JPWO2020075355A1 - 切削工具及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

基材と、上記基材上に形成されている被膜とを含む切削工具であって、上記被膜は、上記基材上に形成されている第１層と上記第１層上に形成されている第２層とを含み、上第１層は、チタンを構成元素として含むホウ化物からなり、上記第２層は、ジルコニウムを構成元素として含む窒化物からなる、切削工具。

Description

本開示は、切削工具及びその製造方法に関する。本出願は、２０１８年１０月１０日に出願した日本特許出願である特願２０１８−１９１７３６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。

近年の切削工具における技術の動向として、以下の点が挙げられる。（１）地球環境保全の観点から切削油剤を用いないドライ加工が求められていること、（２）加工能率を向上させるために切削速度がより高速になってきていること、（３）被削材が多様化していること、（４）航空・宇宙（ロケット、エンジン）、化学プラント（電極、反応槽、熱交換器）、自動車・オートバイ（エンジン部品、超電動モーター、スプリング、マフラー）、医療（インプラント）等の技術分野で、耐熱合金及び軽量化素材として用いられているチタン合金等の切削が増えていること。このような状況下、切削工程における表面被覆切削工具の刃先温度（刃先の温度）が高温になる傾向にある。刃先温度が高温になると、表面被覆切削工具と被削材とが反応する等して表面被覆切削工具の寿命が短くなる傾向がある。したがって、このような過酷な切削条件下においても、優れた工具寿命を示すことのできる表面被覆切削工具が求められている。

例えば、特開２００３−０３４８５９号公報（特許文献１）には、高速・高能率切削における切削工具の耐摩耗性を向上することを目的として、（Ａｌ_ｂ，［Ｃｒ_１−αＶ_α］_ｃ）（Ｃ_１−ｄＮ_ｄ）の組成（ただし、０．５≦ｂ≦０．８、０．２≦ｃ≦０．５、ｂ＋ｃ＝１、０．０５≦α≦０．９５、０．５≦ｄ≦１）からなる切削工具用硬質皮膜が開示されている。さらに、特許文献１には（Ｍ_ａ，Ａｌ_ｂ，［Ｃｒ_１−αＶ_α］_ｃ）（Ｃ_１−ｄＮ_ｄ）の組成（ただし、ＭはＴｉ、Ｎｂ、Ｗ、ＴａおよびＭｏよりなる群から選択された少なくとも１種であり、０．０２≦ａ≦０．３、０．５≦ｂ≦０．８、０．０５≦ｃ、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０．５≦ｄ≦１、０≦α≦１）からなる切削工具用硬質皮膜も開示されている。

また、国際公開２００６／０７０７３０号（特許文献２）には、ドライ加工を高加工能率で行うことを目的として、ＡｌとＣｒとを含む窒化物からなるＡ層と、ＴｉとＡｌとを含む窒化物からなるＢ層とが交互に積層された交互層を含む被覆層を含む表面被覆切削工具が開示されている。

特開２００３−０３４８５９号公報 国際公開２００６／０７０７３０号

本開示の一態様に係る切削工具は、
基材と、上記基材上に形成されている被膜とを含む切削工具であって、
上記被膜は、上記基材上に形成されている第１層と上記第１層上に形成されている第２層とを含み、
上記第１層は、チタンを構成元素として含むホウ化物からなり、
上記第２層は、ジルコニウムを構成元素として含む窒化物からなる。

本開示の他の一態様に係る切削工具の製造方法は、
上記切削工具の製造方法であって、
上記基材を準備する工程と、
物理的蒸着法を用いて、上記基材上に上記第１層を形成する工程と、
物理的蒸着法を用いて、上記第１層上に上記第２層を形成する工程と、
を含む。

図１は、本開示の一実施の形態に係る切削工具の模式的な拡大断面図である。 図２は、本開示の他の実施の形態に係る切削工具の模式的な拡大断面図である。 図３は、本開示の別の他の実施の形態に係る切削工具の模式的な拡大断面図である。 図４は、本開示の別の他の実施の形態に係る切削工具の模式的な拡大断面図である。 図５は、実施例で用いられたマグネトロンスパッタリング装置の模式的な断面図である。 図６は、図５に示されるマグネトロンスパッタリング装置の模式的な平面図である。

[本開示が解決しようとする課題]
航空機のエンジン等に用いられるインコネル（登録商標）等に代表される耐熱合金の多くは、Ｃｒを含有する。硬質被膜にＣｒを含有する切削工具を用いてＣｒを含有する耐熱合金を切削した場合、被覆層中のＣｒと被削材中のＣｒとが相互拡散して、被覆層の損傷が加速される場合がある。

また、医療産業及び航空機産業等で多く使用されているチタン合金は、難削材と呼ばれ以下の特徴を有している。（１）高温強度が高いことから切削温度が高くなること、（２）熱伝導率が低いために刃先に熱が蓄積し、更に化学的に活性であるため凝着摩耗が進行しやすいこと。このようなチタン合金を切削加工する場合、切削加工に伴う発熱によって上記切削工具の寿命が低下したり、切削加工中にびびり振動が発生し加工精度が低下したりする場合があった。

そこで本開示は、チタンを含む被削材の加工において、長寿命を達成することができる切削工具及びその製造方法を提供することを目的とする。
[本開示の効果]
上記態様によれば、チタンを含む被削材の加工において、長寿命を達成することができる切削工具及びその製造方法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）本開示の一態様に係る切削工具は、
基材と、上記基材上に形成されている被膜とを含む切削工具であって、
上記被膜は、上記基材上に形成されている第１層と上記第１層上に形成されている第２層とを含み、
上記第１層は、チタンを構成元素として含むホウ化物からなり、
上記第２層は、ジルコニウムを構成元素として含む窒化物からなる。

このような構成を備えることによって、上記切削工具は、チタンを含む被削材の加工において、長寿命を達成することができる。

（２）上記第１層の厚さは、０．５μｍ以上１０μｍ以下である。これによると、上記切削工具は、チタンを含む被削材の加工において、さらなる長寿命を達成することができる。

（３）上記第２層の厚さは、０．５μｍ以上１０μｍ以下である。これによると、上記切削工具は、チタンを含む被削材の加工において、さらなる長寿命を達成することができる。

（４）上記ホウ化物は、ＴｉＢ_２を含む。これによると、膜硬度が高く、さらに熱伝導率が高いことで切削工具全体としての熱浸透性が更に向上するので切削熱を基材（切削工具が切削チップである場合には当該切削チップを固定するホルダ）へ逃がすことができ、特に、連続切削時の切削工具の耐摩耗性が向上する。

（５）上記窒化物は、ＺｒＮを含む。これによると、被削材との凝着が低減され、特に、連続切削時の切削工具の耐摩耗性が向上する。

（６）上記ホウ化物は、ケイ素を構成元素として更に含み、
上記ホウ化物を構成する金属原子の総数を１としたとき、上記ケイ素の原子数比は０を超えて０．２以下である。これによると、被膜は高い硬度を有することができる。

（７）上記窒化物は、ケイ素を構成元素として更に含み、
上記窒化物を構成する金属原子の総数を１としたとき、上記ケイ素の原子数比は０を超えて０．２以下である。これによると、被膜は高い硬度を有することができる。
（８）上記ホウ化物は、バナジウムを構成元素として更に含み、
上記ホウ化物を構成する金属原子の総数を１としたとき、上記バナジウムの原子数比は０を超えて０．２以下である。上記ホウ化物にバナジウムが含まれると低融点酸化物が生成され潤滑性が向上するため、上記ホウ化物の摩擦摩耗特性が向上する。
（９）上記窒化物は、バナジウムを構成元素として更に含み、
上記窒化物を構成する金属原子の総数を１としたとき、上記バナジウムの原子数比は０を超えて０．２以下である。これによると、被膜は表面に高い潤滑性を有することができる。

（１０）上記被膜は、上記第２層上に形成されている表面層を更に含み、
上記表面層は、ジルコニウムを構成元素として含む炭窒化物からなる。これによると、切削工具は、耐凝着性能が向上し、より長寿命を達成することができる。

（１１）上記被膜は、上記基材と上記第１層との間に形成されている下地層を更に含み、
上記下地層は、チタン及びクロムからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素を構成元素として含む金属又は化合物からなる。これによると、密着性に優れる切削工具となる。

（１２）本開示の一態様に係る切削工具の製造方法は、上記（１）〜（１１）のいずれかに記載の切削工具の製造方法であって、
上記基材を準備する工程と、
物理的蒸着法を用いて、上記基材上に上記第１層を形成する工程と、
物理的蒸着法を用いて、上記第１層上に上記第２層を形成する工程と、
を含む。

物理的蒸着法を用いて形成された被膜は、結晶性が高く、優れた耐摩耗性を有することができる。従って、得られた切削工具は、長寿命を達成することができる。

［本開示の実施形態の詳細］
以下、本開示の一実施形態（以下「本実施形態」と記す。）について説明する。ただし、本実施形態はこれに限定されるものではない。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、同一部分又は相当部分を表わす。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。

さらに、本明細書において、例えば「ＺｒＮ」等のように、構成元素の組成比が限定されていない化学式によって化合物が表された場合には、その化学式は従来公知のあらゆる組成比（元素比）を含むものとする。このとき上記化学式は、化学量論組成のみならず、非化学量論組成も含むものとする。例えば「ＺｒＮ」の化学式には、化学量論組成「Ｚｒ_１Ｎ_１」のみならず、例えば「Ｚｒ_１Ｎ_０．８」のような非化学量論組成も含まれる。このことは、「ＺｒＮ」以外の化合物の記載についても同様である。

≪表面被覆切削工具≫
本実施形態に係る表面被覆切削工具（以下、単に「切削工具」という場合がある。）は、
基材と、上記基材上に形成されている被膜とを含む切削工具であって、
上記被膜は、上記基材上に形成されている第１層と上記第１層上に形成されている第２層とを含み、
上記第１層は、チタンを構成元素として含むホウ化物からなり、
上記第２層は、ジルコニウムを構成元素として含む窒化物からなる。

このような構成を備えることによって、上記切削工具は、チタンを含む被削材の加工において、長寿命を達成することができる。ここで、「チタンを含む被削材」とは、金属チタンからなる被削材、又はチタンを構成元素として含む合金からなる被削材のことを意味する。チタンを含む合金としては、例えば、Ｔｉ６ＡＬ−４Ｖ合金等が挙げられる。

本実施形態に係る切削工具は、チタンを構成元素として含むホウ化物からなる第１層と、ジルコニウムを構成元素として含む窒化物からなる第２層とを被膜に含む。上記第１層は高い熱伝導率を有するため、切削工具全体としての熱浸透性が向上し、切削加工時に発生する切削熱を基材へ逃がすことができる。そのため、特に、連続切削時の切削工具の耐摩耗性が向上し、長寿命化する。

従来、切削工具の基材上に被膜を形成するときは、基材よりも被膜の方が高硬度であるので、上記被膜を構成する層のうち、上記基材の硬度に近い層から順に積層し、表面側に硬度が高い層を形成していた。

しかし、本発明者らは、「チタンを構成元素として含むホウ化物」の高い熱伝導率に着目し、被膜に蓄積される切削熱を速く基材側へ逃がすために、当該ホウ化物を第１層として基材上に形成し、当該ホウ化物よりも硬度が低い「ジルコニウムを構成元素として含む窒化物」を上記第１層上に形成するという構成を初めて見出した。

また、上記第１層は圧縮残留応力が高く、硬度が高く、靱性が低い傾向がある。上記第２層は、上記第１層に比べて低応力で低硬度且つ高靱性である傾向がある。このように上記第１層と上記第２層とは備える特性が異なるため、第１層の靱性が低いという特性は高い靱性を有する第２層によって補完され、又、第２層の圧縮残留応力が小さいという特性は大きな圧縮残留応力を有する第１層によって補完される。したがって、被膜全体としては、靱性、硬度及び圧縮残留応力がバランス良く向上し、チタンを含む被削材の加工において切削工具の寿命が長くなると考えられる。なお、当該切削工具は、チタンを含む被削材の加工に適した切削工具ではあるが鉄、鋼、鋳鉄、ステンレス鋼等、従来から知られている他の材料の加工に用いることもできる。

上記切削工具について、図１を用いて説明する。図１は、本開示の一実施の形態に係る切削工具の模式的な拡大断面図である。

図１に示されるように、本開示の一実施の形態に係る切削工具１は、基材２と、上記基材２上に形成されている被膜３とを含む。被膜３は、基材２の全面を被覆することが好ましいが、基材２の一部が被膜３で被覆されていなかったり、被膜３の構成が部分的に異なっていたとしても本実施形態の範囲を逸脱するものではない。

本実施形態の切削工具は、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、タップ等の切削工具として好適に使用することができる。

＜基材＞
本実施形態の切削工具１に用いられる基材２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。例えば、超硬合金（例えば炭化タングステン（ＷＣ）基超硬合金、ＷＣの他にＣｏを含む超硬合金、ＷＣの他にＴｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物を添加した超硬合金等）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を主成分とするもの）、高速度鋼、セラミックス（炭化チタン、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム等）、立方晶型窒化硼素焼結体（ｃＢＮ焼結体）及びダイヤモンド焼結体からなる群より選ばれる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、特にＷＣ基超硬合金、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とのバランスに優れるため、切削工具の基材として用いた場合に、該切削工具の長寿命化に寄与することができる。

＜被膜＞
本実施形態の切削工具１に含まれる被膜３は、基材２上に形成されている第１層３１と上記第１層３１上に形成されている第２層３２とを含む（図１）。被膜３は、上記第１層３１及び上記第２層３２に加えて、他の層を含むことができる。当該他の層としては、例えば、上記第２層３２上に形成されている表面層３３（図２）、上記基材２と上記第１層３１との間に形成されている下地層３４（図３）、上記第１層３１と上記第２層３２との間に形成されている中間層３５（図４）等を挙げることができる。上記表面層３３、上記下地層３４及び上記中間層３５については後述する。

被膜３は、基材２を被覆することにより、切削工具の耐摩耗性及び耐欠損性等の諸特性を向上させ、切削工具の長寿命化をもたらす作用を有する。

上記被膜は、全体の厚さが１μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。被膜の全体の厚さが１μｍ未満であると、被膜の厚さが薄すぎて、所望の効果が達成されない場合がある。一方、被膜の全体の厚さが１５μｍを超えると、切削初期において被膜がチッピングしやすくなり、切削工具の寿命が短くなる傾向にある。被膜の全体の厚さは、被膜の断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて観察することにより測定することができる。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箇所の厚さを測定し、それらの平均値を「厚さ」とする。後述の各層の厚さについても、特に記載のない限り同様である。

被膜の圧縮残留応力は、その絶対値が６ＧＰａ以下であることが好ましい。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）で表される残留応力をいう。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す。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、被膜の残留応力が−６ＧＰａ以上０ＧＰａ未満であることを意味する。

被膜の残留応力が０ＧＰａを超えると引張残留応力となるため、被膜の最表面から発生したクラックの進展を抑制しづらくなる傾向にある。一方、圧縮残留応力の絶対値が６ＧＰａを超えると、圧縮残留応力が大きすぎて、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傾向がある。

圧縮残留応力は、Ｘ線残留応力装置を用いて２θ−ｓｉｎ^２ψ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。

被膜の硬度は、２９ＧＰａ以上６０ＧＰａ以下であることが好ましく、４０ＧＰａ以上６０ＧＰａ以下であることがより好ましい。これによると、被膜は十分な硬度を有する。なお、被膜全体の硬度の測定は、ナノインデンター（例えば、ＭＴＳ社製Ｎａｎｏ Ｉｎｄｅｎｔｅｒ ＸＰ）を用いた方法により測定することができる。具体的には、被膜の表面において３箇所の硬度を測定し、それらの平均値を「硬度」とする。

（第１層）
上記第１層は、上記基材上に形成されている。ここで、上記第１層は、上記基材の表面に直接接して形成されていてもよいし、後述する下地層を介して基材上に形成されていてもよい。上記第１層は、Ｔｉ（チタン）を構成元素として含むホウ化物からなる。これによると、上記第１層は膜硬度が高く、さらに熱伝導率が高い。そのため、切削工具全体としての熱浸透性が向上し、切削熱を基材へ逃がすことができる。特に、加工時に刃先温度が高くなる難削材の加工において、切削工具の耐摩耗性が向上し、長寿命を達成することができる。

上記ホウ化物としては、例えば、ＴｉＢ_２、ＴｉＢ、ＴｉＳｉＢ_２、ＴｉＶＢ_２等が挙げられる。上記ホウ化物は、ＴｉＢ_２を含むことが好ましい。上記ホウ化物は、１種類を単独で用いてもよく、複数種類を組み合わせて用いてもよい。

上記第１層の組成、及び、上記第１層における金属原子の総数に対する各原子（Ｔｉ、Ｂ、並びに、後述するＳｉ及びＶ）の原子数比は、Ｘ線光電子分光分析装置（ＸＰＳ）を用いて測定することができる。具体的には、試料表面にＸ線を照射し、試料表面から放出される光電子の運動エネルギーを計測することで、試料表面を構成する元素の組成、化学結合状態を分析する。後述する第２層、下地層、表面層及び中間層を含む各層の組成、及び、各層における金属原子の総数に対する各原子（Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｖ）の原子数比についても同様に、Ｘ線光電子分光分析装置（ＸＰＳ）を用いて測定することができる。

本明細書中、「金属原子」とは、水素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、アスタチン、酸素、硫黄、セレン、テルル、窒素、リン、ヒ素、アンチモン、炭素及びホウ素以外の元素の原子のことをいう。

上記ホウ化物は、六方晶型であることが好ましい。上記ホウ化物が六方晶型で（００１）配向していると、結晶のｃ軸が基材の主面に対して垂直となり、高強度化して耐摩耗性が向上する傾向にある。上記第１層中の結晶構造は、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。

上記ホウ化物は、Ｓｉ（ケイ素）を構成元素として含むことができる。すなわち、上記ホウ化物は、ケイ素を構成元素として更に含み、上記ホウ化物を構成する金属原子の総数を１としたとき、上記ケイ素の原子数比は０を超えて０．２以下であることが好ましい。当該ホウ化物としては、例えば、Ｔｉ_１−ｙＳｉ_ｙＢ_２（ただし、ｙは、０を超えて０．２以下である。）が挙げられる。メカニズムは明らかでないが、上記ホウ化物がケイ素を構成元素として更に含むと、上記第１層の組織が微細化し硬度がさらに高くなり、被膜全体の硬度が高くなるとともに、耐酸化性が向上する。

上記ケイ素の原子数比が０．２を超えると、上記第１層が脆くなり、摩耗が促進する傾向にある。また、上記ホウ化物の金属原料となる合金製ターゲットを熱間静水圧処理で作製する場合、合金製ターゲットが焼成中に割れてしまい、上記第１層の形成に使用可能な材料強度を得ることが難しくなる傾向にある。

第１層の硬度を高くするとともに、上記の合金製ターゲットの強度を向上する観点からは、上記ホウ化物を構成する金属原子の総数を１としたときのケイ素の原子数比は０．０１以上０．１５以下であることがより好ましく、０．０５以上０．１５以下であることが更に好ましい。

上記ホウ化物は、Ｖ（バナジウム）を構成元素として含むことができる。すなわち、上記ホウ化物は、バナジウムを構成元素として更に含み、上記ホウ化物を構成する金属原子の総数を１としたとき、上記バナジウムの原子数比は０を超えて０．２以下であることが好ましい。当該ホウ化物としては、例えば、Ｔｉ_１−ｚＶ_ｚＢ_２（ただし、ｚは、０を超えて０．２以下である。）が挙げられる。この場合、切削時における高温環境において第１層の表面が酸化したとしても、バナジウム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。

バナジウムの原子数比が０．２を超えると、上記第１層の硬度が低下する傾向にある。上記第１層の硬度を高くするという観点からは、上記ホウ化物を構成する金属原子の総数を１としたときの上記バナジウムの原子数比は０を超えて０．１５以下であることがより好ましく、０．０５以上０．１５以下であることが更に好ましい。

第１層は、Ｔｉ、Ｂ、Ｓｉ及びＶ以外の不可避不純物を含むことができる。すなわち、「第１層は、チタンを構成元素として含むホウ化物からなる」とは、第１層がチタンを構成元素として含むホウ化物のみからなる場合だけでなく、本開示の効果を奏する限りにおいて第１層がチタンを構成元素として含むホウ化物およびこれに不可避不純物が混入している場合をも含む概念である。不可避的不純物としては、例えば、酸素及び炭素等が挙げられる。上記第１層における不可避不純物全体の含有割合は、０原子％を超えて１原子％未満であることが好ましい。なお、本明細書中、「原子％」とは、上記第１層を構成する原子の総原子数に対する原子数の割合（％）のことを意味する。上記第１層を構成する原子の総原子数に対する原子数の割合（％）は、上述のＸＰＳ分析を用いて測定することができる。

上記第１層の厚さは、０．５μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましく、０．５μｍ以上４μｍ以下であることがより好ましい。第１層の厚さは、被膜の断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて観察することにより測定することができる。

（第２層）
上記第２層は、上記第１層上に形成されている。ここで、上記第２層は、上記第１層の表面に直接接して形成されていてもよいし、後述する中間層を介して第１層上に形成されていてもよい。上記第２層は、Ｚｒ（ジルコニウム）を構成元素として含む窒化物からなる。ジルコニウムを構成元素として含むため第２層は、耐摩耗性と耐酸化性と靭性とのバランスに優れる。また、第２層中にＣｒ（クロム）及びＴｉを含まない場合、被削材の元素が拡散することで被膜の損傷が進むことがない。よって、第２層を含む切削工具は、長寿命を達成することができる。

上記窒化物としては、例えば、ＺｒＮ、ＺｒＳｉＮ、ＺｒＶＮ等が挙げられる。上記窒化物は、ＺｒＮを含むことが好ましい。上記窒化物は、１種類を単独で用いてもよく、複数種類を組み合わせて用いてもよい。

上記窒化物は、立方晶型であることが好ましい。上記窒化物の結晶構造が立方晶型で結晶の稠密面である（１１１）配向していると、高強度化して耐摩耗性が向上する。なお、上記第２層中の結晶構造は、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。

上記窒化物は、Ｓｉ（ケイ素）を構成元素として含むことができる。すなわち、上記窒化物は、ケイ素を構成元素として更に含み、上記窒化物を構成する金属原子の総数を１としたとき、上記ケイ素の原子数比は０を超えて０．２以下であることが好ましい。当該窒化物としては、例えば、Ｚｒ_１−ｖＳｉ_ｖＮ（ただし、ｖは、０を超えて０．２以下である。）が挙げられる。メカニズムは明らかでないが、上記窒化物がケイ素を構成元素として更に含むと、上記第２層の組織が微細化し硬度がさらに高くなり、被膜全体の硬度が高くなるとともに、耐酸化性が向上する。

ケイ素の原子数比が０．２を超えると、上記第２層が脆くなり、摩耗が促進する傾向にある。また、上記窒化物の金属原料となる合金製ターゲットを熱間静水圧処理で作製する場合、合金製ターゲットが焼成中に割れてしまい、上記第２層の形成に使用可能な材料強度を得ることが難しくなる傾向にある。

上記第２層の硬度を高くするとともに、上記の合金製ターゲットの強度を向上する観点からは、上記窒化物を構成する金属原子の総数を１としたときのケイ素の原子数比は０．０１以上０．１５以下であることがより好ましく、０．０５以上０．１５以下であることが更に好ましい。

上記窒化物は、Ｖ（バナジウム）を構成元素として含むことができる。すなわち、上記窒化物は、バナジウムを構成元素として更に含み、上記窒化物を構成する金属原子の総数を１としたとき、上記バナジウムの原子数比は０を超えて０．２以下であることが好ましい。当該窒化物としては、例えば、Ｚｒ_１−ｗＶ_ｗＮ（ただし、ｗは、０を超えて０．２以下である。）が挙げられる。この場合、切削時における高温環境において第２層の表面が酸化したとしても、バナジウム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。

バナジウムの原子数比が０．２を超えると、上記第２層の硬度が低下する傾向にある。被削材の凝着を抑制するともに、上記第２層の硬度を高くするという観点からは、上記窒化物を構成する金属原子の総数を１としたときの上記バナジウムの原子数比は０を超えて０．１５以下であることがより好ましく、０．０５以上０．１５以下であることが更に好ましい。

第２層は、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｖ及びＮ以外の不可避不純物を含むことができる。すなわち、「第２層は、ジルコニウムを構成元素として含む窒化物からなる」とは、第２層がジルコニウムを構成元素として含む窒化物のみからなる場合だけでなく、本開示の効果を奏する限りにおいて第２層がジルコニウムを構成元素として含む窒化物およびこれに不可避不純物が混入している場合をも含む概念である。不可避的不純物としては、例えば、酸素及び炭素等が挙げられる。上記第２層における不可避不純物全体の含有割合は、０原子％を超えて１原子％未満であることが好ましい。上記第２層を構成する原子の総原子数に対する原子数の割合（％）は、上述のＸＰＳ分析を用いて測定することができる。

上記第２層の厚さは、０．５μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましく、０．５μｍ以上４μｍ以下であることがより好ましい。第２層の厚さは、被膜の断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて観察することにより測定することができる。

また、上記第１層及び上記第２層の合計の厚さは、１μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましく、１μｍ以上１５μｍ以下であることがより好ましく、２μｍ以上７μｍ以下であることが更に好ましい。厚さが１μｍ未満では、連続加工において十分に耐摩耗性を発揮できない傾向があり、２０μｍを超えると、断続切削において耐チッピング性が安定しない傾向がある。

（他の層）
本実施形態の切削工具１に含まれる被膜３は、上記第１層３１及び上記第２層３２に加えて、他の層を含むことができる。他の層としては、例えば、上記第２層３２上に形成されている表面層３３（図２）、上記基材２と上記第１層３１との間に形成されている下地層３４（図３）、上記第１層３１と上記第２層３２との間に形成されている中間層３５（図４）等を挙げることができる。

（表面層）
本実施形態に係る表面層３３は、上記第２層３２上に形成されている（図２）。上記表面層３３は単層であってもよいし、多層であってもよい。上記表面層３３は、ジルコニウムを構成元素として含む炭窒化物からなることが好ましい。上記炭窒化物としては、例えば、ＺｒＣＮ、ＺｒＳｉＣＮ、ＺｒＶＣＮ等が挙げられる。上記炭窒化物は、１種類を単独で用いてもよく、複数種類を組み合わせて用いてもよい。

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。被膜が表面層を含むと、被削材に対する被膜の摩擦係数が低下して、切削工具が長寿命化する。

上記表面層において、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及び識別性を付与でき、産業上有用となる。

上記炭窒化物は、ケイ素を構成元素として更に含むことが好ましい。上記炭窒化物を構成する金属原子の総数を１としたときのケイ素の原子数の比は、０を超えて０．２以下であることが好ましく、０．０５以上０．１５以下であることがより好ましい。これによると、表面層の硬度が高くなるとともに、耐酸化性が向上する。

上記炭窒化物は、バナジウムを構成元素として更に含むことが好ましい。上記炭窒化物を構成する金属原子の総数を１としたときのバナジウムの原子数の比は、０を超えて０．２以下であることが好ましく、０を超えて０．１５以下であることがより好ましい。これによると、表面層の耐凝着性が向上する。

上記炭窒化物は、Ｂ（ホウ素）を構成元素として更に含むことが好ましい。上記炭窒化物を構成する非金属原子（すなわち、Ｃ、Ｎ及びＢ）の総数を１としたときのホウ素の原子数の比は、０を超えて０．５以下であることが好ましく、０を超えて０．２以下であることがより好ましい。これによると、被膜硬度が向上する。

上記表面層の厚さは、０．１μｍ以上であることが好ましい。上記表面層の厚さが０．１μｍ未満であると、表面層による潤滑性の付与効果が得られにくい傾向がある。一方、上記表面層の厚さの上限値は特に限定されないが、２μｍを超えても、上述の潤滑性の付与効果がそれ以上変わらない傾向がある。よって、コスト面を考慮すると、上記表面層の厚さは、２μｍ以下であることが好ましい。表面層の厚さは、被膜の断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて観察することにより測定することができる。

（下地層）
本実施形態に係る下地層３４は、上記基材２と上記第１層３１との間に形成されている（図３）。上記下地層３４は、単層であってもよいし、多層であってもよい。上記下地層３４は、Ｔｉ（チタン）及びＣｒ（クロム）からなる群より選ばれる少なくとも１つの元素を構成元素として含む金属又は化合物からなることが好ましい。上記下地層を設けることによって、上記基材１と上記第１層３１との密着力が向上する傾向にある。当該金属としては、例えば、金属チタン、金属クロム、チタン及びクロムを構成元素として含む合金等が挙げられる。当該化合物としては、例えば、ＣｒＮ、ＴｉＮ等が挙げられる。

上記下地層の厚さは、２ｎｍ以上０．５μｍ以下であることが好ましく、２ｎｍ以上０．１μｍ以下であることがより好ましい。下地層の厚さは、被膜の断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）、またはＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）を用いて観察することにより測定することができる。

≪表面被覆切削工具の製造方法≫
上述の本開示の一実施の形態に係る切削工具の製造方法は、上記切削工具の製造方法であって、
上記基材を準備する工程（以下、「第１工程」という場合がある。）と、
物理的蒸着法を用いて、上記基材上に上記第１層を形成する工程（以下、「第２工程」という場合がある。）と、
物理的蒸着法を用いて、上記第１層上に上記第２層を形成する工程（以下、「第３工程」という場合がある。）と、
を含む。

上記切削工具の製造方法では、耐摩耗性を有する被膜を基材上に形成することを目的とするため、結晶性の高い化合物からなる層を形成することが望ましい。本発明者らがそのような被膜を開発すべく、各種成膜技術を検討したところ、その手段としては物理的蒸着法を用いることが適切であった。物理的蒸着法とは、物理的な作用を利用して原料（蒸発源、ターゲットともいう。）を気化し、気化した原料を基材上に付着させる蒸着方法である。特に、本実施形態で用いる物理的蒸着法は、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及びアンバランスドマグネトロンスパッタリング法からなる群より選択される少なくとも１種であることが好ましい。

カソードアークイオンプレーティング法を用いる場合、被膜を形成する前に、基材の表面に対して金属のイオンボンバード洗浄処理が可能であるので、洗浄時間を短縮することもできる。カソードアークイオンプレーティング法は、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、このターゲットに高電流を印加してアーク放電を生じさせる。これにより、ターゲットを構成する原子を蒸発させイオン化させて、負のバイアス電圧を印可した基材上に堆積させて被膜を形成する。

さらに、例えば、バランスドマグネトロンスパッタリング法は、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る。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イオン化させ、基材上に堆積させることにより被膜を形成する。

アンバランスドマグネトロンスパッタリング法は、上記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することにより、被膜を形成する。

＜第１工程：基材を準備する工程＞
第１工程では基材が準備される。例えば、基材として超硬合金基材が準備される。超硬合金基材は、市販品を用いてもよく、一般的な粉末冶金法で製造してもよい。一般的な粉末冶金法で製造する場合、例えば、ボールミル等によってＷＣ粉末とＣｏ粉末等とを混合して混合粉末を得る。該混合粉末を乾燥した後、所定の形状に成形して成形体を得る。さらに該成形体を焼結することにより、ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金（焼結体）を得る。次いで該焼結体に対して、ホーニング処理等の所定の刃先加工を施すことにより、ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金からなる基材を製造することができる。第１工程では、上記以外の基材であっても、この種の基材として従来公知の基材であればいずれも準備可能である。

（基材を洗浄する工程）
後述する第２工程の前に、基材を洗浄する工程を行なうことができる。例えば、第２工程においてマグネトロンスパッタリング法を用いて第１層を形成する前に、基材の表面に対してイオンボンバードメント処理を施すことができる。これにより例えば、基材として超硬合金基材を用いた場合、基材の表面から軟質な結合相を除去することができる。その後、基材上に第１層又は下地層を形成することにより、第１層又は下地層と基材とが接する部分における硬質粒子の占有率を高めることができる。このとき基材における第１層又は下地層と接する面積のうち８０％以上がＷＣであることがより好ましい。

（下地層を形成する工程）
さらにイオンボンバードメント処理自体により、下地層を形成することができる。すなわちイオンボンバードメント処理においてクロム、チタン又はこれらの組合せの元素を含むターゲットを使用することにより、基材の表面を洗浄しながら、これらの元素を下地層として基材の表面に付着させることができる。そして、これらの元素が付着した表面上に、後述する第２工程である第１層を形成する工程を行なうことにより、密着力に優れる下地層を、第１層と併せて形成することができる。イオンボンバードメント処理に使用され、かつ下地層に含まれる元素としては、クロムであることがより好ましい。クロムは昇華性の元素であるため、イオンボンバードメント処理の際に溶融粒子（ドロップレット）の発生が少なく、基材の表面荒れを防止できるからである。

例えば第１工程及びその後の基材を洗浄する工程は、次のようにして行なうことができる。まず、基材２として任意の形状のチップを準備する（第１工程）。次に成膜装置１２０のチャンバ１３０内に、上記基材２を装着する。例えば、図５に示す成膜装置１２０を用いて説明すれば、基材２を、チャンバ１３０内の中央に回転可能に備え付けられた回転テーブル１２１上の基材ホルダ１２２の外表面に取り付ける。基材ホルダ１２２には、バイアス電源１４２を取り付ける。

続いて、図６に示すように、チャンバ１３０内の所定位置に、被膜の金属原料である合金製ターゲットを対応する第１層形成用の蒸発源１３１、第２層形成用の蒸発源１３２、イオンボンバードメント用の蒸発源１３３及び表面層形成用の蒸発源１３４にそれぞれ取り付ける。第１層形成用の蒸発源１３１及び第２層形成用の蒸発源１３２にはパルス電源１４１を取り付け、イオンボンバードメント用の蒸発源１３３、表面層形成用の蒸発源１３４にもそれぞれパルス電源（図示せず）を取り付ける。

チャンバ１３０内には、雰囲気ガスを導入するためのガス導入口１２３が設けられ、チャンバ１３０から雰囲気ガスを排出するためのガス排出口１２４が設けられている。このガス排出口１２４から真空ポンプによってチャンバ１３０内の雰囲気ガスを吸引することができる。

まず、真空ポンプによりチャンバ１３０内を１．０×１０^−５〜１．０×１０^−３Ｐａまで減圧するとともに、回転テーブル１２１を回転させることにより基材ホルダ１２２の基材２を回転させながら、装置内に設置されたヒータ（図示せず）により基材２の表面温度を４００〜７００℃に加熱する。

次に、ガス導入口１２３から雰囲気ガス（スパッタリングガス）としてアルゴンガスを導入し、チャンバ１３０内の圧力を１．０〜４．０Ｐａに保持し、バイアス電源１４２の電圧を徐々に上げながら−１０００〜−４００Ｖとし、基材２の表面を１５〜９０分に亘り洗浄する（アルゴンイオンによるイオンボンバードメント処理）。これにより、基材２が超硬合金基材である場合、その表面から結合相を除去することができる。

イオンボンバードメント用の蒸発源１３３にパルス電源を用いて５．５〜７．５ｋＷの電力を印可し、基材２の表面に対してイオンボンバードメント処理を１５〜９０分に亘り施すことにより、基材２の表面をさらに洗浄するとともに、所定の金属元素を表面に付着させる（下地層を形成する工程）。

＜第２工程：第１層を形成する工程＞
第２工程では、上記基材上に第１層が形成される。その方法としては、形成しようとする第１層の組成に応じて、各種の方法が用いられる。例えば、チタン、ホウ素、ケイ素及びバナジウム等の粒径をそれぞれ変化させた合金製ターゲットを使用する方法、それぞれ組成の異なる複数のターゲットを使用する方法、成膜時に印可するバイアス電圧をパルス電圧とする方法、成膜時にガス流量を変化させる方法、又は、成膜装置において基材を保持する基材ホルダの回転速度を調整する方法等を挙げることができる。これらの方法を組み合わせて第１層を形成することもできる。

例えば、第２工程は、次のようにして行なうことができる。すなわち、上記基材２の洗浄に引き続き、基材２をチャンバ１３０内の中央で回転させた状態で、雰囲気ガスとしてＡｒを導入する。さらに、基材２を温度４００〜７００℃に、ガス圧を０．３〜０．５Ｐａに、バイアス電源１４２の電圧を−３０〜−１００Ｖの範囲に維持したまま第１層形成用の蒸発源１３１にパルス電源１４１を用いて５．５〜７．５ｋＷの電力を供給する。これにより、蒸発源１３１から金属イオン及びホウ素のイオンを発生させ、所定の時間が経過したところでパルス電源１４１からの電力の供給を止めて、基材２の表面上に第１層を形成する。さらに、成膜時間を調節することにより、第１層の厚さが所定範囲になるように調整する。
＜第３工程：第２層を形成する工程＞
第３工程では、上記第１層上に第２層が形成される。その方法としても第２工程と同様に、形成しようとする第２層の組成に応じて、各種の方法が用いられる。例えば、ジルコニウム、ケイ素及びバナジウム等の粒径をそれぞれ変化させた合金製ターゲットを使用する方法、それぞれ組成の異なる複数のターゲットを使用する方法、成膜時に印可するバイアス電圧をパルス電圧とする方法、ガス流量を変化させる方法、又は、成膜装置において基材を保持する基材ホルダの回転速度を調整する方法等を挙げることができる。これらの方法を組み合わせて第２層を形成することもできる。

例えば、第３工程は、次のようにして行なうことができる。すなわち、第１層を形成する工程に引き続き、第１層が形成された基材２をチャンバ１３０内の中央で回転させた状態で、スパッタリングガスとしてアルゴンガスを、反応ガスとして窒素ガスを導入する。さらに、当該基材２を温度４００〜７００℃に、反応ガス圧を０．３〜１Ｐａに、バイアス電源１４２の電圧を−３０〜−１００Ｖの範囲に維持したまま、第２層形成用の蒸発源１３２にパルス電源１４１より５．５〜７．５ｋＷの電力を供給することによって、蒸発源１３２から金属イオンを発生させる。その後、所定の時間が経過したところでパルス電源１４１からの電力供給を止めて、上記第１層上に第２層を形成する。さらに、成膜時間を調節することにより、第２層の厚さが所定範囲になるように調整する。

（表面層を形成する工程）
上記第３工程の後に、表面層を形成する工程を行なうことができる。例えば、表面層を形成する工程は以下のようにして行われる。すなわち、第２層を形成する工程に引き続き、第２層が形成された基材２をチャンバ１３０内の中央で回転させた状態で、スパッタリングガスとしてアルゴンガスを、反応ガスとして窒素ガスを導入する。さらに、当該基材２を温度４００〜７００℃に、反応ガス圧を０．３〜１Ｐａの範囲に、バイアス電源１４２の電圧を−３０〜−１００Ｖの範囲に維持したまま、表面層形成用の蒸発源１３４にパルス電源より５．５〜７．５ｋＷの電力を供給する。これにより、当該蒸発源１３４から金属イオンを発生させ、所定の時間が経過したところでパルス電源からの電力の供給を止めて、第２層上に表面層を形成する。なお、表面層の組成によっては、表面層形成用の蒸発源１３４の代わりに第２層形成用の蒸発源１３２を用いて、表面層を形成してもよい。

（その他の工程）
第１層及び第２層を形成した後、被膜に圧縮残留応力を付与してもよい。靭性が向上するからである。圧縮残留応力は、例えばブラスト法、ブラシ法、バレル法、イオン注入法等によって付与することができる。

以上の説明は、以下に付記する特徴を含む。
（付記１）
基材と、前記基材上に形成されている被膜とを含む表面被覆切削工具であって、
前記被膜は、前記基材上に形成されている第１層と前記第１層上に形成されている第２層とを含み、
前記第１層は、構成元素としてＴｉを含むホウ化物からなり、
前記第２層は、構成元素としてＺｒを含む窒化物からなる、表面被覆切削工具。
（付記２）
前記第１層は、その厚さが０．５μｍ以上１０μｍ以下である、付記１に記載の表面被覆切削工具。
（付記３）
前記第２層は、その厚さが０．５μｍ以上１０μｍ以下である、付記１又は付記２に記載の表面被覆切削工具。
（付記４）
前記ホウ化物は、ＴｉＢ_２を含む、付記１〜付記３のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
（付記５）
前記窒化物は、ＺｒＮを含む、付記１〜付記４のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
（付記６）
前記ホウ化物は、構成元素としてＳｉを更に含み、
前記ホウ化物を構成する金属原子の総数を１としたとき、前記Ｓｉの原子数比は０を超えて０．２以下である、付記１〜付記５のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
（付記７）
前記窒化物は、構成元素としてＳｉを更に含み、
前記窒化物を構成する金属原子の総数を１としたとき、前記Ｓｉの原子数比は０を超えて０．２以下である、付記１〜付記６のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
（付記８）
前記ホウ化物は、構成元素としてＶを更に含み、
前記ホウ化物を構成する金属原子の総数を１としたとき、前記Ｖの原子数比は０を超えて０．２以下である、付記１〜付記７のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
（付記９）
前記窒化物は、構成元素としてＶを更に含み、
前記窒化物を構成する金属原子の総数を１としたとき、前記Ｖの原子数比は０を超えて０．２以下である、付記１〜付記８のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
（付記１０）
前記被膜は、前記第２層上に形成されている表面層を更に含み、
前記表面層は、構成元素としてＺｒを含む炭窒化物からなる、付記１〜付記９のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
（付記１１）
前記被膜は、前記基材と前記第１層との間に形成されている下地層を更に含み、
前記下地層は、Ｔｉ及びＣｒからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素を構成元素として含む金属又は化合物からなる、付記１〜付記１０のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
（付記１２）
付記１〜付記１１のいずれかに記載の表面被覆切削工具の製造方法であって、
前記基材を準備する工程と、
物理的蒸着法を用いて、前記基材上に前記第１層を形成する工程と、
物理的蒸着法を用いて、前記第１層上に前記第２層を形成する工程と、
を含む、表面被覆切削工具の製造方法。

以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。ここで、後述する被膜、第１層、第２層及び表面層それぞれの厚さは、以下の方法で求めた値である。すなわち、作製した切削工具を切断することで得られた断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて上述した手順で観察し、それぞれの断面において測定した厚さを平均することで求めた値である。

＜切削工具の作製＞
図５は、本実施例で用いた成膜装置（マグネトロンスパッタリング装置）の模式断面図である。図６は、本実施例で用いた成膜装置の模式平面図である。

（第１工程：基材を準備する工程）
本実施例では、基材２としてグレードがＪＩＳ規格Ｐ３０の超硬合金であって、形状がＪＩＳ規格のＣＮＭＧ１２０４０８及び住友電工ハードメタル株式会社製ＳＥＭＴ１３Ｔ３ＡＧＳＮであるチップ、並びに、ラジアスエンドミル（φ１２ｍｍ）それぞれを準備した（基材を準備する工程）。

図５に示すように、基材２は、成膜装置１２０のチャンバ１３０内の中央に回転可能に備え付けられた回転テーブル１２１上の基材ホルダ１２２の外表面に取り付けた。

図６に示すように、チャンバ１３０には、被膜の金属原料となる合金製ターゲットである第１層形成用の蒸発源（第１層を構成する組成の金属原料からなる合金製蒸発源）１３１、第２層形成用の蒸発源（第２層を構成する組成の金属原料からなる合金製蒸発源）１３２及び表面層形成用の蒸発源（表面層を構成する組成の金属原料からなる合金製蒸発源）１３４を取り付けた。

図５に示すように、第１層形成用の蒸発源１３１及び第２層形成用の蒸発源１３２にはパルス電源１４１を取り付けた。さらに、イオンボンバードメント用の蒸発源１３３及び表面層形成用の蒸発源１３４にもパルス電源（図示せず）を取り付けた。

基材ホルダ１２２には、バイアス電源１４２を取り付けた。チャンバ１３０内には、雰囲気ガスを導入するためのガス導入口１２３が設けられ、チャンバ１３０から雰囲気ガスを排出するためのガス排出口１２４が設けられているので、このガス排出口１２４から真空ポンプによってチャンバ１３０内の雰囲気ガスを吸引して排気することができる。

まず、図５及び図６に示す成膜装置１２０において、真空ポンプによりチャンバ１３０内を減圧するとともに、回転テーブル１２１を回転させることにより基材ホルダ１２２の基材２を回転させた。続いて、装置１２０内に設置されたヒータ（図示せず）により基材２の表面温度を６００℃に加熱し、チャンバ１３０内の圧力が１．０×１０^−４Ｐａとなるまで真空引きを行なった。

（基材を洗浄する工程）
次に、ガス導入口１２３からスパッタリングガスとしてアルゴンガスを導入し、チャンバ１３０内の圧力を３．０Ｐａに保持し、バイアス電源１４２の電圧を徐々に上げながら−１０００Ｖとし、基材２の表面のクリーニング（１５分間）に加え、基材２の表面から結合相を除去する処理（アルゴンイオンによるイオンボンバードメント処理）を行なった。その後、チャンバ１３０内からアルゴンガスを排気した（基材を洗浄する工程）。

（第２工程：第１層を形成する工程）
実施例１〜実施例１０及び比較例２においては、上記の基材２の洗浄に引き続き、基材２をチャンバ１３０内の中央で回転させた状態で、雰囲気ガスとしてＡｒ（アルゴン）を導入した。さらに、基材２を温度６００℃に、ガス圧を０．５Ｐａに、バイアス電源１４２の電圧を−５０Ｖ〜−１００Ｖの範囲の一定値にそれぞれ維持したまま第１層形成用の蒸発源１３１に６ｋＷの電力を供給した。これにより、蒸発源１３１から金属イオン及びホウ素のイオンを発生させ、所定の時間が経過したところで電力の供給を止めて、基材２上に表１に示す組成の第１層を形成した。このとき第１層は、表１に示す厚さを有するように、電力供給の時間を調整しながら作製した。

比較例１、及び比較例３〜比較例５においては、雰囲気ガスであるＡｒに加えて、反応ガスとして窒素を導入し、形成される第１層が窒化物となるようにし、その他は上記と同様にして第１層を作製した。

比較例１及び比較例５については第１層に相当する層としてＺｒＮ層（ＺｒＮで表される化合物からなる層、以下同様。）を作製した。比較例３及び比較例４については、第１層に相当する層として、それぞれ表１に示す組成を有するＡｌＴｉＮ層及びＡｌＣｒＮ層を作製した。比較例１〜比較例４は、いずれも後述するように第２層を形成しない例である。これにより、第２工程を実施した。

（第３工程：第２層を形成する工程）
次に、実施例１〜実施例１０において、基材２の温度、ガス圧及びバイアス電圧を上記のまま維持し、第２層形成用の蒸発源１３２に６ｋＷの電力を供給することによって、蒸発源１３２から金属イオンを発生させた。このとき反応ガスとして窒素を用いた。所定の時間が経過したところで電力の供給を止めて、第１層上に表１に示す組成の第２層を形成した。このとき第２層は、表１に示す厚さを有するように、電力供給の時間を調整しながら作製した。

比較例１〜比較例４については第２層を形成しなかった。比較例５は、第２層としてＴｉＢ_２層を形成した。

（表面層を形成する工程）
ここで実施例２〜実施例４及び実施例７〜実施例９においては、上記第２層を形成する工程に引き続き、表２に示す組成及び厚さを有する表面層を形成した。具体的には、第２層を形成した基材２をチャンバ１３０の中央で回転させた状態で、雰囲気ガスとしてＡｒ、反応ガスとして窒素及びメタンガスの両方を導入して行なった。さらに、基材２を温度４００℃に、反応ガス圧を０．４Ｐａに、バイアス電源１４２の電圧を−１５０Ｖに維持したまま、表面層形成用の蒸発源１３４に６ｋＷの電力を供給した。これにより、当該蒸発源１３４から金属イオンを発生させ、所定の時間が経過したところで電力の供給を止めて、第２層上に表面層を形成した。

以上のようにして、実施例１〜実施例１０及び比較例１〜比較例５の切削工具を製造した。なお、表２における被膜全体の厚さには、表面層の厚さも含まれる。

表１における第１層及び第２層の「組成」、並びに、表２における表面層の「組成」は、それぞれＸＰＳ（Ｘ線光電子分光分析装置）を用いて測定されたものである。

表２における被膜全体の「硬度」は、ナノインデンター（ＭＴＳ社製Ｎａｎｏ Ｉｎｄｅｎｔｅｒ ＸＰ）により確認された値である。

表２における被膜全体の「圧縮残留応力」は、Ｘ線残留応力測定装置を用いて２θ−ｓｉｎ^２ψ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）によって測定された値である。

表１における第１層及び第２層の「結晶性」は、Ｘ線回折装置により解析されたものである。

＜切削工具の寿命評価＞
（旋削試験：切削試験１〜切削試験３）
実施例１〜実施例１０及び比較例１〜比較例５のＣＮＭＧ１２０４０８形状の刃先交換型切削チップそれぞれについて、合金鋼（ＳＣＭ４４０）とニッケル基の超合金（インコネル（登録商標）７１８）とに対して表３に示す条件で湿式の連続旋削試験（切削試験１、切削試験３）及び断続旋削試験（切削試験２）を行ない、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４に示す。表４において、切削時間の長い方がより長い寿命であることを示している。なお、インコネル（登録商標）７１８は、チタンを微量しか含まないため、本明細書における「チタンを含む被削材」には該当しない。

実施例１〜実施例８は、実施例９、実施例１０及び比較例１〜比較例５に比べて、連続旋削試験及び断続旋削試験のいずれにおいても刃先の逃げ面摩耗量が大きく低減しており、難削材の高速高能率加工においても、刃先交換型切削チップの寿命が大幅に長くなることが確認された。

（フライス試験：切削試験４及び切削試験５）
実施例１〜実施例１０及び比較例１〜比較例５のＳＥＭＴ１３Ｔ３ＡＧＳＮ形状の刃先交換型切削チップそれぞれについて、難削材（ＳＫＤ１１又はＦＣＤ７００）からなる幅１５０ｍｍの板の中心線と、それより幅の広いφ１６０ｍｍのカッターの中心を合わせて、表面フライス削りを、表５に示す乾式のフライス試験の条件で行ない、刃先の逃げ面摩耗量が０．２ｍｍになるまでの切削長を測定した。結果を表６に示す。なお、表６において、切削長の長い方がより長い寿命であることを示している。

実施例１〜実施例８は、実施例９、実施例１０及び比較例１〜比較例５に比べて、刃先の切削長さが大きく増加しており、難削材の高速高能率及びドライ条件下のフライス加工においても刃先交換型切削チップの寿命が大幅に長くなることが確認された。
（エンドミル試験：切削試験６）
実施例１〜実施例１０及び比較例１〜比較例５のφ１２ｍｍのラジアスエンドミルそれぞれについて、表５に示す湿式のエンドミル試験の条件で行ない、刃先の逃げ面摩耗量が０．２ｍｍになるまでの切削長を測定した。結果を表６に示す。なお、表６において、切削長の長い方がより長い寿命であることを示している。

実施例１〜実施例１０は、比較例１〜比較例５に比べて、チタン合金のエンドミル加工において工具寿命が大幅に長くなることが確認された。

以上のように本発明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、３１ 第１層、３２ 第２層、３３ 表面層、３４ 下地層、３５ 中間層、１２０ 成膜装置、１２１ 回転テーブル、１２２ 基材ホルダ、１２３ ガス導入口、１２４ ガス排出口、１３０ チャンバ、１３１、１３２、１３３、１３４ 蒸発源、１４１ パルス電源、１４２ バイアス電源。

Claims (12)

1. 基材と、前記基材上に形成されている被膜とを含む切削工具であって、
   前記被膜は、前記基材上に形成されている第１層と前記第１層上に形成されている第２層とを含み、
   前記第１層は、チタンを構成元素として含むホウ化物からなり、
   前記第２層は、ジルコニウムを構成元素として含む窒化物からなる、切削工具。
2. 前記第１層の厚さは、０．５μｍ以上１０μｍ以下である、請求項１に記載の切削工具。
3. 前記第２層の厚さは、０．５μｍ以上１０μｍ以下である、請求項１又は請求項２に記載の切削工具。
4. 前記ホウ化物は、ＴｉＢ_２を含む、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の切削工具。
5. 前記窒化物は、ＺｒＮを含む、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の切削工具。
6. 前記ホウ化物は、ケイ素を構成元素として更に含み、
   前記ホウ化物を構成する金属原子の総数を１としたとき、前記ケイ素の原子数比は０を超えて０．２以下である、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の切削工具。
7. 前記窒化物は、ケイ素を構成元素として更に含み、
   前記窒化物を構成する金属原子の総数を１としたとき、前記ケイ素の原子数比は０を超えて０．２以下である、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の切削工具。
8. 前記ホウ化物は、バナジウムを構成元素として更に含み、
   前記ホウ化物を構成する金属原子の総数を１としたとき、前記バナジウムの原子数比は０を超えて０．２以下である、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の切削工具。
9. 前記窒化物は、バナジウムを構成元素として更に含み、
   前記窒化物を構成する金属原子の総数を１としたとき、前記バナジウムの原子数比は０を超えて０．２以下である、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の切削工具。
10. 前記被膜は、前記第２層上に形成されている表面層を更に含み、
    前記表面層は、ジルコニウムを構成元素として含む炭窒化物からなる、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の切削工具。
11. 前記被膜は、前記基材と前記第１層との間に形成されている下地層を更に含み、
    前記下地層は、チタン及びクロムからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素を構成元素として含む金属又は化合物からなる、請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の切削工具。
12. 請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の切削工具の製造方法であって、
    前記基材を準備する工程と、
    物理的蒸着法を用いて、前記基材上に前記第１層を形成する工程と、
    物理的蒸着法を用いて、前記第１層上に前記第２層を形成する工程と、
    を含む、切削工具の製造方法。

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