KR100688923B1

KR100688923B1 - 피복 절삭 공구

Info

Publication number: KR100688923B1
Application number: KR1020027003214A
Authority: KR
Inventors: 야마가타카즈오; 이케가야아키히코
Original assignee: 스미토모덴키고교가부시키가이샤
Priority date: 2000-07-12
Filing date: 2001-07-11
Publication date: 2007-03-09
Also published as: US20050220546A1; EP1306150B1; EP1306150A4; EP1306150A1; WO2002004156A1; KR20020043218A; JP4891515B2; US7090914B2; US20020187370A1

Abstract

내결손성과 내마모성을 양립시켜 공구 수명을 향상시킴과 동시에 피절삭물 완성면 조도를 개선한 피복 절삭 공구를 제공한다. 기재(1) 상에 경질 피복층(2)을 구비하는 피복 절삭 공구이다. 기재(1)는 1종류 이상의 철족 금속을 포함하는 결합상과, 주기율표 IVa, Va, VIa족 원소의 탄화물, 질화물, 산화물 및 그들의 고용체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종류 이상의 물질을 포함하는 경질상으로 이루어진다. 피복층(2) 중, 실질적으로 날 선단 능선부(3) 및 동일 능선부의 레이크면측 경계부(6)로부터 레이크면측으로 적어도 200㎛의 범위 및 동일 능선부(3)의 릴리프면 경계부(7)로부터 릴리프면측으로 적어도 50㎛의 범위에 있어서의 표면 조도(Rmax)가 0.2㎛ 이하(기준 길이 5㎛으로 한다)의 평활면으로 구성되어 있다.

피복 절삭 공구, 릴리프면, 표면 조도, 평활면, 능선부

Description

피복 절삭 공구{Coated cutting tool}

본 발명은 내마모성에 뛰어난 경질 피복층을 형성한 피복 절삭 공구에 관한 것이다.

초경합금 절삭 공구에 있어서, WC기 초경합금이나 서멧(cermet) 기재의 표면에 탄화 티타늄, 질화 티타늄, 탄질화 티타늄 또는 산화 알루미늄 등의 피복층을 증착시킴으로써 내결손성과 내마모성을 향상시켜 공구 수명을 향상시키는 것이 행해지고 있다.

이들 피복 절삭 공구를 사용하여 가공을 행한 경우, 특히 용착(溶着)하기 쉬운 피절삭재 가공에 있어서, 용착이나 응착으로부터 피복층 박리가 생기고, 부가적으로, 기재 결손이 진전되어 공구 수명 저하가 발생했었다.

이들 과제를 해결하기 위해, 특허 제2105396호나 제2825693호 등에는 공구 절단 날의 능선부에 있어서의 피복층 표면을 기계적으로 연마하여 표면 조도(surface roughness)를 개선함으로써 피절삭물의 용착이나 응착을 억제하고, 내마모성이나 인성을 개선시키는 기술이 개시되어 있다.

그러나, 이들 기술로는, 특히 연성(ductile) 주철, 스텐레스, 인코넬(inconel) 등, 용착·응착을 일으키기 쉬운 피절삭재 절삭에 있어서는, 레이크면(rake face)측의 막 박리나 릴리프(relief)면측의 막 치핑(chipping) 등으로부터 마모가 진행하는 것에 의한 공구 수명 저하를 억제하는 데에는 충분하지 않다.

또한, 피절삭물 표면의 조도가 열화하기 때문에, 가공 정밀도가 요구되는 완성 가공에 있어서는 소망하는 완성면 조도가 얻어지지 않는 등의 문제가 발생했었다. 최근, 환경 문제로부터 절삭유를 사용하지 않는 가공(건식 가공)이 증가해 오고 있지만, 이 경우 절삭유의 윤활 효과를 잃음으로써, 피절삭물의 용착·응착이 가속되어, 수명 저하, 완성면 조도의 악화 등이 문제로 되어 오고 있다.

따라서, 본 발명의 주 목적은 내결손성과 내마모성을 양립시켜 공구 수명을 향상시킴과 동시에 피절삭물 완성면 조도를 개선한 피복 절삭 공구를 제공함에 있다.

본 발명자들은 상기 문제점에 대해 검토를 거듭한 결과, 날 선단 능선부 및 동일 능선부의 레이크면 경계부로부터 레이크면측으로 적어도 200㎛의 범위 및 동일 능선부의 릴리프면측 경계부로부터 릴리프면측으로 적어도 50㎛ 범위의 경질 피복층을 평활하게 함으로써, 상기 문제점을 해결할 수 있는 것을 발견하였다.

즉, 본 발명 피복 절삭 공구는 기재 상에 경질 피복층을 구비하는 피복 절삭 공구에 있어서, 상기 기재는 1종류 이상의 철족 금속을 포함하는 결합상과, 주기율표 IVa, Va, VIa족 원소의 탄화물, 질화물, 산화물 및 그들 고용체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종류 이상의 물질을 포함하는 경질상으로 이루어진다. 그리고, 날 선단 능선부 및 동일 능선부의 레이크면측 경계부로부터 레이크면측으로 적어도 200㎛의 범위 및 동일 능선부의 릴리프면측 경계부로부터 릴리프면측으로 적어도 50㎛ 범위의 경질 피복층이 실질적으로 표면 조도(Rmax)가 0.2㎛ 이하(기준 길이 5㎛으로 한다)의 평활면으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

덕타일 주철, 스텐레스, 인크넬 등, 용착·응착이 일어나기 쉬운 피절삭재 절삭에 있어서는, 날 선단 능선부의 레이크면측 경계부로부터 레이크면측으로 200㎛의 범위에서는, 피복층에 부스러기의 용착·응착이 발생하고, 용착물 이탈 시에 해당 피복층도 박리하여 기재 손상이 발생한다. 또한, 동일 능선부의 릴리프면측 경계부로부터 릴리프면측으로 적어도 50㎛의 범위에 있어서도 피복층의 마이크로 치핑으로부터 부스러기의 용착이 발생하여 이상 마모가 진행하거나, 피복층의 표면 요철이나 용착물이 피절삭물에 전사되어 피절삭물의 완성면 조도를 악화시킨다.

따라서, 날 선단 능선부 및 동일 능선부의 레이크면측 경계부로부터 레이크면측으로 적어도 200㎛의 범위 및 동일 능선부의 릴리프면측 경계부로부터 릴리프면측으로 적어도 50㎛ 범위의 경질 피복층이 실질적으로 표면 조도(Rmax)가 0.2㎛ 이하(기준 길이 5㎛으로 한다)로 구성함으로써, 피절삭물의 용착·응착 및 피절삭물로의 전사를 억제하고, 내결손성과 내마모성을 양립시켜 공구 수명을 향상시킴과 동시에 피절삭물 완성면 조도를 개선할 수 있다. 특히 건식 절삭에 있어서 이 효과가 한층 더 발휘된다. 경질 피복층은 주기율표 IVa, Va, VIa족, Al 및 Si로부터 선택되는 1종 이상의 금속 원소의 탄화물, 질화물, 탄질화물, 붕화물, 산화물 및 그들 고용체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종류 이상의 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.

경질 피복층의 표면 조도가 실질적으로 평활면이라는 것은 상기 규정 범위의 전체가 소정의 표면 조도로 되어 있을 필요는 없으며, 약 50% 이상의 면적 비율 범위에 있어서 소정의 표면 조도로 되어 있으면 되는 것을 도시한다.

기재의 릴리프면이 소결 표면인 무연마 타입의 공구인 경우에는 본 발명 공구의 효과가 한층 더 발휘된다. 최근 제조 비용 절감으로부터, 공구 릴리프면측 표면을 소결 표면으로 한 무연마 타입의 공구가 널리 보급되고 있지만, 이 경우는 공구 표면의 요철이 피절삭재에 전사되거나, 용착·응착이 발생하여 이상 마모나 피절삭재면 조도의 악화 원인이 되는 것이 많기 때문이다.

평활면으로 하는 범위는 날 선단 능선부로부터 레이크면측에 있어서는 부스러기의 찰과에 의한 크레이터(crater) 마찰, 응착이 발생하는 범위로 한다. 날 선단 능선부의 레이크면측 경계부로부터 레이크면측으로 적어도 200㎛의 범위는 필수이지만, 피절삭재나 절삭 조건에 따라서는 날 선단 능선부의 레이크면측 경계부로부터 레이크면측으로 500㎛까지의 범위를 평활하게 하는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 릴리프면측에 있어서는, 피복층의 마이크로 치핑으로부터 부스기 용착이 발생하여 이상 마모가 진행하거나, 피복층 표면의 요철이나 용착물이 피절삭물에 전사되어 피절삭물의 완성면 조도를 악화시킬 우려가 있는 범위로 한다. 날 선단 능선부의 릴리프면측 경계부로부터 릴리프면측으로 적어도 50㎛의 범위는 필수이다. 이 범위를 날 선단 능선부의 릴리프면측 경계부로부터 릴리프면측으로 200㎛까지 확대하는 것이 더욱 바람직하다.

평활면의 표면 조도(Rmax)를 0.2㎛ 이하(기준 길이 5㎛으로 한다)로 한 것은 이보다 크면 소망하는 효과가 얻어지지 않기 때문이다. 이것으로부터 표면 조도가 작으면 작을수록 바람직하다.

표면 조도의 측정 방법은 예를 들면 주사형 전자 현미경 사진에 의한 경질 피복층의 단면으로부터 관찰함으로써 행하면 된다. 기준 길이를 5㎛으로 한 것은 초경합금이나 서멧의 경질상 입자는 일반적으로 3 내지 5㎛의 범위에 있으며, 이것이 표면으로 돌출하여 5 내지 7㎛의 폭으로 2 내지 3㎛ 높이의 기복이 생겨 있기 때문에, 이 기복의 영향을 배제하고 표면 조도를 특정하기 위함이다.

경질 피복층은 단층이어도 되지만 적층 구조로 하여도 된다. 적층 구조로 할 경우, Ti(CwBxNy0z)(여기서 w+x+y+z=1, w, x, y, z≥0)의 적어도 1층 이상으로 이루어지는 내층과, 산화 알루미늄층으로 이루어지는 중간층 및 TiCXNy0_1-x-y 또는 ZrCxNy0_1-x-y(0≤x, y, x+y≤1)로 이루어지는 외층을 구비하는 것이 바람직하다.

내층은 경도가 높고, 마찰 마모에 강한 Ti(CwBxNy0z)(여기서 w+x+y+Z=1, w, x, y, z≥0)의 적어도 1층 이상으로 이루어짐으로써, 높은 내마모성을 얻을 수 있다. 특히, 기둥 형상 결정 조직을 갖는 2 내지 20㎛의 막 두께의 탄질화 티타늄을 내층에 배치한 경우는, 내마모성과 내치핑성을 양립할 수 있으며, 단속 절삭이나 부품 가공 등의 절삭에 있어서, 외층의 산화 알루미늄으로부터의 손상을 막을 수 있다. 게다가, 내층에 있어서의 막 파괴를 방지하면서 높은 내마모성을 얻을 수 있어, 공구 성능을 비약적으로 향상시킬 수 있다. 탄질화 티타늄의 막 두께가 2㎛ 미만이면 내마모성이 부족하고, 20㎛을 넘으면 피복층의 강도가 열화한다.

나아가서는 기재와 접하는 최내층이 입자 형상 조직을 갖는 0.2 내지 3㎛의 막 두께의 질화 티타늄인 경우, 내층과 기재의 밀착 강도를 개선함으로써, 더욱 공구 성능을 향상시킬 수 있다. 이 막 두께가 0.2㎛ 미만에서는 막의 밀착력 개선 효과가 적고, 3㎛을 넘으면 내마모성이 저하하여 버린다.

상기 평활면은 실질적으로 산화 알루미늄으로 구성함으로써 한층 더 효과가 향상한다. 산화 알루미늄은 Ti(CwBxNy0z)에 비하여 화학적으로 안정되며, 피절삭물과의 용착·응착성이 낮아, 산화 마모나 확산 마모에 강하다는 특징이 있기 때문이다. 또한, 산화 알루미늄층이 α형 결정 구조를 취할 경우에 한층 더 본 발명 합금 효과가 증대한다. α형 산화 알루미늄은 고온 안정형 결정 구조로, 강도, 내열성이 높아 피절삭물과 직접 접하는 최외층의 피막으로서는 유효하다. 산화 알루미늄의 막 두께는 0.5 내지 15㎛이 바람직하다. 막 두께가 0.5㎛ 미만인 경우는 산화 알루미늄의 효과가 나오지 않고, 15㎛을 넘으면 피복층의 강도가 저하한다.

산화 알루미늄은 일반적으로 흑색 또는 갈색을 보이기 때문에, 피복층의 최외층에 전면적으로 배치하면, 가공 현장에 있어서 사용 완료 코너가 식별 곤란해진다는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 산화 알루미늄이 노출하는 범위를 한정하여, 국부적으로 산화 알루미늄을 최외층으로 하는 것이 바람직하다. 즉, 산화 알루미늄 상에 식별층으로서 금색의 TiN, ZrN이나 핑크색, 주황을 보이는 TiCN, ZrCN을 피복하는 것이 유효하다. 산화 알루미늄층을 최외층으로 하는 범위로서는, 능선부의 레이크면측 경계부로부터 레이크면측으로는 2000㎛ 이하, 릴리프면측 경계부로부터 릴리프면측으로 400㎛ 이하가 바람직하다. 이것을 넘으면 사용 완료 코너 식별이 곤란해진다. 그리고, 이 범위 이외의 개소에 식별층을 설치해 두는 것이 바람직하다.

경질 피복층의 표면을 소정의 면 조도로 제어하는 방법으로서는, 버프(buff), 브러쉬(brush), 배럴(barrel)이나 탄성 숫돌 등에 의한 연마가 바람직하다. 그 외에는 마이크로 블래스트, 이온 빔 조사에 의한 표면 개질도 적용할 수 있다.

경질 피복층의 형성 방법은 공지된 물리적 증착법(PVD)이나 화학적 증착법(CVD)을 이용할 수 있다. 각 증착법에 있어서의 온도, 압력 등의 성막 조건도 공지된 것을 이용할 수 있다.

도 1은 라운드 호닝(round honing)을 실시한 본 발명 공구의 부분 단면도.

도 2는 챔퍼 호닝(chamfer honing)을 실시한 본 발명 공구의 부분 단면도.

이하, 본 발명의 실시예를 설명한다.

본 발명 공구를 도 1 및 도 2를 사용하여 구체적으로 설명한다. 모두 공구의 날 선단 능선부 부근에 있어서의 단면도이다. 초경합금이나 서멧으로 구성되는 기재(1) 상에 경질 피복층(2)이 형성되어 있다.

날 선단 능선부(3)를 사이에 두고 수평 방향으로 이어지는 면이 레이크면측의 평활면(4), 수직 방향으로 이어지는 면이 릴리프면측의 평활면(5)이다. 본 발명 공구로는, 날 선단 능선부(3), 레이크면측의 평활면(4) 및 릴리프면측의 평활면(5)의 범위에 있어서 경질 피복층(2)의 표면 조도를 제어한다. 날 선단 능선부(3)와 레이크면측의 평활면(4)과의 경계부가 날 선단 능선부의 레이크면측 경계부(6)이고, 날 선단 능선부(3)와 릴리프면측의 평활면(5)과의 경계부가 날 선단 능선의 릴리프면측 경계부(7)이다.

날 선단 능선부(3)는 날 선단의 치핑 등을 방지하기 위해 실시되는 에지 호닝부를 포함한다. 에지 호닝에는 라운드 호닝(도 1)이나 챔퍼 호닝(도 2)이 있다.

도 1 및 도 2에 있어서, 경질 피복층이 2층의 개소와 3층의 개소가 있지만, 2층의 개소는 예를 들면 외층이 산화 알루미늄이고, 3층의 개소는 예를 들면 외층을 식별층이 되는 TiN으로 구성하고 있다. 2층의 개소는 3층째를 연마 등으로 부분적으로 제거함으로써 형성한다.

(실험예 1)

87%WC-2%TiCN-3%TaNbC-8%Co(모두 중량%)로 이루어지는 조성의 초경합금으로써, 형태 번호 SNMG120408 형상의 절삭 칩을 제작하였다. 다음에, 절단 날 부분 전체에 날 선단 처리로서, 레이크면측에서 보아 0.05mm 폭의 호닝 처리를 실시하여 기재로 하였다. 이 기재의 릴리프면은 소결 표면이다.

이 기재 표면에 통상의 CVD법(화학 증착법)에 의해 TiN(0.5㎛), TiCN(10㎛), α-Al₂0₃(3㎛), TiN(1.0㎛)을 피복하였다. 다음에, 날 선단 능선부 및 동일 능선부로부터 레이크면측 및 릴리프면측에 있어서, 4종류의 경도 인공 브러쉬를 사용하여 연마·래핑 처리를 실시한 후, 기준 길이 5㎛에 대한 면 조도(Rmax)를 칩 단면의 주사형 전자 현미경 사진에 의해 측정하였다. 그 결과를 표 1에 도시한다.

또한, 상기 막 구조에서는 TiN(1.0㎛)이 최외층이 되지만, 날 선단 능선부 및 동일 능선부로부터 레이크면측 및 릴리프면측에 있어서는 연마되어 있기 때문에, 샘플 칩에 따라서는 다른 층이 최외층으로서 노출하고 있다. 또한, 본 발명품에 있어서의 TiCN은 모두 기둥 형상 결정이고, TiN은 모두 입자 형상 결정이다. 이들의 것은 후술하는 다른 실험예에 있어서도 동일하다.

이렇게 하여 제작한 절삭용 샘플 칩을 사용하여 하기에 도시하는 조건으로 절삭을 행하여 내마모성 및 피절삭재 완성면 조도의 평가를 행하였다. 평가 결과도 표 1에 도시한다.

(절삭 조건)

피절삭재: SCM415

절삭 속도: 200m/min

절단: 0.5mm

이송: 0.25mm/rev

절삭 시간: 30분

절삭유: 건식 절삭

	시료 No	최외층 막질/표면 조도				절삭 성능
	시료 No	날 선단 능선부 및 경계선부(R_R)로부터 200㎛의 범위(㎛)	경계부(RR)로부터 200㎛을 넘어 500㎛까지의 범위(㎛)	경계부(R_R)로부터 릴리프면측으로 50㎛까지의 범위(㎛)	경계부(R_R)로부터 릴리프면측으로 100㎛을 넘어 200㎛까지의 범위(㎛)	완성면 조도(Rmax) ㎛	릴리프면 마모(mm)
본발명품	1-1	Al₂O₃/0.15	Al₂O₃/0.15	Al₂O₃/0.18	Al₂O₃/0.18	2.5	0.10
	1-2	Al₂O₃/0.19	TiN/0.25	Al₂O₃/0.18	TiN/0.26	6.5	0.18
	1-3	TiN/0.18	TiN/0.19	TiN/0.16	TiN/0.18	5.5	0.20
	1-4	TiN/0.18	TiN/0.26	TiN/0.3	TiN/0.3	7.0	0.22
비교품	1-5	Al₂O₃/0.25	TiN/0.25	Al₂O₃/0.25	TiN/1.33	12.0	0.45
	1-6	Al₂O₃/0.18	TiN/0.25	TiN/0.35	←	12.5	0.40
	1-7	TiN/1.4	←	TiN/0.25	←	12.8	결손
	1-8	TiN/1.3	←	TiN/1.2	←	13.8	결손

※ 여기서, R_R : 날 선단 능선부의 레이크면측 경계부, R_F : 날 선단 능선부의 릴리프면측 경계부.
표 1에 도시하는 바와 같이, 날 선단 능선부 및 동일 능선부의 레이크면측 경계부로부터 레이크면측으로 적어도 200㎛의 범위 및 동일 능선부의 릴리프면측 경계부로부터 릴리프면측으로 적어도 50㎛ 범위의 경질 피복층을 기준 길이에 대해 Rmax≤0.2㎛으로 한 경우, 내마모성과 피절삭물의 완성면 조도가 현저하게 향상하는 것을 알 수 있다. 특히, 경질 피복층의 평활면이 넓은 쪽이 그 효과가 큰 것을 알 수 있다. 또한, 경질 피복층의 최외층은 산화 알루미늄이 보다 바람직한 것을 알 수 있다.

(실험예 2)

88%WC-3%ZrCN-4%TaNbC-5%Co(모두 중량%)로 이루어지는 조성의 초경합금으로, 형태 번호 CNMG120408 형상의 절삭 칩을 제작하였다. 다음에, 절단 날 부분 전체에 날 선단 처리로서, 레이크면측에서 보아 0.05mm 폭의 호닝 처리를 실시하여 기재로 하였다. 이 기재의 릴리프면은 소결 표면이다.

이 기재 표면에 통상의 CVD법(화학 증착법)에 의해 TiN, TiC, TiCN, ZrCN, Al₂0₃등을 각종 피복한 절삭용 샘플 칩을 제작하였다. 다음에, 날 선단 능선부 및 동일 능선부로부터 레이크면측 및 릴리프면측에 있어서, 탄성 숫돌을 사용하여 연마·래핑 처리를 실시한 후, 기준 길이 5㎛에 대한 면 조도(Rmax)를 칩 단면의 주사 전자 현미경 사진에 의해 측정하였다. 그 결과를 표 2에 도시한다.

이렇게 하여 제작한 절삭용 샘플 칩을 사용하여 하기에 도시하는 조건으로 절삭을 행하여 내마모성 및 피절삭재 완성면 조도 평가를 행하였다. 평가 결과도 표 2에 도시한다.

(절삭 조건)

피절삭재: FCD700

절삭 속도: 200m/분

절단: 0.5mm

이송: 0.2mm/rev

절삭 시간: 20분

절삭유: 수용성

	시 료 No	경질 피복층의 구조(㎛) 모재 순서	Al₂O₃의 결정 상태	최외층막질/표면조도(Rmax)		절삭 성능
	시 료 No	경질 피복층의 구조(㎛) 모재 순서	Al₂O₃의 결정 상태	날 선단 능선부 및 경계부(R_R)로부터 200㎛의 범위(㎛)	경계부(R_F)로부터 릴리프면측으로 50㎛까지의 범위(㎛)	완성면 조도 (Rmax) ㎛	릴리프면마모 (mm)
본발명품	2-1	TiN(0.5)TiCN(10)Al₂O₃(3.0)TiN(0.5)	α	Al₂O₃/0.19	Al₂O₃/0.19	3.6	0.12
	2-2	TiN(0.5)TiCN(10)TiCBNO(0.5)Al₂O₃(3.0)TiN(0.5)	κ	Al₂O₃/0.18	Al₂O₃/0.19	4.8	0.15
	2-3	TiN(0.5)TiCN(10)TiBNO(1.0)Al₂O₃(3.0)TiCN(0.5)	α	Al₂O₃/0.15	TiCN/0.19	6.5	0.19
	2-4	TiN(0.5)TiCN(3.5)TiC(0.5)Al₂O₃(12.0)ZrCN(0.5)	α	Al₂O₃/0.19	ZrCN/0.19	7.0	0.13
	2-5	TiN(0.5)TiCN(7.0)TiCO(0.5)Al₂O₃(8.0)TiN(0.5)	κ	Al₂O₃/0.16	TiN/0.19	7.8	0.23
비교품	2-6	TiN(0.1)TiCN(7.0)Al₂O₃(3.0)TiN(0.5)	α	Al₂O₃/0.18	Al₂O₃/0.19	15.4	막박리
본발명품	2-7	TiN(3.2)TiCN(7.5)Al₂O₃(3.0)TiN(0.5)	κ	Al₂O₃/0.19	Al₂O₃/0.19	8.3	0.29
	2-8	TiN(0.5)TiCN(25)Al₂O₃(3.0)TiN(0.5)	α	Al₂O₃/0.19	Al₂O₃/0.19	8.9	미소 칩핑
	2-9	TiN(0.5)TiCN(10)Al₂O₃(0.3)TiN(0.5)	α	Al₂O₃/0.19	Al₂O₃/0.19	8.0	0.30
	2-10	TiN(0.5)TiCN(10)Al₂O₃(18.0)TiN(0.5)	κ	Al₂O₃/0.19	Al₂O₃/0.19	8.6	미소 칩핑

※ 여기서, R_R : 날 선단 능선부의 레이크면측 경계부, R_F : 날 선단 능선부의 릴리프면측 경계부.
표 2로부터 하지의 TiN층이 0.2㎛ 미만(No.2-6)에서는 막의 밀착 강도가 저하하여 막 박리를 초래해버리고, 3㎛ 넘으면(No.2-7) 내마모성이 어느 정도 저하한다. 전자에서는 피절삭물의 완성면 조도가 악화하는 것을 알 수 있다.

또한, TiCN층이 20㎛을 넘은 경우(No.2-8)나 Al₂0₃층이 15㎛을 넘으면(No.2-10) 미소 치핑이 생겨, 피절삭물의 완성면 조도도 약간 저하한다. 한편, Al₂0₃층의 두께가 0.5㎛ 미만에서는 내마모성이 어느 정도 저하하는 것을 알 수 있다(No.2-9).

(실험예 3)

81%WC-5%TiC-4%TaNbC-10%Co(모두 중량%)로 이루어지는 조성의 초경합금으로, 형태 번호 SDKN1203 형상의 절삭 칩을 제작하였다. 다음에, 절단 날 부분 전체에 날 선단 처리로서, 레이크면측에서 보아 0.10mm 폭의 챔퍼 호닝 처리를 실시하여 기재로 하였다. 이 기재는 표면의 일부가 소결 표면으로, 일부가 연마 표면으로 되어 있다.

이 기재 표면에 통상의 CVD법(화학 증착법) 및 PVD법(물리 증착법: 여기서는 아크 이온 플레이팅법)에 의해 TiN, TiC, TiCN, TiAlN, Al₂0₃등을 각종 피복한 절삭용 샘플 칩을 제작하였다. 다음에, 날 선단 능선부 및 레이크면측 및 릴리프면측에 있어서, 브러쉬를 사용하여 연마·래핑 처리를 실시한 후, 기준 길이 5㎛에 대한 면 조도(Rmax)를 칩 단면의 주사형 전자 현미경 사진에 의해 측정하였다. 그 결과를 표 3에 도시한다.

이렇게 하여 제작한 절삭용 샘플 칩을 사용하여 하기에 도시하는 조건으로 밀링 커터(milling cutter) 절삭을 행하여 내마모성 및 피절삭재 완성면 조도 평가를 행하였다. 평가 결과도 표 3에 도시한다.

(절삭 조건)

커터: FPG4160R

피절삭재: SCM435

절삭 속도: 250m/분

절단: 0.8mm

이송: 0.25mm/날

절삭 시간: 30분

	시 료 No	경질 피복층의 구조(㎛) 모재 순서	코팅 방식	최외층막질/표면조도(Rmax)		절삭 성능
	시 료 No	경질 피복층의 구조(㎛) 모재 순서	코팅 방식	날 선단 능선부 및 경계부(R_R)로부터 200㎛의 범위(㎛)	경계부(R_F)로부터 릴리프면측으로 50㎛까지의 범위(㎛)	완성면 조도 (Rmax) ㎛	릴리프면마모 (mm)
본발명품	3-1	TiN(0.5)TiCN(5)Al₂O₃(5.0)TiN(0.5)	CVD	Al₂O₃/0.19	Al₂O₃/0.16	4.5	0.12
	3-2	TiN(0.5)TiCN(3)TiCBNO(0.2)Al₂O₃(1.0)TiN(0.5)	CVD	TiCN/0.18	Al₂O₃/0.19	5.2	0.15
	3-3	TiN(0.5)TiAlN(3.0)TiN(0.5)	PVD	TiAlN/0.18	TiAlN/0.15	7.0	0.19
	3-4	TiN(0.5)Al₂O₃(3.5)TiCN(0.5)	PVD	TiCN/0.13	TiCN/0.15	7.5	0.18
	3-5	TiN(0.5)TiCN(3.5)TiN(0.5)	PVD	TiCN/0.18	TiN/0.19	7.2	0.23
비교품	3-6	TiN(0.1)TiCN(5.0)Al₂O₃(5.0)TiN(0.5)	CVD	Al₂O₃/1.8	Al₂O₃/2.5	12.5	막박리
	3-7	TiN(0.1)TiCN(5.0)Al₂O₃(5.0)TiN(0.5)	CVD	Al₂O₃/0.19	Al₂O₃/2.8	13.5	0.55
	3-8	TiN(0.5)TiCN(5.0)Al₂O₃(5.0)TiN(0.5)	CVD	Al₂O₃/2.6	Al₂O₃/0.18	14.0	칩핑
	3-9	TiN(0.5)TiAlN(3.0)TiN(0.5)	PVD	TiN/1.0	TiN/1.3	11.5	0.40
	3-10	TiN(0.5)TiAlN(3.5)TiN(0.5)	PVD	TiCN/1.2	TiCN/1.2	13.5	0.55

※ 여기서, R_R : 날 선단 능선부의 레이크면측 경계부, R_F : 날 선단 능선부의 릴리프면측 경계부.
표 3으로부터 강철의 밀링 커터 절삭에 있어서도 본 발명 공구는 내마모성, 완성면 품위가 뛰어난 것을 알 수 있다.

(실험예 4)

12%WC-65%TiCN-6%TaNbC-3%M02C-7%Co-7%Ni(모두 중량%)로 이루어지는 조성의 서멧 합금으로, 형태 번호 CNMG120408 형상의 절삭 칩을 제작하였다. 다음에, 절단 날 부분 전체에 날 선단 처리로서, 레이크면측에서 보아 0.06mm 폭의 호닝 처리를 실시하여 기재로 하였다. 이 기재의 릴리프면은 소결 표면이다.

이 기재 표면에 통상의 CVD법(화학 증착법) 및 PVD법(물리 증착법: 여기서는 아크 이온 플레이팅법)에 의해 TiN, TiC, TiCN, TiAlN, Al₂0₃등을 각종 피복한 절삭용 샘플 칩을 제작하였다. 다음으로 날 선단 능선부 및 레이크면측 및 릴리프면측에 있어서, 탄성 숫돌을 사용하여 연마·래핑 처리를 실시한 후, 기준 길이 5㎛에 대한 면 조도(Rmax)를 칩 단면의 주사형 전자 현미경 사진에 의해 측정하였다. 그 결과를 표 4에 도시한다.

이렇게 하여 제작한 절삭용 샘플 칩을 사용하여 하기에 도시하는 조건으로 절삭을 행하여 내마모성 및 피절삭재 완성면 조도 평가를 행하였다. 평가 결과도 표 4에 도시한다.

(절삭 조건)

피절삭재: SCM415

절삭 속도: 300m/분

절단: 0.5mm

이송: 0.25mm/rev

절삭 시간: 15분

절삭유: 건식 절삭

시 료 No

경질 피복층의 구조(㎛) 모재 순서

코팅 방식

최외층막질/표면조도(Rmax)

절삭 성능

날 선단 능선부 및 경계부(R_R)로부터 200㎛의 범위(㎛)

경계부(R_F)로부터 릴리프면측으로 50㎛까지의 범위(㎛)

완성면 조도 (Rmax) ㎛

릴리프면마모 (mm)

본발명품

4-1

TiN(0.5)TiCN(3)Al₂O₃(5.0)TiN(0.5)

CVD

Al₂O₃/0.15

Al₂O₃/0.16

3.0

0.10

4-2

TiN(0.5)Al₂O₃(1.5)TiN(0.5)

CVD

Al₂O₃/0.18

5.5

0.11

4-3

TiN(0.5)TiAlN(3.0)TiN(0.5)

PVD

TiAlN/0.13

6.8

0.17

4-4

TiN(0.5)TiCN(3.5)TiN(0.5)

PVD

TiCN/0.18

TiCN/0.19

7.5

0.22

비교품

4-5

TiN(0.5)TiCN(3)Al₂O₃(5.0)TiN(0.5)

CVD

Al₂O₃/2.0

Al₂O₃/2.2

12.5

칩핑

4-6

TiN(0.5)Al₂O₃(1.5)TiN(0.5)

CVD

Al₂O₃/0.19

Al₂O₃/1.5

12.0

칩핑

4-7

TiN(0.5)TiAlN(3.0)TiN(0.5)

PVD

TiAlN/1.2

14.5

0.55

4-8

TiN(0.5)TiCN(3.5)TiN(0.5)

PVD

TiCN/0.2

TiCN/1.2

11.5

0.75

※ 여기서, R_R : 날 선단 능선부의 레이크면측 경계부, R_F : 날 선단 능선부의 릴리프면측 경계부.

표 4로부터 서멧을 기재로 한 본 발명 공구도 강철 완성 가공에 있어서 내마모성, 완성면 품위가 뛰어난 것을 알 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명 피복 절삭 공구에 의하면, 절삭 가공에 있어서 피절삭물과의 용착이 일어나기 어려워, 내결손성과 내마모성을 양립시켜 공구 수명을 향상시킬 수 있다. 특히, 건식 절삭에 있어서 효과적이다. 더욱이, 피절삭물의 완성면 품위도 뛰어나 고정밀도 가공에 적합하다.

Claims

기재 상에 경질 피복층을 구비하는 피복 절삭 공구로서,

상기 기재는 1종류 이상의 철족 금속을 포함하는 결합상과, 주기율표 IYa, Va, VIa족 원소의 탄화물, 질화물, 산화물 및 그들의 고용체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종류 이상의 물질을 포함하는 경질상으로 이루어지며, 상기 피복층 중, 날 선단 능선부 및 동일 능선부의 레이크면측 경계부로부터 레이크면측으로 적어도 200㎛의 범위 및 동일 능선부의 릴리프면측 경계부로부터 릴리프면측으로 적어도 50㎛의 범위가 실질적으로 표면 조도(Rmax) 0.2㎛ 이하(기준 길이 5㎛으로 한다)의 평활면으로 구성되는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서, 기재의 릴리프면이 소결 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 경질 피복층이 주기율표 IVa, Va, VIa족, Al 및 Si로부터 선택되는 1종 이상의 금속 원소의 탄화물, 질화물, 탄질화물, 붕화물, 산화물 및 그들 고용체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종류 이상의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 3 항에 있어서, 경질 피복층이 Ti(CwBxNy0z)(여기서 w+x+y+z=1, w, x, y, z≥0)의 적어도 1층 이상으로 이루어지는 내층과, 산화 알루미늄층으로 이루어지는 중간층 및 TiCxNy0_1-x-y 또는 ZrCxNy0_1-x-y(0≤x, y, x+y≤1)로 이루어지는 외층을 구비하는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 3 항에 있어서, 평활면이 산화 알루미늄층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 평활면으로 이루어진 범위가 날 선단 능선부 및 동일 능선부의 레이크면측 경계부로부터 레이크면측으로 적어도 500㎛의 범위 및 동일 능선부의 릴리프면측 경계부로부터 릴리프면측으로 적어도 200㎛의 범위인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 3 항에 있어서, 내층이 기둥 형상 결정 조직을 갖는 2 내지 20㎛의 막 두께의 탄질화 티타늄으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 3 항에 있어서, 경질 피복층 중, 기재와 접하는 최내층이 입자 형상 조직을 갖는 0.2 내지 3㎛의 막 두께의 질화 티타늄인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 3 항에 있어서, 산화 알루미늄이 0.5 내지 15㎛의 막 두께의 α형 산화 알루미늄으로 구성되는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 기재가 서멧으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.