JP6226077B2 - 被覆切削工具 - Google Patents

Description

本発明は、被覆切削工具に関するものである。

近年、切削加工の高能率化の要求が高まっている。この要求の高まりに伴い、従来よりも工具寿命の長い切削工具が求められている。このため、工具材料に要求される特性として、切削工具の寿命に関係する特性を向上させることが重要となっている。例えば、切削工具の耐摩耗性および耐欠損性を向上させることが一段と重要になっている。これらの特性を向上させるため、超硬合金、サーメット、ｃＢＮなどからなる基材の表面に、ＴｉＮ層、ＴｉＡｌＮ層などの被覆層を１層または２層以上含む被覆切削工具が広く用いられている。

そこで、このような被覆層の特性を改善するための様々な技術が提案されている。たとえば特許文献１には、硬質被覆層をＸ線回折により測定した場合、六方晶の窒化ニオブの（１０３）面の回折ピーク強度と六方晶の窒化ニオブの（１１０）面の回折ピーク強度の合計Ｉｈと、立方晶窒化ニオブの（２２０）面の回折ピーク強度Ｉｃとの比の値Ｉｈ／Ｉｃが２．０以下である被覆切削工具が開示されている。この被覆切削工具は、Ｔｉ合金の切削加工性能に優れていることが開示されている。

特許文献２には、硬質被覆層をＸ線回折により測定した場合、六方晶の窒化ニオブの（１０３）面の回折ピーク強度と六方晶の窒化ニオブの（１１０）面の回折ピーク強度の合計Ｉｈと、立方晶窒化ニオブの（２００）面の回折ピーク強度Ｉｃとの比の値Ｉｃ／Ｉｈが０．０５〜１．０である被覆切削工具が開示されている。この被覆切削工具は、潤滑性と耐摩耗性に優れていることが開示されている。

国際公開ＷＯ２００９／０３５３９６ 特開２０１１−１０４７３７号公報

近年、切削加工の高速化、高送り化、および深切り込み化がより顕著になっている。このため、工具の欠損が発生することが多くなった。例えば、加工中に刃先にかかる負荷により、工具表面にクラックが発生する。このクラックが基材へ進展することによって、工具の欠損が発生する。また、刃先の温度が急激に増加あるいは減少することにより、基材にクラックが発生する。このクラックが被覆層に進展することによって、工具の欠損が発生する。

この様な背景により、上記特許文献１及び特許文献２に記載された被覆切削工具は、高温における耐摩耗性は優れるものの、クラックの発生を抑制する効果が十分でないため、耐チッピング性および耐欠損性が十分でないという問題がある。

本発明は、これらの問題を解決するためになされたものである。本発明は、より過酷な切削加工においても、耐摩耗性が低下せずに、耐チッピング性および耐欠損性に優れる被覆切削工具を提供することを目的とする。また、本発明は、長期間にわたって加工できる被覆切削工具を提供することを目的とする。

本発明者は、被覆切削工具の工具寿命の延長について研究を重ねた。本発明者は、以下の構成によって、被覆切削工具の耐摩耗性を低下させずに、耐チッピング性および耐欠損性を向上させることができた。その結果、被覆切削工具の工具寿命を延長することができた。

すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
（１）基材と、前記基材の表面に形成された被覆層とを含み、
前記被覆層は、最外層を含み、
前記最外層は、ＮｂＮを含み、
前記ＮｂＮは、立方晶ＮｂＮと六方晶ＮｂＮとを含み、
Ｘ線回折分析における前記立方晶ＮｂＮの（２００）面のピーク強度をＩ_ｃ、前記六方晶ＮｂＮの（１０１）面のピーク強度をＩ_ｈ１、前記六方晶ＮｂＮの（１０３）面と（１１０）面のピーク強度の合計をＩ_ｈ２としたとき、
Ｉ_ｃとＩ_ｈ１との合計に対するＩ_ｈ１の比［Ｉ_ｈ１／（Ｉ_ｈ１＋Ｉ_ｃ）］が、０．５以上１．０未満であり、
Ｉ_ｈ１とＩ_ｈ２との合計に対するＩ_ｈ１の比［Ｉ_ｈ１／（Ｉ_ｈ１＋Ｉ_ｈ２）］が、０．５以上１．０以下である被覆切削工具。
（２）前記六方晶ＮｂＮの（１０１）面のピークの半価幅が、０．２°以上０．６°以下である、（１）の被覆切削工具。
（３）前記ＮｂＮは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、ＳｒおよびＹからなる群から選択された少なくとも１種の元素を２５原子％以下含む、（１）
または（２）の被覆切削工具。
（４）前記最外層の平均厚さは０．０５μｍ以上３μｍ以下である、（１）〜（３）のいずれかの被覆切削工具。
（５）前記被覆層は、前記基材と前記最外層との間に内層を含み、
前記内層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、ＳｒおよびＹからなる群から選択された少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群から選択された少なくとも１種の元素とを含む化合物（ＮｂＮを除く）を含む１つ又は複数の層である、（１）〜（４）のいずれかの被覆切削工具。
（６）前記被覆層は、前記基材と前記最外層との間に内層を含み、
前記内層は、第１積層構造と第２積層構造とを含み、
前記第１積層構造は、組成が異なる少なくとも２種類の層を含み、前記２種類の層は、交互に２回以上積層されており、前記第１の積層構造に含まれる層の平均の厚みは、６０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、
前記第２積層構造は、組成が異なる少なくとも２種類の層を含み、前記２種類の層は、交互に２回以上積層されており、前記第２の積層構造に含まれる層の平均の厚みは、２ｎｍ以上６０ｎｍ未満であり、
前記第１積層構造および前記第２積層構造に含まれる層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、ＳｒおよびＹからなる群から選択された少なくとも１種の金属元素と、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群から選択された少なくとも１種の非金属元素とを含む化合物（ＮｂＮを除く）を含む、（１）〜（４）のいずれかの被覆切削工具。
（７）前記内層に含まれる第１積層構造と第２積層構造が交互に２回以上連続して積層されている、（６）の被覆切削工具。
（８）前記第１積層構造の平均厚さは、０．２μｍ以上６μｍ以下である、（６）または（７）の被覆切削工具。
（９）前記第２積層構造の平均厚さは、０．０２μｍ以上６μｍ以下である、（６）〜（８）のいずれかの被覆切削工具。
（１０）前記内層の平均厚さは、０．２２μｍ以上１２μｍ以下である、（５）〜（９）のいずれかの被覆切削工具。
（１１）前記被覆層全体の平均厚さは、０．５μｍ以上１５μｍ以下である、（１）〜（１０）のいずれかの被覆切削工具。
（１２）前記基材は、超硬合金、サーメット、セラミックス、立方晶窒化ホウ素焼結体、ダイヤモンド焼結体および高速度鋼からなる群より選ばれた少なくとも１種を含む、（１）〜（１１）のいずれかの被覆切削工具。

本発明によれば、被覆切削工具の耐摩耗性を低下させずに耐チッピング性および耐欠損性を向上させることができるので、従来よりも工具寿命を延長できるという効果を奏する。

本発明の被覆切削工具の断面組織の模式図の一例である。

本発明の被覆切削工具は、基材と、基材の表面に形成された被覆層とを含む。本発明における基材は、被覆切削工具の基材として用いられるものであればよい。本発明における基材は、特に限定はされないが、例えば、超硬合金、サーメット、セラミックス、立方晶窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、高速度鋼である。これらの中では、超硬合金、サーメット、セラミックスおよび立方晶窒化硼素焼結体のいずれかが好ましい。超硬合金、サーメット、セラミックスおよび立方晶窒化硼素焼結体は、耐摩耗性および耐欠損性に優れるからである。

本発明の被覆切削工具における被覆層全体の平均厚さは、０．５〜１５μｍであることが好ましい。被覆層の平均厚さが０．５μｍ未満であると、被覆切削工具の耐摩耗性が低下する傾向がある。被覆層の平均厚さが１５μｍを超えると、被覆切削工具の耐欠損性が低下する傾向がある。被覆層全体の平均厚さは、１．５〜８．０μｍであるとさらに好ましい。

本発明の被覆切削工具において、被覆層は、最外層を含む。最外層は、ＮｂＮを含む。ＮｂＮは、立方晶ＮｂＮと、六方晶ＮｂＮとを含む。被覆層の最外層がＮｂＮを含むと、被覆層の潤滑性が向上する。最外層中の立方晶ＮｂＮの比率が高くなると、被覆層の硬さ及び耐摩耗性が低下する。一方、最外層中の六方晶ＮｂＮの比率が高くなると、被覆層の耐摩耗性は向上するが、被覆層の靱性が低下する。
そのため、被覆層の最外層は、立方晶ＮｂＮと六方晶ＮｂＮとを含むことを特徴とする。最外層が立方晶ＮｂＮと六方晶ＮｂＮとを含むことによって、耐摩耗性および靱性に優れる被覆切削工具が得られる。なお。最外層とは、最も表面側に形成されている層を指す。

本発明の被覆切削工具において、Ｘ線回折分析におけるＮｂＮのピークは、以下の特徴を有する。
立方晶ＮｂＮの（２００）面のピーク強度をＩ_ｃとする。
六方晶ＮｂＮの（１０１）面のピーク強度をＩ_ｈ１とする。
このとき、Ｉ_ｃとＩ_ｈ１との合計に対する、Ｉ_ｈ１の比［Ｉ_ｈ１／（Ｉ_ｈ１＋Ｉ_ｃ）］が、０．５以上１．０未満である。
０．５ ≦ Ｉ_ｈ１／（Ｉ_ｈ１＋Ｉ_ｃ） ＜ １．０

Ｉ_ｈ１／（Ｉ_ｈ１＋Ｉ_ｃ）が０．５未満であると、最外層中の六方晶ＮｂＮの比率が小さいため、被覆層の耐摩耗性が低下する。
Ｉ_ｈ１／（Ｉ_ｈ１＋Ｉ_ｃ）が１．０となり、最外層中のＮｂＮが六方晶ＮｂＮのみからなると、被覆層の靱性が低下する。
そのため、Ｉ_ｈ１／（Ｉ_ｈ１＋Ｉ_ｃ）は、０．５以上１．０未満であることが好ましい。

本発明の被覆切削工具において、（１０１）面の六方晶ＮｂＮの比率を増加させると、チッピングや欠損の起点となるクラックの発生を抑制することができる。

本発明の被覆切削工具において、Ｘ線回折分析におけるＮｂＮのピークは、以下の特徴を有する。
六方晶ＮｂＮの、（１０３）面と（１１０）面のピーク強度の合計をＩ_ｈ２とする。
Ｉ_ｈ１とＩ_ｈ２との合計に対するＩ_ｈ１の比［Ｉ_ｈ１／（Ｉ_ｈ１＋Ｉ_ｈ２）］が、０．５以上１．０以下である。
０．５ ≦ Ｉ_ｈ１／（Ｉ_ｈ１＋Ｉ_ｈ２） ≦ １．０

Ｉ_ｈ１／（Ｉ_ｈ１＋Ｉ_ｈ２）が０．５未満であると、（１０１）面の六方晶ＮｂＮの比率が小さいため、クラックの発生を抑制する効果が低下するとともに、被覆切削工具の耐チッピング性および耐欠損性が低下する。このため、Ｉ_ｈ１／（Ｉ_ｈ１＋Ｉ_ｈ２）は、０．５以上１．０以下であることが好ましい。

六方晶ＮｂＮの（１０３）面と（１１０）面のピーク強度の合計とは、（１０３）面のピーク強度と、（１１０）面のピーク強度とを合計した値に相当する。ＪＣＰＤＳカード２５−１３６１番によると、六方晶ＮｂＮの（１０３）面は２θが６１．９度付近に回折ピークが存在し、六方晶ＮｂＮの（１１０）面は２θが６２．６度付近に回折ピークが存在するためである。

本発明のＮｂＮの（１０１）面のピークの半価幅が０．２°以上である場合、ＮｂＮの平均粒径は小さくなり、耐摩耗性が向上する傾向がある。しかしながら、ＮｂＮの（１０１）面のピークの半価幅が０．６°を超えると、ＮｂＮの平均粒径が小さくなり過ぎるため、クラックの発生を抑制する効果が低下する傾向がある。そのため、ＮｂＮの（１０１）面のピークの半価幅は、０．２°以上０．６°以下であることが好ましい。

本発明のＮｂＮは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、ＳｒおよびＹからなる群から選択された少なくとも１種の元素をさらに含むことが好ましい。ＮｂＮがこれらのいずれかの元素を含むと、被覆切削工具の耐摩耗性が向上するためである。ＮｂＮ中におけるこれらの元素の含有量が２５原子％を超える場合、潤滑性が低下する傾向がある。このため、ＮｂＮ中におけるこれらの元素の含有量は、２５原子％以下であると好ましく、１０原子％以下であるとさらに好ましい。

本発明の最外層の平均厚さが０．０５μｍ未満である場合、ＮｂＮの耐摩耗性、耐チッピング性および耐欠損性が長期間にわたって発揮されないため、被覆切削工具の寿命が短くなる傾向がある。最外層の平均厚さが３μｍを超える場合、被覆切削工具の耐欠損性が低下する傾向がある。このため、最外層の平均厚さは、０．０５μｍ以上３μｍ以下であることが好ましい。

本発明の被覆層は、最外層のみからなる単層であってもよい。または、本発明の被覆層は、基材と最外層との間に内層を含んでもよい。内層は、被覆切削工具の被覆層として用いられるものであれば、特に限定はされない。内層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、ＳｒおよびＹからなる群から選択された少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群から選択された少なくとも１種の元素とを含む化合物（ＮｂＮを除く）の層であることが好ましい。内層は、このような化合物を含む１つ又は複数の層であることが好ましい。内層がこのような化合物を含むことにより、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する。

本発明の被覆層に含まれる内層は、特定の第１積層構造および第２積層構造を含むことが好ましい。内層が第１積層構造および第２積層構造を含むことによって、被覆層の耐摩耗性および耐欠損性が向上するためである。第１積層構造および第２積層構造を構成する各層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、ＳｒおよびＹからなる群から選択される少なくとも１種の金属元素と、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群から選択される少なくとも１種の非金属元素とを含む化合物（ＮｂＮを除く）を含む。このため、被覆層は、耐摩耗性に優れる。

第１積層構造および第２積層構造に含まれる層は、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｗ、Ａｌ、ＳｉおよびＹからなる群から選択された少なくとも２種の金属元素と、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群から選択された少なくとも１種の非金属元素とを含む化合物を含むことが、さらに好ましい。このような化合物は、硬い性質を有しているからである。第１積層構造を構成する層に含まれる化合物として、具体的には、（Ａｌ_０．５０Ｔｉ_０．５０）Ｎ、（Ａｌ_０．６０Ｔｉ_０．４０）Ｎ、（Ａｌ_０．６７Ｔｉ_０．３３）Ｎ、（Ａｌ_０．６７Ｔｉ_０．３３）ＣＮ、（Ａｌ_０．４５Ｔｉ_０．４５Ｓｉ_０．１０）Ｎ、（Ａｌ_０．４５Ｔｉ_０．４５Ｙ_０．１０）Ｎ、（Ａｌ_０．５０Ｔｉ_０．３０Ｃｒ_０．２０）Ｎ、（Ａｌ_０．５０Ｔｉ_０．４５Ｎｂ_０．０５）Ｎ、（Ａｌ_０．５０Ｔｉ_０．４５Ｔａ_０．０５）Ｎ、（Ａｌ_０．５０Ｔｉ_０．４５Ｗ_０．０５）Ｎ、（Ｔｉ_０．９０Ｓｉ_０．１０）Ｎ、（Ａｌ_０．５０Ｃｒ_０．５０）Ｎなどを挙げることができる。

第１積層構造を構成する層に含まれる金属元素は、該第１積層構造を構成する他の層に含まれる金属元素と同一であることが好ましい。つまり、第１積層構造を構成する複数の層は、同一種類の金属元素で構成されることが好ましい。さらに、第１積層構造を構成する層に含まれる特定の金属元素の割合と、その層に隣接した第１積層構造を構成する他の層に含まれる特定の金属元素の割合との差の絶対値が、５原子％以上であることが好ましい。ここでいう「特定の金属元素の割合」とは、層に含まれる金属元素全体に対する、その層に含まれる特定の金属元素の割合（原子％）を意味する。

第１積層構造がこのような構成であると、第１積層構造を構成するある層と、その層に隣接する層との密着性が低下することなく、層と層の界面において結晶格子が不整合性になる。そのため、第１積層構造を構成する層と層の界面と平行な方向にクラックが進展しやすくなり、クラックが基材まで進展することを効果的に抑制することができる。

上記の「ある層に含まれる特定の金属元素の割合と、その層に隣接した他の層に含まれる特定の金属元素の割合との差の絶対値が、５原子％以上である」について、さらに詳しく説明する。
例えば、第１積層構造が、（Ａｌ_０．５５Ｔｉ_０．４５）Ｎ層と、（Ａｌ_０．６７Ｔｉ_０．３３）Ｎ層によって構成される場合、２つの層に含まれる金属元素の種類は同一である。なぜなら、２つの層は、ともにＡｌとＴｉを含むからである。この場合、（Ａｌ_０．５５Ｔｉ_０．４５）Ｎ層に含まれるＡｌの元素量は、金属元素全体の量に対して、５５原子％である。（Ａｌ_０．６７Ｔｉ_０．３３）Ｎ層に含まれるＡｌの元素量は、金属元素全体の量に対して、６７原子％である。これら二つの層に含まれるＡｌの元素量の割合の差は、１２原子％である。したがって、この場合、「差の絶対値が５原子％以上」という上記の条件が満たされている。
例えば、第１積層構造が、（Ａｌ_０．４９Ｔｉ_０．３９Ｃｒ_０．１２）Ｎ層と、（Ａｌ_０．５６Ｔｉ_０．３６Ｃｒ_０．０８）Ｎ層によって構成される場合、２つの層に含まれる金属元素の種類は同一である。なぜなら、２つの層は、ともにＡｌとＴｉとＣｒを含むからである。この場合、２つの層に含まれるＴｉの元素量の割合の差は、３原子％である。２つの層に含まれるＣｒの元素量の割合の差は、４原子％である。これらの値は、それぞれ５原子％未満である。しかし、この場合であっても、２つの層に含まれるＡｌの元素量の割合の差は、７原子％であるので、「差の絶対値が５原子％以上」という上記の条件が満たされている。

なお、本明細書において、窒化物を（Ｍ_ａＬ_ｂ）Ｎと表記する場合は、金属元素全体に対するＭ元素の原子比がａ、Ｌ元素の原子比がｂであることを意味する。例えば、（Ａｌ_０．５５Ｔｉ_０．４５）Ｎは、金属元素全体に対するＡｌ元素の原子比が０．５５であり、金属元素全体に対するＴｉ元素の原子比が０．４５であることを示す。すなわち、（Ａｌ_０．５５Ｔｉ_０．４５）Ｎは、金属元素全体に対するＡｌ元素の量が５５原子％であり、金属元素全体に対するＴｉ元素の量が４５原子％であることを示す。

第２積層構造を構成する層に含まれる金属元素は、該第２積層構造を構成する他の層に含まれる金属元素と同一であることが好ましい。つまり、第２積層構造を構成する複数の層は、同一種類の金属元素で構成されることが好ましい。さらに、第２積層構造を構成する層に含まれる特定の金属元素の割合と、その層に隣接した第２積層構造を構成する他の層に含まれる特定の金属元素の割合との差の絶対値が、５原子％以上であることが好ましい。ここでいう「特定の金属元素の割合」とは、層に含まれる金属元素全体に対する、その層に含まれる特定の金属元素の割合（原子％）を意味する。

第２積層構造がこのような構成であると、第２積層構造を構成するある層と、その層に隣接する層との密着性が低下することなく、層と層の界面において結晶格子が不整合になる。そのため、第２積層構造を構成する層と層の界面と平行な方向にクラックが進展しやすくなり、クラックが基材まで進展することを効果的に抑制することができる。上記の「ある層に含まれる特定の金属元素の割合と、その層に隣接した他の層に含まれる特定の金属元素の割合との差の絶対値が、５原子％以上である」の意味は、上記の第１積層構造について説明したのと同様である。

本発明の被覆切削工具の別の態様として、第１積層構造を構成する層に含まれる金属元素と、その層に隣接した第１積層構造を構成する他の層に含まれる金属元素が、１種以上異なることが好ましい。金属元素が１種以上異なると、層と層の界面で結晶格子が不整合となり、層と層の界面に平行な方向にクラックが進展しやすくなるため、クラックが基材まで進展することを効果的に抑制することができるためである。
例えば、第１積層構造が（Ａｌ_０．５０Ｔｉ_０．５０）Ｎ層と、（Ａｌ_０．５０Ｔｉ_０．３０Ｃｒ_０．２０）Ｎ層によって構成される場合、２つの層に含まれる金属元素を比較すると、この条件が満たされている。なぜなら、２つの層は、ＡｌとＴｉを含むが、Ｃｒは一方の層のみに含まれているからである。
例えば、第１積層構造が、（Ａｌ_０．５０Ｃｒ_０．５０）Ｎ層と、（Ａｌ_０．６７Ｔｉ_０．３３）Ｎ層によって構成される場合も、２つの層に含まれる金属元素を比較すると、この条件が満たされている。なぜなら、２つの層は、Ａｌを含むが、Ｃｒ及びＴｉは、一方の層のみに含まれているからである。

同様に、本発明の被覆切削工具において、第２積層構造を構成する層に含まれる金属元素と、その層に隣接した第２積層構造を構成する他の層に含まれる金属元素が、１種以上異なることが好ましい。金属元素が１種以上異なると、層と層の界面で結晶格子が不整合となり、層と層の界面に平行な方向にクラックが進展しやすくなるため、クラックが基材まで進展することを効果的に抑制することができるためである。

本発明の被覆切削工具は、被覆層を含む。被覆層は、第１積層構造を含む。第１積層構造は、上記の化合物からなる２以上の層を含む。第１積層構造に含まれる各層の平均厚さは、６０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。第１積層構造に含まれる２以上の層は、周期的に積層されている。この周期的な積層構造は、組成が異なる少なくとも２種類の層を含む。これらの２種類の層は、交互に２回以上積層されていることが好ましい。組成が異なる２種類の層が交互に２回以上積層されると、クラックの進展が抑制されるため、被覆切削工具の耐欠損性がさらに向上する。

本発明において、層の積層が繰り返される最小単位の厚さを「積層周期」という。
図１は、本発明の被覆切削工具の断面組織の模式図の一例である。以下、図１を参照して、積層周期について説明する。
例えば、組成が異なるＡ１層（６ａ）、Ｂ１層（６ｂ）、Ｃ１層、及びＤ１層を、基材（１）から被覆層（２）の表面に向かって繰り返し積層する。具体的には、これらの層を、Ａ１層（６ａ）→Ｂ１層（６ｂ）→Ｃ１層→Ｄ１層→Ａ１層（６ａ）→Ｂ１層（６ｂ）→Ｃ１層→Ｄ１層→…の順で繰り返し積層する。この場合、Ａ１層（６ａ）からＤ１層までの厚みの合計が、「積層周期」である。
例えば、組成が異なるＡ１層（６ａ）とＢ１層（６ｂ）を、基材（１）から被覆層（２）の表面に向かって繰り返し積層する。具体的には、これらの層を、Ａ１層（６ａ）→Ｂ１層（６ｂ）→Ａ１層（６ａ）→Ｂ１層（６ｂ）→Ａ１層（６ａ）→Ｂ１層（６ｂ）→…の順で積層する。この場合、Ａ１層（６ａ）の厚みとＢ１層（６ｂ）の厚みの合計が、「積層周期」である。

第１積層構造を形成するために、組成が異なる少なくとも２種類の層を、周期的に積層させる。各層の平均厚さは、６０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。第１積層構造がこのように形成されることにより、以下の効果が得られる。
被覆切削工具の使用中に被覆層の表面に発生したクラックは、第１積層構造に到達する。第１積層構造に到達したクラックは、組成の異なる層と層との界面に平行な方向に進展する。これにより、クラックが基材まで進展することを防止する効果が得られる。このような効果は、組成が異なる２つの層を交互に２回以上積層することによって、さらに高くなる。具体的には、組成が異なるＡ１層（６ａ）とＢ１層（６ｂ）を、基材から被覆層の表面に向かって、交互に２回以上積層することが好ましい。つまり、第１積層構造は、Ａ１層（６ａ）→Ｂ１層（６ｂ）→Ａ１層（６ａ）→Ｂ１層（６ｂ）→…のような交互積層構造を含むことが好ましい。

第１積層構造に含まれる各層の平均厚さが６０ｎｍ未満である場合、クラックが基材まで進展することを十分に防止することができない。一方、各層の平均厚さが５００ｎｍを超える場合、被覆切削工具の耐欠損性が低下する。したがって、第１積層構造に含まれる各層の平均厚さは、６０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましい。第１積層構造に含まれる各層の平均厚さは、６０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であるとさらに好ましい。

第１積層構造の平均厚さが０．２μｍ未満である場合、組成の異なる層を周期的に積層させる回数（繰り返し数）が少なくなる。この場合、基材までクラックが進展することを抑制する効果が低下する。一方、第１積層構造の平均厚さが６μｍを超える場合、被覆層全体の残留圧縮応力が高くなる。その結果、被覆層の剥離や欠損が生じやすくなるため、被覆切削工具の耐欠損性が低下する。したがって、第１積層構造の平均厚さは、０．２μｍ以上６μｍ以下であることが好ましい。

本発明の被覆切削工具は、被覆層を含む。被覆層は、第２積層構造を含む。第２積層構造は、上記の金属または化合物からなる２つ以上の層を含む。第２積層構造に含まれる各層の平均厚さは、２ｎｍ以上６０ｎｍ未満である。第２積層構造に含まれる２つ以上の層は、周期的に積層されている。この周期的な積層構造は、組成が異なる少なくとも２種類の層を含む。これらの２種類の層は、交互に２回以上積層されていることが好ましい。組成が異なる２種類の層が交互に２回以上積層されると、第２積層構造の硬度が高くなるため、被覆切削工具の耐摩耗性がさらに向上する。

第２積層構造においても、層の積層が繰り返される最小単位の厚さを「積層周期」という。
例えば、図１において、組成が異なるＡ２層（７ａ）、Ｂ２層（７ｂ）、Ｃ２層、Ｄ２層を、基材（１）から被覆層（２）の表面に向かって繰り返し積層する。具体的には、これらの層を、Ａ２層（７ａ）→Ｂ２層（７ｂ）→Ｃ２層→Ｄ２層→Ａ２層（７ａ）→Ｂ２層（７ｂ）→Ｃ２層→Ｄ２層→…の順で積層する。この場合、Ａ２層（７ａ）からＤ２層までの厚みの合計が、「積層周期」である。
例えば、組成が異なるＡ２層（７ａ）とＢ２層（７ｂ）を、基材（１）から被覆層（２）の表面に向かって繰り返し積層する。具体的には、これらの層を、Ａ２層（７ａ）→Ｂ２層（７ｂ）→Ａ２層（７ａ）→Ｂ２層（７ｂ）→Ａ２層（７ａ）→Ｂ２層（７ｂ）→…の順で積層する。この場合、Ａ２層（７ａ）の厚みとＢ２層（７ｂ）の厚みの合計が、「積層周期」である。

第２積層構造を形成するために、組成が異なる少なくとも２種類の層を、周期的に積層させる。各層の平均厚さは、２ｎｍ以上６０ｎｍ未満である。第２積層構造がこのように形成されることにより、第２積層構造の硬度が高くなり、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する効果が得られる。このような効果は、組成が異なる２つの層を交互に２回以上積層することによって、さらに高くなる。具体的には、組成が異なるＡ２層（７ａ）とＢ２層（７ｂ）を、基材から被覆層の表面に向かって、交互に２回以上積層することが好ましい。つまり、第２積層構造は、Ａ２層（７ａ）→Ｂ２層（７ｂ）→Ａ２層（７ａ）→Ｂ２層（７ｂ）→…のような交互積層構造を含むことが好ましい

第２積層構造に含まれる各層の平均厚さが２ｎｍ未満である場合、均一な厚さの層を形成することが困難である。第２積層構造に含まれる各層の平均厚さが６０ｎｍ以上である場合、第２積層構造の硬度が低下するため、被覆切削工具の耐摩耗性が低下する。さらに、この場合、第２積層構造の厚みと第１積層構造の厚みとの差が小さくなる。その結果、第１積層構造と第２積層構造の界面に平行な方向にクラックが進展することで基材までクラックが進展することを抑制する効果が十分に得られない。そのため、第２積層構造に含まれる各層の平均厚さは、２ｎｍ以上６０ｎｍ未満であることが好ましい。第２積層構造に含まれる各層の平均厚さは、５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であるとさらに好ましい。

第２積層構造の平均厚さが０．０２μｍ未満である場合、組成の異なる層を周期的に積層させる回数（繰り返し数）が少なくなる。この場合、第２積層構造の硬度が向上するという効果が得られない。一方、第２積層構造の平均厚さが６μｍを超える場合、第２積層構造の残留圧縮応力が高くなる。その結果、被覆層の剥離や欠損が生じやすくなるため、被覆切削工具の耐欠損性が低下する。したがって、第２積層構造の平均厚さは、０．０２μｍ以上６μｍ以下であることが好ましい。

本発明の被覆切削工具は、被覆層を含む。被覆層は、最外層を含む。被覆層は、基材と最外層の間に形成された内層を含んでもよい。すなわち、基材の表面に内層が形成されており、内層の表面に最外層が形成されてもよい。この場合、被覆層は、内層及び最外層によって構成される。内層は、耐欠損性に優れる第１積層構造と、耐摩耗性に優れる第２積層構造とを含んでもよい。これにより、本発明の被覆切削工具は、耐欠損性および耐摩耗性に優れる。

第１積層構造と第２積層構造は、交互に２つ以上連続して積層されていることが好ましい。第１積層構造と第２積層構造が交互に積層されると、クラックが第１積層構造と第２積層構造との界面と平行な方向に進展しやすくなる。その結果、クラックが基材まで進展することが抑制されるため、被覆切削工具の耐欠損性が向上する。
第１積層構造と第２積層構造の位置関係は、特に限定されない。第１積層構造と第２積層構造の位置関係は、例えば、以下の（１）〜（４）のいずれかである。
（１）第１積層構造が基材に最も近く、第２積層構造が内層の表面に最も近い。
（２）第２積層構造が基材に最も近く、第１積層構造が内層の表面に最も近い。
（３）第１積層構造が、基材に最も近く、かつ、内層の表面に最も近い。
（４）第２積層構造が、基材に最も近く、かつ、内層の表面に最も近い。
上記（１）〜（４）において、「内層の表面」とは、内層の基材と反対側の表面のことを意味する。
上記の位置関係の中では、（１）が好ましい。第１積層構造と第２積層構造の位置関係が上記（１）である場合、第２積層構造の残留圧縮応力よりも第１積層構造の残留圧縮応力の方が低くなるため、被覆層の耐剥離性が向上する傾向があるからである。

内層の平均厚さが０．２２μｍ未満である場合、被覆切削工具の耐摩耗性が低下する傾向がある。内層の平均厚さが１２μｍを超える場合、被覆切削工具の耐欠損性が低下する傾向がある。したがって、内層の平均厚さは、０．２２μｍ以上１２μｍ以下であると好ましい。内層の平均厚さは、１．５μｍ以上８μｍ以下であるとさらに好ましい。

本発明の被覆切削工具における被覆層の製造方法は、特に限定されるものではない。例えば、被覆層は、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、スパッタ法、イオンミキシング法などの物理蒸着法によって製造することができる。特に、アークイオンプレーティング法によって形成された被覆層は、基材との密着性が高い。したがって、これらの中では、アークイオンプレーティング法が好ましい。

本発明の被覆切削工具の製造方法について、具体例を用いて説明する。なお、本発明の被覆切削工具の製造方法は、当該被覆切削工具の構成を達成し得る限り特に制限されるものではない。

工具形状に加工した基材を、物理蒸着装置の反応容器内に入れる。つぎに、反応容器内を、圧力１×１０^−２Ｐａ以下になるまで真空引きする。真空引きした後、反応容器内のヒーターで、基材を２００〜８００℃に加熱する。加熱後、反応容器内に、Ａｒガスを導入して、圧力を０．５〜５．０Ｐａとする。圧力０．５〜５．０ＰａのＡｒガス雰囲気にて、基材に−２００〜−１０００Ｖのバイアス電圧を印加する。反応容器内のタングステンフィラメントに、５〜２０Ａの電流を流す。基材の表面を、Ａｒガスによるイオンボンバードメント処理する。基材の表面をイオンボンバードメント処理した後、反応容器内を、圧力１×１０^−２Ｐａ以下になるまで真空引きする。

基材とＮｂＮを含んだ最外層の間に内層を形成する場合には、イオンボンバードメント処理及び真空引きの後、窒素ガスなどの反応ガスを反応容器内に導入する。反応容器内の圧力を、０．５〜５．０Ｐａにして、基材に−１０〜−１５０Ｖのバイアス電圧を印加する。各層の金属成分に応じた金属蒸発源をアーク放電により蒸発させることによって、基材の表面に各層を形成することができる。なお、離れた位置に置かれた２種類以上の金属蒸発源を同時にアーク放電により蒸発させ、基材を固定したテーブルを回転させて第１積層構造もしくは第２積層構造を構成する層を形成することができる。この場合、反応容器内の基材を固定したテーブルの回転数を調整することによって、第１積層構造もしくは第２積層構造を構成する各層の厚みを制御することができる。２種類以上の金属蒸発源を交互にアーク放電により蒸発させることによって、第１積層構造もしくは第２積層構造を構成する層を形成することもできる。この場合、金属蒸発源のアーク放電時間をそれぞれ調整することによって、第１積層構造もしくは第２積層構造を構成する各層の厚みを制御することができる。

本発明のＮｂＮを含んだ最外層を形成するためには、イオンボンバードメント処理後、または内層を形成した後、反応容器内を真空引きするとともに、基材の温度を４００℃〜６００℃に加熱する。その後、窒素ガスとＡｒガスとを、反応容器内に１：１の比率で導入する。これにより、反応容器内の圧力を、２．０〜５．０Ｐａにして、基材に−１０〜−３０Ｖのバイアス電圧を印加する。アーク電流１６０〜１８０Ａのアーク放電によりＮｂからなる金属蒸発源を蒸発させることによって、基材の表面または内層の表面に最外層を形成することができる。反応容器内の雰囲気を窒素ガスとＡｒガスとの混合ガス雰囲気にすると、アーク放電が安定するため、六方晶ＮｂＮの配向性を容易に制御することができる。バイアス電圧が−４０Ｖよりも高くなると、六方晶ＮｂＮの（１０３）面と（１１０）面の比率が高くなるため、Ｉ_ｈ１とＩ_ｈ２との合計に対するＩ_ｈ１の比が０．５よりも小さくなる。また、アーク電流が１５０Ａよりも低くなると、立方晶ＮｂＮの比率が高くなるため、Ｉ_ｃとＩ_ｈ１との合計に対するＩ_ｈ１の比が小さくなる。反応容器内の雰囲気が窒素雰囲気であると、六方晶ＮｂＮの（１０３）面と（１１０）面の比率が高くなり、Ｉ_ｈ１とＩ_ｈ２との合計に対するＩ_ｈ１の比が０．５よりも小さくなる。なお、半価幅は、被覆層の形成温度に依存し、温度が高いほど、大きくなる。

被覆層を構成する各層の厚さは、被覆切削工具の断面組織を観察することで測定することができる。例えば、被覆層を構成する各層の厚さは、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）などを用いて測定することができる。
被覆層を構成する各層の平均厚さは、次のように求めることができる。
金属蒸発源に対向する面の刃先から、当該面の中心部に向かって５０μｍの位置の近傍において、被覆切削工具の断面を、３箇所以上で観察する。この観察した断面から、各層の厚さおよび各積層構造の厚さを測定する。測定した厚さの平均値を計算することによって、平均厚さを求めることができる。

被覆層を構成する各層の組成は、被覆切削工具の断面組織から、エネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）や波長分散型Ｘ線分析装置（ＷＤＳ）などを用いて測定することができる。

本発明の最外層について、立方晶ＮｂＮの（２００）面のピーク強度Ｉ_ｃと、六方晶ＮｂＮの（１０１）面のピーク強度Ｉ_ｈ１と、六方晶ＮｂＮの（１０３）面と（１１０）面のピーク強度の合計Ｉ_ｈ２とは、市販のＸ線回折装置を用いて測定することができる。強度Ｉ_ｃ、Ｉ_ｈ１、Ｉ_ｈ２の測定には、例えば、株式会社リガク製 Ｘ線回折装置ＲＩＮＴ ＴＴＲIIIを用いることができる。また、測定には、Ｃｕ−Ｋα線を用いた２θ／θ集中法光学系のＸ線回折測定を用いることができる。Ｘ線回折の測定条件は、例えば、以下の通りである。
出力：５０ｋＶ、２５０ｍＡ、
入射側ソーラースリット：５°、
発散縦スリット：２／３°、
発散縦制限スリット：５ｍｍ、
散乱スリット２／３°、
受光側ソーラースリット：５°、
受光スリット：０．３ｍｍ、
ＢＥＮＴモノクロメータ、
受光モノクロスリット：０．８ｍｍ、
サンプリング幅：０．０１°、
スキャンスピード：４°／ｍｉｎ、
２θ測定範囲：３０〜７０°
Ｘ線回折図形から、上記の各ピーク強度を求めるときに、Ｘ線回折装置付属の解析ソフトウェアを用いてもよい。解析ソフトウェアを用いるときには、三次式近似を用いてバックグラウンド処理およびＫα２ピーク除去を行うとともに、Ｐｅａｒｓｏｎ−VII関数を用いてプロファイルフィッティングを行う。これにより、各ピーク強度を求めることができる。
なお、最外層よりも基材側に内層が形成されている場合には、内層の影響を受けないように、薄膜Ｘ線回折法により、各ピーク強度を測定することができる。

本発明の最外層について、六方晶ＮｂＮの（１０１）面のピークの半価幅は、市販のＸ線回折装置を用いて測定することができる。六方晶ＮｂＮの（１０１）面のピークの半価幅の測定には、例えば、株式会社リガク製 Ｘ線回折装置ＲＩＮＴ ＴＴＲIIIを用いることができる。また、測定には、Ｃｕ−Ｋα線を用いた２θ／θ集中法光学系のＸ線回折測定を用いることができる。Ｘ線回折の測定条件は、例えば、以下の通りである。
出力：５０ｋＶ、２５０ｍＡ、
入射側ソーラースリット：５°、
発散縦スリット：２／３°、
発散縦制限スリット：５ｍｍ、
散乱スリット２／３°、
受光側ソーラースリット：５°、
受光スリット：０．３ｍｍ、
ＢＥＮＴモノクロメータ、
受光モノクロスリット：０．８ｍｍ、
サンプリング幅：０．０１°、
スキャンスピード：４°／ｍｉｎ、
２θ測定範囲：３０〜７０°
なお、最外層よりも基材側に内層が形成されている場合には、内層の影響を受けないように、薄膜Ｘ線回折法により、六方晶ＮｂＮの（１０１）面のピークの半価幅を測定することができる。

本発明の被覆切削工具の種類として、具体的には、フライス加工用または旋削加工用刃先交換型切削インサート、ドリル、エンドミルなどを挙げることができる。

基材として、以下の２種類のインサートを準備した。
ＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８形状の７０％ｃＢＮ−２０％ＴｉＮ−５％Ａｌ_２Ｏ_３−５％ＴｉＢ_２（体積％）組成の立方晶窒化硼素焼結体製インサート
ＩＳＯ規格ＡＳＭＴ１１Ｔ３０４ＰＤＰＲ形状のＳ１０相当の超硬合金製インサート

アークイオンプレーティング装置の反応容器内に、表１および表２に示す各層の組成になる金属蒸発源を配置した。用意した基材を、反応容器内の回転テーブルの固定金具に固定した。

その後、反応容器内の圧力を、５．０×１０^−３Ｐａ以下になるまで真空引きした。真空引き後、反応容器内のヒーターで、基材をその温度が５００℃になるまで加熱した。加熱後、反応容器内の圧力が５．０Ｐａになるように、反応容器内にＡｒガスを導入した。

圧力５．０ＰａのＡｒガス雰囲気にて、基材に−１０００Ｖのバイアス電圧を印加した。反応容器内のタングステンフィラメントに、１０Ａの電流を流した。このような条件で、基材の表面に、Ａｒガスによるイオンボンバードメント処理を３０分間行った。イオンボンバードメント処理終了後、反応容器内の圧力が５．０×１０^−３Ｐａ以下になるまで、反応容器内を真空引きした。

発明品１〜５および比較品１〜５については、真空引き後、窒素ガスを反応容器内に導入し、反応容器内を圧力２．７Ｐａの窒素ガス雰囲気にした。基材には、−５０Ｖのバイアス電圧を印加した。アーク電流２００Ａのアーク放電により金属蒸発源を蒸発させることで内層を形成した。

発明品６については、真空引き後、反応容器内に窒素ガス（Ｎ_２）とメタンガス（ＣＨ_４）を分圧比がＮ_２：ＣＨ_４＝１：１となるように導入し、反応容器内を圧力２．７Ｐａの混合ガス雰囲気にした。基材には、−５０Ｖのバイアス電圧を印加した。アーク電流２００Ａのアーク放電により金属蒸発源を蒸発させることで内層を形成した。

内層の各層の厚さが大きい発明品７および比較品６については、真空引き後、Ｘ層の金属蒸発源とＹ層の金属蒸発源を交互にアーク放電により蒸発させてＸ層とＹ層を形成した。このときＸ層の厚さとＹ層の厚さは、それぞれの層を形成するときのアーク放電時間を調整して制御した。

内層の各層の厚さが小さい発明品８および比較品７については、真空引き後、Ｘ層の金属蒸発源とＹ層の金属蒸発源とを同時にアーク放電により蒸発させてＸ層とＹ層を形成した。このとき、Ｘ層の厚さとＹ層の厚さは、回転テーブルの回転数を０．２〜１０ｍｉｎ^−１の範囲で調整することで制御した。

発明品１〜８および比較品３〜５については、内層を形成した後、反応容器内の圧力が５．０×１０^−３Ｐａ以下になるまで真空引きし、表３に示す温度まで基材を加熱した。その後、窒素ガスとＡｒガスとを反応容器内に１：１の比率で導入し、反応容器内の圧力を３．０Ｐａにして、表３に示す条件で最外層を形成した。

比較品１、２、６および７については、内層を形成した後、表３に示す温度まで基材を加熱した。その後、表３に示す条件で最外層を形成した。

基材の表面に、表１および表２に示す所定の厚さになるまで各層を形成した。その後、ヒーターの電源を切り、試料温度が１００℃以下になった後で、反応容器内から試料を取り出した。

得られた試料の各層の平均厚さは、次のように求めた。
被覆切削工具の金属蒸発源に対向する面の刃先から当該面の中心部に向かって５０μｍの位置の近傍において、３箇所の断面をＴＥＭで観察した。各層の厚さを測定し、測定した厚さの平均値を計算した。

得られた試料の各層の組成は、次のように求めた。
被覆切削工具の金属蒸発源に対向する面の刃先から当該面の中心部に向かって５０μｍの位置の断面において、ＥＤＳを用いて組成を測定した。
これらの測定結果も、表１および２に示す。
なお、表１および２の各層の金属元素の組成比は、各層を構成する金属化合物における金属元素全体に対する各金属元素の原子比を示す。

得られた試料について、Ｃｕ−Ｋα線を用いた２θ／θ集中法光学系の薄膜Ｘ線回折測定を行った。測定条件は、以下の通りである。
出力：５０ｋＶ、２５０ｍＡ、
入射側ソーラースリット：５°、
発散縦スリット：２／３°、
発散縦制限スリット：５ｍｍ、
散乱スリット２／３°、
受光側ソーラースリット：５°、
受光スリット：０．３ｍｍ、
ＢＥＮＴモノクロメータ、
受光モノクロスリット：０．８ｍｍ、
サンプリング幅：０．０１°、
スキャンスピード：４°／ｍｉｎ、
２θ測定範囲：３０〜７０°

薄膜Ｘ線回折測定によって得られたＸ線回折図形から、立方晶ＮｂＮの（２００）面のピーク強度Ｉ_ｃ、及び、六方晶ＮｂＮの（１０１）面のピーク強度Ｉ_ｈ１を求めた。また、Ｉ_ｃとＩ_ｈ１の合計に対する、Ｉ_ｈ１の比［Ｉ_ｈ１／（Ｉ_ｈ１＋Ｉ_ｃ）］を求めた。その結果を、表４に示した。

Ｘ線回折図形から、さらに、六方晶ＮｂＮの（１０３）面と（１１０）面のピーク強度の合計Ｉ_ｈ２を求めた。また、Ｉ_ｈ１とＩ_ｈ２の合計に対する、Ｉ_ｈ１の比［Ｉ_ｈ１／（Ｉ_ｈ１＋Ｉ_ｈ２）］を求めた。その結果を、表４に示した。

Ｘ線回折図形から、さらに、六方晶ＮｂＮの（１０１）面の半価幅を求めた。その結果を、表４に示した。

得られた試料を用いて、以下の切削試験１および切削試験２を行い、耐欠損性および耐摩耗性を評価した。その評価結果を表５に示す。

［切削試験１ 耐欠損性試験］
インサート：立方晶窒化硼素焼結体、ＣＮＧＡ１２０４０８、
被削材：ＳＣＭ４２０Ｈ、
被削材形状：φ２００ｍｍ×５０ｍｍの円板、（４本の溝が入っている。）
切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ、
切り込み：０．２ｍｍ、
クーラント：使用、
評価項目：試料が欠損に至るまでの加工時間（工具寿命）を測定した。欠損とは、試料の切れ刃部に欠けが生じることを意味する。

［切削試験２ 耐摩耗性試験］
インサート：超硬合金、ＡＳＭＴ１１Ｔ３０４ＰＤＰＲ、
被削材：Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、
被削材形状：２５０ｍｍ×１００ｍｍ×６０ｍｍの板状
切削速度：６０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．１５ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、
切り込み：２．０ｍｍ、
切削幅：１０ｍｍ
クーラント：使用、
評価項目：最大の逃げ面摩耗幅が０．２ｍｍに至るまでの加工時間（工具寿命）を測定した。

切削試験１において測定された試料が欠損に至るまでの加工時間（工具寿命）を、以下の基準で評価した。
２５ｍｉｎ以上 ○
２０ｍｉｎ以上２５ｍｉｎ未満 △
２０ｍｉｎ未満 ×

切削試験２において測定された最大の逃げ面摩耗幅が０．２ｍｍに至るまでの加工時間（工具寿命）を、以下の基準で評価した。
１５ｍｉｎ以上 ○
１０ｍｉｎ以上１５ｍｉｎ未満 △
１０ｍｉｎ未満 ×
上記の評価における順位は、（優）○＞△＞×（劣）である。○を有する試料は、切削性能が優れている。評価の結果を、表５に示した。

表５に示すように、発明品の耐欠損性試験および耐摩耗性試験の結果は、すべて○または△の評価であった。比較品の耐欠損性試験および耐摩耗性試験の結果は、どちらかの評価が×であった。以上の結果から分かるように、発明品の工具寿命は長くなっていた。本発明によれば、被覆切削工具の耐欠損性を低下させずに、耐摩耗性を向上させることができる。

基材として、以下の２種類のインサートを準備した。
ＩＳＯ規格ＣＮＧＡ１２０４０８形状の７０％ｃＢＮ−２０％ＴｉＮ−５％Ａｌ_２Ｏ_３−５％ＴｉＢ_２（体積％）組成の立方晶窒化硼素焼結体製インサート
ＩＳＯ規格ＡＳＭＴ１１Ｔ３０４ＰＤＰＲ形状のＳ１０相当の超硬合金製インサート

アークイオンプレーティング装置の反応容器内に、表６および表８に示す各層の組成になる金属蒸発源を配置した。用意した基材を、反応容器内の回転テーブルの固定金具に固定した。

その後、反応容器内の圧力を、５．０×１０^−３Ｐａ以下になるまで真空引きした。真空引き後、反応容器内のヒーターで、基材をその温度が５００℃になるまで加熱した。加熱後、反応容器内の圧力が５．０Ｐａになるように、反応容器内にＡｒガスを導入した。

圧力５．０ＰａのＡｒガス雰囲気にて、基材に−１０００Ｖのバイアス電圧を印加した。反応容器内のタングステンフィラメントに、１０Ａの電流を流した。このような条件で、基材の表面に、Ａｒガスによるイオンボンバードメント処理を３０分間行った。イオンボンバードメント処理終了後、反応容器内の圧力が５．０×１０^−３Ｐａ以下になるまで、反応容器内を真空引きした。

真空引き後、窒素ガスを反応容器内に導入し、反応容器内を圧力２．７Ｐａの窒素ガス雰囲気にした。基材には、−５０Ｖのバイアス電圧を印加した。アーク電流２００Ａのアーク放電により金属蒸発源を蒸発させることで、内層を構成する第１積層構造および第２積層構造の各層を形成した。

発明品９〜２０および比較品８、９のＡ１層とＢ１層を形成するときは、Ａ１層の金属蒸発源とＢ１層の金属蒸発源を交互にアーク放電により蒸発させて、Ａ１層とＢ１層を形成した。このとき、Ａ１層の厚さとＢ１層の１層あたりの厚さは、表７に示す厚さとなるように、それぞれの層を形成するときのアーク放電時間を調整して制御した。

発明品９〜２０および比較品８、９のＡ２層とＢ２層を形成するときは、Ａ２層の金属蒸発源とＢ２層の金属蒸発源とを同時にアーク放電により蒸発させて、Ａ２層とＢ２層を形成した。このとき、Ａ２層の厚さとＢ２層の１層あたりの厚さは、表７に示す厚さとなるように、回転テーブルの回転数を０．２〜１０ｍｉｎ^−１の範囲で調整することで制御した。

発明品９〜２０および比較品９については、内層を形成した後、反応容器内の圧力が５．０×１０^−３Ｐａ以下になるまで真空引きし、表９に示す温度まで基材を加熱した。その後、窒素ガスとＡｒガスとを反応容器内に１：１の比率で導入し、反応容器内の圧力を３．０Ｐａにして、表９に示す条件で最外層を形成した。

比較品８については、内層を形成した後、表９に示す温度まで基材を加熱した。その後、表９に示す条件で最外層を形成した。

基材の表面に、表７および表８に示す所定の厚さになるまで各層を形成した。その後、ヒーターの電源を切り、試料温度が１００℃以下になった後で、反応容器内から試料を取り出した。

得られた試料の各層の平均厚さ、および、各積層構造の厚さは、次のように求めた。
被覆切削工具の金属蒸発源に対向する面の刃先から当該面の中心部に向かって５０μｍの位置の近傍において、３箇所の断面をＴＥＭで観察した。各層の厚さおよび各積層構造の厚さを測定し、測定した厚さの平均値を計算した。

得られた試料の各層の組成は、次のように求めた。
被覆切削工具の金属蒸発源に対向する面の刃先から当該面の中心部に向かって５０μｍの位置の断面において、ＥＤＳを用いて組成を測定した。
これらの測定結果も、表６、表７および８に示す。
なお、表６および８の各層の金属元素の組成比は、各層を構成する金属化合物における金属元素全体に対する各金属元素の原子比を示す。

得られた試料について、Ｃｕ−Ｋα線を用いた２θ／θ集中法光学系の薄膜Ｘ線回折測定を行った。測定条件は、以下の通りである。
出力：５０ｋＶ、２５０ｍＡ、
入射側ソーラースリット：５°、
発散縦スリット：２／３°、
発散縦制限スリット：５ｍｍ、
散乱スリット２／３°、
受光側ソーラースリット：５°、
受光スリット：０．３ｍｍ、
ＢＥＮＴモノクロメータ、
受光モノクロスリット：０．８ｍｍ、
サンプリング幅：０．０１°、
スキャンスピード：４°／ｍｉｎ、
２θ測定範囲：３０〜７０°

薄膜Ｘ線回折測定によって得られたＸ線回折図形から、立方晶ＮｂＮの（２００）面のピーク強度Ｉ_ｃ、及び、六方晶ＮｂＮの（１０１）面のピーク強度Ｉ_ｈ１を求めた。また、Ｉ_ｃとＩ_ｈ１の合計に対する、Ｉ_ｈ１の比［Ｉ_ｈ１／（Ｉ_ｈ１＋Ｉ_ｃ）］を求めた。その結果を、表１０に示した。

Ｘ線回折図形から、さらに、六方晶ＮｂＮの（１０３）面と（１１０）面のピーク強度の合計Ｉ_ｈ２を求めた。また、Ｉ_ｈ１とＩ_ｈ２の合計に対する、Ｉ_ｈ１の比［Ｉ_ｈ１／（Ｉ_ｈ１＋Ｉ_ｈ２）］を求めた。その結果を、表１０に示した。

Ｘ線回折図形から、さらに、六方晶ＮｂＮの（１０１）面の半価幅を求めた。その結果を、表１０に示した。

得られた試料を用いて、実施例１と同じ条件で切削試験１および切削試験２を行い、耐欠損性および耐摩耗性を評価した。その評価結果を表１１に示す。

切削試験１において測定された試料が欠損に至るまでの加工時間（工具寿命）を、以下の基準で評価した。
２５ｍｉｎ以上 ○、
２０ｍｉｎ以上２５ｍｉｎ未満 △、
２０ｍｉｎ未満 ×

切削試験２において測定された最大の逃げ面摩耗幅が０．２ｍｍに至るまでの加工時間（工具寿命）を、以下の基準で評価した。
１５ｍｉｎ以上 ○、
１０ｍｉｎ以上１５ｍｉｎ未満 △、
１０ｍｉｎ未満 ×
上記の評価における順位は、（優）○＞△＞×（劣）である。○を有する試料は、切削性能が優れている。評価の結果を、表１１に示した。

表１１に示すように、発明品の耐欠損性試験および耐摩耗性試験の結果は、すべて○または△の評価であった。比較品の耐欠損性試験および耐摩耗性試験の結果は、どちらかの評価が×であった。以上の結果から分かるように、発明品の工具寿命は長くなっていた。本発明によれば、被覆切削工具の耐欠損性を低下させずに、耐摩耗性を向上させることができる。

本発明の被覆切削工具は、耐摩耗性、耐チッピング性および耐欠損性に優れている。本発明によれば、従来よりも工具寿命を延長できる。したがって、本発明の産業上の利用可能性は高い。

１ 基材
２ 被覆層
３ 最外層
４ 第１積層構造
５ 第２積層構造
６ａ 第１積層構造を構成するＡ１層
６ｂ 第１積層構造を構成するＢ１層
７ａ 第２積層構造を構成するＡ２層
７ｂ 第２積層構造を構成するＢ２層

Claims (12)

1. 基材と、前記基材の表面に形成された被覆層とを含み、
   前記被覆層は、最外層を含み、
   前記最外層は、ＮｂＮを含み、
   前記ＮｂＮは、立方晶ＮｂＮと六方晶ＮｂＮとを含み、
   Ｘ線回折分析における前記立方晶ＮｂＮの（２００）面のピーク強度をＩ_ｃ、前記六方晶ＮｂＮの（１０１）面のピーク強度をＩ_ｈ１、前記六方晶ＮｂＮの（１０３）面と（１１０）面のピーク強度の合計をＩ_ｈ２としたとき、
   Ｉ_ｃとＩ_ｈ１との合計に対するＩ_ｈ１の比［Ｉ_ｈ１／（Ｉ_ｈ１＋Ｉ_ｃ）］が、０．５以上１．０未満であり、
   Ｉ_ｈ１とＩ_ｈ２との合計に対するＩ_ｈ１の比［Ｉ_ｈ１／（Ｉ_ｈ１＋Ｉ_ｈ２）］が、０．５以上１．０以下である被覆切削工具。
2. 前記六方晶ＮｂＮの（１０１）面のピークの半価幅が、０．２°以上０．６°以下である、請求項１に記載の被覆切削工具。
3. 前記ＮｂＮは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、ＳｒおよびＹからなる群から選択された少なくとも１種の元素を２５原子％以下含む、請求項１または請求項２に記載の被覆切削工具。
4. 前記最外層の平均厚さは０．０５μｍ以上３μｍ以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
5. 前記被覆層は、前記基材と前記最外層との間に内層を含み、
   前記内層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、ＳｒおよびＹからなる群から選択された少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群から選択された少なくとも１種の元素とを含む化合物（ＮｂＮを除く）を含む１つ又は複数の層である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
6. 前記被覆層は、前記基材と前記最外層との間に内層を含み、
   前記内層は、第１積層構造と第２積層構造とを含み、
   前記第１積層構造は、組成が異なる少なくとも２種類の層を含み、前記２種類の層は、交互に２回以上積層されており、前記第１の積層構造に含まれる層の平均の厚みは、６０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、
   前記第２積層構造は、組成が異なる少なくとも２種類の層を含み、前記２種類の層は、交互に２回以上積層されており、前記第２の積層構造に含まれる層の平均の厚みは、２ｎｍ以上６０ｎｍ未満であり、
   前記第１積層構造および前記第２積層構造に含まれる層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、ＳｒおよびＹからなる群から選択された少なくとも１種の金属元素と、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群から選択された少なくとも１種の非金属元素とを含む化合物（ＮｂＮを除く）を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
7. 前記内層に含まれる第１積層構造と第２積層構造が交互に２回以上連続して積層されている、請求項６に記載の被覆切削工具。
8. 前記第１積層構造の平均厚さは、０．２μｍ以上６μｍ以下である、請求項６または７に記載の被覆切削工具。
9. 前記第２積層構造の平均厚さは、０．０２μｍ以上６μｍ以下である、請求項６〜８のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
10. 前記内層の平均厚さは、０．２２μｍ以上１２μｍ以下である、請求項５〜９のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
11. 前記被覆層全体の平均厚さは、０．５μｍ以上１５μｍ以下である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
12. 前記基材は、超硬合金、サーメット、セラミックス、立方晶窒化ホウ素焼結体、ダイヤモンド焼結体および高速度鋼からなる群より選ばれた少なくとも１種を含む、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の被覆切削工具。

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