KR101255430B1

KR101255430B1 - 표면 피복 절삭 공구

Info

Publication number: KR101255430B1
Application number: KR1020107006138A
Authority: KR
Inventors: 히데키 모리구치; 마코토 세토야마; 미키 미야나가; 준야 오키다; 사치코 고이케; 다이지 다바야시
Original assignee: 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤; 스미토모덴키고교가부시키가이샤
Priority date: 2008-04-30
Filing date: 2009-04-24
Publication date: 2013-04-17
Also published as: JP5297388B2; CN101842179B; EP2269752A4; KR20110005230A; CN101842179A; JPWO2009133814A1; US20100260561A1; WO2009133814A1; EP2269752A1; US8389108B2; EP2269752B1

Abstract

본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 기재(基材)와, 상기 기재 상에 형성되는 피복층을 포함하는 것으로서, 상기 피복층은 10 ㎛ 이상의 두께를 갖는 물리 증착층이고, 상기 피복층의 표면으로부터 1 ㎛의 두께를 갖는 표면 영역은, 적산 잔류 응력이 압축 응력이 되는 제1 영역과 적산 잔류 응력이 인장 응력이 되는 제2 영역을 가지며, 상기 표면 영역의 적산 잔류 응력은, 그 표면 영역에 포함되는 어느 영역에서도 -1.5 ㎬ 이상 1.5 ㎬ 이하의 범위 내에 있는 것을 특징으로 한다.

Description

표면 피복 절삭 공구{SURFACE COATED CUTTING TOOL}

본 발명은 기재(基材)와 상기 기재 상에 형성되는 피복층을 포함하는 표면 피복 절삭 공구에 관한 것이다.

각종 절삭 공구가 금속 재료의 절삭 가공에 널리 사용되고 있다. 예컨대, CVD(화학 증착) 공구, PVD(물리 증착) 공구, 서멧 공구, 초경 공구, 세라믹 공구가 있고, 용도에 따라 사용되고 있다. 이 중, CVD 공구란, 기재 상에 CVD법에 따른 피복층(세라믹 코팅)이 형성된 공구이고, PVD 공구란, 기재 상에 PVD법에 따른 피복층(세라믹 코팅)이 형성된 공구이며, 한편 서멧 공구, 초경 공구, 세라믹 공구란, 이러한 피복층을 갖지 않는 공구로 분류할 수 있다.

최근, 절삭 속도의 고속화에 따라, CVD 공구나 PVD 공구의 사용 비율이 증가하고 있다. CVD 공구는, 일반적으로 내박리성이 우수하며, 내열성이 우수한 알루미나막을 형성할 수 있기 때문에, 강철의 선삭 공구 용도로 주로 사용되고 있다. 또한, PVD 공구는 피복층 중에 압축 잔류 응력을 갖기 때문에, 내결손성이 우수하여 기계적 충격이 큰 프레이즈 용도로 주로 사용되고 있다.

최근, 절삭 가공 업계에서는, 시간당 생산성을 높이기 위해, 고속·고능률 가공에 대한 요구가 높아지고 있고, CVD 공구의 후막화(즉, 두꺼운 피복층을 형성하는 일)가 진행되고 있다. 그러나, CVD 공구에서는 기재와 알루미나막이나 TiCN막 등의 피복층과의 열팽창 계수차에 기인하여, 15 ㎛ 정도로 후막화하면 막 중에 큰 인장 잔류 응력이 발생하여 막 강도가 저하하며, 막의 면 거칠기가 커져 막의 내박리성이 저하한다고 하는 문제가 생기고 있었다. 이 때문에, CVD법에 따라 피복층을 형성한 후에, 이 피복층에 대하여 블러스트 처리를 시행하거나, 연마 처리를 시행하는 등의 표면 처리 기술이 실시되고 있다[일본 특허 공개 평성 제05-116003호 공보(특허문헌 1)]. 그러나, CVD법에 따라 형성한 피복층 전체의 인장 잔류 응력을 해방하는 것은 어렵고, 15 ㎛ 이상의 피복층을 형성한 후막 CVD 공구의 내결손성을 안정시키는 것은 곤란하였다.

이에 대하여, PVD 공구는 PVD법에 따라 형성된 피복층 중에 압축 잔류 응력을 부여할 수 있기 때문에, 선삭 가공이라도 단속 절삭 등의 기계적 충격이 심한 용도에서 우수한 절삭 성능을 기대할 수 있다. 이 때문에, 피복층 중의 압축 잔류 응력의 분포를 조정하고, 내마모성과 치핑에 대한 내성을 향상시킨 절삭 공구가 제안되어 있다[일본 특허 공개 제2006-082218호 공보(특허문헌 2)]. 그러나, 이 제안에서는 피복층이 큰 압축 잔류 응력을 갖기 때문에, 10 ㎛ 이상의 두께를 갖는 피복층을 막 파괴 없이 형성하는 것은 곤란하였다. 이 때문에, PVD법에 따라 형성된 피복층을 특정 배향성을 갖는 것으로 하고, 10 ㎛ 정도의 막 두께로 한 PVD 공구가 제안되어 있다[일본 특허 공개 평성 제09-323204호 공보(특허문헌 3)]. 그러나, 이 제안에서는 피복층이 특정 조성 및 특정 결정 방위를 갖는 것에만 한정되기 때문에 응용 범위가 제한되며, 상기 피복층을 막 파괴 없이 형성할 수 있었다고 해도 절삭 가공 시의 충격으로 피복층이 압축 파괴된다고 하는 현상을 충분히 억제할 수 없고, 이 때문에 공구 수명을 더 연장시키는 것이 요구되고 있었다. 특히 15 ㎛ 이상의 두께를 갖는 피복층을 형성한 CVD 공구에 대하여, 내마모성의 점에서 우위성을 갖는 후막 PVD 공구의 개발이 요구되고 있었다.

특허문헌 1: 일본 특허 공개 평성 제05-116003호 공보 특허문헌 2: 일본 특허 공개 제2006-082218호 공보 특허문헌 3: 일본 특허 공개 평성 제09-323204호 공보

본 발명은 상기와 같은 현상을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 두꺼운 피복층을 PVD법으로 형성함으로써 우수한 내마모성을 가지며, 상기 피복층의 형성 시에 피복층이 파괴되거나 절삭 가공 시에 피복층이 파괴되거나 하는 것을 저감한 표면 피복 절삭 공구를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 기재와, 상기 기재 상에 형성되는 피복층을 포함하는 것으로서, 상기 피복층은 10 ㎛ 이상의 두께를 갖는 물리 증착층이고, 상기 피복층의 표면으로부터 1 ㎛의 두께를 갖는 표면 영역은, 적산 잔류 응력이 압축 응력이 되는 제1 영역과 적산 잔류 응력이 인장 응력이 되는 제2 영역을 가지며, 상기 표면 영역의 적산 잔류 응력은, 그 표면 영역에 포함되는 어느 영역에서도 -1.5 ㎬ 이상 1.5 ㎬ 이하의 범위 내에 있는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 피복층 전체의 적산 잔류 응력은 -1 ㎬ 이상 0 ㎬ 미만인 것이 바람직하고, 상기 제2 영역의 적산 잔류 응력은 1 ㎬ 이하인 것이 바람직하다.

또한, 상기 피복층은 15 ㎛ 이상의 두께를 갖는 것이 바람직하고, 20 ㎛ 이상의 두께를 갖는 것이 보다 바람직하다.

또한, 상기 피복층은 1 이상의 층을 포함하고, 그 중 적어도 1층은, 구성 성분으로서 적어도 Ti를 포함하는 질화물, 탄질화물, 질산화물, 및 탄질산화물 중 어느 하나의 화합물에 의해 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 피복층은 적어도 일부에 초다층 구조를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 기재는 초경합금으로 이루어지고, 상기 초경합금은 WC 결정립을 포함하며, 상기 결정립의 평균 입경은 0.3 ㎛ 이상 2.5 ㎛ 이하인 것이 바람직하다.

또한, 상기 기재와 상기 피복층의 계면 영역에서, 상기 피복층에 포함되는 결정립은, 상기 기재에 포함되는 WC 결정립과 정합성을 가지고 있는 것이 바람직하다.

이상과 같은 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는 선삭용으로 적합하게 이용할 수 있다.

본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 상기와 같은 구성을 가짐으로써, 우수한 내마모성을 가지며, 피복층의 형성 시에 피복층이 파괴되거나 절삭 가공 시에 피복층이 파괴되거나 하는 것을 저감한 것이다.

도 1은 본 발명의 피복층의 표면 영역의 적산 잔류 응력의 일례를 그래프화한 것이다.
도 2는 종래의 피복층의 표면 영역의 적산 잔류 응력의 일례를 그래프화한 것이다.

이하, 본 발명에 대해서 더 상세하게 설명한다.

<표면 피복 절삭 공구>

본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 기재와, 상기 기재 상에 형성되는 피복층을 구비하는 것이다. 이러한 구성을 갖는 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 예컨대 드릴, 엔드밀, 프레이즈 가공용 또는 선삭 가공용 날끝 교환형 절삭 팁, 메탈 소(saw), 기어 절삭 공구, 리머, 탭, 또는 크랭크 샤프트의 핀밀링 가공용 팁 등으로서 매우 유용하게 이용할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 각종 용도에 이용할 수 있는 것이지만, 특히 종래에서 CVD 공구가 주로 이용되고 있던 선삭용의 용도로 적합하게 이용할 수 있다. 즉, 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 이러한 선삭용 용도에서, 종래의 후막 CVD 공구를 대체하는 것이며, 후막 CVD 공구에 비하여 공구 수명이 연장된 것이기 때문에, 고속·고능률 가공에 매우 유효하게 사용할 수 있는 것이다.

<기재>

본 발명의 표면 피복 절삭 공구의 기재로서는, 이러한 절삭 공구의 기재로서 알려진 종래 공지의 것을 특별히 한정 없이 사용할 수 있다. 예컨대, 초경합금(예컨대 WC기 초경합금, WC 외에, Co를 포함하거나, 혹은 Ti, Ta, Nb 등의 탄질화물 등을 더 첨가한 것도 포함), 서멧(TiC, TiN, TiCN 등을 주성분으로 하는 것), 고속도강, 세라믹스(탄화티탄, 탄화규소, 질화규소, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 및 이들의 혼합체 등), 입방정형 질화붕소 소결체, 다이아몬드 소결체 등을 이러한 기재의 예로서 들 수 있다.

그리고, 본 발명의 기재로서 특히 바람직하게는 초경합금을 들 수 있고, WC 결정립을 포함하며, 상기 결정립의 평균 입경이 0.3 ㎛ 이상 2.5 ㎛ 이하가 되는 초경합금을 특히 적합하게 이용할 수 있다. 상기 평균 입경은 보다 바람직하게는 0.4 ㎛ 이상 2 ㎛ 이하, 더 바람직하게는 0.5 ㎛ 이상 1.5 ㎛ 이하이다.

통상, 강철 선삭용 CVD 공구의 기재로서 이용되는 초경합금에 포함되는 WC 결정립의 평균 입경은 3 ㎛∼5 ㎛이다. CVD법에 따라 형성되는 피복층은 인장 잔류 응력을 갖기 때문에, 제조 공정에서 그 피복층 중에 균열이 도입되어 있고, 피복층의 두께만큼 미리 균열이 도입된 상태로 되어 있다. 이 때문에, WC 결정립의 입도를 상기한 바와 같이 3 ㎛∼5 ㎛로 크게 하여 균열 진전 저항을 높이고 있다. 이에 대하여, 본 발명과 같이 PVD법으로 피복한 피복층에는 균열은 원칙적으로 존재하지 않기 때문에, 균열 진전 저항을 높여 둘 필요성은 작고, 반대로 그 평균 입경을 0.3 ㎛∼2.5 ㎛의 범위로 함으로써, 기재의 경도를 높게 할 수 있어 내마모성을 향상시킬 수 있는 것 외에, 강도도 커지며, 우수한 내결손성을 기대할 수 있다. 또한, WC 결정립의 평균 입경을 이 범위로 함으로써 후술하는 바와 같이 기재와 피복층의 계면에서 피복층을 형성하는 결정립을 WC 결정립과 정합하여 성장시킬 수 있고, 이에 따라 피복층이 미립화하여 초경 기재와의 밀착력을 향상시킬 수 있다. 이 때문에, 절삭 공구로서 우수한 내박리성을 실현할 수 있다. 이러한 WC 결정립의 평균 입경은, 주사형 전자 현미경이나 결정 방위 해석 장치를 이용하여 기재 표면(피복층과의 계면 영역) 중의 소정의 길이를 갖는 임의의 선분(이 선분은 기재 표면에 평행한 위치 관계를 갖는 것으로 함) 상에 존재하는 WC 결정립의 개수를 측정함으로써, 그 소정 길이 중에 존재하는 WC 결정립의 길이를 그 개수로 나눔으로써 구하는 것으로 한다. 그 측정되는 선분의 소정 길이는, 2 ㎛∼100 ㎛ 정도로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 5 ㎛∼50 ㎛ 정도로 하는 것이 적합하다. 그 이유는, 오차를 배제하고, 기재 전체의 수치를 대표하는데 충분한 것이라고 생각되기 때문이다.

또한, 이러한 평균 입경의 WC 결정립을 포함하는 초경합금은, 원료로서 각각 평균 입경 0.1 ㎛∼2.5 ㎛의 WC 분말, Co 분말, 및 이들 양자에 더하여 필요에 따라 Cr₃C₂ 분말, VC 분말, NbC 분말, TiC 분말, 및 TaC 분말 등에서 선택되는 적어도 1종의 분말을, 소정의 배합비로 에탄올 중에서 분쇄 혼합하고, 그 혼합 분말을 건조 후 프레스 성형하며, 그 성형체를 진공 중 1400℃ 전후의 고온에서 소결함으로써 제조할 수 있다.

이와 같이 기재로서 초경합금을 사용하는 경우, 그와 같은 초경합금은, 조직 중에 유리탄소나 η상으로 불리는 이상상(異常相)을 포함하고 있어도 본 발명의 효과는 나타난다.

또한, 본 발명에서 이용하는 기재는, 그 표면이 개질된 것이어도 지장이 없다. 예컨대, 초경합금의 경우는 그 표면에 탈β층이 형성되어 있거나, 서멧의 경우에는 표면 경화층이 형성되어 있어도 좋고, 이와 같이 표면이 개질되어 있어도 본 발명의 효과는 나타난다.

<피복층>

본 발명의 표면 피복 절삭 공구에서 기재 상에 형성되는 피복층은, 10 ㎛ 이상의 두께를 갖는 물리 증착층이다. 여기서, 물리 증착층이란, PVD(물리 증착)법에 따라 형성되는 피막을 말한다. 본 발명에서 이용되는 PVD법으로서는, 종래 공지의 PVD법을 특별히 한정하는 일 없이 이용할 수 있다. 이러한 PVD법으로서는, 예컨대 스퍼터링법, 아크이온플레이팅법, 증착법 등을 들 수 있다. 특히, 아크이온플레이팅법 또는 마그네트론스퍼터링법을 채용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 피복층은 10 ㎛ 이상의 두께를 갖는 것을 특징으로 한다. 이와 같이 10 ㎛ 이상의 두께로 함으로써 내마모성이 향상되어, 공구 수명을 대폭 연장하는 것이 가능해졌다. 본 발명의 물리 증착층에서 이와 같이 10 ㎛ 이상이라고 하는 두꺼운 두께를 얻을 수 있는 것은, 후술하는 바와 같이 적산 잔류 응력을 제어하였기 때문이다.

본 발명의 피복층의 두께는, 15 ㎛ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하고, 20 ㎛ 이상으로 하는 것이 더 바람직하다. 이에 따라, 공구 수명을 더 연장할 수 있으며, 내결손성도 우수한 것으로 할 수 있다. 이러한 두께를 갖는 CVD법에 따른 피복층은, 인장 응력의 해방이 곤란하여 내결손성이 저하하기 때문에 본 발명의 피복층이 우위성을 가지고 있는 것은 분명하다.

또한, 본 발명에서, 피복층의 두께란, 날끝부에서의 피복층의 두께를 말하며, 예컨대 표면 피복 절삭 공구의 기재 상에 형성된 피복층의 두께 중, 경사면(rake face)의 날끝부에서의 피복층의 두께를 말한다.

<적산 잔류 응력>

본 발명에서는, 피복층의 표면으로부터 1 ㎛의 두께를 갖는 영역(즉 표면으로부터 1 ㎛의 깊이까지의 영역)을 표면 영역이라고 부르는 것으로 한다. 이러한 표면 영역은 적산 잔류 응력이 압축 응력이 되는 제1 영역과 적산 잔류 응력이 인장 응력이 되는 제2 영역을 갖는 것을 요한다. 이러한 제1 영역 및 제2 영역은, 표면 영역을 2분하도록 하여 각각 하나씩의 영역으로서 포함되어 있어도 좋고, 각각 물리적으로 격리된 2 이상의 영역으로서 포함되어 있어도 좋다. 예컨대, 후술하는 도 1을 예로 들면, 피복층의 표면으로부터 Z₁까지의 영역과 Z₂∼두께 1 ㎛까지의 영역의 2영역(즉 적산 잔류 응력이 0 ㎬ 미만인 영역)이 여기서 말하는 제1 영역이고, Z₁∼Z₂까지의 영역(즉 적산 잔류 응력이 0 ㎬ 이상인 영역)이 여기서 말하는 제2 영역이 된다. 또한, 도 1의 상세는 후술한다. 이에 대하여, 도 2는 종래의 표면 피복 절삭 공구(기재 상에 물리 증착층을 형성한 것)의 피복층의 표면 영역의 적산 잔류 응력의 일례를 그래프화한 것으로, 표면 영역의 전체 영역에 걸쳐 적산 잔류 응력이 압축 응력이 되어 있으며, 본 발명의 피복층의 표면 영역을 나타내는 도 1과 대조적이다.

이와 같이 표면 영역이 제1 영역과 제2 영역을 포함함으로써, 본 발명의 피복층은 10 ㎛ 이상의 두께를 가짐에도 불구하고 형성 시(본 발명에서 말하는 피복층의 형성 시에는 피복 공정 후의 냉각 공정도 포함하는 것으로 함)에 파괴되지 않고 절삭 가공 시에도 파괴되지 않는다고 하는 특성을 구비한 물리 증착층을 얻는 것이 가능해진 것이다. 이는, 두꺼운 물리 증착층을 선삭 등의 절삭 가공에 안정적으로 이용하기 위해서는, 피복층의 표면부에서 잔류 응력을 제어하는 것이 가장 효율적이라고 하는 본 발명자의 지견에 기초하는 것이다. 즉, 상기와 같은 특성을 달성하기 위해서는, 인장 파괴와 압축 파괴의 양방에 내성을 나타내는 것이 필요하고, 피복층의 표면부에서 적산 잔류 응력이 인장 응력이 되는 영역과 압축 응력이 되는 영역이 혼재하면, 피복층의 형성 중이나 절삭 가공 중에 발생하는 복잡한 응력장에 대응할 수 있고, 압축 파괴에도 인장 파괴에도 대항할 수 있는 내성을 나타내는 것으로 생각된다.

여기서, 상기 제1 영역의 적산 잔류 응력은, -1.5 ㎬ 이상으로 하는 것이 바람직하고, -1 ㎬ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 제1 영역의 적산 잔류 응력을 이러한 범위의 값으로 함으로써, 피복층의 두께가 10 ㎛ 이상이 되어도 압축 파괴의 발생을 매우 유효하게 방지할 수 있다. 또한, 상기 제2 영역의 적산 잔류 응력은, 1 ㎬ 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.8 ㎬ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 제2 영역의 적산 잔류 응력을 이러한 범위의 값으로 함으로써, 피복층의 두께가 10 ㎛ 이상이 되어도 인장 파괴의 발생을 매우 유효하게 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에서 말하는 적산 잔류 응력이란, 피복층의 표면으로부터 깊이 방향의 어떤 지점까지의 평균 잔류 응력을 말한다. 이하, 도 1을 이용하여 더 설명한다. 도 1은 본 발명의 피복층의 표면 영역의 적산 잔류 응력의 일례를 그래프화한 것이다. 도 1 중, 예컨대 포인트 A는, 피복층의 표면으로부터 0.1 ㎛ 떨어진 지점(즉 두께 0.1 ㎛의 지점)을 나타내고 있고, 표면으로부터 그 지점까지의 잔류 응력을 평균하면 0.7 ㎬가 되는 것을 나타내고 있다(포인트 A 단독의 잔류 응력이 0.7 ㎬가 되는 것을 나타내고 있는 것은 아님). 따라서, 포인트 A의 적산 잔류 응력은 0.7 ㎬가 된다. 동일하게 하여, 포인트 B(두께 1 ㎛의 지점)의 적산 잔류 응력은 -0.45 ㎬이고, 표면 영역에 포함되지 않지만 포인트 C(두께 5 ㎛의 지점)의 적산 잔류 응력은 0.12 ㎬가 된다.

한편, 본 발명에서 말하는 압축 응력(압축 잔류 응력)이란, 피복층에 존재하는 내부 응력(고유 변형)의 일종으로서, 마이너스의 수치(단위: ㎬)로 나타내는 것이다. 한편, 본 발명에서 말하는 인장 응력(인장 잔류 응력)도 역시, 피복층에 존재하는 내부 응력의 일종으로서, 플러스의 수치(단위: ㎬)로 나타내는 것이다. 이러한 압축 응력 및 인장 응력은, 함께 피복층 내부에 잔존하는 내부 응력이기 때문에 이들을 단순히 통합하여 잔류 응력(편의적으로 0 ㎬도 포함)이라고 표현하는 경우도 있다.

또한 본 발명은, 상기 표면 영역의 적산 잔류 응력이, 그 표면 영역에 포함되는 어느 영역에서도 -1.5 ㎬ 이상 1.5 ㎬ 이하의 범위 내에 있는 것을 요한다. 표면 영역에서의 적산 잔류 응력이 -1.5 ㎬보다 작아지면 압축 파괴를 생기게 하는 경향이 있고, 1.5 ㎬보다 크면 인장 파괴를 생기게 하는 경우가 있어, 어떤 경우에도 공구 수명이 줄어들기 때문이다. 여기서, 「표면 영역의 적산 잔류 응력이, 그 표면 영역에 포함되는 어느 영역에서도 -1.5 ㎬ 이상 1.5 ㎬ 이하의 범위 내에 있다」란, 예컨대 상기 도 1을 이용하여 설명하면, 표면 영역(표면으로부터 1 ㎛의 두께를 갖는 영역)에서, 적산 잔류 응력이 -1.5 ㎬ 미만이 되거나 1.5 ㎬를 넘는 포인트가 존재하지 않는 것을 말한다.

상기 표면 영역의 적산 잔류 응력은, 보다 바람직하게는 -1 ㎬ 이상 1 ㎬ 이하의 범위 내이고, 특히 바람직하게는 -0.8 ㎬ 이상 0.8 ㎬ 이하의 범위 내이다.

또한, 본 발명의 피복층은 피복층 전체의 적산 잔류 응력이 -1 ㎬ 이상 0 ㎬ 미만인 것이 바람직하다. 그 이유는, 우수한 내결손성을 가지면서, 피복층의 형성 시에 파괴되지 않고 절삭 가공 시에도 파괴되지 않는다고 하는 특성을 효과적으로 발현할 수 있기 때문이다. 여기서, 「피복층 전체의 적산 잔류 응력이 -1 ㎬ 이상 0 ㎬ 미만이다」란, 피복층 전체의 잔류 응력의 평균값이 -1 ㎬ 이상 0 ㎬ 미만인 것을 말한다. 이러한 피복층 전체의 적산 잔류 응력은, 보다 바람직하게는 -0.8 ㎬ 이상 0 ㎬ 미만이고, 더 바람직하게는 -0.7 ㎬ 이상 0 ㎬ 미만이다. 이와 같이 피복층 전체의 적산 잔류 응력을 작은(그 응력값의 절대값이 작아지는) 압축 잔류 응력으로 함으로써, 10 ㎛ 이상의 후막화에 의해 기재로부터 박리하기 쉬워진 피복층의 내박리성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 압축 파괴와 인장 파괴의 양쪽 파괴 형태에 대한 내성을 향상시킬 수 있기 때문에, 공구 수명을 연장시키는 효과가 현저해진다.

이러한 본 발명의 적산 잔류 응력은, sin²ψ법이라고 하는 방법으로 측정할 수 있다. X선을 이용한 sin²ψ법은, 다결정 재료의 잔류 응력의 측정 방법으로서 널리 이용되고 있다. 이 측정 방법은, 「X선 응력 측정법」(The society of Material Science, 1981년 Yokendo Co., Ltd 발행)의 54페이지∼66페이지에 상세하게 설명되어 있지만, 본 발명에서는 우선 이소 경사법(iso-inclination method)과 사이드 경사법(side-inclination method)을 조합하여 X선의 침입 깊이를 고정하고, 측정하는 응력의 방향과 측정 위치에 세운 시료 표면 법선을 포함하는 면 내에서 여러가지 ψ방향에 대한 회절 각도(2θ)를 측정하여 2θ-sin²ψ 선도를 작성하며, 그 구배로부터 그 깊이(피복층의 표면으로부터의 거리)까지의 잔류 응력의 평균값을 구할 수 있다.

보다 구체적으로는, X선원으로부터의 X선을 시료에 소정 각도로 입사시키고, 시료에서 회절한 X선을 X선 검출기로 검출하고, 그 검출값에 기초하여 내부 응력을 측정하는 X선 응력 측정 방법에서, 시료의 임의 부분의 시료 표면에 대하여 임의의 설정 각도로 X선원으로부터 X선을 입사시키며, 시료 상의 X선 조사점을 지나고 시료 표면에서 입사 X선과 직각인 ω축과, 시료대와 평행이고 ω축을 회전시켰을 때에 입사 X선과 일치하는 χ축을 중심으로 시료를 회전시킬 때에, 시료 표면과 입사 X선이 이루는 각이 일정하게 되도록 시료를 회전시키면서, 회절면의 법선과 시료면의 법선이 이루는 각도(ψ)를 변화시켜 회절선을 측정함으로써, 시료 내부의 잔류 응력을 구할 수 있다.

또한, 상기에서 이용하는 X선원으로서는, X선원의 질(고휘도, 고평행성, 파장 가변성 등)의 점에서, 싱크로트론 방사광(SR)을 이용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기한 바와 같이 잔류 응력을 2θ-sin²ψ 선도로부터 구하기 위해서는, 피복층의 영률과 프와송비를 필요로 한다. 그러나, 상기 영률은 다이나믹 경도계 등을 이용하여 측정할 수 있고, 프와송비는 재료에 따라 크게 변화하지 않기 때문에 0.2 전후의 값을 이용하면 좋다.

<피복층의 조성>

본 발명의 표면 피복 절삭 공구의 기재 상에 형성되는 피복층은, 1 이상의 층을 포함하는 것이다. 즉, 해당 피복층은 단일 조성의 1층만으로 구성되어 있어도 좋고, 상호 조성이 다른 2 이상의 층에 의해 구성되어 있어도 좋다. 해당 피복층이 2 이상의 층에 의해 구성되는 경우는, 상기에서 설명한 표면 영역과 그 이외의 영역의 계면에서 층의 조성이 달라도 좋고, 동일하여도 좋다. 또한, 마찬가지로 상기에서 설명한 제1 영역과 제2 영역의 계면에서도, 그 층의 조성은 달라도 좋고, 동일하여도 좋다. 이와 같이, 본 발명에서는, 적산 잔류 응력의 강도 분포와 조성의 분포는, 연관성이 있어도 좋고, 연관성이 없어도 좋다. 또한, 본 발명의 피복층은 기재 상의 전체면을 피복하는 것에만 한정되는 것이 아니고, 부분적으로 피복층이 형성되어 있지 않은 양태도 포함한다.

이러한 피복층은, 공구의 내마모성, 내산화성, 인성, 사용 종료 날끝부의 식별을 위한 착색성 등의 여러가지 특성을 향상시키는 작용을 부여하기 위해 형성되는 것이고, 그 조성은 특별히 한정되는 것이 아니며 종래 공지의 것을 채용할 수 있다. 예컨대, 원소 주기율표의 IVa족 원소(Ti, Zr, Hf 등), Va족 원소(V, Nb, Ta 등), VIa족 원소(Cr, Mo, W 등), Al(알루미늄), B(붕소), 및 Si(실리콘)로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소의 탄화물, 질화물, 산화물, 탄질화물, 탄산화물, 질산화물, 탄질산화물 또는 이들의 고용체에 의해 구성되는 것을 그 조성으로서 예시할 수 있다. 질소를 함유하면 인성이 우수하고, 후막화하여도 피복층이 파괴되기 어렵기 때문에 바람직하다. 탄질화물은 내크레이터성(crater resistrance)이 우수하기 때문에 바람직하고, 산화물은 내산화성과 내용착성이 우수하기 때문에 바람직하다. 또한, 상기 적어도 1종의 원소만으로 이루어지는 것을 그 조성으로 할 수도 있다.

그리고, 상기 조성 중, 특히 바람직하게는, 구성 성분으로서 적어도 Ti를 포함하는 질화물, 탄질화물, 질산화물, 및 탄질산화물 중 어느 하나의 화합물을 들 수 있다. 즉, 본 발명의 피복층 중 적어도 1층은, 구성 성분으로서 적어도 Ti를 포함하는 질화물, 탄질화물, 질산화물, 및 탄질산화물 중 어느 하나의 화합물에 의해 구성되는 것이 바람직하다. 그 이유는, 해당 화합물이, 강철에 대한 내용착성 및 내마모성이 특히 우수하기 때문이다.

해당 화합물로서는, 예컨대, Ti, (Ti_1-xAl_x), (Ti_1-xCr_x), (Ti_1-xMo_x), (Ti_1-xZr_x), (Ti_1-xSi_x), (Ti_1-xHf_x), (Ti_1-xNb_x), (Ti_1-xW_x), 또는 (Ti_1-x-yAl_xSi_y)의 질화물, 탄질화물, 질산화물 또는 탄질산화물(식 중 x, y는 1 이하의 임의의 수) 등(이들에 B, Cr 등을 더 갖는 것도 포함)을 그 적합한 조성으로서 예시할 수 있다. 또한, 상기에서, 질소, 산소, 탄소의 원자비는 특별히 한정되지 않고, 종래 공지의 원자비를 모두 채용할 수 있다.

그와 같은 화합물로서 보다 바람직하게는, TiCN, TiN, TiSiN, TiSiCN, TiHfN, TiAlN, TiAlCrN, TiAlSiN, TiAlSiCrN, TiBN, TiAlBN, TiSiBN, TiBCN, TiAlBCN, TiSiBCN 등을 들 수 있다. 또한, 이들의 조성 중, 각 원자비는 상기 일반식의 예를 따르는 것으로 한다. 또한, 본 발명에서, 다른 화합물의 화학식을 나타내는 경우에 있어서, 특별히 원자비를 나타내지 않는 경우는 종래 공지의 원자비를 임의로 선택할 수 있는 것으로 한다.

한편, 상기 피복층은 적어도 일부에 초다층 구조를 포함하는 것으로 하는 것이 바람직하다. 여기서, 초다층 구조란 상이한 성질·조성의 2 이상의 층을 수 ㎚∼수백 ㎚의 두께로 100층∼10000층 정도 적층한 것(통상 상하 교대로 적층되는 것)을 말한다. 이 경우, 상이한 복수의 타겟을 동시에 사용하여 피복을 행하기 때문에, 성막 속도가 우수하고, 상이한 성질·조성의 층을 조합시킴으로써 피복층의 경도나 단열성, 내산화성 등의 막 특성이 향상되기 때문에 바람직하다.

<기재와 피복층의 계면 영역>

본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 상기 기재와 상기 피복층의 계면 영역에서, 상기 피복층에 포함되는 결정립이, 상기 기재에 포함되는 WC 결정립과 정합성을 가지고 있는 것이 바람직하다. 여기서, 「기재에 포함되는 WC 결정립과 정합성을 가지고 있다」란, 이 계면 영역에서 피복층에 포함되는 각 결정립이 각 WC 결정립 상에 주상(柱狀) 결정으로서 형성되고, 더구나 그 각 기둥형 결정의 폭과 각 WC 결정립의 입경이 거의 일치하고 있는 상태를 말한다. WC 결정립의 평균 입경은, 상기한 바와 같이 0.3 ㎛ 이상 2.5 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 이에 따라 피복층의 결정립의 각 기둥형 결정의 폭도 0.3 ㎛ 이상 2.5 ㎛ 이하가 된다.

이와 같이 기재와 피복층의 계면 영역에서, 피복층에 포함되는 결정립과 기재에 포함되는 WC 결정립이 정합성을 가지고 있음으로써, 기재와 피복층의 밀착력이 향상되어, 내박리성을 필요로 하는 선삭 용도에서 특히 우수한 성능을 발휘할 수 있다.

<피복층의 형성 방법>

본 발명의 피복층은 물리 증착층이기 때문에, PVD법(물리 증착법)에 따라 형성되지만, PVD법을 채용하는 한은 어떠한 PVD법을 채용하여 형성될 수 있고, 그 형성 방법의 종류는 특별히 한정되지 않는다.

또한, 피복층에 부여되는 상기에서 설명한 바와 같은 적산 잔류 응력은, 본 발명자의 연구에 의하면, 피복층을 형성할 때의 기재 온도, 및 기판 바이어스 전압 등의 영향, 또한 히터로부터의 복사열의 영향 등을 받는 것으로 판명되어 있고, 이들을 제어함으로써 상기한 바와 같은 적산 잔류 응력을 부여할 수 있다.

일반적으로는, 기재에 대하여 큰 기판 바이어스 전압을 가하면, 피복층을 구성하는 원소가 이온 상태로 기재에 대하여 고에너지로 공급되고, 이 때문에 이들 양자가 충돌할 때의 충격이 커지며, 그 결과로서 형성되는 피복층의 압축 응력이 커지는(마이너스의 응력값의 절대값이 커짐) 것으로 생각된다. 또한, 반대로 기판 바이어스 전압이 작은 경우는, 그와 같은 기재와 이온 상태의 원소의 충돌에 의한 충격도 작고, 이 때문에 부여되는 압축 응력도 작아지며(마이너스의 응력값의 절대값이 작아짐), 혹은 인장 응력이 부여되는 경우도 있는 것으로 추측된다.

또한, 형성 시의 기재 온도를 낮게 하면, 기재와 이온 상태의 원소의 충돌에 의한 충격에 의해 도입된 압축 응력의 열에 의한 어닐링이 발생하기 어려워지고, 그 결과로서 형성되는 피복층의 압축 응력이 커지는(마이너스의 응력값의 절대값이 커짐) 것으로 생각된다. 또한, 반대로 형성 시의 기재 온도가 높은 경우나 형성 후의 히터 온도가 높은 경우는, 기재와 이온 상태의 원소의 충돌에 의한 충격에 의해 도입된 압축 응력이 열에 의해 어닐링되는 결과가 되고, 이 때문에 압축 응력도 작아지며(마이너스의 응력값의 절대값이 작아짐), 혹은 인장 응력이 부여되는 경우도 있는 것으로 추측된다.

그리고, 특히 피복층의 표면 영역을 형성하는데 있어서는, 예컨대 압축 응력이 도입 가능한 기판(기재) 바이어스 전압에서 피복층을 형성한 후, 최후의 1 ㎛(즉 이것이 표면 영역이 됨)를 피복하는 공정 중에서, 일단 기재 온도를 피복층에 인장 응력이 도입 가능한 온도까지 끌어올린 후, 계속해서 그 기재 온도를 피복층에 압축 응력이 도입 가능한 온도까지 냉각하거나, 바이어스 전압을 작게 하여 성막하는 방법 등을 채용함으로써 원하는 제1 영역과 원하는 제2 영역을 형성할 수 있다.

또한, 피복층의 표면 영역을 형성할 때에 기판 바이어스 전압, 기재 온도, 및 히터의 ON/OFF를 제어하여, 압축 응력의 도입과 열에 의한 압축 응력의 어닐링의 밸런스를 맞춤으로써, 1.5 ㎬보다 큰 인장 응력과 -1.5 ㎬보다 큰(그 응력값의 절대값이 큰) 압축 응력이 도입되지 않도록 함으로써, 표면 영역에 포함되는 어떤 영역에서도 그 적산 잔류 응력을 -1.5 ㎬ 이상 1.5 ㎬ 이하의 범위 내의 것으로 할 수 있다.

또한, 마찬가지로 기판 바이어스 전압, 기재 온도, 및 히터의 ON/OFF를 제어함으로써, 피복층 전체의 적산 잔류 응력을 -1 ㎬ 이상 0 ㎬ 미만의 것으로 할 수 있다.

또한, 피복층 형성 전의 충격 처리는, 기재와 피복층의 계면 영역에서의, 피복층에 포함되는 결정립과 기재에 포함되는 WC 결정립의 정합성을 높이는데 중요한 공정이다. 구체적으로는, 아르곤 가스의 도입 후 기판 바이어스 전압을 -1500 V로 유지하고, W 필라멘트에 의한 열전자를 방출시키면서 초경합금 기재의 표면을 충격 처리한 후, 피복층을 형성함으로써, 기재와 피복층의 계면 영역에서, 피복층에 포함되는 결정립과 기재에 포함되는 WC 결정립이 정합성을 가지고 있는 것으로 할 수 있다.

이는, 충격 처리에 의해 계면 영역의 WC 결정립의 표면의 오물이나 산화층을 제거할 수 있으며, WC 결정립의 표면의 활성도가 높아짐으로써, 피복층의 결정립이 WC 결정립과 정합성을 가지고 성장하기 때문인 것으로 생각된다. 이와 같이 피복층에 포함되는 결정립과 기재에 포함되는 WC 결정립의 정합성이 높아짐으로써, 피복층과 WC 결정립(즉 기재)의 결합력이 강고한 것으로 되어 우수한 내박리성을 실현할 수 있다.

<실시예>

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것이 아니다. 또한, 실시예 중의 피복층의 화합물 조성은 XPS(X선 광전자 분광 분석 장치)에 의해 확인하였다. 또한 잔류 응력 및 두께(또는 피복층 표면으로부터의 거리)는 전술한 sin²ψ법에 따라 측정하였다.

sin²ψ법에 따른 측정에서, 사용한 X선의 에너지는 10 keV이고, 회절 피크는 Ti_0.5Al_0.5N의 (200)면으로 하였다. 그리고, 측정한 회절 피크 위치를 가우스 함수의 피팅에 의해 결정하고, 2θ-sin²ψ 선도의 기울기를 구하며, 영률로서는 다이나믹 경도계(MTS사 제조 나노인덴터)를 이용하여 구한 값을 채용하고, 프와송비로는 TiN(0.19)의 값을 이용하여 응력값으로 하였다.

또한, 이하에서는 피복층을 캐소드아크이온플레이팅법에 따라 형성하고 있지만, 예컨대 밸런스 또는 언밸런스스퍼터링법에 따라서도 피복층을 형성하는 것도 가능하다.

<실시예 1∼6 및 비교예 1∼4>

이하의 실시예 1∼6에서는, 피복층으로서 단일 조성의 층을 형성하고 있지만, 이들 실시예에서 이용한 조성 이외의 조성의 것이나 조성이 다른 2 이상의 층을 피복층으로 하여 형성한 것, 혹은 피복층이 적어도 일부에 초다층 구조를 포함하는 것에 대해서도 동일한 효과를 얻을 수 있다.

<표면 피복 절삭 공구의 제작>

우선, 표면 피복 절삭 공구의 기재로서, 이하의 표 1에 나타내는 재질과 공구 형상(후술하는 각 특성의 평가 방법마다 준비함)을 갖는 절삭용 날끝 교환형 팁(기재 No.1 및 No.2)을 준비하고, 이것을 각각 캐소드아크이온플레이팅 장치에 장착하였다. 또한, 각 기재는 초경합금으로 이루어지는 것으로서, WC 결정립을 포함하고, 이 결정립의 평균 입경[기재 표면(피복층과의 계면 부분)의 것]은, 표 1에 표시한 바와 같다.

계속해서, 진공 펌프에 의해 상기 장치의 챔버 내를 감압하며, 상기 장치 내에 설치된 히터에 의해 상기 기재의 온도를 450℃로 가열하고, 챔버 내의 압력이 1.0×10^-4 ㎩가 될 때까지 진공 배기를 행하였다.

다음에, 아르곤 가스를 도입하여 챔버 내의 압력을 3.0 ㎩로 유지하고, 상기 기재의 기판 바이어스 전원의 전압을 서서히 올리면서 -1500 V로 하며, W 필라멘트를 가열하여 열전자를 방출시키면서 기재의 표면의 클리닝을 15분간 행하였다. 그 후, 아르곤 가스를 배기하였다.

계속해서, 상기 기재 상에 직접 접하도록 형성되는 피복층으로서 Ti_0.5Al_0.5N이 15 ㎛의 두께로 형성되도록, 미리 세팅해 둔 금속 증발원인 합금제 타겟을 이용하여, 반응 가스로서 질소 가스를 도입시키면서, 반응 가스압 4.0 ㎩로 하고, 기판 바이어스 전압 및 기재 온도를 이하의 표 2와 같이 변화시킴으로써, 캐소드 전극에 100 A의 아크 전류를 공급하며, 아크식 증발원으로부터 금속 이온을 발생시킴으로써, 이하의 표 3에 나타내는 적산 잔류 응력의 강도 분포를 갖는 실시예 1∼6 및 비교예 1∼4의 표면 피복 절삭 공구를 제작하였다.

또한, 비교예 1의 표면 피복 절삭 공구에 대해서는, 적산 잔류 응력의 강도 분포는 없고 피복층의 전체 영역에 걸쳐 -3.0 ㎬라고 하는 일정한 압축 응력을 갖도록 조정하였다. 마찬가지로 비교예 2의 표면 피복 절삭 공구에 대해서도 적산 잔류 응력의 강도 분포는 없고 피복층의 전체 영역에 걸쳐 1.0 ㎬라고 하는 일정한 인장 응력을 갖도록 조정하였다. 또한, 비교예 3과 4의 표면 피복 절삭 공구에 대해서는, 피복층의 표면 영역에서 -1.5 ㎬ 이상 1.5 ㎬ 이하의 범위를 넘는 적산 잔류 응력을 갖도록 조정하였다.

또한, 상기 표에서 기재되어 있는 시간은, 합금제 타겟에 의해 금속 이온의 증발을 개시하고부터의 경과 시간을 나타내고 있다. 또한, 각 난에 표시되어 있는 전압의 수치는, 상기 경과 시간에 대응하는 기판(기재)의 바이어스 전압을 나타내고 있고, 예컨대 「-30 V∼-50 V」 등과 같은 범위로 기재되어 있는 경우는, 그 경과 시간에서 기판 바이어스 전압을 -30 V부터 서서히 -50 V까지 일정 속도로 증대(절대값을 증대)시킨 것을 나타내고 있으며, 이 경우 피복층의 적산 잔류 응력은 피복층의 표면 방향에 걸쳐 서서히 감소하게 된다. 한편, 「-50 V∼-30 V」 등과 같은 범위로 기재되어 있는 경우는, 그 경과 시간에서 기판 바이어스 전압을 -50 V부터 서서히 -30 V까지 일정 속도로 감소(절대값을 감소)시킨 것을 나타내고 있고, 이 경우 피복층의 적산 잔류 응력은 피복층의 표면 방향에 걸쳐 서서히 증가하게 된다. 또한, 각 난에 나타나 있는 온도의 수치는, 상기 경과 시간에 대응하는 기재 온도를 나타내고 있고, 예컨대 「500℃∼600℃」 등과 같은 범위로 기재되어 있는 경우는, 그 경과 시간에서 온도를 500℃부터 서서히 600℃까지 일정 속도로 증대시킨 것을 나타내고 있고, 이 경우 피복층의 적산 잔류 응력은 피복층의 표면 방향에 걸쳐 서서히 증가하게 된다. 한편, 「675℃∼650℃」 등과 같은 범위로 기재되어 있는 경우는, 그 경과 시간에서 온도를 675℃부터 서서히 650℃까지 일정 속도로 감소시킨 것을 나타내고 있고, 이 경우 피복층의 적산 잔류 응력은 피복층의 표면 방향에 걸쳐 서서히 감소하게 된다. 그리고, 전압의 변화 및 온도의 변화가 증대에서 감소로 바뀌는 점, 및 전압의 변화 및 온도의 변화가 감소에서 증대로 바뀌는 점에서, 각각 적산 잔류 응력의 극대점 및 극소점이 형성되게 된다.

이와 같이 기판 바이어스 전압 및 온도를 경과 시간과의 관계로 변화시킴으로써, 피복층 중의 적산 잔류 응력을 변화시킬(강도 분포를 형성시킬) 수 있다. 또한, 기재 온도를 고온화하거나, 기판 바이어스 전압을 0 V에 가깝게 하거나, -200 V보다도 작게 하거나 함으로써, 피복층 중의 잔류 응력은 커지는 경향이 있다. 구체적으로는, 기재 온도를 650℃ 이상으로 하거나, 기판 바이어스 전압을 -50 V보다도 크게 하거나, 혹은 -400 V보다도 작게 하거나, 혹은 이들 조건을 조합시키거나 함으로써 인장 응력을 발생시키는 것이 가능해진다.

또한, 상기 표 3에서 표면, 포인트 A, 포인트 B의 적산 잔류 응력의 난에 기재되어 있는 수치는, 각각 피복층의 표면[최외측 표면(두께가 0 ㎛인 지점)의 응력은 측정할 수 없기 때문에, 두께 0.03 ㎛의 지점을 편의적으로 표면으로 함], 도 1에 나타낸 포인트 A에 상당하는 포인트(즉 적산 잔류 응력의 극대점), 및 도 1에 나타낸 포인트 B에 상당하는 포인트(표면 영역의 가장 깊은 부분)에서의 적산 잔류 응력을 나타내고 있다. 또한, Z₁ 및 Z₂(적산 잔류 응력이 0이 되는 지점으로, Z₁은 피복층의 표면측에서 보아 표면측의 압축 응력이 인장 응력으로 변화하는 지점을 나타내고, Z₂는 마찬가지로 표면측에서 보아 표면측의 인장 응력이 압축 응력으로 변화하는 지점을 나타냄)의 난에 기재되어 있는 수치는, 피복층 표면으로부터의 거리를 각각 나타내고 있다(즉 도 1에서의 Z₁ 및 Z₂에 상당하는 지점을 나타내고 있다). 또한, Z₁, Z₂의 난이 공란으로 되어 있는 것은, 해당하는 포인트가 존재하지 않는 것을 나타낸다. 예컨대 실시예 1∼3과 같이 Z₁이 공란인 것은, 피복층의 표면으로부터 포인트 A까지 실질적으로 적산 잔류 응력이 일정한 것을 나타내고 있다.

또한, 피복층 전체의 적산 잔류 응력의 난에 기재되어 있는 수치는, 피복층 전체의 적산 잔류 응력을 나타내고 있다.

이와 같이 하여, 실시예 1∼6의 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 기재와, 상기 기재 상에 형성되는 피복층을 포함하는 것으로서, 상기 피복층은 10 ㎛ 이상의 두께를 갖는 물리 증착층이고, 상기 피복층의 표면으로부터 1 ㎛의 두께를 갖는 표면 영역은, 적산 잔류 응력이 압축 응력이 되는 제1 영역과 적산 잔류 응력이 인장 응력이 되는 제2 영역을 가지며, 상기 표면 영역의 적산 잔류 응력은, 그 표면 영역에 포함되는 어느 영역에서도 -1.5 ㎬ 이상 1.5 ㎬ 이하의 범위 내에 있는 것이다. 또한, 이들 실시예의 표면 피복 절삭 공구는, 기재와 피복층의 계면 영역에서, 피복층에 포함되는 결정립과 기재에 포함되는 WC 결정립이 정합성을 가지고 있는 것을 확인하였다.

이와 같이 하여 제작된 실시예 1∼6의 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 피복층 형성 시에 피복층이 파괴되는 일이 없었던 것에 대하여, 비교예 1 및 2의 표면 피복 절삭 공구는, 피복층 형성 시에서 피복층이 일부 파괴되어 있는 것이 확인되었다.

<표면 피복 절삭 공구의 내마모성의 평가>

상기에서 제작한 실시예 1∼6 및 비교예 1∼4의 표면 피복 절삭 공구의 각각에 대해서, 상기 표 1에 나타내는 조건에 따른 습식[절삭유제(수용성 에멀젼) 사용]의 연속 절삭을 행함으로써 내마모성의 평가를 행하였다. 상기 평가는, 날끝의 여유면(flank face) 마모 폭이 0.2 ㎜를 넘는 시간을 절삭 시간으로서 측정함으로써 행하였다.

표면 피복 절삭 공구의 내마모성의 평가 결과로서 상기에서 측정한 절삭 시간을 하기 표 4에 나타낸다. 절삭 시간이 긴 것일수록 내마모성이 우수한 것을 나타내고 있다. 또한, 연속 절삭에서, 피삭재의 마무리면의 광택의 유무에 대해서도 관찰하고, 그 관찰 결과를 마찬가지로 표 4에 나타낸다. 이 경우, 「광택 있음」이란 피삭재의 마무리면이 광택을 갖는 것을 나타내고, 「백탁」이란 피삭재의 마무리면이 광택을 갖지 않으며 백탁한 것을 나타낸다.

표 4로부터 분명한 바와 같이, 실시예 1∼6의 본 발명에 따른 표면 피복 절삭 공구는, 비교예 1∼4의 표면 피복 절삭 공구에 비하여, 내마모성이 더 향상되며 마무리면에 광택을 얻을 수 있기 때문에 막 치핑(절삭 가공 시의 피복층의 파괴)에 대한 내성도 우수하고, 또한 표면 피복 절삭 공구의 수명이 더 향상되어 있는 것을 확인하였다.

<표면 피복 절삭 공구의 내결손성의 평가>

상기에서 제작한 실시예 1∼6 및 비교예 1∼4의 표면 피복 절삭 공구의 각각에 대해서, 이하에 나타내는 조건으로 내결손성의 평가 시험을 행하였다.

즉, 절삭 조건은, 상기 표 1에 나타낸 바와 같이 SCM435의 소재에 4개의 슬릿을 설치한 환봉(길이 500 ㎜×직경 200 ㎜)을 피삭재로서 이용하고, 절삭 속도 100 m/min, 절삭 깊이 2.0 ㎜, 절삭 시간 30초마다 이송량을 0.20 ㎜/rev부터 0.05 ㎜/rev씩 올리는 조건으로, 건식 선삭을 행하며, 결손이 생기는 최대 이송량을 측정하였다.

표면 피복 절삭 공구의 내결손성의 평가 결과로서 상기에서 측정한 최대 이송량을 하기 표 4에 나타낸다. 최대 이송량이 커질수록 내결손성이 우수한 것을 나타내고 있다.

표 4로부터 분명한 바와 같이, 실시예 1∼6의 본 발명에 따른 표면 피복 절삭 공구는, 비교예 1∼4의 표면 피복 절삭 공구에 비하여, 내결손성이 더 향상되어 있는 것을 확인하였다.

<실시예 7∼12 및 비교예 5∼10>

표면 피복 절삭 공구의 기재로서, 조성이 WC-2TaC-0.7Cr₃C₂-7Co(숫자는 wt％를 나타내고, 잔부를 WC가 점유하는 것을 나타냄)이고, WC 결정립의 입경이 상호 다른 2종류의 초경합금 기재(WC 결정립의 평균 입경이 1.2 ㎛인 것: 실시예 7, 9, 11에서 사용, 동평균 입경이 3.5 ㎛인 것: 실시예 8, 10, 12에서 사용)를 준비하였다(후술하는 각 특성의 평가 방법마다 각 1개씩 준비하였다). 또한, 각 기재의 형상은 표 1에 표시된 형상과 동일한 공구 형상의 절삭용 날끝 교환형 팁으로서 준비하였다. 그리고, 이들 기재를 각각 캐소드아크이온플레이팅 장치에 장착하였다.

계속해서, 진공 펌프에 의해 상기 장치의 챔버 내를 감압하며, 상기 장치 내에 설치된 히터에 의해 상기 기재의 온도를 450℃로 가열하고, 챔버 내의 압력이 1.0×10^-4 ㎩가 될 때까지 진공 배기를 행하였다. 그 후, 아르곤 가스를 도입하여 챔버 내의 압력을 3.0 ㎩로 유지하고, 상기 기재의 기판 바이어스 전원의 전압을 서서히 올리면서 -1500 V로 하며, W 필라멘트를 가열하여 열전자를 방출시키면서, 기재의 표면 클리닝을 15분간 행하였다. 그 후, 아르곤 가스를 배기하였다.

계속해서, 상기 기재에 직접 접하도록 형성되는 피복층으로서, Ti_0.95Hf_0.05N과 Al_0.7Cr_0.3N이 각 층의 두께를 10 ㎚로 하여 상하 교대로 적층된 초다층 구조층(Ti_0.95Hf_0.05N이 기재 상에 형성되도록 함) 상에 두께 5.5 ㎛의 Ti_0.95Hf_0.05CN으로 이루어지는 최외측 표면층을 더 형성하였다. 초다층 구조층의 두께는, 실시예 7과 8이 5 ㎛, 실시예 9와 10이 10 ㎛, 실시예 11과 12가 15 ㎛로 하였다. 또한, 이러한 피복층은 다음과 같이 하여 제작하였다.

즉, 금속 증발원인 합금제 타겟을 세팅하며, 반응 가스로서 질소 및 메탄 가스(단 메탄 가스는 최외측 표면층 형성 시에만 도입함)를 도입시키면서, 반응 가스압을 4.0 ㎩로 하고, 기판 바이어스 전압 및 기재 온도를 이하의 표 5(표 5 중, 경과 시간이 「개시∼」로 되어 있는 난이 초다층 구조층의 형성 조건임)와 같이 변화시킴으로써, 캐소드 전극에 100 A의 아크 전류를 공급하고, 아크식 증발원으로부터 금속 이온을 발생시킴으로써, 이하의 표 6에 나타내는 적산 잔류 응력의 강도 분포를 갖는 실시예 7∼12의 표면 피복 절삭 공구를 제작하였다.

또한, 비교를 위해, 조성이 WC-2TaC-0.7Cr₃C₂-7Co(숫자는 wt％를 나타내고, 잔부를 WC가 점유하는 것을 나타냄)이고, WC 결정립의 입경이 상호 다른 2종류의 초경합금 기재(WC 결정립의 평균 입경이 1.2 ㎛인 것: 비교예 5, 7, 9에서 사용, 동평균 입경이 3.5 ㎛인 것: 비교예 6, 8, 10에서 사용)를 기재로서 준비하고(후술하는 각 특성의 평가 방법마다 각 1개씩 준비함), 이 기재에 대하여 공지의 화학 증착법에 따라, 최외측 표면층이 알루미나 5.5 ㎛이며, 하층이 TiCN인 피복층을 형성함으로써 비교예 5∼10의 표면 피복 절삭 공구를 제작하였다. 또한, 하층 TiCN의 두께는, 비교예 5와 6이 5 ㎛, 비교예 7과 8이 10 ㎛, 비교예 9와 10이 15 ㎛로 하였다.

또한, 표 5 및 표 6 중의 표기는, 표 2 및 표 3의 표기와 동일한 내용을 나타내는 것으로 한다. 표 6에서, 실시예 7∼12의 표면 피복 절삭 공구는, 도 1에서의 Z₁에 상당하는 포인트 및 포인트 A에 상당하는 포인트를 가지고 있지 않고, 표면으로부터 Z₂에 상당하는 포인트까지가 제2 영역이 되며, 이 Z₂로부터 포인트 B에 상당하는 포인트까지가 제1 영역이 되는 것을 나타내고 있다.

따라서, 실시예 7∼12의 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 기재와 상기 기재 상에 형성되는 피복층을 포함하는 것으로서, 상기 피복층은 10 ㎛ 이상의 두께를 갖는 물리 증착층이고, 상기 피복층의 표면으로부터 1 ㎛의 두께를 갖는 표면 영역은, 적산 잔류 응력이 압축 응력이 되는 제1 영역과 적산 잔류 응력이 인장 응력이 되는 제2 영역을 가지며, 상기 표면 영역의 적산 잔류 응력은 그 표면 영역에 포함되는 어느 영역에서도 -1.5 ㎬ 이상 1.5 ㎬ 이하의 범위 내에 있는 것이다. 또한, 이들 실시예의 표면 피복 절삭 공구는, 기재와 피복층의 계면 영역에서, 피복층에 포함되는 결정립과 기재에 포함되는 WC 결정립이 정합성을 가지고 있는 것을 확인하였다.

그리고, 상기에서 제작한 실시예 7∼12 및 비교예 5∼10의 표면 피복 절삭 공구의 각각에 대해서, 상기 표 1에 나타내는 조건과 동일 조건에 따라 내마모성의 평가와 내결손성의 평가를 행하였다. 그 결과를 표 7에 나타낸다.

표 7로부터 분명한 바와 같이, 내마모성의 평가(연속 절삭 시험)에서도 내결손성의 평가(단속 절삭 시험)에서도, WC 결정립의 평균 입경이 1.2 ㎛인 실시예 7, 9, 11의 표면 피복 절삭 공구는, WC 결정립의 평균 입경이 3.5 ㎛인 실시예 8, 10, 12의 표면 피복 절삭 공구에 비하여, 내마모성, 내결손성이 모두 우수한 것을 확인하였다.

또한, 실시예 11, 12의 표면 피복 절삭 공구(피복층의 합계 두께가 20.5 ㎛)는 실시예 9, 10의 표면 피복 절삭 공구(피복층의 합계 두께가 15.5 ㎛)보다도 우수한 내마모성을 가지고, 또한, 실시예 9, 10의 표면 피복 절삭 공구(피복층의 합계 두께가 15.5 ㎛)는 실시예 7, 8의 표면 피복 절삭 공구(피복층의 합계 두께가 10.5 ㎛)보다도 우수한 내마모성을 가지고 있었다. 그러나, 어느 실시예의 표면 피복 절삭 공구도, 비교예 5∼10의 표면 피복 절삭 공구보다도 우수한 내마모성과 내결손성을 가지고 있는 것을 확인하였다. 특히 피복층의 합계 두께가 15.5 ㎛ 및 20.5 ㎛인 실시예 9∼12의 표면 피복 절삭 공구는, 동일한 피복층의 두께를 갖는 비교예의 표면 피복 절삭 공구와 비교하여 특히 우수한 내마모성과 내결손성을 가지고 있는 것을 확인하였다.

<실시예 13∼15 및 비교예 11>

<표면 피복 절삭 공구의 제작>

우선, 표면 피복 절삭 공구의 기재로서, 상기 표 1에 나타내는 재질과 공구 형상(후술하는 각 특성의 평가 방법마다 준비함)을 갖는 절삭용 날끝 교환형 팁(기재 No.1 및 No.2)을 준비하고, 이것을 각각 캐소드아크이온플레이팅 장치에 장착하였다. 또한, 각 기재는 초경합금으로 이루어지는 것이며, WC 결정립을 포함하고, 이 결정립의 평균 입경[기재 표면(피복층과의 계면 부분)의 것]은, 표 1에 표시한 바와 같다.

계속해서, 진공 펌프에 의해 상기 장치의 챔버 내를 감압하며, 상기 장치 내에 설치된 히터에 의해 상기 기재의 온도를 450℃로 가열하고, 챔버 내의 압력이 1.0×10^-4 ㎩가 될때까지 진공 배기를 행하였다.

계속해서, 상기 기재에 직접 접하도록 형성되는 피복층으로서 Ti_0.5Al_0.5N층이 10 ㎛의 두께로 형성되도록, 미리 세팅해 둔 금속 증발원인 합금제 타겟을 이용하여, 반응 가스로서 질소 가스를 도입시키면서, 성막 압력 4.0 ㎩, 기판 바이어스 전압 -30 V 및 기판 온도 550℃로 함으로써, 캐소드 전극에 150 A의 아크 전류를 공급하고, 아크식 증발원으로부터 티탄과 알루미늄의 금속 이온을 발생시켜, 기판 상에 Ti_0.5Al_0.5N층을 형성하였다.

다음에, 이 Ti_0.5Al_0.5N층 상에, 미리 세팅해 둔 티탄 금속의 아크 증발원을 이용하여, 마찬가지로 피복층인 TiC_0.2N_0.8층을 5 ㎛의 막 두께로 형성하였다. 반응 가스로서 메탄과 질소를 메탄:질소=1:4의 비율로 도입하고, 성막 압력을 4.0 ㎩로 하며, 표 8과 같이 기판 바이어스 전압 및 기판 온도를 변화시킴으로써, 캐소드 전극에 180 A의 아크 전류를 공급하고, 아크식 증착원으로부터 티탄의 금속 이온을 발생시켜, 먼저 형성한 Ti_0.5Al_0.5N층 상에 TiC_0.2N_0.8층을 형성하였다. 또한, 해당 TiC_0.2N_0.8층을 형성함에 있어서는, Ti_0.5Al_0.5N층을 형성한 후, 기재를 일단 진공로로부터 추출하여도 좋고, 동일 진공로 속에서 연속하여 형성하여도 좋다.

이상의 성막 조작에 의해 표 9에 나타내는 적산 잔류 응력의 강도 분포를 갖는 실시예 13∼15 및 비교예 11의 표면 피복 절삭 공구를 제작하였다. 비교예 11의 표면 피복 절삭 공구는, 그 피복층에서 적산 잔류 응력의 강도 분포를 나타내지 않고, 0.5 ㎬의 일정한 인장 응력을 나타내었다. 또한, 표 9에 나타낸 적산 잔류 응력의 강도 분포는, TiC_0.2N_0.8층에 관한 것이다(따라서 「전체의 적산 잔류 응력」도 TiC_0.2N_0.8층 전체의 적산 잔류 응력을 나타낸다). 실시예 15에서 기판 바이어스 전압을 -400 V에서 -600 V로 증대(절대값이 증대)시키고 있다. TiC_0.2N_0.8층의 적산 잔류 응력은, 기판 바이어스 전압을 0에서 -200 V까지 증대(절대값이 증대)시켜 가면, 압축 응력측으로 증대한다. 또한 그 기판 바이어스 전압을 -200 V 이상으로 증대(절대값이 증대)시켜 가면, 압축 응력이 감소해 가, 인장 응력측으로 증대해 간다. 이와 같이 실시예 15에서는, 기판 바이어스 전압의 절대값을 증대시킴으로써 인장 응력을 부여한 것이다.

또한, 표 8 및 표 9 중의 표기는, 표 2 및 표 3중의 표기와 동일한 내용을 나타낸다.

이와 같이 하여, 실시예 13∼15의 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 기재와, 상기 기재 상에 형성되는 피복층을 포함하는 것으로서, 상기 피복층은 10 ㎛ 이상의 두께를 갖는 물리 증착층이고, 상기 피복층의 표면으로부터 1 ㎛의 두께를 갖는 표면 영역은, 적산 잔류 응력이 압축 응력이 되는 제1 영역과 적산 잔류 응력이 인장 응력이 되는 제2 영역을 가지며, 상기 표면 영역의 적산 잔류 응력은, 그 표면 영역에 포함되는 어느 영역에서도 -1.5 ㎬ 이상 1.5 ㎬ 이하의 범위 내에 있는 것이다. 또한, 이들 실시예의 표면 피복 절삭 공구는, 기재와 피복층의 계면 영역에서, 피복층에 포함되는 결정립과 기재에 포함되는 WC 결정립이 정합성을 가지고 있는 것을 확인하였다.

그리고, 상기에서 제작한 실시예 13∼15 및 비교예 11의 표면 피복 절삭 공구의 각각에 대해서, 상기 표 1에 나타내는 조건과 동일 조건에 따라 상기와 같은 내마모성의 평가와 내결손성의 평가를 행하였다. 그 결과를 표 10에 나타낸다. 또한, 표 10 중에서의 표기는, 표 4 중에서의 표기와 동일한 내용을 나타낸다.

표 10으로부터 분명한 바와 같이, 실시예 13∼15의 본 발명에 따른 표면 피복 절삭 공구는, 비교예 11의 표면 피복 절삭 공구에 비하여, 내마모성이 더 향상되며 마무리면에 광택을 얻을 수 있기 때문에 막 치핑(절삭 가공 시의 피복층의 파괴)에 대한 내성도 우수하고, 또한 표면 피복 절삭 공구의 수명이 더 향상되어 있는 것을 확인하였다. 또한, 마찬가지로 표 10으로부터 분명한 바와 같이, 실시예 13∼15의 본 발명에 따른 표면 피복 절삭 공구는, 비교예 11의 표면 피복 절삭 공구에 비하여, 내결손성이 더 향상되어 있는 것을 확인하였다.

<실시예 16∼20 및 비교예 12∼16>

<표면 피복 절삭 공구의 제작>

우선, 표면 피복 절삭 공구의 기재로서, 상기 표 1에 나타내는 재질과 공구 형상(후술하는 각 특성의 평가 방법마다 준비함)을 갖는 절삭용 날끝 교환형 팁(기재 No.1 및 No.2)을 준비하고, 이것을 각각 캐소드아크이온플레이팅 장치에 장착하였다. 또한, 각 기재는 초경합금으로 이루어지는 것으로서, WC 결정립을 포함하고, 이 결정립의 평균 입경[기재 표면(피복층과의 계면 부분)의 것]은, 표 1에 표시한 바와 같다.

계속해서, 상기 기재에 직접 접하도록 형성되는 피복층으로서 Ti_0.9Ta_0.1N층, Ti_0.95Hf_0.05N층, Ti_0.95Nb_0.05N층, Ti_0.93Si_0.07N층, TiN층이 각각 13 ㎛의 두께로 형성되도록, 미리 세팅해 둔 금속 증발원인 합금제 타겟을 이용하여, 압력 4.0 ㎩에서 반응 가스로서 질소 가스를 도입시키면서, 기판 바이어스 전압 및 기판 온도를 표 11과 같이 변화시켜, 실시예 16∼20의 표면 피복 절삭 공구를 제작하였다. 한편, 성막 압력을 5 ㎩로 하고, 기판 바이어스 전압 및 기판 온도를 일정하게 하여 비교예 12∼16의 표면 피복 절삭 공구를 제작하였다. 또한, 실시예 및 비교예 모두에서 캐소드 전극에 120 A의 아크 전류를 공급하여, 아크식 증발원으로부터 금속 이온을 발생시켰다.

이들 실시예 및 비교예의 표면 피복 절삭 공구는, 표 12에 나타내는 적산 잔류 응력의 강도 분포를 갖는 것이었다.

또한, 표 11 및 표 12 중의 표기는, 표 2 및 표 3 중의 표기와 동일한 내용을 나타낸다. 단, 표 11에서의 「막 종류」란, 상기에서 형성된 피복층을 구성하는 화합물의 종류를 나타낸다.

이와 같이 하여, 실시예 16∼20의 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 기재와, 상기 기재 상에 형성되는 피복층을 포함하는 것으로서, 상기 피복층은 10 ㎛ 이상의 두께를 갖는 물리 증착층이고, 상기 피복층의 표면으로부터 1 ㎛의 두께를 갖는 표면 영역은, 적산 잔류 응력이 압축 응력이 되는 제1 영역과 적산 잔류 응력이 인장 응력이 되는 제2 영역을 가지며, 상기 표면 영역의 적산 잔류 응력은, 그 표면 영역에 포함되는 어느 영역에서도 -1.5 ㎬ 이상 1.5 ㎬ 이하의 범위 내에 있는 것이다. 또한, 이들 실시예의 표면 피복 절삭 공구는, 기재와 피복층의 계면 영역에서, 피복층에 포함되는 결정립과 기재에 포함되는 WC 결정립이 정합성을 가지고 있는 것을 확인하였다.

그리고, 상기에서 제작한 실시예 16∼20 및 비교예 12∼16의 표면 피복 절삭 공구의 각각에 대해서, 상기 표 1에 나타내는 조건과 동일 조건에 따라 상기와 같은 내마모성의 평가와 내결손성의 평가를 행하였다. 그 결과를 표 13에 나타낸다. 또한, 표 13 중에서의 표기는, 표 4 중에서의 표기와 같은 내용을 나타낸다.

표 13으로부터 분명한 바와 같이, 실시예 16∼20의 본 발명에 따른 표면 피복 절삭 공구는, 비교예 12∼16의 표면 피복 절삭 공구에 비하여, 내마모성이 더 향상되며 마무리면에 광택을 얻을 수 있기 때문에 막 치핑(절삭 가공 시의 피복층의 파괴)에 대한 내성도 우수하고, 또한 표면 피복 절삭 공구의 수명이 더 향상되어 있는 것을 확인하였다. 또한, 마찬가지로 표 13으로부터 분명한 바와 같이, 실시예 16∼20의 본 발명에 따른 표면 피복 절삭 공구는, 비교예 12∼16의 표면 피복 절삭 공구에 비하여, 내결손성이 더 향상되어 있는 것을 확인하였다.

이상과 같이 본 발명의 실시의 형태 및 실시예에 대해서 설명을 행하였지만, 전술한 각 실시형태 및 실시예의 구성을 적절하게 조합하는 것도 당초부터 예정하고 있다.

금번 개시된 실시형태 및 실시예는 모든 점에서 예시로서 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기 설명이 아니라 청구의 범위에 의해 나타내어지고, 청구의 범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것으로 의도된다.

Claims

기재(基材)와, 상기 기재 상에 형성되는 피복층을 포함하는 표면 피복 절삭 공구로서,
상기 피복층은 10 ㎛ 이상의 두께를 갖는 물리 증착층이고,
상기 피복층의 표면으로부터 1 ㎛의 두께를 갖는 표면 영역은, 두께 방향에 있어서, 적산 잔류 응력이 압축 응력이 되는 제1 영역과 적산 잔류 응력이 인장 응력이 되는 제2 영역을 가지며,
상기 표면 영역의 적산 잔류 응력은, 그 표면 영역에 포함되는 어느 영역에서도 -1.5 ㎬ 이상 1.5 ㎬ 이하의 범위 내에 있고,
제2 영역으로부터 제1 영역으로 변화하는 점(Z₂)이 표면으로부터 0.3 ㎛ 이내에 존재하는 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항에 있어서, 상기 피복층 전체의 적산 잔류 응력은 -1 ㎬ 이상 0 ㎬ 미만인 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항에 있어서, 상기 제2 영역의 적산 잔류 응력은 1 ㎬ 이하인 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항에 있어서, 상기 피복층은 15 ㎛ 이상의 두께를 갖는 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항에 있어서, 상기 피복층은 20 ㎛ 이상의 두께를 갖는 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항에 있어서, 상기 피복층은 1 이상의 층을 포함하고,
그 중 1층 이상은, 구성 성분으로서 적어도 Ti를 포함하는 질화물, 탄질화물, 질산화물, 및 탄질산화물 중 어느 하나의 화합물에 의해 구성되는 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항에 있어서, 상기 피복층은 일부 또는 전부에 초다층 구조를 포함하는 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항에 있어서, 상기 기재는 초경합금으로 이루어지고,
상기 초경합금은 WC 결정립을 포함하며,
상기 WC 결정립의 평균 입경은 0.3 ㎛ 이상 2.5 ㎛ 이하인 것인 표면 피복 절삭 공구.
제8항에 있어서, 상기 기재와 상기 피복층의 계면 영역에서, 상기 피복층에 포함되는 결정립은 상기 기재에 포함되는 WC 결정립과 정합성을 가지고 있는 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항에 있어서, 상기 표면 피복 절삭 공구는 선삭용으로 이용되는 것인 표면 피복 절삭 공구.