JPWO2020213264A1 - 切削工具 - Google Patents

Abstract

逃げ面を含む基材と、上記逃げ面を被覆する被覆層とを備える切削工具であって、上記被覆層は、マトリックス領域と金属微粒子とを含み、上記マトリックス領域は、（ＡｌｘＴｉｙＸ１−ｘ−ｙ）ＣｖＯｗＮ１−ｖ−ｗで表される化合物からなり、ｘは０．５を超えて０．７以下であり、ｙは０．３以上０．５未満であり、１−ｘ−ｙは０以上０．１以下であり、ｖは０以上１以下であり、ｗは０以上１以下であり、１−ｖ−ｗは０以上１以下であり、Ｘはクロム、ケイ素、ニオブ、タンタル、タングステン及びホウ素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を示し、上記金属微粒子は、アルミニウム又はチタンを構成元素として含み、上記金属微粒子の粒径が２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、上記金属微粒子の数が上記被覆層の界面における法線方向に対して平行な断面における３μｍ×４μｍの視野において、１２以上３６以下である、切削工具。

Description

本開示は、切削工具に関する。本出願は、２０１９年４月１９日に出願した日本特許出願である特願２０１９−０７９７１１号に基づく優先権を主張する。当該日本特許出願に記載された全ての記載内容は、参照によって本明細書に援用される。

従来より、超硬合金等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。
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。例えば、特開２００２−３３１４０８号公報（特許文献１）には、基体上に硬質皮膜、（ＴｉＳｉ）（ＮＢ）で示される化学組成からなる硬質層を少なくとも１層被覆された耐摩耗皮膜被覆工具であって、上記硬質層が相対的にＳｉに富む（ＴｉＳｉ）（ＮＢ）相と相対的にＳｉの少ない（ＴｉＳｉ）（ＮＢ）相とから構成され、上記Ｓｉに富む（ＴｉＳｉ）（ＮＢ）相がアモルファス相である、耐摩耗皮膜被覆工具が開示されている。

また、特開２０１３−０１９０５２号公報（特許文献２）には、基材と、コーティング組織と、を含むコーティング付き物品であって、上記コーティング組織は、物理蒸着で塗布されたＰＶＤコーティング領域を含み、上記コーティング領域は、アルミニウムと、イットリウムと、窒素と、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、およびシリコンからなる群から選択される少なくとも１つの元素とを含み、上記アルミニウムおよびイットリウムの含有量の合計は、上記アルミニウム、上記イットリウム、および他の元素の合計の約３原子％〜約５５原子％であり、上記イットリウムの含有量は、上記アルミニウム、上記イットリウム、および上記他の元素の合計の約０．５原子％〜約５原子％である、コーティング付き物品が開示されている。

特開２００２−３３１４０８号公報 特開２０１３−０１９０５２号公報

本開示に係る切削工具は、
逃げ面を含む基材と、上記逃げ面を被覆する被覆層とを備える切削工具であって、
上記被覆層は、マトリックス領域と金属微粒子とを含み、
上記マトリックス領域は、（Ａｌ_ｘＴｉ_ｙＸ_{１−ｘ−ｙ}）Ｃ_ｖＯ_ｗＮ_{１−ｖ−ｗ}で表される化合物からなり、
ｘは、０．５を超えて０．７以下であり、
ｙは、０．３以上０．５未満であり、
１−ｘ−ｙは、０以上０．１以下であり、
ｖは、０以上１以下であり、
ｗは、０以上１以下であり、
１−ｖ−ｗは、０以上１以下であり、
Ｘは、クロム、ケイ素、ニオブ、タンタル、タングステン及びホウ素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を示し、
上記金属微粒子は、アルミニウム又はチタンを構成元素として含み、
上記金属微粒子の粒径が２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、
上記金属微粒子の数が上記被覆層の界面における法線方向に対して平行な断面における３μｍ×４μｍの視野において、１２以上３６以下である。

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。 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。 図３Ａは、本実施形態に係る被覆層における電子線回折パターンの一例を示す写真である。 図３Ｂは、本実施形態に係る被覆層における電子線回折パターンの他の一例を示す写真である。 図４Ａは、本実施形態に係る被覆層の断面の透過型電子顕微鏡の写真である。 図４Ｂは、本実施形態に係る被覆層の断面の透過型電子顕微鏡における金属微粒子部分を拡大した写真である。

[本開示が解決しようとする課題]
しかし、特許文献１に記載の耐摩耗皮膜被覆工具は、皮膜にアモルファス層を含むため硬度が低いことから、高効率な（送り速度が大きい）切削加工へ適用する際には更なる性能（例えば、耐クレータ摩耗性、耐摩耗性等）の向上が求められる。

本開示は、上記事情に鑑みてなされたものであり、耐逃げ面摩耗性に優れる切削工具を提供することを目的とする。

[本開示の効果]
上記によれば、耐逃げ面摩耗性に優れる切削工具を提供することが可能になる。

[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
［１］本開示に係る切削工具は、
逃げ面を含む基材と、上記逃げ面を被覆する被覆層とを備える切削工具であって、
上記被覆層は、マトリックス領域と金属微粒子とを含み、
上記マトリックス領域は、（Ａｌ_ｘＴｉ_ｙＸ_{１−ｘ−ｙ}）Ｃ_ｖＯ_ｗＮ_{１−ｖ−ｗ}で表される化合物からなり、
ｘは、０．５を超えて０．７以下であり、
ｙは、０．３以上０．５未満であり、
１−ｘ−ｙは、０以上０．１以下であり、
ｖは、０以上１以下であり、
ｗは、０以上１以下であり、
１−ｖ−ｗは、０以上１以下であり、
Ｘは、クロム、ケイ素、ニオブ、タンタル、タングステン及びホウ素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を示し、
上記金属微粒子は、アルミニウム又はチタンを構成元素として含み、
上記金属微粒子の粒径が２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、
上記金属微粒子の数が上記被覆層の界面における法線方向に対して平行な断面における３μｍ×４μｍの視野において、１２以上３６以下である。

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、優れた耐逃げ面摩耗性を有することが可能になる。

［２］上記被覆層は、アルゴンを更に含み、上記アルゴンは、上記被覆層中におけるその含有割合が０ａｔ％を超えて３ａｔ％以下である。このように規定することで、上記切削工具は更に優れた耐逃げ面摩耗性を有することが可能になる。

［３］上記Ｘは、ホウ素を含む。このように規定することで、上記切削工具は更に優れた耐逃げ面摩耗性を有することが可能になる。

［４］上記被覆層の厚みが３μｍ以上２０μｍ以下である。このように規定することで、上記切削工具は更に優れた耐逃げ面摩耗性を有することが可能になる。

[本開示の実施形態の詳細]
以下、本開示の一実施形態（以下「本実施形態」と記す。）について説明する。ただし、本実施形態はこれに限定されるものではない。本明細書において「Ａ〜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「ＴｉＣ」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「ＴｉＣ」の化学式には、化学量論組成「Ｔｉ_１Ｃ_１」のみならず、例えば「Ｔｉ_１Ｃ_０．８」のような非化学量論組成も含まれる。このことは、「ＴｉＣ」以外の化合物の記載についても同様である。

≪表面被覆切削工具≫
本開示に係る切削工具は、
逃げ面を含む基材と、上記逃げ面を被覆する被覆層とを備える切削工具であって、
上記被覆層は、マトリックス領域と金属微粒子とを含み、
上記マトリックス領域は、（Ａｌ_ｘＴｉ_ｙＸ_{１−ｘ−ｙ}）Ｃ_ｖＯ_ｗＮ_{１−ｖ−ｗ}で表される化合物からなり、
ｘは、０．５を超えて０．７以下であり、
ｙは、０．３以上０．５未満であり、
１−ｘ−ｙは、０以上０．１以下であり、
ｖは、０以上１以下であり、
ｗは、０以上１以下であり、
１−ｖ−ｗは、０以上１以下であり、
Ｘは、クロム、ケイ素、ニオブ、タンタル、タングステン及びホウ素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を示し、
上記金属微粒子は、アルミニウム又はチタンを構成元素として含み、
上記金属微粒子の粒径が２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、
上記金属微粒子の数が上記被覆層の界面における法線方向に対して平行な断面における３μｍ×４μｍの視野において、１２以上３６以下である。

本実施形態の表面被覆切削工具１０は、逃げ面１ｂを含む基材１１と、上記逃げ面１ｂを被覆する被覆層１２とを備える（以下、単に「切削工具」という場合がある。）（図１及び図２）。上記切削工具は、上記被覆層の他にも、上記基材と上記被覆層との間に設けられている下地層を更に備えていてもよい。上記切削工具は、上記下地層と上記被覆層との間に設けられている中間層を更に備えていてもよい。上記切削工具は、上記被覆層上に設けられている最表面層を更に備えていてもよい。下地層、中間層及び最表面層等の他の層については、後述する。
なお、上記基材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、上記切削工具は上記逃げ面を被覆する被膜を備え、上記被膜は上記被覆層を含む。また、上記被膜は、上記下地層、上記中間層又は上記最表面層を更に含んでいてもよい。

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。

＜基材＞
本実施形態の基材は、この種の基材として従来公知のものであればいずれのものも使用することができる。例えば、上記基材は、超硬合金（例えば、炭化タングステン（ＷＣ）基超硬合金、ＷＣの他にＣｏを含む超硬合金、ＷＣの他にＣｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物を添加した超硬合金等）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を主成分とするもの）、高速度鋼、セラミックス（炭化チタン、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム等）、立方晶型窒化硼素焼結体（ｃＢＮ焼結体）及びダイヤモンド焼結体からなる群から選ばれる１種を含むことが好ましい。

これらの各種基材の中でも、特に超硬合金（特にＷＣ基超硬合金）、サーメット（特にＴｉＣＮ基サーメット）を選択することが好ましい。これは、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。

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。

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。このような形状の切削工具は、旋削加工用刃先交換型切削チップとして用いられる。

図１に示される基材１１は、上面、下面及び４つの側面を含む表面を有しており、全体として、上下方向にやや薄い四角柱形状である。また、基材１１には上下面を貫通する貫通孔が形成されており、４つの側面の境界部分においては、隣り合う側面同士が円弧面で繋がれている。

上記基材１１では、通常、上面及び下面がすくい面１ａを成し、４つの側面（及びこれらを相互に繋ぐ円弧面）が逃げ面１ｂを成し、すくい面１ａと逃げ面１ｂとを繋ぐ円弧面が刃先部１ｃを成す。「すくい面」とは、被削材から削り取った切りくずをすくい出す面を意味する。「逃げ面」とは、その一部が被削材と接する面を意味する。刃先部は、切削工具の切れ刃を構成する部分に含まれる。

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１１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。刃先部１ｃ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。

以上、基材１１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において、上記基材１１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部とを有する。

＜被膜＞
本実施形態に係る被膜は、被覆層を含む。「被膜」は、上記基材の少なくとも一部（例えば、逃げ面の一部）を被覆することで、切削工具における耐欠損性、耐逃げ面摩耗性等の諸特性を向上させる作用を有するものである。上記被膜は、上記基材の全面を被覆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。

上記被膜の厚みが３μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましく、３μｍ以上１２μｍ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、上記被覆層、上述した下地層、中間層及び最表面層等の他の層が挙げられる。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。このときの測定倍率は、例えば１００００倍である。上記断面サンプルとしては、例えば、イオンスライサ装置で上記切削工具の断面を薄片化したサンプルが挙げられる。上記被覆層、上述した下地層、中間層及び最表面層等のそれぞれの厚みを測定する場合も同様である。透過型電子顕微鏡としては、例えば、日本電子株式会社製のＪＥＭ−２１００Ｆ（商品名）が挙げられる。

（被覆層）
本実施形態に係る被覆層は、マトリックス領域と金属微粒子とを含む。上記被覆層は、本実施形態に係る切削工具が奏する効果を損なわない範囲において、上記基材の直上に設けられていてもよいし、下地層等の他の層を介して上記基材の上に設けられていてもよい。上記被覆層は、その上に最表面層等の他の層が設けられていてもよい。また、上記被覆層は、上記被膜の最表面に設けられていてもよい。上記被覆層は、上記基材の逃げ面を被覆すればよいが、上記基材のすくい面を被覆していてもよい。上記被覆層は、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覆層で被覆されていなかったりしていたとしても本実施形態の範囲を逸脱するものではない。

上記被覆層の厚みが３μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましく、３μｍ以上１２μｍ以下であることがより好ましく、３μｍ以上８μｍ以下であることが更に好ましい。このようにすることで、上記切削工具は更に優れた耐逃げ面摩耗性を有することが可能になる。当該厚みは、例えば、上述したような上記切削工具の断面を、透過型電子顕微鏡を用いて倍率１００００倍で観察することで測定可能である。

（マトリックス領域）
「マトリックス領域」とは上記被覆層の母体となる領域であり、金属微粒子以外の領域（後述するＡｒ（アルゴン）を含む場合は、金属微粒子及びＡｒ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は、上記金属微粒子のそれぞれを取り囲むように配置されている領域である。本実施形態の他の側面において、上記マトリックス領域の大部分は、上記金属微粒子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、上記金属微粒子の間に配置されていると把握することもできる。

上記マトリックス領域は、（Ａｌ_ｘＴｉ_ｙＸ_{１−ｘ−ｙ}）Ｃ_ｖＯ_ｗＮ_{１−ｖ−ｗ}（０．５＜ｘ≦０．７、０．３≦ｙ＜０．５、０≦１−ｘ−ｙ≦０．１、０≦ｖ≦１、０≦ｗ≦１、０≦１−ｖ−ｗ≦１）で表される化合物からなる。上記マトリクス領域の組成を上述のようにすることによって、後述する金属微粒子が上記マトリクス領域に分散することと相まって、後述する微小多結晶組織が形成される。その結果、耐逃げ面摩耗性に優れる切削工具となる。ここで、ＸはＣｒ（クロム），Ｓｉ（ケイ素），Ｎｂ（ニオブ），Ｔａ（タンタル），Ｗ（タングステン）及びＢ（ホウ素）からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を示す。
なお、ホウ素は通常、金属元素と非金属元素との中間の性質を示す半金属として捉えられるが、本実施形態においては、自由電子を有する元素を金属であるとみなしてホウ素を金属元素の範囲に含むものとする。

（Ａｌ_ｘＴｉ_ｙＸ_{１−ｘ−ｙ}）Ｃ_ｖＯ_ｗＮ_{１−ｖ−ｗ}におけるｘは、０．５を超えて０．７以下であり、０．５５以上０．６５以下であることが好ましい。上記ｘは、上述の断面サンプルをＴＥＭに付帯のエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＴＥＭ−ＥＤＸ）で、マトリックス領域の全体を分析することによって求めることが可能である。このときの観察倍率は、例えば、２００００倍である。具体的には、上記断面サンプルのマトリックス領域における任意の１０点それぞれを測定して上記ｘの値を求め、求められた１０点の値の平均値を上記マトリックス領域におけるｘとする。ここで当該「任意の１０点」は、上記マトリックス領域中の互いに異なる結晶粒から選択するものとする。後述するｙ、ｖ及びｗの同定の場合も同様である。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。

（Ａｌ_ｘＴｉ_ｙＸ_{１−ｘ−ｙ}）Ｃ_ｖＯ_ｗＮ_{１−ｖ−ｗ}におけるｙは、０．３以上０．５未満であり、０．３以上０．４以下であることが好ましい。

（Ａｌ_ｘＴｉ_ｙＸ_{１−ｘ−ｙ}）Ｃ_ｖＯ_ｗＮ_{１−ｖ−ｗ}における１−ｘ−ｙは、０以上０．１以下であり、０．０３以上０．１以下であることが好ましい。

（Ａｌ_ｘＴｉ_ｙＸ_{１−ｘ−ｙ}）Ｃ_ｖＯ_ｗＮ_{１−ｖ−ｗ}におけるｖは、０以上１以下であり、０以上０．２以下であることが好ましい。

（Ａｌ_ｘＴｉ_ｙＸ_{１−ｘ−ｙ}）Ｃ_ｖＯ_ｗＮ_{１−ｖ−ｗ}におけるｗは、０以上１以下であり、０以上０．２以下であることが好ましい。

（Ａｌ_ｘＴｉ_ｙＸ_{１−ｘ−ｙ}）Ｃ_ｖＯ_ｗＮ_{１−ｖ−ｗ}における１−ｖ−ｗは、０以上１以下であり、０．６以上０．９以下であることが好ましい。

（Ａｌ_ｘＴｉ_ｙＸ_{１−ｘ−ｙ}）Ｃ_ｖＯ_ｗＮ_{１−ｖ−ｗ}におけるＸは、Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｗ及びＢからなる群より選ばれる２種以上の元素を含んでいてもよい。この場合、上述の１−ｘ−ｙの値は、上記２種以上の元素の合計の値を意味する。

本実施形態の一側面において、上記Ｘは、Ｂ（ホウ素）を含むことが好ましい。このようにすることで、上記切削工具は更に優れた耐逃げ面摩耗性を有することが可能になる。

（Ａｌ_ｘＴｉ_ｙＸ_{１−ｘ−ｙ}）Ｃ_ｖＯ_ｗＮ_{１−ｖ−ｗ}で表される化合物としては、例えば、ＡｌＴｉＮ、ＡｌＴｉＢＮ、ＡｌＴｉＢＣＮ、ＡｌＴｉＢＯＮ、及びＡｌＴｉＢＣＯＮ等が挙げられる（ただし、具体的な化合物中のｘ、ｙ、ｖ及びｗで示される添え字は省略した。）。

（金属微粒子）
本実施形態に係る金属微粒子は、上記マトリックス領域中に分散した状態で存在していると把握することができる（例えば、図４Ａの破線で囲まれた部分）。なお、上述の「分散した状態」は、金属微粒子同士が互いに接触しているものを排除するものではない。すなわち、各金属微粒子は、互いに接していてもよいし、離合していてもよい。
上記金属微粒子が分散している上記マトリックス領域では、上記金属微粒子の上側（基材とは反対側）において、周辺よりも粒径が小さい多結晶からなる組織が形成されていることを本発明者らは初めて見いだした（図４Ａ、図４Ｂ）。このような多結晶からなる組織（以下、「微小多結晶組織」と記載する場合がある。）が存在することによって、上記被覆層の靱性が向上する。そのため、上記切削工具は優れた耐逃げ面摩耗性を有するようになる。

上記金属微粒子は、Ａｌ（アルミニウム）又はＴｉ（チタン）を構成元素として含む。具体的には、Ａｌからなる金属微粒子、Ｔｉからなる金属微粒子、ＡｌとＴｉとの合金からなる金属微粒子等が挙げられる。上記金属微粒子の組成は、上述したことと同様に断面サンプルをＴＥＭ−ＥＤＸで、金属微粒子を分析することによって求めることが可能である。
また、本開示が奏する効果を損なわない範囲において、上記金属微粒子は、その表面において、酸化物、炭化物、窒化物等が形成されていてもよい。

上記金属微粒子の粒径が２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、２０ｎｍ以上１６０ｎｍ以下であることが好ましく、２０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下であることがより好ましい。金属微粒子の粒径が２０ｎｍ未満であると、上記微小多結晶組織が形成されにくい傾向がある。また、上記金属微粒子の粒径が２００ｎｍを超えると、上記被覆層の靱性が低下する傾向がある。上記金属微粒子の粒径は、ＴＥＭを用いて求めることが可能である。具体的には以下の手順で求める。まず、上述した断面サンプルをＴＥＭで観察して観察画像を得る。このときの観察倍率は、例えば、１０００００倍である。上記金属微粒子と上記マトリックス領域とは密度が異なる。そのため、得られた観察画像上では明確なコントラストの差が現れ、上記金属微粒子と上記マトリックス領域とは明確に区別が可能である。得られた観察画像において上記金属微粒子の断面の面積を算出する。算出された上記面積と等しい面積を有する円の直径を算出する。このようにして算出された円の直径を上記金属微粒子の粒径とする。
なお、本実施形態では、粒径が２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である金属の粒子を「金属微粒子」と規定しているが、粒径が上述の範囲にはない金属の粒子が上記被覆層に含まれることを排除するものではない。すなわち、本開示が奏する効果を損なわない範囲において、上記被覆層は、粒径が２０ｎｍ未満の金属の粒子又は粒径が２００ｎｍを超えている金属の粒子を含んでいてもよい。

上記金属微粒子の数が上記被覆層の界面における法線方向に対して平行な断面における３μｍ×４μｍの視野（例えば、図２の視野Ｆ）において、１２以上３６以下である。ここで、上述の「被覆層の界面」とは、被覆層の厚み方向に垂直な２つの界面のうち、基材に最も近い側の界面を意味する。例えば、基材の直上に被覆層が配置されている場合、上記基材と上記被覆層との境界面が、上述の「被覆層の界面」となる。基材の上に後述する下地層等の他の層が配置され、上記他の層の直上に被覆層が配置されている場合、上記他の層と上記被覆層との境界面が、上述の「被覆層の界面」となる。
上記金属微粒子の計数方法について具体的には、まず上述した断面サンプルにおける任意の複数の視野をＴＥＭで観察することによって、各視野ごとに上記金属微粒子の数を計数する。各視野ごとに計数した上記金属微粒子の数の平均をとることによって、上記金属微粒子の数を求める。このときの倍率は例えば、５００００倍である。また、測定する視野の数は、少なくとも３である。なお、一部が測定視野の外に出ている金属微粒子も１つとしてカウントする。

（微小多結晶組織）
本実施形態の一側面において、上記マトリックス領域は、上記金属微粒子に隣接する微小多結晶組織を含むと把握することができる。上記微小多結晶組織は、ＴＥＭで得られた断面サンプルの画像を解析することによって、マトリックス領域における微小多結晶組織以外の組織と区別することが可能である。上記微小多結晶組織の組成は、マトリックス領域のその他の部分と同じ組成、すなわち（Ａｌ_ｘＴｉ_ｙＸ_{１−ｘ−ｙ}）Ｃ_ｖＯ_ｗＮ_{１−ｖ−ｗ}で表される。
また、上記微小多結晶組織を構成する結晶粒の粒径は、電子線回折法による分析によって求めることが可能である。具体的には以下の手順で行う。まず上述の断面サンプルにおいて上記金属微粒子の上側部分の電子線回折測定を行う。このとき、照射する電子線のビーム径を２ｎｍから３０ｎｍへ変化させながら測定を行う。電子線のビーム径が上記微小多結晶組織を構成する結晶粒の粒径よりも小さい場合、電子線回折像において離散的で大きな回折スポットが観察される（例えば、図３Ａ）。一方、電子線のビーム径が上記微小多結晶組織を構成する結晶粒の粒径よりも大きい場合、電子線回折像において、連続的なリングパターンが観測される（例えば、図３Ｂ）。すなわち、電子線回折像において、観察されるパターンが回折スポットから連続的なリングパターンに変化するときの電子線のビーム径が上記多結晶組織を構成する結晶粒の粒径に相当することになる。本実施形態において、上記微小多結晶組織を構成する結晶粒の粒径は、例えば、２ｎｍ以上２０ｎｍ以下であってもよいし、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下であってもよい。

（Ａｒ）
上記被覆層は、Ａｒ（アルゴン）を更に含み、上記Ａｒは、上記被覆層中におけるその含有割合が０ａｔ％を超えて３ａｔ％以下であることが好ましい。このようにすることで、上記切削工具は更に優れた耐逃げ面摩耗性を有することが可能になる。上記被覆層中におけるＡｒの含有割合は、上述の断面サンプルをＴＥＭ−ＥＤＸで、マトリックス領域の全体を分析することによって求めることが可能である。

（他の層）
本実施形態の効果を損なわない範囲において、上記被膜は、他の層を更に含んでいてもよい。上記他の層としては、例えば、上記基材と上記被覆層との間に設けられている下地層、及び上記下地層と上記被覆層との間に設けられている中間層、及び、上記被覆層上に設けられている最表面層等が挙げられる。上記下地層は、例えば、ＴｉＷＣＮで表される化合物からなる層であってもよい。上記中間層は、例えば、ＴｉＮで表される化合物からなる層であってもよい。上記最表面層は、例えば、ＡｌＴｉＣＮで表される化合物からなる層であってもよい。上記他の層の厚みは、本実施形態の効果を損なわない範囲において、特に制限はないが例えば、０．１μｍ以上２μｍ以下が挙げられる。

≪表面被覆切削工具の製造方法≫
本実施形態に係る切削工具の製造方法は、
上記基材を準備する工程（以下、「第１工程」という場合がある。）と、
物理的蒸着法を用いて上記基材における逃げ面の上に上記被覆層を形成する工程（以下、「第２工程」という場合がある。）と、
を含み、
上記被覆層を形成する工程は、Ａｒガスを断続的に供給することを含む。

物理蒸着法とは、物理的な作用を利用して原料（「蒸発源」、「ターゲット」ともいう。）を気化し、気化した原料を基材等の上に付着させる蒸着方法である。特に、本実施形態で用いる物理的蒸着法は、カソードアークイオンプレーティング法を用いる。

カソードアークイオンプレーティング法は、装置内に基材を設置するとともにカソードとしてターゲットを設置した後、このターゲットに高電流を印加してアーク放電を生じさせる。これにより、ターゲットを構成する原子を蒸発させイオン化させて、負のバイアス電圧を印可した基材上に堆積させて被膜を形成する。

＜第１工程：基材を準備する工程＞
第１工程では基材を準備する。例えば、基材として超硬合金基材が準備される。超硬合金基材は、市販の基材を用いてもよく、一般的な粉末冶金法で製造してもよい。一般的な粉末冶金法で製造する場合、例えば、ボールミル等によってＷＣ粉末とＣｏ粉末等とを混合して混合粉末を得る。該混合粉末を乾燥した後、所定の形状に成形して成形体を得る。さらに該成形体を焼結することにより、ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金（焼結体）を得る。次いで該焼結体に対して、ホーニング処理等の所定の刃先加工を施すことにより、ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金からなる基材を製造することができる。第１工程では、上記以外の基材であっても、この種の基材として従来公知のものであればいずれも準備可能である。

＜第２工程：被覆層を形成する工程＞
第２工程では、上記基材における逃げ面の上に上記被覆層を形成する。その方法としては、形成しようとする被覆層の組成に応じて、各種の方法が用いられる。例えば、Ｔｉ及びＡｌ等の粒径をそれぞれ変化させた合金製ターゲットを使用する方法、それぞれ組成の異なる複数のターゲットを使用する方法、成膜時に印可するバイアス電圧をパルス電圧とする方法、成膜時にガス流量を変化させる方法、又は、成膜装置において基材を保持する基材ホルダの回転速度を調整する方法等を挙げることができる。

例えば、第２工程は、次のようにして行なうことができる。まず、成膜装置のチャンバ内に、基材として任意の形状のチップを装着する。例えば、基材を、成膜装置のチャンバ内において中央に回転可能に備え付けられた回転テーブル上の基材ホルダの外表面に取り付ける。基材ホルダには、バイアス電源を取り付ける。上記基材をチャンバ内の中央で回転させた状態で、反応ガスとして窒素ガス等を導入する。さらに、基材を温度４００〜７００℃に、反応ガス圧を３〜６Ｐａに、バイアス電源の電圧を−３０〜−８００Ｖの範囲にそれぞれ維持しながら被覆層形成用の蒸発源に１００〜２００Ａのアーク電流を供給する。これにより、被覆層形成用の蒸発源から金属イオンを発生させ、所定の時間が経過したところでアーク電流の供給を止めて、基材における逃げ面の表面上に被覆層を形成する。このとき、成膜時間を調節することにより、被覆層の厚みが所定範囲になるように調整する。上記第２工程は、上述した逃げ面に加えて、逃げ面以外の上記基材の表面上（例えば、すくい面の表面上）に被覆層が形成されていてもよい。

上記第２工程において、被覆層の原料は、Ａｌ及びＴｉを含む。上記被覆層の原料は、Ｃｒ，Ｓｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｗ及びＢからなる群より選ばれる少なくとも１種を更に含んでいてもよい。本実施形態の一側面において、上記被覆層の原料は、Ｂを更に含むことが好ましい。

上記Ａｌの含有割合（原子数比）は、被覆層の原料全体を１とした場合、０．５を超えて０．７以下であることが好ましく、０．５５以上０．６５以下であることがより好ましい。ここで、原料全体に対する上記Ａｌの含有割合は、通常、マトリックス領域における上記Ａｌの組成比に対応する。後述するＴｉ、Ｂ等の他の元素についても同様である。

上記Ｔｉの含有割合（原子数比）は、被覆層の原料全体を１とした場合、０．３以上０．５未満であることが好ましく、０．３以上０．４以下であることがより好ましい。

被覆層の原料にホウ素が含まれるとき、上記ホウ素の含有割合（原子数比）は、被覆層の原料全体を１とした場合、０．０３以上０．１５以下であることが好ましく、０．０５以上０．１以下であることがより好ましい。

本実施形態において、上記被覆層を形成する工程は、Ａｒガスを断続的に供給することを含む。このようにすることで、被覆層が形成される過程で、金属微粒子が生成される。Ａｒガスを断続的に供給する方法としては、例えば、Ａｒガスを分圧１Ｐａで、５分間以上３０分間以下の間隔で、断続的に供給することが挙げられる。このとき、１回の供給は、１０秒間以上３０秒間以下で行われる。

本実施形態において、上述した反応ガスは、物理的蒸着法において通常用いられる反応ガスであれば特に制限されない。上記反応ガスは、上記被覆層の組成に応じて適宜選択することができる。上記反応ガスとしては、例えば、窒素ガス、アセチレンガス等の炭化水素ガス、及び酸素ガス等が挙げられる。

被覆層を形成した後、被膜に圧縮残留応力を付与してもよい。靭性が向上するからである。圧縮残留応力は、例えばブラスト法、ブラシ法、バレル法、イオン注入法等によって付与することができる。

＜その他の工程＞
本実施形態に係る製造方法では、上述した工程の他にも、第１工程と第２工程との間に、上記基材の表面をイオンボンバードメント処理するイオンボンバードメント処理工程、基材と上記被覆層との間に下地層を形成する下地層被覆工程、上記下地層と上記被覆層との間に中間層を形成する中間層被覆工程、上記被覆層の上に最表面層を形成する最表面層被覆工程及び、表面処理する工程等を適宜行ってもよい。上述の下地層、中間層及び最表面層等の他の層を形成する場合、従来の方法によって他の層を形成してもよい。具体的には、例えば、上述したＰＶＤ法によって上記他の層を形成することが挙げられる。表面処理をする工程としては、例えば、応力を付与する弾性材にダイヤモンド粉末を担持させたメディアを用いた表面処理等が挙げられる。上記表面処理を行う装置としては、例えば、株式会社不二製作所製のシリウスＺ等が挙げられる。

以上の説明は、以下に付記する特徴を含む。
（付記１）
逃げ面を含む基材と、前記逃げ面を被覆する被覆層とを備える表面被覆切削工具であって、
前記被覆層は、マトリックス領域と金属微粒子とを含み、
前記マトリックス領域は、（Ａｌ_ｘＴｉ_ｙＸ_{１−ｘ−ｙ}）Ｃ_ｖＯ_ｗＮ_{１−ｖ−ｗ}（０．５＜ｘ≦０．７、０．３≦ｙ＜０．５、０≦１−ｘ−ｙ≦０．１、０≦ｖ≦１、０≦ｗ≦１、０≦１−ｖ−ｗ≦１、ＸはＣｒ，Ｓｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｗ及びＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を示す）で表される化合物からなり、
前記金属微粒子は、構成元素として、Ａｌ又はＴｉを含み、
前記金属微粒子は、その粒径が２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、
前記金属微粒子は、その数が前記被覆層の界面における法線方向に対して平行な断面における３μｍ×４μｍの視野において、１２以上３６以下である、表面被覆切削工具。
（付記２）
前記被覆層は、Ａｒを更に含み、
前記Ａｒは、前記被覆層中におけるその含有割合が０ａｔ％を超えて３ａｔ％以下である、付記１に記載の表面被覆切削工具。
（付記３）
前記Ｘは、Ｂを含む、付記１又は付記２に記載の表面被覆切削工具。
（付記４）
前記被覆層は、その厚みが１μｍ以上２０μｍ以下である、付記１から付記３のいずれかに記載の表面被覆切削工具。

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。

≪切削工具の作製≫
＜基材の準備＞
まず、被膜を形成させる対象となる基材として、表面被覆旋削加工用超硬チップ（ＪＩＳ規格、Ｋ２０相当超硬合金、ＤＣＧＴ１１Ｔ３−２Ｒ−ＦＹ）を準備した（第１工程：基材を準備する工程）。

＜イオンボンバードメント処理＞
後述する被膜の作製に先立って、以下の手順で上記基材の表面にイオンボンバードメント処理を行った。まず、上記基材をアークイオンプレーティング装置にセットした。次に、以下の条件によってイオンボンバードメント処理を行った。
ガス組成 ： Ａｒ（１００％）
ガス圧 ： ０．５Ｐａ
バイアス電圧： ６００Ｖ（直流電源）
処理時間 ： ６０分

＜被膜の作製＞
イオンボンバードメント処理を行った上記基材の表面上（逃げ面を含む表面上）に、表１−１及び表１−２に示される被覆層を形成することによって、被膜を作製した。以下、被覆層の作製方法について説明する。

（被覆層の作製）
試料Ｎｏ．１〜９及び１３〜２７においては、基材をチャンバ内の中央で回転させた状態で、反応ガスとして窒素ガスを導入した。試料Ｎｏ．１０においては、反応ガスとして窒素ガスとアセチレンガスとを導入した。試料Ｎｏ．１１においては、反応ガスとして窒素ガスと酸素ガスとを導入した。試料Ｎｏ．１２においては、反応ガスとして窒素ガスとアセチレンガスと酸素ガスとを導入した。さらに、基材を温度５００℃に、反応ガス圧を６．０Ｐａに、バイアス電源の電圧を５０Ｖ（直流電源）にそれぞれ維持して被覆層形成用の蒸発源にそれぞれ１５０Ａのアーク電流を供給した。これにより、被覆層形成用の蒸発源から金属イオンを発生させ、基材における逃げ面の表面上に表１−１及び表１−２に示す組成の被覆層を形成した（第２工程：被覆層を形成する工程）。ここで、被覆層形成用の蒸発源は、表１−１及び表１−２に記載の原料組成のものを用いた。また、試料Ｎｏ．１〜２４では、被覆層の形成中に、Ａｒガスを分圧１Ｐａで、５分間以上３０分間以下の間隔で断続的に投入した。このとき、１回あたりのＡｒガスの供給は、２０秒間であった。試料Ｎｏ．２５〜２７では、上述のＡｒガスの断続的な投入を行わなかった。
以上の工程によって、試料Ｎｏ．１〜２７の切削工具を作製した。

≪切削工具の特性評価≫
上述のようにして作製した試料Ｎｏ．１〜２７の切削工具を用いて、以下のように、切削工具の各特性を評価した。なお、試料Ｎｏ．１〜２４の切削工具は実施例に対応し、試料Ｎｏ．２５〜２７の切削工具は比較例に対応する。

＜被膜の厚み（被覆層の厚み）の測定＞
被膜の厚み（すなわち、被覆層の厚み）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１−１及び表１−２に示す。

＜被覆層におけるマトリックス領域＞
被覆層におけるマトリックス領域の組成は、ＴＥＭに付帯のエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＴＥＭ−ＥＤＸ）で、マトリックス領域の全体を分析することによって求めた。具体的には、まず切削工具を上記被覆層の界面における法線方向に対して平行な方向に切断し、その切断面を研磨することにより、基材と被膜とが含まれる長さ２．５ｍｍ×幅０．５ｍｍ×厚み０．１ｍｍの切片を作製した。この切片に対し、イオンスライサ装置（商品名：「ＩＢ−０９０６０ＣＩＳ」、日本電子株式会社製）を用い、切片の厚みが５０ｎｍ以下となるまで加工することにより測定試料を得た。得られた測定試料のマトリックス領域における任意の１０点それぞれを、ＴＥＭ−ＥＤＸで測定して各構成元素の組成比を算出した。このときの観察倍率は、２００００倍であった。各構成元素について、求められた１０点の組成比の平均値を当該マトリックス領域における当該構成元素の組成比とした。ここで当該「任意の１０点」は、上記マトリックス領域中の互いに異なる結晶粒から選択した。ＥＤＸ装置としては、日本電子株式会社製のＪＥＤ−２３００（商品名）を用いた。求められたマトリックス領域の組成を表１−１及び表１−２に示す。

＜被覆層におけるＡｒの分析＞
上述測定試料をＴＥＭ−ＥＤＸで、マトリックス領域の全体を分析することによって、上記被覆層中におけるＡｒの含有割合を求めた。結果を表１−１及び表１−２に示す。

＜被覆層における金属微粒子の分析＞
（金属微粒子の粒径）
被覆層における金属微粒子の粒径を以下の方法で求めた。まず切削工具を上記被覆層の界面における法線方向に対して平行な方向に切断し、その切断面を集束イオンビーム装置を用いて研磨した。その後、研磨された当該切断面について、ＴＥＭで観察して観察画像を得た（図４Ｂ）。このときの観察倍率は、１０００００倍であった。得られた観察画像において上記金属微粒子の断面の面積を算出した。その後算出された上記面積と等しい面積を有する円の直径を算出した。このようにして算出された円の直径を上記金属微粒子の粒径とした。その結果を表１−１及び表１−２に示す。

（１視野における金属微粒子の個数）
また、１視野における金属微粒子の個数を、上述の観察画像を用いて計数した（図４Ａ）。このときの観察倍率は、５００００倍であった。このとき当該視野は、上記被覆層の断面における３μｍ×４μｍの視野とした。結果を表１−１及び表１−２に示す。なお、一部が測定視野の外に出ている金属微粒子も１つとしてカウントした。

＜被覆層における微小多結晶組織の分析＞
ＴＥＭで得られた断面サンプルの画像を解析することによって、被覆層における微小多結晶組織の有無を観察した。微小多結晶組織が観察された断面サンプルについては、その後電子線回折法による分析によって上記微小多結晶組織を構成する結晶粒の粒径を求めた。具体的には、まず上述の断面サンプルにおいて上記金属微粒子の上側部分の電子線回折測定を行った。このとき、照射する電子線のビーム径を２ｎｍから３０ｎｍへ変化させながら測定を行った。電子線回折像において、観察されるパターンが回折スポットから連続的なリングパターンに変化するときの電子線のビーム径を上記微小多結晶組織を構成する結晶粒の粒径とした。結果を表２に示す。

＜被覆層の硬度及びヤング率＞
「ＩＳＯ １４５７７−１： ２０１５ Ｍｅｔａｌｌｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ−Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｄ ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ ｆｏｒ ｈａｒｄｎｅｓｓ ａｎｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ−」において定められている標準手順によるナノインデンテーション法によって、各切削工具における被覆層の硬度とヤング率とを測定した。ここで、押し込み深さは１００ｎｍに設定した。測定装置は、株式会社エリオニクス製のＥＮＴ−１１００（商品名）を用いた。結果を表２に示す。

≪切削試験≫
＜旋削加工試験＞
上述のようにして作製した試料Ｎｏ．１〜２７の切削工具を用いて、以下の切削条件により切削工具の逃げ面における摩耗量（Ｖｂ摩耗量）が０．２ｍｍを超えるまでの切削時間を測定した。その結果を表２に示す。切削時間が長いほど耐逃げ面摩耗性に優れる切削工具として評価することができる。
切削条件
被削材 ：ＳＣＭ４３５
切削速度 ：１２０ｍ／ｍｉｎ
送り量 ：０．１ｍｍ／ｔ
切込み量（ａｐ）：０．８ｍｍ、ｗｅｔ

切削試験について、表２の結果から試料Ｎｏ．１〜２４の切削工具は、切削時間が２０分間以上の良好な結果が得られた。一方試料Ｎｏ．２５〜２７の切削工具は、切削時間が８分間未満であった。以上の結果から、試料Ｎｏ．１〜２４の切削工具は、耐逃げ面摩耗性に優れることが分かった。

以上のように本発明の実施形態及び実施例について説明を行なったが、上述の各実施形態及び各実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。

今回開示された実施の形態及び実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態及び実施例ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ａ すくい面、 １ｂ 逃げ面、 １ｃ 刃先部、 １０ 切削工具、 １１ 基材、 １２ 被覆層、 Ｆ 測定視野

Claims (4)

1. 逃げ面を含む基材と、前記逃げ面を被覆する被覆層とを備える切削工具であって、
   前記被覆層は、マトリックス領域と金属微粒子とを含み、
   前記マトリックス領域は、（Ａｌ_ｘＴｉ_ｙＸ_{１−ｘ−ｙ}）Ｃ_ｖＯ_ｗＮ_{１−ｖ−ｗ}で表される化合物からなり、
   ｘは、０．５を超えて０．７以下であり、
   ｙは、０．３以上０．５未満であり、
   １−ｘ−ｙは、０以上０．１以下であり、
   ｖは、０以上１以下であり、
   ｗは、０以上１以下であり、
   １−ｖ−ｗは、０以上１以下であり、
   Ｘは、クロム、ケイ素、ニオブ、タンタル、タングステン及びホウ素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を示し、
   前記金属微粒子は、アルミニウム又はチタンを構成元素として含み、
   前記金属微粒子の粒径が２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、
   前記金属微粒子の数が前記被覆層の界面における法線方向に対して平行な断面における３μｍ×４μｍの視野において、１２以上３６以下である、切削工具。
2. 前記被覆層は、アルゴンを更に含み、
   前記アルゴンは、前記被覆層中におけるその含有割合が０ａｔ％を超えて３ａｔ％以下である、請求項１に記載の切削工具。
3. 前記Ｘは、ホウ素を含む、請求項１又は請求項２に記載の切削工具。
4. 前記被覆層の厚みが３μｍ以上２０μｍ以下である、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。

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