KR101225803B1

KR101225803B1 - 표면 피복 절삭 공구

Info

Publication number: KR101225803B1
Application number: KR1020067020972A
Authority: KR
Inventors: 요시오 오카다; 나오야 오모리; 하루요 후쿠이; 준야 오키다
Original assignee: 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤
Priority date: 2004-04-13
Filing date: 2005-04-13
Publication date: 2013-01-23
Also published as: US20070218313A1; EP1736262A1; IL177909A0; EP1736262B1; KR20070013281A; WO2005099945A1; US7785700B2

Abstract

건식 가공, 미스트 가공 등이라는 사용 환경 하에서도, 우수한 윤활성을 가져 사용 수명이 긴 표면 피복 절삭 공구를 제공한다. 본 발명 표면 피복 절삭 공구는, 기재 표면에 최외층과 내층으로 이루어지는 피복층을 구비한다. 내층은, 주기율표 IVa, Va, VIa 족 금속, Al, Si, B 의 화합물로 이루어진다. 최외층은, 질화알루미늄 또는 탄질화알루미늄으로 이루어지고, 최외층 중에 염소를 0 초과 0.5 원자% 이하 함유한다. 열적 안정성과 윤활성을 갖고 있는 질화계 알루미늄으로 이루어지는 막에 더욱 특정량의 염소를 함유함으로써, 절삭 시, 공구 표면에 보호 피막을 형성하기 쉬워진다. 이 보호 피막에 의해, 윤활성을 높일 수 있다.

Description

표면 피복 절삭 공구{SURFACE-COATED CUTTING TOOL}

본 발명은, 기재 표면에 피복층을 구비하는 스로우 어웨이 팁이나 드릴 등의 절삭 공구에 관한 것이다. 특히, 윤활성이 우수하고, 강재 등의 절삭에 바람직한 표면 피복 절삭 공구에 관한 것이다.

절삭 공구로서, 선삭 가공이나 프라이즈 가공 등에 사용되는 스로우 어웨이 팁의 외에, 일반적으로, 각종 금속 재료의 견삭 가공, 면삭 가공, 홈삭 가공에 사용되는 엔드밀이나, 구멍 뚫기 가공에 사용되는 드릴 등이 알려져 있다. 이들 엔드밀이나 드릴은, 칼날부를 갖는 몸체라고 불리는 부위와, 구동 장치에 장착되는 섕크라고 불리는 부위를 구비한다. 몸체는, 칼날부와, 칼날부를 지지함과 함께 절삭 부스러기를 유출하는 홈부가 형성된 지지부가 일체로 형성된, 이른바 솔리드 타입인 것, 지지부에 칼날부를 납땜한 납땜 타입인 것, 지지부에 대해서 칼날부가 착탈이 자유로운 스로우 어웨이 타입인 것이 있다. 종래, 솔리드 타입에서는, 고속도 공구강이나 초경합금으로 형성된 몸체가 이용되고 있고, 납땜 타입에서는, 초경합금 등의 경질 재료로 형성한 칼날부를 고속도 공구강로 형성한 지지부에 납땜한 몸체가 이용되고 있다.

최근, 절삭 가공의 고능률화, 고정밀화의 요구를 만족시키기 위해서, 새로운 절삭 공구 재료가 계속 개발되고 있다. 이러한 재료 개발의 흐름 중에서, 공구 기재의 표면에 세라믹스로 이루어지는 피복층을 실시하는 세라믹스 코팅 기술은, 절삭 공구에 없어서는 안되는 기술이 되고 있다. 예를 들어, 고속, 고 이송이라는 고속 고능률 가공에 이용되는 절삭 공구의 피복층의 형성 재료로서, 탄화 티탄 (TiC), 질화 티탄 (TiN), 탄질화 티탄 (Ti(C,N)) 이라는 티탄계 세라믹스나, 알루미나 (Al₂O₃), 지르코니아 (ZrO₂) 등의 산화물계 세라믹스가 널리 이용되고 있다. 특허문헌 1 에서는, X 선 회절의 배향성 지수를 규정한 피복층을 구비하는 스로우 어웨이 팁이 개시되어 있고, 이 칩을 고속, 고 이송이라는 고속 고능률 가공에 이용하고 있다. 이러한 세라믹스 코팅 기술은, 스로우 어웨이 팁뿐만 아니라, 엔드밀이나 드릴로 다용되고 있는 솔리드 타입이나 납땜 타입의 공구에 있어서도, 일반적으로 이루어지고 있다.

상기 세라믹스 코팅을 구비함으로써 절삭 공구는, 그 표면 경도나 내열성 등을 향상시키고, 고속, 고 이송이라는 고속 고능률 가공의 요구에 대응하고 있다. 또한, 상기 고속 고능률 가공에 더하여, 최근에는, 지구 환경 보호를 위해서 절삭유를 극단적으로 줄인 미스트 가공법, 혹은 절삭유를 사용하지 않는 건식 가공법이 주목받고 있다. 이들의 가공법에 대응할 수 있도록, 내용착성이 우수한 피복층이나 잘라낸 금속 부스러기 미끄러짐 기능을 갖는 피복층을 구비하는 스로우 어웨이 팁 (특허문헌 2, 3 참조) 이나, 윤활성을 구비하는 CrN 막을 피복한 드릴 (특허문헌 4 참조) 이 제안되고 있다. 그 외에, 방열성 등의 특성을 향상시킬 수 있도록, 질화알루미늄으로 이루어지는 피복층을 구비하는 절삭 공구가 제안되고 있다 (특허문헌 5∼12 참조).

특허문헌 1:일본 공개특허공보 평11-124672호

특허문헌 2:일본 공개특허공보 평10-158861호

특허문헌 3:일본 공개특허공보 2003-225808호

특허문헌 4:일본 공개특허공보 2003-275911호

특허문헌 5:일본 특허공보 소59-27382호

특허문헌 6:특허공보 제 2861113호

특허문헌 7:일본 공개특허공보 2002-273607호

특허문헌 8:일본 공개특허공보 2002-263933호

특허문헌 9:일본 공개특허공보 2002-263941호

특허문헌 10:일본 공개특허공보 2003-19604호

특허문헌 11:일본 공개특허공보 2003-25112호

특허문헌 12:일본 특허공보 소59-27302호

발명이 해결하려고 하는 과제

그러나, 상기 종래의 절삭 공구에서는 모두, 특히, 미스트 가공이나 절삭유를 이용하지 않는 건식 가공에 있어서 윤활 기능이 불충분하기 때문에, 공구 수명이 짧아지고, 윤활성을 향상시켜, 공구 수명을 보다 길게 하는 것이 바람직하다. 특히, 엔드밀이나 드릴에서는, 몸체에 형성된 홈부를 통해 절삭 부스러기를 유출시키기 위해, 절삭 부스러기의 유출성을 높일 수 있도록, 윤활성이 우수한 것이 중요하다. 또한, 높은 유출성이 요구되는 깊은 구멍 뚫기 가공이나, 용착이 일어나기 쉬운 재료의 가공 등을 실시할 때에는, 윤활성이 우수한 것이 바람직하다.

그래서, 본 발명의 주목적은, 윤활성을 개선하여 공구 수명이 보다 긴 표면 피복 절삭 공구를 제공하는 것에 있다.

과제를 해결하기 위한 수단

본 발명은, 절삭시, 피삭재와 최초로 접촉하는 최외층에 윤활성을 부여할 수 있도록 최외층의 조성을 규정하고, 특정한 원소를 함유시킴과 함께, 내마모성, 내결손성의 향상을 도모할 수 있도록 내층의 조성을 규정함으로써 상기 목적을 달성한다.

즉, 본 발명은 기재 표면에 피복층을 구비하는 표면 피복 절삭 공구로서, 상기 피복층은 기재 상에 형성되는 내층과, 이 내층 상에 형성되는 최외층으로 이루어지고, 최외층 및 내층은 이하를 만족시키는 것으로 한다.

<내층>

주기율표 IVa, Va, VIa 족 금속, Al, Si, B 에서 선택되는 1 종 이상의 제 1 원소와 B, C, N, O 에서 선택되는 1 종 이상의 제 2 원소로 이루어지는 화합물로 이루어진다 (단, 제 1 원소가 B 만인 경우, 제 2 원소는 B 이외로 한다)

<최외층>

질화알루미늄 또는 탄질화알루미늄으로 이루어지고, 최외층 중에 염소를 0 초과 0.5 원자% 이하 함유한다.

본 발명자들은, 절삭 공구의 사용 환경이 어려운 조건으로 되는 가공, 예를 들어, 선삭 가공 등에 이용되는 스로우 어웨이 팁인 경우, 절삭유를 사용하지 않는 건식 가공이나 단속 절삭 등이라는 칼날 끝이 고온이 되는 가공, 드릴이나 엔드밀인 경우, 미스트 가공이나 건식 가공, 깊은 구멍 뚫기 가공이나 고용착 피삭재의 절삭 가공 등이라는 조건이어도, 공구 수명을 더욱 길게 할 수 있도록, 피복층의 특성을 개선시킴과 함께, 피복층의 상호 관련성에 대해 예의 검토하였다. 그 결과, 윤활성이 우수한 피복막을 최외층과 함과 함께, 특정 조성의 막에서 내층을 구성하는 것이 공구 수명의 연명에 효과적이라는 지견을 얻었다. 구체적으로는, 상기와 같이 특정량의 염소를 함유하는 질화계 알루미늄으로 이루어지는 막을 최외층으로 함으로써, 건식 가공이나 단속 절삭, 깊은 구멍 뚫기 가공 등이라는 절삭 가공이어도, 윤활성을 갖게 할 수 있고, 결과적으로 내용착성을 향상시켜, 피복층의 박리를 방지할 수 있다. 또한, 선삭 가공 등에 이용되는 스로우 어웨이 팁인 경우, 1. 윤활성이 우수함으로써, 공구에 추가되는 절삭 저항을 저하시킴과 함께, 특정 조성의 막으로 내층을 형성함으로써, 내결손성 및 내마모성도 향상시킬 수 있고, 2. 윤활성이 우수한 막을 구비함으로써, 절삭 가공 후의 피삭재 표면에 있어서 공구가 접촉한 것에 의한 표면의 「뜯김(shredding)」이 적고, 고품위로 고정밀도의 피삭재 제품을 얻을 수 있다는 지견도 얻었다. 또한, 드릴이나 엔드밀인 경우, 1. 윤활성이 우수하기 때문에, 공구에 추가되는 절삭 저항을 저하시킬 수 있고, 절삭 부스러기의 배출성, 내절손성을 높임과 함께, 특정 조성의 막으로 내층을 구성함으로써, 내마모성, 내칩핑성, 내결손성도 향상시킬 수 있으며, 2. 상기 윤활성이 우수한 피복층을 구비함으로써, 제품의 품위에 관해서도, 예를 들어, 구멍 진원도가 향상되는 등, 고품위로 고정밀도의 피삭재 제품을 얻을 수 있다는 지견도 얻었다. 이들의 지견에 기초하여, 본 발명을 규정한다.

상기와 같이 공구 수명을 향상시킬 수 있던 이유는, 현 단계에 있어서 이하와 같이 생각할 수 있다. 질화계 알루미늄으로 이루어지는 막은, 원래 열적 안정성과 윤활성을 갖고 있다. 또한, 이러한 질화계 알루미늄으로 이루어지는 막에 특정량의 염소를 함유시키면, 스로우 어웨이 팁에서는, 건식 가공이나 고속 고 이송 가공 등의 칼날 끝의 온도가 고온이 되기 쉬운 가공에 있어서, 절삭 가공에 따라 칼날 끝이 900℃ 정도의 고온이라는 상황이 되었을 때, 공구 표면에 보호 피막을 형성하기 쉬워진다. 이 보호 피막에 의해, 윤활성을 높이는 것이 가능해지고, 공구의 내용착성을 향상시킬 수 있었다고 생각할 수 있다. 또한, 내층을 특정 조성으로 이루어지는 막으로 형성함으로써, 내마모성을 저해하는 것이 적고, 윤활성과 내마모성의 쌍방이 우수한 공구로 할 수 있었다고 생각된다. 한편, 드릴이나 엔드밀에서는, 이러한 질화계 알루미늄으로 이루어지는 막에 특정량의 염소를 함유시킴으로써, 절삭에 관여하는 부위, 구체적으로는 칼날부 및 홈부의 공구 표면과 절삭 부스러기 사이의 마찰 계수가 저하된다고 생각할 수 있다. 그 결과, 절삭 칼날 근방에 있어서, 절삭 부스러기의 생성에 필요한 작업량이 저하됨과 함께, 절삭 부스러기의 배출성이 양호해지고, 건식 가공이나 깊은 구멍 뚫기 가공, 고용착성 피삭재의 가공 등이라는 절삭 가공에 대해서도 충분한 수명이 얻어지고, 또한 피삭재의 품위, 가공 정밀도도 향상시킬 수 있었다고 생각할 수 있다. 또한, 최외층에 특정량의 염소를 함유시킴으로써 마모 계수의 저하를 실현하는 것에 더하여, 건식 가공이나 깊은 구멍 뚫기 가공 등의 칼날 끝이 고온, 고압이 되기 쉬운 가공에 있어서, 공구 표면에 보호 피막을 형성하기 쉬워지고, 이 보호 피막에 의해, 공구의 윤활성을 높이는 것이 가능해져, 공구의 내용착성을 향상시킬 수 있었다고 생각된다. 또한, 특정 조성으로 이루어지는 막으로 내층을 형성함으로써, 내마모성을 저해하지 않고, 윤활성과 내마모성의 쌍방이 우수한 공구로 하는 것이 가능했다고 생각 할 수 있다. 이하, 본 발명을 보다 자세하게 설명한다.

(피복층)

<최외층>

본 발명에 있어서, 절삭시, 피삭재에 최초로 접촉하는 최외층은, 질화알루미늄 또는 탄질화알루미늄이라는 알루미늄 화합물로 이루어지는 것으로 한다. 그리고, 본 발명에서는, 이 질화계 알루미늄으로 이루어지는 막에 염소를 함유시킨다. 구체적으로는, 최외층 중에 0 초과 0.5 원자% 이하의 염소를 함유시킨다. 최외층에 0.5 원자% 이하의 염소를 함유시킴으로써, 고온에서의 절삭 환경 하에 있어서 보호 피막을 형성할 수 있고, 윤활성의 향상을 도모할 수 있다. 0.5 원자% 를 초과하여 염소를 함유시키면, 최외층을 형성하는 막이 용이하게 박리된다. 또한, 염소를 완전히 함유시키지 않으면, 상기와 같이 보호 피막의 형성이 이루어지지 않는다. 특히 바람직한 염소 함유량은, 0.07 원자% 이상 0.3 원자% 이하이다. 최외층에 0 초과 0.5 원자% 이하의 염소를 함유하는 방법으로는, 상기 질화계 알루미늄으로 이루어지는 막의 형성에 열 CVD 법, 플라스마 CVD 법이라는 화학적 증착법 (CVD 법) 을 이용하는 경우, 반응 가스에 염소 함유 가스, 예를 들어, 염화수소 (HCl) 를 이용하는 것을 들 수 있다. 이때, 염화수소의 함유량은, 반응 가스 전체를 100 용량% 로 하여, 0 초과 5.0 용량% 미만, 특히, 1.0 용량% 이하로 하는 것을 들 수 있다. 또한, 질화계 알루미늄으로 이루어지는 막의 형성에 아크식 이온 플레이팅법, 마그네트론 스퍼터법이라는 물리적 증착법 (PVD 법) 을 이용하는 경우, 막형성 후, 이온 주입법에 의해 염소 이온을 주입하는 것을 들 수 있다. 이때, 주입량을 적절하게 조정함으로써, 최외층 중의 염소의 함유량을 조정하면 된다.

상기 최외층은, 더욱 산소를 함유하고 있어도 된다. 즉, 최외층은, 질화알루미늄, 탄질화알루미늄뿐만 아니라, 질산화 알루미늄, 탄질산화 알루미늄으로 이루어지는 막으로 해도 된다. 산소를 함유시킴으로써, 보호 피막을 형성하기 더욱 쉬워진다.

이러한 최외층은, 그 막두께를 후술하는 내층의 합계 막두께의 1/2 이하로 하는 것이 바람직하다. 이때, 피복층은, 보호 피막의 형성 기능이라는 윤활 기능과 내마모성을 균형있게 구비할 수 있다. 1/2 초과로 하면, 최외층이 두꺼워지기 때문에, 피복층 전체에서는 윤활성이 우수한 것이 마모되기 쉬워지기 때문에, 공구 수명을 짧게 할 우려가 있다. 특히, 최외층의 막두께는, 본 발명 절삭 공구를 스로우 어웨이 팁으로 하는 경우, 0.03㎛ 이상 10㎛ 이하가 바람직하고, 본 발명 절삭 공구를 드릴 또는 엔드밀로 하는 경우, 0.03㎛ 이상 8㎛ 이하가 바람직하다. 0.03㎛ 미만에서는 충분한 윤활 기능을 얻기 어렵고, 10㎛ 초과 또는 8㎛ 초과에서는 상기와 동일하게 내층보다 최외층이 두꺼워져, 내마모성을 저하시키기 쉽다. 막두께의 측정은, 예를 들어, 피복층을 구비하는 칩이나 드릴 등의 절삭 공구를 절단하고, 그 단면을 SEM (주사형 전자 현미경) 을 이용하여 관찰하여 구하는 것을 들 수 있다.

이 최외층에 있어서, 칼날 끝 능선 부분 근방에서 피삭재와 접촉하는 개소의 표면 조도는, 절삭 공구 단면으로부터 관찰하는 방법으로 측정했을 때, 기준 길이 5㎛ 에 대해서 Rmax 가 1.3㎛ 이하인 것이 바람직하다. 본 발명자들이 조사한 바, 최외층에 있어서 상기 접촉하는 개소의 표면 조도 Rmax 가 1.3㎛ 초과로 되어 거칠어지면, 피삭재의 용착이 발생되기 쉬워지고, 윤활 효과가 발휘되기 어려워지는 것을 알 수 있다. 이 표면 조도는, 최외층막 형성 후, 기재를 절단하여 그 단면을 랩핑하고, 금속 현미경이나 전자 현미경 등으로 막 표면의 요철 상황을 관찰했을 때, 기준 길이 5㎛ 의 범위에 있어서의 최대 표면 조도 (Rmax) 로 하고, 거시적인 융기부(swelling) 등은 배제한다. 또한, 이 표면 조도는, 막형성 조건에 의해 어느 정도 제어할 수 있다. 예를 들어, 막형성 온도를 고온으로 할수록, 결정 조직이 거칠어지기 때문에, 나아가서는 막표면의 표면 조도가 거칠어진다. 그래서, 표면 조도를 작게 하기 위해 막형성 온도를 낮게 하는 것을 들 수 있다. 이와 같이 특히 막형성 후, 특별한 처리를 하지 않고 막형성 완료 상태에 있어서 Rmax 로 1.3㎛ 이하로 할 수 있지만, 막형성 후에, 예를 들어, 버프, 브러쉬, 배럴이나 탄성 숫돌 등에 의한 연마를 실시하거나 마이크로블러스트, 쇼트피닝, 이온빔 조사에 의한 표면 개질을 실시함으로써, 표면 조도를 변화시키는 것도 가능하다.

<내층>

본 발명에 있어서 내층은, 주기율표 IVa, Va, VIa 족 금속, Al, Si, B 에서 선택되는 1 종 이상의 제 1 원소와 B, C, N, O 에서 선택되는 1 종 이상의 제 2 원소로 이루어지는 화합물로 이루어지는 것으로 한다 (단, 제 1 원소가 B 만인 경우, 제 2 원소는 B 이외라고 한다). 특히, TiCN, TiN, TiBN, TiCNO 등의 Ti 를 함유하는 화합물로 이루어지는 막이나 Al₂O₃ 나 ZrO₂ 등의 산화물로 이루어지는 막은, 내마모성이 우수하여 바람직하다. 또한, TiN 은, 기재와의 밀착성이 높기 때문에, 최내층으로 하는 것이 바람직하다. 이러한 내층은, 단일 막이어도 되고, 복수의 막으로 구성해도 된다. 내층을 복수의 막으로 구성하는 경우, 각 막의 조성이나 조직을 상이하게 하면 된다. 또한, 내층은, 열 CVD 법, 플라스마 CVD 법 등의 CVD 법, 아크식 이온 플레이팅법, 마그네트론 스퍼터법 등의 PVD 법 중 어느 것으로 형성해도 된다. 공지된 조건으로 형성해도 된다.

상기 기술한 바와 같이 내층에 Ti 화합물 막을 구비함으로써, 더욱 우수한 내마모성을 갖는다. 특히, TiCN 으로 이루어지는 막이 바람직하고, 그 중에서도 주상조직을 갖는 TiCN 으로 이루어지는 막을 구비하는 것이 바람직하다. 또한, 어스펙트비 3 이상의 주상조직을 갖고, 또한 결정의 (220) 면, (311) 면, (422) 면의 각 배향성 지수 (배향성 강도 계수) TC(220), TC(311), TC(422) 의 어느 한쪽이 배향성 지수의 최대값을 취하는 TiCN 으로 이루어지는 막이 더욱 바람직하다. 이와 같이 특정 형상의 조직을 갖고, 결정면이 특정한 결정 배향을 갖는 TiCN 막을 구비함으로써, 칼날 끝이 고온으로 되는 어려운 절삭 환경 하에 있어서도, 내마모성의 향상, 나아가 공구 수명의 연명화를 도모하는 것이 가능하다.

어스펙트비 3 이상의 주상조직으로 하는 것은, 3 미만이면, 고온 절삭조건 하에서의 내마모성이 저하되는 경향이 있고, 입상조직에서는, 목적으로 하는 내마모성의 향상을 얻기 어렵기 때문이다.

주상조직으로 하기 위해 , 예를 들어, CVD 법으로 막을 형성하는 경우, 주상 구조를 얻기 쉬운 CH₃CN 등의 유기 탄질화물을 원료 가스로 이용하고, 반응 분위기 온도 (800℃ 이상 950℃ 이하) 및 압력 (4.0kPa 이상 80kPa 이하) 으로 제어함으로써 얻을 수 있다. 또한, 유기 탄질화물 이외의 가스종을 사용하는 경우 등은, 막의 막형성 속도를 올리는, 막의 막형성 온도를 높이는, 원료 가스의 농도를 진하게 하는 등의 방법을 들 수 있다. 어스펙트비를 3 이상으로 하기 위해서는, 예를 들어, 결정의 평균 입경을 작게 함 (바람직하게는 0.05㎛ 이상 1.5㎛ 이하) 과 함께, 주상 구조의 막조직을 성장시키는 것을 들 수 있다. 그 방법으로서, 당해 TiCN 막의 막형성 조건 (막형성 온도, 막형성 압력, 가스 조성, 가스의 유속, 가스의 유량 등) 을 적절하게 변경시키는 방법을 들 수 있다. 또한, 당해 TiCN 막의 직하 또는 하방에 있는 기재의 표면 상태, 또는 당해 TiCN 막의 직하 또는 하층에 있는 피복막의 표면 상태를 적절하게 변화시키는 방법도 들 수 있다. 구체적으로는, 예를 들어, 기재의 표면을 표면 조도 Rmax (기준 길이 5㎛) 를 0.05㎛ 이상 1.5㎛ 이하로 제어시킨 상태에서 이 기재 상에, 막형성 조건을 적절하게 변경시켜 당해 TiCN 막을 막형성해도 된다. 또는, 어느 막의 표면 조도나 입자의 화학적 상태, 입자 직경 (특히 0.01㎛ 이상 1.0㎛ 이하) 등을 제어시킨 상태에서 이 막 상에, 막형성 조건을 적절하게 변경시켜 당해 TiCN 막을 막형성해도 된다.

상기 어스펙트비의 측정은, 예를 들어, 이하와 같이 구하면 된다. 즉, 피복층의 단면을 경면 가공하여, 주상 구조를 갖는 TiCN 으로 이루어지는 막의 조직의 입계를 에칭한다. 그리고, 이 TiCN 으로 이루어지는 막의 막두께의 1/2 에 해당하는 개소에서, 기재와 수평 방향으로 있는 각 결정의 폭을 입경으로 하고, 각 결정의 입경을 측정하여 평균값을 구한다 (평균값은 평균 입경이 된다). 막두께를 얻어진 평균 입경으로 나누어, 막두께에 대한 평균 입경의 비율을 산출하고, 이 산출값을 어스펙트비로 하면 된다.

이 특정한 어스펙트비를 갖는 TiCN 막은, 상기 기술한 바와 같이 결정면이 특정한 결정 배향을 갖는다. 이때, 배향성 지수 TC 는 이하와 같이 정의된다.

[수학식 1]

I(hk1): 측정된 (hk1) 면의 회절 강도

I₀(hk1): JCPDS 파일에 의한 (hk1) 면을 구성한다

당해 금속의 탄화물과 당해 금속의 질화물의 분말 회절 강도의 평균값 (hk1):(111), (200), (220), (311), (331), (420), (422), (511) 의 8 면

배향성 지수 (배향성 강도 계수) TC(220), TC(311), TC(422) 의 어느 한쪽이 최대값이 되기 위해서는, 당해 TiCN 막의 막형성 조건 (막형성 온도, 막형성 압력, 가스 조성, 가스의 유속, 가스의 유량 등) 을 적절하게 변경시키는 방법을 들 수 있다. 또한, 당해 TiCN 막의 직하 또는 하방에 있는 기재의 표면 상태, 또는 당해 TiCN 막의 직하 또는 하층에 있는 막의 표면 상태를 적절하게 변화시키는 방법도 들고 있다. 구체적으로는, 예를 들어, 기재의 표면을 표면 조도 Rmax (기준 길이 5㎛) 를 0.05㎛ 이상 1.5㎛ 이하로 제어시킨 상태에서 이 기재 상에, 막형성 조건을 적절하게 변경시켜 당해 TiCN 막을 막형성해도 된다. 또는, 어느 막의 표면 조도나 입자의 화학적 상태, 입자 직경 등을 제어시킨 상태에서 이 막 상에, 막형성 조건을 적절하게 변경시켜 당해 TiCN 막을 막형성해도 된다.

회절 강도는, 기재의 단면에 있어서, 기재의 요철에 의해 반사 등이 생기지 않도록 기재가 평편한 부분 (평활한 부분) 에서 측정하는 것이 바람직하다. 또한, 주기율표 IVa, Va, VIa 족 금속의 탄질화물에 있어서, X 선의 회절 강도의 동정(identification)은, JCPDS 파일 (Powder Diffraction File Published by JCPDS International Center for Diffraction Data) 에 기재되지 않았다. 그 때문에, 당해 탄질화물인 TiCN 으로 이루어지는 막의 회절 강도의 동정은, 당해 금속인 티탄 (Ti) 의 탄화물의 회절 데이터, 동 질화물의 회절 데이터, 및 실측한 TiCN 의 탄질화물의 회절 데이터를 비교하여, 각각의 면지수를 추정하고, 그 면지수의 회절 강도를 측정함으로써 얻으면 된다.

내층을 복수의 막으로 형성하는 경우, 적어도 하나의 막을 상기 어스펙트비 등을 특정한 TiCN 막으로 하고, 그 외의 막을 상기 제 1 원소와 제 2 원소로 이루어지는 화합물 막으로 해도 된다. 즉, 내층은, 당해 TiCN 막과, 상기 화합물 막으로 구성해도 된다. 이때, 화합물 막은, 당해 TiCN 막과 조성이 상이한 막으로 해도 되고, 당해 TiCN 막과 조직 또는 배향성을 상이하게 한 TiCN 막으로 해도 된다. 또한, 당해 TiCN 막은, 단일의 막이어도 되고, 복수 구비하고 있어도 된다. 화합물 막과 당해 TiCN 막이란, 어느 것을 기재 측으로 해도 된다. 즉, 기재 측으로부터 순서대로, 당해 TiCN 막, 화합물막, 최외층이라고 해도 되고, 기재측부터 순서대로, 화합물 막, 당해 TiCN 막, 최외층이라고 해도 된다.

본 발명 절삭 공구를 스로우 어웨이 팁으로 하는 경우, 상기 최외층 및 내층으로 이루어지는 피복층 전체의 막두께는, 0.1㎛ 이상 30.0㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 피복층 전체의 막두께가 0.1㎛ 미만인 경우, 내마모성의 향상 효과가 얻어지기 어렵다. 30.0㎛ 초과인 경우, 피복층이 두꺼워짐으로써 내마모성의 향상은 실현될 수 있지만, 고경도가 되기 때문에 결손이 생기고 쉽고, 결함에 의한 수명이 다발하여 안정된 가공이 어려워지기 쉽다. 또한, 본 발명 절삭 공구를 드릴 또는 엔드밀로 하는 경우, 상기 최외층 및 내층으로 이루어지는 피복층 전체의 막두께는, 0.1㎛ 이상 24㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 피복층 전체의 막두께가 0.1㎛ 미만인 경우, 내마모성이 손상되기 쉽다. 24㎛ 초과인 경우, 피복층이 두꺼워짐으로써 내마모성의 향상은 실현될 수 있지만, 내박리성이나 내결손성이 손상되고, 칩핑이 많이 발생하여 안정된 가공이 어려워지기 쉽다.

상기 최외층은, 내층을 구성하는 적어도 하나의 막보다도, 막경도가 낮은 것이 바람직하다. 즉, 내층에는, 최외층보다도 막경도가 높은 막을 구비하는 것이 바람직하다. 최외층의 막경도가 낮기 때문에, 절삭 초기에 공구가 피삭재에 장착될 때에 생기는 결손이나, 단속 절삭에 의한 결손 등을 방지할 수 있어 안정된 가공이 가능해진다. 막경도는, 막조성에 의해 변화시키는 것 외에, 막형성 조건에 의해 막의 조직 구조를 변화시킴으로써 변화시킬 수 있다. 막조성이 동일한 경우, 막의 조직 구조가 미립일수록, 막경도가 높아지는 경향이 있다. 각 막의 경도의 측정은, 피복층을 구비하는 칩이나 드릴 등의 절삭 공구를 절단하고, 그 단면에서 실시하면 된다.

상기 피복층은, 적어도 기재 표면의 절삭에 관여하는 부위에 피복된다. 기재 표면 전체에 피복해도 된다. 예를 들어, 스로우 어웨이 팁인 경우, 절삭에 관여하는 부위란, 칼날 끝 능선부, 레이크면, 플랭크면을 들 수 있다. 엔드밀이나 드릴의 경우, 절삭에 관여하는 부위란, 칼날부와 지지부로 이루어지는 통상 몸체라고 불리는 부분을 들 수 있다. 도 1 의 (A) 는, 엔드밀의 개략을 나타내는 정면도, 도 1 의 (B) 는 드릴의 개략을 나타내는 정면도이다. 구체적으로는, 엔드밀인 경우, 절삭에 관여하는 부위란, 도 1 의 (A) 에 나타내는 바와 같이 실제의 절삭에 관련된 단면 (바닥 칼날 (1)) 및 측면 (외주 칼날 (2)) 이라는 칼날부, 절삭 부스러기가 접촉하는 홈부 (3) 를 들 수 있다. 몸체뿐만 아니라, 단면으로부터 홈부가 형성되는 몸체 (4) 로부터, 구동 장치에 장착되는 섕크 (5) 라고 불리는 부분에 걸쳐 피복층을 형성해도 된다. 드릴의 경우, 절삭에 관여하는 부위로서, 실제의 절삭에 관련된 선단부 (6) 의 표면, 절삭 부스러기가 접촉하는 홈부 (플루트부 (flute)) (7) 를 들 수 있다. 드릴의 경우도, 몸체 (8) 뿐만 아니라, 선단부 및 홈부가 형성되어 있는 몸체 (8) 로부터, 구동 장치에 장착되는 섕크 (9) 에 걸쳐 피복층을 형성해도 된다. 피복층을 형성하지 않는 부분은, 막형성시에 적절하게 마스킹하거나, 일단 막을 형성한 후, 연마 등에 의해 막을 제거하면 된다.

또한, 기재 표면에 상기 최외층 및 내층으로 이루어지는 피복층을 막형성 후, 종래와 동일하게 절삭 칼날 능선부에 연마 처리나 레이저 처리 등의 표면 처리를 실시해도 물론 된다. 본 발명 절삭 공구는, 이러한 표면 처리에 의해 피복층의 특성을 현저하게 저해하지 않는다.

(기재)

본 발명에 있어서 기재는, 특히, 기재 중 적어도 절삭에 관여하는 부위는, WC 기 초경합금, 서멧, 고속도강, 세라믹스, 입방정형 질화 붕소 소결체, 및 질화 규소 소결체 중 어느 것으로 구성되는 것을 이용하는 것이 바람직하다. 특히, 본 발명 절삭 공구를 드릴 또는 엔드밀로 하는 경우, 기재 중 적어도 절삭에 관여하는 부위는, WC 기 초경합금, 서멧, 고속도강, 및 입방정형 질화 붕소 소결체 중 어느 것으로 구성되는 것을 이용하는 것이 바람직하다. WC 기 초경합금, 서멧으로 이루어지는 기재를 이용하는 경우, WC 이외의 경질상이 소실된, 즉 탈 β 상, 경질상이 소실되어 결합상이 풍부한 바인더 부화(富化)층 (binder-rich layer), 결합상을 저감시킨 표면 경화층이라는 표면 개질층이 기재 표면 또는 기재 중 절삭에 관여하는 부위의 표면에 존재해도 본 발명의 효과는 인정된다.

본 발명은, 드릴, 엔드밀, 프라이즈 가공용 칼날 끝 교환형 칩, 선삭용 칼날 끝 교환형 칩, 메탈소, 기어커팅 공구, 리머, 탭이라는 다양한 절삭 공구를 선택할 수 있다. 특히, 본 발명은, 스로우 어웨이 팁, 드릴, 엔드밀 중 어느 하나를 바람직하게 이용할 수 있다. 이때, 드릴 및 엔드밀은 칼날부를 지지체에 착탈 가능한 스로우 어웨이 타입 (칼날 끝 교환 타입) 이 아니고, 칼날부와 지지부가 일체로 소결 또는 형성된 타입, 즉 솔리드 타입, 또는 지지부에 칼날부를 납땜하는 납땜 타입의 엔드밀, 드릴로 한다. 납땜 타입인 경우, 상기 피복층은, 비교적 막형성 온도가 낮은 PVD 법으로 형성하는 것이 바람직하다. 한편, 솔리드 타입인 경우, 상기 피복층의 형성은 PVD 법이어도 되고, 비교적 막형성 온도가 높은 CVD 법이어도 된다.

발명의 효과

이상 설명한 바와 같이 본 발명 표면 피복 절삭 공구에 의하면, 특정한 피복층을 구비함으로써, 윤활성이 우수함과 함께, 내마모성, 내박리성, 내결손성, 내절손성도 우수하다. 따라서, 건식 가공이나 깊은 구멍 뚫기 가공, 고용착성 피삭재의 가공, 그 외의 고속·고능률 가공과 같이 칼날 끝이 고온 상태로 노출되는 가공 등이라는 절삭조건의 까다로운 사용 환경 하에서도, 우수한 절삭 성능을 갖고, 공구 수명을 더욱 연명화시킬 수 있다.

특히, 본 발명의 표면 피복 절삭 공구에 있어서, 내층에 특정한 TiCN 막을 구비함으로써, 윤활성과 내마모성의 쌍방이 우수하고, 상기 기술한 바와 같은 까다로운 사용 환경 하에서도, 우수한 절삭 성능을 갖고, 공구 수명을 더욱 연명화시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 실시형태를 설명한다.

실시예 1

이하, 선삭 가공용의 스로우 어웨이 팁을 예를 들어 구체적으로 설명한다.

(시험예 1-1)

조성이 WC:86 질량%, Co:8.0 질량%, TiC:2.0 질량%, NbC:2.0 질량%, ZrC:2.0 질량% 인 재료 분말을 배합하고, 볼밀에서 72 시간 습식 혼합하여 건조시킨 후, 브레이커 형상이 실시된 압분체로 프레스 성형하였다. 이 압분체를 소결로에서, 진공 분위기 중에서 1420℃, 1 시간의 조건으로 소결하고, 소결체를 얻었다. 얻어진 소결체의 칼날 끝 능선부에 SiC 브러시 호닝 처리를 하여 모따기 가공을 실시하고, ISO·SNMG120408 의 WC 기 초경합금으로 이루어지는 스로우 어웨이 팁의 기재를 얻었다.

이 기재 표면에 화학적 증착법인 열 CVD 법을 이용하여 피복층을 형성하였다. 본 시험에서는, 기재측부터 순서대로, 내층으로서 TiN(0.5), TiCN(6), TiBN(0.5), κ-Al₂O₃(2) 를 형성하고, 최외층으로서 AlN(3) 을 형성하였다 (괄호 내의 수치는 막두께이다 (단위 ㎛)). 표 1 에 각 막의 막형성 조건의 일례를 나타낸다. 구체적으로는 반응 가스의 조성 (용량%), 막형성 시의 압력 (kPa), 막형성 온도 (℃) 를 나타낸다. 막두께는, 막형성 시간에 따라 조정하였다. 그리고, 최외층을 형성하는 AlN 막은, 표 1 에 나타내는 바와 같이 막형성 조건을 변화시킴으로써, 염소 함유량이 상이한 시료를 제작하였다. 표 2 에 최외층의 염소 함유량을 나타낸다. 구체적으로는, 최외층 중에 0 초과 0.5 원자% 이하의 염소를 함유하는 것, 동 0.5 원자% 초과의 염소를 함유하는 것, 동 염소를 함유하지 않는 것을 제작하였다. 염소의 함유량은, 표 1 에 나타내는 바와 같이 반응 가스 중 염화수소 (HCl) 의 비율을 변화시킴으로써 변화시켰다. 또한, 염화수소의 양에 의해, 적절하게 막형성 시의 압력, 막형성 온도를 변화시켰다. 또한, 최외층 중에 0 초과 0.5 원자% 이하의 염소를 함유하는 시료에 있어서, 최외층의 칼날 끝 능선 부분 근방에서 피삭재와 접촉하는 개소의 표면 조도를 조사한 바, 모두 공구 단면으로부터 관찰하는 방법에 의해 측정되는 기준 길이 5㎛ 에 대해서 Rmax 가 1.3㎛ 이하였다. 구체적으로는, 예를 들어, 시료 1-2 에서는 0.6㎛ 이었다. 염소의 함유량은 XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) 로 측정하였지만, 조성의 확인은 투과 전자 현미경에 병설된 미소 영역 EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 분석이나, SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) 에 의해서도 가능하다. 또한, 시료마다 각 막의 누프 경도를 조사한 바, 최외층인 AlN 막은 모두, 내층의 TiCN 막보다 경도가 낮은 것을 확인하였다.

※1:염소 함유량이 0 초과 0.5 원자% 이하인 것

※2:염소를 함유하지 않는 것

※3:염소 함유량이 0.5 원자% 초과인 것

시료 No.	최외층	염소 함유량 원자%
1-1	AlN ^※1	0.02
1-2	AlN ^※1	0.15
1-3	AlN ^※1	0.49
1-4	AlN ^※2	0
1-5	AlN ^※3	0.90

표 2 에 나타내는 최외층을 갖는 표면 피복 스로우 어웨이 팁을 이용하여, 표 3 에 나타내는 절삭조건으로 절삭 가공을 실시하고, 공구 수명이 다할 때까지의 가공 시간을 측정하였다. 내박리성 시험에서는, 반복 절삭 가공을 실시하고, 막 박리에 기인한 플랭크면 마모량이 0.3㎜ 이상이 된 시점을 공구 수명으로 하였다. 내결손성 시험에서는 단속 절삭 가공으로 하고, 결손이 생겼을 때를 공구 수명으로 하였다. 시험의 결과를 표 4 에 나타낸다.

	내박리성 시험	내결손성 시험
피삭재	S15C 환봉 3초 반복 시험	S45C 홈장착 환봉
속도	V = 300 m/분	V = 260 m/분
이송	f = 0.3 ㎜/회전	f = 0.2 ㎜/회전
절삭깊이	d = 1.0 ㎜	d = 1.5 ㎜
절삭유	없음	없음

시료 No.	가공시간 (분)
시료 No.	내박리성 시험	내결손성 시험
1-1	40	23
1-2	63	30
1-3	52	21
1-4	10	7
1-5	9	4

그 결과, 표 4 에 나타내는 바와 같이 최외층으로서, 0 초과 0.5 원자% 이하의 염소를 함유하는 질화알루미늄 막을 구비하는 시료 1-1∼1-3 은 건식 가공이나 단속 가공이라는 칼날 끝이 고온이 되는 환경이어도, 우수한 윤활성을 발휘하여 내용착성을 향상시킴으로써 내박리성이 우수함과 함께, 절삭 저항을 줄임으로써 내결손성도 우수한 것을 알 수 있다. 또한, 이들의 시료 1-1∼1-3 은 마모량도 적고, 내마모성도 우수하다. 이것으로부터, 시료 1-1∼1-3 은 가공 시간이 길고, 공구 수명의 연명화를 실현하는 것을 알 수 있다.

(시험예 1-2)

시험예 1-1 에서 이용한 초경합금 기재와 동일한 것을 준비하고, 얻어진 기재 표면에 열 CVD 법을 이용하여 표 1 에 나타내는 막형성 조건 (가스 조성, 압력, 온도) 으로 피복층을 형성하였다. 표 5 에 피복층의 조성, 막두께, 피복층 전체의 막두께 (전체 막두께) 를 나타낸다. 또한, 표 5 에 있어서, 기재에 가까운 쪽부터 순서대로, 제 1 막, 제 2 막 … 으로 한다.

표 5 에 나타내는 피복층을 갖는 표면 피복 스로우 어웨이 팁을 이용하여, 이하에 나타내는 절삭조건으로 반복 절삭 가공을 실시하고, 공구 수명이 다할 때까지의 가공 시간을 측정하였다. 공구 수명은, 플랭크면 마모량이 0.3㎜ 이상이 되었을 때로 하였다. 시험의 결과도 표 5 에 나타낸다.

피삭재:SCM435 환봉에 의한 15 초 반복 내마모성 시험

속도:V=180m/분

이송:f=0.2㎜/회전

절삭 깊이:d=1.5㎜

절삭유:없음

그 결과, 표 5 에 나타내는 바와 같이 특정량의 염소를 함유시키는 질화계 알루미늄 막을 최외층으로 하고, 특정 조성의 막을 내층에 구비하는 시료 2-1∼2-12,2-16∼2-19,2-22,2-23 은 그 외의 시료와 비교하여, 윤활성이 우수함과 함께, 우수한 내마모성을 갖는 것을 알 수 있다.

또한, 표 5 에 나타내는 결과로부터, 최외층은 0.03㎛ 이상, 전체 막두께는 0.1㎛ 이상 30㎛ 이하가 바람직한 것을 알 수 있다. 또한, 최외층은, 내층의 합계 두께의 1/2 이하가 바람직한 것을 알 수 있다.

상기 시료 2-1∼2-23 의 모든 칩을 절단하고, 최외층에 있어서, 칼날 끝 능선부 근방에서 피삭재와 접촉하는 개소의 표면 조도를 기준 길이 5㎛ 로 측정한 결과, 시료 2-23 을 제외하는 모든 칩이 Rmax 로 1.3㎛ 이하로 되어 있었지만, 시료 2-23 은 Rmax 로 1.7㎛ 이었다. 그래서, 시료 2-23 의 최외층에 있어서 칼날 끝 능선부 근방에서 피삭재와 접촉하는 개소를 #1500 의 다이아몬드 페이스트로 연마하여, 동일한 방법으로 연마 후의 표면 조도를 측정한 바, Rmax 로 0.52㎛ 로 되어 있었다. 이 연마한 칩을 이용하여 동일 절삭조건으로 절삭 시험을 실시한 결과, 공구 수명은 22 분이 되었다. 이것은, 칼날 끝 능선부 근방에 있어서 피삭재와 접촉하는 개소의 요철이 줄어들어, 절삭 저항이 줄어들었기 때문이라고 생각된다. 또한, 시료 2-3 에 있어서 동일하게 표면 조도를 측정한 바, Rmax 로 0.76㎛ 이었지만, 상기와 동일한 방법으로 칼날 끝을 연마하고, 재차 절삭하면 공구 수명은 45 분이 되어, 대폭 개선되었다.

더욱, 시료 2-22 는 최외층의 막경도가 내층의 막경도보다 높아지도록 피복층을 형성하였다. 그리고, 상기 시료 2-1∼2-20,2-22,2-23 에 있어서, 피복층을 구성하는 각 막의 경도를 측정한 바, 시료 2-22 를 제외하는 모든 칩에서 최외층의 막경도가 내층의 적어도 1 막보다 낮았지만, 시료 2-22 는 최외층의 막경도가 내층의 막경도보다 높았다. 이 때문에, 시료 2-22 는 시료 2-1∼2-12 와 비교하여 절삭 성능이 저하되었다고 생각된다.

(시험예 1-2')

상기 시료 2-1∼2-23 과 동일한 표면 피복 칩을 제작하고, 이하의 절삭조건에서 절삭 시험을 실시하여, 소정 절삭 길이 (500m) 에 있어서의 크레이터 마모량 (면적:㎜²) 을 측정하였다.

피삭재:S50C

속도:V=250m/분

이송:f=0.3㎜/회전

절삭 깊이:d=1.5㎜

절삭유:없음

그 결과, 시료 2-1∼2-12,2-16∼2-19,2-22,2-23 은 그 외의 시료와 비교하여 크레이터 마모량이 적었다. 예를 들어, 시료 2-4,2-5,2-6 은 각각, 0.45㎜², 0.39㎜², 0.44㎜² 이었다.

(시험예 1-3)

기재를 하기에 대신하여, 표 5 의 시료 2-2,2-13 과 동일한 조성의 피복층을 공지된 PVD 법으로 형성하고, 표면 피복 칩을 제작하였다. 시료 2-2 와 동일한 조성의 피복층을 구비하는 칩에 있어서는, 피복층을 형성한 후, 이온 주입법을 이용하여 염소를 최외층에 함유시킨 표면 피복 칩을 제작하였다. 이들 표면 피복 칩을 이용하여, 시험예 1-2 와 동일한 절삭조건으로 절삭 시험을 실시하였다. 시료 2-2 의 피복층을 형성한 시료는 모두 최외층의 염소의 함유량을 0.2 원자% 로 하였다.

1 JIS 규격:P20 서멧제의 절삭 칩 (스미토모 전공 하드메탈 (주) 제조 T1200A)

2 세라믹제의 절삭 칩 (스미토모 전공 하드메탈 (주) 제조 W80)

3 질화 규소제의 절삭 칩 (스미토모 전공 하드메탈 (주) 제조 NS260)

4 입방정형 질화 붕소 절삭 칩 (스미토모 전공 하드메탈 (주) 제조 BN250)

그 결과, 시료 2-2 의 조성의 피복층을 구비하는 칩은 모두, 시료 2-13 의 조성의 피복층을 구비하는 종래의 칩보다 2 배 이상의 공구 수명을 갖는 것을 확인할 수 있다.

(시험예 1-4)

조성이 WC:86 질량%, Co:8.0 질량%, TiC:2.0 질량%, NbC:2.0 질량%, ZrC:2.0 질량% 인 재료 분말을 배합하고, 볼밀로 72 시간 습식 혼합하여 건조시킨 후, 브레이커 형상이 실시된 압분체로 프레스 성형하였다. 이 압분체를 소결로에서, 진공 분위기 중에서 1420℃, 1 시간의 조건에서 소결을 실시하여, 소결체를 얻었다. 얻어진 소결체의 칼날 끝 능선부에 SiC 브러시 호닝 처리를하고 모따기 가공을 실시하여, ISO·SNMG120408 의 WC 기 초경합금으로 이루어지는 스로우 어웨이 팁의 기재를 얻었다.

이 기재 표면에 화학적 증착법인 열 CVD 법을 이용하여 피복층을 형성하였다. 본 시험에서는, 기재측부터 순서대로, 내층으로서 TiN(0.5), 주상조직 TiCN(6), TiBN(0.5), κ-Al₂O₃(2) 를 형성하고, 최외층으로서 AlN(3) 을 형성하였다 (괄호 내의 수치는 막두께이다 (단위 ㎛)). 표 6 에 각 막의 막형성 조건의 일례를 나타낸다. 구체적으로는 반응 가스의 조성 (용량%), 막형성시의 압력 (kPa), 막형성 온도 (℃) 를 나타낸다. 막두께는 막형성 시간에 따라 조정하였다. 또한, 본 시험에 있어서 TiCN 막은, 어스펙트비가 4.2 인 주상조직을 갖고, 배향성 지수 TC 중 (311) 면이 최대값이 되도록 막형성시켰다. 구체적으로는, 반응 가스에 CH₃CN 을 이용하고, 온도:900℃, 압력:8kPa 로 함과 함께, TiCN 막의 하층에 형성한 TiN 막의 표면 조도 Rmax (기준 길이 5㎛) 가 0.1㎛ 정도가 되도록 TiN 막의 막형성 조건 (가스 조성, 압력, 온도) 을 정하였다. 그리고, 최외층을 형성하는 AlN 막은, 표 6 에 나타내는 바와 같이 막형성 조건을 변화시킴으로써, 염소 함유량이 상이한 시료를 제작하였다. 표 7 에 최외층의 염소 함유량을 나타낸다. 구체적으로는, 최외층 중에 0 초과 0.5 원자% 이하의 염소를 함유하는 것, 동 0.5 원자% 초과의 염소를 함유하는 것, 동 염소를 함유하지 않는 것을 제작하였다. 염소의 함유량은, 표 6 에 나타내는 바와 같이 반응 가스 중 염화수소 (HCl) 의 비율을 변화시킴으로써 변화시켰다. 또한, 염화수소의 양에 의해, 적절한 막형성시의 압력, 막형성 온도를 변화시켰다. 더욱, 최외층 중에 0 초과 0.5 원자% 이하의 염소를 함유하는 시료에 있어서, 최외층의 칼날 끝 능선 부분 근방에서 피삭재와 접촉하는 개소의 표면 조도를 조사한 바, 모두 공구 단면으로부터 관찰하는 방법에 의해 측정되는 기준 길이 5㎛ 에 대해서 Rmax 가 3㎛ 이하였다. 구체적으로는, 예를 들어, 시료 3-2 에서는 0.6㎛ 이었다. 염소의 함유량은 XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) 로 측정하였지만, 조성의 확인은 투과 전자 현미경에 병설된 미소 영역 EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 분석이나, SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) 에 의해서도 가능하다.

※1:염소 함유량이 0 초과 0.5 원자% 이하인 것
※2:염소를 함유하지 않는 것
※3:염소 함유량이 0.5 원자% 초과인 것

시료 No.	최외층	염소 함유량 원자%
3-1	AlN ^※1	0.02
3-2	AlN ^※1	0.15
3-3	AlN ^※1	0.49
3-4	AlN ^※2	0
3-5	AlN ^※3	0.90

표 7 에 나타내는 최외층을 갖는 표면 피복 스로우 어웨이 팁을 이용하여, 표 8 에 나타내는 절삭조건으로 연속 절삭 가공을 실시하여, 공구 수명이 다할 때까지의 가공 시간을 측정하였다. 내박리성 시험에서는, 반복 절삭 가공을 실시하고, 막 박리에 기인한 플랭크면 마모량이 0.3㎜ 이상이 된 시점을 공구 수명이라고 하였다. 내마모성 시험에서는, 플랭크면 마모량이 0.3㎜ 이상이 되었을 때를 공구 수명이라고 하였다. 시험의 결과를 표 9 에 나타낸다.

	내박리성 시험	내마모성 시험
피삭재	S15C 환봉 3초 반복 시험	S45C 환봉
속도	V = 300 m/분	V = 260 m/분
이송	f = 0.3 ㎜/회전	f = 0.2 ㎜/회전
절삭깊이	d = 1.0 ㎜	d = 1.5 ㎜
절삭유	없음	없음

시료 No.	가공시간 (분)
시료 No.	내박리성 시험	내마모성 시험
3-1	42	24
3-2	60	31
3-3	51	21
3-4	12	6
3-5	10	5

그 결과, 표 9 에 나타내는 바와 같이 최외층으로서, 0 초과 0.5 원자% 이하의 염소를 함유하는 질화알루미늄 막을 구비하는 시료 3-1∼3-3 은 건식 가공이어도 우수한 윤활성을 발휘하여, 내용착성을 향상시킴과 함께, 절삭 저항을 줄임으로써 내박리성이 우수한 것을 알 수 있다. 또한, 내층으로서 특정한 TiCN 막을 구비함으로써, 이들의 시료 3-1∼3-3 은 내마모성도 우수한 것을 알 수 있다. 또한, 이들의 시료 3-1∼3-3 은 칩핑 등도 생기지 않고, 내칩핑성, 내결손성도 우수했다. 이것으로부터, 시료 3-1∼3-3 은 가공 시간이 길어, 공구 수명의 연명화를 실현하고 있는 것을 알 수 있다.

(시험예 1-5)

시험예 1-4 에서 이용한 초경합금 기재와 동일한 것을 준비하고, 얻어진 기재 표면에 열 CVD 법을 이용하여 표 6 에 나타내는 막형성 조건 (가스 조성, 압력, 온도) 에서 피복층을 형성하였다. 본 시험에서는, 기재측부터 순서대로, TiN(0.5), 주상조직 TiCN(4) 또는 입상조직 TiCN(4), TiBN(0.5), Al₂O₃-ZrO₂(2) 로 하고, 최외층으로서 AlN^※1(3) (표 7 에 있어서 시료 3-3) 을 형성하였다 (괄호 내의 수치는 막두께이다 (단위 ㎛)). 막두께는, 막형성 시간에 따라 조정하였다. 또한, 본 시험에 있어서 주상조직 TiCN 막은, 표 6 에 나타내는 바와 같이 막형성 시의 압력과 막형성 온도를 변화시킴과 함께, TiCN 막의 하층에 형성한 TiN 막의 표면 조도나 가스 조건을 변화시킴으로써, 어스펙트비, 배향성 지수의 최대값을 취하는 면을 변화시켰다. 구체적으로는, 반응 가스에 CH₃CN 을 이용하고, 예를 들어, 가스 온도 920℃, 압력 6kPa 로 하고, 반응 가스인 CH₃CN 을 서서히 도입함으로써, TiCN 막의 어스펙트비를 3 이상으로 하였다. 또한, 예를 들어, TiCN 막의 배향성 지수의 최대값 TC(422) 로 하기 위해서는, 기재의 표면 조도 Rmax (기준 길이 5㎛) 를 0.09㎛ 로 제어함과 함께, 이 기재의 외측 (기재로부터 멀어지는 측) 에 어스펙트비의 제어를 실시하면서 TiCN 막을 막형성함으로써 얻어진다. 또한, 최외층의 칼날 끝 능선 부분 근방에서 피삭재와 접촉하는 개소의 표면 조도가 공구 단면으로부터 관찰되는 방법에 의해 측정되는 기준 길이 5㎛ 에 대해서 Rmax 로 0.4㎛ 가 되도록, 모든 시료에 있어서 최외층을 형성한 후, 최외층의 표면에 연마 처리를 실시하였다. 표 10 에 TiCN 막의 조직 형태, 어스펙트비, 배향성 지수 TC 가 최대값을 나타내는 면을 나타낸다.

표 10 에 나타내는 TiCN 막을 내층에 갖는 표면 피복 스로우 어웨이 팁을 이용하여, 이하에 나타내는 절삭조건으로 연속 절삭 가공을 실시하고, 공구 수명이 다할 때까지의 가공 시간을 측정하였다. 공구 수명은, 플랭크면 마모량이 0.3㎜ 이상이 되었을 때로 하였다. 시험의 결과도 표 10 에 나타낸다.

피삭재:SUS 재 환봉에 의한 내마모성 시험

속도:V=200m/분

이송:f=0.2㎜/회전

절삭 깊이:d=1.5㎜

절삭유:없음

그 결과, 표 10 에 나타내는 바와 같이 내층으로서 TiCN 막을 구비하는 경우, 주상조직을 갖는 것은, 내마모성이 더욱 우수한 것을 알 수 있다. 특히, 내층에 어스펙트비 3 이상, 배향성 지수 TC(311), TC(220), TC(422) 중 어느 한쪽이 최대값을 취하는 주상조직의 TiCN 막을 구비하는 시료 4-1∼4-3 은, 건식 가공이어도, 더욱 내마모성이 우수하고, 공구 수명이 길어지고 있는 것을 알 수 있다. 이와 같이 공구 수명이 길어진 것은, 윤활성이 우수한 최외층과 내층으로서 특히 내마모성이 우수한 특정한 TiCN 막을 구비하고 있기 때문이라고 생각된다.

(시험예 1-6)

시험예 1-4 에서 이용한 초경합금 기재와 동일한 것을 준비하고, 얻어진 기재 표면에 열 CVD 법을 이용하여 표 6 에 나타내는 막형성 조건 (가스 조성, 압력, 온도) 으로 피복층을 형성하였다. 본 시험에 있어서, 주상조직 TiCN 막은, 어스펙트비가 3 이상, 배향성 지수 TC(311), TC(220), TC(422) 중 어느 한쪽이 최대값을 취하도록 막형성 조건을 제어하였다. 표 11 에 피복층의 조성, 막두께, 피복층 전체의 막두께 (전체 막두께) 를 나타낸다. 또한, 표 11 에 있어서, 기재에 가까운 쪽부터 순서대로, 제 1 막, 제 2 막 … 으로 한다.

표 11 에 나타내는 피복층을 갖는 표면 피복 스로우 어웨이 팁을 이용하여, 이하에 나타내는 절삭조건으로 연속 절삭 가공을 실시하고, 공구 수명이 다할 때까지의 가공 시간을 측정하였다. 공구 수명은, 플랭크면 마모량이 0.3㎜ 이상이 되었을 때로 하였다. 시험의 결과도 표 11 에 나타낸다.

피삭재:SCM435 환봉에 의한 15 초 반복 내마모성 시험 속도

속도:V=180m/분

이송:f=0.2㎜/회전

절삭 깊이:d=1.5㎜

절삭유:없음

그 결과, 표 11 에 나타내는 바와 같이 특정량의 염소를 함유하는 질화계 알루미늄 막을 최외층으로 하고, 어스펙트비 3 이상, 배향성 지수 TC(311), TC(220), TC(422) 중 어느 한쪽이 최대값을 취하는 주상조직의 TiCN 막을 내층에 구비하는 시료 5-1∼5-12,5-16∼5-19,5-21 은, 다른 시료와 비교하여, 윤활성이 우수함과 함께, 우수한 내마모성을 갖는 것을 알 수 있다.

또한, 표 11 에 나타내는 결과로부터, 최외층은 0.03㎛ 이상, 전체 막두께는 0.1㎛ 이상 30㎛ 이하가 바람직한 것을 알 수 있다. 또한, 최외층은 내층의 합계 두께의 1/2 이하가 바람직한 것을 알 수 있다.

상기 시료 5-1∼5-21 의 모든 칩을 절단하고, 최외층에 있어서, 칼날 끝 능선부 근방에서 피삭재와 접촉하는 개소의 표면 조도를 기준 길이 5㎛ 로 측정한 결과, 시료 5-21 을 제외하는 모든 칩이 Rmax 로 1.3㎛ 이하로 되어 있었지만, 시료 5-21 은 Rmax 로 1.7㎛ 이었다. 그래서, 시료 5-21 의 최외층에 있어서 칼날 끝 능선부 근방에서 피삭재와 접촉하는 개소를 #1500 의 다이아몬드 페이스트로 연마하여, 동일한 방법으로 연마 후의 표면 조도를 측정한 바, Rmax 로 0.52㎛ 로 되어 있었다. 이 연마한 칩을 이용하여 동일 절삭조건에서 절삭 시험을 실시한 결과, 공구 수명은 24 분이 되었다. 이것은, 칼날 끝 능선부 근방에 있어서 피삭재와 접촉하는 개소의 요철이 줄어들어, 절삭 저항이 줄어들었기 때문이라고 생각된다. 또한, 시료 5-3 에 있어서 동일 표면 조도를 측정한 바, Rmax 로 0.76㎛ 이었지만, 상기와 동일한 방법으로 칼날 끝을 연마하고, 재차 절삭하면 공구 수명은 48 분이 되어, 대폭 개선되었다.

(시험예 1-6')

상기 시료 5-1∼5-21 과 동일한 표면 피복 칩을 제작하고, 이하의 절삭조건에서 절삭 시험을 실시하고, 소정 절삭 길이 (500m) 에 있어서의 크레이터 마모량 (면적:㎜²) 을 측정하였다.

피삭재:S50C

속도:V=250m/분

이송:f=0.3㎜/회전

절삭 깊이:d=1.5㎜

절삭유:없음

그 결과, 시료 5-1∼5-12,5-16∼5-19,5-21 은 그 외의 시료와 비교하여 크레이터 마모량이 적었다. 예를 들어, 시료 5-4,5-5,5-6 은 각각, 0.3㎜², 0.27㎜², 0.29㎜²이었다.

(시험예 1-7)

기재를 하기에 대신하여, 표 11 의 시료 5-2 와 동일한 조성의 피복층을 공지된 PVD 법으로 형성한 후, 이온 주입법을 이용하여 염소를 최외층에 함유시킨 표면 피복 칩을 제작하여, 시험예 1-6 과 동일한 절삭조건에서 절삭 시험을 실시하였다. 모두 최외층의 염소의 함유량은, 0.18 원자% 로 하였다.

그 결과, 어떠한 피복 칩도 윤활성이 우수함과 함께, 내마모성이 우수한 것을 확인할 수 있었다. 이것으로부터, 상기 초경합금 기재를 이용한 경우와 동일하게 공구 수명의 향상을 실현할 수 있는 것을 알 수 있다.

실시예 2

이하, 엔드밀을 예를 들어 구체적으로 설명한다.

(시험예 2-1)

JIS Z20 종 상당의 초경합금제 φ10㎜;2 장 칼날 스퀘어형 엔드밀 기재 (솔리드 타입 엔드밀) 를 준비하고, 이 기재 중, 절삭에 관여하는 부위 (몸체) 의 표면에 화학적 증착법인 열 CVD 법을 이용하여 피복층을 형성하였다. 본 시험에서는, 기재측부터 순서대로, 내층으로서 TiN(0.5), TiCN(4), TiBN(0.5), κ-Al₂O₃(1) 을 형성하고, 최외층으로서 AlN(1.5) 을 형성하였다 (괄호 내의 수치는 막두께이다 (단위 ㎛)). 표 12 에 각 막의 막형성 조건의 일례를 나타낸다. 구체적으로는 반응 가스의 조성 (용량%), 막형성시의 압력 (kPa), 막형성 온도 (℃) 를 나타낸다. 막두께는, 막형성 시간에 따라 조정하였다. 그리고, 최외층을 형성하는 AlN 막은, 표 12 에 나타내는 바와 같이 막형성 조건을 변화시킴으로써, 염소 함유량이 상이한 시료를 제작하였다. 표 13 에 최외층의 염소 함유량을 나타낸다. 구체적으로는, 최외층 중에 0 초과 0.5 원자% 이하의 염소를 함유하는 것, 동 0.5 원자% 초과의 염소를 함유하는 것, 동 염소를 함유하지 않는 것을 제작하였다. 염소의 함유량은, 표 12 에 나타내는 바와 같이 반응 가스 중 염화수소 (HCl) 의 비율을 변화시킴으로써 변화시켰다. 또한, 염화수소의 양에 의해, 적절하게 막형성시의 압력, 막형성 온도를 변화시켰다. 또한, 최외층 중에 0 초과 0.5 원자% 이하의 염소를 함유하는 시료에 있어서, 최외층의 칼날 끝 능선 부분 근방에서 피삭재와 접촉하는 개소의 표면 조도를 조사한 바, 모두 공구 단면으로부터 관찰하는 방법에 의해 측정되는 기준 길이 5㎛ 에 대해서 Rmax 가 1.3㎛ 이하였다. 구체적으로는, 예를 들어, 시료 6-2 에서는 0.6㎛ 이었다. 염소의 함유량은 XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) 로 측정하였지만, 조성의 확인은 투과 전자 현미경에 병설된 미소 영역 EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 분석이나, SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) 에 의해서도 할 수 있다. 또한, 시료마다 각 막의 누프 경도를 조사한 바, 최외층인 AlN 막은 모두, 내층의 TiCN 막보다 낮은 것을 확인하였다.

※1:염소 함유량이 0 초과 0.5 원자% 이하인 것

※2:염소를 함유하지 않는 것

※3:염소 함유량이 0.5 원자% 초과인 것

시료 No.	최외층	염소 함유량 원자%
6-1	AlN ^※1	0.03
6-2	AlN ^※1	0.18
6-3	AlN ^※1	0.48
6-4	AlN ^※2	0
6-5	AlN ^※3	0.98

표 13 에 나타내는 최외층을 갖는 표면 피복 엔드밀을 이용하여, 표 14 에 나타내는 절삭조건으로 절삭 성능을 조사하였다. 절삭조건 Ⅰ 에서는, 일정 있어서의 플랭크면 마모량 (㎛) 을 측정하였다. 절삭조건 Ⅱ 에서는, 일정한 구멍 가공 (φ10㎜) 을 실시하고, 구멍 가공시에 가한 토크값을 측정함과 함께, 구멍 가공 후에 일정한 홈 가공 (50㎜) 으로 이행했을 때의 상황을 조사하였다. 시험의 결과를 표 15 에 나타낸다.

절삭조건 Ⅰ	절삭조건 Ⅱ
측면 가공	10 ㎜ 구멍 가공 후, 50 ㎜ 홈 가공
피삭재: S50C	피삭제: SKD11
속도: V = 300 m/분	속도: V = 80 m/분
1칼날 당 이송: ft = 0.1 ㎜	이송: 구멍 가공 0.07 ㎜/회전, 홈 가공 0.15 ㎜/t (1칼날 당)
축방향 절삭 깊이: Ad = 8 ㎜ 반경방향 절삭 깊이: Rd = 0.5 ㎜	이송: 구멍 가공 0.07 ㎜/회전, 홈 가공 0.15 ㎜/t (1칼날 당)
절삭유: 없음	절삭유: 없음
가공거리: 150 m	절삭유: 없음

시료 No.	절삭조건 Ⅰ	절삭조건 Ⅱ
시료 No.	플랭크면 마모량 (외주칼날 ㎛)	최대 토크값 (N·㎝)
6-1	55	610
6-2	31	410
6-3	42	550
6-4	92	1050 (홈 가공으로 절손)
6-5	115 (칩핑 발생)	1120 (홈 가공으로 절손)

그 결과, 표 15 에 나타내는 바와 같이 최외층으로서, 0 초과 0.5 원자% 이하의 염소를 함유하는 질화알루미늄 막을 구비하고, 특정 조성의 막을 내층에 구비하는 시료 6-1∼6-3 은, 마모량이 적고, 건식 가공이어도, 우수한 윤활성을 발휘하여, 절삭 저항을 줄임으로써 내결손성을 향상시키는 것을 알 수 있다. 또한, 이들의 시료 6-1∼6-3 은, 윤활성이 우수한 피복층을 구비함으로써, 절삭 부스러기의 유출성이 양호하고, 그 결과 토크값의 상승이 억제되고 내절손성이 향상되어 무난하게 가공할 수 있었다. 이것에 대해, 시료 6-4,6-5 에서는, 토크값이 증대하여, 홈 가공으로 이행될 때, 절손이 생겼다. 또한, 이들의 시료 6-1∼6-3 은 내용착성도 우수하여, 피복층의 박리 등이 생기지 않았다. 이것으로부터, 시료 6-1∼6-3 은 공구 수명의 연명화를 실현할 수 있다는 것을 알 수 있다.

(시험예 2-2)

시험예 2-1 에서 이용한 초경합금제 엔드밀 기재와 동일한 것을 준비하고, 절삭에 관여하는 부위의 표면에 열 CVD 법을 이용하여 표 12 에 나타내는 막형성 조건 (가스 조성, 압력, 온도) 에서 피복층을 형성하였다. 표 16 에 피복층의 조성, 막두께, 피복층 전체의 막두께 (전체 막두께) 를 나타낸다. 또한, 표 16 에 있어서, 기재에 가까운 쪽부터 순서대로, 제 1 막, 제 2 막 … 으로 한다.

표 16 에 나타내는 피복층을 갖는 표면 피복 엔드밀을 이용하여, 이하에 나타내는 절삭조건으로 측면 가공을 실시하고, 일정 가공 길이 (100m) 에서의 마모량을 측정하였다. 본 시험에서는, 외주 칼날에 있어서의 플랭크면 마모량 (㎛) 을 측정하였다. 시험의 결과도 표 16 에 나타낸다.

엔드밀 측면 가공

피삭재:SUS304

속도:V=130m/분

1 칼날 당 이송:ft=0.03㎜

축 방향 절삭 깊이:Ad=8㎜

반경 방향 절삭 깊이:Rd=0.16㎜

절삭유:없음

가공 거리:100m

그 결과, 표 16 에 나타내는 바와 같이 특정량의 염소를 함유하는 질화계 알루미늄 막을 최외층으로 하고, 특정 조성의 막으로 이루어지는 내층을 구비하는 시료 7-1∼7-12,7-16∼7-19,7-22,7-23 은 다른 시료에 비해, 윤활성이 우수함과 함께, 우수한 내마모성을 갖는 것을 알 수 있다.

또한, 표 16 에 나타내는 결과로부터, 최외층은 0.03㎛ 이상, 전체 막두께는 0.1㎛ 이상 24㎛ 이하가 바람직한 것을 알 수 있다. 또한, 최외층은 내층의 합계 두께의 1/2 이하가 바람직한 것을 알 수 있다.

상기 시료 7-1∼7-23 의 모든 엔드밀을 절단하고, 최외층에 있어서, 외주 칼날의 칼날 끝 능선부 근방에서 피삭재와 접촉하는 개소의 표면 조도를 기준 길이 5㎛ 로 측정한 결과, 시료 7-22 를 제외하는 모든 엔드밀이 Rmax 로 1.3㎛ 이하로 되어 있었지만, 시료 7-22 는 Rmax 로 1.7㎛ 이었다. 그래서, 시료 7-22 의 최외층에 있어서 외주 칼날의 칼날 끝 능선부 근방에서 피삭재와 접촉하는 개소를 #1500 의 다이아몬드 페이스트로 연마하여, 동일한 방법으로 연마 후의 표면 조도를 측정한 바, Rmax 로 0.52㎛ 로 되어 있었다. 이 연마한 엔드밀을 이용하여 동일 절삭조건으로 측면 가공을 실시한 결과, 플랭크면 마모량은 65㎛ 로 되었다. 이것은, 칼날 끝 능선부 근방에 있어서 피삭재와 접촉하는 개소의 요철이 줄어들어, 절삭 저항이 낮아졌기 때문이라고 생각된다. 또한, 시료 7-1 에 있어서 동일하게 표면 조도를 측정한 바, Rmax 로 0.9㎛ 이었지만, 상기와 동일한 방법으로 칼날 끝을 연마하고, 재차 절삭하면 플랭크면 마모량은 35㎛ 로 되어, 대폭 개선되었다.

또한, 시료 7-23 은 최외층의 막경도가 내층의 막경도보다 높아지도록 피복층을 형성하였다. 그리고, 상기 시료 7-1∼7-20,7-22,7-23 에 있어서, 피복층을 구성하는 각 막의 경도를 측정한 바, 시료 7-23 을 제외한 모든 엔드밀에서 최외층의 막경도가 내층의 적어도 1 막보다 낮았지만, 시료 7-23 은 최외층의 막경도가 내층의 막경도보다 높았다. 이 때문에, 시료 7-23 은 절삭 성능이 저하되었다고 생각된다.

(시험예 2-2')

상기 시료 7-1∼7-23 과 동일한 표면 피복 엔드밀을 제작하고, 이하의 절삭조건에서 절삭 시험을 실시하여, 소정 절삭 길이 (50m) 에 있어서의 크레이터 마모량 (폭) 을 측정하였다. 측정 대상은, 외주 칼날에 있어서의 크레이터 마모의 폭으로 하였다. 엔드밀은, 공구 형상이 3 차원 형상이기 때문에, 상기 폭은 경사 방향으로부터 측정하였다. 구체적으로는, 일정 각도로부터 관찰하여 크레이터 마모 폭을 측정하였다. 그리고, 평가는 이 측정값을 기초로 시료 간의 상대 비교로 실시하였다.

피삭재:S50C

속도:V=100m/분

이송:f=0.05㎜/t

절삭 깊이:Ad=10㎜ Rd=0.6㎜

절삭유:없음 (에어 블로우)

그 결과, 시료 7-1∼7-12,7-16∼7-19,7-22,7-23 은 그 외의 시료와 비교하여 크레이터 마모량이 적었다. 예를 들어, 시료 7-14 의 마모 폭을 1 로 하면, 시료 7-3,7-6 은 각각, 0.44, 0.52 이었다.

(시험예 2-3)

기재를 하기에 대신하여, 표 16 의 시료 7-2,7-13 과 동일한 조성의 피복층을 공지된 PVD 법으로 형성하고, 표면 피복 엔드밀을 제작하였다. 시료 7-2 와 동일한 조성의 피복층을 구비하는 엔드밀에 있어서는, 피복층을 형성한 후, 이온 주입법을 이용하여 염소를 최외층에 함유시킨 표면 피복 엔드밀을 제작하고, 시험예 2-2 와 동일한 절삭조건으로 측면 가공을 실시하였다. 모두, 피복층은, 절삭에 관여하는 부위에 형성하였다. 또한, 시료 7-2 의 피복층을 형성한 시료에는 모두, 최외층의 염소의 함유량을 0.2 원자% 로 하였다.

1 JIS Z20 종 상당의 초경합금제의 납땜 엔드밀 기재 (칼날부가 초경합금제)

2 JIS 규격:P20 서멧제 φ10㎜;2 장 칼날 스퀘어형 엔드밀 기재

3 입방정형 질화 붕소제 (스미토모 전공 하드메탈 (주) 제조 BN300) 의 납땜 볼밀 기재 (칼날부가 입방정형 질화 붕소제)

그 결과, 시료 7-2 의 피복층을 형성한 표면 피복 엔드밀은 모두, 윤활성이 우수함과 함께, 내마모성이 우수하고, 종래품인 시료 7-13 의 피복층을 구비하는 엔드밀과 비교하여, 2 배 이상의 공구 수명이 얻어진 것을 확인할 수 있었다.

(시험예 2-4)

JIS Z20 종 상당의 초경합금제 φ10㎜;2 장 칼날 스퀘어형 엔드밀 기재 (솔리드 타입 엔드밀) 를 준비하고, 이 기재 중, 절삭에 관여하는 부위 (몸체) 의 표면에 화학적 증착법인 열 CVD 법을 이용하여 피복층을 형성하였다. 본 시험에서는, 기재측부터 순서대로, 내층으로서 TiN(0.5), 주상조직 TiCN(4), TiBN(0.5), κ-Al₂O₃(1) 을 형성하고, 최외층으로서 AlN(1.5) 를 형성하였다 (괄호 내의 수치는 막두께이다 (단위 ㎛)). 표 17 에 각 막의 막형성 조건의 일례를 나타낸다. 구체적으로는 반응 가스의 조성 (용량%), 막형성시의 압력 (kPa), 막형성 온도 (℃) 를 나타낸다. 막두께는, 막형성 시간에 따라 조정하였다. 또한, 본 시험에 있어서 TiCN 막은, 어스펙트비가 4.1 의 주상조직을 갖고, 배향성 지수 TC 중 (311) 면이 최대값이 되도록 막형성시켰다. 구체적으로는, 반응 가스에 CH₃CN 을 이용하고, 온도:900℃, 압력:8kPa 와 함과 함께, TiCN 막의 하층에 형성한 TiN 막의 표면 조도 Rmax (기준 길이 5㎛) 가 0.1㎛ 정도가 되도록 TiN 막의 막형성 조건 (가스 조성, 압력, 온도) 을 정하였다. 그리고, 최외층을 형성하는 AlN 막은, 표 17 에 나타내는 바와 같이 막형성 조건을 변화시킴으로써, 염소 함유량이 상이한 시료를 제작하였다. 표 18 에 최외층의 염소 함유량을 나타낸다. 구체적으로는, 최외층 중에 0 초과 0.5 원자% 이하의 염소를 함유하는 것, 동 0.5 원자% 초과의 염소를 함유하는 것, 동 염소를 함유하지 않는 것을 제작하였다. 염소의 함유량은, 표 17 에 나타내는 바와 같이 반응 가스 중 염화수소 (HCl) 의 비율을 변화시킴으로써 변화시켰다. 또한, 염화수소의 양에 의해, 적절하게 막형성시의 압력, 막형성 온도를 변화시켰다. 또한, 최외층 중에 0 초과 0.5 원자% 이하의 염소를 함유하는 시료에 있어서, 최외층의 칼날 끝 능선 부분 근방에서 피삭재와 접촉하는 개소의 표면 조도를 조사한 바, 모두 공구 단면으로부터 관찰하는 방법에 의해 측정되는 기준 길이 5㎛ 에 대해서 Rmax 가 1.3㎛ 이하였다. 구체적으로는, 예를 들어, 시료 8-2 에서는 0.6㎛ 이었다. 염소의 함유량은 XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) 로 측정하였지만, 조성의 확인은 투과 전자 현미경에 병설된 미소 영역 EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 분석이나, SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) 에 의해서도 가능하다.

※1:염소 함유량이 0 초과 0.5 원자% 이하인 것

※2:염소를 함유하지 않는 것

※3:염소 함유량이 0.5 원자% 초과인 것

시료 No.	최외층	염소 함유량 원자%
8-1	AlN ^※1	0.03
8-2	AlN ^※1	0.18
8-3	AlN ^※1	0.48
8-4	AlN ^※2	0
8-5	AlN ^※3	0.98

표 18 에 나타내는 최외층을 갖는 표면 피복 엔드밀을 이용하여, 표 19 에 나타내는 절삭조건으로 절삭 성능을 조사하였다. 절삭조건 I 에서는, 일정 가공 길이 (150m) 에서의 마모량을 측정하였다. 본 시험에서는, 외주 칼날에 있어서의 플랭크면 마모량 (㎛) 을 측정하였다. 절삭조건 Ⅱ 에서는, 일정한 구멍 가공 (φ10㎜) 을 실시하고, 구멍 가공시에 가한 토크값을 측정함과 함께, 구멍 가공 후에 일정한 홈 가공 (50㎜) 으로 이행하였을 때의 상황을 조사하였다. 시험의 결과를 표 20 에 나타낸다.

시료 No.	절삭조건 Ⅰ	절삭조건 Ⅱ
시료 No.	플랭크면 마모량 (외주칼날 ㎛)	최대 토크값 (N·㎝)
8-1	42	680
8-2	21	430
8-3	35	510
8-4	85	1110 (홈 가공으로 절손)
8-5	121 (칩핑 발생)	1050 (홈 가공으로 절손)

그 결과, 표 20 에 나타내는 바와 같이 최외층으로서, 0 초과 0.5 원자% 이하의 염소를 함유하는 질화알루미늄 막을 구비하고, 내층에 특정한 TiCN 막을 구비하는 시료 8-1∼8-3 은 마모량이 적고, 건식 가공이어도, 우수한 윤활성을 발휘하여, 절삭 저항을 줄임으로써 내마모성, 내결손성을 향상시키는 것을 알 수 있다. 또한, 이들의 시료 8-1∼8-3 은 윤활성이 우수한 피복층을 구비함으로써, 절삭 부스러기의 유출성이 양호하고, 그 결과 토크값의 상승이 억제되어 내절손성이 향상되어, 문제없이 가공할 수 있었다. 이에 대해, 시료 8-4,8-5 에서는 토크값이 증대하여, 홈 가공으로 이행될 때, 절손이 생겼다. 또한, 이들의 시료 8-1∼8-3 은 내용착성도 우수하고, 피복층의 박리 등이 생기지 않았다. 이것으로부터, 시료 8-1∼8-3 은 공구 수명의 연명화를 실현할 수 있다는 것을 알 수 있다.

(시험예 2-5)

시험예 2-4 에서 이용한 초경합금제 엔드밀 기재와 동일한 것을 준비하고, 절삭에 관여하는 부위의 표면에 열 CVD 법을 이용하여 표 17 에 나타내는 막형성 조건 (가스 조성, 압력, 온도) 에서 피복층을 형성하였다. 본 시험에서는, 기재측부터 순서대로, TiN(0.5), 주상조직 TiCN(4) 또는 입상조직 TiCN(4), TiBN(0.5), Al₂O₃-ZrO₂(1) 로 하고, 최외층으로서 AlN^※1(1.5) (표 18 에 있어서 시료 8-3) 을 형성하였다 (괄호 내의 수치는 막두께이다 (단위 ㎛)). 막두께는, 막형성 시간에 따라 조정하였다. 또한, 본 시험에 있어서 주상조직 TiCN 막은, 표 17 에 나타내는 바와 같이 막형성시의 압력과 막형성 온도를 변화시킴과 함께, TiCN 막의 하층에 형성한 TiN 막의 표면 조도나 가스 조건을 변화시킴으로써, 어스펙트비, 배향성 지수의 최대값을 취하는 면을 변화시켰다. 구체적으로는, 반응 가스에 CH₃CN 을 이용하여 가스 온도 920℃, 압력 6kPa 로 하고, 반응 가스인 CH₃CN 을 서서히 도입함으로써, TiCN 막의 어스펙트비를 3 이상으로 하였다. 또한, 예를 들어, TiCN 막의 배향성 지수의 최대값 TC(422) 으로 하기 위해서는, 기재의 표면 조도 Rmax (기준 길이 5㎛) 를 0.09㎛ 로 제어함과 함께, 이 기재의 외측 (기재로부터 멀어지는 측) 에 어스펙트비의 제어를 실시하면서 TiCN 막을 막형성함으로써 얻어진다. 또한, 최외층의 칼날 끝 능선 부분 근방에서 피삭재와 접촉하는 개소의 표면 조도가 공구 단면으로부터 관찰되는 방법에 의해 측정되는 기준 길이 5㎛ 에 대해서 Rmax 가 0.4㎛ 로 되도록, 모든 시료에 있어서 최외층을 형성한 후, 최외층의 표면에 연마 처리를 실시하였다. 표 21 에 TiCN 막의 조직 형태, 어스펙트비, 배향성 지수 TC 가 최대값을 나타내는 면을 나타낸다.

표 21 에 나타내는 TiCN 막을 내층에 갖는 표면 피복 엔드밀을 이용하여, 이하에 나타내는 절삭조건으로 측면 가공을 실시하고, 일정 가공 길이 (80m) 에서의 외주부의 플랭크면 마모량 (㎛) 을 측정하였다. 시험의 결과도 표 21 에 나타낸다.

엔드밀 측면 가공

피삭재:SKD11

속도:V=250m/분

1 칼날 당 이송: ft=0.05㎜

축 방향 절삭 깊이:Ad=8㎜

반경 방향 절삭 깊이:Rd=0.15㎜

절삭유:없음

가공 거리:80m

그 결과, 표 21 에 나타내는 바와 같이 내층으로서 TiCN 막을 구비하는 경우, 주상조직을 갖는 것은 내마모성이 더 우수한 것을 알 수 있다. 특히, 내층에 어스펙트비 3 이상, 배향성 지수 TC(311), TC(220), TC(422) 중 어느 한쪽이 최대값을 취하는 주상조직의 TiCN 막을 구비하는 시료 9-1∼9-3 은 건식 가공이어도, 더욱 내마모성이 우수하다는 것을 알 수 있다. 이와 같이 마모량이 감소한 것은, 윤활성이 우수한 최외층과 내층으로서 특히 내마모성이 우수한 특정한 TiCN 막을 구비하고 있기 때문이라고 생각된다.

(시험예 2-6)

시험예 2-4 에서 이용한 초경합금제 엔드밀 기재와 동일한 것을 준비하고, 절삭에 관여하는 부위의 표면에 열 CVD 법을 이용하여 표 17 에 나타내는 막형성 조건 (가스 조성, 압력, 온도) 으로 피복층을 형성하였다. 본 시험에 있어서, 주상조직 TiCN 막은 어스펙트비가 3 이상, 배향성 지수 TC(311), TC(220), TC(422) 중 어느 한쪽이 최대값을 취하도록 막형성 조건을 제어하였다. 표 22 에 피복층의 조성, 막두께, 피복층 전체의 막두께 (전체 막두께) 를 나타낸다. 또한, 표 22 에 있어서, 기재에 가까운 쪽부터 순서대로, 제 1 막, 제 2 막 … 으로 한다.

표 22 에 나타내는 피복층을 갖는 표면 피복 엔드밀을 이용하여, 이하에 나타내는 절삭조건으로 측면 가공을 실시하고, 일정 가공 길이 (100m) 에서의 마모량을 측정하였다. 본 시험에서는, 외주 칼날에 있어서의 플랭크면 마모량 (㎛) 을 측정하였다. 시험의 결과도 표 22 에 나타낸다.

엔드밀 측면 가공

피삭재:SUS304

속도:V=144m/분

1 칼날 당 이송:ft=0.03㎜

축 방향 절삭 깊이:Ad=8㎜

반경 방향 절삭 깊이:Rd=0.16㎜

절삭유:없음

가공 거리:100m

그 결과, 표 22 에 나타내는 바와 같이 특정량의 염소를 함유하는 질화계 알루미늄 막을 최외층으로 하고, 어스펙트비 3 이상, 배향성 지수 TC(311), TC(220), TC(422) 중 어느 한쪽이 최대값을 취하는 주상조직의 TiCN 막을 내층에 구비하는 시료 10-1∼10-12,10-16∼10-19,10-21 은 그 외의 시료와 비교하여, 윤활성이 우수함과 함께, 우수한 내마모성을 갖는 것을 알 수 있다.

또한, 표 22 에 나타내는 결과로부터, 최외층은 0.03㎛ 이상, 전체 막두께는 0.1㎛ 이상 24㎛ 이하가 바람직한 것을 알 수 있다. 더욱, 최외층은 내층의 합계 두께의 1/2 이하가 바람직한 것을 알 수 있다.

상기 시료 10-1∼10-21 의 모든 엔드밀을 절단하고, 최외층에 있어서, 외주 칼날의 칼날 끝 능선부 근방에서 피삭재와 접촉하는 개소의 표면 조도를 기준 길이 5㎛ 로 측정한 결과, 시료 10-21 을 제외하는 모든 엔드밀이 Rmax 로 1.3㎛ 이하로 되어 있었지만, 시료 10-21 은 Rmax 로 1.6㎛ 이었다. 그래서, 시료 10-21 의 최외층에 있어서 외주 칼날의 칼날 끝 능선부 근방에서 피삭재와 접촉하는 개소를 #1500 의 다이아몬드 페이스트로 연마하고, 동일한 방법으로 연마한 후의 표면 조도를 측정한 바, Rmax 로 0.61㎛ 로 되어 있었다. 이 연마한 엔드밀을 이용하여 동일 절삭조건에서 측면 가공을 실시한 결과, 플랭크면 마모량은 48㎛ 가 되었다. 이것은, 칼날 끝 능선부 근방에 있어서 피삭재와 접촉하는 개소의 요철이 줄어들어, 절삭 저항이 낮아졌기 때문이라고 생각된다.

(시험예 2-6')

상기 시료 10-1∼10-21 과 동일한 표면 피복 엔드밀을 제작하고, 이하의 절삭조건으로 절삭 시험을 실시하고, 소정 절삭 길이 (50m) 에 있어서의 외주 칼날의 크레이터 마모량 (폭) 을 측정하였다. 크레이터 마모 폭의 측정은, 시료 7-1∼7-23 의 표면 피복 엔드밀을 이용한 절삭 시험 (시험예 2-2') 과 동일하게 하여 실시하였다.

피삭재:S50C

속도:V=120m/분

이송:f=0.05㎜/t

절삭 깊이:Ad=10㎜ Rd=0.6㎜

절삭유:없음 (에어 블로우)

그 결과, 시료 10-1∼10-12,10-16∼10-19,10-21 은 그 외의 시료와 비교하여 크레이터 마모량이 적었다. 예를 들어, 시험예 2-2' 의 시료 7-14 의 마모 폭을 1 로 하면, 시료 10-3,10-6 은 각각 0.39, 0.42 이었다.

(시험예 2-7)

기재를 하기에 대신하여, 표 22 의 시료 10-2,10-13 과 동일한 조성의 피복층을 공지된 PVD 법으로 형성하고, 표면 피복 엔드밀을 제작하였다. 시료 10-2 와 동일한 조성의 피복층을 구비하는 엔드밀에 있어서는, 피복층을 형성한 후, 이온 주입법을 이용하여 염소를 최외층에 함유시킨 표면 피복 엔드밀을 제작하고, 시험예 2-6 과 동일한 절삭조건으로 측면 가공을 실시하였다. 모두, 피복층은, 절삭에 관여하는 부위에 형성하였다. 또한, 시료 10-2 의 피복층을 형성한 시료에는 모두, 최외층의 염소의 함유량을 0.2 원자% 로 하였다.

2 JIS 규격:P20 서멧제 φ10㎜;2 장 칼날 스퀘어형 엔드밀 기재

그 결과, 시료 10-2 의 피복층을 형성한 표면 피복 엔드밀은 모두, 윤활성이 우수함과 함께, 내마모성이 우수하고, 종래품인 시료 10-13 의 피복층을 구비하는 엔드밀과 비교하여, 2 배 이상의 공구 수명이 얻어진 것을 확인할 수 있었다.

실시예 3

이하, 드릴을 예를 들어 구체적으로 설명한다.

(시험예 3-1)

JIS K10 종 상당의 초경합금제 φ8㎜;솔리드 드릴 기재를 준비하고, 이 기재 중, 절삭에 관여하는 부위 (몸체) 의 표면에 화학적 증착법인 열 CVD 법을 이용하여 표 12 에 나타내는 막형성 조건에 의해 피복층을 형성하였다. 본 시험에서는, 기재측부터 순서대로, 내층으로서 TiN(0.5), TiCN(4), TiBN(0.5), κ-Al₂O₃(1) 을 형성하고, 최외층으로서 AlN(1.5) 를 형성하였다 (괄호 내의 수치는 막두께이다 (단위 ㎛)). 막두께는, 막형성 시간에 따라 조정하였다. 그리고, 최외층을 형성하는 AlN 막은, 표 12 에 나타내는 바와 같이 막형성 조건을 변화시킴으로써, 염소 함유량이 상이한 시료를 제작하였다. 표 23 에 최외층의 염소 함유량을 나타낸다. 구체적으로는, 최외층 중에 0 초과 0.5 원자% 이하의 염소를 함유하는 것, 동 0.5 원자% 초과의 염소를 함유하는 것, 동 염소를 함유하지 않는 것을 제작하였다. 염소의 함유량은, 표 12 에 나타내는 바와 같이 반응 가스 중 염화수소 (HCl) 의 비율을 변화시킴으로써 변화시켰다. 또한, 염화수소의 양에 의해, 적절하게 막형성시의 압력, 막형성 온도를 변화시켰다. 또한, 최외층 중에 0 초과 0.5 원자% 이하의 염소를 함유하는 시료에 있어서, 최외층의 칼날 끝 능선 부분 근방에서 피삭재와 접촉하는 개소의 표면 조도를 조사한 바, 모두 공구 단면으로부터 관찰하는 방법에 의해 측정되는 기준 길이 5㎛ 에 대해서 Rmax 가 1.3㎛ 이하였다. 구체적으로는, 예를 들어, 시료 11-2 에서는 0.6㎛ 이었다. 염소의 함유량은 XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) 로 측정하였다. 또한, 시료마다 각 막의 누프 경도를 조사한 바, 최외층인 AlN 막은 모두, 내층의 TiCN 막보다 낮았다.

시료 No.	최외층	염소 함유량 원자%
11-1	AlN ^※1	0.03
11-2	AlN ^※1	0.18
11-3	AlN ^※1	0.48
11-4	AlN ^※2	0
11-5	AlN ^※3	0.98

표 23 에 나타내는 최외층을 갖는 표면 피복 드릴을 이용하여, 표 24 에 나타내는 절삭조건으로 절삭 성능을 조사하였다. 절삭조건 Ⅲ 에서는, 공구 절손까지의 가공 구멍 수를 조사하였다. 절삭조건 Ⅳ 에서는, 구멍의 진원도를 조사하였다. 시험의 결과를 표 25 에 나타낸다.

절삭조건 Ⅲ	절삭조건 Ⅳ
드릴 구멍 뚫기 가공(관통 구멍) 피삭재: SCM440 속도: V = 70 m/분 이송: f = 0.3 ㎜/회전 절삭 깊이: 40 ㎜(L/D = 5) 절삭유: 없음(외부 에어 블로우)	드릴 구멍 뚫기 가공(막힌 구멍) 피삭제: NAK80 속도: V = 70 m/분 이송: f = 0.25 ㎜/회전, 절삭 깊이: 40 ㎜(L/D = 5) 절삭유: 수용성

시료 No.	절삭조건 Ⅲ	절삭조건 Ⅳ
시료 No.	절손까지의 뚫은 구멍 갯수	구멍 입구의 진원도 (㎛)
11-1	500 이상 (절손되지 않음)	3.5
11-2	500 이상 (절손되지 않음)	2.1
11-3	500 이상 (절손되지 않음)	2.8
11-4	285	13.8
11-5	182	15.9

그 결과, 표 25 에 나타내는 바와 같이 최외층으로서 0 초과 0.5 원자% 이하의 염소를 함유시키는 질화알루미늄 막을 구비하고, 특정 조성의 막을 내층에 구비하는 시료 11-1∼11-3 은 절삭 부스러기의 유출성이 우수함과 함께, 절삭 칼날의 손상이 작고 예리함이 장기간에 걸쳐 유지되기 때문에, 절손에 이를 때까지의 가공 수가 대폭 연장되어 있었다. 이것으로부터, 공구 수명이 연장되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 이들의 시료 11-1∼11-3 은 가공 구멍의 진원도도 높고, 고정밀도의 가공이 가능하다는 것을 알 수 있다. 또한, 이들의 시료 11-1∼11-3 은 내용착성도 우수하고, 피복층의 박리 등이 생기지 않았다.

(시험예 3-2)

시험예 3-1 에서 이용한 초경합금제 드릴 기재와 동일한 것을 준비하고, 절삭에 관여하는 부위의 표면에 열 CVD 법을 이용하여 표 12 에 나타내는 막형성 조건 (가스 조성, 압력, 온도) 에서 표 16 에 나타내는 피복층과 동일하게 형성하였다.

표 16 에 나타내는 피복층을 갖는 표면 피복 드릴을 이용하여, 이하에 나타내는 절삭조건으로 구멍 뚫기 가공을 실시하고, 공구 수명이 다할 때까지의 가공 구멍 수를 측정하였다. 공구 수명은, 선단부의 절삭 칼날의 플랭크면 마모량이 0.3㎛ 로 되었을 때, 또는 절손 등에 의해 그 이상 가공할 수 없게 되었을 때로 하였다. 시험의 결과를 표 26 에 나타낸다.

드릴 구멍 뚫기 가공 (막힌 구멍)

피삭재:S50C

속도:V=100m/분

이송:f=0.2㎜/회전

구멍 깊이:24㎜(L/D=3)

절삭유:에어 블로우

그 결과, 표 26 에 나타내는 바와 같이 특정량의 염소를 함유하는 질화계 알루미늄 막을 최외층으로 하고, 특정 조성의 막으로 이루어지는 내층을 구비하는 시료 12-1∼12-12,12-16∼12-19,12-22,12-23 은 그 외의 시료와 비교하여, 윤활성이 우수함과 함께, 우수한 내마모성을 갖는 것을 알 수 있다.

또한, 표 26 에 나타내는 결과로부터, 최외층은 0.03㎛ 이상, 전체 막두께는 0.1㎛ 이상 24㎛ 이하가 바람직한 것을 알 수 있다. 또한, 최외층은 내층의 합계 두께의 1/2 이하가 바람직한 것을 알 수 있다.

상기 시료 12-1∼12-23 의 모든 드릴을 절단하고, 최외층에 있어서, 외주 칼날의 칼날 끝 능선부 근방에서 피삭재와 접촉하는 개소의 표면 조도를 기준 길이 5㎛ 로 측정한 결과, 시료 12-22 를 제외하는 모든 드릴이 Rmax 로 1.3㎛ 이하로 되어 있었지만, 시료 12-22 는 Rmax 로 1.9㎛ 이었다. 그래서, 시료 12-22 에 대해, 시료 7-22 와 동일하게, 최외층에 있어서 외주 칼날의 칼날 끝 능선부 근방에서 피삭재와 접촉하는 개소를 #1500 의 다이아몬드 페이스트로 연마하여, 상기와 동일한 방법으로 연마 후의 표면 조도를 측정한 바, Rmax 로 0.45㎛ 로 되어 있었다. 이 연마한 드릴을 이용하여 동일 절삭조건에서 구멍 가공을 실시한 결과, 가공 수는 4500 으로 되었다. 이것은, 칼날 끝 능선부 근방에 있어서 피삭재와 접촉하는 개소의 요철이 줄어들어, 절삭 저항이 줄어들었기 때문이라고 생각된다. 또한, 시료 12-1 에 있어서와 동일하게 표면 조도를 측정한 바, Rmax 로 0.78㎛ 이었지만, 상기와 동일한 방법으로 칼날 끝을 연마하고, 재차 구멍 뚫기 가공을 실시하면, 가공 수는 5000 이 되어, 대폭으로 개선되었다.

또한, 시료 12-23 은 최외층의 막경도가 내층의 막경도보다 높아지도록 피복층을 형성하였다. 그리고, 상기 시료 12-1∼12-20,12-22,12-23 에 있어서, 피복층을 구성하는 각 막의 경도를 측정한 바, 시료 12-23 을 제외하는 모든 드릴에서 최외층의 막경도가 내층의 적어도 1 막보다 낮았지만, 시료 12-23 은 최외층의 막경도가 내층의 막경도보다 높았다. 이 때문에, 시료 12-23 은 시료 12-1∼12-12 와 비교하여 절삭 성능이 저하되었다고 생각된다.

(시험예 3-2')

상기 시료 12-1∼12-23 과 동일한 표면 피복 드릴을 제작하고, 이하의 절삭조건에서 절삭 시험을 실시하여, 소정 구멍 수 (500구멍) 에 있어서의 크레이터 마모량 (폭) 을 측정하였다. 측정 대상은, 절삭 칼날 중앙 부근에 있어서의 크레이터 마모의 폭으로 하고, 측정은, 시험예 2-2' 와 동일하게 하여 실시하였다. 그리고, 평가는 이 측정값을 기초로 시료 간의 상대 비교로써 실시하였다.

피삭재:S50C (막힌 구멍)

속도:V=70m/분

이송:f=0.25㎜/회전

구멍 깊이:40㎜(L/D=5)

절삭유:미스트 (수용성 절삭액)

그 결과, 시료 12-1∼12-12,12-16∼12-19,12-22,12-23 은 그 외의 시료와 비교하여 크레이터 마모량이 적었다. 예를 들어, 시료 12-14 의 마모 폭을 1 로 하면, 시료 12-3,12-9 는 각각 0.32, 0.38 이었다.

(시험예 3-2")

상기 시험에서는, 건식 가공으로 실시하였지만, 시료 12-1∼12-23 과 동일한 드릴을 준비하고, 절삭조건 중, 구멍 깊이를 40㎜ (L/D=5), 절삭유:에어 블로우를 습식 가공, 미스트 가공으로 변경하여 구멍 뚫기 가공을 실시하여, 상기와 동일하게 가공 구멍 수를 측정하였다. 그 결과, 특정량의 염소를 함유하는 질화계 알루미늄 막을 최외층으로 하고, 특정 조성의 막으로 이루어지는 내층을 구비하는 시료는, 윤활성 및 내마모성이 우수하고, 수명이 길었다.

(시험예 3-3)

기재를 하기에 대신하여, 표 16 의 시료 7-2,7-13 과 동일한 조성의 피복층을 공지된 PVD 법으로 형성하고, 표면 피복 드릴을 제작하였다. 시료 7-2 와 동일한 조성의 피복층을 구비하는 드릴에 있어서는, 피복층을 형성한 후, 이온 주입법을 이용하여 염소를 최외층에 함유시킨 표면 피복 드릴을 제작하고, 시험예 3-2 와 동일한 절삭조건 (건식 가공) 으로 구멍 뚫기 가공 (막힌 구멍) 을 실시하였다. 모두, 피복층은, 절삭에 관여하는 부위에 형성하였다. 또한, 시료 7-2 의 피복층을 형성한 시료에는, 최외층의 염소의 함유량을 0.2 원자% 로 하였다.

1 고속도 공구 강제 드릴 기재 (솔리드 타입)

그 결과, 시료 7-2 의 피복층을 구비하는 표면 피복 드릴은, 윤활성이 우수함과 함께, 내마모성이 우수하고, 종래품인 시료 7-13 의 피복층을 구비하는 드릴과 비교하여, 3 배 이상의 공구 수명이 얻어진 것을 확인할 수 있었다.

(시험예 3-4)

JIS K10 종 상당의 초경합금제 φ8㎜:솔리드드릴 기재를 준비하고, 이 기재 중, 절삭에 관여하는 부위 (몸체) 의 표면에 화학적 증착법인 열 CVD 법을 이용하여 표 17 에 나타내는 막형성 조건에 의해 피복층을 형성하였다. 본 시험에서는, 기재측부터 순서대로, 내층으로서 TiN(0.5), 주상조직 TiCN(4), TiBN(0.5), κ-Al₂O₃(1) 을 형성하고, 최외층으로서 AlN(1.5) 를 형성하였다 (괄호 내의 수치는 막두께이다 (단위 ㎛)). 막두께는, 막형성 시간에 따라 조정하였다. 또한, 본 시험에 있어서 TiCN 막은, 어스펙트비가 4.2 인 주상조직을 갖고, 배향성 지수 TC 중 (311) 면이 최대값이 되도록 막형성시켰다. 구체적으로는, 반응 가스에 CH₃CN 을 이용하고, 온도:900℃, 압력:8kPa 로 함과 함께, TiCN 막의 하층에 형성한 TiN 막의 표면 조도 Rmax (기준 길이 5㎛) 가 0.1㎛ 정도가 되도록 TiN 막의 막형성 조건 (가스 조성, 압력, 온도) 을 정하였다. 그리고, 최외층을 형성하는 AlN 막은, 표 17 에 나타내는 바와 같이 막형성 조건을 변화시킴으로써, 염소 함유량이 상이한 시료를 제작하였다. 표 27 에 최외층의 염소 함유량을 나타낸다. 구체적으로는, 최외층 중에 0 초과 0.5 원자% 이하의 염소를 함유하는 것, 동 0.5 원자% 초과의 염소를 함유하는 것, 동 염소를 함유하지 않는 것을 제작하였다. 염소의 함유량은, 표 17 에 나타내는 바와 같이 반응 가스 중 염화수소 (HCl) 의 비율을 변화시킴으로써 변화시켰다. 또한, 염화수소의 양에 의해, 적절하게 막형성시의 압력, 막형성 온도를 변화시켰다. 또한, 최외층 중에 0 초과 0.5 원자% 이하의 염소를 함유하는 시료에 있어서, 최외층의 칼날 끝 능선 부분 근방에서 피삭재와 접촉하는 개소의 표면 조도를 조사한 바, 모두 공구 단면으로부터 관찰하는 방법에 의해 측정되는 기준 길이 5㎛ 에 대해서 Rmax 가 1.3㎛ 이하였다. 구체적으로는, 예를 들어, 시료 13-2 에서는 0.6㎛ 이었다. 염소의 함유량은 XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) 로 측정하였다.

시료 No.	최외층	염소 함유량 원자%
13-1	AlN ^※1	0.03
13-2	AlN ^※1	0.18
13-3	AlN ^※1	0.48
13-4	AlN ^※2	0
13-5	AlN ^※3	0.98

표 27 에 나타내는 최외층을 갖는 표면 피복 드릴을 이용하여, 표 28 에 나타내는 절삭조건으로 절삭 성능을 조사하였다. 절삭조건 Ⅲ 에서는, 공구 절손까지의 가공 구멍 수를 조사하였다. 절삭조건 Ⅳ 에서는, 구멍의 진원도를 조사하였다. 시험의 결과를 표 29 에 나타낸다.

절삭조건 Ⅲ	절삭조건 Ⅳ
드릴 구멍 뚫기 가공(관통 구멍) 피삭재: SCM440 속도: V = 70 m/분 이송: f = 0.3 ㎜/회전 절삭 깊이: 40 ㎜(L/D = 5) 절삭유: 없음(외부 에어 블로우)	드릴 구멍 뚫기 가공(막힌 구멍) 피삭제: NAK80 속도: V = 70 m/분 이송: f = 0.25 ㎜/회전 절삭 깊이: 40 ㎜(L/D = 5) 절삭유: 수용성

시료 No.	절삭조건 Ⅲ	절삭조건 Ⅳ
시료 No.	절손까지의 뚫은 구멍 갯수	구멍 입구의 진원도 (㎛)
13-1	500 이상 (절손되지 않음)	3.8
13-2	500 이상 (절손되지 않음)	1.9
13-3	500 이상 (절손되지 않음)	3.1
13-4	312	15.3
13-5	250	12.1

그 결과, 표 29 에 나타내는 바와 같이 최외층으로서, 0 초과 0.5 원자% 이하의 염소를 함유하는 질화알루미늄 막을 구비하고, 내층에 특정한 TiCN 막을 구비하는 시료 13-1∼13-3 은, 절삭 부스러기의 유출성이 우수함과 함께, 절삭 칼날의 손상이 작고 예리함이 장기간에 걸쳐 유지되기 때문에, 절손에 이를 때까지의 가공 수가 대폭 연장되어 있었다. 이것으로부터, 공구 수명이 연장되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 이들의 시료 13-1∼13-3 은, 가공 구멍의 진원도도 높고, 고정밀도인 가공이 가능하다는 것을 알 수있다. 또한, 이들의 시료 13-1∼13-3 은 내용착성도 우수하여, 피복층의 박리 등이 생기지 않았다.

(시험예 3-5)

시험예 3-4 에서 이용한 초경합금제 드릴 기재와 동일한 것을 준비하고, 절삭에 관여하는 부위의 표면에 열 CVD 법을 이용하여 표 17 에 나타내는 막형성 조건 (가스 조성, 압력, 온도) 에서 피복층을 형성하였다. 본 시험에서는, 기재측부터 순서대로, TiN(0.5), 주상조직 TiCN(4) 또는 입상조직 TiCN(4), TiBN(0.5), Al₂O₃-ZrO₂(1) 로 하고, 최외층으로서 AlN^※1(1.5) (표 18 에 있어서 시료 8-3 과 동일) 를 형성하였다 (괄호 내의 수치는 막두께이다 (단위 ㎛)). 막두께는, 막형성 시간에 따라 조정하였다. 또한, 본 시험에 있어서 주상조직 TiCN 막은, 표 17 에 나타내는 바와 같이 막형성시의 압력과 막형성 온도를 변화시킴과 함께, TiCN 막의 하층에 형성한 TiN 막의 표면 조도나 가스 조건을 변화시킴으로써, 어스펙트비, 배향성 지수의 최대값을 취하는 면을 변화시켰다. 구체적으로는, 반응 가스에 CH₃CN 을 이용하고, 가스 온도 920℃, 압력 6kPa 로 하여, 반응 가스인 CH₃CN 을 서서히 도입함으로써, TiCN 막의 어스펙트비를 3 이상으로 하였다. 또한, 예를 들어, TiCN 막의 배향성 지수의 최대값 TC(422) 으로 하기 위해서는, 기재의 표면 조도 Rmax (기준 길이) 를 0.09㎛ 로 제어함과 함께, 이 기재의 외측 (기재로부터 멀어지는 측) 에 어스펙트비의 제어를 실시하면서 TiCN 막을 막형성함으로써 얻어진다. 또한, 최외층의 칼날 끝 능선 부분 근방에서 피삭재와 접촉하는 개소의 표면 조도가 공구 단면으로부터 관찰되는 방법에 의해 측정되는 기준 길이 5㎛ 에 대해서 Rmax 가 0.4㎛ 로 되도록, 모든 시료에 있어서, 최외층을 형성한 후, 최외층의 표면에 연마 처리를 실시하였다. 표 30 에 TiCN 막의 조직 형태, 어스펙트비, 배향성 지수 TC 가 최대값을 나타내는 면을 나타낸다.

표 30 에 나타내는 TiCN 막을 내층에 갖는 표면 피복 드릴을 이용하여, 이하에 나타내는 절삭조건으로 구멍 뚫기 가공을 실시하고, 공구 수명이 다할 때까지의 가공 구멍 수를 측정하였다. 공구 수명은, 선단부의 절삭 칼날의 플랭크면 마모량이 0.3㎛ 로 되었을 때, 또는 절손 등에 의해 그 이상 가공을 할 수 없게 되었을 때로 하였다. 시험의 결과도 표 30 에 나타낸다.

드릴 구멍 뚫기 가공 (관통 구멍)

피삭재:S50C

속도:V=80m/분

이송:f=0.2㎜/회전

구멍 깊이:40㎜ (L/D=5)

절삭유:미스트 (수용성 절삭액)

그 결과, 표 30 에 나타내는 바와 같이 내층으로서 TiCN 막을 구비하는 경우, 주상조직을 갖는 것은, 내마모성에 의해 우수한 것을 알 수 있다. 특히, 내층에 어스펙트비 3 이상, 배향성 지수 TC(311), TC(220), TC(422) 중 어느 한쪽이 최대값을 취하는 주상조직의 TiCN 막을 구비하는 시료 14-1∼14-3 은, 내마모성, 내절손성이 우수하고, 공구 수명이 길어지고 있는 것을 알 수 있다. 이와 같이 공구 수명이 길어진 것은, 윤활성이 우수한 최외층과 내층으로서 특히 내마모성이 우수한 특정한 TiCN 막을 구비하고 있기 때문이라고 생각된다.

(시험예 3-6)

시험예 3-4 에서 이용한 초경합금제 드릴 기재와 동일한 것을 준비하고, 절삭에 관여하는 부위의 표면에 열 CVD 법을 이용하여 표 17 에 나타내는 막형성 조건 (가스 조성, 압력, 온도) 에서 표 22 에 나타내는 피복층과 동일하게 형성하였다. 본 시험도 시험예 2-6 과 동일하게, 주상조직 TiCN 막은 어스펙트비가 3 이상, 배향성 지수 TC(311), TC(220), TC(422) 중 어느 한쪽이 최대값을 취하도록 막형성 조건을 제어하였다.

표 22 에 나타내는 피복층을 갖는 표면 피복 드릴을 이용하여, 이하에 나타내는 절삭조건으로 구멍 뚫기 가공을 실시하고, 공구 수명이 다할 때까지의 가공 구멍 수를 측정하였다. 공구 수명은 선단부의 절삭 칼날의 플랭크면 마모량이 0.3㎛ 로 되었을 때, 또는 절손 등에 의해 그 이상 가공을 할 수 없게 되었을 때로 하였다. 시험의 결과를 표 31 에 나타낸다.

드릴 구멍 뚫기 가공 (막힌 구멍)

피삭재:S50C

속도:V=120m/분

이송:f=0.2㎜/회전

구멍 깊이:24㎜ (L/D=3)

절삭유:에어 블로우

그 결과, 표 31 에 나타내는 바와 같이 특정량의 염소를 함유하는 질화계 알루미늄 막을 최외층으로 하고, 어스펙트비 3 이상, 배향성 지수 TC(311), TC(220), TC(422) 중 어느 한쪽이 최대값을 취하는 주상조직의 TiCN 막을 내층에 구비하는 시료 15-1∼15-12,15-16∼15-19,15-21 은, 종래품에 해당하는 시료 15-13∼15-15,15-20 과 비교하여 윤활성이 우수함과 함께, 우수한 내마모성을 갖는 것을 알 수 있다.

또한, 표 31 에 나타내는 결과로부터, 최외층은 0.03㎛ 이상, 전체 막두께는 0.1㎛ 이상 24㎛ 이하가 바람직한 것을 알 수 있다. 또한, 최외층은, 내층의 합계 두께의 1/2 이하가 바람직한 것을 알 수 있다.

상기 시료 15-1∼15-21 의 모든 드릴을 절단하고, 최외층에 있어서, 외주 칼날의 칼날 끝 능선부 근방에서 피삭재와 접촉하는 개소의 표면 조도를 기준 길이 5㎛ 로 측정한 결과, 시료 15-21 을 제외한 모든 드릴이 Rmax 로 1.3㎛ 이하로 되고 있었지만, 시료 15-21 은 Rmax 로 2.0㎛ 이었다. 그래서, 시료 15-21 에 대해, 시료 10-21 과 동일하게, 최외층에 있어서 외주 칼날의 칼날 끝 능선부 근방에서 피삭재와 접촉하는 개소를 #1500 의 다이아몬드 페이스트로 연마하여, 상기와 동일한 방법으로 연마 후의 표면 조도를 측정한 바, Rmax 로 0.52㎛ 로 되어 있었다. 이 연마한 드릴을 이용하여 동일한 절삭조건으로 구멍 뚫기 가공을 실시한 결과, 가공 수는 4000 이 되었다. 이것은, 칼날 끝 능선부 근방에 있어서 피삭재와 접촉하는 개소의 요철이 줄어들어, 절삭 저항이 낮아졌기 때문이라고 생각된다.

(시험예 3-6')

상기 시료 15-1∼15-21 과 동일한 표면 피복 드릴을 제작하고, 이하의 절삭조건에서 절삭 시험을 실시하여, 소정 구멍 수 (500 구멍) 에 있어서의 절삭 칼날 중앙 부근에서의 크레이터 마모량 (폭) 을 측정하였다. 크레이터 마모 폭의 측정은, 시료 12-1∼12-23 의 표면 피복 드릴을 이용한 절삭 시험 (시험예 3-2') 과 동일하게 하여 실시하였다.

피삭재:S50C (막힌 구멍)

속도:V=100m/분

이송:f=0.25㎜/회전

구멍 깊이:40㎜ (L/D=5)

절삭유:미스트 (수용성 절삭액)

그 결과, 시료 15-1∼15-12,15-16∼15-19,15-21 은, 그 외의 시료와 비교하여 크레이터 마모량이 적었다. 예를 들어, 시험예 3-2' 의 시료 12-14 의 마모 폭을 1 로 하면, 시료 15-3,15-9 는 각각 0.29, 0.35 이었다.

(시험예 3-6")

상기 시험에서는, 건식 가공으로 실시하였지만, 시료 15-1∼15-21 과 동일한 드릴을 준비하고, 절삭조건 중, 구멍 깊이를 40㎜ (L/D=5), 절삭유:에어 블로우를 습식 가공, 미스트 가공으로 바꾸어 구멍 뚫기 가공을 실시하고, 상기와 동일하게 가공 구멍 수를 측정하였다. 그 결과, 특정량의 염소를 함유하는 질화계 알루미늄 막을 최외층으로 하고, 어스펙트비 3 이상, 배향성 지수 TC(311), TC(220), TC(422) 중 어느 한쪽이 최대값을 취하는 주상조직의 TiCN 막을 내층에 구비하는 시료는 윤활성 및 내마모성이 우수하고, 수명이 길었다.

(시험예 3-7)

기재를 하기에 대신하여, 표 22 의 시료 10-2,10-13 과 동일한 조성의 피복층을 공지된 PVD 법으로 형성하고, 표면 피복 드릴을 제작하였다. 시료 10-2 와 동일한 조성의 피복층을 구비하는 드릴에 있어서는, 피복층을 형성한 후, 이온 주입법을 이용하여 염소를 최외층에 함유시킨 표면 피복 드릴을 제작하고, 시험예 3-6 과 동일한 절삭조건 (건식 가공) 에서 구멍 뚫기 가공 (막힌 구멍) 을 실시하였다. 모두, 피복층은, 절삭에 관여하는 부위에 형성하였다. 또한, 시료 10-2 의 피복층을 형성한 시료에는 최외층의 염소의 함유량을 0.2 원자%로 하였다.

1 고속도 공구 강제 드릴 기재 (솔리드 타입)

그 결과, 시료 10-2 의 피복층을 구비하는 표면 피복 드릴은, 윤활성이 우수함과 함께, 내마모성이 우수하고, 종래품인 시료 10-13 의 피복층을 구비하는 드릴과 비교하여, 3 배 이상의 공구 수명이 얻어진 것을 확인할 수 있었다.

본 발명 표면 피복 절삭 공구는, 절삭유를 사용하지 않는 건식 가공이나 미스트 가공, 단속 절삭 등이라는 칼날 끝이 고온이 되는 가공, 깊은 구멍 뚫기 가공이나 고용착 피삭재의 가공이라는 가공 조건이 어려운 절삭에 적합하다. 또한, 본 발명 표면 피복 절삭 공구는, 용착이 생기기 쉬운 조건 등으로 강재 등의 절삭에 적합하다.

도 1 의 (A) 는 엔드밀의 개략을 나타내는 정면도, 도 1 의 (B) 는 드릴의 개략을 나타내는 정면도이다.

* 도면부호의 설명 *

1 바닥 칼날 2 외주 칼날

3 홈부 4 몸체

5 섕크 6 선단부

7 홈부 8 몸체

9 섕크

Claims

기재 표면에 피복층을 구비하는 표면 피복 절삭 공구에 있어서,

상기 피복층은, 기재 상에 형성되는 내층과, 이 내층 상에 형성되는 최외층으로 이루어지고,

상기 내층은,

주기율표 IVa, Va, VIa 족 금속, Al, Si, B 에서 선택되는 1 종 이상의 제 1 원소와, B, C, N, O 에서 선택되는 1 종 이상의 제 2 원소로 이루어지는 화합물로 이루어지고, 단, 내층에 있어서, B 만으로 이루어지는 막은 제외하며,

상기 최외층은, 반응 가스에 HCl 을 사용한 열 CVD 법에 의해 형성되고,

질화알루미늄 또는 탄질화알루미늄으로 이루어지고, 최외층 중에 염소를 0 초과 0.5 원자% 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서, 최외층은, 산소를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서, 내층에는, Ti 를 함유하는 화합물로 이루어지는 막을 구비하는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제 3 항에 있어서, 내층에는, 주상조직을 갖는 TiCN 으로 이루어지는 막을 구비하는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제 4 항에 있어서, TiCN 으로 이루어지는 막은, 어스펙트비 3 이상의 주상조직을 갖고, 결정의 (220) 면, (311) 면, (422) 면의 각 배향성 지수 TC(220), TC(311), TC(422) 중 어느 한쪽이 배향성 지수의 최대값을 취하는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서, 최외층의 막두께는, 내층의 합계 막두께의 1/2 이하인 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서, 최외층의 막경도는, 내층을 구성하는 적어도 하나의 막의 경도보다 낮은 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서, 최외층에 있어서, 칼날 끝 능선 부분에서 피삭재와 접촉하는 개소의 표면 조도가, 절삭 공구 단면으로부터 관찰하는 방법으로 측정했을 때, 기준 길이 5㎛ 에 대해서 Rmax 가 1.3㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서, 기재는, WC 기 초경합금, 서멧, 고속도강, 세라믹스, 입방정형 질화 붕소 소결체, 및 질화 규소 소결체 중 어느 하나로 구성되는 것을 특 징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 표면 피복 절삭 공구는, 스로우 어웨이 팁, 드릴, 엔드밀 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,

표면 피복 절삭 공구는 스로우 어웨이 팁이며,

최외층의 막두께는 0.03㎛ 이상 10㎛ 이하, 피복층 전체의 막두께는 0.1㎛ 이상 30㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,

표면 피복 절삭 공구는 드릴 또는 엔드밀이며,

최외층의 막두께는 0.03㎛ 이상 8㎛ 이하, 피복층 전체의 막두께는 0.1㎛ 이상 24㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.