KR101186792B1

KR101186792B1 - 표면 피복 서메트제 절삭 공구

Info

Publication number: KR101186792B1
Application number: KR1020050132793A
Authority: KR
Inventors: 히사시 혼마; 아끼라 오사다; 에이지 나까무라; 다꾸야 하야히
Original assignee: 미츠비시 마테리알 가부시키가이샤
Priority date: 2005-01-21
Filing date: 2005-12-29
Publication date: 2012-09-27
Also published as: JP2006198735A; US20060188747A1; EP1683893A1; ATE388252T1; CN100537087C; KR20060085167A; EP1683893B1; JP4518260B2; DE602006000601T2; DE602006000601D1; US7442433B2; CN1840267A

Abstract

본 발명의 과제는 경질 피복층이 고속 단속 절삭 가공에서 우수한 내치핑성을 발휘하는 표면 피복 서메트제 절삭 공구를 제공하는 것이다.

표면 피복 서메트제 절삭 공구가 WC 기초 경합금 또는 TiCN기 서메트로 구성된 공구 기체의 표면에 (a) 하부층이 TiC층, TiN층, TiCN층, TiCO층 및 TiCNO층 중1 또는 2층 이상으로 이루어지고, 또한 3 내지 20 ㎛의 합계 평균층 두께를 갖는 Ti 화합물층, (b) 상부층이 1 내지 15 ㎛의 평균 층두께를 갖고, 또한 화학 증착한 상태에서 α형의 결정 구조를 갖는 동시에, 전계 방출형 주사 전자 현미경을 이용하여 표면 연마면의 측정 범위 내에 존재하는 6방정 결정 격자를 갖는 결정립 개개에 전자선을 조사하고, 상기 표면 연마면의 법선에 대해 상기 결정립의 결정면인 (0001)면 및 (10-10)면의 법선이 이루는 경사각을 측정하고, 이 경우 상기 결정립은 격자점에 Al 및 산소로 이루어지는 구성 원자가 각각 존재하는 코랜덤형 조밀 6방정의 결정 구조를 갖고, 이 결과 얻게 된 측정 경사각을 기초로 하여 서로 인접하는 결정립의 계면에서 상기 구성 원자의 각각이 상기 결정립 상호간에 하나의 구성 원자를 공유하는 격자점(구성 원자 공유 격자점)의 분포를 산출하고, 상기 구성 원자 공유 격자점 사이에 구성 원자를 공유하지 않는 격자점이 N개(단, N은 코랜덤형 조밀 6방정의 결정 구조상 2 이상의 짝수가 되지만, 분포 빈도의 점으로부터 N의 상한을 28로 한 경우, 4, 8, 14, 24 및 26의 짝수는 존재하지 않음) 존재하는 구성 원자 공유 격자점 형태를 ΣN ＋ 1로 나타낸 경우, 개개의 ΣN ＋ 1이 ΣN ＋ 1 전체에 차지하는 분포 비율을 나타내는 구성 원자 공유 격자점 분포 그래프에 있어서, Σ3에 최고 피크가 존재하고, 또한 상기 Σ3의 ΣN ＋ 1 전체에 차지하는 분포 비율이 60 내지 80 ％인 구성 원자 공유 격자점 분포 그래프를 나타내는 Al₂O₃층으로 구성된 경질 피복층을 증착 형성하여 이루어진다.

표면 피복 서메트제 절삭 공구, 고속 단속 절삭 가공, 코랜덤형 조밀 6방정의 결정 구조, 내치핑성

Description

표면 피복 서메트제 절삭 공구{SURFACE COATED CUTTING TOOL MADE OF CERMET}

도1의 (a) 및 도1의 (b)는α형 Al₂O₃층을 구성하는 코랜덤형 조밀 6방정의 단위 격자의 원자 배열을 도시하는 개략도로, 도1의 (a)는 사시도, 도1의 (b)는 횡단면 1 내지 9의 평면도.

도2의 (a) 및 도2의 (b)는 α형 Al₂O₃층에 있어서의 결정립의 (0001)면 및 (10-10)면의 경사각의 측정 형태를 도시하는 개략 설명도.

도3의 (a) 내지 도3의 (c)는 서로 인접하는 결정립의 계면에 있어서의 구성 원자 공유 격자점 형태의 단위 형태를 도시하는 개략도로, 도3의 (a)는 Σ3, 도3의 (b)은 Σ7, 도3의 (c)는 Σ11의 단위 형태를 각각 도시하는 도면.

도4는 본 발명의 피복 서메트 공구(3)의 개질 α형 Al₂O₃층의 구성 원자 공유 격자점 분포 그래프.

도5는 종래 피복 서메트 공구(5)의 종래 α형 Al₂O₃층의 구성 원자 공유 격자점 분포 그래프.

[문헌 1] 일본 특허 공개 평6-31503호 공보

[문헌 2] 일본 특허 공개 평6-8010호 공보

본 발명은 특히 각종 강철이나 주철 등의 피삭재의 단속 절삭 가공을 고속 절삭 조건으로 행한 경우에도 경질 피복층이 우수한 내치핑성을 발휘하는 표면 피복 서메트제 절삭 공구(이하, 피복 서메트 공구라 함)에 관한 것이다.

종래, 일반적으로 탄화텅스텐(이하, WC로 나타냄) 기초 경합금 또는 탄질화티탄(이하, TiCN으로 나타냄)기 서메트로 구성된 기체(이하, 이들을 총칭하여 공구 기체라 함)의 표면에,

(a) 하부층이 Ti의 탄화물(이하, TiC로 나타냄)층, 질화물(이하, 마찬가지로 TiN으로 나타냄)층 탄질화물(이하, TiCN으로 나타냄)층, 탄산화물(이하, TiCO로 나타냄)층 및 탄질산화물(이하, TiCNO로 나타냄)층 중 1층 또는 2층 이상으로 이루어지고, 또한 3 내지 20 ㎛의 전체 평균 층두께를 갖는 Ti 화합물층,

(b) 상부층이 1 내지 15 ㎛의 평균 층두께를 갖고, 또한 화학 증착한 상태에서 α형의 결정 구조를 갖는 산화 알루미늄(이하, α형 Al₂O₃층이라 함)층,

이상 (a) 및 (b)로 구성된 경질 피복층을 증착 형성하여 이루어지는 피복 서메트 공구가 알려져 있고, 이 피복 서메트 공구가, 예를 들어 각종 강철이나 주철 등의 연속 절삭이나 단속 절삭에 이용되는 것은 잘 알려져 있다.

또한, 상기한 피복 서메트 공구에 있어서, 이 경질 피복층의 구성층은 일반적으로 입상 결정 조직을 갖고, 또한 하부층인 Ti 화합물층을 구성하는 TiCN 층을 층자체의 강도 향상을 목적으로 하여 통상의 화학 증착 장치에서 반응 가스로서 유기 탄질화물을 포함하는 혼합 가스를 사용하여 700 내지 950 ℃의 중온 온도 영역에서 화학 증착함으로써 형성하여 세로로 긴 성장 결정 조직을 갖도록 하는 것도 알려져 있다.

또한, 상기한 피복 서메트 공구의 경질 피복층을 구성하는α형 Al₂O₃층이 격자점에 Al 및 산소로 이루어지는 구성 원자가 각각 존재하는 코랜덤형 조밀 6방정의 결정 구조, 즉 도1에 α형 Al₂O₃의 단위 격자의 원자 배열이 개략도[(a)는 사시도, (b)는 횡단면 1 내지 9의 평면도]로 도시하는 결정 구조를 갖는 결정립으로 구성되는 것도 알려져 있다.

[특허문헌 1] 일본 특허 공개 평6-31503호 공보

[특허문헌 2] 일본 특허 공개 평6-8010호 공보

최근의 절삭 장치의 고성능화는 진보되었고, 한편 절삭 가공에 대한 생력화 및 에너지 절약화, 또한 저비용화의 요구는 강하고, 이에 수반하여 절삭 가공은 고속화의 경향에 있지만, 상기한 종래 피복 서메트 공구에 있어서는 이를 강철이나 주철 등의 통상의 조건에서의 연속 절삭이나 단속 절삭에 이용한 경우에는 문제는 없지만, 특히 이를 단속 절삭 가공을 고속 가공 조건으로 하는 데 이용한 경우에는 경질 피복층을 구성하는 α형 Al₂O₃층이 충분한 내충격성을 구비하는 것은 아니므로, 상기 경질 피복층에 치핑(미소 절결부)이 발생하기 쉬워지고, 이 결과 비교적 단시간에 사용 수명에 이르는 것이 현실이다.

그래서, 본 발명자들은 상술한 바와 같은 관점으로부터 상기한 α형 Al₂O₃층이 경질 피복층의 상부층을 구성하는 피복 서메트 공구에 착안하여 특히 상기 α형 Al₂O₃층의 내충격성 향상을 도모하도록 연구를 행한 결과,

(a) 종래 피복 서메트 공구의 경질 피복층을 구성하는 상부층으로서의 α형 Al₂O₃층은, 예를 들어 통상의 화학 증착 장치에서,

반응 가스 조성 : 용량 ％로 AlCl₃ : 2 내지 4 ％, CO₂ : 6 내지 8 ％, HCl : 1.5 내지 3 ％, H₂S : 0.05 내지 0.2 ％, H₂ : 나머지,

반응 분위기 온도 : 1020 내지 1050 ℃,

반응 분위기 압력 : 6 내지 10 ㎪,

의 조건(통상 조건이라 함)으로 증착 형성되지만, 이를,

반응 가스 조성 : 용량 ％로 AlCl₃ : 6 내지 10 ％, CO₂ : 10 내지 15 ％, HCl : 3 내지 5 ％, H₂S : 0.05 내지 0.2 ％, H₂ : 나머지,

반응 분위기 온도 : 1020 내지 1050 ℃,

반응 분위기 압력 : 3 내지 5 ㎪,

의 조건, 즉 상기한 통상 조건에 비해 반응 가스 조성에서는 AlCl₃, CO₂ 및 HCl의 함유 비율을 상대적으로 높고, 또한 분위기 압력을 상대적으로 낮게 한 조건(반응 가스 성분 고함유 조정 저압 조건)으로 증착 형성하면, 이 결과의 반응 가스 성분 고함유 조정 저압 조건으로 형성한 α형 Al₂O₃층(이하,「개질 α형 Al₂O₃층」이라 함)은 고온 강도가 한층 향상되고, 우수한 내기계적 충격성을 구비하게 되므로, 경질 피복층의 상부층이 상기 개질 α형 Al₂O₃층, 하부층이 상기 Ti 화합물층으로 구성된 피복 서메트 공구는, 특히 심한 기계적 충격을 수반하는 고속 단속 절삭 가공에서도 상기 경질 피복층이 우수한 내치핑성을 발휘하여 장기간에 걸쳐서 우수한 내마모성을 나타내게 되는 것.

(b) 상기한 종래 피복 서메트 공구의 경질 피복층의 상부층을 구성하는 α형 Al₂O₃층(이하,「종래 α형 Al₂O₃층」이라 함)과 상기 (a)의 개질 α형 Al₂O₃층에 대해 전계 방출형 주사 전자 현미경을 이용하여 도2의 (a) 및 도2의 (b)에 개략 설명도로 예시되는 바와 같이, 표면 연마면의 측정 범위 내에 존재하는 결정립 개개에 전자선을 조사하여 상기 표면 연마면의 법선에 대해 상기 결정립의 결정면인 (0001)면 및 (10-10)면의 법선이 이루는 경사각[도2의 (a)에는 상기 결정면의 경사각이 0도인 경우, 도2의 (b)에는 경사각이 45도인 경우를 나타내고 있지만, 이들 각도를 포함하여 상기 결정립 개개의 모든 경사각]을 측정하고, 이 경우 상기 결정립은 상기와 같이 격자점에 Al 및 산소로 이루어지는 구성 원자가 각각 존재하는 코랜덤형 조밀 6방정의 결정 구조를 갖고, 이 결과 얻게 된 측정 경사각을 기초로 하여 서로 인접하는 결정립의 계면에서 상기 구성 원자의 각각이 상기 결정립 상호간에 하나의 구성 원자를 공유하는 격자점(구성 원자 공유 격자점)의 분포를 산출하고, 상기 구성 원자 공유 격자점 사이에 구성 원자를 공유하지 않는 격자점이 N개(단, N은 코랜덤형 조밀 6방정의 결정 구조상 2 이상의 짝수가 되지만, 분포 빈도의 점으로부터 N의 상한을 28로 한 경우, 4, 8, 14, 24 및 26의 짝수는 존재하지 않음) 존재하는 구성 원자 공유 격자점 형태를 ΣN ＋ 1로 나타내고, 개개의 ΣN ＋ 1가 ΣN ＋ 1 전체에 차지하는 분포 비율을 나타내는 구성 원자 공유 격자점 분포 그래프를 작성한 경우(이 경우 상기한 결과로부터 Σ5, Σ9, Σ15, Σ25 및 Σ27의 구성 원자 공유 격자점 형태는 존재하지 않게 됨), 상기 종래 α형 Al₂O₃층은 도5에 예시되는 바와 같이 Σ3의 분포 비율이 30 ％ 이하의 상대적으로 낮은 구성 원자 공유 격자점 분포 그래프를 나타내는 데 반해, 상기 개질 α형 Al₂O₃층은 도4에 예시되는 비와 같이, Σ3의 분포 비율이 60 내지 80 ％인 매우 높은 구성 원자 공유 격자점 분포 그래프를 나타내고, 이 높은 Σ3의 분포 비율은 반응 가스를 구성하는 AlCl₃, CO₂ 및 HCl의 함유 비율, 또한 분위기 반응 압력에 따라서 변화되는 것.

또한, 상기한 개질 α형 Al₂O₃층 및 종래 α형 Al₂O₃층에 있어서, 서로 인접하는 결정립의 계면에 있어서의 구성 원자 공유 격자점 형태 중 Σ3, Σ7 및 Σ11의 단위 형태를 개략도로 예시하면 도3의 (a) 내지 (c)에 도시되는 바와 같아진다.

(c) 상기한 개질 α형 Al₂O₃층은 α형 Al₂O₃층 자체가 구비하는 우수한 고온 경도와 내열성 외에, 상기 종래 α형 Al₂O₃층에 비해 한층 높은 고온 강도를 구비하게 되므로, 이를 경질 피복층의 상부층으로서 증착 형성하여 이루어지는 피복 서메트 공구는 동일 하부층인 TiCN층이 구비하는 우수한 고온 강도와 더불어, 특히 단속 절삭 가공을 고속 절삭 조건으로 행하는 데 이용한 경우에도 마찬가지로 상기 종래 α형 Al₂O₃층을 상부층으로서 증착 형성하여 이루어지는 종래 피복 서메트 공구에 비해 경질 피복층이 한층 우수한 내치핑성을 발휘하는 것.

이상 (a) 내지 (c)에 나타내는 연구 결과를 얻은 것이다.

본 발명은 상기한 연구 결과를 기초로 하여 이루어진 것이며, WC 기초 경합금 또는 TiCN기 서메트로 구성된 공구 기체의 표면에,

(a) 하부층이 TiC층, TiN층, TiCN층, TiCO층 및 TiCNO층 중 1층 또는 2층 이상으로 이루어지고, 또한 3 내지 20 ㎛의 전체 평균 층두께를 갖는 Ti 화합물층,

(b) 상부층이 1 내지 15 ㎛의 평균 층두께를 갖고, 또한 화학 증착한 상태에서 α형의 결정 구조를 갖는 동시에, 전계 방출형 주사 전자 현미경을 이용하여 표면 연마면의 측정 범위 내에 존재하는 6방정 결정 격자를 갖는 결정립 개개에 전자선을 조사하고, 상기 표면 연마면의 법선에 대해 상기 결정립의 결정면인 (0001)면 및 (10-10)면의 법선이 이루는 경사각을 측정하고, 이 경우 상기 결정립은 격자점에 Al 및 산소로 이루어지는 구성 원자가 각각 존재하는 코랜덤형 조밀 6방정의 결정 구조를 갖고, 이 결과 얻게 된 측정 경사각을 기초로 하여 서로 인접하는 결정립의 계면에서 상기 구성 원자의 각각이 상기 결정립 상호간에 하나의 구성 원자를 공유하는 격자점(구성 원자 공유 격자점)의 분포를 산출하고, 상기 구성 원자 공유 격자점 사이에 구성 원자를 공유하지 않는 격자점이 N개(단, N은 코랜덤형 조밀 6방정의 결정 구조상 2 이상의 짝수가 되지만, 분포 빈도의 점으로부터 N의 상한을 28로 한 경우, 4, 8, 14, 24 및 26의 짝수는 존재하지 않음) 존재하는 구성 원자 공유 격자점 형태를 ΣN ＋ 1로 나타낸 경우, 개개의 ΣN ＋ 1이 ΣN ＋ 1 전체에 차지하는 분포 비율을 나타내는 구성 원자 공유 격자점 분포 그래프에 있어서, Σ3에 최고 피크가 존재하고, 또한 상기 Σ3의 ΣN ＋ 1 전체에 차지하는 분포 비율이 60 내지 80 ％인 구성 원자 공유 격자점 분포 그래프를 나타내는 개질 α형 Al₂O₃층,

이상 (a) 및 (b)로 구성된 경질 피복층을 증착 형성하여 이루어지는 경질 피복층이 고속 단속 절삭 가공에서 우수한 내치핑성을 발휘하는 피복 서메트 공구에 특징을 갖는 것이다.

이하에, 본 발명의 피복 서메트 공구의 경질 피복층의 구성층에 있어서, 상기와 같이 수치 한정한 이유를 설명한다.

(a) 하부층의 Ti 화합물층

Ti 화합물층은 α형 Al₂O₃층의 하부층으로서 존재하고, 자신의 구비하는 우수한 고온 강도에 의해 경질 피복층의 고온 강도 향상에 기여하는 것 외에 공구 기체와 α형 Al₂O₃층 중 어디에도 견고하게 밀착하고, 따라서 경질 피복층의 공구 기체에 대한 밀착성을 향상시키는 작용을 갖지만, 그 평균 층두께가 3 ㎛ 미만에서는 상기 작용을 충분히 발휘시킬 수 없고, 한편 그 평균 층두께가 20 ㎛를 넘으면 특히 고열 발생을 수반하는 고속 절삭에서는 열소성 변형을 일으키기 쉬워져 이것이 편마모의 원인이 되므로, 그 평균 층두께를 3 내지 20 ㎛로 정하였다.

(b) 상부층의 개질 α형 Al₂O₃층

상기한 개질 α형 Al₂O₃층의 구성 원자 공유 격자점 분포 그래프에 있어서의 Σ3의 분포 비율은 상기와 같이 반응 가스를 구성하는 AlCl₃, CO₂ 및 HCl의 함유 비율, 분위기 반응 압력을 더 조정함으로써 60 내지 80 ％로 할 수 있지만, 이 경우 Σ3의 분포 비율이 60 ％ 미만에서는 고속 단속 절삭 가공에서 경질 피복층에 치핑이 발생하지 않는 우수한 고온 강도 향상 효과를 확보할 수 없고, 따라서 Σ3의 분포 비율은 높으면 높을수록 바람직하지만, Σ3의 분포 비율을 80 ％를 초과하여 높게 하는 것은 층형성상 곤란하므로, Σ3의 분포 비율을 60 내지 80 ％로 정하였다. 이와 같이 상기 개질 α형 Al₂O₃층은 상기와 같이 α형 Al₂O₃층 자체가 갖는 우수한 고온 경도와 내열성 외에, 또한 한층 우수한 고온 강도를 갖게 되지만, 그 평균 층두께가 1 ㎛ 미만에서는 상기 개질 α형 Al₂O₃층이 갖는 상기한 특성을 경질 피복층에 충분히 구비할 수 없고, 한편 그 평균 층두께가 15 ㎛를 넘으면 편마모의 원인이 되는 열소성 변형이 발생하기 쉬워져 마모가 가속하게 되므로, 그 평균 층두께를 1 내지 15 ㎛로 정하였다.

또한, 절삭 공구의 사용 전후의 식별을 목적으로 하여 황금색의 색조를 갖는 TiN층을 필요에 따라서 경질 피복층의 최표면층으로서 증착 형성해도 좋지만, 이 경우의 평균 층두께는 0.1 내지 1 ㎛로 좋고, 이는 0.1 ㎛ 미만에서는 충분한 식별 효과를 얻을 수 없고, 한편 상기 TiN층에 의한 상기 식별 효과는 1 ㎛까지의 평균 층두께로 충분하다는 이유로부터이다.

다음에, 본 발명의 피복 서메트 공구를 실시예에 의해 구체적으로 설명한다.

(실시예)

원료 분말로서, 모두 1 내지 3 ㎛의 평균 입경을 갖는 WC 분말, TiC 분말, ZrC 분말, VC 분말, TaC 분말, NbC 분말, Cr₃C₂ 분말, TiN 분말, TaN 분말 및 Co 분말을 준비하여 이들 원료 분말을 표1에 나타내는 배합 조성으로 배합하고, 또한 왁스를 부가하여 아세톤 속에서 24시간 볼밀 혼합하여 감압 건조시킨 후, 98 ㎫의 압력으로 소정 형상의 압분체에 프레스 성형하고, 이 압분체를 5 ㎩의 진공 중, 1370 내지 1470 ℃의 범위 내의 소정의 온도로 1 시간 보유 지지한 조건으로 진공 소결하고, 소결 후, 절삭부에 R : 0.07 ㎜의 호닝 가공을 실시함으로써 ISOㆍCNMG 160412에 규정하는 슬로우 어웨이 칩 형상을 가진 WC기 초경합금제의 공구 기체(基體) A 내지 F를 각각 제조하였다.

또한, 원료 분말로서 모두 0.5 내지 2 ㎛의 평균 입경을 갖는 TiCN(질량비 TiC/TiN ＝ 50/50) 분말, Mo₂C 분말, ZrC 분말, NbC 분말, TaC 분말, WC 분말, Co 분말 및 Ni 분말을 준비하여 이들 원료 분말을 표2에 나타내는 배합 조성에 배합하여 볼밀로 24 시간 습식 혼합하여 건조시킨 후, 98 ㎫의 압력으로 압분체에 프레스 성형하고, 이 압분체를 1.3 ㎪의 질소 분위기 중, 온도 : 1540 ℃에 1시간 보유 지지의 조건으로 소결하고, 소결 후, 절삭날 부분에 R : 0.07 ㎜의 호닝 가공을 실시함으로써 ISO 규격ㆍCNMG 160412의 칩 형상을 가진 TiCN기 서메트제의 공구 기체 a 내지 f를 형성하였다.

계속해서, 이들 공구 기체 A 내지 F 및 공구 기체 a 내지 f의 각각을 통상의 화학 증착 장치에 넣고, 우선 표3(표3 중 l-TiCN은 일본 특허 공개 평6-8010호 공보에 기재되는 세로로 긴 성장 결정 조직을 갖는 TiCN층의 형성 조건을 나타내는 것이고, 이 이외에는 통상의 입상 결정 조직의 형성 조건을 나타내는 것임)에 나타내는 조건으로 표4에 나타내는 조합 및 목표 층두께로 Ti 화합물층을 경질 피복층의 하부층으로서 증착 형성하고, 계속해서 마찬가지로 표3에 나타내는 조건으로 개질 α형 Al₂O₃층 (a) 내지 (f) 중 어느 하나를 마찬가지로 표4에 나타내는 조합 및 목표층 두께로 경질 피복층의 상부층으로서 증착 형성함으로써 본 발명의 피복 서메트 공구 1 내지 13을 각각 제조하였다.

또한, 비교의 목적으로, 표5에 나타낸 바와 같이, 경질 피복층의 상부층으로서 표3에 나타내는 조건으로 종래 α형 Al₂O₃층 (a) 내지 (f) 중 어느 하나를 마찬가지로 표4에 나타내는 조합 및 목표 층두께로 경질 피복층의 상부층으로서 증착 형성하는 것 이외에는 동일한 조건으로 종래 피복 서메트 공구 1 내지 13을 각각 제조하였다.

계속해서, 상기한 본 발명의 피복 서메트 공구 1 내지 13 및 종래 피복 서메 트 공구 1 내지 13의 경질 피복층의 상부층을 구성하는 개질 α형 Al₂O₃층 및 종래 α형 Al₂O₃층의 각각에 대해 전계 방출형 주사 전자 현미경을 이용하여 구성 원자 공유 격자점 분포 그래프를 각각 작성하였다.

즉, 상기 구성 원자 공유 격자점 분포 그래프는 상기한 개질 α형 Al₂O₃층 및 종래 α형 Al₂O₃층의 표면을 연마면으로 한 상태에서 전계 방출형 주사 전자 현미경의 경통 내에 세트하여 상기 연마면에 70도의 입사 각도에서 15 ㎸의 가속 전압의 전자선을 1 ㎁의 조사 전류에서, 상기 표면 연마면의 측정 범위 내에 존재하는 결정립 개개에 조사하고, 전자 후방 산란 회절상 장치를 이용하여 30 × 50 ㎛의 영역을 0.1 ㎛/스텝의 간격으로 상기 표면 연마면의 법선에 대해 상기 결정립의 결정면인 (0001)면 및 (10-10)면의 법선이 이루는 경사각을 측정하고, 이 결과 얻게 된 측정 경사각을 기초로 하여 서로 인접하는 결정립의 계면에서 상기 구성 원자의 각각이 상기 결정립 상호간에 하나의 구성 원자를 공유하는 격자점(구성 원자 공유 격자점)의 분포를 산출하고, 상기 구성 원자 공유 격자점 사이에 구성 원자를 공유하지 않는 격자점이 N개(단, N은 코랜덤형 조밀 6방정의 결정 구조상 2 이상의 짝수가 되지만, 분포 빈도의 점으로부터 N의 상한을 28로 한 경우, 4, 8, 14, 24 및 26의 짝수는 존재하지 않음) 존재하는 구성 원자 공유 격자점 형태를 ΣN ＋ 1로 나타낸 경우, 개개의 ΣN ＋ 1이 ΣN ＋ 1 전체에 차지하는 분포 비율을 구함으로써 작성하였다.

이 결과 얻게 된 각종 개질 α형 Al₂O₃층 및 종래 α형 Al₂O₃층의 구성 원자 공유 격자점 분포 그래프에 있어서, ΣN ＋ 1 전체(상기한 결과로부터 Σ3, Σ7, Σ11, Σ13, Σ17, Σ19, Σ21, Σ23 및 Σ29의 각각의 분포 비율의 합계)에 차지하는 Σ3의 분포 비율을 각각 표4, 5에 각각 나타냈다.

상기한 각종 구성 원자 공유 격자점 분포 그래프에 있어서, 표4, 5에 각각 나타내는 바와 같이, 본 발명의 피복 서메트 공구의 개질 α형 Al₂O₃층은 모두 Σ3이 차지하는 분포 비율이 60 내지 80 ％인 구성 원자 공유 격자점 분포 그래프를 나타내는 데 반해, 종래 피복 서메트 공구의 종래 α형 Al₂O₃층은 모두 Σ3의 분포 비율이 30 ％ 이하인 구성 원자 공유 격자점 분포 그래프를 나타내는 것이었다.

또한, 도4는 본 발명의 피복 서메트 공구(3)의 개질 α형 Al₂O₃층의 구성 원자 공유 격자점 분포 그래프, 도5는 종래 피복 서메트 공구(5)의 종래 α형 Al₂O₃층의 구성 원자 공유 격자점 분포 그래프를 각각 나타내는 것이다.

또한, 이 결과 얻게 된 본 발명의 피복 서메트 공구 1 내지 13 및 종래 피복 서메트 공구 1 내지 13의 경질 피복층의 구성층의 두께를 주사형 전자 현미경을 이용하여 측정(종단면 측정)한 바, 모두 목표 층두께와 실질적으로 같은 평균 층두께(5점 측정의 평균치)를 나타냈다.

계속해서, 상기한 본 발명의 피복 서메트 공구 1 내지 13 및 종래 피복 서메트 공구 1 내지 13의 각종 피복 서메트 공구에 대해 모두 공구강제 바이트의 선단 부에 고정 지그로 나사 고정한 상태이고,

피삭재 : JISㆍS48C의 길이 방향 등간격 4개 세로로 홈이 들어간 둥근 막대,

절삭 속도 : 350 m/분,

절입 : 1.5 ㎜,

이송 : 0.2 ㎜/rev,

절삭 시간 : 10분,

의 조건(절삭 조건 A라 함)에서의 탄소강의 건식 고속 단속 절삭 시험(통상의 절삭 속도는 200 m/분),

피삭재 : JISㆍSNCM 439의 길이 방향 등간격 4개 세로로 홈이 들어간 둥근 막대,

절삭 속도 : 300 m/분,

절입 : 2 ㎜,

이송 : 0.15 ㎜/rev,

절삭 시간 : 10분,

의 조건(절삭 조건 B라 함)에서의 합금강의 건식 고속 단속 절삭 시험(통상의 절삭 속도는 150 m/분), 또한,

피삭재 : JISㆍFCD 600의 길이 방향 등간격 4개 세로로 홈이 들어간 둥근 막대,

절삭 속도 : 350 m/분,

절입 : 2 ㎜,

이송 : 0.2 ㎜/rev,

절삭 시간 : 10분,

의 조건(절삭 조건 C라 함)에서의 다크타일 주철의 건식 고속 단속 절삭 시험(통상의 절삭 속도는 180 m/분)을 행하고, 어떠한 절삭 시험이라도 절삭날의 릴리프면 마모폭을 측정하였다. 이 측정 결과를 표6에 나타냈다.

[표 1]

[표 2]

[표 3]

[표 4]

[표 5]

[표 6]

표4 내지 표6에 나타내는 결과로부터 본 발명의 피복 서메트 공구 1 내지 13은 모두 경질 피복층의 상부층이, Σ3의 분포 비율이 60 내지 80 ％인 구성 원자 공유 격자점 분포 그래프를 나타내는 개질 α형 Al₂O₃층으로 구성되어 기계적 충격이 매우 높은 강철이나 주철의 고속 단속 절삭이라도 상기 개질 α형 Al₂O₃층이 한층 우수한 고온 강도를 갖고, 우수한 내치핑성을 발휘하는 것이므로, 경질 피복층의 치핑 발생이 현저히 억제되어 우수한 내마모성을 나타내는데 반해, 경질 피복층의 상부층이 Σ3의 분포 비율이 30 ％ 이하인 구성 원자 공유 격자점 분포 그래프 를 나타내는 종래 α형 Al₂O₃층으로 구성된 종래 피복 서메트 공구 1 내지 13에 있어서는, 모두 고속 단속 절삭에서는 경질 피복층의 내기계적 충격성이 불충분하므로, 경질 피복층에 치핑이 발생하여 비교적 단시간에 사용 수명에 이르는 것이 명백하다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 피복 서메트 공구는 각종 강철이나 주철 등의 통상의 조건에서의 연속 절삭이나 단속 절삭은 물론, 특히 높은 고온 강도가 요구되는 고속 단속 절삭이라도 경질 피복층이 우수한 내치핑성을 나타내고, 장기간에 걸쳐서 우수한 절삭 성능을 발휘하는 것이므로, 절삭 장치의 고성능화 및 절삭 가공의 생력화 및 에너지 절약화, 또한 저비용화에 충분히 만족스럽게 대응할 수 있는 것이다.

본 발명의 피복 서메트 공구는 각종 강철이나 주철 등의 절삭 가공을 강한 기계적 충격을 수반하는 단속 절삭 가공을 고속 절삭 조건으로 행하는 데 이용한 경우에도 경질 피복층의 상부층을 구성하는 개질 α형 Al₂O₃층이 Al₂O₃ 자신이 갖는 우수한 고온 경도와 내열성 외에, 한층 우수한 고온 강도를 구비하는 것이므로, 우수한 내치핑성을 발휘하여 사용 수명의 한층 연명화(延命化)를 가능하게 하는 것이다.

Claims

탄화텅스텐 기초 경합금 또는 탄질화티탄기 서메트로 구성된 공구 기체(基體)의 표면에,

(a) 하부층이 Ti의 탄화물층, 질화물층, 탄질화물층, 탄산화물층 및 탄질산화물층 중 1층 또는 2층 이상으로 이루어지고, 또한 3 내지 20 ㎛의 전체 평균 층두께를 갖는 Ti 화합물층,

(b) 상부층이 1 내지 15 ㎛의 평균 층두께를 갖고, 또한 화학 증착한 상태에서 α형의 결정 구조를 갖는 동시에, 전계 방출형 주사 전자 현미경을 이용하여 표면 연마면의 측정 범위 내에 존재하는 6방정 결정 격자를 갖는 결정립 개개에 전자선을 조사하고, 상기 표면 연마면의 법선에 대해 상기 결정립의 결정면인 (0001)면 및 (10-10)면의 법선이 이루는 경사각을 측정하고, 이 경우 상기 결정립은 격자점에 Al 및 산소로 이루어지는 구성 원자가 각각 존재하는 코랜덤형 조밀 6방정의 결정 구조를 갖고, 이 결과 얻게 된 측정 경사각을 기초로 하여 서로 인접하는 결정립의 계면에서 상기 구성 원자의 각각이 상기 결정립 상호간에 하나의 구성 원자를 공유하는 격자점(구성 원자 공유 격자점)의 분포를 산출하고, 상기 구성 원자 공유 격자점 사이에 구성 원자를 공유하지 않는 격자점이 N개(단, N은 코랜덤형 조밀 6방정의 결정 구조상 2 이상의 짝수가 되지만, 분포 빈도의 점으로부터 N의 상한을 28로 한 경우, 4, 8, 14, 24 및 26의 짝수는 존재하지 않음) 존재하는 구성 원자 공유 격자점 형태를 ΣN ＋ 1로 나타낸 경우, 개개의 ΣN ＋ 1이 ΣN ＋ 1 전체에 차지하는 분포 비율을 나타내는 구성 원자 공유 격자점 분포 그래프에 있어서, Σ3에 최고 피크가 존재하고, 또한 상기 Σ3의 ΣN ＋ 1 전체에 차지하는 분포 비율이 60 내지 80 ％인 구성 원자 공유 격자점 분포 그래프를 나타내는 산화알루미늄층,

이상 (a) 및 (b)로 구성된 경질 피복층을 증착 형성하여 이루어지는 경질 피복층이 고속 단속 절삭 가공에서 우수한 내치핑성을 발휘하는 표면 피복 서메트제 절삭 공구.