KR102200169B1

KR102200169B1 - 피복 절삭 공구

Info

Publication number: KR102200169B1
Application number: KR1020207007520A
Authority: KR
Inventors: 마사카즈 이사카
Original assignee: 가부시키가이샤 몰디노
Priority date: 2017-11-20
Filing date: 2018-11-19
Publication date: 2021-01-07
Also published as: JP6705565B2; KR20200033352A; US11052464B2; EP3715026A4; JPWO2019098363A1; WO2019098363A1; EP3715026B1; CN111511490A; EP3715026A1; CN111511490B; US20200376567A1

Abstract

본 발명의 피복 절삭 공구는, 금속 (반금속을 포함함) 원소의 총량에 대해서, 알루미늄 (Al) 을 55 원자％ 이상, 이어서 크롬 (Cr) 의 함유 비율이 많고, 추가로, 적어도 실리콘 (Si) 을 함유하는 질화물 또는 탄질화물의 c1 층과, 금속 (반금속을 포함함) 원소의 총량에 대해서, 알루미늄 (Al) 을 55 원자％ 이상, 이어서 티탄 (Ti) 을 많이 함유하는 질화물 또는 탄질화물의 c2 층이, 각각 50 ㎚ 이하의 막 두께로 교대로 적층된 적층 피막인 c 층을 포함하는 경질 피막을 갖는다. c 층에 있어서의 AlN 의 hcp (010) 면에서 기인하는 피크 강도 Ih 와, 다른 소정 결정상에서 기인하는 피크 강도의 합계 Is 가, Ih × 100/Is ≤ 15 의 관계를 만족한다.

Description

피복 절삭 공구

본 발명은 피복 절삭 공구에 관한 것이다.

본원은 2017년 11월 20일에, 일본에 출원된 일본 특허출원 2017-223099호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

종래, 절삭 공구의 수명을 향상시키는 기술로서, 각종 세라믹스로 이루어지는 경질 피막을 절삭 공구의 표면에 피복하는 표면 처리 기술이 채용되고 있다. 경질 피막 중에서도 Ti 와 Si 의 복합 질화물 피막 (이하, TiSiN 으로 기재하는 경우가 있다.) 은, 경도가 높고, 우수한 내마모성을 갖기 때문에, TiSiN 이 형성된 절삭 공구는, 고경도 강 등의 절삭 가공에 있어서 우수한 내구성을 발휘한다.

예를 들어, 특허문헌 1 에는, Si₃N₄ 및 Si 가 독립된 상으로서 화합물상 중에 존재하는 TiSiN 을 피복한 피복 절삭 공구가 제안되어 있다. 또, 특허문헌 2 에는, 마이크로 조직에 미세 결정 및 비정질부가 혼재된 TiSiN 을 피복한 피복 절삭 공구가 제안되어 있다.

한편, 기재와 TiSiN 사이에 형성하는 피막 구조를 최적화함으로써, 피복 절삭 공구의 내구성을 개선하는 것도 제안되어 있다. 예를 들어, 특허문헌 3, 4 에서는, 기재와 TiSiN 사이에, 나노 레벨의 막 두께로 교대로 적층하는 적층 피막을 형성한 피복 절삭 공구가 개시되어 있다.

일본 공개특허공보 2000-334606호 일본 공개특허공보 2008-80447호 일본 공개특허공보 2006-299399호 일본 공개특허공보 2006-152321호

본 발명자의 검토에 의하면, 종래부터 제안되어 있는 적층 피막의 상층에 고경도의 경질 피막을 형성한 피복 절삭 공구에 대해서, 예를 들어 HRC 50 이상의 고경도 강의 고능률 가공 등의 공구의 부하가 큰 가혹한 사용 환경 하에서는, 공구 손상이 커지는 경우가 있어, 내구성에 개선의 여지가 있는 것이 확인되었다.

본 발명의 일 양태는,

기재와, 상기 기재 상에 형성되는 경질 피막을 구비하고,

상기 경질 피막은, 상기 기재의 위에 배치되는, 질화물 또는 탄질화물로 이루어지는 b 층과,

상기 b 층의 위에 배치되고, 금속 (반금속을 포함함) 원소의 총량에 대해서, 알루미늄 (Al) 을 55 원자％ 이상, 이어서 크롬 (Cr) 의 함유 비율이 많고, 추가로, 적어도 실리콘 (Si) 을 함유하는 질화물 또는 탄질화물의 c1 층과,

금속 (반금속을 포함함) 원소의 총량에 대해서, 알루미늄 (Al) 을 55 원자％ 이상, 이어서 티탄 (Ti) 을 많이 함유하는 질화물 또는 탄질화물의 c2 층이, 각각 50 ㎚ 이하의 막 두께로 교대로 적층된 적층 피막인 c 층과,

상기 c 층의 위에 배치되고, 상기 c 층보다 고경도인 d 층을 갖고,

상기 c 층은, 투과형 전자 현미경의 제한 시야 회절 패턴에서 구해지는 강도 프로파일에 있어서, 육방 최밀 충전 구조의 AlN 의 (010) 면에서 기인하는 피크 강도를 Ih 로 하고, 면심 입방 격자 구조의, AlN 의 (111) 면, TiN 의 (111) 면, CrN 의 (111) 면, AlN 의 (200) 면, TiN 의 (200) 면, CrN 의 (200) 면, AlN 의 (220) 면, TiN 의 (220) 면, 및 CrN 의 (220) 면에서 기인하는 피크 강도와, 육방 최밀 충전 구조의, AlN 의 (010) 면, AlN 의 (011) 면, 및 AlN 의 (110) 면에서 기인하는 피크 강도의 합계를 Is 로 했을 경우, Ih × 100/Is ≤ 15 의 관계를 만족하는 피복 절삭 공구이다.

또, 상기 c1 층은, 금속 (반금속을 포함함) 원소의 총량에 대해서, 알루미늄 (Al) 을 55 원자％ 이상, 크롬 (Cr) 을 20 원자％ 이상, 실리콘 (Si) 을 1 원자％ 이상을 함유하는 질화물 또는 탄질화물이고, 상기 c2 층은, 금속 (반금속을 포함함) 원소의 총량에 대해서, 알루미늄 (Al) 을 55 원자％ 이상, 티탄 (Ti) 을 20 원자％ 이상을 함유하는 질화물 또는 탄질화물인 것이 바람직하다.

또, 상기 c 층은, Ih × 100/Is = 0 의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.

또, 상기 경질 피막의 총 막 두께에 대해서, 상기 c 층이 가장 두꺼운 막인 것이 바람직하다.

또, 상기 c 층은, 주상 (柱狀) 입자로 구성되어 있고, 상기 주상 입자의 평균 폭은 90 ㎚ 이하인 것이 바람직하다.

또, 상기 d 층은, 금속 (반금속을 포함함) 원소의 총량에 대해서, 티탄 (Ti) 을 70 원자％ 이상, 실리콘 (Si) 을 5 원자％ 이상을 함유하는 질화물 또는 탄질화물인 것이 바람직하다.

또, 상기 c2 층은, 주기율표의 4a 족, 5a 족, 6a 족의 원소 및 Si, B, Y 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 함유해도 된다.

또, 상기 기재와 상기 b 층의 사이에, 나노 빔 회절 패턴이 WC 의 결정 구조에 지수 부여되고, 막 두께가 1 ㎚ 이상 10 ㎚ 이하인 a 층을 가져도 된다.

본 발명에 의하면, 내구성이 우수한 피복 절삭 공구를 제공할 수 있다.

도 1 은, 실시형태의 피복 절삭 공구의 단면 구조를 나타내는 도면이다.
도 2 는, 본 실시예 1 의 적층 피막에 있어서의 단면 TEM 이미지 (×300,000 배) 의 일례이다.
도 3 은, 본 실시예 1 의 적층 피막에 있어서의 단면 암시야 STEM 이미지 (×1,800,000 배) 의 일례이다.
도 4 는, 본 실시예 1 의 적층 피막에 있어서의 제한 시야 회절 패턴의 일례이다.
도 5 는, 도 4 의 제한 시야 회절 패턴에서 구해지는 강도 프로파일의 일례이다.
도 6 은, 비교예 1 의 적층 피막에 있어서의 제한 시야 회절 패턴의 일례이다.
도 7 은, 도 6 의 제한 시야 회절 패턴에서 구해지는 강도 프로파일의 일례이다.

본 발명자는, 적층 피막의 상층에, TiSiN 과 같은 고경도의 경질 피막을 형성한 피복 절삭 공구에 대해서, 공구 수명을 개선하는 수법에 대해서 검토하였다. 본 발명자는, Al 리치한 AlCrN 계의 질화물 또는 탄질화물과 Al 리치한 AlTiN 계의 질화물 또는 탄질화물이 나노 레벨로 교대로 적층된 적층 피막에 대해서, 마이크로 조직에 함유되는 hcp 구조의 AlN 을 저감시킴으로써, 고경도 강의 절삭 가공에 있어서 우수한 내구성을 나타내는 것을 알아내고, 본 발명에 도달하였다. 이하, 본 실시형태의 상세한 것에 대하여 설명한다.

본 실시형태의 피복 절삭 공구는, 예를 들어, 도 1 에 나타내는 단면 구조를 갖는다. 본 실시형태의 피복 절삭 공구는, 기재와, 기재 위에 형성되는 경질 피막을 갖는다. 경질 피막은, 기재측으로부터 차례로, 필요에 따라서 형성되는 a 층과, 질화물 또는 탄질화물로 이루어지는 b 층과, 적층 피막으로 이루어지는 c 층과, 다른 층보다 고경도의 경질 피막으로 이루어지는 d 층을 갖는다. 이하, 각 층에 대해서 상세하게 설명한다.

≪기재≫

본 실시형태의 피복 절삭 공구에 있어서는, 기재는 특별히 한정되지 않지만, 강도와 인성이 우수한 WC-Co 기 초경합금을 기재로 하는 것이 바람직하다.

≪b 층≫

본 실시형태에 관련된 b 층은, 기재의 위에 배치되는 질화물 또는 탄질화물이다. b 층은, 기재와 적층 피막인 c 층과의 밀착성을 높이는 하지층 (下地層) 이다. 기재 위에 배치되는 b 층이 질화물 또는 탄질화물임으로써, 기재와 경질 피막의 밀착성이 우수한 피복 절삭 공구가 된다. b 층은, 금속 (반금속을 포함함. 이하, 동일) 원소의 총량에 대해서, Al 을 55 원자％ 이상으로 함유하는 것이 바람직하다. 나아가서는, b 층의 Al 은 60 원자％ 이상이 바람직하다. b 층을 Al 리치로 함으로써, 후술하는 Al 리치의 적층 피막으로 이루어지는 c 층과의 조성차가 작아져 밀착성이 향상된다. 또, b 층을 Al 리치로 함으로써, 경질 피막의 전체에서 내열성이 높아진다. 나아가서는, b 층은, 내열성과 내마모성이 우수한 질화물인 것이 바람직하다. 단, b 층의 Al 의 함유 비율이 지나치게 커지면 취약한 hcp 구조의 AlN 이 많아진다. 그 때문에, b 층의 Al 은 75 원자％ 이하가 바람직하다. 또, 적층 피막인 c 층과의 밀착성을 보다 높이기 위해서, b 층은 후술하는 c1 층 또는 c2 층이 함유하는 금속 원소를 함유하는 것이 바람직하다. 또, b 층은, X 선 회절 또는 투과형 전자 현미경의 제한 시야 회절 패턴에서 구해지는 강도 프로파일에 있어서, fcc 구조에서 기인하는 피크 강도가 최대를 나타내는 것이 바람직하다. 이로써, b 층 위에 형성되는 Al 리치의 적층 피막인 c 층에 있어서, c 층의 마이크로 조직에 함유되는 hcp 구조의 AlN 이 저감된다. 취약한 hcp 구조의 AlN 이 저감됨으로써, 피복 절삭 공구의 내구성이 향상된다. b 층은 질화물 또는 탄질화물이면, 조성이 상이한 복수의 층으로 구성되어도 된다.

b 층의 막 두께가 지나치게 얇아지면, 기재 또는 c 층과의 밀착성이 저하되기 쉬워진다. 한편, b 층의 막 두께가 지나치게 두꺼워지면 칩핑이 발생되기 쉬워진다. 피복 절삭 공구가 보다 우수한 내구성을 실현하려면, b 층의 막 두께는, 0.1 ㎛ 이상 5.0 ㎛ 이하가 바람직하다. 나아가서는, b 층의 막 두께는 0.2 ㎛ 이상이 바람직하다. 나아가서는, b 층의 막 두께는 3.0 ㎛ 이하가 바람직하다. b 층의 막 두께의 상한치 및 하한치는 적절히 조합 가능하다.

≪c 층≫

본 실시형태에 관련된 c 층은, 상기 서술한 하지층인 b 층과, 후술하는 고경도의 d 층 사이에 형성되는 Al 리치한 적층 피막이다.

구체적으로는, c 층은, 금속 (반금속을 포함함) 원소의 총량에 대해서, 알루미늄 (Al) 을 55 원자％ 이상, 이어서 크롬 (Cr) 의 함유 비율이 많고, 추가로, 적어도 실리콘 (Si) 을 함유하는 질화물 또는 탄질화물의 c1 층과, 금속 (반금속을 포함함) 원소의 총량에 대해서, 알루미늄 (Al) 을 55 원자％ 이상, 이어서 티탄 (Ti) 을 많이 함유하는 질화물 또는 탄질화물의 c2 층이, 각각 50 ㎚ 이하의 막 두께로 교대로 적층된 적층 피막이다.

나아가서는, c 층은, 금속 원소의 총량에 대해서, 알루미늄 (Al) 을 55 원자％ 이상, 크롬 (Cr) 을 20 원자％ 이상, 실리콘 (Si) 을 1 원자％ 이상을 함유하는 질화물 또는 탄질화물의 c1 층과, 금속 부분의 총량에 대해서, 알루미늄 (Al) 을 55 원자％ 이상, 티탄 (Ti) 을 20 원자％ 이상을 함유하는 질화물 또는 탄질화물의 c2 층이 50 ㎚ 이하의 막 두께로 교대로 적층된 적층 피막인 것이 바람직하다.

조성계가 서로 상이한 Al 리치한 AlCrN 계의 경질 피막과 Al 리치한 AlTiN 계의 경질 피막이 나노 레벨로 교대로 적층됨으로써, 피막 파괴의 진전이 억제되기 쉬워진다. 또, c 층 중에 hcp 구조의 AlN 을 함유하기 어려워지고, 경질 피막의 전체로 내열성이 높아져 피복 절삭 공구의 내구성이 향상된다.

c 층의 평균 조성은, Al 의 함유 비율이 55 원자％ 이상 75 원자％ 이하인 것이 바람직하다. 나아가서는, c 층의 평균 조성은, Al 의 함유 비율이 60 원자％ 이상 70 원자％ 이하인 것이 바람직하다. 또, c 층의 평균 조성은, Cr 과 Ti 의 합계의 함유율이 20 원자％ 이상 40 원자％ 이하인 것이 바람직하다. 또, c 층의 평균 조성은, Si 의 함유 비율이 0.5 원자％ 이상 5 원자％ 이하인 것이 바람직하다. 나아가서는, c 층의 평균 조성은, Si 의 함유 비율이 1 원자％ 이상 3 원자％ 이하인 것이 바람직하다. 또한, c 층의 평균 조성은, 500 ㎚ × 500 ㎚ 이상의 범위를 측정하여 산출하면 된다.

나아가서는, c 층은 마이크로 조직에 함유되는 hcp 구조의 AlN 이 적을 필요가 있다. 본 발명자는, c 층의 평가에 있어서 X 선 회절에서는 hcp 구조의 AlN 의 피크 강도가 확인되지 않은 경우여도, 마이크로 조직에는 취약한 hcp 구조의 AlN 을 함유하는 경우가 있는 것을 지견하였다. 그리고, 본 발명자는, c 층의 마이크로 조직에 포함되는 취약한 hcp 구조의 AlN 을 저감함으로써, 피복 절삭 공구의 내구성이 향상되는 것을 확인하였다.

경질 피막에 마이크로 조직에 존재하는 hcp 구조의 AlN 의 양을 정량적으로 구하려면, 경질 피막의 가공 단면에 대해서, 투과형 전자 현미경을 사용하여 제한 시야 회절 패턴을 구하고, 제한 시야 회절 패턴에서 구해지는 강도 프로파일을 사용한다. 구체적으로는, 투과형 전자 현미경의 제한 시야 회절 패턴의 강도 프로파일에 있어서, Ih × 100/Is 의 관계를 평가한다. Ih 및 Is 는 아래와 같이 정의된다.

Ih : hcp 구조의 AlN 의 (010) 면에서 기인하는 피크 강도.

Is : fcc 구조의, AlN 의 (111) 면, TiN 의 (111) 면, CrN 의 (111) 면, AlN 의 (200) 면, TiN 의 (200) 면, CrN 의 (200) 면, AlN 의 (220) 면, TiN 의 (220) 면, 및 CrN 의 (220) 면에서 기인하는 피크 강도와, hcp 구조의, AlN 의 (010) 면, AlN 의 (011) 면, 및 AlN 의 (110) 면에서 기인하는 피크 강도의 합계.

상기 Ih 와 Is 의 관계를 평가함으로써, X 선 회절에 의해서 hcp 구조의 AlN 에서 기인하는 피크 강도가 확인되지 않은 경질 피막에 있어서, 마이크로 조직에 포함되는 hcp 구조의 AlN 을 정량적으로 평가할 수 있다. Ih × 100/Is 의 값이 보다 작은 것은, c 층의 마이크로 조직에 존재하는 취약한 hcp 구조의 AlN 이 보다 적은 것을 의미한다. 본 발명자는, c 층에 있어서의 Ih × 100/Is 의 값이 15 보다 클 경우, 가혹한 사용 환경 하에 있어서는 피복 절삭 공구의 내구성이 저하되기 쉬워지는 것을 확인하였다. 본 실시형태에 있어서는, c 층이 Ih × 100/Is ≤ 15 를 만족하는 구성으로 함으로써, 양호한 내구성을 갖는 피복 절삭 공구를 실현하였다. 나아가서는, 본 실시형태의 피복 절삭 공구는, c 층이 Ih × 100/Is ≤ 10 을 만족하는 구성인 것이 바람직하다. 나아가서는, 본 실시형태의 피복 절삭 공구는, c 층이 Ih × 100/Is ≤ 5 를 만족하는 구성인 것이 바람직하다.

나아가서는, 본 실시형태의 피복 절삭 공구는, c 층에 있어서 hcp 구조의 AlN 의 (010) 면에서 기인하는 피크 강도가 확인되지 않은 구성인 것이 바람직하다. 즉, 본 실시형태의 피복 절삭 공구는, c 층이 Ih × 100/Is = 0 을 만족하는 구성인 것이 바람직하다. 또한, 제한 시야 회절 패턴에 있어서, hcp 구조의 AlN 의 회절 패턴이 확인되는 경우여도, 그 양이 미량이면, 강도 프로파일에는 피크가 나타나지 않아 Ih × 100/Is 의 값은 0 이 되는 경우가 있다. c 층의 제한 시야 회절 패턴에 있어서, hcp 구조의 AlN 이 확인되지 않은 것이, 피복 절삭 공구의 내구성을 보다 높이기 때문에 바람직하다.

c 층의 마이크로 조직은 미세한 주상 입자로 구성된다. c 층을 구성하는 주상 입자는, 적층 피막의 막 두께 방향 (적층 방향) 을 따라서 연장된다. c 층이 미립의 주상 입자로 구성됨으로써, 경질 피막의 경도와 인성이 높아지는 경향이 있다. 경질 피막의 경도와 인성을 함께 높이기 위해서는, c 층의 주상 입자의 평균 폭은 90 ㎚ 이하가 바람직하다. 단, 주상 입자의 폭이 지나치게 작아지면 경질 피막의 인성이 저하된다. 그 때문에, c 층의 주상 입자의 평균 폭은 30 ㎚ 이상이 바람직하다. 주상 입자의 폭은, 투과형 전자 현미경을 사용한 단면 관찰 이미지에 의해서 확인할 수 있다. 주상 입자의 평균 폭은, 단면 관찰 이미지에 의해서 확인한 10 개 이상의 주상 입자의 폭의 평균치로서 산출한다.

≪c1 층≫

c1 층은, 금속 (반금속을 포함함) 원소의 총량에 대해서, 알루미늄 (Al) 을 55 원자％ 이상, 이어서 크롬 (Cr) 의 함유 비율이 많고, 추가로, 적어도 실리콘 (Si) 을 함유하는 질화물 또는 탄질화물이다. 나아가서는, c1 층은, 금속 원소의 총량에 대해서, 알루미늄 (Al) 을 55 원자％ 이상, 크롬 (Cr) 을 20 원자％ 이상, 실리콘 (Si) 을 1 원자％ 이상을 함유하는 질화물 또는 탄질화물인 것이 바람직하다.

Al 과 Cr 을 베이스로 하는 질화물 또는 탄질화물은, 내열성이 우수한 막종 (膜種) 이다. 특히 Al 의 함유 비율이 커지면 경질 피막의 내열성이 향상되는 경향이 있어, 피복 절삭 공구의 내구성이 향상된다. 나아가서는, c1 층은, 내열성과 내마모성이 우수한 질화물인 것이 바람직하다. 경질 피막에 높은 내열성을 부여하기 위해서, c1 층은 Al 을 55 원자％ 이상으로 함유한다. 나아가서는, c1 층의 Al 함유 비율은 60 원자％ 이상이 바람직하다. 단, Al 의 함유 비율이 지나치게 커지면, 마이크로 조직에 함유되는 취약한 hcp 구조의 AlN 이 많아지기 때문에, 경질 피막의 내구성이 저하된다. 그 때문에, c1 층의 Al 함유 비율은 75 원자％ 이하, 나아가서는 70 원자％ 이하가 바람직하다.

Al 과 Cr 을 베이스로 하는 질화물 또는 탄질화물은, Cr 의 함유 비율이 지나치게 작아지면 내마모성이 저하된다. 경질 피막에 높은 내마모성을 부여하기 위해서, c1 층은 Cr 을 20 원자％ 이상으로 함유하는 것이 바람직하다. c1 층은 AlCr 계의 질화물 또는 탄질화물로 하기 위해서, Al 에 이어 Cr 을 많이 함유한다. 단, c1 층에 있어서 Cr 의 함유 비율이 지나치게 커지면, 상대적으로 Al 의 함유 비율이 저하되기 때문에, 내열성이 저하된다. 그 때문에, c1 층의 Cr 함유 비율은 40 원자％ 이하, 나아가서는 35 원자％ 이하가 바람직하다.

c1 층은, 적층 피막의 내열성과 내마모성을 보다 높이기 위해서, Al 과 Cr 의 함유 비율의 합계가 85 원자％ 이상인 것이 바람직하다.

Al 과 Cr 의 질화물 또는 탄질화물은 Si 원소를 함유함으로써, 피막 조직이 미세해져 내마모성과 내열성이 보다 향상된다. 그 때문에, c1 층이 Si 를 함유함으로써, 적층 피막의 전체의 내마모성과 내열성이 향상된다. 또, c 층을 구성하는 적층 피막의 경도가 향상되기 때문에, 적층 피막 위에 형성하는 고경도의 d 층과의 경도차가 작아져 밀착성이 높아진다. 이들 효과를 발휘하기 위해서, c1 층은 Si 를 1 원자％ 이상으로 함유하는 것이 바람직하다. 단, Si 의 함유 비율이 지나치게 커지면, 마이크로 조직에 포함되는 hcp 구조의 AlN 이나 비정질상이 증가하기 때문에 내구성이 저하된다. 그 때문에, c1 층의 Si 함유 비율은 5 원자％ 이하, 나아가서는 3 원자％ 이하가 바람직하다.

c1 층과 c2 층은 나노 레벨로 교대로 적층되어 있기 때문에 피복시에 서로의 조성이 섞인다. 또 서로의 조성이 확산될 수 있다. 그 때문에, c1 층에는 c2 층에 필수로 포함되는 Ti 를 함유할 수 있다. 단, 조성계가 상이한 Al 리치한 AlCrN 계의 경질 피막과 Al 리치한 AlTiN 계의 경질 피막을 적층시키기 위해서, c1 층의 Ti 의 함유 비율은 c2 층의 Ti 의 함유 비율보다 적게 한다.

c1 층은 Al 과 Cr 과 Si 이외의 금속 원소를 함유할 수 있다. c1 층은, 예를 들어, 경질 피막의 내마모성이나 내열성이나 윤활성 등의 향상을 목적으로 하고, 주기율표의 4a 족, 5a 족, 6a 족의 원소 및 B, Y 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 함유할 수 있다. 이들 원소는, 경질 피막의 특성을 개선하기 위해서, AlTiN 계나 AlCrN 계의 경질 피막에는 일반적으로 첨가되어 있는 원소로서, 함유 비율이 과다해지지 않으면 피복 절삭 공구의 내구성을 현저하게 저하시키는 경우는 없다.

단, c1 층이 Al 과 Cr 과 Si 이외의 금속 원소를 많이 함유하면 AlCrN 계의 경질 피막으로서의 기초 특성이 손상되어 피복 절삭 공구의 내구성이 저하된다. 그 때문에, c1 층은 Al 과 Cr 과 Si 이외의 금속 원소의 합계가 25 원자％ 이하, 나아가서는 20 원자％ 이하, 나아가서는 15 원자％ 이하인 것이 바람직하다.

≪c2 층≫

c2 층은, 금속 (반금속을 포함함) 원소의 총량에 대해서, 알루미늄 (Al) 을 55 원자％ 이상, 이어서 티탄 (Ti) 을 많이 함유하는 질화물 또는 탄질화물이다. 나아가서는, c2 층은, 금속 원소의 총량에 대해서, 알루미늄 (Al) 을 55 원자％ 이상, 티탄 (Ti) 을 20 원자％ 이상으로 함유하는 질화물 또는 탄질화물인 것이 바람직하다. Al 과 Ti 를 주체로 하는 질화물 또는 탄질화물은, 내마모성 및 내열성이 우수한 막종이다. 특히, Al 의 함유 비율이 커지면 경질 피막의 내열성이 향상되는 경향이 있어, 피복 절삭 공구의 내구성이 향상된다. 나아가서는, 내열성과 내마모성이 우수한 질화물인 것이 바람직하다. 경질 피막에 높은 내열성을 부여하기 위해서, c2 층은 Al 을 55 원자％ 이상으로 함유한다. 나아가서는 c2 층의 Al 은 60 원자％ 이상이 바람직하다. 단, Al 의 함유 비율이 지나치게 커지면, hcp 구조의 AlN 이 많아지기 때문에, 경질 피막의 내구성이 저하된다. 그 때문에, c2 층의 Al 의 함유 비율은 75 원자％ 이하, 나아가서는 70 원자％ 이하가 바람직하다.

Al 과 Ti 를 베이스로 하는 질화물 또는 탄질화물은 Ti 의 함유 비율이 지나치게 작아지면 내마모성이 저하된다. 그 때문에, c2 층은 Ti 를 20 원자％ 이상으로 함유하는 것이 바람직하다. c2 층은 AlTi 계의 질화물 또는 탄질화물로 하기 위해서, Al 에 이어서 Ti 를 많이 함유한다. 단, Ti 의 함유 비율이 지나치게 커지면, 상대적으로 Al 의 함유 비율이 저하되기 때문에, 내열성이 저하된다. 그 때문에, c2 층의 Ti 의 함유 비율은 40 원자％ 이하, 나아가서는 35 원자％ 이하가 바람직하다.

c2 층은, 적층 피막의 내열성과 내마모성을 보다 높이기 위해서, Al 과 Ti 의 함유 비율의 합계가 80 원자％ 이상인 것이 바람직하다.

c1 층과 c2 층은 나노 레벨로 교대로 적층되어 있기 때문에, 피복시에 서로의 조성이 섞인다. 또, 서로의 조성이 확산될 수 있다. 그 때문에, c2 층은 c1 층에 필수로 포함되는 Cr 과 Si 를 함유할 수 있다. 단, 조성계가 상이한 Al 리치한 AlCrN 계의 경질 피막과 Al 리치한 AlTiN 계의 경질 피막을 적층시키기 위해서, c2 층의 Cr 의 함유 비율은 c2 층의 Cr 함유 비율보다 적게 한다. 또한, c1 층에 있어서 함유 비율이 작은 Si 는 c2 층에는 함유되지 않는 경우도 있다.

c2 층은, Al 과 Ti 와 이외의 금속 원소를 함유할 수 있다. c2 층은, 예를 들어, 경질 피막의 내마모성이나 내열성이나 윤활성 등의 향상을 목적으로 하고, 주기율표의 4a 족, 5a 족, 6a 족의 원소 및 Si, B, Y 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 함유할 수 있다. 이들 원소는, 경질 피막의 특성을 개선하기 위해서, AlTiN 계나 AlCrN 계의 경질 피막에는 일반적으로 첨가되어 있는 원소로서, 함유 비율이 과다해지지 않으면 피복 절삭 공구의 내구성을 현저하게 저하시키는 경우는 없다. 특히 AlTiN 계의 경질 피막이 W (텅스텐) 의 원소를 함유함으로써, 보다 가혹한 사용 환경 하에서 내구성이 우수한 경향이 있어 바람직하다.

단, c2 층이 Al 과 Ti 이외의 금속 원소를 많이 함유하면, AlTiN 계의 경질 피막으로서의 기초 특성이 손상되어 피복 절삭 공구의 내구성이 저하된다. 그 때문에, c2 층은 Al 과 Ti 이외의 금속 원소의 합계가 25 원자％ 이하, 나아가서는 20 원자％ 이하, 나아가서는 15 원자％ 이하인 것이 바람직하다.

하지층인 b 층과 적층 피막인 c 층의 밀착성을 보다 높이기 위해서는, c 층의 b 층측의 부분에서는, b 층과 동일 조성계의 경질 피막이 보다 두꺼운 막인 것이 바람직하다. 구체적으로는, b 층이 AlTiN 계의 경질 피막이면, c 층의 b 층측의 부분에서는, c1 층 쪽이 c2 층보다 두꺼운 막인 것이 바람직하다. 또, b 층이 AlCrN 계의 경질 피막이면, c 층의 b 층측의 부분에서는, c2 층 쪽이 c1 층보다 두꺼운 막인 것이 바람직하다. 이와 같은 피막 구조로 함으로써, 하지층인 b 층과 적층 피막인 c 층의 밀착성이 높아지는 경향이 되어, 공구 형상이나 사용 환경에 따라서는, 피복 절삭 공구의 내구성이 보다 향상되는 경우도 있다.

본 실시형태에서는, 경질 피막의 총 막 두께에 대해서, c 층을 가장 두꺼운 막으로 하는 것이 바람직하다. c 층이 경질 피막의 주층임으로써, 밀착성 및 내마모성이 높은 레벨로 양립되어 피복 절삭 공구의 내구성이 향상된다.

각 층의 최적의 막 두께는, 공구의 종류, 공구 직경 및 피삭재 등에 따라서 상이한데, 어느 쪽도 c 층이 가장 두꺼운 막이 됨으로써 우수한 내구성을 실현하기 쉽다. 그리고, b 층, c 층, d 층의 합계의 막 두께를 100 ％ 로 했을 경우, c 층의 막 두께비가 50 ％ 이상, 나아가서는 60 ％ 이상, 나아가서는 70 ％ 이상이 바람직하다. 단, c 층의 막 두께비가 지나치게 커지면, b 층과 d 층의 막 두께가 작아지기 때문에, 밀착성이나 내마모성이 저하된다. 그 때문에, c 층의 막 두께비는 90 ％ 이하, 나아가서는 85 ％ 이하가 바람직하다.

b 층의 막 두께비는 5 ％ 이상이 바람직하다. d 층의 막 두께비는 10 ％ 이상이 바람직하다.

적층 피막의 밀착성을 높이기 위해서는, c1 층과 c2 층의 각각의 막 두께는 20 ㎚ 이하가 바람직하다. 또 c1 층 및 c2 층의 개개의 막 두께가 지나치게 작으면, 조성계가 상이한 적층 피막을 형성하기가 곤란해지기 때문에, c1 층과 c2 층의 각각의 막 두께는 2 ㎚ 이상이 바람직하다. 나아가서는 c1 층과 c2 층의 각각의 막 두께는 5 ㎚ 이상이 바람직하다. c1 층 및 c2 층의 막 두께의 상한치 및 하한치는 적절히 조합 가능하다.

≪d 층≫

본 실시형태에 관련된 d 층은, 적층 피막인 c 층의 상층에 형성되고, c 층보다 경질의 고경도층이다. 본 실시형태에 있어서 c 층의 경도는 특별히 한정되는 것은 아니지만, c 층의 나노인덴테이션 경도는 대체로 35 ∼ 40 ㎬ 의 범위가 된다. c 층의 상층에 고경도의 d 층을 형성함으로써, 주층인 c 층의 마모가 억제되어, 피복 절삭 공구의 내구성이 보다 향상된다. d 층은 c 층보다 고경도이면, c 층의 보호 피막으로서의 일정한 효과를 발휘할 수 있다. 본 실시형태에 있어서 d 층의 피막 조성은 특별히 한정되지 않는다. 본 실시형태에 있어서 d 층의 나노인덴테이션 경도를 40 ㎬ 이상으로 함으로써, 피복 절삭 공구의 내구성이 보다 향상되는 것이 바람직하다. d 층과 c 층 사이에는, d 층과 c 층의 적층 피막을 형성해도 된다.

d 층은, 금속 원소의 함유 비율로 Ti 가 70 원자％ 이상, 실리콘 (Si) 을 5 원자％ 이상으로 함유하는 질화물 또는 탄질화물인 것이 바람직하다. d 층이 TiSiN 계의 질화물로 이루어지는 경질 피막임으로써, 나노인덴테이션 경도가 40 ㎬ 보다 고경도가 되기 쉽다. 나아가서는 d 층의 나노인덴테이션 경도는 42 ㎬ 이상이 바람직하다. 또, TiSiN 계의 경질 피막은, 경질 피막의 조직이 미세해져 경질 피막이 고경도가 됨과 함께, 내열성도 우수하고, 높은 잔류 압축 응력도 부여된다. 그 때문에, TiSiN 계의 d 층을 적층 피막의 상층에 형성함으로써, 고부하의 사용 환경 하에 있어서, 피복 절삭 공구의 내구성을 현저하게 개선할 수 있다. 단, Ti 의 함유 비율이 지나치게 커지면, 상대적으로 Si 의 함유 비율이 저하되어 피막 조직이 조대 (粗大) 해짐과 함께, 경질 피막에 충분한 잔류 압축 응력이 부여되지 않게 된다. 그 때문에, d 층의 Ti 의 함유 비율은 95 원자％ 이하가 바람직하다. 또, Si 의 함유 비율이 지나치게 커지면, 경질 피막에 포함되는 비정질상이 많아져, 피복 절삭 공구의 내구성이 저하되기 쉬워진다. 그 때문에, d 층의 Si 의 함유 비율은 30 원자％ 이하가 바람직하다. d 층은, 경질 피막의 내열성과 내마모성을 보다 높이기 위해서, Ti 와 Si 의 함유 비율의 합계를 90 원자％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. d 층은, 내열성과 내마모성이 우수한 질화물인 것이 바람직하다. 또, 필요에 따라서, d 층의 상층에, d 층보다 경도가 낮은 다른 층을 형성해도 된다.

d 층의 막 두께가 지나치게 얇아지면 경질 피막의 내구성이 저하되기 쉬워진다. 한편, d 층의 막 두께가 지나치게 두꺼워지면 경질 피막의 칩핑이 발생되기 쉬워진다. 피복 절삭 공구가 보다 우수한 내구성을 실현하려면, d 층의 막 두께는 0.1 ㎛ 이상 5.0 ㎛ 이하가 바람직하다. 나아가서는, d 층의 막 두께는 0.2 ㎛ 이상이 바람직하다. 나아가서는, d 층의 막 두께는 3.0 ㎛ 이하가 바람직하다. d 층의 막 두께의 상한치 및 하한치는 적절히 조합 가능하다.

본 실시예에 관련된 경질 피막의 b 층, c 층, d 층은, 내열성과 내마모성이 우수한 질화물인 것이 바람직하다. 경질 피막의 전체가 질화물임으로써, 피복 절삭 공구의 내구성이 보다 향상된다. 또한, 일반적으로, 질화물이어도 미소한 산소와 탄소를 함유한다. 요컨대, 금속 질화물은, 마이크로 해석에 있어서, 금속 원소와 산소나 탄소가 결합되어 있는 피크 강도를 갖는다. 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 질화물이 주체이면, 일부에 탄질화물이나 산질화물을 함유해도 된다. 상기 서술한 조성 및 피막 구조를 만족하는 범위이면, 경질 피막을 구성하는 질화물의 일부에 탄질화물이나 산질화물이 함유되어도, 피복 절삭 공구의 내구성을 현저하게 저하시키는 경우는 없다. 또한, 본 실시형태에 관련된 경질 피막을, 탄질화물로 하는 경우에도, 경질 피막의 내열성과 내마모성을 보다 높이기 위해서, 탄소보다 질소의 함유 비율이 큰 것이 바람직하다. 탄질화물로 하는 경우여도, 질소의 함유 비율에 대해서, 탄소의 함유 비율을 20 원자％ 이하로 하는 것이 바람직하고, 나아가서는 10 원자％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

≪a 층≫

본 실시형태에서는, 필요에 따라서, 기재와 하지층 b 층 사이에, 나노 빔 회절 패턴이 WC 의 결정 구조에 지수 부여되는 a 층을 가져도 된다. a 층은 금속 이온 봄버드먼트에 의해서 기재의 표면에 형성된다. a 층은 금속 이온 봄버드먼트에 사용한 금속 원소가 확산되어 형성되는 층이기 때문에, WC-Co 기 초경합금을 기재로 할 경우, 금속 원소의 총량으로 W (텅스텐) 를 가장 많이 함유하고 있고, 이어서 금속 이온 봄버드먼트에 사용한 금속 원소를 함유한다. 이와 같은 a 층을 가짐으로써, 기재와 그 위에 형성하는 하지층의 밀착성이 현저하게 개선되는 경향이 있다.

단, 공구 직경이 작아지면, 날끝이 예각이 되기 쉬운 스퀘어 엔드밀이나 레이디어스 엔드밀에 있어서는, 금속 이온 봄버드먼트에 의해서, 날끝이 용손 (溶損) 되는 경우가 있어, 날끝 능선이 파괴되기 쉬워진다. 그 때문에, a 층은, 금속 이온 봄버드먼트에 의해서 날끝 능선이 잘 파괴되지 않고, 예각인 날끝이 형성되지 않은 볼 엔드밀에 형성하는 것이 바람직하다. a 층의 막 두께가 지나치게 얇은 경우나, 지나치게 두꺼운 경우에는 밀착성의 개선 효과가 얻어지지 않는다. 그 때문에, a 층의 막 두께는 1 ㎚ 이상 10 ㎚ 이하가 바람직하다.

a 층은 나노 빔 회절 패턴이 WC 의 결정 구조에 지수 부여되는 층이기 때문에, 주로 탄화물로 구성된다. a 층은 나노 빔 회절 패턴이 WC 의 결정 구조에 지수 부여되는 층이면, 일부에 질소나 산소를 함유해도 된다. 또, a 층은, 일부에 금속층을 함유하는 경우도 있다. 특히, 금속 Ti 나 Ti 를 주체로 하는 합금 타깃을 사용한 금속 이온 봄버드먼트 처리는 밀착성의 개선 효과가 크다. 그 때문에, a 층은 금속 원소의 함유 비율로, W 에 이어서 Ti 를 많이 함유하는 것이 바람직하다. 단, a 층에 함유되는 Ti 의 함유 비율이 지나치게 많아지거나 지나치게 적어지면, 밀착성의 향상 효과가 잘 얻어지지 않는다. a 층은 Ti 를 10 원자％ 이상 30 원자％ 이하로 함유하는 것이 바람직하다.

≪제조 방법≫

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 타깃의 이온화율이 높은 아크 이온 플레이팅법으로 피복하는 것이 바람직하다. 또, 타깃의 이온화율이 높은 고출력 스퍼터링법으로 피복해도 된다. 그리고, Al 리치의 적층 피막에 대해서, 결정성을 높여 마이크로 조직에 함유되는 hcp 구조의 AlN 을 저감하기 위해서, 타깃 중심 부근의 수직 방향에 있어서의 자속 밀도가 10 mT 이상인 캐소드를 사용하는 것이 바람직하다.

또, AlCr 계의 경질 피막을 형성하기 위한 캐소드에서는, 캐소드 전압이 20 V 이상 35 V 이하의 범위에서 성막하는 것이 바람직하다. 캐소드 전압이 지나치게 낮으면, 적층 피막의 hcp 구조의 AlN 이 많아져 내구성이 저하된다. 또, 캐소드 전압이 지나치게 높아지면, 적층 피막의 피막 조직이 지나치게 조대해져 내구성이 저하되기 쉬워진다. AlTi 계의 경질 피막을 형성하기 위한 캐소드에서는, 캐소드 전압이 20 V 이상 30 V 이하인 범위에서 성막하는 것이 바람직하다. 캐소드 전압이 지나치게 낮아지면, hcp 구조의 AlN 이 많아져 내구성이 저하된다. 또, 캐소드 전압이 지나치게 높아지면, 적층 피막의 피막 조직이 지나치게 조대해져 내구성이 저하되기 쉬워진다. 캐소드 전류는 각각 120 A 이상 200 A 이하가 바람직하다.

본 실시형태의 제조 방법에서는, 타깃 중심 부근의 수직 방향에 있어서의 자속 밀도와 캐소드 전압을 상기 서술한 범위가 되는 성막 장치를 선정한 다음, 기재에 인가하는 부 (負) 의 바이어스 전압의 절대치를 크게 하는 것이 바람직하다. 이 제조 방법에 의하면, 마이크로 조직의 hcp 구조의 AlN 의 생성이 억제되어, Ih × 100/Is 의 값을 15 보다 작게 할 수 있다.

기재에 인가하는 부의 바이어스 전압은 -200 V 이상 -100 V 미만이 바람직하다. 나아가서는, -120 V 이하가 바람직하다. 바이어스 전압의 절대치가 지나치게 커지면, 성막이 잘 안정되지 않아 막 두께를 조정하기가 곤란해진다. 또, 바이어스 전압의 절대치가 지나치게 작아지면, hcp 구조의 AlN 이 많아져 내구성이 저하된다. 피복 온도는 400 ℃ 이상 600 ℃ 이하가 바람직하다. 질화물을 피복하는 경우, 노 내에 질소 가스를 도입하여 피복한다. 또, 피복시의 질소 가스 압력은 2.0 ㎩ 이상 8.0 ㎩ 이하가 바람직하다. 탄질화물을 피복하는 경우에는, 질소 가스의 일부를 메탄 가스로 치환하면 된다.

실시예 1

＜성막 장치＞

성막에는, 아크 이온 플레이팅법을 이용한 성막 장치를 사용하였다. 이 성막 장치는, 복수의 캐소드 (아크 증발원), 진공 용기 및 기재 회전 기구를 구비하고 있다. 캐소드로는, 타깃의 외주에 코일 자석이 배치된 캐소드를 1 기 (이하,「C1」이라고 한다.) 와, 타깃의 배면 및 외주에 영구 자석이 배치되고, 타깃 표면에 수직 방향의 자속 밀도를 가지며, 타깃 중앙 부근에 있어서의 수직 방향의 자속 밀도가 14 mT 인 캐소드를 3 기 (이하,「C2, C3, C4」라고 한다.) 가 탑재되어 있다.

C1 ∼ C4 는 기재가 배치되는 영역의 주위에 약 90°간격으로 배치되어 있고, C1 과 C4, C2 와 C3 이 대향하도록 형성되어 있다.

진공 용기는, 내부가 진공 펌프에 의해서 배기되고, 가스가 공급 포트로부터 도입되도록 되어 있다. 진공 용기 내에 설치된 각 기재에는, 바이어스 전원이 접속되고, 각 기재에 대해서 각각 독립적으로 부의 DC 바이어스 전압을 인가할 수 있다.

기재 회전 기구는, 플래너터리와, 플래너터리 위에 배치된 플레이트상 지그와, 플레이트상 지그 위에 배치된 파이프상 지그를 구비하고, 플래너터리는 매분 3 회전의 속도로 회전하고, 플레이트상 지그 및 파이프상 지그는 각각 자전ㆍ공전하도록 되어 있다.

실시예 1 에서는, 아래의 스퀘어 엔드밀을 기재에 사용하였다.

조성 : WC (bal.) - Co (8 질량％) - Cr (0.5 질량％) - V (0.3 질량％)

경도 : 94.0 HRA

날 직경 : 6 ㎜, 날수 : 6 장

실시예 1 에서는, C1 에 금속 티탄 타깃, C2 에 AlTi 계 합금 타깃, C3 에 AlCrSi 계 합금 타깃, C4 에 TiSi 계 합금 타깃을 설치하였다.

각 기재를 각각 진공 용기 내의 파이프상 지그에 고정시키고, 성막 전에 아래의 프로세스를 실시하였다. 먼저, 진공 용기 내를 5 × 10^-2 ㎩ 이하로 진공 배기하였다. 그 후, 진공 용기 내에 설치한 히터에 의해서, 기재를 온도 500 ℃ 까지 가열하고, 진공 배기를 행하였다. 그리고, 기재의 설정 온도를 500 ℃ 로 하고, 진공 용기 내의 압력을 5 × 10^-2 ㎩ 이하로 하였다.

＜Ar 봄버드먼트＞

그 후, 진공 용기 내에 유량 제어로 아르곤 (Ar) 가스를 50 sc㎝ 도입하였다. 그 때의 진공 용기 내의 압력은 약 0.5 ㎩ 이었다. 이어서, 기재와 C1 사이를 차단한 상태에서 C1 에 200 A 의 전류를 공급하여 Ti 를 방전시키면서, 기재에 -200 V 의 바이어스 전압을 인가하여, Ar 봄버드먼트를 30 분간 실시하였다. 이 Ar 봄버드먼트 처리에 의해서, 노 내의 산소를 보다 저감시켰다.

＜성막 공정＞

그 후, 기재의 설정 온도를 480 ℃ 로 하고, 진공 용기 내에 질소 가스를 도입하여, 노내 압력을 3.2 ㎩ 로 하였다.

b 층의 피복에서는, 어느 쪽의 시료도 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압을 -120 V, C2 에 인가하는 전류를 200 A 로 하였다. 또, d 층의 피복에서는, 어느 쪽의 시료도 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압을 -40 V, C4 에 인가하는 전류를 200 A 로 하였다.

c 층의 피복에서는, 시료에 의해서 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압을 변화시켰다. 또, C2 에 투입하는 전력은 일정하게 하고, C3 에 투입하는 전력을 서서히 증가시켜 가, c 층의 b 층측의 부분에서는 c2 층 (AlTiN 계) 쪽이 c1 층 (AlCrN 계) 보다 두꺼운 막이 되도록 피복하였다. 또한, 피복시의, C2 의 캐소드 전압은 20 V 이상 30 V 이하, C3 의 캐소드 전압은 20 V 이상 35 V 이하였다.

표 1 에 사용한 타깃 조성을 나타낸다. 표 2 에 성막 조건을 나타낸다. 표 3 에 시료의 막 두께를 나타낸다.

제작된 피복 절삭 공구에 대해서, 아래에 나타내는 절삭 조건에서 절삭 시험을 행하였다.

또한, 시장에서 고경도재의 절삭 가공에 널리 사용되고 있고, 시판되는 솔리드 엔드밀에 대해서도 평가하였다. 시판품 1 은, 기재의 표면에 Al₆₀Cr₂₅Ti₁₅N (수치는 원자 비율이다. 이하 동일.) 을 약 2 ㎛ 형성하고, 그 위에 Ti₈₀Si₂₀N 을 약 2 ㎛ 형성하고, 최표층에 Al₆₀Cr₂₅Ti₁₅N 을 약 0.5 ㎛ 형성한 피막 구조였다. 시판품 2 는, 기재의 표면에 Al₅₀Ti₃₅Cr₁₅N 을 약 3 ㎛ 형성하고, 그 위에 Cr₅₅Al₃₅Si₁₀N 을 약 1 ㎛ 형성한 피막 구조였다.

표 4 에 절삭 시험 결과를 나타낸다. 절삭 조건의 상세한 것은 아래와 같다.

＜가공 조건 A＞

·절삭 방법 : 측면 절삭

·피삭재 : STAVAX (52 HRC)

·사용 공구 : 6 장 날 스퀘어 엔드밀 (공구 직경 6 ㎜)

·절입 : 축 방향, 6.0 ㎜, 직경 방향, 0.1 ㎜

·절삭 속도 : 70 m/min

·1 날 이송량 : 0.026 ㎜/날

·쿨런트 : 드라이 가공 (에어 블로)

·절삭 거리 : 40 m

＜가공 조건 B＞

·절삭 방법 : 측면 절삭

·피삭재 : STAVAX (52 HRC)

·사용 공구 : 6 장 날 스퀘어 엔드밀 (공구 직경 6 ㎜)

·절입 : 축 방향, 6.0 ㎜, 직경 방향, 0.3 ㎜

·절삭 속도 : 70 m/min

·1 날 이송량 : 0.026 ㎜/날

·쿨런트 : 드라이 가공 (에어 블로)

·절삭 거리 : 40 m

본 실시예 1 ∼ 4 는, 어느 가공 조건에서도 최대 마모 폭이 작아, 안정적인 마모 형태를 나타내며, 계속하여 절삭 가공이 가능한 상태였다. 본 실시예 1, 2 를 비교하면, c2 층에 W 를 함유한 본 실시예 1 쪽이, 고 (高) 절입의 가공 조건에 있어서 최대 마모 폭이 보다 억제되는 경향이 있었다. 또, 본 실시예 1, 3 을 비교하면, 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압의 절대치가 큰 본 실시예 1 쪽이, 고절입의 가공 조건에 있어서 최대 마모 폭이 보다 억제되는 경향이 있었다.

비교예 1 ∼ 3 은, 본 실시예 1 과 동일한 피막 조성이고, 저 (低) 절입의 가공 조건에 있어서는, 본 실시예와 마찬가지로 최대 마모 폭이 작아, 안정적인 마모 형태를 나타냈다. 그러나, 고절입의 가공 조건에 있어서는, 비교예 1 ∼ 3 에서는, 결손이 발생되어, 계속하여 절삭 가공할 수 없었다.

비교예 4 는, 본 실시예 1 ∼ 4 보다 적층 피막의 Al 의 함유 비율이 적은 조성이고, 저절입의 가공 조건에 있어서는, 결손은 발생되지 않았지만, 본 실시예 1 ∼ 4 보다 최대 마모 폭이 커졌다. 또, 고절입의 가공 조건에 있어서는, 비교예 4 의 피복 절삭 공구는, 결손이 발생되어, 계속하여 절삭 가공할 수 없었다.

시판품 1 은, 어떠한 가공 조건에서도 큰 결손이 발생되었다. 또, 시판품 2 는, 결손은 발생되지 않았지만, 어느 가공 조건에서도 본 실시예의 피복 절삭 공구에 비해서 최대 마모 폭이 커졌다.

본 실시예 1 ∼ 4 에 대해서, 고부하의 가공 조건에 있어서 내구성이 우수한 요인을 해명하기 위해서, 적층 피막의 마이크로 해석을 행하였다.

또한, b 층과 d 층에 대해서는, 주식회사 니혼 전자 제조의 전자 프로브 마이크로 애널라이저 장치 (형번 : JXA-8500F) 를 사용하여, 부속된 파장 분산형 전자 프로브 미소 분석 (WDS-EPMA) 으로 조성 분석을 행하고, 타깃의 합금 조성과 거의 동일한 질화물인 것이 확인되었다. 또, 경질 피막의 피막 경도를, 나노인덴테이션 테스터 (엘리오닉스 (주) 제조 ENT-2100) 를 사용하여 측정하였다. 측정 결과, c 층의 경도는 약 38 ㎬, d 층의 경도는 약 45 ㎬ 이고, d 층이 c 층보다 고경도인 것이 확인되었다.

본 실시예 1 ∼ 4 에 대해서, 물성 평가용의 스퀘어 엔드밀을 가공하고, 가공 단면을 투과형 전자 현미경 (TEM) 에 의해서 관찰하였다. 일례로서, 도 2 에 본 실시예 1 의 c 층 (적층 피막) 에 있어서의 단면 TEM 이미지 (×300,000 배) 를 나타낸다. 도 2 로부터, 적층 피막인 c 층은, 평균 폭이 50 ∼ 70 ㎚ 의 미세한 주상 입자로 형성되어 있는 것이 확인된다. 도 3 은 본 실시예 1 의 c 층의 단면 암시야 STEM 이미지 (×1,800,000) 의 일례이다. 도 3 으로부터, c 층은, 상대적으로 밝은 부분과 상대적으로 어두운 부분이 적층되어 있는 것이 확인된다. 도 3 에 있어서, 화살표 3 ∼ 5 의 상대적으로 밝은 부분이 Al 리치한 AlTiN 계의 질화물 (c2 층) 이고, 상대적으로 어두운 화살표 6 이 Al 리치한 AlCrN 계의 질화물 (c1 층) 이다.

도 3 중의 화살표 (분석점) 3 ∼ 6 및 적층 피막 전체의 조성 분석 결과를 표 5 에 나타낸다. c1 층과 c2 층의 조성은, 에너지 분산형 X 선 분광기 (EDS) 를 사용하여, 분석 영역을 φ1 ㎚ 로 하고, 각 층의 중심 부분을 분석함으로써 구하였다. 소수점 이하의 값은 사사오입하여 구하였다.

본 실시예 1 의 c 층은, 적층 피막의 전체로 Al 리치이고, 적어도 Si 와 Ti 와 Cr 을 함유하고 있었다. 본 실시예 1 에서는, c1 층과 c2 층의 조성은 서로 섞여 있고, c1 층은 Ti 와 W 의 합계를 10 원자％ 이하로 함유하고 있었다. 또, 본 실시예 1 의 c2 층은 Cr 을 10 원자％ 이하로 함유하고 있었다.

계속해서, 적층 피막의 제한 시야 회절 패턴을, 가속 전압 120 ㎸, 제한 시야 영역 φ750 ㎚, 카메라 길이 100 ㎝, 입사 전자량 5.0 pA/㎠ (형광판 위) 의 조건에서 구하였다. 구한 제한 시야 회절 패턴의 휘도를 변환시켜, 강도 프로파일을 구하였다. 분석 지점은, 막 두께 방향에 있어서의 중간 부분으로 하였다.

도 4 에, 본 실시예 1 에 있어서의 c 층의 제한 시야 회절 패턴의 일례를 나타낸다. 도 6 에, 적층 피막의 피복 조건이 상이한 비교예 1 에 있어서의 c 층의 제한 시야 회절 패턴의 일례를 나타낸다. 또, 도 5, 7 에, 각각 도 4, 6 의 적층 피막의 제한 시야 회절 패턴의 휘도를 변환시켜 구한, 제한 시야 회절 패턴의 강도 프로파일의 일례를 나타낸다. 도 5, 7 에 있어서, 가로축은 (000) 면 스포트 중심으로부터의 거리 (반경 r) 를, 세로축은 각 반경 r 에 있어서의 원 일주분의 적산 강도 (임의 단위) 를 각각 나타내고 있다.

도 5 에 있어서, 화살표 1 은, fcc 구조의 AlN 의 (111) 면, TiN 의 (111) 면, 및 CrN 의 (111) 면에서 기인하는 피크이다. 화살표 2 는, fcc 구조의 AlN 의 (200) 면, TiN 의 (111) 면, 및 CrN 의 (200) 면에서 기인하는 피크이다. 화살표 3 은, fcc 구조의 AlN 의 (220) 면, TiN 의 (111) 면, 및 CrN 의 (220) 면에서 기인하는 피크이다. 도 5 에 있어서는, hcp 구조의 AlN 에서 기인하는 피크 강도는 확인되지 않는다. 한편, 도 7 의 화살표 1 은, hcp 구조의 AlN (010) 에서 기인하는 피크이고, hcp 구조의 AlN 의 최대 강도이다.

도 5 에 나타내는 바와 같이 본 발명예 1 은 hcp 구조의 AlN (010) 에서 기인하는 피크는 확인되지 않고, Ih × 100/Is 는 0 이다. 한편, 비교예 1 은 Ih × 100/Is 는 19 가 되었다.

본 실시예 1 ∼ 4 는 어느 것이나, 적층 피막의 Ih × 100/Is 는 0 이었다. 또, 비교예 2 ∼ 4 의 Ih × 100/Is 는 비교예 1 과 거의 동일하였다. 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압을 -120 V 로 한 본 실시예 1, 2, 4 에 대해서는 제한 시야 회절 패턴에서 AlN (010) 에서 기인하는 피크가 확인되지 않았다. 한편, 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압을 -100 V 로 한 본 실시예 3 에 대해서는, 제한 시야 회절 패턴에서는 AlN (010) 에서 기인하는 피크가 미량으로 확인되었지만, 그 양이 미량이었기 때문에, Ih × 100/Is 의 값은 0 이 되었다.

본 실시예 1 ∼ 4 및 비교예 1 ∼ 4 에 대해서, X 선 회절에서는, hcp 구조의 AlN 에서 기인하는 피크 강도는 확인되지 않았지만, 제한 시야 회절 패턴에 있어서는, hcp 구조의 AlN 에서 기인하는 피크 강도에 차이가 발생되었다. 본 실시예 1 ∼ 4 는, 마이크로 조직에 함유되는 hcp 구조의 AlN 이 적기 때문에, 고부하의 가공 조건에 있어서, 내구성이 현저하게 개선되었다고 추정된다. 특히, 제한 시야 회절 패턴에서 hcp 구조의 AlN (010) 에서 기인하는 피크가 확인되지 않은 실시예 1, 2, 4 는, 공구의 손상 상태가 안정되는 경향이 있었다.

실시예 2

실시예 2 에서는, 적층 피막의 막 두께에 대해서 평가하였다. 본 실시예 20, 21 은, 실시예 1 의 본 실시예 1 과 동일한 조성이고, 피복 시간을 조정하여 막 두께만을 변화시켰다.

제작한 피복 절삭 공구에 대해서, 아래에 나타내는 절삭 조건에서 절삭 시험을 행하였다. 표 6 에 절삭 시험 결과를 나타낸다. 절삭 조건의 상세한 것은 아래와 같다.

＜가공 조건 C＞

·절삭 방법 : 바닥면 절삭

·피삭재 : STAVAX (52 HRC)

·사용 공구 : 4 장 날 스퀘어 엔드밀 (공구 직경 6 ㎜)

·절입 : 축 방향, 6.0 ㎜, 직경 방향, 0.1 ㎜

·절삭 속도 : 70 m/min

·1 날 이송량 : 0.04 ㎜/날

·쿨런트 : 드라이 가공 (에어 블로)

·절삭 거리 : 40 m

본 실시예 20, 21 은 어느 것이나, 적층 피막의 Ih × 100/Is 는 0 이고, 최대 마모 폭이 작아, 안정적인 마모 형태를 나타냈다. 특히, 본 실시예 21 은 최대 마모 폭이 보다 억제되어 있고, c 층의 막 두께를 가장 두꺼운 막으로 함으로써 보다 우수한 내구성을 나타내는 것이 확인되었다.

실시예 3

실시예 3 에서는, 아래의 볼 엔드밀을 기재에 사용하였다.

조성 : WC (bal.) - Co (8 질량％) - Cr (0.8 질량％) - Ta (0.2 질량％)

경도 : 93.2 HRA

날 직경 : 1.0 ㎜

실시예 3 에서는, C1 에 금속 티탄 타깃, C2 에 AlTi 계 합금 타깃 또는 TiSi 계 합금 타깃, C3 에 AlCrSi 계 합금 타깃, C4 에 TiSi 계 합금 타깃을 설치하였다. 표 7 에 사용한 타깃 조성을 나타낸다.

Ar 봄버드먼트 처리까지는, 실시예 1, 2 와 동일하게 하였다. 그 후, 진공 용기 내에 유량 제어로 아르곤 (Ar) 가스를 50 sc㎝ 도입하였다. 그 때의 진공 용기 내의 압력은 약 0.2 ㎩ 이었다. 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압을 -800 V 로 하고, 약 15 분간, Ti 봄버드먼트 처리를 하여 기재의 표면에 a 층을 형성하였다.

＜성막 공정＞

그 후, 기재의 설정 온도를 480 ℃ 로 하여, 진공 용기 내에 질소 가스를 도입하고, 노내 압력을 5.0 ㎩ 로 하였다.

b 층의 피복에서는, 어느 시료도 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압을 -100 V, C2 에 인가하는 전류를 200 A 로 하였다. 또, d 층의 피복에서는, 어느 시료도 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압을 -50 V, C4 에 인가하는 전류를 200 A 로 하였다. c 층의 피복에서는, 시료에 의해서 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압을 변화시켰다. 표 8 에 성막 조건을 나타낸다. 표 9 에 시료의 막 두께를 나타낸다.

제작된 피복 절삭 공구에 대해서, 아래에 나타내는 절삭 조건에서 절삭 시험을 행하였다. 표 10 에 절삭 시험 결과를 나타낸다. 절삭 조건의 상세한 것은 아래와 같다.

＜가공 조건 D＞

·절삭 방법 : 바닥면 절삭

·피삭재 : STAVAX (52 HRC)

·사용 공구 : 2 장 날 볼 엔드밀 (공구 직경 1 ㎜ 네크 아래의 길이 6 ㎜)

·절입 : 축 방향, 0.04 ㎜, 직경 방향, 0.04 ㎜

·절삭 속도 : 75 m/min

·1 날 이송량 : 0.018 ㎜/날

·쿨런트 : 드라이 가공

·절삭 거리 : 90 m

본 실시예 30 ∼ 33 은 최대 마모 폭도 작아 안정적인 마모 형태를 나타내고, 계속하여 절삭 가공이 가능한 상태였다. 본 실시예 32 는, 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압의 절대치를 크게 했기 때문에, 막 두께의 조정이 곤란해져, c 층의 막 두께가 본 실시예 30, 31, 33 보다 얇아졌다. 그 때문에, 본 실시예 30, 31, 33 에 비하면 최대 마모 폭이 커졌다. 본 실시예 30, 31 을 비교하면, c2 층에 W 를 함유한 본 실시예 30 쪽이, 최대 마모 폭이 보다 억제되는 경향이 있었다.

한편, 비교예 30 ∼ 32 는 안정적인 마모 형태를 나타냈지만, 본 실시예 30 ∼ 33 과 비교하여 최대 마모 폭이 커졌다.

물성 평가용의 볼 엔드밀을 가공하고, 마이크로 해석을 행하였다. 기재와 b 층 사이에는, 나노 빔 회절 패턴이 WC 의 결정 구조에 지수 부여되고, 금속 원소에 있어서, W 에 이어서 Ti 를 많이 함유하는 1 ∼ 10 ㎚ 의 a 층을 갖고 있었다. a 층은, Ti 를 10 원자％ 이상 30 원자％ 이하로 함유하고 있었다. 또, a 층은, 불가피 불순물로서 산소, 질소, W 이외의 기재 성분도 미미하게 함유하고 있었다.

또한, b 층과 d 층에 대해서는, 실시예 1, 2 와 동일하게 타깃의 합금 조성과 대략 동일한 질화물인 것이 확인되었다.

실시예 1 의 마이크로 해석과 동일하게, 본 실시예 30, 31, 32, 33 의 적층 피막은, Al 리치한 AlTi 계의 질화물 (c2 층) 과, Al 리치한 AlCrSi 계의 질화물 (c1 층) 이 적층되어 있고, Ih × 100/Is 가 0 이었다. 즉 본 실시예 30 ∼ 33 에 있어서도, hcp 구조의 AlN 이 적게 되어 있었다. 이로써, 볼 엔드밀에 있어서도 우수한 내구성을 발휘하였다고 추정된다. 한편, 비교예 30, 31 의 적층 피막은, Ih × 100/Is 가 20 정도이고, 마이크로 조직에 있어서, 취약한 hcp 구조의 AlN 이 증가했기 때문에, 본 실시예에 비해서 내구성이 저하되었다고 추정된다. 또, 비교예 32 는, 본 실시예와는 적층 피막의 조성이 상이하여, 본 실시예에 비해서 최대 마모 폭이 커졌다.

비교예 30 ∼ 32 와 본 실시예 32 의 비교로부터, c 층의 막 두께를 가장 두꺼운 막으로 해도, hcp 구조의 AlN 이 증가하면, 최대 마모 폭이 커지는 것이 확인되었다. c 층의 막 두께를 가장 두꺼운 막으로 하지 않아도, 마이크로 조직에 있어서의 hcp 구조의 AlN 을 저감함으로써, 최대 마모 폭을 억제할 수 있었다. c 층의 막 두께를 가장 두꺼운 막으로 하며, 또한, 마이크로 조직에 있어서의 hcp 구조의 AlN 을 저감함으로써, 최대 마모 폭이 억제되는 효과가 커지고, 특히 우수한 내구성을 발휘하는 것이 확인되었다.

Claims

기재와, 상기 기재 상에 형성되는 경질 피막을 구비하고,
상기 경질 피막은,
상기 기재의 위에 배치되는, 질화물 또는 탄질화물로 이루어지는 b 층과,
상기 b 층의 위에 배치되고, 금속 (반금속을 포함함) 원소의 총량에 대해서, 알루미늄 (Al) 을 55 원자％ 이상 75 원자％ 이하, 이어서 크롬 (Cr) 의 함유 비율이 많고, 추가로, 적어도 실리콘 (Si) 을 함유하는 질화물 또는 탄질화물의 c1 층과, 금속 (반금속을 포함함) 원소의 총량에 대해서, 알루미늄 (Al) 을 55 원자％ 이상 75 원자％ 이하, 이어서 티탄 (Ti) 을 많이 함유하는 질화물 또는 탄질화물의 c2 층이, 각각 50 ㎚ 이하의 막 두께로 교대로 적층된 적층 피막인 c 층과,
상기 c 층의 위에 배치되고, 상기 c 층보다 고경도인 d 층을 갖고,
상기 c 층은, 투과형 전자 현미경의 제한 시야 회절 패턴에서 구해지는 강도 프로파일에 있어서, 육방 최밀 충전 구조의 AlN 의 (010) 면에서 기인하는 피크 강도를 Ih 로 하고, 면심 입방 격자 구조의, AlN 의 (111) 면, TiN 의 (111) 면, CrN 의 (111) 면, AlN 의 (200) 면, TiN 의 (200) 면, CrN 의 (200) 면, AlN 의 (220) 면, TiN 의 (220) 면, 및 CrN 의 (220) 면에서 기인하는 피크 강도와, 육방 최밀 충전 구조의, AlN 의 (010) 면, AlN 의 (011) 면, 및 AlN 의 (110) 면에서 기인하는 피크 강도의 합계를 Is 로 했을 경우, Ih × 100/Is ≤ 15 의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 c1 층은, 금속 (반금속을 포함함) 원소의 총량에 대해서, 알루미늄 (Al) 을 55 원자％ 이상, 크롬 (Cr) 을 20 원자％ 이상, 실리콘 (Si) 을 1 원자％ 이상을 함유하는 질화물 또는 탄질화물이고,
상기 c2 층은, 금속 (반금속을 포함함) 원소의 총량에 대해서, 알루미늄 (Al) 을 55 원자％ 이상, 티탄 (Ti) 을 20 원자％ 이상을 함유하는 질화물 또는 탄질화물인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 c 층은, Ih × 100/Is = 0 의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 경질 피막의 총 막 두께에 대해서, 상기 c 층이 가장 두꺼운 막인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 c 층은, 주상 입자로 구성되어 있고, 상기 주상 입자의 평균 폭은 90 ㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 d 층은, 금속 (반금속을 포함함) 원소의 총량에 대해서, 티탄 (Ti) 을 70 원자％ 이상, 실리콘 (Si) 을 5 원자％ 이상을 함유하는 질화물 또는 탄질화물인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 c2 층은, 주기율표의 4a 족, 5a 족, 6a 족의 원소 및 Si, B, Y 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 함유하는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기재와 상기 b 층의 사이에, 나노 빔 회절 패턴이 WC 의 결정 구조에 지수 부여되고, 막 두께가 1 ㎚ 이상 10 ㎚ 이하인 a 층을 갖는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.