特許 6037255 表面被覆切削工具およびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6037255

(24)【登録日】2016年11月11日

(45)【発行日】2016年12月7日

(54)【発明の名称】表面被覆切削工具およびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   B23B 27/14 20060101AFI20161128BHJP

   B23C 5/16 20060101ALI20161128BHJP

   B23B 51/00 20060101ALI20161128BHJP

   B23F 21/00 20060101ALI20161128BHJP

   B23D 77/00 20060101ALI20161128BHJP

   B23G 5/06 20060101ALI20161128BHJP

   C23C 16/34 20060101ALI20161128BHJP

   C23C 16/36 20060101ALI20161128BHJP

【ＦＩ】

   B23B27/14 A

   B23C5/16

   B23B51/00 J

   B23F21/00

   B23D77/00

   B23G5/06 C

   C23C16/34

   C23C16/36

【請求項の数】7

【全頁数】31

(21)【出願番号】特願2016-78296(P2016-78296)

(22)【出願日】2016年4月8日

【審査請求日】2016年9月14日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】503212652

【氏名又は名称】住友電工ハードメタル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】特許業務法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】パサート アノンサック

(72)【発明者】

【氏名】今村 晋也

(72)【発明者】

【氏名】小野 聡

(72)【発明者】

【氏名】金岡 秀明

【審査官】 村上 哲

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１５／１４７１６０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１５−１６３４２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 中国特許出願公開第１０４８０１９４１（ＣＮ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１６／０１７７９０（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｂ ２７／１４

Ｂ２３Ｂ ５１／００

Ｂ２３Ｃ ５／１６

Ｂ２３Ｄ ７７／００

Ｂ２３Ｆ ２１／００

Ｂ２３Ｇ ５／０６

Ｃ２３Ｃ １６／３４

Ｃ２３Ｃ １６／３６

ＷＰＩ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基材と、該基材の表面に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、
前記被膜は、塩化ナトリウム型の結晶構造を有する結晶粒を含む第１硬質被膜層を含み、
前記結晶粒は、Ａｌ_xＴｉ_1-xの窒化物または炭窒化物からなる第１層と、Ａｌ_yＴｉ_1-yの窒化物または炭窒化物からなる第２層とが交互に１層以上積層された積層構造を有し、
前記第１層のＡｌの原子比ｘは、それぞれ０．７６以上１未満の範囲で変動し、
前記第２層のＡｌの原子比ｙは、それぞれ０．４５以上０．７６未満の範囲で変動し、
前記原子比ｘと前記原子比ｙとは、その差の最大値が０．０５≦ｘ−ｙ≦０．５となり、
隣り合う前記第１層と前記第２層との厚みの合計は、３〜３０ｎｍであり、
前記結晶粒は、前記基材の表面の法線方向に平行な断面において電子線後方散乱回折装置を用いて前記結晶粒の結晶方位をそれぞれ解析することにより、前記結晶粒の結晶面である（２００）面に対する法線と前記基材の表面に対する法線との交差角を測定し、前記交差角が０〜４５度となる前記結晶粒を０度から５度単位で区分けして９つのグループを構築し、各グループに含まれる前記結晶粒の面積の和である度数をそれぞれ算出したとき、前記交差角が０〜２０度となる前記結晶粒が含まれる４つのグループの前記度数の合計が、全グループの前記度数の合計の５０％以上１００％以下となり、
前記表面被覆切削工具は、前記交差角が１０〜２０度となる前記結晶粒が含まれる２つのグループの前記度数の合計が、前記全グループの前記度数の合計の３０％以上１００％以下となる、表面被覆切削工具。

【請求項2】

前記被膜は、前記基材と前記第１硬質被膜層との間に第２硬質被膜層を含み、
前記第２硬質被膜層は、その厚みが０．０１〜０．５μｍである、請求項１に記載の表面被覆切削工具。

【請求項3】

前記第１硬質被膜層は、その厚みが１〜１５μｍである、請求項１または請求項２に記載の表面被覆切削工具。

【請求項4】

前記第１硬質被膜層は、ナノインデンテーション法による押し込み硬さが２８ＧＰａ以上３８ＧＰａ以下である、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の表面被覆切削工具。

【請求項5】

前記第１硬質被膜層は、圧縮残留応力の絶対値が０．５ＧＰａ以上５．０ＧＰａ以下である、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の表面被覆切削工具。

【請求項6】

請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の表面被覆切削工具の製造方法であって、
前記基材を準備する第１工程と、
前記第１硬質被膜層を含む前記被膜を化学蒸着法を用いて形成する第２工程とを含む、表面被覆切削工具の製造方法。

【請求項7】

前記第２工程は、ＡｌＣｌ₃ガスおよびＴｉＣｌ₄ガスの両方またはいずれか一方の流量を変調させながら前記結晶粒を成長させる工程を含む、請求項６に記載の表面被覆切削工具の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、表面被覆切削工具およびその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、超硬合金からなる切削工具は、切削加工時にその刃先が高温、高負荷などの過酷な環境に曝されるため、刃先が摩耗したり、欠けたりするといった問題が生じる場合が多い。このため、切削工具の切削性能の改善を目的として超硬合金などの基材の表面を被覆する被膜の開発が進められている。なかでも、チタン（Ｔｉ）およびアルミニウム（Ａｌ）と、窒素（Ｎ）および炭素（Ｃ）の両方またはいずれか一方との化合物（以下、「ＡｌＴｉＮ」、「ＡｌＴｉＣＮ」などとも称する）からなる被膜は、高い硬度を有することができ、かつＡｌの含有割合を高めることによって耐酸化性が向上することが知られる。このような被膜で切削工具を被覆することにより、切削工具の性能の改善が期待されている。

【0003】

しかしながら、池田ら（非特許文献１）は、物理蒸着（ＰＶＤ：physical vapor deposition）法によりＡｌの原子比が０．７を超える「ＡｌＴｉＮ」または「ＡｌＴｉＣＮ」の被膜を作製すると、上記被膜の層構造がウルツ鉱型結晶構造に相転移するため、硬度が低下すると指摘している。瀬戸山ら（非特許文献２）は、「ＡｌＴｉＮ」または「ＡｌＴｉＣＮ」の被膜中のＡｌの含有割合を高めるため、ＰＶＤ法によりＴｉＮ／ＡｌＮの超多層膜を作製した。しかしＡｌＮ一層当たり、３ｎｍを超える厚みで「ＡｌＴｉＮ」または「ＡｌＴｉＣＮ」の被膜を作製すると、その層構造がウルツ鉱型結晶構造に相転移するため、硬度が低下することを報告している。したがって、化学蒸着（ＣＶＤ：chemical vapor deposition）法を用い、Ａｌの原子比を高めるなどの技術により、より一段と切削性能を向上させることが検討されている。

【0004】

たとえば、特開２０１４−１２９５６２号公報（特許文献１）には、ＡｌＣｌ₃ガス、ＴｉＣｌ₄ガス、ＮＨ₃ガス、Ｈ₂ガスおよびＮ₂ガスを圧力１．３ｋＰａ、温度８００℃の反応容器内に導入し、その後、基材の温度が２００℃になるまで１０℃／ｍｉｎの冷却速度で反応容器を冷却する方法が開示されている。これにより、厚さ２ｎｍの面心立方格子（ｆｃｃ）構造のＴｉＮと厚さ６ｎｍのｆｃｃ構造のＡｌＮとが交互に積層された構造を有する硬質被膜をＣＶＤ法で形成することができるとされている。

【0005】

さらに、特開２０１５−１９３０７１号公報（特許文献２）には、（Ｔｉ_1-xＡｌ_xＮ）（Ｃ_yＮ_1-y）で表される複合窒化物層または複合炭窒化物層を含み、この層が立方晶構造を有する結晶粒を含み、ＴｉとＡｌとの組成が工具基体の表面の法線方向に沿って周期的に変化する硬質被膜層について開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１４−１２９５６２号公報

【特許文献2】特開２０１５−１９３０７１号公報

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】Ｔ． Ｉｋｅｄａ ｅｔ ａｌ．， “Ｐｈａｓｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｈａｒｄ ｃｏａｔｉｎｇｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ ｓｙｓｔｅｍ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｃａｔｈｏｄｉｃ ａｒｃ ｉｏｎ ｐｌａｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ”， Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ １９５ （１９９１） ９９−１１０

【非特許文献2】Ｍ． Ｓｅｔｏｙａｍａ ｅｔ ａｌ．， “Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｕｂｉｃ−ＡｌＮ ｉｎ ＴｉＮ／ＡｌＮ ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ”， Ｓｕｒｆａｃｅ ＆ Ｃｏａｔｉｎｇｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ８６−８７ （１９９６） ２２５−２３０

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

特許文献１では、硬質被膜がｆｃｃ構造のＴｉＮとｆｃｃ構造のＡｌＮとが交互に積層された構造のみから構成されているため、硬質被膜の硬度は非常に高く、耐摩耗性が良好である。しかしながら、特許文献１に記載の硬質被膜を切削工具に用いた場合、高速切削でチッピングが生じたり被削材によっては突発的に欠損が生じ、切削工具の長寿命化を実現することができないケースがあった。その理由は明らかではないが、過度な急冷操作によりｆｃｃ構造のＴｉＮとｆｃｃ構造のＡｌＮとの界面の格子不整合に起因し、ｆｃｃ構造のＡｌＮに強い引張残留応力が生じていることによるものと推測される。

【0009】

特許文献２では、複合窒化物層または複合炭窒化物層が立方晶構造を有し、ＴｉとＡｌの組成が基体の法線方向に沿って周期的に変化することにより、高硬度かつ靱性にも優れる硬質被覆層を実現したとされている。しかしながら、この硬質被覆層は特に耐チッピング性の獲得において改善の余地があった。したがって、未だ望んだ長寿命を実現することには至っておらず、その開発が切望されている。

【0010】

本発明は、上記実情に鑑みてなされ、高硬度かつ靱性に優れ、特に高い耐チッピング性能を示すことができる表面被覆切削工具およびその製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の一態様に係る表面被覆切削工具は、基材と、該基材の表面に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、前記被膜は、塩化ナトリウム型の結晶構造を有する結晶粒を含む第１硬質被膜層を含み、前記結晶粒は、Ａｌ_xＴｉ_1-xの窒化物または炭窒化物からなる第１層と、Ａｌ_yＴｉ_1-yの窒化物または炭窒化物からなる第２層とが交互に１層以上積層された積層構造を有し、前記第１層のＡｌの原子比ｘは、それぞれ０．７６以上１未満の範囲で変動し、前記第２層のＡｌの原子比ｙは、それぞれ０．４５以上０．７６未満の範囲で変動し、前記原子比ｘと前記原子比ｙとは、その差の最大値が０．０５≦ｘ−ｙ≦０．５となり、隣り合う前記第１層と前記第２層との厚みの合計は、３〜３０ｎｍであり、前記結晶粒は、前記基材の表面の法線方向に平行な断面において電子線後方散乱回折装置を用いて前記結晶粒の結晶方位をそれぞれ解析することにより、前記結晶粒の結晶面である（２００）面に対する法線と前記基材の表面に対する法線との交差角を測定し、前記交差角が０〜４５度となる前記結晶粒を０度から５度単位で区分けして９つのグループを構築し、各グループに含まれる前記結晶粒の面積の和である度数をそれぞれ算出したとき、前記交差角が０〜２０度となる前記結晶粒が含まれる４つのグループの前記度数の合計が、全グループの前記度数の合計の５０％以上１００％以下となる。

【0012】

本発明の一態様に係る表面被覆切削工具の製造方法は、前記基材を準備する第１工程と、前記第１硬質被膜層を含む前記被膜を化学蒸着法を用いて形成する第２工程とを含む。

【発明の効果】

【0013】

上記によれば、高硬度かつ靱性に優れ、特に高い耐チッピング性能を示すことができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】（Ａ）は、表面被覆切削工具における被膜の顕微鏡像を捕えた図面代用写真であって、（Ｂ）は、（Ａ）の破線囲い部を拡大して示す図面代用写真である。

【図2】図１（Ｂ）における矢印方向のＡｌＴｉＮの組成比の変動を説明するグラフである。

【図3】（Ａ）は、図１（Ａ）を拡大して示す図面代用写真である。（Ｂ）は、（Ａ）をさらに拡大して示す図面代用写真である。

【図4】電子線後方散乱回折装置を用いて解析した第１硬質被膜層に含まれる結晶粒の交差角度数分布の一例を示すグラフである。

【図5】本実施形態に係る表面被覆切削工具の製造方法に用いる化学蒸着（ＣＶＤ）装置を模式的に示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

［本発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。

【0016】

［１］本発明の一態様に係る表面被覆切削工具は、基材と、該基材の表面に形成された被膜とを備える表面被覆切削工具であって、上記被膜は、塩化ナトリウム型の結晶構造を有する結晶粒を含む第１硬質被膜層を含み、上記結晶粒は、Ａｌ_xＴｉ_1-xの窒化物または炭窒化物からなる第１層と、Ａｌ_yＴｉ_1-yの窒化物または炭窒化物からなる第２層とが交互に１層以上積層された積層構造を有し、上記第１層のＡｌの原子比ｘは、それぞれ０．７６以上１未満の範囲で変動し、上記第２層のＡｌの原子比ｙは、それぞれ０．４５以上０．７６未満の範囲で変動し、上記原子比ｘと上記原子比ｙとは、その差の最大値が０．０５≦ｘ−ｙ≦０．５となり、隣り合う上記第１層と上記第２層との厚みの合計は、３〜３０ｎｍであり、上記結晶粒は、上記基材の表面の法線方向に平行な断面において電子線後方散乱回折装置を用いて上記結晶粒の結晶方位をそれぞれ解析することにより、上記結晶粒の結晶面である（２００）面に対する法線と前記基材の表面に対する法線との交差角を測定し、上記交差角が０〜４５度となる上記結晶粒を０度から５度単位で区分けして９つのグループを構築し、各グループに含まれる上記結晶粒の面積の和である度数をそれぞれ算出したとき、上記交差角が０〜２０度となる上記結晶粒が含まれる４つのグループの上記度数の合計が、全グループの上記度数の合計の５０％以上１００％以下となる。このような構成の表面被覆切削工具は、高硬度かつ靱性に優れ、高硬度に基づいた高い耐摩耗性とともに、優れた靱性に基づいた高い耐チッピング性能を備えて長寿命を実現することができる。

【0017】

［２］上記表面被覆切削工具は、上記交差角が１０〜２０度となる上記結晶粒が含まれる２つのグループの上記度数の合計が、上記全グループの上記度数の合計の３０％以上１００％以下となる。これにより、より優れた耐チッピング性能を示すことができる。

【0018】

［３］上記被膜は、上記基材と上記第１硬質被膜層との間に第２硬質被膜層を含み、上記第２硬質被膜層は、その厚みが０．０１〜０．５μｍである。これにより、高硬度かつ高い密着性をもった第１硬質被膜層を実現することができる。

【0019】

［４］上記第１硬質被膜層は、その厚みが１〜１５μｍである。これにより、耐摩耗性および耐酸化性においてもより優れた性能を示すことができる。

【0020】

［５］上記第１硬質被膜層は、ナノインデンテーション法による押し込み硬さが２８ＧＰａ以上３８ＧＰａ以下である。これにより、切削工具などに適用した場合に刃先の耐摩耗性を向上させることができる。

【0021】

［６］上記第１硬質被膜層は、圧縮残留応力の絶対値が０．５ＧＰａ以上５．０ＧＰａ以下である。これにより、切削工具などに適用した場合に刃先の靱性を向上させて、より優れた耐チッピング性を示すことができる。

【0022】

［７］本発明の一態様に係る表面被覆切削工具の製造方法は、上記基材を準備する第１工程と、上記第１硬質被膜層を含む上記被膜を化学蒸着法を用いて形成する第２工程とを含む。これにより、高硬度かつ靱性に優れ、特に高い耐チッピング性能を示す表面被覆切削工具を製造することができる。

【0023】

［８］上記第２工程は、ＡｌＣｌ₃ガスおよびＴｉＣｌ₄ガスの両方またはいずれか一方の流量を変調させながら前記結晶粒を成長させる工程を含む。これにより、高硬度かつ靱性に優れ、特に高い耐チッピング性能を示す表面被覆切削工具を歩留まりよく製造することができる。

【0024】

［本発明の実施形態の詳細］
以下、実施形態について説明する。以下の実施形態の説明に用いられる図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わす。

【0025】

ここで、本明細書において「Ａ〜Ｂ」という形式の表記は、範囲の上限下限（すなわちＡ以上Ｂ以下）を意味し、Ａにおいて単位の記載がなく、Ｂにおいてのみ単位が記載されている場合、Ａの単位とＢの単位とは同じである。また、本明細書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ものではない。たとえば「ＴｉＡｌＮ」と記載されている場合、ＴｉＡｌＮを構成する原子数の比はＴｉ：Ａｌ：Ｎ＝０．５：０．５：１に限られず、従来公知のあらゆる原子比が含まれる。このことは、「ＴｉＡｌＮ」以外の化合物の記載についても同様である。本実施形態において、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）などの金属元素と、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）または炭素（Ｃ）などの非金属元素とは、必ずしも化学量論的な組成を構成している必要がない。

【0026】

≪表面被覆切削工具≫
本実施形態に係る表面被覆切削工具は、基材と、該基材の表面に形成された被膜とを備える。被膜は、基材の全面を被覆することが好ましい。しかしながら、基材の一部がこの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、本発明の範囲を逸脱するものではない。

【0027】

本実施形態に係る表面被覆切削工具は、高硬度かつ靱性に優れ、高硬度に基づいた高い耐摩耗性とともに、優れた靱性に基づいた高い耐チッピング性能を備えて長寿命を実現することができる。したがって、ドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型切削チップ、エンドミル用刃先交換型切削チップ、フライス加工用刃先交換型切削チップ、旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどの切削工具として好適に使用することができる。

【0028】

≪基材≫
基材は、この種の基材として従来公知のものであればいずれも使用することができる。たとえば、超硬合金（たとえば、ＷＣ基超硬合金、ＷＣのほか、Ｃｏを含み、あるいはＴｉ、Ｔａ、Ｎｂなどの炭窒化物を添加したものも含む）、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のいずれかであることが好ましい。

【0029】

これらの各種基材の中でも超硬合金、特にＷＣ基超硬合金、またはサーメット（特にＴｉＣＮ基サーメット）を選択することが好ましい。これらの基材は、特に高温における硬度と強度のバランスに優れ、上記用途の表面被覆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およびη相と呼ばれる異常層の両方またはいずれか一方を含んでいてもよい。

【0030】

表面被覆切削工具が刃先交換型切削チップなどである場合、基材は、チップブレーカーを有するものも、有さないものも含まれる。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）、ホーニングとネガランドを組み合わせたものの中で、いずれのものも含まれる。

【0031】

≪被膜≫
本実施形態において、被膜は、塩化ナトリウム型の結晶構造を有する結晶粒を含む第１硬質被膜層を含む。第１硬質被膜層に含まれる結晶粒が塩化ナトリウム型の結晶構造を有していることは、Ｘ線回折装置（たとえば、商品名：「ＳｍａｒｔＬａｂ」、株式会社リガク製）を用いて分析することにより確認することができる。図１に本実施形態における被膜（ＳＴＥＭ像）の一例を示す。

【0032】

＜第１硬質被膜層＞
（結晶粒の積層構造）
第１硬質被膜層に含まれる結晶粒は、Ａｌ_xＴｉ_1-xの窒化物または炭窒化物からなる第１層と、Ａｌ_yＴｉ_1-yの窒化物または炭窒化物からなる第２層とが交互に１層以上積層された積層構造を有している。さらに、第１層のＡｌの原子比ｘは、各第１層中で０．７６以上１未満の範囲で変動し、第２層のＡｌの原子比ｙは、各第２層中で０．４５以上０．７６未満の範囲で変動する。換言すれば、第１硬質被膜層に含まれる結晶粒は、Ａｌの原子比が高い割合を維持して変動する第１層と、この第１層に比べＡｌの原子比が相対的に低い割合を維持して変動する第２層とが、交互に配置される積層構造を有している。

【0033】

より詳細には、図１（Ａ）に示すように、第１硬質被膜層に含まれる結晶粒は、それぞれＡｌＴｉの窒化物または炭窒化物の同一結晶相（Ｈｏｍｏ−Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）であって、Ａｌの原子比が、この同一結晶相の内部で変動している。この変動は周期的であって、連続的または段階的であることが好ましい。これにより、第１硬質被膜層に含まれる結晶粒は、図１（Ｂ）に示すように、所定の界面に微小な歪が生じ、この歪に基づいて異なった層として区別され得る第１層および第２層からなる積層構造が形成されることとなる。なお、Ａｌの原子比の変動については、その一例を図２を用いて後述する。

【0034】

第１層および第２層の組成は、窒化物または炭窒化物のいずれでもよい。ただし、第１層の組成が窒化物となる場合、第２層の組成も窒化物となる。第１層の組成が炭窒化物となる場合、第２層の組成も炭窒化物となる。第１層の組成が窒化物となる場合に、第２層の組成が炭窒化物となることはなく、第１層の組成が炭窒化物となる場合に、第２層の組成が窒化物となることはない。

【0035】

第１硬質被膜層に含まれる結晶粒は、第１硬質被膜層に少なくとも２つ含まれていればよく、３つ以上含まれていることが好ましい。さらに第１硬質被膜層に含まれる結晶粒は、双晶の結晶構造を有することが好ましく、この双晶中の結晶構造において記号Σ３で示される対応粒界を線対称軸とし、この軸の両側に上述の積層構造が存在していることがより好ましい。

【0036】

上述したように結晶粒は、塩化ナトリウム型の結晶構造を有し、その粒内に第１層と第２層とからなる積層構造に基づく歪みを有している。この歪によって結晶粒は硬度が向上する。このため本実施形態における被膜（第１硬質被膜層）は、耐摩耗性を向上させることができる。その結果、このような被膜で被覆された基材を備えた表面被覆切削工具は、優れた耐摩耗性を有して長寿命化が達成される。

【0037】

（Ａｌの原子比）
上述のとおり第１硬質被膜層は、結晶粒内にＡｌ_xＴｉ_1-xの窒化物または炭窒化物からなる第１層と、Ａｌ_yＴｉ_1-yの窒化物または炭窒化物からなる第２層とが交互に１層以上積層された積層構造を有している。この積層構造において第１層のＡｌの原子比ｘは、それぞれ０．７６以上１未満の範囲で変動する。第２層のＡｌの原子比ｙは、それぞれ０．４５以上０．７６未満の範囲で変動する。さらに、原子比ｘと原子比ｙとは、その差の最大値が０．０５≦ｘ−ｙ≦０．５となる。

【0038】

原子比ｘと原子比ｙとの差の最大値は、後述する方法で原子比ｘおよび原子比ｙの値を断面サンプルに基づいて算出したとき、算出されたすべての原子比ｘの値のうちの最大値と、算出されたすべての原子比ｙの値のうちの最小値との差を求めたときに得られる値をいう。すなわち第１硬質被膜層の全体を対象にし、その中から選んだ原子比ｘの最大値と、原子比ｙの最小値との差を求めたときに得られる値と同義となる。

【0039】

原子比ｘと原子比ｙとの差の最大値は、０．０５未満となると、結晶粒内の歪みが小さくなるため、硬度が低下する傾向がある。一方でその差の最大値は、０．５を超えると、結晶粒内の歪みが増大し、引張残留応力が大きくなるので、靱性が低下する傾向がある。

【0040】

ここで結晶粒内のＡｌの原子比が、第１層および第２層の積層方向（図１（Ｂ）の矢印方向）に周期的かつ連続的に変動している例を示したグラフを図２に示す。図２において、横軸は、基材の表面に対する法線であって結晶粒を貫いている法線上の測定位置（測定開始位置からの距離）を表し、縦軸が各測定位置におけるＡｌおよびＴｉの原子比、ならびにＡｌおよびＴｉの原子比の合量に占めるＡｌの原子比（割合）を表す。図２中の原子比ｚは、原子比ｘおよび原子比ｙの両者を包含して表す総称として用いている。

【0041】

図２においてＡｌの原子比の値は、測定開始位置からの距離が大きくなるにつれ、たとえば連続的な増加を経て極大点を迎えた後、極小点に向けて連続的に減少している。この極小点を通過した後は、次の極大点に向けて再び、連続的な増加に転じ、その後このような変動が複数回繰り返される。このことから第１層と第２層とは、その積層方向にＡｌの原子比が周期的かつ連続的に変動していることがわかる。さらにＡｌの原子比が小さくなる、すなわちＴｉの原子比が多くなることによって歪が生じ、第１層と第２層とは図１（Ｂ）に示すような縞状の積層状態として確認される。図２においてＡｌの原子比の変動の形状は、正弦波に似た形状である。さらに、隣り合う連続的な増加と連続的な減少とからなる１周期の幅は、隣り合う第１層と第２層との厚みの合計を表している。

【0042】

原子比ｘおよび原子比ｙは、第１硬質被膜層において基材の表面の法線方向に平行な断面サンプルを得て、この断面サンプルに現われた結晶粒に対してＳＥＭまたはＴＥＭ付帯のエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ：Energy Dispersive X-ray spectroscopy）装置を用いて分析することにより、その分析位置での原子比を算出することができる。さらに、上記ＥＤＸを用いた分析を繰り返し行なうことにより、原子比ｘおよび原子比ｙを算出する対象を該断面サンプルの全面に拡大することができる。したがって、第１硬質被膜層の任意の箇所においてその断面サンプルを得ることにより、第１硬質被膜層の任意の箇所における原子比ｘおよび原子比ｙを特定することができる。

【0043】

第１層のＡｌの原子比ｘは、０．７６未満となることはない。原子比ｘが０．７６未満であれば、もはや第２層のＡｌの原子比ｙであるというべきだからである。原子比ｙが０．７６以上となることがないことも同じ理由に基づく。原子比ｘは、第１層がＴｉを含むため１となることもない。一方で、高い耐摩耗性を保ちつつ靭性を向上させる観点から、原子比ｙは０．４５以上となる。原子比ｙが０．４５未満となると、Ａｌ量の低下で耐酸化性が劣るようになり、被膜の酸化に伴う靱性の低下が起こりやすくなる。

【0044】

結晶粒内のＡｌの原子比の上限値、すなわち原子比ｘの好ましい上限値は、０．９５である。結晶粒内のＡｌの原子比の下限値、すなわち原子比ｙの好ましい下限値は、０．５である。原子比ｘと原子比ｙとの差の最大値の好ましい値は、０．１以上０．４５以下である。原子比ｘと原子比ｙとの差の最大値のさらに好ましい値は、０．２６以上０．４５以下である。

【0045】

（隣り合う第１層および第２層の厚み）
本実施形態において、隣り合う第１層と第２層との厚みの合計（以下、「積層周期」とも称する）は、３〜３０ｎｍである。たとえば、図２では、積層周期は、およそ１０ｎｍであることを示している。このような厚みで第１層と第２層とからなる積層構造を有することにより、結晶粒は高硬度となり、かつ靱性が向上する。特に、結晶粒が後述するような結晶方位に配向することにより、結晶粒の靱性に基づいた表面被覆切削工具の耐チッピング性への寄与がより効果的となる。

【0046】

隣り合う第１層と第２層との厚みの合計は、３ｎｍ未満であると靱性が低下する。一方で、３０ｎｍを超えると、結晶粒がウルツ鉱型結晶構造へ相転移することにより硬度が低下する傾向があり、耐摩耗性に悪影響が及ぶ。隣り合う第１層と第２層との厚みの合計は、好ましくは、５〜２５ｎｍである。

【0047】

隣り合う第１層と第２層とは、少なくとも１組が３〜３０ｎｍの厚みを有していればよい。しかしながら、隣り合う第１層と第２層とのすべての組が３〜３０ｎｍの厚みを有することより、耐チッピング性に優れた被膜を安定して作製することができるので好ましい。

【0048】

第１層および第２層の厚みは、原子比ｘおよび原子比ｙを測定するときと同様に、第１硬質被膜層において基材の表面の法線方向に平行な断面サンプルを得て、このサンプルをＳＴＥＭで観察することにより正確に測定することができる。このようなＳＴＥＭを用いた測定方法としては、ＳＴＥＭ高角度散乱暗視野法（ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ：High-Angle Annular Dark-field Scanning Transmission Electron Microscopy）を挙げることができる。本明細書において「厚み」といった場合、その厚みは平均厚みを意味する。隣り合う第１層と第２層との厚みの合計は、たとえば、第１硬質被膜層の１０箇所において断面を得て、その断面に現われた１０の結晶粒において、それぞれ１０組の隣り合う第１層と第２層の厚みの合計を測定し、その平均値を該厚みの合計として表すことができる。このとき、観察倍率を５０００００倍とし、観察面積を０．１μｍ²程度として１視野に１個の結晶粒が現れるように調節する。これを１０回以上繰り返して行なうことより、平均値を算出するのに十分な数の「隣り合う第１層と第２層との厚みの合計」を測定することができる。

【0049】

（結晶粒の（２００）面を対象とした交差角度数分布の測定）
本実施形態において結晶粒は、基材の表面の法線方向に平行な断面において電子線後方散乱回折（ＥＢＳＤ：Electron BackScatter Diffraction）装置を用いて結晶粒の結晶方位をそれぞれ解析することにより、結晶粒の結晶面である（２００）面に対する法線と基材の表面に対する法線との交差角を測定し、交差角が０〜４５度となる結晶粒を０度から５度単位で区分けして９つのグループを構築し、各グループに含まれる結晶粒の面積の和である度数をそれぞれ算出したとき、交差角が０〜２０度となる結晶粒が含まれる４つのグループの度数の合計が、全グループの度数の合計の５０％以上１００％以下となる。交差角が０〜２０度となる結晶粒が含まれる４つのグループの度数の合計が、このような範囲となることにより、結晶粒は特に靱性が向上し、表面被覆切削工具の優れた耐チッピング性に寄与することができる。

【0050】

以下、第１硬質被膜層を構成する個々の結晶粒の交差角を測定し、その分布を求めることを「交差角度数分布を測定する」というものとする。

【0051】

本実施形態では、この交差角度数分布の測定にＥＢＳＤ装置を備えた電界放出型走査型電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）を用いる。基材の表面の法線方向に平行な断面を研磨して断面研磨面とした被測定面を対象とし、第１硬質被膜層に含まれる個々の結晶粒の（２００）面の交差角を測定する。被測定面である断面研磨面は、上記断面を耐水研磨紙で研磨し、さらにアルゴンイオンを用いたイオンミーリング処理を行なうことにより得ることができる。

【0052】

ここで、交差角度数分布の測定に必要な被測定面（断面研磨面）を準備するための研磨加工方法は、次のとおりである。

【0053】

まず、第１硬質被膜層を後述の製造方法に基づき形成する。この第１硬質被膜層に対し、基材の表面の法線方向に平行な断面が得られるように切断する。その後、その切断面を耐水研磨紙（研磨剤としてＳｉＣ砥粒研磨剤を含むもの）で研磨する。

【0054】

上記の切断は、たとえば第１硬質被膜層の表面（第１硬質被膜層上に他の層が形成されている場合は被膜表面とする）を、十分に大きな保持用の平板上にワックスなどを用いて密着固定した後、回転刃の切断機でその平板に対して垂直方向に切断する（該回転刃と該平板とが可能な限り垂直となるように切断する）。基材の表面と第１硬質被膜層の表面（被膜表面）とは平行であると考えられるからである。この切断は、このような垂直方向に対して行なわれる限り、第１硬質被膜層の任意の部位で行なうことができ、これにより得られた断面を以下のように研磨および平滑化することにより、被測定面を準備することができる。

【0055】

研磨は、上記耐水研磨紙＃４００、＃８００、＃１５００を順に用いて行なう（耐水研磨紙の番号（＃）は研磨剤の粒径の違いを意味し、数字が大きくなるほど研磨剤の粒径は小さくなる）。

【0056】

引続き、上記耐水研磨紙により研磨した断面をＡｒイオンによるイオンミーリング処理によりさらに平滑化する。イオンミーリング処理の条件は、たとえば以下のとおりである。
加速電圧： ６ｋＶ
照射角度： 基材表面の法線方向から０°
照射時間： ６時間。

【0057】

その後、上記の平滑化された第１硬質被膜層の断面研磨面を、ＥＢＳＤ装置を備えたＦＥ−ＳＥＭによって観察すればよい。この観察は、集束電子ビームを各ピクセル上へ個別に配置し、順にＥＢＳＤデータを収集することによって行なうことができる。たとえば、ＨＫＬ ＮＬ０２ ＥＢＳＤ検出器を備えたＦＥ−ＳＥＭ（商品名：「Ｚｅｉｓｓ Ｓｕｐｒａ ３５ ＶＰ」、ＣＡＲＬ ＺＥＩＳＳ社製）を用いることができる。

【0058】

ＥＢＳＤ装置を備えたＦＥ−ＳＥＭによる被測定面の観察は、次のとおりである。ＥＢＳＤ装置は、後方散乱電子によって発生する菊池回折パターンの自動分析に基づき、結晶粒が配向する結晶方位、およびこの結晶方位が基材の表面に対する法線に対してどの程度の角度で交差しているのか（交差角）を測定することができる。このため交差角度数分布は、ＥＢＳＤ装置を備えたＦＥ−ＳＥＭを用いて被測定面を撮影し、各撮影画像の各ピクセルの（２００）面の法線方向と、基材の表面の法線方向との交差角を算出し、統計処理を施すことにより求めることができる。その結果、たとえば交差角が０〜５度以内であると算出されたピクセルは、基材の表面に対する法線と（２００）面の法線との交差角が０〜５度となる結晶粒に対応する。したがって、たとえば交差角が０〜５度以内であると算出されたピクセルの数の和が、交差角が０〜５度以内となる結晶粒の面積の和と対応する。

【0059】

本実施形態では、上記交差角が０〜４５度と算出されたピクセルを選択し、０度から５度単位で色分けするなどして区分けして９つのグループを構築し、この９つのグループのそれぞれにおいてピクセルの数の和、すなわち結晶粒の面積の和である度数を算出して交差角度数分布を測定する。このように、本明細書において「度数」は、各グループに含まれる被測定面に現われた結晶粒の面積の和として、グループごとにそれぞれ算出される。

【0060】

交差角度数分布の測定にあたり、その正確性を担保する観点から、ＦＥ−ＳＥＭの観察倍率を２０００〜２００００倍の範囲から適宜選択し、かつ観察面積も５０〜１０００μｍ²の範囲ら適宜選択し、１視野に１０〜１００個の結晶粒が現れるような状態にすることが好ましい。

【0061】

上記交差角の算出、該交差角が０〜４５度となるピクセルの選択、および上記度数の算出は、市販のソフトウェア（商品名：「Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ Ｖｅｒ ６．２」、ＥＤＡＸ社製）を用いて行なうことができる。

【0062】

本実施形態において、交差角が０〜５度となる結晶粒が区分けされるグループを除き、各グループにおいて最小となる交差角は、該グループに含まれないものとする。したがって、交差角が０度および５度となる結晶粒は、０〜５度のグループに区分けされる。交差角が１０度となる結晶粒は、１０〜１５度のグループに区分けされずに、５〜１０度のグループに区分けされる。すなわち、１０〜１５度は、１０度を超え１５度以下であることを意味する。

【0063】

このとき、本実施形態における第１硬質被膜層は、交差角が０〜２０度となる結晶粒（すなわち交差角が２０度以下の結晶粒）が含まれる４つのグループの度数の合計が、全グループの度数の合計の５０％以上１００％以下となる。特に、本実施形態では、交差角が１０〜２０度となる結晶粒が含まれる２つのグループの度数の合計が、全グループの度数の合計の３０％以上１００％以下であることが好ましい。

【0064】

上記のような結晶粒を含む第１硬質被膜層は、その結晶粒が塩化ナトリウム型の結晶構造を維持しているため、高硬度である。さらに、本実施形態では、交差角が０〜２０度となる結晶粒が含まれる４つのグループの度数の合計が、全グループの度数の合計の５０％以上であり、多くの割合を占める。すなわち、第１硬質被膜層では、基材の表面の法線方向から少し傾斜した（０〜２０度傾斜した）方向が、（２００）面である結晶粒が高頻度で存在していることを示している。このような第１硬質被膜層は、高硬度でありながら圧縮残留応力を付与することができるため、靱性を向上させることができる。この理由は明確ではないが、結晶粒の（２００）面に対する法線方向が、基材の表面の法線方向から１０度程度ずれることにより、最も負荷が高い切削開始点において、硬質被膜に加わる衝撃をミクロ的に緩和できるためと考えられる。

【0065】

特に、交差角が１０〜２０度となる結晶粒が含まれる２つのグループの度数の合計が、全グループの度数の合計の３０％以上である場合、靱性を飛躍的に向上させることができる。これにより、高硬度を維持しつつ靱性の向上を図ることができるため、耐チッピング性に優れた第１硬質被膜層を形成することが可能となり、以って表面被覆切削工具の長寿命化を達成することができる。

【0066】

本実施形態において、交差角が０〜２０度となる結晶粒が含まれる４つのグループの度数の合計は、全グループの度数の合計の５５％以上であることが好ましい。さらに、交差角が１０〜２０度となる結晶粒が含まれる２つのグループの度数の合計が、全グループの度数の合計の３５％以上となることがより好ましい。交差角が０〜２０度となる結晶粒が含まれる４つのグループの度数の合計が、全グループの度数の合計の５０％未満である場合、靱性の向上を十分に図ることができなくなる。交差角が０〜２０度となる結晶粒が含まれる４つのグループの度数の合計、および交差角が１０〜２０度となる結晶粒が含まれる２つのグループの度数の合計の上限値は、いずれも１００％である。

【0067】

交差角度数分布を表したグラフの一例を図４に示す。このグラフの横軸は、結晶粒を区分けした９つのグループに対応する０度から５度単位の交差角を表し、縦軸は累計度数である。図４に示す例では、交差角が０〜２０度となる結晶粒が含まれる４つのグループの度数の合計は、全グループの度数の合計の５７％となる。交差角が１０〜２０度となる結晶粒が含まれる２つのグループの度数の合計が、全グループの度数の合計の４０％となる。

【0068】

（押し込み硬さ）
第１硬質被膜層は、ナノインデンテーション法による押し込み硬さが２８ＧＰａ以上３８ＧＰａ以下であることが好ましい。より好ましくは、３０ＧＰａ以上３６ＧＰａ以下である。第１硬質被膜層のナノインデンテーション法による押し込み硬さが上記範囲であることにより、本実施形態に係る表面被覆切削工具は、耐摩耗性が向上する。特に、耐熱合金などの難削材の切削加工を行う際に優れた性能を発揮することができる。

【0069】

第１硬質被膜層のナノインデンテーション法による押し込み硬さは、ナノインデンテーション法が利用可能な超微小押し込み硬さ試験機を用いて測定することができる。押し込み硬さは、第１硬質被膜層の厚さ方向に垂直に所定荷重（たとえば３０ｍＮ）で圧子を押し込み、圧子が押し込んだ押し込み深さに基づいて算出することができる。第１硬質被膜層上に表面被覆層などの他の層が存在する場合、カロテスト、斜めラッピングなどをすることにより、表面被覆層を除いて第１硬質被膜層を露出させ、この露出した第１硬質被膜層に対して上記方法を用いることにより、押し込み硬さを測定することができる。

【0070】

（圧縮残留応力）
第１硬質被膜層は、圧縮残留応力の絶対値は０．５ＧＰａ以上５．０ＧＰａ以下であることが好ましい。より好ましくは、１．０ＧＰａ以上４．０ＧＰａ以下である。第１硬質被膜層の圧縮残留応力の絶対値が上記範囲であることにより、第１硬質被膜層の靱性を飛躍的に向上させることができる。圧縮残留応力の絶対値が０．５ＧＰａ未満であれば、靱性を向上させるのに十分ではない。圧縮残留応力の絶対値が５．０ＧＰａを超えると、内部応力が大きくなりすぎ、チッピングが起きやすくなる傾向がある。第１硬質被膜層の圧縮残留応力は、第１硬質被膜層に含まれる結晶粒内における第１層と第２層との積層周期を調節することおよび付加的な表面処理をすることによって、０．５ＧＰａ以上５．０ＧＰａ以下に制御することができる。第１硬質被膜層の圧縮残留応力の値は特に記載のない限り、実際に切削加工に供する点であるため刃先から半径５００μｍ以内のすくい面、逃げ面のいずれかまたは両方の平均圧縮残留応力の値を意味する。

【0071】

「圧縮残留応力」とは、第１硬質被膜層に存する内部応力（固有ひずみ）の一種であって、「−」（マイナス）の数値（単位：実施形態では「ＧＰａ」を使う）で表される応力をいう。このため、圧縮残留応力が大きいという概念は、上記数値の絶対値が大きくなることを示し、圧縮残留応力が小さいという概念は、上記数値の絶対値が小さくなることを示す。

【0072】

第１硬質被膜層の圧縮残留応力は、たとえばブラスト法、ブラシ法、バレル法、イオン注入法などによって付与することができる。さらに第１硬質被膜層の圧縮残留応力は、たとえば、Ｘ線応力測定装置を用いたｓｉｎ²ψ法により測定することができる。このようなＸ線を用いたｓｉｎ²ψ法は、多結晶材料の圧縮残留応力の測定方法として広く用いられ、たとえば「Ｘ線応力測定法」（日本材料学会、１９８１年株式会社養賢堂発行）の５４〜６７頁に詳細に説明されている方法を用いることができる。ｓｉｎ²ψ法を適用して第１硬質被膜層の圧縮残留応力を測定する場合、第１硬質被膜層上に表面被覆層などの他の層が存在するときには、必要に応じて電解研磨、フラットミーリングなどをすることにより、表面被覆層を除いて第１硬質被膜層を露出させ、この露出した第１硬質被膜層に対して圧縮残留応力を測定すればよい。さらに、応力測定をする際に使用する物性係数は、公知の文献を引用して使用することができる。たとえば、Ｎ．Ｎｏｒｒｂｙらが『Ｓｕｒｆａｃｅ ＆ Ｃｏａｔｉｎｇｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２５７ （２０１４） １０２−１０７）』で報告した値を使用することができる。このとき、使用基材の種類などを考慮し、可能な限り第１硬質被膜層と基材のピークの重なりがなく、かつ高角度側の回折ピークを選択し、応力を測定することが好ましい。

【0073】

（不純物）
第１硬質被膜層は、高硬度かつ靱性に優れ、高い耐チッピング性能を付与するという本実施形態の作用効果に影響を及ぼさない限り、塩素（Ｃｌ）、酸素（Ｏ）、硼素（Ｂ）、コバルト（Ｃｏ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）および炭素（Ｃ）からなる群より選択される少なくとも１種の不純物を含んでいてもよく、含んでいなくてもよい。すなわち第１硬質被膜層は、不可避不純物などの不純物を含んで形成されることが許容される。

【0074】

（第１硬質被膜層の厚み）
第１硬質被膜層は、その厚みが１〜１５μｍであることが好ましい。第１硬質被膜層の厚みが上記範囲であることにより、耐摩耗性を維持しつつ耐チッピング性を向上させる効果を顕著に示すことができる。第１硬質被膜層の厚みが１μｍ未満であると靱性が十分ではなく、１５μｍを超えると圧縮残留応力が入りにくく耐チッピング性が不十分となる傾向がある。第１硬質被膜層の厚みは、その特性を向上させる観点から３μｍ以上７．５μｍ以下であることがさらに好ましい。

【0075】

＜第２硬質被膜層＞
本実施形態に係る表面被覆切削工具は、図３に示すように、基材１０と第１硬質被膜層１１との間に、第２硬質被膜層１２を含むことが好ましい。さらに、この第２硬質被膜層１２は、その厚みが０．０１〜０．５μｍであることが好ましい。

【0076】

第２硬質被膜層は、上記構成の第１硬質被膜層１１に含まれる結晶粒を成長させるための核が集合する層である。したがって、その組成は、Ａｌ_hＴｉ_1-hの原子比ｈが０〜１の範囲、すなわち平均値であるＡｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）となる。厚みは０．０１〜０．５μｍであり、これにより、高硬度かつ高い密着性をもった第１硬質被膜層が炉内で広範囲にわたり形成することができるという効果が得られる。

【0077】

＜その他の層＞
本実施形態において被膜は、第１硬質被膜層および第２硬質被膜層以外の層を含んでいてもよい。たとえば、基材と被膜との接合強度を高くすることが可能な下地層を含むことができる。そのような層として、たとえば、窒化チタン（ＴｉＮ）層、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）層、ＴｉＮ層とＴｉＣＮ層とからなる複合層などを挙げることができる。下地層は、従来公知の製造方法を使用することにより製造することができる。

【0078】

その他の層としては、上述した下地層のほか、たとえば、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆからなる群より選択される少なくとも１つの元素と、Ｎ、Ｏ、Ｃ、Ｂからなる群より選択される少なくとも１つの元素とからなる化合物層を含んでいてもよい。この化合物層によっても基材と被膜との接合強度を高くすることが可能となる。表面被覆層として、α−Ａｌ₂Ｏ₃層およびκ−Ａｌ₂Ｏ₃層の少なくとも一方を含んでいてもよい。α−Ａｌ₂Ｏ₃層およびκ−Ａｌ₂Ｏ₃層により、被膜の耐酸化性を向上させることができる。

【0079】

＜被膜の総厚＞
本実施形態において被膜の総厚は、３μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。被膜の総厚が上記範囲であることにより、第１硬質被膜層の耐摩耗性を維持しつつ耐チッピング性を向上させる効果をはじめとする被膜の特性を好適に発揮することができる。被膜の総厚が３μｍ未満であると耐摩耗性が低下し、２０μｍを超えると、たとえば切削加工時に被膜が基材から剥離するケースが頻発する。被膜の総厚は、その特性を向上させる観点から４μｍ以上１５μｍ以下であることがより好ましい。

【0080】

第１硬質被膜層の厚み、第２硬質被膜層の厚みおよび被膜の総厚は、第１硬質被膜層に含まれる結晶粒内の隣り合う第１層と第２層との合計厚みの測定法と同様な方法により測定することができる。すなわち、これらの断面サンプルを得て、このサンプルを用いてＳＴＥＭで観察することにより測定することができる。さらに、第１硬質被膜層の厚み、第２硬質被膜層の厚み、被膜の総厚は、たとえば１０個の断面サンプルを得て、それぞれで厚みを測定し、その平均値を該厚みまたは該総厚として表すことができる。第１硬質被膜層の厚みまたは第２硬質被膜層の厚みを観察するときは、観察倍率を５００００倍とし、観察面積が１視野で１０μｍ²程度となるように調節する。被膜の総厚を観察するときは、観察倍率を５０００倍とし、観察面積が１視野で１００μｍ²程度となるように調節する。これにより、平均値を算出するのに十分な数の該厚みまたは該総厚を測定することができる。

【0081】

＜作用＞
以上から、本実施形態に係る表面被覆切削工具は、たとえば、ステンレス鋼の高速断続切削などに用いた場合であっても、チッピング、欠損、剥離などの発生が抑えられる。高硬度であるので耐摩耗性も発揮する。したがって、本実施形態に係る表面被覆切削工具は、高硬度かつ靱性に優れ、高硬度に基づく優れた耐摩耗性を維持しつつ、優れた靱性に基づいて高い耐チッピング性能を備えて長寿命を実現することができる。

【0082】

≪表面被覆切削工具の製造方法≫
本実施形態に係る表面被覆切削工具の製造方法は、基材を準備する第１工程と、第１硬質被膜層を含む被膜を化学蒸着（ＣＶＤ）法を用いて形成する第２工程とを含む。特に、上記第２工程は、ＡｌＣｌ₃ガスおよびＴｉＣｌ₄ガスの両方またはいずれか一方の流量を変調させながら結晶粒を成長させる工程を含むことが好ましい。これにより、上記の構成および効果を有する表面被覆切削工具を歩留まりよく製造することができる。

【0083】

図５に、本実施形態に係る表面被覆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を示す。図５に示すように、ＣＶＤ装置１００は、基材１０を設置するための複数の基材保持治具２１と、基材保持治具２１を包囲する耐熱合金鋼製の反応容器２２とを備えている。反応容器２２の周囲には、反応容器２２内の温度を制御するための調温装置２３が設けられている。

【0084】

反応容器２２には、隣接して接合された第１ガス導入管２４と第２ガス導入管２５とを有するガス導入管が反応容器２２の内部の空間を鉛直方向に延在し、その軸２６で回転可能となるように設けられている。ガス導入管においては、その内部で第１ガス導入管２４に導入されたガスと、第２ガス導入管２５に導入されたガスとが混合しない構成とされている。第１ガス導入管２４および第２ガス導入管２５の一部にはそれぞれ、第１ガス導入管２４および第２ガス導入管２５の内部を流れるガスを基材保持治具２１に設置された基材１０上に噴出させるための複数の貫通孔が設けられている。

【0085】

さらに、反応容器２２には、反応容器２２の内部のガスを外部に排気するためのガス排気管２７が設けられている。反応容器２２の内部のガスは、ガス排気管２７を通過して、ガス排気口２８から反応容器２２の外部に排出される。

【0086】

本実施形態に係る表面被覆切削工具の製造方法は、基材を準備する第１工程と、第１硬質被膜層を含む被膜を形成する第２工程とを含み、第１工程、第２工程の順に行われる。第２工程には、第２硬質被膜層を形成する工程を含むことが好ましい。さらに本実施形態では、第１工程および第２工程以外の工程が含まれていてもよい。以下、説明の便宜のため、基材上に第１硬質被膜層および第２硬質被膜層を直接形成する場合について説明するが、第２工程では、基材上に下地層などの他の層を形成してから第１硬質被膜層および第２硬質被膜層を形成してもよい。さらに、第１硬質被膜層および第２硬質被膜層を形成した後、耐酸化性の向上のために表面被覆層を形成することもできる。下地層および表面被覆層を形成する方法は、いずれも従来公知の方法を用いることができる。

【0087】

＜第１工程＞
第１工程では基材を準備する。基材は、市販のものを用いてもよく、一般的な粉末冶金法で製造してもよい。たとえば、基材として超硬合金基材を一般的な粉末冶金法で製造する場合、ボールミルなどによってＷＣ粉末とＣｏ粉末などとを混合して混合粉末を得ることができる。該混合粉末を乾燥した後、所定の形状に成形して成形体を得る。さらに該成形体を焼結することにより、ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金（焼結体）を得る。次いで該焼結体に対して、ホーニング処理などの所定の刃先加工を施すことにより、ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金からなる基材を製造することができる。第１工程では、上記以外の基材であっても、この種の基材として従来公知のものをいずれも準備可能である。

【0088】

＜第２工程＞
第２工程では、第１硬質被膜層を含む被膜（第１硬質被膜層および第２硬質被膜層）を化学蒸着（ＣＶＤ）法を用いて形成する。たとえば成長させる結晶粒が窒化物である場合、まず第２硬質被膜層を形成する工程として、ＴｉＣｌ₄ガスなどのＴｉのハロゲン化物ガスおよびＡｌＣｌ₃ガスなどのＡｌのハロゲン化物ガスを含む第１ガス群と、アンモニア（ＮＨ₃）ガスを含む第２ガス群とを反応容器内で化学反応させる。これにより、基材上にＡｌとＴｉとＮとを含む結晶粒の核を形成する。その後、その核を成長させて第１硬質被膜層を形成する。具体的には、上記の第１ガス群に含まれるガス成分および第２ガス群に含まれるガス成分を反応容器内で均一に化学反応させ、反応生成物を第２硬質被膜層上に噴出することにより、ＡｌＴｉの窒化物を含む結晶粒を成長させ、もって第１硬質被膜層を形成することができる。

【0089】

特に、本実施形態に係る表面被覆切削工具の製造方法では、第１硬質被膜層を形成するのに際し、第１ガス群を噴出する方法として複数の方法を用いることができる。一の方法は、全反応ガス中のＡｌＣｌ₃ガスの流量（体積％）を一定に維持しながら、ＴｉＣｌ₄ガスの流量を変調させて結晶粒を成長させる第１結晶成長方法である。他の方法は、全反応ガス中のＴｉＣｌ₄ガスの流量を一定に維持しながら、ＡｌＣｌ₃ガスの流量を変調させて結晶粒を成長させる第２結晶成長方法である。

【0090】

第１結晶成長方法では、ＴｉＣｌ₄ガスの流量の調節によってＴｉの原子比を制御することができる（すなわちＡｌの原子比を制御することができる）。また、高流量（High Flow)でＴｉＣｌ₄ガスを噴出する時間、低流量（Low Flow)でＴｉＣｌ₄ガスを噴出する時間、ＴｉＣｌ₄ガスの流量を高流量から低流量へまたは低流量から高流量へ切り替える回数などを調節することにより、第１層および第２層の厚み、隣り合う第１層と第２層との厚みの合計、ならびに第１硬質被膜層の厚みをそれぞれ所望の厚みに制御することができる。第２結晶成長方法であっても、ＡｌＣｌ₃ガスの流量の調節によってＡｌの原子比を制御することができる。高流量でＡｌＣｌ₃ガスを噴出する時間、低流量でＡｌＣｌ₃ガスを噴出する時間、ＡｌＣｌ₃ガスの流量を高流量から低流量へまたは低流量から高流量へ切り替える回数などを調節することにより、第１層および第２層の厚み、隣り合う第１層と第２層との厚みの合計、ならびに第１硬質被膜層の厚みをそれぞれ所望の厚みに制御することができる。

【0091】

＜その他の工程（圧縮残留応力付与工程）＞
さらに、成膜された第１硬質被膜層を含む被膜に対し、表面側からブラスト処理を行なって、第１硬質被膜層を含む被膜に圧縮残留応力を付与することが好ましい（圧縮残留応力付与工程）。ＣＶＤ法によって形成された層は、全体に引張残留応力を有する傾向があるが、本工程により、第１硬質被膜層を含む被膜の表面側に圧縮残留応力を付与することができ、もって上述の圧縮残留応力を有する第１硬質被膜層を含む被膜を作製することができる。ブラスト処理において、メディアの投射圧、投射時間、投射距離を制御することにより、付与する圧縮残留応力を制御することができる。たとえば湿式ブラスト処理として平均粒径５０μｍの球形アルミナ、濃度１０体積％、投射圧０．２ＭＰａ、投射距離１０ｍｍ、投射時間１０秒の条件で行なうことができる。

【0092】

以下、本実施形態に係る表面被覆切削工具の製造方法の一例を、図５に示したＣＶＤ装置を参照しながら説明する。ここでは第２工程において第１硬質被膜層を形成することに際して、第１結晶成長方法を第１ガス群を噴出させる方法として用いている。さらに、この一例ではＡｌＴｉの窒化物を含む結晶粒をＣＶＤ法により成長させるものとする。

【0093】

まず、ＣＶＤ装置１００の反応容器２２内に、基材１０として任意の形状のチップを基材保持治具２１に装着する。続いて反応容器２２の周囲には反応容器２２内の温度を制御する調温装置２３が設けられているので、この調温装置２３を使って基材保持治具２１に設置した基材１０の温度を７００〜７５０℃に上昇させる。さらに反応容器２２の内部の圧力を２〜３ｋＰａとする。

【0094】

次に、軸２６を中心にガス第１ガス導入管２４と第２ガス導入管２５を回転させながら、ＴｉＣｌ₄ガスおよびＡｌＣｌ₃ガスを含む第１ガス群を第１ガス導入管２４に導入し、ＮＨ₃ガスを含む第２ガス群を第２ガス導入管２５に導入する。これにより、反応容器２２内では第１ガス導入管２４の貫通孔から第１ガス群が、第２ガス導入管２５の貫通孔から第２ガス群がそれぞれ噴出するので、反応容器２２内で第１ガス群と第２ガス群とが回転操作によって均一に混合し、この混合ガスが基材１０上へ向かうこととなる。その結果、まず第２硬質被膜層を形成する工程として、第１ガス群に含まれるガス成分および第２ガス群に含まれるガス成分が混合ガス中で化学反応することによって、基材１０上にたとえばＡｌとＴｉとＮとを含む結晶粒の核が形成される。

【0095】

結晶粒の核を形成するときの反応容器２２の内部の圧力は２〜２．５ｋＰａとし、基材１０の温度は７００〜７３０℃とすることが好ましい。これにより、その厚みを０．０１〜０．５μｍとして第２硬質被膜層を形成することができる。

【0096】

次に、ＡｌとＴｉとＮとからなる結晶粒の核が基材１０上に形成された後、反応容器２２の内部の圧力を２〜３ｋＰａとし、基材１０の温度を７００〜７５０℃とし、第１ガス群および第２ガス群を噴出して上記の核を成長させ、ＡｌとＴｉとＮとからなる結晶粒を結晶成長させる。

【0097】

このタイミングで、上記第１結晶成長方法を用いる。すなわちＡｌＣｌ₃ガスの流量を３〜６体積％で一定に維持しながら、ＴｉＣｌ₄ガスの流量を１〜３体積％（高流量：High Flow）として３〜１５秒間維持する条件で第１ガス群を第１ガス導入管２４に導入する。その後、直ちにＴｉＣｌ₄ガスの流量の高低を切り替え、続けてＡｌＣｌ₃ガスの流量を上記濃度で維持したまま、ＴｉＣｌ₄ガスについて０．２〜０．８体積％（低流量：Low Flow）として３〜１５秒間維持する条件で第１ガス群を第１ガス導入管２４に導入する。その後、さらにＴｉＣｌ₄ガスの流量の高低を切り替える。この操作を複数回繰り返すことにより、第１層および第２層が交互に積層された積層構造を有する結晶粒を含む第１硬質被膜層を形成することができる。

【0098】

第２結晶成長方法を用いる場合には、上記タイミングにおいて上述した第１結晶成長方法に代えて第２結晶成長方法を適用すること、すなわちＡｌＣｌ₃ガスの流量が変調する条件下で結晶粒を成長させることにより、第１結晶成長方法と同様に第１層および第２層が交互に積層された積層構造を有する結晶粒を含む第１硬質被膜層を形成することができる。

【0099】

ここで、第１ガス群には、ＴｉＣｌ₄およびＡｌＣｌ₃ガスとともに、塩化水素（ＨＣｌ）ガスおよびキャリアガスとしての水素（Ｈ₂）ガスを含むことが好ましい。第２ガス群としてはＮＨ₃ガスとともに、アルゴンガスを含むことが好ましい。さらに、窒素（Ｎ₂）ガスを含んでいてもよい。しかしながら、本実施形態のように塩化ナトリウム型の結晶構造を有する結晶粒を効果的に成長させるには、窒素（Ｎ₂）ガスを含ませることなく、アンモニア（ＮＨ₃）ガスおよびアルゴンガスのみから第２ガス群を構成することが好ましい。さらに、ＡｌＴｉの炭窒化物を含む結晶粒を成長させる場合、エチレン（Ｃ₂Ｈ₄）ガスを第１ガス群に含ませることが好ましい。

【0100】

以上のようにして、塩化ナトリウム型の結晶構造を有する結晶粒内にＡｌ_xＴｉ_1-xの窒化物または炭窒化物からなる第１層と、Ａｌ_yＴｉ_1-yの窒化物または炭窒化物からなる第２層が交互に積層された構造が形成された第１硬質被膜層を基材１０上に形成し、本実施形態に係る表面被覆切削工具を製造することができる。

【実施例】

【0101】

以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

【0102】

本実施例において、被膜の総厚、第１硬質被膜層の厚みおよび第２硬質被膜層の厚みは、ＳＴＥＭを用いたＳＴＥＭ高角度散乱暗視野法を用いて、基材の表面の法線方向に平行な被膜断面を観察することにより測定した。結晶粒内における第１層および第２層の存在、ならびに隣り合う第１層および第２層の厚みの合計の平均値（積層周期）は、上記被膜断面のＳＴＥＭを用いた観察により求めた。第１層におけるＡｌの原子比ｘおよび第２層におけるＡｌの原子比ｙは、ＳＥＭまたはＴＥＭに付帯のＥＤＸ装置（商品名：「ＪＥＭ−２１００Ｆ」、日本電子株式会社製）により算出し、この算出した原子比ｘ、ｙの値に基づいてｘ−ｙの最大値を求めた。第１硬質被膜層に含まれる結晶粒の（２００）面を対象とした交差角度数分布の測定は、ＥＢＳＤ装置を備えたＦＥ−ＳＥＭ（商品名：「Ｚｅｉｓｓ Ｓｕｐｒａ ３５ ＶＰ」、ＣＡＲＬ ＺＥＩＳＳ社製）を用い、基材の表面の法線方向に平行な断面（被測定面）を撮影して分析することにより行なった。

【0103】

被測定面は、基材の表面の法線方向に平行な断面を上述のとおり耐水研磨紙で研磨し、引続き、Ａｒイオンによるイオンミーリング処理によりさらに平滑化して準備した。本実施例におけるイオンミーリング装置とその処理の条件は以下のとおりである。
イオンミーリング装置（商品名：「ＳＭ−０９０１０」、日本電子株式会社製）
加速電圧： ６ｋＶ
照射角度： 基材表面の法線方向から０°
照射時間： ６時間。

【0104】

さらに、第１硬質被膜のナノインデンテーション法による押し込み硬さ（ＧＰａ）は、超微小押し込み硬さ試験機（商品名：「ＥＮＴ−１１００ａ」、Ｅｌｉｏｎｉｘ社製）を用いて測定した。第１硬質被膜の圧縮残留応力（ＧＰａ）の絶対値は、Ｘ線応力測定装置（商品名：「ＳｍａｒｔＬａｂ」、株式会社リガク製）を用いたｓｉｎ²ψ法により算出した。

【0105】

≪基材の準備≫
まず、第１工程として、被膜で被覆する基材Ａおよび基材Ｂを準備した。具体的には、表１に記載の配合組成（重量％）からなる原料粉末を均一に混合した。次に、この混合粉末を所定の形状に加圧成形した後に、１３００〜１５００℃で１〜２時間焼結することにより、超硬合金からなる基材Ａ（形状：ＣＮＭＧ１２０４０８ＮＵＸ）および基材Ｂ（形状：ＳＥＥＴ１３Ｔ３ＡＧＳＮ−Ｇ）を得た。これらは、いずれも住友電工ハードメタル株式会社製のものであり、基材ＡであるＣＮＭＧ１２０４０８ＮＵＸは、旋削用の刃先交換型切削チップの形状であり、基材であるＳＥＥＴ１３Ｔ３ＡＧＳＮ−Ｇは、転削（フライス）用の刃先交換型切削チップの形状である。ここで、表１中の「残り」とは、ＷＣが配合組成（質量％）の残部を占めることを示す。本実施例では、表６に示すとおり試料Ｎｏ．１〜３６の切削工具を作製する。試料Ｎｏ．１〜７、９〜１５、１７〜２２、２５〜３０の切削工具が実施例であり、試料Ｎｏ．８、１６、２３、２４、３１〜３６の切削工具が比較例である。

【0106】

【表1】

【0107】

≪被膜の形成≫
第２工程として、基材Ａおよび基材Ｂの表面上に表２に示す組成の下地層（ＴｉＮ、試料によってはＴｉＮおよびＴｉＣＮ）を、表６に示すとおりの厚みで形成した。下地層上に第２硬質被膜層を形成し、さらに後述する第１硬質被膜層を表６に示すとおりの厚みで形成した。そのほか表６に示すとおり、試料によっては表面被覆層（Ａｌ₂Ｏ₃）も形成した。

【0108】

【表2】

【0109】

下地層は基材の表面と直接接する層である。第２硬質被膜層は下地層上に形成され、第１硬質被膜層が第２硬質被膜層上に形成される。表面被覆層は、第１硬質被膜上に形成される層であって切削工具の表面を構成する。ここで表２の「成膜条件」の欄には、下地層および表面被覆層を形成するための「反応ガス組成（体積％）」と、「反応雰囲気」として圧力（ｋＰａ）、温度（℃）、全ガス流量（Ｌ／ｍｉｎ）の条件とを示した。表２中「反応ガス組成（体積％）」の欄において、Ｈ₂ガスが「残り」であるとは、Ｈ₂ガスが反応ガス組成（体積％）の残部を占めることを示す。

【0110】

たとえば表２の「ＴｉＮ」の欄には、下地層としてのＴｉＮ層の形成条件が示されている。表２によれば、ＴｉＮ層は、図５に示すＣＶＤ装置１００を含む公知のＣＶＤ装置の反応容器内に基材を配置し、反応容器内に２体積％のＴｉＣｌ₄ガス、３９．７体積％のＮ₂ガスおよび残部としてのＨ₂ガスからなる混合ガスを、圧力６．７ｋＰａおよび温度９１５℃の雰囲気において４４．７Ｌ／分の全ガス流量で噴出することにより形成することができる。また、表面被覆層（Ａｌ₂Ｏ₃）も同様に表２に示す条件で形成することができる。下地層および表面被覆層の厚みは、それぞれ反応ガスを噴出する時間によって制御することができる。

【0111】

＜第１硬質被膜層および第２硬質被膜層の形成＞
第１硬質被膜層および第２硬質被膜層は、図５に示すようなＣＶＤ装置１００を用いて形成した。まず、結晶粒の核（第２硬質被膜層）を形成するため、反応容器２２の内部の圧力を２ｋＰａとし、成膜温度（基材温度）を７３０℃とし、第１ガス群および第２ガス群の合計である全ガス流量を５５．５Ｌ／分とした。この条件下において第１ガス群の組成を０．２体積％のＴｉＣｌ₄ガス、０．７体積％のＡｌＣｌ₃ガス、０体積％のＣ₂Ｈ₄ガス、残り（残部）のＨ₂ガスとし、第２ガス群の組成を１体積％のＮＨ₃ガス、３７体積％のＡｒガスとし、それぞれ第１ガス導入管２４、第２ガス導入管２５に導入し、基材１０上に噴出した。なお上記組成は、第１ガス群および第２ガス群の合計で１００体積％を満たすものとする。これにより図３（Ｂ）に示すような第２硬質被膜層を得る。

【0112】

続いて、第１硬質被膜層の形成、すなわち結晶粒の成長は、表３〜表５に示す形成条件１Ａ〜１Ｈ、２Ａ〜２Ｈ、ＸおよびＹのいずれかの条件で行なった。概説すれば、形成条件１Ａ〜１Ｈでは、ＡｌＣｌ₃ガスの流量を一定に維持しながら、ＴｉＣｌ₄ガスの流量を変調させて結晶粒を成長させる上記第１結晶成長方法を用い、形成条件２Ａ〜２Ｈは、ＴｉＣｌ₄ガスの流量を一定に維持しながら、ＡｌＣｌ₃ガスの流量を変調させて結晶粒を成長させる上記第２結晶成長方法を用いた。形成条件Ｘでは、ＡｌＣｌ₃ガスおよびＴｉＣｌ₄ガスの流量を変動させずに一定としつつ、第１ガス群および第２ガス群を間欠的に供給することにより結晶粒を成長させた。具体的には、１秒当たり０．８秒止めて０．２秒噴出する周期で第１ガス群および第２ガス群を供給した。形成条件Ｙでは、ＡｌＣｌ₃ガスおよびＴｉＣｌ₄ガスの流量を一定とし、かつ連続したガス噴出を行なって結晶粒を成長させた。

【0113】

たとえば、表３〜表５において形成条件「１Ａ」は、以下のような条件により、第１硬質被膜層を形成することを示す。すなわち、成膜温度（基材温度）を７５０℃とし、反応容器内圧力を３．０ｋＰａとし、第１ガス群および第２ガス群の流量の合計である全ガス流量を６０．５Ｌ／分とする。この条件下でＡｌＣｌ₃ガスの流量を５体積％として一定に維持しながら、ＴｉＣｌ₄ガスについて０．５体積％（低流量：Low Flow）として３秒間（Time)維持する条件で第１ガス群を第１ガス導入管２４に導入する。その後、直ちにＴｉＣｌ₄ガス流量の高低を切り替え、ＡｌＣｌ₃ガスの流量を上記濃度に維持したまま、ＴｉＣｌ₄ガスの流量を１．５体積％（高流量：High Flow）として３秒間（Time)維持する条件で第１ガス群を第１ガス導入管２４に導入する。その後さらにＴｉＣｌ₄ガス流量の高低を切り替え、以下、このような操作を所望により複数回行なう。したがってＴｉＣｌ₄ガスは、１分当たり３秒間のインターバルにより、高流量および低流量でそれぞれ１０回（Interval)、第１ガス導入管２４に導入されることとなる。これにより第２硬質被膜層上に、第１層と第２層が交互に積層された積層構造を有する結晶粒を成長させ、第１硬質被膜層を形成する。なお形成条件「１Ａ」において、第１ガス群は表３に示すように、ＴｉＣｌ₄ガスおよびＡｌＣｌ₃ガスとともに、残部としてＨ₂ガスを含んで構成される。第２ガス群は、表３に示すように、ＮＨ₃ガスおよびＡｒガスを含んで構成される。

【0114】

形成条件１Ｂ〜１Ｈ、２Ａ〜２Ｈでは、上記「１Ａ」と同じ要領でＴｉＣｌ₄またはＡｌＣｌ₃の流量を変調させ、表３または表４に示す条件で第１硬質被膜層を形成した。形成条件ＸおよびＹについても、表５に示す条件で第１硬質被膜層を形成した。

【0115】

なお、形成条件１Ａ、１Ｆ、１Ｇおよび形成条件２Ａ、２Ｅ、２Ｇでは、ＡｌＴｉの窒化物からなる第１層および第２層の積層構造を有する結晶粒が成長する。形成条件１Ｂ〜１Ｅ、１Ｈおよび形成条件２Ｂ〜２Ｄ、２Ｆ、２Ｈでは、第１ガス群にエチレンガスが表３、表４に示すとおりの体積％で含まれているので、ＡｌＴｉの炭窒化物からなる第１層および第２層の積層構造を有する結晶粒が成長する。

【0116】

上記の各条件により形成された第１被膜層は、表３〜表５に示すとおりの積層周期で第１層および第２層が交互に積層された積層構造を有する結晶粒が成長して構成される。表３〜表５では、各条件により形成した第１層の厚み、第２層の厚み、第１層におけるＡｌの原子比ｘ（最大値）、第２層におけるＡｌの原子比ｙ（最小値）、原子比ｘ（最大値）と原子比ｙ（最小値）との差（ｘ−ｙ）、ならびに第１被膜層に含まれる結晶粒の交差角（０〜２０度および１０〜２０度）の度数も示している。

【0117】

【表3】

【0118】

【表4】

【0119】

【表5】

【0120】

＜ブラスト処理＞
さらに、成膜された第１硬質被膜層を含む被膜に対し、表面側からブラスト処理を行なって、第１硬質被膜層を含む被膜に圧縮残留応力を付与した。ここでは湿式ブラスト処理として平均粒径５０μｍの球形アルミナ、濃度１０体積％、投射圧０．２ＭＰａ、投射距離１０ｍｍ、投射時間１０秒とした。被膜総厚およびこの被膜の構造により得られた第１硬質被膜層の圧縮残留応力値を表６に示す。

【0121】

≪切削工具の作製≫
上述のように準備された基材Ａまたは基材Ｂを、上記のようにして形成した被膜により被覆し、表６に示すとおりの試料Ｎｏ．１〜３６の切削工具を作製した。上述のとおり、本実施例において試料Ｎｏ．１〜７、９〜１５、１７〜２２、２５〜３０の切削工具が実施例であり、試料Ｎｏ．８、１６、２３、２４、３１〜３６の切削工具が比較例である。

【0122】

【表6】

【0123】

試料Ｎｏ．１〜３６の切削工具は、試料ごとに基材、下地層および第１硬質被層のいずれかが異なる。表６において、１つの欄内に２つの化合物（たとえば、「ＴｉＮ（０．５）−ＴｉＣＮ（２．５）」）が記載されている場合、左側（「ＴｉＮ（０．５）」）の化合物が基材の表面に近い側に位置する層であり、右側（「ＴｉＣＮ（２．５）」）の化合物が基材の表面から遠い側に位置する層であることを意味している。括弧の中の数値はそれぞれの層の厚みを意味している。表６の「−」で示される欄は、層が存在しないことを意味する。表６では、試料Ｎｏ．１〜３６の切削工具における第１硬質被膜層が有する押し込み硬さおよび圧縮残留応力の値もそれぞれ示した。

【0124】

たとえば、表６によれば試料Ｎｏ．１の切削工具は、基材Ａの表面に０．５μｍの厚みのＴｉＮ層および２．５μｍの厚みのＴｉＣＮ層がこの順序に積層されて下地層が形成される。下地層上には第２硬質被膜層が形成された上で、形成条件１Ａで形成された６．０μｍの厚さの第１硬質被膜層が形成される。ただし、試料Ｎｏ．１の切削工具では、第１硬質被膜層上に表面被覆層（Ａｌ₂Ｏ₃層）が形成されない。試料Ｎｏ．１の切削工具の被膜全体の厚さは、９．０μｍである。試料Ｎｏ．１の切削工具における第１硬質被膜層が示す押し込み硬さ（ＧＰａ）は３４．３であり、圧縮残留応力（ＧＰａ）は３．３である。

【0125】

≪切削試験≫
上記のようにして作製した試料Ｎｏ．１〜３６の切削工具を用いて、以下の２種の切削試験を行った。

【0126】

＜丸棒外周高速切削試験＞
試料Ｎｏ．１〜８、１７〜２４、３３および３４の切削工具について、以下の切削条件により逃げ面摩耗量（Ｖｂ）が０．２０ｍｍとなるまでの切削時間を測定するとともに刃先の最終損傷形態を観察し、工具寿命を評価した。その結果を表７に示す。切削時間が長いほど耐摩耗性に優れる切削工具として、高速切削であっても長寿命化を実現することができる可能性が高いと評価することができる。

【0127】

（丸棒外周高速切削試験の切削条件）
被削材 ： ＦＣＤ４５０丸棒
周速 ： ５００ｍ／ｍｉｎ
送り速度： ０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
切込み量： １．０ｍｍ
切削液 ： 有り。

【0128】

＜ブロック材耐欠損性試験＞
試料Ｎｏ．９〜１６、２５〜３２、３５および３６の切削工具について、以下の切削条件により逃げ面摩耗量（Ｖｂ）が０．２０ｍｍとなるまでの切削距離を測定するとともに刃先の最終損傷形態を観察し、工具寿命を評価した。その結果を表８に示す。切削距離が長いほど耐チッピング性に優れる切削工具として、被削材の種類に関わらず長寿命化を実現することができる可能性が高いと評価することができる。

【0129】

（ブロック材耐欠損性試験の切削条件）
被削材 ： ＳＵＳ３０４ブロック材
周速 ： ２５０ｍ／ｍｉｎ
送り速度： ０．３ｍｍ／ｓ
切込み量： ２．０ｍｍ
切削液 ： なし
カッタ ： ＷＧＣ４１６０Ｒ（住友電工ハードメタル株式会社製）。

【0130】

【表7】

【0131】

【表8】

【0132】

ここで上記表７、表８において「最終損傷形態」の欄の記載は、摩耗、チッピングおよび欠損の順に被膜の耐摩耗性が劣ることを示している。「摩耗」は、チッピングおよび欠けを生じずに摩耗のみで構成される損傷形態（平滑な摩耗面を有する）を意味する。「チッピング」は、切削工具の仕上げ面を生成する切れ刃部に生じた微小な欠けを意味する。「欠損」は、切れ刃部に生じた大きな欠けを意味している。

【0133】

＜評価＞
表７によれば、試料Ｎｏ．１〜７、１７〜２２の切削工具は、切削時間が１６分以上であり、試料Ｎｏ．８、２３、２４、３３および３４の切削工具と比べて長寿命であることが確認された。特に、試料Ｎｏ．３３および３４の切削工具は、チッピングが確認されて高速切削に対して性能が劣ることが確認された。

【0134】

表８によれば、試料Ｎｏ．９〜１５、２５〜３０の切削工具は、切削距離が７．６ｋｍ以上であり、試料Ｎｏ．１６、３１、３２、３５および３６の切削工具と比べて長寿命であることが確認された。特に、試料Ｎｏ．３５の切削工具はチッピングが確認され、試料Ｎｏ．３６の切削工具は欠損が確認されて、耐チッピング性能（耐欠損性能）において劣ることが確認された。

【0135】

以上のように本発明の実施形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施形態および各実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。

【0136】

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特許請求の範囲によって示され、特許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。

【符号の説明】

【0137】

１０ 基材、１１ 第１硬質被膜層、１２ 第２硬質被膜層、２１ 基材保持治具、２２ 反応容器、２３ 調温装置、２４ 第１ガス導入管、２５ 第２ガス導入管、２６ 軸、２７ ガス排気管、２８ ガス排気口、１００ ＣＶＤ装置。

【要約】

【課題】高硬度かつ靱性にも優れる表面被覆切削工具を提供する。
【解決手段】表面被覆切削工具は、基材と、該基材の表面に形成された被膜とを備え、被膜は、塩化ナトリウム型の結晶構造を有する結晶粒を含む第１硬質被膜層を含み、結晶粒は、Ａｌ_xＴｉ_1-xの窒化物または炭窒化物からなる第１層と、Ａｌ_yＴｉ_1-yの窒化物または炭窒化物からなる第２層とが交互に１層以上積層された積層構造を有し、第１層のＡｌの原子比ｘは、それぞれ０．７６以上１未満の範囲で変動し、第２層のＡｌの原子比ｙは、それぞれ０．４５以上０．７６未満の範囲で変動し、原子比ｘと原子比ｙとは、その差の最大値が０．０５≦ｘ−ｙ≦０．５となり、隣り合う第１層と第２層との厚みの合計は、３〜３０ｎｍである。
【選択図】図１

【図2】

【図4】

【図5】

【図1】

【図3】