JP5254552B2

JP5254552B2 - 表面被覆切削工具

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Publication number: JP5254552B2
Application number: JP2007023376A
Authority: JP
Inventors: 治世福井; 晋也今村; 彰彦柴田
Original assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Current assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Priority date: 2007-02-01
Filing date: 2007-02-01
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2027-02-01
Also published as: JP2008188689A

Description

本発明は、基材上に被覆層を形成した表面被覆切削工具に関する。

切削工具を構成する基材は、その表面保護を目的とするとともに耐摩耗性や靭性等の諸特性の更なる向上を目的として、各種の被覆層でその表面を被覆することが古くから行なわれてきた。近年、切削工具の動向として、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、被削材が多様化していること、および加工能率を一層向上させるため切削速度がより高速になってきていることなどから、切削加工時の切削工具の刃先温度はますます高温に曝される傾向にあり、切削工具用材料に要求される特性は厳しくなる一方である。

特にそのような切削工具用材料の要求特性として、高温での被覆層の安定性（耐酸化特性や密着性）はもちろんのこと、工具寿命に関係する耐摩耗性、すなわち被覆層の高温における硬度の向上や潤滑油剤に代わる被覆層の潤滑特性が一段と重要となっている。

このため、この種の硬質の被覆層として従来より用いられてきたＴｉＡｌＮに代えて、ＡｌとＣｒとを含む窒化物の使用が提案されている（特許文献１）。このＡｌとＣｒとを含む窒化物はＴｉＡｌＮに比べて高温での安定性は優れているものの、大きな残留応力を有する傾向にあり、このため基材や他の被覆層との密着性が劣ることから耐摩耗性あるいは耐剥離性が不十分であるという問題があった。

そこで、この問題を解決するべく、ＡｌとＣｒとを含む窒化物の層と、ＴｉとＡｌとＳｉとを含む層とを交互に積層させた構造の被覆層が提案されている（特許文献２）。この提案により上記の問題はほぼ解決されているが、次のような新たな問題点が存した。

すなわち、上記提案による交互積層物から構成される被覆層は、積層される各層が柱状組織の結晶構造を有するものであり、当該被覆層全体を単一の層で形成した場合に比べてその結晶構造は微細化される傾向を示すものの、上記のような使用状況下において切削工具にさらに高い負荷が適用されるような条件下では、その結晶構造をさらに微細化させることが求められている。これは、その結晶構造が十分に微細化されないと、切削加工時に被覆層に発生するクラックの進展を十分に抑制することができず、刃先のチッピングを誘発し結果的に工具寿命を低下させることになるためである。
特開２００４−１０６１８３号公報国際公開第２００６／０７０７３０号パンフレット

本発明は、上記のような状況に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、高温での安定性に優れるとともに、刃先のチッピングを抑制することにより工具寿命を長期化させた表面被覆切削工具を提供することにある。

本発明の表面被覆切削工具は、基材と該基材の表面上に形成された被覆層とを含むものであって、該被覆層は、Ａ層とＢ層とが交互にそれぞれ１層以上積層された交互層を含み、該Ａ層は、ＡｌとＣｒとを含む窒化物からなり、該Ａ層を構成する金属原子の総数を１としたときのＣｒの原子数の比が０よりも大きく０．４以下であり、該Ｂ層は、ＴｉとＳｉとを含む窒化物からなり、該Ｂ層を構成する金属原子の総数を１としたときのＳｉの原子数の比が０．０５以上０．３以下であることを特徴とする。

ここで、上記交互層におけるＡ層の厚みをλａとし、Ｂ層の厚みをλｂとしたとき、Ａ層とＢ層との厚みの比であるλａ／λｂは、１≦λａ／λｂ＜５であることが好ましい。

また、上記交互層におけるＡ層の厚みをλａとし、Ｂ層の厚みをλｂとしたとき、互いに隣接するＡ層とＢ層との厚みの比であるλａ／λｂは、上記基材に最も近い側ではλａ／λｂ＝１であり、該基材から遠ざかるにしたがってλａ／λｂの値は連続的に大きくなっていき、該基材から最も遠い側では１＜λａ／λｂ＜５であることが好ましい。

また、上記被覆層の最下層は、Ａ層であることができ、またＢ層であっても差し支えない。また、上記被覆層の最上層は、Ｃ層であり、このＣ層は、ＴｉとＳｉとを含む炭窒化物からなり、このＣ層を構成する金属原子の総数を１としたときのＳｉの原子数の比が０．０５以上０．３以下であることが好ましい。

また、上記交互層においてＡ層とＢ層とは、中間遷移層を挟んで積層されており、該中間遷移層は、それに接する下層の組成から同じくそれに接する上層の組成へと厚み方向にその組成が連続的に変化することが好ましい。

また、上記被覆層は、−８ＧＰａ以上０ＧＰａ以下の平均残留応力を有していることが好ましい。また、上記被覆層の残留応力は、厚み方向において変化し、基材から遠ざかるにしたがってその残留応力の絶対値が大きくなることが好ましい。さらに、上記被覆層の結晶構造は、立方晶であることが好ましい。

本発明の表面被覆切削工具は、高温での安定性に優れるとともに、刃先のチッピングを抑制することにより工具寿命を長期化させることに成功したものである。

以下、本発明についてさらに詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明では、図面を用いて説明しているが、本願の図面において同一の参照符号を付したものは、同一部分または相当部分を示している。

＜表面被覆切削工具＞
本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材の表面上に形成された被覆層とを備えるものである。このような基本的構成を有する本発明の表面被覆切削工具は、たとえばドリル、エンドミル、フライス加工用刃先交換型切削チップ、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、またはクランクシャフトのピンミーリング加工用チップ等として極めて有用に用いることができる。

＜基材＞
本発明の表面被覆切削工具の基材としては、このような切削工具の基材として知られる従来公知のものを特に限定なく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の他、Ｃｏを含み、あるいはさらにＴｉ、Ｔａ、Ｎｂ等の炭窒化物等を添加したものも含む）、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、炭化硅素、窒化硅素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、およびこれらの混合体など）、立方晶型窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体等をこのような基材の例として挙げることができる。このような基材として超硬合金を使用する場合、そのような超硬合金は、組織中に遊離炭素やη相と呼ばれる異常相を含んでいても本発明の効果は示される。

なお、これらの基材は、その表面が改質されたものであっても差し支えない。たとえば、超硬合金の場合はその表面に脱β層が形成されていたり、サーメットの場合には表面硬化層が形成されていても良く、このように表面が改質されていても本発明の効果は示される。

＜被覆層＞
本発明の表面被覆切削工具の上記基材の表面上に形成される被覆層は、Ａ層とＢ層とが交互にそれぞれ１層以上積層された交互層を含むことを特徴としている。本発明の被覆層は、このような交互層を含む限り、この交互層以外に他の層を含んでいても差し支えない。このような他の層としては、たとえば後述のような被覆層の最下層としてのＡ層やＢ層、または被覆層の最上層としてのＣ層を挙げることができるが、これらのみに限られるものではない。このような他の層は、基材と交互層との間に形成することができるとともに交互層上に形成することもでき、その積層配置は特に限定されない。なお、交互層を上記基材上に直接形成することも勿論可能である。

このような被覆層は、基材上の全面を被覆するもののみに限られるものではなく、部分的に被覆層が形成されていない態様も含み、さらにまた部分的に被覆層の一部の積層構成が異なっているような態様をも含む。

なお、このような被覆層の厚み（被覆層全体の厚み）は、０．８μｍ以上１５μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくはその上限が１０μｍ以下、さらに好ましくは５μｍ以下、その下限が１μｍ以上、さらに好ましくは１．５μｍ以上である。その厚みが０．８μｍ未満の場合、被覆層の厚みが薄すぎて本発明の表面被覆切削工具の寿命が短くなる傾向にあり、１５μｍを超えると切削初期において被覆層がチッピングしやすくなってやはり工具としての寿命が短くなる傾向にある。

なお、本発明においては、被覆層の全体の厚みおよび後述の各層の厚みならびに積層数は、いずれも本発明の表面被覆切削工具を切断し、その断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）またはＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）を用いて観察することにより求めることができる。また、被覆層を構成する後述のような各層の組成は、ＸＰＳ（Ｘ線光電子分光分析装置）を用いて測定することができる。

＜交互層＞
本発明の上記被覆層に含まれる交互層は、下記のＡ層とＢ層とが交互にそれぞれ１層以上積層されたものであり、該Ａ層は、ＡｌとＣｒとを含む窒化物からなり、該Ａ層を構成する金属原子の総数を１としたときのＣｒの原子数の比が０よりも大きく０．４以下であり、該Ｂ層は、ＴｉとＳｉとを含む窒化物からなり、該Ｂ層を構成する金属原子の総数を１としたときのＳｉの原子数の比が０．０５以上０．３以下であるという構成を有している。

このように本発明の交互層は、応力緩和作用を有するＢ層に隣接させてＡ層を積層させたことにより、比較的大きな残留応力を有するためにそれ単独では基材や他の被膜との密着性が劣るというＡ層が有する固有のデメリットを抑制しつつ、従来のＴｉＡｌＮに比し高温での安定性に優れるというＡ層の優れた作用効果を十分に発揮させることが可能となったため、表面被覆切削工具の高温での安定性を飛躍的に向上させることに成功したものである。

しかも、上記のような応力緩和作用を有するＢ層がＡｌを含んでいないため、このＢ層をＡ層に隣接して形成することにより（特に２つのＢ層間にＡ層を挟むことにより）Ａｌを含むＡ層における結晶成長の粗大化を効果的に防止することができ、以ってＡ層の結晶構造をより微細化することが可能となった。さらに、このＢ層も異なった組成のＡ層に隣接して形成されることになるので、結果的にＢ層自体の結晶成長の粗大化も同時に防止されることになる。

このため、高温で高い負荷が適用されるような切削条件下においても被覆層の表面に発生するクラックが基材方向に進展するのを十分に抑制することができ、以って刃先のチッピングを極めて有効に防止することに成功したものである。特にこの点は、先行技術である前述の特許文献２が有していた問題点（すなわち、Ｂ層にＡｌが含まれているためにＡ層の結晶構造の微細化を十分に達成できないという問題点）を解消させたものであり、極めて大きな産業上の利用性を有するものである。

本発明の交互層の上記のような構成によりクラックの進展が抑制されるのは、恐らく次のような理由であると考えられる。すなわち、Ａ層の結晶構造の微細化により、被覆層の表面に発生したクラックが大規模な層剥離に発展することなくＡ層とＢ層との界面でその進展が効果的に遮断されるためではないかと推測される。

このようにして、本発明の表面被覆切削工具は、高温での安定性に優れるとともに刃先のチッピングを抑制することにより、高温でしかも高い負荷がかかるような切削条件下においても耐摩耗性と耐欠損性とを高度に両立させることができ、以って工具寿命を長期化させることに成功したものである。

なお、本発明において、上記の交互層におけるＡ層の積層数およびＢ層の積層数は、交互層を構成しているＡ層およびＢ層のそれぞれの積層数のことを意味するものとする。たとえば、上記の交互層が、基材側から順にＡ層、Ｂ層、Ａ層、Ｂ層およびＡ層の順序で積層された構成を有している場合には、交互層におけるＡ層の積層数は３層となり、Ｂ層の積層数は２層となる。勿論、最少積層数は、Ａ層およびＢ層とも１層であるが、最大積層数は特に限定されない。通常、Ａ層およびＢ層の各層の積層数は、１０層以上５０００層以下とすることが好ましい。１０層未満の場合、各層における結晶構造の微細化への寄与が小さくなる傾向にあり、５０００層を超えると、１層当りの厚みが薄くなり過ぎ各層が混合する傾向にある。

また、本発明における交互層においては、積層はＡ層から開始されていても良いし、Ｂ層から開始されていても良い（すなわち交互層において、最も基材側に近く位置する層はＡ層であっても良いしＢ層であっても良い）。また、交互層における積層は、Ａ層で終了しても良いし、Ｂ層で終了しても良い（すなわち交互層において、基材側から最も遠く離れて位置する層はＡ層であっても良いしＢ層であっても良い）。

このような交互層の厚みは、０．８μｍ以上１５μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくはその上限が１０μｍ以下、さらに好ましくは５μｍ以下、その下限が１μｍ以上、さらに好ましくは１．５μｍ以上である。その厚みが０．８μｍ未満では、工具寿命が低下する場合があり、１５μｍを超えると大きな残留応力に起因して被膜自体がチッピングする場合がある。

＜Ａ層＞
上記の交互層におけるＡ層は、ＡｌとＣｒとを含む窒化物からなるものであるが、Ａｌを含んでいるために高い耐酸化性を有している。また、Ａ層はＡｌだけでなくＣｒも含むために耐酸化性がさらに高くなっている。また、Ａ層においては、Ａｌの含有量がたとえ高くなったとしてもＣｒを含有するためにＡ層の結晶構造が立方晶となって高硬度化する傾向にある。そして、これらの諸特性は高温においても発揮され、十分なる高温安定性を示すものとなる。なお、Ａ層は、ＡｌとＣｒとを含む限り窒素以外の他の元素を含んでいても差し支えない。

また、Ａ層を構成する金属原子の総数を１としたときのＣｒの原子数の比は、０よりも大きく０．４以下である。ここで、上記のＣｒの原子数の比が０．４よりも大きい場合にはＡ層の硬度が低下してしまう。また、Ａ層の硬度がより高くなる観点からは、上記のＣｒの原子数の比は０．２以上０．３５以下であることがより好ましい。なお、本発明において「金属原子」とは、水素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、アスタチン、酸素、硫黄、セレン、テルル、窒素、リン、ヒ素、アンチモンおよび炭素以外の元素の原子のことをいう。

また、このようなＡ層において、ＡｌとＣｒとを含む金属原子の総数を１としたとき、窒素の原子数の比は０．８以上１．５以下とすることが好ましい。０．８未満では膜硬度が低下する傾向にあり、１．５を超える場合も同様に膜硬度が低下する傾向がある。

＜Ｂ層＞
上記の交互層におけるＢ層は、ＴｉとＳｉとを含む窒化物からなり、ＴｉとＳｉとを含む限り窒素以外の他の元素を含んでいても差し支えない。このようにＢ層は、ＴｉとともにＳｉを含んでいることから小さい残留応力値を示し応力緩和層としての作用を有している。また、Ｂ層の結晶構造は立方晶となっており、十分なる高温安定性を示すものとなる。なお、前述の通り、このＢ層はＡｌを含まないことを特徴とするものである。

また、上記のＢ層を構成する金属原子の総数を１としたときのＳｉの原子数の比は、０．０５以上０．３以下である。上記のＢ層のＳｉの原子数の比が０．３を超える場合にはＢ層の硬度が低下して摩耗が促進してしまい、０．０５未満では十分に残留応力値を小さくすることができなくなってしまう。なお、Ｂ層の硬度がより高くなる観点からは、上記のＢ層のＳｉの原子数の比は０．１以上０．２５以下であることがより好ましい。

また、このようなＢ層において、ＴｉとＳｉとを含む金属原子の総数を１としたとき、窒素の原子数の比は０．８以上１．５以下とすることが好ましい。０．８未満では膜硬度が低下する傾向にあり、１．５を超える場合も同様に膜硬度が低下する傾向がある。

＜Ａ層またはＢ層に含まれる他の元素の例＞
本発明においては、Ａ層およびＢ層の少なくとも一方にバナジウムが原子％で３０原子％未満含まれていてもよい。この場合には、切削時における高温環境においてＡ層および／またはＢ層の表面が酸化したとしても、バナジウムの酸化物は低融点を有するのでバナジウムの酸化物が切削時の潤滑剤として作用するようになり、結果として被削材の融着を抑制できる傾向にある。バナジウムが３０原子％以上含有される場合にはＡ層および／またはＢ層の硬度が低下する傾向にある。また、バナジウムが１５原子％未満含有される場合には上記の被削材の融着を抑制できるとともにＡ層および／またはＢ層の硬度も高くすることができる。なお、本発明において、「原子％」とは、層を構成する金属原子の総原子数に対する原子数の割合（％）のことをいう。

また、本発明においては、Ａ層およびＢ層の少なくとも一方にホウ素が原子％で１０原子％未満含まれていてもよい。この場合には、メカニズムはわかっていないが層の硬度をさらに高くすることができる傾向にある。また、切削中の表面酸化によって形成されるホウ素の酸化物が特にＡ層中のＡｌの酸化物を緻密化する傾向にあることからも好ましい。さらに、ホウ素の酸化物は低融点であるので切削時の潤滑剤として作用し、被削材の溶着を抑える傾向もある。

また、本発明のＡ層においては、Ｓｉを原子％で１０原子％未満含有させることもできる。これにより、Ａ層の硬度が高くなる傾向にあり、またＡ層の結晶構造も微細化する傾向にある。

＜Ａ層およびＢ層の厚み＞
上記Ａ層およびＢ層の厚みは、それぞれ０．００２μｍ以上２μｍ以下であることが好ましい。この範囲の厚みとすることにより、被覆層の表面で発生したクラックの進展（基材方向への進展）を最も効果的に抑制することができる傾向にある。また、Ａ層およびＢ層の厚みがそれぞれ０．００２μｍ未満である場合には、両層が混ざり合ってＡ層およびＢ層を交互に積層したことによる効果を得ることができない傾向にあり、２μｍを超える場合にはクラックの進展の効果的な抑制効果が得られにくい傾向にある。

なお、上記Ａ層の厚みは、交互層中に含まれる各々のＡ層において実質的に全て同じ厚みを有していても良いし、互いに異なる厚みを有していても良い。また、同じくＢ層についても上記交互層中に含まれる各々のＢ層において実質的に全て同じ厚みを有していても良いし、互いに異なる厚みを有していても良い。

また、本発明の表面被覆切削工具１の模式的断面図である図１に示すように、基材２上に形成された交互層１３におけるＡ層１２の厚みをλａとし、Ｂ層１５の厚みをλｂとしたとき、Ａ層１２とＢ層１５との厚みの比であるλａ／λｂは、１≦λａ／λｂ＜５であることが好ましく、１≦λａ／λｂ＜３であることがより好ましい。上述したように、Ａ層は高い耐酸化性を有していることに加えて、熱伝導率も低く、切削時に発生した熱を基材に伝えにくい性質を持つ。したがって、被覆層中のＡ層の割合が相対的に増えると、表面被覆切削工具全体としての耐熱性が向上するので、特に、このような厚みの比を有することにより連続切削時の表面被覆切削工具の耐摩耗性が向上する傾向にある。また、被覆層中のＴｉの量が相対的に減少するので、たとえばＴｉ合金の切削時において、表面被覆切削工具の損傷部へのＴｉ合金の融着が抑制され、結果として、表面被覆切削工具の寿命の延長を図ることができる傾向にある。なお、λａ／λｂ＜１の場合には被覆層の耐酸化性が低下する傾向にあり、λａ／λｂ＞５の場合にはＡ層とＢ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にくい傾向にある。

また、同じく本発明の表面被覆切削工具１の模式的断面図である図２に示すように、基材２上に形成される交互層１３におけるＡ層１２の厚みをλａとし、Ｂ層１５の厚みをλｂとしたとき、互いに隣接するＡ層１２とＢ層１５との厚みの比であるλａ／λｂは、基材２に最も近い側ではλａ／λｂ＝１であり、基材２から遠ざかるにしたがってλａ／λｂの値は連続的に大きくなっていき、基材２から最も遠い側では１＜λａ／λｂ＜５であることが好ましく、１＜λａ／λｂ＜３であることがより好ましい（なお、図２において、交互層１３の中央部に示されている矢印はその部分のＡ層およびＢ層が省略されていることを示している）。なお、本発明において、λａ／λｂの値が「連続的に大きく」なるとは、実質的に大きくなる傾向を示せば足りるものであって、部分的に同じ数値を示す部分が含まれていたり、部分的に小さくなる傾向を示す部分が含まれていても「連続的に大きく」という規定を逸脱するものではない。

上述したように、Ａ層は高い耐酸化性を有していることに加えて、熱伝導率も低く、切削時に発生した熱を基材に伝えにくい性質を持つ。したがって、被覆層中のＡ層の割合が相対的に増えると、表面被覆切削工具全体としての耐熱性が向上するので、特に、連続切削時の表面被覆切削工具の耐摩耗性が向上する傾向にある。しかし、被覆層の密着性の観点からは、応力の低いＢ層を交互に積層することは効果的である。そこで、基材に最も近い側ではＢ層の割合を高くし、基材から遠ざかるにしたがってＡ層の割合を連続的に高めていくことによって、刃先に負荷のかかる断続切削においても性能が向上する傾向にある。また、被覆層中のＴｉ量が基材から遠ざかるにしたがって相対的に減少していくので、たとえばＴｉ合金の切削時において、表面被覆切削工具の損傷部へのＴｉ合金の融着が抑制され、結果として、表面被覆切削工具の寿命の延長を図ることができる傾向にある。なお、基材から最も遠い側において、λａ／λｂ＜１の場合には被覆層の耐酸化性が低下する傾向にあり、λａ／λｂ＞５の場合にはＡ層とＢ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にくい傾向にある。

＜中間遷移層＞
上記交互層においてＡ層とＢ層とは、中間遷移層を挟んで積層されており、該中間遷移層は、それに接する下層の組成から同じくそれに接する上層の組成へと厚み方向にその組成が連続的に変化することが好ましい。たとえば、上記交互層においてＡ層から積層が開始される場合を例にとると、まずそのＡ層上に中間遷移層が形成され、その中間遷移層上にＢ層が形成され、引き続きそのＢ層上に中間遷移層が形成され、次いでその中間遷移層上にＡ層が形成され、以後もこのような積層態様が繰り返されることにより交互層を形成することができる。なお、本発明においては、このように中間遷移層が形成される場合であっても、Ａ層とＢ層とは交互に積層されるという表現を用いるものとする。

また、上記例において、積層が開始されるＡ層上に形成される中間遷移層の場合、その中間遷移層に接する下層とは上記Ａ層を意味し、またその中間遷移層に接する上層とはＢ層を意味する。したがって、この中間遷移層における組成は、厚み方向にかけて（すなわち基材側から基材から遠ざかる側にかけて）Ａ層の組成からＢ層の組成へと連続的に変化するものとなる。

このような中間遷移層は、Ａ層およびＢ層とは独立して形成する必要はなく、その製造方法にもよるが通常はＡ層を形成後Ｂ層を形成するとき、またはＢ層を形成後Ａ層を形成するときにそれら両層の形成の途中段階で不可避的に形成されるものである。換言すれば、この中間遷移層は、その観察条件により観察されたり観察されなかったりする程度のものであり、通常ＴＥＭ等による観察倍率を２００万倍以上にする場合において観察されるものである。

なお、Ａ層およびＢ層の境界部にこのような中間遷移層が形成されるために、これら両層の境界部を明確に定めることができない場合は、このような中間遷移層における厚み方向の中間点をこれら両層の境界部とみなし、各層の厚み等を測定するものとする。

＜被覆層の最下層＞
本発明においては、被覆層の最下層を上記のＡ層とすることができる。ここで、最下層とは、基材と直接に接触する被覆層中の層のことである。被覆層の最下層をＡ層とした場合には、切削初期に基材が露出したとしても、基材と被覆層との間の界面からの酸化を抑制することができる傾向にある。なお、最下層であるＡ層上に上記の交互層を形成する場合には、最下層であるＡ層上には交互層としてＡ層が積層されてもよく、またＢ層が積層されてもよい。

また、被覆層の最下層としてのＡ層にＳｉを原子％で１０原子％未満含有させることもできる。この場合には最下層であるＡ層の硬度が高くなる傾向にあり、最下層であるＡ層の構造も微細化する傾向にある。

また、被覆層の最下層としてのＡ層の厚みは、上記交互層の場合とは異なり０．１μｍ以上２μｍ以下であることが好ましい。最下層であるＡ層の厚みが０．１μｍ未満の場合には被覆層の最下層をＡ層とした効果を得ることができない傾向にあり、２μｍを超えた場合には最下層をＡ層とした効果のさらなる向上が認められない傾向にある。

また、本発明においては、被覆層の最下層を上記Ｂ層とすることもできる。被覆層の最下層をＢ層とした場合には、Ｂ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などの断続加工の場合に被覆層の耐剥離性が格段に向上する傾向にある。なお、最下層であるＢ層上に上記の交互層を形成する場合には、最下層であるＢ層上には交互層としてＡ層が積層されてもよく、またＢ層が積層されてもよい。

また、被覆層の最下層としてのＢ層の厚みは、上記交互層の場合とは異なり０．１μｍ以上２μｍ以下であることが好ましい。最下層であるＢ層の厚みが０．１μｍ未満の場合には被覆層の最下層をＢ層とした効果を得ることができない傾向にあり、２μｍを超えた場合には最下層をＢ層とした効果のさらなる向上が認められない傾向にある。

なお、このような被覆層の最下層としては、上記Ａ層およびＢ層以外に他の層を形成することもできる。

＜被覆層の最上層＞
本発明においては、被覆層の最上層をＣ層とすることができる。ここで、Ｃ層はＴｉとＳｉとを含む炭窒化物（炭素と窒素を含む化合物）からなり、Ｃ層を構成する金属原子の総数を１としたときのＳｉの原子数の比が０．０５以上０．３以下である。なお、本発明において、被覆層の最上層とは被覆層の表面を構成する層である。通常、このような最上層は、上記の交互層上に形成される。

被覆層の最上層としてこのようなＣ層を形成した場合には、被削材に対する被覆層の摩擦係数が低下して、本発明の表面被覆切削工具の長寿命化に寄与する傾向にある。一般的に、炭窒化物は窒化物よりも被削材に対する摩擦係数が低い傾向にあり、このような摩擦係数の低下は炭素原子の寄与によるものと考えられる。また、Ｃ層の表面は切削時において他の層の表面と比べて最も高温となるため、本発明においては、耐酸化性を付与する目的でＣ層の組成を上記のものとしている。なお、耐酸化性を向上する観点からは、Ｃ層における上記のＳｉの原子数の比は０．１以上０．２５以下であることがより好ましい。

また、Ｃ層にはホウ素が原子％で１０原子％未満含まれていてもよい。この場合には、メカニズムはわかっていないが層の硬度をさらに高くすることができる傾向にある。また、切削中の表面酸化によって形成されるホウ素の酸化物が特に層中のＳｉの酸化物を緻密化する傾向にあることからも好ましい。さらに、ホウ素の酸化物は低融点であるので切削時の潤滑剤として作用し、被削材の凝着を抑える傾向もある。

また、Ｃ層の厚みは０．１μｍ以上２μｍ以下であることが好ましい。Ｃ層の厚みが０．１μｍ未満である場合には被覆層の最表面の潤滑性の付与による効果が得られにくい傾向にあり、２μｍを超える場合にはその効果をさらに向上することができない傾向にある。

また、上記のＣ層において、窒素と炭素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、本発明の表面被覆切削工具の外観に意匠性を付与でき、商業上有用となる。窒素と炭素との組成比は、特に限定されるものではないが、両者の原子の総数を１としたときの炭素の原子数の比が０．０５以上０．６以下となることが好ましい。０．０５未満では潤滑性の付与による効果が得られない傾向にあり、０．６を超えると膜硬度が高くなり過ぎ被膜自体がチッピングしやすくなる傾向がある。

なお、このようなＣ層において、ＴｉとＳｉとを含む金属原子の総数を１としたとき、窒素と炭素との原子数の総数は０．８以上１．５以下とすることが好ましい。０．８未満では膜硬度が低下する傾向にあり、１．５を超える場合も同様に膜硬度が低下する傾向がある。

＜被覆層の残留応力＞
本発明においては、被覆層は−８ＧＰａ以上０ＧＰａ以下の平均残留応力を有していることが好ましい。すなわち、被覆層の残留応力を平均すると上記範囲の圧縮残留応力となることが好ましく、便宜的に応力が解放されて残留応力を有さない場合も含むものとする。このように被覆層が、上記範囲の平均圧縮残留応力を有することにより、被覆層にチッピングが発生することを抑制することができ刃先の信頼性が向上し、以って切削工具の寿命を長期化することができる。

被覆層の平均残留応力が０ＧＰａを超えて「正」の数値を有するようになると、引張残留応力となるため被覆層の表面で発生したクラックの基材方向への進展を抑制できない傾向となる。一方、平均残留応力が−８ＧＰａ未満になると圧縮残留応力が大きすぎて（すなわち応力値の絶対値が大きくなりすぎる場合）、切削開始前に表面被覆切削工具のエッジ部から被覆層が剥離して本発明の表面被覆切削工具の寿命が短くなるおそれがある。なお、本発明において被覆層の平均残留応力とは、被覆層全体の残留応力の平均値のことである。また、圧縮残留応力という記載と数値とを併記する場合は、数値にあえてマイナスの符号を付さないで表記するものとする。

また、上記被覆層の残留応力は、厚み方向において変化し、基材から遠ざかるにしたがってその残留応力の絶対値が大きくなること（すなわち圧縮残留応力が大きくなること）が好ましい。被覆層の表面に発生するクラックの基材側への進展をより効果的に抑制することができるからである。このような残留応力の分布態様は、前述のように交互層におけるＡ層とＢ層との厚みの比であるλａ／λｂを、基材から遠ざかるにしたがって連続的に大きくすることにより達成することができる。Ａ層は相対的に大きな圧縮残留応力を有するからである。

なお、本発明において残留応力は、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。

＜被覆層の結晶構造＞
本発明において、被覆層の結晶構造は立方晶であることが好ましい。被覆層が立方晶である場合、被覆層の硬度が向上する傾向にある。たとえば、上記Ａ層の場合、窒化物であるＡｌＮを例にとると、ＡｌＮは通常六方晶であるが、準安定相である立方晶となった場合の格子定数は０．４１２ｎｍであるのに対して、常温常圧で立方晶が安定相であるＣｒＮの格子定数は０．４１４ｎｍであり立方晶のＡｌＮと非常に格子定数が近いため、その引き込み効果によりＡｌＮは立方晶化して高硬度化する。このため、上記Ａ層は、ＡｌとＣｒとを含む窒化物とすることにより立方晶とすることが可能となる。

このように、被覆層中の各層のそれぞれの結晶構造を立方晶とすることにより、硬度が向上し耐摩耗性に優れたものとなるため好ましい。なお、被覆層および被覆層中の各層の結晶構造はそれぞれ、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。

＜表面被覆切削工具の具体例＞
図３に、本発明の表面被覆切削工具の一例の刃先の模式的な拡大断面図を示す。この表面被覆切削工具１は、基材２と、基材２の表面上に形成された最下層であるＡ層１２と、最下層であるＡ層１２上にＡ層とＢ層とが交互にそれぞれ１層以上積層された交互層１３と、交互層１３上に積層された最上層であるＣ層１４とから構成されている。なお、被覆層３は、最下層であるＡ層１２と、交互層１３と、最上層であるＣ層１４とから構成されている。なお、この表面被覆切削工具１は、刃先交換型切削チップであり、すくい面４と逃げ面５との交差部が刃先稜線（刃先６）となる。

ここで、最上層であるＣ層１４は被削材に対する摩擦係数が低いことから、切削時において刃先が被削材に対して滑りやすく、チッピングすることなく被覆層３が摩耗する傾向にある。また、基材２と接する最下層であるＡ層１２が形成されている場合には基材２側からの酸化を抑制することができ、摩耗が進行した後も基材２と被覆層３との密着性を維持することができる。また、最下層であるＡ層１２と最上層であるＣ層１４との間に耐摩耗性および靭性に優れた交互層１３が形成されていることで本発明の表面被覆切削工具１の寿命を長くすることができる。

図４は、図３に示すＩＶ−ＩＶに沿った模式的な拡大断面図である。ここで、交互層１３は、最下層であるＡ層１２上にＡ層１２とＢ層１５とが交互に積層されている。交互層１３においては、Ａ層１２が４層積層されており、Ｂ層１５が３層積層されている。

ここで、Ａ層１２としては、たとえば（Ａｌ_1-aＣｒ_a）（ただし、０＜ａ≦０．４）の窒化物を用いることができる。また、Ｂ層１５としては、たとえば（Ｔｉ_1-xＳｉ_x）（ただし、０．０５≦ｘ≦０．３）の窒化物を用いることができる。また、Ｃ層１４としては、たとえば（Ｔｉ_1-yＳｉ_y）（ただし、０．０５≦ｙ≦０．３）の炭窒化物を用いることができる。

図５は、図４に相当する本発明の表面被覆切削工具の他の一例の模式的な拡大断面図である。ここでは、被覆層３の最下層としてＢ層１５が用いられていることに特徴がある。このように、最下層としてＢ層１５を用いた場合には、上述したように、Ｂ層１５は応力が小さい特性を有することから、基材２と被覆層３との耐剥離性を向上することができる。

ここで、図５に示す最下層であるＢ層１５としては、たとえば０．３μｍ以上１μｍ以下の厚みを有する（Ｔｉ_1-xＳｉ_x）（ただし、０．０５≦ｘ≦０．３）の窒化物を用いることができる。また、図５に示す交互層１３としては、たとえば（Ａｌ_1-aＣｒ_a）（ただし、０．２≦ａ≦０．３５）の窒化物からなるＡ層１２と、たとえば（Ｔｉ_1-xＳｉ_x）（ただし、０．１≦ｘ≦０．２５）の窒化物からなるＢ層１５とを交互に積層した層を用いることができる。ここで、図５では交互層１３が模式的にＡ層１２が４層、Ｂ層１５が３層積層された状態が記載されているが、交互層１３を構成するＡ層１２およびＢ層１５の各々は、それぞれたとえば１０層以上５０００層以下の積層数とすることができ、交互層１３の全体の厚みはたとえば０．８μｍ以上１０μｍ以下とすることができる。また、図５に示す最上層であるＣ層１４としては、たとえば０．１μｍ以上０．５μｍ以下の厚みを有する（Ｔｉ_1-yＳｉ_y）（ただし、０．１≦ｙ≦０．２５）の炭窒化物を用いることができる。

＜製造方法＞
本発明の表面被覆切削工具は、たとえば、基材を準備する工程と、物理的蒸着法を用いてＡ層とＢ層とを交互にそれぞれ１層以上積層して交互層を形成する工程と、を少なくとも含む方法により製造することができる。ここで、物理的蒸着法としては、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およびアンバランスドマグネトロンスパッタリング法からなる群から選択された少なくとも１種を用いることができる。

なお、被覆層として交互層以外の層が形成される場合にも、上記のような物理的蒸着法により形成することができる。

本発明において、耐摩耗性を有する被覆層を基材の表面上に形成するためには、結晶性の高い化合物からなる層を形成することが好ましい。そこで、被覆層の形成方法として種々の方法を検討した結果、物理的蒸着法を用いることが好ましいことがわかった。また、物理的蒸着法には、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またはアンバランスドマグネトロンスパッタリング法などがあるが、特に、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が適している。このカソードアークイオンプレーティング法を用いた場合には、被覆層を形成する前に、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、基材と被覆層との密着性が格段に向上する観点からも好ましい。

ここで、カソードアークイオンプレーティング法は、たとえば、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、ターゲットに高電流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蒸発、イオン化させて、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。

また、バランスドマグネトロンスパッタリング法は、たとえば、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イオン化させ基材上に堆積させることにより行なうことができる。

また、アンバランストマグネトロンスパッタリング法は、たとえば、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。

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

＜実施例１〜６および１３〜２０＞
＜表面被覆切削工具の作製＞
（１）基材の洗浄
図６にその概略断面図を示したカソードアークイオンプレーティング装置に、基材２としてグレードがＪＩＳ規格Ｐ３０の超硬合金であって、形状がＪＩＳ規格のＳＰＧＮ１２０３０８であるチップを装着した。なお、図７は図６の装置の概略上面図である。

図６および図７の装置において、チャンバ１０１内に、被覆層の金属原料となる合金製ターゲットであるＡ層用のカソード１０６、Ｂ層用のカソード１０７およびＣ層用のカソード１２０と、基材２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１０５が導入されるガス導入口１０２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内のガスを吸引できる構造となっている。

図６の装置において、まず、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２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５００℃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１０２からガス１０５（アルゴンガス）を導入してチャンバ１０１内の圧力を３．０Ｐａ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２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した。

（２）被覆層の形成
次に、基材２を中央で回転させた状態で、被覆層として表１に示す組成の最下層および交互層が得られるように、反応ガスとして窒素を導入しながら、基材２の温度を５００℃、反応ガス圧を２．０Ｐａ、バイアス電源１１０の電圧を−５０Ｖ〜−２００Ｖの範囲のある一定値に維持したまま、または徐々に変化させながらカソード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、表１に示す実施例１〜６および１３〜２０のそれぞれの最下層（ただし実施例１３は形成しない）および交互層を形成した。ここで、交互層は、最下層上にＡ層とＢ層とを交互に１層ずつ表１に示す積層数だけそれぞれ積層することにより形成した。最下層は実施例１〜６、１４、１８〜２０はＢ層とし、実施例１５〜１７はＡ層とした。また、交互層はＡ層から積層を開始し、Ｂ層で終了するようにした。なお、最下層の厚み、交互層中におけるＡ層およびＢ層のそれぞれの厚みならびに交互層の積層数については基材の回転速度で調整した。そして、最下層および交互層の厚みがそれぞれ表１に示す厚みとなったところで蒸発源（カソード）に供給する電流をストップした。

引き続き、表２に示す組成の実施例１〜６および１３〜２０のそれぞれの最上層であるＣ層を形成した（ただし実施例１４は参考例であり形成しなかった）。ここでは、チャンバ１０１内に反応ガスとして窒素とメタンガスを導入しながら、基材２の温度を４００℃、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、表２に示す最上層を形成した。そして、最上層の厚みが表２に示す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。なお、表２に示す最上層の組成の窒素と炭素の比率は、窒素の導入量とメタンガスの導入量との比によって調整した。これにより、実施例１〜６および１３〜２０のそれぞれの表面被覆切削工具（刃先交換型切削チップ）が作製された。

すなわち、これらの表面被覆切削工具は、基材と該基材の表面上に形成された被覆層とを含むものであって、該被覆層は、基材と接する最下層としてＡ層またはＢ層（実施例１３は除く）を含み、その最下層上にＡ層とＢ層とが交互にそれぞれ１層以上積層された交互層を含み、該Ａ層は、ＡｌとＣｒとを含む窒化物からなり、該Ａ層を構成する金属原子の総数を１としたときのＣｒの原子数の比が０よりも大きく０．４以下であり、該Ｂ層は、ＴｉとＳｉとを含む窒化物からなり、該Ｂ層を構成する金属原子の総数を１としたときのＳｉの原子数の比が０．０５以上０．３以下であり、この交互層上に最上層であるＣ層（実施例１４は除く）を含む構成となっている。

また、比較として、これらの実施例のそれぞれと同一の基材上にこれらの実施例と同様にして表１に示す組成の層が形成された比較例１〜４のそれぞれの表面被覆切削工具（刃先交換型切削チップ）も作製した。なお、これらの比較例１〜３においては、本発明のような交互層を形成していないが、表１においては便宜上交互層のＡ層の欄に相当する被覆層（単一の層）を記載した。

＜表面被覆切削工具の寿命評価＞
上記の工程で作製した実施例１〜６、１３〜２０および比較例１〜４の刃先交換型切削チップのそれぞれについて、実際に表３に示す条件で乾式の連続切削試験および断続切削試験を行ない、刃先の逃げ面摩耗量を測定した。その寿命評価結果を表２に示す。なお、表２において、逃げ面摩耗量の値が小さい方が寿命がより長いことを示している。

表２から明らかなように、被覆層として本発明の交互層を形成した実施例１〜６および１３〜２０の刃先交換型切削チップは、被覆層として本発明の交互層を形成しなかった比較例１〜４の刃先交換型切削チップと比べて、連続切削試験および断続切削試験のいずれにおいても刃先の逃げ面摩耗量が大きく低減しており、刃先交換型切削チップの寿命が大幅に長くなることが確認された。

すなわち、本発明の実施例１〜６および１３〜２０の刃先交換型切削チップは、高温での安定性に優れるとともに、刃先のチッピングを抑制することによりこのように工具寿命を長期化したものと考えられる。

なお、表１における最下層の組成において、たとえば実施例１の「Ｔｉ_0.8Ｓｉ_0.2Ｎ」はＴｉとＳｉとを含む窒化物からなり、最下層を構成する金属原子（すなわちＴｉとＳｉ）の総数を１としたときのＳｉの原子数の比が０．２であること（金属原子の総数を１としたとき、Ｎの原子数の比は１であること）を示す。また、交互層のＡ層の組成において、たとえば実施例１の「Ａｌ_0.7Ｃｒ_0.3Ｎ」はＡｌとＣｒとを含む窒化物からなり、Ａ層を構成する金属原子（すなわちＡｌとＣｒ）の総数を１としたときのＣｒの原子数の比が０．３であること（金属原子の総数を１としたとき、Ｎの原子数の比は１であること）を示す。また、交互層のＢ層の組成において、たとえば実施例１の「Ｔｉ_0.8Ｓｉ_0.2Ｎ」は上記最下層の組成と同様、ＴｉとＳｉとを含む窒化物からなり、最下層を構成する金属原子（すなわちＴｉとＳｉ）の総数を１としたときのＳｉの原子数の比が０．２であること（金属原子の総数を１としたとき、Ｎの原子数の比は１であること）を示す。また、表２における最上層の組成において、たとえば実施例１の「Ｔｉ_0.8Ｓｉ_0.2Ｃ_0.4Ｎ_0.6」はＴｉとＳｉとを含む炭窒化物からなり、最上層を構成する金属原子（すなわちＴｉとＳｉ）の総数を１としたときのＳｉの原子数の比が０．２であること（金属原子の総数を１としたときＣとＮの原子数の総数は１であり、ＣとＮとの総数を１としたときＣの原子数の比が０．４であること）を示す。なお、組成に関するこれらの表記は、特に断りのない限り他の実施例および比較例においても同内容を示すものとする。

また、表１における「１層厚み」とは交互層を構成するＡ層およびＢ層のそれぞれの１層当たりの厚みのことを意味し、表１および表２における「厚み」とは最下層、交互層としてのＡ層、交互層としてのＢ層、最上層および被覆層のそれぞれの全体の厚みのことを意味する。なお、実施例１〜６および１３〜２０、比較例４において交互層におけるＡ層の厚みをλａとし、Ｂ層の厚みをλｂとしたとき、Ａ層とＢ層との厚みの比であるλａ／λｂは、１となっている（実施例１〜６および１３〜２０、比較例４の交互層におけるＡ層のそれぞれの厚みは全て実質的に同一であり（すなわちそれぞれのＡ層の厚みは表１中の１層厚みの値となる）、Ｂ層のそれぞれの厚みも実質的に同一である（すなわちそれぞれのＢ層の厚みは表１中の１層厚みの値となる））。

また、表１における「積層数」とは、Ａ層およびＢ層が１層ずつ交互に積層されている交互層中におけるＡ層およびＢ層のそれぞれの層数のことを意味する。

また、表１および表２における最下層、交互層および最上層の組成はそれぞれＸＰＳ（Ｘ線光電子分光分析装置）を用いて測定されたものであり、被覆層全体の硬度はナノインデンター（ＭＴＳ社製ＮａｎｏＩｎｄｅｎｔｅｒＸＰ）により確認された値である。

また、表１および表２における１層厚みおよび厚みはＳＥＭまたはＴＥＭを用いて測定した値であり、表２における被覆層全体の圧縮残留応力はＸ線残留応力測定装置を用いて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５４〜６７頁参照）によって測定された値である。

また、表２における被覆層全体の結晶構造（結晶性と表記）はＸ線回折装置により解析されたものである。

なお、これらの表記および測定方法は、以下の実施例および以下の表において特に断らない限り同一とする。

＜実施例７〜９＞
上記実施例１〜６および１３〜２０において、Ａ層用のカソード１０６のアーク電流量をＢ層用のカソード１０７のアーク電流量よりも大きくした状態で交互層を形成したことを除き、他は全て上記実施例と同様にして、表４および表５に示す構成の被覆層を有する実施例７〜９の表面被覆切削工具（刃先交換型切削チップ）をそれぞれ作製した。

すなわち、これらの表面被覆切削工具は、基材と該基材の表面上に形成された被覆層とを含むものであって、該被覆層は、基材と接する最下層としてＢ層を含み、その最下層上にＡ層とＢ層とが交互にそれぞれ１層以上積層された交互層を含み、該Ａ層は、ＡｌとＣｒとを含む窒化物からなり、該Ａ層を構成する金属原子の総数を１としたときのＣｒの原子数の比が０よりも大きく０．４以下であり、該Ｂ層は、ＴｉとＳｉとを含む窒化物からなり、該Ｂ層を構成する金属原子の総数を１としたときのＳｉの原子数の比が０．０５以上０．３以下であり、この交互層上に最上層であるＣ層を含む構成となっている。そして、上記交互層におけるＡ層の厚みλａと、Ｂ層の厚みλｂとの比であるλａ／λｂが１≦λａ／λｂ＜５である。なお、表４のλａ／λｂの欄の値は、交互層を構成するＡ層の厚み（１層厚み）λａとＢ層の厚み（１層厚み）λｂとの比（λａ／λｂ）を示している。

なお、実施例７〜９の交互層におけるＡ層のそれぞれの厚みは全て実質的に同一であり（すなわちそれぞれのＡ層の厚みは表４中の１層厚みの値となる）、Ｂ層のそれぞれの厚みも実質的に同一である（すなわちそれぞれのＢ層の厚みは表４中の１層厚みの値となる）。

そして、実施例７〜９の刃先交換型切削チップのそれぞれについて、実際に上記表３に示す条件で乾式の連続切削試験および断続切削試験を行ない、刃先の逃げ面摩耗量を測定した。その寿命評価結果を表５に示す。

表５から明らかなように、被覆層として本発明の交互層を有し、その交互層におけるＡ層の厚み（１層厚み）λａと、Ｂ層の厚み（１層厚み）λｂとの比であるλａ／λｂが１≦λａ／λｂ＜５である実施例７〜９の刃先交換型切削チップは、上記比較例１〜４の刃先交換型切削チップと比べて、連続切削試験および断続切削試験のいずれにおいても刃先の逃げ面摩耗量が大きく低減し、さらに上記実施例１〜６、１３〜１４の刃先交換型切削チップと比べても連続切削試験および断続切削試験における刃先の逃げ面摩耗量がより低減する傾向が確認された。すなわち、実施例７〜９の刃先交換型切削チップは、実施例１〜６、１３〜１４の刃先交換型切削チップに比べ耐摩耗性がさらに向上すること（すなわち工具寿命がさらに長期化したこと）が確認できた。

なお、本発明の実施例７〜９の刃先交換型切削チップは、高温での安定性に優れるとともに、刃先のチッピングを抑制することによりこのように工具寿命を長期化したものと考えられる。

＜実施例１０〜１２＞
上記実施例１〜６および１３〜２０において、交互層の形成開始時においてはＡ層用のカソード１０６のアーク電流量をＢ層用のカソード１０７のアーク電流量と同一にし、その後、Ａ層用のカソード１０６のアーク電流量をＢ層用のカソード１０７のアーク電流量よりも連続的に大きくしていくことによって、基材に最も近い側から基材から最も遠い側にかけてＡ層の厚み（１層厚み）λａとＢ層の厚み（１層厚み）λｂとの比（λａ／λｂ）が連続的に大きくなっている交互層を形成したことを除き、他は全て実施例１〜６および１３〜２０と同様にして、表６および表７に示す構成の被覆層を有する実施例１０〜１２の表面被覆切削工具（刃先交換型切削チップ）をそれぞれ作製した。なお、交互層におけるＡ層およびＢ層の積層数は、それぞれ５７０層ずつであった。

このようにして作製された表面被覆切削工具は、基材と該基材の表面上に形成された被覆層とを含むものであって、該被覆層は、基材と接する最下層としてＢ層を含み、その最下層上にＡ層とＢ層とが交互にそれぞれ１層以上積層された交互層を含み、該Ａ層は、ＡｌとＣｒとを含む窒化物からなり、該Ａ層を構成する金属原子の総数を１としたときのＣｒの原子数の比が０よりも大きく０．４以下であり、該Ｂ層は、ＴｉとＳｉとを含む窒化物からなり、該Ｂ層を構成する金属原子の総数を１としたときのＳｉの原子数の比が０．０５以上０．３以下であり、この交互層上に最上層であるＣ層を含む構成となっている。そして、上記交互層における互いに隣接するＡ層の厚みλａと、Ｂ層の厚みλｂとの比であるλａ／λｂが、上記基材に最も近い側ではλａ／λｂ＝１であり、該基材から遠ざかるにしたがってλａ／λｂの値は連続的に大きくなっていき、該基材から最も遠い側では１＜λａ／λｂ＜５である。なお、表６のλａ／λｂの基材側の欄の値は、交互層において基材に最も近い側に積層されているＡ層の１層厚みλａとＢ層の１層厚みλｂとの比（λａ／λｂ）を示している。また、同じく表６のλａ／λｂの最表面側の値は、交互層において基材から最も遠い側に積層されているＡ層の１層厚みλａとＢ層の１層厚みλｂとの比（λａ／λｂ）を示している。

そして、実施例１０〜１２の刃先交換型切削チップのそれぞれについて、実際に上記表３に示す条件で乾式の連続切削試験および断続切削試験を行ない、刃先の逃げ面摩耗量を測定した。その寿命評価結果を表７に示す。

表７から明らかなように、被覆層として本発明の交互層を有し、その交互層におけるＡ層の厚み（１層厚み）λａと、Ｂ層の厚み（１層厚み）λｂとの比であるλａ／λｂが基材に最も近い側では１であって、基材から遠ざかるにしたがって連続的に大きくなっており、基材から最も遠い側では１＜λａ／λｂ＜５である実施例１０〜１２の刃先交換型切削チップは、比較例１〜４の刃先交換型チップと比べて、連続切削試験および断続切削試験のいずれにおいても刃先の逃げ面摩耗量が大きく低減し、さらに実施例１〜６、１３〜１４の刃先交換型切削チップと比べても連続切削試験および断続切削試験における刃先の逃げ面摩耗量がより低減する傾向が確認された。特に、交互層におけるＡ層の１層厚みλａとＢ層の１層厚みλｂとの比であるλａ／λｂが基材から最も遠い側で１＜λａ／λｂ＜３である実施例１０〜１１の刃先交換型切削チップは、連続切削試験および断続切削試験における刃先の逃げ面摩耗量がより低減することが確認された。すなわち、実施例１０〜１２の刃先交換型切削チップは、実施例１〜６、１３〜１４の刃先交換型切削チップに比べ耐摩耗性がさらに向上すること（すなわち工具寿命がさらに長期化したこと）が確認できた。

なお、本発明の実施例１０〜１２の刃先交換型切削チップは、高温での安定性に優れるとともに、刃先のチッピングを抑制することによりこのように工具寿命を長期化したものと考えられる。

なおまた、これらの実施例１０〜１２の上記被覆層の残留応力は、厚み方向において変化し、基材から遠ざかるにしたがってその残留応力の絶対値が大きくなること（すなわち圧縮残留応力が大きくなること）を確認した。

なお、上記の実施例１〜２０の被覆層の形成は、カソードアークイオンプレーティング法を用いて行なったが、たとえばバランスドマグネトロンスパッタリング法およびアンバランスドマグネトロンスパッタリング法のいずれの方法を用いて行なうことも可能である。

さらに引き続き、上記で作製された表面被覆切削工具について下記の試験を実施した。
＜穴あけ加工試験＞
基材としての外径８ｍｍのドリル（ＪＩＳＫ１０超硬合金）上に、実施例１、実施例７、実施例１０、比較例１および比較例２のそれぞれの最下層、交互層および最上層を上記と同様にして形成して実施例１、実施例７、実施例１０、比較例１および比較例２のそれぞれのドリル（すなわち表面被覆切削工具）を得た。そして、実施例１、実施例７、実施例１０、比較例１および比較例２のそれぞれのドリルを用いて実際に被加工材であるＳＣＭ４４０（ＨＲＣ３０）の穴あけ加工試験を行ないその寿命評価を行なった。

ここで、穴あけ加工試験は、切削速度が９０ｍ／ｍｉｎで、送り量が０．２ｍｍ／ｒｅｖであって、切削油を用いずにエアーブローを用いた条件で、深さ２４ｍｍの止まり穴加工をすることにより行なった。なお、寿命の判定基準は、被加工材の寸法精度が規定の範囲をはずれた時点までの穴数とした。その寿命評価結果を表８に示す。表８において、加工数が大きい方が寿命がより長いことを示している。

表８から明らかなように、実施例１、実施例７および実施例１０のドリルは、それぞれ比較例１および比較例２のドリルと比べて、穴あけ加工数が非常に多く、寿命が大幅に長くなることが確認された。

＜エンドミル側面削り試験＞
基材としての外径８ｍｍの６枚刃エンドミル（ＪＩＳＫ１０超硬合金）上に、実施例２、実施例８、実施例１１、比較例２および比較例３のそれぞれの最下層、交互層および最上層を上記と同様にして形成して実施例２、実施例８、実施例１１、比較例２および比較例３のそれぞれのエンドミル（すなわち表面被覆切削工具）を得た。そして、実施例２、実施例８、実施例１１、比較例２および比較例３のそれぞれのエンドミルを用いて実際に被加工材であるＳＫＤ１１（ＨＲＣ６０）の側面削り試験を行ないその寿命評価を行なった。

ここで、側面削り試験は、切削速度が２００ｍ／ｍｉｎで、送り量が０．０３ｍｍ／刃、切り込み量がＡｄ（軸方向の切り込み量）＝１２ｍｍ、Ｒｄ（半径方向の切り込み量）＝０．２ｍｍであって、切削油を用いずにエアーブローを用いた条件により行なった。なお、寿命の判定基準は、被加工材の寸法精度が規定の範囲（５μｍ）をはずれた時点の削り長さにより行なわれた。その寿命評価結果を表９に示す。表９において、寸法精度がはずれる長さが大きい方が寿命がより長いことを示している。

表９から明らかなように、実施例２、実施例８および実施例１１のエンドミルは、それぞれ比較例２および比較例３のエンドミルと比べて、寸法精度がはずれる時点の長さが非常に長く、寿命が大幅に長くなることが確認された。

＜外周旋削加工試験＞
超硬合金製ポットおよびボールを用いて、質量で４０％のＴｉＮと１０％のＡｌからなる結合材粉末と５０％の平均粒径２．５μｍの立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）粉末とを混ぜ合わせ、超硬合金製容器に充填し、圧力５ＧＰａ、温度１４００℃で６０分間焼結した。このｃＢＮ焼結体を加工し、ＩＳＯ規格ＳＮＧＡ１２０４０８の形状のチップを得た。

そして、基材としてのこのチップ上に、実施例３、実施例９、実施例１２、比較例１および比較例２のそれぞれの最下層、交互層および最上層をそれぞれ上記と同様にして形成して実施例３、実施例９、実施例１２、比較例１および比較例２のそれぞれの刃先交換型切削チップ（すなわち表面被覆切削工具）を得た。そして、実施例３、実施例９、実施例１２、比較例１および比較例２のそれぞれの刃先交換型切削チップを用いて実際に焼入鋼の１種であるＳＵＪ２の丸棒（ＨＲＣ６２）の外周切削加工試験を行ないその寿命評価を行なった。

ここで、外周旋削加工試験は、切削速度が１２０ｍ／ｍｉｎ、切り込みが０．２ｍｍ、送りが０．１ｍｍ／ｒｅｖであって、乾式で４０分間の切削条件により行なった。なお、寿命の判定は、刃先交換型切削チップの表面の切削前の表面粗さ（Ｒｚ）である表１０に示すそれぞれの初期面粗度（μｍ）からＲｚ＝３．２μｍとなるまでの時間（ｍｉｎ）を測定することにより行なった。その寿命評価結果を表１０に示す。表１０において、Ｒｚ＝３．２μｍとなる時間が長い方が寿命がより長いことを示している。

表１０から明らかなように、実施例３、実施例９および実施例１２の刃先交換型切削チップは、それぞれ比較例１および比較例２の刃先交換型切削チップと比べて、Ｒｚ＝３．２μｍとなるまでの時間が非常に長く、寿命が大幅に長くなることが確認された。

＜連続旋削加工試験＞
グレードがＪＩＳ規格Ｓ２０の超硬合金でその形状がＪＩＳ規格のＣＮＭＧ１２０４０８である基材としてのチップ上に、実施例４、実施例７、実施例１０、比較例１および比較例３のそれぞれの最下層、交互層および最上層を上記と同様にして形成して実施例４、実施例７、実施例１０、比較例１および比較例３のそれぞれの刃先交換型切削チップ（すなわち表面被覆切削工具）を得た。そして、実施例４、実施例７、実施例１０、比較例１および比較例３のそれぞれの刃先交換型切削チップを用いて以下に示す条件による湿式（水溶性エマルジョン）の連続旋削加工試験を行ない、寿命判定基準として刃先の逃げ面摩耗量が０．２ｍｍを超える時間を測定することにより、その寿命評価を行なった。

ここで、連続旋削加工試験は、被削材としてＴｉ合金であるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ（ＨＢ＝３１０）を用い、切削速度が８０ｍ／ｍｉｎ、送り量が０．２ｍｍ／ｒｅｖ、切り込みを１ｍｍとした条件により行なった。なお、寿命の判定は、逃げ面摩耗量が０．２ｍｍを超える時間が長いほど寿命が長いものとして判断することにより行なった。その寿命評価結果を表１１に示す。

表１１から明らかなように、実施例４、実施例７および実施例１０の刃先交換型切削チップは、それぞれ比較例１および比較例３の刃先交換型切削チップと比べて、逃げ面摩耗量が０．２ｍｍを超える時間が非常に長くなり、寿命が大幅に長くなることが確認された。

以上のように本発明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説明ではなくて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。

本発明の表面被覆切削工具の一例の模式的な拡大断面図である。本発明の表面被覆切削工具の図１とは異なる態様の模式的な拡大断面図である。本発明の表面被覆切削工具の刃先の一例の模式的な拡大断面図である。図３のＩＶ−ＩＶに沿った模式的な拡大断面図である。本発明の表面被覆切削工具の図４とは異なる態様の模式的な拡大断面図である。実施例で用いられたカソードアークイオンプレーティング装置の概略断面図である。図６の装置の概略上面図である。

符号の説明

１表面被覆切削工具、２基材、３被覆層、４すくい面、５逃げ面、６刃先、１２Ａ層、１３交互層、１４Ｃ層、１５Ｂ層、１０１チャンバ、１０２ガス導入口、１０３ガス排出口、１０４基材ホルダ、１０５ガス、１０６，１０７，１２０カソード、１０８，１０９アーク電源、１１０バイアス電源。

Claims

基材と、前記基材の表面上に形成された被覆層とを含む表面被覆切削工具であって、
前記被覆層は、Ａ層とＢ層とが交互にそれぞれ１層以上積層された交互層を含み、
前記Ａ層は、ＡｌとＣｒとを含む窒化物からなり、前記Ａ層を構成する金属原子の総数を１としたときの前記Ｃｒの原子数の比が０よりも大きく０．４以下であり、
前記Ｂ層は、Ａｌを含まずＴｉとＳｉとを含む窒化物からなり、前記Ｂ層を構成する金属原子の総数を１としたときの前記Ｓｉの原子数の比が０．０５以上０．３以下であり、
前記被覆層の最上層は、Ｃ層であり、
前記Ｃ層は、ＴｉとＳｉとを含む炭窒化物からなり、前記Ｃ層を構成する金属原子の総数を１としたときの前記Ｓｉの原子数の比が０．０５以上０．３以下であることを特徴とする表面被覆切削工具。
前記交互層における前記Ａ層の厚みをλａとし、前記Ｂ層の厚みをλｂとしたとき、前記Ａ層と前記Ｂ層との厚みの比であるλａ／λｂは、１≦λａ／λｂ＜５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。
前記交互層における前記Ａ層の厚みをλａとし、前記Ｂ層の厚みをλｂとしたとき、互いに隣接する前記Ａ層と前記Ｂ層との厚みの比であるλａ／λｂは、前記基材に最も近い側ではλａ／λｂ＝１であり、前記基材から遠ざかるにしたがって前記λａ／λｂの値は連続的に大きくなっていき、前記基材から最も遠い側では１＜λａ／λｂ＜５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。
前記被覆層の最下層は、前記Ａ層であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
前記被覆層の最下層は、前記Ｂ層であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
前記交互層において前記Ａ層と前記Ｂ層とは、中間遷移層を挟んで積層されており、
前記中間遷移層は、それに接する下層の組成から同じくそれに接する上層の組成へと厚み方向にその組成が連続的に変化することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
前記被覆層は、−８ＧＰａ以上０ＧＰａ以下の平均残留応力を有していることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
前記被覆層の残留応力は、厚み方向において変化し、基材から遠ざかるにしたがってその残留応力の絶対値が大きくなることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の表面被覆切削工具。
前記被覆層の結晶構造は、立方晶であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の表面被覆切削工具。