JP7353591B2

JP7353591B2 - 被覆切削工具

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Publication number: JP7353591B2
Application number: JP2020090471A
Authority: JP
Inventors: 隆雄片桐
Original assignee: Tungaloy Corp
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 2020-05-25
Filing date: 2020-05-25
Publication date: 2023-10-02
Anticipated expiration: 2040-05-25
Also published as: EP3916126A1; CN113714526B; JP2021185009A; US11548074B2; US20210362245A1; CN113714526A

Description

本発明は、被覆切削工具に関するものである。

従来、鋼などの切削加工には超硬合金や立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）焼結体からなる切削工具が広く用いられている。中でも超硬合金基材の表面にＴｉＮ層、ＴｉＡｌＮ層などの硬質被覆膜を１又は２以上含む表面被覆切削工具は汎用性の高さから様々な加工に使用されている。

例えば、特許文献１では、基材上に（Ａｌ_aＴｉ_bＭ_c）Ｘ［但し、ＭはＺｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｙ、Ｂ及びＳｉからなる群より選択された少なくとも１種の元素を表し、ＸはＣ、Ｎ及びＯからなる群より選択された少なくとも１種の元素を表し、ａはＡｌ元素とＴｉ元素とＭ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を表し、ｂはＡｌ元素とＴｉ元素とＭ元素との合計に対するＴｉ元素の原子比を表し、ｃはＡｌ元素とＴｉ元素とＭ元素との合計に対するＭ元素の原子比を表し、ａ、ｂ、ｃは、０．３０≦ａ≦０．６５、０．３５≦ｂ≦０．７０、０≦ｃ≦０．２０、ａ＋ｂ＋ｃ＝１を満足する。］と表される層を有し、該層の平均粒径が２００ｎｍよりも大きくすることで、従来よりも耐摩耗性が向上することが提案されている。

また、特許文献２では、基材上に（Ａｌ_1-xＴｉ_x）Ｎ[０．４０≦Ｘ≦０．６５]を満足し、該層は上記ＡｌとＴｉとの複合窒化物の粒状組織からなる薄層Ａと柱状組織からなる薄層Ｂとの交互積層構造で構成され、薄層Ａを構成する粒状晶の平均結晶粒径は３０ｎｍ以下、また、薄層Ｂを構成する柱状晶の平均粒径は５０～５００ｎｍにすることを特徴としており、該被膜層を蒸着した切削工具は従来よりも耐チッピング性、耐摩耗性に優れることが提案されている。

国際公開第２０１４/１３６７５５号特許第５５９４５７５号

近年のステンレス鋼などの難削材切削加工は高速化及び高送り化の傾向にあり、従来よりも切削条件が厳しくなる傾向の中で、これまでより耐摩耗性及び耐欠損性を向上し、工具寿命を延長することが求められている。上記特許文献１の被膜は全体として被膜粒径が２００ｎｍよりも大きいことから、優れた耐摩耗性を発揮する一方で、突発的な欠損やチッピングを生じやすいことが予想される。上記特許文献２の被覆切削工具は同一組成で柱状晶のＡ層と粒状晶のＢ層とを交互積層しており、界面整合性が高いため、歪みが小さく、被膜硬さが十分でない。この結果、耐摩耗性が不十分であることにより、工具寿命を長くし難い。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、耐摩耗性及び耐欠損性を向上させた工具寿命の長い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、被覆切削工具を特定の構成にすると、その耐摩耗性及び耐欠損性を向上させることが可能となり、その結果、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、前記基材の上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、下記式（１）で表される組成を有する化合物を含有する第１層と、下記式（２）で表される組成を有する化合物を含有する第２層と、を有し、
Ｔｉ（Ｃ_x1Ｎ_1-x1）（１）
（式（１）中、ｘ１はＣ元素とＮ元素との合計に対するＣ元素の原子比を示し、０．０２≦ｘ１≦０．３０を満足する。）
（Ｔｉ_1-y1Ａｌ_y1）Ｎ（２）
（式（２）中、ｙ１はＴｉ元素とＡｌ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を示し、０．２５≦ｙ１≦０．７５を満足する。）
前記第１層における粒子の平均粒径が、５ｎｍ以上１００ｎｍ未満であり、
前記第１層において、（１１１）面の回折ピーク強度Ｉ（１１１）と（２００）面の回折ピーク強度Ｉ（２００）との比が、１．０≦Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）≦２０．０であり、
前記第１層の平均厚さが、５ｎｍ以上１．０μｍ以下であり、
前記第２層において、（１１１）面の回折ピーク強度Ｉ（１１１）と（２００）面の回折ピーク強度Ｉ（２００）との比が、０．１≦Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）≦１．０であり、
前記第２層における粒子の平均粒径が、１００ｎｍを超え３００ｎｍ以下であり、
前記第２層の平均厚さが、５ｎｍ以上２．０μｍ以下である、被覆切削工具。
［２］
前記第１層と前記第２層とにおける化合物全体の平均組成は、下記式（３）で表される、［１］に記載の被覆切削工具。
（Ｔｉ_1-y2Ａｌ_y2）（Ｃ_x2Ｎ_1-x2）（３）
（式（３）中、ｘ２はＣ元素とＮ元素との合計に対するＣ元素の原子比を示し、０．０１≦ｘ２≦０．１５を満足し、ｙ２はＴｉ元素とＡｌ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を示し、０．１２≦ｙ２≦０．３８を満足する。）
［３］
前記第１層の残留応力が－４．０ＧＰａ以上－２．０ＧＰａ以下であり、前記第２層の残留応力が、－２．０ＧＰａ以上０ＧＰａ以下である、［１］又は［２］に記載の被覆切削工具。
［４］
前記被覆層が、前記第１層と前記第２層とを交互に２回以上繰り返し形成した交互積層構造を有する、［１］～［３］のいずれかに記載の被覆切削工具。
［５］
前記第１層のＸ線回析において、（１１１）面が最高ピークを示す、［１］～［４］のいずれかに記載の被覆切削工具。
［６］
前記第２層のＸ線回析において、（２００）面が最高ピークを示す、［１］～［５］のいずれかに記載の被覆切削工具。
［７］
前記式（３）で表される平均組成におけるＣ元素の原子比ｘ２と、前記式（１）で表される組成におけるＣ元素の原子比ｘ１との差ΔＣ（ｘ１－ｘ２）が、０．０１以上０．１５以下である、［２］に記載の被覆切削工具。
［８］
前記式（３）で表される平均組成におけるＡｌ元素の原子比ｙ２と、前記式（２）で表される組成におけるＡｌ元素の原子比ｙ１との差ΔＡｌ（ｙ１－ｙ２）が、０．１２以上０．３８以下である、［２］に記載の被覆切削工具。
［９］
前記被覆層全体の平均厚さが、２．０μｍ以上１０．０μｍ以下である、［１］～［８］のいずれかに記載の被覆切削工具。
［１０］
前記基材は、超硬合金、サーメット、セラミックス又は立方晶窒化硼素焼結体のいずれかである、［１］～［９］のいずれかに記載の被覆切削工具。

本発明によると、耐摩耗性及び耐欠損性を向上させた工具寿命の長い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、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。なお、図面中、同一要素には同一符号を付すこととし、重複する説明は省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。更に、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。

本実施形態の被覆切削工具は、基材と、基材の上に形成された被覆層と、を含み、
被覆層は、下記式（１）で表される組成を有する化合物を含有する第１層と、下記式（２）で表される組成を有する化合物を含有する第２層と、を有し、
Ｔｉ（Ｃ_x1Ｎ_1-x1）（１）
（式（１）中、ｘ１はＣ元素とＮ元素との合計に対するＣ元素の原子比を示し、０．０２≦ｘ１≦０．３０を満足する。）
（Ｔｉ_1-y1Ａｌ_y1）Ｎ（２）
（式（２）中、ｙ１はＴｉ元素とＡｌ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を示し、０．２５≦ｙ１≦０．７５を満足する。）
第１層における粒子の平均粒径が、５ｎｍ以上１００ｎｍ未満であり、
第１層において、（１１１）面の回折ピーク強度Ｉ（１１１）と（２００）面の回折ピーク強度Ｉ（２００）との比が、１．０≦Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）≦２０．０であり、
第１層の平均厚さが、５ｎｍ以上１．０μｍ以下であり、
第２層において、（１１１）面の回折ピーク強度Ｉ（１１１）と（２００）面の回折ピーク強度Ｉ（２００）との比が、０．１≦Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）≦１．０であり、
第２層における粒子の平均粒径が、１００ｎｍを超え３００ｎｍ以下であり、
第２層の平均厚さが、５ｎｍ以上２．０μｍ以下である。

このような被覆切削工具が、耐摩耗性及び耐欠損性を向上させた工具寿命の長いものとなる要因は、詳細には明らかではないが、本発明者はその要因を下記のように考えている。ただし、要因はこれに限定されない。すなわち、被覆層を形成する第１層において、そこに含まれる化合物の組成Ｔｉ（Ｃ_x1Ｎ_1-x1）中のｘ１が０．０２以上であると硬さが向上するため被覆切削工具の耐摩耗性が向上し、また、微粒化することで圧縮応力が付与され易く、亀裂の進展が抑制されるので耐欠損性が向上する。また、Ｔｉ（Ｃ_x1Ｎ_1-x1）中のｘ１が０．３以下であると、被覆層を形成する第２層との密着性が優れるため、剥離を起因とした欠損を抑制する。また、被覆層を形成する第２層において、そこに含まれる化合物の組成（Ｔｉ_1-y1Ａｌ_y1）Ｎ中のｙ１が０．２５以上であると、耐熱性が向上するため、高速加工や負荷の大きい加工といった切削温度が高い加工においても反応摩耗を抑制することができるため、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する。また、（Ｔｉ_1-y1Ａｌ_y1）Ｎ中のｙ１が０．７５以下であると、Ｔｉを含有することによる効果として、高温強度の低下や六方晶の形成を抑制することで被覆切削工具の耐摩耗性が向上する。また、第１層における粒子の平均粒径が５ｎｍ以上であると被覆層と基材との密着性が向上し、１００ｎｍ未満であると圧縮応力が高くなるため、被覆切削工具の耐欠損性が向上する。また、第１層において、（１１１）面の回折ピーク強度Ｉ（１１１）と（２００）面の回折ピーク強度Ｉ（２００）との比（Ｉ（１１１）／Ｉ（２００））が、１．０以上であると、立方晶（１１１）面により配向していることを示す。立方晶（１１１）面により配向していると、最密面となるので歪みにくくなり、硬さが高くなり、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する。一方、Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）比が２０．０以下であると、製造するのが容易である。また、第１層の平均厚さが、５ｎｍ以上であると、加工中に発生した亀裂が進展するのを抑制できるため、耐欠損性が向上し、１．０μｍ以下であると、圧縮応力が付与され易くなるため、亀裂の進展を抑制されるので耐欠損性が向上する。
また、第２層において、（１１１）面の回折ピーク強度Ｉ（１１１）と（２００）面の回折ピーク強度Ｉ（２００）との比（Ｉ（１１１）／Ｉ（２００））が、０．１以上であると、製造するのが容易である。また、第２層において、Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）が、１．０以下であると、立方晶（２００）面により配向していることを示す。立方晶（２００）面により配向していると、靭性が高くなり、被覆切削工具の耐欠損性が向上する。また、第２層における粒子の平均粒径が、１００ｎｍ超であると、さらに粒子の脱落を起因としたチッピングが抑制されるので、被覆切削工具の耐欠損性が向上する。一方、第２層における粒子の平均粒径が３００ｎｍ以下であると、圧縮応力が付与され、被覆切削工具の耐欠損性が向上する。また、第２層の平均厚さが、５ｎｍ以上であると、加工中に発生した亀裂が進展するのを抑制できるため、耐欠損性が向上し、２．０μｍ以下であると、第１層との密着性が向上し、剥離を起因とした欠損を抑制できる。これらの効果が相俟って、本実施形態の被覆切削工具は、耐摩耗性及び耐欠損性を向上させた工具寿命の長いものとなる。

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。本実施形態に用いる基材は、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、セラミックス及び立方晶窒化硼素焼結体からなる群より選ばれる１種以上であると、被覆切削工具の耐欠損性が一層優れるので、さらに好ましい。

本実施形態の被覆切削工具において、被覆層の全体の平均厚さは、２．０μｍ以上１０．０μｍ以下であることが好ましい。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２．０μｍ以上であると、耐摩耗性が更に向上する傾向にある。一方、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１０．０μｍ以下であると、耐欠損性が一層向上する傾向にある。そのため、被覆層全体の平均厚さは、２．０μｍ以上１０．０μｍ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２．５μｍ以上９．５μｍ以下であるとより好ましい。

〔第１層〕
本実施形態の被覆切削工具は、被覆層が、下記式（１）で表される組成を有する化合物を含有する第１層を有する。
Ｔｉ（Ｃ_x1Ｎ_1-x1）（１）
（式（１）中、ｘ１はＣ元素とＮ元素との合計に対するＣ元素の原子比を示し、０．０２≦ｘ１≦０．３０を満足する。）

被覆層を形成する第１層において、そこに含まれる化合物の組成Ｔｉ（Ｃ_x1Ｎ_1-x1）中のｘ１が０．０２以上であると硬さが向上するため被覆切削工具の耐摩耗性が向上し、また、微粒化することで圧縮応力が付与され易く、亀裂の進展が抑制されるので耐欠損性が向上する。また、Ｔｉ（Ｃ_x1Ｎ_1-x1）中のｘ１が０．３以下であると、被覆層を形成する第２層との密着性が優れるため、剥離を起因とした欠損を抑制する。同様の観点から、Ｔｉ（Ｃ_x1Ｎ_1-x1）中のｘ１が０．０４以上０．３以下であることが好ましく、０．１５以上０．３以下であることがより好ましい。

また、本実施形態において、各化合物層の組成をＴｉ（Ｃ_0.20Ｎ_0.80）と表記する場合は、Ｃ元素とＮ元素との合計に対するＣ元素の原子比が０．２０、Ｃ元素とＮ元素との合計に対するＮ元素の原子比が０．８０であることを意味する。すなわち、Ｃ元素とＮ元素との合計に対するＣ元素の量が２０原子％、Ｃ元素とＮ元素との合計に対するＮ元素の量が８０原子％であることを意味する。

さらに、本実施形態の被覆切削工具は、第１層（交互積層構造の場合は１層当たり）の平均厚さが、５ｎｍ以上１．０μｍ以下である。第１層の平均厚さが、５ｎｍ以上であると、加工中に発生した亀裂が進展するのを抑制できるため、耐欠損性が向上し、１．０μｍ以下であると、圧縮応力が付与され易くなるため、亀裂の進展を抑制されるので耐欠損性が向上する。同様の観点から、第１層が単層の場合、その平均厚さは、３００ｎｍ以上１．０μｍ以下であるとより好ましく、５００ｎｍ以上１．０μｍ以下であるとさらに好ましく、第１層が交互積層構造で複層の場合、第１層の１層当たりの平均厚さは、２０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であるとより好ましく、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であるとさらに好ましい。

また、本実施形態の被覆切削工具は、第１層における粒子の平均粒径が、５ｎｍ以上１００ｎｍ未満である。第１層における粒子の平均粒径が５ｎｍ以上であると被覆層と基材との密着性が向上し、１００ｎｍ未満であると圧縮応力が高くなるため、被覆切削工具の耐欠損性が向上する。同様の観点から、第１層における粒子の平均粒径は、７ｎｍ以上９７ｎｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以上９５ｎｍ以下であるより好ましい。

また、本実施形態の被覆切削工具は、第１層において、（１１１）面の回折ピーク強度Ｉ（１１１）と（２００）面の回折ピーク強度Ｉ（２００）との比が、１．０≦Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）≦２０．０である。第１層において、Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）が、１．０以上であると、立方晶（１１１）面により配向していることを示す。立方晶（１１１）面により配向していると、最密面となるので歪みにくくなり、硬さが高くなり、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する。一方、Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）比が２０．０以下であると、製造するのが容易である。同様の観点から、第１層において、Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）は、１．１以上１９．５以下であることが好ましく、１．２以上１９．４以下であるより好ましい。

また、本実施形態の被覆切削工具は、第１層のＸ線回析において、（１１１）面が最高ピークを示すことが好ましい。本実施形態の被覆切削工具は、第１層のＸ線回析において、（１１１）面が最高ピークを示すと、硬さが高くなり、耐摩耗性が向上する傾向にある。

また、本実施形態の被覆切削工具は、第１層の残留応力が－４．０ＧＰａ以上－２．０ＧＰａ以下であることが好ましい。第１層の残留応力が－４．０ＧＰａ以上であると、被覆層を形成した後に被覆層中に亀裂が入るのを抑制することができる傾向にあり、－２．０ＧＰａ以下であると、圧縮応力を有する効果により、亀裂の進展を抑制することができるので、被覆切削工具の耐欠損性が向上する傾向にある。

〔第２層〕
本実施形態の被覆切削工具は、被覆層が、下記式（２）で表される組成を有する化合物を含有する第２層を有する。
（Ｔｉ_1-y1Ａｌ_y1）Ｎ（２）
（式（２）中、ｙ１はＴｉ元素とＡｌ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を示し、０．２５≦ｙ１≦０．７５を満足する。）

被覆層を形成する第２層において、そこに含まれる化合物の組成（Ｔｉ_1-y1Ａｌ_y1）Ｎ中のｙ１が０．２５以上であると、耐熱性が向上するため、高速加工や負荷の大きい加工といった切削温度が高い加工においても反応摩耗を抑制することができるため、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する。また、（Ｔｉ_1-y1Ａｌ_y1）Ｎ中のｙ１が０．７５以下であると、Ｔｉを含有することによる効果として、高温強度の低下や六方晶の形成を抑制することで被覆切削工具の耐摩耗性が向上する。同様の観点から、（Ｔｉ_1-y1Ａｌ_y1）Ｎ中のｙ１が０．２６以上０．７５以下であることが好ましく、０．２７以上０．７４以下であることがより好ましい。

また、本実施形態の被覆切削工具において、後述する下部層を形成しない場合、第２層を最初に基材の表面に形成することが好ましい。本実施形態の被覆切削工具において、第２層を最初に基材の表面に形成すると、基材と被覆層との密着性が向上する傾向にある。

さらに、本実施形態の被覆切削工具は、第２層（交互積層構造の場合は１層当たり）の平均厚さが、５ｎｍ以上２．０μｍ以下である。第２層の平均厚さが、５ｎｍ以上であると、加工中に発生した亀裂が進展するのを抑制できるため、耐欠損性が向上し、２．０μｍ以下であると、第１層との密着性が向上し、剥離を起因とした欠損を抑制できる。同様の観点から、第２層が単層の場合、その平均厚さは、１．０μｍ以上２．０μｍ以下であるとより好ましく、１．５μｍ以上２．０μｍ以下であるとさらに好ましく、第２層が交互積層構造で複層の場合、第２層の１層当たりの平均厚さは、２０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であるとより好ましく、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であるとさらに好ましい。

また、本実施形態の被覆切削工具は、第２層において、（１１１）面の回折ピーク強度Ｉ（１１１）と（２００）面の回折ピーク強度Ｉ（２００）との比が、０．１≦Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）≦１．０である。第２層において、（１１１）面の回折ピーク強度Ｉ（１１１）と（２００）面の回折ピーク強度Ｉ（２００）との比（Ｉ（１１１）／Ｉ（２００））が、０．１以上であると、製造するのが容易である。また、第２層において、Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）が、１．０以下であると、立方晶（２００）面により配向していることを示す。立方晶（２００）面により配向していると、靭性が高くなり、被覆切削工具の耐欠損性が向上する。同様の観点から、第２層において、Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）は、０．１以上０．９以下であることが好ましい。

また、本実施形態の被覆切削工具は、第２層のＸ線回析において、（２００）面が最高ピークを示すことが好ましい。本実施形態の被覆切削工具は、第２層のＸ線回析において、（２００）面が最高ピークを示すと、靭性が高くなり、耐欠損性が向上する傾向にある。

第１層及び第２層の各結晶面のピーク強度は、市販のＸ線回折装置を用いることにより、測定することができる。例えば、株式会社リガク製のＸ線回折装置である型式：ＲＩＮＴＴＴＲＩＩＩを用い、Ｃｕ－Ｋα線による２θ／θ集中法光学系のＸ線回折測定を、出力：５０ｋＶ、２５０ｍＡ、入射側ソーラースリット：５°、発散縦スリット：２／３°、発散縦制限スリット：５ｍｍ、散乱スリット：２／３°、受光側ソーラースリット：５°、受光スリット：０．３ｍｍ、ＢＥＮＴモノクロメータ、受光モノクロスリット：０．８ｍｍ、サンプリング幅：０．０１°、スキャンスピード：４°／分、２θ測定範囲：２０～５０°という条件にて行うと、各結晶面のピーク強度を測定することができる。Ｘ線回折図形から各結晶面のピーク強度を求めるときに、Ｘ線回折装置に付属した解析ソフトウェアを用いてもよい。解析ソフトウェアでは、三次式近似を用いてバックグラウンド処理及びＫα₂ピーク除去を行い、Ｐｅａｒｓｏｎ－ＶＩＩ関数を用いてプロファイルフィッティングを行うことによって、各ピーク強度を求めることができる。なお、交互積層構造の場合も同様の条件で各結晶面のピーク強度を測定することができる。例えば、任意の複数の第１層及び第２層について測定し、得られた各結晶面のピーク強度から強度比を算出することができる。

また、本実施形態の被覆切削工具は、第２層の残留応力が、－２．０ＧＰａ以上０ＧＰａ以下であることが好ましい。第２層の残留応力が－２．０ＧＰａ以上であると、圧縮応力を有する効果による被覆層を形成した後に被覆層中に亀裂が入るのを抑制することができるので、被覆層と基材との密着性が向上する傾向にある。一方、第２層の残留応力が、０ＧＰａ以下であると、圧縮応力を有する効果により、亀裂の進展を抑制することができるので、被覆切削工具の耐欠損性が向上する傾向にある。同様の観点から、第２層の残留応力は、－２．０ＧＰａ以上－０．１ＧＰａ以下であるとより好ましく、－２．０ＧＰａ以上－０．２ＧＰａ以下であるとさらに好ましい。

上記残留応力とは、被覆層中に残留する内部応力（固有ひずみ）であって、一般に「－」（マイナス）の数値で表される応力を圧縮応力といい、「＋」（プラス）の数値で表される応力を引張応力という。本実施形態においては、残留応力の大小を表現する場合、「＋」（プラス）の数値が大きくなる程、残留応力が大きいと表現し、また「－」（マイナス）の数値が大きくなる程、残留応力が小さいと表現するものとする。

なお、上記残留応力は、Ｘ線回折装置を用いたｓｉｎ²ψ法により測定することができる。そして、このような残留応力は、切削に関与する部位に含まれる任意の３点（これらの各点は、当該部位の応力を代表できるように、互いに０．５ｍｍ以上の距離を離して選択することが好ましい。）の応力を上記ｓｉｎ²ψ法により測定し、その平均値を求めることにより測定することができる。なお、交互積層構造の場合も同様の条件で残留応力を測定することができる。例えば、任意の複数の第２層について測定し、その平均値を求めることにより残留応力を算出することができる。

また、本実施形態の被覆切削工具は、第２層における粒子の平均粒径が、１００ｎｍを超え３００ｎｍ以下である。第２層における粒子の平均粒径が、１００ｎｍ超であると、さらに粒子の脱落を起因としたチッピングが抑制されるので、被覆切削工具の耐欠損性が向上する。一方、第２層における粒子の平均粒径が３００ｎｍ以下であると、圧縮応力が付与され、被覆切削工具の耐欠損性が向上する。同様の観点から、第２層における粒子の平均粒径は、１０３ｎｍ以上２９８ｎｍ以下であることが好ましく、１０５ｎｍ以上２９６ｎｍ以下であるより好ましい。
なお、本実施形態において、被覆層の各層における粒子の平均粒径は、基材の表面と平行な方向を粒径とし、後述の実施例に記載の方法により測定することができる。

〔交互積層構造〕
本実施形態の被覆切削工具は、被覆層が、第１層と第２層とを交互に２回以上繰り返し形成した交互積層構造を有することが好ましい。本実施形態の被覆切削工具は、被覆層が、第１層と第２層とを交互に２回以上繰り返し形成した交互積層構造を有すると、圧縮応力が高くなるのを抑制することができるので、ＴｉＣＮ層を繰り返し形成し、被覆層全体の厚さを厚膜化できるため、耐欠損性を低下させることなく耐摩耗性を向上させることができる傾向にある。また、本実施形態の被覆切削工具において、後述する下部層を形成しない場合、第２層を最初に基材の表面に形成することが好ましい。本実施形態の被覆切削工具において、第２層を最初に基材の表面に形成すると、基材と被覆層との密着性が向上する傾向にある。

本実施形態の被覆切削工具は、交互積層構造において、第１層と第２層との繰り返し数が、２回以上１００回以下が好ましく、３回以上７０回以下がより好ましく、５回以上５０回以下がさらに好ましく、６回以上４７回以下が特に好ましい。
なお、本実施形態において、第１層と、第２層とを１層ずつ形成した場合、「繰り返し数」は１回である。

また、本実施形態の被覆切削工具は、第１層と第２層とにおける化合物全体の平均組成は、下記式（３）で表されることが好ましい。
（Ｔｉ_1-y2Ａｌ_y2）（Ｃ_x2Ｎ_1-x2）（３）であり、
（式（３）中、ｘ２はＣ元素とＮ元素との合計に対するＣ元素の原子比を示し、０．０１≦ｘ２≦０．１５を満足し、ｙ２はＴｉ元素とＡｌ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を示し、０．１２≦ｙ２≦０．３８を満足する。）
本実施形態の被覆切削工具は、被覆層が上記のような交互積層構造の場合、Ａｌ量とＣ量とが周期的に変化する構成になっている。このような構成とすることにより、ＴｉＣＮのＣの原子比を増やしていっても、圧縮応力が高くなることを抑制でき、被覆層と基材との密着性が良好となるため、被覆層を厚くすることが可能となる。被覆層を厚くした場合、本実施形態の被覆切削工具は、耐摩耗性をさらに向上させることができ、また、被覆層と基材との密着性も向上するため、剥離を起因とした欠損を抑制することができる傾向にある。

第１層と第２層とにおける化合物全体の平均組成（Ｔｉ_1-y2Ａｌ_y2）（Ｃ_x2Ｎ_1-x2）中のｘ２が０．０１以上であると、硬さが向上するため被覆切削工具の耐摩耗性が向上し、また、圧縮応力が付与され易く、亀裂の進展が抑制されるので耐欠損性が向上する傾向にあり、ｘ２が０．１５以下であると、第１層と第２層との密着性が優れるため、剥離を起因とした欠損を抑制する傾向にある。同様の観点から、平均組成（Ｔｉ_1-y2Ａｌ_y2）（Ｃ_x2Ｎ_1-x2）中のｘ２が０．０２以上０．１５以下であることが好ましい。

第１層と第２層とにおける化合物全体の平均組成（Ｔｉ_1-y2Ａｌ_y2）（Ｃ_x2Ｎ_1-x2）中のｙ２が０．１２以上であると、耐熱性が向上するため、高速加工や負荷の大きい加工といった切削温度が高い加工においても反応摩耗を抑制することができ、その結果、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する傾向にあり、ｘ２が０．３８以下であると、Ｔｉを含有することによる効果として、高温強度の低下や六方晶の形成を抑制することができ、その結果、被覆切削工具の耐摩耗性が向上する傾向にある。同様の観点から、平均組成（Ｔｉ_1-y2Ａｌ_y2）（Ｃ_x2Ｎ_1-x2）中のｙ２が０．１４以上０．３７以下であることが好ましい。

また、本実施形態の被覆切削工具は、式（３）で表される平均組成におけるＣ元素の原子比ｘ２と、式（１）で表される組成におけるＣ元素の原子比ｘ１との差ΔＣ（ｘ１－ｘ２）が、０．０１以上０．１５以下であることが好ましい。本実施形態の被覆切削工具は、ΔＣが０．０１以上であると被覆層の粒子が微粒化し、圧縮応力が付与され易く、亀裂の進展が抑制されるため、耐欠損性が向上する傾向にある。一方、本実施形態の被覆切削工具は、ΔＣが０．１５以下であると、被覆層と基材との密着性が優れるため、剥離を起因とした欠損を抑制する傾向にある。

また、本実施形態の被覆切削工具は、式（３）で表される平均組成におけるＡｌ元素の原子比ｙ２と、式（２）で表される組成におけるＡｌ元素の原子比ｙ１との差ΔＡｌ（ｙ１－ｙ２）が、０．１２以上０．３８以下であることが好ましい。本実施形態の被覆切削工具は、ΔＡｌが０．１２以上だと界面歪みが導入されて、硬度が向上することにより、耐摩耗性が向上する傾向にある。一方、本実施形態の被覆切削工具は、ΔＡｌが０．３８以下だと界面の密着性が向上し、耐剥離性が向上することにより、耐欠損性が向上する傾向にある。

図１は、本実施形態の被覆切削工具の一例を示す模式断面図である。被覆切削工具６は、基材１と、その基材１の表面上に形成された被覆層５とを備える。被覆層５は、基材１側から第１層２と第２層３とをこの順で交互に４回繰り返し形成した交互積層構造４を有する。

〔下部層〕
本実施形態に用いる被覆層は、第１層及び第２層だけで構成されてもよいが、基材と、第１層及び第２層の積層構造との間（交互積層構造の場合は、基材と、第１層及び第２層の交互積層構造との間）に下部層を有すると好ましい。これにより、基材と被覆層との密着性が更に向上する。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及び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と好ましく、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及び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とより好ましく、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、及びＹ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。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、０．２μｍ以上３．０μｍ以下であるとより好ましく、０．３μｍ以上２．５μｍ以下であるとさらに好ましい。

〔上部層〕
本実施形態に用いる被覆層は、第１層及び第２層の積層構造の基材とは反対側（交互積層構造の場合は、第１層及び第２層の交互積層構造の基材とは反対側）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及び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、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及び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とより好ましく、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、及びＹ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。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、耐摩耗性により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く、０．３μｍ以上２．５μｍ以下であるとさらに好ましい。

〔被覆層の製造方法〕
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が、例えば、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、及びイオンミキシング法などの物理蒸着法が挙げられる。物理蒸着法を使用して、被覆層を形成すると、シャープエッジを形成することができるので好ましい。その中でも、アークイオンプレーティング法は、被覆層と基材との密着性に一層優れるので、より好ましい。

〔被覆切削工具の製造方法〕
本実施形態の被覆切削工具の製造方法について、以下に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以下の真空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２００℃～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－５００Ｖ～－３５０Ｖ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の電流を流して、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以下の真空になるまで真空引きする。

本実施形態に用いる下部層を形成する場合、基材をその温度が４００℃～６００℃になるまで加熱する。加熱後、反応容器内にガスを導入して、反応容器内の圧力を０．５Ｐａ～５．０Ｐａとする。ガスとしては、例えば、下部層がＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｎとからなる化合物で構成される場合、Ｎ₂ガスが挙げられ、下部層がＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｎ及びＣとからなる化合物で構成される場合、Ｎ₂ガスとＣ₂Ｈ₂ガスとの混合ガスが挙げられる。混合ガスの体積比率としては、特に限定されないが、例えば、Ｎ₂ガス：Ｃ₂Ｈ₂ガス＝９５：５～８５：１５であってもよい。次いで、基材に－８０Ｖ～－４０Ｖのバイアス電圧を印加してアーク電流１００Ａ～２００Ａのアーク放電により各層の金属成分に応じた金属蒸発源を蒸発させて下部層を形成するとよい。

本実施形態に用いる第１層を形成する場合、基材をその温度が３５０℃～５５０℃になるように制御し、窒素ガス（Ｎ₂）を反応容器内に導入し、反応容器内の圧力を１．０Ｐａ～５．０Ｐａにする。その後、基材に－８０Ｖ～－３５Ｖのバイアス電圧を印加し、第１層のＴｉＣ蒸発源を８０Ａ～１５０Ａとするアーク放電により蒸発させて、第１層を形成するとよい。

本実施形態に用いる第２層を形成する場合、基材をその温度が３５０℃～５５０℃になるように制御する。なお、その基材の温度を、第１層を形成する際の基材の温度と同じにすると、第１層と第２層とを連続して形成することができるので好ましい。温度を制御した後、反応容器内にＮ₂ガスを導入して、反応容器内の圧力を２．０Ｐａ～４．０Ｐａとする。次いで、基材に－１００Ｖ～－４０Ｖのバイアス電圧を印加し、アーク電流８０Ａ～１５０Ａのアーク放電により第２層の金属成分に応じた金属蒸発源を蒸発させて、第２層を形成するとよい。

第１層と第２層との交互積層構造を形成するには、ＴｉＣ蒸発源及び金属蒸発源を上述した条件にて、交互にアーク放電により蒸発させることによって、各層を交互に形成するとよい。ＴｉＣ蒸発源及び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層の厚さを制御することができる。ＴｉＣ蒸発源を使用することで、１層当たり１００ｎｍ以下の厚さの交互積層構造を容易に形成することができるので好ましい。

第１層を形成する際、反応容器内の圧力を大きくすると、式（１）で表される組成において、Ｎ元素の割合が小さくなり、Ｃ元素の割合（ｘ１）を大きくすることができる。

本実施形態に用いる第１層における回折ピーク強度比Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）を所定の値にするには、上述の第１層を形成する過程において、基材の温度を調整したり、バイアス電圧を調整するとよい。より具体的には、第１層を形成する過程において、基材の温度を低くしたり、負のバイアス電圧を大きく（ゼロから遠い側）すると、第１層におけるＩ（１１１）が大きくなる傾向がある。

本実施形態に用いる第２層における回折ピーク強度比Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）を所定の値にするには、上述の第２層を形成する過程において、基材の温度を調整したり、バイアス電圧を調整するとよい。より具体的には、第２層を形成する過程において、基材の温度を低くしたり、負のバイアス電圧を大きく（ゼロから遠い側）すると、第２層におけるＩ（１１１）が大きくなる傾向がある。

本実施形態に用いる第１層における粒子の平均粒径を所定の値にするには、上述の第１層を形成する過程において、バイアス電圧やＣ元素の原料の量を調整するとよい。より具体的には、第１層を形成する過程において、負のバイアス電圧を大きく（ゼロから遠い側）すると、第１層における粒子の平均粒径が小さくなる傾向がある。第１層を形成する過程において、Ｃ元素の原料の量を大きくすると、第１層における粒子の平均粒径が小さくなる傾向がある。

本実施形態に用いる第２層における粒子の平均粒径を所定の値にするには、上述の第２層を形成する過程において、バイアス電圧を調整するとよい。より具体的には、第２層を形成する過程において、負のバイアス電圧を大きく（ゼロから遠い側）すると、第２層における粒子の平均粒径が小さくなる傾向がある。第２層における粒子の平均粒径が小さくなることでアスペクト比が大きくなる。また、交互積層構造の場合、第２層の１層当たりの平均厚さが極端に薄くなると、第２層における粒子の平均粒径が小さくなる傾向がある。

本実施形態に用いる第１層における残留応力を所定の値にするには、上述の第１層を形成する過程において、バイアス電圧を調整するとよい。より具体的には、第１層を形成する過程において、負のバイアス電圧を大きく（ゼロから遠い側）すると、第１層における残留応力が小さくなる傾向がある。また、交互積層構造の場合、第１層の１層当たりの平均厚さが大きくなると、第１層における残留応力が小さくなる傾向がある。

本実施形態に用いる第２層における残留応力を所定の値にするには、上述の第２層を形成する過程において、バイアス電圧を調整するとよい。より具体的には、第２層を形成する過程において、負のバイアス電圧を大きく（ゼロから遠い側）すると、第２層における残留応力が小さくなる傾向がある。

本実施形態に用いる上部層を形成する場合、上述した下部層と同様の製造条件により形成するとよい。すなわち、まず、基材をその温度が４００℃～６００℃になるまで加熱する。加熱後、反応容器内にガスを導入して、反応容器内の圧力を０．５Ｐａ～５．０Ｐａとする。ガスとしては、例えば、上部層がＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｎとからなる化合物で構成される場合、Ｎ₂ガスが挙げられ、上部層がＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｎ及びＣとからなる化合物で構成される場合、Ｎ₂ガスとＣ₂Ｈ₂ガスとの混合ガスが挙げられる。混合ガスの体積比率としては、特に限定されないが、例えば、Ｎ₂ガス：Ｃ₂Ｈ₂ガス＝９５：５～８５：１５であってもよい。次いで、基材に－８０Ｖ～－４０Ｖのバイアス電圧を印加してアーク電流１００Ａ～２００Ａのアーク放電により各層の金属成分に応じた金属蒸発源を蒸発させて、上部層を形成するとよい。

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、被覆切削工具の断面組織から、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）などを用いて測定することができる。なお、本実施形態の被覆切削工具における各層の平均厚さは、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箇所以上の断面から各層の厚さを測定して、その平均値（相加平均値）を計算することで求めることができる。

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）などを用いて測定することができる。
また、第１層と第２層とにおける化合物層全体の平均組成は、市販のＥＤＳ付属のＳＥＭ又はＴＥＭを用いて求めることができる。具体的には、例えば、被覆層の断面（被覆層の厚さを測定するときと同じ）を用意し、第１層と第２層との積層構造又は交互積層構造を面分析する。このとき、測定する範囲は、「第１層と第２層との積層構造又は交互積層構造の厚さの９０％の長さ」×「１μｍ（基材表面と平行な方向の長さ）以上」とする。面分析結果から第１層と第２層とにおける化合物層全体の平均組成（Ｔｉ_1-y2Ａｌ_y2）（Ｃ_x2Ｎ_1-x2）の原子比をそれぞれ求めることができる。

本実施形態の被覆切削工具は、少なくとも耐摩耗性及び耐欠損性に優れていることに起因して、従来よりも工具寿命を延長できるという効果を奏すると考えられる（ただし、工具寿命を延長できる要因は上記に限定されない）。本実施形態の被覆切削工具の種類として具体的には、フライス加工用又は旋削加工用刃先交換型切削インサート、ドリル、及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、ＣＮＭＧ１２０４０８－ＳＭのインサート（８９．６ＷＣ－９．８Ｃｏ－０．６Ｃｒ₃Ｃ₂（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及び表２に示す各層の組成になるようＴｉＣ蒸発源及び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固定金具に固定した。

その後、反応容器内をその圧力が５．０×１０^-3Ｐａ以下の真空になるまで真空引きした。真空引き後、反応容器内のヒーターにより、基材をその温度が４５０℃になるまで加熱した。加熱後、反応容器内にその圧力が２．７ＰａになるようにＡｒガスを導入した。

圧力２．７ＰａのＡｒガス雰囲気にて、基材に－４００Ｖ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４０Ａの電流を流して、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以下の真空になるまで真空引きした。

発明品１～１４については、真空引き後、基材をその温度が表３に示す温度（成膜開始時の温度）になるように制御し、窒素ガス（Ｎ₂）を反応容器内に導入し、反応容器内を表３に示す圧力に調整した。その後、基材に表３に示すバイアス電圧を印加して、表１に示す組成の第１層のＴｉＣ蒸発源と、表１に示す組成の第２層の金属蒸発源とを表１に示す最下層が最初に基材の表面に形成されるような順序で表３に示すアーク電流のアーク放電により蒸発させて、表１に示す最下層が基材の最初の表面になるような順序で第１層と第２層とを形成した。このとき表３に示す反応容器内の圧力になるよう制御した。また、第１層の厚さ及び第２層の厚さは、表１に示す厚さとなるように、それぞれのアーク放電時間を調整して制御した。

比較品１～１１については、真空引き後、基材をその温度が表４に示す温度（成膜開始時の温度）になるように制御し、窒素ガス（Ｎ₂）を反応容器内に導入し、反応容器内を表４に示す圧力に調整した。その後、基材に表４に示すバイアス電圧を印加して、表２に示す組成のＡ層のＴｉＣ蒸発源と、表２に示す組成のＢ層との金属蒸発源とを表２に示す最下層が最初に基材の表面に形成されるような順序で表４に示すアーク電流のアーク放電により蒸発させて、表１に示す最下層が基材の最初の表面になるような順序でＡ層とＢ層とを形成した。このとき表４に示す反応容器内の圧力になるよう制御した。また、Ａ層の厚さ及びＢ層の厚さは、表２に示す厚さとなるように、それぞれのアーク放電時間を調整して制御した。

基材の表面に表１及び表２に示す所定の平均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、その平均値（相加平均値）を計算することで求めた。それらの結果を、表１及び表２に併せて示す。

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、ＴＥＭに付属するＥＤＳを用いて測定した。また、第１層と第２層とにおける化合物層全体の平均組成は、市販のＥＤＳ付属のＴＥＭを用いて求めた。具体的には、被覆層の断面（被覆層の厚さを測定するときと同じ）を用意し、第１層と第２層との積層構造を面分析した。このとき、測定する範囲は、「第１層と第２層との積層構造の厚さの９０％の長さ」×「１μｍ（基材表面と平行な方向の長さ）以上」とした。面分析結果から第１層と第２層とにおける化合物層全体の平均組成（Ｔｉ_1-y2Ａｌ_y2）（Ｃ_x2Ｎ_1-x2）の原子比をそれぞれ求めた。それらの結果も、表１、表２、表５及び表６に併せて示す。なお、表１、表２、表５及び表６の各層の金属元素の組成比は、各層を構成する金属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。

〔Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）〕
得られた試料の各層における比Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）については、株式会社リガク製のＸ線回折装置である型式：ＲＩＮＴＴＴＲＩＩＩを用いて測定した。具体的には、Ｃｕ－Ｋα線による２θ／θ集中法光学系のＸ線回折測定を、出力：５０ｋＶ、２５０ｍＡ、入射側ソーラースリット：５°、発散縦スリット：２／３°、発散縦制限スリット：５ｍｍ、散乱スリット：２／３°、受光側ソーラースリット：５°、受光スリット：０．３ｍｍ、ＢＥＮＴモノクロメータ、受光モノクロスリット：０．８ｍｍ、サンプリング幅：０．０１°、スキャンスピード：４°／分、２θ測定範囲：２０～５０°という条件にて、各層の（２００）面のピーク強度Ｉ（２００）、並びに各層の（１１１）面のピーク強度Ｉ（１１１）を測定することにより、比Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）を算出した。その結果を、表７及び表８に示す。

〔残留応力〕
得られた試料について、Ｘ線回折装置を用いたｓｉｎ²ψ法により、各層の残留応力を測定した。残留応力は切削に関与する部位に含まれる任意の点３点の応力を測定し、その平均値（相加平均値）を各層の残留応力とした。その結果を、表７及び表８に示す。

〔平均粒径〕
得られた試料について、以下のとおり、市販の透過型顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて、各層における粒子の平均粒径を測定した。まず、集束イオンビーム（ＦＩＢ）加工機を用いて、被覆層の断面（被覆層の厚さを観察するときと同じ方向の断面：基材表面に対して垂直方向）を観察面とする薄膜の試料を作製した。作製した試料の観察面について走査透過電子像（ＳＴＥＭ像）の写真を撮影した。撮影した写真に、基材の表面と平行な方向に直線を引き、各層を構成する粒子の数を測定した。直線の長さを粒子の数で除し、得られた値を平均粒径とした。このとき、直線の長さを１０μｍ以上とした。測定結果を、表７及び表８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１］
被削材：ＳＵＳ３０４
被削材形状：１２０ｍｍ×４００ｍｍの丸棒
切削速度：１２０ｍ/ｍｉｎ
１刃あたりの送り：０．３ｍｍ/ｒｅｖ
切り込み深さ：２．０ｍｍ
クーラント：使用
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、又は逃げ面摩耗幅が０．３０ｍｍ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。また、加工時間が１０分のときの損傷形態をＳＥＭで観察した。なお、加工時間が１０分であるときの損傷形態が「チッピング」であるのは、加工を継続できる程度の欠けであったことを意味する。また、加工時間が長いことは、耐欠損性及び耐摩耗性に優れていることを意味する。得られた評価の結果を表９及び表１０に示す。

表９及び表１０に示す結果より、発明品の加工時間は２２分以上であり、全ての比較品の加工時間よりも長かった。

以上の結果より、耐摩耗性及び耐欠損性を向上させたことにより、発明品の工具寿命が長くなっていることが分かった。

（実施例２）
基材として、ＣＮＭＧ１２０４０８－ＳＭのインサート（８９．６ＷＣ－９．８Ｃｏ－０．６Ｃｒ₃Ｃ₂（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１１及び表１２に示す各層の組成になるようＴｉＣ蒸発源及び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固定金具に固定した。

発明品１５～３１については、真空引き後、基材をその温度が表１３に示す温度（成膜開始時の温度）になるように制御し、窒素ガス（Ｎ₂）を反応容器内に導入し、反応容器内を表１３に示す圧力に調整した。その後、基材に表１３に示すバイアス電圧を印加して、表１１に示す組成の第１層のＴｉＣ蒸発源と、表１１に示す組成の第２層の金属蒸発源とを表１１に示す最下層が最初に基材の表面に形成されるような順序で交互に、表１３に示すアーク電流のアーク放電により蒸発させて、表１１に示す最下層が基材の最初の表面になるような順序で第１層と第２層とを交互に形成した。このとき表１３に示す反応容器内の圧力になるよう制御した。また、第１層の厚さ及び第２層の厚さは、表１１に示す厚さとなるように、それぞれのアーク放電時間を調整して制御した。

比較品１２～２１については、真空引き後、基材をその温度が表１４に示す温度（成膜開始時の温度）になるように制御し、窒素ガス（Ｎ₂）を反応容器内に導入し、反応容器内を表１４に示す圧力に調整した。その後、基材に表１４に示すバイアス電圧を印加して、表１２に示す組成のＡ層のＴｉＣ蒸発源と、表１２に示す組成のＢ層の金属蒸発源とを表１２に示す最下層が最初に基材の表面に形成されるような順序で交互に、表１４に示すアーク電流のアーク放電により蒸発させて、表１２に示す最下層が基材の最初の表面になるような順序でＡ層とＢ層とを交互に形成した。このとき表１４に示す反応容器内の圧力になるよう制御した。また、Ａ層の厚さ及びＢ層の厚さは、表１２に示す厚さとなるように、それぞれのアーク放電時間を調整して制御した。

基材の表面に表１１及び表１２に示す所定の平均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、その平均値（相加平均値）を計算することで求めた。第１層の１層当たりの平均厚さは、各々の第1層の厚さｔ１を合計した総厚さを第１層の数（繰り返し数）で除した値として算出した。第２層の１層当たりの平均厚さも同様に、各々の第２層の厚さｔ２を合計した総厚さを第２化合物層の数（繰り返し数）で除した値として算出した。それらの結果を、表１１及び表１２に併せて示す。

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、ＴＥＭに付属するＥＤＳを用いて測定した。また、第１層と第２層とにおける化合物層全体の平均組成は、市販のＥＤＳ付属のＴＥＭを用いて求めた。具体的には、被覆層の断面（被覆層の厚さを測定するときと同じ）を用意し、第１層と第２層との交互積層構造を面分析した。このとき、測定する範囲は、「第１層と第２層との交互積層構造の厚さの９０％の長さ」×「１μｍ（基材表面と平行な方向の長さ）以上」とした。面分析結果から第１層と第２層とにおける化合物層全体の平均組成（Ｔｉ_1-y2Ａｌ_y2）（Ｃ_x2Ｎ_1-x2）の原子比をそれぞれ求めた。それらの結果も、表１１、表１２、表１５及び表１６に併せて示す。なお、表１１、表１２、表１５及び表１６の各層の金属元素の組成比は、各層を構成する金属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。

〔Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）〕
得られた試料の各層における比Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）については、株式会社リガク製のＸ線回折装置である型式：ＲＩＮＴＴＴＲＩＩＩを用いて測定した。具体的には、Ｃｕ－Ｋα線による２θ／θ集中法光学系のＸ線回折測定を、出力：５０ｋＶ、２５０ｍＡ、入射側ソーラースリット：５°、発散縦スリット：２／３°、発散縦制限スリット：５ｍｍ、散乱スリット：２／３°、受光側ソーラースリット：５°、受光スリット：０．３ｍｍ、ＢＥＮＴモノクロメータ、受光モノクロスリット：０．８ｍｍ、サンプリング幅：０．０１°、スキャンスピード：４°／分、２θ測定範囲：２０～５０°という条件にて、各層の（２００）面のピーク強度Ｉ（２００）、並びに各層の（１１１）面のピーク強度Ｉ（１１１）を測定することにより、比Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）を算出した。その結果を、表１７及び表１８に示す。

〔残留応力〕
得られた試料について、Ｘ線回折装置を用いたｓｉｎ²ψ法により、各層の残留応力を測定した。残留応力は切削に関与する部位に含まれる任意の点３点の応力を測定し、その平均値（相加平均値）を各層の残留応力とした。その結果を、表１７及び表１８に示す。

〔平均粒径〕
得られた試料について、以下のとおり、市販の透過型顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて、各層における粒子の平均粒径を測定した。まず、集束イオンビーム（ＦＩＢ）加工機を用いて、被覆層の断面（被覆層の厚さを観察するときと同じ方向の断面：基材表面に対して垂直方向）を観察面とする薄膜の試料を作製した。作製した試料の観察面について走査透過電子像（ＳＴＥＭ像）の写真を撮影した。撮影した写真に、基材の表面と平行な方向に直線を引き、各層を構成する粒子の数を測定した。直線の長さを粒子の数で除し、得られた値を平均粒径とした。このとき、直線の長さを１０μｍ以上とした。測定結果を、表１７及び表１８に示す。

［切削試験２］
被削材：ＳＵＳ３０４
被削材形状：１２０ｍｍ×４００ｍｍの丸棒
切削速度：１５０ｍ/ｍｉｎ
１刃あたりの送り：０．３ｍｍ/ｒｅｖ
切り込み深さ：２．０ｍｍ
クーラント：使用
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、又は逃げ面摩耗幅が０．３０ｍｍ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。また、加工時間が１０分のときの損傷形態をＳＥＭで観察した。なお、加工時間が１０分であるときの損傷形態が「チッピング」であるのは、加工を継続できる程度の欠けであったことを意味する。また、加工時間が長いことは、耐欠損性及び耐摩耗性に優れていることを意味する。得られた評価の結果を表１９及び表２０に示す。

表１９及び表２０に示す結果より、発明品の加工時間は１８分以上であり、全ての比較品の加工時間よりも長かった。

本発明の被覆切削工具は、耐摩耗性及び耐欠損性に優れることにより、従来よりも工具寿命を延長できるので、その点で産業上の利用可能性が高い。

１…基材、２…第１層、３…第２層、４…交互積層構造、５…被覆層、６…被覆切削工具。

Claims

基材と、前記基材の上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、下記式（１）で表される組成を有する化合物を含有する第１層と、下記式（２）で表される組成を有する化合物を含有する第２層と、を有し、
Ｔｉ（Ｃ_x1Ｎ_1-x1）（１）
（式（１）中、ｘ１はＣ元素とＮ元素との合計に対するＣ元素の原子比を示し、０．０２≦ｘ１≦０．３０を満足する。）
（Ｔｉ_1-y1Ａｌ_y1）Ｎ（２）
（式（２）中、ｙ１はＴｉ元素とＡｌ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を示し、０．２５≦ｙ１≦０．７５を満足する。）
前記第１層における粒子の平均粒径が、５ｎｍ以上１００ｎｍ未満であり、
前記第１層において、（１１１）面の回折ピーク強度Ｉ（１１１）と（２００）面の回折ピーク強度Ｉ（２００）との比が、１．０≦Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）≦２０．０であり、
前記第１層の平均厚さが、５ｎｍ以上１．０μｍ以下であり、
前記第２層において、（１１１）面の回折ピーク強度Ｉ（１１１）と（２００）面の回折ピーク強度Ｉ（２００）との比が、０．１≦Ｉ（１１１）／Ｉ（２００）≦１．０であり、
前記第２層における粒子の平均粒径が、１００ｎｍを超え３００ｎｍ以下であり、
前記第２層の平均厚さが、５ｎｍ以上２．０μｍ以下であり、
前記第１層の残留応力が、－４．０ＧＰａ以上－２．０ＧＰａ以下であり、前記第２層の残留応力が、－２．０ＧＰａ以上０ＧＰａ以下である、被覆切削工具。
前記第１層と前記第２層とにおける化合物全体の平均組成は、下記式（３）で表される、請求項１に記載の被覆切削工具。
（Ｔｉ_1-y2Ａｌ_y2）（Ｃ_x2Ｎ_1-x2）（３）
（式（３）中、ｘ２はＣ元素とＮ元素との合計に対するＣ元素の原子比を示し、０．０１≦ｘ２≦０．１５を満足し、ｙ２はＴｉ元素とＡｌ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を示し、０．１２≦ｙ２≦０．３８を満足する。）
前記被覆層が、前記第１層と前記第２層とを交互に２回以上繰り返し形成した交互積層構造を有する、請求項１又は２に記載の被覆切削工具。
前記第１層のＸ線回析において、（１１１）面が最高ピークを示す、請求項１～３のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
前記第２層のＸ線回析において、（２００）面が最高ピークを示す、請求項１～４のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
前記式（３）で表される平均組成におけるＣ元素の原子比ｘ２と、前記式（１）で表される組成におけるＣ元素の原子比ｘ１との差ΔＣ（ｘ１－ｘ２）が、０．０１以上０．１５以下である、請求項２に記載の被覆切削工具。
前記式（３）で表される平均組成におけるＡｌ元素の原子比ｙ２と、前記式（２）で表される組成におけるＡｌ元素の原子比ｙ１との差ΔＡｌ（ｙ１－ｙ２）が、０．１２以上０．３８以下である、請求項２に記載の被覆切削工具。
前記被覆層全体の平均厚さが、２．０μｍ以上１０．０μｍ以下である、請求項１～７のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
前記基材は、超硬合金、サーメット、セラミックス又は立方晶窒化硼素焼結体のいずれかである、請求項１～８のいずれか１項に記載の被覆切削工具。