WO2024236768A1 - 切削工具 - Google Patents

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WO2024236768A1
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coating
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望 月原
治世 福井
敏広 田畑
幸治 倉持
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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    • B23B2228/00—Properties of materials of tools or workpieces, materials of tools or workpieces applied in a specific manner
    • B23B2228/10—Coatings
    • B23B2228/105—Coatings with specified thickness

Definitions

  • This disclosure relates to cutting tools.
  • JP 2022-095116 A discloses a cutting tool that includes a substrate and a coating disposed on the substrate, the coating including a first layer made of metallic tungsten and hexagonal ditungsten carbide.
  • the cutting tool of the present disclosure comprises: 1.
  • a cutting tool comprising a substrate and a coating disposed on the substrate, the coating comprises a first layer of hexagonal W(C 1-a N a ) x ;
  • the a is 0.3 or more and 0.8 or less, The cutting tool, wherein x is equal to or greater than 0.8 and equal to or less than 1.2.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating one embodiment of a cutting tool.
  • FIG. 2 is a schematic enlarged cross-sectional view of an example of the cutting tool according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic enlarged cross-sectional view of another example of the cutting tool according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic enlarged cross-sectional view of another example of the cutting tool according to the first embodiment.
  • the present disclosure therefore aims to provide a cutting tool that has a long tool life, especially in environments with high thermal loads such as when turning titanium alloys.
  • the cutting tool of the present disclosure can have a long tool life, especially in an environment of high thermal load such as during turning of titanium alloys.
  • the cutting tool of the present disclosure comprises: 1. A cutting tool comprising a substrate and a coating disposed on the substrate, the coating comprises a first layer of hexagonal W(C 1-a N a ) x ; The a is 0.3 or more and 0.8 or less, The cutting tool, wherein x is equal to or greater than 0.8 and equal to or less than 1.2.
  • the cutting tool disclosed herein has a long tool life, especially in environments with high thermal loads such as when turning titanium alloys.
  • a peak may exist in the range of diffraction angle 2 ⁇ of 46.0° or more and 47.0° or less.
  • the peak with a diffraction angle 2 ⁇ in the range of 46.0° to 47.0° (hereinafter also referred to as the "first peak") is a peak caused by the (105) plane of hexagonal tungsten nitride.
  • the presence of the first peak in the X-ray diffraction spectrum of the first layer further improves the heat resistance of the coating.
  • the thickness of the first layer may be 0.3 ⁇ m or more and 4.0 ⁇ m or less. This further improves the tool life.
  • the coating further includes a second layer disposed on an opposite side of the first layer from the substrate,
  • the second layer may be composed of at least one element selected from a first group consisting of Group 4 elements, Group 5 elements, Group 6 elements, aluminum, and silicon of the periodic table, or a compound composed of at least one element selected from the first group and at least one element selected from a second group consisting of carbon, nitrogen, oxygen, and boron.
  • the coating further includes a third layer disposed between the substrate and the first layer;
  • the third layer may be composed of at least one element selected from a first group consisting of Group 4 elements, Group 5 elements, Group 6 elements, aluminum, and silicon of the periodic table, or a compound composed of at least one element selected from the first group and at least one element selected from a second group consisting of carbon, nitrogen, oxygen, and boron.
  • the substrate may include at least one material selected from the group consisting of cemented carbide, cermet, high speed steel, ceramics, cubic boron nitride sintered body, and diamond sintered body, thereby providing a tool with excellent hardness and strength at high temperatures.
  • a ⁇ B means the upper and lower limits of a range (i.e., greater than or equal to A and less than or equal to B). If no unit is stated for A and only a unit is stated for B, the units of A and B are the same.
  • a cutting tool 10 according to one embodiment of the present disclosure (hereinafter also referred to as “embodiment 1”) includes: A cutting tool comprising a substrate 11 and a coating 14 disposed on the substrate 11, The coating includes a first layer 12 made of hexagonal W(C 1-a N a ) x ; The a is 0.3 or more and 0.8 or less, The cutting tool, wherein x is equal to or greater than 0.8 and equal to or less than 1.2.
  • the cutting tool of this embodiment has a long tool life, even in environments with high thermal loads, such as when turning titanium alloys.
  • the reason for this is believed to be as follows.
  • the first layer is made of hexagonal W(C 1-a N a ) x . Since the first layer contains C (carbon), the friction coefficient at the contact interface with the workpiece is reduced, and cutting resistance can be reduced. As a result, a cutting tool including the first layer has improved wear resistance and tool life.
  • the first layer contains N (nitrogen), which improves heat resistance compared to WC.
  • N nitrogen
  • cutting tools that contain the first layer have improved oxidation resistance and longer tool life in processes where the cutting edge becomes hot, such as dry cutting processes.
  • the cutting tool of this embodiment may be, for example, a drill, an end mill, an indexable cutting tip for a drill, an indexable cutting tip for an end mill, an indexable cutting tip for milling, an indexable cutting tip for turning, a metal saw, a gear cutting tool, a reamer, a tap, etc.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating one embodiment of a cutting tool.
  • a cutting tool having such a shape is used, for example, as an indexable cutting tip.
  • the cutting tool 10 has a rake face 1, a flank face 2, and a cutting edge ridge 3 where the rake face 1 and the flank face 2 intersect. That is, the rake face 1 and the flank face 2 are connected via the cutting edge ridge 3.
  • the cutting edge ridge 3 constitutes the tip of the cutting edge of the cutting tool 10.
  • the shape of such a cutting tool 10 can also be understood as the shape of the base material of the cutting tool. That is, the base material has a rake face, a flank face, and a cutting edge ridge that connects the rake face and the flank face.
  • the substrate of the present embodiment can be any substrate known in the art.
  • the substrate is preferably selected from the group consisting of cemented carbide (for example, tungsten carbide (WC)-based cemented carbide, cemented carbide containing Co in addition to WC, cemented carbide containing Cr, Ti, Ta, Nb, etc.
  • cemented carbide for example, tungsten carbide (WC)-based cemented carbide, cemented carbide containing Co in addition to WC, cemented carbide containing Cr, Ti, Ta, Nb, etc.
  • cermet mainly composed of TiC, TiN, TiCN, etc.
  • high-speed steel ceramics (titanium carbide, silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride, aluminum oxide, etc.), cubic boron nitride sintered body (cBN sintered body) and diamond sintered body, and more preferably selected from the group consisting of cemented carbide, cermet and cBN sintered body.
  • the effect of this embodiment is exhibited even if such a cemented carbide contains free carbon or an abnormal phase called the ⁇ phase in the structure.
  • the substrate used in this embodiment may have a modified surface.
  • a de- ⁇ layer may be formed on the surface, and in the case of a cermet, a surface hardened layer may be formed. The effect of this embodiment is exhibited even if the surface is modified in this way.
  • the base material may or may not have a chip breaker.
  • the shape of the ridge portion of the cutting edge may be any of the following: sharp edge (the ridge where the rake face and flank intersect), honing (a shape in which a radius is added to a sharp edge), negative land (a chamfered shape), or a combination of honing and negative land.
  • the "coating" according to this embodiment has the effect of improving various properties such as chipping resistance and wear resistance of the cutting tool by covering at least a part of the substrate (for example, a part involved in cutting that comes into contact with the workpiece during cutting).
  • the coating can cover at least the part involved in cutting.
  • the coating may cover the entire surface of the substrate. Even if the configuration of the coating is partially different, it does not deviate from the scope of this embodiment.
  • the part involved in cutting of the substrate means, for example, an area on the surface of the substrate that is within 50 ⁇ m from the cutting edge line.
  • the coating may cover the entire surface of the part involved in cutting of the substrate.
  • the coating includes a first layer made of hexagonal W(C 1-a N a ) x .
  • Figure 2 is a schematic cross-sectional view of a cutting tool according to one aspect of the present embodiment. As shown in Figure 2, the first layer 12 may be provided directly on the substrate 11.
  • the coating may include other layers in addition to the first layer 12.
  • the other layers include a third layer 15 disposed between the substrate 11 and the first layer 12 as shown in FIG. 4, and a second layer 13 disposed on the side of the first layer 12 opposite the substrate 11 as shown in FIGS. 3 and 4.
  • the thickness of the coating may be 0.3 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less, 0.5 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less, 1 ⁇ m or more and 6 ⁇ m or less, or 1.5 ⁇ m or more and 4 ⁇ m or less. If the thickness of the coating is less than 0.1 ⁇ m, the abrasion resistance tends to decrease. If the thickness of the coating exceeds 10 ⁇ m, for example, peeling or destruction of the coating tends to occur frequently when a large stress is applied between the coating and the substrate during intermittent processing.
  • the thickness of the coating refers to the sum of the thicknesses of the layers that make up the coating, such as the first layer, second layer, and third layer, which will be described later.
  • the thickness of the coating is measured using a transmission electron microscope (TEM) to measure any three points on a cross-sectional sample parallel to the normal direction of the substrate surface, and then averaging the thicknesses measured at the three points.
  • TEM transmission electron microscope
  • An example of a transmission electron microscope is the spherical aberration corrector "JEM-2100F (trademark)" manufactured by JEOL Ltd.
  • JEM-2100F spherical aberration corrector
  • the coating includes a first layer made of hexagonal W(C 1-a N a ) x (wherein a is 0.3 to 0.8, and x is 0.8 to 1.2).
  • Hexagonal W(C 1-a N a ) x means W(C 1-a N a ) x having a hexagonal crystal structure.
  • the hexagonal crystal structure of the first layer suppresses the diffusion reaction between the coating and the workpiece, reduces adhesion of the workpiece, and improves tool life.
  • the first layer can improve the heat resistance, oxidation resistance, and wear resistance of the coating.
  • the first layer may contain inevitable impurities in addition to hexagonal W(C 1-a N a ) x , as long as the effects of the cutting tool according to this embodiment are not impaired.
  • the inevitable impurities include iron (Fe), calcium (Ca), zinc (Zn), sodium (Na), fluorine (F), nickel (Ni), molybdenum (Mo), and chromium (Cr).
  • the content ratio of the inevitable impurities is preferably 0 mass% or more and 0.2 mass% or less with respect to the total mass of the first layer. The content ratio of the inevitable impurities is measured by glow discharge mass spectrometry.
  • the "second layer” and the "third layer” described later may contain inevitable impurities as long as the effects of the cutting tool according to this disclosure are not impaired.
  • the first layer is made of W(C 1-a N a ) x , which is a hexagonal crystal structure.
  • peaks originating from layers other than the first layer or from the substrate may be detected in the XRD spectrum.
  • the peaks originating from the first layer are identified by the following method.
  • XRD measurement is performed on the coating by irradiating the surface of the measurement sample opposite the substrate with X-rays, and diffraction pattern A is obtained.
  • the layer on the surface side (X-ray irradiated side) of the measurement sample that is closer to the surface than the first layer is mechanically removed to expose the first layer.
  • XRD measurement is performed on the exposed surface of the first layer by irradiating X-rays, and diffraction pattern B is obtained.
  • the first layer of the measurement sample is mechanically removed to expose the layer closer to the substrate than the first layer.
  • XRD measurement is performed on the exposed surface of the layer by irradiating X-rays, and diffraction pattern C is obtained.
  • Peaks derived from the first layer are identified by comparing diffraction patterns A, B, and C.
  • the X-ray diffraction spectrum in which peaks derived from the first layer are identified by the above-mentioned procedure is referred to as the "X-ray diffraction spectrum of the first layer.”
  • Apparatuses used for the above X-ray diffraction measurements include "SmartLab” (product name) manufactured by Rigaku Corporation and "X'pert” (product name) manufactured by PANalytical.
  • XRD measurement conditions Scanning axis: 2 ⁇ - ⁇ X-ray source: Cu-K ⁇ ray (1.541862 ⁇ ) Detector: 0-dimensional detector (scintillation counter) Tube voltage: 45 kV Tube current: 40mA Incident optical system: Use of mirrors Receiving optical system: Use of analyzer crystal (PW3098/27) Step: 0.03° Accumulation time: 2 seconds Scan range (2 ⁇ ): 10° to 120°
  • a peak may be present in the range of diffraction angle 2 ⁇ of 46.0° or more and 47.0° or less.
  • the peak in the range of diffraction angle 2 ⁇ of 46.0° or more and 47.0° or less (hereinafter also referred to as the "first peak") is a peak due to hexagonal tungsten nitride.
  • the first layer is made of hexagonal W(C 1-a N a ) x , where a is 0.3 or more and 0.8 or less, and x is 0.8 or more and 1.2 or less.
  • the lower limit of a is 0.3 or more, may be 0.4 or more, or may be 0.5 or more.
  • the upper limit of a is 0.8 or less, may be 0.7 or less, or may be 0.6 or less.
  • a may be 0.4 or more and 0.7 or less, or may be 0.5 or more and 0.6 or less.
  • the lower limit of x is 0.8 or more, and may be 0.9 or more.
  • the upper limit of x is 1.2 or less, and may be 1.1 or less.
  • x may be 0.9 or more and 1.1 or less, or may be 1.0.
  • the first layer is made of hexagonal W(C 1-a N a ) x
  • the first layer may contain inevitable impurities in addition to W(C 1-a N a ) x , as long as the effect of the present disclosure is not impaired.
  • inevitable impurities include oxygen and carbon.
  • the total content of inevitable impurities in the first unit layer 12 may be greater than 0 atomic % and less than 1 atomic %.
  • atomic % means the ratio (%) of the number of atoms to the total number of atoms constituting the layer.
  • the above a is measured using electron energy loss spectroscopy (TEM-EELS).
  • TEM-EELS electron energy loss spectroscopy
  • the cutting tool is cut in a direction normal to the surface of the coating using an argon ion slicer to prepare a slice of 3 to 100 nm thickness that includes the cross section of the coating.
  • the slice is observed at 100,000 to 1,000,000 times magnification using a transmission electron microscope (TEM, product name: "JEM-2100F/Cs", manufactured by JEOL Ltd.) to obtain a cross-sectional transmission image of the coating.
  • the cross-sectional transmission image is scanned using electron energy loss spectroscopy (EELS) with a 10 nm square observation spot to observe the energy loss curve associated with the excitation of carbon and nitrogen electrons.
  • EELS electron energy loss spectroscopy
  • the parallel intensity of 270 to 280 eV for carbon and 385 to 395 eV for nitrogen are defined as background intensity, and the ratio of the carbon energy to the nitrogen energy is calculated. This allows the above a to be obtained.
  • the ratio A N1 /A M1 of the total number of C and N atoms A N1 to the number of W atoms A M1 is 0.8 or more and 1.2 or less.
  • the ratio A N1 /A M1 can be measured by a Rutherford backscattering (RBS) method. It has been confirmed that the effect of the present disclosure is not impaired as long as the ratio A N1 /A M1 is within the above range.
  • the lower limit of the thickness of the first layer may be 0.2 ⁇ m or more. This suppresses the diffusion reaction between the first layer and the workpiece.
  • the lower limit of the thickness of the first layer may be 0.3 ⁇ m or more, 0.5 ⁇ m or more, 0.7 ⁇ m or more, or 0.9 ⁇ m or more.
  • the upper limit of the thickness of the first layer may be 5.0 ⁇ m or less. This provides a coating with high hardness and good wear resistance.
  • the upper limit of the thickness of the first layer may be 4.0 ⁇ m or less, 2.0 ⁇ m or less, or 1.5 ⁇ m or less.
  • the coating 14 may further include a second layer 13 provided on the side of the first layer 12 opposite the substrate 11.
  • “provided on the side of the first layer opposite the substrate” means that the second layer 13 is provided on the upper side (the side away from the substrate) of the first layer 12, and the first layer 12 and the second layer 13 do not need to be in contact with each other.
  • another layer may be provided between the first layer 12 and the second layer 13.
  • the second layer 13 may be provided directly on the first layer 12.
  • the second layer 13 may be the outermost layer.
  • the second layer may be made of at least one element selected from the first group consisting of Group 4 elements, Group 5 elements, Group 6 elements, aluminum (Al) and silicon (Si), or a compound consisting of at least one element selected from the first group and at least one element selected from the second group consisting of carbon (C), nitrogen (N), oxygen (O) and boron (B).
  • Group 4 elements include titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf), etc.
  • Group 5 elements include vanadium (V), niobium (Nb), tantalum (Ta), etc.
  • Group 6 elements include chromium (Cr), molybdenum (Mo), tungsten (W), etc.
  • the second layer may contain impurities in addition to at least one element selected from Group 1 or the above compound.
  • the second layer can be made of at least one element selected from Group 1A consisting of Cr, Al, Ti and Si, or a compound consisting of at least one element selected from Group 1A and at least one element selected from Group 2 consisting of carbon, nitrogen, oxygen and boron.
  • Examples of compounds constituting the second layer include AlTiBN, TiAlN, TiAlON, Al2O3 , TiAlSiN, TiCrSiN, TiAlCrSiN, AlCrN, AlCrO, AlCrON, AlCrSiN, AlCrBN, TiZrN, TiAlMoN, TiAlNbN, TiSiN, AlCrTaN, AlVN, AlTiVN, TiB2 , TiCrHfN, CrSiWN, TiAlCN, TiSiCN, AlZrON, AlCrCN, AlHfN, CrSiBON, TiAlWN, AlCrMoCN, TiCN, TiCON, ZrN, and ZrCN. These compounds can reduce the friction coefficient of the coating and extend the life of the cutting tool.
  • the thickness of the second layer may be 0.1 ⁇ m or more.
  • the thickness of the second layer is 0.1 ⁇ m or more, the lubricity imparting effect of the second layer is easily obtained.
  • the thickness of the second layer may be 2 ⁇ m or less.
  • the coating 14 may further include a third layer 15 disposed between the substrate 11 and the first layer 12. This can increase the adhesion between the substrate 11 and the coating 14.
  • the third layer may be made of at least one element selected from the first group consisting of Group 4, Group 5, and Group 6 elements, aluminum (Al), and silicon (Si), or a compound consisting of at least one element selected from the first group and at least one element selected from the second group consisting of carbon (C), nitrogen (N), oxygen (O), and boron (B).
  • Group 4 elements include titanium (Ti), zirconium (Zr), and hafnium (Hf).
  • Group 5 elements include vanadium (V), niobium (Nb), and tantalum (Ta).
  • Group 6 elements include chromium (Cr), molybdenum (Mo), and tungsten (W).
  • the third layer may contain impurities in addition to at least one element selected from Group 1 or the above compound.
  • Examples of compounds constituting the third layer include TiWCN, TiN, TiAlN, TiAlON, Al2O3 , TiAlSiN, TiCrSiN, TiAlCrSiN, AlCrN, AlCrO, AlCrON, AlCrSiN, AlCrBN, TiZrN, TiAlMoN, TiAlNbN, TiSiN, AlCrTaN, AlVN, AlTiVN, TiB2 , TiCrHfN, CrSiWN, TiAlCN, TiSiCN, AlZrON, AlCrCN, AlHfN, CrSiBON, TiAlWN, AlCrMoCN, TiCN, TiCON, ZrN and ZrCN.
  • the coating may include an intermediate layer disposed between the second layer and the first layer, or between the first layer and the third layer.
  • the intermediate layer include TiAlCeN, AlTiN, AlTiBN, AlTiSiN, AlTiYN, AlTiLaN, etc.
  • the thickness of the intermediate layer may be 0.1 ⁇ m to 2 ⁇ m, 0.3 ⁇ m to 1.5 ⁇ m, or 0.4 ⁇ m to 1.0 ⁇ m.
  • the method for manufacturing the cutting tool according to this embodiment includes a first step of preparing a substrate and a second step of forming a coating on the substrate.
  • the second step includes a step of forming a first layer. Each step will be described below.
  • a substrate is prepared.
  • the substrate may be the substrate described in the first embodiment.
  • a coating is formed on the substrate.
  • the second step includes a step of forming a first layer. Examples of a method for forming the first layer include a physical vapor deposition method (PVD method).
  • Physical vapor deposition methods include, for example, sputtering, ion plating, arc ion plating, and electron ion beam deposition.
  • the use of cathodic arc ion plating or sputtering, which have a high ionization rate of the raw material elements, is preferable because it allows metal or gas ion bombardment treatment of the substrate surface before forming the coating, thereby significantly improving the adhesion between the coating and the substrate.
  • WC targets for example, binderless WC with a composition of 93% or more by mass of WC and a sintered target with a C content of 3 to 6.1% by mass
  • the substrate temperature is set to 400 to 550°C
  • the gas pressure in the device is set to 1.5 to 5.5 Pa.
  • nitrogen (N 2 ) gas or a mixture of nitrogen gas and argon gas is introduced.
  • an arc current of 80-150A is supplied to the cathode electrode, and metal ions and the like are generated from the arc evaporation source to form a first layer on the substrate.
  • the tungsten filament also discharges during film formation (emission current 30-45A). This allows the number of ions in the plasma to be increased.
  • An example of a device used for the arc ion plating method is the AIP (product name) manufactured by Kobe Steel, Ltd.
  • the substrate temperature, gas pressure, bias voltage, frequency, arc current, and emission current during film formation are kept constant within the above ranges.
  • the second step can include a surface treatment step of the coating, such as grinding or shot blasting, in addition to the step of forming the first layer.
  • the second step can also include a step of forming other layers, such as the second layer, the third layer, and an intermediate layer.
  • the other layers can be formed by a conventionally known chemical vapor deposition method or a physical vapor deposition method. From the viewpoint that the other layers can be formed continuously with the first layer in one physical vapor deposition apparatus, it is preferable to form the other layers by a physical vapor deposition method.
  • ⁇ Cutting tool manufacturing> [Samples 1 to 22, Samples 101 to 105] ⁇ First step> In the first step, a JIS K10 cemented carbide (shape: JIS CNMG120408) was prepared as a substrate. Next, the substrate was set at a predetermined position in an arc ion plating device (manufactured by Kobe Steel, Ltd., product name: AIP).
  • ⁇ Second step> a coating including a first layer was formed on the substrate by arc ion plating to obtain each cutting tool sample.
  • the first layer was formed by the following method. First, WC targets (sintered targets with a composition of 93% or more by weight of WC and a C content of 3 to 6.1% by weight) were set in two opposing arc-type evaporation sources in the apparatus. The substrate temperature was set to 400 to 550°C, and the gas pressure in the apparatus was set to 1.5 to 5.5 Pa.
  • nitrogen (N 2 ) gas or a mixed gas of nitrogen gas and argon gas was introduced.
  • the substrate (negative) bias voltage was maintained at 10 to 150 V and DC or pulse DC (frequency 20 to 50 kHz), and an arc current of 80 to 150 A was supplied to the cathode electrode to generate metal ions and the like from the arc evaporation source, forming a first layer on the substrate.
  • a tungsten filament was also discharged during film formation (emission current 30 to 45 A).
  • the substrate temperature, gas pressure, bias voltage, frequency, and emission current during film formation were kept constant within the above ranges.
  • the gas composition, gas pressure, arc current, and bias voltage were adjusted within the above ranges to adjust the composition of the first layer and the presence or absence of a first peak in the XRD spectrum of the first layer (a peak in the range where the diffraction angle 2 ⁇ is 46.0° to 47.0°).
  • a third layer was provided between the substrate and the first layer.
  • the third layer was formed directly on the substrate using the following procedure before the formation of the first layer.
  • a target (sintered target) containing the metal composition in the column for the composition of the third layer in Table 1 was set in the arc evaporation source of the arc ion plating device.
  • the substrate temperature was set to 600°C and the gas pressure in the device was set to 3.5 Pa.
  • a mixed gas of nitrogen gas, methane gas, and argon gas was introduced as the reactive gas.
  • an arc current of 130 A was supplied to the cathode electrode. The supply of the arc current generated metal ions and the like from the arc evaporation source, forming the third layer to the thickness listed in Table 1.
  • a second layer was provided on top of the first layer.
  • the second layer was formed directly on top of the first layer after the formation of the first layer, using the following procedure.
  • a target (sintered target) containing the metal composition in the column for the composition of the second layer listed in Table 1 was set in the arc evaporation source of the arc ion plating device.
  • the substrate temperature was set to 550°C and the gas pressure inside the device was set to 4.0 Pa. Nitrogen was introduced as the reactive gas.
  • an arc current of 150 A was supplied to the cathode electrode. The supply of the arc current generated metal ions and the like from the arc evaporation source, forming a second layer to the thickness listed in Table 1.
  • the gas pressure was set to 1.0 Pa, a mixture of nitrogen gas and argon gas was introduced, the bias voltage was set to 100 V, and the other conditions were the same as for samples 1 to 22.
  • the gas pressure was set to 4.0 Pa, a mixture of nitrogen gas and argon gas was introduced, the bias voltage was set to 200 V, the arc current was set to 150 A, and the other conditions were the same as for samples 1 to 22.
  • the gas pressure was set to 5.0 Pa, a mixture of nitrogen gas and argon gas was introduced, the bias voltage was set to 500 V, the arc current was set to 190 A, and the other conditions were the same as for samples 1 to 22.
  • Sample 106 A substrate identical to that of Sample 1 was prepared, and a coating was formed on the substrate in the same manner as that of Sample 15 of Patent Document 1 to obtain a cutting tool of Sample 106.
  • hexagonal in the "crystal structure” column indicates that the first layer does not contain tungsten carbide or tungsten nitride, which have a cubic crystal structure, and indicates that the first layer is made of hexagonal W(C1 -aNa ) x , which has a hexagonal crystal structure.
  • the notation "Hexagonal + Cubic" in the "Crystal Structure” column indicates that the first layer contained a mixture of hexagonal tungsten nitride (hexagonal WN), hexagonal tungsten carbide (hexagonal WC), and at least one of cubic WN and W 3 C. If at least one of the peaks shown in JCPDS (ICDD) Card 01-075-1012 (WN) and 00-042-0853 (W 3 C) is observed in the XRD spectrum of the first layer, the first layer contains a cubic crystal structure.
  • the "W+hW 2 C" in the "Crystal Structure” column for Sample 106 indicates that the first layer is composed of metallic tungsten and hexagonal ditungsten carbide.
  • composition of the first layer of each sample was measured using electron energy loss spectroscopy (TEM-EELS) and Rutherford backscattering (RBS). When the second and third layers were formed, their compositions were also measured. The specific measurement method is described in the first embodiment, and therefore the description will not be repeated. The results are shown in the “a” and “x” columns of "First layer (W(C 1-a N a ) x )", the “Composition” column of "Second layer”, and the “Composition” column of "Third layer” in Table 1.
  • ⁇ Thickness of each layer> The thicknesses of the first layer, the second layer, the third layer, and the coating were measured using a transmission electron microscope (TEM) (manufactured by JEOL Ltd., product name: JEM-2100F). The specific measurement method is described in embodiment 1, and therefore the description will not be repeated. The results are shown in the "Thickness" column of each layer in Table 1.
  • TEM transmission electron microscope
  • Cutting tools Samples 1 to 22 correspond to examples, and cutting tools Samples 101 to 106 correspond to comparative examples. The results of the cutting tests confirmed that cutting tools Samples 1 to 22 have a longer tool life, even in environments with high thermal loads, than cutting tools Samples 101 to 106.

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Abstract

基材と、前記基材上に配置された被膜と、を備える切削工具であって、前記被膜は、六方晶Ｗ（Ｃ１－ａＮａ）ｘからなる第１層を含み、前記ａは、０．３以上０．８以下であり、前記ｘは、０．８以上１．２以下である、切削工具である。

Description

切削工具
　本開示は、切削工具に関する。
　切削工具の長寿命化を目的として、種々の検討がなされている。特開２０２２－０９５１１６号公報（特許文献１）には、基材と、基材上に配置される被膜とを備える切削工具であって、被膜は、金属タングステンと、六方晶炭化二タングステンと、からなる第一層を含む切削工具が開示されている。
特開２０２２－０９５１１６号公報
　本開示の切削工具は、
　基材と、前記基材上に配置された被膜と、を備える切削工具であって、
　前記被膜は、六方晶Ｗ（Ｃ１－ａＮａ）ｘからなる第１層を含み、
　前記ａは、０．３以上０．８以下であり、
　前記ｘは、０．８以上１．２以下である、切削工具である。
図１は、切削工具の一態様を例示する斜視図である。 図２は、実施形態１に係る切削工具の一例の模式的な拡大断面図である。 図３は、実施形態１に係る切削工具の他の一例の模式的な拡大断面図である。 図４は、実施形態１に係る切削工具の他の一例の模式的な拡大断面図である。
　[本開示が解決しようとする課題]
　チタン合金の旋削加工時のように、熱負荷の高い環境下においても、長い工具寿命を有する切削工具が求められている。
　そこで、本開示は、特にチタン合金の旋削加工時のような熱負荷の高い環境下においても、長い工具寿命を有する切削工具を提供することを目的とする。
　[本開示の効果]
　本開示の切削工具は、特にチタン合金の旋削加工時のような熱負荷の高い環境下においても、長い工具寿命を有することができる。
　［本開示の実施形態の説明］
　最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
　（１）本開示の切削工具は、
　基材と、前記基材上に配置された被膜と、を備える切削工具であって、
　前記被膜は、六方晶Ｗ（Ｃ１－ａＮａ）ｘからなる第１層を含み、
　前記ａは、０．３以上０．８以下であり、
　前記ｘは、０．８以上１．２以下である、切削工具である。
　本開示の切削工具は、特にチタン合金の旋削加工時のような熱負荷の高い環境下においても、長い工具寿命を有することができる。
　（２）上記（１）において、前記第１層のＸ線回折スペクトルにおいて、回折角度２θが４６．０°以上４７．０°以下の範囲にピークが存在することができる。
　回折角度２θが４６．０°以上４７．０°以下の範囲のピーク（以下、「第１ピーク」とも記す。）は、六方晶窒化タングステンの（１０５）面に起因するピークである。第１層のＸ線回折スペクトルに第１ピークが存在すると、被膜の耐熱性がより向上する。
　（３）上記（１）または（２）において、前記第１層の厚みは、０．３μｍ以上４．０μｍ以下であってもよい。これによると、工具寿命が更に向上する。
　（４）上記（１）から（３）のいずれかにおいて、
　前記被膜は、前記第１層の前記基材と反対側に設けられる第２層を更に含み、
　前記第２層は、周期表４族元素、５族元素、６族元素、アルミニウムおよび珪素からなる第１群より選ばれる少なくとも１種の元素、または、前記第１群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素および硼素からなる第２群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物からなることができる。
　これによると、工具寿命が更に向上する。
　（５）上記（１）から（４）のいずれかにおいて、
　前記被膜は、前記基材と、前記第１層との間に配置される第３層を更に含み、
　前記第３層は、周期表４族元素、５族元素、６族元素、アルミニウムおよび珪素からなる第１群より選ばれる少なくとも１種の元素、または、前記第１群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素および硼素からなる第２群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物からなることができる。
　これによると、工具寿命が更に向上する。
　（６）上記（１）から（５）のいずれかにおいて、
　前記基材は、超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶窒化硼素焼結体およびダイヤモンド焼結体からなる群より選ばれる少なくとも１種を含むことができる。これによると、工具は高温における硬度と強度とに優れる。
　［本開示の実施形態の詳細］
　本開示の一実施形態（以下、「本実施形態」とも記す。）の切削工具の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。本開示の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、必ずしも実際の寸法関係を表すものではない。
　本明細書において「Ａ～Ｂ」という形式の表記は、範囲の上限下限（すなわちＡ以上Ｂ以下）を意味し、Ａにおいて単位の記載がなく、Ｂにおいてのみ単位が記載されている場合、Ａの単位とＢの単位とは同じである。
　本明細書において化合物などを化学式で表す場合、原子比を特に限定しないときは従来公知のあらゆる原子比を含むものとし、必ずしも化学量論的範囲のもののみに限定されるべきではない。
　［実施形態１：切削工具］
　本開示の一実施形態に係る切削工具について、図１～図４を用いて説明する。
　図２に示されるように、本開示の一実施形態（以下、「実施形態１」とも記す。）に係る切削工具１０は、
　基材１１と、基材１１上に配置された被膜１４と、を備える切削工具であって、
　前記被膜は、六方晶Ｗ（Ｃ１－ａＮａ）ｘからなる第１層１２を含み、
　前記ａは、０．３以上０．８以下であり、
　前記ｘは、０．８以上１．２以下である、切削工具である。
　本実施形態の切削工具は、特にチタン合金の旋削加工時のような熱負荷の高い環境下においても、長い工具寿命を有することができる。この理由は以下の通りと推察される。
　第１層は、六方晶Ｗ（Ｃ１－ａＮａ）ｘからなる。第１層はＣ（炭素）を含むため、被削材との接触界面での摩擦係数が減少し、切削抵抗を低減することができる。その結果、第１層を含む切削工具は、耐摩耗性が向上し、工具寿命が向上する。
　第１層はＮ（窒素）を含むため、ＷＣよりも耐熱性が改善される。その結果、第１層を含む切削工具は、ドライ切削加工時など刃先が高温になる加工において、耐酸化性が向上し、工具寿命が向上する。
　＜切削工具＞
　本実施形態の切削工具は、例えば、ドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型切削チップ、エンドミル用刃先交換型切削チップ、フライス加工用刃先交換型切削チップ、旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ等であり得る。
　図１は、切削工具の一態様を例示する斜視図である。このような形状の切削工具は、例えば、刃先交換型切削チップとして用いられる。切削工具１０は、すくい面１と、逃げ面２と、すくい面１と逃げ面２とが交差する刃先稜線部３とを有する。すなわち、すくい面１と逃げ面２とは、刃先稜線部３を挟んで繋がる面である。刃先稜線部３は、切削工具１０の切刃先端部を構成する。このような切削工具１０の形状は、切削工具の基材の形状と把握することもできる。すなわち、上記基材は、すくい面と、逃げ面と、すくい面および逃げ面を繋ぐ刃先稜線部とを有する。
　＜基材＞
　本実施形態の基材は、この種の基材として従来公知のものであればいずれのものも使用することができる。例えば、基材は、超硬合金（例えば、炭化タングステン（ＷＣ）基超硬合金、ＷＣの他にＣｏを含む超硬合金、ＷＣの他にＣｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物を添加した超硬合金等）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を主成分とするもの）、高速度鋼、セラミックス（炭化チタン、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム等）、立方晶型窒化硼素焼結体（ｃＢＮ焼結体）およびダイヤモンド焼結体からなる群より選ばれる少なくとも１種を含むことが好ましく、超硬合金、サーメットおよびｃＢＮ焼結体からなる群より選ばれる少なくとも１種を含むことがより好ましい。
　なお、基材として超硬合金を使用する場合、そのような超硬合金は、組織中に遊離炭素またはη相と呼ばれる異常相を含んでいても本実施形態の効果は示される。なお、本実施形態で用いる基材は、その表面が改質されたものであっても差し支えない。たとえば、超硬合金の場合はその表面に脱β層が形成されていたり、サーメットの場合には表面硬化層が形成されていてもよく、このように表面が改質されていても本実施形態の効果は示される。
　切削工具が、刃先交換型切削チップ（フライス加工用刃先交換型切削チップ等）である場合、基材は、チップブレーカーを有するものも、有さないものも含まれる。刃先の稜線部分の形状は、シャープエッジ（すくい面と逃げ面とが交差する稜）、ホーニング（シャープエッジに対してアールを付与した形状）、ネガランド（面取りをした形状）、ホーニングとネガランドを組み合わせた形状の中で、いずれの形状も含まれる。
　＜被膜＞
　本実施形態に係る「被膜」は、基材の少なくとも一部（例えば、切削加工時に被削材と接する切削に関与する部分）を被覆することで、切削工具における耐欠損性、耐摩耗性等の諸特性を向上させる作用を有するものである。被膜は、少なくとも切削に関与する部分を被覆することができる。被膜は、基材の全面を被覆してもよい。被膜の構成が部分的に異なっていたとしても本実施形態の範囲を逸脱するものではない。基材の切削に関与する部分とは、例えば、基材の表面において、刃先稜線からの距離が５０μｍ以内である領域を意味する。被膜は、基材の切削に関与する部分の全面を被覆してもよい。本開示の切削工具が奏する効果を損なわない限り、基材の切削に関与する部分の一部に被膜が形成されていなくても、本実施形態の範囲を逸脱するものではない。
　被膜は、六方晶Ｗ（Ｃ１－ａＮａ）ｘからなる第１層を含む。図２は、本実施形態の一態様における切削工具の模式断面図である。図２に示されるように、第１層１２は、基材１１の直上に設けられていてもよい。
　被膜は、第１層１２に加えて、他の層を含むことができる。他の層としては、図４に示されるように、基材１１と第１層１２との間に配置される第３層１５、および、図３および図４に示されるように、第１層１２の基材１１と反対側に設けられる第２層１３等が挙げられる。
　被膜の厚みは０．３μｍ以上１０μｍ以下でもよく、０．５μｍ以上１０μｍ以下でもよく、１μｍ以上６μｍ以下でもよく、１．５μｍ以上４μｍ以下でもよい。被膜の厚みが０．１μｍ未満である場合、耐摩耗性が低下する傾向がある。被膜の厚みが１０μｍを超えると、例えば、断続加工において被膜と基材との間に大きな応力が加わった際に被膜の剥離または破壊が高頻度に発生する傾向がある。
　本明細書中、被膜の厚みとは、後述する第１層、第２層および第３層等の被膜を構成する層それぞれの厚みの総和を意味する。被膜の厚みは、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて、基材の表面の法線方向に平行な断面サンプルにおける任意の３点を測定し、測定された３点の厚みの平均値をとることで測定される。透過型電子顕微鏡としては、例えば、日本電子株式会社製の球面収差補正装置「ＪＥＭ－２１００Ｆ（商標）」が挙げられる。後述の各層の厚みについても、特に記載のない限り同様の方法で測定される。
　＜第１層＞
　被膜は、六方晶Ｗ（Ｃ１－ａＮａ）ｘ（ここで、ａは、０．３以上０．８以下であり、ｘは、０．８以上１．２以下である。）からなる第１層を含む。六方晶Ｗ（Ｃ１－ａＮａ）ｘとは、六方晶型の結晶構造であるＷ（Ｃ１－ａＮａ）ｘを意味する。第１層の結晶構造が六方晶型であることにより、被膜と被削材との拡散反応が抑制され、被削材の凝着が少なくなり、工具寿命が向上する。第１層は、被膜の耐熱性、耐酸化性および耐摩耗性を向上することができる。
　第１層は本実施形態に係る切削工具が奏する効果を損なわない範囲において、六方晶Ｗ（Ｃ１－ａＮａ）ｘに加えて不可避不純物を含んでいてもよい。該不可避不純物としては、例えば、鉄（Ｆｅ）、カルシウム（Ｃａ）、亜鉛（Ｚｎ）、ナトリウム（Ｎａ）、フッ素（Ｆ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）が挙げられる。該不可避不純物の含有割合は、第１層の全質量に対して０質量％以上０．２質量％以下であることが好ましい。不可避不純物の含有割合は、グロー放電質量分析法により測定される。後述する「第２層」および「第３層」も同様に、本開示の切削工具が奏する効果を損なわない範囲において、不可避不純物が含まれていてもよい。
　＜第１層の結晶構造＞
　第１層が六方晶型の結晶構造であるＷ（Ｃ１－ａＮａ）ｘからなることは、ＸＲＤ測定で分析することにより確認することができる。具体的には、各試料の基材と反対側の表面にＸ線を照射することにより、第１層の任意の領域に対してＸ線回折測定（ＸＲＤ測定）を行い分析する。得られたＸＲＤスペクトルにおいて、ＪＣＰＤＳ（ＩＣＤＤ）カード０１－０７６－７１０３に示されるピークおよび０１―７７－２００１に示されるピークの両方が観察され、かつ、ＪＣＰＤＳ（ＩＣＤＤ）カード０１－０７５－１０１２に示されるピークおよび００―０４２－０８５３に示されるピークの両方が観察されない場合、第１層は六方晶型の結晶構造であるＷ（Ｃ１－ａＮａ）ｘからなることが確認される。
　被膜が第１層以外の第２層、第３層、中間層などの他の層を含む場合、ＸＲＤスペクトルにおいて、第１層以外の層や基材に由来するピーク（以下、「他のピーク」とも記す。）が検出される場合がある。この場合は、以下の方法により、第１層に由来するピークを同定する。
　測定試料の基材と反対側の表面にＸ線を照射することにより、被膜に対してＸＲＤ測定を行い、回折パターンＡを得る。測定試料の第１層よりも表面側（Ｘ線照射側）の層を機械的に除去して第１層を露出させる。露出した第１層の表面にＸ線を照射することにより、第１層に対してＸＲＤ測定を行い、回折パターンＢを得る。測定試料の第１層を機械的に除去して第１層よりも基材側の層を露出させる。露出した層の表面にＸ線を照射することにより、露出した層に対してＸＲＤ測定を行い、回折パターンＣを得る。回折パターンＡ、回折パターンＢおよび回折パターンＣを比較することにより、第１層に由来するピークを同定する。本開示において、上述の手順で第１層に由来するピークが同定されたＸ線回折スペクトルを「第１層のＸ回折スペクトル」と記す。
　上記Ｘ線回折測定に用いる装置としては、株式会社リガク製の「ＳｍａｒｔＬａｂ」（商品名）、パナリティカル製の「Ｘ’ｐｅｒｔ」（商品名）等が挙げられる。
　本明細書において、ＸＲＤ測定の条件は下記の通りである。
　（ＸＲＤ測定条件）
　走査軸　　　　　　　　：２θ－θ
　Ｘ線源　　　　　　　　：Ｃｕ－Ｋα線（１．５４１８６２Å）
　検出器　　　　　　　　：０次元検出器（シンチレーションカウンタ）
　管電圧　　　　　　　　：４５ｋＶ
　管電流　　　　　　　　：４０ｍＡ
　入射光学系　　　　　　：ミラーの利用
　受光光学系　　　　　　：アナライザ結晶（ＰＷ３０９８／２７）の利用
　ステップ　　　　　　　：０．０３°
　積算時間　　　　　　　：２秒
　スキャン範囲（２θ）　：１０°～１２０°
　第１層のＸ線回折スペクトルにおいて、回折角度２θが４６．０°以上４７．０°以下の範囲にピークが存在することができる。回折角度２θが４６．０°以上４７．０°以下の範囲のピーク（以下、「第１ピーク」とも記す。）は、六方晶窒化タングステンに起因するピークである。第１層のＸ線回折スペクトルに第１ピークが存在する、すなわち、第１層が六方晶窒化タングステンを含むと、被膜と被削材との拡散が抑制されることになり被膜の耐熱性がより向上する。
　なお、出願人が測定した限りでは、同一の試料において上記の分析をする限りにおいては、測定領域を変更して複数回行っても、分析結果のばらつきはほとんどなく、任意に測定領域を設定しても恣意的にはならないことが確認された。
　＜第１層の組成＞
　第１層は、六方晶Ｗ（Ｃ１－ａＮａ）ｘからなり、ａは、０．３以上０．８以下であり、ｘは、０．８以上１．２以下である。
　ａの下限は０．３以上であり、０．４以上でもよく、０．５以上でもよい。ａの上限は０．８以下であり、０．７以下でもよく、０．６以下でもよい。ａは、０．４以上０．７以下でもよく、０．５以上０．６以下でもよい。
　ｘの下限は０．８以上であり、０．９以上でもよい。ｘの上限は１．２以下であり、１．１以下でもよ。ｘは、０．９以上１．１以下でもよく、１．０でもよい。
　本開示において、「第１層は、六方晶Ｗ（Ｃ１－ａＮａ）ｘからなる」とは、本開示の効果を損なわない限り、第１層はＷ（Ｃ１－ａＮａ）ｘに加えて、不可避不純物を含むことができることを意味する。不可避的不純物としては、例えば、酸素および炭素が挙げられる。第１単位層１２における不可避不純物全体の含有率は、０原子％より大きく、１原子％未満であってもよい。本開示において「原子％」とは、層を構成する原子の総原子数に対する原子数の割合（％）のことを意味する。
　上記ａは、電子エネルギー損失分光法（ＴＥＭ－ＥＥＬＳ）を用いて測定される。具体的な測定方法は以下の通りである。
　切削工具を被膜の表面の法線に沿う方向にアルゴンイオンスライサーを用いて切断し、被膜の断面を含む厚み３～１００ｎｍの切片を作製する。切片を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ、商品名：「ＪＥＭ－２１００Ｆ／Ｃｓ」、日本電子株式会社製）を用いて１０万～１００万倍で観察することにより被膜の断面透過像を得る。断面透過像において、電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ法）を適用し、１０ｎｍ平方の観測スポットでスキャンすることにより、カーボンと窒素電子の励起に伴うエネルギー損失曲線を観測する。エネルギー損失曲線において、カーボンは２７０～２８０ｅＶ、窒素は３８５～３９５ｅＶの平行強度をバックグラウンド強度と定義し、カーボンのエネルギーと窒素のエネルギーの比率を算出する。これにより、上記ａを得ることができる。
　本開示では、第１層の組成Ｗ（Ｃ１－ａＮａ）ｘにおいて、Ｗの原子数ＡＭ１に対するＣおよびＮの原子数の合計ＡＮ１の比ＡＮ１／ＡＭ１は、０．８以上１．２以下である。比ＡＮ１／ＡＭ１は、ラザフォード後方散乱（ＲＢＳ）法により測定できる。上記比ＡＮ１／ＡＭ１が前記の範囲であれば、本開示の効果が損なわれないことが確認されている。
　＜第１層の平均厚み＞
　上記第１層の厚みの下限は、０．２μｍ以上とすることができる。これによると、第１層と被削材との拡散反応が抑制される。第１層の厚みの下限は、０．３μｍ以上でもよく、０．５μｍ以上でもよく、０．７μｍ以上でもよく、０．９μｍ以上でもよい。第１層の厚みの上限は、５．０μｍ以下とすることができる。これによると、被膜が高い硬度を有し、耐摩耗性が良好である。第１層の厚みの上限は、４．０μｍ以下でもよく、２．０μｍ以下でもよく、１．５μｍ以下でもよい。第１層の厚みは、０．２μｍ以上５．０μｍ以下でもよく、０．３μｍ以上４．０μｍ以下でもよく、０．５μｍ以上２．０μｍ以下でもよく、０．７μｍ以上１．５μｍ以下でもよい。
　＜第２層＞
　図３および図４に示されるように、被膜１４は、第１層１２の基材１１と反対側に設けられる第２層１３を更に含むことができる。ここで「第１層の基材と反対側に設けられる」とは、第１層１２の上側（基材から離れる側）に第２層１３が設けられていればよく、第１層１２と第２層１３とが互いに接触していることを要しない。言い換えると、第１層１２と、第２層１３との間に他の層が設けられていてもよい。第２層１３は、第１層１２の直上に設けられていてもよい。第２層１３は、最外層であってもよい。
　第２層は、周期表４族元素、５族元素、６族元素、アルミニウム（Ａｌ）および珪素（Ｓｉ）からなる第１群より選ばれる少なくとも１種の元素、または、第１群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）および硼素（Ｂ）からなる第２群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物からなることができる。周期表４族元素としては、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）等が挙げられる。周期表５族元素としては、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）等が挙げられる。周期表６族元素としては、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）等が挙げられる。本開示の効果を損なわない限りにおいて、第２層は第１群より選ばれる少なくとも１種の元素、または、上記化合物に加えて、不純物を含むことができる。
　第２層は、Ｃｒ、Ａｌ、ＴｉおよびＳｉからなる第１Ａ群より選ばれる少なくとも１種の元素、または、前記第１Ａ群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素および硼素からなる第２群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物からなることができる。
　第２層を構成する化合物としては、例えば、ＡｌＴｉＢＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＯＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＴｉＣｒＳｉＮ、ＴｉＡｌＣｒＳｉＮ、ＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＯ、ＡｌＣｒＯＮ、ＡｌＣｒＳｉＮ、ＡｌＣｒＢＮ、ＴｉＺｒＮ、ＴｉＡｌＭｏＮ、ＴｉＡｌＮｂＮ、ＴｉＳｉＮ、ＡｌＣｒＴａＮ、ＡｌＶＮ、ＡｌＴｉＶＮ、ＴｉＢ２、ＴｉＣｒＨｆＮ、ＣｒＳｉＷＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＡｌＺｒＯＮ、ＡｌＣｒＣＮ、ＡｌＨｆＮ、ＣｒＳｉＢＯＮ、ＴｉＡｌＷＮ、ＡｌＣｒＭｏＣＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＯＮ、ＺｒＮおよびＺｒＣＮが挙げられる。これらの化合物は、被膜の摩擦係数を低下させ、切削工具の長寿命化を図ることができる。
　第２層の厚みは、０．１μｍ以上でもよい。第２層の厚みが０．１μｍ以上であると、第２層による潤滑性の付与効果が得られやすい。一方、第２層の厚みの上限は特に限定されないが、２μｍを超えると、上述の潤滑性の付与効果を更に向上することができない傾向にある。よって、コスト面を考慮すると、第２層の厚みは２μｍ以下でもよい。
　＜第３層＞
　図４に示されるように、被膜１４は、基材１１と、第１層１２との間に配置される第３層１５を更に含むことができる。これによって、基材１１と被膜１４との密着性を高めることができる。
　第３層は、周期表４族元素、５族元素、６族元素、アルミニウム（Ａｌ）および珪素（Ｓｉ）からなる第１群より選ばれる少なくとも１種の元素、または、第１群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）および硼素（Ｂ）からなる第２群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物からなることができる。周期表４族元素としては、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）等が挙げられる。周期表５族元素としては、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）等が挙げられる。周期表６族元素としては、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）等が挙げられる。本開示の効果を損なわない限りにおいて、第３層は第１群より選ばれる少なくとも１種の元素、または、上記化合物に加えて、不純物を含むことができる。
　第３層は、Ｃｒ、Ａｌ、ＴｉおよびＳｉからなる第１Ａ群より選ばれる少なくとも１種の元素、または、前記第１Ａ群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素および硼素からなる第２群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物からなることができる。
　第３層を構成する化合物としては、例えば、ＴｉＷＣＮ、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＯＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＴｉＣｒＳｉＮ、ＴｉＡｌＣｒＳｉＮ、ＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＯ、ＡｌＣｒＯＮ、ＡｌＣｒＳｉＮ、ＡｌＣｒＢＮ、ＴｉＺｒＮ、ＴｉＡｌＭｏＮ、ＴｉＡｌＮｂＮ、ＴｉＳｉＮ、ＡｌＣｒＴａＮ、ＡｌＶＮ、ＡｌＴｉＶＮ、ＴｉＢ２、ＴｉＣｒＨｆＮ、ＣｒＳｉＷＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＡｌＺｒＯＮ、ＡｌＣｒＣＮ、ＡｌＨｆＮ、ＣｒＳｉＢＯＮ、ＴｉＡｌＷＮ、ＡｌＣｒＭｏＣＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＯＮ、ＺｒＮおよびＺｒＣＮが挙げられる。
　第３層の厚みは、本実施形態の効果を損なわない範囲において、特に制限はないが、例えば、０．１μｍ以上２μｍ以下とすることができる。
　＜中間層＞
　被膜は、第２層と第１層との間、または第１層と第３層との間に配置される中間層を含むことができる。中間層としては、例えばＴｉＡｌＣｅＮ、ＡｌＴｉＮ、ＡｌＴｉＢＮ、ＡｌＴｉＳｉＮ、ＡｌＴｉＹＮ、ＡｌＴｉＬａＮ、等が挙げられる。中間層の厚みは、０．１μｍ以上２μｍ以下でもよく、０．３μｍ以上１．５μｍ以下でもよく、０．４μｍ以上１．０μｍ以下でもよい。
　［実施形態２：切削工具の製造方法］
　実施形態１の切削工具の製造方法の一例について以下に説明する。本実施形態に係る切削工具の製造方法は、基材を準備する第１工程と、基材上に被膜を形成する第２工程とを備える。第２工程は、第１層を形成する工程を含む。以下、各工程について説明する。
　＜第１工程＞
　第１工程では、基材を準備する。基材は、実施形態１に記載の基材を用いることができる。
　基材として超硬合金を用いる場合は、市販の基材を用いてもよく、一般的な粉末冶金法で製造してもよい。一般的な粉末冶金法で製造する場合、ボールミル等によってＷＣ粉末とＣｏ粉末等とを混合して混合粉末を得る。該混合粉末を乾燥した後、所定の形状に成形して成形体を得る。さらに該成形体を焼結することにより、ＷＣ－Ｃｏ系超硬合金（焼結体）を得る。次いで該焼結体に対して、ホーニング処理等の所定の刃先加工を施すことにより、ＷＣ－Ｃｏ系超硬合金からなる基材を製造することができる。上記以外の基材であっても、この種の基材として従来公知のものであればいずれも準備可能である。
　＜第２工程＞
　第２工程では、基材上に被膜を形成する。第２工程は、第１層を形成する工程を含む。第１層を形成する方法としては、例えば、物理蒸着法（ＰＶＤ法）が挙げられる。
　物理蒸着法としては、例えばスパッタリング法、イオンプレーティング法、アークイオンプレーティング法、電子イオンビーム蒸着法等を挙げることができる。特に原料元素のイオン率が高いカソードアークイオンプレーティング法またはスパッタリング法を用いると、被膜を形成する前に基材表面に対して金属またはガスイオンボンバードメント処理が可能となるため、被膜と基材との密着性が格段に向上するので好ましい。
　アークイオンプレーティング法により第１層を形成する場合、例えば以下のような条件を挙げることができる。まずＷＣターゲット（例えば、組成がＷＣを９３質量％以上含むバインダレスＷＣであって、Ｃ量が３～６．１質量％である焼結ターゲット）を装置内の対向する２機のアーク式蒸発源にセットする。基材温度を４００～５５０℃および装置内のガス圧を１．５～５．５Ｐａに設定する。
　上記ガスとしては、窒素（Ｎ２）ガスのみ、または、窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガスを導入する。
　基材（負）バイアス電圧を１０～１５０Ｖ、かつ、ＤＣまたはパルスＤＣ（周波数２０～５０ｋＨｚ）に維持したまま、カソード電極に８０～１５０Ａのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源から金属イオン等を発生させることにより、基材上に第１層を形成する。成膜中にタングステンフィラメントも放電する（エミッション電流３０～４５Ａ）。これにより、プラズマ中のイオンを増加させることができる。アークイオンプレーティング法に用いる装置としては、例えば、株式会社神戸製鋼所製のＡＩＰ（商品名）が挙げられる。成膜中の基材温度、ガス圧、バイアス電圧、周波数、アーク電流、エミッション電流は上記の範囲内で一定とする。
　上記の条件で成膜することにより、六方晶Ｗ（Ｃ１－ａＮａ）ｘ（ここで、ａは、０．３以上０．８以下であり、ｘは、０．８以上１．２以下である。）からなる第１層を形成することができる。上記の条件は本発明者らが鋭意検討の結果、新たに見出したものである。ガス組成、ガス圧、アーク電流およびバイアス電圧を上記の範囲内で調整することにより、第１層の組成、および、第１層のＸＲＤスペクトルにおける第１ピーク（回折角度２θが４６．０°以上４７．０°以下の範囲にピーク）の有無を調整することができる。例えば、ガス中の窒素の量が多い場合や、バイアス電圧が大きい場合に、被膜中の炭素（Ｃ）の比率が下がる傾向がある。また、ガス圧が低く、かつ、窒素の分圧が低い場合に、第１ピークが存在しない傾向がある。
　第２工程は、第１層を形成する工程に加えて、研削、ショットブラストなどの被膜の表面処理工程を含むことができる。また、第２工程は、第２層、第３層および中間層等の他の層を形成する工程を含むことができる。他の層は、従来公知の化学気相蒸着法や物理的蒸着法により形成することができる。一つの物理的蒸着装置内において、他の層を、第１層と連続的に形成できるという観点から、他の層は物理的蒸着法により形成することが好ましい。
　以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
　≪切削工具の作製≫
　［試料１～試料２２、試料１０１～試料１０５］
　＜第１工程＞
　第１工程では、ＪＩＳ規格Ｋ１０超硬（形状：ＪＩＳ規格ＣＮＭＧ１２０４０８）を基材として準備した。次に、上記基材をアークイオンプレーティング装置（株式会社神戸製鋼所製、商品名：ＡＩＰ）の所定の位置にセットした。
　＜第２工程＞
　第２工程では、アークイオンプレーティング法により基材の上に、第１層を含む被膜を形成して各試料の切削工具を得た。第１層の形成は、以下の方法で行った。まずＷＣターゲット（組成がＷＣを９３質量％以上含むバインダレスＷＣであって、Ｃ量が３～６．１質量％である焼結ターゲット）を装置内の対向する２機のアーク式蒸発源にセットした。基材温度を４００～５５０℃および装置内のガス圧を１．５～５．５Ｐａに設定した。
　上記ガスとしては、窒素（Ｎ２）ガスのみ、または、窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガスを導入した。
　試料１～試料２２では、基材（負）バイアス電圧を１０～１５０Ｖ、かつ、ＤＣまたはパルスＤＣ（周波数２０～５０ｋＨｚ）に維持したまま、カソード電極に８０～１５０Ａのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源から金属イオン等を発生させることにより、基材上に第１層を形成した。成膜中にタングステンフィラメントも放電した（エミッション電流３０～４５Ａ）。成膜中の基材温度、ガス圧、バイアス電圧、周波数、エミッション電流は上記の範囲内で一定とした。各試料において、ガス組成、ガス圧、アーク電流およびバイアス電圧を上記の範囲内で調整することにより、第１層の組成、および、第１層のＸＲＤスペクトルにおける第１ピーク（回折角度２θが４６．０°以上４７．０°以下の範囲にピーク）の有無を調整した。
　試料２０では、基材と第１層との間に第３層を設けた。第３層は、第１層を形成する前に以下の手順にて、基材の直上に形成した。表１の第３層の組成の欄における金属組成を含むターゲット（焼結ターゲット）をアークイオンプレーティング装置のアーク式蒸発源にセットした。次に、基材温度を６００℃および装置内のガス圧を３．５Ｐａに設定した。反応ガスとしては窒素ガスとメタンガスとアルゴンガスとの混合ガスを導入した。その後、カソード電極に１３０Ａのアーク電流を供給した。アーク電流の供給でアーク式蒸発源から金属イオン等を発生させることによって、表１に記載の厚みまで第３層を形成した。
　試料１９では、第１層の上に第２層を設けた。第２層は、第１層の形成後に以下の手順にて、第１層の直上に形成した。表１に記載の第２層の組成の欄における金属組成を含むターゲット（焼結ターゲット）をアークイオンプレーティング装置のアーク式蒸発源にセットした。次に、基材温度を５５０℃および装置内のガス圧を４．０Ｐａに設定した。反応ガスとしては、窒素を導入した。その後、カソード電極に１５０Ａのアーク電流を供給した。アーク電流の供給でアーク式蒸発源から金属イオン等を発生させることによって、表１に記載の厚みまで第２層を形成した。
　試料１０１では、ガス圧を１．０Ｐａとし、窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガスを導入し、バイアス電圧を１００Ｖとし、その他の条件は、試料１～試料２２と同様として成膜した。
　試料１０２および試料１０３では、ガス圧を１．０Ｐａとし、窒素ガスのみを導入し、六方晶Ｗ（Ｃ１－ａＮａ）ｘにおけるａおよびｘが表１に記載の値となるように、アーク電流とバイアス電圧を変更し、その他の条件は、試料１～試料２２と同様として成膜した。
　試料１０４では、ガス圧を４．０Ｐａとし、窒素ガスとアルゴンガスの混合ガスを導入し、バイアス電圧を２００Ｖとし、アーク電流を１５０Ａとし、その他の条件は、試料１～試料２２と同様として成膜した。
　試料１０５では、ガス圧を５．０Ｐａとし、窒素ガスとアルゴンガスの混合ガスを導入し、バイアス電圧を５００Ｖとし、アーク電流を１９０Ａとし、その他の条件は、試料１～試料２２と同様として成膜した。
　［試料１０６］
　試料１と同一の基材を準備し、基材上に、特許文献１の試料１５と同一の方法で被膜を形成して、試料１０６の切削工具を得た。
　≪切削工具の特性評価≫
　各試料の切削工具について、第１層の結晶構造および第１ピークの有無、第１層の組成、各層の厚みを評価した。
　＜第１層の結晶構造および第１ピークの有無＞
　各試料の第１層の結晶構造をＸＲＤで特定した。具体的な測定方法は、実施形態１に記載されているため、その説明は繰り返さない。結果を表１の「第１層」の「結晶構造」欄に示す。
　「結晶構造」欄の「六方晶」という表記は、第１層に立方晶型の結晶構造からなる炭化タングステンや窒化タングステンが含まれていないことを示し、第１層が六方晶型の結晶構造からなる六方晶Ｗ（Ｃ１－ａＮａ）ｘからなることを示す。
　「結晶構造」欄の「六方晶＋立方晶」という表記は、第１層中に六方晶窒化タングステン（六方晶ＷＮ）と、六方晶炭化タングステン（六方晶ＷＣ）と立方晶のＷＮとＷ３Ｃの少なくともどちらかが混在していたことを示す。第１層のＸＲＤスペクトルにおいて、ＪＣＰＤＳ（ＩＣＤＤ）カード０１－０７５－１０１２（ＷＮ）に示されるピークおよび００―０４２－０８５３（Ｗ３Ｃ）に示されるピークの少なくともどちらかが観察された場合、第１層は立方晶型の結晶構造を含む。
　試料１０６の「結晶構造」欄の「Ｗ＋ｈＷ２Ｃ」とは、第１層が金属タングステンと、六方晶炭化二タングステンとからなることを示す。
　各試料で得られた第１層のＸ線回折スペクトルにおいて、回折角度２θが４６．０°以上４７．０°以下の範囲にピークが存在するか否かを確認した。結果を表１の「第１層」の「ＸＲＤスペクトル　第１ピーク」欄に示す。「有」は第１ピークが存在することを示し、「無」は第１ピークが存在しないことを示す。
　＜第１層、第２層および第３層の組成＞
　各試料の第１層の組成を電子エネルギー損失分光法（ＴＥＭ－ＥＥＬＳ）およびラザフォード後方散乱（ＲＢＳ）法を用いて測定した。第２層および第３層が形成されている場合は、これらの組成も測定した。具体的な測定方法は、実施形態１に記載されているため、その説明は繰り返さない。結果を表１の「第１層（Ｗ（Ｃ１－ａＮａ）ｘ）」の「ａ」および「ｘ」欄、「第２層」の「組成」欄および「第３層」の「組成」欄に示す。
　＜各層の厚み＞
　第１層、第２層および第３層および被膜の厚みを透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）（日本電子株式会社製、商品名：ＪＥＭ－２１００Ｆ）を用いて測定した。具体的な測定方法は、実施形態１に記載されているため、その説明は繰り返さない。結果を表１の各層の「厚み」欄に示す。
　表１中、「第２層」および「第３層」における「－」との表記は、該当する層が被膜中に存在しないことを示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　≪切削試験≫
　各試料の切削工具を用いて、以下の切削条件により切削工具が欠損するまで、または、逃げ面摩耗量が０．１５ｍｍとなるまでの切削時間（工具寿命）を測定した。結果を表２の「切削試験」の「工具寿命」欄に示す。
　＜切削条件＞
　被削材（材質）：Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ
　速度　　　　　：Ｖ７０ｍ／ｍｉｎ
　送り　　　　　：０．２ｍｍ／ｒｅｖ
　切り込み　　　：１ｍｍ
　上記の切削条件は、チタン合金の旋削加工に該当し、加工時に切削工具に高い熱負荷がかかる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　試料１～試料２２の切削工具は実施例に該当し、試料１０１～試料１０６の切削工具は比較例に該当する。切削試験の結果から、試料１～試料２２の切削工具は、試料１０１～試料１０６の切削工具に比べて、熱負荷の高い環境下においても、工具寿命が長いことが確認された。
　以上のように本発明の実施形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施形態および各実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
　今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態および実施例ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　１　すくい面、２　逃げ面、３　刃先稜線部、１０　切削工具、１１　基材、１２　第１層、１３　第２層、１４　被膜、１５　第３層。

Claims (6)

  1. 　基材と、前記基材上に配置された被膜と、を備える切削工具であって、
    　前記被膜は、六方晶Ｗ（Ｃ１－ａＮａ）ｘからなる第１層を含み、
    　前記ａは、０．３以上０．８以下であり、
    　前記ｘは、０．８以上１．２以下である、切削工具。
  2. 　前記第１層のＸ線回折スペクトルにおいて、回折角度２θが４６．０°以上４７．０°以下の範囲にピークが存在する、請求項１に記載の切削工具。
  3. 　前記第１層の平均厚みは、０．３μｍ以上４．０μｍ以下である、請求項１または請求項２に記載の切削工具。
  4. 　前記被膜は、前記第１層の前記基材と反対側に設けられる第２層を更に含み、
    　前記第２層は、周期表４族元素、５族元素、６族元素、アルミニウムおよび珪素からなる第１群より選ばれる少なくとも１種の元素、または、前記第１群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素および硼素からなる第２群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物からなる、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の切削工具。
  5. 　前記被膜は、前記基材と、前記第１層との間に配置される第３層を更に含み、
    　前記第３層は、周期表４族元素、５族元素、６族元素、アルミニウムおよび珪素からなる第１群より選ばれる少なくとも１種の元素、または、前記第１群より選ばれる少なくとも１種の元素と、炭素、窒素、酸素および硼素からなる第２群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物からなる、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の切削工具。
  6. 　前記基材は、超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶窒化硼素焼結体およびダイヤモンド焼結体からなる群より選ばれる少なくとも１種を含む、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の切削工具。
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