WO2023243007A1 - 切削工具 - Google Patents

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WO2023243007A1
WO2023243007A1 PCT/JP2022/023996 JP2022023996W WO2023243007A1 WO 2023243007 A1 WO2023243007 A1 WO 2023243007A1 JP 2022023996 W JP2022023996 W JP 2022023996W WO 2023243007 A1 WO2023243007 A1 WO 2023243007A1
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layer
less
unit
cutting tool
thickness
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優太 鈴木
晋也 今村
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住友電工ハードメタル株式会社
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    • B23B2228/10—Coatings
    • B23B2228/105—Coatings with specified thickness

Definitions

  • the present disclosure relates to cutting tools.
  • Patent Document 1 Patent Document 1
  • Patent Document 2 Patent Document 2
  • the cutting tool of the present disclosure includes: A cutting tool comprising a base material and a coating provided on the base material, The coating includes a first layer;
  • the first layer has a multilayer structure in which first unit layers and second unit layers are alternately laminated,
  • the thickness of the first unit layer is 2 nm or more and less than 50 nm
  • the thickness of the second unit layer is 2 nm or more and less than 50 nm
  • the thickness of the first layer is 1.0 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less
  • the first unit layer is made of Ti a Al b B c N
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of a cutting tool according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining a measurement area when measuring the diameter of the maximum inscribed circle of the crystal grains of the first layer.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining a method of measuring the diameter of the maximum inscribed circle of the crystal grains of the first layer, and is a diagram schematically showing a bright field image of the measurement field.
  • FIG. 3A is a diagram for explaining the positional relationship between crystal grains and the first unit layer and the second unit layer.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of a film forming apparatus.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of a film forming apparatus.
  • the present disclosure aims to provide a cutting tool with a long tool life.
  • the cutting tools of the present disclosure can have long tool life.
  • the cutting tool of the present disclosure includes: A cutting tool comprising a base material and a coating provided on the base material, The coating includes a first layer;
  • the first layer has a multilayer structure in which first unit layers and second unit layers are alternately laminated,
  • the thickness of the first unit layer is 2 nm or more and less than 50 nm
  • the thickness of the second unit layer is 2 nm or more and less than 50 nm
  • the thickness of the first layer is 1.0 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less
  • the first unit layer is made of Ti a Al b B c N
  • the cutting tool of the present disclosure can have a long tool life.
  • the first layer consists of a plurality of crystal grains,
  • the diameter of the largest inscribed circle of the crystal grains is preferably 50 nm or less.
  • the structure of the first layer is dense, and the wear resistance and fracture resistance of the cutting tool are improved.
  • the half width of the diffraction peak derived from the (200) plane of the cubic crystal is preferably 0.2° or more and 2.0° or less.
  • the proportion of the cubic crystal structure in the first layer is high, and the first layer can have high hardness. Therefore, the wear resistance of the cutting tool is improved.
  • the nanoindentation hardness H of the first layer at 25° C. is preferably 30 GPa or more. According to this, the wear resistance of the cutting tool is improved.
  • the ratio H/E of the nanoindentation hardness H (GPa) at 25°C of the first layer to the Young's modulus E (GPa) at 25°C of the first layer is 0.07 or more. is preferred.
  • the cutting tool can have excellent wear resistance and chipping resistance, and the tool life is further improved.
  • the notation in the format "A to B” means the upper and lower limits of the range (i.e., from A to B), and if there is no unit described in A and a unit is described only in B, then The unit and the unit of B are the same.
  • the atomic ratio when a compound or the like is expressed by a chemical formula, unless the atomic ratio is specifically limited, it includes all conventionally known atomic ratios, and should not necessarily be limited to only those in the stoichiometric range.
  • the ratio of the number of atoms constituting TiN includes all conventionally known atomic ratios.
  • any one numerical value stated in the lower limit and any one numerical value stated in the upper limit is also disclosed.
  • the upper limit is a2 or less, b2 or less, c2 or less, a1 or more and a2 or less, a1 or more and b2 or less, a1 or more and c2 or less, b1 or more and a2 or less, b1 or more and b2 or less, b1 or more and c2 or less, c1 or more and a2 or less, c1 or more and a2 or less, c1 or more and b2 or less, and c1 or more and c2 or less, and c1 or more and c2 or less are disclosed.
  • a cutting tool includes: A cutting tool comprising a base material and a coating provided on the base material, The coating includes a first layer;
  • the first layer has a multilayer structure in which first unit layers and second unit layers are alternately laminated, The thickness of the first unit layer is 2 nm or more and less than 50 nm, The thickness of the second unit layer is 2 nm or more and less than 50 nm, The thickness of the first layer is 1.0 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less,
  • the first unit layer is made of Ti a Al b B c N,
  • the cutting tool of the present disclosure can have a long tool life. The reason is presumed to be as follows.
  • the coating of the cutting tool of the present disclosure includes a first layer having a multilayer structure in which first unit layers and second unit layers are alternately laminated.
  • the first unit layer and the second unit layer have different compositions. Therefore, it is possible to suppress the propagation of cracks from the surface of the coating that occur when a cutting tool is used near the interface between the first unit layer and the second unit layer.
  • the thickness of each of the first unit layer and the second unit layer is very thin, at 2 nm or more and less than 50 nm, the number of stacked layers of the first unit layer and the second unit layer in the first layer is large, which reduces the propagation of cracks. The suppressing effect is further improved. Therefore, large-scale damage to the coating can be suppressed, and the tool life of the cutting tool is extended.
  • the first unit layer and the second unit layer have different compositions to the extent that crack propagation can be suppressed, and at the same time, to the extent that the crystal lattice can be continuous, as described in (i) above.
  • the composition is similar to that of Therefore, delamination between the first unit layer and the second unit layer is suppressed, and the tool life of the cutting tool is extended.
  • the percentage of the number of titanium atoms (Ti) to the total number of atoms of titanium, aluminum, and boron (Ti+Al+B) ⁇ Ti/(Ti+Al+B) ⁇ 100 is 50% or more. According to this, the first layer can have excellent wear resistance and chipping resistance. Furthermore, in the first layer, the percentage of the number of boron atoms (B) to the total number of atoms of titanium, aluminum, and boron (Ti+Al+B) ⁇ B/(Ti+Al+B) ⁇ 100 is 10% or less. According to this, the crystal grains constituting the first layer become finer, and wear resistance and chipping resistance are further improved. Therefore, the tool life of the cutting tool is extended.
  • the cutting tool of this embodiment is not particularly limited in its shape, use, etc., as long as it is a cutting tool.
  • the cutting tool of this embodiment is, for example, a drill, an end mill, an indexable tip for milling, an indexable tip for turning, a metal saw, a gear cutting tool, a reamer, a tap, or a tip for pin milling of a crankshaft. could be.
  • FIG. 1 is a schematic partial sectional view showing an example of the configuration of a cutting tool according to the present embodiment.
  • the cutting tool 100 includes a base material 10 and a coating 20 provided on the base material 10.
  • the base material 10 is not particularly limited.
  • the base material 10 may be made of, for example, cemented carbide, cermet, high-speed steel, ceramics, cubic boron nitride sintered body, diamond sintered body, or the like.
  • Base material 10 is preferably made of cemented carbide. This is because cemented carbide has excellent wear resistance.
  • Cemented carbide is a sintered body whose main component is WC (tungsten carbide) particles.
  • Cemented carbides include a hard phase and a binder phase.
  • the hard phase contains WC particles.
  • the bonding phase binds the WC particles together.
  • the binding phase contains, for example, Co (cobalt).
  • the binder phase may further contain, for example, TiC (titanium carbide), TaC (tantalum carbide), NbC (niobium carbide), or the like.
  • Cemented carbide may contain impurities that are inevitably mixed in during its manufacturing process. Cemented carbide may also contain free carbon or an abnormal layer called the " ⁇ layer" in its structure. Furthermore, the cemented carbide may be subjected to surface modification treatment. For example, the cemented carbide may include a ⁇ -free layer or the like on its surface.
  • the cemented carbide preferably contains WC particles in an amount of 87% by mass or more and 96% by mass or less, and Co in a range of 4% by mass or more and 13% by mass or less.
  • the WC particles preferably have an average particle size of 0.2 ⁇ m or more and 4 ⁇ m or less.
  • Co is softer than WC particles.
  • soft Co can be removed. Since the cemented carbide has the above-mentioned composition and the WC particles have the above-mentioned average particle size, appropriate unevenness is formed on the surface after Co is removed. It is thought that by forming the coating 20 on such a surface, an anchor effect is developed and the adhesion between the coating 20 and the base material 10 is improved.
  • the particle size of the WC particle indicates the diameter of a circle circumscribing a two-dimensional projected image of the WC particle.
  • the particle size is measured using a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). That is, the cemented carbide is cut and the cut surface is observed using SEM or TEM.
  • the diameter of the circle circumscribing the WC particles is regarded as the particle size of the WC particles.
  • the particle diameters of 10 or more (preferably 50 or more, more preferably 100 or more) randomly extracted WC particles are measured, and the arithmetic mean value thereof is taken as the average particle size of the WC particles.
  • CP cross section polisher
  • FIB focused ion beam
  • the coating 20 is provided on the base material 10.
  • the coating 20 may be provided on a part of the surface of the base material 10 or may be provided on the entire surface. However, it is assumed that the coating 20 is provided on at least a portion of the surface of the base material 10 that corresponds to the cutting edge.
  • the coating 20 includes a first layer 21.
  • the coating 20 may include other layers as long as it includes the first layer 21.
  • the coating 20 can include a second layer 22 provided between the base material 10 and the first layer 21 and/or a third layer 23 provided on the outermost surface of the coating 20.
  • a known base layer can be applied to the second layer.
  • Examples of the underlayer include a TiCN layer, a TiN layer, and a TiCNO layer.
  • a known surface layer can be applied to the third layer. Examples of the surface layer include a TiC layer, a TiN layer, and a TiCN layer.
  • the laminated structure of the coating 20 does not need to be uniform over the entire coating 20, and the laminated structure may differ partially.
  • the thickness of the coating 20 is preferably 1.0 ⁇ m or more and 25 ⁇ m or less. When the thickness of the coating 20 is 1.0 ⁇ m or more, wear resistance is improved. When the thickness of the coating 20 is 25 ⁇ m or less, fracture resistance is improved.
  • the thickness of the coating 20 is preferably 1.0 ⁇ m or more and 25 ⁇ m or less, more preferably 2.0 ⁇ m or more and 16 ⁇ m or less, and even more preferably 3.0 ⁇ m or more and 12 ⁇ m or less.
  • the thickness of the coating means the sum of the thicknesses of the layers constituting the coating. Examples of the "layers constituting the film" include a first layer, a second layer, a third layer, and the like.
  • the thickness of each layer constituting the coating can be determined by obtaining a thin section sample (hereinafter also referred to as "cross section sample”) parallel to the normal direction of the surface of the base material of the cutting tool, and scanning the cross section sample using transmission electron scanning. It is measured by observing with a microscope (STEM). Examples of the scanning transmission electron microscope include JEM-2100F (trade name) manufactured by JEOL Ltd. The observation magnification of the cross-sectional sample is set to 5,000 to 10,000 times, and the thickness of each layer is measured at five locations, and the arithmetic mean value is defined as the "thickness of each layer.”
  • the crystal grains forming the coating 20 are preferably cubic crystals.
  • the cubic crystal structure increases hardness and extends tool life.
  • the first layer 21 has a multilayer structure in which first unit layers 1 and second unit layers 2 are alternately stacked.
  • the number of layers is not particularly limited as long as the first layer 21 includes at least one first unit layer 1 and one or more second unit layers 2.
  • the number of stacked layers refers to the total number of first unit layers 1 and second unit layers 2 included in the first layer 21.
  • the number of laminated layers is preferably more than 10 and less than 5,000, preferably more than 200 and less than 5,000, more preferably more than 400 and less than 2,000, and even more preferably more than 500 and less than 1,000.
  • the layer closest to the base material 10 may be the first unit layer 1 or the second unit layer 2.
  • the layer farthest from the base material 10 may be the first unit layer 1 or the second unit layer 2.
  • the thickness of the first layer is 1.0 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less. When the thickness of the first layer is 1.0 ⁇ m or more, wear resistance is improved. When the thickness of the first layer is 20 ⁇ m or less, fracture resistance is improved.
  • the lower limit of the thickness of the first layer is preferably 1.0 ⁇ m or more, more preferably 2.0 ⁇ m or more, and even more preferably 3.0 ⁇ m or more.
  • the upper limit of the thickness of the first layer is preferably 20 ⁇ m or less, preferably 18 ⁇ m or less, more preferably 16 ⁇ m or less, and even more preferably 12 ⁇ m or less.
  • the thickness of the first layer is 1.0 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less, preferably 2.0 ⁇ m or more and 16 ⁇ m or less, and more preferably 3.0 ⁇ m or more and 12 ⁇ m or less.
  • the first unit layer 1 and the second unit layer 2 each have a thickness of 2 nm or more and less than 50 nm. By repeating such thin layers alternately, the growth of cracks can be suppressed.
  • the thickness of each of the first unit layer 1 and the second unit layer 2 is less than 2 nm, the compositions of the first unit layer 1 and the second unit layer 2 may be mixed, and the effect of suppressing crack growth may be reduced. be.
  • the thickness of each of the first unit layer 1 and the second unit layer 2 is 50 nm or more, the effect of suppressing interlayer peeling may be reduced.
  • the lower limit of the thickness of the first unit layer is 2 nm or more, preferably 4 nm or more, more preferably 6 nm or more, and even more preferably 8 nm or more.
  • the upper limit of the thickness of the first unit layer is less than 50 nm, preferably 46 nm or less, preferably 40 nm or less, and even more preferably 30 nm or less.
  • the thickness of the first unit layer is 2 nm or more and less than 50 nm, preferably 4 nm or more and 40 nm or less, and more preferably 6 nm or more and 30 nm or less.
  • the lower limit of the thickness of the second unit layer is 2 nm or more, preferably 4 nm or more, more preferably 6 nm or more, and even more preferably 8 nm or more.
  • the upper limit of the thickness of the second unit layer is less than 50 nm, preferably 47 nm or less, more preferably 40 nm or less, and even more preferably 30 nm or less.
  • the thickness of the second unit layer is 2 nm or more and less than 50 nm, preferably 4 nm or more and 40 nm or less, and more preferably 6 nm or more and 30 nm or less.
  • the method for measuring the thickness of each of the first unit layer and the second unit layer is as follows.
  • a thin sample of a cross section of the cutting tool parallel to the normal direction of the surface of the base material (hereinafter also referred to as "cross section sample”) is obtained.
  • the cross-sectional sample is observed using a scanning transmission electron microscope (STEM). Examples of the scanning transmission electron microscope include JEM-2100F (trade name) manufactured by JEOL Ltd.
  • the observation magnification of the cross-sectional sample shall be adjusted as appropriate depending on the thickness of the first unit layer 1 and the second unit layer 2. For example, the observation magnification can be approximately 1 million times.
  • the thickness is measured at five locations.
  • the arithmetic mean value of the thicknesses at five locations of the first unit layer is calculated, and the arithmetic mean value is set as the thickness of the first unit layer.
  • the thickness is measured at five locations.
  • the thickness of the first unit layer is measured using the above procedure for each of the five different first unit layers.
  • the arithmetic mean value of the thicknesses of the five first unit layers is determined.
  • the arithmetic mean value is taken as the thickness of the first unit layer.
  • the thickness of the second unit layer is measured using the above procedure for each of the five different second unit layers.
  • the arithmetic mean value of the thicknesses of the five second unit layers is determined.
  • the arithmetic mean value is taken as the thickness of the second unit layer.
  • the first unit layer consists of Ti a Al b B c N
  • compositions of the first unit layer and the second unit layer are 0.05 ⁇ a-d and 0.05 ⁇ e-b, there is a difference between the first unit layer 1 and the second unit layer 2.
  • the compositions of the first unit layer and the second unit layer can be separated to such an extent that crack propagation can be suppressed.
  • the first unit layer The compositions of the layer and the second unit layer can be approximated.
  • the composition of the first unit layer 1 and the second unit layer 2 preferably satisfies 0.05 ⁇ a-d ⁇ 0.15 and 0.05 ⁇ e-b ⁇ 0.15, and 0.05 ⁇ a- More preferably, d ⁇ 0.10 and 0.05 ⁇ eb ⁇ 0.10 are satisfied. This further improves the effect of suppressing crack growth and delamination.
  • the lower limit of "a” is 0.54 or more, preferably 0.57 or more, and more preferably 0.60 or more.
  • the upper limit of "a” is 0.75 or less, preferably 0.72 or less, and more preferably 0.69 or less.
  • "a” is preferably 0.57 ⁇ a ⁇ 0.72, more preferably 0.60 ⁇ a ⁇ 0.69.
  • the lower limit of "b” is 0.24 or more, preferably 0.27 or more, and more preferably 0.30 or more.
  • the upper limit of "b” is 0.45 or less, preferably 0.42 or less, and more preferably 0.39 or less.
  • "b” is preferably 0.27 ⁇ b ⁇ 0.42, more preferably 0.30 ⁇ b ⁇ 0.39.
  • the lower limit of "d” is 0.44 or more, preferably 0.47 or more, and more preferably 0.50 or more.
  • the upper limit of “d” is 0.65 or less, preferably 0.62 or less, and more preferably 0.59 or less.
  • “d” is preferably 0.47 ⁇ d ⁇ 0.62, more preferably 0.50 ⁇ d ⁇ 0.59.
  • the lower limit of "e” is 0.34 or more, preferably 0.37 or more, and more preferably 0.40 or more.
  • the upper limit of “e” is 0.55 or less, preferably 0.52 or less, and more preferably 0.49 or less.
  • "e” is preferably 0.37 ⁇ e ⁇ 0.52, more preferably 0.40 ⁇ e ⁇ 0.49.
  • the crystal grains constituting the first layer become finer, improving wear resistance and Fracture resistance is further improved.
  • the lower limit of "c” is greater than 0, preferably 0.01 or more, and more preferably 0.02 or more.
  • the upper limit of "c” is 0.10 or less, preferably 0.09 or less, and more preferably 0.08 or less.
  • "c” is preferably 0.01 ⁇ c ⁇ 0.09, more preferably 0.02 ⁇ c ⁇ 0.08.
  • the lower limit of "f” is greater than 0, preferably 0.01 or more, and more preferably 0.02 or more.
  • the upper limit of "f” is 0.10 or less, preferably 0.09 or less, and more preferably 0.08 or less.
  • "f” is preferably 0.01 ⁇ f ⁇ 0.09, more preferably 0.02 ⁇ f ⁇ 0.08.
  • a, b, c in the first unit layer Ti a Al b B c N and d, e, f in the second unit layer Ti d Al e B f N were determined by energy dispersive X-ray analysis (Energy Dispersive X- It is specified by measuring the composition of each layer using ray spectrometry (EDX).
  • EDX energy dispersive X-ray analysis
  • TEM-EDX is used for compositional analysis.
  • An example of the EDX device is JED-2300 (trade name) manufactured by JEOL Ltd., for example.
  • compositional analysis is performed using the following procedure.
  • a thin sample with a cross section parallel to the normal direction of the surface of the base material of the cutting tool (hereinafter also referred to as "cross section sample”) is obtained.
  • EDX analysis is performed at five arbitrarily selected points within one first unit layer 1 or one second unit layer 2.
  • the first unit layer and the second unit layer can be distinguished by a difference in contrast.
  • the "5 arbitrarily selected points” are selected from mutually different crystal grains.
  • the respective compositions of the first unit layer and the second unit layer are specified by taking an arithmetic average of the composition ratios of each element obtained through the measurements at five points.
  • composition of each of the first unit layer and the second unit layer is analyzed for five layers, and the average composition of the five layers is determined for each of the first unit layer and the second unit layer.
  • the average composition of the five first unit layers is defined as the composition of the first unit layer.
  • the average composition of the five second unit layers is defined as the composition of the second unit layer. Based on the composition, a, b, c, d, e, and f are specified.
  • the percentage of the number of titanium atoms relative to the total number of atoms of titanium, aluminum, and boron (hereinafter also referred to as "titanium content of the first layer") is 50% or more. According to this, the first layer can have excellent wear resistance and chipping resistance.
  • the lower limit of the titanium content in the first layer is 50% or more, preferably 53% or more, and more preferably 56% or more, from the viewpoint of improving wear resistance and chipping resistance.
  • the upper limit of the titanium content in the first layer is preferably 72% or less, more preferably 69% or less.
  • the titanium content of the first layer is preferably 50% or more and 72% or less, more preferably 53% or more and 72% or less, and even more preferably 56% or more and 69% or less.
  • the titanium content of the first layer is measured by TEM-EDX.
  • An example of the EDX device is JED-2300 (trade name) manufactured by JEOL Ltd., for example.
  • the titanium content of the first layer is measured by the following procedure.
  • cross section sample Obtain a thin sample with a cross section parallel to the normal direction of the surface of the base material of the cutting tool (hereinafter also referred to as "cross section sample”). While observing the cross-sectional sample with a TEM, EDX analysis is performed in five arbitrarily selected fields within the first layer. Here, the “5 arbitrarily selected visual fields” are set so that they do not overlap with each other. The range of one field of view is 200 ⁇ 200 nm. The arithmetic mean of the titanium contents obtained by measuring five visual fields is taken as the titanium content of the first layer.
  • the first layer is preferably composed of a plurality of crystal grains, and the diameter of the largest inscribed circle of the crystal grains is preferably 50 nm or less. According to this, the structure of the first layer is dense, and the wear resistance and fracture resistance of the cutting tool are improved.
  • the first layer of the present disclosure may include a plurality of crystal grains as well as a region that does not constitute a crystal grain (a region in which the atomic arrangement is random), as long as the effects of the present disclosure are not impaired.
  • the upper limit of the diameter of the maximum inscribed circle of the crystal grains is preferably 50 nm or less, more preferably 45 nm or less, and even more preferably 40 nm or less, from the viewpoint of improving wear resistance and fracture resistance.
  • the lower limit of the diameter of the maximum inscribed circle of the crystal grains is preferably 5 nm or more, more preferably 7 nm or more, and even more preferably 10 nm or more, from the viewpoint of suppressing a decrease in film hardness due to excessive crystal grain refinement.
  • the diameter of the maximum inscribed circle of the crystal grain is preferably 5 nm or more and 50 nm or less, more preferably 7 nm or more and 45 nm or less, and even more preferably 10 nm or more and 40 nm or less.
  • the method for measuring the diameter of the maximum inscribed circle of the above crystal grains is as follows.
  • a thin section sample (thickness: about 10 to 100 nm, hereinafter also referred to as "cross-sectional sample") of the cutting tool parallel to the normal direction of the surface of the base material is obtained.
  • the cross-sectional sample is observed with a transmission electron microscope (TEM) to obtain a bright field image.
  • the observation magnification is 1,000,000 to 5,000,000 times.
  • the bright field image includes a line L2 at a distance of 0.2 ⁇ m from a line L1 indicating the center of the first layer in the thickness direction toward the substrate side, and a line L2 from the line L1 to the surface of the coating.
  • the image is acquired so as to include the region A sandwiched between the line L3 and the line L3 whose distance to the side is 0.2 ⁇ m.
  • a rectangular measurement field of 150 nm x 150 nm is arbitrarily set.
  • a region where the atomic arrangement is ⁇ 0.5° or less is specified, and this region is defined as a crystal grain.
  • a method for specifying a region where the atomic arrangement is ⁇ 0.5° or less and a crystal grain will be explained using FIG. 3.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of a bright field image of the measurement field.
  • atoms are indicated by black dots labeled 50. Note that in FIG. 3, some atoms are shown.
  • the bright-field image regularly arranged atoms 50 are connected by a line segment that provides the shortest interatomic distance.
  • the line segments are indicated by L10-L14, L20-L22, and L30-L34.
  • a region where the angle between line segments is ⁇ 0.5° or less (ie, ⁇ 0.5° or more and 0.5° or less) is defined as a crystal grain.
  • the angles between the line segments L10 to L14 are ⁇ 0.5° or less, and the region including these line segments corresponds to the crystal grains 24a.
  • the angles between the line segments L20 to L22 are ⁇ 0.5° or less, and the region including these line segments corresponds to the crystal grains 24b.
  • the angles between the line segments L30 to L34 are ⁇ 0.5° or less, and the region including these line segments corresponds to the crystal grains 24c.
  • the diameter of the largest inscribed circle means the diameter of the largest inscribed circle that can be drawn inside a crystal grain and contacts at least a part of the outer edge of the crystal grain.
  • the diameter of the largest inscribed circle 25a of the crystal grain 24a is D1.
  • the diameter of the maximum inscribed circle 25b of the crystal grain 24b is D2.
  • the diameter of the maximum inscribed circle 25c of the crystal grain 24c is D3.
  • FIG. 3A is a diagram schematically showing a cross section along the film thickness direction of the first layer of this embodiment.
  • the first layer 21 has a multilayer structure in which first unit layers 1 and second unit layers 2 are alternately stacked.
  • a plurality of grains 24 are shown in FIG. 3A, and the boundaries between grains 24 are shown as grain boundaries 25.
  • Each crystal grain 24 may consist of only a first unit layer or a second unit layer.
  • each crystal grain 24 can exist across one or more first unit layers and one or more second unit layers. That is, each crystal grain 24 can have a lamellar structure in which first unit layers and second unit layers are alternately stacked.
  • the half width of the diffraction peak derived from the (200) plane of the cubic crystal is preferably 0.2° or more and 2.0° or less.
  • the half-width means Full Width at Half Maximum (FWHM).
  • the first layer has a cubic crystal structure and fine crystal grains, and the first layer can have high hardness. Therefore, the wear resistance of the cutting tool is improved.
  • the half-width of a diffraction peak derived from the (200) plane of a cubic crystal means the half-width of a peak observed at a diffraction angle 2 ⁇ of 42° to 45° in an X-ray diffraction spectrum.
  • the lower limit of the half width is preferably 0.2° or more.
  • the upper limit of the half width is preferably 2.0° or less, more preferably 1.5° or less, and even more preferably 1.0° or less.
  • the half value width is preferably 0.2° or more and 2.0° or less, more preferably 0.2° or more and 1.5° or less, and even more preferably 0.2° or more and 1.0° or less.
  • the X-ray diffraction spectrum of the first layer is measured using "SmartLab” (trademark) manufactured by Rigaku Corporation under the following conditions.
  • X-ray source Cu-k ⁇ rays
  • X-ray output 45kV
  • 40mA Detector One-dimensional semiconductor detector Measurement range of diffraction angle 2 ⁇ : 20° to 90° Scan speed: 10°/min
  • the nanoindentation hardness H of the first layer at 25° C. is preferably 30 GPa or more. According to this, the wear resistance of the cutting tool is improved.
  • the lower limit of the nanoindentation hardness H is preferably 30 GPa or more, more preferably 34 GPa or more, and even more preferably 38 GPa or more.
  • the upper limit of the nanoindentation hardness H is not particularly limited, but from a manufacturing standpoint, it can be 60 GPa or less.
  • the nanoindentation hardness H is preferably 30 GPa or more and 60 GPa or less, more preferably 34 GPa or more and 60 GPa or less, and even more preferably 38 GPa or more and 60 GPa or less.
  • the nanoindentation hardness H at 25°C of the first layer is determined by "ISO 14577-1: 2015 Metallic materials-Instrumented indentation test for hardness and m nanoindentation method in accordance with the standard procedure defined in Measured by The measuring device used is "ENT-1100a” manufactured by Elionix.
  • the indentation load of the indenter is 1 g.
  • the indenter is pressed into the first layer exposed in the cross section parallel to the normal direction of the surface of the base material in a direction perpendicular to the cross section (that is, in a direction parallel to the surface of the base material).
  • the above measurement is performed on five measurement samples, and the average value of the nanoindentation hardness determined for each sample is taken as the nanoindentation hardness of the first layer. Note that data that appears to be an abnormal value at first glance shall be excluded.
  • the ratio H/E of nanoindentation hardness H (GPa) at 25° C. of the first layer to Young's modulus E (GPa) at 25° C. of the first layer is preferably 0.070 or more. According to this, the cutting tool can have excellent wear resistance and chipping resistance, and the tool life is further improved.
  • the H/E is preferably 0.070 or more, more preferably 0.073 or more, and even more preferably 0.076 or more, from the viewpoint of an excellent balance between wear resistance and chipping resistance.
  • the upper limit of H/E is not particularly limited, but from a manufacturing standpoint, it can be set to 0.120 or less.
  • H/E is preferably 0.070 or more and 0.120 or less, more preferably 0.073 or more and 0.120 or less, and even more preferably 0.076 or more and 0.120 or less.
  • the nanoindentation hardness H is preferably 30 GPa or more and 50 GPa or less, more preferably 35 GPa or more and 50 GPa or less, and even more preferably 40 GPa or more and 50 GPa or less.
  • the Young's modulus E is preferably 350 GPa or more and 600 GPa or less, more preferably 350 GPa or more and 550 GPa or less, and even more preferably 350 GPa or more and 500 GPa or less.
  • the Young's modulus E is measured using the same method and conditions as the nanoindentation hardness H described above.
  • Embodiment 2 Cutting tool manufacturing method
  • the manufacturing method can include the steps of preparing a base material and forming a coating on the base material. Details of each step will be explained below.
  • the base material 10 is prepared.
  • the base material 10 the base material described in Embodiment 1 can be used.
  • a film 20 is formed on the base material 10.
  • the coating 20 can be formed by a physical vapor deposition (PVD) method.
  • PVD physical vapor deposition
  • Specific examples of the PVD method include arc ion plating (AIP), balanced magnetron sputtering (BMS), and unbalanced magnetron sputtering. ;UBMS) law etc. Can be mentioned.
  • AIP arc ion plating
  • BMS balanced magnetron sputtering
  • UMS unbalanced magnetron sputtering.
  • arc discharge is generated using the target material as a cathode. This evaporates and ionizes the target material. Ions are then deposited on the surface of the base material 10 to which a negative bias voltage is applied.
  • the AIP method is excellent in the ionization rate of the target material.
  • the film forming apparatus 200 includes a chamber 201.
  • the chamber 201 is provided with a gas inlet 202 for introducing source gas into the chamber 201 and a gas exhaust port 203 for discharging the source gas from inside the chamber 201 to the outside.
  • the gas exhaust port 203 is connected to a vacuum pump (not shown). The pressure within the chamber 201 is adjusted by the amount of gas introduced and the amount of gas discharged.
  • a rotary table 204 is arranged within the chamber 201.
  • a base material holder 205 for holding the base material 10 is attached to the rotary table 204.
  • the substrate holder 205 is connected to the negative electrode of a bias power supply 206.
  • the positive electrode of bias power supply 206 is grounded.
  • each target material 211, 212 is connected to the negative electrode of a DC power source 221, 222, respectively.
  • the DC power supplies 221 and 222 are variable power supplies, and their positive poles are grounded.
  • the target materials 213 and 214 The specific operations will be explained below.
  • the base material 10 is held in the base material holder 205.
  • the pressure inside the chamber 201 is adjusted to 1.0 ⁇ 10 ⁇ 4 Pa using a vacuum pump.
  • the temperature of the base material 10 is adjusted to 500° C. using a heater (not shown) attached to the film forming apparatus 200.
  • Ar gas is introduced from the gas inlet 202 and the pressure inside the chamber 201 is adjusted to 3.0 Pa. While maintaining the same pressure, the voltage of the bias power supply 206 is gradually changed and finally adjusted to -1000V. Then, the surface of the base material 10 is cleaned by ion bombardment treatment using Ar ions.
  • the second layer 22 is formed on the surface of the base material 10.
  • a TiCN layer, a TiN layer, or a TiCNO layer is formed on the surface of the base material 10.
  • the first layer 21 is formed on the surface of the base material 10 or the surface of the second layer 22.
  • a sintered alloy containing Ti, Al, and B is used as the target material.
  • Each target material is set at a predetermined position, nitrogen gas is introduced from the gas inlet 202, and the first layer 21 is formed while rotating the rotary table 204.
  • the conditions for forming the first layer 21 are as follows.
  • the base material temperature, reaction gas pressure, bias voltage, and arc current are kept at constant values within the above ranges, or are continuously changed within the above ranges.
  • the first unit layer and the second unit layer can be formed by appropriately combining the methods (A) to (D) below.
  • A) In the AIP method a plurality of target materials (sintered alloys) having different compositions are used.
  • the composition of the target material used to form the first unit layer may be Ti60-Al30-B10
  • the composition of the target material used to form the second unit layer may be Ti50-Al40-B10.
  • C) In the AIP method changing the gas flow rate.
  • the gas flow rate when forming the first unit layer can be 500 sccm to 2000 sccm
  • the gas flow rate when forming the second unit layer can be 500 sccm to 2000 sccm.
  • the base material 10 is rotated and the rotation period is controlled.
  • the rotation period can be 1 rpm to 5 rpm.
  • the third layer 23 is formed on the surface of the first layer 21, for example.
  • a TiC layer, a TiN layer, or a TiCN layer is formed on the surface of the first layer 21.
  • the cutting tool 100 including the base material 10 and the coating 20 provided on the base material 10 can be manufactured.
  • a cutting tool comprising a base material and a coating provided on the base material,
  • the coating includes a first layer;
  • the first layer has a multilayer structure in which first unit layers and second unit layers are alternately laminated,
  • the thickness of the first unit layer is 2 nm or more and less than 50 nm
  • the thickness of the second unit layer is 2 nm or more and less than 50 nm
  • the thickness of the first layer is 1.0 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less
  • the first unit layer is made of Ti a Al b B c N
  • the first layer consists of a plurality of crystal grains,
  • the thickness of the coating is preferably 1.0 ⁇ m or more and 25 ⁇ m or less. In the cutting tool of the present disclosure, the thickness of the coating is preferably 2.0 ⁇ m or more and 16 ⁇ m or less. In the cutting tool of the present disclosure, the thickness of the coating is preferably 2.0 ⁇ m or more and 16 ⁇ m or less.
  • the total number of stacked layers of the first unit layer and the second unit layer included in the first layer is preferably more than 10 and less than or equal to 5,000.
  • the number of laminated layers is preferably 200 or more and 5000 or less.
  • the number of laminated layers is preferably 400 or more and 2000 or less.
  • the number of laminated layers is preferably 500 or more and 1000 or less.
  • the thickness of the first layer is preferably 2.0 ⁇ m or more and 16 ⁇ m or less. In the cutting tool of the present disclosure, the thickness of the first layer is preferably 3.0 ⁇ m or more and 12 ⁇ m or less.
  • a cutting tip made of cemented carbide (model number: SEMT13T3AGSR (manufactured by Sumitomo Electric Hard Metal)) was prepared.
  • the cemented carbide contains WC particles (90% by mass) and Co (10% by mass).
  • the average particle size of the WC particles is 2 ⁇ m.
  • a film was formed on the above substrate using a film forming apparatus having the configuration shown in FIGS. 4 and 5.
  • the specific conditions for the ion bombardment treatment are as described in Embodiment 2.
  • a sintered alloy having the composition described in the "first unit layer” and “second unit layer” columns of "Target material composition” in Tables 1 and 2 was prepared as a target material.
  • the target material was set at a predetermined position in the film forming apparatus. Nitrogen gas was introduced from the gas inlet, and the first layer was formed while rotating the rotary table.
  • the conditions for forming the first layer of each sample are as shown in the "First layer forming conditions" column of Tables 1 and 2.
  • the rotation speed of the rotary table was adjusted according to the film thicknesses of the first unit layer and the second unit layer.
  • composition of the first unit layer and the second unit layer Regarding the coating of each sample, the composition of the first unit layer and the second unit layer, the thickness and number of laminated layers of the first unit layer, the thickness and number of laminated layers of the second unit layer, the thickness and number of laminated layers of the first layer, Percentage of the number of titanium atoms relative to the total number of atoms of titanium, aluminum, and boron in the first layer (indicated as "first layer Ti content” in Tables 5 and 6), maximum within the crystal grains of the first layer The maximum value of the diameter D of the tangent circle (indicated as “maximum inscribed circle diameter D" in Tables 5 and 6), the diffraction peak derived from the (200) plane of the cubic crystal in the X-ray diffraction spectrum of the first layer.
  • ⁇ Cutting test 1 ⁇ A cutting test was conducted using the cutting tool of each sample under the following conditions, and the cutting time (minutes) until the width of crater wear became 0.3 mm or more was measured. If the cutting time is 24 minutes or more, the cutting tool is judged to have excellent wear resistance. The results are shown in the "Cutting Test 1" column of Tables 5 and 6.
  • Samples 1 to 29 correspond to Examples. It was confirmed that Samples 1 to 29 (Example) had excellent wear resistance and chipping resistance, and had a long tool life.
  • Sample 1-1 to Sample 1-10 correspond to comparative examples. Note that in sample 1-10, the first unit layer and the second unit layer have the same composition. That is, Sample 1-10 is a single layer with a uniform composition. It was confirmed that Samples 1-1 to 1-10 had insufficient wear resistance and/or chipping resistance, and had insufficient tool life.

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Abstract

基材と、前記基材上に設けられた被膜と、を備える切削工具であって、前記被膜は、第１層を含み、前記第１層は、第１単位層と第２単位層とが交互に積層された多層構造からなり、前記第１単位層の厚さは、２ｎｍ以上５０ｎｍ未満であり、前記第２単位層の厚さは、２ｎｍ以上５０ｎｍ未満であり、前記第１層の厚さは、１．０μｍ以上２０μｍ以下であり、前記第１単位層は、ＴｉａＡｌｂＢｃＮからなり、前記第２単位層は、ＴｉｄＡｌｅＢｆＮからなり、ここで、０．５４≦ａ≦０．７５、０．２４≦ｂ≦０．４５、０＜ｃ≦０．１０、ａ＋ｂ＋ｃ＝１．００、０．４４≦ｄ≦０．６５、０．３４≦ｅ≦０．５５、０＜ｆ≦０．１０、ｄ＋ｅ＋ｆ＝１．００、０．０５≦ａ－ｄ≦０．２０、及び、０．０５≦ｅ－ｂ≦０．２０を満たし、前記第１層において、チタン、アルミニウム及び硼素の原子数の合計に対するチタンの原子数の百分率は、５０％以上である。

Description

切削工具
　本開示は、切削工具に関する。
　従来、切削工具の性能向上のため、超硬合金、立方晶窒化硼素焼結体等からなる基材の表面を被覆する被膜の開発が進められている（例えば、特許文献１、特許文献２）。
特開２０１７－１９３００４号公報 特開２０１１－２２４７１７号公報
　本開示の切削工具は、
　基材と、前記基材上に設けられた被膜と、を備える切削工具であって、
　前記被膜は、第１層を含み、
　前記第１層は、第１単位層と第２単位層とが交互に積層された多層構造からなり、
　前記第１単位層の厚さは、２ｎｍ以上５０ｎｍ未満であり、
　前記第２単位層の厚さは、２ｎｍ以上５０ｎｍ未満であり、
　前記第１層の厚さは、１．０μｍ以上２０μｍ以下であり、
　前記第１単位層は、ＴｉａＡｌｂＢｃＮからなり、
　前記第２単位層は、ＴｉｄＡｌｅＢｆＮからなり、
　ここで、
　０．５４≦ａ≦０．７５、
　０．２４≦ｂ≦０．４５、
　０＜ｃ≦０．１０、
　ａ＋ｂ＋ｃ＝１．００、
　０．４４≦ｄ≦０．６５、
　０．３４≦ｅ≦０．５５、
　０＜ｆ≦０．１０、
　ｄ＋ｅ＋ｆ＝１．００、
　０．０５≦ａ－ｄ≦０．２０、及び、
　０．０５≦ｅ－ｂ≦０．２０を満たし、
　前記第１層において、チタン、アルミニウム及び硼素の原子数の合計に対するチタンの原子数の百分率は、５０％以上である、切削工具である。
図１は、本開示の一実施形態に係る切削工具の構成の一例を示す概略断面図である。 図２は、第１層の結晶粒の最大内接円の直径を測定する際の測定領域を説明するための図である。 図３は、第１層の結晶粒の最大内接円の直径の測定方法を説明するための図であり、測定視野の明視野像を模式的に示す図である。 図３Ａは、結晶粒と第１単位層及び第２単位層との位置関係を説明するための図である。 図４は、成膜装置の構成の一例を示す概略断面図である。 図５は、成膜装置の構成の一例を示す概略断面図である。
　［本開示が解決しようとする課題］
　近年、コスト低減の要求が益々高まっており、工具の長寿命化が求められている。例えば、ステンレス鋼の加工においては、高速低送り加工、及び、低速高送り加工のいずれにおいても、長い工具寿命を有する切削工具が求められている。
　そこで、本開示は、長い工具寿命を有する切削工具を提供することを目的とする。
　［本開示の効果］
　本開示の切削工具は、長い工具寿命を有することができる。
　［本開示の実施形態の説明］
　最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
　（１）本開示の切削工具は、
　基材と、前記基材上に設けられた被膜と、を備える切削工具であって、
　前記被膜は、第１層を含み、
　前記第１層は、第１単位層と第２単位層とが交互に積層された多層構造からなり、
　前記第１単位層の厚さは、２ｎｍ以上５０ｎｍ未満であり、
　前記第２単位層の厚さは、２ｎｍ以上５０ｎｍ未満であり、
　前記第１層の厚さは、１．０μｍ以上２０μｍ以下であり、
　前記第１単位層は、ＴｉａＡｌｂＢｃＮからなり、
　前記第２単位層は、ＴｉｄＡｌｅＢｆＮからなり、
　ここで、
　０．５４≦ａ≦０．７５、
　０．２４≦ｂ≦０．４５、
　０＜ｃ≦０．１０、
　ａ＋ｂ＋ｃ＝１．００、
　０．４４≦ｄ≦０．６５、
　０．３４≦ｅ≦０．５５、
　０＜ｆ≦０．１０、
　ｄ＋ｅ＋ｆ＝１．００、
　０．０５≦ａ－ｄ≦０．２０、及び、
　０．０５≦ｅ－ｂ≦０．２０を満たし、
　前記第１層において、チタン、アルミニウム及び硼素の原子数の合計に対するチタンの原子数の百分率は、５０％以上である、切削工具である。
　本開示の切削工具は、長い工具寿命を有することができる。
　（２）前記第１層は複数の結晶粒からなり、
　前記結晶粒の最大内接円の直径は５０ｎｍ以下であることが好ましい。
　これによると、第１層の組織が緻密であり、切削工具の耐摩耗性及び耐欠損性が向上する。
　（３）前記第１層のＸ線回折スペクトルにおいて、立方晶の（２００）面に由来する回折ピークの半値幅は、０．２°以上２．０°以下であることが好ましい。
　これによると、第１層における立方晶系結晶構造の割合が高く、第１層は高い硬度を有することができる。よって、切削工具の耐摩耗性が向上する。
　（４）前記第１層の２５℃におけるナノインデンテーション硬さＨは３０ＧＰａ以上であることが好ましい。これによると、切削工具の耐摩耗性が向上する。
　（５）前記第１層の２５℃におけるヤング率Ｅ（ＧＰａ）に対する、前記第１層の２５℃におけるナノインデンテーション硬さＨ（ＧＰａ）の割合Ｈ／Ｅは、０．０７以上であることが好ましい。
　これによると、切削工具は優れた耐摩耗性とともに耐欠損性を有することができ、工具寿命が更に向上する。
　［本開示の実施形態の詳細］
　本開示の切削工具の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。本開示の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、必ずしも実際の寸法関係を表すものではない。
　本開示において「Ａ～Ｂ」という形式の表記は、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。
　本開示において化合物などを化学式で表す場合、原子比を特に限定しないときは従来公知のあらゆる原子比を含むものとし、必ずしも化学量論的範囲のもののみに限定されるべきではない。たとえば「ＴｉＮ」と記載されている場合、ＴｉＮを構成する原子数の比は、従来公知のあらゆる原子比が含まれる。
　本開示において、数値範囲下限及び上限として、それぞれ１つ以上の数値が記載されている場合は、下限に記載されている任意の１つの数値と、上限に記載されている任意の１つの数値との組み合わせも開示されているものとする。例えば、下限として、ａ１以上、ｂ１以上、ｃ１以上が記載され、上限としてａ２以下、ｂ２以下、ｃ２以下が記載されている場合は、ａ１以上ａ２以下、ａ１以上ｂ２以下、ａ１以上ｃ２以下、ｂ１以上ａ２以下、ｂ１以上ｂ２以下、ｂ１以上ｃ２以下、ｃ１以上ａ２以下、ｃ１以上ｂ２以下、ｃ１以上ｃ２以下が開示されているものとする。
　［実施形態１：切削工具］
　本開示の一実施形態（以下、「本実施形態」とも記す。）の切削工具は、
　基材と、前記基材上に設けられた被膜と、を備える切削工具であって、
　該被膜は、第１層を含み、
　該第１層は、第１単位層と第２単位層とが交互に積層された多層構造からなり、
　該第１単位層の厚さは、２ｎｍ以上５０ｎｍ未満であり、
　該第２単位層の厚さは、２ｎｍ以上５０ｎｍ未満であり、
　該第１層の厚さは、１．０μｍ以上２０μｍ以下であり、
　該第１単位層は、ＴｉａＡｌｂＢｃＮからなり、
　該第２単位層は、ＴｉｄＡｌｅＢｆＮからなり、
　ここで、
　０．５４≦ａ≦０．７５、
　０．２４≦ｂ≦０．４５、
　０＜ｃ≦０．１０、
　ａ＋ｂ＋ｃ＝１．００、
　０．４４≦ｄ≦０．６５、
　０．３４≦ｅ≦０．５５、
　０＜ｆ≦０．１０、
　ｄ＋ｅ＋ｆ＝１．００、
　０．０５≦ａ－ｄ≦０．２０、及び、
　０．０５≦ｅ－ｂ≦０．２０を満たし、
　該第１層において、チタン、アルミニウム及び硼素の原子数の合計に対するチタンの原子数の百分率は、５０％以上である、切削工具である。
　本開示の切削工具は、長い工具寿命を有することができる。その理由は、以下の通りと推察される。
　（ｉ）本開示の切削工具の被膜は、第１単位層と第２単位層とが交互に積層された多層構造からなる第１層を含む。第１単位層と第２単位層とは、互いに組成が異なる。このため、第１単位層と第２単位層との界面付近で、切削工具の使用時に生じる被膜の表面からの亀裂の進展を抑制することができる。また、第１単位層及び第２単位層のそれぞれの厚さが２ｎｍ以上５０ｎｍ未満と非常に薄いため、第１層における第１単位層と第２単位層の積層数が多く、亀裂の進展の抑制効果が更に向上する。よって、被膜の大規模な損傷を抑制することができ、切削工具の工具寿命が長くなる。
　（ｉｉ）上記第１層において、第１単位層及び第２単位層とは、上記（ｉ）の通り、亀裂の進展を抑制できる程度に組成が異なっていると同時に、結晶格子が連続できる程度に、組成が近似している。よって、第１単位層と第２単位層との間の層間剥離が抑制され、切削工具の工具寿命が長くなる。
　（ｉｉｉ）上記第１層において、チタン、アルミニウム及び硼素の原子数の合計（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｂ）に対するチタンの原子数（Ｔｉ）の百分率｛Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｂ）｝×１００は、５０％以上である。これによると、第１層は優れた耐摩耗性と耐欠損性を有することができる。更に、上記第１層において、チタン、アルミニウム及び硼素の原子数の合計（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｂ）に対する硼素の原子数（Ｂ）の百分率｛Ｂ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｂ）｝×１００は１０％以下である。これによると、第１層を構成する結晶粒が微細化し、耐摩耗性及び耐欠損性が更に向上する。よって、切削工具の工具寿命が長くなる。
　＜切削工具＞
　本実施形態の切削工具は、切削工具である限り、その形状および用途等は、特に限定されない。本実施形態の切削工具は、たとえば、ドリル、エンドミル、フライス加工用刃先交換型チップ、旋削加工用刃先交換型チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップまたはクランクシャフトのピンミーリング加工用チップ等であり得る。
　図１は、本実施形態の切削工具の構成の一例を示す概略部分断面図である。切削工具１００は、基材１０と、基材１０上に設けられた被膜２０と、を備える。
　《基材》
　基材１０は、特に限定されない。基材１０は、例えば、超硬合金、サーメット、高速度鋼、セラミックス、立方晶窒化硼素焼結体、およびダイヤモンド焼結体等により構成され得る。基材１０は、好ましくは超硬合金製である。超硬合金は、耐摩耗性に優れるためである。
　超硬合金とは、ＷＣ（炭化タングステン）粒子を主成分とする焼結体である。超硬合金は、硬質相および結合相を含む。硬質相は、ＷＣ粒子を含有する。結合相は、ＷＣ粒子同士を互いに結合している。結合相は、たとえばＣｏ（コバルト）等を含有する。結合相は、たとえば、ＴｉＣ（炭化チタン）、ＴａＣ（炭化タンタル）、ＮｂＣ（炭化ニオブ）等をさらに含有していてもよい。
　超硬合金は、その製造過程で不可避的に混入する不純物を含有していてもよい。超硬合金は、その組織中に遊離炭素または「η層」と称される異常層を含む場合もある。さらに超硬合金は、表面改質処理が施されたものでもよい。たとえば、超硬合金は、その表面に脱β層等を含んでいてもよい。
　超硬合金は、好ましくは、ＷＣ粒子を８７質量％以上９６質量％以下含有し、Ｃｏを４質量％以上１３質量％以下含有する。ＷＣ粒子は、好ましくは、平均粒径が０．２μｍ以上４μｍ以下である。
　Ｃｏは、ＷＣ粒子に比べて軟質である。後述のように、基材１０の表面にイオンボンバードメント処理を施すと、軟質なＣｏは除去され得る。超硬合金が上記の組成を有し、かつＷＣ粒子が上記の平均粒径を有することにより、Ｃｏが除去された後の表面には、適度な凹凸が形成されることになる。かかる表面に被膜２０を形成することにより、アンカー効果が発現し、被膜２０と基材１０との密着性が向上すると考えられる。
　ここで、ＷＣ粒子の粒径は、ＷＣ粒子の２次元投影像に外接する円の直径を示す。粒径は、走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＳＥＭ）または透過電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＴＥＭ）を用いて測定する。すなわち、超硬合金を切断し、その切断面をＳＥＭまたはＴＥＭで観察する。観察像において、ＷＣ粒子に外接する円の直径を、ＷＣ粒子の粒径とみなす。観察像において、無作為に抽出した１０個以上（好ましくは５０個以上、より好ましくは１００個以上）のＷＣ粒子の粒径を測定し、その算術平均値をＷＣ粒子の平均粒径とする。観察にあたり、切断面は、クロスセクションポリッシャ（Ｃｒｏｓｓ　ｓｅｃｔｉｏｎ　Ｐｏｌｉｓｈｅｒ；ＣＰ）または集束イオンビーム（Ｆｏｃｕｓｅｄ　Ｉｏｎ　Ｂｅａｍ；ＦＩＢ）等により、断面加工しておくことが望ましい。
　《被膜》
　被膜２０は、基材１０上に設けられている。被膜２０は、基材１０の表面の一部に設けられていてもよいし、全面に設けられていてもよい。ただし、被膜２０は、基材１０の表面のうち、少なくとも切れ刃に相当する部分に設けられているものとする。
　被膜２０は、第１層２１を含む。被膜２０は、第１層２１を含む限り、その他の層を含んでいてもよい。例えば、被膜２０は、基材１０と第１層２１との間に設けられる第２層２２及び／又は被膜２０の最表面に設けられる第３層２３を含むことができる。第２層には、既知の下地層を適用することができる。該下地層としては、ＴｉＣＮ層、ＴｉＮ層又はＴｉＣＮＯ層等が挙げられる。第３層には、既知の表面層を適用することができる。該表面層としては、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層又はＴｉＣＮ層等が挙げられる。
　被膜２０の積層構成は、被膜２０全体に亘って一様である必要はなく、部分的に積層構成が異なっていてもよい。
　被膜２０の厚さは、１．０μｍ以上２５μｍ以下が好ましい。被膜２０の厚さが１．０μｍ以上であることにより、耐摩耗性が向上する。被膜２０の厚さが２５μｍ以下であることにより、耐欠損性が向上する。被膜２０の厚さは、１．０μｍ以上２５μｍ以下が好ましく、２．０μｍ以上１６μｍ以下がより好ましく、３．０μｍ以上１２μｍ以下が更に好ましい。ここで、被膜の厚さとは、被膜を構成する層それぞれの厚みの総和を意味する。「被膜を構成する層」としては、例えば、第１層、第２層、第３層等が挙げられる。
　被膜を構成する各層の厚さは、切削工具の基材の表面の法線方向に平行な断面の薄片サンプル（以下、「断面サンプル」とも記す。）を得て、該断面サンプルを走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）で観察することにより測定される。走査透過電子顕微鏡としては、例えば、日本電子株式会社製のＪＥＭ－２１００Ｆ（商品名）が挙げられる。断面サンプルの観察倍率を５０００～１００００倍とし、各層の５箇所の厚さを測定し、その算術平均値を「各層の厚さ」とする。
　同一の切削工具で測定する限り、測定箇所を任意に選択しても、測定結果にばらつきがないことが確認されている。
　本実施形態において、被膜２０を構成する結晶粒は、立方晶であることが望ましい。立方晶であることにより、硬度が高まり、工具寿命が長くなる。
　≪第１層≫
　第１層２１は、第１単位層１と第２単位層２とが交互に積層された多層構造からなる。第１層２１が第１単位層１および第２単位層２をそれぞれ一層以上含む限り、積層数は、特に限定されない。積層数とは、第１層２１に含まれる第１単位層１および第２単位層２の合計数を示す。積層数は、１０超５０００以下が好ましく、２００以上５０００以下が好ましく、４００以上２０００以下がより好ましく、５００以上１０００以下が更に好ましい。第１層２１において、最も基材１０に近い層は、第１単位層１であってもよいし、第２単位層２であってもよい。また第１層２１において、最も基材１０から離れている層は、第１単位層１であってもよいし、第２単位層２であってもよい。
　第１層の厚さは、１．０μｍ以上２０μｍ以下である。第１層の厚さが１．０μｍ以上であることにより、耐摩耗性が向上する。第１層の厚さが２０μｍ以下であることにより、耐欠損性が向上する。第１層の厚さの下限は、１．０μｍ以上が好ましく、２．０μｍ以上がより好ましく、３．０μｍ以上が更に好ましい。第１層の厚さの上限は、２０μｍ以下が好ましく、１８μｍ以下が好ましく、１６μｍ以下がより好ましく、１２μｍ以下が更に好ましい。第１層の厚さは、１．０μｍ以上２０μｍ以下であり、２．０μｍ以上１６μｍ以下が好ましく、３．０μｍ以上１２μｍ以下がより好ましい。
　≪第１単位層及び第２単位層の厚さ≫
　第１単位層１及び第２単位層２は、それぞれ厚さが２ｎｍ以上５０ｎｍ未満である。このような薄層が交互に繰り返されることにより、亀裂の進展を抑制できる。第１単位層１および第２単位層２のそれぞれ厚さが２ｎｍ未満になると、第１単位層１および第２単位層２の組成が混ざり合って、亀裂進展の抑制効果が低減する可能性がある。また第１単位層１および第２単位層２のそれぞれ厚さが５０ｎｍ以上であると、層間剥離の抑制効果が低減する可能性がある。
　第１単位層の厚さの下限は、２ｎｍ以上であり、４ｎｍ以上が好ましく、６ｎｍ以上がより好ましく、８ｎｍ以上が更に好ましい。第１単位層の厚さの上限は、５０ｎｍ未満であり、４６ｎｍ以下が好ましく、４０ｎｍ以下が好ましく、３０ｎｍ以下が更に好ましい。第１単位層の厚さは、２ｎｍ以上５０ｎｍ未満であり、４ｎｍ以上４０ｎｍ以下が好ましく、６ｎｍ以上３０ｎｍ以下がより好ましい。
　第２単位層の厚さの下限は、２ｎｍ以上であり、４ｎｍ以上が好ましく、６ｎｍ以上がより好ましく、８ｎｍ以上が更に好ましい。第２単位層の厚さの上限は、５０ｎｍ未満であり、４７ｎｍ以下が好ましく、４０ｎｍ以下がより好ましく、３０ｎｍ以下が更に好ましい。第２単位層の厚さは、２ｎｍ以上５０ｎｍ未満であり、４ｎｍ以上４０ｎｍ以下が好ましく、６ｎｍ以上３０ｎｍ以下がより好ましい。
　第１単位層及び第２単位層のそれぞれの厚さの測定方法は以下の通りである。基材の表面の法線方向に平行な切削工具の断面の薄片サンプル（以下、「断面サンプル」とも記す。）を得る。該断面サンプルを走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）で観察する。走査透過電子顕微鏡としては、例えば、日本電子株式会社製のＪＥＭ－２１００Ｆ（商品名）が挙げられる。断面サンプルの観察倍率は、第１単位層１および第２単位層２の厚さに応じて適宜調整するものとする。例えば、観察倍率は約１００万倍とすることができる。１つの第１単位層において、５箇所の厚さを測定する。第１単位層の５箇所の厚さの算術平均値を算出し、該算術平均値を該第１単位層の厚さとする。１つの第２単位層において、５箇所の厚さを測定する。
　５つの異なる第１単位層のそれぞれについて、上記の手順で第１単位層の厚さを測定する。５つの第１単位層の厚さの算術平均値を求める。該算術平均値を、第１単位層の厚さとする。５つの異なる第２単位層のそれぞれについて、上記の手順で第２単位層の厚さを測定する。５つの第２単位層の厚さの算術平均値を求める。該算術平均値を、第２単位層の厚さとする。
　同一の切削工具で測定する限り、測定箇所を任意に選択しても、測定結果にばらつきがないことが確認されている。
　≪第１単位層及び第２単位層の組成≫
　第１単位層は、ＴｉａＡｌｂＢｃＮからなり、第２単位層は、ＴｉｄＡｌｅＢｆＮからなり、ここで、０．５４≦ａ≦０．７５、０．２４≦ｂ≦０．４５、０＜ｃ≦０．１０、ａ＋ｂ＋ｃ＝１．００、０．４４≦ｄ≦０．６５、０．３４≦ｅ≦０．５５、０＜ｆ≦０．１０、ｄ＋ｅ＋ｆ＝１．００、０．０５≦ａ－ｄ≦０．２０、及び、０．０５≦ｅ－ｂ≦０．２０を満たす。
　第１単位層及び第２単位層の組成が、０．０５≦ａ－ｄ、かつ、０．０５≦ｅ－ｂであることにより、第１単位層１と第２単位層２との間での亀裂進展を抑制できる程度に、第１単位層及び第２単位層の組成を乖離させることができる。また同時に、ａ－ｄ≦０．２０かつｅ－ｂ≦０．２０であることにより、第１単位層１と第２単位層２との間での層間剥離を抑制できる程度に、第１単位層及び第２単位層の組成を近似させることができる。第１単位層１及び第２単位層２の組成は、０．０５≦ａ－ｄ≦０．１５かつ０．０５≦ｅ－ｂ≦０．１５を満たすことが好ましく、０．０５≦ａ－ｄ≦０．１０かつ０．０５≦ｅ－ｂ≦０．１０を満たすことがより好ましい。これにより亀裂進展および層間剥離の抑制効果が更に向上する。
　第１単位層において、「ａ」の下限は、０．５４以上であり、０．５７以上が好ましく、０．６０以上がより好ましい。「ａ」の上限は、０．７５以下であり、０．７２以下が好ましく、０．６９以下がより好ましい。「ａ」は、０．５７≦ａ≦０．７２が好ましく、０．６０≦ａ≦０．６９がより好ましい。
　第１単位層において、「ｂ」の下限は、０．２４以上であり、０．２７以上が好ましく、０．３０以上がより好ましい。「ｂ」の上限は、０．４５以下であり、０．４２以下が好ましく、０．３９以下がより好ましい。「ｂ」は、０．２７≦ｂ≦０．４２が好ましく、０．３０≦ｂ≦０．３９がより好ましい。
　第２単位層において、「ｄ」の下限は、０．４４以上であり、０．４７以上が好ましく、０．５０以上がより好ましい。「ｄ」の上限は、０．６５以下であり、０．６２以下が好ましく、０．５９以下がより好ましい。「ｄ」は、０．４７≦ｄ≦０．６２が好ましく、０．５０≦ｄ≦０．５９がより好ましい。
　第２単位層において、「ｅ」の下限は、０．３４以上であり、０．３７以上が好ましく、０．４０以上がより好ましい。「ｅ」の上限は、０．５５以下であり、０．５２以下が好ましく、０．４９以下がより好ましい。「ｅ」は、０．３７≦ｅ≦０．５２が好ましく、０．４０≦ｅ≦０．４９がより好ましい。
　第１単位層において０＜ｃ≦０．１０であり、かつ、第２単位層において０＜ｆ≦０．１０であることにより、第１層を構成する結晶粒が微細化し、耐摩耗性及び耐欠損性が更に向上する。
　第１単位層において、「ｃ」の下限は、０超であり、０．０１以上が好ましく、０．０２以上がより好ましい。「ｃ」の上限は、０．１０以下であり、０．０９以下が好ましく、０．０８以下がより好ましい。「ｃ」は、０．０１≦ｃ≦０．０９が好ましく、０．０２≦ｃ≦０．０８がより好ましい。
　第２単位層において、「ｆ」の下限は、０超であり、０．０１以上が好ましく、０．０２以上がより好ましい。「ｆ」の上限は、０．１０以下であり、０．０９以下が好ましく、０．０８以下がより好ましい。「ｆ」は、０．０１≦ｆ≦０．０９が好ましく、０．０２≦ｆ≦０．０８がより好ましい。
　第１単位層のＴｉａＡｌｂＢｃＮにおけるａ、ｂ、ｃ及び第２単位層のＴｉｄＡｌｅＢｆＮにおけるｄ、ｅ、ｆは、エネルギー分散型Ｘ線分析（Ｅｎｅｒｇｙ　Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ　Ｘ－ｒａｙ　ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ；ＥＤＸ）を用いて、各層の組成を測定することにより特定される。組成分析にはＴＥＭ－ＥＤＸを用いる。ＥＤＸ装置としては、例えば、日本電子株式会社製のＪＥＤ－２３００（商品名）が挙げられる。
　上記組成分析は以下の手順で行われる。切削工具の基材の表面の法線方向に平行な断面の薄片サンプル（以下、「断面サンプル」とも記す。）を得る。該断面サンプルをＴＥＭで観察しながら、１つの第１単位層１内又は１つの第２単位層２内において、任意に選択された５点で、ＥＤＸ分析を行う。第１単位層と第２単位層とは、コントラストの差で区別可能である。ここで「任意に選択された５点」は、互いに異なる結晶粒から選択するものとする。５点の測定で得られた各元素の組成比を算術平均することにより、第１単位層及び第２単位層のそれぞれの組成を特定する。
　第１単位層および第２単位層をそれぞれ５層ずつ組成分析し、第１単位層及び第２単位層のそれぞれについて、５層の平均組成を求める。５層の第１単位層の平均組成を、第１単位層の組成とする。５層の第２単位層の平均組成を、第２単位層の組成とする。該組成に基づき、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆを特定する。
　同一の切削工具で測定する限り、測定点を任意に選択しても、測定結果にばらつきがないことが確認されている。
　≪第１層の組成≫
　第１層において、チタン、アルミニウム及び硼素の原子数の合計に対するチタンの原子数の百分率（以下、「第１層のチタン含有率」とも記す。）は、５０％以上である。これによると、第１層は優れた耐摩耗性と耐欠損性を有することができる。第１層のチタン含有率の下限は、耐摩耗性及び耐欠損性の向上の観点から、５０％以上であり、５３％以上が好ましく、５６％以上がより好ましい。第１層のチタン含有率の上限は、耐熱性向上の観点から、７２％以下が好ましく、６９％以下がより好ましい。第１層のチタン含有率は、５０％以上７２％以下が好ましく、５３％以上７２％以下がより好ましく、５６％以上６９％以下が更に好ましい。
　第１層のチタン含有率は、ＴＥＭ－ＥＤＸで測定される。ＥＤＸ装置としては、例えば、日本電子株式会社製のＪＥＤ－２３００（商品名）が挙げられる。第１層のチタン含有率は以下の手順で測定される。
　切削工具の基材の表面の法線方向に平行な断面の薄片サンプル（以下、「断面サンプル」とも記す。）を得る。該断面サンプルをＴＥＭで観察しながら、第１層内において、任意に選択された５視野で、ＥＤＸ分析を行う。ここで「任意に選択された５視野」は、互いに重ならないように設定される。１つの視野の範囲は２００×２００ｎｍとする。５つの視野の測定で得られたチタン含有率の算術平均を第１層のチタン含有率とする。
　同一の切削工具で測定する限り、測定点を任意に選択しても、測定結果にばらつきがないことが確認されている。
　≪第１層の結晶粒の最大内接円の直径≫
　第１層は複数の結晶粒からなり、該結晶粒の最大内接円の直径は５０ｎｍ以下であることが好ましい。これによると、第１層の組織が緻密であり、切削工具の耐摩耗性及び耐欠損性が向上する。本開示の第１層は、本開示の効果を損なわない範囲において、複数の結晶粒とともに、結晶粒を構成しない領域（原子配列がランダムな領域）を含んでいてもよい。
　上記結晶粒の最大内接円の直径の上限は、耐摩耗性及び耐欠損性の向上の観点から、５０ｎｍ以下が好ましく、４５ｎｍ以下がより好ましく、４０ｎｍ以下が更に好ましい。該結晶粒の最大内接円の直径の下限は、過度な結晶粒微細化による膜硬度低下の抑制の観点から、５ｎｍ以上が好ましく、７ｎｍ以上がより好ましく、１０ｎｍ以上が更に好ましい。該結晶粒の最大内接円の直径は、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下が好ましく、７ｎｍ以上４５ｎｍ以下がより好ましく、１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下が更に好ましい。
　上記結晶粒の最大内接円の直径の測定方法は以下の通りである。基材の表面の法線方向に平行な切削工具の断面の薄片サンプル（厚さ：約１０～１００ｎｍ、以下、「断面サンプル」とも記す。）を得る。該断面サンプルを透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察し、明視野像を得る。観察倍率は１００万倍～５００万倍とする。該明視野像は、図２に示されるように、第１層の厚さ方向の中心を示す線Ｌ１から基材側への距離が０．２μｍの線Ｌ２と、前記線Ｌ１から被膜の表面側への距離が０．２μｍの線Ｌ３とに挟まれる領域Ａを含むように取得する。該領域Ａ中に、１５０ｎｍ×１５０ｎｍの矩形の測定視野を任意に設定する。
　上記測定視野において、原子配列が±０．５°以下の領域を特定し、該領域を結晶粒と定義する。原子配列が±０．５°以下の領域、及び、結晶粒の特定方法について、図３を用いて説明する。
　図３は、上記測定視野の明視野像の一例を示す模式図である。図３において、原子は符号５０の黒点で示される。なお、図３では、原子の一部が示されている。該明視野像において、規則的に配置されている原子５０を最も原子間距離が近くなるような線分で結ぶ。図３において、該線分はＬ１０～Ｌ１４、Ｌ２０～Ｌ２２、及び、Ｌ３０～Ｌ３４で示される。線分同士の角度が±０．５°以下（すなわち、－０．５°以上０．５°以下）の領域を結晶粒と定義する。
　図３では、線分Ｌ１０～Ｌ１４同士の角度は±０．５°以下であり、これらの線分が含まれる領域が結晶粒２４ａに該当する。線分Ｌ２０～Ｌ２２同士の角度は±０．５°以下であり、これらの線分が含まれる領域が結晶粒２４ｂに該当する。線分Ｌ３０～Ｌ３４同士の角度は±０．５°以下であり、これらの線分が含まれる領域が結晶粒２４ｃに該当する。
　上記測定視野中の各結晶粒の最大内接円の直径を求める。最大内接円の直径とは、結晶粒の内部に描くことのできる、該結晶粒の外縁の少なくとも一部に接触する最大の内接円の直径を意味する。
　図３において、結晶粒２４ａの最大内接円２５ａの直径はＤ１である。結晶粒２４ｂの最大内接円２５ｂの直径はＤ２である。結晶粒２４ｃの最大内接円２５ｃの直径はＤ３である。Ｄ１、Ｄ２及びＤ３の全てが５０ｎｍ以下の場合、図３に示される第１層は複数の結晶粒からなり、該結晶粒の最大内接円の直径は５０ｎｍ以下であることが確認される。
　同一の切削工具で測定する限り、上記測定視野を任意に設定しても、結晶粒の最大内接円の直径の測定結果にばらつきがないことが確認されている。
　図３では、結晶粒２４ａ、結晶粒２４ｂ及び結晶粒２４ｃの間に空間が存在しているが、実際は空間に結晶粒が存在している。ＴＥＭ用の断面サンプルの厚みが約１０～１００ｎｍであるため、明視野像には奥行き方向の情報も反映される。サンプルの厚み方向に複数の結晶粒が重なっている領域では、明視野像上で規則的な原子配列を確認できない。よって、該複数の結晶粒が重なっている領域は、上記の特定方法においては結晶粒と判別されない。
　≪結晶粒と第１単位層及び第２単位層との位置関係≫
　結晶粒と第１単位層及び第２単位層との位置関係について、図３Ａを用いて説明する。図３Ａは、本実施形態の第１層の膜厚方向に沿う断面を模式的に示す図である。図３Ａに示される通り、第１層２１は、第１単位層１と第２単位層２とが交互に積層された多層構造からなる。図３Ａには、複数の結晶粒２４が示されており、結晶粒２４間の境界は、結晶粒界２５として示される。各結晶粒２４は、第１単位層または第２単位層のみからなることができる。また、各結晶粒２４は、１層以上の第１単位層及び１層以上の第２単位層にまたがって存在することができる。すなわち、各結晶粒２４は、第１単位層と第２単位層とが交互に積層されたラメラ構造を有することができる。
　≪Ｘ線回折スペクトル≫
　第１層のＸ線回折スペクトルにおいて、立方晶の（２００）面に由来する回折ピークの半値幅は、０．２°以上２．０°以下であることが好ましい。ここで、半値幅とは、半値全幅（ＦＷＨＭ：Ｆｕｌｌ　Ｗｉｄｔｈ　ａｔ　Ｈａｌｆ　Ｍａｘｉｍｕｍ）を意味する。これによると、第１層は、立方晶構造かつ微細な結晶粒を有しており、第１層は高い硬度を有することができる。よって、切削工具の耐摩耗性が向上する。立方晶の（２００）面に由来する回折ピークの半値幅は、Ｘ線回折スペクトルにおいて、回折角２θが４２°～４５°の範囲に観察されるピークの半値幅を意味する。
　上記半値幅の下限は、０．２°以上が好ましい。上記半値幅の上限は、第１層の硬度向上の観点から、２．０°以下が好ましく、１．５°以下がより好ましく、１．０°以下が更に好ましい。上記半値幅は、０．２°以上２．０°以下が好ましく、０．２°以上１．５°以下がより好ましく、０．２°以上１．０°以下が更に好ましい。
　第１層のＸ線回折スペクトルは、リガク社製の「ＳｍａｒｔＬａｂ」（商標）を用いて以下の条件で測定される。
　Ｘ線源：Ｃｕ－ｋα線
　Ｘ線出力：４５ｋＶ、４０ｍＡ
　検出器：１次元半導体検出器
　回折角２θの測定範囲：２０°～９０°
　スキャンスピード：１０°／ｍｉｎ
　≪第１層のナノインデンテーション硬さ≫
　第１層の２５℃におけるナノインデンテーション硬さＨは３０ＧＰａ以上が好ましい。これによると、切削工具の耐摩耗性が向上する。該ナノインデンテーション硬さＨの下限は、３０ＧＰａ以上が好ましく、３４ＧＰａ以上がより好ましく、３８ＧＰａ以上が更に好ましい。該ナノインデンテーション硬さＨの上限は、特に制限されないが、製造上の観点から、６０ＧＰａ以下とすることができる。該ナノインデンテーション硬さＨは３０ＧＰａ以上６０ＧＰａ以下が好ましく、３４ＧＰａ以上６０ＧＰａ以下がより好ましく、３８ＧＰａ以上６０ＧＰａ以下が更に好ましい。
　上記第１層の２５℃におけるナノインデンテーション硬さＨは、「ＩＳＯ　１４５７７－１：　２０１５　Ｍｅｔａｌｌｉｃ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ－Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｄ　ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ　ｔｅｓｔ　ｆｏｒ　ｈａｒｄｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ－」に定められる標準手順に準拠して、ナノインデンテーション法によって測定される。測定機器には、エリオニクス（Ｅｌｉｏｎｉｘ）社製の「ＥＮＴ－１１００ａ」を用いる。圧子の押し込み荷重は１ｇとする。圧子の押し込みは、基材の表面の法線方向に平行な断面に露出した第１層に対して、断面の垂直方向（すなわち、基材の表面に対して平行な方向）に行われる。
　上記の測定を５個の測定サンプルについて行い、それぞれのサンプルで求められたナノインデンテーション硬さの平均値を、第１層のナノインデンテーション硬さとする。なお、一見して異常値と思われるデータについては、除外するものとする。
　同一の切削工具で測定する限り、測定点を任意に選択しても、測定結果にばらつきがないことが確認されている。
　≪第１層におけるＨ／Ｅ≫
　第１層の２５℃におけるヤング率Ｅ（ＧＰａ）に対する、第１層の２５℃におけるナノインデンテーション硬さＨ（ＧＰａ）の割合Ｈ／Ｅは、０．０７０以上が好ましい。これによると、切削工具は優れた耐摩耗性とともに耐欠損性を有することができ、工具寿命が更に向上する。該Ｈ／Ｅは、耐摩耗性と耐欠損性のバランスが優れるという観点から、０．０７０以上が好ましく、０．０７３以上がより好ましく、０．０７６以上が更に好ましい。該Ｈ／Ｅの上限は、特に制限されないが、製造上の観点から、０．１２０以下とすることができる。Ｈ／Ｅは、０．０７０以上０．１２０以下が好ましく、０．０７３以上０．１２０以下がより好ましく、０．０７６以上０．１２０以下が更に好ましい。
　上記ナノインデンテーション硬さＨは、３０ＧＰａ以上５０ＧＰａ以下が好ましく、３５ＧＰａ以上５０ＧＰａ以下がより好ましく、４０ＧＰａ以上５０ＧＰａ以下が更に好ましい。
　上記ヤング率Ｅは、３５０ＧＰａ以上６００ＧＰａ以下が好ましく、３５０ＧＰａ以上５５０ＧＰａ以下がより好ましく、３５０ＧＰａ以上５００ＧＰａ以下が更に好ましい。該ヤング率Ｅは、上記ナノインデンテーション硬さＨと同一の方法及び条件で測定される。
　［実施形態２：切削工具の製造方法］
　実施形態２では、実施形態１の切削工具の製造方法について説明する。該製造方法は、基材を準備する工程と、該基材上に被膜を形成する工程とを含むことができる。各工程の詳細について、以下に説明する。
　《基材を準備する工程》
　基材を準備する工程では、基材１０が準備される。基材１０は、実施形態１に記載の基材を用いることができる。
　《被膜を形成する工程》
　被膜を形成する工程では、基材１０上に被膜２０を形成する。本実施形態では、物理蒸着（Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＰＶＤ）法により、被膜２０を形成することができる。ＰＶＤ法の具体例としては、アークイオンプレーティング（Ａｒｃ　Ｉｏｎ　Ｐｌａｔｉｎｇ；ＡＩＰ）法、バランスドマグネトロンスパッタリング（Ｂａｌａｎｃｅｄ　Ｍａｇｎｅｔｒｏｎ　Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ；ＢＭＳ）法、およびアンバランスドマグネトロンスパッタリング（Ｕｎｂａｌａｎｃｅｄ　Ｍａｇｎｅｔｒｏｎ　Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ；ＵＢＭＳ）法等が挙げられる。本実施形態では、アークイオンプレーティングを用いることが好ましい。
　ＡＩＰ法では、ターゲット材を陰極（カソード）としてアーク放電を生起する。これにより、ターゲット材を蒸発、イオン化させる。そして負のバイアス電圧が印加された基材１０の表面にイオンを堆積させる。ＡＩＰ法は、ターゲット材のイオン化率において優れている。
　ＡＩＰ法で用いられる成膜装置について、図３及び図４を用いて説明する。図３に示されるように、成膜装置２００は、チャンバ２０１を備える。チャンバ２０１には、チャンバ２０１内に原料ガスを導入するためのガス導入口２０２、および、チャンバ２０１内から原料ガスを外部に排出するためのガス排気口２０３が設けられている。ガス排気口２０３は、図示しない真空ポンプに接続されている。チャンバ２０１内の圧力は、ガスの導入量および排出量により調整される。
　チャンバ２０１内には、回転テーブル２０４が配置されている。回転テーブル２０４には、基材１０を保持するための基材ホルダ２０５が取り付けられている。基材ホルダ２０５は、バイアス電源２０６の負極に接続されている。バイアス電源２０６の正極は、アースされている。
　図４に示されるように、チャンバ２０１の側壁には、複数のターゲット材２１１，２１２，２１３，２１４が取り付けられている。図３に示されるように各ターゲット材２１１，２１２は、それぞれ直流電源２２１，２２２の負極に接続されている。直流電源２２１，２２２は、可変電源であり、その正極はアースされている。なお図３では、図示されていないが、ターゲット材２１３，２１４についても同様である。以下、具体的な操作を説明する。
　基材ホルダ２０５に基材１０を保持させる。真空ポンプを用いて、チャンバ２０１内の圧力を、１．０×１０-4Ｐａに調整する。回転テーブル２０４を回転させながら、成膜装置２００に付帯するヒータ（図示せず）により、基材１０の温度を５００℃に調整する。
　ガス導入口２０２からＡｒガスを導入し、チャンバ２０１内の圧力を３．０Ｐａに調整する。同圧力を維持しながら、バイアス電源２０６の電圧を徐々に変化させ、最終的に－１０００Ｖに調整する。そして、Ａｒイオンによるイオンボンバードメント処理により、基材１０の表面を洗浄する。
　次に、被膜が第２層２２を含む場合は、基材１０の表面に第２層２２を形成する。例えば、基材１０の表面に、ＴｉＣＮ層、ＴｉＮ層又はＴｉＣＮＯ層を形成する。
　次に、基材１０の表面、または第２層２２の表面に、第１層２１を形成する。ターゲット材としては、Ｔｉ、ＡｌおよびＢを含有する焼結合金を用いる。各ターゲット材を、所定の位置にセットし、ガス導入口２０２から窒素ガスを導入し、回転テーブル２０４を回転させながら、第１層２１を形成する。第１層２１の形成条件は以下の通りである。
　（第１層の形成条件）
　基材温度　：４００～６５０℃
　バイアス電圧：－４００～－３０Ｖ
　アーク電流　：８０～２００Ａ
　反応ガス圧　：５～１０Ｐａ
　基材温度、反応ガス圧、バイアス電圧及びアーク電流は、上記の範囲内で一定値とするか、あるいは、上記の範囲内で連続的に値を変化させる。
　第１単位層及び第２単位層は、以下（Ａ）～（Ｄ）の方法を適宜組み合わせることにより、形成することができる。
　（Ａ）ＡＩＰ法において、組成が互いに異なる複数のターゲット材（焼結合金）を用いる。例えば、第１単位層の形成に用いられるターゲット材の組成は、Ｔｉ６０－Ａｌ３０－Ｂ１０とし、第２単位層の形成に用いられるターゲット材の組成は、Ｔｉ５０－Ａｌ４０－Ｂ１０とすることができる。
　（Ｂ）ＡＩＰ法において、成膜中、基材１０に印加されるバイアス電圧を上記の第１層の形成条件に記載のバイアス電圧内（－４００～－３０Ｖ）で変化させる。
　（Ｃ）ＡＩＰ法において、ガス流量を変化させる。例えば、第１単位層の形成時のガス流量は５００ｓｃｃｍ～２０００ｓｃｃｍとし、第２単位層の形成時のガス流量は５００ｓｃｃｍ～２０００ｓｃｃｍとすることができる。
　（Ｄ）ＡＩＰ法において、基材１０を回転させ、その回転周期を制御する。例えば、回転周期は１ｒｐｍ～５ｒｐｍとすることができる。
　次に、被膜が第３層２３を含む場合は、例えば、第１層２１の表面に第３層２３を形成する。例えば、第１層２１の表面に、ＴｉＣ層、ＴｉＮ層又はＴｉＣＮ層を形成する。
　以上より、基材１０と、該基材１０上に設けられた被膜２０とを備える切削工具１００を製造することができる。
　［付記１］
　基材と、前記基材上に設けられた被膜と、を備える切削工具であって、
　前記被膜は、第１層を含み、
　前記第１層は、第１単位層と第２単位層とが交互に積層された多層構造からなり、
　前記第１単位層の厚さは、２ｎｍ以上５０ｎｍ未満であり、
　前記第２単位層の厚さは、２ｎｍ以上５０ｎｍ未満であり、
　前記第１層の厚さは、１．０μｍ以上２０μｍ以下であり、
　前記第１単位層は、ＴｉａＡｌｂＢｃＮからなり、
　前記第２単位層は、ＴｉｄＡｌｅＢｆＮからなり、
　ここで、
　０．５４≦ａ≦０．７５、
　０．２４≦ｂ≦０．４５、
　０＜ｃ≦０．１０、
　ａ＋ｂ＋ｃ＝１．００、
　０．４４≦ｄ≦０．６５、
　０．３４≦ｅ≦０．５５、
　０＜ｆ≦０．１０、
　ｄ＋ｅ＋ｆ＝１．００、
　０．０５≦ａ－ｄ≦０．２０、及び、
　０．０５≦ｅ－ｂ≦０．２０を満たし、
　前記第１層において、チタン、アルミニウム及び硼素の原子数の合計に対するチタンの原子数の百分率は、５０％以上である、切削工具。
　［付記２］
　前記第１層は複数の結晶粒からなり、
　前記結晶粒の最大内接円の直径は５０ｎｍ以下である、付記１に記載の切削工具。
　［付記３］
　前記第１層のＸ線回折スペクトルにおいて、立方晶の（２００）面に由来する回折ピークの半値幅は、０．２°以上２．０°以下である、付記１又は付記２に記載の切削工具。
　［付記４］
　前記第１層の２５℃におけるナノインデンテーション硬さＨは３０ＧＰａ以上である、付記１から付記３のいずれか１項に記載の切削工具。
　［付記５］
　前記第１層の２５℃におけるヤング率Ｅに対する、前記第１層の２５℃におけるナノインデンテーション硬さＨの割合Ｈ／Ｅは、０．０７０以上である、付記１から付記４のいずれか１項に記載の切削工具。
　［付記６］
　本開示の切削工具において、被膜の厚さは１．０μｍ以上２５μｍ以下が好ましい。
　本開示の切削工具において、被膜の厚さは２．０μｍ以上１６μｍ以下が好ましい。
　本開示の切削工具において、被膜の厚さは２．０μｍ以上１６μｍ以下が好ましい。
　［付記７］
　本開示の切削工具において、第１に含まれる第１単位層および第２単位層の合計の積層数は１０超５０００以下が好ましい。
　上記積層数は、２００以上５０００以下が好ましい。
　上記積層数は、４００以上２０００以下が好ましい。
　上記積層数は、５００以上１０００以下が好ましい。
　［付記８］
　本開示の切削工具において、第１層の厚さは、２．０μｍ以上１６μｍ以下が好ましい。
　本開示の切削工具において、第１層の厚さは、３．０μｍ以上１２μｍ以下が好ましい。
　本実施の形態を実施例によりさらに具体的に説明する。ただし、これらの実施例により本実施の形態が限定されるものではない。
　＜切削工具の作製＞
　以下のようにして、切削工具を作製し、工具寿命を評価した。
　≪試料１～試料２９、試料１－１～試料１－１０≫
　基材として、超硬合金からなる切削チップ（型番：ＳＥＭＴ１３Ｔ３ＡＧＳＲ（住友電工ハードメタル社製））を準備した。該超硬合金は、ＷＣ粒子（９０質量％）、およびＣｏ（１０質量％）を含む。該ＷＣ粒子の平均粒径は２μｍである。
　上記基材上に、図４及び図５に示される構成を有する成膜装置を用いて被膜を形成した。まず、基材に対してＡｒイオンによるイオンボンバードメント処理により、基材の表面を洗浄した。イオンボンバーメント処理の具体的な条件は、実施形態２に記載の通りである。
　次に、ターゲット材として、表１及び表２の「ターゲット材組成」の「第１単位層」及び「第２単位層」欄に記載の組成を有する焼結合金を準備した。例えば、試料１では、第１単位層形成用のターゲット材として、原子数の比が「Ｔｉ：Ａｌ：Ｂ＝０．５４：０．４４：０．０２」である焼結合金、及び、第２単位層形成用のターゲット材として、原子数の比が「Ｔｉ：Ａｌ：Ｂ＝０．４０：０．５６：０．０４」である焼結合金を準備した。
　ターゲット材を、成膜装置の所定の位置にセットした。ガス導入口から窒素ガスを導入し、回転テーブルを回転させながら、第１層を形成した。各試料の第１層の形成条件（基材温度、バイアス電圧、アーク電流、反応ガス圧）は表１及び表２の「第１層形成条件」欄に示される通りである。回転テーブルの回転数は、第１単位層及び第２単位層の膜厚に応じて調整した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　＜評価＞
　≪被膜の構成≫
　各試料の被膜について、第１単位層及び第２単位層の組成、第１単位層の厚さ及び積層数、第２単位層の厚さ及び積層数、第１層の厚さ及び積層数、第１層におけるチタン、アルミニウム及び硼素の原子数の合計に対するチタンの原子数の百分率（表５及び表６において「第１層Ｔｉ含有率」と示す。）、第１層の結晶粒の最大内接円の直径Ｄの最大値（表５及び表６において「最大内接円直径Ｄ」と示す。）、第１層のＸ線回折スペクトルにおける立方晶の（２００）面に由来する回折ピークの半値幅（表５及び表６において「ＸＲＤ半値幅」と示す。）、第１層のナノインデンテーション硬さＨ（表５及び表６において「硬さＨ」と示す。）、第１層のヤング率Ｅを測定した。各項目の測定方法は実施形態１に記載の通りである。また、第１層のナノインデンテーション硬さＨ及びヤング率Ｅの測定値に基づき、Ｈ／Ｅを算出した。結果を表３～表６に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　≪切削試験１≫
　各試料の切削工具を用いて以下の条件で切削試験を行い、クレータ摩耗の幅が０．３ｍｍ以上となるまでの切削時間（分）を測定した。該切削時間が２４分以上の場合、切削工具は優れた耐摩耗性を有すると判断される。結果を表５及び表６の「切削試験１」欄に示す。
　（切削条件）
　被削材：ステンレス鋼
　切削速度：２５０ｍ／ｍｉｎ
　送り量：０．１ｍｍ／ｔ
　切り込み量：１．０ｍｍ
　乾式
　センターカット
　上記の切削条件は、ステンレス鋼のフライス加工（高速低送り加工）に該当する。
　≪切削試験２≫
　各試料の切削工具を用いて以下の条件で切削試験を行い、逃げ面摩耗の幅が０．３ｍｍ以上となるまでの切削時間（分）を測定した。該切削時間が９分以上の場合、切削工具は優れた耐欠損性を有すると判断される。結果を表５及び表６の「切削試験２」欄に示す。
　（切削条件）
　被削材：ステンレス鋼
　切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ
　送り量：０．５ｍｍ／ｔ
　切り込み量：２．０ｍｍ
　乾式
　センターカット
　上記の切削条件は、ステンレス鋼のフライス加工（低速高送り加工）に該当する。
　＜考察＞
　試料１～試料２９の切削工具は実施例に該当する。試料１～試料２９（実施例）は、優れた耐摩耗性及び耐欠損性を有し、長い工具寿命を有することが確認された。
　試料１－１～試料１－１０の切削工具は比較例に該当する。なお、試料１－１０は、第１単位層と第２単位層が同一の組成である。すなわち、試料１－１０は、組成が均一な単層である。試料１－１～試料１－１０は、耐摩耗性及び／又は耐欠損性が不十分であり、工具寿命が不十分であることが確認された。
　以上のように本開示の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせたり、様々に変形したり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。本開示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　第１単位層、２　第２単位層、１０　基材、２０　被膜、２１　第１層、２２　第２層、２３　第３層、２４，２４ａ，２４ｂ，２４ｃ　結晶粒、２５　結晶粒界、５０　原子、１００　切削工具、２００　成膜装置、２０１　チャンバ、２０２　ガス導入口、２０３　ガス排気口、２０４　回転テーブル、２０５　基材ホルダ、２０６　バイアス電源、２１１，２１２，２１３，２１４　ターゲット材、２２１，２２２　直流電源

Claims (5)

  1. 　基材と、前記基材上に設けられた被膜と、を備える切削工具であって、
    　前記被膜は、第１層を含み、
    　前記第１層は、第１単位層と第２単位層とが交互に積層された多層構造からなり、
    　前記第１単位層の厚さは、２ｎｍ以上５０ｎｍ未満であり、
    　前記第２単位層の厚さは、２ｎｍ以上５０ｎｍ未満であり、
    　前記第１層の厚さは、１．０μｍ以上２０μｍ以下であり、
    　前記第１単位層は、ＴｉａＡｌｂＢｃＮからなり、
    　前記第２単位層は、ＴｉｄＡｌｅＢｆＮからなり、
    　ここで、
    　０．５４≦ａ≦０．７５、
    　０．２４≦ｂ≦０．４５、
    　０＜ｃ≦０．１０、
    　ａ＋ｂ＋ｃ＝１．００、
    　０．４４≦ｄ≦０．６５、
    　０．３４≦ｅ≦０．５５、
    　０＜ｆ≦０．１０、
    　ｄ＋ｅ＋ｆ＝１．００、
    　０．０５≦ａ－ｄ≦０．２０、及び、
    　０．０５≦ｅ－ｂ≦０．２０を満たし、
    　前記第１層において、チタン、アルミニウム及び硼素の原子数の合計に対するチタンの原子数の百分率は、５０％以上である、切削工具。
  2. 　前記第１層は複数の結晶粒からなり、
    　前記結晶粒の最大内接円の直径は５０ｎｍ以下である、請求項１に記載の切削工具。
  3. 　前記第１層のＸ線回折スペクトルにおいて、立方晶の（２００）面に由来する回折ピークの半値幅は、０．２°以上２．０°以下である、請求項１又は請求項２に記載の切削工具。
  4. 　前記第１層の２５℃におけるナノインデンテーション硬さＨは３０ＧＰａ以上である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の切削工具。
  5. 　前記第１層の２５℃におけるヤング率Ｅに対する、前記第１層の２５℃におけるナノインデンテーション硬さＨの割合Ｈ／Ｅは、０．０７０以上である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の切削工具。
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