KR101168464B1

KR101168464B1 - 표면 피복 절삭 공구

Info

Publication number: KR101168464B1
Application number: KR1020077012102A
Authority: KR
Inventors: 요시오 오카다; 나오야 오모리; 미노루 이토; 노리히로 다카나시; 신야 이마무라; 스스무 오쿠노
Original assignee: 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤
Priority date: 2004-12-14
Filing date: 2005-12-09
Publication date: 2012-07-26
Also published as: WO2006064724A1; EP1825943B1; IL183812A; US20090297835A1; EP1825943A4; EP1825943A1; CN101080295A; JPWO2006064724A1; CN101080295B; IL183812A0; US7972714B2; JP4739235B2; KR20070085526A

Abstract

본 발명은 기재(8)와 이 기재(8) 상에 형성된 피막(9)을 포함하는 표면 피복 절삭 공구(1)로서, 상기 피막(9)은 TiCN으로 이루어지는 제1 피막(1O)과 α형 Al₂O₃ 로 이루어지는 제2 피막(11)을 포함하고, 상기 제1 피막(10)은 상기 기재(8)와 상기 제2 피막(11) 사이에 위치하고 인장 응력(S1)을 가지며, 상기 제2 피막(11)은 압축 응력(S2)을 갖는 것과 동시에, 상기 인장 응력(S1)과 상기 압축 응력(S2)은 이하의 수학식 1에 의해서 규정되는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구에 관한 것이다. 400 MPa≤｜S2-S1｜≤ 3500 MPa [수학식 1] 2 문자 코드 및 다른 약어에 대해서는 정기적으로 발행되는 각 PCT 공보의 권두에 게재되어 있는 「코드와 약어의 가이던스 노트」를 참조한다.

Description

표면 피복 절삭 공구{SURFACE-COVERED CUTTING TOOL}

본 발명은 드릴, 엔드밀, 드릴용 날끝 교환형 팁, 엔드밀용 날끝 교환형 팁, 프레이즈 가공용 날끝 교환형 팁, 선삭 가공용 날끝 교환형 팁, 메탈 소오(metal saw), 치절 공구, 리머, 탭 등의 절삭 공구에 관한 것으로, 특히 그 표면에 인성이나 내마모성 등의 특성을 향상시키는 피막을 형성한 표면 피복 절삭 공구에 관한 것이다.

종래, 절삭용 공구로서는, 초경합금[WC-Co 합금 또는 이것에 Ti(티탄)이나 Ta(탄탈), Nb(니오븀) 등의 탄질화물을 첨가한 합금]이 이용되어 왔다. 그러나, 최근 절삭의 고속화에 따라, 초경합금, 서멧, 입방정형 질화 붕소 소결체 또는 알루미나계나 질화규소계의 세라믹스를 기재로 하여 그 표면에, CVD(Chemical Vapor Deposition)법이나 PVD(Physical Vapor Deposition)법으로 원소 주기율표의 IVa족 원소, Va족 원소, VIa족 원소, Al(알루미늄), Si 또는 B에서 선택되는 1종 이상의 제1 원소와, B, C, N 또는 O에서 선택되는 1종 이상의 제2 원소로 이루어지는 화합물(단, 제1 원소가 B뿐일 경우, 제2 원소는 B 이외로 함)에 의한 피복이 1층 이상 피복되고, 그 피복층의 두께가 3 내지 20㎛인 경질 합금 공구의 사용 비율이 증대하고 있다.

이러한 절삭 공구는 절삭 가공시에 있어서 피삭재의 절삭 칩과 접촉하는 경사면과, 피삭재 자체에 접촉하는 여유면을 갖고, 이 경사면과 여유면이 교차하는 모서리에 해당하는 부분(및 그 근방부)을 날끝 능선부라고 부른다.

최근, 절삭 가공 능률을 한층 더 향상시키기 위해서 절삭 속도가 보다 고속화되고 있으며, 그에 따라 이러한 절삭 공구에는 내마모성이 한층 더 요구되고 있다. 그러나, 높은 내마모성을 요구하면 인성이 저하함으로 높은 내마모성 및 높은 인성 양자를 양립시키는 것이 요구되고 있다.

이러한 요구에 응하는 시도로서, 예컨대 일본 특허 공개 평05-177411호 공보(특허문헌 1)는 기재 상에 화학적 증착법(CVD 법)에 의해 고온으로 피복층을 형성한 후 그것을 실온까지 냉각한 경우에 생기는 상기 피복층의 잔류 인장 응력에 주목하고, 이 인장 응력이 절삭 공구의 인성 저하를 가져온다고 하여 그에 대한 해결책을 제안하고 있다. 즉, 이 인장 응력은 상기 기재와 상기 피복층의 열팽창 계수의 차에 기인하여 발생하는 것이지만, 우선 이러한 인장 응력을 갖는 제1 피복층을 기재 상에 형성하고, 이 제1 피복층에 대하여 소정의 균열을 형성한 후에 이 제1 피복층 상에 압축 응력을 갖는 제2 피복층을 형성함으로써, 높은 내마모성을 유지하면서 인성(내결손성)을 향상시킨다고 하는 수법이 채용되어 있다.

또한, 일본 특허 공개 평05-177412호 공보(특허문헌 2)에는, 상기와 마찬가지 피복층의 인장 응력에 주목하고 있지만, 상기와는 다른 접근 방법이 채용되어 있으며, 경질 세라믹스 기재 상에 인장 응력을 갖는 내측 피복층을 형성하고, 그 위에 압축 응력을 갖는 외측 피복층을 형성하는 구성이 제안되어 있다. 또한, 일본 특허 공개 평05-177413호 공보(특허문헌 3)에는, 서멧을 기재로 하는 특허 문헌 2와 동일한 구성의 절삭 공구가 제안되어 있다.

한편, 일본 특허 공개 평06-055311호 공보(특허문헌 4)는, 초경합금제의 기재 상에 화학 증착법에 의해 경질 피복층을 형성한 절삭 공구에 있어서, 여유면 부분의 경질 피복층이 갖는 인장 응력을 유지한 채로, 경사면 부분의 경질 피복층의 인장 응력을 실질적으로 제거하여 이루어지는 절삭 공구를 제안하고 있다.

또한, 일본 특허 제3087465호 공보(일본 특허 공개 평06-079502호 공보, 특허문헌 5)는, 탄질화티탄기 서밋 기체(基體)의 표면에 압축 응력 분포가 절삭날 전체에 걸쳐 실질적으로 동일한 경질 피복층을 형성하며, 상기 경질 피복층에 대해 쇼트 블라스트 처리를 실시함으로써, 경사면 부분이 갖는 압축 응력을 여유면 부분이 갖는 압축 응력보다도 49 MPa 이상 크게 한 절삭 공구를 제안하고 있다.

그러나, 상기와 같은 각 제안에 있어서는, 어느 정도의 인성과 내마모성의 양립을 도모할 수 있지만, 최근의 절삭 공구에 대한 상황하에서 절삭 공구에는 추가로 고도한 성능이 요구되고 있고, 그와 같은 성능을 충분히 만족시키는 절삭 공구의 개발이 요구되고 있다.

특허문헌 1 : 일본 특허 공개 평05-177411호 공보

특허문헌 2 : 일본 특허 공개 평05-177412호 공보

특허문헌 3 : 일본 특허 공개 평05-177413호 공보

특허문헌 4 : 일본 특허 공개 평06-055311호 공보

특허문헌 5 : 일본 특허 제3087465호 공보(일본 특허 공개 평06-079502호 공 보)

본 발명은 상기와 같은 현상을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는 인성과 내마모성을 고도로 양립시킨 표면 피복 절삭 공구를 제공하는 것에 있다.

본 발명자는 상기 과제를 해결하기 위해서 예의 검토를 거듭한 바, 기재를 피복하는 피막으로서 특정 소재의 것을 선택함과 동시에, 그 각 피막에 특정 응력을 부여하는 것이 인성과 내마모성의 양립에는 가장 효과적이라고 하는 지견을 얻고, 이 지견에 기초하여 더욱 연구를 거듭함으로써 드디어 본 발명을 완성시키기에 이른 것이다.

즉, 본 발명은 기재와 이 기재 상에 형성된 피막을 포함하는 표면 피복 절삭 공구로서, 상기 피막은 TiCN 으로 이루어지는 제1 피막과 α형 Al₂O₃로 이루어지는 제2 피막을 포함하며, 상기 제1 피막은 상기 기재와 상기 제2 피막 사이에 위치하고 인장 응력(S1)을 가지며, 상기 제2 피막은 압축 응력(S2)을 갖는 것과 동시에, 상기 인장 응력(S1)과 상기 압축 응력(S2)은 이하의 수학식 1에 의해서 규정되는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구에 관한 것이다.

400 MPa≤｜S2-S1｜≤ 3500 MPa [수학식 1]

또한, 상기 표면 피복 절삭 공구는 절삭에 관여하는 부분의 증가 표면적비를 0.0005 이상 0.07 이하로 할 수 있다.

또한, 상기 제1 피막은 애스팩트비가 3 이상인 주상(柱狀) 구조를 갖는 것과 동시에, 그 평균 입경(粒徑)이 0.05㎛ 이상 1.5㎛ 이하인 결정 조직을 갖는 것으로 할 수 있다. 또한, 상기 제1 피막은 2 내지 20㎛의 두께를 갖고, 상기 제2 피막은 0.5 내지 20㎛의 두께를 갖는 것으로 할 수 있다.

또한, 상기 제1 피막은 산소를 더 함유할 수 있고, 또한 원소 주기율표의 IVa족 원소, Va족 원소, VIa족 원소, Si, Y, B 및 S로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 함유할 수 있다. 또한, 상기 제2 피막은 원소 주기율표의 IVa족 원소, Va족 원소, VIa족 원소, Si, Y, B 및 S로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 더 함유할 수 있다.

도 1은 절삭 가공시의 표면 피복 절삭 공구와 피삭재의 접촉 상태를 모식적으로 도시한 개략도이다.

도 2는 표면 피복 절삭 공구의 개략 사시도이다.

도 3은 표면 피복 절삭 공구의 개략 단면도이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 표면 피복 절삭 공구

2 : 경사면

3 : 여유면

4 : 날끝 능선부

5 : 피삭재

6 : 절삭 칩

7 : 관통 구멍

8 : 기재

9 : 피막

10: 제1 피막

11 : 제2 피막

이하 본 발명에 관해서 더욱 상세히 설명한다. 또한, 이하 실시예의 설명에서는 도면을 이용하여 설명하고 있지만, 본원의 도면에 있어서 동일한 참조 부호를 붙인 것은 동일 부분 또는 상당 부분을 나타내고 있다.

<표면 피복 절삭 공구 >

본 발명의 표면 피복 절삭 공구는 기재와 이 기재 상에 형성된 피막을 포함하는 구성을 갖고 있다.

이러한 표면 피복 절삭 공구(1)는 도 1에 도시한 바와 같이 절삭 가공시에 있어서 피삭재(5)의 절삭 칩(6)과 접촉하는 경사면(2)과, 피삭재 자체에 접촉하는 여유면(3)을 갖고, 이 경사면(2)과 여유면(3)이 교차하는 모서리에 해당하는 부분을 날끝 능선부(4)라고 부르며, 피삭재(5)를 절삭하는 중심적 작용점으로 되어 있다.

이러한 표면 피복 절삭 공구는, 예컨대 드릴, 엔드밀, 드릴용 날끝 교환형 팁, 엔드밀용 날끝 교환형 팁, 프라이즈 가공용 날끝 교환형 팁, 선삭 가공용 날끝 교환형 팁, 메탈 소오, 치절 공구, 리머, 탭 등으로서 이용할 수 있다.

또한, 이러한 표면 피복 절삭 공구(1)는, 예컨대 날끝 교환형 칩인 경우에는 도 2에 도시한 바와 같이 그 중앙부에 관통 구멍(7)을 마련할 수 있고, 이에 따라 공구 본체에 부착할 수 있다. 이러한 관통 구멍(7)은, 필요에 따라서 이 관통 구멍 외에 또는 그 대신에 다른 고정 수단을 마련할 수도 있다.

<기재>

상기 기재로는, 이러한 절삭 공구의 기재로서 알려진 종래 공지의 것을 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있다. 예컨대, 이러한 기재로서, 초경합금(예컨대 WC기 초경합금, WC 외에 Co를 포함하거나, 혹은 Ti, Ta, Nb 등의 탄질화물을 더 첨가한 것도 포함됨), 서멧(TiC, TiN, TiCN 등을 주성분으로 하는 것), 고속도강, 세라믹스(탄화티탄, 탄화규소, 질화규소, 질화알루미늄, 산화알루미늄 등), 입방정형 질화 붕소 소결체, 다이아몬드 소결체, 질화규소 소결체 또는 산화알루미늄과 탄화티탄으로 이루어지는 혼합체 등을 예로 들 수 있다.

이러한 여러 가지 기재 중에서도, 특히 본 발명에 있어서는 초경합금(WC기 초경합금)을 이용하는 것이 바람직하다. 이것은, 고경도인 텅스텐 카바이드를 주체(主體)로 하여 코발트 등의 철족 금속을 함유함으로써, 고경도와 고강도를 함께 갖는 절삭 공구용 기재로서 매우 균형이 잡힌 합금이기 때문이다.

<피막>

도 3에 도시한 바와 같이 상기 기재(8)상에 형성되는 피막(9)은 주로 인성과 내마모성을 한층 더 향상시키는 것을 목적으로 하여 형성되는 것으로, TiCN으로 이 루어지는 제1 피막(10)과, α형 Al₂O₃로 이루어지는 제2 피막(11)을 포함하는 것이다.

또한, 이러한 피막은, 피막과 기재와의 밀착성을 더욱 향상시키거나, 제1 피막과 제2 피막의 밀착성을 더욱 향상시키거나 또는 피막 표면의 상태를 개량하거나 하는 것을 목적으로 하여, 상기 제1 피막과 상기 제2 피막 이외에 제3 피막을 포함할 수 있다.

이러한 제3 피막으로서는, 예컨대 TiN, TiC, TiCO, TiBN, ZrCN, TiZrCN, AlN, AlON, TiAlN 등을 예로 들 수 있다.

또한, 이러한 제3 피막은 1층 또는 2층 이상 형성할 수 있고, 그 적층 형태도 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들면 기재와 제1 피막 사이, 제1 피막과 제2 피막 사이, 또는 제2 피막의 표면 등 임의의 1 이상의 적층 부위에 형성할 수 있다.

<제1 피막>

본 발명의 제1 피막은 상기 기재와 후술하는 제2 피막 사이에 위치하고, TiCN으로 이루어지는 것으로서 인장 응력(S1)을 갖는 것이다. 이 제1 피막은 매우 높은 경도를 갖기 때문에, 이것이 제2 피막과 기재 사이에 위치함으로써 내마모성을 비약적으로 향상시키는 작용을 발휘하는 것이다.

이러한 제1 피막은 TiCN 단독으로 구성할 수 있지만, 산소를 더 함유하고 있어도 좋다. 또한, 이러한 산소의 함유 형태도 특별히 한정되는 것은 아니며, 예컨 대 산소가 상기 TiCN의 결정격자의 정규 위치에 치환형으로서 들어가는 경우, 해당 결정격자 사이에 침입형으로서 들어가는 경우, 비정질로서 존재하는 경우 등 어느 쪽의 형태라도 좋다.

또한, 제1 피막은 상기한 바와 같이 산소가 포함되는 경우 외에, 원소 주기율표의 IVa족 원소(Ti, Zr, Hf 등), Va족 원소(V, Nb, Ta 등), VIa족 원소(Cr, Mo, W 등), Si, Y, B 및 S 로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 함유할 수도 있다. 이들 원소는 산소와 함께 또는 산소를 포함하지 않고 단독으로 함유될 수 있고, 상기한 산소와 마찬가지로 어느 쪽의 함유 형태를 취할 수도 있다.

이와 같이 제1 피막은 TiCN 단독으로 구성되는 것 외에, TiCN을 주요 구성으로 하고 산소를 비롯한 상기와 같은 각 원소를 포함할 수도 있다.

또한, 이러한 산소 등의 원소의 농도 분포는 해당 원소가 피막 내에 균질하게 분포되는 경우, 결정립계에 있어서 고농도 또는 저농도로 분포하는 경우, 해당 피막의 표면 부분에 있어서 고농도 또는 저농도로 분포하는 경우 등 어느 쪽의 농도분포를 갖도록 하여 존재하고 있더라도 지장이 없다. 또한, 이러한 산소 등의 원소의 함유 농도는 TiCN의 C 및 N의 합계에 대하여 0.1 내지 40 원자%로 함유되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 그 상한이 30 원자%, 더욱 바람직하게는 20 원자%이며, 그 하한이 1 원자%, 더욱 바람직하게는 5 원자%이다. 0.1 원자% 미만에서는 산소 등의 원소를 함유함으로써 초래되는 효과(예컨대, 결정립의 미세화 등)가 나타나지 않는 경우가 있고, 또한 40 원자%를 넘으면 막의 결정격자의 변형 경도나 강도가 저하하는 경우가 있다.

또한, 이러한 제1 피막은 2 내지 20㎛의 두께로 형성하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 그 상한이 15㎛, 더욱 바람직하게는 10㎛, 그 하한이 2.5㎛, 더욱 바람직하게는 3㎛이다. 2㎛ 미만에서는 마모가 진행하고, 이로 인해 기재가 노출됨으로써 더욱 마모가 현저하게 진행하는 경우가 있고, 또한 20㎛를 넘으면 막의 강도가 손상되고, 막의 박리나 치핑이 생겨 최종적으로는 결손에 이르는 경우가 있다.

또한, 이러한 제1 피막은 애스팩트비가 3 이상인 주상 구조를 갖는 것과 동시에, 그 평균 입경이 0.05㎛ 이상 1.5㎛ 이하인 결정 조직을 갖고 있는 것이 바람직하다. 이러한 결정 조직을 갖는 것에 의해, 내연마성을 더욱 향상시킬 수 있다. 여기서, 애스팩트비란 제1 피막에 포함되는 결정의 평균 입경을 이하와 같은 방법으로 측정하고, 제1 피막의 막 두께를 이 평균 입경으로 나눈 수치를 말한다. 이러한 평균 입경의 측정은 상기 제1 피막의 단면을 경면 가공함과 동시에 결정입계를 에칭한 후, 해당 제1 피막의 막 두께의 1/2의 지점에서의 각 결정의 폭(막 두께의 방향에 대하여 수직인 방향의 각 결정의 폭)을 측정하고, 그 폭의 평균치를 평균 입경으로 하는 것에 의해 측정할 수 있다.

이러한 애스팩트비가 3 미만인 경우, 내연마성을 향상시킬 수 없게 되는 경우가 있다. 또한, 이 애스팩트비는 수치가 커질수록 내연마성이 향상되기 때문에, 굳이 그 상한을 규정할 필요는 없지만 애스팩트비가 300을 넘는 것은 결정이 지나치게 미세해지고 조직이 취약해져서 내결손성이 나빠지는 경우가 있다. 애스팩트비로서, 보다 바람직하게는 7 내지 200이며, 더욱 바람직하게는 그 상한이 100, 특히 바람직하게는 50이고, 그 하한이 15, 특히 바람직하게는 20이다.

또한, 평균 입경이 0.05㎛ 미만인 경우, 결정이 지나치게 미세해지고 조직이 취약해져서 내결손성이 악화되는 경우가 있다. 평균 입경이 1.5㎛를 넘으면 결정의 조직이 거칠어지고 표면의 요철도 악화되어, 절삭 칩의 흐름 등 절삭 저항이 악화되는 경우가 있다. 평균 입경으로서 보다 바람직하게는 O.1㎛ 이상 1.O㎛ 이하이며, 더욱 바람직하게는 그 상한이 0.6㎛, 특히 바람직하게는 0.4㎛이고, 그 하한이 0.15㎛, 특히 바람직하게는 0.2㎛ 이다.

이러한 제1 피막은 상기한 바와 같이 인장 응력(S1)을 갖는 것이 바람직하다. 여기서 인장 응력이란 피막에 존재하는 내부 응력(고유 변형)의 일종으로서, 「+」(플러스)의 수치(단위: MPa)로 나타내는 응력을 말한다. 이 때문에, 인장 응력이 크다고 하는 개념은 상기 수치가 커지는 것을 나타내고, 또한 인장 응력이 작다고 하는 개념은 상기 수치가 작아지는 것을 나타낸다. 또한, 인장 응력을 갖는다고 하는 것은 인장 응력이 해방되어 실질적으로 응력을 갖고 있지 않은 상태도 포함하는 것으로 한다.

제1 피막의 응력을 이러한 인장 응력으로 함으로써, 기재와의 사이에서 고도한 밀착성을 얻을 수 있는 것과 동시에, 특히 우수한 내마모성을 실현할 수 있다. 통상 기재가 초경합금인 경우, 이러한 인장 응력은 5 MPa 내지 300 MPa의 값을 갖는 것이 바람직하다.

이러한 제1 피막은 공지의 CVD 법에 의해 형성할 수 있다. 이에 따라, 동시에 제1 피막에 대하여 인장 응력을 부여할 수 있다. 한편, 이러한 제1 피막은 공지 의 PVD 법에 의해 형성할 수도 있고, 이 경우 이 피막은 통상 압축 응력을 갖는 것이 된다. 따라서, 이러한 압축 응력을 인장 응력으로 변경하기 위해서는, 이 제1 피막에 대하여 가열 처리, 레이저 처리 또는 고주파 처리 등의 각종 수법에 의한 처리를 실시하는 것이 필요하다.

또한, 이러한 제1 피막의 응력은 X선 응력 측정 장치에 의한 sin²ø법에 의해 측정 회절면으로서 TiCN의 (422)면을 선택함으로써, 후술하는 제2 피막의 경우와 마찬가지로 하여 측정할 수 있다. 또한, 본 발명의 제1 피막이 상기한 바와 같이 산소 등의 원소를 더 함유하는 경우에 있어서도, 거의 동등한 2θ의 위치에 (422)면이 존재하기 때문에 마찬가지로 하여 응력을 측정할 수 있다.

<제2 피막>

본 발명의 제2 피막은 α형 Al₂O₃로 이루어지는 것으로서 압축 응력(S2)을 갖는 것이다. 제2 피막을 이러한 소재로 구성하고, 기재의 최외측 표면 또는 최외측 표면 근방에 형성함으로써, 기재의 산화를 효과적으로 방지함과 동시에 절삭 가공시에 피삭재의 구성 원소가 기재측으로 확산되는 것을 매우 유효하게 방지할 수 있다. 그리고, 이러한 산화나 확산은 절삭 가공시의 발열에 의해 조장되게 되지만, α형 Al₂O₃ 는 고온 안정성에도 우수하기 때문에, 이들 효과가 상승적으로 작용함으로써 매우 우수한 효과가 나타난다.

이러한 제2 피막은 α형 Al₂O₃ 단독으로 구성할 수 있지만, 원소 주기율표의 IVa족 원소, Va족 원소, VIa족 원소, Si, Y, B 및 S로 이루어지는 군으로부터 선택 되는 적어도 1종의 원소를 함유하고 있어도 좋다. 또한, 그와 같은 원소 함유의 형태도 특별히 한정되는 것은 아니며, 예컨대 그와 같은 원소가 상기 α형 Al₂O₃의 결정격자의 정규 위치에 치환형으로서 들어가는 경우, 해당 결정격자 사이에 침입형으로서 들어가는 경우, 금속간 화합물을 형성하는 경우, 비정질로서 존재하는 경우 등 어느 쪽 형태라도 좋다.

또한, 그와 같은 원소의 농도 분포는 해당 원소가 피막 내에 균질하게 분포되는 경우, 결정립계에 있어서 고농도 또는 저농도로 분포되는 경우, 해당 피막의 표면 부분에 있어서 고농도 또는 저농도로 분포되는 경우 등 어느 쪽의 농도 분포를 갖도록 하여 존재하고 있더라도 지장은 없다. 또한, 해당 원소의 함유 농도는 α형 Al₂O₃의 A1에 대하여 0.01 내지 30 원자%로 함유되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 그 상한이 20 원자%, 더욱 바람직하게는 10 원자%이고, 그 하한이 0.05 원자%, 더욱 바람직하게는 0.1 원자% 이다. 0.01 원자% 미만에서는 이러한 원소를 함유함으로써 초래되는 효과(예컨대, 고온시에 있어서 고경도를 나타내거나 고강도를 나타내거나 또는 양호한 윤활성이 주어지는 등의 효과)가 나타나지 않는 경우가 있으며, 또한 30 원자%를 넘으면 해당 제2 피막의 결정격자의 변형 경도나 강도가 저하하는 경우가 있다.

또한, 이러한 제2 피막은 0.5 내지 20㎛의 두께로 형성하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 그 상한이 10㎛, 더욱 바람직하게는 5㎛이고, 그 하한이 1㎛, 더욱 바람직하게는 1.5㎛ 이다. 0.5㎛ 미만에서는 상기 제2 피막 자체의 화학 적인 안정성이 손상되어 응착 마모나 확산 마모 등 마모의 진행이 빨라지는 경우가 있고, 또한 20㎛를 넘으면 막의 강도가 손상되고 막의 박리나 치핑이 발생하여 최종적으로는 결손에 이르는 경우가 있다.

그리고 이러한 제2 피막은 압축 응력(S2)을 갖는 것과 동시에, 해당 압축 응력(S2)과 상기 제1 피막의 인장 응력(S1)이 이하의 수학식 1에 의해서 규정되는 것을 특징으로 한다.

400 MPa≤｜S2-S1｜≤ 3500 MPa [수학식 1]

여기서 압축 응력이란 피막에 존재하는 내부 응력(고유 변형)의 일종으로서, 「?」(마이너스)의 수치(단위: MPa)로 나타내는 응력을 말한다. 이 때문에, 압축 응력이 크다고 하는 개념은 상기 수치의 절대치가 커지는 것을 나타내고, 또한 압축 응력이 작다고 하는 개념은 상기 수치의 절대치가 작아지는 것을 나타낸다.

이와 같이 제2 피막의 응력을 특정 압축 응력(S2)으로 함으로써 인성을 매우 유효하게 향상시킬 수 있다. 더구나 상기 수학식 1과 같이 제1 피막의 인장 응력 (S1)과 제2 피막의 압축 응력(S2)을 규정함으로써, 특히 고도한 레벨에서의 인성과 내마모성의 양립을 꾀하는 것이 가능해지는 것이다. 상기 인장 응력(S1)과 압축 응력(S2)이 상기 수학식 1의 범위 밖이면, 이러한 고도한 레벨에서의 인성과 내마모성의 양립을 도모할 수 없게 된다. 즉, 인장 응력(S1)과 압축 응력(S2)의 차의 절대치(|S2-S1|)가 400 MPa 미만이 되면 인성의 향상 작용을 충분히 달성할 수 없게 되는 한편, 3500 MPa을 넘으면 이 제2 피막 자체가 기재로부터 박리되는 상태를 초래할 우려가 있다. 이 절대치(|S2-S1|)는 보다 바람직하게는 500 MPa≤｜S2-S1｜≤ 3000 MPa이다.

본 발명의 제2 피막에 대하여 상기와 같은 압축 응력을 부여하는 방법으로서는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예컨대 α형 Al₂O₃로 이루어지는 피막을 공지의 화학적 증착법(CVD 법)에 의해 형성하고(이 피막은 통상 인장 응력을 갖는 것으로 되기 때문에), 그 전면(全面)(제2 피막 위에 제3 피막이 형성되어 있는 경우에는 그 제3 피막의 전면이라도 좋음)에 대하여 브러시 처리, 블러스트 처리(예를 들면 샌드 블러스트 처리나 웨트 블러스트 처리를 포함함), 쇼트피닝 처리 또는 PVD 봄바드(bombard) 처리 등의 각종 수법에 의해 압축 응력을 부여할 수 있다.

한편, 이러한 α형 Al₂O₃로 이루어지는 피막은 공지의 물리적 증착법(PVD 법)에 의해 형성할 수도 있다. 이 경우, 이 피막은 통상 압축 응력을 갖게 되는데, 추가로 그 전면(제2 피막 위에 제3 피막이 형성되어 있는 경우에는 그 제3 피막의 전면이라도 좋음)에 대하여 가열 처리, 레이저 처리 또는 고주파 처리 등의 각종 수법에 의한 처리를 실시함으로써 그 압축 응력을 조정할 수도 있다.

이러한 압축 응력(S2)은 X선 응력 측정 장치에 의한 sin²ø법에 의해 측정 회절면으로서 α형 Al₂O₃의 (116)면을 선택함으로써 측정할 수 있다. 또한, 상기 제2 피막은 소정의 면적을 갖기 때문에, 이 압축 응력(S2)은 해당 제2 피막에 포함되는 임의의 점 10점(이들의 각 점은 각 영역의 응력을 대표할 수 있도록 상호 0.5 mm 이상의 거리로 분리되어 선택하는 것이 바람직함)의 응력을 이 방법에 의해 측정하고, 그 평균치를 구함으로써 측정할 수 있다[상기한 제1 피막의 인장 응력(S1) 도 마찬가지임].

이러한 X 선을 이용한 sin²ø법은 다결정 재료의 잔류 응력의 측정 방법으로서 널리 이용되고 있는 것으로, 예컨대「X선 응력 측정법」(일본 재료 학회, 1981년 가부시키카이샤 요켄도 발행)의 54 내지 66 페이지에 상세하게 설명되어 있는 방법을 이용하면 된다.

또한, 상기한 바와 같이 응력치를 2θ-sin²ø선도로부터 구하기 위해서는 피막의 영율과 프와송비가 필요해 진다. 그러나, 상기 영율은 다이나믹 경도계 등을 이용하여 측정할 수 있고, 프와송비는 재료에 따라 크게 변화하지 않기 때문에 0.2 전후의 값을 이용하면 된다. 본 발명에서는 특별히 정확한 응력치가 중요한 것은 아니기 때문에, 2θ-sin²ø선도로부터 응력치를 구할 때에 영율을 이용하는 일 없이 격자정수 및 격자면 간격을 구함으로써 응력치의 대용으로 할 수도 있다.

또한, 본 발명의 제2 피막이 상기한 바와 같이 원소 주기율표의 IVa족 원소, Va족 원소, VIa족 원소, Si, Y, B 및 S로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 함유하는 경우에도, 거의 동등한 2θ의 위치에 (116)면이 존재하기 때문에 상기와 같이 하여 응력을 측정할 수 있다.

<표면 조도>

본 발명의 표면 피복 절삭 공구는 절삭에 관여하는 부분의 증가 표면적비가 0.0005 이상 0.07 이하가 되는 표면 조도를 갖는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 상기 증가 표면적비는 그 상한이 0.05, 보다 바람직하게는 0.02이고, 그 하 한이 0.001, 보다 바람직하게는 0.005이다.

여기서, 증가 표면적비란 피막 표면의 면 거칠기를 3차원적인 시점에서 규정하는 것으로, 높이 방향뿐인 2차원적인 면 거칠기를 규정하는 종래의 면 조도(Ra 나 Rmax)와는 전혀 다른 개념을 갖는 것이다. 즉, 이 증가 표면적비는 소정의 측정 시야에 포함되는 수직 방향과 수평 방향의 전체 방향의 요철을 포함해서 얻어지는 총 표면적(a1)과 같은 측정 시야의 2차원적인 면적(a2)과의 비 a1/a2로부터 1을 뺀 (a1/a2)-1로 나타내는 것이다. 이 증가 표면적비는 값이 작아질수록 평활성이 향상되는 것을 나타낸다. 이러한 증가 표면적비는 보다 구체적으로는, 가부시키카이샤 에리오니크스 제조의 전자선 3차원 조도 해석 장치(ERA-8000 등)를 이용하여 측정한 값으로부터 구할 수 있다. 예컨대, 피막 표면의 거시적인 주름을 배제하고 미세한 요철을 측정 가능하게 하기 위해서 배율을 5000배로 설정하여 피막의 표면을 측정하고, 절삭에 관여하는 부분에 있어서 측정 시야 내의 수평 방향과 수직 방향의 샘플링수를 각각 280점, 210점으로 함으로써 측정할 수 있다. 또한, 이와 같은 원리에 의해 계측 가능한 장치라면 그 장치를 이용하여 측정할 수 있다.

그리고, 상기한 바와 같이 하여 측정된 절삭에 관여하는 부분의 증가 표면적비는 0.0005 이상 0.07 이하로 규정되는 것이 바람직하다. 상기 증가 표면적비가 이와 같이 규정된 범위 내의 수치를 나타냄으로써, 피막 표면의 절삭에 관여하는 부분의 평활성이 특히 평활한 것이 되기 때문에 절삭 가공시의 절삭 칩의 배출성이 특히 양호해지고, 경사면의 온도 상승을 억제하는 효과가 발휘된다. 이것은, 절삭 가공시에 고온이 되는 절삭 칩이 양호하게 배출되므로 그에 수반하여 경사면의 온 도 상승이 억제되기 때문이라고 생각된다.

상기 증가 표면적비가 0.07을 넘으면 절삭 칩의 배출성이 뒤떨어져 상기와 같은 효과를 기대할 수 없게 되는 한편, 0.0005 미만으로서도 상기 효과에 큰 차이가 없고, 평활 처리에 비용이 들어 경제적으로 불리해진다.

본 발명의 표면 피복 절삭 공구가 상기와 같은 증가 표면적비로 규정되는 표면 조도를 갖기 위해서는, 표면, 특히 절삭에 관여하는 부분에 대하여 공지의 연마처리나 평활 처리를 실시하는 것이 바람직하다. 그와 같은 처리로서는, 예컨대 버프 연마, 브러시 연마, 바렐 연마, 다이아몬드 랩, 블러스트 연마 등을 예로 들 수 있다.

또한, 상기에서의 절삭에 관여하는 부분이란 피삭재에 대한 절삭에 실질적으로 관여하는 부분으로서, 구체적으로는 날끝 능선부에서부터 경사면의 방향과 여유면의 방향으로 각각 적어도 0.5 mm의 폭을 갖도록 넓어진 영역을 말한다. 또한, 이 영역의 폭의 최대치는 어디까지나 해당 영역이 실질적으로 절삭에 관여하는 영역이라는 것을 고려하면 절삭 가공시의 절삭 깊이에 의존하여 변동하게 된다. 즉, 경사면 방향의 폭은 절삭 깊이가 깊은 경우에 절삭 칩과 접촉하는 폭도 커지기 때문에 그 최대치는 10 mm 정도로 할 필요가 있는 경우도 있다. 그러나, 통상은 3 mm 이하, 보다 바람직하게는 2 mm 이하, 더욱 바람직하게는 1.5 mm 이하이면 충분하다. 한편, 여유면 방향의 폭은 절삭 칩과 접촉하는 일이 없으므로 절삭 깊이에는 거의 영향을 받지 않고, 통상 그 최대치는 1.5 mm 이하이면 충분하다. 따라서, 해당 영역의 폭은 0.5 mm 이상 1.5 mm 이하로 하는 것이 특히 적합하다. 또한, 상기 날끝 능선부란 경사면과 여유면이 교차하는 모서리에 해당하는 부분(샤프 엣지)을 말할 뿐만 아니라, 그 샤프 엣지에 대하여 날끝 처리가 실시되어 라운드부(R)를 갖도록 처리된 부분(소위 날끝 처리부)이나 모따기 처리가 된 부분(소위 네가티브 랜드 처리부)을 포함함과 동시에, 추가로 이들 날끝 처리나 모따기 처리가 조합되어 처리된 부분도 포함하는 개념이다.

<실시예>

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명하지만, 본 발명은 이들로만 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 4>

WC : 86 질량%, Co : 8.0 질량%, TiC : 2.0 질량%, NbC : 2.0 질량%, ZrC : 2.0 질량%의 배합 비율로 각 원재료 분말을 볼밀을 이용하여 72 시간 습식 혼합했다. 계속해서, 그 혼합물을 건조한 후 프레스 성형했다. 그리고 그 후, 진공 분위기 속에서 1420℃, 1 시간의 조건으로 소결을 행했다.

얻은 소결체의 날끝 능선부에 대하여 SiC 브러시 호우닝 처리에 의해 모따기 가공을 행하고, ISO?SNMG120408의 팁 형상을 갖는 WC기 초경합금 슬로우어웨이 절삭 공구의 기재를 형성했다.

이 기재 표면에 대하여 화학 증착법인 공지의 열 CVD 법을 이용하여 이하 구성의 피막을 형성했다. 즉, 기재 상에 우선 두께 0.5㎛의 TiN 막을 형성하고, 그 위에 제1 피막인 두께 5.0㎛의 TiCN 막을 형성하며, 그 위에 두께 0.5㎛의 TiN 막 을 형성하고, 그 위에 제2 피막인 두께 3.5㎛의 α형 Al₂O₃ 막을 형성하며, 그 위에 두께 0.2㎛의 TiN 막을 형성함으로써, 기재와 해당 기재 상에 형성된 피막을 포함하는 표면 피복 절삭 공구를 제작했다. 해당 피막은 상기한 바와 같이 TiCN으로 이루어지는 제1 피막과 α형 Al₂O₃로 이루어지는 제2 피막을 포함하는 것으로, 해당 제1 피막은 상기 기재와 해당 제2 피막 사이에 위치하는 것이었다.

이어서, 이와 같이 하여 제작된 표면 피복 절삭 공구의 전면에 대하여 투사압 0.01 내지 0.5 MPa, 투사 거리 0.5 내지 200 mm, 미세 분말 농도 5 내지 40 vo1%의 조건하에서 입경 250㎛ 이하의 Al₂O₃ 등의 세라믹 지립(砥粒)에 의한 블러스트 처리를 실시함으로써 이하의 표 1에 나타내는 응력치[각 제1 피막의 인장 응력(S1), 각 제2 피막의 압축 응력(S2) 및 이들 차의 절대치 |S2-S1|]를 부여했다.

또한, 상기 응력치[특히, 각 제2 피막의 압축 응력(S2) 및 차의 절대치 |S2-S1|)를 상기 블러스트 처리의 조건을 상기 수치 범위 내에서 적절하게 조정함으로써 조정하고, 그 측정은 전술한 sin²ø법에 의했다.

이와 같이 하여, 본 발명의 실시예 1 내지 5의 표면 피복 절삭 공구와, 비교예 1 내지 4의 표면 피복 절삭 공구를 제작했다. 이러한 본 발명의 실시예 1 내지 5의 표면 피복 절삭 공구는, 각각 제1 피막은 인장 응력(S1)을 갖고, 제2 피막은 압축 응력(S2)을 갖는 것과 동시에, 이 인장 응력(S1)과 압축 응력(S2)은 상기 수학식 1에 의해서 규정되는 것이었다.

또한, 실시예 1 내지 5의 표면 피복 절삭 공구의 제1 피막은 상기 기재의 방 법에 의해 측정한 결과, 애스팩트비가 17인 주상 구조를 갖는 것과 동시에, 그 평균 입경이 0.3㎛인 결정 조직을 갖고 있었다.

그리고, 이들의 표면 피복 절삭 공구에 대하여 하기 조건으로 선삭 절삭 시험을 실시하여 결손이 발생하기까지의 시간(공구 수명)을 측정했다. 결손이 발생하기까지의 시간이 길수록 인성 및 내마모성이 우수한 것을 나타내고 있다.

<시험 조건>

피삭재 : SCM435 홈이 형성된 환봉,

절삭 속도 : 230 m/min

이송 : 0.15 mm/rev

절삭 깊이 : 1.O mm

절삭유 : 없음

[표 1]

표 1로부터 분명한 바와 같이, 표면 피복 절삭 공구에 관해서 상기 수학식 1에 있어서의 인장 응력(S1)과 압축 응력(S2)의 차의 절대치(|S2-S1|)가 400 MPa 이 상 3500 MPa 이하인 것(실시예 1 내지 5)은 그 차의 절대치가 그 범위 이외가 되는 것(비교예 1 내지 4)에 비하여 인성 및 내마모성이 고도로 양립된 것이었다.

한편, 상기한 바와 같이 하여 얻은 실시예 3의 표면 피복 절삭 공구에 대하여, 그 날끝 능선부에서부터 경사면의 방향과 여유면의 방향으로 각각 0.5 mm의 폭을 갖도록 넓어진 영역(즉, 절삭에 관여하는 부분)에 대하여, 표 2에 도시한 바와 같이 다른 입도(# 1000 내지 # 3000)의 다이아몬드 지립을 사용하는 것과 동시에 다른 랩핑 처리 시간을 채용함으로써, 평활 처리를 실시했다(실시예 3-1 내지 3-6). 그리고, 이들 표면 피복 절삭 공구 각각에 관해서, 절삭에 관여하는 부분의 표면 조도를 전자선 3차원 조도 해석 장치(ERA-8000, 가부시키카이샤 에이오니크스 제조)에 의해 측정한 바, 증가 표면적비는 표 2와 같았다.

그리고, 이들 표면 피복 절삭 공구에 대하여 상기와 동일한 조건으로 선삭 절삭 시험을 실시하고, 결손이 발생하기까지의 시간(공구 수명)을 측정했다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.

[표 2]

표 2로부터 분명한 바와 같이, 표면 피복 절삭 공구에 관해서, 절삭에 관여 하는 부분의 증가 표면적비가 작아질수록 공구 수명은 향상되고 인성 및 내마모성이 고도로 양립된 것이었다.

이번 개시된 실시 형태 및 실시예는 모든 점에서 예시적인 것으로, 제한적인 것은 아니라고 생각할 수 있다. 본 발명의 범위는 상기한 설명에 의한 것이 아니고 청구의 범위에 의해서 나타나며, 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

본 발명의 표면 피복 절삭 공구는 상기한 바와 같은 구성을 갖는 것으로서, 인성과 내마모성을 고도로 양립시킨 것이다.

Claims

기재(8)와, 이 기재(8) 상에 형성된 피막(9)을 포함하는 표면 피복 절삭 공구(1)로서,

상기 피막(9)은 TiCN으로 이루어지는 제1 피막(10)과, α형 Al₂O₃로 이루어지는 제2 피막(11)을 포함하고, 이들 피막(10, 11)은 모두 CVD법에 의해 형성되고,

상기 제1 피막(10)은 상기 기재(8)와 상기 제2 피막(11) 사이에 위치하고 5 MPa 내지 300 MPa의 인장 응력(S1)을 가지며,

상기 제2 피막(11)은 압축 응력(S2)을 갖고,

상기 인장 응력(S1)과 상기 압축 응력(S2)은 이하의 수학식 1에 의해서 규정되는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.

400 MPa ≤｜S2-S1｜≤ 3500 MPa [수학식 1]
제1항에 있어서, 상기 표면 피복 절삭 공구(1)는 절삭에 관여하는 부분의 증가 표면적비가 0.0005 이상 0.07 이하가 되는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제1항에 있어서, 상기 제1 피막(10)은 애스팩트비가 3 이상인 주상(柱狀) 구조를 갖고, 그 평균 입경이 0.05㎛ 이상 1.5㎛ 이하인 결정 조직을 갖는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제1항에 있어서, 상기 제1 피막(10)은 2㎛ 내지 20㎛의 두께를 갖고, 상기 제2 피막(11)은 0.5㎛ 내지 20㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제1항에 있어서, 상기 제1 피막(10)은 산소를 더 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제1항에 있어서, 상기 제1 피막(1O)은 원소 주기율표의 IVa족 원소, Va족 원소, VIa족 원소, Si, Y, B 및 S로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 더 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제1항에 있어서, 상기 제2 피막(11)은 원소 주기율표의 IVa족 원소, Va족 원소, VIa족 원소, Si, Y, B 및 S로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 더 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.