JP7302628B2

JP7302628B2 - 被覆切削工具

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Publication number: JP7302628B2
Application number: JP2021101939A
Authority: JP
Inventors: 崇昭中村
Original assignee: Tungaloy Corp
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 2021-06-18
Filing date: 2021-06-18
Publication date: 2023-07-04
Anticipated expiration: 2041-06-18
Also published as: EP4105355A1; US20220402046A1; CN115488429A; JP2023000875A

Description

本発明は、被覆切削工具に関するものである。

従来、鋼などの切削加工には超硬合金や立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）焼結体からなる切削工具が広く用いられている。中でも超硬合金基材の表面にＴｉＮ層、ＴｉＡｌＮ層などの硬質被覆膜を１又は２以上含む表面被覆切削工具は汎用性の高さから様々な加工に使用されている。

例えば、特許文献１では、ＷＣ超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメット、立方晶型窒化硼素焼結体のいずれかからなる工具基体の表面に硬質被覆層を蒸着形成した表面被覆切削工具において、（ａ）前記硬質被覆層は、工具基体表面に形成した第１層と、第１層の上に形成した第２層とからなり、第１層は、組成式：（Ｔｉ_1-aＡｌ_a）Ｎ（但し、ａは原子比で、０．３≦ａ≦０．７）を満足する０．５～３．０μｍの平均層厚を有するＴｉとＡｌの窒化物層であり、第２層は、組成式：（Ｔｉ_1-bＡｌ_b）（Ｎ_1-cＣ_c）（但し、ｂ，ｃはそれぞれ原子比で、０．３≦ｂ≦０．７、０．０１≦ｃ≦０．４）を満足する０．５～２．０μｍの平均層厚を有するＴｉとＡｌの炭窒化物層であり、（ｂ）第１層と第２層の結晶粒は、第１層と第２層の界面長さ割合で７０％以上の界面領域において連続した結晶成長組織からなり、かつ、連続した結晶成長組織は同じ結晶方位を示し、（ｃ）第２層の結晶粒の工具基体表面に平行な平均幅は０．０５～１．０μｍであり、工具基体表面に垂直な平均高さは０．０５～１．５μｍであり、かつ、平均アスペクト比（高さ／幅）が１～１０であることを特徴とする表面被覆切削工具が提案されている。

特開２０１５－１６０２５９号公報

近年のステンレス鋼などの難削材旋削加工は高速化及び高送り化の傾向にあり、従来よりも切削条件が厳しくなる傾向の中で、これまでより耐摩耗性及び耐欠損性を向上し、工具寿命を延長することが求められている。上記特許文献１の表面被覆切削工具において、被覆層のＴｉ含有量を増加させることで結晶の粒径が大きくなり、耐摩耗性を改善することができるが、耐欠損性は低下することにより、工具寿命を長くし難い。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、耐摩耗性及び耐欠損性を向上させた工具寿命の長い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ところ、被覆切削工具を特定の構成にすると、その耐摩耗性及び耐欠損性を向上させることが可能となり、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ることを見出し、本発明を完成するに至った。

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、第１層と第２層とが交互にそれぞれ２層以上積層された交互積層構造を有し、
前記第１層は、下記式（１）：
Ｔｉ（Ｃ_aＮ_1-a）（１）
［式中、ａはＣ元素とＮ元素との合計に対するＣ元素の原子比を表し、０．１≦ａ≦０．４を満足する。］
で表される組成からなる化合物層であり、
前記第２層は、下記式（２）：
（Ｔｉ_xＡｌ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）（２）
［式中、ｘはＴｉ元素とＡｌ元素との合計に対するＴｉ元素の原子比を表し、０．４≦ｘ≦０．８を満足し、ｙはＣ元素とＮ元素との合計に対するＣ元素の原子比を表し、０．１≦ｙ≦０．４を満足する。］
で表される組成からなる化合物層であり、
前記交互積層構造における前記第１層及び前記第２層のそれぞれの１層当たりの平均厚さが、３ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、
前記交互積層構造の平均厚さが、１．０μｍ以上８．０μｍ以下である、被覆切削工具。
［２］
前記被覆層における金属元素全体の原子比の合計に対するＴｉ元素の原子比が、０．７以上０．９以下である、［１］に記載の被覆切削工具。
［３］
前記交互積層構造における結晶粒の平均粒径が、０．１μｍ以上１．０μｍ以下である、［１］又は［２］に記載の被覆切削工具。
［４］
前記交互積層構造における組織形態が、柱状晶である、［１］～［３］のいずれかに記載の被覆切削工具。
［５］
前記被覆層は、前記基材と前記交互積層構造との間に、下部層を有し、
前記下部層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる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（ただし、前記式（１）で表される組成からなる化合物及び前記式（２）で表される組成からなる化合物を除く。）の単層又は積層であり、
前記下部層の平均厚さが、０．２μｍ以上３．０μｍ以下である、［１］～［４］のいずれかに記載の被覆切削工具。
［６］
前記被覆層は、前記交互積層構造における前記基材と反対側の表面に、上部層を有し、
前記上部層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる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（ただし、前記式（１）で表される組成からなる化合物及び前記式（２）で表される組成からなる化合物を除く。）の単層又は積層であり、
前記上部層の平均厚さが、０．２μｍ以上３．０μｍ以下である、［１］～［５］のいずれかに記載の被覆切削工具。
［７］
前記被覆層全体の平均厚さが、１．０μｍ以上１０．０μｍ以下である、［１］～［６］のいずれかに記載の被覆切削工具。

本発明によると、耐摩耗性及び耐欠損性を向上させた工具寿命の長い被覆切削工具を提供することができる。

本発明の被覆切削工具の一例を示す模式図である。本発明の被覆切削工具の別の一例を示す模式図である。交互積層構造における粒子のアスペクト比の求め方を説明するための補足図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、単に「本実施形態」という。）について詳細に説明するが、本発明は下記本実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。なお、図面中、同一要素には同一符号を付すこととし、重複する説明は省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。更に、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。

本実施形態の被覆切削工具は、基材と基材の表面に形成された被覆層とを含み、
被覆層は、第１層と第２層とが交互にそれぞれ２層以上積層された交互積層構造を有し、
第１層は、下記式（１）：
Ｔｉ（Ｃ_aＮ_1-a）（１）
［式中、ａはＣ元素とＮ元素との合計に対するＣ元素の原子比を表し、０．１≦ａ≦０．４を満足する。］
で表される組成からなる化合物層であり、
第２層は、下記式（２）：
（Ｔｉ_xＡｌ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）（２）
［式中、ｘはＴｉ元素とＡｌ元素との合計に対するＴｉ元素の原子比を表し、０．４≦ｘ≦０．８を満足し、ｙはＣ元素とＮ元素との合計に対するＣ元素の原子比を表し、０．１≦ｙ≦０．４を満足する。］
で表される組成からなる化合物層であり、
交互積層構造における第１層及び第２層のそれぞれの１層当たりの平均厚さが、３ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、
交互積層構造の平均厚さが、１．０μｍ以上８．０μｍ以下である。

このような被覆切削工具が、耐摩耗性及び耐欠損性を向上させた工具寿命の長いものとなる要因は、詳細には明らかではないが、本発明者はその要因を下記のように考えている。ただし、要因はこれに限定されない。すなわち、被覆層を形成する第１層において、Ｔｉ（Ｃ_aＮ_1-a）中のａが０．１以上であると、第１層の硬さが向上することにより、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する。一方、被覆層を形成する第１層において、Ｔｉ（Ｃ_aＮ_1-a）中のａが０．４以下であると、第１層における組織の微細化を抑制することにより、被覆切削工具の耐摩耗性が向上し、また、被覆切削工具の耐欠損性も良好となる。また、被覆層を形成する第２層において、（Ｔｉ_xＡｌ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）中のｘが０．４以上であると、Ｔｉを含有することによる効果として、被覆切削工具の耐摩耗性が向上し、さらに第２層における粒子の過度な微粒化を抑制することで、組織が柱状になり、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する。一方、被覆層を形成する第２層において、（Ｔｉ_xＡｌ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）中のｘが０．８以下であると、第２層における粒子の粗大化を抑制することにより、粒子の脱落を起因とした被覆切削工具の欠損を抑制することができる。また、被覆層を形成する第２層において、（Ｔｉ_xＡｌ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）中のｙが０．１以上であると、第２層の硬さが向上することにより、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する。一方、被覆層を形成する第２層において、（Ｔｉ_xＡｌ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）中のｙが０．４以下であると、第２層における組織の微細化を抑制することにより、被覆切削工具の耐摩耗性が向上し、また、被覆切削工具の耐欠損性も向上する。また、本実施形態の被覆切削工具は、被覆層において、第１層と第２層とが交互にそれぞれ２層以上積層された交互積層構造を有すると、単層で形成するよりも所望の各層の組成における連続的な結晶粒の成長が容易となる。また、本実施形態の被覆切削工具は、被覆層において、第１層の組成がＴｉ（Ｃ_aＮ_1-a）であり、第２層の組成が（Ｔｉ_xＡｌ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）であることで、交互積層構造全体に炭素（Ｃ）を含有しているため、被覆層全体の硬さが向上し、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する。さらに、本実施形態の被覆切削工具は、被覆層において、第１層及び第２層を交互にそれぞれ２層以上積層された交互積層構造を有することで、各層における粒子の粗大化を抑制することにより、被覆切削工具の耐欠損性が向上する。また、交互積層構造における第１層及び第２層のそれぞれの１層当たりの平均厚さが、３ｎｍ以上であることで、積層化により被覆層の靭性が向上し、被覆切削工具の耐摩耗性及び耐欠損性が向上する。一方、交互積層構造における第１層及び第２層のそれぞれの１層当たりの平均厚さが、３００ｎｍ以下であることで、第２層における結晶の核の発生が抑制され、結晶粒成長が良好となり、粒子の微粒化を抑制でき、また、第１層において特定の結晶粒が粗大に成長することを抑制でき、粒子の脱落を起点とした欠損が抑制できる。また、交互積層構造の平均厚さが、１．０μｍ以上であると、各層の粒子が適度に粗粒化することにより、被覆切削工具の耐摩耗性が向上し、また、被覆切削工具の耐欠損性も良好となる。一方、交互積層構造の平均厚さが、８．０μｍ以下であると、被覆層の剥離が抑制されることに主に起因して被覆切削工具の耐欠損性が向上し、また、被覆切削工具の耐摩耗性も良好となる。これらの効果が相俟って、本実施形態の被覆切削工具は、耐摩耗性及び耐欠損性を向上させた工具寿命の長いものとなる。

本実施形態の被覆切削工具は、基材とその基材の表面に形成された被覆層とを含む。本実施形態に用いる基材は、被覆切削工具の基材として用いられ得るものであれば、特に限定はされない。基材の例として、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、及び高速度鋼を挙げることができる。それらの中でも、基材が、超硬合金、サーメット、セラミックス及び立方晶窒化硼素焼結体からなる群より選ばれる１種以上であると、被覆切削工具の耐欠損性が一層優れるので、さらに好ましい。

本実施形態の被覆切削工具において、被覆層全体の平均厚さは、１．０μｍ以上１０．０μｍ以下であるであることが好ましい。本実施形態の被覆切削工具において、被覆層全体の平均厚さが１．０μｍ以上であると、耐摩耗性が向上する傾向にあり、また、被覆切削工具の耐欠損性も良好となる傾向にある。また、本実施形態の被覆切削工具において、被覆層全体の平均厚さが１０．０μｍ以下であると、被覆層の剥離が抑制されることに主に起因して耐欠損性が向上する傾向にある。同様の観点から、被覆層全体の平均厚さは１．２μｍ以上９．０μｍ以下であるとより好ましく、１．４μｍ以上８．０μｍ以下であるとさらに好ましい。

〔第１層〕
本実施形態の被覆切削工具において、第１層は、下記式（１）で表される組成からなる化合物層である。
Ｔｉ（Ｃ_aＮ_1-a）（１）
［式中、ａはＣ元素とＮ元素との合計に対するＣ元素の原子比を表し、０．１≦ａ≦０．４を満足する。］

被覆層を形成する第１層において、Ｔｉ（Ｃ_aＮ_1-a）中のａが０．１以上であると、第１層の硬さが向上することにより、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する。一方、被覆層を形成する第１層において、Ｔｉ（Ｃ_aＮ_1-a）中のａが０．４以下であると、第１層における組織の微細化を抑制することにより、被覆切削工具の耐摩耗性が向上し、また、被覆切削工具の耐欠損性も良好となる。同様の観点から、Ｔｉ（Ｃ_aＮ_1-a）中のａが０．２以上０．４以下であることが好ましい。

また、本実施形態において、各化合物層の組成を、例えば、Ｔｉ（Ｃ_0.20Ｎ_0.80）と表記する場合は、Ｃ元素とＮ元素との合計に対するＣ元素の原子比が０．２０、Ｃ元素とＮ元素との合計に対するＮ元素の原子比が０．８０であることを意味する。すなわち、Ｃ元素とＮ元素との合計に対するＣ元素の量が２０原子％、Ｃ元素とＮ元素との合計に対するＮ元素の量が８０原子％であることを意味する。

〔第２層〕
本実施形態の被覆切削工具は、第２層が、下記式（２）で表される組成からなる化合物層である。
（Ｔｉ_xＡｌ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）（２）
［式中、ｘはＴｉ元素とＡｌ元素との合計に対するＴｉ元素の原子比を表し、０．４≦ｘ≦０．８を満足し、ｙはＣ元素とＮ元素との合計に対するＣ元素の原子比を表し、０．１≦ｙ≦０．４を満足する。］

被覆層を形成する第２層において、（Ｔｉ_xＡｌ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）中のｘが０．４以上であると、Ｔｉを含有することによる効果として、被覆切削工具の耐摩耗性が向上し、さらに第２層における粒子の過度な微粒化を抑制することで、組織が柱状になり、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する。一方、被覆層を形成する第２層において、（Ｔｉ_xＡｌ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）中のｘが０．８以下であると、第２層における粒子の粗大化を抑制することにより、粒子の脱落を起因とした被覆切削工具の欠損を抑制することができる。同様の観点から、（Ｔｉ_xＡｌ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）中のｘが０．５以上０．８以下であることが好ましく、０．５以上０．７以下であることがより好ましい。また、被覆層を形成する第２層において、（Ｔｉ_xＡｌ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）中のｙが０．１以上であると、第２層の硬さが向上することにより、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する。一方、被覆層を形成する第２層において、（Ｔｉ_xＡｌ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）中のｙが０．４以下であると、第２層における組織の微細化を抑制することにより、被覆切削工具の耐摩耗性が向上し、また、被覆切削工具の耐欠損性も向上する。同様の観点から、（Ｔｉ_xＡｌ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）中のｙが０．２以上０．４以下であることが好ましい。

また、本実施形態の被覆切削工具において、後述する下部層を形成しない場合、第２層を最初に基材の表面に形成することが好ましい。本実施形態の被覆切削工具において、第２層を最初に基材の表面に形成すると、基材と被覆層との密着性が向上する傾向にある。

また、被覆層における金属元素全体の原子比の合計に対するＴｉ元素の原子比は、０．７以上０．９以下であることが好ましい。被覆層における金属元素全体の原子比の合計に対するＴｉ元素の原子比が、０．７以上であると、被覆層におけるＴｉ元素の比率が高くなるため、粒子の粒径が大きくなり、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する傾向にある。一方、被覆層における金属元素全体の原子比の合計に対するＴｉ元素の原子比が、０．９以下であると、粒子が粗大化するのを抑制することにより、被覆切削工具の耐欠損性が向上する傾向にある。同様の観点から、被覆層における金属元素全体の原子比の合計に対するＴｉ元素の原子比が０．７以上０．８以下であることが好ましい。

［交互積層構造］
本実施形態の被覆切削工具は、被覆層において、第１層と第２層とが交互にそれぞれ２層以上積層された交互積層構造を有する。本実施形態の被覆切削工具は、被覆層において、第１層と第２層とが交互にそれぞれ２層以上積層された交互積層構造を有すると、単層で形成するよりも所望の各層の組成における連続的な結晶粒の成長が容易となる。また、本実施形態の被覆切削工具は、被覆層において、第１層の組成がＴｉ（Ｃ_aＮ_1-a）であり、第２層の組成が（Ｔｉ_xＡｌ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）であることで、交互積層構造全体に炭素（Ｃ）を含有しているため、被覆層全体の硬さが向上し、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する。さらに、本実施形態の被覆切削工具は、被覆層において、第１層及び第２層を交互にそれぞれ２層以上積層された交互積層構造を有することで、各層における粒子の粗大化を抑制することにより、被覆切削工具の耐欠損性が向上する。

また、本実施形態の被覆切削工具は、第１層及び第２層のそれぞれの１層当たりの平均厚さが、３ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。交互積層構造における第１層及び第２層のそれぞれの１層当たりの平均厚さが、３ｎｍ以上であることで、積層化により被覆層の靭性が向上し、被覆切削工具の耐摩耗性及び耐欠損性が向上する。一方、交互積層構造における第１層及び第２層のそれぞれの１層当たりの平均厚さが、３００ｎｍ以下であることで、第２層における結晶の核の発生が抑制され、結晶粒成長が良好となり、粒子の微粒化を抑制でき、また、第１層において特定の結晶粒が粗大に成長することを抑制でき、粒子の脱落を起点とした欠損が抑制できる。同様の観点から、第１層及び第２層のそれぞれの１層当たりの平均厚さが、５ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であることがより好ましい。
なお、第１層及び第２層の１層当たりの平均厚さは、同じであってもよく、異なっていてもよい。

また、本実施形態の被覆切削工具は、交互積層構造の平均厚さが、１．０μｍ以上８．０μｍ以下である。交互積層構造の平均厚さが、１．０μｍ以上であると、各層の粒子が粗粒化することにより、被覆切削工具の耐摩耗性が向上し、また、被覆切削工具の耐欠損性も良好となる。一方、交互積層構造の平均厚さが、８．０μｍ以下であると、被覆層の剥離が抑制されることに主に起因して被覆切削工具の耐欠損性が向上し、また、被覆切削工具の耐摩耗性も良好となる。同様の観点から、交互積層構造の平均厚さは１．２μｍ以上６．０μｍ以下であることが好ましく、１．４μｍ以上４．２μｍ以下であることがより好ましい。

また、本実施形態の被覆切削工具は、交互積層構造における結晶粒の平均粒径が、０．１μｍ以上１．０μｍ以下であることが好ましい。交互積層構造における結晶粒の平均粒径が、０．１μｍ以上であると、粒子が粗粒化することにより、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する傾向にある。一方、交互積層構造における結晶粒の平均粒径が、１．０μｍ以下であると、粒子の脱落を起因とした欠損を抑制することができる。同様の観点から、交互積層構造における結晶粒の平均粒径は０．１μｍ以上０．９μｍ以下であることが好ましく、０．２μｍ以上０．８μｍ以下であることがより好ましい。
なお、本実施形態において、交互積層構造における結晶粒の平均粒径は、試料の写真において基材の表面と平行な方向に線を引き、この線の長さをこの線上に存在する結晶粒の数で除した値とする。具体的には、交互積層構造における結晶粒の平均粒径は、後述の実施例に記載の方法により測定することができる。また、交互積層構造における結晶粒は、式（１）で表される組成からなる化合物の結晶粒、式（２）で表される組成からなる化合物の結晶粒のいずれかを含むか、式（１）で表される組成からなる化合物の結晶粒及び式（２）で表される組成からなる化合物の結晶粒の両方が含まれる。

本実施形態の被覆切削工具は、交互積層構造における組織形態が、柱状晶であることが好ましい。交互積層構造における組織形態が柱状晶であると、すきとり摩耗を抑制することができるため、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する傾向にある。
なお、本実施形態において、交互積層構造における結晶粒子のアスペクト比が１．２以上である場合を柱状晶とする。交互積層構造における結晶粒子のアスペクト比の上限は、特に限定されないが、交互積層の厚さを考慮すると、例えば、４．０以下である。
また、本実施形態において、アスペクト比は後述の実施例に記載の方法により測定することができる。

本実施形態の被覆切削工具は、交互積層構造において、第１層と第２層との繰り返し数が、２回以上４００回以下が好ましく、５回以上３００回以下がより好ましく、７回以上２００回以下がさらに好ましい。
なお、本実施形態において、第１層と、第２層とを１層ずつ形成した場合、「繰り返し数」は１回である。

図１は、本実施形態の被覆切削工具の一例を示す模式断面図である。被覆切削工具８は、基材１と、その基材１の表面上に形成された被覆層７とを備える。被覆層７は、基材１側から、下部層４、交互積層構造６及び上部層５を有する。また、交互積層構造６において、第２層２と第１層３とをこの順で交互に３回繰り返し形成されている。
また、図２は、本実施形態の被覆切削工具の別の一例を示す模式断面図である。被覆切削工具８は、基材１と、その基材１の表面上に形成された被覆層７とを備える。被覆層７は、基材１側から第２層２と第１層３とをこの順で交互に６回繰り返し形成した交互積層構造を有する。

〔上部層〕
本実施形態に用いる被覆層は、交互積層構造における基材と反対側の表面に上部層を有してもよい。上部層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる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（ただし、式（１）で表される組成からなる化合物及び式（２）で表される組成からなる化合物を除く。）の単層又は積層であることが好ましい。上部層がこのような化合物の単層又は積層であると、耐摩耗性に一層優れるので、さらに好ましい。また、上記と同様の観点から、上部層は、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる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（ただし、式（１）で表される組成からなる化合物及び式（２）で表される組成からなる化合物を除く。）を含むとより好ましく、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｎとからなる化合物を含むとさらに好ましく、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ及びＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｎとからなる化合物を含むと特に好ましい。上部層に含まれる具体的な化合物としては、特に限定されないが、例えば、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＣｒＮ、ＴｉＳｉＮが挙げられる。また、上部層は単層であってもよく２層以上の多層（積層）であってもよい。

本実施形態に用いる被覆層において、上部層の平均厚さは、０．２μｍ以上３．０μｍ以下であることが好ましい。上部層の平均厚さが０．２μｍ以上であると、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する傾向にある。一方、上部層の平均厚さが３．０μｍ以下であると、被覆層の剥離が抑制されることに主に起因して被覆切削工具の耐欠損性が向上する傾向にある。同様の観点から、上部層の平均厚さは、０．３μｍ以上２．０μｍ以下であるとより好ましく、０．５μｍ以上１．５μｍ以下であるとさらに好ましい。

〔下部層〕
本実施形態に用いる被覆層は、基材と、第１層及び第２層の交互積層構造との間に下部層を有すると好ましい。これにより、基材と被覆層との密着性が更に向上する傾向にある。その中でも、下部層は、上記と同様の観点から、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる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（ただし、式（１）で表される組成からなる化合物及び式（２）で表される組成からなる化合物を除く。）を含むと好ましく、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる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（ただし、式（１）で表される組成からなる化合物及び式（２）で表される組成からなる化合物を除く。）を含むとより好ましく、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｎとからなる化合物を含むとさらに好ましく、Ｔｉ、Ａｌ及びＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｎとからなる化合物を含むと特に好ましい。下部層に含まれる具体的な化合物としては、特に限定されないが、例えば、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＳｉＮが挙げられる。また、下部層は単層であってもよく２層以上の多層であってもよい。

本実施形態に用いる被覆層において、下部層の平均厚さは、０．２μｍ以上３．０μｍ以下であることが好ましい。下部層の平均厚さが０．２μｍ以上であると、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する傾向にある。一方、下部層の平均厚さが３．０μｍ以下であると、被覆層の剥離が抑制されることに主に起因して被覆切削工具の耐欠損性が向上する傾向にある。同様の観点から、下部層の平均厚さは、０．３μｍ以上１．０μｍ以下であるとより好ましく、０．３μｍ以上０．５μｍ以下であるとさらに好ましい。

〔被覆層の製造方法〕
本実施形態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が、例えば、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、及びイオンミキシング法などの物理蒸着法が挙げられる。物理蒸着法を使用して、被覆層を形成すると、シャープエッジを形成することができるので好ましい。その中でも、アークイオンプレーティング法は、被覆層と基材との密着性に一層優れるので、より好ましい。

〔被覆切削工具の製造方法〕
本実施形態の被覆切削工具の製造方法について、以下に具体例を用いて説明する。なお、本実施形態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。

まず、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収容し、金属蒸発源を反応容器内に設置する。その後、反応容器内をその圧力が１．０×１０^-2Ｐａ以下の真空になるまで真空引きし、反応容器内のヒーターにより基材をその温度が２００℃～７００℃になるまで加熱する。加熱後、反応容器内にＡｒガスを導入して、反応容器内の圧力を０．５Ｐａ～５．０Ｐａとする。圧力０．５Ｐａ～５．０ＰａのＡｒガス雰囲気にて、基材に－５００Ｖ～－３５０Ｖのバイアス電圧を印加し、反応容器内のタングステンフィラメントに４０Ａ～５０Ａの電流を流して、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施す。基材の表面にイオンボンバードメント処理を施した後、反応容器内をその圧力が１．０×１０^-2Ｐａ以下の真空になるまで真空引きする。

本実施形態に用いる下部層を形成する場合、基材をその温度が４００℃～７００℃になるまで加熱する。加熱後、反応容器内にガスを導入して、反応容器内の圧力を０．５Ｐａ～５．０Ｐａとする。ガスとしては、例えば、下部層がＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｎとからなる化合物で構成される場合、Ｎ₂ガスが挙げられ、下部層がＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｎ及びＣとからなる化合物で構成される場合、Ｎ₂ガスとＣ₂Ｈ₂ガスとの混合ガスが挙げられる。混合ガスの体積比率としては、特に限定されないが、例えば、Ｎ₂ガス：Ｃ₂Ｈ₂ガス＝９５：５～８５：１５であってもよい。次いで、基材に－８０Ｖ～－４０Ｖのバイアス電圧を印加してアーク電流１００Ａ～２００Ａのアーク放電により各層の金属成分に応じた金属蒸発源を蒸発させて下部層を形成するとよい。

本実施形態に用いる第１層を形成する場合、基材をその温度が３００℃～８００℃になるように制御し、Ｃ₂Ｈ₂ガスとＮ₂ガスとの混合ガスを反応容器内に導入し、反応容器内の圧力を１．０Ｐａ～１０．０Ｐａにする。混合ガスの体積比率としては、特に限定されないが、例えば、Ｃ₂Ｈ₂ガス：Ｎ₂ガス＝３：９７～２５：７５であってもよい。その後、基材に－２００Ｖ～－４０Ｖのバイアス電圧を印加し、Ｔｉ蒸発源を８０Ａ～２００Ａとするアーク放電により蒸発させて、第１層を形成するとよい。

本実施形態に用いる第２層を形成する場合、基材をその温度が３００℃～８００℃になるように制御する。なお、その基材の温度を、第１層を形成する際の基材の温度と同じにすると、第１層と第２層とを連続して形成することができるので好ましい。温度を制御した後、Ｃ₂Ｈ₂ガスとＮ₂ガスとの混合ガスを反応容器内に導入し、反応容器内の圧力を１．０Ｐａ～１０．０Ｐａにする。混合ガスの体積比率としては、特に限定されないが、例えば、Ｃ₂Ｈ₂ガス：Ｎ₂ガス＝３：９７～２５：７５であってもよい。次いで、基材に－２００Ｖ～－４０Ｖのバイアス電圧を印加し、アーク電流８０Ａ～２００Ａのアーク放電により第２層の金属成分に応じた金属蒸発源を蒸発させて、第２層を形成するとよい。

第１層と第２層とが交互にそれぞれ２層以上積層された交互積層構造を形成するには、Ｔｉ蒸発源及び金属蒸発源を上述した条件にて、交互にアーク放電により蒸発させることによって、各層を交互に形成するとよい。Ｔｉ蒸発源及び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、交互積層構造を構成する各層の厚さを制御することができる。

第１層を形成する際、Ｃ₂Ｈ₂ガスの割合を大きくすると、式（１）で表される組成において、Ｎ元素の割合が小さくなり、Ｃ元素の割合（ａ）を大きくすることができる。また、第２層を形成する際、Ｃ₂Ｈ₂ガスの割合を大きくすると、式（２）で表される組成において、Ｎ元素の割合が小さくなり、Ｃ元素の割合（ｙ）を大きくすることができる。

本実施形態に用いる交互積層構造における結晶粒の平均粒径を所定の値にするには、上述の交互積層構造を形成する過程において、交互積層構造における各層の厚さ、交互積層構造におけるＴｉ元素の比率、第１層及び／又は第２層におけるＣ元素の比率、第２層の厚さ、負のバイアス電圧を調整するとよい。より具体的には、交互積層構造における各層の厚さを小さくすると、交互積層構造における結晶粒の平均粒径が小さくなる傾向がある。また、交互積層構造におけるＴｉ元素の比率を小さくすると、交互積層構造における結晶粒の平均粒径が小さくなる傾向がある。また、第１層及び／又は第２層におけるＣ元素の比率を大きくすると、交互積層構造における結晶粒の平均粒径が小さくなる傾向がある。また、第２層の厚さを大きくすると、交互積層構造における結晶粒の平均粒径が小さくなる傾向がある。また、負のバイアス電圧を高く（ゼロから遠い側）すると、交互積層構造における結晶粒の平均粒径が小さくなる傾向がある。

本実施形態に用いる被覆層における金属元素全体の原子比の合計に対するＴｉ元素の原子比を所定の値にするには、上述の交互積層構造を形成する過程において、交互積層構造における各層の厚さ、第２層におけるＴｉ元素の比率を調整するとよい。より具体的には、交互積層構造における第１層の厚さを大きくする（第１層の占める割合を高くする）と、被覆層における金属元素全体の原子比の合計に対するＴｉ元素の原子比が大きくなる傾向にある。また、第２層におけるＴｉ元素の比率を大きくすると、被覆層における金属元素全体の原子比の合計に対するＴｉ元素の原子比が大きくなる傾向にある。

本実施形態に用いる交互積層構造における組織形態を柱状晶にする、すなわち、交互積層構造における結晶粒子のアスペクト比を１．２以上にするには、上述の交互積層構造を形成する過程において、交互積層構造における結晶粒の平均粒径、交互積層構造における平均厚さを調整するとよい。より具体的には、交互積層構造における結晶粒の平均粒径を小さくすると、交互積層構造における結晶粒子のアスペクト比が大きくなる傾向にある。また、交互積層構造における平均厚さを大きくすると、交互積層構造における結晶粒子のアスペクト比が大きくなる傾向にある。

本実施形態に用いる上部層を形成する場合、上述した下部層と同様の製造条件により形成するとよい。すなわち、まず、基材をその温度が４００℃～７００℃になるまで加熱する。加熱後、反応容器内にガスを導入して、反応容器内の圧力を０．５Ｐａ～５．０Ｐａとする。ガスとしては、例えば、上部層がＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｎとからなる化合物で構成される場合、Ｎ₂ガスが挙げられ、上部層がＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｎ及びＣとからなる化合物で構成される場合、Ｎ₂ガスとＣ₂Ｈ₂ガスとの混合ガスが挙げられる。混合ガスの体積比率としては、特に限定されないが、例えば、Ｎ₂ガス：Ｃ₂Ｈ₂ガス＝９５：５～８５：１５であってもよい。次いで、基材に－８０Ｖ～－４０Ｖのバイアス電圧を印加してアーク電流１００Ａ～２００Ａのアーク放電により各層の金属成分に応じた金属蒸発源を蒸発させて、上部層を形成するとよい。

本実施形態の被覆切削工具におけ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から、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。なお、本実施形態の被覆切削工具における各層の平均厚さは、金属蒸発源に対向する面の刃先稜線部から、当該面の中心部に向かって５０μｍの位置の近傍における３箇所以上の断面から各層の厚さを測定して、その平均値（相加平均値）を計算することで求めることができる。

また、本実施形態の被覆切削工具における被覆層を構成する各層の組成は、本実施形態の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。

本実施形態の被覆切削工具は、少なくとも耐摩耗性及び耐欠損性に優れていることに起因して、従来よりも工具寿命を延長できるという効果を奏すると考えられる（ただし、工具寿命を延長できる要因は上記に限定されない）。本実施形態の被覆切削工具の種類として具体的には、フライス加工用又は旋削加工用刃先交換型切削インサート、ドリル、及びエンドミルなどを挙げることができる。

以下、実施例によって本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
基材として、ＣＮＭＧ１２０４０８－ＴＳＦ（株式会社タンガロイ製）のインサート（５４．０％Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）－２２．５％ＷＣ－６．８％ＮｂＣ－１．０％Ｍｏ₂Ｃ－０．７％ＺｒＣ－７．５％Ｃｏ－７．５％Ｎｉ（以上質量％）の組成を有する超硬合金）を用意した。アークイオンプレーティング装置の反応容器内に、表１に示す各層の組成になるようＴｉ蒸発源及び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、反応容器内をその圧力が５．０×１０^-3Ｐａ以下の真空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により、基材をその温度が４５０℃になるまで加熱した。加熱後、反応容器内にその圧力が２．７ＰａになるようにＡｒガスを導入した。

圧力２．７ＰａのＡｒガス雰囲気にて、基材に－４００Ｖのバイアス電圧を印加して、反応容器内のタングステンフィラメントに４０Ａの電流を流して、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分間施した。イオンボンバードメント処理終了後、反応容器内をその圧力が５．０×１０^-3Ｐａ以下の真空になるまで真空引きした。

発明品１～２１については、真空引き後、基材をその温度が表２に示す温度（成膜開始時の温度）になるように制御し、Ｃ₂Ｈ₂ガスとＮ₂ガスとの混合ガスを表２に示す体積比率で混合して反応容器内に導入し、反応容器内を表２に示す圧力に調整した。その後、基材に表２に示すバイアス電圧を印加して、表１に示す組成になるような第１層のＴｉ蒸発源と、表１に示す組成になるような第２層の金属蒸発源とを表１に示す最下層が最初に基材の表面に形成されるような順序で交互に、表２に示すアーク電流のアーク放電により蒸発させて、第１層と第２層とを交互に形成し、交互積層構造を形成した。このとき表２に示す反応容器内の圧力になるよう制御した。また、第１層の厚さ及び第２層の厚さ、並びに交互積層構造の厚さは、表１に示す厚さとなるように、それぞれのアーク放電時間を調整して制御した。

比較品１～１２については、真空引き後、基材をその温度が表２に示す温度（成膜開始時の温度）になるように制御し、反応容器内を表２に示す圧力に調整し、ガスを反応容器内に導入した。ここで、比較品１、３～１２については、Ｃ₂Ｈ₂ガスとＮ₂ガスとの混合ガスを表２に示す体積比率で混合して反応容器内に導入し、比較品２については、Ｎ₂ガスを反応容器内に導入した。その後、基材に表２に示すバイアス電圧を印加して、表１に示す組成になるような第１層のＴｉ蒸発源と、表１に示す組成になるような第２層の金属蒸発源とを表１に示す最下層が最初に基材の表面に形成されるような順序で交互に、表２に示すアーク電流のアーク放電により蒸発させて、第１層と第２層とを交互に形成し、交互積層構造を形成した。このとき表２に示す反応容器内の圧力になるよう制御した。また、第１層の厚さ及び第２層の厚さ、並びに交互積層構造の厚さは、表１に示す厚さとなるように、それぞれのアーク放電時間を調整して制御した。

基材の表面に表１に示す所定の平均厚さまで各層及び交互積層構造を形成した後に、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。

〔平均厚さ〕
得られた試料の各層の平均厚さは、被覆切削工具の金属蒸発源に対向する面の刃先稜線部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観察し、各層の厚さを測定し、その平均値（相加平均値）を計算することで求めた。それらの結果を、表１に併せて示す。

〔各層の組成〕
得られた試料の各層の組成は、被覆切削工具の金属蒸発源に対向する面の刃先稜線部から中心部に向かって５０μｍまでの位置の近傍の断面において、ＴＥＭに付属するＥＤＳを用いて測定した。測定結果を、表１に示す。なお、表１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。また、各層の組成の測定結果から、被覆層における金属元素全体の原子比の合計に対するＴｉ元素の原子比を算出した。結果を表３に示す。

〔平均粒径、組織形態及びアスペクト比〕
得られた試料について、以下のとおり、市販の透過型顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて、交互積層構造における結晶粒の平均粒径を測定した。まず、集束イオンビーム（ＦＩＢ）加工機を用いて、被覆層の交互積層構造における断面（被覆層の厚さを観察するときと同じ方向の断面：基材表面に対して垂直方向）を観察面とする薄膜の試料を作製した。作製した試料の観察面について走査透過電子像（ＳＴＥＭ像）の写真を撮影した。撮影した写真の基材側から表面側に向かって交互積層構造の厚さの８０％の位置において、基材の表面と平行な方向に直線を引き、この線上に存在する結晶粒の数を測定した。この直線の長さをこの線上に存在する結晶粒の数で除し、得られた値を交互積層構造における結晶粒の平均粒径とした。このとき、直線の長さを１０μｍ以上とした。
また、交互積層構造における粒子のアスペクト比は、以下のとおり求めた。まず、図３に示すとおり、平均粒径の測定に使用した結晶粒のうちの１つ結晶粒１０において、直線２０から表面側に向かって垂直方向の最大距離３０と、直線２０から基材側に向かって垂直方法の最大距離４０との合計を長軸の長さ５０とした。平均粒径の測定に使用した各結晶粒の長軸の長さを同様に求めて、これらの長軸の長さの平均値を平均粒径で除した値を交互積層構造における粒子のアスペクト比とした。
また、撮影した観察面の写真から、交互積層構造における組織形態を特定した。これらの測定結果を、表３に示す。

得られた試料を用いて、以下の切削試験１及び２を行い、評価した。

［切削試験１（耐摩耗性試験）］
被削材：Ｓ４５Ｃ
被削材形状：Ｓ４５Ｃの丸棒
切削速度：２５０ｍ/ｍｉｎ
１刃あたりの送り：１．０ｍｍ/ｒｅｖ
切り込み深さ：０．２ｍｍ
クーラント：使用
評価項目：試料の逃げ面摩耗幅が０．２ｍｍに至ったとき、又は試料が欠損（試料の切れ刃部に欠けが生じる）したときを工具寿命とし、工具寿命までの加工時間を測定した。工具寿命までの加工時間が長いほど耐摩耗性に優れると評価した。

［切削試験２（耐欠損性試験）］
被削材：Ｓ４５Ｃ
被削材形状：Ｓ４５Ｃの側面に１本の溝が入っている丸棒
切削速度：１５０ｍ/ｍｉｎ
１刃あたりの送り：１．０ｍｍ/ｒｅｖ
切り込み深さ：０．１ｍｍ
クーラント：使用
評価項目：試料が欠損に至ったときを工具寿命とし、工具寿命までの衝撃回数を測定した。なお、衝撃回数は、試料と被削材とが接触した回数とし、試料が欠損に至った時点で試験を終了した。工具寿命までの衝撃回数が多いほど耐欠損性に優れると評価した。

切削試験１（耐摩耗性試験）の工具寿命に至るまでの加工時間について、４０分以上を「Ａ」、３０分以上４０分未満を「Ｂ」、３０分未満を「Ｃ」として評価した。また、切削試験２（耐欠損性試験）の工具寿命に至るまでの衝撃回数について、３０００回以上を「Ａ」、２０００回以上３０００回未満を「Ｂ」、２０００回未満を「Ｃ」として評価した。この評価では、「Ａ」が最も優れており、次に「Ｂ」が優れており、「Ｃ」が最も劣っていることを意味し、Ａ又はＢを多く有するほど切削性能に優れることを意味する。得られた評価の結果を表４に示す。

表４に示す結果より、発明品の切削試験１（耐摩耗性試験）及び切削試験２（耐欠損性試験）の評価は、どちらも「Ｂ」以上の評価であった。一方、比較品の評価は、切削試験１（耐摩耗性試験）及び切削試験２（耐欠損性試験）の両方又はいずれかが、「Ｃ」であった。よって、発明品の耐摩耗性及び耐欠損性は、比較品と比べて、総じて、より優れていることが分かる。

以上の結果より、発明品は、耐摩耗性及び耐欠損性に優れる結果、工具寿命が長いことが分かった。

（実施例２）
基材として、ＣＮＭＧ１２０４０８－ＴＳＦ（株式会社タンガロイ製）のインサート（５４．０％Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）－２２．５％ＷＣ－６．８％ＮｂＣ－１．０％Ｍｏ₂Ｃ－０．７％ＺｒＣ－７．５％Ｃｏ－７．５％Ｎｉ（以上質量％）の組成を有する超硬合金）を用意した。アークイオンプレーティング装置の反応容器内に、表５に示す各層の組成になるようＴｉ蒸発源及び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。

発明品２１～２５については、真空引き後、基材をその温度が表６に示す温度（成膜開始時の温度）になるまで加熱し、Ｎ₂ガスを反応容器内に導入し、反応容器内を表６に示す圧力に調整した。その後、基材に表６に示すバイアス電圧を印加して、表６に示すアーク電流のアーク放電により表５に示す組成の金属蒸発源を蒸発させて、下部層を形成した。

次いで、発明品２１については、発明品１の交互積層構造の製造条件と同様にし、発明品２２については、発明品１６の交互積層構造の製造条件と同様にし、発明品２３については、発明品１７の交互積層構造の製造条件と同様にし、発明品２４については、発明品１８の交互積層構造の製造条件と同様にし、発明品２５については、発明品１９の交互積層構造の製造条件と同様にし、下部層の表面に第１層と第２層とを交互に形成し、交互積層構造を形成した。

次いで、発明品２１～２３については、真空引き後、基材をその温度が表７に示す温度（成膜開始時の温度）になるまで加熱し、Ｎ₂ガスを反応容器内に導入し、反応容器内を表７に示す圧力に調整した。その後、基材に表７に示すバイアス電圧を印加して、表７に示すアーク電流のアーク放電により表５に示す組成の金属蒸発源を蒸発させて、上部層を形成した。

基材の表面に表５に示す所定の平均厚さまで各層を形成した後に、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。

〔平均厚さ〕
得られた試料の各層の平均厚さは、被覆切削工具の金属蒸発源に対向する面の刃先稜線部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観察し、各層の厚さを測定し、その平均値（相加平均値）を計算することで求めた。それらの結果を、表５に併せて示す。

〔各層の組成〕
得られた試料の各層の組成は、被覆切削工具の金属蒸発源に対向する面の刃先稜線部から中心部に向かって５０μｍまでの位置の近傍の断面において、ＴＥＭに付属するＥＤＳを用いて測定した。測定結果を、表５に示す。なお、表１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。また、各層の組成の測定結果から、被覆層における金属元素全体の原子比の合計に対するＴｉ元素の原子比を算出した。結果を表８に示す。

〔平均粒径、組織形態及びアスペクト比〕
得られた試料について、以下のとおり、市販の透過型顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて、交互積層構造における結晶粒の平均粒径を測定した。まず、集束イオンビーム（ＦＩＢ）加工機を用いて、被覆層の交互積層構造における断面（被覆層の厚さを観察するときと同じ方向の断面：基材表面に対して垂直方向）を観察面とする薄膜の試料を作製した。作製した試料の観察面について走査透過電子像（ＳＴＥＭ像）の写真を撮影した。撮影した写真の基材側から表面側に向かって交互積層構造の厚さの８０％の位置において、基材の表面と平行な方向に直線を引き、この線上に存在する結晶粒の数を測定した。この直線の長さをこの線上に存在する結晶粒の数で除し、得られた値を交互積層構造における結晶粒の平均粒径とした。このとき、直線の長さを１０μｍ以上とした。
また、交互積層構造における粒子のアスペクト比は、以下のとおり求めた。まず、図３に示すとおり、平均粒径の測定に使用した結晶粒のうちの１つ結晶粒１０において、直線２０から表面側に向かって垂直方向の最大距離３０と、直線２０から基材側に向かって垂直方法の最大距離４０との合計を長軸の長さ５０とした。平均粒径の測定に使用した各結晶粒の長軸の長さを同様に求めて、これらの長軸の長さの平均値を平均粒径で除した値を交互積層構造における粒子のアスペクト比とした。
また、撮影した観察面の写真から、交互積層構造における組織形態を特定した。これらの測定結果を、表８示す。

得られた試料を用いて、実施例１と同じ切削試験１及び２を行い、評価した。

切削試験１（耐摩耗性試験）の工具寿命に至るまでの加工時間について、４０分以上を「Ａ」、３０分以上４０分未満を「Ｂ」、３０分未満を「Ｃ」として評価した。また、切削試験２（耐欠損性試験）の工具寿命に至るまでの衝撃回数について、３０００回以上を「Ａ」、２０００回以上３０００回未満を「Ｂ」、２０００回未満を「Ｃ」として評価した。この評価では、「Ａ」が最も優れており、次に「Ｂ」が優れており、「Ｃ」が最も劣っていることを意味し、Ａ又はＢを多く有するほど切削性能に優れることを意味する。得られた評価の結果を表９に示す。

表９に示す結果より、発明品の切削試験１（耐摩耗性試験）及び切削試験２（耐欠損性試験）の評価は、どちらも「Ｂ」以上の評価であった。したがって、発明品は、上部層及び／又は下部層を有したとしても、耐摩耗性及び耐欠損性に優れ、工具寿命が長くなっていることが分かる。

本発明の被覆切削工具は、耐摩耗性及び耐欠損性に優れることにより、従来よりも工具寿命を延長できるので、その点で産業上の利用可能性が高い。

１…基材、２…第２層、３…第１層、４…下部層、５…上部層、６…交互積層構造、７…被覆層、８…被覆切削工具、１０…平均粒径の測定に使用した結晶粒のうちの１つの結晶粒、２０…平均粒径の測定に使用した直線の一部、３０…結晶粒１０における直線２０から表面側に向かって垂直方向の最大距離、４０…結晶粒１０における直線２０から基材側に向かって垂直方向の最大距離、５０…長軸の長さ、６０…基材。

Claims

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、第１層と第２層とが交互にそれぞれ２層以上積層された交互積層構造を有し、
前記第１層は、下記式（１）：
Ｔｉ（Ｃ_aＮ_1-a）（１）
［式中、ａはＣ元素とＮ元素との合計に対するＣ元素の原子比を表し、０．１≦ａ≦０．４を満足する。］
で表される組成からなる化合物層であり、
前記第２層は、下記式（２）：
（Ｔｉ_xＡｌ_1-x）（Ｃ_yＮ_1-y）（２）
［式中、ｘはＴｉ元素とＡｌ元素との合計に対するＴｉ元素の原子比を表し、０．４≦ｘ≦０．８を満足し、ｙはＣ元素とＮ元素との合計に対するＣ元素の原子比を表し、０．１≦ｙ≦０．４を満足する。］
で表される組成からなる化合物層であり、
前記交互積層構造における前記第１層及び前記第２層のそれぞれの１層当たりの平均厚さが、３ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、
前記交互積層構造の平均厚さが、１．０μｍ以上８．０μｍ以下であり、
前記交互積層構造における結晶粒の平均粒径が、０．１μｍ以上１．０μｍ以下であり、
前記交互積層構造における組織形態が、柱状晶である、被覆切削工具。
前記被覆層における金属元素全体の原子比の合計に対するＴｉ元素の原子比が、０．７以上０．９以下である、請求項１に記載の被覆切削工具。
前記被覆層は、前記基材と前記交互積層構造との間に、下部層を有し、
前記下部層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる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（ただし、前記式（１）で表される組成からなる化合物及び前記式（２）で表される組成からなる化合物を除く。）の単層又は積層であり、
前記下部層の平均厚さが、０．２μｍ以上３．０μｍ以下である、請求項１又は２に記載の被覆切削工具。
前記被覆層は、前記交互積層構造における前記基材と反対側の表面に、上部層を有し、
前記上部層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる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（ただし、前記式（１）で表される組成からなる化合物及び前記式（２）で表される組成からなる化合物を除く。）の単層又は積層であり、
前記上部層の平均厚さが、０．２μｍ以上３．０μｍ以下である、請求項１～３のいずれか一項に記載の被覆切削工具。
前記被覆層全体の平均厚さが、１．０μｍ以上１０．０μｍ以下である、請求項１～４のいずれか一項に記載の被覆切削工具。