JP7621497B2 - 被覆工具および切削工具 - Google Patents

Description

本開示は、被覆工具および切削工具に関する。

旋削加工や転削加工等の切削加工に用いられる工具として、超硬合金、サーメット、セラミックス等の基体の表面を被覆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。

特開２０２０－１４６７７７号公報

本開示の一態様による被覆工具は、基体と、基体の上に位置する被覆層とを有する。被覆層は、立方晶構造を有する結晶を含む。被覆層は、透過電子顕微鏡による断面観察において縞状構造を有する。縞状構造は、厚み方向に交互に位置する２つの層を有する。２つの層は、Ｓｉと、少なくとも１種類の金属元素とを含む。２つの層は、金属元素の含有量が互いに異なっている。２つの層は、それぞれ立方晶構造を有する結晶を含んでいる。２つの層のうち一方の層に含まれる立方晶構造を有する結晶の格子定数を第１格子定数とし、２つの層のうち他方の層に含まれる立方晶構造を有する結晶の格子定数を第２格子定数とした場合、第１格子定数の大きさと第２格子定数の大きさとの差が、０％より大きく０．１％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、第１層および第２層のＡｌ含有量、Ｃｒ含有量およびＳｉ含有量を説明するための模式図である。 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．６における被覆層の構成と格子定数の測定結果とを示す表である。

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、熱的安定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。

また、基体１０は、サーメットで形成されてもよい。サーメットは、たとえばＴｉ（チタン）、具体的には、ＴｉＣ（炭化チタン）またはＴｉＮ（窒化チタン）を含有する。また、サーメットは、ＮｉやＣｏを含有していてもよい。

また、基体１０は、立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）粒子を含有する立方晶窒化硼素質焼結体で形成されてもよい。基体１０は、立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）粒子に限らず、六方晶窒化硼素（ｈＢＮ）、菱面体晶窒化硼素（ｒＢＮ）、ウルツ鉱窒化硼素（ｗＢＮ）等の粒子を含有していてもよい。

（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）
第１被覆層２３は、Ａｌ、第５族元素、第６族元素およびＴｉを除く第４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、Ｓｉおよび、Ｃｒとを有する。

具体的には、第１被覆層２３は、ＡｌとＣｒとＳｉとＮとを含有する。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、Ｓｉ）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、透過電子顕微鏡による断面観察において縞状構造を有していてもよい。具体的には、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ている。第１層２３ａは、中間層２２に接する層であり、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１被覆層２３は、立方晶構造を有する結晶を含んでいてもよい。この場合、第１層２３ａおよび第２層２３ｂは、それぞれ立方晶構造を有する結晶を含んでいてもよい。

第１層２３ａおよび第２層２３ｂは、Ｓｉと、少なくとも１種類の金属元素とを含んでいてもよく、金属元素の含有量は、第１層２３ａと第２層２３ｂとで異なっていてもよい。第１層２３ａと第２層２３ｂとは、同じ結晶方位を示してもよく、異なる結晶方位を示してもよい。

図５は、第１層２３ａおよび第２層２３ｂのＡｌ含有量、Ｃｒ含有量およびＳｉ含有量を説明するための模式図である。

第１層２３ａおよび第２層２３ｂは、ＡｌとＣｒとＳｉとＮとを含有する。ここで、第１層２３ａにおけるＡｌ含有量を第１Ａｌ含有量とし、第１層２３ａにおけるＣｒ含有量を第１Ｃｒ含有量とし、第１層２３ａにおけるＳｉ含有量を第１Ｓｉ含有量とする。また、第２層２３ｂにおけるＡｌ含有量を第２Ａｌ含有量とし、第２層２３ｂにおけるＣｒ含有量を第２Ｃｒ含有量とし、第２層２３ｂにおけるＳｉ含有量を第２Ｓｉ含有量とする。

この場合、第１Ａｌ含有量は、前記第２Ａｌ含有量より多く、第１Ｃｒ含有量は、第２Ｃｒ含有量より少なく、第１Ｓｉ含有量は、第２Ｓｉ含有量より多くてもよい。

かかる構成の第１被覆層２３を有する被覆工具１は、高硬度で耐欠損性に優れる。

また、第１被覆層２３に含まれる金属元素に占めるＡｌとＣｒとＳｉとの合計は、９８原子％以上であってもよい。

かかる構成の第１被覆層２３を有する被覆工具１は、さらに高硬度で耐欠損性に優れる。

また、第１被覆層２３の金属元素に占めるＡｌの比率は、３８原子％以上５５原子％以下であってもよい。第１被覆層２３の金属元素に占めるＣｒの比率は、３３原子％以上４８原子％以下であってもよい。第１被覆層２３の金属元素に占めるＳｉの比率は、４原子％以上１５原子％以下であってもよい。

かかる構成の第１被覆層２３を有する被覆工具１は、耐酸化性が向上し耐摩耗性に優れる。

また、第１Ａｌ含有量と第２Ａｌ含有量との差は、１原子％以上９原子％以下であってもよい。

かかる構成の第１被覆層２３を有する被覆工具１は、高い耐酸化性かつ高硬度を維持しつつ、被覆層内部の応力を緩和し、耐摩耗性に優れる。

かかる構成の第１被覆層２３を有する被覆工具１は、特に高硬度である。

また、第１Ｃｒ含有量と第２Ｃｒ含有量との差は、１原子％以上１２原子％以下であってもよい。

かかる構成の第１被覆層２３を有する被覆工具１は、耐摩耗性がさらに優れる。

かかる構成の第１被覆層２３を有する被覆工具１は、特に耐欠損性に優れる。

また、第１Ｓｉ含有量と第２Ｓｉ含有量との差は、０．５原子％以上５原子％以下であってもよい。

かかる構成の第１被覆層２３を有する被覆工具１は、特に高硬度である。

また、第１層２３ａおよび第２層２３ｂの厚みは、１ｎｍ以上、２０ｎｍ以下であってもよい。

かかる構成の第１被覆層２３を有する被覆工具１は、硬度と耐欠損性に優れる。

第１被覆層は、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第１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、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（Ｎ_２）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５００～６００℃とし、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、第１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層および第２層を有する第１被覆層２３を作製することが可能である。

（第２被覆層２４）
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、透過電子顕微鏡による断面観察において縞状構造を有していてもよい。具体的には、第２被覆層２４は、厚み方向に位置する２つ以上の層を有していてもよい。たとえば、第２被覆層２４は、厚み方向に交互に位置する第３層と第４層とを有していてもよい。また、第２被覆層２４は、立方晶構造を有する結晶を含んでいてもよい。この場合、第２被覆層２４の縞状構造を構成する各層は、それぞれ立方晶構造を有する結晶を含んでいてもよい。

第２被覆層２４の縞状構造が有する各層は、Ｓｉと、少なくとも１種類の金属元素とを含んでいてもよく、金属元素の含有量は、各層で異なっていてもよい。

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。なお、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。

かかる構成の第２被覆層２４を有する被覆工具１は、被覆層の靭性が高まり、耐衝撃性に優れる。具体的には、かかる構成の第２被覆層２４を有する被覆工具１は、耐欠損性・耐チッピング性に優れる。

また、第２被覆層２４は、Ｔｉ含有量の増減の周期と、Ｓｉ含有量の増減の周期とが異なる部分を有していてもよい。ここで、増減の周期とは、たとえば、第２被覆層２４の厚み方向に沿ってＴｉ含有量（Ｓｉ含有量）が最大（または最小）となる位置から次に最大（または最小）となる位置までの距離のことである。

かかる構成の第２被覆層２４を有する被覆工具１は、高硬度を維持しつつ、靭性を向上し、耐衝撃性に優れる。

Ｔｉ含有量の増減の周期、Ｓｉ含有量の増減の周期およびＮ含有量の増減の周期は、１ｎｍ以上１５ｎｍ以下であってもよい。

かかる構成の第２被覆層２４を有する被覆工具１は、被覆層内部の残留応力が緩和され、被覆層の密着性が向上し、耐衝撃性が向上する。

第２被覆層２４の金属元素に占めるＴｉの比率は、８０原子％以上９５原子％以下であり、第２被覆層２４の金属元素に占めるＳｉの比率は、５原子％以上２０原子％以下であってもよい。

かかる構成の第２被覆層２４を有する被覆工具１は、高硬度を維持しつつ、被覆層の密着性が向上し、さらに被覆層の靭性に優れ、高い耐衝撃性を示す。

第２被覆層２４の金属元素に占めるＴｉの比率は、８２原子％以上９０原子％以下であってもよい。

かかる構成の第２被覆層２４を有する被覆工具１は、さらに靭性が向上し、高い耐衝撃性を示す。

第２被覆層２４は、第１被覆層２３と同じく物理蒸着法により形成されてもよい。一例として、縞状構造を有するＴｉＳｉＮからなる第２被覆層は、イオンプレーティング法において、チタン金属ターゲットおよびチタン－シリコン複合化合金ターゲットを用い、これらの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作製することができる。

第１被覆層２３および第２被覆層２４を有する被覆層２０において、第２被覆層２４の縞状構造が有する２つの層（第３層および第４層）のうち一方の層に含まれる立方晶構造を有する結晶（以下、「立方晶結晶」と記載する）の格子定数を第１格子定数とする。また、第２被覆層２４の縞状構造が有する２つの層（第３層および第４層）のうち他方の層に含まれる立方晶結晶の格子定数を第２格子定数とする。なお、立方晶結晶が２つの層に跨がって位置している場合には、その立方晶結晶のうち、一方の層に位置する部分の格子定数を第１格子定数とし、他方の層に位置する部分の格子定数を第２格子定数とする。

この場合、実施形態に係る被覆工具１は、被覆層２０における、第１格子定数の大きさと第２格子定数の大きさとの差が、０％より大きく０．１％以下であってもよい。

従来、２つの層が交互に積層された被覆層は、一方の層に含まれる結晶のａ軸の格子定数ａ１の大きさと他方の層に含まれる結晶の格子定数ａ２の大きさとの差が大きかった。このため、２つの層の界面には、大きなひずみが存在しており、これにより熱的安定性が低く、切削時の耐摩耗性および耐熱衝撃性が低かった。これに対し、実施形態に係る被覆層２０は、２つの層（第３層および第４層）のうち一方の層に含まれる立方晶結晶のａ軸の格子定数ａ１の大きさと他方の層に含まれる立方晶結晶の格子定数ａ２の大きさとの差が小さい。このため、実施形態に係る被覆層２０においては、２つの層の界面に存在するひずみが小さい。したがって、実施形態に係る被覆層２０は、熱的安定性が高く、切削時の安定性すなわち耐耐摩耗性と耐熱衝撃性が従来品と比べて高い。

また、被覆層２０は、第１被覆層２３および第２被覆層２４のいずれにもＳｉが含有されている。これにより、各層の間に発生する残留応力を小さくすることができることから、熱的安定性をさらに向上させることができる。

また、被覆層２０は、ＡｌおよびＣｒを含有する第１被覆層２３を有している。これにより、被覆層２０耐酸化性・潤滑性を向上させることができる。

また、被覆層２０は、Ｔｉを含有する第２被覆層２４を有している。これにより、耐チッピング性能を向上させることができる。

ここでは、被覆層２０が、第１被覆層２３および第２被覆層２４の両方を有する場合の例について説明したが、被覆層２０は、第１被覆層２３および第２被覆層２４のうち少なくとも一方を有していればよい。

たとえば、被覆層２０は、第１被覆層２３および第２被覆層２４のうち第１被覆層２３のみを有する構成であってもよい。この場合、第１被覆層２３が有する２つの層（第１層２３ａおよび第２層２３ｂ）のうち一方の層に含まれる立方晶結晶のａ軸の格子定数ａ１の大きさと他方の層に含まれる立方晶結晶の格子定数ａ２の大きさとの差が、０％より大きく０．１％以下であってもよい。

また、被覆層２０は、第１被覆層２３および第２被覆層２４のうち第２被覆層２４のみを有する構成であってもよい。この場合、第２被覆層２４が有する２つの層（第３層および第４層）のうち一方の層に含まれる立方晶結晶のａ軸の格子定数ａ１の大きさと他方の層に含まれる立方晶結晶の格子定数ａ２の大きさとの差が、０％より大きく０．１％以下であってもよい。第３層と第４層は同じ結晶方位を示してもよく、異なる結晶方位を示してもよい。

（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。

＜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の上に被覆層を有する試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．６を作製した。試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．６の被覆層は、いずれも透過電子顕微鏡による断面観察において縞状構造を有する。試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．６のうち、試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．３は、本開示の実施例に相当し、試料Ｎｏ．４およびＮｏ．５およびＮｏ．６は、比較例に相当する。

基体がＷＣからなり、中間層がＴｉ含有層からなり、第１被覆層がＡｌＣｒＳｉＮ層からなり、第２被覆層がＴｉＳｉＮ層からなる被覆工具を試料Ｎｏ．１とした。試料Ｎｏ．１は本開示の実施例に相当する。

１×１０^-３Ｐａの減圧環境下において基体を加熱して表面温度を５５０℃にした。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に保持した。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分行った。次に、圧力を０．１Ｐａに減圧し、Ｔｉ金属蒸発源に１５０Ａ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含有層を形成した。アルゴンボンバード処理及びＴｉ含有中間層形成処理を繰り返し、合計３回行うことで、層厚８ｎｍのＴｉ含有中間層を形成した。但し、２回目及び３回目のアルゴンボンバード処理では、バイアス電圧を－２００Ｖとした。

＜アルゴンボンバード処理の処理条件＞
（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）アーク電流：１５０Ａ
（２）バイアス電圧：－４００Ｖ
（３）圧力：０．１ａ
（４）処理時間：０．３分

＜２回目以降のアルゴンボンバード処理条件＞
（１）バイアス電圧：－２００Ｖ
（２）圧力：３Ｐａ
（３）処理時間：１分

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。

次に、第１被覆層を形成した。基体が収容されたチャンバの内部に雰囲気ガス及びＮ源としてＮ_２ガスを導入し、チャンバの内部の圧力を３Ｐａに保持した。次にＡｌ金属、Ｃｒ金属、及びＡｌ_５２Ｓｉ_４８合金蒸発源にそれぞれ、－１３０Ｖのバイアス電圧、及びアーク電流をそれぞれ、１３５～１５０Ａ、１２０～１５０Ａ、１１０～１２０Ａで１５ｍｉｎ間、各アーク電流を０．０４ｍｉｎの周期で繰り返し印加し、平均厚み１．８μｍの第１被覆層である（Ａｌ_５０Ｃｒ_４３Ｓｉ_７）Ｎ／（Ａｌ_４８Ｃｒ_４５Ｓｉ_７）Ｎ層を形成した。

次に、第２被覆層を形成した。Ｔｉ金属、及びＴｉ_５２Ｓｉ_４８合金蒸発源にそれぞれ、―１００Ｖのバイアス電圧、及びアーク電流をそれぞれ、１００～２００Ａ、１００～２００Ａ、で各アーク電流を１０ｍｉｎ間、０．０４ｍｉｎ周期で繰り返し印加し、平均厚み１．２μｍの第２被覆層である（Ｔｉ_９１Ｓｉ_９）Ｎ／（Ｔｉ_８９Ｓｉ_１１）Ｎ層を形成した。

試料Ｎｏ．２～Ｎｏ．６は、試料Ｎｏ．１の作製方法に準じ、金属または合金蒸発源を変更して作製した。

各試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．６について、被覆層に含まれる立方晶結晶の格子定数の測定を行った。

格子定数の測定は、透過型電子顕微鏡ＪＥＭ－ＡＲＭ２００Ｆを用いた電子線回折またはＴＥＭ像の高速フーリエ変換により行った。

また、測定条件は、以下の通りである。
加速電圧：２００ｋＶ

また、試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．６の被覆工具の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。

＜切削試験条件＞
（１）切削方法：ポケット加工
（２）被削材：ＳＫＤ１１Ｈ
（３）回転数：１６９００ｍｉｎ^－１
（４）テーブル送り：１３２０ｍｍ／ｍｉｎ
（５）切り込み量（ａｐ×ａｅ）：０．０８ｍｍ×０．２ｍｍ
（６）切削状態：湿式
（７）クーラント：オイルミスト
（８）評価方法：チッピングが生じるまでの衝撃回数により判断した。

図７は、試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．６における被覆層の構成、格子定数の測定結果ならびに切削試験の結果を示す表である。ここで、図７に示す格子定数差（ｎｍ）は、第１格子定数をＬ１、第２格子定数をＬ２とした場合に、｜Ｌ１－Ｌ２｜で表される。また、格子定数差（％）は、｜Ｌ１－Ｌ２｜／｛（Ｌ１＋Ｌ２）／２｝で表される。

試料Ｎｏ．１の被覆層は、第１被覆層と第２被覆層とを有する。第１被覆層は、厚み方向に交互に位置する第１層と第２層とを有する。第２被覆層は、厚み方向に交互に位置する第３層と第４層とを有する。第１層および第２層は、ＡｌとＣｒとＳｉとＮとを有する。第１層の金属元素に占めるＡｌ、ＣｒおよびＳｉの比率は、それぞれ５０原子％、４３原子％、７原子％であり、第２層の金属元素に占めるＡｌ、ＣｒおよびＳｉの比率は、それぞれ４８原子％、４６原子％、６原子％である。また、第３層および第４層は、ＴｉとＳｉとを有する。第３層の金属元素に占めるＴｉおよびＳｉの比率は、それぞれ９１原子％、９原子％であり、第４層の金属元素に占めるＴｉおよびＳｉの比率は、それぞれ８９原子％、１１原子％である。

試料Ｎｏ．２の被覆層は、第１被覆層および第２被覆層のうち第１被覆層のみを有する。第１被覆層は、厚み方向に交互に位置する第１層と第２層とを有し、第１層および第２層は、ＡｌとＣｒとＳｉとＮとを有する。第１層の金属元素に占めるＡｌ、ＣｒおよびＳｉの比率は、それぞれ５０原子％、４３原子％、７原子％であり、第２層の金属元素に占めるＡｌ、ＣｒおよびＳｉの比率は、それぞれ４８原子％、４６原子％、６原子％である。

試料Ｎｏ．３の被覆層は、第１被覆層および第２被覆層のうち第２被覆層を有する。第２被覆層は、厚み方向に交互に位置する第３層と第４層とを有し、第３層および第４層は、ＴｉとＳｉとＮとを有する。第３層の金属元素に占めるＴｉおよびＳｉの比率は、それぞれ９１原子％、９原子％であり、第４層の金属元素に占めるＴｉおよびＳｉの比率は、それぞれ８９原子％、１１原子％である。

試料Ｎｏ．４の被覆層は、厚み方向に交互に位置する２つの層（それぞれ「第５層」および「第６層」と記載する）を有する。第５層は、ＡｌとＣｒとＮとを有し、第６層は、ＡｌとＴｉとＮとを有する。第５層の金属元素に占めるＡｌおよびＣｒの比率は、それぞれ５０原子％、５０原子％であり、第６層の金属元素に占めるＡｌおよびＴｉの比率は、それぞれ６０原子％、４０原子％である。

試料Ｎｏ．５の被覆層は、厚み方向に交互に位置する２つの層（それぞれ「第７層」および「第８層」と記載する）を有する。第７層は、ＴｉとＡｌとＮを有し、第８層は、ＡｌとＣｒとＮとを有する。第７層の金属元素に占めるＴｉおよびＡｌの比率は、それぞれ７０原子％、３０原子％であり、第８層の金属元素に占めるＡｌおよびＣｒの比率は、それぞれ５０原子％、５０原子％である。

試料Ｎｏ．６の被覆層は、厚み方向に交互に位置する２つの層（それぞれ「第７層」および「第８層」と記載する）を有する。第７層は、ＡｌとＣｒとＮを有し、第８層は、ＡｌとＣｒとＳｉとＮとを有する。第７層の金属元素に占めるＴｉおよびＡｌの比率は、それぞれ５０原子％、５０原子％であり、第８層の金属元素に占めるＡｌおよびＣｒとＳｉの比率は、それぞれ４８原子％、４６原子％、６原子％である。

図７に示すように、試料Ｎｏ．１は、格子定数差（％）が０．０１０％、格子定数差（ｎｍ）が０．００００４ｎｍであった。試料Ｎｏ．２は、格子定数差（％）が０．０１６％、格子定数差（ｎｍ）が０．０００２７ｎｍであった。試料Ｎｏ．３は、格子定数差（％）が０．０１０％、格子定数差（ｎｍ）が０．００００４ｎｍであった。試料Ｎｏ．４は、格子定数差（％）が０．２１０％、格子定数差（ｎｍ）が０．００３５２ｎｍであった。試料Ｎｏ．５は、格子定数差（％）が０．５００％、格子定数差（ｎｍ）が０．００８４１ｎｍであった。試料Ｎｏ．６は、格子定数差（％）が０．０２２％、格子定数差（ｎｍ）が０．０００３６ｎｍであった。このように、本開示の実施例に相当する試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．３は、比較例に相当する試料Ｎｏ．４，Ｎｏ．５と比べて格子定数差が小さい。また試料Ｎｏ．６は縞状構造が有する各層の少なく１層にＳｉを含有していない。この結果から、本開示による被覆工具は、熱的安定性が高いことがわかる。なお、試料Ｎｏ．１は、第１被覆層および第２被覆層を有しているが、図７に示す結果は、第２被覆層における第１格子定数の大きさと第２格子定数の大きさとの差である。

また、図７に示すように、切削試験におけるチッピングまでの衝撃回数は、試料Ｎｏ．１が１２７，０００回、試料Ｎｏ．２が１２２，０００回、試料Ｎｏ．３が１２３，０００回、試料Ｎｏ．４が３３，０００回、試料Ｎｏ．５が３０，０００、試料Ｎｏ．６が５０，０００回であった。

このように、本開示の実施例に相当する試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．３は、比較例である試料Ｎｏ．４、Ｎｏ．５、Ｎｏ．６と比較して、チッピングが生じるまでの衝撃回数が多かった。この結果から、本開示による被覆工具は、切削時の耐摩耗性や耐熱衝撃性の性能が高いことがわかる。

上述してきたように、被覆工具（一例として、被覆工具１）は、基体（一例として、基体１０）と、基体の上に位置する被覆層（一例として、被覆層２０）とを有する。被覆層は、立方晶構造を有する結晶を含む。被覆層は、透過電子顕微鏡による断面観察において縞状構造を有する。縞状構造は、厚み方向に交互に位置する２つの層を有する。２つの層は、Ｓｉと、少なくとも１種類の金属元素とを含む。２つの層は、金属元素の含有量が互いに異なっている。２つの層は、それぞれ立方晶構造を有する結晶を含んでいる。２つの層のうち一方の層に含まれる立方晶構造を有する結晶の格子定数を第１格子定数とし、２つの層のうち他方の層に含まれる立方晶構造を有する結晶の格子定数を第２格子定数とした場合、第１格子定数の大きさと第２格子定数の大きさとの差が、０％より大きく０．１％以下である。

したがって、実施形態に係る被覆工具によれば、熱的安定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
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 (2)

1. 基体と、該基体の上に位置する被覆層とを有し、
   前記被覆層は、立方晶構造を有する結晶を含み、
   前記被覆層は、透過電子顕微鏡による断面観察において縞状構造を有し、
   該縞状構造は、厚み方向に交互に位置する２つの層を有し、
   前記２つの層は、Ｓｉと、少なくとも１種類の金属元素とを含み、
   該金属元素の含有量が互いに異なっており、
   それぞれ前記立方晶構造を有する結晶を含んでおり、
   前記２つの層のうち一方の層に含まれる前記立方晶構造を有する結晶の格子定数を第１格子定数とし、
   前記２つの層のうち他方の層に含まれる前記立方晶構造を有する結晶の格子定数を第２格子定数とした場合、
   前記第１格子定数の大きさと前記第２格子定数の大きさとの差が、０％より大きく０．１％以下であり、
   前記被覆層は、前記基体の上に位置する第１被覆層と、該第１被覆層の上に位置する第２被覆層とを有し、
   前記第１被覆層および前記第２被覆層は、それぞれ透過電子顕微鏡による断面観察において縞状構造を有しており、
   前記第１被覆層の前記縞状構造は、厚み方向に交互に位置する第１層と第２層とを有し、
   前記第２被覆層の前記縞状構造は、厚み方向に交互に位置する第３層と第４層とを有し、
   前記第１層および前記第２層は、Ａｌと、Ｃｒと、Ｓｉと、Ｎとを有し、
   前記第３層および前記第４層は、Ｔｉと、Ｓｉと、Ｎとを有する、被覆工具。
2. 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に記載の被覆工具と
   を有する、切削工具。

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