JP2018202505A - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】熱負荷の高い高速、高能率加工において、優れた耐欠損性を示す表面被覆切削工具を提供する。【解決手段】基材上に形成された被膜は、Ａ層２、Ｂ層３、Ｃ層４及びＤ層９がこの順で繰返し積層された積層構造を含み、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層及びＤ層のそれぞれは、４族元素、５族元素、６族元素、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも２種以上の元素の窒化物であり、Ａ層の格子定数ＬＡ、Ｂ層の格子定数ＬＢ、Ｃ層の格子定数ＬＣ及びＤ層の格子定数ＬＤは、ＬＡ＜ＬＢ＜ＬＣ式（Ｉ）、ＬＡ＜ＬＤ＜ＬＣ式（ＩＩ）、の関係を満たし、隣接する層間の格子定数の差は０．０５００Å以上０．１０００Å以下であり、格子定数ＬＡ、格子定数ＬＢ、格子定数ＬＣ及び格子定数ＬＤの中から選ばれる２つの格子定数の差の最大値は０．１１００Å以上０．１５００Å以下であり、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層及びＤ層のそれぞれは、立方晶型結晶構造を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、基材と、該基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具に関する。

近年、様々な切削条件下において優れた工具寿命を示す切削工具が求められている。工具材料の要求性能として、工具寿命に直結する耐摩耗性および耐欠損性の向上が一段と重要になっている。そこで、これらの特性を向上させるため、基材の表面に、それぞれ格子定数の異なる材料からなる複数の被膜を積層した被覆切削工具が用いられている。

特開平０８−１３４６２９号公報（特許文献１）には、工具用複合高硬度材料の表面を、微粒子で構成された２種以上の化合物層を含む積層構造とすることにより、優れた耐摩耗性を示す工具用複合高硬度材料が開示されている。

特開２０１０−２０７９１７号公報（特許文献２）には、表面被覆切削工具の硬質被覆層を、薄層Ｂと薄層Ｃを薄層Ａを介して交互に積層し、薄層Ａを、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層あるいは（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層のいずれか、薄層Ｂを、（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ層あるいは（Ｃｒ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ層のいずれか、また、薄層Ｃを、（Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層とすることにより、すぐれた耐チッピング性を示す表面被覆切削工具が開示されている。

特開２００８−１８３６７１号公報（特許文献３）には、表面被覆切削工具の被覆膜を、Ａ層とＢ層をＣ層を介して積層し、該Ａ層を、化学式Ａｌ_aＴｉ_bＭ_c（０．４＜ａ＜０．７５、０≦ｂ＜０．６、０＜ｃ＜０．３、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、Ｍは少なくとも１種の特定の元素を示す）で表わされる第１複合金属の窒化物、炭窒化物、窒酸化物または炭窒酸化物とし、該Ｂ層を、化学式Ｔｉ_dＳｉ_e（０＜ｅ＜０．３、ｄ＋ｅ＝１）で表わされる第２複合金属の炭窒化物とし、該Ｃ層を、ＴｉＮとすることにより、長寿命を達成可能な表面被覆切削工具が開示されている。

特開平０８−１３４６２９号公報 特開２０１０−２０７９１７号公報 特開２００８−１８３６７１号公報

しかしながら、特許文献１〜３の技術では、各層の格子定数差が小さく、熱負荷の高い高速、高能率加工において、耐欠損性が不十分であった。

そこで、本目的は、熱負荷の高い高速、高能率加工において、優れた耐欠損性を示す表面被覆切削工具を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る表面被覆切削工具は、
基材と、前記基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
前記被膜は、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層及びＤ層がこの順で繰返し積層された積層構造を含み、
前記Ａ層、前記Ｂ層、前記Ｃ層及び前記Ｄ層のそれぞれは、周期律表の４族元素（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等）、５族元素（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ等）、６族元素（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等）、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも２種以上の元素の窒化物であり、
前記Ａ層の格子定数Ｌ_Ａ、前記Ｂ層の格子定数Ｌ_Ｂ、前記Ｃ層の格子定数Ｌ_Ｃ及び前記Ｄ層の格子定数Ｌ_Ｄは、以下の式（Ｉ）及び式（ＩＩ）の関係を満たし、
Ｌ_Ａ＜Ｌ_Ｂ＜Ｌ_Ｃ 式（Ｉ）
Ｌ_Ａ＜Ｌ_Ｄ＜Ｌ_Ｃ 式（ＩＩ）
前記積層構造において、隣接する層間の格子定数の差は０．０５００Å以上０．１０００Å以下であり、
前記格子定数Ｌ_Ａ、前記格子定数Ｌ_Ｂ、前記格子定数Ｌ_Ｃ及び前記格子定数Ｌ_Ｄの中から選ばれる２つの格子定数の差の最大値は０．１１００Å以上０．１５００Å以下であり、
前記Ａ層、前記Ｂ層、前記Ｃ層及び前記Ｄ層のそれぞれは、立方晶型結晶構造を有する、
表面被覆切削工具である。

上記によれば、熱負荷の高い高速、高能率加工において、優れた耐欠損性を示す表面被覆切削工具を提供することが可能となる。

本発明の実施の形態１にかかる表面被覆切削工具の構成例を説明する図である。 本発明の実施の形態１にかかる表面被覆切削工具の構成例を説明する別の図である。 本発明の実施の形態２にかかる表面被覆切削工具の構成例を説明する図である。

［本発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。

本発明の一態様に係る表面被覆切削工具は、
（１）基材と、前記基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
前記被膜は、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層及びＤ層がこの順で繰返し積層された積層構造を含み、
前記Ａ層、前記Ｂ層、前記Ｃ層及び前記Ｄ層のそれぞれは、周期律表の４族元素、５族元素、６族元素、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも２種以上の元素の窒化物であり、
前記Ａ層の格子定数Ｌ_Ａ、前記Ｂ層の格子定数Ｌ_Ｂ、前記Ｃ層の格子定数Ｌ_Ｃ及び前記Ｄ層の格子定数Ｌ_Ｄは、以下の式（Ｉ）及び式（ＩＩ）の関係を満たし、
Ｌ_Ａ＜Ｌ_Ｂ＜Ｌ_Ｃ 式（Ｉ）
Ｌ_Ａ＜Ｌ_Ｄ＜Ｌ_Ｃ 式（ＩＩ）
前記積層構造において、隣接する層間の格子定数の差は０．０５００Å以上０．１０００Å以下であり、
前記格子定数Ｌ_Ａ、前記格子定数Ｌ_Ｂ、前記格子定数Ｌ_Ｃ及び前記格子定数Ｌ_Ｄの中から選ばれる２つの格子定数の差の最大値は０．１１００Å以上０．１５００Åであり、
前記Ａ層、前記Ｂ層、前記Ｃ層及び前記Ｄ層のそれぞれは、立方晶型結晶構造を有する、
表面被覆切削工具である。

表面被覆切削工具は、その被膜に含まれる積層構造において、隣接する層間の格子定数の差が０．０５００Å以上０．１０００Å以下であることにより、熱負荷の高い高速、高能率加工において、優れた耐欠損性を示すことが可能となる。この理由は明らかではないが、隣接する層間の格子定数差が０．０５００Å以上であると、格子整合時の双方の歪みが十分であるため耐欠損性が向上し、格子定数差が０．１０００Å以下であると、界面で結晶格子が連続性を示し、隣接する層間の密着性が向上するためと推定される。

表面被覆切削工具は、前記格子定数Ｌ_Ａ、前記格子定数Ｌ_Ｂ、前記格子定数Ｌ_Ｃ及び前記格子定数Ｌ_Ｄの中から選ばれる２つの格子定数の差の最大値が０．１１００Å以上０．１５００Å以下であることにより、熱負荷の高い高速、高能率加工において、優れた耐欠損性を示すことが可能となる。これは、格子定数差の最大値が０．１１００Å以上であると、積層構造内部での格子歪みが十分であるため耐欠損性が向上し、格子定数差が０．１５００Å以下であると、各層の界面における立方晶型結晶構造の結晶性が良好なため耐欠損性が向上するとためと推定される。

（２）前記積層構造において、Ｓｉを含む層同士は隣接しないことが好ましい。これによると、表面被覆切削工具は、優れた耐欠損性を示すことができる。Ｓｉを含む層は、結晶性が低下し、組織が微細化する傾向があるため、Ｓｉを含む層同士を隣接させると、格子の連続性が維持できず、耐欠損性が低下するおそれがある。

（３）前記Ａ層、前記Ｂ層、前記Ｃ層及び前記Ｄ層は、それぞれ１ｎｍ以上１１０ｎｍ以下の層厚を有することが好ましい。該層厚が１ｎｍ未満であると、各層間の元素の拡散によって積層構造がほとんど消失し、混合層が形成され、耐欠損性が低下するおそれがある。一方、層厚が１１０ｎｍを超えると、積層構造内に格子歪の小さい領域が形成され、耐欠損性が低下するおそれがある。

（４）前記Ｂ層及び前記Ｄ層は、同一の組成を有することが好ましい。これによると、耐欠損性が向上する。この理由は明らかではないが、積層構造の全体の歪みのバランスが良くなるためと推定される。

（５）前記積層構造は、合計で０．５μｍ以上１０．０μｍ以下の厚みを有することが好ましい。該厚みが０．５μｍ未満であると、耐摩耗性及び耐欠損性が低下するおそれがある。一方、１０．０μｍを超えると、異常欠損が発生するおそれがある。

（６）前記被膜は、さらに周期律表の４族元素（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等）、５族元素（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ等）、６族元素（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等）、Ａｌ及びＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素、又は、前記少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とを有する化合物を含む層を１層以上備えることが好ましい。このような化合物層が基材と積層構造との間に存在すると、基材と被膜との密着性が向上する。又、このような化合物層が積層構造の表面側に存在すると、表面被覆切削工具の耐摩耗性、耐凝着性及び耐欠損性が更に向上する。

（７）前記基材は、超硬合金、サーメット、立方晶型窒化硼素焼結体、高速度鋼、セラミックス及びダイヤモンド焼結体からなる群より選択される少なくとも１種を含むことが好ましい。これによると、表面被覆切削工具は、例えばドリル、エンドミル、フライス加工用又は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、又はクランクシャフトのピンミーリング加工用チップ等として極めて有用に用いることができる。

［本発明の実施形態の詳細］
本発明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。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許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。

＜実施の形態１＞
（表面被覆切削工具）
図１及び図２に示されるように、表面被覆切削工具１０，１１は、基材１と、前記基材１上に形成された被膜５とを備え、前記被膜５は、Ａ層２、Ｂ層３、Ｃ層４及びＤ層９がこの順で繰返し積層された積層構造８を含む。

本実施形態の表面被覆切削工具は、例えばドリル、エンドミル、フライス加工用又は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、又はクランクシャフトのピンミーリング加工用チップ等として極めて有用に用いることができる。

（基材）
基材１としては、切削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。例えば、超硬合金（例えばＷＣ基超硬合金、ＷＣの他、Ｃｏを含み、あるいは更にＴｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物等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）、立方晶型窒化硼素焼結体、高速度鋼、セラミックス（炭化チタン、炭化硅素、窒化硅素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、およびこれらの混合体など）、ダイヤモンド焼結体等をこのような基材の例として挙げることができる。

なお、基材として超硬合金を使用する場合、そのような超硬合金は、組織中に遊離炭素やη相と呼ばれる異常相を含んでいても本発明の効果は示される。なお、本発明で用いる基材は、その表面が改質されたものであっても差し支えない。例えば、超硬合金の場合はその表面に脱β層が形成されていたり、サーメットの場合には表面硬化層が形成されていても良く、このように表面が改質されていても本発明の効果は示される。

（被膜）
被膜５は、基材上の全面を被覆する態様、部分的に被膜が形成されていない態様、及び、部分的に被膜の一部の積層態様が異なっているような態様のいずれも含む。

被膜５は、Ａ層２、Ｂ層３、Ｃ層４及びＤ層９がこの順で繰返し積層された積層構造８を含む。Ａ層、Ｂ層、Ｃ層及びＤ層は、積層構造中でこの順で繰返し積層されていれば、基材と接する側にＡ層、Ｂ層、Ｃ層又はＤ層のいずれが配置されていても構わない。すなわち、被膜において、基材側からＡ層、Ｂ層、Ｃ層及びＤ層がこの順で繰返し積層されていてもよい。又、被膜において、基板と反対の表面側からＡ層、Ｂ層、Ｃ層及びＤ層がこの順で繰返し積層されていてもよい。

例えば、図１に示されるように、基材１に接してＡ層２が配置され、該Ａ層２上に、Ｂ層３、Ｃ層４及びＤ層９がこの順で配置され、該Ｄ層９上に更に、Ａ層２、Ｂ層３、Ｃ層４及びＤ層９がこの順で配置されていてもよい（形態（ａ））。又、図２に示されるように、基材１に接してＤ層９が配置され、該Ｄ層９上に、Ｃ層４、Ｂ層３及びＡ層２がこの順で配置され、該Ａ層２上に更に、Ｄ層９、Ｃ層４、Ｂ層３及びＡ層２がこの順で配置されていてもよい（形態（ｂ））。又、図には示していないが、以下の形態（ｃ）〜（ｈ）のように各層が配置されていてもよい。

形態（ｃ）：基材に接してＡ層が配置され、該Ａ層上に、Ｄ層、Ｃ層、Ｂ層及びＡ層がこの順で配置される形態。

形態（ｄ）：基材に接してＢ層が配置され、該Ｂ層上に、Ｃ層、Ｄ層、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層、Ｄ層がこの順で配置される形態。

形態（ｅ）：基材に接してＢ層が配置され、該Ｂ層上に、Ａ層、Ｄ層、Ｃ層、Ｂ層及びＡ層がこの順で配置される形態。

形態（ｆ）：基材１に接してＣ層が配置され、該Ｃ層上に、Ｄ層、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層及びＤ層がこの順で配置される形態。

形態（ｇ）：基材１に接してＣ層が配置され、該Ｃ層上に、Ｂ層、Ａ層、Ｄ層、Ｃ層、Ｂ層及びＡ層がこの順で配置される形態。

形態（ｈ）：基材１に接してＤ層が配置され、該Ｄ層上に、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層及びＤ層がこの順で配置される形態。

積層構造は、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層及びＤ層を各１層ずつ含む単位層を２つ以上含む形態とすることができる。又、前記単位層を１つと、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層及びＤ層のうち、１層以上との組み合わせとすることもできる。

積層構造の基材と反対側の表面層は、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層、Ｄ層のいずれであっても構わない。

Ａ層２、Ｂ層３、Ｃ層４及びＤ層９のそれぞれは、周期律表の４族元素、５族元素、６族元素、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも２種以上の元素の窒化物である。具体的には、ＡｌＣｒＮ、ＡｌＣｒＳｉＮ、ＡｌＣｒＨｆＮ、ＣｒＳｉＮ、ＣｒＡｌＮ、ＣｒＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＴａＮ、ＴｉＷＮ、ＴｉＮｂＮ、ＴｉＺｒＮ、ＴｉＢＮ、ＴｉＭｏＮ、ＴｉＨｆＮ、ＴｉＡｌＹＮ、ＡｌＣｒＹＮ等を用いることができる。

なお本明細書において上記のように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。たとえば単に「ＡｌＣｒＮ」と記す場合、「Ａｌ」と「Ｃｒ」と「Ｎ」の原子比は２５：２５：５０の場合のみに限られず、また「ＣｒＮ」と記す場合も「Ｃｒ」と「Ｎ」の原子比は５０：５０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。

各層を構成する化合物の組成はＴＥＭ−ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分光法）によって確認できる。ＴＥＭ−ＥＤＸにおいては、例えば、以下のような条件が好適に使用可能である。

＜測定機器＞
測定機器：ＶＧ社製、ＨＢ５０１
ＥＤＸ：ＫＥＶＥＸ Ｓｕｐｅｒ８０００ 定量トータルシステム
エネルギー分散型Ｘ線分析計（Ｓｉ＜Ｌｉ＞半導体検出器、ＵＴＷ型）
ＥＥＬＳ：ＶＧ社製、ＥＬＳ−８０分光器（エネルギー分解能：０．５６ｅＶ）
＜測定条件＞
加速電圧：１００ｋＶ
試料吸収電流：１０^-9 Ａ
計数時間：５０〜１００秒
分析プローブ径：１ｎｍφ

積層構造８において、Ｓｉを含む層同士は隣接しないことが好ましい。これによると、表面被覆切削工具は、優れた耐欠損性を示すことができる。Ｓｉを含む層は、結晶性が低下し、組織が微細化する傾向があるため、Ｓｉを含む層同士を隣接させると、格子の連続性が維持できず、耐欠損性が低下するおそれがある。

Ｂ層及びＤ層は、同一の組成を有することが好ましい。これによると、耐欠損性が向上する。この理由は明らかではないが、積層構造の全体の歪みのバランスが良くなるためと推定される。

Ａ層２の格子定数Ｌ_Ａ、Ｂ層３の格子定数Ｌ_Ｂ、Ｃ層４の格子定数Ｌ_Ｃ及びＤ層９の格子定数Ｌ_Ｄは、以下の式（Ｉ）及び式（ＩＩ）の関係を満たす。

Ｌ_Ａ＜Ｌ_Ｂ＜Ｌ_Ｃ 式（Ｉ）
Ｌ_Ａ＜Ｌ_Ｄ＜Ｌ_Ｃ 式（ＩＩ）

格子定数Ｌ_Ａ、格子定数Ｌ_Ｂ、格子定数Ｌ_Ｃ及び格子定数Ｌ_Ｄが上記式（Ｉ）及び（ＩＩ）の関係を満たし、かつ、隣接する層間の格子定数の差は０．０５００Å以上０．１０００Å以下であることにより、積層構造８内で、隣接する層間の格子定数の差を小さくできるため、隣接する層同士が高い密着性を示すことが可能である。

さらに、格子定数Ｌ_Ａ、格子定数Ｌ_Ｂ、格子定数Ｌ_Ｃ及び格子定数Ｌ_Ｄが上記式（Ｉ）及び（ＩＩ）の関係を満たし、かつ、格子定数Ｌ_Ａ、格子定数Ｌ_Ｂ、格子定数Ｌ_Ｃ及び格子定数Ｌ_Ｄの中から選ばれる２つの格子定数の差の最大値は０．１１００Å以上０．１５００Å以下であることにより、隣接しない層間の格子定数の差を大きくできるため、積層構造全体としては、優れた耐欠損性を得ることが可能である。

積層構造８において、隣接する層間の格子定数の差は０．０５００Å以上０．１０００Å以下である。隣接する層間の格子定数の差とは、Ａ層２の格子定数Ｌ_ＡとＢ層３の格子定数Ｌ_Ｂとの差、Ｂ層３の格子定数Ｌ_ＢとＣ層４の格子定数Ｌ_Ｃとの差、Ｃ層４の格子定数Ｌ_ＣとＤ層９の格子定数Ｌ_Ｄとの差、及び、Ｄ層９の格子定数Ｌ_ＤとＡ層２の格子定数Ｌ_Ａとの差を意味する。これにより、表面被覆切削工具は、熱負荷の高い高速、高能率加工において、優れた耐欠損性を示すことが可能となる。この理由は明らかではないが、隣接する層間の格子定数差が０．０５００Å以上であると、格子整合時の双方の歪みが十分であるため耐欠損性が向上し、格子定数差が０．１０００Å以下であると、隣接する層間の界面で結晶格子が連続性を示し、隣接する層間の密着性が向上するためと推定される。隣接する層間の格子定数の差は０．０５５０Å以上０．０９００Å以下が好ましく、０．０６００Å以上０．０７００Å以下が更に好ましい。

ここで、隣接する層間の界面で結晶格子が連続性を示していることは、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって確認できる。具体的には、層間の界面において、各層の格子がつながっている場合に、結晶格子が連続性を示していると判断できる。このＴＥＭ分析においては、例えば、以下のような条件が好適に使用可能である。

＜ＴＥＭ分析条件＞
測定機器：日立製、商品名：Ｈ−９０００ＵＨＲ
加速電圧：３００ｋＶ
倍率：２０万〜８００万倍

積層構造８において、格子定数Ｌ_Ａ、格子定数Ｌ_Ｂ、格子定数Ｌ_Ｃ及び格子定数Ｌ_Ｄの中から選ばれる２つの格子定数の差の最大値は０．１１００Å以上０．１５００Å以下である。格子定数の差の最大値とは、格子定数Ｌ_Ａ、格子定数Ｌ_Ｂ、格子定数Ｌ_Ｃ及び格子定数Ｌ_Ｄのうち、格子定数の最大値と格子定数の最小値との差を意味する。これにより、表面被覆切削工具は、熱負荷の高い高速、高能率加工において、優れた耐欠損性を示すことが可能となる。これは、格子定数差の最大値が０．１１００Å以上であると、積層構造内部での格子歪みが十分であるため耐欠損性が向上し、格子定数差が０．１５００Å以下であると、各層の界面における立方晶型結晶構造の結晶性が良好なため耐欠損性が向上するとためと推定される。格子定数の差の最大値は、０．１２００Å以上０．１３５０Å以下が好ましい。

ここで、「格子定数」とは、以下のいずれかの値を用いるものとする。
（１）各層の材料が、ＪＣＰＤＳカード（ＪＣＰＤＳ：Ｊｏｉｎｔ Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ ｏｎ Ｐｏｗｄｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ）に記載されている場合は、記載されている格子定数の値。
（２）各層の材料が、ＪＣＰＤＳカードに記載されている材料の複合物の場合は、各材料のＪＣＰＤＳカードに記載の格子定数と、複合物の組成比とを用いて、格子定数を算出した値。例えば、Ｔｉ_ＡＣｒ_１−ＡＮ（０＜Ａ＜１）の格子定数Ｌ_{ＴｉＣｒＮ}は、ＪＣＰＤＳカードに記載されているＴｉＮの格子定数Ｌ_ＴｉＮ（４．２３９Å）と、ＪＣＰＤＳカードに記載されているＣｒＮの格子定数Ｌ_ＣｒＮ（４．１３６Å）を用いて、下記のようにして求める。
Ｌ_{ＴｉＣｒＮ}＝Ｌ_ＴｉＮ・Ａ＋Ｌ_ＣｒＮ（１−Ａ）＝（Ｌ_ＴｉＮ−Ｌ_ＣｒＮ）×Ａ＋Ｌ_ＣｒＮ＝（４．２３９−４．１３６）×Ａ＋４．１３６［Å］
（３）格子定数が、上記（２）から算出できない場合は、各層を下記の条件で、基材（Ｋ１０ 超硬合金（ＪＩＳ））上にアークイオンプレーティング法を用いて成膜し、Ｘ線分析法（ＸＲＤ）のθ／２θ法のピーク角度から、格子定数を算出した値。アークイオンプレーティング法では、チャンバー内の圧力が４．０ＰａになるようにＮ₂ガスを導入し、基材温度を６００℃、アーク電流１５０Ａ、バイアス電圧−１５Ｖとし、膜厚が２．０μｍとなるまで成膜する。成膜後、高温ＸＲＤにて真空中６５０℃でピーク位置が安定するまで加熱し、ピーク位置が安定後にピーク角度を測定する。

Ａ層、Ｂ層、Ｃ層及びＤ層は、それぞれ１ｎｍ以上１１０ｎｍ以下の層厚を有することが好ましい。該層厚が１ｎｍ未満であると、各層間の元素の拡散によって積層構造がほとんど消失し、混合層が形成され、耐欠損性が低下するおそれがある。一方、層厚が１１０ｎｍを超えると、積層構造内に格子歪の小さい領域が形成され、耐欠損性が低下するおそれがある。Ａ層、Ｂ層、Ｃ層及びＤ層の各層の層厚は、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下が好ましく、３ｎｍ以上２０ｎｍ以下がより好ましく、６ｎｍ以上１２ｎｍ以下が更に好ましい。

積層構造は、合計で０．５μｍ以上１０．０μｍ以下の厚みを有することが好ましい。積層構造の全体の合計厚みが０．５μｍ未満であると、耐摩耗性及び耐欠損性が低下するおそれがある。一方、１０．０μｍを超えると、異常欠損が発生するおそれがある。積層構造の全体の合計厚みは１．０μｍ以上６．０μｍ以下がより好ましく、１．５μｍ以上４．０μｍ以下が更に好ましい。

ここで、「各層の層厚」又は「積層構造の全体の厚み」は、次のようにして求められる。まず、基材の表面の法線方向に平行な断面を含む測定試料を作製する。次に、該断面を走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：Scanning Transmission Electron Microscopy）で観察し、観察画像に被膜の厚み方向の全域が含まれるように倍率を調整する。そして、その厚みを５点以上測定し、その平均値を厚みとする。ＳＴＥＭにおいては、例えば、以下のような条件が好適に使用可能である。

＜ＳＴＥＭ分析条件＞
測定機器：日立製、商品名：ＨＤ−２７００
加速電圧：２００ｋＶ
倍率：２０万〜８００万倍

積層構造中のＡ層、Ｂ層、Ｃ層及びＤ層のそれぞれの積層数は、積層構造の全体の厚みとこれら各層の厚みとが決定すると自ずと決定されるものであるが、６層以上が好ましく、１０層以上がより好ましい。

Ａ層、Ｂ層、Ｃ層及びＤ層のそれぞれは、立方晶型結晶構造を有する。結晶構造はＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）回折パターンにより分析することができる。各層の材料が立方晶型結晶構造を有すると、硬度、耐熱性、耐酸化性、化学的安定性に優れた表面被覆切削工具を得ることができる。

（製造方法）
積層構造を基材表面に形成（成膜）するためには、立方晶型結晶構造を有する化合物を形成することができる成膜プロセスであることが好ましい。具体的には、物理的蒸着法を用いることが好適である。

物理的蒸着法としては、スパッタリング法、イオンプレーティング法などが知られており、このような従来公知のいずれの物理的蒸着法も採用し得る。中でも、原料元素のイオン率が高いカソードアークイオンプレーティング法を採用することが好ましい。カソードアークイオンプレーティング法を採用すると、被膜を形成する前に基材表面に対して金属又はガスイオンボンバードメント処理を行なうことが可能となるため、これにより被膜の密着性を飛躍的に高めることができる。

カソードアークイオンプレーティング法の諸条件は、従来公知の諸条件を特に限定なく採用することができる。

＜実施の形態２＞
（表面被覆切削工具）
図３に示されるように、表面被覆切削工具１２は、基材１と積層構造８との間に中間層６を有していてもよい。又、図３に示されるように、表面被覆切削工具１２は、積層構造８の基板と反対側の表面に表面層７を有していてもよい。又、図には示されていないが、表面被覆切削工具は、積層構造と表面層との間に、中間層を有していてもよい。このように被膜５は、中間層６、表面層７及び積層構造８を含むことができる。

中間層６及び表面層７は、周期律表の４族元素、５族元素、６族元素、Ａｌ及びＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素、又は、前記少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とを有する化合物を含むことが好ましい。中間層が前記化合物を含むと、基材と積層構造、又は、積層構造と表面層との密着強度が向上し、両者の剥離を抑制することができる。表面層が前記化合物を含むと、表面被覆切削工具の耐摩耗性が向上する。中間層及び表面層は、それぞれ１層で構成されていてもよいし、それぞれ２層以上で構成されていてもよい。

前記化合物としては、例えば、ＴｉＷＣＮ、ＴｉＮｂＮ、ＣｒＷＣＮ、ＴｉＣＮ、ＡｌＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＴｉＷＣＮＯ、ＴｉＡｌＢＮ等を用いることができる。

中間層及び表面層は、単層で構成することもできるし、異なる化合物を積層した多層構造を有することもできる。

中間層の層厚は、密着性及び生産性の観点から、１ｎｍ以上５００ｎｍ以下が好ましい。表面層の層厚は、耐摩耗性及び接着性の観点から、０．１μｍ以上５μｍ以下が好ましい。

本実施の形態を実施例により更に具体的に説明する。ただし、これらの実施例により本実施の形態が限定されるものではない。なお、実施例中の各層の層厚又は積層構造全体の厚みは、各層又は積層構造全体の断面をＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）を用いて観察することにより測定し、各層を構成する化合物の組成はＴＥＭ−ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分光法）によって確認した。又、結晶構造及び格子連続性はＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）回折パターン及び格子像により分析した。各層の格子定数は、上述のとおり、（１）ＪＣＰＤＳカードに記載されている格子定数の値、（２）ＪＣＰＤＳカードに記載されている格子定数から算出した値、又は（３）所望の材料からなる層を所定の条件で成膜して、Ｘ線分析法（ＸＲＤ）のθ／２θ法のピーク角度から、格子定数を算出した値、のいずれかとした。格子定数差は有効数字を４桁（小数点以下４桁）とした。

＜表面被覆切削工具の作製＞
本実施例では、以下の通り表面被覆切削工具を作製し、旋削試験及びフライス切削試験を行い、性能を評価した。

（試料１〜３８，４３〜４６）
表面被覆切削工具の基材として、旋削試験用には、材質がＫ２０超硬合金（ＪＩＳ）であり、形状がＣＮＭＧ１２０４０８（ＪＩＳ）である旋削加工用刃先交換型切削チップを準備した。フライス切削試験用には、材質がＰ２０超硬合金（ＪＩＳ）であり、形状がＳＥＥＴ１３Ｔ３ＡＧＳＮ（ＪＩＳ）であるフライス加工用刃先交換型切削チップを準備した。

次に、基材上に被膜を形成した。具体的な形成条件を表１に記載した試料１を例にとり以下に示す。

ターゲット材料として、Ａｌが８０原子％であり、Ｃｒが２０原子％である合金（Ａ層形成用ターゲット）と、Ｔｉが４５原子％であり、Ａｌが５５原子％である合金（Ｂ層形成用ターゲット）と、Ｔｉが９５原子％であり、Ｓｉが５原子％である合金（Ｃ層形成用ターゲット）と、Ｔｉが５０原子％であり、Ａｌが５０原子％である合金（Ｄ層形成用ターゲット）を準備した。なお、いずれのターゲット材料も微量の不可避不純物を含むが、それを除外した表記としている。

基材をカソードアークイオンプレーティング・スパッタ装置に装着した。チャンバー内にＡｒガスを導入してチャンバー内の圧力を３．０Ｐａに保持しバイアス電圧を徐々に上げながら−１０００Ｖとして、基材表面のクリーニングを１５分間行なった。その後、Ａｒガスを排気した。これにより、Ａｒイオンが基材表面をクリーニングし強固な汚れや酸化膜が除去された。

次に、基材上にＡ層を形成する。すなわち、チャンバー内の圧力が５．０ＰａになるようにＮ₂ガスを導入し、基材温度を５００℃、基材バイアス電圧を６５Ｖとした。Ａ層形成用ターゲットをアーク放電によりイオン化し、Ｎ₂ガスと反応させることにより、基材と接するように、立方晶型Ａｌ_0.8Ｃｒ_0.2Ｎによって構成される、層厚２４ｎｍのＡ層を形成した。

続いて、上記Ａ層上にＢ層を形成する。すなわち、チャンバー内の圧力が５．０ＰａになるようにＮ₂ガスを導入し、基材温度を５００℃、基材バイアス電圧を６５Ｖとした。Ｂ層形成用ターゲットをアーク放電によりイオン化し、Ｎ₂ガスと反応させることにより、上記Ａ層上に立方晶型Ｔｉ_0.45Ａｌ_0.55Ｎによって構成される、層厚２０ｎｍのＢ層を積層した。

続いて、上記Ｂ層上にＣ層を形成する。すなわち、チャンバー内の圧力が５．０ＰａになるようにＮ₂ガスを導入し、基材温度を５００℃、基材バイアス電圧を６５Ｖとした。Ｃ層形成用ターゲットをアーク放電によりイオン化し、Ｎ₂ガスと反応させることにより、上記Ｂ層上に立方晶型Ｔｉ_0.95Ｓｉ_0.05Ｎによって構成される、層厚２２ｎｍのＣ層を積層した。

続いて、上記Ｃ層上にＤ層を形成する。すなわち、チャンバー内の圧力が５．０ＰａになるようにＮ₂ガスを導入し、基材温度を５００℃、基材バイアス電圧を６５Ｖとした。Ｄ層形成用ターゲットをアーク放電によりイオン化し、Ｎ₂ガスと反応させることにより、上記Ｃ層上に立方晶型Ｔｉ_0.50Ａｌ_0.50Ｎによって構成される、層厚２１ｎｍのＤ層を積層した。

次に、前記Ｄ層上に、更にＡ層、Ｂ層、Ｃ層及びＤ層を、この順で、上記と同様の方法で繰返し積層した。これにより、基材上に、全体層厚３．０μｍの積層構造からなる被膜が形成された表面被覆切削工具を得た。

試料２〜３８，４３〜４６は、Ａ層、Ｂ層及びＣ層が、それぞれ表１に示す組成及び層厚となるように、ターゲット材料及びスパッタリング条件を適宜変更した他は、試料１と同様の方法で作製した。すなわち、基材をカソードアークイオンプレーティング・スパッタ装置に装着し、チャンバー内の圧力が１．６Ｐａ〜５．０ＰａになるようにＮ₂ガスを導入し、基材温度を４３０℃〜６２０℃、基材バイアス電圧を１５Ｖ〜１５０Ｖとした。目的とする組成のターゲットをアーク放電によりイオン化し、Ｎ₂ガスと反応させることにより、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層及びＤ層を、それぞれ所望の厚みで作製した。なお、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層及びＤ層の基材上の積層順序は、表１の「基材上積層順序」の欄に記載した。例えば、試料２では、基材上にＤ層を形成し、該Ｄ層上に、Ｃ層、Ｂ層、Ａ層をこの順で積層し、該Ａ層上に、更にＤ層、Ｃ層、Ｂ層及びＡ層を、この順で繰返し積層した。

（試料３９〜４２）
試料１と同様の基材を準備した。次に、基材上に、中間層、積層構造及び表面層をこの順で積層して、被膜を形成した。中間層、積層構造及び表面層の形成方法は、中間層、積層構造及び表面層が、それぞれ表１に示す組成及び層厚となるように、ターゲット材料及びスパッタリング条件を適宜変更した他は、試料１と同様の方法で作製した。

試料４２の表面層は超多層構造を有するものであるが、これについては従来公知の条件で作製した。すなわち、目的とする組成（表１記載の組成）のターゲットを用い、チャンバー内の圧力が２．６ＰａになるようにＮ₂ガスを導入し、基材温度を５５０℃、基材バイアス電圧を４０ＶとしてＴｉＡｌＳｉＮ層を１５ｎｍ成膜するという操作と、基材温度を５５０℃、基材バイアス電圧を４０ＶとしてＴｉＮｂＮ層を１０ｎｍ成膜するという操作とを繰り返すことにより、全体厚み１．０μｍの超多層構造を作製した。

＜性能評価＞
上記で作製した試料１〜４６の表面被覆切削工具のそれぞれについて、旋削試験及びフライス切削試験を熱負荷の高い高速、高能率加工の条件下で行なうことにより耐欠損性の評価を行なった。旋削試験及びフライス切削試験の具体的な条件は以下の通りである。

（旋削試験）
被削材：インコネル７１８丸棒
切削速度：７５ｍ／分
切り込み：２．０ｍｍ
送り：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ
ＤＲＹ／ＷＥＴ：ＷＥＴ

評価は、表面被覆切削工具に欠損が生じるまでの時間を切削時間として測定することにより行なった。結果を表２に示す。切削時間が長いと、耐欠損性が優れていることを示す。

試料１〜４２は、隣接する層間の格子定数の差は０．０５００Å以上０．１０００Å以下であり、かつ、格子定数の差の最大値は０．１１００Å以上０．１５００Å以下であり、優れた耐欠損性を示した。試料４３は、隣接する層間の格子定数の差が０．０５００Å以上０．１０００Å以下の範囲外であり、耐欠損性が劣っていた。試料４４〜４６は、隣接する層間の格子定数の差は、少なくとも１つが０．０５００Å以上０．１０００Å以下の範囲外であり、かつ、格子定数の差の最大値は０．１１００Å以上０．１５００Å以下の範囲外であり、耐欠損性が劣っていた。

（フライス切削試験）
被削材：ＳＣＭ４３５
切削速度：２７０ｍ／分
切り込み：１．５ｍｍ
送り：０．２ｍｍ／ｒｅｖ
ＤＲＹ／ＷＥＴ：ＤＲＹ

評価は、表面被覆切削工具の逃げ面の摩耗量が０．２ｍｍになるまで、又は、欠損が生じるまでの時間を切削時間として測定することにより行なった。結果を表３に示す。切削時間が長いと、耐欠損性が優れていることを示す。

試料１〜４２は、隣接する層間の格子定数の差は０．０５００Å以上０．１０００Å以下であり、かつ、格子定数の差の最大値は０．１１００Å以上０．１５００Å以下であり、優れた耐欠損性を示した。試料４３は、隣接する層間の格子定数の差が０．０５００Å以上０．１０００Å以下の範囲外であり、耐欠損性が劣っていた。試料４４〜４６は、隣接する層間の格子定数の差は、少なくとも１つが０．０５００Å以上０．１０００Å以下の範囲外であり、かつ、格子定数の差の最大値は０．１１００Å以上０．１５００Å以下の範囲外であり、耐欠損性が劣っていた。

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ではなく特許請求の範囲によって示され、特許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。

１ 基材、２ Ａ層、３ Ｂ層、４ Ｃ層、５ 被膜、６ 中間層、７ 表面層、８ 積層構造、９ Ｄ層、１０，１１，１２ 表面被覆切削工具

Claims (7)

1. 基材と、前記基材上に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
   前記被膜は、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層及びＤ層がこの順で繰返し積層された積層構造を含み、
   前記Ａ層、前記Ｂ層、前記Ｃ層及び前記Ｄ層のそれぞれは、周期律表の４族元素、５族元素、６族元素、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも２種以上の元素の窒化物であり、
   前記Ａ層の格子定数Ｌ_Ａ、前記Ｂ層の格子定数Ｌ_Ｂ、前記Ｃ層の格子定数Ｌ_Ｃ及び前記Ｄ層の格子定数Ｌ_Ｄは、以下の式（Ｉ）及び式（ＩＩ）の関係を満たし、
   Ｌ_Ａ＜Ｌ_Ｂ＜Ｌ_Ｃ 式（Ｉ）
   Ｌ_Ａ＜Ｌ_Ｄ＜Ｌ_Ｃ 式（ＩＩ）
   前記積層構造において、隣接する層間の格子定数の差は０．０５００Å以上０．１０００Å以下であり、
   前記格子定数Ｌ_Ａ、前記格子定数Ｌ_Ｂ、前記格子定数Ｌ_Ｃ及び前記格子定数Ｌ_Ｄの中から選ばれる２つの格子定数の差の最大値は０．１１００Å以上０．１５００Å以下であり、
   前記Ａ層、前記Ｂ層、前記Ｃ層及び前記Ｄ層のそれぞれは、立方晶型結晶構造を有する、
   表面被覆切削工具。
2. 前記積層構造において、Ｓｉを含む層同士は隣接しない、請求項１に記載の表面被覆切削工具。
3. 前記Ａ層、前記Ｂ層、前記Ｃ層及び前記Ｄ層は、それぞれ１ｎｍ以上１１０ｎｍ以下の層厚を有する、請求項１又は請求項２に記載の表面被覆切削工具。
4. 前記Ｂ層及び前記Ｄ層は、同一の組成を有する、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。
5. 前記積層構造は、合計で０．５μｍ以上１０．０μｍ以下の厚みを有する、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。
6. 前記被膜は、さらに周期律表の４族元素、５族元素、６族元素、Ａｌ及びＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素、又は、前記少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とを有する化合物を含む層を１層以上備える、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。
7. 前記基材は、超硬合金、サーメット、立方晶型窒化硼素焼結体、高速度鋼、セラミックス及びダイヤモンド焼結体からなる群より選択される少なくとも１種を含む、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。

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