JPWO2018100849A1

JPWO2018100849A1 - 表面被覆切削工具

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Publication number: JPWO2018100849A1
Application number: JP2018523534A
Authority: JP
Inventors: 田中　敬三; 敬三田中; 瀬戸山　誠; 誠瀬戸山; 小林　豊; 豊小林; 小林　啓; 啓小林
Original assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Current assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Priority date: 2016-11-29
Filing date: 2017-09-20
Publication date: 2019-10-17
Anticipated expiration: 2037-09-20
Also published as: WO2018100849A1; JP6880463B2; EP3549701A1; US20190247930A1; EP3549701A4; CN108430678B; CN108430678A; WO2018100849A9; US11059105B2

Abstract

基材と、基材の表面を被覆する被膜とを備える表面被覆切削工具である。被膜は、Ａ層と、Ａ層と組成の異なるＢ層とが基材側から表面側に向かって交互に積層された超多層構造層を含む。超多層構造層は、厚さＡXを有するＡ層および厚さＢXを有するＢ層が交互に積層されるＸ領域と、厚さＡYを有するＡ層および厚さＢYを有するＢ層が交互に積層されるＹ領域とが、基材側から表面側に向かって交互に繰り返される構成を有する。Ａ層の厚さＡXはＡ層の厚さＡYよりも大きく、Ｂ層の厚さＢXはＢ層の厚さＢYよりも小さい。Ａ層およびＢ層は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｔａ、ＮｂおよびＷからなる群より選ばれる１種以上の元素と、ＣおよびＮからなる群より選ばれる１種以上の元素とからなる組成を有する。

Description

本発明は、表面被覆切削工具に関する。本出願は、２０１６年１１月２９日に出願した日本特許出願である特願２０１６−２３１７２３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。

切削工具として、基材の表面に被膜を設けることにより、基材の特性と被膜の特性とを発揮させた表面被覆切削工具が知られている。たとえば、特開２０１３−１７６８３７号公報（特許文献１）には、基材の表面に、ＡｌＣｒＮ層、ＴｉＳｉＮ層、およびＡｌＣｒＴｉＳｉＮ層のそれぞれが所定の順番で複数積層された硬物質層を備える表面被覆切削工具が開示されている。

上記のような、２種以上の層が繰り返し積層されるような多層構造を有する層（多層構造層）においては、特性の均質性の観点等から、各層の厚さは均一に設計されるのが一般的である。これに対し、多層構造層における各層の厚さを変化させて、各層の厚さが均一な場合には発揮し得なかった特徴的な特性を発揮させる技術も報告されている。

たとえば国際公開第２００６／０７０７３０号（特許文献２）には、耐酸化性に優れるＡ層および被膜の密着性向上に優れるＢ層を交互に積層させてなる交互層において、Ａ層の厚さλａとＢ層の厚さλｂとの比λａ／λｂが、基材から遠ざかるに従って連続的に大きくなる構成が開示されている。特許文献２には、このような交互層を含む被膜によって、耐酸化性と被膜の密着性とに優れ、かつクラック伸展が抑制可能となり、もって表面被覆切削工具の長寿命化が可能であることが開示されている。

また特開２００８−１６２００９号公報（特許文献３）には、組成の異なる２種以上の層が積層されてなる多層構造を有する被膜であって、多層構造における個々の層の厚さのシーケンスが繰り返し周期を持たず、不規則である被膜が開示されている。特許文献３においては、このような被膜は耐摩耗性に優れるとされている。

特開２０１３−１７６８３７号公報国際公開第２００６／０７０７３０号特開２００８−１６２００９号公報

本開示の一態様に係る表面被覆切削工具は、基材と、基材の表面を被覆する被膜とを備える表面被覆切削工具である。被膜は、Ａ層と、Ａ層と組成の異なるＢ層とが基材側から表面側に向かって交互に積層された超多層構造層を含む。超多層構造層は、厚さＡ_Xを有
するＡ層および厚さＢ_Xを有するＢ層が交互に積層されるＸ領域と、厚さＡ_Yを有するＡ層および厚さＢ_Yを有するＢ層が交互に積層されるＹ領域とが、基材側から表面側に向かっ
て交互に繰り返される構成を有する。Ａ層の厚さＡ_XはＡ層の厚さＡ_Yよりも大きく、Ｂ層の厚さＢ_XはＢ層の厚さＢ_Yよりも小さい。Ａ層およびＢ層は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｔａ、ＮｂおよびＷからなる群より選ばれる１種以上の元素と、ＣおよびＮからなる群より選ばれる１種以上の元素とからなる組成を有する。

図１は、一実施形態に係る表面被覆切削工具が備える被膜の構成を模式的に示す断面図である。図２は、図１の超多層構造層に含まれるＡ層について、各層の厚さを縦軸とし、各層の基材からの距離を横軸とした座標系にプロットしたグラフである。図３は、図１の超多層構造層に含まれるＢ層について、各層の厚さを縦軸とし、各層の基材からの距離を横軸とした座標系にプロットしたグラフである。図４は、図１の超多層構造層に含まれるＡ層およびＢ層について、各層の厚さを縦軸とし、各層の基材からの距離を横軸とした座標系にプロットしたグラフである。図５は、超多層構造層の顕微鏡像を捉えた図面代用写真である。図６は、図５の点線囲い部分を拡大して示す図面代用写真である。図７は、図６に示す顕微鏡像の矢印方向におけるコントラストの強度プロファイルを示すグラフである。図８は、図７の強度プロファイルに基づいて、超多層構造層に含まれるＡ層およびＢ層について、各層の厚さを縦軸とし、測定開始点からの距離を横軸とした座標系にプロットしたグラフである。図９は、一実施形態に係る表面被覆切削工具が備える被膜の他の構成を模式的に示す断面図である。図１０は、図９の超多層構造層に含まれるＡ層について、各層の厚さを縦軸とし、各層の基材からの距離を横軸とした座標系にプロットしたグラフである。図１１は、図９の超多層構造層に含まれるＢ層について、各層の厚さを縦軸とし、各層の基材からの距離を横軸とした座標系にプロットしたグラフである。図１２は、図９の超多層構造層に含まれるＡ層およびＢ層について、各層の厚さを縦軸とし、各層の基材からの距離を横軸とした座標系にプロットしたグラフである。図１３は、ＡＩＰ法を利用可能な成膜装置の構成の一例を示す模式的な側面透視図である。図１４は、図１３の成膜装置の模式的な平面透視図である。

[本開示が解決しようとする課題]
ところで、表面被覆切削工具は、各部位毎に損傷形態が異なる傾向がある。たとえば、スローアウェイチップを用いた研削加工では、すくい面と逃げ面とで損傷形態が大きく異なる。またドリルを用いた穴あけ加工では、ドリルの回転軸近傍の溝部部分と、回転軸から遠い外周刃部分とで損傷形態が大きく異なる。

従来の技術では、表面被覆切削工具において、特定の部位の損傷を抑制することは可能であったものの、複数の部位の異なる形態の損傷を十分に抑制することは難しいのが実情であった。表面被覆切削工具は、被加工材の加工精度が閾値以下に低下した場合に、その寿命を終えることとなる。このため、１つの工具が抱える異なる形態の損傷のそれぞれを十分に抑制できなければ、被加工材の加工精度が低下することとなり、結果的に工具寿命は短くなることとなる。換言すれば、表面被覆切削工具は、未だ長寿命化の余地があると言える。

本開示では、優れた工具寿命を有する表面被覆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、優れた工具寿命を有する表面被覆切削工具を提供することができる。

[本発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。なお、本明細書において「Ｍ〜Ｎ」という形式の表記は、範囲の上限下限（すなわちＭ以上Ｎ以下）を意味し、Ｍにおいて単位の記載がなく、Ｎにおいてのみ単位が記載されている場合、Ｍの単位とＮの単位とは同じである。

〔１〕本開示の一態様に係る表面被覆切削工具は、基材と、基材の表面を被覆する被膜とを備える表面被覆切削工具である。被膜は、Ａ層と、Ａ層と組成の異なるＢ層とが基材側から表面側に向かって交互に積層された超多層構造層を含む。超多層構造層は、厚さＡ_Xを有するＡ層および厚さＢ_Xを有するＢ層が交互に積層されるＸ領域と、厚さＡ_Yを有するＡ層および厚さＢ_Yを有するＢ層が交互に積層されるＹ領域とが、基材側から表面側に向かって交互に繰り返される構成を有する。Ａ層の厚さＡ_XはＡ層の厚さＡ_Yよりも大きく、Ｂ層の厚さＢ_XはＢ層の厚さＢ_Yよりも小さい。Ａ層およびＢ層は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｔａ、ＮｂおよびＷからなる群より選ばれる１種以上の元素と、ＣおよびＮからなる群より選ばれる１種以上の元素とからなる組成を有する。

上記表面被覆切削工具が備える被膜は、Ａ層およびＢ層が交互に積層された超多層構造層を有する。このため、Ａ層に依拠する特性およびＢ層に依拠する特性の両特性を発揮することができる。さらに、超多層構造層は、厚さＡ_Xを有するＡ層および厚さＢ_Xを有するＢ層が交互に積層されるＸ領域と、厚さＡ_Yを有するＡ層および厚さＢ_Yを有するＢ層が交互に積層されるＹ領域とが交互に繰り返される構成を有し、Ａ_X＞Ａ_YおよびＢ_X＜Ｂ_Yである。このため、被膜はさらに、Ｘ領域に依拠する特性とＹ領域に依拠する特性とを発揮することもできる。

このように、上記被膜は、従来と比してバリエーションに富んだ多くの特性を発揮することができる。したがって、表面被覆切削工具の一の部位において特定の損傷が生じ易く、他の一の部位において他の特定の損傷が生じ易い場合であっても、その両部位における各損傷を適切に抑制することができる。したがって、上記表面被覆切削工具は、優れた工具寿命を有することができる。

〔２〕上記表面被覆切削工具において、超多層構造層を構成する各層について、厚さを縦軸とし、基材からの距離を横軸とした座標系において、超多層構造層に含まれるＡ層をプロットし、各プロットを直線で結んで得られるグラフＡは、山領域と谷領域とが交互に繰り返される波形状を示し、超多層構造層に含まれるＢ層をプロットし、各プロットを直線で結んで得られるグラフＢは、山領域と谷領域とが交互に繰り返される波形状を示す。グラフＡにおいて、山領域を構成するＡ層は、Ｘ領域を構成するＡ層であり、谷領域を構成するＡ層は、Ｙ領域を構成するＡ層である。グラフＢにおいて、山領域を構成するＢ層は、Ｙ領域を構成するＢ層であり、谷領域を構成するＢ層は、Ｘ領域を構成するＢ層である。これにより、超多層構造層における層間剥離が抑制される。

〔３〕上記表面被覆切削工具において、Ｘ領域と、Ｘ領域に隣接する１つのＹ領域とからなるＸＹ領域の厚さは、３００ｎｍ以下である。これにより、超多層構造層における層間剥離がさらに抑制される。

〔４〕上記表面被覆切削工具において、Ｘ領域と、Ｘ領域に隣接する１つのＹ領域とからなるＸＹ領域は、４層以上１０層以下のＡ層と、４層以上１０層以下のＢ層とを含む。これにより、超多層構造層における層間剥離がさらに抑制される。

〔５〕上記表面被覆切削工具において、Ａ層およびＢ層は、それぞれ０．５ｎｍ以上３０ｎｍ以下の厚さを有する。これにより、超多層構造層における層間剥離がさらに抑制される。

〔６〕上記表面被覆切削工具において、超多層構造層は、１μｍ以上２０μｍ以下の厚さを有する。これにより、超多層構造層の効果をより顕著に発揮することができる。

〔７〕上記表面被覆切削工具において、Ａ層はＡｌとＣｒとＮとを含む化合物層であり、Ｂ層はＡｌとＴｉとＳｉとＮとを含む化合物層である。この場合、超多層構造層は、耐酸化性の高いＡ層と、硬度の高いＢ層とを有することができるため、超多層構造層は特に優れた工具寿命を有することができる。

[本発明の実施形態の詳細]
以下、本発明の一実施形態（以下「本実施形態」と記す）について説明する。ただし、本実施形態はこれらに限定されるものではない。なお以下の実施形態の説明に用いられる図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わす。また、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に限定されるものではない。たとえば「ＡｌＣｒＮ」と記載されている場合、ＡｌＣｒＮを構成する原子数の比はＡｌ：Ｃｒ：Ｎ＝０．５：０．５：１に限られず、従来公知のあらゆる原子比が含まれる。

〈表面被覆切削工具〉
図１を用いながら、本実施形態に係る表面被覆切削工具（以下、単に「工具」ともいう）について説明する。図１に示されるように、工具１０は、基材１と、基材１の表面を被覆する被膜２と、を備える。

工具１０の形状および用途は特に制限されない。たとえば、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、クランクシャフトのピンミーリング加工用チップなどを挙げることができる。

また工具１０は、工具１０の全体が基材１と該基材１上に形成された被膜２とを含む構成を有するものに限らず、工具の一部（特に刃先部位等）のみが上記構成からなるものも含む。たとえば、基体（支持体）の刃先部位のみが上記構成で構成されていてもよい。この場合は、文言上、その刃先部位を切削工具とみなすものとする。換言すれば、上記構成が切削工具の一部のみを占める場合であっても、上記構成を表面被覆切削工具と呼ぶものとする。

《基材》
基材１は、工具１０の形状の基礎となるものである。基材１は、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。たとえば、超硬合金（たとえば、ＷＣ基超硬合金、ＷＣのほか、Ｃｏを含み、あるいはＴｉ、Ｔａ、Ｎｂなどの炭窒化物を添加したものも含む）、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超硬合金、特にＷＣ基超硬合金、またはサーメット（特にＴｉＣＮ基サーメット）を選択することが好ましい。これらの基材は、特に高温における硬度と強度のバランスに優れ、上記用途の表面被覆切削工具の基材として優れた特性を有しているためである。

《被膜》
被膜２は、超多層構造層を有する。図１では、被膜２が、Ａ層とＢ層とからなる超多層構造層のみからなる場合を示すが、被膜２は他の層を備えていてもよい。他の層としては、基材１と超多層構造層の間に配置される下地層、超多層構造層の上方に配置される表面層などが挙げられる。また、被膜２は、基材１の表面の一部（たとえば刃先部分）または全部に形成されていてもよい。

被膜２の厚さは特に制限されず、たとえば１〜２０μｍとすることができる。被膜２が１μｍ未満の場合、後述する超多層構造層を十分な厚さで有することが難しくなり、超多層構造層による効果を十分に発揮できない恐れがある。また、被膜２による特性の付与が不十分となる場合がある。被膜２が２０μｍを超える場合、切削加工時に加わる大きな圧力に起因する被膜２の剥離が発生する恐れがある。

被膜２の厚さは、次のようにして求めることができる。まず、工具１０の任意の位置を切断し、被膜２の断面を含む試料を作製する。試料の作製には、集束イオンビーム装置、クロスセクションポリッシャ装置等を用いることができる。次に、作製された試料をＳＥＭまたはＴＥＭで観察し、観察画像に被膜の厚さ方向の全域が含まれるように倍率を調整する。そして、その厚さを５点以上測定し、その平均値を被膜２の厚さとする。他の各層の厚さについても、特に説明がない限り、同様の方法により計測することができる。

《超多層構造層以外の層》
被膜２は、その最表面を構成する表面層を有することが好ましく、該表面層の格子定数が超多層構造層よりも大きいことが好ましい。超多層構造層は、後述するＰＶＤ法により製造されるため、その内部に圧縮応力を含む傾向がある。被膜の内部に残存する圧縮応力は、被膜の耐剥離性を低下させる傾向がある。

これに対し、超多層構造層よりも大きな格子定数を有する表面層、換言すれば、超多層構造層よりも圧縮応力の小さな表面層を、超多層構造層上に配置させた場合、被膜全体の圧縮応力が緩和（低減）されることとなる。したがって、上記表面被覆切削工具が、超多層構造層よりも大きな格子定数を有する表面層を含む場合には、耐剥離性が向上することとなり、もってさらなる長寿命化が可能となる。なお表面層および超多層構造層の各格子定数は、θ−２θ法を用いたＸ線回折により求めることができる。また、ＴＥＭの付帯装置を用いた電子回折法によっても各格子定数を求めることができる。

また被膜２は、超多層構造層と基材１との間に、被膜２と基材１との密着性を高めるための下地層を有していてもよい。

《超多層構造層》
超多層構造層は、Ａ層と、Ａ層と組成の異なるＢ層とが、基材側（基材１と接する面側）から表面側（基材１と接する面側の反対の面側）に向かって交互に積層された構成を有する。

Ａ層およびＢ層は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｔａ、ＮｂおよびＷからなる群より選ばれる１種以上の元素と、ＣおよびＮからなる群より選ばれる１種以上の元素とからなる組成を有する。具体的な組成としては、ＡｌＣｒＮ、ＡｌＴｉＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＮｂＮ、ＴｉＷＮ、ＡｌＴｉＳｉＮなどが挙げられる。

特に本実施形態に係る超多層構造層は、以下（１）および（２）を満たすことを特徴としている。
（１）厚さＡ_Xを有するＡ層および厚さＢ_Xを有するＢ層が交互に積層されるＸ領域と、厚さＡ_Yを有するＡ層および厚さＢ_Yを有するＢ層が交互に積層されるＹ領域とが、基材側から表面側に向かって交互に繰り返される構成を有している；
（２）Ａ層の厚さＡ_XはＡ層の厚さＡ_Yよりも大きく、Ｂ層の厚さＢ_XはＢ層の厚さＢ_Yよりも小さい。

なお図１では、最も基材に近い層がＡ層である場合を例示するが、超多層構造層の構成はこれに限られず、最も基材に近い層がＢ層であってもよい。また、図１では、最も基材に近い領域がＸ領域である場合を例示するが、超多層構造層の構成はこれに限られず、最も基材に近い領域がＹ領域であってもよい。最も表面に近い領域についても同様である。

上記（１）および（２）を満たす超多層構造層を含む被膜２は、Ａ層に依拠する特性およびＢ層に依拠する特性の両特性を発揮することができる。さらに、被膜２は、Ｘ領域に依拠する特性とＹ領域に依拠する特性とを発揮することもできる。したがって結果的に、被膜２は、従来と比してバリエーションに富んだ多くの特性を発揮することができる。

このため、被膜２を有する工具１０においては、従来であれば、一の部位において特定の損傷が生じ易く、他の一の部位において他の特定の損傷が生じ易い場合であっても、その両部位における各損傷を適切に抑制することができる。したがって、工具１０は、優れた工具寿命を有することができる。

これに対し、たとえば特許文献１のように、各層の厚さが均一な多層構造層では、上述のような種々の特性を発揮することはできない。また特許文献３のように、不規則な周期を有する多層構造層では、ロット毎のばらつきが避けられない。

《第１の超多層構造層》
図１〜図４を用いながら、本実施形態に係る超多層構造層の一例である第１の超多層構造層を具体的に説明する。

第１の超多層構造層は、上記（１）および（２）を満たし、さらに、以下（３）〜（６）を満たすことを特徴としている。
（３）各層の厚さを縦軸とし、各層の基材からの距離を横軸とした座標系において、超多層構造層に含まれるＡ層をプロットし、各プロットを直線で結んで得られるグラフＡは、山領域と谷領域とが交互に繰り返される波形状を示す；
（４）同座標系において、超多層構造層に含まれるＢ層をプロットし、各プロットを直線で結んで得られるグラフＢは、山領域と谷領域とが交互に繰り返される波形状を示す；
（５）グラフＡにおいて、山領域を構成するＡ層はＸ領域を構成するＡ層であり、谷領域を構成するＡ層はＹ領域を構成するＡ層である；
（６）グラフＢにおいて、山領域を構成するＢ層はＹ領域を構成するＢ層であり、谷領域を構成するＢ層はＸ領域を構成するＢ層である。

上記（３）〜（６）について、図１〜図４を用いながら具体的に説明する。説明の便宜上、Ａ層のうち最も基材側に位置するＡ層をＡ₁層とし、基材側から表面側に向かって、順にＡ₁層、Ａ₂層、Ａ₃層、・・・Ａ₁₀層とする。同様に、Ｂ層のうち最も基材側に位置するＢ層をＢ₁層とし、基材側から表面側に向かって、順にＢ₁層、Ｂ₂層、Ｂ₃層、・・・Ｂ₁₀層とする。

さらに、Ａ₁層からＡ₁₀層までの各厚さを、それぞれ３ｎｍ、４ｎｍ、３ｎｍ、２ｎｍ、１ｎｍ、２ｎｍ、３ｎｍ、４ｎｍ、３ｎｍ、２ｎｍと仮定し、Ｂ₁層からＢ₁₀層までの各厚さを、それぞれ２ｎｍ、１ｎｍ、２ｎｍ、３ｎｍ、４ｎｍ、３ｎｍ、２ｎｍ、１ｎｍ、２ｎｍ、３ｎｍと仮定する。

なお図１においては、１０層のＡ層と１０層のＢ層とが示されているが、最上層であるＢ₁₀層の上には、さらにＡ層、Ｂ層がこの順に積層された積層構造が存在しても良いことは言うまでもない（図１においては、これをドットで示している）。

上記仮定によれば、第１の超多層構造層は、３〜４ｎｍの厚さを有するＡ層（Ａ₁〜Ａ₃層およびＡ₇〜Ａ₉層）と、１〜２ｎｍの厚さを有するＡ層（Ａ₄〜Ａ₆層およびＡ₁₀層）と、を有することとなる。また第１の超多層構造層はさらに、１〜２ｎｍの厚さを有するＢ層（Ｂ₁〜Ｂ₃層およびＢ₇〜Ｂ₉層）と、３〜４ｎｍの厚さを有するＢ層（Ｂ₄〜Ｂ₆層およびＢ₁₀層）と、を有することとなる。

３〜４ｎｍの厚さを有するＡ₁〜Ａ₃層と、１〜２ｎｍの厚さを有するＢ₁〜Ｂ₃層とが、図１に示すように交互に積層される領域と、３〜４ｎｍの厚さを有するＡ₇〜Ａ₉層と、１〜２ｎｍの厚さを有するＢ₇〜Ｂ₉層とが、図１に示すように交互に積層される領域とが、Ｘ領域である。一方、１〜２ｎｍの厚さを有するＡ₄〜Ａ₆層と、３〜４ｎｍの厚さを有するＢ₄〜Ｂ₆層とが、図１に示すように交互に積層される領域が、Ｙ領域である。すなわち、Ｘ領域を構成するＡ₁〜Ａ₃層およびＡ₇〜Ａ₉層の各厚さは、３ｎｍまたは４ｎｍであり、Ｙ領域を構成するＡ₄〜Ａ₆層の各厚さは、１ｎｍまたは２ｎｍである。またＸ領域を構成するＢ₁〜Ｂ₃層およびＢ₇〜Ｂ₉層の各厚さは、１ｎｍまたは２ｎｍであり、Ｙ領域を構成するＢ₄〜Ｂ₆層の各厚さは、３ｎｍまたは４ｎｍである。

したがって、第１の超多層構造層は、厚さＡ_Xを有するＡ層および厚さＢ_Xを有するＢ層が交互に積層されるＸ領域と、厚さＡ_Yを有するＡ層および厚さＢ_Yを有するＢ層が交互に積層されるＹ領域とが、基材側から表面側に向かって交互に繰り返される構成を有していることとなる。また、Ｘ領域を構成するＡ層の厚さＡ_X（３ｎｍおよび４ｎｍ）は、Ｙ領域を構成するＡ層の厚さＡ_Y（１ｎｍおよび２ｎｍ）よりも大きく、Ｘ領域を構成するＢ層の厚さＢ_X（１ｎｍおよび２ｎｍ）は、Ｙ領域を構成するＢ層の厚さＢ_Y（３ｎｍおよび４ｎｍ）よりも小さいこととなる。

まず、上記（３）および（５）について説明する。Ａ₁〜Ａ₁₀層に関し、各層の厚さを縦軸とし、各層の基材からの距離を横軸とした座標系にプロットし、各プロットを直線で結んで得られるグラフＡを作成した場合、図２に示すように、山領域と谷領域とが交互に繰り返される波形状を示すこととなる。なお各層の基材からの距離とは、基材と各層の厚さ方向の中間位置との距離とする。

詳細には、Ａ₁〜Ａ₃層およびＡ₇〜Ａ₉層の６個の層が、山領域を構成するＡ層であり、Ａ₄〜Ａ₆層およびＡ₁₀層の４つの層が、谷領域を構成するＡ層である。図２から分かるように、グラフＡにおける「山領域」とは、中間点から極大点まで連続的に増加して引き続き隣の中間点にまで連続的に減少する領域であり、「谷領域」とは、中間点から極小点まで連続的に減少して引き続き隣の中間点にまで連続的に増加する領域である。

ここで、上記中間点は、極大点の値と、これに隣接する極小点の値との中間となる値を有する点である。本実施形態では、理解を容易とするために（図が複雑化するのを避けるために）、３つの中間点の各値が、４ｎｍ（極大点）と１ｎｍ（極小点）との中間点（２．５ｎｍ）で一致する場合が例示されるが、各中間点の値は異なる場合もある。後述するグラフＢについても同様である。

次に上記（４）および（６）について説明する。Ｂ₁層〜Ｂ₁₀層に関し、各層厚さを縦軸とし、各層の基材からの距離を横軸とした座標系にプロットし、各プロットを直線で結んで得られるグラフＢを作成した場合、図３に示すように、山領域と谷領域とが交互に繰り返される波形状を示すこととなる。

詳細には、Ｂ₁〜Ｂ₃層およびＢ₇〜Ｂ₉層の６個の層が、谷領域を構成するＢ層であり、Ｂ₄〜Ｂ₆層およびＢ₁₀層の４個の層が、山領域を構成するＢ層である。図３から分かるように、グラフＢにおける「山領域」とは、中間点から極大点まで連続的に増加して引き続き隣の中間点にまで連続的に減少する領域であり、「谷領域」とは、中間点から極小点まで連続的に減少して引き続き隣の中間点にまで連続的に増加する領域である。中間点の決定方法は、グラフＡと同様である。

ところで、図２を別の角度から観察すれば、Ａ層は、基材側から表面側に向かって、その厚さが連続的に増加する領域と、その厚さが連続的に減少する領域とが交互に繰り返される構成を有しているとも言える。また図３を別の角度から観察すれば、Ｂ層は、基材側から表面側に向かって、その厚さが連続的に増加する領域と、その厚さが連続的に減少する領域とが交互に繰り返される構成を有しているとも言える。

さらに図４は、図２および図３を重ねあわせたグラフとなる。図４から、第１の超多層構造層において、Ａ層の厚さが基材側から表面側に向かって連続的に増加している領域においては、Ｂ層の厚さは基材側から表面側に向かって連続的に減少しており、Ａ層の厚さが基材側から表面側に向かって連続的に減少している領域においては、Ｂ層の厚さは基材側から表面側に向かって連続的に増加していることが分かる。したがって、Ａ層の厚さの変化とＢ層の厚さの変化は、相対していると言うこともできる。

そうすると、第１の超多層構造層は、
Ａ層と、該Ａ層と組成の異なるＢ層とが、基材側から表面側に向かって交互に積層された構成を有し、かつ
Ｖ領域とＷ領域とが基材側から表面側に向かって交互に繰り返される構成を有し、
Ｖ領域において、
Ａ層の厚さは、基材側から表面側に向かって連続的に増加し、
Ｂ層の厚さは、基材側から表面側に向かって連続的に減少し、
Ｗ領域において、
Ａ層の厚さは、基材側から表面側に向かって連続的に減少し、
Ｂ層の厚さは、基材側から表面側に向かって連続的に増加する、構造を有していると規定することもできる。

被膜２が、上記（１）〜（６）を満たす第１の超多層構造層を含むことは、次のようにして確認することができる。まず、ＳＴＥＭ（Scanning Transmission Electron Microscopy）を用いて、上述と同様の方法により作製された試料を２０万倍以上の倍率で観察し、ＨＡＡＤＦ（High-Angle Annular Dark-field）像を得る。

図５は、超多層構造層の顕微鏡像を捉えた図面代用写真であり、図６は、図５の点線囲い部分を拡大して示す図面代用写真である。図５において、超多層構造層のＸ領域およびＹ領域の繰り返しが観察されており、図６においては、さらにＸ領域内の多層構造およびＹ領域内の多層構造も観察されている。

詳細には、図５の超多層構造層は、ＡｌＣｒＮからなるＡ層と、ＡｌＴｉＳｉＮからなるＢ層とを有している。ＨＡＡＤＦ像においては、式量（構成元素の各原子量の合計）の小さいＡ層が濃い色相（黒色）で観察され、式量の大きいＢ層が淡い色相（灰色または白色）で観察される。そうすると、図５に示されるように、比較的厚いＡ層を含むＸ領域は、比較的濃い色相で観察され、比較的薄いＡ層を含むＹ領域は、比較的薄い色相で観察される。また図５の超多層構造層をさらに高い倍率で観察することにより、図６に示されるように、Ｘ領域およびＹ領域のそれぞれが、複数の濃い領域（Ａ層）と複数の淡い領域（Ｂ層）とが積層された構造を有していることが観察される。

得られたＨＡＡＤＦ像において、超多層構造層の厚さ方向（図６において矢印で示す方向）に関する強度プロファイル（Ｚコントラスト）を得る。得られた強度プロファイルに基づいて、強度を縦軸とし、測定開始点からの距離を横軸とした座標系におけるグラフを作成する。Ｚコントラストの強度は原子量の２乗に比例する。このため、ＡｌＣｒＮからなるＡ層と、ＡｌＴｉＳｉＮからなるＢ層とは、コントラストの強度プロファイルに基づいて区別することができる。

図７は、図６に示す顕微鏡像（ＨＡＡＤＦ像）の矢印方向におけるコントラストの強度プロファイルを示すグラフである。ＡｌＣｒＮからなるＡ層と、ＡｌＴｉＳｉＮからなるＢ層とを比較すると、Ａ層が最も原子量の大きい原子（Ｃｒ）を含有する。このため、Ａ層はＢ層よりも強い強度を示すこととなる。このことから、図７において凸形状を示す領域をＡ層とみなし、図７において凹形状を示す領域をＢ層とみなすことができる。さらに、図７から、１つの凸領域における極大点Ｐmaxと、該凸領域に隣接する１つの凹領域における極小点Ｐminとの中間点Ｐmidを、該凸領域と該凹領域の境界（Ａ層とＢ層との境界）と決定する。他の境界についても同様である。

このようにしてＡ層とＢ層との各境界が決定され、これに伴い各Ａ層および各Ｂ層の厚さを決定することができる。各層の厚さが決定されれば、各層の厚さにより区別されるＸ領域およびＹ領域についても決定することができる。なおＡ層およびＢ層が交互に積層されていること、Ｘ領域およびＹ領域が交互に繰り返されていることは、上述のようにＨＡＡＤＦ像の濃淡からも確認することができる。さらに、各層の厚さの結果に基づいて、グラフＡおよびグラフＢを作成することができる。

図７の強度プロファイルに基づいて、超多層構造層に含まれるＡ層およびＢ層について、各層の厚さを縦軸とし、測定開始点からの距離を横軸とした座標系にプロットしたグラフを、図８に示す。図８の白抜き四角のプロットを直線で結ぶことによりグラフＡが得られ、図８の黒菱形のプロットを直線で結ぶことによりグラフＢが得られる。図８のグラフから、図５の超多層構造層は、Ａ層が２〜５ｎｍ程度の厚さを有し、Ｂ層が４〜７ｎｍ程度の厚さを有し、全体としてＡ層よりもＢ層の方が厚い傾向を有していることが分かる。

以上のようにして、超多層構造層が上記（１）〜（６）を満たすことを確認することができる。また各層の組成は、ＴＥＭ付帯のＥＤＸ装置を用いて、上記のＨＡＡＤＦ像を分析することにより確認することができる。このとき、スポット径は１ｎｍとし、各層において無作為に抽出した５点で得られた各組成比の算術平均値を各組成とする。

以上詳述した第１の超多層構造層は、Ａ層に依拠する特性およびＢ層に依拠する特性の両特性を発揮することができる。さらに第１の超多層構造層は、Ｘ領域に依拠する特性とＹ領域に依拠する特性とを発揮することもできる。したがって結果的に、被膜２は、従来と比してバリエーションに富んだ多くの特性を発揮することができる。

特に、第１の超多層構造層において、Ａ層の厚みは、基材側から表面側に向けて、連続的な増減を繰り返し、Ｂ層の厚みもまた、基材側から表面側に向けて連続的な増減を繰り返すことを特徴とする。このような構成を有する超多層構造層においては、さらに層間剥離が十分に抑制されることとなる。これは、超多層構造層の厚さ方向において、各層の厚さが緩やかに変化するために、層間に発生する応力差を小さく維持できるためと考えらえる。したがって、第１の超多層構造層は、工具寿命に顕著に優れることとなる。

《第２の超多層構造層》
図９〜図１２を用いながら、本実施形態に係る超多層構造層の他の一例である第２の超多層構造層を具体的に説明する。

第２の超多層構造層は、上記（１）〜（６）を満たす。ただし、第２の超多層構造層は、グラフＡにおける各「山領域」および各「谷領域」、並びにグラフＢにおける各「山領域」および各「谷領域」の形状が、第１の超多層構造層と異なっている。

説明の便宜上、Ａ層のうち最も基材側に位置するＡ層をＡ₁層とし、基材側から表面側に向かって、順にＡ₁層、Ａ₂層、Ａ₃層、・・・Ａ₁₀層とする。同様に、Ｂ層のうち最も基材側に位置するＢ層をＢ₁層とし、基材側から表面側に向かって、順にＢ₁層、Ｂ₂層、Ｂ₃層、・・・Ｂ₁₀層とする。さらに、Ａ₁層からＡ₁₀層までの各厚さを、それぞれ４ｎｍ、４ｎｍ、４ｎｍ、１ｎｍ、１ｎｍ、１ｎｍ、４ｎｍ、４ｎｍ、４ｎｍ、１ｎｍと仮定し、Ｂ₁層からＢ₁₀層までの各厚さを、それぞれ１ｎｍ、１ｎｍ、１ｎｍ、４ｎｍ、４ｎｍ、４ｎｍ、１ｎｍ、１ｎｍ、１ｎｍ、４ｎｍと仮定する。

なお図９においては、１０層のＡ層と１０個のＢ層とが示されているが、最上層であるＢ₁₀層の上には、さらにＡ層、Ｂ層がこの順に積層された積層構造が存在してもよいことは言うまでもない（図９においては、これをドットで示している）。

上記仮定によれば、第２の超多層構造層は、４ｎｍの厚さを有するＡ層（Ａ₁〜Ａ₃層およびＡ₇〜Ａ₉層）と、１ｎｍの厚さを有するＡ層（Ａ₄〜Ａ₆層およびＡ₁₀層）と、を有することとなる。また第２の超多層構造層はさらに、１ｎｍの厚さを有するＢ層（Ｂ₁〜Ｂ₃層およびＢ₇〜Ｂ₉層）と、４ｎｍの厚さを有するＢ層（Ｂ₄〜Ｂ₆層およびＢ₁₀層）と、を有することとなる。

４ｎｍの厚さを有するＡ₁〜Ａ₃層と、１ｎｍの厚さを有するＢ₁〜Ｂ₃層とが、図９に示すように交互に積層される領域と、４ｎｍの厚さを有するＡ₇〜Ａ₉層と、１ｎｍの厚さを有するＢ₇〜Ｂ₉層とが、図９に示すように交互に積層される領域とが、Ｘ領域である。一方、１ｎｍの厚さを有するＡ₄〜Ａ₆層と、４ｎｍの厚さを有するＢ₄〜Ｂ₆層とが、図９に示すように交互に積層される領域が、Ｙ領域である。すなわち、Ｘ領域を構成するＡ₁〜Ａ₃層およびＡ₇〜Ａ₉層の各厚さは、４ｎｍであり、Ｙ領域を構成するＡ₄〜Ａ₆層の各厚さは、１ｎｍである。またＸ領域を構成するＢ₁〜Ｂ₃層およびＢ₇〜Ｂ₉層の各厚さは、１ｎｍであり、Ｙ領域を構成するＢ₄〜Ｂ₆層の各厚さは、４ｎｍである。

したがって、第２の超多層構造層は、厚さＡ_Xを有するＡ層および厚さＢ_Xを有するＢ層が交互に積層されるＸ領域と、厚さＡ_Yを有するＡ層および厚さＢ_Yを有するＢ層が交互に積層されるＹ領域とが、基材側から表面側に向かって交互に繰り返される構成を有していることとなる。また、Ｘ領域を構成するＡ層の厚さＡ_X（４ｎｍ）は、Ｙ領域を構成するＡ層の厚さＡ_Y（１ｎｍ）よりも大きく、Ｘ領域を構成するＢ層の厚さＢ_X（１ｎｍ）は、Ｙ領域を構成するＢ層の厚さＢ_Y（４ｎｍ）よりも小さいこととなる。

上記（３）〜（６）について説明する。Ａ₁〜Ａ₁₀層に関しグラフＡを作成した場合、図１０に示すように、山領域と谷領域とが交互に繰り返される波形状を示すこととなる。またＢ₁〜Ｂ₁₀層に関しグラフＢを作成した場合、図１１に示すように、山領域と谷領域とが交互に繰り返される波形状を示すこととなる。なお図１２は、図１０と図１１とを重ねあわせたグラフとなる。

上述の第１の超多層構造層においては、図２および図３に示されるように、「山領域」とは、中間点から極大点まで増加して引き続き隣の中間点にまで減少する領域であり、「谷領域」とは、中間点から極小点まで減少して引き続き隣の中間点にまで増加する領域である。

これに対し、第２の超多層構造層においては、図１０および図１１に示されるように、各グラフの「山領域」および「谷領域」は、それぞれ同じ厚さの層により構成されている。すなわち、第２の実施形態のグラフＡおよびグラフＢは、第１の実施形態のように、極大点および極小点を有する正弦波状の波形状を描くのではなく、矩形波状の波形状を描くことを特徴とする。

第２の超多層構造層を含む被膜を備える工具１０においても、上述と同様の理由により、被膜２は従来と比してバリエーションに富んだ多くの特性を発揮することができ、もって工具寿命に顕著に優れることができる。

《超多層構造層のより好ましい態様》
本実施形態に係る超多層構造層の例として、第１の超多層構造層および第２の超多層構造層について上述した。このような本実施形態に係る超多層構造層のより好ましい態様について以下に列挙する。

超多層構造層において、Ｘ領域と、Ｘ領域に隣接する１つのＹ領域とからなるＸＹ領域の厚さは、たとえば３０〜２５００ｎｍとすることができる。特にＸＹ領域の厚さは、３００ｎｍ以下であることが好ましい。この場合、超多層構造層における層間剥離がさらに抑制されることとなり、もって工具１０のさらなる長寿命化が可能となる。この理由は明確ではないが、このような厚さの場合に、各領域間の残留応力の差が低減される傾向があると考えられる。

超多層構造層において、Ｘ領域と、Ｘ領域に隣接する１つのＹ領域とからなるＸＹ領域は、たとえば３〜１５層のＡ層と、３〜１５層のＢ層とを含むことができる。特にＸＹ領域は、４〜１０層のＡ層と、４〜１０層のＢ層とを含むことが好ましい。各層の数が４層以上の場合、各領域における各層の厚さの変化をさらに穏やかにすることができる。一方、各層の数が１０層以上の場合、各層の厚さの変化が穏やかになる一方で、超多層構造層の構造の制御が困難となり、結果的に特性のばらつきを引き起こすことが懸念される。このため、ＸＹ領域が、４〜１０層のＡ層と、４〜１０層のＢ層とを含むことにより、超多層構造層における層間剥離がさらに抑制されることとなり、もって工具１０のさらなる長寿命化が可能となる。

超多層構造層において、Ａ層およびＢ層の各厚さは、それぞれたとえば０．５〜１００ｎｍとすることができる。特にＡ層およびＢ層は、それぞれ０．５〜３０ｎｍの厚さを有することが好ましい。このような厚さのＡ層およびＢ層からなる超多層構造層においては、層間剥離がさらに抑制されることとなる。

超多層構造層は、１〜２０μｍの厚さを有することが好ましい。超多層構造層が１μｍ未満の場合、超多層構造層による効果を十分に発揮できない恐れがある。超多層構造層が２０μｍを超える場合、切削加工時に加わる大きな圧力に起因する超多層構造層の剥離が発生する恐れがある。

超多層構造層において、Ａ層はＡｌとＣｒとＮとを含む化合物層であり、Ｂ層はＡｌとＴｉとＳｉとＮとを含む化合物層であることが好ましい。このようなＡ層は耐酸化性に特に優れ、このようなＢ層は硬度に特に優れる傾向がある。耐酸化性および硬度は、切削工具の工具寿命に顕著に関係する特性である。換言すれば、被膜がこのようなＡ層およびＢ層からなる超多層構造層を含む場合、工具１０は、特に優れた工具寿命を有することができる。

超多層構造層は、硬度Ｈが３５ＧＰａ以上超であり、かつ硬度Ｈとヤング率Ｅとの比Ｈ／Ｅが０．５以上超であることが好ましい。このような超多層構造層は、さらに耐摩耗性に優れるとともに、破壊強度に優れることができる。したがってたとえば、耐熱合金などの難削材の切削加工を行う際に、特に優れた性能を発揮することができる。

超多層構造層の硬度Ｈおよびヤング率Ｅは、ＩＳＯ１４５７７−１：２０１５におけるナノインデンテーション法に基づいて求めることができる。具体的には、超多層構造層の表面に対する押し込み深さが０．２μｍになるように制御された荷重で、圧子を押し込むことにより、硬度Ｈおよびヤング率Ｅを求める。ナノインデンテーション法が利用可能な超微小押し込み硬さ試験機としては、エリオニクス社製の「ＥＮＴ−１１００ａ」が挙げられる。なお超多層構造層上に表面層などの他の層が存在する場合には、カロテスト、斜めラッピングなどをすることにより、超多層構造層を表面に露出させる。

超多層構造層の硬度Ｈの上限値は特に制限されないが、耐チッピング性の向上の観点からは、４５ＧＰａ以下であることが好ましい。また比Ｈ／Ｅは、基材の弾性変形特性との整合性の観点から、０．１２以下であることが好ましい。

〈表面被覆切削工具の製造方法〉
上述の超多層構造層を含む被膜を備える表面被覆切削工具は、次のような方法によって製造することができる。当該製造方法は、少なくとも基材を準備する工程と、被膜を形成する工程とを備える。

《基材を準備する工程》
本工程では、基材が準備される。たとえば基材が超硬合金からなる場合、一般的な粉末冶金法によって準備され得る。たとえば、まず、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。次に、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。次に、成形体を焼結することにより、ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金（焼結体）が得られる。次に、必要に応じて、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準備することができる。

《被膜を形成する工程》
本工程では、ＰＶＤ法により被膜が形成される。ＰＶＤ法としては、アークイオンプレーティング（ＡＩＰ）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等がある。超多層構造層の製造容易性の観点から、ＡＩＰ法を用いることが好ましい。

図１３および図１４を用いながら、ＡＩＰ法に用いられる成膜装置について説明する。図１３および図１４に示される成膜装置１００は、チャンバ２０と、チャンバ２０に原料ガスを導入するためのガス導入口２１と、原料ガスを外部に排出するためのガス排出口２２とを備える。チャンバ２０は真空ポンプ（図示せず）に接続されており、ガス排出口２２を通じてチャンバ２０内の圧力を調整できるように構成されている。

チャンバ２０内には、回転テーブル２３が設けられており、回転テーブル２３には基材１を保持するための基材ホルダ２４が取り付けられている。基材ホルダ２４は、バイアス電源２５の負極に電気的に接続されている。バイアス電源２５の正極はアースされ、かつチャンバ２０と電気的に接続されている。

またチャンバ２０の側壁には、被膜を構成する各層の金属原料となるアーク式蒸発源（ターゲット２５ａ，２５ｂ）が取り付けられている。アーク式蒸発源はそれぞれ、可変電源である直流電源２６ａ，２６ｂの負極に接続されている。直流電源２６ａ，２６ｂの正極はアースされている。

上記の成膜装置１００を用いて被膜を成膜するに当たって、下地層および表面層などの超多層構造層以外の層は、次のように形成される。すなわちまず、成膜装置１００内の基材ホルダ２４に、基材１が取り付けられる。次に、真空ポンプによりチャンバ２０内の圧力が減圧される（たとえば１．０×１０^-4Ｐａ程度）。さらに回転テーブル２３を一定の速度で回転させながら、成膜装置１００内に設置されたヒータ（図示せず）によって基材１が加熱される。

基材１の温度が十分に上昇された後、層を構成する原子のうちの非金属元素（Ｃ、Ｎ、ＢまたはＯ）を含む反応性ガスを、ガス導入口２１から導入しながら、基材１にバイアス電圧を印加する。また、ターゲット２５ａ，２５ｂに対し、それぞれ同一かつ一定のアーク電流を供給する。なおターゲット２５ａ，２５ｂは、層を構成する原子のうちの金属元素を含む反応性ガスである。表面層の格子定数を超多層構造層の格子定数よりも大きくする場合には、たとえば、表面層成膜時に基材１に印加されるバイアス電圧を、超多層構造層の成膜時のバイアス電圧よりも小さくすればよい。以上により、下地層および表面層などの超多層構造層以外の層が形成される。

なお、被膜の形成に先だって、基材の表面に対してイオンボンバードメント処理を実施することが好ましい。基材の表面を清浄化でき、その上に形成される被膜の均質性を高めることができるためである。ＡＩＰ法によれば、この処理を容易に実施することができる。

一方、被膜のうちの超多層構造層の製造方法は、ターゲット２５ａ，２５ｂに供給されるアーク電流が変化する点で、上記の方法と大きく相違する。なお、反応性ガスは、Ｃおよび／またはＮを含むガスとなる。

具体的には、ターゲット２５ａがＡ層を構成する金属元素を含む金属原料であり、ターゲット２５ｂがＢ層を構成する金属元素を含む金属原料である場合、ターゲット２５ａに供給する電流は、Ａ層の厚さの変化に対応するように経時的に変化させ、ターゲット２５ｂに供給する電流は、Ｂ層の厚さの変化に対応するように経時的に変化させる。

ターゲット２５ａに供給される電流が大きいときに成膜されたＡ層の厚さは大きくなり、ターゲット２５ａに供給される電流が小さいときに成膜されたＡ層の厚さは小さくなる。同様に、ターゲット２５ｂに供給される電流が大きいときに成膜されたＢ層の厚さは大きくなり、ターゲット２５ｂに供給される電流が小さいときに成膜されたＢ層の厚さは小さくなる。

すなわち、図１〜図４に示される第１の超多層構造層を成膜する場合には、ターゲット２５ａに供給される電流の大きさを図２に示されるグラフに対応するように変化させ、ターゲット２５ｂに供給される電流の大きさを図３に示されるグラフに対応するように変化させる。また図９〜図１２に示される第２の超多層構造層を成膜する場合には、ターゲット２５ａに供給される電流の大きさを図１０に示されるグラフに対応するように変化させ、ターゲット２５ｂに供給される電流の大きさを図１１に示されるグラフに対応するように変化させる。

このように、超多層構造層を構成する各層の厚さは、各ターゲットに供給される電流の大きさにより制御することができる。また回転テーブルの回転速度を下げることにより、形成される層の厚さを全体的に大きくすることもできる。また各層の積層回数および超多層構造層の厚さは、処理時間の調整により制御することができる。またＸＹ領域に含まれるＡ層およびＢ層の数は、電流の供給時間の調整により制御することができる。以上により、超多層構造層が形成される。

上記においては、成膜装置１００が１軸回転機構を有する場合の成膜方法について説明したが、たとえば成膜装置１００が３軸回転機構を有する場合には、３軸の各回転周期を調製することにより、超多層構造層を構成する各層の厚さを制御することができる。

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。Ｎｏ．１〜９の表面被覆切削工具は、上述の第２の超多層構造層を備えている。Ｎｏ．１０〜１８は比較例である。Ｎｏ．１９〜５０の表面被覆切削工具は、上述の第１の超多層構造層を備えている。

〈各特性の確認方法〉
超多層構造層を構成する各層の厚さは、上述の方法のように、ＨＡＡＤＦ像から得られるＺコントラストの強度プロファイルから求めた。また各層の厚さに基づいてグラフＡおよびグラフＢを作成し、各グラフから得られる情報（Ｘ領域およびＹ領域を構成する各層の数、ＸＹ領域の厚さ等）を確認した。各層の組成は、上述の方法のように、ＴＥＭ付帯のＥＤＸ装置を用いてＨＡＡＤＦ像を分析することにより確認した。

〈検討１：Ｎｏ．１〜１８〉
《Ｎｏ．１の表面被覆切削工具の製造》
基材として、外径８ｍｍのドリル（ＪＩＳＫ１０超硬合金製、形状：ＭＤＷ０８００ＨＧＳ５）を準備した。次に、図１３に示す１軸回転機構を有する成膜装置１００のチャンバ２０内に、基材をセットし、チャンバ２０内の真空引きを行った。その後、回転テーブル２３を３ｒｐｍで回転させながら基材を５００℃に加熱した。次に、真空チャンバ２０内にＡｒガスを１Ｐａで導入し、タングステンフィラメントを放電させてＡｒイオンを発生させ、基材に−５００Ｖのバイアス電圧を印加した。これにより、Ａｒイオンによる工具基材のイオンボンバードを行った。

次に、エッチング後の基材表面に対し、Ｎｏ．１の超多層構造層を成膜させた。Ｎｏ．１の超多層構造層の特徴を表１に示す。

表１に示されるように、Ｎｏ．１の超多層構造層は、厚さ４８ｎｍ（厚さＡ_X）を有するＡ層と、厚さ５７ｎｍ（厚さＢ_X）を有するＢ層が交互に積層されるＸ領域と、厚さ３６ｎｍ（厚さＡ_Y）を有するＡ層と、厚さ７１ｎｍ（厚さＢ_Y）を有するＢ層とが交互に積層されるＹ領域とが、基材側から表面側に向かって交互に繰り返される構成を有している。Ａ層の組成はＡｌ_0.7Ｃｒ_0.3Ｎであり、Ｂ層の組成はＴｉ_0.5Ａｌ_0.5Ｎである。またＸＹ領域の厚さは１５９０ｎｍであり、ＸＹ領域に含まれるＡ層およびＢ層の数は、それぞれ１５であった。この超多層構造層の成膜条件を以下に示す。

ターゲットＡ：Ａｌ（７０原子％）、Ｃｒ（３０原子％）
ターゲットＢ：Ｔｉ（５０原子％）、Ａｌ（５０原子％）
導入ガス：Ｎ₂
成膜圧力：６．０Ｐａ
ターゲットＡへの電流供給：６０秒間１５０Ａを供給する工程（Ａ_X工程）と、引き続き４５秒間１５０Ａを供給する工程（Ａ_Y工程）とを繰り返す
ターゲットＢへの電流供給：６５秒間１５０Ａを供給する工程（Ｂ_X工程）と、引き続き８０秒間１５０Ａを供給する工程（Ｂ_Y工程）とを繰り返す
基板バイアス電圧：５０Ｖ
テーブル回転数：２ｒｐｍ
処理時間：９０分。

ターゲットＡへのアーク電流供給がＡ_X工程であるタイミングでは、ターゲットＢへのアーク電流供給はＢ_X工程となり、ターゲットＡへのアーク電流供給がＡ_Y工程であるタイミングでは、ターゲットＢへのアーク電流供給はＢ_Y工程となるように制御された。Ａ_X工程により厚さＡ_Xを有するＡ層が形成され、Ａ_Y工程により厚さＡ_Yを有するＡ層が形成され、Ｂ_X工程により厚さＢ_Xを有するＢ層が形成され、Ｂ_Y工程により厚さＢ_Yを有するＢ層が形成された。

《Ｎｏ．２〜９の表面被覆切削工具の製造》
超多層構造層の成膜条件を変更することにより、超多層構造層の構成を表１に示すように変更した以外は、Ｎｏ．１と同様の方法によりＮｏ．２〜９の表面被覆切削工具を製造した。

具体的には、Ｘ領域を構成するＡ層の厚さＡ_X、Ｙ領域を構成するＡ層の厚さＡ_Y、Ｘ領域を構成するＢ層の厚さＢ_X、およびＹ領域を構成するＢ層の厚さＢ_Yは、それぞれＡ_X工程、Ａ_Y工程、Ｂ_X工程およびＢ_Y工程における各アーク電流の大きさの増減により調製された。なお、アーク電流が大きくなるほど各層の厚さは大きくなり、アーク電流が小さくなるほど各層の厚さは小さくなる。

また、Ｘ領域を構成するＡ層の数、Ｙ領域を構成するＡ層の数、Ｘ領域を構成するＢ層の数、およびＹ領域を構成するＢ層の数は、それぞれＡ_X工程、Ａ_Y工程、Ｂ_X工程およびＢ_Y工程の各時間の増減により調製された。なお、供給する時間が長くなるほど各層の数は大きくなり、供給する時間が短くなるほど各層の数は小さくなる。

《Ｎｏ．１０〜１８の表面被覆切削工具の製造》
Ｎｏ．１と同様の基材を用い、該基材の表面に対し、超多層構造層に代えて、表２に示す層を形成した以外は、Ｎｏ．１と同様の方法によりＮｏ．１０〜１８の表面被覆切削工具を製造した。

具体的には、Ｎｏ．１０〜１４においては、ターゲットＡおよびターゲットＢの組成を同一にし、ターゲットＡおよびターゲットＢに対し、同一の大きさのアーク電流（１５０Ａ）を連続して供給した。一方、Ｎｏ．１５〜１８においては、Ａ層を構成する金属元素の組成を有するターゲットＡと、Ｂ層を構成する金属元素の組成を有するターゲットＢとを用い、ターゲットＡおよびターゲットＢに対し、同一のアーク電流（１５０Ａ）を連続して供給した。

《試験１》
Ｎｏ．１〜１８の表面被覆切削工具を用い、以下の条件で穴あけ試験を行った。穴の数が１００個増える毎に、最後に開けられた穴の寸法精度を確認し、寸法精度が規定の範囲を外れていた場合、表面被覆切削工具が寿命に達したと判断し、試験を中止した。表３に各表面被覆切削工具が作製可能であった穴の数を示す。数が多いほどより多くの穴を規定の寸法精度で作製でき、もって工具寿命に優れることとなる。なお規定の範囲とは、８．０００〜８．０３６ｍｍである。

被加工材：Ｓ５０Ｃ（ＨＢ２００）
切削速度：７０ｍ／ｍｉｎ．
送り量：０．２５ｍｍ／ｒｅｖ．
穴深さ：２４ｍｍの止まり穴加工
切削油：有り（外部給油）。

《試験２》
Ｎｏ．１〜１８の表面被覆切削工具を用い、以下の条件で穴あけ試験を行った。穴の数が１００個増える毎に、最後に開けられた穴の寸法精度を確認し、寸法精度が規定の範囲を外れていた場合、表面被覆切削工具が寿命に達したと判断し、試験を中止した。表３に各表面被覆切削工具が作製可能であった穴の数を示す。数が多いほどより多くの穴を規定の寸法精度で作製でき、もって工具寿命に優れることとなる。なお規定の範囲とは、８．０００〜８．０３６ｍｍである。

被加工材：ＳＣＭ４１５（ＨＢ１２０）
切削速度：６０ｍ／ｍｉｎ．
送り量：０．１８ｍｍ／ｒｅｖ．
穴深さ：１８ｍｍの止まり穴加工
切削油：有り（外部給油）。

《特性評価》
表３に示されるように、Ｎｏ．１〜９の表面被覆切削工具は、Ｎｏ．１０〜１８の表面被覆切削工具と比して、優れた工具寿命を有することが確認された。なかでもＮｏ．７〜９は、特に優れた工具寿命を示した。これは、Ａ層が高い耐酸化性を示すＡｌＣｒＮ層であり、Ｂ層が高い硬度を示すＡｌＴｉＳｉＮ層であることが関係していると考えられた。

〈検討２：Ｎｏ．１９〜５０〉
《Ｎｏ．１９の表面被覆切削工具の製造》
超多層構造層の成膜条件を以下のように変更することにより、超多層構造層の構成を表４に示すように変更した以外は、Ｎｏ．１と同様の方法によりＮｏ．１９〜５０の表面被覆切削工具を製造した。

ターゲットＡ：Ａｌ（７０原子％）、Ｃｒ（３０原子％）
ターゲットＢ：Ａｌ（５８原子％）、Ｔｉ（３８原子％）、Ｓｉ（４原子％）
導入ガス：Ｎ₂
成膜圧力：６．０Ｐａ
ターゲットＡへの電流供給：２０Ａ／ｍｉｎの速度で１００Ａから２００Ａまで増加させた後、同速度で１００Ａまで減少させる工程（Ａ_X工程）と、２０Ａ／ｍｉｎの速度で２００Ａから１００Ａまで減少させた後、同速度で２００Ａまで増加させる工程（Ａ_Y工程）とを繰り返す。

ターゲットＢへの電流供給：１２Ａ／ｍｉｎの速度で１８０Ａから１２０Ａまで減少させた後、同速度で１８０Ａまで増加させる工程（Ｂ_X工程）と、１２Ａ／ｍｉｎの速度で１２０Ａから１８０Ａまで増加させた後、同速度で１２０Ａまで減少させる工程（Ｂ_Y工程）とを繰り返す。

基板バイアス電圧：３０Ｖ
テーブル回転数：２ｒｐｍ
処理時間：８０分。

Ｎｏ．１９の超多層構造層の製造条件に関し、Ｎｏ．１の超多層構造層の製造条件と大きく異なる点は、ターゲットＡおよびターゲットＢに供給される各アーク電流が、連続的な増加と連続的な減少とを繰り返す点にある。したがって、Ｎｏ．１９の超多層構造層においては、Ａ層の厚さおよびＢ層の厚さは、基材側から表面側に向けて連続的に増減しており、かつ、Ａ層の厚さが連続的に増加する領域ではＢ層の厚さが連続的に減少しており、Ａ層の厚さが連続的に減少する領域ではＢ層の厚さが連続的に増加していることとなる。

なお、Ｎｏ．１９の超多層構造層においては、厚さＡ_X、厚さＡ_Y、厚さＢ_X、および厚さＢ_Yはそれぞれ複数の厚さを有するが、表４においては、厚さＡ_Xの最大値（すなわちグラフＡの極大点となる値）、厚さＡ_Yの最小値（すなわちグラフＡの極小点となる値）、厚さＢ_Xの最小値（すなわちグラフＢの極小点となる値）、および厚さＢ_Yの最大値（すなわちグラフＢの極大点となる値）のみを示す。

《Ｎｏ．２０〜５０の表面被覆切削工具の製造》
超多層構造層の成膜条件を変更することにより、超多層構造層の構成を表４および表５に示すように変更した以外は、Ｎｏ．９と同様の方法によりＮｏ．２０〜５０の表面被覆切削工具を製造した。

具体的には、Ｘ領域を構成するＡ層の厚さＡ_Xの最大値、Ｙ領域を構成するＡ層の厚さＡ_Yの最小値、Ｘ領域を構成するＢ層の厚さＢ_Xの最大値、およびＹ領域を構成するＢ層の厚さＢ_Yの最小値は、それぞれＡ_X工程、Ａ_Y工程、Ｂ_X工程およびＢ_Y工程における各アーク電流の大きさの最大値と最小値との増減により調製された。

また、Ｘ領域を構成するＡ層の数、Ｙ領域を構成するＡ層の数、Ｘ領域を構成するＢ層の数、およびＹ領域を構成するＢ層の数は、それぞれＡ_X工程、Ａ_Y工程、Ｂ_X工程およびＢ_Y工程の各時間の増減により調製された。

《試験１および試験２》
検討１と同様の方法により、試験１および試験２を実施した。その結果を表６に示す。

《特性評価》
表４および表６を参照し、Ｎｏ．１９〜３５の結果から、ＸＹ領域の厚さが３０〜３００ｎｍである場合に、特に工具寿命に優れることが確認された。また、Ｎｏ．１９〜２５よりもＮｏ．２６〜３５のほうが、工具寿命に優れていた。このことから、ＸＹ領域に含まれるＡ層およびＢ層の各層数は、４〜１０が好ましいこと、Ａ層およびＢ層の各厚さは、３０ｎｍ以下が好ましく、２０ｎｍ以下がより好ましいことが確認された。

表５および表６を参照し、Ｎｏ．３６〜４４の結果から、超多層構造層の厚さが１〜２０μｍの場合に、工具寿命に優れることが確認された。またＮｏ．１９〜４４においては、Ａ層はＡｌとＣｒとＮとを含む化合物層であり、Ｂ層はＡｌとＴｉとＳｉとＮとを含む化合物層である。この場合に、特に工具寿命に優れることは上述したが、Ｎｏ．４５〜５０の結果から、これ以外の組成からなるＡ層およびＢ層を備える超多層構造層であっても、十分に工具寿命に優れることが確認された。

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基材、２被膜、１０表面被覆切削工具、２０チャンバ、２１ガス導入口、２２ガス排出口、２３回転テーブル、２４基材ホルダ、２５ａ，２５ｂターゲット、２６ａ，２６ｂアーク式蒸発源、１００成膜装置。

Claims

基材と、前記基材の表面を被覆する被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
前記被膜は、Ａ層と、前記Ａ層と組成の異なるＢ層とが基材側から表面側に向かって交互に積層された超多層構造層を含み、
前記超多層構造層は、厚さＡ_Xを有するＡ層および厚さＢ_Xを有するＢ層が交互に積層されるＸ領域と、厚さＡ_Yを有するＡ層および厚さＢ_Yを有するＢ層が交互に積層されるＹ領域とが、前記基材側から前記表面側に向かって交互に繰り返される構成を有し、
前記Ａ層の厚さＡ_Xは前記Ａ層の厚さＡ_Yよりも大きく、
前記Ｂ層の厚さＢ_Xは前記Ｂ層の厚さＢ_Yよりも小さく、
前記Ａ層および前記Ｂ層は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｔａ、ＮｂおよびＷからなる群より選ばれる１種以上の元素と、ＣおよびＮからなる群より選ばれる１種以上の元素とからなる組成を有する、表面被覆切削工具。
前記超多層構造層を構成する各層について、厚さを縦軸とし、前記基材からの距離を横軸とした座標系において、
前記超多層構造層に含まれる前記Ａ層をプロットし、各プロットを直線で結んで得られるグラフＡは、山領域と谷領域とが交互に繰り返される波形状を示し、
前記超多層構造層に含まれる前記Ｂ層をプロットし、各プロットを直線で結んで得られるグラフＢは、山領域と谷領域とが交互に繰り返される波形状を示し、
前記グラフＡにおいて、
前記山領域を構成する前記Ａ層は、前記Ｘ領域を構成する前記Ａ層であり、
前記谷領域を構成する前記Ａ層は、前記Ｙ領域を構成する前記Ａ層であり、
前記グラフＢにおいて、
前記山領域を構成する前記Ｂ層は、前記Ｙ領域を構成する前記Ｂ層であり、
前記谷領域を構成する前記Ｂ層は、前記Ｘ領域を構成する前記Ｂ層である、請求項１に記載の表面被覆切削工具。
前記Ｘ領域と、前記Ｘ領域に隣接する１つの前記Ｙ領域とからなるＸＹ領域の厚さは、３００ｎｍ以下である、請求項１または請求項２に記載の表面被覆切削工具。
前記Ｘ領域と、前記Ｘ領域に隣接する１つの前記Ｙ領域とからなるＸＹ領域は、４層以上１０層以下の前記Ａ層と、４層以上１０層以下の前記Ｂ層とを含む、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の表面被覆切削工具。
前記Ａ層および前記Ｂ層は、それぞれ０．５ｎｍ以上３０ｎｍ以下の厚さを有する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の表面被覆切削工具。
前記超多層構造層は、１μｍ以上２０μｍ以下の厚さを有する、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の表面被覆切削工具。
前記Ａ層はＡｌとＣｒとＮとを含む化合物層であり、
前記Ｂ層はＡｌとＴｉとＳｉとＮとを含む化合物層である、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の表面被覆切削工具。