(57)【要約】      （修正有）【課題】すぐれた耐溶着性、耐塑性変形性、耐異常損傷性を発揮する表面被覆切削工具を提供する。【解決手段】（Ｔｉ（１−ｘ）ＺｒｘｙＨｆｘ（１−ｙ））（Ｎ（１−ｚ）Ｃｚ）（０．１０≦ｘ≦０．９０、０＜ｙ≦１．０および０．０５＜ｚ＜０．７５）を含む複合炭窒化物層を有し、ＺｒＨｆ含有割合とＣ含有割合とが周期的に変化し、ＺｒＨｆ最高含有点と隣接するＺｒＨｆ最低含有点との周期間隔およびＣ最高含有点と隣接するＣ最低含有点との周期間隔は５〜１００ｎｍ、含有割合差ΔｘおよびΔｚの平均値は０．０２以上、ＺｒＨｆ最高含有点と最も近いＣ最高含有点との距離は、隣接するＺｒＨｆ成分の最高含有点と最低含有点の間隔の１／５以下、組成変動組織は面積割合で１０％以上を有し、また、縦長結晶組織を有し、工具基体の表面の法線に対する傾斜角が０〜１０度の範囲内の傾斜角区分に（１１１）面の法線がなす傾斜角区分の最高ピークが存在する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具基体の表面に硬質被覆層を有する表面被覆切削工具であって、
（ａ）前記硬質被覆層は、平均層厚０．５μｍ以上２０．０μｍ以下のＴｉＺｒ複合炭窒化物層またはＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物層の少なくとも一層を含み、
（ｂ）前記複合炭窒化物層は、ＴｉＺｒ複合炭窒化物またはＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物を含有し、前記複合炭窒化物は、組成式（Ｔｉ（１−ｘ）ＺｒｘｙＨｆｘ（１−ｙ））（Ｎ（１−ｚ）Ｃｚ）にて表わした場合、
ＴｉとＺｒとＨｆとの合量に対してＺｒとＨｆとの合量が占める平均含有割合ｘ、ＺｒとＨｆとの合量に対してＺｒ量が占める平均含有割合ｙ、および、ＮとＣとの合量に対してＣ量が占める平均含有割合ｚ（但し、ｘ、ｙおよびｚはいずれも原子比）が、それぞれ、０．１０≦ｘ≦０．９０、０＜ｙ≦１．０、および、０．０５＜ｚ＜０．７５を満足する平均組成を有し、
（ｃ）前記複合炭窒化物層は、少なくとも一部の結晶粒内に、ＴｉとＺｒとＨｆとの合量に対してＺｒとＨｆとの合量が占める含有割合、および、ＮとＣとの合量に対してＣ量が占める含有割合が周期的に変化する組成変動組織を有し、
（ｃ−１）縦断面観察において、前記組成変動組織が前記複合炭窒化物層の組織に占める面積割合が１０％以上であり、
（ｃ−２）前記組成変動組織における前記ＴｉとＺｒとＨｆとの合量に対してＺｒとＨｆとの合量が占める含有割合について、最高含有割合ｘmaxを示すＺｒＨｆ最高含有点と最低含有割合ｘminを示すＺｒＨｆ最低含有点とが繰り返され、前記繰り返される隣接するＺｒＨｆ最高含有点とＺｒＨｆ最低含有点の間隔の平均値である平均間隔が５〜１００ｎｍであり、前記ＺｒＨｆ最高含有点の最高含有割合ｘmaxと前記ＺｒＨｆ最低含有点の最低含有割合ｘminとの差Δｘの絶対値の平均値が０．０２以上であり、
（ｃ−３）前記組成変動組織における前記ＮとＣとの合量に対してＣ量が占める含有割合について、最高含有割合ｚmaxを示すＣ最高含有点と最低含有割合ｚminを示すＣ最低含有点とが繰り返され、前記繰り返される隣接するＣ最高含有点とＣ最低含有点の間隔の平均値である平均間隔が５〜１００ｎｍであり、前記Ｃ最高含有点の最高含有割合ｚmaxと前記Ｃ最低含有割合ｚminとの差Δｚの絶対値の平均値が０．０２以上であり、
（ｃ−４）前記組成変動組織における前記ＴｉとＺｒとＨｆとの合量に対してＺｒとＨｆとの合量が占める含有割合について、最高含有割合ｘmaxを示すＺｒＨｆ最高含有点と最低含有割合ｘminを示すＺｒＨｆ最低含有点とのそれぞれの周期および位置と、前記ＮとＣとの合量に対してＣ量が占める含有割合について、最高含有割合ｚmaxを示すＣ最高含有点と、最低含有割合ｚminを示すＣ最低含有点とのそれぞれの周期および位置とはそれぞれに対応して同期しており、前記ＺｒＨｆ最高含有点と、そのＺｒＨｆ最高含有点から最も近い位置にあるＣ最高含有点との間隔の平均値が、前記ＺｒＨｆ最高含有点とその隣接するＺｒＨｆ最低含有点との平均間隔の１／５以下であり、
（ｄ）前記複合炭窒化物層は縦長結晶組織を有し、
（ｅ）電界放出型走査電子顕微鏡と電子線後方散乱回折装置を用い、前記複合炭窒化物層の断面研磨面の測定範囲内に存在する岩塩型立方晶結晶格子を有する結晶粒のそれぞれに電子線を照射し、前記工具基体の表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（１１１）面の法線がなす傾斜角を０〜４５度の範囲内で測定して傾斜角度数分布グラフを作成した場合、工具基体の表面の法線に対する傾斜角が０〜１０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在するとともに、前記０〜１０度の範囲内の傾斜角区分に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の３５％以上を占める層を少なくとも１層を有することを特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項２】
前記組成変動組織が、積層組織であることを特徴とする請求項１に記載された表面被覆切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、切刃に対して衝撃的な高負荷が作用する、例えば、析出硬化型ステンレス鋼の高送り断続切削加工において、硬質被覆層がすぐれた耐溶着性、耐塑性変形性および耐異常損傷性を備えることにより、長期の使用に亘り、すぐれた切削性能を有する表面被覆工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、一般に、各種鋼の切削加工においては、炭化タングステン基等の超硬合金基体表面に、下部層として化学蒸着形成されたＴｉの炭窒化物（ＴｉＣＮ）層等のＴｉ化合物層を有し、上部層として化学蒸着形成された酸化アルミニウム層を有する硬質被覆層が形成された被覆工具が用いられている。
しかしながら、近年、各種鋼の断続切削加工における高能率化が求められており、特に、析出硬化型ステンレス鋼の断続切削加工においては、高送り化が求められる中、従来の前記被覆工具では、溶着チッピングが発生し易く、また、溶着チッピングが発生せず、正常摩耗となった場合においても正常摩耗の進行が早いため、高送り化への対応は十分なものではなかった。
【０００３】
そこで、例えば、特許文献１では、基体表面にＴｉＺｒ炭窒化物皮膜を有する被覆切削工具において、前記皮膜が、Ｚｒを０．３質量％以上５０質量％以下、塩素を２質量％以下にて含有し、引っ張り残留応力を有することにより、機械構造用鋼等の切削加工に際し、膜硬度が高まり耐摩耗性にすぐれるとともに、すぐれた切削耐久特性を有する被覆切削工具が提案されている。
また、特許文献２では、ＴｉＺｒ炭窒化物皮膜を有する被覆切削工具において、さらに、前記皮膜の結晶方位を（４２２）面、または、（３１１）面に配向させることにより、粒界強度を高め、被膜硬質金属やサーメットなどからなる基材に対し、被覆層として、高温での膜硬度が高く、膜厚が厚くなるにつれても膜表面付近の結晶粒の幅が粗大化せず、良好な耐摩耗性と靱性を有し、すぐれた切削耐久特性を示す被覆切削工具が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１１６３２号公報
【特許文献２】特開２００１−１７０８０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年の切削加工における省力化および省エネ化への要求は強く、これに伴い、被覆工具は一段と過酷な条件下にて使用されるようになってきているため、たとえば、析出硬化型ステンレス鋼の高送り断続切削加工においては、すぐれた耐溶着性、耐塑性変形性および耐異常損傷性を発揮することが求められている。
しかしながら、前記特許文献１および特許文献２にて提案されている、ＴｉＺｒ炭窒化物皮膜を有する被覆層からなる被覆工具を析出硬化型ステンレス鋼の高送り断続切削加工に用いた場合において、前者では、耐摩耗性の向上効果は認められるものの、皮膜の微小チッピングが生じ易く、また、耐溶着性の不足により溶着チッピングが生じるという問題点を有し、また、後者では、皮膜の微小チッピングはある程度抑制されるものの、粒界強度がまだ不十分であり、耐溶着性が不足するため、溶着チッピングが発生し、実用には不向きであるという問題点を有していた。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そこで、本発明者らは、前述の観点から、前記被覆工具において、析出硬化型ステンレス鋼の高送り断続切削加工に用いた場合であっても、長期の使用にわたり、すぐれた耐溶着性、耐塑性変形性および耐異常損傷性を兼ね備え、工具寿命の向上をもたらす、被覆工具について、鋭意研究を行った結果、以下の知見を得た。
すなわち、本発明者らは、ＴｉＺｒ複合炭窒化物層またはＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物層を有する硬質被覆層において、前記ＴｉＺｒ複合炭窒化物またはＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物のＣ量に対するＮ量の比を増加させることにより、耐溶着性が高まり、例えば、析出硬化型ステンレス鋼の高送り断続切削加工において課題とされた溶着チッピングの問題を解決できることを知見した。
さらに、本発明者らは、前記ＴｉＺｒ複合炭窒化物層またはＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物層において、ＺｒとＨｆとの合量がＴｉとＺｒとＨｆとの合量に占める含有割合（以後、「ＺｒＨｆ含有割合」と記すこともある）、および、Ｃ量がＮとＣとの合量に占める含有割合（以後、「Ｃ含有割合」と記すこともある）がそれぞれ周期的に変化する組成変動組織であって、前記ＺｒＨｆとの合量が占める含有割合および前記Ｃ量が占める含有割合の組成変動に対応し、Ｔｉ量がＴｉとＺｒとＨｆとの合量に占める含有割合（以後、「Ｔｉ含有割合」と記すこともある）、および、Ｎ量がＮとＣとの合量に占める含有割合（以後、「Ｎ含有割合」と記すこともある）が、同様に周期的に変化する組成変動組織であって、特に、ＺｒＨｆ含有割合について最高含有割合を示すＺｒＨｆ最高含有点および最低含有割合を示すＺｒＨｆ最低含有点の周期および位置と、Ｃ含有割合について最高含有割合を示すＣ最高含有点および最低含有割合を示すＣ最低含有点の周期および位置とをそれぞれ同期させ、高硬度の結晶粒を含有する組織とすることにより、耐塑性変形性を発揮し、異常損傷の問題を解決できる、耐異常損傷性にすぐれた硬質被覆層が得られることを知見した。
また、さらに、前記複合炭窒化物層を縦長結晶組織、すなわち、アスペクト比が２．０以上の結晶が面積比にて５０％以上含まれる組織とした上で、工具基体の表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（１１１）面の法線がなす傾斜角を０〜４５度の範囲内で測定し、傾斜角度数分布グラフを作成した場合に、工具基体の表面の法線に対する傾斜角が０〜１０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在するとともに、前記０〜１０度の範囲内の傾斜角区分に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の３５％以上を占める少なくとも１層を有するものとすることにより、すぐれた耐溶着性、耐塑性変形性および耐異常損傷性を兼ね備え、析出硬化型ステンレス鋼の高送り断続切削加工用としても、長期の使用にわたり、工具寿命の向上をもたらすものであることを見出した。
なお、本発明に係るＴｉＺｒ複合炭窒化物およびＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物は、従来に比べ、Ｃ含有量に対するＮ含有量の比率が高いため、本明細書では、それぞれ、ＴｉＺｒＮＣおよびＴｉＺｒＨｆＮＣと表現する場合もある。
【０００７】
本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「（１）工具基体の表面に硬質被覆層を有する表面被覆切削工具であって、
（ａ）前記硬質被覆層は、平均層厚０．５μｍ以上２０．０μｍ以下のＴｉＺｒ複合炭窒化物層またはＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物層の少なくとも一層を含み、
（ｂ）前記複合炭窒化物層は、ＴｉＺｒ複合炭窒化物またはＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物を含有し、前記複合炭窒化物は、組成式（Ｔｉ（１−ｘ）ＺｒｘｙＨｆｘ（１−ｙ））（Ｎ（１−ｚ）Ｃｚ）にて表わした場合、
ＴｉとＺｒとＨｆとの合量に対してＺｒとＨｆとの合量が占める平均含有割合ｘ、ＺｒとＨｆとの合量に対してＺｒ量が占める平均含有割合ｙ、および、ＮとＣとの合量に対してＣ量が占める平均含有割合ｚ（但し、ｘ、ｙおよびｚはいずれも原子比）が、それぞれ、０．１０≦ｘ≦０．９０、０＜ｙ≦１．０、および、０．０５＜ｚ＜０．７５を満足する平均組成を有し、
（ｃ）前記複合炭窒化物層は、少なくとも一部の結晶粒内に、ＴｉとＺｒとＨｆとの合量に対してＺｒとＨｆとの合量が占める含有割合、および、ＮとＣとの合量に対してＣ量が占める含有割合が周期的に変化する組成変動組織を有し、
（ｃ−１）縦断面観察において、前記組成変動組織が前記複合炭窒化物層の組織に占める面積割合が１０％以上であり、
（ｃ−２）前記組成変動組織における前記ＴｉとＺｒとＨｆとの合量に対してＺｒとＨｆとの合量が占める含有割合について、最高含有割合ｘmaxを示すＺｒＨｆ最高含有点と最低含有割合ｘminを示すＺｒＨｆ最低含有点とが繰り返され、前記繰り返される隣接するＺｒＨｆ最高含有点とＺｒＨｆ最低含有点の間隔の平均値である平均間隔が５〜１００ｎｍであり、前記ＺｒＨｆ最高含有点の最高含有割合ｘmaxと前記ＺｒＨｆ最低含有点の最低含有割合ｘminとの差Δｘの絶対値の平均値が０．０２以上であり、
（ｃ−３）前記組成変動組織における前記ＮとＣとの合量に対してＣ量が占める含有割合について、最高含有割合ｚmaxを示すＣ最高含有点と最低含有割合ｚminを示すＣ最低含有点とが繰り返され、前記繰り返される隣接するＣ最高含有点とＣ最低含有点の間隔の平均値である平均間隔が５〜１００ｎｍであり、前記Ｃ最高含有点の最高含有割合ｚmaxと前記Ｃ最低含有割合ｚminとの差Δｚの絶対値の平均値が０．０２以上であり、
（ｃ−４）前記組成変動組織における前記ＴｉとＺｒとＨｆとの合量に対してＺｒとＨｆとの合量が占める含有割合について、最高含有割合ｘmaxを示すＺｒＨｆ最高含有点と最低含有割合ｘminを示すＺｒＨｆ最低含有点とのそれぞれの周期および位置と、前記ＮとＣとの合量に対してＣ量が占める含有割合について、最高含有割合ｚmaxを示すＣ最高含有点と、最低含有割合ｚminを示すＣ最低含有点とのそれぞれの周期および位置とはそれぞれに対応して同期しており、前記ＺｒＨｆ最高含有点と、そのＺｒＨｆ最高含有点から最も近い位置にあるＣ最高含有点との間隔の平均値が、前記ＺｒＨｆ最高含有点とその隣接するＺｒＨｆ最低含有点との平均間隔の１／５以下であり、
（ｄ）前記複合炭窒化物層は、縦長結晶組織を有し、
（ｅ）電界放出型走査電子顕微鏡と電子線後方散乱回折装置を用い、前記複合炭窒化物層の断面研磨面の測定範囲内に存在する岩塩型立方晶結晶格子を有する結晶粒のそれぞれに電子線を照射し、前記工具基体の表面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である（１１１）面の法線がなす傾斜角を０〜４５度の範囲内で測定して傾斜角度数分布グラフを作成した場合、工具基体の表面の法線に対する傾斜角が０〜１０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在するとともに、前記０〜１０度の範囲内の傾斜角区分に存在する度数の合計が、傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の３５％以上を占める層を少なくとも一層を有することを特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記組成変動組織が、積層組織であることを特徴とする（１）に記載された表面被覆切削工具。」である。
なお、本明細書および特許請求の範囲の記載において、数値範囲を示す際に、「〜」、あるいは、「−」を用いる場合は、その範囲は、数値の下限および上限を含むことを意味する。    
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る表面被覆切削工具は、工具基体の表面に形成されている硬質被覆層が、ＴｉＺｒ複合炭窒化物層またはＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物層を有し、Ｃ含有量に対するＮ含有量の比を増加させることにより、耐溶着性を高め、析出硬化型ステンレス鋼の高送り断続切削加工において課題とされた溶着チッピングの問題を解決したものである。
さらに、前記ＴｉＺｒ複合炭窒化物層またはＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物層は、ＺｒＨｆ含有割合、および、Ｃ含有割合が、周期的に変化する組成変動組織を有し、特に、ＺｒＨｆ最高含有点およびＺｒＨｆ最低含有点の周期および位置と、Ｃ最高含有点およびＣ最低含有点の周期および位置がそれぞれ同期した高硬度の結晶粒を含有させることにより、すぐれた耐塑性変形性を発揮し、異常損傷の問題を解決したものである。
そして、かかる複合炭窒化物層を硬質被覆層として有する被覆切削工具は、すぐれた耐溶着性、耐塑性変形性および耐異常損傷性を兼ね備えているため、析出硬化型ステンレス鋼の高送り断続切削加工用として、長期の使用にわたり、工具寿命の向上をもたらすものである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明被覆工具のＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物層の組成変動組織の組成変動方向における、ＺｒＨｆ含有割合およびＣ含有割合について、以下で説明される、ＺｒＨｆ最高含有割合、ＺｒＨｆ最低含有割合、ＺｒＨｆ平均含有割合、Ｃ最高含有割合、Ｃ最低含有割合、および、Ｃ平均含有割合と、それぞれの含有割合に対応する、ＺｒＨｆ最高含有点、ＺｒＨｆ最低含有点、ＺｒＨｆ平均含有点、Ｃ最高含有点、Ｃ最低含有点、および、Ｃ平均含有点の位置との関係を示す概念図である。
【図２】本発明被覆工具５の硬質被覆層の複合炭窒化物層を構成するＴｉＺｒＨｆ炭窒化物における｛１１１｝面の傾斜角度数分布グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
つぎに、本発明の被覆工具について、詳細に説明する。
【００１１】
工具基体；
工具基体は、この種の工具基体として従来公知の基材であれば、本発明の目的を達成することを阻害するものでない限り、いずれのものも使用可能である。
例えば、超硬合金（ＷＣ基超硬合金、ＷＣの他、Ｃｏを含み、あるいはＴｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物を添加したものも含むもの等）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を主成分とするもの等）、または、セラミックス（炭化チタン、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど）のいずれかであることが好ましい。
【００１２】
硬質被覆層；
本発明に係る硬質被覆層は、少なくとも複合炭窒化物層を有するものであって、前記複合炭窒化物層は、ＴｉＺｒ複合炭窒化物層またはＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物層を含んでなるものである。
また、硬質被覆層は、その他の層として、必要に応じ、工具基体と前記複合炭窒化物層との間に下部層を設けることや、前記複合炭窒化物層の上に上部層を設けることができる。
ここで、硬質被覆層の平均層厚は、０．５μｍ未満では、長期にわたる耐摩耗性を発揮することができず、一方、３０．０μｍを超えて厚くなると硬質被覆層全体として欠損やチッピングが発生しやすくなるため、０．５〜３０．０μｍとすることが好ましい。
硬質被覆層の平均層厚は、例えば、工具基体に対し垂直方向断面において、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）またはＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）を用いて測定することができる。
【００１３】
複合炭窒化物層；  
（１）成分組成、平均層厚
本発明に係る複合炭窒化物層は、ＴｉＺｒ複合炭窒化物層またはＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物層からなるものであって、前記複合炭窒化物層を構成するＴｉＺｒ複合炭窒化物またはＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物は、組成式（Ｔｉ（１−ｘ）ＺｒｘｙＨｆｘ（１−ｙ））（Ｎ（１−ｚ）Ｃｚ）にて表した場合、０．１０≦ｘ≦０．９０、０＜ｙ≦１．０、および、０．０５＜ｚ＜０．７５をそれぞれ満足する。
ここで、ｘは、ＴｉとＺｒとＨｆとの合量に対してＺｒとＨｆとの合量が占める平均含有割合を表し、ｙはＺｒとＨｆとの合量に対してＺｒ量が占める平均含有割合を表す。また、ｚはＮとＣとの合量に対してＣ量が占める平均含有割合を示す。但し、ｘ、ｙおよびｚはいずれも原子比である。
本発明に係る前記ＴｉＺｒ複合炭窒化物層またはＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物層においては、耐溶着性向上元素であるＮと、硬度向上元素であるＣについて、Ｃの平均含有割合ｚを０．０５＜ｚ＜０．７５にて含有させることにより、高耐溶着性、高硬度の両特性にすぐれた硬質被覆層を得ることができた。
ここで、ｘが０．１０より小さい、もしくは、ｘが０．９０よりも大きい場合は、十分な格子ひずみが導入されず、十分な硬さを確保することができないため、０．１０≦ｘ≦０．９０と規定した。
なお、前記複合炭窒化物層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎ、Ｃの各成分以外に、酸素（Ｏ）および塩素（Ｃｌ）を不純物として含んでおり、酸素（Ｏ）を３．０原子％以下、塩素（Ｃｌ）を０．２０原子％以下にて含むことができる。
【００１４】
また、前記複合炭窒化物層の平均層厚は、０．５μｍ未満では、長期にわたる耐摩耗性を発揮することができず、一方、２０．０μｍを超えると、欠損やチッピングが発生しやすくなるため、硬度および耐摩耗性の観点からすぐれた効果を発揮する、０．５〜２０．０μｍとする。
なお、前記複合炭窒化物層の平均層厚は、走査型電子顕微鏡（倍率５０００倍）を用いて、工具基体に垂直な方向の断面の観察視野内の５点の層厚を測り、これらを平均して平均層厚を求めることができる。
【００１５】
（２）組成変動組織を有する結晶粒
本発明に係る前記複合炭窒化物（ＴｉＺｒＮＣまたはＴｉＺｒＨｆＮＣ）層において、ＺｒＨｆ含有割合、Ｔｉ含有割合、Ｃ含有割合およびＮ含有割合が周期的に変化する組成変動組織を有する結晶粒を含む。
【００１６】
１）ＺｒＨｆ最高含有点、ＺｒＨｆ最高含有割合（ｘmax）、ＺｒＨｆ最低含有点、ＺｒＨｆ最低含有割合（ｘmin）の定義；
前記組成変動組織において、ＺｒＨｆ含有割合は、前記ＺｒＨｆ含有割合の周期的な組成変化の周期幅が最小となる方向に沿って、例えば、ＺｒＨｆ最高含有割合−ＺｒＨｆ最低含有割合−ＺｒＨｆ最高含有割合−ＺｒＨｆ最低含有割合・・・というように所定の間隔を保ち、周期的な含有割合の変化を示す。
ここでいうＺｒＨｆ最高含有割合（ｘmax）、ＺｒＨｆ最低含有割合（ｘmin）について説明すると、ＺｒＨｆ最高含有割合（ｘmax）とは、各測定点におけるＺｒＨｆ含有割合が、層全体の組成式（Ｔｉ（１−ｘ）ＺｒｘｙＨｆｘ（１−ｙ））（Ｎ（１−ｚ）Ｃｚ）におけるＴｉとＺｒとＨｆとの合量に対してＺｒとＨｆとの合量が占めるＺｒＨｆ平均含有割合（ｘａｖ）の値以上の連続した領域におけるＺｒＨｆ含有割合の最大値をいう。連続してＺｒＨｆ平均含有割合（ｘａｖ）の値以上となる領域が複数ある場合は、それぞれの領域におけるＺｒＨｆ含有割合の最大値をＺｒＨｆ最高含有割合と定義し、それぞれの領域におけるＺｒＨｆ含有割合が最大値をとる位置をそれぞれの領域におけるＺｒＨｆ最高含有点と定義する。以後、ＺｒＨｆ最高含有割合についてはｘmaxと記すこともある。
同様に、ＺｒＨｆ最低含有割合（ｘmin）とは、各測定点におけるＺｒＨｆ含有割合が、層全体の組成式（Ｔｉ（１−ｘ）ＺｒｘｙＨｆｘ（１−ｙ））（Ｎ（１−ｚ）Ｃｚ）におけるＴｉとＺｒとＨｆとの合量に対してＺｒとＨｆとの合量が占める平均含有割合（ｘａｖ）の値以下となる連続した領域におけるＺｒＨｆ含有割合の最小値をいう。連続してｘａｖの値以下となる領域が複数ある場合は、それぞれの領域におけるＺｒＨｆ含有割合の最小値をＺｒＨｆ最低含有割合（ｘmin）と定義し、それぞれの領域におけるＺｒＨｆ含有割合が最小値をとる位置をそれぞれの領域におけるＺｒＨｆ最低含有点と定義する。以後、ＺｒＨｆ最低含有割合についてはｘminと記すこともある。
この定義によれば、ＺｒＨｆ平均含有割合（ｘａｖ）の値近傍での周期的な変化が存在する場合、ＺｒＨｆ最高含有点とＺｒＨｆ最低含有点が交互に出現する。
具体的に図１に基づき説明する。図１の左側を積層上部位置とするとＺｒＨｆ含有割合は、上部より、ＺｒＨｆ平均含有点（Ｐ１）−ＺｒＨｆ最高含有点１（Ｐmax１）−ＺｒＨｆ平均含有点（Ｐ２）−ＺｒＨｆ最低含有点１（Ｐmin１）−ＺｒＨｆ平均含有点（Ｐ３）−ＺｒＨｆ最高含有点２（Ｐmax２）−ＺｒＨｆ平均含有点（Ｐ４）−ＺｒＨｆ最低含有点１（Ｐmin２）−ＺｒＨｆ平均含有点（Ｐ５）の位置において、ＺｒＨｆ含有割合は、ＺｒＨｆ平均含有割合（ｘav）−ＺｒＨｆ最高含有割合１（ｘmax１）−ＺｒＨｆ平均含有割合（ｘav）−ＺｒＨｆ最低含有割合１（ｘmin１）−ＺｒＨｆ平均含有割合（ｘav）−ＺｒＨｆ最高含有割合２（ｘmax２）−ＺｒＨｆ平均含有割合（ｘav）−ＺｒＨｆ最低含有割合１（ｘmin２）の順に変化する。
ここで、例えば、ＺｒＨｆ平均含有点（Ｐ２）とＺｒＨｆ平均含有点（Ｐ３）の位置の間において、連続してＺｒＨｆの平均含有割合（ｘav）を下回る極小点が（Ｐmin１）と（Ｐｑ）との２か所にて出現するが、その場合には、上記の定義により、より低いＺｒＨｆ含有割合（ｘmin１）を示す（Ｐmin１）位置をＺｒＨｆ最低含有点とする。
以下、Ｔｉ成分、Ｃ成分、Ｎ成分についても、その平均含有割合の値以上の連続した領域において、それぞれの各領域における最大値をとる位置をそれぞれの領域における最高含有点といい、各成分の平均含有割合の値以下の連続した領域における最小値をとる位置をそれぞれの領域における最低含有点という。
【００１７】
２）Ｔｉ最高含有点、Ｔｉ最高含有割合（αmax）、Ｔｉ最低含有点、Ｔｉ最低含有割合（αmin）の定義；
前記組成変動組織において、ＴｉとＺｒとＨｆとの合量に対してＴｉ量が占める含有割合（以後、Ｔｉ含有割合とも記す）は、ＺｒＨｆ含有割合の周期的な組成変化の周期幅が最小となる方向に沿って、ＺｒＨｆ最高含有点では、Ｔｉ最低含有割合αmin（＝１−ｘmax）を示し、ＺｒＨｆ最低含有点では、Ｔｉ最高含有割合αmax（＝１−ｘmin）を示す。なお、αは原子比である。  
すなわち、Ｔｉ含有割合は、前記ＺｒＨｆ含有割合の周期的な組成変化の周期幅が最小となる方向に沿って、同周期にて、Ｔｉ最低含有割合−Ｔｉ最高含有割合−Ｔｉ最低含有割合−Ｔｉ最高含有割合・・・という含有割合の変化を示す。ここでいう、Ｔｉ最高含有点、Ｔｉ最高含有割合、Ｔｉ最低含有点、Ｔｉ最低含有割合の定義は、前記ＺｒＨｆをＴｉに置き換え同様の定義である。
【００１８】
３）Ｃ最高含有点、Ｃ最高含有割合（ｚmax）、Ｃ最低含有点、Ｃ最低含有割合（ｚmin）の定義；
前記組成変動組織において、Ｃ含有割合は、前記ＴｉとＺｒＨｆの周期的な組成変化の周期幅が最小となる方向に沿って、Ｃ最高含有割合−Ｃ最低含有割合−Ｃ最高含有割合−Ｃ最低含有割合・・・というように所定の間隔を保ち、周期的な含有割合の変化を示す。
ここでいうＣ最高含有割合、Ｃ最低含有割合について説明すると、Ｃ最高含有割合とは、各測定点におけるＣ含有割合が、層全体の組成式（Ｔｉ（１−ｘ）ＺｒｘｙＨｆｘ（１−ｙ））（Ｎ（１−ｚ）Ｃｚ）におけるＮとＣとの合量に対してＣ量が占める平均含有割合（ｚav）の値以上の連続した領域におけるＣ含有割合の最大値をいう。連続してｚavの値以上となる領域が複数ある場合は、それぞれの領域におけるＣ含有割合の最大値をＣ最高含有割合と定義し、それぞれの領域におけるＣ含有割合が最大値をとる位置をそれぞれの領域におけるＣ最高含有点と定義する。以後、Ｃ最高含有割合についてはｚmaxと記すこともある。
同様に、Ｃ最低含有点とは、各測定点におけるＣ含有割合が、層全体の組成式（Ｔｉ（１−ｘ）ＺｒｘｙＨｆｘ（１−ｙ））（Ｎ（１−ｚ）Ｃｚ）におけるＮとＣとの合量に対してＣ量が占める平均含有割合（ｚav）の値以下となる連続した領域におけるＣ含有割合の最小値をいう。連続してｚavの値以下となる領域が複数ある場合は、それぞれの領域におけるＣ含有割合の最小値をＣ最低含有割合と定義し、それぞれの領域におけるＣ含有割合が最小値をとる位置をそれぞれの領域におけるＣ最低含有点と定義する。以後、Ｃ最低含有割合についてはｚminと記すこともある。
この定義によれば、Ｃ平均含有割合（ｚav）の値近傍での周期的な変化が存在する場合、最高含有点と最低含有点が交互に出現する。
Ｃ含有割合についても、ＺｒＨｆ含有割合と同様、具体的に図１に示す。図１の左側を積層上部位置とするとＣ含有割合は、上部より、Ｃ平均含有点（Ｒ１）−Ｃ最高含有点１（Ｒmax１）−Ｃ平均含有点（Ｒ２）−Ｃ最低含有点１（Ｒmin１）−Ｃ平均含有点（Ｒ３）−Ｃ最高含有点２（Ｒmax２）−Ｃ平均含有点（Ｒ４）−Ｃ最低含有点１（Ｒmin２）−Ｃ平均含有点（Ｒ５）の位置において、Ｃ平均含有割合（ｚav）−Ｃ最高含有割合１（ｚmax１）−Ｃ平均含有割合（ｚav）−Ｃ最低含有割合１（ｚmin１）−ＺｒＨｆ平均含有割合（ｚav）−Ｃ最高含有割合２（ｚmax２）−Ｃ平均含有割合（ｚav）−Ｃ最低含有割合１（ｚmin２）の順に変化する。
ここで、例えば、Ｃ平均含有点（Ｒ２）とＣ平均含有点（Ｒ３）の位置の間において、連続してＣの平均含有割合（ｚav）を下回る極小点が（Ｒmin１）と（Ｒｑ）の２か所出現するが、その場合には、前記の定義により、より低いＣ含有割合（ｚmin１）を示す位置（Ｒmin１）をＣ最低含有点とする。
【００１９】
４）Ｎ最高含有点、Ｎ最高含有割合（βmax）、Ｎ最低含有点、Ｎ最低含有割合（βmin）；
前記組成変動組織において、ＮとＣとの合量に対してＮ量が占める含有割合（以後、Ｎ含有割合とも記す）は、Ｃ含有割合の周期的な組成変化の周期幅が最小となる方向に沿って、Ｃ最高含有点では、Ｎ最低含有割合βmin（＝１−ｚmax）を示し、Ｃ最低含有点では、Ｎ最高含有割合βmax（＝１−ｚmin）を示す。なお、βは原子比である。  
すなわち、Ｎ含有割合は、前記Ｃ含有割合の周期的な組成変化の周期幅が最小となる方向に沿って、同周期にて、Ｎ最低含有割合−Ｎ最高含有割合−Ｎ最低含有割合−Ｎ最高含有割合・・・という含有割合の変化を示す。ここでいう、Ｎ最高含有点、Ｎ最高含有割合、Ｎ最低含有点、Ｎ最低含有割合の定義は、前記ＣをＮに置き換え同様の定義である。
【００２０】
５）ＺｒＨｆ最高含有点およびＺｒＨｆ最低含有点におけるＺｒＨｆ含有割合差（ｘmax−ｘmin）ならびにＣ最高含有点およびＣ最低含有点におけるＣ含有割合差（ｚmax−ｚmin）；
ＺｒＨｆ最高含有点およびＣ最高含有点の位置、および、それぞれの最高含有点と最低含有点の周期は、後述する成膜方法において、同期させることができる。
さらに、ＺｒＨｆ最高含有割合ｘmaxとＺｒＨｆ最低含有割合ｘminの差Δｘの絶対値の平均値が０．０２以上、かつ、Ｃ最高含有割合ｚmaxとＣ最低含有割合ｚminの差Δｚの絶対値の平均値が０．０２以上の組成変動組織とすることにより、硬さが向上する。硬さが向上する要因は下記の２点が考えられる。
（１）ＺｒおよびＨｆとＣが増加した領域（富化された領域）とＺｒおよびＨｆとＣが減少した領域（貧化された領域）の間において転位の移動を妨げることにより、硬さを向上させることができる。
（２）ＺｒおよびＨｆが増加した領域においてＣを増加させているため、均一なＴｉＺｒＨｆＮＣ層に比較して「ＺｒとＮの結合の影響」および「ＨｆとＮの結合の影響」が小さい。ＺｒＮおよびＨｆＮは、ＺｒＣ、ＴｉＣ、ＴｉＮと比較して硬さに劣るため、ＺｒおよびＨｆとＮの結合の影響を小さくすることで硬さを向上させることができる。
なお、ＺｒＨｆ最高含有割合ｘmaxとＺｒＨｆ最低含有割合ｘminの差は、０．０２以上、０．９０以下がより好ましく、Ｃ最高含有割合ｚmaxとＣ最低含有割合ｚminの差は、０．０２以上、０．７５以下がより好ましい。これらの差が大きすぎると微小チッピング等の異常損傷が起こり易くなる。この原因は明らかではないが、組成変動組織内での格子定数の変化が大きくなり過ぎ、結晶粒としての靭性が低下したものと推定している。
【００２１】
６）隣接するＺｒＨｆ最高含有点とＺｒＨｆ最低含有点の間隔（平均値）；
ＺｒＨｆ最高含有点とＺｒＨｆ最低含有点の間隔については「複合炭窒化物層の縦断面観察において、周期的な組成変化の周期が最小になる方向で測定される平均間隔が５〜１００ｎｍであること」が、硬さ向上のために必要である。
前記硬さ向上効果を発揮させるためには、平均間隔は小さい方が望ましく、１００ｎｍ以下であることが必要である。一方、平均間隔が５ｎｍ未満では、それぞれを明確に区別して形成することが困難となるため、所望の硬度が得られず、耐摩耗性を確保することができない。
例えば、図１では、ＺｒＨｆ最高含有点１（Ｐmax１）とＺｒＨｆ最低含有点１（Ｐmin１）との間隔（Ｐmin１−Ｐmax１）と、ＺｒＨｆ最高含有点２（Ｐmax２）とＺｒＨｆ最低含有点２（Ｐmin２）との間隔（Ｐmin２−Ｐmax２）との平均値として求めることができる。
【００２２】
７）ＺｒＨｆ最高含有点と、そのＺｒＨｆ最高含有点から最も近い位置にあるＣ最高含有点との間隔の平均値；
前記硬さ向上効果（段落００２０の（２）の効果）を発揮させるためには、「ＺｒＨｆ最高含有点と、そのＺｒＨｆ最高含有点から最も近い位置にあるＣ最高含有点との間隔の平均値」は、小さい方が好ましく、隣接するＺｒＨｆ最高含有点とＺｒＨｆ最低含有点の平均間隔の１／５以下であることが必要である。
なお、上述の通り「ＺｒＨｆ最高含有点と、そのＺｒＨｆ最高含有点から最も近い位置にあるＣ最高含有点との間隔の平均値」は、小さい方が好ましいと考えられるが、本発明で開示する方法によって、ＺｒＨｆ最高含有点と、そのＺｒＨｆ最高含有点から最も近い位置にあるＣ最高含有点との間隔の平均値が、前記ＺｒＨｆ最高含有点とその隣接するＺｒＨｆ最低含有点との平均間隔の１５／１００でも効果を発揮することが確認されている。
ＺｒＨｆ最高含有点と、そのＺｒＨｆ最高含有点から最も近い位置にあるＣ最高含有点との間隔の平均値については、例えば、図１では、ＺｒＨｆ最高含有点１（Ｐmax１）と、そのＺｒＨｆ最高含有点１（Ｐmax１）から最も近い位置にあるＣ最高含有点１（Ｒmax１）との間隔（Ｒmax１−Ｐmax１）と、ＺｒＨｆ最高含有点２（Ｐmax２）と、そのＺｒＨｆ最高含有点２（Ｐmax２）から最も近い位置にあるＣ最高含有点２（Ｒmax２）との間隔（Ｒmax２−Ｐmax２）との平均値として求めることができる。
この値を隣接するＺｒＨｆ最高含有点とＺｒＨｆ最低含有点の間隔（平均値）、すなわち、ＺｒＨｆ最高含有点１（Ｐmax１）とＺｒＨｆ最低含有点１（Ｐmin１）との間隔（Ｐmin１−Ｐmax１）と、ＺｒＨｆ最高含有点２（Ｐmax２）とＺｒＨｆ最低含有点２（Ｐmin２）との間隔（Ｐmin２−Ｐmax２）との平均値の１／５と対比することにより、効果の有無を判断することができる。
【００２３】
８）組成変動組織が複合炭窒化物層の組織に占める面積割合；
前記硬さ向上効果を発揮させるためには、組成変動組織が複合炭窒化物層の組織に占める面積割合は大きい方が好ましく、複合炭窒化物層の縦断面観察において、組成変動組織が複合炭窒化物層の組織に占める面積割合が１０％以上であることが必要である。
なお、上述の通り「組成変動組織が複合炭窒化物層の組織に占める面積割合」は、大きい方が好ましいと考えられるが、本発明で開示する方法によって、組成変動組織が複合炭窒化物層の組織に占める面積割合が１５％であっても効果を発揮することが確認されている。
【００２４】
９）積層組織；
前記硬さ向上効果をより発揮させるためには、前記組成変動組織は積層組織であることが好ましい。ここでいう積層組織とは「組成変動組織のうち、隣接するＺｒＨｆ平均含有点の間には、１つのＺｒＨｆ極大含有点もしくは１つのＺｒＨｆ極小含有点のみが存在し、隣接するＣ平均含有点の間には、１つのＣ極大含有点もしくは１つのＣ極小含有点のみが存在する組織」を指す。
なお、硬さ向上の観点からは、積層組織の積層方向（ＴｉＺｒ複合炭窒化物層またはＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物層の縦断面観察において周期的な組成変化の周期が最小になる方向）は膜厚方向と一致する必要は無い。後述する成膜方法の場合、積層組織を有する結晶粒を含む複合炭窒化物層が得られるが、積層組織の積層方向は膜厚方向と一致するとは限らない。
その他、粒界近傍は積層構造でない場合や、粒界近傍にＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｃｌのいずれかの元素が濃化している場合があるが、前述の通り、組成変動組織（この場合、積層構造の組成変動組織）が複合炭窒化物層の組織に占める面積割合が１０％以上であれば、硬さ向上効果を発揮する。
【００２５】
１０）縦長結晶組織；
また、本発明に係る複合炭窒化物層は、前記のとおり、縦長結晶組織を有することにより、被覆層からの粒子の脱落が抑制され、耐摩耗性および耐異常損傷性にすぐれた特性を発揮する。
なお、ここでいう縦長結晶組織とは、前記複合炭窒化物層の縦断面（工具基体の表面に垂直な断面）を観察した際に、個々の結晶粒について、層厚方向の結晶粒の高さ（長辺）にて、最も大きい値を最大粒子長さ（Ｌ）とし、層厚方向に垂直な方向の結晶粒の幅（短辺）にて、最も大きい値を最大粒子幅（Ｗ）としたとき、Ｌ／Ｗにて定義されるアスペクト比が２．０以上である結晶粒の前記複合炭窒化物層の縦断面において占める面積割合が５０％以上である組織をいう。
アスペクト比および縦長結晶粒の面積割合の測定は、例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用い、倍率５０００倍にて断面観察により得られた縦断面画像について、電子線後方散乱回折法（ＥＢＳＤ）により、個々の結晶粒につき、最大粒子長さ、最大粒子幅、および、縦断面の面積を測定し、最大粒子長さおよび最大粒子幅よりアスペクト比を求め、次いで、測定対象となった縦断面の面積に対するアスペクト比が２．０以上である結晶粒の縦断面における面積の総和の比率を面積割合として求めた。
すなわち、アスペクト比２．０以上となるものについての面積率が５０％以上であるものと規定することにより、靱性および耐摩耗性が向上する効果を発揮させることができる。
【００２６】
１１）傾斜角度数分布
本発明において複合炭窒化物層の複合炭窒化物結晶粒における前記傾斜角度数分布は、電界放出型走査電子顕微鏡と電子線後方散乱回折装置を用い、工具基体の表面に垂直な断面研磨面の測定範囲内に存在する岩塩型立方晶結晶格子を有する個々の結晶粒に電子線を照射することにより測定することができる。
すなわち、具体的には、前記工具基体の表面の法線に対して、前記複合炭窒化物層における複合炭窒化物結晶粒の結晶面である{１１１}面の法線がなす傾斜角を０〜４５度の範囲内で測定し、測定傾斜角を０．２５度のピッチ毎に区分すると共に、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフを作成した場合に、前記工具基体の表面の法線に対する傾斜角が０〜１０度の範囲内の傾斜角区分に最高ピークが存在するとともに、前記０〜１０度の範囲内の傾斜角区分に存在する度数の合計が、前記傾斜角度数分布グラフにおける度数全体の３５％以上を占めるものであって、前記炭窒化物層の結晶粒の｛１１１｝面の配向傾向が高く、塑性変形を生じにくい組織を有するものである。
【００２７】
（３）複合炭窒化物層（ＴｉＺｒＮＣ層またはＴｉＺｒＨｆＮＣ層）の成膜方法
本発明における、規定する成分組成を有し、特定の組成変動組織を有し、特定の縦長結晶組織を有し、かつ、結晶粒を（１１１）方向に配向させたＴｉＺｒＮＣ層またはＴｉＺｒＨｆＮＣ層は、一例として、例えば、工具基体に対し、化学蒸着法を用いて、以下に示す条件にて成膜を行なうことにより、形成することができる。
すなわち、ＴｉＺｒＮＣ層またはＴｉＺｒＨｆＮＣ層の成膜条件は、原料として、ＴｉＣｌ４ガス、ＺｒＣｌ４ガスまたはＺｒＣｌ４ガスとＨｆＣｌ４ガスとの混合ガス、ＣＨ４ガス、Ｎ２ガス、Ｈ２ガスを用い、成膜温度は、１０００℃以上１０８０℃未満、圧力条件は、１６ｋＰａ以上４０ｋＰａ未満にて、周期的なガス供給可能なＣＶＤ装置を用いて行うことができる。
具体的には、まず、第１工程（初期核形成工程）として、ガス群Ａとガス群Ｂとを周期的に必要回数、繰り返し炉内に導入することにより、ＴｉＮＣとＴｉＺｒＮＣとが点在した初期核が形成され、第２工程（結晶成長工程）において、初期核の結晶成長により、縦長結晶組織が生成するとともに、ＴｉＺｒＮＣは、初期核上において、（１１１）配向するため、粒界強度が高く、塑性変形を生じにくい組織が得られる。
【００２８】
［成膜条件］
１）第１工程（初期核形成工程）
ａ）反応ガス組成（容量％）：
ガス群Ａ；ＴｉＣｌ４：０．４〜０．７％、
ＣＨ４：２．０〜８．０％、
Ｎ２：１５．０〜６０．０％、      
Ｈ２：残、
ガス群Ｂ；ＴｉＣｌ４：０．４〜０．７％、
ＺｒＣｌ４：０．１〜１．８％、ＨｆＣｌ４：０．０〜１．７％、
ただし、ＺｒＣｌ４＋ＨｆＣｌ４：０．５〜１．８％、
ＣＨ４：１．０〜６．０％、
Ｎ２：２５．０〜６０．０％、      
Ｈ２：残、
ｂ）供給周期：
（ガス群Ａ→ガス群Ｂ）を一周期としてこれを繰り返す。
各ガス群の供給時間は、ガス群Ａ、ガス群Ｂのいずれも５秒以上であり、一周期当たりのガス供給時間は、１０秒以上である。一周期当たりのガス供給時間が、１０秒未満では、初期核を明確に区別して形成することが困難となる。一方、一周期当たりのガス供給時間が長すぎると、ＴｉＮＣとＴｉＺｒＮＣとが点在した初期核を得ることが難しいため、一周期当たりのガス供給時間は１８０秒以下が好ましい。
よって、一周期当たりのガス供給時間は１０秒以上１８０秒以下とすることが好ましい。
ｃ）反応雰囲気温度：１０００℃以上１０８０℃未満
反応雰囲気温度については、１０００℃未満では、十分な成膜速度を得にくい傾向がある。一方１０８０℃以上では、超硬合金母材からＣ等の元素が皮膜中に拡散し、十分な付着強度が得られないことがある。よって、反応雰囲気温度については１０００℃以上１０８０℃未満が好ましい。
ｄ）反応雰囲気圧力：１６ｋＰａ以上４０ｋＰａ未満
１６ｋＰａ未満では十分な成膜速度が得られず、４０ｋＰａ以上では、皮膜中にポアが含まれやすくなる。よって、反応雰囲気圧力については１６ｋＰａ以上４０ｋＰａ未満が好ましい。
【００２９】
２）第２工程（結晶成長工程）
ａ）反応ガス組成（容量％）：
ガス群Ｃ；ＴｉＣｌ４：０．４〜０．７％、
ＺｒＣｌ４：０．１〜１．８％、ＨｆＣｌ４：０．０〜１．７％、
ただし、ＺｒＣｌ４＋ＨｆＣｌ４：０．５〜１．８％、
ＣＨ４：１．０〜６．０％、
Ｎ２：２５．０〜６０．０％、      
Ｈ２：残、
ガス群Ｄ；ＴｉＣｌ４：０．２〜０．５％、ただし、ガス群ＡのＴｉＣｌ４濃度未満
ＺｒＣｌ４：０．１〜２．２％、ＨｆＣｌ４：０．０〜２．２％、
ただし、ＺｒＣｌ４＋ＨｆＣｌ４：０．８〜２．２％、
かつ、ガス群ＣのＺｒＣｌ４＋ＨｆＣｌ４濃度を超え、
ＣＨ４：２．０〜８．０％、ただし、ガス群ＣのＣＨ４を超え
Ｎ２：１５．０〜５０.０％、ただし、ガス群ＣのＮ２濃度未満
Ｈ２：残、  
ｂ）供給周期：
（ガス群Ｃ→ガス群Ｄ）を一周期としてこれを繰り返す。
各ガス群の供給時間は、ガス群Ｃ、ガス群Ｄのいずれも５秒以上であり、一周期当たりのガス供給時間は、１０秒以上である。一周期当たりのガス供給時間が、１０秒未満では、
組成変動組織を明確に区別して形成することが困難となる。一方、一周期当たりのガス供給時間を長くするに従い、結晶粒内の組成変動組織の組成変動が長周期化する結果、前述の「ＺｒおよびＨｆとＣが富化された領域とＺｒおよびＨｆとＣが貧化された領域の間で転位の移動を妨げ、硬さを向上させる効果」が小さくなるため、硬さが低下する。周期的な組成変化の周期を１００ｎｍ以下とするためには、一周期当たりのガス供給時間は１８０秒以下が好ましい。よって一周期当たりのガス供給時間は１０秒以上１８０秒以下とすることが好ましい。
複合炭窒化物層の層厚の調整は、前記ガス供給周期（ガス群Ｃ→ガス群Ｄ）の繰り返し回数を増減させることにより行う。
ｃ）反応雰囲気温度：１０００℃以上１０８０℃未満
反応雰囲気温度については、１０００℃未満では、十分な成膜速度が得られず、ＴｉＺｒＮＣ層またはＴｉＺｒＨｆＮＣ層の塩素含有量が多くなり易い傾向がある。一方１０８０℃以上では、超硬合金母材からＣ等の元素が皮膜中に拡散し、十分な付着強度が得られないことがある。よって、反応雰囲気温度については１０００℃以上１０８０℃未満が好ましい。
ｄ）反応雰囲気圧力：１６ｋＰａ以上４０ｋＰａ未満
１６ｋＰａ未満では十分な成膜速度が得られず、４０ｋＰａ以上では、皮膜中にポアが含まれやすくなる。よって、反応雰囲気圧力については１６ｋＰａ以上４０ｋＰａ未満が好ましい。
【００３０】
（４）下部層および上部層の成膜方法
本発明においては、工具基体と複合炭窒化物層（ＴｉＺｒＮＣ層またはＴｉＺｒＨｆＮＣ層）との間に下部層を、複合炭窒化物層（ＴｉＺｒＮＣ層またはＴｉＺｒＨｆＮＣ層）の上に上部層を成膜することができる。
なお、成膜する化合物および成膜条件については、後記表３を参照。
【００３１】
つぎに、本発明の被覆工具を実施例により具体的に説明する。
【実施例】
【００３２】
原料粉末として、いずれも１〜３μｍの平均粒径を有するＷＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ３Ｃ２粉末、ＴｉＮ粉末、およびＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、表１に示される配合組成に配合し、さらにワックスを加えてアセトン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を５Ｐａの真空中、１３７０〜１４７０℃の範囲内の所定の温度に１時間保持の条件で真空焼結し、焼結後、ＩＳＯ規格ＣＮＭＧ１２０４０８のインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ〜Ｃをそれぞれ製造した。
【００３３】
また、原料粉末として、いずれも０．５〜２μｍの平均粒径を有するＴｉＣＮ（質量比でＴｉＣ／ＴｉＮ＝５０／５０）粉末、ＺｒＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｍｏ2Ｃ粉末、ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末およびＮｉ粉末を用意し、これら原料粉末を、表２に示される配合組成に配合し、ボールミルで２４時間湿式混合し、乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を１．３ｋＰａの窒素雰囲気中、温度：１５００℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、ＩＳＯ規格ＣＮＭＧ１２０４０８のインサート形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体Ｄ、Ｅを作製した。
【００３４】
ついで、これらの工具基体Ａ〜Ｅのそれぞれを、化学蒸着装置に装入し、ＴｉＺｒ複合炭窒化物層またはＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物層を成膜することにより、本発明被覆工具１〜１４をそれぞれ製造した。
なお、下部層、上部層は、必要に応じて設けた。
具体的には、まず、表５において、工具基体記号に基づき、表１または表２より、工具基体を選択し、次いで、形成記号に基づき、表４より、本発明成膜工程のＴｉＺｒＮＣ層またはＴｉＺｒＨｆＮＣ層の成膜条件を選択し、表５に示される目標平均層厚のＴｉＺｒＮＣ層またはＴｉＺｒＨｆＮＣ層の成膜を行った。
下部層および／または上部層を設ける場合は、表３に示される形成条件にて、表５に示される平均目標層厚にて成膜を行った。
次いで、得られた、本発明被覆工具１〜１４のＴｉＺｒＮＣ層・ＴｉＺｒＨｆＮＣ層の平均組成、組成変動組織が複合炭窒化物層の組織に占める面積割合、ＺｒＨｆ最高含有割合（平均値）、ＺｒＨｆ最低含有割合（平均値）、Ｃ最高含有割合（平均値）、Ｃ最低含有割合（平均値）、ＺｒＨｆ最高含有点とＺｒＨｆ最低含有点の間隔（平均値）、Ｃ最高含有点とＣ最低含有点の間隔（平均値）、および、ＺｒＨｆ最高含有点と、そのＺｒＨｆ最高含有点から最も近い位置にあるＣ最高含有点との間隔（平均値）、平均膜厚を表５に示す。
【００３５】
また、比較の目的で、本発明被覆工具１〜１４と同様の手順で比較例被覆工具１〜９をそれぞれ製造した。
具体的には、表６において、工具基体記号に基づき、表１または表２より、工具基体を選択し、次いで、形成記号に基づき、表４より、比較例成膜工程のＴｉＺｒＮＣ層またはＴｉＺｒＨｆＮＣ層の成膜条件を選択し、表６に示される目標平均層厚のＴｉＺｒＮＣ層またはＴｉＺｒＨｆＮＣ層の成膜を行った。
下部層および／または上部層を設ける場合は、表３に示される形成条件にて、表６に示される平均目標層厚にて成膜を行った。
次いで、得られた、比較例被覆工具１〜９のＴｉＺｒＮＣ層・ＴｉＺｒＨｆＮＣ層の平均組成、組成変動組織が複合炭窒化物層の組織に占める面積割合、ＺｒＨｆ最高含有割合（平均値）、ＺｒＨｆ最低含有割合（平均値）、Ｃ最高含有割合（平均値）、Ｃ最低含有割合（平均値）、ＺｒＨｆ最高含有点とＺｒＨｆ最低含有点の間隔（平均値）、Ｃ最高含有点とＣ最低含有点の間隔（平均値）、および、ＺｒＨｆ最高含有点と、そのＺｒＨｆ最高含有点から最も近い位置にあるＣ最高含有点との間隔（平均値）、平均膜厚を表６に示す。
【００３６】
次いで、ここでは、本発明被覆工具１〜１４、および、比較例被覆工具１〜９の分析方法について述べる。
膜厚の測定は、走査型電子顕微鏡（倍率５０００倍）を用いた。まず、刃先近傍のすくい面のうち、刃先から１００μｍ離れた位置において、工具基体に垂直な方向の断面が露出するように研磨を施した。次に刃先近傍のすくい面上で切れ刃稜線から１００μｍ離れた位置を含むように、５０００倍の視野でＴｉＺｒＮ層およびＴｉＺｒＨｆＮ層を観察し、観察視野内の５点の層厚を測定し、平均値を平均層厚とした。
【００３７】
次に、収束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いて工具基体表面に垂直な縦断面を切り出し、ＴｉＺｒＮＣ層またはＴｉＺｒＨｆＮＣ層の組成を、その層厚方向に沿って、工具基体表面に平行な方向の幅が１０μｍであり、硬質被覆層の厚み領域が全て含まれるように設定された視野について、高角散乱環状暗視野走査透過顕微鏡法（ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ）およびエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）を用いて１．０μｍ×１．０μｍの視野（ＴｉＺｒＮＣ層またはＴｉＺｒＨｆＮＣ層の膜厚が１．０μｍ以下の場合は、ＴｉＺｒＮＣ層またはＴｉＺｒＨｆＮＣ層の膜厚×１．０μｍの視野）にて異なる５箇所にて組成分析を行い、その平均値からＴｉＺｒＮＣ層またはＴｉＺｒＨｆＮＣ層全体の平均組成を求めた。
【００３８】
次に、ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭを用いて組成変動組織が、複合炭窒化物層の組織に占める面積割合を求めた。具体的には、１．０μｍ×１．０μｍの視野（ＴｉＺｒＮＣ層またはＴｉＺｒＨｆＮＣ層の膜厚が１．０μｍ以下の場合は、ＴｉＺｒＮＣ層またはＴｉＺｒＨｆＮＣ層の膜厚×１．０μｍの視野）において、ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像を異なる５視野で観察し、各視野において、組成変動組織が、前記複合炭窒化物層に占める面積割合を求め、その平均値を、組成変動組織が複合炭窒化物層の組織に占める面積割合とした。
ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像では構成元素の原子量差に起因するコントラストが強いため、ここで観察された、「ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像で周期的な明暗がある組織」は「ＴｉとＺｒおよびＨｆとの周期的な組成変化を有する組織」であることを推定することができる。
次いで、前記周期的な明暗のある組織について、ＥＤＳによるライン分析法を用いて、ＴｉとＺｒおよびＨｆとの周期的な組成変化を有するものであるか確認を行った。
【００３９】
ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像によれば、結晶粒内には、積層構造の組成変動組織を複数見ることができ、積層構造の組成変動組織について、ＥＤＳライン分析を行うことができる。
初めに、ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像から「ＴｉとＺｒおよびＨｆとの周期的な組成変化の周期が最小となる方向(すなわち、ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像における明暗のコントラストの周期幅が最小となる方向)」を求めた。
なお、前述の通り、ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像では構成元素の原子量差に起因するコントラストが強く、ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像において、明るい部分ほどＺｒが多く含有されている。なお、ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭによって粒界が明瞭に観察できない場合は、同じ個所について、電子回折パターンによる結晶方位マッピングを１０ｎｍ間隔で測定し、各々の測定点同士の結晶方位関係を解析し隣接する測定点（以下、「ピクセル」ともいう）間での方位差を測定し、５度以上の方位差がある場合、そこを粒界と定義する。そして、粒界で囲まれた領域を１つの結晶粒と定義する。（ただし、隣接するピクセルすべてと５度以上の方位差がある単独に存在するピクセルは結晶粒とせず、２ピクセル以上が連結しているものを結晶粒として取り扱った。）
そして、前記「ＴｉとＺｒおよびＨｆとの周期的な組成変化の周期幅が最小となる方向」にＥＤＳによるライン分析を行うことにより、ＺｒＨｆ最高含有割合、ＺｒＨｆ最低含有割合、Ｃ最高含有割合、Ｃ最低含有割合、ＺｒＨｆ最高含有点とＺｒＨｆ最低含有点の間隔、Ｃ最高含有点とＣ最低含有点の間隔、および、前記ＺｒＨｆ最高含有点と、そのＺｒＨｆ最高含有点から最も近い位置にあるＣ最高含有点との間隔を測定した。
これらは、いずれも５個の積層構造の組成変動組織に対してＥＤＳライン分析を行い、各々の積層構造の組成変動組織における測定値（各積層構造毎に１０点）の平均値として求めたものである。
表５および表６に測定および算出したそれぞれの値を示す。  
【００４０】
次いで、本発明被覆工具１〜１４および比較例被覆工具１〜９の硬質被覆層の複合炭窒化物層を構成する結晶粒についての傾斜角度数分布を、電界放出型走査電子顕微鏡と電子線後方散乱回折装置を用いて測定した。
すなわち、前記下部層と前記複合炭窒化物層との界面から複合炭窒化物層の層厚方向へ０．３μｍ、また、工具基体表面と平行方向に５０μｍの断面研磨面の測定範囲（０．３μｍ×５０μｍ）を、電界放出型走査電子顕微鏡の鏡筒内にセットし、前記研磨面に７０度の入射角度で１５ｋＶの加速電圧の電子線を１ｎＡの照射電流にて、それぞれの前記研磨面の測定範囲内に存在する岩塩型立方晶結晶格子を有する結晶粒個々に照射して、電界放出型走査電子顕微鏡と電子後方散乱回折像装置を用いて、０．３μｍ×５０μｍの測定領域を０．１μｍ／ｓｔｅｐの間隔にて、前記表面研磨面の法線に対して、前記結晶粒の結晶面である｛１１１｝面の法線がなす傾斜角を０〜４５度の範囲にわたって、０．２５度のピッチ毎に区分して測定し、各区分内に存在する度数を集計してなる傾斜角度数分布グラフで表し、この測定結果に基づいて、前記傾斜角区分が０〜１０度の範囲内にある結晶粒の度数の合計を求め、さらに、傾斜角度数分布グラフ全体に占める度数割合を求め、表５、表６に示す。（なお、傾斜角度数分布を求めるに当たり、理想的なランダム配向の場合、傾斜角度数は工具基体表面の法線方向に対するある結晶面の法線方向がなす傾斜角によらず一定の値になるように規格化している。）
【００４１】
また、本発明被覆工具１〜１４および比較例被覆工具１〜９の硬質被覆層の複合炭窒化物層の縦断面について、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用い、倍率５０００倍にて、工具基体と平行な方向に１０μｍ、工具基体と垂直な方向に複合炭窒化物層の層厚分の高さの領域内に存在する複合炭窒化物結晶粒のそれぞれについて最大粒子幅Ｗ、最大粒子長さＬを測定するとともに、アスペクト比Ｌ／Ｗの値を求め、アスペクト比Ｌ／Ｗが２以上である結晶粒が、複合炭窒化物層の縦断面に占める面積割合を求め、表５、表６に示す。
【００４２】
【表１】
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【００４３】
【表２】
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【００４４】
【表３】
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【００４５】
【表４】
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【００４６】
【表５】
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【００４７】
【表６】
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【００４８】
つぎに、前記各種の被覆工具を工具鋼製バイト先端部に固定治具にてクランプした状態で、本発明被覆工具１〜１４、比較例工具１〜９について、以下に示す、析出硬化型ステンレス鋼の高送り断続切削試験を実施し、切刃の逃げ面摩耗幅を測定するとともに、溶着の発生等の有無について観察を行い、結果を表７に示す。
【００４９】
≪切削条件Ａ≫
切削試験：析出硬化型ステンレス鋼１スリット材湿式高送り断続切削加工試験
被削材：  ＪＩＳ・ＳＵＳ６３０
切削速度：１１０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．５ｍｍ、
送り量：０．４２ｍｍ／ｒｅｖ.、
切削時間：４．０分、
≪切削条件Ｂ≫
切削試験：析出硬化型ステンレス鋼４スリット材湿式断続高送り切削加工試験
被削材：  ＪＩＳ・ＳＵＳ６３０
切削速度：９０ｍ／ｍｉｎ、
切り込み：１．２ｍｍ、
送り量：０．３７ｍｍ／ｒｅｖ．、
切削時間：１．０分、
【００５０】
【表７】
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【００５１】
表７の切削加工試験結果からも明らかなように、本発明被覆工具は、表５において、各成分元素が所望の平均組成を満たし、また、ＺｒＨｆ含有割合およびＣ含有割合が周期的に変化し、ＺｒＨｆ最高含有点とＣ最高含有点の周期および位置がそれぞれ同期した積層構造の組成変動組織を備えたＴｉＺｒ複合炭窒化層またはＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物層を有することにより、例えば、析出硬化型ステンレス鋼の断続高送り切削加工において、剥離、チッピングを発生することなく、逃げ面最大摩耗幅も小さく、すぐれた耐溶着性、耐塑性変形性および耐異常損傷性を発揮する。
これに対し、比較例被覆工具は、硬質被覆層として含まれる複合炭窒化物層が、所望の平均組成を満たしていない、あるいは、所望の平均組成を満たしている場合であっても、ＺｒＨｆ含有割合およびＣ含有割合が周期的に変化する組成変動組織を有していない、または所望の配向性を有していないことにより、所望の特性を発揮することができず、摩耗の進展、溶着の発生、チッピングの発生等により、短時間で寿命に至るものであった。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
前述のとおり、本発明の被覆工具は、硬質被覆層として含まれる複合炭窒化物層において、各成分の含有割合が周期的に変化する、所望の組成変動組織を有することにより、例えば、析出硬化型ステンレス鋼の断続高送り切削加工において、すぐれた耐溶着性、耐チッピング性、耐摩耗性を発揮するものであるから、切削装置の高性能化並びに切削加工の省力化および省エネ化、さらに、低コスト化に十分満足するものである。
【図１】
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【図２】
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