WO2019098363A1 - 被覆切削工具 - Google Patents

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正和 伊坂
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三菱日立ツール株式会社
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    • C23C30/00—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process
    • C23C30/005—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process on hard metal substrates

Definitions

  • the present invention relates to a coated cutting tool.
  • Priority is claimed on Japanese Patent Application No. 2017-223099, filed Nov. 20, 2017, the content of which is incorporated herein by reference.
  • Patent Document 1 proposes a coated cutting tool coated with TiSiN in which Si 3 N 4 and Si exist as independent phases in a compound phase.
  • Patent Document 2 proposes a coated cutting tool coated with TiSiN in which fine crystals and an amorphous part are mixed in a microstructure.
  • Patent Documents 3 and 4 disclose a coated cutting tool provided with a laminated film alternately laminated with a film thickness of nano level between a substrate and TiSiN.
  • the coated cutting tool provided with a hard coating having a high hardness in the upper layer of the laminated coating which has been conventionally proposed, has a large load of tools such as high efficiency machining of high hardness steel of HRC 50 or more. Under severe operating conditions, tool damage may be significant, and it has been confirmed that there is room for improvement in durability.
  • One aspect of the present invention is A substrate, and a hard film formed on the substrate;
  • the hard film is a nitride or carbonitride b layer disposed on the substrate;
  • the content ratio of aluminum (Al) is 55 atomic% or more to the total amount of metal (including metalloid) elements, and the content ratio of chromium (Cr) is larger than the total amount of metal (including metalloid) elements, and at least silicon (Si)
  • the c layer has a face-centered cubic lattice structure of Al
  • the c1 layer contains 55 atomic% or more of aluminum (Al), 20 atomic% or more of chromium (Cr), and 1 atomic% or more of silicon (Si) based on the total amount of metal (including metalloid) elements.
  • the c2 layer contains 55 atomic% or more of aluminum (Al) and 20 atomic% of titanium (Ti) with respect to the total amount of metal (including metalloid) elements. It is preferable that it is the nitride or carbonitride which contains the above.
  • the said c layer satisfy
  • fills the relationship of Ihx100 / Is 0.
  • the c layer is preferably the thickest film relative to the total film thickness of the hard film.
  • the c layer is preferably composed of columnar particles, and the average width of the columnar particles is preferably 90 nm or less.
  • the d layer is a nitride or carbonitride containing 70 atomic% or more of titanium (Ti) and 5 atomic% or more of silicon (Si) based on the total amount of metal (including metalloid) elements. Is preferred.
  • the c2 layer may contain an element of group 4a, 5a or 6a of the periodic table, and one or more elements selected from Si, B and Y.
  • the nanobeam diffraction pattern may be indexed to the crystal structure of WC and have an a layer with a thickness of 1 nm or more and 10 nm or less between the base material and the b layer.
  • a coated cutting tool excellent in durability can be provided.
  • FIG. 1 is a view showing a cross-sectional structure of a coated cutting tool according to an embodiment.
  • FIG. 2 is an example of a cross-sectional TEM image ( ⁇ 300,000 ⁇ ) in the laminated film of the first embodiment.
  • FIG. 3 is an example of a cross-sectional dark-field STEM image ( ⁇ 1,800,000 ⁇ ) in the multilayer film of the first embodiment.
  • FIG. 4 is an example of the limited field diffraction pattern in the laminated film of the first embodiment.
  • FIG. 5 is an example of the intensity profile obtained from the limited field diffraction pattern of FIG.
  • FIG. 6 is an example of the limited field diffraction pattern in the laminated film of Comparative Example 1.
  • FIG. 7 is an example of the intensity profile obtained from the limited field diffraction pattern of FIG.
  • the present inventor examined a method for improving the tool life of a coated cutting tool in which a hard coating such as TiSiN is provided on the upper layer of the laminated coating.
  • the inventors of the present invention have found that hcp contained in the microstructure of a laminated film in which Al-rich AlCrN nitrides or carbonitrides and Al-rich AlTiN nitrides or carbonitrides are alternately laminated at the nano level.
  • AlN Al-rich AlCrN nitrides or carbonitrides and Al-rich AlTiN nitrides or carbonitrides are alternately laminated at the nano level.
  • the coated cutting tool of the present embodiment has, for example, a cross-sectional structure shown in FIG.
  • the coated cutting tool of the present embodiment has a substrate and a hard film formed on the substrate.
  • the hard coating is a hard coating having higher hardness than the a layer, the b layer of nitride or carbonitride, the c layer of a laminated coating, and other layers, provided in order from the substrate side, as necessary. And d). Each layer will be described in detail below.
  • the substrate is not particularly limited, but it is preferable to use a WC—Co-based cemented carbide excellent in strength and toughness as the substrate.
  • the b layer according to the present embodiment is a nitride or carbonitride disposed on the substrate.
  • the b layer is an underlayer that enhances the adhesion between the substrate and the c layer which is a laminated film.
  • the coated cutting tool with excellent adhesion between the substrate and the hard film can be obtained.
  • the b layer preferably contains Al in an amount of 55 atomic% or more based on the total amount of metals (including semimetals, hereinafter the same).
  • Al of the b layer is preferably 60 atomic% or more.
  • the composition difference with the c-layer comprising an Al-rich laminated film described later is reduced, and the adhesion is improved. Further, by making the b layer Al-rich, the heat resistance is enhanced in the entire hard coating. Furthermore, it is preferable that b layer is the nitride which is excellent in heat resistance and abrasion resistance. However, when the content ratio of Al in the b layer becomes too large, the number of fragile hcp structured AlN increases. Therefore, the Al content of the b layer is preferably 75 atomic% or less.
  • the b layer preferably contains a metal element contained in the c1 layer or the c2 layer described later.
  • the b layer has the maximum peak intensity attributable to the fcc structure.
  • the film thickness of the b layer is preferably 0.1 ⁇ m or more and 5.0 ⁇ m or less. Furthermore, as for the film thickness of b layer, 0.2 micrometer or more is preferable. Furthermore, as for the film thickness of b layer, 3.0 micrometers or less are preferable. The upper limit value and the lower limit value of the film thickness of the b layer can be appropriately combined.
  • the c layer according to the present embodiment is an Al-rich laminated film provided between the b layer which is the above-described underlayer and the high-hardness d layer described later.
  • the c layer has a high content ratio of aluminum (Al) 55 atomic% or more to the total amount of metal (including metalloid) elements, and then chromium (Cr), and further, at least silicon (Si) ) Containing at least 55 atomic% of aluminum (Al) and then titanium (Ti) with respect to the total amount of metal (including metalloid) elements and the c1 layer of nitride or carbonitride containing
  • it is a laminated film in which a c2 layer of carbonitride is alternately laminated with a film thickness of 50 nm or less.
  • the c layer is a nitride containing 55 atomic% or more of aluminum (Al), 20 atomic% or more of chromium (Cr), and 1 atomic% or more of silicon (Si) based on the total amount of metal elements.
  • the average composition of the c layer is preferably such that the content ratio of Al is 55 atomic% or more and 75 atomic% or less. Furthermore, as for the average composition of the c layer, the content ratio of Al is preferably 60 atomic% or more and 70 atomic% or less.
  • the average composition of the c layer is preferably such that the total content of Cr and Ti is 20 atomic% or more and 40 atomic% or less.
  • the average composition of the c layer is preferably such that the content ratio of Si is 0.5 atomic% or more and 5 atomic% or less.
  • the content ratio of Si is preferably 1 atomic% or more and 3 atomic% or less.
  • the average composition of the c layer may be calculated by measuring a range of 500 nm ⁇ 500 nm or more.
  • the c layer is required to have a small amount of hcp structured AlN contained in the microstructure.
  • the microstructure may contain AlN of fragile hcp structure. Then, the inventors confirmed that the durability of the coated cutting tool is improved by reducing the fragile hcp structure AlN contained in the microstructure of the c layer.
  • the limiting field diffraction pattern is obtained using a transmission electron microscope for the processed cross section of the hard coating, and it can be obtained from the limiting field diffraction pattern Use an intensity profile. Specifically, in the intensity profile of the limited field diffraction pattern of the transmission electron microscope, the relationship of Ih ⁇ 100 / Is is evaluated. Ih and Is are defined as follows.
  • Ih Peak intensity attributable to (010) plane of AlN of hcp structure.
  • Is fcc structure, AlN (111), TiN (111), CrN (111), AlN (200), TiN (200), CrN (200), AlN Peak strength due to (220) plane, (220) plane of TiN, and (220) plane of CrN, and (010) plane of AlN, (011) plane of AlN, and (110) of AlN with hcp structure The sum of the peak intensity attributable to the surface.
  • Ih and Is By evaluating the relationship between Ih and Is, it is possible to quantitatively evaluate AlN of hcp structure included in the microstructure in a hard film in which the peak intensity due to AlN of hcp structure is not confirmed by X-ray diffraction .
  • a smaller value of Ih ⁇ 100 / Is means that less fragile hcp structured AlN is present in the microstructure of the c layer.
  • the inventors of the present invention have confirmed that when the value of Ih ⁇ 100 / Is in the c layer is larger than 15, the durability of the coated cutting tool is likely to be reduced in a severe use environment.
  • the coated cutting tool having good durability is realized by the configuration in which the c layer satisfies Ih ⁇ 100 / Is ⁇ 15. Furthermore, in the coated cutting tool of the present embodiment, the c layer preferably satisfies Ih ⁇ 100 / Is ⁇ 10. Furthermore, in the coated cutting tool according to the present embodiment, the c layer preferably satisfies Ih ⁇ 100 / Is ⁇ 5. Furthermore, it is preferable that the coated cutting tool of the present embodiment has a configuration in which the peak strength attributable to the (010) plane of the hcp structured AlN is not confirmed in the c layer.
  • the microstructure of the c layer is composed of fine columnar particles.
  • Columnar particles constituting the c layer extend along the film thickness direction (lamination direction) of the laminated film.
  • the hardness and toughness of the hard coating tend to be increased by forming the c layer from fine columnar particles.
  • the average width of the columnar particles in the c layer is preferably 90 nm or less.
  • the average width of the columnar particles in the c layer is preferably 30 nm or more.
  • the width of the columnar particles can be confirmed by a cross-sectional observation image using a transmission electron microscope.
  • the average width of the columnar particles is calculated as an average value of the widths of ten or more columnar particles confirmed by the cross-sectional observation image.
  • the c1 layer is a nitride containing at least 55 atomic% of aluminum (Al), then chromium (Cr) and further containing at least silicon (Si) with respect to the total amount of metal (including metalloid) elements. Or carbonitrides. Furthermore, the c1 layer is a nitride containing 55 atomic% or more of aluminum (Al), 20 atomic% or more of chromium (Cr), and 1 atomic% or more of silicon (Si) based on the total amount of metal elements. Or it is preferable that it is carbonitride. A nitride or carbonitride based on Al and Cr is a film type excellent in heat resistance.
  • the c1 layer is preferably a nitride excellent in heat resistance and abrasion resistance.
  • the c1 layer contains 55 atomic% or more of Al.
  • the Al content of the c1 layer is preferably 60 atomic% or more.
  • the Al content of the c1 layer is preferably 75 at% or less, more preferably 70 at% or less.
  • the nitrides or carbonitrides based on Al and Cr have lower wear resistance if the content ratio of Cr is too small.
  • the c1 layer preferably contains Cr at 20 atomic% or more.
  • the c1 layer contains a large amount of Cr next to Al in order to form an AlCr-based nitride or carbonitride.
  • the Cr content of the c1 layer is preferably 40 at% or less, more preferably 35 at% or less.
  • the c1 layer preferably has a total content ratio of Al and Cr of 85 atomic% or more in order to further improve the heat resistance and the wear resistance of the laminated film.
  • the film structure becomes fine and the wear resistance and the heat resistance are further improved. Therefore, when the c1 layer contains Si, the entire abrasion resistance and heat resistance of the laminated film are improved. In addition, since the hardness of the laminated film forming the c layer is improved, the difference in hardness with the highly hard d layer provided on the laminated film is reduced, and the adhesion is enhanced. In order to exhibit these effects, the c1 layer preferably contains Si at 1 atomic% or more. However, when the content ratio of Si becomes too large, the AlN and the amorphous phase of the hcp structure contained in the microstructure increase, and the durability decreases. Therefore, the Si content of the c1 layer is preferably 5 atomic% or less, more preferably 3 atomic% or less.
  • the c1 layer and the c2 layer are alternately stacked at the nano level, their compositions mix with each other at the time of coating. Also, their compositions may diffuse. Therefore, the c1 layer may contain Ti which is essential to the c2 layer. However, in order to laminate an Al-rich AlCrN hard film and an Al-rich AlTiN hard film different in composition system, the content ratio of Ti in the c1 layer is made smaller than the content ratio of Ti in the c2 layer.
  • the c1 layer can contain metal elements other than Al, Cr and Si.
  • the c1 layer is, for example, one or more elements selected from Group 4a, Group 5a, Group 6a elements and B, Y for the purpose of improving the abrasion resistance, heat resistance, lubricity, etc. of the hard coating. It can contain two or more elements. These elements are elements generally added to AlTiN-based and AlCrN-based hard coatings to improve the properties of hard coatings, and if the content ratio is not excessive, the durability of the coated cutting tool is Does not significantly reduce However, if the c1 layer contains a large amount of metal elements other than Al, Cr and Si, the basic properties of the AlCrN hard coating are impaired, and the durability of the coated cutting tool is lowered. Therefore, in the c1 layer, the total of Al, Cr, and metal elements other than Si is preferably 25 atomic% or less, more preferably 20 atomic% or less, and further preferably 15 atomic% or less.
  • the c2 layer is a nitride or carbonitride containing 55 atomic% or more of aluminum (Al) and then titanium (Ti) with respect to the total amount of metal (including metalloid) elements. Furthermore, the c2 layer is preferably a nitride or carbonitride containing 55 atomic% or more of aluminum (Al) and 20 atomic% or more of titanium (Ti) based on the total amount of metal elements.
  • Nitride or carbonitride mainly composed of Al and Ti is a film type excellent in wear resistance and heat resistance. In particular, when the content ratio of Al increases, the heat resistance of the hard film tends to be improved, and the durability of the coated cutting tool is improved.
  • the c2 layer contains Al at 55 atomic% or more. Furthermore, Al of the c2 layer is preferably 60 atomic% or more. However, if the content ratio of Al becomes too large, the amount of AlN in the hcp structure increases, so the durability of the hard film decreases. Therefore, the content ratio of Al in the c2 layer is preferably 75 atomic% or less, more preferably 70 atomic% or less.
  • the c2 layer preferably contains Ti at 20 atomic% or more.
  • the c2 layer contains a large amount of Ti next to Al in order to form an AlTi-based nitride or carbonitride.
  • the content ratio of Ti in the c2 layer is preferably 40 at% or less, more preferably 35 at% or less.
  • the c2 layer preferably has a total content ratio of Al and Ti of 80 atomic% or more in order to further improve the heat resistance and the wear resistance of the laminated film.
  • the c1 layer and the c2 layer are alternately stacked at the nano level, their compositions mix with each other at the time of coating. Also, their compositions may diffuse. Therefore, the c2 layer can contain Cr and Si which are essential and contained in the c1 layer. However, in order to laminate an Al-rich AlCrN hard film and an Al-rich AlTiN hard film different in composition system, the Cr content of the c2 layer is made smaller than the Cr content of the c2 layer. In addition, Si with a small content ratio in the c1 layer may not be contained in the c2 layer.
  • the c2 layer can contain metal elements other than Al and Ti.
  • the c2 layer is selected from, for example, elements of group 4a, 5a, and 6a of the periodic table and Si, B, and Y for the purpose of improving the abrasion resistance, heat resistance, lubricity and the like of the hard coating. It can contain a species or two or more elements. These elements are elements generally added to AlTiN-based and AlCrN-based hard coatings to improve the properties of hard coatings, and if the content ratio is not excessive, the durability of the coated cutting tool is Does not significantly reduce In particular, when the hard film of AlTiN series contains the element of W (tungsten), the durability tends to be excellent in a more severe use environment, which is preferable.
  • W tungsten
  • the total of Al and metal elements other than Ti is preferably 25 atomic% or less, more preferably 20 atomic% or less, and further preferably 15 atomic% or less.
  • the hard layer of the same composition as that of the layer b is thicker at the portion on the side b of the c layer.
  • the c1 layer is preferably thicker than the c2 layer in the portion on the b layer side of the c layer.
  • the c2 layer is preferably thicker than the c1 layer in the portion on the b layer side of the c layer.
  • the c layer is preferably the thickest film relative to the total film thickness of the hard film. Since the c layer is the main layer of the hard coating, the adhesion and the wear resistance are both achieved at a high level, and the durability of the coated cutting tool is improved.
  • the optimum film thickness of each layer varies depending on the type of tool, tool diameter, material to be cut, etc., and it is easy to realize excellent durability because the c layer is the thickest film.
  • the film thickness ratio of the c layer is preferably 50% or more, more preferably 60% or more, and further preferably 70% or more.
  • the film thickness ratio of the c layer is preferably 90% or less, and more preferably 85% or less.
  • the thickness ratio of the b layer is preferably 5% or more.
  • the thickness ratio of the d layer is preferably 10% or more.
  • the film thickness of each of the c1 layer and the c2 layer is preferably 20 nm or less.
  • the film thickness of each of the c1 layer and the c2 layer is preferably 2 nm or more.
  • the film thickness of each of the c1 layer and the c2 layer is preferably 5 nm or more. The upper limit value and the lower limit value of the film thickness of the c1 layer and the c2 layer can be combined appropriately.
  • the d layer according to the present embodiment is a high hardness layer provided on the upper layer of the c layer which is a laminated film and harder than the c layer.
  • the hardness of the c layer is not particularly limited, but the nanoindentation hardness of the c layer is in the range of about 35 to 40 GPa.
  • the film composition of the d layer is not particularly limited. In the present embodiment, setting the nanoindentation hardness of the d layer to 40 GPa or more is preferable because the durability of the coated cutting tool is further improved.
  • a laminated film of d and c layers may be provided between the d and c layers.
  • the d layer is preferably a nitride or carbonitride containing 70 atomic% or more of Ti and 5 atomic% or more of silicon (Si) in the content ratio of the metal element. Since the d layer is a hard film made of a TiSiN-based nitride, the nanoindentation hardness tends to be higher than 40 GPa. Furthermore, as for the nano indentation hardness of d layer, 42 GPa or more is preferable. Moreover, while the structure of a hard film becomes fine and a hard film becomes high hardness, the hard film of TiSiN type
  • the durability of the coated cutting tool can be remarkably improved under a high load operating environment.
  • the content ratio of Ti becomes too large, the content ratio of Si relatively decreases and the film structure becomes coarse, and a sufficient residual compressive stress can not be imparted to the hard film. Therefore, the content ratio of Ti in the d layer is preferably 95 atomic% or less.
  • the content ratio of Si in the d layer is preferably 30 atomic% or less.
  • the d layer preferably has a total content ratio of Ti and Si of 90 atomic% or more.
  • the d layer is preferably a nitride excellent in heat resistance and wear resistance.
  • another layer having a hardness lower than that of the d layer may be provided in the upper layer of the d layer.
  • the film thickness of the d layer is preferably 0.1 ⁇ m or more and 5.0 ⁇ m or less. Furthermore, as for the film thickness of d layer, 0.2 micrometer or more is preferable. Furthermore, the film thickness of the d layer is preferably 3.0 ⁇ m or less. The upper limit value and the lower limit value of the film thickness of the d layer can be appropriately combined.
  • b layer, c layer, and d layer of the hard film which concerns on a present Example are the nitrides which are excellent in heat resistance and abrasion resistance.
  • the durability of the coated cutting tool is further improved.
  • even a nitride contains minute oxygen and carbon. That is, the metal nitride has a peak intensity in which a metal element is bonded to oxygen or carbon in microanalysis.
  • the hard coating according to the present embodiment may partially contain carbonitride or oxynitride as long as the nitride is the main component.
  • the durability of the coated cutting tool is not significantly reduced.
  • the content ratio of nitrogen be larger than that of carbon in order to further improve the heat resistance and the wear resistance of the hard film.
  • the content ratio of carbon is preferably 20 atomic% or less, more preferably 10 atomic% or less with respect to the content ratio of nitrogen.
  • the nanobeam diffraction pattern may have an a layer indexed to the crystal structure of WC between the base material and the underlayer b layer.
  • the a layer is formed on the surface of the substrate by metal ion bombardment. Since the a layer is a layer formed by diffusion of the metal element used for metal ion bombardment, when using WC-Co based cemented carbide as a base material, the total amount of metal elements contains most W (tungsten) And then contain the metal element used for the metal ion bombardment. By having such an a layer, the adhesion between the substrate and the underlayer provided thereon tends to be significantly improved.
  • the edge may be melted away by metal ion bombardment in a square end mill or a radius end mill in which the blade edge tends to have an acute angle, and the edge of the blade edge is easily broken. Therefore, it is preferable to provide the a layer on a ball end mill in which a sharp edge is not formed and in which a cutting edge is not easily broken by metal ion bombardment. If the thickness of the a layer is too thin or too thick, the effect of improving the adhesion can not be obtained. Therefore, the film thickness of the a layer is preferably 1 nm or more and 10 nm or less.
  • the a layer is mainly composed of carbides because the nanobeam diffraction pattern is a layer indexed to the crystal structure of WC.
  • the a layer may partially contain nitrogen or oxygen, as long as the layer has a nanobeam diffraction pattern indexed to the crystal structure of WC.
  • a layer may contain a metal layer in part.
  • metal ion bombardment processing using an alloy target mainly composed of metal Ti or Ti has a large improvement effect on adhesion. Therefore, it is preferable that the a layer contains a large amount of Ti next to W in the content ratio of the metal element. However, if the content ratio of Ti contained in the a layer is too large or too small, it is difficult to obtain the effect of improving the adhesion.
  • the a layer preferably contains Ti at 10 atomic% or more and 30 atomic% or less.
  • the hard coating according to the present embodiment is preferably coated by arc ion plating in which the ionization rate of the target is high. Moreover, you may coat
  • the cathode voltage When the cathode voltage is too low, the amount of AlN in the hcp structure of the laminated film increases and the durability decreases. In addition, when the cathode voltage becomes too high, the film structure of the laminated film becomes too coarse, and the durability tends to be reduced. In a cathode for forming an AlTi-based hard film, it is preferable to form a film in a cathode voltage range of 20 V or more and 30 V or less. If the cathode voltage becomes too low, the amount of AlN in the hcp structure increases and the durability decreases. In addition, when the cathode voltage becomes too high, the film structure of the laminated film becomes too coarse, and the durability tends to be reduced.
  • the cathode current is preferably 120A or more and 200A or less.
  • the absolute value of the negative bias voltage applied to the substrate is increased. Is preferred. According to this manufacturing method, the formation of AlN with a microstructure of hcp structure is suppressed, and the value of Ih ⁇ 100 / Is can be made smaller than 15.
  • the negative bias voltage applied to the substrate is preferably -200 V or more and less than -100 V. Furthermore, -120 V or less is preferable.
  • the coating temperature is preferably 400 ° C. or more and 600 ° C. or less.
  • nitrogen gas is introduced into the furnace for coating.
  • the nitrogen gas pressure at the time of coating is preferably 2.0 Pa or more and 8.0 Pa or less.
  • part of nitrogen gas may be replaced with methane gas.
  • the film forming apparatus includes a plurality of cathodes (arc evaporation sources), a vacuum vessel, and a substrate rotating mechanism.
  • a cathode one cathode (hereinafter referred to as "C1") having a coil magnet disposed on the outer periphery of the target and a permanent magnet disposed on the back and outer periphery of the target, the magnetic flux density in the vertical direction on the target surface
  • C2, C3, C4" Three cathodes having a magnetic flux density of 14 mT in the vicinity of the center of the target are mounted.
  • C1 to C4 are disposed at intervals of about 90 ° around the region where the base material is disposed, and C1 and C4 and C2 and C3 are provided to face each other.
  • the inside of the vacuum vessel is evacuated by a vacuum pump so that the gas is introduced from the supply port.
  • a bias power supply is connected to each substrate installed in the vacuum vessel, and a negative DC bias voltage can be independently applied to each substrate.
  • the substrate rotating mechanism includes a planetary, a plate-like jig disposed on the planetary, and a pipe-like jig disposed on the plate-like jig, and the planetary is at a speed of 3 revolutions per minute.
  • the plate-like jig and the pipe-like jig respectively rotate and revolve.
  • Example 1 the following square end mill was used for the substrate.
  • Example 1 a metallic titanium target was placed at C1, an AlTi based alloy target at C2, an AlCrSi based alloy target at C3, and a TiSi based alloy target at C4.
  • Each base material was fixed to the pipe-like jig in a vacuum vessel, respectively, and the following process was implemented before film-forming.
  • the inside of the vacuum vessel was evacuated to 5 ⁇ 10 ⁇ 2 Pa or less.
  • the substrate was heated to a temperature of 500 ° C. by a heater installed in a vacuum vessel, and evacuation was performed.
  • the set temperature of the substrate was set to 500 ° C.
  • the pressure in the vacuum vessel was set to 5 ⁇ 10 ⁇ 2 Pa or less.
  • ⁇ Ar bombardment> Thereafter, 50 sccm of argon (Ar) gas was introduced into the vacuum vessel by flow control. The pressure in the vacuum vessel at that time was about 0.5 Pa. Next, while the substrate and C1 were cut off, while applying a current of 200 A to C1 to discharge Ti, a bias voltage of ⁇ 200 V was applied to the substrate, and Ar bombardment was performed for 30 minutes. The Ar bombardment process reduced oxygen in the furnace more.
  • Ar argon
  • the set temperature of the base material was set to 480 ° C.
  • nitrogen gas was introduced into the vacuum vessel, and the pressure in the furnace was set to 3.2 Pa.
  • the negative bias voltage applied to the substrate was ⁇ 120 V and the current applied to C 2 was 200 A for all the samples.
  • the negative bias voltage applied to the substrate was ⁇ 40 V and the current applied to C 4 was 200 A for all the samples.
  • the sample changed the negative bias voltage applied to the substrate.
  • the power input to C2 is constant, and the power input to C3 is gradually increased, and the c2 layer (AlTiN based) is more than the c1 layer (AlCrN based) in the portion on the b layer side of the c layer. It was coated to be a thick film. At the time of coating, the cathode voltage of C2 was 20 V or more and 30 V or less, and the cathode voltage of C3 was 20 V or more and 35 V or less.
  • Table 1 shows the target compositions used.
  • Table 2 shows the film formation conditions.
  • Table 3 shows the film thickness of the sample.
  • the cutting test was done on the cutting conditions shown below. In addition, in the market, it evaluated also about the commercially available solid end mill widely used for cutting of high hardness material.
  • Commercial product 1 is provided with about 2 ⁇ m of Al 60 Cr 25 Ti 15 N (the numerical value is the atomic ratio, the same applies hereinafter) on the surface of the substrate, and about 2 ⁇ m of Ti 80 Si 20 N on it.
  • Al 60 Cr 25 Ti 15 N was provided to about 0.5 ⁇ m to form a film structure.
  • the commercially available product 2 had a film structure in which Al 50 Ti 35 Cr 15 N was provided about 3 ⁇ m on the surface of a substrate, and Cr 55 Al 35 Si 10 N was provided about 1 ⁇ m thereon. Table 4 shows the cutting test results.
  • the maximum wear width was small under any of the processing conditions, and a stable wear form was exhibited, and it was possible to continue cutting.
  • the present examples 1 and 2 are compared, in the present example 1 in which W is contained in the c2 layer, the maximum wear width tends to be further suppressed under the processing condition of high cutting.
  • the present examples 1 and 3 are compared, in the present example 1 in which the absolute value of the negative bias voltage applied to the substrate is large, the maximum wear width tends to be further suppressed under the processing conditions of high cutting. there were.
  • the comparative examples 1 to 3 have the same film composition as the present example 1, and under the low incision processing conditions, the maximum wear width was small as in the present example and showed a stable wear form.
  • Comparative Example 4 has a composition in which the content ratio of Al in the laminated film is smaller than that in Examples 1 to 4, and no chipping occurred under the processing conditions of low incisions, but it is more than in Examples 1 to 4.
  • the maximum wear width has increased.
  • the coated cutting tool of the comparative example 4 generate
  • large chipping occurred under any of the processing conditions.
  • produce the commercial item 2 the largest wear width became large compared with the coated cutting tool of a present Example also in any process conditions.
  • microanalysis of the laminated film was carried out in order to clarify the factor of excellent durability under high load processing conditions.
  • the composition analysis was carried out by attached wavelength dispersive electron probe microanalysis (WDS-EPMA) using electron probe microanalyzer device (model number: JXA-8500F) made by JEOL Ltd. It was confirmed that the nitride was substantially the same as the alloy composition of the target.
  • the film hardness of the hard film was measured using a nanoindentation tester (ENT-2100 manufactured by Elionix Co., Ltd.). As a result of the measurement, it was confirmed that the hardness of the c layer was about 38 GPa, the hardness of the d layer was about 45 GPa, and the d layer was higher in hardness than the c layer.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional TEM image ( ⁇ 300,000 times) in the c layer (laminated film) of the first embodiment. It is confirmed from FIG. 2 that the c layer which is a laminated film is formed of fine columnar particles having an average width of 50 to 70 nm.
  • FIG. 3 is an example of a cross-sectional dark field STEM image ( ⁇ 1, 800, 000) of the c layer in the first embodiment. It is confirmed from FIG. 3 that the relatively bright portion and the relatively dark portion of the c layer are stacked.
  • TEM transmission electron microscope
  • the relatively bright portions of arrows 3 to 5 are the Al-rich AlTiN nitride (c2 layer), and the relatively dark arrows 6 are the Al-rich AlCrN nitride (c1 layer). is there.
  • the results of arrows (analytical points) 3 to 6 in FIG. 3 and the composition analysis of the entire laminated film are shown in Table 5.
  • the compositions of the c1 layer and the c2 layer were determined by analyzing the central portion of each layer using an energy dispersive X-ray spectrometer (EDS) with an analysis region of ⁇ 1 nm. Values after the decimal point were calculated by rounding off.
  • EDS energy dispersive X-ray spectrometer
  • the c layer of Example 1 was Al-rich throughout the laminated film, and contained at least Si, Ti, and Cr.
  • the compositions of the c1 layer and the c2 layer were mixed with each other, and the c1 layer contained the total of Ti and W at 10 atomic% or less.
  • the c2 layer of Example 1 contained Cr at 10 atomic% or less.
  • the limited field diffraction pattern of the laminated film was determined under the conditions of an acceleration voltage of 120 kV, a limited field of view of 750 nm, a camera length of 100 cm, and an incident electron amount of 5.0 pA / cm 2 (on the fluorescent plate).
  • the intensity of the determined limited field diffraction pattern was converted to obtain an intensity profile.
  • the analysis point was at the middle part in the film thickness direction.
  • FIG. 4 shows an example of the limited field diffraction pattern of the c layer in the first embodiment.
  • FIG. 6 shows an example of the limited field diffraction pattern of the c layer in Comparative Example 1 in which the coating conditions of the laminated film are different.
  • 5 and 7 show an example of the intensity profile of the limited field diffraction pattern obtained by converting the luminance of the limited field diffraction pattern of the laminated film of FIGS. 4 and 6, respectively.
  • the horizontal axis indicates the distance (radius r) from the center of the (000) plane spot, and the vertical axis indicates the integrated intensity (arbitrary unit) for one circle at each radius r.
  • arrow 1 is a peak due to the (111) plane of AlN of fcc structure, the (111) plane of TiN, and the (111) plane of CrN.
  • Arrow 2 is a peak due to the (200) plane of the fcc structure, the (111) plane of TiN, and the (200) plane of CrN.
  • Arrow 3 is a peak due to the (220) plane of AlN of fcc structure, the (111) plane of TiN, and the (220) plane of CrN.
  • the peak intensity due to AlN of the hcp structure is not confirmed.
  • Example 1 In Examples 1, 2 and 4 in which the negative bias voltage applied to the substrate was -120 V, no peak attributed to AlN (010) was confirmed in the limited field diffraction pattern. On the other hand, in Example 3 in which the negative bias voltage applied to the substrate was -100 V, a peak due to AlN (010) was observed in a small amount in the limited field diffraction pattern, but the amount was As it was, the value of Ih ⁇ 100 / Is was 0. In Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4, no peak intensity attributable to AlN in the hcp structure was confirmed by X-ray diffraction, but in the limited field diffraction pattern, a peak attributable to AlN in the hcp structure There was a difference in strength.
  • Examples 1 to 4 it is presumed that the durability was remarkably improved under high load processing conditions because the amount of AlN of the hcp structure contained in the microstructure is small.
  • Examples 1, 2 and 4 in which the peak attributed to AlN (010) of the hcp structure was not confirmed in the limited field diffraction pattern, the damaged state of the tool tended to be stabilized.
  • Example 2 the film thickness of the laminated film was evaluated.
  • the present examples 20 and 21 have the same composition as the present example 1 of the example 1, and the coating time was adjusted to change only the film thickness.
  • the cutting test was done on the cutting conditions shown below. Table 6 shows the cutting test results. Details of the cutting conditions are as follows.
  • Example 21 Ih ⁇ 100 / Is of the laminated film was 0, the maximum wear width was small, and a stable wear form was exhibited. In particular, in Example 21, the maximum wear width was further suppressed, and it was confirmed that when the film thickness of the c layer was made the thickest film, more excellent durability was exhibited.
  • Example 3 the following ball end mill was used for the substrate.
  • Example 3 a metallic titanium target was placed at C1, an AlTi based alloy target or a TiSi based alloy target at C2, an AlCrSi based alloy target at C3, and a TiSi based alloy target at C4.
  • Table 7 shows the target compositions used.
  • the process up to Ar bombardment was the same as in Examples 1 and 2. Thereafter, 50 sccm of argon (Ar) gas was introduced into the vacuum vessel by flow control. The pressure in the vacuum vessel at that time was about 0.2 Pa. The negative bias voltage applied to the substrate was ⁇ 800 V and Ti bombardment was performed for about 15 minutes to provide an a layer on the surface of the substrate.
  • Ar argon
  • Example 30 to 33 the maximum wear width was small and a stable wear form was exhibited, and the cutting was possible continuously.
  • Example 32 since the absolute value of the negative bias voltage applied to the base material was increased, the adjustment of the film thickness became difficult, and the film thickness of the c layer became thinner than in Examples 30, 31, and 33. Therefore, the maximum wear width was larger than those of Examples 30, 31, and 33.
  • the maximum wear width tends to be further suppressed in the example 30 in which W is contained in the c2 layer.
  • Comparative Examples 30 to 32 showed a stable wear form, but the maximum wear width was larger than that of Examples 30 to 33.
  • a micro end analysis was performed by processing a ball end mill for evaluation of physical properties.
  • the nanobeam diffraction pattern was indexed to the crystal structure of WC, and in the metal element, there was a 1-10 nm a layer containing a large amount of Ti next to W.
  • the a layer contained Ti at 10 atomic% or more and 30 atomic% or less.
  • the a layer contained a small amount of base components other than oxygen, nitrogen, and W as unavoidable impurities.
  • b layer and d layer it was confirmed similarly to Example 1, 2 that it is a nitride substantially the same as the alloy composition of a target.
  • the laminated films of Examples 30, 31, 32, and 33 are Al-rich AlTi nitride (c2 layer) and Al-rich AlCrSi nitride (c1 layer). And were stacked, and Ih ⁇ 100 / Is was 0. That is, also in Examples 30 to 33, the amount of AlN in the hcp structure was reduced. Thereby, it is estimated that the ball end mill also exhibited excellent durability.
  • Ih ⁇ 100 / Is was about 20, and it was estimated that the durability was lowered as compared with the present example because the fragile hcp structure AlN increased in the microstructure. Be done.
  • the comparative example 32 differs in the composition of laminated film from a present Example, and the largest wear width became large compared with a present Example. From the comparison of Comparative Examples 30 to 32 and Example 32, it was confirmed that the maximum wear width becomes larger as the hcp structured AlN increases even if the film thickness of the c layer is the thickest. Even if the film thickness of the c layer was not the thickest film, the maximum wear width could be suppressed by reducing the hcp structured AlN in the microstructure. By making the film thickness of the c layer the thickest and reducing the hcp structure AlN in the microstructure, it is confirmed that the effect of suppressing the maximum wear width is increased, and particularly excellent durability is exhibited. It was done.

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Abstract

本発明の被覆切削工具は、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、アルミニウム（Ａｌ）を５５原子％以上、次いでクロム（Ｃｒ）の含有比率が多く、更に、少なくともシリコン（Ｓｉ）を含有する窒化物または炭窒化物のｃ１層と、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、アルミニウム（Ａｌ）を５５原子％以上、次いでチタン（Ｔｉ）を多く含有する窒化物または炭窒化物のｃ２層と、がそれぞれ５０ｎｍ以下の膜厚で交互に積層した積層皮膜であるｃ層を含む硬質皮膜を有する。ｃ層におけるＡｌＮのｈｃｐ（０１０）面に起因するピーク強度Ｉｈと、他の所定結晶相に起因するピーク強度の合計Ｉｓとが、Ｉｈ×１００／Ｉｓ≦１５の関係を満たす。

Description

被覆切削工具
　本発明は、被覆切削工具に関する。
　本願は、２０１７年１１月２０日に、日本に出願された特願２０１７－２２３０９９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　従来、切削工具の寿命を向上させる技術として、各種セラミックスからなる硬質皮膜を切削工具の表面に被覆する表面処理技術が採用されている。硬質皮膜の中でもＴｉとＳｉの複合窒化物皮膜（以下、ＴｉＳｉＮと記載する場合がある。）は、硬度が高く、優れた耐摩耗性を有するため、ＴｉＳｉＮが形成された切削工具は、高硬度鋼等の切削加工において優れた耐久性を発揮する。
　例えば、特許文献１には、Ｓｉ３Ｎ４およびＳｉが独立した相として化合物相中に存在するＴｉＳｉＮを被覆した被覆切削工具が提案されている。また、特許文献２には、ミクロ組織に微細結晶及び非晶質部が混在したＴｉＳｉＮを被覆した被覆切削工具が提案されている。
　一方、基材とＴｉＳｉＮの間に設ける皮膜構造を最適化することで、被覆切削工具の耐久性を改善することも提案されている。例えば、特許文献３、４では、基材とＴｉＳｉＮの間に、ナノレベルの膜厚で交互に積層する積層皮膜を設けた被覆切削工具が開示されている。
特開２０００－３３４６０６号公報 特開２００８－８０４４７号公報 特開２００６－２９９３９９号公報 特開２００６－１５２３２１号公報
　本発明者の検討によると、従来から提案されている積層皮膜の上層に高硬度な硬質皮膜を設けた被覆切削工具について、例えばＨＲＣ５０以上の高硬度鋼の高能率加工等の工具の負荷が大きい過酷な使用環境下においては、工具損傷が大きくなる場合があり、耐久性に改善の余地があることが確認された。
　本発明の一態様は、
　基材と、前記基材上に形成される硬質皮膜とを備え、
　前記硬質皮膜は、前記基材の上に配置される、窒化物または炭窒化物からなるｂ層と、
　前記ｂ層の上に配置され、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、アルミニウム（Ａｌ）を５５原子％以上、次いでクロム（Ｃｒ）の含有比率が多く、更に、少なくともシリコン（Ｓｉ）を含有する窒化物または炭窒化物のｃ１層と、
　金属（半金属を含む）元素の総量に対して、アルミニウム（Ａｌ）を５５原子％以上、次いでチタン（Ｔｉ）を多く含有する窒化物または炭窒化物のｃ２層と、がそれぞれ５０ｎｍ以下の膜厚で交互に積層した積層皮膜であるｃ層と、
　前記ｃ層の上に配置され、前記ｃ層よりも高硬度なｄ層と、を有し、
　前記ｃ層は、透過型電子顕微鏡の制限視野回折パターンから求められる強度プロファイルにおいて、六方最密充填構造のＡｌＮの（０１０）面に起因するピーク強度をＩｈとし、面心立方格子構造の、ＡｌＮの（１１１）面、ＴｉＮの（１１１）面、ＣｒＮの（１１１）面、ＡｌＮの（２００）面、ＴｉＮの（２００）面、ＣｒＮの（２００）面、ＡｌＮの（２２０）面、ＴｉＮの（２２０）面、およびＣｒＮの（２２０）面に起因するピーク強度と、六方最密充填構造の、ＡｌＮの（０１０）面、ＡｌＮの（０１１）面、およびＡｌＮの（１１０）面に起因するピーク強度と、の合計をＩｓとした場合、Ｉｈ×１００／Ｉｓ≦１５の関係を満たす被覆切削工具である。
　また、前記ｃ１層は、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、アルミニウム（Ａｌ）を５５原子％以上、クロム（Ｃｒ）を２０原子％以上、シリコン（Ｓｉ）を１原子％以上、を含有する窒化物または炭窒化物であり、前記ｃ２層は、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、アルミニウム（Ａｌ）を５５原子％以上、チタン（Ｔｉ）を２０原子％以上、を含有する窒化物または炭窒化物であることが好ましい。
　また、前記ｃ層は、Ｉｈ×１００／Ｉｓ＝０の関係を満たすことが好ましい。
　また、前記硬質皮膜の総膜厚に対して、前記ｃ層が最も厚い膜であることが好ましい。
　また、前記ｃ層は、柱状粒子から構成されており、前記柱状粒子の平均幅は９０ｎｍ以下であることが好ましい。
　また、前記ｄ層は、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、チタン（Ｔｉ）を７０原子％以上、シリコン（Ｓｉ）を５原子％以上、を含有する窒化物または炭窒化物であることが好ましい。
　また、前記ｃ２層は、周期律表の４ａ族、５ａ族、６ａ族の元素およびＳｉ、Ｂ、Ｙから選択される１種または２種以上の元素を含有してもよい。
　また、前記基材と前記ｂ層との間に、ナノビーム回折パターンがＷＣの結晶構造に指数付けされ、膜厚が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下のａ層を有してもよい。
　本発明によれば、耐久性に優れる被覆切削工具を提供することができる。
図１は、実施形態の被覆切削工具の断面構造を示す図である。 図２は、本実施例１の積層皮膜における断面ＴＥＭ像（×３００，０００倍）の一例である。 図３は、本実施例１の積層皮膜における断面暗視野ＳＴＥＭ像（×１，８００，０００倍）の一例である。 図４は、本実施例１の積層皮膜における制限視野回折パターンの一例である。 図５は、図４の制限視野回折パターンから求められる強度プロファイルの一例である。 図６は、比較例１の積層皮膜における制限視野回折パターンの一例である。 図７は、図６の制限視野回折パターンから求められる強度プロファイルの一例である。
　本発明者は、積層皮膜の上層に、ＴｉＳｉＮのような高硬度な硬質皮膜を設けた被覆切削工具について、工具寿命を改善する手法について検討した。本発明者は、ＡｌリッチなＡｌＣｒＮ系の窒化物または炭窒化物とＡｌリッチなＡｌＴｉＮ系の窒化物または炭窒化物とがナノレベルで交互に積層した積層皮膜について、ミクロ組織に含有されるｈｃｐ構造のＡｌＮを低減させることで、高硬度鋼の切削加工において優れた耐久性を示すことを見出して、本発明に到達した。以下、本実施形態の詳細について説明する。
　本実施形態の被覆切削工具は、例えば、図１に示す断面構造を有する。本実施形態の被覆切削工具は、基材と、基材上に形成される硬質皮膜とを有する。硬質皮膜は、基材側から順に、必要に応じて設けられるａ層と、窒化物または炭窒化物からなるｂ層と、積層皮膜からなるｃ層と、他の層よりも高硬度な硬質皮膜からなるｄ層と、を有する。以下、各層について詳細に説明する。
≪基材≫
　本実施形態の被覆切削工具においては、基材は特段限定されないが、強度と靭性に優れるＷＣ－Ｃｏ基超硬合金を基材とすることが好ましい。
≪ｂ層≫
　本実施形態に係るｂ層は、基材の上に配置される窒化物または炭窒化物である。ｂ層は、基材と積層皮膜であるｃ層との密着性を高める下地層である。基材の上に配置されるｂ層が窒化物または炭窒化物であることで、基材と硬質皮膜の密着性が優れる被覆切削工具となる。ｂ層は、金属（半金属を含む。以下、同様。）元素の総量に対して、Ａｌを５５原子％以上で含有することが好ましい。更には、ｂ層のＡｌは６０原子％以上が好ましい。ｂ層をＡｌリッチとすることで、後述するＡｌリッチの積層皮膜からなるｃ層との組成差が小さくなり密着性が向上する。また、ｂ層をＡｌリッチとすることで、硬質皮膜の全体で耐熱性が高まる。更には、ｂ層は、耐熱性と耐摩耗性に優れる窒化物であることが好ましい。但し、ｂ層のＡｌの含有比率が大きくなり過ぎると脆弱なｈｃｐ構造のＡｌＮが多くなる。そのため、ｂ層のＡｌは７５原子％以下が好ましい。また、積層皮膜であるｃ層との密着性をより高めるため、ｂ層は後述するｃ１層またはｃ２層が含有する金属元素を含有することが好ましい。また、ｂ層は、Ｘ線回折または透過型電子顕微鏡の制限視野回折パターンから求められる強度プロファイルにおいて、ｆｃｃ構造に起因するピーク強度が最大を示すことが好ましい。これにより、ｂ層の上に設けられるＡｌリッチの積層皮膜であるｃ層において、ｃ層のミクロ組織に含有されるｈｃｐ構造のＡｌＮが低減される。脆弱なｈｃｐ構造のＡｌＮが低減されることにより、被覆切削工具の耐久性が向上する。ｂ層は窒化物または炭窒化物であれば、組成が異なる複数の層から構成されてもよい。
　ｂ層の膜厚が薄くなり過ぎると、基材またはｃ層との密着性が低下し易くなる。一方、ｂ層の膜厚が厚くなり過ぎるとチッピングが発生し易くなる。被覆切削工具がより優れた耐久性を実現するには、ｂ層の膜厚は、０．１μｍ以上５．０μｍ以下が好ましい。更には、ｂ層の膜厚は０．２μｍ以上が好ましい。更には、ｂ層の膜厚は３．０μｍ以下が好ましい。ｂ層の膜厚の上限値および下限値は適宜組合せ可能である。
≪ｃ層≫
　本実施形態に係るｃ層は、上述した下地層であるｂ層と、後述する高硬度なｄ層との間に設けられるＡｌリッチな積層皮膜である。
　具体的には、ｃ層は、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、アルミニウム（Ａｌ）を５５原子％以上、次いでクロム（Ｃｒ）の含有比率が多く、更に、少なくともシリコン（Ｓｉ）を含有する窒化物または炭窒化物のｃ１層と、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、アルミニウム（Ａｌ）を５５原子％以上、次いでチタン（Ｔｉ）を多く含有する窒化物または炭窒化物のｃ２層と、がそれぞれ５０ｎｍ以下の膜厚で交互に積層した積層皮膜である。
　更には、ｃ層は、金属元素の総量に対して、アルミニウム（Ａｌ）を５５原子％以上、クロム（Ｃｒ）を２０原子％以上、シリコン（Ｓｉ）を１原子％以上、を含有する窒化物または炭窒化物のｃ１層と、金属部分の総量に対して、アルミニウム（Ａｌ）を５５原子％以上、チタン（Ｔｉ）を２０原子％以上、を含有する窒化物または炭窒化物のｃ２層とが５０ｎｍ以下の膜厚で交互に積層した積層皮膜であることが好ましい。
　組成系が互いに異なるＡｌリッチなＡｌＣｒＮ系の硬質皮膜とＡｌリッチなＡｌＴｉＮ系の硬質皮膜とがナノレベルで交互に積層されることで、皮膜破壊の進展が抑制され易くなる。また、ｃ層中にｈｃｐ構造のＡｌＮを含有し難くなり、硬質皮膜の全体で耐熱性が高まり被覆切削工具の耐久性が向上する。
　ｃ層の平均組成は、Ａｌの含有比率が５５原子％以上７５原子％以下であることが好ましい。更には、ｃ層の平均組成は、Ａｌの含有比率が６０原子％以上７０原子％以下であることが好ましい。また、ｃ層の平均組成は、ＣｒとＴｉの合計の含有率が２０原子％以上４０原子％以下であることが好ましい。また、ｃ層の平均組成は、Ｓｉの含有比率が０．５原子％以上５原子％以下であることが好ましい。更には、ｃ層の平均組成は、Ｓｉの含有比率が１原子％以上３原子％以下であることが好ましい。なお、ｃ層の平均組成は、５００ｎｍ×５００ｎｍ以上の範囲を測定して算出すればよい。
　更には、ｃ層はミクロ組織に含有されるｈｃｐ構造のＡｌＮが少ないことが必要である。本発明者は、ｃ層の評価においてＸ線回折ではｈｃｐ構造のＡｌＮのピーク強度が確認されない場合でも、ミクロ組織には脆弱なｈｃｐ構造のＡｌＮを含有する場合があることを知見した。そして、本発明者は、ｃ層のミクロ組織に含まれる脆弱なｈｃｐ構造のＡｌＮを低減することで、被覆切削工具の耐久性が向上することを確認した。
　硬質皮膜にミクロ組織に存在するｈｃｐ構造のＡｌＮの量を定量的に求めるには、硬質皮膜の加工断面について、透過型電子顕微鏡を用いて制限視野回折パターンを求め、制限視野回折パターンから求められる強度プロファイルを用いる。具体的には、透過型電子顕微鏡の制限視野回折パターンの強度プロファイルにおいて、Ｉｈ×１００／Ｉｓの関係を評価する。ＩｈおよびＩｓは以下のように定義される。
　Ｉｈ：ｈｃｐ構造のＡｌＮの（０１０）面に起因するピーク強度。
　Ｉｓ：ｆｃｃ構造の、ＡｌＮの（１１１）面、ＴｉＮの（１１１）面、ＣｒＮの（１１１）面、ＡｌＮの（２００）面、ＴｉＮの（２００）面、ＣｒＮの（２００）面、ＡｌＮの（２２０）面、ＴｉＮの（２２０）面、およびＣｒＮの（２２０）面に起因するピーク強度と、ｈｃｐ構造の、ＡｌＮの（０１０）面、ＡｌＮの（０１１）面、およびＡｌＮの（１１０）面に起因するピーク強度と、の合計。
　上記ＩｈとＩｓの関係を評価することで、Ｘ線回折によりｈｃｐ構造のＡｌＮに起因するピーク強度が確認されない硬質皮膜において、ミクロ組織に含まれるｈｃｐ構造のＡｌＮを定量的に評価することができる。Ｉｈ×１００／Ｉｓの値がより小さいことは、ｃ層のミクロ組織に存在する脆弱なｈｃｐ構造のＡｌＮがより少ないことを意味する。本発明者は、ｃ層におけるＩｈ×１００／Ｉｓの値が１５よりも大きい場合、過酷な使用環境下においては被覆切削工具の耐久性が低下し易くなることを確認した。本実施形態においては、ｃ層がＩｈ×１００／Ｉｓ≦１５を満たす構成とすることで、良好な耐久性を有する被覆切削工具を実現した。更には、本実施形態の被覆切削工具は、ｃ層がＩｈ×１００／Ｉｓ≦１０を満たす構成であることが好ましい。更には、本実施形態の被覆切削工具は、ｃ層がＩｈ×１００／Ｉｓ≦５を満たす構成であることが好ましい。
　更には、本実施形態の被覆切削工具は、ｃ層においてｈｃｐ構造のＡｌＮの（０１０）面に起因するピーク強度が確認されない構成であることが好ましい。すなわち、本実施形態の被覆切削工具は、ｃ層がＩｈ×１００／Ｉｓ＝０を満たす構成であることが好ましい。なお、制限視野回折パターンにおいて、ｈｃｐ構造のＡｌＮの回折パターンが確認される場合でも、その量が微量であれば、強度プロファイルにはピークが現れずＩｈ×１００／Ｉｓの値は０になる場合がある。ｃ層の制限視野回折パターンにおいて、ｈｃｐ構造のＡｌＮが確認されないことが、被覆切削工具の耐久性をより高めるために好ましい。
　ｃ層のミクロ組織は微細な柱状粒子から構成される。ｃ層を構成する柱状粒子は、積層皮膜の膜厚方向（積層方向）に沿って延びる。ｃ層が微粒な柱状粒子で構成されることで、硬質皮膜の硬度と靭性が高まる傾向にある。硬質皮膜の硬度と靭性を合わせて高めるためには、ｃ層の柱状粒子の平均幅は９０ｎｍ以下が好ましい。但し、柱状粒子の幅が小さくなり過ぎると硬質皮膜の靭性が低下する。そのため、ｃ層の柱状粒子の平均幅は３０ｎｍ以上が好ましい。柱状粒子の幅は、透過型電子顕微鏡を用いた断面観察像により確認できる。柱状粒子の平均幅は、断面観察像により確認した１０個以上の柱状粒子の幅の平均値として算出する。
≪ｃ１層≫
　ｃ１層は、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、アルミニウム（Ａｌ）を５５原子％以上、次いでクロム（Ｃｒ）の含有比率が多く、更に、少なくともシリコン（Ｓｉ）を含有する窒化物または炭窒化物である。更には、ｃ１層は、金属元素の総量に対して、アルミニウム（Ａｌ）を５５原子％以上、クロム（Ｃｒ）を２０原子％以上、シリコン（Ｓｉ）を１原子％以上、を含有する窒化物または炭窒化物であることが好ましい。
　ＡｌとＣｒをベースとする窒化物または炭窒化物は、耐熱性に優れる膜種である。特にＡｌの含有比率が大きくなると硬質皮膜の耐熱性が向上する傾向にあり、被覆切削工具の耐久性が向上する。更には、ｃ１層は、耐熱性と耐摩耗性に優れる窒化物であることが好ましい。硬質皮膜に高い耐熱性を付与するために、ｃ１層はＡｌを５５原子％以上で含有する。更にはｃ１層のＡｌ含有比率は６０原子％以上が好ましい。但し、Ａｌの含有比率が大きくなり過ぎると、ミクロ組織に含有される脆弱なｈｃｐ構造のＡｌＮが多くなるため、硬質皮膜の耐久性が低下する。そのため、ｃ１層のＡｌ含有比率は７５原子％以下、更には７０原子％以下が好ましい。
　ＡｌとＣｒをベースとする窒化物または炭窒化物は、Ｃｒの含有比率が小さくなり過ぎると耐摩耗性が低下する。硬質皮膜に高い耐摩耗性を付与するために、ｃ１層はＣｒを２０原子％以上で含有することが好ましい。ｃ１層はＡｌＣｒ系の窒化物または炭窒化物とするために、Ａｌに次いでＣｒを多く含有する。但し、ｃ１層においてＣｒの含有比率が大きくなり過ぎると、相対的にＡｌの含有比率が低下するため、耐熱性が低下する。そのため、ｃ１層のＣｒ含有比率は４０原子％以下、更には３５原子％以下が好ましい。
　ｃ１層は、積層皮膜の耐熱性と耐摩耗性をより高めるために、ＡｌとＣｒの含有比率の合計が８５原子％以上であることが好ましい。
　ＡｌとＣｒの窒化物または炭窒化物はＳｉ元素を含有することで、皮膜組織が微細となり耐摩耗性と耐熱性がより向上する。そのため、ｃ１層がＳｉを含有することで、積層皮膜の全体の耐摩耗性と耐熱性が向上する。また、ｃ層を構成する積層皮膜の硬度が向上するため、積層皮膜の上に設ける高硬度なｄ層との硬度差が小さくなり密着性が高まる。これらの効果を奏するために、ｃ１層はＳｉを１原子％以上で含有することが好ましい。但し、Ｓｉの含有比率が大きくなり過ぎると、ミクロ組織に含まれるｈｃｐ構造のＡｌＮや非晶質相が増加するため耐久性が低下する。そのため、ｃ１層のＳｉ含有比率は５原子％以下、更には３原子％以下が好ましい。
　ｃ１層とｃ２層はナノレベルで交互に積層しているため、被覆時に互いの組成が混ざる。また互いの組成が拡散し得る。そのため、ｃ１層にはｃ２層に必須で含まれるＴｉを含有し得る。但し、組成系が異なるＡｌリッチなＡｌＣｒＮ系の硬質皮膜とＡｌリッチなＡｌＴｉＮ系の硬質皮膜を積層させるために、ｃ１層のＴｉの含有比率はｃ２層のＴｉの含有比率よりも少なくする。
　ｃ１層はＡｌとＣｒとＳｉ以外の金属元素を含有することができる。ｃ１層は、例えば、硬質皮膜の耐摩耗性や耐熱性や潤滑性などの向上を目的として、周期律表の４ａ族、５ａ族、６ａ族の元素およびＢ、Ｙから選択される１種または２種以上の元素を含有することができる。これらの元素は、硬質皮膜の特性を改善するために、ＡｌＴｉＮ系やＡｌＣｒＮ系の硬質皮膜には一般的に添加されている元素であり、含有比率が過多にならなければ被覆切削工具の耐久性を著しく低下させることはない。
　但し、ｃ１層がＡｌとＣｒとＳｉ以外の金属元素を多く含有するとＡｌＣｒＮ系の硬質皮膜としての基礎特性が損なわれ被覆切削工具の耐久性が低下する。そのため、ｃ１層はＡｌとＣｒとＳｉ以外の金属元素の合計が２５原子％以下、更には２０原子％以下、更には１５原子％以下であることが好ましい。
≪ｃ２層≫
　ｃ２層は、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、アルミニウム（Ａｌ）を５５原子％以上、次いでチタン（Ｔｉ）を多く含有する窒化物または炭窒化物である。更には、ｃ２層は、金属元素の総量に対して、アルミニウム（Ａｌ）を５５原子％以上、チタン（Ｔｉ）を２０原子％以上、で含有する窒化物または炭窒化物であることが好ましい。ＡｌとＴｉを主体とする窒化物または炭窒化物は、耐摩耗性および耐熱性に優れる膜種である。特に、Ａｌの含有比率が大きくなると硬質皮膜の耐熱性が向上する傾向にあり、被覆切削工具の耐久性が向上する。更には、耐熱性と耐摩耗性に優れる窒化物であることが好ましい。硬質皮膜に高い耐熱性を付与するために、ｃ２層はＡｌを５５原子％以上で含有する。更にはｃ２層のＡｌは６０原子％以上が好ましい。但し、Ａｌの含有比率が大きくなり過ぎると、ｈｃｐ構造のＡｌＮが多くなるため、硬質皮膜の耐久性が低下する。そのため、ｃ２層のＡｌの含有比率は７５原子％以下、更には７０原子％以下が好ましい。
　ＡｌとＴｉをベースとする窒化物または炭窒化物はＴｉの含有比率が小さくなり過ぎると耐摩耗性が低下する。そのため、ｃ２層はＴｉを２０原子％以上で含有することが好ましい。ｃ２層はＡｌＴｉ系の窒化物または炭窒化物とするために、Ａｌに次いでＴｉを多く含有する。但し、Ｔｉの含有比率が大きくなり過ぎると、相対的にＡｌの含有比率が低下するため、耐熱性が低下する。そのため、ｃ２層のＴｉの含有比率は４０原子％以下、更には３５原子％以下が好ましい。
　ｃ２層は、積層皮膜の耐熱性と耐摩耗性をより高めるために、ＡｌとＴｉの含有比率の合計が８０原子％以上であることが好ましい。
　ｃ１層とｃ２層はナノレベルで交互に積層しているため、被覆時に互いの組成が混ざる。また、互いの組成が拡散し得る。そのため、ｃ２層はｃ１層に必須で含まれるＣｒとＳｉを含有し得る。但し、組成系が異なるＡｌリッチなＡｌＣｒＮ系の硬質皮膜とＡｌリッチなＡｌＴｉＮ系の硬質皮膜を積層させるために、ｃ２層のＣｒの含有比率はｃ２層のＣｒ含有比率よりも少なくする。なお、ｃ１層において含有比率が小さいＳｉはｃ２層には含有されない場合もある。
　ｃ２層は、ＡｌとＴｉと以外の金属元素を含有することができる。ｃ２層は、例えば、硬質皮膜の耐摩耗性や耐熱性や潤滑性などの向上を目的として、周期律表の４ａ族、５ａ族、６ａ族の元素およびＳｉ、Ｂ、Ｙから選択される１種または２種以上の元素を含有することができる。これらの元素は、硬質皮膜の特性を改善するために、ＡｌＴｉＮ系やＡｌＣｒＮ系の硬質皮膜には一般的に添加されている元素であり、含有比率が過多にならなければ被覆切削工具の耐久性を著しく低下させることはない。特にＡｌＴｉＮ系の硬質皮膜がＷ（タングステン）の元素を含有することで、より過酷な使用環境下において耐久性が優れる傾向にあり好ましい。
　但し、ｃ２層がＡｌとＴｉ以外の金属元素を多く含有すると、ＡｌＴｉＮ系の硬質皮膜としての基礎特性が損なわれ被覆切削工具の耐久性が低下する。そのため、ｃ２層はＡｌとＴｉ以外の金属元素の合計が２５原子％以下、更には２０原子％以下、更には１５原子％以下であることが好ましい。
　下地層であるｂ層と、積層皮膜であるｃ層との密着性をより高めるためには、ｃ層のｂ層側の部分では、ｂ層と同一組成系の硬質皮膜がより厚い膜であることが好ましい。具体的には、ｂ層がＡｌＴｉＮ系の硬質皮膜であれば、ｃ層のｂ層側の部分では、ｃ１層の方がｃ２層よりも厚い膜であることが好ましい。また、ｂ層がＡｌＣｒＮ系の硬質皮膜であれば、ｃ層のｂ層側の部分では、ｃ２層の方がｃ１層よりも厚い膜であることが好ましい。このような皮膜構造とすることで、下地層であるｂ層と積層皮膜であるｃ層との密着性が高まる傾向になり、工具形状や使用環境によっては、被覆切削工具の耐久性がより向上する場合もある。
　本実施形態では、硬質皮膜の総膜厚に対して、ｃ層を最も厚い膜とすることが好ましい。ｃ層が硬質皮膜の主層であることで、密着性および耐摩耗性が高いレベルで両立されて被覆切削工具の耐久性が向上する。
　各層の最適な膜厚は、工具の種類、工具径および被削材等により異なるが、何れもｃ層が最も厚い膜となることで優れた耐久性を実現し易い。そして、ｂ層、ｃ層、ｄ層の合計の膜厚を１００％とした場合、ｃ層の膜厚比が５０％以上、更には６０％以上、更には７０％以上が好ましい。但し、ｃ層の膜厚比が大きくなり過ぎると、ｂ層とｄ層の膜厚が小さくなるため、密着性や耐摩耗性が低下する。そのため、ｃ層の膜厚比は９０％以下、更には８５％以下が好ましい。
　ｂ層の膜厚比は５％以上が好ましい。ｄ層の膜厚比は１０％以上が好ましい。
　積層皮膜の密着性を高めるためには、ｃ１層とｃ２層のそれぞれの膜厚は２０ｎｍ以下が好ましい。またｃ１層およびｃ２層の個々の膜厚が小さ過ぎると、組成系が異なる積層皮膜を形成することが困難になるため、ｃ１層とｃ２層のそれぞれの膜厚は２ｎｍ以上が好ましい。更にはｃ１層とｃ２層のそれぞれの膜厚は５ｎｍ以上が好ましい。ｃ１層およびｃ２層の膜厚の上限値および下限値は適宜組合せ可能である。
≪ｄ層≫
　本実施形態に係るｄ層は、積層皮膜であるｃ層の上層に設けられ、ｃ層よりも硬質の高硬度層である。本実施形態においてｃ層の硬度は特に限定されるものではないが、ｃ層のナノインデンテーション硬度は概ね３５～４０ＧＰａの範囲となる。ｃ層の上層に高硬度のｄ層を設けることで、主層であるｃ層の摩耗が抑制されて、被覆切削工具の耐久性がより向上する。ｄ層はｃ層よりも高硬度であれば、ｃ層の保護皮膜としての一定の効果を奏することができる。本実施形態においてｄ層の皮膜組成は特段限定されない。本実施形態においてｄ層のナノインデンテーション硬度を４０ＧＰａ以上とすることで被覆切削工具の耐久性がより向上するので好ましい。ｄ層とｃ層の間には、ｄ層とｃ層の積層皮膜を設けても良い。
　ｄ層は、金属元素の含有比率でＴｉが７０原子％以上、シリコン（Ｓｉ）を５原子％以上で含有する窒化物または炭窒化物であることが好ましい。ｄ層がＴｉＳｉＮ系の窒化物からなる硬質皮膜であることで、ナノインデンテーション硬度が４０ＧＰａよりも高硬度になり易い。更にはｄ層のナノインデンテーション硬度は４２ＧＰａ以上が好ましい。また、ＴｉＳｉＮ系の硬質皮膜は、硬質皮膜の組織が微細となって硬質皮膜が高硬度になるとともに、耐熱性にも優れ、高い残留圧縮応力も付与される。そのため、ＴｉＳｉＮ系のｄ層を積層皮膜の上層に設けることで、高負荷の使用環境下において、被覆切削工具の耐久性を著しく改善することができる。但し、Ｔｉの含有比率が大きくなり過ぎると相対的にＳｉの含有比率が低下して皮膜組織が粗大になるとともに、硬質皮膜に十分な残留圧縮応力が付与されなくなる。そのため、ｄ層のＴｉの含有比率は９５原子％以下が好ましい。また、Ｓｉの含有比率が大きくなり過ぎると、硬質皮膜に含まれる非晶質相が多くなり、被覆切削工具の耐久性が低下し易くなる。そのため、ｄ層のＳｉの含有比率は３０原子％以下が好ましい。ｄ層は、硬質皮膜の耐熱性と耐摩耗性をより高めるために、ＴｉとＳｉの含有比率の合計を９０原子％以上とすることが好ましい。ｄ層は、耐熱性と耐摩耗性に優れる窒化物であることが好ましい。また、必要に応じて、ｄ層の上層に、ｄ層よりも硬度の低い別の層を設けてもよい。
　ｄ層の膜厚が薄くなり過ぎると硬質皮膜の耐久性が低下し易くなる。一方、ｄ層の膜厚が厚くなり過ぎると硬質皮膜のチッピングが発生し易くなる。被覆切削工具がより優れた耐久性を実現するには、ｄ層の膜厚は、０．１μｍ以上５．０μｍ以下が好ましい。更には、ｄ層の膜厚は０．２μｍ以上が好ましい。更には、ｄ層の膜厚は３．０μｍ以下が好ましい。ｄ層の膜厚の上限値および下限値は適宜組合せ可能である。
　本実施例に係る硬質皮膜のｂ層、ｃ層、ｄ層は、耐熱性と耐摩耗性に優れる窒化物であることが好ましい。硬質皮膜の全体が窒化物であることで、被覆切削工具の耐久性がより向上する。なお、一般的に、窒化物であっても微小の酸素と炭素を含有する。つまり、金属窒化物は、ミクロ解析において、金属元素と酸素や炭素が結合しているピーク強度を有する。本実施形態に係る硬質皮膜は、窒化物が主体であれば、一部に炭窒化物や酸窒化物を含有してもよい。上述した組成および皮膜構造を満たす範囲であれば、硬質皮膜を構成する窒化物の一部に炭窒化物や酸窒化物が含まれても、被覆切削工具の耐久性を著しく低下させることはない。なお、本実施形態に係る硬質皮膜を、炭窒化物とする場合にも、硬質皮膜の耐熱性と耐摩耗性をより高めるために、炭素よりも窒素の含有比率が大きいことが好ましい。炭窒化物とする場合でも、窒素の含有比率に対して、炭素の含有比率を２０原子％以下とすることが好ましく、更には１０原子％以下とすることが好ましい。
≪ａ層≫
　本実施形態では、必要に応じて、基材と下地層ｂ層との間に、ナノビーム回折パターンがＷＣの結晶構造に指数付けされるａ層を有してもよい。ａ層は金属イオンボンバードにより基材の表面に形成される。ａ層は金属イオンボンバードに用いた金属元素が拡散して形成される層であるため、ＷＣ－Ｃｏ基超硬合金を基材とする場合、金属元素の総量でＷ（タングステン）を最も多く含有しており、次いで金属イオンボンバードに用いた金属元素を含有する。このようなａ層を有することで、基材とその上に設ける下地層との密着性が著しく改善する傾向にある。
　但し、工具径が小さくなると、刃先が鋭角になり易いスクエアエンドミルやラジアスエンドミルにおいては、金属イオンボンバードにより、刃先が溶損する場合があり、刃先稜線が破壊され易くなる。そのため、ａ層は、金属イオンボンバードにより刃先稜線が破壊され難い、鋭角な刃先が形成されないボールエンドミルに設けることが好ましい。ａ層の膜厚が薄すぎる場合や、厚すぎる場合には密着性の改善効果が得られない。そのため、ａ層の膜厚は１ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好ましい。
　ａ層はナノビーム回折パターンがＷＣの結晶構造に指数付けされる層であるため、主に炭化物から構成される。ａ層はナノビーム回折パターンがＷＣの結晶構造に指数付けされる層であれば、一部に、窒素や酸素を含有してもよい。また、ａ層は、一部に金属層を含有する場合もある。特に、金属ＴｉやＴｉを主体とする合金ターゲットを用いた金属イオンボンバード処理は密着性の改善効果が大きい。そのため、ａ層は金属元素の含有比率で、ＷについでＴｉを多く含有することが好ましい。但し、ａ層に含有されるＴｉの含有比率が多くなり過ぎたり、少なくなり過ぎると密着性の向上効果が得られ難い。ａ層はＴｉを１０原子％以上３０原子％以下で含有することが好ましい。
≪製造方法≫
　本実施形態に係る硬質皮膜は、ターゲットのイオン化率が高いアークイオンプレーティング法で被覆することが好ましい。また、ターゲットのイオン化率が高い高出力スパッタリング法で被覆してもよい。そして、Ａｌリッチの積層皮膜について、結晶性を高めてミクロ組織に含有されるｈｃｐ構造のＡｌＮを低減するために、ターゲット中心付近の垂直方向における磁束密度が１０ｍＴ以上のカソードを用いることが好ましい。
　また、ＡｌＣｒ系の硬質皮膜を形成するためのカソードでは、カソード電圧が２０Ｖ以上３５Ｖ以下の範囲で成膜することが好ましい。カソード電圧が低すぎると、積層皮膜のｈｃｐ構造のＡｌＮが多くなり耐久性が低下する。また、カソード電圧が高くなり過ぎると、積層皮膜の皮膜組織が粗大になり過ぎて耐久性が低下し易くなる。ＡｌＴｉ系の硬質皮膜を形成するためのカソードでは、カソード電圧が２０Ｖ以上３０Ｖ以下の範囲で成膜することが好ましい。カソード電圧が低くなり過ぎると、ｈｃｐ構造のＡｌＮが多くなり耐久性が低下する。また、カソード電圧が高くなり過ぎると、積層皮膜の皮膜組織が粗大になり過ぎて耐久性が低下し易くなる。カソード電流はそれぞれ１２０Ａ以上２００Ａ以下が好ましい。
　本実施形態の製造方法では、ターゲット中心付近の垂直方向における磁束密度とカソード電圧を上述した範囲になる成膜装置を選定した上で、基材に印加する負のバイアス電圧の絶対値を大きくすることが好ましい。この製造方法によれば、ミクロ組織のｈｃｐ構造のＡｌＮの生成が抑制され、Ｉｈ×１００／Ｉｓの値を１５よりも小さくすることができる。
　基材に印加する負のバイアス電圧は－２００Ｖ以上－１００Ｖ未満が好ましい。更には、－１２０Ｖ以下が好ましい。バイアス電圧の絶対値が大きくなり過ぎると、成膜が安定し難く膜厚を調整することが困難となる。また、バイアス電圧の絶対値が小さくなり過ぎると、ｈｃｐ構造のＡｌＮが多くなり耐久性が低下する。被覆温度は４００℃以上６００℃以下が好ましい。窒化物を被覆する場合、炉内に窒素ガスを導入して被覆する。また、被覆時の窒素ガス圧力は２．０Ｐａ以上８．０Ｐａ以下が好ましい。炭窒化物を被覆する場合には、窒素ガスの一部をメタンガスに置換すればよい。
　＜成膜装置＞
　成膜には、アークイオンプレーティング法を利用した成膜装置を用いた。この成膜装置は、複数のカソード（アーク蒸発源）、真空容器、および基材回転機構を備えている。カソードとしては、ターゲットの外周にコイル磁石が配備されたカソードを１基（以下、「Ｃ１」という。）と、ターゲットの背面および外周に永久磁石が配備され、ターゲット表面に垂直方向の磁束密度を有し、ターゲット中央付近における垂直方向の磁束密度が１４ｍＴであるカソードを３基（以下、「Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４」という。）と、が搭載されている。
　Ｃ１～Ｃ４は基材が配置される領域の周囲に約９０°間隔に配置されており、Ｃ１とＣ４、Ｃ２とＣ３とが対向するように設けられている。
　真空容器は、内部が真空ポンプにより排気され、ガスが供給ポートより導入されるようになっている。真空容器内に設置された各基材には、バイアス電源が接続され、各基材に対してそれぞれ独立に負のＤＣバイアス電圧を印加することができる。
　基材回転機構は、プラネタリーと、プラネタリー上に配置されたプレート状治具と、プレート状治具上に配置されたパイプ状治具と、を備え、プラネタリーは毎分３回転の速さで回転し、プレート状治具およびパイプ状治具はそれぞれ自公転するようになっている。
　実施例１では、以下のスクエアエンドミルを基材に用いた。
　組成：ＷＣ（ｂａｌ．）－Ｃｏ（８質量％）－Ｃｒ（０．５質量％）－Ｖ（０．３質量％）
　硬度：９４．０ＨＲＡ
　刃径：６ｍｍ、刃数：６枚
　実施例１では、Ｃ１に金属チタンターゲット、Ｃ２にＡｌＴｉ系合金ターゲット、Ｃ３にＡｌＣｒＳｉ系合金ターゲット、Ｃ４にＴｉＳｉ系合金ターゲットを設置した。
　各基材をそれぞれ真空容器内のパイプ状冶具に固定し、成膜前に以下のプロセスを実施した。まず、真空容器内を５×１０－２Ｐａ以下に真空排気した。その後、真空容器内に設置したヒーターにより、基材を温度５００℃まで加熱し、真空排気を行った。そして、基材の設定温度を５００℃とし、真空容器内の圧力を５×１０－２Ｐａ以下とした。
＜Ａｒボンバード＞
　その後、真空容器内に流量制御でアルゴン（Ａｒ）ガスを５０ｓｃｃｍ導入した。その際の真空容器内の圧力は約０．５Ｐａであった。次いで、基材とＣ１との間を遮断した状態でＣ１に２００Ａの電流を供給してＴｉを放電させながら、基材に－２００Ｖのバイアス電圧を印加して、Ａｒボンバードを３０分間実施した。このＡｒボンバード処理により、炉内の酸素をより低減させた。
＜成膜工程＞
　その後、基材の設定温度を４８０℃として、真空容器内に窒素ガスを導入して、炉内圧力を３．２Ｐａとした。
　ｂ層の被覆では、何れの試料も基材に印加する負のバイアス電圧を－１２０Ｖ、Ｃ２に印加する電流を２００Ａとした。また、ｄ層の被覆では、何れの試料も基材に印加する負のバイアス電圧を－４０Ｖ、Ｃ４に印加する電流を２００Ａとした。
　ｃ層の被覆では、試料により基材に印加する負のバイアス電圧を変化させた。また、Ｃ２に投入する電力は一定として、Ｃ３に投入する電力を徐々に増加させていき、ｃ層のｂ層側の部分ではｃ２層（ＡｌＴｉＮ系）の方がｃ１層（ＡｌＣｒＮ系）よりも厚い膜になるよう被覆した。なお、被覆時の、Ｃ２のカソード電圧は２０Ｖ以上３０Ｖ以下、Ｃ３のカソード電圧は２０Ｖ以上３５Ｖ以下であった。
　表１に使用したターゲット組成を示す。表２に成膜条件を示す。表３に試料の膜厚を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　作製した被覆切削工具について、以下に示す切削条件にて切削試験を行った。
　なお、市場において、高硬度材の切削加工に広く使用されている市販のソリッドエンドミルについても評価した。市販品１は、基材の表面にＡｌ６０Ｃｒ２５Ｔｉ１５Ｎ（数値は原子比率である。以下、同様。）を約２μｍ設け、その上にＴｉ８０Ｓｉ２０Ｎを約２μｍ設、最表層にＡｌ６０Ｃｒ２５Ｔｉ１５Ｎを約０．５μｍ設けた皮膜構造であった。市販品２は、基材の表面にＡｌ５０Ｔｉ３５Ｃｒ１５Ｎを約３μｍ設け、その上にＣｒ５５Ａｌ３５Ｓｉ１０Ｎを約１μｍ設けた皮膜構造であった。
　表４に切削試験結果を示す。切削条件の詳細は、以下の通りである。
　　＜加工条件Ａ＞
　・切削方法：側面切削
　・被削材：ＳＴＡＶＡＸ（５２ＨＲＣ）
　・使用工具：６枚刃スクエアエンドミル（工具径６ｍｍ）
　・切り込み：軸方向、６．０ｍｍ、径方向、０．１ｍｍ
　・切削速度： ７０ｍ／ｍｉｎ
　・一刃送り量：０．０２６ｍｍ／刃
　・クーラント：ドライ加工（エアーブロー）
　・切削距離：４０ｍ
　　＜加工条件Ｂ＞
　・切削方法：側面切削
　・被削材：ＳＴＡＶＡＸ（５２ＨＲＣ）
　・使用工具：６枚刃スクエアエンドミル（工具径６ｍｍ）
　・切り込み：軸方向、６．０ｍｍ、径方向、０．３ｍｍ
　・切削速度： ７０ｍ／ｍｉｎ
　・一刃送り量：０．０２６ｍｍ／刃
　・クーラント：ドライ加工（エアーブロー）
　・切削距離：４０ｍ
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　本実施例１～４は、いずれの加工条件でも最大摩耗幅が小さく、安定した摩耗形態を示し、継続して切削加工が可能な状態であった。本実施例１、２を比較すると、ｃ２層にＷを含有した本実施例１の方が、高切込みの加工条件において最大摩耗幅がより抑制される傾向にあった。また、本実施例１、３を比較すると、基材に印加する負のバイアス電圧の絶対値が大きい本実施例１の方が、高切込みの加工条件において最大摩耗幅がより抑制される傾向にあった。
　比較例１～３は、本実施例１と同様の皮膜組成であり、低切込みの加工条件においては、本実施例と同様に最大摩耗幅が小さく、安定した摩耗形態を示した。しかし、高切込みの加工条件においては、比較例１～３では、欠けが発生して、継続して切削加工できなかった。
　比較例４は、本実施例１～４よりも積層皮膜のＡｌの含有比率が少ない組成であり、低切込みの加工条件においては、欠けは発生しなかったが、本実施例１～４よりも最大摩耗幅が大きくなった。また、高切込みの加工条件においては、比較例４の被覆切削工具は、欠けが発生して継続して切削加工できなかった。
　市販品１は、いずれの加工条件でも大きな欠けが発生した。また、市販品２は、欠けは発生しなかったが、いずれの加工条件でも本実施例の被覆切削工具に比べて最大摩耗幅が大きくなった。
　本実施例１～４について、高負荷な加工条件において耐久性が優れた要因を解明するために積層皮膜のミクロ解析を行った。
　なお、ｂ層とｄ層については、株式会社日本電子製の電子プローブマイクロアナライザー装置（型番：ＪＸＡ－８５００Ｆ）を用いて、付属の波長分散型電子プローブ微小分析（ＷＤＳ－ＥＰＭＡ）で組成分析を行い、ターゲットの合金組成とほぼ同一の窒化物であることが確認された。また、硬質皮膜の皮膜硬さを、ナノインデンテーションテスター（エリオニクス（株）製ＥＮＴ－２１００）を用いて測定した。測定の結果、ｃ層の硬度は約３８ＧＰａ、ｄ層の硬度は約４５ＧＰａであり、ｄ層がｃ層よりも高硬度であることが確認された。
　本実施例１～４について、物性評価用のスクエアエンドミルを加工して、加工断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察した。一例として、図２に本実施例１のｃ層（積層皮膜）における断面ＴＥＭ像（×３００,０００倍）を示す。図２から、積層皮膜であるｃ層は、平均幅が５０～７０ｎｍの微細な柱状粒子から形成されていることが確認される。図３は本実施例１のｃ層の断面暗視野ＳＴＥＭ像（×１,８００,０００）の一例である。図３から、ｃ層は、相対的に明るい部分と相対的に暗い部分が積層していることが確認される。図３において、矢印３～５の相対的に明るい部分がＡｌリッチなＡｌＴｉＮ系の窒化物（ｃ２層）であり、相対的に暗い矢印６がＡｌリッチなＡｌＣｒＮ系の窒化物（ｃ１層）である。
　図３中の矢印（分析点）３～６および積層皮膜の全体の組成分析の結果を表５に示す。ｃ１層とｃ２層の組成は、エネルギー分散型Ｘ線分光器（ＥＤＳ）を用いて、分析領域をφ１ｎｍとして、各層の中心部分を分析することで求めた。小数点以下の値は四捨五入して求めた。
　本実施例１のｃ層は、積層皮膜の全体でＡｌリッチであり、少なくともＳｉとＴｉとＣｒを含有していた。本実施例１では、ｃ１層とｃ２層の組成は相互に混ざっており、ｃ１層はＴｉとＷの合計を１０原子％以下で含有していた。また、本実施例１のｃ２層はＣｒを１０原子％以下で含有していた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　続いて、積層皮膜の制限視野回折パターンを、加速電圧１２０ｋＶ、制限視野領域φ７５０ｎｍ、カメラ長１００ｃｍ、入射電子量５．０ｐＡ／ｃｍ２（蛍光板上）の条件にて求めた。求めた制限視野回折パターンの輝度を変換し、強度プロファイルを求めた。分析箇所は、膜厚方向における中間部分とした。
　図４に、本実施例１におけるｃ層の制限視野回折パターンの一例を示す。図６に、積層皮膜の被覆条件が異なる比較例１におけるｃ層の制限視野回折パターンの一例を示す。また、図５、７に、それぞれ図４、６の積層皮膜の制限視野回折パターンの輝度を変換して求めた、制限視野回折パターンの強度プロファイルの一例を示す。図５、７において、横軸は（０００）面スポット中心からの距離（半径ｒ）を、縦軸は各半径ｒにおける円一周分の積算強度（任意単位）を、それぞれ示している。
　図５において、矢印１は、ｆｃｃ構造のＡｌＮの（１１１）面、ＴｉＮの（１１１）面、およびＣｒＮの（１１１）面に起因するピークである。矢印２は、ｆｃｃ構造のＡｌＮの（２００）面、ＴｉＮの（１１１）面、およびＣｒＮの（２００）面に起因するピークである。矢印３は、ｆｃｃ構造のＡｌＮの（２２０）面、ＴｉＮの（１１１）面、およびＣｒＮの（２２０）面に起因するピークである。図５においては、ｈｃｐ構造のＡｌＮに起因するピーク強度は確認されない。一方、図７の矢印１は、ｈｃｐ構造のＡｌＮ（０１０）に起因するピークであり、ｈｃｐ構造のＡｌＮの最大強度である。
　図５に示すように本発明例１はｈｃｐ構造のＡｌＮ（０１０）に起因するピークは確認されず、Ｉｈ×１００／Ｉｓは０である。一方、比較例１は、Ｉｈ×１００／Ｉｓは１９となった。
　本実施例１～４は何れも、積層皮膜のＩｈ×１００／Ｉｓは０であった。また、比較例２～４のＩｈ×１００／Ｉｓは比較例１とほぼ同じであった。基材に印加する負のバイアス電圧を－１２０Ｖとした本実施例１、２、４については制限視野回折パターンでＡｌＮ（０１０）に起因するピークが確認されなかった。一方、基材に印加する負のバイアス電圧を－１００Ｖとした本実施例３については、制限視野回折パターンにはＡｌＮ（０１０）に起因するピークが微量に確認されたが、その量が微量であったので、Ｉｈ×１００／Ｉｓの値は０となった。
　本実施例１～４および比較例１～４について、Ｘ線回折では、ｈｃｐ構造のＡｌＮに起因するピーク強度は確認されなかったが、制限視野回折パターンにおいては、ｈｃｐ構造のＡｌＮに起因するピーク強度に差異が生じた。本実施例１～４は、ミクロ組織に含有されるｈｃｐ構造のＡｌＮが少ないために、高負荷な加工条件において、耐久性が著しく改善されたと推定される。特に、制限視野回折パターンでｈｃｐ構造のＡｌＮ（０１０）に起因するピークが確認されなかった実施例１、２、４は、工具の損傷状態が安定する傾向にあった。
　実施例２では、積層皮膜の膜厚について評価した。本実施例２０、２１は、実施例１の本実施例１と同様の組成であり、被覆時間を調整して膜厚のみを変化させた。
　作製した被覆切削工具について、以下に示す切削条件にて切削試験を行った。表６に切削試験結果を示す。切削条件の詳細は、以下の通りである。
　＜加工条件Ｃ＞
・切削方法：底面切削
・被削材：ＳＴＡＶＡＸ（５２ＨＲＣ）
・使用工具：４枚刃スクエアエンドミル（工具径６ｍｍ）・切り込み：軸方向、６．０ｍｍ、径方向、０．１ｍｍ
・切削速度： ７０ｍ／ｍｉｎ
・一刃送り量：０．０４ｍｍ／刃
・クーラント：ドライ加工（エアーブロー）
・切削距離：４０ｍ
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　本実施例２０、２１は何れも積層皮膜のＩｈ×１００／Ｉｓは０であり、最大摩耗幅が小さく、安定した摩耗形態を示した。特に、本実施例２１は最大摩耗幅がより抑制されており、ｃ層の膜厚を最も厚い膜にすることでより優れた耐久性を示すことが確認された。
　実施例３では、以下のボールエンドミルを基材に用いた。
　組成：ＷＣ（ｂａｌ．）－Ｃｏ（８質量％）－Ｃｒ（０．８質量％）－Ｔａ（０．２質量％）
　硬度：９３．２ＨＲＡ
　刃径：１．０ｍｍ
　実施例３では、Ｃ１に金属チタンターゲット、Ｃ２にＡｌＴｉ系合金ターゲットまたはＴｉＳｉ系合金ターゲット、Ｃ３にＡｌＣｒＳｉ系合金ターゲット、Ｃ４にＴｉＳｉ系合金ターゲットを設置した。表７に使用したターゲット組成を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
　Ａｒボンバード処理までは、実施例１、２と同様とした。その後、真空容器内に流量制御でアルゴン（Ａｒ）ガスを５０ｓｃｃｍ導入した。その際の真空容器内の圧力は約０．２Ｐａであった。基材に印加する負のバイアス電圧を－８００Ｖとし、約１５分間、Ｔｉボンバード処理をして基材の表面にａ層を設けた。
　＜成膜工程＞
　その後、基材の設定温度を４８０℃として、真空容器内に窒素ガスを導入して、炉内圧力を５．０Ｐａとした。
　ｂ層の被覆では、何れの試料も基材に印加する負のバイアス電圧を－１００Ｖ、Ｃ２に印加する電流を２００Ａとした。また、ｄ層の被覆では、何れの試料も基材に印加する負のバイアス電圧を－５０Ｖ、Ｃ４に印加する電流を２００Ａとした。ｃ層の被覆では、試料により基材に印加する負のバイアス電圧を変化させた。表８に成膜条件を示す。表９に試料の膜厚を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
　作製した被覆切削工具について、以下に示す切削条件にて切削試験を行った。表１０に切削試験結果を示す。切削条件の詳細は、以下の通りである。
　＜加工条件Ｄ＞
・切削方法：底面切削
・被削材：ＳＴＡＶＡＸ（５２ＨＲＣ）
・使用工具：２枚刃ボールエンドミル（工具径１ｍｍ首下長６ｍｍ）・切り込み：軸方向、０．０４ｍｍ、径方向、０．０４ｍｍ・切削速度： ７５ｍ／ｍｉｎ
・一刃送り量：０．０１８ｍｍ／刃
・クーラント：ドライ加工
・切削距離：９０ｍ
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
　本実施例３０～３３は最大摩耗幅も小さく安定した摩耗形態を示し、継続して切削加工が可能な状態であった。本実施例３２は、基材に印加する負のバイアス電圧の絶対値を大きくしたため、膜厚の調整が困難となり、ｃ層の膜厚が本実施例３０、３１、３３よりも薄くなった。そのため、本実施例３０、３１、３３に比べると最大摩耗幅が大きくなった。本実施例３０、３１を比較すると、ｃ２層にＷを含有した本実施例３０の方が、最大摩耗幅がより抑制される傾向にあった。
　一方、比較例３０～３２は安定した摩耗形態を示したが、本実施例３０～３３と比較して最大摩耗幅が大きくなった。
　物性評価用のボールエンドミルを加工して、ミクロ解析を行った。基材とｂ層の間には、ナノビーム回折パターンがＷＣの結晶構造に指数付けされ、金属元素において、ＷについでＴｉを多く含有する１～１０ｎｍのａ層を有していた。ａ層は、Ｔｉを１０原子％以上３０原子％以下で含有していた。また、ａ層は、不可避不純物として酸素、窒素、Ｗ以外の基材成分も僅かに含有していた。
　なお、ｂ層とｄ層については、実施例１、２と同様にターゲットの合金組成と略同一の窒化物であることが確認された。
　実施例１のミクロ解析と同様に、本実施例３０、３１、３２、３３の積層皮膜は、ＡｌリッチなＡｌＴｉ系の窒化物（ｃ２層）と、ＡｌリッチなＡｌＣｒＳｉ系の窒化物（ｃ１層）とが積層しており、Ｉｈ×１００／Ｉｓが０であった。すなわち本実施例３０～３３においても、ｈｃｐ構造のＡｌＮが少なくなっていた。これにより、ボールエンドミルにおいても優れた耐久性を発揮したと推定される。一方、比較例３０、３１の積層皮膜は、Ｉｈ×１００／Ｉｓが２０程度であり、ミクロ組織において、脆弱なｈｃｐ構造のＡｌＮが増加したため、本実施例に比べて耐久性が低下したと推定される。また、比較例３２は、本実施例とは積層皮膜の組成が異なり、本実施例に比べて最大摩耗幅が大きくなった。
　比較例３０～３２と本実施例３２の比較から、ｃ層の膜厚を最も厚い膜にしても、ｈｃｐ構造のＡｌＮが増加すると、最大摩耗幅が大きくなることが確認された。ｃ層の膜厚を最も厚い膜にしなくても、ミクロ組織におけるｈｃｐ構造のＡｌＮを低減することで、最大摩耗幅を抑制することができた。ｃ層の膜厚を最も厚い膜にして、かつ、ミクロ組織におけるｈｃｐ構造のＡｌＮを低減することで、最大摩耗幅が抑制される効果が大きくなり、特に優れた耐久性を発揮することが確認された。

Claims (8)

  1. 　基材と、前記基材上に形成される硬質皮膜とを備え、
    　前記硬質皮膜は、
    　　前記基材の上に配置される、窒化物または炭窒化物からなるｂ層と、
    　　前記ｂ層の上に配置され、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、アルミニウム（Ａｌ）を５５原子％以上、次いでクロム（Ｃｒ）の含有比率が多く、更に、少なくともシリコン（Ｓｉ）を含有する窒化物または炭窒化物のｃ１層と、
    　　金属（半金属を含む）元素の総量に対して、アルミニウム（Ａｌ）を５５原子％以上、次いでチタン（Ｔｉ）を多く含有する窒化物または炭窒化物のｃ２層と、がそれぞれ５０ｎｍ以下の膜厚で交互に積層した積層皮膜であるｃ層と、
    　　前記ｃ層の上に配置され、前記ｃ層よりも高硬度なｄ層と、
    　を有し、
    　前記ｃ層は、透過型電子顕微鏡の制限視野回折パターンから求められる強度プロファイルにおいて、六方最密充填構造のＡｌＮの（０１０）面に起因するピーク強度をＩｈとし、面心立方格子構造の、ＡｌＮの（１１１）面、ＴｉＮの（１１１）面、ＣｒＮの（１１１）面、ＡｌＮの（２００）面、ＴｉＮの（２００）面、ＣｒＮの（２００）面、ＡｌＮの（２２０）面、ＴｉＮの（２２０）面、およびＣｒＮの（２２０）面に起因するピーク強度と、六方最密充填構造の、ＡｌＮの（０１０）面、ＡｌＮの（０１１）面、およびＡｌＮの（１１０）面に起因するピーク強度と、の合計をＩｓとした場合、Ｉｈ×１００／Ｉｓ≦１５の関係を満たすことを特徴とする被覆切削工具。
  2. 　前記ｃ１層は、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、アルミニウム（Ａｌ）を５５原子％以上、クロム（Ｃｒ）を２０原子％以上、シリコン（Ｓｉ）を１原子％以上、を含有する窒化物または炭窒化物であり、
    　前記ｃ２層は、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、アルミニウム（Ａｌ）を５５原子％以上、チタン（Ｔｉ）を２０原子％以上、を含有する窒化物または炭窒化物であることを特徴とする請求項１に記載の被覆切削工具。
  3. 　前記ｃ層は、Ｉｈ×１００／Ｉｓ＝０の関係を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の被覆切削工具。
  4. 　前記硬質皮膜の総膜厚に対して、前記ｃ層が最も厚い膜であることを特徴とする請求項１ないし３の何れか１項に記載の被覆切削工具。
  5. 　前記ｃ層は、柱状粒子から構成されており、前記柱状粒子の平均幅は９０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし４の何れか１項に記載の被覆切削工具。
  6. 　前記ｄ層は、金属（半金属を含む）元素の総量に対して、チタン（Ｔｉ）を７０原子％以上、シリコン（Ｓｉ）を５原子％以上、を含有する窒化物または炭窒化物であることを特徴とする請求項１ないし５の何れか１項に記載の被覆切削工具。
  7. 　前記ｃ２層は、周期律表の４ａ族、５ａ族、６ａ族の元素およびＳｉ、Ｂ、Ｙから選択される１種または２種以上の元素を含有することを特徴とする請求項１ないし６の何れか１項に記載の被覆切削工具。
  8. 　前記基材と前記ｂ層との間に、ナノビーム回折パターンがＷＣの結晶構造に指数付けされ、膜厚が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下のａ層を有することを特徴とする請求項１ないし７の何れか１項に記載の被覆切削工具。
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