(57)【要約】      （修正有）【課題】優れた耐チッピング性、耐欠損性および耐摩耗性を有し、工具寿命の長い被覆切削工具。【解決手段】被覆層は、基材側から被覆層の表面側に向かって順に積層され、「下部層で最も表面側に位置するＴｉＣＮ粒子の｛４２２｝面の少なくとも１つと上部層で最も基材側かつＴｉＣＮ粒子の直上に位置するα型Ａｌ2Ｏ3粒子の｛００６｝面の少なくとも１つとが略平行、かつ、ＴｉＣＮ粒子の｛１１１｝面の少なくとも１つとα型Ａｌ2Ｏ3粒子の｛１１０｝面の少なくとも１つとが略平行」、「下部層で最も表面側に位置するＴｉＣＮ粒子の｛１１１｝面の少なくとも１つと上部層で最も基材側かつＴｉＣＮ粒子の直上に位置するα型Ａｌ2Ｏ3粒子の｛００６｝面の少なくとも１つとが略平行、かつ、ＴｉＣＮ粒子の｛４２２｝面の少なくとも１つとα型Ａｌ2Ｏ3粒子の｛１１０｝面の少なくとも１つとが略平行」という条件をそれぞれ満たす上部層及び下部層を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、前記基材上に設けられた被覆層とを有する被覆切削工具であって、
前記被覆層は、前記基材側から前記被覆層の表面側に向かって順に積層された、ＴｉＣＮを含有する下部層と、α型Ａｌ2Ｏ3を含有する上部層とを含み、
前記下部層及び前記上部層が、下記条件（Ｉ）を満たすＴｉＣＮ粒子およびα型Ａｌ2Ｏ3粒子と、下記条件（ＩＩ）を満たすＴｉＣＮ粒子およびα型Ａｌ2Ｏ3粒子とを含む、被覆切削工具。
条件（Ｉ）：前記下部層において最も前記表面側に位置するＴｉＣＮ粒子の｛４２２｝面の少なくとも１つと、前記上部層において最も前記基材側かつ前記ＴｉＣＮ粒子の直上に位置するα型Ａｌ2Ｏ3粒子の｛００６｝面の少なくとも１つとが略平行、かつ、前記ＴｉＣＮ粒子の｛１１１｝面の少なくとも１つと、前記α型Ａｌ2Ｏ3粒子の｛１１０｝面の少なくとも１つとが略平行である。
条件（ＩＩ）：前記下部層において最も前記表面側に位置するＴｉＣＮ粒子の｛１１１｝面の少なくとも１つと、前記上部層において最も前記基材側かつ前記ＴｉＣＮ粒子の直上に位置するα型Ａｌ2Ｏ3粒子の｛００６｝面の少なくとも１つとが略平行、かつ、前記ＴｉＣＮ粒子の｛４２２｝面の少なくとも１つと、前記α型Ａｌ2Ｏ3粒子の｛１１０｝面の少なくとも１つとが略平行である。
【請求項２】
前記下部層において最も前記表面側に位置するＴｉＣＮ粒子と前記上部層において最も前記基材側に位置するα型Ａｌ2Ｏ3粒子との合計数に対して、前記条件（Ｉ）を満たすＴｉＣＮ粒子およびα型Ａｌ2Ｏ3粒子と、前記条件（ＩＩ）を満たすＴｉＣＮ粒子およびα型Ａｌ2Ｏ3粒子との合計数の割合が、５０％以上１００％以下である、請求項１に記載の被覆切削工具。
【請求項３】
前記上部層の平均厚さは、１μｍ以上１５μｍ以下である、請求項１または２に記載の被覆切削工具。
【請求項４】
前記下部層の平均厚さは、２μｍ以上２０μｍ以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
【請求項５】
前記被覆層は、前記下部層と前記上部層との間に、Ｔｉ元素の炭化物、窒化物、酸化物、炭酸化物、窒酸化物および炭窒酸化物からなる群より選ばれる少なくとも１種の化合物を含有する中間層を含み、前記中間層の平均厚さは、０．１μｍ以上０．５μｍ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。
【請求項６】
前記被覆層の平均厚さは、３μｍ以上３０μｍ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。
【請求項７】
前記基材は、超硬合金、サーメット、セラミックスまたは立方晶窒化硼素焼結体のいずれかである、請求項１〜６のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被覆切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超硬合金からなる基材の表面に化学蒸着法により３〜２０μｍの総膜厚で被覆層を蒸着形成してなる被覆切削工具が、鋼や鋳鉄などの切削加工に用いられていることは、よく知られている。被覆層としては、例えば、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物および炭窒酸化物並びに酸化アルミニウムからなる群より選ばれる１種の単層または２種以上の複層からなる被覆層である。
【０００３】
特許文献１では、超硬合金の基材と、基材表面に形成されたＴｉＣＮからなる内層とα型Ａｌ2Ｏ3からなる外層とを有する被覆層とを備え、ＴｉＣＮの（３１１）面の配向性指数ＴＣ（３１１）の値が１．５以上３以下であり、α型酸化アルミニウム層の（１０４）面と（１１６）面との各配向性指数ＴＣａ（１０４）とＴＣａ（１１６）とが、各々１．３以上であることを特徴とする切削工具が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１２４６７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年の切削加工では高速化、高送り化および深切り込み化がより顕著となり、従来よりも工具の耐欠損性および耐摩耗性の向上が求められている。特に、近年、鋼の重断続切削等の大きな衝撃が切刃にかかるような切削加工が増えており、かかる過酷な切削条件下において、従来の工具では被覆層が大きな衝撃に耐えきれず、チッピングや硬質被覆層の剥離が発生しやすくなる。これが引き金となって、切刃の欠損や異常摩耗の発生等の突発的な工具損傷により工具寿命を長くできないという問題がある。
【０００６】
このような背景により、上記の特許文献１に開示された工具のように、ＴｉＣＮの（３１１）面の結晶方位およびα型酸化アルミニウム層の（１０４）面と（１１６）面との各結晶方位を制御するだけでは、大きな衝撃がかかる切削条件において、耐チッピング性および耐欠損性が十分ではない。
【０００７】
本発明は、これらの問題を解決するためになされたものであり、優れた耐チッピング性、耐欠損性および耐摩耗性を有し、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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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、ＴｉＣＮの結晶方位とα型酸化アルミニウム層の結晶方位に着目して以下の構成にすると、耐チッピング性、耐欠損性および耐摩耗性を向上させることができ、その結果、工具寿命を延長することができるという知見を得て、本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明は以下の通りである。
（１）基材と、前記基材上に設けられた被覆層とを有する被覆切削工具であって、前記被覆層は、前記基材側から前記被覆層の表面側に向かって順に積層された、ＴｉＣＮを含有する下部層と、α型Ａｌ2Ｏ3を含有する上部層とを含み、前記下部層及び前記上部層が、下記条件（Ｉ）を満たすＴｉＣＮ粒子およびα型Ａｌ2Ｏ3粒子と、下記条件（ＩＩ）を満たすＴｉＣＮ粒子およびα型Ａｌ2Ｏ3粒子とを含む、被覆切削工具。
条件（Ｉ）：前記下部層において最も前記表面側に位置するＴｉＣＮ粒子の｛４２２｝面の少なくとも１つと、前記上部層において最も前記基材側かつ前記ＴｉＣＮ粒子の直上に位置するα型Ａｌ2Ｏ3粒子の｛００６｝面の少なくとも１つとが略平行、かつ、前記ＴｉＣＮ粒子の｛１１１｝面の少なくとも１つと、前記α型Ａｌ2Ｏ3粒子の｛１１０｝面の少なくとも１つとが略平行である。
条件（ＩＩ）：前記下部層において最も前記表面側に位置するＴｉＣＮ粒子の｛１１１｝面の少なくとも１つと、前記上部層において最も前記基材側かつ前記ＴｉＣＮ粒子の直上に位置するα型Ａｌ2Ｏ3粒子の｛００６｝面の少なくとも１つとが略平行、かつ、前記ＴｉＣＮ粒子の｛４２２｝面の少なくとも１つと、前記α型Ａｌ2Ｏ3粒子の｛１１０｝面の少なくとも１つとが略平行である。
（２）前記下部層において最も前記表面側に位置するＴｉＣＮ粒子と前記上部層において最も前記基材側に位置するα型Ａｌ2Ｏ3粒子との合計数に対して、前記条件（Ｉ）を満たすＴｉＣＮ粒子およびα型Ａｌ2Ｏ3粒子と、前記条件（ＩＩ）を満たすＴｉＣＮ粒子およびα型Ａｌ2Ｏ3粒子との合計数の割合が、５０％以上１００％以下である、（１）の被覆切削工具。
（３）前記上部層の平均厚さは、１μｍ以上１５μｍ以下である、（１）または（２）の被覆切削工具。
（４）前記下部層の平均厚さは、２μｍ以上２０μｍ以下である、（１）〜（３）のいずれかの被覆切削工具。
（５）前記被覆層は、前記下部層と前記上部層との間に、Ｔｉ元素の炭化物、窒化物、酸化物、炭酸化物、窒酸化物および炭窒酸化物からなる群より選ばれる少なくとも１種の化合物を含有する中間層を含み、前記中間層の平均厚さは、０．１μｍ以上０．５μｍ以下である、（１）〜（４）のいずれかの被覆切削工具。
（６）前記被覆層の平均厚さは、３μｍ以上３０μｍ以下である、（１）〜（５）のいずれかの被覆切削工具。
（７）前記基材は、超硬合金、サーメット、セラミックスまたは立方晶窒化硼素焼結体のいずれかである、（１）〜（６）のいずれかの被覆切削工具。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によると、優れた耐チッピング性、耐欠損性および耐摩耗性を有し、工具寿命の長い被覆切削工具を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】式（１）〜（３）の一例を説明するための模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
＜被覆切削工具＞
本実施形態の被覆切削工具は、基材とその基材上に設けられた被覆層とを有する。被覆切削工具の種類として、具体的には、フライス加工用または旋削加工用刃先交換型切削インサート、ドリルおよびエンドミルを挙げることができる。
【００１４】
＜基材＞
本実施形態における基材は、被覆切削工具の基材として用いられる得るものであれば、特に限定されない。基材としては、例えば、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、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、セラミックスまたは立方晶窒化硼素焼結体のいずれかであると、耐摩耗性および耐欠損性に更に優れるので、好ましい。
【００１５】
なお、基材は、その表面が改質されたものであってもよい。例えば、基材が超硬合金からなるものである場合、その表面に脱β層が形成されてもよい。また、基材がサーメットからなるものである場合、その表面に硬化層が形成されてもよい。これらのように基材の表面が改質されていても、本発明の作用効果は奏される。
【００１６】
＜被覆層＞
本実施形態における被覆層は、その平均厚さが、３μｍ以上３０μｍ以下であることが好ましい。平均厚さが３μｍ以上であると、耐摩耗性が更に向上する傾向にあり、３０μｍ以下であると、被覆層の基材との密着性および耐欠損性が一層高まる傾向にある。同様の観点から、被覆層の平均厚さは、３μｍ以上２０μｍ以下であるとさらに好ましい。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、３箇所以上の断面から、各層の厚さおよび被覆層全体の厚さを測定して、その平均値を計算することで求めることができる。
【００１７】
本実施形態における被覆層は、基材側から被覆層の表面側に向かって順に積層された、ＴｉＣＮ（炭窒化チタン）を含有する下部層とα型Ａｌ2Ｏ3を含有する上部層とを含む。本実施形態における下部層および上部層は、下記条件（Ｉ）を満たすＴｉＣＮ粒子およびα型Ａｌ2Ｏ3粒子と、下記条件（ＩＩ）を満たすＴｉＣＮ粒子およびα型Ａｌ2Ｏ3粒子とを含む。条件（Ｉ）では、下部層において最も上記表面側（以下、被覆層の表面を「上記表面」ともいう。）に位置するＴｉＣＮ粒子の｛４２２｝面の少なくとも１つと、上部層において最も基材側かつ上記ＴｉＣＮ粒子の直上に位置するα型Ａｌ2Ｏ3粒子の｛００６｝面の少なくとも１つとは略平行の関係であり、かつ、上記ＴｉＣＮ粒子の｛１１１｝面の少なくとも１つと、上記α型Ａｌ2Ｏ3粒子の｛１１０｝面の少なくとも１つとが略平行の関係にある。このような条件（Ｉ）を満たすと、主に、被覆切削工具の耐摩耗性を低下させることなく、下部層と上部層との間の密着性が向上する。その結果、被覆切削工具は耐チッピング性および耐欠損性が向上する。なお、本明細書において、「ＴｉＣＮ粒子の直上に位置するα型Ａｌ2Ｏ3粒子」とは、下部層と上部層が直接接触している場合は、ＴｉＣＮ粒子と直接接触しているα型Ａｌ2Ｏ3粒子を意味し、下部層と上部層との間に後述の中間層（密着層）が存在する場合は、ＴｉＣＮ粒子に対して、それらの層の積層方向に存在し、中間層（密着層）と直接接触しているα型Ａｌ2Ｏ3粒子を意味する。
【００１８】
さらに、条件（ＩＩ）では、下部層において最も上記表面側に位置するＴｉＣＮ粒子の｛１１１｝面の少なくとも１つと、上部層において最も基材側かつ上記ＴｉＣＮ粒子の直上に位置するα型Ａｌ2Ｏ3粒子の｛００６｝面の少なくとも１つとが略平行であり、かつ、上記ＴｉＣＮ粒子の｛４２２｝面の少なくとも１つと、上記α型Ａｌ2Ｏ3粒子の｛１１０｝面の少なくとも１つとが略平行の関係にある。このような条件（ＩＩ）を満たすと、主に、下部層と上部層との間のより強固な密着性を得ることができる。その結果、被覆層が条件（ＩＩ）を満たす粒子を含むと、その粒子の周囲の上部層における粒子の脱落を抑制することができるので、耐チッピング性および耐欠損性が向上する。したがって、被覆層が、上記の条件（Ｉ）を満たす粒子と条件（ＩＩ）を満たす粒子とを含むと、耐摩耗性を低下させることなく、耐チッピング性および耐欠損性が向上する。
【００１９】
また、下記式（１）で表されるＴｉＣＮ粒子とα型Ａｌ2Ｏ3粒子との組み合わせの数の割合ＲＣが、５０％以上１００％以下であると、耐摩耗性、耐チッピング性および耐欠損性に更に優れるため、好ましい。さらに、特に下部層と上部層の間の密着性を高めて、耐チッピング性および耐欠損性を向上させる観点から、下記式（２）で表されるＴｉＣＮ粒子とα型Ａｌ2Ｏ3粒子との組み合わせの数の割合ＲＣ１は、１％以上であることが好ましい。また、特に上部層における粒子の脱落を抑制して、耐チッピング性および耐欠損性を向上させる観点から、下記式（３）で表されるＴｉＣＮ粒子とα型Ａｌ2Ｏ3粒子との組み合わせの数の割合ＲＣ２は、１％以上であることが好ましい。ここで、ＴｉＣＮ粒子とα型Ａｌ2Ｏ3粒子との組み合わせの数（以下、「組数」という）について、例えば、あるＴｉＣＮ粒子に対して、条件（Ｉ）および条件（ＩＩ）を満たすか否かの判断対象となるα型Ａｌ2Ｏ3粒子が２個存在する場合は、その組数は２となる。また、例えば、あるα型Ａｌ2Ｏ3粒子に対して、条件（Ｉ）および条件（ＩＩ）を満たすか否かの判断対象となるＴｉＣＮ粒子が２個存在する場合も、その組数は２となる。
ＲＣ＝（Ｒ１＋Ｒ２）／ＲＳ×１００      （１）
ＲＣ１＝Ｒ１／ＲＳ×１００      （２）
ＲＣ２＝Ｒ２／ＲＳ×１００      （３）
ここで、各式中、ＲＳは、下部層において最も上記表面側に位置するＴｉＣＮ粒子と、上部層において最も基材側に位置するα型Ａｌ2Ｏ3粒子のうち上記ＴｉＣＮ粒子に対して条件（Ｉ）および条件（ＩＩ）を満たすか否かの判断対象となるα型Ａｌ2Ｏ3粒子との組み合わせの総数を示し、Ｒ１は、そのうち条件（Ｉ）を満たすＴｉＣＮ粒子とα型Ａｌ2Ｏ3粒子との組み合わせの総数を示し、Ｒ２は、そのうち条件（ＩＩ）を満たすＴｉＣＮ粒子とα型Ａｌ2Ｏ3粒子との組み合わせの総数を示す。ＲＳは、Ｒ１、Ｒ２、並びに条件（Ｉ）および条件（ＩＩ）のいずれの条件をも満たさないＴｉＣＮ粒子とα型Ａｌ2Ｏ3粒子との組み合わせの総数の合計となる。
【００２０】
なお、本明細書においては、「粒子」として、電子後方散乱回折像装置（ＥＢＳＤ）により評価した場合の方位差５°以上の組織境界で囲まれる領域を採用する。また、本実施形態の下部層において最も上記表面側に位置するＴｉＣＮ粒子とは、有効な結晶粒として、上記表面側からＥＢＳＤにより評価した場合の方位差５°以上の組織境界で囲まれる領域とする。また、本実施形態の上部層において最も基材側に位置するα型Ａｌ2Ｏ3粒子とは、有効な結晶粒として、基材側からＥＢＳＤにより評価した場合の方位差５°以上の組織境界で囲まれる領域とする。
【００２１】
本実施形態の被覆層において、下部層の最も上記表面側に位置する粒子の結晶面と、上部層の最も基材側かつ上記粒子の直上に位置する粒子の結晶面との関係は、市販の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）または、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）に付属したＥＢＳＤを用いて測定した極点図およびＥＢＳＤマップにより、求めることができる。
【００２２】
より具体的には、以下のようにして求めることができる。まず、被覆切削工具を基材の表面と直交または略直交する方向に鏡面研磨して、その断面組織面を露出させる。被覆切削工具の断面組織面を露出させる方法としては、ダイヤモンドペーストまたはコロイダルシリカを用いて研磨する方法やイオンミリングなどを挙げることができる。被覆切削工具の断面組織面を露出した試料をＦＥ−ＳＥＭにセットし、試料に、７０度の入射角度で１５ｋＶの加速電圧および０．５ｎＡ照射電流の条件にて電子線を照射する。基材の表面に平行な方向の５０μｍの測定範囲を０．１μｍのステップサイズというＥＢＳＤの設定で測定するのが望ましい。粒子は、方位差５°以上の組織境界で囲まれる領域とする。このとき、測定は、下部層と上部層とを含む視野にて行う。得られた結晶方位の情報から｛１１１｝面、｛４２２｝面、｛２２２｝面および｛１０−１｝面の極点図を作成し、必要に応じてＥＢＳＤを用いて解析する。なお、上部層におけるα型Ａｌ2Ｏ3の｛２２２｝面は、結晶面を表す軸の置き方により、｛００６｝面と示すことができる。同様に、｛１０−１｝面は、｛１１０｝面を示すことができる。また、「｛４２２｝面の少なくとも１つ」とは、｛４２２｝面と等価な結晶面の少なくとも１つの結晶面を指し、具体的には、（４２２）面、（−４２２）面、（４−２２）面、及び（４２−２）面からなる群より選ばれる少なくとも１つを指す。同様に、「｛００６｝面の少なくとも１つ」とは、｛００６｝面と等価な結晶面の少なくとも１つの結晶面を指し、「｛１１１｝面の少なくとも１つ」とは、｛１１１｝面と等価な結晶面の少なくとも１つの結晶面を指し、「｛１１０｝面の少なくとも１つ」とは、｛１１０｝面と等価な結晶面の少なくとも１つの結晶面を指す。
【００２３】
本明細書において、２つの結晶面が「略平行である」とは、２つの結晶面の法線が略平行であることを意味し、２つの結晶面の極点図において、法線を示すプロットが互いに同じ位置に存在する場合、２つの結晶面が「略平行である」といえる。なお、「略平行」の範囲は、上記２つの結晶面の法線がなす角度が±５°以内である。
【００２４】
また、上記式（１）〜（３）におけるＲ１、Ｒ２及びＲＳは、ＥＢＳＤによる任意の基材の表面に平行な方向の５０μｍの測定範囲において、ステップサイズを０．１μｍにした場合の各測定点で得られる上記各組み合わせから導くことができる。
【００２５】
図１は、上記の式（１）〜（３）の一例を説明するための模式断面図であり、下部層と上部層とが直接接触した領域の一部を示しており、下部層側にはＴｉＣＮ粒子、上部層側にはα型Ａｌ2Ｏ3粒子が存在している。図中の矢印の総数（図１では８本）がＲＳに該当し、実線の矢印の総数（図１では４本）がＲ１に該当し、破線の矢印の総数（図１では３本）がＲ２に該当し、一点鎖線の矢印の総数（図１では１本）が条件（Ｉ）および条件（ＩＩ）のいずれの条件をも満たさないＴｉＣＮ粒子とα型Ａｌ2Ｏ3粒子との組み合わせの総数に該当する。図１では、式（１）におけるＲＣが８７．５％、式（２）におけるＲＣ１が５０％、式（３）におけるＲＣ２が３７．５％となる。
【００２６】
本発明による効果をより有効かつ確実に奏する観点から、下部層におけるＴｉＣＮの含有量は、下部層の全量に対して９５質量％以上であると好ましく、９８質量％以上であるとより好ましく、９９質量％以上であると更に好ましく、下部層がＴｉＣＮからなると最も好ましい。また、同様の観点から、上部層におけるα型Ａｌ2Ｏ3の含有量は、上部層の全量に対して９５質量％以上であると好ましく、９８質量％以上であるとより好ましく、９９質量％以上であると更に好ましく、上部層がα型Ａｌ2Ｏ3からなると最も好ましい。下部層および上部層には、不可避的不純物が含まれてもよいし、本発明の作用効果を阻害しない範囲において、ＴｉＣＮおよびα型Ａｌ2Ｏ3以外の物質（例えば、ＣｌおよびＳなどの元素）が含まれてもよい。
【００２７】
本実施形態の上部層の平均厚さは、１μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。上部層の平均厚さが、１μｍ以上であると、被覆切削工具のすくい面における耐クレータ摩耗性が更に向上する傾向にあり、１５μｍ以下であると剥離がより抑制され、耐欠損性が一層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、３μｍ以上１２μｍ以下であることがより好ましい。
【００２８】
本実施形態の被覆層において、基材と上部層との間に下部層を有することで、耐摩耗性が向上する。下部層の平均厚さは、２μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。下部層の平均厚さが、２μｍ以上であると耐摩耗性が向上する傾向にあり、２０μｍ以下であると剥離が更に抑制され、耐欠損性がより向上する傾向にある。同様の観点から、下部層の平均厚さは、５μｍ以上１５μｍ以下であることがより好ましい。
【００２９】
＜密着層＞
本実施形態の被覆層は、Ｔｉ元素と、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素からなる化合物を含有する密着層を含むと、その密着層を挟む両層間の密着性が更に向上するため、好ましい。密着層は、最下層として基材と下部層との間に設けられてもよく、中間層として下部層と上部層との間に設けられてもよい。密着層には、任意成分として、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、ＡｌおよびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を含んでもよい。密着層の平均厚さは、０．１μｍ以上０．５μｍ以下であることが好ましい。密着層の平均厚さが、０．１μｍ以上であると、密着層がより均一な組織になり、密着性が更に向上する傾向にある。一方、密着層の平均厚さが０．５μｍ以下であると、密着層が剥離の起点となるのをより抑制するので、耐欠損性が更に高まる傾向にある。また、密着層における上記化合物の含有量は、密着層の全量に対して９５質量％以上であると好ましく、９８質量％以上であるとより好ましく、９９質量％以上であると更に好ましく、密着層が上記化合物からなると最も好ましい。
【００３０】
本実施形態の被覆層は、Ｔｉ元素の炭化物、窒化物、酸化物、炭酸化物、窒酸化物および炭窒酸化物からなる群より選ばれる少なくとも１種の化合物を含有する中間層を含むと、下部層と上部層との間の密着性を更に高める観点から好ましい。また、中間層の平均厚さは、０．１μｍ以上０．５μｍ以下であることが好ましい。中間層の平均厚さが、０．１μｍ以上であると、中間層がより均一な組織になり、密着性が更に向上する傾向にある。一方、中間層の平均厚さが０．５μｍ以下であると、割合ＲＣが減少するのを抑制するので、耐欠損性が更に高まる傾向にある。
【００３１】
本発明の被覆切削工具における被覆層を構成する各層の形成方法として、例えば、以下の方法を挙げることができる。ただし、各層の形成方法はこれに限定されない。
【００３２】
例えば、密着層や中間層として用いられ得るＴｉＮからなる層は、原料ガス組成をＴｉＣｌ4：５．０〜１０．０ｍｏｌ％、Ｎ2：２０〜６０ｍｏｌ％、Ｈ2：残りとし、温度：８５０〜９２０℃、圧力：１００〜４００ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。
【００３３】
密着層や中間層として用いられ得るＴｉＣからなる層は、原料ガス組成をＴｉＣｌ4：１．０〜３．０ｍｏｌ％、ＣＨ4：４．０〜６．０ｍｏｌ％、Ｈ2：残りとし、温度：９９０〜１０３０℃、圧力：５０〜１００ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。
【００３４】
密着層として用いられ得るＴｉＡｌＣＮＯからなる層は、原料ガス組成をＴｉＣｌ4：３．０〜５．０ｍｏｌ％、ＡｌＣｌ3：１．０〜２．０ｍｏｌ％、ＣＯ：０．４〜１．０ｍｏｌ％、Ｎ2：３０〜４０ｍｏｌ％、Ｈ2：残りとし、温度：９７５〜１０２５℃、圧力：９０〜１１０ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。
【００３５】
密着層として用いられ得るＴｉＡｌＣＯからなる層は、原料ガス組成をＴｉＣｌ4：０．５〜１．５ｍｏｌ％、ＡｌＣｌ3：３．０〜５．０ｍｏｌ％、ＣＯ：２．０〜４．０ｍｏｌ％、Ｈ2：残りとし、温度：９７５〜１０２５℃、圧力：６０〜１００ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。
【００３６】
密着層や中間層として用いられ得るＴｉＣＮＯからなる層は、原料ガス組成をＴｉＣｌ4：３．０〜５．０ｍｏｌ％、ＣＯ：０．４〜１．０ｍｏｌ％、Ｎ2：３０〜４０ｍｏｌ％、Ｈ2：残りとし、温度：９７５〜１０２５℃、圧力：９０〜１１０ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。
【００３７】
密着層や中間層として用いられ得るＴｉＣＯからなる層は、原料ガス組成をＴｉＣｌ4：０．５〜１．５ｍｏｌ％、ＣＯ：２．０〜４．０ｍｏｌ％、Ｈ2：残りとし、温度：９７５〜１０２５℃、圧力：６０〜１００ｈＰａとする化学蒸着法で形成することができる。
【００３８】
本実施形態において、条件（Ｉ）および（ＩＩ）を満たすように、下部層におけるＴｉＣＮ粒子と上部層におけるα型Ａｌ2Ｏ3粒子との各方位関係を制御した被覆切削工具は、例えば、以下の方法によって得ることができる。
【００３９】
まず、基材または密着層の表面に下部層の一部となる下部第１層を形成する。下部第１層は、原料ガス組成をＴｉＣｌ4：１０〜１５ｍｏｌ％、ＣＨ3ＣＮ：１〜３ｍｏｌ％、Ｎ2：０〜２０ｍｏｌ％、Ｈ2：残りとし、温度：８５０〜９２０℃、圧力：６０〜８０ｈＰａとする化学蒸着法で形成する。
【００４０】
次に、下部第１層の表面に下部層の別の一部となる下部第２層を形成する。下部第２層は、原料ガス組成をＴｉＣｌ4：１〜５ｍｏｌ％、ＣＨ3ＣＮ：０〜１ｍｏｌ％、ＣＨ4：１〜４ｍｏｌ％、Ｎ2：０〜５ｍｏｌ％、Ｈ2：残りとし、温度：９２０〜９７０℃、圧力：１００〜１５０ｈＰａとする化学蒸着法を形成する。
【００４１】
次いで、必要に応じて下部第２層の表面に上記のようにして中間層を形成した後、下部第２層または中間層の表面に上部層の一部となるα型Ａｌ2Ｏ3の核を形成する。α型Ａｌ2Ｏ3の核は、原料ガス組成をＡｌＣｌ3：１．０〜４．０ｍｏｌ％、ＣＯ2：１．０〜３．０ｍｏｌ％、ＣＯ：０〜２．０ｍｏｌ％、ＨＣｌ：２．０〜３．０ｍｏｌ％、Ｈ2Ｓ：０〜０．１ｍｏｌ％、Ｈ2：残りとし、温度：９２０〜９５０℃、圧力：６０〜８０ｈＰａとする化学蒸着法で形成する。
【００４２】
そして、下部第２層または中間層並びにα型Ａｌ2Ｏ3の核の表面に、上部層の別の一部となるα型Ａｌ2Ｏ3を形成する。α型Ａｌ2Ｏ3は、原料ガス組成をＡｌＣｌ3：２．０〜５．０ｍｏｌ％、ＣＯ2：２．５〜４．０ｍｏｌ％、ＨＣｌ：２．０〜３．０ｍｏｌ％、Ｈ2Ｓ：０．１５〜０．２５ｍｏｌ％、Ｈ2：残りとし、温度：９５０〜１０００℃、圧力：６０〜８０ｈＰａとする化学蒸着法で形成する。
【００４３】
上記のようにして下部第１層、下部第２層、任意の中間層、および上部層の別の一部となるα型Ａｌ2Ｏ3を形成すると、条件（Ｉ）を満たすことが可能となる。また、上記のようにして下部第１層、下部第２層、任意の中間層、α型Ａｌ2Ｏ3の核、および上部層の別の一部となるα型Ａｌ2Ｏ3を形成すると、条件（Ｉ）および条件（ＩＩ）の両方を満たすことが可能となる。したがって、例えば、α型Ａｌ2Ｏ3の核を形成する時間を変化させることにより、条件（Ｉ）の関係を満たす各粒子と条件（ＩＩ）の関係を満たす各粒子の割合を制御することができる。例えば、α型Ａｌ2Ｏ3の核を形成する時間は、３分間〜１５分間であってもよい。
【００４４】
本実施形態の被覆切削工具の被覆層における各層の厚さは、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）、電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）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、刃先から被覆切削工具のすくい面の中心部に向かって５０μｍの位置の近傍において、各層の厚さを３箇所以上測定し、その平均値として求めるとよい。また、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線分光器（ＥＤＳ）や波長分散型Ｘ線分光器（ＷＤＳ）などを用いて測定することができる。
【実施例】
【００４５】
以下、実施例を挙げ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。
【００４６】
試料の各層の厚さを下記のようにして求めた。すなわち、ＦＥ−ＳＥＭを用いて、被覆切削工具の刃先からすくい面の中心部に向かって５０μｍの位置の近傍における断面での３箇所の厚さを測定し、その平均値を平均厚さとして求めた。
【００４７】
得られた試料の下部層におけるＴｉＣＮ粒子、および上部層におけるα型Ａｌ2Ｏ3粒子の各方位差に関する情報は、ＦＥ−ＳＥＭに付属したＥＢＳＤを用いて求めた。
【００４８】
基材として、ＪＩＳ規格ＣＮＭＡ１２０４０８形状を有し、９３．１ＷＣ−６．５Ｃｏ−０．４Ｃｒ3Ｃ2（以上質量％）の組成を有する超硬合金製の切削インサートを用意した。この基材の切れ刃稜線部にＳｉＣブラシにより丸ホーニングを施した後、基材の表面を洗浄した。
【００４９】
基材の表面を洗浄した後、被覆層を化学蒸着法により形成した。発明品１〜１１については、まず、基材を外熱式化学蒸着装置に装入し、表１に示す原料ガス組成、温度および圧力の条件の下、表２に示す最下層を表２に示す平均厚さになるよう、基材の表面に形成した。次いで、表１に示す原料ガス組成、温度および圧力の条件の下、表４に示す下部第１層と下部第２層とを有する下部層を表２に示す平均厚さになるよう、最下層の表面に形成した。次に、発明品１〜３、発明品５〜１１については、表１に示す原料ガス組成、温度および圧力の条件の下、表２に示す中間層を表２に示す平均厚さになるよう、下部層の表面に形成した。一方、発明品４については、中間層を形成しなかった。次いで、表１に示す原料ガス組成、温度および圧力の条件の下、中間層（発明品４は下部層）の表面に表４に示すα型Ａｌ2Ｏ3の核（上部層の一部）を、表４に示す形成時間にて形成した。さらに、表１に示す原料ガス組成、温度および圧力の条件の下、下部層若しくは中間層およびα型Ａｌ2Ｏ3の核の表面に表４に示す別のα型Ａｌ2Ｏ3（上部層の別の一部）を、上部層が表２に示す平均厚さになるよう形成した。こうして、発明品１〜１１の被覆切削工具を得た。
【００５０】
一方、比較品１〜１０については、まず、基材を外熱式化学蒸着装置に装入し、表１に示す原料ガス組成、温度および圧力の条件の下、表３に示す最下層を表３に示す平均厚さになるよう、基材の表面に形成した。次いで、比較品１、２、５〜７および９については、表１に示す原料ガス組成、温度および圧力の条件の下、表５に示す下部第１層と下部第２層とを有する下部層を表２に示す平均厚さになるよう、最下層の表面に形成した。一方、比較品３、４、８および１０については、表１に示す原料ガス組成、温度および圧力の条件の下、表５に示す下部層を表２に示す平均厚さになるよう、最下層の表面に形成した。次に、表１に示す原料ガス組成、温度および圧力の条件の下、表３に示す中間層を表３に示す平均厚さになるよう、下部層の表面に形成した。次いで、比較品１、２および９については、表１に示す原料ガス組成、温度および圧力の条件の下、中間層の表面に表５に示すα型Ａｌ2Ｏ3の核（上部層の一部）を、表５に示す形成時間にて形成した。また、比較品５〜７については、表１に示す原料ガス組成、温度および圧力の条件の下、中間層の表面に表５に示すα型Ａｌ2Ｏ3（上部層）を、表３に示す平均厚さになるよう形成した。そして、比較品１〜４および８〜１０については、それらの表面に、表１に示す原料ガス組成、温度および圧力の条件の下、表５に示すα型Ａｌ2Ｏ3（上部層の一部）を表３に示す平均厚さになるよう形成した。こうして、比較品１〜１０の被覆切削工具を得た。
【００５１】
【表１】
2018001347.tif 000003
【００５２】
【表２】
2018001347.tif 000004
【００５３】
【表３】
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【００５４】
【表４】
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【００５５】
【表５】
2018001347.tif 000007
【００５６】
得られた被覆切削工具を各層の積層方向に直交する方向に鏡面研磨して、その断面組織を露出させた。上部層の断面組織面をＦＥ−ＳＥＭで観察し、ＦＥ−ＳＥＭに付属したＥＢＳＤを用いて各方位差におけるＴｉＣＮ粒子およびα型Ａｌ2Ｏ3粒子の情報から、下記（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）および（ｇ）の事項を求めた。その結果を表６に示す。
（ａ）下部層において最も被覆層の表面側に位置するＴｉＣＮ粒子の｛４２２｝面の少なくとも１つと、上部層において最も基材側かつＴｉＣＮ粒子の直上に位置するα型Ａｌ2Ｏ3粒子の｛００６｝面の少なくとも１つとが略平行となるような、上記ＴｉＣＮ粒子及びα型Ａｌ2Ｏ3粒子を含むか否か。
（ｂ）下部層において最も被覆層の表面側に位置するＴｉＣＮ粒子の｛１１１｝面の少なくとも１つと、上部層において最も基材側かつＴｉＣＮ粒子の直上に位置するα型Ａｌ2Ｏ3粒子の｛１１０｝面の少なくとも１つとが略平行となるような、上記ＴｉＣＮ粒子及びα型Ａｌ2Ｏ3粒子を含むか否か。
（ｃ）下部層において最も被覆層の表面側に位置するＴｉＣＮ粒子の｛１１１｝面の少なくとも１つと、上部層において最も基材側かつＴｉＣＮ粒子の直上に位置するα型Ａｌ2Ｏ3粒子の｛００６｝面の少なくとも１つとが略平行となるような、上記ＴｉＣＮ粒子及びα型Ａｌ2Ｏ3粒子を含むか否か。
（ｄ）下部層において最も被覆層の表面側に位置するＴｉＣＮ粒子の｛４２２｝面の少なくとも１つと、上部層において最も基材側かつＴｉＣＮ粒子の直上に位置するα型Ａｌ2Ｏ3粒子の｛１１０｝面の少なくとも１つとが略平行となるような、上記ＴｉＣＮ粒子及びα型Ａｌ2Ｏ3粒子を含むか否か。
（ｅ）上記式（２）で表されるＴｉＣＮ粒子とα型Ａｌ2Ｏ3粒子との組み合わせの数の割合ＲＣ１（％）
（ｆ）上記式（３）で表されるＴｉＣＮ粒子とα型Ａｌ2Ｏ3粒子との組み合わせの数の割合ＲＣ２（％）
（ｇ）上記式（１）で表されるＴｉＣＮ粒子とα型Ａｌ2Ｏ3粒子との組み合わせの数の割合ＲＣ（上記（ｅ）と（ｆ）の合計）（％）
【００５７】
測定は、下部層および上部層の断面組織面を露出した試料をＦＥ−ＳＥＭにセットし、その断面組織面に７０度の入射角度で１５ｋＶの加速電圧および０．５ｎＡ照射電流で電子線を照射し、測定範囲が３０μｍ×５０μｍの任意の範囲を０．１μｍのステップサイズというＥＢＳＤの設定で行った。方位差５°以上の組織境界で囲まれた領域を「粒子」とし、ＴｉＣＮ粒子およびα型Ａｌ2Ｏ3粒子を特定した。測定点の総数は１０５であった。
【００５８】
【表６】
2018001347.tif 000008
【００５９】
得られた試料を用いて、切削試験１および切削試験２を行った。切削試験１は耐摩耗性を評価する試験であり、切削試験２は耐欠損性を評価する試験である。各切削試験の結果を表７に示す。
【００６０】
［切削試験１：耐摩耗性試験］
被削材：Ｓ４５Ｃの丸棒、
切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．３０ｍｍ／ｒｅｖ、
切り込み：２．０ｍｍ、
クーラント：有り、
評価項目：試料が欠損または最大逃げ面摩耗幅が０．２ｍｍに至ったときを工具寿命とし、工具寿命までの加工時間を測定した。この際の損傷形態については、欠損の場合を「欠損」、最大逃げ面摩耗幅が０．２ｍｍに至った場合を「正常摩耗」評価した。
【００６１】
［切削試験２：耐欠損性試験］
被削材：ＳＣＭ４１５の長さ方向に等間隔で２本の溝入り丸棒、
切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．４０ｍｍ／ｒｅｖ、
切り込み：１．５ｍｍ、
クーラント：有り、
評価項目：試料が欠損に至ったときを工具寿命とし、工具寿命までの衝撃回数を測定した。衝撃回数は、試料と被削材とが接触した回数とし、接触回数が最大で２００００回に到達した時点で試験を終了した。なお、各試料について、５個のインサートを用意し、それぞれ衝撃回数を測定し、それらの衝撃回数の値から平均値を求め、工具寿命とした。
【００６２】
【表７】
2018001347.tif 000009
【００６３】
表７に示されるように、発明品は、耐チッピング性および耐欠損性を低下させることなく耐摩耗性が向上していた。発明品は比較品よりも工具寿命に至るまでの加工時間が長く、衝撃回数が多いため、工具寿命が大幅に長くなったことが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明の被覆切削工具は、耐チッピング性および耐欠損性を低下させることなく、耐摩耗性にも優れ、従来よりも工具寿命を延長できるので、そのような特性が求められる被覆切削工具として産業上の利用可能性がある。
【図１】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年9月1日(2017.9.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、前記基材上に設けられた被覆層とを有する被覆切削工具であって、
前記被覆層は、前記基材側から前記被覆層の表面側に向かって順に積層された、ＴｉＣＮを含有する下部層と、α型Ａｌ2Ｏ3を含有する上部層とを含み、
前記下部層及び前記上部層が、下記条件（Ｉ）を満たすＴｉＣＮ粒子およびα型Ａｌ2Ｏ3粒子と、下記条件（ＩＩ）を満たすＴｉＣＮ粒子およびα型Ａｌ2Ｏ3粒子とを含み、
前記下部層において最も前記表面側に位置するＴｉＣＮ粒子と前記上部層において最も前記基材側に位置するα型Ａｌ2Ｏ3粒子との合計数に対して、下記条件（Ｉ）を満たすＴｉＣＮ粒子およびα型Ａｌ2Ｏ3粒子と、下記条件（ＩＩ）を満たすＴｉＣＮ粒子およびα型Ａｌ2Ｏ3粒子との合計数の割合が、５０％以上１００％以下である、被覆切削工具。
条件（Ｉ）：前記下部層において最も前記表面側に位置するＴｉＣＮ粒子の｛４２２｝面の少なくとも１つと、前記上部層において最も前記基材側かつ前記ＴｉＣＮ粒子の直上に位置するα型Ａｌ2Ｏ3粒子の｛００６｝面の少なくとも１つとが略平行、かつ、前記ＴｉＣＮ粒子の｛１１１｝面の少なくとも１つと、前記α型Ａｌ2Ｏ3粒子の｛１１０｝面の少なくとも１つとが略平行である。
条件（ＩＩ）：前記下部層において最も前記表面側に位置するＴｉＣＮ粒子の｛１１１｝面の少なくとも１つと、前記上部層において最も前記基材側かつ前記ＴｉＣＮ粒子の直上に位置するα型Ａｌ2Ｏ3粒子の｛００６｝面の少なくとも１つとが略平行、かつ、前記ＴｉＣＮ粒子の｛４２２｝面の少なくとも１つと、前記α型Ａｌ2Ｏ3粒子の｛１１０｝面の少なくとも１つとが略平行である。
【請求項２】
前記上部層の平均厚さは、１μｍ以上１５μｍ以下である、請求項１に記載の被覆切削工具。
【請求項３】
前記下部層の平均厚さは、２μｍ以上２０μｍ以下である、請求項１または２に記載の被覆切削工具。
【請求項４】
前記被覆層は、前記下部層と前記上部層との間に、Ｔｉ元素の炭化物、窒化物、酸化物、炭酸化物、窒酸化物および炭窒酸化物からなる群より選ばれる少なくとも１種の化合物を含有する中間層を含み、前記中間層の平均厚さは、０．１μｍ以上０．５μｍ以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
【請求項５】
前記被覆層の平均厚さは、３μｍ以上３０μｍ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。
【請求項６】
前記基材は、超硬合金、サーメット、セラミックスまたは立方晶窒化硼素焼結体のいずれかである、請求項１〜５のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
すなわち、本発明は以下の通りである。
（１）基材と、前記基材上に設けられた被覆層とを有する被覆切削工具であって、前記被覆層は、前記基材側から前記被覆層の表面側に向かって順に積層された、ＴｉＣＮを含有する下部層と、α型Ａｌ2Ｏ3を含有する上部層とを含み、前記下部層及び前記上部層が、下記条件（Ｉ）を満たすＴｉＣＮ粒子およびα型Ａｌ2Ｏ3粒子と、下記条件（ＩＩ）を満たすＴｉＣＮ粒子およびα型Ａｌ2Ｏ3粒子とを含み、前記下部層において最も前記表面側に位置するＴｉＣＮ粒子と前記上部層において最も前記基材側に位置するα型Ａｌ2Ｏ3粒子との合計数に対して、下記条件（Ｉ）を満たすＴｉＣＮ粒子およびα型Ａｌ2Ｏ3粒子と、下記条件（ＩＩ）を満たすＴｉＣＮ粒子およびα型Ａｌ2Ｏ3粒子との合計数の割合が、５０％以上１００％以下である、被覆切削工具。
条件（Ｉ）：前記下部層において最も前記表面側に位置するＴｉＣＮ粒子の｛４２２｝面の少なくとも１つと、前記上部層において最も前記基材側かつ前記ＴｉＣＮ粒子の直上に位置するα型Ａｌ2Ｏ3粒子の｛００６｝面の少なくとも１つとが略平行、かつ、前記ＴｉＣＮ粒子の｛１１１｝面の少なくとも１つと、前記α型Ａｌ2Ｏ3粒子の｛１１０｝面の少なくとも１つとが略平行である。
条件（ＩＩ）：前記下部層において最も前記表面側に位置するＴｉＣＮ粒子の｛１１１｝面の少なくとも１つと、前記上部層において最も前記基材側かつ前記ＴｉＣＮ粒子の直上に位置するα型Ａｌ2Ｏ3粒子の｛００６｝面の少なくとも１つとが略平行、かつ、前記ＴｉＣＮ粒子の｛４２２｝面の少なくとも１つと、前記α型Ａｌ2Ｏ3粒子の｛１１０｝面の少なくとも１つとが略平行である。
（２）前記上部層の平均厚さは、１μｍ以上１５μｍ以下である、（１）の被覆切削工具。
（３）前記下部層の平均厚さは、２μｍ以上２０μｍ以下である、（１）または（２）の被覆切削工具。
（４）前記被覆層は、前記下部層と前記上部層との間に、Ｔｉ元素の炭化物、窒化物、酸化物、炭酸化物、窒酸化物および炭窒酸化物からなる群より選ばれる少なくとも１種の化合物を含有する中間層を含み、前記中間層の平均厚さは、０．１μｍ以上０．５μｍ以下である、（１）〜（３）のいずれかの被覆切削工具。
（５）前記被覆層の平均厚さは、３μｍ以上３０μｍ以下である、（１）〜（４）のいずれかの被覆切削工具。
（６）前記基材は、超硬合金、サーメット、セラミックスまたは立方晶窒化硼素焼結体のいずれかである、（１）〜（５）のいずれかの被覆切削工具。