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(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】
(24)【登録日】2025-03-18
(45)【発行日】2025-03-27
(54)【発明の名称】切削工具
(51)【国際特許分類】
B23B 27/14 20060101AFI20250319BHJP
B23B 51/00 20060101ALI20250319BHJP
B23C 5/16 20060101ALI20250319BHJP
C23C 14/06 20060101ALI20250319BHJP
【ＦＩ】
B23B27/14 A
B23B51/00 J
B23C5/16
C23C14/06 A
C23C14/06 P
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2024525257
(86)(22)【出願日】2023-11-29
(86)【国際出願番号】 JP2023042712
【審査請求日】2024-12-12
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000002130
【氏名又は名称】住友電気工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001195
【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】福井 治世
(72)【発明者】
【氏名】月原 望
(72)【発明者】
【氏名】田畑 敏広
【審査官】野口 絢子
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２００９／０２５１１２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１９－１９９６４７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２１－３５７０２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２１－９５６２３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２３Ｃ １／００－ ９／００
Ｂ２３Ｂ ２７／００－２９／３４
Ｂ２３Ｂ ５１／００－５１／１４
Ｂ２３Ｐ ５／００－１７／０６
Ｂ２３Ｐ ２３／００－２５／００
Ｃ２３Ｃ １４／００－１４／５８
Ｃ２３Ｃ １６／００－１６／５６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項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、第一単位層と第二単位層とが交互に積層された交互層からなり、
前記第一単位層は、Ｔｉ１－ａＭｏａＮからなり、
前記ａは、０．０１以上０．２０以下であり、
前記第二単位層は、ＡｌｂＶ１－ｂＮからなり、
前記ｂは、０．４０以上０．８０以下である、切削工具。
【請求項2】
前記第一単位層と、前記第一単位層に隣接する前記第二単位層とにおいて、前記第一単位層の厚みλ１μｍに対する前記第二単位層の厚みλ２μｍの比λ２／λ１は、１．０以上５．０以下である、請求項１に記載の切削工具。
【請求項3】
前記第一単位層の平均厚みは、０．００２μｍ以上０．２μｍ以下であり、前記第二単位層の平均厚みは、０．００２μｍ以上０．２μｍ以下である、請求項１または請求項２に記載の切削工具。
【請求項4】
前記被膜は、前記第一層の前記基材と反対側に設けられる表面層を更に含み、前記表面層は、ＴｉＭｏＯＮまたはＡｌＶＯＮからなる、請求項１または請求項２に記載の切削工具。
【請求項5】
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、第二層を含み、
前記第二層は、第一単位層と第三単位層とが交互に積層された交互層からなり、
前記第一単位層は、Ｔｉ１－ａＭｏａＮからなり、
前記ａは、０．０１以上０．２０以下であり、
前記第三単位層は、ＡｌｃＶ１－ｃ－ｄＸｄＮからなり、
前記Ｘは、硼素、珪素、スカンジウム、イットリウム、および、セリウムからなる群より選択される１種または２種であり、
前記ｃは、０．４０以上０．８０以下であり、
前記ｄは、０．００１以上０．０５以下である、切削工具。
【請求項6】
前記第一単位層と、前記第一単位層に隣接する前記第三単位層とにおいて、前記第一単位層の厚みλ１μｍに対する前記第三単位層の厚みλ３μｍの比λ３／λ１は、１．０以上５．０以下である、請求項５に記載の切削工具。
【請求項7】
前記第一単位層の平均厚みは、０．００２μｍ以上０．２μｍ以下であり、前記第三単位層の平均厚みは、０．００２μｍ以上０．２μｍ以下である、請求項５または請求項６に記載の切削工具。
【請求項8】
前記被膜は、前記第二層の前記基材と反対側に設けられる表面層を更に含み、前記表面層は、ＴｉＭｏＯＮまたはＡｌＶＸＯＮからなり、
前記Ｘは、硼素、珪素、スカンジウム、イットリウム、および、セリウムからなる群より選択される１種または２種である、請求項５または請求項６に記載の切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、切削工具に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、基材と、該基材上に配置された被膜と、を備える切削工具が、切削加工に用いられている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特表２０２２－５１２８０８号公報
【発明の概要】
【0004】
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、第一単位層と第二単位層とが交互に積層された交互層からなり、
前記第一単位層は、Ｔｉ１－ａＭｏａＮからなり、
前記ａは、０．０１以上０．２０以下であり、
前記第二単位層は、ＡｌｂＶ１－ｂＮからなり、
前記ｂは、０．４０以上０．８０以下である、切削工具である。
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、第一単位層と第二単位層とが交互に積層された交互層からなり、
前記第一単位層は、Ｔｉ１－ａＭｏａＮからなり、
前記ａは、０．０１以上０．２０以下であり、
前記第二単位層は、ＡｌｂＶ１－ｂＮからなり、
前記ｂは、０．４０以上０．８０以下である、切削工具である。
【図面の簡単な説明】
【0005】
【発明を実施するための形態】
【0006】
［本開示が解決しようとする課題］
近年、急激な地球温暖化を背景にカーボンニュートラルに向けた取り組みが国内外で加速している。国内では、２０５０年カーボンニュートラルを達成すべく、製造業、特に金属加工業界では従来までの品質や加工能率、コストに加え、環境性能を加えた観点でのＣＯ２排出量低減が求められている。
近年、急激な地球温暖化を背景にカーボンニュートラルに向けた取り組みが国内外で加速している。国内では、２０５０年カーボンニュートラルを達成すべく、製造業、特に金属加工業界では従来までの品質や加工能率、コストに加え、環境性能を加えた観点でのＣＯ２排出量低減が求められている。
【0007】
金属の切削加工の工程において、加工時の加工機の主軸回転や送り駆動よりも、油空圧ユニットや補機類等が主要素となる運転準備やクーラント（切削油剤）の循環・供給等で電力の大半が消費される。よって、省エネに向けた取り組みとしては、モータや補機類等の効率向上に加え、インバータ制御油圧ユニットの採用や、油空圧、チップコンベア（切りくず運搬）等の最適運転制御などが挙げられる。更に、近年では、クーラントレス技術（ドライ加工）またはクーラントを霧状にするセミ・ドライ技術が注目されている。これらの技術によりクーラントの減量による廃棄物の低減、更には、クーラントの使用に要する電力の省エネ化を図ることができる。よってこれらの省エネに寄与する技術の進展が期待されている。
【0008】
従来からドライ加工に関しては、各種切削工具の適用や個々の被削材に対する最適加工条件を見いだす研究がなされ、非鉄金属や鋳鉄などでドライ加工が行われる場合もある。一方、一般鋼材や超耐熱合金など難削材と言われる被削材ではドライ加工化のニーズが高いものの、現状でもドライ加工は難しい状況であり、それに対応する新しい工具材料開発が盛んに行われている。
【0009】
コーティング工具材種として、アルミニウム（Ａｌ）およびバナジウム（Ｖ）を主成分とした窒化物膜が提案されている（特許文献１）。ＣＯ２削減および地球環境保全の観点から、切削油剤を用いないドライ加工が求められていること、加工能率の向上のために切削速度がより高速になってきていること、および、被削材が多様化しており、特に航空機や医療の分野では難削材と呼ばれる耐熱合金やチタン合金等の切削が増えていること、等の理由から、切削時の切削工具の刃先温度が高温になる傾向にある。刃先温度が高温になると、切削工具の寿命が極端に短くなってしまう。従って、このような過酷な切削条件下においても、優れた工具寿命を示すことのできる切削工具が求められている。
【0010】
［本開示の効果］
本開示によれば、特に刃先温度が高い条件下で実行される切削加工においても、長い工具寿命を有する切削工具を提供することが可能となる。
本開示によれば、特に刃先温度が高い条件下で実行される切削加工においても、長い工具寿命を有する切削工具を提供することが可能となる。
【0011】
［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、第一単位層と第二単位層とが交互に積層された交互層からなり、
前記第一単位層は、Ｔｉ１－ａＭｏａＮからなり、
前記ａは、０．０１以上０．２０以下であり、
前記第二単位層は、ＡｌｂＶ１－ｂＮからなり、
前記ｂは、０．４０以上０．８０以下である、切削工具である。
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、第一単位層と第二単位層とが交互に積層された交互層からなり、
前記第一単位層は、Ｔｉ１－ａＭｏａＮからなり、
前記ａは、０．０１以上０．２０以下であり、
前記第二単位層は、ＡｌｂＶ１－ｂＮからなり、
前記ｂは、０．４０以上０．８０以下である、切削工具である。
【0012】
本開示によれば、特に刃先温度が高い条件下で実行される切削加工においても、長い工具寿命を有する切削工具を提供することが可能となる。
【0013】
（２）上記（１）において、前記第一単位層と、前記第一単位層に隣接する前記第二単位層とにおいて、前記第一単位層の厚みλ１μｍに対する前記第二単位層の厚みλ２μｍの比λ２／λ１は、１．０以上５．０以下でもよい。これによると、切削工具はより長い工具寿命を有することができる。
【0014】
（３）上記（１）または（２）において、
前記第一単位層の平均厚みは、０．００２μｍ以上０．２μｍ以下であり、
前記第二単位層の平均厚みは、０．００２μｍ以上０．２μｍ以下でもよい。
これによると、切削工具はより長い工具寿命を有することができる。
前記第一単位層の平均厚みは、０．００２μｍ以上０．２μｍ以下であり、
前記第二単位層の平均厚みは、０．００２μｍ以上０．２μｍ以下でもよい。
これによると、切削工具はより長い工具寿命を有することができる。
【0015】
（４）上記（１）から（３）のいずれかにおいて、
前記被膜は、前記第一層の前記基材と反対側に設けられる表面層を更に含み、
前記表面層は、ＴｉＭｏＯＮまたはＡｌＶＯＮからなってもよい。
これによると、切削工具はより長い工具寿命を有することができる。
前記被膜は、前記第一層の前記基材と反対側に設けられる表面層を更に含み、
前記表面層は、ＴｉＭｏＯＮまたはＡｌＶＯＮからなってもよい。
これによると、切削工具はより長い工具寿命を有することができる。
【0016】
（５）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、第二層を含み、
前記第二層は、第一単位層と第三単位層とが交互に積層された交互層からなり、
前記第一単位層は、Ｔｉ１－ａＭｏａＮからなり、
前記ａは、０．０１以上０．２０以下であり、
前記第三単位層は、ＡｌｃＶ１－ｃ－ｄＸｄＮからなり、
前記Ｘは、硼素、珪素、スカンジウム、イットリウム、および、セリウムからなる群より選択される１種または２種であり、
前記ｃは、０．４０以上０．８０以下であり、
前記ｄは、０．００１以上０．０５以下である、切削工具である。
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、第二層を含み、
前記第二層は、第一単位層と第三単位層とが交互に積層された交互層からなり、
前記第一単位層は、Ｔｉ１－ａＭｏａＮからなり、
前記ａは、０．０１以上０．２０以下であり、
前記第三単位層は、ＡｌｃＶ１－ｃ－ｄＸｄＮからなり、
前記Ｘは、硼素、珪素、スカンジウム、イットリウム、および、セリウムからなる群より選択される１種または２種であり、
前記ｃは、０．４０以上０．８０以下であり、
前記ｄは、０．００１以上０．０５以下である、切削工具である。
【0017】
本開示によれば、特に刃先温度が高い条件下で実行される切削加工においても、長い工具寿命を有する切削工具を提供することが可能となる。
【0018】
（６）上記（５）において、前記第一単位層と、前記第一単位層に隣接する前記第三単位層とにおいて、前記第一単位層の厚みλ１μｍに対する前記第三単位層の厚みλ３μｍの比λ３／λ１は、１．０以上５．０以下でもよい。これによると、切削工具はより長い工具寿命を有することができる。
【0019】
（７）上記（５）または（６）において、
前記第一単位層の平均厚みは、０．００２μｍ以上０．２μｍ以下であり、
前記第三単位層の平均厚みは、０．００２μｍ以上０．２μｍ以下でもよい。
これによると、切削工具はより長い工具寿命を有することができる。
前記第一単位層の平均厚みは、０．００２μｍ以上０．２μｍ以下であり、
前記第三単位層の平均厚みは、０．００２μｍ以上０．２μｍ以下でもよい。
これによると、切削工具はより長い工具寿命を有することができる。
【0020】
（８）上記（５）から（７）のいずれかにおいて、
前記被膜は、前記第二層の前記基材と反対側に設けられる表面層を更に含み、
前記表面層は、ＴｉＭｏＯＮまたはＡｌＶＸＯＮからなり、
前記Ｘは、硼素、珪素、スカンジウム、イットリウム、および、セリウムからなる群より選択される１種または２種でもよい。
これによると、切削工具はより長い工具寿命を有することができる。
前記被膜は、前記第二層の前記基材と反対側に設けられる表面層を更に含み、
前記表面層は、ＴｉＭｏＯＮまたはＡｌＶＸＯＮからなり、
前記Ｘは、硼素、珪素、スカンジウム、イットリウム、および、セリウムからなる群より選択される１種または２種でもよい。
これによると、切削工具はより長い工具寿命を有することができる。
【0021】
［本開示の実施形態の詳細］
本開示の切削工具の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。本開示の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、必ずしも実際の寸法関係を表すものではない。
本開示の切削工具の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。本開示の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、必ずしも実際の寸法関係を表すものではない。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
［実施形態１：切削工具（１）］
本開示の一実施形態に係る切削工具について、図１～図５を用いて説明する。
本開示の一実施形態（以下、「実施形態１」とも記す。）に係る切削工具１は、
基材２と、基材２上に配置された被膜３と、を備える切削工具１であって、
被膜３は、第一層１３を含み、
第一層１３は、第一単位層１２と第二単位層１５とが交互に積層された交互層からなり、
第一単位層１２は、Ｔｉ１－ａＭｏａＮからなり、
ａは、０．０１以上０．２０以下であり、
第二単位層１５は、ＡｌｂＶ１－ｂＮからなり、
ｂは、０．４０以上０．８０以下である、切削工具１である。
本開示の一実施形態に係る切削工具について、図１～図５を用いて説明する。
本開示の一実施形態（以下、「実施形態１」とも記す。）に係る切削工具１は、
基材２と、基材２上に配置された被膜３と、を備える切削工具１であって、
被膜３は、第一層１３を含み、
第一層１３は、第一単位層１２と第二単位層１５とが交互に積層された交互層からなり、
第一単位層１２は、Ｔｉ１－ａＭｏａＮからなり、
ａは、０．０１以上０．２０以下であり、
第二単位層１５は、ＡｌｂＶ１－ｂＮからなり、
ｂは、０．４０以上０．８０以下である、切削工具１である。
【0026】
実施形態１の切削工具は、特に刃先温度が高い条件下で実行される切削加工においても、長い工具寿命を有することができる。その理由は、以下の通りと推察される。
【0027】
第一単位層は、Ｔｉ１－ａＭｏａＮからなる。第一単位層はＭｏ（モリブデン）を含むため、切削時に酸化され、Ｍｏの酸化物であるＭｏＯ３が生成される。このＭｏＯ３の融点は７９５℃であるため、切削加工中の温度で軟化して、潤滑材としての機能を有し、工具すくい面で摩擦係数の低減を図ることできる。その結果、第一単位層を含む第一層は、ドライ切削加工時など刃先が高温になる加工において耐凝着性、摺動性および耐摩耗性を向上できる。
【0028】
第二単位層は、ＡｌｂＶ１－ｂＮからなる。第二単位層はＡｌを含む。Ａｌは酸化されやすいため、第二単位層を含む被膜は、第一層の表面側にＡｌ２Ｏ３からなる緻密な酸化物層が形成されやすい傾向がある。その結果、第一層の熱遮断性および耐酸化性を向上することができる。
【0029】
第二単位層は切削時に酸化され、Ｖの酸化物であるＶ２Ｏ５が生成される。Ｖ２Ｏ５の融点は６９０℃であるため、切削加工中の温度で軟化して、潤滑材としての機能を有し、工具すくい面で摩擦係数の低減を図ることできる。
【0030】
第一層は、第一単位層と第二単位層とが交互に積層された交互層からなる。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、切削時に被膜の表面からクラックが発生した場合、界面においてクラックの進展を抑制することができる。第一層を含む被膜では、チッピングや欠損が抑制される。
【0031】
上記より、第一単位層と第二単位層とが交互に積層された交互層からなる第一層を含む切削工具は、工具寿命が向上する。
【0032】
＜切削工具＞
図１および図２に示されるように、本発明の一実施の形態に係る切削工具１は、基材２と、基材２上に配置された被膜３と、を備える。被膜３は、基材２の少なくとも切削に関与する部分を被覆することができる。被膜３は、基材２の全面を被覆してもよい。被膜３の構成が部分的に異なっていたとしても本実施形態の範囲を逸脱するものではない。本開示において、基材２の切削に関与する部分とは、基材２の表面において、刃先稜線からの距離が少なくとも５０μｍ以内であり、１００μｍ以内、または、３００μｍ以内である領域を意味する。
図１および図２に示されるように、本発明の一実施の形態に係る切削工具１は、基材２と、基材２上に配置された被膜３と、を備える。被膜３は、基材２の少なくとも切削に関与する部分を被覆することができる。被膜３は、基材２の全面を被覆してもよい。被膜３の構成が部分的に異なっていたとしても本実施形態の範囲を逸脱するものではない。本開示において、基材２の切削に関与する部分とは、基材２の表面において、刃先稜線からの距離が少なくとも５０μｍ以内であり、１００μｍ以内、または、３００μｍ以内である領域を意味する。
【0033】
実施形態１の切削工具は、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、タップ等の切削工具として好適に使用することができる。
【0034】
＜基材＞
基材としては、従来公知のものであればいずれのものも使用することができる。例えば、基材は、超硬合金（ＷＣ基超硬合金、ＷＣおよびＣｏを含む超硬合金、ＷＣおよびＣｏにＴｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物を添加した超硬合金等）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を主成分とするもの）、高速度鋼、セラミックス（炭化チタン、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム等）、立方晶型窒化硼素焼結体、またはダイヤモンド焼結体のいずれかからなってもよい。
基材としては、従来公知のものであればいずれのものも使用することができる。例えば、基材は、超硬合金（ＷＣ基超硬合金、ＷＣおよびＣｏを含む超硬合金、ＷＣおよびＣｏにＴｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物を添加した超硬合金等）、サーメット（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を主成分とするもの）、高速度鋼、セラミックス（炭化チタン、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム等）、立方晶型窒化硼素焼結体、またはダイヤモンド焼結体のいずれかからなってもよい。
【0035】
基材は、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）でもよい。ＷＣ基超硬合金またはサーメットは、特に高温における硬度と強度とのバランスに優れるため、切削工具の基材として用いた場合に、切削工具の長寿命化に寄与することができる。
【0036】
＜被膜＞
実施形態１の切削工具において、被膜は第一層を含む。被膜は、基材を被覆することにより、切削工具の耐摩耗性や耐チッピング性等の諸特性を向上させ、切削工具の長寿命化をもたらす作用を有する。
実施形態１の切削工具において、被膜は第一層を含む。被膜は、基材を被覆することにより、切削工具の耐摩耗性や耐チッピング性等の諸特性を向上させ、切削工具の長寿命化をもたらす作用を有する。
【0037】
被膜は、第一層に加えて、他の層を含むことができる。他の層としては、図３および図４に示されるように、基材２と、第一層１３との間に配置される下地層１６、および、第一層１３の基材２と反対側に設けられる表面層１４等が挙げられる。
【0038】
被膜は、全体の厚みが０．４μｍ以上１５μｍ以下でもよい。被膜の全体の厚みが０．４μｍ以上であると、被膜を設けることによる切削工具の寿命を長くするという効果を得やすくなる。一方、被膜の全体の厚みが１５μｍ以下であると、切削初期において被膜でのチッピングが生じにくく、切削工具の寿命を長くすることができる。
【0039】
被膜の全体の厚みは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて被膜の断面を観察することにより測定することができる。切削工具を被膜の表面の法線に沿う方向に切断し、断面サンプルを準備する。断面サンプルをＳＥＭで観察する。観察倍率は５０００～１００００倍とし、測定視野を１００～５００μｍ２とする。１視野において、被膜の３箇所の厚み幅を測定し、３箇所の厚み幅の平均値を算出する。該平均値が、被膜の全体の厚みに該当する。後述の各層の厚みについても、特に記載のない限り同様の方法で測定される。
【0040】
被膜の圧縮残留応力は、絶対値が６ＧＰａ以下でもよい。被膜の圧縮残留応力とは、被膜全体に存する内部応力（固有ひずみ）の一種であって、「－」（マイナス）の数値（単位：本実施形態では「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、数値の絶対値が大きくなることを示し、また、圧縮残留応力が小さいという概念は、数値の絶対値が小さくなることを示す。すなわち、圧縮残留応力の絶対値が６ＧＰａ以下であるとは、被膜３の圧縮残留応力が－６ＧＰａ以上０ＧＰａ以下であることを意味する。
【0041】
被膜の圧縮残留応力が０ＧＰａ以下であると、被膜の最表面から発生したクラックの進展を抑制しやすい。一方、圧縮残留応力の絶対値が６ＧＰａ以下であると、応力の大きさが適度であり、切削開始前に、切削工具のエッジ部から被膜が剥離することを抑制しやすい。
【0042】
被膜の圧縮残留応力は、Ｘ線残留応力装置を用いてｓｉｎ２ψ法（「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５４～６６頁参照）によって測定される。
【0043】
被膜の硬度は、３０ＧＰａ以上５５ＧＰａ以下で効果が高く、３５ＧＰａ以上５０ＧＰａ以下でもよい。これによると、被膜は十分な硬度を有する。被膜全体の硬度の測定は、ナノインデンター法（ＭＴＳ社製Ｎａｎｏ Ｉｎｄｅｎｔｅｒ ＸＰ）により測定される。具体的には、ＩＳＯ１４５７７に準拠した方法で行い、測定荷重は１０ｍＮ（１ｇｆ）とし、被膜３の表面において３箇所の硬度を測定し、３箇所の硬度の平均値を算出する。該平均値が被膜３の硬度に該当する。
【0044】
＜第一層＞
実施形態１の切削工具において、第一層は、第一単位層と第二単位層とが交互に積層された交互層からなる。第一層が、第一単位層と第二単位層とが交互に積層された交互層からなることは、被膜の断面を含む薄片サンプルをＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）で観察し、コントラストの差によって確認することができる。
実施形態１の切削工具において、第一層は、第一単位層と第二単位層とが交互に積層された交互層からなる。第一層が、第一単位層と第二単位層とが交互に積層された交互層からなることは、被膜の断面を含む薄片サンプルをＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）で観察し、コントラストの差によって確認することができる。
【0045】
第一単位層および第二単位層は、いずれが基材側に最も近い位置に配置されていてもよい。図１では、基材２の直上に第一単位層１２が配置されている。図２では、基材２の直上に第二単位層１５が配置されている。第一単位層１２および第二単位層１５は、いずれが被膜３の表面側に配置されていてもよい。図１では、被膜３の表面側に第二単位層１５が配置されている。図２では、被膜３の表面側に第一単位層１２が配置されている。
【0046】
第一層の厚みは、０．５μｍ以上１５μｍ以下でもよく、２μｍ以上１５μｍ以下でもよく、または、５μｍ以上１０μｍ以下でもよい。第一層の厚みが０．５μｍ以上であると、連続加工において優れた耐摩耗性を発揮することができる。第一層１３の厚みが１５μｍ以下であると、断続切削において優れた耐チッピング性を有することができる。
【0047】
第一層の厚みは、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて被膜の断面を観察することにより測定することができる。切削工具を被膜の表面の法線に沿う方向に切断し、断面を含む薄片サンプルを準備する。薄片サンプルをＴＥＭで観察する。観察倍率は２万～５００万倍とし、測定視野を０．００１６～８０μｍ２とする。１視野において、第一層の３箇所の厚み幅を測定し、３箇所の厚み幅の平均値を算出する。該平均値が、第一層の厚みに該当する。
【0048】
第一単位層は、立方晶型の結晶構造を有することができる。第一単位層が立方晶型の結晶構造を有すると、被膜の耐摩耗性が向上する。第二単位層は、立方晶型の結晶構造を含むことができる。第二単位層が立方晶型の結晶構造を有すると、被膜の硬度が向上する。被膜中の各層の結晶構造は、当該分野で公知のＸ線回折装置により解析することができる。
【0049】
Ｘ線回折測定に用いる装置としては、株式会社リガク製の「ＳｍａｒｔＬａｂ」（商品名）が挙げられる。Ｘ線回折測定の条件は下記の通りである。
（ＸＲＤ測定条件）
走査軸 ：２θ－θ
Ｘ線源 ：Ｃｕ－Ｋα線（１．５４１８６２Å）
検出器 ：０次元検出器（シンチレーションカウンタ）
管電圧 ：４５ｋＶ
管電流 ：４０ｍＡ
入射光学系 ：ミラーの利用
受光光学系 ：アナライザ結晶（ＰＷ３０９８／２７）の利用
ステップ ：０．０３°
積算時間 ：２秒
スキャン範囲（２θ） ：１０°～１２０°
（ＸＲＤ測定条件）
走査軸 ：２θ－θ
Ｘ線源 ：Ｃｕ－Ｋα線（１．５４１８６２Å）
検出器 ：０次元検出器（シンチレーションカウンタ）
管電圧 ：４５ｋＶ
管電流 ：４０ｍＡ
入射光学系 ：ミラーの利用
受光光学系 ：アナライザ結晶（ＰＷ３０９８／２７）の利用
ステップ ：０．０３°
積算時間 ：２秒
スキャン範囲（２θ） ：１０°～１２０°
【0050】
＜第一単位層の組成および第二単位層の組成＞
第一単位層は、Ｔｉ１－ａＭｏａＮからなり、ａは、０．０１以上０．２０以下である。ａは０．０３以上０．１８以下でもよく、０．０５以上０．１５以下でもよく、または、０．０８以上０．１４以下でもよい。
第一単位層は、Ｔｉ１－ａＭｏａＮからなり、ａは、０．０１以上０．２０以下である。ａは０．０３以上０．１８以下でもよく、０．０５以上０．１５以下でもよく、または、０．０８以上０．１４以下でもよい。
【0051】
本開示において、「第一単位層は、Ｔｉ１－ａＭｏａＮからなる」とは、本開示の効果を損なわない限り、第一単位層がＴｉ１－ａＭｏａＮに加えて、不可避不純物を含むことができることを意味する。不可避的不純物としては、例えば、酸素および炭素が挙げられる。第一単位層における不可避不純物全体の含有率は、０原子％より大きく、１原子％未満でもよい。
【0052】
第二単位層は、ＡｌｂＶ１－ｂＮからなり、ｂは、０．４０以上０．８０以下である。ｂは、０．４５以上０．７５以下でもよく、０．５０以上０．７０以下でもよく、または、０．５５以上０．６５以下でもよい。
【0053】
本開示において、「第二単位層は、ＡｌｂＶ１－ｂＮからなる」とは、本開示の効果を損なわない限り、第二単位層１５はＡｌｂＶ１－ｂＮに加えて、不可避不純物を含むことができることを意味する。不可避的不純物としては、例えば、酸素および炭素が挙げられる。第二単位層における不可避不純物全体の含有率は、０原子％超１原子％未満でもよい。
【0054】
上記ａ、上記ｂおよび第一単位層の不可避不純物の含有率および第二単位層の不可避不純物の含有率は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて、被膜の断面を元素分析することにより測定される。切削工具を被膜の表面の法線に沿う方向に切断し、被膜の断面を含む薄片サンプルを準備する。ＴＥＭに付属のＥＤＳ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ－ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて、薄片サンプルに対して電子線を照射し、その際に発生する特性Ｘ線のエネルギーと発生回数を計測し、第一単位層および第二単位層の元素分析を行う。第一単位層および第二単位層をそれぞれ５層ずつ任意に選択し、元素分析を行う。５層の第一単位層の平均組成を求める。該平均組成が第一単位層の組成に該当する。５層の第二単位層の平均組成を求める。該平均組成が第二単位層の組成に該当する。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、全ての層について元素分析を行い、第一単位層および第二単位層の平均組成を求める。同一の切削工具で測定する限り、測定箇所を任意に選択しても、測定結果にばらつきがないことが確認されている。
【0055】
本開示では、第一単位層の組成Ｔｉ１－ａＭｏａＮにおいて、ＴｉおよびＭｏの合計原子数ＡＭ１に対するＮの原子数ＡＮ１の比ＡＮ１／ＡＭ１は、０．８以上１．２以下である。本開示では、第二単位層の組成ＡｌｂＶ１－ｂＮにおいて、ＡｌおよびＶの合計原子数ＡＭ２に対するＮの原子数ＡＮ２の比ＡＮ２／ＡＭ２は、０．８以上１．２以下である。比ＡＮ１／ＡＭ１および比ＡＮ２／ＡＭ２は、ラザフォード後方散乱（ＲＢＳ）法により測定できる。上記比ＡＮ１／ＡＭ１および比ＡＮ２／ＡＭ２が前記の範囲であれば、本開示の効果が損なわれないことが確認されている。
【0056】
＜第一単位層の平均厚みおよび第二単位層の平均厚み＞
第一単位層の平均厚みは、０．００２μｍ以上０．２μｍ以下、かつ、第二単位層の平均厚みは、０．００２μｍ以上０．２μｍ以下でもよい。これによると、被膜の表面で発生したクラックの進展を更に抑制することができる。第一単位層の平均厚みは、０．００５μｍ以上０．１５μｍ以下でもよく、または、０．０１μｍ以上０．１μｍ以下でもよい。第二単位層の平均厚みは、０．００５μｍ以上０．１５μｍ以下でもよく、または、０．０１μｍ以上０．１０μｍ以下でもよい。
第一単位層の平均厚みは、０．００２μｍ以上０．２μｍ以下、かつ、第二単位層の平均厚みは、０．００２μｍ以上０．２μｍ以下でもよい。これによると、被膜の表面で発生したクラックの進展を更に抑制することができる。第一単位層の平均厚みは、０．００５μｍ以上０．１５μｍ以下でもよく、または、０．０１μｍ以上０．１μｍ以下でもよい。第二単位層の平均厚みは、０．００５μｍ以上０．１５μｍ以下でもよく、または、０．０１μｍ以上０．１０μｍ以下でもよい。
【0057】
第一単位層の平均厚みおよび第二単位層の平均厚みは、上記第一層の厚みの測定方法と同様の方法により測定される。
【0058】
図５に示されるように、第一単位層１２と、第一単位層１２に隣接する第二単位層１５とにおいて、第一単位層１２の厚みλ１μｍに対する第二単位層１５の厚みλ２μｍの比λ２／λ１は１．０以上５．０以下でもよい。第二単位層は高い耐酸化性を有していることに加えて、熱伝導率が低く、切削時に発生した熱を基材に伝えにくい性質を持つ。比λ２／λ１が１．０以上であると、被膜中の第二単位層の割合が相対的に増え、被膜中のＡｌ量が増えることで、切削工具全体としての熱遮断性が向上し、特に連続切削時の耐摩耗性が向上する。λ２／λ１が１．０以上であると、被膜の靱性が向上する傾向にある。一方、λ２／λ１が５．０以下であると、第一単位層１２と第二単位層１５とを積層したことによるクラックの進展の抑制効果が得られやすい傾向にある。
【0059】
λ２／λ１は、１．１以上５．０以下でもよく、１．２以上５．０以下でもよく、１．３以上４．０以下でもよく、１．８以上３．０以下でもよく、または、２．０以上２．５以下でもよい。
【0060】
図５では説明のために、３つの第一単位層１２の厚さをすべてλ１と示し、３つの第二単位層１５の厚さをすべてλ２と示しているが、互いに隣接する第一単位層と第二単位層との間で、上記λ２／λ１の関係を満たす限り、３つの第一単位層１２の厚さλ１が同一である必要はなく、また、３つの第二単位層１５の厚さλ２が同一である必要はない。
【0061】
第一層において、第一単位層および第二単位層のそれぞれの積層数は、５以上５００以下でもよく、１０以上５００以下でもよく、１００以上４００以下でもよく、または、２００以上３５０以下でもよい。これによると、第一単位層と第二単位層とを積層することにより、硬度と圧縮残留応力とをバランス良く向上させるという効果を十分に得ることができる。
【0062】
第一層において、第一単位層および第二単位層のそれぞれの積層数は、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）を用いて、被膜の断面の薄片サンプルを、ＴＥＭで観察倍率２万～５００万倍で観察することにより求めることができる。
【0063】
＜下地層＞
図３および図４に示されるように、被膜３は、基材２と、第一層１３との間に配置される下地層１６を更に含んでもよい。下地層１６の組成は、第一単位層１２の組成または第二単位層１５の組成と同一でもよい。これにより、基材２と被膜３との密着性を高めることができる。
図３および図４に示されるように、被膜３は、基材２と、第一層１３との間に配置される下地層１６を更に含んでもよい。下地層１６の組成は、第一単位層１２の組成または第二単位層１５の組成と同一でもよい。これにより、基材２と被膜３との密着性を高めることができる。
【0064】
下地層の組成が第一単位層の組成と同一である場合、切削初期に下地層が露出した場合においても、下地層は摺動特性が良好であるため、耐摩耗性を向上できる。
【0065】
下地層の組成が第一単位層の組成と同一である場合、下地層の厚みは、第一単位層の厚みより大きくてもよい。これにより、基材と被膜との密着性をより高めることができる。下地層の厚みは、第一単位層の厚みの１．０倍超５００倍以下でもよく、２．０倍以上５００倍以下でもよく、４．０倍以上１２０倍以下でもよく、または、１０．０倍以上５０倍以下でもよい。
【0066】
下地層の組成が第一単位層の組成と同一である場合、下地層の厚みは０．１μｍ以上２μｍ以下でもよく、０．３μｍ以上２μｍ以下でもよく、または、０．４μｍ以上２μｍ以下でもよい。下地層の厚みが０．１μｍ未満であると、下地層を第一単位層と同一の組成とすることによる耐摩耗性の向上効果を得難い傾向にある。下地層の厚みが２μｍを超えると、結晶粒が肥大化して粒界が発生するため、耐摩耗性の向上効果を得難い傾向にある。
【0067】
下地層の組成が第一単位層の組成と同一である場合、図３に示されるように、下地層１６の直上に、第一単位層１２が積層されてもよい。また、図４に示されるように、下地層１６の直上に、第二単位層１５が積層されてもよい。下地層１６の組成が第一単位層１２の組成と同一であり、かつ該下地層１６の直上に第一単位層１２が積層された場合、下地層１６と第一単位層１２とは連続した結晶構造を有する。
【0068】
下地層の組成が第二単位層の組成と同一である場合、切削初期に下地層が露出した場合においても、基材と被膜との界面からの酸化を抑制し、かつ切削熱を遮断することができる。
【0069】
下地層の組成が第二単位層の組成と同一である場合、下地層の厚みは、第二単位層の厚みより厚くてもよい。これにより、基材と被膜との密着性をより高めることができる。下地層の厚みは、第二単位層の厚みの１．０倍超５００倍以下でもよく、２．０倍以上５００倍以下でもよく、４．０倍以上１２０倍以下でもよく、または、１０．０倍以上５０倍以下でもよい。
【0070】
下地層の組成が第二単位層の組成と同一である場合、下地層の厚みは０．１μｍ以上２μｍ以下でもよく、０．３μｍ以上２μｍ以下でもよく、または、０．４μｍ以上２μｍ以下でもよい。
【0071】
下地層の組成が第二単位層の組成と同一である場合、図３に示されるように、下地層１６の直上に第一単位層１２が積層されてもよい。また、図４に示されるように、下地層１６の直上に第二単位層１５が積層されてもよい。下地層１６の組成が第二単位層１５の組成と同一である場合で、かつ該下地層１６の直上に第二単位層１５が積層された場合、下地層１６と第二単位層１５とは連続した結晶構造を有する。
【0072】
＜表面層＞
図１～図４に示されるように、被膜３は、第一層１３の基材２と反対側に設けられる表面層１４を更に含んでもよい。表面層１４は、ＴｉＭｏＯＮまたはＡｌＶＯＮからなってもよい。これにより、被膜の摩擦係数を低下させ、切削工具の長寿命化を図ることができる。
図１～図４に示されるように、被膜３は、第一層１３の基材２と反対側に設けられる表面層１４を更に含んでもよい。表面層１４は、ＴｉＭｏＯＮまたはＡｌＶＯＮからなってもよい。これにより、被膜の摩擦係数を低下させ、切削工具の長寿命化を図ることができる。
【0073】
一般的に、酸窒化物は窒化物よりも被削材に対する耐凝着性が高い傾向にある。耐凝着性の向上は、酸素原子の寄与によるものと考えられる。被膜が酸窒化物からなる表面層を含むと、被削材に対する被膜の耐凝着性の向上により、切削工具が長寿命化する。
【0074】
表面層において、ＯとＮとの組成比を調整することにより、所定の色を付与することが可能である。これにより、切削工具の外観に意匠性および識別性を付与でき、商業上有用となる。
【0075】
表面層１４の厚みは、０．１μｍ以上２μｍ以下でもよい。表面層１４の厚みが０．１μｍ以上であると、表面層１４による潤滑性の付与効果が得られやすい。表面層の厚みが２μｍを超えると、上述の潤滑性の付与効果を更に向上することができない傾向にある。よって、コスト面を考慮すると、表面層の厚みは２μｍ以下でもよい。
【0076】
＜中間層＞
実施形態１の切削工具において、被膜は、下地層と第一層との間に配置される中間層を含むことができる。中間層としては、例えばＴｉＭｏＮ、ＡｌＶＣｅＮ、ＡｌＶＮ、ＡｌＶＢＮ、ＡｌＶＳｉＮ、ＡｌＶＹＮ、ＡｌＶＳｃＮ等が挙げられる。中間層の厚みは、０．１μｍ以上２μｍ以下でもよく、０．３μｍ以上１．５μｍ以下でもよく、または、０．４μｍ以上１．０μｍ以下でもよい。
実施形態１の切削工具において、被膜は、下地層と第一層との間に配置される中間層を含むことができる。中間層としては、例えばＴｉＭｏＮ、ＡｌＶＣｅＮ、ＡｌＶＮ、ＡｌＶＢＮ、ＡｌＶＳｉＮ、ＡｌＶＹＮ、ＡｌＶＳｃＮ等が挙げられる。中間層の厚みは、０．１μｍ以上２μｍ以下でもよく、０．３μｍ以上１．５μｍ以下でもよく、または、０．４μｍ以上１．０μｍ以下でもよい。
【0077】
［実施形態２：切削工具（２）］
本開示の他の一実施形態に係る切削工具について、図６～図１０を用いて説明する。
本開示の他の一実施形態（以下、「実施形態２」とも記す。）に係る切削工具１は、
基材２と、基材２上に配置された被膜３と、を備える切削工具１であって、
被膜３は、第二層１３Ａを含み、
第二層１３Ａは、第一単位層１２と第三単位層１７とが交互に積層された交互層からなり、
第一単位層１２は、Ｔｉ１－ａＭｏａＮからなり、
ａは、０．０１以上０．２０以下であり、
第三単位層１７は、ＡｌｃＶ１－ｃ－ｄＸｄＮからなり、
Ｘは、硼素、珪素、スカンジウム、イットリウム、および、セリウムからなる群より選択される１種または２種であり、
ｃは、０．４０以上０．８０以下であり、
ｄは、０．００１以上０．０５以下である、切削工具１である。
本開示の他の一実施形態に係る切削工具について、図６～図１０を用いて説明する。
本開示の他の一実施形態（以下、「実施形態２」とも記す。）に係る切削工具１は、
基材２と、基材２上に配置された被膜３と、を備える切削工具１であって、
被膜３は、第二層１３Ａを含み、
第二層１３Ａは、第一単位層１２と第三単位層１７とが交互に積層された交互層からなり、
第一単位層１２は、Ｔｉ１－ａＭｏａＮからなり、
ａは、０．０１以上０．２０以下であり、
第三単位層１７は、ＡｌｃＶ１－ｃ－ｄＸｄＮからなり、
Ｘは、硼素、珪素、スカンジウム、イットリウム、および、セリウムからなる群より選択される１種または２種であり、
ｃは、０．４０以上０．８０以下であり、
ｄは、０．００１以上０．０５以下である、切削工具１である。
【0078】
実施形態２の切削工具は、特に刃先温度が高い条件下で実行される切削加工においても、長い工具寿命を有することができる。その理由は、以下の通りと推察される。
【0079】
第一単位層は、Ｔｉ１－ａＭｏａＮからなる。このため、実施形態１に記載の理由と同一の理由で、第一単位層を含む第一層は、ドライ切削加工時など刃先が高温になる加工において耐凝着性、摺動性および耐摩耗性を向上できる。
【0080】
第三単位層は、ＡｌｃＶ１－ｃ－ｄＸｄＮからなる。第三単位層はＡｌを含む。Ａｌは酸化されやすいため、第三単位層を含む被膜は、第二層の表面側にＡｌ２Ｏ３からなる緻密な酸化物層が形成されやすい傾向がある。その結果、第二層の熱遮断性および耐酸化性を向上することができる。
【0081】
第三単位層は切削時に酸化され、Ｖの酸化物であるＶ２Ｏ５が生成される。Ｖ２Ｏ５の融点は６９０℃であるため、切削加工中の温度で軟化して、潤滑材としての機能を有し、工具すくい面で摩擦係数の低減を図ることできる。
【0082】
第二層は、第一単位層と第三単位層とが交互に積層された交互層からなる。第一単位層と第三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、切削時に被膜の表面からクラックが発生した場合、界面においてクラックの進展を抑制することができる。第二層を含む被膜では、チッピングや欠損が抑制される。
【0083】
実施形態２の切削工具は、第二層、下地層および表面層の構成以外は、基本的に実施形態１の切削工具と同一の構成とすることができる。以下では、「第二層」、「下地層」および「表面層」について説明する。
【0084】
＜第二層＞
実施形態２の切削工具において、第二層は、第一単位層と第三単位層とが交互に積層された交互層からなる。第二層が、第一単位層と第三単位層とが交互に積層された交互層からなることは、被膜の断面をＴＥＭで観察し、コントラストの差によって確認することができる。第二層の厚みは、実施形態１に記載の第一層の厚みと同一とすることができる。第一単位層および第三単位層は、いずれが基材側に最も近い位置に配置されていてもよい。第一単位層は、立方晶型の結晶構造を有することができる。第三単位層は、立方晶型の結晶構造を含むことができる。
実施形態２の切削工具において、第二層は、第一単位層と第三単位層とが交互に積層された交互層からなる。第二層が、第一単位層と第三単位層とが交互に積層された交互層からなることは、被膜の断面をＴＥＭで観察し、コントラストの差によって確認することができる。第二層の厚みは、実施形態１に記載の第一層の厚みと同一とすることができる。第一単位層および第三単位層は、いずれが基材側に最も近い位置に配置されていてもよい。第一単位層は、立方晶型の結晶構造を有することができる。第三単位層は、立方晶型の結晶構造を含むことができる。
【0085】
＜第一単位層の組成および第三単位層の組成＞
実施形態２の第一単位層の組成Ｔｉ１－ａＭｏａＮは、実施形態１の第一単位層の組成Ｔｉ１－ａＭｏａＮと同一とすることができる。
実施形態２の第一単位層の組成Ｔｉ１－ａＭｏａＮは、実施形態１の第一単位層の組成Ｔｉ１－ａＭｏａＮと同一とすることができる。
【0086】
第三単位層は、ＡｌｃＶ１－ｃ－ｄＸｄＮからなり、Ｘは、硼素、珪素、スカンジウム、イットリウム、および、セリウムからなる群より選択される１種または２種であり、ｃは、０．４０以上０．８０以下であり、ｄは、０．００１以上０．０５以下である。第三単位層１７は優れた硬度と、優れた耐酸化性とを兼備することができる。その理由は以下の通りと推察される。
【0087】
第三単位層ＡｌｃＶ１－ｃ－ｄＸｄＮにおいて、Ｘが硼素である場合、硼素によって第三単位層の硬度が高くなり、被膜全体の硬度が高くなる。また、切削に伴う切削工具の表面の酸化によって形成される硼素の酸化物が、第三単位層中のＡｌの酸化物を緻密化し、第三単位層の耐酸化性が向上する。さらに、硼素の酸化物は低融点であるため切削時の潤滑剤として作用し、被削材の凝着を抑制できる。
【0088】
第三単位層ＡｌｃＶ１－ｃ－ｄＸｄＮにおいて、Ｘが珪素である場合、第三単位層の組織が微細化することによって、第三単位層の硬度と、耐酸化性とが向上し、被膜全体の硬度と、耐酸化性とが向上する。
【0089】
第三単位層ＡｌｃＶ１－ｃ－ｄＸｄＮにおいて、Ｘがスカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）およびセリウム（Ｃｅ）からなる群より選択される１種または２種である場合、第三単位層の粒界に前記元素が析出し、それらの酸化物が被膜表面からの酸素の粒界を通した内向拡散を抑制することができるので、第三単位層の耐酸化性が向上し、第三単位層を含む切削工具の寿命がより長くなる。
【0090】
上記ｃは、０．４０以上０．８０以下である。これにより、第三単位層の結晶構造が立方晶型となり、第三単位層が高硬度化し、耐摩耗性が向上する。ｃは、０．４５以上０．７５以下でもよく、０．５０以上０．７０以下でもよく、または、０．５５以上０．６５以下でもよい。
【0091】
上記ｄは、０．００１以上０．０５以下である。これにより、第二層の硬度および耐酸化性を向上することができる。ｄは、０．０１以上０．０５以下でもよく、０．０２以上０．０５以下でもよく、０．０２以上０．０４以下でもよく、０．０２以上０．０３以下でもよい。
【0092】
本開示において、「第三単位層は、ＡｌｃＶ１－ｃ－ｄＸｄＮからなる」とは、本開示の効果を損なわない限り、第三単位層はＡｌｃＶ１－ｃ－ｄＸｄＮに加えて、不可避不純物を含むことができることを意味する。該不可避的不純物としては、例えば、酸素および炭素等が挙げられる。第三単位層における不可避不純物全体の含有量は、０原子％超１原子％未満でもよい。
【0093】
上記ｃ、上記ｄおよび第三単位層の不可避不純物の含有率は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて測定される。具体的な測定方法は、実施形態１に記載の上記ａの測定方法と同一である。なお、同一の切削工具で測定する限り、測定箇所を任意に選択しても、測定結果にばらつきがないことが確認されている。
【0094】
本開示では、第一単位層の組成Ｔｉ１－ａＭｏａＮにおいて、ＴｉおよびＭｏの合計原子数ＡＭ１に対するＮの原子数ＡＮ１の比ＡＮ１／ＡＭ１は、０．８以上１．２以下である。本開示では、第三単位層の組成ＡｌｃＶ１－ｃ－ｄＸｄＮにおいて、Ａｌ、ＶおよびＸの合計原子数ＡＭ３に対するＮの原子数ＡＮ３の比ＡＮ３／ＡＭ３は、０．８以上１．２以下である。比ＡＮ３／ＡＭ３は、ラザフォード後方散乱（ＲＢＳ）法により測定できる。上記比ＡＮ１／ＡＭ１および比ＡＮ３／ＡＭ３が前記の範囲であれば、本開示の効果が損なわれないことが確認されている。
【0095】
＜第一単位層の平均厚みおよび第三単位層の平均厚み＞
第一単位層の平均厚みは、０．００２μｍ以上０．２μｍ以下、かつ、第三単位層の平均厚みは、０．００２μｍ以上０．２μｍ以下でもよい。これによると、被膜の表面で発生したクラックの進展を更に抑制することができる。第一単位層の平均厚みは、０．００５μｍ以上０．１５μｍ以下でもよく、または、０．０１μｍ以上０．１μｍ以下でもよい。第三単位層の平均厚みは、０．００５μｍ以上０．１５μｍ以下でもよく、または、０．０１μｍ以上０．１０μｍ以下でもよい。
第一単位層の平均厚みは、０．００２μｍ以上０．２μｍ以下、かつ、第三単位層の平均厚みは、０．００２μｍ以上０．２μｍ以下でもよい。これによると、被膜の表面で発生したクラックの進展を更に抑制することができる。第一単位層の平均厚みは、０．００５μｍ以上０．１５μｍ以下でもよく、または、０．０１μｍ以上０．１μｍ以下でもよい。第三単位層の平均厚みは、０．００５μｍ以上０．１５μｍ以下でもよく、または、０．０１μｍ以上０．１０μｍ以下でもよい。
【0096】
第一単位層の平均厚みおよび第三単位層の平均厚みは、実施形態１に記載の第一層の厚みの測定方法と同様の方法により求めることができる。
【0097】
図１０に示されるように、第一単位層１２と、第一単位層１２に隣接する第三単位層１７とにおいて、第一単位層１２の厚みλ１μｍに対する第三単位層１７の厚みλ３μｍの比λ３／λ１は、１．０以上５．０以下でもよい。第三単位層は高い耐酸化性を有していることに加えて、熱伝導率が低く、切削時に発生した熱を基材に伝えにくい性質を持つ。比λ３／λ１が１．０以上であると、被膜中の第三単位層の割合が相対的に増え、被膜中のＡｌ量が増えることで切削工具全体としての熱遮断性が向上し、特に連続切削時の耐摩耗性が向上する。λ３／λ１が１．０以上であると、被膜の靱性が向上する傾向にある。一方、λ３／λ１が５．０以下であると、第一単位層と第三単位層とを積層したことによるクラックの進展の抑制効果が得られやすい傾向にある。
【0098】
λ３／λ１は、１．１以上５．０以下でもよく、１．２以上５．０以下でもよく、１．３以上４．０以下でもよく、１．８以上３．０以下でもよく、または、２．０以上２．５以下でもよい。
【0099】
図１０では説明のために、３つの第一単位層１２の厚さをすべてλ１と示し、３つの第三単位層１７の厚さをすべてλ３と示しているが、互いに隣接する第一単位層と第三単位層との間で、上記λ３／λ１の関係を満たす限り、３つの第一単位層１２の厚さλ１が同一である必要はなく、また、３つの第三単位層１７の厚さλ３が同一である必要はない。
【0100】
第二層において、第一単位層および第三単位層のそれぞれの積層数は、４以上８００以下でもよく、１０以上５００以下でもよく、１００以上４００以下でもよく、または、２００以上３５０以下でもよい。これによると、第一単位層と第三単位層とを積層することにより、硬度と圧縮残留応力とをバランス良く向上させるという効果を十分に得ることができる。
【0101】
第二層において、第一単位層および第三単位層のそれぞれの積層数は、実施形態１に記載の第一単位層および第二単位層のそれぞれの積層数の測定方法と同様の方法により求めることができる。
【0102】
＜下地層＞
図８および図９に示されるように、被膜３は、基材２と、第二層１３Ａとの間に配置される下地層１６を更に含み、下地層１６の組成は、第一単位層１２の組成または第三単位層１７の組成と同一でもよい。これにより、基材２と被膜３との密着性を高めることができる。
図８および図９に示されるように、被膜３は、基材２と、第二層１３Ａとの間に配置される下地層１６を更に含み、下地層１６の組成は、第一単位層１２の組成または第三単位層１７の組成と同一でもよい。これにより、基材２と被膜３との密着性を高めることができる。
【0103】
下地層の組成が第一単位層の組成と同一である場合の効果および下地層の厚みは、実施形態１に記載の通りである。
【0104】
下地層１６の組成が第三単位層１７の組成と同一である場合、第三単位層は応力が小さい傾向にあることから、特に、負荷が刃先に繰り返しかかるようなフライス加工やエンドミル加工等の断続加工において、被膜の耐剥離性を向上することができる。
【0105】
下地層の組成が第三単位層の組成と同一である場合、下地層の厚みは、第三単位層の厚みより厚くてもよい。これにより、基材と被膜との密着性をより高めることができる。下地層の厚みは、第三単位層の厚みの１．０倍超５００倍以下でもよく、２．０倍以上５００倍以下でもよく、４．０倍以上１２０倍以下でもよく、または、１０．０倍以上５０倍以下でもよい。
【0106】
下地層の組成が第三単位層の組成と同一である場合、下地層の厚みは０．１μｍ以上２μｍ以下でもよく、０．３μｍ以上２μｍ以下でもよく、または、０．４μｍ以上２μｍ以下でもよい。
【0107】
下地層の組成が第三単位層の組成と同一である場合、図８に示されるように、下地層の直上に第一単位層が積層されてもよい。また、図９に示されるように、下地層の直上に第三単位層が積層されてもよい。下地層の組成は、第三単位層の組成と同一である場合で、かつ下地層の直上に第三単位層が積層された場合、下地層と第三単位層とは連続した結晶構造を有する。
【0108】
＜表面層＞
図６～図９に示されるように、被膜３は、第二層１３Ａの基材２と反対側に設けられる表面層１４を更に含んでもよい。表面層１４は、ＴｉＭｏＯＮまたはＡｌＶＸＯＮからなってもよい。ここで、Ｘは、硼素、珪素、スカンジウム、イットリウム、および、セリウムからなる群より選択される１種または２種でもよい。Ｘは、第三単位層で用いられるＸと同一の元素でもよい。これにより、被膜の摩擦係数を低下させ、切削工具の長寿命化を図ることができる。
図６～図９に示されるように、被膜３は、第二層１３Ａの基材２と反対側に設けられる表面層１４を更に含んでもよい。表面層１４は、ＴｉＭｏＯＮまたはＡｌＶＸＯＮからなってもよい。ここで、Ｘは、硼素、珪素、スカンジウム、イットリウム、および、セリウムからなる群より選択される１種または２種でもよい。Ｘは、第三単位層で用いられるＸと同一の元素でもよい。これにより、被膜の摩擦係数を低下させ、切削工具の長寿命化を図ることができる。
【0109】
表面層において、ＯとＮとの組成比を調整することにより、所定の色を付与することが可能である。これにより、切削工具の外観に意匠性および識別性を付与でき、商業上有用となる。
【0110】
表面層１４の厚みは、実施形態１に記載の通りとすることができる。
【0111】
［実施形態３：切削工具の製造方法］
実施形態３では、実施形態１または実施形態２の切削工具の製造方法について説明する。実施形態３の切削工具の製造方法は、基材を準備する第１工程と、基材上に被膜を形成する第２工程とを備える。第２工程は、第一層または第二層を形成する工程を含む。各工程の詳細について、以下に説明する。
実施形態３では、実施形態１または実施形態２の切削工具の製造方法について説明する。実施形態３の切削工具の製造方法は、基材を準備する第１工程と、基材上に被膜を形成する第２工程とを備える。第２工程は、第一層または第二層を形成する工程を含む。各工程の詳細について、以下に説明する。
【0112】
＜第１工程＞
第１工程では、基材を準備する。基材は、実施形態１に記載の基材を用いることができる。基材は、従来公知のものであればいずれも準備可能である。
第１工程では、基材を準備する。基材は、実施形態１に記載の基材を用いることができる。基材は、従来公知のものであればいずれも準備可能である。
【0113】
＜第２工程＞
第２工程では、基材上に被膜を形成する。第２工程は、第一層または第二層を形成する工程を含む。
第２工程では、基材上に被膜を形成する。第２工程は、第一層または第二層を形成する工程を含む。
【0114】
第一層を形成する工程では、物理蒸着（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＰＶＤ）法を用いて、第一単位層と、第二単位層とを交互に積層することにより第一層を形成する。第二層を形成する工程では、ＰＶＤ法を用いて、第一単位層と、第三単位層とを交互に積層することにより第二層を形成する。第一層または第二層を含む被膜の耐摩耗性を向上させるためには、結晶性の高い化合物からなる層を形成することが有効である。本発明者らは、第一層および第二層の形成方法として、物理的蒸着法を用いることで、結晶性の高い化合物からなる層を形成でき、被膜がは優れた耐摩耗性を有することを見出した。
【0115】
ＰＶＤ法としては、カソードアークイオンプレーティング法、バランスドマグネトロンスパッタリング法、アンバランスドマグネトロンスパッタリング法、および、ＨｉＰＩＭＳ（Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｍａｇｎｅｔｒｏｎ Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）法からなる群より選択される少なくとも１種を用いることができる。原料元素のイオン化率の高いカソードアークイオンプレーティング法を用いてもよい。カソードアークイオンプレーティング法を用いる場合には、第一層または第二層を形成する前に、基材の表面に対して金属のイオンボンバードメント処理が可能となるため、基材と、第一層または第二層を含む被膜との密着性が格段に向上する。
【0116】
カソードアークイオンプレーティング法は、例えば、装置内に基材を設置するとともにカソードとしてターゲットを設置した後に、ターゲットに高電圧を印加してアーク放電を生じさせることによってターゲットを構成する原子をイオン化して蒸発させて、基材上に物質を堆積させることにより行なうことができる。
【0117】
バランスドマグネトロンスパッタリング法は、例えば、装置内に基材を設置するとともに、平衡な磁場を形成する磁石を備えたマグネトロン電極上にターゲットを設置し、マグネトロン電極と基材との間に高周波電力を印加してガスプラズマを発生させ、このガスプラズマの発生により生じたガスのイオンをターゲットに衝突させてターゲットから放出された原子を基材上に堆積させることにより行うことができる。
【0118】
アンバランストマグネトロンスパッタリング法は、例えば、上記のバランスドマグネトロンスパッタリング法におけるマグネトロン電極により発生する磁場を非平衡にして行なうことができる。さらに高電圧を印可でき緻密な膜が得られるＨｉＰＩＭＳ法を用いることもできる。
【0119】
＜その他の工程＞
第２工程は、第一層または第二層を形成する工程に加えて、ブラシを使った研磨、乾式または湿式のショットブラストなどの被膜の表面処理工程を含むことができる。また、第２工程は、下地層、表面層および中間層等の他の層を形成する工程を含むことができる。他の層は、従来公知の化学気相蒸着法や物理的蒸着法により形成することができる。一つの物理的蒸着装置内において、他の層を、第一単位層と、第二単位層または第三単位層と連続的に形成できるという観点から、他の層は物理的蒸着法により形成することが好ましい。
第２工程は、第一層または第二層を形成する工程に加えて、ブラシを使った研磨、乾式または湿式のショットブラストなどの被膜の表面処理工程を含むことができる。また、第２工程は、下地層、表面層および中間層等の他の層を形成する工程を含むことができる。他の層は、従来公知の化学気相蒸着法や物理的蒸着法により形成することができる。一つの物理的蒸着装置内において、他の層を、第一単位層と、第二単位層または第三単位層と連続的に形成できるという観点から、他の層は物理的蒸着法により形成することが好ましい。
【実施例】
【0120】
本実施の形態を実施例により更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。
【0121】
［実施例１］
＜試料１～試料１９、試料１０１～試料１０５＞
≪切削工具の作製≫
図１１は、実施例１で用いたカソードアークイオンプレーティング装置の模式的な断面図であり、図１２は、図１１の装置の概略上面図である。
＜試料１～試料１９、試料１０１～試料１０５＞
≪切削工具の作製≫
図１１は、実施例１で用いたカソードアークイオンプレーティング装置の模式的な断面図であり、図１２は、図１１の装置の概略上面図である。
【0122】
図１１および図１２の装置において、チャンバ１０１内に、被膜の金属原料となる合金製ターゲットである第一単位層用のカソード１０６、第二単位層用のカソード１０７および表面層用のカソード１２０と、基材を設置するための回転式の基材ホルダ１０４とが取り付けられている。カソード１０６の組成は、表１の第一単位層の組成が得られるように調整してある。カソード１０７の組成は、表１の第二単位層の組成が得られるように調整してある。カソード１２０の組成は、表２の表面層の組成が得られるように調整してある。
【0123】
カソード１０６にはアーク電源１０８が取り付けられ、カソード１０７にはアーク電源１０９が取り付けられ、カソード１２０にはアーク電源（図示なし）が取り付けられている。また、基材ホルダ１０４には、バイアス電源１１０が取り付けられている。また、チャンバ１０１内には、ガス１０２が導入されるガス導入口１０５が設けられるとともにチャンバ１０１内の圧力を調節するためにガス排出口１０３が設けられており、ガス排出口１０３から真空ポンプによりチャンバ１０１内のガス１０２を吸引できる構造となっている。
【0124】
基材ホルダ１０４に、基材としてグレードがＪＩＳ規格Ｋ２０の超硬合金であって、形状がＪＩＳ規格のＣＮＭＧ１２０４０８のチップと住友電工ハードメタル株式会社製ＳＥＭＴ１３Ｔ３ＡＧＳＮのチップとを装着した。
【0125】
次に、真空ポンプによりチャンバ１０１内を減圧するとともに、基材を回転させながら装置内に設置されたヒータにより温度を６００℃に加熱し、チャンバ１０１内の圧力が１．０×１０－４Ｐａとなるまで真空引きを行なった。次に、ガス導入口からアルゴンガスを導入してチャンバ１０１内の圧力を２．０Ｐａに保持し、バイアス電源１１０の電圧を徐々に上げながら－１０００Ｖとし、基材の表面のクリーニングを１５分間行なった。その後、チャンバ１０１内からアルゴンガスを排気することによって基材を洗浄した（アルゴンボンバード処理）。以上によって、各試料の切削工具の基材を準備した。
【0126】
次に、基材を中央で回転させた状態で、反応ガスとして窒素を導入しながら、基材の温度を６００℃、反応ガス圧を３．３Ｐａ、バイアス電源１１０の電圧を－５０Ｖ～－２００Ｖの範囲の所定の一定値に維持したまま、カソード１０６、１０７にそれぞれ１５０Ａのアーク電流を供給することによって、カソード１０６、１０７から金属イオンを発生させて、基材上に表２に示される組成を有する下地層、および、表１に示される組成を有する第一層を形成した。
【0127】
下地層が形成されている場合、第一層は、下地層上に第一単位層と第二単位層とを１層ずつ交互に、表１に示される積層数をそれぞれ積層することにより形成した。下地層が形成されていない場合、第一層は、基材上に第一単位層と第二単位層とを１層ずつ交互に、表１に示される積層数をそれぞれ積層することにより形成した。また、下地層の厚み、第一層中における第一単位層および第二単位層のそれぞれの厚みおよび積層数は、基材の回転速度で調整した。そして、下地層および第一層の厚みがそれぞれ表１および表２に示される厚みとなったところで蒸発源に供給する電流をストップした。表２の「下地層」欄の「－」との記載は、下地層が存在しないことを示す。
【0128】
次に、チャンバ１０１内に反応ガスとして窒素ガスおよび酸素ガスを導入しながら、基材の温度を５００℃、反応ガス圧を２．０Ｐａ、バイアス電源１１０の電圧を－３５０Ｖに維持したまま、カソード１２０に１２０Ａのアーク電流を供給することによって、カソード１２０から金属イオンを発生させて、第一層上に表面層を形成した。表面層の厚みが表２に示される厚みとなったところで蒸発源に供給する電流をストップした。窒素ガスおよび酸素ガスの導入量は、表２の表面層の組成が得られるように調整した。以上により、各試料の切削工具が作製された。表２の「表面層」欄の「－」との記載は、表面層が存在しないことを示す。
【0129】
【表1】
【0130】
【表2】
【0131】
≪評価≫
＜第一単位層の組成の測定＞
各試料の切削工具について、第一単位層の組成を実施形態１に記載の方法により測定し、Ｔｉ１－ａＭｏａＮにおけるａの値を得た。結果を表１の「ａ」欄に記す。表１において、「ａ」欄に「－」と記載されている場合は、第一単位層が存在しないことを意味する。
＜第一単位層の組成の測定＞
各試料の切削工具について、第一単位層の組成を実施形態１に記載の方法により測定し、Ｔｉ１－ａＭｏａＮにおけるａの値を得た。結果を表１の「ａ」欄に記す。表１において、「ａ」欄に「－」と記載されている場合は、第一単位層が存在しないことを意味する。
【0132】
＜第二単位層の組成の測定＞
各試料の切削工具について、第二単位層の組成を実施形態１に記載の方法により測定し、ＡｌｂＶ１－ｂＮにおけるｂの値を得た。結果を表１の「ｂ」の欄に記す。
各試料の切削工具について、第二単位層の組成を実施形態１に記載の方法により測定し、ＡｌｂＶ１－ｂＮにおけるｂの値を得た。結果を表１の「ｂ」の欄に記す。
【0133】
＜下地層の組成および表面層の組成の測定＞
各試料の切削工具について、下地層および表面層の組成を実施形態１に記載の方法により求めた。結果を表２の「下地層」の「組成」欄、「表面層」の「組成」欄に記す。表２の「下地層」の「組成」欄に「－」と記載されている場合は、下地層が存在しないことを示し、「表面層」の「組成」欄に「－」と記載されている場合は、表面層が存在しないことを示す。
各試料の切削工具について、下地層および表面層の組成を実施形態１に記載の方法により求めた。結果を表２の「下地層」の「組成」欄、「表面層」の「組成」欄に記す。表２の「下地層」の「組成」欄に「－」と記載されている場合は、下地層が存在しないことを示し、「表面層」の「組成」欄に「－」と記載されている場合は、表面層が存在しないことを示す。
【0134】
＜積層数の測定＞
各試料の切削工具について、第一単位層および第二単位層のそれぞれの積層数を実施形態１に記載の方法により求めた。例えば、積層数が１０とは、交互層が第一単位層を１０層および第二単位層を１０層含むことを示す。得られた結果をそれぞれ表１の「積層数」の欄に記す。
各試料の切削工具について、第一単位層および第二単位層のそれぞれの積層数を実施形態１に記載の方法により求めた。例えば、積層数が１０とは、交互層が第一単位層を１０層および第二単位層を１０層含むことを示す。得られた結果をそれぞれ表１の「積層数」の欄に記す。
【0135】
＜第一単位層の平均厚み、第二単位層の平均厚み、第一層の厚み、下地層の厚み、および表面層の厚みの測定＞
各試料の切削工具について、第一単位層の平均厚み、第二単位層の平均厚み、第一層の厚み、下地層の厚み、および表面層の厚みを実施形態１に記載の方法により求めた。得られた結果を表１の「第一単位層」の「平均厚み［μｍ］」、「第二単位層」の「平均厚み［μｍ］」、「第一層」の「厚み［μｍ］」、表２の「下地層」の「厚み［μｍ］」、「表面層」の「厚み［μｍ］」欄に記す。「－」と記載されている場合は、該当する層が存在しないことを示す。
各試料の切削工具について、第一単位層の平均厚み、第二単位層の平均厚み、第一層の厚み、下地層の厚み、および表面層の厚みを実施形態１に記載の方法により求めた。得られた結果を表１の「第一単位層」の「平均厚み［μｍ］」、「第二単位層」の「平均厚み［μｍ］」、「第一層」の「厚み［μｍ］」、表２の「下地層」の「厚み［μｍ］」、「表面層」の「厚み［μｍ］」欄に記す。「－」と記載されている場合は、該当する層が存在しないことを示す。
【0136】
＜λ２／λ１の測定＞
各試料の切削工具について、λ２／λ１を実施形態１に記載の方法により求めた。得られた結果を表１の「λ２／λ１」の欄に記す。なお、表１の「λ２／λ１」欄「－」と記載されている場合は、第一単位層および第二単位層のうち少なくともいずれかが存在しないことを意味する。
各試料の切削工具について、λ２／λ１を実施形態１に記載の方法により求めた。得られた結果を表１の「λ２／λ１」の欄に記す。なお、表１の「λ２／λ１」欄「－」と記載されている場合は、第一単位層および第二単位層のうち少なくともいずれかが存在しないことを意味する。
【0137】
＜第一単位層の結晶構造の測定＞
試料１～試料１９において、各試料の切削工具について、第一単位層に対してＸＲＤ測定を行うことにより、第一単位層および第二単位層の結晶構造を確認した。具体的な方法は、実施形態１に記載の通りである。試料１～試料１９において、第一単位層は立方晶型の結晶構造を有し、第二単位層は立方晶型の結晶構造を有することが確認された。
試料１～試料１９において、各試料の切削工具について、第一単位層に対してＸＲＤ測定を行うことにより、第一単位層および第二単位層の結晶構造を確認した。具体的な方法は、実施形態１に記載の通りである。試料１～試料１９において、第一単位層は立方晶型の結晶構造を有し、第二単位層は立方晶型の結晶構造を有することが確認された。
【0138】
＜被膜の硬度の測定＞
試料１～試料１９において、被膜の硬度を実施形態１に記載の方法により測定した。これらの試料の被膜の硬度は、３０ＧＰａ以上５５ＧＰａ以下の範囲内であることが確認された。
試料１～試料１９において、被膜の硬度を実施形態１に記載の方法により測定した。これらの試料の被膜の硬度は、３０ＧＰａ以上５５ＧＰａ以下の範囲内であることが確認された。
【0139】
＜被膜の圧縮残留応力の測定＞
試料１～試料１９において、被膜の圧縮残留応力を実施形態１に記載の方法により測定した。これらの試料の被膜の圧縮残留応力の絶対値は、６ＧＰａ以下であることが確認された。
試料１～試料１９において、被膜の圧縮残留応力を実施形態１に記載の方法により測定した。これらの試料の被膜の圧縮残留応力の絶対値は、６ＧＰａ以下であることが確認された。
【0140】
＜切削試験１：連続旋削試験＞
各試料のＣＮＭＧ１２０４０８形状の切削工具について、以下の切削条件で連続旋削試験を実行し、刃先の逃げ面摩耗量が０．２ｍｍになるまでの時間を測定した。結果を表２の「切削試験１」の「切削時間［分］」の欄に記す。切削時間が長いことは、工具寿命が長いことを示す。
≪切削条件≫
・被削材：インコネル７１８（ＨＢ４００）
・切削速度：９０ｍ／ｍｉｎ
・送り速度：０．２ｍｍ／ｒｅｖ
・切り込み：１．５ｍｍ
・クーラント：水溶性
上記切削条件で実行される切削加工は、刃先温度が高い条件下で実行される切削加工に該当する。
各試料のＣＮＭＧ１２０４０８形状の切削工具について、以下の切削条件で連続旋削試験を実行し、刃先の逃げ面摩耗量が０．２ｍｍになるまでの時間を測定した。結果を表２の「切削試験１」の「切削時間［分］」の欄に記す。切削時間が長いことは、工具寿命が長いことを示す。
≪切削条件≫
・被削材：インコネル７１８（ＨＢ４００）
・切削速度：９０ｍ／ｍｉｎ
・送り速度：０．２ｍｍ／ｒｅｖ
・切り込み：１．５ｍｍ
・クーラント：水溶性
上記切削条件で実行される切削加工は、刃先温度が高い条件下で実行される切削加工に該当する。
【0141】
試料１～試料１９の切削工具は実施例に該当し、試料１０１～試料１０５の切削工具は比較例に該当する。試料１～試料１９の切削工具は、試料１０１～試料１０５の切削工具に比べて、刃先温度が高い条件下で実行される切削加工において、長い工具寿命を有することが確認された。
【0142】
＜切削試験２：フライス試験＞
各試料のＳＥＭＴ１３Ｔ３ＡＧＳＮ形状の切削工具について、幅１５０ｍｍの板の中心線と、それより幅の広いφ１６０ｍｍのカッターの中心を合わせて、以下の切削条件で表面フライス削りを実行し、刃先の逃げ面摩耗量が０．２ｍｍになるまでの切削長を測定した。結果を表２の「切削試験２」の「切削長［ｋｍ］」の欄に記す。切削長が長いことは、工具寿命が長いことを示す。
≪切削条件≫
・被削材：ＳＫＤ１１（ＨＢ＝２３５）
・切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ
・送り速度：０．１５ｍｍ／刃
・軸方向切り込みａｐ：１．５ｍｍ
・径方向切り込みａｅ：１５０ｍｍ
・クーラント：ドライ
上記切削条件で実行される切削加工は、刃先温度が高い条件下で実行される切削加工に該当する。
各試料のＳＥＭＴ１３Ｔ３ＡＧＳＮ形状の切削工具について、幅１５０ｍｍの板の中心線と、それより幅の広いφ１６０ｍｍのカッターの中心を合わせて、以下の切削条件で表面フライス削りを実行し、刃先の逃げ面摩耗量が０．２ｍｍになるまでの切削長を測定した。結果を表２の「切削試験２」の「切削長［ｋｍ］」の欄に記す。切削長が長いことは、工具寿命が長いことを示す。
≪切削条件≫
・被削材：ＳＫＤ１１（ＨＢ＝２３５）
・切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ
・送り速度：０．１５ｍｍ／刃
・軸方向切り込みａｐ：１．５ｍｍ
・径方向切り込みａｅ：１５０ｍｍ
・クーラント：ドライ
上記切削条件で実行される切削加工は、刃先温度が高い条件下で実行される切削加工に該当する。
【0143】
試料１～試料１９の切削工具は実施例に該当し、試料１０１～試料１０５の切削工具は比較例に該当する。試料１～試料１９の切削工具は、試料１０１～試料１０５の切削工具に比べて、刃先温度が高い条件下で実行される切削加工において、長い工具寿命を有することが確認された。
【0144】
［実施例２］
＜試料５１～試料８５、試料１５１～試料１７６＞
≪切削工具の作製≫
実施例１と同一の方法で、各試料の切削工具の基材を準備した。基材を中央で回転させた状態で、反応ガスとしてアルゴンと窒素を導入しながら、基材の温度を６００℃、反応ガス圧を２．０Ｐａ、バイアス電源１１０の電圧を－５０Ｖ～－２００Ｖの範囲の所定の一定値に維持したまま、カソード１０６、１０７にそれぞれ１００Ａのアーク電流を供給することによって、カソード１０６、１０７から金属イオンを発生させて、基材上に表３～表６に示される組成を有する下地層および第二層を形成した。カソード１０６の組成は、表３～表４の第一単位層の組成が得られるように調整してある。また、カソード１０７の組成は、表３～表４の第三単位層の組成が得られるように調整してある。カソード１２０の組成は、表５～表６の表面層の組成が得られるように調整してある。
＜試料５１～試料８５、試料１５１～試料１７６＞
≪切削工具の作製≫
実施例１と同一の方法で、各試料の切削工具の基材を準備した。基材を中央で回転させた状態で、反応ガスとしてアルゴンと窒素を導入しながら、基材の温度を６００℃、反応ガス圧を２．０Ｐａ、バイアス電源１１０の電圧を－５０Ｖ～－２００Ｖの範囲の所定の一定値に維持したまま、カソード１０６、１０７にそれぞれ１００Ａのアーク電流を供給することによって、カソード１０６、１０７から金属イオンを発生させて、基材上に表３～表６に示される組成を有する下地層および第二層を形成した。カソード１０６の組成は、表３～表４の第一単位層の組成が得られるように調整してある。また、カソード１０７の組成は、表３～表４の第三単位層の組成が得られるように調整してある。カソード１２０の組成は、表５～表６の表面層の組成が得られるように調整してある。
【0145】
下地層が形成されている場合、第二層は、下地層上に第一単位層と第三単位層とを１層ずつ交互に、表３～表４に示される積層数をそれぞれ積層することにより形成した。下地層が形成されていない場合、第二層は、基材上に第一単位層と第三単位層とを１層ずつ交互に、表３～表４に示される積層数をそれぞれ積層することにより形成した。また、下地層の厚み、第二層中における第一単位層および第三単位層のそれぞれの厚みおよび積層数は、基材の回転速度で調整した。そして、下地層および第二層の厚みが表３～表６に示される厚みとなったところで蒸発源に供給する電流をストップした。表５～表６の「下地層」欄の「－」との記載は、下地層が存在しないことを示す。
【0146】
次に、チャンバ１０１内に反応ガスとして窒素ガスおよび酸素ガスを導入しながら、基材の温度を３５０℃、反応ガス圧を２．０Ｐａ、バイアス電源１１０の電圧を－３５０Ｖに維持したまま、カソード１２０に１００Ａのアーク電流を供給することによって、カソード１２０から金属イオンを発生させて、第二層上に表面層を形成した。表面層の厚みが表５～表６に示される厚みとなったところで蒸発源に供給する電流をストップした。窒素ガスおよび酸素ガスの導入量は、表５～表６の表面層の組成が得られるように調整した。以上により、各試料の切削工具が作製された。表５～表６の「表面層」欄の「－」との記載は、表面層が存在しないことを示す。
【0147】
【表3】
【0148】
【表4】
【0149】
【表5】
【0150】
【表6】
【0151】
≪評価≫
各試料に係る切削工具について、第一単位層の組成、第三単位層の組成、下地層の組成、表面層の組成、第一単位層および第三単位層のそれぞれの積層数、第一単位層の平均厚み、第三単位層の平均厚み、第二層の厚み、下地層の厚み、表面層の厚み、λ３／λ１および第一単位層の結晶構造、被膜の硬度、および、被膜の圧縮残留応力を測定した。それぞれの項目の測定方法は実施例１に記載の通りである。結果を表３～表６に示す。
各試料に係る切削工具について、第一単位層の組成、第三単位層の組成、下地層の組成、表面層の組成、第一単位層および第三単位層のそれぞれの積層数、第一単位層の平均厚み、第三単位層の平均厚み、第二層の厚み、下地層の厚み、表面層の厚み、λ３／λ１および第一単位層の結晶構造、被膜の硬度、および、被膜の圧縮残留応力を測定した。それぞれの項目の測定方法は実施例１に記載の通りである。結果を表３～表６に示す。
【0152】
試料５１～試料８５において、第一単位層は立方晶型の結晶構造を有し、第二単位層は立方晶型の結晶構造を有することが確認された。試料５１～試料８５の被膜の硬度は、３０ＧＰａ以上５５ＧＰａ以下の範囲内であることが確認された。試料５１～試料８５被膜の圧縮残留応力の絶対値は、６ＧＰａ以下であることが確認された。
【0153】
＜切削試験３：連続旋削試験＞
各試料のＣＮＭＧ１２０４０８形状の切削工具について、以下の切削条件で連続旋削試験を実行し、刃先の逃げ面摩耗量が０．２ｍｍになるまでの時間を測定した。結果を表５～表６の「切削試験３」の「切削時間［分］」の欄に記す。なお、表５～表６において、切削時間が長いことは、工具寿命が長いことを示す。
（切削条件）
・被削材：ＳＣＭ４４０（ＨＢ３２０）
・切削速度：３６０ｍ／ｍｉｎ
・送り速度：０．３５ｍｍ／ｒｅｖ
・切り込み：２．０ｍｍ
・クーラント：水溶性
上記切削条件で実行される切削加工は、刃先温度が高い条件下で実行される切削加工に該当する。
各試料のＣＮＭＧ１２０４０８形状の切削工具について、以下の切削条件で連続旋削試験を実行し、刃先の逃げ面摩耗量が０．２ｍｍになるまでの時間を測定した。結果を表５～表６の「切削試験３」の「切削時間［分］」の欄に記す。なお、表５～表６において、切削時間が長いことは、工具寿命が長いことを示す。
（切削条件）
・被削材：ＳＣＭ４４０（ＨＢ３２０）
・切削速度：３６０ｍ／ｍｉｎ
・送り速度：０．３５ｍｍ／ｒｅｖ
・切り込み：２．０ｍｍ
・クーラント：水溶性
上記切削条件で実行される切削加工は、刃先温度が高い条件下で実行される切削加工に該当する。
【0154】
試料５１～試料８５の切削工具は実施例に該当し、試料１５１～試料１７６の切削工具は比較例に該当する。試料５１～試料８５の切削工具は、試料１５１～試料１７６の切削工具に比べて、刃先温度が高い条件下で実行される切削加工において、長い工具寿命を有することが確認された。
【0155】
＜切削試験４：フライス試験＞
各試料のＳＥＭＴ１３Ｔ３ＡＧＳＮ形状の切削工具について、幅１５０ｍｍの板の中心線と、それより幅の広いφ１６０ｍｍのカッターの中心を合わせて、以下の切削条件で表面フライス削りを実行し、刃先の逃げ面摩耗量が０．２ｍｍになるまでの切削長を測定した。結果を表５～表６の「切削試験４」の「切削長［ｋｍ］」の欄に記す。なお、表５～表６において、切削長が長いことは、工具寿命が長いことを示す。
≪切削条件≫
・被削材：ＦＣＤ７００（ＨＢ＝２５０）
・切削速度：２２０ｍ／ｍｉｎ
・送り速度：０．２ｍｍ／刃
・軸方向切り込みａｐ：２．０ｍｍ
・径方向切り込みａｅ：１５０ｍｍ
・クーラント：ドライ
上記切削条件で実行される切削加工は、刃先温度が高い条件下で実行される切削加工に該当する。
各試料のＳＥＭＴ１３Ｔ３ＡＧＳＮ形状の切削工具について、幅１５０ｍｍの板の中心線と、それより幅の広いφ１６０ｍｍのカッターの中心を合わせて、以下の切削条件で表面フライス削りを実行し、刃先の逃げ面摩耗量が０．２ｍｍになるまでの切削長を測定した。結果を表５～表６の「切削試験４」の「切削長［ｋｍ］」の欄に記す。なお、表５～表６において、切削長が長いことは、工具寿命が長いことを示す。
≪切削条件≫
・被削材：ＦＣＤ７００（ＨＢ＝２５０）
・切削速度：２２０ｍ／ｍｉｎ
・送り速度：０．２ｍｍ／刃
・軸方向切り込みａｐ：２．０ｍｍ
・径方向切り込みａｅ：１５０ｍｍ
・クーラント：ドライ
上記切削条件で実行される切削加工は、刃先温度が高い条件下で実行される切削加工に該当する。
【0156】
試料５１～試料８５の切削工具は実施例に該当し、試料１５１～試料１７６の切削工具は比較例に該当する。試料５１～試料８５の切削工具は、試料１５１～試料１７６の切削工具に比べて、刃先温度が高い条件下で実行される切削加工において、長い工具寿命を有することが確認された。
【0157】
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。
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。
【符号の説明】
【0158】
１ 切削工具、２ 基材、３ 被膜、１２ 第一単位層、１３ 第一層、１３Ａ 第二層、１４ 表面層、１５ 第二単位層、１６ 下地層、１７ 第三単位層、１０１ チャンバ、１０２ ガス、１０３ ガス排出口、１０４ 基材ホルダ、１０５ ガス導入口、１０６，１０７，１２０ カソード、１０８，１０９ アーク電源、１１０ バイアス電源。
【要約】
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、第一単位層と第二単位層とが交互に積層された交互層からなり、前記第一単位層は、Ｔｉ１－ａＭｏａＮからなり、前記ａは、０．０１以上０．２０以下であり、前記第二単位層は、ＡｌｂＶ１－ｂＮからなり、前記ｂは、０．４０以上０．８０以下である、切削工具である。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】