JPWO2009133814A1 - 表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材上に形成される被覆層とを含むものであって、該被覆層は、１０μｍ以上の厚みを有する物理蒸着層であり、該被覆層の表面から１μｍの厚みを有する表面領域は、積算残留応力が圧縮応力となる第１領域と積算残留応力が引張応力となる第２領域とを有し、該表面領域の積算残留応力は、その表面領域に含まれるいずれの領域においても−１．５ＧＰａ以上１．５ＧＰａ以下の範囲内にあることを特徴とする。

Description

本発明は、基材と該基材上に形成される被覆層とを含む表面被覆切削工具に関する。

各種の切削工具が金属材料の切削加工に広く使用されている。たとえば、ＣＶＤ（化学蒸着）工具、ＰＶＤ（物理蒸着）工具、サーメット工具、超硬工具、セラミック工具があり、用途に応じて使用されている。このうち、ＣＶＤ工具とは、基材上にＣＶＤ法による被覆層（セラミックコーティング）が形成された工具であり、ＰＶＤ工具とは、基材上にＰＶＤ法による被覆層（セラミックコーティング）が形成された工具であり、一方サーメット工具、超硬工具、セラミック工具とは、このような被覆層を有さない工具と分類できる。

近年、切削速度の高速化に伴い、ＣＶＤ工具やＰＶＤ工具の使用割合が増加している。ＣＶＤ工具は、一般に耐剥離性に優れるとともに、耐熱性に優れるアルミナ膜を形成することができるため、鋼の旋削工具用途で主に使用されている。また、ＰＶＤ工具は、被覆層中に圧縮残留応力を有するため、耐欠損性に優れることから機械的衝撃が大きなフライス用途で主に使用されている。

昨今、切削加工業界においては、時間当たりの生産性を高めるため、高速・高能率加工に対する要求が高まっており、ＣＶＤ工具の厚膜化（すなわち厚い被覆層を形成すること）が進められている。しかし、ＣＶＤ工具では基材とアルミナ膜やＴｉＣＮ膜等の被覆層との熱膨張係数差に起因して、１５μｍ程度に厚膜化すると膜中に大きな引張残留応力が発生して膜強度が低下するとともに、膜の面粗さが大きくなって膜の耐剥離性が低下するという問題が生じていた。このため、ＣＶＤ法により被覆層を形成した後にこの被覆層に対してブラスト処理を施したり、磨き処理を施すなどの表面処理技術が実施されている（特開平０５−１１６００３号公報（特許文献１））。しかし、ＣＶＤ法により形成した被覆層全体の引張残留応力を開放することは難しく、１５μｍ以上の被覆層を形成した厚膜ＣＶＤ工具の耐欠損性を安定させることは困難であった。

これに対して、ＰＶＤ工具はＰＶＤ法により形成された被覆層中に圧縮残留応力を付与することができるため、旋削加工でも断続切削などの機械的衝撃の激しい用途において優れた切削性能を期待できる。このため、被覆層中の圧縮残留応力の分布を調整し、耐摩耗性とチッピングに対する耐性を向上させた切削工具が提案されている（特開２００６−０８２２１８号公報（特許文献２））。しかしながら、この提案においては被覆層が大きな圧縮残留応力を有するために、１０μｍ以上の厚みを有する被覆層を膜破壊なしに形成することは困難であった。このため、ＰＶＤ法により形成された被覆層を特定の配向性を有するものとし、１０μｍ程度の膜厚としたＰＶＤ工具が提案されている（特開平０９−３２３２０４号公報（特許文献３））。しかし、この提案では被覆層は特定の組成および特定の結晶方位を有するもののみに限定されることから応用範囲が制限されるとともに、当該被覆層を膜破壊なしに形成できたとしても切削加工時の衝撃で被覆層が圧縮破壊するという現象を十分に抑制することができず、このため工具寿命をさらに延長させることが求められていた。特に１５μｍ以上の厚みを有する被覆層を形成したＣＶＤ工具に対して、耐摩耗性の点で優位性を有する厚膜ＰＶＤ工具の開発が望まれていた。

特開平０５−１１６００３号公報 特開２００６−０８２２１８号公報 特開平０９−３２３２０４号公報

本発明は、上記のような現状に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、厚い被覆層をＰＶＤ法で形成することにより優れた耐摩耗性を有するとともに、該被覆層の形成時に被覆層が破壊されたり切削加工時に被覆層が破壊されたりすることを低減し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、該基材上に形成される被覆層とを含むものであって、該被覆層は、１０μｍ以上の厚みを有する物理蒸着層であり、該被覆層の表面から１μｍの厚みを有する表面領域は、積算残留応力が圧縮応力となる第１領域と積算残留応力が引張応力となる第２領域とを有し、該表面領域の積算残留応力は、その表面領域に含まれるいずれの領域においても−１．５ＧＰａ以上１．５ＧＰａ以下の範囲内にあることを特徴とする。

ここで、上記被覆層全体の積算残留応力は、−１ＧＰａ以上０ＧＰａ未満であることが好ましく、上記第２領域の積算残留応力は、１ＧＰａ以下であることが好ましい。

また、上記被覆層は、１５μｍ以上の厚みを有することが好ましく、２０μｍ以上の厚みを有することがより好ましい。

また、上記被覆層は、１以上の層を含み、そのうち少なくとも一層は、構成成分として少なくともＴｉを含む窒化物、炭窒化物、窒酸化物、および炭窒酸化物のいずれかの化合物によって構成されることが好ましい。また、上記被覆層は、少なくとも一部に超多層構造を含むことが好ましい。

また、上記基材は、超硬合金からなり、該超硬合金は、ＷＣの結晶粒を含み、該結晶粒の平均粒径は、０．３μｍ以上２．５μｍ以下であることが好ましい。

また、上記基材と上記被覆層との界面領域において、上記被覆層に含まれる結晶粒は、上記基材に含まれるＷＣの結晶粒と整合性を有していることが好ましい。

以上のような本発明の表面被覆切削工具は、旋削用に好適に用いることができる。

本発明の表面被覆切削工具は、上記のような構成を有することにより、優れた耐摩耗性を有するとともに、被覆層の形成時に被覆層が破壊されたり切削加工時に被覆層が破壊されたりすることを低減したものである。

本発明の被覆層の表面領域の積算残留応力の一例をグラフ化したものである。 従来の被覆層の表面領域の積算残留応力の一例をグラフ化したものである。

以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
＜表面被覆切削工具＞
本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材上に形成される被覆層とを備えるものである。このような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、フライス加工用または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。

このように本発明の表面被覆切削工具は、各種用途に用いることができるものであるが、とりわけ従来においてＣＶＤ工具が主として用いられていた旋削用の用途に好適に用いることができる。すなわち、本発明の表面被覆切削工具は、このような旋削用の用途において、従来の厚膜ＣＶＤ工具に代替するものであり、厚膜ＣＶＤ工具に比し工具寿命が延長されたものであることから、高速・高能率加工に極めて有効に使用し得るものである。

＜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。

そして、本発明の基材として特に好ましくは超硬合金を挙げることができ、ＷＣの結晶粒を含み、該結晶粒の平均粒径が０．３μｍ以上２．５μｍ以下となる超硬合金を特に好適に用いることができる。上記平均粒径は、より好ましくは０．４μｍ以上２μｍ以下、さらに好ましくは０．５μｍ以上１．５μｍ以下である。

通常、鋼旋削用ＣＶＤ工具の基材として用いられる超硬合金に含まれるＷＣの結晶粒の平均粒径は３〜５μｍである。ＣＶＤ法により形成される被覆層は引張残留応力を有するため、製造工程でその被覆層中に亀裂が導入されており、被覆層の厚み分だけ予め亀裂が導入された状態になっている。このため、ＷＣの結晶粒の粒度は上記のように３〜５μｍと大きくして亀裂進展抵抗を高めている。これに対し、本発明のようにＰＶＤ法で被覆した被覆層には亀裂は原則的に存在しないため、亀裂進展抵抗を高めておく必要性は小さく、逆にその平均粒径を０．３〜２．５μｍの範囲とすることにより、基材の硬度を高くすることができ耐摩耗性を向上できるほか、強度も大きくなり、優れた耐欠損性を期待できる。さらに、ＷＣの結晶粒の平均粒径をこの範囲とすることにより後述のように基材と被覆層との界面において被覆層を形成する結晶粒がＷＣの結晶粒と整合して成長することができ、これにより被覆層が微粒化して超硬基材との密着力を向上することができる。このため、切削工具として優れた耐剥離性を実現できる。このようなＷＣの結晶粒の平均粒径は、走査型電子顕微鏡や結晶方位解析装置を用いて基材表面（被覆層との界面領域）中の所定の長さを有する任意の線分（この線分は基材表面に平行な位置関係を有するものとする）上に存在するＷＣの結晶粒の個数を測定することにより、その所定長さ中に存在するＷＣの結晶粒の長さをその個数で除することによって求めるものとする。その測定される線分の所定長さは、２〜１００μｍ程度とすることが好ましく、より好ましくは５〜５０μｍ程度とするのが好適である。誤差を排除し、基材全体の数値を代表するのに十分なものであると考えられるからである。

なお、このような平均粒径のＷＣの結晶粒を含む超硬合金は、原料としてそれぞれ平均粒径０．１〜２．５μｍのＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、およびこの両者に加え必要に応じＣｒ₃Ｃ₂粉末、ＶＣ粉末、ＮｂＣ粉末、ＴｉＣ粉末、およびＴａＣ粉末等から選ばれる少なくとも１種の粉末を、所定の配合比でエタノール中において粉砕混合し、その混合粉末を乾燥後プレス成形し、その成形体を真空中１４００℃前後の高温で焼結することによって製造することができる。

このように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、本発明で用いる基材は、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において基材上に形成される被覆層は、１０μｍ以上の厚みを有する物理蒸着層である。ここで、物理蒸着層とは、ＰＶＤ（物理蒸着）法により形成される被膜をいう。本発明で用いられるＰＶＤ法としては、従来公知のＰＶＤ法を特に限定することなく用いることができる。このようなＰＶＤ法としては、たとえばスパッタリング法、アークイオンプレーティング法、蒸着法等を挙げることができる。特に、アークイオンプレーティング法またはマグネトロンスパッタリング法を採用することが好ましい。

本発明の被覆層は、１０μｍ以上の厚みを有することを特徴とする。このように１０μｍ以上の厚みとしたことにより耐摩耗性が向上し、工具寿命を大幅に延長することが可能となった。本発明の物理蒸着層においてこのように１０μｍ以上という厚い厚みが得られるのは、後述するように積算残留応力を制御したためである。

本発明の被覆層の厚みは、１５μｍ以上とすることがより好ましく、２０μｍ以上とすることがさらに好ましい。これにより、工具寿命をさらに延長することができるとともに、耐欠損性にも優れたものとすることができる。このような厚みを有するＣＶＤ法による被覆層は、引張応力の開放が困難であり耐欠損性が低下することから本発明の被覆層が優位性を有していることは明らかである。

なお、本発明において、被覆層の厚みとは、刃先部における被覆層の厚みをいい、たとえば表面被覆切削工具の基材上に形成された被覆層の厚みのうち、すくい面の刃先部における被覆層の厚みをいう。

＜積算残留応力＞
本発明においては、被覆層の表面から１μｍの厚みを有する領域（すなわち表面から１μｍの深さまでの領域）を表面領域と呼ぶものとする。かかる表面領域は、積算残留応力が圧縮応力となる第１領域と積算残留応力が引張応力となる第２領域とを有することを要する。このような第１領域および第２領域は、表面領域を二分するようにしてそれぞれ１つずつの領域として含まれていてもよいし、それぞれ物理的に隔離した２以上の領域として含まれていてもよい。たとえば、後述の図１を例にとると、被覆層の表面からＺ₁までの領域とＺ₂〜厚み１μｍまでの領域の２領域（すなわち積算残留応力が０ＧＰａ未満の領域）がここでいう第１領域であり、Ｚ₁〜Ｚ₂までの領域（すなわち積算残留応力が０ＧＰａ以上の領域）がここでいう第２領域となる。なお、図１の詳細は後述する。これに対して、図２は従来の表面被覆切削工具（基材上に物理蒸着層を形成したもの）の被覆層の表面領域の積算残留応力の一例をグラフ化したものであるが、表面領域の全領域に亘って積算残留応力が圧縮応力となっており、本発明の被覆層の表面領域を示す図１と対照的である。

このように表面領域が第１領域と第２領域とを含むことにより、本発明の被覆層は１０μｍ以上の厚みを有するにもかかわらず形成時（本発明でいう被覆層の形成時には被覆工程後の冷却工程をも含むものとする）に破壊されず切削加工時にも破壊されないという特性を備えた物理蒸着層を得ることが可能となったものである。これは、厚い物理蒸着層を旋削等の切削加工に安定して用いるためには、被覆層の表面部において残留応力を制御することが最も有効的であるとの本発明者の知見に基づくものである。すなわち、上記のような特性を達成するためには、引張り破壊と圧縮破壊の両方に耐性を示すことが必要であり、被覆層の表面部において積算残留応力が引張応力となる領域と圧縮応力となる領域とが混在すると、被覆層の形成中や切削加工中に発生する複雑な応力場に対応でき、圧縮破壊にも引張り破壊にも対抗できる耐性を示すものと考えられる。

ここで、上記第１領域の積算残留応力は、−１．５ＧＰａ以上とすることが好ましく、−１ＧＰａ以上とすることがより好ましい。第１領域の積算残留応力をこのような範囲の値とすることにより、被覆層の厚みが１０μｍ以上となっても圧縮破壊の発生を極めて有効に防止することができる。また、上記第２領域の積算残留応力は、１ＧＰａ以下とすることが好ましく、０．８ＧＰａ以下とすることがより好ましい。第２領域の積算残留応力をこのような範囲の値とすることにより、被覆層の厚みが１０μｍ以上となっても引張り破壊の発生を極めて有効に防止することができる。

なお、本発明でいう積算残留応力とは、被覆層の表面から深さ方向のある地点までの平均残留応力をいう。以下、図１を用いてさらに説明する。図１は本発明の被覆層の表面領域の積算残留応力の一例をグラフ化したものである。図１中、たとえばポイントＡは、被覆層の表面から０．１μｍ離れた地点（すなわち厚み０．１μｍの地点）を示しており、表面からその地点までの残留応力を平均すると０．７ＧＰａとなることを示している（ポイントＡ単独の残留応力が０．７ＧＰａとなることを示しているのではない）。したがって、ポイントＡの積算残留応力は、０．７ＧＰａとなる。同様にして、ポイントＢ（厚み１μｍの地点）の積算残留応力は−０．４５ＧＰａであり、表面領域に含まれないがポイントＣ（厚み５μｍの地点）の積算残留応力は０．１２ＧＰａとなる。

一方、本発明でいう圧縮応力（圧縮残留応力）とは、被覆層に存する内部応力（固有ひずみ）の一種であって、負の数値（単位：ＧＰａ）で表されるものである。一方、本発明でいう引張応力（引張残留応力）とは、これも被覆層に存する内部応力の一種であって、正の数値（単位：ＧＰａ）で表されるものである。このような圧縮応力および引張応力は、ともに被覆層内部に残存する内部応力であることからこれらを単にまとめて残留応力（便宜的に０ＧＰａも含む）と表現することもある。

さらに本発明は、上記表面領域の積算残留応力が、その表面領域に含まれるいずれの領域においても−１．５ＧＰａ以上１．５ＧＰａ以下の範囲内にあることを要する。表面領域における積算残留応力が−１．５ＧＰａより小さくなると圧縮破壊を生じる傾向を示し、１．５ＧＰａより大きいと引張り破壊を生じることがあり、いずれの場合においても工具寿命が短くなってしまうからである。ここで、「表面領域の積算残留応力が、その表面領域に含まれるいずれの領域においても−１．５ＧＰａ以上１．５ＧＰａ以下の範囲内にある」とは、たとえば上記の図１を用いて説明すると、表面領域（表面から１μｍの厚みを有する領域）において、積算残留応力が−１．５ＧＰａ未満となったり１．５ＧＰａを超えるポイントが存在しないことをいう。

上記表面領域の積算残留応力は、より好ましくは−１ＧＰａ以上１ＧＰａ以下の範囲内であり、特に好ましくは−０．８ＧＰａ以上０．８ＧＰａ以下の範囲内である。

また、本発明の被覆層は、被覆層全体の積算残留応力が−１ＧＰａ以上０ＧＰａ未満であることが好ましい。優れた耐欠損性を有しつつ、被覆層の形成時に破壊されず切削加工時にも破壊されないという特性を効果的に発現することができるからである。ここで、「被覆層全体の積算残留応力が−１ＧＰａ以上０ＧＰａ未満である」とは、被覆層全体の残留応力の平均値が−１ＧＰａ以上０ＧＰａ未満であることをいう。このような被覆層全体の積算残留応力は、より好ましくは−０．８ＧＰａ以上０ＧＰａ未満であり、さらに好ましくは−０．７ＧＰａ以上０ＧＰａ未満である。このように被覆層全体の積算残留応力を小さな（その応力値の絶対値が小さくなるような）圧縮残留応力とすることにより、１０μｍ以上という厚膜化によって基材から剥離しやすくなった被覆層の耐剥離性を向上させることができるばかりではなく、圧縮破壊と引張り破壊の両破壊形態に対する耐性を向上させることができるため、工具寿命を延長させる効果が顕著となる。

このような本発明の積算残留応力は、ｓｉｎ²ψ法という方法で測定することができる。Ｘ線を用いたｓｉｎ²ψ法は、多結晶材料の残留応力の測定方法として広く用いられている。この測定方法は、「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頁に詳細に説明されているが、本発明ではまず並傾法と側傾法とを組み合せてＸ線の侵入深さを固定し、測定する応力方向と測定位置に立てた試料表面法線を含む面内で種々のψ方向に対する回折角度２θを測定して２θ−ｓｉｎ²ψ線図を作成し、その勾配からその深さ（被覆層の表面からの距離）までの残留応力の平均値を求めることができる。

より具体的には、Ｘ線源からのＸ線を試料に所定角度で入射させ、試料で回折したＸ線をＸ線検出器で検出し、該検出値に基づいて内部応力を測定するＸ線応力測定方法において、試料の任意箇所の試料表面に対して任意の設定角度でＸ線源よりＸ線を入射させ、試料上のＸ線照射点を通り試料表面で入射Ｘ線と直角なω軸と、試料台と平行でω軸を回転させた時に入射Ｘ線と一致するχ軸を中心に試料を回転させるときに、試料表面と入射Ｘ線とのなす角が一定となるように試料を回転させながら、回折面の法線と試料面の法線とのなす角度ψを変化させて回折線を測定することによって、試料内部の残留応力を求めることができる。

なお、上記で用いるＸ線源としては、Ｘ線源の質（高輝度、高平行性、波長可変性等）の点で、シンクロトロン放射光（ＳＲ）を用いることが好ましい。

なおまた、上記のように残留応力を２θ−ｓｉｎ²ψ線図から求めるためには、被覆層のヤング率とポアソン比が必要となる。しかし、該ヤング率はダイナミック硬度計等を用いて測定することができ、ポアソン比は材料によって大きく変化しないため０．２前後の値を用いればよい。

＜被覆層の組成＞
本発明の表面被覆切削工具の基材上に形成される被覆層は、１以上の層を含むものである。すなわち、当該被覆層は、単一組成の１層のみから構成されていてもよいし、互いに組成の異なる２以上の層によって構成されていてもよい。当該被覆層が２以上の層によって構成される場合は、上記で説明した表面領域とそれ以外の領域との界面において層の組成が異なっていてもよいし、同一であってもよい。また、同様に上記で説明した第１領域と第２領域との界面においても、その層の組成は異なっていてもよいし、同一であってもよい。このように、本発明においては、積算残留応力の強度分布と組成の分布とは、相関してもよいし、相関しなくてもよい。なお、本発明の被覆層は、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をも含む。

このような被覆層は、工具の耐摩耗性、耐酸化性、靭性、使用済み刃先部の識別のための色付性等の諸特性を向上させる作用を付与するために形成されるものであり、その組成は特に限定されるものではなく従来公知のものを採用することができる。たとえば、元素周期律表のＩＶａ族元素（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等）、Ｖａ族元素（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ等）、ＶＩａ族元素（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｂ（ホウ素）、およびＳｉ（シリコン）からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素の炭化物、窒化物、酸化物、炭窒化物、炭酸化物、窒酸化物、炭窒酸化物またはこれらの固溶体により構成されるものをその組成として例示することができる。窒素を含有すると靭性に優れ、厚膜化しても被覆層が破壊しにくいため好ましい。炭窒化物は耐クレータ性に優れるため好ましく、酸化物は耐酸化性と耐溶着性に優れるため好ましい。なお、上記少なくとも１種の元素のみからなるものをその組成とすることもできる。

そして、上記組成中、特に好ましくは、構成成分として少なくともＴｉを含む窒化物、炭窒化物、窒酸化物、および炭窒酸化物のいずれかの化合物を挙げることができる。すなわち、本発明の被覆層のうち少なくとも一層は、構成成分として少なくともＴｉを含む窒化物、炭窒化物、窒酸化物、および炭窒酸化物のいずれかの化合物によって構成されることが好ましい。当該化合物は、鋼に対する耐溶着性および耐摩耗性に特に優れるためである。

当該化合物としては、たとえば、Ｔｉ、（Ｔｉ_1-xＡｌ_x）、（Ｔｉ_1-xＣｒ_x）、（Ｔｉ_1-xＭｏ_x）、（Ｔｉ_1-xＺｒ_x）、（Ｔｉ_1-xＳｉ_x）、（Ｔｉ_1-xＨｆ_x）、（Ｔｉ_1-xＮｂ_x）、（Ｔｉ_1-xＷ_x）、または（Ｔｉ_1-x-yＡｌ_xＳｉ_y）の窒化物、炭窒化物、窒酸化物または炭窒酸化物(式中ｘ、ｙは１以下の任意の数)等（これらにさらにＢ、Ｃｒ等を含むものも含む）をその好適な組成として例示することができる。なお、上記において、窒素、酸素、炭素の原子比は特に限定されず、従来公知の原子比をいずれも採用できる。

そのような化合物としてより好ましくは、ＴｉＣＮ、ＴｉＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＴｉＨｆＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＣｒＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＴｉＡｌＳｉＣｒＮ、ＴｉＢＮ、ＴｉＡｌＢＮ、ＴｉＳｉＢＮ、ＴｉＢＣＮ、ＴｉＡｌＢＣＮ、ＴｉＳｉＢＣＮ等を挙げることができる。なお、これらの組成中、各原子比は上記一般式の例に倣うものとする。なお、本発明において、他の化合物の化学式を示す場合において、特に原子比を示さない場合は従来公知の原子比を任意に選択できるものとする。

一方、上記被覆層は、少なくとも一部に超多層構造を含むものとすることが好ましい。ここで、超多層構造とは相異なる性質・組成の２以上の層を数ｎｍ〜数百ｎｍの厚みで１００〜１００００層程度積層したもの（通常上下交互に積層されるもの）をいう。この場合、相異なる複数のターゲットを同時に使用して被覆を行なうため、成膜速度に優れ、相異なる性質・組成の層を組み合わせることで被覆層の硬度や断熱性、耐酸化性などの膜特性が向上するため好ましい。

＜基材と被覆層との界面領域＞
本発明の表面被覆切削工具は、上記基材と上記被覆層との界面領域において、上記被覆層に含まれる結晶粒は、上記基材に含まれるＷＣの結晶粒と整合性を有していることが好ましい。ここで、「基材に含まれるＷＣの結晶粒と整合性を有している」とは、この界面領域において被覆層に含まれる各結晶粒がＷＣの各結晶粒上に柱状晶として形成され、しかもその各柱状晶の幅と各ＷＣの結晶粒の粒径とがほぼ一致している状態をいう。ＷＣの結晶粒の平均粒径は、上記の通り０．３μｍ以上２．５μｍ以下であることが好ましく、これにより被覆層の結晶粒の各柱状晶の幅も０．３μｍ以上２．５μｍ以下となる。

このように基材と被覆層との界面領域において、被覆層に含まれる結晶粒と基材に含まれるＷＣの結晶粒とが整合性を有していることにより、基材と被覆層との密着力が向上し、耐剥離性が必要とされる旋削用途で特に優れた性能を発揮することができる。

＜被覆層の形成方法＞
本発明の被覆層は物理蒸着層であるため、ＰＶＤ法（物理蒸着法）により形成されるが、ＰＶＤ法による限りいずれのＰＶＤ法によっても形成することができ、その形成方法の種類は特に限定されない。

また、被覆層に付与される上記で説明したような積算残留応力は、本発明者の研究によると、被覆層を形成する時の基材温度、および基板バイアス電圧等の影響、さらにはヒーターからの輻射熱の影響などを受けることが判明しており、これらを制御することにより上記のような積算残留応力を付与することができる。

一般的には、基材に対して大きな基板バイアス電圧をかけると、被覆層を構成する元素がイオン状態で基材に対して高エネルギーで供給され、このためこれら両者が衝突するときの衝撃が大きくなり、その結果として形成される被覆層の圧縮応力が大きくなる（負の応力値の絶対値が大きくなる）ものと考えられる。また、逆に基板バイアス電圧が小さい場合は、そのような基材とイオン状態の元素との衝突による衝撃も小さく、このため付与される圧縮応力も小さくなり（負の応力値の絶対値が小さくなり）、あるいは引張応力が付与される場合もあるものと推測される。

また、形成時の基材温度を低くすると、基材とイオン状態の元素との衝突による衝撃により導入された圧縮応力の熱によるアニールが起こりにくくなり、その結果として形成される被覆層の圧縮応力が大きくなる（負の応力値の絶対値が大きくなる）ものと考えられる。また、逆に形成時の基材温度が高い場合や形成後のヒーター温度が高い場合は、基材とイオン状態の元素との衝突による衝撃により導入された圧縮応力が熱によりアニールされる結果となり、このため圧縮応力も小さくなり（負の応力値の絶対値が小さくなり）、あるいは引張応力が付与される場合もあるものと推測される。

そして、特に被覆層の表面領域を形成するに際しては、たとえば圧縮応力が導入可能な基板（基材）バイアス電圧で被覆層を形成した後、最後の１μｍ（すなわちこれが表面領域となる）を被覆する工程中において、一旦基材温度を被覆層に引張応力が導入可能な温度まで引き上げた後、続いてその基材温度を被覆層に圧縮応力が導入可能な温度まで冷却したり、バイアス電圧を小さくして成膜する方法などを採用することにより所望の第１領域と所望の第２領域とを形成できる。

また、被覆層の表面領域を形成する際に基板バイアス電圧、基材温度、およびヒーターのＯＮ／ＯＦＦを制御し、圧縮応力の導入と熱による圧縮応力のアニールとのバランスをとることにより、１．５ＧＰａより大きな引張応力と−１．５ＧＰａより大きな（その応力値の絶対値が大きな）圧縮応力とが導入されないようにすることにより、表面領域に含まれるいずれの領域においてもその積算残留応力を−１．５ＧＰａ以上１．５ＧＰａ以下の範囲内のものとすることができる。

また、同様に基板バイアス電圧、基材温度、およびヒーターのＯＮ／ＯＦＦを制御することにより、被覆層全体の積算残留応力を−１ＧＰａ以上０ＧＰａ未満のものとすることができる。

また、被覆層形成前のボンバード処理は、基材と被覆層との界面領域における、被覆層に含まれる結晶粒と基材に含まれるＷＣの結晶粒との整合性を高めるのに重要な工程である。具体的には、アルゴンガスの導入後基板バイアス電圧を−１５００Ｖに維持し、Ｗフィラメントによる熱電子を放出させながら超硬合金基材の表面をボンバード処理した後、被覆層を形成することにより、基材と被覆層との界面領域において、被覆層に含まれる結晶粒と基材に含まれるＷＣの結晶粒とが整合性を有してたものとすることができる。

これは、ボンバード処理により界面領域のＷＣの結晶粒の表面の汚れや酸化層を除去できるとともに、ＷＣの結晶粒の表面の活性度が高まることにより、被覆層の結晶粒がＷＣの結晶粒と整合性をもって成長するためではないかと考えられる。このように被覆層に含まれる結晶粒と基材に含まれるＷＣの結晶粒との整合性が高まることにより、被覆層とＷＣの結晶粒（すなわち基材）との結合力が強固なものとなって優れた耐剥離性を実現できる。

＜実施例＞
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。なお、実施例中の被覆層の化合物組成はＸＰＳ（Ｘ線光電子分光分析装置）によって確認した。また残留応力および厚み（または被覆層表面からの距離）は、上述のｓｉｎ²ψ法により測定した。

ｓｉｎ²ψ法による測定において、使用したＸ線のエネルギーは１０ｋｅＶであり、回折ピークはＴｉ_0.5Ａｌ_0.5Ｎの（２００）面とした。そして、測定した回折ピーク位置をガウス関数のフィッティングにより決定し、２θ−ｓｉｎ²ψ線図の傾きを求め、ヤング率としてはダイナミック硬度計（ＭＴＳ社製ナノインデンター）を用いて求めた値を採用し、ポアソン比にはＴｉＮ（０．１９）の値を用いて応力値とした。

なお、以下では被覆層をカソードアークイオンプレーティング法により形成しているが、例えばバランスドまたはアンバランスドスパッタリング法によっても被覆層を形成することは可能である。

＜実施例１〜６および比較例１〜４＞
以下の実施例１〜６では、被覆層として単一組成の層を形成しているが、これらの実施例で用いた組成以外の組成のものや組成が異なる２以上の層を被覆層として形成したもの、あるいは被覆層が少なくとも一部に超多層構造を含むものについても同様の効果を得ることができる。

＜表面被覆切削工具の作製＞
まず、表面被覆切削工具の基材として、以下の表１に示す材質と工具形状（後述の各特性の評価方法毎に準備した）を有する切削用刃先交換型チップ（基材Ｎｏ．１およびＮｏ．２）を用意し、これをそれぞれカソードアークイオンプレーティング装置に装着した。なお、各基材は、超硬合金からなるものであって、ＷＣの結晶粒を含み、この結晶粒の平均粒径（基材表面（被覆層との界面部分）のもの）は、表１記載の通りであった。

続いて、真空ポンプにより該装置のチャンバー内を減圧するとともに、該装置内に設置されたヒーターにより上記基材の温度を４５０℃に加熱し、チャンバー内の圧力が１．０×１０^-4Ｐａとなるまで真空引きを行なった。

次に、アルゴンガスを導入してチャンバー内の圧力を３．０Ｐａに保持し、上記基材の基板バイアス電源の電圧を徐々に上げながら−１５００Ｖとし、Ｗフィラメントを加熱して熱電子を放出させながら基材の表面のクリーニングを１５分間行なった。その後、アルゴンガスを排気した。

次いで、上記基材上に直接接するように形成される被覆層としてＴｉ_0.5Ａｌ_0.5Ｎが１５μｍの厚みで形成されるように、予めセットしておいた金属蒸発源である合金製ターゲットを用いて、反応ガスとして窒素ガスを導入させながら、反応ガス圧４．０Ｐａとし、基板バイアス電圧および基材温度を以下の表２のように変化させることにより、カソード電極に１００Ａのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源から金属イオンを発生させることにより、以下の表３に示す積算残留応力の強度分布を有する実施例１〜６および比較例１〜４の表面被覆切削工具を作製した。

なお、比較例１の表面被覆切削工具は、積算残留応力の強度分布はなく被覆層の全領域に亘って−３．０ＧＰａという一定の圧縮応力を有するように調整した。同じく比較例２の表面被覆切削工具も積算残留応力の強度分布はなく被覆層の全領域に亘って１．０ＧＰａという一定の引張応力を有するように調整した。また、比較例３と４の表面被覆切削工具は、被覆層の表面領域において−１．５ＧＰａ以上１．５ＧＰａ以下の範囲を超える積算残留応力を有するように調整した。

なお、上記の表において記載されている時間は、合金製ターゲットにより金属イオンの蒸発を開始してからの経過時間を示している。また、各欄に示されている電圧の数値は、上記の経過時間に対応する基板（基材）のバイアス電圧を示しており、たとえば「−３０Ｖ〜−５０Ｖ」というような範囲をもって記載されている場合は、その経過時間において基板バイアス電圧を−３０Ｖから徐々に−５０Ｖまで一定速度で増大（絶対値を増大）させたことを示しており、この場合被覆層の積算残留応力は被覆層の表面方向にかけて徐々に減少することとなる。一方、「−５０Ｖ〜−３０Ｖ」というような範囲をもって記載されている場合は、その経過時間において基板バイアス電圧を−５０Ｖから徐々に−３０Ｖまで一定速度で減少（絶対値を減少）させたことを示しており、この場合被覆層の積算残留応力は被覆層の表面方向にかけて徐々に増加することとなる。また、各欄に示されている温度の数値は、上記の経過時間に対応する基材温度を示しており、たとえば「５００℃〜６００℃」というような範囲をもって記載されている場合は、その経過時間において温度を５００℃から徐々に６００℃まで一定速度で増大させたことを示しており、この場合被覆層の積算残留応力は被覆層の表面方向にかけて徐々に増加することとなる。一方、「６７５℃〜６５０℃」というような範囲をもって記載されている場合は、その経過時間において温度を６７５℃から徐々に６５０℃まで一定速度で減少させたことを示しており、この場合被覆層の積算残留応力は被覆層の表面方向にかけて徐々に減少することとなる。そして、電圧の変化および温度の変化が増大から減少に転じる点、ならびに電圧の変化および温度の変化が減少から増大に転じる点において、それぞれ積算残留応力の極大点ならびに極小点が形成されることになる。

このように基板バイアス電圧および温度を経過時間との関係で変化させることにより、被覆層中の積算残留応力を変化させる（強度分布を形成させる）ことができる。また、基材温度を高温化したり、基板バイアス電圧を０Ｖに近づけたり、−２００Ｖよりも小さくしたりすることにより、被覆層中の残留応力は大きくなる傾向にある。具体的には、基材温度を６５０℃以上としたり、基板バイアス電圧を−５０Ｖよりも大きくしたり、あるいは−４００Ｖよりも小さくしたり、またあるいはこれらの条件を組み合わせたりすることで引張応力を発生させることが可能となる。

なお、上記表３において表面、ポイントＡ、ポイントＢの積算残留応力の欄に記載されている数値は、それぞれ被覆層の表面（最表面（厚みが０μｍの地点）の応力は測定できないため、厚み０．０３μｍの地点を便宜的に表面とした）、図１に示したポイントＡに相当するポイント（すなわち積算残留応力の極大点）、および図１に示したポイントＢに相当するポイント（表面領域の最深部）における積算残留応力を示している。また、Ｚ₁およびＺ₂（積算残留応力が０になる地点で、Ｚ₁は被覆層の表面側から見て表面側の圧縮応力が引張応力に変化する地点を表わし、Ｚ₂は同じく表面側から見て表面側の引張応力が圧縮応力に変化する地点を表わす）の欄に記載されている数値は、被覆層表面からの距離をそれぞれ示している（すなわち図１におけるＺ₁およびＺ₂に相当する地点を示している）。なお、Ｚ₁、Ｚ₂の欄が空欄となっているものは、該当するポイントが存在しないことを示す。たとえば実施例１〜３のようにＺ₁が空欄のものは、被覆層の表面からポイントＡまで実質的に積算残留応力が一定であることを示している。

また、被覆層全体の積算残留応力の欄に記載されている数値は、被覆層全体の積算残留応力を示している。

このようにして、実施例１〜６の本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材上に形成される被覆層とを含むものであって、該被覆層は、１０μｍ以上の厚みを有する物理蒸着層であり、該被覆層の表面から１μｍの厚みを有する表面領域は、積算残留応力が圧縮応力となる第１領域と積算残留応力が引張応力となる第２領域とを有し、該表面領域の積算残留応力は、その表面領域に含まれるいずれの領域においても−１．５ＧＰａ以上１．５ＧＰａ以下の範囲内にあるものである。また、これらの実施例の表面被覆切削工具は、基材と被覆層との界面領域において、被覆層に含まれる結晶粒と基材に含まれるＷＣの結晶粒とが整合性を有していることを確認した。

このようにして作製された実施例１〜６の本発明の表面被覆切削工具は、被覆層形成時に被覆層が破壊することはなかったのに対し、比較例１および２の表面被覆切削工具は、被覆層形成時において被覆層が一部破壊していることが確認された。

＜表面被覆切削工具の耐摩耗性の評価＞
上記で作製した実施例１〜６および比較例１〜４の表面被覆切削工具のそれぞれについて、上記の表１に示す条件による湿式（切削油剤（水溶性エマルジョン）使用）の連続切削を行なうことにより耐摩耗性の評価を行なった。該評価は、刃先の逃げ面摩耗幅が０．２ｍｍを超える時間を切削時間として測定することにより行なった。

表面被覆切削工具の耐摩耗性の評価結果として上記で測定した切削時間を下記表４に示す。切削時間が長いもの程耐摩耗性が優れていることを示している。また、連続切削において、被削材の仕上げ面の光沢の有無についても観察し、その観察結果を同じく表４に示す。この場合、「光沢あり」とは被削材の仕上げ面が光沢を有することを示し、「白濁」とは被削材の仕上げ面が光沢を有さず白濁したことを示す。

表４から明らかなように、実施例１〜６の本発明に係る表面被覆切削工具は、比較例１〜４の表面被覆切削工具に比し、さらに耐摩耗性が向上するとともに仕上げ面に光沢を得ることができることから膜チッピング（切削加工時の被覆層の破壊）に対する耐性にも優れ、かつ表面被覆切削工具の寿命がさらに向上していることを確認した。

＜表面被覆切削工具の耐欠損性の評価＞
上記で作製した実施例１〜６および比較例１〜４の表面被覆切削工具のそれぞれについて、以下に示す条件で耐欠損性の評価試験を行なった。

すなわち、切削条件は、上記の表１に示したようにＳＣＭ４３５の素材に４つのスリットを設けた丸棒（長さ５００ｍｍ×直径２００ｍｍ）を被削材として用い、切削速度１００ｍ／ｍｉｎ、切り込み２．０ｍｍ、切削時間３０秒毎に送り量を０．２０ｍｍ／ｒｅｖから０．０５ｍｍ／ｒｅｖずつ上げる条件で、乾式旋削を行ない、欠損が生じる最大送りを測定した。

表面被覆切削工具の耐欠損性の評価結果として上記で測定した最大送りを下記表４に示す。最大送り量が大きくなる程耐欠損性が優れていることを示している。

表４から明らかなように、実施例１〜６の本発明に係る表面被覆切削工具は、比較例１〜４の表面被覆切削工具に比し、さらに耐欠損性が向上していることを確認した。

＜実施例７〜１２および比較例５〜１０＞
表面被覆切削工具の基材として、組成がＷＣ−２ＴａＣ−０．７Ｃｒ₃Ｃ₂−７Ｃｏ（数字はｗｔ％を示し、残部がＷＣで占められることを示す）であり、ＷＣの結晶粒の粒径が互いに異なる二種類の超硬合金基材（ＷＣの結晶粒の平均粒径が１．２μｍのもの：実施例７、９、１１で使用、同平均粒径が３．５μｍのもの：実施例８、１０、１２で使用）を準備した（後述の各特性の評価方法毎に各１個ずつ準備した）。なお、各基材の形状は表１に記載の形状と同じ工具形状の切削用刃先交換型チップとして準備した。そして、これらの基材をそれぞれカソードアークイオンプレーティング装置に装着した。

続いて、真空ポンプにより該装置のチャンバー内を減圧するとともに、該装置内に設置されたヒーターにより上記基材の温度を４５０℃に加熱し、チャンバー内の圧力が１．０×１０^-4Ｐａとなるまで真空引きを行なった。その後、アルゴンガスを導入してチャンバー内の圧力を３．０Ｐａに保持し、上記基材の基板バイアス電源の電圧を徐々に上げながら−１５００Ｖとし、Ｗフィラメントを加熱して熱電子を放出させながら、基材の表面クリーニングを１５分間行なった。その後、アルゴンガスを排気した。

次いで、上記基材に直接接するように形成される被覆層として、Ｔｉ_0.95Ｈｆ_0.05ＮとＡｌ_0.7Ｃｒ_0.3Ｎとが各層の厚みを１０ｎｍとして上下交互に積層した超多層構造層（Ｔｉ_0.95Ｈｆ_0.05Ｎが基材上に形成されるようにした）上にさらに厚み５．５μｍのＴｉ_0.95Ｈｆ_0.05ＣＮからなる最表面層を形成した。超多層構造層の厚みは、実施例７と８が５μｍ、実施例９と１０が１０μｍ、実施例１１と１２が１５μｍとした。なお、このような被覆層は次のようにして作製した。

すなわち、金属蒸発源である合金製ターゲットをセットするとともに、反応ガスとして窒素およびメタンガス（ただしメタンガスは最表面層形成時のみ導入した）を導入させながら、反応ガス圧を４．０Ｐａとし、基板バイアス電圧および基材温度を以下の表５（表５中、経過時間が「開始〜」となっている欄が超多層構造層の形成条件である）のように変化させることにより、カソード電極に１００Ａのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源から金属イオンを発生させることにより、以下の表６に示す積算残留応力の強度分布を有する実施例７〜１２の表面被覆切削工具を作製した。

さらに、比較のため、組成がＷＣ−２ＴａＣ−０．７Ｃｒ₃Ｃ₂−７Ｃｏ（数字はｗｔ％を示し、残部がＷＣで占められることを示す）であり、ＷＣの結晶粒の粒径が互いに異なる二種類の超硬合金基材（ＷＣの結晶粒の平均粒径が１．２μｍのもの：比較例５、７、９で使用、同平均粒径が３．５μｍのもの：比較例６、８、１０で使用）を基材として準備し（後述の各特性の評価方法毎に各１個ずつ準備した）、この基材に対して公知の化学蒸着法により、最表面層がアルミナ５．５μｍであり、下層がＴｉＣＮである被覆層を形成することにより比較例５〜１０の表面被覆切削工具を作製した。なお、下層ＴｉＣＮの厚みは、比較例５と６が５μｍ、比較例７と８が１０μｍ、比較例９と１０が１５μｍとした。

なお、表５および表６中の表記は、表２および表３の表記と同様の内容を示すものとする。表６において、実施例７〜１２の表面被覆切削工具は、図１におけるＺ₁に相当するポイントおよびポイントＡに相当するポイントを有しておらず、表面からＺ₂に相当するポイントまでが第２領域となり、同Ｚ₂からポイントＢに相当するポイントまでが第１領域となっていることを示している。

したがって、実施例７〜１２の本発明の表面被覆切削工具は、基材と該基材上に形成される被覆層とを含むものであって、該被覆層は１０μｍ以上の厚みを有する物理蒸着層であり、該被覆層の表面から１μｍの厚みを有する表面領域は、積算残留応力が圧縮応力となる第１領域と積算残留応力が引張応力となる第２領域とを有し、該表面領域の積算残留応力はその表面領域に含まれるいずれの領域においても−１．５ＧＰａ以上１．５ＧＰａ以下の範囲内にあるものである。また、これらの実施例の表面被覆切削工具は、基材と被覆層との界面領域において、被覆層に含まれる結晶粒と基材に含まれるＷＣの結晶粒とが整合性を有していることを確認した。

そして、上記で作製した実施例７〜１２および比較例５〜１０の表面被覆切削工具のそれぞれについて、上記の表１に示す条件と同条件により耐摩耗性の評価と耐欠損性の評価を行なった。その結果を表７に示す。

表７から明らかなように、耐摩耗性の評価（連続切削試験）においても耐欠損性の評価（断続切削試験）においても、ＷＣの結晶粒の平均粒径が１．２μｍである実施例７、９、１１の表面被覆切削工具は、ＷＣの結晶粒の平均粒径が３．５μｍである実施例８、１０、１２の表面被覆切削工具に比し、耐摩耗性、耐欠損性がともに優れていることを確認した。

また、実施例１１、１２の表面被覆切削工具（被覆層の合計厚みが２０．５μｍ）は実施例９、１０の表面被覆切削工具（被覆層の合計厚みが１５．５μｍ）よりも優れた耐摩耗性を有し、また、実施例９、１０の表面被覆切削工具（被覆層の合計厚みが１５．５μｍ）は実施例７、８の表面被覆切削工具（被覆層の合計厚みが１０．５μｍ）よりも優れた耐摩耗性を有していた。しかし、いずれの実施例の表面被覆切削工具も、比較例５〜１０の表面被覆切削工具よりも優れた耐摩耗性と耐欠損性を有していることを確認した。特に被覆層の合計厚みが１５．５μｍおよび２０．５μｍの実施例９〜１２の表面被覆切削工具は、同一の被覆層の厚みを有する比較例の表面被覆切削工具と比較して特に優れた耐摩耗性と耐欠損性を有していることを確認した。

＜実施例１３〜１５および比較例１１＞
＜表面被覆切削工具の作製＞
まず、表面被覆切削工具の基材として、上記の表１に示す材質と工具形状（後述の各特性の評価方法毎に準備した）を有する切削用刃先交換型チップ（基材Ｎｏ．１およびＮｏ．２）を用意し、これをそれぞれカソードアークイオンプレーティング装置に装着した。なお、各基材は、超硬合金からなるものであって、ＷＣの結晶粒を含み、この結晶粒の平均粒径（基材表面（被覆層との界面部分）のもの）は、表１記載の通りであった。

続いて、真空ポンプにより該装置のチャンバー内を減圧するとともに、該装置内に設置されたヒーターにより上記基材の温度を４５０℃に加熱し、チャンバー内の圧力が１．０×１０^-4Ｐａとなるまで真空引きを行なった。

次に、アルゴンガスを導入してチャンバー内の圧力を３．０Ｐａに保持し、上記基材の基板バイアス電源の電圧を徐々に上げながら−１５００Ｖとし、Ｗフィラメントを加熱して熱電子を放出させながら基材の表面のクリーニングを１５分間行なった。その後、アルゴンガスを排気した。

次いで、上記基材に直接接するように形成される被覆層としてＴｉ_0.5Ａｌ_0.5Ｎ層が１０μｍの厚みで形成されるように、予めセットしておいた金属蒸発源である合金製ターゲットを用いて、反応ガスとして窒素ガスを導入させながら、成膜圧力４．０Ｐａ、基板バイアス電圧−３０Ｖおよび基板温度５５０℃とすることにより、カソード電極に１５０Ａのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源からチタンとアルミの金属イオンを発生させ、基板上にＴｉ_0.5Ａｌ_0.5Ｎ層を形成した。

次に、このＴｉ_0.5Ａｌ_0.5Ｎ層上に、予めセットしておいたチタン金属のアーク蒸発源を用いて、同じく被覆層であるＴｉＣ_0.2Ｎ_0.8層を５μｍの膜厚で形成した。反応ガスとしてメタンと窒素をメタン：窒素＝１：４の割合で導入し、成膜圧力を４．０Ｐａとし、表８のように基板バイアス電圧および基板温度を変化させることにより、カソード電極に１８０Ａのアーク電流を供給し、アーク式蒸着源からチタンの金属イオンを発生させ、先に形成したＴｉ_0.5Ａｌ_0.5Ｎ層上にＴｉＣ_0.2Ｎ_0.8層を形成した。なお、当該ＴｉＣ_0.2Ｎ_0.8層を形成するに際しては、Ｔｉ_0.5Ａｌ_0.5Ｎ層を形成した後、基材を一旦真空炉から取り出してもよいし、同一真空炉中で連続して形成してもよい。

以上の成膜操作により表９に示す積算残留応力の強度分布を有する実施例１３〜１５および比較例１１の表面被覆切削工具を作製した。比較例１１の表面被覆切削工具は、その被覆層において積算残留応力の強度分布を示さず、０．５ＧＰａである一定の引張応力を示した。なお、表９に記載の積算残留応力の強度分布は、ＴｉＣ_0.2Ｎ_0.8層に関するものである（したがって「全体の積算残留応力」もＴｉＣ_0.2Ｎ_0.8層全体の積算残留応力を示す）。実施例１５において基板バイアス電圧を−４００Ｖから−６００Ｖへと増大（絶対値が増大）させている。ＴｉＣ_0.2Ｎ_0.8層の積算残留応力は、基板バイアス電圧を０から−２００Ｖまで増大（絶対値が増大）させていくと、圧縮応力側へ増大する。更にその基板バイアス電圧を−２００Ｖ以上に増大（絶対値が増大）させていくと、圧縮応力が減少していき、引張応力側へ増大していく。このように実施例１５では、基板バイアス電圧の絶対値を増大させることで引張応力を付与したものである。

なお、表８および表９中の表記は、表２および表３中の表記と同様の内容を示す。
このようにして、実施例１３〜１５の本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材上に形成される被覆層とを含むものであって、該被覆層は、１０μｍ以上の厚みを有する物理蒸着層であり、該被覆層の表面から１μｍの厚みを有する表面領域は、積算残留応力が圧縮応力となる第１領域と積算残留応力が引張応力となる第２領域とを有し、該表面領域の積算残留応力は、その表面領域に含まれるいずれの領域においても−１．５ＧＰａ以上１．５ＧＰａ以下の範囲内にあるものである。また、これらの実施例の表面被覆切削工具は、基材と被覆層との界面領域において、被覆層に含まれる結晶粒と基材に含まれるＷＣの結晶粒とが整合性を有していることを確認した。

そして、上記で作製した実施例１３〜１５および比較例１１の表面被覆切削工具のそれぞれについて、上記の表１に示す条件と同条件により上記と同様の耐摩耗性の評価と耐欠損性の評価を行なった。その結果を表１０に示す。なお、表１０中における表記は、表４中における表記と同様の内容を示す。

表１０から明らかなように、実施例１３〜１５の本発明に係る表面被覆切削工具は、比較例１１の表面被覆切削工具に比し、さらに耐摩耗性が向上するとともに仕上げ面に光沢を得ることができることから膜チッピング（切削加工時の被覆層の破壊）に対する耐性にも優れ、かつ表面被覆切削工具の寿命がさらに向上していることを確認した。また、同じく表１０から明らかなように、実施例１３〜１５の本発明に係る表面被覆切削工具は、比較例１１の表面被覆切削工具に比し、さらに耐欠損性が向上していることを確認した。

＜実施例１６〜２０および比較例１２〜１６＞
＜表面被覆切削工具の作製＞
まず、表面被覆切削工具の基材として、上記の表１に示す材質と工具形状（後述の各特性の評価方法毎に準備した）を有する切削用刃先交換型チップ（基材Ｎｏ．１およびＮｏ．２）を用意し、これをそれぞれカソードアークイオンプレーティング装置に装着した。なお、各基材は、超硬合金からなるものであって、ＷＣの結晶粒を含み、この結晶粒の平均粒径（基材表面（被覆層との界面部分）のもの）は、表１記載の通りであった。

続いて、真空ポンプにより該装置のチャンバー内を減圧するとともに、該装置内に設置されたヒーターにより上記基材の温度を４５０℃に加熱し、チャンバー内の圧力が１．０×１０^-4Ｐａとなるまで真空引きを行なった。

次に、アルゴンガスを導入してチャンバー内の圧力を３．０Ｐａに保持し、上記基材の基板バイアス電源の電圧を徐々に上げながら−１５００Ｖとし、Ｗフィラメントを加熱して熱電子を放出させながら基材の表面のクリーニングを１５分間行なった。その後、アルゴンガスを排気した。

次いで、上記基材に直接接するように形成される被覆層としてＴｉ_0.9Ｔａ_0.1Ｎ層、Ｔｉ_0.95Ｈｆ_0.05Ｎ層、Ｔｉ_0.95Ｎｂ_0.05Ｎ層、Ｔｉ_0.93Ｓｉ_0.07Ｎ層、ＴｉＮ層がそれぞれ１３μｍの厚みで形成されるように、予めセットしておいた金属蒸発源である合金製ターゲットを用いて、圧力４．０Ｐａで反応ガスとして窒素ガスを導入させながら、基板バイアス電圧および基板温度を表１１のように変化させ、実施例１６〜２０の表面被覆切削工具を作製した。一方、成膜圧力を５Ｐａとし、基板バイアス電圧および基板温度を一定として比較例１２〜１６の表面被覆切削工具を作製した。なお、実施例および比較例ともにカソード電極に１２０Ａのアーク電流を供給し、アーク式蒸発源から金属イオンを発生させた。

これらの実施例および比較例の表面被覆切削工具は、表１２に示す積算残留応力の強度分布を有するものであった。

なお、表１１および表１２中の表記は、表２および表３中の表記と同様の内容を示す。ただし、表１１における「膜種」とは、上記で形成された被覆層を構成する化合物の種類を示す。

このようにして、実施例１６〜２０の本発明の表面被覆切削工具は、基材と、該基材上に形成される被覆層とを含むものであって、該被覆層は、１０μｍ以上の厚みを有する物理蒸着層であり、該被覆層の表面から１μｍの厚みを有する表面領域は、積算残留応力が圧縮応力となる第１領域と積算残留応力が引張応力となる第２領域とを有し、該表面領域の積算残留応力は、その表面領域に含まれるいずれの領域においても−１．５ＧＰａ以上１．５ＧＰａ以下の範囲内にあるものである。また、これらの実施例の表面被覆切削工具は、基材と被覆層との界面領域において、被覆層に含まれる結晶粒と基材に含まれるＷＣの結晶粒とが整合性を有していることを確認した。

そして、上記で作製した実施例１６〜２０および比較例１２〜１６の表面被覆切削工具のそれぞれについて、上記の表１に示す条件と同条件により上記と同様の耐摩耗性の評価と耐欠損性の評価を行なった。その結果を表１３に示す。なお、表１３中における表記は、表４中における表記と同様の内容を示す。

表１３から明らかなように、実施例１６〜２０の本発明に係る表面被覆切削工具は、比較例１２〜１６の表面被覆切削工具に比し、さらに耐摩耗性が向上するとともに仕上げ面に光沢を得ることができることから膜チッピング（切削加工時の被覆層の破壊）に対する耐性にも優れ、かつ表面被覆切削工具の寿命がさらに向上していることを確認した。また、同じく表１３から明らかなように、実施例１６〜２０の本発明に係る表面被覆切削工具は、比較例１２〜１６の表面被覆切削工具に比し、さらに耐欠損性が向上していることを確認した。

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。

Claims (10)

1. 基材と、該基材上に形成される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、１０μｍ以上の厚みを有する物理蒸着層であり、
   前記被覆層の表面から１μｍの厚みを有する表面領域は、積算残留応力が圧縮応力となる第１領域と積算残留応力が引張応力となる第２領域とを有し、
   前記表面領域の積算残留応力は、その表面領域に含まれるいずれの領域においても−１．５ＧＰａ以上１．５ＧＰａ以下の範囲内にある表面被覆切削工具。
2. 前記被覆層全体の積算残留応力は、−１ＧＰａ以上０ＧＰａ未満である請求の範囲１に記載の表面被覆切削工具。
3. 前記第２領域の積算残留応力は、１ＧＰａ以下である請求の範囲１に記載の表面被覆切削工具。
4. 前記被覆層は、１５μｍ以上の厚みを有する請求の範囲１に記載の表面被覆切削工具。
5. 前記被覆層は、２０μｍ以上の厚みを有する請求の範囲１に記載の表面被覆切削工具。
6. 前記被覆層は、１以上の層を含み、
   そのうち少なくとも一層は、構成成分として少なくともＴｉを含む窒化物、炭窒化物、窒酸化物、および炭窒酸化物のいずれかの化合物によって構成される請求の範囲１に記載の表面被覆切削工具。
7. 前記被覆層は、少なくとも一部に超多層構造を含む請求の範囲１に記載の表面被覆切削工具。
8. 前記基材は、超硬合金からなり、
   前記超硬合金は、ＷＣの結晶粒を含み、
   前記結晶粒の平均粒径は、０．３μｍ以上２．５μｍ以下である請求の範囲１に記載の表面被覆切削工具。
9. 前記基材と前記被覆層との界面領域において、前記被覆層に含まれる結晶粒は、前記基材に含まれるＷＣの結晶粒と整合性を有している請求の範囲８に記載の表面被覆切削工具。
10. 前記表面被覆切削工具は、旋削用に用いられる請求の範囲１に記載の表面被覆切削工具。

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