JP7422862B2 - 被覆工具および切削工具 - Google Patents
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Description
本開示は、被覆工具および切削工具に関する。
旋削加工や転削加工等の切削加工に用いられる工具として、超硬合金、サーメット、セラミックス等の基体の表面を被覆膜でコーティングすることによって耐摩耗性等を向上させた被覆工具が知られている（特許文献１参照）。
本開示の一態様による被覆工具は、本開示による被覆工具は、基体と、被覆膜とを有する。基体は、複数の窒化硼素粒子を含有する。被覆膜は、基体の上に位置する。また、被覆膜の表面から、圧子の押し込み荷重を変化させながら被覆膜の２０％の深さまで圧子を押し込んで硬度を測定した場合において、硬度における最大硬度と最小硬度との差である最大硬度差が、４ＧＰａ以上である。
以下に、本開示による被覆工具および切削工具を実施するための形態（以下、「実施形態」と記載する）について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施形態により本開示による被覆工具および切削工具が限定されるものではない。また、各実施形態は、処理内容を矛盾させない範囲で適宜組み合わせることが可能である。また、以下の各実施形態において同一の部位には同一の符号を付し、重複する説明は省略される。
また、以下に示す実施形態では、「一定」、「直交」、「垂直」あるいは「平行」といった表現が用いられる場合があるが、これらの表現は、厳密に「一定」、「直交」、「垂直」あるいは「平行」であることを要しない。すなわち、上記した各表現は、例えば製造精度、設置精度などのずれを許容するものとする。
上述した従来技術には、被覆膜と基体との密着性を向上させるという点で更なる改善の余地がある。
本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、被覆膜と基体との密着性を向上させることができる被覆工具および切削工具を提供する。
＜被覆工具＞
図１は、実施形態に係る被覆工具の一例を示す斜視図である。図１に示すように、実施形態に係る被覆工具１は、チップ本体２と、切刃部３とを有する。実施形態において、被覆工具１は、たとえば、上面および下面（図１に示すＺ軸と交わる面）の形状が平行四辺形である六面体形状を有する。
図１は、実施形態に係る被覆工具の一例を示す斜視図である。図１に示すように、実施形態に係る被覆工具１は、チップ本体２と、切刃部３とを有する。実施形態において、被覆工具１は、たとえば、上面および下面（図１に示すＺ軸と交わる面）の形状が平行四辺形である六面体形状を有する。
（チップ本体２）
チップ本体２は、たとえば超硬合金で形成される。超硬合金は、Ｗ（タングステン）、具体的には、ＷＣ（炭化タングステン）を含有する。また、超硬合金は、Ｎｉ（ニッケル）やＣｏ（コバルト）を含有していてもよい。また、チップ本体２は、サーメットで形成されてもよい。サーメットは、たとえばＴｉ（チタン）、具体的には、ＴｉＣ（炭化チタン）またはＴｉＮ（窒化チタン）を含有する。また、サーメットは、ＮｉやＣｏを含有していてもよい。
チップ本体２は、たとえば超硬合金で形成される。超硬合金は、Ｗ（タングステン）、具体的には、ＷＣ（炭化タングステン）を含有する。また、超硬合金は、Ｎｉ（ニッケル）やＣｏ（コバルト）を含有していてもよい。また、チップ本体２は、サーメットで形成されてもよい。サーメットは、たとえばＴｉ（チタン）、具体的には、ＴｉＣ（炭化チタン）またはＴｉＮ（窒化チタン）を含有する。また、サーメットは、ＮｉやＣｏを含有していてもよい。
チップ本体２のコーナー部には、切刃部３を取り付けるための座面４が位置する。また、チップ本体２の中央部には、チップ本体２を上下に貫通する貫通孔５が位置する。貫通孔５には、後述するホルダ７０に被覆工具１を取り付けるためのネジ７５が挿入される（図５参照）。
（切刃部３）
切刃部３は、チップ本体２の座面４に取り付けられることによってチップ本体２と一体化される。
切刃部３は、チップ本体２の座面４に取り付けられることによってチップ本体２と一体化される。
切刃部３は、第１面６（ここでは、上面）と、第１面６に連接する第２面７（ここでは、側面）とを有する。実施形態において、第１面６は切削により生じた切屑をすくい取る「すくい面」として機能し、第２面７は「逃げ面」として機能する。第１面６と第２面７とが交わる稜線の少なくとも一部には、切刃８が位置しており、被覆工具１は、かかる切刃８を被削材に当てることによって被削材を切削する。
かかる切刃部３の構成について図２を参照して説明する。図２は、実施形態に係る被覆工具の一例を示す側断面図である。図２に示すように、切刃部３は、基体１０と、被覆膜２０とを有する。
（基体１０）
基体１０は、複数の窒化硼素粒子を含有する。実施形態において、基体１０は、立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）質焼結体であり、複数の立方晶窒化硼素の粒子を含有する。また、実施形態において、基体１０は、複数の窒化硼素粒子の間に、ＴｉＮ、Ａｌ、Ａｌ２Ｏ３等を含有する結合相を有していてもよい。複数の窒化硼素粒子は、かかる結合相によって強固に結合される。なお、基体１０は、必ずしも結合相を有することを要しない。
基体１０は、複数の窒化硼素粒子を含有する。実施形態において、基体１０は、立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）質焼結体であり、複数の立方晶窒化硼素の粒子を含有する。また、実施形態において、基体１０は、複数の窒化硼素粒子の間に、ＴｉＮ、Ａｌ、Ａｌ２Ｏ３等を含有する結合相を有していてもよい。複数の窒化硼素粒子は、かかる結合相によって強固に結合される。なお、基体１０は、必ずしも結合相を有することを要しない。
基体１０の下面には、たとえば超硬合金またはサーメットからなる基板３０が位置していてもよい。この場合、基体１０は、基板３０および接合材４０を介してチップ本体２の座面４に接合している。接合材４０は、たとえばロウ材である。チップ本体２の座面４以外の部分では、基体１０は接合材４０を介してチップ本体２と接合していてもよい。
（被覆膜２０）
被覆膜２０は、例えば、切刃部３の耐摩耗性、耐熱性等を向上させることを目的として基体１０に被覆される。図２の例では、被覆膜２０がチップ本体２および切刃部３を全体的に被覆している。被覆膜２０は、少なくとも基体１０の上に位置していればよい。被覆膜２０が切刃部３の第１面６に相当する基体１０の上面に位置する場合、第１面６の耐摩耗性、耐熱性が高い。被覆膜２０が切刃部３の第２面７に相当する基体１０の側面に位置する場合、第２面７の耐摩耗性、耐熱性が高い。
被覆膜２０は、例えば、切刃部３の耐摩耗性、耐熱性等を向上させることを目的として基体１０に被覆される。図２の例では、被覆膜２０がチップ本体２および切刃部３を全体的に被覆している。被覆膜２０は、少なくとも基体１０の上に位置していればよい。被覆膜２０が切刃部３の第１面６に相当する基体１０の上面に位置する場合、第１面６の耐摩耗性、耐熱性が高い。被覆膜２０が切刃部３の第２面７に相当する基体１０の側面に位置する場合、第２面７の耐摩耗性、耐熱性が高い。
ここで、被覆膜２０の具体的な構成について図３を参照して説明する。図３は、実施形態に係る被覆膜２０の一例を示す断面図である。
図３に示すように、被覆膜２０は、硬質層２１を有する。硬質層２１は、後述する金属層２２と比較して耐摩耗性に優れた層である。硬質層２１は、１層以上の金属窒化物層を有する。硬質層２１は１層であってもよい。また、図３に示すように複数の金属窒化物層が重なっていてもよい。また、硬質層２１は、複数の金属窒化物層が積層された積層部２３と、積層部２３の上に位置する第３金属窒化物層２４とを有していてもよい。かかる硬質層２１の構成については後述する。
（金属層２２）
また、被覆膜２０は、金属層２２を有する。金属層２２は、基体１０と硬質層２１との間に位置する。具体的には、金属層２２は、一方の面（ここでは下面）において基体１０の上面に接し、且つ、他方の面（ここでは上面）において硬質層２１の下面に接する。
また、被覆膜２０は、金属層２２を有する。金属層２２は、基体１０と硬質層２１との間に位置する。具体的には、金属層２２は、一方の面（ここでは下面）において基体１０の上面に接し、且つ、他方の面（ここでは上面）において硬質層２１の下面に接する。
金属層２２は、基体１０との密着性が硬質層２１と比べて高い。このような特性を有する金属元素としては、たとえば、Ｚｒ、Ｖ、Ｃｒ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｙが挙げられる。金属層２２は、上記金属元素のうち少なくとも１種以上の金属元素を含有する。
なお、Ｔｉの単体、Ｚｒの単体、Ｖの単体、Ｃｒの単体およびＡｌの単体は、金属層２２としては用いられない。これらはいずれも融点が低く、耐酸化性が低いことから、切削工具への使用に適さないためである。また、Ｈｆの単体、Ｎｂの単体、Ｔａの単体、Ｍｏの単体は基体１０との密着性が低い。ただし、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ａｌを含む合金については、この限りではない。
金属層２２は、Ａｌ－Ｃｒ合金を含有するＡｌ－Ｃｒ合金層であってもよい。かかる金属層２２は、基体１０との密着性が特に高いことから、基体１０と被覆膜２０との密着性を向上させる効果が高い。
金属層２２がＡｌ－Ｃｒ合金層である場合、金属層２２におけるＡｌの含有量は、金属層２２におけるＣｒの含有量よりも多くてもよい。たとえば、金属層２２におけるＡｌとＣｒとの組成比（原子％）は、７０：３０であってもよい。このような組成比率とすることで、基体１０と金属層２２との密着性はより高い。
金属層２２は、上記金属元素（Ｚｒ、Ｖ、Ｃｒ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｙ）以外の成分を含有していてもよい。ただし、基体１０との密着性の観点から、金属層２２は、上記金属元素を合量で少なくとも９５原子％以上含有していてもよい。より好ましくは、金属層２２は、上記金属元素を合量で９８原子％以上含有してもよい。たとえば、金属層２２がＡｌ－Ｃｒ合金層である場合、金属層２２は、少なくとも、ＡｌおよびＣｒを合量で９５原子％以上含有していてもよい。さらに金属層２２は、少なくとも、ＡｌおよびＣｒを合量で９８原子％以上含有していてもよい。なお、金属層２２における金属成分の割合は、たとえば、ＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光器）を用いた分析により特定可能である。
また、Ｔｉは実施形態に係る基体１０との濡れ性が悪いため、基体１０との密着性向上の観点から、金属層２２は、Ｔｉを極力含有していないことが好ましい。具体的には、金属層２２におけるＴｉの含有量は、１５原子％以下であってもよい。
このように、実施形態に係る被覆工具１では、基体１０との濡れ性が硬質層２１と比べて高い金属層２２を基体１０と硬質層２１との間に設けることにより、基体１０と被覆膜２０との密着性を向上させることができる。なお、金属層２２は、硬質層２１との密着性も高いため、硬質層２１が金属層２２から剥離するといったことも生じにくい。
また、基体１０として用いられるｃＢＮは、絶縁体であり、絶縁体であるｃＢＮには、ＰＶＤ法（物理蒸着）により形成される膜との密着性に改善の余地があった。これに対し、実施形態に係る被覆工具１では、導電性を有する金属層２２を基体１０の表面に設けることで、ＰＶＤにより形成される硬質層２１と金属層２２との密着性が高い。
（硬質層２１）
次に、硬質層２１の構成について図４を参照して説明する。図４は、図３に示すＨ部の模式拡大図である。
次に、硬質層２１の構成について図４を参照して説明する。図４は、図３に示すＨ部の模式拡大図である。
図４に示すように、硬質層２１は、金属層２２の上に位置する積層部２３と、積層部２３の上に位置する第３金属窒化物層２４とを有する。
積層部２３は、複数の第１金属窒化物層２３ａと複数の第２金属窒化物層２３ｂとを有する。積層部２３は、第１金属窒化物層２３ａと第２金属窒化物層２３ｂとが交互に積層された構成を有している。
第１金属窒化物層２３ａおよび第２金属窒化物層２３ｂの厚みは、それぞれ５０ｎｍ以下としてもよい。このように、第１金属窒化物層２３ａおよび第２金属窒化物層２３ｂを薄く形成することで、第１金属窒化物層２３ａおよび第２金属窒化物層２３ｂの残留応力が小さい。これにより、たとえば、第１金属窒化物層２３ａおよび第２金属窒化物層２３ｂの剥離やクラック等が生じ難くなることから、被覆膜２０の耐久性が高い。
第１金属窒化物層２３ａは、金属層２２に接する層であり、第２金属窒化物層２３ｂは、第１金属窒化物層２３ａ上に形成される。
第１金属窒化物層２３ａおよび第２金属窒化物層２３ｂは、金属層２２に含まれる金属を含有していてもよい。
たとえば、金属層２２に２種類の金属（ここでは、「第１の金属」、「第２の金属」とする）が含まれているとする。この場合、第１金属窒化物層２３ａは、第１の金属および第３の金属の窒化物を含有する。第３の金属は、金属層２２に含まれない金属である。また、第２金属窒化物層２３ｂは、第１の金属および第２の金属の窒化物を含有する。
たとえば、実施形態において、金属層２２は、ＡｌおよびＣｒを含有してもよい。この場合、第１金属窒化物層２３ａは、Ａｌを含有してもよい。具体的には、第１金属窒化物層２３ａは、ＡｌおよびＴｉの窒化物であるＡｌＴｉＮを含有するＡｌＴｉＮ層であってもよい。また、第２金属窒化物層２３ｂは、ＡｌおよびＣｒの窒化物であるＡｌＣｒＮを含有するＡｌＣｒＮ層であってもよい。
このように、金属層２２に含まれる金属を含有する第１金属窒化物層２３ａを金属層２２の上に位置させることで、金属層２２と硬質層２１との密着性が高い。これにより、硬質層２１が金属層２２から剥離し難くなるため、被覆膜２０の耐久性が高い。
第１金属窒化物層２３ａすなわちＡｌＴｉＮ層は、上述した金属層２２との密着性の他、たとえば耐摩耗性に優れる。また、第２金属窒化物層２３ｂすなわちＡｌＣｒＮ層は、たとえば耐熱性、耐酸化性に優れる。このように、被覆膜２０は、互いに異なる組成の第１金属窒化物層２３ａおよび第２金属窒化物層２３ｂを含むことで、硬質層２１の耐摩耗性や耐熱性等の特性を制御することができる。これにより、被覆工具１の工具寿命を延ばすことができる。たとえば、実施形態に係る硬質層２１においては、ＡｌＣｒＮが持つ優れた耐熱性を維持しつつ、金属層２２との密着性や耐摩耗性といった機械的性質を向上させることができる。
なお、積層部２３は、たとえばアークイオンプレーティング法（ＡＩＰ法）により成膜してもよい。ＡＩＰ法は、真空雰囲気でアーク放電を利用してターゲット金属（ここでは、ＡｌＴｉターゲットおよびＡｌＣｒターゲット）を蒸発させ、Ｎ２ガスと結合することによって金属窒化物（ここでは、ＡｌＴｉＮとＡｌＣｒＮ）を成膜する方法である。なお、金属層２２もＡＩＰ法により成膜してもよい。
第３金属窒化物層２４は、積層部２３の上に位置してもよい。具体的には、第３金属窒化物層２４は、積層部２３のうち第２金属窒化物層２３ｂと接する。第３金属窒化物層２４は、たとえば、第１金属窒化物層２３ａと同様、ＴｉおよびＡｌを含有する金属窒化物層（ＡｌＴｉＮ層）である。
第３金属窒化物層２４の厚みは、第１金属窒化物層２３ａおよび第２金属窒化物層２３ｂの各厚みよりも厚くてもよい。具体的には、上述したように第１金属窒化物層２３ａおよび第２金属窒化物層２３ｂの厚みは５０ｎｍ以下とした場合、第３金属窒化物層２４の厚みは、１μｍ以上としてもよい。たとえば、第３金属窒化物層２４の厚みは、１．２μｍであってもよい。
これにより、たとえば、第３金属窒化物層２４の摩擦係数が低い場合には、被覆工具１の耐溶着性を向上させることができる。また、たとえば、第３金属窒化物層２４の硬度が高い場合には、被覆工具１の耐摩耗性を向上させることができる。また、たとえば、第３金属窒化物層２４の酸化開始温度が高い場合には、被覆工具１の耐酸化性を向上させることができる。
また、第３金属窒化物層２４の厚みは、積層部２３の厚みよりも厚くてもよい。具体的には、実施形態において、積層部２３の厚みは０．５μｍ以下とした場合、第３金属窒化物層２４の厚みは、１μｍ以上であってもよい。たとえば、積層部２３の厚みが０．３μｍである場合、第３金属窒化物層２４の厚みは１．２μｍであってもよい。このように、第３金属窒化物層２４を積層部２３よりも厚くすることで、上述した耐溶着性、耐摩耗性等を向上させる効果がさらに高い。
なお、金属層２２の厚みは、たとえば０．１μｍ以上、０．６μｍ未満であってもよい。すなわち、金属層２２は、第１金属窒化物層２３ａおよび第２金属窒化物層２３ｂの各々よりも厚く、且つ、積層部２３よりも薄くてもよい。
＜切削工具＞
次に、上述した被覆工具１を備えた切削工具の構成について図５を参照して説明する。図５は、実施形態に係る切削工具の一例を示す正面図である。
次に、上述した被覆工具１を備えた切削工具の構成について図５を参照して説明する。図５は、実施形態に係る切削工具の一例を示す正面図である。
図５に示すように、実施形態に係る切削工具１００は、被覆工具１と、被覆工具１を固定するためのホルダ７０とを有する。
ホルダ７０は、第１端（図５における上端）から第２端（図５における下端）に向かって伸びる棒状の部材である。ホルダ７０は、たとえば、鋼、鋳鉄製である。特に、これらの部材の中で靱性の高い鋼が用いられることが好ましい。
ホルダ７０は、第１端側の端部にポケット７３を有する。ポケット７３は、被覆工具１が装着される部分であり、被削材の回転方向と交わる着座面と、着座面に対して傾斜する拘束側面とを有する。着座面には、後述するネジ７５を螺合させるネジ孔が設けられている。
被覆工具１は、ホルダ７０のポケット７３に位置し、ネジ７５によってホルダ７０に装着される。すなわち、被覆工具１の貫通孔５にネジ７５を挿入し、このネジ７５の先端をポケット７３の着座面に形成されたネジ孔に挿入してネジ部同士を螺合させる。これにより、被覆工具１は、切刃８（図１参照）がホルダ７０から外方に突出するようにホルダ７０に装着される。
実施形態においては、いわゆる旋削加工に用いられる切削工具を例示している。旋削加工としては、例えば、内径加工、外径加工及び溝入れ加工が挙げられる。なお、切削工具としては旋削加工に用いられるものに限定されない。例えば、転削加工に用いられる切削工具に被覆工具１を用いてもよい。
たとえば、被削材の切削加工は、（１）被削材を回転させる工程、（２）回転する被削材に被覆工具１の切刃８を接触させて被削材を切削する工程、および、（３）被覆工具１を被削材から離す工程を含む。なお、被削材の材質の代表例としては、炭素鋼、合金鋼、ステンレス、鋳鉄、または非鉄金属などが挙げられる。
（実施例１：押し込み硬さ試験）
本願発明者は、窒化硼素粒子を含有する基体上に被覆膜を形成したサンプルについて、押し込み硬さ試験を行った。基体は、複数の立方晶窒化硼素粒子と、ＴｉＮを含有する結合相とからなるものである。基体は、結合相を体積比で約２５体積％含有する。
本願発明者は、窒化硼素粒子を含有する基体上に被覆膜を形成したサンプルについて、押し込み硬さ試験を行った。基体は、複数の立方晶窒化硼素粒子と、ＴｉＮを含有する結合相とからなるものである。基体は、結合相を体積比で約２５体積％含有する。
サンプルは、以下の２種類である。
（１）金属層を有する被覆膜をｃＢＮ上に形成したもの（以下、「金属層ありｃＢＮ」と記載する）
（２）金属層を有しない被覆膜をｃＢＮ上に形成したもの（以下、「金属層なしｃＢＮ」と記載する）
（１）金属層を有する被覆膜をｃＢＮ上に形成したもの（以下、「金属層ありｃＢＮ」と記載する）
（２）金属層を有しない被覆膜をｃＢＮ上に形成したもの（以下、「金属層なしｃＢＮ」と記載する）
各サンプルの具体的な構成について図６を参照して説明する。図６は、各サンプルの構成を示す表である。
図６に示すように、金属層ありｃＢＮは、ｃＢＮからなる基体の上に、金属層および硬質層からなる被覆膜を有する。具体的には、基体の上に金属層が位置し、金属層の上に硬質層が位置する。一方、金属層なしｃＢＮは、ｃＢＮからなる基体の上に、硬質層からなる被覆膜を有する。
金属層ありｃＢＮにおける金属層は、ＡｌおよびＣｒを含有する。かかる金属層の具体的な組成は、Ａｌ７０Ｃｒ３０である。すなわち、金属層は、Ａｌを７０原子％、Ｃｒを３０原子％含有する。また、金属層の厚みは、０．２μｍである。
金属層ありｃＢＮおよび金属層なしｃＢＮの硬質層は、第１金属窒化物層、第２金属窒化物層および第３金属窒化物層を有する。第１金属窒化物層および第２金属窒化物層は、交互に積層される。また、第３金属窒化物層は、交互に積層された第１金属窒化物層および第２金属窒化物層の上に位置する。
図６においてＴｉＡｌＮｂＷＳｉＮと記載された第１金属窒化物層の金属成分のみの比率は、Ｔｉが４２原子％、Ａｌが４８原子％、Ｎｂが３原子％、Ｗが４原子％、Ｓｉが３原子％である。また、第１金属窒化物層は、金属成分の１００原子％に対しておよそ１００原子％のＮを含有している。１つの第１金属窒化物層の厚みは、５０ｎｍである。
図６においてＡｌＣｒＮと記載された第２金属窒化物層の金属成分のみの比率は、Ａｌが７０原子％、Ｃｒが３０原子％である。また、第２金属窒化物層は、金属成分の１００原子％に対しておよそ１００原子％のＮを含有している。１つの第２金属窒化物層の厚みは、５０ｎｍである。
複数の第１金属窒化物層および複数の第２金属窒化物層の合計の厚みは、０．５μｍである。
第３金属窒化物層の組成は、第１金属窒化物層の組成と同じである。第３金属窒化物層の厚みは、２μｍである。
かかるサンプルに対する押し込み硬さ試験の結果を図７および図８に示す。図７は、金属層なしｃＢＮおよび金属層ありｃＢＮに対する押し込み硬さ試験の結果を示す表であり、図８は、同試験の結果を示すグラフである。
なお、本試験は、微小押し込み硬さ試験機「ＥＮＴ－１１００ｂ／ａ」（（株）エリオニクス製）を用いて行われた。
硬度の測定に先立ち、基体の表面に直交する基体の断面において被覆膜の厚みを測定した。被覆膜の厚みは、金属層を有する場合２．７μｍであった。金属層を有しない場合被覆膜の厚みは２．５μｍであった。圧子を被覆膜の表面から、被覆膜の厚みの２０％分だけ押し込んだ。被覆膜の表面への圧子の押し込みは、およそ０．０２μｍ毎に増加させた。この押し込み深さは押し込み荷重を増加させることで深くすることができる。押し込み深さを０．０２μｍずつ増加させるとは、言い換えると押し込み荷重をおおよそ５ｍＮずつ増加させたことと同じである。
本試験では、被覆膜の厚みの２０％の深さまで圧子を押し込むとほぼ被覆膜の表面から基体の表面付近の硬度が測定することができる。本開示において、被覆膜の硬度とは、上述したように、被覆膜の表面から、圧子の押し込み荷重を変化させながら被覆膜の２０％の深さまで圧子を押し込んで得られる硬度のことである。押し込み硬さ試験では、押し込み深さが深いほど、被覆膜の表面からより深い領域の硬度を測定することが可能である。
図８には、金属層ありｃＢＮの測定結果を白抜きの丸で、金属層なしｃＢＮの測定結果を黒塗りの三角で示している。図８に示すように、金属層ありｃＢＮは、金属層なしｃＢＮと比較して全体的に硬度が高くなっていることがわかる。この硬度の上昇は、押し込み深さ３００ｎｍ以下の領域において顕著である。押し込み深さ３００ｎｍ以下における硬度は、硬質層の硬度を示している。このことから、金属層ありｃＢＮは、金属層なしｃＢＮと比較して、硬質層における硬度が高くなっていることがわかる。
この点について図９を参照して説明する。図９は、金属層の膜厚を変化させた場合における被覆膜の残留応力の変化を示すグラフである。
図９には、金属層ありの被覆膜が成膜されたステンレス板の反り量に基づいて被覆膜の残留応力を測定した結果を示している。図７において、膜厚０μｍの結果は、金属層なしの被覆膜すなわち硬質層のみの被覆膜の残留応力を示している。また、膜厚０．２μｍ、０．４μｍ、０．６μｍの結果は、金属層ありの被覆膜の残留応力を示している。
図９に示すように、金属層ありの被覆膜は、金属層なしの被覆膜と比べて残留応力が高くなることがわかる。残留応力が高くなるほど、被覆膜の硬度は高くなる。したがって、金属層を形成することにより、被覆膜の硬度が高まることがわかる。
金属層によって被覆膜の残留応力が高まる理由の一つとしては、たとえば以下のことが考えられる。すなわち、ＰＶＤコーティングでは、被成膜対象物（ｃＢＮ、超硬合金など）に対してバイアス電圧が印加されが、金属層を成膜することで、バイアス電圧を印加した際により多くのイオンが被成膜対象物に引きつけられるようになる。この結果、金属層なしの被覆膜と比較してより大きな残留応力が金属層ありの被覆膜に生じたと考えられる。
なお、金属層の膜厚を０．６μｍとした場合、被覆膜の剥離が生じて残留応力が低下した。この結果から、金属層の膜厚は、０．１μｍ以上０．６μｍ未満であることが好ましい。
また、図８に示すように、金属層ありｃＢＮは、押し込み深さ３００ｎｍ付近に硬度の谷を有する。これは、金属層なしｃＢＮには見られない特徴である。上述したように、押し込み深さ３００ｎｍ付近の硬度は、金属層の硬度を示しており、金属層は硬質層と比較して柔らかいことから、このような硬度の谷ができたものと考えられる。
図６に示す測定結果において、金属層なしｃＢＮの最大硬度と最小硬度との差（以下、「最大硬度差」と記載する）は、４ＧＰａ未満であるのに対し、金属層ありｃＢＮの最大硬度差は、４ＧＰａ以上である。具体的には、金属層ありｃＢＮの最大硬度差は、８ＧＰａ以上である。
このように、最大硬度差が４ＧＰａ以上である被覆工具は、硬度の高い部分と、硬度の低い部分が存在し、かつ、その差が４ＧＰａ以上となっている。まず、このような構成を有する場合において、硬度の低い部分が、硬度の高い部分よりも基体から遠い位置にある場合について説明する。例えば、断続加工のように繰り返し、大きな衝撃が被覆工具に加わる場合は、硬度の低い部分が硬度の高い部分よりも被覆工具の表面に近い位置にあるため、その部分で衝撃を吸収しやすく欠損が起こりにくい。
次に、硬度の高い部分が、硬度の低い部分よりも基体から遠い位置にある場合について説明する。このような場合には、連続加工に向いている。すなわち、硬度の高い部分が被覆工具の表面に近い位置にあるため、耐摩耗性が優れ、衝撃は硬度の低い部分が吸収するため、耐摩耗性と耐衝撃性に優れる。
また、金属層ありｃＢＮは、被覆膜の表層側に最大硬度を有する。具体的には、最大硬度における押し込み深さは、最小硬度における押し込み深さよりも小さい。
このように、金属層ありｃＢＮは、表層側に最大硬度を有する。言い換えれば、金属層を設けることで、被覆膜の表層側の硬度を高めることができる。したがって、被覆工具としての寿命を長くすることができる。
図７に示す結果のうち、「最大硬度」とは、測定範囲（被覆層の表面から被覆層の深さの２０％までの範囲）における硬度の最大値であり、「最小硬度」とは、上記測定範囲における硬度の最小値である。「最大硬度荷重」とは、最大硬度における圧子の押し込み荷重であり、「最大硬度深さ」とは、最大硬度における圧子の押し込み深さである。「最小硬度荷重」とは、最小硬度における圧子の押し込み荷重であり、「最小硬度深さ」とは、最小硬度における圧子の押し込み深さである。
「最大硬度差」とは、最大硬度と最小硬度との差である。「平均硬度」とは、測定範囲における硬度の平均値である。
金属層ありｃＢＮにおける最大硬度深さと最小硬度深さとの差である最大硬度深さ差は、１８０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であってもよい。
最大硬度深さ差が１８０ｎｍ以上であるとは、言い換えると硬度の変化が比較的緩やかであり、被覆工具における特性が急激に変化しにくいと言える。このような場合には、欠損が生じにくい。また、最大硬度深さ差が５００ｎｍ以下であるとは、最大硬度を示す位置と最小硬度を示す位置が比較的近い位置にあることを意味する。これにより、最大硬度差が４ＧＰａ以上である場合の効果がより顕著になる。
金属層ありｃＢＮにおける最大硬度深さは、８０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。このような構成を有すると、耐摩耗性が優れる。
金属層ありｃＢＮにおける最小硬度深さは、３００ｎｍ以上である。このような構成を有すると、断続加工においても欠損が生じにくい。
金属層ありｃＢＮの硬度の平均値を平均硬度とすると、平均硬度と最大硬度との差は、３．０ＧＰａ以下である。このような構成を有する場合、言い換えると、全体的に比較的硬度が高い被覆膜となるため、耐摩耗性に優れる。
金属層ありｃＢＮにおいて、平均硬度と最小硬度との差は、２．０ＧＰａ以上である。このような構成を有する場合、言い換えると、全体的に比較的硬度が高い被覆膜となるため、耐摩耗性に優れる。
最大硬度は、２５ＧＰａ以上である。このように高い硬度を有すると、耐摩耗性に優れる。
（実施例２：スクラッチ試験および剥離試験）
また、本願発明者は、上述した金属層なしｃＢＮおよび金属層ありｃＢＮの各サンプルについて、スクラッチ試験および剥離試験を行った。スクラッチ試験は剥離荷重の大きさで評価しており、剥離荷重が大きいほど、剥離しにくい。また、剥離時間は長いほど剥離しにくい。
また、本願発明者は、上述した金属層なしｃＢＮおよび金属層ありｃＢＮの各サンプルについて、スクラッチ試験および剥離試験を行った。スクラッチ試験は剥離荷重の大きさで評価しており、剥離荷重が大きいほど、剥離しにくい。また、剥離時間は長いほど剥離しにくい。
スクラッチ試験は、Ｒ（曲率半径）が２００μｍの先端形状のダイヤモンド圧子を１０ｍｍ／分の速度および１分間に１００Ｎの荷重速度の条件で行った。
剥離試験は、被加工材ＳＣＭ４１５の焼き入れ材に対して、ＣＮＧＡ１２０４０８Ｓ０１２２５の工具形状の試料を用いて、切削速度：１５０ｍ／分、送り速度：０．１ｍｍ／回転、切込み：０．２ｍｍの加工条件で行い、硬質層が剥離するまでの時間を評価した。
剥離荷重および剥離時間を図１０に示す。図１０は、金属層なしｃＢＮおよび金属層ありｃＢＮに対するスクラッチ試験および剥離試験の結果を示す表である。図８に示すように、金属層なしｃＢＮに対して、金属層ありｃＢＮでは剥離荷重は大きくなり、剥離時間も大幅に長くなった。なお、図１０中、「８０＞」は、剥離荷重が８０Ｎ未満ではあるが、８０Ｎに近い（少なくとも７５Ｎ以上である）ことを示している。同様に、図１０中、「４０＞」は、剥離時間が４０分未満ではあるが、４０分に近い（少なくとも３５分以上である）ことを示している。このように、金属層ありｃＢＮは、金属層なしｃＢＮと比較して被覆膜の剥離が生じ難い、すなわち、被覆膜の耐久性が高い。
＜変形例＞
上述した実施形態では、窒化硼素粒子等からなる基体１０を、超硬合金等からなるチップ本体２に取り付け、これらを被覆膜２０でコーティングした被覆工具１について説明した。これに限らず、本開示による被覆工具は、たとえば、上面および下面の形状が平行四辺形である六面体形状の基体の全てが立方晶窒化硼素質焼結体であって、かかる基体の上に被覆膜が形成されたものであってもよい。
上述した実施形態では、窒化硼素粒子等からなる基体１０を、超硬合金等からなるチップ本体２に取り付け、これらを被覆膜２０でコーティングした被覆工具１について説明した。これに限らず、本開示による被覆工具は、たとえば、上面および下面の形状が平行四辺形である六面体形状の基体の全てが立方晶窒化硼素質焼結体であって、かかる基体の上に被覆膜が形成されたものであってもよい。
上述した実施形態では、被覆工具１の上面および下面の形状が平行四辺形である場合の例を示したが、被覆工具１の上面および下面の形状は、ひし形や正方形等であってもよい。また、被覆工具１の上面および下面の形状は、三角形、五角形、六角形等であってもよい。
また、被覆工具１の形状は、ポジティブ型であってもよいしネガティブ型であってもよい。ポジティブ型は、被覆工具１の上面の中心および下面の中心を通る中心軸に対して側面が傾斜しているタイプであり、ネガティブ型は、上記中心軸に対して側面が平行なタイプである。
上述した実施形態では、基体１０が立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）の粒子を含有する場合の例について説明した。これに限らず、本願の開示する基体は、たとえば、六方晶窒化硼素（ｈＢＮ）、菱面体晶窒化硼素（ｒＢＮ）、ウルツ鉱窒化硼素（ｗＢＮ）等の粒子を含有していてもよい。
上述した実施形態では、被覆工具１が切削加工に用いられるものとして説明したが、本願による被覆工具は、たとえば掘削用の工具や刃物など、切削工具以外への適用も可能である。
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
１ 被覆工具
２ チップ本体
３ 切刃部
４ 座面
５ 貫通孔
６ 第１面
７ 第２面
８ 切刃
１０ 基体
２０ 被覆膜
２１ 硬質層
２２ 金属層
２３ 積層部
２３ａ 第１金属窒化物層
２３ｂ 第２金属窒化物層
２４ 第３金属窒化物層
３０ 基板
４０ 接合材
７０ ホルダ
７３ ポケット
７５ ネジ
１００ 切削工具
２ チップ本体
３ 切刃部
４ 座面
５ 貫通孔
６ 第１面
７ 第２面
８ 切刃
１０ 基体
２０ 被覆膜
２１ 硬質層
２２ 金属層
２３ 積層部
２３ａ 第１金属窒化物層
２３ｂ 第２金属窒化物層
２４ 第３金属窒化物層
３０ 基板
４０ 接合材
７０ ホルダ
７３ ポケット
７５ ネジ
１００ 切削工具
Claims (12)
- 複数の窒化硼素粒子を含有する基体と、
前記基体の上に位置する被覆膜と
を有し、
前記被覆膜は、
硬質層と、
前記基体と前記硬質層との間に位置する金属層と
を含み、
前記硬質層は、
前記金属層の上に位置すると共に第１金属窒化物層と第２金属窒化物層とが交互に積層された積層部と、
前記積層部の上に位置する第３金属窒化物層と
を有し、
前記金属層は、ＡｌおよびＣｒを含有し、前記第１金属窒化物層は、ＡｌＴｉＮを含有し、前記第２金属窒化物層は、ＡｌＣｒＮを含有し、前記第３金属窒化物層は、ＡｌＴｉＮを含有し、
前記金属層の厚みは、前記積層部の厚みよりも薄く、前記第３金属窒化物層の厚みは、前記積層部の厚みよりも厚く、
前記被覆膜の表面から、圧子の押し込み荷重を変化させながら前記被覆膜の２０％の深さまで前記圧子を押し込んで硬度を測定した場合において、前記硬度における最大硬度と最小硬度との差である最大硬度差が、４ＧＰａ以上である、被覆工具。 - 前記最大硬度差は、８ＧＰａ以上である、請求項１に記載の被覆工具。
- 前記最大硬度における深さを最大硬度深さとし、
前記最小硬度における深さを最小硬度深さとしたとき、
前記最大硬度深さは、前記最小硬度深さよりも浅い、請求項１または２に記載の被覆工具。 - 前記最大硬度深さと前記最小硬度深さとの差は、１８０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である、請求項３に記載の被覆工具。
- 前記最大硬度深さは、８０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である、請求項３または４に記載の被覆工具。
- 前記最小硬度深さは、３００ｎｍ以上である、請求項３～５の何れか一つに記載の被覆工具。
- 前記硬度は、平均硬度を有し、該平均硬度と前記最小硬度との差は、２．０ＧＰａ以上である、請求項１～６の何れか一つに記載の被覆工具。
- 前記最大硬度は、２５ＧＰａ以上である、請求項１～７の何れか一つに記載の被覆工具。
- 前記金属層は、ＡｌおよびＣｒを合量で９５原子％以上含有する、請求項１～８の何れか一つに記載の被覆工具。
- 前記基体は、前記窒化硼素粒子の間に結合相を有する、請求項１～９の何れか一つに記載の被覆工具。
- 超硬合金またはサーメットからなる支持体
を有し、
前記基体は、前記支持体上に位置する、請求項１～１０の何れか一つに記載の被覆工具。 - 端部にポケットを有する棒状のホルダと、
前記ポケット内に位置する、請求項１～１１の何れか一つに記載の被覆工具と
を有する、切削工具。
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