JP7517599B2 - 切削工具 - Google Patents

Description

本開示は、切削工具に関する。本出願は、２０２１年４月３０日に出願した日本特許出願である特願２０２１－０７８０２４号に基づく優先権を主張する。当該日本特許出願に記載された全ての記載内容は、参照によって本明細書に援用される。

従来、切削工具の耐摩耗性を向上させるために、基材上にＴｉＳｉＣＮ膜が形成された切削工具が開発されている。

特許文献１には、熱ＣＶＤ法により製造されたＴｉＣ_ｘＮ_１－ｘのナノ結晶層及び非晶質ＳｉＣ_ｘＮ_ｙの第二の相を含むナノ複合被膜が開示されている。

非特許文献１には、ＰＶＤ法により形成されたナノコンポジット構造からなるＴｉＳｉＣＮ被膜が開示されている。

特表２０１５－５０５９０２号公報

Ｓｈｉｎｙａ Ｉｍａｍｕｒａ ｅｔ ａｌ．，"Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｃｕｔｔｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ＡｌＴｉＣｒＮ／ＴｉＳｉＣＮ ｂｉｌａｙｅｒ ｃｏａｔｉｎｇｓ ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ ｂｙ ｃａｔｈｏｄｉｃ－ａｒｃ ｉｏｎ ｐｌａｔｉｎｇ"，Ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ Ｃｏａｔｉｎｇｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２，（２００７），８２０－８２５

本開示の切削工具は、基材と、前記基材上に配置された被膜と、を備える切削工具であって、
前記被膜は、硬質粒子層を含み、
前記硬質粒子層は、チタン、珪素、炭素及び窒素を含む複数の硬質粒子からなり、
前記硬質粒子において、前記硬質粒子内に設定される第１方向に沿って、前記珪素の濃度が周期的に変化し、
前記硬質粒子層の配向は、（２２０）配向である、切削工具である。

図１は、実施形態１に係る切削工具の断面の一例を示す模式図である。 図２は、実施形態１に係る切削工具の断面の他の一例を示す模式図である。 図３は、実施形態１に係る切削工具の断面の他の一例を示す模式図である。 図４は、実施形態１に係る切削工具の断面の他の一例を示す模式図である。 図５は、実施形態１に係る切削工具の硬質相粒子層の断面の明視野走査透過電子顕微鏡（ＢＦ－ＳＴＥＭ）像（観察倍率：１０万倍）の一例を模式的に示す図である。 図６は、実施形態１に係る切削工具の硬質相粒子層の断面の明視野走査透過電子顕微鏡（ＢＦ－ＳＴＥＭ）像（観察倍率：２００万倍）の一例を模式的に示す図である。 図７は、実施形態１に係る切削工具の硬質粒子についてライン分析を行った結果を示すグラフの一例である。 図８は、実施形態２に係る切削工具の製造に用いられるＣＶＤ装置の一例の模式的な断面図である。

[本開示が解決しようとする課題]
近年、製造コスト低減の要求が益々高まり、長い工具寿命を有する切削工具が求められている。

そこで、本開示は、長い工具寿命を有する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、長い工具寿命を有する切削工具を提供することが可能となる。

［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）本開示の切削工具は、基材と、前記基材上に配置された被膜と、を備える切削工具であって、
前記被膜は、硬質粒子層を含み、
前記硬質粒子層は、チタン、珪素、炭素及び窒素を含む複数の硬質粒子からなり、
前記硬質粒子において、前記硬質粒子内に設定される第１方向に沿って、前記珪素の濃度が周期的に変化し、
前記硬質粒子層の配向は、（２２０）配向である、切削工具である。

本開示によれば、切削工具は長い工具寿命を有することができる。

（２）前記硬質粒子において、前記チタンの原子数Ａ_Ｔｉと、前記珪素の原子数Ａ_Ｓｉとの合計に対する、前記珪素の原子数Ａ_Ｓｉの百分率｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００の平均は、１％以上２０％以下であることが好ましい。

これによると、切削工具の工具寿命が更に向上する。

（３）前記珪素の濃度の平均周期幅は、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。これによると、切削工具の工具寿命が更に向上する。

（４）前記硬質粒子層の厚さは、１μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。これによると、切削工具の工具寿命が更に向上する。

（５）前記基材は、炭化タングステンとコバルトとを含む超硬合金からなり、
前記超硬合金中の前記コバルトの含有率は、６質量％以上１１質量％以下であることが好ましい。

これによると、切削工具の工具寿命が更に向上する。

（６）前記硬質粒子において、前記チタンの原子数Ａ_Ｔｉと、前記珪素の原子数Ａ_Ｓｉとの合計に対する、前記珪素の原子数Ａ_Ｓｉの百分率｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００の最大値と最小値との差は、１％以上３８％以下であることが好ましい。

これによると、硬質粒子層の膜硬度及び靱性が向上する。

（７）前記被膜は、前記基材の直上に配置される下地層を含み、
前記下地層は、ＴｉＮ層、ＴｉＣ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＢＮ層及びＡｌ_２Ｏ_３層からなる群より選択される少なくとも１種からなることが好ましい。

下地層として基材の直上にＴｉＮ層、ＴｉＣ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＢＮ層を配置することにより、基材と被膜との密着性を高めることができる。また、下地層としてＡｌ_２Ｏ_３層を用いることにより、被膜の耐酸化性を高めることができる。

（８）前記被膜は、前記被膜において最も表面側に配置される最外層を含み、
前記最外層は、チタンの炭化物、チタンの窒化物又はチタンの硼化物を９０質量％以上含む層、又は、Ａｌ_２Ｏ_３層からなることが好ましい。

最外層として、チタンの炭化物、チタンの窒化物又はチタンの硼化物を９０質量％以上含む層を用いることにより、切削使用後の切削チップのコーナー識別（使用済み部位の識別）が容易であるという利点がある。最外層としてＡｌ_２Ｏ_３層を用いることにより、被膜の耐酸化性を高めることができる。

［本開示の実施形態の詳細］
本開示の切削工具の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。本開示の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、必ずしも実際の寸法関係を表すものではない。

本明細書において「Ａ～Ｂ」という形式の表記は、範囲の上限下限（すなわちＡ以上Ｂ以下）を意味し、Ａにおいて単位の記載がなく、Ｂにおいてのみ単位が記載されている場合、Ａの単位とＢの単位とは同じである。

本明細書において化合物などを化学式で表す場合、原子比を特に限定しないときは従来公知のあらゆる原子比を含むものとし、必ずしも化学量論的範囲のもののみに限定されるべきではない。たとえば「ＴｉＳｉＣＮ」と記載されている場合、ＴｉＳｉＣＮを構成する原子数の比は、従来公知のあらゆる原子比が含まれる。

［実施形態１：切削工具］
本開示の一実施形態（以下、「本実施形態」とも記す。）の切削工具は、基材と、該基材上に配置された被膜と、を備える切削工具であって、
該被膜は、硬質粒子層を含み、
該硬質粒子層は、チタン、珪素、炭素及び窒素を含む複数の硬質粒子からなり、
該硬質粒子において、該硬質粒子内に設定される第１方向に沿って、該珪素の濃度が周期的に変化し、
該硬質粒子層の配向は、（２２０）配向である、切削工具である。

本実施形態の切削工具は、長い工具寿命を有することができる。この理由は、以下（ｉ）～（ｉｉｉ）の通りと推察される。

（ｉ）本実施形態の切削工具において、被膜は、チタン、珪素、炭素及び窒素を含む複数の硬質粒子からなる硬質粒子層を含む。チタン、珪素、炭素及び窒素を含む硬質粒子は硬度が高い。よって、該硬質粒子からなる硬質粒子層は硬度が高く、優れた耐摩耗性を有する。

（ｉｉ）本実施形態の切削工具の硬質粒子において、該硬質粒子内に設定される第１方向に沿って、珪素の濃度が周期的に変化する。これによると、硬質粒子内に歪みが生じ、硬質粒子及び硬質粒子層の硬度が高くなり、切削工具の耐摩耗性が向上する。また、硬質粒子内の組成変化により、クラックの伝播が抑制され、切削工具の耐欠損性が向上する。

（ｉｉｉ）本実施形態の切削工具において、硬質粒子層の配向は、（２２０）配向である。硬質粒子層の配向が（２２０）配向であると、該硬質粒子層の弾性回復率が向上する。該硬質粒子層を含む切削工具は、特に鋳鉄切削において、優れた耐摩耗性を示す。これは、本発明者等が新たに見出した知見である。

＜切削工具の構成＞
図１に示されるように、本実施形態の切削工具１は、基材１０と、該基材１０上に配置された被膜１４とを備える。図１では、該被膜１４は、硬質粒子層１１のみから構成される。被膜１４は、基材の切削に関与する部分の少なくとも一部を被覆することが好ましく、基材の全面を被覆することが更に好ましい。基材の切削に関与する部分とは、基材表面において、刃先稜線からの距離が５００μｍ以内の領域を意味する。基材の一部がこの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、本開示の範囲を逸脱するものではない。

被膜は、硬質粒子層に加えて、他の層を含むことができる。例えば、図２の切削工具２１に示されるように、被膜２４は、硬質粒子層１１に加えて、基材１０と硬質粒子層１１との間に配置される下地層１２を更に含むことができる。

図３の切削工具３１に示されるように、被膜３４は、硬質粒子層１１及び下地層１２に加えて、硬質粒子層１１上に配置される最外層１３を含むことができる。

図４の切削工具４１に示されるように、被膜４５は、硬質粒子層１１、第１下地層１２Ａ及び第２下地層１２Ｂの２層構造からなる下地層１２並びに最外層１３を含むことができる。

＜切削工具の種類＞
本開示の切削工具は、例えば、ドリル、エンドミル（例えば、ボールエンドミル）、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＞
基材１０は、すくい面と逃げ面とを含み、この種の基材として従来公知のものであればいずれも使用することができる。例えば、超硬合金（例えば、炭化タングステンとコバルトとを含むＷＣ基超硬合金、該超硬合金はＴｉ、Ｔａ、Ｎｂなどの炭窒化物を含むことができる）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮなどを主成分とするもの）、高速度鋼、セラミックス（炭化チタン、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど）、立方晶型窒化ホウ素焼結体またはダイヤモンド焼結体のいずれかであることが好ましい。

これらの各種基材の中でも、炭化タングステンとコバルトとを含む超硬合金からなり、該超硬合金中のコバルトの含有率は、６質量％以上１１質量％以下である基材が好ましい。これによると、高温における硬度と強度のバランスに優れ、上記用途の切削工具の基材として優れた特性を有している。基材としてＷＣ基超硬合金を用いる場合、その組織中に遊離炭素、ならびにη相またはε相と呼ばれる異常層などを含んでいてもよい。

さらに基材は、その表面が改質されていてもよい。例えば超硬合金の場合、その表面に脱β層が形成されていたり、サーメットの場合に表面硬化層が形成されていてもよい。基材は、その表面が改質されていても所望の効果が示される。

切削工具が刃先交換型切削チップなどである場合、基材は、チップブレーカーを有しても、有さなくてもよい。刃先稜線部の形状は、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もの）、ネガランド（面取りをしたもの）、又は、ホーニングとネガランドを組み合わせたもの等、いずれも採用できる。

＜被膜の構成＞
本実施形態の被膜は、硬質粒子層を含む。本実施形態の被膜は、硬質粒子層を含む限り、他の層を含んでいてもよい。他の層としては、例えば、下地層及び最外層が挙げられる。硬質粒子層、下地層及び最外層の詳細については後述する。

本実施形態の被膜全体の厚さは、１μｍ以上３０μｍ以下が好ましい。被膜全体の厚さが１μｍ以上であると、優れた耐摩耗性を有することができる。一方、被膜全体の厚さが３０μｍ以下であると、断続加工において被膜と基材との間に大きな応力が加わった際の被膜の剥離または破壊の発生を抑制することができる。

上記被膜の厚さは、例えば基材の表面の法線方向に平行な断面サンプルを得て、このサンプルを走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）で観察することにより測定される。該断面サンプルは、イオンスライサーなどを用いて加工された薄片サンプルである。走査透過型電子顕微鏡としては、例えば、日本電子株式会社製のＪＥＭ－２１００Ｆ（商標）が挙げられる。測定条件は加速電圧２００ｋＶ及び電流量０．３ｎＡとする。

本明細書において「厚さ」といった場合、その厚さは平均厚さを意味する。具体的には、断面サンプルの観察倍率を１０００倍とし、電子顕微鏡像中に（基材表面に平行な方向１００μｍ）×（被膜の厚さ全体を含む距離）の矩形の測定視野を設定し、該視野において１０箇所の厚み幅を測定し、その平均値を「厚さ」とする。下記に記載される各層の厚さ（平均厚さ）についても、同様に測定し、算出される。

同一の試料において測定する限りにおいては、測定視野の選択個所を変更して複数回行っても、測定結果のばらつきはほとんどなく、任意に測定視野を設定しても恣意的にはならないことが確認されている。

＜硬質粒子層＞
硬質粒子層は、チタン（Ｔｉ）、珪素（Ｓｉ）、炭素（Ｃ）及び窒素（Ｎ）を含む複数の硬質粒子からなる。該硬質粒子としては、チタン、珪素、炭素及び窒素からなるＴｉＳｉＣＮ粒子が挙げられる。ＴｉＳｉＣＮ粒子は、チタン、珪素、炭素及び窒素以外に、本開示の効果に影響を与えない限り、不可避不純物を含むことができる。不可避不純物として、たとえば、アモルファス相、金属間化合物（例えばＴｉＳｉ_２、Ｃｏ_２Ｓｉ等）を含んでいたとしても、本開示の効果を発揮する限りにおいて本開示の範囲を逸脱するものではない。

（硬質粒子）
上記硬質粒子において、該硬質粒子内に設定される第１方向に沿って、珪素の濃度が周期的に変化する。本明細書において、第１方向は、以下（Ａ１）～（Ａ４）の方法で特定される方向と定義される。

（Ａ１）基材のすくい面の法線に沿って切削工具をダイヤモンドワイヤーで切り出し、硬質粒子層の断面を露出させる。このとき、測定サンプルはイオンスライサーなどを用いて加工した薄片サンプルを作成する。

（Ａ２）加工された薄片サンプルを、明視野走査透過電子顕微鏡（ＢＦ－ＳＴＥＭ）を用いて１０万倍で観察し、１つの硬質粒子を特定する。図５は、本実施形態の硬質粒子層のＢＦ－ＳＴＥＭ像（観察倍率：１０万倍）の一例を模式的に示す図である。次に、特定された１つの硬質粒子を、２００万倍で観察し、ＢＦ－ＳＴＥＭ像を得る。図６は、図５中に特定された１つの硬質粒子のＢＦ－ＳＴＥＭ像（観察倍率：２００万倍）の一例を模式的に示す図である。

（Ａ３）上記ＢＦ－ＳＴＥＭ像（観察倍率：２００万倍）の中で、黒色で示される層（以下、「第１単位層」とも記す。）と、灰色で示される層（以下、「第２単位層」とも記す。）とが交互に略平行に積層している領域（以下、「積層領域」とも記す。）を特定する。黒色で示される第１単位層は、珪素の含有量の多い領域であり、灰色で示される第２単位層は珪素の含有量の少ない領域である。

（Ａ４）上記で特定された積層領域において、第１単位層（黒色で示される層）と第２単位層（灰色で示される層）との積層方向を特定する。具体的には、制限視野領域の電子線回折パターンと、第１単位層と第２単位層の積層方向を重ね合わせ、回折スポットが示す方位を用いて積層方向を特定する。図６において、第１単位層と第２単位層の積層方向は、丸印Ｓから丸印Ｅへの矢印で示される。本明細書において、該積層方向が第１方向と定義される。

上記より、本明細書において、第１方向とは、硬質粒子内の積層方向に沿う方向とも定義することができる。

本実施形態の硬質粒子層において、上記の第１方向に沿う線は、基材と被膜との界面に対して４５°以上９０°以下の所定の角度で交差する。

本明細書において、硬質粒子において、硬質粒子内に設定される第１方向に沿って、珪素の濃度が周期的に変化することは、以下の方法で確認される。
（Ｂ１）上記のＢＦ－ＳＴＥＭ像（観察倍率：２００万倍）において、第１方向に沿って、ＳＴＥＭ付帯のＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分光法：Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ－ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）によりライン分析を行い、チタンの原子数基準の含有率Ａ_Ｔｉ及び珪素の原子数基準の含有率Ａ_Ｓｉを測定する。ライン分析のビーム径は０．５ｎｍ以下とし、スキャン間隔は０．５ｎｍとし、ライン分析の長さは５０ｎｍとする。

（Ｂ２）ライン分析結果を、Ｘ軸をライン分析の開始点から第１方向に沿う距離（ｎｍ）とし、Ｙ軸を珪素の原子数Ａ_Ｓｉと、チタンの原子数Ａ_Ｔｉとの合計に対する、珪素の原子数Ａ_Ｓｉの百分率（｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００）（％）とする座標系に示したグラフを得る。該グラフは、ライン分析の開始点から第１方向に沿う距離（Ｘ軸）の増加に伴う、珪素の原子数Ａ_Ｓｉとチタンの原子数Ａ_Ｔｉとの合計に対する珪素の原子数Ａ_Ｓｉの百分率（Ｙ軸）の変化を示す。

図６のＢＦ－ＳＴＥＭ像の丸印Ｓから丸印Ｅへの矢印に対してライン分析を行って得られるグラフの一例を図７に示す。

（Ｂ３）上記のグラフに｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００の平均値を示す線Ｌ１を引く。図７において、｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００の平均値はｅ１である。該平均値ｅ１は線Ｌ１で示される。

（Ｂ４）上記のグラフにおいて、線Ｌ１よりも｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００の値が大きい領域（以下、「第１Ａ領域」とも記す。）と、線Ｌ１よりも｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００の値が小さい領域（以下、「第１Ｂ領域」とも記す。）とが、第１方向に沿って、交互に連続的に存在する場合、硬質粒子において、硬質粒子内に設定される第１方向に沿って、珪素の濃度が周期的に変化すると判定される。ここで、｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００がその平均値と同一である領域は、第１Ａ領域とする。

図７において、第１Ａ領域は、例えば、ライン分析の開始点から第１方向に沿う距離がｃ１以上ｃ２以下、ｃ３以上ｃ４以下、ｃ５以上ｃ６以下、ｃ７以上ｃ８以下、ｃ９以上ｃ１０以下、ｃ１１以上ｃ１２以下の領域である（ｃ１３より大きい距離は記載を省略）。図７において、第１Ｂ領域は、例えば、ライン分析の開始点から第１方向に沿う距離がｃ２超ｃ３未満、ｃ４超ｃ５未満、ｃ６超ｃ７未満、ｃ８超ｃ９未満、ｃ１０超ｃ１１未満、ｃ１２超ｃ１３未満の領域である。

各第１Ａ領域において、ライン分析の開始点に最も近い地点から、ライン分析の開始点からの距離の増加に伴い、｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００の値が平均値から該第１Ａ領域内の最大値まで増加し、その後、平均値まで減少することが好ましい。

第１Ａ領域における上記の増加とは、単調増加に限られず、増加の途中で、｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００の値の平均値と該第１Ａ領域内の最大値との差の５０％以内の減少が存在していてもよい。また、第１Ａ領域における上記の減少とは、単調減少に限られず、減少の途中で、｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００の値の平均値と該第１Ａ領域内の最大値との差の５０％以内の増加が存在していてもよい。

各第１Ｂ領域において、ライン分析の開始点に最も近い地点から、ライン分析の開始点からの距離の増加に伴い、｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００の値が平均値から該第１Ｂ領域内の最小値まで減少し、その後、平均値まで増加することが好ましい。

第１Ｂ領域における上記の減少とは、単調減少に限られず、減少の途中で、｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００の値の平均値と該第１Ｂ領域内の最小値との差の５０％以内の増加が存在していてもよい。また、第１Ｂ領域における上記の増加とは、単調増加に限られず、増加の途中で、｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００の値の平均値と該第１Ｂ領域内の最小値との差の５０％以内の減少が存在していてもよい。

例えば、図７において、ライン分析の開始点から第１方向に沿う距離がｃ１以上ｃ２以下の第１Ａ領域では、Ｐ１における｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００の値ａ１が第１Ａ領域内の最大値である。該第１Ａ領域では、ライン分析の開始点から第１方向に沿う距離のｃ１からｃ２への増加に伴って、｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００の値が、平均値ｅ１から最大値ａ１まで増加し、その後、最大値ａ１から平均値ｅ１まで減少する。図７において、ライン分析の開始点から第１方向に沿う距離がｃ２超ｃ３未満の第１Ｂ領域では、Ｂ１における｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００の値ｂ１が第１Ｂ領域内の最小値である。該第１Ｂ領域では、ライン分析の開始点から第１方向に沿う距離のｃ２からｃ３への増加に伴って、｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００の値は、平均値ｅ１から最小値ｂ１まで減少し、その後、最小値ｂ１から平均値ｅ１まで増加する。

上記の方法により、硬質粒子において、硬質粒子内に設定される第１方向に沿って、珪素の濃度が周期的に変化することが確認される限り、本開示の効果が示されることが確認されている。

（｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００）
本実施形態の硬質粒子において、チタンの原子数Ａ_Ｔｉと、珪素の原子数Ａ_Ｓｉとの合計に対する、珪素の原子数Ａ_Ｓｉの百分率｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００の平均は、１％以上２０％以下であることが好ましい。
これによると、切削工具の耐摩耗性と耐欠損性が更に向上し、工具寿命が更に向上する。

上記｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００は、膜硬度及び靱性向上の観点から、１％以上１０％以下がより好ましく、１％以上５％以下が更に好ましい。

本明細書において、硬質粒子における上記｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００の平均とは、硬質粒子中のライン分析を行った領域における｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００の値の平均を意味する。

硬質粒子における｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００の最大値は、膜硬度及び靱性向上の観点から、１．５％以上４０％以下が好ましく、１．５％以上２０％以下がより好ましく、１．５％以上１０％以下がより好ましい。本明細書において、「硬質粒子における｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００の最大値」は、以下の方法で算出される値である。まず、硬質粒子中のライン分析を行った領域に存在する各第１Ａ領域において、該第１Ａ領域内における｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００の最大値を測定する。ライン分析を行った領域に存在する第１Ａ領域における最大値の平均が「硬質粒子における｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００の値の最大値」に該当する。

硬質粒子における｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００の最小値は、膜硬度及び靱性向上の観点から、０％以上１．０％以下がより好ましく、０％以上０．５％以下が更に好ましい。本明細書において、「硬質粒子における｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００の最小値」は、以下の方法で算出される値である。まず、硬質粒子中のライン分析を行った領域に存在する各第１Ｂ領域において、各第１Ｂ領域内における｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００の最小値を測定する。ライン分析を行った領域に存在する第１Ｂ領域における最小値の平均が「硬質粒子における｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００の最小値」に該当する。

｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００の最大値と最小値との差は、膜硬度及び靱性向上の観点から、１％以上３８％以下が好ましく、１％以上２０％以下がより好ましく、１％以上８％以下がより好ましい。

同一の試料において測定する限りにおいては、硬質粒子中のライン分析の測定箇所を変更して複数回行っても、測定結果のばらつきはほとんどなく、任意に測定箇所を設定しても恣意的にはならないことが確認されている。

（珪素の濃度の平均周期幅）
本実施形態の硬質粒子において、硬質粒子内に設定される第１方向に沿って、珪素の濃度が周期的に変化する。該第１方向に沿う珪素の濃度の平均周期幅は、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下が好ましい。これによると、耐摩耗性及び耐欠損性が向上し、工具寿命が向上する。珪素の濃度の周期幅の下限は、耐欠損性向上の観点から、３ｎｍ以上が好ましく、４ｎｍ以上がより好ましく、５ｎｍ以上が更に好ましい。珪素の濃度の周期幅の上限は、耐摩耗性向上の観点から５０ｎｍ以下が好ましく、３０ｎｍ以下がより好ましく、１０ｎｍ以下が更に好ましい。珪素の濃度の周期幅は、４ｎｍ以上３０ｎｍ以下がより好ましく、５ｎｍ以上１０ｎｍ以下が更に好ましい。

本明細書において、上記の珪素の濃度の周期幅の測定方法は以下の通りである。上記（Ａ１）～（Ａ３）と同様の方法で積層領域を設定する。該積層領域に対してフーリエ変換を行い、フーリエ変換像を得る。該フーリエ変換像において、積層領域内の周期性はスポットとして現れる。周期幅は、上記スポットと、フーリエ変換像において最大強度を示す画像中央との間の距離の逆数を計算することにより算出される。

同一の試料において測定する限りにおいては、硬質粒子の積層領域内において測定箇所を変更して複数回行っても、測定結果のばらつきはほとんどなく、任意に測定箇所を設定しても恣意的にはならないことが確認されている。

上記のフーリエ変換で求められる周期幅は、隣り合う第１Ａ領域内に存在する｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００が最大値である位置間の第１方向に沿う距離に相当する。隣り合う第１Ａ領域内に存在する｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００が最大値である位置間の第１方向に沿う距離は、図７において、Ｐ１とＰ２との間の距離ｄ１、Ｐ２とＰ３との間の距離ｄ２、Ｐ３とＰ４との間の距離ｄ３、Ｐ４とＰ５との間の距離ｄ４、Ｐ５とＰ６との間の距離ｄ５、Ｐ６とＰ７との間の距離ｄ６に相当する。

（硬質粒子の粒径）
本実施形態の硬質粒子の粒径は、例えば、１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下が好ましい。これによると、優れた耐欠損性を有することができる。硬質粒子の粒径は、１０ｎｍ以上７００ｎｍ以下がより好ましく、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下が更に好ましい。

上記の粒径の測定方法は以下の通りである。基材と基材上に形成された被膜とをＦＩＢ加工にて断面が見えるように加工し、その断面をＦＥ－ＳＥＭ（電界放出型走査型電子顕微鏡）によって観察する。その際、反射電子像として観察することによって、同じ結晶方位を有した部分は同じコントラストで観察され、この同一コントラスト部分を一つの硬質粒子とみなす。

次いで、このようにして得られた画像に対して、硬質粒子層の任意の箇所において基材表面に対して平行な任意長さ（好ましくは４００μｍ相当）の直線を引く。そして、その直線に含まれる硬質粒子の個数を測定し、その直線の長さを硬質粒子の個数で除したものを、硬質粒子の粒径とする。

（硬質粒子層の配向）
本実施形態において、硬質粒子層の配向は、（２２０）配向である。本明細書において「硬質粒子層の配向は、（２２０）配向である」とは、以下の式（１）で定義される配向性指数ＴＣ（ｈｋｌ）のうち、硬質粒子層における（２２０）面の配向性指数ＴＣ（２２０）が、他の結晶配向面の配向性指数よりも大きいことを意味する。ここで、他の結晶配向面とは、（１１１）面、（２００）面、（３１１）面、（３３１）面、（４２０）面、（４２２）面及び（５１１）面である。

式（１）中、Ｉ（ｈｋｌ）及びＩ（ｈ_ｘｋ_ｙｌ_ｚ）は、それぞれ測定された（ｈｋｌ）面の回折強度、及び、測定された（ｈ_ｘｋ_ｙｌ_ｚ）面の回折強度を示し、Ｉ_０（ｈｋｌ）及びＩ_０（ｈ_ｘｋ_ｙｌ_ｚ）は、それぞれＪＣＰＤＳ（Ｊｏｉｎｔ Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ ｏｎ Ｐｏｗｄｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ）データベースによる（ｈｋｌ）面のＴｉＣ（カード番号：３２－１３８３）及びＴｉＮ（カード番号：３８－１４２０）の粉末回折強度の平均値、並びに、ＪＣＰＤＳデータベースによる（ｈ_ｘｋ_ｙｌ_ｚ）面のＴｉＣ及びＴｉＮの粉末回折強度の平均値を示し、（ｈｋｌ）及び（ｈ_ｘｋ_ｙｌ_ｚ）は、それぞれ（１１１）面、（２００）面、（２２０）面、（３１１）面、（３３１）面、（４２０）面、（４２２）面及び（５１１）面の８面のいずれかを示す。

本実施形態の硬質粒子層の配向性指数ＴＣ（２２０）は、弾性回復率向上及び特に鋳鉄切削における耐摩耗性向上の観点から、３．５以上が好ましく、５以上がより好ましく、６以上が更に好ましい。配向性指数ＴＣ（２２０）の値の上限は制限されないが、計算に用いた反射面が８つであるから、８以下とすればよい。配向性指数ＴＣ（２２０）の値は、３．５以上８以下が好ましく、５以上８以下がより好ましく、６以上８以下が更に好ましい。

配向性指数ＴＣ（２２０）は、以下の条件で行うＸ線回折測定によって求められる。具体的には、硬質粒子層における任意の１箇所について、Ｘ線回折測定（装置：リガク株式会社製ＳｍａｒｔＬａｂ（登録商標））を行い、上記式（１）に基づいて求められた（２２０）面の配向性指数を、該硬質粒子層における配向性指数ＴＣ（２２０）とする。上述の「任意の１箇所」を選択するにあたり、一見して異常値を示す点は除外する。

≪Ｘ線回折測定の条件≫
Ｘ線出力：４５ｋＶ，２００ｍＡ
Ｘ線源、波長：ＣｕＫα、１．５４１８６２Å
検出器：Ｄ／ｔｅＸ Ｕｌｔｒａ ２５０
スキャン軸：２θ／θ
長手制限スリット幅：２．０ｍｍ
スキャンモード：ＣＯＮＴＩＮＵＯＵＳ
スキャンスピード：２０°／ｍｉｎ

同一の試料において測定する限りにおいては、硬質粒子層中の測定箇所を変更して複数回行っても、測定結果のばらつきはほとんどなく、任意に測定箇所を設定しても恣意的にはならないことが確認されている。

＜他の層＞
被膜は上述のとおり、硬質粒子層以外に他の層を含むことができる。図２～図４に示されるように、他の層としては、下地層１２及び最外層１３等が挙げられる。

（下地層）
下地層は、基材と硬質粒子層との間に配置される。下地層としては、例えば、ＴｉＮ層、ＴｉＣ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＢＮ層、Ａｌ_２Ｏ_３層を挙げることができる。下地層として基材の直上にＴｉＮ層、ＴｉＣ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＢＮ層を配置することにより、基材と被膜との密着性を高めることができる。また、下地層としてＡｌ_２Ｏ_３層を用いることにより、被膜の耐酸化性を高めることができる。下地層の平均厚さは０．１μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。これによると、被膜は優れた耐摩耗性及び耐欠損性を有することができる。

下地層は１層からなることができる。また、図４に示されるように、下地層１２は基材側に配置される第１下地層１２Ａと、基材と反対側に配置される第２下地層１２Ｂとからなる２層構造を有することができる。下地層が２層構造の場合、ＴｉＮ層とＴｉＣＮ層とを組み合わせることが好ましい。ＴｉＣＮ層は耐摩耗性に優れるため、被膜により好適な耐摩耗性を付与することができる。第１下地層の平均厚さは０．１μｍ以上２０μｍ以下が好ましく、０．１μｍ以上１９μｍ以下がより好ましい。第２下地層の平均厚さは１μｍ以上２０μｍ以下が好ましく、１μｍ以上１９．９μｍ以下が更に好ましい。

（最外層）
最外層は、被膜において最も表面側に配置される層である。ただし、刃先稜線部においては形成されない場合もある。最外層は、硬質粒子層上に他の層が形成されていない場合、硬質粒子層の直上に配置される。最外層としては、Ｔｉ（チタン）の炭化物、窒化物または硼化物のいずれかを主成分とすることが好ましい。また、最外層としてＡｌ_２Ｏ_３層を用いることにより、被膜の耐酸化性を高めることができる。

「Ｔｉの炭化物、窒化物または硼化物のいずれかを主成分とする」とは、Ｔｉの炭化物、窒化物および硼化物のいずれかを９０質量％以上含むことを意味する。また、好ましくは不可避不純物を除きＴｉの炭化物、窒化物および硼化物のいずれかからなることを意味する。

Ｔｉの炭化物、窒化物および硼化物のいずれかのうち、特に好ましいのはＴｉの窒化物（すなわちＴｉＮで表される化合物）を主成分として最外層を構成することである。ＴｉＮはこれらの化合物のうち色彩が最も明瞭（金色を呈する）であるため、切削使用後の切削チップのコーナー識別（使用済み部位の識別）が容易であるという利点がある。最外層はＴｉＮ層からなることが好ましい。

最外層は、平均厚さが０．０５μｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。これによると、最外層と、隣接する層との密着性が向上する。

＜実施形態２：切削工具の製造方法＞
本実施形態の切削工具の製造方法の一例について図８を用いて説明する。図８は、本実施形態の切削工具の製造に用いられるＣＶＤ装置の一例の概略的な断面図である。

（基材の準備）
基材を準備する。基材の詳細は、上記に記載されているため、その説明は繰り返さない。

（被膜の形成）
次に、上記基材上に、例えば図８に示されるＣＶＤ装置を用いて被膜を形成する。ＣＶＤ装置５０内には、基材１０を保持した基材セット治具５２を複数設置することができ、これらは耐熱合金鋼製の反応容器５３でカバーされる。また、反応容器５３の周囲には調温装置５４が配置されており、この調温装置５４により、反応容器５３内の温度を制御することができる。

ＣＶＤ装置５０には、２つの導入口５５、５７を有する導入管５６が配置されている。導入管５６は、基材セット治具５２が配置される領域を貫通するように配置されており、基材セット治具５２近傍の部分には複数の貫通孔が形成されている。導入管５６において、導入口５５、５７から管内に導入された各ガスは、導入管５６内においても混合されることなく、それぞれ異なる貫通孔を経て、反応容器５３内に導入される。この導入管５６は、その軸を中心軸として回転することができる。また、ＣＶＤ装置５０には排気管５９が配置されており、排気ガスは排気管５９の排気口６０から外部へ排出することができる。なお、反応容器５３内の治具類等は、通常黒鉛により構成される。

被膜が下地層及び／又は最外層を含む場合は、これらの層は従来公知の方法で形成することができる。

硬質粒子層は、上記ＣＶＤ装置を用いて、以下の方法で形成することができる。具体的には、Ｔｉ及びＳｉを含む第１原料ガスを導入口５５から導入管５６内に導入し、Ｃ及びＮを含む第２原料ガスを導入口５７から導入管５６内に導入する。第１原料ガスは、例えば、ＴｉＣｌ_４ガス及びＳｉＣｌ_４ガスを含むことができる。第２原料ガスは、例えば、ＣＨ_３ＣＮガスを含むことができる。なお、第１原料ガス及び第２原料ガスは、それぞれキャリアガス（Ｈ_２ガス、Ｎ_２ガス又はＡｒガス等）を含むことができる。以下、反応容器内の第１原料ガス及び第２原料ガスの合計を、反応ガスと記す。

導入管５６の図中上側には複数の貫通孔が開いている。導入された第１原料ガス（または第１原料ガスとキャリアガスとからなる第１混合ガス）および第２原料ガス（または第２原料ガスとキャリアガスとからなる第２混合ガス）は、それぞれ異なる貫通孔から反応容器５３内に噴出される。このとき、導入管５６は、図中回転矢印で示すようにその軸を中心として回転する。このため、第１原料ガス（または第１混合ガス）と第２原料ガス（または第２混合ガス）とは均一に混合された混合ガスとして、基材セット治具５２にセットされた基材１０の表面に向かって噴出される。

硬質粒子層の形成中、反応ガスの総ガス流量は、例えば、１０～８０Ｌ／分とすることができる。ここで「総ガス流量」とは、標準状態（０℃、１気圧）における気体を理想気体とし、単位時間当たりにＣＶＤ炉に導入された全容積流量を示す。

硬質粒子層の形成中、反応ガス中のＴｉＣｌ_４ガス及びＣＨ_３ＣＮガスの割合は、常に一定である。反応ガス中のＴｉＣｌ_４ガスの割合は、例えば、０．３５～１．３０体積％とすることができる。反応ガス中のＣＨ_３ＣＮガスの割合は、例えば、０．５～０．７体積％とすることができる。

反応ガス中のＳｉＣｌ_４ガスの割合は、ＳｉＣｌ_４ガスの導入量を調節することにより周期的に変化させる。具体的には、ＳｉＣｌ_４ガスの導入量の変化の１周期の長さをｔ（秒）とし、反応ガス中のＳｉＣｌ_４ガスの割合の変化の範囲をｒ１（体積％）～ｒ２（体積％）とした場合、成膜開始時から１周期の中間時点（ｔ／２（秒））までは、ＳｉＣｌ_４ガスの割合がｒ１（体積％）からｒ２（体積％）まで漸増し、続いて、中間時点（ｔ／２（秒））から１周期の最終時点（ｔ（秒））までは、ＳｉＣｌ_４ガスの割合をｒ２（体積％）からｒ１（体積％）まで漸減するように、ＳｉＣｌ_４ガスの導入量を調節する。これを１周期として、硬質粒子層が所望の厚さになるまで、該周期を繰り返す。反応ガス中のキャリアガス（例えば、Ｈ_２ガス）の割合は、ＳｉＣｌ_４ガスの割合の変化に応じて、総ガス流量が一定となるように変化させる。上記の１周期の長さｔ（秒）を調整することにより、硬質粒子における珪素の濃度の周期幅（ｎｍ）を制御することができる。上記の反応ガス中のＳｉＣｌ_４ガスの割合の範囲の最小値ｒ１と最大値ｒ２とを調整することにより、硬質粒子におけるＡ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）の値を制御することができる。

本工程において、基材１０の温度は９００～９５０℃の範囲が好ましく、反応容器５３内の圧力は０．１～１３．０ｋＰａであることが好ましい。成膜時の基材の温度を上記の範囲とすることにより、硬質粒子層の配向が（２２０）配向となる。上記成膜時の基材の温度は、従来のＴｉＳｉＣＮ層の形成で採用されていた基材の温度（例えば、８００～８５０℃）よりも高い。硬質粒子層の厚さは、原料ガスの流量と、成膜時間とを調節することによって制御することができる。

次に、被膜が形成された基材１０を冷却する。冷却速度は、例えば、５℃／ｍｉｎを超えることはなく、また、その冷却速度は基材１０の温度が低下するにつれて遅くなる。

なお、上記の工程に加えて、アニーリングなどの熱処理工程、表面研削、ショットブラストなどの表面処理工程を行うことができる。

上述の製造方法により、実施形態１の切削工具を得ることができる。

［付記１］
本開示の切削工具において、硬質粒子層の配向性指数ＴＣ（２２０）は、３．５以上８以下が好ましく、５以上８以下がより好ましく、６以上８以下が更に好ましい。

本実施の形態を実施例によりさらに具体的に説明する。ただし、これらの実施例により本実施の形態が限定されるものではない。

＜基材の準備＞
以下の表１に記載の基材Ｋ、基材Ｌ及び基材Ｍを準備した。具体的には、まず、表１に記載の配合組成（質量％）からなる原料粉末を均一に混合して混合粉末を得た。表１中の「残り」とは、ＷＣが配合組成（質量％）の残部を占めることを示している。次に、混合粉末をＣＮＭＧ１２０４０８（住友電工ハードメタル社製の刃先交換型切削チップ）の形状に加圧成形した後、１３００～１５００℃で１～２時間焼結することにより、超硬合金製の基材Ｋ、基材Ｌ及び基材Ｍを得た。基材Ｋ、基材Ｌ及び基材Ｍは、全て基材形状はＣＮＭＧ１２０４０８である。

＜被膜の形成＞
上記で得られた基材Ｋ、基材Ｌ又は基材Ｍに対してその表面に被膜を形成した。具体的には、図８に示されるＣＶＤ装置を用い、基材を基材セット治具にセットし、熱ＣＶＤ法を行うことにより、基材上に被膜を形成した。各試料の被膜の構成を表２に示す。

表２において、下地層は基材の表面と直接接する層であり、硬質粒子層は下地層の直上に形成された層であり、最外層は硬質粒子層の直上に形成された層であって外部に露出する層である。また、表２の下地層欄および最外層欄の化合物の記載は、表２の下地層および最外層を構成する化合物であり、化合物の右の括弧内の数値は層の厚さを示している。また、表２の１つの欄内に２つの化合物（たとえば、「ＴｉＮ（０．５）－ＴｉＣＮ（３．０）」）が記載されている場合には、左側（「ＴｉＮ（０．５）」）の化合物が基材に近い側に位置する層を構成する化合物であることを意味し、右側（「ＴｉＣＮ（３．０）」）の化合物が基材から遠い側に位置する層を構成する化合物であることを意味しており、括弧の中の数値はそれぞれの層の厚さを意味している。表２の硬質粒子層のａ～ｐ及びｗ～ｚの記載は、表４の形成条件ａ～形成条件ｐ及び形成条件ｗ～形成条件ｚで形成された層であることを示し、括弧内の数値は層の厚さを意味している。また、表２の「－」で示される欄は、層が存在しないことを意味する。

たとえば、表２の試料１の切削工具では、基材Ｋの表面の直上に０．５μｍの厚さのＴｉＮ層および３．０μｍの厚さのＴｉＣＮ層がこの順序に積層されて下地層が形成され、該下地層の直上に後述する形成条件ａで形成された５．１μｍの厚さの硬質粒子層が形成されており、被膜全体の厚さが８．６μｍである。試料１では、硬質粒子層の直上には最外層が形成されていない。

表２に示される下地層および最外層は、従来公知のＣＶＤ法によって形成された層であり、その形成条件は表３に示す通りである。たとえば、表３の「ＴｉＮ（下地層）」の行には、下地層としてのＴｉＮ層の形成条件が示されている。表３のＴｉＮ層（下地層）の記載は、ＣＶＤ装置の反応容器内（反応容器内圧力６．７ｋＰａ）に基材を配置し、基材を基材温度９１５℃まで加熱し、反応容器内に２．０体積％のＴｉＣｌ_４ガス、３９．７体積％のＮ_２ガスおよび残り（５８．３体積％）のＨ_２ガスからなる混合ガスを６３．８Ｌ／分の流量で噴出することにより形成されることを意味している。なお、各層の厚さは、各反応ガスを噴出する時間によって制御した。

表２に示される硬質粒子層は、表４に示される形成条件ａ～形成条件ｐ及び形成条件ｗ～形成条件ｚのいずれかの条件で形成される。

（形成条件ａ～形成条件ｐ、及び、形成条件ｚ）
形成条件ａ～形成条件ｐ、及び、形成条件ｚでは、初めに、ＣＶＤ装置の反応容器内圧力を表４の「反応容器内圧力（ｋＰａ）」欄に記載の圧力、及び、基材温度を表４の「基材温度（℃）」欄に記載の温度に設定する。例えば、形成条件ａでは、ＣＶＤ装置の反応容器内圧力を９．０ｋＰａ、及び、基材温度を９２０℃に設定する。

次に、反応容器内に表４の「反応ガス組成」欄に記載の成分を含む反応ガスを導入して、基材上に硬質粒子層（ＴｉＳｉＣＮ層）を形成する。反応ガスの総ガス流量は、表４の「総ガス流量（Ｌ／分）」欄に記載の通りである。「総ガス流量」とは、標準状態（０℃、１気圧）における気体を理想気体とし、単位時間当たりにＣＶＤ炉に導入された全容積流量を示す。

反応ガス中のＴｉＣｌ_４ガス、ＣＨ_３ＣＮガス及びＮ_２ガスの割合は、硬質粒子層の形成中、常に一定である。反応ガス中のＳｉＣｌ_４ガスの割合は、表４の「ＳｉＣｌ_４」の「周期」欄に示す時間（秒）を１周期として、「範囲」欄に示される割合（体積％）の範囲で変化させる。具体的には、成膜開始時のＳｉＣｌ_４ガスの割合を「範囲」欄に示される最小値とし、成膜開始から表４の「周期」欄に示される時間（秒）の中間時点（（１／２）周期（秒））までは、ＳｉＣｌ_４ガスの割合が「範囲」欄に示される最大値まで漸増し、続いて、中間時点（（１／２）周期（秒））から１周期の最終時点（１周期（秒））までは、ＳｉＣｌ_４ガスの割合が「範囲」欄に示される最小値まで漸減するようにＳｉＣｌ_４ガスの導入量を調節する。これを１周期として、硬質粒子層が所望の厚さになるまで、該周期を繰り返す。Ｈ_２ガスの割合は、ＳｉＣｌ_４ガスの割合の変化に応じて、総ガス流量が一定となるように変化させる。

例えば、形成条件ａでは、反応ガスの総ガス流量は６０．０Ｌ／分である。反応ガス中のＴｉＣｌ_４ガスの割合は０．７０体積％、ＣＨ_３ＣＮガスの割合は０．６０体積％、Ｎ_２ガスの割合は８．９０体積％であり、これらのガスの割合は硬質粒子層の形成中、一定である。反応ガス中のＳｉＣｌ_４ガスの割合は、７秒を１周期として、０．１～１．７体積％の範囲で変化させる。より具体的には、成膜開始時のＳｉＣｌ_４ガスの割合を０．１体積％とし、成膜開始から３．５秒までは、ＳｉＣｌ_４ガスの割合が０．１体積％から１．７体積％まで漸増し、続いて、成膜開始３．５秒後から７秒後までは、ＳｉＣｌ_４ガスの割合が１．７体積％から０．１体積％まで漸減するように、ＳｉＣｌ_４ガスの導入量を調節する。これを１周期として、硬質粒子層の厚さが表２の「硬質粒子層」欄に記載の厚さになるまで、該周期を繰り返す。Ｈ_２ガスの体積割合は、ＳｉＣｌ_４ガスの割合の変化に応じて、総ガス流量が一定となるように変化させる。形成条件ａでは、反応ガス中のＳｉＣｌ_４ガスの割合の平均は０．９０体積％である。

その後、基材を５℃／分の冷却速度で冷却する。

（形成条件ｗ）
形成条件ｗは、従来のＴｉＣＮ層の形成条件である。具体的には、初めに、ＣＶＤ装置の反応容器内圧力を９．０ｋＰａ、及び、基材温度を９２０℃に設定する。

次に、反応容器内に表４の「反応ガス組成（体積％）」欄に記載の成分を含む反応ガス（ＴｉＣｌ_４：２．００体積％、ＣＨ_３ＣＮ：０．６０体積％、Ｈ_２ガス：残り）を導入して、基材上にＴｉＣＮ層（硬質粒子層）を形成する。反応ガスの組成は、成膜中一定である。反応ガスの総ガス流量は、総ガス流量６０．０Ｌ／分である。その後、基材を５℃／分の冷却速度で冷却する。

（形成条件ｘ）
形成条件ｘは、特許文献１に開示されるＰＶＤ法を用いて硬質粒子層（ＴｉＳｉＣＮ層）を形成する条件である。

（形成条件ｙ）
形成条件ｙは、特許文献２に開示されるＣＶＤ法を用いて硬質粒子層（ＴｉＳｉＣＮ層）を形成する条件である。

上記により、試料１～試料２７（実施例に該当）及び試料１－１～試料１－５（比較例に該当）の切削工具を得た。

＜硬質粒子層の特徴＞
（硬質粒子層の構成）
形成条件ａ～形成条件ｐ、及び、形成条件ｚより得られた硬質粒子層は、ＴｉＳｉＣＮからなる複数の硬質粒子からなり、硬質粒子内に設定される第１方向に沿って、珪素の濃度が周期的に変化することが確認された。具体的な確認方法は実施形態１に記載されているため、その説明は繰り返さない。

形成条件ｗにより得られた硬質粒子（ＴｉＣＮ）層を明視野走査透過電子顕微鏡（ＢＦ－ＳＴＥＭ）で観察したところ、均一な組織であり、周期的な変化は確認されなかった。

形成条件ｘ及び形成条件ｙにより得られた硬質粒子層を明視野走査透過電子顕微鏡（ＢＦ－ＳＴＥＭ）で観察したところ、ナノコンポジット構造が確認された。該硬質粒子層は（２００）配向であった。

（｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００）
各形成条件により得られた硬質粒子において、｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００の最大値、最小値及び平均を測定した。具体的な測定方法は実施形態１に記載の通りであるため、その説明は繰り返さない。結果を表５の「最大｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００（％）」、「最小｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００（％）」及び「平均｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００（％）」欄に示す。なお、「－」の表記は、測定を行わなかったことを示す。

（珪素の濃度の周期幅）
各形成条件により得られた硬質粒子において、硬質粒子内に設定される第１方向における珪素の濃度の平均周期幅を測定した。具体的な測定方法は実施形態１に記載の通りであるため、その説明は繰り返さない。結果を表５の「平均周期幅（ｎｍ）」欄に示す。なお、「－」の表記は、測定を行わなかったことを示す。

（配向）
各形成条件により得られた硬質粒子層の配向を測定した。硬質粒子層の配向の具体的な測定方法は実施形態１に記載されているため、その説明は繰り返さない。各硬質粒子層において、配向性指数ＴＣ（ｈｋｌ）のうち、最も大きい配向性指数の配向面を、表５の「配向面」欄に示し、該配向面の配向性指数ＴＣ（ｈｋｌ）を「配向面の配向性指数ＴＣ（ｈｋｌ）」欄に示す。

形成条件ａ～形成条件ｐ、及び、形成条件ｗにより得られた硬質粒子層では、（２２０）面の配向性指数ＴＣ（２２０）が最も大きかった。従って、形成条件ａ～形成条件ｐ、及び、形成条件ｗにより得られた硬質粒子層の配向は、（２２０）配向であった。例えば、形成条件ａにより得られた硬質粒子層の配向性指数ＴＣ（２２０）は、４．３であった。

形成条件ｘ～形成条件ｚにより得られた硬質粒子層では、（２００）面の配向性指数ＴＣ（２００）が最も大きかった。従って、形成条件ｘ～形成条件ｚにより得られた硬質粒子層の配向は、（２００）配向であった。

＜切削試験１＞
試料１～試料２７及び試料１－１～試料１－５の切削工具を用いて、以下の切削条件にて鋳鉄（ＦＣＤ４５０）の連続切削を行い、逃げ面摩耗量（Ｖｂ）が０．３ｍｍとなるまでの切削時間を測定した。切削時間が長いもの程、耐摩耗性に優れ、工具寿命が長いことを示す。また、刃先の最終損傷形態を観察した。最終損傷形態において、「正常摩耗」とはチッピング、欠けなどを生じず、摩耗のみで構成される損傷形態（平滑な摩耗面を有する）を意味し、耐欠損性に優れていることを示す。結果を表６に示す。

＜切削条件＞
被削材：ＦＣＤ４５０丸棒外周切削
周速：１５０ｍ／ｍｉｎ
送り速度：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
切込み量：１．０ｍｍ
切削液：無し

（評価１）
試料１－試料２７（実施例）は、試料１－１～試料１－５（比較例）に比べて、鋳鉄の連続切削において耐摩耗性に優れ、工具寿命が長いことが確認された。また、試料１－試料２７は、最終損傷形態が正常摩耗であり、従来の硬質粒子層（試料１－１～試料１－５）と同等の優れた耐欠損性を維持していることが確認された。

＜切削試験２＞
試料１～試料２７及び試料１－１～試料１－５の切削工具を用いて、以下の切削条件により鋳鉄（ＦＣ２５０）の断続切削を行い、切削工具が欠損するまでの衝撃回数を測定し、当該切削工具の耐欠損性を評価した。ここで、欠損とは、３００μｍ以上の欠損を意味する。欠損までの衝撃回数が多いほど耐欠損性に優れることを示す。結果を表７に示す。なお、表７において「欠損無し」とは、衝撃回数３０００回まで切削を行ったが、欠損が生じなかったことを示す。

＜切削条件＞
被削材：ＦＣ２５０板材外周切削
周速：３００ｍ／ｍｉｎ
送り速度：０．２ｍｍ／ｒｅｖ
切込み量：１．５ｍｍ
切削液：無し

（評価２）
試料１－試料２７（実施例）は、試料１－１～試料１－５（比較例）に比べて、鋳鉄の断続切削において耐欠損性に優れ、工具寿命が長いことが確認された。

以上のように本開示の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせたり、様々に変形す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およ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およ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。

１，２１，３１，４１ 切削工具、１０ 基材、１１ 硬質粒子層、１２，１２Ａ，１２Ｂ 下地層、１３ 最外層、１４，２４，３４，４５ 被膜、５０ ＣＶＤ装置、５２ 基材セット治具、５３ 反応容器、５４ 調温装置、５５，５７ 導入口、５６ 導入管、５９ 排気管、６０ 排気口

Claims (8)

1. 基材と、前記基材上に配置された被膜と、を備える切削工具であって、
   前記被膜は、硬質粒子層を含み、
   前記硬質粒子層は、チタン、珪素、炭素、窒素および不可避不純物からなる複数の硬質粒子からなり、
   前記硬質粒子において、前記硬質粒子内に設定される第１方向に沿って、前記珪素の濃度が周期的に変化し、
   前記硬質粒子層の配向は、（２２０）配向である、切削工具。
2. 前記硬質粒子において、前記チタンの原子数Ａ_Ｔｉと、前記珪素の原子数Ａ_Ｓｉとの合計に対する、前記珪素の原子数Ａ_Ｓｉの百分率｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００の平均は、１％以上２０％以下である、
   請求項１に記載の切削工具。
3. 前記珪素の濃度の平均周期幅は、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下である、請求項１又は請求項２に記載の切削工具。
4. 前記硬質粒子層の厚さは、１μｍ以上２０μｍ以下である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の切削工具。
5. 前記基材は、炭化タングステンとコバルトとを含む超硬合金からなり、
   前記超硬合金中の前記コバルトの含有率は、６質量％以上１１質量％以下である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の切削工具。
6. 前記硬質粒子において、前記チタンの原子数Ａ_Ｔｉと、前記珪素の原子数Ａ_Ｓｉとの合計に対する、前記珪素の原子数Ａ_Ｓｉの百分率｛Ａ_Ｓｉ／（Ａ_Ｓｉ＋Ａ_Ｔｉ）｝×１００の最大値と最小値との差は、１％以上３８％以下である、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の切削工具。
7. 前記被膜は、前記基材の直上に配置される下地層を含み、
   前記下地層は、ＴｉＮ層、ＴｉＣ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＢＮ層及びＡｌ_２Ｏ_３層からなる群より選択される少なくとも１種からなる、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の切削工具。
8. 前記被膜は、前記被膜において最も表面側に配置される最外層を含み、
   前記最外層は、チタンの炭化物、チタンの窒化物又はチタンの硼化物を９０質量％以上含む層、又は、Ａｌ_２Ｏ_３層からなる、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の切削工具。

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