JP7618814B2

JP7618814B2 - 被覆工具および切削工具

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Publication number: JP7618814B2
Application number: JP2023538417A
Authority: JP
Inventors: 啓吉見; 聡史森
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Filing date: 2022-07-12
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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。

特許第６７７３２８７号公報特許第４３３０８５９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被覆層と、基体と被覆層との間に位置する中間層とを有する。中間層は、Ｔｉを含有し、平均層厚が１ｎｍ以上１５ｎｍ以下である。被覆層は、中間層と接する第１被覆層を有する。第１被覆層は、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、Ｓｉおよび、Ｃｒとを有する。

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１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２０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、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７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８は、試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．１９が有する被覆層の製造条件をまとめた表である。図９は、試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．１９が有する被覆層の構成を示す表である。図１０は、試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．１９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１１は、実施形態に係る第１被覆層の走査透過電子顕微鏡像（ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像）である。図１２は、第１層および第２層の積層方向におけるＡｌ含有量、Ｃｒ含有量、Ｓｉ含有量およびＮ含有量の変化を示すグラフである。図１３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１４は、実施例に係る被覆工具のＷＣマッピング像である。図１５は、実施例に係る被覆工具のＣｏマッピング像である。図１６は、実施例に係る被覆工具のＴｉマッピング像である。図１７は、ＷＣ上抽出範囲およびＣｏ上抽出範囲を示す図である。図１８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７参照）。

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、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、Ｓｉおよび、Ｃｒとを有する。

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。

このように、後述する中間層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の上に位置させることで、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。

第１被覆層２３が、ＡｌとＣｒとＳｉとＮとを有する場合において、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％以下であり、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％以下であり、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、耐酸化性に優れる。

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。

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層２３ａのＡｌ含有量と第２層２３ｂのＡｌ含有量との差は、１原子％以上９原子％以下であり、第１層２３ａのＣｒ含有量と第２層２３ｂのＣｒ含有量との差は、１原子％以上１２原子％以下であり、第１層２３ａのＳｉ含有量と第２層２３ｂのＳｉ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は高い耐酸化性かつ高硬度を維持しつつ、被膜内部の応力を緩和し、耐摩耗性に優れる。

（被覆層の製造方法）
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（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、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。これにより被覆膜の膜厚方向において、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被覆層の製造方法の一例について説明する。

第１被覆層と同様に、第２被覆層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６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６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６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。

（中間層の製造方法）
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分行う。次に、圧力を０．１Ｐａに減圧し、Ｔｉ金属蒸発源に１３０～１６０Ａ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。

＜アルゴンボンバード前処理条件１＞
（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

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５０～９５原子％含有していてもよい。

また、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。

上記構成を有する中間層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２＞
（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２＞
（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後処理条件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。

上記構成を有する中間層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３＞
（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後処理条件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７を参照して説明する。図７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７における上端）から第２端（図７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．１９を作製し、縞状構造の有無の確認と、Ａｌ含有量、Ｃｒ含有量およびおＳｉ含有量の測定を行った。試料Ｎｏ．２～Ｎｏ．１９が有する中間層の作製条件は、図８に示す通りである。なお、試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．１９のうち、試料Ｎｏ．２～Ｎｏ．５、Ｎｏ．７～Ｎｏ．１４が本開示の実施例に相当し、試料Ｎｏ．１、Ｎｏ．６、Ｎｏ．１５～Ｎｏ．１９が比較例に相当する。また、図８に示す中間層の製造条件である「被覆時間」は、上述したＴｉ含有層の成膜条件における「処理時間」に相当する。

図９は、試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．１９が有する被覆層の構成を示す表である。図９に示すように、試料Ｎｏ．１は、基体と第１被覆層との間に中間層を有していない。これに対し、試料Ｎｏ．２～Ｎｏ．１９は、基体と第１被覆層との間に中間層を有している。このうち試料Ｎｏ．２～Ｎｏ．１８は、Ｔｉを含有する中間層を有し、試料Ｎｏ．１９は、Ｃｒを含有する中間層を有している。試料Ｎｏ．２～Ｎｏ．１９が有する中間層の層厚（平均層厚）は、試料Ｎｏ．２が０．１ｎｍ、試料Ｎｏ．３が１ｎｍ、試料Ｎｏ．４が８ｎｍ、試料Ｎｏ．５が１５ｎｍ、試料Ｎｏ．６が１８ｎｍ、試料Ｎｏ．７～Ｎｏ．１４が８ｎｍ、試料Ｎｏ．１５が５ｎｍ、試料Ｎｏ．１６が３ｎｍ、試料Ｎｏ．１７が５ｎｍ、試料Ｎｏ．１８が１０ｎｍ、試料Ｎｏ．１９が２ｎｍであった。

試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．１４は、ＡｌとＣｒとＳｉとＮとを含有する第１被覆層（ＡｌＣｒＳｉＮ層）を有する。試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．１４が有するＡｌＣｒＳｉＮ層の平均組成は、（Ａｌ_５０Ｃｒ_３９Ｓｉ_１１）Ｎである。これら試料が有する第１被覆層は、第１層と第２層とが交互に位置する縞状構造を有していた。

試料Ｎｏ．１５～Ｎｏ．１９が有する第１被覆層は、いずれも縞状構造を有していなかった。試料Ｎｏ．１５～Ｎｏ．１９が有する第１被覆層の組成は、試料Ｎｏ．１５が（Ａｌ_５０Ｃｒ_５０）Ｎ、試料Ｎｏ．１６が（Ｔｉ_５０Ａｌ_５０）Ｎ、試料Ｎｏ．１７が（Ｔｉ_５０Ａｌ_４０Ｓｉ_１０）Ｎ、試料Ｎｏ．１８がＴｉＮ、試料Ｎｏ．１９が（Ａｌ_５５ＣＴｉ_２５Ｃｒ_１５Ｓｉ_３Ｙ_２）Ｎであった。

縞状構造を有する試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．１４について、第１層におけるＡｌ含有量と第２層におけるＡｌ含有量との差（Ａｌ含有量差）は、それぞれ、６原子％、６原子％、６原子％、６原子％、６原子％、６原子％、２原子％、４原子％、６原子％、８原子％、９原子％、１０原子％、９原子％、６原子％であった。

縞状構造を有する試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．１４について、第１層におけるＣｒ含有量と第２層におけるＣｒ含有量との差（Ｃｒ含有量差）は、それぞれ、８原子％、８原子％、８原子％、８原子％、８原子％、８原子％、３原子％、６原子％、９原子％、１２原子％、１１原子％、１１原子％、１３原子％、１２原子％であった。

縞状構造を有する試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．１４について、第１層におけるＳｉ含有量と第２層におけるＳｉ含有量との差（Ｓｉ含有量差）は、それぞれ、２原子％、２原子％、２原子％、２原子％、２原子％、２原子％、１原子％、２原子％、３原子％、４原子％、２原子％、１原子％、４原子％、６原子％であった。

図１０は、試料Ｎｏ．１～Ｎｏ．１９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．１５のＡｌＣｒ系の被覆層については、白金線に所定の中間層形成処理を行い、その後、被覆層が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．１６～Ｎｏ．１９のＴｉ系の被覆層は、白金線に所定の中間層形成処理を行い、その後、被覆層を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、酸化膜の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：ａｐ０．０８ｍｍ×ａｅ０．２０ｍｍ
（５）評価方法：２０ｍ切削後の横逃げ面の摩耗幅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。

Ｔｉを含有する中間層を１ｎｍ以上１５ｎｍ以下有し、かつ、Ａｌ、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、Ｓｉおよび、Ｃｒとを有する試料Ｎｏ．２～Ｎｏ．５、Ｎｏ．７～Ｎｏ．１４については、試料Ｎｏ．１、Ｎｏ．１９と比較して被覆層との密着力に優れており、また、試料Ｎｏ．１、Ｎｏ．６、Ｎｏ．１５～Ｎｏ．１９と比較して、高い耐摩耗性を示した。特に、第１被覆層が、厚さ方向に交互に位置する第１層と第２層とを有し、第１層のＡｌ含有量と第２層のＡｌ含有量との差が１原子％以上９原子％以下であり、第１層のＣｒ含有量と第２層のＣｒ含有量との差が１原子％以上１２原子％以下であり、第１層のＳｉ含有量と第２層のＳｉ含有量との差が０．５原子％以上５原子％以下である試料Ｎｏ．２～Ｎｏ．５、Ｎｏ．７～Ｎｏ．１１については、耐酸化性、耐摩耗性に優れていた。

＜第１被覆層の元素分析＞
試料Ｎｏ．４の第１被覆層についてＥＤＸ分析による元素分析を行った。具体的には、ＥＤＸ分析データから複数の第１層および第２層に跨がる範囲を抽出し、抽出した範囲について、第１層および第２層の積層方向に沿った方向（スキャン方向）におけるＡｌ含有量、Ｃｒ含有量、Ｓｉ含有量およびＮ含有量の変化を測定した。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：日本電子製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１１は、実施形態に係る第１被覆層の走査透過電子顕微鏡像（ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像）である。図１１に示すように、実施例に係る第１被覆層は、第１層と第２層とが交互に位置する縞状構造を有していることがわかる。

図１２は、第１層および第２層の積層方向におけるＡｌ含有量、Ｃｒ含有量、Ｓｉ含有量およびＮ含有量の変化を示すグラフである。図１２に示すグラフの横軸は、図１１に示すスキャン方向に対応している。すなわち、図１１に示すスキャン方向の起点（図１１に示す「０ｎｍ」）が図１２に示すグラフの横軸の「０ｎｍ」に対応し、図１１に示すスキャン方向の終点（図１１に示す「５０ｎｍ」）が図１２に示すグラフの横軸の「５０ｎｍ」に対応する。

図１２に示すように、Ａｌ含有量およびＣｒ含有量は、スキャン方向（すなわち、第１層および第２層の積層方向）に沿って周期的に変動していることがわかる。具体的には、Ａｌ含有量は、第１層において増加し、第２層において減少する。また、Ｃｒ含有量は、第１層において減少し、第２層において増加する。

また、Ｓｉ含有量も、スキャン方向に沿って周期的に変動している。具体的には、Ｓｉ含有量は、Ａｌ含有量と同様に、第１層において増加し、第２層において減少する。

このように、実施例に係る第１被覆層において、第１層におけるＡｌ含有量（第１Ａｌ含有量）は、第２層におけるＡｌ含有量（第２Ａｌ含有量）より多く、第１層における第１Ｃｒ含有量は、第２層における第２Ｃｒ含有量より少なく、第１層における第１Ｓｉ含有量は、第２層における第２Ｓｉ含有量より多い。

また、図１２に示すように、第１Ａｌ含有量と第２Ａｌ含有量との差は、１原子％以上９原子％以下であり、第１Ｃｒ含有量と第２Ｃｒ含有量との差は、１原子％以上１２原子％以下であり、第１Ｓｉ含有量と第２Ｓｉ含有量との差は、０．５原子％以上５原子％以下であることがわかる。

＜基体と第１被覆層との界面領域の元素分析＞
上記の製造方法により製造した試料における基体と第１被覆層との界面領域についてＥＤＸ分析による元素分析を行った。分析条件は、上述した第１被覆層についてＥＤＸ分析の条件と同様である。

図１３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１３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１４～図１６には、図１３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１４は、実施例に係る被覆工具のＷＣマッピング像であり、図１５は、実施例に係る被覆工具のＣｏマッピング像であり、図１６は、実施例に係る被覆工具のＴｉマッピング像である。

図１４～図１６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１５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。

＜Ｔｉ量の比較＞
試料Ｎｏ．２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）と、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）とをそれぞれ抽出し、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、分析条件は、上述した第１被覆層についてＥＤＸ分析の条件と同様である。

図１７は、ＷＣ上抽出範囲およびＣｏ上抽出範囲を示す図である。図１７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１８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１８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１８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よりも小さい。

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被覆層（一例として、被覆層２０）と、基体と被覆層との間に位置する中間層（一例として、中間層２２）とを有する。中間層は、Ｔｉを含有し、平均層厚が１ｎｍ以上１５ｎｍ以下である。被覆層は、中間層と接する第１被覆層（一例として、第１被覆層２３）を有する。第１被覆層は、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。

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
１０ａＷＣ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

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被覆層と、
前記基体と前記被覆層との間に位置する中間層とを有し、
前記中間層は、Ｔｉを含有し、平均層厚が１ｎｍ以上１５ｎｍ以下であり、
前記被覆層は、前記中間層と接する第１被覆層を有しており、
該第１被覆層は、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、Ｓｉおよび、Ｃｒとを有し、
前記第１被覆層は、厚さ方向に交互に位置する第１層と第２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とを有しており、
前記第１層のＡｌ含有量は、前記第２層のＡｌ含有量より多く、前記第１層のＣｒ含有量は、前記第２層のＣｒ含有量より少なく、前記第１層のＳｉ含有量は、前記第２層のＳｉ含有量より多い、被覆工具。
前記第１被覆層は、ＡｌとＣｒとＳｉとＮとを有しており、
前記第１被覆層の金属元素に占めるＡｌの比率は、３８原子％以上５５原子％以下であり、
前記第１被覆層の金属元素に占めるＣｒの比率は、３３原子％以上４８原子％以下であり、
前記第１被覆層の金属元素に占めるＳｉの比率は、４原子％以上１５原子％以下である、請求項１に記載の被覆工具。
前記第１層のＡｌ含有量と前記第２層のＡｌ含有量との差は、１原子％以上９原子％以下であり、
前記第１層のＣｒ含有量と前記第２層のＣｒ含有量との差は、１原子％以上１２原子％以下であり、
前記第１層のＳｉ含有量と前記第２層のＳｉ含有量との差は、０．５原子％以上５原子％以下である、請求項１に記載の被覆工具。
前記中間層は、前記基体に含まれる前記ＷＣ粒子および前記結合相のうち、前記ＷＣ粒子の上に多く位置している、請求項１に記載の被覆工具。
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１～４のいずれか一つに記載の被覆工具と
を有する、切削工具。