JP6798626B2 - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Description

本開示は、表面被覆切削工具に関する。本出願は、２０１８年３月１９日に出願した日本特許出願である特願２０１８−０５１０１２号に基づく優先権を主張する。当該日本特許出願に記載された全ての記載内容は、参照によって本明細書に援用される。

従来より、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。たとえば、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。

特開平０６−２６２４０５号公報

本開示に係る表面被覆切削工具は、
基材と、上記基材を被覆する被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
上記被膜は、ＷＣ_１−ｘ（ただし、ｘは、０．５４以上０．５８以下である）で示される化合物からなるＷＣ_１−ｘ層を含み、
上記ＷＣ_１−ｘで示される化合物は、六方晶型の結晶構造を含み、
上記ＷＣ_１−ｘ層をＸ線光電子分光分析法によって測定した際に得られるタングステン元素の４ｆ軌道のスペクトル図において、３１．２〜３１．４ｅＶの範囲に、ピークの極大点が存在する。

図１は、表面被覆切削工具の一態様を例示する斜視図である。 図２は、本実施形態の一態様における表面被覆切削工具の模式断面図である。 図３は、本実施形態の他の態様における表面被覆切削工具の模式断面図である。 図４は、本実施形態の別の他の態様における表面被覆切削工具の模式断面図である。 図５は、本実施形態におけるＷＣ_１−ｘ層をＸ線光電子分光分析法によって測定した際に得られるタングステン元素の４ｆ軌道のスペクトル図である。

[本開示が解決しようとする課題]
しかしながら、特許文献１に記載の被膜が被覆された切削工具では、副生成物として当該被膜中に金属タングステンが残留するため、高速高能率加工では耐摩耗性、耐欠損性等が不充分であり、改善の余地が残されている。

本開示は、上記事情に鑑みてなされたものであり、優れた耐欠損性を有する表面被覆切削工具を提供することを目的とする。

[本開示の効果]
上記によれば、優れた耐欠損性を有する表面被覆切削工具を提供することが可能になる。

[本願発明の実施形態の説明]
［１］本開示に係る表面被覆切削工具は、
基材と、上記基材を被覆する被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
上記被膜は、ＷＣ_１−ｘ（ただし、ｘは、０．５４以上０．５８以下である）で示される化合物からなるＷＣ_１−ｘ層を含み、
上記ＷＣ_１−ｘで示される化合物は、六方晶型の結晶構造を含み、
上記ＷＣ_１−ｘ層をＸ線光電子分光分析法によって測定した際に得られるタングステン元素の４ｆ軌道のスペクトル図において、３１．２〜３１．４ｅＶの範囲に、ピークの極大点が存在する。

上記表面被覆切削工具は、上述のような構成を備えることによって、優れた靱性が付与される。その結果、上記表面被覆切削工具は、優れた耐欠損性を有する。

［２］上記ＷＣ_１−ｘ層は、金属タングステンを含まない。このように規定することで耐欠損性が更に優れる表面被覆切削工具となる。

［３］上記ＷＣ_１−ｘ層は、その膜硬度が３７００ｍｇｆ／μｍ^２以上４５００ｍｇｆ／μｍ^２以下である。このように規定することで耐欠損性に加えて耐摩耗性に優れる表面被覆切削工具となる。

［４］上記被膜は、上記ＷＣ_１−ｘ層の上に形成されている硬質被膜層を更に含み、
上記硬質被膜層は、上記ＷＣ_１−ｘ層とは組成が異なる第一単位層を少なくとも含み、
上記第一単位層は、周期表４族元素、５族元素、６族元素、Ａｌ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、酸素及びホウ素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物からなる。このように規定することで耐欠損性が更に優れ且つ耐摩耗性に優れる表面被覆切削工具となる。

［５］上記第一単位層は、その厚さが０．１μｍ以上１０μｍ以下である。このように規定することで耐欠損性が更に優れ且つ耐摩耗性に優れる表面被覆切削工具となる。

［６］上記硬質被膜層は、上記ＷＣ_１−ｘ層及び上記第一単位層とは組成が異なる第二単位層を更に含み、
上記第二単位層は、周期表４族元素、５族元素、６族元素、Ａｌ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、酸素及びホウ素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物からなり、
上記第一単位層及び上記第二単位層は、それぞれが交互に１層以上積層された多層構造を形成している。このように規定することで耐欠損性が更に優れ且つ耐摩耗性に優れる表面被覆切削工具となる。

［７］上記硬質被膜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以下であり、上記第二単位層は、その厚さが１ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。このように規定することで耐欠損性が更に優れ且つ耐摩耗性に優れる表面被覆切削工具となる。

［８］上記被膜は、その厚さが０．１μｍ以上１０μｍ以下である。このように規定することで耐欠損性が更に優れ且つ耐摩耗性に優れる表面被覆切削工具となる。

［９］上記基材は、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。このように規定することで高温における硬度と強度とに優れる表面被覆切削工具となる。

[本願発明の実施形態の詳細]
以下、本開示の一実施形態（以下「本実施形態」と記す。）について説明する。ただし、本実施形態はこれに限定されるものではない。本明細書において「Ａ〜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。さらに、本明細書において、たとえば「ＴｉＮ」等のように、構成元素の比が限定されていない化学式によって化合物が表された場合には、その化学式は従来公知のあらゆる組成比（元素比）を含むものとする。このとき化学式は、化学量論組成のみならず、非化学量論組成も含むものとする。たとえば「ＴｉＮ」の化学式には、化学量論組成「Ｔｉ_１Ｎ_１」のみならず、たとえば「Ｔｉ_１Ｎ_０．８」のような非化学量論組成も含まれる。このことは、「ＴｉＮ」以外の化合物の記載についても同様である。

≪表面被覆切削工具≫
本開示に係る表面被覆切削工具は、
基材と、上記基材を被覆する被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
上記被膜は、ＷＣ_１−ｘ（ただし、ｘは、０．５４以上０．５８以下である）で示される化合物からなるＷＣ_１−ｘ層を含み、
上記ＷＣ_１−ｘで示される化合物は、六方晶型の結晶構造を含み、
上記ＷＣ_１−ｘ層をＸ線光電子分光分析法によって測定した際に得られるタングステン元素の４ｆ軌道のスペクトル図において、３１．２〜３１．４ｅＶの範囲に、ピークの極大点が存在する。

本実施形態の表面被覆切削工具（以下、単に「切削工具」という場合がある。）は、基材と、上記基材を被覆する被膜とを備える。上記切削工具は、例えば、ドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型切削チップ、エンドミル用刃先交換型切削チップ、フライス加工用刃先交換型切削チップ、旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ等であり得る。

図１は、表面被覆切削工具の一態様を例示する斜視図である。このような形状の表面被覆切削工具は、例えば、刃先交換型切削チップとして用いられる。上記表面被覆切削工具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、表面被覆切削工具１０の切刃先端部を構成する。このような表面被覆切削工具１０の形状は、上記表面被覆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であればいずれのものも使用することができる。例えば、上記基材は、超硬合金（例えば、炭化タングステン（ＷＣ）基超硬合金、ＷＣの他にＣｏを含む超硬合金、ＷＣの他にＣｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物を添加した超硬合金等）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を主成分とするもの）、高速度鋼、セラミックス（炭化チタン、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム等）、立方晶型窒化硼素焼結体（ｃＢＮ焼結体）及びダイヤモンド焼結体からなる群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。

表面被覆切削工具が、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たりしていたとしても本実施形態の範囲を逸脱するものではない。

上記被膜は、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、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。ここで、被膜の厚さとは、後述するＷＣ_１−ｘ層、硬質被膜層及び下地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ＷＣ_１−ｘ層、硬質被膜層（第一単位層、第二単位層）及び下地層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（商品名）が挙げられる。

（ＷＣ_１−ｘ層）
上記被膜は、ＷＣ_１−ｘで示される化合物からなるＷＣ_１−ｘ層を含む。「ＷＣ_１−ｘで示される化合物」（以下、「ＷＣ_１−ｘ」と表記する場合がある。）とは、タングステン元素（Ｗ）の元素比を１とした場合、炭素元素（Ｃ）の元素比が１−ｘである炭化タングステンを意味する。上記ＷＣ_１−ｘ層は、本実施形態に係る表面被覆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。上記不可避不純物の含有割合は、ＷＣ_１−ｘ層の全質量に対して０質量％以上０．２質量％以下であることが好ましい。後述する「硬質被膜層」及び「他の層」の表記についても同様に、本実施形態に係る表面被覆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ｘは、０．５４以上０．５８以下であり、０．５５以上０．５７以下であることが好ましく、０．５６以上０．５６９以下であることがより好ましい。上記ｘが０．５４未満であると、ＷＣ_１−ｘの結晶粒界に遊離炭素が析出し強度が低下する傾向がある。また上記ｘが０．５８を超えると、当該結晶粒界の強度が低下する傾向がある。そのため、ｘが上述の範囲外であると亀裂進展を抑制できず靱性が低くなる傾向がある。このような傾向は、結晶の均質性と歪みのバランスが適切ではないために起こると本発明者らは推測している。

上記ｘは、ＷＣ_１−ｘ層において基材の表面の法線方向に平行な断面サンプルを得て、この断面サンプルに現われた結晶粒に対して走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）又はＴＥＭに付帯のエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ：Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）装置を用いて分析することにより、求めることが可能である。具体的には、上記断面サンプルのＷＣ_１−ｘ層における任意の３点それぞれを測定して上記ｘの値を求め、求められた３点の値の平均値を上記断面サンプルのＷＣ_１−ｘ層におけるｘとする。ここで当該「任意の３点」は、ＷＣ_１−ｘ層中の任意の３０ｎｍ×３０ｎｍの領域を３か所選択するものとする。上記ＥＤＸ装置としては、例えば、日本電子株式会社製のシリコンドリフト検出器、ＪＥＤ−２２００（商品名）が挙げられる。

上記ＷＣ_１−ｘで示される化合物は、六方晶型の結晶構造を含む。上記ＷＣ_１−ｘで示される化合物が六方晶型の結晶構造を含むことは、例えば、上述のＷＣ_１−ｘ層における任意の３点に対してＸ線回折測定（ＸＲＤ測定）を行い分析することで確認できる。例えば、上記ＷＣ_１−ｘで示される化合物が六方晶型の結晶構造を含む場合、ＸＲＤ測定において、（１０２）面等の結晶面に由来するピークが観測される。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。

本実施形態の一態様では、上記ＷＣ_１−ｘ層をＸ線光電子分光分析法（ＸＰＳ法）によって測定した際に得られるタングステン元素の４ｆ軌道のスペクトル図において、３１．２〜３１．４ｅＶの範囲に、ピークの極大点が存在する。ここで、「タングステン元素の４ｆ軌道のスペクトル図において、３１．２〜３１．４ｅＶの範囲に、ピークの極大点が存在する」とは、上記ＷＣ_１−ｘ層の表面をＸ線光電子分光分析法によって測定した際に直接得られるタングステン元素の４ｆ軌道のスペクトル図において、上記範囲内にピークの極大点が存在することを意味している（例えば、図５）。つまり、上記「直接得られるタングステン元素の４ｆ軌道のスペクトル図」を複数のスペクトルに分解する等の２次加工したスペクトル図を解析することを意図するものではない。ＸＰＳ法に用いられる装置としては、例えば、アルバック・ファイ株式会社製のＶｅｒｓａ Ｐｒｏｂｅ ＩＩＩ（商品名）が挙げられる。上記ピークの極大点の算出は、以下のようにして求められる。まずＸＰＳ法を用いて上記ＷＣ_１−ｘ層の表面における任意の３点において当該極大点の結合エネルギーの値（ｅＶ）をそれぞれ求める。その後、求められた３点の平均値を上記ＷＣ_１−ｘ層における「タングステン元素の４ｆ軌道に由来するピークの極大点」の結合エネルギーの値（ｅＶ）とする。なお、ＷＣ_１−ｘ層が最表面に設けられている場合、自然酸化層をＡｒ^＋スパッタで除去してから上述の測定を行うものとする。また、上記ＷＣ_１−ｘ層が最表面でない場合は、Ａｒ^＋スパッタ等で上記ＷＣ_１−ｘ層を露出させてから測定を行うものとする。

図２は、本実施形態の一態様における表面被覆切削工具の模式断面図である。図２に示すように、上記ＷＣ_１−ｘ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ＷＣ_１−ｘ層１２は、上記基材１１の直上に設けられていてもよい。

上記ＷＣ_１−ｘ層は、金属タングステンを含まないことが好ましい。ここで「金属タングステンを含まない」との記載には、上記ＷＣ_１−ｘ層に金属タングステンが一切含まないものだけでなく、金属タングステンが検出限界未満となるものも含まれる。金属タングステンの有無は、例えば、ＸＲＤ測定を用いてＷＣ_１−ｘ層の任意の３点における金属タングステンの有無（金属タングステンに由来するピークの有無）を調べることで確認できる。ＸＲＤ測定に用いられる装置としては、例えば、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。

上記ＷＣ_１−ｘ層は、その膜硬度が３７００ｍｇｆ／μｍ^２以上４５００ｍｇｆ／μｍ^２以下であることが好ましく、３８００ｍｇｆ／μｍ^２以上４３００ｍｇｆ／μｍ^２以下であることがより好ましい。上記膜硬度は、ナノインデンターで測定することが可能である。具体的には、まず、上記ＷＣ_１−ｘ層の表面における任意の１０点それぞれを測定して上記膜硬度を求める。その後、求められた１０点の膜硬度の平均値を上記断面サンプルのＷＣ_１−ｘ層における膜硬度とする。ここで、上記ＷＣ_１−ｘ層が最表面でない場合は、機械研磨等で上記ＷＣ_１−ｘ層を露出させてからナノインデンターで測定を行うものとする。ナノインデンターとしては、例えば、株式会社エリオニクス製のＥＮＴ１１００（商品名）が挙げられる。

上記ＷＣ_１−ｘ層は、その厚さが０．３μｍ以上７μｍ以下であることが好ましく、０．５μｍ以上３μｍ以下であることがより好ましい。

（硬質被膜層）
上記被膜は、上記ＷＣ_１−ｘ層の上に形成されている硬質被膜層を更に含むことが好ましい。上記硬質被膜層は、上記ＷＣ_１−ｘ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。
ここで「上記ＷＣ_１−ｘ層の上に形成されている」とは、上記ＷＣ_１−ｘ層の上側（基材から離れる側）に硬質被膜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ＷＣ_１−ｘ層と、硬質被膜層との間に他の層が設けられていてもよい。また、図３に示すように上記硬質被膜層１３は、上記ＷＣ_１−ｘ層１２の直上に設けられていてもよい。上記硬質被膜層は、最外層（表面層）であってもよい。

（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、Ａｌ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、酸素及びホウ素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物からなることが好ましい。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、酸素及びホウ素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物からなることがより好ましい。周期表４族元素としては、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）等が挙げられる。周期表５族元素としては、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）等が挙げられる。周期表６族元素としては、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）等が挙げられる。

上記第一単位層に含まれる化合物としては、例えば、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＴｉＣｒＳｉＮ、ＴｉＡｌＣｒＳｉＮ、ＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＯ、ＡｌＣｒＳｉＮ、ＴｉＺｒＮ、ＴｉＡｌＭｏＮ、ＴｉＡｌＮｂＮ、ＴｉＳｉＮ、ＡｌＣｒＴａＮ、ＡｌＴｉＶＮ、ＴｉＢ_２、ＴｉＣｒＨｆＮ、ＣｒＳｉＷＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＡｌＺｒＯＮ、ＡｌＣｒＣＮ、ＡｌＨｆＮ、ＣｒＳｉＢＯＮ、ＴｉＡｌＷＮ、ＡｌＣｒＭｏＣＮ、ＴｉＡｌＢＮ、ＴｉＡｌＣｒＳｉＢＣＮＯ、ＺｒＮ及びＺｒＣＮ等が挙げられる。

上記硬質被膜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、上記硬質被膜層）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）
上記硬質被膜層は、上記ＷＣ_１−ｘ層及び上記第一単位層とは組成が異なる第二単位層を更に含むことが好ましい。上記第二単位層は、周期表４族元素、５族元素、６族元素、Ａｌ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、酸素及びホウ素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物からなることが好ましい。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、酸素及びホウ素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物からなることがより好ましい。周期表４族元素、５族元素及び６族元素それぞれの具体例としては、上述した各元素が挙げられる。

上記第二単位層に含まれる化合物としては、例えば、上記（第一単位層）の欄において、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上記第二単位層は、それぞれが交互に１層以上積層された多層構造を形成していることが好ましい。すなわち、図４に示すように、硬質被膜層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ＷＣ_１−ｘ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ＷＣ_１−ｘ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。

上記硬質被膜層が上記多層構造を含む場合、上記硬質被膜層は、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。

上記硬質被膜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、上記硬質被膜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以下であり、且つ上記第二単位層は、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、上記硬質被膜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。

（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ＷＣ_１−ｘ層及び上記硬質被膜層とは組成が異なっていてもよいし、同じであってもよい。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、上記基材と上記ＷＣ_１−ｘ層との間に設けられている下地層、上記ＷＣ_１−ｘ層と上記硬質被膜層との間に設けられている中間層、上記硬質被膜層の上に設けられている表面層等が挙げられる。下地層等の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。

≪表面被覆切削工具の製造方法≫
本実施形態に係る表面被覆切削工具の製造方法は、基材準備工程と、ＷＣ_１−ｘ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。市販品としては、例えば、住友電工ハードメタル株式会社製のＥＨ５２０（商品名）が挙げられる。

＜ＷＣ_１−ｘ層被覆工程＞
ＷＣ_１−ｘ層被覆工程では、上記基材の表面の少なくとも一部をＷＣ_１−ｘ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ＷＣ_１−ｘ層で被覆する方法としては、特に制限されないが、例えば、物理蒸着法（ＰＶＤ法）によってＷＣ_１−ｘ層を形成することが挙げられる。

上記物理蒸着法としては、従来公知の物理蒸着法を特に限定することなく用いることができる。このような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ＷＣ_１−ｘ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。すなわち、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又は溶成ターゲット）を装置内のアーク式蒸発源にセットし、基板（基材）温度を４００〜５５０℃及び該装置内のガス圧を１〜３．５Ｐａに設定する。上記ガスとしては、例えばアルゴンガスを導入する。そして、基板（負）バイアス電圧を１０〜７００Ｖ且つＤＣ又はパルスＤＣ（周波数１０〜３００ｋＨｚ）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ＷＣ_１−ｘ層を形成することができる。このとき、ＷＣ_１−ｘ層の形成初期（膜厚が０．２μｍ以下の範囲）に基材温度を５５０〜６００℃とすることが好ましい。また、成膜の全域にわたって、高周波数２５０〜３００ｋＨｚ×高電圧６００〜７００Ｖのバイアスを膜厚３０ｎｍ以下の範囲で間欠印加することが好ましい。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。

＜硬質被膜層被覆工程＞
本実施形態に係る表面被覆切削工具の製造方法は、上記ＷＣ_１−ｘ層被覆工程の後に硬質被膜層被覆工程を更に含むことが好ましい。硬質被膜層の形成方法は、特に制限なく、従来の方法を用いることが可能である。具体的には、例えば、上述したＰＶＤ法によって硬質被膜層を形成することが挙げられる。

＜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、基材と上記ＷＣ_１−ｘ層との間に下地層を形成する下地層被覆工程、上記ＷＣ_１−ｘ層と上記硬質被膜層との間に中間層を形成する中間層被覆工程、上記硬質被膜層の上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。上述の下地層、中間層及び表面層等の他の層を形成する場合、従来の方法によって他の層を形成してもよい。具体的には、例えば、上述したＰＶＤ法によって上記他の層を形成することが挙げられる。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。

≪表面被覆切削工具の作製≫
＜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ＣＮＭＧ１２０４０８）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。

＜ＷＣ_１−ｘ層被覆工程＞
ＷＣ_１−ｘ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ＷＣ_１−ｘ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であってＣ量が３〜６．１質量％である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４００〜５５０℃及び該装置内のガス圧を１．０〜３．５Ｐａに設定した。上記ガスとしては、アルゴンガスを導入した。そして、基材（負）バイアス電圧を１０〜７００Ｖ且つＤＣ又はパルスＤＣ（周波数１０〜３００ｋＨｚ）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た。アーク電流の供給でアーク式蒸発源から金属イオン等を発生させることによりＷＣ_１−ｘ層を形成した。ここで、ＷＣ_１−ｘ層の形成初期（膜厚が０．２μｍ以下の範囲）では、基材温度を５５０〜６００℃とした。また、成膜の全域にわたって、高周波数２５０〜３００ｋＨｚ×高電圧６００〜７００Ｖのバイアスを膜厚３０ｎｍ以下の範囲で間欠印加した。

＜下地層被覆工程＞
基材とＷＣ_１−ｘ層との間に下地層を設けた試料（実施例１２、１３、１５及び１６）については、ＷＣ_１−ｘ層被覆工程を行う前に以下の手順にて、基材の上に下地層を形成した。まず表１に記載の下地層の組成の欄における金属組成を含むターゲット（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、窒化物の下地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。炭窒化物の下地層の場合は、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に記載の厚さまで下地層を形成した。

＜硬質被膜層被覆工程＞
また、ＷＣ_１−ｘ層の上に硬質被膜層を設けた試料（実施例１２、１３、１５及び１６）については、ＷＣ_１−ｘ層被覆工程を行った後に以下の手順にて、ＷＣ_１−ｘ層の上に硬質被膜層を形成し、本実施形態に係る表面被覆切削工具を作製した。まず表１に記載の硬質被膜層の組成の欄における金属組成を含むターゲット（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、窒化物の硬質被膜層の場合は窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガスを導入した。炭窒化物の硬質被膜層の場合は、反応ガスとしては窒素ガスとメタンガスとアルゴンガスとの混合ガスを導入した。酸化物の硬質被膜層の場合は、反応ガスとしては酸素ガスと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に記載の厚さまで硬質被膜層を形成した。なお、多層構造の硬質被膜層を形成する場合は、表１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た。

≪切削工具の特性評価≫
上述のようにして作製した試料（実施例１〜１６及び比較例１〜４）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。

ＷＣ_１−ｘ層の組成ｘは、基材の表面の法線方向に平行な断面サンプルを用いて、ＴＥＭに付帯のＥＤＸ装置（日本電子株式会社製シリコンドリフト検出器、商品名：ＪＥＤ−２２００）によって、以下の条件で測定した。具体的には、まず上記断面サンプルのＷＣ_１−ｘ層における任意の３点それぞれを測定して上記組成ｘの値を求めた。その後、求められた３点の値の平均値を上記断面サンプルのＷＣ_１−ｘ層における組成ｘとした。ここで当該「任意の３点」は、ＷＣ_１−ｘ層中の任意の３０ｎｍ×３０ｎｍの領域を３か所選択した。結果を表１に示す。
ＥＤＸ法の測定条件
加速電圧 ：２００ｋＶ
プローブ電流 ：０．２９ｎＡ
プローブサイズ ：０．２ｎｍ

ＷＣ_１−ｘ層におけるＷＣ_１−ｘの結晶構造は、Ｘ線回折測定（ＸＲＤ測定）用装置（パナリティカル製、商品名：Ｘ’ｐｅｒｔ）を用いて、以下の条件で上述のＷＣ_１−ｘ層における任意の３点を測定することで行った。結果を表１に示す。表１中、「六方晶」という表記は、六方晶のＷＣ_１−ｘが含まれていて、立方晶のＷＣ_１−ｘが含まれていなかったことを示す。表１中、「六方晶＋立方晶」という表記は、ＷＣ_１−ｘ層中に六方晶のＷＣ_１−ｘと立方晶のＷＣ_１−ｘとがそれぞれ３５質量％及び６５質量％の割合で混在していたことを示す。
ＸＲＤ法の測定条件
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°

ＷＣ_１−ｘ層における金属タングステンの有無は、ＸＲＤ測定用装置を用いて、上記と同様の条件で、上記ＷＣ_１−ｘ層における任意の３点を測定することで確認した。結果を表１に示す。表１中、「金属Ｗ」の欄における「無」との表記は、ＷＣ_１−ｘ層中に金属タングステンが含まれていないことを示し、「有」との表記は、ＷＣ_１−ｘ層中に金属タングステンが含まれていること示す。

ＷＣ_１−ｘ層におけるタングステン元素の４ｆ軌道のスペクトルのピーク（ＸＰＳ Ｗ４ｆピーク）の極大点の結合エネルギーの値は、以下のようにして求めた。まず、ＸＰＳ法に用いられる装置（アルバック・ファイ株式会社製、商品名：Ｖｅｒｓａ Ｐｒｏｂｅ ＩＩＩ）を用いて、上記ＷＣ_１−ｘ層の表面の任意の３点における当該極大点の結合エネルギーの値（ｅＶ）をそれぞれ求めた（例えば、図５）。その後、求められた３点の平均値を上記ＷＣ_１−ｘ層における「タングステン元素の４ｆ軌道のスペクトルのピークの極大点」の結合エネルギーの値とした。なお、上記ＷＣ_１−ｘ層が最表面に設けられている場合、自然酸化層をＡｒ^＋スパッタで除去してから上述の測定を行った。また、上記ＷＣ_１−ｘ層が最表面でない場合は、Ａｒ^＋スパッタで上記ＷＣ_１−ｘ層を露出させてから測定を行った。結果を表１に示す。
ＸＰＳ法の測定条件
使用Ｘ線源 ：ｍｏｎｏ−ＡｌＫα線 （ｈν＝１４８６．６ｅＶ）
検出深さ ：１ｎｍ〜１０ｎｍ
Ｘ線ビーム径 ：約１００μｍφ
中和銃 ：デュアルタイプ使用
Ａｒ^＋ ：加速電圧 ４ｋＶ
ラスターサイズ：１×１ｍｍ
スパッタ速度（Ａｒ^＋）：ＳｉＯ_２スパッタ換算値 ２８．３ｎｍ／ｍｉｎ

ＷＣ_１−ｘ層の膜硬度は、ナノインデンター（株式会社エリオニクス製、商品名：ＥＮＴ１１００）を用いて、以下の条件で測定した。このとき、まず上記ＷＣ_１−ｘ層の表面における任意の１０点それぞれを測定して上記膜硬度を求めた。その後、求められた１０点の膜硬度の平均値を上記ＷＣ_１−ｘ層における膜硬度とした。なお、上記ＷＣ_１−ｘ層が最表面でない場合は、機械研磨等で上記ＷＣ_１−ｘ層を露出させてからナノインデンターで測定を行った。結果を表１に示す。
ナノインデンターの測定条件
圧子 ： バーコビッチ
荷重 ： １ｇｆ
負荷時間： １００００ｍｓｅｃ
保持時間： ２０００ｍｓｅｃ
除荷時間： １００００ｍｓｅｃ

ＷＣ_１−ｘ層、下地層、硬質被膜層（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に示す。表１中、「下地層」及び「硬質被膜層」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。また、「硬質被膜層」における「ＴｉＡｌＳｉＮ（８ｎｍ）／ＴｉＳｉＮ（４ｎｍ）多層構造（１．０μｍ）」等の表記は、硬質被膜層が、厚さ８ｎｍのＴｉＡｌＳｉＮ層（第一単位層）と厚さ４ｎｍのＴｉＳｉＮ層（第二単位層）とを上下交互に８４層ずつ積層した多層構造（合計厚み１．０μｍ）により形成されていることを示している。

≪切削試験≫
＜耐欠損性試験＞
上述のようにして作製した試料（実施例１〜１６、比較例１〜４）の切削工具を用いて、以下の切削条件により、逃げ面摩耗量（Ｖｂ）が０．１ｍｍとなるまで又は切削工具が欠損するまでの切削時間を測定し、当該切削工具の耐欠損性を評価した。その結果を表２に示す。切削時間が長いほど耐欠損性に優れる切削工具として評価することができる。

（耐欠損性試験（旋削加工試験）の切削条件）
被削材（材質）：Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ
速度 ：Ｖ５０ｍ／ｍｉｎ
送り ：０．２ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み ：１．０ｍｍ

上記切削試験の結果から、実施例１〜１６の切削工具は、比較例１〜４の切削工具に比べて、耐欠損性に優れており、工具寿命も長いことが分かった。このことから、実施例１〜１６の切削工具は、負荷の高い高速、高能率加工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 表面被覆切削工具、 １１ 基材、 １２ ＷＣ_１−ｘ層、 １３ 硬質被膜層、 １３１ 第一単位層、 １３２ 第二単位層。

Claims (9)

1. 基材と、前記基材を被覆する被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
   前記被膜は、ＷＣ_１−ｘ（ただし、ｘは、０．５４以上０．５８以下である）で示される化合物からなるＷＣ_１−ｘ層を含み、
   前記ＷＣ_１−ｘで示される化合物は、六方晶型の結晶構造を含み立方晶型の結晶構造を含まず、
   前記ＷＣ_１−ｘ層をＸ線光電子分光分析法によって測定した際に得られるタングステン元素の４ｆ軌道のスペクトル図において、３１．２〜３１．４ｅＶの範囲に、ピークの極大点が存在する、表面被覆切削工具。
2. 前記ＷＣ_１−ｘ層は、金属タングステンを含まない、請求項１に記載の表面被覆切削工具。
3. 前記ＷＣ_１−ｘ層は、その膜硬度が３７００ｍｇｆ／μｍ^２以上４５００ｍｇｆ／μｍ^２以下である、請求項１又は請求項２に記載の表面被覆切削工具。
4. 前記被膜は、前記ＷＣ_１−ｘ層の上に形成されている硬質被膜層を更に含み、
   前記硬質被膜層は、前記ＷＣ_１−ｘ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、Ａｌ及びＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素、又は前記元素の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素及びホウ素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物からなる、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。
5. 前記第一単位層は、その厚さが０．１μｍ以上１０μｍ以下である、請求項４に記載の表面被覆切削工具。
6. 前記硬質被膜層は、前記ＷＣ_１−ｘ層及び前記第一単位層とは組成が異なる第二単位層を更に含み、
   前記第二単位層は、周期表４族元素、５族元素、６族元素、Ａｌ及びＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素、又は前記元素の少なくとも１種と、炭素、窒素、酸素及びホウ素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物からなり、
   前記第一単位層及び前記第二単位層は、それぞれが交互に１層以上積層された多層構造を形成している、請求項４に記載の表面被覆切削工具。
7. 前記第一単位層は、その厚さが１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、前記第二単位層は、その厚さが１ｎｍ以上１００ｎｍ以下である、請求項６に記載の表面被覆切削工具。
8. 前記被膜は、その厚さが０．１μｍ以上１０μｍ以下である、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。
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、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。

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