JP7067691B1 - 切削工具 - Google Patents

Abstract

基材と、上記基材上に設けられている硬質層と、を備える切削工具であって、上記硬質層は、ＴｉａＡｌｂＢｃＮで表される化合物からなり、上記ＴｉａＡｌｂＢｃＮにおけるチタン元素の原子比ａは、０．２５以上０．５５未満であり、上記ＴｉａＡｌｂＢｃＮにおけるアルミニウム元素の原子比ｂは、０．４５以上０．７５未満であり、上記ＴｉａＡｌｂＢｃＮにおけるホウ素元素の原子比ｃは、０を超えて０．１以下であり、上記原子比ａ、上記原子比ｂ及び上記原子比ｃの合計は、１であり、上記硬質層における（００２）面のＸ線回折ピークの強度Ｉ（００２）に対する（２００）面のＸ線回折ピークの強度Ｉ（２００）の比Ｉ（２００）／Ｉ（００２）が、２以上１０以下であり、上記（００２）面のＸ線回折ピークの半価幅が２度以上８度以下である。

Description

本開示は、切削工具に関する。

従来より、基材上に被膜を被覆した切削工具が用いられている。たとえば、特開２０１１－２２４７１５号公報（特許文献１）は、炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された工具基体の表面に、０．８～５．０μｍの層厚のＡｌとＴｉの複合窒化物からなる硬質被覆層が蒸着形成された表面被覆切削工具において、該硬質被覆層は、ＡｌとＴｉの複合窒化物の粒状晶組織からなる薄層Ａと柱状晶組織からなる薄層Ｂとの交互積層構造として構成され、薄層Ａおよび薄層Ｂはそれぞれ０．０５～２μｍの層厚を有し、さらに、上記薄層Ａを構成する粒状晶の平均結晶粒径は３０ｎｍ以下、また、上記薄層Ｂを構成する柱状晶の平均結晶粒径は５０～５００ｎｍであることを特徴とする表面被覆切削工具を開示している。

特開２０１７－１９３００４号公報（特許文献２）は、基材と、前記基材の表面に形成されている被膜と、を備え、前記被膜は、交互層を含み、前記交互層は、第１組成を有する第１層と、第２組成を有する第２層と、を含み、前記交互層は、前記第１層と前記第２層とが交互にそれぞれ一層以上積層されて構成されており、前記第１層および前記第２層は、それぞれ厚さが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、前記第１組成は、Ｔｉ_ａＡｌ_ｂＳｉ_ｃＮ（０．２５≦ａ≦０．４５、０．５５≦ｂ≦０．７５、０≦ｃ≦０．１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）で表され、前記第２組成は、Ｔｉ_ｄＡｌ_ｅＳｉ_ｆＮ（０．３５≦ｄ≦０．５５、０．４５≦ｅ≦０．６５、０≦ｆ≦０．１、ｄ＋ｅ＋ｆ＝１）で表され、前記第１組成および前記第２組成は、０．０５≦ｄ－ａ≦０．２かつ０．０５≦ｂ－ｅ≦０．２を満たす、表面被覆切削工具を開示している。

特開２０１１－２２４７１５号公報 特開２０１７－１９３００４号公報

本開示に係る切削工具は、
基材と、上記基材上に設けられている硬質層と、を備える切削工具であって、
上記硬質層は、Ｔｉ_ａＡｌ_ｂＢ_ｃＮで表される化合物からなり、
上記Ｔｉ_ａＡｌ_ｂＢ_ｃＮにおけるチタン元素の原子比ａは、０．２５以上０．５５未満であり、
上記Ｔｉ_ａＡｌ_ｂＢ_ｃＮにおけるアルミニウム元素の原子比ｂは、０．４５以上０．７５未満であり、
上記Ｔｉ_ａＡｌ_ｂＢ_ｃＮにおけるホウ素元素の原子比ｃは、０を超えて０．１以下であり、
上記原子比ａ、上記原子比ｂ及び上記原子比ｃの合計は、１であり、
上記硬質層における（００２）面のＸ線回折ピークの強度Ｉ_{（００２）}に対する（２００）面のＸ線回折ピークの強度Ｉ_{（２００）}の比Ｉ_{（２００）}／Ｉ_{（００２）}が、２以上１０以下であり、
上記（００２）面のＸ線回折ピークの半価幅が２度以上８度以下である。

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、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３は、本実施形態に係る硬質層の結晶構造を説明する模式断面図である。 図４は、本実施形態に係る硬質層をＸ線回折分析を行った際に得られるスペクトルの一例である。 図５は、本実施形態の別の他の態様における切削工具の模式断面図である。

［本開示が解決しようとする課題］
特許文献１に記載の表面被覆切削工具では、上記のような構成の硬質被覆層を有することにより、耐摩耗性が向上し、以って切削工具の寿命が長くなることが期待されている。特許文献２に記載の表面被覆切削工具では、上記のような構成の被膜を有することにより、層間剥離及び亀裂伝播が抑制され、以って切削工具の寿命が長くなることが期待されている。しかしながら、近年の切削加工においては、高速化及び高能率化が進行し、切削工具にかかる負荷が増大し、切削工具の寿命が短期化する傾向があった。このため、切削工具の被膜の機械特性（例えば、耐摩耗性、耐欠損性、耐熱性等）を更に向上させることが求められている。

本開示は、上記事情に鑑みてなされたものであり、耐摩耗性に優れる切削工具を提供することを目的とする。

［本開示の効果］
上記によれば、耐摩耗性に優れる切削工具を提供することが可能になる。

[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］本開示に係る切削工具は、
基材と、上記基材上に設けられている硬質層と、を備える切削工具であって、
上記硬質層は、Ｔｉ_ａＡｌ_ｂＢ_ｃＮで表される化合物からなり、
上記Ｔｉ_ａＡｌ_ｂＢ_ｃＮにおけるチタン元素の原子比ａは、０．２５以上０．５５未満であり、
上記Ｔｉ_ａＡｌ_ｂＢ_ｃＮにおけるアルミニウム元素の原子比ｂは、０．４５以上０．７５未満であり、
上記Ｔｉ_ａＡｌ_ｂＢ_ｃＮにおけるホウ素元素の原子比ｃは、０を超えて０．１以下であり、
上記原子比ａ、上記原子比ｂ及び上記原子比ｃの合計は、１であり、
上記硬質層における（００２）面のＸ線回折ピークの強度Ｉ_{（００２）}に対する（２００）面のＸ線回折ピークの強度Ｉ_{（２００）}の比Ｉ_{（２００）}／Ｉ_{（００２）}が、２以上１０以下であり、
上記（００２）面のＸ線回折ピークの半価幅が２度以上８度以下である。

上記切削工具における上記硬質層は、上記比Ｉ_{（２００）}／Ｉ_{（００２）}及び上記（００２）面のＸ線回折ピークの半価幅それぞれが上述のような範囲をとることによって、耐摩耗性に優れた切削工具となる。また、アルミニウム元素の原子比が上述のような範囲をとることによって、耐熱性に優れた切削工具となる。すなわち、上記切削工具は、上述のような構成を備えることによって、高温環境で優れた耐摩耗性を有することが可能になる。言い換えると上記切削工具は、一般鋼の加工に限らず、切削温度上昇が顕著である難削材の加工においても、工具寿命が長命となる。ここで、「耐摩耗性」とは、切削加工時における切削工具の摩耗に対する耐性を意味する。「耐熱性」とは高温環境における切削工具の摩耗、変形などに対する耐性を意味する。

［２］室温における上記硬質層の硬度Ｈは、３０ＧＰａ以上であることが好ましい。このように規定することで、上記切削工具は更に優れた耐摩耗性を有することが可能になる。

［３］室温における上記硬質層のヤング率Ｅに対する上記硬質層の硬度Ｈの比Ｈ／Ｅは、０．０７以上であることが好ましい。このように規定することで、上記切削工具は優れた耐摩耗性に加えて、優れた耐欠損性を有することが可能になる。ここで、「耐欠損性」とは、切削加工時における切削工具の欠けに対する耐性を意味する。

［４］上記硬質層の厚さは、１μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。このように規定することで、上記切削工具は更に優れた耐摩耗性を有することが可能になる。

［本開示の実施形態の詳細］
以下、本開示の一実施形態（以下「本実施形態」と記す。）について説明する。ただし、本実施形態はこれに限定されるものではない。本明細書において「Ａ～Ｚ」という形式の表記は、範囲の上限下限（すなわちＡ以上Ｚ以下）を意味し、Ａにおいて単位の記載がなく、Ｚにおいてのみ単位が記載されている場合、Ａの単位とＺの単位とは同じである。さらに、本明細書において、例えば「ＴｉＮ」等のように、構成元素の組成比が限定されていない化学式によって化合物が表された場合には、その化学式は従来公知のあらゆる組成比（元素比）を含むものとする。このとき上記化学式は、化学量論組成のみならず、非化学量論組成も含むものとする。例えば「ＴｉＮ」の化学式には、化学量論組成「Ｔｉ_１Ｎ_１」のみならず、例えば「Ｔｉ_１Ｎ_０．８」のような非化学量論組成も含まれる。このことは、「ＴｉＮ」以外の化合物の記載についても同様である。

≪切削工具≫
基材と、上記基材上に設けられている硬質層と、を備える切削工具であって、
上記硬質層は、Ｔｉ_ａＡｌ_ｂＢ_ｃＮで表される化合物からなり、
上記Ｔｉ_ａＡｌ_ｂＢ_ｃＮにおけるチタン元素の原子比ａは、０．２５以上０．５５未満であり、
上記Ｔｉ_ａＡｌ_ｂＢ_ｃＮにおけるアルミニウム元素の原子比ｂは、０．４５以上０．７５未満であり、
上記Ｔｉ_ａＡｌ_ｂＢ_ｃＮにおけるホウ素元素の原子比ｃは、０を超えて０．１以下であり、
上記原子比ａ、上記原子比ｂ及び上記原子比ｃの合計は、１であり、
上記硬質層における（００２）面のＸ線回折ピークの強度Ｉ_{（００２）}に対する（２００）面のＸ線回折ピークの強度Ｉ_{（２００）}の比Ｉ_{（２００）}／Ｉ_{（００２）}が、２以上１０以下であり、
上記（００２）面のＸ線回折ピークの半価幅が２度以上８度以下である。

本実施形態に係る切削工具は、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。上記切削工具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、上記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、すくい面及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、上記基材は、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）及びダイヤモンド焼結体からなる群から選ばれる１種を含むことが好ましい。

これらの各種基材の中でも、特に超硬合金（特にＷＣ基超硬合金）、サーメット（特にＴｉＣＮ基サーメット）を選択することが好ましい。その理由は、これらの基材が特に高温における硬度と強度とのバランスに優れ、上記用途の切削工具の基材として優れた特性を有するためである。

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、組織中に遊離炭素又は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。例えば、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、ｃＢＮ焼結体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。

上記切削工具が、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、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、上記基材上に設けられている。「被膜」は、上記基材の少なくとも一部（例えば、すくい面の一部）を被覆することで、切削工具における耐熱性、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。上記被膜は、上記基材の全面を被覆することが好ましい。しかしながら、上記基材の一部が上記被膜で被覆されていなかったり被膜の構成が部分的に異なっていたりし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。上記被膜は、硬質層を含む。

上記被膜の厚さは、１μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましく、１．５μｍ以上１２μｍ以下であることがより好ましく、２μｍ以上８μｍ以下であることが更に好ましい。ここで、被膜の厚さとは、被膜を構成する層それぞれの厚さの総和を意味する。「被膜を構成する層」としては、例えば、上記硬質層、後述する下地層、中間層及び表面層等の他の層が挙げられる。上記被膜の厚さは、例えば、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１０点を測定し、測定された１０点の厚さの平均値をとることで求めることが可能である。このときの測定倍率は、例えば１００００倍である。上記断面サンプルとしては、例えば、イオンスライサ装置で上記切削工具の断面を薄片化したサンプルが挙げられる。上記硬質層、上記下地層、上記中間層及び上記表面層等のそれぞれの厚さを測定する場合も同様である。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ＪＥＭ－２１００Ｆ（商品名）が挙げられる。

（硬質層）
本実施形態に係る硬質層２０は、基材１１上に設けられている。上記硬質層２０は、本実施形態に係る切削工具が奏する効果を維持する限り、上記基材１１の直上に設けられていてもよいし（図２）、下地層３１等の他の層を介して上記基材１１の上に設けられていてもよい（図５）。上記硬質層２０は、切削工具が奏する効果を維持する限り、その上に表面層３２等の他の層が設けられていてもよい（図５）。また、上記硬質層２０は、上記被膜４０の表面に設けられていてもよい。

本実施形態の一側面において、上記切削工具が奏する効果を維持する限り、上記硬質層は複数設けられていてもよい。例えば、上記被膜が第一の硬質層と第二の硬質層とを含む場合、上記被膜は上記第一の硬質層と上記第二の硬質層との間に設けられている中間層を更に備えていてもよい。

上記硬質層は、上記基材の逃げ面を被覆することが好ましい。上記硬質層は、上記基材のすくい面を被覆することが好ましい。上記硬質層は、上記基材の全面を被覆することがより好ましい。しかしながら、上記基材の一部が上記硬質層で被覆されていなかったりし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。

上記硬質層の厚さは、１μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましく、１．５μｍ以上１２μｍ以下であることがより好ましく、２μｍ以上８μｍ以下であることが更に好ましい。このようにすることで、上記切削工具は更に優れた耐摩耗性を有することが可能になる。当該厚さは、例えば、上述したような上記切削工具の断面を透過型電子顕微鏡を用いて倍率１００００倍で観察することで測定可能である。

（硬質層におけるＸ線回折分析）
上記硬質層における（００２）面のＸ線回折ピークの強度Ｉ_{（００２）}に対する（２００）面のＸ線回折ピークの強度Ｉ_{（２００）}の比Ｉ_{（２００）}／Ｉ_{（００２）}が、２以上１０以下であり、
上記（００２）面のＸ線回折ピークの半価幅が２度以上８度以下である。ここで、「（２００）面のＸ線回折ピークの強度Ｉ_{（２００）}」とは、（２００）面に由来するＸ線回折ピークのうち、最も高いピークにおける回折強度（ピークの高さ）を意味する。「（００２）面のＸ線回折ピークの強度Ｉ_{（００２）}」についても同様である。

具体的には、後述する実施例に記載の条件で上記硬質層における任意の３点それぞれに対して、θ／２θ法によるＸ線回折測定（ＸＲＤ測定）を行い、所定の結晶面のＸ線回折強度を求め、求められた３点のＸ線回折強度の平均値を当該所定の結晶面のＸ線回折強度とする。このとき、（２００）面のＸ線回折強度は、２θ＝４３～４４°付近におけるＸ線回折強度に対応し、（００２）面のＸ線回折強度は、２θ＝３０～４０°付近におけるＸ線回折強度に対応する（例えば、図４参照）。図４において、縦軸はＸ線の回折強度を示し、横軸は２θの値を示している。上記Ｘ線回折測定に用いる装置としては、たとえば、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。

上記（２００）面のＸ線回折強度は、硬質層における立方晶の結晶に由来する。（００２）面のＸ線回折ピークの強度Ｉ_{（００２）}は、硬質層における六方晶の結晶に由来する。そのため、これらのピークの有無によって、硬質層における立方晶、六方晶の有無を判別できる。また、比Ｉ_{（２００）}／Ｉ_{（００２）}が２以上１０以下であることは、硬質層において立方晶の柱状晶２３と六方晶の柱状晶２４との混晶が形成されていることを意味している（図３）。

上述の比Ｉ_{（２００）}／Ｉ_{（００２）}における上限は、例えば１０未満であってもよいし、５以下であってもよい。

上記（００２）面のＸ線回折ピークの半価幅は、上限が６度以下であってもよいし、４度以下であってもよい。

（硬質層における機械的特性）
本実施形態において、室温における上記硬質層の硬度Ｈは、３０ＧＰａ以上であることが好ましく、３０ＧＰａ以上５０ＧＰａ以下であることがより好ましく、３５ＧＰａ以上４５ＧＰａ以下であることが更に好ましい。

本実施形態において、室温における上記硬質層のヤング率Ｅは、７００ＧＰａ以下であることが好ましく、４００ＧＰａ以上７００ＧＰａ以下であることがより好ましく、４００ＧＰａ以上５５０ＧＰａ以下であることが更に好ましい。

また、室温における上記硬質層のヤング率Ｅに対する上記硬質層の硬度Ｈの比Ｈ／Ｅは、０．０７以上であることが好ましく、０．０７以上０．１２以下であることがより好ましく、０．０８以上０．１１以下であることが更に好ましい。

上記硬度Ｈ及び上記ヤング率Ｅは、「ＩＳＯ １４５７７－１： ２０１５ Ｍｅｔａｌｌｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ－Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｄ ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ ｆｏｒ ｈａｒｄｎｅｓｓ ａｎｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ－」において定められている標準手順によるナノインデンテーション法によって、求めることが可能である。本実施形態において「室温」とは、２５℃を意味する。上記硬度Ｈ及び上記ヤング率Ｅを正確に求める観点から、圧子の押し込み深さは、当該圧子の押し込み方向における上記硬質層の厚さの１／１０を超えないようにする。圧子の押し込み荷重は、１ｇとする。サンプルは、上記硬質層の断面積が上記圧子の面積に対して１０倍の広さを確保できるのであれば、上述の断面サンプルを用いてもよい。また、上記硬質層の断面積が上記圧子に対して十分な広さを確保できるように、基材の表面の法線方向に対して傾斜した断面を有するサンプルを用いてもよい。このような測定を少なくとも１０個の断面サンプルについて行い、それぞれのサンプルで求められた硬度及びヤング率の平均値を、当該硬質層の硬度Ｈ及びヤング率Ｅとする。なお、一見して異常値と思われるデータについては、除外するものとする。上記ナノインデンテーション法を行う装置としては、例えば、エリオニクス社製のＥＮＴ－１１００ａが挙げられる。

上記硬質層は、Ｔｉ_ａＡｌ_ｂＢ_ｃＮで表される化合物からなる。ここで、「Ｔｉ_ａＡｌ_ｂＢ_ｃＮで表される化合物からなる」とは、Ｔｉ_ａＡｌ_ｂＢ_ｃＮで表される化合物のみからなる態様と、Ｔｉ_ａＡｌ_ｂＢ_ｃＮで表される化合物及び不可避不純物からなる態様を含む概念である。不可避不純物としては、例えば、炭素（Ｃ）、酸素（Ｏ）が挙げられる。上記硬質層の組成は、上述の断面サンプルをＴＥＭに付帯のエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＴＥＭ－ＥＤＸ）で、硬質層の全体を元素分析することによって求めることが可能である。このときの観察倍率は、例えば、２００００倍である。

上記Ｔｉ_ａＡｌ_ｂＢ_ｃＮにおけるチタン元素の原子比ａは、０．２５以上０．５５未満であり、０．２５以上０．４０以下であることが好ましく、０．２５以上０．３５以下であることがより好ましい。上記原子比ａを上述の範囲とすることで、適度な硬度を有する硬質層となる。

上記Ｔｉ_ａＡｌ_ｂＢ_ｃＮにおけるアルミニウム元素の原子比ｂは、０．４５以上０．７５未満であり、０．５５以上０．７５未満であることが好ましく、０．６５以上０．７５未満であることがより好ましい。上記原子比ｂを上述の範囲とすることで、優れた耐熱性を有する硬質層となる。

上記Ｔｉ_ａＡｌ_ｂＢ_ｃＮにおけるホウ素元素の原子比ｃは、０を超えて０．１以下であり、０．０１以上０．０９以下であることが好ましく、０．０２以上０．０８以下であることがより好ましい。上記原子比ｃを上述の範囲とすることで、適度な硬度を有する硬質層となる。なお、上記原子比ａ、上記原子比ｂ及び上記原子比ｃの合計は、１である。

（他の層）
本実施形態の効果を損なわない限り、上記被膜は、他の層を更に含んでいてもよい。上記他の層としては、例えば、上記基材と上記硬質層との間に設けられている下地層及び上記硬質層上に設けられている表面層等が挙げられる。また、上記被膜が第一の硬質層と第二の硬質層とを含む場合における上記第一の硬質層と上記第二の硬質層との間に設けられている中間層が挙げられる。

上記下地層は、例えば、ＡｌＣｒＮで表される化合物からなる層であってもよい。上記表面層は、例えば、ＴｉＮで表される化合物からなる層であってもよい。上記中間層は、例えば、ＴｉＡｌＮで表される化合物からなる層であってもよい。上記他の層の組成は、上述の断面サンプルをＴＥＭに付帯のエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＴＥＭ－ＥＤＸ）で、当該他の層の全体を元素分析することによって求めることが可能である。このときの観察倍率は、例えば、２００００倍である。

上記他の層の厚さは、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以下が挙げられる。当該厚さは、例えば、上述したような上記切削工具の断面を透過型電子顕微鏡を用いて倍率１００００倍で観察することで測定可能である。

≪切削工具の製造方法≫
本実施形態に係る切削工具の製造方法は、
上記基材を準備する工程（以下、「第１工程」という場合がある。）と、
物理的蒸着法を用いて、上記基材上に上記硬質層を形成する工程（以下、「第２工程」という場合がある。）と、を含む。

物理蒸着法とは、物理的な作用を利用して原料（「蒸発源」、「ターゲット」ともいう。）を気化し、気化した原料を基材等の上に付着させる蒸着方法である。物理的蒸着法としては、例えば、スパッタ法、アークイオンプレーティング法等が挙げられる。特に、本実施形態で用いる物理的蒸着法は、アークイオンプレーティング法を用いることが好ましい。

アークイオンプレーティング法は、装置内に基材を設置するとともにカソードとしてターゲットを設置した後、このターゲットに高電流を印加してアーク放電を生じさせる。これにより、ターゲットを構成する原子を蒸発させイオン化させて、負のバイアス電圧を印可した基材上に堆積させて被膜を形成する。

＜第１工程：基材を準備する工程＞
第１工程では基材を準備する。例えば、基材として超硬合金基材、又は立方晶窒化ホウ素焼結体が準備される。超硬合金基材及び立方晶窒化ホウ素焼結体は、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。例えば、一般的な粉末冶金法で超硬合金を製造する場合、まず、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。当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。さらに当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。次いで当該焼結体に対して、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。第１工程では、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：硬質層を形成する工程＞
第２工程では、物理的蒸着法を用いて、上記硬質層を形成する。その方法としては、形成しようとする硬質層の組成に応じて、各種の方法が用いられる。例えば、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）及びホウ素（Ｂ）等の粒径をそれぞれ変化させた合金製ターゲットを使用する方法、それぞれ組成の異なる複数のターゲットを使用する方法、成膜時に印可するバイアス電圧をパルス電圧とする方法、成膜時にガス流量を変化させる方法、又は、成膜装置において基材を保持する基材ホルダの回転速度を調整する方法等を挙げることができる。

例えば、第２工程は、次のようにして行なうことができる。まず、成膜装置のチャンバ内に、基材として任意の形状のチップを装着する。例えば、基材を、成膜装置のチャンバ内において中央に回転可能に備え付けられた回転テーブル上の基材ホルダの外表面に取り付ける。次に、硬質層形成用の蒸発源を、上記基材ホルダを挟むように対向して配置する。基材ホルダには、バイアス電源を取り付ける。硬質層形成用の蒸発源には、アーク電源を取り付ける。上記基材をチャンバ内の中央で回転させた状態で、反応ガスとして窒素ガス等を導入する。さらに、基材を温度４００～８００℃に、反応ガス圧を１～１０Ｐａ（窒素ガスの分圧は１～１０Ｐａ）に、バイアス電源の電圧を２０～５０Ｖ（直流電源）の範囲にそれぞれ維持しながら、硬質層形成用の蒸発源に８０～２００Ａのアーク電流を交互に供給する。これにより、硬質層形成用の蒸発源から金属イオンを発生させ、上記基材上に硬質層が堆積される。所定の時間が経過したところでアーク電流の供給を止めて、基材の表面上に硬質層を形成する。このとき、成膜時間を調節することにより、硬質層の厚さが所定範囲になるように調整する。上記第２工程は、切削加工に関与する部分（例えば、切れ刃付近のすくい面）に加えて、切削加工に関与する部分以外の上記基材の表面上に硬質層が形成されていてもよい。上述のように従来対比で窒素ガス分圧を高く、バイアス電圧を低く設定することで、成膜時の結晶成長を制御し混晶化を達成できる。

従来から、ＴｉＡｌＮで示される化合物からなる層（ＴｉＡｌＮ層）は立方晶が支配的であり硬度に優れることが知られていた。一方で、このＴｉＡｌＮ層を形成する際にホウ素を原料として添加すると、六方晶が形成されやすく硬度が低下することが知られていた。そのため、通常ＴｉＡｌＮ層を形成する際に原料としてチタン、アルミニウムに加えて、ホウ素を用いるという発想がなかった。本発明者らは、このような常識にとらわれることなく、原料としてチタン、アルミニウムに加えて微量のホウ素を加えて硬質層を形成してみたところ、予想に反して優れた耐摩耗性を有する切削工具が得られることを初めて見出した。

本実施形態の一側面において、基材を温度５００～６００℃に、反応ガス圧を５～１０Ｐａ（窒素ガスの分圧は５～１０Ｐａ）に、バイアス電源の電圧を３０～５０Ｖ（直流電源）の範囲にそれぞれ維持しながら、硬質層形成用の蒸発源に８０～１２０Ａのアーク電流を交互に供給することが好ましい。このようにすることで、硬質層の硬度Ｈとヤング率Ｅとを上述した範囲にすることが可能になる。そのため、上記硬質層における靱性及び硬度が向上する。

（硬質層の原料）
上記第２工程において、硬質層の原料は、チタン、アルミニウム、及びホウ素を含み、例えば、ホウ化チタン、金属アルミニウム、ホウ化チタンアルミニウム等が挙げられる。上記硬質層の原料の配合組成は、目的とする硬質層の組成に応じて適宜調整が可能である。上記硬質層の原料は、粉末状であってもよいし、平板状であってもよい。

本実施形態において、上述した反応ガスは、上記硬質層の組成に応じて適宜設定される。上記反応ガスとしては、例えば、窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガス、窒素ガス等が挙げられる。

＜その他の工程＞
本実施形態に係る製造方法では、上述した工程の他にも、第１工程と第２工程との間に、上記基材の表面をイオンボンバードメント処理する工程、基材と上記硬質層との間に下地層を形成する工程、上記硬質層の上に表面層を形成する工程、第一の硬質層と第二の硬質層との間に中間層を形成する工程及び、表面処理する工程等を適宜行ってもよい。

上述の下地層、中間層及び表面層等の他の層を形成する場合、従来の方法によって他の層を形成してもよい。

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≫
＜基材の準備＞
まず、被膜を形成させる対象となる基材として、転削加工用刃先交換型切削チップＰ（ＪＩＳ規格 Ｐ３０相当超硬合金、ＳＥＭＴ１３Ｔ３ＡＧＳＮ）及び転削加工用刃先交換型切削チップＫ（ＪＩＳ規格 Ｋ３０相当超硬合金、ＳＥＭＴ１３Ｔ３ＡＧＳＮ）を準備した（第１工程）。

＜イオンボンバードメント処理＞
後述する被膜の作製に先立って、以下の手順で上記基材の表面にイオンボンバードメント処理を行った。まず、上記基材をアークイオンプレーティング装置にセットした。次に、以下の条件によってイオンボンバードメント処理を行った。
ガス組成 ： Ａｒ（１００％）
ガス圧 ： ０．５Ｐａ
バイアス電圧： ６００Ｖ（直流電源）
処理時間 ： ６０分

＜被膜の作製＞
イオンボンバードメント処理を行った上記基材の表面上に、表２に示される硬質層を形成することによって、被膜を作製した。以下、硬質層の作製方法について説明する。

（硬質層の作製）
試料１～１２、試料１０２～１０７においては、基材（転削加工用刃先交換型切削チップＰ及び転削加工用刃先交換型切削チップＫ）をチャンバ内の中央で回転させた状態で、反応ガスとして窒素ガスを導入した。さらに、基材を温度５５０℃に、反応ガス圧を８Ｐａ（窒素ガスの分圧：８Ｐａ）に、バイアス電源の電圧を３０Ｖにそれぞれ維持しながら硬質層形成用の蒸発源に１２０Ａのアーク電流を供給した。これにより、硬質層形成用の蒸発源から金属イオンを発生させ、所定の時間が経過したところでアーク電流の供給を止めて、基材の表面上に表２に示す組成の硬質層を形成した（第２工程）。ここで、硬質層形成用の蒸発源は、表１に示す原料組成のものを用いた。このとき硬質層は、表２に示す厚さを有するように成膜時間を調整しながら作製した。表２における硬質層の組成は、上述したように断面サンプルをＴＥＭに付帯のエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＴＥＭ－ＥＤＸ）で、硬質層の全体を元素分析することによって求めた。このときの観察倍率は、２００００倍であった。

以上の工程によって、試料１～１２及び試料１０１～１０７の切削工具を作製した。

≪切削工具の特性評価≫
上述のようにして作製した試料１～１２及び試料１０１～１０７の切削工具を用いて、以下のように、切削工具の各特性を評価した。なお、試料１～１２の切削工具は実施例に対応し、試料１０１～１０７の切削工具は比較例に対応する。

＜被膜の厚さ（硬質層の厚さ）の測定＞
被膜の厚さ（すなわち、硬質層の厚さ）は、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、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１０点を測定し、測定された１０点の厚さの平均値をとることで求めた。結果を表２に示す。

＜硬質層のＸ線回折分析＞
硬質層についてＸ線回折分析法（ＸＤＲ分析法）による分析を行って、（２００）面及び（００２）面それぞれのＸ線回折強度Ｉ_{（２００）}、及びＩ_{（００２）}を求めた。Ｘ線回折分析の条件を以下に示す。求められたＩ_{（２００）}／Ｉ_{（００２）}、及びＩ_{（００２）}のピーク半価幅を表３に示す。
Ｘ線回折分析の条件
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）：２０°～８０°

また、上述のＸ線回折分析の結果に基づいて、硬質層における立方晶及び六方晶の有無を判断した。結果を表３に示す。

＜硬質層の機械的特性の分析（硬度及びヤング率の分析）＞
「ＩＳＯ １４５７７－１： ２０１５ Ｍｅｔａｌｌｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ－Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｄ ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ ｆｏｒ ｈａｒｄｎｅｓｓ ａｎｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ－」において定められている標準手順によるナノインデンテーション法によって、各切削工具における硬質層の硬度Ｈとヤング率Ｅとを測定した。ここで、圧子の押し込み深さは１００ｎｍに設定した。圧子の押し込み荷重は、１ｇとした。測定温度は、室温（２５℃）とした。また、サンプルは、上記硬質層の断面積が上記圧子の面積に対して１０倍の広さを確保できるように鏡面加工した断面サンプルを用いた。測定装置は、株式会社エリオニクス製のＥＮＴ－１１００ａ（商品名）を用いた。上記測定は、１０個の断面サンプルについて行い、それぞれのサンプルで求められた硬度及びヤング率の平均値を、当該硬質層の硬度Ｈ及びヤング率Ｅとした。なお、一見して異常値と思われるデータについては、除外した。また、上記ヤング率Ｅに対する上記硬度Ｈの比Ｈ／Ｅも求めた。結果を表３に示す。

≪切削試験≫
＜切削評価（１）＞
得られた切削工具（転削加工用刃先交換型切削チップＰ）を用いて、以下に示す切削条件にて切削加工を行ない、刃先の逃げ面摩耗量が０．２ｍｍになるまでの切削距離を測定した。結果を表４に示す。表４において、切削距離の長い方がより耐摩耗性に優れていることを示している。
（切削条件）
被削材：ＳＣＭ４３５（角材）
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ．
送り量：０．２ｍｍ／ｔ
切込み（軸方向）：２ｍｍ
切込み（径方向）：工具径の１００％
乾式

≪切削試験≫
＜切削評価（２）＞
得られた切削工具（転削加工用刃先交換型切削チップＫ）を用いて、以下に示す切削条件にて切削加工を行ない、刃先の逃げ面摩耗量が０．３ｍｍになるまでの切削距離を測定した。結果を表４に示す。表４において、切削距離の長い方がより耐摩耗性に優れていることを示している。
（切削条件）
被削材：インコネル６２５（形状：角材）
切削速度：６０ｍ／ｍｉｎ．
送り量：０．１５ｍｍ／ｔ
切込み（軸方向）：２ｍｍ
切込み（径方向）：工具径の７０％
湿式

＜結果＞
切削評価（１）の結果から、試料１～１２の切削工具は、切削距離が３５００ｍｍ以上であり、良好な結果が得られた。一方、試料１０１～１０７の切削工具は、切削距離が２５００ｍｍ以下であった。以上の結果から、実施例に係る試料１～１２の切削工具は、耐摩耗性に優れることが分かった（表４）。

切削評価（２）の結果から、試料１～１２の切削工具は、切削距離が１２００ｍｍ以上であり、良好な結果が得られた。一方、試料１０１～１０７の切削工具は、切削距離が６００ｍｍ以下であった。以上の結果から、実施例に係る試料１～１２の切削工具は、耐摩耗性に優れることが分かった（表４）。

以上のように本発明の実施形態及び実施例について説明を行なったが、上述の各実施形態及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及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及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、 ２０ 硬質層、 ２３ 立方晶の柱状晶、 ２４ 六方晶の柱状晶、 ３１ 下地層、 ３２ 表面層、 ４０ 被膜

Claims (4)

1. 基材と、前記基材上に設けられている硬質層と、を備える切削工具であって、
   前記硬質層は、Ｔｉ_ａＡｌ_ｂＢ_ｃＮで表される化合物からなり、
   前記Ｔｉ_ａＡｌ_ｂＢ_ｃＮにおけるチタン元素の原子比ａは、０．２５以上０．５５未満であり、
   前記Ｔｉ_ａＡｌ_ｂＢ_ｃＮにおけるアルミニウム元素の原子比ｂは、０．４５以上０．７５未満であり、
   前記Ｔｉ_ａＡｌ_ｂＢ_ｃＮにおけるホウ素元素の原子比ｃは、０を超えて０．１以下であり、
   前記原子比ａ、前記原子比ｂ及び前記原子比ｃの合計は、１であり、
   前記硬質層における（００２）面のＸ線回折ピークの強度Ｉ_{（００２）}に対する（２００）面のＸ線回折ピークの強度Ｉ_{（２００）}の比Ｉ_{（２００）}／Ｉ_{（００２）}が、２以上１０以下であり、
   前記（００２）面のＸ線回折ピークの半価幅が２度以上８度以下である、切削工具。
2. 室温における前記硬質層の硬度Ｈは、３０ＧＰａ以上である、請求項１に記載の切削工具。
3. 室温における前記硬質層のヤング率Ｅに対する前記硬質層の硬度Ｈの比Ｈ／Ｅは、０．０７以上である、請求項２に記載の切削工具。
4. 前記硬質層の厚さは、１μｍ以上２０μｍ以下である、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の切削工具。

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