(57)【要約】  基材と、前記基材を被覆する被覆層とを含む表面被覆切削工具であって、前記被覆層は、第１単位層と第２単位層とが交互に積層された交互層を含み、前記第１単位層はアルミニウム及びジルコニウムを含む窒化物からなり、前記第１単位層を構成する金属原子の総数を１としたときの前記ジルコニウムの原子数の比は０．６５以上０．９５以下であり、前記第２単位層はチタン及び珪素を含む窒化物からなり、前記第２単位層を構成する金属原子の総数を１としたときの前記珪素の原子数の比は０よりも大きく０．２０以下である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、前記基材を被覆する被覆層とを含む表面被覆切削工具であって、
前記被覆層は、第１単位層と第２単位層とが交互に積層された交互層を含み、
前記第１単位層はアルミニウム及びジルコニウムを含む窒化物からなり、
前記第１単位層において、前記第１単位層を構成する金属原子の総数を１としたときの前記ジルコニウムの原子数の比は０．６５以上０．９５以下であり、
前記第２単位層はチタン及び珪素を含む窒化物からなり、
前記第２単位層において、前記第２単位層を構成する金属原子の総数を１としたときの前記珪素の原子数の比は０よりも大きく０．２０以下である、表面被覆切削工具。
【請求項２】
前記交互層中の隣り合う前記第１単位層と前記第２単位層とにおいて、前記第１単位層の厚みλ１に対する前記第２単位層の厚みλ２の比λ２／λ１は１以上５以下である、請求項１に記載の表面被覆切削工具。
【請求項３】
前記第１単位層は珪素を含み、
前記第１単位層において、前記第１単位層を構成する金属原子の総数を１としたときの前記珪素の原子数の比は０よりも大きく０．２０以下である、請求項１又は請求項２に記載の表面被覆切削工具。
【請求項４】
前記第１単位層は硼素を含み、
前記第１単位層において、前記第１単位層を構成する金属原子の総数を１としたときの前記硼素の原子数の比は０よりも大きく０．１０以下である、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の表面被覆切削工具。
【請求項５】
前記第２単位層は硼素を含み、
前記第２単位層において、前記第２単位層を構成する金属原子の総数を１としたときの前記硼素の原子数の比は０よりも大きく０．１０以下である、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の表面被覆切削工具。
【請求項６】
前記第１単位層はバナジウムを含み、
前記第１単位層において、前記第１単位層を構成する金属原子の総数を１としたときの前記バナジウムの原子数の比は０よりも大きく０．３０以下である、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の表面被覆切削工具。
【請求項７】
前記第２単位層はバナジウムを含み、
前記第２単位層において、前記第２単位層を構成する金属原子の総数を１としたときの前記バナジウムの原子数の比は０よりも大きく０．３０以下である、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の表面被覆切削工具。
【請求項８】
前記第１単位層及び前記第２単位層は、それぞれ１層の厚みが０．００２μｍ以上０．２μｍ以下である、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の表面被覆切削工具。
【請求項９】
前記被覆層は前記基材と前記交互層との間に配置される下地層を含み、
前記下地層は、前記第１単位層又は前記第２単位層と同一の組成を有する、請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の表面被覆切削工具。
【請求項１０】
前記被覆層は前記交互層の表面側に配置される表面層を含み、
前記表面層は、チタンを含む炭窒化物からなる、請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の表面被覆切削工具。
【請求項１１】
請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載の表面被覆切削工具の製造方法であって、
前記基材を準備する工程と、
前記基材上に、物理的蒸着法を用いて前記第１単位層と前記第２単位層とを交互に積層することにより前記交互層を形成し、前記表面被覆切削工具を得る工程と、を備える、表面被覆切削工具の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面被覆切削工具及びその製造方法に関する。本出願は、２０１８年３月７日に出願した日本特許出願である特願２０１８−０４０８７５号に基づく優先権を主張する。当該日本特許出願に記載された全ての記載内容は、参照によって本明細書に援用される。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境保全の観点から切削油剤を用いないドライ加工が求められていること、加工能率を向上させるために切削速度がより高速になってきていること、及び被削材が多様化しており特に航空機や医療の分野では難削材と呼ばれる耐熱合金等の切削が増えていること、等の理由から、切削工程における表面被覆切削工具の刃先温度が高温になる傾向にある。刃先温度が高温になると、表面被覆切削工具の寿命が短くなってしまう。従って、このような過酷な切削条件下においても、優れた工具寿命を示すことのできる表面被覆切削工具が求められている。【０００３】
例えば、特開２００３−３４８５９号公報（特許文献１）には、高速・高能率切削における切削工具の耐摩耗性を向上することを目的として、（Ａｌb，[Ｃｒ1-eＶe]c）（Ｃ1-dＮd）の組成（ただし、０．５≦ｂ≦０．８、０．２≦ｃ≦０．５、ｂ＋ｃ＝１、０．０５≦e≦０．９５、０．５≦ｄ≦１）または（Ｍa，Ａｌb，[Ｃｒ1-eＶe]c）（Ｃ1-dＮd）の組成（ただし、ＭはＴｉ、Ｎｂ、Ｗ、ＴａおよびＭｏよりなる群から選択された少なくとも１種であり、０．０２≦ａ≦０．３、０．５≦ｂ≦０．８、０．０５≦ｃ、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０．５≦ｄ≦１、０≦e≦１）からなる被覆層が開示されている。【０００４】
また、国際公開２００６／０７０７３０号（特許文献２）には、ドライ加工を高加工能率で行うことを目的として、ＡｌとＣｒとの窒化物からなるＡ層と、ＴｉとＡｌとの窒化物からなるＢ層とが交互に積層された交互層を含む被覆層が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３４８５９号公報
【特許文献２】国際公開２００６／０７０７３０号
【発明の概要】
【０００６】
本開示の一態様に係る表面被覆切削工具は、
［１］基材と、前記基材を被覆する被覆層とを含む表面被覆切削工具であって、
前記被覆層は、第１単位層と第２単位層とが交互に積層された交互層を含み、
前記第１単位層はアルミニウム及びジルコニウムを含む窒化物からなり、
前記第１単位層において、前記第１単位層を構成する金属原子の総数を１としたときの前記ジルコニウムの原子数の比は０．６５以上０．９５以下であり、
前記第２単位層はチタン及び珪素を含む窒化物からなり、
前記第２単位層において、前記第２単位層を構成する金属原子の総数を１としたときの前記珪素の原子数の比は０よりも大きく０．２０以下である、表面被覆切削工具である。
【０００７】
本開示の他の一態様に係る表面被覆切削工具の製造方法は、
［２］上記［１］に記載の表面被覆切削工具の製造方法であって、
前記基材を準備する工程と、
前記基材上に、物理的蒸着法を用いて前記第１単位層と前記第２単位層とを交互に積層することにより前記交互層を形成し、前記表面被覆切削工具を得る工程と、を備える、表面被覆切削工具の製造方法である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本開示の一実施の形態に係る表面被覆切削工具の模式的な拡大断面図である。
【図２】図２は、本開示の他の一実施の形態に係る表面被覆切削工具の模式的な拡大断面図である。
【図３】図３は、第１単位層及び第２単位層の厚みの比の一例を説明するための図である。
【図４】図４は、実施例で用いられたカソードアークイオンプレーティング装置の模式的な断面図である。
【図５】図５は、図４に示されるカソードアークイオンプレーティング装置の模式的な上面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［本開示が解決しようとする課題］
航空機のエンジン等に用いられるインコネル（登録商標）等に代表される耐熱合金は、Ｃｒを含有する場合が多い。上述の特許文献１及び特許文献２の被覆層はＣｒを含む。従って、これらの切削工具を用いて耐熱合金を切削した場合、被覆層中のＣｒと被削材中のＣｒとが相互拡散して、被覆層の損傷が加速されることが技術的な問題となっている。
【００１０】
そこで、本目的は、特に難削材の加工においても、長寿命を達成することができる表面被覆切削工具及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
［本開示の効果］
上記態様によれば、特に難削材の加工においても、長寿命を達成することができる表面被覆切削工具及びその製造方法を提供することが可能となる。
【００１２】
［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
【００１３】
（１）本開示の一態様に係る表面被覆切削工具は、基材と、前記基材を被覆する被覆層とを含む表面被覆切削工具であって、
前記被覆層は、第１単位層と第２単位層とが交互に積層された交互層を含み、
前記第１単位層はアルミニウム及びジルコニウムを含む窒化物からなり、
前記第１単位層において、前記第１単位層を構成する金属原子の総数を１としたときの前記ジルコニウムの原子数の比は０．６５以上０．９５以下であり、
前記第２単位層はチタン及び珪素を含む窒化物からなり、
前記第２単位層において、前記第２単位層を構成する金属原子の総数を１としたときの前記珪素の原子数の比は０よりも大きく０．２０以下である。
【００１４】
このような表面被覆切削工具は、難削材の加工において、長寿命を達成することができる。
【００１５】
（２）前記交互層中の隣り合う前記第１単位層と前記第２単位層とにおいて、前記第１単位層の厚みλ１に対する前記第２単位層の厚みλ２の比λ２／λ１は１以上５以下であることが好ましい。これによると、表面被覆切削工具全体としての放熱性が向上するので、特に、連続切削時の表面被覆切削工具の耐摩耗性が向上する。
【００１６】
（３）前記第１単位層は珪素を含み、前記第１単位層において、前記第１単位層を構成する金属原子の総数を１としたときの前記珪素の原子数の比は０よりも大きく０．２０以下であることが好ましい。これによると、被覆層は高い硬度を有することができる。
【００１７】
（４）前記第１単位層は硼素を含み、前記第１単位層において、前記第１単位層を構成する金属原子の総数を１としたときの前記硼素の原子数の比は０よりも大きく０．１０以下であることが好ましい。これによると、被覆層は高い硬度を有することができる。
【００１８】
（５）前記第２単位層は硼素を含み、前記第２単位層において、前記第２単位層を構成する金属原子の総数を１としたときの前記硼素の原子数の比は０よりも大きく０．１０以下であることが好ましい。これによると、被覆層は高い硬度を有することができる。
【００１９】
（６）前記第１単位層はバナジウムを含み、前記第１単位層において、前記第１単位層を構成する金属原子の総数を１としたときの前記バナジウムの原子数の比は０よりも大きく０．３０以下であることが好ましい。これによると、被削材の表面被覆切削工具への溶着を抑制することができる。
【００２０】
（７）前記第２単位層はバナジウムを含み、前記第２単位層において、前記第２単位層を構成する金属原子の総数を１としたときの前記バナジウムの原子数の比は０よりも大きく０．３０以下であることが好ましい。これによると、被削材の表面被覆切削工具への溶着を抑制することができる。
【００２１】
（８）前記第１単位層及び前記第２単位層は、それぞれ１層の厚みが０．００２μｍ以上０．２μｍ以下であることが好ましい。これによると、クラックの進展を抑制することができる。
【００２２】
（９）前記被覆層は前記基材と前記交互層との間に配置される下地層を含み、
前記下地層は、前記第１単位層又は前記第２単位層と同一の組成を有することが好ましい。
【００２３】
下地層が第１単位層と同一の組成を有する場合は、切削初期に基材が露出したとしても、基材と被覆層との界面からの酸化を抑制することができる。下地層が第２単位層と同一の組成を有する場合は、フライス加工やエンドミル加工等の断続加工の場合において、被覆層の耐剥離性を向上することができる。
【００２４】
（１０）前記被覆層は前記交互層の表面側に配置される表面層を含み、
前記表面層は、チタンを含む炭窒化物からなることが好ましい。これによると、表面被覆切削工具は、より長寿命を達成することができる。
【００２５】
（１１）本開示の他の一態様に係る表面被覆切削工具の製造方法は、上記（１）〜（１０）のいずれかに記載の表面被覆切削工具の製造方法であって、
前記基材を準備する工程と、
前記基材上に、物理的蒸着法を用いて前記第１単位層と前記第２単位層とを交互に積層することにより前記交互層を形成し、前記表面被覆切削工具を得る工程と、を備える、表面被覆切削工具の製造方法である。
【００２６】
物理的蒸着法を用いて形成された被覆層は、結晶性が高く、優れた耐摩耗性を有することができる。従って、得られた表面被覆切削工具は、長寿命を達成することができる。
【００２７】
［本開示の実施形態の詳細］
本開示の一実施形態にかかる表面被覆切削工具の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。
【００２８】
本明細書において化合物を化学式で表わす場合、原子比を特に限定しない場合は従来公知のあらゆる原子比を含むものとし、必ずしも化学量論的範囲のもののみに限定されるものではない。例えば単に「ＺｒＡｌＮ」と記す場合、「Ｚｒ（ジルコニウム）」と「Ａｌ（アルミニウム）」と「Ｎ（窒素）」の原子比は２５：２５：５０の場合のみに限られず、また「ＡｌＴｉＮ」と記す場合も「Ａｌ」と「Ｔｉ」と「Ｎ」の原子比は２５：２５：５０の場合のみに限られず、従来公知のあらゆる原子比が含まれるものとする。
【００２９】
＜表面被覆切削工具＞
本開示の一実施の形態に係る表面被覆切削工具について、図１〜図３を用いて説明する。図１は、本開示の一実施の形態に係る表面被覆切削工具の模式的な拡大断面図である。図２は、本開示の他の一実施の形態に係る表面被覆切削工具の模式的な拡大断面図である。図３は、第１単位層及び第２単位層の厚みの比の一例を説明するための図である。
【００３０】
図１及び図２に示されるように、本開示の一実施の形態に係る表面被覆切削工具１は、基材２と、前記基材２を被覆する被覆層３とを備える。被覆層３は、基材２の全面を被覆することが好ましいが、基材２の一部が被覆層３で被覆されていなかったり、被覆層３の構成が部分的に異なっていたとしても本実施形態の範囲を逸脱するものではない。
【００３１】
本実施形態の表面被覆切削工具は、ドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型切削チップ、エンドミル用刃先交換型切削チップ、フライス加工用刃先交換型切削チップ、旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ等の切削工具として好適に使用することができる。
【００３２】
＜基材＞
本実施形態の表面被覆切削工具１に用いられる基材２は、この種の基材として従来公知のものであればいずれも使用することができる。例えば、超硬合金（例えば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）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を主成分とするもの）、高速度鋼、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、酸化アルミニウム等）、立方晶型窒化硼素焼結体、またはダイヤモンド焼結体のいずれかであることが好ましい。
【００３３】
これらの各種基材の中でも、特にＷＣ基超硬合金、サーメット（特にＴｉＣＮ基サーメット）を選択することが好ましい。これらの基材は、特に高温における硬度と強度とのバランスに優れるため、表面被覆切削工具の基材として用いた場合に、該表面被覆切削工具の長寿命化に寄与することができる。
【００３４】
＜被覆層＞
本実施形態の表面被覆切削工具１に含まれる被覆層３は、第１単位層１２と第２単位層１５とが交互に積層された交互層１３を含む。被覆層３は、交互層１３に加えて、他の層を含むことができる。他の層としては、例えば下地層１６（ＺｒＡｌＮ、ＺｒＡｌＳｉＮ、ＺｒＡｌＢＮ、ＺｒＡｌＶＮ、ＡｌＴｉＳｉＮ等）、表面層１４（ＡｌＴｉＣＮ、ＡｌＴｉＳｉＣＮ、ＡｌＴｉＢＣＮ、ＡｌＴｉＶＣＮ等）等を挙げることができる。
【００３５】
被覆層３は、基材２を被覆することにより、表面被覆切削工具の耐摩耗性や耐チッピング性等の諸特性を向上させ、表面被覆切削工具の長寿命化をもたらす作用を有する。
【００３６】
被覆層は、全体の厚みが０．８μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。被覆層の全体の厚みが０．８μｍ未満であると、被覆層の厚みが薄すぎて、表面被覆切削工具の寿命が短くなる傾向にある。一方、１５μｍよりも厚いと、切削初期において被覆層がチッピングしやすくなり、表面被覆切削工具の寿命が短くなる傾向にある。被覆層の全体の厚みは、被覆層の断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて観察することにより測定することができる。具体的には、断面サンプルの観察倍率を５０００〜１００００倍とし、観察面積を１００〜５００μｍ２として、１視野において３箇所の厚み幅を測定し、その平均値を「厚み」とする。後述の各層の厚みについても、特に記載のない限り同様である。
【００３７】
被覆層の圧縮残留応力は、絶対値が６ＧＰａ以下であることが好ましい。被覆層の圧縮残留応力とは、被覆層全体に存する内部応力（固有ひずみ）の一種であって、「−」（マイナス）の数値（単位：本実施形態では「ＧＰａ」を使う）で表される応力をいう。このため、圧縮残留応力が大きいという概念は、数値の絶対値が大きくなることを示し、また、圧縮残留応力が小さいという概念は、数値の絶対値が小さくなることを示す。すなわち、圧縮残留応力の絶対値が６ＧＰａ以下であるとは、被覆層に関する好ましい圧縮残留応力が−６ＧＰａ以上０ＧＰａ以下であることを意味する。
【００３８】
被覆層の圧縮残留応力が０ＧＰａを超えると引っ張り応力となるため、被覆層の最表面から発生したクラックの進展を抑制できない傾向にある。一方、圧縮残留応力の絶対値が６ＧＰａを超えると、応力が大きすぎて、切削開始前に、特に表面被覆切削工具のエッジ部から被覆層が剥離して表面被覆切削工具の寿命が短くなるおそれがある。
【００３９】
圧縮残留応力は、Ｘ線残留応力装置を用いてｓｉｎ２ψ法（「Ｘ線応力測定法」（日本材料学会、１９８１年株式会社養賢堂発行）の５４〜６６頁参照）によって測定することができる。
【００４０】
被覆層の結晶構造は、立方晶型であることが好ましい。被覆層の結晶構造が立方晶型であると、被覆層の硬度が向上する。よって、被覆層中の各層のそれぞれの結晶構造が立方晶型であることが好ましい。なお、被覆層および被覆層中の各層の結晶構造は、当該分野で公知のＸ線回折装置により解析することができる。
【００４１】
被覆層の硬度は、２９ＧＰａ以上６０ＧＰａ以下が好ましく、４０ＧＰａ以上６０ＧＰａ以下がより好ましい。これによると、被覆層は十分な硬度を有する。なお、被覆層全体の硬度の測定は、ナノインデンター法（ＭＴＳ社製Ｎａｎｏ  Ｉｎｄｅｎｔｅｒ  ＸＰ）により測定することができる。具体的には、被覆層の表面において３箇所の硬度を測定し、その平均値を「硬度」とする。
【００４２】
＜交互層＞
本実施形態において、被覆層３は、第１単位層１２と第２単位層１５とが交互に積層された交互層１３を含む。第１単位層はＡｌ（アルミニウム）及びＺｒ（ジルコニウム）を含む窒化物からなり、第１単位層を構成する金属原子の総数を１としたときのＺｒの原子数の比は０．６５以上０．９５以下である。第２単位層はＴｉ（チタン）及びＳｉ（珪素）を含む窒化物からなり、第２単位層を構成する金属原子の総数を１としたときのＳｉの原子数の比は０よりも大きく０．２０以下である。
【００４３】
本明細書中、「金属原子」とは、水素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、アスタチン、酸素、硫黄、セレン、テルル、窒素、リン、ヒ素、アンチモンおよび炭素以外の元素の原子のことをいう。
【００４４】
本明細書中、第１単位層、第２単位層、下地層、中間層及び表面層を含む各層の組成、及び、各層における金属原子の総数に対する各原子（Ｚｒ，Ｓｉ，Ｂ（硼素），Ｖ）の原子数の比は、Ｘ線光電子分光分析装置（ＸＰＳ）を用いて測定することができる。具体的には、試料表面にＸ線を照射し、試料表面から放出される光電子の運動エネルギーを計測することで、試料表面を構成する元素の組成、化学結合状態を分析する。ＸＰＳにおいて、試料を回転させながらＡｒイオンエッチングを行う（ザラーローテーション）ことにより、基材側に位置する層についても、各層の組成、及び、各層における金属原子の総数に対する各原子（Ｚｒ，Ｓｉ，Ｂ，Ｖ）の原子数の比を測定することができる。
【００４５】
交互層１３がこのような構成を有することにより、本実施形態の表面被覆切削工具は、難削材の加工において、長寿命を達成することができるという優れた効果を示す。この理由は、下記（i）〜（vi）の通りと推察される。
【００４６】
（i）第１単位層はＡｌ及びＺｒを含む窒化物からなる。Ａｌは酸化されやすいため、被覆層の表面側にＡｌ２Ｏ３からなる緻密な酸化物層が形成されやすい。更に、ＺｒはＡｌより酸化物の標準生成エネルギーが小さいため、Ａｌよりも酸化されやすく、被覆層の最表面にはＺｒＯ２からなる緻密な酸化物層が形成されやすい。これらの酸化物層により、被覆層の耐酸化性が向上するため、該被覆層を含む表面被覆切削工具は、難削材の加工において、長寿命を達成することができる。
【００４７】
（ii）第１単位層を構成する金属原子の総数を１としたときのＺｒの原子数の比は０．６５以上０．９５以下である。この場合、巻野の論文（巻野、「擬２元系窒化物硬質被膜の結晶構造制御と特性」、高温学会誌、高温学会、２００７年３月、第３３巻、第２号、ｐ．５０−５９）で予測されている通り、第１単位層の結晶構造が立方晶型となり、高硬度化して耐摩耗性が向上する。よって、第１単位層を含む表面被覆切削工具は、長寿命を達成することができる。
【００４８】
（iii）第２単位層はＴｉ及びＳｉを含む窒化物からなる。Ｔｉ及びＳｉを含む窒化物からなる層は、結晶構造がナノコンポジット化して硬度が高くなる。よって、第２単位層を含む表面被覆切削工具は、耐摩耗性が向上し、長寿命を達成することができる。
【００４９】
（iv）第２単位層を構成する金属原子の総数を１としたときのＳｉの原子数の比は０よりも大きく０．２０以下である。この場合、Ｔｉ及びＳｉを含む窒化物からなる層が剥離しやすいという特性を抑えることができ、かつ、結晶構造がナノコンポジット化するため、高硬度化して耐摩耗性が向上する。よって、第２単位層を含む表面被覆切削工具は、長寿命を達成することができる。
【００５０】
（v）Ａｌ及びＺｒを含む窒化物からなる層とＴｉ及びＳｉを含む窒化物からなる層とを比べた場合、Ａｌ及びＺｒを含む窒化物からなる層は圧縮残留応力が大きく硬度が低い特性を有し、Ｔｉ及びＳｉを含む窒化物からなる層は圧縮残留応力が小さく硬度が高い特性を有する傾向がある。交互層は、Ａｌ及びＺｒを含む窒化物からなる第１単位層と、Ｔｉ及びＳｉを含む窒化物からなる第２単位層とを交互に積層して含むため、第１単位層の硬度が低いという特性は高い硬度を有する第２単位層によって補完され、又、第２単位層の圧縮残留応力が小さいという特性は大きな圧縮残留応力を有する第１単位層によって補完される。従って、交互層全体としては、硬度と圧縮残留応力とがバランス良く向上し、表面被覆切削工具の寿命がより長くなると考えられる。
【００５１】
（vi）交互層は第１単位層及び第２単位層を交互に積層しており、各単位層の界面では組成及び結晶格子が不連続となっている。切削工程中に被覆層の表面層からクラックが発生した場合、該界面においてクラックの進展を抑制することができる。従って、表面被覆切削工具の寿命がより長くなると考えられる。
【００５２】
第１単位層はＡｌ及びＺｒを含む窒化物からなる。従来、Ｚｒを含む層を物理的蒸着法を用いて形成する場合、Ｚｒの融点が高いため放電の維持が難しく、安定して成膜することが困難であった。本実施形態の表面被覆切削工具では、第１単位層がＺｒとともに融点の低いＡｌを含むため、第１単位層全体の融点が下がる。従って、第１単位層を物理的蒸着法を用いて形成する場合、放電の維持が容易となり、安定して成膜することができる。
【００５３】
また、Ｚｒは高価であるため、表面被覆切削工具の被覆層に配合することは、コスト面で不利であった。本実施形態の表面被覆切削工具の被覆層では、Ｚｒを含む第１単位層とＺｒを含まない第２単位層とが交互に積層されているため、被覆層をＺｒを含む単一層で形成する場合よりも、被覆層中のＺｒの含有量を低減することができる。従って、コスト面でも有利である。また、Ｚｒはインコネル等の難削材に含まれないため、加工時に第１単位層中のＺｒが被削材中の成分と相互拡散して、被覆層の損傷が加速されることはない。
【００５４】
第１単位層を構成する金属原子の総数を１としたときのＺｒの原子数の比は０．６５以上０．９５以下である。この場合、第１単位層の結晶構造が立方晶型となり、高硬度化して耐摩耗性が向上する。Ｚｒの原子数の比は０．６５未満であると、結晶構造の一部が六方晶型となるため、第１単位層の硬度が低下し、耐摩耗性が低下する場合がある。一方、Ｚｒの原子数の比が０．９５よりも大きいと、Ａｌを添加することによる硬度の向上効果が得られず、第１単位層の硬度が低下してしまう。第１単位層の硬度がより高くなる観点からは、Ｚｒの原子数の比は０．７以上０．８５以下が好ましく、０．７以上０．８以下がより好ましい。
【００５５】
第２単位層はＴｉ及びＳｉを含む窒化物からなる。Ｔｉ及びＳｉを含む窒化物からなる層は、結晶構造がナノコンポジット化して硬度が高くなる。よって、第２単位層は、表面被覆切削工具の長寿命化に寄与する。また、Ｓｉはインコネル等の難削材に含まれないため、加工時に第２単位層中のＳｉが被削材中の成分と相互拡散して、被覆層の損傷が加速されることはない。
【００５６】
第２単位層を構成する金属原子の総数を１としたときのＳｉの原子数の比は０よりも大きく０．２０以下である。一般的に、Ｔｉ及びＳｉを含む窒化物からなる層は剥離しやすいという特性を有する。本実施の形態では、Ｓｉの原子数の比を前記の範囲とすることにより、剥離の発生を抑制することができ、かつ、結晶構造をナノコンポジット化することができる。このため、第２単位層は高硬度化して耐摩耗性が向上する。よって、第２単位層は、表面被覆切削工具の長寿命化に寄与する。
【００５７】
Ｓｉの原子数の比が０．２を超えると、耐欠損性が低下する場合がある。第２単位層の硬度がより高くなる観点からは、Ｓｉの原子数の比は０．０５以上０．１５以下が好ましく、０．０５以上０．１以下がより好ましい。
【００５８】
第１単位層はＳｉ（珪素）を含むことができる。第１単位層がＳｉを含む場合、第１単位層において、第１単位層を構成する金属原子の総数を１としたときの前記Ｓｉの原子数の比は０よりも大きく０．２０以下であることが好ましい。
【００５９】
この場合、メカニズムは明らかでないが、Ｓｉを含む層の硬度がさらに高くなり、被覆層全体の硬度が高くなるとともに、耐酸化性が向上する。
【００６０】
Ｓｉの原子数の比が０．２０を超えると、Ｓｉを含む層が脆くなり、摩耗が促進する傾向にある。また、Ｓｉを含む層の金属原料となる合金製ターゲットを熱間静水圧処理で作製する場合、合金製ターゲットが焼成中に割れるため歩留まりが悪く、第１単位層の形成に使用可能な材料強度を得ることが難しくなる傾向にある。
【００６１】
第１単位層の硬度を高くするとともに、上記の合金製ターゲットの強度を向上する観点からは、第１単位層において、第１単位層を構成する金属原子の総数を１としたときのＳｉの原子数の比は０．０１以上０．１０以下であることがより好ましい。
【００６２】
第１単位層及び第２単位層の少なくとも一方はＢ（硼素）を含むことができる。第１単位層がＢを含む場合、第１単位層において、第１単位層を構成する金属原子の総数を１としたときのＢの原子数の比は０よりも大きく０．１０以下であることが好ましい。同様に、第２単位層が前記Ｂを含む場合、第２単位層において、第２単位層を構成する金属原子の総数を１としたときの前記Ｂの原子数の比は０よりも大きく０．１０以下であることが好ましい。
【００６３】
この場合、メカニズムは明らかでないが、Ｂを含む層の硬度がさらに高くなり、被覆層全体の硬度が高くなる。また、切削中の表面酸化によって形成されるＢの酸化物が、層中のＡｌの酸化物を緻密化し、耐酸化性が向上する。さらに、Ｂの酸化物は低融点であるため切削時の潤滑剤として作用し、被削材の凝着を抑制できる。
【００６４】
第１単位層又は第２単位層の硬度及び耐酸化性がより向上する観点からは、第１単位層及び／又は第２単位層において、第１単位層又は第２単位層を構成する金属原子の総数を１としたときのＢの原子数の比は０．０５以上０．１０以下であることがより好ましい。
【００６５】
第１単位層及び第２単位層の少なくとも一方はＶ（バナジウム）を含むことができる。第１単位層が前記Ｖを含む場合、第１単位層において、第１単位層を構成する金属原子の総数を１としたときの前記Ｖの原子数の比は０よりも大きく０．３０以下であることが好ましい。同様に、第２単位層が前記Ｖを含む場合、第２単位層において、第２単位層を構成する金属原子の総数を１としたときの前記Ｖの原子数の比は０よりも大きく０．３０以下であることが好ましい。
【００６６】
この場合、切削時における高温環境において第１単位層及び／又は第２単位層の表面が酸化したとしても、Ｖの酸化物は低融点であるため切削時の潤滑剤として作用し、被削材の凝着を抑制できる。
【００６７】
Ｖの原子数の比が０．３０を超えると、Ｖを含む層の硬度が低下する傾向にある。被削材の凝着を抑制するともに、Ｖを含む層の硬度を高くするという観点からは、第１単位層及び／又は第２単位層において、第１単位層又は第２単位層を構成する金属原子の総数を１としたときの前記Ｖの原子数の比は０よりも大きく０．１５未満であることがより好ましい。
【００６８】
第１単位層及び第２単位層は、Ａｌ、Ｚｒ及びＮ以外の不可避不純物を含むことができる。不可避的不純物としては、例えば、酸素及び炭素等が挙げられる。第１単位層及び第２単位層のそれぞれにおける不可避不純物全体の含有量は、０原子％より大きく、１原子％未満であることが好ましい。なお、本明細書中、「原子％」とは、層を構成する原子の総原子数に対する原子数の割合（％）のことを意味する。層を構成する原子の総原子数に対する原子数の割合（％）は、上述のＸＰＳ分析を用いて測定することができる。
【００６９】
第１単位層及び第２単位層のそれぞれの１層の厚みが０．００２μｍ以上０．２μｍ以下であることが好ましい。これによると、被覆層の表面で発生したクラックの進展を抑制することができる。第１単位層及び第２単位層のそれぞれの厚みが０．００２μｍ未満であると、各層が混ざり合って第１単位層及び第２単位層を交互に積層したことによる効果を得ることができない傾向にある。一方、第１単位層及び第２単位層のそれぞれの厚みが０．２μｍを超えると、クラックの進展の抑制効果が得られにくい傾向にある。第１単位層及び第２単位層のそれぞれの１層の厚みは、０．００５μｍ以上０．１５μｍ以下がより好ましい。
【００７０】
図３に示されるように、交互層中の第１単位層の厚みをλ１、第２単位層の厚みをλ２とした場合、交互層中の隣り合う第１単位層と第２単位層とにおいて、第１単位層の厚みλ１に対する第２単位層の厚みλ２の比λ２／λ１は１以上５以下であることが好ましい。
【００７１】
第２単位層は高い耐酸化性を有していることに加えて、熱伝導率が高く、切削時に発生した熱を基材に伝えやすい性質を持つ。従って、被覆層中の第２単位層の割合が相対的に増えると、表面被覆切削工具全体としての放熱性が向上するので、特に、連続切削時の表面被覆切削工具の耐摩耗性が向上する。λ２／λ１が１未満であると、被覆層の靱性が低下する傾向にある。一方、λ２／λ１が５を超えると、第１単位層と第２単位層とを積層したことによるクラックの進展の抑制効果が得られにくい傾向にある。これらの特性のバランスの観点から、λ２／λ１は１以上３未満であることがより好ましい。
【００７２】
交互層は、第１単位層及び第２単位層をそれぞれ１層ずつ含むことができる。この場合、基材から近い順に、第１単位層、第２単位層という順序で積層されていてもよい。又、基材から近い順に、第２単位層、第１単位層という順序で積層されていてもよい。
【００７３】
交互層は、第１単位層及び第２単位層をそれぞれ１層以上ずつ含むことができる。例えば、交互層が２層の第１単位層及び１層の第２単位層を含む場合は、基材から近い順に、第１単位層、第２単位層、第１単位層という順序で積層される。又、交互層が１層の第１単位層及び２層の第２単位層を含む場合は、基材から近い順に、第２単位層、第１単位層、第２単位層という順序で積層される。
【００７４】
交互層は、第１単位層及び第２単位層をそれぞれ２層以上ずつ含むことができる。この場合、基材に最も近い側は、第１単位層であってもよいし、第２単位層であってもよい。
【００７５】
交互層において、第１単位層及び第２単位層のそれぞれの積層数は１０以上５００以下であることが好ましく、１００以上４００以下がより好ましい。これによると、第１単位層と第２単位層とを積層することにより、硬度と圧縮残留応力とをバランス良く向上させるという効果を十分に得ることができる。
【００７６】
交互層の全体の厚みは、０．８μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましく、２μｍ以上７μｍ以下であることがより好ましい。厚みが０．８μｍ未満では、連続加工において十分に耐摩耗性を発揮できない傾向があり、１５μｍを超えると、断続切削において耐チッピング性が安定しない傾向がある。
【００７７】
交互層において、第１単位層と第２単位層とが交互に積層して多層構造を形成していることは、被覆層の断面をＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）で観察し、コントラストの差を多層構造を示すものとして確認することができる。
【００７８】
第１単位層の厚み、第２単位層の厚み、第１単位層及び第２単位層の積層数、及び、交互層の厚みは、被覆層の断面をＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）を用いて観察することにより測定することができる。具体的には、薄片化した試料に電子線を照射し、試料を透過した電子や散乱した電子を結像し、高倍率で観察することにより測定することができる。
【００７９】
＜他の層＞
本実施形態の表面被覆切削工具１に含まれる被覆層３は、交互層１３に加えて、他の層を含むことができる。他の層としては、例えば、下地層１６、表面層１４等を挙げることができる。
【００８０】
被覆層３は、基材２と被覆層３との密着性を高めるために、基材２と被覆層３との間に下地層１６を含むことができる。下地層１６は、第１単位層１２又は第２単位層１５と同一の組成を有することが好ましい。
【００８１】
下地層が第１単位層と同一の組成を有するとは、下地層が交互層に含まれる第１単位層と同一の組成を有することを意味する。この場合、下地層は、Ａｌ及びＺｒを含む窒化物からなり、下地層を構成する金属原子の総数を１としたときのＺｒの原子数の比は０．６５以上０．９５以下である。
【００８２】
下地層が第１単位層と同一の組成を有すると、切削初期に基材が露出したとしても、基材と被覆層との界面からの酸化を抑制することができる。
【００８３】
第１単位層と同一の組成を有する下地層はＳｉ、Ｂ又はＶを含むことができ、これらの含有量は、該第１単位層と同一とすることができる。特に、下地層がＳｉを含む場合、下地層を構成する金属原子の総数を１としたときの前記Ｓｉの原子数の比は０よりも大きく０．１０以下であることが好ましい。これによると、下地層の硬度が高くなり、結晶構造も微細化するため、耐摩耗性が向上する。
【００８４】
下地層が第１単位層と同一の組成を有する場合、下地層の厚みは０．１μｍ以上が好ましい。下地層の厚みが０．１μｍ未満であると、下地層を第１単位層と同一の組成とすることによる基材と被覆層との界面からの酸化の抑制効果を得ることができない傾向にある。一方、下地層の厚みの上限値は特に限定されないが、２μｍを超えると、上述の酸化の抑制効果を更に向上することができない傾向にある。よって、コスト面を考慮すると、下地層の厚みは２μｍ以下が好ましい。
【００８５】
下地層が第１単位層と同一の組成を有する場合、下地層上に交互層を形成する場合には、第１単位層と同一の組成を有する下地層の直上に、交互層の第１単位層が積層されてもよく（図１）、又、第２単位層が積層されてもよい。なお、下地層が第１単位層と同一の組成を有し、該下地層の直上に交互層の第１単位層が積層された場合、下地層と交互層の第１単位層とは連続した結晶構造を有するため、実質的には１層のＡｌ及びＺｒを含む窒化物からなる層として存在することになる。
【００８６】
従って、基材の直上の１層のＡｌ及びＺｒを含む窒化物からなる層の厚みが、交互層中の他の第１単位層の厚みより大きい場合は、第１単位層と同一の組成を有する下地層と、交互層の最も基材に近い第１単位層とが連続して存在すると解することができる。この場合の上述の第１単位層の厚みλ１は、下地層と連続する第１単位層以外の第１単位層の厚みとする。
【００８７】
下地層の組成が第１単位層と同一であり、該下地層の直上に交互層の第１単位層が積層されている場合は、下地層と交互層の第１単位層とは連続した結晶構造を有する。この場合、外観上は、基材の直上に、第１単位層と同一の組成を有する層が１層確認される。本明細書では、基材の直上に１層の第１単位層と同一の組成を有する層が存在し、この層の厚みが１００ｎｍ以上の場合は、この層は下地層と第１単位層とから構成されている層であると判断する。
【００８８】
下地層が第２単位層と同一の組成を有するとは、下地層が交互層に含まれる第２単位層と同一の組成を有することを意味する。この場合、下地層は、Ｔｉ及びＳｉを含む窒化物からなり、下地層を構成する金属原子の総数を１としたときのＳｉの原子数の比は０よりも大きく０．２０以下である。
【００８９】
下地層が第２単位層と同一の組成を有すると、第２単位層は応力が小さい傾向にあることから、負荷が刃先に繰り返しかかるようなフライス加工やエンドミル加工等の断続加工において、被覆層の耐剥離性が格段に向上する。耐剥離性向上の観点から、下地層を構成する金属原子の総数を１としたときのＳｉの原子数の比は０．０１以上０．１以下であることが好ましい。
【００９０】
第２単位層と同一の組成を有する下地層はＢ又はＶを含むことができ、これらの含有量は、該第２単位層と同一とすることができる。
【００９１】
下地層が第２単位層と同一の組成を有する場合、下地層の厚みは０．１μｍ以上が好ましい。下地層の厚みが０．１μｍ未満であると、下地層を第２単位層と同一の組成とすることによる耐剥離性の向上効果を得ることができない傾向にある。一方、下地層の厚みの上限値は特に限定されないが、２μｍを超えると、上述の耐剥離性の更なる向上が認められない傾向にある。よって、コスト面を考慮すると、下地層の厚みは２μｍ以下が好ましい。
【００９２】
下地層が第２単位層と同一の組成を有する場合、下地層上に交互層を形成する場合には、第２単位層と同一の組成を有する下地層の直上に、交互層の第１単位層が積層されてもよく（図２）、又、第２単位層が積層されてもよい。なお、下地層が第２単位層と同一の組成を有し、該下地層の直上に交互層の第２単位層が積層された場合、下地層と交互層の第２単位層とは連続した結晶構造を有するため、実質的には１層のＴｉ及びＳｉを含む窒化物からなる層として存在することになる。
【００９３】
従って、基材の直上の１層のＴｉ及びＳｉを含む窒化物からなる層の厚みが、交互層中の他の第２単位層の厚みより大きい場合は、第２単位層と同一の組成を有する下地層と、交互層の最も基材に近い第２単位層とが連続して存在すると解することができる。この場合の上述の第２単位層の厚みλ２は、下地層と連続する第２単位層以外の第２単位層における厚みとする。
【００９４】
下地層の組成が第２単位層と同一であり、該下地層の直上に交互層の第２単位層が積層されている場合は、下地層と交互層の第２単位層とは連続した結晶構造を有する。この場合、外観上は、基材の直上に、第２単位層と同一の組成を有する層が１層確認される。本明細書では、基材の直上に１層の第２単位層と同一の組成を有する層が存在し、この層の厚みが１００ｎｍ以上の場合は、この層は下地層と第１単位層とから構成されている層であると判断する。
【００９５】
被覆層３は、被覆層３の摩擦係数を低下させ、表面被覆切削工具の長寿命化を図るために、交互層１３の表面側に表面層１４を含むことができる。表面層は、Ｔｉを含む炭窒化物（炭素と窒素を含む化合物）からなることが好ましい。
【００９６】
一般的に、炭窒化物は窒化物よりも被削材に対する摩擦係数が低い傾向にある。このような摩擦係数の低下は炭素原子の寄与によるものと考えられる。被覆層が表面層を含むと、被削材に対する被覆層の摩擦係数が低下して、表面被覆切削工具が長寿命化する。
【００９７】
表面層はＴｉとＳｉとを含む炭窒化物からなり、表面層を構成する金属原子の総数を１としたときのＳｉの原子数の比は０よりも大きく０．２０以下であることが好ましい。表面層を構成する金属原子の総数を１としたときのＳｉの原子数の比は０．０１以上０．１５以下が好ましく、０．０５以上０．１以下がより好ましい。これによると、表面層の硬度が高くなるとともに、耐酸化性が向上する。
【００９８】
表面層において、ＮとＣの組成比を調整することにより、所定の色を付与することが可能である。これにより、表面被覆切削工具の外観に意匠性及び識別性を付与でき、商業上有用となる。
【００９９】
表面層はＡｌを含むことができる。ＴｉとＡｌとを含む炭窒化物は優れた耐酸化性を有する。表面層の表面は、切削時において他の層の表面と比べて最も高温となるが、優れた耐酸化性を有するため、表面被覆切削工具は長寿命化する。耐酸化性の向上の観点から、表面層を構成する金属原子の総数を１としたときのＡｌの原子数の比は０．４０よりも大きく０．７０以下が好ましく、０．５０以上０．６０以下がより好ましい。
【０１００】
表面層はＢを含むことができ、表面層を構成する金属原子の総数を１としたときのＢの原子数の比は０よりも大きく０．１０未満が好ましく、０よりも大きく０．０５以下がより好ましい。これによると、表面層の硬度が高くなる。また、切削中の表面酸化によって形成されるＢの酸化物が、層中のＡｌの酸化物を緻密化する傾向があり、耐酸化性が向上する。
【０１０１】
表面層はＶを含むことができ、表面層を構成する金属原子の総数を１としたときのＶの原子数の比は０よりも大きく０．１０以下が好ましく、０よりも大きく０．０５以下がより好ましい。これによると、表面層の耐凝着性が向上する。
【０１０２】
表面層の厚みは、０．１μｍ以上が好ましい。表面層の厚みが０．１μｍ未満であると、表面層による潤滑性の付与効果が得られにくい場合がある。一方、表面層の厚みの上限値は特に限定されないが、２μｍを超えると、上述の潤滑性の付与効果を更に向上することができない傾向にある。よって、コスト面を考慮すると、表面層の厚みは２μｍ以下が好ましい。
【０１０３】
＜表面被覆切削工具の製造方法＞
上述の本開示の一実施の形態に係る表面被覆切削工具の製造方法は、基材を準備する工程と、基材上に、物理的蒸着法を用いて第１単位層と第２単位層とを交互に積層することにより交互層を形成し、表面被覆切削工具を得る工程と、を備える。
【０１０４】
＜基材を準備する工程＞
基材としては、上記で説明した基材を準備する。
【０１０５】
＜交互層を形成する工程＞
次に、基材上に物理的蒸着法（ＰＶＤ法）を用いて第１単位層と第２単位層とを交互に積層することにより交互層を形成し、本開示の一実施の形態に係る表面被覆切削工具を得る。交互層を含む被覆層の耐摩耗性を向上させるためには、結晶性の高い化合物からなる層を形成することが好ましい。本発明者らは、交互層の形成方法として種々の方法を検討した結果、物理的蒸着法を用いることが好ましいことを見出した。なお、基材の直上には、基材と被覆層との密着性を高めるために下地層を形成することができる。
【０１０６】
物理的蒸着法としては、カソードアークイオンプレーティング法、バランスドマグネトロンスパッタリング法およびアンバランスドマグネトロンスパッタリング法、HiPIMS法からなる群より選択される少なくとも１種を用いることができる。特に、原料元素のイオン化率の高いカソードアークイオンプレーティング法を用いることが好ましい。カソードアークイオンプレーティング法を用いた場合には、交互層を形成する前に、基材の表面に対して金属のイオンボンバードメント処理が可能となるため、基材と交互層を含む被覆層との密着性が格段に向上する。
【０１０７】
カソードアークイオンプレーティング法は、例えば、装置内に基材を設置するとともにカソードとしてターゲットを設置した後に、ターゲットに高電圧を印加してアーク放電を生じさせることによってターゲットを構成する原子をイオン化して蒸発させて、基材上に物質を堆積させることにより行なうことができる。
【０１０８】
バランスドマグネトロンスパッタリング法は、例えば、装置内に基材を設置するとともに平衡な磁場を形成する磁石を備えたマグネトロン電極上にターゲットを設置し、マグネトロン電極と基材との間に高周波電力を印加してガスプラズマを発生させ、このガスプラズマの発生により生じたガスのイオンをターゲットに衝突させてターゲットから放出された原子を基材上に堆積させることにより行うことができる。
【０１０９】
アンバランストマグネトロンスパッタリング法は、例えば、上記のバランスドマグネトロンスパッタリング法におけるマグネトロン電極により発生する磁場を非平衡にして行なうことができる。さらに高電圧を印可でき緻密な膜が得られるHiPIMS法を用いることもできる。
【０１１０】
なお、交互層の上に、中間層、アルミナ層、表面層等の他の層を形成することができる。これらの他の層は従来公知の化学気相蒸着法や物理的蒸着法により形成することができる。一つの物理的蒸着装置内において、他の層を第１単位層及び第２単位層と連続的に形成できるという観点から、他の層は物理的蒸着法により形成することが好ましい。
【実施例】
【０１１１】
＜表面被覆切削工具の作製＞
［試料１〜２３］
（１）基材の洗浄
図４は、本実施例で用いたカソードアークイオンプレーティング装置の模式的な断面図であり、図５は、図４の装置の概略上面図である。【０１１２】
図４及び図５の装置において、チャンバ１０１内に、被覆層の金属原料となる合金製ターゲットである第１単位層用のカソード１０６、第２単位層用のカソード１０７及び表面層用のカソード１２０と、基材２を設置するための回転式の基材ホルダ１０４とが取り付けられている。カソード１０６にはアーク電源１０８が取り付けられ、カソード１０７にはアーク電源１０９が取り付けられている。また、基材ホルダ１０４には、バイアス電源１１０が取り付けられている。また、チャンバ１０１内には、ガス１０５が導入されるガス導入口が設けられるとともにチャンバ１０１内の圧力を調節するためにガス排出口１０３が設けられており、ガス排出口１０３から真空ポンプによりチャンバ１０１内のガスを吸引できる構造となっている。【０１１３】
基材ホルダ１０４に、基材２としてグレードがＪＩＳ規格Ｐ３０の超硬合金であって、形状がＪＩＳ規格のＣＮＭＧ１２０４０８と住友電工ハードメタル株式会社製ＳＥＭＴ１３Ｔ３ＡＧＳＮであるチップを装着した。【０１１４】
次に、真空ポンプによりチャンバ１０１内を減圧するとともに、基材２を回転させながら装置内に設置されたヒータにより温度を５００℃に加熱し、チャンバ１０１内の圧力が１．０×１０-4Ｐａとなるまで真空引きを行なった。次に、ガス導入口からアルゴンガスを導入してチャンバ１０１内の圧力を３．０Ｐａに保持し、バイアス電源１１０の電圧を徐々に上げながら−１０００Ｖとし、基材２の表面のクリーニングを１５分間行なった。その後、チャンバ１０１内からアルゴンガスを排気することによって基材を洗浄した（アルゴンボンバード処理）。【０１１５】
（２）被覆層の形成
次に、基材２を中央で回転させた状態で、反応ガスとして窒素を導入しながら、基材２の温度を５００℃、反応ガス圧を２．０Ｐａ、バイアス電源１１０の電圧を−５０Ｖ〜−２００Ｖの範囲のある一定値に維持したまま、カソード１０６、１０７にそれぞれ１００Ａのアーク電流を供給することによって、カソード１０６、１０７から金属イオンを発生させて、基材上に表１に示される組成を有する下地層および交互層を形成した。なお、カソード１０６の組成はＺｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂ、Ｖの比率が、表１の第１単位層の組成の比率と同一になるように調整してある。また、カソード１０７の組成は、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｂ、Ｖの比率が、表１の第２単位層の組成の比率と同一になるように調整してある。【０１１６】
交互層は、下地層上に第１単位層と第２単位層とを１層ずつ交互に、表１に示される積層数をそれぞれ積層することにより形成した。また、下地層の厚み、交互層中における第１単位層及び第２単位層のそれぞれの厚み及び積層数は、基材の回転速度で調整した。そして、下地層および交互層の厚みがそれぞれ表１に示される厚みとなったところで蒸発源に供給する電流をストップした。【０１１７】
次に、チャンバ１０１内に反応ガスとして窒素とメタンガスを導入しながら、基材２の温度を４００℃、反応ガス圧を２．０Ｐａ、バイアス電源１１０の電圧を−３５０Ｖに維持したまま、カソード１２０に１００Ａのアーク電流を供給することによって、カソード１２０から金属イオンを発生させて、交互層上に表面層を形成した。表面層の厚みが表１に示される厚みとなったところで蒸発源に供給する電流をストップした。なお、カソード１２０の組成は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｂ、Ｖの比率が、表１の表面層の組成の比率と同一になるように調整してある。又、表面層の組成の窒素と炭素の比率は、窒素の導入量とメタンガスの導入量との比によって調整した。これにより、試料１〜３，６〜１４，１６，１７，２０，２１，２３の刃先交換型切削チップが作製された。【０１１８】
試料４、５では、試料１と同一の基材上に表１に示される組成を有する第１単位層と第２単位層とを交互に形成し、さらに表面層を形成し、下地層は形成せずに、刃先交換型切削チップが作製された。【０１１９】
試料１５では、試料１と同一の基材上に表１に示される組成を有する第１単位層と第２単位層とを交互に形成し、下地層及び表面層は形成せずに、刃先交換型切削チップが作製された。【０１２０】
試料１８では、試料１と同一の基材上に表１に示される組成を有する第２単位層のみを形成し、下地層、第１単位層及び表面層は形成せずに、刃先交換型切削チップが作製された。【０１２１】
試料１９及び試料２２では、試料１と同一の基材上に表１に示される組成を有する下地層、及び、第１単位層と第２単位層とを交互に形成し、表面層は形成せずに、刃先交換型切削チップが作製された。【０１２２】
【表１】
2019171653.tif 000003
【０１２３】
表１における下地層、第１単位層、第２単位層及び表面層の組成は、それぞれＸＰＳ（Ｘ線光電子分光分析装置）を用いて測定されたものである。【０１２４】
表１における「１層厚み」とは、交互層を構成する第１単位層及び第２単位層のそれぞれの１層当たりの厚みのことを意味する。表１における「厚み」とは、下地層、第１単位層、第２単位層、表面層及び被覆層のそれぞれの全体の厚みのことを意味する。「１層厚み」及び「厚み」は、それぞれＴＥＭ及びＳＥＭを用いて測定した値である。【０１２５】
表１における「積層数」とは、交互層における第１単位層及び第２単位層のそれぞれの層数のことを意味する。【０１２６】
表１における「被覆層全体の硬度」は、ナノインデンター（ＭＴＳ社製Ｎａｎｏ  Ｉｎｄｅｎｔｅｒ  ＸＰ）により確認された値である。【０１２７】
表１における「被覆層全体の圧縮残留応力」は、Ｘ線残留応力測定装置を用いてｓｉｎ２ψ法（「Ｘ線応力測定法」（日本材料学会、１９８１年株式会社養賢堂発行）の５４〜６６頁参照）によって測定された値である。【０１２８】
表１における「被覆層全体の結晶性」は、Ｘ線回折装置により解析されたものである。
＜表面被覆切削工具の寿命評価＞
（旋削試験）
試料１〜２３のＣＮＭＧ１２０４０８形状の刃先交換型切削チップのそれぞれについて、各被削材に対して表２に示す条件で湿式の連続旋削試験および断続旋削試験を行ない、刃先の逃げ面摩耗量が０．２ｍｍになるまでの時間を測定した。結果を表３に示す。なお、表３において、切削時間の長い方が寿命がより長いことを示している。【０１２９】
【表２】
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【０１３０】
【表３】
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【０１３１】
試料１〜１５、２２及び２３は実施例に該当し、試料１６〜２１は比較例に該当する。試料１〜１５、２２及び２３は、試料１６〜２１に比べて、連続旋削試験および断続旋削試験のいずれにおいても刃先の逃げ面摩耗量が大きく低減しており、難削材の高速高能率加工においても、刃先交換型切削チップの寿命が大幅に長くなることが確認された。【０１３２】
（フライス試験）
試料１〜２３のＳＥＭＴ１３Ｔ３ＡＧＳＮ形状の刃先交換型切削チップのそれぞれについて、各被削材からなる幅１５０ｍｍの板の中心線と、それより幅の広いφ１６０ｍｍのカッターの中心を合わせて、表面フライス削りを、表４に示す乾式のフライス試験の条件で行ない、刃先の逃げ面摩耗量が０．２ｍｍになるまでの切削長を測定した。結果を表５に示す。なお、表５において、切削長の長い方が寿命がより長いことを示している。【０１３３】
【表４】
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【０１３４】
【表５】
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【０１３５】
試料１〜１５、２２及び２３は実施例に該当し、試料１６〜２１は比較例に該当する。試料１〜１５、２２及び２３は、試料１６〜２１に比べて、刃先の切削長さが大きく増加しており、高速高能率及びドライ条件下のフライス加工においても刃先交換型切削チップの寿命が大幅に長くなることが確認された。【０１３６】
以上のように本開示の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせたり、様々に変形することも当初から予定している。【０１３７】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態および実施例ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１３８】
１  表面被覆切削工具、２  基材、３  被覆層、１２  第１単位層、１３  交互層、１４  表面層、１５  第２単位層、１６  下地層、１０１  チャンバ、１０３  ガス排出口、１０４  基材ホルダ、１０５  ガス、１０６，１０７，１２０  カソード、１０８，１０９  アーク電源、１１０  バイアス電源。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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