JP7816640B1 - 切削工具 - Google Patents

Abstract

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、第１層を含み、前記第１層は、第１単位層と第２単位層とが交互に積層された交互層からなり、前記第１単位層は、Ｔｉ_{１－ａ－ｂ}Ａｌ_ａＳｃ_ｂＮからなり、前記ａは、０．３５０以上０．６５０以下であり、前記ｂは、０．０１０以上０．１００以下であり、前記第２単位層は、Ａｌ_ｃＶ_１－ｃＮからなり、前記ｃは、０．４０以上０．７５以下であり、前記ａおよび前記ｃは、ｃ＞ａの関係を満たす、切削工具である。

Description

本開示は、切削工具に関する。

従来から、基材と、基材を被覆する被膜と、を備える切削工具が、切削加工に用いられている。例えば、特許文献１および特許文献２には、基材を、Ｔｉ及びＡｌを主成分とした窒化物または炭窒化物に、第４族元素、第５族元素、第６族元素、Ｓｉ、Ｙおよび希土類元素よりなる群から選択される１種以上の元素を添加して形成された被膜で被覆した切削工具が開示されている。

国際公開第１９９７／０３４０２３号 特開２０１５－５４９９５号公報

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、第１層を含み、前記第１層は、第１単位層と第２単位層とが交互に積層された交互層からなり、前記第１単位層は、Ｔｉ_{１－ａ－ｂ}Ａｌ_ａＳｃ_ｂＮからなり、前記ａは、０．３５０以上０．６５０以下であり、前記ｂは、０．０１０以上０．１００以下であり、前記第２単位層は、Ａｌ_ｃＶ_１－ｃＮからなり、前記ｃは、０．４０以上０．７５以下であり、前記ａおよび前記ｃは、ｃ＞ａの関係を満たす、切削工具である。

図１は、実施形態１に係る切削工具の一例の模式的な拡大断面図である。 図２は、実施形態１に係る切削工具の他の一例の模式的な拡大断面図である。 図３は、実施形態１に係る切削工具の他の一例の模式的な拡大断面図である。 図４は、実施形態１に係る切削工具の他の一例の模式的な拡大断面図である。 図５は、第１単位層および第２単位層の厚みの比の一例を説明するための図である。 図６は、実施形態２に係る切削工具の一例の模式的な拡大断面図である。 図７は、実施形態２に係る切削工具の他の一例の模式的な拡大断面図である。 図８は、実施形態２に係る切削工具の他の一例の模式的な拡大断面図である。 図９は、実施形態２に係る切削工具の他の一例の模式的な拡大断面図である。 図１０は、第１単位層および第３単位層の厚みの比の一例を説明するための図である。 図１１は、実施例で用いられたカソードアークイオンプレーティング装置の模式的な断面図である。 図１２は、図１１に示されるカソードアークイオンプレーティング装置の模式的な上面図である。

［本開示が解決しようとする課題］
近年、電気自動車の需要増加、並びに、ＡＩ（Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ）や５Ｇ（第５世代移動通信システム）の普及にともない、これらの用途に用いられる部品の切削加工のニーズが高まっている。これらの用途の部品材料としては、耐腐食性や機能性の観点から、耐熱合金(例えば、ニッケル基合金、チタン合金)やセラミックなどの難削材が挙げられる。

耐熱合金などの難削材は、硬度が高く加工硬化しやすい、切削抵抗が大きい、および、材料の熱伝導率が小さいため、切削時に刃先温度が高くなり、高能率加工が困難な材料である。この問題を解決するため、超高圧の切削液供給法、振動切削、冷凍切削など新たな技術が開発されつつある。しかし、難削材の切削では基本的に工具の損耗が大きな問題であり、新たな工具材料開発への期待が大きい。

そこで、本開示は、特に刃先温度が高温になる切削条件下においても、優れた工具寿命を有することのでき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、特に刃先温度が高温になる切削条件下においても、優れた工具寿命を有することのできる切削工具を提供することが可能である。

［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、第１層を含み、前記第１層は、第１単位層と第２単位層とが交互に積層された交互層からなり、前記第１単位層は、Ｔｉ_{１－ａ－ｂ}Ａｌ_ａＳｃ_ｂＮからなり、前記ａは、０．３５０以上０．６５０以下であり、前記ｂは、０．０１０以上０．１００以下であり、前記第２単位層は、Ａｌ_ｃＶ_１－ｃＮからなり、前記ｃは、０．４０以上０．７５以下であり、前記ａおよび前記ｃは、ｃ＞ａの関係を満たす、切削工具である。

本開示によれば、特に刃先温度が高温になる切削条件下においても、優れた工具寿命を有することのできる切削工具を提供することが可能である。この理由は、以下の通りと推察される。

第１単位層のＴｉ_{１－ａ－ｂ}Ａｌ_ａＳｃ_ｂＮ中のＳｃは、高温の切削条件下で酸化され、被膜中にＳｃ_２Ｏ_３からなる不動態が生成される。Ｓｃ_２Ｏ_３は融点が２４８５℃と非常に高いため、高温の切削条件下においても、Ｓｃ_２Ｏ_３からなる不動態は安定して存在することができる。よって、高温の切削条件下においても、切削工具の性能の安定性が向上する。

Ｓｃ_２Ｏ_３はＴｉＡｌＳｃＮの結晶粒界に析出する、いわゆる“くさび効果（ｋｅｙｉｎｇ ｏｎ ｅｆｆｅｃｔ）”をもたらすため、酸素が被膜表面から結晶粒界を通って被膜内部へ拡散することを防御することができる。くさび効果により、被膜の耐酸化性が著しく向上する。さらに、くさび効果により、被削材と被膜との反応性を抑制でき、被削材と被膜との摩擦係数を低減できる。

ＳｃＮの格子定数は４．５１Åであり、ＴｉＮの格子定数４．２３Å、および、ＡｌＮの格子定数４．１２Åより大きい。このため、第１単位層にＳｃが存在することにより、第１単位層にひずみが導入され、第１単位層の組織が微細化する。これにより、第１単位層が高硬度化し、第１層を含む被膜の耐摩耗性が向上する。

特許文献１および特許文献２には、ＴｉおよびＡｌを主成分とする窒化物または炭窒化物（以下、「ＴｉＡｌＮまたはＴｉＡｌＣＮ」とも記す。）にイットリウムを添加した被膜が開示されている。しかし、ＹＮの格子定数は４．８８Åと大きいため、ＴｉＡｌＮまたはＴｉＡｌＣＮに固溶できる量が限定される。このため、イットリウムを添加したＴｉＡｌＮまたはＴｉＡｌＣＮは、ひずみの導入量が不十分であり、被膜の高硬度化および耐摩耗性の向上効果が不十分である。

第１単位層のＴｉ_{１－ａ－ｂ}Ａｌ_ａＳｃ_ｂＮは、第２単位層のＡｌ_ｃＶ_１－ｃＮに比して、高温で硬度が低下しにくい。このため、第１層は高温においても優れた耐摩耗性を維持できる。また、Ｔｉ_{１－ａ－ｂ}Ａｌ_ａＳｃ_ｂＮは、Ａｌ_ｃＶ_１－ｃＮよりも圧縮残留応力が大きく、第１層の耐チッピング性の向上に寄与する。

第２単位層のＡｌ_ｃＶ_１－ｃＮ中のＶは、高温の切削条件下で酸化され、被膜中にＶ_２Ｏ_５が生成される。Ｖ_２Ｏ_５の融点は６９０℃であるため、Ｖ_２Ｏ_５は切削加工中の温度で軟化して、潤滑材としての機能を有し、工具すくい面で摩擦係数の低減を図ることできる。このため、第２単位層を含む第１層は、刃先が高温になる加工において、被膜の耐凝着性、摺動性および耐摩耗性を向上できる。

第２単位層のＡｌ_ｃＶ_１－ｃＮは、第１単位層のＴｉ_{１－ａ－ｂ}Ａｌ_ａＳｃ_ｂＮに比して、耐熱性が優れている。このため、第２単位層を含む第１層は、被膜の耐熱性を向上できる。

第１層は、第１単位層と第２単位層とが交互に積層された交互層からなる。このため、第１層は、高温の切削条件下においても、第１単位層による被膜の安定性、耐酸化性、耐摩耗性、および、耐チッピング性の向上効果と、第２単位層による被膜の耐凝着性、摺動性、耐摩耗性、および、耐熱性の向上効果とを兼備することができる。

ニッケル基合金やチタン合金などの難削材には、Ｃｒなどの他の合金元素が添加されている。被膜中にＣｒが含有されていると、切削加工時に被膜と被削材中の成分が相互拡散し、摩耗が促進されるため、被膜にはＣｒが含まれない方がよい。実施形態１の切削工具において、第１層はＣｒを含まないため、被膜と、Ｃｒを含む被削材中の成分との相互拡散による摩耗が抑制される。

第１層は、第１単位層と第２単位層とが交互に積層された交互層からなる。第１単位層と第２単位層との界面では組成および結晶格子が不連続となっている。よって、切削時に被膜の表面からクラックが発生した場合、界面においてクラックの進展を抑制することができる。第１層を含む被膜では、チッピングや欠損が抑制される。

上記の理由より、第１単位層と第２単位層とが交互に積層された交互層からなる第１層を含む切削工具は、特に刃先温度が高温になる切削条件下においても、優れた工具寿命を有することができる。

（２）上記（１）において、前記第１単位層と、前記第１単位層に隣接する前記第２単位層とにおいて、前記第１単位層の厚みλ１に対する、前記第２単位層の厚みλ２の比λ２／λ１は、１以上５以下でもよい。

第２単位層は高い耐酸化性を有していることに加えて、熱伝導率が低く、切削時に発生した熱を基材に伝えにくい性質を有する。比λ２／λ１が１以上５以下であると、第１層中の第２単位層の割合が増加し、第１層の耐凝着性、摺動性、耐酸化性および耐熱性が更に向上する。よって、特に刃先温度が高温になる切削条件下においても、被膜の摩耗が生じ難く、切削工具の工具寿命が更に向上する。

更に、λ２／λ１が１以上であると、被膜の靱性が向上する傾向にある。一方、λ２／λ１が５以下であると、第１単位層と第２単位層とを積層したことによるクラックの進展の抑制効果が得られやすい傾向にある。

（３）上記（１）または（２）において、前記第１単位層の平均厚みは、２ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、前記第２単位層の平均厚みは、２ｎｍ以上２００ｎｍ以下でもよい。これによると、被膜の表面で発生したクラックの進展の抑制効果が更に向上する。

（４）上記（１）から（３）のいずれかにおいて、前記被膜は、前記基材と、前記第１層との間に配置される第２層を更に含み、前記第２層の組成は、前記第１単位層および前記第２単位層のいずれかの単位層の組成と同一であり、前記第２層の厚みは、同一の組成を有する前記単位層の平均厚みよりも大きく、前記第２層の厚みは、０．１μｍ以上１．０μｍ以下でもよい。これによると、基材と被膜との密着性を高めることができる。

（５）上記（１）から（４）のいずれかにおいて、前記被膜は、前記第１層の前記基材と反対側に設けられる第３層を更に含み、前記第３層は、ＴｉＣＮまたはＴｉＡｌＳｃＣＮからなり、前記第３層の厚みは、０．１μｍ以上１．０μｍ以下でもよい。

一般的に、炭窒化物は窒化物よりも被削材に対する摩擦係数が低い傾向にある。このような摩擦係数の低下は、炭素原子の寄与によるものと考えられる。被膜が第３層を含むと、被削材に対する被膜の摩擦係数が低下して、切削工具が更に長寿命化する。

（６）上記（１）から（５）のいずれかにおいて、前記第１層の厚みは、０．５μｍ以上１５μｍ以下でもよい。第１層の厚みが０．５μｍ以上であると、第１層の耐摩耗性、耐熱性、耐チッピング性、および、耐凝着性などの向上効果が得られやすく、切削工具が更に長寿命化する。第１層の厚みが１５μｍ以下であると、耐チッピング性が安定して発揮されやすい。

（７）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、Ａ層を含み、前記Ａ層は、第１単位層と第３単位層とが交互に積層された交互層からなり、前記第１単位層は、Ｔｉ_{１－ａ－ｂ}Ａｌ_ａＳｃ_ｂＮからなり、前記ａは、０．３５０以上０．６５０以下であり、前記ｂは、０．０１０以上０．１００以下であり、前記第３単位層は、Ａｌ_ｄＶ_{１－ｄ－ｅ}Ｍ_ｅＮからなり、前記Ｍは、珪素または硼素であり、前記ｄは、０．４０以上０．７５以下であり、前記ｅは、０超０．０５以下であり、前記ａおよび前記ｄは、ｄ＞ａの関係を満たす、切削工具である。

本開示によれば、特に刃先温度が高温になる切削条件下においても、優れた工具寿命を有することのできる切削工具を提供することが可能である。この理由は、上記（１）に記載の理由と同様であると推察される。本開示では、さらに以下の理由も推察される。

第３単位層のＡｌ_ｄＶ_{１－ｄ－ｅ}Ｍ_ｅＮにおいて、Ｍが珪素である場合、第３単位層の組織が微細化することによって、第３単位層の硬度と、耐酸化性とが向上し、その結果として被膜全体の硬度と、耐酸化性とが向上する。

第３単位層のＡｌ_ｄＶ_{１－ｄ－ｅ}Ｍ_ｅＮにおいて、Ｍが硼素である場合、硼素によって第３単位層の硬度が高くなり、被膜全体の硬度が高くなる。また、切削に伴い形成される硼素の酸化物が、第３単位層中のＡｌの酸化物を緻密化し、第３単位層の耐酸化性が向上する。さらに、硼素の酸化物は低融点であるため切削時の潤滑剤として作用し、被削材の凝着を抑制できる。

（８）上記（７）において、前記第１単位層と、前記第１単位層に隣接する前記第３単位層とにおいて、前記第１単位層の厚みλ１に対する、前記第３単位層の厚みλ３の比λ３／λ１は、１以上５以下でもよい。

これによると、上記（２）と同様の理由により、Ａ層の耐凝着性、摺動性、耐酸化性および耐熱性が更に向上し、切削工具の工具寿命が更に向上する。

（９）上記（７）または（８）において、前記Ｍは、珪素でもよい。これによると、第３単位層の硬度と、耐酸化性とが更に向上し、その結果として被膜全体の硬度と、耐酸化性とが更に向上する。

（１０）上記（７）または（８）において、前記Ｍは、硼素でもよい。これによると、第３単位層の硬度と、耐酸化性とが更に向上し、その結果として被膜全体の硬度と、耐酸化性とが更に向上する。また、被膜への被削材の凝着を更に抑制できる。

（１１）上記（７）から（１０）のいずれかにおいて、前記第１単位層の平均厚みは、２ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、前記第３単位層の平均厚みは、２ｎｍ以上２００ｎｍ以下でもよい。これによると、被膜の表面で発生したクラックの進展の抑制効果が更に向上する。

（１２）上記（７）から（１１）のいずれかにおいて、前記被膜は、前記基材と、前記Ａ層との間に配置されるＢ層を更に含み、前記Ｂ層の組成は、前記第１単位層および前記第３単位層のいずれかの単位層の組成と同一であり、前記Ｂ層の厚みは、同一の組成を有する前記単位層の平均厚みよりも大きく、前記Ｂ層の厚みは、０．１μｍ以上１μｍ以下でもよい。これによると、基材と被膜との密着性を高めることができる。

（１３）上記（７）から（１２）のいずれかにおいて、前記被膜は、前記Ａ層の前記基材と反対側に設けられるＣ層を更に含み、前記Ｃ層は、ＴｉＣＮまたはＴｉＡｌＳｃＣＮからなり、前記Ｃ層の厚みは、０．１μｍ以上１．０μｍ以下でもよい。これによると、被削材に対する被膜の摩擦係数が低下して、切削工具が更に長寿命化する。

（１４）上記（７）から（１３）のいずれかにおいて、前記Ａ層の厚みは、０．５μｍ以上１５μｍ以下でもよい。Ａ層の厚みが０．５μｍ以上であると、Ａ層の耐摩耗性、耐熱性、耐チッピング性、および、耐凝着性などの向上効果が得られやすく、切削工具が更に長寿命化する。Ａ層の厚みが１５μｍ以下であると、耐チッピング性が安定して発揮されやすい。

［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。

本開示において「Ａ～Ｂ」という形式の表記は、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。

本開示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。

本開示において、数値範囲下限及び上限として、それぞれ１つ以上の数値が記載されている場合は、下限に記載されている任意の１つの数値と、上限に記載されている任意の１つの数値との組み合わせも開示されているものとする。

本開示において、「備える」、「含む」、「有する」、および、これらの変形は、オープンエンドの用語である。オープンエンドの用語は必須要素に加えて、追加要素をさらに含んでいてもよいし、含んでいなくてもよい。「からなる」との記載はクローズドの用語である。ただしクローズドの用語で表現される構成であっても、通常において付随する不純物であったり、対象技術に無関係であったりする付加的な要素は含み得る。

［実施形態１：切削工具（１）］
本開示の一実施形態（以下、「実施形態１」とも記す。）に係る切削工具について、図１～図５を用いて説明する。実施形態１の切削工具１は、基材２と、基材２上に配置された被膜３と、を備える切削工具１である。被膜３は、第１層１３を含む。第１層１３は、第１単位層１２と第２単位層１５とが交互に積層された交互層からなる。第１単位層１２は、Ｔｉ_{１－ａ－ｂ}Ａｌ_ａＳｃ_ｂＮからなる。ここで、ａは、０．３５０以上０．６５０以下であり、ｂは、０．０１０以上０．１００以下である。第２単位層１５は、Ａｌ_ｃＶ_１－ｃＮからなる。ここで、ｃは、０．４０以上０．７５以下である。ａおよびｃは、ｃ＞ａの関係を満たす。

≪切削工具≫
実施形態１の切削工具は、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、タップ等として好適に使用することができる。

＜基材＞
基材の組成は、従来公知のものであればいずれのものも使用することができる。例えば、超硬合金（ＷＣ基超硬合金、ＷＣおよびＣｏを含む超硬合金、更にＴｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物を添加した超硬合金など）、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、または、ダイヤモンド焼結体のいずれかを用いることができる。

基材の組成は、高温における硬度と強度とのバランスに優れるという観点から、ＷＣ基超硬合金、または、サーメット（特にＴｉＣＮ基サーメット）でもよい。ＷＣ基超硬合金、または、サーメットからなる基材は、切削工具の長寿命化に寄与することができる。

＜被膜＞
実施形態１の切削工具において、被膜は、少なくとも基材の切削に関与する部分を被覆することができる。基材の切削に関与する部分とは、例えば、基材の表面において、刃先稜線からの距離が１００μｍ以内である領域を意味する。被膜は、基材の全面を被覆していてもよいし、または、基材の切削に関与する部分の全面を被覆してもよい。本開示の切削工具が奏する効果を損なわない限り、基材の切削に関与する部分の一部に被膜が形成されていなくても、実施形態１の範囲を逸脱するものではない。本開示の切削工具が奏する効果を損なわない限り、被膜の構成が部分的に異なっていたとしても実施形態１の範囲を逸脱するものではない。

図１および図２に示されるように、被膜３は第１層１３を含み、第１層１３は、基材２の直上に設けられていてもよい。

被膜３は、第１層１３に加えて、他の層を含むことができる。図３～図４に示されるように、被膜３は、基材２と第１層１３との間に配置される第２層１６を含んでもよい。図１～図４に示されるように、被膜３は、第１層１３の基材２と反対側に設けられる第３層１４を含んでもよい。

被膜の厚みは０．５μｍ以上２５μｍ以下でもよく、１．０μｍ以上２３μｍ以下でもよく、または、５．０μｍ以上２０μｍ以下でもよい。

被膜の厚みは、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて被膜の断面を観察することにより測定される。具体的には、断面サンプルの観察倍率を５０００～１００００倍とし、観察面積を１００～５００μｍ^２として、１視野において３箇所の厚み幅を測定し、その平均値を被膜の厚みとする。後述の各層の厚みについても、特に記載のない限り同様に測定される。

被膜の圧縮残留応力は、絶対値が６ＧＰａ以下でもよい。被膜の圧縮残留応力とは、被膜全体に存する内部応力（固有ひずみ）の一種であって、「－」（マイナス）の数値（単位：本実施形態では「ＧＰａ」を使う）で表される応力をいう。このため、圧縮残留応力が大きいという概念は、数値の絶対値が大きくなることを示し、また、圧縮残留応力が小さいという概念は、数値の絶対値が小さくなることを示す。すなわち、圧縮残留応力の絶対値が６ＧＰａ以下であるとは、被膜に関する好ましい圧縮残留応力が－６ＧＰａ以上０ＧＰａ以下であることを意味する。

被膜の圧縮残留応力が０ＧＰａを超えると引っ張り応力となるため、被膜の最表面から発生したクラックの進展を抑制し難い傾向がある。一方、圧縮残留応力の絶対値が６ＧＰａを超えると、応力が大きすぎて、切削開始前に、特に切削工具のエッジ部から被膜が剥離して切削工具の寿命が短くなるおそれがある。

被膜の圧縮残留応力は、Ｘ線残留応力装置を用いてｓｉｎ２ψ法（「Ｘ線応力測定法」（日本材料学会、１９８１年株式会社養賢堂発行）の５４～６６頁参照）によって測定することができる。

被膜の結晶構造は、立方晶型でもよい。被膜の結晶構造が立方晶型であると、被膜の硬度が向上する。被膜中の各層のそれぞれの結晶構造が立方晶型でもよい。なお、被膜および被膜中の各層の結晶構造は、当該分野で公知のＸ線回折装置により解析することができる。

被膜の硬度は、３０ＧＰａ以上５５ＧＰａ以下でもよく、または、３５ＧＰａ以上５０ＧＰａ以下でもよい。これによると、被膜は十分な硬度を有する。被膜全体の硬度の測定は、ナノインデンター法（ＭＴＳ社製Ｎａｎｏ Ｉｎｄｅｎｔｅｒ ＸＰ）により測定することができる。具体的には、ＩＳＯ１４５７７に準拠した方法で行い、測定荷重は１０ｍＮ（１ｇf）とし、被膜の表面において３箇所の硬度を測定し、その平均値を「硬度」とする。

＜第１層＞
実施形態１の切削工具において、第１層は、第１単位層と第２単位層とが交互に積層された交互層からなる。第１層が、第１単位層と第２単位層とが交互に積層された交互層からなることは、被膜の断面を含む薄片サンプルをＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）で観察し、コントラストの差によって確認することができる。

第１単位層および第２単位層は、いずれが基材側に最も近い位置に配置されていてもよい。第１単位層１２および第２単位層１５は、いずれが被膜３の表面側に最も近い位置に配置されていてもよい。

第１層の厚みは、０．５μｍ以上１５μｍ以下でもよく、２μｍ以上１５μｍ以下でもく、または、５μｍ以上１０μｍ以下でもよい。

第１層の厚みは、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて被膜の断面を観察することにより測定することができる。切削工具を被膜の表面の法線に沿う方向に切断し、断面を含む薄片サンプルを準備する。薄片サンプルをＴＥＭで観察する。観察倍率は２万～５００万倍とし、測定視野を０．００１６～８０μｍ^２とする。１視野において、第１層の３箇所の厚み幅を測定し、３箇所の厚み幅の平均値を第１層の厚みとする。

＜第１単位層の組成および第２単位層の組成＞
第１単位層は、Ｔｉ_{１－ａ－ｂ}Ａｌ_ａＳｃ_ｂＮからなり、ａは、０．３５０以上０．６５０以下であり、ｂは、０．０１０以上０．１００以下である。

上記ａは、０．３５０以上０．６５０以下であり、０．４００以上０．６００以下でもよく、または、０．４５０以上０．５５０以下でもよい。

上記ｂは、０．０１０以上０．１００以下であり、０．０２０以上０．０９０以下でもよく、０．０３０以上０．０８０以下でもよく、または、０．０４０以上０．０７０以下でもよい。

本開示において、「第１単位層は、Ｔｉ_{１－ａ－ｂ}Ａｌ_ａＳｃ_ｂＮからなる」とは、本開示の効果を損なわない限り、第１単位層がＴｉ_{１－ａ－ｂ}Ａｌ_ａＳｃ_ｂＮに加えて、不可避不純物を含むことができることを意味する。不可避的不純物としては、例えば、酸素、アルゴンおよび炭素が挙げられる。第１単位層における不可避不純物全体の含有率は、０原子％超１原子％未満でもよい。

上記ａおよび上記ｂは、被膜の薄片の断面に対して、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）に付属のエネルギー分散型Ｘ線分光装置（ＥＤＸ）を用いて、電子線を照射した際に発生する特性Ｘ線のエネルギーと発生回数を計測し、元素分析を行うことにより求められる。後述のＡｌ_ｃ Ｖ _１－ｃＮにおけるｃ、および、Ａｌ_ｄ Ｖ _{１－ｄ－ｅ}Ｍ_ｅＮにおけるｄおよびｅも、同様の方法で測定される。

第２単位層は、Ａｌ_ｃＶ_１－ｃＮからなり、ｃは、０．４０以上０．７５以下である。ｃは、０．４５以上０．７０以下でもよく、０．５０以上０．６５以下でもよく、または、０．５５以上０．６０以下でもよい。

本開示において、「第２単位層は、Ａｌ_ｃＶ_１－ｃＮからなる」とは、本開示の効果を損なわない限り、第２単位層はＡｌ_ｃＶ_１－ｃＮに加えて、不可避不純物を含むことができることを意味する。不可避的不純物としては、例えば、酸素および炭素が挙げられる。第２単位層における不可避不純物全体の含有率は、０原子％超１原子％未満でもよい。

ａおよびｃは、ｃ＞ａの関係を満たす。これにより、第１層中のＡｌの含有率が大きくなりやすく、第１層の耐熱性および耐酸化性が向上しやすい。

本開示では、第１単位層の組成Ｔｉ_{１－ａ－ｂ}Ａｌ_ａＳｃ_ｂＮにおいて、Ｔｉ、Ａｌ、および、Ｓｃの合計原子数Ａ_Ｍ１に対するＮの原子数Ａ_Ｎ１の比Ａ_Ｎ１／Ａ_Ｍ１は、０．８以上１．２以下である。本開示では、第２単位層の組成Ａｌ_ｃＶ_１－ｃＮにおいて、ＡｌおよびＶの合計原子数Ａ_Ｍ２に対するＮの原子数Ａ_Ｎ２の比Ａ_Ｎ２／Ａ_Ｍ２は、０．８以上１．２以下である。比Ａ_Ｎ１／Ａ_Ｍ１および比Ａ_Ｎ２／Ａ_Ｍ２は、ラザフォード後方散乱（ＲＢＳ）法により測定できる。比Ａ_Ｎ１／Ａ_Ｍ１および比Ａ_Ｎ２／Ａ_Ｍ２が前記の範囲であれば、本開示の効果が損なわれないことが確認されている。

＜第１単位層の平均厚みおよび第２単位層の平均厚み＞
第１単位層の平均厚みは、２ｎｍ以上２００ｎｍ以下、かつ、第２単位層の平均厚みは、２ｎｍ以上２００ｎｍ以下でもよい。第１単位層の平均厚みは、５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下でもよく、または、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下でもよい。第２単位層の平均厚みは、５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下でもよく、または、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下でもよい。

第１単位層の平均厚みおよび第２単位層の平均厚みは、上記第１層の厚みの測定方法と同様の方法により測定される。

図５に示されるように、第１単位層１２と、第１単位層１２に隣接する第２単位層１５とにおいて、第１単位層１２の厚みλ１（ｎｍ）に対する第２単位層１５の厚みλ２（ｎｍ）の比λ２／λ１は、１以上５以下でもよく、１．１以上５．０以下でもよく、１．２以上５．０以下でもよく、１．３以上４．０以下でもよく、１．８以上３．０以下でもよく、または、２．０以上２．５以下でもよい。

図５では説明のために、全ての第１単位層１２の厚さをλ１と示し、全ての第２単位層１５の厚さをλ２と示しているが、互いに隣接する第１単位層と第２単位層との間で、上記λ２／λ１の関係を満たす限り、全ての第１単位層１２の厚さλ１が同一である必要はなく、また、全ての第２単位層１５の厚さλ２が同一である必要はない。

第１層において、第１単位層および第２単位層のそれぞれの積層数は、５以上５００以下でもよく、１０以上５００以下でもよく、１００以上４００以下でもよく、または、２００以上３５０以下でもよい。これによると、第１単位層と第２単位層とを積層することにより、第１層の硬度、耐摩耗性、耐熱性、耐チッピング性、および、耐凝着性をバランス良く向上させるという効果を十分に得ることができる。

第１層において、第１単位層および第２単位層のそれぞれの積層数は、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）を用いて、被膜の断面の薄片サンプルを、ＴＥＭで観察倍率２万～５００万倍で観察することにより測定される。後述のＡ層における第１単位層および第３単位層のそれぞれの積層数も、同一の方法により測定される。

＜第２層＞
実施形態１の切削工具において、被膜は、基材と、第１層との間に配置される第２層を更に含んでもよい。第２層の組成は、第１単位層および第２単位層のいずれかの単位層の組成と同一でもよい。第２層は、基材の直上に配置されてもよい。

第２層の組成が第１単位層の組成と同一である場合、切削初期に第２層が露出した場合においても、Ｓｃ_２Ｏ_３からなる不動態が生成され、切削工具の性能の安定性が向上する。さらに、Ｓｃ_２Ｏ_３のくさび効果により、被膜の酸化を抑制できる。さらに、くさび効果により、被削材と被膜との反応性を抑制でき、被削材と被膜との摩擦係数を低減できる。

第２層の組成が第１単位層の組成と同一である場合、第２層の厚みは、第１単位層の厚みより大きくてもよい。これにより、Ｓｃ_２Ｏ_３の形成による切削工具の性能の安定性、被膜の酸化抑制効果、および、被削材と被膜との反応性抑制効果が更に向上する。また、被削材と被膜との摩擦係数を更に低減できる。

第２層の組成が第１単位層の組成と同一である場合、図３に示されるように、第２層１６の直上に、第１単位層１２が積層されてもよい。また、図４に示されるように、第２層１６の直上に、第２単位層１５が積層されてもよい。第２層の組成が第１単位層の組成と同一であり、かつ第２層の直上に第１単位層が積層された場合、第２層と第１単位層とは連続した結晶構造を有する。

第２層の組成が第２単位層の組成と同一である場合、切削初期に第２層が露出した場合においても、Ｖ_２Ｏ_５が生成される。これにより、被膜の酸化の進行を抑制できる。更に、第２層は、基材と被膜との界面からの酸化を抑制し、かつ切削熱を遮断することができる。

第２層の組成が第２単位層の組成と同一である場合、第２層の厚みは、第２単位層の厚みより厚くてもよい。これにより、被膜の酸化進行の抑制、および、切削熱の遮断効果が更に向上する。

第２層の厚みは、同一の組成を有する単位層の厚みの１倍超５００倍以下でもよく、２倍以上５００倍以下でもよく、４倍以上１２０倍以下でもよく、または、１０倍以上５０倍以下でもよい。

第２層の厚みは０．１μｍ以上２μｍ以下でもよく、０．３μｍ以上２μｍ以下でもよく、または、０．４μｍ以上１μｍ以下でもよい。これによると、第２層を配置することによる上記の効果が得られやすい。

第２層の組成が第２単位層の組成と同一である場合、図３に示されるように、第２層１６の直上に第１単位層１２が積層されてもよい。また、図４に示されるように、第２層１６の直上に第２単位層１５が積層されてもよい。第２層の組成が第２単位層の組成と同一である場合で、かつ第２層の直上に第２単位層が積層された場合、第２層と第２単位層とは連続した結晶構造を有する。

＜第３層＞
実施形態１の切削工具において、被膜は、第１層の基材と反対側に設けられる第３層を更に含んでもよい。第３層は、被膜の最表面に配置されてもよい。第３層は、ＴｉＣＮまたはＴｉＡｌＳｃＣＮからなってもよい。

第３層がＴｉＣＮからなる場合、ＮとＣの組成比を調整することにより、所定の色を付与することが可能である。これにより、切削工具の外観に意匠性および識別性を付与でき、商業上有用となる。

第３層がＴｉＡｌＳｃＣＮからなる場合、高温の切削条件下でＳｃ_２Ｏ_３からなる不動態が生成され、切削工具の性能の安定性が向上する。

第３層がＴｉＡｌＳｃＣＮからなる場合、第３層におけるＴｉとＡｌとＳｃとの原子数比は、第１単位層におけるＴｉとＡｌとＳｃとの原子数比と同一でもよい。具体的には、第１単位層におけるＴｉとＡｌとＳｃとの原子数比がＴｉ：Ａｌ：Ｓｃ＝１－ａ－ｂ：ａ：ｂの場合、第３層におけるＴｉとＡｌとＳｃとの原子数比もＴｉ：Ａｌ：Ｓｃ＝１－ａ－ｂ：ａ：ｂでもよい。これによると、被膜をＰＶＤ法で作製する場合、第１単位層と第３層とを、同一のターゲットを用いて作製することができるため、コスト面で有利である。

第３層の厚みは、０．１μｍ以上１．０μｍ以下でもよい。第３層の厚みが０．１μｍ以上であると、第３層を配置することにより上記の効果が良好である。コスト面を考慮すると、第３層の厚みは１．０μｍ以下でもよい。第３層の厚みは、０．３μｍ以上０．８μｍ以下でもよく、または、０．５μｍ以上０．６μｍ以下でもよい。

［実施形態２：切削工具（２）］
本開示の他の一実施形態に係る切削工具について、図６～図１０を用いて説明する。実施形態２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る。被膜は、Ａ層を含む。Ａ層は、第１単位層と第３単位層とが交互に積層された交互層からなる。第１単位層は、Ｔｉ_{１－ａ－ｂ}Ａｌ_ａＳｃ_ｂＮからなる。ここで、ａは、０．３５０以上０．６５０以下であり、ｂは、０．０１０以上０．１００以下である。第３単位層は、Ａｌ_ｄＶ_{１－ｄ－ｅ}Ｍ_ｅＮからなる。ここで、Ｍは、珪素または硼素であり、ｄは、０．４０以上０．７５以下であり、ｅは、０超０．０５以下である。ａおよびｄは、ｄ＞ａの関係を満たす。

実施形態２の切削工具は、Ａ層、Ｂ層、および、Ｃ層の構成以外は、基本的に実施形態１の切削工具と同一の構成とすることができる。以下では、実施形態１の切削工具と異なる点について説明する。

＜被膜＞
図６および図７に示されるように、被膜３はＡ層１３Ａを含み、Ａ層１３Ａは、基材２の直上に設けられていてもよい。

被膜３は、Ａ層１３Ａに加えて、他の層を含むことができる。図８～図９に示されるように、被膜３は、基材２とＡ層１３Ａとの間に配置されるＢ層１６Ｂを含んでもよい。図６～図９に示されるように、被膜３は、Ａ層１３Ａの基材２と反対側に設けられるＣ層１４Ｃを含んでもよい。

＜Ａ層＞
実施形態２の切削工具において、Ａ層は、第１単位層と第３単位層とが交互に積層された交互層からなる。Ａ層の厚みは、実施形態１に記載の第１層の厚みと同一とすることができる。第１単位層および第３単位層は、いずれが基材側に最も近い位置に配置されていてもよい。第１単位層は、立方晶型の結晶構造を有することができる。第３単位層は、立方晶型の結晶構造を有することができる。

＜第１単位層の組成および第３単位層の組成＞
実施形態２の第１単位層の組成Ｔｉ_{１－ａ－ｂ}Ａｌ_ａＳｃ_ｂＮは、実施形態１の第１単位層の組成Ｔｉ_{１－ａ－ｂ}Ａｌ_ａＳｃ_ｂＮと同一とすることができる。

第３単位層は、Ａｌ_ｄＶ_{１－ｄ－ｅ}Ｍ_ｅＮからなり、Ｍは、珪素または硼素であり、ｄは、０．４０以上０．７５以下であり、ｅは、０超０．０５以下である。

ｄは、０．４０以上０．７５以下である。これにより、第３単位層の結晶構造が立方晶型となり、第３単位層が高硬度化し、耐摩耗性が向上する。ｄは、０．４５以上０．７０以下でもよく、０．５０以上０．６５以下でもよく、または、０．５５以上０．６０以下でもよい。

ｅは、０超０．０５以下である。これにより、Ａ層の硬度および耐酸化性を向上することができる。

本開示において、「第３単位層は、Ａｌ_ｄＶ_{１－ｄ－ｅ}Ｍ_ｅＮからなる」とは、本開示の効果を損なわない限り、第３単位層はＡｌ_ｄＶ_{１－ｄ－ｅ}Ｍ_ｅＮに加えて、不可避不純物を含むことができることを意味する。該不可避的不純物としては、例えば、酸素および炭素等が挙げられる。第３単位層における不可避不純物全体の含有量は、０原子％超１原子％未満でもよい。

ａおよびｄは、ｄ＞ａの関係を満たす。これにより、第１層中のＡｌの含有率が大きくなりやすく、第１層の耐熱性および耐酸化性が向上しやすい。

本開示では、第３単位層の組成Ａｌ_ｄＶ_{１－ｄ－ｅ}Ｍ_ｅＮにおいて、Ａｌ、Ｖ、および、Ｍの合計原子数Ａ_Ｍ３に対するＮの原子数Ａ_Ｎ３の比Ａ_Ｎ３／Ａ_Ｍ３は、０．８以上１．２以下である。比Ａ_Ｎ３／Ａ_Ｍ３は、ラザフォード後方散乱（ＲＢＳ）法により測定できる。比Ａ_Ｎ１／Ａ_Ｍ１が０．８以上１．２以下であり、かつ、比Ａ_Ｎ３／Ａ_Ｍ３が前記の範囲であれば、本開示の効果が損なわれないことが確認されている。

＜第１単位層の平均厚みおよび第３単位層の平均厚み＞
第１単位層の平均厚みは、２ｎｍ以上２００ｎｍ以下、かつ、第３単位層の平均厚みは、２ｎｍ以上２００ｎｍ以下でもよい。第１単位層の平均厚みは、５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下でもよく、または、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下でもよい。第３単位層の平均厚みは、５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下でもよく、または、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下でもよい。

第１単位層の平均厚みおよび第３単位層の平均厚みは、上記第１層の厚みの測定方法と同様の方法により測定される。

図１０に示されるように、第１単位層１２と、第１単位層１２に隣接する第３単位層１７とにおいて、第１単位層１２の厚みλ１（ｎｍ）に対する第３単位層１７の厚みλ３（ｎｍ）の比λ３／λ１は、１以上５以下でもよく、１．１以上５．０以下でもよく、１．２以上５．０以下でもよく、１．３以上４．０以下でもよく、１．８以上３．０以下でもよく、または、２．０以上２．５以下でもよい。

図１０では説明のために、全ての第１単位層１２の厚さをλ１と示し、全ての第３単位層１７の厚さλ３と示しているが、互いに隣接する第１単位層と第３単位層との間で、上記λ３／λ１の関係を満たす限り、全ての第１単位層１２の厚さλ１が同一である必要はなく、また、全ての第３単位層１７の厚さλ３が同一である必要はない。

Ａ層において、第１単位層および第３単位層のそれぞれの積層数は、５以上５００以下でもよく、１０以上５００以下でもよく、１００以上４００以下でもよく、または、２００以上３５０以下でもよい。これによると、第１単位層と第３単位層とを積層することにより、Ａ層の硬度、耐摩耗性、耐熱性、耐チッピング性、および、耐凝着性をバランス良く向上させるという効果を十分に得ることができる。

＜Ｂ層＞
実施形態２の切削工具において、被膜は、基材と、Ａ層との間に配置されるＢ層を更に含んでもよい。Ｂ層の組成は、第１単位層および第３単位層のいずれかの単位層の組成と同一でもよい。Ｂ層は、基材の直上に配置されてもよい。

Ｂ層の組成が第１単位層の組成と同一である場合の効果およびＢ層の厚みは、実施形態１に記載の通りである。

Ｂ層の組成が第３単位層の組成と同一である場合、第３単位層は応力が小さい傾向にあることから、特に、負荷が刃先に繰り返しかかるようなフライス加工やエンドミル加工等の断続加工において、被膜の耐剥離性を向上することができる。

Ｂ層の組成が第３単位層の組成と同一である場合、Ｂ層の厚みは、第３単位層の厚みより厚くてもよい。これにより、被膜の酸化進行の抑制、および、切削熱の遮断効果が更に向上する。

Ｂ層の厚みは、同一の組成を有する単位層の厚みの１倍超５００倍以下でもよく、２倍以上５００倍以下でもよく、４倍以上１２０倍以下でもよく、または、１０倍以上５０倍以下でもよい。

Ｂ層の厚みは０．１μｍ以上２μｍ以下でもよく、０．３μｍ以上２μｍ以下でもよく、または、０．４μｍ以上１μｍ以下でもよい。これによると、Ｂ層を配置することによる上記の効果が得られやすい。

Ｂ層の組成が第３単位層の組成と同一である場合、図８に示されるように、Ｂ層１６Ｂの直上に第１単位層１２が積層されてもよい。また、図９に示されるように、Ｂ層１６Ｂの直上に第３単位層１７が積層されてもよい。Ｂ層の組成が第３単位層の組成と同一である場合で、かつＢ層の直上に第３単位層が積層された場合、Ｂ層と第３単位層とは連続した結晶構造を有する。

＜Ｃ層＞
Ｃ層は、実施形態１に記載の第３層と同一の構成および効果を有することができる。

［実施形態３：切削工具の製造方法］
実施形態３では、実施形態１または実施形態２の切削工具の製造方法について説明する。実施形態３の切削工具の製造方法は、基材を準備する第１工程と、基材上に被膜を形成する第２工程とを備える。第２工程は、第１層またはＡ層を形成する工程を含む。各工程の詳細について、以下に説明する。

＜第１工程＞
第１工程では、基材を準備する。基材は、実施形態１に記載の基材を用いることができる。基材は、従来公知のものであればいずれも準備可能である。

＜第２工程＞
第２工程では、基材上に被膜を形成する。第２工程は、第１層またはＡ層を形成する工程を含む。

第１層を形成する工程では、物理蒸着（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＰＶＤ）法を用いて、第１単位層と、第２単位層とを交互に積層することにより第１層を形成する。Ａ層を形成する工程では、ＰＶＤ法を用いて、第１単位層と、第３単位層とを交互に積層することによりＡ層を形成する。第１層またはＡ層を含む被膜の耐摩耗性を向上させるためには、結晶性の高い化合物からなる層を形成することが有効である。本発明者らは、第１層およびＡ層の形成方法として、物理的蒸着法を用いることで、結晶性の高い化合物からなる層を形成でき、被膜がは優れた耐摩耗性を有することを見出した。

ＰＶＤ法としては、カソードアークイオンプレーティング法、バランスドマグネトロンスパッタリング法、アンバランスドマグネトロンスパッタリング法、および、ＨｉＰＩＭＳ（Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｍａｇｎｅｔｒｏｎ Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）法からなる群より選択される少なくとも１種を用いることができる。原料元素のイオン化率の高いカソードアークイオンプレーティング法を用いてもよい。カソードアークイオンプレーティング法を用いる場合には、第１層またはＡ層を形成する前に、基材の表面に対して金属のイオンボンバードメント処理が可能となるため、基材と、第１層またはＡ層を含む被膜との密着性が格段に向上する。

カソードアークイオンプレーティング法は、例えば、装置内に基材を設置するとともにカソードとしてターゲットを設置した後に、ターゲットに高電圧を印加してアーク放電を生じさせることによってターゲットを構成する原子をイオン化して蒸発させて、基材上に物質を堆積させることにより行なうことができる。

バランスドマグネトロンスパッタリング法は、例えば、装置内に基材を設置するとともに、平衡な磁場を形成する磁石を備えたマグネトロン電極上にターゲットを設置し、マグネトロン電極と基材との間に高周波電力を印加してガスプラズマを発生させ、このガスプラズマの発生により生じたガスのイオンをターゲットに衝突させてターゲットから放出された原子を基材上に堆積させることにより行うことができる。

アンバランストマグネトロンスパッタリング法は、例えば、上記のバランスドマグネトロンスパッタリング法におけるマグネトロン電極により発生する磁場を非平衡にして行なうことができる。さらに高電圧を印可でき緻密な膜が得られるＨｉＰＩＭＳ法を用いることもできる。

＜その他の工程＞
第２工程は、第１層またはＡ層を形成する工程に加えて、ブラシを使った研磨、乾式または湿式のショットブラストなどの被膜の表面処理工程を含むことができる。また、第２工程は、第２層、第３層、Ｂ層、および、Ｃ層等の他の層を形成する工程を含むことができる。他の層は、従来公知の化学気相蒸着法や物理的蒸着法により形成することができる。一つの物理的蒸着装置内において、他の層を、第１層またはＡ層と連続的に形成できるという観点から、他の層は物理的蒸着法により形成することが好ましい。

本実施の形態を実施例により更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。

［実施例１］
＜試料１～試料１８、試料１０１～試料１０９＞
≪切削工具の作製≫
図１１は、実施例１で用いたカソードアークイオンプレーティング装置の模式的な断面図であり、図１２は、図１１の装置の概略上面図である。

図１１および図１２の装置において、チャンバ１０１内に、被膜の金属原料となる合金製ターゲットである第１単位層用のカソード１０６、第２単位層用のカソード１０７および第３層用のカソード１２０と、基材を設置するための回転式の基材ホルダ１０４とが取り付けられている。カソード１０６は、Ｔｉ、Ａｌ、および、Ｓｃからなり、各元素の比率が表１の第１単位層の組成を得られるように調整してある。カソード１０７は、ＡｌおよびＶからなり、各元素の比率が表１の第２単位層の組成が得られるように調整してある。カソード１２０は、Ｔｉからなる。

カソード１０６にはアーク電源１０８が取り付けられ、カソード１０７にはアーク電源１０９が取り付けられ、カソード１２０にはアーク電源（図示なし）が取り付けられている。また、基材ホルダ１０４には、バイアス電源１１０が取り付けられている。また、チャンバ１０１内には、ガス１０２が導入されるガス導入口１０５が設けられるとともにチャンバ１０１内の圧力を調節するためにガス排出口１０３が設けられており、ガス排出口１０３から真空ポンプによりチャンバ１０１内のガス１０２を吸引できる構造となっている。

基材ホルダ１０４に、基材としてグレードがＪＩＳ規格Ｋ２０の超硬合金であって、形状がＪＩＳ規格のＣＮＭＧ１２０４０８のチップを装着した。

次に、真空ポンプによりチャンバ１０１内を減圧するとともに、基材を回転させながら装置内に設置されたヒータにより温度を６００℃に加熱し、チャンバ１０１内の圧力が１．０×１０^－４Ｐａとなるまで真空引きを行なった。次に、ガス導入口からアルゴンガスを導入してチャンバ１０１内の圧力を２．０Ｐａに保持し、バイアス電源１１０の電圧を徐々に上げながら－１０００Ｖとし、基材の表面のクリーニングを１５分間行なった。その後、チャンバ１０１内からアルゴンガスを排気することによって基材を洗浄した（アルゴンボンバード処理）。以上によって、各試料の切削工具の基材を準備した。

次に、基材を中央で回転させた状態で、反応ガスとして窒素を導入しながら、基材の温度を６００℃、反応ガス圧を２．０Ｐａ、バイアス電源１１０の電圧を－５０Ｖ～－２００Ｖの範囲の所定の一定値に維持したまま、カソード１０６、１０７にそれぞれ１２０Ａのアーク電流を供給することによって、カソード１０６、１０７から金属イオンを発生させて、基材上に表２に示される組成を有する第２層、および、表１に示される組成を有する第１層を形成した。

第２層が形成されている場合、第１層は、第２層上に第１単位層と第２単位層とを１層ずつ交互に、表１に示される積層数をそれぞれ積層することにより形成した。第２層が形成されていない場合、第１層は、基材上に第１単位層と第２単位層とを１層ずつ交互に、表１に示される積層数をそれぞれ積層することにより形成した。

第２層の厚み、第１層中における第１単位層および第２単位層のそれぞれの厚みおよび積層数は、基材の回転速度で調整した。第２層および第１層の厚みがそれぞれ表１および表２に示される厚みとなったところで蒸発源に供給する電流をストップした。表２の「第２層」欄の「－」との記載は、第２層が存在しないことを示す。

次に、チャンバ１０１内に反応ガスとして窒素ガスおよびメタンガスを導入しながら、基材の温度を４００℃、反応ガス圧を２．０Ｐａ、バイアス電源１１０の電圧を－３００Ｖに維持したまま、カソード１２０に１００Ａのアーク電流を供給することによって、カソード１２０から金属イオンを発生させて、第１層上に第３層を形成した。第３層の厚みが表２に示される厚みとなったところで蒸発源に供給する電流をストップした。以上により、各試料の切削工具が作製された。表２の「第３層」欄の「－」との記載は、第３層が存在しないことを示す。

≪評価≫
各試料の切削工具について、第１単位層、第２単位層、第２層、および、第３層の組成、第１単位層および第２単位層のそれぞれの積層数、第１単位層の平均厚み、第２単位層の平均厚み、第１層の厚み、第２層の厚み、第３層の厚み、および、λ２／λ１を実施形態１に記載の方法により測定した。結果を表１および表２に示す。

第３層に「ＴｉＡｌＳｃＣＮ」と記載されている場合、第３層におけるＴｉとＡｌとＳｃとの原子数比は、第１単位層におけるＴｉとＡｌとＳｃとの原子数比と同一であった。積層数が１０とは、交互層が第１単位層を１０層および第２単位層を１０層含むことを示す。「λ２／λ１」欄に「－」と記載されている場合は、第１単位層および第２単位層のうち少なくともいずれかが存在しないことを意味する。

試料１～試料１８において、各試料の切削工具について、第１単位層に対してＸＲＤ測定を行うことにより、第１単位層および第２単位層の結晶構造を確認した。具体的な方法は、実施形態１に記載の通りである。これらの試料において、第１単位層は立方晶型の結晶構造を有し、第２単位層は立方晶型の結晶構造を有することが確認された。

試料１～試料１８において、被膜の硬度を実施形態１に記載の方法により測定した。これらの試料の被膜の硬度は、３０ＧＰａ以上５５ＧＰａ以下の範囲内であることが確認された。

試料１～試料１８において、被膜の圧縮残留応力を実施形態１に記載の方法により測定した。これらの試料の被膜の圧縮残留応力の絶対値は、６ＧＰａ以下であることが確認された。

＜切削試験１：連続旋削試験（湿式）＞
各試料のＣＮＭＧ１２０４０８形状の切削工具について、以下の切削条件で連続旋削試験を行い、刃先の逃げ面摩耗量が０．２ｍｍになるまでの時間を測定した。結果を表２に記す。切削時間が長いことは、工具寿命が長いことを示す。
≪切削条件≫
・被削材：インコネル７１８（ＨＢ４００）
・切削速度：９５ｍ／ｍｉｎ
・送り速度：０．２ｍｍ／ｒｅｖ
・切り込み：１．５ｍｍ
・クーラント：水溶性
上記切削条件で実行される切削加工は、難削材の高能率加工であり、刃先温度が高い条件下で実行される切削加工に該当する。

試料１～試料１８の切削工具は実施例に該当し、試料１０１～試料１０９の切削工具は比較例に該当する。試料１～試料１８の切削工具は、試料１０１～試料１０９の切削工具に比べて、刃先温度が高い条件下で実行される切削加工において、長い工具寿命を有することが確認された。

［実施例２］
＜試料２１～試料４０、試料１２１～試料１３９＞
実施例１と同一のカソードアークイオンプレーティング装置を用いて、基材上に被膜を形成した。カソード１０６は、Ｔｉ、Ａｌ、および、Ｓｃからなり、各元素の比率が表３および表４の第１単位層の組成が得られるように調整してある。カソード１０７は、Ａｌ、Ｖ、および、ＳｉまたはＢからなり、各元素の比率が表３および表４の第３単位層の組成が得られるように調整してある。カソード１２０の組成は、Ｔｉである。

基材ホルダ１０４に、基材としてグレードがＪＩＳ規格Ｋ２０の超硬合金である、形状がＪＩＳ規格のＣＮＭＧ１２０４０８のチップを装着し、実施例１と同一の方法で基材を洗浄し、基材を準備した。

次に、基材上に実施例１と同一の条件で、表５および表６に示される組成を有するＢ層およびＣ層、並びに、表３および表４に示される組成を有するＡ層を形成し、各試料の切削工具を得た。

≪評価≫
各試料の切削工具について、第１単位層、第３単位層、Ｂ層、および、Ｃ層の組成、第１単位層および第３単位層のそれぞれの積層数、第１単位層の平均厚み、第３単位層の平均厚み、Ａ層の厚み、Ｂ層の厚み、Ｃ層の厚み、および、λ３／λ１を実施例１と同様の方法により測定した。結果を表３～表６に示す。

試料２１～試料４０において、第１単位層および第２単位層は立方晶型の結晶構造を有することが確認された。試料２１～試料４０の被膜の硬度は、３０ＧＰａ以上５５ＧＰａ以下の範囲内であることが確認された。試料２１～試料４０の被膜の圧縮残留応力の絶対値は、６ＧＰａ以下であることが確認された。

＜切削試験２：連続旋削試験（乾式）＞
各試料のＣＮＭＧ１２０４０８形状の切削工具について、以下の切削条件で連続旋削試験を行い、刃先の逃げ面摩耗量が０．２ｍｍになるまでの時間を測定した。結果を表２に記す。切削時間が長いことは、工具寿命が長いことを示す。
≪切削条件≫
・被削材：インコネル７１８（ＨＢ４００）
・切削速度：７０ｍ／ｍｉｎ
・送り速度：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
・切り込み：１．０ｍｍ
・ドライ加工
上記切削条件で実行される切削加工は、難削材の高能率加工であり、刃先温度が高い条件下で実行される切削加工に該当する。

試料２１～試料４０の切削工具は実施例に該当し、試料１２１～試料１３９の切削工具は比較例に該当する。試料２１～試料４０の切削工具は、試料１２１～試料１３９の切削工具に比べて、刃先温度が高い条件下で実行される切削加工において、長い工具寿命を有することが確認された。

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 切削工具、２ 基材、３ 被膜、１２ 第１単位層、１３ 第１層、１３Ａ Ａ層、１４ 第３層、１４Ｃ Ｃ層、１５ 第２単位層、１６ 第２層、１６Ｂ Ｂ層、１７ 第３単位層、１０１ チャンバ、１０２ ガス、１０３ ガス排出口、１０４ 基材ホルダ、１０５ ガス導入口、１０６，１０７，１２０ カソード、１０８，１０９ アーク電源、１１０ バイアス電源。

Claims (14)

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、第１層を含み、
   前記第１層は、第１単位層と第２単位層とが交互に積層された交互層からなり、
   前記第１単位層は、Ｔｉ_{１－ａ－ｂ}Ａｌ_ａＳｃ_ｂＮからなり、
   前記ａは、０．３５０以上０．６５０以下であり、
   前記ｂは、０．０１０以上０．１００以下であり、
   前記第２単位層は、Ａｌ_ｃＶ_１－ｃＮからなり、
   前記ｃは、０．４０以上０．７５以下であり、
   前記ａおよび前記ｃは、ｃ＞ａの関係を満たす、切削工具。
2. 前記第１単位層と、前記第１単位層に隣接する前記第２単位層とにおいて、前記第１単位層の厚みλ１に対する、前記第２単位層の厚みλ２の比λ２／λ１は、１以上５以下である、請求項１に記載の切削工具。
3. 前記第１単位層の平均厚みは、２ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、
   前記第２単位層の平均厚みは、２ｎｍ以上２００ｎｍ以下である、請求項１または請求項２に記載の切削工具。
4. 前記被膜は、前記基材と、前記第１層との間に配置される第２層を更に含み、
   前記第２層の組成は、前記第１単位層および前記第２単位層のいずれかの単位層の組成と同一であり、
   前記第２層の厚みは、同一の組成を有する前記単位層の平均厚みよりも大きく、
   前記第２層の厚みは、０．１μｍ以上１．０μｍ以下である、請求項１または請求項２に記載の切削工具。
5. 前記被膜は、前記第１層の前記基材と反対側に設けられる第３層を更に含み、
   前記第３層は、ＴｉＣＮまたはＴｉＡｌＳｃＣＮからなり、
   前記第３層の厚みは、０．１μｍ以上１．０μｍ以下である、請求項１または請求項２に記載の切削工具。
6. 前記第１層の厚みは、０．５μｍ以上１５μｍ以下である、請求項１または請求項２に記載の切削工具。
7. 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、Ａ層を含み、
   前記Ａ層は、第１単位層と第３単位層とが交互に積層された交互層からなり、
   前記第１単位層は、Ｔｉ_{１－ａ－ｂ}Ａｌ_ａＳｃ_ｂＮからなり、
   前記ａは、０．３５０以上０．６５０以下であり、
   前記ｂは、０．０１０以上０．１００以下であり、
   前記第３単位層は、Ａｌ_ｄＶ_{１－ｄ－ｅ}Ｍ_ｅＮからなり、
   前記Ｍは、珪素または硼素であり、
   前記ｄは、０．４０以上０．７５以下であり、
   前記ｅは、０超０．０５以下であり、
   前記ａおよび前記ｄは、ｄ＞ａの関係を満たす、切削工具。
8. 前記第１単位層と、前記第１単位層に隣接する前記第３単位層とにおいて、前記第１単位層の厚みλ１に対する、前記第３単位層の厚みλ３の比λ３／λ１は、１以上５以下である、請求項７に記載の切削工具。
9. 前記Ｍは、珪素である、請求項７または請求項８に記載の切削工具。
10. 前記Ｍは、硼素である、請求項７または請求項８に記載の切削工具。
11. 前記第１単位層の平均厚みは、２ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、
    前記第３単位層の平均厚みは、２ｎｍ以上２００ｎｍ以下である、請求項７または請求項８に記載の切削工具。
12. 前記被膜は、前記基材と、前記Ａ層との間に配置されるＢ層を更に含み、
    前記Ｂ層の組成は、前記第１単位層および前記第３単位層のいずれかの単位層の組成と同一であり、
    前記Ｂ層の厚みは、同一の組成を有する前記単位層の平均厚みよりも大きく、
    前記Ｂ層の厚みは、０．１μｍ以上１μｍ以下である、請求項７または請求項８に記載の切削工具。
13. 前記被膜は、前記Ａ層の前記基材と反対側に設けられるＣ層を更に含み、
    前記Ｃ層は、ＴｉＣＮまたはＴｉＡｌＳｃＣＮからなり、
    前記Ｃ層の厚みは、０．１μｍ以上１．０μｍ以下である、請求項７または請求項８に記載の切削工具。
14. 前記Ａ層の厚みは、０．５μｍ以上１５μｍ以下である、請求項７または請求項８に記載の切削工具。