WO2017170406A1 - 回転工具 - Google Patents

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WO2017170406A1
WO2017170406A1 PCT/JP2017/012400 JP2017012400W WO2017170406A1 WO 2017170406 A1 WO2017170406 A1 WO 2017170406A1 JP 2017012400 W JP2017012400 W JP 2017012400W WO 2017170406 A1 WO2017170406 A1 WO 2017170406A1
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region
coating layer
content ratio
rotary tool
cutting
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PCT/JP2017/012400
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French (fr)
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真宏 脇
雅彦 黒田
Original Assignee
京セラ株式会社
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Definitions

  • the present disclosure relates to a rotary tool in which a coating layer is formed on the surface of a substrate.
  • a rotary tool such as a drill, an end mill, and a reamer
  • a rotary tool having a long shape having a rotary shaft and having a base and a coating layer covering the surface of the base is known.
  • JP 2003-48107 A Patent Document 1
  • JP 2003-170303 A Patent Document 2 disclose a TiAlSiN layer as a coating layer.
  • a rotary tool has a rod-shaped main body extending from a first end to a second end, and the main body has a cutting edge portion on the first end side and a shank portion on the second end side.
  • the cutting blade portion includes a base body having a plurality of ridges and at least a coating layer positioned on the ridges.
  • the coating layer is made of Si x M 1-x C 1-y N y (where M is at least one selected from Ti, Al, Cr, W, Mo, Ta, Hf, Nb, Zr and Y, 0 .01 ⁇ x ⁇ 0.55, 0 ⁇ y ⁇ 1). Further, in the coating layer, when a region near the first end is a first region, and a region farther from the first end than the first region is a second region, Si contained in the first region The ratio is smaller than the content ratio of Si contained in the second region.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along line XX in FIG.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along line XX in FIG.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along line XX in FIG.
  • FIG. 2 is a side view which shows the end mill which is another example of the rotary tool of this embodiment.
  • substrate is a schematic diagram for demonstrating the other example of the setting method at the time of forming a coating layer on the surface of a base
  • each figure referred below demonstrates the main member simplified about the member which comprises each embodiment for convenience of explanation. Accordingly, the rotary tool may include any constituent member that is not shown in the referenced drawings. Moreover, the dimension of the member in each figure does not represent the dimension of an actual structural member, the dimension ratio of each member, etc. faithfully.
  • the rotary tool 101 of the first embodiment will be described.
  • the rotary tool include a drill, an end mill, and a reamer.
  • a drill 101 is illustrated as the rotary tool.
  • a drill 101 shown in FIG. 1 is a solid type drill and has a main body 2.
  • the main body 2 has a rod shape extending from the first end P to the second end Q, and is rotatable around the rotation axis O.
  • the first end P is the part that contacts the work material earliest during cutting
  • the second end Q is the part farthest from the first end P in the longitudinal direction.
  • the first end P is called the tip of the drill
  • the second end Q is called the rear end of the drill.
  • the main body 2 shown in FIG. 1 includes a cutting edge part 3 (flute part) located on the first end P side and a shank part 4 located on the second end Q side.
  • the first end P is located at the cutting edge portion 3
  • the second end Q is located at the shank portion 4.
  • the cutting blade part 3 and the shank part 4 may be formed separately or integrally.
  • the main body 2 in the present embodiment shows an example in which, in addition to the cutting blade portion 3 and the shank portion 4, a taper portion 5 that is positioned between the cutting blade portion 3 and the shank portion 4 is shown. .
  • the cutting edge portion 3 includes a base 6 having a plurality of ridges and a coating layer 7 covering the ridges. Moreover, the cutting edge part 3 in this embodiment is directed to the 2nd end Q side from the 1st end P side between the cutting edge 8 located in the 1st end P side, and the ridge part, and the coating layer 7 A chip discharge groove (hereinafter abbreviated as a groove) 9 located on the upper side is provided.
  • the cutting-blade part 3 is the two cutting blades 8, and the flank which adjoins these cutting blades 8, respectively. 10 and.
  • the groove 9 is adjacent to the cutting edge 8 and is located on the opposite side of the flank 10 with the cutting edge 8 in between.
  • the cutting edge 8 is located in at least a part of the ridgeline where the groove 9 and the flank 10 intersect.
  • R shown in FIG. 2 indicates the rotation direction of the drill 101. In FIG. 2, the rotation axis O and the first end P overlap each other.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line XX in FIG.
  • the cutting edge portion 3 includes a base 6 and a coating layer 7 that covers the surface of the base 6.
  • the substrate 6 is made of a hard material such as cemented carbide, cermet, cBN, high speed steel or the like.
  • the cutting blade part 3 has the coating layer 7 which covers the base
  • the coating layer 7 in this embodiment is Si x M 1-x (C 1-y N y ) (where M is selected from Ti, Al, Cr, W, Mo, Ta, Hf, Nb, Zr, and Y) A layer containing at least one kind, 0.01 ⁇ x ⁇ 0.55, 0 ⁇ y ⁇ 1).
  • M is selected from Ti, Al, Cr, W, Mo, Ta, Hf, Nb, Zr, and Y
  • M contains at least one of Ti, Al, Mo, and Nb
  • the coating layer 7 can have excellent oxidation resistance at high temperatures, and thus, for example, suppresses the progress of crater wear during high-speed cutting. it can.
  • the coating layer 7 may contain at least one selected from a trace amount of Cr, Mo, Ta, Hf, Zr and Y of less than 1 atomic%.
  • the coating layer 7 has the composition exemplified above, since the oxidation start temperature in the coating layer 7 is increased, the oxidation resistance of the coating layer 7 is increased. Moreover, since the internal stress in the coating layer 7 falls within an appropriate range, the fracture resistance is enhanced.
  • the coating layer 7 has the composition exemplified above, the coating layer 7 has a high hardness, so that the adhesion with the substrate 6 is enhanced. Therefore, the excellent wear resistance and fracture resistance of the coating layer 7 can be exhibited even under severe cutting conditions such as processing difficult-to-cut materials, dry cutting, and high-speed cutting.
  • the coating layer 7 has the composition exemplified above, when b (Ti content ratio) is 0.13 or more, the hardness of the coating layer 7 is changed by changing the crystal structure from cubic to hexagonal. Since the decrease is small, the coating layer 7 has high wear resistance. On the other hand, when b (Ti content ratio) is 0.8 or less, the oxidation resistance and heat resistance of the coating layer 7 increase. A particularly desirable range of b is 0.2 ⁇ b ⁇ 0.5.
  • the coating layer 7 has the composition exemplified above, when c (Al composition ratio) is 0.65 or less, the hardness of the coating layer 7 due to the crystal structure changing from cubic to hexagonal There is little decrease.
  • a desirable range of c is 0.45 ⁇ c ⁇ 0.65, and a particularly desirable range is 0.5 ⁇ c ⁇ 0.63.
  • the coating layer 7 has the composition exemplified above, when d (Nb content ratio) is 0.25 or less, since the oxidation resistance and hardness decrease of the coating layer 7 are small, the coating layer 7 is High wear resistance.
  • a particularly desirable range of d is 0.02 ⁇ d ⁇ 0.22.
  • the coating layer 7 has the composition exemplified above, when e (W content ratio) is 0.3 or less, since the oxidation resistance and hardness decrease of the coating layer 7 are small, the coating layer 7 is High wear resistance.
  • a particularly desirable range of e is 0.02 ⁇ e ⁇ 0.22.
  • the composition of the coating layer 7 can be measured by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) or X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
  • EDX energy dispersive X-ray spectroscopy
  • XPS X-ray photoelectron spectroscopy
  • the thickness tf of the coating layer 7 on the flank 10 is not limited to a specific value, but can be set to 0.5 to 3 ⁇ m, for example. When tf is the above value, the tool life can be extended while maintaining the balance between the wear resistance of the cutting edge 8 and the improvement of the rigidity of the drill 101.
  • the coating layer 7 does not necessarily have to be constituted only by the layer having the above composition, and may have a structure in which another layer having a composition different from the layer having the above composition is laminated.
  • the coating layer 7 is composed of a plurality of layers, some of the layers may not contain Si, and the Si content ratios may be different from each other. Further, the coating layer 7 may have a configuration in which two layers having different compositions are alternately stacked.
  • the coating layer 7 having two or more types of multilayer structures having different compositions can be rotated by rotating a sample to be formed with a target having a different composition disposed on the inner wall side surface of the chamber of the film forming apparatus at a predetermined interval.
  • the film can be produced by forming the film while the film is formed.
  • the composition of the coating layer 7 is obtained by analyzing the entire composition of the coating layer 7 from the surface of the coating layer 7 by the method described below.
  • the composition of the coating layer 7 is determined, for example, by measuring the surface of the flank 10 with an electron beam microanalyzer (EPMA) when the flank 10 adjacent to the cutting edge 8 is a measurement surface. Let the obtained composition be the composition of the coating layer 7. Even if the coating layer 7 has a multilayer structure, the composition obtained by measuring the surface with EPMA is the composition of the coating layer 7.
  • EPMA electron beam microanalyzer
  • the Si content ratio contained in the first region 7a is different from the Si content ratio contained in the second region 7b. Specifically, the content ratio of Si contained in the first region 7a is smaller than the content ratio of Si contained in the second region 7b.
  • the Si content ratio contained in the first region 7a is smaller than the Si content ratio contained in the second region 7bb, the durability of the drill 101 can be improved.
  • the processing accuracy during cutting can be increased.
  • a laminated material in which a plurality of materials having different hardnesses are laminated when processing a work material in which materials having different hardnesses are mixed, such as carbon fiber and resin in a CFRP material that is prone to chipping, a laminated material in which a plurality of materials having different hardnesses are laminated.
  • machining such a work material and in the case of machining by cutting that is subjected to intermittent impact such as shoulder machining, it is suppressed that the coating layer 7 is peeled in the vicinity of the rotation axis O.
  • the chipping resistance of the cutting edge 8 located on the first end P side can be improved.
  • the Si content ratio contained in the second region 7b is large. Therefore, since the compressive stress can be applied to the base body 6 by the second region 7b on the second end Q side in the cutting edge portion 3, the rigidity of the base body 6 is improved. Since the rigidity of the base 6 is improved, the vibration of the drill 101 during cutting is suppressed, and the processing accuracy is improved.
  • the Si content ratio included in the coating layer 7 is gradually increased from the first end P side toward the second end Q side, the rigidity of the base 6 becomes more appropriate, and the drill The processing accuracy of 101 is further improved.
  • the gradual increase includes the Si content ratios at five points set at equal intervals, including the end on the first end P side and the end on the second end Q side in the coating layer 7. When measured, it means a configuration that monotonously increases from the end on the first end P side to the end on the second end Q side.
  • the coating layer 7 contains Ti and the content ratio of Ti contained in the first region 7a is larger than the content ratio of Ti contained in the second region 7b, the durability of the drill 101 is increased. Further, it is possible to further increase the processing accuracy during cutting.
  • the coating layer 7 contains Al and the content ratio of Al contained in the first region 7a is larger than the content ratio of Al contained in the second region 7b, the durability of the drill 101 is improved. Further, it is possible to further increase the processing accuracy during cutting.
  • the coating layer 7 contains Nb and the content ratio of Nb contained in the first region 7a is smaller than the content ratio of Nb contained in the second region 7b, the durability of the drill 101 is improved. Further, it is possible to further increase the processing accuracy during cutting.
  • a plurality of granular materials called droplets having a composition different from that of the coating layer 7 may be present on the surfaces of the first region 7 a and the second region 7 b in the cutting part 3.
  • the abundance ratio of the droplets in the first region 7a is smaller than the abundance ratio of the droplets in the second region 7b, it is possible to suppress the welding from occurring on the cutting edge 8, and the cutting fluid is used. It is possible to increase the amount of cutting fluid that can be held by the cutting edge portion 3 during processing.
  • the ratio of droplets in the first region 7a is smaller than the ratio of droplets in the second region 7b is that the density of droplets in the first region 7a is the density of droplets in the second region 7b. It can be paraphrased as lower than.
  • the size of the droplets in the second region 7b is larger than the size of the droplets in the first region 7a, it is possible to suppress the occurrence of welding on the cutting blade 8, and in processing using a cutting fluid.
  • the amount of cutting fluid that can be held by the cutting edge portion 3 can be increased.
  • the droplet abundance ratio decreases from the second end Q toward the first end P, specifically, the droplet abundance ratio at three or more locations from the second end Q toward the first end P. Can be further suppressed from being welded to the cutting edge 8.
  • the abundance ratio of the droplets may be determined by identifying the droplets from the SEM photograph of the surface of the coating layer 7 and counting the number of droplets in a region of 10 ⁇ m ⁇ 10 ⁇ m, for example. At this time, particles having a diameter of 0.2 ⁇ m or more are specified as droplets. It should be noted that the SEM photograph is taken at the first end P side and the second end Q side, such as the outer peripheral portion of the groove 9.
  • the content ratio of M in the droplet is larger than the content ratio of M in the coating layer 7, the content ratio of Si in the droplet can be relatively reduced, so that welding occurs on the cutting edge 8. It can be further suppressed.
  • the coating layer 7 positioned in the groove 9 is the third region 7c and the coating layer 7 positioned on the outer peripheral surface of the cutting edge portion 3 is the fourth region 7d
  • Si is contained in at least a part of the third region 7c.
  • the ratio is less than the content ratio of Si contained in the fourth region 7d, the heat resistance of the outer peripheral blade 23 can be enhanced and the slidability of the groove 9 can be enhanced.
  • what is necessary is just to measure the content rate of Si contained in the 3rd area
  • the coating layer 7 contains Ti and the content ratio of Ti in at least a part of the third region 7c is larger than the content ratio of Ti contained in the fourth region 7d, the outer peripheral blade 23 The heat resistance can be further improved, and the slidability in the groove 9 can be further improved.
  • the Ti content ratios included in the third region 7c and the fourth region 7d may be measured at the same position in the direction along the rotation axis O in the cutting edge portion 3, similarly to the Si content ratio. .
  • the coating layer 7 contains Al and the Al content ratio in at least a part of the third region 7c is larger than the Al content rate contained in the fourth region 7d, the outer peripheral blade 25
  • the heat resistance can be further improved, and the slidability in the groove 9 can be further improved.
  • the Al content ratios included in the third region 7c and the fourth region 7d may be measured at the same position in the direction along the rotation axis O in the cutting edge portion 3, similarly to the Si content ratio. .
  • Examples of the material constituting the substrate 6 include metals, cemented carbides, cermets, and ceramics.
  • the metal include stainless steel and titanium.
  • As the composition of the cemented carbide for example, WC (tungsten carbide) -Co (cobalt), WC-TiC (titanium carbide) -Co, WC-TiC-TaC (tantalum carbide) -Co, and WC-TiC-TaC-Cr. 3 C 2 (chromium carbide) -Co.
  • WC, TiC, TaC and Cr 3 C 2 are hard particles, and Co is a binder phase.
  • a cermet is a sintered composite material in which a metal is combined with a ceramic component.
  • a cermet what has titanium compounds, such as TiC and TiN (titanium nitride), as a main component is mentioned as an example.
  • titanium compounds such as TiC and TiN (titanium nitride)
  • ceramics include Al 2 O 3 (aluminum oxide), Si 3 N 4 (silicon nitride), and cBN (Cubic Boron Nitride).
  • the rotary tool 201 of the second embodiment will be described.
  • the drill 101 is exemplified as the rotary tool, but the rotary tool in the present embodiment is an end mill 201 as shown in FIGS.
  • the end mill 201 of this embodiment about the matter which is the structure similar to the drill 101 of 1st Embodiment, the same code
  • the main body 2 shown in FIG. 4 has the cutting edge part 3 and the shank part 4 similarly to the drill 101 of the first embodiment, but does not have a configuration corresponding to the taper part 5 in the first embodiment. .
  • the cutting blade portion 3 includes a base 6, a coating layer 7, and a bottom blade 21 located on the first end P side. Moreover, the cutting edge part 3 in this embodiment is located in the outer peripheral surface of the cutting edge part 3, and is along the outer periphery blade 23 which goes to the 2nd end Q side from the 1st end P side, and the outer periphery blade 23.
  • a chip discharge groove (groove) 9 extending from the first end P side toward the second end Q side, and extends along the bottom blade 21 on the first end P side, and between the bottom blade 21 and the groove 9.
  • the gash 25 which is located is provided. Note that the outer peripheral blade 23 may be connected to the bottom blade 21 on the first end P side. In this case, the groove 9 may be in contact with the bottom blade 21 on the first end P side.
  • a plurality of ridges function as the outer peripheral blade 23. Therefore, the groove 9 may be rephrased as being located on the coating layer 7 from the first end P side to the second end Q side between the outer peripheral blades 23.
  • the end mill 201 is a part of the groove 9 in front of each bottom blade 21 in the rotational direction of the end mill 201. Is located. Further, a bottom relief surface 27 is adjacent to each bottom blade 21 at the rear in the rotational direction. D in FIG. 5 is a diameter of a circle drawn when the outer peripheral end of the bottom blade 21 is rotated, and is a processing diameter of the end mill 201.
  • the covering layer 7 is made of Si x M 1-x (C 1-y N y ) (where M is Ti, Al, Cr) as in the drill 101 in the first embodiment. , W, Mo, Ta, Hf, Nb, Zr and Y, 0.01 ⁇ x ⁇ 0.55, 0 ⁇ y ⁇ 1).
  • the content ratio of Si contained in the first region 7a is different from the content ratio of Si contained in the second region 7b. Specifically, the content ratio of Si contained in the first region 7a is smaller than the content ratio of Si contained in the second region 7b.
  • the end mill 201 of the second embodiment can be used for a cutting process in which a large impact is applied to the bottom blade 21.
  • the end mill 201 used for such an application since the content ratio of Si contained in the coating layer 7 has the above-described configuration, the coating layer 7 is prevented from peeling off as in the first embodiment. As a result, the durability of the end mill 201 can be increased, and the processing accuracy during cutting can be increased. Further, in the end mill 201, it is possible to suppress the progress of boundary wear that occurs at the end when the outer peripheral edge 23 comes into contact with the work material during end face processing.
  • the cutting edge part 3 in this embodiment may have a some droplet similarly to 1st Embodiment.
  • the abundance ratio of the droplets in the first region 7a is lower than the abundance ratio of the droplets in the second region 7b, it is possible to suppress the welding of chips on the bottom blade 21 and the cutting fluid. It is possible to increase the amount of cutting fluid that can be held by the cutting edge portion 3 in the processing used.
  • a base body 6 is obtained by preparing a cylindrical body made of metal, cemented carbide, cermet, ceramics or the like and processing it into a desired shape using a processing machine.
  • the coating layer 7 is formed on the surface of the substrate 6.
  • PVD physical vapor deposition
  • AIP apparatus 40 arc ion plating film forming apparatus
  • the substrate 6 is arranged, and a gas such as N 2 or Ar is introduced into the vacuum chamber (hereinafter abbreviated as “chamber”) 41 from the gas inlet 42.
  • a high voltage is applied between the cathode electrode 43 and the anode electrode 44 disposed in the chamber 41 to generate plasma.
  • the desired metal or ceramic is evaporated from the main target 45 (45a, 45b) by this plasma and ionized to be in a high energy state.
  • the ionized metal By depositing the ionized metal on the surface of the sample (substrate 6), the surface of the substrate 6 can be coated with the coating layer 7.
  • the tower 47 is configured by setting the base body 6 on the sample support base 46, and a plurality of towers 47 are mounted on the table 48. Further, according to FIG. 6, a heater 49 for heating the substrate 6, a gas outlet 50 for discharging gas out of the system, and a bias power source 51 for applying a bias voltage to the substrate 6 are chambers. 41.
  • the base 6 in FIG. 6 is a base having the shape of the end mill 201 described in FIGS. 4-5.
  • At least two targets (45a, 45b) having different Si content ratios are set on the side wall surface of the chamber 41.
  • the first target 45a having a high Si content ratio is set below the side wall surface of the chamber 41
  • the second target 45b that does not contain Si or has a low Si content ratio is set above the side wall surface of the chamber 41.
  • the first target 45a is made of metal silicon (Si) and a predetermined metal M (where M is at least one selected from Ti, Al, Cr, W, Mo, Ta, Hf, Nb, Zr and Y). contains.
  • the second target 45b contains a predetermined metal M (where M is at least one selected from Ti, Al, Cr, W, Mo, Ta, Hf, Nb, Zr and Y), and is made of metallic silicon. (Si) is not contained, or the content ratio is less than that of the first target 45a.
  • the base body 6 in the chamber when setting the base body 6 in the chamber, as shown in FIG. 6, it is set so that the first end P faces upward and the second end Q faces downward. Then, on the side wall surface of the chamber 41, the second target 45b is placed on the relatively upper side, and the first target 45a is placed on the relatively lower side. Thereby, the ratio of each metal in the coating layer 7 formed on the surface of the substrate 6 and the presence state of the droplets can be changed.
  • the first target 45a is set on the relatively upper side of the side wall surface of the chamber 41
  • the second target 45b is set on the lower side of the side wall surface of the chamber 41. You may set so that the edge P may face down and the 2nd edge Q may face up.
  • the drill 101 shown in the first embodiment is targeted as a rotary tool
  • the positional relationship described above may be used for the first target 45a and the second target 45b.
  • the first target 45a is relatively lower on the side wall surface of the chamber 41
  • the second target 45b is on the side wall surface of the chamber 41.
  • the base 6 may be set so that the first end P faces upward and the second end Q faces downward.
  • the base 6, the first target 45a, and the second target 45b may be set.
  • the metal source is evaporated and ionized by arc discharge or glow discharge, and at the same time, nitrogen (N 2 ) gas as a nitrogen source and / or methane (CH 4 ) / acetylene (C 2 H 2 ) as a carbon source.
  • N 2 nitrogen
  • CH 4 methane
  • C 2 H 2 acetylene
  • the coating layer 7 is formed by an ion plating method or a sputtering method that reacts with a gas.
  • a bias voltage of 35 to 300 V may be applied when forming the coating layer 7 described above.
  • the main component is tungsten carbide (WC) powder having an average particle size of 0.8 ⁇ m, 10% by mass of metallic cobalt (Co) powder having an average particle size of 1.2 ⁇ m, and vanadium carbide (VC) powder having an average particle size of 1 ⁇ m is 0.00%.
  • Chromium carbide (Cr 3 C 2 ) powder having a mass of 1% by mass and an average particle size of 1 ⁇ m was added and mixed at a rate of 0.3% by mass, and molded and fired to produce a substrate made of cemented carbide. Moreover, it processed into the shape of the end mill shown in FIG.4 and FIG.5 by the blade attachment process to the base
  • the substrate thus prepared and the targets shown in Table 1 were set in the chambers. At this time, the substrate was set in the chamber so that the first end faced up and the second end faced down. Further, a coating layer having a composition shown in Tables 2 to 3 was formed by applying a bias voltage shown in Table 1 and flowing an arc current 150 A at a film formation temperature of 540 ° C.
  • the bottom flank of the bottom blade (described as the first end side in the table), the outer peripheral surface at a position 20 mm behind the bottom blade (in the table, the second end side) Any of the positions of the outer peripheral surface (described as the second region in the table) and the groove bottom (described as the first region in the table) at a position 10 mm behind the bottom blade.
  • SEM scanning electron microscope
  • the content ratio of Si contained in the portion located on the first end side in the first layer is the content ratio of Si contained in the portion located on the second end side in the first layer.
  • Sample No. 1 of Example 1 as a lower layer of the coating layer, the composition on the first end side is composed of Si 0.01 Ti 0.53 Al 0.43 W 0.01 Nb 0.02 N 1 ⁇ m, and the upper layer, The end mill has the same composition as in Example 1 except that a layer composed of Si 0.01 Ti 0.33 Al 0.56 Nb 0.1 N is used as a covering layer in which two layers of 1 ⁇ m are laminated. Was made.
  • the overall composition of the coating layer is such that the composition on the first end side is Si 0.01 Ti 0.43 Al 0.49 W 0.01 Nb 0.06 N, and the composition on the second end side is Si 0. 03 Ti 0.4 Al 0.56 W 0.01 Nb 0.1 N, composition in the second region is Si 0.02 Ti 0.36 Al 0.53 W 0.01 Nb 0.08 N, first The composition in the region was Si 0.01 Ti 0.32 Al 0.55 W 0.01 Nb 0.11 N.
  • the machining length was 80 m and the tilting amount was 25 ⁇ m, and the state of the cutting edge at the end of machining was in constant wear.
  • Example 1 a substrate processed into the shape of the end mill shown in FIGS. 4 and 5 was used.
  • the substrate manufactured in the same manner as in Example 1 and the target shown in Table 4 were set in the chamber.
  • the substrate was set in the chamber so that the first end faced up and the second end faced down.
  • a coating layer having a composition shown in Tables 5 to 6 was formed by applying a bias voltage shown in Table 4 and flowing an arc current 150 A at a film formation temperature of 540 ° C.
  • the characteristics of the end mill were analyzed in the same manner as in Example 1 for the obtained sample. The results are shown in Tables 5-6. Furthermore, when the thickness of the coating layer in the fourth region was measured, it was 2 ⁇ m.
  • Cutting method Groove cutting work material: SCM440 Cutting speed (feed): 78 m / minute feed: 0.035 mm / blade cutting: depth 15 mm, width 10 mm, machining diameter ⁇ 10 mm
  • Cutting state Dry evaluation method: The amount of wear at a cutting distance of 50 m was confirmed. The cutting distance until the tool life was compared, and the edge state of the end mill that reached the end of the life was confirmed.
  • Rotary tool 201 Rotating tool (end mill) 2 Body 3 Cutting edge part 4 Shank part 5 Tapered part 6 Base body 7 Cover layer 8 Cutting edge 9 Chip discharge groove (groove) DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Flank 11 First layer 21 Bottom blade 23 Perimeter blade 25 Gash 27 Bottom relief surface 40 AIP device 41 Chamber 42 Gas inlet 43 Cathode electrode 44 Anode electrode 45 Main target 45a First target 45b Second target 46 Sample support stand 47 Tower 48 Table 49 Heater 50 Gas outlet 51 Bias power supply

Landscapes

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Abstract

第１端から第２端にかけて延びた棒形状の本体を有する回転工具であって、本体は、第１端の側に切刃部、第２端の側にシャンク部を備えている。切刃部は、複数の稜部を有する基体と、少なくとも稜部上に位置する被覆層とを備えている。被覆層は、ＳｉｘＭ１－ｘＣ１-ｙＮｙ（ただし、Ｍは、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ及びＹから選ばれる少なくとも１種、０．０１≦ｘ≦０．５５、０≦ｙ≦１）を含有する層である。被覆層において、第１端に近い領域を第１領域、第１領域よりも第１端から遠い領域を第２領域としたとき、第１領域に含まれるＳｉの含有比率が、第２領域に含まれるＳｉの含有比率よりも少ない。

Description

回転工具
　本開示は、基体の表面に被覆層が成膜されている回転工具に関する。
　ドリル、エンドミル及びリーマなどの回転工具の一例として、回転軸を有する長尺形状であって、基体と、基体の表面を被覆した被覆層とを有する回転工具が知られている。例えば、特開２００３－４８１０７号公報（特許文献１）及び特開２００３－１７０３０３号公報（特許文献２）では、被覆層としてＴｉＡｌＳｉＮ層が開示されている。
　回転工具を用いて切削加工を行う際に、回転工具には、高い耐久性及び高い加工精度が望まれている。
　一態様の回転工具は、第１端から第２端にかけて延びた棒形状の本体を有し、前記本体は、前記第１端の側に切刃部、前記第２端の側にシャンク部を備えている。前記切刃部は、複数の稜部を有する基体と、少なくとも前記稜部上に位置する被覆層とを備えている。前記被覆層は、ＳｉｘＭ１－ｘＣ１-ｙＮｙ（ただし、Ｍは、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ及びＹから選ばれる少なくとも１種、０．０１≦ｘ≦０．５５、０≦ｙ≦１）を含有する層である。また、前記被覆層において、前記第１端に近い領域を第１領域、該第１領域よりも前記第１端から遠い領域を第２領域としたとき、前記第１領域に含まれるＳｉの含有比率が、前記第２領域に含まれるＳｉの含有比率よりも少ない。
本実施形態の回転工具の一例であるドリルを示す斜視図である。 図１のドリルにおける切刃部のみの正面図である。 図１におけるＸ－Ｘ断面図である。 本実施形態の回転工具の他の一例であるエンドミルを示す側面図である。 図４のエンドミルの正面図である。 基体の表面に被覆層を成膜する際のセット方法の一例を説明するための模式図である。 基体の表面に被覆層を成膜する際のセット方法の他の例を説明するための模式図である。
　以下、複数の実施形態の回転工具について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で参照する各図は、説明の便宜上、各実施形態を構成する部材のうち主要な部材を簡略化して示したものである。従って、回転工具は、参照する各図に示されていない任意の構成部材を備え得る。また、各図中の部材の寸法は、実際の構成部材の寸法及び各部材の寸法比率等を忠実に表したものではない。
　まず、第１実施形態の回転工具１０１について説明する。回転工具としては、例えばドリル、エンドミル及びリーマなどが挙げられるが、図１～３においては、回転工具としてドリル１０１を例示している。
　図１に示すドリル１０１は、ソリッドタイプのドリルであり、本体２を有している。本体２は、第１端Ｐから第２端Ｑにかけて延びた棒形状であって、回転軸Ｏの周りで回転可能である。第１端Ｐは切削加工時において被削材に最も早く接する部分であり、第２端Ｑは長手方向において第１端Ｐから最も遠い部分である。一般的に、第１端Ｐがドリルの先端と呼ばれ、第２端Ｑがドリルの後端と呼ばれる。
　図１に示す本体２は、第１端Ｐの側に位置する切刃部３（フルート部）と、第２端Ｑの側に位置するシャンク部４とを備えている。本実施形態においては、第１端Ｐは切刃部３に位置しており、第２端Ｑはシャンク部４に位置している。ここで、切刃部３及びシャンク部４は、別体で形成されていても一体で形成されていてもよい。また、本実施形態における本体２は、切刃部３及びシャンク部４に加えて、切刃部３及びシャンク部４との間に位置するテーパ部５をさらに有している例を示している。
　切刃部３は、図３に示すように、複数の稜部を有する基体６と、この稜部を覆う被覆層７とを備えている。また、本実施形態における切刃部３は、第１端Ｐの側に位置する切刃８と、稜部の間において第１端Ｐの側から第２端Ｑの側に向かい、被覆層７上に位置する切屑排出溝（以下、溝と略す。）９を有している。
　また、図２に示すように切刃部３を第１端Ｐに向かって見た正面図において、切刃部３は、２つの切刃８と、これらの切刃８にそれぞれ隣接する逃げ面１０とを有する。溝９は、切刃８に隣接するとともに、切刃８を挟んで逃げ面１０とは反対側に位置する。本実施形態においては、溝９と逃げ面１０とが交差する稜線の少なくとも一部に切刃８が位置していると言い換えることもできる。なお、図２に示すＲは、ドリル１０１の回転方向を示す。図２においては、回転軸Ｏ及び第１端Ｐが重なり合っている。
　図３は、図１におけるＸ－Ｘ断面の断面図を示している。切刃部３は、図３に示すように、基体６と、基体６の表面を覆う被覆層７とを有している。基体６は、超硬合金、サーメット、ｃＢＮ、高速度鋼等の硬質材料からなる。また、本実施形態においては、切刃部３が基体６を覆う被覆層７を有しているが、シャンク部４の表面が、被覆層７によって被覆されていても被覆されていなくてもよい。
　本実施形態における被覆層７は、ＳｉｘＭ１－ｘ（Ｃ１－ｙＮｙ）（ただし、Ｍは、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ及びＹから選ばれる少なくとも１種、０．０１≦ｘ≦０．５５、０≦ｙ≦１）を含有する層である。Ｍとして、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ及びＮｂの少なくとも１種を含有することにより、被覆層７の硬度及び耐摩耗性を優れる。Ｍが、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｏ及びＮｂの少なくとも１種を含有する場合には、被覆層７の高温での耐酸化性を優れたものにできるため、例えば、高速切削におけるクレータ摩耗の進行を抑制できる。
　より具体的な被覆層７の組成を例示すると、ＳｉｘＴｉｂＡｌｃＮｂｄＷｅ（Ｃ１－ｙＮｙ）（０．０１≦ｘ≦０．５５、０．１３≦ｂ≦０．８、０≦ｃ≦０．６５、０≦ｄ≦０．２５、０≦ｅ≦０．３、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１、０≦ｙ≦１）である。このとき、被覆層７が、１原子％未満の微量のＣｒ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ及びＹから選ばれる少なくとも１種を含有していてもよい。
　被覆層７が上に例示した組成である場合には、被覆層７における酸化開始温度が高まるため、被覆層７の耐酸化性が高くなる。また、被覆層７は、内在する内部応力が適正な範囲内となるため耐欠損性が高まる。
　また、被覆層７が上に例示した組成である場合には、被覆層７の硬度が高いため、基体６との密着性が高まる。そのため、難削材の加工、乾式切削、高速切削などの厳しい切削条件においても被覆層７の優れた耐摩耗性及び耐欠損性を発揮することができる。
　また、被覆層７が上に例示した組成である場合において、ｂ（Ｔｉ含有比率）が０．１３以上であるときには、被覆層７の結晶構造が立方晶から六方晶に変化することによる硬度の低下が少ないため、被覆層７は高い耐摩耗性を有する。一方、ｂ（Ｔｉ含有比率）が０．８以下であるときには、被覆層７の耐酸化性及び耐熱性が高まる。ｂの特に望ましい範囲は０．２≦ｂ≦０．５である。
　また、被覆層７が上に例示した組成である場合において、ｃ（Ａｌ組成比）が０．６５以下であるときには、被覆層７の結晶構造が立方晶から六方晶に変化することによる硬度の低下が少ない。ｃの望ましい範囲は０．４５≦ｃ≦０．６５であり、特に望ましい範囲は、０．５≦ｃ≦０．６３である。
　また、被覆層７が上に例示した組成である場合において、ｄ（Ｎｂ含有比率)が０．２５以下であるときには、被覆層７の耐酸化性及び硬度の低下が少ないため、被覆層７は高い耐摩耗性を有する。ｄの特に望ましい範囲は０．０２≦ｄ≦０．２２である。
　また、被覆層７が上に例示した組成である場合において、ｅ（Ｗ含有比率)が０．３以下であるときには、被覆層７の耐酸化性及び硬度の低下が少ないため、被覆層７は高い耐摩耗性を有する。ｅの特に望ましい範囲は０．０２≦ｅ≦０．２２である。
　また、被覆層７に含まれる成分のうち非金属成分であるＣ、Ｎは、回転工具に必要な硬度及び靭性の観点から、ｙ（Ｎ含有比率）は０≦ｙ≦１、特に、０．８≦ｙ≦１である。ここで、本実施形態によれば、上記の被覆層７の組成は、エネルギー分散型Ｘ線分光分析法（ＥＤＸ）又はＸ線光電子分光分析法（ＸＰＳ）にて測定できる。
　逃げ面１０における被覆層７の厚みｔｆは特定の値に限定されないが、例えば０．５～３μｍに設定できる。ｔｆが上記の値である場合には、切刃８における耐摩耗性とドリル１０１の剛性の向上とのバランスを保って、工具寿命を長くすることができる。
　また、被覆層７は、必ずしも上記の組成の層のみによって構成されていなくてもよく、上記の組成の層とは異なる組成からなる別の層が積層された構造であってもよい。被覆層７が複数の層からなる場合において、一部の層がＳｉを含まないものであってもよく、また、Ｓｉの含有比率が互いに異なっていてもよい。また、被覆層７が、異なる組成の２層が交互に積層された構成であってもよい。
　組成の異なる２種類以上の多層構成からなる被覆層７は、例えば、成膜装置のチャンバの内壁側面に、組成の異なるターゲットを一定の間隔をあけて配置した状態で、成膜する試料を回転させながら成膜することによって作製することができる。なお、本実施形態では、下記に示す方法で被覆層７の表面から、被覆層７の全体の組成を分析したものを被覆層７の組成とする。
　具体的には、被覆層７の組成は、例えば、切刃８に隣接する逃げ面１０を測定面としたとき、電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）によって、逃げ面１０における表面を測定し、ここで得られた組成を被覆層７の組成とする。なお、被覆層７が多層構造であっても、ＥＰＭＡによる表面の測定によって得られた組成を被覆層７の組成とする。
　第１実施形態のドリル１０１では、被覆層７において、第１端Ｐに近い領域を第１領域７ａ、第１領域７ａよりも第１端Ｐから遠い領域を第２領域７ｂとしたとき、第１領域７ａに含まれるＳｉの含有比率が、第２領域７ｂに含まれるＳｉの含有比率と異なる。具体的には、第１領域７ａに含まれるＳｉの含有比率が、第２領域７ｂに含まれるＳｉの含有比率よりも少ない。
　第１実施形態のドリル１０１において、第１領域７ａに含まれるＳｉの含有比率が、第２領域７ｂｂに含まれるＳｉの含有比率よりも少ないことから、ドリル１０１の耐久性を高めることができるともに、切削加工時の加工精度を高めることができる。
　具体的には、例えば、欠損しやすいＣＦＲＰ材における炭素繊維及び樹脂などのように互いに硬度が異なる材質が混在した被削材を加工する場合、互いに硬度の異なる複数の材質を積層した積層材のような被削材を加工する場合、及び、肩加工のような断続的な衝撃がかかる切削によって加工する場合のそれぞれにおいて、回転軸Ｏ付近で被覆層７が剥離することが抑制されるため、第１端Ｐの側に位置する切刃８の耐欠損性を高めることができる。
　また、第２領域７ｂに含まれるＳｉ含有比率が多い。これにより、切刃部３における第２端Ｑの側では、第２領域７ｂによって基体６に圧縮応力を付与することができるため、基体６の剛性が向上する。基体６の剛性が向上することから、切削加工時におけるドリル１０１の振動が抑制され、加工精度が向上する。
　また、被覆層７に含まれるＳｉの含有比率が、第１端Ｐの側から第２端Ｑの側に向かって漸次増加する形態となっているときには、基体６の剛性がより適正となり、ドリル１０１の加工精度がより向上する。なお、ここで漸次増加とは、被覆層７における第１端Ｐの側の端部及び第２端Ｑの側の端部を含み、等間隔で設定された５点におけるＳｉの含有比率をそれぞれ測定した場合に、第１端Ｐの側の端部から第２端Ｑの側の端部にかけて単調に増加している構成を意味する。
　また、被覆層７がＴｉを含有しており、第１領域７ａに含まれるＴｉの含有比率が、第２領域７ｂに含まれるＴｉの含有比率よりも多い場合には、ドリル１０１の耐久性をさらに高めることができるともに、切削加工時の加工精度をより高めることができる。
　また、被覆層７がＡｌを含有しており、第１領域７ａに含まれるＡｌの含有比率が、第２領域７ｂに含まれるＡｌの含有比率よりも多い場合においても、ドリル１０１の耐久性をさらに高めることができるともに、切削加工時の加工精度をより高めることができる。
　また、被覆層７がＮｂを含有しており、第１領域７ａに含まれるＮｂの含有比率が、第２領域７ｂに含まれるＮｂの含有比率よりも少ない場合においても、ドリル１０１の耐久性をさらに高めることができるともに、切削加工時の加工精度をより高めることができる。
　また、切削部３における第１領域７ａ及び第２領域７ｂの表面に被覆層７とは組成が異なる複数のドロップレットと呼ばれる粒状物質が存在していてもよい。このとき、第１領域７ａにおけるドロップレットの存在比率が、第２領域７ｂにおけるドロップレットの存在比率よりも少ない場合には、切刃８に溶着が生じることを抑制できるとともに、切削液を用いた加工において切刃部３で保持できる切削液の量を増加できる。
　なお、第１領域７ａにおけるドロップレットの存在比率が、第２領域７ｂにおけるドロップレットの存在比率よりも少ないとは、第１領域７ａにおけるドロップレットの密度が、第２領域７ｂにおけるドロップレットの密度よりも低いと言い換えることができる。
　また、第２領域７ｂにおけるドロップレットの大きさが、第１領域７ａにおけるドロップレットの大きさよりも大きい場合においても、切刃８に溶着が生じることを抑制できるとともに、切削液を用いた加工において切刃部３で保持できる切削液の量を増加できる。
　ドロップレットの存在比率が、第２端Ｑから第１端Ｐに向かって減少している場合、具体的には、第２端Ｑから第１端Ｐに向かう３箇所以上でドロップレットの存在比率が単調に減少している場合には、切刃８に溶着が生じることを一層抑制できる。
　なお、ドロップレットの存在比率は、被覆層７の表面のＳＥＭ写真からドロップレットを特定し、例えば１０μｍ×１０μｍの領域におけるドロップレットの個数を数えればよい。このとき、直径０．２μｍ以上の粒子をドロップレットとして特定する。なお、ＳＥＭ写真の撮影箇所は、溝９の外周部分とするなど、第１端Ｐの側と第２端Ｑの側とで合わせるものとする。
　また、ドロップレットにおけるＭの含有比率が、被覆層７におけるＭの含有比率よりも多い場合には、ドロップレットにおけるＳｉの含有比率を相対的に少なくできるため、切刃８に溶着が生じることを一層抑制できる。
　また、溝９に位置する被覆層７を第３領域７ｃ、切刃部３における外周面に位置する被覆層７を第４領域７ｄとしたとき、第３領域７ｃの少なくとも一部におけるＳｉの含有比率が、第４領域７ｄに含まれるＳｉの含有比率よりも少ない場合には、外周刃２３における耐熱性を高めることができるとともに、溝９における摺動性を高めることができる。なお、第３領域７ｃ及び第４領域７ｄに含まれるＳｉの含有比率は、切刃部３における回転軸Ｏに沿った方向での同じ位置においてそれぞれ測定すればよい。
　また、被覆層７がＴｉを含有しており、第３領域７ｃの少なくとも一部におけるＴｉの含有比率が、第４領域７ｄに含まれるＴｉの含有比率よりも多い際には、外周刃２３における耐熱性をさらに高めることができるとともに、溝９における摺動性をさらに高めることができる。なお、第３領域７ｃ及び第４領域７ｄに含まれるＴｉの含有比率は、Ｓｉの含有比率と同様に、切刃部３における回転軸Ｏに沿った方向での同じ位置においてそれぞれ測定すればよい。
　また、被覆層７がＡｌを含有しており、第３領域７ｃの少なくとも一部におけるＡｌの含有比率が、第４領域７ｄに含まれるＡｌの含有比率よりも多い場合には、外周刃２５における耐熱性をさらに高めることができるとともに、溝９における摺動性をさらに高めることができる。なお、第３領域７ｃ及び第４領域７ｄに含まれるＡｌの含有比率は、Ｓｉの含有比率と同様に、切刃部３における回転軸Ｏに沿った方向での同じ位置においてそれぞれ測定すればよい。
　基体６を構成する材質としては、例えば、金属、超硬合金、サーメット及びセラミックスなどが挙げられる。金属としては、例えば、ステンレス及びチタンが挙げられる。超硬合金の組成としては、例えば、ＷＣ（炭化タングステン）－Ｃｏ（コバルト）、ＷＣ－ＴｉＣ（炭化チタン）－Ｃｏ、ＷＣ－ＴｉＣ－ＴａＣ（炭化タンタル）－Ｃｏ及びＷＣ－ＴｉＣ－ＴａＣ－Ｃｒ３Ｃ２（炭化クロム）－Ｃｏが挙げられる。ここで、ＷＣ、ＴｉＣ、ＴａＣ及びＣｒ３Ｃ２は硬質粒子であり、Ｃｏは結合相である。
　また、サーメットは、セラミック成分に金属を複合させた焼結複合材料である。具体的には、サーメットとして、ＴｉＣ及びＴｉＮ（窒化チタン）などのチタン化合物を主成分としたものが一例として挙げられる。セラミックスとしては、例えば、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）やＳｉ３Ｎ４（窒化珪素）、ｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素：Cubic Boron Nitride）が挙げられる。
　次に、第２実施形態の回転工具２０１について説明する。第１実施形態においては回転工具としてドリル１０１を例示していたが、本実施形態における回転工具は、図４、５に示すようにエンドミル２０１である。なお、本実施形態のエンドミル２０１において、第１実施形態のドリル１０１と同様の構成である事項については、図４、５において同じ符号を付して説明を省略する。
　図４のエンドミル２０１はソリッドタイプのエンドミルであり、回転軸Ｏの周りで回転可能な本体２を有している。図４に示す本体２は、第１実施形態のドリル１０１と同様に切刃部３及びシャンク部４を有しているが、第１実施形態におけるテーパ部５に相当する構成を有していない。
　切刃部３は、基体６と、被覆層７と、第１端Ｐの側に位置する底刃２１とを備えている。また、本実施形態における切刃部３は、切刃部３の外周面に位置して、第１端Ｐの側から第２端Ｑの側に向かう外周刃２３と、外周刃２３に沿って第１端Ｐの側から第２端Ｑの側に向かう切屑排出溝（溝）９と、第１端Ｐの側において底刃２１に沿って延びており、底刃２１及び溝９の間に位置するギャッシュ２５とを備えている。なお、外周刃２３は、第１端Ｐの側において底刃２１に接続されていてもよい。この場合には、溝９は、第１端Ｐの側において底刃２１に接してもよい。
　本実施形態においては、複数の稜部が外周刃２３として機能する。そのため、溝９は、外周刃２３の間において第１端Ｐの側から第２端Ｑの側に向かい、被覆層７上に位置している、と言い換えてもよい。
　図５に示すエンドミル２０１の正面図（第１端Ｐに向かって見た図）によれば、エンドミル２０１は、各底刃２１に対してエンドミル２０１の回転方向の前方にそれぞれ溝９の一部が位置している。また、各底刃２１に対して回転方向の後方には底逃げ面２７が隣接している。図５のＤは底刃２１の外周端が回転したときに描かれる円の直径であり、エンドミル２０１の加工径である。
　本実施形態のエンドミル２０１においては、第１実施形態におけるドリル１０１と同様に、被覆層７が、ＳｉｘＭ１－ｘ（Ｃ１－ｙＮｙ）（ただし、Ｍは、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ及びＹから選ばれる少なくとも１種、０．０１≦ｘ≦０．５５、０≦ｙ≦１）を含有する層である。
　このとき、第１領域７ａに含まれるＳｉの含有比率が、第２領域７ｂに含まれるＳｉの含有比率と異なっている。具体的には、第１領域７ａに含まれるＳｉの含有比率が、第２領域７ｂに含まれるＳｉの含有比率よりも少なくなっている。
　第２実施形態のエンドミル２０１は、底刃２１に大きな衝撃がかかる切削加工に用いることが可能である。このような用途に用いられるエンドミル２０１において、被覆層７に含まれるＳｉの含有比率が上記の構成となっていることから、第１実施形態と同様に、被覆層７が剥離することが抑制されることによってエンドミル２０１の耐久性を高めることができるともに、切削加工時の加工精度を高めることができる。また、エンドミル２０１においては、端面加工の際に、外周刃２３が被削材と接触する終端において生じる境界摩耗の進行も抑制することができる。
　また、本実施形態における切刃部３は、第１実施形態と同様に、複数のドロップレットを有していてもよい。このとき、第１領域７ａにおけるドロップレットの存在比率が、第２領域７ｂにおけるドロップレットの存在比率よりも低い場合には、底刃２１に切屑の溶着が生じることを抑制できるとともに、切削液を用いた加工において切刃部３で保持できる切削液の量を増加できる。
　（製造方法）
　次に、一態様の回転工具の製造方法について説明する。本態様では、回転工具として第２実施形態に示すエンドミル２０１を対象としている。
　まず、金属、超硬合金、サーメット又はセラミックスなどからなる円柱状体を準備し、加工機を用いて所望形状に加工することにより、基体６を得る。次に、基体６の表面に、被覆層７を成膜する。被覆層７の成膜方法として、イオンプレーティング法及びスパッタリング法などの物理蒸着（ＰＶＤ）法が好適に適応可能である。
　成膜方法の一例について、図６のアークイオンプレーティング成膜装置（以下、ＡＩＰ装置４０と略す。）を用いた成膜方法について説明する。
　まず、基体６を配置し、真空チャンバ（以下、チャンバと略す。）４１の中にＮ２やＡｒ等のガスをガス導入口４２から導入する。次に、チャンバ４１に配置されているカソード電極４３及びアノード電極４４の間に高電圧を印加してプラズマを発生させる。
　そして、このプラズマによってメインターゲット４５（４５ａ、４５ｂ）から所望の金属あるいはセラミックスを蒸発させるとともにイオン化させて高エネルギー状態とする。このイオン化した金属を試料（基体６）の表面に付着させることによって、基体６の表面に被覆層７を被覆することができる。
　また、図６によれば、基体６が試料支持台４６にセットされることによってタワー４７が構成され、複数のタワー４７がテーブル４８に載置された構成となっている。さらに、図６によれば、基体６を加熱するためのヒータ４９と、ガスを系外に排出するためのガス排出口５０と、基体６にバイアス電圧を印加するためのバイアス電源５１とがチャンバ４１に配置されている。なお、図６の基体６は、図４－５に記載されたエンドミル２０１の形状からなる基体である。
　チャンバ４１の側壁面には、Ｓｉの含有比率が異なる少なくとも２つのターゲット（４５ａ、４５ｂ）がセットされている。このとき、Ｓｉ含有比率が多い第１ターゲット４５ａをチャンバ４１の側壁面の下側にセットし、Ｓｉを含有しないか、又はＳｉの含有比率が少ない第２ターゲット４５ｂをチャンバ４１の側壁面の上側にセットする。
　第１ターゲット４５ａは、金属シリコン（Ｓｉ）、及び所定の金属Ｍ（ただし、ＭはＴｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ及びＹから選ばれる少なくとも１種以上）を含有する。第２ターゲット４５ｂは、所定の金属Ｍ（ただし、ＭはＴｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ及びＹから選ばれる少なくとも１種以上）を含有しており、金属シリコン（Ｓｉ）に関しては、含有しないか、又は第１ターゲット４５ａよりも少ない含有比率とする。
　本態様によれば、チャンバ内に基体６をセットする際、図６に示すように、第１端Ｐが上、第２端Ｑが下を向くようにセットする。そして、チャンバ４１の側壁面における、相対的に上側に第２ターゲット４５ｂを載置し、相対的に下側に第１ターゲット４５ａを載置する。これによって、基体６の表面に成膜される被覆層７中の各金属の比率、及びドロップレットの存在状態を変化させることができる。
　なお、本態様において、第１ターゲット４５ａをチャンバ４１の側壁面における相対的に上側に、第２ターゲット４５ｂをチャンバ４１の側壁面における相対的に下側にそれぞれセットするとともに、基体６の第１端Ｐが下、第２端Ｑが上を向くようにセットしてもよい。
　また、回転工具として第１実施形態に示すドリル１０１を対象とする場合においても、第１ターゲット４５ａ及び第２ターゲット４５ｂについて上記の位置関係とすればよい。一方、回転工具として第３実施形態に示すドリル１０１を対象とする場合においては、第１ターゲット４５ａをチャンバ４１の側壁面における相対的に下側に、第２ターゲット４５ｂをチャンバ４１の側壁面における相対的に上側にそれぞれセットして、基体６の第１端Ｐが上、第２端Ｑが下を向くようにセットすればよい。
　また、第３実施形態に示すドリル１０１と同様に、第１領域７ａに含まれるＳｉの含有比率が、第２領域７ｂに含まれるＳｉの含有比率よりも多いエンドミルを製造する場合においては、例えば図７に示すように、基体６、第１ターゲット４５ａ及び第２ターゲット４５ｂをそれぞれセットすればよい。
　上記のターゲットを用いて、アーク放電やグロー放電などにより金属源を蒸発させイオン化すると同時に、窒素源の窒素（Ｎ２）ガス及び／又は炭素源のメタン（ＣＨ４）／アセチレン（Ｃ２Ｈ２）ガスと反応させるイオンプレーティング法又はスパッタリング法によって被覆層７を成膜する。なお、被覆層７の硬度を高めるとともに基体６との密着性を高めるため、上記の被覆層７を成膜する際には３５～３００Ｖのバイアス電圧を印加すればよい。
　平均粒径０．８μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末を主成分として、平均粒径１．２μｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末を１０質量％、平均粒径１μｍの炭化バナジウム（ＶＣ）粉末を０．１質量％、平均粒径１μｍの炭化クロム（Ｃｒ３Ｃ２）粉末を０．３質量％の割合で添加し混合し、成形、焼成して超硬合金からなる基体を作製した。また、基体に刃付け加工によって、図４及び図５に示すエンドミルの形状に加工した。
　このようにして作製した基体及び表１に示すターゲットをチャンバにそれぞれセットした。このとき、第１端が上、第２端が下を向くように基体をチャンバにセットした。さらに、成膜温度５４０℃として、表１に示すバイアス電圧を印加するとともにアーク電流１５０Ａをそれぞれ流すことによって、表２～３に示す組成の被覆層を成膜した。
　得られた試料に対して、被覆層の表面から、底刃の底逃げ面（表中、第１端側と記載）、底刃から２０ｍｍ後方の位置における外周面（表中、第２端側と記載）、底刃から１０ｍｍ後方の位置における外周面（表中、第２領域と記載）及び底刃から１０ｍｍ後方の位置における溝底（表中、第１領域と記載）の各位置の任意３箇所、及び各位置の表面上に形成されたドロップレットを走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察し、各位置での組成を分析した。３か所の平均組成を被覆層の組成として表記した。また、１視野における１０μｍ×１０μｍの任意領域における直径０．２μｍ以上のドロップレットの個数を測定し、測定箇所５箇所における平均個数を算出した。結果は表１～２に示した。
　さらに、各試料の被覆層を含む断面についてＳＥＭ観察を行い、底刃から１０ｍｍ後方の位置について、回転軸Ｏに対して垂直な断面を取り、第４領域における被覆層の厚みを測定したところ、２μｍであった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　次に、得られたエンドミルを用いて以下の切削条件にて切削試験を行った。結果は表３に示した。
（切削条件）
切削方法：側面切削
被削材　：チタン合金(Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ)
切削速度（送り）：７９ｍ／分
送り　　：０．０６ｍｍ／刃
切り込み：深さ２０ｍｍ、幅１ｍｍ、加工径φ１０ｍｍ
切削状態：湿式
評価方法：まず、切削加工を２０ｍ行い、ワークの加工面の倒れ量をダイヤルゲージにより測定した。その後、切削加工を再開して、エンドミルが寿命に至った切削長を評価した。また、寿命に至ったエンドミルの刃先状態を確認した。なお、倒れ量とは、被削材の壁面の上端と下端の位置について、被削材の底面に垂直な方向のずれ幅の意味である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　表１～３に示す結果より、第１層における第１端の側に位置する部分に含まれるＳｉの含有比率が第１層における第２端の側に位置する部分に含まれるＳｉの含有比率よりも少ない試料Ｎｏ．Ｉ－１～７では、いずれも切刃におけるチッピングの発生が少なく、かつ加工面の倒れ量が小さくて高い加工精度の切削性能を発揮した。
　実施例１の試料Ｎｏ．１に対して、被覆層の下層として、第１端の側における組成が、Ｓｉ０．０１Ｔｉ０．５３Ａｌ０．４３Ｗ０．０１Ｎｂ０．０２Ｎからなる層を１μｍ、上層として、底逃げ面における組成が、Ｓｉ０．０１Ｔｉ０．３３Ａｌ０．５６Ｎｂ０．１Ｎからなる層を１μｍの２層が積層された被覆層とする以外は、実施例１と同様にエンドミルを作製した。
　被覆層の全体組成は、第１端の側における組成が、Ｓｉ０．０１Ｔｉ０．４３Ａｌ０．４９Ｗ０．０１Ｎｂ０．０６Ｎ、第２端の側における組成が、Ｓｉ０．０３Ｔｉ０．４Ａｌ０．５６Ｗ０．０１Ｎｂ０．１Ｎ、第２領域における組成が、Ｓｉ０．０２Ｔｉ０．３６Ａｌ０．５３Ｗ０．０１Ｎｂ０．０８Ｎ、第１領域における組成が、Ｓｉ０．０１Ｔｉ０．３２Ａｌ０．５５Ｗ０．０１Ｎｂ０．１１Ｎであった。
　実施例１と同様に切削評価をした結果、加工長８０ｍ、倒れ量２５μｍであり、加工終了時の切刃の状態は定常摩耗していた。
　実施例１と同様に図４及び図５に示すエンドミルの形状に加工した基体を用いた。実施例１と同様に作製された基体及び表４に示すターゲットをチャンバにそれぞれセットした。このとき、実施例１と同様に、第１端が上、第２端が下を向くように基体をチャンバにセットした。さらに、成膜温度５４０℃として、表４に示すバイアス電圧を印加するとともにアーク電流１５０Ａをそれぞれ流すことによって、表５～６に示す組成の被覆層を成膜した。
　得られた試料に対して、実施例１と同様にエンドミルの特性を分析した。結果は表５～６に示した。さらに、第４領域における被覆層の厚みを測定したところ、２μｍであった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　次に、得られたエンドミルを用いて以下の切削条件にて切削試験を行った。結果は表３に示した。
（切削条件）
切削方法：溝切削
被削材　：ＳＣＭ４４０
切削速度（送り）：７８ｍ／分
送り　　：０．０３５ｍｍ／刃
切り込み：深さ１５ｍｍ、幅１０ｍｍ、加工径φ１０ｍｍ
切削状態：乾式
評価方法：切削距離５０ｍにおける摩耗量を確認した。工具寿命までの切削距離を比較するとともに、寿命に至ったエンドミルの刃先状態を確認した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　表４～６に示す結果より、第１領域に含まれるＳｉの含有比率が第２領域に含まれるＳｉの含有比率よりも多い試料Ｎｏ．ＩＩ－１～７では、いずれも切刃における摩耗の進行が遅くて耐摩耗性に優れる良好な切削性能を発揮した。
１０１　回転工具（ドリル）
２０１　回転工具（エンドミル）
２　本体
３　　切刃部
４　　シャンク部
５　　テーパ部
６　　基体
７　　被覆層
８　　切刃
９　　切屑排出溝（溝）
１０　逃げ面
１１　第１層
２１　底刃
２３　外周刃
２５　ギャッシュ
２７　底逃げ面
４０　ＡＩＰ装置
４１　チャンバ
４２　ガス導入口
４３　カソード電極
４４　アノード電極
４５　メインターゲット
４５ａ　第１ターゲット
４５ｂ　第２ターゲット
４６　試料支持台
４７　タワー
４８　テーブル
４９　ヒータ
５０　ガス排出口
５１　バイアス電源

Claims (10)

  1. 　第１端から第２端にかけて延びた棒形状の本体を有する回転工具であって、
    　前記本体は、前記第１端の側に切刃部、前記第２端の側にシャンク部を備え、
    　前記切刃部は、複数の稜部を有する基体と、少なくとも前記稜部上に位置する被覆層とを備え、
    　前記被覆層は、ＳｉｘＭ１－ｘＣ１-ｙＮｙ（ただし、Ｍは、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ及びＹから選ばれる少なくとも１種、０．０１≦ｘ≦０．５５、０≦ｙ≦１）を含有する層であり、
    　前記被覆層において、前記第１端に近い領域を第１領域、該第１領域よりも前記第１端から遠い領域を第２領域としたとき、
    　前記第１領域に含まれるＳｉの含有比率が、前記第２領域に含まれるＳｉの含有比率よりも少ない回転工具。
  2. 　前記被覆層は、Ｔｉを含有しており、
    　前記第１領域に含まれるＴｉの含有比率が、前記第２領域に含まれるＴｉの含有比率よりも多い請求項１に記載の回転工具。
  3. 　前記被覆層は、Ａｌを含有しており、
    　前記第１領域に含まれるＡｌの含有比率が、前記第２領域に含まれるＡｌの含有比率よりも多い請求項１又は２に記載の回転工具。
  4. 　前記被覆層は、Ｎｂを含有しており、
    　前記第１領域に含まれるＮｂの含有比率が、前記第２領域に含まれるＮｂの含有比率よりも少ない請求項１～３のいずれか１つに記載の回転工具。
  5. 　前記第１領域及び前記第２領域の表面にドロップレットが存在し、前記第１領域における前記ドロップレットの存在比率が、前記第２領域における前記ドロップレットの存在比率よりも少ない請求項１～４のいずれか１つに記載の回転工具。
  6. 　前記第２領域における前記ドロップレットの大きさが、前記第１領域における前記ドロップレットの大きさよりも大きい請求項５に記載の回転工具。
  7. 　前記ドロップレットにおける前記Ｍの含有比率が、前記被覆層における前記Ｍの含有比率よりも多い請求項５又は６に記載の回転工具。
  8. 　前記切刃部は、前記稜部の間において前記第１端の側から前記第２端の側に向かい、前記被覆層上に位置する切屑排出溝をさらに備え、
    　該切屑排出溝に位置する前記被覆層を第３領域、前記切刃部における外周面に位置する前記被覆層を第４領域としたとき、前記第３領域の少なくとも一部におけるＳｉの含有比率が、前記第４領域に含まれるＳｉの含有比率よりも少ない請求項１～７のいずれか１つに記載の回転工具。
  9. 　前記被覆層は、Ｔｉを含有しており、
    　前記第３領域の少なくとも一部におけるＴｉの含有比率が、前記第４領域に含まれるＴｉの含有比率よりも多い請求項８に記載の回転工具。
  10. 　前記被覆層は、Ａｌを含有しており、
    　前記第３領域の少なくとも一部におけるＡｌの含有比率が、前記第４領域に含まれるＡｌの含有比率よりも多い請求項８又は９に記載の回転工具。
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