JP6004366B1 - 被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

基材と基材の表面に形成された被覆層とを含み、被覆層は組成の異なる２種又は３種以上の化合物層を交互に各２層以上積層した交互積層構造を有し、交互積層構造は（ＡｌｘＭ１−ｘ）Ｎ［Ｍは４〜６族およびＳｉから選ばれる少なくとも１種の元素を表し、ｘは原子比で、０．５８〜０．８０を満たす。］で表される組成を有する化合物を含む化合物層と、（ＡｌｙＭ１−ｙ）Ｎ［Ｍは４〜６族およびＳｉから選ばれる少なくとも１種の元素を表し、ｙは原子比で、０．５７〜０．７９を満たす。］で表される組成を有する化合物を含む化合物層から構成され、交互積層構造を構成する２種類の化合物層にそれぞれ含まれる金属元素の量に対する特定の金属元素の量の差の絶対値が、０原子％を超えて大きく、５原子％未満であり、各化合物層の平均厚さは１ｎｍ〜５０ｎｍであり、交互積層構造の平均厚さは１．５μｍ〜１５μｍである被覆切削工具。

Description

本発明は、被覆切削工具に関するものである。

近年、切削加工の高能率化に伴い、従来よりも工具寿命の長い切削工具が求められている。このため、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２種類の被膜を交互に積層した被覆切削工具が用いられている。

このように切削工具の表面に２種類が交互に積層した被膜の特性を改善するための様々な技術が提案されている。例えば、特許文献１には、Ｔｉ_ｘＡｌ_１−ｘＮおよびＴｉ_ｙＡｌ_１−ｙＮ（０≦ｘ＜０．５、０．５＜ｙ≦１）なる２種類の化合物を交互に繰り返して積層し、積層体の全体としてアルミニウムリッチになる被覆切削工具が提案されている。

特開平７−９７６７９号公報

加工能率を高めるため、従来よりも切削条件が厳しくなる傾向の中で、これまでよりも工具寿命を延長することが求められてきた。ニッケル基耐熱合金やコバルト基耐熱合金等の熱伝導率が低い難削材の加工においては、切削加工時の発熱によって切れ刃における被膜が分解および酸化しやすい。そのため、被膜の硬度が低下し、かつ脆化することにより、工具の欠損が生じやすくなる傾向にある。

特許文献１の発明では、Ｔｉの割合がＡｌの割合に対して高い層を有するため、切削工具の耐酸化性を十分に確保できない問題がある。また、Ｔｉの割合が高い層と、Ａｌの割合が高い層とを交互に繰り返して積層しているため、積層体の格子歪みが大きくなる。そのため、積層体の硬さが高くなると同時に残留圧縮応力も高くなり、欠損が生じやすくなる。特に、難削材の加工において、残留応力は、耐欠損性に大きな影響を及ぼす。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、特に熱伝導率が低い難削材の加工において、耐欠損性に優れ、かつ長期間にわたって良好に加工できる被覆切削工具を提供することを目的とする。

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、被覆切削工具を以下の構成にすると、その耐欠損性を向上させることが可能となり、被覆切削工具の工具寿命を延長することができることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
（１）基材と前記基材の表面に形成された被覆層とを含む被覆切削工具であって、前記被覆層は、組成の異なる２種又は３種以上の化合物層を交互に各２層以上積層した交互積層構造を有し、前記交互積層構造は、下記式（１）：
（Ａｌ_ｘＭ_１−ｘ）Ｎ （１）
［式中、ＭはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＷおよびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を表し、ｘはＡｌ元素とＭで表される元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を表し、０．５８≦ｘ≦０．８０を満足する。］
で表される組成を有する化合物を含む化合物層と、下記式（２）：
（Ａｌ_ｙＭ_１−ｙ）Ｎ （２）
［式中、ＭはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＷおよびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を表し、ｙはＡｌ元素とＭで表される元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を表し、０．５７≦ｙ≦０．７９を満足する。］
で表される組成を有する化合物を含む化合物層とから構成され、前記交互積層構造を構成する化合物層に含まれる全金属元素の量に対する特定の金属元素の量と、当該化合物層に隣接した前記交互積層構造を構成する他の化合物層に含まれる全金属元素の量に対する前記特定の金属元素の量と、の差の絶対値が、０原子％を超えて大きく、かつ、５原子％未満であり、前記化合物層のそれぞれの平均厚さは、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、前記交互積層構造の平均厚さは、１．５μｍ以上１５．０μｍ以下である、被覆切削工具。
（２）前記絶対値が、１原子％以上４原子％以下である、（１）の被覆切削工具。
（３）前記交互積層構造の平均結晶粒径は、１００ｎｍ以上４５０ｎｍ以下である、（１）または（２）の被覆切削工具。
（４）前記被覆層は、前記基材と前記交互積層構造との間に、下部層を有し、前記下部層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、ＳｉおよびＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物の単層または積層であり、前記下部層の平均厚さは、０．１μｍ以上３．５μｍ以下である、（１）〜（３）のいずれかの被覆切削工具。
（５）前記被覆層は、前記交互積層構造の表面に、上部層を有し、前記上部層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、ＳｉおよびＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物の単層または積層であり、前記上部層の平均厚さは、０．１μｍ以上３．５μｍ以下である、（１）〜（４）のいずれかの被覆切削工具。
（６）前記被覆層全体の平均厚さは、１．５μｍ以上１５μｍ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。

本発明によると、特に熱伝導率が低い難削材の加工において、耐欠損性に優れ、かつ長期間にわたって良好に加工できる被覆切削工具を提供することができる。

本発明の被覆切削工具の一例を示す模式図である。

以下、必要に応じて図面を参照しつつ、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。
本実施形態の被覆切削工具は、基材とその基材の表面に形成された被覆層とを含む。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得るものであれば、特に限定はされない。基材の例として、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、及び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、セラミックスおよび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一層優れるので、さらに好ましい。

本実施形態の被覆切削工具において、被覆層全体の平均厚さが１．５μｍ以上であると、耐摩耗性がさらに向上する傾向がみられる。一方、被覆層全体の平均厚さが１５μｍ以下であると、耐欠損性が更に向上する傾向がみられる。そのため、被覆層全体の平均厚さは、１．５μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。その中でも、上記と同様の観点から、被覆層全体の平均厚さは１．５μｍ以上６．５μｍ以下であるとより好ましい。

本実施形態の被覆層は、組成の異なる２種又は３種以上の化合物層を交互に各２層以上積層した交互積層構造を有する。このような交互積層構造を有すると、被覆層の硬さが高くなるため、耐摩耗性が向上する。本実施形態の交互積層構造は、組成の異なる２種の化合物層を周期的に各２層以上積層した構造であってもよく、３種以上の化合物層を周期的に各２層以上積層した構造であってもよい。本明細書において、「組成の異なる」とは、２つの化合物層の間で、化合物層に含まれる全金属元素の量に対する特定の金属元素の量（単位：原子％）と、他の化合物層に含まれる全金属元素の量に対するその特定の金属元素の量（単位：原子％）との差が０原子％を超えて大きいことをいう。よって、例えば、金属元素の量の差が０．４原子％である場合は、「組成の異なる」に該当しないが、０．５原子％である場合は、「組成の異なる」に該当する。上記「特定の元素」は、いずれかの化合物層に含まれる金属元素のいずれであってもよく、Ｓｉ元素は金属元素に包含される。

本実施形態の交互積層構造を構成する化合物層の１種は、下記式（１）で表される組成を有する化合物を含む層であり、その化合物からなる層であると好ましい。
（Ａｌ_ｘＭ_１−ｘ）Ｎ （１）
ここで、式（１）中、ＭはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＷおよびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を表し、ｘはＡｌ元素とＭで表される元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を表し、０．５８≦ｘ≦０．８０を満足する。この化合物層における、Ａｌ元素の原子比（ｘ）が、０．５８以上であると、Ａｌの含有量が多くなることにより、下記式（２）で表される組成を有する化合物層におけるＡｌ元素の原子比（ｙ）に基づく効果と相俟って、耐酸化性の低下をさらに抑制できる。一方、Ａｌ元素の原子比（ｘ）が０．８０以下であると、六方晶の存在比率をより低く抑えることにより、下記式（２）で表される組成を有する化合物層におけるＡｌ元素の原子比（ｙ）に基づく効果と相俟って、耐摩耗性の低下をさらに抑制できる。同様の観点から、０．６０≦ｘ≦０．８０を満足すると好ましく、０．６５≦ｘ≦０．７５を満足するとより好ましい。
また、本実施形態の交互積層構造を構成する化合物層の他の１種は、下記式（２）で表される組成を有する化合物を含む層であり、その化合物からなる層であると好ましい。
（Ａｌ_ｙＭ_１−ｙ）Ｎ （２）
ここで、式（２）中、ＭはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＷおよびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を表し、ｙはＡｌ元素とＭで表される元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を表し、０．５７≦ｙ≦０．７９を満足する。この化合物層における、Ａｌ元素の原子比が、０．５７以上であると、Ａｌの含有量が多くなることにより、耐酸化性の低下をさらに抑制できる。一方、Ａｌ元素の原子比が０．８０以下であると、六方晶の存在比率をより低く抑えることにより、耐摩耗性の低下をさらに抑制できる。同様の観点から、０．５８≦ｙ≦０．７７を満足すると好ましく、０．６３≦ｙ≦０．７１を満足するとより好ましい。
また、化合物層を構成するＭで表される元素は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＷおよびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種であると、耐摩耗性が更に向上する。同様の観点から、化合物層を構成するＭで表される元素は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、ＣｒおよびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種であると好ましい。

本実施形態の交互積層構造を構成する化合物層に含まれる金属元素の種類は、該交互積層構造を構成する他の化合物層に含まれる金属元素の種類と少なくとも一部が同一であると好ましく、全て同一であるとより好ましい。つまり、交互積層構造を構成する複数の化合物層は、互いに同一の種類の金属元素で構成されるとより好ましい。さらに、交互積層構造を構成する化合物層に含まれる全金属元素の量に対する特定の金属元素の量（単位：原子％）と、当該化合物層に隣接した交互積層構造を構成する他の化合物層に含まれる全金属元素の量に対する上記特定の金属元素の量（単位：原子％）との差の絶対値（以下、「組成差の絶対値」ともいう。）が、０原子％を超えて大きく、かつ、５原子％未満である。すなわち、交互積層構造を構成する化合物層に含まれる特定の金属元素の割合と、その化合物層に隣接した交互積層構造を構成する他の化合物層に含まれる上記特定の金属元素の割合との差の絶対値が、０原子％を超えて大きく、かつ、５原子％未満である。ここでいう「特定の金属元素の割合」とは、化合物層に含まれる金属元素全体の原子数に対する、その化合物層に含まれる特定の金属元素の原子数の割合（単位：原子％）を意味する。また、「特定の金属元素」は化合物層に含まれる金属元素のうち少なくとも１種であればよいが、化合物層に含まれる金属元素の各々について、上記絶対値が上述の関係にあると好ましい。

交互積層構造がこのような構成であると、交互積層構造を構成するある化合物層と、その化合物層に隣接する他の化合物層との密着性が低下することなく、２種の化合物層の界面における結晶格子の不整合が小さくなる。そのため、交互積層構造の残留圧縮応力が高くなるのを抑制することができるので、難削材の加工において、耐欠損性が向上する。その中でも、交互積層構造を構成する化合物層に含まれる特定の金属元素の割合と、その化合物層に隣接した交互積層構造を構成する他の化合物層に含まれる上記特定の金属元素の割合との差の絶対値が、１原子％以上４原子％以下であると、好ましい。なお、交互積層構造を構成する化合物層に含まれる特定の金属元素の割合と、その化合物層に隣接した交互積層構造を構成する他の化合物層に含まれる上記特定の金属元素の割合との差の絶対値が、０原子％であるということは、単層を意味する。単層は、交互積層構造よりも硬さが低いため、耐摩耗性に劣る。

なお、本実施形態において、化合物層の組成を（Ａｌ_０．６０Ｔｉ_０．４０）Ｎと表記する場合は、Ａｌ元素とＴｉ元素の全体に対するＡｌ元素の原子比が０．６０、Ａｌ元素とＴｉ元素の全体に対するＴｉ元素の原子比が０．４０であることを表す。すなわち、全金属元素、つまりＡｌ元素およびＴｉ元素、の量に対する特定の金属元素であるＡｌ元素の量が６０原子％、全金属元素、つまりＡｌ元素およびＴｉ元素、の量に対する特定の金属元素であるＴｉ元素の量が４０原子％であることを意味する。

上記の「化合物層に含まれる特定の金属元素の割合と、その化合物層に隣接した他の化合物層に含まれる上記特定の金属元素の割合との差の絶対値が、０原子％を超えて大きく、かつ、５原子％未満である」について、さらに詳しく説明する。例えば、交互積層構造が、（Ａｌ_０．６７Ｔｉ_０．３３）Ｎ層と、（Ａｌ_０．７０Ｔｉ_０．３０）Ｎ層によって構成される場合、２つの化合物層に含まれる金属元素の種類は全て同一である。なぜなら、２つの化合物層は、ともに金属元素としてＡｌ元素とＴｉ元素とを含むからである。この場合、（Ａｌ_０．６７Ｔｉ_０．３３）Ｎ層に含まれるＡｌ元素の原子数は、金属元素全体の原子数に対して、６７原子％である。（Ａｌ_０．７０Ｔｉ_０．３０）Ｎ層に含まれるＡｌ元素の原子数は、金属元素全体の原子数に対して、７０原子％である。これら２つの化合物層におけるＡｌ元素の原子数の割合の差は、３原子％である。したがって、この場合、「差の絶対値が０原子％を超えて大きく、かつ、５原子％未満」という上記の条件が満たされている。
また、例えば、交互積層構造が、（Ａｌ_０．６５Ｔｉ_０．３０Ｃｒ_０．０５）Ｎ層と、（Ａｌ_０．６８Ｔｉ_０．２９Ｃｒ_０．０３）Ｎ層によって構成される場合、２つの化合物層に含まれる金属元素の種類は全て同一である。なぜなら、２つの化合物層は、ともに金属元素としてＡｌ元素とＴｉ元素とＣｒ元素とを含むからである。この場合、２つの化合物層に含まれるＴｉ元素の原子数の割合の差は、１原子％である。２つの化合物層に含まれるＣｒ元素の原子数の割合の差は、２原子％である。これらの値は、それぞれ５原子％未満である。さらに、２つの化合物層に含まれるＡｌの原子数の割合の差は、３原子％であるので、「差の絶対値が０原子％を超えて大きく、かつ、５原子％未満」という上記の条件が満たされている。

本実施形態において、組成の異なる２種の化合物層を１層ずつ形成した場合、「繰り返し数」は１回である。図１は本発明の被覆切削工具の断面組織の一例を示す模式図であるが、以下、これを利用して繰り返し数について説明する。この被覆切削工具８は、基材１と、基材１の表面に形成された被覆層７とを備える。被覆層７は、基材１側から順に、後述の下部層２と、交互積層構造６と、後述の上部層５とを積層してなる。交互積層構造６は、下部層２側から上部層５側に向かって順に、それぞれ化合物層であるＡ層３と、Ａ層３とは組成の異なるＢ層４とを交互に積層してなり、Ａ層３及びＢ層４をそれぞれ４層ずつ有する。この場合、繰り返し数は、４回となる。また、例えば、Ａ層３およびＢ層４を、下部層２側から上部層５側に向かって順に、Ａ層３、Ｂ層４、Ａ層３、Ｂ層４、Ａ層３、Ｂ層４、Ａ層３、Ｂ層４、Ａ層３、Ｂ層４と、Ａ層３を５層、Ｂ層４を５層それぞれ形成した場合、繰り返し数は、５回となる。ここで、Ａ層３が上記式（１）で表される組成を有する化合物を含む化合物層であって、Ｂ層４が上記式（２）で表される組成を有する化合物を含む化合物層であってもよい。あるいは、Ａ層３が上記式（２）で表される組成を有する化合物を含む化合物層であって、Ｂ層４が上記式（１）で表される組成を有する化合物を含む化合物層であってもよい。また、図１において、被覆層７は下部層２および上部層５の両方を備えるが、被覆層が下部層２および上部層５のいずれかのみを備えてもよく、両方備えていなくてもよい。

また、本実施形態の別の一態様において、組成の異なる３種の化合物層から構成される交互積層構造を有する被覆切削工具について簡単に説明する。このような被覆切削工具において、交互積層構造は、上記のようなＡ層およびＢ層に加えて、それらの化合物層と組成の異なる化合物層であるＣ層を更に有する。Ａ層を上記式（１）で表される組成を有する化合物を含む化合物層とし、Ｂ層を上記式（２）で表される組成を有する化合物を含む化合物層とする。この場合、Ａ層、Ｂ層およびＣ層の積層順は特に限定されず、例えば、基材側から順に、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層の順、Ｂ層、Ａ層、Ｃ層の順、Ａ層、Ｃ層、Ｂ層の順、Ｂ層、Ｃ層、Ａ層の順、Ｃ層、Ａ層、Ｂ層の順、あるいは、Ｃ層、Ｂ層、Ａ層の順、のいずれであってもよい。Ｃ層は、Ａ層とＢ層との間に位置するため、Ａ層とＢ層との密着性を向上させる観点から、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、ＳｉおよびＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含むと好ましい。特に、Ｃ層が、Ａ層およびＢ層のいずれかの化合物層と金属元素の種類の少なくとも一部が同一であると好ましく、全てが同一であるとより好ましい。また、Ｃ層が、Ａ層に含まれる特定の金属元素の割合とＢ層に含まれる上記特定の金属元素の割合の間になるような割合で、上記特定の金属元素を含むと好ましい。これらにより、互いに隣接する化合物層間の密着性が低下することなく、それらの化合物層の界面における結晶格子の不整合が小さくなる。そのため、交互積層構造の残留圧縮応力が高くなるのを抑制することができるので、難削材の加工において、耐欠損性が向上する。

さらに、本実施形態のさらに別の一態様において、交互積層構造が、上記Ａ層、Ｂ層およびＣ層に加えて、それらの化合物層と組成の異なる他の１種又は２種以上の化合物層を有してもよい。ただし、そのような交互積層構造である場合は、Ａ層およびＢ層を隣接させるように、各化合物層を積層することが好ましい。上記Ａ層、Ｂ層およびＣ層と組成の異なる他の１種又は２種以上の化合物層は、互いに組成の異なる層であり、それらの層は、Ａ層、Ｂ層およびＣ層との密着性を向上させる観点から、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、ＳｉおよびＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含むと好ましい。この場合において、特に、Ａ層およびＢ層以外の化合物層が、Ａ層およびＢ層のいずれかの化合物層と金属元素の種類の少なくとも一部が同一であると好ましく、全てが同一であるとより好ましい。また、Ａ層およびＢ層以外の各化合物層は、その化合物層を挟む２種の化合物層のうち、一方に含まれる特定の金属元素の割合と他方に含まれる上記特定の金属元素の割合の間になるような割合で、上記特定の金属元素を含むと好ましい。これらにより、互いに隣接する化合物層間の密着性が低下することなく、それらの化合物層の界面における結晶格子の不整合が小さくなる。そのため、交互積層構造の残留圧縮応力が高くなるのを抑制することができるので、難削材の加工において、耐欠損性が向上する。

本実施形態の交互積層構造を構成する化合物層のそれぞれの平均厚さが１ｎｍ以上であると、均一な厚さの化合物層を形成することがより容易となる。一方、交互積層構造を構成する化合物層のそれぞれの平均厚さが５０ｎｍ以下であると、交互積層構造の硬さが更に高まる。そのため、交互積層構造を構成する化合物層の平均厚さは１ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、２ｎｍ以上５０ｎｍ以下であると好ましく、４ｎｍ以上５０ｎｍ以下であるとより好ましい。

本実施形態において、交互積層構造の平均厚さは、１．５μｍ以上であると耐摩耗性が更に向上し、１５μｍ以下であると耐欠損性が更に高まる。そのため、交互積層構造の平均厚さは、１．５μｍ以上１５．０μｍ以下である。その中でも、交互積層構造の平均厚さは１．５μｍ以上６．０μｍ以下であると好ましい。

本実施形態において、交互積層構造の平均結晶粒径は、１００ｎｍ以上であると耐摩耗性の低下をより抑制することができ、４５０ｎｍ以下であると耐欠損性の低下をより抑制することができる。そのため、交互積層構造の平均結晶粒径は、１００ｎｍ以上４５０ｎｍ以下であると好ましく、１０５ｎｍ以上４３０ｎｍ以下であるとより好ましい。

本実施形態における交互積層構造の平均結晶粒径は、被覆切削工具における基材の表面に対して、直交する方向の断面組織（すなわち、図１に示すような方向から見た断面組織）から透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて測定することができる。より具体的には、被覆切削工具の断面組織をＴＥＭで観察し、１００００倍〜８００００倍に拡大した画像を撮影する。撮影した画像において、基材の表面に対して平行な直線（幅は２００ｎｍ相当）を引く。このとき、交互積層構造の組織を横切るように直線を引く。この直線に含まれる粒子の長さ（径）を、この直線が通った粒子の数で割った値を、交互積層構造の結晶粒径とする。５箇所以上で引いた直線から交互積層構造の結晶粒径をそれぞれ測定し、得られた値の相加平均値を交互積層構造の平均結晶粒径と定義する。

本実施形態の被覆層は、交互積層構造だけで構成されてもよいが、基材と交互積層構造との間（すなわち、交互積層構造の下層）に下部層を有すると、基材と交互積層構造との密着性が更に向上するため、好ましい。その中でも、下部層は、上記と同様の観点から、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、ＳｉおよびＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含むと、好ましく、ＴｉおよびＡｌからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含むとより好ましく、ＴｉおよびＡｌからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｎ元素とからなる化合物を含むと更に好ましい。ただし、下部層は、交互積層構造における化合物層と組成が異なる。また、下部層は単層であってもよく２層以上の多層であってもよい。

本実施形態において、下部層の平均厚さが０．１μｍ以上３．５μｍ以下であると、基材と被覆層との密着性が更に向上する傾向を示すため、好ましい。同様の観点から、下部層の平均厚さは、０．１μｍ以上３．０μｍ以下であるとより好ましく、０．１μｍ以上２．５μｍ以下であると更に好ましい。

本実施形態の被覆層は、交互積層構造の基材とは反対側（すなわち、交互積層構造の表面）に上部層を有してもよい。上部層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、ＳｉおよびＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含むと、耐摩耗性に一層優れるので、さらに好ましい。また、上記と同様の観点から、上部層は、Ｔｉ、Ｎｂ、ＣｒおよびＡｌからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含むとより好ましく、Ｔｉ、Ｎｂ、ＣｒおよびＡｌからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｎとからなる化合物を含むとさらに好ましい。ただし、上部層は、交互積層構造における化合物層と組成が異なる。また、上部層は単層であってもよく２層以上の多層であってもよい。

本実施形態において、上部層の平均厚さが０．１μｍ以上３．５μｍ以下であると、耐摩耗性に優れる傾向を示すため好ましい。同様の観点から、上部層の平均厚さは、０．２μｍ以上３．０μｍ以下であるとより好ましい。

本実施形態の被覆切削工具における被覆層の製造方法は、特に限定されるものではない。例えば、被覆層は、イオンプレーティング法、アークイオンプレーティング法、スパッタ法、およびイオンミキシング法などの物理蒸着法によって、上記で説明した交互積層構造における各化合物層を順に形成することで得られる。特に、アークイオンプレーティング法によって形成された被覆層は、基材との密着性が高い。したがって、これらの中では、アークイオンプレーティング法が好ましい。

本実施形態の被覆切削工具の製造方法について、具体例を用いて説明する。なお、本実施形態の被覆切削工具の製造方法は、当該被覆切削工具の構成を達成し得る限り、特に制限されるものではない。

まず、工具形状に加工した基材を物理蒸着装置の反応容器内に収容し、金属蒸発源を反応容器内に設置する。その後、反応容器内をその圧力が１．０×１０^−２Ｐａ以下になるまで真空引きし、反応容器内のヒーターにより基材をその温度が６００℃〜７００℃になるまで加熱する。加熱後、反応容器内にＡｒガスを導入して、反応容器内の圧力を０．５Ｐａ〜５．０Ｐａとする。圧力０．５Ｐａ〜５．０ＰａのＡｒガス雰囲気にて、基材に−３５０Ｖ〜−５００Ｖのバイアス電圧を印加し、反応容器内のタングステンフィラメントに４０Ａ〜５０Ａの電流を流す条件下で、基材の表面にＡｒガスによるイオンボンバードメント処理を施す。基材の表面にイオンボンバードメント処理を施した後、反応容器内をその圧力が１．０×１０^−２Ｐａ以下になるまで真空引きする。

次いで、基材をその温度が２５０℃以上５００℃以下になるように、ヒーターの温度を調整して加熱した後、窒素ガスなどの反応ガスを反応容器内に導入する。その後、反応容器内の圧力を２．０〜４．０Ｐａにして、基材に−６０〜−１５０Ｖのバイアス電圧を印加する。そして、各層の金属成分に応じた金属蒸発源をアーク放電により蒸発させることによって、基材の表面に各層を形成することができる。この際、基材を固定したテーブルを回転させながら、離れた位置に置かれた２種類以上の金属蒸発源を同時にアーク放電により蒸発させることにより、交互積層構造を構成する各化合物層を形成することができる。この場合、反応容器内の基材を固定した回転テーブルの回転数を調整することによって、交互積層構造を構成する各化合物層の厚さを制御することができる。あるいは、２種類以上の金属蒸発源を交互にアーク放電により蒸発させることによって、交互積層構造を構成する化合物層を形成することもできる。この場合、金属蒸発源のアーク放電時間をそれぞれ調整することによって、交互積層構造を構成する各化合物層の厚さを制御することができる。

本実施形態の交互積層構造の平均結晶粒径を上述の所定の大きさにするには、交互積層構造を形成する時の基材の温度を低くするとよい。より具体的には、基材の温度を３００℃にした場合と５００℃にした場合とを比較すると、３００℃にした場合の方が基材の温度が低いため、交互積層構造の平均結晶粒径は、大きくなる。また、Ａｌ元素とＭで表される元素との合計に対するＡｌ元素の原子比が小さい金属蒸発源を用いると、交互積層構造の平均結晶粒径は大きくなる傾向を示す。したがって、交互積層構造を形成する時の基材の温度と、金属蒸発源の組成を調整することにより、交互積層構造の平均結晶粒径を制御することができる。

本実施形態の被覆切削工具における被覆層を構成する各層の厚さは、例えば、被覆切削工具の断面組織から、ＴＥＭを用いて測定することができる。より具体的には、被覆切削工具において、金属蒸発源に対向する面の刃先稜線部から、当該面の中心部に向かって５０μｍの位置の近傍における、３箇所以上の断面での各層の厚さを測定する。得られた各層の厚さの相加平均値を、被覆切削工具における各層の平均厚さと定義することができる。

また、本実施形態の被覆切削工具における被覆層を構成する各層の組成は、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線分析装置（ＥＤＳ）や波長分散型Ｘ線分析装置（ＷＤＳ）などを用いた測定により決定することができる。

本実施形態の被覆切削工具は、従来よりも工具寿命を延長できるという効果を奏する。その要因は、これに限定されないが、被覆切削工具が耐酸化性および耐欠損性に優れるためと考えられる。本実施形態の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、およびエンドミルなどを挙げることができる。

以下、実施例によっ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。

（実施例１）
基材として、ＩＳＯ規格ＣＮＭＧ１２０４０８形状のインサートに加工し、９３．５ＷＣ−６．２Ｃｏ−０．３Ｃｒ_３Ｃ_２（以上質量％）の組成を有する超硬合金を用意した。アークイオンプレーティング装置の反応容器内に、表１に示す各層の組成になるよう金属蒸発源を配置した。用意した基材を、反応容器内の回転テーブルの治具に固定した。

その後、反応容器内をその圧力が５．０×１０^−３Ｐａ以下になるまで真空引きした。真空引きした後、反応容器内のヒーターにより、基材をその温度が６００℃になるまで加熱した。加熱後、反応容器内にその圧力が５．０ＰａになるようにＡｒガスを導入した。

圧力５．０ＰａのＡｒガス雰囲気にて、基材に−４５０Ｖのバイアス電圧を印加して、反応容器内のタングステンフィラメントに４５Ａの電流を流す条件下で、基材の表面にＡｒガスによるイオンボンバードメント処理を３０分間施した。イオンボンバードメント処理終了後、反応容器内をその圧力が５．０×１０^−３Ｐａ以下になるまで真空引きした。

真空引き後、基材をその温度が表２に示す温度（工程開始時の温度）になるまで加熱し、窒素（Ｎ_２）ガスを反応容器内に導入し、反応容器内を表２に示す圧力に調整した。

次いで、発明品１〜１４および比較品１〜７においては、表１に示すＡ層およびＢ層を交互に形成して交互積層構造を得た。詳細には、Ａ層の金属蒸発源とＢ層の金属蒸発源とを同時にアーク放電により蒸発させて、Ａ層およびＢ層を交互に形成した。このとき、Ａ層の厚さおよびＢ層の厚さは、回転テーブルの回転数を１〜５ｒｐｍの範囲で調整することで制御した。なお、表１における「組成差の絶対値」は、Ａ層とＢ層との間の「組成差の絶対値」である。

一方、比較品８については、基材に−５０Ｖのバイアス電圧を印加して、アーク電流１２０Ａのアーク放電により金属蒸発源を蒸発させて、表１に示す単層の化合物層を形成した。

基材の表面に、表１に示す所定の平均厚さになるよう各層を形成した後に、ヒーターの電源を切り、試料温度が１００℃以下になった後で、反応容器内から試料を取り出した。

得られた試料の各層の平均厚さは、被覆切削工具の金属蒸発源に対向する面の刃先稜線部から当該面の中心部に向かって５０μｍの位置の近傍において、３箇所の断面をＴＥＭ観察し、各層の厚さを測定し、その相加平均値を計算することで求めた。得られた試料の各層の組成は、被覆切削工具の金属蒸発源に対向する面の刃先稜線部から中心部に向かって５０μｍまでの位置の近傍の断面において、ＥＤＳを用いて測定した。それらの結果も、表１に併せて示す。なお、表１の各層の金属元素の組成比は、各層を構成する化合物における金属元素全体に対する各金属元素の原子比を示す。

得られた試料の交互積層構造の平均結晶粒径は、以下のとおりにして求めた。まず、被覆切削工具の断面組織をＴＥＭで観察し、６００００倍に拡大した画像を撮影した。撮影した画像において、交互積層構造の組織を横切るように、基材の表面に対して平行な直線（幅は２００ｎｍ相当）を引いた。この直線に含まれる粒子の長さ（径）を、この直線が通った粒子の数で割った値を、交互積層構造の結晶粒径とした。５本の直線を引いて、それぞれの直線における交互積層構造の結晶粒径を測定した。得られた交互積層構造の結晶粒径の相加平均値を計算し、その値を交互積層構造の平均結晶粒径とした。その結果を、表３に示す。

得られた試料を用いて、以下の切削試験を行い、評価した。

［切削試験］
被削材：インコネル７１８、
被削材形状：φ１５０ｍｍ×３００ｍｍの円柱、
切削速度：６０ｍ／ｍｉｎ、
送り：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ、
切り込み：０．８ｍｍ、
クーラント：有り、
評価項目：試料が欠損（試料の切れ刃部に欠けが生じる）したとき、または逃げ面摩耗幅が０．３ｍｍに至ったときを工具寿命とし、工具寿命に至るまでの加工時間を測定した。前者の場合、損傷形態を「欠損」とし、後者の場合、損傷形態を「正常摩耗」とした。

切削試験の結果を表４に示す。

比較品１〜３では、組成差の絶対値が大きいことにより、被覆層中の歪み量が大きくなったため、欠損した。特に、Ｂ層におけるＡｌの含有量が少ない比較品３は、酸化の進行により、刃先の強度が低下したため、早期に欠損した。同様の理由により、Ａ層およびＢ層におけるＡｌの含有量が少ない比較品６は、早期に欠損した。比較品４および５は、各化合物層の厚さが厚いことにより、被覆層の硬さが低下したため、発明品よりも工具寿命が短かった。比較品７および８は、早期に逃げ面摩耗幅が大きくなった。

表４に示す結果より、発明品の加工時間は全て比較品の加工時間よりも長くなった。したがって、発明品は、工具寿命が長くなっていることが分かる。その要因としては、発明品が耐酸化性および耐欠損性の両方に優れているためと考えられるが、要因はこれに限定されない。

（実施例２）
基材として、ＩＳＯ規格ＣＮＭＧ１２０４０８形状のインサートに加工し、９３．５ＷＣ−６．２Ｃｏ−０．３Ｃｒ_３Ｃ_２（以上質量％）の組成を有する超硬合金を用意した。アークイオンプレーティング装置の反応容器内に、表５に示す各層の組成になるよう金属蒸発源を配置した。用意した基材を、反応容器内の回転テーブルの治具に固定した。

その後、反応容器内をその圧力が５．０×１０^−３Ｐａ以下になるまで真空引きした。真空引きした後、反応容器内のヒーターにより、基材をその温度が６００℃になるまで加熱した。加熱後、反応容器内にその圧力が５．０ＰａになるようにＡｒガスを導入した。

圧力５．０ＰａのＡｒガス雰囲気にて、基材に−４５０Ｖのバイアス電圧を印加して、反応容器内のタングステンフィラメントに４５Ａの電流を流す条件下で、基材の表面にＡｒガスによるイオンボンバードメント処理を３０分間施した。イオンボンバードメント処理終了後、反応容器内をその圧力が５．０×１０^−３Ｐａ以下になるまで真空引きした。

真空引き後、基材をその温度が表６に示す温度（工程開始時の温度）になるまで加熱し、窒素（Ｎ_２）ガスを反応容器内に導入し、反応容器内を表６に示す圧力に調整した。

次いで、発明品１５〜１８の表５に示す下部層を形成した。詳細には、基材に−５０Ｖのバイアス電圧を印加して、アーク電流１２０Ａのアーク放電により金属蒸発源を蒸発させて下部層を形成した。

次に、発明品１５〜１８の表５に示すＡ層およびＢ層を交互に形成して交互積層構造を得た。詳細には、表６に示す条件で、Ａ層の金属蒸発源とＢ層の金属蒸発源とを同時にアーク放電により蒸発させて、Ａ層およびＢ層を交互に形成した。このとき、Ａ層の厚さおよびＢ層の厚さは、回転テーブルの回転数を１〜５ｒｐｍの範囲で調整することで制御した。なお、表５における「組成差の絶対値」は、Ａ層とＢ層との間の「組成差の絶対値」である。

交互積層構造を形成した後、基材に−５０Ｖのバイアス電圧を印加して、アーク電流１２０Ａのアーク放電により金属蒸発源を蒸発させて、表５に示す上部層を形成した。

基材の表面に、表５に示す所定の厚さまで各層を形成した後に、ヒーターの電源を切り、試料温度が１００℃以下になった後で、反応容器内から試料を取り出した。

得られた試料の各層の平均厚さは、被覆切削工具の金属蒸発源に対向する面の刃先稜線部から当該面の中心部に向かって５０μｍの位置の近傍において、３箇所の断面をＴＥＭ観察し、各層の厚さを測定し、その相加平均値を計算することで求めた。得られた試料の各層の組成は、被覆切削工具の金属蒸発源に対向する面の刃先稜線部から中心部に向かって５０μｍまでの位置の近傍の断面において、ＥＤＳを用いて測定した。それらの結果も、表５に併せて示す。なお、表５の各層の金属元素の組成比は、各層を構成する化合物における金属元素全体に対する各金属元素の原子比を示す。

得られた試料の交互積層構造の平均結晶粒径は、以下のとおりにして求めた。まず、被覆切削工具の断面組織をＴＥＭで観察し、６００００倍に拡大した画像を撮影した。撮影した画像において、交互積層構造の組織を横切るように、基材の表面に対して平行な直線（幅は２００ｎｍ相当）を引いた。この直線に含まれる粒子の長さ（径）を、この直線が通った粒子の数で割った値を、交互積層構造の結晶粒径とした。５本の直線を引いて、それぞれの直線における交互積層構造の結晶粒径を測定した。得られた交互積層構造の結晶粒径の相加平均値を計算し、その値を交互積層構造の平均結晶粒径とした。その結果を、表７に示した。

得られた試料を用いて、実施例１と同様の切削試験を行い、評価した。切削試験の結果を表８に示した。

表８に示す結果より、発明品の加工時間は表４に示す比較品の加工時間よりも長い。したがって、発明品は、上部層および下部層を有したとしても、工具寿命が長くなっていることが分かる。その要因としては、発明品が耐酸化性および耐欠損性の両方に優れているためと考えられるが、要因はこれに限定されない。

本発明の被覆切削工具は、耐欠損性に優れ、従来よりも工具寿命を延長できるので、産業上の利用可能性が高い。

１…基材、２…下部層、３…Ａ層、４…Ｂ層、５…上部層、６…交互積層構造、７…被覆層、８…被覆切削工具。

Claims (7)

1. 基材と前記基材の表面に形成された被覆層とを含む被覆切削工具であって、前記被覆層は、組成の異なる２種又は３種以上の化合物層を交互に各２層以上積層した交互積層構造を有し、
   前記交互積層構造は、下記式（１）：
   （Ａｌ_ｘＭ_１−ｘ）Ｎ （１）
   ［式中、ＭはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＷおよびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を表し、ｘはＡｌ元素とＭで表される元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を表し、０．５８≦ｘ≦０．８０を満足する。］
   で表される組成を有する化合物を含む化合物層と、下記式（２）：
   （Ａｌ_ｙＭ_１−ｙ）Ｎ （２）
   ［式中、ＭはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＷおよびＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を表し、ｙはＡｌ元素とＭで表される元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を表し、０．５７≦ｙ≦０．７９を満足する。］
   で表される組成を有する化合物を含む化合物層とから構成され、
   前記交互積層構造を構成する化合物層に含まれる全金属元素の量に対する特定の金属元素の量と、当該化合物層に隣接した前記交互積層構造を構成する他の化合物層に含まれる全金属元素の量に対する前記特定の金属元素の量と、の差の絶対値が、０原子％を超えて大きく、かつ、５原子％未満であり、
   前記化合物層のそれぞれの平均厚さは、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、前記交互積層構造の平均厚さは、１．５μｍ以上１５．０μｍ以下である、被覆切削工具。
2. 前記絶対値が、１原子％以上４原子％以下である、請求項１に記載の被覆切削工具。
3. 前記交互積層構造の平均結晶粒径は、１００ｎｍ以上４５０ｎｍ以下である、請求項１または２に記載の被覆切削工具。
4. 前記被覆層は、前記基材と前記交互積層構造との間に、下部層を有し、
   前記下部層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、ＳｉおよびＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物の単層または積層であり、
   前記下部層の平均厚さは、０．１μｍ以上３．５μｍ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。
5. 前記被覆層は、前記交互積層構造の表面に、上部層を有し、
   前記上部層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、ＳｉおよびＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、ＯおよびＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物の単層または積層であり、
   前記上部層の平均厚さは、０．１μｍ以上３．５μｍ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。
6. 前記被覆層全体の平均厚さは、１．５μｍ以上１５μｍ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。
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。

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