JP7319600B2 - 被覆切削工具 - Google Patents
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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、ＴｉＣｒＮ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基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメットからなる工具基体の表面に総層厚０．５～１０μｍの硬質被覆層を蒸着形成してなる表面被覆切削工具において、硬質被覆層は、Ａ層とＢ層の交互積層構造からなり、Ａ層は、組成式：（ＡｌaＴｉ1-a）Ｎ（ただし、ａは原子比）で表した場合に、０．５０≦ａ＜０．７５を満足し、Ｂ層は、組成式：（ＡｌbＴｉ1-b）Ｎ（ただし、ｂは原子比）で表した場合に、０．７５≦ｂ≦０．９５を満足し、Ａ層の一層当たりの層厚をｘ（ｎｍ）、Ｂ層の一層当たりの層厚をｙ（ｎｍ）としたとき、５ｙ≧ｘ≧３ｙ、かつ、２５０（ｎｍ）≧ｘ＋ｙ≧１００（ｎｍ）を満足す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。
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、Ａｌの原子比が７５％以上であるＴｉＡｌＮ層と、Ａｌの原子比が７５％未満であるＴｉＡｌＮ層との交互積層構造として形成し、更に、上記の２つの層の層厚を、それぞれ適正範囲にコントロールすることにより、耐摩耗性を改善することを提案しているが、被覆層において、Ａｌの含有量が低いＴｉＡｌＮ層の割合が高いため、硬度の高いＡｌの含有量が高い層の効果が十分に発揮されない傾向にあり、改善の余地がある。
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、前記基材の上に形成された被覆層と、を含む被覆切削工具であって、
前記被覆層は、第１層と第２層との交互積層構造を有し、
前記第１層は、下記式（１）で表される組成を有する化合物を含有し、
（ＡｌaＴｉ1-a）Ｎ （１）
（式（１）中、ａはＡｌ元素とＴｉ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比であり、
０．８０≦ａ≦０．９５を満たす。）
前記第２層は、下記式（２）で表される組成を有する化合物を含有し、
（ＡｌbＭcＴｉ1-b- ）Ｎ （２）
（式（２）中、ＭはＳｉ又はＢの少なくとも１種を表し、
ｂはＡｌ元素と、Ｍ元素と、Ｔｉ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比であり、
０．８０≦ｂ≦０．９５を満たし、
ｃはＡｌ元素と、Ｍ元素と、Ｔｉ元素との合計に対するＭ元素の原子比であり、
０＜ｃ≦０．２０を満たす。）
前記ａ及び前記ｂは、｜ａ－ｂ｜≦０．０５を満たし、
前記交互積層構造の平均厚さが、１．０μｍ以上１０．０μｍ以下である、被覆切削工具。
［２］
前記第１層の１層当たりの平均厚さが、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、
前記第２層の１層当たりの平均厚さが、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下である、［１］に記載の被覆切削工具。
［３］
前記交互積層構造の化合物全体における組成は、下記式（３）で表される、［１］又は［２］に記載の被覆切削工具。
（ＡｌdＭeＴｉ1-d- ）Ｎ （３）
（式（３）中、ＭはＳｉ又はＢの少なくとも１種を表し、
ｄはＡｌ元素と、Ｍ元素と、Ｔｉ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比であり、０．８０≦ｄ≦０．９５を満たし、
ｅはＡｌ元素と、Ｍ元素と、Ｔｉ元素との合計に対するＭ元素の原子比であり、０＜ｅ＜０．２０を満たす。）
［４］
前記式（３）において、０＜ｅ≦０．１０を満たす、［３］に記載の被覆切削工具。
［５］
前記交互積層構造の残留応力が、－１０．０ＧＰａ以上－２．０ＧＰａ以下である、［１］～［４］のいずれか１つに記載の被覆切削工具。
［６］
前記交互積層構造のＸ線回折において、立方晶（１１１）面及び立方晶（２００）面の回折ピーク強度の合計をＩcubとし、六方晶（１１０）面の回折ピーク強度をＩhexとしたとき、Ｉhex／Ｉcubが、０以上０．３０以下である、［１］～［５］のいずれか１つに記載の被覆切削工具。
［７］
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。）の単層又は多層であり、
前記下部層の平均厚さが、０．１μｍ以上２．０μｍ以下である、［１］～［６］のいずれか１つに記載の被覆切削工具。
［８］
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。）の単層又は多層であり、
前記上部層の平均厚さが、０．１μｍ以上２．０μｍ以下である、［１］～［７］のいずれか１つに記載の被覆切削工具。
［９］
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］～［８］のいずれか１つに記載の被覆切削工具。
［１］
基材と、前記基材の上に形成された被覆層と、を含む被覆切削工具であって、
前記被覆層は、第１層と第２層との交互積層構造を有し、
前記第１層は、下記式（１）で表される組成を有する化合物を含有し、
（ＡｌaＴｉ1-a）Ｎ （１）
（式（１）中、ａはＡｌ元素とＴｉ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比であり、
０．８０≦ａ≦０．９５を満たす。）
前記第２層は、下記式（２）で表される組成を有する化合物を含有し、
（ＡｌbＭcＴｉ1-b- ）Ｎ （２）
（式（２）中、ＭはＳｉ又はＢの少なくとも１種を表し、
ｂはＡｌ元素と、Ｍ元素と、Ｔｉ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比であり、
０．８０≦ｂ≦０．９５を満たし、
ｃはＡｌ元素と、Ｍ元素と、Ｔｉ元素との合計に対するＭ元素の原子比であり、
０＜ｃ≦０．２０を満たす。）
前記ａ及び前記ｂは、｜ａ－ｂ｜≦０．０５を満たし、
前記交互積層構造の平均厚さが、１．０μｍ以上１０．０μｍ以下である、被覆切削工具。
［２］
前記第１層の１層当たりの平均厚さが、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、
前記第２層の１層当たりの平均厚さが、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下である、［１］に記載の被覆切削工具。
［３］
前記交互積層構造の化合物全体における組成は、下記式（３）で表される、［１］又は［２］に記載の被覆切削工具。
（ＡｌdＭeＴｉ1-d- ）Ｎ （３）
（式（３）中、ＭはＳｉ又はＢの少なくとも１種を表し、
ｄはＡｌ元素と、Ｍ元素と、Ｔｉ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比であり、０．８０≦ｄ≦０．９５を満たし、
ｅはＡｌ元素と、Ｍ元素と、Ｔｉ元素との合計に対するＭ元素の原子比であり、０＜ｅ＜０．２０を満たす。）
［４］
前記式（３）において、０＜ｅ≦０．１０を満たす、［３］に記載の被覆切削工具。
［５］
前記交互積層構造の残留応力が、－１０．０ＧＰａ以上－２．０ＧＰａ以下である、［１］～［４］のいずれか１つに記載の被覆切削工具。
［６］
前記交互積層構造のＸ線回折において、立方晶（１１１）面及び立方晶（２００）面の回折ピーク強度の合計をＩcubとし、六方晶（１１０）面の回折ピーク強度をＩhexとしたとき、Ｉhex／Ｉcubが、０以上０．３０以下である、［１］～［５］のいずれか１つに記載の被覆切削工具。
［７］
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。）の単層又は多層であり、
前記下部層の平均厚さが、０．１μｍ以上２．０μｍ以下である、［１］～［６］のいずれか１つに記載の被覆切削工具。
［８］
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。）の単層又は多層であり、
前記上部層の平均厚さが、０．１μｍ以上２．０μｍ以下である、［１］～［７］のいずれか１つに記載の被覆切削工具。
［９］
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］～［８］のいずれか１つ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。
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、基材の上に形成された被覆層と、を含む被覆切削工具であって、
被覆層は、第１層と第２層との交互積層構造を有し、
第１層は、下記式（１）で表される組成を有する化合物を含有し、
（ＡｌaＴｉ1-a）Ｎ （１）
（式（１）中、ａはＡｌ元素とＴｉ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比であり、
０．８０≦ａ≦０．９５を満たす。）
第２層は、下記式（２）で表される組成を有する化合物を含有し、
（ＡｌbＭcＴｉ1-b- ）Ｎ （２）
（式（２）中、ＭはＳｉ又はＢの少なくとも１種を表し、
ｂはＡｌ元素と、Ｍ元素と、Ｔｉ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比であり、
０．８０≦ｂ≦０．９５を満たし、
ｃはＡｌ元素と、Ｍ元素と、Ｔｉ元素との合計に対するＭ元素の原子比であり、
０＜ｃ≦０．２０を満たす。）
ａ及びｂは、｜ａ－ｂ｜≦０．０５を満たし、
交互積層構造の平均厚さが、１．０μｍ以上１０．０μｍ以下である。
被覆層は、第１層と第２層との交互積層構造を有し、
第１層は、下記式（１）で表される組成を有する化合物を含有し、
（ＡｌaＴｉ1-a）Ｎ （１）
（式（１）中、ａはＡｌ元素とＴｉ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比であり、
０．８０≦ａ≦０．９５を満たす。）
第２層は、下記式（２）で表される組成を有する化合物を含有し、
（ＡｌbＭcＴｉ1-b- ）Ｎ （２）
（式（２）中、ＭはＳｉ又はＢの少なくとも１種を表し、
ｂはＡｌ元素と、Ｍ元素と、Ｔｉ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比であり、
０．８０≦ｂ≦０．９５を満たし、
ｃはＡｌ元素と、Ｍ元素と、Ｔｉ元素との合計に対するＭ元素の原子比であり、
０＜ｃ≦０．２０を満たす。）
ａ及びｂは、｜ａ－ｂ｜≦０．０５を満たし、
交互積層構造の平均厚さが、１．０μｍ以上１０．０μｍ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、下記のように推定される。ただし、要因は下記に限定されない。
交互積層構造を形成する第１層において、式（１）で表される組成である（ＡｌaＴｉ1-a）Ｎ中のａが０．８０以上であると硬度が高くなり、かつ耐酸化性が向上し、被覆切削工具が耐摩耗性に優れる。一方、ａが０．９５以下であると、六方晶の形成を抑制することにより硬度の低下を抑制できる。
次いで、交互積層構造のうち第２層において、式（２）で表される組成である（ＡｌbＭcＴｉ1-b- ）Ｎ中のｂが０．８０以上であると、硬度が高くなり、かつ耐酸化性が向上し、被覆切削工具が耐摩耗性に優れる。一方、ｂが０．９５以下であると、六方晶の形成を抑制することにより硬度の低下を抑制できる。また、式（２）において、ｃが０超であると、Ｓｉ又はＢの少なくとも１種を含有することにより、微粒化組織を形成しやすくなり、高い硬度を示し、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する。一方、ｃが０．２０以下であると、Ｓｉ又はＢの含有量が多い場合に生じ得る被覆層の剥離を抑制することができ、被覆切削工具の耐摩耗性及び耐欠損性が向上する。
また、被覆層は、このような第１層と第２層との交互積層構造を有することにより、加工中に発生した亀裂が基材に向かって進展するのを抑制できるため、被覆切削工具の耐欠損性が向上する。
更に、式（１）及び（２）におけるａ及びｂについて、その差の絶対値（｜ａ－ｂ｜）が０．０５以下であることにより交互積層構造の全体にわたりＡｌを多く含有するため、被覆切削工具の耐酸化性及び耐摩耗性が向上するとともに、第１層と第２層との間における密着性も向上する。また、交互積層構造全体の平均厚さが、１．０μｍ以上であると、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する。交互積層構造全体の平均厚さが、１０．０μｍ以下であると、被覆層の剥離を抑制することができ、被覆切削工具の耐欠損性が向上する。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。
交互積層構造を形成する第１層において、式（１）で表される組成である（ＡｌaＴｉ1-a）Ｎ中のａが０．８０以上であると硬度が高くなり、かつ耐酸化性が向上し、被覆切削工具が耐摩耗性に優れる。一方、ａが０．９５以下であると、六方晶の形成を抑制することにより硬度の低下を抑制できる。
次いで、交互積層構造のうち第２層において、式（２）で表される組成である（ＡｌbＭcＴｉ1-b- ）Ｎ中のｂが０．８０以上であると、硬度が高くなり、かつ耐酸化性が向上し、被覆切削工具が耐摩耗性に優れる。一方、ｂが０．９５以下であると、六方晶の形成を抑制することにより硬度の低下を抑制できる。また、式（２）において、ｃが０超であると、Ｓｉ又はＢの少なくとも１種を含有することにより、微粒化組織を形成しやすくなり、高い硬度を示し、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する。一方、ｃが０．２０以下であると、Ｓｉ又はＢの含有量が多い場合に生じ得る被覆層の剥離を抑制することができ、被覆切削工具の耐摩耗性及び耐欠損性が向上する。
また、被覆層は、このような第１層と第２層との交互積層構造を有することにより、加工中に発生した亀裂が基材に向かって進展するのを抑制できるため、被覆切削工具の耐欠損性が向上する。
更に、式（１）及び（２）におけるａ及びｂについて、その差の絶対値（｜ａ－ｂ｜）が０．０５以下であることにより交互積層構造の全体にわたりＡｌを多く含有するため、被覆切削工具の耐酸化性及び耐摩耗性が向上するとともに、第１層と第２層との間における密着性も向上する。また、交互積層構造全体の平均厚さが、１．０μｍ以上であると、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する。交互積層構造全体の平均厚さが、１０．０μｍ以下であると、被覆層の剥離を抑制することができ、被覆切削工具の耐欠損性が向上する。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、被覆切削工具の耐摩耗性及び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、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する。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。同様の観点から、被覆層全体の平均厚さは１．６μｍ以上８．０μｍ以下であるとより好ましく、２．４μｍ以上６．０μｍ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）で表される組成を有する化合物を含有する化合物層である。また、下記式（１）中、ａはＡｌ元素とＴｉ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比であり、０．８０≦ａ≦０．９５を満たす。
（ＡｌaＴｉ1-a）Ｎ （１）
本実施形態の被覆切削工具において、第１層は、下記式（１）で表される組成を有する化合物を含有する化合物層である。また、下記式（１）中、ａはＡｌ元素とＴｉ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比であり、０．８０≦ａ≦０．９５を満たす。
（ＡｌaＴｉ1-a）Ｎ （１）
交互積層構造を形成する第１層において、（ＡｌaＴｉ1-a）Ｎ中のａが０．８０以上であると、硬度が高くなり、かつ耐酸化性が向上し、被覆切削工具が耐摩耗性に優れる。一方、ａが０．９５以下であると、六方晶の形成を抑制することにより硬度の低下を抑制できる。同様の観点から、（ＡｌaＴｉ1-a）Ｎ中のａは、０．８０以上０．９３以下であることが好ましく、０．８０以上０．９０以下であることがより好ましい。
また、本実施形態において、各化合物層の組成を、例えば、（Ａｌ0.80Ｔｉ0.20）Ｎと表記する場合、Ａｌ元素とＴｉ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比が０．８０、Ａｌ元素とＴｉ元素との合計に対するＴｉ元素の原子比が０．２０であることを意味する。すなわち、Ａｌ元素とＴｉ元素との合計に対するＡｌ元素の量が８０％、Ａｌ元素とＴｉ元素との合計に対するＴｉ元素の量が２０％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において、第２層は、下記式（２）で表される組成を有する化合物を含有する化合物層である。また、下記式（２）中、ＭはＳｉ又はＢの少なくとも１種を表し、ｂはＡｌ元素と、Ｍ元素と、Ｔｉ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比であり、０．８０≦ｂ≦０．９５を満たし、ｃはＡｌ元素と、Ｍ元素と、Ｔｉ元素との合計に対するＭ元素の原子比であり、０＜ｃ≦０．２０を満たす。
（ＡｌbＭcＴｉ1-b- ）Ｎ （２）
本実施形態の被覆切削工具において、第２層は、下記式（２）で表される組成を有する化合物を含有する化合物層である。また、下記式（２）中、ＭはＳｉ又はＢの少なくとも１種を表し、ｂはＡｌ元素と、Ｍ元素と、Ｔｉ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比であり、０．８０≦ｂ≦０．９５を満たし、ｃはＡｌ元素と、Ｍ元素と、Ｔｉ元素との合計に対するＭ元素の原子比であり、０＜ｃ≦０．２０を満たす。
（ＡｌbＭcＴｉ1-b- ）Ｎ （２）
交互積層構造を形成する第２層において、（ＡｌbＭcＴｉ1-b-
）Ｎ中のｂが０．８０以上であると、硬度が高くなり、かつ耐酸化性が向上し、被覆切削工具は耐摩耗性に優れる。一方、ｂが０．９５以下であると、六方晶の形成を抑制することにより硬度の低下を抑制できる。同様の観点から、（ＡｌbＭcＴｉ1-b-
）Ｎ中のｂは、０．８０以上０．９３以下であることが好ましく、０．８０以上０．９０以下であることがより好ましい。
また、（ＡｌbＭcＴｉ1-b- ）Ｎ中、ｃが０超であると、Ｓｉ又はＢの少なくとも１種を含有することにより、微粒化組織を形成しやすくなり、高い硬度を示し、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する。一方、ｃが０．２０以下であると、Ｓｉ又はＢの含有量が多い場合に生じ得る被覆層の剥離を抑制することができ、被覆切削工具の耐摩耗性及び耐欠損性が向上する。同様の観点から、（ＡｌbＭcＴｉ1-b- ）Ｎ中のｃは、０．０２以上０．１２以下であることが好ましく、０．０２以上０．０９以下であることがより好ましい。
また、（ＡｌbＭcＴｉ1-b- ）Ｎ中、ｃが０超であると、Ｓｉ又はＢの少なくとも１種を含有することにより、微粒化組織を形成しやすくなり、高い硬度を示し、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する。一方、ｃが０．２０以下であると、Ｓｉ又はＢの含有量が多い場合に生じ得る被覆層の剥離を抑制することができ、被覆切削工具の耐摩耗性及び耐欠損性が向上する。同様の観点から、（ＡｌbＭcＴｉ1-b- ）Ｎ中のｃは、０．０２以上０．１２以下であることが好ましく、０．０２以上０．０９以下であることがより好ましい。
式（２）において、Ｍ元素はＳｉ又はＢの少なくとも１種である。「Ｓｉ又はＢの少なくとも１種」とは、Ｓｉ又はＢのいずれか１種を含有する場合と、Ｓｉ及びＢを両方含有する場合とを含む。Ｂを含む場合、Ｓｉを含む場合に比べて交互積層構造の残留応力が高く、第１層及び第２層の密着性が一層向上する傾向にある。このような観点から、Ｍ元素としては、ＳｉよりＢを多く含むことが好ましく、Ｂ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において、後述する下部層を形成しない場合、第 １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１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。
［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層とが交互に積層された交互積層構造を有すると、加工中に発生した亀裂が基材に向かって進展するのを抑制できるため、耐欠損性が向上する。また、交互積層構造において、第１層の組成が式（１）を満たす（ＡｌaＴｉ1-a）Ｎであり、第２層の組成が式（２）を満たす（ＡｌbＭcＴｉ1-b- ）Ｎであることで、交互積層構造全体にＡｌを多く含有しているため、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。
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層とが交互に積層された交互積層構造を有すると、加工中に発生した亀裂が基材に向かって進展するのを抑制できるため、耐欠損性が向上する。また、交互積層構造において、第１層の組成が式（１）を満たす（ＡｌaＴｉ1-a）Ｎであり、第２層の組成が式（２）を満たす（ＡｌbＭcＴｉ1-b- ）Ｎであることで、交互積層構造全体にＡｌを多く含有しているため、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。
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回以上であることが好ましく、５回以上１０００回以下であることがより好ましく、２４回以上４００回以下であることが更に好ましい。
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。
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。
本実施形態の被覆切削工具において、交互積層構造の平均組成が、下記式（３）で表されるものであると好ましい。
（ＡｌdＭeＴｉ1-d- ）Ｎ （３）
ここで、ＭはＳｉ又はＢの少なくとも１種を表し、ｄはＡｌ元素と、Ｍ元素と、Ｔｉ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比であり、０．８０≦ｄ≦０．９５を満たし、ｅはＡｌ元素と、Ｍ元素と、Ｔｉ元素との合計に対するＭ元素の原子比であり、０＜ｅ＜０．２０を満たす。ｄが０．８０以上であると、硬度が高くなり、かつ耐酸化性が向上し、被覆切削工具は耐摩耗性に優れる傾向にある。一方、ｄが０．９５以下であると、六方晶の形成を抑制することにより硬度の低下を抑制できる傾向にある。同様の観点から、ｄは、０．８０以上０．９１以下であることがより好ましく、０．８０以上０．８８以下であることが更に好ましい。
また、ｅが０超であると、Ｓｉ又はＢの少なくとも１種を含有することにより、微粒化組織を形成しやすくなり、高い硬度を示し、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する傾向にある。一方、ｅが０．２０未満であると、Ｓｉ又はＢの含有量が多い場合に生じ得る被覆層の剥離を抑制することができ、被覆切削工具の耐摩耗性及び耐欠損性が向上する傾向にある。
（ＡｌdＭeＴｉ1-d- ）Ｎ （３）
ここで、ＭはＳｉ又はＢの少なくとも１種を表し、ｄはＡｌ元素と、Ｍ元素と、Ｔｉ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比であり、０．８０≦ｄ≦０．９５を満たし、ｅはＡｌ元素と、Ｍ元素と、Ｔｉ元素との合計に対するＭ元素の原子比であり、０＜ｅ＜０．２０を満たす。ｄが０．８０以上であると、硬度が高くなり、かつ耐酸化性が向上し、被覆切削工具は耐摩耗性に優れる傾向にある。一方、ｄが０．９５以下であると、六方晶の形成を抑制することにより硬度の低下を抑制できる傾向にある。同様の観点から、ｄは、０．８０以上０．９１以下であることがより好ましく、０．８０以上０．８８以下であることが更に好ましい。
また、ｅが０超であると、Ｓｉ又はＢの少なくとも１種を含有することにより、微粒化組織を形成しやすくなり、高い硬度を示し、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する傾向にある。一方、ｅが０．２０未満であると、Ｓｉ又はＢの含有量が多い場合に生じ得る被覆層の剥離を抑制することができ、被覆切削工具の耐摩耗性及び耐欠損性が向上する傾向にある。
上記式（３）において、Ａｌ元素と、Ｍ元素と、Ｔｉ元素との合計に対するＭ元素の原子比であるｅは、０＜ｅ≦０．１０であるとより好ましい。ｅが０超であると、Ｓｉ又はＢを含有することにより、微粒化組織を形成しやすいため、硬度が高くなり、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する傾向にある。一方、ｅが０．１０以下であると、Ｓｉ又はＢの含有量の過剰による被覆層の剥離が一層抑制でき、被覆切削工具の耐摩耗性及び耐欠損性が一層向上する傾向にある。同様の観点から、上記式（３）におけるｅは０．０１以上０．１０以下であると更に好ましく、０．０２以上０．０６以下であると特に好ましい。
本実施形態の被覆切削工具において、第１層及び第２層のそれぞれの１層当たりの平均厚さは、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。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５ｎｍ以上であると、交互積層構造とした場合、加工中において発生する亀裂が基材に向かって進展する現象を抑制でき、被覆切削工具の耐欠損性が一層向上する傾向にある。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５０ｎｍ以下であると、第１層と第２層との密着性が向上し、被覆層の剥離に起因する工具の欠損が抑制される傾向にある。同様の観点から、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は１５ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることがより好ましく、２０ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが更に好ましい。
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。
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。
本実施形態の被覆切削工具において、交互積層構造の平均厚さは、特に限定されず、例えば、被覆層全体の平均厚さと同様に１．０μｍ以上１０．０μｍ以下であってもよい。交互積層構造の平均厚さは、１．６μｍ以上８．０μｍ以下であることがより好ましく、２．４μｍ以上６．０μｍ以下であることが更に好ましい。交互積層構造の平均厚さが、１．０μｍ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、交互積層構造の平均厚さが、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。
また、本実施形態の被覆切削工具は、交互積層構造の残留応力が、－１０．０ＧＰａ以上－２．０ＧＰａ以下であることが好ましい。交互積層構造の残留応力が－１０．０ＧＰａ以上であると、被覆層が剥離することを抑制し、被覆切削工具の耐摩耗性及び耐欠損性が向上する傾向にある。一方、交互積層構造の残留応力が－２．０ＧＰａ以下であると、圧縮応力を有する効果により、亀裂が基材に向かって進展することを抑制することができるので、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、交互積層構造の残留応力は、－９．０ＧＰａ以上－３．０ＧＰａ以下であるとより好ましく、－８．０ＧＰａ以上－４．０ＧＰａ以下であると更に好ましい。
上記残留応力とは、交互積層構造中に残留する内部応力（固有ひずみ）であって、一般に「－」（マイナス）の数値で表される応力を圧縮応力といい、「＋」（プラス）の数値で表される応力を引張応力という。本実施形態においては、残留応力の大小を表現する場合、「＋」（プラス）の数値が大きくなる程、残留応力が大きいと表現し、また「－」（マイナス）の数値が大きくなる程、残留応力が小さいと表現するものとする。
なお、上記残留応力は、Ｘ線回折装置を用いたｓｉｎ2ψ法により測定することができる。そして、このような残留応力は、切削に関与する部位に含まれる任意の点３点（これらの各点は、当該部位の応力を代表できるように、互いに０．５ｍｍ以上の距離を離して選択することが好ましい。）の応力を上記ｓｉｎ2ψ法により測定し、その平均値を求めること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、交互積層構造のＸ線回折において、立方晶（１１１）面及び立方晶（２００）面の回折ピーク強度の合計をＩcubとし、六方晶（１１０）面の回折ピーク強度をＩhexとしたとき、Ｉhex／Ｉcubが、０以上０．３０以下であることが好ましい。Ｉhex／Ｉcubが、０．３０以下であると、六方晶の形成が抑制されるため、硬度が高くなり、被覆切削工具の耐摩耗性が一層向上する傾向にある。同様の観点から、交互積層構造において、Ｉhex／Ｉcubは、低いほど好ましい傾向にあり、０以上０．２６以下であることがより好ましく、０以上０．２０以下であることが更に好ましい。
本実施形態の被覆層における各面指数のピーク強度については、市販のＸ線回折装置を用いることにより、求めることができる。例えば、株式会社リガク製のＸ線回折装置ＲＩＮＴ ＴＴＲIII（製品名）を用いて、Ｃｕ－Ｋα線を用いた２θ／θ集中法光学系のＸ線回折を、下記条件で測定すると、上記の各面指数のピーク強度を測定することができる。ここで測定条件は、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：２５°～７０°である。Ｘ線回折図形から上記の各面指数のピーク強度を求めるときに、Ｘ線回折装置に付属の解析ソフトウェアを用いてもよい。解析ソフトウェアでは、三次式近似を用いてバックグラウンド処理及びＫα２ピーク除去を行い、Ｐｅａｒｓｏｎ－VII関数を用いてプロファイルフィッティングを行い、各ピーク強度を求めることができる。なお、具体的には、後述の実施例に記載の方法により測定及び算出することができる。
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５は、基材１と、その基材１の表面上に形成された被覆層４とを備える。被覆層４は、基材１側から順に、第１層２と第２層３とを交互に繰り返し形成した交互積層構造を有する。なお、図１に示す交互積層構造において、第１層２と、第２層３とが交互に６回繰り返し形成されている。
［下部層］
本実施形態に用いる被覆層は、第１層及び第２層の交互積層構造だけで構成されていてもよいが、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。下部層を有することにより、基材と被覆層との密着性が一層向上する傾向にある。同様の観点から、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、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。）の単層又は多層であると好ましく、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。）の単層又は多層であるとより好ましく、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とからなる化合物の単層又は多層であるとさらに好ましく、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とからなる化合物の単層又は多層であると特に好ましい。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。
本実施形態に用いる被覆層は、第１層及び第２層の交互積層構造だけで構成されていてもよいが、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。下部層を有することにより、基材と被覆層との密着性が一層向上する傾向にある。同様の観点から、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、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。）の単層又は多層であると好ましく、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。）の単層又は多層であるとより好ましく、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とからなる化合物の単層又は多層であるとさらに好ましく、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とからなる化合物の単層又は多層であると特に好ましい。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。
本実施形態において、下部層の平均厚さが０．１μｍ以上２．０μｍ以下であると、基材と被覆層との密着性が更に向上する傾向を示すため、好ましい。同様の観点から、下部層の平均厚さは、０．１μｍ以上１．０μｍ以下であるとより好ましく、０．２μｍ以上０．５μｍ以下であると更に好ましい。
［上部層］
本実施形態に用いる被覆層は、第１層及び第２層の交互積層構造だけで構成されていてもよいが、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。）の単層又は多層であることが好ましい。上部層が上記のような化合物の単層又は多層であると、耐摩耗性に一層優れる傾向にある。また、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、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、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＳｉＮが挙げられる。また、上部層は単層であってもよく２層以上の多層であってもよい。
本実施形態に用いる被覆層は、第１層及び第２層の交互積層構造だけで構成されていてもよいが、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。）の単層又は多層であることが好ましい。上部層が上記のような化合物の単層又は多層であると、耐摩耗性に一層優れる傾向にある。また、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、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、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、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、０．１μｍ以上２．０μｍ以下であるとこのましい。上部層の平均厚さが０．１μｍ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。また、上部層の平均厚さが２．０μｍ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、０．２μｍ以上１．５μｍ以下であるとより好ましく、０．５μｍ以上１．０μｍ以下であると更に好ましい。
［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。
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。
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２００℃～２５０℃になるまで制御する。制御後、反応容器内にガスを導入して、反応容器内の圧力を３．０Ｐａ～７．０Ｐａ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～１５０Ａ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２００℃～３００℃になるように制御し、Ｎ2ガスを反応容器内に導入し、反応容器内の圧力を８．０Ｐａ～１２．０Ｐａにする。その後、基材に－４００Ｖ～－２００Ｖのバイアス電圧を印加し、Ａｌ及びＴｉの蒸発源を８０Ａ～１２０Ａ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２００℃～３００℃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、Ｎ2ガスを反応容器内に導入し、反応容器内の圧力を８．０Ｐａ～１２．０Ｐａにする。次いで、基材に－４００Ｖ～－２００Ｖのバイアス電圧を印加し、アーク電流８０Ａ～１２０Ａ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、Ａｌ及びＴｉの蒸発源と、第２層の金属成分に応じた金属蒸発源と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。Ａｌ及びＴｉの蒸発源と、第２層の金属成分に応じた金属蒸発源と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。
本実施形態に用いる交互積層構造における化合物全体の組成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、各層における金属元素の比率を調整するとよい。
本実施形態に用いる被覆層におけるＸ線回折強度比Ｉhex／Ｉcub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、基材の温度を調整したり、バイアス電圧を調整したり、各金属元素の原子比を調整するとよい。より具体的には、構造積層構造を形成する過程において、基材の温度を低くしたり、負のバイアス電圧を大きく（ゼロから離れる方向）すると、Ｉhex／Ｉcubが小さくなる傾向がある。また、交互積層構造を形成する過程において、Ａｌ元素の原子比を少なくし、Ｔｉ元素の原子比を多くすると、Ｉhex／Ｉcub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交互積層構造の残留応力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、基材の温度を調整したり、バイアス電圧を調整したり、反応容器内の圧力を調整したり、各金属元素の原子比を調整するとよい。より具体的には、交互積層構造を形成する過程において、基材の温度を高くしたり、負のバイアス電圧を小さく（ゼロに近い側）したり、反応容器内の圧力を大きく（例えば、８．０Ｐａ以上）したり、Ｍ元素（Ｓｉ又はＢの少なくとも１種）の原子比を小さくすると、被覆層における残留応力が大きくなる傾向がある。
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２００℃～２５０℃になるまで制御する。制御後、反応容器内にガスを導入して、反応容器内の圧力を３．０Ｐａ～７．０Ｐａ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～１５０Ａ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－ＳＭのインサート形状（株式会社タンガロイ製）に加工した、９４．７％ＷＣ－５．０％Ｃｏ－０．３％Ｃｒ3Ｃ2（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及び２に示す化合物層の組成になるよう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。
基材として、ＣＮＭＧ１２０４０８－ＳＭのインサート形状（株式会社タンガロイ製）に加工した、９４．７％ＷＣ－５．０％Ｃｏ－０．３％Ｃｒ3Ｃ2（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及び２に示す化合物層の組成になるよう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１～２５及び比較品１～１８について、真空引き後、基材をその温度が表３及び４に示す温度（成膜開始時の温度）になるように制御し、窒素ガス（Ｎ2）を反応容器内に導入し、反応容器内を表３及び４に示す圧力に調整した。その後、基材に表３及び４に示すバイアス電圧を印加して、表１及び２に示す組成の第１層と第２層との金属蒸発源をこの順で交互に、表３及び４に示すアーク電流のアーク放電により蒸発させて、基材の表面に第１層と第２層とをこの順で交互に形成した。このとき表３及び４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層の厚さは、表１及び２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及び２に示す所定の平均厚さまで化合物層を形成した後に、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。
得られた試料の化合物層の平均厚さは、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、化合物層の厚さを測定し、その平均値（相加平均値）を計算することで求めた。第１層の１層当たりの平均厚さは、各々の第１層の厚さを合計した総厚さを第１層の数（繰り返し数）で除した値として算出した。第２層の１層当たりの平均厚さも同様に、各々の第２層の厚さを合計した総厚さを第２層の数（繰り返し数）で除した値として算出した。その結果を、表１及び２に示す。
得られた試料の各化合物層の組成は、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。なお、組成差｜ａ－ｂ｜は、当該測定方法から得られるａとｂとの差の絶対値を求めて算出した。その結果も、表１及び２に併せて示す。また、交互積層構造の化合物全体における式（３）で表される組成（ＡｌdＭeＴｉ1-d-
）Ｎにおけるｄ及びｅの値は、ＴＥＭに付属するＥＤＳを用いて測定した。具体的には、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、交互積層構造を面分析した。このとき、測定範囲は「交互積層構造の平均厚さの８０％の長さ」×「１μｍ（基材表面と略平行な方向の長さ）以上」とした。面部分析の結果から交互積層構造の平均組成（ＡｌdＭeＴｉ1-d-
）Ｎの原子比をそれぞれ求めた。それらの結果を、表５及び表６に示す。
得られた試料の交互積層構造における比Ｉhex／Ｉcubについては、株式会社リガク製のＸ線回折装置である型式：ＲＩＮＴ ＴＴＲＩＩＩを用いて測定した。具体的には、Ｃｕ－Ｋα線による２θ／θ集中法光学系のＸ線回折測定を、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°／分、２θ測定範囲：２０～７０°という条件にて、交互積層構造の立方晶（２００）面のピーク強度及び交互積層構造の立方晶（１１１）面のピーク強度を測定し、その和Ｉcubを計算、並びに交互積層構造の六方晶（１１０）面のピーク強度Ｉhexを測定することにより、比Ｉhex／Ｉcubを算出した。その結果を、表７及び８に示す。なお、Ｘ線回折図形から上記の各面指数のピーク強度を求めるときに、Ｘ線回折装置に付属の解析ソフトウェアを用いた。解析ソフトウェアでは、三次式近似を用いてバックグラウンド処理及びＫα２ピーク除去を行い、Ｐｅａｒｓｏｎ－VII関数を用いてプロファイルフィッティングを行い、各ピーク強度を求めた。また、交互積層構造の結晶系もＸ線回折測定で確認した。より具体的には、測定対象として交互積層構造の立方晶（２００）面、立方晶（１１１）及び六方晶（１１０）面のピーク強度を測定した。このとき第１層と第２層とのピークを分離するのではなく、両方の反射を含むピーク強度を求めた。便宜上、このようにして求めたピーク強度から上記の比Ｉhex／Ｉcubを算出し、交互積層構造のＩhex／Ｉcubとした。
得られた試料について、Ｘ線回折装置を用いたｓｉｎ2ψ法により、交互積層構造の残留応力を測定した。残留応力は切削に関与する部位に含まれる任意の点３点の応力を測定し、その平均値（相加平均値）を交互積層構造の残留応力とした。なお、より具体的には、交互積層構造の残留応力は、交互積層構造の立方晶（２００）面の回折ピークを選択して測定した。このとき第１層と第２層とのピークを分離するのではなく、両方の反射を含むピークから残留応力を求めた。便宜上、このようにして求めた残留応力を交互積層構造の残留応力とした。その結果を、表７及び８に示す。
得られた試料を用いて、以下の切削試験を行い、評価した。
［切削試験］
被削材：ＳＵＳ３２９Ｊ４Ｌ
切削材形状：丸棒
切削速度：１８０ｍ／分
１刃あたりの送り量：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、
切り込み深さ：１．０ｍｍ、
クーラント：水溶性
評価項目：工具の逃げ面摩耗幅が０．３ｍｍを超えるまで、又は刃先が欠損に至るまでの加工時間を工具寿命とした。工具寿命までの加工時間が長いほど、耐欠損性及び耐摩耗性に優れることを意味する。
得られた評価の結果を表９及び１０に示す。
被削材：ＳＵＳ３２９Ｊ４Ｌ
切削材形状：丸棒
切削速度：１８０ｍ／分
１刃あたりの送り量：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ、
切り込み深さ：１．０ｍｍ、
クーラント：水溶性
評価項目：工具の逃げ面摩耗幅が０．３ｍｍを超えるまで、又は刃先が欠損に至るまでの加工時間を工具寿命とした。工具寿命までの加工時間が長いほど、耐欠損性及び耐摩耗性に優れることを意味する。
得られた評価の結果を表９及び１０に示す。
表９及び１０に示されている結果より、被覆切削工具が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層は式（１）を満たす化合物層であり、第２層は式（２）を満たす化合物層であり、交互積層構造の平均厚さが、１．０μｍ以上１０．０μｍ以下である発明品の方が、そうでない比較品より優れた耐欠損性及び耐摩耗性を有し、長い工具寿命を有することがわかった。
（実施例２）
基材として、ＣＮＭＧ１２０４０８－ＳＭのインサート形状（株式会社タンガロイ製）に加工した、９４．７％ＷＣ－５．０％Ｃｏ－０．３％Ｃｒ3Ｃ2（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、所定の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。
基材として、ＣＮＭＧ１２０４０８－ＳＭのインサート形状（株式会社タンガロイ製）に加工した、９４．７％ＷＣ－５．０％Ｃｏ－０．３％Ｃｒ3Ｃ2（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、所定の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２６～３０について、真空引き後、基材をその温度が表１２に示す温度（成膜開始時の温度）になるまで制御し、Ｎ2ガスを反応容器内に導入し、反応容器内を表１２に示す圧力に調整した。その後、基材に表１２に示すバイアス電圧を印加して、表１２に示すアーク電流のアーク放電により表１１に示す下部層の組成の金属蒸発源を蒸発させて、下部層を形成した。
発明品２６については発明品１と、発明品２７については発明品２と、発明品２８については発明品３と、発明品２９については発明品１０と、発明品３０については発明品１１と、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２６～２８については、真空引き後、基材をその温度が表１２に示す温度（成膜開始時の温度）になるまで制御し、Ｎ2ガスを反応容器内に導入し、反応容器内を表１２に示す圧力に調整した。その後、基材に表１２に示すバイアス電圧を印加して、表１２に示すアーク電流のアーク放電により表１１に示す上部層の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１１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。
得られた試料の各層の平均厚さ、組成、交互積層構造における比Ｉhex／Ｉcub、及び残留応力については、実施例１と同様にして測定及び算出した。その結果を表１１及び１３に示す。なお、当該測定の際、以下の（ｉ）～（ｉｉｉ）の方法により、交互積層構造のピークを特定した。
（ｉ）被覆層が上部層を備えている場合は、バフ研磨により、上部層を除去することで、交互積層構造のピークを特定した。
（ｉｉ）被覆層が下部層を備えている場合は、下部層の影響を受けないように、薄膜Ｘ線回折法により、交互積層構造のピークを特定した。
（ｉｉｉ）被覆層が上部層及び下部層を備えている場合は、上記（ｉ）及び（ｉｉ）を組み合わせることで、交互積層構造のピークを特定した。
（ｉ）被覆層が上部層を備えている場合は、バフ研磨により、上部層を除去することで、交互積層構造のピークを特定した。
（ｉｉ）被覆層が下部層を備えている場合は、下部層の影響を受けないように、薄膜Ｘ線回折法により、交互積層構造のピークを特定した。
（ｉｉｉ）被覆層が上部層及び下部層を備えている場合は、上記（ｉ）及び（ｉｉ）を組み合わせることで、交互積層構造のピークを特定した。
得られた試料を用いて、実施例１と同じく切削試験を行い、発明品を評価した。その結果を表１４に示す。
表１４に示す結果から、被覆切削工具が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層は式（１）を満たす化合物層であり、第２層は式（２）を満たす化合物層であり、交互積層構造の平均厚さが、１．０μｍ以上１０．０μｍ以下であり、更に、下部層、或いは下部層及び上部層とを有する発明品は、耐欠損性及び耐摩耗性に一層優れ、更に長い工具寿命を有することがわかった。
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１層、３…第２層、４…被覆層、５…被覆切削工具。
Claims (9)
- 基材と、前記基材の上に形成された被覆層と、を含む被覆切削工具であって、
前記被覆層は、第１層と第２層との交互積層構造を有し、
前記第１層は、下記式（１）で表される組成を有する化合物を含有し、
（ＡｌaＴｉ1-a）Ｎ （１）
（式（１）中、ａはＡｌ元素とＴｉ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比であり、
０．８０≦ａ≦０．９５を満たす。）
前記第２層は、下記式（２）で表される組成を有する化合物を含有し、
（ＡｌbＭcＴｉ1-b- ）Ｎ （２）
（式（２）中、ＭはＳｉ又はＢの少なくとも１種を表し、
ｂはＡｌ元素と、Ｍ元素と、Ｔｉ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比であり、
０．８０≦ｂ≦０．９５を満たし、
ｃはＡｌ元素と、Ｍ元素と、Ｔｉ元素との合計に対するＭ元素の原子比であり、
０＜ｃ≦０．２０を満たす。）
前記ａ及び前記ｂは、｜ａ－ｂ｜≦０．０５を満たし、
前記交互積層構造の平均厚さが、１．０μｍ以上１０．０μｍ以下である、被覆切削工具。 - 前記第１層の１層当たりの平均厚さが、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、
前記第２層の１層当たりの平均厚さが、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下である、請求項１に記載の被覆切削工具。 - 前記交互積層構造の化合物全体における組成は、下記式（３）で表される、請求項１又は２に記載の被覆切削工具。
（ＡｌdＭeＴｉ1-d- ）Ｎ （３）
（式（３）中、ＭはＳｉ又はＢの少なくとも１種を表し、
ｄはＡｌ元素と、Ｍ元素と、Ｔｉ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比であり、０．８０≦ｄ≦０．９５を満たし、
ｅはＡｌ元素と、Ｍ元素と、Ｔｉ元素との合計に対するＭ元素の原子比であり、０＜ｅ＜０．２０を満たす。） - 前記式（３）において、０＜ｅ≦０．１０を満たす、請求項３に記載の被覆切削工具。
- 前記交互積層構造の残留応力が、－１０．０ＧＰａ以上－２．０ＧＰａ以下である、請求項１～４のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
- 前記交互積層構造のＸ線回折において、立方晶（１１１）面及び立方晶（２００）面の回折ピーク強度の合計をＩcubとし、六方晶（１１０）面の回折ピーク強度をＩhexとしたとき、Ｉhex／Ｉcubが、０以上０．３０以下である、請求項１～５のいずれか１項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。）の単層又は多層であり、
前記下部層の平均厚さが、０．１μｍ以上２．０μｍ以下である、請求項１～６のいずれか１項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。）の単層又は多層であり、
前記上部層の平均厚さが、０．１μｍ以上２．０μｍ以下である、請求項１～７のいずれか１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１～８のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
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