WO2023008130A1 - 被覆工具および切削工具 - Google Patents

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WO2023008130A1
WO2023008130A1 PCT/JP2022/026964 JP2022026964W WO2023008130A1 WO 2023008130 A1 WO2023008130 A1 WO 2023008130A1 JP 2022026964 W JP2022026964 W JP 2022026964W WO 2023008130 A1 WO2023008130 A1 WO 2023008130A1
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WO
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coating layer
value
layer
substrate
coated tool
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/026964
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
啓 吉見
聡史 森
Original Assignee
京セラ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 京セラ株式会社 filed Critical 京セラ株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B27/00—Tools for turning or boring machines; Tools of a similar kind in general; Accessories therefor
    • B23B27/14—Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material

Definitions

  • the present disclosure relates to coated tools and cutting tools.
  • a coated tool has a substrate made of a WC-based cemented carbide having WC particles as a hard phase component and Co as a main component of a binder phase, and a first coating layer positioned on the substrate.
  • the first coating layer is selected from the group consisting of at least one element selected from the group consisting of Al, Cr, Si, Group 4 elements, Group 5 elements and Group 6 elements, and C and N and at least one element.
  • Ti is the maximum value (atm%) of Ti obtained by elemental analysis in the transverse direction from the first coating layer to the WC grains in the interface region between the substrate and the first coating layer in the cross section perpendicular to the surface of the substrate.
  • Ti (WC) value and the maximum value (atm%) of Ti obtained by elemental analysis in the transverse direction from the first coating layer to the binder phase is the Ti (Co) value
  • Ti (WC) value and Ti (Co ) value Ti(Co) value/Ti(WC) value
  • Ti(Co/WC) ratio Ti(Co/WC) ratio
  • FIG. 1 is a perspective view showing an example of a coated tool according to an embodiment
  • FIG. FIG. 2 is a side cross-sectional view showing an example of the coated tool according to the embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic enlarged view of the interface region between the substrate and the first coating layer.
  • FIG. 6 is a front view showing an example of the cutting tool according to the embodiment;
  • FIG. 7 shows sample no. 1 to No. 20 is a table summarizing the manufacturing conditions of the intermediate layer of No. 20.
  • FIG. FIG. 8 shows sample no. 1 to No.
  • FIG. 20 is a table summarizing the average composition of the first coating layer, the presence/absence of Ti content in the intermediate layer, the Ti (Co/WC) ratio, and the average layer thickness of the Ti-containing layer on the WC particles.
  • FIG. 9 shows sample no. 1 to No. 20 is a table summarizing the results of oxidation, wear and peel tests for No. 20;
  • FIG. 10 is a scanning transmission electron microscope image of a coated tool according to an example.
  • FIG. 11 is a WC mapping image of the coated tool according to the example.
  • FIG. 12 is a Co mapping image of the coated tool according to the example.
  • FIG. 13 is a Ti mapping image of the coated tool according to Example.
  • FIG. 14 is a diagram showing a WC extraction range and a Co extraction range.
  • FIG. 15 is a graph showing the measurement results of the Ti amount in the WC upper extraction range and the Co upper extraction range.
  • ⁇ Coated tool> 1 is a perspective view showing an example of a coated tool according to an embodiment
  • FIG. 2 is a sectional side view which shows an example of the coated tool 1 which concerns on embodiment.
  • the coated tool 1 according to the embodiment has a tip body 2.
  • FIG. 1 shows a perspective view showing an example of a coated tool according to an embodiment
  • Chip body 2 has, for example, a hexahedral shape in which the upper and lower surfaces (surfaces intersecting the Z-axis shown in FIG. 1) are parallelograms.
  • the cutting edge has a first surface (eg, top surface) and a second surface (eg, side surface) contiguous with the first surface.
  • the first surface functions as a "rake surface” for scooping chips generated by cutting
  • the second surface functions as a "flank surface”.
  • a cutting edge is positioned on at least a part of the ridge line where the first surface and the second surface intersect, and the coated tool 1 cuts the work material by bringing the cutting edge into contact with the work material.
  • a through hole 5 penetrating vertically through the chip body 2 is located in the center of the chip body 2 .
  • a screw 75 for attaching the coated tool 1 to a holder 70, which will be described later, is inserted into the through hole 5 (see FIG. 6).
  • the chip body 2 has a substrate 10 and a coating layer 20. As shown in FIG. 2, the chip body 2 has a substrate 10 and a coating layer 20. As shown in FIG.
  • Substrate 10 is made of cemented carbide, for example.
  • Cemented carbide contains W (tungsten), specifically WC (tungsten carbide).
  • the cemented carbide may contain Ni (nickel) or Co (cobalt).
  • the substrate 10 is made of a WC-based cemented carbide containing WC particles as a hard phase component and Co as a main component of a binder phase.
  • the coating layer 20 is coated on the substrate 10 for the purpose of improving wear resistance, heat resistance, etc. of the substrate 10, for example.
  • the coating layer 20 covers the substrate 10 entirely.
  • the coating layer 20 may be positioned at least on the substrate 10 .
  • the first surface here, the upper surface
  • the first surface has high wear resistance and heat resistance.
  • the second surface here, side surface
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of the coating layer 20 according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a model enlarged view of the H section shown in FIG.
  • the covering layer 20 has a first covering layer 23 positioned on the intermediate layer 22 and a second covering layer 24 positioned on the first covering layer 23 .
  • the first coating layer 23 is selected from the group consisting of at least one element selected from the group consisting of Al, Cr, Si, Group 4 elements, Group 5 elements and Group 6 elements, and C and N. and at least one element.
  • the first coating layer 23 may contain Al, Cr, Si and N. That is, the first coating layer 23 may be an AlCrSiN layer containing AlCrSiN, which is a nitride of Al, Cr and Si.
  • AlCrSiN means that Al, Cr, Si and N are present in an arbitrary ratio, and the ratio of Al, Cr, Si and N is not necessarily 1:1:1:1. It is not meant to exist.
  • the adhesion between the intermediate layer 22 and the coating layer 20 is high. This makes it difficult for the covering layer 20 to separate from the intermediate layer 22, so that the durability of the covering layer 20 is high.
  • the first covering layer 23 has a plurality of first layers 23a and a plurality of second layers 23b.
  • the first covering layer 23 has a striped configuration in which first layers 23a and second layers 23b are alternately laminated in the thickness direction.
  • the second layer 23b is formed on the first layer 23a.
  • the thicknesses of the first layer 23a and the second layer 23b may each be 50 nm or less. Since the thin first layer 23a and the second layer 23b have a small residual stress and are less likely to be peeled off or cracked, the durability of the coating layer 20 is increased.
  • the second coating layer 24 may contain Ti, Si and N. That is, the second coating layer 24 may be a nitride layer (TiSiN layer) containing Ti and Si. Note that the expression “TiSiN layer” means that Ti, Si, and N are present in an arbitrary ratio, and that Ti, Si, and N are necessarily present in a ratio of 1:1:1. not something to do.
  • the adhesion resistance of the coated tool 1 can be improved.
  • the hardness of the second coating layer 24 is high, the wear resistance of the coated tool 1 can be improved.
  • the oxidation initiation temperature of the second coating layer 24 is high, the oxidation resistance of the coated tool 1 can be improved.
  • the second coating layer 24 may have a striped structure in which at least two layers are positioned in the thickness direction. Each layer of the striped structure of the second coating layer 24 may contain Ti, Si, and N, for example.
  • the second coating layer 24 has a Ti content (hereinafter referred to as “Ti content”), a Si content (hereinafter referred to as “Si content”), and an N content (hereinafter referred to as “Si content”). , “N content”) may repeat increase and decrease along the thickness direction of the second coating layer 24 .
  • Ti content Ti content
  • Si content Si content
  • Si content an N content
  • N content N content
  • the total of Ti and Si may be 98 atomic % or more.
  • the second coating layer 24 may have third layers and fourth layers alternately positioned in the thickness direction.
  • the coating layer 20 may be formed, for example, by physical vapor deposition.
  • physical vapor deposition include ion plating and sputtering.
  • the coating layer when the coating layer is produced by the ion plating method, the coating layer can be produced by the following method.
  • metal targets of Cr, Si and Al, composite alloy targets, or sintered targets are prepared.
  • the target which is a metal source
  • a metal source is vaporized and ionized by arc discharge, glow discharge, or the like.
  • the ionized metal is reacted with a nitrogen source such as nitrogen (N 2 ) gas, etc., and deposited on the surface of the substrate.
  • a nitrogen source such as nitrogen (N 2 ) gas, etc.
  • An AlCrSiN layer can be formed by the above procedure.
  • the temperature of the substrate is set to 500 to 550° C.
  • the nitrogen gas pressure is set to 1.0 to 6.0 Pa
  • a DC bias voltage of ⁇ 50 to ⁇ 200 V is applied to the substrate
  • the arc discharge current is set to 100 to 100. It may be 200A.
  • the voltage and current values during arc discharge and glow discharge applied to the aluminum metal target, the chromium metal target, the aluminum-silicon composite alloy target, and the chromium-silicon composite alloy target are respectively Adjustments can be made by controlling each target independently.
  • the composition of the coating layer can also be adjusted by controlling the coating time and atmospheric gas pressure.
  • the amount of ionization of the target metal can be changed by changing the voltage/current values during arc discharge/glow discharge.
  • the ionization amount of the target metal can be changed periodically.
  • the ionization amount of the target metal can be changed periodically. Thereby, in the thickness direction of the coating layer, the content ratio of each metal element can be changed at each cycle.
  • the composition of Al, Si, and Cr is changed so that the amounts of Al and Si are reduced and the amounts of Cr are increased, and then the amounts of Al and Si are increased. It is possible to fabricate a first covering layer 23 having a first layer 23a and a second layer 23b by varying the composition of Al, Si, Cr such that .
  • the second coating layer 24 which is a TiSiN layer.
  • the second coating layer 24 may also be formed by physical vapor deposition.
  • a Ti metal target and a Ti—Si composite alloy target are prepared.
  • the second coating layer 24 having a striped structure can be produced by independently controlling the voltage/current values applied to each prepared target during arc discharge/glow discharge.
  • the temperature of the substrate is set to 500 to 600° C.
  • the nitrogen gas pressure is set to 1.0 to 6.0 Pa
  • a DC bias voltage of ⁇ 50 to ⁇ 200 V is applied to the substrate
  • the arc discharge current is set to 100 to 100.
  • 200A and the arc current change period may be 0.01 to 0.5 min.
  • An intermediate layer 22 may be positioned between the substrate 10 and the covering layer 20 . Specifically, the intermediate layer 22 is in contact with the upper surface of the substrate 10 on one surface (here, the lower surface) and on the lower surface of the coating layer 20 (the first coating layer 23) on the other surface (here, the upper surface). touch.
  • the intermediate layer 22 has higher adhesion to the substrate 10 than the coating layer 20 does.
  • metal elements having such properties include Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al, Si, Y, and Ti.
  • the intermediate layer 22 contains at least one metal element among the above metal elements.
  • intermediate layer 22 may contain Ti.
  • Si is a metalloid element, metalloid elements are also included in metal elements in this specification.
  • the content of Ti in the intermediate layer 22 may be 1.5 atomic % or more.
  • the content of Ti in intermediate layer 22 may be 2.0 atomic % or more.
  • the intermediate layer 22 may contain metal element components other than the above metal elements (Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al, Si, Y, Ti). However, from the viewpoint of adhesion to the substrate 10, the intermediate layer 22 may contain at least 95 atomic percent of the above metal elements in total. More preferably, the intermediate layer 22 may contain the above metal elements in a total amount of 98 atomic % or more.
  • the ratio of metal components in intermediate layer 22 can be identified by analysis using, for example, an EDS (energy dispersive X-ray spectroscope) attached to a STEM (scanning transmission electron microscope).
  • the substrate 10 and the coating layer 20 can be improved.
  • the intermediate layer 22 has high adhesion to the covering layer 20 , the covering layer 20 is less likely to separate from the intermediate layer 22 .
  • the thickness of the intermediate layer 22 may be, for example, 0.1 nm or more and less than 20.0 nm.
  • FIG. 5 is a schematic enlarged view of the interface region between the substrate 10 and the first coating layer 23.
  • FIG. FIG. 5 shows the interface region between the substrate 10 and the first coating layer 23 in a cross section perpendicular to the surface of the substrate 10. As shown in FIG.
  • the intermediate layer 22 located in the interface region between the substrate 10 and the first coating layer 23 is mostly located on the WC particles 10a among the WC particles 10a and the binder phase 10b contained in the substrate 10. are doing.
  • the maximum value (atm%) of Ti obtained by elemental analysis in the transverse direction from the first coating layer 23 to the WC grains 10a is defined as the Ti (WC) value, and from the first coating layer 23 to the WC
  • the Ti (Co) value is the maximum value (atm %) of Ti obtained by elemental analysis across the binder phase 10b.
  • the ratio of the Ti (WC) value to the Ti (Co) value is defined as the Ti (Co/WC) ratio.
  • the coated tool 1 according to the embodiment has a Ti (Co/WC) ratio of 0.8 or less.
  • the first coating layer made of elements has room for improvement in adhesion to WC particles.
  • Ti has good adhesion to both the first coating layer and the WC particles. Therefore, as in the coated tool 1 according to the embodiment, by introducing the intermediate layer 22 containing Ti between the first coating layer 23 and the WC particles 10a, adhesion between the substrate 10 and the first coating layer 23 can be improved. can improve power.
  • the intermediate layer 22 having the above configuration can be obtained, for example, by the following manufacturing method.
  • the substrate Under a reduced pressure environment of 8 ⁇ 10 -3 to 1 ⁇ 10 -4 Pa, the substrate is heated to a surface temperature of 500 to 600°C. Next, argon gas is introduced as an atmospheric gas, and the pressure is maintained at 3.0 Pa. Next, argon bombardment treatment is performed for 11 minutes with a bias voltage of ⁇ 400 V (argon bombardment pretreatment). Next, reduce the pressure to 0.1 Pa, apply an arc current of 100 to 200 A to the Ti metal evaporation source, and treat for 0.3 minutes to form a Ti-containing layer as an intermediate layer on the surface of the substrate. (Ti-containing layer deposition process). After that, argon gas is introduced as an atmosphere gas, the pressure is maintained at 3.0 Pa, and the bias voltage is -200 V, and argon bombardment treatment is performed for 1 minute (argon bombardment post-treatment).
  • argon gas is introduced as an atmosphere gas, the pressure is maintained at 3.0 Pa, and the bias voltage is -200 V, and argon bombardment treatment is performed for 1
  • the Ti-containing layer may contain, for example, another metal element by diffusion.
  • the Ti-containing layer may contain 50 to 98 atomic % of metal elements other than Ti.
  • the adhesion between the binding phase containing Co and Ti is poor. Therefore, the overall adhesion between the substrate and the coating layer is improved when the amount of Ti located on the Co-containing binder phase is as small as possible. Therefore, as in the coated tool 1 according to the embodiment, among the WC particles 10a and the binder phase 10b contained in the substrate 10, by adopting a configuration in which more Ti is positioned on the WC particles 10a, the substrate 10 and the second 1 The adhesion to the coating layer 23 can be improved, and thereby the wear resistance and chipping resistance of the coated tool 1 can be improved.
  • At least part of the binding phase 10b may be in contact with the first coating layer 23 in a cross section perpendicular to the surface of the substrate 10.
  • Adhesion between a first coating layer comprising at least one element selected from the group consisting of Al, Cr, Si, Group 4 elements, Group 5 elements and Group 6 elements and a binder phase containing Co is better compared to the adhesion between the Co-containing binder phase and Ti. Therefore, when at least a portion of the binding phase 10b is in contact with the first coating layer 23, the adhesion between the substrate 10 and the first coating layer 23 can be further improved, and the wear resistance of the coated tool 1 can be improved. , the chipping resistance can be further improved.
  • a configuration in which at least part of the bonding phase 10b is in contact with the first coating layer 23 can be manufactured, for example, under the following conditions.
  • the region containing Ti on the WC grains 10a in the interface region that is, the thickness of the intermediate layer 22 on the WC grains 10a may be 1 nm or more and 15 nm or less.
  • the thickness of the intermediate layer 22 is 1 nm or more, the adhesion effect between the first coating layer 23 and the WC particles 10a is more exhibited. is suppressed. Therefore, by setting the thickness of the intermediate layer 22 on the WC particles 10a to 1 nm or more and 15 nm or less, the adhesion between the substrate 10 and the first coating layer 23 can be further improved, and the wear resistance of the coated tool 1, Fracture resistance can be further improved.
  • the intermediate layer 22 having a thickness of 1 nm or more and 15 nm or less on the WC particles 10a can be produced, for example, under the following conditions.
  • FIG. 6 is a front view showing an example of the cutting tool according to the embodiment.
  • the cutting tool 100 has a coated tool 1 and a holder 70 for fixing the coated tool 1. As shown in FIG. 6, the cutting tool 100 according to the embodiment has a coated tool 1 and a holder 70 for fixing the coated tool 1. As shown in FIG. 6, the cutting tool 100 according to the embodiment has a coated tool 1 and a holder 70 for fixing the coated tool 1. As shown in FIG. 6, the cutting tool 100 according to the embodiment has a coated tool 1 and a holder 70 for fixing the coated tool 1. As shown in FIG.
  • the holder 70 is a rod-shaped member extending from a first end (upper end in FIG. 6) toward a second end (lower end in FIG. 6).
  • the holder 70 is made of steel or cast iron, for example. In particular, among these members, it is preferable to use steel with high toughness.
  • the holder 70 has a pocket 73 at the end on the first end side.
  • the pocket 73 is a portion to which the coated tool 1 is mounted, and has a seating surface that intersects with the rotational direction of the work material and a restraining side surface that is inclined with respect to the seating surface.
  • the seating surface is provided with screw holes into which screws 75, which will be described later, are screwed.
  • the coated tool 1 is positioned in the pocket 73 of the holder 70 and attached to the holder 70 with screws 75 . That is, the screw 75 is inserted into the through hole 5 of the coated tool 1, and the tip of the screw 75 is inserted into the screw hole formed in the seating surface of the pocket 73 to screw the screw portions together. Thereby, the coated tool 1 is attached to the holder 70 so that the cutting edge portion protrudes outward from the holder 70 .
  • the embodiment exemplifies a cutting tool used for so-called turning.
  • Turning includes, for example, inner diameter machining, outer diameter machining, and grooving.
  • the cutting tools are not limited to those used for turning.
  • the coated tool 1 may be used as a cutting tool used for milling.
  • cutting tools used for milling include flat milling cutters, face milling cutters, side milling cutters, grooving milling cutters, single-blade end mills, multiple-blade end mills, tapered blade end mills, ball end mills, and other end mills. .
  • Sample No. having a coating layer on a substrate made of WC-based cemented carbide. 1 to No. 20 was made.
  • Sample no. 1 to No. The manufacturing conditions of the intermediate layer of 20 are as shown in FIG.
  • sample no. 1 to No. 20, sample no. 1 to No. 4, No. 6 to No. 9, No. 11, No. 14, No. 17 corresponds to an example of the present disclosure
  • sample no. 5, No. 10, No. 12, No. 13, No. 15, No. 16, No. 18 to No. 20 corresponds to the comparative example.
  • the "number of repetitions" shown in FIG. 7 is the number of repetitions of one set when the intermediate layer formation treatment and the Ar bombardment post-treatment are regarded as one set.
  • Fig. 8 shows sample No. 1 to No. 20 is a table summarizing the average composition of the first coating layer, the presence/absence of Ti content in the intermediate layer, the Ti (Co/WC) ratio, and the average layer thickness of the Ti-containing layer on the WC particles.
  • the first covering layer 10 has is an AlCrSiN layer. Specifically, sample no. 1 to No. 10 had an average composition of the first coating layer of (Al 50 Cr 39 Si 11 )N. Sample no. 11 to No. The first covering layer 13 has is an AlCrN layer. Specifically, sample no. 11 to No. 13 had an average composition of the first coating layer of (Al 50 Cr 50 )N. Sample no. 14 to No. 16, No. The first covering layer 20 has is a TiAlN layer. Specifically, sample no. 14 to No. 16, No. 20 had an average composition of the first coating layer of (Ti 50 Al 50 )N. Sample no. 17 to No. The first covering layer 19 has is a TiAlSiN layer. Specifically, sample no. 17 to No. 19 had an average composition of the first coating layer of (Ti 50 Al 40 Si 10 )N.
  • Sample No. 1 to No. 20 sample no. 1 to No. 9, No. 11, No. 12, No. 14, No. 15, No. 17, No. 18 has an intermediate layer containing Ti.
  • sample no. 10, No. 13, No. 16, No. 19 does not have an intermediate layer.
  • sample no. 20 does not have a Ti-containing intermediate layer, but does have a Cr-containing intermediate layer.
  • sample No. 3 is 7 nm
  • sample No. 4 is 6 nm
  • sample No. 5 is 10 nm
  • sample No. 6 is 9 nm
  • sample No. 8 is 15 nm
  • sample No. 9 is 18 nm
  • sample No. 11 is 8 nm
  • No. 12 is 6 nm
  • No. 14 is 8 nm
  • No. 15 is 6 nm
  • No. 17 is 8 nm
  • No. 18 was 6 nm.
  • Fig. 9 shows sample No. 1 to No. 20 is a table summarizing the results of oxidation, wear and peel tests for No. 20;
  • the test conditions for the oxidation test, abrasion test and peeling test are as follows.
  • the thickness of the oxide film was observed by processing the cross section of the platinum wire after the test and observing the film state from the cross section. It should be noted that the smaller the oxide film thickness, the better the oxidation resistance.
  • ⁇ Peeling test> A peel test was performed using a scratch tester. The load range was 20 to 150 N, and the load at which peeling occurred was evaluated.
  • sample No. 1 has an intermediate layer containing Ti and has a Ti (Co/WC) ratio of 0.8 or less. 1 to No. 4, No. 6 to No. 9, No. 11, No. 14, No. As for No. 17, the adhesion of the film was high and the abrasion resistance was high compared to the samples with a Ti (Co/WC) ratio of more than 0.8.
  • sample No. 1 in which the average layer thickness of the Ti-containing layer on the WC particles is 15 nm or less and the average composition of the first coating layer is (Al 50 Cr 40 Si 10 )N. 1 to No. 4, No. 6 to No. As for No. 9, it was excellent in oxidation resistance, abrasion resistance, and adhesion to the film.
  • Sample no. 2 was subjected to surface analysis by EDX analysis (energy dispersive X-ray analysis). Analysis conditions are as follows. (1) Sample pretreatment: Thinning by FIB method ( ⁇ -sampling method) (2) Elemental analysis (area analysis) (3) Scanning transmission electron microscope: JEM-ARM200F manufactured by JEOL Ltd. (4) Acceleration voltage: 200 kV (5) Beam diameter: about 0.2 nm ⁇ (6) Elemental analyzer: JED-2300T (7) X-ray detector: Si drift detector (8) Energy resolution: about 140 eV (9) X-ray extraction angle: 21.9° (10) Solid angle: 0.98sr (11) Number of captured pixels: 256 ⁇ 256
  • FIG. 10 is a scanning transmission electron microscope image of the coated tool according to Example. Specifically, FIG. 10 shows a scanning transmission electron microscope image (HAADF-STEM image) of the interface region between the substrate and the first coating layer in a cross section perpendicular to the surface of the substrate.
  • HAADF-STEM image a scanning transmission electron microscope image of the interface region between the substrate and the first coating layer in a cross section perpendicular to the surface of the substrate.
  • FIG. 11 to 13 show elemental mapping images in the same region as the scanning transmission electron microscope image shown in FIG. Specifically, FIG. 11 is a WC mapping image of the coated tool according to the example, FIG. 12 is a Co mapping image of the coated tool according to the example, and FIG. It is a Ti mapping image.
  • At least part of the Co-containing binder phase is in contact with the first coating layer.
  • FIG. 14 is a diagram showing the extraction range on WC and the extraction range on Co.
  • the WC extraction range was defined as a 50.0 nm long region along the transverse direction from the first coating layer to the WC grains.
  • the origin (0.0 nm) of the extraction range on WC is located at the first coating layer and the end point (50.0 nm) is located at the WC grain.
  • a range of 50.0 nm in length along the transverse direction from the first coating layer to the binder phase containing Co was defined as the Co extraction range.
  • the origin (0.0 nm) of the extraction range on Co is located at the first coating layer and the end point (50.0 nm) is located at the binder phase.
  • FIG. 15 is a graph showing the measurement results of the Ti amount in the WC upper extraction range and the Co upper extraction range.
  • the Ti amount measured in the WC upper extraction range is indicated by white circles
  • the Ti amount measured in the Co upper extraction range is indicated by black circles.
  • the maximum value of the Ti amount (atm%) obtained by elemental analysis of the WC extraction range is the Ti (WC) value
  • the Ti amount (atm%) obtained by elemental analysis of the Co extraction range is the Ti (Co) value.
  • the Ti(WC) value was approximately 2.55 atm % and the Ti(Co) value was 1.35 atm %.
  • the ratio of the Ti(WC) value to the Ti(Co) value was about 0.53.
  • the ratio of the Ti (WC) value to the Ti (Co) value is 0.8 or less.
  • the coated tool according to the embodiment includes WC particles (WC particles 10a as an example) as hard phase components and Co as a binder phase (as an example binder phase 10b) and a first coating layer (eg, first coating layer 23) positioned on the substrate (eg, substrate 10) made of a WC-based cemented carbide as a main component.
  • the first coating layer is selected from the group consisting of at least one element selected from the group consisting of Al, Cr, Si, Group 4 elements, Group 5 elements and Group 6 elements, and C and N. and at least one element.
  • Ti is the maximum value (atm%) of Ti obtained by elemental analysis in the transverse direction from the first coating layer to the WC grains in the interface region between the substrate and the first coating layer in the cross section perpendicular to the surface of the substrate.
  • (WC) value, and the maximum value (atm%) of Ti obtained by elemental analysis in the transverse direction from the first coating layer to the binder phase is the Ti (Co) value
  • the Ti (WC) value and Ti (Co ) value Ti(Co) value/Ti(WC) value
  • Ti(Co/WC) ratio is 0.8 or less.
  • the coated tool according to the embodiment it is possible to improve the adhesion between the coating layer and the substrate.
  • a coated tool according to the present disclosure includes a rod-shaped body having an axis of rotation and extending from a first end to a second end, a cutting edge located at the first end of the body, and a cutting edge extending from the cutting edge to the second end of the body. It may have a groove extending spirally toward the side.

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Abstract

本開示による被覆工具は、ＷＣ粒子を硬質相成分とし、Ｃｏを結合相の主成分とするＷＣ基超硬合金からなる基体と、基体の上に位置する第１被覆層とを有する。基体の表面に垂直な断面における、基体と第１被覆層との界面領域において、第１被覆層からＷＣ粒子にわたって横断する方向に元素分析して得られたＴｉの最大値（ａｔｍ％）をＴｉ（ＷＣ）値とし、第１被覆層から結合相にわたって横断する方向に元素分析して得られたＴｉの最大値（ａｔｍ％）をＴｉ（Ｃｏ）値とし、Ｔｉ（ＷＣ）値とＴｉ（Ｃｏ）値との比率（Ｔｉ（Ｃｏ）値／Ｔｉ（ＷＣ）値）をＴｉ（Ｃｏ／ＷＣ）比率とした場合、Ｔｉ（Ｃｏ／ＷＣ）比率が、０．８以下である。

Description

被覆工具および切削工具
　本開示は、被覆工具および切削工具に関する。
　旋削加工や転削加工等の切削加工に用いられる工具として、超硬合金、サーメット、セラミックス等の基体の表面を被覆層でコーティングすることによって耐摩耗性等を向上させた被覆工具が知られている。
国際公開第２０１９／１４６７１０号 特開２０１７－１９３００４号公報
　本開示の一態様による被覆工具は、ＷＣ粒子を硬質相成分とし、Ｃｏを結合相の主成分とするＷＣ基超硬合金からなる基体と、基体の上に位置する第１被覆層とを有する。第１被覆層は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、第４族元素、第５族元素および第６族元素からなる群より選択される少なくとも１種の元素と、ＣおよびＮからなる群より選択される少なくとも１種の元素と、からなる。基体の表面に垂直な断面における、基体と第１被覆層との界面領域において、第１被覆層からＷＣ粒子にわたって横断する方向に元素分析して得られたＴｉの最大値（ａｔｍ％）をＴｉ（ＷＣ）値とし、第１被覆層から結合相にわたって横断する方向に元素分析して得られたＴｉの最大値（ａｔｍ％）をＴｉ（Ｃｏ）値とし、Ｔｉ（ＷＣ）値とＴｉ（Ｃｏ）値との比率（Ｔｉ（Ｃｏ）値／Ｔｉ（ＷＣ）値）をＴｉ（Ｃｏ／ＷＣ）比率とした場合、Ｔｉ（Ｃｏ／ＷＣ）比率が、０．８以下である。
図１は、実施形態に係る被覆工具の一例を示す斜視図である。 図２は、実施形態に係る被覆工具の一例を示す側断面図である。 図３は、実施形態に係る被覆層の一例を示す断面図である。 図４は、図３に示すＨ部の模式拡大図である。 図５は、基体と第１被覆層との界面領域の模式的な拡大図である。 図６は、実施形態に係る切削工具の一例を示す正面図である。 図７は、試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．２０が有する中間層の製造条件をまとめた表である。 図８は、試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．２０が有する第１被覆層の平均組成、中間層のＴｉ含有の有無、Ｔｉ（Ｃｏ／ＷＣ）比率、ＷＣ粒子上のＴｉ含有層の平均層厚をまとめた表である。 図９は、試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．２０に対する酸化試験、摩耗試験および剥離試験の結果をまとめた表である。 図１０は、実施例に係る被覆工具の走査透過電子顕微鏡像である。 図１１は、実施例に係る被覆工具のＷＣマッピング像である。 図１２は、実施例に係る被覆工具のＣｏマッピング像である。 図１３は、実施例に係る被覆工具のＴｉマッピング像である。 図１４は、ＷＣ上抽出範囲およびＣｏ上抽出範囲を示す図である。 図１５は、ＷＣ上抽出範囲およびＣｏ上抽出範囲におけるＴｉ量の測定結果を示すグラフである。
　以下に、本開示による被覆工具および切削工具を実施するための形態（以下、「実施形態」と記載する）について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施形態により本開示による被覆工具および切削工具が限定されるものではない。また、各実施形態は、処理内容を矛盾させない範囲で適宜組み合わせることが可能である。また、以下の各実施形態において同一の部位には同一の符号を付し、重複する説明は省略される。
　また、以下に示す実施形態では、「一定」、「直交」、「垂直」あるいは「平行」といった表現が用いられる場合があるが、これらの表現は、厳密に「一定」、「直交」、「垂直」あるいは「平行」であることを要しない。すなわち、上記した各表現は、例えば製造精度、設置精度などのずれを許容するものとする。
　上述した従来技術には、被覆層と基体との密着性を向上させるという点で更なる改善の余地がある。
＜被覆工具＞
　図１は、実施形態に係る被覆工具の一例を示す斜視図である。また、図２は、実施形態に係る被覆工具１の一例を示す側断面図である。図１に示すように、実施形態に係る被覆工具１は、チップ本体２を有する。
（チップ本体２）
　チップ本体２は、たとえば、上面および下面（図１に示すＺ軸と交わる面）の形状が平行四辺形である六面体形状を有する。
　チップ本体２の１つのコーナー部は、切刃部として機能する。切刃部は、第１面（たとえば上面）と、第１面に連接する第２面（たとえば側面）とを有する。実施形態において、第１面は切削により生じた切屑をすくい取る「すくい面」として機能し、第２面は「逃げ面」として機能する。第１面と第２面とが交わる稜線の少なくとも一部には、切刃が位置しており、被覆工具１は、かかる切刃を被削材に当てることによって被削材を切削する。
　チップ本体２の中央部には、チップ本体２を上下に貫通する貫通孔５が位置する。貫通孔５には、後述するホルダ７０に被覆工具１を取り付けるためのネジ７５が挿入される（図６参照）。
　図２に示すように、チップ本体２は、基体１０と、被覆層２０とを有する。
（基体１０）
　基体１０は、たとえば超硬合金で形成される。超硬合金は、Ｗ（タングステン）、具体的には、ＷＣ（炭化タングステン）を含有する。また、超硬合金は、Ｎｉ（ニッケル）やＣｏ（コバルト）を含有していてもよい。具体的には、基体１０は、ＷＣ粒子を硬質相成分とし、Ｃｏを結合相の主成分とするＷＣ基超硬合金からなる。
（被覆層２０）
　被覆層２０は、例えば、基体１０の耐摩耗性、耐熱性等を向上させることを目的として基体１０に被覆される。図２の例では、被覆層２０が基体１０を全体的に被覆している。被覆層２０は、少なくとも基体１０の上に位置していればよい。被覆層２０が基体１０の第１面（ここでは、上面）に位置する場合、第１面の耐摩耗性、耐熱性が高い。被覆層２０が基体１０の第２面（ここでは、側面）に位置する場合、第２面の耐摩耗性、耐熱性が高い。
　ここで、被覆層２０の具体的な構成について図３および図４を参照して説明する。図３は、実施形態に係る被覆層２０の一例を示す断面図である。また、図４は、図３に示すＨ部の模式拡大図である。
　図３に示すように、被覆層２０は、中間層２２の上に位置する第１被覆層２３と、第１被覆層２３の上に位置する第２被覆層２４とを有する。
　第１被覆層２３は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、第４族元素、第５族元素および第６族元素からなる群より選択される少なくとも１種の元素と、ＣおよびＮからなる群より選択される少なくとも１種の元素と、からなる。
　具体的には、第１被覆層２３は、Ａｌ、Ｃｒ、ＳｉおよびＮを有していてもよい。すなわち、第１被覆層２３は、Ａｌ、ＣｒおよびＳｉの窒化物であるＡｌＣｒＳｉＮを含有するＡｌＣｒＳｉＮ層であってもよい。なお、「ＡｌＣｒＳｉＮ」との表記は、ＡｌとＣｒとＳｉとＮとが任意の割合で存在することを意味しており、必ずしもＡｌとＣｒとＳｉとＮとが１対１対１対１で存在することを意味するものではない。
　中間層２２に含まれる金属（たとえば、Ｔｉ）を含有する第１被覆層２３を中間層２２の上に位置させた場合、中間層２２と被覆層２０との密着性が高い。これにより、被覆層２０が中間層２２から剥離し難くなるため、被覆層２０の耐久性が高い。
　図４に示すように、第１被覆層２３は、複数の第１層２３ａと複数の第２層２３ｂとを有する。第１被覆層２３は、第１層２３ａと第２層２３ｂとが厚み方向に交互に積層された縞状構成を有している。第２層２３ｂは、第１層２３ａ上に形成される。
　第１層２３ａおよび第２層２３ｂの厚みは、それぞれ５０ｎｍ以下としてもよい。薄く形成された第１層２３ａおよび第２層２３ｂは、残留応力が小さく、剥離やクラック等が生じ難いため、被覆層２０の耐久性が高くなる。
　第２被覆層２４は、Ｔｉ、ＳｉおよびＮを有していてもよい。すなわち、第２被覆層２４は、ＴｉおよびＳｉを含有する窒化物層（ＴｉＳｉＮ層）であってもよい。なお、「ＴｉＳｉＮ層」との表記は、ＴｉとＳｉとＮとが任意の割合で存在することを意味しており、必ずしもＴｉとＳｉとＮとが１対１対１で存在することを意味するものではない。
　これにより、たとえば、第２被覆層２４の摩擦係数が低い場合には、被覆工具１の耐溶着性を向上させることができる。また、たとえば、第２被覆層２４の硬度が高い場合には、被覆工具１の耐摩耗性を向上させることができる。また、たとえば、第２被覆層２４の酸化開始温度が高い場合には、被覆工具１の耐酸化性を向上させることができる。
　第２被覆層２４は、少なくとも２つの層が厚み方向に位置する縞状構造を有していてもよい。第２被覆層２４の縞状構造が有する各層は、たとえば、Ｔｉと、Ｓｉと、Ｎとを含有していてもよい。この場合、第２被覆層２４は、Ｔｉの含有量（以下、「Ｔｉ含有量」と記載する）、Ｓｉの含有量（以下、「Ｓｉ含有量」と記載する）およびＮの含有量（以下、「Ｎ含有量」と記載する）が、第２被覆層２４の厚み方向に沿ってそれぞれ増減を繰り返していてもよい。第２被覆層２４に含まれる金属元素のうち、ＴｉおよびＳｉの合計は、９８原子％以上であってもよい。また、第２被覆層２４は、厚み方向に交互に位置する第３層および第４層を有していてもよい。
（被覆層の製造方法）
　被覆層２０は、たとえば物理蒸着法により形成されてもよい。物理蒸着法としては、例えば、イオンプレーティング法及びスパッタリング法などが挙げられる。一例として、イオンプレーティング法で被覆層を作製する場合には、下記の方法によって被覆層を作製することができる。
　まず、第１被覆層２３をイオンプレーティング法で作製する方法の一例を示す。まず、一例としてＣｒ、ＳｉおよびＡｌの各金属ターゲット、または複合化した合金ターゲット、または焼結体ターゲットを準備する。
　次に、金属源である上記のターゲットをアーク放電またはグロー放電などによって蒸発させてイオン化する。イオン化した金属を、窒素源の窒素（Ｎ２）ガス、などと反応させるとともに、基体の表面に蒸着させる。以上の手順によってＡｌＣｒＳｉＮ層を形成することが可能である。
　上記の手順において、基体の温度を５００～５５０℃とし、窒素ガス圧力を１．０～６．０Ｐａとし、基体に－５０～－２００Ｖの直流バイアス電圧を印可して、アーク放電電流を１００～２００Ａとしてもよい。
　第１被覆層２３の組成は、アルミニウム金属ターゲット、クロム金属ターゲット、アルミニウム－シリコン複合化合金ターゲット、および、クロム－シリコン複合化合金ターゲットにかかるアーク放電・グロー放電時の電圧・電流値をそれぞれのターゲット毎に独立に制御することによって調整することができる。また、被覆層の組成は、被覆時間や雰囲気ガス圧の制御によっても調整することができる。実施形態の一例においてはアーク放電・グロー放電時の電圧・電流値を変化させることにより、ターゲット金属のイオン化量を変化させることができる。また、ターゲット毎にアーク放電・グロー放電時の電流値を周期的に変えることにより、ターゲット金属のイオン化量を周期的に変化させることができる。ターゲットのアーク放電・グロー放電時の電流値は、０．０１～０．５ｍｉｎの間隔で周期的に変えることにより、ターゲット金属のイオン化量を周期的に変化させることができる。これにより被覆層の厚み方向において、各金属元素の含有割合がそれぞれの周期で変化する構成とすることができる。
　上記の手順を行う際に、Ａｌ、Ｓｉの量が少なくなるように、また、Ｃｒの量が多くなるよう、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｒの組成を変化させ、その後、Ａｌ、Ｓｉの量が多くなるように、また、Ｃｒの量が少なくなるよう、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｒの組成を変化させることによって、第１層２３ａおよび第２層２３ｂを有する第１被覆層２３を作製することが可能である。
　次に、ＴｉＳｉＮ層である第２被覆層２４の製造方法の一例について説明する。
　第１被覆層２３と同様に、第２被覆層２４も物理蒸着法により形成されてもよい。一例として、まず、Ｔｉ金属ターゲット及びＴｉ－Ｓｉ複合化合金ターゲットを準備する。そして、用意した各ターゲットにかかるアーク放電・グロー放電時の電圧・電流値をターゲット毎に独立に制御することによって縞状構造を有する第２被覆層２４を作製することができる。
　上記の手順において、基体の温度を５００～６００℃とし、窒素ガス圧力を１．０～６．０Ｐａとし、基体に－５０～－２００Ｖの直流バイアス電圧を印可して、アーク放電電流を１００～２００Ａ、アーク電流の変化周期を０．０１～０．５ｍｉｎとしてもよい。
（中間層２２）
　基体１０と被覆層２０との間には、中間層２２が位置していてもよい。具体的には、中間層２２は、一方の面（ここでは下面）において基体１０の上面に接し、且つ、他方の面（ここでは上面）において被覆層２０（第１被覆層２３）の下面に接する。
　中間層２２は、基体１０との密着性が被覆層２０と比べて高い。このような特性を有する金属元素としては、たとえば、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｙ、Ｔｉが挙げられる。中間層２２は、上記金属元素のうち少なくとも１種以上の金属元素を含有する。たとえば、中間層２２は、Ｔｉを含有していても良い。なお、Ｓｉは、半金属元素であるが、本明細書においては、半金属元素も金属元素に含まれるものとする。
　中間層２２がＴｉを含有する場合、中間層２２におけるＴｉの含有量は、１．５原子％以上であってもよい。たとえば、中間層２２におけるＴｉの含有量は、２．０原子％以上であってもよい。
　中間層２２は、上記金属元素（Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｙ、Ｔｉ）以外の金属元素成分を含有していてもよい。ただし、基体１０との密着性の観点から、中間層２２は、上記金属元素を合量で少なくとも９５原子％以上含有していてもよい。より好ましくは、中間層２２は、上記金属元素を合量で９８原子％以上含有してもよい。なお、中間層２２における金属成分の割合は、たとえば、ＳＴＥＭ（走査透過電子顕微鏡）に付属しているＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光器）を用いた分析により特定可能である。
　このように、実施形態に係る被覆工具１では、基体１０との濡れ性が被覆層２０と比べて高い中間層２２を基体１０と被覆層２０との間に設けることにより、基体１０と被覆層２０との密着性を向上させることができる。なお、中間層２２は、被覆層２０との密着性も高いため、被覆層２０が中間層２２から剥離するといったことも生じにくい。
　なお、中間層２２の厚みは、たとえば０．１ｎｍ以上、２０．０ｎｍ未満であってもよい。
　図５は、基体１０と第１被覆層２３との界面領域の模式的な拡大図である。図５には、基体１０の表面に垂直な断面における、基体１０と第１被覆層２３との界面領域を示している。
　図５に示すように、基体１０と第１被覆層２３との界面領域に位置する中間層２２は、基体１０に含まれるＷＣ粒子１０ａおよび結合相１０ｂのうち、ＷＣ粒子１０ａの上に多く位置している。
　具体的には、第１被覆層２３からＷＣ粒子１０ａにわたって横断する方向に元素分析して得られたＴｉの最大値（ａｔｍ％）をＴｉ（ＷＣ）値とし、第１被覆層２３からＷＣから結合相１０ｂにわたって横断する方向に元素分析して得られたＴｉの最大値（ａｔｍ％）をＴｉ（Ｃｏ）値とする。また、Ｔｉ（ＷＣ）値とＴｉ（Ｃｏ）値との比率（Ｔｉ（Ｃｏ）値／Ｔｉ（ＷＣ）値）をＴｉ（Ｃｏ／ＷＣ）比率とする。この場合、実施形態に係る被覆工具１は、Ｔｉ（Ｃｏ／ＷＣ）比率が、０．８以下である。
　従来、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、第４族元素、第５族元素および第６族元素からなる群より選択される少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎからなる群より選択される少なくとも１種の元素とからなる第１被覆層は、ＷＣ粒子との密着性に改善の余地があった。一方、Ｔｉは、第１被覆層およびＷＣ粒子の双方と良好な密着性を有する。このため、実施形態に係る被覆工具１のように、第１被覆層２３とＷＣ粒子１０ａとの間にＴｉを含む中間層２２を導入することにより、基体１０と第１被覆層２３との密着力を向上させることができる。
　上記構成を有する中間層２２は、たとえば以下の製造方法により得ることができる。
　８×１０-３～１×１０-４Ｐａの減圧環境下において基体を加熱して表面温度を５００～６００℃にする。次に、雰囲気ガスとしてアルゴンガスを導入し、圧力を３．０Ｐａに保持する。次に、バイアス電圧を－４００Ｖとして、アルゴンボンバード処理を１１分間行う（アルゴンボンバード前処理）。次に、圧力を０．１Ｐａに減圧させ、Ｔｉ金属蒸発源に１００～２００Ａのアーク電流を印可し、０．３分間処理し、基体の表面に対して中間層としてのＴｉ含有層を形成する（Ｔｉ含有層成膜処理）。その後、雰囲気ガスとしてアルゴンガスを導入し、圧力を３．０Ｐａに保持し、バイアス電圧を－２００Ｖとして、アルゴンボンバード処理を１分間行う（アルゴンボンバード後処理）。
＜アルゴンボンバード前処理条件＞
（１）バイアス電圧：－４００Ｖ
（２）圧力：３Ｐａ
（３）処理時間：１１分
＜Ｔｉ含有層の成膜条件１＞
（１）アーク電流：１００～２００Ａ
（２）バイアス電圧：－３８０～－４３０Ｖ
（３）圧力：０．１Ｐａ
（４）処理時間：０．３分
＜アルゴンボンバード後処理条件１＞
（１）バイアス電圧：－２００Ｖ
（２）圧力：３Ｐａ
（３）処理時間：１分
　なお、Ｔｉ含有層は、例えば、拡散による他の金属元素を含有していても良い。Ｔｉ含有層は、Ｔｉ以外の金属元素を５０～９８原子％含有していてもよい。
　Ｃｏを含有する結合相とＴｉとの密着性は悪い。このため、Ｃｏを含む結合相の上に位置するＴｉの量はできるだけ少ないほうが基体と被覆層との全体的な密着力が向上する。そこで、実施形態に係る被覆工具１のように、基体１０に含まれるＷＣ粒子１０ａおよび結合相１０ｂのうち、ＷＣ粒子１０ａの上により多くのＴｉが位置する構成とすることで、基体１０と第１被覆層２３との密着力を向上させることができ、これにより、被覆工具１の耐摩耗性、耐欠損性を向上させることができる。
　また、基体１０の表面に垂直な断面において、結合相１０ｂの少なくとも一部は、第１被覆層２３と接していてもよい。
　Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、第４族元素、第５族元素および第６族元素からなる群より選択される少なくとも１種の元素とからなる第１被覆層と、Ｃｏを含む結合相との密着性は、Ｃｏを含有する結合相とＴｉとの密着性と比較して良好である。このため、結合相１０ｂの少なくとも一部が第１被覆層２３と接する構成とした場合、基体１０と第１被覆層２３との密着力をさらに向上させることができ、被覆工具１の耐摩耗性、耐欠損性をさらに向上させることができる。
　結合相１０ｂの少なくとも一部が第１被覆層２３と接する構成は、たとえば以下の条件により製造することができる。
＜アルゴンボンバード前処理条件＞
（１）バイアス電圧：－４００Ｖ
（２）圧力：３Ｐａ以下
（３）処理時間：１１分
＜Ｔｉ含有層の成膜条件２＞
（１）アーク電流：１３０Ａ以上１８０Ａ以下
（２）バイアス電圧：－３９０Ｖ以上－４１０Ｖ以下
（３）圧力：０．１Ｐａ
（４）処理時間：０．３分
＜アルゴンボンバード後処理条件２＞
（１）バイアス電圧：－２００Ｖ
（２）圧力：３Ｐａ
（３）処理時間：１分
　Ｔｉ含有層の成膜条件２とアルゴンボンバード処理条件２を交互に１回以上繰り返す。
　また、界面領域においてＷＣ粒子１０ａ上のＴｉを含む領域、すなわち、ＷＣ粒子１０ａ上の中間層２２の厚みは、１ｎｍ以上１５ｎｍ以下であってもよい。
　中間層２２の厚みが１ｎｍ以上であると第１被覆層２３とＷＣ粒子１０ａとの密着効果がより発揮され、中間層２２の厚みが１５ｎｍ以下であると中間層２２から亀裂が発生・進展することが抑制される。したがって、ＷＣ粒子１０ａ上の中間層２２の厚みを１ｎｍ以上１５ｎｍ以下とすることで、基体１０と第１被覆層２３との密着力をさらに向上させることができ、被覆工具１の耐摩耗性、耐欠損性をさらに向上させることができる。
　ＷＣ粒子１０ａ上の中間層２２の厚みが１ｎｍ以上１５ｎｍ以下である中間層２２は、たとえば以下の条件により製造することができる。
＜アルゴンボンバード前処理条件＞
（１）バイアス電圧：－４００Ｖ
（２）圧力：３Ｐａ以下
（３）処理時間：１１分
＜Ｔｉ含有層の成膜条件３＞
（１）アーク電流：１００Ａ１８０Ａ以下
（２）バイアス電圧：－４００Ｖ
（３）圧力：０．１Ｐａ
（４）処理時間：０．３分
＜アルゴンボンバード後処理条件３＞
（１）バイアス電圧：－２００Ｖ
（２）圧力：３Ｐａ
（３）処理時間：１分
　Ｔｉ含有層の成膜条件３とアルゴンボンバード処理条件３を交互に１回以上２０回以下繰り返す。
＜切削工具＞
　次に、上述した被覆工具１を備えた切削工具の構成について図６を参照して説明する。図６は、実施形態に係る切削工具の一例を示す正面図である。
　図６に示すように、実施形態に係る切削工具１００は、被覆工具１と、被覆工具１を固定するためのホルダ７０とを有する。
　ホルダ７０は、第１端（図６における上端）から第２端（図６における下端）に向かって伸びる棒状の部材である。ホルダ７０は、たとえば、鋼、鋳鉄製である。特に、これらの部材の中で靱性の高い鋼が用いられることが好ましい。
　ホルダ７０は、第１端側の端部にポケット７３を有する。ポケット７３は、被覆工具１が装着される部分であり、被削材の回転方向と交わる着座面と、着座面に対して傾斜する拘束側面とを有する。着座面には、後述するネジ７５を螺合させるネジ孔が設けられている。
　被覆工具１は、ホルダ７０のポケット７３に位置し、ネジ７５によってホルダ７０に装着される。すなわち、被覆工具１の貫通孔５にネジ７５を挿入し、このネジ７５の先端をポケット７３の着座面に形成されたネジ孔に挿入してネジ部同士を螺合させる。これにより、被覆工具１は、切刃部分がホルダ７０から外方に突出するようにホルダ７０に装着される。
　実施形態においては、いわゆる旋削加工に用いられる切削工具を例示している。旋削加工としては、例えば、内径加工、外径加工及び溝入れ加工が挙げられる。なお、切削工具としては旋削加工に用いられるものに限定されない。例えば、転削加工に用いられる切削工具に被覆工具１を用いてもよい。転削加工に用いられる切削工具としては、たとえば、平フライス、正面フライス、側フライス、溝切りフライスなどフライス、１枚刃エンドミル、複数刃エンドミル、テーパ刃エンドミル、ボールエンドミルなどのエンドミルなどが挙げられる。
　以下、本開示の実施例を具体的に説明する。なお、本開示は以下に示す実施例に限定されるものではない。
　ＷＣ基超硬合金からなる基体の上に被覆層を有する試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．２０を作製した。試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．２０が有する中間層の作製条件は、図７に示す通りである。なお、試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．２０のうち、試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．４、Ｎｏ．６～Ｎｏ．９、Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１４、Ｎｏ．１７が本開示の実施例に相当し、試料Ｎｏ．５、Ｎｏ．１０、Ｎｏ．１２、Ｎｏ．１３、Ｎｏ．１５、Ｎｏ．１６、Ｎｏ．１８～Ｎｏ．２０が比較例に相当する。また、図７に示す「繰り返し数」は、中間層形成処理およびＡｒボンバード後処理を１セットとした場合における上記１セットの繰り返し数のことである。
　図８は、試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．２０が有する第１被覆層の平均組成、中間層のＴｉ含有の有無、Ｔｉ（Ｃｏ／ＷＣ）比率、ＷＣ粒子上のＴｉ含有層の平均層厚をまとめた表である。
　図８に示すように、試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．１０が有する第１被覆層は、ＡｌＣｒＳｉＮ層である。具体的には、試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．１０が有する第１被覆層の平均組成は、（Ａｌ５０Ｃｒ３９Ｓｉ１１）Ｎであった。試料Ｎｏ．１１～Ｎｏ．１３が有する第１被覆層は、ＡｌＣｒＮ層である。具体的には、試料Ｎｏ．１１～Ｎｏ．１３が有する第１被覆層の平均組成は、（Ａｌ５０Ｃｒ５０）Ｎであった。試料Ｎｏ．１４～Ｎｏ．１６、Ｎｏ．２０が有する第１被覆層は、ＴｉＡｌＮ層である。具体的には、試料Ｎｏ．１４～Ｎｏ．１６、Ｎｏ．２０が有する第１被覆層の平均組成は、（Ｔｉ５０Ａｌ５０）Ｎであった。試料Ｎｏ．１７～Ｎｏ．１９が有する第１被覆層は、ＴｉＡｌＳｉＮ層である。具体的には、試料Ｎｏ．１７～Ｎｏ．１９が有する第１被覆層の平均組成は、（Ｔｉ５０Ａｌ４０Ｓｉ１０）Ｎであった。
　試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．２０のうち、試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．９、Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１２、Ｎｏ．１４、Ｎｏ．１５、Ｎｏ．１７、Ｎｏ．１８は、Ｔｉを含有する中間層を有している。これに対し、試料Ｎｏ．１０、Ｎｏ．１３、Ｎｏ．１６、Ｎｏ．１９は、中間層を有していない。また、試料Ｎｏ．２０は、Ｔｉを含有する中間層は有していないが、Ｃｒを含有する中間層を有している。
　Ｔｉを含有する中間層を有する試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．９、Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１２、Ｎｏ．１４、Ｎｏ．１５、Ｎｏ．１７、Ｎｏ．１８について、Ｔｉ（Ｃｏ／ＷＣ）比率は、試料Ｎｏ．１が０．１、試料Ｎｏ．２が０．５、試料Ｎｏ．３が０．６、試料Ｎｏ．４が０．８、試料Ｎｏ．５が１、試料Ｎｏ．６が０．７、試料Ｎｏ．８が０．６、試料Ｎｏ．９が０．８、試料Ｎｏ．１１が０．５、Ｎｏ．１２が１、Ｎｏ．１４が０．５、Ｎｏ．１５が１、Ｎｏ．１７が０．５、Ｎｏ．１８が１であった。また、ＷＣ粒子上のＴｉ含有層の平均層厚は、試料Ｎｏ．１が１１ｎｍ、試料Ｎｏ．２が８ｎｍ、試料Ｎｏ．３が７ｎｍ、試料Ｎｏ．４が６ｎｍ、試料Ｎｏ．５が１０ｎｍ、試料Ｎｏ．６が９ｎｍ、試料Ｎｏ．８が１５ｎｍ、試料Ｎｏ．９が１８ｎｍ、試料Ｎｏ．１１が８ｎｍ、Ｎｏ．１２が６ｎｍ、Ｎｏ．１４が８ｎｍ、Ｎｏ．１５が６ｎｍ、Ｎｏ．１７が８ｎｍ、Ｎｏ．１８が６ｎｍであった。
　図９は、試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．２０に対する酸化試験、摩耗試験および剥離試験の結果をまとめた表である。酸化試験、摩耗試験および剥離試験の各試験条件は、以下の通りである。
＜酸化試験＞
　試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．１３のＡｌＣｒ系の被覆膜については、白金線に所定の中間層形成処理を行い、その後、被覆膜が３μｍの厚みとなるように製膜し、得られた被覆白金ワイヤーを大気中、１０００℃で、１時間保持する酸化試験を行った。試料Ｎｏ．１４～Ｎｏ．２０のＴｉ系の被覆膜は、白金線に所定の中間層形成処理を行い、その後、被覆膜を３μｍの厚みになるように製膜し、得られた被覆白金ワイヤーを大気中、８００℃で、１時間保持する酸化試験を行った。
　試験後の白金ワイヤーに断面加工を行い、断面から膜状態を観察することで酸化膜の厚みを観察した。なお、酸化膜厚みが小さいほど耐酸化性が良いことを示す指標となる。
＜摩耗試験＞
　摩耗試験は、２枚刃超硬ボールエンドミル（型番：２ＫＭＢＬ０２００-０８００-Ｓ４）を用いて、以下の条件にて行った。
（１）切削方法：ポケット加工
（２）被削材　：ＳＫＤ１１Ｈ
（３）送りｆｚ：１３２０ｍｍ／ｍｉｎ
（４）切り込み：ａｐ　０．０８ｍｍ×ａｅ　０．２０ｍｍ
（５）評価方法：２０ｍ切削後の横逃げ面摩耗を顕微鏡にて測定した。
＜剥離試験＞
　剥離試験は、スクラッチ試験機にて行った。荷重範囲２０～１５０Ｎとして、剥離が生じたときの荷重にて評価を行った。
　図９に示すように、Ｔｉを含有する中間層を有し、かつ、Ｔｉ（Ｃｏ／ＷＣ）比率が０．８以下となる試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．４、Ｎｏ．６～Ｎｏ．９、Ｎｏ．１１、Ｎｏ．１４、Ｎｏ．１７については、Ｔｉ（Ｃｏ／ＷＣ）比率が０．８より大きくなる試料と比較して、被膜の密着力が高く、高い耐摩耗性を示した。特に、ＷＣ粒子上のＴｉ含有層の平均層厚が１５ｎｍ以下であり、第１被覆層の平均組成が（Ａｌ５０Ｃｒ４０Ｓｉ１０）Ｎである試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．４、Ｎｏ．６～Ｎｏ．９については、耐酸化性、耐摩耗性、被膜との密着力に優れていた。
＜ＥＤＸ面分析＞
　試料Ｎｏ．２について、ＥＤＸ分析（エネルギー分散型Ｘ線分析）による面分析を行った。分析条件は、以下の通りである。
（１）試料前処理：ＦＩＢ法(μ-サンプリング法)による薄片化
（２）元素分析(面分析)
（３）走査透過電子顕微鏡：日本電子製　ＪＥＭ－ＡＲＭ２００Ｆ
（４）加速電圧：２００ｋＶ
（５）ビーム径：約０．２ｎｍφ
（６）元素分析装置：ＪＥＤ－２３００Ｔ
（７）Ｘ線検出器：Ｓｉドリフト検出器
（８）エネルギー分解能：約１４０ｅＶ
（９）Ｘ線取出角：２１．９°
（１０）立体角：０．９８ｓｒ
（１１）取込画素数：２５６×２５６
　図１０は、実施例に係る被覆工具の走査透過電子顕微鏡像である。具体的には、図１０には、基体の表面に垂直な断面における、基体と第１被覆層との界面領域の走査透過電子顕微鏡像（ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像）を示している。
　また、図１１～図１３には、図１０に示す走査透過電子顕微鏡像と同領域における元素マッピング像を示している。具体的には、図１１は、実施例に係る被覆工具のＷＣマッピング像であり、図１２は、実施例に係る被覆工具のＣｏマッピング像であり、図１３は、実施例に係る被覆工具のＴｉマッピング像である。
　図１１～図１３に示すように、実施例に係る被覆工具において、基体と第１被覆層との界面領域に位置するＴｉは、基体に含まれるＷＣおよびＣｏのうちＷＣの上に多く位置している。
　また、図１２に示すように、実施例に係る被覆工具において、Ｃｏを含有する結合相の少なくとも一部は、第１被覆層と接している。
＜ＥＤＸ分析データのライン抽出＞
　また、上記の製造方法により製造した試料について、ＥＤＸ分析データ（面分析データ）から、第１被覆層からＷＣ粒子にわたって横断するライン上の範囲（以下、「ＷＣ上抽出範囲」と記載する）および第１被覆層から結合相にわたって横断するライン上の範囲（以下、「Ｃｏ上抽出範囲」と記載する）をそれぞれ抽出し、各抽出範囲についてＴｉ量の測定を行った。抽出を行ったＥＤＸ分析データの分析条件は、上述した面分析の分析条件と同様である。
　図１４は、ＷＣ上抽出範囲およびＣｏ上抽出範囲を示す図である。図１４に示すように、第１被覆層からＷＣ粒子にわたって横断する方向に沿った長さ５０．０ｎｍの領域をＷＣ抽出範囲とした。ＷＣ上抽出範囲の起点（０．０ｎｍ）は、第１被覆層に位置し、終点（５０．０ｎｍ）は、ＷＣ粒子に位置している。
　また、第１被覆層からＣｏを含む結合相にわたって横断する方向に沿った長さ５０．０ｎｍの範囲をＣｏ上抽出範囲とした。Ｃｏ上抽出範囲の起点（０．０ｎｍ）は、第１被覆層に位置し、終点（５０．０ｎｍ）は、結合相に位置している。
　図１５は、ＷＣ上抽出範囲およびＣｏ上抽出範囲におけるＴｉ量の測定結果を示すグラフである。図１５では、ＷＣ上抽出範囲において測定されたＴｉ量を白抜きの丸印で示しており、Ｃｏ上抽出範囲において測定されたＴｉ量を黒丸印で示している。
　ここで、ＷＣ上抽出範囲を元素分析して得られたＴｉ量（ａｔｍ％）の最大値をＴｉ（ＷＣ）値とし、Ｃｏ上抽出範囲を元素分析して得られたＴｉ量（ａｔｍ％）の最大値をＴｉ（Ｃｏ）値とする。図１５に示すように、Ｔｉ（ＷＣ）値は、約２．５５ａｔｍ％であり、Ｔｉ（Ｃｏ）値は、１．３５ａｔｍ％であった。また、Ｔｉ（ＷＣ）値とＴｉ（Ｃｏ）値との比率（Ｔｉ（Ｃｏ）値／Ｔｉ（ＷＣ）値）は、約０．５３であった。
　このように、実施例に係る被覆工具において、Ｔｉ（ＷＣ）値とＴｉ（Ｃｏ）値との比率（Ｔｉ（Ｃｏ／ＷＣ）比率）は、０．８以下となる。
　上述してきたように、実施形態に係る被覆工具（一例として、被覆工具１）は、ＷＣ粒子（一例として、ＷＣ粒子１０ａ）を硬質相成分とし、Ｃｏを結合相（一例として、結合相１０ｂ）の主成分とするＷＣ基超硬合金からなる基体（一例として、基体１０）と、基体の上に位置する第１被覆層（一例として、第１被覆層２３）とを有する。第１被覆層は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、第４族元素、第５族元素および第６族元素からなる群より選択される少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎからなる群より選択される少なくとも１種の元素と、からなる。基体の表面に垂直な断面における、基体と第１被覆層との界面領域において、第１被覆層からＷＣ粒子にわたって横断する方向に元素分析して得られたＴｉの最大値（ａｔｍ％）をＴｉ（ＷＣ）値とし、第１被覆層から結合相にわたって横断する方向に元素分析して得られたＴｉの最大値（ａｔｍ％）をＴｉ（Ｃｏ）値とし、Ｔｉ（ＷＣ）値とＴｉ（Ｃｏ）値との比率（Ｔｉ（Ｃｏ）値／Ｔｉ（ＷＣ）値）をＴｉ（Ｃｏ／ＷＣ）比率とした場合、Ｔｉ（Ｃｏ／ＷＣ）比率が、０．８以下となる。
　したがって、実施形態に係る被覆工具によれば、被覆層と基体との密着性を向上させることができる。
　なお、図１に示した被覆工具１の形状はあくまで一例であって、本開示による被覆工具の形状を限定するものではない。本開示による被覆工具は、たとえば、回転軸を有し、第１端から第２端にかけて延びる棒形状の本体と、本体の第１端に位置する切刃と、切刃から本体の第２端の側に向かって螺旋状に延びた溝とを有していてもよい。
　さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
　１　被覆工具
　２　チップ本体
　５　貫通孔
　１０　基体
　１０ａ　ＷＣ粒子
　１０ｂ　結合相
　２０　被覆層
　２２　中間層
　２３　第１被覆層
　２４　第２被覆層
　７０　ホルダ
　７３　ポケット
　７５　ネジ
　１００　切削工具

Claims (3)

  1. 　ＷＣ粒子を硬質相成分とし、Ｃｏを結合相の主成分とするＷＣ基超硬合金からなる基体と、該基体の上に位置する第１被覆層とを有し、
    　前記第１被覆層は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、第４族元素、第５族元素および第６族元素からなる群より選択される少なくとも１種の元素と、ＣおよびＮからなる群より選択される少なくとも１種の元素と、からなり、
    　前記基体の表面に垂直な断面における、前記基体と前記第１被覆層との界面領域において、
    　前記第１被覆層から前記ＷＣ粒子にわたって横断する方向に元素分析して得られたＴｉの最大値（ａｔｍ％）をＴｉ（ＷＣ）値とし、
    　前記第１被覆層から前記結合相にわたって横断する方向に元素分析して得られたＴｉの最大値（ａｔｍ％）をＴｉ（Ｃｏ）値とし、
    　前記Ｔｉ（ＷＣ）値と前記Ｔｉ（Ｃｏ）値との比率（Ｔｉ（Ｃｏ）値／Ｔｉ（ＷＣ）値）をＴｉ（Ｃｏ／ＷＣ）比率とした場合、
    　前記Ｔｉ（Ｃｏ／ＷＣ）比率が、０．８以下である、被覆工具。
  2. 　前記界面領域において前記ＷＣ粒子上のＴｉを含む領域の厚みが１ｎｍ以上１５ｎｍ以下である、請求項１に記載の被覆工具。
  3. 　端部にポケットを有する棒状のホルダと、
    　前記ポケット内に位置する、請求項１または２に記載の被覆工具と
    　を有する、切削工具。
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