JP7251347B2 - 表面被覆切削工具 - Google Patents
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Description
本開示は、表面被覆切削工具に関する。
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。例えば、特開２０１３－１４６７７８号公報（特許文献１）には、基材の表面に、Ｔｉ、Ｚｒ及びＨｆのいずれか一種の金属層からなる厚さ１～５μｍの下地層と、該下地層の表面に、ＴｉとＡｌの複合窒化物層からなる層厚１～２０μｍの表面層とが被覆形成されている複合部材が開示されている。
しかしながら、特許文献１に記載の複合部材を含む表面被覆切削工具を用いて難削材（例えば、チタン、インコネル（登録商標）、ＳＵＳ等）を加工した場合、複合窒化物層と被削材とが溶着し、結果として耐欠損性に改善の余地が生じる懸念がある。
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しつつ、難削材を加工した場合においても優れた耐反応性及び耐摩耗性を有する、表面被覆切削工具を提供することにある。
本開示に係る表面被覆切削工具は、基材と、基材上に設けられた被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
上記被膜は、タングステンと炭素とからなるＷＣ層と上記ＷＣ層の直上に設けられたチタンを含むＴｉ層とを含み、
上記Ｔｉ層は、最表面層であり、
上記Ｔｉ層は、Ｘ線回折スペクトルにおいて、２θ＝４０．１８～４０．２２゜の位置に最大ピークを有し、
上記最大ピークの半価幅は、０．１～０．１１８°であり、
上記最大ピークは、（１０１）面に由来する。
上記被膜は、タングステンと炭素とからなるＷＣ層と上記ＷＣ層の直上に設けられたチタンを含むＴｉ層とを含み、
上記Ｔｉ層は、最表面層であり、
上記Ｔｉ層は、Ｘ線回折スペクトルにおいて、２θ＝４０．１８～４０．２２゜の位置に最大ピークを有し、
上記最大ピークの半価幅は、０．１～０．１１８°であり、
上記最大ピークは、（１０１）面に由来する。
本開示によれば、優れた耐欠損性を有しつつ、難削材を加工した場合においても優れた耐反応性及び耐摩耗性を有する、表面被覆切削工具を提供することが可能になる。
[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
［１］本開示に係る表面被覆切削工具は、基材と、基材上に設けられた被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
上記被膜は、タングステンと炭素とからなるＷＣ層と上記ＷＣ層の直上に設けられたチタンを含むＴｉ層とを含み、
上記Ｔｉ層は、最表面層であり、
上記Ｔｉ層は、Ｘ線回折スペクトルにおいて、２θ＝４０．１８～４０．２２゜の位置に最大ピークを有し、
上記最大ピークの半価幅は、０．１～０．１１８°であり、
上記最大ピークは、（１０１）面に由来する。
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
［１］本開示に係る表面被覆切削工具は、基材と、基材上に設けられた被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
上記被膜は、タングステンと炭素とからなるＷＣ層と上記ＷＣ層の直上に設けられたチタンを含むＴｉ層とを含み、
上記Ｔｉ層は、最表面層であり、
上記Ｔｉ層は、Ｘ線回折スペクトルにおいて、２θ＝４０．１８～４０．２２゜の位置に最大ピークを有し、
上記最大ピークの半価幅は、０．１～０．１１８°であり、
上記最大ピークは、（１０１）面に由来する。
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（すなわち、優れた耐欠損性）、耐反応性、及び耐摩耗性を有すると考えられる。
［２］上記ＷＣ層は、その厚さが０．５μｍ以上２．５μｍ以下であり、
上記Ｔｉ層は、その厚さが０．５μｍ以上１．５μｍ以下である。これにより、更に優れた耐欠損性、耐反応性、及び耐摩耗性を有する表面被覆切削工具となる。
上記Ｔｉ層は、その厚さが０．５μｍ以上１．５μｍ以下である。これにより、更に優れた耐欠損性、耐反応性、及び耐摩耗性を有する表面被覆切削工具となる。
［３］上記被膜は、上記基材と上記ＷＣ層との間に設けられた少なくとも一層の硬質被膜層を更に含み、
上記硬質被膜層は、上記ＷＣ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、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物からなる。これにより、更に優れた耐欠損性、耐反応性、及び耐摩耗性を有する表面被覆切削工具となる。
上記硬質被膜層は、上記ＷＣ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、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物からなる。これにより、更に優れた耐欠損性、耐反応性、及び耐摩耗性を有する表面被覆切削工具となる。
［４］上記第一単位層は、Ｔｉ、Ｃｒ、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、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物からなる。これにより、更に優れた耐欠損性、耐反応性、及び耐摩耗性を有する表面被覆切削工具となる。
［５］上記硬質被膜層は、上記ＷＣ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、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物からなる。これにより、更に優れた耐欠損性、耐反応性、及び耐摩耗性を有する表面被覆切削工具となる。
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、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物からなる。これにより、更に優れた耐欠損性、耐反応性、及び耐摩耗性を有する表面被覆切削工具となる。
［６］上記第二単位層は、Ｔｉ、Ｃｒ、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、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物からなる。これにより、更に優れた耐欠損性、耐反応性、及び耐摩耗性を有する表面被覆切削工具となる。
［７］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。これにより、優れた耐欠損性、耐反応性、及び耐摩耗性に加えて、優れた耐亀裂進展性を有する表面被覆切削工具となる。
［８］上記基材は、超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶窒化硼素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。これにより、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。
[本開示の実施形態の詳細]
以下、本開示の一実施形態（以下「本実施形態」と記す。）について説明する。ただし、本実施形態はこれに限定されるものではない。本明細書において「Ａ～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、例えば「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。例えば「ＴｉＮ」の化学式には、化学量論組成「Ｔｉ１Ｎ１」のみならず、例えば「Ｔｉ１Ｎ０．８」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、例えば「ＷＣ」についても同様である。
以下、本開示の一実施形態（以下「本実施形態」と記す。）について説明する。ただし、本実施形態はこれに限定されるものではない。本明細書において「Ａ～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、例えば「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。例えば「ＴｉＮ」の化学式には、化学量論組成「Ｔｉ１Ｎ１」のみならず、例えば「Ｔｉ１Ｎ０．８」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、例えば「ＷＣ」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、基材上に設けられた被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
上記被膜は、タングステンと炭素とからなるＷＣ層と上記ＷＣ層の直上に設けられたチタンを含むＴｉ層とを含み、
上記Ｔｉ層は、最表面層であり、
上記Ｔｉ層は、Ｘ線回折スペクトルにおいて、２θ＝４０．１８～４０．２２゜の位置に最大ピークを有し、
上記最大ピークの半価幅は、０．１～０．１１８°であり、
上記最大ピークは、（１０１）面に由来する。
本開示に係る表面被覆切削工具は、
基材と、基材上に設けられた被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
上記被膜は、タングステンと炭素とからなるＷＣ層と上記ＷＣ層の直上に設けられたチタンを含むＴｉ層とを含み、
上記Ｔｉ層は、最表面層であり、
上記Ｔｉ層は、Ｘ線回折スペクトルにおいて、２θ＝４０．１８～４０．２２゜の位置に最大ピークを有し、
上記最大ピークの半価幅は、０．１～０．１１８°であり、
上記最大ピークは、（１０１）面に由来する。
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、上記基材上に設けられた被膜とを備える。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１００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１００の切刃先端部を構成する。このような表面被覆切削工具１００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）、立方晶窒化硼素焼結体（ｃＢＮ焼結体）及びダイヤモンド焼結体からなる群より選ばれる少なくとも１種を含むことが好ましく、超硬合金、サーメット及びｃＢＮ焼結体からなる群より選ばれる少なくとも１種を含むことがより好ましい。
本実施形態の基材は、この種の基材として従来公知のもの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。例えば、超硬合金の場合はその表面に脱β層が形成されていたり、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もの）、ネガランド（面取りをしたもの）、ホーニングとネガランドを組み合わせたものの中で、いずれのものも含まれる。
＜被膜＞
本実施形態に係る「被膜」は、タングステンと炭素とからなるＷＣ層とＷＣ層の直上に設けられたチタンを含むＴｉ層とを含む。本実施形態に係る「被膜」は、上記基材上の少なくとも一部（例えば、切削加工時に被削材と接する部分や切り屑と接する部分）に設けられることで、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、上記基材上の全面に設けられてもよい。なお、上記基材上の一部に上記被膜が設けられていない場合や、被膜の構成が部分的に異なる場合においても、本実施形態の範囲を逸脱するものではない。なお、被膜は、後述の硬質被膜層（第一単位層、第二単位層）等の他の層を更に含んでいてもよい。
本実施形態に係る「被膜」は、タングステンと炭素とからなるＷＣ層とＷＣ層の直上に設けられたチタンを含むＴｉ層とを含む。本実施形態に係る「被膜」は、上記基材上の少なくとも一部（例えば、切削加工時に被削材と接する部分や切り屑と接する部分）に設けられることで、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、上記基材上の全面に設けられてもよい。なお、上記基材上の一部に上記被膜が設けられていない場合や、被膜の構成が部分的に異なる場合においても、本実施形態の範囲を逸脱するものではない。なお、被膜は、後述の硬質被膜層（第一単位層、第二単位層）等の他の層を更に含んでいてもよい。
上記被膜は、その厚さが１μｍ以上１４μｍ以下であることが好ましく、１．２μｍ以上７μｍ以下であることがより好ましく、１．４μｍ以上４．１μｍ以下であることが更に好ましい。上記厚さが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１４μｍ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にある。ここで、被膜の厚さとは、後述するＷＣ層、Ｔｉ層、及び硬質被膜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。ＷＣ層、Ｔｉ層、及び硬質被膜層（第一単位層、第二単位層）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層）
上記被膜は、ＷＣで示される化合物からなるＷＣ層を含む。本実施形態に係る「ＷＣ層」は、タングステン（Ｗ）と炭素（Ｃ）とからなる層である。ここで、「ＷＣ」には、例えば「ＷＣ」及び「Ｗ２Ｃ」のような化学量論組成も含まれるし、「ＷＣ１－Ｘ」のような非化学量論組成も含まれる。上記ＷＣ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「Ｔｉ層」及び「硬質被膜層」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。
上記被膜は、ＷＣで示される化合物からなるＷＣ層を含む。本実施形態に係る「ＷＣ層」は、タングステン（Ｗ）と炭素（Ｃ）とからなる層である。ここで、「ＷＣ」には、例えば「ＷＣ」及び「Ｗ２Ｃ」のような化学量論組成も含まれるし、「ＷＣ１－Ｘ」のような非化学量論組成も含まれる。上記ＷＣ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「Ｔｉ層」及び「硬質被膜層」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。
ＷＣがＷＣ１－ｘで示される化合物である場合、ｘの値はＷＣ１－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ＷＣ１－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ＷＣ１－ｘ層におけるｘとする。ここで当該「任意の３点」は、ＷＣ１－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。
表面被覆切削工具がＷＣ層を含むことにより、上記ＷＣ層の直上に設けられているＴｉ層と相まって、優れた靱性（すなわち、優れた耐欠損性）、耐反応性、及び耐摩耗性を有する表面被覆切削工具となる。上記ＷＣ層は、その厚さが０．５μｍ以上２．５μｍ以下であることが好ましく、０．６μｍ以上２μｍ以下であることがより好ましく、０．７μｍ以上１．４μｍ以下であることが更に好ましい。ＷＣ層の厚さが０．５μｍ未満の場合、耐摩耗性が低下する傾向にある。ＷＣ層の厚さが２．５μｍを超える場合、微細なチッピングが発生しやすくなる傾向にある。
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２に示すように、上記ＷＣ層１１は、上記基材１０に接していてもよい。言い換えると、上記ＷＣ層１１は、上記基材１０の直上に設けられていてもよい。
（Ｔｉ層）
図２に示すように、上記被膜５０は、チタンを含むＴｉ層１２を含む。Ｔｉ層１２は、金属チタンからなってもよい。Ｔｉ層１２は、上記ＷＣ層１１の直上に設けられている。上記Ｔｉ層１２は、最表面層（最外層）である。上記Ｔｉ層は、例えば図５（本開示の一態様に係るＴｉ層のＸ線回折スペクトルの一例を示す図）に示されるように、Ｘ線回折測定（ＸＲＤ測定）を行うことにより得られたＸ線回折（ＸＲＤ）スペクトルにおいて、２θ＝４０．１８～４０．２２゜の位置に最大ピークを有する。上記最大ピークの半価幅は、０．１～０．１１８°であり、上記最大ピークは、（１０１）面に由来する。すなわち、上記Ｔｉ層のＸ線回折スペクトルが金属チタン由来のピークを有する事が示されている。本実施形態において「金属チタン由来のピーク」には、金属チタン由来のピークから多少シフトしているピークも含まれるものとする。上記Ｔｉ層のＸ線回折スペクトルは、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）で測定することが可能である。ここで「最大ピークの半価幅」とは、上記最大ピークの半分の強度における、ピークの幅である。本実施形態では、上記Ｔｉ層における任意の３点それぞれをＸＲＤ測定し、最大ピークを示した位置の確認及び最大ピークの半価幅の算出を行う。任意の３点における平均値を、最大ピークを示した位置及び最大ピークの半価幅とする。
図２に示すように、上記被膜５０は、チタンを含むＴｉ層１２を含む。Ｔｉ層１２は、金属チタンからなってもよい。Ｔｉ層１２は、上記ＷＣ層１１の直上に設けられている。上記Ｔｉ層１２は、最表面層（最外層）である。上記Ｔｉ層は、例えば図５（本開示の一態様に係るＴｉ層のＸ線回折スペクトルの一例を示す図）に示されるように、Ｘ線回折測定（ＸＲＤ測定）を行うことにより得られたＸ線回折（ＸＲＤ）スペクトルにおいて、２θ＝４０．１８～４０．２２゜の位置に最大ピークを有する。上記最大ピークの半価幅は、０．１～０．１１８°であり、上記最大ピークは、（１０１）面に由来する。すなわち、上記Ｔｉ層のＸ線回折スペクトルが金属チタン由来のピークを有する事が示されている。本実施形態において「金属チタン由来のピーク」には、金属チタン由来のピークから多少シフトしているピークも含まれるものとする。上記Ｔｉ層のＸ線回折スペクトルは、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）で測定することが可能である。ここで「最大ピークの半価幅」とは、上記最大ピークの半分の強度における、ピークの幅である。本実施形態では、上記Ｔｉ層における任意の３点それぞれをＸＲＤ測定し、最大ピークを示した位置の確認及び最大ピークの半価幅の算出を行う。任意の３点における平均値を、最大ピークを示した位置及び最大ピークの半価幅とする。
従来の知見では、最表面層がＴｉ層である切削工具を用いて難削材の切削を行った場合、難削材と当該Ｔｉ層とが溶着し、耐欠損性が著しく劣るものと考えられていた。そのため、切削工具において最表面層をＴｉ層とすることは、従来の技術常識に反するものである。詳細なメカニズムは不明であり、上記Ｔｉ層のＸ線回折スペクトルの結果から直接的に導き出せる訳ではないが、ＷＣ層の直上にＴｉ層を設けることで、ＷＣ層からＴｉ層内にＷＣ層を構成する元素が拡散して格子歪みが導入されるか、あるいは極めて微細な合金又はセラミックがＴｉ層内に分散すると推定される。これにより、切削工具において最表面層がＴｉ層であっても、優れた加工を行えるようになったと本発明者らは推測している。
Ｔｉ層のＸＲＤスペクトルにおいて、最大ピークが（１０１）面に由来しない場合、結果として、Ｔｉ層は耐摩耗性及び耐反応性が低下する傾向を有すると考えられる。そのため、優れた耐欠損性を有しつつ、難削材を加工した場合においても優れた耐反応性及び耐摩耗性を有する、表面被覆切削工具を提供することが困難になると考えられる。
Ｔｉ層のＸＲＤスペクトルにおいて、最大ピークが（１０１）面に由来するものの、２θ＝４０．１８゜未満の位置に確認される場合、Ｔｉ層の耐摩耗性が低下する傾向にある。Ｔｉ層のＸＲＤスペクトルにおいて、最大ピークが（１０１）面に由来するものの、最大ピークが２θ＝４０．２２゜を超える位置に確認される場合、Ｔｉ層の耐反応性が低下する傾向にある。
上記最大ピークは、２θ＝４０．１８５～４０．２１５゜の位置に存在することが好ましく、２θ＝４０．２～４０．２１゜の位置に存在することが更に好ましい。上記最大ピークが上記範囲内に確認されることは、Ｔｉ層において格子歪みが導入されていることを意味している。そのため、Ｔｉ層に優れた耐欠損性、耐反応性、及び耐摩耗性が付与されるものと考えられる。
Ｔｉ層のＸＲＤスペクトルにおいて、最大ピークが（１０１）面に由来するものの、最大ピークの半価幅が０．１゜未満である場合、Ｔｉ層の耐摩耗性が低下する傾向にある。最大ピークが（１０１）面に由来するものの、最大ピークの半価幅が０．１１８°を超える場合、Ｔｉ層の耐反応性が低下する傾向にある。
上記最大ピークの半価幅は、０．１０５～０．１１６゜であることが好ましく０．１１～０．１１３゜であることが更に好ましい。
上記Ｔｉ層は、その厚さが０．５μｍ以上１．５μｍ以下であることが好ましく、０．７μｍ以上１．２μｍ以下であることが更に好ましい。上記厚さが０．５μｍ未満である場合、耐反応性が低下する傾向にある。上記厚さが１．５μｍを超える場合、耐摩耗性及び耐欠損性が低下する傾向にある。
（硬質被膜層）
上記被膜５０は、上記基材１０と上記ＷＣ層１１との間に設けられた少なくとも一層の硬質被膜層１３を更に含むことが好ましい（図３参照）。例えば、硬質被膜層は、一層であってもよいし、二層であってもよいし、三層以上設けられてもよい。上記硬質被膜層は、上記ＷＣ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く、上記ＷＣ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より好ましい。ここで「上記基材と上記ＷＣ層との間に設けられた」とは、上記ＷＣ層の下側（基材側）に硬質被膜層が設けられていればよく、上記硬質被膜層と上記ＷＣ層とは必ずしも接触していることを要しない。言い換えると、上記硬質被膜層とＷＣ層との間に他の層が設けられていてもよい。上記硬質被膜層は、ＷＣ層の直下に設けられることが好ましい。また、硬質被膜層は基材と必ずしも接触していることを要しない。言い換えると、上記硬質被膜層と基材との間に他の層が設けられていてもよい。
上記被膜５０は、上記基材１０と上記ＷＣ層１１との間に設けられた少なくとも一層の硬質被膜層１３を更に含むことが好ましい（図３参照）。例えば、硬質被膜層は、一層であってもよいし、二層であってもよいし、三層以上設けられてもよい。上記硬質被膜層は、上記ＷＣ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く、上記ＷＣ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より好ましい。ここで「上記基材と上記ＷＣ層との間に設けられた」とは、上記ＷＣ層の下側（基材側）に硬質被膜層が設けられていればよく、上記硬質被膜層と上記ＷＣ層とは必ずしも接触していることを要しない。言い換えると、上記硬質被膜層とＷＣ層との間に他の層が設けられていてもよい。上記硬質被膜層は、ＷＣ層の直下に設けられることが好ましい。また、硬質被膜層は基材と必ずしも接触していることを要しない。言い換えると、上記硬質被膜層と基材との間に他の層が設けられていてもよい。
（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、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物からなることが好ましく、Ｔｉ、Ｃｒ、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、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物からなることがより好ましい。周期表４族元素としては、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）等が挙げられる。周期表５族元素としては、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）等が挙げられる。周期表６族元素としては、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）等が挙げられる。
上記第一単位層は、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、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物からなることが好ましく、Ｔｉ、Ｃｒ、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、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物からなることがより好ましい。周期表４族元素としては、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。
上記第一単位層を構成する化合物としては、例えば、ＴｉＷＮ、ＴｉＮ、ＺｒＣ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＣｒＮ、ＴｉＣｒＳｉＮ、ＴｉＡｌＣｒＳｉＮ、ＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＯ、ＡｌＣｒＳｉＮ、ＴｉＺｒＮ、ＴｉＡｌＭｏＮ、ＴｉＡｌＮｂＮ、ＡｌＣｒＴａＮ、ＡｌＴｉＶＮ、ＴｉＢ２、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、上記第一単位層（すなわち、上記硬質被膜層）は、その厚さが０．００２μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましく、０．００５μｍ以上１．５μｍ以下であることがより好ましい。
（第二単位層）
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、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物からなることが好ましく、Ｔｉ、Ｃｒ、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、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物からなることがより好ましい。
上記第二単位層は、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、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物からなることが好ましく、Ｔｉ、Ｃｒ、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、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物からなることがより好ましい。
上記第二単位層を構成する化合物としては、上記第一単位層を構成する化合物と同様の化合物を使用できる。
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基材側の界面は、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側の界面についても、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。多層構造を形成することにより、亀裂進展を抑制できる（すなわち、耐亀裂進展性に優れる）という効果がある。
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０．００２μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましく、０．００５μｍ以上１．５μｍ以下であることがより好ましい。
第一単位層及び第二単位層が上記多層構造を形成する場合、積層周期は１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。積層周期が１ｎｍ未満の場合、混合層が形成され、積層構造を形成することが困難となる傾向にある。積層周期が１００ｎｍを超える場合、積層界面による亀裂進展抑制効果に改善の余地が生じる傾向にある。
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一層ずつ積層させる態様が含まれるとともに、両層をそれぞれ２層以上、具体的には２０～２５００層ずつ交互積層させたものとすることができる。
≪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、ＷＣ層被覆工程、及びＴｉ層被覆工程を少なくとも含む。本実施形態に係る表面被覆切削工具の製造方法はこれらの工程を含む限り、その他の工程を含んでもよい。以下、各工程について説明する。
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、ＷＣ層被覆工程、及びＴｉ層被覆工程を少なくとも含む。本実施形態に係る表面被覆切削工具の製造方法はこれらの工程を含む限り、その他の工程を含んでもよい。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ものも使用することができる。基材は、製造してもよいし、市販品を購入してもよい。基材を製造する場合、従来公知の方法を用いて製造してもよい。例えば、上記基材が超硬合金からなる場合、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して、続いてこの混合粉末を所定の形状（例えば、ＳＥＥＴ１３Ｔ３ＡＧＳＮ、ＣＮＭＧ１２０４０８等）に加圧成形した後に、所定の焼結炉において１３００～１５００℃以下で、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。市販品を購入する場合、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。
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ものも使用することができる。基材は、製造してもよいし、市販品を購入してもよい。基材を製造する場合、従来公知の方法を用いて製造してもよい。例えば、上記基材が超硬合金からなる場合、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して、続いてこの混合粉末を所定の形状（例えば、ＳＥＥＴ１３Ｔ３ＡＧＳＮ、ＣＮＭＧ１２０４０８等）に加圧成形した後に、所定の焼結炉において１３００～１５００℃以下で、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。市販品を購入する場合、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層被覆工程＞
ＷＣ層被覆工程では、上記基材の表面の少なくとも一部をＷＣ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及び切り屑と接する部分が含まれる。
ＷＣ層被覆工程では、上記基材の表面の少なくとも一部をＷＣ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及び切り屑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ターゲットを装置内のアーク式蒸発源にセットし、基板（基材）温度を３５０～５００℃及び該装置内のガス圧を０．５～５．０Ｐａに設定する。上記ガスとしては、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３０～３００ｋＨｚ）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層を形成することができる。この時、ＷＣ層の形成初期（膜厚が０．０１μｍ以下の範囲）にバイアス電圧を６５０～７００Ｖ印加し、その後は低電圧（１０Ｖ以上２００Ｖ以下）と高電圧（２００Ｖ以上７００Ｖ以下）とを１０～２００ｎｍの範囲で当該膜厚が成長する間隔で交互に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。
＜Ｔｉ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層被覆工程の後にＴｉ層被覆工程を更に含む。Ｔｉ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Ｔｉ層を形成することが挙げられる。同一の装置を用いて、上記ＷＣ層被覆工程とＴｉ層被覆工程とを連続して行ってもよい。
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層被覆工程の後にＴｉ層被覆工程を更に含む。Ｔｉ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Ｔｉ層を形成することが挙げられる。同一の装置を用いて、上記ＷＣ層被覆工程とＴｉ層被覆工程とを連続して行ってもよい。
アークイオンプレーティング法によりＷＣ層直上にＴｉ層を形成する場合、基材へのＷＣ層の形成が終了後、３０秒以内にＷＣ層の直上にＴｉ層の形成を開始することが好ましい。すなわち、ＷＣ層成膜終了時から、Ｔｉ層成膜開始までの時間は、３０秒以内であることが好ましい。基材へのＷＣ層の形成が終了後、３０秒が経過した後にＷＣ層の直上にＴｉ層を形成した場合、Ｔｉ層中のチタンが酸化物等を形成する傾向にある。係る場合、優れた耐欠損性を有しつつ、優れた耐反応性及び耐摩耗性を有する、表面被覆切削工具を提供することが達成できないものと考えられる。
アークイオンプレーティング法によりＴｉ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Ｔｉ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３５０～５００℃及び該装置内のガス圧を０．１～２．０Ｐａに設定する。上記ガスとしては、アルゴンガスを導入する。そして、基板（負）バイアス電圧を０～１００Ｖ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８０～１８０Ａ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Ｔｉ層を形成することができる。アークイオンプレーティング法に用い得る装置は、ＷＣ層被覆工程と同様である。
＜その他の工程＞
本実施形態に係る製造方法では、上述した工程の他にも、上記基材と上記ＷＣ層との間に硬質被膜層を形成する硬質被膜層被覆工程を適宜行ってもよい。上述の硬質被膜層は、従来の方法によって形成されてもよい。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。
本実施形態に係る製造方法では、上述した工程の他にも、上記基材と上記ＷＣ層との間に硬質被膜層を形成する硬質被膜層被覆工程を適宜行ってもよい。上述の硬質被膜層は、従来の方法によって形成されてもよい。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。
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。
＜実施例１＞
（基材準備工程）
まず、基材準備工程として、ＪＩＳ規格Ｋ３０超硬合金（形状：ＪＩＳ規格ＡＸＭＴ１７０５３０）及びＪＩＳ規格Ｋ２０超硬合金（形状：ＪＩＳ規格ＣＮＭＧ１２０４０８）を基材としてそれぞれ準備した。次に、上記各基材をアークイオンプレーティング装置（株式会社神戸製鋼所製、商品名：ＡＩＰ）の所定の位置にセットした。
（基材準備工程）
まず、基材準備工程として、ＪＩＳ規格Ｋ３０超硬合金（形状：ＪＩＳ規格ＡＸＭＴ１７０５３０）及びＪＩＳ規格Ｋ２０超硬合金（形状：ＪＩＳ規格ＣＮＭＧ１２０４０８）を基材としてそれぞれ準備した。次に、上記各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層被覆工程）
ＷＣ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５．９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４５０℃及び該装置内のガス圧を１．３Ｐａ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３０Ｖ且つＤＣ又はパルスＤＣ（周波数３０ｋＨｚ）に維持したまま、カソード電極に１２０Ａ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層を形成した。ここで、ＷＣ層の形成初期（膜厚が０．２μｍ以下の範囲）では、基材温度を４５０℃とし、且つ低周波数３０ｋＨｚのバイアスと高周波数３００ｋＨｚのバイアスとを０．５分間隔で交互に印加した。
ＷＣ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５．９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４５０℃及び該装置内のガス圧を１．３Ｐａ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３０Ｖ且つＤＣ又はパルスＤＣ（周波数３０ｋＨｚ）に維持したまま、カソード電極に１２０Ａ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層を形成した。ここで、ＷＣ層の形成初期（膜厚が０．２μｍ以下の範囲）では、基材温度を４５０℃とし、且つ低周波数３０ｋＨｚのバイアスと高周波数３００ｋＨｚのバイアスとを０．５分間隔で交互に印加した。
（Ｔｉ層被覆工程）
ＷＣ層被覆工程を行った後に以下の手順にて、ＷＣ層の直上にＴｉ層を形成した。なお、Ｔｉからなるターゲット（Ｔｉターゲット）は、前述のＷＣ層被覆工程を行う前に上記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４２０℃及び該装置内のガス圧を１．０Ｐａ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３０ＶＤＣに維持したまま、カソード電極に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Ｔｉ層をＷＣ層の直上に形成した。ＷＣ層成膜終了時から、Ｔｉ層成膜開始までの時間は、１７秒とされた。以上により、実施例１の表面被覆切削工具が製造された。以上のようにして、タングステンと炭素とからなる厚さ１．１μｍのＷＣ層と、上記ＷＣ層の直上に設けられたチタンを含む厚さ１．２μｍのＴｉ層とを含む被膜を有する、基材が異なる２種の表面被覆切削工具が準備された。
ＷＣ層被覆工程を行った後に以下の手順にて、ＷＣ層の直上にＴｉ層を形成した。なお、Ｔｉからなるターゲット（Ｔｉターゲット）は、前述のＷＣ層被覆工程を行う前に上記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４２０℃及び該装置内のガス圧を１．０Ｐａ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３０ＶＤＣに維持したまま、カソード電極に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Ｔｉ層をＷＣ層の直上に形成した。ＷＣ層成膜終了時から、Ｔｉ層成膜開始までの時間は、１７秒とされた。以上により、実施例１の表面被覆切削工具が製造された。以上のようにして、タングステンと炭素とからなる厚さ１．１μｍのＷＣ層と、上記ＷＣ層の直上に設けられたチタンを含む厚さ１．２μｍのＴｉ層とを含む被膜を有する、基材が異なる２種の表面被覆切削工具が準備された。
＜実施例２～実施例２０＞
実施例１と同様に、基材準備工程及びＷＣ層被覆工程が行われた。その後、Ｔｉ層被覆工程の基材温度を３５０～５００℃の範囲内で変動させ、該装置内のガス圧を０．１～２．０Ｐａの範囲内で変動させた。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０～１００Ｖ且つＤＣ又はパルスＤＣ（周波数１０～３００ｋＨｚ）に維持したまま、カソード電極にアーク電流を８０～１８０Ａの範囲で変動させて供給した。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Ｔｉ層をＷＣ層の直上に形成した。ＤＣの際は、バイアス電圧を高くすることによりＴｉ層の膜硬度は高くなり、パルスＤＣの際は、周波数を高くし、かつバイアス電圧を低くすることにより、Ｔｉ層の膜硬度は高くなる。ＷＣ層成膜終了時から、Ｔｉ層成膜開始時までの時間は、３０秒以内とされた。以上により、実施例２～実施例２０に示す表面被覆切削工具が、異なる基材を用いてそれぞれ２種準備された。なお、基材温度を３５０～５００℃の範囲内で高くすれば（１０１）面に由来するピークの半価幅が大きくなるという傾向を有し、低くすれば当該半価幅が小さくなるという傾向を有する。ガス圧を０．１～２．０Ｐａの範囲内で高くすれば（１０１）面に由来するピークにおける２θが大きくなるという傾向を有し、低くすれば当該２θが小さくなるという傾向を有する。
実施例１と同様に、基材準備工程及びＷＣ層被覆工程が行われた。その後、Ｔｉ層被覆工程の基材温度を３５０～５００℃の範囲内で変動させ、該装置内のガス圧を０．１～２．０Ｐａの範囲内で変動させた。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０～１００Ｖ且つＤＣ又はパルスＤＣ（周波数１０～３００ｋＨｚ）に維持したまま、カソード電極にアーク電流を８０～１８０Ａの範囲で変動させて供給した。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Ｔｉ層をＷＣ層の直上に形成した。ＤＣの際は、バイアス電圧を高くすることによりＴｉ層の膜硬度は高くなり、パルスＤＣの際は、周波数を高くし、かつバイアス電圧を低くすることにより、Ｔｉ層の膜硬度は高くなる。ＷＣ層成膜終了時から、Ｔｉ層成膜開始時までの時間は、３０秒以内とされた。以上により、実施例２～実施例２０に示す表面被覆切削工具が、異なる基材を用いてそれぞれ２種準備された。なお、基材温度を３５０～５００℃の範囲内で高くすれば（１０１）面に由来するピークの半価幅が大きくなるという傾向を有し、低くすれば当該半価幅が小さくなるという傾向を有する。ガス圧を０．１～２．０Ｐａの範囲内で高くすれば（１０１）面に由来するピークにおける２θが大きくなるという傾向を有し、低くすれば当該２θが小さくなるという傾向を有する。
＜実施例２１～実施例２４＞
ＷＣ層被覆工程を行う前に以下の手順にて、基材の直上に硬質被膜層を形成した。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３５０～５００℃の範囲で変動させ、該装置内のガス圧を０．８～５．０Ｐａの範囲で変動させた。反応ガスとしては、アルゴンガスを導入した。その後、カソード電極にアーク電流を８０～１５０Ａの範囲で変動させて供給した。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、実施例２２及び実施例２４に係る交互積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。その後、表１に記載の厚みを有するＷＣ層及びＴｉ層の形成が、実施例２～実施例２０と同様の手順で行われることにより、実施例２１～実施例２４に示す表面被覆切削工具が、異なる基材を用いてそれぞれ２種準備された。
ＷＣ層被覆工程を行う前に以下の手順にて、基材の直上に硬質被膜層を形成した。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３５０～５００℃の範囲で変動させ、該装置内のガス圧を０．８～５．０Ｐａの範囲で変動させた。反応ガスとしては、アルゴンガスを導入した。その後、カソード電極にアーク電流を８０～１５０Ａの範囲で変動させて供給した。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、実施例２２及び実施例２４に係る交互積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。その後、表１に記載の厚みを有するＷＣ層及びＴｉ層の形成が、実施例２～実施例２０と同様の手順で行われることにより、実施例２１～実施例２４に示す表面被覆切削工具が、異なる基材を用いてそれぞれ２種準備された。
＜比較例１＞
表１に示すように、基材の直上に従来公知の方法を用いて硬質被膜層としてＴｉＮ層が設けられ、ＴｉＮ層の直上にＴｉ層が設けられた。また、当該Ｔｉ層はＸＲＤスペクトルにおける最大強度を示す面が（００２）面であった。これにより、表１に示す比較例１に示す表面被覆切削工具が、異なる基材を用いて２種準備された。
表１に示すように、基材の直上に従来公知の方法を用いて硬質被膜層としてＴｉＮ層が設けられ、ＴｉＮ層の直上にＴｉ層が設けられた。また、当該Ｔｉ層はＸＲＤスペクトルにおける最大強度を示す面が（００２）面であった。これにより、表１に示す比較例１に示す表面被覆切削工具が、異なる基材を用いて２種準備された。
＜比較例２＞
基材温度を２５０℃とすること以外は、実施例７と同様の方法により、比較例２に示す表面被覆切削工具が、異なる基材を用いて２種準備された。比較例２において、ＷＣ層の直上に設けられたＴｉ層は、ＸＲＤスペクトルにおける最大強度を示す面が（００２）面であった（表１）。
基材温度を２５０℃とすること以外は、実施例７と同様の方法により、比較例２に示す表面被覆切削工具が、異なる基材を用いて２種準備された。比較例２において、ＷＣ層の直上に設けられたＴｉ層は、ＸＲＤスペクトルにおける最大強度を示す面が（００２）面であった（表１）。
＜比較例３＞
表１に示すように、Ｔｉ層の直上に従来公知の方法を用いてＴｉＮ層を形成したこと以外は、実施例７と同様の方法により、比較例３に示す表面被覆切削工具が、異なる基材を用いて２種準備された。
表１に示すように、Ｔｉ層の直上に従来公知の方法を用いてＴｉＮ層を形成したこと以外は、実施例７と同様の方法により、比較例３に示す表面被覆切削工具が、異なる基材を用いて２種準備された。
＜比較例４＞
表１に示すように、装置内のガス圧を２．５Ｐａとすること以外は、実施例７と同様の方法により、比較例４に示す表面被覆切削工具が、異なる基材を用いて２種準備された。比較例４において、ＷＣ層の直上に設けられたＴｉ層は、ＸＲＤスペクトルにおける最大ピーク位置（２θ）が４０．２３０°であり、半価幅が０．１２０°であった。
表１に示すように、装置内のガス圧を２．５Ｐａとすること以外は、実施例７と同様の方法により、比較例４に示す表面被覆切削工具が、異なる基材を用いて２種準備された。比較例４において、ＷＣ層の直上に設けられたＴｉ層は、ＸＲＤスペクトルにおける最大ピーク位置（２θ）が４０．２３０°であり、半価幅が０．１２０°であった。
＜評価＞
（ＸＲＤ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Ｔｉ層における任意の３点を測定した。最大ピークを示した測定面は、表１の「最大ピークを示した測定面」に示され、最大ピークを示した位置は、表１の「最大ピーク位置」に示され、最大ピークの半価幅は、表１の「半価幅」の欄に示さている。なお、上記Ｔｉ層が最表面でない場合（比較例３）は、機械研磨等で上記Ｔｉ層を露出させてからＸＲＤ測定を行った。
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°
（ＸＲＤ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Ｔｉ層における任意の３点を測定した。最大ピークを示した測定面は、表１の「最大ピークを示した測定面」に示され、最大ピークを示した位置は、表１の「最大ピーク位置」に示され、最大ピークの半価幅は、表１の「半価幅」の欄に示さている。なお、上記Ｔｉ層が最表面でない場合（比較例３）は、機械研磨等で上記Ｔｉ層を露出させてからＸＲＤ測定を行った。
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°
（層の厚みの測定）
ＷＣ層、Ｔｉ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。結果は、下記表１の「層厚」の欄に示されている。表１中、「ＷＣ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、実施例２２における「ＡｌＣｒＮ（１１ｎｍ）／ＴｉＡｌＳｉＮ（９ｎｍ）／ＴｉＳｉＮ（１３ｎｍ）／ＴｉＡｌＳｉＮ（９ｎｍ）多層構造」の表記は、硬質被膜層が、厚さ１１ｎｍのＴｉＡｌＳｉＮ層（第一単位層）、厚さ９ｎｍのＴｉＡｌＳｉＮ層（第二単位層）、厚さ１３ｎｍのＴｉＳｉＮ層（第一単位層）、及び厚さ９ｎｍのＴｉＡｌＳｉＮ層（第二単位層）を上下交互積層した多層構造（合計厚み０．７μｍ）により形成されていることを示している。実施例２４も同様である。
ＷＣ層、Ｔｉ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。結果は、下記表１の「層厚」の欄に示されている。表１中、「ＷＣ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、実施例２２における「ＡｌＣｒＮ（１１ｎｍ）／ＴｉＡｌＳｉＮ（９ｎｍ）／ＴｉＳｉＮ（１３ｎｍ）／ＴｉＡｌＳｉＮ（９ｎｍ）多層構造」の表記は、硬質被膜層が、厚さ１１ｎｍのＴｉＡｌＳｉＮ層（第一単位層）、厚さ９ｎｍのＴｉＡｌＳｉＮ層（第二単位層）、厚さ１３ｎｍのＴｉＳｉＮ層（第一単位層）、及び厚さ９ｎｍのＴｉＡｌＳｉＮ層（第二単位層）を上下交互積層した多層構造（合計厚み０．７μｍ）により形成されていることを示している。実施例２４も同様である。
＜切削試験＞
上述のようにして作製した試料（実施例１～２４、比較例１～４）の切削工具を用いて、評価試験１（正面フライス加工試験）及び評価試験２（旋削加工試験）を実施した。表面被覆切削工具の基材として、評価試験１には、材質がＫ３０超硬合金（ＪＩＳ）であり、形状がＡＸＭＴ１７０５３０（ＪＩＳ）である基材（フライス加工用刃先交換型切削チップ）を用いた。評価試験２には、材質がＫ２０超硬合金（ＪＩＳ）であり、形状がＣＮＭＧ１２０４０８（ＪＩＳ）である基材（旋削加工用刃先交換型切削チップ）を用いた。各試験の切削条件を以下に示す。評価試験１は、切削時間が長いほど耐欠損性及び耐反応性に優れる切削工具として評価することができる。評価試験２は、切削時間が長いほど耐摩耗性に優れる切削工具として評価することができる。評価試験の結果は、表２に示されている。
上述のようにして作製した試料（実施例１～２４、比較例１～４）の切削工具を用いて、評価試験１（正面フライス加工試験）及び評価試験２（旋削加工試験）を実施した。表面被覆切削工具の基材として、評価試験１には、材質がＫ３０超硬合金（ＪＩＳ）であり、形状がＡＸＭＴ１７０５３０（ＪＩＳ）である基材（フライス加工用刃先交換型切削チップ）を用いた。評価試験２には、材質がＫ２０超硬合金（ＪＩＳ）であり、形状がＣＮＭＧ１２０４０８（ＪＩＳ）である基材（旋削加工用刃先交換型切削チップ）を用いた。各試験の切削条件を以下に示す。評価試験１は、切削時間が長いほど耐欠損性及び耐反応性に優れる切削工具として評価することができる。評価試験２は、切削時間が長いほど耐摩耗性に優れる切削工具として評価することができる。評価試験の結果は、表２に示されている。
（評価試験１（正面フライス加工試験）の切削条件）
被削材（材質） ：Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ
速度 ：５０ｍ／分
送り ：０．１ｍｍ／刃
軸方向への切込み（ａｐ）：１０ｍｍ
径方向への切込み（ａｅ）：１０ｍｍ
切削環境 ：ＷＥＴ
評価法 ：切削工具が欠損するまでの切削時間
被削材（材質） ：Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ
速度 ：５０ｍ／分
送り ：０．１ｍｍ／刃
軸方向への切込み（ａｐ）：１０ｍｍ
径方向への切込み（ａｅ）：１０ｍｍ
切削環境 ：ＷＥＴ
評価法 ：切削工具が欠損するまでの切削時間
（評価試験２（旋削加工試験）の切削条件）
被削材（材質） ：インコネル７１８
速度 ：５０ｍ／分
送り ：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み ：０．５ｍｍ
切削環境 ：ＷＥＴ
評価法 ：逃げ面摩耗量０．２ｍｍ又は欠損までの切削時間
被削材（材質） ：インコネル７１８
速度 ：５０ｍ／分
送り ：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み ：０．５ｍｍ
切削環境 ：ＷＥＴ
評価法 ：逃げ面摩耗量０．２ｍｍ又は欠損までの切削時間
上記切削試験の結果から、実施例１～２４の切削工具は、比較例１～４の切削工具に比べて、耐欠損性、耐反応性、及び耐摩耗性に優れていることが分かった。このことから、優れた耐欠損性を有しつつ、難削材を加工した場合においても優れた耐反応性及び耐摩耗性を有する、最表面層にチタンを含む層を含む表面被覆切削工具が提供されることが示された。
以上のように本発明の実施形態及び実施例について説明を行なったが、上述の各実施形態及び各実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
今回開示された実施の形態及び実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態及び実施例ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、及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 基材
１１ ＷＣ層
１２ Ｔｉ層
１３ 硬質被膜層
５０ 被膜
１００ 表面被覆切削工具
１３１ 第一単位層
１３２ 第二単位層。
２ 逃げ面
３ 刃先稜線部
１０ 基材
１１ ＷＣ層
１２ Ｔｉ層
１３ 硬質被膜層
５０ 被膜
１００ 表面被覆切削工具
１３１ 第一単位層
１３２ 第二単位層。
Claims (8)
- 基材と、前記基材上に設けられた被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
前記被膜は、タングステンと炭素とからなるＷＣ層と前記ＷＣ層の直上に設けられた金属チタンのみからなるＴｉ層とを含み、
前記Ｔｉ層は、最表面層であり、
前記Ｔｉ層は、Ｘ線回折スペクトルにおいて、２θ＝４０．１８～４０．２２゜の位置に最大ピークを有し、
前記最大ピークの半価幅は、０．１～０．１１８°であり、
前記最大ピークは、（１０１）面に由来する、
表面被覆切削工具。 - 前記ＷＣ層は、その厚さが０．５μｍ以上２．５μｍ以下であり、
前記Ｔｉ層は、その厚さが０．５μｍ以上１．５μｍ以下である、
請求項１に記載の表面被覆切削工具。 - 前記被膜は、前記基材と前記ＷＣ層との間に設けられた少なくとも一層の硬質被膜層を更に含み、
前記硬質被膜層は、前記ＷＣ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、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物からなる、
請求項１又は請求項２に記載の表面被覆切削工具。 - 前記第一単位層は、Ｔｉ、Ｃｒ、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、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物からなる、請求項３に記載の表面被覆切削工具。
- 前記硬質被膜層は、前記ＷＣ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、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物からなる、請求項３又は請求項４に記載の表面被覆切削工具。 - 前記第二単位層は、Ｔｉ、Ｃｒ、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、酸素及び硼素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物からなる、請求項５に記載の表面被覆切削工具。
- 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５又は請求項６に記載の表面被覆切削工具。
- 前記基材は、超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶窒化硼素焼結体、及びダイヤモンド焼結体からなる群より選ばれる少なくとも１種を含む、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の表面被覆切削工具。
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- 2019-06-19 JP JP2019113961A patent/JP7251347B2/ja active Active
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