JP6410797B2 - 被覆切削工具及びその製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、基材の表面に硬質皮膜を被覆した被覆切削工具及びその製造方法に関する。

近年、室温での板材の曲げ、絞り、抜きなどのプレス成形に用いられる金型材の切削加工には、高硬度なプリハードン鋼の加工および高能率加工が求められている。切削工具にはより優れた耐久性が要求されており、切削工具の表面に耐熱性や耐摩耗性が優れる各種セラミックスからなる硬質皮膜を被覆した被覆切削工具が適用されている。例えば、耐熱性に優れる皮膜種であるＡｌとＣｒを主体とする窒化物又は炭窒化物に、Ｓｉを添加して耐摩耗性や耐熱性を高めた、ＡｌＣｒＳｉ系の窒化物又は炭窒化物を被覆した被覆切削工具が提案されている（特開２００６−２３９７９２号公報、特開２００５−１２６７３６号公報、特開２００４−３３７９８８号公報参照）。

特開２００２−３３７００７号公報には、相対的にＳｉに富むアモルファス相と相対的にＳｉに乏しい結晶相とからなるミクロ組織を有するＡｌＣｒＳｉ系の窒化物は、皮膜硬度が向上して、耐酸化性も改善され、これを適用することで被覆切削工具の耐久性が向上することが示されている。
また、ＡｌとＣｒを主体とする窒化物又は炭窒化物を被覆する際の成膜条件について、様々な条件が検討されている。例えば、ＡｌとＣｒを主体とする窒化物を被覆する際にパルスバイアス電圧を印加することが示されている（特開２０１０−１２５６４号公報、特開２０１０−２８４７８７号公報参照）。

近年、被削材の高硬度化及び更なる高速加工化により、被覆切削工具には更なる耐久性が求められている。本発明者が詳細検討したところ、ＡｌＣｒＳｉ系の窒化物又は炭窒化物を被覆した被覆切削工具には、更に耐久性を改善する余地があるとの知見を得た。

本開示は上記の課題に鑑みたものであり、本発明の実施態様における目的は、耐久性により優れた被覆切削工具、及び耐久性に優れた被覆切削工具を安定的に製造することができる被覆切削工具の製造方法を提供することにある。

課題を達成するための具体的手段には、以下の態様が含まれる。すなわち、
本発明の第１の態様は、
＜１＞ 基材と、前記基材の表面に配置された硬質皮膜と、を有し、
前記硬質皮膜は、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、アルミニウム（Ａｌ）の含有比率が５０原子％以上６８原子％以下であり、クロム（Ｃｒ）の含有比率が２０原子％以上４６原子％以下であり、ケイ素（Ｓｉ）の含有比率が４原子％以上１５原子％以下である窒化物又は炭窒化物からなり、かつ、金属（半金属を含む）元素、窒素、酸素および炭素の合計を１００原子％とした場合の金属（半金属を含む）元素の原子比率（原子％）Ａと窒素の原子比率（原子％）Ｂとが１．０３≦Ｂ／Ａ≦１．０７の関係を満たし、
Ｘ線回折パターンまたは透過型電子顕微鏡の制限視野回折パターンから求められる強度プロファイルにおいて、面心立方格子構造の（２００）面または（１１１）面に起因するピーク強度が最大強度を示す、被覆切削工具である。

＜２＞ 前記＜１＞において、硬質皮膜は、透過型電子顕微鏡の制限視野回折パターンから求められる強度プロファイルにおいて、六方最密充填構造のＡｌＮの（０１０）面に起因するピーク強度をＩｈとし、面心立方格子構造の、ＡｌＮの（１１１）面、ＣｒＮの（１１１）面、ＡｌＮの（２００）面、ＣｒＮの（２００）面、ＡｌＮの（２２０）面、およびＣｒＮの（２２０）面に起因するピーク強度と、六方最密充填構造の、ＡｌＮの（０１０）面、ＡｌＮの（０１１）面、およびＡｌＮの（１１０）面に起因するピーク強度と、の合計をＩｓとした場合、Ｉｈ×１００／Ｉｓ≦２５の関係を満たしていることが好ましい。

＜３＞ 前記＜１＞または＜２＞において、硬質皮膜は、周期律表の４族（４ａ族）、５族（５ａ族）、および６族（６ａ族）（Ｃｒを除く）の金属元素、並びにホウ素（Ｂ）からなる群より選択される１種または２種以上の元素の含有比率が、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、１５原子％以下であることが好ましい。

＜４＞ 前記＜１＞〜＜３＞のいずれか１つにおいて、前記基材上の硬質皮膜の上には、更に、前記硬質皮膜と組成の異なる窒化物又は炭窒化物からなる保護皮膜を有することが好ましい。
硬質皮膜の上に配される保護皮膜は、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、Ｔｉの含有比率（原子％）が５０％以上であり、かつ、Ｓｉの含有比率が１％以上３０％以下である窒化物又は炭窒化物からなる膜であることが好ましい。

＜５＞ 前記＜１＞〜＜４＞のいずれか１つにおいて、硬質皮膜は、ナノインデンテーション硬度が４０ＧＰａ以上５５ＧＰａ以下であることが好ましい。

また、本発明の第２の態様は、
＜６＞ 金属（半金属を含む）元素の総量に対して、アルミニウム（Ａｌ）の含有比率（原子％）が５５％以上７０％以下であり、クロム（Ｃｒ）の含有比率（原子％）が２０％以上３５％以下であり、ケイ素（Ｓｉ）の含有比率（原子％）が７％以上２０％以下である合金ターゲットをカソードに設置し、基材に印加するバイアス電圧が−２２０Ｖ以上−６０Ｖ以下、かつ、カソード電圧が２２Ｖ以上２７Ｖ以下である条件、または、基材に印加するバイアス電圧が−１２０Ｖ以上−６０Ｖ以下、かつ、カソード電圧が２８Ｖ以上３２Ｖ以下である条件にて、アークイオンプレーティング法により、窒化物又は炭窒化物を基材の表面に被覆することで、基材の表面に硬質皮膜を形成する工程を有する、被覆切削工具の製造方法である。

本発明の一実施形態によれば、耐久性に優れた被覆切削工具が提供される。
また、本発明の一実施形態によれば、耐久性に優れた被覆切削工具を安定的に製造することができる被覆切削工具の製造方法が提供される。

本発明例の被覆試料１における硬質皮膜の走査型電子顕微鏡による断面観察写真である。 本発明例の被覆試料２３における硬質皮膜の透過型電子顕微鏡による断面観察写真である。 比較例２６の被覆試料３３における硬質皮膜の透過型電子顕微鏡による断面観察写真である。 本発明例の被覆試料２３における硬質皮膜の制限視野回折パターンの輝度を変換して求めた強度プロファイルである

以下、本発明の実施形態に係る被覆切削工具及びその製造方法について、詳細に説明する。
なお、本明細書において、「Ｘ線回折パターン」は、Ｘ線回折装置（株式会社リガク製、ＲＩＮＴ２０００；縦型ゴニオメーターおよび固定モノクロメーターを使用）を用いて測定された回折ピーク曲線のことを指す。
また、「制限視野回折パターン」は、制限視野絞りを使って特定の領域からの電子線だけを取り出した際の、透過型電子顕微鏡による回折パターンのことを指す。

［被覆切削工具］
本発明の実施形態に係る被覆切削工具は、基材と、基材の表面に配置された硬質皮膜と、を有し、必要に応じて、硬質皮膜を保護する保護皮膜、または基材と硬質皮膜との間に配置される中間皮膜、等の他の膜が付与されていてもよい。

−硬質皮膜−
本開示における硬質皮膜は、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、アルミニウム（Ａｌ）の含有比率が５０原子％以上６８原子％以下であり、Ｃｒの含有比率が２０原子％以上４６原子％以下であり、ケイ素（Ｓｉ）の含有比率が４原子％以上１５原子％以下である窒化物又は炭窒化物からなり、かつ、金属（半金属を含む）元素、窒素、酸素および炭素の合計を１００原子％とした場合の金属（半金属を含む）元素の原子比率（原子％）Ａと窒素の原子比率（原子％）Ｂとが１．０３≦Ｂ／Ａ≦１．０７の関係を満たし、かつ、Ｘ線回折パターンまたは透過型電子顕微鏡の制限視野回折パターンから求められる強度プロファイルにおいて、面心立方格子構造の（２００）面または（１１１）面に起因するピーク強度が最大強度を示す。

本発明者は、高硬度材の切削加工における被覆切削工具の損傷要因について検討し、硬質皮膜に存在する大きな柱状粒界に着目した。すなわち、硬質皮膜の厚み方向において、皮膜表面から基材に到達するような大きな柱状粒界が硬質皮膜中に存在すると、皮膜破壊が発生し易くなることを確認した。また、耐熱性と耐摩耗性に優れた皮膜種であるＡｌＣｒ系の窒化物又は炭窒化物を主要組成とし、皮膜組織を微細化して破壊の起点となるような大きな結晶粒界を低減することが有効であることを確認した。また、皮膜組織を微細化するには、一定量のケイ素（Ｓｉ）元素を含有していることが有効であることを確認した。
そして、一定量のＳｉ元素を含有した皮膜組織を微細化したＡｌとＣｒが主元素の窒化物又は炭窒化物からなる被覆切削工具が優れた耐久性を発揮するには、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、窒素の原子比率が一定範囲に制御されていることが重要であるとの知見を得た。
本発明に係る実施形態は、上記のように確認された事象および得られた知見に基づいて達成されたものである。

本開示における硬質皮膜は、アルミニウム（Ａｌ）とクロム（Ｃｒ）とケイ素（Ｓｉ）とを含有する窒化物又は炭窒化物からなる。ＡｌとＣｒを主元素として含有する窒化物又は炭窒化物は、被覆切削工具として優れた耐摩耗性と耐熱性とが発揮される膜種を形成することができる。中でも、硬質皮膜をなす組成としては、窒化物がより好ましい。そして、優れた耐熱性を確保するためには、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、原子比率（原子％）でＡｌを最も多く含有していることが有効である。

（Ａｌ）
Ａｌは、耐熱性を付与する元素であり、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、Ａｌ以外の元素の含有比率（原子％）が最も多くなると耐熱性が低下する。硬質皮膜に優れた耐熱性を付与する観点から、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、Ａｌの含有比率（原子％）を５０％以上とする。より好ましくは、Ａｌの含有比率（原子％）は、金属（半金属を含む）元素の総量に対して５５％以上である。

本開示における硬質皮膜は、Ａｌの含有比率（原子％）が多くなり過ぎると、ミクロレベルで存在するＺｎＳ型の六方最密充填（ｈｃｐ；以下、単に「ｈｃｐ」と略記することがある。）構造のＡｌＮが多くなり、被覆切削工具の耐久性が低下し易くなる。そのため、本開示における硬質皮膜は、Ａｌの含有比率を６８原子％以下とする。更には、Ａｌの含有比率は、６５原子％以下が好ましく、６０原子％以下がより好ましい。

なお、本開示において、半金属とは、ホウ素（Ｂ）、ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ヒ素（Ａｓ）を指す。

（Ｃｒ）
本開示における硬質皮膜は、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、２０原子％以上４６原子％以下のＣｒを含有する。Ｃｒの含有比率が上記範囲であると、硬質皮膜の耐摩耗性と耐熱性がより優れたものとなる。硬質皮膜中におけるＣｒの含有比率（原子％）が少なくなり過ぎると、耐摩耗性が低下するとともに、ミクロレベルで存在するｈｃｐ構造のＡｌＮが多くなり、被覆切削工具の耐久性が低下する。また、Ｃｒの含有比率（原子％）が多くなり過ぎると、硬質皮膜の耐熱性が低下する傾向にある。
Ｃｒの含有比率（原子％）としては、硬質皮膜の耐摩耗性および耐熱性をともに更に向上させる観点から、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、３０原子％以上が好ましく、３５原子％以上がより好ましい。更に、Ｃｒの含有比率は、４０原子％以下の範囲が好ましい。

本開示における硬質皮膜は、耐熱性および耐摩耗性をより高める観点から、ＡｌとＣｒとの合計の含有比率が、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、８５原子％以上であることが好ましい。更には、ＡｌとＣｒとの合計の含有比率は８８原子％以上であることがより好ましく、９０原子％以上であることが更に好ましい。

（Ｓｉ）
本開示における硬質皮膜において、ケイ素（Ｓｉ）は、皮膜組織を微細化するために重要な元素である。本開示における硬質皮膜は、ケイ素（Ｓｉ）を、金属（半金属を含む）元素の総量に対して４原子％以上１５原子％以下の範囲とする。Ｓｉの含有量が少ないと、ＡｌとＣｒを主元素として含有する窒化物又は炭窒化物は、硬質皮膜の加工断面において、粗大な柱状粒子が明確に観察される組織形態となる。粗大な柱状粒子が明確に観察される組織形態では、高硬度材の切削加工において、工具の損傷が大きくなる傾向にある。一方、一定量のＳｉを含有しかつＡｌおよびＣｒが主元素の窒化物又は炭窒化物は、組織が微細化しており、硬質皮膜の加工断面を観察した場合に、明確な柱状粒子が観察され難くなる。このような組織形態の硬質皮膜は、破壊の起点となる粗大な結晶粒界が少なくなり、工具損傷を抑制することができる。但し、Ｓｉの含有量が多くなると、ミクロレベルで存在する非晶質相およびｈｃｐ構造のＡｌＮが増加し、被覆切削工具の耐久性が低下し易くなる。

よって、本開示における硬質皮膜は、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、Ｓｉの含有比率は、４原子％以上１５原子％以下の範囲であることが重要である。
Ｓｉの含有比率が４原子％未満であると、柱状粒子が粗大となって耐久性が低下する傾向にある。Ｓｉの含有比率が１５原子％を超えると、皮膜構造が非晶質となり易くなるため、面心立方格子（ｆｃｃ；以下、単に「ｆｃｃ」と略記することがある。）構造を主体とすることが困難となり、耐久性が低下する傾向にある。
中でも、本開示における硬質皮膜は、Ｓｉの含有比率（原子％）が５原子％以上であることが好ましく、６原子％以上であることが好ましい。また、Ｓｉの含有比率（原子％）は、１２原子％以下であることが好ましい。

本開示におけるｆｃｃ構造は、Ｘ線回折で特定される結晶構造であり、ｆｃｃ構造であることは、例えば、市販のＸ線回折装置（株式会社リガク製、ＲＩＮＴ２０００；縦型ゴニオメーターおよび固定モノクロメーターを使用）を用いて測定した場合に、ＡｌＮのｈｃｐ構造に起因するピーク強度が確認されないことをいう。

硬質皮膜中の各元素の原子比率（原子％）は、電子プローブマイクロアナライザー装置（型番：ＪＸＡ−８５００Ｆ、株式会社日本電子製）を用い、以下の条件下、付属の波長分散型電子プローブ微小分析（ＷＤＳ−ＥＰＭＡ）により測定面からの分析深さを略１μｍとして５点測定し、測定値を平均して求められる。
<測定条件>
・加速電圧：１０ｋＶ
・照射電流：５×１０^−８Ａ
・取り込み時間：１０秒
・分析領域直径：１μｍ

本開示における硬質皮膜は、Ｘ線回折パターンまたは透過型電子顕微鏡の制限視野回折パターンから求められる強度プロファイルにおいて、ｆｃｃ構造の（２００）面又は（１１１）面に起因するピーク強度が最大強度を示す。硬質皮膜に含まれるｈｃｐ構造のＡｌＮが多くなると、硬質皮膜が脆弱となり被覆切削工具として耐久性が乏しくなる。また、硬質皮膜の結晶構造がｆｃｃ構造であっても、Ｘ線回折パターンまたは透過型電子顕微鏡の制限視野回折パターンから求められる強度プロファイルにおいて、（２００）面又は（１１１）面以外の結晶面が最大強度を示す場合は耐久性が乏しい傾向にある。

本開示における硬質皮膜の結晶構造は、Ｘ線回折パターンまたは透過型電子顕微鏡を用いた制限視野回折パターンから求められる強度プロファイルより確認することができる。
硬質皮膜の被験面積が小さい場合には、Ｘ線回折による結晶構造の同定が困難な場合がある。このような場合には、透過型電子顕微鏡を用いた制限視野回折パターン等によって結晶構造の同定を行うことができる。本開示における硬質皮膜は、ミクロ組織の一部に非晶質相やｈｃｐ構造のＡｌＮを含有する場合がある。本開示における硬質皮膜は、透過型電子顕微鏡を用いた制限視野回折パターンにおいて、ｈｃｐ構造のＡｌＮに起因する回折パターンが確認されないことが好ましい。

本開示では、一定量のＳｉを含有して皮膜組織を微細化したＡｌおよびＣｒを主元素とした窒化物又は炭窒化物で硬質皮膜を形成することに加え、硬質皮膜は、金属元素の原子比率（原子％）に対する窒素の原子比率（原子％）を一定範囲に制御することが重要である。
通常、一定量のＳｉを含有して皮膜組織が微細化したＡｌおよびＣｒを主元素とした窒化物又は炭窒化物は、非晶質相およびｈｃｐ構造のＡｌＮが増加し易くなり、被覆切削工具に適用しても、優れた耐久性が得られ難い傾向がある。このような状況のもと、一定量のＳｉを含有して皮膜組織が微細化したＡｌおよびＣｒを主元素とした窒化物又は炭窒化物からなる硬質皮膜において、含まれる窒素の原子比率（原子％）を高めることで、硬質皮膜の結晶性および耐熱性がより向上し、被覆切削工具の耐久性が向上することを確認した。
一方、硬質皮膜中における窒素の原子比率（原子％）が大きくなり過ぎると、硬質皮膜の残留圧縮応力が高くなり過ぎ、結果、硬質皮膜が自己破壊を起しやすくなる。
以上の知見をもとに、一定量のＳｉを含有して皮膜組織が微細化したＡｌおよびＣｒを主元素とした窒化物又は炭窒化物について、被覆切削工具に優れた耐久性を付与できる最適な窒素含有比率を検討したところ、硬質皮膜中における金属元素の原子比率（原子％）Ａと窒素の原子比率（原子％）Ｂとが、１．０３≦Ｂ／Ａ≦１．０７の関係を満足する場合に被覆切削工具の耐久性が優れたものとなることを見出した。

本開示における硬質皮膜において、Ｂ／Ａの値が１．０３未満になると、ミクロレベルで存在する非晶質相およびｈｃｐ構造のＡｌＮが増加し易くなり、被覆切削工具の耐久性が著しく低下し、剥がれが発生しやすくなる傾向がある。また、Ｂ／Ａの値が１．０７よりも大きくなると、硬質皮膜の残留圧縮応力が増加し過ぎ、硬質皮膜が自己破壊を起し易く摩耗し易くなり、耐久性が低下する傾向にある。
Ｂ／Ａのより好ましい範囲は、１．０４≦Ｂ／Ａ≦１．０７であり、更に好ましい範囲は、１．０４≦Ｂ／Ａ≦１．０５である。

上記のＢ／Ａの値は、既述のように、波長分散型電子プローブ微小分析（ＷＤＳ−ＥＰＭＡ）により硬質皮膜を組成分析して原子比率ＡおよびＢを測定することで求められる。

本開示における硬質皮膜は、酸素および炭素を不可避的に含有する。そのため、例えば、窒化物の皮膜組成を分析する場合、不可避的に含有される酸素と炭素を考慮せずにＢ／Ａを求めると、相対的に窒素の含有比率が高まり、硬質皮膜における前記Ｂ／Ａの値を正確に評価できない場合がある。したがって、硬質皮膜の分析にあたり、硬質皮膜における前記Ｂ／Ａの値を求める場合、金属元素（半金属を含む）と窒素、酸素および炭素との合計を１００原子％とし、そのうち、金属元素の原子比率（原子％）をＡとし、窒素の原子比率（原子％）をＢとして、Ｂ／Ａの値を求める。

また、酸素および炭素を不可避元素として含む場合、硬質皮膜中におけるそれぞれの原子比率としては、金属元素（半金属を含む）と窒素、酸素および炭素との合計を１００原子％とした場合、そのうち、酸素は、０．２原子％以上３．０原子％以下（より好ましくは２．０原子％以下、更には１．０原子％以下）の範囲が好ましく、金属元素（半金属を含む）と窒素、酸素および炭素との合計を１００原子％とした場合、そのうち、炭素は、０．２原子％以上５．０原子％以下（より好ましくは３．０原子％以下、更には１．０原子％以下）の範囲が好ましい。

上記のうち、硬質皮膜としては、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、ケイ素（Ｓｉ）、窒素（Ｎ）および不可避成分からなる窒化物、又はアルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、ケイ素（Ｓｉ）、窒素（Ｎ）、炭素（Ｃ）および不可避成分からなる炭窒化物からなる皮膜であることが好ましい。

本開示における硬質皮膜は、上記のようにＡｌ、ＣｒおよびＳｉの含有比率およびＢ／Ａが特定の範囲にあり、かつ、面心立方格子構造の（２００）面または（１１１）面に起因するピーク強度が最大強度を示す範囲内においては、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ以外の他の金属元素を含有しても、被覆切削工具の耐久性を良好に維持できる。そのため、本開示における硬質皮膜は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ以外の金属元素を含有してもよい。
本開示における硬質皮膜がＡｌ、Ｃｒ、Ｓｉ以外の金属元素を含有する場合、周期律表の４族（４ａ族）、５族（５ａ族）、および６族（６ａ族）（Ｃｒを除く）並びにホウ素（Ｂ）からなる群より選択される１種または２種以上の元素を含有することが好ましい。これらの元素は、硬質皮膜に耐摩耗性又は耐熱性を付与する元素であり、金属（半金属を含む）元素の総量に対して所定の範囲で含有する場合、被覆切削工具の耐久性を著しく低下させることはない。但し、硬質皮膜がＡｌ、ＣｒおよびＳｉ以外の金属元素を含有する場合、硬質皮膜中における含有量が多くなり過ぎると被覆切削工具の耐久性が低下する場合がある。そのため、本開示における硬質皮膜は、周期律表の４族、５族および６族（Ｃｒを除く）並びにホウ素（Ｂ）からなる群より選択される１種または２種以上の元素を、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、１５原子％以下の範囲で含有することが好ましい。中でも、周期律表の４族、５族および６族（Ｃｒを除く）の金属元素並びにホウ素（Ｂ）から選択される元素の含有比率は、同様の理由から、１０原子％以下がより好ましく、０原子％であること（含有しないこと）が更に好ましい。
特に、本開示における硬質皮膜としては、ＡｌとＣｒとＳｉとＮと不可避元素とからなるＡｌＣｒＳｉ窒化物、またはＡｌとＣｒとＳｉとＮとＣと不可避元素とからなるＡｌＣｒＳｉ炭窒化物が更に好ましく、特に好ましくはＡｌとＣｒとＳｉとＮと不可避元素とからなるＡｌＣｒＳｉ窒化物である。ＡｌＣｒＳｉ窒化物およびＡｌＣｒＳｉ炭窒化物は、製造コストの点で有利である。

本開示における硬質皮膜は、ナノインデンテーション硬度が４０ＧＰａ以上５５ＧＰａ以下であることが好ましい。一定量のＡｌ、ＣｒおよびＳｉを含有する窒化物又は炭窒化物は、ｈｃｐ構造のＡｌＮおよび非晶質相が増加し、硬度が低下する傾向にある。硬質皮膜の組成及び窒素含有比率を制御したとしても、硬質皮膜の硬度が低い場合には、被覆切削工具の耐久性が低下する。被覆切削工具に高度の耐久性を付与するためには、硬質皮膜のナノインデンテーション硬度が４０ＧＰａ以上であることが好ましい。更には、ナノインデンテーション硬度は、４５ＧＰａ以上が好ましい。一方、ＡｌおよびＣｒを主元素とした窒化物又は炭窒化物からなる硬質皮膜は、硬度が高くなり過ぎると密着性が低下する傾向がある。よって、本開示における硬質皮膜は、ナノインデンテーション硬度が５５ＧＰａ以下であることが好ましい。
硬質皮膜のナノインデンテーション硬度は、皮膜組成に加えて、基材に印加する負のバイアス電圧、成膜温度、カソードの平均磁束密度を適切な範囲に制御することにより上記範囲に調節することができ、被覆切削工具により高度の耐久性が付与される。

本開示における硬質皮膜としては、ナノインデンテーション硬度が上記範囲を満たすとともに、更に、硬質皮膜の弾性係数が３９０ＧＰａ以上であることが好ましい。皮膜硬度を高めた上で、硬質皮膜の弾性係数を３９０ＧＰａ以上にすることで、被覆切削工具により優れた耐久性を付与することができる。硬質皮膜により優れた靱性を付与するためには、硬質皮膜の弾性係数は、４５０ＧＰａ以下であることが好ましい。中でも、弾性係数は、上記と同様の理由から、４００ＧＰａ〜４３０ＧＰａの範囲がより好ましい。

本開示における硬質皮膜のナノインデンテーション硬度及び弾性係数は、ナノインデンテーション装置（株式会社エリオニクス製の超微小押し込み硬さ試験機ＥＮＴ−１１００ａ）を用い、硬質皮膜の表面から端子を、押込み荷重４９ｍＮ、最大荷重保持時間１秒、および荷重負荷後の除去速度０．４９ｍＮ／秒の測定条件で押し込み、押し込み深さが硬質皮膜の厚みの１／１０以下に維持される最大深さを１０点測定し、値の大きい側の２点と値の小さい側の２点を除いた６点の平均値から求められる。

本開示における硬質皮膜のミクロ組織は、結晶構造中、相対的にＳｉ含有量の多い結晶相と、相対的にＳｉ含有量が少ない結晶相と、を有する組織形態であることが好ましい。硬質皮膜のミクロ組織がこのような組織形態になることで、硬質皮膜により高い残留圧縮応力が付与されて皮膜硬度が向上するとともに、クラックの進展がミクロレベルで抑制され易くなる。

本開示における硬質皮膜は、Ｓｉの含有量が多く、ｈｃｐ構造のＡｌＮがミクロ組織に存在しうる。硬質皮膜のミクロ組織に存在するｈｃｐ構造のＡｌＮ量の定量化には、硬質皮膜の加工断面を観察した際、透過型電子顕微鏡の制限視野回折パターンから求められる強度プロファイルを用いることができる。具体的には、透過型電子顕微鏡の制限視野回折パターンの強度プロファイルにおいて、Ｉｈ×１００／Ｉｓの関係を評価する。
Ｉｈ＝ｈｃｐ構造のＡｌＮの（０１０）面に起因するピーク強度
Ｉｓ＝ｆｃｃ構造の、ＡｌＮの（１１１）面、ＣｒＮの（１１１）面、ＡｌＮの（２００）面、ＣｒＮの（２００）面、ＡｌＮの（２２０）面、およびＣｒＮの（２２０）面に起因するピーク強度と、ｈｃｐ構造の、ＡｌＮの（０１０）面、ＡｌＮの（０１１）面、およびＡｌＮの（１１０）面に起因するピーク強度と、の合計
上記の関係を評価することで、Ｘ線回折によりｈｃｐ構造のＡｌＮに起因するピーク強度が確認されない硬質皮膜において、ミクロレベルで含まれるｈｃｐ構造のＡｌＮを定量的に評価することができる。
本開示における硬質皮膜は、ミクロ組織に存在するｈｃｐ構造のＡｌＮをより少なくして、Ｉｈ×１００／Ｉｓ≦２５の関係を満たしていることが好ましい。Ｉｈ×１００／Ｉｓ≦２５の関係を満たすことで、被覆切削工具の耐久性がより優れたものとなる。
更には、本開示における硬質皮膜は、Ｉｈ×１００／Ｉｓ≦２０の関係を満たしていることが好ましい。

被覆切削工具により優れた耐久性を付与するためには、硬質皮膜の膜厚は、１．０μｍ以上であることが好ましく、２．０μｍ以上であることがより好ましい。膜厚が厚くなり過ぎると皮膜剥離が発生するリスクが高まる傾向があることから、硬質皮膜の膜厚は、５．０μｍ以下であることが好ましく、４．０μｍ以下であることがより好ましい。

−その他の膜−
基材の上に配された硬質皮膜の上には、更に、別の膜を設けてもよい。別の膜を有しても、本発明の実施形態における効果は良好に奏される。本実施形態の被覆切削工具においては、ＡｌＣｒＳｉ系の窒化物又は炭窒化物が最表面を形成する形態以外に、別の膜が最表面を形成する形態でもよい。例えば、本開示における硬質皮膜の上層として、金属、窒化物、炭窒化物、酸窒化物、炭化物、硼化物、または酸化物からなる別膜を設けてもよい。基材の上に配された硬質皮膜の上には、耐熱性と耐摩耗性に優れる窒化物又は炭窒化物からなる保護皮膜を有することが好ましく、窒化物からなる保護皮膜を有することがより好ましい。

前記保護皮膜は、耐熱衝撃性に優れる残留圧縮応力を有する硬質皮膜であることが好ましい。湿式加工においては、加熱冷却のサイクルにより硬質皮膜が剥離し易くなることから、高い残留圧縮応力を有する硬質皮膜を保護皮膜として設けることが好ましい。特に、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、Ｔｉの原子比率が５０原子％以上（好ましくは７５原子％以上）、Ｓｉの原子比率が１原子％以上３０原子％以下（好ましくは１５原子％以上３０原子％以下）である窒化物又は炭窒化物からなる皮膜は、耐摩耗性に優れ、残留圧縮応力も高い皮膜種である観点から、硬質皮膜の上に配置される保護皮膜として好ましい。

本開示における硬質皮膜の上にさらに別の膜が配置される場合、本開示における硬質皮膜および別膜のうち、本開示における硬質皮膜の膜厚が最も厚膜となっていることが好ましい。本開示における硬質皮膜が最も厚膜に形成されて主膜となっていることで、被覆切削工具は耐久性により優れたものとなる。

本実施形態に係る被覆切削工具は、基材と硬質皮膜との間に、金属、窒化物、炭窒化物、炭化物等を用いた中間皮膜を設けてもよい。中間皮膜を有することで、基材と硬質皮膜との間の密着性がより改善される場合がある。

−基材−
本実施形態に係る被覆切削工具は、基材を備えている。
基材は、特に制限されるものではなく、例えば、超硬合金、サーメット、セラミックス、高速度鋼等を、切削条件に合わせて適宜適用することができる。基材は、ＷＣ基超硬合金であることが好ましい。特に、硬度が９３．０ＨＲＡ以上９５．０ＨＲＡ以下のＷＣ基超硬合金を基材に適用することで、高硬度鋼の切削加工において優れた耐久性が発揮され易い点で好ましい。ＷＣは、炭化タングステンを表す。

本実施形態に係る被覆切削工具は、ボールエンドミルに適用することで、特に優れた耐久性を発揮する。工具の外周刃で被加工材を加工するスクエアエンドミルと違い、ボールエンドミルにおいては、チゼル部が被加工材と常に接触しながら加工を行っている。そのため、ボールエンドミルのチゼル部では、より優れた耐熱性と耐摩耗性が要求され、ＡｌＣｒＳｉ系の窒化物又は炭窒化物を適用することが、より優れた耐久性を発揮する点で有効である。
本実施形態に係る被覆切削工具は、特に、工具径が４ｍｍ以下である小径のボールエンドミルに適用されることで、耐久性の向上効果がより一層効果的に発揮される点で好ましい。

［被覆切削工具の製造方法］
本実施形態に係る被覆切削工具は、既述のように、Ａｌ、ＣｒおよびＳｉの含有比率およびＢ／Ａが特定の範囲にあり、かつ、面心立方格子構造の（２００）面または（１１１）面に起因するピーク強度が最大強度を示す限り、いずれの方法で作製されてもよい。
中でも、耐久性に優れた被覆切削工具を安定的に製造する観点から、好ましくは、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、アルミニウム（Ａｌ）の含有比率（原子％）が５５％以上７０％以下であり、クロム（Ｃｒ）の含有比率（原子％）が２０％以上３５％以下であり、ケイ素（Ｓｉ）の含有比率（原子％）が７％以上２０％以下である合金ターゲットをカソードに設置し、基材に印加するバイアス電圧が−２２０Ｖ以上−６０Ｖ以下、かつ、カソード電圧が２２Ｖ以上２７Ｖ以下である条件、または、基材に印加するバイアス電圧が−１２０Ｖ以上−６０Ｖ以下、かつ、カソード電圧が２８Ｖ以上３２Ｖ以下である条件にて、アークイオンプレーティング法により、窒化物又は炭窒化物を基材の表面に被覆することで、基材の表面に硬質皮膜を形成する工程を有する方法（本発明の一実施形態に係る被覆切削工具の製造方法）によって製造される。

アークイオンプレーティング法では、成膜に必要な金属成分を含むターゲットをカソード（陰極）に配置し、カソードとアノード（陽極）との間に真空アーク放電を発生させて、ターゲットの表面から金属成分を蒸発、イオン化させ、イオン化した金属成分を、負のバイアス電圧が印加された基材の表面に堆積することで皮膜を形成する。このとき、アーク放電によってカソードから放電された電子はアノードに向かって移動し、移動した電子が、供給された窒素ガス等の反応ガスと衝突することで、ガス成分がイオン化し、イオン化したガス成分とターゲット成分とが反応して基材の表面に硬質皮膜を形成する。

ここで、電子エネルギー（ｅＶ）は、電圧に比例することから、カソード電圧を高めることで電子エネルギーが高まり、反応ガスのイオン化がより促進される。
本開示においては、一定量のＳｉを含有しかつＡｌおよびＣｒを主元素とした窒化物又は炭窒化物からなる硬質被覆を形成する場合に、カソード電圧を一定の範囲に調整することで、硬質皮膜のミクロ組織に存在するｈｃｐ構造のＡｌＮが減るとともに、硬質皮膜に含まれる窒素の原子比率（原子％）、すなわち金属（半金属を含む）元素の原子比率（原子％）Ａに対する窒素の原子比率（原子％）Ｂが高くなり、被覆切削工具の耐久性が向上する傾向にあることを見出した。
但し、カソード電圧を高めても、基材に印加されるバイアス電圧の絶対値が小さくなると、硬質皮膜に含まれる窒素の原子比率が一定以上にならず、ミクロ組織に存在するｈｃｐ構造のＡｌＮも低減し難い傾向がある。また、カソード電圧が高くなり過ぎると、装置への負荷が大きくなり、成膜が安定し難くなる。そのため、基材に印加するバイアス電圧を一定の範囲に調整することも重要となる。

耐久性に優れた被覆切削工具を安定的に製造するには、本開示における硬質皮膜を成膜する成膜工程において、基材に印加する負のバイアス電圧とカソード電圧とのバランスをとって成膜を行うことが好ましい。具体的には、基材に印加するバイアス電圧を−２２０Ｖ以上−６０Ｖ以下とし、かつ、カソード電圧を２２Ｖ以上２７Ｖ以下とする条件（以下、条件１）、または、基材に印加するバイアス電圧を−１２０Ｖ以上−６０Ｖ以下とし、かつ、カソード電圧を２８Ｖ以上３２Ｖ以下とする条件（以下、条件２）にて調節して成膜する。

前記条件１において、カソード電圧が２２Ｖ以上に調整されることで、硬質皮膜中の窒素の原子比率（原始％）が高まるとともに、ミクロ組織に存在するｈｃｐ構造のＡｌＮが減り、硬質皮膜に高い耐摩耗性を付与することができる。一方、カソード電圧が２７Ｖ以下であると、ミクロ組織に存在するｈｃｐ構造のＡｌＮが低減するとともに、硬質皮膜の窒素の原子比率が高まる傾向を示すだけでなく、装置への負荷が緩和され、成膜も安定的に行うことができる。条件１におけるカソード電圧は、２４Ｖ以上２６Ｖ以下が好ましい。
カソード電圧が上記範囲にある場合、基材に印加されるバイアス電圧が−６０Ｖよりも大きくなる（−６０Ｖよりもプラス側になる）と、カソード電圧を高く設定しても、金属元素の原子比率に対する窒素の原子比率を高めることが困難であり、被覆切削工具の耐久性が低下傾向を示し、皮膜剥離を起こしやすい。また、硬質皮膜のミクロ組織に存在するｈｃｐ構造のＡｌＮが増加する傾向になる。一方、基材に印加されるバイアス電圧が−２２０Ｖよりも小さくなる（−２２０Ｖよりもマイナス側になる）と、金属元素の原子比率に対する窒素の原子比率が高くなり過ぎ、被覆切削工具の耐久性が低下傾向を示す。また、装置への負荷が大きくなり、成膜が安定しない場合がある。中でも、基材に印加される負のバイアス電圧としては、−１９０Ｖ以上−７０Ｖ以下の範囲が好ましく、−１５０Ｖ以上−８０Ｖ以下の範囲がより好ましく、−１５０Ｖ以上−１００Ｖ以下の範囲がより好ましい。

また、前記条件２においては、上記条件１の場合と同様に、カソード電圧が２８Ｖ以上であると、硬質皮膜中の窒素の原子比率（原始％）が高まるとともに、ミクロ組織に存在するｈｃｐ構造のＡｌＮが減り、硬質皮膜に高い耐摩耗性を付与することができる。また、カソード電圧が３２Ｖ以下であると、ミクロ組織に存在するｈｃｐ構造のＡｌＮが低減するとともに、硬質皮膜の窒素の原子比率が高まる傾向を示すだけでなく、装置への負荷が緩和され、成膜も安定的に行うことができる。条件２におけるカソード電圧は、３０Ｖ以上３２Ｖ以下が好ましい。
カソード電圧が上記のように比較的高い範囲にある場合、基材に印加されるバイアス電圧は低すぎない範囲に調整する。基材に印加されるバイアス電圧が−１２０Ｖよりも低い範囲（−１２０Ｖよりもマイナス側の範囲）では、金属元素の原子比率に対する窒素の原子比率が高くなり過ぎる傾向がみられ、被覆切削工具の耐久性が低下傾向を示すようになる。また、装置への負荷が大きくなり、成膜が安定しない場合がある。一方、バイアス電圧が−６０Ｖよりも高い範囲（−６０Ｖよりもプラス側の範囲）では、カソード電圧を高く設定しても、金属元素の原子比率に対する窒素の原子比率を高めることが困難であり、被覆切削工具の耐久性が低下傾向を示し、皮膜剥離を起こしやすい。また、硬質皮膜のミクロ組織に存在するｈｃｐ構造のＡｌＮが増加する傾向になる。中でも、基材に印加される負のバイアス電圧としては、−１００Ｖ以上−７０Ｖ以下の範囲が好ましい。

本開示におけるアークイオンプレーティング法による被覆は、一般的なアークイオンプレーティング装置を用いて行うことができる。

合金ターゲットの組成と、基板の表面に被覆された硬質皮膜中の金属元素の含有比率と、は成膜条件によって異なる場合がある。本発明者の検討によると、上述したカソード電圧とバイアス電圧の範囲においては、硬質皮膜のＡｌおよびＳｉの含有量は、合金ターゲットの組成よりも減少し易く、硬質皮膜のＣｒの含有量は、合金ターゲットの組成よりも増加し易い傾向にある。
そのため、硬質皮膜を基板の表面に被覆する場合、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、Ａｌの含有比率が５５原子％以上７０原子％以下であり、Ｃｒの含有比率が２０原子％以上３５原子％以下であり、Ｓｉの含有比率が７原子％以上２０原子％以下である合金ターゲットをカソードに設置して成膜することが好ましい。上述した組成範囲の合金ターゲットをカソードに用いることで、被覆後の硬質皮膜を目的とする組成範囲に制御し易くなる。

本開示においては、成膜時の炉内に窒素ガスを導入して（好ましくは上記の条件１又は条件２のもとで）炉内のガス圧力を３Ｐａ〜１０Ｐａの範囲に調整して硬質皮膜を被覆することが好ましい。成膜時の炉内のガス圧力が高い場合には、成膜される硬質皮膜中における金属元素の原子比率に対する窒素の原子比率が高くなり易い。但し、窒素ガスを炉内に過多に導入した状態で硬質皮膜を被覆すると、炉内汚染が発生して成膜が安定し難くなる場合がある。そのため、炉内のガス圧力は、３Ｐａ〜７Ｐａとすることが好ましい。

被覆切削工具の硬質皮膜は、ミクロ組織に存在する非晶質相およびｈｃｐ構造のＡｌＮが増加することで、皮膜の硬度及び靱性が低下し、被覆切削工具の耐久性が低下する傾向にある。硬質皮膜を被覆する場合、合金ターゲットの中心付近の垂直方向成分の平均磁束密度が１４ｍＴ（ミリテスラ）以上となるカソードを用いて被覆することが好ましい。更には、合金ターゲットの中心付近から基材付近まで磁力線が到達するように磁場配置を調整したカソードを用いることが好ましい。
このようなカソードを用いて硬質皮膜を被覆することで、皮膜の結晶性がより高まり、皮膜の硬度と靱性が向上するとともに、ミクロ組織に存在する非晶質相およびｈｃｐ構造のＡｌＮがより低減され、被覆切削工具の耐久性をより向上させることができる。

以下、本発明の一実施形態を実施例により更に具体的に説明するが、本実施形態はその主旨を越えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。なお、特に断りのない限り、「部」は質量基準である。

（実施例１）
＜成膜装置＞
成膜には、アークイオンプレーティング法を利用した成膜装置を用いた。この成膜装置は、複数のカソード（アーク蒸発源）、真空容器、および基材回転機構を備えている。カソードとしては、ターゲットの外周にコイル磁石が配備されたカソードを１基（以下、「Ｃ１」という。）と、ターゲットの背面および外周に永久磁石が配備され、ターゲット表面に垂直方向の磁束密度を有し、ターゲット中央付近における垂直方向の磁束密度が１４ｍＴであるカソードを１基（以下、「Ｃ２」という。）と、が搭載されている。
Ｃ１には、金属Ｔｉのターゲット（Ｔｉターゲット）を設置した。また、Ｃ２には、ＡｌＣｒＳｉ合金のターゲット（以下、ＡｌＣｒＳｉターゲット）を設置した。

真空容器は、内部が真空ポンプにより排気され、ガスが供給ポートより導入されるようになっている。真空容器内に設置された各基材には、バイアス電源が接続され、各基材に対してそれぞれ独立に負のＤＣバイアス電圧を印加することができる。

基材回転機構は、プラネタリーと、プラネタリー上に配置されたプレート状治具と、プレート状治具上に配置されたパイプ状治具と、を備え、プラネタリーは毎分３回転の速さで回転し、プレート状治具およびパイプ状治具はそれぞれ自公転するようになっている。

＜基材＞
以下に示す２種類の基材を準備した。
（１）物性評価用の基材および切削試験用の基材として、下記の超硬合金製の２枚刃ボールエンドミル（日立ツール株式会社製）を準備した。
<２枚刃ボールエンドミルの特性>
・組成：ＷＣ（ｂａｌ．）−Ｃｏ（８質量％）−Ｃｒ（０．５質量％）−ＶＣ（０．３質量％）
・ＷＣの平均粒度：０．６μｍ
・硬度：９３．９ＨＲＡ
・ボール半径：０．５ｍｍ

（２）更に、Ｘ線回折用の基材として、下記の試験片を準備した。
<試験片の特性>
・組成：ＷＣ（ｂａｌ．）−Ｃｏ（１３．５質量％）−Ｃｒ（０．５質量％）−ＴａＣ（０．３質量％）
・寸法：幅８ｍｍ×長さ２５ｍｍ、厚さ０．７ｍｍ

＜加熱および真空排気＞
各基材をそれぞれ真空容器内のパイプ状冶具に固定し、成膜前に以下のプロセスを実施した。まず、真空容器内を８×１０^−３Ｐａ以下に真空排気した。その後、真空容器内に設置したヒーターにより、基材を温度５００℃まで加熱し、真空排気を行った。そして、基材の設定温度を５００℃とし、真空容器内の圧力を８×１０^−３Ｐａ以下とした。

＜Ａｒボンバード工程＞
その後、真空容器内にアルゴン（Ａｒ）ガスを導入し、真空容器内の圧力を０．６７Ｐａとした。次いで、フィラメント電極に２０Ａの電流を供給し、基材に−２００Ｖのバイアス電圧を印加して、Ａｒボンバードを４分間実施した。

＜Ｔｉボンバード工程＞
その後、真空容器内の圧力が８×１０^−３Ｐａ以下になるように真空排気した。続いて、基材に−８００Ｖのバイアス電圧を印加して、Ｃ１に１５０Ａのアーク電流を供給してＴｉボンバード処理を３分間実施した。

＜成膜工程＞
Ｔｉボンバード処理後、直ちにＣ１への電流供給を中断した。そして、真空容器内に窒素ガスを導入して、使用するＡｌＣｒＳｉターゲットごとに、真空容器内のガス圧力と、基材に印加する負のバイアス電圧と、を下記表１に示すように変化させ、Ｃ２に１５０Ａの電流を供給することで、アークイオンプレーティング法により窒化物又は炭窒化物を基材の表面に被覆し、基材上に厚み約１．５μｍの硬質皮膜を形成した。ここで、成膜時の基材の設定温度は５２０℃とし、カソード電圧は、下記表１に示すように変化させた。
その後、略２５０℃以下に基材を冷却し、真空容器から取り出して被覆試料とした。得られた被覆試料１〜１３の硬質皮膜の成膜条件を表１に示す。
なお、表１中のＡｌＣｒＳｉターゲットには、元素組成としてＡｌとＣｒとＳｉの合計の原子比率（原子％）が９９．９％以上であるものを用いた。

＜被覆試料の評価＞
（１）被膜組成
電子プローブマイクロアナライザー装置（型番：ＪＸＡ−８５００Ｆ、株式会社日本電子製）を用いて、付属の波長分散型電子プローブ微小分析（ＷＤＳ−ＥＰＭＡ）により各被覆試料の硬質皮膜の元素組成を、以下の条件下、物性評価用の基材であるボールエンドミルを加工し、加工断面において分析深さを略１μｍとして５点測定し、測定値の平均値から求めた。
<測定条件>
・加速電圧：１０ｋＶ
・照射電流：５×１０^−８Ａ
・取り込み時間：１０秒
・分析領域直径：１μｍ

（２）Ｂ／Ａ
金属（半金属を含む）元素の原子比率Ａに対する窒素の原子比率Ｂの比（Ｂ／Ａ）の値は、金属元素（半金属を含む）と窒素と酸素と炭素との合計を１００％として求めた。なお、いずれの被覆試料も、酸素および炭素の前記合計１００％中に占める含有比率は、１％程度であった。
硬質皮膜の組成とＢ／Ａ値とを表２に示す。

（３）被覆試料の結晶構造
Ｘ線回折を用い、各被覆試料の硬質皮膜の結晶構造を評価した。具体的には、Ｘ線回折装置（株式会社リガク製、ＲＩＮＴ２０００；縦型ゴニオメーターおよび固定モノクロメーターを使用）を用い、管電圧４０ｋＶ、管電流３００ｍＡ、Ｘ線源Ｃｕｋα（λ＝０．１５４１８ｎｍ）、２θが２０°〜７０°の測定条件で実施した。
結果、硬質皮膜は、ｆｃｃ構造の（２００）面又は（１１１）面に起因するピーク強度が最大強度を示していることが確認された。この結果を表２に示す。また、いずれの被覆試料も、Ｘ線回折においては、ｈｃｐ構造のＡｌＮに起因するピーク強度は確認されなかった。

（４）ナノインデンテーション硬度
ナノインデンテーション装置（型番：超微小押し込み硬さ試験機ＥＮＴ−１１００ａ、株式会社エリオニクス製）を用い、各被覆試料の硬質皮膜の硬度及び弾性係数を以下の条件で測定した。
具体的には、物性評価用の基材であるボールエンドミルを、５度傾けて、鏡面研磨後、硬質皮膜の研磨面内で押し込み深さが硬質皮膜の厚みの１／１０以下に維持される最大深さをナノインデンテーション硬度とした。
押し込み深さは、次の方法で測定した。すなわち、
硬質皮膜の表面から端子を、押込み荷重４９ｍＮ、最大荷重保持時間１秒、荷重負荷後の除去速度０．４９ｍＮ／秒の測定条件にて押し込み、押し込み深さが硬質皮膜の厚みの１／１０以下に維持される最大深さを測定した。各被覆試料に対して、この測定を１０点実施した。各被覆試料ごとに、値の大きい側から２点および値の小さい側から２点を除き、それぞれ６点の押し込み深さの平均値を求めた。
いずれの被覆試料も、ナノインデンテーション硬度は４０ＧＰａ以上５０ＧＰａ以下であった。

（５）被覆試料の断面組織
各被覆試料のうち、物性評価用の基材であるボールエンドミルを加工し、加工断面を透過型電子顕微鏡により観察し、硬質皮膜を分析した。制限視野回折パターンから、本発明例の被覆試料１〜５における硬質皮膜は、ｆｃｃ構造の（２００）面又は（１１１）面に起因するピーク強度が最大強度を示すことを確認した。
また、本発明例の被覆試料１〜５における硬質皮膜を、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）にて５００，０００倍に拡大して観察した。この際のＴＥＭ写真を確認したところ、結晶構造中、相対的にＳｉ含有量が少ない結晶相と相対的にＳｉ含有量の多い結晶相とを有する組織形態となっていた。
さらに、各被覆試料のうち、物性評価用の基材であるボールエンドミルを加工し、硬質皮膜の加工断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察した。代表例として、図１に本発明例１の加工断面を表すＳＥＭ写真（４０，０００倍）を示す。
図１に示されるように、Ｓｉの含有量を最適化した本発明例の被覆試料１における硬質皮膜は、明確な柱状粒子が確認されない組織形態であることを確認した。また、本発明例の被覆試料２〜５も、明確な柱状粒子が確認されない組織形態であった。
一方、Ｓｉの含有量が少ない比較例８の被覆試料１３における硬質皮膜は、粗大で明確な柱状粒子が確認される組織形態であった。また、一定量のＳｉを含有した比較例１〜７の被覆試料６〜１２における硬質皮膜は、明確な柱状粒子が確認されない組織形態であった。

（６）切削試験
作製した各被覆試料（被覆切削工具）を用いて切削試験を行った。表２に分析結果および切削試験結果を示す。なお、切削条件は、以下の通りである。
<切削条件>
・加工方式：湿式加工
・工具：２枚刃超硬ボールエンドミル
・型番：ＥＰＤＢＥ２０１０−６、ボール半径０．５ｍｍ、首下長さ６ｍｍ
・切削方法：底面切削
・被削材：ＨＰＭ３８（５２ＨＲＣ）（日立金属株式会社製）
・切り込み：軸方向０．０４ｍｍ、径方向０．０４ｍｍ
・切削速度：７８．５ｍ／ｍｉｎ
・一刃送り量：０．０１８９ｍｍ／刃
・切削油：水溶性エマルション加圧供給
・切削距離：６０ｍ
・評価方法：切削加工後、走査型電子顕微鏡を用いて倍率１５０倍で被覆試料を観察し、被覆試料と被削材とが擦過した幅を実測し、そのうちの擦過幅が最も大きい部分を最大摩耗幅として求めた。最大摩耗幅は、値が小さいほど耐久性に優れることを示す。

形成された各硬質皮膜は、表２に示す原子比率のＡｌ、Ｃｒ、ＳｉおよびＮと、不可避元素として約１原子％の酸素と、約１原子％の炭素と、を含む元素組成を有していた。

本発明例の被覆試料１〜５は、摩耗に対して安定した損傷形態を示しており、最大摩耗幅が抑制される傾向にあった。
比較例１〜５の被覆試料６〜１０は、金属元素に対する窒素の比率（Ｂ／Ａ）が１．０３よりも小さく、本発明例の被覆試料よりも最大摩耗幅が大きくなった。また、比較例６〜７の被覆試料１１〜１２は、金属元素に対する窒素の比率（Ｂ／Ａ）が１．０７よりも大きく、硬質皮膜の残留応力が高くなり過ぎ、皮膜が自己破壊を起しやすくなり、本発明例の被覆試料よりも最大摩耗幅が大きくなった。比較例８の被覆試料１３は、硬質皮膜に含まれるＳｉが少ないため、硬質皮膜の柱状粒子が粗大となり、本発明例の被覆試料よりも最大摩耗幅が大きくなった。

（実施例２）
実施例１において、成膜工程におけるカソード電圧と基材に印加するバイアス電圧とを変化させて硬質皮膜を被覆したこと以外は、実施例１と同様にして、被覆試料を作製し、評価した。基材として実施例１と同じものを用い、実施例１におけるＡｒボンバード工程までの各工程は、実施例１と同じとした。

具体的には、Ａｒボンバード工程の後、真空容器内に窒素ガスを導入して、炉内のガス圧力を５Ｐａとした。そして、基材に印加するバイアス電圧、及びＡｌＣｒＳｉターゲットを設置したＣ２のカソード電圧を下記表３に示すように変化させ、アークイオンプレーティング法により窒化物又は炭窒化物を基材の表面に被覆し、基材上に厚み約２．０μｍの硬質皮膜を形成した。ここで、成膜時の基材の設定温度は５２０℃とした。
その後、略２５０℃以下に基材を冷却し、真空容器から取り出して被覆試料とした。得られた被覆試料２０〜３５の硬質皮膜の成膜条件を表３に示す。
なお、表３中のＡｌＣｒＳｉターゲットは、元素組成としてＡｌ、ＣｒおよびＳｉ並びに本発明例２６では更にＮｂの合計比率が、金属（半金属を含む）元素の総量の９９．９原子％以上含むものを用いた。

各被覆試料について、実施例１と同様の評価を行った。各被覆試料の硬質皮膜の弾性係数は、実施例１と同様に、ナノインデンテーション装置（型番：超微小押し込み硬さ試験機ＥＮＴ−１１００ａ、株式会社エリオニクス製）を用い、物性評価用の基材であるボールエンドミルを、５度傾けて、鏡面研磨後、硬質皮膜の研磨面内で押し込み深さが硬質皮膜の厚みの１／１０以下に維持される最大の弾性係数として求めた。押し込み深さの測定方法は、既述の通りである。

また、作製した各被覆試料（被覆切削工具）について、以下に示す切削条件にて切削試験を行った。表４に評価結果および切削試験結果を示す。切削条件の詳細は、以下の通りである。
<切削条件>
・加工方式：湿式加工
・工具：２枚刃超硬ボールエンドミル
・型番：ＥＰＤＢＥ２０１０−６、ボール半径０．５ｍｍ、首下長さ６ｍｍ
・切削方法：底面切削
・被削材：ＳＴＡＶＡＸ（５２ＨＲＣ）（ウッデホルム社製）
・切り込み：軸方向、０．０４ｍｍ、径方向、０．０４ｍｍ
・切削速度：７８．５ｍ／ｍｉｎ
・一刃送り量：０．０１８９ｍｍ／刃
・切削油：水溶性エマルション加圧供給
・切削距離：６０ｍ
・評価方法：切削加工後、走査型電子顕微鏡を用いて倍率１５０倍で被覆試料を観察し、被覆試料と被削材とが擦過した幅を実測し、そのうちの擦過幅が最も大きい部分を最大摩耗幅として求めた。最大摩耗幅は、値が小さいほど耐久性に優れることを示す。

形成された各硬質皮膜は、表４に示す原子比率のＡｌ、Ｃｒ、ＳｉおよびＮ（皮膜試料２６では更にＮｂ）と、不可避元素として約１原子％の酸素と、約１原子％の炭素と、を含む元素組成を有していた。

本発明例の被覆試料２０〜２６は、摩耗に対して安定した損傷形態を示しており、最大摩耗幅が抑制される傾向にあった。本発明例の被覆試料における硬質皮膜は、走査型電子顕微鏡による断面観察（４０，０００倍）より、明確な柱状粒子が確認されない組織形態であることを確認した。本発明例の被覆試料における硬質皮膜は、皮膜破壊の起点となる大きな結晶粒界が少ないため、突発的な皮膜剥離が発生せずに、摩耗に対して安定した損傷形態を示したと推定される。
本発明例の被覆試料２６は、Ａｌ、ＣｒおよびＳｉ以外の金属元素としてＮｂ（周期律表の５ａ族元素）を含有する一例である。被覆試料２６のように、Ａｌ、ＣｒおよびＳｉの含有比率およびＢ／Ａが特定の範囲にあり、かつ、面心立方格子構造の（２００）面または（１１１）面に起因するピーク強度が最大強度を示す限り、Ａｌ、ＣｒおよびＳｉ以外の金属元素を含有する組成であっても、優れた耐久性を示すことが確認された。

比較例２０、２１の成膜工程では、カソード電圧を３２Ｖと高くした上で、基材に印加する負のバイアス電圧を−２００Ｖ〜−１５０Ｖとしたため、硬質皮膜に過度の窒素が含まれ、金属元素に対する窒素の比率（Ｂ／Ａ）が１．０７より大きくなった。そのため、比較例２０、２１の被覆試料２７、２８は、走査型電子顕微鏡による断面観察（４０，０００倍）では、本発明例の被覆試料と同じような組織形態を有していたが、硬質皮膜の残留応力が高くなり過ぎ、皮膜が自己破壊を起しやすくなり、本発明例よりも最大摩耗幅が大きくなる傾向にあった。
比較例２２〜２７の被覆試料２９〜３４は、走査型電子顕微鏡による断面観察（４０，０００倍）では、本発明例の被覆試料と同じような組織形態を有していたが、金属元素に対する窒素の比率（Ｂ／Ａ）が１．０３よりも小さく、本発明例の被覆試料のように摩耗に対して安定した損傷形態を示さず、大きな皮膜剥離が発生した。
また、比較例２８の被覆試料３５は、金属元素に対する窒素の比率（Ｂ／Ａ）は本発明例の被覆試料と同じ範囲にあるが、Ｓｉ含有量が少ないため、柱状粒子が粗大となり、本発明例の被覆試料に比べて最大摩耗幅が大きくなった。

本発明例の被覆試料と比較例の被覆試料との耐久性の差異について、本発明例の被覆試料２３および比較例２６の被覆試料３３を透過型電子顕微鏡で観察し、写真解析した。図２は、本発明例の被覆試料２３における硬質皮膜の透過型電子顕微鏡による断面観察写真（５００，０００倍）の一例である。図３は、比較例２６の被覆試料３３における硬質皮膜の透過型電子顕微鏡による断面観察写真（５００，０００倍）の一例である。

図２において、相対的に暗く見える部分は、結晶構造中、相対的にＳｉ量が多い部位である。相対的に白く見える部分は、結晶構造中、相対的にＳｉ量が少ない部位である。図２に示す一例において、本発明例の被覆試料における硬質皮膜のミクロ組織は、結晶構造中、相対的にＳｉ量が多い結晶相が、相対的にＳｉ量が少ない結晶相に分散している組織形態を示している。
このように、本発明例の被覆試料２３における硬質皮膜のミクロ組織は、結晶構造中、相対的にＳｉ量が少ない結晶相と、相対的にＳｉ量が多い結晶相と、を有していることを確認した。本発明例の被覆試料における硬質皮膜のミクロ組織では、円相当径が２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の相対的に暗く見える結晶相（相対的にＳｉ量が多い結晶相）が分散していた。
一方、比較例２６の被覆試料３３における硬質皮膜は、相対的に暗く見える結晶相（相対的にＳｉ量が多い結晶相）が本発明例の被覆試料に比べて微細であった。
本発明例の被覆試料２３と比較例２６の被覆試料３３とにおける硬質皮膜は、ほぼ同様の皮膜組成を有するものの、ミクロ組織が異なる組織形態を示した。

本発明例の被覆試料と比較例の被覆試料における硬質皮膜について、ｈｃｐ構造のＡｌＮを評価した。
具体的には、硬質皮膜を加工し、硬質皮膜の加工断面において、基材側の制限視野回折パターンと表面側の制限視野回折パターンとのそれぞれを、加速電圧１２０Ｖ、制限視野領域φ７５０ｎｍ、カメラ長１００ｃｍ、入射電子量５．０ｐＡ／ｃｍ^２（蛍光板上）の条件にて求めた。求めた制限視野回折パターンの輝度を変換し、強度プロファイルを求めた。

本発明例の被覆試料２３における硬質皮膜の制限視野回折パターンの強度プロファイルの一例を図４に示す。図４は、本発明例２３の被覆試料における硬質皮膜の制限視野回折パターンの輝度を変換して求めた、制限視野回折パターンの強度プロファイルである。図４において、横軸は（０００）面スポット中心からの距離（半径ｒ）を、縦軸は各半径ｒにおける円一周分の積算強度（任意単位）を、それぞれ示している。
図４において、矢印１は、ｈｃｐ構造のＡｌＮの（０１０）面に起因するピークであり、ｈｃｐ構造のＡｌＮの最大強度である。矢印２は、ｈｃｐ構造のＡｌＮの（０１１）面、並びにｆｃｃ構造のＡｌＮの（１１１）面およびＣｒＮの（１１１）面に起因するピークである。矢印３は、ｆｃｃ構造のＡｌＮの（２００）面およびＣｒＮの（２００）面に起因するピークである。矢印４は、ｈｃｐ構造のＡｌＮの（１１０）面に起因するピークである。矢印５は、ｆｃｃ構造のＡｌＮの（２２０）面およびＣｒＮの（２２０）面に起因するピークである。

図４に示す強度プロファイルから、バックグラウンドの値は除去せずに、本発明例の被覆試料２３における硬質皮膜におけるＩｈ×１００／Ｉｓの値の算出を試みた。
ここで、Ｉｈは、六方最密充填構造のＡｌＮの（０１０）面に起因するピーク強度を表す。また、Ｉｓは、面心立方格子構造の、ＡｌＮの（１１１）面、ＣｒＮの（１１１）面、ＡｌＮの（２００）面、ＣｒＮの（２００）面、ＡｌＮの（２２０）面、およびＣｒＮの（２２０）面に起因するピーク強度と、六方最密充填構造の、ＡｌＮの（０１０）面、ＡｌＮの（０１１）面、およびＡｌＮの（１１０）面に起因するピーク強度と、の合計を表す。
結果、被覆試料２３における硬質皮膜は、硬質皮膜の加工断面における基材側のＩｈ×１００／Ｉｓの値、および表面側のＩｈ×１００／Ｉｓの値はいずれも、１７であった。
これに対して、比較例２６の被覆試料３３における硬質皮膜は、本発明例の被覆試料よりもｈｃｐ構造のＡｌＮのピーク強度が大きくなり、硬質皮膜の加工断面における基材側のＩｈ×１００／Ｉｓの値、および表面側のＩｈ×１００／Ｉｓの値はいずれも、２８であった。
実施例２において、本発明例の被覆試料および比較例の被覆試料における硬質皮膜のいずれも、Ｘ線回折ではｈｃｐ構造のＡｌＮに起因するピーク強度は確認されていない。
このように、Ｘ線回折では確認できないミクロレベルで存在するｈｃｐ構造のＡｌＮを定量的に評価するには、制限視野回折パターンから求められる強度プロファイルを適用することが有効である。
本発明例の被覆試料２０〜２６における硬質皮膜は、いずれもＩｈ×１００／Ｉｓ≦２５の関係を満たしていた。比較例２０、２１および２８の被覆試料２７、２８および３５における硬質皮膜は、カソード電圧を３２Ｖと高く設定し、基材に印加する負のバイアス電圧を−２００Ｖ〜−１００Ｖとしたため、Ｉｈ×１００／Ｉｓ≦２５の関係を満たした。一方、比較例２２、２３の被覆試料２９、３０における硬質皮膜では、基材に印加する負のバイアス電圧を−５０Ｖとしたため、Ｉｈ×１００／Ｉｓの値は２５よりも大きい値を示した。比較例２４、２５および２７の被覆試料３１、３２および３４における硬質皮膜では、カソード電圧が２１Ｖと低いため、Ｉｈ×１００／Ｉｓの値は２５よりも大きい値を示した。特に、基材に印加するバイアス電圧を−５０Ｖとした比較例２４の被覆試料３１は、Ｉｈ×１００／Ｉｓの値が最も大きい値を示した。

（実施例３）
実施例２において、本発明例の被覆試料２３と比較例２６の被覆試料３３における硬質皮膜の保護皮膜として、厚み約１．０μｍのＴｉ_７５Ｓｉ_２５Ｎ（数値は原子比率（原子％））を被覆した本発明例３０の被覆試料および比較例３０の被覆試料を作製した。作製した各被覆試料（被覆切削工具）について、以下に示す切削条件にて切削試験を行った。表５に切削試験結果を示す。切削条件の詳細は、以下の通りである。
<切削条件>
・加工方式：湿式加工
・工具：２枚刃超硬ボールエンドミル
・型番：ＥＰＤＢＥ２０１０−６、ボール半径０．５ｍｍ、首下長さ６ｍｍ
・切削方法：底面切削
・被削材：ＳＴＡＶＡＸ（５２ＨＲＣ）（ウッデホルム社製）
・切り込み：軸方向、０．０４ｍｍ、径方向、０．０４ｍｍ
・切削速度：７８．５ｍ／ｍｉｎ
・一刃送り量：０．０１８９ｍｍ／刃
・切削油：水溶性エマルション加圧供給
・切削距離：６０ｍ
・評価方法：切削加工後、走査型電子顕微鏡を用いて倍率１５０倍で被覆試料を観察し、被覆試料と被削材とが擦過した幅を実測し、そのうちの擦過幅が最も大きい部分を最大摩耗幅として求めた。最大摩耗幅は、値が小さいほど耐久性に優れることを示す。

表５に示すように、硬質皮膜と組成の異なる保護皮膜としてＴｉＳｉＮ皮膜を設けた本発明例３０の被覆試料では、摩耗に対して安定した損傷形態を示し、優れた耐久性を示した。これに対して、比較例３０の被覆試料は、金属元素に対する窒素の比率（Ｂ／Ａ）が１．０３よりも小さいので、保護皮膜としてＴｉＳｉＮ皮膜を設けても、本発明例の被覆試料のように摩耗に対して安定した損傷形態を示さずに、大きな皮膜剥離が発生した。

日本出願２０１４−０５５５６３の開示はその全体が参照により本明細書に取り込まれる。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。

Claims (7)

1. 基材と、前記基材の表面に配置された硬質皮膜と、を有し、
   前記硬質皮膜は、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、アルミニウム（Ａｌ）の含有比率が５０原子％以上６８原子％以下であり、クロム（Ｃｒ）の含有比率が２０原子％以上４６原子％以下であり、ケイ素（Ｓｉ）の含有比率が４原子％以上１５原子％以下である窒化物又は炭窒化物からなり、かつ、金属（半金属を含む）元素、窒素、酸素および炭素の合計を１００原子％とした場合の金属（半金属を含む）元素の原子比率（原子％）Ａと窒素の原子比率（原子％）Ｂとが１．０３≦Ｂ／Ａ≦１．０７の関係を満たし、
   Ｘ線回折パターンまたは透過型電子顕微鏡の制限視野回折パターンから求められる強度プロファイルにおいて、面心立方格子構造の（２００）面または（１１１）面に起因するピーク強度が最大強度を示す、被覆切削工具。
2. 前記硬質皮膜は、透過型電子顕微鏡の制限視野回折パターンから求められる強度プロファイルにおいて、六方最密充填構造のＡｌＮの（０１０）面に起因するピーク強度をＩｈとし、面心立方格子構造の、ＡｌＮの（１１１）面、ＣｒＮの（１１１）面、ＡｌＮの（２００）面、ＣｒＮの（２００）面、ＡｌＮの（２２０）面、およびＣｒＮの（２２０）面に起因するピーク強度と、六方最密充填構造の、ＡｌＮの（０１０）面、ＡｌＮの（０１１）面、およびＡｌＮの（１１０）面に起因するピーク強度と、の合計をＩｓとした場合、Ｉｈ×１００／Ｉｓ≦２５の関係を満たす請求項１に記載の被覆切削工具。
3. 前記硬質皮膜は、周期律表の４族、５族、および６族（Ｃｒを除く）の金属元素並びにホウ素（Ｂ）からなる群より選択される１種または２種以上の元素の含有比率が、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、１５原子％以下である請求項１又は請求項２に記載の被覆切削工具。
4. 前記基材上の前記硬質皮膜の上に、前記硬質皮膜と組成の異なる窒化物又は炭窒化物からなる保護皮膜を有する請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
5. 硬質皮膜と組成の異なる窒化物又は炭窒化物からなる前記保護皮膜は、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、Ｔｉの含有比率が５０原子％以上であり、Ｓｉの含有比率が１原子％以上３０原子％以下である窒化物又は炭窒化物からなる膜である請求項４に記載の被覆切削工具。
6. 前記硬質皮膜は、ナノインデンテーション硬度が４０ＧＰａ以上５５ＧＰａ以下である請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
7. 金属（半金属を含む）元素の総量に対して、アルミニウム（Ａｌ）の含有比率が５５原子％以上７０原子％以下であり、クロム（Ｃｒ）の含有比率が２０原子％以上３５原子％以下であり、ケイ素（Ｓｉ）の含有比率が７原子％以上２０原子％以下である合金ターゲットをカソードに設置し、基材に印加するバイアス電圧が−２２０Ｖ以上−６０Ｖ以下、かつ、カソード電圧が２２Ｖ以上２７Ｖ以下である条件、または、基材に印加するバイアス電圧が−１２０Ｖ以上−６０Ｖ以下、かつ、カソード電圧が２８Ｖ以上３２Ｖ以下である条件にて、アークイオンプレーティング法により、窒化物又は炭窒化物を基材の表面に被覆することで、基材の表面に硬質皮膜を形成する工程を有する、被覆切削工具の製造方法。