特許 7544294 切削工具

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-26

(45)【発行日】2024-09-03

(54)【発明の名称】切削工具

(51)【国際特許分類】

   B23B 27/14 20060101AFI20240827BHJP

   C23C 14/06 20060101ALI20240827BHJP

   C23C 14/32 20060101ALI20240827BHJP

【ＦＩ】

B23B27/14 A

C23C14/06 B

C23C14/32 Z

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2023565262

(86)(22)【出願日】2023-05-17

(86)【国際出願番号】 JP2023018429

【審査請求日】2024-05-21

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000002130

【氏名又は名称】住友電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】月原 望

(72)【発明者】

【氏名】福井 治世

(72)【発明者】

【氏名】田畑 敏広

(72)【発明者】

【氏名】倉持 幸治

【審査官】須中 栄治

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１９／１８１７４２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１０－１７４３７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－０１７７９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２７５２９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１５５７２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－２６２４０５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｂ２７／００－２９／３４

Ｃ２３Ｃ１４／００－１６／５６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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（Ｃ_１－ａＮ_ａ）_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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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または請求項２に記載の切削工具。

【請求項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または請求項２に記載の切削工具。

【請求項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または請求項２に記載の切削工具。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、切削工具に関する。

【背景技術】

【0002】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０２２－０９５１１６号公報

【発明の概要】

【0004】

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（Ｃ_１－ａＮ_ａ）_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。

【図面の簡単な説明】

【0005】

【図1】図１は、切削工具の一態様を例示する斜視図である。

【図2】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】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】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。

【発明を実施するための形態】

【0006】

[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。

【0007】

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。

【0008】

[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。

【0009】

［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。

【0010】

（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（Ｃ_１－ａＮ_ａ）_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。

【0011】

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。

【0012】

（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。

【0013】

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。

【0014】

（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。

【0015】

（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。

【0016】

これによると、工具寿命が更に向上する。

【0017】

（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。

【0018】

これによると、工具寿命が更に向上する。

【0019】

（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。

【0020】

［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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

［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（Ｃ_１－ａＮ_ａ）_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。

【0024】

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。

【0025】

第１層は、六方晶Ｗ（Ｃ_１－ａＮ_ａ）_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。

【0026】

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。

【0027】

＜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。

【0028】

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。

【0029】

＜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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

＜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。

【0033】

被膜は、六方晶Ｗ（Ｃ_１－ａＮ_ａ）_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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

＜第１層＞
被膜は、六方晶Ｗ（Ｃ_１－ａＮ_ａ）_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（Ｃ_１－ａＮ_ａ）_ｘとは、六方晶型の結晶構造であるＷ（Ｃ_１－ａＮ_ａ）_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。

【0038】

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（Ｃ_１－ａＮ_ａ）_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。

【0039】

＜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（Ｃ_１－ａＮ_ａ）_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（Ｃ_１－ａＮ_ａ）_ｘからなることが確認される。

【0040】

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。

【0041】

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線回折スペクトル」と記す。

【0042】

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。

【0043】

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°

【0044】

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。

【0045】

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。

【0046】

＜第１層の組成＞
第１層は、六方晶Ｗ（Ｃ_１－ａＮ_ａ）_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。

【0047】

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。

【0048】

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以下でもよい。ｘは、０．９以上１．１以下でもよく、１．０でもよい。

【0049】

本開示において、「第１層は、六方晶Ｗ（Ｃ_１－ａＮ_ａ）_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（Ｃ_１－ａＮ_ａ）_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。

【0050】

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。

【0051】

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。

【0052】

本開示では、第１層の組成Ｗ（Ｃ_１－ａＮ_ａ）_ｘにおいて、Ｗの原子数Ａ_Ｍ１に対するＣおよびＮの原子数の合計Ａ_Ｎ１の比Ａ_Ｎ１／Ａ_Ｍ１は、０．８以上１．２以下である。比Ａ_Ｎ１／Ａ_Ｍ１は、ラザフォード後方散乱（ＲＢＳ）法により測定できる。上記比Ａ_Ｎ１／Ａ_Ｍ１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。

【0053】

＜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。

【0054】

＜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。

【0055】

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。

【0056】

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。

【0057】

第２層を構成する化合物としては、例えば、ＡｌＴｉＢＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＯＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＴｉＣｒＳｉＮ、ＴｉＡｌＣｒＳｉＮ、ＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＯ、ＡｌＣｒＯＮ、ＡｌＣｒＳｉＮ、ＡｌＣｒＢＮ、ＴｉＺｒＮ、ＴｉＡｌＭｏＮ、ＴｉＡｌＮｂＮ、ＴｉＳｉＮ、ＡｌＣｒＴａＮ、ＡｌＶＮ、ＡｌＴｉＶＮ、ＴｉＢ_２、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。

【0058】

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。

【0059】

＜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。

【0060】

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。

【0061】

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。

【0062】

第３層を構成する化合物としては、例えば、ＴｉＷＣＮ、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＯＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＴｉＣｒＳｉＮ、ＴｉＡｌＣｒＳｉＮ、ＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＯ、ＡｌＣｒＯＮ、ＡｌＣｒＳｉＮ、ＡｌＣｒＢＮ、ＴｉＺｒＮ、ＴｉＡｌＭｏＮ、ＴｉＡｌＮｂＮ、ＴｉＳｉＮ、ＡｌＣｒＴａＮ、ＡｌＶＮ、ＡｌＴｉＶＮ、ＴｉＢ_２、ＴｉＣｒＨｆＮ、ＣｒＳｉＷＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＡｌＺｒＯＮ、ＡｌＣｒＣＮ、ＡｌＨｆＮ、ＣｒＳｉＢＯＮ、ＴｉＡｌＷＮ、ＡｌＣｒＭｏＣＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣＯＮ、ＺｒＮおよびＺｒＣＮが挙げられる。

【0063】

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。

【0064】

＜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。

【0065】

［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。

【0066】

＜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。

【0067】

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。

【0068】

＜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。

【0069】

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。

【0070】

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。

【0071】

上記ガスとしては、窒素（Ｎ_２）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。

【0072】

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。

【0073】

上記の条件で成膜することにより、六方晶Ｗ（Ｃ_１－ａＮ_ａ）_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。

【0074】

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。

【実施例】

【0075】

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。

【0076】

≪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。

【0077】

＜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。

【0078】

上記ガスとしては、窒素（Ｎ_２）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。

【0079】

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。

【0080】

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。

【0081】

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。

【0082】

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。

【0083】

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（Ｃ_１－ａＮ_ａ）_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。

【0084】

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。

【0085】

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。

【0086】

［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。

【0087】

≪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。

【0088】

＜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。

【0089】

「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（Ｃ_１－ａＮ_ａ）_ｘからなることを示す。

【0090】

「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Ｗ_３Ｃ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（Ｗ_３Ｃ）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。

【0091】

試料１０６の「結晶構造」欄の「Ｗ＋ｈＷ_２Ｃ」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。

【0092】

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。

【0093】

＜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（Ｃ_１－ａＮ_ａ）_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。

【0094】

＜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。

【0095】

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。

【0096】

【表1】

【0097】

≪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。

【0098】

＜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。

【0099】

【表2】

【0100】

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。

【0101】

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。

【0102】

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。

【符号の説明】

【0103】

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。

【要約】

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（Ｃ_１－ａＮ_ａ）_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】

【図2】

【図3】

【図4】