WO2020075840A1

WO2020075840A1 - 硬質被覆層がすぐれた耐溶着性、耐塑性変形性および耐異常損傷性を発揮する表面被覆切削工具

Info

Publication number: WO2020075840A1
Application number: PCT/JP2019/040214
Authority: WO
Inventors: 晃浩村上; 正樹奥出; 西田　真
Original assignee: 三菱マテリアル株式会社
Priority date: 2018-10-11
Filing date: 2019-10-11
Publication date: 2020-04-16

Abstract

本願発明に係る表面被覆切削工具は、工具基体表面に、微量の塩素と、（Ｔｉ_{（１－ｘ）}Ｚｒ_ｘｙＨｆ_{ｘ（１－ｙ）}）（Ｎ_{（１－ｚ）}Ｃ_ｚ）（０．１０≦ｘ≦０．９０、０＜ｙ≦１．０、０．０８＜ｚ＜０．６０）を含む複合炭窒化物層を有し、ＺｒＨｆ含有割合およびＣ含有割合が周期的に変化し、ＺｒＨｆ最高含有点と隣接するＺｒＨｆ最低含有点との周期間隔およびＣ最高含有点と隣接するＣ最低含有点との周期間隔は５～１００ｎｍ、含有割合差Δｘ（＝ｘ_ｍａｘ－ｘ_ｍｉｎ）およびΔｚ（＝ｚ_ｍａｘ－ｚ_ｍｉｎ）の平均値は０．０２以上、前記ＺｒＨｆ最高含有点と最も近い位置にあるＣ最高含有点との距離が、前記隣接するＺｒＨｆ成分の最高含有点と最低含有点の間隔の１／５以下である、組成変動組織を面積割合で１０％以上有する、硬質被覆層を有する。

Description

硬質被覆層がすぐれた耐溶着性、耐塑性変形性および耐異常損傷性を発揮する表面被覆切削工具

　本発明は、切刃に対して衝撃的な高負荷が作用する、例えば、析出硬化型ステンレス鋼の高送り切削加工において、硬質被覆層がすぐれた耐溶着性、耐塑性変形性および耐異常損傷性を備えることにより、長期の使用に亘り、すぐれた切削性能を有する表面被覆工具に関するものである。
　本願は、２０１８年１０月１１日に日本に出願された特願２０１８－１９２７９６号及び２０１９年９月３０日に日本に出願された特願２０１９－１８０５１７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、一般に、各種鋼の切削加工においては、炭化タングステン基等の超硬合金基体表面に、下部層として化学蒸着形成されたＴｉの炭窒化物（ＴｉＣＮ）層等のＴｉ化合物層を有し、上部層として化学蒸着形成された酸化アルミニウム層を有する硬質被覆層が形成された被覆工具が用いられている。
　しかしながら、近年、各種鋼の切削加工における高能率化が求められており、析出硬化型ステンレス鋼の切削加工においては、高送り化が求められる中、従来の前記被覆工具では、溶着チッピングが発生し易く、また、溶着チッピングが発生せず、正常摩耗となった場合においても正常摩耗の進行が早いため、高送り化への対応は不十分なものであった。

　そこで、例えば、特許文献１では、基体表面にＴｉＺｒ炭窒化物皮膜を有する被覆切削工具において、前記皮膜が、Ｚｒを０．３質量％以上３０質量％以下、塩素を０．１質量％以上２質量％以下にて含有し、引っ張り残留応力を有することにより、機械構造用鋼等の切削加工に際し、膜硬度が高まり耐摩耗性にすぐれるとともに、すぐれた切削耐久特性を有する被覆切削工具が提案されている。
　また、特許文献２では、被覆切削工具において、硬質金属やサーメットなどからなる基材に対し、被覆層として、特定の成分組成、および、特定の格子定数を有する、面心立方構造のＴｉＺｒ複合炭窒化物皮膜層、または、面心立方構造のＴｉＨｆ複合炭窒化物皮膜層を備えることにより、鋳鋼や熱処理鋼等の切削加工において、すぐれた耐摩耗性を発揮し、切削長が長く、長期の使用にわたり、工具寿命が向上する被覆切削工具が提案されている。

日本国特許第４７６１３３５号公報（Ｂ）日本国特許第４０２８８９１号公報（Ｂ）

　近年の切削加工における省力化および省エネ化への要求は強く、これに伴い、被覆工具は一段と過酷な条件下にて使用されるようになってきているため、たとえば、析出硬化型ステンレス鋼の高送り切削加工においては、すぐれた耐溶着性、耐塑性変形性および耐異常損傷性を発揮することが求められている。
　しかしながら、前記特許文献１および特許文献２にて提案されている、ＴｉＺｒ炭窒化物皮膜あるいはＴｉＨｆ炭窒化物皮膜を有する被覆層からなる被覆工具を析出硬化型ステンレス鋼の高送り切削加工に用いることによっても、依然として、皮膜の微小チッピングは発生し易く、また、耐溶着性が不足しているため、溶着チッピングが頻発し、実用には不向きであるという問題点を有していた。

　そこで、本発明者らは、前述の観点から、前記被覆工具において、析出硬化型ステンレス鋼の高送り切削加工に用いた場合であっても、長期の使用にわたり、すぐれた耐溶着性、耐塑性変形性および耐異常損傷性を兼ね備え、工具寿命の向上をもたらす、被覆工具について、鋭意研究を行った結果、以下の知見を得た。
　すなわち、本発明者らは、ＴｉＺｒ複合炭窒化物層またはＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物層を有する硬質被覆層において、前記ＴｉＺｒ複合炭窒化物層またはＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物層に極微量の塩素を添加することにより、脆化を生じることなく、潤滑性にすぐれた硬質被覆層が得られること、また、前記ＴｉＺｒ複合炭窒化物層またはＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物層において、ＴｉＺｒ複合炭窒化物またはＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物のＣ量に対するＮ量の比を増加させることにより、耐溶着性が高まり、析出硬化型ステンレス鋼の高送り切削加工において課題とされた溶着チッピングの問題が解決できることを知見した。
　さらに、前記ＴｉＺｒ複合炭窒化物層またはＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物層は、ＺｒとＨｆとの合量がＴｉとＺｒとＨｆとの合量に占める含有割合（以後、「ＺｒＨｆ含有割合」と記すこともある）、および、Ｃ量がＮとＣとの合量に占める含有割合（以後、「Ｃ含有割合」と記すこともある）が、周期的に変化する組成変動組織を有し、これらＺｒＨｆの含有割合およびＣ量の含有割合の組成変動に対応し、前記組成変動組織は、Ｔｉ量がＴｉとＺｒとＨｆとの合量に占める含有割合（以後、「Ｔｉ含有割合」と記すこともある）、および、Ｎ量がＮとＣとの合量に占める含有割合（以後、「Ｎ含有割合」と記すこともある）が、周期的に変化する組成変動組織であり、特に、ＺｒＨｆ含有割合について最高含有割合を示すＺｒＨｆ最高含有点および最低含有割合を示すＺｒＨｆ最低含有点の周期および位置と、Ｃ含有割合について最高含有割合を示すＣ最高含有点および最低含有割合を示すＣ最低含有点の周期および位置をそれぞれ同期させ、高硬度の結晶粒を含有する組織とすることにより、耐塑性変形性を発揮し、異常損傷の問題を解決できる、耐異常損傷性にすぐれた硬質被覆層が得られることを知見した。
　そして、かかる複合炭窒化物層を硬質被覆層として有する被覆切削工具は、すぐれた耐溶着性、耐塑性変形性および耐異常損傷性を兼ね備えているため、析出硬化型ステンレス鋼の高送り切削加工用として、長期の使用にわたり、工具寿命の向上をもたらすことを見出したものである。
　なお、本発明に係るＴｉＺｒ複合炭窒化物およびＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物は、従来のＴｉＺｒ複合炭窒化物およびＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物に対して、Ｃ含有量に対するＮ含有量の比率が高いため、本明細書では、それぞれ、ＴｉＺｒＮＣおよびＴｉＺｒＨｆＮＣと表現する場合もある。

　本発明は、前記知見に基づいてなされたものであって、
「（１）工具基体の表面に硬質被覆層を有する表面被覆切削工具であって、
（ａ）前記硬質被覆層は、平均層厚０．５～２０．０μｍのＴｉＺｒ複合炭窒化物層またはＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物層の少なくとも一層を含み、
（ｂ）前記複合炭窒化物層は、ＴｉＺｒ複合炭窒化物またはＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物を含有し、前記複合炭窒化物は、組成式（Ｔｉ_{（１－ｘ）}Ｚｒ_ｘｙＨｆ_{ｘ（１－ｙ）}）（Ｎ_{（１－ｚ）}Ｃ_ｚ）にて表わした場合、
　ＴｉとＺｒとＨｆとの合量に対してＺｒとＨｆとの合量が占める含有割合ｘ、ＺｒとＨｆとの合量に対してＺｒ量が占める含有割合ｙ、および、ＮとＣとの合量に対してＣ量が占める含有割合ｚ（但し、ｘ、ｙおよびｚはいずれも原子比）が、それぞれ、０．１０≦ｘ≦０．９０、０＜ｙ≦１．０、および、０．０８＜ｚ＜０．６０を満足する平均組成を有し、
　また、前記複合炭窒化物層は、塩素を平均塩素含有量０．００１原子％以上０．０３０原子％以下にて含有し、
（ｃ）前記複合炭窒化物層は、少なくとも一部の結晶粒内に、ＴｉとＺｒとＨｆとの合量に対してＺｒとＨｆとの合量が占める含有割合、および、ＮとＣとの合量に対してＣ量が占める含有割合が周期的に変化する組成変動組織を有し、
（ｃ－１）縦断面観察において、前記組成変動組織が前記複合炭窒化物層の組織に占める面積割合が１０％以上であり、
（ｃ－２）前記組成変動組織における前記ＴｉとＺｒとＨｆとの合量に対してＺｒとＨｆとの合量が占める含有割合について、最高含有割合ｘ_ｍａｘを示すＺｒＨｆ最高含有点と最低含有割合ｘ_ｍｉｎを示すＺｒＨｆ最低含有点とが繰り返され、前記繰り返される隣接するＺｒＨｆ最高含有点とＺｒＨｆ最低含有点の間隔の平均値である平均間隔が５～１００ｎｍであり、前記ＺｒＨｆ最高含有点の最高含有割合ｘ_ｍａｘと前記ＺｒＨｆ最低含有点の最低含有割合ｘ_ｍｉｎとの差Δｘの絶対値の平均値が０．０２以上であり、
（ｃ－３）前記組成変動組織における前記ＮとＣとの合量に対してＣ量が占める含有割合について、最高含有割合ｚ_ｍａｘを示すＣ最高含有点と最低含有割合ｚ_ｍｉｎを示すＣ最低含有点とが繰り返され、前記繰り返される隣接するＣ最高含有点とＣ最低含有点の間隔の平均値である平均間隔が５～１００ｎｍであり、前記Ｃ最高含有点の最高含有割合ｚ_ｍａｘと前記Ｃ最低含有割合ｚ_ｍｉｎとの差Δｚの絶対値の平均値が０．０２以上であり、
（ｃ－４）前記組成変動組織における前記ＴｉとＺｒとＨｆとの合量に対してＺｒとＨｆとの合量が占める含有割合について、最高含有割合ｘ_ｍａｘを示すＺｒＨｆ最高含有点と最低含有割合ｘ_ｍｉｎを示すＺｒＨｆ最低含有点とのそれぞれの周期および位置と、前記ＮとＣとの合量に対してＣ量が占める含有割合について、最高含有割合ｚ_ｍａｘを示すＣ最高含有点と、最低含有割合ｚ_ｍｉｎを示すＣ最低含有点とのそれぞれの周期および位置とはそれぞれに対応して同期しており、前記ＺｒＨｆ最高含有点と、そのＺｒＨｆ最高含有点から最も近い位置にあるＣ最高含有点との間隔の平均値が、前記ＺｒＨｆ最高含有点とその隣接するＺｒＨｆ最低含有点との平均間隔の１／５以下であること、
を特徴とする表面被覆切削工具。
（２）前記組成変動組織が、積層組織であることを特徴とする（１）に記載された表面被覆切削工具。」である。
　なお、本明細書中において、数値範囲を示す際に、「～」、あるいは、「－」を用いる場合は、その数値の下限および上限を含むことを意味する。

　本発明に係る表面被覆切削工具は、工具基体の表面に形成されている硬質被覆層が、ＴｉＺｒ複合炭窒化物層またはＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物層を有し、前記ＴｉＺｒ複合炭窒化物層またはＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物層に極微量の塩素を添加することにより、脆化を生じることなく、潤滑性にすぐれるとともに、Ｃ含有量に対するＮ含有量の比を増加させることにより、耐溶着性を高め、析出硬化型ステンレス鋼の高送り切削加工において課題とされた溶着チッピングの問題を解決したものである。
　さらに、前記ＴｉＺｒ複合炭窒化物層またはＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物層は、ＺｒＨｆ含有割合、および、Ｃ含有割合が、周期的に変化する組成変動組織を有し、特に、ＺｒＨｆ最高含有点およびＺｒＨｆ最低含有点の周期および位置と、Ｃ最高含有点およびＣ最低含有点の周期および位置がそれぞれ同期した高硬度の結晶粒を含有させることにより、すぐれた耐塑性変形性を発揮し、異常損傷の問題を解決したものである。
　そして、かかる複合炭窒化物層を硬質被覆層として有する被覆切削工具は、すぐれた耐溶着性、耐塑性変形性および耐異常損傷性を兼ね備えているため、析出硬化型ステンレス鋼の高送り切削加工用として、長期の使用にわたり、工具寿命の向上をもたらすものである。

本発明被覆工具５のＴｉＺｒ複合炭窒化物層の断面ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像を図１として示す。図１では、本発明被覆工具５のＴｉＺｒ複合炭窒化物層の断面ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像の白枠部において、ＴｉとＺｒとの周期的な組成変化の周期幅が最小となる方向、特に、結晶粒内に形成される組成変動組織が、積層構造の組織であった場合には、積層組織を構成する層の層厚が最小となる方向を求めることができる。次いで、前記「ＴｉとＺｒとの周期的な組成変化の周期幅が最小となる方向」にＥＤＳによるライン分析を行うことにより、Ｚｒ最高含有割合、Ｚｒ最低含有割合、Ｃ最高含有割合、Ｃ最低含有割合、Ｚｒ最高含有点とＺｒ最低含有点の間隔、Ｃ最高含有点とＣ最低含有点の間隔、および、前記Ｚｒ最高含有点と、そのＺｒ最高含有点から最も近い位置にあるＣ最高含有点との間隔を測定した。本発明被覆工具のＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物層の組成変動組織の組成変動方向における、ＺｒＨｆ含有割合およびＣ含有割合について、以下で説明される、ＺｒＨｆ最高含有割合、ＺｒＨｆ最低含有割合、ＺｒＨｆ平均含有割合、Ｃ最高含有割合、Ｃ最低含有割合、および、Ｃ平均含有割合と、それぞれの含有割合に対応する、ＺｒＨｆ最高含有点、ＺｒＨｆ最低含有点、ＺｒＨｆ平均含有点、Ｃ最高含有点、Ｃ最低含有点、および、Ｃ平均含有点の位置との関係を示す概念図である。

　つぎに、本発明の被覆工具について、詳細に説明する。

　工具基体；
　工具基体は、この種の工具基体として従来公知の基材であれば、本発明の目的を達成することを阻害するものでない限り、いずれのものも使用可能である。
　例えば、超硬合金（ＷＣ基超硬合金、ＷＣの他、Ｃｏを含み、あるいはＴｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物を添加したものも含むもの等）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を主成分とするもの等）、または、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、酸化アルミニウムなど）のいずれかであることが好ましい。

　硬質被覆層；
　本発明に係る硬質被覆層は、少なくとも複合炭窒化物層を有するものであって、前記複合炭窒化物層は、ＴｉＺｒ複合炭窒化物層またはＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物層を含んでなるものである。
　また、硬質被覆層は、その他の層として、必要に応じ、工具基体と前記複合炭窒化物層との間に中間層や下部層を設けることや、前記複合炭窒化物層の上に上部層を設けることができる。
　ここで、硬質被覆層の平均層厚は、０．５μｍ未満では、長期にわたる耐摩耗性を発揮することができず、一方、３０．０μｍを超えて厚くなると硬質被覆層全体として欠損やチッピングが発生しやすくなるため、０．５～３０．０μｍとすることが好ましい。
　硬質被覆層の平均層厚は、例えば、工具基体に対し垂直方向断面において、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）またはＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）を用いて測定することができる。

　複合炭窒化物層；
　（１）成分組成、平均層厚
　本発明に係る複合炭窒化物層は、ＴｉＺｒ複合炭窒化物層またはＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物層からなるものであって、前記複合炭窒化物層を構成するＴｉＺｒ複合炭窒化物またはＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物は、組成式（Ｔｉ_{（１－ｘ）}Ｚｒ_ｘｙＨｆ_{ｘ（１－ｙ）}）（Ｎ_{（１－ｚ）}Ｃ_ｚ）にて表した場合、０．１０≦ｘ≦０．９０、０＜ｙ≦１．０、および、０．０８＜ｚ＜０．６０をそれぞれ満足する。
　ここで、ｘは、ＴｉとＺｒとＨｆとの合量に対してＺｒとＨｆとの合量が占める平均含有割合を表し、ｙはＺｒとＨｆとの合量に対してＺｒ量が占める平均含有割合を表す。また、ｚはＮとＣとの合量に対してＣ量が占める平均含有割合を示す。但し、ｘ、ｙおよびｚはいずれも原子比である。
　本発明に係る前記ＴｉＺｒ複合炭窒化物層またはＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物層においては、耐溶着性向上元素であるＮと、硬度向上元素であるＣについて、Ｃの含有割合ｚを０．０８＜ｚ＜０．６０にて含有させることにより、高耐溶着性、高硬度の両特性にすぐれた硬質被覆層を得ることができた。
　なお、ｘが０．１０より小さい、もしくは、ｘが０．９０よりも大きい場合は、十分な格子ひずみが導入されず、十分な硬さを確保することができないため、０．１０≦ｘ≦０．９０と規定した。

　また、前記複合炭窒化物層には、０．００１～０．０３０原子％にて、きわめて微量の塩素を含有させることにより、潤滑効果が発揮されるため、切削中の摩耗による発熱を低減させることができる。
　ここで、前記複合炭窒化物層における塩素の原子％とは、前記複合炭窒化物層における塩素（Ｃｌ）がＴｉとＺｒとＨｆとＮとＯ（前記複合炭窒化物層は不可避不純物として１．５原子％以下の酸素を含有しうる）とＣｌの合量に対して占める原子％をいい、０．００１原子％未満では、潤滑効果が発揮できず、０．０３０原子％を超える場合には、被覆層の脆化の原因となるため、０．００１～０．０３０原子％と規定した。
　また、前記複合炭窒化物層の平均層厚は、０．５μｍ未満では、長期にわたる耐摩耗性を発揮することができず、一方、２０．０μｍを超えると、欠損やチッピングが発生しやすくなるため、硬度および耐摩耗性の観点からすぐれた効果を発揮する、０．５～２０．０μｍとする。

　（２）組成変動組織を有する結晶粒
　本発明に係る前記複合炭窒化物（ＴｉＺｒＮＣまたはＴｉＺｒＨｆＮＣ）層において、ＺｒＨｆ含有割合、Ｔｉ含有割合、Ｃ含有割合およびＮ含有割合が、周期的に変化する組成変動組織を有する結晶粒を含む。

　１）ＺｒＨｆ最高含有点、ＺｒＨｆ最高含有割合（ｘ_ｍａｘ）、ＺｒＨｆ最低含有点、ＺｒＨｆ最低含有割合（ｘ_ｍｉｎ）の定義；
　前記組成変動組織において、ＺｒＨｆ含有割合は、前記ＺｒＨｆ含有割合の周期的な組成変化の周期幅が最小となる方向に沿って、例えば、ＺｒＨｆ最高含有割合－ＺｒＨｆ最低含有割合－ＺｒＨｆ最高含有割合－ＺｒＨｆ最低含有割合・・・というように所定の間隔を保ち、周期的な含有割合の変化を示す。
　ここでいうＺｒＨｆ最高含有割合（ｘ_ｍａｘ）、ＺｒＨｆ最低含有割合（ｘ_ｍｉｎ）について説明すると、ＺｒＨｆ最高含有割合（ｘ_ｍａｘ）とは、各測定点におけるＺｒＨｆ含有割合が、層全体の組成式（Ｔｉ_{（１－ｘ）}Ｚｒ_ｘｙＨｆ_{ｘ（１－ｙ）}）（Ｎ_{（１－ｚ）}Ｃ_ｚ）におけるＴｉとＺｒとＨｆとの合量に対してＺｒとＨｆとの合量が占めるＺｒＨｆ平均含有割合ｘ_ａｖの値以上の連続した領域におけるＺｒＨｆ含有割合の最大値をいう。連続してＺｒＨｆ平均含有割合ｘ_ａｖの値以上となる領域が複数ある場合は、それぞれの領域におけるＺｒＨｆ含有割合の最大値をＺｒＨｆ最高含有割合と定義し、それぞれの領域におけるＺｒＨｆ含有割合が最大値をとる位置をそれぞれの領域におけるＺｒＨｆ最高含有点と定義する。以後、ＺｒＨｆ最高含有割合についてはｘ_ｍａｘと記すこともある。
　同様に、ＺｒＨｆ最低含有割合（ｘ_ｍｉｎ）とは、各測定点におけるＺｒＨｆ含有割合が、層全体の組成式（Ｔｉ_{（１－ｘ）}Ｚｒ_ｘｙＨｆ_{ｘ（１－ｙ）}）（Ｎ_{（１－ｚ）}Ｃ_ｚ）におけるＴｉとＺｒとＨｆとの合量に対してＺｒとＨｆとの合量が占めるＺｒＨｆ平均含有割合ｘ_ａｖの値以下となる連続した領域におけるＺｒＨｆ含有割合の最小値をいう。連続してｘ_ａｖの値以下となる領域が複数ある場合は、それぞれの領域におけるＺｒＨｆ含有割合の最小値をＺｒＨｆ最低含有割合（ｘ_ｍｉｎ）と定義し、それぞれの領域におけるＺｒＨｆ含有割合が最小値をとる位置をそれぞれの領域におけるＺｒＨｆ最低含有点と定義する。以後、ＺｒＨｆ最低含有割合についてはｘ_ｍｉｎと記すこともある。
　この定義によれば、ＺｒＨｆ平均含有割合ｘ_ａｖの値近傍での周期的な変化が存在する場合、ＺｒＨｆ最高含有点とＺｒＨｆ最低含有点が交互に出現する。
　具体的に図２に基づき説明する。図２の左側を積層上部位置とするとＺｒＨｆ含有割合は、上部より、ＺｒＨｆ平均含有点（Ｐ１）－ＺｒＨｆ最高含有点１（Ｐｍａｘ１）－ＺｒＨｆ平均含有点（Ｐ２）－ＺｒＨｆ最低含有点１（Ｐｍｉｎ１）－ＺｒＨｆ平均含有点（Ｐ３）－ＺｒＨｆ最高含有点２（Ｐｍａｘ２）－ＺｒＨｆ平均含有点（Ｐ４）－ＺｒＨｆ最低含有点２（Ｐｍｉｎ２）－ＺｒＨｆ平均含有点（Ｐ５）の位置において、ＺｒＨｆ含有割合は、ＺｒＨｆ平均含有割合（ｘ_ａｖ）－ＺｒＨｆ最高含有割合１（ｘ_ｍａｘ１）－ＺｒＨｆ平均含有割合（ｘ_ａｖ）－ＺｒＨｆ最低含有割合１（ｘ_ｍｉｎ１）－ＺｒＨｆ平均含有割合（ｘ_ａｖ）－ＺｒＨｆ最高含有割合２（ｘ_ｍａｘ２）－ＺｒＨｆ平均含有割合（ｘ_ａｖ）－ＺｒＨｆ最低含有割合２（ｘ_ｍｉｎ２）の順に変化する。
　ここで、例えば、ＺｒＨｆ平均含有点（Ｐ２）とＺｒＨｆ平均含有点（Ｐ３）の位置の間において、連続してＺｒＨｆの平均含有割合（ｘ_ａｖ）を下回る極小点が（Ｐｍｉｎ１）と（Ｐｑ）との２か所にて出現するが、その場合には、上記の定義により、より最小のＺｒＨｆ含有割合（ｘ_ｍｉｎ１）を示す（Ｐｍｉｎ１）位置をＺｒＨｆ最低含有点とする。
　以下、Ｔｉ成分、Ｃ成分、Ｎ成分についても、その平均含有割合の値以上の連続した領域において、それぞれの各領域における最大値をとる位置をそれぞれの領域における最高含有点といい、各成分の平均含有割合の値以下の連続した領域における最小値をとる位置をそれぞれの領域における最低含有点という。

　２）Ｔｉ最高含有点、Ｔｉ最高含有割合α_ｍａｘ、Ｔｉ最低含有点、Ｔｉ最低含有割合α_ｍｉｎの定義；
　前記組成変動組織において、ＴｉとＺｒとＨｆとの合量に対してＴｉ量が占める含有割合（以後、Ｔｉ含有割合とも記す）は、ＺｒＨｆ含有割合の周期的な組成変化の周期幅が最小となる方向に沿って、ＺｒＨｆ最高含有点では、Ｔｉ最低含有割合α_ｍｉｎ（＝１－ｘ_ｍａｘ）を示し、ＺｒＨｆ最低含有点では、Ｔｉ最高含有割合α_ｍａｘ（＝１－ｘ_ｍｉｎ）を示す。なお、αは原子比である。
　すなわち、Ｔｉ含有割合は、前記ＺｒＨｆ含有割合の周期的な組成変化の周期幅が最小となる方向に沿って、同周期にて、Ｔｉ最低含有割合－Ｔｉ最高含有割合－Ｔｉ最低含有割合－Ｔｉ最高含有割合・・・という含有割合の変化を示す。ここでいう、Ｔｉ最高含有点、Ｔｉ最高含有割合、Ｔｉ最低含有点、Ｔｉ最低含有割合の定義は、前記ＺｒＨｆをＴｉに置き換え同様の定義である。

　３）Ｃ最高含有点、Ｃ最高含有割合（ｚ_ｍａｘ）、Ｃ最低含有点、Ｃ最低含有割合（ｚ_ｍｉｎ）の定義；
　前記組成変動組織において、Ｃ含有割合は、前記ＴｉとＺｒＨｆの周期的な組成変化の周期幅が最小となる方向に沿って、Ｃ最高含有割合－Ｃ最低含有割合－Ｃ最高含有割合－Ｃ最低含有割合・・・というように所定の間隔を保ち、周期的な含有割合の変化を示す。
　ここでいうＣ最高含有割合、Ｃ最低含有割合について説明すると、Ｃ最高含有割合とは、各測定点におけるＣ含有割合が、層全体の組成式（Ｔｉ_{（１－ｘ）}Ｚｒ_ｘｙＨｆ_{ｘ（１－ｙ）}）（Ｎ_{（１－ｚ）}Ｃ_ｚ）におけるＮとＣとの合量に対してＣ量が占める平均含有割合ｚ_ａｖの値以上の連続した部分におけるＣ含有割合の最大値をいう。連続してｚの値以上となる領域が複数ある場合は、それぞれの領域におけるＣ含有割合の最大値をＣ最高含有割合と定義し、それぞれの領域におけるＣ含有割合が最大値をとる位置をそれぞれの領域におけるＣ最高含有点と定義する。以後、Ｃ最高含有割合についてはｚ_ｍａｘと記すこともある。
　同様に、Ｃ最低含有点とは、各測定点におけるＣ含有割合が、層全体の組成式（Ｔｉ_{（１－ｘ）}Ｚｒ_ｘｙＨｆ_{ｘ（１－ｙ）}）（Ｎ_{（１－ｚ）}Ｃ_ｚ）におけるＮとＣとの合量に対してＣ量が占めるＣ平均含有割合ｚ_ａｖの値以下となる連続した領域におけるＣ含有割合の最小値をいう。連続してｚの値以下となる領域が複数ある場合は、それぞれの領域におけるＣ含有割合の最小値をＣ最低含有割合と定義し、それぞれの領域におけるＣ含有割合が最小値をとる位置をそれぞれの領域におけるＣ最低含有点と定義する。以後、Ｃ最低含有割合についてはｚ_ｍｉｎと記すこともある。
　この定義によれば、Ｃ平均含有割合ｚ_ａｖの値近傍での周期的な変化が存在する場合、最高含有点と最低含有点が交互に出現する。
　Ｃ含有割合についても、ＺｒＨｆ含有割合と同様、具体的に図２に示す。図２の左側を積層上部位置とするとＣ含有割合は、上部より、Ｃ平均含有点（Ｒ１）－Ｃ最高含有点１（Ｒｍａｘ１）－Ｃ平均含有点（Ｒ２）－Ｃ最低含有点１（Ｒｍｉｎ１）－Ｃ平均含有点（Ｒ３）－Ｃ最高含有点２（Ｒｍａｘ２）－Ｃ平均含有点（Ｒ４）－Ｃ最低含有点２（Ｒｍｉｎ２）－Ｃ平均含有点（Ｒ５）の位置において、Ｃ平均含有割合（ｚ_ａｖ）－Ｃ最高含有割合１（ｚ_ｍａｘ１）－Ｃ平均含有割合（ｚ_ａｖ）－Ｃ最低含有割合１（ｚ_ｍｉｎ１）－ＺｒＨｆ平均含有割合（ｚ_ａｖ）－Ｃ最高含有割合２（ｚ_ｍａｘ２）－Ｃ平均含有割合（ｚ_ａｖ）－Ｃ最低含有割合２（ｚ_ｍｉｎ２）の順に変化する。
　ここで、例えば、Ｃ平均含有点（Ｒ２）とＣ平均含有点（Ｒ３）の位置の間において、連続してＣの平均含有割合（ｚ_ａｖ）を下回る極小点が（Ｒｍｉｎ１）と（Ｒｑ）の２か所出現するが、その場合には、前記の定義により、より最小のＣ含有割合（ｚ_ｍｉｎ１）を示す位置（Ｒｍｉｎ１）をＣ最低含有点とする。

　４）Ｎ最高含有点、Ｎ最高含有割合β_ｍａｘ、Ｎ最低含有点、Ｎ最低含有割合β_ｍｉｎ；
　前記組成変動組織において、ＮとＣとの合量に対してＮ量が占める含有割合（以後、Ｎ含有割合とも記す）は、Ｃ含有割合の周期的な組成変化の周期幅が最小となる方向に沿って、Ｃ最高含有点では、Ｎ最低含有割合β_ｍｉｎ（＝１－ｚ_ｍａｘ）を示し、Ｃ最低含有点では、Ｎ最高含有割合β_ｍａｘ（＝１－ｚ_ｍｉｎ）を示す。なお、βは原子比である。
　すなわち、Ｎ含有割合は、前記Ｃ含有割合の周期的な組成変化の周期幅が最小となる方向に沿って、同周期にて、Ｎ最低含有割合－Ｎ最高含有割合－Ｎ最低含有割合－Ｎ最高含有割合・・・という含有割合の変化を示す。ここでいう、Ｎ最高含有点、Ｎ最高含有割合、Ｎ最低含有点、Ｎ最低含有割合の定義は、前記ＣをＮに置き換え同様の定義である。

　５）ＺｒＨｆ最高含有点およびＺｒＨｆ最低含有点におけるＺｒＨｆ含有割合差（ｘ_ｍａｘ－ｘ_ｍｉｎ）ならびにＣ最高含有点およびＣ最低含有点におけるＣ含有割合差（ｚ_ｍａｘ－ｚ_ｍｉｎ）；
　ＺｒＨｆ最高含有点およびＣ最高含有点の位置、および、それぞれの最高含有点と最低含有点の周期は、後述する成膜方法において、同期させることができる。
　さらに、ＺｒＨｆ最高含有割合ｘ_ｍａｘとＺｒＨｆ最低含有割合ｘ_ｍｉｎの差Δｘの絶対値の平均値が０．０２以上、かつ、Ｃ最高含有割合ｚ_ｍａｘとＣ最低含有割合ｚ_ｍｉｎの差Δｚの絶対値の平均値が０．０２以上の組成変動組織とすることにより、硬さが向上する。硬さが向上する要因は下記の２点が考えられる。
（１）ＺｒおよびＨｆとＣが増加した領域（富化された領域）とＺｒおよびＨｆとＣが減少した領域（貧化された領域）の間において転位の移動を妨げることにより、硬さを向上させることができる。
（２）ＺｒおよびＨｆが増加した領域においてＣを増加させているため、均一なＴｉＺｒＨｆＮＣ層に比較して「ＺｒとＮの結合の影響」および「ＨｆとＮの結合の影響」が小さい。ＺｒＮおよびＨｆＮは、ＺｒＣ、ＨｆＣ、ＴｉＣ、ＴｉＮと比較して硬さに劣るため、ＺｒおよびＨｆとＮの結合の影響を小さくすることで硬さを向上させることができる。
　なお、ＺｒＨｆ最高含有割合ｘ_ｍａｘとＺｒＨｆ最低含有割合ｘ_ｍｉｎの差は、０．０２以上、０．９０以下がより好ましく、Ｃ最高含有割合ｚ_ｍａｘとＣ最低含有割合ｚ_ｍｉｎの差は、０．０２以上、０．７５以下がより好ましい。これらの差が大きすぎると微小チッピング等の異常損傷が起こり易くなる。この原因は明らかではないが、組成変動組織内での格子定数の変化が大きくなり過ぎ、結晶粒としての靭性が低下したものと推定している。

　６）隣接するＺｒＨｆ最高含有点とＺｒＨｆ最低含有点の間隔（平均値）；
　ＺｒＨｆ最高含有点とＺｒＨｆ最低含有点の間隔については「複合炭窒化物層の縦断面観察において、周期的な組成変化の周期幅が最小になる方向で測定される平均間隔が５～１００ｎｍであること」が、硬さ向上のために必要である。
　前記硬さ向上効果を発揮させるためには、平均間隔は小さい方が望ましく、１００ｎｍ以下であることが必要である。一方、平均間隔が５ｎｍ未満では、それぞれを明確に区別して形成することが困難となるため、所望の硬度が得られず、耐摩耗性を確保することができない。
　例えば、図２では、ＺｒＨｆ最高含有点１（Ｐｍａｘ１）とＺｒＨｆ最低含有点１（Ｐｍｉｎ１）との間隔（Ｐｍｉｎ１－Ｐｍａｘ１）と、ＺｒＨｆ最高含有点２（Ｐｍａｘ２）とＺｒＨｆ最低含有点２（Ｐｍｉｎ２）との間隔（Ｐｍｉｎ２－Ｐｍａｘ２）との平均値として求めることができる。

　７）ＺｒＨｆ最高含有点と、そのＺｒＨｆ最高含有点から最も近い位置にあるＣ最高含有点との間隔の平均値；
　前記硬さ向上効果（段落００２０の（２）の効果）を発揮させるためには、「ＺｒＨｆ最高含有点と、そのＺｒＨｆ最高含有点から最も近い位置にあるＣ最高含有点との間隔の平均値」は、小さい方が好ましく、隣接するＺｒＨｆ最高含有点とＺｒＨｆ最低含有点の平均間隔の１／５以下であることが必要である。
　なお、上述の通り「ＺｒＨｆ最高含有点と、そのＺｒＨｆ最高含有点から最も近い位置にあるＣ最高含有点との間隔の平均値」は、小さい方が好ましいと考えられるが、本発明で開示する方法によって、ＺｒＨｆ最高含有点と、そのＺｒＨｆ最高含有点から最も近い位置にあるＣ最高含有点との間隔の平均値が、前記ＺｒＨｆ最高含有点とその隣接するＺｒＨｆ最低含有点との平均間隔の１／１６０でも効果を発揮することが確認されている。
　ＺｒＨｆ最高含有点と、そのＺｒＨｆ最高含有点から最も近い位置にあるＣ最高含有点との間隔の平均値については、例えば、図２では、ＺｒＨｆ最高含有点１（Ｐｍａｘ１）と、そのＺｒＨｆ最高含有点１（Ｐｍａｘ１）から最も近い位置にあるＣ最高含有点１（Ｒｍａｘ１）との間隔（Ｒｍａｘ１－Ｐｍａｘ１）と、ＺｒＨｆ最高含有点２（Ｐｍａｘ２）と、そのＺｒＨｆ最高含有点２（Ｐｍａｘ２）から最も近い位置にあるＣ最高含有点２（Ｒｍａｘ２）との間隔（Ｒｍａｘ２－Ｐｍａｘ２）との平均値として求めることができる。
　この値を隣接するＺｒＨｆ最高含有点とＺｒＨｆ最低含有点の間隔（平均値）、すなわち、ＺｒＨｆ最高含有点１（Ｐｍａｘ１）とＺｒＨｆ最低含有点１（Ｐｍｉｎ１）との間隔（Ｐｍｉｎ１－Ｐｍａｘ１）と、ＺｒＨｆ最高含有点２（Ｐｍａｘ２）とＺｒＨｆ最低含有点２（Ｐｍｉｎ２）との間隔（Ｐｍｉｎ２－Ｐｍａｘ２）との平均値の１／５と対比することにより、効果の有無を判断することができる。

　８）組成変動組織が複合炭窒化物層の組織に占める面積割合；
　前記硬さ向上効果を発揮させるためには、組成変動組織が複合炭窒化物層の組織に占める面積割合は大きい方が好ましく、複合炭窒化物層の縦断面観察において、組成変動組織が複合炭窒化物層の組織に占める面積割合が１０％以上であることが必要である。
　なお、上述の通り「組成変動組織が複合炭窒化物層の組織に占める面積割合」は、大きい方が好ましいと考えられるが、本発明で開示する方法によって、組成変動組織が複合炭窒化物層の組織に占める面積割合が９８％であっても効果を発揮することが確認されている。

　９）積層組織；
　前記硬さ向上効果をより発揮させるためには、前記組成変動組織は積層組織であることが好ましい。ここでいう積層組織とは「組成変動組織のうち、隣接するＺｒＨｆ平均含有点の間には、１つのＺｒＨｆ極大含有点もしくは１つのＺｒＨｆ極小含有点のみが存在し、隣接するＣ平均含有点の間には、１つのＣ極大含有点もしくは１つのＣ極小含有点のみが存在する組織」を指す。
　なお、硬さ向上の観点からは、積層組織の積層方向（ＴｉＺｒ複合炭窒化物層またはＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物層の縦断面観察において周期的な組成変化の周期幅が最小になる方向）は膜厚方向と一致する必要は無い。後述する成膜方法の場合、積層組織を有する結晶粒を含む複合炭窒化物層が得られるが、積層組織の積層方向は膜厚方向と一致するとは限らない。
　その他、粒界近傍は積層構造でない場合や、粒界近傍にＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｃｌのいずれかの元素が濃化している場合があるが、前述の通り、組成変動組織（この場合、積層構造の組成変動組織）が複合炭窒化物層の組織に占める面積割合が１０％以上であれば、硬さ向上効果を発揮する。

　（３）複合炭窒化物層（ＴｉＺｒＮＣ層またはＴｉＺｒＨｆＮＣ層）の成膜方法
　本発明において規定する成分組成を有し、特定の組成変動組織を有するＴｉＺｒＮＣ層またはＴｉＺｒＨｆＮＣ層は、一例として、例えば、工具基体に対し、化学蒸着法を用いて、以下に示す条件にて成膜を行なうことにより、形成することができる。
　すなわち、ＴｉＺｒＮＣ層またはＴｉＺｒＨｆＮＣ層の成膜条件は、原料として、ＴｉＣｌ_４ガス、ＺｒＣｌ_４ガスまたはＺｒＣｌ_４ガス＋ＨｆＣｌ_４ガス、ＨＣｌガス、ＣＨ_４ガス、Ｎ_２ガス、Ｈ_２ガスを用い、成膜温度は、９８０℃以上１０８０℃未満、圧力条件は、１６ｋＰａ以上４０ｋＰａ未満にて、周期供給可能なＣＶＤ装置を用いて行うことができる。
　具体的には、ガス成分は共通であるものの、組成の異なる、ガス群Ａとガス群Ｂにおける反応を単位周期とし、単位周期の反応を必要回数繰り返すことにより、実施するものである。

　［成膜条件］
１）反応ガス組成（容量％）：
　ガス群Ａ；ＴｉＣｌ_４：０．４～０．７％、
　　　　　　ＺｒＣｌ_４：０．１～１．８％、ＨｆＣｌ_４：０．０～１．７％、
　　　　　　　ただし、ＺｒＣｌ_４＋ＨｆＣｌ_４：０．５～１．８％、
　　　　　　ＨＣｌ：０．１～０．４％、
　　　　　　ＣＨ_４：１．０～６．０％、
　　　　　　Ｎ_２：２５．０～６０．０％、
　　　　　　Ｈ_２：残、
　ガス群Ｂ；ＴｉＣｌ_４：０．２～０．５％、ただし、ガス群ＡのＴｉＣｌ_４濃度未満、
　　　　　　ＺｒＣｌ_４：０．１～２．２％、ＨｆＣｌ_４：０．０～２．２％、
　　　　　　　ただし、ＺｒＣｌ_４＋ＨｆＣｌ_４：０．８～２．２％、
　　　　　　　かつ、ガス群Ａの（ＺｒＣｌ_４＋ＨｆＣｌ_４）濃度を超え、
　　　　　　ＨＣｌ：０．１～０．４％、
　　　　　　ＣＨ_４：２．０～８．０％、ただし、ガス群ＡのＣＨ_４濃度を超え
　　　　　　Ｎ_２：１５．０～５０．０％、ただし、ガス群ＡのＮ_２濃度未満
　　　　　　Ｈ_２：残、
２）供給周期：
　（ガス群Ａ→ガス群Ｂ）を一周期としてこれを繰り返す。
　各ガス群の供給時間は、ガス群Ａ、ガス群Ｂのいずれも５秒以上であり、一周期当たりのガス供給時間は、１０秒以上である。一周期当たりのガス供給時間が、１０秒未満では、組成変動組織を明確に区別して形成することが困難となる。一方、一周期当たりのガス供給時間を長くするに従い、結晶粒内の組成変動組織の組成変動が長周期化する結果、前述の「ＺｒおよびＨｆとＣが富化された領域とＺｒおよびＨｆとＣが貧化された領域の間で転位の移動を妨げ、硬さを向上させる効果」が小さくなるため、硬さが低下する。各ガス群の供給時間は、ガス群Ａ、ガス群Ｂのいずれも９０秒以下が好ましく、一周期当たりのガス供給時間は１８０秒以下が好ましい。よって一周期当たりのガス供給時間は１０秒以上１８０秒以下とすることが好ましい。
　複合炭窒化物層の層厚の調整は、前記ガス供給周期（ガス群Ａ→ガス群Ｂ）の繰り返し回数を増減させることにより行う。
３）反応雰囲気温度：９８０℃以上１０８０℃未満
　反応雰囲気温度については、９８０℃未満では、十分な成膜速度が得られず、ＴｉＺｒＮＣ層またはＴｉＺｒＨｆＮＣ層の塩素含有量が多くなり易い傾向がある。一方１０８０℃以上では、超硬合金母材からＣ等の元素が皮膜中に拡散し、十分な付着強度が得られないことがある。よって、反応雰囲気温度については９８０℃以上１０８０℃未満が好ましい。なお、より好ましくは１０１０℃以上１０８０℃未満が望ましい。
４）反応雰囲気圧力：１６ｋＰａ以上４０ｋＰａ未満
　１６ｋＰａ未満では十分な膜厚が得られず、４０ｋＰａ以上では、皮膜中にポアが含まれやすくなる。よって、反応雰囲気圧力については１６ｋＰａ以上４０ｋＰａ未満が好ましい。

　（４）下部層および上部層の成膜方法
　本発明においては、工具基体と複合炭窒化物層（ＴｉＺｒＮＣ層またはＴｉＺｒＨｆＮＣ層）との間に下部層を、複合炭窒化物層（ＴｉＺｒＮＣ層またはＴｉＺｒＨｆＮＣ層）の上に上部層を成膜することができる。
　なお、成膜する化合物および成膜条件については、後記表３を参照。

　つぎに、本発明の表面被覆切削工具について、実施例により具体的に説明する。

　原料粉末として、いずれも１～３μｍの平均粒径を有するＷＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２粉末、ＴｉＮ粉末、およびＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、表１に示される配合組成に配合し、さらにワックスを加えてアセトン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を５Ｐａの真空中、１３７０～１４７０℃の範囲内の所定の温度に１時間保持の条件で真空焼結し、焼結後、ＩＳＯ規格ＣＮＭＧ１２０４０８のインサート形状をもったＷＣ基超硬合金製の工具基体Ａ～Ｃをそれぞれ製造した。

　また、原料粉末として、いずれも０．５～２μｍの平均粒径を有するＴｉＣＮ（質量比でＴｉＣ／ＴｉＮ＝５０／５０）粉末、ＺｒＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｍｏ_２Ｃ粉末、ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末およびＮｉ粉末を用意し、これら原料粉末を、表２に示される配合組成に配合し、ボールミルで２４時間湿式混合し、乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を１．３ｋＰａの窒素雰囲気中、温度：１５００℃に１時間保持の条件で焼結し、焼結後、ＩＳＯ規格ＣＮＭＧ１２０４０８のインサート形状をもったＴｉＣＮ基サーメット製の工具基体Ｄ、Ｅを作製した。

　ついで、これらの工具基体Ａ～Ｅのそれぞれを、化学蒸着装置に装入し、ＴｉＺｒ複合炭窒化物層またはＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物層を成膜することにより、本発明被覆工具１～１５をそれぞれ製造した。
　なお、下部層、上部層は、必要に応じて設けた。
（ａ）下部層および上部層は、表５に示される目標層厚にて、表３に示される形成条件にて、蒸着形成した。
（ｂ）次に、表４に基づいて、工具基体記号に示される表１もしくは表２の工具基体に対し、本発明成膜工程のＴｉＺｒＮＣ層・ＴｉＺｒＨｆＮＣ層の形成記号の成膜条件により成膜を行い、得られた、本発明被覆工具１～１５のＴｉＺｒＮＣ層・ＴｉＺｒＨｆＮＣ層の平均組成、組成変動組織が複合炭窒化物層の組織に占める面積割合、ＺｒＨｆ最高含有割合（平均値）、ＺｒＨｆ最低含有割合（平均値）、Ｃ最高含有割合（平均値）、Ｃ最低含有割合（平均値）、ＺｒＨｆ最高含有点とＺｒＨｆ最低含有点の間隔（平均値）、Ｃ最高含有点とＣ最低含有点の間隔（平均値）、および、ＺｒＨｆ最高含有点と、そのＺｒＨｆ最高含有点から最も近い位置にあるＣ最高含有点との間隔（平均値）、平均膜厚を表５に示す。
　なお、表５の下部層欄においてＴｉＮ層（０．５）＋ｌ－ＴｉＣＮ層（３．０）と表記した場合、下部層第一層としてＴｉＮ層を０．５μｍ成膜し、さらに下部層第二層としてｌ－ＴｉＣＮ層を３．０μｍ成膜したことを示す。（表５の上部層および後述の表６の下部層および上部層においても同様である。）
　なお、前記ｌ－ＴｉＣＮ層は、縦長成長結晶組織を有するＴｉＣＮ層をいう。（表３の注）を参照。）

　また、比較の目的で、本発明被覆工具１～１５と同様の手順で比較例被覆工具１～１２をそれぞれ製造した。すなわち、
（ａ）工具基体に表３に示される条件にて、表６に示される目標層厚の下部層を蒸着形成した。
（ｂ）次に、表４に基づいて、工具基体記号に示される表１もしくは表２の工具基体に対し、比較例成膜工程のＴｉＺｒＮＣ層・ＴｉＺｒＨｆＮＣ層の形成記号の成膜条件により成膜を行い、得られた、比較例被覆工具１～１２のＴｉＺｒＮＣ層・ＴｉＺｒＨｆＮＣ層の平均組成、組成変動組織が複合炭窒化物層の組織に占める面積割合、ＺｒＨｆ最高含有割合（平均値）、ＺｒＨｆ最低含有割合（平均値）、Ｃ最高含有割合（平均値）、Ｃ最低含有割合（平均値）、ＺｒＨｆ最高含有点とＺｒＨｆ最低含有点の間隔（平均値）、Ｃ最高含有点とＣ最低含有点の間隔（平均値）、および、ＺｒＨｆ最高含有点と、そのＺｒＨｆ最高含有点から最も近い位置にあるＣ最高含有点との間隔（平均値）、平均膜厚を表６に示す。

　ここで、本発明被覆工具１～１５、および、比較例被覆工具１～１２の分析方法について述べる。
　膜厚の測定は、走査型電子顕微鏡（倍率５０００倍）を用いた。まず、刃先近傍のすくい面のうち、刃先から１００μｍ離れた位置において、工具基体に垂直な方向の断面が露出するように研磨を施した。次に刃先近傍のすくい面の刃先から１００μｍ離れた位置を含むように、５０００倍の視野でＴｉＺｒＮ層およびＴｉＺｒＨｆＮ層を観察し、観察視野内の５点の層厚を測定し、平均値を平均層厚とした。
　続いて、前述の研磨した面の刃先近傍のすくい面の刃先から９０から１１０μｍ離れた位置において１０点、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ－Ｐｒｏｂｅ－Ｍｉｃｒｏ－Ａｎａｌｙｓｅｒ）を用いて塩素（Ｃｌ）がＴｉとＺｒとＨｆとＣとＮとＯとＣｌとの合量に対して占める割合（原子％）を測定した。この１０点の平均値を塩素量として表５および表６に記した。

　次に、収束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いて工具基体表面に垂直な縦断面を切り出し、ＴｉＺｒＮＣ層またはＴｉＺｒＨｆＮＣ層の組成を、その層厚方向に沿って、工具基体表面に平行な方向の幅が１０μｍであり、硬質被覆層の厚み領域が全て含まれるように設定された視野について、高角散乱環状暗視野走査透過顕微鏡法（以下、「ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ」ともいう。）およびエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）を用いて１．０μｍ×１．０μｍの視野（ＴｉＺｒＮＣ層またはＴｉＺｒＨｆＮＣ層の膜厚が１．０μｍ以下の場合は、ＴｉＺｒＮＣ層またはＴｉＺｒＨｆＮＣ層の膜厚×１．０μｍの視野）にて異なる５箇所にて組成分析を行い、その平均値からＴｉＺｒＮＣ層またはＴｉＺｒＨｆＮＣ層全体の平均組成を求めた。

　次に、ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭを用いて組成変動組織が、複合炭窒化物層の組織に占める面積割合を求めた。具体的には、１．０μｍ×１．０μｍの視野（ＴｉＺｒＮＣ層またはＴｉＺｒＨｆＮＣ層の膜厚が１．０μｍ以下の場合は、ＴｉＺｒＮＣ層またはＴｉＺｒＨｆＮＣ層の膜厚×１．０μｍの視野）において、ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像を異なる５視野で観察し、各視野において、組成変動組織が、前記複合炭窒化物層の組織に占める面積割合を求め、それら各視野における組成変動組織の平均値を、組成変動組織が複合炭窒化物層の組織に占める面積割合とした。
　ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像では構成元素の原子量差に起因するコントラストが強いため、ここで観察された、「ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像で周期的な明暗がある組織」は「ＴｉとＺｒおよびＨｆとの周期的な組成変化を有する組織」であることを推定することができる。
　次いで、前記周期的な明暗のある組織について、ＥＤＳによるライン分析法を用いて、ＴｉとＺｒおよびＨｆとの周期的な組成変化を有するものであるか確認を行った。
　図１に本発明被覆工具５のＴｉＺｒ複合炭窒化物層の断面ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像を示す。

　図１のＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像によれば、左端部の結晶粒内には、積層構造の組成変動組織を複数見ることができ、例えば、白枠に囲まれた部分を含む最上部の積層構造の組成変動組織について、ＥＤＳライン分析を行った。
　初めに、ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像から「ＴｉとＺｒおよびＨｆとの周期的な組成変化の周期幅が最小となる方向（すなわち、ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像における明暗のコントラストの周期幅が最小となる方向）」Ｄ１を求めた。図１では本発明被覆工具５のＴｉＺｒ複合炭窒化物層の断面ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像の白枠部において、ＴｉとＺｒとの組成変化の周期が最小となる方向（例えば、結晶粒内に形成される組成変動組織が、積層構造の組織であった場合には、積層組織を構成する層の層厚が最小となる方向をいう。）を求めた結果を示す。積層組織の積層方向Ｄ１は膜厚方向Ｄ２と一致するとは限らない。
　なお、前述の通り、ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像では構成元素の原子量差に起因するコントラストが強く、図１のＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像において、明るい部分ほどＺｒが多く含有されている。また、白枠部は、一つの結晶粒内に含まれている。なお、ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭによって粒界が明瞭に観察できない場合は、同じ個所について、電子回折パターンによる結晶方位マッピングを１０ｎｍ間隔で測定し、各々の測定点同士の結晶方位関係を解析し隣接する測定点（以下、「ピクセル」ともいう）間での方位差を測定し、５度以上の方位差がある場合、そこを粒界と定義する。そして、粒界で囲まれた領域を１つの結晶粒と定義する。ただし、隣接するピクセルすべてと５度以上の方位差がある単独に存在するピクセルは結晶粒とせず、２ピクセル以上が連結しているものを結晶粒として取り扱った。
　そして、前記「ＴｉとＺｒおよびＨｆとの周期的な組成変化の周期幅が最小となる方向」にＥＤＳによるライン分析を行うことにより、ＺｒＨｆ最高含有割合、ＺｒＨｆ最低含有割合、Ｃ最高含有割合、Ｃ最低含有割合、ＺｒＨｆ最高含有点とＺｒＨｆ最低含有点の間隔、Ｃ最高含有点とＣ最低含有点の間隔、および、前記ＺｒＨｆ最高含有点と、そのＺｒＨｆ最高含有点から最も近い位置にあるＣ最高含有点との間隔を測定した。
　これらは、いずれも５個の積層構造の組成変動組織に対してＥＤＳライン分析を行い、各々の積層構造の組成変動組織における測定値（各積層構造毎に１０点）の平均値として求めたものである。
　表５および表６に測定および算出したそれぞれの値を示す。

　つぎに、前記各種の被覆工具を工具鋼製バイト先端部に固定治具にてクランプした状態で、本発明被覆工具１～１５、比較例被覆工具１～１２について、以下に示す、析出硬化型ステンレス鋼の高送り切削試験を実施し、切刃の逃げ面摩耗幅を測定するとともに、溶着の発生等の有無について観察を行い、結果を表７に示す。

≪切削条件Ａ≫
　切削試験：析出硬化型ステンレス鋼丸棒の湿式連続高送り切削試験
　被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ６３０
　切削速度：１２０ｍ／ｍｉｎ、
　切り込み：１．５ｍｍ、
　一刃送り量：０．４３ｍｍ／刃、
　切削時間：５．０分、
≪切削条件Ｂ≫
　切削試験：析出硬化型ステンレス鋼１スリット材湿式断続高送り切削加工試験
　被削材：ＪＩＳ・ＳＵＳ６３０
　切削速度：９０ｍ／ｍｉｎ、
　切り込み：１．０ｍｍ、
　一刃送り量：０．３８ｍｍ／刃、
　切削時間：２．０分、

　表７の切削加工試験結果からも明らかなように、本発明被覆工具は、表５において示す、所望量の塩素を含み、また、ＺｒＨｆ含有割合およびＣ含有割合が周期的に変化し、ＺｒＨｆ最高含有点とＣ最高含有点の周期および位置がそれぞれ同期した積層構造の組成変動組織を含有したＴｉＺｒ複合炭窒化層またはＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物層とすることにより、例えば、析出硬化型ステンレス鋼の高送り切削加工において、剥離、チッピングの発生はなく、逃げ面最大摩耗幅も小さく、すぐれた耐溶着性、耐塑性変形性および耐異常損傷性を発揮する。
　これに対し、比較例被覆工具は、硬質被覆層として含まれる複合炭窒化物層が、所望の平均組成を満たしていない、あるいは、所望の平均組成を満たしている場合であっても、ＺｒＨｆ含有割合およびＣ含有割合が周期的に変化する組成変動組織を有していないことにより、所望の特性を発揮することができず、摩耗の進展、溶着の発生、チッピングの発生等により、短時間で寿命に至るものであった。

　前述のとおり、本発明の被覆工具は、硬質被覆層として含まれる複合炭窒化物層において、各成分の含有割合が周期的に変化する、所望の組成変動組織を有することにより、例えば、析出硬化型ステンレス鋼の高送り切削加工において、すぐれた耐溶着性、耐チッピング性、耐摩耗性を発揮するものであるから、切削装置の高性能化並びに切削加工の省力化および省エネ化、さらに、低コスト化に十分満足するものである。

　Ｄ１　　白枠部におけるＴｉとＺｒとの組成変化の周期が最小となる方向
　Ｄ２　　膜厚方向

Claims

　工具基体の表面に硬質被覆層を有する表面被覆切削工具であって、
　（ａ）前記硬質被覆層は、平均層厚０．５～２０．０μｍのＴｉＺｒ複合炭窒化物層またはＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物層の少なくとも一層を含み、
　（ｂ）前記複合炭窒化物層は、ＴｉＺｒ複合炭窒化物またはＴｉＺｒＨｆ複合炭窒化物を含有し、前記複合炭窒化物は、組成式（Ｔｉ_{（１－ｘ）}Ｚｒ_ｘｙＨｆ_{ｘ（１－ｙ）}）（Ｎ_{（１－ｚ）}Ｃ_ｚ）にて表わした場合、
　ＴｉとＺｒとＨｆとの合量に対してＺｒとＨｆとの合量が占める含有割合ｘ、ＺｒとＨｆとの合量に対してＺｒ量が占める含有割合ｙ、および、ＮとＣとの合量に対してＣ量が占める含有割合ｚ（但し、ｘ、ｙおよびｚはいずれも原子比）が、それぞれ、０．１０≦ｘ≦０．９０、０＜ｙ≦１．０、および、０．０８＜ｚ＜０．６０を満足する平均組成を有し、
　また、前記複合炭窒化物層は、塩素を平均塩素含有量０．００１原子％以上０．０３０原子％以下にて含有し、
　（ｃ）前記複合炭窒化物層は、少なくとも一部の結晶粒内に、ＴｉとＺｒとＨｆとの合量に対してＺｒとＨｆとの合量が占める含有割合、および、ＮとＣとの合量に対してＣ量が占める含有割合が周期的に変化する組成変動組織を有し、
　（ｃ－１）縦断面観察において、前記組成変動組織が前記複合炭窒化物層の組織に占める面積割合が１０％以上であり、
　（ｃ－２）前記組成変動組織における前記ＴｉとＺｒとＨｆとの合量に対してＺｒとＨｆとの合量が占める含有割合について、最高含有割合ｘ_ｍａｘを示すＺｒＨｆ最高含有点と最低含有割合ｘ_ｍｉｎを示すＺｒＨｆ最低含有点とが繰り返され、前記繰り返される隣接するＺｒＨｆ最高含有点とＺｒＨｆ最低含有点の間隔の平均値である平均間隔が５～１００ｎｍであり、前記ＺｒＨｆ最高含有点の最高含有割合ｘ_ｍａｘと前記ＺｒＨｆ最低含有点の最低含有割合ｘ_ｍｉｎとの差Δｘの絶対値の平均値が０．０２以上であり、
　（ｃ－３）前記組成変動組織における前記ＮとＣとの合量に対してＣ量が占める含有割合について、最高含有割合ｚ_ｍａｘを示すＣ最高含有点と最低含有割合ｚ_ｍｉｎを示すＣ最低含有点とが繰り返され、前記繰り返される隣接するＣ最高含有点とＣ最低含有点の間隔の平均値である平均間隔が５～１００ｎｍであり、前記Ｃ最高含有点の最高含有割合ｚ_ｍａｘと前記Ｃ最低含有割合ｚ_ｍｉｎとの差Δｚの絶対値の平均値が０．０２以上であり、
　（ｃ－４）前記組成変動組織における前記ＴｉとＺｒとＨｆとの合量に対してＺｒとＨｆとの合量が占める含有割合について、最高含有割合ｘ_ｍａｘを示すＺｒＨｆ最高含有点と最低含有割合ｘ_ｍｉｎを示すＺｒＨｆ最低含有点とのそれぞれの周期および位置と、前記ＮとＣとの合量に対してＣ量が占める含有割合について、最高含有割合ｚ_ｍａｘを示すＣ最高含有点と、最低含有割合ｚ_ｍｉｎを示すＣ最低含有点とのそれぞれの周期および位置とはそれぞれに対応して同期しており、前記ＺｒＨｆ最高含有点と、そのＺｒＨｆ最高含有点から最も近い位置にあるＣ最高含有点との間隔の平均値が、前記ＺｒＨｆ最高含有点とその隣接するＺｒＨｆ最低含有点との平均間隔の１／５以下であること、を特徴とする表面被覆切削工具。
　前記組成変動組織が、積層組織であることを特徴とする請求項１に記載された表面被覆切削工具。