WO2021131232A1 - 被覆切削工具 - Google Patents

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智也 佐々木
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株式会社Moldino
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Definitions

  • the present invention relates to a coated cutting tool such as an end mill.
  • the present application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2019-233353 filed in Japan on December 24, 2019, the contents of which are incorporated herein by reference.
  • AlCrSi nitride or carbonitride is a film type with excellent heat resistance and wear resistance, and is applied to coated cutting tools.
  • the present inventor forms an interlayer film containing W and Ti having an hcp structure directly above the base material by using Ti bombard, and increases the Si content ratio directly above the interlayer film.
  • a coating cutting tool provided with AlCrSi nitride or carbonitride having a finer film structure (Patent Document 1).
  • the coated cutting tool described in Patent Document 1 has excellent durability in cutting high-hardness steel.
  • the present inventor has confirmed that the composition of the interlayer film formed of Ti bombard tends to vary. If the composition of the interlayer film varies widely, the durability of the hard film tends to fluctuate depending on the machining conditions and the tool shape, and the tool performance may not be stable.
  • the present inventor has found the following findings and arrived at the present invention.
  • the present inventor has made the composition of the interlayer film formed of Ti bombard mainly composed of W and Ti, with a small amount of the component of the hard film provided directly above the interlayer film.
  • the present inventor has confirmed that by using an interlayer film having the above composition, variations in the composition of the interlayer film are reduced and the crystal structure becomes a face-centered cubic lattice structure.
  • the present inventor has achieved excellent durability by forming a hard film made of AlCrSi-based nitride or carbonitride having an adjusted Si content on the intermediate film having the face-centered cubic structure. It was confirmed that the coated cutting tool to have was obtained.
  • the present invention is a coated cutting tool in which the surface of the base material is coated with a hard film.
  • the hard film is arranged on the surface of the base material and contains the largest amount of W among metal (including semi-metal) elements, followed by the total content ratio of W and Ti containing the largest amount of Ti, which is 85 atomic% or more.
  • a layer having a face-to-face cubic lattice structure, which is arranged on the A layer, has an Al content ratio (atomic%) of 50% or more among metal (including semi-metal) elements, and is the total of Al and Cr.
  • a face-to-center cubic lattice structure composed of a nitride or carbon nitride containing Al, Cr and Si having a content ratio (atomic%) of 85% or more and a Si content ratio (atomic%) of 4% or more and 15% or less. Includes layer B and.
  • the A layer preferably has a total content ratio of W and Ti among metal (including metalloid) elements of 85 atomic% or more.
  • the total content ratio of Al and Si among the metal (including metalloid) elements is preferably 10 atomic% or less.
  • a C layer made of a metal (including a metalloid) nitride or a carbonitride may be further provided.
  • the C layer is a nitride or charcoal having a Ti content ratio (atomic%) of 50% or more and a Si content ratio (atomic%) of 1% or more and 30% or less among metal (including metalloid) elements. It is preferably a nitride.
  • a coated cutting tool having excellent durability is provided.
  • FIG. 1 It is a transmission electron micrograph of a tool cutting edge portion of Example 1.
  • the point indicated by 1 is the base material
  • the point indicated by 2 is the A layer
  • the point indicated by 3 is the B layer.
  • FIG. It is a figure which shows the composition analysis result of the A layer of Example 1.
  • FIG. It is a figure which shows the selected area diffraction pattern of the B layer of Example 1.
  • the present inventor investigated the causes of damage to the coated cutting tool in high-efficiency machining of high-hardness steel, and confirmed that film fracture is likely to occur starting from the columnar grain boundaries that form the hard film. Then, it is effective to reduce the grain boundaries that are the starting points of fracture by refining the film structure based on nitrides or carbonitrides mainly composed of Al and Cr, which are film types having excellent heat resistance and abrasion resistance. I found that. Further, they have found that an intermediate film having a face-centered cubic lattice structure (fcc structure) is provided in order to further enhance the adhesion between the base material and the hard film due to the miniaturization of the structure of the hard film, and have reached the present invention. ..
  • fcc structure face-centered cubic lattice structure
  • the coated cutting tool of the present embodiment includes a base material, an A layer arranged on the surface of the base material, and a B layer arranged on the A layer.
  • the B layer is a hard film that imparts durability to the tool.
  • the A layer is an intermediate film that improves the adhesion between the B layer and the base material.
  • a WC-based cemented carbide base material for cutting tools is used as the base material.
  • the base material may be a solid tool in which the head and the shank are integrated, a head of an interchangeable head tool, or a cutting insert mounted on a holder.
  • the B layer which is the hard film of the present invention, will be described.
  • the B layer is a hard film made of a nitride or carbonitride mainly composed of Al and Cr, which is provided on the A layer described later.
  • Nitride or carbonitride mainly composed of Al and Cr is a film type capable of exhibiting excellent wear resistance and heat resistance as a coating cutting tool.
  • a more preferable material for the B layer is a nitride having excellent heat resistance.
  • Al is an element that imparts heat resistance to a hard film.
  • the B layer has an Al content ratio based on the metal (including metalloids, the same applies hereinafter) element content ratio (atomic%, the same applies hereinafter). Make it 50% or more. Furthermore, it is preferable that the Al content ratio of the B layer is 55% or more. On the other hand, if the Al content ratio of the B layer becomes too large, the hexagonal close-packed structure (hcp structure) becomes the main component, and the durability of the coated cutting tool tends to decrease. Therefore, it is preferable that the Al content ratio of the B layer is 70% or less. In order to achieve both heat resistance and wear resistance at a high level in the B layer, the total content ratio of Al and Cr is set to 85% or more. Furthermore, it is preferable that the total content ratio of Al and Cr in the B layer is 90% or more.
  • Cr is an element that has a face-centered cubic lattice structure (fcc structure) in the crystal structure of the B layer and improves wear resistance and heat resistance as a coated cutting tool.
  • fcc structure face-centered cubic lattice structure
  • the B layer mainly has a hexagonal close-packed structure (hcp structure), and the durability of the coated cutting tool tends to decrease. Therefore, the Cr content ratio of the B layer is preferably 20% or more.
  • the metalloids in the present invention are Si and B (boron).
  • Si is an important element for refining the structure of nitrides or carbonitrides mainly composed of Al and Cr.
  • the columnar particles of AlCrN that does not contain Si and AlCrSiN that has a small Si content ratio become coarse. Since the hard film having such a structure has many grain boundaries that are the starting points of film fracture, the flank wear tends to increase. On the other hand, the structure of AlCrSiN containing a certain amount of Si becomes finer, and it becomes difficult to observe clear columnar particles by cross-sectional observation (20,000 times) with an electron microscope, for example. A hard film having such a structure has fewer columnar grain boundaries that are the starting points of fracture, and wear on the flank can be suppressed.
  • the Si content ratio of the B layer is 4% or more and 15% or less.
  • the Si content ratio of the B layer is preferably 5% or more.
  • the Si content ratio of the B layer is preferably 10% or less.
  • the B layer has a face-centered cubic lattice structure (fcc structure).
  • the face-centered cubic lattice structure (fcc structure) means that, for example, in X-ray diffraction, the diffraction intensity due to the face-centered cubic lattice structure (fcc structure) shows the maximum intensity.
  • a hard film having a maximum diffraction intensity due to a hexagonal close-packed structure (hcp structure) is fragile and therefore has poor durability as a coating cutting tool. In particular, in wet processing, the durability tends to decrease.
  • the diffraction intensity of the B layer due to the ZnS type crystal structure is not confirmed by X-ray diffraction.
  • the B layer may partially contain a hexagonal close-packed structure (hcp structure) and an amorphous phase.
  • the crystal structure can be identified by the selected area diffraction method using, for example, a transmission electron microscope (TEM).
  • TEM transmission electron microscope
  • the crystal phase having a relatively high Si content with respect to the total amount of Si is dispersed in the crystal phase having a relatively low Si content with respect to the total amount of Si. It is an organizational form.
  • the B layer has such a structure, a higher residual compressive stress is applied to the hard film, and crack growth is suppressed even at the micro level. As a result, it is considered that excellent durability can be exhibited.
  • the nitride or carbonitride mainly composed of Al and Cr tends to have a structure mainly composed of an amorphous phase, and the toughness tends to decrease.
  • the B layer of this embodiment is a layer having a crystal structure having a crystal phase.
  • the magnetic flux density in the vicinity of the base material is increased in the film forming apparatus for coating.
  • the average magnetic flux density near the center of the target is 14 mT or more.
  • permanent magnets are arranged on the back surface and the outer periphery of the target, and the B layer is covered with a cathode adjusted so that the magnetic force lines reach the vicinity of the base material. Further, when the absolute value of the negative bias voltage applied to the base material becomes small, the amorphous phase tends to increase.
  • the coating of the B layer it is preferable to coat with a bias voltage of ⁇ 250V or more and ⁇ 100V or less. In order to further stabilize the crystal phase, it is more preferable to cover with a bias voltage of ⁇ 220 V or more and ⁇ 150 V or less.
  • the B layer may contain other metal elements in consideration of the contents of Al, Cr, and Si as long as the diffraction intensity due to the face-centered cubic lattice structure (fcc structure) shows the maximum intensity. it can.
  • the elements of Group 4a, Group 5a, and Group 6a of the periodic table and B, Y, and Cu can be contained.
  • These elements are elements that are generally added to AlTiN-based and AlCrN-based hard coatings in order to improve the characteristics of the hard coating, and the durability of the coated cutting tool is not excessive unless the content ratio is excessive. Does not significantly decrease.
  • the B layer contains a large amount of metal elements other than Al, Cr, and Si, the above-mentioned basic characteristics may be impaired and the durability of the coated cutting tool may be lowered. Therefore, even when the B layer contains additive elements other than Al, Cr, and Si, the total content ratio of the additive elements is preferably 10% or less. Further, even when the B layer contains a metal element other than Al, Cr and Si, the total content ratio of the added elements is preferably 5% or less.
  • the film thickness of the B layer becomes too thin, excellent durability may not be fully exhibited. Further, if the film thickness becomes too thick, film peeling may occur.
  • an appropriate value may be selected from the range of 0.5 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less.
  • the thickness of the B layer is more preferably 1 ⁇ m or more.
  • the thickness of the B layer is more preferably 5 ⁇ m or less.
  • the effect of the present embodiment is exhibited even if another layer is coated on the B layer. Therefore, as the film structure composed of the A layer and the B layer in the present embodiment, a structure in which the B layer is the outermost surface of the tool or another layer may be coated.
  • the B layer is coated with a C layer made of nitride or carbonitride having excellent heat resistance and wear resistance as a protective film.
  • the C layer is more preferably a layer made of a nitride.
  • the C layer is preferably a hard film having excellent thermal shock resistance and residual compressive stress.
  • the composition of the C layer may be appropriately selected depending on the work material and processing conditions.
  • a hard film having a high residual compressive stress as a protective film because the hard film is easily peeled off by the heating and cooling cycle.
  • the adhesion to the base material is poor.
  • the present inventor uses a layer A having a face-centered cubic lattice structure (fcc structure) as a base material, in which the total content ratio of W and Ti containing the largest amount of W among the metal elements and then the largest amount of Ti is 85% or more. It was confirmed that the adhesion to the B layer, which is a fine structure form, was improved and the durability of the coated cutting tool was improved by providing it on the surface.
  • fcc structure face-centered cubic lattice structure
  • the coated cutting tool of the present embodiment has a fine structure by forming the A layer of the face-centered cubic lattice structure (fcc structure) mainly composed of W and Ti between the base material and the B layer. This is an improved adhesion of the B layer to the base material.
  • the B layer which is a microstructure on the upper surface of the A layer, has a face-centered cubic lattice structure (fcc structure). It becomes easier to maintain the fcc structure).
  • the crystallinity of the B layer in the vicinity of the A layer is further enhanced, and the adhesion between the base material and the B layer is further enhanced.
  • the composition and crystal structure of the layer A are stable when the total content ratio of W and Ti among the metal (including metalloid) elements is 85% or more.
  • non-uniformity in the composition and crystal structure of the B layer due to variations in the composition and crystal structure of the A layer is reduced. Since uniform durability can be easily obtained over the entire B layer, the risk of variation in tool performance depending on the cutting conditions or the tool shape can be reduced.
  • the A layer preferably has a total content ratio of W and Ti among metal (including metalloid) elements of 90% or more.
  • the layer A may contain a hard film component and a base material component in addition to W and Ti. However, in order to stabilize the composition and crystal structure of the A layer, it is preferable that the total content ratio of Al and Si among the metal (including metalloid) elements in the A layer is 10% or less. By reducing the amount of Al and Si contained in the A layer, the composition and crystal structure of the A layer become more stable. The A layer tends to contain Co and Cr contained in the bonding phase of the base material. Even when the A layer contains Co and Cr, the total content ratio of Co and Cr among the metal (including metalloid) elements is preferably 10% or less. The layer A can be confirmed by cross-section observation by transmission electron microscope observation, composition analysis, and nanobeam diffraction pattern.
  • Layer A contains the largest amount of carbon as a non-metal element, followed by the largest amount of nitrogen. Further, the layer A may contain oxygen in addition to carbon and nitrogen. Assuming that the total content ratio of carbon, nitrogen and oxygen in the A layer is 100%, the A layer contains 50% or more of carbon. Further, the layer A preferably contains 60% or more of carbon. Further, the layer A preferably contains nitrogen in an amount of 30% or less. The layer A preferably contains oxygen in an amount of 10% or less.
  • the thickness of the A layer is preferably 1 nm or more and 30 nm or less.
  • the thickness of the A layer is preferably 2 nm or more and 10 nm or less.
  • Ti bombard is carried out on the base material.
  • the film forming apparatus used for the Ti bombard preferably includes a cathode having a magnetic field configuration in which a coil magnet is arranged on the outer periphery of the target to confine the arc spot inside the target.
  • a cathode having a magnetic field configuration in which a coil magnet is arranged on the outer periphery of the target to confine the arc spot inside the target.
  • the layer A containing W and Ti is formed on the cutting edge, which is a functional portion, so that the adhesion between the base material and the hard film on the cutting edge is enhanced, and the effect of enhancing the durability of the coated cutting tool is obtained.
  • the substrate temperature at the start of Ti bombard is high. Therefore, it is preferable to set the furnace temperature at the start of Ti bombard to 530 ° C. or higher. Further, when the absolute value of the negative pressure bias voltage applied to the base material during Ti bombard is small or when the current applied to the target is low, it is difficult to form a layer containing W and Ti on the base material surface.
  • the negative pressure bias voltage applied to the base material is preferably ⁇ 1000 V or more and ⁇ 700 V or less.
  • the current applied to the target is preferably 80 A or more and 150 A or less.
  • Ti bombard may be carried out while introducing argon gas, nitrogen gas, hydrogen gas, hydrocarbon gas, etc., but the surface of the base material is cleaned by carrying out the atmosphere in the furnace under a vacuum of about 0.1 Pa. It is preferable that the arc discharge is stable and the A layer is easily formed. According to the study by the present inventor, it has been confirmed that the thickness of the layer A formed on the tool cutting edge is affected by the difference in shape such as the tool diameter and the cutting edge shape.
  • each interlayer film was evaluated for the coated cutting tools of Examples 1 and 2 and the coated cutting tools of Comparative Examples 1 and 2 when coated under the same conditions. Then, the tool performance of the coated cutting tools of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 was evaluated.
  • the device includes multiple cathodes (arc evaporation sources), a vacuum vessel and a substrate rotation mechanism.
  • cathode one cathode with a coil magnet placed on the outer circumference of the target (hereinafter referred to as "C1") and a permanent magnet placed on the back surface and the outer circumference of the target, and the magnetic flux density in the direction perpendicular to the target is 14 mT or more near the center of the target.
  • C1 coil magnet placed on the outer circumference of the target
  • C3 Two cathodes having a magnetic field of the above are mounted.
  • the inside of the vacuum vessel is exhausted by a vacuum pump, and gas is introduced from the supply port.
  • a bias power supply is connected to each base material installed in the vacuum vessel, and a negative pressure DC bias voltage is independently applied to each base material.
  • the base material rotation mechanism is equipped with a planetary, a plate-shaped jig on the planetary, and a pipe-shaped jig on the plate-shaped jig.
  • the planetary rotates at a speed of 3 rotations per minute, and the plate-shaped jig , Pipe-shaped jigs rotate on their own.
  • a metallic titanium target was installed in C1
  • an AlCrSi alloy target was installed in C2
  • a TiSi alloy target was installed in C3.
  • the base material has a composition of WC (bal.)-Co (8% by mass) -Cr (0.5% by mass) -VC (0.3% by mass), a WC average particle size of 0.6 ⁇ m, and a hardness of 93.9HRA.
  • a two-flute ball end mill made of cemented carbide manufactured by MOLDINO Tool Engineering Co., Ltd. was prepared.
  • WC represents tungsten carbide
  • Co represents cobalt
  • Cr represents chromium
  • VC vanadium carbide.
  • the base material was fixed to the pipe-shaped jig in the vacuum vessel, and the pre-deposition process was carried out as follows. First, the inside of the vacuum vessel was evacuated to 8 ⁇ 10 -3 Pa or less. Then, vacuum exhaust was performed while heating the substrate temperature to 550 ° C. by a heater installed in the vacuum vessel. As a result, the base material temperature was set to 550 ° C., and the pressure inside the vacuum vessel was set to 8 ⁇ 10 -3 Pa or less.
  • ⁇ Ar bombard process> Then, Ar gas was introduced into the vacuum vessel, and the pressure inside the vessel was set to 0.67 Pa. Then, a current of 20 A was supplied to the filament electrode, a negative pressure bias voltage of ⁇ 200 V was applied to the substrate, and Ar bombard was carried out for 4 minutes.
  • ⁇ Ti bombard process> Then, the vacuum was evacuated so that the pressure in the vacuum vessel was 8 ⁇ 10 -3 Pa or less. Subsequently, Ar gas was introduced to set the pressure in the vacuum vessel to 0.1 Pa, a bias voltage was applied to the base material, and an arc current of 150 A was supplied to C1 to carry out the Ti bombard treatment.
  • Nanobeam diffraction was performed with a camera length of 50 cm and a beam diameter of 2 nm or less.
  • FIG. 1 is a transmission electron micrograph of a tool cutting edge portion of Example 1.
  • the point indicated by 1 is the base material
  • the point indicated by 2 is the A layer
  • the point indicated by 3 is the B layer.
  • 2 to 7 show the analysis results of the coated cutting tool of Example 1.
  • Table 1 shows the analysis results of the interlayer film (layer A).
  • the A layer of Examples 1 and 2 had a face-centered cubic lattice structure (fcc structure) with a small content ratio of elements other than W and Ti.
  • the A layer of Comparative Examples 1 and 2 contained a large amount of Al or Si, which is a component of the hard film, and had a hexagonal close-packed structure (hcp structure). It was confirmed that the composition difference in the A layer of Comparative Examples 1 and 2 was large in the film.
  • the coated cutting tools of Examples 1 and 2 were evaluated for cutting under the following machining conditions.
  • the coated cutting tools of Examples 1 and 2 had a small flank maximum wear width of less than 20 ⁇ m, showed a uniform and stable wear form, and were excellent in durability.
  • the coated cutting tools of Comparative Examples 1 and 2 had a slightly uneven wear state of the hard film as compared with the coated cutting tools of Examples 1 and 2. According to the coated cutting tool of the present invention, it is expected that the film quality of the hard film can be improved by reducing the variation in the composition of the interlayer film, and stable tool performance can be exhibited even under various machining conditions. ..

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Abstract

基材の表面が硬質皮膜で被覆された被覆切削工具。硬質皮膜は、基材の表面に配置され、金属（半金属を含む）元素のうちＷを最も多く含有し、次いでＴｉを多く含有するＷとＴｉの合計の含有比率が８５原子％以上である面心立方格子構造のＡ層と、Ａ層の上に配置され、金属（半金属を含む）元素のうちＡｌの含有比率（原子％）が５０％以上、ＡｌとＣｒの合計の含有比率（原子％）が８５％以上、Ｓｉの含有比率（原子％）が４％以上１５％以下であるＡｌとＣｒとＳｉを含有する窒化物又は炭窒化物からなる面心立方格子構造のＢ層と、を含む。

Description

被覆切削工具
　本発明は、エンドミル等の被覆切削工具に関する。
　本願は、２０１９年１２月２４日に、日本に出願された特願２０１９－２３３３５３号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　ＡｌＣｒＳｉの窒化物又は炭窒化物は耐熱性と耐摩耗性に優れる膜種であり被覆切削工具に適用されている。本発明者は高硬度鋼のミーリング加工に適用可能な工具として、Ｔｉボンバードにより基材の直上にｈｃｐ構造のＷとＴｉを含有する中間皮膜を形成し、その直上にＳｉの含有比率を高めて皮膜組織を微細化したＡｌＣｒＳｉの窒化物又は炭窒化物を設けた被覆切削工具を提案している（特許文献１）。
国際公開第２０１４／１５６６９９号
　特許文献１に記載の被覆切削工具は、高硬度鋼の切削加工において耐久性に優れるものである。一方、本発明者は、Ｔｉボンバードで形成される中間皮膜は組成がバラつき易いことを確認した。中間皮膜の組成のバラつきが大きければ、加工条件や工具形状によって硬質皮膜の耐久性が変動しやすくなり、工具性能が安定しない可能性もある。
　本発明者は以下の知見を見出し、本発明に到達した。
　本発明者は、Ｔｉボンバードで形成される中間皮膜の組成について、中間皮膜の直上に設けられる硬質皮膜の成分を含む量が少なく、ＷとＴｉを主体とする組成とした。本発明者は、上記組成の中間皮膜とすることで、中間皮膜の組成のバラつきが少なくなるとともに、結晶構造が面心立方格子構造となることを確認した。そして、本発明者は、上記の面心立方構造の中間皮膜の上にＳｉ含有量を調整したＡｌＣｒＳｉ系の窒化物又は炭窒化物からなる硬質皮膜を成膜することで、優れた耐久性を有する被覆切削工具が得られることを確認した。
　すなわち本発明は、基材の表面が硬質皮膜で被覆された被覆切削工具である。前記硬質皮膜は、前記基材の表面に配置され、金属（半金属を含む）元素のうちＷを最も多く含有し、次いでＴｉを多く含有するＷとＴｉの合計の含有比率が８５原子％以上である面心立方格子構造のＡ層と、前記Ａ層の上に配置され、金属（半金属を含む）元素のうちＡｌの含有比率（原子％）が５０％以上、ＡｌとＣｒの合計の含有比率（原子％）が８５％以上、Ｓｉの含有比率（原子％）が４％以上１５％以下であるＡｌとＣｒとＳｉを含有する窒化物又は炭窒化物からなる面心立方格子構造のＢ層と、を含む。
　Ａ層は、金属（半金属を含む）元素のうちＷとＴｉの合計の含有比率が８５原子％以上であることが好ましい。
　Ａ層は、金属（半金属を含む）元素のうちＡｌとＳｉの合計の含有比率が１０原子％以下であることが好ましい。
　Ｂ層の上には、金属（半金属を含む）の窒化物又は炭窒化物からなるＣ層を更に有してもよい。
　Ｃ層は、金属（半金属を含む）元素のうちＴｉの含有比率（原子％）が５０％以上であり、Ｓｉの含有比率（原子％）が１％以上３０％以下である窒化物又は炭窒化物であることが好ましい。
　本発明によれば、耐久性に優れる被覆切削工具が提供される。
実施例１の工具刃先部の透過電子顕微鏡写真である。図中の１が示すポイントは基材、２が示すポイントはＡ層、３が示すポイントはＢ層である。 実施例１の基材の制限視野回折パターンを示す図である。 実施例１の基材の組成分析結果を示す図である。 実施例１のＡ層の制限視野回折パターンを示す図である。 実施例１のＡ層の組成分析結果を示す図である。 実施例１のＢ層の制限視野回折パターンを示す図である。 実施例１のＢ層の組成分析結果を示す図である。
　本発明者は、高硬度鋼の高能率加工における被覆切削工具の損傷要因について検討し、硬質皮膜を形成する柱状粒界を起点に皮膜破壊が発生し易いことを確認した。そして、耐熱性と耐摩耗性が優れる皮膜種であるＡｌとＣｒを主体とする窒化物又は炭窒化物をベースに皮膜組織を微細化して破壊の起点となる結晶粒界を低減することが有効であることを見出した。また、硬質皮膜の組織を微細化することに起因する基材と硬質皮膜の密着性をより高めるために面心立方格子構造（ｆｃｃ構造）の中間皮膜を設けることを見出し、本発明に到達した。以下、本発明の詳細について説明する。
　本実施形態の被覆切削工具は、基材と、基材の表面に配置されるＡ層と、Ａ層の上に配置されるＢ層とを備える。本実施形態の被覆切削工具において、Ｂ層が工具に耐久性を付与する硬質皮膜である。Ａ層は、Ｂ層と基材との密着性を向上させる中間皮膜である。
　基材としては、切削工具用のＷＣ基超硬合金基材が用いられる。基材は、ヘッドとシャンクが一体のソリッド工具であってもよく、ヘッド交換式工具のヘッドであってもよく、ホルダに装着される切削インサートであってもよい。
　まず、本発明の硬質皮膜であるＢ層について説明する。
　Ｂ層は、後述するＡ層の上に設けられるＡｌとＣｒを主体とする窒化物又は炭窒化物からなる硬質皮膜である。ＡｌとＣｒを主体とする窒化物又は炭窒化物は、被覆切削工具として優れた耐摩耗性と耐熱性が発揮できる膜種である。Ｂ層としてより好ましい材質は、耐熱性に優れる窒化物である。
　Ａｌは硬質皮膜に耐熱性を付与する元素である。硬質皮膜に対して、より優れた耐熱性を付与するために、Ｂ層は、金属（半金属を含む、以下同様。）元素の含有比率（原子％、以下同様。）でＡｌの含有比率を５０％以上にする。更には、Ｂ層のＡｌの含有比率を５５％以上とすることが好ましい。一方、Ｂ層は、Ａｌの含有比率が大きくなり過ぎると、六方最密充填構造（ｈｃｐ構造）が主体となり、被覆切削工具の耐久性が低下する傾向にある。そのため、Ｂ層のＡｌの含有比率を７０％以下とすることが好ましい。Ｂ層は耐熱性および耐摩耗性を高いレベルで両立させるため、ＡｌとＣｒの合計の含有比率を８５％以上とする。更には、Ｂ層のＡｌとＣｒの合計の含有比率を９０％以上とすることが好ましい。
　ＣｒはＢ層の結晶構造を面心立方格子構造（ｆｃｃ構造）とし、被覆切削工具としての耐摩耗性と耐熱性を向上させる元素である。Ｂ層は、Ｃｒの含有比率が少なくなり過ぎると六方最密充填構造（ｈｃｐ構造）が主体となり、被覆切削工具の耐久性が低下する傾向にある。そのため、Ｂ層のＣｒの含有比率は２０％以上であることが好ましい。なお、本発明における半金属とは、Ｓｉ、Ｂ（ボロン）である。
　Ｓｉは、ＡｌとＣｒを主体とする窒化物又は炭窒化物の組織を微細化するために重要な元素である。Ｓｉを含有していないＡｌＣｒＮおよびＳｉ含有比率が小さいＡｌＣｒＳｉＮは柱状粒子が粗大となる。このような組織形態の硬質皮膜は皮膜破壊の起点となる結晶粒界が多くなるため、逃げ面摩耗が増大する傾向にある。一方、一定量のＳｉを含有したＡｌＣｒＳｉＮは組織が微細化し、例えば、電子顕微鏡による断面観察（２０，０００倍）において明確な柱状粒子が観察され難くなる。このような組織形態の硬質皮膜は、破壊の起点となる柱状粒界が少なくなり、逃げ面摩耗を抑制することができる。但し、Ｂ層は、Ｓｉ含有比率が大きくなると非晶質および六方最密充填構造（ｈｃｐ構造）が主体となり易くなり、被覆切削工具の耐久性が低下する。被覆切削工具の耐久性を低下させずに皮膜組織を十分に微細化するには、Ｂ層は、Ｓｉの含有比率を４％以上１５％以下とすることが重要である。Ｂ層のＳｉの含有比率は５％以上であることが好ましい。Ｂ層のＳｉの含有比率は１０％以下であることが好ましい。
　本実施形態の被覆切削工具では、Ｂ層は、面心立方格子構造（ｆｃｃ構造）であることが重要である。本実施形態において面心立方格子構造（ｆｃｃ構造）であるとは、例えば、Ｘ線回折において面心立方格子構造（ｆｃｃ構造）に起因する回折強度が最大強度を示すことをいう。六方最密充填構造（ｈｃｐ構造）に起因する回折強度が最大強度を示す硬質皮膜は脆弱であるため被覆切削工具として耐久性が乏しくなる。特に、湿式加工においては、耐久性が低下する傾向にある。
　Ｂ層は、Ｘ線回折においてＺｎＳ型の結晶構造に起因する回折強度が確認されないことが好ましい。しかし、ＮａＣｌ型の結晶構造に起因する回折強度が最大強度を示すのであれば、Ｂ層は、一部に六方最密充填構造（ｈｃｐ構造）および非晶質相を含有してもよい。
　但し、皮膜の被験面積が小さい場合や、Ｂ層の上に後述する別の皮膜を被覆している場合には、上記Ｘ線回折による面心立方格子構造（ｆｃｃ構造）の同定が困難な場合がある。このような場合であっても、例えば透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いた制限視野回折法による結晶構造の同定を行うことができる。
　本実施形態におけるＢ層のミクロ組織は、Ｓｉ量の全体に対して相対的にＳｉ含有量の多い結晶相に、Ｓｉ量の全体に対して相対的にＳｉ含有量が少ない結晶相が分散する組織形態である。Ｂ層がこのような組織形態になることで、硬質皮膜に対して、より高い残留圧縮応力が付与されるとともに、クラックの進展がミクロレベルでも抑制される。これにより、優れた耐久性が発揮できると考えられる。一般的に、Ｓｉ含有比率が大きくなると、ＡｌとＣｒを主体とする窒化物又は炭窒化物は非晶質相が主体の組織形態となり易く、靱性が低下する傾向にある。
　本実施形態のＢ層は、結晶相を有する結晶構造の層である。Ｂ層の結晶性を高めるため、成膜装置内において基材付近の磁束密度を高めて被覆をしている。具体的には、成膜装置において、ターゲット中心付近の平均磁束密度が１４ｍＴ以上である。また、ターゲット背面および外周に永久磁石を配備し、基材付近まで磁力線が到達するよう調整したカソードを用いて、Ｂ層を被覆している。また、基材に印加する負のバイアス電圧の絶対値が小さくなると非晶質相が増加する傾向にある。Ｂ層の被覆においては－２５０Ｖ以上－１００Ｖ以下のバイアス電圧で被覆することが好ましい。結晶相をより安定化させるには、－２２０Ｖ以上－１５０Ｖ以下のバイアス電圧で被覆することがより好ましい。
　Ｂ層は、面心立方格子構造（ｆｃｃ構造）に起因する回折強度が最大強度を示す範囲であれば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉの含有量を考慮して、他の金属元素を含有することができる。例えば、硬質皮膜の耐摩耗性や耐熱性や潤滑性などの向上を目的として、周期律表の４ａ族、５ａ族、６ａ族の元素およびＢ、Ｙ、Ｃｕから選択される１種または２種以上の元素を含有することができる。これらの元素は、硬質皮膜の特性を改善するために、ＡｌＴｉＮ系やＡｌＣｒＮ系の硬質皮膜には一般的に添加されている元素であり、含有比率が過多にならなければ被覆切削工具の耐久性を著しく低下させることはない。
　但し、Ｂ層がＡｌとＣｒとＳｉ以外の金属元素を多く含有すると、上述した基礎特性が損なわれ被覆切削工具の耐久性が低下する恐れがある。そのため、Ｂ層はＡｌとＣｒとＳｉ以外の添加元素を含有する場合でも、添加元素の合計の含有比率を１０％以下とすることが好ましい。更には、Ｂ層はＡｌとＣｒとＳｉ以外の金属元素を含有する場合でも、添加元素の合計の含有比率を５％以下とすることが好ましい。
　Ｂ層の膜厚が薄くなり過ぎると優れた耐久性が十分に発揮されない場合がある。また、膜厚が厚くなり過ぎると皮膜剥離が発生する場合がある。Ｂ層の厚みは、例えば、０．５μｍ以上１０μｍ以下の範囲から適当な値を選択すれば良い。Ｂ層の厚みは、より好ましくは１μｍ以上である。また、Ｂ層の厚みは、より好ましくは５μｍ以下である。
　本実施形態において、Ｂ層の上に更に別の層を被覆しても本実施形態の効果を発揮する。そのため、本実施形態におけるＡ層とＢ層とで成る皮膜構造は、Ｂ層を工具の最表面とする構成以外に、別の層が被覆された構成を採用しても良い。この場合、Ｂ層の上には、保護皮膜として耐熱性と耐摩耗性に優れる窒化物又は炭窒化物からなるＣ層が被覆されていることが好ましい。Ｃ層は、より好ましくは窒化物からなる層である。Ｃ層は、耐熱衝撃性に優れる、残留圧縮応力を有する硬質皮膜であることが好ましい。Ｃ層の組成は、被削材や加工条件によって適宜選択すればよい。特に湿式加工においては、加熱冷却のサイクルにより硬質皮膜が剥離し易くなることから、高い残留圧縮応力を有する硬質皮膜を保護皮膜として設けることが好ましい。
　Ｃ層としては、特に、残留圧縮応力が高い皮膜種である点で、Ｔｉの含有比率を５０％以上、Ｓｉの含有比率を１％以上３０％以下で含有する窒化物又は炭窒化物皮膜が好ましい。
　続いて、Ａ層について説明する。
　本実施形態における硬質皮膜であるＢ層は、微細な組織形態であるため、基材との密着性が乏しい。本発明者は、金属元素のうちＷを最も多く含み、次いでＴｉを多く含有するＷとＴｉの合計の含有比率が８５％以上である面心立方格子構造（ｆｃｃ構造）のＡ層を基材の上に設けることで、微細な組織形態であるＢ層との密着性が改善されて被覆切削工具の耐久性が向上することを確認した。つまり、本実施形態の被覆切削工具は、基材とＢ層との間にＷとＴｉが主体の面心立方格子構造（ｆｃｃ構造）のＡ層を形成することにより、微細な組織形態であるＢ層の基材との密着性を改善したものである。
　基材とＢ層との間に形成されるＡ層を、面心立方格子構造（ｆｃｃ構造）とすることで、Ａ層の上面にある微細組織であるＢ層が、面心立方格子構造（ｆｃｃ構造）を維持し易くなる。そして、Ａ層の近傍にあるＢ層の結晶性がより高まり、基材とＢ層の密着性がより高まると考えられる。また、Ａ層は、金属（半金属を含む）元素のうちＷとＴｉの合計の含有比率が８５％以上であることで、組成および結晶構造が安定する。これにより、Ａ層の組成および結晶構造がバラつくことによるＢ層の組成および結晶構造の不均一が低減される。Ｂ層の全体で均一な耐久性が得られやすくなるため、切削条件または工具形状によって工具性能がバラつくリスクを低減することができる。Ａ層は、金属（半金属を含む）元素のうちＷとＴｉの合計の含有比率が９０％以上であることが好ましい。
　Ａ層は、ＷおよびＴｉ以外に硬質皮膜成分および基材成分を含有してもよい。ただし、Ａ層の組成および結晶構造を安定させるためには、Ａ層は金属（半金属を含む）元素のうちＡｌとＳｉの合計の含有比率が１０％以下であることが好ましい。Ａ層に含まれるＡｌとＳｉが少なくなることでＡ層の組成および結晶構造がより安定しやすくなる。
　Ａ層には、基材の結合相に含まれるＣｏとＣｒが含有されやすい。Ａ層がＣｏとＣｒを含有する場合でも、金属（半金属を含む）元素のうちＣｏとＣｒの合計の含有比率が１０％以下であることが好ましい。
　Ａ層は、透過型電子顕微鏡観察による断面観察、組成分析、ナノビーム回折パターンより確認することができる。
　Ａ層は非金属元素として炭素を最も多く含有し、次いで窒素を多く含有する。また、Ａ層は炭素と窒素以外に酸素を含有する場合もある。Ａ層における炭素と窒素と酸素の合計の含有比率を１００％とした場合、Ａ層は炭素を５０％以上含有する。更には、Ａ層は炭素を６０％以上含有することが好ましい。また、Ａ層は窒素を３０％以下で含有することが好ましい。Ａ層は酸素を１０％以下で含有することが好ましい。
　Ａ層の厚みが薄くなり過ぎれば、基材との密着性が低下する。また、Ａ層の厚みが大きくなり過ぎても、基材との密着性が低下する傾向にある。よって、Ａ層の厚みは、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましい。Ａ層の厚みは、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることが好ましい。
　基材の上に本実施形態のＡ層を形成するためには、基材に対してＴｉボンバードを実施する。Ｔｉボンバードに用いる成膜装置は、ターゲットの外周にコイル磁石を配備してアークスポットをターゲット内部に閉じ込めるような磁場構成としたカソードを備えることが好ましい。このようなカソードを用いて炭化物を形成し易い元素種であるＴｉでボンバード処理することで、基材表面の酸化物が除去されて清浄化される。また、この清浄化だけでなく、ボンバードされたＴｉイオンが基材表面のＷＣに拡散してＷおよびＴｉを含む層が形成され易くなる。
　本実施形態において、ＷおよびＴｉを含むＡ層は、機能部である刃先に形成されることで、刃先における基材と硬質皮膜の密着性が高まり、被覆切削工具の耐久性を高める効果を得ることができる。
　Ａ層を面心立方格子構造（ｆｃｃ構造）にするには、Ｔｉボンバードを開始する際の基材温度が高いことが好ましい。そのため、Ｔｉボンバード開始の際の炉内温度を５３０℃以上にすることが好ましい。
　また、Ｔｉボンバードの際に基材に印加する負圧のバイアス電圧の絶対値が小さい場合およびターゲットへ投入する電流が低い場合には、基材表面にＷおよびＴｉを含む層が形成され難い。そのため、基材に印加する負圧のバイアス電圧は、－１０００Ｖ以上－７００Ｖ以下とすることが好ましい。また、ターゲットへ投入する電流は、８０Ａ以上１５０Ａ以下とすることが好ましい。
　Ｔｉボンバードは、アルゴンガス、窒素ガス、水素ガス、炭化水素系ガス等を導入しながら実施してもよいが、炉内雰囲気を０．１Ｐａ程度の真空下で実施することで基材表面が清浄化されるだけでなく、アーク放電が安定してＡ層が形成され易くなり好ましい。
　なお、本発明者の検討によると、工具径や刃先形状等の形状の違いによって、工具刃先に形成されるＡ層の厚みは影響を受けることを確認している。
　同一条件で被覆したときの実施例１、２の被覆切削工具と、比較例１、２の被覆切削工具について、各々の中間皮膜のバラつきを評価した。その後、実施例１、２および比較例１、２の被覆切削工具の工具性能を評価した。
　＜成膜装置＞
　成膜には、アークイオンプレーティング方式の成膜装置を用いた。本装置は、複数のカソード（アーク蒸発源）、真空容器および基材回転機構を含む。
　カソードは、ターゲット外周にコイル磁石を配備したカソードを１基（以下「Ｃ１」という。）と、ターゲット背面および外周に永久磁石を配備し、ターゲットに垂直方向の磁束密度がターゲット中央付近で１４ｍＴ以上の磁場を有したカソードを２基（以下「Ｃ２」、「Ｃ３」という。）が搭載されている。
　真空容器内は、内部を真空ポンプにより排気され、ガスは供給ポートより導入される。
真空容器内に設置した各基材にはバイアス電源が接続され、独立して各基材に負圧のＤＣバイアス電圧を印加する。
　基材回転機構は、プラネタリーとプラネタリー上のプレート状治具、プレート状治具上のパイプ状治具が取り付けられ、プラネタリーが毎分３回転の速さで回転し、プレート状治具、パイプ状治具は夫々自公転する。Ｃ１には、金属チタンターゲット、Ｃ２にはＡｌＣｒＳｉ合金ターゲット、Ｃ３にはＴｉＳｉ合金ターゲットを設置した。
　＜基材＞
　基材は、組成がＷＣ（ｂａｌ．）－Ｃｏ（８質量％）－Ｃｒ（０．５質量％）－ＶＣ（０．３質量％）、ＷＣ平均粒度０．６μｍ、硬度９３．９ＨＲＡ、からなる超硬合金製の２枚刃ボールエンドミル（株式会社ＭＯＬＤＩＮＯ製）を準備した。なお、ＷＣは炭化タングステンを、Ｃｏはコバルトを、Ｃｒはクロムを、ＶＣは炭化バナジウムを、それぞれ表す。
　＜加熱および真空排気工程＞
　実施例１、２の製造工程では、基材をそれぞれ真空容器内のパイプ状冶具に固定し、成膜前プロセスを以下のように実施した。まず、真空容器内を８×１０－３Ｐａ以下に真空排気した。その後、真空容器内に設置したヒーターにより、基材温度が５５０℃になるまで加熱しながら、真空排気を行った。これにより、基材温度を５５０℃、真空容器内の圧力を８×１０－３Ｐａ以下とした。
　＜Ａｒボンバード工程＞
　その後、真空容器内にＡｒガスを導入し、容器内圧を０．６７Ｐａとした。その後、フィラメント電極に２０Ａの電流を供給し、基材に－２００Ｖの負圧のバイアス電圧を印加し、Ａｒボンバードを４分間実施した。
　＜Ｔｉボンバード工程＞
　その後、真空容器内の圧力が８×１０－３Ｐａ以下になるように真空排気した。続いて、Ａｒガスを導入して真空容器内の圧力を０．１Ｐａとし、基材にバイアス電圧を印加して、Ｃ１に１５０Ａのアーク電流を供給してＴｉボンバード処理を実施した。
　＜成膜工程＞
　Ｔｉボンバード後、直ちにＣ１への電力供給を中断した。そして、真空容器内のガスを窒素に置き換え、真空容器内の圧力を５Ｐａ、基材設定温度を５２０℃とした。Ｃ２に１５０Ａの電力を供給し、基材に印加する負圧のバイアス電圧を－２００Ｖ、カソード電圧を２５Ｖとしてｆｃｃ構造からなる約２μｍのＡｌ５６Ｃｒ３７Ｓｉ６の窒化物（数値は原子比率、以下同様）を被覆した。続いて、Ｃ３に１５０Ａの電力を供給し、基材に印加する負圧のバイアス電圧を－１００Ｖ、カソード電圧を２５Ｖとしてｆｃｃ構造からなる約１μｍのＴｉ７５Ｓｉ２５の窒化物を被覆した。その後、略２５０℃以下に基材を冷却して真空容器から取り出した。実施例１、２は同一条件で別々に被覆した。
　比較例１、２の製造工程では、上記の実施例１、２の製造工程において、Ｔｉボンバードを実施する前に炉内にＡｒを導入せずに、真空容器内の圧力が８×１０－３Ｐａ以下でＴｉボンバードを実施した。また、５５０℃としていたＴｉボンバード工程の温度を５２０℃に変化させた。比較例１、２の皮膜は同一条件で別々に被覆した。
　皮膜構造を確認するため、電界放射型透過電子顕微鏡（日本電子株式会社製　ＪＥＭ－２０１０Ｆ型）を用いてボールエンドミルの刃先部の断面観察を実施した。試料を切断しダミー基板上にエポキシ樹脂を用いて接着した。その後、切断、Ｍｏ製補強リング接着、研磨、ディンプリング、Ａｒイオンミーリングを行って測定用の試料を準備した。測定前にはカーボン蒸着を施した。加速電圧を２００ｋＶで観察、組成分析、ナノビーム回折を実施した。
　組成は顕微鏡に付属のＵＴＷ型Ｓｉ（Ｌｉ）半導体検出器を用いてビーム径１ｎｍで分析した。
　組成分析において、微小なピークに対しては、バックグラウンドの揺らぎによるピークと判別するために、バックグラウンドの強度の標準偏差に対して３倍以上の強度を有する場合のみ、元素の検出ピークであるとみなした。ナノビーム回折は、カメラ長５０ｃｍとし、２ｎｍ以下のビーム径で分析した。
　図１は、実施例１の工具刃先部の透過電子顕微鏡写真である。図中の１が示すポイントは基材、２が示すポイントはＡ層、３が示すポイントはＢ層である。図２～図７に、実施例１の被覆切削工具の分析結果を示す。
　表１に、中間皮膜（Ａ層）の分析結果を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　実施例１、２のＡ層は、ＷとＴｉ以外の元素の含有比率が少なく、面心立方格子構造（ｆｃｃ構造）となった。一方、比較例1、２のＡ層は硬質皮膜の成分であるＡｌまたはＳｉを多く含有しており、六方最密充填構造（ｈｃｐ構造）であった。比較例１、２のＡ層では、膜内において組成差が大きくなることが確認された。
　実施例１、２の被覆切削工具について、以下の加工条件で切削評価を行った。
　<切削条件>
・工具：２枚刃超硬ボールエンドミル
・型番：ＥＰＤＢＥ２０１０－６、工具半径０．５ｍｍ
・乾式加工
・切削方法：底面切削
・被削材：ＳＴＡＶＡＸ（５２ＨＲＣ）（ウッデホルム社製）・切り込み：軸方向、０．０４ｍｍ、径方向、０．０４ｍｍ・切削速度：７５．４ｍ／ｍｉｎ
・一刃送り量：０．０１７９ｍｍ／刃
・切削距離：１５ｍ
　実施例１、２の被覆切削工具は、逃げ面最大摩耗幅が２０μｍ未満と小さく、均一で安定した摩耗形態を示し、耐久性に優れることが確認された。一方、比較例１、２の被覆切削工具は、実施例１、２の被覆切削工具と比較して、硬質皮膜の摩耗状態がやや不均一であった。本発明の被覆切削工具によれば、中間皮膜の組成のバラつきが少ないことで、硬質皮膜の膜質を向上させることができ、様々な加工条件においても安定した工具性能を発揮することが期待される。

Claims (5)

  1. 　基材の表面が硬質皮膜で被覆された被覆切削工具であって、
    　前記硬質皮膜は、前記基材の表面に配置され、金属（半金属を含む）元素のうちＷを最も多く含有し、次いでＴｉを多く含有するＷとＴｉの合計の含有比率が８５原子％以上である面心立方格子構造のＡ層と、前記Ａ層の上に配置され、金属（半金属を含む）元素のうちＡｌの含有比率（原子％）が５０％以上、ＡｌとＣｒの合計の含有比率（原子％）が８５％以上、Ｓｉの含有比率（原子％）が４％以上１５％以下であるＡｌとＣｒとＳｉを含有する窒化物又は炭窒化物からなる面心立方格子構造のＢ層と、を含む被覆切削工具。
  2. 　前記Ａ層は、金属（半金属を含む）元素のうちＷとＴｉの合計の含有比率が９０原子％以上である請求項１に記載の被覆切削工具。
  3. 　前記Ａ層は、金属（半金属を含む）元素のうちＡｌとＳｉの合計の含有比率が１０原子％以下である請求項１または２に記載の被覆切削工具。
  4. 　前記Ｂ層の上には、金属（半金属を含む）の窒化物又は炭窒化物からなるＣ層を更に有する請求項１ないし３の何れか１項に記載の被覆切削工具。
  5. 　前記Ｃ層は、金属（半金属を含む）元素のうちＴｉの含有比率（原子％）が５０％以上であり、Ｓｉの含有比率（原子％）が１％以上３０％以下である窒化物又は炭窒化物からなる請求項４に記載の被覆切削工具。
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