JP7061603B2 - 多層硬質皮膜被覆切削工具 - Google Patents

Description

本発明は、金属材料等の切削に用いられる多層硬質皮膜被覆切削工具（以下、単に、「被覆工具」ともいう）に関し、特に、炭素鋼、合金鋼等の通常（低速）切削および高速切削のいずれにおいても長寿命を示す多層硬質皮膜被覆切削工具に関する。

一般に、被覆工具には、各種の鋼や鋳鉄などの被削材の旋削加工や平削り加工にバイトの先端部に着脱自在に取り付けて用いられるインサート、被削材の穴あけ切削加工などに用いられるドリルやミニチュアドリル、さらに被削材の面削加工や溝加工、肩加工などに用いられるソリッドタイプのエンドミルなどがあり、またインサートを着脱自在に取り付けてソリッドタイプのエンドミルと同様に切削加工を行うインサート式エンドミル工具などが知られている。

近年、金属材料の切削加工においては高能率化の要求が高く、切削速度を高速化させることが求められている。このため、切削工具の工具基体表面を被覆する被膜に対して耐摩耗性や耐欠損性を向上させることが要求されている。

例えば、特許文献１には、ＴｉＡｌＣｒＳｉＮからなる第１および第３の硬質皮膜と、ＴｉＳｉＮからなる第２の硬質皮膜と、が被覆されているドリル等の被覆工具において、前記第１ないし第３の硬質皮膜が、前記被覆工具の母材側から前記第１の硬質皮膜、前記第２の硬質皮膜、前記第３の硬質皮膜の順に被覆されており、前記第１の硬質皮膜の膜厚は、前記第２および第３の硬質皮膜の膜厚よりも厚くしたドリル等の被覆工具が提案されており、このような硬質皮膜の被覆構造とすることによって、多層膜を形成する各硬質皮膜の膜応力が低減するので、ドリル等の小径の切削工具であっても多層膜を被覆することできて、優れた耐摩耗性を発揮するとされている。

特許文献２には、Ｔｉ窒化物もしくは炭窒化物からなる層とＴｉＡｌの窒化物もしくは、炭窒化物からなる層を少なくとも２層以上被覆した被覆工具において、Ｘ線回折における（１１１）面の強度をＩ（１１１）、（２００）面の強度をＩ（２００）としたとき、Ｔｉ の窒化物もしくは炭窒化物層のＩ（２００）／Ｉ（１１１）の値が１以下であり、Ｔｉ、Ａｌの窒化物もしくは炭窒化物層のＩ（２００）／Ｉ（１１１）の値が１以上であり、多層被覆する各層の中間にＴｉの窒化物、炭窒化物層とＴｉ、Ａｌの窒化物、炭窒化物層双方よりなる５ｎｍ から５００ｎｍの厚さの中間層を介在させた被覆工具が提案されており、このような層構造（即ち、配向性の異なるＴｉ窒化物、炭窒化物とＴｉＡｌの窒化物、炭窒化物という２種の皮膜を多層被覆すること）により、層の残留圧縮応力が低減されるため、厚膜化が可能となり、その結果、耐摩耗性向上が図られるとされている。

また、特許文献３には、炭化タングステン基超硬合金からなる工具基体の表面に、硬質被覆層として、第１の複合窒化物層と第２の複合窒化物層とが交互に計４層以上形成し、前記第１の複合窒化物層は、少なくとも前記工具基体の表面に直接成膜され、０．５～１．２５μｍの平均層厚を有し、組成式：（Ａｌ_１－ＸＴｉ_Ｘ）Ｎで表した場合に、０．３≦Ｘ≦０．７（ただし、Ｘ値は原子比）を満足する平均組成のＡｌとＴｉの複合窒化物層とし、また、前記第２の複合窒化物層は、０．５～１．２５μｍの平均層厚を有し、組成式：（Ａｌ_１－ａＣｒ_ａ）Ｎで表した場合に、０．２≦ａ≦０．６（ただし、ａ値は原子比）を満足する平均組成のＡｌとＣｒの複合窒化物層とした被覆工具（ドリル）が提案されており、この被覆工具（ドリル）によれば、炭素鋼の切削加工において、硬質被覆層の摩耗や剥離を抑制しえることから、工具寿命を延長できるとされている。

さらに、特許文献４には、切削工具として、少なくとも一つの（Ａｌ_ｙＣｒ_１－ｙ）Ｘ層（ただし、０．２≦ｙ≦０．７であり、かつ、Ｘは、Ｎ、Ｃ、Ｂ、ＣＮ、ＢＮ、ＣＢＮ、ＮＯ、ＣＯ、ＢＯ、ＣＮＯ、ＢＮＯ、ＣＢＮＯのうちの１種の元素）、及び、一つの（Ｔｉ_ｚＳｉ_１－ｚ）Ｘ層（ただし、０．９９≧ｚ≧０．７）からなる群から選択される少なくとも１つの層を硬物質層として備え、
該硬物質層がさらに、一つの（ＡｌＣｒＴｉＳｉ）Ｘ混合層に次ぐ一つの（Ｔｉ_ｚＳｉ_１－ｚ）Ｎ層または（Ａｌ_ｙＣｒ_１－ｙ）Ｎ層、それに次ぐ一つの（ＡｌＣｒＴｉＳｉ）Ｘ混合層、それに次ぐ一つの（Ａｌ_ｙＣｒ_１－ｙ）Ｎ層という構成を備える、少なくとも一つの層パッケージを備え、
前記層パッケージの（Ａｌ_ｙＣｒ_１－ｙ）Ｎ層または複数の（Ａｌ_ｙＣｒ_１－ｙ）Ｎ層の１つの層厚が７５ｎｍ～２００ｎｍであり、または前記層パッケージの（Ｔｉ_ｚＳｉ_１－ｚ）Ｎ層の層厚が５０～１５０ｎｍであり、かつ前記層パッケージの（ＡｌＣｒＴｉＳｉ）Ｘ混合層が、２０±１０ｎｍの層厚を持つ、多層構造の硬物質層を備えた耐摩耗性を改善した被覆工具が提案されている。
また、前記特許文献４には、前記少なくとも一つの（Ａｌ_ｙＣｒ_１－ｙ）Ｘ層、前記層パッケージの１つのまたは複数の（Ａｌ_ｙＣｒ_１－ｙ）Ｎ層、及び、該（ＡｌＣｒＴｉＳｉ）Ｘ混合層が、Ｗ、Ｖ、Ｍｏ、ＮｂおよびＳｉの少なくとも一種をさらに含むことができること（段落００１７参照)、また、硬物質層は、４から１１の層パッケージが備わっていること（請求項５参照）、さらに、硬物質層の最表面には、一つの（Ａｌ_ｙＣｒ_１－ｙ）Ｘ表層または一つの（Ｔｉ_ｚＳｉ_１－ｚ）Ｘ表層が形成されていること（請求項８参照）が記載されている。

特開２０１４－６９２５８号公報 特許第３７０５３８１号公報 特開２０１４－８７８５８号公報 特許第５２８９０４２号公報

近年の切削加工装置の自動化はめざましく、一方で切削加工に対する省力化、省エネ化、低コスト化の要求は強く、さらに、通常（低速）切削および高速切削のいずれの切削条件でも使用可能な汎用性のある切削工具が求められている。
例えば、前記特許文献２で提案されている被覆工具は、高速領域の切削加工においては、欠損等の発生もなくすぐれた工具寿命を示す反面、通常（低速）領域の切削加工においては、チッピング発生を原因として短期間で工具寿命に至るという問題がある。
一方、前記特許文献３で提案されている被覆工具は、通常（低速）領域の切削加工においては、チッピング等の発生はわずかであってすぐれた工具寿命を示す反面、高速領域の切削加工においては、欠損発生により短期間で工具寿命に至るという問題がある。
また、前記特許文献１、４で提案されている被覆工具においては、多積層被膜の最表面層の厚膜化によって工具寿命の延長を図ろうとした場合、層内の内部応力の増大とても、切削加工時の負荷によって刃先が欠損を発生しやすくなるため、層厚に見合った寿命延長効果が得られないばかりか加工品質を低下させるという問題があった。
このように、通常（低速）切削条件および高速切削条件のいずれの切削条件においても、チッピング、欠損等の異常損傷の発生がなくすぐれた耐摩耗性を発揮する汎用性ある被覆工具が望まれるとともに、硬質皮膜の厚膜化による工具寿命の延命化を図り得る被覆工具が求められている。

そこで、本発明者らは、前述のような観点から、通常（低速）切削条件および高速切削条件のいずれにおいても汎用性を有する性能を示し、かつ、チッピング、欠損等の異常損傷を発生することなく長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮する工具寿命の長い被覆工具を開発すべく、鋭意研究を行った。

本発明者らは、特に、被覆工具の層構造について研究を進めたところ、以下の知見を得たのである。
（１）ＷＣ基超硬合金等からなる工具基体の表面に多層硬質皮膜を被覆した被覆工具において、多層硬質皮膜の上部層を（Ｔｉ_ｚＳｉ_１－ｚ）Ｘで構成するとともに、かつ、該上部層の層厚を最適化し、
（２）前記上部層と工具基体の間に、多積層膜からなる下部層を形成し、該多積層膜を、（Ａｌ_ｙＣｒ_１－ｙ）Ｘ層（以下、「Ａ層」ともいう。）と、前記（Ｔｉ_ｚＳｉ_１－ｚ）Ｘと前記（Ａｌ_ｙＣｒ_１－ｙ）Ｘの混合層（以下、「Ｂ層」または（ＡｌＣｒＴｉＳｉ）Ｘ混合層ともいう。）との交互積層構造として形成し、
（３）前記Ａ層の層厚と前記Ｂ層の層厚を適正化し、さらに、一つのＡ層と一つのＢ層の組み合わせを１対とした時、下部層を２対～８対の範囲内の繰返し対数で構成することによって、応力の過大な増大につながる異種界面数を適切に減少させ、応力緩和を図るために前記Ｂ層の体積率を上げる。
前記（１）～（３）で規定される条件を満たす多層硬質皮膜を被覆した本発明の被覆工具は、通常（低速）切削条件および高速切削条件のいずれにおいても、チッピング、欠損等の異常損傷を発生することなくすぐれた耐摩耗性を発揮すること、さらに、上部層を厚膜化してもチッピング、欠損等の異常損傷を発生する恐れがないこと、その結果、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を発揮することを見出したのである。
さらに、前記の（１）～（３）に加えて、
（４）前記Ｂ層において、成分Ｘを除く他の成分元素について、層内に周期的組成変化を所定の周期長、所定の組成変動率で形成した場合には、Ｂ層による応力緩和効果だけでなく、耐摩耗性向上効果が得られるため、より一段と、耐チッピング性、耐欠損性、耐摩耗性が向上し、被覆工具の長寿命化が図られることを見出したのである。

本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「（１） 工具基体の表面に多層硬質皮膜が形成されている、前記工具基体を含む多層硬質皮膜被覆切削工具において、
（ａ）前記多層硬質皮膜は、前記多層硬質皮膜の最外層としての上部層および前記多層硬質皮膜の最外層と工具基体表面の間に設けられた下部層を少なくとも備え、
（ｂ）前記多層硬質皮膜の最外層としての上部層は、少なくとも、ＴｉとＳｉを含有する０．０７５～１．５μｍの層厚を有するＴｉ、ＳｉとＸの化合物層からなり、前記Ｔｉ、ＳｉとＸの化合物を、
組成式：（Ｔｉ_ｚＳｉ_１－ｚ）Ｘ
で表した場合、０．７≦ｚ≦０．９９（但し、ｚは原子比）を満足し、かつ、Ｘは、Ｎ、Ｃ、Ｂ、ＣＮ、ＢＮ、ＣＢＮ、ＮＯ、ＣＯ、ＢＯ，ＣＮＯ，ＢＮＯ、ＣＢＮＯから選ばれるいずれか一種であり、
（ｃ）前記下部層は、Ａ層とＢ層との多積層膜からなり、Ｂ層の層厚はＡ層の層厚と同じかそれよりも厚くなっており、その厚さの比はＡ層：Ｂ層＝１：１～１：２であり、かつ、一つのＡ層と一つのＢ層との組み合わせを１対とした場合、２対～８対の範囲内の繰返し対数を有する多積層膜からなり、
（ｄ）前記Ａ層は、少なくともＡｌとＣｒを含有するＡｌ、ＣｒとＸの化合物層であって、前記Ａｌ、ＣｒとＸの化合物を、
組成式：（Ａｌ_ｙＣｒ_１－ｙ）Ｘ
で表した場合、０．２≦ｙ≦０．７（但し、ｙは原子比）を満足し、かつ、Ｘは、Ｎ、Ｃ、Ｂ、ＣＮ、ＢＮ、ＣＢＮ、ＮＯ、ＣＯ、ＢＯ，ＣＮＯ，ＢＮＯ、ＣＢＮＯから選ばれるいずれか一種であり、
（ｅ）前記Ｂ層は、前記（Ｔｉ_ｚＳｉ_１－ｚ）Ｘと前記（Ａｌ_ｙＣｒ_１－ｙ）Ｘの混合層であり、前記Ｘは、Ｎ、Ｃ、Ｂ、ＣＮ、ＢＮ、ＣＢＮ、ＮＯ、ＣＯ、ＢＯ，ＣＮＯ，ＢＮＯ、ＣＢＮＯから選ばれるいずれか一種であることを特徴とする多層硬質皮膜被覆切削工具。
（２）前記混合層は（Ｔｉ_ｚＳｉ_１－ｚ）Ｘ層と（Ａｌ_ｙＣｒ_１－ｙ）Ｘ層で構成され、前記混合層の構成は、個々の（Ｔｉ_ｚＳｉ_１－ｚ）Ｘ層と個々の（Ａｌ_ｙＣｒ_１－ｙ）Ｘ層の交互の積層となっており、また前記混合層を構成している個々の（Ｔｉ_ｚＳｉ_１－ｚ）Ｘ層と個々の（Ａｌ_ｙＣｒ_１－ｙ）Ｘ層の各々の膜厚は１００ｎｍを超えないことを特徴とする（１）に記載の多層硬質皮膜被覆切削工具。
（３）少なくとも、ＴｉとＳｉを含有する前記上部層は、０．２～１．５μｍの層厚を有することを特徴とする（１）または（２）に記載の多層硬質皮膜被覆切削工具。
（４）少なくとも、ＴｉとＳｉを含有する前記上部層は、０．６～１．５μｍの層厚を有することを特徴とする（１）または（２）に記載の多層硬質皮膜被覆切削工具。
（５）前記下部層を構成する一層層厚において、Ａ層が０．２５～１．５μｍを有する（１）または（２）に記載の多層硬質皮膜被覆切削工具。
（６）前記下部層を構成する一層層厚において、Ｂ層が０．２５～２．５μｍを有する（１）または（２）に記載の多層硬質皮膜被覆切削工具。
（７）少なくとも前記Ａ層のうちの一つの層および前記Ｂ層のうちの一つの層は、Ｗ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒから選ばれる少なくとも一つの成分元素、あるいはＳｉをさらに含有していることを特徴とする（１）～（６）のいずれかに記載の多層硬質皮膜被覆切削工具。
（８）前記Ｂ層において、Ｘを除く成分元素の少なくとも一つの成分についての周期的な組成変化が存在し、該周期的組成変化の周期長（ｎｍ）を、該成分が極大含有率を示す位置とそれに隣接する極大含有率を示す位置の厚さとして求めた場合に周期長は２０～２００ｎｍであり、また、該周期的組成変化の組成変動率を、該成分の極大含有率と極小含有率の差を極大含有率で除した割合（％）として求めた場合、組成変動率は５～９５％であることを特徴とする（１）～（７）のいずれかに記載の多層硬質皮膜被覆切削工具。
（９）前記工具基体と下部層の間に最下部層が形成され、該最下部層は、０．０５～１．５μｍの層厚の前記Ａ層と、０．０５～２．５μｍの層厚の前記Ｂ層とからなる（１）～（８）のいずれかに記載の多層硬質皮膜被覆切削工具。」
を特徴とする。

次に、本発明の被覆工具について、図面とともに説明する。

図１に、本発明の多層硬質皮膜を有する被覆工具の多層硬質皮膜の縦断面概略模式図を示す。
本発明では、例えば、ＷＣ基超硬合金からなる工具基体の表面に、例えば、図３に示すアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）装置を用いた物理蒸着法により多層硬質皮膜を形成する。
多層硬質皮膜の最外層としての上部層（以下、単に「上部層」という）としては、図１中に、（Ｔｉ_ｚＳｉ_１－ｚ）Ｘとして示すように、組成式：（Ｔｉ_ｚＳｉ_１－ｚ）Ｘで表される少なくともＴｉとＳｉを含有する化合物層が被覆される。
ここで、０．７≦ｚ≦０．９９（但し、ｚは原子比）を満足し、かつ、Ｘは、Ｎ、Ｃ、Ｂ、ＣＮ、ＢＮ、ＣＢＮ、ＮＯ、ＣＯ、ＢＯ，ＣＮＯ，ＢＮＯ、ＣＢＮＯから選ばれるいずれか一種である。
前記の少なくともＴｉとＳｉを含有する化合物層からなる上部層は、Ｓｉ成分を含有することによって、耐酸化性が向上するため、切削加工時の高温条件下においても、すぐれた高硬度を維持するが、ＴｉとＳｉの合量に占めるＴｉの含有割合を表すｚが０．７未満であると、上部層の高温靭性、高温強度が低下し、一方、ｚが０．９９を超えるとＳｉ成分を含有したことによる硬度向上効果が得られなくなる。
したがって、ｚ値は、０．７≦ｚ≦０．９９（但し、原子比）とする。望ましくは、０．８５≦ｚ≦０．９５（但し、原子比）である。さらに本発明の切削試験に関する好適実施例によれば、前記上部層は直接下部層の上に成膜されたものである。
また、前記上部層は、すぐれた耐摩耗性を示すが、組成式：（Ｔｉ_ｚＳｉ_１－ｚ）Ｘで表される成分Ｘが、Ｎ、Ｃ、Ｂ、ＣＮ、ＢＮ、ＣＢＮ、ＮＯ、ＣＯ、ＢＯ，ＣＮＯ，ＢＮＯ、ＣＢＮＯのいずれであっても、いずれも硬質であって類似した特性を示す。
したがって、成分Ｘとしては、Ｎ、Ｃ、Ｂ、ＣＮ、ＢＮ、ＣＢＮ、ＮＯ、ＣＯ、ＢＯ，ＣＮＯ，ＢＮＯ、ＣＢＮＯから選ばれるいずれか一種を用いればよい。なお、よりすぐれた硬さ、耐摩耗性の要求に応えるためには、成分Ｘとしては、ＮまたはＣＮが好適である。
なお、成分Ｘの作用については、後記するＡ層、Ｂ層においても、前記上部層の場合と同様である。
前記上部層は、その層厚が０．０７５μｍであると長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮することができないため、工具寿命が短命となり、一方、１．５μｍを超えると、層内の内部応力によって、切削加工時のチッピング、欠損、自壊等の異常損傷を発生しやすくなる。
したがって、上部層の層厚は、０．０７５～１．５μｍとする。上部層の層厚は、０．２～１．５μｍとすることがより望ましく、さらに望ましくは０．６～１．５μｍとすることである。

図１に示すように、本発明では、前記上部層と工具基体の間に、下部層が形成される。
さらに本発明の切削試験に関する好適実施例によれば、前記上部層は直接下部層の上に成膜されたものである。
下部層は、Ａ層とＢ層との多積層膜からなり、Ｂ層の層厚はＡ層の層厚と同じかそれよりも厚くなっており、その厚さの比はＡ層：Ｂ層＝１：１～１：２であり、また、一つのＡ層と一つのＢ層との組み合わせを１対の層とした場合、２対～８対の範囲内の繰返し対数を有する多積層膜からなる。望ましくは、Ａ層一層の層厚は０．２５～１．５μｍであり、Ｂ層一層の層厚は０．２５～２．５μｍである。
ここで、Ａ層は、組成式：（Ａｌ_ｙＣｒ_１－ｙ）Ｘで表される少なくともＡｌとＣｒを含有する化合物層である。さらに本発明の切削試験に関する好適実施例によれば、Ａ層は基本的に（Ａｌ_ｙＣｒ_１－ｙ）Ｘで出来ている。
また、Ｂ層は、（Ａｌ_ｙＣｒ_１－ｙ）Ｘで表される少なくともＡｌとＣｒを含有する化合物（前記Ａ層に同じ）と、組成式：（Ｔｉ_ｚＳｉ_１－ｚ）Ｘ（前記上部層と同じ組成式）で表される少なくともＴｉとＳｉを含有する化合物との混合層（図１では、「（ＴｉＡｌＣｒＳｉ）Ｘ」で示している）である。
本発明の好適実施例によれば、前記混合層は（Ｔｉ_ｚＳｉ_１－ｚ）Ｘ層と（Ａｌ_ｙＣｒ_１－ｙ）Ｘ層で構成され、前記混合層の構成は、個々の（Ｔｉ_ｚＳｉ_１－ｚ）Ｘ層と個々の（Ａｌ_ｙＣｒ_１－ｙ）Ｘ層の交互の積層となっており、また前記混合層を構成している個々の（Ｔｉ_ｚＳｉ_１－ｚ）Ｘ層と個々の（Ａｌ_ｙＣｒ_１－ｙ）Ｘ層の各々の膜厚はナノメーターサイズが好ましいので、前記混合層を構成している個々の膜厚は１００ｎｍを超えないことが好ましい。しかしながら本発明によれば、前記混合層は同時蒸着法を用いて製膜することから、交互に積層された一つの（Ｔｉ_ｚＳｉ_１－ｚ）Ｘ層と一つの（Ａｌ_ｙＣｒ_１－ｙ）Ｘ層の間にはＡｌ、Ｃｒ、ＴｉとＸからなる混合ナノ層が形成され得る。

前記Ａ層の構成成分であるＡｌ成分には高温硬さ、同Ｃｒ成分には高温靭性、高温強度を向上させると共に、ＡｌおよびＣｒが共存含有した状態で耐酸化性を向上させる作用があるが、ＡｌとＣｒの合量に占めるＡｌの含有割合を示すｙ（但し、原子比）が、０．２未満であると、Ａ層の有する高温硬さが不十分となり、一方、ｙが０．７を超えると、Ａ層の高温靭性、高温強度が低下するようになるので、ｙは、０．２≦ｙ≦０．７（但し、原子比）と定めた。
また、望ましいＡ層の一層層厚を０．２５～１．５μｍとしたのは、仮に厚さが０．２５μｍ未満であると、積層構造をとるＢ層の効果が顕著に表れることで微小欠損状の摩耗になり、工具用の皮膜として寿命が得られず、一方、厚さが１．５μｍを超えると、逆にＡ層の相対的に速い擦過が工具用の皮膜としての使用において支配的になり、十分な寿命を得られないという理由による。

前記Ｂ層は、いわば、上部層を構成するＴｉとＳｉの化合物と同じ成分の層と、前記Ａ層を構成するＡｌとＣｒの化合物と同じ成分の層の混合層であり、ＴｉとＳｉの化合物層の有する特性と、ＡｌとＣｒの化合物層の有する特性とを相兼ね備える。
望ましいＢ層の一層層厚は、０．２５～２．５μｍとするが、これは、仮に厚さが０．２５μｍ未満であると、積層構造をとるＡ層の効果が顕著に表れることで速い擦過が工具用の皮膜としての使用において支配的になり、工具用の皮膜として寿命が得られず、一方、厚さが１．５μｍを超えると工具用の皮膜としての使用において微小欠損状の摩耗になり、十分な寿命を得られないという理由による。

下部層は、前記Ａ層と前記Ｂ層の多積層膜として構成するが、一つのＡ層と一つのＢ層との組み合わせを１対の層とした場合、２対～８対の範囲内の繰返し対数からなる多積層膜によって下部層を構成する。
これは、後記実施例でも明らかにするように、多積層膜の繰返し対数が、２対未満あるいは８対を超えるような場合には、高速切削加工における工具寿命が低下するからである。

前記Ａ層のうちの少なくとも一つの層および前記Ｂ層のうちの一つの層は、Ｗ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒから選ばれる少なくとも一つの成分元素、あるいはＳｉをさらに追加成分として含有することができる。
また、前記Ａ層のうちの少なくとも一つの層およびＢ層は、Ｗ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒから選ばれる少なくとも一つの成分元素、あるいは、Ｓｉを、合計量で０．５～２５原子％追加成分として含有することによって、前記Ｂ層における前記追加成分の含有量を調整することができる。
この場合、追加成分の含有量０．５～２５原子％は、例えば、Ｃｒ含有量の一部を置換して含有される割合である。
前記追加成分がＡ層、Ｂ層中に含有されることによって、多層硬質皮膜の耐摩耗性が向上することで逃げ面摩耗を抑制させ、且つ潤滑性が高まり、その結果、切り屑の排出性が向上するため、このような追加成分を含有する多層硬質皮膜は、例えば、ドリルの多層硬質皮膜として好適である。

前記Ｂ層の成膜にあたっては、所定組成のＡｌ－Ｃｒ合金ターゲットと所定組成のＴｉ－Ｓｉ合金ターゲットを用いた同時蒸着により、Ｂ層の内部に、Ｘを除く成分元素の周期的組成変化を形成することができる。
そして、このような周期的組成変化を形成することによって、Ｂ層の硬さを高めることができると同時に、層内の応力緩和効果が得られるため、切削加工時の負荷によるクラックの発生、進展を抑制することができ、後記の実施例に示すように格段に優れた耐チッピング性、耐欠損性および耐摩耗性を発揮することができる。

図２（ａ）に、周期的組成変化を有するＢ層が形成された多層硬質皮膜の断面ＳＥＭ像を示し、（ｂ）に、Ａ層とＢ層の部分拡大図を示し、（ｃ）にＢ層の模式図を示す。
図２（ａ）は、３対のＡ層とＢ層からなる下部層と、その上に上部層を形成した多層硬質皮膜を示す。
図２（ｂ）に示す部分拡大図においては、一つのＡ層の層厚は、０．２５μｍであり、一つのＢ層の層厚は０．３８μｍである。
図２（ｃ）に、図２（ｂ）に示されるＢ層の模式図を示す。
なお、図２（ａ）～（ｃ）において、成分Ｘとしては、いずれもＮを含有させている。
図２（ｃ）に示すＢ層は、（Ｔｉ_ｚＳｉ_１－ｚ）Ｘと前記（Ａｌ_ｙＣｒ_１－ｙ）Ｘの混合層であるが、図２（ｃ）において、Ｂ層は成分組成がＢ層内全体にわたって均一な層ではなく、Ｂ層中に、ＴｉとＳｉの組成割合が高い領域と、ＡｌとＣｒの組成割合が高い領域が、それぞれ縞模様として形成されている。
縞模様が形成されているＢ層について、ＴＥＭ－ＥＤＳを用いた層厚方向に沿った組成分析を行うと、層厚０．３８μｍのＢ層中には、Ｂ層を構成する少なくとも一つの成分元素の周期的組成変化、例えば、Ｔｉ成分の周期的組成変化が形成され、該Ｔｉ成分の極大含有率を示す位置とそれに隣接する極大含有率を示す位置の厚さを周期的組成変化の周期長とした場合、周期長は約１００ｎｍであること、また、周期的組成変化の組成変動率η＝（Ｃ_１-Ｃ_２）×１００/Ｃ_１は、５～９５％の範囲内であることがわかる。
ここで、Ｃ_１は、Ｔｉ成分の周期的組成変化における極大含有率、Ｃ_２は、Ｔｉ成分の周期的組成変化における極小含有率であり、Ｃ_１とＣ_２の差をＣ_１で除した割合（％）が組成変動率ηであると定義する。
なお、周期的組成変化は硬さや弾性率などの力学的特性も変化させ、その周期長についての適正な範囲は、２０ｎｍ～２００ｎｍの範囲である。周期長が２０ｎｍを下回ると組成変動を与えることが困難になるばかりか、それに伴う力学的特性の変調も小さくなり、工具の寿命延長の効果を大きく引き出すことができない。また、周期長が２００ｎｍを超えると組成変動の長さが大きくなるばかりか力学的特性の変化の長さも大きくなり、工具の寿命延長の効果を大きく引き出すことができない。

本発明では、工具基体表面に、前述の多層硬質皮膜を形成することによって、通常（低速）切削および高速切削のいずれであっても、チッピング、欠損等の発生を招くこともなく長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮するが、工具基体と多層硬質皮膜との密着強度を高めるために、工具基体と多層硬質皮膜との間に最下部層を形成することができる。
最下部層は、例えば、図１に示すように、０．０５～１．５μｍの層厚の前記Ａ層と、０．０５～２．５μｍの層厚の前記Ｂ層との積層として形成することができる。

成膜方法：
本発明被覆工具の多層硬質皮膜の成膜は、例えば、図３に示すように、装置内に複数種類のカソード電極（蒸発源）を配備したＡＩＰ装置を用いた物理蒸着法によって成膜することができる。
（１）図３に示すように、ＡＩＰ装置内には公転する回転テーブルを設け、回転テーブル上の中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に外周部に沿ってＷＣ基超硬合金等の工具基体を自転可能に装着し、前記回転テーブルを挟んで複数のカソード電極（蒸発源）を配置する。
例えば、ＡＩＰ装置内に、図３に示す位置関係となるように所定組成のＡｌ－Ｃｒ合金からなる４つの電極および所定組成のＴｉ－Ｓｉ合金からなる２つの電極を配置する。
（２）最下部層の成膜：
前記ＡＩＰ装置によって、例えば、本発明被覆工具の最下部層を成膜するには、装置内に所定の反応ガスを導入し、所定組成のＡｌ－Ｃｒ合金とアノード電極間のみにアーク放電を発生させて、工具基体表面にまず所定層厚の下部層のＡ層を成膜する。
ついで、所定組成のＡｌ－Ｃｒ合金とアノード電極間にアーク放電を発生させると同時に、所定組成のＴｉ－Ｓｉ合金とアノード電極間にアーク放電を発生させる同時蒸着（ｃｏｄｅｐｏ）により、工具基体表面に形成されたＡ層表面に、所定層厚のＢ層（即ち、（Ａｌ_ｙＣｒ_１－ｙ）Ｘと（Ｔｉ_ｚＳｉ_１－ｚ）Ｘとの混合層）を成膜する。
（３）下部層の成膜：
ついで、下部層のＡ層を成膜するには、装置内に所定の反応ガスを導入し、所定組成のＡｌ－Ｃｒ合金とアノード電極間のみにアーク放電を発生させて、前記最下部層の表面に所定層厚のＡ層を成膜する。
また、下部層のＢ層を成膜するには、装置内に所定の反応ガスを導入し、所定組成のＡｌ－Ｃｒ合金とアノード電極間にアーク放電を発生させると同時に、所定組成のＴｉ－Ｓｉ合金とアノード電極間にアーク放電を発生させる同時蒸着（ｃｏｄｅｐｏ）によって、前記で成膜したＡ層表面に所定層厚のＢ層（即ち、（Ａｌ_ｙＣｒ_１－ｙ）Ｘと（Ｔｉ_ｚＳｉ_１－ｚ）Ｘとの混合層。図１では、「（ＴｉＡｌＣｒＳｉ）Ｘ」で示している。）を成膜する。
下部層の成膜は、下部層の前記Ａ層と前記Ｂ層の成膜を、所定の層厚になるまで交互に繰り返し行うことによって形成することができる。
なお、最下部層のＢ層、下部層のＢ層の成膜に際し、周期的組成変化の周期長および組成変動率については、回転テーブルの回転速度の調整、ＡＩＰ装置内での複数のカソード電極の設置数・設置位置、アーク放電のＯＮ－ＯＦＦのタイミング調整等によって制御することができる。
（４）上部層の成膜：
上部層の成膜は、装置内に所定の反応ガスを導入し、所定組成のＴｉ－Ｓｉ合金とアノード電極間のみにアーク放電を発生させることにより、下部層表面に所定層厚の上部層を成膜することができる。
前記最下部層、下部層および上部層の成膜に際し、Ｘ成分の種類に応じて、反応ガスの種類を選択することが必要であるが、Ｘ成分として、Ｎ、Ｃ、Ｂ、Ｏが含まれている場合には、例えば、反応ガス成分として、それぞれ、Ｎ_２、ＣＨ_４、Ｃ_３Ｈ_９Ｂ、Ｏ_２などが含有されている反応ガスを用いればよい。
また、多層硬質皮膜中に、Ｗ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒから選ばれる少なくとも一つの成分元素、あるいはＳｉをさらに追加して含有させる場合には、例えば、Ａ層を形成するカソード電極として、Ａｌ－Ｃｒ合金に前記の成分元素をさらに含有させた合金を使用すればよい。

本発明において、多層硬質皮膜を被覆した被覆工具の上部層を０．０７５～１．５μｍの層厚の（Ｔｉ_ｚＳｉ_１－ｚ）Ｘ層（但し、ｚは原子比で、０．７≦ｚ≦０．９９）で構成し、また、多層硬質皮膜の下部層を、（Ａｌ_ｙＣｒ_１－ｙ）Ｘ層（但し、ｙは原子比で、０．２≦ｙ≦０．７）からなるＡ層と、前記（Ｔｉ_ｚＳｉ_１－ｚ）Ｘと前記（Ａｌ_ｙＣｒ_１－ｙ）Ｘの混合層からなるＢ層との交互積層で構成し、その際のＢ層の層厚はＡ層の層厚と同じかそれよりも厚くなっており、その厚さの比はＡ層：Ｂ層＝１：１～１：２であるとするとともに、下部層における一つのＡ層と一つのＢ層の組み合わせを１対とした時、下部層を２対～８対の範囲内の繰返し対を有する多積層膜で構成することにより、本発明の被覆工具は、通常（低速）切削条件および高速切削条件のいずれにおいても、チッピング、欠損等の異常損傷を発生することなくすぐれた耐摩耗性を発揮し、さらに、上部層を厚膜化してもチッピング、欠損等の異常損傷を発生する恐れがないことから、長期の使用にわたってすぐれた切削性能を備え、しかも、汎用性のある被覆工具をを得ることができる。
さらに、前記Ｂ層において、周期的組成変化を所定の周期長、所定の組成変動率で形成した場合には、より一段と、耐チッピング性、耐欠損性、耐摩耗性が向上し、被覆工具の長寿命化が図られる。

本発明の多層硬質皮膜を有する被覆工具の多層硬質皮膜の縦断面概略模式図を示す。 本発明被覆工具の一例として、（ａ）に、周期的組成変化を有するＢ層が形成された多層硬質皮膜の断面ＳＥＭ像を示し、（ｂ）に、Ａ層とＢ層の部分拡大図を示し、（ｃ）にＢ層の模式図を示す。 ドリル表面に多層硬質皮膜を形成するのに用いたＡＩＰ装置を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略正面図である。 （ａ）～（ｊ）は、切削条件Ａ（高速切削）による切削加工試験の途中段階（切削長が５７．０ｍになった時点）における、それぞれのドリルの刃先の摩耗状態を観察した写真である。 （ａ）～（ｊ）は、切削条件Ａ（高速切削）による切削加工試験で寿命に至ったそれぞれのドリルの刃先の摩耗状態を観察した写真である。 （ａ）～（ｊ）は、切削条件Ｂ（通常（低速）切削）による切削加工試験の途中段階（切削長が６６．５ｍになった時点）における、それぞれのドリルの刃先の摩耗状態を観察した写真である。 （ａ）～（ｊ）は、切削条件Ｂ（通常（低速）切削）による切削加工試験で寿命に至ったそれぞれのドリルの刃先の摩耗状態を観察した写真である。 多層硬質皮膜の下部層におけるＡ層とＢ層の繰返し対数（対）とドリルの寿命との関係を示すグラフである。 多層硬質皮膜の上部層の層厚と、切削長あるいは寿命比１との関係を示すグラフであり、（ａ）は、高速切削の場合、（ｂ）は、通常（低速）切削の場合を示す。

つぎに、本発明の被覆工具を実施例により具体的に説明する。
なお、以下の実施例では、多層硬質皮膜を被覆したドリルについて説明するが、旋削加工や平削り加工用のバイトの先端に取り付けるインサート、あるいは、被削材の面削加工や溝加工、肩加工などに用いられるソリッドタイプのエンドミル、インサート式エンドミル等の被覆工具としても本発明は適用されるものである。

まず、ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末等を含む原料粉末を、所定の配合組成に配合し、ボールミルで湿式混合し、乾燥した後、１００ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を６Ｐａの真空中、温度：１４００℃に１時間保持の条件で焼結し、直径が１３ｍｍのＷＣ基超硬合金からなる丸棒焼結体を形成し、さらに、この丸棒焼結体から、研削加工にて、溝形成部の直径×長さがそれぞれ８ｍｍ×２２ｍｍの寸法、並びにねじれ角３０度の２枚刃形状をもったＷＣ基超硬合金製のドリル基体（以下、「ドリル基体」という）を作製した。
なお、ここで作製したドリル基体の成分組成は、タングステンカーバイド（ＷＣ）９０質量％、コバルト（Ｃｏ）１０質量％である。
ついで、これらのドリル基体の切刃に、ホーニングを施し、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した。

前記で作製したドリル基体を、図３に示されるＡＩＰ装置に装入し、表１に示す多層硬質皮膜を成膜した。
具体的には、
（ａ）前記ドリル基体を、図３に示されるＡＩＰ装置内の回転テーブル上の中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に外周部に沿って装着し、ＡＩＰ装置内には、回転テーブルを挟んで所定組成のＡｌ－Ｃｒ合金からなる４つのカソード電極（蒸発源）および所定組成のＴｉ－Ｓｉ合金からなる２つのカソード電極（蒸発源）を配置した。
（ｂ）まず、装置内を排気して０．１ Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を５００℃に加熱した後、回転速度０．５～５ｒｐｍで回転する回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に－１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつＡｌ－Ｃｒ合金とアノード電極との間に１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、もってドリル基体表面をボンバード洗浄した。
（ｃ）ついで、装置内雰囲気を０．５～９．０Ｐａの窒素雰囲気に保持して、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に－２０～－１５０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、Ａｌ－Ｃｒ合金電極とアノード電極との間に１２０Ａの電流を流してアーク放電を発生させて、表１に示される目標組成、目標層厚の（Ａｌ_ｙＣｒ_１－ｙ）Ｎ層を蒸着形成した。
（ｄ）ついで、Ａｌ－Ｃｒ合金電極とアノード電極との間のアーク放電を継続するとともに、Ｔｉ－Ｓｉ合金電極とアノード電極との間に１２０Ａの電流を流してアーク放電を発生させることにより、（Ａｌ_ｙＣｒ_１－ｙ）Ｎ層と（Ｔｉ_ｚＳｉ_１－ｚ）Ｎ層の同時蒸着による目標層厚の混合層を形成し、前記（ｃ）と（ｄ）の成膜により、最下部層を形成した。
（ｅ）ついで、装置内雰囲気を０．５～９．０Ｐａの窒素雰囲気に保持し、回転テーブル上で自転しながら回転するドリル基体に－２０～－１５０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、Ａｌ－Ｃｒ合金電極とアノード電極との間に１２０Ａの電流を流してアーク放電を発生させて、表１に示す目標組成、目標一層層厚のＡ層を形成した。
（ｆ）ついで、装置内雰囲気を０．５～９．０Ｐａの窒素雰囲気に保持したまま、回転テーブル上で自転しながら回転する工具基体に－２０～－１５０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ、Ａｌ－Ｃｒ合金とアノード電極との間に１２０Ａの電流を流してアーク放電を継続するとともに、Ｔｉ－Ｓｉ合金電極とアノード電極との間に１２０Ａの電流を流してアーク放電を発生させることにより、（Ａｌ_ｙＣｒ_１－ｙ）Ｎ層と（Ｔｉ_ｚＳｉ_１－ｚ）Ｎ層の同時蒸着による表１に示す目標一層層厚の混合層（Ｂ層）を形成した。
（ｇ）前記（ｅ）と（ｆ）の工程を繰り返し行うことにより、一つのＡ層と一つのＢ層を一対の層とした場合、１対から２０対の範囲内の繰返し対数を有する表１に示す目標層厚の下部層を形成した。
（ｈ）ついで、装置内雰囲気を０．５～９．０Ｐａの窒素雰囲気に保持し、回転テーブル上で自転しながら回転するドリル基体に－２０～－１５０Ｖの直流バイアス電圧を印加し、Ｔｉ－Ｓｉ合金電極とアノード電極との間に１２０Ａの電流を流してアーク放電を発生させて、表１に示す目標組成、目標層厚の上部層を形成した。
前記工程（ａ）～（ｈ）を行い、表１に示される所定の層厚の多層硬質皮膜を蒸着形成することにより、多層硬質皮膜被覆工具としての試験体ドリル１～８をそれぞれ製造した。
なお、前記で作製した試験体ドリル１～８における硬質皮膜の成分Ｘは、いずれもＮ（窒素）である。

また、前記で作製した試験体ドリル１～８の特性を評価するため、前記特許文献３で提案されている被覆工具を、ＡＩＰ装置を用いて作製し、これを評価基準用の従来ドリル１とした。
従来ドリル１の作製にあたっては、ＡＩＰ装置内を窒素ガス雰囲気とし、カソード電極として、Ａｌ－Ｔｉ合金電極とＡｌ－Ｃｒ合金電極を用いて、表２に示す多層硬質皮膜を蒸着形成した。

また、前記特許文献２で提案されている被覆工具を、ＡＩＰ装置を用いて作製し、これを評価基準用の従来ドリル２とした。
従来ドリル２の作製にあたっては、ＡＩＰ装置内を窒素ガス雰囲気とし、カソード電極として、Ｔｉ電極とＴｉ－Ａｌ合金電極を用いて、表２に示す多層硬質皮膜を蒸着形成した。

前記で作製した試験体ドリル１～８および従来ドリル１、従来ドリル２について、それぞれの多層硬質皮膜の層厚については切れ刃部をイオンエッチングすることでＳＥＭによって直接測定をし、成分組成については皮膜の厚さ毎に複数点ＴＥＭ－ＥＤＳ測定し、その平均値によって求め、周期的組成変化の周期長については前記の通り測定した値と皮膜の厚さの関係より求めることにより各成分元素の極大含有率を示す位置とそれに隣接する極大含有率を示す位置の厚さの間隔として求め、組成変動率については各成分の極大含有率と極小含有率の差を極大含有率で除した割合として定めた。
なお、周期長と組成変動率については、Ｔｉ成分の測定値から算出した。
表１、表２に、これらの結果を示す。

ついで、試験体ドリル１～８および従来ドリル１、２について、以下の切削条件Ａで切削加工試験を行った。
切削条件Ａ（高速切削）：
被削材－平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：２５ｍｍのＪＩＳ Ｓ５０Ｃの板材
切削速度： ２００ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．３５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
穴深さ： ２５ ｍｍ、
冷却剤： 水溶性切削油，１ＭＰａ、
の条件での炭素鋼の湿式高速穴あけ切削加工試験、
を行った。
切削加工試験の途中段階の切削長が５７．０ｍになった時点で、それぞれのドリルについて、切削加工試験を中断し、刃先の摩耗状態を観察した。
図４に、観察結果を示す。
ついで、切削加工試験を継続して実施し、刃先の逃げ面摩耗幅が０．３ｍｍを超えた時点を寿命とし、寿命に至るまでの切削長を求めた。
なお、逃げ面摩耗幅を測定する箇所は、各ドリルの最外周から０．５ｍｍドリル中心部に向かった位置とした。
表３に、試験結果を示す。
また、試験体ドリル１～８および従来ドリル１、２について、寿命に至ったドリルの刃先の摩耗状態を観察した。
図５に、観察結果を示す。
図４によれば、従来ドリル１はＡ部の写真から分かるように逃げ面摩耗幅がドリル２～４に対して１．５倍と著しく大きく、従来ドリル２については、逃げ面摩耗幅は同程度であるもののＢ部の写真から分かるようにマージンの摩耗が顕著である。
結果として、図５に示す通り、従来ドリル１は逃げ面の摩耗進行による刃先の脆弱化により欠損し、従来ドリル２についてもマージン摩耗の進行による切削抵抗の増大により、いずれも試験体ドリル２～４（本発明のドリルに相当する）に対して短寿命に終わっている。
また、試験体ドリル２～４（本発明ドリル）と試験体ドリル１、５～８（比較例）の対比について述べる。まず、逃げ面摩耗幅の切削長における変化についてであるが、試験体ドリル２～４と試験体ドリル１、５～８については大きな違いはない。
さらに図５に示す通り、試験体ドリル１、５～８については従来ドリルに比べて寿命は同等もしくは僅かに長い。しかしながら、切削初期に皮膜中の残留応力の影響で、試験体ドリル１、５～８のいずれについても切れ刃近傍に０コンマ数ミリのチッピングを複数個所で生じており、加工穴の品質が悪く、試験体ドリル２～４に対して劣位である。皮膜中の残留応力の影響を受けてしまう理由は、Ａ層とＢ層との繰返し対数が多いことによる界面数が多いことと、特に試験体ドリル７、８については界面数が多いうえにさらに上部層のＴｉＳｉＮの膜厚が相対的に厚いことが挙げられる。

さらに、試験体ドリル１～８および従来ドリル１、２について、以下の切削条件Ｂで切削加工試験を行った。
切削条件Ｂ（通常（低速）切削）：
被削材－平面寸法：１００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚さ：２５ｍｍのＪＩＳ Ｓ５０Ｃの板材
切削速度： １２０ ｍ／ｍｉｎ．、
送り： ０．２５ ｍｍ／ｒｅｖ．、
穴深さ： ２５ ｍｍ、
冷却剤： 水溶性切削油，１ＭＰａ、
の条件での炭素鋼の湿式穴あけ切削加工試験、
を行った。
切削加工試験の途中段階の切削長が６６．５ｍになった時点で、それぞれのドリルについて、切削加工試験を中断し、刃先の摩耗状態を観察した。
図６に、観察結果を示す。
ついで、切削加工試験を継続して実施し、刃先の逃げ面摩耗幅が０．３ｍｍを超えた時点を寿命とし、寿命に至るまでの切削長を求めた。
なお、逃げ面摩耗幅を測定する箇所は、各ドリルの最外周から０．５ｍｍドリル中心部に向かった位置とした。
表４に、試験結果を示す。
また、試験体ドリル１～８および従来ドリル１、２について、寿命に至ったドリルの刃先の摩耗状態を観察した。
図７に、観察結果を示す。試験体ドリル１、５～８については従来ドリルに比べて寿命はかなり長いものもある。しかしながら、切削条件Ａの試験と同様に、切削初期に皮膜中の残留応力の影響で、試験体ドリル１、５～８のいずれについても切れ刃近傍に０コンマ数ミリのチッピングを複数個所で生じており、加工穴の品質が悪く、試験体ドリル２～４に対して劣位である。皮膜中の残留応力の影響を受けてしまう理由は、Ａ層とＢ層との繰返し対数が多いことによる界面数が多いことと、特に試験体ドリル７、８については界面数が多いうえにさらに上部層のＴｉＳｉＮの膜厚が相対的に厚いことが挙げられ、切削条件Ａと同様である。

次に、下部層におけるＡ層とＢ層の繰返し対数と、工具寿命との関連を調べた。
上部層の層厚を０．２μｍの一定にし、最下部層の層構造、成分組成、また、下部層の成分組成をできるだけ同じようにした条件で、主として下部層におけるＡ層とＢ層の繰返し対数を変化させた複数個の試験体ドリルを作製し、これらの試験体ドリルを、切削速度２００ｍ／ｍｉｎの高速切削試験（前述の切削条件Ａによる炭素鋼の切削加工試験に同じ）に供することによって得られた試験結果から、それぞれのドリルの寿命比１を求めた。
図８に、試験結果（寿命比１）を示す。なお、繰返し対数を、１、５、１０、２０対とした試験体ドリルについての値を図中にプロットした。
図８から、下部層におけるＡ層とＢ層の繰返し対数が２対～８対の範囲において、１６０％以上の寿命比１となることがわかる。
本発明において、下部層におけるＡ層とＢ層の繰返し対数を２対～８対と定めているのは、このような理由による。

また、上部層の層厚と寿命比１の関連を調べた。
最下部層、下部層の成分組成、層構造を同一とした条件で、上部層の層厚を０．０７５μｍから１．５μｍの範囲内で変化させた複数個の試験体ドリルを作製し、これらの試験体ドリルを、切削速度２００ｍ／ｍｉｎの高速切削試験（前述の切削条件Ａによる炭素鋼の切削加工試験に同じ）および切削速度１２０ｍ／ｍｉｎの通常（低速）切削試験（前述の切削条件Ｂによる炭素鋼の切削加工試験に同じ）に供することにより、切削長および寿命比１を求めた。
図９（ａ）に高速切削試験による試験結果（切削長、寿命比１）を、また、図９（ｂ）には、通常（低速）切削試験による試験結果（切削長、寿命比１）を示す。なお、上部層の層厚を、０．０５μｍ、０．１μｍ、０．３μｍ、０．５μｍ、０．６μｍ、１μｍ、１．２５μｍおよび１．７５μｍとした場合の試験結果（切削長、寿命比１）を図中にプロットした。
図９（ａ）によれば、高速切削の場合、上部層の層厚が０．０７５μｍを以上になると寿命比１は、１００％を超え、０．６μｍ以上になると寿命比１は、ほぼ２００～２５０％の間で飽和するが、図９（ｂ）によれば、通常（低速）切削の場合、上部層の層厚に比例して寿命比１が高くなることがわかる。
いずれにしても、上部層の層厚が０．０７５μｍ以上１．５μｍ以下、好ましくは、０．２μｍ以上１．０μｍ以下、である場合には、高速切削および通常（低速）切削のいずれであっても、切削長が大きく、また、寿命比１も高いことから、チッピング、欠損等の異常損傷を招くことなく、長期にわたってすぐれた切削性能を発揮することがわかる。

表３、表４に示される実施例１の結果から、本発明で規定する要件を満足する本発明の多層硬質皮膜被覆切削工具（試験体ドリル２、３、４）は、上部層として、所定組成かつ所定層厚の少なくともＴｉとＳｉを含有する化合物層で構成し、また、下部層を、Ａ層とＢ層の２対～８対の繰返し対からなる多積層膜で構成し、かつ、Ａ層は、少なくともＡｌとＣｒを含有する化合物層、Ｂ層は、前記少なくともＴｉとＳｉを含有する化合物と前記Ａ層との混合層として構成していることにより、高速切削および通常（低速）切削のいずれに対しても汎用性を有し、しかも、従来ドリル１、従来ドリル２に比して、チッピング、欠損等の異常損傷を招くことなく、長期にわたってすぐれた切削性能を発揮する
ことがわかる。

タングステンカーバイド（ＷＣ）９０質量％、コバルト（Ｃｏ）１０質量％の成分組成からなるドリル基体に対して、実施例１における成膜工程（ａ）～（ｈ）を行い、表５に示される所定の層厚の多層硬質皮膜を蒸着形成することにより、多層硬質皮膜被覆工具としての試験体ドリル９～３８をそれぞれ製造した。
ただし、試験体ドリル１５の成膜においては、装置内雰囲気をＮ_２とＣＨ_４の混合ガス雰囲気とすることにより、硬質皮膜の成分Ｘは、ＣＮ（炭化窒素）とした。
また、試験体ドリル１６～１８の成膜に際しては、Ａｌ－Ｃｒ合金電極として、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｗを含有させた電極を用いることにより、それぞれ試験体ドリル１６～１８の皮膜中Ｂ層にＺｒ、Ｎｂ、Ｗを１原子％含有させている。

前記で作製した試験体ドリル９～３８について、実施例１と同様にして、それぞれの多層硬質皮膜の層厚、成分組成、周期的組成変化の周期長および組成変動率を求めた。
表５に、その結果を示す。

前記で作製した試験体ドリル９～３８について、実施例１と同じ切削条件（即ち、切削条件Ａ（高速切削）および切削条件Ｂ（通常（低速）切削））で切削加工試験を行った。
さらに、実施例１で用いた表２に示す従来ドリル１と従来ドリル２との対比により、試験体ドリル９～３８の特性評価を行った。
表６、７に、切削試験結果を示す。

表６に示す切削条件Ａの試験結果によれば、比較例の試験体ドリル９についてはマージン部を含む硬質皮膜の摩耗が速く、従来ドリル１、２との寿命比では７６％の短寿命となり、比較例の試験体ドリル（比較例）１１については切削の早期に皮膜にクラックを生じ、従来ドリル１、２との寿命比では７６％の短寿命となった。さらに、比較例の試験体ドリル（比較例）１２については切削の早期に皮膜にクラックを生じ、従来ドリル１、２との寿命比では５８％の短寿命となった。
しかし、本発明の多層硬質皮膜被覆切削工具（試験体ドリル１０、１３～１８）については、従来ドリル１、２との寿命比で１５０％を超える結果となった。
試験体ドリル１９～２２については、上部層の層厚をそれぞれ異なるものにしており、層厚が０．０７５μｍを下回る試験体ドリル１９および、層厚が１．５μｍを超える試験体ドリル２２については、それぞれ従来ドリルに対して極端に寿命が低下する結果となっている。試験体ドリル１９については、上部層のＴｉＳｉＮが薄く耐摩耗性の効果を発揮できておらず、試験体ドリル２２については、上部層の硬質のＴｉＳｉＮが厚すぎるため、切削時の外力に対して欠損を生じたために寿命延長の効果を得られなかったものである。適切な上層部の膜厚の試験体ドリル２０、２１については、従来ドリル１、２との寿命比で各々１５０％を超えている。
試験体ドリル２３、２４については、それぞれ下部層のＡ層の層厚がＢ層の層厚を超えるものと、Ｂ層の厚みがＡ層の２倍を超えるものであり、段落［００１６］、［００１７］に記載の理由により、従来ドリル１、２との寿命比で１００％を超えることができない結果となった。
試験体ドリル２５については、上部層のＴｉ濃度を限界まで高めたものであり、ＴｉＳｉＮの耐摩耗性の効果がもはや得られない領域となっており、切削時の擦過が著しく速く、従来ドリル１、２との寿命比で５０％を下回る結果となった。
試験体ドリル２６、２７については、下部層の混合層であるＢ層の周期的組成変化の周期長をそれぞれ１２ｎｍおよび２５０ｎｍとしたものであり、周期長が２０ｎｍを下回る１２ｎｍでは組成変動率を大きくできず、また周期長が２００ｎｍを上回る２５０ｎｍでは力学特性の変化が適正範囲よりも大きな間隔で現れてしまうため、従来ドリル１、２との寿命比で１００％を超えることが出来ているものの、２００％には達しない結果となった。
試験体ドリル２８～３１については、下部層のＡ層とＢ層の層厚の比を段落［００１５］に示す範囲にしつつ、それぞれＡ層の層厚を０．１５μｍ、１．７５μｍ、Ｂ層の層厚を０．２μｍ、２．７μｍとしたものであり、試験体ドリル２３、２４と同様に段落［００１６］、［００１７］に記載の理由により、従来ドリル１、２との寿命比で１５０％を超えているものの、２００％には達しない結果となった。
試験体ドリル３２～３５については、最下部層のＡ層、Ｂ層の層厚を変えたものである。試験体ドリル３２、３３については、それぞれＡ層の層厚を０μｍ、１．５μｍとしたものであり、試験体ドリル３４、３５については、それぞれＢ層の厚みを０μｍ、１．５μｍとしたものである。試験体ドリル２３、２４と同様の理由で従来ドリル１、２との寿命比で、寿命延長効果は著しくなく、特にＡ層、Ｂ層の層厚を０μｍとした試験体ドリル３２、３４では従来ドリル１、２との寿命比で１２０％付近の結果となった。
試験体ドリル３６～３８については、下層部のＢ層のＴｉの組成変動率をそれぞれ９８．９％、２．１％、７１．５％としたものであり、組成変動率が９５％を超える試験体ドリル３６および組成変動率が５％を下回る試験体ドリル３７については、それぞれ組成変動率が大きいことによる力学的特性の変動の大きさおよび組成変動率が小さいことによる力学的特性の変動の小ささにより従来ドリル１、２との寿命比で１５０％を超えたものの２００％には達する結果にはならなかったが、適正な組成変動率である試験体ドリル３８については、従来ドリル１、２との寿命比で１９７％となった。

さらに、表７に示す切削条件Ｂの切削加工試験によれば、比較例の試験体ドリル９については切削条件Ａと同様に硬質皮膜の摩耗が速く、従来ドリル１との寿命比では７７％、従来ドリル２との寿命比では６４％の短寿命となり、比較例の試験体ドリル１１については切削の早期に皮膜にクラックを生じ、従来ドリル１との寿命比では８３％、従来ドリル２との寿命比では６８％の短寿命となった。また、比較例の試験体ドリル１２については切削の早期に皮膜にクラックを生じ、従来ドリル１との寿命比では６０％、従来ドリル２との寿命比では５０％の短寿命となった。
しかし、本発明の多層硬質皮膜被覆切削工具（試験体ドリル１０、１３～１８）については、従来ドリル１との寿命比で１７３％以上、また、従来ドリル２との寿命比で１４３％を超える結果となった。
なお、Ａｌ－Ｃｒ合金電極として、Ｖ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｓｉを含有させた電極を用いて成膜し、Ｂ層中にＶ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｓｉをさらに含有させた試験体ドリルについても、前記切削条件Ａ（高速切削）と切削条件Ｂ（通常（低速）切削）による切削試験において、前記試験体ドリル１６～１８と同様な結果が得られている。
試験体ドリル１９～２２については、上部層の層厚をそれぞれ異なるものにしている。層厚が０．０７５μｍを下回る試験体ドリル１９については、寿命比１が５８％、寿命比２で４８％、層厚が１．５μｍを超える試験体ドリル２２については、寿命比１が５３％、寿命比２で４４％となり、それぞれ従来ドリルに対して極端に寿命が低下する結果となっている。試験体ドリル１９については、上部層のＴｉＳｉＮが薄く耐摩耗性の効果を発揮できておらず、試験体ドリル２２については、上部層の硬質のＴｉＳｉＮが厚すぎるため、切削時の外力に対して欠損を生じたために寿命延長の効果を得られなかったものである。適切な上層部の膜厚の試験体ドリル２０、２１については、従来ドリル１、２との寿命比で各々１５０％を超えている。
試験体ドリル２３、２４については、それぞれ下部層のＡ層の層厚がＢ層の層厚を超えるものと、Ｂ層の厚みがＡ層の２倍を超えるものであり、段落［００１６］、［００１７］に記載の理由により、従来ドリル１、２との寿命比で１００％を超えることができない結果となった。
試験体ドリル２５については、上部層のＴｉ濃度を限界まで高めたものであり、ＴｉＳｉＮの耐摩耗性の効果がもはや得られない領域となっており、切削時の上層擦過が著しく速くその後クラックを生じ、従来ドリル１、２との寿命比で５０％を下回る結果となった。
試験体ドリル２６、２７については、下部層の混合層であるＢ層の周期的組成変化の周期長をそれぞれ１２ｎｍおよび２５０ｎｍとしたものであり、周期長が２０ｎｍを下回る１２ｎｍでは組成変動率を大きくできず、また周期長が２００ｎｍを上回る２５０ｎｍでは力学特性の変化が適正範囲よりも大きな間隔で現れてしまうため、従来ドリル２との寿命比で１００％を僅かに超える結果であった。
試験体ドリル２８～３１については、下部層のＡ層とＢ層の層厚の比を段落［００１５］に示す範囲にしつつ、それぞれＡ層の層厚を０．１５μｍ、１．７５μｍ、Ｂ層の層厚を０．２μｍ、２．７μｍとしたものであり、試験体ドリル２３、２４と同様に段落［００１６］、［００１７］に記載の理由により、従来ドリル２との寿命比で１００％を僅かに超える結果であった。
試験体ドリル３２～３５については、最下部層のＡ層、Ｂ層の層厚を変えたものである。試験体ドリル３２、３３については、それぞれＡ層の層厚を０μｍ、１．５μｍとしたものであり、試験体ドリル３４、３５については、それぞれＢ層の厚みを０μｍ、１．５μｍとしたものである。試験体ドリル２３、２４と同様の理由で従来ドリル２との寿命比で、１００％を僅かに超える結果であった。
試験体ドリル３６～３８については、下層部のＢ層のＴｉの組成変動率をそれぞれ９８．９％、２．１％、７１．５％としたものであり、組成変動率が９５％を超える試験体ドリル３６および組成変動率が５％を下回る試験体ドリル３７については、それぞれ組成変動率が大きいことによる力学的特性の変動の大きさおよび組成変動率が小さいことによる力学的特性の変動の小ささにより従来ドリル１、２との寿命比で１００％を僅かに超える結果であったが、適正な組成変動率である試験体ドリル３８については、従来ドリル１、２との寿命比で１５０％を超える結果となった。

表３、表４に示される実施例１の結果、さらに、表６、表７に示される実施例２の結果から、本発明の多層硬質皮膜被覆切削工具は、上部層として、所定組成かつ所定層厚の少なくともＴｉとＳｉを含有する化合物層で構成し、また、下部層を、Ａ層とＢ層の２対～８対の繰返し対からなる多積層膜で構成し、かつ、Ａ層は、少なくともＡｌとＣｒを含有する化合物層、Ｂ層は、前記少なくともＴｉとＳｉを含有する化合物と前記Ａ層との混合層として構成していることにより、高速切削および通常（低速）切削のいずれに対しても汎用性を有し、しかも、従来ドリル１、従来ドリル２に比して、チッピング、欠損等の異常損傷を招くことなく、長期にわたってすぐれた切削性能を発揮するのである。

本発明の多層硬質皮膜被覆切削工具は、汎用性を備え、かつ、すぐれた切削特性を有するので、自動車産業等において多く使われている炭素鋼、合金鋼等の金属材料を高能率かつ長寿命で切削加工することができる。

Claims (9)

1. 工具基体の表面に多層硬質皮膜が形成されている、前記工具基体を含む多層硬質皮膜被覆切削工具において、
   （ａ）前記多層硬質皮膜は、前記多層硬質皮膜の最外層としての上部層および前記多層硬質皮膜の最外層と工具基体表面の間に設けられた下部層を少なくとも備え、
   （ｂ）前記多層硬質皮膜の最外層としての上部層は、少なくとも、ＴｉとＳｉを含有する０．０７５～１．５μｍの層厚を有するＴｉ、ＳｉとＸの化合物層からなり、前記Ｔｉ、ＳｉとＸの化合物を、
   組成式：（Ｔｉ_ｚＳｉ_１－ｚ）Ｘ
   で表した場合、０．７≦ｚ≦０．９９（但し、ｚは原子比）を満足し、かつ、Ｘは、Ｎ、Ｃ、Ｂ、ＣＮ、ＢＮ、ＣＢＮ、ＮＯ、ＣＯ、ＢＯ，ＣＮＯ，ＢＮＯ、ＣＢＮＯから選ばれるいずれか一種であり、
   （ｃ）前記下部層は、Ａ層とＢ層との多積層膜からなり、Ｂ層の層厚はＡ層の層厚と同じかそれよりも厚くなっており、その厚さの比はＡ層：Ｂ層＝１：１～１：２であり、かつ、一つのＡ層と一つのＢ層との組み合わせを１対の層とした場合、２対～８対の範囲内の繰返し対数を有する多積層膜からなり、
   （ｄ）前記Ａ層は、少なくともＡｌとＣｒを含有するＡｌ、ＣｒとＸの化合物層であって、前記Ａｌ、ＣｒとＸの化合物を、
   組成式：（Ａｌ_ｙＣｒ_１－ｙ）Ｘ
   で表した場合、０．２≦ｙ≦０．７（但し、ｙは原子比）を満足し、かつ、Ｘは、Ｎ、Ｃ、Ｂ、ＣＮ、ＢＮ、ＣＢＮ、ＮＯ、ＣＯ、ＢＯ，ＣＮＯ，ＢＮＯ、ＣＢＮＯから選ばれるいずれか一種であり、
   （ｅ）前記Ｂ層は、前記（Ｔｉ_ｚＳｉ_１－ｚ）Ｘと前記（Ａｌ_ｙＣｒ_１－ｙ）Ｘの混合層であり、前記Ｘは、Ｎ、Ｃ、Ｂ、ＣＮ、ＢＮ、ＣＢＮ、ＮＯ、ＣＯ、ＢＯ，ＣＮＯ，ＢＮＯ、ＣＢＮＯから選ばれるいずれか一種であることを特徴とする多層硬質皮膜被覆切削工具。
2. 前記混合層は（Ｔｉ_ｚＳｉ_１－ｚ）Ｘ層と（Ａｌ_ｙＣｒ_１－ｙ）Ｘ層で構成され、前記混合層の構成は、個々の（Ｔｉ_ｚＳｉ_１－ｚ）Ｘ層と個々の（Ａｌ_ｙＣｒ_１－ｙ）Ｘ層の交互の積層となっており、また前記混合層を構成している個々の（Ｔｉ_ｚＳｉ_１－ｚ）Ｘ層と個々の（Ａｌ_ｙＣｒ_１－ｙ）Ｘ層の各々の膜厚は１００ｎｍを超えないことを特徴とする請求項１に記載の多層硬質皮膜被覆切削工具。
3. 少なくとも、ＴｉとＳｉを含有する前記上部層は、０．２～１．５μｍの層厚を有することを特徴とする請求項１または２に記載の多層硬質皮膜被覆切削工具。
4. 少なくとも、ＴｉとＳｉを含有する前記上部層は、０．６～１．５μｍの層厚を有することを特徴とする請求項１または２に記載の多層硬質皮膜被覆切削工具。
5. 前記下部層を構成する一層層厚において、Ａ層が０．２５～１．５μｍを有する請求項１または２に記載の多層硬質皮膜被覆切削工具。
6. 前記下部層を構成する一層層厚において、Ｂ層が０．２５～２．５μｍを有する請求項１または２に記載の多層硬質皮膜被覆切削工具。
7. 少なくとも前記Ａ層のうちの一つの層および前記Ｂ層のうちの一つの層は、Ｗ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒから選ばれる少なくとも一つの成分元素、あるいはＳｉをさらに含有していることを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載の多層硬質皮膜被覆切削工具。
8. 前記Ｂ層において、Ｘを除く成分元素の少なくとも一つの成分についての周期的な組成変化が存在し、該周期的組成変化の周期長（ｎｍ）を、該成分が極大含有率を示す位置とそれに隣接する極大含有率を示す位置の厚さとして求めた場合に周期長は２０～２００ｎｍであり、また、該周期的組成変化の組成変動率を、該成分の極大含有率と極小含有率の差を極大含有率で除した割合（％）として求めた場合、組成変動率は５～９５％であることを特徴とする請求項１～７のいずれか一項に記載の多層硬質皮膜被覆切削工具。
9. 前記工具基体と下部層の間に最下部層が形成され、該最下部層は、０．０５～１．５μｍの層厚の前記Ａ層と、０．０５～２．５μｍの層厚の前記Ｂ層とからなる請求項１～８のいずれか一項に記載の多層硬質皮膜被覆切削工具。
   
   
   
   
   

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