JP7081466B2

JP7081466B2 - 穴あけ加工用被覆切削工具

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Publication number: JP7081466B2
Application number: JP2018226342A
Authority: JP
Inventors: 隆雄片桐
Original assignee: Tungaloy Corp
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 2018-12-03
Filing date: 2018-12-03
Publication date: 2022-06-07
Anticipated expiration: 2038-12-03
Also published as: JP2020089923A

Description

本発明は、穴あけ加工用被覆切削工具に関する。

近年、刃先交換式の穴あけ加工用切削工具の市場は目覚ましいスピードで成長している。各社がこぞってソリッド式、インサート式及び刃先交換式の全てを網羅した製品ラインナップを揃えるようになっていることからも、その市場規模の大きさを窺い知ることができる。刃先交換式の穴あけ加工用切削工具のメリットは、工具費の削減だけでなく、刃先形状の自由度の高さにある。それは同時に、様々な刃先形状、つまりは加工用途に応じて最適な刃先（以下、「ドリルヘッド」とも記す）用材種が求められることを意味する。従来、切削工具の表面を覆う被膜としては、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ系の多層被膜が一般的であるが、最近は、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎに、Ｓｉ若しくはＣｒとＳｉとを両方加えた多層被膜が適用される傾向が見られる。

例えば、特許文献１では、基材上に第１被覆層と第２被覆層とを交互に積層した層を含み、第１被覆層がＡｌＣｒＮとＡｌＴｉＮとの交互積層、第２被覆層がＴｉＳｉＮとＴｉＣｒＮとの交互積層である表面被覆切削工具が、低炭素鋼ミリング加工において耐摩耗性と耐チッピング性とに優れることが示されている。

特許第５２５７７５０号公報

近年の被削材料の難削化や要求される切削条件の過酷化により、穴あけ加工用切削工具には、摩耗しないこと（高硬度）と、欠けないこと（高靭性）と、の相反する２つの特性を両立することが求められるようになっている。特許文献１の切削工具では、第２被覆層にＴｉＳｉＮ層を加えたことによって被膜の高硬度化を実現している。これは非常に有効な手段で、実際に低炭素鋼のミリング加工において耐摩耗性の向上が観測されているが、一般的に硬い材料ほど靭性は低下する傾向がある。このため、不安定な加工において、特許文献１の切削工具では、耐欠損性が十分ではない場合がある。特許文献１の切削工具に示されている優れた耐チッピング性能は、被膜の高い残留圧縮性応力（－３．７～－６．５ＧＰａ）によるところが大きいと推測される。

特許文献１に記載のものを始めとする従来の穴あけ加工用切削工具では、鋭利な刃先を持つ切削工具に高い圧縮性応力をもつ被膜を適用している。このような切削工具では、刃先への応力集中により被膜が基材から剥離するため、被膜が本来持つ性能を十分に発揮することが困難である。そのため、特許文献１の切削工具における被膜をそのまま穴あけ加工用切削工具へ適用することは容易でない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、耐摩耗性及び耐欠損性に優れ、その結果、長期間にわたり加工することができる穴あけ加工用被覆切削工具を提供することを目的とする。なお、本願において、穴あけ加工とは、通常の穴あけ加工の他、リーマ加工、ねじ立て加工、座繰り加工等の穴あけに関する加工の全てを包括した表現とする。

本発明者は穴あけ加工用被覆切削工具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に形成された被覆層とを含む穴あけ加工用被覆切削工具であって、
前記被覆層は、第１被覆層と第２被覆層とが交互にそれぞれ２層以上積層された交互積層構造を有し、
前記第１被覆層は、Ａ層とＢ層とが交互にそれぞれ１層以上積層された構造を有し、
前記Ａ層は、下記式（１）：
（Ａｌ_1-xＣｒ_x）Ｎ・・・（１）
［式中、ｘ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、０．２５≦ｘ≦０．７５を満足する。］
で表される組成からなる化合物層であり、
前記Ｂ層は、下記式（２）：
（Ｔｉ_1-yＡｌ_y）Ｎ・・・（２）
［式中、ｙはＴｉ元素とＡｌ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を表し、０≦ｙ≦０．７０を満足する。］
で表される組成からなる化合物層であり、
前記第２被覆層は、Ｃ層とＤ層とが交互にそれぞれ１層以上積層された構造を有し、
前記Ｃ層は、下記式（３）：
（Ｔｉ_1-αＡｌα）Ｎ・・・（３）
［式中、αはＴｉ元素とＡｌ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を表し、０≦α≦０．６０を満足する。］
で表される組成からなる化合物層であり、
前記Ｄ層は、下記式（４）：
（Ｔｉ_1-βＡｌβ）Ｎ・・・（４）
［式中、βはＴｉ元素とＡｌ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を表し、０．１０≦β≦０．７０を満足する。］
で表される組成からなる化合物層であり、
前記Ｃ層及び前記Ｄ層におけるＡｌ元素の原子比の差（β‐α）は０．０５を超えて、
かつ前記第１被覆層及び前記第２被覆層におけるＡｌ元素の平均原子比は各々独立して０．７０以下であり、
前記第１被覆層及び前記第２被覆層の平均厚さは各々独立して５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、
前記Ａ層、前記Ｂ層、前記Ｃ層及び前記Ｄ層の平均厚さは各々独立して１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、
前記第１被覆層が、前記Ａ層の成分と前記Ｂ層の成分とが混在した領域を有し、
前記第２被覆層が、前記Ｃ層の成分と前記Ｄ層の成分とが混在した領域を有し、
前記被覆層全体の平均厚さは２．０μｍ以上１０．０μｍ以下であり、
前記第１被覆層と前記第２被覆層とからなる前記交互積層構造の平均厚さが被覆層全体の平均厚さの５０％以上である、穴あけ加工用被覆切削工具。
［２］
前記第１被覆層の平均厚さをｔ₁、前記第２被覆層の平均厚さをｔ₂とした場合に、両者の比が０．９≦ｔ₁／ｔ₂≦１．２である［１］に記載の穴あけ加工用被覆切削工具。
［３］
前記被覆層全体の残留応力の平均値が、－３ＧＰａ以上０ＧＰａ以下である［１］又は［２］に記載の穴あけ加工用被覆切削工具。
［４］
前記被覆層は、前記基材と前記交互積層構造との間に下部層を有し、
前記下部層が、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ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層であり、
前記下部層の平均厚さは、０．１μｍ以上３．５μｍ以下である［１］～［３］のいずれかに記載の穴あけ加工用被覆切削工具。
［５］
前記被覆層は、前記交互積層構造の前記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層であり、
前記上部層の平均厚さは、０．１μｍ以上３．５μｍ以下である［１］～［４］のいずれかに記載の穴あけ加工用被覆切削工具。
［６］
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］～［５］のいずれかに記載の穴あけ加工用被覆切削工具。

本発明の穴あけ加工用被覆切削工具は、耐摩耗性及び耐欠損性に優れ、その結果、長期間にわたり加工することができる。

本発明の穴あけ加工用被覆切削工具の一例を部分的に示す模式図である。本発明の穴あけ加工用被覆切削工具の製造に用いるアークイオンプレーティング装置の反応容器の一例を示す模式図である。

以下、必要に応じて図面を参照しつつ、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。なお、図面中、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。更に、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。

本実施形態の穴あけ加工用被覆切削工具は、基材と基材の表面に形成された被覆層とを含む穴あけ加工用被覆切削工具であって、被覆層は、第１被覆層と第２被覆層とが交互にそれぞれ２層以上積層された交互積層構造を有し、第１被覆層は、Ａ層とＢ層とが交互にそれぞれ１層以上積層された構造を有し、Ａ層は、下記式（１）：
（Ａｌ_1-xＣｒ_x）Ｎ・・・（１）
［式中、ｘ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、０．２５≦ｘ≦０．７５を満足する。］
で表される組成からなる化合物層であり、Ｂ層は、下記式（２）：
（Ｔｉ_1-yＡｌ_y）Ｎ・・・（２）
［式中、ｙはＴｉ元素とＡｌ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を表し、０≦ｙ≦０．７０を満足する。］
で表される組成からなる化合物層であり、第２被覆層は、Ｃ層とＤ層とが交互にそれぞれ１層以上積層された構造を有し、Ｃ層は、下記式（３）：
（Ｔｉ_1-αＡｌα）Ｎ・・・（３）
［式中、αはＴｉ元素とＡｌ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を表し、０≦α≦０．６０を満足する。］
で表される組成からなる化合物層であり、Ｄ層は、下記式（４）：
（Ｔｉ_1-βＡｌβ）Ｎ・・・（４）
［式中、βはＴｉ元素とＡｌ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を表し、０．１０≦β≦０．７０を満足する。］
で表される組成からなる化合物層であり、Ｃ層及びＤ層におけるＡｌ元素の原子比の差（β‐α）は０．０５を超えて、かつ第１被覆層及び第２被覆層におけるＡｌ元素の平均原子比は各々独立して０．７０以下であり、第１被覆層及び第２被覆層の平均厚さは各々独立して５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層及びＤ層の平均厚さは各々独立して１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、第１被覆層が、Ａ層の成分とＢ層の成分とが混在した領域を有し、第２被覆層が、Ｃ層の成分とＤ層の成分とが混在した領域を有し、被覆層全体の平均厚さは２．０μｍ以上１０．０μｍ以下であり、第１被覆層と第２被覆層とからなる交互積層構造の平均厚さが被覆層全体の平均厚さの５０％以上である。

本実施形態の穴あけ加工用被覆切削工具は、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、穴あけ加工用被覆切削工具の工具寿命を延長することができる。本実施形態の穴あけ加工用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。
本実施形態の穴あけ加工用被覆切削工具は、第１被覆層及び第２被覆層において、上記式（１）～（４）中、０．２５≦ｘ≦０．７５、０≦ｙ≦０．７０、０≦α≦０．６０及び０≦β≦０．７０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。
また、本実施形態の穴あけ加工用被覆切削工具は、上記特定の組成からなるＡ層とＢ層との交互積層構造を有する第１被覆層と、上記特定の組成からなるＣ層とＤ層との交互積層構造を有する第２被覆層とを交互にそれぞれ２層以上積層された交互積層構造を有する被覆層を用いることにより、Ｓｉ含有被膜を用いた場合と比較して低硬度かつ低残留応力でありながら、穴あけ加工において優れた耐摩耗性と耐欠損性との両立を達成している。
さらに、本実施形態に用いる被覆層において、第２被覆層のＣ層及びＤ層におけるＡｌ元素の原子比の差（β‐α）を０．０５超として、第２被覆層を組成が異なる２種の層（Ｃ層及びＤ層）の交互積層構造することにより、Ｓｉ含有被膜を用いた場合にみられる圧縮性応力の上昇を抑制することができる。
また、本実施形態の穴あけ加工用被覆切削工具は、第１被覆層及び第２被覆層におけるＡｌ元素の平均原子比を各々独立して０．７０以下とすることにより、低硬度かつ低残留圧縮応力でありながら、穴あけ加工において優れた耐摩耗性と耐欠損性との両立を達成している。
さらに、本実施形態の穴あけ加工用被覆切削工具は、第１被覆層及び第２被覆層の平均厚さが各々独立して５０ｎｍ以上であると耐摩耗性が一層向上し、第１被覆層及び第２被覆層の平均厚さが各々独立して５００ｎｍ以下であると耐欠損性が一層向上する。
また、本実施形態の穴あけ加工用被覆切削工具は、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層及びＤ層の平均厚さが各々独立して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容易となり、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層及びＤ層の平均厚さが各々独立して１００ｎｍ以下であると、交互積層構造の硬度が向上することに起因して、耐摩耗性が向上する。
さらに、本実施形態に用いる被覆層において、第１被覆層は、Ａ層の成分とＢ層の成分とが混在した領域を有し、第２被覆層は、Ｃ層の成分とＤ層の成分とが混在した領域を有する。これにより、本実施形態の穴あけ加工用被覆切削工具は、被覆層における各層間の密着性が向上するため、耐欠損性が向上するとともに、各層の効果が持続するため、耐摩耗性の低下を抑制することができる。
また、本実施形態の穴あけ加工用被覆切削工具は、被覆層全体の平均厚さが２．０μｍ以上であると、耐摩耗性が向上し、被覆層全体の平均厚さが１０．０μｍ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。
さらに、本実施形態の穴あけ加工用被覆切削工具は、第１被覆層と第２被覆層とからなる交互積層構造の平均厚さが被覆層全体の平均厚さの５０％以上であることにより、耐摩耗性及び耐欠損性が向上する。
そして、これらの構成が組み合わされることにより、本実施形態の穴あけ加工用被覆切削工具は、耐摩耗性及び耐欠損性が向上し、その結果、長期間にわたり加工することができるものと考えられる。

本実施形態の穴あけ加工用被覆切削工具は、基材とその基材の表面に形成された被覆層とを含む。

本実施形態に用いる基材は、穴あけ加工用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、及び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、セラミックス及び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、同様の観点から、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。

本実施形態に用いる被覆層は、第１被覆層と第２被覆層とが交互にそれぞれ２層以上積層された交互積層構造を有する。第１被覆層と第２被覆層とを交互に積層した構造を有することで、後述する各層の効果が発揮される。

第１被覆層は、下記式（１）で表される組成からなる化合物層（Ａ層）と下記式（２）で表される組成からなる化合物層（Ｂ層）とが交互にそれぞれ１層以上積層された構造を有する。
（Ａｌ_1-xＣｒ_x）Ｎ・・・（１）
［式（１）中、ｘ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、０．２５≦ｘ≦０．７５を満足する。］
（Ｔｉ_1-yＡｌ_y）Ｎ・・・（２）
［式（２）中、ｙはＴｉ元素とＡｌ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を表し、０≦ｙ≦０．７０を満足する。］

第１被覆層において、Ａ層は、上記式（１）で表される組成からなる化合物層である。上記式（１）中、Ｃｒ元素の原子比ｘが０．２５以上であると、被覆層の硬度の低下を抑制できる。一方、Ｃｒ元素の原子比ｘが０．７５以下であると、被覆層の硬度を維持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、Ｃｒ元素の原子比ｘは、０．２８≦ｘ≦０．７３を満足することが好ましく、０．３０≦ｘ≦０．７０を満足することがより好ましい。

また、第１被覆層において、Ｂ層は、上記式（２）表される組成からなる化合物層である。上記式（２）中、Ａｌ元素の原子比ｙが、０．７０以下であると、六方晶の存在比率が低減することに起因して、耐摩耗性が向上する。このため、Ａｌ元素の原子比ｙが０≦ｙ≦０．７０を満足することにより、耐摩耗性を向上できる。耐摩耗性と耐欠損性をバランスよく向上する観点から、Ａｌ元素の原子比ｙは、０．３０≦ｙ≦０．６７を満足することが好ましく、０．５０≦ｙ≦０．６０を満足することがより好ましい。Ａｌ元素の原子比ｙが、０．３０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、耐熱性が向上する。また、Ａ層において、原子比ｘが上記範囲内であることと、Ｂ層において、原子比ｙ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。

第２被覆層は、下記式（３）で表される組成からなる化合物層（Ｃ層）と下記式（４）で表される組成からなる化合物層（Ｄ層）とが交互にそれぞれ１層以上積層された構造を有する。
（Ｔｉ_1-αＡｌα）Ｎ・・・（３）
［式（３）中、αはＴｉ元素とＡｌ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を表し、０≦α≦０．６０を満足する。］
（Ｔｉ_1-βＡｌβ）Ｎ・・・（４）
［式（４）中、βはＴｉ元素とＡｌ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を表し、０．１０≦β≦０．７０を満足する。］

第２被覆層において、Ｃ層は、上記式（３）表される組成からなる化合物層である。上記式（３）中、Ａｌ元素の原子比αが、０．６０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αが０≦α≦０．６０を満足することにより、耐摩耗性を向上できる。同様の観点から、Ａｌ元素の原子比αは、０≦α≦０．５５を満足することが好ましく、０≦α≦０．５０を満足することがより好ましい。

また、第２被覆層において、Ｄ層は、上記式（４）表される組成からなる化合物層である。上記式（３）中、Ａｌ元素の原子比βが、０．１０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、耐熱性が向上する。一方、Ａｌ元素の原子比βが、０．７０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βが０．１０≦β≦０．７０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βは、０．２０≦β≦０．６８を満足することが好ましく、０．２５≦β≦０．６７を満足することがより好ましい。また、Ｃ層において、原子比αが上記範囲内であることと、Ｄ層において、原子比β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。

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。

本実施形態の穴あけ加工用被覆切削工具は、上記特定の組成からなるＡ層とＢ層との交互積層構造を有する第１被覆層と、上記特定の組成からなるＣ層とＤ層との交互積層構造を有する第２被覆層とを交互にそれぞれ２層以上積層された交互積層構造を有する被覆層を有する。これにより、その工具は、Ｓｉ含有被膜を用いた場合と比較して低硬度かつ低残留応力でありながら、穴あけ加工において優れた耐摩耗性と耐欠損性との両立を達成している。また、本実施形態の穴あけ加工用被覆切削工具では、被覆層として、第１被覆層及び第２被覆層のようなＳｉ非含有被膜を用いると、Ｓｉ含有被膜と比較して低硬度になる。これにより、穴あけ加工に求められる被膜靭性を確保することができ、さらに、低圧縮性応力被膜であることから、厚膜化による耐摩耗性の改善が可能である。通常、穴あけ加工における切削工具の主損傷は切れ刃部の摩耗であることから、刃先部を厚膜化できる低圧縮性応力被膜は、穴あけ加工用被覆切削工具の耐摩耗性の改善に有効である。このような解決手段は、上記特許文献１に記載された被膜の高硬度化とは異なるアプローチである。また、本実施形態の穴あけ加工用被覆切削工具は、従来の穴あけ加工用被覆切削工具に用いるＳｉ含有被膜で起こりやすい刃先の突発的な微小チッピングのリスクを低減し、加工初期から終期まで安定した耐摩耗性能を発揮することで、従来よりも優れた性能を達成している。耐欠損性の向上についても同様で、被膜硬度の上昇を抑えることで被膜靭性が低下することを防ぎ、低圧縮性応力でも欠けにくい性能を達成している。そして、本実施形態の穴あけ加工用被覆切削工具は、第１被覆層と第２被覆層とからなる交互積層構造の平均厚さが被覆層全体の平均厚さの５０％以上であることにより、上述した効果が適切に発揮され、耐摩耗性及び耐欠損性が向上し、その結果、長期間にわたり加工することができるものと考えられる。

また、本実施形態に用いる被覆層において、第２被覆層のＣ層及びＤ層におけるＡｌ元素の原子比の差（β‐α）は０．０５を超える。すなわち、Ｃ層とＤ層とは、組成が異なる２種の層である。Ｃ層及びＤ層におけるＡｌ元素の原子比の差（β‐α）は、０．０８～０．６０であることが好ましく、０．１０～０．５０であることがより好ましい。

本実施形態に用いる被覆層において、第２被覆層のＣ層及びＤ層におけるＡｌ元素の原子比の差（β‐α）を０．０５超として、第２被覆層を組成が異なる２種の層（Ｃ層及びＤ層）の交互積層構造することにより、従来のＳｉ含有被膜を用いた場合にみられる圧縮性応力の上昇を抑制することができる。これにより、本実施形態の穴あけ加工用被覆切削工具は、例えば、ドリルヘッドのような複雑で鋭利な刃先を有する工具としても適用することができる。また、第２被覆層をＣ層とＤ層との交互積層構造とすることにより、Ｔｉ元素及びＡｌ元素を含む窒化物（以下「（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ」とも記す）の単層の場合と比較して残留応力の制御に柔軟性を持たせることが可能であり、同時に（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎの単層よりも優れた耐欠損性を得ることができる。Ｃ層とＤ層との交互積層構造とすることにより、工具欠損の起点となり得る被覆層中のクラックの進展を抑制することができる。

また、本実施形態に用いる被覆層において、第１被覆層及び第２被覆層におけるＡｌ元素の平均原子比は各々独立して０．７０以下である。第１被覆層及び第２被覆層におけるＡｌ元素の平均原子比の下限は、特に限定されないが、例えば、０．０５以上である。第１被覆層及び第２被覆層におけるＡｌ元素の平均原子比は各々独立して０．７０以下であることにより、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎの相境界近傍（立方晶相－六方晶相）における相分離や結晶格子の歪み増大による硬度と残留圧縮性応力との上昇を防ぐことができる。そして、本実施形態の穴あけ加工用被覆切削工具は、第１被覆層及び第２被覆層におけるＡｌ元素の平均原子比を各々独立して０．７０以下とすることにより、低硬度かつ低残留圧縮応力でありながら、穴あけ加工において優れた耐摩耗性と耐欠損性との両立を達成している。
なお、本実施形態において、第１被覆層及び第２被覆層におけるＡｌ元素の平均原子比とは、各層の組成及び平均厚さに基づき算出した各層におけるＡｌ元素の原子比の平均値を意味し、以下の方法により測定することができる。まず、各層の組成は、穴あけ加工用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までの位置の近傍において、各層の任意の３箇所以上について、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）に付帯するエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＸ）を用いて各層の組成を測定し、その相加平均値を計算することで求める。このとき、混在領域については測定しない。さらに、各層の平均厚さは、各層の任意の３箇所以上の断面を走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）で観察し、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る。求めた各層の組成及び平均厚さに基づき各層におけるＡｌ元素の原子比の平均値を算出することができる。

また、本実施形態に用いる被覆層において、第１被覆層及び第２被覆層の平均厚さは、各々独立して５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。本実施形態の穴あけ加工用被覆切削工具は、第１被覆層及び第２被覆層の平均厚さが各々独立して５０ｎｍ以上であると耐摩耗性が一層向上し、第１被覆層及び第２被覆層の平均厚さが各々独立して５００ｎｍ以下であると耐欠損性が一層向上する。同様の観点から、第１被覆層及び第２被覆層の平均厚さは、各々独立して６０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下であることが好ましく、各々独立して７０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下であることがより好ましい。

また、本実施形態に用いる被覆層において、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層及びＤ層の平均厚さは各々独立して１ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。本実施形態の穴あけ加工用被覆切削工具は、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層及びＤ層の平均厚さが各々独立して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容易となる。Ａ層、Ｂ層、Ｃ層及びＤ層の平均厚さが各々独立して１００ｎｍ以下であると、交互積層構造の硬度が向上することに起因して、耐摩耗性が向上する。同様の観点から、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層及びＤ層の平均厚さは、各々独立して３ｎｍ以上９５ｎｍ以下であることが好ましく、各々独立して５ｎｍ以上９０ｎｍ以下であることがより好ましい。

また、本実施形態に用いる被覆層において、第１被覆層は、Ａ層の成分とＢ層の成分とが混在した領域を有し、第２被覆層は、Ｃ層の成分とＤ層の成分とが混在した領域を有する。これにより、本実施形態の穴あけ加工用被覆切削工具は、被覆層における各層間の密着性が向上するため、耐欠損性が向上するとともに、各層の効果が持続するため、耐摩耗性の低下を抑制することができる。なお、本実施形態において、「混在した領域」とは、交互積層を構成する２つの層の格子縞が重なり合っている領域を指し、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察することができる。

本実施形態に用いる被覆層全体の平均厚さは、２．０μｍ以上１０．０μｍ以下である。本実施形態の穴あけ加工用被覆切削工具は、被覆層全体の平均厚さが２．０μｍ以上であると、耐摩耗性が向上し、被覆層全体の平均厚さが１０．０μｍ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、３．０μｍ以上７．０μｍ以下であることが好ましい。
なお、本実施形態の穴あけ加工用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。具体的には、後述の実施例に記載の方法により測定することができる。

また、本実施形態に用いる被覆層全体において、第１被覆層と第２被覆層とからなる交互積層構造が占める割合は５０体積％以上である。本実施形態の穴あけ加工用被覆切削工具は、第１被覆層と第２被覆層とからなる交互積層構造の平均厚さが被覆層全体の平均厚さの５０％以上であることにより、耐摩耗性及び耐欠損性が向上する。同様の観点から、第１被覆層と第２被覆層とからなる交互積層構造の平均厚さは、被覆層全体の平均厚さの６０％以上１００％以下であることが好ましい。

また、本実施形態の穴あけ加工用被覆切削工具は、耐摩耗性と耐欠損性とのバランスを考慮すると、Ａ層の平均厚さが被覆層全体の平均厚さの５０％以下であることが好ましい。

また、本実施形態に用いる被覆層において、第１被覆層の平均厚さをｔ₁、第２被覆層の平均厚さをｔ₂とした場合に、両者の比が０．９≦ｔ₁／ｔ₂≦１．２であることが好ましい。本実施形態の穴あけ加工用被覆切削工具は、両者の比ｔ₁／ｔ₂が０．９以上であると、耐摩耗性が向上し、両者の比ｔ₁／ｔ₂が１．２以下であると、耐欠損性が向上する。

また、本実施形態に用いる被覆層全体の残留応力の平均値は、－３ＧＰａ以上０ＧＰａ以下であることが好ましい。本実施形態の穴あけ加工用被覆切削工具は、被覆層全体の残留応力の平均値が－３ＧＰａ以上０ＧＰａ以下である場合であっても、第１被覆層と第２被覆層とを組み合わせることで、被覆層が基材から剥離することを抑制し、かつ耐摩耗性及び耐欠損性に優れ、その結果、長期間にわたり加工することができる。

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、本実施形態の穴あけ加工用被覆切削工具の断面組織の一例を部分的に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。この穴あけ加工用被覆切削工具９は、基材１と、基材１の表面に形成された被覆層８とを備える。被覆層８は、第１被覆層６と、第２被覆層７とがこの順で交互に積層された積層構造を有し、第１被覆層６及び第２被覆層７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。第１被覆層６は、基材１の反対側に向かって順に、それぞれ化合物層であるＡ層２と、Ｂ層３とが交互に積層された積層構造であり、Ａ層２及びＢ層３とをそれぞれ２層ずつ有する。第２被覆層７は、基材１の反対側に向かって順に、それぞれ化合物層であるＣ層４と、Ｄ層５とが交互に積層された積層構造であり、Ｃ層４及びＤ層５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。

本実施形態に用いる被覆層は、第１被覆層と第２被覆層とが交互にそれぞれ２層以上積層された交互積層構造を有する。第１被覆層と第２被覆層との積層順序は、特に限定されず、基材から上方向に向かって、第１被覆層と第２被覆層とがこの順序で積層されていてもよく、第２被覆層と第１被覆層と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、交互積層構造において、第１被覆層と第２被覆層との繰り返し数は、２回以上であれば特に限定されず、例えば、２～２０回であり、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、２～１８回であることが好ましく、３～１５回であることがより好ましい。

本実施形態に用いる第１被覆層は、Ａ層とＢ層とが交互にそれぞれ１層以上積層された構造を有する。Ａ層とＢ層との積層順序は、特に限定されず、基材から上方向に向かって、Ａ層とＢ層とがこの順序で積層されていてもよく、Ｂ層とＡ層と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、第１被覆層において、Ａ層とＢ層との繰り返し数は、１回以上であれば特に限定されず、例えば、１～５０回であり、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、２～４０回であることが好ましく、３～３０回であることがより好ましい。

本実施形態に用いる第２被覆層は、Ｃ層とＤ層とが交互にそれぞれ１層以上積層された構造を有する。Ｃ層とＤ層との積層順序は、特に限定されず、基材から上方向に向かって、Ｃ層とＤ層とがこの順序で積層されていてもよく、Ｄ層とＣ層と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、第２被覆層において、Ｃ層とＤ層との繰り返し数は、１回以上であれば特に限定されず、例えば、１～６０回であり、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、２～５０回であることが好ましく、２～４５回であることがより好ましい。

本実施形態に用いる被覆層は、第１被覆層と第２被覆層とからなる交互積層構造のみで構成されてもよいが、基材と交互積層構造との間（すなわち、交互積層構造の下層）に下部層を有すると、基材と交互積層構造との密着性が一層向上するため、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ことが好ましく、Ｔｉ、Ｃｒ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。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一層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。

本実施形態に用いる被覆層は、第１被覆層と第２被覆層とからなる交互積層構造の基材とは反対側（すなわち、交互積層構造の表面）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ため好ましい。同様の観点から、上部層は、Ｔｉ、Ｎｂ、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、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。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、上部層の平均厚さは、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以下であることがより好ましい。

本実施形態の穴あけ加工用被覆切削工具に用い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被覆層及び第２被覆層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。

本実施形態の穴あけ加工用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、本実施形態の穴あけ加工用被覆切削工具の製造方法は、当該穴あけ加工用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６００℃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２．０～５．０Ｐａにして、基材に－３０～－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、基材の表面に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被覆層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被覆層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被覆層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被覆層を構成する各化合物層の厚さを制御することができる。第２被覆層を構成する各化合物層も同様の方法により、形成することができる。

第１被覆層及び第２被覆層において、混在した領域を有する交互積層とするには、例えば、金属蒸発源の位置を工夫するとよい。より具体的には、例えば、図２に示すアークイオンプレーティング装置の反応容器において、従来、Ａ層とＢ層との金属蒸発源は、順に金属蒸発源１と金属蒸発源３との位置にセットされていたところ、順に金属蒸発源１と金属蒸発源２とにそれぞれセットすることにより、Ａ層の成分とＢ層の成分とが混在した領域を有する第１被覆層を形成することができる。同様にＣ層とＤ層との金属蒸発源は、順に金属蒸発源３と金属蒸発源４にそれぞれセットすることにより、Ｃ層の成分とＤ層の成分とが混在した領域を有する第２被覆層を形成することができる。

本実施形態の穴あけ加工用被覆切削工具に用いる被覆層を構成する各層の厚さは、例えば、穴あけ加工用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、穴あけ加工用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、穴あけ加工用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、本実施形態の穴あけ加工用被覆切削工具における被覆層を構成する各層の組成は、本実施形態の穴あけ加工用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。

本実施形態の穴あけ加工用被覆切削工具は、従来よりも長期間にわたり加工することが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、穴あけ加工用被覆切削工具が耐摩耗性及び耐欠損性に優れるためと考えられる。

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）
穴あけ加工用の基材として、Ｓ１５相当の超硬合金(ドリル径１２．５ｍｍのヘッドドリル)を用意した。図２に示すアークイオンプレーティング装置の反応容器内に、Ａ～Ｄ層の金属蒸着源を表１に示すとおりに配置した。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、基材を５５０℃（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、発明品１～１３においては、基材に－４０Ｖのバイアス電圧を印加して、アーク電流１５０Ａのアーク放電により金属蒸発源を蒸発させて、表２に示すＡ層及びＢ層を交互に形成して第１被覆層を得た。詳細には、Ａ層の金属蒸発源とＢ層の金属蒸発源とを同時にアーク放電により蒸発させて、Ａ層及びＢ層を交互に形成した。このとき、Ａ層の厚さ及びＢ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２に示す厚さに制御した。その後、発明品１～１３においては、表２に示すＣ層及びＤ層を交互に形成して第２被覆層を得た。詳細には、Ｃ層の金属蒸発源とＤ層の金属蒸発源とを同時にアーク放電により蒸発させて、Ｃ層及びＤ層を交互に形成した。このとき、Ｃ層の厚さ及びＤ層の厚さは、回転テーブルの回転数を１～５ｒｐｍの範囲で表２に示す厚さに調整することで制御した。

基材の表面に、表２に示す所定の平均厚さになるよう第１被覆層及び第２被覆層を交互に積層して被覆層を形成した後に、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１～１３を作製した。

（比較例１）
穴あけ加工用の基材として、Ｓ１５相当の超硬合金(ドリル径１２．５ｍｍのヘッドドリル)を用意した。図２に示すアークイオンプレーティング装置の反応容器内に、Ａ～Ｄ層の金属蒸着源を表３に示すとおりに配置した。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。

真空引き後、基材をその温度が表３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、比較品１～１１及び１４～１９においては、基材に表３に示すバイアス電圧を印加して、アーク電流１５０Ａのアーク放電により金属蒸発源を蒸発させて、表４に示すＡ層及びＢ層を交互に形成して第１被覆層を得た。詳細には、Ａ層の金属蒸発源とＢ層の金属蒸発源とを同時にアーク放電により蒸発させて、Ａ層及びＢ層を交互に形成した。このとき、Ａ層の厚さ及びＢ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４に示す厚さに制御した。その後、比較品１～１１及び１４～１９においては、表４に示すＣ層及びＤ層を交互に形成して第２被覆層を得た。詳細には、Ｃ層の金属蒸発源とＤ層の金属蒸発源とを同時にアーク放電により蒸発させて、Ｃ層及びＤ層を交互に形成した。このとき、Ｃ層の厚さ及びＤ層の厚さは、回転テーブルの回転数を１～５ｒｐｍの範囲で表４に示す厚さに調整することで制御した。

比較品１２及び１３については、基材に－４０Ｖのバイアス電圧を印加して、アーク電流１５０Ａのアーク放電により金属蒸発源を蒸発させて、表４に示すＡ層（単層）を形成して第１被覆層を得た。詳細には、Ａ層の金属蒸発源をアーク放電により蒸発させて、Ａ層（単層）を形成した。このとき、Ａ層の厚さは、表４に示す厚さに制御した。その後、比較品１２及び１３については、基材に－４０Ｖのバイアス電圧を印加して、アーク電流１５０Ａのアーク放電により金属蒸発源を蒸発させて、表４に示すＤ層（単層）を形成して第２被覆層を得た。詳細には、Ｄ層の金属蒸発源をアーク放電により蒸発させて、Ｄ層（単層）を形成した。このとき、Ｄ層の厚さは、表４に示す厚さに制御した。

基材の表面に、表４に示す所定の平均厚さになるよう第１被覆層及び第２被覆層を交互に積層して被覆層を形成した後に、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１～１９を作製した。

得られた試料の各層の平均厚さは、穴あけ加工用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箇所の断面を走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）で観察し、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。その結果を、表２及び表４に示す。また、各試料の第１被覆層の平均厚さｔ₁と第２被覆層の平均厚さｔ₂との比（ｔ₁／ｔ₂）を表５及び表６に示す。さらに、各試料の第１被覆層におけるＡ層の成分とＢ層の成分とが混在した領域、並びに、各試料の第２被覆層におけるＣ層の成分とＤ層の成分とが混在した領域（両者をあわせて単に「混在した領域」とも記す。）の有無をＳＴＥＭで観察した。その結果を表５及び表６に示す。なお、得られた試料の各層において、「混在した領域」とは、交互積層を構成する２つの層の格子縞が重なり合っている領域を指す。得られた試料の各層の組成は、穴あけ加工用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、各層の任意の３箇所について、エネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＸ）を用いて各層の組成を測定し、その相加平均値を計算することで求めた。このとき、混在領域については測定しなかった。その結果を、表２及び表４に示す。なお、表２及び表４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。また、各試料のＣ層及びＤ層におけるＡｌ元素の原子比の差を表５及び表６に示す。

〔残留応力〕
得られた試料について、Ｘ線回折装置を用いたｓｉｎ²ψ法により、被覆層全体の残留応力を測定した。残留応力は切削に関与する部位に含まれる任意の点３点の応力を測定し、その平均値（相加平均値）を被覆層全体の残留応力とした。その結果を、表５及び表６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：穴あけ加工］
被削材：ＳＮＣＭ４３９、
被削材形状：７００ｍｍ×２５０ｍｍ×５０ｍｍの板、
切削速度：１２０ｍ/分、
１回転当たりの送り量：０．２０ｍｍ/ｒｅｖ、
加工深さ：５０ｍｍ（貫通穴）、
クーラント：水溶性（内部給油方式）、
評価項目：ドリルヘッド切れ刃逃げ面の摩耗が０．２５ｍｍ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。例えば、加工長さ５ｍの差は、加工数にして１００穴の差に相当する。加工長さが長いことは、耐欠損性及び耐摩耗性に優れていることを意味する。
切削試験の結果を表７及び表８に示す。

表７及び表８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。

（比較例２）
穴あけ加工用の基材として、Ｓ１５相当の超硬合金(ドリル径１２．５ｍｍのヘッドドリル)を用意した。図２に示すアークイオンプレーティング装置の反応容器内に、Ａ～Ｄ層の金属蒸着源を表９に示すとおりに配置した以外は発明品１～３と同様にして比較品２０～２２を作製した。

得られた試料の各層の平均厚さ、組成及び混在した領域の有無は、実施例１と同様の方法により求めた。それらの結果を表１０及び表１１に示す。なお、参考として発明品１～３の結果も併せて表１０及び表１１に示す。

また、得られた試料の被覆層全体の残留応力は、実施例１と同様の方法により求めた。その結果を表１１に示す。なお、参考として発明品１～３の結果も併せて表１１に示す。

比較品２０～２２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１２に示す。なお、参考として発明品１～３の結果も併せて表１２に示す。

各層に混在した領域を有する発明品１～３は、各層間の剥離が抑制されたため、各層間の剥離を起因としたチッピングの発生も抑制された。その結果、表１２に示すとおり、発明品１～３の加工長さは、各層に混在した領域を有しない比較品２０～２２の加工長さよりも長くなった。したがって、発明品１～３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、各層間の密着性が向上したためと推定されるが、要因はこれに限定されない。

（実施例２）
穴あけ加工用の基材として、Ｓ１５相当の超硬合金(ドリル径１２．５ｍｍのヘッドドリル)を用意した。実施例１の発明品１、３、４、５及び７の交互積層構造に、下部層及び／又は上部層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２における発明品１、３、４、５及び７、並びに表１３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。

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１３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、３、４、５及び７と同じ条件で、交互積層構造を形成した。

交互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１３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１４～２０を作製した。

得られた試料の各層の平均厚さ、組成及び混在した領域の有無は、実施例１と同様の方法により求めた。それらの結果を表２、表５及び表１３に示す。

得られた試料の交互積層構造の残留応力は、実施例１と同様の方法により求めた。それらの結果は、表５に示す発明品１、３、４、５及び７と同じであった。

発明品１４～２０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１４に示す。

表１４に示す結果より、発明品１４～２０の加工長さは、各々の交互積層構造に対応する被覆層を有する発明品１、３、４、５及び７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／又は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。

本発明の穴あけ加工用被覆切削工具は、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…Ａ層、３…Ｂ層、４…Ｃ層、５…Ｄ層、６…第１被覆層、７…第２被覆層、８…被覆層、９…穴あけ加工用被覆切削工具、１０…金属蒸着源１、１１…金属蒸着源２、１２…金属蒸着源３、１３…金属蒸着源４、１４…ヒーター、１５…回転テーブル

Claims

基材と前記基材の表面に形成された被覆層とを含む穴あけ加工用被覆切削工具であって、
前記被覆層は、第１被覆層と第２被覆層とが交互にそれぞれ２層以上積層された交互積層構造を有し、
前記第１被覆層は、Ａ層とＢ層とが交互にそれぞれ１層以上積層された構造を有し、
前記Ａ層は、下記式（１）：
（Ａｌ_1-xＣｒ_x）Ｎ・・・（１）
［式中、ｘ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、０．２５≦ｘ≦０．７５を満足する。］
で表される組成からなる化合物層であり、
前記Ｂ層は、下記式（２）：
（Ｔｉ_1-yＡｌ_y）Ｎ・・・（２）
［式中、ｙはＴｉ元素とＡｌ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を表し、０≦ｙ≦０．７０を満足する。］
で表される組成からなる化合物層であり、
前記第２被覆層は、Ｃ層とＤ層とが交互にそれぞれ１層以上積層された構造を有し、
前記Ｃ層は、下記式（３）：
（Ｔｉ_1-αＡｌα）Ｎ・・・（３）
［式中、αはＴｉ元素とＡｌ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を表し、０≦α≦０．６０を満足する。］
で表される組成からなる化合物層であり、
前記Ｄ層は、下記式（４）：
（Ｔｉ_1-βＡｌβ）Ｎ・・・（４）
［式中、βはＴｉ元素とＡｌ元素との合計に対するＡｌ元素の原子比を表し、０．１０≦β≦０．７０を満足する。］
で表される組成からなる化合物層であり、
前記Ｃ層及び前記Ｄ層におけるＡｌ元素の原子比の差（β‐α）は０．０５を超えて、
かつ前記第１被覆層及び前記第２被覆層におけるＡｌ元素の平均原子比は各々独立して０．７０以下であり、
前記第１被覆層及び前記第２被覆層の平均厚さは各々独立して５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、
前記Ａ層、前記Ｂ層、前記Ｃ層及び前記Ｄ層の平均厚さは各々独立して１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、
前記第１被覆層が、前記Ａ層の成分と前記Ｂ層の成分とが混在した領域を有し、
前記第２被覆層が、前記Ｃ層の成分と前記Ｄ層の成分とが混在した領域を有し、
前記被覆層全体の平均厚さは２．０μｍ以上１０．０μｍ以下であり、
前記第１被覆層と前記第２被覆層とからなる前記交互積層構造の平均厚さが被覆層全体の平均厚さの５０％以上である、穴あけ加工用被覆切削工具。
前記第１被覆層の平均厚さをｔ₁、前記第２被覆層の平均厚さをｔ₂とした場合に、両者の比が０．９≦ｔ₁／ｔ₂≦１．２である請求項１に記載の穴あけ加工用被覆切削工具。
前記被覆層全体の残留応力の平均値が、－３ＧＰａ以上０ＧＰａ以下である請求項１又は２に記載の穴あけ加工用被覆切削工具。
前記被覆層は、前記基材と前記交互積層構造との間に下部層を有し、
前記下部層が、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ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層であり、
前記下部層の平均厚さは、０．１μｍ以上３．５μｍ以下である請求項１～３のいずれか１項に記載の穴あけ加工用被覆切削工具。
前記被覆層は、前記交互積層構造の前記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層であり、
前記上部層の平均厚さは、０．１μｍ以上３．５μｍ以下である請求項１～４のいずれか１項に記載の穴あけ加工用被覆切削工具。
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１～５のいずれか１項に記載の穴あけ加工用被覆切削工具。