KR102176903B1 - 피복 공구 - Google Patents

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Abstract

일실시형태의 피복 공구는 기체와, 기체의 표면에 위치하는 피복층을 구비한다. 피복층은 기체 상에 위치하는 제 1 탄질화티탄층과, 제 1 탄질화티탄층 상에 위치하는 제 2 탄질화티탄층과, 제 2 탄질화티탄층 상에 위치하는 산화알루미늄층을 갖는다. 제 1 탄질화티탄층은 산화알루미늄층의 측으로 돌출된 복수의 제 1 돌기를 갖고, 제 2 탄질화티탄층은 산화알루미늄층의 측으로 돌출된 복수의 제 2 돌기를 갖고, 제 2 돌기의 수가 제 1 돌기의 수보다 많다.

Description

피복 공구
본 개시는 기체의 표면에 피복층을 갖는 피복 공구에 관한 것이다.
초경합금, 서멧, 및 세라믹스 등의 기체의 표면에 탄질화티탄층 및 산화알루미늄층을 적층한 구성의 피복층이 위치하는 피복 공구가 알려져 있다.
최근 절삭 가공의 고능률화가 진행되어 있으며, 중단속 절삭과 같은 큰 충격이 절삭 날에 가해지는 절삭 가공에 상기 피복 공구가 사용되는 기회가 증가하고 있다. 이러한 가혹한 절삭 조건에 있어서는 피복층에 큰 충격이 가해지기 때문에 피복층의 치핑이나 박리가 발생하기 쉬워진다. 그 때문에 피복층에는 내마모성에 추가하여 내결손성의 향상이 요구되어 있다.
피복 공구에 있어서 내결손성을 향상시키는 기술로서 일본 특허공개 2000-071108호 공보(특허문헌 1)에 기재된 기술이 알려져 있다. 특허문헌 1에는 탄질화티탄층 및 산화알루미늄층을 성막하고, 탄질화티탄층에 있어서의 특정 영역에 미세 공공(空孔)이 분포하는 영역을 존재시키는 것이 개시되어 있다.
금번에 있어서, 피복층에는 내마모성 및 내결손성의 추가적인 개선이 요구되어 있다.
일실시형태의 피복 공구는 기체와, 상기 기체의 표면에 위치하는 피복층을 구비하고 있다. 상기 피복층은 상기 기체측 상에 위치하는 제 1 탄질화티탄층과, 상기 제 1 탄질화티탄층 상에 위치하는 제 2 탄질화티탄층과, 상기 제 2 탄질화티탄층 상에 위치하는 산화알루미늄층을 갖고 있다. 상기 제 1 탄질화티탄층은 상기 산화알루미늄층의 측으로 돌출된 복수의 제 1 돌기를 갖고, 상기 제 2 탄질화티탄층은 상기 산화알루미늄층의 측으로 돌출된 복수의 제 2 돌기를 가지며, 상기 제 2 돌기의 수가 상기 제 1 돌기의 수보다 많다.
도 1은 일실시형태에 의한 피복 공구(절삭 공구)의 개략 사시도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 피복 공구의 단면의 모식도이다.
도 3은 도 2에 나타내는 피복 공구에 있어서의 제 1 층 및 제 2 층 부근의 확대도이다.
일실시형태의 피복 공구로서 절삭 공구(이하, 간단히 공구라고 기재한다)(1)에 대해서 도면을 사용해서 설명한다. 공구(1)는 도 2에 나타내는 바와 같이 기체(2)와, 이 기체(2)의 표면에 위치하는 피복층(3)을 구비하고 있다.
피복층(3)은 탄질화티탄(TiCN)을 함유하는 제 1 탄질화티탄층(4)(이하, 간단히 제 1 층(4)이라고 기재한다)과, 탄질화티탄을 함유하는 제 2 탄질화티탄층(5)(이하, 간단히 제 2 층(5)이라고 기재한다)과, 산화알루미늄(Al2O3)을 함유하는 산화알루미늄층(6)(이하, 간단히 제 3 층(6)이라고 기재한다)을 갖고 있으며, 복수의 층이 적층된 구성으로 되어 있다. 제 1 층(4)~제 3 층(6) 중 제 1 층(4)이 가장 기체(2) 가까이에 위치하고 있으며, 제 3 층(6)이 가장 기체(2)로부터 멀리 위치하고 있다. 또한, 제 2 층(5)은 제 1 층(4) 및 제 3 층(6) 사이에 위치하고 있다.
피복층(3)은 제 1 층(4), 제 2 층(5), 및 제 3 층(6) 외에도 다른 층을 갖고 있어도 좋다. 이 다른 층은 제 1 층(4)보다 기체(2)의 가까이에 위치하고 있어도 좋고, 또한 제 3 층(6)보다 기체(2)로부터 멀리 위치하고 있어도 좋다.
본 실시형태에 있어서의 제 1 층(4)은 소위 MT(moderate temperature)-탄질화티탄을 함유하고 있다. 제 1 층(4)의 두께로서는, 예를 들면 2~15㎛로 설정할 수 있다. 이때 MT-탄질화티탄의 입경으로서는, 예를 들면 0.08㎛ 이하로 설정할 수 있다. 제 1 층(4)의 두께가 상기 범위일 경우에는 제 1 층(4)의 내마모성 및 내결손성이 높아진다.
제 1 층(4)은, 예를 들면 사염화티탄(TiCl4) 가스, 질소(N2) 가스, 및 아세토니트릴(CH3CN) 가스 등을 포함하는 원료를 사용하고, 성막 온도가 780℃~880℃로 비교적 저온에서 성막함으로써 형성하는 것이 가능하다.
본 실시형태에 있어서의 제 2 층(5)은 소위 HT(high temperature)-탄질화티탄을 함유하고 있다. 제 2 층(5)의 두께로서는, 예를 들면 30㎚~900㎚로 설정할 수 있다. 제 2 층(5)의 두께가 상기 범위일 경우에는 제 2 층(5)의 밀착성이 높고, 또한 제 2 층(5)의 내결손성이 향상된다.
제 2 층(5)은, 예를 들면 사염화티탄 가스, 질소 가스, 메탄(CH4) 가스, 산소(O2) 가스 등을 포함하고, 아세토니트릴 가스를 포함하지 않는 원료를 사용하여 MT-탄질화티탄의 성막 조건보다 높은 900℃~1050℃에서 성막함으로써 형성하는 것이 가능하다.
또한, 상기 제 1 층(4) 및 제 2 층(5)의 구성은 일례이며, 이 구성에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 제 1 층(4) 및 제 2 층(5)이 모두 MT(moderate temperature)-탄질화티탄을 함유하고 있으며, 첨가물의 조성이 서로 상이한 구성이어도 좋다.
본 실시형태에 있어서의 제 3 층(6)은 산화알루미늄을 함유하고 있는 제 3 층(6)에 있어서의 산화알루미늄의 구성은 특별히 한정되는 것은 아니지만 본 실시형태에 있어서는 α형 결정 구조로 되어 있다. 제 3 층(6)의 두께로서는, 예를 들면 1~15㎛로 설정할 수 있다.
공구(1)는 도 1에 나타내는 바와 같이 제 1 면(7)과, 제 1 면(7)의 반대에 위치하는 제 2 면(8)과, 제 1 면(7) 및 제 2 면(8) 사이에 위치하는 제 3 면(9)을 갖고 있으며, 사각판형상이다. 따라서, 본 실시형태에 있어서는 제 1 면(7) 및 제 3 면(9)이 교차하고 있다. 이하, 도 1에 맞춰서 제 1 면(7)을 상면, 제 2 면(8)을 하면, 제 3 면(9)을 측면이라고 해도 좋다.
제 3 면(9)은 적어도 일부가 소위 여유면으로서 기능한다. 또한, 제 1 면(7)은 적어도 일부가 절삭에 의해 발생한 절삭 부스러기를 걷어내는 소위 경사면으로서의 기능을 갖고 있다.
제 1 면(7) 및 제 3 면(9)이 교차하는 부분 중 적어도 일부에는 절삭 날(10)이 위치하고 있다. 절삭 날(10)은 일반적으로는 경사면 및 여유면이 교차하는 부분에 위치한다. 절삭 날(10)을 피삭재(被削材)에 접촉시킴으로써 피삭재의 절삭 가공을 행할 수 있다. 또한, 본 실시형태의 피복 공구는 절삭 공구이지만, 피복 공구로서는 절삭 공구 이외에도 굴착 공구 및 칼 등의 각종 용도로 응용이 가능하며, 이들의 경우에 있어서도 우수한 기계적 신뢰성을 가질 수 있다.
제 1 층(4)은 도 3에 나타내는 바와 같이 제 3 층(6)측으로 돌출된 복수의 제 1 돌기(11)를 갖고 있다. 제 1 층(4)이 복수의 제 1 돌기(11)를 갖고 있음으로써 제 1 층(4) 및 제 2 층(5)의 계면의 면적이 증가한다. 이것에 의해 제 1 층(4) 및 제 2 층(5)의 접합성이 향상하기 때문에 제 2 층(5)이 제 1 층(4)으로부터 박리될 우려를 작게 할 수 있다.
제 1 돌기(11)의 크기는 특정 값으로 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 제 1 돌기(11)의 평균 폭을 80㎚~600㎚, 제 1 돌기(11)의 평균 높이를 30㎚~200㎚로 설정할 수 있다.
또한, 제 1 돌기(11)의 높이(h1)는 일례로서 도 3에 나타내는 바와 같이 대상의 제 1 돌기(11)에 대하여 서로 이웃하는 제 1 돌기(11) 사이에 각각 위치하는 2개의 골짜기부(p, q) 중 기체(2)로부터 멀어진 측(기체(2)로부터의 높이가 높은 측)의 골짜기부(p)로부터 대상의 제 1 돌기(11)의 정상부까지에서의 두께 방향의 거리를 의미한다. 제 1 돌기(11)의 평균 높이는 서로 이웃하는 3개 이상의 제 1 돌기(11)의 높이(h1)의 평균값으로 측정한다.
또한, 제 1 돌기(11)의 폭(w1)은 상기 2개의 골짜기부(p, q) 중 높게 위치하는 골짜기부(p)의 높이 위치에서의 두께 방향에 직교하는 방향에서의 제 1 돌기(11)의 길이를 의미한다. 제 1 돌기(11)의 평균 폭은 서로 이웃하는 3개 이상의 제 1 돌기(11)의 폭(w1)의 평균값으로 측정한다.
또한, 제 2 층(5)은 도 3에 나타내는 바와 같이 제 3 층(6)측으로 돌출된 복수의 제 2 돌기(12)를 갖고 있다. 제 2 층(5)이 복수의 제 2 돌기(12)를 갖고 있음으로써 제 2 층(5) 및 제 3 층(6)의 계면의 면적이 증가한다. 이것에 의해 제 2 층(5) 및 제 3 층(6)의 접합성이 향상하기 때문에 제 3 층(6)이 제 2 층(5)으로부터 박리될 우려를 작게 할 수 있다.
제 2 돌기(12)의 크기는 특정 값으로 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 제 2 돌기(12)의 평균 폭을 80㎚~300㎚로, 제 2 돌기(12)의 평균 높이를 50㎚~200㎚로 설정할 수 있다.
또한, 제 2 돌기(12)의 높이(h2)는 일례로서 도 3에 나타내는 바와 같이 대상의 제 2 돌기(12)에 대하여 서로 이웃하는 제 2 돌기(12) 사이에 각각 위치하는 2개의 골짜기부(r, s) 중 기체(2)로부터 멀어진 측(기체(2)로부터의 높이가 높은 측)의 골짜기부(r)로부터 대상의 제 2 돌기(12)의 정상부까지에서의 두께 방향의 거리를 의미한다. 제 2 돌기(12)의 평균 높이는 서로 이웃하는 3개 이상의 제 2 돌기(12)의 높이(h2)의 평균값으로 측정한다.
또한, 제 2 돌기(12)의 폭(w2)은 상기 2개의 골짜기부(r, s) 중 높게 위치하는 골짜기부(r)의 높이 위치에서의 두께 방향에 직교하는 방향에서의 제 2 돌기(12)의 길이를 의미한다. 제 2 돌기(12)의 평균 폭은 서로 이웃하는 3개 이상의 제 2 돌기(12)의 폭(w2)의 평균값으로 측정한다.
또한, 이때 제 2 돌기(12)의 수가 제 1 돌기(11)의 수보다 많다. 제 1 층(4) 및 제 2 층(5)이 모두 탄질화티탄을 함유하고 있는 반면, 제 3 층(6)은 산화알루미늄을 함유하고 있다. 그 때문에 제 1 층(4) 및 제 2 층(5)의 접합성보다 제 2 층(5) 및 제 3 층(6)의 접합성이 낮아지기 쉽다. 그러나 제 2 돌기(12)의 수가 제 1 돌기(11)의 수보다 많은 점에서 제 2 층(5) 및 제 3 층(6)의 접합성이 높아져 피복층(3) 전체로서도 내구성이 높아진다.
제 1 돌기(11) 및 제 2 돌기(12)의 수는 반드시 제 1 층(4) 및 제 2 층(5)의 전체로 평가할 필요는 없고, 도 2에 나타내는 바와 같은 단면에 있어서 평가하면 좋다. 구체적으로는 도 2에 나타내는 바와 같이 제 1 돌기(11)가 10개 이상 나타내어지는 단면에 있어서 제 1 돌기(11) 및 제 2 돌기(12)의 수를 각각 산출하고, 이들의 수를 비교하면 좋다.
제 1 돌기(11) 및 제 2 돌기(12)는 각각 기체(2)로부터 멀어짐에 따라 폭이 좁아지는 볼록형상이다. 이때 제 2 돌기(12)의 선단각이 제 1 돌기(11)의 선단각보다 작을 경우에는 피복층(3) 전체적으로도 내구성이 높아진다. 이것은 제 1 돌기(11)의 선단각이 상대적으로 큰 것에 의해 제 2 층(5)의 두께를 안정적으로 확보하기 쉬워진다. 또한, 제 2 돌기(12)의 선단각이 상대적으로 작은 것에 의해 제 2 돌기(12)에 의한 제 3 층(6)으로의 앵커 효과를 높일 수 있기 때문이다.
제 1 돌기(11) 및 제 2 돌기(12)의 선단각은 도 3에 나타내는 바와 같이 기체(2)의 표면에 직교하는 단면에 있어서 제 1 돌기(11) 및 제 2 돌기(12) 각각의 선단 부분에서의 각도를 평가하면 좋다. 또한, 도 3에 있어서는 제 1 돌기(11)의 선단각을 θ1, 제 2 돌기(12)의 선단각을 θ2로 나타내고 있다. 도 3에 나타내는 바와 같이 본 실시형태에 있어서는 θ1이 둔각이며, θ2가 예각이다.
제 1 층(4)에 포함되는 탄질화티탄의 결정인 제 1 결정(13)은 피복층(3)의 두께 방향으로 가늘고 긴 기둥형상 결정으로 이루어진다. 본 실시형태에 있어서의 제 1 결정(13)은 쌍정 구조로 되어 있으며, 쌍정 경계(14)가 피복층(3)의 두께 방향을 향해서 연장되어 있다. 또한, 제 1 돌기(11)의 정상부가 쌍정 경계(14) 상에 위치하고 있다.
또한, 도 3에 있어서는 요부 확대도이기 때문에 제 1 결정(13)의 전체가 나타내어져 있지 않지만, 제 1 층(4)에 있어서의 제 1 결정(13)은 피복층(3)의 두께 방향으로 가늘고 긴 것이다. 본 실시형태에 있어서, 기둥형상 결정이란 간단히 피복층(3)의 두께 방향으로 가늘고 긴 구성이며, 피복층(3)의 두께 방향의 길이에 대한 평균 결정 폭의 비가 평균으로 0.3 이하인 상태를 가리킨다. 그 때문에 기둥형상 결정은 두께 방향에 직교하는 방향의 폭이 대체로 일정한 구성이어도 기체(2)로부터 멀어짐에 따라 두께 방향에 직교하는 방향의 폭이 변화되는 구성이어도 좋다.
본 실시형태에 있어서의 제 1 층(4)의 제 1 결정(13)이 평균 애스펙트비가 2 이상인 기둥형상 결정일 경우에는 제 1 층(4)의 내결손성이 향상된다. 또한, 본 실시형태에 있어서 평균 애스펙트비란 (결정의 평균 길이)/(평균 결정 폭)으로 나타내어진다. 여기에서 평균 길이란 피복층(3)의 두께 방향에 맞는 치수의 평균이며, 평균 결정 폭이란 기체(2)와 평행한 방향의 치수, 바꿔 말하면 피복층(3)의 두께 방향에 직교하는 치수의 평균이다.
제 1 결정(13)의 평균 결정 폭이 100㎚~800㎚일 경우에는 제 1 층(4)의 인성이 높아져서 피복층(3)에 가해지는 충격을 제 1 층(4)에 있어서 흡수하는 것이 가능하기 때문에 피복층(3)의 내결손성이 향상된다. 특히, 제 1 결정(13)의 평균 결정 폭이 400㎚~600㎚일 경우에는 피복층(3)의 내결손성이 한층 향상된다.
제 2 층(5)에 포함되는 탄질화티탄의 결정인 제 2 결정(15)은 피복층(3)의 두께 방향으로 연장된 구성으로 되어 있다. 본 실시형태에 있어서의 제 2 층(5)은 이미 나타낸 성막 조건에 의해 제 1 층(4) 상에 형성되기 때문에 복수의 제 2 결정(15)은 제 1 층(4)의 상단의 형상을 따라 배열되어 있으며, 각각 피복층(3)의 두께 방향으로 연장되어 있다. 그 때문에 제 2 층(5)은 제 1 층(4)의 상단의 형상에 대응하여 물결친 형상의 부분을 갖고 있다.
이때 제 2 결정(15)은 제 1 층(4)의 상단의 형상을 엄밀히 반영하도록 연장되는 것은 아니다. 제 1 층(4)이 서로 이웃하는 제 1 돌기(11) 사이에 위치하는 골짜기부를 갖고 있으며, 제 2 결정(15) 중 제 1 층(4)의 골짜기부 상에 위치하는 것의 일부가 피복층(3)의 두께 방향으로 크게 연장된다. 그 때문에 본 실시형태에 있어서는 제 2 돌기(12)의 수가 제 1 돌기(11)의 수보다 많게 되어 있다.
또한, 골짜기부 상에 공극(16)이 존재하고, 이 공극(16)의 바로 위에 제 2 결정(15)이 위치하고 있어도 좋다. 연장되기 쉬운 경향이 있다. 그 때문에 복수의 골짜기부 중 적어도 1개 위에 복수의 공극(16)이 존재할 경우에 이 공극(16)의 바로 위에 위치하는 제 2 결정(15)이 크게 연장됨으로써 제 2 돌기(12)의 수를 증가시킬 수 있다. 이때 공극(16)이 제 1 돌기(11)의 정상부 위가 아니라 골짜기부 위에 존재하고 있을 경우에는 제 1 층(4) 및 제 2 층(5)의 접합성이 크게 저하되는 것을 피할 수 있다.
특히, 복수의 공극(16) 중 반분 이상의 공극(16)의 바로 위에 제 2 돌기(12)가 위치할 경우에는 제 2 돌기(12)의 수를 효율 좋게 증가시킬 수 있기 때문에 제 2 층(5) 및 제 3 층(6)의 접합성을 한층 높일 수 있다. 여기에서 공극(16)의 바로 위에 제 2 돌기(12)가 위치한다란 공극(16)을 피복층(3)의 두께 방향으로 늘린 가상 영역상에 제 2 돌기(12)의 정상부가 위치하고 있는 것을 의미한다.
공극(16)의 크기는 특정 값으로 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 도 3에 나타내는 바와 같이 기체(2)의 표면에 직교하는 단면에 있어서, 공극(16)의 면적의 평균값이 직경이 32~100㎚인 원의 면적에 상당할 경우에는 공극(16)의 크기가 상기 범위일 경우에는 제 2 돌기(12)를 증가시키는 효과가 높음과 아울러, 제 1 층(4) 및 제 2 층(5) 등에서의 내충격성을 높일 수 있다.
제 1 층(4) 및 제 2 층(5)은 각각 탄질화티탄을 함유하고 있다. 여기에서 제 1 층(4)에 있어서의 탄소 및 질소의 합계 함유량에 대한 탄소의 함유 비율을 제 1 비율, 제 2 층(5)에 있어서의 탄소 및 질소의 합계 함유량에 대한 탄소의 함유 비율을 제 2 비율로 한다. 이때 제 2 비율이 제 1 비율보다 작을 경우에는 제 1 층(4)의 경도가 향상됨과 아울러, 제 2 층(5) 및 제 3 층(6)의 접합성이 향상된다. 그 결과, 피복층(3)의 내마모성 및 내결손성이 향상된다.
특히, 제 1 비율이 0.3~0.57이며, 제 2 비율이 0.27~0.51일 경우에는 피복층(3)의 내마모성 및 내결손성이 보다 향상된다.
제 1 층(4)에 있어서의 탄소의 함유량이 15~29원자%이며, 또한 질소의 함유량이 22~35원자%일 경우, 보다 구체적으로는 티탄이 45~60원자%, 탄소가 15~29원자%, 질소가 22~35원자%일 경우에는 피복층(3)의 내마모성 및 내결손성이 보다 높아진다. 제 1 층(4)은 0.5원자% 이하의 산소를 불가피 불순물로서 함유하고 있어도 좋다.
또한, 제 2 층(5)에 있어서의 탄소의 함유량이 13~24원자%이며, 또한 질소의 함유량이 23~35원자%일 경우, 보다 구체적으로는 티탄이 48~60원자%, 탄소가 13~24원자%, 질소가 23~35원자%일 경우에는 제 2 층(5)의 강도를 높이면서 제 2 층(5) 및 제 3 층(6) 사이의 접합성을 더 높일 수 있다. 제 2 층(5)은 1~10원자%의 산소를 불가피 불순물로서 함유하고 있어도 좋다.
여기에서 제 1 층(4) 및 제 2 층(5)이 산소를 함유하고 있으며, 제 2 층(5)에 있어서의 산소 함유량이 제 1 층(4)에 있어서의 산소 함유량보다 많을 경우에는 공극(16)을 보다 용이하게 형성하는 것이 가능하다.
제 1 층(4) 및 제 2 층(5)에 있어서의 탄소 및 질소의 함유량은 투과형 전자 현미경(TEM)에 부수된 에너지 분산형 X선 분광기(EDS)를 사용해서 측정하는 것이 가능하다.
제 1 층(4) 및 제 2 층(5)은 직접 접합되어 있어도 좋지만, 이들 층의 접합성을 높이기 위해서 피복층(3)이 제 1 층(4) 및 제 2 층(5) 사이에 위치하고, 제 1 층(4) 및 제 2 층(5)을 구성하는 성분을 함유하는 제 1 중간층(17)을 갖고 있어도 좋다.
본 실시형태에 있어서의 제 1 중간층(17)은 티탄을 30~70원자%, 탄소를 24~30원자%, 질소를 16~23원자%, 산소를 2~5원자%의 비율로 함유하고 있다. 제 1 중간층(17)의 조성이 상기일 경우에 공극(16)을 형성할 수 있다.
또한, 제 1 층(4)에 있어서의 제 1 결정(13)이 쌍정 구조일 경우에 있어서, 제 1 중간층(17) 및 제 2 층(5)에 있어서의 탄질화티탄의 결정이 쌍정 구조이며, 제 1 층(4), 제 2 층(5), 및 제 1 중간층(17)에 있어서의 결정의 쌍정 경계(14)가 연속하고 있을 때에는 제 1 층(4), 제 2 층(5), 및 제 1 중간층(17)의 결합성이 한층 높아진다.
또한, 제 2 층(5) 및 제 3 층(6)은 직접 접합되어 있어도 좋지만, 제 2 층(5) 및 제 3 층(6) 사이에 제 2 층(5) 및 제 3 층(6)을 구성하는 성분을 함유하는 제 2 중간층(18)을 갖고 있어도 좋다. 이러한 구성을 충족할 때에는 피복층(3)의 접합성이 더 높아진다.
제 2 중간층(18)이 티탄을 30~70원자%, 탄소를 0~70원자%, 질소를 0~35원자%, 산소를 3~20원자%의 비율로 함유하고 있을 경우에는 제 2 층(5) 및 제 3 층(6)의 밀착성이 향상됨과 아울러, 제 3 층(6)에 있어서의 산화알루미늄의 결정을 α형 결정 구조로 하기 쉽다.
제 2 중간층(18)이 제 3 층(6)을 향해서 돌출되는 복수의 침형상 결정(19)을 갖고 있을 경우에는 제 2 중간층(18) 및 제 3 층(6)의 밀착성이 향상되기 때문에 공구(1)의 내결손성이 향상된다.
또한, 본 실시형태에 있어서 침형상 결정(19)이란 애스펙트비가 3 이상임과 아울러, 끝이 가늘어진 형상인 것을 의미하고 있다. 여기에서 애스펙트비란 (침형상 결정(19)의 길이)/(침형상 결정(19)의 길이의 중간에 있어서의 침형상 결정(19)의 연신 방향에 수직인 방향의 폭)을 의미하고 있다.
침형상 결정(19)의 수는 특별히 한정되는 것은 아니지만 1개의 제 1 돌기(11)당 평균으로 3개 이상의 침형상 결정(19)이 존재할 경우에는 제 2 중간층(18) 및 제 3 층(6)의 밀착성을 안정적으로 향상시킬 수 있다. 또한, 침형상 결정(19)의 길이가 20㎚~300㎚, 특히 침형상 결정(19)의 평균 길이가 40㎚~100㎚일 경우에는 침형상 결정(19)에 의한 제 3 층(6)으로의 앵커 효과를 높일 수 있다. 또한, 복수의 침형상 결정(19) 중 80개수% 이상의 것이 피복층의 두께 방향 또는 이 두께 방향에 대하여 10° 이내의 경사 각도로 연장되어 있을 경우에는 제 2 중간층(18) 및 제 3 층(6)의 밀착성이 한층 높아진다.
또한, 제 2 중간층(18)의 두께가 10㎚~40㎚일 경우에는 제 2 중간층(18)의 강도를 확보하면서 제 3 층(6)에 있어서의 산화알루미늄의 결정을 α형 결정 구조로 하기 쉽다. 여기에서 제 2 중간층(18)의 두께란 침형상 결정(19)을 제외하는 부분에 있어서의 두께를 의미하고 있다. 또한, 침형상 결정(19)이 존재하는 영역과, 침형상 결정(19)이 존재하지 않는 영역 사이에는 굴곡점이 존재하기 때문에 이들의 영역의 경계를 용이하게 판별할 수 있고, 침형상 결정(19)을 제외하는 부분에서의 제 2 중간층(18)의 두께를 평가할 수 있다. 또한, 상기 굴곡점을 판별함으로써 침형상 결정(19)의 길이도 용이하게 평가할 수 있다.
본 실시형태에 있어서의 피복층(3)은 상기 제 1 층(4), 제 2 층(5), 제 3 층(6), 제 1 중간층(17), 및 제 2 중간층(18)에 추가하여 하지층(20) 및 표층(21)을 갖고 있다.
하지층(20)은 기체(2) 및 제 1 층(4) 사이에 위치하고 있으며, 피복층(3)에 있어서의 최하층이다. 하지층(20)은 질화티탄(TiN) 또는 탄질화티탄을 함유하고 있다. 피복층(3)이 하지층(20)을 갖고 있을 경우에는 기체(2)의 성분이 제 1 층(4)에 과도하게 확산되는 것이 억제된다. 그 때문에 제 1 층(4)에 있어서의 제 1 결정(13)의 결함이 억제되어 제 1 층(4)의 강도를 높게 할 수 있다. 하지층(20)의 두께로서는, 예를 들면 0.1㎛~1㎛로 설정할 수 있다.
표층(21)은 제 3 층(6) 상에 위치하고 있으며, 피복층(3)에 있어서의 최상층이다. 표층(21)의 재질로서는, 예를 들면 질화티탄, 탄질화티탄, 탄산질화티탄(TiCNO), 및 질화크롬(CrN) 등을 들 수 있다. 피복층(3)이 상기 재질을 함유하는 표층(21)을 가질 경우에는 피복층(3)의 내마모성이 향상된다. 또한, 상기 재질은 유색인 점에서 피복층(3)이 표층(21)을 함유할 경우에는 절삭 날(10)의 사용의 유무를 용이하게 판별하는 것이 가능하다. 표층(21)의 두께로서는, 예를 들면 0.1㎛~3㎛로 설정할 수 있다.
또한, 피복층(3)은 제 1 중간층(17), 제 2 중간층(18), 하지층(20), 및 표층(21)을 가질 필요는 없고, 이들 층의 일부 또는 전부를 생략해도 좋다.
피복층(3)에 있어서의 각 층의 두께는 제 1 돌기(11)가 3개 이상 존재하는 시야 내에 있어서, 등간격으로 10개소 이상의 계측점을 설정하고, 이들 계측점에서 두께의 측정을 행하여 측정 결과의 평균값에 의해 평가할 수 있다.
피복층(3)에 있어서의 각 층의 구조, 두께, 및 결정의 형상 등은 공구(1)의 단면에 있어서의 전자 현미경 사진(주사형 전자 현미경(SEM) 사진 또는 투과 전자 현미경(TEM) 사진)을 관찰함으로써 측정하는 것이 가능하다. 각 결정의 평균 결정 폭은 각 결정의 두께 방향의 길이의 중간 길이에 있어서의 기체(2)의 표면과 평행한 방향의 폭을 구하고, 이것을 평균한 값이다.
기체(2)를 구성하는 재질로서는 경질합금, 세라믹스, 및 금속을 들 수 있다. 경질합금으로서는, 예를 들면 탄화텅스텐(WC)과, 코발트(Co)나 니켈(Ni) 등의 철속 금속을 함유하는 초경합금이어도 좋다. 다른 경질합금으로서는, 예를 들면 탄질화티탄 및 코발트 및 니켈 등의 철속 금속을 함유하는 Ti기 서멧이어도 좋다. 세라믹스로서는, 예를 들면 질화규소(Si3N4), 산화알루미늄, 다이아몬드, 및 입방정 질화붕소(cBN)를 들 수 있다. 금속으로서는, 예를 들면 탄소강, 고속도강, 및 합금강을 들 수 있다. 상기 재질 중에서도 기체(2)가 초경합금 또는 서멧으로 이루어질 경우에는 기체(2)의 내결손성 및 내마모성이 높아진다.
본 실시형태의 공구(1)는 경사면 및 여유면이 교차하는 부분 중 적어도 일부에 형성된 절삭 날(10)을 피절삭물에 접촉하여 절삭 가공하는 것이며, 상술한 우수한 효과를 발휘할 수 있다. 또한, 피복 공구로서는 본 실시형태의 절삭 공구 이외에도 슬라이딩 부품이나 금형 등의 내마모 부품, 굴착 공구, 칼 등의 공구, 내충격 부품 등의 각종 용도로 응용 가능하며, 이 경우에도 우수한 기계적 신뢰성을 갖는 것이다.
이어서, 본 실시형태에 의한 피복 공구의 제조 방법에 대해서 공구(1)의 제조 방법의 일례를 참고로 해서 설명한다.
우선, 기체(2)가 되는 경질합금을 소성에 의해 형성할 수 있는 탄화물, 질화물, 탄질화물, 및 산화물 등으로부터 선택되는 무기물 분말에 금속 분말, 카본 분말 등을 적당히 첨가 및 혼합하여 혼합 분말을 제작한다. 이어서, 이 혼합 분말을 공지의 성형 방법을 사용해서 소정의 공구형상으로 성형함으로써 성형체를 제작한다. 성형 방법으로서는, 예를 들면 프레스 성형, 주입(鑄入) 성형, 압출 성형, 및 냉간 정수압 프레스 성형 등을 들 수 있다. 상기 성형체를 진공 중 또는 비산화성 분위기 중에서 소성함으로써 기체(2)를 제작한다. 또한, 필요에 따라 기체(2)의 표면에 연마 가공 및 호닝 가공을 실시해도 좋다.
이어서, 기체(2)의 표면에 화학 기상 증착(CVD)법에 의해 피복층(3)을 성막한다.
우선, 하지층(20)을 성막한다. 수소(H2) 가스에 0.5~10체적%의 사염화티탄 가스와 10~60체적%의 질소 가스를 혼합하여 반응 가스로서 사용되는 제 1 혼합 가스를 제작한다. 제 1 혼합 가스를 쳄버 내에 도입하고, 질화티탄을 함유하는 하지층(20)을 성막한다.
이어서, 제 1 층(4)을 성막한다. 수소 가스에 0.5~10체적%의 사염화티탄 가스와, 5~60체적%의 질소 가스와, 0.1~3체적%의 아세토니트릴 가스를 혼합하여 제 2 혼합 가스를 제작한다. 제 2 혼합 가스를 쳄버 내에 도입하고, MT-탄질화티탄을 함유하는 제 1 층(4)을 성막한다.
이어서, 제 1 중간층(17)을 성막한다. 수소 가스에 3체적%~30체적%의 사염화티탄 가스와, 3체적%~15체적%의 메탄 가스와, 5체적%~10체적%의 질소 가스와, 0.5체적%~10체적%의 이산화탄소(CO2) 가스를 혼합하여 제 3 혼합 가스를 제작한다. 제 3 혼합 가스를 쳄버 내에 도입하여 제 1 중간층(17)을 성막한다. 제 3 혼합 가스가 이산화탄소 가스를 함유하고 있음으로써 공극(16)이 형성되기 쉬워진다.
또한, 제 1 중간층(17)을 성막하지 않을 경우에는 제 1 층(4)을 성막한 후 성막 쳄버를 일단 냉각해서 시료를 대기 중에 인출하고, 그 후 다시 시료를 성막 쳄버 내에 세팅해서 성막 쳄버를 가열하여 제 2 층을 성막해도 좋다. 이것에 의해 제 1 층(4) 및 제 2 층(5)의 계면이 명확하게 나타난다.
이어서, 제 2 층(5)을 성막한다. 수소 가스에 1~4체적%의 사염화티탄 가스와, 5~20체적%의 질소 가스와, 0.1~10체적%의 메탄 가스와, 0.5체적%~10체적%의 이산화탄소 가스를 혼합하여 제 4 혼합 가스를 제작한다. 제 4 혼합 가스를 쳄버 내에 도입하고, HT-탄질화티탄을 함유하는 제 2 층(5)을 성막한다.
이때 이산화탄소 가스의 함유 비율을 성막 후기보다 성막 초기에서 높게 했을 경우에는 제 1 층(4)에 있어서의 골짜기부 상에 공극(16)이 형성되기 쉬워짐과 아울러, 제 2 층(5)에 있어서의 제 2 결정(15)의 결함을 적게 할 수 있다.
계속해서 제 2 중간층(18)을 성막한다. 수소 가스에 3~15체적%의 사염화티탄 가스와, 3~10체적%의 메탄 가스와, 3~25체적%의 질소 가스와, 0.5~2체적%의 일산화탄소(CO) 가스를 혼합하여 제 5 혼합 가스를 제작한다. 제 5 혼합 가스를 쳄버 내에 도입하고, 제 2 중간층(18)을 성막한다.
이어서, 제 3 층(6)을 성막한다. 성막 온도를 950℃~1100℃, 가스압을 5㎪~20㎪로 하고, 반응 가스의 조성이 수소 가스에 5체적%~15체적%의 삼염화알루미늄(AlCl3) 가스와, 0.5체적%~2.5체적%의 염화수소(HCl) 가스와, 0.5체적%~5.0체적%의 이산화탄소 가스와, 0체적%~1체적%의 황화수소(H2S) 가스를 혼합하여 제 6 혼합 가스를 제작한다. 제 6 혼합 가스를 쳄버 내에 도입하고, 제 3 층(6)을 성막한다.
이어서, 표층(21)을 성막한다. 수소 가스에 0.1~10체적%의 사염화티탄 가스와, 10~60체적%의 질소 가스를 혼합해서 제 7 혼합 가스를 제작한다. 제 7 혼합 가스를 쳄버 내에 도입하고, 표층(21)을 성막한다.
그 후 필요에 따라 성막한 피복층(3)의 표면에 있어서의 절삭 날(10)이 위치하는 부분을 연마 가공한다. 이러한 연마 가공을 행했을 경우에는 절삭 날(10)로의 피삭재의 용착이 억제되기 쉬워지기 때문에 내결손성이 더 우수한 공구(1)가 된다.
실시예
우선, 6질량%의 평균 입경 1.2㎛의 금속 코발트 분말과, 0.5질량%의 평균 입경 2㎛의 탄화티탄(TiC) 분말과, 5질량%의 평균 입경 2㎛의 탄화니오브(NbC) 분말을 함유하고, 잔부가 평균 입경 1.5㎛의 탄화텅스텐 분말인 혼합 분말을 제작한다. 프레스 성형을 이용해서 상기 혼합 분말을 사각판형상으로 성형한 성형체를 제작했다. 성형체에 탈바인더 처리를 실시한 후에 1500℃, 0.01Pa의 진공 중에 있어서 1시간 소성하여 기체를 제작했다. 그 후 제작한 기체에 브러시 가공을 실시하고, 공구에 있어서 절삭 날이 되는 부분에 R 호닝을 실시했다.
이어서, 상기 기체에 대하여 화학 기상 증착법에 의해 표 1의 성막 조건에서 피복층을 성막했다. 표 1~표 4에 있어서, 각 화합물은 화학 기호로 표기했다. 결과는 표 2~표 4에 나타냈다.
상기 시료에 대해서 피복층을 포함하는 단면의 SEM 관찰을 행하고, 각 층의 두께 및 제 1 층에 있어서의 제 1 결정의 평균 결정 폭을 측정했다. 또한, 상기 단면 중 제 2 중간층 부근에 있어서 TEM 관찰을 행하고, 각 층의 두께, 제 1 돌기 및 제 2 돌기의 평균 폭, 평균 높이 및 개수, 공극의 개수 및 크기, 및 중간층에 있어서의 침형상 결정의 개수 및 평균 길이를 측정했다. 또한, EDS(Energy Dispersive x-ray Spectroscopy)로 제 1 층, 제 1 중간층, 제 2 층, 및 제 2 중간층의 조성을 분석했다. 또한, 제 1 돌기, 제 2 돌기, 및 공극의 개수는 피복층의 두께 방향에 수직인 폭 방향의 길이 1㎛당에서의 개수로 환산한 수치로 나타내고 있다. 또한, 공극의 크기는 현미경으로 관찰되는 공극의 면적을 원으로 환산했을 때의 직경의 평균값(직경 d)으로 나타내고 있다.
이어서, 얻어진 절삭 공구를 사용해서 연속 절삭 시험 및 단속 절삭 시험을 행하고, 내마모성 및 내결손성을 평가했다. 연속 절삭 시험 및 단속 절삭 시험은 하기 조건에 의한 선삭 가공에 의해 행했다. 결과를 표 4에 나타냈다.
(연속 절삭 조건)
피삭재: 덕타일 주철(FCD700)
절삭 속도: 300m/분
이송 속도: 0.3㎜/rev
절입: 1.5㎜
절삭 시간: 6분
기타: 수용성 절삭액 사용
평가 항목: 주사형 전자 현미경으로 날끝 호닝 부분을 관찰하고, 실제로 마모되어 있는 부분에 있어서 여유면에 있어서의 플랭크 마모 폭을 측정.
(단속 절삭 조건)
피삭재: 덕타일 주철(FCD700 8개 홈붙이 강재)
공구형상: CNMG120408
절삭 속도: 150m/분
이송 속도: 0.3㎜/rev
절입: 1.5㎜
기타: 수용성 절삭액 사용
평가 항목: 결손에 이르는 충격 횟수를 측정.
Figure 112018083574763-pct00001
Figure 112018083574763-pct00002
Figure 112018083574763-pct00003
Figure 112018083574763-pct00004
표 1~표 4의 결과에 의하면 제 1 층이 제 1 돌기를 갖고, 제 1 층의 골짜기부 상에 공극이 존재하고, 제 2 층이 제 2 돌기를 갖고, 제 2 돌기의 수가 제 1 돌기의 수보다 많은 시료 No.1~6에 있어서는 플랭크 마모 폭이 작고, 충격 횟수가 6000회를 초과했다. 또한, 어느 시료도 공극의 50% 이상의 바로 위에서 제 2 돌기가 생성되어 있었다.
1: 절삭 공구(공구) 2: 기체
3: 피복층 4: 제 1 층
5: 제 2 층 6: 제 3 층
7: 제 1 면 8: 제 2 면
9: 제 3 면 10: 절삭 날
11: 제 1 돌기 12: 제 2 돌기
13: 제 1 결정 14: 쌍정 경계
15: 제 2 결정 16: 공극
17: 제 1 중간층 18: 제 2 중간층
19: 침형상 돌기 20: 하지층
21: 표층

Claims (15)

  1. 기체와, 상기 기체의 표면에 위치하는 피복층을 구비한 피복 공구로서,
    상기 피복층은 상기 기체 상에 위치하는 제 1 탄질화티탄층과, 상기 제 1 탄질화티탄층 상에 위치하는 제 2 탄질화티탄층과, 상기 제 2 탄질화티탄층 상에 위치하는 산화알루미늄층을 갖고,
    상기 제 1 탄질화티탄층은 상기 산화알루미늄층의 측으로 돌출된 복수의 제 1 돌기를 갖고,
    상기 제 2 탄질화티탄층은 상기 산화알루미늄층의 측으로 돌출된 복수의 제 2 돌기를 갖고,
    상기 제 2 돌기의 수가 상기 제 1 돌기의 수보다 많으며,
    상기 제 1 탄질화티탄층은 서로 이웃하는 상기 제 1 돌기 사이에 위치하는 골짜기부에 공극이 존재하고,
    상기 공극의 바로 위에 상기 제 2 돌기가 위치하는 피복 공구.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기체의 표면에 직교하는 단면에 있어서, 상기 제 2 돌기의 선단각이 상기 제 1 돌기의 선단각보다 작은 피복 공구.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 공극이 복수 존재하고, 상기 기체의 표면에 직교하는 단면에 있어서, 상기 공극의 면적의 평균값이 직경이 32~100㎚인 원의 면적에 상당하는 피복 공구.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 탄질화티탄층에 있어서의 탄소 및 질소의 합계 함유량에 대한 탄소의 함유 비율을 제 1 비율, 상기 제 2 탄질화티탄층에 있어서의 탄소 및 질소의 합계 함유량에 대한 탄소의 함유 비율을 제 2 비율로 했을 때, 상기 제 2 비율이 상기 제 1 비율보다 작은 피복 공구.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 비율이 0.3~0.57이며, 상기 제 2 비율이 0.27~0.51인 피복 공구.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 탄질화티탄층에 있어서의 탄소의 함유량이 15~29원자%이고, 또한 질소의 함유량이 22~35원자%이며,
    상기 제 2 탄질화티탄층에 있어서의 탄소의 함유량이 13~24원자%이며, 또한 질소의 함유량이 23~35원자%인 피복 공구.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 탄질화티탄층은 평균 애스펙트비가 2 이상인 탄질화티탄 결정의 기둥형상 결정을 갖고 있는 피복 공구.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 탄질화티탄층의 두께가 2~15㎛인 피복 공구.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 탄질화티탄층의 두께가 30~900㎚인 피복 공구.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 피복층은 상기 제 1 탄질화티탄층과 상기 제 2 탄질화티탄층 사이에 위치하는 제 1 중간층을 더 갖고,
    상기 제 1 중간층은 티탄을 30~70원자%, 탄소를 24~30원자%, 질소를 16~23원자%, 산소를 2~5원자%의 비율로 함유하고 있는 피복 공구.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 피복층은 상기 제 2 탄질화티탄층과 상기 산화알루미늄층 사이에 위치하는 제 2 중간층을 더 갖고,
    상기 제 2 중간층은 티탄을 30~70원자%, 탄소를 0~70원자%, 질소를 0~35원자%, 산소를 3~20원자%의 비율로 함유하고 있는 피복 공구.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 중간층은 상기 산화알루미늄층을 향해서 돌출되는 침형상 결정을 갖는 피복 공구.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 2 중간층에 있어서의 상기 침형상 결정을 제외하는 부분의 두께가 10~40㎚인 피복 공구.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 탄질화티탄층 및 상기 제 2 탄질화티탄층 중 적어도 상기 제 1 탄질화티탄층이 산소를 함유하고 있으며,
    상기 제 2 탄질화티탄층 중에 존재하는 산소 함유량이 상기 제 1 탄질화티탄층 중에 존재하는 산소 함유량보다 많은 피복 공구.
  15. 삭제
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