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WO2014129530A1 - 切削工具 - Google Patents

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Publication number
WO2014129530A1
WO2014129530A1 PCT/JP2014/053994 JP2014053994W WO2014129530A1 WO 2014129530 A1 WO2014129530 A1 WO 2014129530A1 JP 2014053994 W JP2014053994 W JP 2014053994W WO 2014129530 A1 WO2014129530 A1 WO 2014129530A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
flank
columnar
average
coating layer
crystal
Prior art date
Application number
PCT/JP2014/053994
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
ヨウセン シュ
Original Assignee
京セラ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 京セラ株式会社 filed Critical 京セラ株式会社
Priority to EP14754575.0A priority Critical patent/EP2959993B1/en
Priority to US14/768,745 priority patent/US9555476B2/en
Priority to KR1020157022364A priority patent/KR101700699B1/ko
Priority to JP2014531794A priority patent/JP5744336B2/ja
Priority to CN201480008477.2A priority patent/CN104981310B/zh
Publication of WO2014129530A1 publication Critical patent/WO2014129530A1/ja

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B27/00—Tools for turning or boring machines; Tools of a similar kind in general; Accessories therefor
    • B23B27/14—Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0664—Carbonitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C30/00—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23B2228/00—Properties of materials of tools or workpieces, materials of tools or workpieces applied in a specific manner
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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

  • the present invention relates to a cutting tool having a coating layer formed on the surface of a substrate.
  • the cutting tool has a coating layer formed on the surface of a base made of a sintered alloy such as cemented carbide or cermet, a high-hardness sintered body of diamond or cBN (cubic boron nitride), or a ceramic such as alumina or silicon nitride. Therefore, methods for improving wear resistance and fracture resistance are used.
  • a sintered alloy such as cemented carbide or cermet
  • a ceramic such as alumina or silicon nitride. Therefore, methods for improving wear resistance and fracture resistance are used.
  • Patent Document 1 a second columnar crystal of a TiAlN-based coating layer laminated in two layers is grown in an oblique direction at an angle of 1 to 15 ° on average with respect to a direction orthogonal to the surface of the substrate.
  • a coating film (coating layer) is disclosed.
  • the present invention is to solve the above-mentioned problems, and its purpose is to optimize the crystal state of the coating layer on the rake face and the flank face, to suppress crater wear on the rake face and to provide chipping resistance on the flank face.
  • An object of the present invention is to provide a cutting tool that enhances and improves the cutting performance comprehensively.
  • the cutting tool of the present invention comprises a base body and a coating layer made of columnar crystals that covers the surface of the base body, and a cutting edge is a cross ridge line between the rake face and the flank face, and the surface of the base body at the flank face
  • the average inclination angle in the longitudinal direction of the columnar crystal with respect to the direction orthogonal to the vertical direction is larger than the average inclination angle in the longitudinal direction of the columnar crystal with respect to the direction orthogonal to the surface of the substrate on the rake face.
  • Another cutting tool of the present invention comprises a base and a coating layer made of a columnar crystal covering the surface of the base, and a cross edge between the rake face and the flank face is used as a cutting edge, and the columnar shape is formed on the flank face.
  • the average direction of the longitudinal direction of the crystal is inclined with respect to the direction perpendicular to the surface of the substrate, and the average aspect ratio of the columnar crystal at the flank is greater than the average aspect ratio of the columnar crystal at the rake face. Is also big.
  • the coating layer is made of a columnar crystal
  • the average inclination angle of the columnar crystal in the longitudinal direction with respect to the direction orthogonal to the surface of the substrate at the flank is a direction orthogonal to the surface of the substrate at the rake surface. It is larger than the average inclination angle in the longitudinal direction of the columnar crystal. That is, the average direction in the longitudinal direction of the columnar crystal is inclined more obliquely with respect to the direction perpendicular to the surface of the substrate than on the rake face.
  • the tilt angle of the columnar crystal is smaller than that of the flank on the rake face, the hardness of the coating layer is high and crater wear can be suppressed.
  • the average orientation of the columnar crystals in the longitudinal direction on the flank is inclined with respect to the direction orthogonal to the surface of the substrate, and the average aspect ratio of the columnar crystals on the flank is It is larger than the average aspect ratio of the columnar crystal on the rake face.
  • the coating layer is likely to become high temperature and easily oxidized, but since the grain boundaries of the crystals constituting the coating layer increase, the oxidation of the coating layer that tends to proceed along this grain boundary is suppressed. Can do. As a result, the oxidation resistance of the coating layer on the rake face is improved, and crater wear that tends to proceed on the rake face can be suppressed.
  • FIG. 1 It is a schematic perspective view about an example of the cutting tool of this invention. It is the principal part enlarged view about (a) rake face and (b) flank of the cutting tool of FIG. It is a schematic diagram of the film-forming apparatus in the film-forming process of the coating layer of the cutting tool of FIGS. It is a schematic diagram which shows the rotation state of the sample of the film-forming apparatus of FIG.
  • the cutting tool 1 includes a base 2 and a coating layer 6 that covers the surface of the base 2.
  • the covering layer 6 is composed of elongated columnar crystals 7.
  • the columnar crystal 7 is defined as a direction in which the longest length of the crystal is the longitudinal direction of the crystal, and the longest length among the directions orthogonal to the longitudinal direction is the length in the width direction of the crystal.
  • the cutting tool 1 has a rake face 3 on the main surface, a flank face 4 on the side face, and a cutting edge 5 on the intersecting ridge line between the rake face 3 and the flank face 4.
  • the cutting tool 1 of FIG. 1 is a so-called negative type cutting insert in which the main surface is a substantially flat plate having a polygonal shape and both main surfaces can be used, and the back surface of the rake surface 3 constitutes a seating surface 8. When turning over and using again, the rake face 3 and the seating face 8 are reversed.
  • the present invention is not limited to a negative type cutting insert, and can be suitably used for a positive type cutting insert in which only one main surface is a rake face 3, for example.
  • the present invention can be applied to a circular or non-planar main surface, and can also be applied to a rotary tool.
  • the cutting tool 1 has an average inclination angle ⁇ 2 in the longitudinal direction of the columnar crystal 7 with respect to a direction perpendicular to the surface of the base body 2 (hereinafter sometimes referred to as a film thickness direction) on the flank 4.
  • the average inclination angle ⁇ 1 in the longitudinal direction of the columnar crystal 7 with respect to the film thickness direction on the rake face 3 is larger.
  • the rake face 3 since the tilt angle of the columnar crystal 7 is smaller than that of the flank face 4 ( ⁇ 1 ⁇ 2), the hardness of the coating layer 6 is high and crater wear can be suppressed. As a result, the life of the cutting tool 1 is extended.
  • the tilt angle of the columnar crystal 7 is measured in the field of view of 10 ⁇ m wide ⁇ thickness of the coating layer using electron backscatter diffraction (EBSD) in observation with a scanning electron microscope (SEM).
  • EBSD electron backscatter diffraction
  • SEM scanning electron microscope
  • the inclination angle ⁇ 2 of the flank 4 is measured.
  • the contour of each crystal is specified by confirming the orientation direction of each crystal plane of the coating layer 6 by the EBSD method with a color map. Then, from the outline of each columnar crystal 7, the longest direction is measured as the longitudinal direction of the columnar crystal 7, and the inclination from the film thickness direction, that is, the direction perpendicular to the surface of the substrate 2 is measured as the inclination angle. Is calculated as an average inclination angle. At this time, the orientation of the granular crystal having an aspect ratio smaller than 1.5 other than the columnar crystal 7 included in the coating layer 6 is not included in the calculation of the inclination angle of the columnar crystal.
  • the inclination angle ⁇ 2 of the columnar crystal 7 on the flank 4 is 10 to 50 °
  • the inclination angle ⁇ 1 of the columnar crystal 7 on the rake face 3 is 0 to 20 °.
  • the cutting edge 5 has a curved nose cutting edge 5a and a linear straight cutting edge 5b, and a nose portion 9 is provided on the flank 4 immediately below the nose cutting edge 5a.
  • the average inclination angle ⁇ 3 (not shown) in the longitudinal direction of the columnar crystal 7 in the nose portion 9 is larger than the inclination angle ⁇ 2 in the flank 4.
  • the inclination angle ⁇ 3 of the columnar crystal 7 in the nose portion 9 is an electron backscattering with respect to the coating layer 6 of the nose portion 9 on the polished surface obtained by polishing the cutting tool 1 by 0.1 mm to 0.2 mm from the rake face 3 side.
  • EBSD diffraction method
  • the direction in which the longest straight line can be drawn is taken as the longitudinal direction of the columnar crystal, and the inclination angle, which is the inclination from the film thickness direction in this longitudinal direction, is measured. Calculate as the angle of inclination.
  • the inclination angle of the flank 4 immediately below the straight cutting edge 5b is defined as the inclination angle ⁇ 2 of the flank 4.
  • the overall composition of the coating layer 6 is (Al 1-ab Ti a M b ) C 1-d N d (where M is a group of the fourth, fifth and sixth groups in the periodic table excluding Ti).
  • M is a group of the fourth, fifth and sixth groups in the periodic table excluding Ti.
  • the hardness and oxidation resistance of the coating layer are high, crater wear on the rake face 3 can be suppressed, and progress of wear on the flank face can also be suppressed.
  • the covering layer 6 may have a uniform structure as a whole, or may be a multilayer of two or more layers.
  • a unit layer having two or more types of thicknesses ranging from nm to several tens of nm is periodically repeated.
  • a laminated structure may also be used.
  • the coating layer 6 is a multilayer of two or more layers, it is not limited to the case where the composition of each layer is within the range of the overall composition of the coating layer 6, and the layer does not contain at least one of Ti and Al. May be included.
  • M 1 or more types chosen from Cr, W, Mo, Ta, Hf, Nb, Zr, Si, and Y are desirable, but when one or more types of Cr, Si, Nb, Mo, and W are contained, hardness Excellent wear resistance. Furthermore, if M is Nb or Mo, the oxidation resistance at high temperature is excellent, and therefore, for example, the progress of crater wear in high-speed cutting can be suppressed.
  • Ti and Al are based on a cubic TiN crystal structure and are replaced with Al, and are excellent in wear resistance and fracture resistance.
  • C and N which are non-metallic components of the coating layer 6 affect the hardness and toughness required for the cutting tool.
  • d N content ratio
  • the composition of the coating layer 6 can be measured by energy dispersive spectroscopy (EPMA) or X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
  • EPMA energy dispersive spectroscopy
  • XPS X-ray photoelectron spectroscopy
  • the structure of the coating layer 6 is fine, the detailed structure can be confirmed by observation with a transmission electron microscope (TEM), and the detailed composition can be confirmed by energy dispersive X-ray analysis (EDS). .
  • TEM transmission electron microscope
  • EDS energy dispersive X-ray analysis
  • the ratio (tf / tr) between the thickness tf of the coating layer 6 on the flank 4 and the thickness tr of the coating layer 6 on the rake face 3 is 1.2 to 3.
  • the wear resistance of the flank 4 is improved, and the flank wear can be reduced to extend the tool life.
  • the ratio tn / tf between the thickness tn of the covering layer 6 at the nose portion 9 and the thickness tf of the covering layer 6 at the flank 4 is 1.2 to 2.0. Thereby, the wear resistance of the nose portion 9 can also be improved.
  • the thicknesses tr, tf, and tn at the rake face 3, the flank face 4, and the nose portion 9 of the covering layer 6 indicate the average values of the thicknesses at the respective positions of the covering layer 6.
  • the thickness can be determined by measuring the thickness at five arbitrary points and taking the average value.
  • the substrate 2 may be a cemented carbide or cermet hard alloy composed of a hard phase mainly composed of tungsten carbide or titanium carbonitride and a binder phase mainly composed of an iron group metal such as cobalt or nickel, or silicon nitride.
  • Hard materials such as ultra-high pressure sintered bodies that fire ceramics and aluminum oxide as a main component, hard phases composed of polycrystalline diamond and cubic boron nitride and binder phases such as ceramics and iron group metals under ultra-high pressure Preferably used.
  • the average aspect ratio of the columnar crystal 7 on the flank 4 is larger than the average aspect ratio of the columnar crystal 7 on the rake face 3.
  • the orientation of the columnar crystals 7 is inclined with respect to the thickness direction of the coating layer 6, which is a direction orthogonal to the surface of the substrate 2, and the average aspect ratio of the columnar crystals 7 is large. Therefore, even if a crack occurs in the coating layer 6, it is difficult to progress in the thickness direction of the coating layer 6, and the progress can be suppressed. As a result, the chipping resistance of the coating layer 6 on the flank 4 is improved, and boundary damage that easily occurs on the flank 4 can be suppressed.
  • the average aspect ratio of the columnar crystal 7 is smaller than that of the flank 4 on the rake face 3, the oxidation of the coating layer 6 that progresses deeper through the grain boundary of the crystal constituting the coating layer 6 is suppressed. can do. As a result, the oxidation resistance of the coating layer 6 on the rake face 3 is improved, and crater wear that tends to proceed on the rake face 3 can be suppressed.
  • the average aspect ratio of the columnar crystal 7 in the nose portion 9 is larger than the average aspect ratio of the columnar crystal 7 in the flank 4. Thereby, the chipping resistance in the nose portion 9 is further improved.
  • the aspect ratio of the columnar crystal 7 is such that the longest length in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the crystal is the longest length of the crystal of the columnar crystal 7 described above. This refers to the ratio with the length in the width direction (length in the longitudinal direction / length in the width direction), and the average aspect ratio is an arbitrary 10 columnar crystals 7 observed in the region of width 10 ⁇ m ⁇ thickness of the coating layer 6. Refers to the average aspect ratio.
  • the average aspect ratio is calculated by the same method as described above.
  • the shape and inclination state of the crystals constituting each layer are confirmed.
  • the average value with the thickness ratio of each layer taken into consideration is defined as the overall crystal shape and tilted state of the covering layer 6.
  • the average value considering the thickness ratio of each layer is, for example, the inclination angle of the covering layer 6 in the covering layer in which the first layer having the first thickness and the second layer having the second thickness are stacked (the first layer is The tilt angle of the crystal constituting the structure ⁇ first thickness + the tilt angle of the crystal constituting the second layer ⁇ the second thickness) / (first thickness + second thickness).
  • the average aspect ratio of the columnar crystal 7 on the flank 4 is 3 to 15, and the average aspect ratio of the columnar crystal 7 on the rake face 3 is 1.5 to 5. In this range, the effect of suppressing the progress of crater wear on the rake face 3 is high, and the effect of suppressing chipping on the flank 4 is also high.
  • the ratio of the average crystal width of the columnar crystals 7 on the flank face 4 to the average crystal width of the columnar crystals 7 on the rake face 3 is 0.8 to 1.2. That is, since both the flank 4 and the rake face 3 are columnar crystals having the same crystal width, the flank 4 and the rake face 3 have high wear resistance and fracture resistance.
  • the average crystal width of the columnar crystal 7 refers to the average width of the columnar crystal 7 in the direction parallel to the surface of the substrate 2.
  • a specific measurement method is to draw a straight line parallel to the surface direction of the substrate 2 at an intermediate position in the thickness direction of the coating layer 6, measure the number of grain boundaries crossing the straight line, and measure the length of the straight line. Divided by the number of.
  • the average crystal width is measured at an intermediate position of the thickness of each layer. To do. And let the average value which considered the thickness ratio of each layer be the average crystal width of the coating layer 6.
  • FIG. When a plurality of layers are stacked and crystal growth is inherited between the layers, and the same crystal is formed in the upper and lower layers, it is counted as one columnar crystal over the plurality of layers.
  • the flank face 4 there are an average of 2 to 5 columnar crystals 7 in the longitudinal direction of the columnar crystals 7 in the covering layer 6, and in the rake face 3, the columnar crystals 7 are present in the covering layer 6.
  • the average number of columnar crystals 7 in the longitudinal direction is calculated as an average value at five arbitrary points by drawing a straight line in the thickness direction of the coating layer 6 and measuring the number of crystals crossing the straight line. To do.
  • FIG. 3 is a schematic view of an arc ion plating film forming apparatus (hereinafter abbreviated as AIP apparatus) 20 and an exemplary diagram showing a rotation state of a sample during film formation, for an example of a detailed film forming method. This will be described with reference to FIG.
  • the AIP apparatus 20 of FIG. 3 introduces a gas such as N 2 or Ar into the vacuum chamber 21 from the gas inlet 22, arranges the cathode electrode 23 and the anode electrode 24, and applies a high voltage therebetween. Then, a plasma is generated, and a desired metal or ceramic is evaporated from the target 25 by the plasma and ionized to be in a high energy state, and the ionized metal is attached to the surface of the sample (substrate 2) as shown in FIG. Further, the surface of the substrate 2 is covered with a coating layer 6. 3 and 4, the rotary table 26 is placed in the vacuum chamber 21.
  • a gas such as N 2 or Ar
  • a plurality of towers 35 each including a sub turntable 27, a plurality of shaft rods 28 mounted thereon, and a plurality of base bodies 2 skewered on the shaft rods 28 (see FIG. 3 shows 2 sets, and FIG. 4 shows 6 sets).
  • a heater 29 for heating the substrate 2 a gas discharge port 30 for discharging gas out of the system, and a bias power supply 31 for applying a bias voltage to the substrate 2 are arranged. ing.
  • the flank (side surface) of the substrate 2 is parallel to the surface of the target 25 as shown in FIG. Set to.
  • the metal source is evaporated and ionized by arc discharge or glow discharge, and at the same time, nitrogen (N 2 ) gas as a nitrogen source or methane (CH 4 ) / acetylene (C 2 H 2 ) as a carbon source.
  • N 2 nitrogen
  • CH 4 methane
  • C 2 H 2 acetylene
  • the turntable 26, the sub turntable 27, and the shaft rod 28 are rotated, respectively. That is, the turntable 26 and the sub turntable 27 rotate in the same direction (clockwise in FIG. 4). Then, the shaft 28 is rotated in the direction opposite to the rotation direction of the turntable 26 and the sub turntable 27 (counterclockwise in FIG. 4).
  • the rotation speed of the turntable 26 is 1 to 4 rpm
  • the rotation speed of the sub turntable 27 is 3 times or more, especially 5 to 10 times the rotation speed of the turntable 26.
  • the rotational speed of the shaft rod 28 is 1 to 5 rpm, particularly 1.5 to 3 rpm.
  • the inclination angle of the columnar crystal on the rake face and the inclination angle of the columnar crystal on the flank face can be controlled within a predetermined range.
  • the rotary table 26 and the sub rotary table 27 are rotated in the same direction (clockwise in FIG. 4), but the present invention is not limited to this, and the rotary table 26 and The sub turn table 27 can be rotated in the reverse direction. In this case, for example, by setting the rotation speed of the sub turntable 27 to 5 times or more, particularly 7 to 12 times the rotation speed of the turntable 26, the tilt angle of the columnar crystals is within a predetermined range. Can be adjusted.
  • the flank 4 is located at a position where the metal component from the target 25 comes linearly, so the metal component from the target 25 comes linearly. Therefore, the film forming speed tends to be high.
  • the rake face 3 has a form in which the metal component from the target 25 wraps around and flies in the direction of the target 25, so that the film forming speed tends to be slow.
  • the interval g between adjacent samples on the upper and lower sides is set to 0.5 to 1 times the thickness of the sample.
  • the average orientation in the longitudinal direction of the columnar crystals 7 on the flank 4 is inclined from the direction orthogonal to the surface of the substrate 2 (inclination angle ⁇ 2> 0 in FIG. 2), and the columnar crystals 7 on the flank 4
  • the average aspect ratio can be larger than the average aspect ratio of the columnar crystals 7 on the rake face 3. That is, by forming the gap g between adjacent samples in the upper and lower sides as narrow as 0.5 to 1 times the thickness of the sample, the coating layer is formed on the rake face and the main face forming the seating face and the side face forming the flank face.
  • the average inclination angle in the longitudinal direction of the columnar crystal 7 in the nose portion 9 can be further increased by narrowing the gap g between adjacent samples in the upper and lower directions to 0.5 to 1 times the thickness of the sample. it can.
  • the target 25 for example, metal titanium (Ti), metal aluminum (Al), metal M (where M is selected from Group 4, 5, 6 elements of the periodic table excluding Ti, rare earth elements, and Si) It is possible to use a metal target containing each of the seeds or more), an alloy target obtained by compounding them, a mixture target composed of these compound powders or sintered bodies, and set at the position of the side wall surface of the chamber.
  • Film formation conditions include using these targets to evaporate and ionize the metal source by arc discharge, glow discharge, or the like, and simultaneously use nitrogen (N 2 ) gas as a nitrogen source or methane (CH 4 ) / acetylene as a carbon source (
  • N 2 nitrogen
  • a coating layer is formed by an ion plating method or a sputtering method that reacts with a C 2 H 2 ) gas.
  • a high hardness coating layer can be produced in consideration of the crystal structure of the coating layer, and in order to improve the adhesion to the substrate, in this embodiment, 35 to 200 V, In particular, a bias voltage of 75 to 150 V is applied.
  • the main component is a tungsten carbide (WC) powder having an average particle size of 0.9 ⁇ m, 10% by mass of metallic cobalt (Co) powder having an average particle size of 1.2 ⁇ m, and chromium carbide (Cr 3 C 2 having an average particle size of 1.0 ⁇ m).
  • WC tungsten carbide
  • Co metallic cobalt
  • Cr 3 C 2 chromium carbide
  • ) Powder was added and mixed at a ratio of 0.5% by mass, formed into a throwaway tip shape of Kyocera's cutting tool BDMT11T308ER-JT by press molding, and then subjected to binder removal treatment in a vacuum of 0.01 Pa And sintered at 1450 ° C. for 1 hour to prepare a cemented carbide. Further, the rake face surface of each sample was polished by blasting, brushing or the like. Further, the prepared cemented carbide was subjected to blade edge processing (honing) by brushing.
  • a bias voltage shown in Table 1 was applied to the substrate thus prepared, and an arc current 150A was applied to each of the substrates.
  • a gap g between the rake face and the seating face of the set sample shown in Table 1 (in the table, The coating layer having the composition shown in Table 2 was formed at a film formation temperature of 540 ° C. while rotating the sample at the rotation speed of the rotary table, sub-rotation table, and shaft rod shown in Table 1. did.
  • the entire composition of the coating layer was measured by energy dispersive spectroscopy (EPMA) by observing a cross section including the coating layer of each sample with a scanning electron microscope (SEM).
  • SEM scanning electron microscope
  • each coating layer was observed with the transmission electron microscope (TEM), and the detailed structure of the coating layer was confirmed with the energy dispersive X ray analysis method (EDS).
  • EDS energy dispersive X ray analysis method
  • the thickness of the coating layer at any five locations of the rake face, the flank face, and the nose portion was measured, and the average values were calculated as the coating layer thicknesses tr, tf, and tn.
  • EBSD electron backscatter diffraction
  • the outline of each crystal was specified from the color map, and the columnar crystal shape and inclination angle of the coating layer on the rake face, flank face and nose were measured.
  • the average aspect ratio is the aspect ratio
  • the average crystal width is the crystal width
  • the average number of columnar crystals in the longitudinal direction is the number of existence
  • the average inclination angle of the columnar crystals in the rake face, flank and nose Is ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3, and the rake face, flank face, and nose portion of the coating layer are expressed as thickness tr, tf, tn.
  • Cutting method Milling work material: Mold steel (SKD11) Cutting speed: 120 m / min Feed: 0.12 mm / rev Cutting depth: 2.0mm x 12.5mm Cutting state: Dry evaluation method: The cutting tool state was confirmed by observing the cutting tool after processing for 20 minutes. Abnormal wear conditions such as chipping and chipping were confirmed. Moreover, the processing time that could be processed until the tool life was confirmed.

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Abstract

【課題】耐チッピング性および耐摩耗性に優れた切削工具を提供する。 【解決手段】 基体（２）と、基体（２）の表面を被覆する柱状結晶（７）からなる被覆層（６）とを具備し、すくい面（３）と逃げ面（４）との交差稜線を切刃（５）とし、逃げ面（４）における基体（２）の表面に直交する方向に対する柱状結晶（７）の長手方向の平均の傾斜角（θ２）が、すくい面（３）における基体（２）の表面に直交する方向に対する柱状結晶（７）の長手方向の平均の傾斜角（θ１）よりも大きい切削工具（１）である。

Description

切削工具
　本発明は基体の表面に被覆層が成膜されている切削工具に関する。
　切削工具は、超硬合金やサーメット等の焼結合金、ダイヤモンドやｃＢＮ（立方晶窒化硼素）の高硬度焼結体、アルミナや窒化珪素等のセラミックスからなる基体の表面に被覆層を成膜して、耐摩耗性および耐欠損性を向上させる手法が使われている。
　また、ＴｉＡｌＮ等の被覆層が盛んに研究されている。例えば、特許文献１では、２層積層したＴｉＡｌＮ系の被覆層の２層目の柱状結晶を、基体の表面に直交する方向に対して平均で１～１５°の角度で斜めの方向に成長させた被覆膜（被覆層）が開示されている。
特開２００８－１０５１６４号公報
　しかしながら、特許文献１に記載された２層目を基体の表面に直交する方向に対して平均で１～１５°の角度で斜めの方向に成長させた被覆膜（被覆層）であっても、切削工具全体としての切削性能は不十分であり、さらなる改善が必要であった。
　本発明は上記課題を解決するためのものであり、その目的は、すくい面および逃げ面における被覆層の結晶状態を最適にして、すくい面におけるクレータ摩耗を抑制するとともに逃げ面における耐チッピング性を高めて、総合的に切削性能を向上させる切削工具を提供することにある。
　本発明の切削工具は、基体と、該基体の表面を被覆する柱状結晶からなる被覆層とを具備し、すくい面と逃げ面との交差稜線を切刃とし、前記逃げ面における前記基体の表面に直交する方向に対する前記柱状結晶の長手方向の平均の傾斜角が、前記すくい面における前記基体の表面に直交する方向に対する前記柱状結晶の長手方向の平均の傾斜角よりも大きいものである。
　本発明の他の切削工具は、基体と、該基体の表面を被覆する柱状結晶からなる被覆層とを具備し、すくい面と逃げ面との交差稜線を切刃とし、前記逃げ面において前記柱状結晶の長手方向の平均の向きが前記基体の表面に直交する方向に対して傾斜しているとともに、前記逃げ面における前記柱状結晶の平均アスペクト比が前記すくい面における前記柱状結晶の平均アスペクト比よりも大きいものである。
　本発明の切削工具によれば、被覆層が柱状結晶からなり、逃げ面における基体の表面に直交する方向に対する柱状結晶の長手方向の平均の傾斜角が、すくい面における基体の表面に直交する方向に対する柱状結晶の長手方向の平均の傾斜角よりも大きい。すなわち、逃げ面ではすくい面よりも柱状結晶の長手方向の平均の向きが、基体の表面に直交する方向に対して、より斜めに傾斜している。これによって、逃げ面においては、被覆層のクラックの進展が抑制できて、耐チッピング性が向上し、境界損傷を抑制することができる。また、すくい面においては、逃げ面よりも柱状結晶の傾斜角が小さいために、被覆層の硬度が高く、クレータ摩耗を抑制できる。
　本発明の他の切削工具によれば、逃げ面において柱状結晶の長手方向の平均の向きが基体の表面に直交する方向に対して傾斜しているとともに、逃げ面における柱状結晶の平均アスペクト比がすくい面における柱状結晶の平均アスペクト比よりも大きい。これによって、逃げ面においては、被覆層中にクラックが発生しにくく、かつクラックが発生したとしてもその進展を抑制することができる。その結果、逃げ面における被覆層の耐チッピング性が向上し、逃げ面において発生しやすい境界損傷を抑制することができる。また、すくい面においては、被覆層が高温になりやすく酸化されやすいが、被覆層を構成する結晶の粒界が多くなるため、この粒界を伝って進行しやすい被覆層の酸化を抑制することができる。その結果、すくい面における被覆層の耐酸化性が向上し、すくい面において進行しやすいクレータ摩耗を抑制できる。
　つまり、いずれの場合においても、逃げ面においてクラックや境界損傷を抑制できるとともに、すくい面におけるクレータ摩耗の進行を抑制できる。その結果、工具寿命が延びる。
本発明の切削工具の一例についての概略斜視図である。 図１の切削工具の（ａ）すくい面、（ｂ）逃げ面についての要部拡大図である。 図１、２の切削工具の被覆層の成膜工程における成膜装置の模式図である。 図３の成膜装置の試料の回転状態を示す模式図である。
　本発明の切削工具についての好適な実施態様である図１、２によれば、切削工具１は、基体２と、基体２の表面を被覆する被覆層６とを具備している。被覆層６は細長い柱状結晶７からなる。本発明において柱状結晶７とは、結晶の長さが最も長い方向を結晶の長手方向とし、この長手方向に直交する方向のうちの最も長い長さを結晶の幅方向の長さとして、結晶の長手方向の長さ／幅方向の長さの比であるアスペクト比が１．５以上の結晶を指す。被覆層６が柱状結晶７からなることによって、逃げ面４およびすくい面３の耐摩耗性および耐欠損性が高い。すなわち、被覆層６を構成する結晶が柱状結晶でなく粒状結晶からなると、逃げ面４およびすくい面３の耐摩耗性および耐欠損性が低い。
　また、切削工具１は、主面にすくい面３を、側面に逃げ面４を、すくい面３と逃げ面４との交差稜線に切刃５を有している。図１の切削工具１は、主面が多角形の概略平板状で両主面が使用可能な、いわゆるネガタイプの切削インサートであり、すくい面３の裏面は着座面８を構成する。使用時に裏返して再度使用する際には、すくい面３と着座面８とが逆転する。なお、本発明はネガタイプの切削インサートに限定されるものではなく、例えば、一方の主面のみをすくい面３とするポジタイプの切削インサートにも好適に使用可能である。さらに、主面が円形や、平面でない形状にも適用可能であり、回転工具に対しても適用可能である。
　本実施態様によれば、切削工具１は、逃げ面４における基体２の表面に直交する方向（以下、膜厚方向という場合がある。）に対する柱状結晶７の長手方向の平均の傾斜角θ２が、すくい面３における膜厚方向に対する柱状結晶７の長手方向の平均の傾斜角θ１よりも大きい。これによって、逃げ面４においては、被覆層６のクラックの進展が抑制できて、耐チッピング性が向上し、境界損傷を抑制することができる。また、すくい面３においては、逃げ面４よりも柱状結晶７の傾斜角が小さい（θ１＜θ２）ために、被覆層６の硬度が高く、クレータ摩耗を抑制できる。その結果、切削工具１の寿命が延びる。
　なお、柱状結晶７の傾斜角の測定は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察において、電子後方散乱回折法（ＥＢＳＤ）を用いて、幅１０μｍ×被覆層の厚みの視野にて測定する。切削工具１を逃げ面４側から逃げ面４に平行に０．１ｍｍ～０．２ｍｍ研磨した研磨面にて観察される被覆層６のうち、基体２の表面が直線状である部位にてすくい面３の傾斜角θ１を測定する。同様に、切削工具１をすくい面３側から着座面８に平行に０．１ｍｍ～０．２ｍｍ研磨した研磨面にて観察される被覆層６のうち、基体２の表面が直線状である部位にて逃げ面４の傾斜角θ２を測定する。具体的な測定方法としては、ＥＢＳＤ法による被覆層６の各結晶面の配向方向をカラーマップにて確認することによって各結晶の輪郭を特定する。そして、各柱状結晶７の輪郭から、最も長い方向を柱状結晶７の長手方向として、膜厚方向、すなわち、基体２の表面に対して垂直な方向からの傾きを傾斜角として測定し、各結晶の平均値を平均の傾斜角として算出する。このとき、被覆層６に含まれる柱状結晶７以外のアスペクト比が１．５よりも小さい粒状結晶の向きは、柱状結晶の傾斜角の計算には含めない。
　ここで、本実施態様では、逃げ面４における柱状結晶７の傾斜角θ２が１０～５０°であり、すくい面３における柱状結晶７の傾斜角θ１が０～２０°である。これによって、逃げ面４においては、被覆層６のクラックの進展を抑制する効果が高く、耐チッピング性が向上し、境界損傷がより抑制される。また、すくい面３においては、被覆層６の硬度が高く、クレータ摩耗をより効果的に抑制できる。
　また、本実施態様では、切刃５が曲線状のノーズ切刃５ａと直線状の直線切刃５ｂとを有し、ノーズ切刃５ａの直下の逃げ面４にノーズ部９が設けられるとともに、被覆層６は、ノーズ部９における柱状結晶７の長手方向の平均の傾斜角θ３（図示せず）が、逃げ面４における傾斜角θ２よりも大きい。これによって、微小チッピングが生じやすいノーズ部９における被覆層６の耐チッピング性を高めることができる。なお、ノーズ部９における柱状結晶７の傾斜角θ３は、切削工具１をすくい面３側から０．１ｍｍ～０．２ｍｍ研磨した研磨面におけるノーズ部９の被覆層６に対して、電子後方散乱回折法（ＥＢＳＤ）を用いて、幅１０μｍ×被覆層の厚みの視野にて測定する。この視野であれば、ノーズ部９における基体２の表面はほぼ直線となる。この視野において、各結晶の輪郭から、最も長い直線が引ける方向を柱状結晶の長手方向として、この長手方向の膜厚方向からの傾きである傾斜角を測定し、各結晶の平均値を平均の傾斜角をとして算出する。また、本発明においては、直線切刃５ｂの直下の逃げ面４における傾斜角を、逃げ面４の傾斜角θ２とする。
　さらに、本実施態様では、被覆層６の全体組成は、（Ａｌ１－ａ－ｂＴｉａＭｂ）Ｃ１－ｄＮｄ（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５および６族元素、Ｓｉおよび希土類金属元素より選ばれる一種以上の元素。０．２≦ａ≦０．７、０≦ｂ≦０．２、０≦ｄ≦１）からなる。この範囲であれば、被覆層の硬度および耐酸化性が高くて、すくい面３におけるクレータ摩耗が抑制できるとともに、逃げ面における摩耗の進行も抑制できる。なお、被覆層６は全体が均一な組織であってもよいが、２層以上の多層であってもよく、中でも２種類以上の厚みがｎｍから数十ｎｍオーダーの単位層を周期的に繰り返し積層した構造であってもよい。このように、被覆層６が２層以上の多層の場合には、各層の組成が上記被覆層６の全体組成の範囲内にある場合に限定されず、ＴｉおよびＡｌの少なくとも一方を含まない層が含まれていてもよい。
　なお、ＭとしてはＣｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｙから選ばれる１種以上が望ましいが、中でもＣｒ、Ｓｉ、Ｎｂ、ＭｏおよびＷの１種以上を含有すると硬度に優れて、耐摩耗性に優れる。さらに、ＭがＮｂまたはＭｏであれば高温での耐酸化性に優れるために、例えば、高速切削におけるクレータ摩耗の進行を抑制できる。なお、ＴｉおよびＡｌは立方晶のＴｉＮ結晶構造を基本としてＡｌが置換した形態からなり、耐摩耗性および耐欠損性に優れる。
　また、被覆層６の非金属成分であるＣ、Ｎは切削工具に必要な硬度および靭性に影響を及ぼすものであり、本実施態様では、ｄ（Ｎ含有比率）は０≦ｄ≦１、特に、０．８≦ｄ≦１である。ここで、本発明によれば、上記被覆層６の組成は、エネルギー分散型分光分析法（ＥＰＭＡ）またはＸ線光電子分光分析法（ＸＰＳ）にて測定できる。さらに、被覆層６の構造が細かい場合には、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察して詳細な構造を確認し、エネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）にて詳細組成を確認することができる。
　さらに、本実施態様では、逃げ面４における被覆層６の厚みｔｆとすくい面３における被覆層６の厚みｔｒとの比（ｔｆ／ｔｒ）が１．２～３である。これによって、逃げ面４の耐摩耗性が向上し、逃げ面摩耗を小さくして工具寿命を延ばすことができる。また、本実施態様では、ノーズ部９における被覆層６の厚みｔｎと逃げ面４における被覆層６の厚みｔｆとの比ｔｎ／ｔｆは１．２～２．０である。これによって、ノーズ部９の耐摩耗性も高めることができる。なお、本発明においては、被覆層６のすくい面３、逃げ面４、ノーズ部９における厚みｔｒ、ｔｆ、ｔｎは、被覆層６の各位置における厚みの平均値を指し、被覆層６の断面観察において任意５か所での厚みを測定してその平均値を取ることによって求めることができる。
　なお、基体２としては、炭化タングステンや炭窒化チタンを主成分とする硬質相とコバルト、ニッケル等の鉄族金属を主成分とする結合相とからなる超硬合金やサーメットの硬質合金、窒化ケイ素や酸化アルミニウムを主成分とするセラミックス、多結晶ダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素からなる硬質相とセラミックスや鉄族金属等の結合相とを超高圧下で焼成する超高圧焼結体等の硬質材料が好適に使用される。
　また、本実施態様によれば、切削工具１は、図２に示すように、逃げ面４における柱状結晶７の平均アスペクト比がすくい面３における柱状結晶７の平均アスペクト比よりも大きい。これによって、逃げ面４においては、柱状結晶７の向きが基体２の表面に直交する方向である被覆層６の厚み方向に対して斜めに傾斜しているとともに柱状結晶７の平均アスペクト比が大きいので、被覆層６中にクラックが発生したとしても被覆層６の厚み方向に進展しにくくその進展を抑制することができる。その結果、逃げ面４における被覆層６の耐チッピング性が向上し、逃げ面４において発生しやすい境界損傷を抑制することができる。また、すくい面３においては、逃げ面４よりも柱状結晶７の平均アスペクト比が小さいために、被覆層６を構成する結晶の粒界を伝ってより深くまで進行する被覆層６の酸化を抑制することができる。その結果、すくい面３における被覆層６の耐酸化性が向上し、すくい面３において進行しやすいクレータ摩耗を抑制できる。
　さらに、本実施態様では、ノーズ部９における柱状結晶７の平均アスペクト比は逃げ面４における柱状結晶７の平均アスペクト比よりも大きい。これによって、ノーズ部９における耐チッピング性がさらに向上する。
　本発明において、柱状結晶７のアスペクト比は、上述した柱状結晶７の結晶の長さが最も長い方向を結晶の長手方向と、この長手方向に直交する方向のうちの最も長い長さを結晶の幅方向の長さとの比（長手方向の長さ／幅方向の長さ）を指し、平均アスペクト比は、幅１０μｍ×被覆層６の厚みの領域にて観察される任意１０個の柱状結晶７のアスペクト比の平均値を指す。
　なお、被覆層６として、複数層が積層されかつ層間で結晶の成長を引き継ぐ場合には、１つの柱状結晶とみなして、上記と同様の方法で平均アスペクト比を算出する。また、被覆層６として、複数層が積層されかつ層間で結晶の成長を引き継ぐことなく上下層で異なる結晶を構成している場合には、各層を構成する結晶の形状および傾斜状態をそれぞれ確認し、各層の厚み比率を加味した平均値を被覆層６の全体の結晶の形状および傾斜状態とする。各層の厚み比率を加味した平均値とは、例えば、第１厚みの第１層と第２厚みの第２層とが積層された被覆層における被覆層６の傾斜角は、（第１層を構成する結晶の傾斜角×第１厚み＋第２層を構成する結晶の傾斜角×第２厚み）／（第１厚み＋第２厚み）で算出する。
　ここで、本実施態様では、逃げ面４における柱状結晶７の平均アスペクト比が３～１５、すくい面３における柱状結晶７の平均アスペクト比が１．５～５である。この範囲では、すくい面３のクレータ摩耗の進行を抑制する効果が高く、かつ逃げ面４におけるチッピングを抑制する効果も高い。
　また、本実施態様では、逃げ面４における柱状結晶７の平均結晶幅と、すくい面３における柱状結晶７の平均結晶幅との比が０．８～１．２である。つまり、逃げ面４およびすくい面３のどちらも同等の結晶幅を有する柱状結晶であることによって、逃げ面４およびすくい面３の耐摩耗性および耐欠損性が高い。なお、本発明における柱状結晶７の平均結晶幅とは、柱状結晶７の基体２の表面と平行な方向についての平均幅を指す。具体的な測定法は、被覆層６の厚み方向の中間位置において基体２の表面方向に平行に直線を引き、この直線を横切る粒界の数を計測し、直線の長さを計測した粒界の数で割って求められる。このとき、被覆層６として、複数層が積層されかつ層間で結晶の成長を引き継ぐことなく上下層で異なる結晶を構成している場合には、各層の厚みの中間位置で平均結晶幅をそれぞれ測定する。そして、各層の厚み比率を加味した平均値を被覆層６の平均結晶幅とする。複数層が積層されかつ層間で結晶の成長を引き継いで、上下層で同じ結晶を構成している場合には、複数層に亘って１つの柱状結晶としてカウントする。
　さらに、本実施態様では、逃げ面４において、被覆層６内には柱状結晶７の長手方向に平均２～５個の柱状結晶７が存在し、すくい面３において、被覆層６内には柱状結晶７の長手方向に平均３～１０個の柱状結晶７が存在する。これによって、すくい面３では被覆層６の厚み方向に存在する粒界の数が多く、すくい面３における耐酸化性が高い。そのために、すくい面３におけるクレータ摩耗の進行が抑制される。また、逃げ面４では衝撃がかかった際に、衝撃が粒界を伝って被覆層６の厚み方向から傾斜する方向に伝わるので、衝撃が吸収されやすくチッピングの発生を抑制できる。なお、本発明において、柱状結晶７の長手方向の平均存在数は、被覆層６の厚み方向に直線を引いて、この直線を横切る結晶の数を測定し、任意５か所における平均値として算出する。
　（製造方法）
　次に、本発明の切削工具の製造方法について説明する。まず、工具形状の基体を従来公知の方法を用いて作製する。次に、基体の表面に、被覆層を成膜する。被覆層の成膜方法として、イオンプレーティング法やスパッタリング法等の物理蒸着（ＰＶＤ）法が好適に適応可能である。詳細な成膜方法の一例について、アークイオンプレーティング成膜装置（以下、ＡＩＰ装置と略す。）２０の模式図である図３、および成膜中の試料の回転状態を示す模式図である図４を参照して説明する。
　図３のＡＩＰ装置２０は、真空チャンバ２１の中にＮ２やＡｒ等のガスをガス導入口２２から導入し、カソード電極２３とアノード電極２４とを配置して、両者間に高電圧を印加してプラズマを発生させ、このプラズマによってターゲット２５から所望の金属あるいはセラミックスを蒸発させるとともにイオン化させて高エネルギー状態とし、このイオン化した金属を試料（基体２）の表面に付着させて図２のように基体２の表面に被覆層６を被覆する構造となっている。また、図３、４によれば、真空チャンバ２１内に回転テーブル２６が載置されている。回転テーブル２６の上には、サブ回転台２７とその上に載置された複数本の軸棒２８と、軸棒２８に串刺しにされた複数個の基体２とからなるタワー３５が複数（図３では２セット、図４では６セット図示されている。）配置された構成となっている。さらに、図３によれば、基体２を加熱するためのヒータ２９と、ガスを系外に排出するためのガス排出口３０と、基体２にバイアス電圧を印加するためのバイアス電源３１が配置されている。
　ここで、本実施態様によれば、基体２を成膜チャンバ内にセットする際に、図３に示すように、ターゲット２５の表面に対して基体２の逃げ面（側面）が平行になるようにセットする。そして、ターゲット２５を用いて、アーク放電やグロー放電などにより金属源を蒸発させイオン化すると同時に、窒素源の窒素（Ｎ２）ガスや炭素源のメタン（ＣＨ４）／アセチレン（Ｃ２Ｈ２）ガスと反応させることにより、基体２の表面に被覆層６を堆積させる。
　このとき、回転テーブル２６とサブ回転台２７と軸棒２８を、それぞれ回転させるが、本実施態様例としては、図４に示す方向に回転する。すなわち、回転テーブル２６とサブ回転台２７とは同じ向き（図４では時計回り）に回転する。そして、軸棒２８は回転テーブル２６およびサブ回転台２７の回転方向とは逆向き（図４では反時計回り）に回転させる。回転テーブル２６の回転数は１～４ｒｐｍとし、サブ回転台２７の回転数は回転テーブル２６の回転数の３倍以上、特には５～１０倍の回転数とする。また、軸棒２８の回転数は１～５ｒｐｍ、特に１．５～３ｒｐｍの回転数とする。これによって、すくい面における柱状結晶の傾斜角度と逃げ面における柱状結晶の傾斜角度とを所定の範囲内に制御することができる。なお、図４によれば、回転テーブル２６とサブ回転台２７とは同じ向き（図４では時計回り）に回転させているが、本発明はこれに限定されるものではなく、回転テーブル２６とサブ回転台２７とを逆回転とすることもできる。この場合には、例えば、サブ回転台２７の回転数を回転テーブル２６の回転数の５倍以上、特には７～１２倍の回転数とすることによって、柱状結晶の傾斜角度を所定の範囲内に調整することができる。
　本実施態様によれば、基体２を上記方向でセットしているため、逃げ面４はターゲット２５からの金属成分が直線的に飛来する位置となるのでターゲット２５からの金属成分が直線的に飛来する形態となって成膜速度が速くなりやすい。一方、すくい面３はターゲット２５の向きに対してターゲット２５からの金属成分が回り込んで飛来する形態となるので成膜速度が遅くなりやすい。
　このとき、上下で隣り合う試料の間隔ｇを試料の厚みに対して０．５～１倍とする。これによって、逃げ面４において柱状結晶７の長手方向の平均の向きが基体２の表面に直交する方向から傾斜している（図２の傾斜角θ２＞０）とともに、逃げ面４における柱状結晶７の平均アスペクト比がすくい面３における柱状結晶７の平均アスペクト比よりも大きい構成とすることができる。すなわち、上下で隣り合う試料の間隔ｇを試料の厚みに対して０．５～１倍と狭いことによって、すくい面および着座面をなす主面と逃げ面をなす側面における被覆層の成膜状態が変化し、成膜される結晶の成長状態を異ならせることができる。さらに、上下で隣り合う試料の間隔ｇを試料の厚みに対して０．５～１倍と狭いことによって、ノーズ部９における柱状結晶７の長手方向の平均の傾斜角を、より大きくすることができる。
　また、ターゲット２５としては、例えば、金属チタン（Ｔｉ）、金属アルミニウム（Ａｌ）、金属Ｍ（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、希土類元素およびＳｉから選ばれる１種以上）をそれぞれ独立に含有する金属ターゲット、これらを複合化した合金ターゲット、これらの化合物粉末または焼結体からなる混合物ターゲットを用いることができ、チャンバの側壁面位置にセットする。
　成膜条件としては、これらのターゲットを用いて、アーク放電やグロー放電などにより金属源を蒸発させイオン化すると同時に、窒素源の窒素（Ｎ２）ガスや炭素源のメタン（ＣＨ４）／アセチレン（Ｃ２Ｈ２）ガスと反応させるイオンプレーティング法またはスパッタリング法によって被覆層を成膜する。なお、上記被覆層を成膜する際には、被覆層の結晶構造を考慮して高硬度な被覆層を作製できるとともに基体との密着性を高めるために、本実施態様では、３５～２００Ｖ、特に７５～１５０Ｖのバイアス電圧を印加する。
　平均粒径０．９μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末を主成分として、平均粒径１．２μｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末を１０質量％、平均粒径１．０μｍの炭化クロム（Ｃｒ３Ｃ２）粉末を０．５質量％の割合で添加し混合して、プレス成形により京セラ製切削工具ＢＤＭＴ１１Ｔ３０８ＥＲ－ＪＴ形状のスローアウェイチップ形状に成形した後、脱バインダ処理を施し、０．０１Ｐａの真空中、１４５０℃で１時間焼成して超硬合金を作製した。また、各試料のすくい面表面をブラスト加工、ブラシ加工等によって研磨加工した。さらに、作製した超硬合金にブラシ加工にて刃先処理（ホーニング）を施した。
　このようにして作製した基体に対して、表１に示すバイアス電圧を印加し、アーク電流１５０Ａをそれぞれ流し、表１に示すセットされた試料のすくい面および着座面間の間隔ｇ（表中、試料の厚みに対する比率で表記）と、表１に示す回転テーブル、サブ回転台、軸棒の回転数で試料を回転しながら、成膜温度５４０℃として表２に示す組成の被覆層を成膜した。なお、被覆層の全体組成は、各試料の被覆層を含む断面について走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察を行い、エネルギー分散分光分析法（ＥＰＭＡ）にて測定した。また、各被覆層を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）にて観察し、エネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）にて、被覆層の詳細な構成を確認した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　また、ＳＥＭ観察より、すくい面、逃げ面およびノーズ部の任意５か所における被覆層の厚みを測定し、その平均値を被覆層の厚みｔｒ、ｔｆ、ｔｎとして算出した。さらに、ＳＥＭ観察において電子後方散乱回折法（ＥＢＳＤ）を用いて、カラーマップより各結晶の輪郭を特定し、すくい面、逃げ面およびノーズ部における被覆層の柱状結晶の形状および傾斜角を測定した。表中、平均アスペクト比についてはアスペクト比、平均結晶幅については結晶幅、柱状結晶の長手方向の平均存在個数については存在数、すくい面、逃げ面およびノーズ部における柱状結晶の平均の傾斜角についてはθ１、θ２、θ３、被覆層のすくい面、逃げ面およびノーズ部における厚みについては厚みｔｒ、ｔｆ、ｔｎと表記した。結果は表３、４に示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　次に、得られたスローアウェイチップを用いて以下の切削条件にて切削試験を行った。結果は表４に示した。
切削方法：ミリング加工
被削材　：金型鋼（ＳＫＤ１１）
切削速度：１２０ｍ／分
送り　　：０．１２ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：２．０ｍｍ×１２．５ｍｍ
切削状態：乾式
評価方法：２０分加工後の切削工具を観察して切刃状態を確認した。チッピングや欠けなど異常摩耗状態を確認した。また、工具寿命まで加工できた加工時間を確認した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　表１～４に示す結果より、すくい面および逃げ面における被覆層の柱状結晶の傾斜角θ１、θ２の関係が本発明の範囲外である試料Ｎｏ．８～１１では、切刃においてチッピングが発生しやすく、かつ、すくい面におけるクレータ摩耗が進行して早期に寿命となった。また、すくい面における柱状結晶の平均アスペクト比が逃げ面における被覆層の柱状結晶の平均アスペクト比よりも大きい試料Ｎｏ．８では、逃げ面においてチッピングが発生しやすく、境界欠損した。すくい面における柱状結晶の平均アスペクト比と逃げ面における被覆層の柱状結晶の平均アスペクト比が同じである試料Ｎｏ．９では、逃げ面のノーズ部におけるノーズ摩耗が進行し、試料Ｎｏ．１０では、すくい面におけるクレータ摩耗が進行し、いずれも早期に寿命となった。すくい面における結晶が柱状結晶ではなく平均アスペクト比が１．５未満の粒状結晶となった試料Ｎｏ．１１では、すくい面におけるクレータ摩耗が進行して早期に寿命となった。
　これに対して、本発明の範囲内である試料Ｎｏ．１～７では、いずれも切刃におけるチッピングの発生が少なく、かつすくい面におけるクレータ摩耗の進行が遅くて良好な切削性能を発揮した。
　１　切削工具
　２　基体
　３　すくい面
　４　逃げ面
　５　切刃
　　５ａ　ノーズ切刃
　　５ｂ　直線切刃
　６　被覆層
　７　柱状結晶
　８　着座面
　９　ノーズ部

Claims (9)

  1. 　基体と、該基体の表面を被覆する柱状結晶からなる被覆層とを具備し、すくい面と逃げ面との交差稜線を切刃とし、前記逃げ面における前記基体の表面に直交する方向に対する前記柱状結晶の長手方向の平均の傾斜角（θ２）が、前記すくい面における前記基体の表面に直交する方向に対する前記柱状結晶の長手方向の平均の傾斜角（θ１）よりも大きい切削工具。
  2. 　前記逃げ面における前記柱状結晶の前記傾斜角（θ２）が１０～５０°であり、前記すくい面における前記柱状結晶の前記傾斜角（θ１）が０～２０°である請求項１記載の切削工具。
  3. 　前記被覆層の全体組成が、（Ａｌ１－ａ－ｂＴｉａＭｂ）Ｃ１－ｄＮｄ（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５および６族元素、Ｓｉおよび希土類元素より選ばれる一種以上の元素。０．２≦ａ≦０．７、０≦ｂ≦０．２、０≦ｄ≦１）からなる請求項１または２記載の切削工具。
  4. 　前記逃げ面における前記被覆層の厚みｔｆと前記すくい面における前記被覆層の厚みｔｒとの比（ｔｆ／ｔｒ）が１．２～３である請求項１乃至３のいずれか記載の切削工具。
  5. 　基体と、該基体の表面を被覆する柱状結晶からなる被覆層とを具備し、すくい面と逃げ面との交差稜線を切刃とし、前記逃げ面において前記柱状結晶の長手方向の平均の向きが前記基体の表面に直交する方向に対して傾斜しているとともに、前記逃げ面における前記柱状結晶の平均アスペクト比が前記すくい面における前記柱状結晶の平均アスペクト比よりも大きい切削工具。
  6. 　前記逃げ面における前記柱状結晶の平均アスペクト比が３～１５、前記すくい面における前記柱状結晶の平均アスペクト比が１．５～５である請求項５記載の切削工具。
  7. 　前記逃げ面における前記柱状結晶の平均結晶幅と、前記すくい面における前記柱状結晶の平均結晶幅との比が０．８～１．２である請求項５または６記載の切削工具。
  8. 　前記逃げ面の前記被覆層に、前記柱状結晶が該柱状結晶の長手方向に平均２～５個存在し、前記すくい面の前記被覆層に、前記柱状結晶が該柱状結晶の長手方向に平均３～１０個存在する請求項５乃至７のいずれか記載の切削工具。
  9. 　前記切刃が曲線状のノーズ切刃と直線状の直線切刃とを有し、前記ノーズ切刃の直下の前記逃げ面にノーズ部が設けられるとともに、前記被覆層は、前記ノーズ部における前記柱状結晶の長手方向の平均の傾斜角（θ３）が、前記逃げ面における前記柱状結晶の長手方向の平均の傾斜角（θ２）よりも大きい請求項１乃至８のいずれか記載の切削工具。 
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