KR101366028B1

KR101366028B1 - 절삭공구

Info

Publication number: KR101366028B1
Application number: KR1020137015838A
Authority: KR
Inventors: 타카시 토쿠나가; 히데요시 키노시타
Original assignee: 쿄세라 코포레이션
Priority date: 2010-12-25
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2014-02-21
Also published as: EP2656948B1; US20140227053A1; JP5063831B2; KR20130079664A; WO2012086839A1; US9943910B2; EP2656948A4; EP2656948A1; CN103282147A; JPWO2012086839A1; CN103282147B

Abstract

(과제) 소성에 의한 변형이 작고 높은 강도를 갖는 서멧 소결체로 이루어지는 절삭공구를 제공한다.
(해결수단) 제 1 경질상(12)과 제 2 경질상(13)의 2종류로 이루어지는 경질상(11)과, Co 및 Ni 중 적어도 1종으로 이루어지는 결합상(14)으로 구성되어 이루어지는 서멧 소결체(6)의 경사면(2)측의 표면으로부터 400㎛ 두께 이상의 깊이의 내부에 있어서 2D법으로 측정한 상기 제 1 경질상의 σ₁₁방향의 잔류 응력 σ₁₁〔1i〕가 압축 응력으로 80MPa 이상(σ₁₁〔1i〕≤-80MPa), 상기 제 2 경질상의 σ₁₁방향의 잔류 응력 σ₁₁〔2i〕가 압축 또는 인장 응력으로 -50MPa∼50MPa(σ₁₁〔2i〕=-50MPa∼50MPa)이며, 또한 상기 결합상의 σ₁₁방향의 잔류 응력 σ₁₁〔bi〕가 압축 또는 인장 응력으로 -50MPa∼50MPa(σ₁₁〔bi〕=-50MPa∼50MPa)인 절삭공구(1)이다.

Description

절삭공구{CUTTING TOOL}

본 발명은 서멧 소결체로 이루어지는 절삭공구에 대한 것이다.

예를 들면, 특허문헌 1에서는 질소 함유의 TiC기 서멧의 표면부에 있어서의 결합상(철족 금속) 농도를 내부에 비해 감소시켜서 표면부에 있어서의 경질상의 존재 비율이 많은 것에 의해 소결체 표면부에 30kgf/㎟ 이상의 압축 잔류 응력을 잔존시켜서 내마모성, 내결손성, 내열충격성이 향상하는 것에 대해서 개시되어 있다.

또, 특허문헌 2에서는 WC기 초경합금의 주결정인 WC입자가 120kgf/㎟ 이상의 압축 잔류 응력을 가짐으로써 WC기 초경합금이 높은 강도를 구비해서 내결손성이 우수한 것이 개시되어 있다.

또한, 특허문헌 3에서는 제 1 경질상과 제 2 경질상의 각각에 다른 크기의 잔류 응력이 가해짐으로써 서멧내에 크랙이 발생하거나 진전되는 것을 억제할 수 있어 절삭공구의 내결손성이 향상되는 것이 기재되어 있다.

일본 특허 공개 평 05-9646호 공보 일본 특허 공개 평 06-17182호 공보 국제공개 제2010/013735호 팜플렛

그러나, 상기 특허문헌 1과 같이, 결합상의 함유량을 표면과 내부에서 차를 발생시켜 서멧 소결체에 잔류 응력을 발생시키는 방법에서는 서멧 전체에 차지하는 결합상의 함유 비율이 작기 때문에 서멧 전체에 대하여 충분한 잔류 응력이 가해지지 않아 만족할 수 있는 인성을 얻는 것이 어려웠다.

또, 특허문헌 2와 같이 경질상에 균일하게 잔류 응력을 가하는 방법에서도 경질상의 강도를 향상시키는 것에는 한계가 있었다.

또한, 상기 특허문헌 3의 구성에서는 절삭공구로서의 서멧의 내결손성은 향상되지만, 서멧은 초경합금에 비해 소성에 의한 변형량이 큰 경향이 있고, 복수의 코너 절삭날을 갖는 복잡한 형상의 절삭공구를 제작하면 사용 코너에 의해 코너 절삭날의 위치나 형상이 달라 절삭가공할 때의 치수가 달라 버리는 등의 문제가 발생했다.

본 발명은 상기 문제를 해결하기 위한 것이고, 그 목적은 서멧의 인성을 향상시킴과 아울러 소성에 의한 변형을 저감시켜 가공 정밀도가 높은 절삭공구를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 절삭공구는 Ti를 주성분으로 하는 주기율표 제 4, 5 및 6족 금속 중 1종 이상의 탄화물, 질화물 및 탄질화물의 1종 이상으로 이루어지는 경질상으로서 제 1 경질상과 제 2 경질상의 2종류로 이루어지는 경질상과,

주로 Co 및 Ni 중 적어도 1종으로 이루어지는 결합상으로 구성되어 이루어지는 서멧 소결체의 표면으로부터 400㎛ 두께 이상의 깊이의 내부에 있어서,

2D법으로 측정한 상기 제 1 경질상의 σ₁₁방향(경사면에 평행하며 절삭날을 향하는 방향)의 잔류 응력 σ₁₁〔1i〕가 압축 응력으로 80MPa 이상(σ₁₁〔1i〕≤-80MPa), 상기 제 2 경질상의 σ₁₁방향의 잔류 응력 σ₁₁〔2i〕가 압축 또는 인장 응력으로 -50MPa∼50MPa(σ₁₁〔2i〕=-50MPa∼50MPa)이며, 또한 상기 결합상의 σ₁₁방향의 잔류 응력 σ₁₁〔bi〕가 압축 또는 인장 응력으로 -50MPa∼50MPa(σ₁₁〔bi〕=-50MPa∼50MPa)의 범위내이다.

(발명의 효과)

본 발명의 절삭공구에 의하면, 서멧 소결체를 구성하는 경질상이 제 1 경질상과 제 2 경질상의 2종류로 이루어진다. 그리고, 서멧 소결체의 표면으로부터 400㎛ 이상의 깊이의 내부에 있어서 2D법으로 측정한 제 1 경질상의 σ₁₁방향의 잔류 응력 σ₁₁〔1i〕가 압축 응력으로 80MPa 이상(σ₁₁〔1i〕≤-80MPa), 제 2 경질상의 σ₁₁방향의 잔류 응력 σ₁₁〔2i〕가 압축 또는 인장 응력으로 -50MPa∼50MPa(σ₁₁〔2i〕=-50MPa∼50MPa)이며, 또한 상기 결합상의 σ₁₁방향의 잔류 응력 σ₁₁〔bi〕가 압축 또는 인장 응력으로 -50MPa∼50MPa(σ₁₁〔bi〕=-50MPa∼50MPa)의 범위내에서 구성되는 즉 2종류의 경질상에 각각 다른 크기의 잔류 응력이 가해짐으로써 경질상의 경도가 높아짐과 아울러 경질상 사이를 결합하는 결합상의 결합력이 높아져서 경질상의 입계에 크랙의 진전 방향을 회절시켜서 크랙의 진전을 억제할 수 있다. 이것에 의해, 서멧 소결체의 인성이 향상되어 절삭공구의 내결손성이 향상된다.

도 1은 본 발명의 절삭공구의 일례인 스로어웨이 팁에 대해서 (a)개략 상면도, (b) (a)의 X-X 단면도이며, 경사면에서 잔류 응력을 측정할 때의 측정 부위를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 스로어웨이 팁을 구성하는 서멧 소결체의 단면에 대한 주사 전자 현미경 사진이다.

본 발명의 절삭공구에 대해서 경사면과 착좌면이 같은 네가티브 팁 형상의 스로어웨이 팁을 예로 하고, (a)개략 상면도, (b) (a)의 X-X 단면도인 도 1, 및 팁(1)을 구성하는 서멧 소결체(6)의 단면에 대한 주사 전자 현미경 사진인 도 2를 사용해서 설명한다.

도 1, 2의 스로어웨이 팁(이하, 단지 팁으로 생략한다) (1)은 도 1(a), (b)에 나타낸 바와 같이 대략 평판상을 이루고, 주면에 경사면(2), 측면에 도피면(3)을 배치하고, 경사면(2)과 도피면(3)의 교차 능선부에 절삭날(4)을 갖는 형상을 하고 있다.

또, 경사면(2)은 마름모형, 삼각형, 사각형 등의 다각형상(도 1에서는 예각인 꼭지각이 80도를 이루는 마름모형 형상을 예로서 사용한다)을 이루고 있고, 이 다각형상의 꼭지각 중 예각인 꼭지각(5a,5b)은 노즈(5)로서 피삭재의 가공부에 접촉되어 절삭을 행하는 부분이 된다.

팁(1)을 구성하는 서멧 소결체(6)는 도 2에 나타낸 바와 같이, Ti를 주성분으로 하는 주기율표 제 4, 5 및 6족 금속 중 1종 이상의 탄화물, 질화물 및 탄질화물의 1종 이상으로 이루어지는 경질상(11)과, 주로 Co 및 Ni 중 적어도 1종으로 이루어지는 결합상(14)으로 구성되어 있다. 그리고, 경질상(11)은 제 1 경질상(12)과 제 2 경질상(13)의 2종류로 구성된다.

또한, 제 1 경질상(12)의 조성은 주기율표 4, 5 및 6족 금속 원소 중에서 Ti원소를 80중량% 이상 함유하고 있고, 제 2 경질상(13)의 조성은 주기율표 4, 5 및 6족 금속 원소 중에서 Ti원소의 함유량이 30중량% 이상 80중량% 미만의 비율로 구성되어 있다. 따라서, 서멧 소결체(6)를 주사형 전자현미경으로 관찰하면 제 1 경질상(12)은 제 2 경질상(13)보다 경원소의 함유 비율이 많기 때문에 검은 입자로서 관찰된다.

또, X선 회절 측정에 있어서 Ti(C)N의 (422)면에 귀속되는 피크는 제 1 경질상(12)의 피크p₁(422)와 제 2 경질상(13)의 피크p₂(422)의 2개의 피크가 관측된다. 마찬가지로, Ti(C)N의 (511)면에 귀속되는 피크는 제 1 경질상(12)의 피크p₁(511)과 제 2 경질상(13)의 피크p₂(511)의 2개의 피크가 관측된다. 또한, 제 1 경질상(12)의 피크는 제 2 경질상(13)의 피크보다 고각도측에 관측된다.

여기서, 본 실시형태에 의하면, 서멧 소결체(6)의 표면으로부터 400㎛ 이상의 깊이의 내부(이하, 단지 내부로 생략한다)에 있어서 2D법으로 측정한 제 1 경질상(12)의 σ₁₁방향의 잔류 응력 σ₁₁〔1i〕가 압축 응력으로 80MPa 이상(σ₁₁〔1i〕≤-80MPa), 제 2 경질상(13)의 σ₁₁방향의 잔류 응력 σ₁₁〔2i〕가 압축 또는 인장 응력으로 -50MPa∼50MPa(σ₁₁〔2i〕=-50MPa∼50MPa)이며, 또한 결합상(14)의 σ₁₁방향의 잔류 응력 σ₁₁〔bi〕가 압축 또는 인장 응력으로 -50MPa∼50MPa(σ₁₁〔bi〕=-50MPa∼50MPa)의 범위내로 되어 있다. 이것에 의해, 서멧 소결체(6)의 변형량은 억제된 채, 2종류의 경질상에 각각 다른 크기의 압축 응력이 가해짐으로써 경질상(11)의 입자내에 크랙이 발생하기 어려워짐과 아울러 경질상(11) 사이의 입계에 인장 응력이 가해져서 크랙의 진전 방향을 회절시켜서 크랙의 진전을 억제할 수 있다. 이것에 의해, 서멧 소결체(6)의 경질상의 인성이 향상되어 팁(1)의 내결손성이 향상된다. σ₁₁〔1i〕의 바람직한 범위는 σ₁₁〔1i〕=-160MPa∼-350MPa이며, σ₁₁〔2i〕의 바람직한 범위는 σ₁₁〔2i〕=-50MPa∼-20MPa이다.

즉, 제 1 경질상(12)에 가해지는 잔류 응력 σ₁₁〔1i〕가 압축 응력으로 80MPa보다 작으면 경질상(11)의 경도를 향상시킬 수 없음과 아울러 경질상(11)에 응력을 부여할 수 없어 서멧 소결체(6)의 내결손성이 저하된다. 또한, 제 2 경질상(13)에 가해지는 잔류 응력 σ₁₁〔2i〕가 -50MPa∼50MPa의 범위를 벗어나는, 즉 인장 응력 또는 압축 응력으로 50MPa보다 크면 서멧 소결체(6)의 소성에 의한 변형이 커지는 경우가 있다.

또한, 본 발명의 서멧 소결체(6)의 표면 및 내부에 있어서의 잔류 응력 σ₁₁의 측정에 대해서 측정 위치는 서멧 소결체(6)로 이루어지는 절삭공구의 절삭날(4)로부터 1mm 이상 중심측의 위치(P)에서 측정한다. 또한, 잔류 응력의 측정에 사용하는 X선 회절 피크는 2θ의 값이 135∼140도 사이에 나타나는 (511)면의 피크를 사용한다. 그 때, 저각도측에 나타나는 피크p₂(511)을 제 2 경질상(13)에 귀속되는 피크, 고각도측에 나타나는 피크p₁(511)을 제 1 경질상에 귀속되는 피크로서 각각의 경질상(11)의 잔류 응력을 측정한다. 또한, 잔류 응력의 산출시에 필요한 수치에 대해서는 질화 티타늄의 포아송비=0.20, 영률=423729MPa를 사용해서 산출한다. 또한, X선 회절 측정의 조건으로서는 경면 가공한 경사면에 X선의 선원으로서 CuKα선을 사용하고, 출력=45kV, 110mA의 조건으로 조사해서 잔류 응력의 측정을 행한다.

여기서, 상기 잔류 응력 σ₁₁〔1i〕와 σ₁₁〔2i〕의 절대값의 비(σ₁₁〔2i〕/σ₁₁〔1i〕)가 0.05∼0.3인 것이 서멧 소결체(6)의 경도와 변형량을 조정함에 있어서 바람직하다.

또, 서멧 소결체(6)의 표면(미연마면 또는 0.05mm 이하의 두께로 경면 가공한 가공면)에서 2D법으로 잔류 응력을 측정했을 때 제 1 경질상(12)의 상기 σ₁₁방향의 잔류 응력 σ₁₁〔1s〕가 압축 응력 또는 인장 응력으로 -50MPa∼50MPa(σ₁₁〔1s〕=-50MPa∼50MPa)이며, 제 2 경질상(13)의 σ₁₁방향에 대한 잔류 응력 σ₁₁〔2s〕가 압축 응력 또는 인장 응력으로 -50MPa∼50MPa(σ₁₁〔2s〕=-50MPa∼50MPa)인 것이 서멧 소결체(6)의 소성시의 변형을 억제함에 있어서 바람직하다.

여기서, 서멧 표면(미연마면 또는 0.05mm 이하의 두께로 경면 가공한 가공면)에 있어서의 잔류 응력 σ₁₁〔1s〕, σ₁₁〔2s〕의 측정에 대해서 도 1의 공구형상과 같이 경사면(2)에 브레이커홈(8)과 같은 오목부를 갖는 경우에는 오목부 이외의 평평한 부분에서 측정한다. 표면에 있어서의 표면 조도가 거칠 때는 최대한 응력이 가해지지 않도록 서멧 소결체(6)의 경사면(2)을 0.05mm 두께만큼 경면 가공해서 평평한 부분을 확보한 상태로 측정한다. 또한, σ₁₁〔1i〕, σ₁₁〔2i〕의 측정에 대해서는 서멧 소결체(6)의 경사면(2) 표면으로부터 두께 0.4mm(400㎛)보다 두껍게 연마한 상태이며 연마면을 경면 가공한 상태로 측정한다.

또한, 서멧 소결체(6)의 표면에 있어서의 잔류 응력의 측정에 있어서 서멧 소결체(6)의 표면에 피복층이 성막되어 있어도 피복층의 두께가 얇아서 서멧 소결체(6)의 경질상(11)의 피크를 검출할 수 있을 때에는 피복층의 표면으로부터 서멧 소결체(6)의 경질상(11)의 잔류 응력을 측정한다. 피복층의 두께가 두꺼워서 서멧 소결체(6)의 경질상(11)의 피크를 검출할 수 없을 때에는 경질상(11)의 피크를 검출할 수 있을 정도로 피복층을 연마하고나서 서멧 소결체(6)의 경질상(11)의 잔류 응력을 측정한다.

또한, 서멧 소결체(6)의 표면에 있어서의 결합상(14)의 농도 c〔bs〕와, 서멧 소결체(6)의 내부에 있어서의 결합상(14)의 농도 c〔bi〕의 비(c〔bs〕/c〔bi〕)가 0.8∼1.1인 것이 경질상(11) 및 결합상(14)의 각각에 소망의 잔류 응력을 부여할 수 있는 점에서 바람직하다.

또, 상기 내부에 있어서의 제 1 경질상(12)의 면적비율 S〔1i〕와 상기 내부에 있어서의 제 2 경질상(13)의 면적비율 S〔2i〕의 비율(S〔2i〕/S〔1i〕)이 2∼4인 것이 경질상(11) 및 결합상(14)의 각각에 소망의 잔류 응력을 부여할 수 있는 점에서 바람직하다.

또한, 경질상(11)의 평균 입경은 서멧 소결체(6)의 내부에 있어서의 단면관찰에 있어서 제 1 경질상(12)이 0.3∼0.7㎛이며, 제 2 경질상(13)이 0.8∼1.5㎛인 것이 인성을 높일 수 있는 점에서 바람직하다. 그 내부에 있어서 제 1 경질상(12)의 평균 입경을 d_1i로 하고, 제 2 경질상(13)의 평균 입경을 d_2i로 했을 때, d_1i과 d_2i의 비율(d_2i/d_1i)이 2∼3으로 되어 있는 것이 제 1 경질상(12)과 제 2 경질상(13)의 잔류 응력을 제어함에 있어서 바람직하다. 또한, 서멧 소결체(6)의 내부에 있어서의 경질상(11) 전체의 평균 입경(d)은 0.3∼1㎛인 것이 소정의 잔류 응력을 부여할 수 있는 점에서 바람직하다. 또한, 본 발명에 있어서의 경질상(11)의 입경의 측정은 CIS-019D-2005에 규정된 초경합금의 평균 입경의 측정 방법에 준해서 측정한다. 이 때, 경질상(11)의 중심이 제 1 경질상(12)이며 그 주변을 제 2 경질상(13)이 둘러싼 유심구조로 이루어진 경우 그 입자의 제 1 경질상(12)의 입경은 제 1 경질상(12)의 입경 자체로 하고, 제 2 경질상(13)의 입경은 심부의 제 1 경질상(12)과 주변부의 제 2 경질상(13)을 포함시킨 주변부의 외측 가장자리까지를 1개의 경질상(11)으로 간주해서 산출한다.

또한, 상기 서멧 소결체(6)의 결합상(14)의 농도, 제 1 경질상(12)과 제 2 경질상(13)의 면적비율, 경질상(11)의 평균 입경은 전자 현미경에 부수된 에너지 분산 분광 분석(EPMA)으로 측정한 데이터에 의거해서 화상 해석법을 사용해서 산출한다. 또한, 데이터 가공시에 역치를 정할 필요가 있는 경우 EPMA의 최고 카운트값의 10%의 값을 역치로서 산출한다.

여기서, 제 1 경질상(12) 및 제 2 경질상(13)은 모두가 유심구조를 이루는 것은 아니고, 그 일부는 각각 단독으로 존재하고 있는 것에 의해 서멧 소결체(6)의 잔류 응력이 조정된다. 제 1 경질상(12) 전체 중 유심구조를 이루는 비율은 60∼90면적%이고, 제 2 경질상(13) 전체 중 유심구조를 이루는 비율은 40∼80면적%인 것이 바람직하다. 또한, 제 1 경질상(12) 전체 중 유심구조를 이루는 비율의 바람직한 범위는 70∼80면적%이며, 제 2 경질상(13) 전체 중 유심구조를 이루는 비율은 60∼70면적%이다. 즉, 제 1 경질상(12) 전체 중 유심구조가 아니라 단독으로 존재하는 입자의 비율은 10∼40면적%, 특히 20∼30면적%인 것이 바람직하고, 제 2 경질상(13) 전체 중 유심구조가 아니라 단독으로 존재하는 입자의 비율은 20∼60면적%, 특히 30∼40면적%인 것이 바람직하다.

또한, 경질상(11)이 탄질화물로 이루어지고, 경질상(11)의 CN비(질소 함유 비(원자비) (N/(C+N)))가 서멧 소결체(6)의 평균으로 0.42∼0.46인 것이 경질상(11)의 경도를 높임과 아울러 결합상(14)이 경질상(11)의 입계에 진전되는 크랙의 발생을 억제하는 점에서 바람직하다. 경질상(11)의 CN비(질소 함유비(원자비) (N/(C+N)))의 바람직한 범위는 0.43∼0.45이다.

또, 서멧 소결체(6)의 표면에 있어서의 경질상(11)의 CN비(질소 함유비 N/(C+N))가 서멧 소결체(6)의 내부에 있어서의 경질상(11)의 CN비보다 작은 것이 소성에 따르는 서멧 소결체(6)의 변형량을 작게 할 수 있는 점에서 바람직하다.

또한, 본 실시형태에 의하면, 서멧 소결체(6)의 바람직한 조성은 주기율표 제 4, 5 및 6족 금속의 질화물 또는 탄질화물의 합계 함유 비율이 70∼96질량%인 것이 바람직하고, 특히 내마모성의 향상의 점에서 85∼96질량%인 것이 바람직하다. 또한, 주기율표 제 4, 5 및 6족 금속의 질화물 또는 탄질화물 중 Ti의 함유 비율은 50질량% 이상, 특히 60∼90질량%인 것이 서멧 소결체(6)의 경도와 인성의 밸런스의 점에서 바람직하다. 한편, 결합상(14)의 함유 비율은 4∼30질량%, 특히 10∼15질량%인 것이 바람직하고, 이것에 의해, 서멧 소결체(6)의 경도 및 인성의 밸런스가 우수한 것이 된다. 또한, 서멧 소결체(6)의 바람직한 구체적인 조성은 Co를 5∼15질량%, Ni를 2∼10질량%, TiCN을 40∼70질량%, WC를 5∼30질량%, NbC를 5∼30질량%, VC를 1.0∼3.0질량%, MoC를 0∼5질량%, TaC을 0∼10질량%, ZrC를 0∼3.0질량%의 비율이며, 이것에 의해, 서멧 소결체(6)의 내마모성과 내결손성을 양립시킬 수 있다.

또한, 서멧 소결체(6)로 이루어지는 기체의 표면에 피복층(도시 생략)을 형성해서 경사면(2)에서 상기 피복층의 표면으로부터 2D법으로 잔류 응력을 측정했을 때, 제 2 경질상(13)의 경사면(2)의 면내 방향(σ₁₁방향)에 대한 잔류 응력(σ₁₁〔2cs〕)이 압축 응력으로 60MPa 이상(σ₁₁〔2cs〕≤-60MPa)이며, 또한 상기 피복층을 형성하기 전의 서멧 소결체(6)의 제 2 경질상(13)의 상기 σ₁₁방향에 대한 잔류 응력(σ₁₁〔2ns〕)에 대하여 1.1배 이상인 것이 피복층의 밀착성을 높이기 때문에 바람직하다.

또한, 본 실시형태에 있어서는 서멧 소결체의 표면에 TiN, TiCN, TiAlN, Al₂O₃등의 공지의 경질막을 물리증착법(PVD법)이나 화학증착법(CVD법) 등의 공지의 박막 형성 방법을 사용해서 피복층(도시 생략)을 성막한 것이어도 좋다. 그 중에서도 상기 피복층으로서는 Ti_1-a-b-c-dAl_aW_bSi_cM_d(C_xN_{1-x) (}단, M은 Nb, Mo, Ta, Hf, Y로부터 선택되는 1종 이상, 0.45≤a≤0.55, 0.01≤b≤0.1, 0≤c≤0.05, 0≤d≤0.1, 0≤x≤1)로 이루어지는 것이 바람직하다.

또, 본 발명의 공구는 스로어웨이 팁 타입의 일반 선삭 공구, 또는 홈형성 공구, 나사 형성 공구, 엔드밀이나 드릴, 및 솔리드 엔드밀이나 솔리드 드릴 등에 적용할 수 있다.

(제조 방법)

이어서, 상술한 서멧의 제조 방법의 일례에 대해서 설명한다.

우선, 평균 입경 0.1∼2㎛, 바람직하게는 0.2∼1.2㎛의 TiCN 분말과, 평균 입경 0.1∼2㎛의 VC 분말과, 평균 입경 0.1∼2㎛의 상술한 다른 금속의 탄화물 분말, 질화물 분말 또는 탄질화물 분말 중 어느 1종과, 평균 입경 0.8∼2.0㎛의 Co 분말과, 평균 입경 0.5∼3.0㎛의 Ni 분말과, 소망에 의해 평균 입경 0.5∼10㎛의 MnCO₃분말을 혼합한 혼합 분말을 조제한다. 또한, 원료 중에 TiC 분말이나 TiN 분말을 첨가하는 경우도 있지만, 이들 원료 분말은 소성 후의 서멧에 있어서 TiCN을 구성한다. 그리고, 이 혼합 분말에 바인더를 첨가하고, 스프레이 드라이어 등의 방법에 의해 평균 입경 10∼200㎛의 과립체를 제작하고, 프레스 성형에 의해 소정 형상으로 성형한다.

이어서, 이 혼합 분말에 바인더를 첨가해서 프레스 성형, 압출 성형, 사출 성형 등의 공지의 성형 방법에 의해 소정 형상으로 성형한다. 이어서, 본 발명에 의하면, 하기의 조건으로 소성함으로써 상술한 소정 조직의 서멧을 제작할 수 있다.

제 1 실시형태에 있어서의 소성 조건은,

(a)진공 중에서 실온으로부터 1200℃까지 승온하는 공정,

(b)진공 중에서 1200℃로부터 1330∼1380℃의 소성 온도(온도T₁이라고 한다)까지 0.1∼2℃/분의 승온속도r₁로 승온하는 공정,

(c)온도T₁에서 소성로 내의 분위기를 30∼2000Pa의 불활성 가스 분위기로 스위칭해서 온도T₁로부터 1450∼1600℃의 소성 온도(온도T₂라고 한다)까지 4∼15℃/분의 승온속도r₂로 승온하는 공정,

(d)30∼2000Pa의 불활성 가스 분위기 중의 상태 온도T₂에서 0.5∼2시간 유지하는 공정,

(e)0.1MPa∼0.9MPa의 불활성 가스 분위기에서 100℃ 이하의 온도(온도T₃이라고 한다)로 10∼50℃/분의 강온속도r₃로 내리는 공정,

(f) (e)공정과 같은 분위기의 상태 온도T₃으로부터 800∼1100℃(온도T₄라고 한다)까지 10∼20℃/분의 승온속도r₄로 승온하는 공정,

(g)온도T₄로 오른 시점에서 불활성 가스를 0.1MPa∼0.9MPa의 가스압으로 해서 20∼50℃/분의 강온속도r₅로 실온까지 냉각하는 공정

(h)액체질소 중에 10초간 침지해서 인출하여 실온에 되돌리는 공정의 (a)∼(h)의 공정을 순서대로 행하는 소성 패턴으로 소성한다.

즉, 상기 소성 조건 중 (b)공정에 있어서의 승온속도r₁을 2℃/분 이하로 하면 서멧의 표면의 보이드의 발생을 억제할 수 있다. 승온속도r₁가 0.1℃/분 이상이면 소성 시간이 생산성에 견딜 수 있는 속도이다. (c)공정에 있어서의 온도T₁로부터의 승온을 30Pa 이상의 가스 분위기로 하면 표면 보이드의 발생이 저감된다. (e) (g)공정을 상기 소정의 가스 분위로 한 경우, 및 (f) (g) (h)공정을 실시하는 것에 의해 경질상 및 결합상의 잔류 응력이 제어된다. 또한, (e)공정, (f)공정, (g)공정의 승온 또는 강온속도가 소정의 범위 내인 경우에도 경질상 및 결합상의 잔류 응력을 소정의 범위내로 제어할 수 있다. 즉, 상기 소성 조건 중 (a)∼(h)공정의 조건을 구비함으로써 잔류 응력을 소정의 범위내로 제어할 수 있다.

또한, 상기 방법으로 제작한 서멧 소결체의 주면을 소망에 의해 다이아몬드 숫돌, SiC 숫돌입자를 사용한 숫돌 등으로 연삭 가공(양두 가공)을 실시하고, 또한, 소망에 의해 서멧 소결체(6)의 측면의 가공, 배럴 가공이나 브러시 연마, 블래스트 연마 등에 의한 절삭날의 호닝 가공을 행한다. 또한, 피복층을 형성할 경우에는 소망에 의해, 성막 전의 소결체(6)의 표면의 세정 등의 공정을 행한다.

그리고, 소망에 의해 제작한 서멧 소결체의 표면에 피복층을 성막하는 공정을 설명한다.

피복층의 성막방법으로서 화학증착(CVD)법도 들 수 있지만, 이온 플레이팅법이나 스퍼터링법 등의 물리증착(PVD)법이 바람직하게 적응가능하다. 성막방법의 구체적인 일례에 대한 상세에 대해서 설명하면 피복층을 이온 플레이팅법으로 제작할 경우에는 금속 티타늄(Ti), 금속 알루미늄(Al), 금속 텅스텐(W), 금속 실리콘(Si), 금속 M(M은 Nb, Mo, Ta, Hf, Y로부터 선택되는 1종 이상)을 각각 독립적으로 함유하는 금속 타겟 또는 복합화한 합금 타겟에 사용하고, 아크 방전이나 글로우 방전 등에 의해 금속원을 증발시켜 이온화함과 동시에 질소원인 질소(N₂)가스나 탄소원인 메탄(CH₄)/아세틸렌(C₂H₂) 가스와 반응시켜서 성막한다.

이 때, 피복층을 성막하는 전처리로서 고바이어스 전압을 가해서 Ar가스 등의 증발원으로부터 Ar이온 등의 입자를 서멧 소결체에 뿌리고, 서멧 소결체(6)의 표면에 뿌려지는 봄버드 처리를 실시한다.

또한, 본 발명에 있어서의 봄버드 처리의 구체적인 조건으로서는 예를 들면, 우선 이온 플레이팅, 아크이온 플레이트이팅 등의 PVD로내에서 증발원을 사용해서 텅스텐 필라멘트를 가열함으로써 로내를 증발원의 플라즈마 상태로 한다. 그리고, 로내 압력 0.5Pa∼6Pa, 로내 온도 400∼600℃, 처리 시간 2분∼240분의 조건으로 봄버드를 행하는 조건이 바람직하다. 여기에서, 본 발명에 있어서는 상술한 서멧 소결체에 대하여 통상의 바이어스 전압 -400∼-500V보다 높은 -600∼-1000V에서 Ar가스 또는 Ti금속을 사용해서 봄버드 처리함으로써 팁(1)의 서멧 소결체(6)의 경질상(11)의 제 1 경질상(12)과 제 2 경질상(13)의 각각에 소정의 잔류 응력을 부여할 수 있다.

그 후, 이온 플레이팅법이나 스퍼터링법으로 피복층을 성막한다. 구체적인 성막조건으로서, 예를 들면 이온 플레이팅법을 사용할 때는 피복층의 결정 구조 및 배향성을 제어해서 고경도인 피복층을 제작할 수 있음과 아울러 기체와의 밀착성을 높이기 위해서 성막온도 200∼600℃, 바이어스 전압 30∼200V를 인가하는 것이 바람직하다.

실시예

마이크로 트랙법에 의한 측정으로 평균 입경(d₅₀값)이 0.6㎛인 TiCN 분말, 평균 입경 1.1㎛의 WC 분말, 평균 입경 1.5㎛의 TiN 분말, 평균 입경 1.0㎛의 VC 분말, 평균 입경 2㎛의 TaC 분말, 평균 입경 1.5㎛의 MoC 분말, 평균 입경 1.5㎛의 NbC 분말, 평균 입경 1.8㎛의 ZrC 분말, 평균 입경 2.4㎛의 Ni 분말, 및 평균 입경 1.9㎛의 Co 분말, 평균 입경 5.0㎛의 MnCO₃분말을 표 1에 나타내는 비율로 조정한 혼합 분말을 스테인레스제 볼밀과 초경볼을 사용해서 이소프로필알콜(IPA)을 첨가해서 습식 혼합하고, 파라핀을 3질량% 첨가, 혼합했다. 그리고, 이것을 아트라이터밀에 투입해서 스프레이 드라이에 의해 평균 입경 200㎛의 과립을 제작했다.

그 후, 가압 압력 200MPa로 스로어웨이 팁 공구 형상으로 프레스 성형하고, (a)공정:10℃/분의 승온속도로 1200℃까지 승온하고, (b)공정:1℃/분의 승온속도로 1350℃까지 승온하고, (c)공정:질소 가스 1500Pa로 7℃/분의 승온속도로 표 2에 나타내는 온도T₂까지 승온하고, (d)공정:그대로의 분위기에서 1시간 유지했다. 그리고, (e)공정:100℃까지 표 1에 나타내는 분위기와 강온속도로 강온하고, 표 2의 (f)공정(분위기는 (e)공정인 채로), (g)냉각 공정, (h)액체 질소 중에 침지하는 공정(표 2에는 처리의 유무를 기재)의 소성 패턴으로 소성했다. 그 후, 이 서멧 소결체에 바이어스 전압 -1000V로 600℃, 30분간의 Ti 봄버드 처리를 행한 후, PVD법에 의해 TiAlN 피복층을 2㎛ 성막해서 시료 No.1∼14의 서멧제의 스로어웨이 팁을 얻었다.

얻어진 서멧제의 스로어웨이 팁에 대해서 ICP분석으로 조성을 측정하여 표 3에 기재했다. 서멧의 조성은 원료조성에 대하여 금속성분의 휘발 등은 없었지만, TiN 분말은 TiCN로 변화되어 있었다. 그리고, 주사형 전자 현미경(SEM) 관찰을 행해서 10000배의 사진에서 내부의 임의 5개소에 대해서 시판의 화상 해석 소프트를 사용해서 8㎛×8㎛의 영역에서 화상해석을 행하고, 제 1 경질상과 제 2 경질상의 각각의 평균 입경과 이들의 함유 비율을 산출했다. 또한, 조직 관찰의 결과, 어느 시료나 제 1 경질상의 주위를 제 2 경질상이 둘러싼 유심구조의 경질상이 존재하고 있는 것이 확인되었다. 결과는 표 4에 나타냈다.

또한, 스로어웨이 팁의 경사면을 0.05mm 연마해서 경면상태로 한 표면, 및 경사면으로부터 0.5mm 두께 연삭 가공해서 경면상태로 한 내부에 대해서 2D법(장치:X선 회절 BrukerAXS사제 D8 DISCOVER with GADDS Super Speed, 선원:CuK_α, 콜리메이터 지름:0.3mmφ, 측정 회절선:TiN(422)면)을 사용해서 제 1 경질상과 제 2 경질상의 각각의 잔류 응력을 측정했다. 또한, 열전도도법에 의해 질소를 적외흡수법에 의해 탄소를 구하고, 서멧 소결체 전체의 CN비(질소 함유비(원자비) (N/(C+N)))를 측정하고, X선 광전자 분광 분석(XPS법)에 의해 서멧 소결체의 표면(표면으로부터 0.05m의 깊이까지 경면가공한 가공면) 및 내부(표면으로부터의 깊이가 500㎛까지 연마 가공한 후에 경면가공한 가공면)에 있어서의 CN비(질소 함유비(원자비) (N/(C+N)))를 측정했다. 결과는 표 4에 나타냈다.

다음에, 얻어진 서멧제의 절삭공구(CNMG120408형상)를 사용해서 이하의 절삭조건으로 절삭시험 1을 행했다. 결과는 표 6에 나타냈다.

(절삭시험 1)

(내마모성 평가)

피삭재:SCM435

절삭속도:200m/분

이송:0.20mm/rev

절개:1.0mm

절삭상태:습식(수용성 절삭액 사용)

평가 방법:마모량이 0.2mm에 도달할때 까지의 시간

(내결손성 평가)

피삭재:S45C

절삭속도:120m/min

이송:0.05∼0.05mm/rev

절개:1.5mm

절삭상태:건식

평가 방법:각 이송 10S로 결손될 때까지의 시간(초) 및 절삭상태

또한, 상기 서멧으로 이루어지는 절삭공구(쿄세라 코포레이션제 스로어웨이 팁:BDMT111Y308ERJT)에 대해서 이하의 절삭조건으로 절삭시험을 행했다. 결과는 표 6에 아울러 나타냈다.

(절삭시험 2)

피삭재:SCM440H

절삭속도:150m/min

절개:2.0mm

이송:0.2mm/tooth

절삭상태:건식

절삭길이가 8m가 된 시점의 피삭재의 저면의 표면 조도, 및 절삭가공을 연장해서 면조도가 0.70㎛가 될 때까지의 절삭길이를 측정했다.

표 1∼6으로부터 본 발명의 범위 외의 잔류 응력을 갖는 시료 No.7∼13에서는 공구의 인성이 충분하지 않고, 절삭시험 1에서 조기에 절삭날의 치핑이나 절삭날의 돌발 결손이 발생되어 버려 충분한 공구수명을 얻을 수 없었다. 한편, 본 발명의 범위내인 시료 No.1∼6, 14에서는 높은 인성을 갖기 때문에 절삭시험 1에서는 칼끝의 치핑도 없고, 우수한 공구수명을 발휘했다. 또한, 절삭시험 2에 있어서도 본 발명의 범위 외의 시료 No.7∼13에서는 소성에 의한 변형의 영향으로 절삭날의 위치가 설계된 위치로부터 벗어나 버려 15m 절삭한 시점에서 절삭면의 면조도가 나빠지고 있었다. 또한, 절삭평가를 계속한 결과 마모가 진행되고, 또 절삭날의 치핑도 발생되었기 때문에 가공 가능한 절삭길이는 짧아졌다. 한편, 본 발명의 범위내인 시료 No.1∼6, 14는 소성에 의한 변형도 작아 15m 절삭한 시점에서의 절삭면의 면조도가 좋고, 또한 절삭평가를 계속해도 마모의 진행도 없고, 치핑도 없기 때문에 가공 가능한 절삭길이가 긴 것이었다.

1: 팁(스로어웨이 팁) 2: 경사면
3: 도피면 4: 절삭날
5: 노즈 6: 서멧 소결체
8: 브레이커홈 11: 경질상
12: 제 1 경질상 13: 제 2 경질상
14: 결합상
σ₁₁방향: 경사면에 평행하고 또한 경사면의 중심으로부터 측정점에 가장 가까운 노즈를 향하는 방향

Claims

Ti를 포함하고, 주기율표 제 4, 5 및 6족 금속 중 1종 이상을 더 포함하는 탄화물, 질화물 및 탄질화물의 1종 이상으로 이루어지는 경질상으로서 제 1 경질상과 제 2 경질상의 2종류로 이루어지는 경질상과,
Co 및 Ni 중 적어도 1종을 포함하는 결합상을 포함하는 서멧 소결체로 이루어지고, 상기 서멧 소결체는 표면으로부터 400㎛ 두께 이상의 깊이의 내부에 있어서,
2D법으로 측정한 상기 제 1 경질상의 σ₁₁방향의 잔류 응력 σ₁₁〔1i〕가 압축 응력으로 80MPa 이상(σ₁₁〔1i〕≤-80MPa), 상기 제 2 경질상의 σ₁₁방향의 잔류 응력 σ₁₁〔2i〕가 압축 또는 인장 응력으로 -50MPa∼50MPa(σ₁₁〔2i〕=-50MPa∼50MPa)이며, 또한 상기 결합상의 σ₁₁방향의 잔류 응력 σ₁₁〔bi〕가 압축 또는 인장 응력으로 -50MPa∼50MPa(σ₁₁〔bi〕=-50MPa∼50MPa)의 범위내인 것을 특징으로 하는 절삭공구.
제 1 항에 있어서,
상기 잔류 응력 σ₁₁〔1i〕와 σ₁₁〔2i〕의 절대값의 비(σ₁₁〔2i〕/σ₁₁〔1i〕)가 0.05∼0.3인 것을 특징으로 하는 절삭공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 서멧 소결체의 표면에서 2D법으로 잔류 응력을 측정했을 때, 상기 제 1 경질상의 상기 σ₁₁방향의 잔류 응력 σ₁₁〔1s〕가 압축 응력 또는 인장 응력으로 -50MPa∼50MPa(σ₁₁〔1s〕=-50MPa∼50MPa)이며, 상기 제 2 경질상의 σ₁₁방향에 대한 잔류 응력 σ₁₁〔2s〕가 압축 응력 또는 인장 응력으로 -50MPa∼50MPa(σ₁₁〔2s〕=-50MPa∼50MPa)인 것을 특징으로 하는 절삭공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 서멧 소결체의 표면에 있어서의 상기 결합상의 농도 c〔bs〕와, 상기 내부에 있어서의 상기 결합상의 농도 c〔bi〕의 비(c〔bs〕/c〔bi〕)가 0.8∼1.1인 것을 특징으로 하는 절삭공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 내부에 있어서의 상기 제 1 경질상의 면적비율 S〔1i〕와 상기 내부에 있어서의 상기 제 2 경질상의 면적비율 S〔2i〕의 비율(S〔2i〕/S〔1i〕)이 2∼4인 것을 특징으로 하는 절삭공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 경질상 및 제 2 경질상이 탄질화물로 이루어지고, 상기 경질상의 CN비(질소 함유비(원자비) (N/(C+N)))가 상기 서멧 소결체 전체의 평균으로 0.42∼0.46인 것을 특징으로 하는 절삭공구.
제 6 항에 있어서,
상기 서멧 소결체의 표면에 있어서의 상기 경질상의 CN비(질소 함유비 (원자비) (N/(C+N)))가 상기 서멧 소결체의 내부에 있어서의 상기 경질상의 CN비보다 작은 것을 특징으로 하는 절삭공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 경질상에 있어서 상기 제 1 경질상 및 상기 제 2 경질상의 일부는 상기 제 1 경질상의 주위를 상기 제 2 경질상이 둘러싼 유심구조를 이루고 있고, 상기 제 1 경질상 전체 중 유심구조를 이루는 제 1 경질상의 비율은 60∼90면적%이며, 상기 제 2 경질상 전체 중 유심구조를 이루는 제 2 경질상의 비율은 40∼80면적%인 것을 특징으로 하는 절삭공구.