KR101004277B1

KR101004277B1 - 표면 피복 절삭 공구

Info

Publication number: KR101004277B1
Application number: KR1020067021523A
Authority: KR
Inventors: 히데키 모리구치; 하루요 후쿠이; 나오야 오모리; 신야 이마무라; 마코토 세토야마
Original assignee: 스미토모 덴키 고교 가부시키가이샤; 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤
Priority date: 2004-03-18
Filing date: 2005-03-16
Publication date: 2011-01-03
Also published as: CN100488684C; JP4704335B2; EP1726390A1; IL178030A; CN1933932A; WO2005089990A1; EP1726390A4; EP1726390B1; US20080253850A1; US7527457B2; KR20060127262A; JPWO2005089990A1; IL178030A0

Abstract

기재 상에, Al 과, Cr 및 V 중 적어도 어느 하나의 원소와, 질소, 탄소, 산소에서 선택되는 1 종 이상의 원소를 적어도 함유하는 화합물로 형성된 내층이 피복되고, 또한 내층 상에 TiSi 의 탄질화물로 형성된 최외층이 피복되어 이루어지는 표면 피복 절삭 공구에 의해, 드릴, 엔드밀, 프라이스 가공용 및 선삭용 날끝 교환형 팁, 메탈 톱, 기어 절삭 공구, 리머, 탭 등에 바람직하게 사용되는 표면 피복 절삭 공구로서, 종래보다도 내박리성, 내마모성이 향상된 표면 피복 절삭 공구를 제공할 수 있다.

Description

표면 피복 절삭 공구{SURFACE-COATED CUTTING TOOL}

본 발명은, 드릴, 엔드밀, 프라이스 가공용 또는 선삭 가공용 날끝 교환형 팁, 메탈 톱, 기어 절삭 공구, 리머, 탭 등의 절삭 공구에 관한 것이며, 특히 그 표면에 내마모성 피막을 형성한 절삭 공구에 관한 것이다.

최근의 절삭 가공에서는, 고속·고정밀도·고능률 가공을 추구하는 것에 덧붙여, 환경 대책으로서 드라이 가공도 지향되고 있다. 또한, 공업 기술의 진보에 수반하여, 항공기, 우주 개발, 원자력 발전 등에 사용되는 난삭재나 신소재를 많이 사용하는 산업 활동이 더욱더 활발해지고, 질적인 다양화와 양적인 확대가 더욱 진행되어, 이들의 절삭 가공에 대한 대응이 당연히 요구되고 있다. 지금까지, 이러한 과제에 대해서, 표면 피복 절삭 공구가 많이 제안되고 실용화되어 왔다.

예를 들어, 특허 문헌 1 에는, 내마모성 및 표면 보호 기능 개선을 위해, WC 기 초경합금, 서메트 (cermet), 고속도 강 등의 절삭 공구나 내마모 공구 등의 경질 기재의 표면에, 경질 피복층으로서 (Al_xTi₁ _-x- _ySi_y) (N_zC₁ _-z) (단, 0.05≤x≤0.75, 0.01≤y≤0.1, 0.6≤z≤1) 과 같은 AlTiSi 계의 막이 피복되어 이루어지는 경질 피 막 피복 공구, 경질 피막 피복 부재가 개시되어 있다.

또, 특허 문헌 2 에는, Si 를 적당량 함유한 Ti 를 주성분으로 하는 질화물, 탄질화물, 산질화물, 산탄질화물과 Ti 와 Al 을 주성분으로 하는 질화물, 탄질화물, 산질화물, 산탄질화물을, TiSi 계 화합물 등의 미세 조직 구조가, Ti 를 주성분으로 하는 탄질화물, 산질화물, 산탄질화물 중에, Si₃N₄ 및 Si 가 독립상으로서 존재하도록, 각각 1 층 이상 교대로 피복하면, 건식의 고속 절삭 가공에 있어서, 절삭 공구의 성능이 지극히 양호해지는 것으로 개시되어 있다. 특허 문헌 2 에 의하면, 종래의 TiAlN 막에서는 절삭 가공에서 일어나는 표면 산화로 형성되는 알루미나층은 산소의 내향 확산에 대해 산화 보호막으로서 기능하지만, 동적인 절삭 가공에서는, 최표면의 알루미나층은, 그 바로 아래의 다공성 Ti 산화물층보다 용이하게 박리되어버려 산화의 진행이 충분하지 않지만, 특허 문헌 2 에 기재된 발명의 TiSi 계 피막은 막 자체의 내산화성이 매우 높을 뿐만 아니라, 최표면에 Si 를 함유하는 매우 치밀한 Ti 와 Si 의 복합 산화물이 형성되므로, 종래에 문제시되던 다공성 Ti 산화물층이 형성되지 않기 때문에 성능이 향상되는 것으로 기재되어 있다.

또, 특허 문헌 3 에는, AlCrV 의 탄질화물, 질화물을 이용함으로써, TiAlN 막과 비교하여 고경도이고 내마모성이 우수한 절삭 공구용 막질을 형성할 수 있는 것이 기재되어 있다.

특허 문헌 1: 일본 특허 제2793773호

특허 문헌 2: 일본 특허 제3347687호

특허 문헌 3: 일본 공개특허공보 2003-34859호

발명의 개시

발명이 해결하고자 하는 과제

그러나, 절삭 과정에 있어서 고속·고능률 가공이나 전혀 윤활유제를 사용하지 않는 드라이 가공을 행하기 위해서는, 상기 서술한 고온에서의 피막의 안정성만으로는 불충분하다. 즉, 어떻게 특성이 우수한 막을, 박리나 결손을 발생시키지 않고 양호한 밀착성으로 장시간에 걸쳐서 기재 표면에 유지시킬지가 문제이다.

즉, 저탄소강이나 스테인리스 재료, 다크타일 주철 등의 날끝에 피삭재가 용 착하기 쉬운 재료의 절삭에서는, 피삭재의 용착이 원인이 되어, 막 박리가 일어나기 쉬우며, 막 박리의 원인인 결손도 발생하기 쉽다. 이 때문에, 박리를 막기 위해서는, 어떻게 피삭재의 용착을 방지할지가 중요하고, 동시에 내마모성이 우수한 막질로 할지가 중요한 과제가 되고 있다.

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는바는, 드릴, 엔드밀, 밀링 및 선삭용 날끝 교환형 팁, 메탈 톱, 기어 절삭 공구, 리머, 탭 등에 바람직하게 사용되는 표면 피복 절삭 공구로서, 종래보다도 내박리성, 내마모성이 향상된 표면 피복 절삭 공구를 제공하는 것이다.

과제를 해결하기 위한 수단

본 발명자들은, 상기 과제에 대해서 각종 공구 표면 피복막을 검토한 결과, 기재 상에, Al 과, Cr 또는 V 중 어느 하나, 또는 양쪽 모두의 원소와, 질소, 탄소, 산소 중의 어느 1 종류 이상의 원소로 이루어지는 화합물로 형성되는 내층이 피복되고, 추가로 내층 상에 TiSi 의 탄질화물로 형성되는 최외층이 피복되어 이루어지는 구조를 구비한 표면 피복 절삭 공구가, 막 박리의 억제가 가능하고 우수한 내마모성 및 내치핑성을 나타내는 것을 발견하고, 본 발명에 이르렀다.

즉, 본 발명은 이하와 같다.

본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 기재 상에, Al 과, Cr 및 V 중 적어도 어느 하나의 원소와, 질소, 탄소, 산소에서 선택되는 1 종 이상의 원소를 적어도 함유하는 화합물로 형성된 내층이 피복되고, 추가로 내층 상에 TiSi 의 탄질화물로 형성된 최외층이 피복되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 표면 피복 절삭 공구에 있어서, 최외층의 두께는 0.1 ∼ 2㎛ 인 것이 바람직하다.

또, 상기 최외층을 형성하는 TiSi 의 탄질화물은, 그 평균 결정 입자 직경이 0.1㎛ 이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 표면 피복 절삭 공구에 있어서의 내층은, (Al₁ _-a- _bCr_aV_b) (여기서, 0≤a≤0.5, 0≤b≤0.5, 0≠a+b≤0.5) 와 탄소, 질소, 산소 중의 어느 1 종류 이상의 원소를 적어도 함유하는 화합물로 형성된 것이 바람직하다. 여기서, a+b 가 0.3<a+b<0.45 를 만족하는 것이 보다 바람직하다. a 의 값이 0<a<0.35, 상기 b 의 값이 0<b<0.35 를 만족하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, a, b 의 값이 20<a/b<100 을 만족하는 것이 특히 바람직하다.

본 발명의 표면 피복 절삭 공구에 있어서의 내층은, 원자％ 로 5％ 미만의 Ti 를 함유하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 표면 피복 절삭 공구에 있어서의 내층은, 원자％ 로 30％ 이하의 Si 및/또는 B 를 함유하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 표면 피복 절삭 공구에 있어서는, 기재와 내층의 사이, 및/또는 내층과 최외층의 사이에 TiSiN 층이 개재된 것이 바람직하다.

상기 내층은, TiSiC_xN₁ _-x (여기서 0≤x≤0.5) 층에서 분할되어 있는 것이 바람직하고, TiSiC_xN₁ _-x 가 TiSiN 인 것이 보다 바람직하다.

본 발며의 표면 피복 절삭 공구에 있어서, 기재를 피복하는 층의 총 두께가 0.5 ∼ 8㎛ 인 것이 바람직하다.

발명의 효과

본 발명에 따르면, 드릴, 엔드밀, 밀링 또는 선삭 가공용 날끝 교환형 팁, 메탈 톱, 기어 절삭 공구, 리머, 탭 등에 있어서의 내박리성, 내마모성의 향상이 도모되기 때문에, 수명이 긴 표면 피복 절삭 공구를 제공할 수 있다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 기재 상에, Al 과, Cr 및 V 중 적어도 어느 하나의 원소와, 질소, 탄소, 산소에서 선택되는 1 종 이상의 원소를 적어도 함유하는 화합물로 형성된 내층이 피복되고, 또한 내층 상에 TiSi 의 탄질화물 (TiSiCN) 로 형성된 최외층이 피복되는 구조를 구비한다. 여기서, 내층은, 기재 표면을 직접 덮도록 형성되어도 되고, 다른 층 (예를 들어, 후술하는 최내층) 이 개재된 상태에서 기재를 덮도록 형성되어도 된다. 마찬가지로 최외층도, 내층을 직접 덮도록 형성되어도 되고, 다른 층 (예를 들어, 후술하는 중간층) 이 개재된 상태에서 내층을 덮도록 형성되어도 된다.

본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 화학적 안정성이 우수하고, 금속 재료의 절삭에 있어서 우수한 내마모성을 나타내는 Al 과, Cr 및 V 중 적어도 어느 하나의 원소와, 질소, 탄소, 산소에서 선택되는 1 종 이상의 원소를 적어도 함유하는 화합물로 형성된 내층에서 기재를 피복한 것을 특징의 하나로 한다. 또 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 금속 재료에 대해서 낮은 마찰 계수, 윤활성을 갖고, 높은 화학적 안정성을 나타내는 것 외에 Al 과, Cr 및 V 중 적어도 어느 하나의 원소와, 질소, 탄소, 산소에서 선택되는 1 종 이상의 원소를 적어도 함유하는 화합물로 형성된 내층과 우수한 밀착력을 갖는 TiSi 의 탄질화물로, 상기 내층을 피복하여, 높은 화학 안정성을 나타내는 최외층을 형성한 것도 그 특징으로 한다. 이들 특징을 겸비한 본 발명에 의해, 드릴, 엔드밀, 밀링 및 선삭용 날끝 교환형 팁, 메탈 톱, 기어 절삭 공구, 리머, 탭 등에 있어서의 내박리성, 내마모성의 향상이 도모되기 때문에, 수명이 긴 표면 피복 절삭 공구를 제공하는 것이 가능해진다.

여기서, Al 과, Cr 및 V 중 적어도 어느 하나의 원소와, 질소, 탄소, 산소에서 선택되는 1 종 이상의 원소를 적어도 함유하는 화합물 (예를 들어, AlCrN) 로 층을 형성한 경우, 경도, 내산화성의 높이에서는 양호한 성능을 갖지만, 절삭 평가에서는 내치핑성이 낮고, 치핑의 발생에 기초하는 내박리성의 약함이 확인되었다. 이 약점을 극복하기 위해, 각종 연구를 행한 결과, 본 발명과 같이, 상기 화합물로 형성된 층을 내층으로 하고, 이 내층 상에 TiSi 의 탄질화물 (TiSiCN) 로 최외층을 형성함으로써, 내치핑성과 내박리성이 개선된 표면 피복 절삭 공구를 실현할 수 있다. 이것은, 최외층을 형성하는 TiSiCN 이 미립의 조직을 형성하기 때문에, 절삭시의 충격에 강하고, 충격을 완화하여 내층에 전하기 위해 성능 개선된 것으로 생각할 수 있다. 또, TiSiCN 또는 TiSiN 층과 Al 과, Cr 및 V 중 적어도 어느 하나의 원소와, 질소, 탄소, 산소에서 선택되는 1 종 이상의 원소를 적어도 함유하는 화합물로 형성된 층과의 사이의 밀착력은 매우 우수하기 때문에, 절삭 공구용 막질로서 특히 우수한 박리성을 얻을 수 있던 것으로 생각할 수 있다. 이 밀착력은, 후술하는 바와 같이 (Al₁ _-a- _bCr_aV_b) (여기서, 0≤a≤0.5, 0≤b≤0.5, 0≠a+b≤0.5) 로 규정되는 경우에 있어서, 0.3<a+b<0.45 일 때에 특히 우수한 성능을 발휘한다.

본 발명의 표면 피복 절삭 공구에 있어서, 최외층의 두께는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 0.1 ∼ 2㎛ 인 것이 바람직하고, 0.2 ∼ 1㎛ 인 것이 보다 바람직하다. 최외층의 두께가 0.1㎛ 보다 얇은 경우에는, 최외층으로서의 우수한 효과를 발휘할 수 없을 우려가 있기 때문이며, 또, 최외층의 두께가 2㎛ 를 초과하면, 막 박리를 일으키기 쉬워질 우려가 있기 때문이다. 최외층의 두께는, 표면 피복 절삭 공구를 절단하고, 그 단면을 SEM (scanning electron microscope; 주사형 전자 현미경) 을 사용하여 관찰 측정할 수 있다.

본 발명의 표면 피복 절삭 공구에 있어서의 최외층은, 바람직하게는 평균 결정 입자 직경이 0.1㎛ 이하, 보다 바람직하게는 0.05㎛ 이하인 TiSi 의 탄질화물에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 이에 의해, 특별히 우수한 윤활성, 및 내층과의 밀착 강도를 갖는 최외층을 실현할 수 있다. 또, 내마모성의 관점에서는, 최외층을 형성하는 TiSi 의 탄질화물의 평균 결정 입자 직경은, 1㎚ 이상인 것이 바람직하고, 3㎚ 이상인 것이 보다 바람직하다. 표면 피복 절삭 공구의 최외층에 있어서의 TiSi 의 탄질화물의 평균 결정 입자 직경은, 예를 들어, 막 단면 혹은 파면을 SEM 또는 TEM 을 사용하여 관찰 측정할 수 있다.

이러한 바람직한 평균 결정 입자 직경을 갖는 TiSi 의 탄질화물로 형성된 최외층을 구비하는 표면 피복 절삭 공구는, 후술하는 바와 같이 예를 들어, 캐소드 아크 이온 플레이팅법으로 표면 피복 절삭 공구를 제조하는 경우에는, 기재 바이어스 전압을 -150 ∼ -10V 의 범위로 하는 조건으로 최외층을 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 상기 서술한 바와 같이 Al 과, Cr 및 V 중 적어도 어느 하나의 원소와, 질소, 탄소, 산소에서 선택되는 1 종 이상의 원소를 적어도 함유하는 화합물로 내층이 형성된다. 이 내층을 형성하는 화합물은, 상기 이외의 원소 (예를 들어, 후술하는 Ti, Si, B) 를, 본 발명의 효과를 저해하지 않는 범위에서 함유하고 있어도 된다. 본 발명에 있어서는, 내층이 Al 을 함유함으로써, 내산화 특성이 향상됨과 함께 열전도율이 높아져, 절삭 가공시의 발열을 공구 표면으로부터 발산시킬 수 있다는 효과를 갖는다.

본 발명에 있어서의 내층을 형성하는 화합물에 있어서, Al 을 제외한 Cr 과 V 의 양은, (Al₁ _-a- _bCr_aV_b) (여기서, 0≤a≤0.5, 0≤b≤0.5, 0≠a+b≤0.5) 로 규정되는 것이 바람직하다. 즉, 본 발명의 표면 피복 절삭 공구에 있어서의 내층은, (Al₁ _-a- _bCr_aV_b) (여기서, 0≤a≤0.5, 0≤b≤0.5, 0≠a+b≤0.5) 와 탄소, 질소, 산소 중의 어느 1 종류 이상의 원소를 적어도 함유하는 화합물로 형성된 것이 바람직하다. (Al₁ _-a- _bCr_aV_b) 에 있어서, a 및 b 의 적어도 어느 하나가 0.5 를 초과하면, 내층의 경도가 저하되어 버려 충분한 내마모성을 발휘할 수 없게 될 우려가 있기 때문이다. 특히 바람직한 내마모성을 얻을 수 있는 것은 0.3<a+b<0.45 일 때로서, a+b 의 값이 이 범위에 있으면, 최외층의 TiSiCN 막 또는 중간층의 TiSiN 막과의 밀착성이 향상되어, 우수한 막의 내박리성을 얻을 수 있기 때문에, 특히 바람직하다. 또한, (Al₁ _-a- _bCr_aV_b) 에 있어서, a 의 값이 0<a<0.35, 상기 b 의 값이 0<b<0.35 인 것이 보다 바람직하다. Cr 과 V 가 동시에 함유되고, 또한, a 및 b 의 값이 모두 0.35 미만일 때 우수한 내박리성을 기대할 수 있기 때문이다. 그 이유는 분명하지 않지만, Cr 은 저온에서의 윤활성, V 는 비교적 고온역에서의 윤활성을 향상시킬 수 있고, 동시에 존재함으로써 폭넓은 절삭 조건으로 우수한 내박리성을 나타내기 때문으로 생각할 수 있다. 또, 나아가 상기 a, b 의 값은 20<a/b<100 의 관계를 갖는 것이 특히 바람직하다. 표면 피복 절삭 공구에 있어서, 내층을 형성하는 화합물의 조성은, X 선 광전자 분광 장치 (XPS) 나 오제 전자 분광 장치 (AES) 에 의해 확인할 수 있다.

이와 같이 Al 을 제외한 Cr 과 V 의 양이 (Al₁ _-a- _bCr_aV_b) (여기서, 0≤a≤0.5, 0≤b≤0.5, 0≠a+b≤0.5) 로 나타내어지는 적합한 화합물로 형성된 내층을 구비하는 표면 피복 절삭 공구는, 후술하는 바와 같이 예를 들어, 캐소드 아크 이온 플레이팅법에서 표면 피복 절삭 공구를 제조하는 경우에는, 예를 들어, 기재 바이어스 전압을 -300 ∼ -20V 의 범위 내로 하는 조건으로 내층을 형성함으로써 실현할 수 있다. 또, 이 중에서도 바람직한 a, b 의 값이 20<a/b<100 의 관계를 갖는 (Al₁ _-a-bCr_aV_b) 로 나타내어지는 바람직한 화합물로 형성된 내층을 구비하는 표면 피복 절삭 공구는, 상기 표면 피복 절삭 공구를 제조할 때에 기재 바이어스 전압을 -250 ∼ -40V 의 범위 내로 함으로써 실현할 수 있다.

본 발명의 표면 피복 절삭 공구에 있어서, 내층의 두께는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 0.4 ∼ 8㎛ 인 것이 바람직하고, 1 ∼ 6㎛ 인 것이 보다 바람직하다. 내층의 두께가 0.4㎛ 미만인 경우에는, 내마모성이 불충분해질 우려가 있기 때문이며, 또, 내층의 두께가 8㎛ 를 초과하면, 내결손성이 저하될 우려가 있기 때문이다. 내층의 두께는, 상기 서술한 최외층의 경우와 마찬가지로, 표면 피복 절삭 공구를 절단하고, 그 단면을 SEM 을 사용하여 관찰 측정할 수 있다.

또한, 최외층과 내층의 밀착력을 더욱 향상시키는 관점에서는, 내층이 Ti 를 소량 함유하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 내층은, 원자％ 로 바람직하게는 5％ 미만, 보다 바람직하게는 3％ 이하의 Ti 를 함유하는 것이 바람직하다. 내층에 원자％ 로 5％ 이상의 Ti 가 함유되면, 내층의 내마모성이 저하되는 경향이 있다. 또, 상기 최외층과 내층이라는 상기 밀착력 향상의 효과를 충분히 발휘할 수 있는 관점에서는, 내층 속에 함유되는 Ti 는, 원자％ 로 0.01％ 이상인 것이 바람직하고, 0.1％ 이상인 것이 보다 바람직하다. 여기서, 표면 피복 절삭 공구의 내층에 있어서의 Ti 함유량은, 예를 들어, XPS 를 사용하여 측정할 수 있다.

또, 내층과 최외층의 사이에 TiSiN 층 (중간층) 이 개재되어 있어도 된다. 이러한 중간층이 내층과 최외층과의 사이에 개재되는 것에 의해서도 최외층과 내층의 밀착력이 더욱 향상된다. 중간층의 두께는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 0.05 ∼ 2.0㎛ 인 것이 바람직하고, 0.1 ∼ 1.5㎛ 인 것이 보다 바람직하다. 중간층의 두께가 0.05㎛ 미만인 경우에는, 상기 밀착력의 향상의 효과가 충분히 발휘되지 않을 우려가 있기 때문이며, 또 중간층의 두께가 2.0㎛ 를 초과하는 경우에는, 내마모성이 저하될 우려가 있기 때문이다. 상기 중간층의 두께는, 상기 서술한 최외층의 경우와 마찬가지로, 표면 피복 절삭 공구를 절단하고, 그 단면을 SEM 을 사용하여 관찰 측정할 수 있다. 또한, 상기 서술한 바와 같이 내층이 Ti 를 원자％ 로 5％ 미만 함유하고, 또한, TiSiN 으로 형성된 중간층이 내층과 최외층의 사이에 개재되는 것이, 상기 밀착성의 향상이라는 관점에서는 특히 바람직하다.

또한, 본 발명의 표면 피복 절삭 공구에 있어서는, 내층과 기재의 밀착력을 향상시키기 위해서, 내층과 기재의 사이에 TiSiN 층 (최내층) 이 개재되어 있어도 된다. 최내층의 두께는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 0.01 ∼ 1.0㎛ 인 것이 바람직하고, 0.05 ∼ 0.5㎛ 인 것이 보다 바람직하다. 최내층의 두께가 0.01㎛ 미만인 경우에는, 상기 밀착력의 향상이라는 효과가 충분히 발휘되지 않을 우려가 있기 때문이며, 또 최내층의 두께가 1.0㎛ 를 초과하는 경우에는, 내마모성이 저하될 우려가 있기 때문이다. 상기 최내층의 두께는, 상기 서술한 최외층의 경우와 마찬가지로, 표면 피복 절삭 공구를 절단하고, 그 단면을 SEM 또는 TEM 을 사용하여 관찰 측정할 수 있다.

또, 본 발명의 표면 피복 절삭 공구에 있어서는, 상기 내층이 TiSiC_xN₁ _-x (여기서 0≤x≤0.5) 층에서 다층으로 분할되어 있는 경우에도, 우수한 내박리성을 실현할 수 있다. 여기서 내층을 분할한다는 것은, 그 분할된 각각의 내층이 기재 표면과 대략 평행한 상태에서 존재하는 것과 같은 상태에서 분할되는 것을 말한다. 내층이 상기 TiSiC_xN₁ _-x 층에서 분할되어 있음으로써, 절삭시에 돌발적으로 대응력이 부가되었을 때, 결합력이 약한 다층막 계면에서 막 파괴가 일어나기 때문에, 절삭시의 내층의 파괴 단위를 다층화에 의해 작게 할 수 있어, 돌발적인 막의 대파괴 현상을 억제할 수 있는 점에서, 결과적으로 안정적이고 장수명의 표면 피복 절삭 공구를 실현할 수 있다. 여기서, TiSiC_xN₁ _- _x 의 x 를 0≤x≤0.5 로 한 것은, x 가 0.5 를 초과하면 TiSiC_xN₁ _-x 와 내층 막의 밀착력이 너무 저하되어, 내마모성의 저하를 초래하기 때문이다. 특히 바람직한 것은 x 의 값이 0 일 때 (즉, TiSN) 이다. 이것은, TiSiN 층과 내층 사이의 밀착력은 비교적 우수하고, 비교적 우수한 내마모성을 유지할 수 있기 때문이다.

내층이 상기 TiSiC_xN₁ _-x 층으로 다층으로 분할되어 이루어지는 경우, 내층의 분할수에 특별히 제한은 없고, 분할된 내층의 각 부분은, 서로 균등한 두께를 가지고 있어도 되고, 불균등한 두께여도 된다. 또한, 불균등한 두께로 분할하면, 각종 파괴 응력에 대응 가능해진다는 이점이 있다. 내층의 각 부분의 두께는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 분할된 내층의 각 부분의 모두가 0.01 ∼ 1.0㎛ 의 범위 내이며, 또한, 내층의 각 부분의 두께의 총계가, 상기 서술한 내층의 바람직한 두께의 범위 내인 것이 바람직하다. 내층의 각 부분 중 어느 한 두께가 0.01㎛ 미만이면, 내마모성이 불충분해질 우려가 있기 때문이며, 또 내층의 각 부분 중 어느 한 두께가 1.0㎛ 를 초과하면, 내층을 다층으로 분할하는 것에 의한 효과가 저하될 우려가 있기 때문이다. 상기 내층의 각 부분의 두께도, 상기 서술한 최외층의 경우와 마찬가지로, 표면 피복 절삭 공구를 절단하고, 그 단면을 SEM 또는 TEM 을 사용하여 관찰 측정할 수 있다.

또 내층이 상기 TiSiC_xN₁ _-x 층으로 다층으로 분할되는 경우, TiSiC_xN₁ _-x 층의 두께 (복수층 형성되는 경우에는, 그 모든 두께) 는, 1 ∼ 200㎚ 인 것이 바람직하고, 10 ∼ 100㎚ 인 것이 보다 바람직하다. TiSiC_xN₁ _-x 층의 두께가 1㎚ 미만이면, 내층을 다층으로 분할하는 것에 의한 효과가 저하될 우려가 있기 때문이며, 또 TiSiC_xN_1-x 층의 두께가 200㎚ 를 초과하면, 내마모성이 저하될 우려가 있기 때문이다. 상기 TiSiC_xN₁ _-x 층의 두께도, 상기 서술한 최외층의 경우와 마찬가지로, 표면 피복 절삭 공구를 절단하고, 그 단면을 SEM 또는 TEM 을 사용하여 관찰 측정할 수 있다.

또한, 표면 피복 절삭 공구에 있어서의 내산화성이나 내마모성, 내박리성을 향상시키는 관점에서, 내층은 Si 를 원자％ 로 바람직하게는 30％ 이하, 보다 바람직하게는 20％ 이하, 더욱 바람직하게는 15％ 이하 함유하고 있어도 된다. 내층 속에 Si 가 존재하면, 내층의 조직이 미세화됨과 함께, 내층의 경도가 향상되기 때문이다. 추가로, Si 가 내층에 함유됨으로써, 내층과 TiSiCN 으로 형성되는 최외층과의 밀착성이 향상된다. 단, 내층이 원자％ 로 30％ 를 초과하여 Si 를 함유하면, 내층이 물러져 반대로 마모가 촉진되어 버리는 경향이 있기 때문에, 바람직하지 않다. 또, 내층이 Si 를 함유하는 경우, 조직의 미세화 효과를 얻기 위해서는, Si 는 원자％ 로 1％ 이상 함유되어 이루어지는 것이 바람직하고, 5％ 이상 함유되어 이루어지는 것이 보다 바람직하다. 여기서, 표면 피복 절삭 공구의 내층에 있어서의 Si 함유량은, 예를 들어, XPS 또는 AES 를 사용하여 측정할 수 있다.

또 내층에는, B 를 원자％ 로 바람직하게는 30％ 이하, 보다 바람직하게는 15％ 이하, 더욱 바람직하게는 10％ 이하 함유하고 있어도 된다. 내층에 B 가 존재하면, 고경도인 피막을 얻을 수 있어, 절삭 중의 표면 산화에 의해 형성되는 B 의 산화물이 특히 Al 의 산화물을 치밀화된다는 이점이 있다. 또한, B 의 산화물은 저융점이므로 절삭시의 윤활유로서 작용해, 우수한 내박리성을 나타낸다는 이점도 있다. 단, 내층이 원자％ 로 30％ 를 초과하여 B 를 함유하면, 반대로 내마모성이 저하되는 경향이 있기 때문에, 바람직하지 않다. 또, 내층이 B 를 함유하는 경우, 내마모성과 내박리성을 향상시키기 위해서는, B 는 원자％ 로 1％ 이상 함유되어 이루어지는 것이 바람직하고, 5％ 이상 함유되어 이루어지는 것이 보다 바람직하다. 여기서, 표면 피복 절삭 공구의 내층에 있어서의 B 함유량은, 예를 들어, XPS 를 사용하여 측정할 수 있다.

본 발명의 표면 피복 절삭 공구에 있어서, 내층의 잔류 응력은 -6 ∼ 0㎬ 인 것이 바람직하고, -4 ∼ -1㎬ 인 것이 보다 바람직하다. 상기 잔류 응력이 -6㎬ 미만이면, 표면 피복막 중의 압축 잔류 응력이 너무 커져, 기재와의 밀착 강도가 저하되는 경향이 있다. 또, 상기 잔류 응력이 0㎬ 를 초과하면, 피막에는 인장 응력이 잔류하게 되어, 막에 균열이 들어가기 쉬워짐과 함께, 치핑성, 결손성이 저하될 우려가 있다. 또한, 상기 잔류 응력은, 예를 들어, X 선 잔류 응력 측정 장치를 사용하여, 또는, Sin²φ 법에 의해 측정할 수 있다.

이러한 바람직한 잔류 응력을 갖는 표면 피복 절삭 공구는 후술하는 바와 같이, 예를 들어, 캐소드 아크 이온 플레이팅법으로 표면 피복 절삭 공구를 제조하는 경우에는, 예를 들어, 기재 바이어스 전압을 -300 ∼ -20V 의 범위 내로 하는 조건으로 내층을 형성함으로써 실현될 수 있다.

또한, 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 기재를 피복하는 층 (내층 및 최외층, 그리고 후술하는 바와 같이 중간층이 형성되는 경우에는 중간층도 함유한다) 의 총 두께가 0.5 ∼ 8㎛ 인 것이 바람직하고, 1.0 ∼ 6.0㎛ 인 것이 보다 바람직하다. 상기 총 두께가 0.5㎛ 미만이면, 충분한 내마모성의 향상이 관찰되지 않을 우려가 있고, 또 상기 총 두께가 8㎛ 를 초과하면, 기재를 피복하는 층 중의 잔류 응력이 커져, 기재와의 밀착 강도가 저하될 우려가 있기 때문이다. 상기 총 두께에 대해서도, 상기 서술한 최외층의 두께와 마찬가지로, 표면 피복 절삭 공구를 절단하고, 그 단면을 SEM 을 사용하여 관찰 측정할 수 있다.

본 발명의 표면 피복 절삭 공구에 있어서 사용되는 기재로서는, 당 분야에 있어서 종래보다 널리 이용되어 온 것을 적절하게 사용할 수 있고, 특별히 제한되는 것은 아니지만, 고온에서도 높은 경도를 갖는 점에서, WC 기초 경합금, 서메트, 고속도 강, 세라믹스 (탄화규소, 질화규소, 질화알루미늄, 산화알류미늄, 탄화규소, 탄화티탄 및 그들의 복합 재료 등), 입방정형 질화붕소 소결체, 다이아몬드 소결체로 이루어지는 기재 중 어느 하나인 것이 바람직하다. 그 중에서도 특히, WC 기초 경합금, 서메트, 입방정형 질화붕소 소결체를 기재로 하여 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 절삭 가공에 사용되는 종래 공지된 각종 절삭 공구에 적용할 수 있다. 특히, 본 발명의 피복 절삭 공구는, 드릴, 엔드밀, 프라이스 가공용 및 선삭용 날끝 교환형 팁, 메탈 톱, 기어 절삭 공구, 리머, 탭인 것이 바람직하다.

본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 결정성이 높은 화합물을 형성할 수 있는 공지된 막형성 프로세스로 기재를 내층, 최외층 (경우에 따라서는 또한 최내층, 중간층 등) 에 의해 피복함으로써 제조할 수 있다. 이러한 막형성 프로세스로서는, 막 중에 압축 응력을 줄 수 있다는 이유에서, 물리적 증착법이 바람직하다. 물리적 증착법으로는, 예를 들어, 이온 플레이팅법, 스퍼터링법, 전자빔 증착법 등을 들 수 있지만, 본 발명의 표면 피복 절삭 공구를 제조하는데 있어서는, 이온 플레이팅법을 채용하는 경우에는, 아크식 이온 플레이팅법을 이용하는 것이 기재와의 밀착력을 확보하기 쉽다는 이유로 바람직하고, 스퍼터링법을 채용하는 경우에는, 마그네트론 스퍼터링법 (밸런스드 및 언밸런스드 마그네트론 스퍼터링법) 을 이용하는 것이 비도전성 재료를 피복하는 데 우수하다는 이유에서 바람직하다. 이들 중에서도, 원료 원소의 이온율이 높은 캐소드 아크 이온 플레이팅법을 이용하는 것이, 특히 바람직하다. 캐소드 아크 이온 플레이팅법을 이용하면, 내층을 형성하기 전에, 기재 표면에 대해서 금속의 이온 밤바드먼트 (bombardment) 처리가 가능해지기 때문에, 내층의 밀착성이 현격하게 향상되기 때문이다.

이어서, 실시예를 이용하여 피복 절삭 공구의 내마모성이 어떻게 개선되는지를 구체적으로 설명한다. 실시예의 조성은 XPS (X-ray photoelectron spectroscope; X 선 광전자 분광 장치), AES (auger electron spectroscope; 오제 전자 분광 장치) 에 의해 확인했다.

<실시예 1 ∼ 8, 비교예 1 ∼ 3>

기재로서 그레이드가 JIS 규격 K20 인 초경합금, 팁 형상이 JIS 규격의 SPGN120308 인 것을 이용하여, 캐소드 아크 이온 도금 장치에 장착했다.

우선, 진공 펌프에 의해 챔버 내를 감압함과 함께, 장치 내에 설치된 히터에 의해 기재를 온도 650℃ 로 가열하고, 챔버 내의 압력이 1.0×10^-4Pa 가 될 때까지 진공 흡입을 행했다. 이어서, 아르곤 가스를 도입하여 챔버 내의 압력을 3.0Pa 로 유지하고, 기재 바이어스 전원의 전압을 서서히 올리면서, -1500V 로 하고, 기재의 표면의 클리닝을 15분간 행했다. 그 후, 아르곤 가스를 배기하였다.

이어서, 내층의 화합물 조성으로서 각각 표 1 에 나타내는 화합물이 되도록, 금속 증발원인 합금제 타겟을 세트하고, 반응 가스로서 질소, 메탄, 산소 중, 본 발명의 피막을 얻을 수 있는 가스를 도입시키면서, 기재 온도 650℃, 반응 가스압 2.0Pa, 기재 바이어스 전압을 -100V 로 유지한 상태에서, 캐소드 전극에 100A 의 아크 전류를 공급하고, 아크식 증발원으로부터 금속 이온을 발생시켜 피막 (내층) 을 형성했다. 내층이 각각 표 1 에 나타내는 소정의 두께가 되었을 때, 증발원에 공급하는 전류를 정지시켰다.

계속해, 내층 상에, 최외층으로서 TiSiCN 막을 형성했다. 구체적으로는, 챔버 내에 Ti 및 Si 를 세트하고, 반응 가스로서 질소 및 산소를 도입시키면서, 기재 온도 650℃, 반응 가스압 2.0Pa, 기재 바이어스 전압을 -50V 로 하여, 캐소드 전극에 100A 의 아크 전류를 공급하고, 아크식 증발원으로부터 금속 이온을 발생시켜, 평균 결정 입자 직경 0.05㎛ 인 TiSi 의 탄질화물로 이루어지는 최외층을 형성했다. 최외층이 소정의 두께가 되었을 때, 증발원에 공급하는 전류를 정지시키고, 서랭하였다.

또한, 실시예 5 ∼ 7, 비교예 2 에 대해서는, 내층의 형성 전에 기재 상에 최내층으로서 TiSN 막을 형성했다. 구체적으로는, 챔버 내에 Ti 및 Si 를 세트하고, 반응 가스로서 질소를 도입시키면서, 기재 온도 650℃, 반응 가스압 2.0Pa, 기재 바이어스 전압을 -100V 로 유지한 상태에서, 캐소드 전극에 100A 의 아크 전류를 공급하고, 아크식 증발원으로부터 금속 이온을 발생시켜, 최내층을 형성했다. 최내층이 소정의 두께가 되었을 때, 증발원에 공급하는 전류를 정지시켰다.

또, 실시예 7 에 대해서는, 내층의 형성 후, 최외층을 형성하기 전에 상기 최내층의 형성과 동일하게 하여, 내층 상에 중간층으로서 TiSiN 막을 형성했다.

또한, 실시예 8 에 대해서는, 최외층의 형성에 있어서, 기재 바이어스 전압을 -30V 로 하여, 평균 결정 입자 직경이 0.3㎛ 인 TiSi 의 탄질화물로 이루어지는 최외층 (TiSiCN 막) 으로 하였다.

상기의 공정으로 제조한 실시예 1 ∼ 8, 비교예 1 ∼ 3 에 대해, 이하에 나타내는 조건에 의한 건식의 밀링 시험을 행해, 날끝의 플랭크면 마모 폭이 0.2㎜ 를 초과하는 시간을 측정했다. 절삭 조건은, 피삭재를 스테인리스강 SUS304 (HB=180) 로 하고, 절삭 속도 70m/min, 이송량 0.2mm/rev, 절삭 깊이 1㎜ 로 했다. 결과를 표 1 에 나타낸다.

표 1 로부터 명백히 한 바와 같이, 본 발명에 있어서, 실시예 1 ∼ 8 의 절삭 공구 수명은 막 박리가 발생하기 쉬운 SUS304 의 절삭에 있어서 비교예 1 ∼ 3 과 비교하여 크게 향상된 것이 확인되었다.

<실시예 9 ∼ 12>

표 2 에 나타내는 바와 같은 조성의 내층, 최외층을 형성한 것 이외에는, 상기 서술한 실시예 1 과 동일하게 하여, 본 발명의 표면 피복 절삭 공구를 제작하였다. 상기 서술한 것과 동일하게, 실시예 9 ∼ 12 에 대해 절삭 시험을 행한 결과, 표 2 에 나타내는 성능을 얻었다.

표 2 로부터, 내층을 형성하는 화합물 (Al₁ _-a- _bCr_aV_b) 에 있어서, a, b 의 값이 5<a/b<100 의 범위에 있는 실시예 9 ∼ 12 는, 특히 우수한 절삭 공구 수명을 얻을 수 있었다.

<실시예 13>

실시예 6 과 동일한 조성의 내층을 형성하는데 있어서, 내층의 형성 공정과 최내층의 형성과 동일한 TiSiN 층의 형성 공정을 교대로 행한 것 이외에는 동일하게 행하여, 내층이 0.05㎛ 의 두께의 TiSiN 층에서 15 층으로 분할되어 이루어지는 표면 피복 절삭 공구를 제작하였다. 분할된 내층의 각 부분은, 모두 균일한 두께 0.2㎛ 를 갖도록 하였다. 이렇게 하여 얻어진 실시예 13 에 대해, 상기 서술과 동일하게 절삭 시험을 행한 결과, 표 3 에 나타내는 성능을 얻었다.

표 3 으로부터, 내층을 TiSiN 층으로 분할한 실시예 13 은, 매우 우수한 절삭 공구 수명을 갖는 것이 확인되었다.

이번에 개시된 실시형태 및 실시예는 모든 점에서 예시한 것으로서 제한적인 것이 아닌 것으로 보아야만 한다. 본 발명의 범위는, 상기한 설명이 아니라, 청구의 범위에 의해 나타나며, 청구 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

Claims

기재 상에, i) Al 과, ii) Cr 및 V 중 적어도 어느 하나의 원소와, iii) 질소, 탄소, 산소에서 선택되는 1 종 이상의 원소를 적어도 함유하는 화합물로 형성된 내층이 피복되고, 또한 내층 상에 TiSi 의 탄질화물로 형성된 최외층이 피복되어 이루어지고,

기재와 내층 사이 및 내층과 최외층 사이 중 적어도 하나에 TiSiN 층이 개재되고, 기재와 내층 사이에 개재된 TiSiN 층의 두께가 0.05 ~ 0.5 ㎛ 이고, 내층과 최외층 사이에 개재된 TiSiN 층의 두께가 0.1 ~ 1.5 ㎛ 인 표면 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,

최외층의 두께가 0.1 ∼ 2㎛ 인, 표면 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,

TiSi 의 탄질화물의 평균 결정 입자 직경이 0.1㎛ 이하인, 표면 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,

상기 내층은, (Al₁ _-a- _bCr_aV_b) (여기서, 0≤a≤0.5, 0≤b≤0.5, 0≠a+b≤0.5) 와 탄소, 질소, 산소 중의 어느 1 종류 이상의 원소를 적어도 함유하는 화합물로 형성된 것인, 표면 피복 절삭 공구.
제 4 항에 있어서,

상기 a+b 가 0.3<a+b<0.45 를 만족하는 것을 특징으로 하는, 표면 피복 절삭 공구.
제 4 항에 있어서,

상기 a 의 값이 0<a<0.35, 상기 b 의 값이 0<b<0.35 를 만족하는 것을 특징으로 하는, 표면 피복 절삭 공구.
제 4 항에 있어서,

상기 a, b 의 값이, 20<a/b<100 을 만족하는 것을 특징으로 하는, 표면 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,

내층이 원자％ 로 5％ 미만의 Ti 를 함유하는 것을 특징으로 하는, 표면 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,

내층이 원자％ 로 30％ 이하의 Si 및/또는 B 를 함유하는 것을 특징으로 하는, 표면 피복 절삭 공구.
삭제
제 1 항에 있어서,

내층이 TiSiC_xN₁ _-x (여기서 0≤x≤0.5) 층에서 분할되어 있는 것을 특징으로 하는, 표면 피복 절삭 공구.
제 11 항에 있어서,

상기 TiSiC_xN₁ _-x 가 TiSiN 인 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,

기재를 피복하는 층의 총 두께가 0.5 ∼ 8㎛ 인 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.