KR100728513B1

KR100728513B1 - 표면 피복된 질화 붕소 소결 콤팩트 공구

Info

Publication number: KR100728513B1
Application number: KR1020010053153A
Authority: KR
Inventors: 구키노사토루; 오타미치코; 오하라히사노리; 후쿠이하루요
Original assignee: 스미토모덴키고교가부시키가이샤
Priority date: 2000-08-31
Filing date: 2001-08-31
Publication date: 2007-06-15
Also published as: EP1195452A1; DE60133705D1; US20020045072A1; EP1195452B1; CA2356039C; JP3637882B2; DE60133705T3; US6623850B2; EP1195452B2; CA2356039A1; JP2002144110A; CN1347784A; EP1195452B9; KR20020018587A; DE60133705T2

Abstract

본 발명의 목적은 cBN 소결 콤팩트 기판에 대한 현저히 개선된 경질 피복층 접합 강도를 갖는, 표면 피복된 고압상 타입(high pressure phase type)의 질화 붕소 소결 콤팩트로 구성된 절삭 공구를 제공하는 것이다.

절삭에 관련된 공구 에지의 적어도 일부가 고압상 타입의 질화 붕소로 제조된 기판에 기초하고, 표면 피복층이 그 표면 상에 제공되며, 상기 표면 피복층은 상기 고압상 질화 붕소 소결 콤팩트 기판의 경계면에 연속 방식으로 존재하는 중간층과, 그 위에 추가로 형성된 경질 피복층을 포함하고, 상기 중간층은 0.005㎛ 내지 0.05㎛의 평균 두께를 갖는 주기율표의 4a, 5a 및 6a 족으로부터 선택된 하나 이상의 원소로 구성되는 형태의 표면 피복된 질화 붕소 소결 콤팩트 공구에 의해 상기 목적이 달성된다.

질화 붕소, 중간층, 경계면, 피복층, 소결 콤팩트

Description

표면 피복된 질화 붕소 소결 콤팩트 공구{A tool of a surface-coated boron nitride sintered compact}

첨부된 도면들은 본 발명의 원리 및 장점들을 세부적으로 예시하기 위한 것들이다.

도 1은 cBN 기판 표면상의 본 발명에 따른 중간층 피복 상태를 도시하는 평면도.

도 2는 cBN 기판 표면상의 본 발명에 따른 중간층의 피복 상태를 도시하는 단면도.

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 소결 콤팩트의 제조에 사용되는 아크 이온 도금 방법에 의한 성막 장치를 도시하는 단면도 및 평면도.

도 4는 표면 피복층 내의 Cr 분포를 도시하는 그래프.

*도면의 주요 부분에 따른 부호의 설명*

1: 성막 장치 2: 챔버

3: 주 테이블 4: 지지로드

5a 및 5b: 아크형 증발원 6a 및 6b: 캐소드

7a, 7b 및 8: 직류 전원 9: 가스 입구

본 발명은 하기에, 입방 질화 붕소(cBN), 우르차이트 질화 붕소(wBN) 등의 고압상 질화 붕소를 포함하는, 하기에, "cBN 소결 콤팩트"라 지칭될, 소결 콤팩트를 기판으로서 사용하는 절삭 공구 재료에 관련한 개선에 관한 것으로, 접합 강도가 양호하고, 매끄러운 경질 피복막을 가진 표면 피복 질화 붕소로 제조된 절삭 공구에 관련한 것이다.

cBN(입방 질화 붕소)은 다이아몬드 다음의 경도와 열 전도성을 가지며, 철금속과의 반응성이 다이아몬드에 비해 낮다는 점 같은 양호한 특성들을 갖고 있다. 따라서, 이 cBN을 함유하는 cBN 소결 콤팩트를 사용하는 절삭 공구는 작업 효율 향상과 설치 비용 감소의 측면에서, 절삭이 어려운 철함유 재료들을 다루는 분야에서 초경합금 또는 서멧(cermet)으로 제조된 연삭 또는 작업 공구들이나 절삭 공구들 대신 사용되어지고 있다.

절삭 공구를 위한 상기 cBN 소결 콤팩트는 cBN 입자들과 결합제를 포함하는 소결 콤팩트이며, 이는 일반적으로 하기와 같은 두가지 형태로 분류될 수 있다.

(1) 강도와 내마모성이 양호하게 균형을 이루며, 주로 경화강(hardened steels)에 사용되는 소결 콤팩트로서, 이는 최소 30 체적% 내지 최대 80 체적%의 cBN 입자들을 포함하고 있으며, 상기 cBN 입자들은 주로 TiN, TiC, TiCN 등의 Ti형 세라믹들로 구성된 결합제를 통해 결합되어 있다.

(2) 강도와 열 전도성이 양호하며, 주로 주철에 사용되는 소결 콤팩트로서, 이는 최소 80 체적% 내지 최대 90 체적%의 cBN 입자들을 포함하고, 상기 cBN 입자들은 직접적으로 결합되며, 나머지는 주로 Al 합성물 또는 Co 합성물로 구성된 결합제에 의해 결합되어 있다.

절삭 공구용 cBN 콤팩트들은 예로서, 연삭 슬러지 같은 산업 폐기물의 감소와, 지구 온난화 문제에 관련한 소모 전력 감소 같은 지구 환경 문제에 대한 인식이 보다 커지고 있기 때문에, 최근 지구 환경 문제에 적합한 공구로서 주목되어 왔다.

그러나, cBN 입자들은, cBN 입자들이 비커스 경도로 약 5,000Hv(결합제의 경도는 최대 약 2,500Hv임)인 더 높은 경도를 가짐에도 불구하고, 균열 특성을 가지고 있을 뿐만 아니라, TiN, TiC, TiCN 결합제들 보다 철금속들에 대한 친화성이 크다는 단점을 가지고 있다. 따라서, 마모의 진행으로 인한 공구 가장자리의 파손과, 열적 마모로 인한 최종적 소멸 때문에, cBN 콤팩트 공구에 대하여 부가적인 사용 수명 연장이 필요하다.

특히, 최근, 경화강 부품들의 다양화와, 기능 증가의 관점에서도 cBN 콤팩트 공구에 대한 기대가 마찬가지로 증가되고 있으며, 작업편의 표면을 높은 등급과, 고속 및 고 효율로 가공할 수 있는 공구를 개발할 필요가 있다.

예로서, cBN 소결 콤팩트의 내마모성과 파괴 강도를 부가적으로 개선하기 위해서, cBN 소결 콤팩트를 TiN, TiCN, TiAlN 등으로 피복하는 단계를 포함하는 방법이 제안되어 왔다.

그러나, cBN 소결 콤팩트 공구는 피복막의 박리가 자주 발생되고, 가혹한 조건하에서 사용되기 때문에, 서비스 수명의 열화가 초래된다는 문제점에 봉착하였다.

피복막의 접합 강도를 개선하기 위해서, 예로서, JP-A-7-18415 또는 US 특허 5,709,907에 예시된 바와 같이, 먼저 0.5 내지 12.5㎛의 조도(roughness)로 기판의 표면을 조면화하고, 상기 조면화된 표면 상에 막이 형성되는 공구가 제안되었다. 이들 공구들을 사용하여 절삭을 수행하는 경우에, 공구 표면의 형상이 작업편으로 전달되고, 따라서, 종래의 cBN 소결 콤팩트들에 비해, 가공면의 등급과 치수 정밀도가 악화된다. 상기 cBN 공구는 빈번히 ㎛ 수준의 가공 정밀도를 필요로하는 작업에 사용되도록 적용되게 되기 때문에, 이들 공구들에 의한 실용적 절삭이 어려워진다.

한편, cBN 기판을 표면 조면화하지 않고 피복막의 접합 강도를 개선하기 위한 수단으로서, 예로서 JP-A-1-96083 또는 JP-A-1-96084에 개시된 바와 같이, 0.05 내지 0.3㎛의 평균 층 두께를 가진 금속성 Ti 층을 통해 질화 티타늄으로구성된 경질 피복막으로 표면이 피복되어 있는 cBN 소결 콤팩트를 포함하는 공구가 제안되었다. 그러나, 이들 방법들에 따라서, 비교적 경질의, 절삭이 어려운 철함유 재료를 절삭하는 동안 고압 및 고온에 절삭 에지들이 노출되고, 따라서, 이 때문에 금속성 티타늄이 연화되고, 경질 피복막이 쉽게 파괴 및 박리되는 문제점이 발생된다.

JP-A-8-119774의 TiAlN 피복 cBN 공구에서는 cBN 기판과, TiAlN 피복막 사이 에 중간층으로서 TiN 층이 피복되어 cBN 기판의 표면을 조면화하지 않고도 높은 접합 강도로 TiAlN 피복막을 그에 접합시킬 수 있지만, 본 기술에 따라서, cBN 기판과 TiN 기판 사이의 접합 강도의 부가적인 개선은 원론적으로 기대될 수 없고, cBN 소결 콤팩트가 적은 함량의 TiN, 또는 TiC을 갖는, 즉, 고 cBN 함량 소결 콤팩트인 경우에, 경 피복막의 접합 강도의 저하가 불가피하다.

따라서, 본 발명자들은 공구가 가혹한 조건하에서 절삭하게되는 경우에도 피복된 cBN 소결 콤팩트 공구 내의 경질 피복막이 박리되지 않고 장시간 동안 유지되는 높은 등급의 가공면을 제공할 수 있는 공구를 개발하기 위해서, 피복된 cBN 소결 콤팩트 공구의 경질 피복막의 파괴 및 박리의 메카니즘에 대한 연구를 수행하였다.

결과적으로, 본 발명자들은 하기와 같은 사실을 발견하였다.

(Ⅰ) cBN 소결 콤팩트는 경질 피복막과 기판 사이의 확산 또는 반응에 의해 TiN, TiCN 또는 TiAlN 막 같은 경질 박막과 접합되게 되며, 그 동안 경질 피복막과 기판의 접합 강도를 유지하도록 경질로 소결가능한 cBN 입자들 보다는 결합제 부분과 더 강한 접합이 발생한다.

(Ⅱ) 잉여 응력이 경질 피복층 내에 남았을 때, 또는, 예로서, 중단된 부분을 갖는 작업편을 가공하는 동안 외측으로부터 경질 피복막 상에 충격이 가해졌을 때, 경질 피복막과 cBN 소결 콤팩트 사이의 경계면에서 또는 경질 피복막 내에서의 파괴로 인한 막 박리가 이런 응력에 의해 발생할 수 있다.

본 발명의 목적은 양호한 접합 강도와 매끄러움을 가진 경질 피복막을 구비한, cBN, wBN 등의 고압상 타입의 질화붕소를 포함하는 소결 콤팩트에 기반한 개선된 절삭 공구를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 경질 피복막의 기판에 대한 접합 강도가 현저히 개선되어 있는, 특히, 중간층에서 현저히 개선되어 상술한 바와 같은 종래기술의 문제들을 해결할 수 있는 표면 피복된 고압상 질화 붕소 소결 콤팩트 공구를 제공하는 것이다.

상기 목적들은 절삭에 관련된 공구 가장자리의 적어도 일부가 고압상 타입의 질화 붕소의 기판에 기반하고, 표면 피복층이 그 표면 상에 제공되며, 상기 표면 피복층은 연속 방식으로 상기 고압상 질화붕소 소결 콤팩트 기판에 제공된 중간층과, 그 위에 부가적으로 형성된 경질 피복층을 포함하고, 상기 중간층은 최소 0.005㎛ 내지 최대 0.05㎛, 양호하게는 0.02㎛ 내지 0.04㎛의 평균 두께를 갖는 주기율표의 4a, 5a 및 6a족으로부터 선택된 하나 이상의 원소로 구성되는, 표면 피복된 질화 붕소 소결 콤팩트 공구에 의해 달성될 수 있다.

본 발명자들은 표면 피복된 질화붕소 소결 콤팩트에서, cBN 소결 콤팩트 기판과 cBN 소결 콤팩트의 주 성분으로서의 cBN 입자들과의 양호한 반응성을 가진 중간층을 형성함으로써 그 표면을 조면화하지 않고도 cBN 소결 콤팩트의 접합 강도를 향상시키는 것이 가능하며, 따라서, 높은 접합 강도를 가진 경질 피복층으로 피복도리 수 있다고 생각했다. 결론적으로, 본 발명자들의 연구의 결과로서, 주기율표 의 4a, 5a 및 6a족으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 포함하는 금속성 합성물 또는 금속간 합성물로 형성되고, 특정 두께를 갖게될 때, cBN 소결 콤팩트 기판이 높은 접합 강도를 가진 경질 피복층으로 피복될 수 있고, 가혹한 조건하에서 절삭할때에도 경질 피복층이 잘 박리되지 않는다는 것이 발견되었다. 본 발명은 이 발견에 기초한다.

상술한 목적들은 하기와 같이 요약된 실시예들과 본 발명의 각 발명에 의해 양호하게 달성될 수 있다.

(1) 절삭에 관련된 공구 에지의 적어도 일부가 고압상 타입의 질화 붕소의 기판을 기반으로하고 있고, 그 표면 상에 표면 피복층이 존재하며, 상기 표면 피복층은 상기 고압상 질화 붕소 소결 콤팩트 기판의 경계면에 대해 연속 방식으로 존재하는 중간층과, 그 위에 부가적으로 형성된 경질 피복층을 포함하고, 상기 중간층은 주기율표의 4a, 5a 및 6a 족으로부터 선택된 하나 이상의 원소로 구성되고, 최소 0.005㎛ 내지 최대 0.05㎛, 양호하게는 최소 0.02㎛ 내지 최대 0.04㎛의 평균 두께를 갖는 표면 피복된 질화 붕소 소결 콤팩트 공구.

(2) 상술한 (1)에 있어서, 상기 중간층은 Cr, Zr 및 V의 원소들 중 하나 이상을 함유하는 표면 피복된 질화 붕소 소결 콤팩트 공구.

(3) 상술한 (1) 또는 (2)에 있어서, 상기 경질 피복층은 4a, 5a 및 6a족 원소들과, Al, B, Si 및 Y로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 원소와, C, N 및 O로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 함유하고, 최소 2,000의 누프 경도(Hk)와, 최소 0.5㎛ 내지 최대 10㎛의 막두께를 가지는 표면 피복된 질화 붕소 소결 콤팩트 공구.

(4) 상술한 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 있어서, 상기 표면 피복층은 이온 도금법, 스퍼터링법 또는 진공 아크 기상 증착법에 의해 형성되는 표면 피복된 질화 붕소 소결 콤팩트 공구.

(5) 상술한 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 있어서, 상기 표면 피복층의 최외부 표면층은 Ti 및 Cr로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 원소와, C, N 및 O로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 원소로 구성되는 합성물로 구성되는 표면 피복된 질화 붕소 소결 콤팩트 공구.

(6) 상술한 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 있어서, 상기 표면 피복층의 최외부 표면층은 CrN층인 표면 피복된 질화 붕소 소결 콤팩트 공구.

(7) 상술한 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 있어서, 적어도 절삭에 관련된 위치는 JIS B0601에 의해 규정된(측정 길이 0.8mm), 최대 0.2㎛의 중앙선 평균 조도(Ra)를 가지는 표면 피복층을 구비하는 표면 피복된 질화 붕소 소결 콤팩트 공구.

(8) 상술한 (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 있어서, 절삭에 관련된 공구 에지의 적어도 일부는 입방 질화 붕소 소결 콤팩트에 기반하고, 상기 입방 질화 붕소 소결 콤팩트는 최소 30 체적% 내지 최대 80체적%의 입방 질화 붕소를 포함하고, 잔여부가 주기율표의 4a, 5a 및 6a 족 원소들의 질화물 , 붕화물 및 탄화물과, Al 합성물와 그 고체 용액들로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 결합제와, 불가피한 불순물들로 구성되어 있는 표면 피복된 질화 붕소 소결 콤팩트 공구.

(9) 상술한 (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 있어서, 상기 절삭에 관련된 공구 에지의 적어도 일부는 입방 질화 붕소 소결 콤팩트에 기반하고, 상기 입방 질화 붕소 소결 콤팩트는 최소 80 체적% 내지 최대 90체적%의 입방 질화 붕소를 포함하고, 잔여부가 Co 합성물들, Al 합성물들 및 그 고체 용액로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 결합제와, 불가피한 불순물들로 구성되어 있는 표면 피복된 질화 붕소 소결 콤팩트 공구.

(10) 상술한 (1) 내지 (9) 중 어느 하나에 있어서, 상기 입방 질화 붕소는 최대 4㎛의 평균 입경을 가지는 표면 피복된 질화 붕소 소결 콤팩트 공구.

상술한 중간층의 성분으로서, 금속성 Cr, Ti, V, Zr 및 W가 사용되는 것이 바람직하다. 이들 금속들은 기판의 cBN 소결 콤팩트의 주 성분으로서의 고압상 타입의 질화 붕소와 반응할 수 있으며, 그와 함께 반응하여 상술한 cBN 기판과 중간층 사이의 경계면에 상술한 금속들의 질화물 및 붕화물을 형성하여 그 접합 강도를 향상시키며, 부가적으로, 상기 중간층은 중간층 상에 피복된 경질 피복층과 반응되어 Cr, Ti, V, Zr 및 W의 질화물, 탄화물, 카본니트라이드 및 산화물을 쉽게 형성하고, 그래서, 기판으로서의 상기 cBN 소결 콤팩트와 경질 피복막을 접합한다.

상기 중간층이 형성될 때, 상기 중간층을 구성하는 원소들이 cBN 소결 콤팩트 표면상으로 입사하는 운동 에너지에 의해 입방 질화 붕소 입자들 및 결합제 부분의 소결 콤팩트의 내측으로 확산되며, 그래서, 조성물 내에서 연속적으로 변화되는 구배 조성 물질을 형성한다. 이렇게 형성된 중간층을 구성하는 cBN 소결 콤팩트 표면은 중간층과의 접합 강도를 부가적으로 향상시킨다.

중간층과 경질 피복층 사이의 경계면에서, 중간층을 형성하는 원소들의 구배 조성 부분들도 형성되어 경계면의 접합 강도를 개선한다. 무엇보다도, 중간층을 형성하는 상기 원소들이 경질 피복층을 형성하기 위한 TiAlN 같은 합성물의 층에 극소량 추가될 때, 경질 피복층의 절삭 공구로서의 특성인 내마모성과, 내산화성이 부가적으로 향상될 수 있다.

cBN 기판의 경계면에서의 접합 강도를 향상시키더라도, 경질 피복층내에 잉여 응력이 남아있을 때에는 잔류 응력에 의한 막내의 파손으로 인하여 막 박리가 빈번히 발생된다. 그러나, 경질 피복층내의 파괴로 인한 막 박리는 경질 피복층 보다 연성이 보다 양호한 중간층을 적절한 두께로 연속적으로 배열함으로써 억제될 수 있다.

중간층의 두께는 평균두께로서, 최소 0.005㎛ 내지 최대 0.05㎛이며, 높은 접합 강도를 얻기 위해서는 최소 0.02㎛ 내지 최대 0.04㎛인 것이 바람직하다(도 1 및 도 2 참조). 상기 두께 제한에 대한 이유는 다음과 같다. 상기 중간층의 두께가 0.005㎛ 보다 작은 경우에, 확산층 또는 반응층이 형성될 수 없으며, 중간층이 0.05㎛을 초과하는 경우에는 확산되지도 않고 반응되지도 않은 상태로 남아있는 저경도의 금속성 성분들로 구성된 층이 너무 두꺼워서 고온 및 고압 절삭 동안 경질 피복층의 박리를 방지할 수 없다.

본 발명은 중간층의 두께가 상술한 바와 같이 더 얇아지게 하는 것을 특징으로 하며, 그에 의해 cBN 소결 콤팩트와 경질 피복층 사이의 접합 강도가 향상되고, 따라서, 중간층의 연성화로 인한 파괴와 박리가 억제되는 장점을 얻을 수 있다.

상술한 중간층의 성분으로서, 금속성 Cr, Zr 및 V가 사용되는 것이 바람직하다. Cr은 Ti가 1675℃의 융점을 가지는 반면에, Cr은 보다 높은 융점, 즉, 1890℃의 융점을 가지고, Cr은 중간층 피복 동안 조립질 입자들을 잘 생성하지 않으며, 균일하고, 긴밀하며, 매끄러운 표면 조도의 중간층을 제공할 수 있고, 그 이유는 Cr이 고융점 금속임에도 불구하고 저융점 Al과 유사한 높은 증기압을 가지기 때문이다. 결론적으로, 중간층을 위해 금속성 Cr을 사용하는 경우에, 표면 피복된 질화 붕소 소결 콤팩트 절삭 공구의 표면 조도는 보다 매끄러워지고, 부가적으로, 금속성 Ti, V, Zr, Hf 및 W 등으로 제조된 중간층을 갖는 상술한 절삭 공구들을 사용하는 경우에 비해 작업편이 보다 높은 등급으로 가공될 수 있다.

Zr은 중간층의 성막 동안 고압상 질화 붕소와 반응하여 붕화물을 형성하고, Ti 붕화물이 철 금속들에 대한 비교적 높은 친화성을 가지고 있는 반면에, Zr 붕화물은 철 금속에 대하여 매우 안정적이다. 따라서, 중간층용으로 금속성 Zr을 사용하는 경우에, 금속성 중간층은 절삭 동안 보다 덜 손상받게 되고, 중간층으로서 금속성 Ti를 사용하는 경우 보다 에지의 마모 동안 접합 강도의 저하가 적어지게 된다.

V 및 V 합성물들은 윤활 작용을 갖는 산화물을 형성하기 때문에, 절삭 저항을 감소시킬 수 있다.

중간층의 형성은 예로서, 진공 기상 증착법, 스퍼터링법, 진공 아크 기상 증착법, 이온 도금법 등의 PVD법들과, 다양한 CVD법들을 사용하여 공지된 방식으로 수행된다. 무엇보다도, 이온 도금법, 스퍼터링 기상 증착법 및 진공 아크 기상 증 착법이 특히 바람직하며, 그 이유는, 이들 방법들이 원료 물질들의 높은 이온화 효율과, 기판상으로의 이온 이식 효과등을 통해 높은 접합 강도를 제공하기 때문이다. 중간층을 형성하는 경우에, 최소 0.05㎛ 내지 최대 0.05㎛으로 두께를 제어하는 것은 일반적으로, 가스, 가스 압력, 진공도, 아크 전류, 바이어스 전압, 성막 시간 등의 변화를 통상적인 성막 장치의 작업을 위한 타겟의 변화에 따라서 적절히 제어함으로써 수행된다.

상술한 바와 같이, 단지 cBN 소결 콤팩트만을 사용하는 경우에, 때때로, 내마모성이 부족하거나, 절삭시 쪼개지거나 탈락한 cBN 입자들이 공구 에지에 포획되어 공구의 플랭크 마모부(flank wear) 상에 줄무니형 스크래치들을 형성할 수 있고, 이는 작업편으로 전달되며, 따라서, 가공면의 표면 조도를 열화시킨다.

따라서, 상기 경질 피복층은 주기율표의 4a, 5a 및 6a족, Al, B, Si, 및 Y로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 원소와, C, N 및 O로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 원소로 형성된 하나 이상의 합성물로 제조된 층을 포함하는 것이 바람직하다. cBN 입자들이 절삭이 어려운 철함유 물질에 접촉하는 것을 방지하도록, cBN 소결 콤팩트가 양호한 접합 강도로, 상술한 경질 막층으로 피복될 때, 예로서, 공구의 내마모성 및 파괴 저항성의 개선과, 작업편의 표면을 보다 높은 등급으로 가공하는 등의 장점들이 제공된다. 특히, Y가 고체 용액을 형성하도록 용해될 때, 막의 경도 및 내산화성이 향상된다.

본 발명에서, 경질 피복층은 복수개의 층들로 형성될 수 있고, 그 최외부층은 TiN 또는 CrN인 것이 바람직하다. 그 이유는 TiN 및 CrN은 각각 금색 및 은색의 맑은 색상들을 가지지만, cBN 소결 콤팩트가 검정색 색상을 나타내기 때문이며, 이는 본 발명의 표면 피복된 소결 콤팩트 공구를 대량 생산 시스템에서 사용할 때, 못쓰게된 공구와 미사용 공구의 사용 수명을 구분하는 것을 쉽게 하여, 공구들을 관리할 수 있기 때문이다. 경질 피복층의 최외부 표면층은 CrN층인 것이 특히 바람직하며, 그 이유는 매우 작은 마찰 계수를 가진 CrN 층으로 최외부면을 피복함으로써 절삭동안 접합이 억제되어 장시간에 걸쳐 양호한 마감 표면(finished surface)을 유지하기 때문이다.

종래 기술의 CrN막은 상술한 양호한 접합 저항을 가졌음에도 불구하고, TiN 막의 경도, 즉, Hk=2,000 보다 더 낮은 경도, 즉, Hk=1,700를 갖는다. 따라서, cBN 기판을 단일층으로 피복하는 경우 또는 초경합금 기판을 사용하는 경우에, 상기 막 표면 상에 큰 응력 집중이 발생하고, 그래서, CrN 막 또는 초경합금 기판은 소성 변형을 받게 되며, 변형을 따라갈 수 없기 때문에, 결과적으로 CrN 막의 균열 또는 박리가 초래되게 된다.

본 발명에서, CrN 보다 경도가 양호한 cBN 소결 콤팩트 또는 TiAlN(Hk=적어도 2,500)가 그라운드로서 사용되고, 그에 의해, 큰 응력 집중이 발생되는 경우에도, 변형의 량이 억제되어 CrN 막이 파손되는 것을 방지하고, 내구성을 현저히 개선시킨다.

상기 경질 피복층의 막 두께는 최소 0.5㎛ 내지 최대 10㎛으로 조절되는 것이 바람직하며, 그 이유는, 막 두께가 0.5㎛ 미만이면, 경질 피복층이 경질 피복층의 효과를 유지하기에 너무 짧은 시간에 마모되게되며, 10㎛을 초과하면 경질 피복 층 내의 잔류 응력에 의해 기판과의 접합 강도가 감소되기 때문이다.

표면 피복층의 형성은 예로서, 진공 기상 증착법, 스퍼터링 기상 증착법, 진공 아크 기상 증착법, 이온 도금법 같은 PVD법 또는 다양한 CVD법 등의 공지된 방법으로 일반적으로 수행된다. 무엇보다도, 이온 도금법, 스퍼터링 기상 증착법 및 진공 기상 증착법이 특히 바람직하며, 그 이유는, 이들 방법들이 원료 재료의 높은 이온화 효율과 기판상으로의 이온 이식 효과 등을 통해 높은 기판과의 접합 강도를 제공하기 때문이다.

예로서, 이온 도금법 같은 PVD법으로 박막을 형성하는 경우에, 이온화된 원료 물질들은 증발원과 피복될 기판 사이에 적용된 바이어스 전압에 의해 기판 내로 이식되고, 경계면을 청결하게 하거나, 경계면에 일종의 혼합층을 형성하여 보다 높은 접합 강도를 초래한다. 본 발명의 일 실시예에서, 중간층과 경질 피복층은 동일한 장치에 의해 연속적으로 형성되며, 그에 의해, 상술한 효과들이 양 층들의 형성시 제공되게 된다.

기판으로서의 cBN 소결 콤팩트는 하기와 같이 예시된 양호한 조성(1) 및 (2)을 갖는다.

(1) 최소 30 체적% 내지 최대 80 체적%의 cBN과, 주기율표의 4a, 5a 및 6a 족 원소들의 탄화물, 질화물, 붕화물 및 Al 합성물들과 그 고체 용액들로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 결합제 및 필수불가결한 불순물들로 구성된 잔여부를 포함하는 cBN 소결 콤팩트.

이 cBN 소결 콤팩트는 개선된 강도 및 내마모성을 나타내며, 그 이유는 서로 강하게 접합된, cBN 입자들과, 철에 대한 낮은 친화성을 가진 상술한 결합제들로 주로 구성되어 있기 때문이다.

이 cBN 소결 콤팩트에서, cBN 함량은 최소 30 체적% 내지 80 체적%인 것이 바람직하며, 그 이유는 cBN 함량이 30 체적% 미만인 경우 예로서, 경화강 같은 고경도 작업편을 절삭하기에 경도가 부족해지는 등 상기 cBN 소결 콤팩트의 경도가 낮아지고, cBN 함량이 80 체적%를 초과하면 바인더를 통한 cBN 입자 상호간의 접합이 곤란해지고, cBN 소결 콤팩트의 경도가 감소되기 때문이다.

(2) 최소 80 체적% 내지 최대 90 체적%의 상호 결합된 cBN 입자들과, 나머지는 주로 Al 합성물들 및 Co 합성물들로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 바인더를 포함하는 cBN 소결 콤팩트.

이 cBN 소결 콤팩트에서, cBN 입자들의 함량은 Al 함유 금속 또는 Co 함유 금속이나 원료 물질로서 기능하는 촉매를 가지면서 cBN 입자들을 서로 결합시키는 금속간 합성물의 액상 소결을 수행함으로 증가될 수 있다. 즉, 높은 cBN 함량 때문에, 상기 cBN 입자들은 서로 강한 스캘리톤 구조를 형성하며, 이는 파괴 저항이 양호하고, 가혹한 조건에서의 연삭을 가능하게 한다.

이 cBN 소결 콤팩트에서, cBN 함량은 최소 80 체적% 내지 90 체적%인 것이 바람직하며, 그 이유는 cBN 함량이 80 체적% 보다 낮으면, cBN 입자들의 상호 접합에 의한 스캘리톤(skeleton) 구조의 형성이 어려우며, cBN 함량이 90 체적% 보다 커지면, 촉매 작용을 가진 상술한 결합제의 결핍으로 인하여 cBN 소결 콤팩트 내에 미 소결 부분이 발생하며, 따라서, cBN 소결 콤팩트의 경도가 감소된다.

기판으로서의 cBN 소결 콤팩트 내의 cBN 입자들의 평균 직경이 최대 4㎛일 때, 절삭 특성이 현저히 개선된다.

이는 cBN 입자들이 최대 4㎛으로 이루어져 있을 때, 상기 cBN 입자들의 표면적이 증가되어 cBN 입자들과 경질 피복층의 접합 강도를 향상시키기 때문이다. 평균 입경의 범위는 0.5㎛ 내지 3.5㎛인 것이 바람직하다.

본 발명을 상세히 예시한다. 그러나, 이는 본 발명을 제한하는 것은 아니다.

실시예

(제 1 실시예)

(1) 샘플의 제작

40중량%의 TiN과, 10중량%의 Al로 구성된 결합제 분말과, 입경이 2㎛인 50 중량%의 cBN 분말이 혼합되고, 초경합금 용기 내에 장전되어 5GPa의 압력과 1400℃의 온도에서 60분 동안 소결되어 경화강을 연속적을 절삭하기 위한 cBN 소결 콤팩트를 제조하였다. 결과적인 cBN 소결 콤팩트는 ISO 표준에 따른 SNGA 120408의 형상을 가진 커팅 인서트(cutting insert)로 가공되었다.

이 인서트는 하기의 방법에 의해 경질 피복층으로 피복되었다.

도 3a및 도 3b는 공지된 아크 이온 도금 방법에 따른, 본 발명에 사용된 성막 장치를 도시하는 도면이다. 도 3a를 참조하면, 성막 장치(1)는 챔버(2)와, 주 테이블(3)과, 지지로드(4)와, 아크형 증발원(5a 및 5b)과, 캐소드(6a 및 6b)와, 가변 전원으로서의 직류 전원(7a, 7b 및 8)과, 가스를 공급하기 위한 가스 입구(9)를 포함한다.

챔버(2)는 챔버(2) 내의 압력을 변화시키도록 진공 펌프와 연결되어 있다. 이 챔버는 주 테이블(3)과, 지지 로드(4)와, 가스 입구(9) 및 아크형 증발원(5a, 5b)을 구비하고 있다.

상기 챔버(2) 내에 제공된 지지로드(4)는 주 테이블(3)을 지지한다. 회전 샤프트가 지지로드(4) 내에 제공되어 있고, 이 회전샤프트는 주 테이블(3)을 회전시킨다. 주 테이블(3)은 기판(10)을 유지하기 위한 지그(11)를 구비한다. 상기 지지로드(4)와, 주 테이블(3) 및 지그(11)는 직류 전원(8)의 음극에 전기적으로 접속되어 있다. 직류 전원(8)의 양극은 접지되어 있다.

챔버(2)의 측벽은 아크형 증발원(5b)과, 캐소드(6b)를 구비하고 있으며, 이들은 아크형 증발원(5a)과 이 아크형 증발원(5a)에 접속된 캐소드(6a)에 대면하는 방식으로 배열되어 있다.

아크형 증발원(5a)과 캐소드(6a)는 직류 전원(7a)의 음극에 전기적으로 접속되어 있다. 직류 전원(7a)의 양극은 접지되어 있고, 챔버(2)와 전기적으로 접속되어 있다. 직류 전원(7b)의 양극은 접지되어 있고, 챔버(2)와 전기적으로 접속되어 있다(도 3b에 도시된 바와 같이, 한쌍의 증발원(5c 및 5d)은 도면 표면에 수직방향으로 배열되어 있다).

아크형 증발원(5a, 5b)은 챔버(2)와 아크형 증발원(5a, 5b) 사이의 아크 방전에 의해 부분적으로 용융되고, 상기 아크형 증발 재료는 화살표(12a, 12b)로 도시된 방향으로 증발된다. 캐소드(6a, 6b)와 챔버(2) 사이에 전압이 적용된다. 아크형 증발원(5a)은 (Ti 0.5, Al 0.5)로 구성되어 있다. 아크형 증발원(5b)은 Ti, Cr, Zr 및 V 같은 주기율표의 4a, 5a 및 6a족으로부터 선택된 하나 이상의 원소로 구성된 금속 또는 금속간 합성물로 구성된다. (Ti0.5, Al0.5)의 합성물은 원자들의 수의 비율, 즉, Ti와 Al이 0.5:0.5인 합성물을 의미한다.

가스 공급을 위한 가스 입구(9) 내로는 화살표(13)로 도시된 방향으로부터 다양한 가스가 도입된다. 가스의 예는 아르곤, 질소, 수소, 산소 가스 또는 메탄, 아세틸렌, 벤젠 등의 탄화수소 가스를 포함한다.

도 3a에 도시된 장치를 사용할 때, 챔버(2)가 주 테이블(3)의 회전과 함께 진공 펌프에 의해 배기되고, 기판(10)이 가열기에 의해 450℃의 온도로 가열되며, 상기 배기는 챔버(2)의 압력이 1.5×10^-5Pa로 될 때까지 수행되게 된다. 그후, 챔버 내측의 압력을 3.0Pa로 유지하기 위해 가스 입구(9)로부터 아르곤 가스가 도입되고, 동시에, 직류 전원(8)의 전압이 점진적으로 증가되며, 기판(10)의 표면은 -1000V의 전압에서 20분 동안 세정되며, 그후, 아르곤 가스가 배기된다.

그후, 챔버(2) 내측 압력이 0.5 내지 10.0Pa가 되는 방식으로 가스 입구(9)로부터 아르곤 가스가 도입된다. 50 내지 200A의 아크 전류가 직류 전원(7b)으로부터 공급되어 아크형 증발원(5b)으로부터 금속성 이온들을 발생시킨다. 직류 전원(8)의 바이어스 전압은 -50V 내지 -300V로 조절되고, 다양한 중간층들의 형성이 기판(10)의 표면 상에 수행되었으며, 그동안, 소정 두께(10nm)에 도달할 때까지 이 상태가 유지된다. 타겟의 변화에 따라서, 상술한 가스 압력과, 아크 전류와, 바이어스 전압과, 성막 시간을 제어함으로써 연속적 중간층이 형성되었고, 그후, 직류 전원(7b, 8)이 차단되고, 아르곤 가스가 배기되었다.

상술한 중간층이 형성된 이후에, 질소 가스가 가스 입구(9)로부터 공급되어 챔버(2) 내측 압력이 5Pa가 되도록 하고, 100A의 아크 전류가 직류 전원(7a)으로부터 공급되어 아크형 증발원(5a)이 형성되는 (Ti0.5, Al0.5)의 합성물을 증발시켰으며, -150V의 전압이 직류 전원(8)에 적용되어 기판(10)의 표면 상에 약 3㎛의 두께를 가진 (Ti, Al)N의 경질 피복층을 형성하였다.

이어서, 직류 전원(7a)이 차단되고, 100A의 아크 전류가 직류 전원(7b)으로 공급되어 아크형 증발원(5b)으로부터 Cr 이온을 발생시키고, 기판(10)의 최외측 표면 상에 약 0.5㎛ 두께의 CrN 막을 형성하였다.

부가적으로, 본 발명의 인서트들(샘플 번호 1 내지 4)이 아크형 증발원(5a, 5b)과, 성막 시간을 변화시키는 것을 제외하고는 상술한 바와 동일한 방식으로 제조된다.

비교를 위해, 경질 피복층이 중간층을 형성하지 않고 형성된 샘플 번호 13과, 중간층이 본 발명의 범위에 포함되지 않는 재료로 제조된 샘플 번호 14와, 각각 중간층의 두께가 본 발명의 범위 내에 포함되지 않는 샘플 번호 5 내지 10과, 경질 피복층의 막두께가 본 발명의 범위 내에 포함되지 않는 샘플 번호 20과, 본 발명의 표면 피복층이 초경합금 기판 상에 피복되어 있는 샘플 번호 21과, cBN 소결 콤팩트가 표면 피복층으로 피복되지 않은 샘플 번호 22가 제조되었다.

상술한 샘플들에 대한 이들 경질 피복층들의 경도(Hk)가 #10000의 랩핑 페이퍼로 샘플을 랩핑함으로써 측정되었고, 10초의 시간과 25g의 부하의 조건하에서 샘플에 대해 누프 인덴터(Knoop indenter)를 인덴팅하고, 인덴팅된 크기를 측정하였다.

(2) 절삭 테스트

이들 커팅 인서트들을 사용하여, 경화강 중 하나, 즉, SUJ 2(HRC 63)의 라운드 바아의 외주 절삭이 수행되었다. 절삭은 150m/min의 절삭 속도와, 0.2mm의 절삭 깊이와, 0.1mm/rev의 공급과, 25분 동안의 건조 프로세스의 상태하에서 수행되었고, 경질 피복막의 측면 마모폭과, 박리 상태가 평가되었다.

샘플들의 세부 정보와, 절삭 테스트를 실행한 경우의 평가 결과들이 표 1에 나타나 있다.

이들 결과들로부터, 그 중간층들이 주기율표의 4a, 5a 및 6a족으로부터 선택된 하나이상의 원소들로 구성되어 있는 본 발명의 샘플 번호 1 내지 4, 6 내지 9, 11, 12 및 16 내지 20의 경우에, 그 중간층들이 주기율표의 4a, 5a 및 6a 족이 아닌 다른 원소들로 구성된 샘플 번호 14와, 중간층이 없는 샘플 번호 13에 비해 절삭 테스트에서 막 박리가 잘 발생되지 않는다는 것을 알 수 있다. 부가적으로, 샘플 번호 22, 즉, 종래 기술에 따른 경화강 절삭을 위한 cBN 소결 콤팩트에 비해 마모가 현저히 감소된 것이 발견되었다.

본 발명에 비해서, 각각 더 큰 중간층을 가지고 있는 샘플 번호 5 및 10과, 비교적 더 두꺼운 경질 피복층을 가지고 있는 샘플 번호 20은 초기 절삭 주기 에 막 박리가 발생하였고, 따라서, 서비스 수명이 더짧아지는 결과를 초래했다.

본 발명의 표면 피복층을 가진 초경합금 기판을 포함하는 샘플 번호 21은 본 실시예의 작업 조건에서 사용될 수 없으며, 그 이유는 초기 절삭 주기로부터 소성 변형이 발생되어 기판 및 표면 피복층 양자 모두의 파괴가 초래되었기 때문이다.

(제 2 실시예)

(1) 샘플의 제작

초경합금으로 제조된 볼들 및 포트를 사용하여, 15중량%의 Co와, 5중량%의 Al로 구성된 결합제 파우더와, 입경이 3㎛인 80중량%의 cBN 분말이 혼합되고, 초경 합금 용기에 장전되고, 5GPa의 압력과, 1400℃의 온도에서 60분간 소결되어 경화강의 단속적 절삭을 위한 cBN 소결 콤팩트를 제조하였다. 만들어진 cBN 소결 콤팩트는 ISO 표준에 따른 SNGA 120408의 형상을 가진 커팅 인서트로 가공되었다.

이 인서트는 (Ti0.5, Al0.5)로 형성되고 3중량%의 Y를 포함하는 캐소드(6a)를 사용함으로써, 제 1 실시예와 동일한 방식으로 다양한 표면 피복층들로 피복되었고, 그후, 경도의 측정이 이루어졌다.

(2) 절삭 테스트

이들 커팅 인서트들을 사용하여, 경화강 중 하나, 즉, 두 개의 U형 홈들을 구비한 SCM 415의 라운드 바아의 작업편(HRC)의 외주 절삭을 수행하였다. 상기 절삭은 200m/min의 절삭 속도와, 0.2mm의 절삭 깊이와, 0.1mm/rev의 공급 및 10분간의 건조 프로세스의 조건 하에서 수행되었고, 경질 피복막의 측면 마모폭과 박리 상태가 평가되었다.

상기 샘플들의 세부 사항과, 절삭 테스트를 실행한 경우의 평가 결과들이 표 2에 나타나 있다.

이들 결과로부터, 그 중간층들이 주기율표의 4a, 5a 및 6a 족으로부터 선택된 하나 이상의 원소로 구성되어 있는 샘플 번호 23, 25, 26 , 27의 경우에, 주기율표의 4a, 5a 및 6a족 원소들이 아닌 다른 원소들로 그 중간층이 구성되어 있는 샘플 번호 29 및 중간층이 없는 샘플 번호 28과 비교할 때, 절삭이 얻어질 수 있는 서비스 수명이 더 길고, 절삭 테스트에서 막 박리가 잘 발생하지 않는다. 부가적으 로, 종래기술의 cBN 소결 콤팩트인 샘플 번호 31과 비교할 때 보다 긴 서비스 수명이 얻어질 수 있다.

본 발명와 비교할 때 보다 큰 중간층 두께를 갖는 샘플 번호 24는 최초 절삭 주기에 막 박리가 발생하며, 따라서, 서비스 수명이 더짧아진다.

본 발명의 표면 피복층으로 피복된 초경합금 기판을 포함하는 샘플 번호 30은 본 실시예의 작업 조건에서 사용될 수 없으며, 그 이유는 최초 절삭 주기로부터 소성 변형이 발생하여 기판과 표면 피복층 양자 모두의 파괴가 유발되기 때문이다.

(제 3 실시예)

(1) 샘플의 제작

초경합금으로 제조된 볼들 및 포트를 사용하여, 50중량%의 TiN와, 5중량%의 Al로 구성된 결합제 분말과, 입경이 1㎛인 45중량%의 cBN 분말이 혼합되고, 초경 합금 용기에 장전되고, 5GPa의 압력과, 1400℃의 온도에서 40분간 소결되어 경화강의 고정밀 절삭을 위한 cBN 소결 콤팩트를 제조하였다. 만들어진 cBN 소결 콤팩트는 ISO 표준에 따른 SNGA 120408의 형상을 가진 커팅 인서트로 가공되었다.

이 인서트는 (Ti0.7, Al0.3)로 형성된 캐소드(6a)를 사용함으로써, 제 1 실시예와 동일한 방식으로 다양한 표면 피복층들로 피복되었고, 그후, 경도의 측정이 이루어졌다.

동일한 시간 동안의 절삭과 관련된 부분의 표면 피복층의 중앙선 평균 조도(Ra; JIS B0601에 규정됨(측정 길이 0.8mm))가 평가되었다. 표면 피복층의 표면 조도는 1×10^-6 내지 1×10^-4Torr 범위 이내의 성막 동안 진공도를 변화시키면서 제조된 다양한 조도 샘플들에 대하여 측정되었다.

(2) 절삭 테스트

이들 커팅 인서트들을 사용하여, 경화강 중 하나, 즉, SCM 415의 라운드 바아의 작업편(HRC 60)의 외주 절삭을 수행하였다. 상기 절삭은 200m/min의 절삭 속도와, 0.1mm의 절삭 깊이와, 0.08mm/rev의 공급 및 40분간의 건조 프로세스의 조건 하에서 수행되었고, 작업편의 10개 지점 평균 표면 조도(Rz; JIS B0601에 의해 규정됨)와, 경질 피복막의 박리 상태가 평가되었다.

상기 샘플들의 세부 사항과, 절삭 테스트를 실행한 경우의 평가 결과들이 표 3에 나타나 있다.

이들 결과들로부터, 주기율표의 4a, 5a 및 6a 족으로부터 선택된 하나 이상의 원소로 그 중간층이 구성되어 있는 샘플 번호 32 내지 37의 경우에, 중간층이 주기율표의 4a, 5a 및 6a 족 원소들이 아닌 다른 원소들로 구성되어 있는 샘플 번호 38과 비교할 때, 막 박리가 잘 발생하지 않아 서비스 수명이 길어지고, 절삭 테스트에서, 더작은 표면 조도로 샘플을 고정밀 가공하는 것, 즉, 더 매끄러운면으로 가공하는 것과 더 작은 표면 조도(Rz)를 제공하는 것이 가능해졌다. 부가적으로, 경화강의 고정밀 가공을 위한 종래 기술의 cBN 소결 콤팩트에 비해서도 더 높은 정밀도의 가공면이 얻어지는 것이 명백하다(샘플 번호 39).

따라서, 중간층이 Cr 층일 때, 특히, 그 중간층들이 주기율표의 4a, 5a 및 6a 족으로부터 선택된 하나 이상의 원소로 구성되어 있는 샘플 번호 32 내지 37에서, 그 중간층이 Ti로 구성되어 동일한 표면 조도를 갖는 본 발명의 물품 보다 샘플의 표면 조도(Ra)는 더 작고, 작업편의 표면 조도(Rz)가 더 작으며, 따라서, 더 긴 서비스 수명을 초래한다는 것을 알 수 있다.

(제 4 실시예)

(1) 샘플의 제작

초경합금으로 제조된 볼들 및 포트를 사용하여, 40중량%의 TiN과, 15중량%의 Al로 구성된 결합제 분말과, 입경이 3㎛인 45중량%의 cBN 분말이 혼합되고, 초경 합금 용기에 장전되고, 5GPa의 압력과, 1400℃의 온도에서 50분간 소결되어 경화강의 범용 절삭을 위한 cBN 소결 콤팩트를 제조하였다. 결과적인 cBN 소결 콤팩트는 ISO 표준에 따른 SNGA 120412의 형상을 가진 커팅 인서트로 가공되었다.

이 인서트는 (Ti0.6, Al0.4)로 형성된 캐소드(6a)를 사용함으로써, 제 1 실시예와 동일한 방식으로 다양한 표면 피복층들로 피복되었고, 그후, 경도의 측정이 이루어졌다.

(2) 절삭 테스트

이들 커팅 인서트들을 사용하여, 경화강 중 하나, 즉, SCM435의 라운드 바아의 작업편(HRC 20)의 외주 절삭이 수행되었다. 상기 절삭은 600m/min의 절삭 속 도와, 0.5mm의 절삭 깊이와, 0.3mm/rev의 공급과, 30분간의 건조 프로세스의 조건하에서 수행되었고, 측면 마모폭의 양과, 경질 피복막의 박리 상태가 평가되었다.

상기 샘플들의 세부 사항들과, 절삭 테스트가 수행된 경우의 평가 결과가 표 4에 나타나 있다.

이들 결과로부터, 주기율표의 4a, 5a 및 6a 족으로부터 선택된 하나 이상의 원소들로 그 중간층이 구성되어 있는 샘플 번호 40 내지 45의 경우에, 주기율표의 4a, 5a 및 6a 족 원소들이 아닌 다른 원소들로 그 중간층이 구성되어 있는 샘플 번호 47과, 중간층이 없는 샘플 번호 61에 비해볼 때, 상기 절삭 테스트에서, 막 박리가 덜 발생하여, 절삭시 서비스 수명이 길어졌다. 부가적으로, 종래 기술의 cBN 소결 콤팩트로서의 샘플 번호 49와 비교할 때 마모가 억제되어 서비스 수명이 길어졌다.

중간층으로서 V를 사용하는 본 발명의 샘플 번호 42 내지 44에서, 양호한 마모 상태로 절삭시 접합이 발생하지 않았다.

본 발명의 표면 피복층으로 피복된 초경합금 기판을 포함하는 샘플 48은 본 실시예의 작업 조건에는 사용될 수 없으며, 그 이유는 비교적 초기 절삭 주기에 소성 변형이 발생하여, 기판 및 표면 피복층 양자 모두의 파괴를 유발하기 때문이다.

(제 5 실시예)

(1) 샘플의 제작

고압상 질화 붕소(cBN 또는 wBN) 소결 콤팩트의 제조에 관한 것을 제외하면, 제 1 실시예와 동일한 방식으로 샘플이 제조되었으며, 결합제와 고압상 질화 붕소 분말의 혼합비 또는 분말의 입자 크기들이 적절한 방식으로 변화되었다. 상기 피복된 층들은 모두 제 1 층, 즉, TiAlN(3.0㎛), 중간층, Cr(0.03㎛) 및 최외부 표면층 CrN(0.3㎛)으로서 경질 피복층으로 구성되어 있다.

(2) 절삭 테스트

이들 커팅 인서트들을 사용하여, 여섯 개의 V형 홈들을 가진 다이강으로서의 SKD 11의 라운드 바아의 작업편(HRC 59)의 외주 절삭이 수행되었다. 상기 절삭은 120m/min의 절삭 속도와, 0.2mm의 절삭 깊이와, 0.1mm/rev의 공급과, 건조 공정의 조건하에서 수행되었으며, 표면 피복층이 박리되거나 cBN 기판을 포함하는 절삭 인서트가 파괴될때까지 시간이 측정되었다.

샘플들의 세부 사항 및 절삭 테스트들을 수행한 경우의 평가 결과가 표 5에 나타나 있다.

이들 결과로부터, cBN 소결 콤팩트 기판의 결합제가 주기율표의 4a, 5a 및 6a족 원소들의 질화물, 붕화물 탄화물과, 그 고체 용액들과, Al 합성물들로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 요소와, 불가피한 불순물들을 포함하는 샘플 번 호 50 내지 57의 경우에, 그 cBN 함량이 본 발명의 범위 외측에 존재하는 샘플 번호 50 및 57은 cBN 소결 콤팩트의 강도가 열등하며, 초기 절삭 주기에 파열되어 수명이 종료되는 경향이 있다. 부가적으로, 보다 큰 평균 입경을 갖는 샘플 번호 58은 막 박리가 발생하는 경향이 있다는 것이 발견되었다.

이들 결과로부터, 무엇보다도, cBN 소결 콤팩트 기판이 결합제가 Co 합성물들, Al 합성물들 및 그 고체 용액로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 요소와, 불가피한 불순물들을 포함하는 샘플 번호 59 내지 61의 경우에, 그 cBN 함량이 본 발명의 범위 외측에 있는 샘플 번호 59 내지 61은 cBN 소결 콤팩트의 강도가 열등하고, 초기 절삭 주기에 파괴되어 수명이 종료되는 경향이 있다. 보다 큰 평균 입경을 갖는 샘플 번호 62에서는 무엇보다도, 막 박리 경향이 발생된다.

(제 6 실시예)

(1) 샘플의 제작

하기와 같은 커팅 인서트의 샘플이 제 4 실시예와 동일한 방식으로 제조되었다.

이 인서트는 (Ti0.6, Al0.4)로 형성된 캐소드(6a)를 사용함으로써, 제 1 실 시예와 동일한 방식으로 제 4 실시예의 샘플 번호 41의 것과 동일한 구조를 가지고 있는 표면 피복층으로 피복되었고, 그후, 경도의 측정이 이루어졌다. 바이어스 전압은 -300V이었다.

(2) 원소 분포의 분석

그후, 표면 피복층에 대해 수직 방향으로 상술한 커팅 인서트를 분할함으로써 박막편이 제조되고, 결과적인 박막편이 이오닉 샤이닝법에 의한 투과 전자 현미경을 위한 샘플로서 사용되었다. 상기 샘플은 투과 전자 현미경으로 관측되었고, 표면 피복층에 대한 기판측 경계면으로부터 막 두께 방향으로 몇 개의 지점을 선택하여, 각 분석 사이트에서의 조성 원소들의 조성이 에너지 분광형 X-레이 마이크로 분석 디바이스(EDX)를 사용하여 관찰되었다. 양을 측정하기위해서, 표준 샘플로부터 얻어진 작업 곡선(working curve)에 의해 칼리브레이션(calibration)이 수행되었다. 본 분석은 두 개의 지점, 즉, 기판의 cBN 결정 입자들의 상부에 대응하는 부분과, 결합제의 상부에 대응하는 다른 부분에 대하여 수행되었다.

결과는 표 6에 표시되어 있다.

도 4는 Cr 원소 분포가 경계면으로부터의 거리(nm)에 대하여 그려져 있으며, 제 6 실시예의 결과를 도시하고 있다. cBN 결정 입자들의 상부와, 결합제의 상부 양자 모두의 경우에 대해서, Cr 원소 분포가 경계면 부분으로부터 표면 피복층의 성장 방향을 향해 감소되고, 따라서 구배 조성 물질을 형성하고 있다는 것을 도 4로부터 명백히 알 수 있다.

본 발명의 표면 피복된 입방 질화 붕소 소결 콤팩트는 cBN 소결 콤팩트 기판에 대한 경질 피복층의 접합 강도의 향상, cBN 입자들과 절삭이 어려운 철함유 물질 사이의 접촉의 억제를 통한 공구의 내마모성과 파괴 저항의 향상 및 다른 양호한 가공면의 개선 효과의 측면에서 종래 기술의 것에 비해 양호하며, 그에 의해, 공구의 서비스 수명이 현저히 개선된다.

Claims

절삭에 관련된 공구 에지의 적어도 일부가 고압상형 질화 붕소의 기판을 기초로 하고, 그 표면상에 표면 피복층이 존재하며,

상기 표면 피복층은 상기 고압상 질화 붕소 소결 콤팩트 기판의 경계면에 대해 연속 방식으로 존재하는 중간층과, 그 위에 부가적으로 형성된 경질 피복층을 포함하고,

상기 중간층은 주기율표의 4a, 5a 및 6a 족으로부터 선택된 하나 이상의 원소로 구성되고, 최소 0.005㎛ 내지 최대 0.05㎛의 평균 두께를 가지는 표면 피복된 질화 붕소 소결 콤팩트 공구.
제 1 항에 있어서, 상기 중간층은 Cr, Zr 및 V의 원소들 중 하나 이상을 함유하는 표면 피복된 질화 붕소 소결 콤팩트 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 경질 피복층은 4a, 5a 및 6a족 원소들과, Al, B, Si 및 Y로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 원소와, C, N 및 O로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 함유하고, 최소 2,000의 누프 경도(Hk)와, 최소 0.5㎛ 내지 최대 10㎛의 막두께를 가지는 표면 피복된 질화 붕소 소결 콤팩트 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 표면 피복층은 이온 도금법, 스퍼터링법 또는 진공 아크 기상 증착법에 의해 형성되는 표면 피복된 질화 붕소 소결 콤팩트 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 표면 피복층의 최외부 표면층은 Ti 및 Cr로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 원소와, C, N 및 O로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 원소로 구성되는 합성물로 구성되는 표면 피복된 질화 붕소 소결 콤팩트 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 표면 피복층의 최외부 표면층은 CrN층인 표면 피복된 질화 붕소 소결 콤팩트 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 적어도 절삭에 관련된 하나 이상의 위치는 JIS B0601에 의해 규정된(측정 길이 0.8mm), 최대 0.2㎛의 중앙선 평균 조도(Ra)를 가지는 표면 피복층을 구비하는 표면 피복된 질화 붕소 소결 콤팩트 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 절삭에 관련된 공구 에지의 적어도 일부는 입방 질화 붕소 소결 콤팩트에 기초하고,

상기 입방 질화 붕소 소결 콤팩트는 최소 30 체적% 내지 최대 80체적%의 입방 질화 붕소를 포함하고, 나머지가 주기율표의 4a, 5a 및 6a 족 원소들의 질화물 , 붕화물 및 탄화물과, Al 합성물와 그 고체 용액들로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 결합제와, 불가피한 불순물들로 구성되어 있는 표면 피복된 질화 붕소 소결 콤팩트 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 절삭에 관련된 공구 에지의 적어도 일부는 입방 질화 붕소 소결 콤팩트에 기초하고,

상기 입방 질화 붕소 소결 콤팩트는 최소 80 체적% 내지 최대 90체적%의 입방 질화 붕소를 포함하고, 나머지가 Co 합성물들, Al 합성물들 및 그 고체 용액들로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 결합제와, 불가피한 불순물들로 구성되어 있는 표면 피복된 질화 붕소 소결 콤팩트 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 입방 질화 붕소는 최대 4㎛의 평균 입경을 가지는 표면 피복된 질화 붕소 소결 콤팩트 공구.