましい。珪素の濃度の周期幅の上限は、耐摩耗性向上の観点から50nm以下が好ましく、30nm以下がより好ましく、10nm以下が更に好ましい。珪素の濃度の周期幅は、4nm以上30nm以下がより好ましく、5nm以上10nm以下が更に好ましい。
(Average cycle width of silicon concentration)
The average period width of the concentration of silicon in the first direction set in the hard particles of the present embodiment is preferably 3 nm or more and 50 nm or less. According to this, the wear resistance and chipping resistance are improved, and the tool life is improved. The lower limit of the period width of the silicon concentration is preferably 3 nm or more, more preferably 4 nm or more, and even more preferably 5 nm or more, from the viewpoint of improving chipping resistance. The upper limit of the period width of the silicon concentration is preferably 50 nm or less, more preferably 30 nm or less, and even more preferably 10 nm or less from the viewpoint of improving wear resistance. The periodic width of the silicon concentration is more preferably 4 nm or more and 30 nm or less, and further preferably 5 nm or more and 10 nm or less.

本明細書において、珪素の濃度の周期幅の測定方法は以下の通りである。上記(A1)~(A3)と同様の方法で積層領域を設定する。該積層領域に対してフーリエ変換を行い、フーリエ変換像を得る。該フーリエ変換像において、積層領域内の周期性はスポットとして現れる。周期幅は、上記スポットと、フーリエ変換像において最大強度を示す画像中央との間の距離の逆数を計算することにより算出される。 In this specification, the method for measuring the period width of the silicon concentration is as follows. A lamination region is set by the same method as (A1) to (A3) above. A Fourier transform is performed on the laminated region to obtain a Fourier transform image. In the Fourier transform image, the periodicity within the layered region appears as spots. The period width is calculated by calculating the reciprocal of the distance between the spot and the center of the image showing maximum intensity in the Fourier transform image.

同一の試料において測定する限りにおいては、硬質粒子中の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ている。 As long as the measurement is performed on the same sample, there is almost no variation in the measurement results even if the measurement is performed multiple times by changing the measurement points in the hard particles. Confirmed.

上記のフーリエ変換で求められる周期幅は、隣り合う第1A領域内に存在する{ASi/(ASi+ATi)}×100が最大値である位置間の第1方向に沿う距離に相当する。隣り合う第1A領域内に存在する{ASi/(ASi+ATi)}×100が最大値である位置間の第1方向に沿う距離は、図7において、P1とP2との間の距離d1、P2とP3との間の距離d2、P3とP4との間の距離d3、P4とP5との間の距離d4、P5とP6との間の距離d5、P6とP7との間の距離d6に相当する。 The periodic width obtained by the above Fourier transform corresponds to the distance along the first direction between the positions where {A Si /(A Si +A Ti )}×100 existing in the adjacent first A region is the maximum value. . The distance along the first direction between positions where {A Si /(A Si +A Ti )}×100 existing in the adjacent first A regions is the maximum value is the distance between P1 and P2 in FIG. d1, distance d2 between P2 and P3, distance d3 between P3 and P4, distance d4 between P4 and P5, distance d5 between P5 and P6, distance between P6 and P7. corresponds to d6.

(硬質粒子の粒径)
本実施形態の硬質粒子の粒径は、例えば、10nm以上1000nm以下が好ましい。これによると、優れた耐欠損性を有することができる。硬質粒子の粒径は、10nm以上700nm以下がより好ましく、10nm以上500nm以下が更に好ましい。
(Particle size of hard particles)
The particle size of the hard particles of the present embodiment is preferably, for example, 10 nm or more and 1000 nm or less. According to this, excellent chipping resistance can be obtained. The particle size of the hard particles is more preferably 10 nm or more and 700 nm or less, and even more preferably 10 nm or more and 500 nm or less.

上記の粒径の測定方法は以下の通りである。基材と基材上に形成された被膜とをFIB加工材にて断面が見えるように加工し、その断面をFE-SEM(電界放出型走査型電子顕微鏡)によって観察する。その際、反射電子像として観察することによって、同じ結晶方位を有した部分は同じコントラストで観察され、この同一コントラスト部分を一つの硬質粒子とみなす。 The method for measuring the particle size is as follows. The substrate and the film formed on the substrate are processed with an FIB processing material so that the cross section can be seen, and the cross section is observed with an FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope). At that time, by observing as a backscattered electron image, portions having the same crystal orientation are observed with the same contrast, and this same contrast portion is regarded as one hard particle.

次いで、このようにして得られた画像に対して、硬質粒子層の任意の箇所において基材表面に対して平行な任意長さ(好ましくは400μm相当)の直線を引く。そして、その直線に含まれる硬質粒子の個数を測定し、その直線の長さを硬質粒子の個数で除したものを、硬質粒子の粒径とする。 Next, a straight line of arbitrary length (preferably equivalent to 400 μm) parallel to the surface of the substrate is drawn at an arbitrary point on the hard particle layer on the image thus obtained. Then, the number of hard particles included in the straight line is measured, and the diameter of the hard particles is obtained by dividing the length of the straight line by the number of hard particles.

(硬質粒子層の配向)
本実施形態において、硬質粒子層の配向は、(420)配向である。本明細書において「硬質粒子層の配向は、(420)配向である」とは、以下の式(1)で定義される配向性指数TC(hkl)のうち、硬質粒子層における(420)面の配向性指数TC(420)が、他の結晶配向面の配向性数よりも大きいことを意味する。ここで、他の結晶配向面とは、(111)面、(200)面、(220)面、(311)面、(331)面、(422)面及び(511)面である。
(Orientation of hard particle layer)
In this embodiment, the orientation of the hard particle layer is (420) orientation. In the present specification, "the orientation of the hard particle layer is (420) orientation" means that the orientation index TC (hkl) defined by the following formula (1) is the (420) plane in the hard particle layer means that the orientation index TC (420) of is greater than the orientation index of other crystal orientation planes. Here, the other crystal orientation planes are the (111) plane, (200) plane, (220) plane, (311) plane, (331) plane, (422) plane and (511) plane.

Figure 2022171411000002
Figure 2022171411000002

式(1)中、I(hkl)及びI(h)は、それぞれ測定された(hkl)面の回折強度、及び、測定された(h)面の回折強度を示し、I(hkl)及びI(h)は、それぞれJCPDS(Joint Committee on Powder Diffraction Standards)データベースによる(hkl)面のTiC(カード番号:32-1383)及びTiN(カード番号:38-1420)の粉末回折強度の平均値、並びに、JCPDSデータベースによる(h)面のTiC及びTiNの粉末回折強度の平均値を示し、(hkl)及び(h)は、それぞれ(111)面、(200)面、(220)面、(311)面、(331)面、(420)面、(422)面及び(511)面の8面のいずれかを示す。 In equation (1), I( hkl ) and I( hxkylz ) are the measured diffraction intensity of the ( hkl ) plane and the measured diffraction of the ( hxkylz ) plane, respectively. I 0 (hkl) and I 0 (h x k yl z ) are TiC (card number: 32-1383 ) and TiN of the (hkl) plane according to the JCPDS (Joint Committee on Powder Diffraction Standards) database, respectively. (Card number: 38-1420 ), and the average powder diffraction intensity of TiC and TiN on the (h x k yl z ) plane according to the JCPDS database, (hkl) and (h x k y l z ) are the 8 Show any of the faces.

本実施形態の硬質粒子層の配向性指数TC(420)は、硬度向上、及び工具鋼切削における耐摩耗性向上の観点から、3.5以上が好ましく、5以上がより好ましく、6以上が更に好ましい。配向性指数TC(420)の値の上限は制限されないが、計算に用いた反射面が8つであるから、8以下とすればよい。配向性指数TC(420)の値は、3.5以上8以下が好ましく、5以上8以下がより好ましく、6以上8以下が更に好ましい。 The orientation index TC (420) of the hard particle layer of the present embodiment is preferably 3.5 or more, more preferably 5 or more, more preferably 6 or more, from the viewpoint of improving hardness and improving wear resistance in tool steel cutting. preferable. Although the upper limit of the value of the orientation index TC (420) is not limited, it may be set to 8 or less because the number of reflecting surfaces used in the calculation is 8. The value of the orientation index TC (420) is preferably 3.5 or more and 8 or less, more preferably 5 or more and 8 or less, and even more preferably 6 or more and 8 or less.

配向性指数TC(420)は、以下の条件で行うXRD測定によって求められる。具体的には、硬質粒子層における任意の1箇所について、X線回折測定(装置:リガク株式会社製SmartLab(登録商標))を行い、上記式(1)に基づいて求められた(420)面の配向性指数を、該硬質粒子層における配向性指数TC(420)とする。上述の「任意の1箇所」を選択するにあたり、一見して異常値を示す点は除外する。 The orientation index TC (420) is determined by XRD measurement under the following conditions. Specifically, X-ray diffraction measurement (apparatus: SmartLab (registered trademark) manufactured by Rigaku Co., Ltd.) is performed on an arbitrary point in the hard particle layer, and the (420) plane obtained based on the above formula (1) is defined as the orientation index TC (420) in the hard particle layer. In selecting the above-mentioned "arbitrary one point", points that seem to show an abnormal value are excluded.

(X線回折測定の条件)
X線出力:45kV,200mA
X線源、波長:CuKα、1.541862Å
検出器:D/teX Ultra 250
スキャン軸:2θ/θ
長手制限スリット幅:2.0mm
スキャンモード:CONTINUOUS
スキャンスピード:20°/min。
(Conditions for X-ray diffraction measurement)
X-ray output: 45kV, 200mA
X-ray source, wavelength: CuKα, 1.541862 Å
Detector: D/teX Ultra 250
Scan axis: 2θ/θ
Length limiting slit width: 2.0 mm
Scan mode: CONTINUOUS
Scan speed: 20°/min.

同一の試料において測定する限りにおいては、硬質粒子層中の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ている。 As long as the measurement is performed on the same sample, there is almost no variation in the measurement results even if the measurement is performed multiple times by changing the measurement location in the hard particle layer. has been confirmed.

<他の層>
被膜は上述のとおり、硬質粒子層以外に他の層を含むことができる。図2~図4に示されるように、他の層としては、下地層12及び最外層13等が挙げられる。
<Other layers>
The coating can contain other layers besides the hard particle layer, as described above. As shown in FIGS. 2 to 4, the other layers include an underlying layer 12, an outermost layer 13, and the like.

(下地層)
下地層は、基材と硬質粒子層との間に配置される。下地層としては、例えば、TiN層を挙げることができる。下地層として基材の直上にTiN層、TiC層、TiCN層、TiBN層を配置することにより、基材と被膜との密着性を高めることができる。また、下地層としてAl層を用いることにより、被膜の耐酸化性を高めることができる。下地層の平均厚さは0.1μm以上20μm以下であることが好ましい。これによると、被膜は優れた耐摩耗性及び耐欠損性を有することができる。
(Underlayer)
The underlayer is positioned between the substrate and the hard particle layer. For example, a TiN layer can be used as the underlying layer. By arranging a TiN layer, a TiC layer, a TiCN layer, and a TiBN layer immediately above the substrate as the underlying layer, the adhesion between the substrate and the coating can be enhanced. Also, by using an Al 2 O 3 layer as the underlayer, the oxidation resistance of the coating can be enhanced. The average thickness of the underlayer is preferably 0.1 μm or more and 20 μm or less. According to this, the coating can have excellent wear resistance and chipping resistance.

下地層は1層からなることができる。また、図4に示されるように、下地層12は第1下地層12Aと第2下地層12Bとからなる2層構造を有することができる。下地層が2層構造の場合、TiN層とTiCN層とを組み合わせることが好ましい。TiCN層は耐摩耗性に優れるため、被膜により好適な耐摩耗性を付与することができる。第1下地層の平均厚さは0.1μm以上20μm以下が好ましく、0.1μm以上19μm以下がより好ましい。第2下地層の平均厚さは1μm以上20μm以下が好ましく、1μm以上19.9μm以下が更に好ましい。 The underlayer can consist of one layer. Further, as shown in FIG. 4, the underlying layer 12 can have a two-layer structure consisting of a first underlying layer 12A and a second underlying layer 12B. When the underlayer has a two-layer structure, it is preferable to combine a TiN layer and a TiCN layer. Since the TiCN layer has excellent wear resistance, it can impart more suitable wear resistance to the coating. The average thickness of the first underlayer is preferably 0.1 μm or more and 20 μm or less, more preferably 0.1 μm or more and 19 μm or less. The average thickness of the second underlayer is preferably 1 μm or more and 20 μm or less, more preferably 1 μm or more and 19.9 μm or less.

(最外層)
最外層は、被膜において最も表面側に配置される層である。ただし、刃先稜線部においては形成されない場合もある。最外層は、硬質粒子層上に他の層が形成されていない場合、硬質粒子層の直上に配置される。最外層としては、Ti(チタン)の炭化物、窒化物または硼化物のいずれかを主成分とすることが好ましい。また、最外層としてAl層を用いることにより、被膜の耐酸化性を高めることができる。
(outermost layer)
The outermost layer is a layer arranged on the surface side of the coating. However, it may not be formed at the cutting edge ridge. The outermost layer is arranged directly above the hard particle layer when no other layer is formed on the hard particle layer. The outermost layer is preferably composed mainly of Ti (titanium) carbide, nitride or boride. Also, by using an Al 2 O 3 layer as the outermost layer, the oxidation resistance of the coating can be enhanced.

「Tiの炭化物、窒化物または硼化物のいずれかを主成分とする」とは、Tiの炭化物、窒化物および硼化物のいずれかを90質量%以上含むことを意味する。また、好ましくは不可避不純物を除きTiの炭化物、窒化物および硼化物のいずれかからなることを意味する。 The phrase "mainly composed of Ti carbide, nitride or boride" means containing 90% by mass or more of Ti carbide, nitride or boride. Moreover, it means that it preferably consists of any one of carbide, nitride and boride of Ti except for inevitable impurities.

Tiの炭化物、窒化物および炭窒化物のいずれかのうち、特に好ましいのはTiの窒化物(すなわちTiNで表される化合物)を主成分として最外層を構成することである。TiNはこれらの化合物のうち色彩が最も明瞭(金色を呈する)であるため、切削使用後の切削チップのコーナー識別(使用済み部位の識別)が容易であるという利点がある。最外層はTiN層からなることが好ましい。 Among Ti carbides, nitrides, and carbonitrides, it is particularly preferable to form the outermost layer using a Ti nitride (ie, a compound represented by TiN) as a main component. Among these compounds, TiN has the clearest color (exhibits a gold color), so it has the advantage of facilitating identification of the corners of the cutting tip after use for cutting (identification of used portions). The outermost layer is preferably a TiN layer.

最外層は、平均厚さが0.05μm以上1μm以下であることが好ましい。これによると、最外層と、隣接する層との密着性が向上する。 The outermost layer preferably has an average thickness of 0.05 μm or more and 1 μm or less. According to this, the adhesion between the outermost layer and the adjacent layers is improved.

<実施形態2:切削工具の製造方法>
本実施形態の切削工具の製造方法の一例について図8を用いて説明する。図8は、本実施形態の切削工具の製造に用いられるCVD装置の一例の概略的な断面図である。
<Embodiment 2: Manufacturing method of cutting tool>
An example of the method for manufacturing the cutting tool of this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of an example of a CVD apparatus used for manufacturing the cutting tool of this embodiment.

(基材の準備)
基材を準備する。基材の詳細は、すでに記載されているため、その説明は繰り返さない。
(Preparation of base material)
Prepare the substrate. The details of the substrate have already been described and will not be repeated.

(被膜の形成)
次に、上記基材上に、例えば図8に示されるCVD装置を用いて被膜を形成する。CVD装置50内には、基材10を保持した基材セット治具52を複数設置することができ、これらは耐熱合金鋼製の反応容器53でカバーされる。また、反応容器53の周囲には調温装置54が配置されており、この調温装置54により、反応容器53内の温度を制御することができる。
(Formation of film)
Next, a coating is formed on the substrate using, for example, the CVD apparatus shown in FIG. A plurality of substrate setting jigs 52 holding substrates 10 can be installed in the CVD apparatus 50, and these are covered with a reaction vessel 53 made of heat-resistant alloy steel. A temperature control device 54 is arranged around the reaction container 53 , and the temperature inside the reaction container 53 can be controlled by the temperature control device 54 .

CVD装置50には、2つの導入口55、57を有する導入管56が配置されている。導入管56は、基材セット治具52が配置される領域を貫通するように配置されており、基材セット治具52近傍の部分には複数の貫通孔が形成されている。導入管56において、導入口55、57から管内に導入された各ガスは、導入管56内においても混合されることなく、それぞれ異なる貫通孔を経て、反応容器53内に導入される。この導入管56は、その軸を中心軸として回転することができる。また、CVD装置50には排気管59が配置されており、排気ガスは排気管59の排気口60から外部へ排出することができる。なお、反応容器53内の治具類等は、通常黒鉛により構成される。 An introduction pipe 56 having two introduction ports 55 and 57 is arranged in the CVD apparatus 50 . The introduction pipe 56 is arranged so as to pass through a region where the base material setting jig 52 is arranged, and a plurality of through holes are formed in a portion near the base material setting jig 52 . In the introduction pipe 56 , the gases introduced into the pipe from the introduction ports 55 and 57 are introduced into the reaction vessel 53 through different through-holes without being mixed in the introduction pipe 56 . This introduction tube 56 can rotate around its axis. An exhaust pipe 59 is arranged in the CVD apparatus 50 , and the exhaust gas can be discharged to the outside from an exhaust port 60 of the exhaust pipe 59 . The jigs and the like in the reaction vessel 53 are generally made of graphite.

被膜が下地層及び/又は最外層を含む場合は、これらの層は従来公知の方法で形成することができる。 When the coating includes an underlayer and/or an outermost layer, these layers can be formed by conventionally known methods.

硬質粒子層は、上記CVD装置を用いて、以下の方法で形成することができる。具体的には、Ti及びSiを含む第1原料ガスを導入口55から導入管56内に導入し、C及びNを含む第2原料ガスを導入口57から導入管56内に導入する。第1原料ガスは、例えば、TiClガス及びSiClガスを含むことができる。第2原料ガスは、例えば、CHCNガスを含むことができる。なお、第1原料ガス及び第2原料ガスは、それぞれキャリアガス(Hガス、Nガス又はArガス等)を含むことができる。以下、反応容器内の第1原料ガス及び第2原料ガスの合計を、反応ガスと記す。 The hard particle layer can be formed by the following method using the above CVD apparatus. Specifically, a first raw material gas containing Ti and Si is introduced from the inlet 55 into the inlet pipe 56 , and a second raw material gas containing C and N is introduced from the inlet 57 into the inlet pipe 56 . The first source gas can include, for example, TiCl4 gas and SiCl4 gas. The second source gas can contain, for example, CH 3 CN gas. Note that each of the first source gas and the second source gas can contain a carrier gas (H 2 gas, N 2 gas, Ar gas, or the like). Hereinafter, the total of the first raw material gas and the second raw material gas in the reaction vessel is referred to as reaction gas.

導入管56の図中上側には複数の貫通孔が開いている。導入された第1原料ガス(または第1原料ガスとキャリアガスとからなる第1混合ガス)および第2原料ガス(または第2原料ガスとキャリアガスとからなる第2混合ガス)は、それぞれ異なる貫通孔から反応容器53内に噴出される。このとき、導入管56は、図中回転矢印で示すようにその軸を中心として回転する。このため、第1原料ガス(または第1混合ガス)と第2原料ガス(または第2混合ガス)とは均一に混合された混合ガスとして、基材セット治具52にセットされた基材10の表面に向かって噴出される。 A plurality of through holes are opened on the upper side of the introduction pipe 56 in the figure. The introduced first raw material gas (or first mixed gas consisting of first raw material gas and carrier gas) and second raw material gas (or second mixed gas consisting of second raw material gas and carrier gas) are different from each other. It is ejected into the reaction container 53 from the through hole. At this time, the introduction tube 56 rotates about its axis as indicated by the rotating arrow in the figure. Therefore, the first raw material gas (or first mixed gas) and the second raw material gas (or second mixed gas) are uniformly mixed as a mixed gas, and the substrate 10 set on the substrate setting jig 52 is jetted toward the surface of

硬質粒子層の形成中、反応ガスの総ガス流量は、例えば、10~80L/分とすることができる。ここで「総ガス流量」とは、標準状態(0℃、1気圧)における気体を理想気体とし、単位時間当たりにCVD炉に導入された全容積流量を示す。 During the formation of the hard particle layer, the total gas flow rate of the reactant gas can be, for example, 10-80 L/min. Here, the "total gas flow rate" indicates the total volumetric flow rate introduced into the CVD furnace per unit time, assuming that the gas under standard conditions (0° C., 1 atm) is an ideal gas.

硬質粒子層の形成中、反応ガス中のTiClガス及びCHCNガスの割合は、常に一定である。反応ガス中のTiClガスの割合は、例えば、0.4~1.0体積%とすることができる。反応ガス中のCHCNガスの割合は、例えば、0.5~0.85体積%とすることができる。反応ガス中のCHCNガスの割合は、0.63~0.85体積%とすることがより好ましい。上記CHCNガスの割合および後述する反応容器53内の圧力を調整することにより、硬質粒子層の配向を(420)配向とすることができる。上記CHCNガスの割合により得られるCHCNガス流量は、従来のTiSiCN層の形成で採用されていたそれよりも多く、反応容器53内の圧力は、従来のTiSiCN層の形成で採用されていたそれよりも低い。 The ratio of TiCl 4 gas and CH 3 CN gas in the reaction gas is always constant during the formation of the hard particle layer. The proportion of TiCl 4 gas in the reaction gas can be, for example, 0.4-1.0% by volume. The proportion of CH 3 CN gas in the reaction gas can be, for example, 0.5-0.85% by volume. More preferably, the proportion of CH 3 CN gas in the reaction gas is 0.63 to 0.85% by volume. By adjusting the ratio of the CH 3 CN gas and the pressure inside the reaction vessel 53, which will be described later, the hard particle layer can be oriented in the (420) orientation. The CH 3 CN gas flow rate obtained by the above CH 3 CN gas ratio is greater than that employed in conventional TiSiCN layer formation, and the pressure in reaction vessel 53 is higher than that employed in conventional TiSiCN layer formation. lower than it was.

反応ガス中のSiClガスの割合は、SiClガスの導入量を調節することにより周期的に変化する。具体的には、SiClガスの導入量の変化の1周期の長さをt(秒)とし、反応ガス中のSiClガスの割合の変化の範囲をr1(体積%)~r2(体積%)とした場合、成膜開始時から1周期の中間時点(t/2(秒))までは、SiClガスの割合がr1(体積%)からr2(体積%)まで漸増し、続いて、中間時点(t/2(秒))から1周期の最終時点(t(秒))までは、SiClガスの割合をr2(体積%)からr1(体積%)まで漸減するように、SiClガスの導入量を調節する。これを1周期として、硬質粒子層が所望の厚さになるまで、該周期を繰り返す。反応ガス中のキャリアガス(例えば、Hガス)の割合は、SiClガスの割合の変化に応じて、総ガス流量が一定となるように変化する。上記の1周期の長さt(秒)を調整することにより、硬質粒子における珪素の濃度の周期幅(nm)を制御することができる。上記の反応ガス中のSiClガスの割合の範囲の最小値r1と最大値r2とを調整することにより、硬質粒子におけるASi/(ASi+ATi)の値を制御することができる。 The ratio of SiCl4 gas in the reaction gas is periodically changed by adjusting the introduction amount of SiCl4 gas. Specifically, the length of one cycle of change in the introduction amount of SiCl 4 gas is t (seconds), and the range of change in the proportion of SiCl 4 gas in the reaction gas is r1 (% by volume) to r2 (% by volume). ), the ratio of SiCl 4 gas gradually increases from r1 (volume %) to r2 (volume %) from the start of film formation to the middle point of one cycle (t/2 (seconds)), followed by From the middle point (t/2 (seconds)) to the final point (t (seconds)) of one cycle, SiCl 4 gas is gradually reduced from r2 (vol%) to r1 ( vol %). Adjust the amount of gas introduced. This cycle is repeated until the hard particle layer reaches a desired thickness. The proportion of carrier gas ( e.g., H2 gas) in the reaction gas varies with the change in the proportion of SiCl4 gas such that the total gas flow remains constant. By adjusting the length t (seconds) of one period, the period width (nm) of the concentration of silicon in the hard particles can be controlled. The value of A Si /(A Si +A Ti ) in the hard particles can be controlled by adjusting the minimum value r1 and the maximum value r2 of the ratio range of SiCl 4 gas in the reaction gas.

本工程において、基材10の温度は750~900℃の範囲が好ましく、反応容器53内の圧力は0.1~13kPaであることが好ましい。硬質粒子層の厚さは、原料ガスの流量と、成膜時間とを調節することによって制御することができる。 In this step, the temperature of the substrate 10 is preferably in the range of 750 to 900° C., and the pressure inside the reaction vessel 53 is preferably in the range of 0.1 to 13 kPa. The thickness of the hard particle layer can be controlled by adjusting the flow rate of the raw material gas and the film formation time.

次に、被膜が形成された基材10を冷却する。冷却速度は、例えば、5℃/minを超えることはなく、また、その冷却速度は基材10の温度が低下するにつれて遅くなる。 Next, the base material 10 with the film formed thereon is cooled. The cooling rate does not exceed, for example, 5° C./min, and the cooling rate slows as the temperature of the substrate 10 decreases.

なお、上記の工程に加えて、アニーリングなどの熱処理工程、表面研削、ショットブラストなどの表面処理工程を行うことができる。 In addition to the above steps, a heat treatment step such as annealing, and a surface treatment step such as surface grinding and shot blasting can be performed.

上述の製造方法により、実施形態1の切削工具を得ることができる。 The cutting tool of Embodiment 1 can be obtained by the manufacturing method described above.

本実施の形態を実施例によりさらに具体的に説明する。ただし、これらの実施例により本実施の形態が限定されるものではない。 EXAMPLES This embodiment will be described in more detail with reference to Examples. However, this embodiment is not limited by these examples.

<基材の準備>
以下の表1に記載の基材K、基材L及び基材Mを準備した。具体的には、まず、表1に記載の配合組成(質量%)からなる原料粉末を均一に混合して混合粉末を得た。表1中の「残り」とは、WCが配合組成(質量%)の残部を占めることを示している。次に、混合粉末をCNMG120408(住友電工ハードメタル社製の刃先交換型切削チップ)の形状に加圧成形した後、1300~1500℃で1~2時間焼結することにより、超硬合金製の基材K、基材L及び基材Mを得た。基材K、基材L及び基材Mは、全て基材形状はCNMG120408である。
<Preparation of base material>
Base material K, base material L and base material M shown in Table 1 below were prepared. Specifically, first, raw material powders having the composition (% by mass) shown in Table 1 were uniformly mixed to obtain a mixed powder. "Remainder" in Table 1 indicates that WC accounts for the remainder of the composition (% by mass). Next, after pressure molding the mixed powder into the shape of CNMG120408 (exchangeable cutting tip manufactured by Sumitomo Electric Hardmetal Co., Ltd.), it is sintered at 1300 to 1500 ° C. for 1 to 2 hours to obtain a cemented carbide product. Base material K, base material L and base material M were obtained. Base material K, base material L and base material M all have a base material shape of CNMG120408.

Figure 2022171411000003
Figure 2022171411000003

<被膜の形成>
上記で得られた基材K、基材L又は基材Mに対してその表面に被膜を形成した。具体的には、図8に示されるCVD装置を用い、基材を基材セット治具にセットし、熱CVD法を行うことにより、基材上に被膜を形成した。各試料の被膜の構成を表2に示す。
<Formation of film>
A film was formed on the surface of the base material K, base material L, or base material M obtained above. Specifically, using the CVD apparatus shown in FIG. 8, the substrate was set in a substrate setting jig, and a thermal CVD method was performed to form a film on the substrate. Table 2 shows the composition of the coating of each sample.

Figure 2022171411000004
Figure 2022171411000004

表2において、下地層は基材の表面と直接接する層であり、硬質粒子層は下地層上に形成された層であり、最外層は硬質粒子層上に形成された層であって外部に露出する層である。また、表2の下地層欄および最外層欄の化合物の記載は、表2の下地層および最外層を構成する化合物であり、化合物の右の括弧内の数値は層の厚さを意味している。また、表2の1つの欄内に2つの化合物(たとえば、「TiN(0.5)-TiCN(3.0)」)が記載されている場合には、左側(「TiN(0.5)」)の化合物が基材に近い側に位置する層であることを意味し、右側(「TiCN(3.0)」)の化合物が基材から遠い側に位置する層であることを意味しており、括弧の中の数値はそれぞれの層の厚さを意味している。表2の硬質粒子層のa~p及びw~zの記載は、表4の形成条件a~形成条件p及び形成条件w~形成条件zで形成された層であることを示し、括弧内の数値は層の厚さを意味している。また、表2の「-」で示される欄は、層が存在しないことを意味する。 In Table 2, the base layer is a layer that is in direct contact with the surface of the base material, the hard particle layer is a layer formed on the base layer, and the outermost layer is a layer formed on the hard particle layer and is attached to the outside. This is the exposed layer. In addition, the descriptions of the compounds in the underlayer column and the outermost layer column in Table 2 are the compounds constituting the underlayer and outermost layer in Table 2, and the numbers in parentheses on the right side of the compounds mean the thickness of the layer. there is Also, when two compounds (for example, "TiN (0.5)-TiCN (3.0)") are described in one column of Table 2, the left side ("TiN (0.5) ”) means that the compound is a layer located on the side closer to the substrate, and the compound on the right side (“TiCN (3.0)”) is a layer located on the far side from the substrate. The numbers in parentheses indicate the thickness of each layer. The descriptions of a to p and w to z of the hard particle layer in Table 2 indicate that the layers are formed under the formation conditions a to p and the formation conditions w to z in Table 4. The numbers refer to layer thicknesses. In addition, the column indicated by "-" in Table 2 means that no layer exists.

たとえば、表2の試料1の切削工具は、基材Lの表面上に0.5μmの厚さのTiN層および3.0μmの厚さのTiCN層がこの順序に積層されて下地層が形成され、その上に後述する形成条件aで形成された6.0μmの厚さの硬質粒子層が形成され、硬質粒子層上には最外層が形成されていない被膜を有しているとともに、被膜全体の厚さが9.5μmである切削工具を意味している。 For example, in the cutting tool of Sample 1 in Table 2, a TiN layer with a thickness of 0.5 μm and a TiCN layer with a thickness of 3.0 μm are laminated in this order on the surface of the base material L to form a base layer. , A hard particle layer having a thickness of 6.0 μm formed under the formation condition a described later is formed thereon, and a coating having no outermost layer is formed on the hard particle layer, and the entire coating thickness is 9.5 μm.

表2に示される下地層および最外層は、従来公知のCVD法によって形成された層であり、その形成条件は表3に示す通りである。たとえば、表3の「TiN(下地層)」の行には、下地層としてのTiN層の形成条件が示されている。表3のTiN層(下地層)の記載は、CVD装置の反応容器内(反応容器内圧力6.7kPa)に基材を配置し、基材を基材温度915℃まで加熱し、反応容器内に2.0体積%のTiClガス、39.7体積%のNガスおよび残り(58.3体積%)のHガスからなる混合ガスを63.8L/分の流量で噴出することにより形成されることを意味している。なお、各層の厚さは、各反応ガスを噴出する時間によって制御した。 The underlying layer and the outermost layer shown in Table 2 are layers formed by a conventionally known CVD method, and the formation conditions are as shown in Table 3. For example, the row of "TiN (underlying layer)" in Table 3 shows conditions for forming a TiN layer as an underlying layer. The description of the TiN layer (underlying layer) in Table 3 is that the substrate is placed in the reaction vessel of the CVD apparatus (reaction vessel internal pressure 6.7 kPa), the substrate is heated to a substrate temperature of 915 ° C., and the inside of the reaction vessel is by ejecting a mixed gas consisting of 2.0 vol% TiCl4 gas, 39.7 vol% N2 gas and the rest (58.3 vol%) H2 gas at a flow rate of 63.8 L/min into the meant to be formed. In addition, the thickness of each layer was controlled by the time during which each reaction gas was ejected.

Figure 2022171411000005
Figure 2022171411000005

表2に示される硬質粒子層は、表4に示される形成条件a~形成条件p及び形成条件w~形成条件zのいずれかの条件で形成される。 The hard particle layer shown in Table 2 is formed under any one of formation conditions a to p and formation conditions w to z shown in Table 4.

(形成条件a~形成条件p、及び、形成条件z)
形成条件a~形成条件p、及び、形成条件zでは、初めに、CVD装置の反応内容器圧力を表4の「反応容器内圧力(kPa)」欄に記載の圧力、及び、基材温度を表4の「基材温度(℃)」欄に記載の温度に設定する。例えば、形成条件aでは、CVD装置の反応容器内圧力を4.5kPa、及び、基材温度を850℃に設定する。
(Formation condition a to formation condition p, and formation condition z)
In formation conditions a to formation conditions p and formation conditions z, first, the pressure inside the reaction vessel of the CVD apparatus was set to the pressure described in the column "Internal pressure of reaction vessel (kPa)" in Table 4, and the substrate temperature. Set to the temperature described in the column of "Substrate temperature (°C)" in Table 4. For example, in the formation condition a, the pressure inside the reaction vessel of the CVD apparatus is set to 4.5 kPa, and the substrate temperature is set to 850.degree.

次に、反応容器内に表4の「反応ガス組成(体積%)」欄に記載の成分を含む反応ガスを導入して、基材上に硬質粒子層(TiSiCN層)を形成する。反応ガスの総ガス流量は、表4の「総ガス流量(L/分)」欄に記載の通りである。「総ガス流量」とは、標準状態(0℃、1気圧)における気体を理想気体とし、単位時間当たりにCVD炉に導入された全容積流量を示す。 Next, a reaction gas containing the components listed in the "Reaction gas composition (% by volume)" column of Table 4 is introduced into the reaction vessel to form a hard particle layer (TiSiCN layer) on the substrate. The total gas flow rate of the reaction gas is as shown in Table 4, "total gas flow rate (L/min)" column. "Total gas flow rate" indicates the total volumetric flow rate introduced into the CVD furnace per unit time, assuming that the gas under standard conditions (0° C., 1 atm) is an ideal gas.

反応ガス中のTiClガス、CHCNガス及びNガスの割合は、硬質粒子層の形成中、常に一定である。反応ガス中のSiClガスの割合は、表4の「SiCl」の「周期」欄に示す時間(秒)を1周期として、「範囲」欄に示される割合(体積%)の範囲で変化させる。具体的には、成膜開始時のSiClガスの割合を「範囲」欄に示される最小値とし、成膜開始から表4の「周期」欄に示される時間(秒)の中間時点(1周期/2(秒))までは、SiClガスの割合が「範囲」欄に示される最大値まで漸増し、続いて、中間時点(1周期/2(秒))から1周期の最終時点(1周期(秒))までは、SiClガスの割合が「範囲」欄に示される最小値まで漸減するようにSiClガスの導入量を調節する。これを1周期として、硬質粒子層が所望の厚さになるまで、該周期を繰り返す。Hガスの割合は、SiClガスの割合の変化に応じて、総ガス流量が一定となるように変化させる。 The proportions of TiCl4 gas, CH3CN gas and N2 gas in the reaction gas are always constant during the formation of the hard particle layer. The ratio of SiCl 4 gas in the reaction gas changes within the ratio (% by volume) shown in the “Range” column, with the time (seconds) shown in the “Cycle” column of “SiCl 4 ” in Table 4 as one cycle. Let Specifically, the ratio of SiCl 4 gas at the start of film formation was set to the minimum value shown in the “Range” column, and the middle point (1 period/2 (seconds)), the proportion of SiCl4 gas is gradually increased to the maximum value indicated in the "Range" column, followed by an intermediate time point (1 cycle/2 (seconds)) to the final time point of one cycle ( Up to one cycle (seconds), adjust the SiCl 4 gas introduction rate so that the percentage of SiCl 4 gas tapers off to the minimum value indicated in the "Range" column. This cycle is repeated until the hard particle layer reaches a desired thickness. The proportion of H2 gas is varied so that the total gas flow rate remains constant as the proportion of SiCl4 gas is varied.

例えば、形成条件aでは、反応ガスの総ガス流量は60.0L/分である。反応ガス中のTiClガスの割合は0.70体積%、CHCNガスの割合は0.75体積%、Nガスの割合は8.90体積%であり、これらのガスの割合は硬質粒子層の形成中、一定である。反応ガス中のSiClガスの割合は、7秒を1周期として、0.1~1.7体積%の範囲で変化させる。より具体的には、成膜開始時のSiClガスの割合を0.1体積%とし、成膜開始から3.5秒までは、SiClガスの割合が0.1体積%から1.7体積%まで漸増し、続いて、成膜開始3.5秒後から7秒後までは、SiClガスの割合が1.7体積%から0.1体積%まで漸減するように、SiClガスの導入量を調節する。これを1周期として、硬質粒子層の厚さが表1の「硬質粒子層」欄に記載の厚さになるまで、該周期を繰り返す。Hガスの体積割合は、SiClガスの割合の変化に応じて、総ガス流量が一定となるように変化させる。形成条件aでは、反応ガス中のSiClガスの割合の平均は0.90体積%である。 For example, under formation condition a, the total gas flow rate of the reaction gas is 60.0 L/min. The proportion of TiCl4 gas in the reaction gas is 0.70 vol%, the proportion of CH3CN gas is 0.75 vol%, the proportion of N2 gas is 8.90 vol%, and the proportion of these gases is hard constant during the formation of the particle layer. The ratio of SiCl 4 gas in the reaction gas is varied in the range of 0.1 to 1.7% by volume with 7 seconds as one cycle. More specifically, the ratio of SiCl 4 gas at the start of film formation is 0.1 vol%, and the ratio of SiCl 4 gas is changed from 0.1 vol% to 1.7 vol% for 3.5 seconds from the start of film formation. SiCl 4 gas was gradually increased to vol % and then gradually decreased from 1.7 vol% to 0.1 vol% from 3.5 seconds to 7 seconds after the start of film formation. Adjust the amount of introduction of This is regarded as one cycle, and this cycle is repeated until the thickness of the hard particle layer reaches the thickness described in the "Hard particle layer" column of Table 1. The volume fraction of H2 gas is varied so that the total gas flow rate remains constant according to the variation of the SiCl4 gas fraction. In formation condition a, the average proportion of SiCl4 gas in the reaction gas is 0.90 vol%.

その後、基材を5℃/分の冷却速度で冷却する。 The substrate is then cooled at a cooling rate of 5°C/min.

(形成条件w)
形成条件wは、従来のTiCN層の形成条件である。具体的には、初めに、CVD装置の反応容器内圧力を4.5kPa、及び、基材温度を850℃に設定する。
(Formation condition w)
A formation condition w is a conventional TiCN layer formation condition. Specifically, first, the pressure inside the reaction vessel of the CVD apparatus is set to 4.5 kPa, and the substrate temperature is set to 850.degree.

次に、反応容器内に表4の「反応ガス組成(体積%)」欄に記載の成分を含む反応ガス(TiCl:2.00体積%、CHCN:0.75体積%、Hガス:残り)を導入して、基材上にTiCN層(硬質粒子層)を形成する。反応ガスの組成は、成膜中一定である。反応ガスの総ガス流量は、総ガス流量60L/分である。その後、基材を5℃/分の冷却速度で冷却する。 Next, a reaction gas (TiCl 4 : 2.00% by volume, CH 3 CN: 0.75% by volume, H 2 gas: rest) to form a TiCN layer (hard particle layer) on the substrate. The composition of the reaction gas is constant during film formation. The total gas flow rate of the reaction gases is 60 L/min. The substrate is then cooled at a cooling rate of 5°C/min.

(形成条件x)
形成条件xは、特許文献1に開示されるPVD法を用いて硬質粒子層(TiSiCN層)を形成する条件である。
(Formation condition x)
The formation condition x is a condition for forming a hard particle layer (TiSiCN layer) using the PVD method disclosed in Patent Document 1.

(形成条件y)
形成条件yは、特許文献2に開示されるCVD法を用いて硬質粒子層(TiSiCN層)を形成する条件である。
(Formation condition y)
Formation condition y is a condition for forming a hard particle layer (TiSiCN layer) using the CVD method disclosed in Patent Document 2.

上記により、試料1~試料27(実施例に該当)及び試料1-1~試料1-5(比較例に該当)の切削工具を得た。 As described above, cutting tools of Samples 1 to 27 (corresponding to Examples) and Samples 1-1 to 1-5 (corresponding to Comparative Examples) were obtained.

Figure 2022171411000006
Figure 2022171411000006

<硬質粒子層の特徴>
(硬質粒子層の構成)
形成条件a~形成条件p、及び、形成条件zより得られた硬質粒子層は、TiSiCNからなる複数の硬質粒子からなり、硬質粒子内に設定される第1方向に沿って、珪素の濃度が周期的に変化することが確認された。具体的な確認方法は実施形態1に記載されているため、その説明は繰り返さない。
<Characteristics of hard particle layer>
(Structure of hard particle layer)
The hard particle layer obtained under the forming conditions a to p and the forming condition z is composed of a plurality of hard particles made of TiSiCN, and along the first direction set in the hard particles, the concentration of silicon is It was confirmed that it changed periodically. Since a specific confirmation method is described in Embodiment 1, the description thereof will not be repeated.

形成条件wにより得られた硬質粒子(TiCN)層を明視野透過電子顕微鏡(BF-STEM)で観察したところ、均一な組織であり、周期的な変化は確認されなかった。 When the hard particle (TiCN) layer obtained under formation condition w was observed with a bright-field transmission electron microscope (BF-STEM), the structure was uniform and no periodic change was confirmed.

形成条件x及び形成条件yにより得られた硬質粒子層を明視野透過電子顕微鏡(BF-STEM)で観察したところ、ナノコンポジット構造が確認された。該硬質粒子層は(200)配向であった。 When the hard particle layers obtained under formation conditions x and y were observed with a bright-field transmission electron microscope (BF-STEM), a nanocomposite structure was confirmed. The hard particle layer was (200) oriented.

({ASi/(ASi+ATi)}×100)
各形成条件により得られた硬質粒子において、{ASi/(ASi+ATi)}×100の最大値、最小値及び平均を測定した。具体的な測定方法は実施形態1に記載の通りであるため、その説明は繰り返さない。結果を表5の「最大{ASi/(ASi+ATi)}×100(%)」、「最小{ASi/(ASi+ATi)}×100(%)」及び「平均{ASi/(ASi+ATi)(%)」欄に示す。なお、「-」の表記は、測定を行わなかったことを示す。
({A Si /(A Si +A Ti )}×100)
The maximum, minimum and average values of {A Si /(A Si +A Ti )}×100 were measured for the hard particles obtained under each formation condition. Since the specific measuring method is as described in Embodiment 1, the description thereof will not be repeated. The results are shown in Table 5 as “maximum {A Si / (A Si + A Ti )} × 100 (%)”, “minimum {A Si / (A Si + A Ti )} × 100 (%)” and “average {A Si /(A Si +A Ti ) (%)” column. The notation of "-" indicates that no measurement was performed.

(珪素の濃度の周期幅)
各形成条件により得られた硬質粒子において、硬質粒子内に設定される第1方向における珪素の濃度の平均周期幅を測定した。具体的な測定方法は実施形態1に記載の通りであるため、その説明は繰り返さない。結果を表5の「平均周期幅(nm)」欄に示す。なお、「-」の表記は、測定を行わなかったことを示す。
(periodic width of silicon concentration)
For the hard particles obtained under each formation condition, the average period width of the silicon concentration in the first direction set in the hard particles was measured. Since the specific measuring method is as described in Embodiment 1, the description thereof will not be repeated. The results are shown in the "Average Periodic Width (nm)" column of Table 5. The notation of "-" indicates that no measurement was performed.

(配向)
各形成条件により得られた硬質粒子層の配向を測定した。硬質粒子層の配向の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。各硬質粒子層において、配向性指数TC(hkl)のうち、最も大きい配向性指数の配向面を、表5の「配向面」欄に示し、該配向面の配向性指数TC(hkl)を「配向面の配向性指数TC(hkl)」欄に示す。
(orientation)
The orientation of the hard particle layer obtained under each formation condition was measured. A specific method for measuring the orientation of the hard particle layer is described in Embodiment 1, so description thereof will not be repeated. In each hard particle layer, among the orientation indices TC (hkl), the orientation plane with the largest orientation index is shown in the "orientation plane" column of Table 5, and the orientation index TC (hkl) of the orientation plane is indicated as " Orientation Index TC (hkl) of Oriented Surface” column.

形成条件a~形成条件p、及び、形成条件wにより得られた硬質粒子層では、(420)面の配向性指数TC(420)が最も大きかった。従って、形成条件a~形成条件p、及び、形成条件wにより得られた硬質粒子層の配向は、(420)配向であった。例えば、形成条件aにより得られた硬質粒子層の配向性指数TC(420)は、4.4であった。 In the hard particle layers obtained under formation conditions a to p and w, the (420) plane had the largest orientation index TC(420). Therefore, the orientation of the hard particle layers obtained under formation conditions a to p and w was (420) orientation. For example, the orientation index TC (420) of the hard particle layer obtained under the forming condition a was 4.4.

形成条件x~形成条件zにより得られた硬質粒子層では、(200)面の配向性指数TC(200)が最も大きかった。従って、形成条件x~形成条件zにより得られた硬質粒子層の配向は、(200)配向であった。 In the hard particle layers obtained under forming conditions x to z, the orientation index TC(200) of the (200) plane was the largest. Therefore, the orientation of the hard particle layer obtained under formation conditions x to z was (200) orientation.

Figure 2022171411000007
Figure 2022171411000007

<切削試験1>
試料1~試料27及び試料1-1~試料1-5の切削工具を用いて、以下の切削条件にて工具鋼(SKD11)の連続切削を行い、逃げ面摩耗量(Vb)が0.3mmとなるまでの切削時間を測定した。切削時間が長いもの程、耐摩耗性に優れ、工具寿命が長いことを示す。また、刃先の最終損傷形態を観察した。最終損傷形態において、「正常摩耗」とはチッピング、欠けなどを生じず、摩耗のみで構成される損傷形態(平滑な摩耗面を有する)を意味し、耐欠損性に優れていることを示す。結果を表6に示す。
<Cutting test 1>
Using the cutting tools of Samples 1 to 27 and Samples 1-1 to 1-5, continuous cutting of tool steel (SKD11) was performed under the following cutting conditions, and the flank wear amount (Vb) was 0.3 mm. The cutting time was measured until it became A longer cutting time indicates better wear resistance and longer tool life. Also, the final damage morphology of the cutting edge was observed. In the final damage morphology, "normal wear" means a damage morphology consisting only of wear (having a smooth worn surface) without causing chipping, chipping, etc., and indicates excellent chipping resistance. Table 6 shows the results.

<切削条件>
被削材:SKD11丸棒外周切削
周速:100m/min
送り速度:0.15mm/rev
切込み量:1.0mm
切削液:なし。
<Cutting conditions>
Work material: SKD11 round bar circumference cutting Peripheral speed: 100m/min
Feed rate: 0.15mm/rev
Cutting depth: 1.0mm
Cutting Fluid: None.

Figure 2022171411000008
Figure 2022171411000008

(評価1)
試料1-試料27(実施例)は、試料1-1~試料1-5(比較例)に比べて、工具鋼の連続切削において耐摩耗性に優れ、工具寿命が長いことが確認された。また、試料1-試料27は、最終損傷形態が正常摩耗であり、従来の硬質粒子層(試料1-1~試料1-5)と同等の優れた耐欠損性を維持していることが確認された。
(Evaluation 1)
It was confirmed that Sample 1-Sample 27 (Example) is superior in wear resistance in continuous cutting of tool steel and has a longer tool life than Sample 1-1 through Sample 1-5 (Comparative Example). In addition, it was confirmed that Sample 1-Sample 27 had normal wear as the final damage type and maintained excellent fracture resistance equivalent to that of conventional hard particle layers (Samples 1-1 to 1-5). was done.

<切削試験2>
試料1~試料27及び試料1-1~試料1-5の切削工具を用いて、以下の切削条件により工具鋼(SK5)の断続切削を行い、切削工具が欠損するまでの衝撃回数を測定し、当該切削工具の耐欠損性を評価した。ここで、欠損とは、300μm以上の欠損を意味する。欠損までの衝撃回数が多いほど耐欠損性に優れることを示す。結果を表7に示す。なお、表7において「欠損無し」とは、衝撃回数2000回まで切削を行ったが、欠損が生じなかったことを示す。
<Cutting test 2>
Using the cutting tools of Samples 1 to 27 and Samples 1-1 to 1-5, intermittent cutting of tool steel (SK5) was performed under the following cutting conditions, and the number of impacts until the cutting tool fractured was measured. , the chipping resistance of the cutting tool was evaluated. Here, a defect means a defect of 300 μm or more. The greater the number of impacts until fracture, the better the fracture resistance. Table 7 shows the results. In Table 7, "no chipping" means that cutting was performed up to 2000 impacts, but no chipping occurred.

<切削条件>
被削材:SK5板材外周切削
周速:100m/min
送り速度:0.15mm/rev
切込み量:1.5mm
切削液:なし。
<Cutting conditions>
Work material: SK5 plate peripheral cutting Peripheral speed: 100m/min
Feed rate: 0.15mm/rev
Cutting depth: 1.5mm
Cutting Fluid: None.

Figure 2022171411000009
Figure 2022171411000009

(評価2)
試料1-試料27(実施例)は、試料1-1~試料1-5(比較例)に比べて、工具鋼の断続切削において耐欠損性に優れ、工具寿命が長いことが確認された。
(Evaluation 2)
It was confirmed that Sample 1-Sample 27 (Example) is superior in chipping resistance in interrupted cutting of tool steel and has a longer tool life than Sample 1-1 through Sample 1-5 (Comparative Example).

以上のように本開示の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせたり、様々に変形することも当初から予定している。 Although the embodiments and examples of the present disclosure have been described as above, it is planned from the beginning to appropriately combine the configurations of the above-described embodiments and examples and to modify them in various ways.

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。 The embodiments and examples disclosed this time are illustrative in all respects and should not be considered restrictive. The scope of the present invention is indicated by the scope of the claims rather than the above-described embodiments and examples, and is intended to include meanings equivalent to the scope of the claims and all modifications within the scope.

1,21,31,41 切削工具
10 基材
11 硬質粒子層
12,12A,12B 下地層
13 最外層
14,24,34,45 被膜
50 CVD装置
52 基材セット治具
53 反応容器
54 調温装置
55,57 導入口
56 導入管
59 排気管
60 排気口
Reference Signs List 1, 21, 31, 41 Cutting tool 10 Base material 11 Hard particle layer 12, 12A, 12B Base layer 13 Outermost layer 14, 24, 34, 45 Coating 50 CVD device 52 Base material setting jig 53 Reaction vessel 54 Temperature control device 55, 57 Inlet 56 Inlet pipe 59 Exhaust pipe 60 Exhaust port

Claims (5)

基材と、前記基材上に配置された被膜と、を備える切削工具であって、
前記被膜は、硬質粒子層を含み、
前記硬質粒子層は、チタン、珪素、炭素及び窒素を含む複数の硬質粒子からなり、
前記硬質粒子において、前記硬質粒子内に設定される第1方向に沿って、前記珪素の濃度が周期的に変化し、
前記硬質粒子層の配向は、(420)配向である、切削工具。
A cutting tool comprising a substrate and a coating disposed on the substrate,
The coating comprises a hard particle layer,
The hard particle layer consists of a plurality of hard particles containing titanium, silicon, carbon and nitrogen,
In the hard particles, the concentration of the silicon periodically changes along a first direction set in the hard particles,
The cutting tool, wherein the orientation of the hard particle layer is (420) orientation.
前記硬質粒子において、前記チタンの原子数ATiと、前記珪素の原子数ASiとの合計に対する、前記珪素の原子数ASiの百分率{ASi/(ASi+ATi)}×100の平均は、1%以上20%以下である、
請求項1に記載の切削工具。
In the hard particles, the average of the percentage {A Si /(A Si +A Ti )}×100 of the number of silicon atoms A Si to the sum of the number of titanium atoms A Ti and the number A Si of silicon atoms is 1% or more and 20% or less,
The cutting tool according to claim 1.
前記珪素の濃度の平均周期幅は、3nm以上50nm以下である、請求項1又は請求項2に記載の切削工具。 The cutting tool according to claim 1 or 2, wherein the average period width of the concentration of silicon is 3 nm or more and 50 nm or less. 前記硬質粒子層の厚さは、1μm以上20μm以下である、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の切削工具。 The cutting tool according to any one of claims 1 to 3, wherein the hard particle layer has a thickness of 1 µm or more and 20 µm or less. 前記基材は、炭化タングステンとコバルトとを含む超硬合金からなり、
前記超硬合金中の前記コバルトの含有率は、6質量%以上11質量%以下である、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の切削工具。
The base material is made of a cemented carbide containing tungsten carbide and cobalt,
The cutting tool according to any one of claims 1 to 4, wherein the cobalt content in the cemented carbide is 6% by mass or more and 11% by mass or less.
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