(57)【要約】  被膜は、基材上に形成される被膜であって、前記被膜は、１または２以上の層を含み、前記層のうち少なくとも１層は、炭窒化チタンからなるＴｉＣＮ層であり、前記ＴｉＣＮ層は、その表面の７５面積％以上を前記炭窒化チタンの粒状組織が占め、前記粒状組織は、長さが５ｎｍ以上４０ｎｍ以下であって且つ幅が３ｎｍ以上３０ｎｍ以下である粒子が集合した形態を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材上に形成される被膜であって、
前記被膜は、１または２以上の層を含み、
前記層のうち少なくとも１層は、炭窒化チタンからなるＴｉＣＮ層であり、
前記ＴｉＣＮ層は、その表面の７５面積％以上を前記炭窒化チタンの粒状組織が占め、
前記粒状組織は、長さが５ｎｍ以上４０ｎｍ以下であって且つ幅が３ｎｍ以上３０ｎｍ以下である粒子が集合した形態を有する、被膜。
【請求項２】
前記ＴｉＣＮ層は、薄膜Ｘ線回折法により解析した場合の（１１１）面と（２００）面とのピーク強度比Ｉ(111)／Ｉ(200)が１以上２以下であり、
前記ＴｉＣＮ層は、前記（１１１）面のピークの半値幅から求めた結晶粒径が、１５０Å以上２５０Å以下である、請求項１に記載の被膜。
【請求項３】
基材上に形成される被膜であって、
前記被膜は、１または２以上の層を含み、
前記層のうち少なくとも１層は、炭窒化チタンからなるＴｉＣＮ層であり、
前記ＴｉＣＮ層は、その表面の５０面積％以上を前記炭窒化チタンの板状組織が占め、
前記板状組織は、長さが１０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であって且つ幅が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である板片が集合した形態を有する、被膜。
【請求項４】
前記ＴｉＣＮ層は、薄膜Ｘ線回折法により解析した場合の（１１１）面と（２００）面とのピーク強度比Ｉ(111)／Ｉ(200)が０．４以上０．７９以下であり、
前記ＴｉＣＮ層は、前記（２００）面のピークの半値幅から求めた結晶粒径が、１５０Å以上２５０Å以下である、請求項３に記載の被膜。
【請求項５】
前記ＴｉＣＮ層は、アルゴンを０．１原子％以上３原子％以下含む、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の被膜。
【請求項６】
前記被膜は、その膜厚が０．３μｍ以上１０μｍ以下である、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の被膜。
【請求項７】
前記基材を、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の被膜により被覆した、切削工具。
【請求項８】
前記基材は、超硬合金、サーメットおよび立方晶窒化ホウ素焼結体からなる群より選ばれる１以上を含む、請求項７に記載の切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被膜および切削工具に関する。本出願は、２０１７年５月２３日に出願した日本特許出願である特願２０１７−１０１９２２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すべての記載内容は、参照によって本明細書に援用される。
【背景技術】
【０００２】
切削性能に優れた切削工具として、基材の表面にＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮなどのＴｉ系被膜が被覆された切削工具が知られている。このようなＴｉ系被膜の形成方法の一つとして、真空アーク蒸着法がある。たとえば特開平１１−１５８６０６号公報（特許文献１）には、アーク放電の各種条件を適切に制御することにより、優れた耐摩耗性を示すＴｉ系被膜を形成する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１５８６０６号公報
【発明の概要】
【０００４】
本開示の一態様に係る被膜は、基材上に形成される被膜であって、上記被膜は、１または２以上の層を含み、上記層のうち少なくとも１層は、炭窒化チタンからなるＴｉＣＮ層であり、上記ＴｉＣＮ層は、その表面の７５面積％以上を上記炭窒化チタンの粒状組織が占め、上記粒状組織は、長さが５ｎｍ以上４０ｎｍ以下であって且つ幅が３ｎｍ以上３０ｎｍ以下である粒子が集合した形態を有する。
【０００５】
さらに本開示の一態様に係る被膜は、基材上に形成される被膜であって、上記被膜は、１または２以上の層を含み、上記層のうち少なくとも１層は、炭窒化チタンからなるＴｉＣＮ層であり、上記ＴｉＣＮ層は、その表面の５０面積％以上を上記炭窒化チタンの板状組織が占め、上記板状組織は、長さが１０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であって且つ幅が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である板片が集合した形態を有する。
【０００６】
本開示の一態様に係る切削工具は、上記基材を、上記被膜により被覆した切削工具である。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る被膜の平面形態を示す図面代用写真である。
【図２】図２は、図１の実線で囲まれた部分を拡大して示す図面代用写真である。
【図３】図３は、第１の実施形態に係る被膜の断面形態を示す図面代用写真である。
【図４】図４は、図３に現れたＴｉＣＮ層を拡大して示す図面代用写真である。
【図５】図５は、第２の実施形態に係る被膜の平面形態を示す図面代用写真である。
【図６】図６は、図５の実線で囲まれた部分を拡大して示す図面代用写真である。
【図７】図７は、第２の実施形態に係る被膜の断面形態を示す図面代用写真である。
【図８】図８は、図７に現れたＴｉＣＮ層を拡大して示す図面代用写真である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
［本開示が解決しようとする課題］
しかし、特許文献１に開示された真空アーク蒸着法では、これにより形成されるＴｉ系被膜の圧縮残留応力を低下させる目的で、基材に付与するバイアス電圧が抑制されている。この場合、Ｔｉ系被膜の硬度は低下する傾向がある。さらに真空アーク蒸着法では、Ｔｉ系被膜の表面粗さが劣る傾向がある。このように、未だ真空アーク蒸着法で高硬度、低圧縮応力および表面粗さの点で優れたＴｉ系被膜を形成することは実現されておらず、その開発が切望されている。
【０００９】
上記実情に鑑み、本開示は、高硬度、低圧縮応力および表面粗さの点で優れた被膜および切削工具を提供することを目的とする。
［本開示の効果］
上記によれば、高硬度、低圧縮応力および表面粗さの点で優れた被膜および切削工具を提供することができる。
【００１０】
［本発明の実施形態の説明］
本発明者らは、従来の真空アーク蒸着法によって作製される被膜の性能には限界があると考え、High  Power  Impulse  Magnetron  Sputtering（ＨｉＰＩＭＳ）法に着目した。ＨｉＰＩＭＳ法を用いた被膜の作製に関して鋭意検討を重ねたところ、基材に印加するバイアス電圧をバイポーラバイアスにするとともに、イオンボンバードを適切に制御することによって、特徴的な形態を有する表面を含む被膜を作製可能となることを知見し、本開示に係る被膜に到達した。
【００１１】
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
［１］本開示の一態様に係る被膜は、基材上に形成される被膜であって、上記被膜は、１または２以上の層を含み、上記層のうち少なくとも１層は、炭窒化チタンからなるＴｉＣＮ層であり、上記ＴｉＣＮ層は、その表面の７５面積％以上を上記炭窒化チタンの粒状組織が占め、上記粒状組織は、長さが５ｎｍ以上４０ｎｍ以下であって且つ幅が３ｎｍ以上３０ｎｍ以下である粒子が集合した形態を有する。このような構成を有する被膜は、高硬度、低圧縮応力および表面粗さの点で優れる。
【００１２】
［２］上記ＴｉＣＮ層は、薄膜Ｘ線回折法により解析した場合の（１１１）面と（２００）面とのピーク強度比Ｉ(111)／Ｉ(200)が１以上２以下であり、上記ＴｉＣＮ層は、上記（１１１）面のピークの半値幅から求めた結晶粒径が、１５０Å以上２５０Å以下であることが好ましい。これにより、高硬度、低圧縮応力および表面粗さの点でより優れる。
【００１３】
［３］本開示の一態様に係る被膜は、基材上に形成される被膜であって、上記被膜は、１または２以上の層を含み、上記層のうち少なくとも１層は、炭窒化チタンからなるＴｉＣＮ層であり、上記ＴｉＣＮ層は、その表面の５０面積％以上を上記炭窒化チタンの板状組織が占め、上記板状組織は、長さが１０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であって且つ幅が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である板片が集合した形態を有することが好ましい。これによっても、高硬度、低圧縮応力および表面粗さの点で優れる。
【００１４】
［４］上記ＴｉＣＮ層は、薄膜Ｘ線回折法により解析した場合の（１１１）面と（２００）面とのピーク強度比Ｉ(111)／Ｉ(200)が０．４以上０．７９以下であり、上記ＴｉＣＮ層は、上記（２００）面のピークの半値幅から求めた結晶粒径が、１５０Å以上２５０Å以下であることが好ましい。これによっても、高硬度、低圧縮応力および表面粗さの点でより優れる。
【００１５】
［５］上記ＴｉＣＮ層は、アルゴンを０．１原子％以上３原子％以下含むことが好ましい。これにより、ＨｉＰＩＭＳ法を用いてより表面粗さに優れた被膜を提供することができる。
【００１６】
［６］上記被膜は、その膜厚が０．３μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。これにより、高硬度、低圧縮応力および表面粗さの点でより優れる被膜を提供することができる。
【００１７】
［７］本開示の一態様に係る切削工具は、上記基材を上記被膜により被覆した切削工具である。このような構成の切削工具は、高硬度、低圧縮応力および表面粗さの点で優れる被膜を有し、均一な摩耗進行による切削能力の安定性向上および工具寿命の延長に貢献することができる。
【００１８】
［８］上記基材は、超硬合金、サーメットおよび立方晶窒化ホウ素焼結体からなる群より選ばれる１以上を含むことが好ましい。これにより、より安定した切削性能および工具寿命の延長を果たすことができる。
【００１９】
［本発明の実施形態の詳細］
以下、本発明の実施形態（以下「本実施形態」とも記す）についてさらに詳細に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。以下では図面を参照しながら説明する。
【００２０】
ここで、本明細書において「Ａ〜Ｂ」という形式の表記は、範囲の上限下限（すなわちＡ以上Ｂ以下）を意味し、Ａにおいて単位の記載がなく、Ｂにおいてのみ単位が記載されている場合、Ａの単位とＢの単位とは同じである。さらに、本明細書において化合物などを化学式で表す場合、原子比を特に限定しないとき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。たとえば「ＴｉＣＮ」と記載されている場合、ＴｉＣＮを構成する原子数の比はＴｉ：Ｃ：Ｎ＝１：０．５：０．５に限られず、従来公知のあらゆる原子比が含まれる。このことは、「ＴｉＣＮ」以外の化合物の記載についても同様である。
【００２１】
［第１の実施形態］
＜被膜＞
第１の実施形態に係る被膜は、基材上に形成される。被膜は、１または２以上の層を含む。この層のうち少なくとも１層は、炭窒化チタンからなるＴｉＣＮ層である。炭窒化チタンは、耐酸化性、耐摩耗性、耐凝着性などの特性を向上させるため、チタン以外の金属元素、たとえばＢ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗが１０原子％以下の組成比率で添加されていてもよい。
【００２２】
図１は、第１の実施形態に係る被膜の平面形態を示す図面代用写真である。さらに図３は、第１の実施形態に係る被膜の断面形態を示す図面代用写真である。これらの図において被膜は、基材１２上に、基材１２側から順に下地層としてのＴｉＮ層１３および最表面層としてのＴｉＣＮ層１１が積層されることにより形成されている。本実施形態においてＴｉＣＮ層１１は、上述のとおり最表面層であるので、ＴｉＣＮ層１１の表面１１１が被膜の最表面となる。ここで被膜は、基材１２の全面が被覆されていてもよく、一部（たとえば切削性能に大きく寄与する領域である刃先）のみが被覆されていてもよい。
【００２３】
被膜は、その膜厚が０．３μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。被膜の膜厚が０．３μｍ未満である場合、耐摩耗性の点で所望の性能を得ることが困難となる傾向がある。被膜の膜厚が１０μｍを超える場合、残留圧縮応力が大きくなり過ぎ、切削工具に適用した場合に膜チッピングが起きやすくなる傾向がある。被膜の膜厚は、０．５μｍ以上８μｍ以下であることがより好ましく、１μｍ以上６μｍ以下であることがさらに好ましく、最も好ましくは１μｍ以上４μｍ以下である。特に、被膜は、ＴｉＣＮ層の膜厚が０．３μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましく、０．５μｍ以上８μｍ以下であることがより好ましく、１μｍ以上６μｍ以下であることがさらに好ましく、１μｍ以上４μｍ以下であることが最も好ましい。
【００２４】
被膜の膜厚は次のようにして求められる。まず、被膜の断面を含む測定試料を２つ準備する。この測定試料は、たとえば基材および該基材に被覆された被膜を、被膜の厚み方向に沿って（基材の表面に対する法線方向と平行な被膜の断面が得られるように）切断することにより得られる。この測定試料の測定面（断面）に対しては、必要に応じて研磨処理により平滑にすることが好ましい。次に観察像に、基材の刃先のＲ（アール）部および被膜の厚み方向の全域が含まれるように倍率を調整（たとえば１５０００倍程度）した上で、上記測定面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察する。このとき、２つの測定試料について上記基材の刃先のＲ部から１００μｍ以内の逃げ面における被膜の膜厚を３点測定し、その平均値を被膜の膜厚とする。上記ＴｉＮ層およびＴｉＣＮ層の膜厚も同じ方法により求めることができる。基材の刃先のＲ部とは、被削材を切削する際に切削の中心部となる刃先稜線部を意味し、特に被膜の厚み方向に沿って切断した場合に、その断面に現れる刃先稜線部のことをいう。
【００２５】
上記測定試料を得る方法は、公知の手段を用いることができる。なかでも、被膜に被覆された基材を樹脂に埋めた後、クロスセッションポリッシャ（ＣＰ）加工装置（商品名：「ＩＢ−１９５００ＣＰ  断面試料作製装置」、日本電子株式会社製）を用い、イオンミーリングすることによって被膜の断面を露出させるとともに研磨し、上記測定試料を得ることが好ましい。
【００２６】
＜ＴｉＣＮ層＞
（ナノインデンテーション硬度）
被膜は、上述のように１または２以上の層を含み、その層のうち少なくとも１層が炭窒化チタンからなるＴｉＣＮ層である。ＴｉＣＮ層は、そのナノインデンテーション硬度が３２ＧＰａ以上４２ＧＰａ以下であることが好ましい。ＴｉＣＮ層のナノインデンテーション硬度が上述の範囲であることにより、切削工具に適用した場合に、高硬度であって耐摩耗性に優れ、且つ耐欠損性にも優れることができる。
【００２７】
ナノインデンテーション硬度とは、ＩＳＯ１４５７７に規定されたナノインデンターによる硬さ試験により得られる硬度をいう。具体的には、ナノインデンテーション法が利用可能な超微小押し込み硬さ試験機（商品名：「ＥＮＴ−１１００ａ」、株式会社エリオニクス製）のＢｅｒｋｏｖｉｃｈ形状のナノインデンターを用いることにより測定することができる。上記形状のナノインデンターを、被膜に対して所定荷重（たとえば１ｇ荷重）押し込み、これにより被膜（ＴｉＣＮ層）に形成される押し込み深さに基づいてナノインデンテーション硬度を算出する。本実施形態では、同一の被膜に対して上記ナノインデンターによる押し込みを１０回行って、これらの平均値を得る。さらにその平均値について、各回で得られる測定値のうち平均値±標準偏差を超えた値を異常値として除外して再計算し、再度平均値を得る。この再計算を通じて求めた平均値を、測定対象としたＴｉＣＮ層のナノインデンテーション硬度とする。ＴｉＣＮ層が被膜の最表面に存する場合、被膜の最表面からナノインデンターを押し込むことによってＴｉＣＮ層のナノインデンテーション硬度を測定することが可能である。ＴｉＣＮ層が被膜の最表面に存しない場合、被膜の表面に対し５度の角度で被膜の表面を斜めに研磨し、この研磨により露出したＴｉＣＮ層の表面からナノインデンターを押し込むことによってＴｉＣＮ層のナノインデンテーション硬度を測定することが可能である。
【００２８】
ＴｉＣＮ層のナノインデンテーション硬度は、３５ＧＰａ以上３９ＧＰａ以下であることがより好ましい。ＴｉＣＮ層のナノインデンテーション硬度が３２ＧＰａ未満である場合、所望の高い硬度を得ることが困難となる。ＴｉＣＮ層のナノインデンテーション硬度が４２ＧＰａを超える場合、圧縮残留応力、表面粗さなどの指標に影響が及ぶ傾向がある。
【００２９】
（圧縮残留応力）
ＴｉＣＮ層は、その圧縮残留応力が０．５ＧＰａ以上２．５ＧＰａ以下であることが好ましい。ＴｉＣＮ層の圧縮残留応力が上述の範囲であることにより、切削工具に適用した場合に、高い靱性を有して耐欠損性に優れ、且つ耐摩耗性にも優れることができる。
【００３０】
ＴｉＣＮ層の圧縮残留応力は、公知のＸ線回折を用いた２θ−ｓｉｎ２φプロットの傾きから測定することができる。
【００３１】
ＴｉＣＮ層の圧縮残留応力は、０．５ＧＰａ以上２ＧＰａ以下であることがより好ましい。さらに好ましくは０．７５ＧＰａ以上１．５ＧＰａ以下であり、最も好ましくは、１ＧＰａ以上１．５ＧＰａ以下である。ＴｉＣＮ層の圧縮残留応力が０．５ＧＰａ未満である場合、所望の靱性を得ることが困難となる。ＴｉＣＮ層の圧縮残留応力が２．５ＧＰａを超える場合、圧縮残留応力が入り過ぎ、切削工具に適用した場合に膜チッピングが発生しやすくなる傾向がある。
【００３２】
（表面粗さＲａ）
ＴｉＣＮ層は、その表面粗さＲａが０．１μｍ以下であることが好ましい。ＴｉＣＮ層の表面粗さＲａが上述の範囲であることにより、切削工具に適用した場合に、その平滑性によって均一な摩耗が進行することにより、切削能力の安定性が向上し、工具寿命を延長することができる。表面粗さＲａの「Ｒａ」とは、算術平均粗さをいう。
【００３３】
ＴｉＣＮ層の表面粗さＲａは、ＴｉＣＮ層が被膜の最表面に存する場合、ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１：２００１（ＩＳＯ４２８７：１９９７）に規定される測定方法により求めることができる。具体的には、形状測定レーザーマイクロスコープ（「ＶＫ−Ｘシリーズ（ＶＫ−Ｘ１１０）」、株式会社キーエンス社製）を用い、以下の計測条件で基材上に形成したＴｉＣＮ層の表面を測定することによって求めることができる。表面粗さＲａの測定前には、傾き補正機能でイメージ処理を行なうことが好ましい。
【００３４】
（計測条件）
倍率                ：１００倍
使用機能            ：複数線粗さ
複数線設定          ：周囲１０本、間引き２０本
カットオフλs      ：２．５μｍ
カットオフλc      ：０．２５ｍｍ
スタイラスモード    ：オン
スタイラス先端角度  ：６０°
スタイラス先端半径  ：２μｍ
ノイズフィルター    ：無し。
【００３５】
ＴｉＣＮ層は、その表面粗さＲａが０．０８μｍ以下であることが好ましい。さらに好ましくは、表面粗さＲａは０．０７μｍ以下であり、最も好ましくは０．０６μｍ以下である。ＴｉＣＮ層の表面粗さＲａの下限値は、０．００５μｍである。
【００３６】
上述した数値の表面粗さＲａを有するＴｉＣＮ層は、真空アーク蒸着法によって製造することは困難である。真空アーク蒸着法によって形成されたＴｉＣＮ層は、ドロップレットが存在するためである。真空アーク蒸着法によって形成されたＴｉＣＮ層の表面に対し、研磨などの後処理を実施することによって表面平滑性を向上させることもできるが、その場合でも上記のような高い平滑性を付与することは困難である。換言すれば、本実施形態のＴｉＣＮ層は、研磨などの後処理を実施することなく、優れた平滑性を備えることができる。
【００３７】
（アルゴン）
さらにＴｉＣＮ層は、アルゴンを０．１原子％以上３原子％以下含むことが好ましい。本実施形態のＴｉＣＮ層は、ＨｉＰＩＭＳ法によって形成されることによりアルゴンを含むこととなり、高い平滑性を付与することができる。このため本実施形態のＴｉＣＮ層は、真空アーク蒸着法によって形成されたＴｉＣＮ層と、アルゴンの含有量によっても区別することができる。
【００３８】
（表面の凹凸の数）
ＴｉＣＮ層は、その表面１００μｍ四方当たりの１μｍ以上の深さを有する凹部および１μｍ以上の高さを有する凸部の合計が１０個未満であることが好ましい。さらに好ましくは、その表面１００μｍ四方当たりの０．５μｍ以上の深さを有する凹部および０．５μｍ以上の高さを有する凸部の合計が１０個未満である。これにより、さらに表面粗さに優れた被膜を提供することができる。
【００３９】
ＴｉＣＮ層の表面１００μｍ四方当たりの凹部および凸部の数については、ＴｉＣＮ層が被膜の最表面に存する場合、上述した形状測定レーザーマイクロスコープ（「ＶＫ−Ｘシリーズ（ＶＫ−Ｘ１１０）」、株式会社キーエンス社製）に付帯した凹凸部機能を用いて測定することができる。まず１００倍の倍率でＴｉＣＮ層の表面（１００μｍ×１００μｍ）を観察する。このとき、傾き補正機能を用いて観察画像のイメージ処理を実施し、高さ閾値を「分布平均±測定したい高低差を有する凹凸」の大きさに設定した上で、対象とする凹凸の数を測定する。たとえば、高低差１μｍ以上の凹凸を測定する場合、まず凸部モードを選択して高さ閾値を「平均値＋１μｍ」に設定して測定し、次いで凹部モードに変更して高さ閾値を「平均値−１μｍ」に設定して測定する。これにより、平均値±１μｍ以上の高低差を有する凹凸の数が求められる。ただし、１００ピクセル以下の微小領域は測定しないように設定される。
【００４０】
ＴｉＣＮ層の表面１００μｍ四方当たりの１μｍ以上の深さを有する凹部および１μｍ以上の高さを有する凸部の合計は、より好ましくは５個以下であり、さらに好ましくは３個以下であり、特に好ましくは０個である。ＴｉＣＮ層の表面１００μｍ四方当たりの０．７μｍ以上の深さを有する凹部および０．７μｍ以上の高さを有する凸部の合計は、好ましくは１０個以下であり、より好ましくは２個以下であり、さらに好ましくは１個以下であり、特に好ましくは０個である。
【００４１】
ＴｉＣＮ層の表面１００μｍ四方当たりの０．５μｍ以上の深さを有する凹部および０．５μｍ以上の高さを有する凸部の合計は、好ましくは１０個以下であり、より好ましくは２個以下であり、さらに好ましくは１個以下であり、特に好ましくは０個である。同様に、ＴｉＣＮ層の表面１００μｍ四方当たりの０．３μｍ以上の深さを有する凹部および０．３μｍ以上の高さを有する凸部の合計は、好ましくは１０個以下であり、より好ましくは５個以下であり、さらに好ましくは２個以下であり、特に好ましくは０個である。これらの凹凸の数も、上記の方法に準じて求めることができる。上記凹凸の深さまたは高さの下限値については、規定する意味がない。
【００４２】
（ＴｉＣＮ層の表面組織）
第１の実施形態においてＴｉＣＮ層は、その表面の７５面積％以上を炭窒化チタンの粒状組織が占める。この粒状組織は、長さが５ｎｍ以上４０ｎｍ以下であって且つ幅が３ｎｍ以上３０ｎｍ以下である粒子が集合した形態を有する。炭窒化チタンの粒状組織は、ＴｉＣＮ層の表面において８５面積％以上を占めることがより好ましい。ＴｉＣＮ層の表面に占める炭窒化チタンの粒状組織の面積比率（面積％）の上限値は、１００面積％である。ＴｉＣＮ層の表面を占める炭窒化チタンの粒状組織以外の組織としては、特定の組織を示さない粒子または不定形の組織などが考えられる。
【００４３】
ここで上記の長さとは、図１および図２の粒子が集合した形態を有する粒状組織において、個々の粒子における長手方向の長さをいい、上記の幅とは、上記個々の粒子における長手方向に対する垂直方向の長さをいう。図１および図２においてＴｉＣＮ層１１は、長さが５ｎｍ以上４０ｎｍ以下であり、且つその幅が３ｎｍ以上３０ｎｍ以下である粒子が集合した粒状組織をその表面１１１に有している。さらにＴｉＣＮ層１１は、このような粒状組織が表面１１１の７５面積％以上を占めている。この場合に、被膜は高硬度、低圧縮応力および表面粗さの点でより優れることができる。
【００４４】
上記粒状組織の各粒子は、後述するＨｉＰＩＭＳ法によるＴｉＣＮ層の成膜を高ガス圧によりイオンボンバードが弱い条件の下で行なったために、ＴｉＣＮの結晶の核が成長して生成したと考えられる。高温且つ低ガス圧の条件では、この結晶の核はそれ同士が合体する。一方、高ガス圧のイオンボンバードが弱い条件の下では、核発生密度が上昇し、且つこの結晶の核はＴｉＣＮ層の表面で急冷され、合体することなくその場で存在することとなると考えられる。この場合、ＴｉＣＮの結晶粒は、図３および図４に示すように、その成長方向に対して垂直方向の直径が５０〜３００ｎｍの粒状晶として存在する。結晶粒が小さい場合、膜硬度が高まることがＨａｌｌ−Ｐｅｔｃｈ式から理解される。さらにイオンボンバードが弱いため圧縮残留応力を低く抑えることができる。加えて、硬度に必要な緻密性が維持される限り、イオンボンバードによる応力が低くなるように制御することができる。
【００４５】
ＴｉＣＮ層の表面は、電界放出型電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）を用いることにより観察することができる。ＴｉＣＮ層が被膜の最表面に存する場合、ＴｉＣＮ層の粒状組織における個々の粒子の長さおよび幅は、上記顕微鏡の倍率を１〜２万倍として被膜の最表面を観察した観察像に現れた視野中のすべての粒子を選択し、これらすべての長さおよび幅を測定し、その平均値により求めることができる。ＴｉＣＮ層が被膜の最表面に存しない場合、ＴｉＣＮ層よりも被膜表面側に存する層をイオンエッチングによりエッチングすることにより、ＴｉＣＮ層の表面を露出させた上で、上記のＴｉＣＮ層が被膜の最表面に存する場合と同じ方法を用いて粒状組織における個々の粒子の長さおよび幅を求めることができる。
【００４６】
ＴｉＣＮ層の表面を占める炭窒化チタンの粒状組織の面積比率（面積％）は、上述の観察像における粒状組織部分とその他の部分とを画像解析ソフト（商品名：「Ｍａｃ−Ｖｉｅｗ」、株式会社マウンテック製）を用いて区分けし、上記観察像における粒状組織部分の面積比率を算出することにより求めることができる。炭窒化チタンの粒状組織の面積比率（面積％）は、上述した観察像をＴｉＣＮ層の表面上の３箇所から得、これらの平均値を粒状組織部分の面積比率とする。
【００４７】
（ＴｉＣＮ層の組成）
本実施形態では、ＴｉＣＮ層に対してＸ線光電子分光（ＸＰＳ：Ｘ−ｒａｙ  Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）装置（商品名：「ＱｕａｎｔｅｒａＳＸＭ」、アルバック・ファイ株式会社製）を用いることにより、その組成分析を行うことが好ましい。この組成分析は、ＪＩＳ  Ｋ  ０１４６（２００２）に準拠して行なう。具体的には、以下の条件で組成分析することにより、ＴｉＣＮ層に存する各組成をそれぞれ原子量（原子％）として求めることができる。ＴｉＣＮ層が被膜の最表面に存し、その表面に酸化層が形成されている場合、あるいはＴｉＣＮ層よりも被膜の最表面側に他の層が存する場合、これらをＡｒによりエッチングして除去した上で組成分析を行なう。
Ｘ線条件  ：１００μｍ、２５Ｗ、１５ｋＶ
透過エネルギー  ：５５１１２ｅＶ
帯電中和  ：電子＋Ａｒ
イオンガン条件  ：４ｋＶ、２×２。
【００４８】
上述した方法により、ＴｉＣＮ層に存する各元素の割合を（原子％）を求めた後、これらの割合（原子％）に基づきＣ／Ｎ比およびＴｉ／（Ｃ＋Ｎ）比を算出することが好ましい。さらに、フリーカーボンの割合をＣ−Ｃ結合／Ｃ−Ｔｉ結合として算出することがより好ましい。第１の実施形態において、Ｃ／Ｎ比は、０．３５〜０．５５、Ｔｉ／（Ｃ＋Ｎ）比は、０．７９〜１．０５であることが好ましい。フリーカーボンの割合であるＣ−Ｃ結合／Ｃ−Ｔｉ結合は、０．０５（５％）以下であることが好ましく、最も好ましくは０（０％）である。
【００４９】
（Ｘ線回折のピーク強度比および結晶粒径）
ＴｉＣＮ層は、薄膜Ｘ線回折法により解析した場合の（１１１）面と（２００）面とのピーク強度比Ｉ(111)／Ｉ(200)は１以上２以下であることが好ましい。ＴｉＣＮ層は、（１１１）面のピークの半値幅から求めた結晶粒径が、１５０Å以上２５０Å以下であることが好ましい。ＴｉＣＮ層における結晶粒径が、上述した粒状組織における粒子の大きさと完全には一致していないのは、測定方法が異なるからである。
【００５０】
ＴｉＣＮ層を対象とした薄膜Ｘ線回折法（ｇｒａｚｉｎｇ  ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ  Ｘ−ｒａｙ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）の条件は以下のとおりである。
Ｘ線回折装置  ：「ＳｍａｒｔＬａｂ（登録商標）」、株式会社リガク製
入射角度（ω）  ：１．５°
スキャン角度  ：３０〜６０°
スキャンスピード  ：０．５°／ｍｉｎ
スキャンステップ幅  ：０．１°
Ｘ線源  ：Ｃｕ
管電圧  ：４０ｋＶ
管電流  ：３０ｍＡ。
【００５１】
上記ピーク強度比Ｉ(111)／Ｉ(200)は、１．２以上１．７以下であることがより好ましい。（１１１）面のピークの半値幅から求めた炭窒化チタンの結晶粒径は、１６０Å以上２２０Å以下であることが好ましい。
【００５２】
＜被膜構造＞
被膜は、上述のとおり１または２以上の層を含み、上記層のうち少なくとも１層が炭窒化チタンからなるＴｉＣＮ層である。したがって、被膜は、ＴｉＣＮ層を含む限り、ＴｉＣＮ層の上層もしくは下層に他の層を含んでいてもよい。さらにＴｉＣＮ層と他の層とが交互に積層されていてもよい。他の層としては、たとえばＡｌ2Ｏ3層、ＴｉＢ2層、ＴｉＢＮ層、ＡｌＮ層（ウルツ鉱型）、ＴｉＮ層、ＴｉＢＮＯ層、ＴｉＣＮＯ層、ＴｉＡｌＮ層、ＴｉＡｌＣＮ層、ＴｉＡｌＯＮ層、ＴｉＡｌＯＮＣ層、ＡｌＣｒＮ層などを挙げることができる。
【００５３】
たとえば、基材上に被膜を形成する場合、下地層としてＴｉＮ層、ＴｉＣ層、ＴｉＢＮ層を基材の直上に含むことにより、基材と被膜との密着性を高めることができる。本実施形態において基材と被膜との密着性を高める観点から、基材の直上に下地層としてＴｉＣＮ層（本開示の特徴を有さなくてもよい）を含むことも除外されない。他の層の厚みは、通常０．１〜１０μｍの厚みとすることが好ましい。
【００５４】
＜切削工具＞
第１の実施形態において、切削工具は、上記基材を上記被膜により被覆してなる。このような構成の切削工具は、高硬度、低圧縮応力および表面粗さの点で優れる被膜を有し、均一な摩耗進行による切削能力の安定性向上および工具寿命の延長に貢献することができる。
【００５５】
上記切削工具の用途としては、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チップ、フライス加工用スローアウェイチップ（インサート）、旋削加工用スローアウェイチップ（インサート）、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ、切削バイト、耐摩工具、摩擦撹拌接合用ツールなどを挙げることができる。
【００５６】
切削工具が刃先交換型切削チップなどである場合、基材は、チップブレーカを有するものも、有さないものも含まれる。さらに被削材を切削する際に切削の中心部となる刃先稜線部は、その形状がシャープエッジ（すくい面と逃げ面とが交差する稜）、ホーニング（シャープエッジに対してアールを付与したもの）、ネガランド（面取りをしたもの）、ホーニングとネガランドとを組み合わせたもののいずれのものも含まれる。
【００５７】
＜基材＞
基材は、工具の基材として知られる従来公知のものを特に限定なく使用することができる。たとえば、超硬合金（たとえばＷＣ基超硬合金、ＷＣの他、Ｃｏを含み、あるいはＴｉ、Ｔａ、Ｎｂなどの炭窒化物を添加したものも含む）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮなど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、酸化アルミニウムなど）、立方晶型窒化硼素焼結体およびダイヤモンド焼結体などが挙げられる。基材は一体形成されていてもよく、複数の部品が組み合わされたものであってもよい。
【００５８】
特に基材は、超硬合金、サーメットおよび立方晶窒化ホウ素焼結体からなる群より選ばれる１以上を含むことが好ましい。これらは高温における硬度と強度とのバランスに優れ、切削工具の基材として優れた特性を有するためである。
【００５９】
＜被膜の製造方法＞
本発明者らは、ＨｉＰＩＭＳ法を用いた被膜の作製に関して鋭意検討を重ねたところ、上述のように特徴的な形態を有する表面を含む被膜（特に、ＴｉＣＮ層）を作製可能として本開示に到達した。以下、ＨｉＰＩＭＳ法を用いることによって初めて製膜可能となった本開示のＴｉＣＮ層の製膜方法について説明する。ここでは、一例として基材の直上にＴｉＮ層からなる下地層を形成した後、ＴｉＣＮ層を形成する場合について説明する。第１の実施形態において、被膜が下地層および化合物層の両方またはいずれか一方を有する場合、これらの層は従来公知の製膜方法により製造することができる。したがって、第１の実施形態では従来公知の製膜方法により、基材の直上にＴｉＮ層を形成すればよい。
【００６０】
次に、このＴｉＮ層上にＨｉＰＩＭＳ法を用いてＴｉＣＮ層を形成する。このとき、ＴｉＣＮ層を形成するＣ源（炭素源）には、ＣＨ4ガスを用いる。Ｃ2Ｈ2ガスを用いる場合に比べ、結晶の異常成長が抑制され、面粗さが改善されるからである。Ｃ2Ｈ2ガスを用いる場合、Ｃ2Ｈ2ガスが反応しやすいため、プラズマ中で反応することによりＴｉＣまたはＴｉＣＮの粒子が空中（反応容器中）でダストとして形成され、これが基材に付着して異常成長する場合がある。Ｃ源は、基材付近に導入する。プラズマ中で反応することを抑制できるからである。
【００６１】
バイアス電圧については、バイポーラパルスバイアスとする。これにより被膜への連続的なイオンボンバードを避け、被膜内の応力を緩和することを可能としつつ、且つ被膜の緻密性を維持することができる。メタルイオン化率の高いＨｉＰＩＭＳ法を用いることにより、バイポーラパルスバイアスによって基材に到達するメタルイオンのエネルギーを制御することができる。
【００６２】
特に第１の実施形態においては、Ｔｉターゲットに印加する電力を高電力短パルスとし、Ｔｉのイオン化率を高めた条件の下、高ガス圧で成膜することによりイオンボンバードによって膜に付与される圧縮残留応力を低減する。基板温度は、従来公知のＨｉＰＩＭＳ法と同じとすればよい。
【００６３】
ＴｉＣＮ層は、ＨｉＰＩＭＳ装置を用いることにより基材上に形成することができる。このＨｉＰＩＭＳ装置は、チャンバ内にＴｉＣＮ層の金属原料となるＴｉターゲットが複数配置されている。チャンバ内に配置されるターゲットの数は特に制限すべきではない。
【００６４】
複数のＴｉターゲットの間には、回転可能なテーブルが配置され、このテーブル上に複数の基材ホルダーが配置されている。これらの基材ホルダーには、それぞれ基材が載置される。テーブル上の基材ホルダーの数およびテーブルの回転数などは特に制限すべきではない。その他チャンバ内には、基材を加熱可能なヒータが配置されている。
【００６５】
Ｔｉターゲットには、パルス電力を供給するためのＨｉＰＩＭＳ電源の負極が接続されている。ＨｉＰＩＭＳ電源の正極はアース接続されている。テーブルには、バイアス電圧を印加するためのバイアス電源の負極が電気的に接続され、バイアス電源の正極はアース接続されている。
【００６６】
ＴｉＣＮ層の成膜に際しては、ＴｉＮ層を形成した基材を基材ホルダーに設置した上で、まずチャンバ内を真空にし、不活性ガス（Ａｒ）および窒素ガスを導入する。次にテーブルに対し、バイアス電源を介してバイアス電圧を印加するとともに、ターゲットに対し、ＨｉＰＩＭＳ電源を介してパルス電力を供給することにより、ＨｉＰＩＭＳ装置に対して成膜動作を開始させる。第１の実施形態における成膜条件は以下のとおりである。後述するターゲット電力密度とは、パルスの最大電力値をターゲットの表面積で除した値をいい、後述するプラズマ電力密度とは、パルスの最大電力値をターゲット上のプラズマ面積で除した値をいう。
【００６７】
（成膜条件）
ターゲット      ：Ｔｉ
Ｃ源            ：ＣＨ4
バイアス電圧    ：５０〜８０（Ｖ）
マイナスパルス  ：２０〜１００（μｓ）
プラスパルス    ：１０〜５０（μｓ）
パルス電力      ：６０〜８０ｋＷ
パルス幅        ：０．１〜１μｓ
ターゲット電力密度  ：３４０〜４５３ｋＷ／ｃｍ2
プラズマ電力密度  ：２〜２．７ｋＷ／ｃｍ2
平均電力        ：４〜７ｋＷ
Ａｒ分圧        ：１．２〜１．５Ｐａ
基材温度        ：４００〜４５０℃
Ｃ源ガス／窒素ガス流量比：０．４〜１
窒素ガスとＣ源ガスとの分圧は、遷移モードで成膜するように調整。
【００６８】
これにより、チャンバ内にプラズマが発生し、且つＴｉターゲットにイオンが衝突することにより、ＴｉターゲットからＴｉ原子またはＴｉイオンが放出され、窒素原子、炭素原子と共に基材の表面に付着する。これにより、基材上（ＴｉＮ層上）にＴｉＣＮ層が形成される。
【００６９】
上述したＨｉＰＩＭＳ法では、成膜条件の他にもチャンバ内のダストの発生を抑えることによって、ＴｉＣＮ層の表面の平滑性を向上させることのできる複数の操作が存在するため、これらの操作を適宜行なうことが好ましい。これらの操作とは、たとえば上記装置に対してチャンバ内の清浄度を上げること、ターゲットの前方に配置されるシャッターおよびシールド板のブラスト頻度を上げること、治具のブラスト頻度を上げること、成膜装置を設置している部屋の清浄度を向上することなどが挙げられる。さらに、成膜に際して一回のバッチ毎にターゲットに対してブラストを行なうこと、洗浄後すぐに基材をチャンバ内にセットし、バッチを開始することなどが挙げられる。膜の残留応力が高い程、ダストが多く発生するため、圧縮残留応力を低減することも表面の平滑性を向上するのに効果的となる。
【００７０】
以上、ＴｉＣＮ層の製造方法について詳述したが、ＨｉＰＩＭＳ法以外の他の方法を用いても、本実施形態の効果を奏するＴｉＣＮ層を製造することは困難である。たとえば、真空アーク蒸着法を用いた場合、残留圧縮応力の緩和は起こらない。ドロプレットと呼ばれる金属液滴が発生するため面粗さが劣る傾向もある。スパッタ法を用いた場合、ボンバードによる残留応力を調整するために必要なイオン化率が達成できず、膜の密着力および緻密性を保つことが困難となる。ＣＶＤ法を用いた場合、成膜される層に引張残留応力が付与される。さらに、面粗さもＨｉＰＩＭＳ法に比べて劣位である。
【００７１】
［第２の実施形態］
＜被膜＞
図５は、第２の実施形態に係る被膜の平面形態を示す図面代用写真である。さらに図７は、第２の実施形態に係る被膜の断面形態を示す図面代用写真である。これらの図において被膜は、基材２２上に、基材２２側から順に下地層としてのＴｉＮ層２３および最表面層としてのＴｉＣＮ層２１が積層されることにより形成されている。本実施形態においてＴｉＣＮ層２１は、上述のとおり最表面層であるので、ＴｉＣＮ層２１の表面２１１が被膜の最表面となる。
【００７２】
第２の実施形態の被膜は、ＴｉＣＮ層の性状、具体的には、ＴｉＣＮ層の表面組織が異なる以外、第１の実施形態の被膜と同様である。以下、第１の実施形態と相違する点について詳述する。
【００７３】
（ＴｉＣＮ層の表面組織）
第２の実施形態においてＴｉＣＮ層は、その表面の５０面積％以上を炭窒化チタンの板状組織が占め、この板状組織は、長さが１０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であって且つ幅が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である板片が集合した形態を有することが好ましい。炭窒化チタンの板状組織は、ＴｉＣＮ層の表面において６０面積％以上を占めることがより好ましい。ＴｉＣＮ層の表面に占める炭窒化チタンの板状組織の面積比率（面積％）の上限値は、１００面積％である。ＴｉＣＮ層の表面を占める炭窒化チタンの板状組織以外の組織としては、特定の組織を示さない粒子または不定形の組織などが考えられる。
【００７４】
ここで上記の長さとは、図５および図６の板片が集合した形態を有する板状組織において、個々の板片における長手方向の長さをいい、上記の幅とは、上記個々の板片における長手方向に対して垂直方向の長さをいう。図５および図６においてＴｉＣＮ層２１は、長さが１０ｎｍ以１５０ｎｍ以下であり、その幅が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である板片が集合した板状組織をその表面２１１に有している。さらにＴｉＣＮ層２１は、このような板状組織が表面２１１の５０面積％以上を占めている。この場合に、被膜は高硬度、低圧縮応力および表面粗さの点でより優れることができる。
【００７５】
上記板状組織の各板片は、それ自体で結晶粒を構成するのではなく、それらが集合した集合体として一つの結晶粒を構成していると考えられる。第２の実施形態では、後述するＨｉＰＩＭＳ法により低ガス圧且つ高基材温度の条件の下で結晶粒を成長させる。このため、ＴｉＣＮ層の表面で発生した核は、表面での移動距離が長くなるので、核同士が合体する。各結晶は、結晶方位によって成長速度および表面エネルギーが異なるために競争的に成長し、その結果、ＴｉＣＮ層の表面において板片が集合した板状組織の形態として観察されると考えられる。さらに、上記板状組織は結晶粒の先端を現しているものと考えられる。第２の実施形態におけるＴｉＣＮの結晶粒は、図７および図８に示すように、その成長方向に対して垂直方向の直径が３００〜７００ｎｍの比較的大きいサイズの柱状晶および直径が５０〜２００ｎｍの比較的小さいサイズの柱状晶がそれぞれ存在する。第２の実施形態においてＴｉＣＮ層の表面は、原子の移動距離が長いために緻密性が高まり、膜内欠陥が低減して高硬度となる。原子の移動が終わると熱力学的に安定となるので、圧縮残留応力も低く抑えることができる。
【００７６】
第２の実施形態におけるＴｉＣＮ層の表面は、第１の実施形態と同じように、電界放出型電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）を用いることにより観察することができ、これにより板状組織における各板片の長さおよび幅を求めることができる。さらにＴｉＣＮ層の表面を占める炭窒化チタンの面積比率（面積％）およびＴｉＣＮ層の組成についても、第１の実施形態と同じ方法により求めることができる。第２の実施形態において、Ｃ／Ｎ比は、０．３５〜０．５６、Ｔｉ／（Ｃ＋Ｎ）比は、０．７４〜１．０５であることが好ましい。フリーカーボンの割合であるＣ−Ｃ結合／Ｃ−Ｔｉ結合は、０．０５（５％）以下であることが好ましく、最も好ましくは０（０％）である。
【００７７】
（Ｘ線回折のピーク強度比および結晶粒径）
ＴｉＣＮ層は、薄膜Ｘ線回折法により解析した場合の（１１１）面と（２００）面とのピーク強度比Ｉ(111)／Ｉ(200)は０．４以上０．７９以下であることが好ましい。ＴｉＣＮ層は、（２００）面のピークの半値幅から求めた結晶粒径が、１５０Å以上２５０Å以下であることが好ましい。ＴｉＣＮ層を対象とした薄膜法Ｘ線回折の条件は第１の実施形態と同じとすることができる。
【００７８】
上記ピーク強度比Ｉ(111)／Ｉ(200)は、０．５以上０．７以下であることがより好ましい。（２００）面のピークの半値幅から求めた炭窒化チタンの結晶粒径は、１８０Å以上２２０Å以下であることが好ましい。
【００７９】
＜被膜の製造方法＞
第２の実施形態においては、次のようなＨｉＰＩＭＳ法を用いてＴｉＣＮ層を基材上に形成する。まず成膜時の圧力を従来公知の方法と同様としつつ、第１の実施形態のＨｉＰＩＭＳ法の条件よりも低電力長パルスとしてイオン化率を下げることによりイオンボンバードによって膜に付与される圧縮残留応力を低減する。さらに基板温度を、従来公知のＨｉＰＩＭＳ法よりも高めて基材上における原子拡散を強化する。その他については、第１の実施形態におけるＨｉＰＩＭＳ法の条件と同様とする。具体的には、第２の実施形態における成膜条件は以下のとおりとする。
【００８０】
（成膜条件）
ターゲット      ：Ｔｉ
Ｃ源            ：ＣＨ4
バイアス電圧    ：２０〜４０（Ｖ）
マイナスパルス  ：２０〜１００（μｓ）
プラスパルス    ：１０〜５０（μｓ）
パルス電力      ：４５〜６０ｋＷ
パルス幅        ：５〜１０μｓ
ターゲット電力密度  ：２５５〜３４０ｋＷ／ｃｍ2
プラズマ電力密度  ：１．５〜２ｋＷ／ｃｍ2
平均電力        ：８〜１０ｋＷ
Ａｒ分圧        ：０．３〜０．５Ｐａ
基材温度        ：５５０〜６５０℃
Ｃ源ガス／窒素ガス流量比：０．４〜１
窒素ガスとＣ源ガスとの分圧は、遷移モードで成膜するように調整。
【００８１】
これにより、第２の実施形態では、チャンバ内にプラズマが発生し、且つＴｉターゲットにイオンが衝突することにより、ＴｉターゲットからＴｉ原子またはＴｉイオンが放出され、窒素原子、炭素原子と共に基材の表面に付着する。これにより、基材上（ＴｉＮ層上）にＴｉＣＮ層が形成される。
【００８２】
［作用］
以上により、本実施形態（第１の実施形態および第２の実施形態）に係る被膜は、高硬度、低圧縮応力および表面粗さの点で優れる。この被膜で基材を被覆した切削工具は、均一に摩耗が進行することによって切削能力が安定し、且つ工具寿命を延長することができる。
【実施例】
【００８３】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。【００８４】
［実施例１］
＜基材の準備＞
第１の基材として、ＢＮ２０００のｃＢＮ旋削インサート（住友電工ハードメタル株式会社製、形状：２ＮＵ−ＤＮＧＡ１５０４０８）を準備した。さらに第２の基材として、Ａ３０Ｎ超硬のフライスインサート（住友電工ハードメタル株式会社製、形状：ＳＥＥＴ１３Ｔ３ＡＧＳＮ−Ｎ）を準備した。【００８５】
＜被膜の形成＞
上記第１の基材を洗浄後、ＨｉＰＩＭＳ装置のチャンバ内のテーブル上に設置した。チャンバ内には、表１に示すように従来公知の粉末冶金により製造したＴｉからなる複数のＴｉターゲットを配置した。さらに、表１に示す条件でチャンバ内のテーブルに設置した上記基材に対して前処理（成膜前処理）を行なった。次に、ＨｉＰＩＭＳ法の従来公知の成膜条件により基材上にＴｉＮ層を形成した。【００８６】
【表１】
2018216256.tif 000003
【００８７】
さらに表２に示す製造条件の下、Ｃ源（炭素源）にＣＨ4ガスを用い、且つバイアス電圧についてバイポーラパルスバイアスとして、基材上（ＴｉＮ層上）にＴｉＣＮ層を形成した。このときアルゴンガス分圧は、１．３５Ｐａとし、Ｃ源ガス／窒素ガス流量比を０．４とした。窒素ガスとＣ源ガスとの分圧は、遷移モードで成膜するように調整した。【００８８】
上記第２の基材についても、上述した第１の基材と同じ方法を用いることにより基材上（ＴｉＮ層上）にＴｉＣＮ層を形成した。【００８９】
【表２】
2018216256.tif 000004
【００９０】
［実施例２〜実施例１０］
成膜条件を表２に示すように変更した以外は、実施例１と同様に基材上にＴｉＣＮ層を形成した。【００９１】
実施例１〜実施例１０では、表２に示した成膜条件および後述する表３に示した表面組織の粒／板／その他の分類から理解されるように、その表面に、炭窒化チタンの粒子が集合した粒状組織を有するＴｉＣＮ層が形成された。【００９２】
［実施例１１〜実施例２０］
成膜条件を表２に示すように変更した以外は、実施例１と同様に基材上にＴｉＣＮ層を形成した。【００９３】
実施例１１〜実施例２０では、表２に示した成膜条件および後述する表３に示した表面組織の粒／板／その他の分類から理解されるように、その表面に、炭窒化チタンの板片が集合した板状組織を有するＴｉＣＮ層が形成された。【００９４】
［比較例１］
成膜条件を表２に示すように変更した以外は、実施例１と同様に基材上にＴｉＣＮ層を形成した。比較例１は、バイアス電圧についてバイポーラパルスバイアスとするものの、それ以外については従来のＨｉＰＩＭＳ法の条件で基材上にＴｉＣＮ層を形成した例である。【００９５】
［比較例２〜比較例３］
成膜条件を表２に示すように変更した以外は、実施例１と同様に基材上へＴｉＣＮ層を形成した。比較例２〜比較例３は、バイアス電圧について直流とする条件で基材上にＴｉＣＮ層を形成した例である。【００９６】
［比較例４］
成膜条件を表２に示すように変更した以外は、実施例１と同様に基材上にＴｉＣＮ層を形成した。比較例４は、Ｃ源をＣ2Ｈ2とする条件で基材上にＴｉＣＮ層を形成した例である。【００９７】
［比較例５］
比較例５は、表２に示す成膜条件により真空アーク蒸着法を用いて基材上にＴｉＣＮ層を形成した例である。【００９８】
以上により、実施例１〜実施例２０および比較例１〜比較例５に関し、それぞれ基材上に被膜を形成したｃＢＮ旋削インサートおよびフライスインサート（以下、これらをまとめて「切削工具」とも記す）を作製した。【００９９】
［被膜の物性］
実施例１〜２０および比較例１〜比較例５について、基材上に形成したＴｉＣＮ層の物性を評価した。その結果を表３に示す。表３中の「硬度」とは、ナノインデンテーション硬度を意味し、上述した測定方法を用いて評価した。表３中の「応力」とは、残留圧縮応力を意味し、上述した測定方法を用いて評価した。「応力」の欄における「−（マイナス）」は、応力の種類が「圧縮」であることを意味する。表３中の「Ｒａ」とは、「表面粗さＲａ」を意味し、上述した測定方法を用いて評価した。【０１００】
表３中に示したＴｉＣＮ層の物性に係る指標である「表面組織」の分類、「ＸＲＤ」によるピーク強度比、結晶粒径、「アルゴン」の含有量、「凹凸（個）」の数、「ＸＰＳ」による組成分析についても上述した測定方法を用いて評価した。「表面組織」の欄における「粒」とは、その表面の形態が粒状組織に分類されることを意味し、「板」とは、その表面の形態が板状組織に分類されることを意味する。「他」とは、その表面の形態が粒状組織および板状組織のいずれにも分類されなかったことを意味する。「凹凸（個）」の欄における「０．５μｍ以上」には、「１μｍ以上」のものを含んだ数で表される。【０１０１】
【表３】
2018216256.tif 000005
【０１０２】
表３によれば、実施例１〜実施例２０のＴｉＣＮ層は、ナノインデンテーション硬度が３２ＧＰａ以上４２ＧＰａ以下であり、圧縮残留応力が０．５ＧＰａ以上２．５ＧＰａ以下であり、表面粗さＲａが、０．１μｍ以下である要件をすべて満たしていた。したがって実施例１〜実施例２０は、高硬度、低圧縮応力および表面粗さの点で優れた被膜を有していることが理解される。一方、比較例１〜比較例５のＴｉＣＮ層は、ナノインデンテーション硬度が３２ＧＰａ以上４２ＧＰａ以下であり、圧縮残留応力が０．５ＧＰａ以上２．５ＧＰａ以下であり、表面粗さＲａが、０．１μｍ以下である要件のうち少なくともいずれかを満たしていなかった。【０１０３】
特に、実施例１〜実施例１０のＴｉＣＮ層は、その表面の７５面積％以上を炭窒化チタンの粒状組織が占めていた。さらに薄膜Ｘ線回折法により解析した場合、ピーク強度比Ｉ(111)／Ｉ(200)が１以上２以下であり、結晶粒径が、１５０Å以上２５０Å以下であった。【０１０４】
実施例１１〜実施例２０のＴｉＣＮ層は、その表面の５０面積％以上を炭窒化チタンの板状組織が占めていた。さらに薄膜Ｘ線回折法により解析した場合、ピーク強度比Ｉ(111)／Ｉ(200)が０．４以上０．７９以下であり、結晶粒径が、１５０Å以上２５０Å以下であった。【０１０５】
［切削試験］
さらに、実施例１〜実施例２０および比較例１〜比較例５の切削工具であるｃＢＮ旋削インサートおよびフライスインサートに対し、それぞれ切削試験（耐摩耗試験）を実施したので、以下、その結果について説明する。【０１０６】
＜ｃＢＮ旋削インサート＞
実施例１〜実施例２０および比較例１〜比較例５のｃＢＮ旋削インサートに対し、下記の切削条件の下で、切削距離１０ｋｍ時点での逃げ面摩耗幅Ｖｂおよび被削材の面粗さＲｚを評価した。その結果を表４に示す。逃げ面摩耗幅Ｖｂは、その数値が小さい程、ｃＢＮ旋削インサートの被膜が高硬度で耐摩耗性が高いと理解される。被削材の面粗さＲｚは、その数値が小さい程、ｃＢＮ旋削インサートの被膜が平滑であると理解される。表面粗さＲｚの「Ｒｚ」とは、ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１における最大高さ粗さを示す。【０１０７】
表４には、実施例１〜実施例２０および比較例１〜比較例５のｃＢＮ旋削インサートにおいて基材上に形成したＴｉＣＮ層の刃先部分（Ｒ部から１００μｍ以内）の膜厚（平均値）についても表した。【０１０８】
ここで実施例１〜実施例２０のｃＢＮ旋削インサートにおける刃先部分のＴｉＣＮ層の膜厚は、次のとおりとした。すなわち、ｃＢＮは加工しにくく、その断面を観察する測定試料を得ることが難しいため、上記ｃＢＮ旋削インサートと同型の超硬工具の基材に対し表２に示した成膜条件によりＴｉＣＮ層を被覆し、その膜厚を上述した測定方法により測定することにより、ｃＢＮ旋削インサートにおける刃先部分のＴｉＣＮ層の膜厚とした。この膜厚の測定は、上記超硬工具のＲ（アール）部、ネガランドを除いた稜線から１００μｍ以内の逃げ面の３箇所において行ない、これらの測定値の平均値とした。【０１０９】
【表４】
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【０１１０】
（切削条件）
被削材  ：ＳＣＭ４１５浸炭焼き入れ鋼（ＨＲＣ＞５８の表面層のみ切削）
切削速度  ：２００ｍ／ｍｉｎ．
送り量  ：０．１ｍｍ／ｒｅｖ．
切り込み量  ：０．１ｍｍ
切削油  ：なし。【０１１１】
表４によれば、実施例１〜実施例２０のｃＢＮ旋削インサートは、いずれもＶｂが３９μｍ以下であり、Ｒｚが４．１μｍ以下であった。これに対し、比較例１〜比較例５のｃＢＮ旋削インサートは、いずれもＶｂが少なくとも４８μｍ以上であり、Ｒｚが４．９μｍ以上であった。したがって実施例１〜実施例２０は、均一な摩耗が進行していると理解され、切削能力の安定性が向上し、工具寿命が延長できるものと期待される。【０１１２】
＜フライスインサート＞
実施例１〜実施例２０および比較例１〜比較例５のフライスインサートに対し、下記の切削条件の下で、逃げ面摩耗幅Ｖｂが０．２ｍｍに到達した時点を工具寿命と定義し、この寿命に至るまでの切削長（ｍ）および切削回数（パス数：１パスで０．３ｍ切削）を評価した。その結果も表４に示す。表４には、実施例１〜実施例２０および比較例１〜比較例５のフライスインサートにおいて基材上に形成したＴｉＣＮ層の刃先部分の膜厚についても表した。この膜厚の測定方法は、上述したとおりである。【０１１３】
（切削条件）
被削材  ：ＳＣＭ４３５
切削速度  ：２３０ｍ／ｍｉｎ．
送り量  ：０．３ｍｍ／ｒｅｖ．
切り込み量  ：２ｍｍ
切削油  ：なし。【０１１４】
表４によれば、実施例１〜実施例２０のフライスインサートは、いずれも１２．０ｍ以上の寿命を有し、４０回以上のパス数を有していた。これに対し、比較例１〜比較例５のフライスインサートは、いずれも９．９ｍ以下の寿命を有し、３３回以下のパス数を有していた。したがって実施例１〜実施例２０は、工具寿命が延長されていることが理解される。この理由は、被膜が高硬度、低圧縮応力および表面粗さの点でより優れることにより均一な摩耗が進行し、もって切削性能の安定性が向上したことによるものと考えられる。【０１１５】
以上のように本発明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ることも当初から予定している。【０１１６】
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】
【０１１７】
１１、２１  ＴｉＣＮ層、  １１１、２１１  表面、  １２、２２  基材、  １３、２３  ＴｉＮ層。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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