KR101843453B1

KR101843453B1 - 피복절삭공구

Info

Publication number: KR101843453B1
Application number: KR1020167019459A
Authority: KR
Inventors: 타카아키 나카무라
Original assignee: 가부시키가이샤 탕가로이
Priority date: 2014-01-27
Filing date: 2015-01-27
Publication date: 2018-03-29
Also published as: JPWO2015111752A1; RU2016134828A3; EP3100806A1; CN105916617A; WO2015111752A1; US9969007B2; CN105916617B; KR20160099698A; CA2938014A1; BR112016017108B1; RU2016134828A; CA2938014C; US20160332237A1; EP3100806A4; JP6206686B2; EP3100806B1; RU2655414C2

Abstract

본 발명의 일 실시형태의 피복절삭공구는, 기재와, 기재 표면에 형성된 피복층을 포함한다. 피복층은 적어도 1층 이상의 α형 산화알루미늄층을 포함한다. α형 산화알루미늄층의 기재 표면과 대략 평행한 단면에 있어서, 단면의 법선과 α형 산화알루미늄층의 입자의 (222)면의 법선이 이루는 각을 방위차로 하고, 단면에 있어서의 방위차가 0도 이상 90도 이하의 범위 내에 있는 α형 산화알루미늄층의 입자의 면적을 100면적%로 하는 동시에, 방위차가 0도 이상 90도 이상의 범위에 있는 α형 산화알루미늄층의 입자의 면적을 10도의 피치마다로 구분하였을 때, 방위차가 20도 이상 30도 미만인 범위 내에 있는 α형 산화알루미늄층의 입자의 면적의 합계 Sa가 10도 피치마다의 9개 구분의 각 면적의 합계 중에서 최대이다.

Description

피복절삭공구{Coated Cutting Tool}

본 발명은 피복절삭공구에 관한 것이다.

종래, 예를 들어 초경합금으로 이루어지는 기재의 표면에 피복층을 화학증착법에 의하여 증착 형성하여 이루어지는 피복절삭공구가 강철이나 주철 등의 절삭가공에 이용되고 있는 것은 잘 알려져 있다. 피복층은, 일반적으로, 예를 들어 Ti계 화합물(탄화물, 질화물, 탄질화물, 탄산화물 및 탄질산화물) 및 산화알루미늄 중의 1종의 단층 또는 2종 이상의 복층으로 이루어지며, 3~20㎛의 총 막두께를 가진다.

특허문헌 1에서는, WC기 초경합금 또는 TiCN기 서밋으로 구성된 공구기체의 표면에 하부층으로서 Ti 화합물을 형성하고, 상부층으로 Al₂O₃층을 가지고 있는 절삭공구가 기재되어 있다. 특허문헌 1의 기재에 따르면, 이 Al₂O₃층은, 화학증착에 의하여 형성한 상태로 κ형 또는 θ형의 결정구조를 가지고, 화학증착 후의 가열처리에 의하여 α형 결정구조를 가지도록 변태처리된 것이며, X선 회절측정으로 (006)면 및 (018)면에 명확한 회절피크가 나타나는 X선 회절차트를 나타낸다.

특허문헌 1: 일본공개특허공보 2004-299021호

최근의 절삭가공에서는 고속화, 고이송화 및 심절삭화가 현저하게 되어, 종래보다 공구수명이 저하되는 경향이 보이게 되어 왔다. 이러한 배경에 의하여, 공구의 내마모성 및 내결손성(내칩핑성을 포함)이 더욱 향상되는 것에 대한 요구가 강해지고 있다.

그러던 중, 상기 특허문헌 1의 공구에 관하여, 본 발명자는 실험을 행하였다. 그 결과, 특허문헌 1의 공구는, 절삭가공 중에 α형 산화알루미늄층의 입자가 제거됨으로써 마모가 쉽게 진행되고, 내마모성의 점에서 문제를 가지는 것이 확인되었다.

본 발명은, 뛰어난 내마모성 및 내결손성을 가지는 피복절삭공구를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자는, 결정방위에 주목하여 창의 궁리하여, 결정방위를 적정화함으로써, 피복절삭공구의 내마모성 및 내결손성의 양립을 도모할 수 있는 것을 발견하였다. 즉, 본 발명자는, 같은 관점에서, 피복절삭공구의 공구수명의 연장에 대하여 연구를 거듭한 결과, 결정방위, 특히 슬립계에 주목한 이하의 구성을 가지는 절삭공구에 의하여, 내결손성을 손상시키지 않고, 내마모성을 향상시킬 수 있으며, 그 결과, 공구수명을 연장할 수 있다는 지식을 얻었다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면,

기재와, 그 기재의 표면에 형성된 피복층을 포함하는 피복절삭공구에 있어서,

상기 피복층은 적어도 1층 이상의 α형 산화알루미늄층을 포함하고,

상기 α형 산화알루미늄층의 상기 기재의 표면과 대략 평행한 단면에 있어서,

상기 단면의 법선과 상기 α형 산화알루미늄층의 입자의 (222)면의 법선이 이루는 각을 방위차로 하며,

상기 단면에 있어서의, 방위차가 0도 이상 90도 이하의 범위 내에 있는 α형 산화알루미늄층의 입자의 면적을 100면적%로 정의하는 동시에, 방위차가 0도 이상 90도 이하의 범위 내에 있는 α형 산화알루미늄층의 입자의 면적을 10도의 피치마다로 구분하였을 때,

상기 단면에 있어서의, 방위차가 20도 이상 30도 미만의 범위 내에 있는 α형 산화알루미늄층의 입자의 면적의 합계 Sa가, 10도 피치마다의 9개의 구분의 각 면적의 합계 중에서 최대인 피복절삭공구가 제공된다.

상기 구성을 가지는 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 피복절삭공구의 피복층에 있어서, 방위차가 20도 이상 30도 미만의 범위 내에 있는 α형 산화알루미늄층의 입자의 면적의 합계 Sa가, 10도 피치마다의 9개의 구분의 각 면적의 합계 중에서 최대이다. 따라서, 방위차가 20도 이상 30도 미만의 범위 내에 있는 입자가 α형 산화알루미늄층에 있어서 우세하여, 절삭공구의 내결손성을 저하시키지 않고, 높은 내마모성이 달성될 수 있다.

바람직하게는, 방위차가 20도 이상 30도 미만의 범위 내에 있는 α형 산화알루미늄층의 입자의 면적의 합계 Sa는 25면적%≤Sa≤70면적%의 범위 내에 있다.

또한, 바람직하게는, 방위차가 0도 이상 10도 미만의 범위 내에 있는 α형 산화알루미늄층의 입자의 면적의 합계 Sb는 10면적%≤Sb≤20면적%의 범위 내에 있다.

또한, 바람직하게는, 상기 α형 산화알루미늄층의 평균 층두께는 1~15㎛이다.

바람직하게는, 상기 피복층은, 상기 기재와 상기 α형 산화알루미늄층 사이에, Ti 원소와, C, N, O 및 B로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 원소와의 Ti 화합물로 이루어지는 Ti 화합물층을 구비한다.

또한, 바람직하게는, 상기 피복층의 평균 층두께는 3~30㎛이고, 상기 Ti 화합물의 평균 층두께는 2~15㎛이다.

상기 α형 산화알루미늄층의 상기 단면은, 피복절삭공구의 절삭면 및 여유면의 소정 영역에 관하여 정해지면 좋다. 또한, 그 단면은, 피복층의 두께방향에 있어서 그 α형 산화알루미늄층의 적어도 50%가 남은 위치에 정해지면 좋다. α형 산화알루미늄층의 상기 단면은, 연마면인 것이 바람직하다.

상기 기재는, 초경합금, 서밋, 세라믹 또는 입방정 질화붕소 소결체 중 어느 하나를 포함하면 좋다.

상기 피복절삭공구는, 공구본체에 탈착 가능하게 설치될 수 있는 절삭 인서트여도 좋다.

본 명세서의 내용 중에 있음.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 피복절삭공구의 날끝 근방의 단면모식도이다.
도 2는 본 발명에 따라서 제작한 피복절삭공구의 발명품에 있어서의 피복층의 구성을 나타내는 개략도이다.

<피복절삭공구>

본 발명은 피복절삭공구에 적합하게 되어 있다. 피복절삭공구는, 기재와 그 기재의 표면에 형성된 피복층을 포함한다. 피복절삭공구는, 기재와 피복층으로 이루어져 있어도 좋다. 피복절삭공구는, 절삭면과 여유면과의 교차부에 절삭날을 구비한다. 피복층은, 절삭날을 포함하는 소정 영역에 적어도 형성되고, 바람직하게는 절삭면으로부터 여유면에 걸쳐서 형성되며, 기재의 표면의 일부로 한정되지 않고, 전체 표면에 걸쳐서 형성되어도 좋다. 피복절삭공구의 종류로서 구체적으로는, 프라이스 가공용 또는 선삭가공용 날끝 교환형 절삭 인서트, 드릴, 엔드밀 등을 들 수 있다.

<기재>

본 발명에 있어서 '기재'는, 예를 들어 초경합금, 서밋, 세라믹, 입방정 질화붕소 소결체, 다이아몬드 소결체, 고속도강 등으로 만들어질 수 있다. 그 중에서도, 기재는, 초경합금, 서밋, 세라믹 또는 입방정 질화붕소 소결체의 적어도 어느 하나를 포함하면 좋다. 기재는, 초경합금, 서밋, 세라믹 또는 입방정 질화붕소 소결체 중 어느 하나로 이루어져도 좋다. 초경합금, 서밋, 세라믹 및 입방정 질화붕소 소결체 중 어느 것으로 이루어지는 기재는, 내마모성 및 내결손성이 뛰어나므로 바람직하다.

한편, 이들 기재는, 그 표면이 개질된 것이어도 상관없다. 예를 들어, 기재가 초경합금제인 경우에는, 그 표면에 탈β층이 형성되고, 기재가 서밋제인 경우에는, 표면경화층이 형성되어도 좋다. 이와 같이 기재의 표면이 개질되어 있어도, 본 발명의 효과는 나타난다.

<피복층>

본 발명에 있어서 '피복층'은, 평균 층두께가 3~30㎛인 것이 바람직하다. 피복층의 두께가 3㎛ 미만이면, 내마모성이 떨어지는 경우가 있다. 피복층의 두께가 30㎛를 넘으면, 피복층과 기재와의 밀착성이 저하되거나, 피복절삭공구의 내결손성이 저하되거나 하는 경우가 있다. 피복층의 두께는, 그 중에서도 3~20㎛인 것이 더욱 바람직하다. 피복층은 단층으로 이루어져도 좋은데, 복수층으로 이루어지면 바람직하다.

<α형 산화알루미늄층>

본 발명의 피복층은, 적어도 1층의 산화알루미늄층을 포함한다. 이 산화알루미늄층의 결정형은 α형(즉, 삼방형)이면 좋다. 여기에서, 기재 표면과 대략 평행한 α형 산화알루미늄층의 연마면에 있어서, 연마면의 법선과 α형 산화알루미늄층의 입자의 (222)면의 법선이 이루는 각을 방위차로 한다. 그리고, 연마면에 있어서의 방위차가 0도 이상 90도 이하의 범위 내에 있는 α형 산화알루미늄층의 입자의 면적을 100면적%로 한다. 여기에서, 방위차가 0도 이상 90도 이하의 범위 내에 있는 α형 산화알루미늄층의 입자의 면적을 10도의 피치마다로 구분한다. 예를 들어, 입자의 방위차가 20도 이상 30도 미만일 때, 그 입자의 연마면에 있어서의 면적을, 방위차가 20도 이상 30도 미만의 범위 내에 있는 면적으로서 처리한다. 그 결과, 피복층의 α형 산화알루미늄층에서는, 방위차가 20도 이상 30도 미만의 범위 내에 있는 입자의 면적의 합계 Sa는, 9개의 구분의 각각의 면적의 합계 중에서 최대이다. 이와 같이, α형 산화알루미늄층을 20도 이상 30도 미만의 방위차의 입자가 우세하도록 형성함으로써, 피복절삭공구에 있어서의 내결손성(내칩핑성을 포함)을 저하시키지 않고, 내마모성을 높일 수 있다. α형 산화알루미늄의 입자(즉, 결정입자)의 (222)면은 슬립면이므로, 방위차가 0도에 가까울수록 그 슬립면이 기재와 평행한 방향의 면인 것을 나타낸다. 따라서, 방위차가 0도 이상 10도 미만의 범위 내에 있는 입자의 비율이 높아지면, 내칩핑성 및 내결손성이 뛰어난데, 벗겨짐 마모에 대한 내성(즉, 내마모성)이 저하된다고 생각된다. 이에 대하여, 방위차가 20도 이상 30도 미만의 범위 내에 있는 입자가 α형 산화알루미늄층에서 우세하게 되면, 내칩핑성 및 내결손성을 유지하면서, 벗겨짐 마모에 대한 내성을 높일 수 있다. 한편, α형 산화알루미늄의 (222)면은, 마름모면체축에 근거하여 나타난 것이다. 결정면을 나타내는 축의 설치방법을 바꾸어, 육방정축으로 나타낼 때, 이 (222)면을 (006)면으로 나타낼 수 있다.

본 발명에 있어서의 α형 산화알루미늄층에서는, 방위차가 20도 이상 30도 미만의 범위 내에 있는 입자의 면적의 합계를 Sa로 하였을 때, 25면적%≤Sa≤70면적%이면 좋다. 이에 따라, 내결손성을 저하시키지 않고, 내마모성을 보다 적절하게 향상시킬 수 있으므로 바람직하다. 방위차가 20도 이상 30도 미만의 범위 내에 있는 입자의 면적의 합계 Sa가 25면적% 미만이면 방위차가 0도 이상 10도 미만의 범위 내에 있는 입자 또는 방위차가 30도 이상의 범위 내에 있는 입자의 α형 산화알루미늄층에 있어서의 우세도가 매우 높아지므로, 내마모성 또는 내결손성이 저하되는 경향이 있다. 한편, 방위차가 20도 이상 30도 미만의 범위 내에 있는 입자의 면적의 합계 Sa를 70면적%를 넘게 크게 하는 것은 실질적으로 곤란하다.

본 발명의 α형 산화알루미늄층에서는, 연마면에 있어서의 방위차가 0도 이상 10도 미만의 범위 내에 있는 입자의 면적의 합계를 Sb로 하였을 때, 10면적%≤Sb≤20면적%인 것이 바람직하다. 방위차가 0도 이상 10도 미만의 범위 내에 있는 입자의 면적의 합계 Sb가 10면적% 미만이면 피복의 균열이나 박리가 증대됨으로써, 내칩핑성 또는 내결손성이 저하되는 경우가 있다. 방위차가 0도 이상 10도 미만의 범위 내에 있는 입자의 면적의 합계 Sb가 20면적%를 넘게 커지면, 벗겨짐 마모에 대한 내성, 즉 내마모성이 저하될 것이다.

본 발명의 α형 산화알루미늄층의 평균 층두께는 1~15㎛인 것이 바람직하다. α형 산화알루미늄층의 평균 층두께가 1㎛ 미만에서는 절삭면에 있어서의 내크레이터 마모성이 저하되는 경우가 있고, 15㎛를 넘으면 박리가 발생하기 쉬워져, 내결손성이 저하되는 경우가 있다.

α형 산화알루미늄층의 연마면이란, 피복절삭공구를 기재의 표면과 대략 평행(바람직하게는 평행)한 방향으로 α형 산화알루미늄층이 노출될 때까지 연마하여 얻어진 α형 산화알루미늄층의 면이다. 이때, 피복층의 두께방향에 있어서 α형 산화알루미늄층의 평균 층두께의 50% 이상이 남은 위치에서 연마면을 얻는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 피복층의 두께방향에 있어서 α형 산화알루미늄층의 50% 이상 90% 이하가 남은 위치에서 연마면을 얻으면 좋다. 특히, 연마면은, 경면이면 좋다. α형 산화알루미늄층의 경면 연마면을 얻는 방법으로는, 다이아몬드 페이스트 또는 콜로이달실리카를 사용하여 연마하는 방법이나 이온밀링 등을 들 수 있다. 하지만, 본 발명은, 연마면으로 한정되지 않으며, 상기 특징을 α형 산화알루미늄층의 다양한 방법으로 형성한 단면에 있어서 가지는 피복절삭공구를 포함한다.

한편, 입자의 각 방위차에 있어서의 면적은, 상기의 α형 산화알루미늄층의 단면, 바람직하게는 연마면을 준비하고, 주사전자현미경(SEM)이나 전해방사형 주사전자현미경(FE-SEM) 등에 부속된 전자후방산란 회절상장치(EBSD)를 이용하여 측정할 수 있다. EBSD를 이용하여 α형 산화알루미늄층의 각 입자(즉, 결정)의 결정방위를 특정하고, 결정방위를 특정한 입자의 연마면에 있어서의 면적을 방위차에 따라서 방위차가 0도 이상 90도 이하의 범위 내에 있는 10도의 피치마다의 9개의 구분 중 어떤 면적으로서 처리하여, 각 방위차의 구분에 있어서의 면적비율을 구할 수 있다.

보다 구체적으로는, 이하의 방법으로 구할 수 있다. α형 산화알루미늄층의 연마면을 가지는 시료를 FE-SEM에 세팅하고, 시료에 70도의 입사각도로 15kV의 가속전압 및 0.5nA 조사전류로 전자선을 조사한다. 30㎛×50㎛의 측정범위를 0.1㎛의 스텝사이즈라고 하는 EBSD 설정으로 측정하여 방위차를 구하는 것이 바람직하다.

본 발명의 피복층은, 상기 α형 산화알루미늄층에 더하여, 적어도 1층 이상의 Ti 화합물층을 포함하면 좋다. Ti 화합물층을 설치함으로써 내마모성이 향상되기 때문에 바람직하다. Ti 화합물층은, 하부층으로서 기재와 α형 산화알루미늄층 사이에 형성되어도 좋고, 그 대신에 또는 그것과 더불어, 상부층으로서 α형 산화알루미늄층보다 바깥측에 형성되어도 좋다. 그 중에서도, Ti 화합물층은, 기재의 표면에 형성되면, 기재와 피복층과의 밀착성이 향상되므로 바람직하다. 또한, Ti 화합물층은, 피복층 중 최외층에 형성되면, 절삭공구에 있어서의 사용완료 코너(즉, 사용완료된 절삭날 부분)의 식별이 용이해지므로 바람직하다. 예를 들어, TiN은 노란색을 띄는 색상을 나타내고, 사용됨으로써 적어도 그 광택에 변화가 발생한다. Ti 화합물층이란, Ti 원소를 필수성분으로서 포함하고, C, N, O 및 B로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 원소를 포함하는 화합물층을 의미한다. 예를 들어, Ti 화합물층은, TiC, TiN, TiCN, TiCO, TiCNO 및 TiB₂의 적어도 하나로 이루어질 수 있다. Ti 화합물층은, 임의 성분으로서 Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al 및 Si로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 원소를 포함하여도 좋다.

본 발명의 Ti 화합물층의 평균 층두께는 2~15㎛이면 바람직하다. 이것은 Ti 화합물층의 평균 층두께가 2㎛ 미만이 되면 내마모성이 저하되는 경향이 보이고, 한편, Ti 화합물층의 평균 층두께가 15㎛를 넘게 두꺼워지면, 내결손성이 저하되는 경향이 보이기 때문이다. 한편, Ti 화합물층이 하부층 및 상부층으로서 형성되는 경우, Ti 화합물층의 평균 층두께는, 하부층과 상부층과의 합계의 평균 층두께를 가리킨다. 또한, 예를 들어 하부층으로서 복수의 Ti 화합물층이 형성되는 경우, 그들 복수층의 전체 두께는 Ti 화합물층의 층두께에 포함될 수 있다.

[피복층의 형성방법]

본 발명의 피복절삭공구에 있어서의 피복층을 구성하는 각 층의 형성방법으로서, 예를 들어 이하의 방법을 들 수 있다.

예를 들어, TiN층은, 원료가스 조성을 TiCl₄: 5.0~10.0mol%, N₂: 20~60mol%, H₂:잔부로 하고, 온도: 850~920℃, 압력: 100~350hPa로 하는 화학증착법으로 형성할 수 있다.

TiCN층은, 원료가스 조성을 TiCl₄: 10~15mol%, CH₃CN: 1~3mol%, N₂: 0~20mol%, H₂:잔부로 하고, 온도: 850~920℃, 압력: 60~80hPa로 하는 화학증착법으로 형성할 수 있다.

TiC층은, 원료가스 조성을 TiCl₄: 1.0~3.0mol%, CH₄: 4.0~6.0mol%, H₂:잔부로 하고, 온도: 990~1030℃, 압력: 50~100hPa로 하는 화학증착법으로 형성할 수 있다.

TiAlCNO층은, 원료가스 조성을 TiCl₄: 3.0~5.0mol%, AlCl₃: 1.0~2.0mol%, CO: 0.4~1.0mol%, N₂: 30~40mol%, H₂:잔부로 하고, 온도: 975~1025℃, 압력: 90~110hPa로 하는 화학증착법으로 형성할 수 있다.

TiAlCO층은, 원료가스 조성을 TiCl₄: 0.5~1.5mol%, AlCl₃: 3.0~5.0mol%, CO: 2.0~4.0mol%, H₂: 잔부로 하고, 온도: 975~1025℃, 압력: 60~100hPa로 하는 화학증착법으로 형성할 수 있다.

TiCNO층은, 원료가스 조성을 TiCl₄: 3.0~5.0mol%, CO: 0.4~1.0mol%, N₂: 30~40mol%, H₂: 잔부로 하고, 온도: 975~1025℃, 압력: 90~110hPa로 하는 화학증착법으로 형성할 수 있다.

TiCO층은, 원료가스 조성을 TiCl₄: 0.5~1.5mol%, CO: 2.0~4.0mol%, H₂: 잔부로 하고, 온도: 975~1025℃, 압력: 60~100hPa로 하는 화학증착법으로 형성할 수 있다.

본 발명의 α형 산화알루미늄층의 입자의 각 방위차의 구분에 있어서의 면적의 분포를 제어한 피복절삭공구는, 예를 들어 이하의 방법에 의하여 얻어진다.

본 발명에 있어서의 피복절삭공구의 피복층을 얻기 위한 방법은 크게 나누어 3개의 스텝을 가진다. 우선, 피복절삭공구의 기체의 표면에 하부층인 1층 또는 복수층의 Ti 화합물층을, 예를 들어 상기 방법에 의하여 형성한다(제1 스텝). 이어서 2종류의 산화알루미늄의 핵을 Ti 화합물층의 표면에 형성한다(제2 스텝). 그리고, 그들 핵이 형성된 상태에서, α형 산화알루미늄층을 형성한다(제3 스텝). 더욱이, 최외층으로서 Ti 화합물층을 형성하여도 좋다(제4 스텝).

2종류의 산화알루미늄의 핵은, 상대적으로 고온에서 형성되는 핵(이하, 제1 핵이라고 함)과, 제1 핵보다 저온에서 형성되는 핵(이하, 제2 핵이라고 함)이다. 2종류의 산화알루미늄의 핵의 하나인 제1 핵은, 보다 상세하게는 후술하겠지만, 고온(소정의 제1 온도)에서 C₃H₆ 가스를 소량 유출하여 형성할 수 있다. 그리고, 제1 핵을 형성한 상태에서, α형 산화알루미늄층을 형성하면, 방위차가 80도 이상 90도 이하의 범위에 있는 입자를 얻을 수 있다. 또 다른 1종류의 산화알루미늄의 핵인 제2 핵은, 저온(소정의 제2 온도)에서 CH₄ 가스를 소량 유출하여 형성할 수 있다. 그리고, 제2 핵을 형성한 상태에서, α형 산화알루미늄층을 형성하면, 방위차가 0도 이상 10도 미만의 범위에 있는 입자를 얻을 수 있다. 한편, 소정의 제2 온도는 소정의 제1 온도보다 낮다.

특히, Ti 화합물층의 표면에, 상술한 2종류의 산화알루미늄의 핵을 각각 혼합하도록 형성하고, 또한 종래 알려진 조건보다 늦은 형성속도로 α형 산화알루미늄층을 형성함으로써, 방위차가 20도 이상 30도 미만의 범위에 있는 입자의 면적의 합계 Sa를 9개의 범위 중에서 최대로 할 수 있다. 한편, 종래 알려진 조건에서의 α형 산화알루미늄층의 형성속도는, 0.8~1.2㎛/h이고, 여기에서 말하는 종래 알려진 조건보다 늦은 형성속도란, 0.4~0.7㎛/h를 가리킨다. 보다 구체적으로는, 이하의 공정에 의하여 본 발명의 α형 산화알루미늄 입자를 얻을 수 있다. 한편, 이하의 공정 (A) 및 공정 (B)는 상기 제2 스텝에 포함되며, 이하의 공정 (C)는 상기 제3 스텝에 상당한다.

공정 (A)에서는 산화알루미늄(이하, Al₂O₃)의 제1 핵을 형성한다. 원료가스 조성을 AlCl₃: 2.1~5.0mol%, CO₂: 2.5~4.0mol%, HCl: 2.0~3.0mol%, H₂S: 0.28~0.45mol%, C₃H₆: 0.05~0.2mol%, H₂: 잔부로 하고, 온도: 920~950℃, 압력: 60~80hPa로 하는 화학증착법으로 Al₂O₃의 제1 핵을 형성한다.

공정 (B)에서는 공정 (A)에서 이미 형성된 제1 핵과 다른 Al₂O₃의 제2 핵을 형성한다. 원료가스 조성을 AlCl₃: 2.1~5.0mol%, CO₂: 2.5~4.0mol%, CO: 0.5~1.0mol%, HCl: 2.0~3.0mol%, H₂S: 0.28~0.45mol%, CH₄:0.05~0.2mol%, H₂: 잔부로 하고, 온도: 850~900℃, 압력: 60~80hPa로 하는 화학증착법으로 Al₂O₃의 제2 핵을 형성한다. Al₂O₃의 제2 핵을 형성하는 온도가 890℃ 이상이 되면, 방위차가 0도 이상 10도 미만의 범위 내에 있는 입자의 면적의 합계 Sb가 10면적% 미만이 되는 경우가 있기 때문에, 제2 핵의 형성조건에 있어서의 온도는 850~880℃의 범위에 있는 것이 바람직하다. 공정 (B)를 거침으로써, 제1 핵과 제2 핵이 혼합 상태로 Ti 화합물층 상에 형성된다.

공정 (C)에서는, α형 산화알루미늄층(이하, α형 Al₂O₃층)을 형성한다. 이 스텝은, 공정 (A) 및 공정 (B)에서 얻은 제1 및 제2 핵을 성장시키는 것을 포함한다. 원료가스 조성을 AlCl₃: 2.1~2.5mol%, CO₂: 2.5~4.0mol%, HCl: 2.0~3.0mol%, H₂S: 0.15~0.25mol%, H₂: 잔부로 하고, 온도: 850~920℃, 압력: 30~50hPa로 하는 화학증착법으로 형성할 수 있다.

한편, Al₂O₃의 핵을 형성하는 공정 (A) 및 공정 (B)에 있어서의 AlCl₃가 2.2mol% 이하가 되면, 방위차가 20도 이상 30도 미만의 범위 내에 있는 α형 Al₂O₃층의 입자의 면적의 합계 Sa가 25면적% 미만이 되는 경향이 있기 때문에, 여유를 주어 AlCl₃의 농도는 2.7~5.0mol%의 범위에 있는 것이 바람직하다.

각 층의 층두께는, 피복절삭공구의 단면조직으로부터 광학현미경, 주사형 전자현미경(SEM), 전계방사형 주사전자현미경(FE-SEM) 등을 이용하여 측정할 수 있다. 한편, 피복절삭공구의 층두께는, 날끝(즉, 절삭날)으로부터 피복절삭공구의 절삭면측 또는 여유면측을 향하여 50㎛의 근방의 위치에 있어서, 각 층의 층두께를 3곳 이상 측정하고, 그 평균값을 구하면 좋다. 보다 구체적으로는, 절삭날의 절삭면측의 경계부로부터 피복절삭공구의 절삭면측을 향하여 약 50㎛ 떨어진 영역에 있어서 층두께를 측정하면 좋고, 또는 절삭날의 여유면측의 경계부로부터 피복절삭공구의 여유면측을 향하여 약 50㎛ 떨어진 영역에 있어서 층두께를 측정하면 좋다.

각 층의 조성은, 본 발명의 피복절삭공구의 단면조직으로부터 에너지 분산형 X선 분광기(EDS)나 파장분산형 X선 분광기(WDS) 등을 이용하여 측정할 수 있다. 또한, 날끝(절삭날)으로부터 피복절삭공구의 절삭면 또는 여유면을 향하여 50㎛ 근방의 위치에 있어서의 소정 영역에 있어서, α형 산화알루미늄층은 특히 (222)면에 관한 상기 구성을 가지면 좋다. 소정 영역은, 임의의 위치에 및/또는 임의의 범위로 정할 수 있고, 절삭면 또는 여유면에 정해지면 좋다. 소정 영역은, 예를 들어 100㎛×100㎛의 범위, 바람직하게는 30㎛×50㎛의 범위를 가질 수 있다. 특히, (222)면에 관한 상기 구성은, 기재의 표면에 대략 평행하고, 또한 α형 산화알루미늄층의 적어도 50%가 남은 위치로 연장되는 소정 영역에 있어서 구비되면 좋다. 구체적으로는, 이러한 소정 영역은, 후술되는 도 1의 영역 A에 있어서 형성되는 단면, 바람직하게는 연마면에 있어서 정해지면 좋다.

실시예

이하, 실시예를 들어 본 발명을 설명하는데, 본 발명은 이것으로 한정되는 것은 아니다.

시료의 각 층의 층두께는, 피복절삭공구(예를 들어, 절삭 인서트)의 날끝으로부터 절삭면측을 향하여 약 50㎛의 위치 근방의 단면을 FE-SEM으로 3곳 측정하고, 그 평균값을 구하였다. 여기에서, 도 1을 참조하여 더욱 설명한다. 도 1은, 피복절삭공구의 날끝 근방의 단면모식도를 나타낸다. 도 1에서는, 부호 '2'는 날끝, 즉 절삭날을 가리키고, 부호 '4'는 절삭면을 가리키며, 부호 '6'은 여유면을 가리키고, 부호 '10'은 기재를 가리키며, 부호 '12'는 피복층을 가리킨다. 절삭날(2)은 대략 원호 형상의 단면을 가지고 있다. 절삭날(2)의 절삭면(4)측의 경계부(도 1의 점선 참조)로부터 절삭면(4)의 방향으로 약 50㎛의 영역 A에 있어서, 피복층의 두께방향(즉, 기재(10)의 표면에 대하여 직교하는 방향)으로 뻗는 단면을 얻어, 시료의 각 층의 층두께를 측정하였다.

얻어진 시료의 α형 Al₂O₃층의 입자의 각 방위차의 구분에 있어서의 면적은, FE-SEM에 부속된 EBSD를 이용하여 측정하였다.

기재로서, JIS 규격 CNMA120408 형상의 93.1 WC-6.5 Co-0.4 Cr₃C₂(이상, 질량%) 조성의 초경합금제 절삭 인서트를 준비하였다. 이 기재의 절삭날의 능선부에 SiC 브러시에 의하여 라운드 호우닝를 실시한 후, 기재의 표면을 세정하였다.

기재의 표면을 세정한 후, 발명품 1~10에 대하여는, 기재를 외열식 화학증착장치에 넣고, 우선 표 5에 나타내는 3층으로 이루어지는 하부층(Ti 화합물층)을 표 4 및 표 5에 나타내는 바와 같이 제1에서 제3 층의 순서로 형성하였다. 하부층을 형성한 후, 표 1에 나타내는 조건으로 Al₂O₃의 2종류의 핵을 형성하고, 그리고 표 2 및 표 4에 나타내는 조건으로 표 5에 나타내는 피복층의 구성과 평균 층두께가 되도록 기재표면에 α형 Al₂O₃층을 형성하였다. 그 후, 발명품 1~8에 대하여는, TiN의 상부층을 표 4 및 표 5에 나타내는 바와 같이 형성하였다. 따라서, 발명품 1~8은, 도 2에 나타내는 바와 같이, 기재(10) 상에 피복층(12)을 가지고, 피복층(12)은 제1 층(14a), 제2 층(14b) 및 제3 층(14c)을 기재측으로부터 순서대로 가지는 하부층(14)을 가지며, 더욱이 제3 층(14c) 상에, α형 Al₂O₃층(16) 및 상부층(18)을 순서대로 가졌다. 발명품 9, 10에 대하여는, 각각 발명품 1~8의 피복층에 비하여, 상부층(18)을 형성하지 않았다. 따라서, 초기상태에서는, 발명품 1~8에서는 상부층(18)이 최외층이고, 발명품 9, 10에서는 Al₂O₃층(16)이 최외층이다. 한편, 도 2는 발명품의 일부(예를 들어, 도 1의 영역 A에 상당)의 단면모식도이다. α형 Al₂O₃층(16)의 연마면은, 예를 들어 기재(10)의 표면(10a)에 대략 평행한 선(L)을 따라서 형성된다.

기재의 표면을 세정한 후, 비교품 1~10에 대하여는, 기재를 외열식 화학증착장치에 넣고, 우선 표 5에 나타내는 3층으로 이루어지는 하부층(Ti 화합물층)을 표 4 및 표 5에 나타내는 바와 같이 제1에서 제3 층의 순서대로 형성하였다. 하부층을 형성한 후, 표 3에 나타내는 조건으로 Al₂O₃층의 핵을 형성하고, 그리고 표 4에 나타내는 조건으로 표 5에 나타내는 피복층의 구성과 평균 층두께가 되도록 기재 표면에 α형 Al₂O₃층을 형성하였다. 그 후, 비교품 1~8에 대하여는, TiN의 상부층을 표 4 및 표 5에 나타내는 바와 같이 형성하였다.

[표 1]

[표 2]

[표 3]

[표 4]

[표 5]

얻어진 피복절삭공구의 α형 Al₂O₃층의 연마면을 FE-SEM으로 관찰하고, FE-SEM에 부속된 EBSD를 이용하여 각 방위차의 구분에 있어서의 입자의 합계 면적을 측정하였다. 이들 측정 결과를 표 6에 나타낸다.

측정은, α형 Al₂O₃층의 연마면이 형성된 시료를 FE-SEM에 세팅하고, 시료에 70도의 입사각도로 15kV의 가속전압 및 0.5nA 조사전류로 전자선을 조사하며, 측정 범위가 30㎛×50㎛의 범위를 0.1㎛의 스텝사이즈라고 하는 EBSD의 설정으로 행하였다. 측정 범위 내에 있어서의 α형 Al₂O₃층의 입자의 면적은, 그 면적에 대응하는 픽셀의 총합으로 하였다. 스텝 사이즈가 0.01㎛인 경우, 픽셀 1개당 면적은 0.0065μ㎡가 된다. 즉, α형 Al₂O₃층의 입자의 각 방위차에 있어서의 면적은, 각 방위차에 있어서의 픽셀을 집계하고, 면적으로 환산하여 구하였다.

[표 6]

얻어진 시료(즉, 절삭 인서트)를 이용하여, 절삭시험 1 및 절삭시험 2를 행하였다. 절삭시험 1은 내마모성을 평가하는 시험이고, 절삭시험 2는 내결손성을 평가하는 시험이며, 각 절삭시험의 결과를 표 7에 나타내었다.

[절삭시험 1]

피삭재: S45C의 둥근막대,

절삭속도: 300m/min,

이송: 0.30mm/rev,

절삭깊이: 2.0mm,

쿨런트: 있음,

평가항목: 시료가 결손 또는 최대 여유면 마모폭이 0.2mm에 도달하였을 때를 공구수명으로 하고, 공구수명까지의 가공시간을 측정하였다. 한편, 표 7에 있어서의 '정상마모'는, 결손이 발생하지 않고, 최대 여유면 마모폭이 0.2mm에 도달하였을 때를 가리킨다. 또한, '칩핑'이란, 여기에서는 0.2mm 미만의 '미소한 결손'이 발생한 것을 가리킨다.

[절삭시험 2]

피삭재: S45C의 길이방향으로 등간격으로 2개의 홈이 패인 둥근막대

절삭속도: 250m/min,

이송: 0.40mm/rev,

절삭깊이: 1.5mm,

쿨런트: 있음,

평가항목: 시료가 결손에 도달하였을 때를 공구수명으로 하고, 공구수명까지의 충격횟수를 측정하였다. 충격횟수는, 시료와 피삭재가 접촉한 횟수로 하고, 접촉횟수가 최대로 20000회에 도달한 시점에서 시험을 종료하였다. 한편, 각 시료에 대하여, 5개의 절삭 인서트를 준비하고, 각각 충격횟수를 측정하여, 그들의 충격횟수의 값으로부터 평균값을 구하여서 공구수명으로 하였다.

[표 7]

표 7에 나타나는 바와 같이, 각 발명품에서는, 절삭시험 1에서의 공구수명이 30분을 넘고, 또한 절삭시험 2에서의 공구수명은 15000회를 넘었다. 이와 같이 발명품에서는, 내결손성(내칩핑성 포함)을 저하시키지 않고 내마모성이 향상되었다. 발명품은 비교품보다 공구수명에 도달할 때까지의 가공시간이 길며, 공구수명까지의 충격횟수가 많기 때문에, 공구수명이 대폭 긴 것을 알 수 있다.

본 발명의 피복절삭공구는, 내결손성을 저하시키지 않고, 내마모성이 뛰어나므로, 종래보다도 공구수명을 연장시킬 수 있어, 산업상의 이용 가능성이 높다.

본 발명은, 이상에 설명한 실시형태 및 그 변형예, 그리고 실시예로 한정되지 않는다. 본 발명에 대하여는, 청구범위에 기재된 발명의 정신이나 범위로부터 벗어나는 일 없이, 다양한 개변이나 변경이 가능한 것을 이해하지 않으면 안된다. 즉, 본 발명에는, 청구범위에 의하여 규정되는 본 발명의 사상에 포함되는 모든 변형예나 응용예, 균등물이 포함된다.

2: 절삭날
4: 절삭면
6: 여유면
10: 기재
10a: 표면
12: 피복층
14a: 제1 층
14b: 제2 층
14c: 제3 층
16: Al₂O₃층
18: 상부층

Claims

기재와, 그 기재의 표면에 형성된 피복층을 포함하는 피복절삭공구에 있어서,
상기 피복층은 적어도 1층 이상의 α형 산화알루미늄층을 포함하고,
상기 α형 산화알루미늄층의 상기 기재의 상기 표면과 평행한 단면에 있어서,
상기 단면의 법선과 상기 α형 산화알루미늄층의 입자의 (222)면의 법선이 이루는 각을 방위차로 하며,
상기 단면에 있어서의 방위차가 0도 이상 90도 이하의 범위 내에 있는 상기 α형 산화알루미늄층의 입자의 면적을 100면적%로 정의하는 동시에, 방위차가 0도 이상 90도 이하의 범위 내에 있는 상기 α형 산화알루미늄층의 상기 입자의 면적을 10도의 피치마다 구분하였을 때,
상기 단면에 있어서의 방위차가 20도 이상 30도 미만의 범위 내에 있는 상기 α형 산화알루미늄층의 상기 입자의 면적의 합계 Sa가, 10도 피치마다의 9개의 구분의 각 면적의 합계 중에서 최대인 피복절삭공구.
제 1 항에 있어서,
방위차가 20도 이상 30도 미만의 범위 내에 있는 상기 α형 산화알루미늄층의 상기 입자의 면적의 합계 Sa가 25면적%≤Sa≤70면적%의 범위 내에 있는 피복절삭공구.
제 1 항에 있어서,
방위차가 0도 이상 10도 미만의 범위 내에 있는 상기 α형 산화알루미늄층의 상기 입자의 면적의 합계 Sb는 10면적%≤Sb≤20면적%의 범위 내에 있는 피복절삭공구.
제 1 항에 있어서,
상기 α형 산화알루미늄층의 평균 층두께는 1~15㎛인 피복절삭공구.
제 1 항에 있어서,
상기 피복층은, 상기 기재와 상기 α형 산화알루미늄층의 사이에, Ti 원소와, C, N, O 및 B로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 원소와의 Ti 화합물로 이루어지는 Ti 화합물층을 구비하는 피복절삭공구.
제 5 항에 있어서,
상기 피복층의 평균 층두께는 3~30㎛이고,
상기 Ti 화합물층의 평균 층두께는 2~15㎛인 피복절삭공구.
제 1 항에 있어서,
상기 α형 산화알루미늄층의 상기 단면은, 상기 피복절삭공구의 절삭면 또는 여유면의 소정 영역에 관하여 정해지고, 또한 상기 피복층의 두께방향에 있어서 그 α형 산화알루미늄층의 적어도 50%가 남은 위치에 정해지는 피복절삭공구.
제 1 항에 있어서,
상기 α형 산화알루미늄층의 상기 단면은 연마면인 피복절삭공구.
제 1 항에 있어서,
상기 기재는, 초경합금, 서밋, 세라믹 또는 입방정 질화붕소 소결체 중 어느 하나를 포함하는 피복절삭공구.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
공구본체에 탈착 가능하게 설치될 수 있는 절삭 인서트인 피복절삭공구.