JP7135261B1 - 切削工具 - Google Patents

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Abstract

基材と上記基材の上に設けられている被膜とを備える切削工具であって、上記被膜は、上記基材の上に設けられている第一アルミナ層と、上記第一アルミナ層の直上に設けられているチタン化合物層と、上記チタン化合物層の直上に設けられている第二アルミナ層と、を含み、上記第一アルミナ層において上記チタン化合物層に隣接する部分は界面領域を成し、上記第一アルミナ層において上記界面領域ではない部分は非界面領域を成し、上記界面領域における窒素の含有割合は、０．２ａｔ％以上１１ａｔ％以下であり、上記非界面領域における窒素の含有割合は、０ａｔ％以上０．１５ａｔ％以下であり、上記チタン化合物層は、上記第一アルミナ層に隣接する炭窒酸化チタンの層を含む、切削工具。

Description

本開示は、切削工具に関する。
従来より、基材上に被膜を被覆した切削工具が用いられている。たとえば、特開２０２０－０３７１５０号公報（特許文献１）は、基材と、該基材の表面に形成された被覆層とを備え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下部層、中間層及び上部層を含み、前記下部層が、Ｔｉと、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とのＴｉ化合物からなるＴｉ化合物層を１層又は２層以上含有し、前記中間層が、α型Ａｌ２Ｏ３を含有し、前記上部層が、ＴｉＣＮを含有し、前記下部層の平均厚さが４．０μｍ以上１０．０μｍ以下であり、前記中間層の平均厚さが３．０μｍ以上１０．０μｍ以下であり、前記上部層の平均厚さが１．５μｍ以上６．５μｍ以下であり、前記上部層の特定の領域における全粒界の合計長さ１００％に対するΣ３粒界の長さの割合が２０％以上６０％以下であり、前記上部層の（１１１）面の粒子の割合が、３０面積％以上である、被覆切削工具を開示している。
また、特開２００３－２６６２１３号公報（特許文献２）は、超硬合金、高速度鋼又は特殊鋼よりなる基体表面に、硼素及び周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族金属の１種又は２種以上とからなる炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物、窒酸化物、炭窒酸化物のいずれか１種の単層皮膜又は２種以上の多層皮膜からなり引張残留応力を有する硼素含有膜を酸化アルミニウム膜よりも工具表面側に被覆してなることを特徴とする硼素含有膜被覆工具を開示している。
特開２０２０－０３７１５０号公報 特開２００３－２６６２１３号公報
本開示に係る切削工具は、
基材と上記基材の上に設けられている被膜とを備える切削工具であって、
上記被膜は、
上記基材の上に設けられている第一アルミナ層と、
上記第一アルミナ層の直上に設けられているチタン化合物層と、
上記チタン化合物層の直上に設けられている第二アルミナ層と、を含み、
上記第一アルミナ層において上記チタン化合物層に隣接する部分は界面領域を成し、
上記第一アルミナ層において上記界面領域ではない部分は非界面領域を成し、
上記界面領域における窒素の含有割合は、０．２ａｔ％以上１１ａｔ％以下であり、
上記非界面領域における窒素の含有割合は、０ａｔ％以上０．１５ａｔ％以下であり、
上記チタン化合物層は、上記第一アルミナ層に隣接する炭窒酸化チタンの層を含む。
図１は、切削工具の基材の一態様を例示する斜視図である。 図２は、本実施形態の一態様における切削工具の模式断面図である。 図３は、本実施形態の他の態様における切削工具の模式断面図である。 図４は、本実施形態の一態様における被覆層の模式断面図である。 図５は、被膜の製造に用いられる化学気相蒸着装置の一例を示す模式断面図である。 図６は、加工面の面品位と対応するランクを示す写真である。
[本開示が解決しようとする課題]
特許文献１及び特許文献２では、上記のような構成の被膜を有することにより、耐摩耗性、及び酸化アルミニウム層と当該酸化アルミニウム層に接する他の層との間の密着性が向上し、以って切削工具の寿命が長くなることが期待されている。
しかしながら、近年の切削加工においては、高速化及び高能率化が進行し、切削工具にかかる負荷が増大し、切削工具の寿命が短期化する傾向があった。このため、切削工具の被膜の機械特性（例えば、耐摩耗性、耐溶着性及び耐欠損性等）を更に向上させることが求められている。
本開示は、上記事情に鑑みてなされたものであり、耐摩耗性及び耐溶着性が向上した切削工具を提供することを目的とする。
[本開示の効果]
本開示によれば、耐摩耗性及び耐溶着性が向上した切削工具を提供することが可能になる。
[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
［１］本開示に係る切削工具は、
基材と上記基材の上に設けられている被膜とを備える切削工具であって、
上記被膜は、
上記基材の上に設けられている第一アルミナ層と、
上記第一アルミナ層の直上に設けられているチタン化合物層と、
上記チタン化合物層の直上に設けられている第二アルミナ層と、を含み、
上記第一アルミナ層において上記チタン化合物層に隣接する部分は界面領域を成し、
上記第一アルミナ層において上記界面領域ではない部分は非界面領域を成し、
上記界面領域における窒素の含有割合は、０．２ａｔ％以上１１ａｔ％以下であり、
上記非界面領域における窒素の含有割合は、０ａｔ％以上０．１５ａｔ％以下であり、
上記チタン化合物層は、上記第一アルミナ層に隣接する炭窒酸化チタンの層を含む。
上記切削工具は、上述のような構成を備えることによって、耐摩耗性及び耐溶着性が向上する。ここで「耐摩耗性」とは、切削加工に用いた場合被膜が摩耗することに対する耐性を意味する。「耐溶着性」とは、切削加工に用いた場合切削工具と被削材とが溶着し、被膜が剥離することに対する耐性を意味する。
上記切削工具は旋削加工等の切削加工に用いられるが、旋削加工で一番高温になるのは、切削工具のエッジ部分（刃先稜線部）ではなくてエッジから少し離れた部分（切りくずが接触する部分）であることが知られている。この場合、エッジ部分は高硬度が求められるが、エッジから少し離れた部分では耐熱性、耐溶着性が求められる。しかし、切削工具のエッジと、エッジから離れた部分それぞれに求められる性質を考慮して被膜を設計したことはこれまでになかった。本開示では、第一アルミナ層の更に上にチタン化合物層と第二アルミナ層とを設けることで、切削工具のエッジと、エッジから離れた部分それぞれに求められる性質を両立することに成功した。
［２］上記第一アルミナ層の厚さは、上記第二アルミナ層の厚さより大きいことが好ましい。このように規定することで、耐熱性に優れる切削工具となる。
［３］上記チタン化合物層の厚さは、１μｍ以上１１．５μｍ以下であることが好ましい。このように規定することで、耐摩耗性が更に向上する。
［４］上記第二アルミナ層の厚さは、０．２μｍ以上６．５μｍ以下であることが好ましい。このように規定することで、耐溶着性が更に向上する。
［５］上記第一アルミナ層の厚さは、２μｍ以上２１μｍ以下であることが好ましい。このように規定することで、耐摩耗性に優れる切削工具となる。
［６］上記第一アルミナ層の上記界面領域は、上記チタン化合物層との界面Ｓと、上記界面Ｓから厚さ方向に０．５μｍ離れた地点を通る上記界面Ｓに平行な仮想平面Ａとに挟まれた領域であることが好ましい。このように規定することで、耐溶着性に優れる切削工具となる。
［７］上記第一アルミナ層の上記界面領域における窒素の含有割合は、０．５ａｔ％以上１０ａｔ％以下であることが好ましい。このように規定することで、上記第一アルミナ層と上記チタン化合物層との密着性に優れた切削工具を提供することが可能になる。
［８］上記第二アルミナ層の厚さは、０．２μｍ以上６．５μｍ以下であり、上記チタン化合物層の残留応力は、－３ＧＰａ以上０ＧＰａ以下であることが好ましい。このように規定することで、耐摩耗性に更に優れた切削工具を提供することが可能になる。
［９］上記チタン化合物層は、窒化チタン又は炭化チタンの層を更に含むことが好ましい。このように規定することで、耐摩耗性に優れる切削工具となる。
[本開示の実施形態の詳細]
以下、本開示の一実施形態（以下「本実施形態」と記す。）について説明する。ただし、本実施形態はこれに限定されるものではない。本明細書において「Ｘ～Ｚ」という形式の表記は、範囲の上限下限（すなわちＸ以上Ｚ以下）を意味し、Ｘにおいて単位の記載がなく、Ｚにおいてのみ単位が記載されている場合、Ｘの単位とＺの単位とは同じである。さらに、本明細書において、例えば「ＴｉＣ」等のように、構成元素の組成比が限定されていない化学式によって化合物が表された場合には、その化学式は従来公知のあらゆる組成比（元素比）を含むものとする。このとき上記化学式は、化学量論組成のみならず、非化学量論組成も含むものとする。例えば「ＴｉＣ」の化学式には、化学量論組成「Ｔｉ１Ｃ１」のみならず、例えば「Ｔｉ１Ｃ０．８」のような非化学量論組成も含まれる。このことは、「ＴｉＣ」以外の化合物の記載についても同様である。
≪切削工具≫
本開示に係る切削工具は、
基材と上記基材の上に設けられている被膜とを備える切削工具であって、
上記被膜は、
上記基材の上に設けられている第一アルミナ層と、
上記第一アルミナ層の直上に設けられているチタン化合物層と、
上記チタン化合物層の直上に設けられている第二アルミナ層と、を含み、
上記第一アルミナ層において上記チタン化合物層に隣接する部分は界面領域を成し、
上記第一アルミナ層において上記界面領域ではない部分は非界面領域を成し、
上記界面領域における窒素の含有割合は、０．２ａｔ％以上１１ａｔ％以下であり、
上記非界面領域における窒素の含有割合は、０ａｔ％以上０．１５ａｔ％以下であり、
上記チタン化合物層は、上記第一アルミナ層に隣接する炭窒酸化チタンの層を含む。
本実施形態の切削工具５０は、基材１０と、上記基材１０上に設けられている被膜４０とを備える（以下、単に「切削工具」という場合がある。）（図２）。上記被膜４０は、上記基材１０の上に設けられている第一アルミナ層２０と、上記第一アルミナ層２０の直上に設けられているチタン化合物層２１と、上記チタン化合物層２１の直上に設けられている第二アルミナ層２２と、を含む。上記切削工具５０は、上述の各層の他にも、上記基材１０と上記第一アルミナ層２０との間に設けられている下地層２３を更に含んでいてもよい（図３）。上記切削工具５０は、第二アルミナ層２２上に設けられている表面層を更に含んでいてもよい。下地層２３、及び表面層等の他の層については、後述する。
本実施形態の切削工具（以下、単に「切削工具」という場合がある。）５０は、基材１０と、上記基材１０を被覆する被膜４０とを備える（図２、図３参照）。本実施形態の一側面において、上記被膜は、上記基材におけるすくい面を被覆していてもよいし、すくい面以外の部分（例えば、逃げ面）を被覆していてもよい。上記切削工具は、例えば、ドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型切削チップ、エンドミル用刃先交換型切削チップ、フライス加工用刃先交換型切削チップ、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、タップ等であり得る。
＜基材＞
本実施形態の基材は、この種の基材として従来公知のものであればいずれの基材も使用することができる。例えば、上記基材は、超硬合金（例えば、炭化タングステン（ＷＣ）基超硬合金、ＷＣの他にＣｏを含む超硬合金、ＷＣの他にＣｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物を添加した超硬合金等）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を主成分とするもの）、高速度鋼、セラミックス（炭化チタン、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム等）、立方晶型窒化硼素焼結体（ｃＢＮ焼結体）及びダイヤモンド焼結体からなる群より選ばれる少なくとも１種を含むことが好ましく、超硬合金、サーメット及びｃＢＮ焼結体からなる群より選ばれる少なくとも１種を含むことがより好ましい。
これらの各種基材の中でも、特にＷＣ基超硬合金又はｃＢＮ焼結体を選択することが好ましい。その理由は、これらの基材が特に高温における硬度と強度とのバランスに優れ、上記用途の切削工具の基材として優れた特性を有するためである。
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、組織中に遊離炭素又はη相と呼ばれる異常相を含んでいても本実施形態の効果は示される。なお、本実施形態で用いる基材は、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、ｃＢＮ焼結体の場合には表面硬化層が形成されていてもよく、このように表面が改質されていても本実施形態の効果は示される。
図１は、切削工具の基材の一態様を例示する斜視図である。このような形状の基材は、例えば、旋削加工用刃先交換型切削チップの基材として用いられる。上記基材１０は、すくい面１と、逃げ面２と、上記すくい面１と逃げ面２とが交差する刃先稜線部３とを有する。すなわち、すくい面１と逃げ面２とは、刃先稜線部３を挟んで繋がる面である。刃先稜線部３は、基材１０の切刃先端部を構成する。このような基材１０の形状は、上記切削工具の形状と把握することもできる。
上記切削工具が刃先交換型切削チップである場合、上記基材１０は、チップブレーカーを有する形状も、有さない形状も含まれる。刃先稜線部３の形状は、シャープエッジ（すくい面と逃げ面とが交差する稜）、ホーニング（シャープエッジに対してアールを付与した形状）、ネガランド（面取りをした形状）、ホーニングとネガランドを組み合わせた形状の中で、いずれの形状も含まれる。
以上、基材１０の形状及び各部の名称を、図１を用いて説明したが、本実施形態に係る切削工具５０において、上記基材１０に対応する形状及び各部の名称については、上記と同様の用語を用いることとする。すなわち、上記切削工具は、すくい面と、逃げ面と、上記すくい面及び上記逃げ面を繋ぐ刃先稜線部とを有する。
＜被膜＞
本実施形態に係る被膜４０は、上記基材１０の上に設けられている第一アルミナ層２０と、上記第一アルミナ層２０の直上に設けられているチタン化合物層２１と、上記チタン化合物層２１の直上に設けられている第二アルミナ層２２と、を含む（図２参照）。「被膜」は、上記基材の少なくとも一部（例えば、切削加工時に被削材と接するすくい面等）を被覆することで、切削工具における耐欠損性、耐摩耗性、耐溶着性等の諸特性を向上させる作用を有するものである。上記被膜は、上記基材の一部に限らず上記基材の全面を被覆することが好ましい。しかしながら、上記基材の一部が上記被膜で被覆されていなかったり被膜の構成が部分的に異なっていたりしていたとしても本実施形態の範囲を逸脱するものではない。
上記被膜の厚さは、１０μｍ以上４０μｍ以下であることが好ましく、１５μｍ以上３５μｍ以下であることがより好ましい。ここで、被膜の厚さとは、被膜を構成する層それぞれの厚さの総和を意味する。「被膜を構成する層」としては、例えば、後述する第一アルミナ層、チタン化合物層、第二アルミナ層、下地層及び表面層等が挙げられる。上記被膜の厚さは、例えば、電界放出型走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、基材の表面の法線方向に平行な断面サンプルにおける任意の１０点を測定し、測定された１０点の厚さの平均値をとることで求めることが可能である。このとき上記断面サンプルの測定断面をイオンミリング処理により研磨するものとする。後述する第一アルミナ層、チタン化合物層、第二アルミナ層、下地層及び表面層等のそれぞれの厚さを測定する場合も同様である。電界放出型走査電子顕微鏡としては、例えば、株式会社日立ハイテク製のＳＵ３５００（商品名）が挙げられる。イオンミリング処理する装置としては、例えば、株式会社日立ハイテク製のＩＭ４０００（商品名）が挙げられる。
（第一アルミナ層）
本実施形態における第一アルミナ層２０は、上記基材１０の上に設けられている。ここで「基材の上に設けられている」とは、基材の直上に設けられている態様（図２参照）に限られず、他の層を介して基材の上に設けられている態様（図３参照）も含まれる。すなわち、上記第一アルミナ層は、本開示の効果が奏する限りにおいて、上記基材の直上に設けられていてもよいし、後述する下地層等の他の層を介して上記基材の上に設けられていてもよい。
上記第一アルミナ層は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）のみから構成されていてもよいし、酸化アルミニウム及び不可避不純物から構成されていてもよい。上記不可避不純物としては、例えば、塩素、硫黄等が挙げられる。上記酸化アルミニウムは、α型の酸化アルミニウム（α－Ａｌ２Ｏ３）であることが好ましい。
（第一アルミナ層の界面領域及び非界面領域における窒素の含有割合）
上記第一アルミナ層において上記チタン化合物層に隣接する部分は界面領域を成す。また、上記第一アルミナ層において上記界面領域ではない部分は非界面領域を成す。上記第一アルミナ層の上記界面領域は、上記チタン化合物層との界面Ｓと、上記界面Ｓから厚さ方向に０．５μｍ離れた地点を通る上記界面Ｓに平行な仮想平面Ａとに挟まれた領域であることが好ましい（図４）。上記第一アルミナ層の上記非界面領域は、上記仮想平面Ａと、上記第一アルミナ層の基材側の界面Ｑとに挟まれた領域であることが好ましい（図４）。なお、上記第一アルミナ層において、上記界面領域と上記非界面領域との間には、明確な境界が存在していてもよいし、存在していなくてもよい。
上記第一アルミナ層の上記界面領域における窒素の含有割合は、０．２ａｔ％以上１１ａｔ％以下であり、０．５ａｔ％以上１０ａｔ％以下であることが好ましく、１ａｔ％以上９ａｔ％以下であることがより好ましい。ここで、上記窒素の含有割合は、第一アルミナ層におけるアルミニウム、酸素及び窒素の合計を基準としたときの原子割合である。
上述のような構成を備える第一アルミナ層は、チタン化合物層との界面領域に窒素原子が偏在する。そのため、当該界面領域からチタン化合物層に窒素原子が拡散して第一アルミナ層とチタン化合物層との密着性が向上する。従来アルミナ層の上に設けられていたチタン化合物層は、使用状態表示層としての役割しか求められていなかったため、上記アルミナ層との密着性及びその他の機械的特性は重要視されていなかった。また、従来からアルミナ層の内部に窒素が存在すると、熱的に不安定になりアルミナ層の性能が低下することが知られていた。そのため、従来はアルミナ層の内部に窒素を積極的に加えることはされていなかった。
本開示では、第一アルミナ層の界面領域に窒素原子が偏在することでチタン化合物層（特に第一アルミナ層に隣接する炭窒酸化チタンの層）との密着性が向上し、さらに当該チタン化合物層に所定の機械的特性を付することができる。
窒素の含有割合は、上述の基材の表面の法線方向に平行な断面サンプルに対して、オージェ電子分光法（ＡＥＳ法）によって線分析を行うことで求めることが可能である。具体的には、まず、クロスセクションポリッシャ加工（ＣＰ加工）等によって上記断面サンプルの切断面を研磨する。研磨した切断面に対して、電解放出型走査顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ）を用いた分析によって基材（下地層が設けられている場合は下地層）、第一アルミナ層及びチタン化合物層における断面ＳＥＭ像を得る。このときの測定倍率は、５００００倍である。このとき、基材、下地層、及びチタン化合物層が暗い領域として観察され、第一アルミナ層が明るい領域として観察される。次に、上記断面ＳＥＭ像における視野で、上記チタン化合物層の積層方向に平行な方向でチタン化合物層側から第一アルミナ層側に向かって、上記研磨した切断面に対してＡＥＳ法によって線分析を行う。このときの測定ピッチは、０．０１６μｍである。また、ＡＥＳ法のその他の測定条件は、以下の条件である。ＡＥＳ法の測定装置としては、例えば、アルバック・ファイ社製のＰＨＩ７００（商品名）が挙げられる。
（ＡＥＳ法の測定条件）
測定加速電圧：１０ｋＶ
測定電流 ：１０ｍＡ
試料傾斜角度：３０°
スパッタ電圧：１ｋＶ
次に、上述の線分析の結果に基づいて、測定開始点からの距離をＸ軸（横軸）とし、測定対象の各元素の原子割合（ａｔ％）をＹ軸（縦軸）にプロットしたグラフを作成する。このグラフに基づいてアルミニウムの原子割合が１０ａｔ％となる地点であって、上記チタン化合物層により近い地点を「第一アルミナ層とチタン化合物層との界面Ｓ」とする（図４参照）。また、当該界面Ｓから上記第一アルミナ層の側に０．５μｍ離れた地点を含む平面を「仮想平面Ａ」とする（図４参照）。そして、上記グラフに基づいて界面Ｓと仮想平面Ａとに挟まれた領域（界面領域）における上記窒素の原子割合の平均値を求める。
上述のような測定を少なくとも３回行い、各測定で求められた値の平均値をその第一アルミナ層の界面領域における窒素の含有割合とする。
上記第一アルミナ層の上記非界面領域における窒素の含有割合は、０ａｔ％以上０．１５ａｔ％以下であり、０ａｔ％以上０．１ａｔ％以下であることが好ましい。上記非界面領域における窒素の含有割合は、上述したのと同様に、断面サンプルに対してＡＥＳ法によって線分析を行うことで求めることが可能である。このとき、上記線分析の結果に基づいて得られるグラフにおいて、アルミニウムの原子割合が１０ａｔ％となる地点であって、上記基材により近い地点を「第一アルミナ層の基材側の界面Ｑ」とする（図４参照）。そして、上記グラフに基づいて仮想平面Ａと界面Ｑとに挟まれた領域（非界面領域）における上記窒素の原子割合の平均値を求める。上述のような測定を少なくとも３回行い、各測定で求められた値の平均値をその第一アルミナ層の非界面領域における窒素の含有割合とする。
上記第一アルミナ層の厚さは、２μｍ以上２１μｍ以下であることが好ましく、３μｍ以上２０μｍ以下であることがより好ましく、６μｍ以上１７μｍ以下であることがより好ましい。上記第一アルミナ層の厚さは、上述したのと同様の方法で、ＳＥＭを用いて基材と被膜の垂直断面を観察することにより確認することができる。
本実施形態の一側面において、上記第一アルミナ層の厚さは、後述する第二アルミナ層の厚さより大きいことが好ましい。
（チタン化合物層）
本実施形態に係るチタン化合物層２１は、上記第一アルミナ層２０の直上に設けられている（図２）。上記チタン化合物層は、上記第一アルミナ層に隣接する炭窒酸化チタン（ＴｉＣＮＯ）の層を含む。本実施形態の一側面において、上記炭窒酸化チタンの層は、上記第一アルミナ層の直上に設けられていると把握することもできる。上記チタン化合物層は、上記第一アルミナ層に隣接する炭窒酸化チタンの層のみから構成されていてもよいし、上記第一アルミナ層に隣接する炭窒酸化チタンの層と他のチタン化合物の層とから構成されていてもよい。上記炭窒酸化チタンの層は、炭窒酸化チタンのみから構成されていてもよいし、炭窒酸化チタン及び不可避不純物から構成されていてもよい。上記不可避不純物としては、例えば、酸素、塩素等が挙げられる。チタン化合物層の厚さは、１μｍ以上１１．５μｍ以下であることが好ましく、１．５μｍ以上９．５μｍ以下であることがより好ましく、２．５μｍ以上８．５μｍ以下であることが更に好ましい。上記チタン化合物層は、従来よりも厚さが薄い。しかし、後述するように上記チタン化合物層は所定の残留応力を有するため、十分な硬度を有する層となっている。チタン化合物層の厚さは、上述したのと同様の方法で、ＳＥＭを用いて基材と被膜の垂直断面を観察することにより確認することができる。
上記炭窒酸化チタンの層の厚さは、１μｍ以上１１．５μｍ以下であることが好ましく、１．５μｍ以上９．５μｍ以下であることがより好ましく、３．０μｍ以上８．０μｍ以下であることが更に好ましい。炭窒酸化チタンの層の厚さは、上述したのと同様の方法で、ＳＥＭを用いて基材と被膜の垂直断面を観察することにより確認することができる。
本実施形態の一側面において、上記チタン化合物層は、窒化チタン（ＴｉＮ）又は炭化チタン（ＴｉＣ）の層を更に含むことが好ましい。
上記窒化チタン又は炭化チタンの層の厚さは、０．５μｍ以上５．５μｍ以下であることが好ましく、０．５μｍ以上２．５μｍ以下であることがより好ましい。上記窒化チタン又は炭化チタンの層の厚さは、上述したのと同様の方法で、ＳＥＭを用いて基材と被膜の垂直断面を観察することにより確認することができる。
上記チタン化合物層の残留応力は、－３ＧＰａ以上０ＧＰａ以下であることが好ましく、－２．５ＧＰａ以上－０．５ＧＰａ以下であることがより好ましい。
ここで、「残留応力」とは、層内に存する内部応力（固有ひずみ）の一種である。上記残留応力としては、圧縮残留応力と引張残留応力とに大別される。圧縮残留応力は、「－」（マイナス）の数値（本明細書においてその単位は「ＧＰａ」で表す。）で表される残留応力をいう。例えば、「１０ＧＰａの圧縮残留応力」は、－１０ＧＰａの残留応力と把握することができる。このため、圧縮残留応力が大きいという概念は、上記数値の絶対値が大きくなることを示し、圧縮残留応力が小さいという概念は、上記数値の絶対値が小さくなることを示す。引張残留応力は、「＋」（プラス）の数値（本明細書においてその単位は「ＧＰａ」で表す。）で表される残留応力をいう。例えば、「１０ＧＰａの引張残留応力」は、１０ＧＰａの残留応力と把握することができる。このため、引張残留応力が大きいという概念は、上記数値が大きくなることを示し、引張残留応力が小さいという概念は、上記数値が小さくなることを示す。
本実施形態において上記チタン化合物層の残留応力は、Ｘ線を用いた２θ－ｓｉｎ２ψ法による残留応力測定によって求められる。具体的な方法としては、まず測定視野全体について２θ－ｓｉｎ２ψ法により、炭窒酸化チタンの回折面である(３３１)面の結晶面間隔を測定する。ここで、測定時の回折角度は測定対象の結晶面に応じた回折角度を指定する。上述した測定視野とは「チタン化合物層の表面における測定視野」を意味する。つぎに、測定された(３３１)面の結晶面間隔に基づいて上記測定視野全体の残留応力を算出する。このような測定を複数の測定視野において行い、それぞれの測定視野において求められた残留応力の平均値を「チタン化合物層の残留応力」とする。
本実施形態において、２θ－ｓｉｎ２ψ法による残留応力測定は以下の条件で行われる。
装置 ：ＳｍａｒｔＬａｂ（株式会社リガク製）
Ｘ線 ：Ｃｕ／Ｋα／４５ｋＶ／２００ｍＡ
カウンタ：Ｄ／ｔｅＸ Ｕｌｔｒａ２５０（株式会社リガク製）
測定回折面：（３３１）面
走査範囲：７２°～７４°（傾斜法）
（第二アルミナ層）
本実施形態における第二アルミナ層２２は、上記チタン化合物層２１の直上に設けられている。上記第二アルミナ層は、その上に表面層等の他の層が設けられていてもよい。また、上記第二アルミナ層は、上記被膜の最表面であってもよい。上記第二アルミナ層は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）のみから構成されていてもよいし、酸化アルミニウム及び不可避不純物から構成されていてもよい。上記不可避不純物としては、例えば、塩素、硫黄等が挙げられる。上記酸化アルミニウムは、α型の酸化アルミニウム（α－Ａｌ２Ｏ３）であることが好ましい。上記第二アルミナ層は、上記第一アルミナ層と組成が同じであってもよいし、異なっていてもよい。第二アルミナ層の厚さは、０．２μｍ以上６．５μｍ以下であることが好ましく、０．５μｍ以上５μｍ以下であることがより好ましく、１μｍ以上４．５μｍ以下であることが更に好ましい。上記第二アルミナ層は、従来よりも厚さが薄い。しかし、上記第二アルミナ層が薄いことで、後述するように第二アルミナ層を形成した後にブラスト処理を行うことで上記チタン化合物層に所定の残留応力を付与することが可能になる。第二アルミナ層の厚さは、上述したのと同様の方法で、ＳＥＭを用いて基材と被膜の垂直断面を観察することにより確認することができる。
本実施形態の一側面において、上記第二アルミナ層の厚さは、０．２μｍ以上６．５μｍ以下であり、上記チタン化合物層の残留応力は、－３ＧＰａ以上０ＧＰａ以下であることが好ましい。
本実施形態の一側面において、上記第二アルミナ層において上記チタン化合物層に隣接する部分は界面領域を成し、上記界面領域に窒素を含んでいてもよい。ここで、上記第二アルミナ層において上記界面領域ではない部分は非界面領域を成す。上記第二アルミナ層の上記界面領域は、上記チタン化合物層との界面Ｒと、上記界面Ｒから厚さ方向に０．５μｍ離れた地点を通る上記界面Ｒに平行な仮想平面Ｂとに挟まれた領域であることが好ましい。上記第二アルミナ層の上記界面領域における窒素の含有割合は、０．５ａｔ％以上１０ａｔ％以下であることが好ましい。このようにすることで、上記第二アルミナ層と上記チタン化合物層との密着性に優れた切削工具を提供することが可能になる。本実施形態の一側面において、上記第二アルミナ層の上記非界面領域における窒素の含有割合は、０ａｔ％以上０．１５ａｔ％以下であることが好ましい。上記第二アルミナ層の上記界面領域又は上記非界面領域における窒素の含有割合は、上述した方法に準じて、断面サンプルに対してＡＥＳ法によって線分析を行うことで求めることが可能である。
（下地層）
上記被膜４０は、上記基材１０と上記第一アルミナ層２０との間に設けられている下地層２３を更に含むことが好ましい（図３参照）。上記下地層２３は、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）又は炭窒酸化チタン（ＴｉＣＮＯ）を含むことが好ましい。上記ＴｉＮ、ＴｉＣＮ及びＴｉＣＮＯそれぞれは、立方晶であることが好ましい。
上記下地層の厚さは、３μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましく、５μｍ以上１５μｍ以下であることがより好ましい。このような厚さは、上述したのと同様にＳＥＭを用いて基材と被膜の垂直断面を観察することにより確認することができる。
（表面層）
上記被膜は、上記第二アルミナ層上に設けられている表面層を更に含むことが好ましい。上記表面層は、チタン元素と、Ｃ、Ｎ及びＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物を含むことが好ましい。
上記表面に含まれる化合物としては、例えば、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ及びＴｉＢ２等が挙げられる。
上記表面層の厚さは、０．２μｍ以上３μｍ以下であることが好ましく、０．５μｍ以上１．５μｍ以下であることがより好ましい。このような厚さは、上述したのと同様にＳＥＭを用いて基材と被膜の垂直断面を観察することにより確認することができる。
（他の層）
本実施形態に係る切削工具が奏する効果を損なわない範囲において、上記被膜は、他の層を更に含んでいてもよい。上記他の層は、上記第一アルミナ層、上記チタン化合物層、上記第二アルミナ層、上記下地層又は上記表面層とは組成が異なっていてもよいし、同じであってもよい。他の層に含まれる化合物としては、例えば、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＢＮ及びＡｌ２Ｏ３等を挙げることができる。なお、上記他の層は、その積層の順も特に限定されない。上記他の層の厚さは、本実施形態の効果を損なわない範囲において、特に制限はないが例えば、０．１μｍ以上２０μｍ以下が挙げられる。
≪切削工具の製造方法≫
本実施形態に係る切削工具の製造方法は、
上記基材を準備する第１工程（以下、単に「第１工程」という場合がある。）と、
化学気相蒸着法で、上記基材上に上記第一アルミナ層を形成する第２工程（以下、単に「第２工程」という場合がある。）と、
化学気相蒸着法で、上記第一アルミナ層の直上に上記チタン化合物層を形成する第３工程（以下、単に「第３工程」という場合がある。）と、
化学気相蒸着法で、上記チタン化合物層の直上に上記第二アルミナ層を形成する第４工程（以下、単に「第４工程」という場合がある。）と、
を含み、
上記第２工程の終盤において、アルミニウムを構成元素として含むガス、窒素を構成元素として含むガス及び酸素を構成元素として含むガスを含む原料ガスを用いて、上記第一アルミナ層を形成させ、
上記第３工程において、上記第一アルミナ層の直上に炭窒酸化チタンの層を形成させる。
＜第１工程：基材を準備する工程＞
第１工程では基材を準備する。例えば、基材として超硬合金基材が準備される。超硬合金基材は、市販品を用いてもよく、一般的な粉末冶金法で製造してもよい。一般的な粉末冶金法で製造する場合、例えば、ボールミル等によってＷＣ粉末とＣｏ粉末等とを混合して混合粉末を得る。該混合粉末を乾燥した後、所定の形状に成形して成形体を得る。さらに該成形体を焼結することにより、ＷＣ－Ｃｏ系超硬合金（焼結体）を得る。次いで該焼結体に対して、ホーニング処理等の所定の刃先加工を施すことにより、ＷＣ－Ｃｏ系超硬合金からなる基材を製造することができる。第１工程では、上記以外の基材であっても、この種の基材として従来公知の基材であればいずれも準備可能である。
＜第２工程：基材上に第一アルミナ層を形成する工程＞
第２工程では、化学気相蒸着法（ＣＶＤ法）で、上記基材上に第一アルミナ層を形成する。また、上記第２工程の終盤において、アルミニウムを構成元素として含むガス、窒素を構成元素として含むガス及び酸素を構成元素として含むガスを含む原料ガスを用いて、上記第一アルミナ層を形成させる。
図５は、被膜の製造に用いられる化学気相蒸着装置（ＣＶＤ装置）の一例を示す模式断面図である。以下図５を用いて第２工程について説明する。ＣＶＤ装置３０は、基材１０を保持するための基材セット治具３１の複数と、基材セット治具３１を覆う耐熱合金鋼製の反応容器３２とを備えている。また、反応容器３２の周囲には、反応容器３２内の温度を制御するための調温装置３３が設けられている。反応容器３２にはガス導入口３４を有するガス導入管３５が設けられている。ガス導入管３５は、基材セット治具３１が配置される反応容器３２の内部空間において、鉛直方向に延在し当該鉛直方向を軸に回転可能に配置されている。また、上記ガス導入管３５は、ガスを反応容器３２内に噴出するための複数の噴出孔３６が設けられている。このＣＶＤ装置３０を用いて、次のようにして上記被膜を構成する第一アルミナ層等を形成することができる。
まず、基材１０を基材セット治具３１に配置し、反応容器３２内の温度および圧力を所定の範囲に制御しながら、上記第一アルミナ層用の原料ガスをガス導入管３５から反応容器３２内に導入させる。これにより、基材１０上に第一アルミナ層２０が形成される。ここで、上記第一アルミナ層２０を形成する前に（すなわち、第２工程の前に）、下地層用の原料ガスをガス導入管３５から反応容器３２内に導入させることにより、基材１０の表面に下地層（例えば、ＴｉＮを含む層）を形成することが好ましい。以下、基材１０の表面に下地層を形成した後に、上記第一アルミナ層２０を形成する方法について説明する。
上記下地層用の原料ガスとしては、特に制限はないが例えばＴｉＮの層を形成する場合は、ＴｉＣｌ４及びＮ２の混合ガスが挙げられる。ＴｉＣＮの層を形成する場合、原料ガスとしては、例えば、ＴｉＣｌ４、Ｎ２、ＣＨ３ＣＮ、ＣＨ４、及びＣ２Ｈ４の混合ガスが挙げられる。ＴｉＣＮＯの層を形成する場合、原料ガスとしては、例えば、ＴｉＣｌ４、Ｎ２、ＣＯ、及びＣＨ４の混合ガスが挙げられる。
上記下地層を形成する際の反応容器３２内の温度は、１０００～１１００℃に制御されることが好ましい。上記下地層を形成する際の反応容器３２内の圧力は０．１～１０１３ｈＰａに制御されることが好ましい。なお、キャリアガスとしては、Ｈ２を用いることが好ましい。また、ガス導入時、不図示の駆動部によりガス導入管３５を回転させることが好ましい。これにより、反応容器３２内において各ガスを均一に分散させることができる。
さらに、上記下地層を、ＭＴ（Ｍｅｄｉｕｍ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）－ＣＶＤ法で形成してもよい。ＭＴ－ＣＶＤ法は、１０００～１１００℃の温度で実施されるＣＶＤ法（以下、「ＨＴ－ＣＶＤ法」ともいう。）とは異なり、反応容器３２内の温度を８５０～９５０℃といった比較的低い温度に維持して層を形成する方法である。ＭＴ－ＣＶＤ法は、ＨＴ－ＣＶＤ法と比して比較的低温で実施されるため、加熱による基材１０へのダメージを低減することができる。特に、上記下地層がＴｉＮ層である場合、ＭＴ－ＣＶＤ法で形成することが好ましい。
次に、上記下地層上に上記第一アルミナ層を形成する。核生成段階における原料ガスとしては、例えば、ＡｌＣｌ３、ＣＯ、ＣＯ２、及びＨＣｌの混合ガスを用いる。結晶成長段階における原料ガスとしては、例えば、ＡｌＣｌ３、ＣＯ、ＣＯ２、ＨＣｌ及びＨ２Ｓの混合ガスを用いる。第２工程の終盤に用いる原料ガスとしては、例えば、ＡｌＣｌ３（アルミニウムを構成元素として含むガス）、ＣＯ、ＣＯ２、ＨＣｌ及びＮ２（窒素を構成元素として含むガス）の混合ガスを用いる。
原料ガス中におけるＡｌＣｌ３の含有割合は、１～５体積％であることが好ましく、１．５～４体積％であることがより好ましく、２～３．５体積％であることが更に好ましい。ＡｌＣｌ３の好ましい流量は、０．５～３．５Ｌ／ｍｉｎである。
原料ガス中におけるＣＯの含有割合は、０．５～４体積％であることが好ましく、０．８～３．５体積％であることがより好ましく、１～２．５体積％であることが更に好ましい。ＣＯの好ましい流量は、０．５～２Ｌ／ｍｉｎである。
原料ガス中におけるＣＯ２の含有割合は、０．２～２．５体積％であることが好ましく、０．３～２体積％であることがより好ましく、０．５～１．５体積％であることが更に好ましい。ＣＯ２の好ましい流量は、０．４～１．５Ｌ／ｍｉｎである。
原料ガス中におけるＨＣｌの含有割合は、１～６体積％であることが好ましく、１．５～５．５体積％であることがより好ましく、２～４．５体積％であることが更に好ましい。ＨＣｌの好ましい流量は、０．５～４．５Ｌ／ｍｉｎである。
原料ガス中におけるＨ２Ｓの含有割合は、０．５～３．５体積％であることが好ましく、１．０～３．０体積％であることがより好ましく、１．５～２．５体積％であることが更に好ましい。Ｈ２Ｓの好ましい流量は、０．３～２．５Ｌ／ｍｉｎである。
原料ガス中におけるＮ２の含有割合は、０．１～１体積％であることが好ましく、０．２～０．８体積％であることがより好ましく、０．３～０．６体積％であることが更に好ましい。Ｎ２の好ましい流量は、０．１～０．５Ｌ／ｍｉｎである。
反応容器３２内の温度は９５０～１０００℃に制御されることが好ましい。反応容器３２内の圧力は５０～１００ｈＰａに制御されることが好ましい。また、キャリアガスとしてはＨ２を用いることができる。なお、ガス導入時、ガス導入管３５を回転させることが好ましいことは、上記と同様である。
上記製造方法に関し、ＣＶＤ法の各条件を制御することによって、各層の態様が変化する。たとえば、反応容器３２内に導入する原料ガスの組成によって、各層の組成が決定される。実施時間（成膜時間）により、各層の厚さが制御される。
＜第３工程：第一アルミナ層の直上にチタン化合物層を形成する工程＞
第３工程では、化学気相蒸着法で、上記第一アルミナ層の直上に上記チタン化合物層を形成する。上記第３工程において、上記第一アルミナ層の直上に炭窒酸化チタンの層を形成させる。
炭窒酸化チタンの層の原料ガスとしては、例えば、ＴｉＣｌ４、ＣＨ４、Ｎ２、及びＣＯの混合ガスを用いる。
原料ガス中におけるＴｉＣｌ４の含有割合は、２～７体積％であることが好ましく、３～６体積％であることがより好ましく、３．５～５．５体積％であることが更に好ましい。ＴｉＣｌ４の好ましい流量は、１．４～４．９Ｌ／ｍｉｎである。
原料ガス中におけるＣＨ４の含有割合は、２～７体積％であることが好ましく、２．５～６．５体積％であることがより好ましく、３～６体積％であることが更に好ましい。ＣＨ４の好ましい流量は、１～５Ｌ／ｍｉｎである。
原料ガス中におけるＮ２の含有割合は、５～３５体積％であることが好ましく、７．５～３０体積％であることがより好ましく、１０～２５体積％であることが更に好ましい。Ｎ２の好ましい流量は、３．５～２４．５Ｌ／ｍｉｎである。
原料ガス中におけるＣＯの含有割合は、１．５～４．５体積％であることが好ましく、２．０～４．０体積％であることがより好ましく、２．５～３．５体積％であることが更に好ましい。ＣＯの好ましい流量は、０．８～２．３Ｌ／ｍｉｎである。
反応容器３２内の温度は９５０～１０００℃に制御されることが好ましい。反応容器３２内の圧力は５０～２００ｈＰａに制御されることが好ましい。また、キャリアガスとしてはＨ２を用いることができる。なお、ガス導入時、ガス導入管３５を回転させることが好ましいことは、上記と同様である。
本実施形態の一側面において、第３工程では上記炭窒酸化チタンの層の他にも、チタン化合物層を構成する層として、窒化チタン、炭化チタン、炭窒化チタン等の層を形成してもよい。
＜第４工程：チタン化合物層の直上に第二アルミナ層を形成する工程＞
第４工程では、化学気相蒸着法で、上記チタン化合物層の直上に第二アルミナ層を形成する。
原料ガスとしては、例えば、ＡｌＣｌ３、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２Ｓ、ＨＣｌ及びＴｉＣｌ４の混合ガスを用いる。
原料ガス中におけるＡｌＣｌ３の含有割合は、１～５体積％であることが好ましく、１．５～４体積％であることがより好ましく、２～３．５体積％であることが更に好ましい。ＡｌＣｌ３の好ましい流量は、０．５～３．５Ｌ／ｍｉｎである。
原料ガス中におけるＣＯの含有割合は、０．５～４体積％であることが好ましく、０．８～３．５体積％であることがより好ましく、１～２．５体積％であることが更に好ましい。ＣＯの好ましい流量は、０．３～３Ｌ／ｍｉｎである。
原料ガス中におけるＣＯ２の含有割合は、０．２～２．５体積％であることが好ましく、０．３～２体積％であることがより好ましく、０．５～１．５体積％であることが更に好ましい。ＣＯ２の好ましい流量は、０．１～１．５Ｌ／ｍｉｎである。
原料ガス中におけるＨ２Ｓの含有割合は、０．２～２．５体積％であることが好ましく、０．３～２．０体積％であることがより好ましく、０．５～１．５体積％であることが更に好ましい。Ｈ２Ｓの好ましい流量は、０．１～１．５Ｌ／ｍｉｎである。
原料ガス中におけるＨＣｌの含有割合は、１～７体積％であることが好ましく、１．５～６．５体積％であることがより好ましく、２～６体積％であることが更に好ましい。ＨＣｌの好ましい流量は、０．５～４．５Ｌ／ｍｉｎであり、より好ましい流量は１～４Ｌ／ｍｉｎである。
原料ガス中におけるＴｉＣｌ４の含有割合は、０．０１～０．０９体積％であることが好ましく、０．０２～０．０８体積％であることがより好ましく、０．０３～０．０７体積％であることが更に好ましい。ＴｉＣｌ４の好ましい流量は、０．０５～０．６Ｌ／ｍｉｎである。原料ガスにＴｉＣｌ４が含まれることで、上記チタン化合物層と上記第二アルミナ層との密着力を向上させることができる。
反応容器３２内の温度は９５０～１０００℃に制御されることが好ましい。反応容器３２内の圧力は５０～２００ｈＰａに制御されることが好ましい。また、キャリアガスとしてはＨ２を用いることができる。なお、ガス導入時、ガス導入管３５を回転させることが好ましいことは、上記と同様である。
本実施形態の一側面において、上記第４工程の序盤において、アルミニウムを構成元素として含むガス、窒素を構成元素として含むガス及び酸素を構成元素として含むガスを含む原料ガスを用いて、上記第二アルミナ層を形成させてもよい。このようにすることで、上記第二アルミナ層と上記チタン化合物層との密着性に優れた切削工具を提供することが可能になる。原料ガスとしては、例えば、ＡｌＣｌ３、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２Ｓ、ＨＣｌ、ＴｉＣｌ４及びＮ２の混合ガスを用いる。原料ガス中におけるＡｌＣｌ３、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２Ｓ、ＨＣｌ及びＴｉＣｌ４それぞれの含有割合は、上述した範囲であることが好ましい。
原料ガス中におけるＮ２の含有割合は、０．１～１体積％であることが好ましく、０．２～０．８体積％であることがより好ましく、０．３～０．６体積％であることが更に好ましい。Ｎ２の好ましい流量は、０．１～０．５Ｌ／ｍｉｎであり、より好ましい流量は０．２～０．４Ｌ／ｍｉｎである。
＜その他の工程＞
本実施形態に係る製造方法では、上述した工程の他にも、本実施形態の効果を損なわない範囲で追加工程を適宜行ってもよい。上記追加工程としては例えば、上記第二アルミナ層上に表面層を形成する工程、及び被膜にブラスト処理を行う工程等が挙げられる。本実施形態において、チタン化合物層の直上にある第二アルミナ層の厚さは、第一アルミナ層の厚さよりも薄い。そのため、上記第４工程の後で、ブラスト処理を行うと上記チタン化合物層に所定の圧縮残留応力を付与することができる。ブラスト処理の条件は、例えば後述する実施例に記載の条件が挙げられる。表面層を形成する方法としては、特に制限はなく、例えば、ＣＶＤ法等によって形成する方法が挙げられる。
以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
≪切削工具の作製≫
＜第１工程：基材を準備する工程＞
基材として、ＴａＣ（２．０質量％）、ＮｂＣ（１．０質量％）、Ｃｏ（１０．０質量％）及びＷＣ（残部）からなる組成（ただし不可避不純物を含む。）の超硬合金製切削チップ（形状：ＣＮＭＧ１２０４０８Ｎ－ＵＸ、住友電工ハードメタル株式会社製、ＪＩＳ Ｂ４１２０（２０１３））を準備した。
＜下地層を形成する工程＞
後述の第２工程の前に、準備した基材に対し、ＣＶＤ装置を用いて、表１に記載の原料ガス組成及び成膜条件で下地層を形成させた。なお、成膜時間は表５に示される厚さとなるように適宜調整した。また、下地層の厚さ及び下地層の組成を表５に示す。表５において、下地層の組成は基材に近い順に記載している。例えば、「ＴｉＮ（１．０）／ＴｉＣＮ（１１．５）／ＴｉＣＮＯ（１．５）」との表記は、基材に近い層から順に、ＴｉＮの層（厚さ１．０μｍ）、ＴｉＣＮの層（厚さ１１．５μｍ）及びＴｉＣＮＯの層（厚さ１．５μｍ）が形成されていることを意味する。
Figure 0007135261000001
＜第２工程：基材上に第一アルミナ層を形成する工程＞
準備した基材、又は下地層が形成された基材に対し、ＣＶＤ装置を用いて、第一アルミナ層を形成させて、後工程の第３工程に移った。第一アルミナ層の形成条件を表２に示す。表２に示されるように、「核生成」（序盤）、「結晶成長」（中盤）、「Ｎ含有層形成」（終盤）の各段階に応じて、原料ガスの組成を変化させて第一アルミナ層を成膜した。試料１０１及び１０３については、「Ｎ含有層形成」（終盤）における原料ガスを用いずに、「核生成」（序盤）、及び「結晶成長」（中盤）の二段階で第一アルミナ層を成膜した。なお、成膜時間は表５に示される厚さとなるように適宜調整した。また、第一アルミナ層の厚さ及び第一アルミナ層の組成を表５に示す。
Figure 0007135261000002
＜第３工程：第一アルミナ層の直上にチタン化合物層を形成する工程＞
次に、上記第一アルミナ層が形成された基材に対し、ＣＶＤ装置を用いて、第一アルミナ層の直上にチタン化合物層を形成した。ここで上記第３工程において、上記第一アルミナ層の直上に炭窒酸化チタンの層を形成させた。チタン化合物層の形成条件を表３に示す。なお、成膜時間は表５に示される厚さとなるように適宜調整した。また、チタン化合物層の厚さ及びチタン化合物層の組成を表５に示す。表５において、チタン化合物層の組成は第一アルミナ層に近い順に記載している。例えば、「ＴｉＣＮＯ（６．０）／ＴｉＮ（１．０）」との表記は、第一アルミナ層に近い層から順に、ＴｉＣＮＯの層（厚さ６．０μｍ）及びＴｉＮの層（厚さ１．０μｍ）が形成されていることを意味する。
Figure 0007135261000003
＜第４工程：チタン化合物層の直上に第二アルミナ層を形成する工程＞
次に、上記チタン化合物層が形成された基材に対し、ＣＶＤ装置を用いて、チタン化合物層の直上に第二アルミナ層を形成した。第二アルミナ層の形成条件を表４に示す。なお、成膜時間は表５に示される厚さとなるように適宜調整した。また、第二アルミナ層の厚さ及び第二アルミナ層の組成を表５に示す。
Figure 0007135261000004
＜表面層を形成する工程＞
最後に、上記第二アルミナ層が形成された基材に対し、ＣＶＤ装置を用いて、表面層を形成させた。表面層の形成条件を以下に示す。また、表面層の厚さ及び組成を表５に示す。なお、表５において「－」で示されている箇所は、該当する層が設けられていないことを意味する。
（ＴｉＮの場合）
原料ガス組成：ＴｉＣｌ４（７．０ｖｏｌ％）、Ｎ２（４０．０ｖｏｌ％）、Ｈ２（残部）
全ガス流量：６０Ｌ／ｍｉｎ
圧力 ：２５０ｈＰａ
温度 ：１０００℃
（ＴｉＣの場合）
原料ガス組成：ＴｉＣｌ４（４．０ｖｏｌ％）、ＣＨ４（４．０ｖｏｌ％）、Ｈ２（残部）
全ガス流量：５０Ｌ／ｍｉｎ
圧力 ：８０ｈＰａ
温度 ：１０００℃
＜ブラスト処理を行う工程＞
最後に、すくい面中央の貫通穴を軸中心として９０ｒｐｍで、上記切削工具を回転させながら、以下の条件で被膜に対してブラスト処理を行った。
ブラスト処理の条件
メディア：砥粒となる粒径１００μｍのセラミックス粒子を７体積％含む水溶媒
投射角度：回転軸に対し４５°
投射距離：刃先稜線部から１０ｍｍの距離
投射圧力：０．０５～０．１０ＭＰａ
投射時間：５～２０秒間
投射圧力及び投射時間は、表６に示される残留応力となるように調整した。
Figure 0007135261000005
以上の手順によって、試料１～１２及び試料１０１～１０３の切削工具を作製した。
≪切削工具の特性評価≫
上述のようにして作製した試料の切削工具を用いて、以下のように、切削工具の各特性を評価した。ここで、試料１～１２は実施例に相当し、試料１０１～１０３は比較例に相当する。
＜被膜を構成する各層の厚さの測定＞
被膜を構成する各層の厚さは、電界放出型走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）（株式会社日立ハイテク製、商品名：ＳＵ３５００）を用いて、基材の表面の法線方向に平行な断面サンプルにおける任意の１０点を測定し、測定された１０点の厚さの平均値をとることで求めた。このとき上記断面サンプルの測定断面をイオンミリング処理（株式会社日立ハイテク製、商品名：ＩＭ４０００）により研磨してから測定した。結果を表５、表６に示す。
＜第一アルミナ層の界面領域及び非界面領域における窒素の含有割合（ＡＥＳ測定）＞
第一アルミナ層の界面領域及び非界面領域における各元素（酸素、窒素、アルミニウム）の原子割合は、上述の基材の表面の法線方向に平行な断面サンプルに対して、オージェ電子分光法（ＡＥＳ法）によって線分析を行うことで求めた。具体的には、まず、クロスセクションポリッシャ加工によって上記断面サンプルの切断面を研磨した。研磨した切断面に対して、電解放出型走査顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ）を用いた分析によって下地層、第一アルミナ層及びチタン化合物層における断面ＳＥＭ像を得た。このときの測定倍率は、５００００倍であった。このとき、下地層、及びチタン化合物層が暗い領域として観察され、第一アルミナ層が明るい領域として観察される。次に、上記断面ＳＥＭ像における視野で、上記チタン化合物層の積層方向に平行な方向でチタン化合物層側から第一アルミナ層側に向かって、上記研磨した切断面に対してＡＥＳ法によって線分析を行った。このときの測定ピッチは、０．０１６μｍであった。ＡＥＳ法のその他の測定条件は、以下の条件であった。
（ＡＥＳ法の測定条件）
測定装置 ：アルバック・ファイ社製、商品名：ＰＨＩ７００
測定加速電圧：１０ｋＶ
測定電流 ：１０ｍＡ
試料傾斜角度：３０°
スパッタ電圧：１ｋＶ
上述の線分析によって得られたデータからグラフを作成した。上記グラフにおいて、Ｘ軸（横軸）は測定開始点からの距離を示し、Ｙ軸（縦軸）は、測定対象の各元素の原子割合（ａｔ％）を示すようにした。次に、このグラフに基づいてアルミニウムの原子割合が１０ａｔ％となる地点であって、上記チタン化合物層により近い地点を「第一アルミナ層とチタン化合物層との界面Ｓ」とした（例えば、図４参照）。また、当該界面Ｓから上記第一アルミナ層の側に０．５μｍ離れた地点含む平面を「仮想平面Ａ」とした（例えば、図４参照）。上記グラフにおいて、アルミニウムの原子割合が１０ａｔ％となる地点であって、上記基材により近い地点を「第一アルミナ層の基材側の界面Ｑ」とした（図４参照）。そして、上記グラフに基づいて界面Ｓと仮想平面Ａとに挟まれた領域（界面領域）における上記窒素の原子割合の平均値、及び仮想平面Ａと界面Ｑとに挟まれた領域（非界面領域）における上記窒素の原子割合の平均値をそれぞれ求めた。このような測定を３回行い、各測定で求められた値の平均値を、それぞれその第一アルミナ層の界面領域における窒素の含有割合、及びその第一アルミナ層の非界面領域における窒素の含有割合とした。結果を表６に示す。
＜チタン化合物層における残留応力＞
上述の２θ－ｓｉｎ２ψ法により、以下の条件でチタン化合物層における残留応力を測定した。結果を表６に示す。表６中、マイナスの数値で表される残留応力は圧縮残留応力を意味し、プラスの数値で表される残留応力は引張残留応力を意味する。
装置 ：ＳｍａｒｔＬａｂ（株式会社リガク製）
Ｘ線 ：Ｃｕ／Ｋα／４５ｋＶ／２００ｍＡ
測定回折面：（３３１）面
カウンタ：Ｄ／ｔｅＸ Ｕｌｔｒａ２５０（株式会社リガク製）
走査範囲：７２°～７４°（傾斜法）
Figure 0007135261000006
≪切削試験≫
（切削評価１：連続加工試験、耐摩耗性の評価）
上述のようにして作製した試料（試料１～１２及び試料１０１～１０３）の切削工具を用いて、以下の切削条件により、逃げ面の摩耗量が０．３ｍｍとなるまでの切削時間（分）を測定した。その結果を表６に示す。切削時間が長いほど耐摩耗性に優れる切削工具として評価することができる。
連続加工の切削条件
被削材 ：ＳＳ４００（形状：丸棒）
切削速度：３３０ｍ／ｍｉｎ
送り速度：０．２ｍｍ／ｒｅｖ
切込み ：１．５ｍｍ
切削油 ：あり
（切削評価２：面品位の評価）
また上記切削試験において切削加工を開始して１分後における被削材の加工面を目視で観察した。観察した加工面における白濁、むしれの状態を元に図６に示す基準でＡ～Ｅのランク付けを行った。結果を表６に示す。ランクＡ～Ｃを良好な加工面と評価した。切削評価２を行うことで、切削工具の耐溶着性を評価することができる。
（切削評価３： 断続加工試験、耐溶着欠損性の評価）
上述のようにして作製した試料（試料１～１２及び試料１０１～１０３）の切削工具を用いて、以下の切削条件により、溶着による膜剥離を起点としてノーズＲ部が欠損に至るまでの切削時間（分）を測定した。その結果を表６に示す。切削時間が長いほど耐溶着欠損性に優れる切削工具として評価することができる。
断続加工の切削条件
被削材 ：ＳＵＳ３１６ 断続材（形状：スリット溝付丸棒）
切削速度：１２０ｍ／ｍｉｎ
送り速度：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
切込み ：２．０ｍｍ
切削油 ：あり
表６の結果から試料１～１２の切削工具（実施例の切削工具）は、切削評価１における切削時間が２１．５分以上の良好な結果が得られた。一方試料１０１～１０３の切削工具（比較例の切削工具）は、切削評価１における切削時間が１５分未満であった。以上の結果から、実施例の切削工具は、比較例の切削工具に比べて耐摩耗性に優れることが分かった。
また、表６の結果から試料１～１２の切削工具（実施例の切削工具）は、切削評価２における面品位がランクＡ～Ｃであり良好な結果が得られた。一方試料１０２及び１０３の切削工具（比較例の切削工具）は、切削評価２における面品位がランクＥであった。試料１０１の切削工具（比較例の切削工具）は、切削評価２における面品位がランクＣであったが、上記切削評価１における切削時間が１３．５分であり、耐摩耗性と耐溶着性を両立することができなかった。
表６の結果から試料１～１２の切削工具（実施例の切削工具）は、切削評価３における切削時間が１２．５分以上の良好な結果が得られた。一方試料１０１～１０３の切削工具（比較例の切削工具）は、切削評価３における切削時間が１０．５分以下であった。以上の結果から、実施例の切削工具は、比較例の切削工具に比べて耐溶着欠損性に優れることが分かった。
以上の結果から、実施例の切削工具は、比較例の切削工具に比べて耐摩耗性及び耐溶着性に優れることが分かった。
以上のように本発明の実施形態及び実施例について説明を行なったが、上述の各実施形態及び各実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
今回開示された実施の形態及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及び実施例ではなく請求の範囲によって示され、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 すくい面、 ２ 逃げ面、 ３ 刃先稜線部、 １０ 基材、 ２０ 第一アルミナ層、 ２１ チタン化合物層、 ２２ 第二アルミナ層、 ２３ 下地層、 ３０ ＣＶＤ装置、 ３１ 基材セット治具、 ３２ 反応容器、 ３３ 調温装置、 ３４ ガス導入口、 ３５ ガス導入管、 ３６ 噴出孔、 ４０ 被膜、 ５０ 切削工具、 Ａ 第一アルミナ層とチタン化合物層との界面Ｓから第一アルミナ層の側に０．５μｍ離れた地点を含む仮想平面Ａ、 Ｒ 第一アルミナ層の基材側の界面Ｑ、 Ｓ 第一アルミナ層とチタン化合物層との界面Ｓ

Claims (8)

  1. 基材と前記基材の上に設けられている被膜とを備える切削工具であって、
    前記被膜は、
    前記基材の上に設けられている第一アルミナ層と、
    前記第一アルミナ層の直上に設けられているチタン化合物層と、
    前記チタン化合物層の直上に設けられている第二アルミナ層と、を含み、
    前記第一アルミナ層において前記チタン化合物層に隣接する部分は界面領域を成し、
    前記第一アルミナ層において前記界面領域ではない部分は非界面領域を成し、
    前記第一アルミナ層の前記界面領域は、前記チタン化合物層との界面Ｓと、前記界面Ｓから厚さ方向に０．５μｍ離れた地点を通る前記界面Ｓに平行な仮想平面Ａとに挟まれた領域であり、
    前記界面領域における窒素の含有割合は、０．２ａｔ％以上１１ａｔ％以下であり、
    前記非界面領域における窒素の含有割合は、０ａｔ％以上０．１５ａｔ％以下であり、
    前記界面領域における前記窒素の含有割合及び前記非界面領域における前記窒素の含有割合は、前記第一アルミナ層におけるアルミニウム、酸素及び窒素の合計を基準としたときの原子割合であり、
    前記チタン化合物層は、前記第一アルミナ層に隣接する炭窒酸化チタンの層を含む、切削工具。
  2. 前記第一アルミナ層の厚さは、前記第二アルミナ層の厚さより大きい、請求項１に記載の切削工具。
  3. 前記チタン化合物層の厚さは、２．５μｍ以上８．５μｍ以下である、請求項１又は請求項２に記載の切削工具。
  4. 前記第二アルミナ層の厚さは、０．２μｍ以上６．５μｍ以下である、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の切削工具。
  5. 前記第一アルミナ層の厚さは、２μｍ以上２１μｍ以下である、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の切削工具。
  6. 前記第一アルミナ層の前記界面領域における窒素の含有割合は、０．５ａｔ％以上１０ａｔ％以下である、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の切削工具。
  7. 前記第二アルミナ層の厚さは、０．２μｍ以上６．５μｍ以下であり、
    前記チタン化合物層の残留応力は、－３ＧＰａ以上０ＧＰａ以下である、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の切削工具。
  8. 前記チタン化合物層は、窒化チタン又は炭化チタンの層を更に含む、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の切削工具。
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