WO2025248671A1 - 切削工具 - Google Patents

切削工具

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WO2025248671A1
WO2025248671A1 PCT/JP2024/019738 JP2024019738W WO2025248671A1 WO 2025248671 A1 WO2025248671 A1 WO 2025248671A1 JP 2024019738 W JP2024019738 W JP 2024019738W WO 2025248671 A1 WO2025248671 A1 WO 2025248671A1
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WO
WIPO (PCT)
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layer
atoms
unit
cutting tool
less
Prior art date
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Pending
Application number
PCT/JP2024/019738
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English (en)
French (fr)
Inventor
史佳 小林
アノンサック パサート
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Publication date
Application filed by Sumitomo Electric Industries Ltd filed Critical Sumitomo Electric Industries Ltd
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Priority to US18/995,947 priority patent/US12454010B1/en
Priority to JP2024562299A priority patent/JP7729494B1/ja
Priority to EP24941728.8A priority patent/EP4721899A1/en
Priority to CN202480059618.7A priority patent/CN121866126A/zh
Publication of WO2025248671A1 publication Critical patent/WO2025248671A1/ja
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B27/00—Tools for turning or boring machines; Tools of a similar kind in general; Accessories therefor
    • B23B27/14—Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B2228/00—Properties of materials of tools or workpieces, materials of tools or workpieces applied in a specific manner
    • B23B2228/10—Coatings
    • B23B2228/105—Coatings with specified thickness
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B2228/00—Properties of materials of tools or workpieces, materials of tools or workpieces applied in a specific manner
    • B23B2228/36—Multi-layered

Definitions

  • This disclosure relates to cutting tools.
  • a cutting tool is a cutting tool including a substrate and a coating disposed on the substrate, the coating including a first layer, the first layer being composed of a plurality of hard particles, the hard particles being composed of titanium, silicon, carbon, and nitrogen, the hard particles having a cubic crystal structure, the first layer being columnar, the first layer having a ratio N Si /(N Ti +N Si ) of the number of silicon atoms N Si to the sum of the number of titanium atoms N Ti and the number of silicon atoms N Si being an average of 0.01 or more and 0.10 or less, the first layer having a ratio N C / (N C +N N the average of the coefficients of refraction (ratio) of the hard particles to the total number of titanium atoms and the total number of silicon atoms is 0.60 or more and 0.85 or less, the hard particles have a laminated structure in which first unit layers and second unit layers are alternately laminated, the first unit layers and the second unit layers are each composed of the titanium, silicon, carbon,
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a cross section of a cutting tool according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic view showing another example of a cross section of the cutting tool according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic view showing another example of a cross section of the cutting tool according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic view showing another example of a cross section of the cutting tool according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of an example of a CVD apparatus used in the method for manufacturing a cutting tool according to the second embodiment.
  • FIG. 6 is an enlarged view of region VII in FIG.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the nozzle 56 taken along line XVII-XVII in FIG.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the nozzle used in Samples 1-6.
  • Cutting tools with a high-hardness TiSiCN film have excellent wear resistance.
  • SCM405 chromium-molybdenum steel
  • the high affinity between silicon and iron can cause welding, potentially shortening the tool's life. Therefore, there is a demand for cutting tools that can have a long tool life, especially when used to continuously cut chromium-molybdenum steel.
  • the present disclosure therefore aims to provide a cutting tool that can have a long tool life, particularly when used for continuous machining of chromium-molybdenum steel.
  • a cutting tool is a cutting tool including a substrate and a coating disposed on the substrate, the coating including a first layer, the first layer including a plurality of hard particles, the hard particles including titanium, silicon, carbon, and nitrogen, the hard particles having a cubic crystal structure, the first layer including a columnar structure, an average of a ratio N Si /(N Ti +N Si ) of the number of silicon atoms N Si to the sum of the number of titanium atoms N Ti and the number of silicon atoms N Si is 0.01 or more and 0.10 or less, and a ratio N C /( N C +N N the average of the coefficients of refraction (ratio) of the hard particles to the total number of titanium atoms and the total number of silicon atoms is 0.60 or more and 0.85 or less, the hard particles have a laminated structure in which first unit layers and second unit layers are alternately laminated, the first unit layers
  • This disclosure makes it possible to provide a cutting tool that has a long tool life, particularly when used for continuous machining of chromium-molybdenum steel.
  • the average thickness of the first unit layer may be 2 nm or more and 15 nm or less
  • the average thickness of the second unit layer may be 2 nm or more and 15 nm or less. This further improves tool life.
  • the total average thickness of adjacent first unit layers and second unit layers may be 4 nm or more and 30 nm or less. This further improves tool life.
  • the thickness of the first layer may be 1.0 ⁇ m or more and 15 ⁇ m or less. This further improves tool life.
  • the coating includes a second layer disposed between the substrate and the first layer,
  • the second layer may include at least one selected from the group consisting of a TiN layer, a TiC layer, a TiCN layer, a TiBN layer, a TiCNO layer, and an Al2O3 layer .
  • the coating may include a third layer disposed on the surface side of the first coating, and the third layer may include at least one layer selected from the group consisting of a TiN layer, a TiC layer, a TiCN layer, a TiBN layer, a TiCNO layer, and an Al2O3 layer .
  • x1 may be 0.01 or greater and 0.11 or less, and y1 may be 0.60 or greater and 0.85 or less. This improves the hardness, oxidation resistance, and sliding properties of the first layer in a balanced manner.
  • the difference between x1 and x2 may be 0.01 or more and 0.07 or less, and the difference between y1 and y2 may be 0.01 or more and 0.10 or less. This improves the hardness, oxidation resistance, and sliding properties of the first layer in a balanced manner.
  • a ⁇ B means greater than or equal to A and less than or equal to B. If no unit is specified for A and only a unit is specified for B, the units for A and B are the same.
  • the cutting tool 1 of this embodiment is a cutting tool 1 including a substrate 10 and a coating 15 disposed on the substrate 10, wherein the coating 15 includes a first layer 11, the first layer 11 being composed of a plurality of hard particles, the hard particles being composed of titanium, silicon, carbon, and nitrogen, the hard particles having a cubic crystal structure, the first layer 11 having a columnar structure, the average of the ratio N Si / (N Ti + N Si ) of the number of silicon atoms N Si to the sum of the number of titanium atoms N Ti and the number of silicon atoms N Si being 0.01 or more and 0.10 or less, and the ratio N C /( N C +N N the average of the coefficients of refraction (ratio) of the number of titanium atoms to the total number of silicon atoms in the first unit layer is greater than the ratio x2
  • the cutting tool of this embodiment has a long tool life, especially when used for continuous machining of chromium-molybdenum steel. The reason for this is not clear, but is presumed to be as follows.
  • the coating has a first layer composed of a plurality of hard particles.
  • the hard particles are composed of titanium, silicon, carbon, and nitrogen and have a cubic crystal structure, so the first layer has high hardness. Therefore, the cutting tool has excellent wear resistance.
  • the average ratio N /( N + N ) is 0.60 or more and 0.85 or less, and the carbon content is high, which improves the sliding properties of the first layer and suppresses welding of the workpiece to the cutting tool during cutting.
  • the hard particles of the cutting tool of this embodiment have a layered structure in which first unit layers and second unit layers are alternately stacked.
  • the composition and crystal lattice are discontinuous at the interface between the first unit layers and the second unit layers. Therefore, even if cracks occur during cutting, their propagation can be suppressed at the interface.
  • the ratio x1 of the first unit layer of hard particles in the cutting tool of this embodiment is greater than the ratio x2 of the second unit layer, and the ratio y1 of the first unit layer is greater than the ratio y2 of the second unit layer.
  • the first unit layer has a relatively higher silicon and carbon content than the second unit layer. Because the first unit layer has a high silicon content, it has excellent hardness and oxidation resistance. On the other hand, silicon has a high affinity with iron in the workpiece, and layers containing silicon are generally prone to welding. In this embodiment, the high carbon content of the first unit layer improves the sliding properties of the first unit layer, and welding is suppressed for the entire coating.
  • the cutting tool 1 of this embodiment includes a substrate 10 and a coating 15 disposed on the substrate 10.
  • FIG. 1 illustrates a case in which the coating 15 is composed only of a first layer 11.
  • the coating 15 may cover at least a portion of the substrate that is involved in cutting, or may cover the entire surface of the substrate.
  • the portion of the substrate that is involved in cutting refers to an area on the substrate surface that is within 500 ⁇ m of the cutting edge ridge.
  • the cutting tool of the present disclosure may be, for example, a drill, an end mill (e.g., a ball end mill), an indexable cutting insert for a drill, an indexable cutting insert for an end mill, an indexable cutting insert for milling, an indexable cutting insert for turning, a metal saw, a gear cutting tool, a reamer, a tap, etc.
  • the substrate may be a conventionally known material.
  • the substrate may be made of cemented carbide (for example, a WC-based cemented carbide containing tungsten carbide and cobalt, the cemented carbide may contain carbonitrides of Ti, Ta, Nb, etc.), cermet (mainly composed of TiC, TiN, TiCN, etc.), high-speed steel, ceramics (titanium carbide, silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride, aluminum oxide, etc.), cubic boron nitride sintered body, or diamond sintered body.
  • cemented carbide for example, a WC-based cemented carbide containing tungsten carbide and cobalt, the cemented carbide may contain carbonitrides of Ti, Ta, Nb, etc.), cermet (mainly composed of TiC, TiN, TiCN, etc.), high-speed steel, ceramics (titanium carbide, silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride, aluminum
  • the substrate is made of a cemented carbide containing tungsten carbide and cobalt, and the cobalt content in the cemented carbide may be 5% by mass or more and 11% by mass or less. This provides an excellent balance of hardness and strength at high temperatures, and has excellent properties as a substrate for cutting tools for the above-mentioned applications.
  • a WC-based cemented carbide When a WC-based cemented carbide is used as the substrate, its structure may contain free carbon and abnormal layers known as the ⁇ phase or ⁇ phase.
  • the surface of the substrate may be modified.
  • a de- ⁇ layer may be formed on the surface, and in the case of cermet, a surface-hardened layer may be formed. The desired effect can be achieved even if the surface of the substrate is modified.
  • the substrate may or may not have a chip breaker.
  • the cutting edge ridge can have any shape, including a sharp edge (the ridge where the rake face and flank intersect), a honed edge (a sharp edge with a radius), a negative land (chamfered), or a combination of a honed edge and a negative land.
  • the coating includes a first layer.
  • the coating of this embodiment may include other layers as long as it includes the first layer.
  • the coating 15 of the cutting tool 1 may include a second layer 12 disposed between the substrate 10 and the first layer 11.
  • the coating 15 of the cutting tool 1 may include a third layer 13 disposed on the surface side of the coating 15 of the first layer 11.
  • the thickness of the coating may be 1 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less.
  • the thickness of the coating refers to the thickness of the entire coating.
  • the thickness of the entire coating may be 3 ⁇ m or more and 25 ⁇ m or less, or 5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less.
  • the thickness of the coating is measured using the following procedure.
  • the cutting tool is cut into a cross section parallel to the normal direction of the surface to obtain a measurement sample with the cross section of the coating exposed.
  • the measurement sample is observed with a scanning transmission electron microscope (STEM) to measure the thickness of the coating.
  • the measurement sample is a thin section sample processed using an ion slicer or similar.
  • An example of a scanning transmission electron microscope is the JEM-2100F (trademark) manufactured by JEOL Ltd.
  • the measurement conditions are an acceleration voltage of 200 kV and a current of 0.3 nA.
  • the measurement sample was observed at a magnification of 10,000x, and a rectangular measurement field of view was set within the electron microscope image, measuring 100 ⁇ m in length parallel to the cutting tool surface and equal to or greater than the length including the entire thickness of the coating.
  • the thickness of the coating was measured at 10 points within this field of view, and the average value was taken as the "coating thickness.”
  • the thickness of each layer (average thickness) described below was also measured and calculated in the same manner.
  • the first layer is composed of a plurality of hard particles, and the hard particles are composed of titanium, silicon, carbon, and nitrogen.
  • the average ratio N Si /(N Ti +N Si ) of the number of silicon atoms N Si to the sum of the number of titanium atoms N Ti and the number of silicon atoms N Si is 0.01 or more and 0.10 or less.
  • the average N Si /(N Ti +N Si ) is 0.01 or more, the hardness and oxidation resistance of the first layer are improved.
  • the average N Si /(N Ti +N Si ) is 0.10 or less, the first layer can have good welding resistance.
  • the average of N Si /(N Ti +N Si ) may be 0.02 or more and 0.09 or less, 0.02 or more and 0.07 or less, or 0.02 or more and 0.05 or less.
  • the average ratio N C /(N C +N N ) of the number of carbon atoms N C to the sum of the number of carbon atoms N C and the number of nitrogen atoms N N is 0.60 or more and 0.85 or less.
  • the sliding properties of the first layer are improved.
  • the average of N C /(N C +N N ) is 0.85 or less, the first layer can have good chipping resistance.
  • the average of N C /(N C +N N ) may be 0.65 or more and 0.85 or less, 0.70 or more and 0.85 or less, or 0.75 or more and 0.85 or less.
  • the average of N Si /(N Ti +N Si ) and the average of N C /(N C +N N ) in the first layer are measured by the following procedure.
  • the cutting tool is cut out with a diamond wire along the normal to the surface of the cutting tool, exposing the cross section of the first layer.
  • the exposed cross section is then subjected to focused ion beam processing (hereinafter also referred to as "FIB processing") to give the cross section a mirror finish.
  • FIB processing focused ion beam processing
  • a rectangular analysis is performed on the cross section of the first layer using an energy dispersive X-ray spectrometer (EDX) (TEM-EDX) attached to a transmission electron microscope (TEM) to identify the composition of the first layer.
  • the rectangular analysis is performed on three non-overlapping rectangular measurement areas of 0.5 ⁇ m ⁇ 2 ⁇ m set in the cross section of the first layer.
  • N Si /(N Ti +N Si ) and N C /(N C +N N ) are calculated for each of the three measurement areas.
  • the average of N Si /(N Ti +N Si ) and N C /(N C +N N ) for the three measurement areas is calculated. This average corresponds to the average of N Si /(N Ti +N Si ) and the average of N C /(N C +N N ) in the first layer.
  • the first layer has a columnar structure. This makes the first layer resistant to shear stress and improves wear resistance. Furthermore, the first layer has fewer grain boundaries in the direction perpendicular to the thickness of the film, which reduces fracture origins and improves chipping resistance.
  • the first layer having a columnar structure means that the percentage (N1/N) x 100 of the number N1 of first hard particles with an aspect ratio of 3 or more relative to the total number N of hard particles constituting the first layer is 60% or more.
  • the columnar structure of the first layer can be confirmed by the following procedure.
  • the FIB-processed cross section is subjected to EBSD analysis under the following measurement conditions using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) (product name: "SUPRA35VP", manufactured by Carl Zeiss) equipped with an electron backscatter diffraction (EBSD) device.
  • FE-SEM field emission scanning electron microscope
  • EBSD electron backscatter diffraction
  • the regions where EBSD analysis is performed are three non-overlapping rectangular regions provided within the first layer.
  • the size of the analysis regions is a rectangle with a length of 20 ⁇ m or more in the direction parallel to the substrate.
  • the length of the analysis regions in the thickness direction of the coating can be set appropriately depending on the thickness of the first layer.
  • the length of the analysis regions in the thickness direction of the coating is set, for example, to be 90% or more of the thickness of the first layer.
  • Acceleration voltage 15 kV Current value: 1.8 nA
  • Irradiation current 60 ⁇ m (with HC)
  • Exp Long 0.03s
  • Binning 8 ⁇ 8 Working distance: 15 mm
  • Tilt 70° Step size: 0.02 ⁇ m
  • BKD Background Subtraction, Dynamic Background Subtraction, Normalize intensity histogram Magnification: 20,000x Grain boundary definition: 15° or more
  • IPF map Inverse Pole Tigre map
  • a grain boundary is defined as a misorientation angle between adjacent measurement points of 15° or more.
  • the IPF map shows the shape of each crystal grain, and the orientation of each crystal grain is indicated by a different color.
  • the aspect ratio of a hard particle is the ratio b/a of the long diameter a to the short diameter b of the hard particle.
  • the long diameter a is the maximum diameter across of the hard particle observed in the cross section
  • the short diameter b is the maximum diameter of the hard particle along a direction perpendicular to the long diameter a.
  • hard particles in the IPF map of the analysis region include both hard particles whose entirety exists within the IPF map of the analysis region and hard particles whose at least a portion exists within the IPF map of the analysis region.
  • (B6) Calculate the percentage (n1/n) x 100 of the number n1 of first hard particles with an aspect ratio of 3 or greater relative to the total number n of hard particles in the IPF map of each analysis region.
  • the average of the percentages (n1/n) x 100 in the IPF maps of the three analysis regions corresponds to the percentage (N1/N) x 100 of the number N1 of first hard particles with an aspect ratio of 3 or greater relative to the total number N of hard particles constituting the first layer. If the percentage (N1/N) x 100 is 60% or greater, it is confirmed that the first layer has a columnar structure.
  • the hard particles are composed of titanium, silicon, carbon, and nitrogen.
  • the hard particles may contain inevitable impurity elements in addition to titanium, silicon, carbon, and nitrogen, as long as the effects of the present disclosure are not impaired.
  • the hard particles may be composed of titanium, silicon, carbon, nitrogen, and inevitable impurity elements. Examples of inevitable impurity elements include chlorine, cobalt, tungsten, and oxygen.
  • the content of inevitable impurity elements in the hard particles may be, for example, 0.5 atomic % or less. The content of inevitable impurity elements in the hard particles is measured by TEM-EDX.
  • the hard particles have a cubic crystal structure.
  • the first layer can have both excellent wear resistance and high toughness. The fact that the hard particles have a cubic crystal structure can be confirmed by pattern analysis of selected area electron diffraction.
  • the hard particles have a layered structure in which first unit layers and second unit layers are alternately stacked.
  • Each of the first unit layers and the second unit layers is composed of titanium, silicon, carbon, and nitrogen.
  • each of the first unit layers and the second unit layers may contain inevitable impurity elements in addition to titanium, silicon, carbon, and nitrogen.
  • Each of the first unit layers and the second unit layers may be composed of titanium, silicon, carbon, nitrogen, and inevitable impurity elements. Examples of inevitable impurity elements include chlorine, cobalt, tungsten, and oxygen.
  • the content of the inevitable impurity elements in each of the first unit layers and the second unit layers may be, for example, 0.5 atomic % or less.
  • the content of the inevitable impurity elements in each of the first unit layers and the second unit layers is measured by TEM-EDX.
  • the ratio x1 of the number of silicon atoms to the sum of the number of titanium atoms and the number of silicon atoms in the first unit layer is greater than the ratio x2 of the number of silicon atoms to the sum of the number of titanium atoms and the number of silicon atoms in the second unit layer
  • the ratio y1 of the number of carbon atoms to the sum of the number of carbon atoms and the number of nitrogen atoms in the first unit layer is greater than the ratio y2 of the number of carbon atoms to the sum of the number of carbon atoms and the number of nitrogen atoms in the second unit layer.
  • Whether x1 is greater than x2 and whether y1 is greater than y2 is confirmed by the following procedure.
  • C1 The cutting tool is cut out with a diamond wire along the normal to the surface of the cutting tool to expose a cross section of the first layer.
  • the exposed cross section is subjected to FIB processing to make the cross section mirror-finished.
  • C2 The FIB-processed cross section is observed using a bright-field scanning electron microscope (BF-SEM) to obtain a BF-STEM image.
  • BF-SEM bright-field scanning electron microscope
  • C3 In the above BF-STEM image, identify the layer shown in white (hereinafter also referred to as the "white layer”) and the layer shown in black (hereinafter also referred to as the "black layer”).
  • the black layer is an area with a high silicon content and corresponds to the first unit layer.
  • the white layer is an area with a low silicon content and corresponds to the second unit layer.
  • each first unit layer Five first unit layers are arbitrarily selected, and elemental analysis is performed on each first unit layer to identify the composition, thereby obtaining the x1 and y1 of each first unit layer.
  • the composition of each first unit layer can be expressed as Ti (1-x1) Si x1 C y1 N (1-y1) .
  • Five second unit layers are arbitrarily selected, and elemental analysis is performed on each second unit layer to identify the composition, thereby obtaining the x2 and y2 of each second unit layer.
  • the composition of each second unit layer can be expressed as Ti (1-x2) Si x2 C y2 N (1-y2) .
  • the conditions for the elemental analysis are as follows: Spot diameter: 7cm Aperture size: 30 ⁇ m Current value: 35 pA Acceleration voltage: 200 kV
  • the average x1 of the measured first unit layer is greater than the average x2 of the measured second unit layer, it is determined that the ratio x1 of the number of silicon atoms to the sum of the number of titanium atoms and the number of silicon atoms in the first unit layer is greater than the ratio x2 of the number of silicon atoms to the sum of the number of titanium atoms and the number of silicon atoms in the second unit layer.
  • the ratio y1 of the number of carbon atoms to the sum of the number of carbon atoms and the number of nitrogen atoms in the first unit layer is greater than the ratio y2 of the number of carbon atoms to the sum of the number of carbon atoms and the number of nitrogen atoms in the second unit layer.
  • the hard particles are determined to have a layered structure in which first unit layers and second unit layers are alternately stacked.
  • x1 may be 0.01 or greater and 0.11 or less, 0.02 or greater and 0.08 or less, or 0.02 or greater and 0.06 or less.
  • y1 may be 0.60 or greater and 0.85 or less, 0.65 or greater and 0.85 or less, or 0.70 or greater and 0.85 or less.
  • the difference between x1 and x2 may be 0.01 or greater and 0.07 or less, 0.02 or greater and 0.06 or less, or 0.02 or greater and 0.05 or less.
  • the difference between x1 and x2 (x1-x2) is the difference between the average of x1 in the first unit layer and the average of x2 in the second unit layer.
  • the difference between y1 and y2 may be 0.01 or greater and 0.10 or less, 0.01 or greater and 0.08 or less, or 0.02 or greater and 0.08 or less.
  • the difference between y1 and y2 is the difference between the average of y1 in the first unit layer and the average of y2 in the second unit layer.
  • x1, x2, y1, y2, x1-x2, and y1-y2 can be any combination of the above ranges.
  • the first unit layer is a Ti (1-x1) Si( x1 )C (y1) N (1-y1) layer
  • the second unit layer is a Ti (1-x2) Si( x2 )C (y2 )N (1-y2) layer, where x1 and x2 satisfy x1>x2, and y1 and y2 satisfy y1>y2.
  • the average thickness of the first unit layer may be 2 nm to 15 nm
  • the average thickness of the second unit layer may be 2 nm to 15 nm. This improves the effect of suppressing crack propagation at the interface between the first unit layer and the second unit layer.
  • the average thickness of the first unit layer may be 3 nm to 10 nm, or 3 nm to 8 nm.
  • the average thickness of the second unit layer may be 3 nm to 10 nm, or 3 nm to 8 nm.
  • the total thickness of adjacent first and second unit layers may be 4 nm to 30 nm, 6 nm to 20 nm, or 6 nm to 12 nm.
  • Adjacent first and second unit layers refer to one first unit layer and one second unit layer adjacent to each other.
  • the total thickness of adjacent first and second unit layers corresponds to the average of the total thicknesses of five pairs of adjacent first and second unit layers.
  • the thickness of the first layer in this embodiment may be 1.0 ⁇ m or more and 15 ⁇ m or less.
  • the thickness of the first layer may be 4 ⁇ m or more and 15 ⁇ m or less, or 6 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less.
  • the coating of this embodiment may include a second layer disposed between the substrate and the first layer, and the second layer may include at least one selected from the group consisting of a TiN layer, a TiC layer, a TiCN layer, a TiBN layer, a TiCNO layer, and an Al2O3 layer.
  • the adhesion between the substrate and the coating can be improved.
  • an Al2O3 layer as the second layer, the oxidation resistance of the coating can be improved.
  • the average thickness of the second layer may be 0.1 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less. This allows the coating to have excellent wear resistance and chipping resistance.
  • the coating of embodiment 1 may include a third layer disposed on the surface side of the first layer.
  • the third layer may include at least one selected from the group consisting of a TiN layer, a TiC layer, a TiCN layer, a TiBN layer, a TiCNO layer, and an Al2O3 layer .
  • the TiN layer has a clear color (gold), when disposed on the outermost surface of the coating as the third layer, it has the advantage of making it easy to identify the used portion of the cutting tool after cutting.
  • Using a TiC layer, a TiCN layer, a TiBN layer, or a TiCNO layer as the third layer can improve the sliding properties of the coating.
  • Using an Al2O3 layer as the third layer can enhance the oxidation resistance of the coating.
  • the average thickness of the third layer may be 0.5 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less. This improves adhesion between the third layer and adjacent layers.
  • the method for manufacturing the cutting tool according to embodiment 1 can include a first step of preparing a substrate and a second step of forming a coating on the substrate to obtain the cutting tool.
  • a substrate is prepared. Details of the substrate are described in the first embodiment, and therefore, the description thereof will not be repeated.
  • a coating is formed on the substrate to obtain a cutting tool.
  • the coating is formed using, for example, a CVD apparatus shown in FIG. 5.
  • a plurality of substrate setting jigs 52 holding substrates 10 can be installed within the CVD apparatus 50, and these are covered by a reaction vessel 53 made of heat-resistant alloy steel.
  • a temperature control device 54 is also disposed around the reaction vessel 53, and this temperature control device 54 can control the temperature within the reaction vessel 53.
  • the CVD apparatus 50 is equipped with a nozzle 56 having three gas flow paths (first gas flow path 55, second gas flow path 57, and the other gas flow path not shown) through which the source gas passes.
  • the nozzle 56 is positioned so as to penetrate the area in which the substrate setting jig 52 is placed.
  • the nozzle 56 has multiple injection holes formed in the area near the substrate setting jig 52, which inject the gas that has passed through the gas flow paths.
  • Fig. 7 is a cross-sectional view of the nozzle 56 taken along line XVII-XVII in Fig. 6. As shown in Fig. 7, the nozzle 56 is provided with a first gas passage 55, a second gas passage 57, and a third gas passage 58. SiCl4 gas and C2H4 gas pass through the first gas passage 55, TiCl4 gas passes through the second gas passage 57, and CH3CN gas passes through the third gas passage 58.
  • the first gas flow path 55 is connected to the first injection hole 55a. Gas that has passed through the first gas flow path 55 is injected from the first injection hole 55a toward the substrate.
  • the second gas flow path 57 is connected to the second injection hole 57a. Gas that has passed through the second gas flow path 57 is injected from the second injection hole 57a toward the substrate.
  • the third gas flow path 58 is connected to the third injection hole 58a. Gas that has passed through the third gas flow path 58 is injected from the third injection hole 58a toward the substrate.
  • the carrier gas may be H2 gas, N2 gas, Ar gas, or the like.
  • the carrier gas is injected from each of the first injection hole, the second injection hole, and the third injection hole.
  • a gas containing a raw material gas and a carrier gas is referred to as a reaction gas.
  • the first layer is formed while the nozzle is rotated. This causes gases with high SiCl4 and C2H4 concentrations and gases with high TiCl4 concentrations to be alternately adsorbed onto the substrate, allowing the hard particles contained in the first layer to have a layered structure in which first unit layers and second unit layers are alternately stacked.
  • the ratio x1 of the number of silicon atoms to the total number of titanium atoms and silicon atoms in the first unit layer is greater than the ratio x2 of the number of silicon atoms to the total number of titanium atoms and silicon atoms in the second unit layer
  • the ratio y1 of the number of carbon atoms to the total number of carbon atoms and nitrogen atoms in the first unit layer is greater than the ratio y2 of the number of carbon atoms to the total number of carbon atoms and nitrogen atoms in the second unit layer.
  • the substrate temperature inside the reaction vessel is 800°C to 900°C
  • the pressure inside the reaction vessel is 50 hPa to 200 hPa.
  • the thickness of the first layer can be controlled by adjusting the flow rate of the raw material gas and the deposition time.
  • the average thickness of each of the first and second unit layers can be controlled by adjusting the nozzle rotation speed and the deposition time.
  • total flow rate of the reactive gases is 90 L/min to 150 L/min.
  • total gas flow rate refers to the total volumetric flow rate introduced into the CVD furnace per unit time, assuming that the gas is an ideal gas under standard conditions (0°C, 1 atmosphere).
  • the coating includes at least one of a second layer, an intermediate layer, and a third layer, these layers can be formed using conventional methods.
  • the substrate with the coated film is then cooled at a cooling rate that does not exceed, for example, 5°C/min, and the cooling rate slows as the temperature of the substrate decreases.
  • heat treatment processes such as annealing, and surface treatment processes such as surface grinding and shot blasting can also be performed.
  • the cutting tool of embodiment 1 can be obtained using the above-described manufacturing method.
  • a cemented carbide substrate was prepared as the substrate.
  • the substrate had a composition of 6 mass% Co, 1.5 mass% NbC, and the remainder WC.
  • the substrate had a shape of CNMG120408N-GU.
  • a coating was formed on the surface of the substrate by a CVD method.
  • the composition of the coating and the thickness of each layer of each sample are shown in Table 1.
  • a "-" in Table 1 indicates that the corresponding layer does not exist.
  • the first layer is composed of a plurality of hard particles, and the hard particles are composed of titanium, silicon, carbon, and nitrogen.
  • the second and third layers shown in Table 1 are layers formed by conventionally known CVD methods.
  • the first layer of each sample was formed using the CVD apparatus shown in Figure 5.
  • the nozzle 56 shown in Figure 7 was used.
  • SiCl4 gas and C2H4 gas passed through the first gas flow path 55 of the nozzle 56
  • TiCl4 gas passed through the second gas flow path 57
  • CH3CN gas passed through the third gas flow path 58.
  • Gas that passes through the first gas flow path 55 is sprayed toward the substrate from the first injection hole 55a.
  • Gas that passes through the second gas flow path 57 is sprayed toward the substrate from the second injection hole 57a.
  • Gas that passes through the third gas flow path 58 is sprayed toward the substrate from the third injection hole 58a.
  • the substrate was then cooled to obtain cutting tools for each sample.
  • the percentage (N1/N) ⁇ 100 of the number N1 of first hard particles having an aspect ratio of 3 or more relative to the number N of all hard particles constituting the first layer was measured.
  • the specific measurement method is as described in embodiment 1. If the value of the percentage (N1/N) ⁇ 100 is 60% or more, the first layer is determined to have a columnar structure, and if the value of the percentage (N1/N) ⁇ 100 is less than 60%, the first layer is determined to be composed of granular crystals. The results are shown in Table 3.
  • the cutting tools of Samples 1 to 17 correspond to Examples, and the cutting tools of Samples 1-1 to 1-6 correspond to Comparative Examples. It was confirmed that the cutting tools of the Examples had a longer tool life than the cutting tools of the Comparative Examples. The cutting tools of the Examples had excellent hardness and oxidation resistance, and the sliding properties of the first unit layer were improved, so that the occurrence of welding and wear caused by welding were also suppressed.

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Abstract

基材と、前記基材上に配置された被膜と、を備える切削工具であって、前記被膜は、第一層を含み、前記第一層は、複数の硬質粒子からなり、前記硬質粒子は、チタン、珪素、炭素および窒素からなり、前記硬質粒子は、立方晶構造であり、前記第一層は、柱状構造であり、前記第一層において、前記チタンの原子数ＮＴｉおよび前記珪素の原子数ＮＳｉの合計に対する、前記珪素の原子数ＮＳｉの比ＮＳｉ／（ＮＴｉ＋ＮＳｉ）の平均は、０．０１以上０．１０以下であり、前記第一層において、前記炭素の原子数ＮＣおよび前記窒素の原子数ＮＮの合計に対する、前記炭素の原子数ＮＣの比ＮＣ／（ＮＣ＋ＮＮ）の平均は、０．６０以上０．８５以下であり、前記硬質粒子は、第一単位層と第二単位層とが交互に積層された積層構造を有し、前記第一単位層および前記第二単位層のそれぞれは、前記チタン、前記珪素、前記炭素および前記窒素からなり、前記第一単位層における前記チタンの原子数および前記珪素の原子数の合計に対する前記珪素の原子数の比ｘ１は、前記第二単位層における前記チタンの原子数および前記珪素の原子数の合計に対する前記珪素の原子数の比ｘ２よりも大きく、前記第一単位層における前記炭素の原子数および前記窒素の原子数の合計に対する前記炭素の原子数の比ｙ１は、前記第二単位層における前記炭素の原子数および前記窒素の原子数の合計に対する前記炭素の原子数の比ｙ２よりも大きい、切削工具である。

Description

切削工具
　本開示は、切削工具に関する。
　従来、切削工具の耐摩耗性を向上させるために、基材上にＴｉＳｉＣＮ膜が形成された切削工具が開発されている（例えば、特許文献１）。
国際公開２０２２／２３０３６３号
　本開示の切削工具は、基材と、前記基材上に配置された被膜と、を備える切削工具であって、前記被膜は、第一層を含み、前記第一層は、複数の硬質粒子からなり、前記硬質粒子は、チタン、珪素、炭素および窒素からなり、前記硬質粒子は、立方晶構造であり、前記第一層は、柱状構造であり、前記第一層において、前記チタンの原子数ＮＴｉおよび前記珪素の原子数ＮＳｉの合計に対する、前記珪素の原子数ＮＳｉの比ＮＳｉ／（ＮＴｉ＋ＮＳｉ）の平均は、０．０１以上０．１０以下であり、前記第一層において、前記炭素の原子数ＮＣおよび前記窒素の原子数ＮＮの合計に対する、前記炭素の原子数ＮＣの比ＮＣ／（ＮＣ＋ＮＮ）の平均は、０．６０以上０．８５以下であり、前記硬質粒子は、第一単位層と第二単位層とが交互に積層された積層構造を有し、前記第一単位層および前記第二単位層のそれぞれは、前記チタン、前記珪素、前記炭素および前記窒素からなり、前記第一単位層における前記チタンの原子数および前記珪素の原子数の合計に対する前記珪素の原子数の比ｘ１は、前記第二単位層における前記チタンの原子数および前記珪素の原子数の合計に対する前記珪素の原子数の比ｘ２よりも大きく、前記第一単位層における前記炭素の原子数および前記窒素の原子数の合計に対する前記炭素の原子数の比ｙ１は、前記第二単位層における前記炭素の原子数および前記窒素の原子数の合計に対する前記炭素の原子数の比ｙ２よりも大きい、切削工具である。
図１は、実施形態１に係る切削工具の断面の一例を示す模式図である。 図２は、実施形態１に係る切削工具の断面の他の一例を示す模式図である。 図３は、実施形態１に係る切削工具の断面の他の一例を示す模式図である。 図４は、実施形態１に係る切削工具の断面の他の一例を示す模式図である。 図５は、実施形態２に係る切削工具の製造方法に用いられるＣＶＤ装置の一例の模式的な断面図である。 図６は、図５の領域ＶＩＩにおける拡大図である。 図７は、図６のノズル５６のＸＶＩＩ－ＸＶＩＩ線における断面図である。 図８は、試料１－６で用いられたノズルの断面図である。
　［本開示が解決しようとする課題］
　硬度の高いＴｉＳｉＣＮ膜を有する切削工具は、耐摩耗性に優れている。一方、該切削工具を用いて、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４１５）の連続加工を行う場合、珪素と鉄との親和性が高く、溶着の発生により工具寿命に至る可能性がある。このため、特に、クロムモリブデン鋼の連続加工に用いた場合においても、長い工具寿命を有することのできる切削工具が求められている。
　そこで、本開示は、特に、クロムモリブデン鋼の連続加工に用いた場合においても、長い工具寿命を有することのできる切削工具を提供することを目的とする。
　［本開示の効果］
　本開示によれば、特に、クロムモリブデン鋼の連続加工に用いた場合においても、長い工具寿命を有することのできる切削工具を提供することが可能となる。
　［本開示の実施形態の説明］
　最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
　（１）本開示の切削工具は、基材と、前記基材上に配置された被膜と、を備える切削工具であって、前記被膜は、第一層を含み、前記第一層は、複数の硬質粒子からなり、前記硬質粒子は、チタン、珪素、炭素および窒素からなり、前記硬質粒子は、立方晶構造であり、前記第一層は、柱状構造であり、前記第一層において、前記チタンの原子数ＮＴｉおよび前記珪素の原子数ＮＳｉの合計に対する、前記珪素の原子数ＮＳｉの比ＮＳｉ／（ＮＴｉ＋ＮＳｉ）の平均は、０．０１以上０．１０以下であり、前記第一層において、前記炭素の原子数ＮＣおよび前記窒素の原子数ＮＮの合計に対する、前記炭素の原子数ＮＣの比ＮＣ／（ＮＣ＋ＮＮ）の平均は、０．６０以上０．８５以下であり、前記硬質粒子は、第一単位層と第二単位層とが交互に積層された積層構造を有し、前記第一単位層および前記第二単位層のそれぞれは、前記チタン、前記珪素、前記炭素および前記窒素からなり、前記第一単位層における前記チタンの原子数および前記珪素の原子数の合計に対する前記珪素の原子数の比ｘ１は、前記第二単位層における前記チタンの原子数および前記珪素の原子数の合計に対する前記珪素の原子数の比ｘ２よりも大きく、前記第一単位層における前記炭素の原子数および前記窒素の原子数の合計に対する前記炭素の原子数の比ｙ１は、前記第二単位層における前記炭素の原子数および前記窒素の原子数の合計に対する前記炭素の原子数の比ｙ２よりも大きい、切削工具である。
　本開示によれば、特に、クロムモリブデン鋼の連続加工に用いた場合においても、長い工具寿命を有することのできる切削工具を提供することが可能となる。
　（２）上記（１）において、前記第一単位層の平均厚さは、２ｎｍ以上１５ｎｍ以下であり、前記第二単位層の平均厚さは、２ｎｍ以上１５ｎｍ以下でもよい。これによると、工具寿命が更に向上する。
　（３）上記（１）または（２）において、隣り合う第一単位層と第二単位層の合計の平均厚さは、４ｎｍ以上３０ｎｍ以下でもよい。これによると、工具寿命が更に向上する。
　（４）上記（１）から（３）のいずれかにおいて、前記第一層の厚さは、１．０μｍ以上１５μｍ以下でもよい。これによると、工具寿命が更に向上する。
　（５）上記（１）から（４）のいずれかにおいて、前記被膜は、前記基材と、前記第一層との間に配置される第二層を含み、
　前記第二層は、ＴｉＮ層、ＴｉＣ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＢＮ層、ＴｉＣＮＯ層およびＡｌ２Ｏ３層からなる群より選択される少なくとも１種を含んでもよい。
　これによると、工具寿命が更に向上する。
　（６）上記（１）から（５）のいずれかにおいて、前記被膜は、前記第一層の前記被膜の表面側に配置される第三層を含み、前記第三層は、ＴｉＮ層、ＴｉＣ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＢＮ層、ＴｉＣＮＯ層およびＡｌ２Ｏ３層からなる群より選択される少なくとも１種を含んでもよい。
　これによると、切削使用後の切削工具の使用済み部位の識別が容易となったり、被膜の摺動性を更に向上したりすることができる。
　（７）上記（１）から（６）のいずれかにおいて、前記ｘ１は、０．０１以上０．１１以下であり、前記ｙ１は、０．６０以上０．８５以下でもよい。これによると、第一層の硬度、耐酸化性および摺動性がバランスよく向上する。
　（８）上記（７）において、前記ｘ１と前記ｘ２との差は、０．０１以上０．０７以下であり、前記ｙ１と前記ｙ２との差は、０．０１以上０．１０以下でもよい。これによると、第一層の硬度、耐酸化性および摺動性がバランスよく向上する。
　［本開示の実施形態の詳細］
　本開示の切削工具を、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、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。
　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。
　本開示において、「備える」、「含む」、「有する」、および、これらの変形は、オープンエンドの用語である。オープンエンドの用語は必須要素に加えて、追加要素をさらに含んでいてもよいし、含んでいなくてもよい。「からなる」との記載はクローズドの用語である。ただしクローズドの用語で表現される構成であっても、通常において付随する不純物であったり、対象技術に無関係であったりする付加的な要素は含み得る。
　［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。）の切削工具について、図１～図４を用いて説明する。本実施形態の切削工具１は、基材１０と、基材１０上に配置された被膜１５と、を備える切削工具１であって、被膜１５は、第一層１１を含み、第一層１１は、複数の硬質粒子からなり、硬質粒子は、チタン、珪素、炭素および窒素からなり、硬質粒子は、立方晶構造であり、第一層１１は、柱状構造であり、第一層１１において、チタンの原子数ＮＴｉおよび珪素の原子数ＮＳｉの合計に対する、珪素の原子数ＮＳｉの比ＮＳｉ／（ＮＴｉ＋ＮＳｉ）の平均は、０．０１以上０．１０以下であり、第一層１１において、炭素の原子数ＮＣおよび窒素の原子数ＮＮの合計に対する、炭素の原子数ＮＣの比ＮＣ／（ＮＣ＋ＮＮ）の平均は、０．６０以上０．８５以下であり、硬質粒子は、第一単位層と第二単位層とが交互に積層された積層構造を有し、第一単位層および第二単位層のそれぞれは、チタン、珪素、炭素および窒素からなり、第一単位層におけるチタンの原子数および珪素の原子数の合計に対する珪素の原子数の比ｘ１は、第二単位層におけるチタンの原子数および珪素の原子数の合計に対する珪素の原子数の比ｘ２よりも大きく、第一単位層における炭素の原子数および窒素の原子数の合計に対する炭素の原子数の比ｙ１は、第二単位層における炭素の原子数および窒素の原子数の合計に対する炭素の原子数の比ｙ２よりも大きい、切削工具１である。
　本実施形態の切削工具は、特に、クロムモリブデン鋼の連続加工に用いた場合においても、長い工具寿命を有することができる。この理由は明らかではないが、以下の通りと推察される。
　（ｉ）本実施形態の切削工具において、被膜は複数の硬質粒子からなる第一層を備える。硬質粒子は、チタン、珪素、炭素および窒素からなり、立方晶構造を有するため、第一層は高い硬度を有する。よって、切削工具は、優れた耐摩耗性を有する。
　（ｉｉ）本実施形態の切削工具の第一層において、比ＮＣ／（ＮＣ＋ＮＮ）の平均は、０．６０以上０．８５以下であり、炭素含有率が高い。これにより、第一層の摺動性が向上し、切削時の被削材の切削工具への溶着の発生が抑制される。
　（ｉｉｉ）本実施形態の切削工具の硬質粒子は、第一単位層と第二単位層とが交互に積層された積層構造を有する。第一単位層と第二単位層との界面では組成および結晶格子が不連続となっている。よって、切削時に亀裂が発生したとしても、界面においてクラックの進展を抑制することができる。
　（ｉｖ）本実施形態の切削工具の硬質粒子の第一単位層の比ｘ１は、第二単位層の比ｘ２よりも大きく、第一単位層の比ｙ１は、第二単位層の比ｙ２よりも大きい。第一単位層は、第二単位層よりも珪素および炭素の含有率が相対的に大きい。第一単位層は、珪素含有率が大きいため、硬度や耐酸化性が優れている。一方、珪素は被削材中の鉄との親和性が高く、一般的に、珪素を含む層は、溶着が発生しやすい。本実施形態では、第一単位層の炭素含有率が高いため、第一単位層の摺動性が向上し、被膜全体として、溶着の発生が抑制される。
　＜切削工具＞
　図１に示されるように、本実施形態の切削工具１は、基材１０と、基材１０上に配置された被膜１５とを備える。図１では、被膜１５が第一層１１のみから構成される場合を示している。被膜１５は、基材の切削に関与する部分の少なくとも一部を被覆してもよく、また、基材の全面を被覆してもよい。基材の切削に関与する部分とは、基材表面において、刃先稜線からの距離が５００μｍ以内の領域を意味する。本開示の効果を損なわない限り、基材の一部が被膜で被覆されていなかったり被膜の構成が部分的に異なっていたりしていたとしても、本開示の範囲を逸脱するものではない。
　＜切削工具の種類＞
　本開示の切削工具は、例えば、ドリル、エンドミル（例えば、ボールエンドミル）、ドリル用刃先交換型切削インサート、エンドミル用刃先交換型切削インサート、フライス加工用刃先交換型切削インサート、旋削加工用刃先交換型切削インサート、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ等であり得る。
　＜基材＞
　本実施形態において、基材は、従来公知のものを使用することができる。例えば、基材の材質は、超硬合金（例えば、炭化タングステンとコバルトとを含むＷＣ基超硬合金、該超硬合金はＴｉ、Ｔａ、Ｎｂなどの炭窒化物を含むことができる）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮなどを主成分とするもの）、高速度鋼、セラミックス（炭化チタン、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど）、立方晶型窒化ホウ素焼結体またはダイヤモンド焼結体でもよい。
　基材は、炭化タングステンとコバルトとを含む超硬合金からなり、超硬合金中のコバルトの含有率は、５質量％以上１１質量％以下でもよい。これによると、高温における硬度と強度のバランスに優れ、上記用途の切削工具の基材として優れた特性を有している。基材としてＷＣ基超硬合金を用いる場合、その組織中に遊離炭素、ならびにη相またはε相と呼ばれる異常層などを含んでいてもよい。
　基材の表面は、改質されていてもよい。例えば超硬合金の場合、表面に脱β層が形成されていたり、サーメットの場合に表面硬化層が形成されていたりしてもよい。基材の表面が改質されていても所望の効果が示される。
　切削工具が刃先交換型切削インサートなどである場合、基材は、チップブレーカーを有しても、有さなくてもよい。刃先稜線部の形状は、シャープエッジ（すくい面と逃げ面とが交差する稜）、ホーニング（シャープエッジに対してアールを付与したもの）、ネガランド（面取りをしたもの）、又は、ホーニングとネガランドを組み合わせたもの等、いずれも採用できる。
　＜被膜＞
　≪被膜の構成≫
　本実施形態において、被膜は、第一層を含む。本実施形態の被膜は、第一層を含む限り、他の層を含んでいてもよい。
　図２に示されるように、切削工具１の被膜１５は、基材１０と第一層１１との間に配置される第二層１２を含んでもよい。
　図３に示されるように、切削工具１の被膜１５は、第一層１１の被膜１５の表面側に配置される第三層１３を含んでもよい。
　第一層、第二層および第三層の詳細については後述する。
　≪被膜の厚さ≫
　本実施形態において、被膜の厚さは、１μｍ以上３０μｍ以下でもよい。ここで、被膜の厚さとは、被膜全体の厚さを意味する。被膜全体の厚さが１μｍ以上であると、優れた耐摩耗性を有することができる。一方、被膜全体の厚さが３０μｍ以下であると、切削加工時に、被膜と基材との間に大きな応力が加わった際の被膜の剥離または破壊の発生を抑制することができる。被膜全体の厚さは、３μｍ以上２５μｍ以下でもよく、５μｍ以上２０μｍ以下でもよい。
　本開示において、被膜の厚さは、以下の手順で測定される。切削工具を表面の法線方向に平行な断面で切り出し、被膜の断面が露出した測定用試料を得る。測定用試料を走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で観察することにより、被膜の厚さを測定する。測定用試料は、イオンスライサーなどを用いて加工された薄片サンプルである。走査透過型電子顕微鏡としては、例えば、日本電子株式会社製のＪＥＭ－２１００Ｆ（商標）が挙げられる。測定条件は加速電圧２００ｋＶおよび電流量０．３ｎＡとする。
　測定用試料の観察倍率を１００００倍とし、電子顕微鏡像中に「切削工具の表面に平行な長さが１００μｍ」×「被膜の厚さ全体を含む長さ以上」の矩形の測定視野を設定し、該視野内の１０箇所において、被膜の厚みを測定し、その平均値を「被膜の厚さ」とする。下記に記載される各層の厚さ（平均厚さ）についても、同様に測定し、算出される。
　同一の試料において測定する限りにおいては、測定視野の選択個所を任意に変更して複数回行っても、測定結果のばらつきはほとんどないことが確認されている。
　＜第一層＞
　≪第一層の組成≫
　本実施形態において、第一層は、複数の硬質粒子からなり、硬質粒子は、チタン、珪素、炭素および窒素からなる。本実施形態の第一層において、チタンの原子数ＮＴｉおよび珪素の原子数ＮＳｉの合計に対する、珪素の原子数ＮＳｉの比ＮＳｉ／（ＮＴｉ＋ＮＳｉ）の平均は、０．０１以上０．１０以下である。ＮＳｉ／（ＮＴｉ＋ＮＳｉ）の平均が０．０１以上であると、第一層の硬度および耐酸化性が向上する。ＮＳｉ／（ＮＴｉ＋ＮＳｉ）の平均が０．１０以下であると、第一層は良好な耐溶着性を有することができる。
　ＮＳｉ／（ＮＴｉ＋ＮＳｉ）の平均は、０．０２以上０．０９以下でもよく、０．０２以上０．０７以下でもよく、または、０．０２以上０．０５以下でもよい。
　本実施形態の第一層において、炭素の原子数ＮＣおよび窒素の原子数ＮＮの合計に対する、炭素の原子数ＮＣの比ＮＣ／（ＮＣ＋ＮＮ）の平均は、０．６０以上０．８５以下である。ＮＣ／（ＮＣ＋ＮＮ）の平均が０．６０以上であると、第一層の摺動性が向上する。ＮＣ／（ＮＣ＋ＮＮ）の平均が０．８５以下であると、第一層は良好な耐欠損性を有することができる。
　ＮＣ／（ＮＣ＋ＮＮ）の平均は、０．６５以上０．８５以下でもよく、０．７０以上０．８５以下でもよく、または、０．７５以上０．８５以下でもよい。
　本開示において、第一層におけるＮＳｉ／（ＮＴｉ＋ＮＳｉ）の平均およびＮＣ／（ＮＣ＋ＮＮ）の平均は、以下の手順で測定される。
　（Ａ１）切削工具の表面の法線に沿って、切削工具をダイヤモンドワイヤーで切り出し、第一層の断面を露出させる。露出された断面に対して収束イオンビーム加工（以下、「ＦＩＢ加工」とも記す。）を行い、断面を鏡面状態とする。
　（Ａ２）第一層の断面において、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）に付属のエネルギー分散型Ｘ線分光装置（ＥＤＸ：Ｅｎｅｒｇｙ　Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ　Ｘ－ｒａｙ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｅ）（ＴＥＭ－ＥＤＸ）により矩形分析を行い、第一層の組成を特定する。矩形分析は、第一層の断面内に設定された、互いに重複しない３箇所の０．５μｍ×２μｍの矩形の測定領域に対して行われる。３箇所の測定領域のそれぞれにおいて、ＮＳｉ／（ＮＴｉ＋ＮＳｉ）およびＮＣ／（ＮＣ＋ＮＮ）を算出する。３箇所の測定領域のＮＳｉ／（ＮＴｉ＋ＮＳｉ）の平均およびＮＣ／（ＮＣ＋ＮＮ）の平均を算出する。該平均が、第一層におけるＮＳｉ／（ＮＴｉ＋ＮＳｉ）の平均およびＮＣ／（ＮＣ＋ＮＮ）の平均に該当する。
　同一の試料において測定する限りにおいては、測定視野の選択個所を任意に変更して、複数回測定を行っても、測定結果のばらつきはほとんどないことが確認されている。
　≪第一層の組織≫
　本実施形態において、第一層は柱状構造である。これによると、第一層は、せん断方向の応力に対して強く、耐摩耗性が向上する。さらに、第一層は膜厚に垂直な方向への粒界が少ないため、破壊の起点が少なくなり、耐欠損性も向上する。
　本開示において、第一層が柱状構造であるとは、第一層を構成する全硬質粒子の数Ｎに対する、アスペクト比が３以上である第１硬質粒子の数Ｎ１の百分率（Ｎ１／Ｎ）×１００が６０％以上であることを意味する。第一層が柱状構造であることは、具体的には以下の手順で確認される。
　（Ｂ１）切削工具の表面の法線に沿って、切削工具をダイヤモンドワイヤーで切り出し、第一層の断面を露出させる。露出された断面に対してＦＩＢ加工を行い、断面を鏡面状態とする。
　（Ｂ２）ＦＩＢ加工された断面に対して、電子線後方散乱回折装置（ＥＢＳＤ装置）を備えた電界放出型走査型電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ）（製品名：「ＳＵＰＲＡ３５ＶＰ」、Ｃａｒｌ　Ｚｅｉｓｓ社製）を用いて、以下の測定条件でＥＢＳＤ解析を行う。ＥＢＳＤ解析を行う領域（以下、解析領域とも記す。）は、第一層内に設けられる、互いに重複しない３箇所の矩形の領域とする。解析領域の大きさは、基材に平行な方向の長さが２０μｍ以上の矩形とする。解析領域の被膜の厚み方向の長さは、第一層の厚みにより、適宜設定することができる。解析領域の被膜の厚み方向の長さは、例えば、第一層の厚みの９０％以上となるように設定する。
　（測定条件）
　加速電圧　　　　　：１５ｋＶ
　電流値　　　　　　：１．８ｎＡ
　照射電流　　　　　：６０μｍ（ＨＣ有り）
　Ｅｘｐ　　　　　　：Ｌｏｎｇ　０．０３ｓ
　Ｂｉｎｎｉｎｇ　　：８×８
　ＷＤ　　　　　　　：１５ｍｍ
　Ｔｉｌｔ　　　　　：７０°
　Ｓｔｅｐ　ｓｉｚｅ：０．０２μｍ
　ＢＫＤ　　　　　　：Ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　Ｓｕｂｔｒａｃｔｉｏｎ、
　　　　　　　　　　　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　Ｓｕｂｔｒａｃｔｉｏｎ、
　　　　　　　　　　　Ｎｏｒｍａｌｉｚｅ　Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｈｉｓｔｏｇｒａｍ
　撮影倍率　　　　　：２００００倍
　粒界定義　　　　　：１５°以上
　（Ｂ３）ＥＢＳＤ解析により収集されたデータについて、ＣＩ　Ｄｉｌａｔｉｏｎ法（ｓｉｎｇｌｅ　Ｉｎｔｅｒａｔｉｏｎ）とＧｒａｉｎ　ＣＩ　Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎとで、ＣＩ＞０．１を満たすデータのみを認識することにより、クリーンアップ処理を実行する。ＣＩ値は、Ｖｏｔｉｎｇ法により算出する。具体的には、ＣＩ＝（Ｖ１－Ｖ２）／Ｖｉｄｅａｌ（Ｖ１、２：１、２番目の解、Ｖｉｄｅａｌ：理想解）により求められる。
　（Ｂ４）上記ＥＢＳＤ解析結果を、市販のソフトウェア（商品名：「ＯＩＭ７．１」、株式会社ＴＳＬソリューションズ製）を用いて分析し、上記解析領域のＩＰＦマップ（Ｉｎｖｅｒｓｅ　Ｐｏｌｅ　Ｔｉｇｒｅ　ｍａｐ：逆極点図方位マップ）を作成する。該ＩＰＦマップの作成においては、隣接する測定点の方位差角が１５°以上の場合を結晶粒界と定義する。ＩＰＦマップには、各結晶粒の形状が示され、及び各結晶粒の配向が色分けして示される。
　（Ｂ５）上記ソフトウェア（「ＯＭＩ７．１」）を用いて、各解析領域のＩＰＦマップ内の全ての硬質粒子のそれぞれについて、アスペクト比を測定する。硬質粒子のアスペクト比とは、硬質粒子の長径ａと短径ｂとの比ｂ／ａである。本開示において、長径ａは、上記断面で観察される硬質粒子の最大差し渡し径であり、短径ｂは、長径ａに直交する方向に沿う硬質粒子の最大径である。本開示において、解析領域のＩＰＦマップ内の硬質粒子とは、硬質粒子の全てが解析領域のＩＰＦマップ内に存在する硬質粒子、および、硬質粒子の少なくとも一部が解析領域のＩＰＦマップ内に存在する硬質粒子の両方を含む。
　（Ｂ６）各解析領域のＩＰＦマップ内の全硬質粒子の数ｎに対する、アスペクト比が３以上である第１硬質粒子の数ｎ１の百分率（ｎ１／ｎ）×１００を算出する。本開示において、３箇所の解析領域のＩＰＦマップにおける百分率（ｎ１／ｎ）×１００の平均が、第一層を構成する全硬質粒子の数Ｎに対する、アスペクト比が３以上である第１硬質粒子の数Ｎ１の百分率（Ｎ１／Ｎ）×１００に該当する。百分率（Ｎ１／Ｎ）×１００が６０％以上の場合、第一層は柱状構造であることが確認される。
　同一の試料において測定する限りにおいては、切削工具の切り出し位置や、測定領域を変更して複数回行っても、測定結果のばらつきはほとんどないことが確認されている。
　＜硬質粒子＞
　≪硬質粒子の組成≫
　本実施形態において、硬質粒子は、チタン、珪素、炭素および窒素からなる。本開示の効果を損なわない限り、硬質粒子は、チタン、珪素、炭素および窒素とともに、不可避不純物元素を含むことができる。硬質粒子は、チタン、珪素、炭素、窒素、および不可避不純物元素からなってもよい。不可避不純物元素としては、塩素、コバルト、タングステン、酸素が挙げられる。硬質粒子における不可避不純物元素の含有率は、例えば、０．５原子％以下とすることができる。硬質粒子における不可避不純物元素の含有率は、ＴＥＭ－ＥＤＸにより測定される。
　≪硬質粒子の結晶構造≫
　本実施形態において、硬質粒子は、立方晶構造である。硬質粒子が立方晶構造を有すると、第一層は優れた耐摩耗性と、高い靭性とを両立できる。硬質粒子が立方晶構造を有することは、制限視野による電子線回折のパターン解析により確認することができる。
　≪第一単位層および第二単位層の組成≫
　本実施形態において、硬質粒子は、第一単位層と第二単位層とが交互に積層された積層構造を有する。第一単位層および第二単位層のそれぞれは、チタン、珪素、炭素および窒素からなる。本開示の効果を損なわない限り、第一単位層および第二単位層のそれぞれは、チタン、珪素、炭素および窒素とともに、不可避不純物元素を含むことができる。第一単位層および第二単位層のそれぞれは、チタン、珪素、炭素、窒素および不可避不純物元素からなってもよい。不可避不純物元素としては、塩素、コバルト、タングステン、酸素が挙げられる。第一単位層および第二単位層のそれぞれにおける不可避不純物元素の含有率は、例えば、０．５原子％以下とすることができる。第一単位層および第二単位層のそれぞれにおける不可避不純物元素の含有率は、ＴＥＭ－ＥＤＸにより測定される。
　本実施形態において、第一単位層におけるチタンの原子数および珪素の原子数の合計に対する珪素の原子数の比ｘ１は、第二単位層におけるチタンの原子数および珪素の原子数の合計に対する珪素の原子数の比ｘ２よりも大きく、第一単位層における炭素の原子数および窒素の原子数の合計に対する炭素の原子数の比ｙ１は、第二単位層における炭素の原子数および窒素の原子数の合計に対する炭素の原子数の比ｙ２よりも大きい。
　ｘ１がｘ２よりも大きいこと、および、ｙ１がｙ２よりも大きいことは、以下の手順で確認される。
　（Ｃ１）切削工具の表面の法線に沿って、切削工具をダイヤモンドワイヤーで切り出し、第一層の断面を露出させる。露出された断面に対してＦＩＢ加工を行い、断面を鏡面状態とする。
　（Ｃ２）ＦＩＢ加工された断面を、明視野走査電子顕微鏡（ＢＦ－ＳＥＭ）を用いて観察し、ＢＦ－ＳＴＥＭ像を得る。
　（Ｃ３）上記ＢＦ－ＳＴＥＭ像の中で、白色で示される層（以下、「白色層」とも記す。）と、黒色で示される層（以下、「黒色層」とも記す。）と、を特定する。黒色層は、珪素の含有率の高い領域であり、第一単位層に該当する。白色層は珪素の含有率の低い領域であり、第二単位層に該当する。
　（Ｃ４）第一単位層を５層任意に選択し、各第一単位層において元素分析を行い、組成を特定し、各第一単位層のｘ１およびｙ１を得る。各第一単位層の組成は、Ｔｉ（１－ｘ１）Ｓｉｘ１Ｃｙ１Ｎ（１－ｙ１）と表現することができる。第二単位層を５層任意に選択し、各第二単位層において元素分析を行い、組成を特定し、各第二単位層のｘ２およびｙ２を得る。各第二単位層の組成は、Ｔｉ（１－ｘ２）Ｓｉｘ２Ｃｙ２Ｎ（１－ｙ２）と表現することができる。元素分析の条件は以下の通りである。
スポット径：７ｃ
アパーチャサイズ：３０μm
電流値：３５ｐＡ
加速電圧：２００ｋＶ
　第一単位層および第二単位層のそれぞれの層数が４層以下の場合は、全ての単位層について元素分析を行い、各単位層の組成を求め、ｘ１、ｘ２、ｙ１およびｙ２を得る。
　本開示において、測定された第一単位層のｘ１の平均が、測定された第二単位層のｘ２の平均よりも大きい場合、第一単位層におけるチタンの原子数および珪素の原子数の合計に対する珪素の原子数の比ｘ１は、第二単位層におけるチタンの原子数および珪素の原子数の合計に対する珪素の原子数の比ｘ２よりも大きいと判断される。
　本開示において、測定された第一単位層のｙ１の平均が、測定された第二単位層のｙ２の平均よりも大きい場合、第一単位層における炭素の原子数および窒素の原子数の合計に対する炭素の原子数の比ｙ１は、第二単位層における炭素の原子数および窒素の原子数の合計に対する炭素の原子数の比ｙ２よりも大きいと判断される。
　上記（Ｃ３）で、白色層と黒色層が交互に積層されている場合、硬質粒子は、第一単位層と第二単位層とが交互に積層された積層構造を有すると判断される。
　同一の試料において測定する限りにおいては、上記（Ｃ２）で特定される硬質粒子を変更して複数回行っても、測定結果のばらつきはほとんどないことが確認されている。
　ｘ１は、０．０１以上０．１１以下でもよく、０．０２以上０．０８以下でもよく、または、０．０２以上０．０６以下でもよい。ｙ１は、０．６０以上０．８５以下でもよく、０．６５以上０．８５以下でもよく、または、０．７０以上０．８５以下でもよい。
　ｘ１とｘ２との差（ｘ１－ｘ２）は、０．０１以上０．０７以下でもよく、０．０２以上０．０６以下でもよく、または、０．０２以上０．０５以下でもよい。ここで、ｘ１とｘ２との差（ｘ１－ｘ２）とは、第一単位層のｘ１の平均と、第二単位層のｘ２の平均との差である。
　ｙ１とｙ２との差（ｙ１－ｙ２）は、０．０１以上０．１０以下でもよく、０．０１以上０．０８以下でもよく、または、０．０２以上０．０８以下でもよい。ここで、ｙ１とｙ２との差（ｙ１－ｙ２）とは、第一単位層のｙ１の平均と、第二単位層のｙ２の平均との差である。
　上記のｘ１、ｘ２、ｙ１、ｙ２、ｘ１－ｘ２、およびｙ１－ｙ２の範囲は、上記の範囲を任意に組み合わせることができる。
　第一単位層は、Ｔｉ（１－ｘ１）Ｓｉｘ１Ｃｙ１Ｎ（１－ｙ１）層であり、第二単位層は、Ｔｉ（１－ｘ２）Ｓｉｘ２Ｃｙ２Ｎ（１－ｙ２）層であり、ここで、ｘ１およびｘ２は、ｘ１＞ｘ２を満たし、ｙ１およびｙ２は、ｙ１＞ｙ２を満たすと表現することができる。
　≪第一単位層の平均厚さおよび第二単位層の平均厚さ≫
　本実施形態において、第一単位層の平均厚さは、２ｎｍ以上１５ｎｍ以下であり、第二単位層の平均厚さは、２ｎｍ以上１５ｎｍ以下でもよい。これによると、第一単位層と第二単位層との界面でのクラックの進展の抑制効果が向上する。第一単位層の平均厚さは、３ｎｍ以上１０ｎｍ以下でもよく、または、３ｎｍ以上８ｎｍ以下でもよい。第二単位層の平均厚さは、３ｎｍ以上１０ｎｍ以下でもよく、または、３ｎｍ以上８ｎｍ以下でもよい。
　≪隣り合う第一単位層と第二単位層の合計の平均厚さ≫
　隣り合う第一単位層と第二単位層の合計厚さは、４ｎｍ以上３０ｎｍ以下でもよく、６ｎｍ以上２０ｎｍ以下でもよく、または、６ｎｍ以上１２ｎｍ以下でもよい。隣り合う第一単位層と第二単位層とは、互いに隣り合う１つの第一単位層および１つの第二単位層を意味する。隣り合う第一単位層と第二単位層の合計厚さは、５組の隣り合う第一単位層と第二単位層の合計厚さの平均に該当する。
　≪第一層の厚さ≫
　本実施形態の第一層の厚さは、１．０μｍ以上１５μｍ以下でもよい。第一層の厚さが１．０μｍ以上であると、優れた耐摩耗性を有することができる。一方、第一層の厚さが１５μｍ以下であると、切削加工時に、被膜と基材との間に大きな応力が加わった際の被膜の剥離または破壊の発生を抑制することができる。第一層の厚さは、４μｍ以上１５μｍ以下でもよく、６μｍ以上１０μｍ以下でもよい。
　＜第二層＞
　本実施形態の被膜は、基材と、第一層との間に配置される第二層を含んでもよい。第二層は、ＴｉＮ層、ＴｉＣ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＢＮ層、ＴｉＣＮＯ層およびＡｌ２Ｏ３層からなる群より選択される少なくとも１種を含んでもよい。
　第二層として、基材の直上にＴｉＮ層、ＴｉＣ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＢＮ層またはＴｉＣＮＯ層を配置することにより、基材と被膜との密着性を高めることができる。第二層としてＡｌ２Ｏ３層を用いることにより、被膜の耐酸化性を高めることができる。第二層の平均厚さは、０．１μｍ以上２０μｍ以下でもよい。これによると、被膜は優れた耐摩耗性および耐欠損性を有することができる。
　＜第三層＞
　実施形態１の被膜は、第一層の被膜の表面側に配置される第三層を含んでもよい。第三層は、ＴｉＮ層、ＴｉＣ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＢＮ層、ＴｉＣＮＯ層またはＡｌ２Ｏ３層からなる群より選択される少なくとも１種を含んでもよい。ＴｉＮ層は色彩が明瞭（金色を呈する）であるため、第三層として被膜の最表面に配置されると、切削使用後の切削工具の使用済み部位の識別が容易であるという利点がある。第三層として、ＴｉＣ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＢＮ層またはＴｉＣＮＯ層を用いることにより、被膜の摺動性を向上することができる。第三層としてＡｌ２Ｏ３層を用いることにより、被膜の耐酸化性を高めることができる。
　第三層の平均厚さは、０．５μｍ以上１０μｍ以下でもよい。これによると、第三層と、隣接する層との密着性が向上する。
　［実施形態２：切削工具の製造方法］
　実施形態１に係る切削工具の製造方法の一例について説明する。実施形態１に係る切削工具の製造方法は、基材を準備する第一工程と、基材上に被膜を形成して切削工具を得る第二工程と、を備えることができる。
　＜第一工程＞
　第一工程において、基材を準備する。基材の詳細は、実施形態１に記載されているため、その説明は繰り返さない。
　＜第二工程＞
　次に、第二工程において、基材上に被膜を形成して切削工具を得る。被膜の形成は、例えば図５に示されるＣＶＤ装置を用いて行う。ＣＶＤ装置５０内には、基材１０を保持した基材セット治具５２を複数設置することができ、これらは耐熱合金鋼製の反応容器５３でカバーされる。また、反応容器５３の周囲には調温装置５４が配置されており、この調温装置５４により、反応容器５３内の温度を制御することができる。
　ＣＶＤ装置５０には、原料ガスが通過する３つのガス流路（第一ガス流路５５、第二ガス流路５７、他の一つのガス流路は図示せず）を有するノズル５６が配置されている。ノズル５６は、基材セット治具５２が配置される領域を貫通するように配置されている。ノズル５６の基材セット治具５２近傍の部分には、ガス流路を通過したガスを噴射する複数の噴射孔が形成されている。
　図７は、図６のノズル５６のＸＶＩＩ－ＸＶＩＩ線における断面図である。図７に示されるように、ノズル５６には、第一ガス流路５５、第二ガス流路５７、第三ガス流路５８が設けられている。第一ガス流路５５をＳｉＣｌ４ガスおよびＣ２Ｈ４ガスが通過し、第二ガス流路５７をＴｉＣｌ４ガスが通過し、第三ガス流路５８をＣＨ３ＣＮガスが通過する。
　第一ガス流路５５は、第一噴射孔５５ａに連通している。第一ガス流路５５を通過したガスは、第一噴射孔５５ａから基材に向けて噴射される。第二ガス流路５７は、第二噴射孔５７ａに連通している。第二ガス流路５７を通過したガスは、第二噴射孔５７ａから基材に向けて噴射される。第三ガス流路５８は、第三噴射孔５８ａに連通している。第三ガス流路５８を通過したガスは、第三噴射孔５８ａから基材に向けて噴射される。
　キャリアガスとして、Ｈ２ガス、Ｎ２ガス、Ａｒガスなどを用いてもよい。キャリアガスは、第一噴射孔、第二噴射孔および第三噴射孔のそれぞれから噴射される。本開示において、原料ガスとキャリアガスとを含むガスを、反応ガスと記す。
　第一層の形成時に、ノズルを回転させながら成膜する。これにより、ＳｉＣｌ４濃度およびＣ２Ｈ４濃度が高いガスと、ＴｉＣｌ４濃度が高いガスが交互に基材に吸着するため、第一層に含まれる硬質粒子は、第一単位層と第二単位層とが交互に積層された積層構造を有することができる。第一単位層におけるチタンの原子数および珪素の原子数の合計に対する珪素の原子数の比ｘ１は、第二単位層におけるチタンの原子数および珪素の原子数の合計に対する珪素の原子数の比ｘ２よりも大きく、第一単位層における炭素の原子数および窒素の原子数の合計に対する炭素の原子数の比ｙ１は、第二単位層における炭素の原子数および窒素の原子数の合計に対する炭素の原子数の比ｙ２よりも大きいものとなる。
　本工程において、反応容器内の基材温度は８００℃～９００℃であり、反応容器内の圧力は５０ｈＰａ～２００ｈＰａである。第一層の厚みは、原料ガスの流量と、成膜時間とを調節することによって制御することができる。第一単位層および第二単位層のそれぞれの平均厚さは、ノズルの回転速度と、成膜時間とを調節することによって制御することができる。
　第一層の形成中、反応ガスの総ガス流量は、９０Ｌ／分～１５０Ｌ／分とする。ここで「総ガス流量」とは、標準状態（０℃、１気圧）における気体を理想気体とし、単位時間当たりにＣＶＤ炉に導入された全容積流量を示す。
　被膜が第二層、中間層および第三層の少なくとも１つを含む場合は、これらの層は従来公知の方法で形成することができる。
　（その他の工程）
　次に、被膜が形成された基材を冷却する。冷却速度は、例えば、５℃／ｍｉｎを超えることはなく、また、その冷却速度は基材の温度が低下するにつれて遅くなる。
　なお、上記の工程に加えて、アニーリングなどの熱処理工程、表面研削、ショットブラストなどの表面処理工程を行うことができる。
　上述の製造方法により、実施形態１の切削工具を得ることができる。
　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。
　＜基材の準備＞
　基材として、超硬合金製の基材を準備した。基材の組成は、Ｃｏ：６質量％、ＮｂＣ：１．５質量％および残部がＷＣである。基材の形状は、ＣＮＭＧ１２０４０８Ｎ－ＧＵである。
　＜被膜の形成＞
　基材の表面に、ＣＶＤ法により被膜を形成した。各試料の被膜の構成および各層の厚さを表１に示す。表１の「－」は、該当する層が存在しないことを意味する。第一層は、複数の硬質粒子からなり、硬質粒子は、チタン、珪素、炭素および窒素からなる。表１に示される第二層および第三層は、従来公知のＣＶＤ法によって形成された層である。
　各試料の第一層は、図５に示されるＣＶＤ装置を用いて形成される。表２の「ノズル」の「種類」欄に「Ａ」と記載された試料では、図７に示されるノズル５６を使用した。ノズル５６の第一ガス流路５５をＳｉＣｌ４ガスおよびＣ２Ｈ４ガスが通過し、第二ガス流路５７をＴｉＣｌ４ガスが通過し、第三ガス流路５８をＣＨ３ＣＮガスが通過した。
　表２の「ノズル」の「種類」欄に「Ｂ」と記載された試料では、図８に示されるノズル５６を使用した。ノズル５６の第一ガス流路５５をＳｉＣｌ４ガスが通過し、第二ガス流路５７をＴｉＣｌ４ガスおよびＣ２Ｈ４ガスが通過し、第三ガス流路５８をＣＨ３ＣＮガスが通過した。
　第一ガス流路５５を通過したガスは、第一噴射孔５５ａから基材に向けて噴射された。第二ガス流路５７を通過したガスは、第二噴射孔５７ａから基材に向けて噴射される。第三ガス流路５８を通過したガスは、第三噴射孔５８ａから基材に向けて噴射される。
　各試料において、第一層の形成時の反応ガス全体の体積流量Ｖに対する、ＳｉＣｌ４の体積流量Ｖ１の百分率（Ｖ１／Ｖ）×１００、Ｖに対するＣ２Ｈ４の体積流量Ｖ２の百分率（Ｖ２／Ｖ）×１００、ノズル回転数、基材温度および圧力を、表２に示す。
　その後、基材を冷却して、各試料の切削工具を得た。
　＜第一層の構成＞
　各試料の切削工具において、第一層の断面を明視野走査電子顕微鏡（ＢＦ－ＳＥＭ）で観察したところ、第一層は複数の硬質粒子からなることが確認された。また、表３の「積層構造」欄に「有」と記載されている試料の硬質粒子は、第一単位層と第二単位層とが交互に積層された積層構造を有することが確認された。表３の「積層構造」欄に「無」と記載されている試料の硬質粒子は、積層構造を有しなかった。各試料の切削工具の硬質粒子は、チタン、珪素、炭素および窒素からなる。
　＜硬質粒子の結晶構造＞
　各試料の切削工具の第一層において、硬質粒子の結晶構造を制限視野による電子線回折のパターン解析により確認した。結果を表３に示す。表３において「立方晶」とは、硬質粒子が立方晶構造であることを示す。表３において「非晶質」とは、硬質粒子が非晶質構造であることを示す。
　＜第一層の組織＞
　各試料の切削工具の第一層において、第一層を構成する全硬質粒子の数Ｎに対する、アスペクト比が３以上である第１硬質粒子の数Ｎ１の百分率（Ｎ１／Ｎ）×１００を測定した。具体的な測定方法は、実施形態１に記載の通りである。百分率（Ｎ１／Ｎ）×１００の値が６０％以上の場合、第一層は柱状構造であると判断され、百分率（Ｎ１／Ｎ）×１００の値が６０％未満の場合、第一層は粒状晶からなると判断される。判断結果を表３に示す。
　＜第一層の組成＞
　各試料の切削工具において、第一層のチタンの原子数ＮＴｉおよび珪素の原子数ＮＳｉの合計に対する、珪素の原子数ＮＳｉの比ＮＳｉ／（ＮＴｉ＋ＮＳｉ）の平均、および、炭素の原子数ＮＣおよび窒素の原子数ＮＮの合計に対する、炭素の原子数ＮＣの比ＮＣ／（ＮＣ＋ＮＮ）の平均をＴＥＭ－ＥＤＸにより測定した。具体的な測定方法は、実施形態１に記載の通りである。結果を表１に示す。
　＜第一単位層および第二単位層の組成＞
　各試料の切削工具の硬質粒子において、第一単位層の組成および第二単位層をそれぞれ５層任意に選択し、各単位層の組成を特定し、第一単位層の組成Ｔｉ（１－ｘ１）Ｓｉｘ１Ｃｙ１Ｎ（１－ｙ１）、および、第二単位層の組成Ｔｉ（１－ｘ２）Ｓｉｘ２Ｃｙ２Ｎ（１－ｙ２）におけるｘ１、ｘ２、ｙ１、およびｙ２を得た。具体的な確認方法は、実施形態１に記載の通りである。結果を表４に示す。試料１－５は、積層構造を有さないため、「－」と記載した。
　＜第一単位層の平均厚さおよび第二単位層の平均厚さ＞
　各試料の切削工具の硬質粒子において、第一単位層の平均厚さｄ１および第二単位層の平均厚さｄ２を測定した。具体的な測定方法は、実施形態１に記載の通りである。結果を表４に示す。得られた結果に基づき、隣り合う第一単位層と第二単位層の合計の平均厚さを求めた。結果を表４の「ｄ１＋ｄ２」欄に示す。
　＜切削試験＞
　各試料の切削工具を用いて、以下の切削条件にて切削を行い、逃げ面摩耗量が０．３ｍｍとなるまでの切削時間を測定した。切削時間が長いほど、工具寿命が長いことを示す。結果を表５に示す。
　＜切削条件＞
　被削材：ＳＣＭ４１５丸棒材
　ホルダ：ＤＣＬＮＲ２５２５Ｍ１２
　インサート：ＣＮＭＧ１２０４０８Ｎ－ＧＵ
　切削速度Ｖｃ：３００ｍ／ｍｉｎ
　送りｆ：０．３ｍｍ／ｒｅｖ
　切込み深さａｐ：１．５ｍｍ
　切削液：あり（ＷＥＴ）
　＜考察＞
　試料１～試料１７の切削工具は実施例に該当し、試料１－１～試料１－６の切削工具は比較例に該当する。実施例の切削工具は、比較例の切削工具に比べて、工具寿命が長いことが確認された。実施例の切削工具は、硬度や耐酸化性が優れているとともに、第一単位層の摺動性が向上しているため、溶着の発生が抑制され、溶着に起因する摩耗も抑制された。
　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。本発明の範囲は上記した実施の形態および実施例ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　１　切削工具、１０　基材、１１　第一層、１２　第二層、１３　第三層、１５　被膜、５０　ＣＶＤ装置、５２　基材セット治具、５３　反応容器、５４　調温装置、５５　第一ガス流路、５５ａ　第一噴射孔、５６　ノズル、５７　第二ガス流路、５７ａ　第二噴射孔、５８　第三ガス流路、５８ａ　第三噴射孔、５９　排気管、６０　排気口。

Claims (8)

  1. 　基材と、前記基材上に配置された被膜と、を備える切削工具であって、
    　前記被膜は、第一層を含み、
    　前記第一層は、複数の硬質粒子からなり、
    　前記硬質粒子は、チタン、珪素、炭素および窒素からなり、
    　前記硬質粒子は、立方晶構造であり、
    　前記第一層は、柱状構造であり、
    　前記第一層において、前記チタンの原子数ＮＴｉおよび前記珪素の原子数ＮＳｉの合計に対する、前記珪素の原子数ＮＳｉの比ＮＳｉ／（ＮＴｉ＋ＮＳｉ）の平均は、０．０１以上０．１０以下であり、
    　前記第一層において、前記炭素の原子数ＮＣおよび前記窒素の原子数ＮＮの合計に対する、前記炭素の原子数ＮＣの比ＮＣ／（ＮＣ＋ＮＮ）の平均は、０．６０以上０．８５以下であり、
    　前記硬質粒子は、第一単位層と第二単位層とが交互に積層された積層構造を有し、
    　前記第一単位層および前記第二単位層のそれぞれは、前記チタン、前記珪素、前記炭素および前記窒素からなり、
    　前記第一単位層における前記チタンの原子数および前記珪素の原子数の合計に対する前記珪素の原子数の比ｘ１は、前記第二単位層における前記チタンの原子数および前記珪素の原子数の合計に対する前記珪素の原子数の比ｘ２よりも大きく、
    　前記第一単位層における前記炭素の原子数および前記窒素の原子数の合計に対する前記炭素の原子数の比ｙ１は、前記第二単位層における前記炭素の原子数および前記窒素の原子数の合計に対する前記炭素の原子数の比ｙ２よりも大きい、切削工具。
  2. 　前記第一単位層の平均厚さは、２ｎｍ以上１５ｎｍ以下であり、
    　前記第二単位層の平均厚さは、２ｎｍ以上１５ｎｍ以下である、請求項１に記載の切削工具。
  3. 　隣り合う第一単位層と第二単位層の合計の平均厚さは、４ｎｍ以上３０ｎｍ以下である、請求項１または請求項２に記載の切削工具。
  4. 　前記第一層の厚さは、１．０μｍ以上１５μｍ以下である、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. 　前記被膜は、前記基材と、前記第一層との間に配置される第二層を含み、
    　前記第二層は、ＴｉＮ層、ＴｉＣ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＢＮ層、ＴｉＣＮＯ層およびＡｌ２Ｏ３層からなる群より選択される少なくとも１種を含む、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。
  6. 　前記被膜は、前記第一層の前記被膜の表面側に配置される第三層を含み、
    　前記第三層は、ＴｉＮ層、ＴｉＣ層、ＴｉＣＮ層、ＴｉＢＮ層、ＴｉＣＮＯ層およびＡｌ２Ｏ３層である、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の切削工具。
  7. 　前記ｘ１は、０．０１以上０．１１以下であり、
    　前記ｙ１は、０．６０以上０．８５以下である、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の切削工具。
  8. 　前記ｘ１と前記ｘ２との差は、０．０１以上０．０７以下であり、
    　前記ｙ１と前記ｙ２との差は、０．０１以上０．１０以下である、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の切削工具。
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