JP5008984B2 - 表面被覆切削工具および表面被覆切削工具の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は表面被覆切削工具および表面被覆切削工具の製造方法に関し、特に、寿命が長い表面被覆切削工具および表面被覆切削工具の製造方法に関する。

下記の特開平７−３１０１７４号公報（特許文献１）においては、表面被覆切削工具や耐磨耗工具などの耐磨耗性および表面保護機能などの改善のため、ＷＣ基超硬合金、サーメットまたは高速度鋼等からなる基材の表面上に形成される被覆層として（Ａｌ_xＴｉ_1-x-yＳｉ_y）（Ｎ_zＣ_1-z）の組成（ただし、０．０５≦ｘ≦０．７５、０．０１≦ｙ≦０．１、０．６≦ｚ≦１）からなる被覆層が開示されている。

しかし、最近の表面被覆切削工具の動向として、地球環境保全の観点から切削油剤を用いないドライ加工が求められていること、被削材が多様化していること、および加工能率を向上させるために切削速度がより高速になってきていることなどの事情があり、切削工程における表面被覆切削工具の刃先温度はますます高温になる傾向にある。その結果、表面被覆切削工具の寿命が短くなることから、表面被覆切削工具を構成する材料に要求される特性は厳しくなっている。

そこで、たとえば、特開２００４−１６９０７６号公報（特許文献２）においては、耐磨耗性、密着性および耐磨耗性を向上することを目的として（Ａｌ_xＣｒ_1-x）（Ｎ_1-α-β-γＢ_αＣ_βＯ_γ）の組成（ただし、０．４５＜ｘ＜０．７５、０≦α＜０．１２、０≦β＜０．２０、０．０１≦γ≦０．２５）からなる被覆層が開示されている。また、特開２００３−３４８５９号公報（特許文献３）においては、（Ａｌ_b，[Ｃｒ_1-αＶ_α]_c）（Ｃ_1-dＮ_d）の組成（ただし、０．５≦ｂ≦０．８、０．２≦ｃ≦０．５、ｂ＋ｃ＝１、０．０５≦α≦０．９５、０．５≦ｄ≦１）または（Ｍ_a，Ａｌ_b，[Ｃｒ_1-αＶ_α]_c）（Ｃ_1-dＮ_d）の組成（ただし、ＭはＴｉ、Ｎｂ、Ｗ、ＴａおよびＭｏよりなる群から選択された少なくとも１種であり、０．０２≦ａ≦０．３、０．５≦ｂ≦０．８、０．０５≦ｃ、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０．５≦ｄ≦１、０≦α≦１）からなる被覆層が開示されている。
特開平７−３１０１７４号公報 特開２００４−１６９０７６号公報 特開２００３−３４８５９号公報

ドライ加工を高加工能率で行なうといった過酷な切削条件などにおいては、硬度などの被覆層の特性を向上するだけでは不十分であって、切削初期における刃先のチッピングによる基材の露出をいかに抑制するかということが表面被覆切削工具の寿命を長くするためには非常に重要であると考えられる。

図１に、表面被覆切削工具の典型的な刃先の模式的な拡大断面図を示す。図１において、表面被覆切削工具は、基材２と基材２の表面上に形成された被覆層３とを含む。そして、表面被覆切削工具の刃先はすくい面４と逃げ面５とによって構成され、多くの場合、すくい面４と逃げ面５とがつくる角度は鋭角または直角である。このような表面被覆切削工具の刃先の被覆層３の厚みは、すくい面４における厚み６および逃げ面５における厚み７に比べて、刃先稜線部における厚み８が最も厚くなる。

次に、表面被覆切削工具の刃先の理想的な摩耗進行を図２（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。表面被覆切削工具の刃先の理想的な摩耗は、まず図２（ａ）に示すように被覆層３が刃先稜線部から徐々に摩耗していき、図２（ｂ）に示すようにその摩耗が基材２に到達した後、ついには図２（ｃ）に示すように基材２と被覆層３とが共にその表面が露出する。

しかし、発明者らが詳細に表面被覆切削工具の摩耗部を調査した結果、刃先先端の摩耗は上述の図２（ａ）〜（ｃ）のようには進行せず、図３に示すように、切削初期に既に一点鎖線Ｘで示す刃先稜線部のチッピングにより基材２の一部が無くなって基材２の部分１０が露出した形態から表面被覆切削工具の刃先の摩耗が進行しており、上記のチッピングにより露出した基材２の一部からは酸化が進行して酸化部１１が形成されることがわかった。したがって、切削初期に基材２が露出した場合には、切削工程において基材２の露出部が激しく摩耗したり、酸化部１１からの被覆層３が剥離したりすることによって、表面被覆切削工具の寿命を長くすることが困難となる。

上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、寿命が長い表面被覆切削工具および表面被覆切削工具の製造方法を提供することにある。

本発明は、基材と、基材の表面上に形成された被覆層とを含む表面被覆切削工具であって、被覆層はＡ層とＢ層とが交互にそれぞれ１層以上積層された交互層を含み、Ａ層はＡｌ（アルミニウム）とＣｒ（クロム）との窒化物からなり、Ａ層を構成する金属原子の総数を１としたときのＣｒの原子数の比が０よりも大きく０．４以下であって、Ｂ層はＴｉとＡｌとの窒化物からなり、Ｂ層を構成する金属原子の総数を１としたときのＡｌの原子数の比が０よりも大きく０．７以下であって、交互層におけるＡ層の厚みをλａとし、Ｂ層の厚みをλｂとしたとき、Ａ層とＢ層との厚みの比であるλａ／λｂが１≦λａ／λｂ＜５であり、Ａ層とＢ層との厚みの比であるλａ／λｂが基材に最も近い側ではλａ／λｂ＝１であり、基材から遠ざかるにしたがってλａ／λｂの値は連続的に大きくなっていき、基材から最も遠い側では１＜λａ／λｂ＜５である表面被覆切削工具である。

ここで、本発明の表面被覆切削工具においては、Ｂ層中にＳｉ（ケイ素）元素を含み、Ｂ層を構成する金属原子の総数を１としたときのＳｉの原子数の比を０よりも大きく０．２以下とすることができる。

また、本発明の表面被覆切削工具においては、Ａ層およびＢ層の少なくとも一方にＶ（バナジウム）元素が原子％で３０原子％未満含まれていてもよい。

また、本発明の表面被覆切削工具においては、Ａ層およびＢ層の少なくとも一方にＢ（ホウ素）元素が原子％で１０原子％未満含まれていてもよい。

また、本発明の表面被覆切削工具においては、Ａ層およびＢ層のそれぞれの厚みは０．００５μｍ以上２μｍ以下であることが好ましい。

また、本発明の表面被覆切削工具においては、被覆層の最下層をＡ層とすることができる。

また、本発明の表面被覆切削工具においては、最下層のＡ層中にＳｉ元素が原子％で１０原子％未満含まれていてもよい。

また、本発明の表面被覆切削工具においては、最下層のＡ層の厚みは０．１μｍ以上２μｍ以下であることが好ましい。

また、本発明の表面被覆切削工具においては、被覆層の最下層をＢ層とすることができる。

また、本発明の表面被覆切削工具においては、被覆層の最上層をＣ層とし、Ｃ層はＴｉとＡｌとを含む炭窒化物からなり、Ｃ層を構成する金属原子の総数を１としたときのＡｌの原子数の比を０よりも大きく０．７以下とすることができる。

また、本発明の表面被覆切削工具においては、Ｃ層中にＳｉ元素を含み、Ｃ層を構成する金属原子の総数を１としたときのＳｉの原子数の比を０よりも大きく０．２以下とすることができる。

また、本発明の表面被覆切削工具においては、Ｃ層にＢ元素が原子％で１０原子％未満含まれていてもよい。

また、本発明の表面被覆切削工具においては、Ｃ層の厚みが０．１μｍ以上２μｍ以下であることが好ましい。

また、本発明の表面被覆切削工具においては、被覆層の全体の厚みを０．８μｍ以上１５μｍ以下とすることが好ましい。

また、本発明の表面被覆切削工具においては、被覆層の圧縮残留応力を０ＧＰａ以上６ＧＰａ以下とすることが好ましい。

また、本発明の表面被覆切削工具においては、被覆層の結晶構造を立方晶とすることが好ましい。

また、本発明の表面被覆切削工具においては、基材が、ＷＣ基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化ホウ素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化ケイ素焼結体、酸化アルミニウムおよび炭化チタンからなる群から選択された少なくとも１種からなっていてもよい。

また、本発明の表面被覆切削工具は、ドリル、エンドミル、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削加工用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマまたはタップであってもよい。

さらに、本発明は、上記の表面被覆切削工具を製造する方法であって、基材を準備する工程と、物理的蒸着法を用いてＡ層とＢ層とを交互にそれぞれ１層以上積層することによって交互層を形成する工程と、を含む、表面被覆切削工具の製造方法である。

ここで、本発明の表面被覆切削工具の製造方法において、物理的蒸着法は、カソードアークイオンプレーティング法、バランスドマグネトロンスパッタリング法およびアンバランスドマグネトロンスパッタリング法からなる群から選択された少なくとも１種を用いることができる。

本発明によれば、寿命が長い表面被覆切削工具および表面被覆切削工具の製造方法を提供することができる。

表面被覆切削工具の刃先の一例の模式的な拡大断面図である。 表面被覆切削工具の刃先の理想的な摩耗を図解する模式的な拡大断面図である。 従来の表面被覆切削工具のチッピングの一例を示す模式的な拡大断面図である。 本発明の表面被覆切削工具の一例の刃先の模式的な拡大断面図である。 図４に示すＶ−Ｖに沿った模式的な拡大断面図である。 本発明の表面被覆切削工具の他の一例の模式的な拡大断面図である。 実施例で用いられたカソードアークイオンプレーティング装置の模式的な断面図である。 図７に示すカソードアークイオンプレーティング装置の模式的な上面図である。 本発明の表面被覆切削工具の一例の模式的な拡大断面図である。 本発明の表面被覆切削工具の他の一例の模式的な拡大断面図である。

符号の説明

１ 表面被覆切削工具、２ 基材、３ 被覆層、４ すくい面、５ 逃げ面、６ すくい面における厚み、７ 逃げ面における厚み、８ 刃先稜線部における厚み、１０ 部分
、１１ 酸化部、１２ Ａ層、１３ 交互層、１４ Ｃ層、１０１ チャンバ、１０３ ガス排出口、１０４ 基材ホルダ、１０５ ガス、１０６，１０７，１２０ カソード、１０８，１０９ アーク電源、１１０ バイアス電源。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。

本発明の表面被覆切削工具は、基材と、基材の表面上に形成された被覆層とを含み、被覆層はＡ層とＢ層とが交互にそれぞれ１層以上積層された交互層を含み、Ａ層はＡｌとＣｒとを含む窒化物からなり、Ａ層を構成する金属原子の総数を１としたときのＣｒの原子数の比が０よりも大きく０．４以下であって、Ｂ層はＴｉとＡｌとを含む窒化物からなり、Ｂ層を構成する金属原子の総数を１としたときのＡｌの原子数の比が０よりも大きく０．７以下であることを特徴としている。

ここで、上記の被覆層におけるＡ層はＡｌを含んでいるために高い耐酸化性を有している。また、Ａ層はＡｌだけでなくＣｒも含むために耐酸化性がさらに高くなっている。また、Ａ層においては、ＡｌとＣｒとが組み合わされているためにＡ層の結晶構造が立方晶となって高硬度化する傾向にある。

また、Ａ層を構成する金属原子の総数を１としたときのＣｒの原子数の比が０よりも大きく０．４以下である。ここで、上記のＣｒの原子数の比が０．４よりも大きい場合にはＡ層の硬度が低下してしまう。また、Ａ層の硬度がより高くなる観点からは、上記のＣｒの原子数の比は０．２以上０．３５以下であることがより好ましい。なお、本発明において「金属原子」とは、水素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、アスタチン、酸素、硫黄、セレン、テルル、窒素、リン、ヒ素、アンチモンおよび炭素以外の元素の原子のことをいう。

また、上記のＢ層を構成する金属原子の総数を１としたときのＡｌの原子数の比は０よりも大きく０．７以下である。上記のＢ層のＡｌの原子数の比が０．７を超える場合にはＢ層の硬度が低下して摩耗が促進してしまう。また、Ｂ層の硬度がより高くなる観点からは、上記のＢ層のＡｌの原子数の比は０．３以上０．６５以下であることがより好ましい。

また、上記のＢ層中にはケイ素を含めることができる。Ｂ層中にケイ素を含めた場合にはＢ層の硬度が高くなるとともに耐酸化性が向上する傾向にある。Ｂ層中にケイ素を含めた場合には、Ｂ層を構成する金属原子の総数を１としたときのケイ素の原子数の比は０よりも大きく０．２以下であることが好ましい。上記のケイ素の原子数の比が０．２よりも大きい場合にはＢ層が脆くなって逆に摩耗が促進する傾向にある。また、Ｂ層の金属原料となる合金製ターゲットを熱間静水圧処理で作製する場合、上記の上記のケイ素の原子数の比が０．２を超えていると、合金製ターゲットが焼成中に割れてしまい、Ｂ層の形成に使用可能な材料強度を得ることが難しくなる傾向にある。なお、Ｂ層の硬度が高くなり、上記の合金製ターゲットの強度を向上する観点からは、Ｂ層を構成する金属原子の総数を１としたときのケイ素の原子数の比を０．０５以上０．１５以下とすることがより好ましい。

本発明者らは、基材の表面上に形成された被覆層の耐チッピング性を向上させることを目的として各種被膜および被覆層の積層構成を検討した結果、圧縮残留応力や硬度などの特性が異なる上記のＡ層およびＢ層を交互にそれぞれ１層以上積層した交互層を被覆層に含めることによって、被覆層全体としての耐摩耗性や靭性を向上できることを見い出し、本発明を完成させた。

上記の本発明の表面被覆切削工具において、たとえば、Ａ層またはＢ層のいずれか一方のみを単独で基材上に形成した場合にはＡ層またはＢ層が有する特性のみを得ることができる。

しかしながら、Ａ層およびＢ層を交互にそれぞれ１層以上積層した交互層を設けることによって交互層においてＡ層が有する特性とＢ層が有する特性とが相互補完し、Ａ層またはＢ層を単独で積層した場合と比べて被覆層の特性を優れたものにすることができると考えられる。

すなわち、仮に、Ａ層が応力が大きく硬度が低い特性を有し、Ｂ層が応力が小さく硬度が高い特性を有するとした場合に、Ｂ層の硬度が高い特性がＡ層の硬度が低いという特性により補完され、Ｂ層の応力が小さい特性がＡ層の応力が大きい特性により補完される。これにより、Ａ層およびＢ層のそれぞれの互いに弱い特性が補われるとともにＡ層とＢ層とを単に組み合わせただけの場合よりも著しく優れた被覆層の特性が発現するため、本発明の表面被覆切削工具の寿命がより長いものになると考えられる。

また、被覆層がＡ層およびＢ層を交互にそれぞれ１層以上積層した交互層を含むことによって、切削工程中に発生するチッピングなどが原因で被覆層の最上層からクラックが発生した場合、組成および結晶格子が不連続となる交互層の各層の界面でクラックの進展を抑制することができるため、本発明の表面被覆切削工具の寿命がより長いものになると考えられる。

なお、本発明において、上記の交互層におけるＡ層の積層数およびＢ層の積層数は交互層を構成しているＡ層およびＢ層のそれぞれの積層数のことを意味している。たとえば、上記の交互層が、Ａ層、Ｂ層、Ａ層、Ｂ層およびＡ層の順序で積層された構成を有している場合には、交互層におけるＡ層の積層数は３層となり、Ｂ層の積層数は２層となる。

また、本発明においては、Ａ層およびＢ層の少なくとも一方にバナジウムが原子％で３０原子％未満含まれていてもよい。この場合には、切削時における高温環境においてＡ層および／またはＢ層の表面が酸化したとしても、バナジウムの酸化物は低融点を有するのでバナジウムの酸化物が切削時の潤滑剤として作用するようになり、結果として被削材の融着を抑制できる傾向にある。バナジウムが３０原子％以上含有される場合にはＡ層および／またはＢ層の硬度が低下する傾向にある。また、バナジウムが１５原子％未満含有される場合には上記の被削材の融着を抑制できるとともにＡ層および／またはＢ層の硬度も高くすることができる。なお、本発明において、「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（％）のことをいう。

また、本発明においては、Ａ層およびＢ層の少なくとも一方にホウ素が原子％で１０原子％未満含まれていてもよい。この場合には、メカニズムはわかっていないが層の硬度をさらに高くすることができる傾向にある。また、切削中の表面酸化によって形成されるホウ素の酸化物が特に層中のＡｌの酸化物を緻密化する傾向にあることからも好ましい。さらに、ホウ素の酸化物は低融点であるので切削時の潤滑剤として作用し、被削材の凝着を抑える傾向もある。

また、Ａ層およびＢ層のそれぞれの厚みが０．００５μｍ以上２μｍ以下であることが好ましい。この場合には、被覆層の表面で発生したクラックの進展を抑制することができる傾向にある。また、Ａ層およびＢ層のそれぞれの厚みが０．００５μｍ未満である場合には各層が混ざり合ってＡ層およびＢ層を交互に積層したことによる効果を得ることができない傾向にあり、２μｍを超える場合にはクラックの進展のさらなる抑制効果が得られにくい傾向にある。

また、図９の模式的断面図に示すように、交互層１３におけるＡ層１２の厚みをλａとし、Ｂ層１５の厚みをλｂとしたとき、Ａ層１２とＢ層１５との厚みの比であるλａ／λｂが１≦λａ／λｂ＜５であることが好ましく、１≦λａ／λｂ＜３であることがより好ましい。上述したように、Ａ層は高い耐酸化性を有していることに加えて、熱伝導率も低く、切削時に発生した熱を基材に伝えにくい性質を持つ。したがって、被覆層中のＡ層の割合は相対的に増えると、表面被覆切削工具全体としての耐熱性が向上するので、特に、連続切削時の表面被覆切削工具の耐摩耗性が向上する傾向にある。また、被覆層中のＴｉの量が相対的に減少するので、たとえばＴｉ合金の切削時において、表面被覆切削工具の損傷部へのＴｉ合金の融着が抑制され、結果として、表面被覆切削工具の寿命の延長を図ることができる傾向にある。なお、λａ／λｂ＜１の場合には被覆層の耐酸化性が低下する傾向にあり、λａ／λｂ＞５の場合にはＡ層とＢ層とを積層したことによるクラックの進展の抑制効果が得られにくい傾向にある。

また、図１０の模式的断面図に示すように、交互層１３におけるＡ層１２の厚みをλａとし、Ｂ層１５の厚みをλｂとしたとき、Ａ層１２とＢ層１５との厚みの比であるλａ／λｂが基材２に最も近い側ではλａ／λｂ＝１であり、基材２から遠ざかるにしたがってλａ／λｂの値は連続的に大きくなっていき、基材２から最も遠い側では１＜λａ／λｂ＜５であることが好ましく、１＜λａ／λｂ＜３であることが好ましい。上述したように、Ａ層は高い耐酸化性を有していることに加えて、熱伝導率も低く、切削時に発生した熱を基材に伝えにくい性質を持つ。したがって、被覆層中のＡ層の割合は相対的に増えると、表面被覆切削工具全体としての耐熱性が向上するので、特に、連続切削時の表面被覆切削工具の耐摩耗性が向上する傾向にある。しかし、被覆層の密着性の観点からは、応力の低いＢ層を交互に積層することは効果的である。そこで、基材に最も近い側ではＢ層の割合を高くし、基材から遠ざかるにしたがってＡ層の割合を連続的に高めていくことによって、刃先に負荷のかかる断続切削においても性能が向上する傾向にある。また、被覆層中のＴｉ量が基材から遠ざかるにしたがって相対的に減少していくので、たとえばＴｉ合金の切削時において、表面被覆切削工具の損傷部へのＴｉ合金の融着が抑制され、結果として、表面被覆切削工具の寿命の延長を図ることができる傾向にある。なお、基材から最も遠い側において、λａ／λｂ＜１の場合には被覆層の耐酸化性が低下する傾向にあり、λａ／λｂ＞５の場合にはＡ層とＢ層とを積層したことによるクラックの進展の抑制効果が得られにくい傾向にある。

本発明においては、被覆層の最下層を上記のＡ層とすることができる。ここで、最下層とは、基材と直接に接触する被覆層中の層のことである。被覆層の最下層をＡ層とした場合には、切削初期に基材が露出したとしても、基材と被覆層との間の界面からの酸化を抑制することができる傾向にある。なお、最下層であるＡ層上に上記の交互層を形成する場合には、最下層であるＡ層上にはＡ層が積層されてもよく、Ｂ層が積層されてもよい。

また、被覆層の最下層としてのＡ層にＳｉを原子％で１０原子％未満含有させることもできる。この場合には最下層であるＡ層の硬度が高くなる傾向にあり、最下層であるＡ層の構造も微細化する傾向にある。

また、被覆層の最下層としてのＡ層の厚みは０．１μｍ以上２μｍ以下であることが好ましい。最下層であるＡ層の厚みが０．１μｍ未満の場合には被覆層の最下層をＡ層とした効果を得ることができない傾向にあり、２μｍを超えた場合には最下層をＡ層とした効果のさらなる向上が認められない傾向にある。

また、本発明においては、被覆層の最下層をＢ層とすることもできる。被覆層の最下層をＢ層とした場合には、Ｂ層は応力が小さい傾向にあることから、特に、負荷が刃先に繰り返しかかるようなフライス加工やエンドミル加工などの断続加工の場合に被覆層の耐剥離性が格段に向上する傾向にある。なお、最下層としてのＢ層中におけるＡｌの原子数比は、Ｂ層を構成する金属原子の総数を１としたときに０．３よりも大きく０．５５以下であることが耐剥離性を向上させる観点からより好ましい。また、最下層であるＢ層上に上記の交互層を形成する場合には、最下層であるＢ層上にはＡ層が積層されてもよく、Ｂ層が積層されてもよい。

また、本発明においては、被覆層の最上層をＣ層とすることができる。ここで、Ｃ層はＴｉとＡｌとを含む炭窒化物（炭素と窒素を含む化合物）からなり、Ｃ層を構成する金属原子の総数を１としたときのＡｌの原子数の比が０よりも大きく０．７以下である。また、Ｃ層はケイ素を含んでいてもよく、Ｃ層がケイ素を含む場合にはＣ層を構成する金属原子の総数を１としたときのケイ素の原子数の比が０よりも大きく０．２以下である。被覆層の最上層としてＣ層を形成した場合には、被削材に対する被覆層の摩擦係数が低下して、本発明の表面被覆切削工具の長寿命化に寄与する傾向にある。一般的に、炭窒化物は窒化物よりも被削材に対する摩擦係数が低い傾向にあり、このような摩擦係数の低下は炭素原子の寄与によるものと考えられる。また、Ｃ層の表面は切削時において他の層の表面と比べて最も高温となるため、本発明においては、耐酸化性を付与する目的でＣ層の組成を上記のものとしている。なお、耐酸化性を向上する観点からは、Ｃ層における上記のＡｌの原子数の比は０．３以上０．６５以下であることがより好ましく、上記のケイ素の原子数の比は０．０５以上０．１５以下とすることがより好ましい。

また、Ｃ層にはホウ素が原子％で１０原子％未満含まれていてもよい。この場合には、メカニズムはわかっていないが層の硬度をさらに高くすることができる傾向にある。また、切削中の表面酸化によって形成されるホウ素の酸化物が特に層中のＡｌの酸化物を緻密化する傾向にあることからも好ましい。さらに、ホウ素の酸化物は低融点であるので切削時の潤滑剤として作用し、被削材の凝着を抑える傾向もある。

また、Ｃ層の厚みが０．１μｍ以上２μｍ以下であることが好ましい。Ｃ層の厚みが０．１μｍ未満である場合には被覆層の最表面の潤滑性の付与による効果が得られにくい傾向にあり、２μｍを超える場合にはその効果をさらに向上することができない傾向にある。

また、上記のＣ層において、窒素と炭素の組成比を調整することにより、所定の色を付与することが可能である。これにより、本発明の表面被覆切削工具の外観に意匠性を付与でき、商業上有用となる。

また、本発明においては、被覆層の全体の厚みが０．８μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。被覆層の全体の厚みが０．８μｍ未満である場合には被覆層の厚みが薄すぎて本発明の表面被覆切削工具の寿命が短くなる傾向にあり、１５μｍよりも厚い場合には切削初期において被覆層がチッピングしやすくなって本発明の表面被覆切削工具の寿命が短くなる傾向にある。

なお、本発明においては、上述した各層の厚みおよび被覆層の全体の厚みはそれぞれ、本発明の表面被覆切削工具を切断し、その断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）またはＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）を用いて観察することにより求めることができる。

また、本発明においては、被覆層の圧縮残留応力が０ＧＰａ以上６ＧＰａ以下であることが好ましい。被覆層の圧縮残留応力が０ＧＰａ未満の場合には引っ張り応力となるため被覆層の最表面から発生したクラックの進展を抑制できない傾向にあり、６ＧＰａを超える場合には応力が大きすぎて、切削開始前に、特に表面被覆切削工具のエッジ部から被覆層が剥離して本発明の表面被覆切削工具の寿命が短くなるおそれがある。なお、本発明において被覆層の圧縮残留応力は、被覆層全体の圧縮残留応力のことである。

また、本発明において、被覆層の結晶構造は立方晶であることが好ましい。被覆層が立方晶である場合、被覆層の硬度が向上する傾向にある。たとえば、窒化物であるＡｌＮを例にとると、ＡｌＮは通常六方晶であるが、準安定相である立方晶となった場合の格子定数は０．４１２ｎｍであるのに対して、常温常圧で立方晶が安定相であるＣｒＮおよびＶＮの格子定数は０．４１４ｎｍであり立方晶のＡｌＮと非常に格子定数が近いため、その引き込み効果によりＡｌＮは立方晶化して高硬度化する。また、被覆層中の各層のそれぞれの結晶構造が立方晶であることが好ましい。なお、被覆層および被覆層中の各層の結晶構造はそれぞれ、当該分野で公知のＸ線回折装置により解析することができる。

また、本発明において基材としては、ＷＣ基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化ホウ素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化ケイ素焼結体、酸化アルミニウムおよび炭化チタンからなる群から選択された少なくとも１種からなる基材を用いることができる。

また、本発明の表面被覆切削工具は、たとえば、ドリル、エンドミル、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削加工用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマまたはタップとしての利用が可能である。

図４に、本発明の表面被覆切削工具の一例の刃先の模式的な拡大断面図を示す。本発明の表面被覆切削工具１は、基材２と、基材２上に積層された最下層であるＡ層１２と、最下層であるＡ層１２上にＡ層とＢ層とが交互に積層された交互層１３と、交互層１３上に積層された最上層であるＣ層１４とから構成されている。なお、被覆層３は、最下層であるＡ層１２と、交互層１３と、最上層であるＣ層１４とから構成されている。

ここで、最上層であるＣ層１４は被削材に対する摩擦係数が低いことから、切削時において刃先が被削材に対して滑りやすく、チッピングすることなく被覆層３が摩耗する傾向にある。また、基材２と接する最下層であるＡ層１２が積層されている場合には基材２側からの酸化を抑制することができ、摩耗が進行した後も基材２と被覆層３との密着性を維持することができる。また、最下層であるＡ層１２と最上層であるＣ層１４との間に耐摩耗性および靭性に優れた交互層１３が形成されていることで本発明の表面被覆切削工具１の寿命を長くすることができる。

図５に、図４に示すＶ−Ｖに沿った模式的な拡大断面図を示す。ここで、交互層１３は、最下層であるＡ層１２上にＡ層１２とＢ層１５とが交互に積層されている。交互層１３においては、Ａ層１２が４層積層されており、Ｂ層１５が３層積層されている。

ここで、Ａ層１２としては、たとえば（Ａｌ_1-aＣｒ_a）（ただし、０＜ａ≦０．４）の窒化物を用いることができる。また、Ｂ層１５としては、たとえば（Ｔｉ_1-x-yＡｌ_xＳｉ_y）（ただし、０＜ｘ≦０．７、０≦ｙ≦０．２、ｘ＋ｙ≠０）の窒化物を用いることができる。また、Ｃ層１４としては、たとえば（Ｔｉ_1-x-yＡｌ_xＳｉ_y）（ただし、０＜ｘ≦０．７、０≦ｙ≦０．２、ｘ＋ｙ≠０）の炭窒化物を用いることができる。

図６に、本発明の表面被覆切削工具の他の一例の模式的な拡大断面図を示す。ここでは、被覆層３の最下層としてＢ層１５が用いられていることに特徴がある。このように、最下層としてＢ層１５を用いた場合には、上述したように、Ｂ層１５は応力が小さい特性を有することから、基材２と被覆層３との耐剥離性を向上することができる。

ここで、図６に示す最下層であるＢ層１５としては、たとえば０．３μｍ以上０．５μｍ以下の厚みを有する（Ｔｉ_1-x-yＡｌ_xＳｉ_y）（ただし、０．３＜ｘ＜０．５、０≦ｙ≦０．２、ｘ＋ｙ≠０）の窒化物を用いることができる。また、図６に示す交互層１３としては、たとえば（Ａｌ_1-aＣｒ_a）（ただし、０．２＜ａ＜０．４）の窒化物からなるＡ層１２と、たとえば（Ｔｉ_1-x-yＡｌ_xＳｉ_y）（ただし、０．３＜ｘ＜０．５、０≦ｙ≦０．２、ｘ＋ｙ≠０）の窒化物からなるＢ層１５とを交互に積層した層を用いることができる。ここで、交互層１３を構成するＡ層１２およびＢ層１５の総数はたとえば６４０層以上１０００層以下とすることができ、交互層１３の全体の厚みはたとえば２μｍ以上６μｍ以下とすることができる。また、図６に示す最上層であるＣ層１４としては、たとえば０．１μｍ以上０．５μｍ以下の厚みを有する（Ｔｉ_1-x-yＡｌ_xＳｉ_y）（ただし、０＜ｘ≦０．７、０≦ｙ≦０．２、ｘ＋ｙ≠０）の炭窒化物を用いることができる。

なお、本発明の表面被覆切削工具は、たとえば、基材を準備する工程と、物理的蒸着法を用いてＡ層とＢ層とを交互にそれぞれ１層以上積層して交互層を形成する工程と、を含む方法により製造することができる。ここで、物理的蒸着法としては、カソードアークイオンプレーティング法、バランスドマグネトロンスパッタリング法およびアンバランスドマグネトロンスパッタリング法からなる群から選択された少なくとも１種を用いることができる。

本発明において、耐摩耗性を有する被覆層を基材の表面上に形成するためには、結晶性の高い化合物からなる層を形成することが好ましい。そこで、被覆層の形成方法として種々の方法を検討した結果、物理的蒸着法を用いることが好ましいことがわかった。また、物理的蒸着法には、カソードアークイオンプレーティング法、バランスドマグネトロンスパッタリング法またはアンバランスドマグネトロンスパッタリング法などがあるが、特に、原料元素のイオン化率の高いカソードアークイオンプレーティング法が適している。このカソードアークイオンプレーティング法を用いた場合には、被覆層を形成する前に、基材の表面に対して金属のイオンボンバードメント処理が可能となるため、基材と被覆層との密着性が格段に向上する観点から好ましい。

ここで、カソードアークイオンプレーティング法は、たとえば、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に、ターゲットに高電圧を印加してアーク放電を生じさせることによってターゲットを構成する原子をイオン化して蒸発させて、基材上に物質を堆積させることにより行なうことができる。

また、バランスドマグネトロンスパッタリング法は、たとえば、装置内に基材を設置するとともに平衡な磁場を形成する磁石を備えたマグネトロン電極上にターゲットを設置し、マグネトロン電極と基材との間に高周波電力を印加してガスプラズマを発生させ、このガスプラズマの発生により生じたガスのイオンをターゲットに衝突させてターゲットから放出された原子を基材上に堆積させることにより行なうことができる。

また、アンバランストマグネトロンスパッタリング法は、たとえば、上記のバランスドマグネトロンスパッタリング法におけるマグネトロン電極により発生する磁場を非平衡にして行なうことができる。

（実施例１〜１８）
＜表面被覆切削工具の作製＞
（１）基材の洗浄
図７に示すようなカソードアークイオンプレーティング装置に、基材２としてグレードがＪＩＳ規格Ｐ３０の超硬合金であって、形状がＪＩＳ規格のＳＰＧＮ１２０３０８であるチップを装着した。なお、図８は図７の装置の概略上面図である。

図７および８の装置において、チャンバ１０１内に、被覆層の金属原料となる合金製ターゲットであるＡ層用のカソード１０６、Ｂ層用のカソード１０７およびＣ層用のカソード１２０と、基材２を設置するための回転式の基材ホルダ１０４とが取り付けられている。カソード１０６にはアーク電源１０８が取り付けられ、カソード１０７にはアーク電源１０９が取り付けられている。また、基材ホルダ１０４には、バイアス電源１１０が取り付けられている。また、チャンバ１０１内には、ガス１０５が導入されるガス導入口が設けられるとともにチャンバ１０１内の圧力を調節するためにガス排出口１０３が設けられており、ガス排出口１０３から真空ポンプによりチャンバ１０１内のガスを吸引できる構造となっている。

図７の装置において、まず、真空ポンプによりチャンバ１０１内を減圧するとともに、基材２を回転させながら装置内に設置されたヒータにより温度を５００℃に加熱し、チャンバ１０１内の圧力が１．０×１０^-4Ｐａとなるまで真空引きを行なった。次に、ガス導入口からアルゴンガスを導入してチャンバ１０１内の圧力を３．０Ｐａに保持し、バイアス電源１１０の電圧を徐々に上げながら−１０００Ｖとし、基材２の表面のクリーニングを１５分間行なった。その後、チャンバ１０１内からアルゴンガスを排気した。

（２）被覆層の形成
次に、基材２を中央で回転させた状態で、表１に示す組成の最下層および交互層が得られるように、反応ガスとして窒素を導入しながら、基材２の温度を５００℃、反応ガス圧を２．０Ｐａ、バイアス電源１１０の電圧を−５０Ｖ〜−２００Ｖの範囲のある一定値に維持したまま、カソード１０６、１０７にそれぞれ１００Ａのアーク電流を供給することによって、カソード１０６、１０７から金属イオンを発生させて、表１に示す実施例１〜１８のそれぞれの最下層および交互層を形成した。ここで、交互層は、最下層上にＡ層とＢ層とを交互に１層ずつ表１に示す積層数だけそれぞれ積層することにより形成された。また、最下層の厚み、交互層中におけるＡ層およびＢ層のそれぞれの厚みならびに交互層の積層数については基材の回転速度で調整した。そして、最下層および交互層の厚みがそれぞれ表１に示す厚みとなったところで蒸発源に供給する電流をストップした。

引き続き、表２に示す組成の実施例１〜１８のそれぞれの最上層であるＣ層を形成した。ここでは、チャンバ１０１内に反応ガスとして窒素とメタンガスを導入しながら、基材２の温度を４００℃、反応ガス圧を２．０Ｐａ、バイアス電源１１０の電圧を−３５０Ｖに維持したまま、カソード１２０に１００Ａのアーク電流を供給することによって、カソード１２０から金属イオンを発生させて、表２に示す実施例１〜１８の最上層を形成した。そして、最上層の厚みが表２に示す厚みとなったところで蒸発源に供給する電流をストップした。なお、表２に示す最上層の組成の窒素と炭素の比率は、窒素の導入量とメタンガスの導入量との比によって調整した。これにより、実施例１〜１８のそれぞれの刃先交換型チップが作製された。

また、比較として、実施例１〜１８のそれぞれと同一の基材上に表１に示す組成の層が形成された比較例１〜３のそれぞれの刃先交換型チップについても作製した。

＜表面被覆切削工具の寿命評価＞
上記の工程で作製した実施例１〜１８の刃先交換型チップのそれぞれについて、実際に表３に示す条件で乾式の連続旋削試験および断続旋削試験を行ない、刃先の逃げ面摩耗量を測定した。その寿命評価結果を表２に示す。なお、表２において、逃げ面摩耗量の値が小さい方が寿命がより長いことを示している。

表２から明らかなように、最下層としてＡ層を用いて最下層上にＡ層およびＢ層の交互層を形成するとともに交互層上の最上層にＣ層を用いた実施例１〜実施例１５の刃先交換型チップおよび最下層としてＢ層を用いて最下層上にＡ層およびＢ層の交互層を形成するとともに交互層上の最上層にＣ層を用いた実施例１６〜実施例１８の刃先交換型チップは、最下層にＡ層およびＢ層のいずれも形成されず、さらに最下層上にＡ層およびＢ層の交互層を有しない比較例１〜３の刃先交換型チップと比べて、連続旋削試験および断続旋削試験のいずれにおいても刃先の逃げ面摩耗量が大きく低減しており、刃先交換型チップの寿命が大幅に長くなることが確認された。

なお、表１における「１層厚み」とは交互層を構成するＡ層およびＢ層のそれぞれの１層当たりの厚みのことを意味し、表１および表２における「厚み」とは最下層、交互層、最上層および被覆層のそれぞれの全体の厚みのことを意味する。

また、表１における「積層数」とは、Ａ層およびＢ層が１層ずつ交互に積層されている交互層中におけるＡ層およびＢ層のそれぞれの層数のことを意味する。

また、表１および表２における最下層、交互層および最上層の組成はそれぞれＸＰＳ（Ｘ線光電子分光分析装置）を用いて測定されたものであり、被覆層全体の硬度はナノインデンター（ＭＴＳ社製Ｎａｎｏ Ｉｎｄｅｎｔｅｒ ＸＰ）により確認された値である。

また、表１および表２における１層厚みおよび厚みはＳＥＭまたはＴＥＭを用いて測定した値であり、表２における被覆層全体の圧縮残留応力はＸ線残留応力測定装置を用いてｓｉｎ²ψ法（「Ｘ線応力測定法」（日本材料学会、１９８１年株式会社養賢堂発行）の５４〜６６頁参照）によって測定された値である。

また、表２における被覆層全体の結晶性はＸ線回折装置により解析されたものである。
また、表２において「欠損」は、切削初期にチッピングが発生して基材の一部が無くなり基材が露出してしまったことを意味している。

＜穴あけ加工試験＞
基材としての外径８ｍｍのドリル（ＪＩＳＫ１０超硬合金）上に、表１および表２に示す実施例１、実施例７、実施例１２、比較例１および比較例２のそれぞれの最下層、交互層および最上層を上記と同様にして形成して実施例１、実施例７、実施例１２、比較例１および比較例２のそれぞれのドリルを得た。そして、実施例１、実施例７、実施例１２、比較例１および比較例２のそれぞれのドリルを用いて実際に被加工材であるＳＣＭ４４０（ＨＲＣ３０）の穴あけ加工試験を行ないその寿命評価を行なった。

ここで、穴あけ加工試験は、切削速度が９０ｍ／ｍｉｎで、送り量が０．２ｍｍ／ｒｅｖであって、切削油を用いずにエアーブローを用いた条件で、深さ２４ｍｍの止まり穴加工をすることにより行なわれた。なお、寿命の判定は、被加工材の寸法精度が規定の範囲をはずれた時点までの穴数とした。その寿命評価結果を表４に示す。表４において、加工数が大きい方が寿命がより長いことを示している。

表４から明らかなように、最下層としてＡ層を用いて最下層上にＡ層およびＢ層の交互層を形成するとともに交互層上の最上層にＣ層を用いた実施例１、実施例７および実施例１２のドリルはそれぞれ、最下層にＡ層およびＢ層のいずれも形成されず、さらに最下層上にＡ層およびＢ層の交互層を有しない比較例１および比較例２のドリルと比べて、穴あけ加工数が非常に多く、寿命が大幅に長くなることが確認された。

＜エンドミル側面削り試験＞
基材としての外径８ｍｍの６枚刃エンドミル（ＪＩＳＫ１０超硬合金）上に、表１および表２に示す実施例２、実施例６、実施例１３および比較例３のそれぞれの最下層、交互層および最上層を上記と同様にして形成して実施例２、実施例６、実施例１３および比較例３のそれぞれのエンドミルを得た。そして、実施例２、実施例６、実施例１３および比較例３のそれぞれのエンドミルを用いて実際に被加工材であるＳＫＤ１１（ＨＲＣ６０）の側面削り試験を行ないその寿命評価を行なった。

ここで、側面削り試験は、切削速度が２００ｍ／ｍｉｎで、送り量が０．０３ｍｍ／刃、切り込み量がＡｄ（軸方向の切り込み量）＝１２ｍｍ、Ｒｄ（半径方向の切り込み量）＝０．２ｍｍであって、切削油を用いずにエアーブローを用いた条件により行なわれた。なお、寿命の判定は、被加工材の寸法精度が規定の範囲をはずれた時点の削り長さにより行なわれた。その寿命評価結果を表５に示す。表５において、寸法精度がはずれる長さが大きい方が寿命がより長いことを示している。

表５から明らかなように、最下層としてＡ層を用いて最下層上にＡ層およびＢ層の交互層を形成するとともに交互層上の最上層にＣ層を用いた実施例２、実施例６および実施例１３のエンドミルはそれぞれ、最下層にＡ層およびＢ層のいずれも形成されず、さらに最下層上にＡ層およびＢ層の交互層を有しない比較例３のエンドミルと比べて、寸法精度がはずれる時点の長さが非常に長く、寿命が大幅に長くなることが確認された。

＜外周旋削加工試験＞
超硬合金製ポットおよびボールを用いて、質量で４０％のＴｉＮと１０％のＡｌからなる結合材粉末と５０％の平均粒径２．５μｍの立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）粉末とを混ぜ合わせ、超硬製容器に充填し、圧力５Ｇｐａ、温度１４００℃で６０分焼結した。このｃＢＮ焼結体を加工し、ＩＳＯ規格ＳＮＧＡ１２０４０８の形状のチップを得た。

そして、基材としてのこのチップ上に、表１および表２に示す実施例３、実施例８、実施例１４および比較例１のそれぞれの最下層、交互層および最上層をそれぞれ上記と同様にして形成して実施例３、実施例８、実施例１４および比較例１のそれぞれの刃先交換型チップを得た。そして、実施例３、実施例８、実施例１４および比較例１のそれぞれの刃先交換型チップを用いて実際に焼入鋼の１種であるＳＵＪ２の丸棒（ＨＲＣ６２）の外周切削加工試験を行ないその寿命評価を行なった。

ここで、外周旋削加工試験は、切削速度が１２０ｍ／ｍｉｎ、切り込みが０．２ｍｍ、送りが０．１ｍｍ／ｒｅｖであって、乾式で４０分間の切削条件により行なわれた。なお、寿命の判定は、刃先交換型チップの表面の切削前の表面粗さ（Ｒｚ）である表６に示すそれぞれの初期面粗度（μｍ）からＲｚ＝３．２μｍとなるまでの時間（ｍｉｎ）を測定することにより行なわれた。その寿命評価結果を表６に示す。表６において、Ｒｚ＝３．２μｍとなる時間が長い方が寿命がより長いことを示している。

表６から明らかなように、最下層としてＡ層を用いて最下層上にＡ層およびＢ層の交互層を形成するとともに交互層上の最上層にＣ層を用いた実施例３、実施例８および実施例１４の刃先交換型チップはそれぞれ、最下層にＡ層およびＢ層のいずれも形成されず、さらに最下層上にＡ層およびＢ層の交互層を有しない比較例１の刃先交換型チップと比べて、Ｒｚ＝３．２μｍとなるまでの時間が非常に長く、寿命が大幅に長くなることが確認された。

＜連続旋削加工試験＞
グレードがＪＩＳ規格Ｓ２０の超硬合金でその形状がＪＩＳ規格のＣＮＭＧ１２０４０８である基材としてのチップ上に、表１および表２に示す実施例４、実施例９、実施例１５、比較例２および比較例３のそれぞれの最下層、交互層および最上層を上記と同様にして形成して実施例４、実施例９、実施例１５、比較例２および比較例３のそれぞれの刃先交換型チップを得た。そして、実施例４、実施例９、実施例１５、比較例２および比較例３のそれぞれの刃先交換型チップを用いて以下に示す条件による湿式（水溶性エマルジョン）の連続旋削加工試験を行ない、刃先の逃げ面摩耗量が０．２ｍｍを超える時間を測定することにより、その寿命評価を行なった。

ここで、連続旋削加工試験は、被削材としてＴｉ合金であるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ（ＨＢ＝３１０）を用い、切削速度が８０ｍ／ｍｉｎ、送り量が０．２ｍｍ／ｒｅｖ、切り込みを１ｍｍとした条件により行なわれた。なお、寿命の判定は、逃げ面摩耗量が０．２ｍｍを超える時間が長いほど寿命が長いものとして判断することにより行なわれた。その寿命評価結果を表７に示す。

表７から明らかなように、最下層としてＡ層を用いて最下層上にＡ層およびＢ層の交互層を形成するとともに交互層上の最上層にＣ層を用いた実施例４、実施例９および実施例１５の刃先交換型チップはそれぞれ、最下層にＡ層およびＢ層のいずれも形成されず、さらに最下層上にＡ層およびＢ層の交互層を有しない比較例２および比較例３の刃先交換型チップと比べて、逃げ面摩耗量が０．２ｍｍを超える時間が非常に長くなり、寿命が大幅に長くなることが確認された。

（実施例１９〜２１）
Ａ層用のカソード１０６のアーク電流量をＢ層用のカソード１０７よりも大きくした状態で交互層を形成したこと以外は実施例１〜１８と同様にして、表８および表９に示す構成の被覆層を有する実施例１９〜２１の刃先交換型チップをそれぞれ作製した。なお、表８のλａ／λｂの欄の値は、交互層を構成するＡ層の１層厚みλａとＢ層の１層厚みλｂとの比（λａ／λｂ）を示している。なお、実施例１９〜２１の交互層におけるＡ層のそれぞれの厚みは１層厚みの値で同一であり、Ｂ層のそれぞれの厚みも１層厚みの値で同一である。

そして、実施例１９〜２１の刃先交換型チップのそれぞれについて、実際に表３に示す条件で乾式の連続旋削試験および断続旋削試験を行ない、刃先の逃げ面摩耗量を測定した。その寿命評価結果を表９に示す。

表９から明らかなように、最下層としてＢ層を用いて最下層上にＡ層およびＢ層の交互層を形成し、交互層上の最上層にＣ層を用いるとともに、交互層におけるＡ層の１層厚みλａと、Ｂ層の１層厚みλｂとの比であるλａ／λｂが１≦λａ／λｂ＜５である実施例１９〜実施例２１の刃先交換型チップは、比較例１〜３の刃先交換型チップと比べて、連続旋削試験および断続旋削試験のいずれにおいても刃先の逃げ面摩耗量が大きく低減し、さらに、実施例１〜１８の刃先交換型チップと比べても連続旋削試験における刃先の逃げ面摩耗量が大きく低減することが確認された。

また、実施例２０の刃先交換型チップについて、上記と同一の方法および同一の条件で上記の連続旋削加工試験を行なった。そして、上記と同一の基準で連続旋削加工試験の評価を行なった。その結果、実施例２０の刃先交換型チップの刃先の逃げ面摩耗量が０．２ｍｍを超える時間は６５分となり、実施例２０の刃先交換型チップは、実施例４、実施例９および実施例１５の刃先交換型チップと比べて、耐摩耗性が向上することが確認された。

（実施例２２〜実施例２４）
交互層の形成開始時においてはＡ層用のカソード１０６のアーク電流量をＢ層用のカソード１０７と同一にし、その後、Ａ層用のカソード１０６のアーク電流量をＢ層用のカソード１０７よりも連続的に大きくしていくことによって、基材に最も近い側から基材から最も遠い側にかけてＡ層の１層厚みλａとＢ層の１層厚みλｂとの比（λａ／λｂ）が連続的に大きくなっている交互層を形成したこと以外は実施例１〜１８と同様にして、表１０および表１１に示す構成の被覆層を有する実施例２２〜２４の刃先交換型チップをそれぞれ作製した。なお、表１０の基材側の欄の値は、交互層において基材に最も近い側に積層されているＡ層の１層厚みλａとＢ層の１層厚みλｂとの比（λａ／λｂ）を示している。また、表１０の最表面側の値は、交互層において基材から最も遠い側に積層されているＡ層の１層厚みλａとＢ層の１層厚みλｂとの比（λａ／λｂ）を示している。

そして、実施例２２〜２４の刃先交換型チップのそれぞれについて、実際に表３に示す条件で乾式の連続旋削試験および断続旋削試験を行ない、刃先の逃げ面摩耗量を測定した。その寿命評価結果を表１０に示す。

表１０から明らかなように、最下層としてＡ層を用いて最下層上にＡ層およびＢ層の交互層を形成し、交互層上の最上層にＣ層を用いるとともに、交互層におけるＡ層の１層厚みλａと、Ｂ層の１層厚みλｂとの比であるλａ／λｂが基材に最も近い側では１であって、基材から遠ざかるにしたがって連続的に大きくなっており、基材から最も遠い側では１＜λａ／λｂ＜５である実施例２２〜実施例２４の刃先交換型チップは、比較例１〜３の刃先交換型チップと比べて、連続旋削試験および断続旋削試験のいずれにおいても刃先の逃げ面摩耗量が大きく低減し、さらに、実施例１〜１８の刃先交換型チップと比べても連続旋削試験および断続旋削試験における刃先の逃げ面摩耗量が大きく低減することが確認された。特に、交互層におけるＡ層の１層厚みλａとＢ層の１層厚みλｂとの比であるλａ／λｂが基材から最も遠い側で１＜λａ／λｂ＜３である実施例２２〜実施例２３の刃先交換型チップは、連続旋削試験および断続旋削試験における刃先の逃げ面摩耗量がさらに大きく低減することが確認された。

また、実施例２４の刃先交換型チップについて、上記と同一の方法および同一の条件で上記の連続旋削加工試験を行なった。そして、上記と同一の基準で連続旋削加工試験の評価を行なった。その結果、実施例２４の刃先交換型チップの刃先の逃げ面摩耗量が０．２ｍｍを超える時間は７５分となり、実施例２４の刃先交換型チップは、実施例４、実施例９、実施例１５および実施例２０の刃先交換型チップと比べて、耐摩耗性が向上することが確認された。

なお、上記の実施例１〜２４の被覆層の形成は、カソードアークイオンプレーティング法を用いて行なったが、たとえばバランスドマグネトロンスパッタリング法およびアンバランスドマグネトロンスパッタリング法のいずれの方法を用いて行なうことも可能である。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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。

本発明の表面被覆切削工具は、ドリル、エンドミル、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削加工用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマまたはタップなどとして利用することができる。

Claims (20)

1. 基材と、前記基材の表面上に形成された被覆層とを含む表面被覆切削工具であって、
   前記被覆層はＡ層とＢ層とが交互にそれぞれ１層以上積層された交互層を含み、
   前記Ａ層はＡｌとＣｒとの窒化物からなり、前記Ａ層を構成する金属原子の総数を１としたときの前記Ｃｒの原子数の比が０よりも大きく０．４以下であって、
   前記Ｂ層はＴｉとＡｌとの窒化物からなり、前記Ｂ層を構成する金属原子の総数を１としたときの前記Ａｌの原子数の比が０よりも大きく０．７以下であって、
   前記交互層における前記Ａ層の厚みをλａとし、前記Ｂ層の厚みをλｂとしたとき、前記Ａ層と前記Ｂ層との厚みの比であるλａ／λｂが１≦λａ／λｂ＜５であり、
   前記Ａ層と前記Ｂ層との厚みの比であるλａ／λｂが前記基材に最も近い側ではλａ／λｂ＝１であり、前記基材から遠ざかるにしたがって前記λａ／λｂの値は連続的に大きくなっていき、前記基材から最も遠い側では１＜λａ／λｂ＜５であることを特徴とする、表面被覆切削工具。
2. 前記Ｂ層中にＳｉ元素が含まれており、前記Ｂ層を構成する金属原子の総数を１としたときの前記Ｓｉの原子数の比が０よりも大きく０．２以下であることを特徴とする、請求項１に記載の表面被覆切削工具。
3. 前記Ａ層および前記Ｂ層の少なくとも一方にＶ元素が原子％で３０原子％未満含まれていることを特徴とする、請求項１に記載の表面被覆切削工具。
4. 前記Ａ層および前記Ｂ層の少なくとも一方にＢ元素が原子％で１０原子％未満含まれていることを特徴とする、請求項１に記載の表面被覆切削工具。
5. 前記Ａ層および前記Ｂ層のそれぞれの厚みが０．００５μｍ以上２μｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の表面被覆切削工具。
6. 前記被覆層の最下層が前記Ａ層であることを特徴とする、請求項１に記載の表面被覆切削工具。
7. 前記最下層の前記Ａ層中にＳｉ元素が原子％で１０原子％未満含まれていることを特徴とする、請求項６に記載の表面被覆切削工具。
8. 前記最下層の前記Ａ層の厚みが０．１μｍ以上２μｍ以下であることを特徴とする、請求項６に記載の表面被覆切削工具。
9. 前記被覆層の最下層が前記Ｂ層であることを特徴とする、請求項１に記載の表面被覆切削工具。
10. 前記被覆層の最上層がＣ層であり、前記Ｃ層はＴｉとＡｌとを含む炭窒化物からなり、前記Ｃ層を構成する金属原子の総数を１としたときの前記Ａｌの原子数の比が０よりも大きく０．７以下であることを特徴とする、請求項１に記載の表面被覆切削工具。
11. 前記Ｃ層中にＳｉ元素が含まれており、前記Ｃ層を構成する金属原子の総数を１としたときの前記Ｓｉの原子数の比が０よりも大きく０．２以下であることを特徴とする、請求項１０に記載の表面被覆切削工具。
12. 前記Ｃ層にＢ元素が原子％で１０原子％未満含まれていることを特徴とする、請求項１０に記載の表面被覆切削工具。
13. 前記Ｃ層の厚みが０．１μｍ以上２μｍ以下であることを特徴とする、請求項１０に記載の表面被覆切削工具。
14. 前記被覆層の全体の厚みが０．８μｍ以上１５μｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の表面被覆切削工具。
15. 前記被覆層の圧縮残留応力が０ＧＰａ以上６ＧＰａ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の表面被覆切削工具。
16. 前記被覆層の結晶構造が立方晶であることを特徴とする、請求項１に記載の表面被覆切削工具。
17. 前記基材は、ＷＣ基超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶型窒化ホウ素焼結体、ダイヤモンド焼結体、窒化ケイ素焼結体、酸化アルミニウムおよび炭化チタンからなる群から選択された少なくとも１種からなることを特徴とする、請求項１に記載の表面被覆切削工具。
18. 前記表面被覆切削工具は、ドリル、エンドミル、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削加工用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマまたはタップであることを特徴とする、請求項１に記載の表面被覆切削工具。
19. 請求項１に記載の表面被覆切削工具を製造する方法であって、
    前記基材を準備する工程と、
    物理的蒸着法を用いて前記Ａ層と前記Ｂ層とを交互にそれぞれ１層以上積層することによって交互層を形成する工程と、を含む、表面被覆切削工具の製造方法。
20. 前記物理的蒸着法は、カソードアークイオンプレーティング法、バランスドマグネトロンスパッタリング法およびアンバランスドマグネトロンスパッタリング法からなる群から選択された少なくとも１種であることを特徴とする、請求項１９に記載の表面被覆切削工具の製造方法。

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