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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024121691
(43)【公開日】2024-09-06
(54)【発明の名称】表面被覆切削工具
(51)【国際特許分類】
B23B 27/14 20060101AFI20240830BHJP
B23C 5/16 20060101ALI20240830BHJP
C23C 14/06 20060101ALI20240830BHJP
【ＦＩ】
B23B27/14 A
B23C5/16
C23C14/06 P
C23C14/06 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】2
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023028923
(22)【出願日】2023-02-27
(71)【出願人】
【識別番号】000006264
【氏名又は名称】三菱マテリアル株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100208568
【弁理士】
【氏名又は名称】木村 孔一
(72)【発明者】
【氏名】関澤 翔弥
【テーマコード（参考）】
3C046
4K029
【Ｆターム（参考）】
3C046FF03
3C046FF09
3C046FF13
3C046FF16
3C046FF21
3C046FF23
3C046FF24
3C046FF25
4K029AA04
4K029BA58
4K029BA60
4K029BB02
4K029BC02
4K029BD05
4K029CA04
4K029CA13
4K029DA08
4K029DB04
4K029DB14
4K029DD06
4K029EA01
4K029FA04
4K029FA05
4K029JA02
(57)【要約】
【課題】Ｔｉ基合金等の難削材の切削加工でも優れた耐久性を有する被覆工具の提供
【解決手段】被覆層はＡ層とＢ層が交互に各２層以上積層した層を含み、Ａ層は、ＡｌａＣｒ１－ａ－ｂＳｉｂＮ（０．３０≦ａ≦０．７０、０．００≦ｂ≦０．１０）で、Ｂ層は、ＡｌｃＣｒ１－ｃ－ｄＳｉｄＮ（０．３０≦ｃ≦０．７０、０．０２≦ｄ≦０．２０）で、ｄ－ｂ≧０．０２であり、基材の側からｉ番目の位置のＡｉ層（１≦ｉ≦ｎ、ｎは積層数）とし、Ａｉ層の平均層厚をαｉ（ｎｍ）としたとき、α１からαｎへの変化を最小二乗法によって直線近似すると負の勾配の直線となり、基材の側からｊ番目の位置のＢｊ層（１≦ｊ≦ｍ、ｍは積層数）とし、Ｂｊ層の平均層厚をβｊ（ｎｍ）としたときβ１からβｍへの変化を最小二乗法によって直線近似すると正の勾配の直線となることを特徴とする表面被覆切削工具
【選択図】図１
【解決手段】被覆層はＡ層とＢ層が交互に各２層以上積層した層を含み、Ａ層は、ＡｌａＣｒ１－ａ－ｂＳｉｂＮ（０．３０≦ａ≦０．７０、０．００≦ｂ≦０．１０）で、Ｂ層は、ＡｌｃＣｒ１－ｃ－ｄＳｉｄＮ（０．３０≦ｃ≦０．７０、０．０２≦ｄ≦０．２０）で、ｄ－ｂ≧０．０２であり、基材の側からｉ番目の位置のＡｉ層（１≦ｉ≦ｎ、ｎは積層数）とし、Ａｉ層の平均層厚をαｉ（ｎｍ）としたとき、α１からαｎへの変化を最小二乗法によって直線近似すると負の勾配の直線となり、基材の側からｊ番目の位置のＢｊ層（１≦ｊ≦ｍ、ｍは積層数）とし、Ｂｊ層の平均層厚をβｊ（ｎｍ）としたときβ１からβｍへの変化を最小二乗法によって直線近似すると正の勾配の直線となることを特徴とする表面被覆切削工具
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
基材と該基材上の被覆層を有する表面被覆切削工具であって、
１）前記被覆層はＡ層とＢ層が交互に各２層以上積層した交互積層を含み、
２）前記Ａ層は、ＡｌａＣｒ１－ａ－ｂＳｉｂＮ（０．３０≦ａ≦０．７０、０．００≦ｂ≦０．１０）であり、
３）前記Ｂ層は、ＡｌｃＣｒ１－ｃ－ｄＳｉｄＮ（０．３０≦ｃ≦０．７０、０．０２≦ｄ≦０．２０）であり、
４）ｄ－ｂ≧０．０２であり、
５）前記基材の側からｉ番目の位置にある前記Ａ層をＡｉ層（１≦ｉ≦ｎ、ｎは積層数）とし、前記Ａｉ層の平均層厚をαｉ（ｎｍ）としたとき、α１からαｎへの変化を最小二乗法によって直線近似すると負の勾配を有する直線となり、前記基材の側からｊ番目の位置にある前記Ｂ層をＢｊ層（１≦ｊ≦ｍ、ｍは積層数）とし、前記Ｂｊ層の平均層厚をβｊ（ｎｍ）としたときβ１からβｍへの変化を最小二乗法によって直線近似すると正の勾配を有する直線となること
を特徴とする表面被覆切削工具。
１）前記被覆層はＡ層とＢ層が交互に各２層以上積層した交互積層を含み、
２）前記Ａ層は、ＡｌａＣｒ１－ａ－ｂＳｉｂＮ（０．３０≦ａ≦０．７０、０．００≦ｂ≦０．１０）であり、
３）前記Ｂ層は、ＡｌｃＣｒ１－ｃ－ｄＳｉｄＮ（０．３０≦ｃ≦０．７０、０．０２≦ｄ≦０．２０）であり、
４）ｄ－ｂ≧０．０２であり、
５）前記基材の側からｉ番目の位置にある前記Ａ層をＡｉ層（１≦ｉ≦ｎ、ｎは積層数）とし、前記Ａｉ層の平均層厚をαｉ（ｎｍ）としたとき、α１からαｎへの変化を最小二乗法によって直線近似すると負の勾配を有する直線となり、前記基材の側からｊ番目の位置にある前記Ｂ層をＢｊ層（１≦ｊ≦ｍ、ｍは積層数）とし、前記Ｂｊ層の平均層厚をβｊ（ｎｍ）としたときβ１からβｍへの変化を最小二乗法によって直線近似すると正の勾配を有する直線となること
を特徴とする表面被覆切削工具。
【請求項2】
前記基材に最も近い前記Ａ層の平均厚さα１と前記基材に最も近い前記Ｂ層の平均厚さβ１が、α１＞β１であり、前記基材から最も離れた前記Ａ層の厚さαｎと前記基材から最も離れた前記Ｂ層のβｍとの関係が、αｎ＜βｍであることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆切削工具。
【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（以下、被覆工具ということがある）に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、切削工具の寿命を向上させるために、炭化タングステン（以下、ＷＣという）基超硬合金等の基材の表面に、被覆層を形成した被覆工具が知られている。
そして、被覆工具のより一層の切削性能を向上させるために、被覆層の組成や構造について、種々の提案がなされている。
そして、被覆工具のより一層の切削性能を向上させるために、被覆層の組成や構造について、種々の提案がなされている。
【0003】
例えば、特許文献１には、基材表面にＣｒおよびＡｌと、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｂから選択される少なくとも１種以上の元素とから構成される被覆層を１層以上被覆し、該被覆層の少なくとも１層はＳｉを含有し、該Ｓｉを含む被覆層は固溶体相で結晶構造はｆｃｃである被覆工具が記載され、前記被覆層はナノ粒子の分散強化により耐酸化性に優れ高温強度が高いため、前記被覆工具は耐アブレッシブ摩耗性に優れるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２００４－１０６１８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明は、前記事情や前記提案を鑑みてなされたものであって、Ｔｉ基合金、オーステナイト系ステンレス鋼、Ｎｉ基合金等の難削材の切削加工であっても、優れた耐久性を有する被覆工具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】
【0006】
本発明の実施形態に係る表面被覆切削工具は、
基材と該基材上の被覆層を有し、
１）前記被覆層はＡ層とＢ層が交互に各２層以上積層した交互積層を含み、
２）前記Ａ層は、ＡｌａＣｒ１－ａ－ｂＳｉｂＮ（０．３０≦ａ≦０．７０、０．００≦ｂ≦０．１０）であり、
３）前記Ｂ層は、ＡｌｃＣｒ１－ｃ－ｄＳｉｄＮ（０．３０≦ｃ≦０．７０、０．０２≦ｄ≦０．２０）であり、
４）ｄ－ｂ≧０．０２であり、
５）前記基材の側からｉ番目の位置にある前記Ａ層をＡｉ層（１≦ｉ≦ｎ、ｎは積層数）とし、前記Ａｉ層の平均層厚をαｉ（ｎｍ）としたとき、α１からαｎへの変化を最小二乗法によって直線近似すると負の勾配を有する直線となり、前記基材の側からｊ番目の位置にある前記Ｂ層をＢｊ層（１≦ｊ≦ｍ、ｍは積層数）とし、前記Ｂｊ層の平均層厚をβｊ（ｎｍ）としたときβ１からβｍへの変化を最小二乗法によって直線近似すると正の勾配を有する直線である。
基材と該基材上の被覆層を有し、
１）前記被覆層はＡ層とＢ層が交互に各２層以上積層した交互積層を含み、
２）前記Ａ層は、ＡｌａＣｒ１－ａ－ｂＳｉｂＮ（０．３０≦ａ≦０．７０、０．００≦ｂ≦０．１０）であり、
３）前記Ｂ層は、ＡｌｃＣｒ１－ｃ－ｄＳｉｄＮ（０．３０≦ｃ≦０．７０、０．０２≦ｄ≦０．２０）であり、
４）ｄ－ｂ≧０．０２であり、
５）前記基材の側からｉ番目の位置にある前記Ａ層をＡｉ層（１≦ｉ≦ｎ、ｎは積層数）とし、前記Ａｉ層の平均層厚をαｉ（ｎｍ）としたとき、α１からαｎへの変化を最小二乗法によって直線近似すると負の勾配を有する直線となり、前記基材の側からｊ番目の位置にある前記Ｂ層をＢｊ層（１≦ｊ≦ｍ、ｍは積層数）とし、前記Ｂｊ層の平均層厚をβｊ（ｎｍ）としたときβ１からβｍへの変化を最小二乗法によって直線近似すると正の勾配を有する直線である。
【0007】
さらに、前記実施形態に係る表面被覆切削工具は、以下の事項（１）を満足してもよい。
【0008】
（１）前記基材に最も近い前記Ａ層の平均厚さα１と前記基材に最も近い前記Ｂ層の平均厚さβ１が、α１＞β１であり、前記基材から最も離れた前記Ａ層の厚さαｎと前記基材から最も離れた前記Ｂ層のβｍとの関係が、αｎ＜βｍである。
【発明の効果】
【0009】
前記表面被覆切削工具は、Ｔｉ基合金、オーステナイト系ステンレス鋼、Ｎｉ基合金等の難削材の切削加工であっても、優れた耐久性を有する。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本発明の実施形態に係る表面被覆切削工具の縦断面の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
本発明者は、Ｔｉ基合金、オーステナイト系ステンレス鋼、Ｎｉ基合金等の難削材の切削加工であっても耐久性を有する表面被覆切削工具を得るために鋭意検討を行った。
【0012】
特許文献１に記載された被覆層は、相対的にＳｉに富み、Ｃｒ、Ａｌ、ＳｉとＣ、Ｎ、Ｏ、Ｂから選択される１種以上のアモルファス結晶を含む化合物相を有しており、本発明者は、この化合物相のアモルファス結晶が格子歪みによる分散強化をもたらし、当該化合物相の硬さを高めていると考えた。
【0013】
そこで、本発明者は検討を進めた結果、被覆層としてＡｌＣｒＳｉＮ層を用いた場合について次の事項を認識した。
【0014】
（１）Ｓｉ含有量が多い場合は被覆層の耐酸化性や耐熱性が向上するが、被覆層の格子歪みが大きくなるために、高負荷が作用したとき、これに耐え得る十分な靭性を備えておらず、そのため、チッピングを発生しやすいこと。
（２）Ｓｉ含有量が少ない場合は被覆層の格子歪みが過度に大きくなることがないために、十分な靭性を備えることができるが、耐酸化性や耐熱性が十分でないため、アブレッシブ摩耗や酸化摩耗が起こりやすくなること。
（２）Ｓｉ含有量が少ない場合は被覆層の格子歪みが過度に大きくなることがないために、十分な靭性を備えることができるが、耐酸化性や耐熱性が十分でないため、アブレッシブ摩耗や酸化摩耗が起こりやすくなること。
【0015】
この認識を基にして、更に検討を続けた結果、Ｓｉ含有量が少ないＡｌＣｒＳｉＮ層であるＡ層と、Ｓｉ含有量が多いＡｌＣｒＳｉＮ層であるＢ層をと交互積層させ、さらにＡ層とＢ層の１層当たりの厚さを所定のものする被覆層を用いることにより、耐摩耗性と耐チッピング性に優れ被覆工具が得られることを見出し、本発明を導出したのである。
【0016】
以下では、本発明の実施形態に係る表面被覆切削工具について説明する。
なお、本明細書および特許請求の範囲において、数値範囲を「Ｌ～Ｍ」（Ｌ、Ｍは共に数値）で表現するときは、その範囲は上限値（Ｍ）および下限値（Ｌ）を含んでおり、上限値のみに単位が記載されているとき、上限値（Ｍ）と下限値（Ｌ）の単位は同じである。
なお、本明細書および特許請求の範囲において、数値範囲を「Ｌ～Ｍ」（Ｌ、Ｍは共に数値）で表現するときは、その範囲は上限値（Ｍ）および下限値（Ｌ）を含んでおり、上限値のみに単位が記載されているとき、上限値（Ｍ）と下限値（Ｌ）の単位は同じである。
【0017】
また、本明細書、特許請求の範囲でいう基材の表面とは、被覆層の最も基材の表面に近い層と基材との界面の粗さ曲線について、平均線（直線）を算術的に求めたものである。この平均線を求める方法によれば、基材が曲面の表面を有する場合であっても、被覆層の厚さに対して工具径（基材の径）が十分に大きければ、被覆層と基材の界面は平面と扱うことできるため、同様に基材の表面を求めることができる。
さらに、縦断面とは、工具基材表面の微小な凹凸を無視して平面と扱ったとき、この面に垂直な断面をいう。
さらに、縦断面とは、工具基材表面の微小な凹凸を無視して平面と扱ったとき、この面に垂直な断面をいう。
【0018】
図１に、本発明の実施形態に係る表面被覆切削工具の縦断面の一例を示す模式図を示す。この図によれば、基材（１）に最も近い層がＡ層（２）であるＡｌＣｒＳｉＮと基材（１）からもっとも離れた層がＢ層（３）であるＡｌＣｒＳｉＮとなるＡ層（２）とＢ層（３）の交互積層（４）を有している。また、基材（１）と交互積層（４）との間には下地層（５）を選択的に設けてもよい（下地層（５）はなくてもよい。また、最表面に上部層（図示省略）を有してもよい）。そして、交互積層（４）、下地層（５）および上部層は被覆層（６）を構成する。
以下、順に説明する。
以下、順に説明する。
【0019】
１．被覆層
被覆層に含まれる交互積層は、Ａ層とＢ層が交互に積層したものである。
被覆層に含まれる交互積層は、Ａ層とＢ層が交互に積層したものである。
【0020】
（１）Ａ層の平均組成
Ａ層の平均組成は、ＡｌａＣｒ１－ａ－ｂＳｉｂＮ（０．３０≦ａ≦０．７０、０．００≦ｂ≦０．１０）であることが好ましい。
平均組成として、この範囲が好ましい理由は、以下のとおりである。なお、ａ、ｂは原子比である。
Ａ層の平均組成は、ＡｌａＣｒ１－ａ－ｂＳｉｂＮ（０．３０≦ａ≦０．７０、０．００≦ｂ≦０．１０）であることが好ましい。
平均組成として、この範囲が好ましい理由は、以下のとおりである。なお、ａ、ｂは原子比である。
【0021】
・ａについて
ａが０．３０未満の場合には、Ａ層の高温硬さや高温耐酸化性が十分でなく、一方で、０．７０を超える場合には、六方晶構造の結晶粒が形成されやすくなって、Ａ層の硬度が低下し十分な耐摩耗性を得ることができなくためである。
ａが０．３０未満の場合には、Ａ層の高温硬さや高温耐酸化性が十分でなく、一方で、０．７０を超える場合には、六方晶構造の結晶粒が形成されやすくなって、Ａ層の硬度が低下し十分な耐摩耗性を得ることができなくためである。
【0022】
・ｂについて
ｂは０．００、すなわち、ｂは含まれなくてもよい。ｂが０．１０を超えるとＡ層の靱性が低下してしまい、十分な耐チッピング性を得ることできなくなる。
ｂは０．００、すなわち、ｂは含まれなくてもよい。ｂが０．１０を超えるとＡ層の靱性が低下してしまい、十分な耐チッピング性を得ることできなくなる。
【0023】
（２）Ｂ層の平均組成
Ｂ層の平均組成は、ＡｌｃＣｒ１－ｃ－ｄＳｉｄＮ（０．３０≦ｃ≦０．７０、０．０２≦ｄ≦０．２０）であることが好ましい。
平均組成として、この範囲が好ましい理由は、以下のとおりである。なお、ｃ、ｄは原子比である。
Ｂ層の平均組成は、ＡｌｃＣｒ１－ｃ－ｄＳｉｄＮ（０．３０≦ｃ≦０．７０、０．０２≦ｄ≦０．２０）であることが好ましい。
平均組成として、この範囲が好ましい理由は、以下のとおりである。なお、ｃ、ｄは原子比である。
【0024】
・ｃについて
ｃが０．３０未満の場合には、Ｂ層の高温硬さや高温耐酸化性が低下し、一方で、ｃが０．７０を超える場合には、六方晶構造の結晶粒が形成されやすくなり、Ｂ層の硬度が低下し十分な耐摩耗性を得ることができなくなる。
ｃが０．３０未満の場合には、Ｂ層の高温硬さや高温耐酸化性が低下し、一方で、ｃが０．７０を超える場合には、六方晶構造の結晶粒が形成されやすくなり、Ｂ層の硬度が低下し十分な耐摩耗性を得ることができなくなる。
【0025】
・ｄについて
ｄが０．０２未満であると、Ｂ層の耐酸化性と耐熱性が低下し、十分な耐摩耗性が得られず、一方で、ｄが０．２０を上回ると、六方晶構造の結晶粒が形成されやすくなり、Ｂ層の硬度が低下し十分な耐摩耗性を得ることができなくなる。
ｄが０．０２未満であると、Ｂ層の耐酸化性と耐熱性が低下し、十分な耐摩耗性が得られず、一方で、ｄが０．２０を上回ると、六方晶構造の結晶粒が形成されやすくなり、Ｂ層の硬度が低下し十分な耐摩耗性を得ることができなくなる。
【0026】
（３）Ａ層の平均組成とＢ層の平均組成との関係
Ａ層の平均組成を規定するｂと、Ｂ層の平均組成を規定するｄとの間には
ｄ－ｂ≧０．０２
の関係が成り立つことが好ましい。
すなわち、ｄ－ｂが０．０２未満であると、Ａ層とＢ層との間で格子歪みの付与が小さく、被覆層の硬度が十分に向上しない。
Ａ層の平均組成を規定するｂと、Ｂ層の平均組成を規定するｄとの間には
ｄ－ｂ≧０．０２
の関係が成り立つことが好ましい。
すなわち、ｄ－ｂが０．０２未満であると、Ａ層とＢ層との間で格子歪みの付与が小さく、被覆層の硬度が十分に向上しない。
【0027】
なお、ＡｌａＣｒ１－ａ－ｂＳｉｂＮにおけるＡｌａＣｒ１－ａ－ｂＳｉｂとＮとの比、および、ＡｌｃＣｒ１－ｃ－ｄＳｉｄＮにおけるＡｌｃＣｒ１－ｃ－ｄＳｉｄとＮとの比は、共に、１：１となるように成膜するが、成膜中の温度や圧力の意図しない変動のために、１：１とならないものが存在することがある。このことは他の窒化物においても同様である。
【0028】
（４）Ａ層とＢ層の平均厚さの変化
交互積層の基材側の層からｉ番目（１≦ｉ≦ｎ、ｎは積層数）となるＡ層の平均厚さをαｉ（ｎｍ）、前記ｊ番目（１≦ｉ≦ｍ、ｍは積層数）となるＢ層の平均厚さをβｊ（ｎｍ）とするとき、α１からαｎは減少し、β１からβｍは増加することが好ましい。
α１からαｎは減少し、β１からβｍは増加することより、被覆層は、基材側では交互積層のＳｉ含有量が相対的に少なく、表面側では交互積層のＳｉ含有量が相対的に多いものとなる。これにより、被覆層は、被覆層全体の損傷や大きなチッピングを引き起こす要因となる基材側での被覆層の破壊の低減と、より高温下に晒されやすい表面側での耐酸化性や耐熱性を両立したものとなる。
交互積層の基材側の層からｉ番目（１≦ｉ≦ｎ、ｎは積層数）となるＡ層の平均厚さをαｉ（ｎｍ）、前記ｊ番目（１≦ｉ≦ｍ、ｍは積層数）となるＢ層の平均厚さをβｊ（ｎｍ）とするとき、α１からαｎは減少し、β１からβｍは増加することが好ましい。
α１からαｎは減少し、β１からβｍは増加することより、被覆層は、基材側では交互積層のＳｉ含有量が相対的に少なく、表面側では交互積層のＳｉ含有量が相対的に多いものとなる。これにより、被覆層は、被覆層全体の損傷や大きなチッピングを引き起こす要因となる基材側での被覆層の破壊の低減と、より高温下に晒されやすい表面側での耐酸化性や耐熱性を両立したものとなる。
【0029】
ここで、α１からαｎは減少し、β１からβｍは増加するとは、それぞれ、ｉおよびｊを横軸に、αｉおよびβｊを縦軸にとって、最小二乗近似を行ったとき、αｉについては負の傾き、βｊについては正の傾きを持つことをいう。
そして、αｉについては傾きが－１以下、βｊについては傾きが１以上であることがより好ましい。
そして、αｉについては傾きが－１以下、βｊについては傾きが１以上であることがより好ましい。
【0030】
そして、基材に最も近い前記Ａ層の平均厚さα１と前記基材に最も近い前記Ｂ層の平均厚さβ１が、α１＞β１であり、前記基材から最も離れた前記Ａ層の厚さαｎと前記基材から最も離れた前記Ｂ層のβｍとの関係が、αｎ＜βｍであることがより好ましい。
なお、基材に接する層、被覆層の最も表面の層（工具表面側の層）は、Ａ層、Ｂ層のいずれであってもかまわない。
なお、基材に接する層、被覆層の最も表面の層（工具表面側の層）は、Ａ層、Ｂ層のいずれであってもかまわない。
【0031】
α１、β１、αｎ、βｍ、ｎ、ｍの値について特に制約はないが、α１は５０～５００ｎｍ、β１は５～５０ｎｍ、αｎは５～５０ｎｍ、βｍは５０～５００ｎｍがより好ましく、ｎおよびｍは５～１００がより好ましい。
【0032】
全てのＡ層平均厚さと全てのＢ層の平均厚さの合計（αｉとβｊの合計値）は、１．０～２０．０μｍがより好ましい。
【0033】
（５）その他の層
（５－１）存在がより好ましい層
Ａ層とＢ層の交互積層だけでも、前述の課題は十分に解決できるが、この交互積層の他に、基材とこの交互積層との間に下地層、および／または、この交互積層の工具表面側に上部層を、それぞれ選択的に設けてもよい。
（５－１）存在がより好ましい層
Ａ層とＢ層の交互積層だけでも、前述の課題は十分に解決できるが、この交互積層の他に、基材とこの交互積層との間に下地層、および／または、この交互積層の工具表面側に上部層を、それぞれ選択的に設けてもよい。
【0034】
ア 下地層
下地層は、基材とＡ層とＢ層の交互積層をより強固に結合させるために設けてもよい。下地層としては、ＡｌとＴｉとの複合窒化物層、ＡｌとＴｉとＳｉの複合窒化物層、ＡｌとＣｒとの複合窒化物層（これらの層の組成は化学量論的組成に限定されない）が例示できるが、これらに限られるものではない。なお、この下地層の平均厚さは、例えば、０．３～５．０μｍでよい。
下地層は、基材とＡ層とＢ層の交互積層をより強固に結合させるために設けてもよい。下地層としては、ＡｌとＴｉとの複合窒化物層、ＡｌとＴｉとＳｉの複合窒化物層、ＡｌとＣｒとの複合窒化物層（これらの層の組成は化学量論的組成に限定されない）が例示できるが、これらに限られるものではない。なお、この下地層の平均厚さは、例えば、０．３～５．０μｍでよい。
【0035】
イ 上部層
上部層は、ＴｉＮ層が例示できる。ＴｉＮ層が黄金色の色調を有することから、例えば、被覆工具が未使用であるか使用されたものであるかを被覆工具表面の色調変化によって、判別する識別層とすることができる。
なお、この識別層としてのＴｉＮ層の平均厚みは、例えば、０．１～１．０μｍでよい。
上部層は、ＴｉＮ層が例示できる。ＴｉＮ層が黄金色の色調を有することから、例えば、被覆工具が未使用であるか使用されたものであるかを被覆工具表面の色調変化によって、判別する識別層とすることができる。
なお、この識別層としてのＴｉＮ層の平均厚みは、例えば、０．１～１．０μｍでよい。
【0036】
（５－２） 偶発的に生じる可能性のある層
本実施形態では、Ａ層、Ｂ層、下地層および上部層以外は存在しないように成膜される。しかし、成膜すべき層の種類を変更する際に、成膜装置内の圧力変化や温度の変動が意図せずに発生することがあり、これら層とは組成の異なった層がこれらの層の間に（意図せずに）偶発的に形成されることがある。この層のことを偶発的に生じる可能性のある層という。
本実施形態では、Ａ層、Ｂ層、下地層および上部層以外は存在しないように成膜される。しかし、成膜すべき層の種類を変更する際に、成膜装置内の圧力変化や温度の変動が意図せずに発生することがあり、これら層とは組成の異なった層がこれらの層の間に（意図せずに）偶発的に形成されることがある。この層のことを偶発的に生じる可能性のある層という。
【0037】
３．基材
（１）材質
本実施形態に使用する基材は、従来公知の基材の材質であれば、前述の目的を達成することを阻害するものでない限り、いずれのものも使用可能である。例えば、超硬合金（ＷＣ基超硬合金、ＷＣの他、Ｃｏを含み、さらに、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物を添加したものも含むもの）、サーメット（例えば、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮを主成分とするもの）、セラミックス（例えば、炭化チタン、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム）、ｃＢＮ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。
（１）材質
本実施形態に使用する基材は、従来公知の基材の材質であれば、前述の目的を達成することを阻害するものでない限り、いずれのものも使用可能である。例えば、超硬合金（ＷＣ基超硬合金、ＷＣの他、Ｃｏを含み、さらに、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物を添加したものも含むもの）、サーメット（例えば、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮを主成分とするもの）、セラミックス（例えば、炭化チタン、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム）、ｃＢＮ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。
【0038】
（２）形状
基材の形状は、切削工具として用いられる形状であれば特段の制約はなく、インサートの形状、エンドミルの形状、ドリルの形状が例示できる。
基材の形状は、切削工具として用いられる形状であれば特段の制約はなく、インサートの形状、エンドミルの形状、ドリルの形状が例示できる。
【0039】
３．測定方法
収束イオンビーム（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ：ＦＩＢ）装置を用いて縦断面（基材表面の微小な凹凸をないものとみなして、この基材表面に垂直な面）を切り出し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）または透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて、全ての種類の層に対して、各層について５箇所で全ての層の厚さを測定し（観察倍率は、厚さの測定が可能な倍率であればよく、Ａ層とＢ層の厚さ測定では５０，０００～５００，０００倍である）、その平均値を各層の平均厚さとする。さらに、ＳＥＭまたはＴＥＭを用いたエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）、オージェ電子分光法（Ａｕｇｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＡＥＳ）や電子線マイクロアナライザー（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ：ＥＰＭＡ）を用いた断面測定により、Ａ層、Ｂ層、下地層および上部層の成分組成を全ての層に対して、各層ごとに５箇所測定し、その平均値から平均組成を算出する。
収束イオンビーム（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ：ＦＩＢ）装置を用いて縦断面（基材表面の微小な凹凸をないものとみなして、この基材表面に垂直な面）を切り出し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）または透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて、全ての種類の層に対して、各層について５箇所で全ての層の厚さを測定し（観察倍率は、厚さの測定が可能な倍率であればよく、Ａ層とＢ層の厚さ測定では５０，０００～５００，０００倍である）、その平均値を各層の平均厚さとする。さらに、ＳＥＭまたはＴＥＭを用いたエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）、オージェ電子分光法（Ａｕｇｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＡＥＳ）や電子線マイクロアナライザー（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ：ＥＰＭＡ）を用いた断面測定により、Ａ層、Ｂ層、下地層および上部層の成分組成を全ての層に対して、各層ごとに５箇所測定し、その平均値から平均組成を算出する。
【0040】
４．製造方法
第１および第２実施形態の被覆層は、例えば、次のようなＰＶＤ法により製造できる。
すなわち、アークイオンプレーティング（Ａｒｃ Ｉｏｎ Ｐｌａｔｉｎｇ：ＡＩＰ）装置内を窒素雰囲気とし、
Ａ層の形成のために、Ａｌａ’Ｃｒ１００－ａ’－ｂ’Ｓｉｂ’（３０≦ａ’≦７３、０≦ｂ’ ≦１２）のターゲット（Ａ層成膜用のＡｌＣｒＳｉ合金のターゲット）、
Ｂ層の形成のために、Ａｌｃ’Ｃｒｅ１００－ｃ’―ｄ’Ｓｉｄ’（３２≦Ｃ’≦６８、５≦ｄ’≦２５）のターゲット（Ｂ層成膜用のＡｌＣｒＳｉ合金のターゲット）、
さらに、必要により、
下地層の形成のために、所望の複合窒化物層に応じた、例えばＡｌＴｉ、ＡｌＴｉＳｉ、ＡｌＣｒの各合金のターゲット、
上部層の形成のために、例えばＴｉのターゲット、
を用意し、
これらターゲットとアノード電極との間にアーク放電を順次発生させて所定の平均厚さの下地層、Ａ層、Ｂ層、上部層を成膜する。なお、各ターゲットの組成は、原子の整数比で表している。
なお、ターゲットの組成はターゲットを構成する元素の原子比の和を１００として表している。
第１および第２実施形態の被覆層は、例えば、次のようなＰＶＤ法により製造できる。
すなわち、アークイオンプレーティング（Ａｒｃ Ｉｏｎ Ｐｌａｔｉｎｇ：ＡＩＰ）装置内を窒素雰囲気とし、
Ａ層の形成のために、Ａｌａ’Ｃｒ１００－ａ’－ｂ’Ｓｉｂ’（３０≦ａ’≦７３、０≦ｂ’ ≦１２）のターゲット（Ａ層成膜用のＡｌＣｒＳｉ合金のターゲット）、
Ｂ層の形成のために、Ａｌｃ’Ｃｒｅ１００－ｃ’―ｄ’Ｓｉｄ’（３２≦Ｃ’≦６８、５≦ｄ’≦２５）のターゲット（Ｂ層成膜用のＡｌＣｒＳｉ合金のターゲット）、
さらに、必要により、
下地層の形成のために、所望の複合窒化物層に応じた、例えばＡｌＴｉ、ＡｌＴｉＳｉ、ＡｌＣｒの各合金のターゲット、
上部層の形成のために、例えばＴｉのターゲット、
を用意し、
これらターゲットとアノード電極との間にアーク放電を順次発生させて所定の平均厚さの下地層、Ａ層、Ｂ層、上部層を成膜する。なお、各ターゲットの組成は、原子の整数比で表している。
なお、ターゲットの組成はターゲットを構成する元素の原子比の和を１００として表している。
【実施例0041】
以下、実施例をあげて本発明を説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【0042】
（１）基材の製造
原料粉末として、ＷＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ3Ｃ2粉末およびＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、表１に示されるように配合した。その後、ワックスを加えてアセトン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形した。
原料粉末として、ＷＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ3Ｃ2粉末およびＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、表１に示されるように配合した。その後、ワックスを加えてアセトン中で２４時間ボールミル混合し、減圧乾燥した後、９８ＭＰａの圧力で所定形状の圧粉体にプレス成形した。
【0043】
この圧粉体を真空焼結し、直径が６ｍｍの基材形成用丸棒焼結体を形成し、さらに前記丸棒焼結体から、研削加工にて、切刃部の直径×長さが６ｍｍ×１３ｍｍの寸法で４枚刃スクエア形状をもったＷＣ基超硬合金製のエンドミル基材１～４を製造した。
そして、この基材１～４のそれぞれを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥させた。
そして、この基材１～４のそれぞれを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥させた。
【0044】
（２）被覆層の製造
ＡＩＰ装置の回転テーブル上の中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に、基材を外周部にそって装着し、ＡＩＰ装置に所定組成のＡ層成膜用のＡｌＣｒＳｉ合金のターゲット（カソード電極）を、所定組成のＢ層成膜用のＡｌＣｒＳｉ合金のターゲット、さらに、下地層形成のための、ＡｌＴｉ、ＡｌＴｉＳｉ、ＡｌＣｒの各合金のターゲット、上部層の形成のための、Ｔｉのターゲットを配置した。
ＡＩＰ装置の回転テーブル上の中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に、基材を外周部にそって装着し、ＡＩＰ装置に所定組成のＡ層成膜用のＡｌＣｒＳｉ合金のターゲット（カソード電極）を、所定組成のＢ層成膜用のＡｌＣｒＳｉ合金のターゲット、さらに、下地層形成のための、ＡｌＴｉ、ＡｌＴｉＳｉ、ＡｌＣｒの各合金のターゲット、上部層の形成のための、Ｔｉのターゲットを配置した。
【0045】
前記基材１～４のそれぞれをボンバード処理の後に、被覆工具の実施例（実施例１～１２製造した。
【0046】
１）下地層の成膜
いくつかの実施例では、次の手順により下地層を成膜した。
ＡＩＰ装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して、表４に示すように、下地層成膜用に３．５Ｐａの窒素雰囲気とすると共に、前記回転テーブル上で自転する前記基材の温度を４８０℃に維持すると共に、－４５Ｖの直流バイアス電圧を印加し、成膜する下地層の組成に対応したＡｌＴｉ、ＡｌＴｉＳｉ、ＡｌＣｒ各合金のターゲットとアノード電極との間にアーク放電を発生させ、もって前記基材の表面に、下地層を成膜した。
いくつかの実施例では、次の手順により下地層を成膜した。
ＡＩＰ装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して、表４に示すように、下地層成膜用に３．５Ｐａの窒素雰囲気とすると共に、前記回転テーブル上で自転する前記基材の温度を４８０℃に維持すると共に、－４５Ｖの直流バイアス電圧を印加し、成膜する下地層の組成に対応したＡｌＴｉ、ＡｌＴｉＳｉ、ＡｌＣｒ各合金のターゲットとアノード電極との間にアーク放電を発生させ、もって前記基材の表面に、下地層を成膜した。
【0047】
なお、表４において、ターゲットの組成はＡ層およびＢ層の組成の表現とは異なり、各原子の比の和を１００として整数で表している。以下、他のターゲット組成も同様に記す。
【0048】
２）Ａ層の成膜
ＡＩＰ装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入してＡ層成膜用のＡｌＣｒＳｉ合金のターゲットとアノード電極との間にアーク放電を発生させて、Ａ層の成膜を行った。窒素雰囲気圧力、基材温度、バイアス電圧は、表２に示されるものであった。
ＡＩＰ装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入してＡ層成膜用のＡｌＣｒＳｉ合金のターゲットとアノード電極との間にアーク放電を発生させて、Ａ層の成膜を行った。窒素雰囲気圧力、基材温度、バイアス電圧は、表２に示されるものであった。
【0049】
３）Ｂ層の成膜
Ｂ層成膜用のＡｌＣｒＳｉ合金ターゲットとアノード電極との間にてアーク放電を発生させて、Ｂ層の成膜を行った。窒素雰囲気圧力、基材温度、バイアス電圧は、表２に示されるものであった。
Ｂ層成膜用のＡｌＣｒＳｉ合金ターゲットとアノード電極との間にてアーク放電を発生させて、Ｂ層の成膜を行った。窒素雰囲気圧力、基材温度、バイアス電圧は、表２に示されるものであった。
【0050】
４）Ａ層とＢ層が交互に積層した交互積層の成膜
前記２）と３）の成膜を所定数繰り返して、表６に示す層数のＡ層とＢ層が交互に積層した層を成膜した。
前記２）と３）の成膜を所定数繰り返して、表６に示す層数のＡ層とＢ層が交互に積層した層を成膜した。
【0051】
５）上部層の成膜
いくつかの実施例では、次の手順により上部層を成膜した。
ＡＩＰ装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して、表４に示すように、上部層成膜用に窒素雰囲気の圧力を４．０Ｐａとすると共に、前記回転テーブル上で自転する前記基材の温度を５００℃に維持すると共に、－７５Ｖのバイアス電圧を印加し、成膜する上部層の組成に対応したＴｉターゲットとアノード電極との間にアーク放電を発生させ上部層を成膜した。
このように製造した実施例１～１２を表５、６に示す。
いくつかの実施例では、次の手順により上部層を成膜した。
ＡＩＰ装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して、表４に示すように、上部層成膜用に窒素雰囲気の圧力を４．０Ｐａとすると共に、前記回転テーブル上で自転する前記基材の温度を５００℃に維持すると共に、－７５Ｖのバイアス電圧を印加し、成膜する上部層の組成に対応したＴｉターゲットとアノード電極との間にアーク放電を発生させ上部層を成膜した。
このように製造した実施例１～１２を表５、６に示す。
【0052】
（３）比較例
比較のために、前記基材１～４のそれぞれを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、ＡＩＰ装置の回転テーブル上の中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に外周部にそって装着し、実施例１～１２と同様にボンバード処理を行い表３に示す成膜条件１’～８’に従って、表７、８に示される比較例の表面被覆工具１’～８’（以下、比較例１’～８’という）をそれぞれ製造した。なお、いくつかの比較例については、表４に示す成膜条件によって下地層、上部層を成膜した。
比較のために、前記基材１～４のそれぞれを、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、ＡＩＰ装置の回転テーブル上の中心軸から半径方向に所定距離離れた位置に外周部にそって装着し、実施例１～１２と同様にボンバード処理を行い表３に示す成膜条件１’～８’に従って、表７、８に示される比較例の表面被覆工具１’～８’（以下、比較例１’～８’という）をそれぞれ製造した。なお、いくつかの比較例については、表４に示す成膜条件によって下地層、上部層を成膜した。
【0053】
前記で製造した実施例１～１２および比較例１’～８’について、前述の方法を用いて、平均組成および平均厚さを算出した。
【0054】
【表1】
【0055】
【表2】
【0056】
【表3】
【0057】
【表4】
【0058】
【表5】
【0059】
表５において、Ａ層の組成、Ｂ層の組成とは、Ａ層の平均組成、Ｂ層の平均組成のことである。
【0060】
【表6】
【0061】
【表7】
【0062】
表７において、Ａ層の組成、Ｂ相の組成とは、Ａ層の平均組成、Ｂ層の平均組成のことである。また、比較例１ではＡ層およびＢ層のいずれもＳｉを含有していないため、「ｄ－ｂ」の欄は「－」としている。
【0063】
【表8】
【0064】
次に、前記実施例１～１２および比較例１’～８’について、いずれもミーリングチャックに固定治具にて固定した状態で、下記の切削条件によるＴｉ基合金の湿式連続切削加工試験を実施し、切刃の逃げ面摩耗幅を測定した。
【0065】
＜切削条件＞
被削材：平面寸法２５０ｍｍ×１００ｍｍ、厚さ６０ｍｍのＴｉ－６Ａｌ－４Ｖの板材
切削速度：１００ ｍ／ｍｉｎ．
回転速度：５５００ ｍｉｎ－１．
切り込み：ａｅ ０．３ ｍｍ、ａｐ ６ ｍｍ
送り速度（１刃当り）：０．０８ ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
切削長：２００ ｍ、
切削油：水溶性クーラント
表９にそれぞれ、実施例１～１２と比較例１’～８’切削試験の結果を示す。
被削材：平面寸法２５０ｍｍ×１００ｍｍ、厚さ６０ｍｍのＴｉ－６Ａｌ－４Ｖの板材
切削速度：１００ ｍ／ｍｉｎ．
回転速度：５５００ ｍｉｎ－１．
切り込み：ａｅ ０．３ ｍｍ、ａｐ ６ ｍｍ
送り速度（１刃当り）：０．０８ ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
切削長：２００ ｍ、
切削油：水溶性クーラント
表９にそれぞれ、実施例１～１２と比較例１’～８’切削試験の結果を示す。
【0066】
【表9】
【0067】
表９において、比較例の欄の「※」は、剥離、溶着、チッピングや摩耗等が原因で使用寿命に至るまでの切削距離（ｍ）を示している。
【0068】
表９に示される結果から、実施例１～１２は、いずれも、Ｔｉ基合金の高速切削加工であっても、被覆層の剥離、溶着、チッピングがなかったことに加え、切削長２００ｍ時点での逃げ面摩耗幅が小さく、優れた耐久性を有することがわかる。
これに対して、比較例１’～８’は、Ｔｉ基合金の高速切削加工時の熱的負荷、機械的負荷により被覆層の剥離、溶着、チッピングが発生した、または、切削長２００ｍ時点での逃げ面摩耗幅が実施例よりも大きかった、のいずれかであり、実施例よりも耐久性が劣っていることがわかる。
これに対して、比較例１’～８’は、Ｔｉ基合金の高速切削加工時の熱的負荷、機械的負荷により被覆層の剥離、溶着、チッピングが発生した、または、切削長２００ｍ時点での逃げ面摩耗幅が実施例よりも大きかった、のいずれかであり、実施例よりも耐久性が劣っていることがわかる。
【0069】
本発明に係る被覆工具は、Ｔｉ基合金に加え、オーステナイト系ステンレス鋼、Ｎｉ基合金のような同じく熱伝導率が小さいことに加え、加工硬化し易いために、切刃に大きな熱的、機械的付加が作用する材料を切削加工に供した場合であっても、優れた耐久性を発揮することが期待できる。
【符号の説明】
【0070】
１ 基材
２ Ａ層
３ Ｂ層
４ 交互積層
５ 下地層
６ 被覆層
２ Ａ層
３ Ｂ層
４ 交互積層
５ 下地層
６ 被覆層
【図1】