JP6507399B2 - 被覆切削工具 - Google Patents

Description

本発明は、被覆切削工具に関する。

近年、切削加工の高能率化に伴い、従来よりも工具寿命の長い切削工具が求められている。このため、工具材料の要求性能として、工具寿命に直結する耐摩耗性及び耐欠損性の向上が一段と重要になっている。これらの特性を向上させるため、基材の表面に被膜を交互に積層した被覆切削工具が用いられている。

このような交互積層被膜の特性を改善するための様々な技術が提案されている。例えば、特許文献１には、下地層が、（Ａｌ，Ｔｉ）（Ｏ，Ｎ）層と、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層との交互積層からなり、中間層が、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層からなり、上部層が、（Ａｌ，Ｃｒ）（Ｏ，Ｎ）層と、（Ａｌ，Ｍｎ）（Ｏ，Ｎ）層との交互積層からなる表面被覆切削工具が提案されている。

特開２０１６−１８５５８９号公報

加工能率を高めるため、従来よりも切削条件が厳しくなる傾向にある。このため、従来よりも工具寿命を延長することが求められている。特に、ステンレス鋳鋼や耐熱鋼といった難削材料の加工においては、切削加工時の発熱によって、切れ刃が高温になる。この際、被膜の硬度が低下することにより、耐摩耗性が低下する傾向にある。また、切れ刃への熱的要因によるサーマルクラックが発生することにより、工具の欠損が生じる傾向にある。これらが原因で比較的短時間で工具寿命に至るのが現状である。

例えば、特許文献１の発明では、切削工具の耐摩耗性を十分に確保できない場合がある。特に、難削材料を高速で加工する条件において、複合窒酸化物層は、耐酸化性を向上させることができるが、耐摩耗性が低下するという問題が生じることがある。

本発明は、これらの問題を解決するためになされたものであり、特にステンレス鋳鋼や耐熱鋼といった難削材料を高速で加工する切削条件において、耐摩耗性及び耐欠損性に優れ、その結果、長期間にわたって加工できる被覆切削工具を提供することである。

本発明者は被覆切削工具の工具寿命の延長について研究を重ねたところ、以下の構成にすると、耐摩耗性及び耐欠損性を向上させることが可能となり、その結果、被覆切削工具の工具寿命を延長することができることを見出した。

すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
［１］
基材と、前記基材の表面上に形成された被覆層とを含む被覆切削工具であって、
前記被覆層が、第１積層構造と第２積層構造とを含み、
前記第１積層構造が、組成の異なる２種の化合物層を交互に積層された積層構造を有し、かつ
前記第１積層構造における前記２種の化合物層のうち一方の化合物層が、下記式（１）：
（Ａｌ_aＭ_1-a）Ｎ…（１）
（式中、Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ及びＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を表し、ａは、Ａｌ元素とＭで表される金属元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を表し、０．５８≦ａ≦０．８０を満足する。）
で表される組成からなり、
前記第１積層構造における前記２種の化合物層のうち他方の化合物層が、下記式（２）：
（Ａｌ_bＭ_1-b）Ｎ…（２）
（式中、Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ及びＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を表し、ｂは、Ａｌ元素とＭで表される金属元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を表し、０．５７≦ｂ≦０．７９を満足する。）
で表される組成からなり、
前記第１積層構造が、下記式（Ａ）で表される条件を満足し、
０＜｜Ｒｘ−Ｒｙ｜＜５…（Ａ）
（式中、Ｒｘは、前記一方の化合物層における、金属元素全体に対する１種の金属元素の割合（単位：原子％）を表し、Ｒｙは、前記一方の化合物層に隣接する前記他方の化合物層における、金属元素全体に対する前記１種の金属元素の割合（単位：原子％）を表し、前記１種の金属元素は、前記一方の化合物層における金属元素全体に対する割合と、前記他方の化合物層における金属元素全体に対する割合との差の絶対値が最も大きい元素を表す。）
前記第２積層構造が、第１の化合物層と、第２の化合物層とが交互に積層された積層構造を有し、
前記第１の化合物層が、下記式（３）：
（Ａｌ_1-cＣｒ_c）…（３）
（式中、ｃは、Ａｌ元素とＣｒ元素との合計に対するＣｒ元素の原子比を表し、０≦ｃ≦０．６０を満足する。）
で表される組成を有する元素の酸化物及び酸窒化物からなる群より選ばれる少なくとも１種からなり、
前記第２の化合物層が、下記式（４）：
（Ａｌ_1-dＬ_d）Ｎ…（４）
（式中、Ｌは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ及びＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を表し、ｄは、Ａｌ元素とＬで表される金属元素との合計に対するＬで表される元素の原子比を表し、０≦ｄ≦０．５５を満足する。）
で表される組成からなり、
前記第１積層構造を構成する前記一方の化合物層及び前記他方の化合物層の各層の平均厚さが、１ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、
前記第２積層構造を構成する前記第１の化合物層及び前記第２の化合物層の各層の平均厚さが、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、
前記被覆層全体の厚さが、１．５μｍ以上１５．０μｍ以下である、被覆切削工具。
［２］
前記｜Ｒｘ−Ｒｙ｜が、１原子％以上４原子％以下である、［１］の被覆切削工具。
［３］
前記第１の化合物層が、下記式（５）又は（６）：
（Ａｌ_1-cＣｒ_c）₂Ｏ₃…（５）
（Ａｌ_1-cＣｒ_c）（Ｎ_1-eＯ_e）…（６）
（式中、ｃは、Ａｌ元素とＣｒ元素との合計に対するＣｒ元素の原子比を表し、ｅは、Ｎ元素とＯ元素との合計に対するＯ元素の原子比を表し、０≦ｃ≦０．６０、０＜ｅ≦１を満足する。）
で表される組成からなる、［１］又は［２］の被覆切削工具。
［４］
前記被覆層が、前記第１積層構造と前記第２積層構造とが交互に２つ以上連続して積層した構造を含む、［１］〜［３］のいずれかの被覆切削工具。
［５］
前記第１積層構造の平均厚さが、０．１μｍ以上１０．０μｍ以下である、［１］〜［４］のいずれかの被覆切削工具。
［６］
前記第２積層構造の平均厚さが、０．２μｍ以上１０．０μｍ以下である、［１］〜［５］のいずれかの被覆切削工具。
［７］
前記第１積層構造の平均結晶粒径が、１０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下である、［１］〜［６］のいずれかの被覆切削工具。
［８］
前記第２積層構造の平均結晶粒径が、５ｎｍ以上３００ｎｍ以下である、［１］〜［７］のいずれかの被覆切削工具。
［９］
前記被覆層は、前記第１積層構造及び前記第２積層構造よりも基材側に下部層を有し、
前記下部層が、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物の層であり、
前記下部層の平均厚さが、０．１μｍ以上３．５μｍ以下である、［１］〜［８］のいずれかの被覆切削工具。
［１０］
前記被覆層が、前記第１積層構造及び前記第２積層構造の基材とは反対側に上部層を有し、
前記上部層が、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物の層であり、
前記上部層の平均厚さが、０．１μｍ以上３．５μｍ以下である、［１］〜［９］のいずれかの被覆切削工具。
［１１］
前記基材は、超硬合金、サーメット、セラミックス又は立方晶窒化硼素焼結体のいずれかである、［１］〜［１０］のいずれかの被覆切削工具。

本発明の被覆切削工具は、耐摩耗性及び耐欠損性に優れ、その結果、工具寿命を延長可能である。

本発明の被覆切削工具の一例を示す模式図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、単に「本実施形態」という。）について詳細に説明するが、本発明は下記本実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

本実施形態の被覆切削工具は、基材と、基材の表面上に形成された被覆層とを含む被覆切削工具であって、被覆層は、第１積層構造と第２積層構造とを含み、第１積層構造は、組成の異なる２種の化合物層を交互に積層された積層構造を有し、かつ第１積層構造における２種の化合物層のうち一方の化合物層は、下記式（１）：
（Ａｌ_aＭ_1-a）Ｎ…（１）
（式中、Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ及びＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を表し、ａは、Ａｌ元素とＭで表される金属元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を表し、０．５８≦ａ≦０．８０を満足する。）
で表される組成からなり、第１積層構造における２種の化合物層のうち他方の化合物層は、下記式（２）：
（Ａｌ_bＭ_1-b）Ｎ…（２）
（式中、Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ及びＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を表し、ｂは、Ａｌ元素とＭで表される金属元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を表し、０．５７≦ｂ≦０．７９を満足する。）
で表される組成からなり、第１積層構造は、下記式（Ａ）で表される条件を満足し、
０＜｜Ｒｘ−Ｒｙ｜＜５…（Ａ）
（式中、Ｒｘは、一方の化合物層における、金属元素全体に対する、１種の金属元素の割合（単位：原子％）を表し、Ｒｙは、一方の化合物層に隣接する他方の化合物層における、金属元素全体に対する、１種の金属元素の割合（単位：原子％）を表し、１種の金属元素は、一方の化合物層における金属元素全体に対する割合と、他方の化合物層における金属元素全体に対する割合との差の絶対値が最も大きい元素を表す。）
第２積層構造は、第１の化合物層と、第２の化合物層とが交互に積層された積層構造を有し、第１の化合物層は、下記式（３）：
（Ａｌ_1-cＣｒ_c）…（３）
（式中、ｃは、Ａｌ元素とＣｒ元素との合計に対するＣｒ元素の原子比を表し、０≦ｃ≦０．６０を満足する。）
で表される組成を有する元素の酸化物及び酸窒化物からなる群より選ばれる少なくとも１種からなり、第２の化合物層は、下記式（４）：
（Ａｌ_1-dＬ_d）Ｎ…（４）
（式中、Ｌは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ及びＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を表し、ｄは、Ａｌ元素とＬで表される金属元素との合計に対するＬで表される元素の原子比を表し、０≦ｄ≦０．５５を満足する。）
で表される組成からなり、第１積層構造を構成する一方の化合物層及び他方の化合物層の各層の平均厚さは、１ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、第２積層構造を構成する第１の化合物層及び第２の化合物層の各層の平均厚さは、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、被覆層全体の厚さは、１．５μｍ以上１５．０μｍ以下である。

本実施形態の被覆切削工具は、上記の構成を備えることにより、耐摩耗性及び耐欠損性を向上させることが可能となり、その結果、被覆切削工具の工具寿命を延長することができる。本実施形態の被覆切削工具の耐摩耗性及び耐欠損性が向上する主な要因は、以下のように考えられる。ただし、要因は、これに限定されない。
（１）被覆層全体の平均厚さが１．５μｍ以上であることにより、耐摩耗性が向上し、被覆層全体の平均厚さが１５．０μｍ以下であることにより、被覆層の基材との密着性に優れ、その結果、耐欠損性が向上する。
（２）第１積層構造を構成する２種の化合物層が、特定の種類の元素から組み合わされることにより、耐摩耗性が向上する。
（３）第１積層構造を構成する２種の化合物層のＡｌの含有量がそれぞれ特定値以上であることにより、耐酸化性の低下が抑制されることに起因して、耐欠損性が向上する。また、第１積層構造を構成する２種の化合物層のＡｌの含有量がそれぞれ特定値以下であることにより、六方晶の存在比率が低減されることに起因して、耐摩耗性が向上する。
（４）式（Ａ）中の｜Ｒｘ−Ｒｙ｜が特定範囲内である特定の金属元素が存在することにより、一方の化合物層と他方の化合物層との密着性を高く維持し、２種の化合物層の界面における結晶格子の不整合が小さくなる。これに起因して、第１積層構造の残留圧縮応力が高くなることが抑制され、その結果、耐欠損性が向上する。
（５）第２積層構造を構成する一方の化合物層（第１の化合物層）が、特定の組成からなり、Ｃｒの含有量がそれぞれ特定値以下であることにより、化合物層の酸化速度を低くできることに起因して、高温下での耐摩耗性が向上する。
（６）第２積層構造を構成する他方の化合物層（第２の化合物層）が、特定の組成からなることにより、耐摩耗性が向上し、特定の元素（Ｌで表される元素）の含有量が所定値以下であることにより、化合物層の硬度が低下することに起因して、耐摩耗性を向上できる。
（７）第１積層構造を構成する２種類の化合物層の各層の平均厚さが特定値以下であることにより、第１積層構造の硬度が向上することに起因して、耐欠損性が向上する。
（８）第２積層構造を構成する２種類の化合物層の各層の平均厚さが特定値以下であることにより、第２積層構造の硬度が向上することに起因して、耐欠損性が向上する。

本実施形態の被覆切削工具は、基材とその基材上に設けられた被覆層とを有する。被覆切削工具の種類として、具体的には、フライス加工用又は旋削加工用刃先交換型切削インサート、ドリル及びエンドミルを挙げることができる。

本実施形態における基材は、被覆切削工具の基材として用いられ得るものであれば、特に限定されない。基材としては、例えば、超硬合金、サーメット、セラミックス、立方晶窒化硼素焼結体、ダイヤモンド焼結体、高速度鋼を挙げることができる。それらの中でも、基材が、超硬合金、サーメット、セラミックス又は立方晶窒化硼素焼結体のいずれかであると、耐摩耗性及び耐欠損性に更に優れるので、好ましく、基材が、超硬合金であると、より好ましい。

なお、基材は、その表面が改質されたものであってもよい。例えば、基材が超硬合金からなるものである場合、その表面に脱β層が形成されてもよい。また、基材がサーメットからなるものである場合、その表面に硬化層が形成されてもよい。これらのように基材の表面が改質されていても、本発明の作用効果は奏される。

本実施形態における被覆層全体の平均厚さは、１．５μｍ以上１５．０μｍ以下である。平均厚さが１．５μｍ以上であると、耐摩耗性が向上し、平均厚さが１５．０μｍ以下であると、被覆層の基材との密着性に優れ、その結果、耐欠損性が向上する。同様の観点から、被覆層全体の平均厚さは、１．５μｍ以上６．５μｍ以下であることが好ましく、１．５μｍ以上６．０μｍ以下であることがさらに好ましい。なお、本実施形態の被覆切削工具における各層及び被覆層全体の平均厚さは、各層又は被覆層全体における３箇所以上の断面から、各層の厚さ又は被覆層全体の厚さを測定して、その相加平均値を計算することで求めることができる。

本実施形態の被覆層は、組成の異なる２種の化合物層が交互に積層された第１積層構造を有する。但し、本実施形態の第１積層構造は、本発明の作用効果を阻害しない範囲において、上記の２種の化合物層の各層とは組成の異なる層（以下、単に「その他の層」という。）を有していてもよい。第１積層構造がその他の層を含む場合、例えば、その他の層は、２種の化合物層からなる二層に隣接するように積層されていればよい。このような第１積層構造を有すると、被覆層の硬度（以下、「硬さ」ともいう。）が高くなることに起因して、耐摩耗性が向上する。ここでいう「組成の異なる」とは、２種の化合物層の間で、一方の化合物層に含まれる金属元素全体（１００原子％）に対する金属元素（以下、「特定の金属元素」ともいう。）の割合（原子％）と、他方の化合物層に含まれる金属元素全体（１００原子％）に対する金属元素の割合（原子％）との差の絶対値（以下、「差の絶対値」ともいう。）が、０原子％を超えることをいう。なお、本明細書において、Ｓｉ元素は金属元素に包含される。

本実施形態の第１積層構造において、２種の化合物層のうち一方の化合物層は、上記式（１）で表される組成からなる化合物層である。但し、一方の化合物層は、本発明の作用効果を阻害しない範囲内で、他の成分（元素）を含有してもよい。上記式（１）中、Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、及びＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の金属元素を表し、ａは、Ａｌ元素とＭで表される金属元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を表し、０．５８≦ａ≦０．８０を満足する。原子比ａが、０．５８以上であると、Ａｌの含有量が多くなることにより、耐酸化性の低下が抑制されることに起因して、耐欠損性が向上する。一方、Ａｌ元素の原子比ａが０．８０以下であると、六方晶の存在比率が低減されることに起因して、耐摩耗性が向上する。このため、Ａｌ元素の原子比ａが、０．５８≦ａ≦０．８０を満足することにより、耐摩耗性及び耐欠損性をバランスよく向上できる。同様の観点から、Ａｌ元素の原子比ａは、０．６０≦ａ≦０．８０を満足すると好ましく、０．６５≦ａ≦０．７５を満足するとより好ましい。

また、上記の２種の化合物層の他の１種は、上記式（２）で表される組成からなる化合物層（他方の化合物層）である。但し、他方の化合物層は、本発明の作用効果を阻害しない範囲内で、他の成分（元素）を含有してもよい。上記式（２）中、Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ及びＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の金属元素を表し、ｂは、Ａｌ元素とＭで表される金属元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を表し、０．５７≦ｂ≦０．７９を満足する。原子比ｂが、０．５７以上であると、Ａｌの含有量が多くなることにより、耐酸化性の低下が抑制されることに起因して、耐欠損性が向上する。一方、原子比ｂが、０．７９以下であると、六方晶の存在比率が低減されることに起因して、耐摩耗性が向上する。このため、Ａｌ元素の原子比ｂが０．５７≦ｂ≦０．７９を満足することにより、耐摩耗性及び耐欠損性をバランスよく向上できる。同様の観点から、Ａｌ元素の原子比ｂは、０．５８≦ｂ≦０．７７を満足することが好ましく、０．６３≦ｂ≦０．７１を満足することがより好ましい。また、一方の化合物層において、原子比ａが上記範囲内であることと、他方の化合物層において、原子比ｂが上記範囲内であることを同時に満たすことにより、相乗的に耐摩耗性及び耐欠損性をバランスよく向上できる。

また、Ｍで表される金属元素は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、及びＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種であることにより、耐摩耗性が向上する。同様の観点から、Ｍで表される金属元素は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、及びＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種であると好ましい。

本実施形態の第１積層構造を構成する一方の化合物層に含まれる金属元素の種類は、第１積層構造を構成する他方の化合物層に含まれる金属元素の種類と少なくとも一部が同一であると好ましく、全て同一であることがより好ましい。つまり、第１積層構造を構成する２種の化合物層は、互いに同一の種類の金属元素で構成されることがより好ましい。

さらに、第１積層構造は、下記式（Ａ）で表される条件を満足する。
０＜｜Ｒｘ−Ｒｙ｜＜５…（Ａ）

式中、Ｒｘは、前記一方の化合物層における、金属元素全体に対する１種の金属元素（「特定の金属元素γ」ともいう。）の割合（単位：原子％）を表し、Ｒｙは、前記一方の化合物層に隣接する前記他方の化合物層における、金属元素全体に対する１種の金属元素（特定の金属元素γ）の割合（単位：原子％）を表す。特定の金属元素γは、一方の化合物層における、金属元素全体に対する割合と、他方の化合物層における、金属元素全体に対する割合との差の絶対値が最も大きい元素を表す。

すなわち、一方の化合物層に含まれる金属元素全体（１００原子％）に対する特定の金属元素γの割合（原子％）と、一方の化合物層に隣接する他方の化合物層に含まれる金属元素全体（１００原子％）に対する特定の金属元素γの割合（原子％）との差の絶対値が、０原子％を超え、５原子％未満である。ここでいう「特定の金属元素γの割合」とは、各化合物層に含まれる金属元素全体の原子数に対し、各化合物層に含まれる特定の金属元素γの原子数の割合（原子％）を意味する。

第１積層構造が上記式（Ａ）で表される条件を満足すると、一方の化合物層と、一方の化合物層に隣接する他方の化合物層との密着性が低下せず、２種の化合物層の界面における結晶格子の不整合が小さくなる。これに起因して、第１積層構造の残留圧縮応力が高くなることが抑制され、その結果、耐欠損性が向上する。同様の観点から、｜Ｒｘ−Ｒｙ｜は、１原子％以上４原子％以下であることが好ましい。なお、第１積層構造を構成する一方の化合物層に含まれる各金属元素の金属元素全体に対する割合（原子％）と、一方の化合物層に隣接し、第１積層構造を構成する他の化合物層に含まれる各金属元素の金属元素全体に対する割合（原子％）との差の絶対値が、０原子％であることは、単層構造であることを意味する。この場合、単層構造は、第１積層構造よりも硬度が低いことに起因して、耐摩耗性に劣る。

本実施形態の被覆層は、第１の化合物層と第２の化合物層とが交互に積層された第２積層構造を有する。但し、本実施形態の第２積層構造は、本発明の作用効果を阻害しない範囲において、上記の２種の化合物層の各層とは組成の異なる層が（以下、単に「その他の層」という。）を有してもよい第２積層構造がその他の層を含む場合、例えば、その他の層は、２種の化合物層からなる２層に隣接するように積層されていればよい。このような第２積層構造を有すると、被覆層の硬度が高くなることに起因して、耐摩耗性が向上する。本実施形態の第２積層構造は、組成の異なる２種の化合物層を周期的に合計３層以上積層した構造であってもよい。

本実施形態の第２積層構造において、第１の化合物層は、上記式（３）で表される組成を有する酸化物又は酸窒化物からなる群より選ばれる少なくとも１種からなる化合物層である。上記式（３）中、ｃは、Ａｌ元素とＣｒ元素とで表される元素との合計に対するＣｒ元素の原子比を表し、０≦ｃ≦０．６０を満足し、原子比ｃは、０を超え、０．６０以下であることが好ましい。原子比ｃが、０を超えると、耐欠損性を一層向上できる。一方、Ｃｒ元素の原子比ｃが０．６０以下であると、化合物層の酸化速度を低くすることができる。そのため、高温下での耐摩耗性が向上する。同様の観点から、原子比ｃは、０．１０≦ｃ≦０．５０を満足するとより好ましく、０．２０≦ｃ≦０．５０を満足すると更に好ましい。

本実施形態の第２積層構造において、第１の化合物層は、下記式（５）又は（６）：
（Ａｌ_1-cＣｒ_c）₂Ｏ₃…（５）
（Ａｌ_1-cＣｒ_c）（Ｎ_1-eＯ_e）…（６）
（式中、ｃは、Ａｌ元素とＣｒ元素との合計に対するＣｒ元素の原子比を表し、ｅは、Ｎ元素とＯ元素との合計に対するＯ元素の原子比を表し、０≦ｃ≦０．６０、０＜ｅ≦１を満足する。）
で表される組成からなる化合物層であると好ましい。

本実施形態の第２積層構造において、第２の化合物層は、上記式（４）で表される組成からなる層である。ここで、ＬはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ及びＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を表し、ｄは、Ａｌ元素とＬで表される元素との合計に対するＬで表される元素の原子比を表し、０≦ｄ≦０．５５を満足し、０＜ｄ≦０．５５であることが好ましい。原子比ｄが、０を超えると、耐欠損性を一層向上できる。一方、原子比ｄが０．５５以下であると、化合物層の硬度が低下するのを抑制できることに起因して、耐摩耗性を向上できる。同様の観点から、原子比ｄは、０．１０≦ｄ≦０．５０を満足するとより好ましく、０．２０≦ｄ≦０．５０を満足すると更に好ましい。

また、化合物層を構成するＬで表される元素は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ及びＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種であることに起因して、耐摩耗性が向上する。同様の観点から、化合物層を構成するＬで表される元素は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ及びＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種であると好ましい。

第２積層構造が第１の化合物層と第２の化合物層とで構成されていることにより、第２積層構造における内部応力が局所的に高い領域がなくなり、その結果、耐欠損性が向上する。

第１積層構造と第２積層構造とが交互に２つ以上連続して積層されていると、クラックが進展することを抑制する効果が得られ、耐欠損性が向上するため好ましい。

なお、本実施形態において、例えば、化合物層の組成を（Ａｌ_0.60Ｔｉ_0.40）Ｎと表記する場合は、Ａｌ元素及びＴｉ元素の合計に対するＡｌ元素及びＴｉ元素の原子比が、それぞれ０．６０、０．４０であることを表す。すなわち、Ａｌ元素及びＴｉ元素の合計に対するＡｌ元素量及びＴｉ元素量が、それぞれ、６０原子％、４０原子％であることを意味する。

上記の式（Ａ）「０＜｜Ｒｘ−Ｒｙ｜＜５」について、さらに詳しく説明する。例えば、第１積層構造が、（Ａｌ_0.67Ｔｉ_0.33）Ｎ層（一方の化合物層）と、（Ａｌ_0.70Ｔｉ_0.30）Ｎ層（他方の化合物層）によって構成される場合、２つの化合物層に含まれる金属元素の種類は全て同一である。なぜなら、２つの化合物層は、ともに金属元素としてＡｌ元素とＴｉ元素とを含むからである。この場合、（Ａｌ_0.67Ｔｉ_0.33）Ｎ層（一方の化合物層）に含まれるＡｌ元素の原子数は、金属元素全体の原子数（１００原子％）に対して、６７原子％である。（Ａｌ_0.70Ｔｉ_0.30）Ｎ（他方の化合物層）層に含まれるＡｌ元素の原子数は、金属元素全体の原子数（１００原子％）に対して、７０原子％である。これら２つの化合物層におけるＡｌ元素の原子数の差（差の絶対値）は、３原子％である。よって、これらの中でも最も原子数の差が大きいものはＡｌ元素（又はＴｉ元素）であるから、Ａｌ元素（又はＴｉ元素）が特定の金属元素γに該当する。そして、Ａｌ（又はＴｉ）の原子数の差が３原子％であるから、「差の絶対値が０原子％を超え、５原子％未満」という上記の条件が満たされている。

また、例えば、第１積層構造が、（Ａｌ_0.65Ｔｉ_0.30Ｃｒ_0.05）Ｎ層（一方の化合物層）と、（Ａｌ_0.68Ｔｉ_0.29Ｃｒ_0.03）Ｎ層（他方の化合物層）によって構成される場合、２つの化合物層に含まれる金属元素の種類は全て同一である。なぜなら、２つの化合物層は、ともに金属元素としてＡｌ元素とＴｉ元素とＣｒ元素とを含むからである。この場合、２つの化合物層に含まれるＴｉ元素の原子数の差（差の絶対値）は、１原子％である。２つの化合物層に含まれるＣｒ元素の原子数の差（差の絶対値）は、２原子％である。さらに、２つの化合物層に含まれるＡｌの原子数の差は、３原子％である。よって、これらの中でも最も原子数の差が大きいものはＡｌ元素であるから、Ａｌ元素が特定の金属元素γに該当する。そして、Ａｌの原子数の差が３原子％であるから、「差の絶対値が０原子％を超えて大きく、かつ、５原子％未満」という上記の条件が満たされている。

本実施形態において、組成の異なる２種の化合物層を１層ずつ形成した場合、「繰り返し数」は１回である。図１は、本実施形態の被覆切削工具の断面組織の一例を示す模式図であるが、以下、これを利用して繰り返し数について説明する。この被覆切削工具１１は、基材１と、基材１の表面上に形成された被覆層１０とを備える。被覆層１０は、下部層２と、第１積層構造８と、第２積層構造９と、上部層７とを備え、この順序で積層されている。第１積層構造８は、下部層２側から上部層７側に向かって順に、それぞれ化合物層であるＡ１層３と、Ａ１層３とは組成の異なるＢ１層４とを交互に積層された積層構造であり、Ａ１層３及びＢ１層４をそれぞれ２層ずつ有する。第２積層構造９は、下部層２側から上部層７側に向かって順に、それぞれ化合物層であるＡ２層５と、Ａ２層５とは組成の異なるＢ２層６とが交互に積層された積層構造であり、Ａ２層５及びＢ２層６をそれぞれ２層ずつ有する。これらの場合、繰り返し数は、それぞれ２回となる。また、例えば、Ａ１層３及びＢ１層４を、下部層２側から上部層５側に向かって順に、Ａ１層３、Ｂ１層４、Ａ１層３、Ｂ１層４、Ａ１層３、Ｂ１層４、Ａ１層３、Ｂ１層４、Ａ１層３、Ｂ１層４と、Ａ１層３を５層、Ｂ１層４を５層それぞれ形成した場合、繰り返し数は、５回となる。ここで、Ａ１層３が（Ａｌ_aＭ_1-a）Ｎで表される組成からなる化合物層であって、Ｂ１層４が（Ａｌ_bＭ_1-b）Ｎで表される組成からなる化合物層であってもよい。あるいは、Ａ１層３が（Ａｌ_bＭ_1-b）Ｎで表される組成からなる化合物層であって、Ｂ１層４が（Ａｌ_aＭ_1-a）Ｎで表される組成からなる化合物層であってもよい。同様に、Ａ２層５が（Ａｌ_1-cＣｒ_c）で表される組成を有する元素の酸化物又は酸窒化物からなる群より選ばれる少なくとも１種の化合物からなる化合物層であって、Ｂ２層６が（Ａｌ_1-dＬ_d）Ｎで表される組成を有する化合物からなる化合物層であってもよい。あるいは、Ａ２層５が（Ａｌ_1-dＬ_d）Ｎで表される組成を有する化合物からなる化合物層であって、Ｂ２層６が（Ａｌ_1-cＣｒ_c）で表される組成を有する元素の酸化物又は酸窒化物からなる群より選ばれる少なくとも１種の化合物からなる化合物層であってもよい。また、図１において、被覆層１０は下部層２及び上部層７の両方を備えるが、被覆層が下部層２及び上部層７のいずれかのみを備えてもよく、両方備えていなくてもよい。

本実施形態の被覆層は、１つ以上の第１積層構造と１つ以上の第２積層構造とを含み、第１積層構造及び第２積層構造が積層されている。第１積層構造及び第２積層構造の積層順序は、特に限定されず、基材側から、第１積層構造及び第２積層構造がこの順序で積層されていてもよく、第２積層構造及び第１積層構造がこの順序で積層されていてもよいが、本発明の作用効果をより有効かつ確実に奏する観点から、前者であることが好ましい。また、積層構造（第１積層構造及び第２積層構造の合計数）の数は、２以上であれば特に限定されず、例えば、２〜６であり、本発明の作用効果をより有効かつ確実に奏する観点から、２〜４であることが好ましく、２又は３であることがより好ましい。積層構造の数が３である場合には、例えば、第１積層構造、第２積層構造、及び第１積層構造がこの順序で積層されている。

本実施形態の第１積層構造を構成する一方の化合物層及び他方の化合物層の各層の平均厚さは、１ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。各層の平均厚さが１ｎｍ以上であると、均一な厚さの化合物層を形成することがより容易となる。各層の平均厚さが３００ｎｍ以下であると、第１積層構造の硬度が向上することに起因して、耐欠損性が向上する。同様の観点から、各層の平均厚さは、２ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であると好ましく、４ｎｍ以上２００ｎｍ以下であるとより好ましい。

本実施形態の第２積層構造を構成する第１の化合物層及び第２の化合物層の各層の平均厚さは、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。各層の平均厚さが５０ｎｍ以上であると、均一な厚さの化合物層を形成することがより容易となる。各層の平均厚さが５００ｎｍ以下であると、第２積層構造の硬度が向上することに起因して、耐欠損性が向上する。同様の観点から、各層の平均厚さは、５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下であると好ましく、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であるとより好ましい。

本実施形態において、第１積層構造の平均厚さは、０．１μｍ以上１０．０μｍ以下であることが好ましい。第１積層構造の平均厚さが０．１μｍ以上であると耐摩耗性が更に向上し、第１積層構造の平均厚さが１０．０μｍ以下であると耐欠損性が更に向上する。同様の観点から、第１積層構造の平均厚さは、１．５μｍ以上６．０μｍ以下であると好ましい。

本実施形態において、第２積層構造の平均厚さは、０．２μｍ以上１０．０μｍ以下であることが好ましい。第２積層構造の平均厚さが０．２μｍ以上であると耐摩耗性が一層向上し、第２積層構造の平均厚さが１０．０μｍ以下であると耐欠損性が更に向上する。同様の観点から、第２積層構造の平均厚さは、１．５μｍ以上６．０μｍ以下であると好ましい。

本実施形態において、第１積層構造の平均結晶粒径は、１０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下であることが好ましい。第１積層構造の平均結晶粒径が１０ｎｍ以上であると耐摩耗性の低下が一層抑制される傾向にあり、第１積層構造の平均結晶粒径が４５０ｎｍ以下であると耐欠損性の低下が一層抑制される傾向にある。同様の観点から、第１積層構造の平均結晶粒径は、１０ｎｍ以上４３０ｎｍ以下であることがより好ましい。

本実施形態において、第２積層構造の平均結晶粒径は、５ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが好ましい。第２積層構造の平均結晶粒径が５ｎｍ以上であると耐摩耗性の低下が一層抑制される傾向にあり、第２積層構造の平均結晶粒径が３００ｎｍ以下であると耐欠損性の低下が一層抑制される傾向にある。同様の観点から、第２積層構造の平均結晶粒径は、２０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であることがより好ましい。

本実施形態における第１積層構造の平均結晶粒径は、被覆切削工具における基材の表面に対して、直交する方向の断面組織（すなわち、図１に示すような方向から見た断面組織）から透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて測定することができる。より具体的には、被覆切削工具の断面組織をＴＥＭで観察し、１００００倍〜８００００倍に拡大した画像を撮影する。撮影した画像において、基材の表面に対して平行な直線（幅は２００ｎｍ相当）を引く。このとき、第１積層構造の組織を横切るように直線を引く。この直線に含まれる粒子の長さ（径）を、この直線が通った粒子の数で割った値を、第１積層構造の結晶粒径とする。５箇所以上で引いた直線から第１積層構造の結晶粒径をそれぞれ測定し、得られた値の相加平均値を第１積層構造の平均結晶粒径と定義する。同様の方法により、第２積層構造の平均結晶粒径を求めることができる。

本実施形態の被覆層は、第１積層構造及び第２積層構造だけで構成されてもよいが、基材と第１積層構造及び第２積層構造との間（すなわち、第１積層構造及び第２積層構造よりも基材側）に下部層を有すると、基材と第１積層構造又は第２積層構造との密着性が更に向上するため、好ましい。その中でも、下部層は、上記と同様の観点から、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素（好ましくはＮ元素）とからなる化合物を含むと、好ましく、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｗ、Ａｌ、及びＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物の層であることがより好ましく、Ｔｉ及びＡｌからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素（好ましくはＮ元素）とからなる化合物の層であることがさらに好ましく、Ｔｉ及びＡｌからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｎ元素とからなる化合物の層であることが特に好ましい。但し、下部層は、第１積層構造及び第２積層構造における化合物層と組成が異なる。また、下部層は単層であってもよく、２層以上の多層であってもよい。

本実施形態において、下部層の平均厚さは、０．１μｍ以上３．５μｍ以下であることが好ましい。下部層の平均厚さが上記範囲内であることにより、基材と被覆層との密着性が更に向上する傾向にある。同様の観点から、下部層の平均厚さは、０．１μｍ以上３．０μｍ以下であるとより好ましく、０．１μｍ以上２．５μｍ以下であると更に好ましい。

本実施形態の被覆層は、第１積層構造及び第２積層構造の基材とは反対側（すなわち、第１積層構造又は第２積層構造の表面）に上部層を有してもよい。上部層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素（好ましくはＮ元素）とからなる化合物の層であると、耐摩耗性に一層優れるので好ましい。同様の観点から、上部層は、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｗ、Ａｌ、及びＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素（好ましくはＮ元素）とからなる化合物の層であることがより好ましく、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ及びＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｎとからなる化合物の層であることがさらに好ましい。ただし、上部層は、第１積層構造及び第２積層構造における化合物層と組成が異なる。また、上部層は、単層であってもよく２層以上の多層であってもよい。

本実施形態において、上部層の平均厚さが０．１μｍ以上３．５μｍ以下であることが好ましい。上部層の平均厚さが上記範囲内であることにより、耐摩耗性に一層優れる傾向にある。同様の観点から、上部層の平均厚さは、０．２μｍ以上３．０μｍ以下であるとより好ましい。

本実施形態の被覆切削工具における被覆層の製造方法は、特に限定されるものではない。例えば、被覆層は、イオンプレーティング法、アークイオンプレーティング法、スパッタ法、及びイオンミキシング法などの物理蒸着法によって、上記で説明した第１積層構造及び第２積層構造における各化合物層を順に形成することで得られる。特に、アークイオンプレーティング法によって形成された被覆層は、基材との密着性が高い。したがって、これらの中では、アークイオンプレーティング法が好ましい。

本実施形態の被覆切削工具の製造方法について、具体例を用いて説明する。なお、本実施形態の被覆切削工具の製造方法は、当該被覆切削工具の構成を達成し得る限り、特に制限されるものではない。

まず、工具形状に加工した基材を物理蒸着装置の反応容器内に収容し、金属蒸発源を反応容器内に設置する。その後、反応容器内をその圧力が１．０×１０^-2Ｐａ以下になるまで真空引きし、反応容器内のヒーターにより基材をその温度が６００℃〜７００℃になるまで加熱する。加熱後、反応容器内にＡｒガスを導入して、反応容器内の圧力を０．５Ｐａ〜５．０Ｐａとする。圧力０．５Ｐａ〜５．０ＰａのＡｒガス雰囲気にて、基材に−３５０Ｖ〜−５００Ｖのバイアス電圧を印加し、反応容器内のタングステンフィラメントに４０Ａ〜５０Ａの電流を流す条件下で、基材の表面上にＡｒガスによるイオンボンバードメント処理を施す。基材の表面上にイオンボンバードメント処理を施した後、反応容器内をその圧力が１．０×１０^-2Ｐａ以下になるまで真空引きする。

次いで、基材をその温度が２５０℃以上５００℃以下になるように、ヒーターの温度を調整して加熱した後、窒素ガス等の反応ガスを反応容器内に導入する。その後、反応容器内の圧力を２．０〜４．０Ｐａにして、基材に−６０〜−１５０Ｖのバイアス電圧を印加する。そして、各層の金属成分に応じた金属蒸発源をアーク放電により蒸発させることによって、基材の表面上に第１積層構造の各層を形成することができる。この際、基材を固定したテーブルを回転させながら、離れた位置に置かれた２種類以上の金属蒸発源を同時にアーク放電により蒸発させることにより、第１積層構造を構成する各化合物層を形成することができる。この場合、反応容器内の基材を固定した回転テーブルの回転数を調整することによって、第１積層構造を構成する各化合物層の厚さを制御することができる。あるいは、２種類以上の金属蒸発源を交互にアーク放電により蒸発させることによって、第１積層構造を構成する各化合物層を形成することもできる。この場合、金属蒸発源のアーク放電時間をそれぞれ調整することによって、第１積層構造を構成する各化合物層の厚さを制御することができる。

次いで、基材をその温度が５００℃以上８００℃以下になるように、ヒーターの温度を調整して加熱した後、第１の化合物層を形成する場合は、酸素ガス又は酸素ガスと窒素ガスとを反応容器内に導入する。このとき、酸素ガスと窒素ガスとの混合比率を調整することにより、酸窒化物におけるＮ元素とＯ元素との合計に対するＯ元素の原子比を制御することができる。また、第２の化合物層を形成する場合は、窒素ガスを反応容器内に導入する。その後、反応容器内の圧力を０．５〜４．０Ｐａにして、基材に−６０〜−１５０Ｖのバイアス電圧を印加する。そして、第２積層構造における各層の金属成分に応じた金属蒸発源をアーク放電により蒸発させることによって、基材の表面上に第２積層構造の各層を形成することができる。この際、基材を固定したテーブルを回転させながら、離れた位置に置かれた２種類以上の金属蒸発源を同時にアーク放電により蒸発させることにより、第２積層構造を構成する各化合物層を形成することができる。この場合、反応容器内の基材を固定した回転テーブルの回転数を調整することによって、第２積層構造を構成する各化合物層の厚さを制御することができる。あるいは、２種類以上の金属蒸発源を交互にアーク放電により蒸発させることによって、第２積層構造を構成する各化合物層を形成することもできる。この場合、金属蒸発源のアーク放電時間をそれぞれ調整することによって、第２積層構造を構成する各化合物層の厚さを制御することができる。なお、第１の化合物層と第２の化合物層とを交互に形成するには、各層を形成した後に、反応容器内における酸素ガスの比率を徐々に変化させると、第２積層構造の密着性が向上するため好ましい。

本実施形態の第１積層構造の平均結晶粒径を上述の所定の大きさにするには、第１積層構造を形成する時の基材の温度を低くするとよい。より具体的には、基材の温度を３００℃にした場合と５００℃にした場合とを比較すると、３００℃にした場合の方が基材の温度が低いため、第１積層構造の平均結晶粒径は、大きくなる。また、Ａｌ元素とＭで表される元素との合計に対するＡｌ元素の原子比が小さい金属蒸発源を用いると、第１積層構造の平均結晶粒径は大きくなる傾向を示す。したがって、第１積層構造を形成する時の基材の温度と、金属蒸発源の組成を調整することにより、第１積層構造の平均結晶粒径を制御することができる。

本実施形態の第２積層構造の平均結晶粒径を上述の所定の大きさにするには、第２積層構造を形成する時の反応容器内の圧力を低くするとよい。より具体的には、反応容器内の圧力を１．０Ｐａにした場合と３．０Ｐａにした場合とを比較すると、１．０Ｐａにした場合の方が反応容器内の圧力が低いため、第２積層構造の平均結晶粒径は、大きくなる。

本実施形態の被覆切削工具における被覆層を構成する各層の厚さは、例えば、被覆切削工具の断面組織から、ＴＥＭを用いて測定することができる。より具体的には、被覆切削工具において、金属蒸発源に対向する面の刃先稜線部から、当該面の中心部に向かって５０μｍの位置の近傍における、３箇所以上の断面での各層の厚さを測定する。得られた各層の厚さの相加平均値を、被覆切削工具における各層の平均厚さと定義することができる。

また、本実施形態の被覆切削工具における被覆層を構成する各層の組成は、本実施形態の被覆切削工具の断面組織から、エネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）や波長分散型Ｘ線分析装置（ＷＤＳ）などを用いた測定により決定することができる。

本実施形態の被覆切削工具は、従来よりも工具寿命を延長できるという効果を奏する。その要因は、これに限定されないが、被覆切削工具が耐酸化性、耐摩耗性及び耐欠損性に優れるためと考えられる。本実施形態の被覆切削工具の種類として、具体的には、フライス加工用又は旋削加工用刃先交換型切削インサート、ドリル、及びエンドミルなどを挙げることができる。

以下、実施例によって本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
基材として、ＲＰＭＴ１２０４ＥＮ形状のインサートに加工し、９１．５ＷＣ−８．５Ｃｏ（以上、質量％）の組成を有する超硬合金を用意した。アークイオンプレーティング装置の反応容器内に、表１に示す各層の組成になるよう金属蒸発源を配置した。用意した基材を、反応容器内の回転テーブルの治具に固定した。

その後、反応容器内をその圧力が５．０×１０^-3Ｐａ以下になるまで真空引きした。真空引きした後、反応容器内のヒーターにより、基材をその温度が６００℃になるまで加熱した。加熱後、反応容器内にその圧力が５．０ＰａになるようにＡｒガスを導入した。

圧力５．０ＰａのＡｒガス雰囲気にて、基材に−４５０Ｖのバイアス電圧を印加して、反応容器内のタングステンフィラメントに４５Ａの電流を流す条件下で、基材の表面上にＡｒガスによるイオンボンバードメント処理を３０分間施した。イオンボンバードメント処理終了後、反応容器内をその圧力が５．０×１０^-3Ｐａ以下になるまで真空引きした。

発明品１〜２０においては、真空引き後、基材をその温度が表２に示す温度（工程開始時の温度）になるまで加熱し、窒素（Ｎ₂）ガスを反応容器内に導入し、反応容器内を４．０Ｐａの圧力に調整した。

次いで、表１に示すＡ１層及びＢ１層を交互に形成して第１積層構造を得た。詳細には、基材に−８０Ｖのバイアス電圧を印加して、Ａ１層の金属蒸発源とＢ１層の金属蒸発源とを同時にアーク電流１２０Ａのアーク放電により蒸発させて、Ａ１層及びＢ１層を交互に形成した。このとき、Ａ１層の厚さ及びＢ１層の厚さは、回転テーブルの回転数を１〜５ｒｐｍの範囲で調整することで表３に示す厚さに制御した。

第１積層構造を形成した後、基材の温度を５５０℃（工程開始時の温度）に調整した。Ａ２層の形成では、酸素（Ｏ₂）ガスと窒素（Ｎ₂）ガスを表２に示す比率にて反応容器内に導入し、反応容器内を表２に示す圧力に調整した。また、Ｂ２層の形成では、Ｎ₂ガスを反応容器内に導入し、反応容器内を３．０Ｐａに圧力を調整した。

その後、表１に示すＡ２層及びＢ２層を交互に形成して第２積層構造を得た。詳細には、基材に−８０Ｖのバイアス電圧を印加して、Ａ２層の金属蒸発源とＢ２層の金属蒸発源とを同時にアーク電流１２０Ａのアーク放電により蒸発させて、Ａ２層及びＢ２層を交互に形成した。このとき、Ａ２層の厚さ及びＢ２層の厚さは、回転テーブルの回転数を１〜５ｒｐｍの範囲で表３に示す厚さに調整することで制御した。なお、表１における「組成差の絶対値」は、Ａ１層とＢ１層との間の「組成差の絶対値」を示す。

基材の表面上に、表３及び表４に示す所定の平均厚さになるよう各層を形成した後に、ヒーターの電源を切り、試料温度が１００℃以下になった後で、反応容器内から試料を取り出した。上述の方法により、発明品１〜２０を作製した。

また、基材として、ＲＰＭＴ１２０４ＥＮ形状のインサートに加工し、９１．５ＷＣ−８．５Ｃｏ（以上、質量％）の組成を有する超硬合金を用意した。アークイオンプレーティング装置の反応容器内に、表５及び表６に示す各層の組成になるよう金属蒸発源を配置した。用意した基材を、反応容器内の回転テーブルの治具に固定した。

その後、反応容器内をその圧力が５．０×１０^-3Ｐａ以下になるまで真空引きした。真空引きした後、反応容器内のヒーターにより、基材をその温度が６００℃になるまで加熱した。加熱後、反応容器内にその圧力が５．０ＰａになるようにＡｒガスを導入した。

圧力５．０ＰａのＡｒガス雰囲気にて、基材に−４５０Ｖのバイアス電圧を印加して、反応容器内のタングステンフィラメントに４５Ａの電流を流す条件下で、基材の表面上にＡｒガスによるイオンボンバードメント処理を３０分間施した。イオンボンバードメント処理終了後、反応容器内をその圧力が５．０×１０^-3Ｐａ以下になるまで真空引きした。

真空引き後、比較品１、比較品２及び比較品３については、基材をその温度が表７に示す温度（工程開始時の温度）になるまで加熱し、窒素（Ｎ₂）ガスを反応容器内に導入し、反応容器内を表７に示す圧力に調整した。

比較品１及び２については、基材に−５０Ｖのバイアス電圧を印加して、アーク電流１２０Ａのアーク放電により金属蒸発源を蒸発させて、表５に示す単層の化合物層を形成した。

比較品３については、表５に示すＸ層及びＹ層を交互に形成して交互積層を得た。詳細には、基材に−５０Ｖのバイアス電圧を印加して、Ｘ層の金属蒸発源とＹ層の金属蒸発源とを同時にアーク電流１２０Ａのアーク放電により蒸発させて、Ｘ層及びＹ層を交互に形成した。このとき、Ｘ層の厚さ及びＹ層の厚さは、回転テーブルの回転数を１〜５ｒｐｍの範囲で調整することで表５に示す厚さに制御した。

一方、比較品４〜１０においては、表６に示すＡ１層及びＢ１層を交互に形成して積層構造（１）を得た。詳細には、基材を表８に示す温度に調整し、Ｎ₂ガスを反応容器内に導入し、反応容器内を３．０Ｐａに圧力を調整した。基材に−８０Ｖのバイアス電圧を印加して、Ａ１層の金属蒸発源とＢ１層の金属蒸発源とを同時にアーク電流１２０Ａのアーク放電により蒸発させて、Ａ１層及びＢ１層を交互に形成した。このとき、Ａ１層の厚さ及びＢ１層の厚さは、回転テーブルの回転数を１〜５ｒｐｍの範囲で調整することで表９に示す厚さに制御した。なお、表６における「組成差の絶対値」は、Ａ１層とＢ１層との間の「組成差の絶対値」を示す。

積層構造（１）を形成した後、基材をその温度が５５０℃（工程開始時の温度）に調整した。Ａ２層は、酸素（Ｏ₂）ガスと窒素（Ｎ₂）ガスを表８に示す比率にて反応容器内に導入し、反応容器内を表８に示す圧力に調整した。また、Ｂ２層は、酸素（Ｏ₂）ガスと窒素（Ｎ₂）ガスを表８に示す比率にて反応容器内に導入し、反応容器内を表８に示す圧力に調整した。

その後、比較品４〜１０においては、表６に示すＡ２層及びＢ２層を交互に形成して積層構造（２）を得た。詳細には、基材に−６０Ｖのバイアス電圧を印加して、Ａ２層の金属蒸発源とＢ２層の金属蒸発源とを同時にアーク電流１２０Ａのアーク放電により蒸発させて、Ａ２層及びＢ２層を交互に形成した。このとき、Ａ２層の厚さ及びＢ２層の厚さは、回転テーブルの回転数を１〜５ｒｐｍの範囲で表９に示す厚さに調整することで制御した。

基材の表面上に、表５、表９及び表１０に示す所定の平均厚さになるよう各層を形成した後に、ヒーターの電源を切り、試料温度が１００℃以下になった後で、反応容器内から試料を取り出した。上述の方法により、比較品１〜１０を作製した。

得られた試料の各層の平均厚さは、被覆切削工具の金属蒸発源に対向する面の刃先稜線部から当該面の中心部に向かって５０μｍの位置の近傍において、３箇所の断面をＴＥＭ観察し、各層の厚さを測定し、その相加平均値を計算することで求めた。得られた試料の各層の組成は、被覆切削工具の金属蒸発源に対向する面の刃先稜線部から中心部に向かって５０μｍまでの位置の近傍の断面において、ＥＤＳを用いて測定した。それらの結果を、表１、表３〜６、表９及び表１０に併せて示す。なお、表１、表５及び表６の各層の金属元素の組成比は、各層を構成する化合物における金属元素全体に対する各金属元素の原子比を示す。

得られた試料の第１積層構造の平均結晶粒径は、以下のとおりにして求めた。まず、被覆切削工具の断面組織をＴＥＭで観察し、６００００倍に拡大した画像を撮影した。撮影した画像において、第１積層構造の組織を横切るように、基材の表面上に対して平行な直線（幅は２００ｎｍ相当）を引いた。この直線に含まれる粒子の長さ（径）を、この直線が通った粒子の数で割った値を、第１積層構造の結晶粒径とした。５本の直線を引いて、それぞれの直線における第１積層構造の結晶粒径を測定した。得られた第１積層構造の結晶粒径の相加平均値を計算し、その値を第１積層構造の平均結晶粒径とした。同様の方法により、第２積層構造の平均結晶粒径を求めた。その結果を、表１１に示す。また、比較品についても同様の方法により、単層、交互積層、積層構造（１）及び積層構造（２）の平均結晶粒径をそれぞれ求めた。それらの結果を、表１２及び表１３に示す。

得られた試料を用いて、以下の切削試験を行い、評価した。

［切削試験］
被削材：ＳＵＳ４１０、
被削材形状：１００ｍｍ×２００ｍｍ×６０ｍｍの直方体ブロック、
切削速度：３３０ｍ／ｍｉｎ、
１刃当たりの送り：０．４０ｍｍ／ｔ、
切削幅：３２．５ｍｍ
切り込み：２．０ｍｍ、
クーラント：無し、
評価項目：試料が欠損（試料の切れ刃部に欠けが生じる）したとき、又は逃げ面摩耗幅が０．５ｍｍに至ったときを工具寿命とし、工具寿命に至るまでの加工長さを測定した。

切削試験の結果を表１４及び表１５に示す。

表１４及び表１５に示す結果より、発明品の加工長さは全て比較品の加工長さよりも長くなった。したがって、発明品は、工具寿命が長くなっていることが分かる。その要因としては、発明品が耐酸化性、耐摩耗性及び耐欠損性に優れているためと考えられるが、要因はこれに限定されない。

（実施例２）
基材として、ＲＰＭＴ１２０４ＥＮ形状のインサートに加工し、９１．５ＷＣ−８．５Ｃｏ（以上、質量％）の組成を有する超硬合金を用意した。実施例１の発明品１〜１０の被覆層に、下部層と上部層とを有する試料を作製した。

まず、アークイオンプレーティング装置の反応容器内に、表１における発明品１〜１０及び表１６に示す各層の組成になるよう金属蒸発源を配置した。用意した基材を、反応容器内の回転テーブルの治具に固定した。

その後、反応容器内をその圧力が５．０×１０^-3Ｐａ以下になるまで真空引きした。真空引きした後、反応容器内のヒーターにより、基材をその温度が６００℃になるまで加熱した。加熱後、反応容器内にその圧力が５．０ＰａになるようにＡｒガスを導入した。

圧力５．０ＰａのＡｒガス雰囲気にて、基材に−４５０Ｖのバイアス電圧を印加して、反応容器内のタングステンフィラメントに４５Ａの電流を流す条件下で、基材の表面上にＡｒガスによるイオンボンバードメント処理を３０分間施した。イオンボンバードメント処理終了後、反応容器内をその圧力が５．０×１０^-3Ｐａ以下になるまで真空引きした。

真空引き後、反応容器内の温度を５００℃になるように制御し、窒素（Ｎ₂）ガスを反応容器内に導入し、反応容器内の圧力を４．０Ｐａに調整した。

次いで、表１６に示す下部層を形成した。詳細には、基材に−５０Ｖのバイアス電圧を印加して、アーク電流１２０Ａのアーク放電により金属蒸発源を蒸発させて下部層を形成した。

下部層を形成した後、実施例１の発明品１〜１０と同じ条件で、第１積層構造及び第２積層構造を形成した。

第１積層構造及び第２積層構造を形成した後、基材に−５０Ｖのバイアス電圧を印加して、アーク電流１２０Ａのアーク放電により金属蒸発源を蒸発させて表１６に示す上部層を形成した。このとき、反応容器内の温度を５００℃になるように制御した。上述の方法により、発明品２１〜３０を作製した。

得られた試料の各層の平均厚さ及び各層の組成は、実施例１と同様の方法により求めた。それらの結果は、表１及び表１６に示す。

得られた試料の第１積層構造及び第２積層構造の平均結晶粒径は、実施例１と同様の方法により求めた。それらの結果は、表１１に示す発明品１〜１０と同じであった。

発明品２１〜３０を用いて、実施例１と同じ切削試験を行った。その結果を表１７に示す。

表１７に示す結果より、発明品２１〜３０の加工長さは全て発明品１〜１０の加工長さよりもわずかに長くなった。したがって、発明品は、下部層及び上部層を有したとしても、発明の効果を奏することが分かる。

本発明の被覆切削工具は、耐酸化性、耐摩耗性及び耐欠損性に優れ、従来よりも工具寿命を延長できるので、産業上の利用可能性が高い。

１ 基材
２ 下部層
３ Ａ１層
４ Ｂ１層
５ Ａ２層
６ Ｂ２層
７ 上部層
８ 第１積層構造
９ 第２積層構造
１０ 被覆層
１１ 被覆切削工具

Claims (11)

1. 基材と、前記基材の表面上に形成された被覆層とを含む被覆切削工具であって、
   前記被覆層が、第１積層構造と第２積層構造とを含み、
   前記第１積層構造が、組成の異なる２種の化合物層を交互に積層された積層構造を有し、かつ
   前記第１積層構造における前記２種の化合物層のうち一方の化合物層が、下記式（１）：
   （Ａｌ_aＭ_1-a）Ｎ…（１）
   （式中、Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ及びＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を表し、ａは、Ａｌ元素とＭで表される金属元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を表し、０．５８≦ａ≦０．８０を満足する。）
   で表される組成からなり、
   前記第１積層構造における前記２種の化合物層のうち他方の化合物層が、下記式（２）：
   （Ａｌ_bＭ_1-b）Ｎ…（２）
   （式中、Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ及びＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を表し、ｂは、Ａｌ元素とＭで表される金属元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を表し、０．５７≦ｂ≦０．７９を満足する。）
   で表される組成からなり、
   前記第１積層構造が、下記式（Ａ）で表される条件を満足し、
   ０＜｜Ｒｘ−Ｒｙ｜＜５…（Ａ）
   （式中、Ｒｘは、前記一方の化合物層における、金属元素全体に対する１種の金属元素の割合（単位：原子％）を表し、Ｒｙは、前記一方の化合物層に隣接する前記他方の化合物層における、金属元素全体に対する前記１種の金属元素の割合（単位：原子％）を表し、前記１種の金属元素は、前記一方の化合物層における金属元素全体に対する割合と、前記他方の化合物層における金属元素全体に対する割合との差の絶対値が最も大きい元素を表す。）
   前記第２積層構造が、第１の化合物層と、第２の化合物層とが交互に積層された積層構造を有し、
   前記第１の化合物層が、下記式（３）：
   （Ａｌ_1-cＣｒ_c）…（３）
   （式中、ｃは、Ａｌ元素とＣｒ元素との合計に対するＣｒ元素の原子比を表し、０≦ｃ≦０．６０を満足する。）
   で表される組成を有する元素の酸化物及び酸窒化物からなる群より選ばれる少なくとも１種からなり、
   前記第２の化合物層が、下記式（４）：
   （Ａｌ_1-dＬ_d）Ｎ…（４）
   （式中、Ｌは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ及びＳｉからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を表し、ｄは、Ａｌ元素とＬで表される金属元素との合計に対するＬで表される元素の原子比を表し、０≦ｄ≦０．５５を満足する。）
   で表される組成からなり、
   前記第１積層構造を構成する前記一方の化合物層及び前記他方の化合物層の各層の平均厚さが、１ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、
   前記第２積層構造を構成する前記第１の化合物層及び前記第２の化合物層の各層の平均厚さが、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、
   前記被覆層全体の厚さが、１．５μｍ以上１５．０μｍ以下である、被覆切削工具。
2. 前記｜Ｒｘ−Ｒｙ｜が、１原子％以上４原子％以下である、請求項１に記載の被覆切削工具。
3. 前記第１の化合物層が、下記式（５）又は（６）：
   （Ａｌ_1-cＣｒ_c）₂Ｏ₃…（５）
   （Ａｌ_1-cＣｒ_c）（Ｎ_1-eＯ_e）…（６）
   （式中、ｃは、Ａｌ元素とＣｒ元素との合計に対するＣｒ元素の原子比を表し、ｅは、Ｎ元素とＯ元素との合計に対するＯ元素の原子比を表し、０≦ｃ≦０．６０、０＜ｅ≦１を満足する。）
   で表される組成からなる、請求項１又は２に記載の被覆切削工具。
4. 前記被覆層が、前記第１積層構造と前記第２積層構造とが交互に２つ以上連続して積層した構造を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
5. 前記第１積層構造の平均厚さが、０．１μｍ以上１０．０μｍ以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
6. 前記第２積層構造の平均厚さが、０．２μｍ以上１０．０μｍ以下である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
7. 前記第１積層構造の平均結晶粒径が、１０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
8. 前記第２積層構造の平均結晶粒径が、５ｎｍ以上３００ｎｍ以下である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
9. 前記被覆層は、前記第１積層構造及び前記第２積層構造よりも基材側に下部層を有し、
   前記下部層が、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物の層であり、
   前記下部層の平均厚さが、０．１μｍ以上３．５μｍ以下である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
10. 前記被覆層が、前記第１積層構造及び前記第２積層構造の基材とは反対側に上部層を有し、
    前記上部層が、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、及びＹからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＢからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素とからなる化合物の層であり、
    前記上部層の平均厚さが、０．１μｍ以上３．５μｍ以下である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
11. 前記基材は、超硬合金、サーメット、セラミックス又は立方晶窒化硼素焼結体のいずれかである、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の被覆切削工具。