JP7326693B2 - Cutting tool and its manufacturing method - Google Patents

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Description

本開示は、切削工具及びその製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present disclosure relates to cutting tools and methods of manufacturing the same.

従来より、超硬合金からなる切削工具を用いて、鋼及び鋳物等の切削加工が行われている。このような切削工具は、切削加工時において、その刃先が高温及び高応力等の過酷な環境に曝されるため、刃先の摩耗及び欠けが招来される。 2. Description of the Related Art Conventionally, cutting tools made of cemented carbide are used to cut steel, castings, and the like. During cutting, the cutting edge of such a cutting tool is exposed to severe environments such as high temperature and high stress, which causes wear and chipping of the cutting edge.

したがって、刃先の摩耗及び欠けを抑制することが切削工具の寿命を向上させる上で重要である。切削工具の切削性能の改善を目的として、超硬合金等の基材の表面を被覆する被膜の開発が進められている。なかでも、アルミニウム(Al)とチタン(Ti)と窒素(N)との化合物(以下、「AlTiN」ともいう。)からなる被膜は、高い硬度を有することができるとともに、Alの含有割合を高めることによって耐酸化性を高めることができる。 Therefore, it is important to suppress wear and chipping of the cutting edge to improve the life of the cutting tool. For the purpose of improving the cutting performance of cutting tools, the development of coatings for coating the surfaces of substrates such as cemented carbide is underway. Among them, a coating made of a compound of aluminum (Al), titanium (Ti), and nitrogen (N) (hereinafter also referred to as “AlTiN”) can have high hardness and increase the Al content. Oxidation resistance can be improved thereby.

例えば、特表2008-545063号公報(特許文献1)には、単層または多層の層構造を有する硬質膜被覆された物体であり、前記層構造はプラズマ励起を行わずにCVDにより作成されたTi1-xAlN硬質皮膜を少なくとも1つ有し、前記Ti1-xAlN硬質皮膜は、x>0.75~x=0.93の化学量論係数および0.412nm~0.405nmの格子定数afccを有する立方晶NaCl構造の単相の層として存在しているか、または前記Ti1-xAlN硬質皮膜は、その主要な相がx>0.75~x=0.93の化学量論係数および0.412nm~0.405nmの格子定数afccを有する立方晶NaCl構造を有するTi1-xAlNからなり、かつ別の相としてTi1-xAlNがウルツ鉱構造として、および/またはNaCl構造のTiNとして含有されている多相の層であり、かつTi1-xAlN硬質皮膜の塩素含有率が、0.05~0.9原子%の範囲である、硬質膜被覆された物体、が開示されている。 For example, Japanese Patent Application Publication No. 2008-545063 (Patent Document 1) describes an object coated with a hard film having a layer structure of a single layer or multiple layers, the layer structure being produced by CVD without plasma excitation. having at least one Ti 1-x Al x N hard coating, said Ti 1-x Al x N hard coating having a stoichiometric coefficient of x>0.75-x=0.93 and 0.412 nm-0 The Ti 1-x Al x N hard coating is present as a single-phase layer of cubic NaCl structure with a lattice constant a fcc of 0.405 nm, or said Ti 1-x Al x N hard coating has its major phase x>0.75-x= consisting of Ti 1-x Al x N with a cubic NaCl structure with a stoichiometric coefficient of 0.93 and a lattice constant a fcc of 0.412 nm to 0.405 nm, and Ti 1-x Al x as a separate phase A multiphase layer in which N is contained as a wurtzite structure and/or as TiN x with a NaCl structure, and the chlorine content of the Ti 1-x Al x N hard coating is 0.05 to 0.9 Hard film coated bodies are disclosed in the atomic % range.

特開2014-129562号公報(特許文献2)には、基材と、その表面に形成された硬質被膜とを含む表面被覆部材であって、前記硬質被膜は1または2以上の層により構成され、前記層のうち少なくとも1層は、硬質粒子を含む層であり、前記硬質粒子は、第1単位層と第2単位層とが交互に積層された多層構造を含み、前記第1単位層は、周期表の4族元素、5族元素、6族元素およびAlからなる群より選ばれる1種以上の元素と、B、C、NおよびOからなる群より選ばれる1種以上の元素とからなる第1化合物を含み、前記第2単位層は、周期表の4族元素、5族元素、6族元素およびAlからなる群より選ばれる1種以上の元素と、B、C、NおよびOからなる群より選ばれる1種以上の元素とからなる第2化合物を含む、表面被覆部材が開示されている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-129562 (Patent Document 2) discloses a surface-coated member including a base material and a hard coating formed on the surface thereof, wherein the hard coating is composed of one or more layers. , at least one of the layers is a layer containing hard particles, the hard particles include a multilayer structure in which first unit layers and second unit layers are alternately laminated, and the first unit layer is , one or more elements selected from the group consisting of Group 4 elements, Group 5 elements, Group 6 elements and Al of the periodic table, and one or more elements selected from the group consisting of B, C, N and O The second unit layer includes at least one element selected from the group consisting of Group 4 elements, Group 5 elements, Group 6 elements and Al of the periodic table, and B, C, N and O A surface-coated member containing a second compound consisting of one or more elements selected from the group consisting of is disclosed.

国際公開第2018/158976号(特許文献3)には、基材と、その表面に形成された被膜とを含む表面被覆切削工具であって、前記被膜は、1または2以上の層を含み、前記層のうち少なくとも1層は、硬質粒子を含むAlリッチ層であり、前記硬質粒子は、塩化ナトリウム型の結晶構造を有し、かつ複数の塊状の第1単位相と、前記第1単位相間に介在する第2単位相とを含み、前記第1単位相は、AlxTi1-xの窒化物または炭窒化物からなり、前記第1単位相のAlの原子比xは、0.7以上0.96以下であり、前記第2単位相は、AlyTi1-yの窒化物または炭窒化物からなり、前記第2単位相のAlの原子比yは、0.5を超え0.7未満であり、前記Alリッチ層は、X線回折法を用いて前記被膜の表面の法線方向から解析したとき、(220)面において最大ピークを示す、表面被覆切削工具が開示されている。 WO2018/158976 (Patent Document 3) discloses a surface-coated cutting tool comprising a substrate and a coating formed on the surface thereof, wherein the coating comprises one or more layers, At least one of the layers is an Al-rich layer containing hard particles, the hard particles having a sodium chloride type crystal structure, a plurality of massive first unit phases, and the first unit phase interphase The first unit phase is composed of a nitride or carbonitride of Al x Ti 1-x , and the atomic ratio x of Al in the first unit phase is 0.7 0.96 or less, the second unit phase is composed of a nitride or carbonitride of Al y Ti 1-y , and the atomic ratio y of Al in the second unit phase is more than 0.5 and 0 is less than .7, and the Al-rich layer exhibits a maximum peak in the (220) plane when analyzed from the normal direction of the surface of the coating using X-ray diffraction method. there is

特表2008-545063号公報Japanese Patent Publication No. 2008-545063 特開2014-129562号公報JP 2014-129562 A 国際公開第2018/158976号WO2018/158976

近年はより高効率な(送り速度が大きい)切削加工が求められており、更なる性能の向上(例えば、刃先の欠け及び摩耗の抑制等)が期待されている。また、被削材の材料によって適した切削工具の開発が求められている。 In recent years, there has been a demand for more efficient (larger feed rate) cutting, and further improvement in performance (for example, suppression of chipping and wear of the cutting edge) is expected. In addition, there is a demand for the development of cutting tools suitable for the material of the work material.

本開示は、上記事情に鑑みてなされたものであり、初期摩耗及び熱摩耗に対して優れた耐性を有する切削工具及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present disclosure has been made in view of the circumstances described above, and an object thereof is to provide a cutting tool having excellent resistance to initial wear and thermal wear, and a method for manufacturing the same.

本開示に係る切削工具は、
基材と上記基材上に配置されている被覆層とを備える切削工具であって、
上記被覆層は、立方晶型の硬質粒子からなり、
上記立方晶型の硬質粒子は、多層構造部とマトリックス-ドメイン構造部とからなり、
上記多層構造部は、上記基材とは反対の側において上記マトリックス-ドメイン構造部と接していて、
上記多層構造部は、第一単位層と第二単位層とを含み、
上記マトリックス-ドメイン構造部は、マトリックス領域と上記マトリックス領域に囲まれているドメイン領域とを含み、
上記立方晶型の硬質粒子は、アルミニウム及びチタンを構成元素として含む窒化物又は炭化物からなり、
上記アルミニウムの原子比xは、上記立方晶型の硬質粒子における上記アルミニウム及び上記チタンの全体を基準として0.7以上0.96以下であり、
上記被覆層をX線回折法で分析した場合、(220)配向に由来するピーク強度が、他の配向に由来するピーク強度と比較して最大値を示す。
The cutting tool according to the present disclosure is
A cutting tool comprising a substrate and a coating layer disposed on the substrate,
The coating layer is made of cubic hard particles,
The cubic hard particles consist of a multilayer structure and a matrix-domain structure,
the multilayer structure is in contact with the matrix-domain structure on the side opposite the substrate,
The multilayer structure includes a first unit layer and a second unit layer,
the matrix-domain structure includes a matrix region and a domain region surrounded by the matrix region;
The cubic hard particles are made of nitrides or carbides containing aluminum and titanium as constituent elements,
The atomic ratio x of the aluminum is 0.7 or more and 0.96 or less based on the total of the aluminum and the titanium in the cubic hard particles,
When the coating layer is analyzed by an X-ray diffraction method, the peak intensity derived from the (220) orientation exhibits the maximum value compared to the peak intensities derived from other orientations.

本開示に係る切削工具の製造方法は、
上記切削工具の製造方法であって、
上記基材を準備する第1工程と、
化学気相蒸着法を用いて、上記基材上に上記被覆層の前駆体を形成する第2工程と、
上記被覆層の前駆体の表面にエネルギー粒子を断続的に照射する第3工程と、
を含む。
A method for manufacturing a cutting tool according to the present disclosure includes:
A method for manufacturing the cutting tool,
a first step of preparing the substrate;
a second step of forming a precursor of the coating layer on the substrate using chemical vapor deposition;
a third step of intermittently irradiating the surface of the precursor of the coating layer with energetic particles;
including.

本開示によれば、初期摩耗及び熱摩耗に対して優れた耐性を有する切削工具及びその製造方法を提供することが可能になる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this disclosure, it becomes possible to provide a cutting tool having excellent resistance to initial wear and thermal wear and a method for manufacturing the same.

図1は、切削工具の基材の一態様を例示する斜視図である。FIG. 1 is a perspective view illustrating one aspect of a substrate of a cutting tool. 図2は、本実施形態の一態様における切削工具の模式断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a cutting tool in one aspect of the present embodiment. 図3は、本実施形態の他の態様における切削工具の模式断面図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a cutting tool in another aspect of this embodiment. 図4は、本実施形態に係る切削工具の被膜層の模式拡大図である。FIG. 4 is a schematic enlarged view of the coating layer of the cutting tool according to this embodiment. 図5は、本実施形態に係る被覆層における硬質粒子の模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram of hard particles in the coating layer according to this embodiment. 図6は、本実施形態に係る硬質粒子における多層構造部の透過型電子顕微鏡の写真及びX線回折パターンの写真(右下)である。FIG. 6 is a transmission electron microscope photograph and an X-ray diffraction pattern photograph (bottom right) of the multilayer structure in the hard particles according to the present embodiment. 図7は、本実施形態に係る硬質粒子におけるマトリックス-ドメイン構造部の透過型電子顕微鏡の写真及びX線回折パターンの写真(右下)である。FIG. 7 is a transmission electron microscope photograph and an X-ray diffraction pattern photograph (bottom right) of the matrix-domain structure in the hard particles according to the present embodiment. 図8は、本実施形態に係る切削工具の製造に用いられるCVD装置の模式的な断面図である。FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a CVD apparatus used for manufacturing the cutting tool according to this embodiment. 図9は、実施例における切削加工時間と逃げ面の摩耗量との相関を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing the correlation between the cutting time and the amount of flank wear in the example.

[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の一態様の内容を列記して説明する。
[1]本開示に係る切削工具は、
基材と上記基材上に配置されている被覆層とを備える切削工具であって、
上記被覆層は、立方晶型の硬質粒子からなり、
上記立方晶型の硬質粒子は、多層構造部とマトリックス-ドメイン構造部とからなり、
上記多層構造部は、上記基材とは反対の側において上記マトリックス-ドメイン構造部と接していて、
上記多層構造部は、第一単位層と第二単位層とを含み、
上記マトリックス-ドメイン構造部は、マトリックス領域と上記マトリックス領域に囲まれているドメイン領域とを含み、
上記立方晶型の硬質粒子は、アルミニウム及びチタンを構成元素として含む窒化物又は炭化物からなり、
上記アルミニウムの原子比xは、上記立方晶型の硬質粒子における上記アルミニウム及び上記チタンの全体を基準として0.7以上0.96以下であり、
上記被覆層をX線回折法で分析した場合、(220)配向に由来するピーク強度が、他の配向に由来するピーク強度と比較して最大値を示す。
[Description of Embodiments of the Present Disclosure]
First, the contents of one aspect of the present disclosure are listed and described.
[1] The cutting tool according to the present disclosure is
A cutting tool comprising a substrate and a coating layer disposed on the substrate,
The coating layer is made of cubic hard particles,
The cubic hard particles consist of a multilayer structure and a matrix-domain structure,
the multilayer structure is in contact with the matrix-domain structure on the side opposite the substrate,
The multilayer structure includes a first unit layer and a second unit layer,
the matrix-domain structure includes a matrix region and a domain region surrounded by the matrix region;
The cubic hard particles are made of nitrides or carbides containing aluminum and titanium as constituent elements,
The atomic ratio x of the aluminum is 0.7 or more and 0.96 or less based on the total of the aluminum and the titanium in the cubic hard particles,
When the coating layer is analyzed by an X-ray diffraction method, the peak intensity derived from the (220) orientation exhibits the maximum value compared to the peak intensities derived from other orientations.

上記切削工具は、上述のような構成を備えることによって、初期摩耗及び熱摩耗に対して優れた耐性を有することが可能になる。上記切削工具は、特に鋳鉄製の被削材及び炭素鋼製の被削材を切削加工することに適している。ここで、「初期摩耗」とは、切削開始時に発生する摩耗を意味する。「熱摩耗」とは、高温時における摩耗を意味する。 The above-described cutting tool can have excellent resistance to initial wear and thermal wear by having the configuration as described above. The cutting tool is particularly suitable for cutting cast iron work and carbon steel work. Here, "initial wear" means wear that occurs at the start of cutting. "Thermal wear" means wear at elevated temperatures.

[2]上記被覆層が六方晶型の硬質粒子を含む場合、上記六方晶型の硬質粒子の含有割合は、上記立方晶型の硬質粒子と上記六方晶型の硬質粒子との総量を基準としたとき、0体積%を超えて20体積%以下であることが好ましい。このように規定することで初期摩耗及び熱摩耗に対して更に優れる切削工具となる。 [2] When the coating layer contains hexagonal hard particles, the content of the hexagonal hard particles is based on the total amount of the cubic hard particles and the hexagonal hard particles. , it is preferably more than 0% by volume and 20% by volume or less. By stipulating in this way, the cutting tool is even more excellent against initial wear and thermal wear.

[3]上記マトリックス-ドメイン構造部の厚みは、0.1μm以上2μm以下であることが好ましい。このように規定することで初期摩耗に対する耐性に更に優れる切削工具となる。 [3] The thickness of the matrix-domain structure is preferably 0.1 μm or more and 2 μm or less. By defining in this way, the cutting tool becomes more excellent in resistance to initial wear.

[4]本開示に係る切削工具の製造方法は、上記切削工具の製造方法であって、
上記基材を準備する第1工程と、
化学気相蒸着法を用いて、上記基材上に上記被覆層の前駆体を形成する第2工程と、
上記被覆層の前駆体の表面にエネルギー粒子を断続的に照射する第3工程と、
を含む。
上記切削工具の製造方法は、上述のような構成を備えることによって、初期摩耗及び熱摩耗に対して優れた耐性を有する切削工具を製造することが可能になる。上記切削工具の製造方法は、特に鋳鉄製の被削材及び炭素鋼製の被削材を切削加工することに適した切削工具を製造することが可能になる。
[4] A method for manufacturing a cutting tool according to the present disclosure is a method for manufacturing the cutting tool,
a first step of preparing the substrate;
a second step of forming a precursor of the coating layer on the substrate using chemical vapor deposition;
a third step of intermittently irradiating the surface of the precursor of the coating layer with energetic particles;
including.
With the configuration as described above, the cutting tool manufacturing method can manufacture a cutting tool having excellent resistance to initial wear and thermal wear. The cutting tool manufacturing method described above makes it possible to manufacture a cutting tool that is particularly suitable for cutting cast iron work materials and carbon steel work materials.

[5]上記第2工程において、アルミニウムのハロゲン化物ガス及びチタンのハロゲン化物ガスを含む第一ガスと、アンモニアガスを含む第二ガスとのそれぞれを、650℃以上850℃以下且つ0.5kPa以上1.5kPa以下の条件において上記基材に対して噴出することを含むことが好ましい。このように規定することで、耐熱性に優れる切削工具を製造することが可能になる。 [5] In the second step, each of the first gas containing an aluminum halide gas and a titanium halide gas and the second gas containing an ammonia gas is heated to 650° C. or more and 850° C. or less and 0.5 kPa or more. It preferably includes jetting against the substrate under conditions of 1.5 kPa or less. By defining in this way, it becomes possible to manufacture a cutting tool having excellent heat resistance.

[6]上記第3工程における上記エネルギー粒子は、ガリウムイオンであることが好ましい。このように規定することで、初期摩耗に対する耐性に更に優れる切削工具を製造することが可能になる。 [6] The energetic particles in the third step are preferably gallium ions. By defining in this way, it becomes possible to manufacture a cutting tool with even better resistance to initial wear.

[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。なお以下の実施形態の説明に用いられる図面において、同一の参照符号は、同一部分又は相当部分を表わす。本明細書において「A~Z」という形式の表記は、範囲の上限下限(すなわちA以上Z以下)を意味し、Aにおいて単位の記載がなく、Zにおいてのみ単位が記載されている場合、Aの単位とZの単位とは同じである。さらに、本明細書において、例えば「TiN」等のように、構成元素の組成比が限定されていない化学式によって化合物が表された場合には、その化学式は従来公知のあらゆる組成比(元素比)を含むものとする。このとき上記化学式は、化学量論組成のみならず、非化学量論組成も含むものとする。例えば「TiN」の化学式には、化学量論組成「Ti」のみならず、例えば「Ti0.8」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。
[Details of Embodiments of the Present Disclosure]
An embodiment of the present disclosure (hereinafter referred to as "this embodiment") will be described below. However, this embodiment is not limited to this. In the drawings used for describing the embodiments below, the same reference numerals denote the same or corresponding parts. In this specification, the notation of the form "A to Z" means the upper and lower limits of the range (that is, from A to Z), and if no unit is described at A and only a unit is described at Z, then A and the unit of Z are the same. Furthermore, in this specification, when a compound is represented by a chemical formula in which the composition ratio of constituent elements is not limited, such as "TiN", the chemical formula can be any conventionally known composition ratio (element ratio) shall include At this time, the above chemical formula includes not only stoichiometric compositions but also non-stoichiometric compositions. For example, the chemical formula of “TiN” includes not only the stoichiometric composition “Ti 1 N 1 ” but also non-stoichiometric compositions such as “Ti 1 N 0.8 ”. This also applies to the description of compounds other than "TiN".

≪切削工具≫
本実施形態に係る切削工具は、
基材と上記基材上に配置されている被覆層とを備える切削工具であって、
上記被覆層は、立方晶型の硬質粒子からなり、
上記立方晶型の硬質粒子は、多層構造部とマトリックス-ドメイン構造部とからなり、
上記多層構造部は、上記基材とは反対の側において上記マトリックス-ドメイン構造部と接していて、
上記多層構造部は、第一単位層と第二単位層とを含み、
上記マトリックス-ドメイン構造部は、マトリックス領域と上記マトリックス領域に囲まれているドメイン領域とを含み、
上記立方晶型の硬質粒子は、アルミニウム及びチタンを構成元素として含む窒化物又は炭化物からなり、
上記アルミニウムの原子比xは、上記立方晶型の硬質粒子における上記アルミニウム及び上記チタンの全体を基準として0.7以上0.96以下であり、
上記被覆層をX線回折法で分析した場合、(220)配向に由来するピーク強度が、他の配向に由来するピーク強度と比較して最大値を示す。
≪Cutting tool≫
The cutting tool according to this embodiment is
A cutting tool comprising a substrate and a coating layer disposed on the substrate,
The coating layer is made of cubic hard particles,
The cubic hard particles consist of a multilayer structure and a matrix-domain structure,
the multilayer structure is in contact with the matrix-domain structure on the side opposite the substrate,
The multilayer structure includes a first unit layer and a second unit layer,
the matrix-domain structure includes a matrix region and a domain region surrounded by the matrix region;
The cubic hard particles are made of nitrides or carbides containing aluminum and titanium as constituent elements,
The atomic ratio x of the aluminum is 0.7 or more and 0.96 or less based on the total of the aluminum and the titanium in the cubic hard particles,
When the coating layer is analyzed by an X-ray diffraction method, the peak intensity derived from the (220) orientation exhibits the maximum value compared to the peak intensities derived from other orientations.

本実施形態の切削工具50は、基材10と、上記基材10上に設けられている被覆層20とを備える(以下、単に「切削工具」という場合がある。)(図2)。上記切削工具50は、上記被覆層20の他にも、上記基材10と上記被覆層20との間に設けられている下地層21を更に含んでいてもよい(図3)。下地層21については、後述する。
なお、上記基材10上に設けられている上述の各層をまとめて「被膜」と呼ぶ場合がある。すなわち、上記切削工具50は上記基材10上に設けられている被膜40を備え、上記被膜40は上記被覆層20を含む。また、上記被膜40は、上記下地層21更に含んでいてもよい。本実施形態の一側面において、上記被膜は、上記基材におけるすくい面を被覆していてもよいし、すくい面以外の部分(例えば、逃げ面)を被覆していてもよい。
A cutting tool 50 of the present embodiment includes a base material 10 and a coating layer 20 provided on the base material 10 (hereinafter sometimes simply referred to as a "cutting tool") (Fig. 2). The cutting tool 50 may further include a foundation layer 21 provided between the substrate 10 and the coating layer 20 in addition to the coating layer 20 (FIG. 3). The underlying layer 21 will be described later.
Note that the layers provided on the substrate 10 may be collectively referred to as a "coating". That is, the cutting tool 50 comprises a coating 40 provided on the substrate 10 , and the coating 40 includes the coating layer 20 . Moreover, the coating 40 may further include the underlying layer 21 . In one aspect of the present embodiment, the coating may cover the rake face of the substrate, or may cover a portion other than the rake face (for example, the flank face).

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。 Examples of the cutting tools include drills, end mills, indexable cutting inserts for drills, indexable cutting inserts for end mills, indexable cutting inserts for milling, indexable cutting inserts for turning, metal saws, and gear cutting tools. , reamers, taps, and the like.

<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基材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。
<Base material>
As the substrate of this embodiment, any substrate can be used as long as it is conventionally known as this type of substrate. For example, the base material is a cemented carbide (for example, a tungsten carbide (WC)-based cemented carbide, a cemented carbide containing Co in addition to WC, a carbonitride such as Cr, Ti, Ta, Nb in addition to WC). cemented carbide, etc.), cermet (mainly composed of TiC, TiN, TiCN, etc.), high-speed steel, ceramics (titanium carbide, silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride, aluminum oxide, etc.), cubic It preferably contains at least one selected from the group consisting of type boron nitride sintered bodies (cBN sintered bodies) and diamond sintered bodies, and at least one selected from the group consisting of cemented carbide, cermet and cBN sintered bodies It is more preferred to contain seeds.

これらの各種基材の中でも、特にWC基超硬合金又はcBN焼結体を選択することが好ましい。その理由は、これらの基材が特に高温における硬度と強度とのバランスに優れ、上記用途の切削工具の基材として優れた特性を有するためである。 Among these various base materials, it is particularly preferable to select a WC-based cemented carbide or a cBN sintered body. The reason for this is that these base materials have an excellent balance of hardness and strength, particularly at high temperatures, and have excellent properties as base materials for cutting tools for the above applications.

基材として超硬合金を使用する場合、そのような超硬合金は、組織中に遊離炭素又はη相と呼ばれる異常相を含んでいても本実施形態の効果は示される。なお、本実施形態で用いる基材は、その表面が改質されたものであっても差し支えない。例えば、超硬合金の場合はその表面に脱β層が形成されていたり、cBN焼結体の場合には表面硬化層が形成されていてもよく、このように表面が改質されていても本実施形態の効果は示される。 When a cemented carbide is used as the base material, the effect of the present embodiment is exhibited even if such a cemented carbide contains free carbon or an abnormal phase called η phase in the structure. The surface of the substrate used in this embodiment may be modified. For example, in the case of cemented carbide, a β-free layer may be formed on the surface, or in the case of a cBN sintered body, a surface-hardened layer may be formed. Even if the surface is modified in this way, The effect of this embodiment is shown.

図1は、切削工具の基材の一態様を例示する斜視図である。このような形状の基材は、例えば、旋削加工用刃先交換型切削チップの基材として用いられる。上記基材10は、すくい面1と、逃げ面2と、上記すくい面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、基材10の切刃先端部を構成する。このような基材10の形状は、上記切削工具の形状と把握することもできる。 FIG. 1 is a perspective view illustrating one aspect of a substrate of a cutting tool. A base material having such a shape is used, for example, as a base material for an indexable cutting insert for turning. The base material 10 has a rake face 1, a flank face 2, and a cutting edge ridge line portion 3 where the rake face 1 and the flank face 2 intersect. That is, the rake face 1 and the flank face 2 are surfaces connected with the cutting edge ridge 3 interposed therebetween. The cutting edge ridge 3 constitutes the tip of the cutting edge of the substrate 10 . Such a shape of the base material 10 can also be grasped as the shape of the cutting tool.

上記切削工具が刃先交換型切削チップである場合、上記基材10は、チップブレーカーを有する形状も、有さない形状も含まれる。刃先稜線部3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。 When the cutting tool is an indexable cutting tip, the substrate 10 may or may not have a chip breaker. The shape of the cutting edge ridge line 3 is a sharp edge (a ridge where the rake face and the flank face intersect), a honing (a shape in which the sharp edge is rounded), a negative land (a shape in which the sharp edge is chamfered), and a combination of honing and negative land. Any shape is included in the shape.

以上、基材10の形状及び各部の名称を、図1を用いて説明したが、本実施形態に係る切削工具50において、上記基材10に対応する形状及び各部の名称については、上記と同様の用語を用いることとする。すなわち、上記切削工具は、すくい面と、逃げ面と、上記すくい面及び上記逃げ面を繋ぐ刃先稜線部とを有する。 As described above, the shape of the base material 10 and the names of the respective parts have been described with reference to FIG. We will use the term That is, the cutting tool has a rake face, a flank face, and a cutting edge ridge connecting the rake face and the flank face.

<被膜>
本実施形態に係る被膜40は、上記基材10上に設けられている被覆層20を含む(図2参照)。「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すくい面等)を被覆することで、切削工具における耐チッピング、耐摩耗性、耐剥離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、上記基材の一部に限らず上記基材の全面を被覆することが好ましい。しかしながら、上記基材の一部が上記被膜で被覆されていなかったり被膜の構成が部分的に異なっていたりしていたとしても本実施形態の範囲を逸脱するものではない。
<Coating>
The coating 40 according to this embodiment includes the coating layer 20 provided on the substrate 10 (see FIG. 2). The "coating" covers at least a part of the base material (for example, the rake face that comes into contact with the work material during cutting) to provide various properties such as chipping resistance, wear resistance, and peeling resistance in the cutting tool. It has the effect of improving the It is preferable that the film covers not only a part of the base material but also the entire surface of the base material. However, it does not depart from the scope of the present embodiment even if a part of the substrate is not covered with the coating or the composition of the coating is partially different.

上記被膜の厚みは、4μm以上30μm以下であることが好ましく、7μm以上25μm以下であることがより好ましい。ここで、被膜の厚みとは、被膜を構成する層それぞれの厚みの総和を意味する。「被膜を構成する層」としては、例えば、後述する被覆層及び下地層等が挙げられる。上記被膜の厚みは、例えば、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて、基材の表面の法線方向に平行な断面サンプルにおける任意の10点を測定し、測定された10点の厚みの平均値をとることで求めることが可能である。後述する被覆層及び下地層等のそれぞれの厚みを測定する場合も同様である。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(商品名)が挙げられる。 The thickness of the coating is preferably 4 μm or more and 30 μm or less, more preferably 7 μm or more and 25 μm or less. Here, the thickness of the coating means the sum of the thicknesses of the layers constituting the coating. Examples of the "layer constituting the coating" include a coating layer and an underlying layer, which will be described later. The thickness of the coating is, for example, using a transmission electron microscope (TEM), measuring any 10 points in a cross-sectional sample parallel to the normal direction of the surface of the substrate, and the average of the thickness of the measured 10 points It can be obtained by taking the value. The same is true when measuring the thickness of each of a coating layer and an underlying layer, which will be described later. Examples of scanning transmission electron microscopes include JEM-2100F (trade name) manufactured by JEOL Ltd.

(被覆層)
本実施形態における被覆層は、上記基材の上に配置されている。ここで「基材の上に配置されている」とは、基材の直上に配置されている態様(図2参照)に限られず、他の層を介して基材の上に配置されている態様(図3参照)も含まれる。すなわち、上記被覆層は、本開示の効果が奏する限りにおいて、上記基材の直上に配置されていてもよいし、後述する下地層等の他の層を介して上記基材の上に配置されていてもよい。また、上記被覆層は、上記被膜の最表面である。
(coating layer)
The coating layer in this embodiment is arranged on the base material. Here, "arranged on the substrate" is not limited to the aspect of being arranged directly above the substrate (see FIG. 2), but is arranged on the substrate via another layer Aspects (see FIG. 3) are also included. That is, as long as the effect of the present disclosure is exhibited, the coating layer may be arranged directly above the base material, or may be arranged on the base material via another layer such as a base layer to be described later. may be Moreover, the coating layer is the outermost surface of the coating.

上記被覆層20は、立方晶型の硬質粒子30からなる(図4)。ここで、「立方晶型の硬質粒子からなる」とは、立方晶型の硬質粒子のみからなる態様に限られず、本開示の効果が奏される限りにおいて、立方晶型の硬質粒子及び立方晶型の結晶型以外の硬質粒子から構成される態様を含む概念である。すなわち、本実施形態の一側面において、上記被覆層は、立方晶型の硬質粒子のみからなっていてもよい。また、上記被覆層は、立方晶型の硬質粒子及び立方晶型の結晶型以外の硬質粒子からなっていてもよい。「立方晶型の結晶型以外の硬質粒子」としては、例えば、六方晶型の硬質粒子が挙げられる。立方晶型の硬質粒子と六方晶型の硬質粒子とは、例えば、以下に記載するX線回折により得られる回折ピークのパターンにより識別される。 The coating layer 20 is composed of cubic hard particles 30 (FIG. 4). Here, the phrase “composed of cubic hard particles” is not limited to an embodiment consisting only of cubic hard particles, and as long as the effects of the present disclosure are exhibited, cubic hard particles and cubic crystals It is a concept including an embodiment composed of hard particles other than the crystal type of the type. That is, in one aspect of the present embodiment, the coating layer may be composed only of cubic hard particles. Further, the coating layer may be composed of cubic hard particles and hard particles other than the cubic crystal type. Examples of "hard particles other than cubic crystal type" include hexagonal hard particles. The cubic hard particles and the hexagonal hard particles are distinguished, for example, by diffraction peak patterns obtained by X-ray diffraction described below.

本実施形態の一側面において、本開示の効果が奏される限りにおいて、上記被覆層はアモルファス相を含んでいてもよい。 In one aspect of the present embodiment, the coating layer may contain an amorphous phase as long as the effects of the present disclosure are exhibited.

((220)配向に由来するピーク強度)
本実施形態において、上記被覆層をX線回折法で分析した場合、(220)配向に由来するピーク強度が、他の配向に由来するピーク強度と比較して最大値を示す。これにより切削工具は、被覆層に含まれる硬質粒子の大部分が、被膜の表面の法線方向に対して、45°傾いた方向へ成長した結晶であることが理解される。もって、切削工具は、高い硬度とともに初期摩耗を効果的に抑制する効果を有することができる。さらに、(220)面において最大のピーク強度を示すことから、硬度と靱性とをバランスよく備えて耐摩耗性及び耐欠損性により優れることができる。ここで、「他の配向に由来するピーク強度」とは、(111)配向に由来するピーク強度及び(200)配向に由来するピーク強度が挙げられる。被覆層に対して行なうX線回折(XRD)法は、具体的には以下の方法が適用される。
(Peak intensity derived from (220) orientation)
In this embodiment, when the coating layer is analyzed by the X-ray diffraction method, the peak intensity derived from the (220) orientation exhibits the maximum value compared to the peak intensities derived from other orientations. From this, it can be understood that most of the hard particles contained in the coating layer of the cutting tool are crystals grown in a direction inclined at 45° with respect to the normal direction of the surface of the coating. Therefore, the cutting tool can have high hardness and the effect of effectively suppressing initial wear. Furthermore, since the (220) plane exhibits the maximum peak strength, it can have a good balance of hardness and toughness, and can be more excellent in wear resistance and chipping resistance. Here, the "peak intensity derived from other orientations" includes the peak intensity derived from (111) orientation and the peak intensity derived from (200) orientation. Specifically, the following method is applied to the X-ray diffraction (XRD) method performed on the coating layer.

まず、X線回折法の測定対象物となる切削工具をX線回折装置(商品名:「SmartLab(登録商標)」、株式会社リガク製)に、その被膜の表面の法線方向から解析可能となる方向にセットする。 First, the cutting tool to be measured by the X-ray diffraction method can be analyzed from the normal direction of the surface of the coating with an X-ray diffraction device (trade name: "SmartLab (registered trademark)", manufactured by Rigaku Corporation). set in any direction.

次に、切削工具の被覆層に対し、次の条件下で被膜の表面の法線方向から解析する。これにより、被覆層におけるX線回折ピークに関するデータを得ることができる。
測定方法:ω/2θ法
入射角度(ω):2°
スキャン角度(2θ):30~70°
スキャンスピード:1°/min
スキャンステップ幅:0.05°
X線源:Cu-Kα線
光学系属性:中分解能平行ビーム
管電圧:45kV
管電流:200mA
X線照射範囲:2.0mm範囲制限コリメーターを使用し、すくい面上の直径2mmの範囲に照射(ただし、同条件で逃げ面にX線を照射することも許容される)
X線検出器:半導体検出器(商品名:「D/teX Ultra250」、株式会社リガク製)
Next, the coating layer of the cutting tool is analyzed from the normal direction of the surface of the coating under the following conditions. This makes it possible to obtain data on the X-ray diffraction peaks in the coating layer.
Measurement method: ω/2θ method Incident angle (ω): 2°
Scan angle (2θ): 30-70°
Scan speed: 1°/min
Scan step width: 0.05°
X-ray source: Cu-Kα ray Optical system attribute: medium resolution parallel beam Tube voltage: 45 kV
Tube current: 200mA
X-ray irradiation range: Using a 2.0 mm range limiting collimator, irradiate a 2 mm diameter range on the rake face (However, X-ray irradiation on the flank face under the same conditions is also permitted)
X-ray detector: Semiconductor detector (trade name: "D/teX Ultra250", manufactured by Rigaku Corporation)

(200)配向に由来するピーク強度、(111)配向に由来するピーク強度及び(220)配向に由来するピーク強度の合計を基準として、上記(220)配向に由来するピーク強度の比率は、50%以上100%以下であることが好ましく、55%以上90%以下であることがより好ましい。ここで、「ピーク強度」とは、X線スペクトルにおけるピークの高さ(cps)を意味する。 The ratio of the peak intensity derived from the (220) orientation to the sum of the peak intensity derived from the (200) orientation, the peak intensity derived from the (111) orientation, and the peak intensity derived from the (220) orientation is 50. % or more and 100% or less, more preferably 55% or more and 90% or less. Here, "peak intensity" means the peak height (cps) in the X-ray spectrum.

上記被覆層の厚みは、4μm以上30μm以下であることが好ましく、7μm以上25μm以下であることがより好ましい。上記被覆層の厚みは、上述したのと同様の方法で、TEMを用いて基材と被膜の垂直断面を観察することにより確認することができる。以下、被覆層を構成する硬質粒子について説明する。 The thickness of the coating layer is preferably 4 μm or more and 30 μm or less, more preferably 7 μm or more and 25 μm or less. The thickness of the coating layer can be confirmed by observing vertical cross sections of the substrate and the coating using a TEM in the same manner as described above. The hard particles forming the coating layer are described below.

(立方晶型の硬質粒子)
本実施形態に係る立方晶型の硬質粒子30は、多層構造部32と、マトリックス-ドメイン構造部31と、からなる(図5)。上記多層構造部32は、上記基材10とは反対の側において上記マトリックス-ドメイン構造部31と接している(図5)。
(Cubic type hard particles)
The cubic hard particles 30 according to the present embodiment consist of a multilayer structure portion 32 and a matrix-domain structure portion 31 (FIG. 5). The multilayer structure 32 is in contact with the matrix-domain structure 31 on the side opposite the substrate 10 (FIG. 5).

上記立方晶型の硬質粒子は、アルミニウム及びチタンを構成元素として含む窒化物又は炭化物からなる。アルミニウム及びチタンを構成元素として含む窒化物としては、例えば、AlTi1-xNで示される化合物が挙げられる。ここで、化学式「AlTi1-xN」における「AlTi1-x」と「N」との組成比(元素比)は、化学量論組成(例えば、(AlTi1-x)のみならず、非化学量論組成(例えば、(AlTi1-x0.8)も含まれる。また、アルミニウム及びチタンを構成元素として含む炭窒化物としては、例えば、AlTi1-xCNで示される化合物が挙げられる。ここで、化学式「AlTi1-xCN」における「AlTi1-x」と「CN」との組成比(元素比)は、化学量論組成(例えば、(AlTi1-x(CN))のみならず、非化学量論組成(例えば、(AlTi1-x(CN)0.8)も含まれる。 The cubic hard particles are made of nitrides or carbides containing aluminum and titanium as constituent elements. Examples of nitrides containing aluminum and titanium as constituent elements include compounds represented by Al x Ti 1-x N. Here, the composition ratio (element ratio) between “Al x Ti 1- x ” and “N” in the chemical formula “Al x Ti 1-x N” is the stoichiometric composition (for example, (Al x Ti 1-x ) 1 N 1 ) as well as non-stoichiometric compositions (eg, (Al x Ti 1-x ) 1 N 0.8 ). Carbonitrides containing aluminum and titanium as constituent elements include, for example, compounds represented by Al x Ti 1-x CN. Here, the composition ratio (element ratio) between “Al x Ti 1- x ” and “CN” in the chemical formula “Al x Ti 1-x CN” is the stoichiometric composition (for example, (Al x Ti 1-x ) 1 (CN) 1 ) as well as non-stoichiometric compositions (eg, (Al x Ti 1-x ) 1 (CN) 0.8 ).

上記アルミニウム(Al)の原子比xは、上記立方晶型の硬質粒子における上記アルミニウム及び上記チタンの全体を基準として0.7以上0.96以下であり、0.75以上0.9以下であることが好ましい。上記原子比xは、上述の断面サンプルにあらわれた上記立方晶型の硬質粒子に対して透過型電子顕微鏡(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。このときに求められるアルミニウムの原子比xは、上記立方晶型の硬質粒子全体の平均として求められる値である。具体的には、上記断面サンプルの被覆層における任意に選択された10箇所の当該硬質粒子それぞれを測定してアルミニウムの原子比の値を求め、求められた10箇所の値の平均値を上記立方晶型の硬質粒子におけるアルミニウムの原子比とする。このとき、一見して異常値と思われる数値は採用しないものとする。ここで当該「任意に選択された10箇所」は、上記被覆層の互いに異なる硬質粒子から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JED-2300(商品名)が挙げられる。なお、アルミニウムに限らず、チタン、窒素等の原子比も上述の方法で算出することが可能である。 The atomic ratio x of the aluminum (Al) is 0.7 or more and 0.96 or less, and 0.75 or more and 0.9 or less based on the total amount of the aluminum and the titanium in the cubic hard particles. is preferred. The atomic ratio x is determined by an energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) device attached to a transmission electron microscope (TEM) for the cubic hard particles appearing in the cross-sectional sample. It is possible to obtain by analyzing using The atomic ratio x of aluminum obtained at this time is a value obtained as an average of all the cubic hard particles. Specifically, the arbitrarily selected 10 hard particles in the coating layer of the cross-sectional sample are measured to determine the atomic ratio of aluminum, and the average value of the 10 values obtained is the cubic It is the atomic ratio of aluminum in the crystal type hard particles. At this time, numerical values that seem to be abnormal values at first glance are not adopted. Here, the "arbitrarily selected 10 points" are selected from different hard particles of the coating layer. Examples of the EDX apparatus include JED-2300 (trade name) manufactured by JEOL Ltd. Note that the atomic ratio of not only aluminum but also titanium, nitrogen, etc. can be calculated by the above-described method.

(多層構造部)
上記多層構造部は、第一単位層と第二単位層とを含む。上記第一単位層及び上記第二単位層は、それぞれが交互に積層されている。本実施形態において、上記第一単位層と上記第二単位層との界面は、上記第一単位層及び上記第二単位層が積層されている方向に対して垂直又は略垂直である。言い換えると、上記第一単位層と上記第二単位層とは、両層が積層されている方向に対して垂直ではない界面を形成しない。そのため、上記多層構造部においては、上記第一単位層が上記第二単位層に周囲を囲まれることがない。また、上記第二単位層が上記第一単位層に周囲を囲まれることがない。換言すると、上記第一単位層は、両層が積層されている方向において上記第二単位層に囲まれているが、両層が積層されている方向に対して垂直な方向においては上記第二単位層に囲まれていないと把握することができる。また、上記第二単位層は、両層が積層されている方向において上記第一単位層に囲まれているが、両層が積層されている方向に対して垂直な方向においては上記第一単位層に囲まれていないと把握することができる。すなわち、上記多層構造部は、後述するマトリックス-ドメイン構造部とは明確に異なる構造を形成している。
(multilayer structure)
The multilayer structure includes a first unit layer and a second unit layer. The first unit layers and the second unit layers are alternately laminated. In the present embodiment, the interface between the first unit layer and the second unit layer is perpendicular or substantially perpendicular to the direction in which the first unit layer and the second unit layer are laminated. In other words, the first unit layer and the second unit layer do not form an interface that is not perpendicular to the direction in which both layers are laminated. Therefore, in the multilayer structure portion, the first unit layer is not surrounded by the second unit layer. Also, the second unit layer is not surrounded by the first unit layer. In other words, the first unit layer is surrounded by the second unit layer in the direction in which both layers are laminated, but is surrounded by the second unit layer in the direction perpendicular to the direction in which both layers are laminated. It can be grasped that it is not surrounded by a unit layer. In addition, the second unit layer is surrounded by the first unit layer in the direction in which both layers are laminated, but the first unit layer is surrounded in the direction perpendicular to the direction in which both layers are laminated. It can be understood that it is not surrounded by layers. That is, the multi-layer structure section forms a structure that is clearly different from the matrix-domain structure section described later.

(第一単位層)
上記第一単位層は、後述する第二単位層と比較して、上記アルミニウムの原子比が高い層である。上記第一単位層は、上記多層構造部をTEMで観察した場合、第二単位層と比較して暗い層として観察される(例えば、図6参照)。そのため、上記第一単位層は、第二単位層と明確に区別可能である。
(first unit layer)
The first unit layer has a higher atomic ratio of aluminum than the second unit layer, which will be described later. When the multilayer structure is observed with a TEM, the first unit layer is observed as a darker layer than the second unit layer (see FIG. 6, for example). Therefore, the first unit layer can be clearly distinguished from the second unit layer.

第一単位層の厚みは、1nm以上20nm以下であることが好ましく、2nm以上10nm以下であることがより好ましい。上記第一単位層の厚みは、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同一層内の任意に選択された10点を測定し、測定された10点の厚みの平均値をとることで求めることが可能である。このとき、一見して異常値と思われる数値は採用しないものとする。上記多層構造部が2層以上の第一単位層を含む場合、まず上述の方法で各第一単位層の厚みを求め、求められた値の平均値を当該多層構造部における第一単位層の厚みとする。上記多層構造部に含まれる第一単位層が10層を超える場合、任意に選択された10層の第一単位層において、上述の方法でその10層の第一単位層それぞれの厚みを求め、その各第一単位層から求められた値の平均値を当該多層構造部における第一単位層の厚みとする。 The thickness of the first unit layer is preferably 1 nm or more and 20 nm or less, more preferably 2 nm or more and 10 nm or less. The thickness of the first unit layer is obtained by measuring 10 arbitrarily selected points in the same layer in a cross-sectional sample parallel to the normal direction of the surface of the substrate using a TEM, and measuring the thickness of 10 points. can be obtained by taking the average value of At this time, numerical values that seem to be abnormal values at first glance are not adopted. When the multilayer structure portion includes two or more first unit layers, first, the thickness of each first unit layer is obtained by the method described above, and the average value of the obtained values is calculated as the thickness of the first unit layer in the multilayer structure portion. thickness. When the number of first unit layers contained in the multi-layer structure portion exceeds 10, the thickness of each of the 10 arbitrarily selected first unit layers is obtained by the method described above, Let the average value of the values obtained from the first unit layers be the thickness of the first unit layer in the multilayer structure.

(第二単位層)
上記第二単位層は、上記第一単位層と比較して、上記アルミニウムの原子比が低い層である。上記第二単位層は、上記多層構造部をTEMで観察した場合、第一単位層と比較して明るい層として観察される(例えば、図6参照)。そのため、上記第二単位層は、第一単位層と明確に区別可能である。
(Second unit layer)
The second unit layer has a lower atomic ratio of aluminum than the first unit layer. When the multilayer structure is observed with a TEM, the second unit layer is observed as a brighter layer than the first unit layer (for example, see FIG. 6). Therefore, the second unit layer can be clearly distinguished from the first unit layer.

第二単位層の厚みは、0.5nm以上5nm以下であることが好ましく、1nm以上2.5nm以下であることがより好ましい。上記第二単位層の厚みは、上述したのと同様の方法で、TEMを用いて求めることが可能である。 The thickness of the second unit layer is preferably 0.5 nm or more and 5 nm or less, more preferably 1 nm or more and 2.5 nm or less. The thickness of the second unit layer can be determined using a TEM in the same manner as described above.

(第一単位層と第二単位層との繰り返し単位)
1層の上記第一単位層と1層の第二単位層とからなる繰り返し単位において、上記繰り返し単位の厚みが1.5nm以上25nm以下であることが好ましく、1.5nm以上20nm以下であることがより好ましく、5nm以上15nm以下であることが更に好ましい。上記繰り返し単位が上述の構成を備えることによって、上記被覆層は熱摩耗に対する耐性が向上していると本発明者らは考えている。本実施形態に係る多層構造部は、第一単位層と第二単位層とが交互に積層されることで形成されるが、隣り合っている1層の第一単位層と1層の第二単位層とを合わせて「1層の第一単位層と1層の第二単位層とからなる繰り返し単位」又は単に「繰り返し単位」と呼ぶこととする。「繰り返し単位の厚み」とは、繰り返し単位を構成している第一単位層の厚みと第二単位層の厚みとの合計を意味する。
(Repeating unit of first unit layer and second unit layer)
In the repeating unit consisting of one layer of the first unit layer and one layer of the second unit layer, the thickness of the repeating unit is preferably 1.5 nm or more and 25 nm or less, and more preferably 1.5 nm or more and 20 nm or less. is more preferable, and more preferably 5 nm or more and 15 nm or less. The present inventors believe that the coating layer has improved resistance to thermal abrasion when the repeating unit has the above structure. The multilayer structure part according to the present embodiment is formed by alternately laminating the first unit layer and the second unit layer. The unit layers are collectively referred to as "repeating unit consisting of one first unit layer and one second unit layer" or simply "repeating unit". The "thickness of the repeating unit" means the sum of the thickness of the first unit layer and the thickness of the second unit layer that constitute the repeating unit.

(マトリックス-ドメイン構造部)
上記マトリックス-ドメイン構造部は、マトリックス領域と上記マトリックス領域に囲まれているドメイン領域とを含む。
(matrix-domain structure)
The matrix-domain structure includes a matrix region and a domain region surrounded by the matrix region.

上記マトリックス-ドメイン構造部の厚みは、0.1μm以上2μm以下であることが好ましく、0.2μm以上1.5μm以下であることがより好ましい。上記マトリックス-ドメイン構造部の厚みdは、上記硬質粒子における上記基材とは反対の側の表面と、上記多層構造部と上記マトリックス-ドメイン構造部との境界面との最短距離として把握することができる(図5参照)。このとき、上記硬質粒子における上記基材とは反対の側の表面と、上記多層構造部と上記マトリックス-ドメイン構造部との境界面とは概念的に平行であると考えられる。また、上述の境界面は、上記多層構造部における基材の側から最も遠い単位層(すなわち、第一単位層、又は第二単位層)であって層状の構造が維持されている単位層の基材から遠い方の界面と把握することもできる。具体的には、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被覆層内の任意に選択された10箇所の硬質粒子について測定し、測定された10箇所の上記マトリックス-ドメイン構造部の厚みの平均値をとることで求めることが可能である。このとき、一見して異常値と思われる数値は採用しないものとする。 The thickness of the matrix-domain structure portion is preferably 0.1 μm or more and 2 μm or less, more preferably 0.2 μm or more and 1.5 μm or less. The thickness d of the matrix-domain structure part is understood as the shortest distance between the surface of the hard particle opposite to the base material and the interface between the multilayer structure part and the matrix-domain structure part. (See Fig. 5). At this time, it is considered that the surface of the hard particles on the side opposite to the substrate and the interface between the multilayer structure and the matrix-domain structure are conceptually parallel. In addition, the boundary surface described above is the unit layer farthest from the substrate side in the multilayer structure portion (that is, the first unit layer or the second unit layer) and the unit layer maintaining the layered structure. It can also be grasped as the interface farther from the substrate. Specifically, using a TEM, 10 arbitrarily selected hard particles in the coating layer in a cross-sectional sample parallel to the normal direction of the surface of the substrate are measured, and the measured 10 matrix - It can be obtained by averaging the thickness of the domain structure. At this time, numerical values that seem to be abnormal values at first glance are not adopted.

(ドメイン領域)
本実施形態において「ドメイン領域」とは、後述するマトリックス領域中に複数の部分に分かれ、分散した状態で存在している領域(例えば、図7における暗く示されている領域)を意味する。このとき、上記ドメイン領域は、あらゆる方向において上記マトリックス領域中に分散していると考えられる。ここで、「あらゆる方向」とは、上記基材の表面の法線方向及び当該法線方向に対して垂直な方向が含まれる。なお、上述の「分散した状態」は、基本的には隣り合うドメイン領域同士が直接接触しないことを意味するが、一部のドメイン領域が互いに接触しているものを排除するものではない。
(domain area)
In the present embodiment, the term “domain region” means a region that is divided into a plurality of parts and exists in a dispersed state in a matrix region described later (for example, darkened regions in FIG. 7). The domain regions are then considered to be dispersed in the matrix region in all directions. Here, "any direction" includes the normal direction of the surface of the substrate and the direction perpendicular to the normal direction. The above-mentioned "distributed state" basically means that adjacent domain regions are not in direct contact with each other, but does not exclude cases in which some domain regions are in contact with each other.

また、上記ドメイン領域は、上記マトリックス-ドメイン構造部において複数の領域に分かれて配置される領域と把握することもできる。本実施形態の一側面において、上記ドメイン領域を構成する上記複数の領域の大部分は、上記マトリックス領域に取り囲まれていると把握することもできる。このとき、上記ドメイン領域は、あらゆる方向においてマトリックス領域に取り囲まれていると考えられる。ここで、「あらゆる方向」とは、上記基材の表面の法線方向及び当該法線に対して垂直な方向が含まれる。 Also, the domain region can be understood as a region divided into a plurality of regions in the matrix-domain structure. In one aspect of the present embodiment, it can also be understood that most of the plurality of regions forming the domain region are surrounded by the matrix region. At this time, the domain region is considered to be surrounded by the matrix region in all directions. Here, "any direction" includes the direction normal to the surface of the substrate and the direction perpendicular to the normal.

このように上記マトリックス-ドメイン構造部では、上記ドメイン領域が上記マトリックス領域中に分散している。そのため、上記ドメイン領域及び上記マトリックス領域が積層構造を形成することはなく、上記マトリックス-ドメイン構造部は、上記多層構造部とは明確に異なる構造を形成している。 Thus, in the matrix-domain structure, the domain regions are dispersed in the matrix region. Therefore, the domain region and the matrix region do not form a laminate structure, and the matrix-domain structure part forms a structure clearly different from the multilayer structure part.

上記ドメイン領域は、後述するマトリックス領域と比較して、上記アルミニウムの原子比が高い領域である。上記ドメイン領域は、上記マトリックス-ドメイン構造部をTEMで観察した場合、マトリックス領域と比較して暗い領域として観察される(例えば、図7参照)。そのため、上記ドメイン領域は、マトリックス領域と明確に区別可能である。 The domain region is a region having a higher atomic ratio of aluminum than the matrix region described later. The domain region is observed as a darker region than the matrix region when the matrix-domain structure is observed with a TEM (eg, see FIG. 7). Therefore, the domain region can be clearly distinguished from the matrix region.

上記ドメイン領域の体積比率は、特に制限はないが、上記ドメイン領域及び上記マトリックス領域の全体積を基準として、50体積%以上90体積%以下であってもよいし、60体積%以上85体積%以下であってもよいよい。上記ドメイン領域の体積比率は、以下のようにして求めることが可能である。まず、基材の表面の法線方向に平行な断面サンプルにおける所定の視野(例えば、0.5μm×0.5μm)をTEMで観察し、観察画像を得る。このときの倍率は、例えば、2000000倍である。得られた観察画像において、ドメイン領域及びマトリックス領域それぞれの面積を算出する。次に、上記ドメイン領域及び上記マトリックス領域の合計の面積を基準として、当該ドメイン領域の面積比率を算出する。このような測定を少なくとも10視野において行い、10視野それぞれにおいて算出された面積比率の平均値を当該ドメイン領域の体積比率と見なして取り扱う。 The volume ratio of the domain region is not particularly limited. It may be below. The volume ratio of the domain regions can be obtained as follows. First, a predetermined field of view (for example, 0.5 μm×0.5 μm) in a cross-sectional sample parallel to the normal direction of the surface of the substrate is observed with a TEM to obtain an observed image. The magnification at this time is, for example, 2000000 times. In the observed image obtained, the area of each of the domain region and the matrix region is calculated. Next, the area ratio of the domain region is calculated based on the total area of the domain region and the matrix region. Such measurements are performed in at least 10 fields of view, and the average value of the area ratios calculated in each of the 10 fields of view is regarded as the volume ratio of the domain region.

上記ドメイン領域の大きさは、2nm以上15nm以下であることが好ましく、2.5nm以上10nm以下であることがより好ましい。上記ドメイン領域の大きさは、以下のようにして求めることが可能である。まず、基材の表面の法線方向に平行な断面サンプルにおける所定の視野(例えば、0.05μm×0.05μm)をTEMで観察し、観察画像を得る。このときの倍率は、例えば、10000000倍である。得られた観察画像において、個々のドメイン領域の面積を算出し、算出した面積に基づいて当面積円相当径(Heywood径)を求める。このとき測定するドメイン領域の数は、少なくとも10以上とする。 The size of the domain region is preferably 2 nm or more and 15 nm or less, more preferably 2.5 nm or more and 10 nm or less. The size of the domain region can be obtained as follows. First, a predetermined visual field (for example, 0.05 μm×0.05 μm) in a cross-sectional sample parallel to the normal direction of the surface of the substrate is observed with a TEM to obtain an observed image. The magnification at this time is, for example, 10000000 times. In the observed image obtained, the area of each domain region is calculated, and the corresponding area circle diameter (Heywood diameter) is obtained based on the calculated area. At this time, the number of domain regions to be measured should be at least 10 or more.

(マトリックス領域)
本実施形態において「マトリックス領域」とは上記マトリックス-ドメイン構造部の母体となる領域(例えば、図7における明るく示されている領域)であり、ドメイン領域以外の領域を意味する。言い換えると、上記マトリックス領域の大部分は、上記ドメイン領域を構成する複数の領域のそれぞれを取り囲むように配置されている領域と把握することもできる。また、上記マトリックス領域の大部分は、上記ドメイン領域を構成する複数の領域の間に配置されていると把握することもできる。
(matrix area)
In the present embodiment, the “matrix region” is a region that forms the base of the matrix-domain structure (for example, the region shown brightly in FIG. 7) and means a region other than the domain region. In other words, most of the matrix region can also be understood as a region arranged so as to surround each of the plurality of regions forming the domain region. It can also be understood that most of the matrix region is arranged between a plurality of regions forming the domain region.

上記マトリックス領域は、上記ドメイン領域と比較して、上記アルミニウムの原子比が低い領域である。上記マトリックス領域は、上記マトリックス-ドメイン構造部をTEMで観察した場合、ドメイン領域と比較して明るい領域として観察される(例えば、図7参照)。そのため、上記マトリックス領域は、ドメイン領域と明確に区別可能である。 The matrix region is a region having a lower atomic ratio of aluminum than the domain region. The matrix region is observed as a brighter region than the domain region when the matrix-domain structure is observed with a TEM (eg, see FIG. 7). Therefore, the matrix region can be clearly distinguished from the domain region.

上記マトリックス領域の体積比率は、特に制限はないが、上記ドメイン領域及び上記マトリックス領域の全体積を基準として、10体積%以上50体積%以下であってもよいし、10体積%以上40体積%以下であってもよいし、10体積%以上30体積%以下であってもよい。上記マトリックス領域の体積比率は、以下のようにして求めることが可能である。まず、基材の表面の法線方向に平行な断面サンプルにおける所定の視野(例えば、0.5μm×0.5μm)をTEMで観察し、観察画像を得る。このときの倍率は、例えば、2000000倍である。得られた観察画像において、ドメイン領域及びマトリックス領域それぞれの面積を算出する。次に、上記ドメイン領域及び上記マトリックス領域の合計の面積を基準として、当該マトリックス領域の面積比率を算出する。このような測定を少なくとも10視野において行い、10視野それぞれにおいて算出された面積比率の平均値を当該マトリックス領域の体積比率と見なして取り扱う。 The volume ratio of the matrix region is not particularly limited. or less, or 10% by volume or more and 30% by volume or less. The volume ratio of the matrix region can be obtained as follows. First, a predetermined field of view (for example, 0.5 μm×0.5 μm) in a cross-sectional sample parallel to the normal direction of the surface of the substrate is observed with a TEM to obtain an observed image. The magnification at this time is, for example, 2000000 times. In the observed image obtained, the area of each of the domain region and the matrix region is calculated. Next, based on the total area of the domain region and the matrix region, the area ratio of the matrix region is calculated. Such measurements are performed in at least 10 fields of view, and the average value of the area ratios calculated in each of the 10 fields of view is regarded as the volume ratio of the matrix region.

(六方晶型の硬質粒子)
本開示の効果が奏する限りにおいて、上記被覆層が六方晶型の硬質粒子を含んでいてもよい。上記六方晶型の硬質粒子の構成元素は、上記立方晶型の硬質粒子の構成元素と同じであると考えられる。ただし、上記六方晶型の硬質粒子の元素組成は、上記立方晶型の硬質粒子の元素組成と同じであってもよいし、異なっていてもよい。上記被覆層が六方晶型の硬質粒子を含む場合、上記六方晶型の硬質粒子の含有割合(h/(c+h))は、上記立方晶型の硬質粒子(c)と上記六方晶型の硬質粒子(h)との総量を基準としたとき、0体積%を超えて20体積%以下であることが好ましく、0体積%を超えて15体積%以下であることがより好ましく、0体積%を超えて10体積%以下であることが更に好ましい。本実施形態の一側面において、上記被覆層が六方晶型の硬質粒子を含まないことが好ましい。当該含有割合は、例えば、X線回折により得られる回折ピークのパターンを解析することによって求めることが可能である。具体的な方法は以下の通りである。
(Hexagonal hard particles)
As long as the effects of the present disclosure are exhibited, the coating layer may contain hexagonal hard particles. The constituent elements of the hexagonal hard particles are considered to be the same as the constituent elements of the cubic hard particles. However, the elemental composition of the hexagonal hard particles may be the same as or different from the elemental composition of the cubic hard particles. When the coating layer contains hexagonal hard particles, the content ratio of the hexagonal hard particles (h / (c + h)) is the cubic hard particles (c) and the hexagonal hard particles Based on the total amount of the particles (h), it is preferably more than 0% by volume and 20% by volume or less, more preferably more than 0% by volume and 15% by volume or less, and 0% by volume. More preferably, it exceeds 10% by volume or less. In one aspect of the present embodiment, the coating layer preferably does not contain hexagonal hard particles. The content ratio can be determined, for example, by analyzing a pattern of diffraction peaks obtained by X-ray diffraction. A specific method is as follows.

X線回折装置(Rigaku社製「MiniFlex600」(商品名))を用いて上述の断面サンプルにおける被覆層のX線スペクトルを得る。このときのX線回折装置の条件は例えば、下記の通りとする。
特性X線: Cu-Kα(波長1.54Å)
管電圧: 45kV
管電流: 40mA
フィルター: 多層ミラー
光学系: 集中法
X線回折法: θ-2θ法
Using an X-ray diffractometer (“MiniFlex 600” (trade name) manufactured by Rigaku), an X-ray spectrum of the coating layer in the above cross-sectional sample is obtained. The conditions of the X-ray diffraction device at this time are, for example, as follows.
Characteristic X-ray: Cu-Kα (wavelength 1.54 Å)
Tube voltage: 45kV
Tube current: 40mA
Filter: Multilayer mirror Optical system: Focusing method X-ray diffraction method: θ-2θ method

得られたX線スペクトルにおいて、立方晶型の硬質粒子のピーク強度(Ic)と、六方晶型の硬質粒子のピーク強度(Ih)とを測定する。ここで、「ピーク強度」とは、X線スペクトルにおけるピークの高さ(cps)を意味する。立方晶型の硬質粒子のピークは、回折角2θ=38°付近及び44°付近に確認することができる。六方晶型の硬質粒子のピークは、回折角2θ=33°付近に確認することができる。ピーク強度はバックグラウンドを除いた値とする。 In the obtained X-ray spectrum, the peak intensity (Ic) of the cubic hard particles and the peak intensity (Ih) of the hexagonal hard particles are measured. Here, "peak intensity" means the peak height (cps) in the X-ray spectrum. The peaks of the cubic hard particles can be confirmed near the diffraction angles 2θ=38° and 44°. The peak of the hexagonal hard particles can be confirmed near the diffraction angle 2θ=33°. The peak intensity is the value excluding the background.

上記立方晶型の硬質粒子と上記六方晶型の硬質粒子との総量を基準としたときの上記六方晶型の硬質粒子の含有割合(体積%)は、下記の式により算出される。ここで、立方晶型の硬質粒子のピーク強度(Ic)は、2θ=38°付近におけるピーク強度と2θ=44°付近におけるピーク強度との和で求められる。
上記六方晶型の硬質粒子の含有割合(体積%)=100×{Ih/(Ih+Ic)}
The content ratio (% by volume) of the hexagonal hard particles based on the total amount of the cubic hard particles and the hexagonal hard particles is calculated by the following formula. Here, the peak intensity (Ic) of the cubic hard particles is determined by the sum of the peak intensity near 2θ=38° and the peak intensity near 2θ=44°.
Content ratio of the hexagonal hard particles (% by volume) = 100 x {Ih/(Ih+Ic)}

(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、TiCN層、TiBN層、Al層等を挙げることができる。例えば、上記他の層としては、上記基材と上記硬質被膜層との間に設けられている下地層等が挙げられる。上記他の層の厚さは、本実施形態の効果を損なわない範囲において、特に制限はないが例えば、0.1μm以上2μm以下が挙げられる。
(other layers)
The film may further include other layers as long as the effects of the present embodiment are not impaired. The composition of the other layer may be different from or the same as that of the coating layer. Other layers include, for example, a TiN layer, a TiCN layer, a TiBN layer, an Al 2 O 3 layer, and the like. For example, the other layer includes a base layer provided between the substrate and the hard coating layer. The thickness of the other layer is not particularly limited as long as the effect of the present embodiment is not impaired.

≪切削工具の製造方法≫
本実施形態に係る切削工具の製造方法は、
上記切削工具の製造方法であって、
上記基材を準備する第1工程と、
化学気相蒸着法を用いて、上記基材上に上記被覆層の前駆体を形成する第2工程と、
上記被覆層の前駆体の表面にエネルギー粒子を断続的に照射する第3工程と、
を含む。
≪Manufacturing method of cutting tools≫
The method for manufacturing a cutting tool according to this embodiment includes:
A method for manufacturing the cutting tool,
a first step of preparing the substrate;
a second step of forming a precursor of the coating layer on the substrate using chemical vapor deposition;
a third step of intermittently irradiating the surface of the precursor of the coating layer with energetic particles;
including.

<第1工程:基材を準備する工程>
本工程では、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。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-G、CNMG120408等)に加圧成形した後に、所定の焼結炉において1300℃~1500℃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。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。
<First Step: Step of Preparing Base Material>
In this step, the substrate is prepared. As the base material, as described above, any conventionally known base material of this type can be used. For example, when the base material is made of a cemented carbide, raw material powders having a predetermined composition (% by mass) are uniformly mixed using a commercially available attritor, and then the mixed powder is shaped into a predetermined shape (e.g. , SEET13T3AGSN-G, CNMG120408, etc.), and then sintering in a predetermined sintering furnace at 1300 ° C to 1500 ° C for 1 to 2 hours to obtain the above base material made of cemented carbide. can. Moreover, a commercially available product may be used as it is for the base material. Commercially available products include EH520 (trade name) manufactured by Sumitomo Electric Hardmetal Co., Ltd., for example.

<第2工程:化学気相蒸着法を用いて、上記基材上に上記被覆層の前駆体を形成する工程>
本工程では、化学気相蒸着法を用いて、上記基材上に上記被覆層の前駆体を形成する。上記第2工程は、アルミニウムのハロゲン化物ガス及びチタンのハロゲン化物ガスを含む第一ガスと、アンモニアガスを含む第二ガスとのそれぞれを、650℃以上850℃以下且つ0.5kPa以上1.5kPa以下の雰囲気において上記基材に噴出することを含むことが好ましい。この工程は、例えば以下に説明するCVD装置を用いて行うことができる。
<Second step: step of forming a precursor of the coating layer on the base material by using a chemical vapor deposition method>
In this step, a precursor of the coating layer is formed on the substrate using chemical vapor deposition. In the second step, each of the first gas containing the aluminum halide gas and the titanium halide gas and the second gas containing the ammonia gas is heated to 650° C. or higher and 850° C. or lower and 0.5 kPa or higher and 1.5 kPa or higher. It preferably comprises jetting the substrate in the following atmosphere. This step can be performed using, for example, a CVD apparatus described below.

(CVD装置)
図8に、実施の形態の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を示す。図8に示すように、CVD装置70は、基材10を設置するための基材セット治具71の複数と、基材セット治具71を被覆する耐熱合金鋼製の反応容器72とを備えている。また、反応容器72の周囲には、反応容器72内の温度を制御するための調温装置73が設けられている。
(CVD equipment)
FIG. 8 shows a schematic cross-sectional view of an example of a CVD apparatus used for manufacturing the cutting tool of the embodiment. As shown in FIG. 8, the CVD apparatus 70 includes a plurality of substrate setting jigs 71 for setting the substrate 10, and a reaction vessel 72 made of heat-resistant alloy steel covering the substrate setting jigs 71. ing. A temperature controller 73 for controlling the temperature inside the reaction vessel 72 is provided around the reaction vessel 72 .

反応容器72には、隣接して接合された第1ガス導入管74と第2ガス導入管75とが反応容器72の内部の空間を鉛直方向に延在し、当該鉛直方向を軸に回転可能に設けられている。ガス導入管76においては、第1ガス導入管74に導入された第一ガスと、第2ガス導入管75に導入された第二ガスとがガス導入管76の内部で混合しない構成とされている。また、第1ガス導入管74及び第2ガス導入管75のそれぞれの一部には、第1ガス導入管74及び第2ガス導入管75のそれぞれの内部を流れるガスを基材セット治具71に設置された基材10上に噴出させるための複数の貫通孔が設けられている。 In the reaction container 72, a first gas introduction pipe 74 and a second gas introduction pipe 75, which are joined adjacently, extend vertically in the space inside the reaction container 72, and are rotatable about the vertical direction. is provided in The gas introduction pipe 76 is configured such that the first gas introduced through the first gas introduction pipe 74 and the second gas introduced through the second gas introduction pipe 75 are not mixed inside the gas introduction pipe 76 . there is In addition, a part of each of the first gas introduction pipe 74 and the second gas introduction pipe 75 is supplied with the gas flowing through each of the first gas introduction pipe 74 and the second gas introduction pipe 75 . A plurality of through-holes are provided for jetting onto the base material 10 placed on the inside.

さらに、反応容器72には、反応容器72の内部のガスを外部に排気するためのガス排気管77が設けられており、反応容器72の内部のガスは、ガス排気管77を通過して、ガス排気口78から反応容器72の外部に排出される。 Furthermore, the reaction container 72 is provided with a gas exhaust pipe 77 for discharging the gas inside the reaction container 72 to the outside, and the gas inside the reaction container 72 passes through the gas exhaust pipe 77 to The gas is discharged to the outside of the reaction vessel 72 through the gas exhaust port 78 .

より具体的には、上述した第一ガス及び第二ガスを、それぞれ第1ガス導入管74及び第2ガス導入管75に導入する。このとき、各ガス導入管内における第一ガス及び第二ガスそれぞれの温度は、液化しない温度であれば特に制限はない。次に、650℃以上850℃以下(好ましくは730℃以上750℃以下)且つ0.5kPa以上1.5kPa以下(好ましくは0.5kPa以上1kPa以下)の雰囲気とした反応容器72内へ第一ガス、第二ガスをこの順で繰り返して噴出する。ガス導入管76には複数の貫通孔が開いているため、導入された第一ガス及び第二ガスは、それぞれ異なる貫通孔から反応容器72内に噴出される。このときガス導入管76は、図8中の回転矢印が示すようにその軸を中心として、例えば、2~10rpmの回転速度で回転している。これによって、第一ガス、第二ガスをこの順で繰り返して基材10に対して噴出することができる。 More specifically, the above-described first gas and second gas are introduced into the first gas introduction pipe 74 and the second gas introduction pipe 75, respectively. At this time, the temperatures of the first gas and the second gas in each gas introduction pipe are not particularly limited as long as they are not liquefied. Next, the first gas is introduced into the reaction vessel 72 having an atmosphere of 650° C. or higher and 850° C. or lower (preferably 730° C. or higher and 750° C. or lower) and 0.5 kPa or higher and 1.5 kPa or lower (preferably 0.5 kPa or higher and 1 kPa or lower). , the second gas is repeatedly ejected in this order. Since the gas introduction pipe 76 has a plurality of through-holes, the introduced first gas and second gas are jetted into the reaction vessel 72 through different through-holes. At this time, the gas introduction pipe 76 is rotating about its axis at a rotational speed of, for example, 2 to 10 rpm, as indicated by the rotating arrow in FIG. Thereby, the first gas and the second gas can be repeatedly jetted to the substrate 10 in this order.

(第一ガス)
上記第一ガスは、アルミニウムのハロゲン化物ガス及びチタンのハロゲン化物ガスを含む。
(first gas)
The first gas includes an aluminum halide gas and a titanium halide gas.

アルミニウムのハロゲン化物ガスとしては、例えば、塩化アルミニウムガス(AlClガス、AlClガス)等が挙げられる。好ましくは、AlClガスが用いられる。アルミニウムのハロゲン化物ガスの濃度(体積%)は、第一ガス及び第二ガスの全体積を基準として、0.3体積%以上1.5体積%以下であることが好ましく、0.6体積%以上0.8体積%以下であることがより好ましい。 Halide gases of aluminum include, for example, aluminum chloride gas (AlCl 3 gas, Al 2 Cl 6 gas). Preferably AlCl 3 gas is used. The concentration (% by volume) of the halide gas of aluminum is preferably 0.3% by volume or more and 1.5% by volume or less, based on the total volume of the first gas and the second gas, and 0.6% by volume. It is more preferable to be 0.8 volume % or less.

チタンのハロゲン化物ガスとしては、例えば、塩化チタン(IV)ガス(TiClガス)、塩化チタン(III)ガス(TiClガス)等が挙げられる。好ましくは、塩化チタン(IV)ガスが用いられる。チタンのハロゲン化物ガスの濃度(体積%)は、第一ガス及び第二ガスの全体積を基準として、0.1体積%以上1体積%以下であることが好ましく、0.14体積%以上0.4体積%以下であることがより好ましい。 Titanium halide gases include, for example, titanium (IV) chloride gas ( TiCl4 gas), titanium chloride (III) gas ( TiCl3 gas), and the like. Titanium (IV) chloride gas is preferably used. The concentration (% by volume) of the titanium halide gas is preferably 0.1% by volume or more and 1% by volume or less, based on the total volume of the first gas and the second gas, and 0.14% by volume or more and 0 0.4% by volume or less is more preferable.

上記第一ガス及び第二ガスの混合ガスにおけるアルミニウムのハロゲン化物ガスの体積比は、アルミニウムのハロゲン化物ガス及びチタンのハロゲン化物ガスの全体積を基準として、0.5以上0.85以下であることが好ましく、0.6以上0.85以下であることがより好ましい。 The volume ratio of the aluminum halide gas in the mixed gas of the first gas and the second gas is 0.5 or more and 0.85 or less based on the total volume of the aluminum halide gas and the titanium halide gas. , and more preferably 0.6 or more and 0.85 or less.

上記第一ガスは、水素ガスを含んでもよいし、アルゴンガス等の不活性ガスを含んでもよい。不活性ガスの濃度(体積%)は、第一ガス及び第二ガスの全体積を基準として、5体積%以上50体積%以下であることが好ましく、20体積%以上40体積%以下であることがより好ましい。水素ガスは、通常上記第一ガス及び第二ガスの残部を占める。 The first gas may contain hydrogen gas, or may contain an inert gas such as argon gas. The concentration (% by volume) of the inert gas is preferably 5% by volume or more and 50% by volume or less, and 20% by volume or more and 40% by volume or less, based on the total volume of the first gas and the second gas. is more preferred. Hydrogen gas usually accounts for the remainder of the first and second gases.

本実施形態の一側面において、上記第一ガスは炭化水素ガスを更に含んでいてもよい。炭化水素ガスとしては、例えば、メタンガス、エチレンガス(Cガス)等が挙げられる。炭化水素ガスの濃度(体積%)は、第一ガス及び第二ガスの全体積を基準として、0.1体積%以上1体積%以下であることが好ましく、0.2体積%以上0.4体積%以下であることがより好ましい。 In one aspect of the present embodiment, the first gas may further contain a hydrocarbon gas. Examples of hydrocarbon gas include methane gas and ethylene gas (C 2 H 4 gas). The concentration (% by volume) of the hydrocarbon gas is preferably 0.1% by volume or more and 1% by volume or less, and 0.2% by volume or more and 0.4% by volume, based on the total volume of the first gas and the second gas. It is more preferably vol% or less.

上記基材に噴出するときの上記第一ガスの流量は、20~30L/minであることが好ましい。 It is preferable that the flow rate of the first gas when jetted onto the substrate is 20 to 30 L/min.

(第二ガス)
上記第二ガスは、アンモニアガスを含む。また上記第二ガスは、水素ガスを含んでもよいし、アルゴンガス等の不活性ガスを含んでもよい。上記第二ガスを上記基材に噴出することで、上記多層構造部の形成が促進される。
(second gas)
The second gas includes ammonia gas. The second gas may contain hydrogen gas, or may contain an inert gas such as argon gas. Formation of the multilayer structure is promoted by jetting the second gas onto the substrate.

アンモニアガスの濃度(体積%)は、第一ガス及び第二ガスの全体積を基準として、0.5体積%以上4体積%以下であることが好ましく、1体積%以上2体積%以下であることがより好ましい。水素ガスは、通常上記第一ガス及び上記第二ガスの残部を占める。 The concentration (% by volume) of the ammonia gas is preferably 0.5% by volume or more and 4% by volume or less, and 1% by volume or more and 2% by volume or less, based on the total volume of the first gas and the second gas. is more preferable. Hydrogen gas usually accounts for the balance of the first gas and the second gas.

上記基材に噴出するときの上記第二ガスの流量は、10~20L/minであることが好ましい。 The flow rate of the second gas when it is jetted onto the substrate is preferably 10 to 20 L/min.

<第3工程:上記被覆層の前駆体の表面にエネルギー粒子を断続的に照射する工程>
本工程では、上記被覆層の前駆体の表面にエネルギー粒子を断続的に照射する。このようにすることで、上記被覆層の前駆体を構成する硬質粒子における多層構造部の一部がマトリックス-ドメイン構造部に変化し、もって上記被覆層が形成される。なお、上述の工程からも明らかなように、被覆層の前駆体における多層構造部と、被覆層における多層構造部とは、層の構造、組成が同じである。
<Third step: Step of intermittently irradiating the surface of the precursor of the coating layer with energy particles>
In this step, the surface of the precursor of the coating layer is intermittently irradiated with energetic particles. By doing so, a part of the multilayer structure portion of the hard particles constituting the precursor of the coating layer is changed to the matrix-domain structure portion, thereby forming the coating layer. As is clear from the above steps, the multilayer structure portion of the coating layer precursor and the multilayer structure portion of the coating layer have the same layer structure and composition.

従来は、多層構造部をマトリックス-ドメイン構造部に変換しようとする場合、被覆層全体(すなわち硬質粒子全体)を熱処理(アニール処理)する必要があった。このような従来の熱処理では、全体がマトリックス-ドメイン構造部で構成される硬質粒子しか生成することができなかった。本開示では、上述のように上記被覆層の前駆体の表面にエネルギー粒子を断続的に照射することで、硬質粒子の一部のみを熱処理することを可能にしている。そのため、多層構造部及びマトリックス-ドメイン構造部の両方を備える硬質粒子を生成することが可能になり、もって鋳鉄製の被削材及び炭素鋼製の被削材を切削加工する場合において、初期摩耗及び熱摩耗に対して優れた耐性を有する切削工具を提供することが可能になる。 Conventionally, when attempting to convert a multilayer structure into a matrix-domain structure, it was necessary to heat-treat (anneal) the entire coating layer (ie, the entire hard particle). Such conventional heat treatment could only produce hard particles composed entirely of matrix-domain structures. In the present disclosure, as described above, by intermittently irradiating the surface of the precursor of the coating layer with energetic particles, it is possible to heat-treat only a part of the hard particles. Therefore, it is possible to produce hard particles with both a multi-layer structure and a matrix-domain structure, which reduces the initial wear when machining cast iron and carbon steel materials. And it becomes possible to provide a cutting tool having excellent resistance to thermal wear.

なお、上記第3工程を行わずに製造された切削工具でも切削加工に伴う摩擦熱によって被覆層の表面部分が結果的に加熱されると考えられる。しかし、加熱の程度が厳密に制御されていないため上記マトリックス-ドメイン構造部が生成されていないと本発明者らは考えている。 In addition, even in a cutting tool manufactured without performing the third step, it is considered that the surface portion of the coating layer is eventually heated by frictional heat associated with cutting. However, the inventors believe that the matrix-domain structure is not produced because the degree of heating is not strictly controlled.

上記エネルギー粒子としては、例えば、ガリウムイオン(Ga)、キセノンイオン(Xe)等が挙げられる。本実施形態の一側面において、上記第3工程における上記エネルギー粒子は、ガリウムイオンであることが好ましい。 Examples of the energetic particles include gallium ions (Ga + ) and xenon ions (Xe + ). In one aspect of the present embodiment, the energetic particles in the third step are preferably gallium ions.

エネルギー粒子を照射する方法としては、特に制限されないが、例えば、レーザー処理、電子線照射、集束イオンビーム照射(FIB照射)、放射線照射等が挙げられる。装置としては、公知の装置を利用できるが、例えば、日本電子株式会社製のJIB-4501(商品名)が挙げられる。 The method of irradiating with energetic particles is not particularly limited, but examples thereof include laser processing, electron beam irradiation, focused ion beam irradiation (FIB irradiation), radiation irradiation and the like. As the device, a known device can be used, and JIB-4501 (trade name) manufactured by JEOL Ltd. can be used, for example.

エネルギー粒子を照射する時間は、0.01秒以上0.1秒以下であることが好ましく、0.05秒以上0.1秒以下であることがより好ましい。 The irradiation time of the energetic particles is preferably 0.01 seconds or more and 0.1 seconds or less, more preferably 0.05 seconds or more and 0.1 seconds or less.

エネルギー粒子を照射した後、次の照射を行うまでの待機時間(インターバルの時間)は、0.005秒以上0.02秒以下であることが好ましく、0.01秒以上0.02秒以下であることがより好ましい。エネルギー粒子を照射する時間及び次の照射を行うまでの待機時間を上述のようにすることで、熱が基材に逃げることなく、上記被覆層の前駆体の表面に効率よく熱を加えることが可能になる。 After irradiation with energetic particles, the waiting time (interval time) until the next irradiation is preferably 0.005 seconds or more and 0.02 seconds or less, and 0.01 seconds or more and 0.02 seconds or less. It is more preferable to have By setting the irradiation time of the energetic particles and the waiting time until the next irradiation as described above, heat can be efficiently applied to the surface of the precursor of the coating layer without escaping the heat to the substrate. be possible.

エネルギー粒子を照射して、所定の時間待機する操作の繰返し回数は、5回以上500回以下であることが好ましく、10回以上50回以下であることがより好ましい。 The number of repetitions of the operation of irradiating with energetic particles and waiting for a predetermined time is preferably 5 times or more and 500 times or less, and more preferably 10 times or more and 50 times or less.

本実施形態の一側面において、第3工程としてガリウムイオンを用いたFIB照射を行う場合、以下の条件が例示される。
加速電圧:1~2kV
電流密度:40~60nA
照射角度:45~90°
照射時間:0.1秒
インターバル:0.02秒
繰返し数:10~50回
処理深さ:300~1020nm
One aspect of this embodiment WHEREIN: When FIB irradiation using gallium ion is performed as a 3rd process, the following conditions are illustrated.
Accelerating voltage: 1-2 kV
Current density: 40-60nA
Irradiation angle: 45-90°
Irradiation time: 0.1 sec Interval: 0.02 sec Number of repetitions: 10 to 50 Processing depth: 300 to 1020 nm

<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、他の層を形成する工程、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。
<Other processes>
In the manufacturing method according to the present embodiment, in addition to the above-described steps, a step of forming other layers, a step of surface treatment, and the like may be performed as appropriate. When forming the other layers described above, the other layers may be formed by conventional methods.

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。 EXAMPLES The present invention will be described in detail below with reference to Examples, but the present invention is not limited to these.

本実施例では、被膜の組成および形成条件が異なる試料No.1~12及び試料No.21~23の切削工具を作製した。その後、これらの切削工具の性能を評価した。試料No.1~12が実施例に相当する。試料No.21~23が比較例に相当する。 In this example, sample No. 1 having different film composition and formation conditions was used. 1-12 and sample no. 21-23 cutting tools were made. The performance of these cutting tools was then evaluated. Sample no. 1 to 12 correspond to examples. Sample no. 21 to 23 correspond to comparative examples.

≪切削工具の作製≫
<基材の調製>
試料No.1~12及び試料No.21~23の切削工具を作製するため、以下の表1に示す配合組成の基材Aを準備した。具体的には、まず表1に示す配合組成からなる原料粉末を均一に混合した。次に混合した原料粉末を所定の形状に加圧成形した。その後、1300~1500℃の焼結温度、及び1~2時間の焼結時間で上述の加圧成形した原料粉末を焼結することにより、形状がSEET13T3AGSN-Gの超硬合金製基材(住友電工ハードメタル株式会社製)を得た(第1工程)。SEET13T3AGSN-Gは、転削用加工(フライス加工用)の刃先交換型切削チップの形状である。
≪Manufacturing cutting tools≫
<Preparation of base material>
Sample no. 1-12 and sample no. In order to produce the cutting tools Nos. 21 to 23, a base material A having the formulation shown in Table 1 below was prepared. Specifically, first, raw material powders having the composition shown in Table 1 were uniformly mixed. Next, the mixed raw material powder was pressure-molded into a predetermined shape. After that, by sintering the above pressure-molded raw material powder at a sintering temperature of 1300 to 1500 ° C. for a sintering time of 1 to 2 hours, a cemented carbide substrate (Sumitomo manufactured by Denko Hardmetal Co., Ltd.) was obtained (first step). SEET13T3AGSN-G is the shape of an indexable cutting insert for milling.

Figure 0007326693000001
Figure 0007326693000001

<被膜の形成>
上記で得られた基材に対してその表面に被膜を形成した。具体的には、図8に示すCVD装置70を用い、基材10を基材セット治具71にセットし、CVD法を用いて基材10上に被膜40を形成した。
<Formation of film>
A coating was formed on the surface of the base material obtained above. Specifically, using the CVD apparatus 70 shown in FIG. 8, the base material 10 was set on the base material setting jig 71, and the film 40 was formed on the base material 10 using the CVD method.

(下地層の形成)
試料No.1~12、並びに、試料No.21及び22における下地層の形成条件は、以下の表2に示す通りである。各試料においてTiN、TiCN、Alの各層は、後述する表6に示す厚みとなるように原料ガスの噴出時間を調整した上で、基材上に形成した。試料No.23の基材については、AlおよびTiからなるターゲット(ターゲット組成、Al:Ti=50:50)を用いたPVD法(物理蒸着法)により基材上にAlTiNの層を形成した。
(Formation of base layer)
Sample no. 1 to 12, and sample no. The conditions for forming the underlying layers in 21 and 22 are as shown in Table 2 below. Each layer of TiN, TiCN, and Al 2 O 3 in each sample was formed on the substrate after adjusting the injection time of the raw material gas so as to have a thickness shown in Table 6, which will be described later. Sample no. For the substrate No. 23, an AlTiN layer was formed on the substrate by PVD (physical vapor deposition) using a target composed of Al and Ti (target composition: Al:Ti=50:50).

Figure 0007326693000002
Figure 0007326693000002

ここで試料No23の基材に対してAlTiNの層を形成したときのPVDの条件は、以下の通りである。
アーク電流:150V
バイアス電圧:-40A
チャンバ内圧力:2.6×10-3Pa
反応ガス:窒素ガス
基材を載置する回転テーブルの回転速度:10rpm
Here, the PVD conditions for forming the AlTiN layer on the substrate of sample No. 23 are as follows.
Arc current: 150V
Bias voltage: -40A
Chamber internal pressure: 2.6×10 −3 Pa
Reactive gas: Nitrogen gas Rotational speed of rotary table on which substrate is placed: 10 rpm

(被覆層の形成)
被覆層については、上述した化学気相蒸着法(CVD法)を用いて、上記基材上に上記被覆層の前駆体を形成する第2工程と、上記被覆層の前駆体の表面にエネルギー粒子を断続的に照射する第3工程とを行うことにより形成した。
(Formation of coating layer)
Regarding the coating layer, the second step of forming the precursor of the coating layer on the substrate using the chemical vapor deposition method (CVD method) described above, and the energetic particles are deposited on the surface of the precursor of the coating layer. was formed by performing a third step of intermittently irradiating the

(第2工程)
まず第2工程によって基材上に被覆層の前駆体(上記多層構造部のみからなる層)を形成した。表3に示すように、被覆層の前駆体を形成する条件は、条件T1及びT2の2通りとした。条件T1では、AlClガス、TiClガス及びHガスを含む第一ガスと、NHガス及びArガスを含む第二ガスとをそれぞれ噴出し、反応容器内で混合ガスを形成した。条件T2は、AlClガス、TiClガス及びHガスに加え、Cガスを含む第一ガスと、NHガス及びArガスを含む第二ガスとをそれぞれ噴出し、反応容器内で混合ガスを形成した。条件T1及びT2において、混合ガスの組成、混合ガスにおけるAlCl/(AlCl+TiCl)の体積比、CVD装置70の反応容器72内における温度条件及び圧力条件は、それぞれ表3に示す通りである。
(Second step)
First, a precursor of the coating layer (a layer consisting only of the multilayer structure portion) was formed on the substrate by the second step. As shown in Table 3, the conditions for forming the precursor of the coating layer were two conditions T1 and T2. In condition T1, a first gas containing AlCl 3 gas, TiCl 4 gas and H 2 gas, and a second gas containing NH 3 gas and Ar gas were respectively injected to form a mixed gas in the reaction vessel. In condition T2, in addition to AlCl 3 gas, TiCl 4 gas and H 2 gas, a first gas containing C 2 H 4 gas and a second gas containing NH 3 gas and Ar gas are ejected, respectively, and to form a gas mixture. Under conditions T1 and T2, the composition of the mixed gas, the volume ratio of AlCl 3 /(AlCl 3 +TiCl 4 ) in the mixed gas, and the temperature and pressure conditions in the reaction vessel 72 of the CVD apparatus 70 are as shown in Table 3, respectively. be.

第2工程では、具体的には、上記第一ガスをCVD装置70の導入口74から導入管76に導入し、第二ガスを導入口75より導入管76に導入した。続いて導入管76を回転させて導入管76の貫通孔から第一ガスおよび第二ガスを噴出させた。これにより、第一ガスと第二ガスとが均一化された混合ガスが得られ、得られたの混合ガスを上記下地層上に噴出することによって、被覆層の前駆体を形成した。 Specifically, in the second step, the first gas was introduced from the introduction port 74 of the CVD apparatus 70 into the introduction pipe 76 , and the second gas was introduced into the introduction pipe 76 from the introduction port 75 . Subsequently, the introduction pipe 76 was rotated to eject the first gas and the second gas from the through holes of the introduction pipe 76 . As a result, a mixed gas in which the first gas and the second gas were homogenized was obtained, and a precursor of the coating layer was formed by jetting the obtained mixed gas onto the underlayer.

Figure 0007326693000003
Figure 0007326693000003

表3に示すように、たとえば条件T1では、アルミニウムの原子比が0.86である第一単位層と、アルミニウムの原子比が0.60である第二単位層とが繰返し周期(すなわち、繰返し単位の厚み)4nmで積層され、第一単位層及び第二単位層の平均組成(すなわち、多層構造部の平均組成)がAl0.8Ti0.2Nである被覆層の前駆体を形成することができる。 As shown in Table 3, for example, under condition T1, the first unit layer having an aluminum atomic ratio of 0.86 and the second unit layer having an aluminum atomic ratio of 0.60 are repeated periods (that is, repeated Forming a precursor of a coating layer laminated with a unit thickness of 4 nm and having an average composition of the first unit layer and the second unit layer (that is, an average composition of the multilayer structure portion) of Al 0.8 Ti 0.2 N can do.

第2工程では、後述する表6に示すように、試料No.1~7、並びに、試料No.21及び22の基材に対しては、条件T1を用いて被覆層の前駆体を形成した。試料No.8~12の基材に対しては、条件T2を用いて被覆層の前駆体を形成した。ここで試料No.1の被覆層の前駆体における多層構造部の透過電子顕微鏡像を図6に示す。透過電子顕微鏡には、商品名:「JEM-2100F(日本電子株式会社製)」を用いた。 In the second step, sample no. 1 to 7, and sample no. For substrates 21 and 22, condition T1 was used to form the precursor of the coating layer. Sample no. For substrates 8-12, condition T2 was used to form the precursor of the coating layer. Here sample no. FIG. 6 shows a transmission electron microscope image of the multilayer structure in the precursor of the coating layer No. 1. A product name: "JEM-2100F (manufactured by JEOL Ltd.)" was used for the transmission electron microscope.

(第3工程)
さらに試料No.1~12については、第3工程によって上記被覆層の前駆体の表面にガリウムイオン(エネルギー粒子)を断続的に照射すること(FIB照射すること)により、マトリックス-ドメイン構造部を生成し、もって被覆層を得た。なお、上述の工程からも明らかなように、被覆層の前駆体における多層構造部と、被覆層における多層構造部とは、層の構造、組成が同じであると考えられる。表4に示すように、マトリックス-ドメイン構造部を生成する条件は、条件J1~条件J3の3通りとした。
(Third step)
Furthermore, sample no. For 1 to 12, the surface of the precursor of the coating layer is intermittently irradiated with gallium ions (energy particles) (FIB irradiation) in the third step to generate a matrix-domain structure. A coating layer was obtained. As is clear from the above-described steps, it is considered that the multilayer structure portion of the coating layer precursor and the multilayer structure portion of the coating layer have the same layer structure and composition. As shown in Table 4, three conditions, J1 to J3, were used to generate the matrix-domain structure.

Figure 0007326693000004
Figure 0007326693000004

表4に示すように、たとえば条件J1では、加速電圧1kV、電流密度40nA、照射角度45°で、処理深さ195nmでガリウムイオンを被覆層の前駆体の表面に断続的に照射した。このとき照射時間0.1秒、インターバル0.02秒のサイクルを10回繰り返して行った。また、ガリウムイオンを照射する装置は、日本電子株式会社製のJIB-4501(商品名)を用いた。 As shown in Table 4, for example, under condition J1, the surface of the precursor of the coating layer was intermittently irradiated with gallium ions at an acceleration voltage of 1 kV, a current density of 40 nA, an irradiation angle of 45°, and a processing depth of 195 nm. At this time, a cycle of an irradiation time of 0.1 second and an interval of 0.02 second was repeated 10 times. Further, JIB-4501 (trade name) manufactured by JEOL Ltd. was used as an apparatus for irradiating gallium ions.

第3工程では、後述する表6に示すように、試料No.1の被覆層の前駆体に対し、条件J1を用いることにより被覆層を得た。試料No.2の被覆層の前駆体に対し、条件J2を用いることにより被覆層を得た。試料No.3~12の被覆層の前駆体に対し、条件J3を用いることにより被覆層を得た。試料No.21の被覆層の前駆体に対しては、第3工程を行なわなかった。試料No.22の被覆層の前駆体に対しては、第3工程を行う代わりに、下記の条件C1でアニールすることで、被覆層の前駆体における硬質粒子の多層構造部全体をドメイン-マトリックス構造部に変化させ、もって被覆層を得た。試料No.23のPVD法で形成したAlTiNの層に対しては、第3工程を行なわなかった。
アニールの条件C1
昇温速度 :10℃/分
アニール温度 :900℃
アニール時間 :60分
アニール雰囲気 :Arガス
冷却温度 :40℃/分
冷却時の炉内圧力:0.9MPa
In the third step, as shown in Table 6 to be described later, sample No. A coating layer was obtained by using the condition J1 for the precursor of the coating layer of No. 1. Sample no. The coating layer was obtained by using condition J2 for the coating layer precursor of No. 2. Sample no. Coating layers were obtained by using condition J3 for precursors of coating layers 3-12. Sample no. The third step was not performed on the precursor of the coating layer of 21. Sample no. For the coating layer precursor No. 22, instead of performing the third step, annealing is performed under the following condition C1 to turn the entire multilayer structure of hard particles in the coating layer precursor into a domain-matrix structure. changed to obtain a coating layer. Sample no. The third step was not performed on the PVD AlTiN layer of No. 23.
Annealing condition C1
Heating rate: 10°C/min Annealing temperature: 900°C
Annealing time: 60 minutes Annealing atmosphere: Ar gas Cooling temperature: 40°C/minute Furnace pressure during cooling: 0.9 MPa

試料No.1における被覆層中の硬質粒子におけるドメイン-マトリックス構造部の透過電子顕微鏡像を図7に示す。透過電子顕微鏡には、商品名:「JEM-2100F(日本電子株式会社製)」を用いた。 Sample no. FIG. 7 shows a transmission electron microscope image of the domain-matrix structure in the hard particles in the coating layer in Example 1. A product name: "JEM-2100F (manufactured by JEOL Ltd.)" was used for the transmission electron microscope.

(表面処理)
さらに、試料No.4.5、7、9、10及び12に対してはそれぞれ、表5に示す条件でショットブラストによる表面処理を行なって被膜に圧縮応力を付与した。
(surface treatment)
Furthermore, sample no. For 4.5, 7, 9, 10 and 12, surface treatment was performed by shot blasting under the conditions shown in Table 5 to impart compressive stress to the coating.

Figure 0007326693000005
Figure 0007326693000005

以上のように各基材上に被膜を形成することにより、試料No.1~12及び試料No.21~23の切削工具を作製した。各試料における基材及び被膜の構成を表6に示す。表6において、たとえば試料No.1は、基材Aの直上に下地層として1μmの厚みを有するTiNの層が形成され、上記下地層上に4.5μmの厚みの被覆層(AlTiN)が形成された切削工具であることを示している。試料No.1の切削工具は、条件T1により形成した被覆層の前駆体を、条件J1により処理することで得た被覆層を有している。表6の「下地層」の欄において「-」は、該当する組成の層が存在しないことを意味している。表6の「表面処理」の欄において「-」は、表面処理を行わなかったことを意味している。 By forming a film on each substrate as described above, sample No. 1-12 and sample no. 21-23 cutting tools were made. Table 6 shows the composition of the substrate and coating in each sample. In Table 6, sample no. 1 is a cutting tool in which a TiN layer having a thickness of 1 μm is formed as an underlayer immediately above the base material A, and a coating layer (AlTiN) having a thickness of 4.5 μm is formed on the underlayer. showing. Sample no. Cutting tool No. 1 has a coating layer obtained by treating a precursor of the coating layer formed under conditions T1 under conditions J1. "-" in the "Underlayer" column of Table 6 means that a layer with the corresponding composition does not exist. "-" in the "surface treatment" column of Table 6 means that no surface treatment was performed.

Figure 0007326693000006
Figure 0007326693000006

≪切削工具の評価≫
<被膜等の厚みの測定>
被膜等の厚み(すなわち、被覆層、下地層の厚み)は、透過型電子顕微鏡(TEM)(日本電子株式会社製、商品名:JEM-2100F)を用いて、基材の表面の法線方向に平行な断面サンプルにおける任意の10点を測定し、測定された10点の厚みの平均値をとることで求めた。このときの観察倍率は、10000倍であった。結果を表6に示す。
≪Evaluation of cutting tools≫
<Measurement of thickness of coating>
The thickness of the coating (that is, the thickness of the coating layer and the underlying layer) is measured using a transmission electron microscope (TEM) (manufactured by JEOL Ltd., trade name: JEM-2100F) in the normal direction of the surface of the base material. It was obtained by measuring arbitrary 10 points in a cross-sectional sample parallel to , and averaging the thickness of the measured 10 points. The observation magnification at this time was 10000 times. Table 6 shows the results.

<被覆層の観察>
((220)配向に由来するピーク強度)
試料No.1~12、及び試料No.21~23の切削工具に対し、まず下記測定条件におけるX線回折法により被覆層を被膜の積層方向から解析し、どの結晶面において回折ピークが最大となるかを調べた。また、上記の測定結果から上述の方法で(220)配向に由来するピーク強度の比率を算出した。その結果を表7に示す。表7の結果から試料No.1~12の切削工具における被覆層は、回折ピークが(220)面で最大を示すことが分かった。たとえば図6及び7における右下の写真は、試料No.1の切削工具における被覆層のX線回折の結果を示している。これにより試料1~試料12の表面被覆切削工具は、耐摩耗性及び耐欠損性に優れ、炭素鋼等の被削材の切削加工及び鋳物などの断続加工が必要な用途に対して優れた性能を発揮することができると期待される。
測定方法:ω/2θ法
入射角度(ω):2°
スキャン角度(2θ):30~70°
スキャンスピード:1°/min
スキャンステップ幅:0.05°
X線源:Cu-Kα線
光学系属性:中分解能平行ビーム
管電圧:45kV
管電流:200mA
X線照射範囲:2.0mm範囲制限コリメーターを使用し、すくい面上の直径2mmの範囲に照射(ただし、同条件で逃げ面にX線を照射することも許容される)
X線検出器:半導体検出器(商品名:「D/teX Ultra250」、株式会社リガク製)
<Observation of coating layer>
(Peak intensity derived from (220) orientation)
Sample no. 1-12, and sample no. For the cutting tools Nos. 21 to 23, the coating layer was first analyzed from the stacking direction of the coating by the X-ray diffraction method under the following measurement conditions, and it was investigated in which crystal plane the diffraction peak was maximized. Also, from the above measurement results, the ratio of peak intensity derived from (220) orientation was calculated by the method described above. Table 7 shows the results. From the results in Table 7, sample No. It was found that the coating layers on cutting tools 1 to 12 exhibited a diffraction peak maximum in the (220) plane. For example, the lower right photographs in FIGS. 6 and 7 show sample no. 1 shows the result of X-ray diffraction of the coating layer in cutting tool No. 1. FIG. As a result, the surface-coated cutting tools of Samples 1 to 12 are excellent in wear resistance and fracture resistance, and have excellent performance for applications that require cutting of work materials such as carbon steel and interrupted machining such as castings. expected to be able to demonstrate
Measurement method: ω/2θ method Incident angle (ω): 2°
Scan angle (2θ): 30-70°
Scan speed: 1°/min
Scan step width: 0.05°
X-ray source: Cu-Kα ray Optical system attribute: medium resolution parallel beam Tube voltage: 45 kV
Tube current: 200mA
X-ray irradiation range: Using a 2.0 mm range limiting collimator, irradiate a 2 mm diameter range on the rake face (However, X-ray irradiation on the flank face under the same conditions is also permitted)
X-ray detector: Semiconductor detector (trade name: "D/teX Ultra250", manufactured by Rigaku Corporation)

(六方晶型の硬質粒子の体積比率)
次に、試料No.1~12、及び試料No.21~23の切削工具に対し、下記測定条件におけるX線回折法により被覆層における立方晶型の硬質粒子のピーク強度及び六方晶型の硬質粒子のピーク強度それぞれを測定した。測定された各ピーク強度に基づいて当該六方晶型の硬質粒子の体積比率を算出した。結果を表7に示す。なお、このX線回折測定により、試料No.1~12の切削工具における被覆層に、立方晶型の硬質粒子が含まれることが確認された。
X線回折装置: Rigaku社製「MiniFlex600」(商品名)
特性X線: Cu-Kα(波長1.54Å)
管電圧: 45kV
管電流: 40mA
フィルター: 多層ミラー
光学系: 集中法
X線回折法: θ-2θ法
(Volume ratio of hexagonal hard particles)
Next, sample no. 1-12, and sample no. For the cutting tools Nos. 21 to 23, the peak intensity of the cubic hard particles and the peak intensity of the hexagonal hard particles in the coating layer were measured by the X-ray diffraction method under the following measurement conditions. Based on the measured peak intensities, the volume ratio of the hexagonal hard particles was calculated. Table 7 shows the results. In addition, according to this X-ray diffraction measurement, sample No. It was confirmed that the coating layers of cutting tools 1 to 12 contained cubic hard particles.
X-ray diffraction device: Rigaku "MiniFlex600" (trade name)
Characteristic X-ray: Cu-Kα (wavelength 1.54 Å)
Tube voltage: 45kV
Tube current: 40mA
Filter: Multilayer mirror Optical system: Focusing method X-ray diffraction method: θ-2θ method

(被覆層の元素分析)
さらに、試料No.1~12、及び試料No.21~23の切削工具に対し、それぞれ被覆層を上述した透過顕微鏡を用いて観察し、当該透過顕微鏡に付帯したEDXで元素分析した。これにより被覆層を構成する硬質粒子のAlの原子比xを求めた。結果を表7に示す。
(Elemental analysis of coating layer)
Furthermore, sample no. 1-12, and sample no. The coating layers of the cutting tools Nos. 21 to 23 were observed using the transmission microscope described above, and elemental analysis was performed using EDX attached to the transmission microscope. Thus, the atomic ratio x of Al in the hard particles forming the coating layer was obtained. Table 7 shows the results.

(マトリックス-ドメイン構造部の厚み)
マトリックス-ドメイン構造部の厚みは、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被覆層内の任意に選択された10箇所の硬質粒子について測定し、測定された10箇所の上記マトリックス-ドメイン構造部の厚みの平均値をとることで求めた。結果を表7に示す。表7の「マトリックス-ドメイン構造部の厚み」の欄において「-」は、硬質粒子内にマトリックス-ドメイン構造部が存在しないことを意味している。
(Thickness of matrix-domain structure)
The thickness of the matrix-domain structure was measured using a TEM for 10 arbitrarily selected hard particles in the coating layer in a cross-sectional sample parallel to the normal direction of the surface of the substrate. It was obtained by averaging the thickness of the matrix-domain structure portion at each location. Table 7 shows the results. In the column "thickness of matrix-domain structure" in Table 7, "-" means that the matrix-domain structure is not present in the hard particles.

<切削試験1>
次に、試料No.1~12、及び試料No.21~23の切削工具に対し、以下の切削条件の下で切削試験(耐摩耗性試験)を行った。具体的には、試料No.1~12、及び試料No.21~23の切削工具(形状はSEET13T3AGSN-G)について、以下の切削条件により逃げ面摩耗量(Vb)が0.30mmになるまでの切削可能時間を測定した。その結果を、表7に示す。切削可能時間が長い切削工具である程、初期摩耗、熱摩耗が抑えられることにより、切削工具の寿命が長いことを示す。
<Cutting test 1>
Next, sample no. 1-12, and sample no. A cutting test (wear resistance test) was performed on the cutting tools No. 21 to 23 under the following cutting conditions. Specifically, sample no. 1-12, and sample no. With respect to cutting tools No. 21 to 23 (shape SEET13T3AGSN-G), the available cutting time until the flank wear amount (Vb) reached 0.30 mm was measured under the following cutting conditions. The results are shown in Table 7. It is shown that the longer the cutting tool can cut, the longer the life of the cutting tool because the initial wear and thermal wear are suppressed.

<切削条件>
被削材:S45Cブロック材(炭素鋼)
カッター:WGC4160R(住友電工ハードメタル社製)
周速:400m/min
送り速度:0.4mm/秒
切込み量:1.0mm
切削液:なし
<Cutting conditions>
Work material: S45C block material (carbon steel)
Cutter: WGC4160R (manufactured by Sumitomo Electric Hardmetal Co., Ltd.)
Peripheral speed: 400m/min
Feeding speed: 0.4mm/sec Depth of cut: 1.0mm
Cutting fluid: none

Figure 0007326693000007
Figure 0007326693000007

表7より、試料No.1~12(実施例)の切削工具は、試料No.21~23(比較例)の切削工具に比べ、初期摩耗、熱摩耗が抑えられることにより、切削工具の寿命が長いことが分かった。 From Table 7, sample no. The cutting tools of 1 to 12 (Examples) are sample Nos. Compared to the cutting tools of Nos. 21 to 23 (comparative examples), it was found that initial wear and thermal wear were suppressed, and the life of the cutting tools was longer.

<切削試験2>
次に、試料No.3、及び試料No.21~23の切削工具に対し、以下の切削条件の下で切削試験(耐摩耗性試験)を行い、切削時間と逃げ面の摩耗量との相関関係について調べた。具体的には、試料No.3、及び試料No.21~23の切削工具(形状はSEET13T3AGSN-G)について、以下の切削条件により切削加工を行い、各切削時間における逃げ面摩耗量(Vb)を測定した。Vbが0.31mmを超えたところで当該切削試験を終了した。その結果を、表8及び図9に示す。表8において「-」は、逃げ面の摩耗量の測定を行わなかったことを意味している。図9において、縦軸は逃げ面の摩耗量(mm)を示し、横軸は切削時間(分)を示している。
<Cutting test 2>
Next, sample no. 3, and sample no. Cutting tools Nos. 21 to 23 were subjected to a cutting test (wear resistance test) under the following cutting conditions to investigate the correlation between the cutting time and the amount of flank wear. Specifically, sample no. 3, and sample no. Cutting tools No. 21 to 23 (shape SEET13T3AGSN-G) were subjected to cutting under the following cutting conditions, and the flank wear amount (Vb) at each cutting time was measured. The cutting test was terminated when Vb exceeded 0.31 mm. The results are shown in Table 8 and FIG. In Table 8, "-" means that the flank wear amount was not measured. In FIG. 9, the vertical axis indicates the amount of flank wear (mm), and the horizontal axis indicates the cutting time (minutes).

<切削条件>
被削材:S45Cブロック材(炭素鋼)
カッター:WGC4160R(住友電工ハードメタル社製)
周速:400m/min
送り速度:0.4mm/秒
切込み量:1.0mm
切削液:なし
<Cutting conditions>
Work material: S45C block material (carbon steel)
Cutter: WGC4160R (manufactured by Sumitomo Electric Hardmetal Co., Ltd.)
Peripheral speed: 400m/min
Feeding speed: 0.4mm/sec Depth of cut: 1.0mm
Cutting fluid: none

Figure 0007326693000008
Figure 0007326693000008

表8及び図9の結果から、多層構造部のみからなる硬質粒子を含む被覆層を有する試料No.21の切削工具では、切削開始から1分後の逃げ面摩耗量が0.08mmであり初期摩耗が大きいことが分かった。マトリックス-ドメイン構造部のみからなる硬質粒子を含む被覆層を有する試料No.22の切削工具では、切削開始から7分後までの逃げ面摩耗量が他の3つの切削工具と比較して小さく、初期摩耗に強いことが窺える。しかし切削開始9分後を超えたあたりから逃げ面摩耗量が増大しており、熱摩耗が大きいことが分かった。PVD法で形成した被覆層を有する試料No.23の切削工具では、初期摩耗及び熱摩耗の両方が大きいことが分かった。 From the results of Table 8 and FIG. 9, sample No. having a coating layer containing hard particles consisting only of a multilayer structure portion. With the cutting tool No. 21, the amount of flank wear after 1 minute from the start of cutting was 0.08 mm, indicating large initial wear. Sample No. having a coating layer containing hard particles consisting only of a matrix-domain structure. With No. 22 cutting tools, the amount of flank wear until 7 minutes after the start of cutting was smaller than those of the other three cutting tools, suggesting that they are resistant to initial wear. However, after 9 minutes from the start of cutting, the amount of flank wear increased, indicating that thermal wear was large. Sample No. having a coating layer formed by PVD method. Twenty-three cutting tools were found to have both high initial wear and thermal wear.

一方、多層構造部と上記多層構造部の表面に接して配置されているマトリックス-ドメイン構造部とからなる硬質粒子からなる被覆層を有する試料No.3の切削工具では、切削開始から1分後の逃げ面摩耗が試料No.21よりも小さく、初期摩耗に対する耐性に優れていることが分かった。さらに、当該切削工具は、切削開始から9分を超えたあたりから、試料No.22の切削工具よりも逃げ面摩耗量が小さく、熱摩耗に対する耐性にも優れていることが分かった。 On the other hand, sample No. 1 has a coating layer made of hard particles, which consists of a multilayer structure and a matrix-domain structure disposed in contact with the surface of the multilayer structure. With the cutting tool No. 3, the flank wear of sample No. 1 after 1 minute from the start of cutting. It was found to be smaller than 21 and to have excellent resistance to initial wear. In addition, the cutting tool started cutting sample No. 9 after 9 minutes. It was found that the amount of flank wear was smaller than that of the cutting tool No. 22, and the resistance to thermal wear was also excellent.

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。 Although the embodiments and examples of the present invention have been described as above, it is planned from the beginning to appropriately combine the configurations of the above-described embodiments and examples.

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特許請求の範囲によって示され、特許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。 It should be considered that the embodiments and examples disclosed this time are illustrative in all respects and not 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 すくい面
2 逃げ面
3 刃先稜線部
10 基材
20 被覆層
21 下地層
30 硬質粒子
31 マトリックス-ドメイン構造部
32 多層構造部
40 被膜
50 切削工具
70 CVD装置
71 基材セット治具
72 反応容器
73 調温装置
74 第1ガス導入管
75 第2ガス導入管
76 ガス導入管
77 ガス排気管
78 ガス排気口
d マトリックス-ドメイン構造部の厚み
REFERENCE SIGNS LIST 1 rake face 2 flank face 3 cutting edge ridge 10 substrate 20 coating layer 21 base layer 30 hard particles 31 matrix-domain structure 32 multi-layer structure 40 coating 50 cutting tool 70 CVD device 71 substrate setting jig 72 reaction vessel 73 Temperature control device 74 First gas introduction pipe 75 Second gas introduction pipe 76 Gas introduction pipe 77 Gas exhaust pipe 78 Gas exhaust port d Thickness of matrix-domain structure

Claims (6)

基材と前記基材上に配置されている被覆層とを備える切削工具であって、
前記被覆層は、立方晶型の硬質粒子からなり、
前記立方晶型の硬質粒子は、多層構造部とマトリックス-ドメイン構造部とからなり、
前記多層構造部は、前記基材とは反対の側において前記マトリックス-ドメイン構造部と接していて、
前記多層構造部は、第一単位層と第二単位層とを含み、
前記マトリックス-ドメイン構造部は、マトリックス領域と前記マトリックス領域に囲まれているドメイン領域とを含み、
前記立方晶型の硬質粒子は、アルミニウム及びチタンを構成元素として含む窒化物又は炭化物からなり、
前記アルミニウムの原子比xは、前記立方晶型の硬質粒子における前記アルミニウム及び前記チタンの全体を基準として0.7以上0.96以下であり、
前記被覆層をX線回折法で分析した場合、(220)配向に由来するピーク強度が、他の配向に由来するピーク強度と比較して最大値を示す、切削工具。
A cutting tool comprising a substrate and a coating layer disposed on the substrate,
The coating layer is made of cubic hard particles,
The cubic hard particles are composed of a multilayer structure and a matrix-domain structure,
the multilayer structure is in contact with the matrix-domain structure on the side opposite the substrate,
The multilayer structure includes a first unit layer and a second unit layer,
the matrix-domain structure includes a matrix region and a domain region surrounded by the matrix region;
The cubic hard particles are made of nitrides or carbides containing aluminum and titanium as constituent elements,
The atomic ratio x of the aluminum is 0.7 or more and 0.96 or less based on the total amount of the aluminum and the titanium in the cubic hard particles,
A cutting tool, wherein when the coating layer is analyzed by an X-ray diffraction method, the peak intensity derived from the (220) orientation exhibits the maximum value compared to peak intensities derived from other orientations.
前記被覆層が六方晶型の硬質粒子を含む場合、前記六方晶型の硬質粒子の含有割合は、前記立方晶型の硬質粒子と前記六方晶型の硬質粒子との総量を基準としたとき、0体積%を超えて20体積%以下である、請求項1に記載の切削工具。 When the coating layer contains hexagonal hard particles, the content of the hexagonal hard particles is based on the total amount of the cubic hard particles and the hexagonal hard particles. 2. The cutting tool according to claim 1, which is more than 0% by volume and not more than 20% by volume. 前記マトリックス-ドメイン構造部の厚みは、0.1μm以上2μm以下である、請求項1又は請求項2に記載の切削工具。 3. The cutting tool according to claim 1, wherein the matrix-domain structure has a thickness of 0.1 μm or more and 2 μm or less. 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の切削工具の製造方法であって、
前記基材を準備する第1工程と、
化学気相蒸着法を用いて、前記基材上に前記被覆層の前駆体を形成する第2工程と、
前記被覆層の前駆体の表面にエネルギー粒子を断続的に照射する第3工程と、
を含む、切削工具の製造方法。
A method for manufacturing a cutting tool according to any one of claims 1 to 3,
a first step of preparing the substrate;
a second step of forming a precursor of the coating layer on the substrate using chemical vapor deposition;
a third step of intermittently irradiating the surface of the precursor of the coating layer with energetic particles;
A method of manufacturing a cutting tool, comprising:
前記第2工程において、アルミニウムのハロゲン化物ガス及びチタンのハロゲン化物ガスを含む第一ガスと、アンモニアガスを含む第二ガスとのそれぞれを、650℃以上850℃以下且つ0.5kPa以上1.5kPa以下の条件において前記基材に対して噴出することを含む、請求項4に記載の切削工具の製造方法。 In the second step, each of the first gas containing the aluminum halide gas and the titanium halide gas and the second gas containing the ammonia gas is heated at 650° C. or higher and 850° C. or lower and 0.5 kPa or higher and 1.5 kPa or higher. 5. The method of manufacturing a cutting tool according to claim 4, comprising jetting against the substrate under the following conditions. 前記第3工程における前記エネルギー粒子は、ガリウムイオンである、請求項4又は請求項5に記載の切削工具の製造方法。 6. The method of manufacturing a cutting tool according to claim 4, wherein said energetic particles in said third step are gallium ions.
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