KR102253560B1

KR102253560B1 - 절삭 공구

Info

Publication number: KR102253560B1
Application number: KR1020157028205A
Authority: KR
Inventors: 노조미 츠키하라; 마코토 세토야마; 가츠미 오카무라
Original assignee: 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤
Priority date: 2013-12-26
Filing date: 2014-11-25
Publication date: 2021-05-17
Also published as: CA2907645A1; JP2015123530A; WO2015098393A1; CN105102164B; JP5879664B2; EP3088107A1; EP3088107A4; KR20160100817A; CN105102164A; US9884790B2; PL3088107T3; EP3088107B1; US20160068449A1

Abstract

본 발명의 절삭 공구는, 기재와 상기 기재 상에 형성된 피막을 포함하는 절삭 공구로서, 상기 기재는, 30∼80 체적%의 입방정 질화붕소와 결합재를 포함하는 소결체이며, 상기 피막과 접하는 상기 기재의 표면은, 상기 입방정 질화붕소로 이루어진 복수의 볼록부와, 상기 결합재로 이루어진 복수의 오목부를 가지며, 상기 피막과 접하는 상기 기재 표면의 표면 거칠기 Rsub는, 0.1∼0.4 ㎛이고, 상기 피막 최외측 표면의 표면 거칠기 Rsurf는, 0∼0.15 ㎛이며, 상기 피막 최외측 표면의 표면 거칠기 Rasurf는, 0∼0.1 ㎛이고, 상기 피막과 접하는 상기 기재 표면의 표면 거칠기 Rsub는, 상기 피막 최외측 표면의 표면 거칠기 Rsurf보다도 크다.

Description

절삭 공구{CUTTING TOOL}

본 발명은, 기재와 상기 기재 상에 형성된 피막을 포함하는 절삭 공구에 관한 것이다.

종래부터, 기재로서 입방정 질화붕소 소결체 등을 이용한 절삭 공구의 수명을 향상시키는 시도가 이루어져 왔다. 예컨대, 이하와 같은 시도가 제안되어 있다.

즉, 일본 특허 공개 제2001-220268호 공보(특허문헌 1)에는, 기재 표면 또는 피막 표면 중 적어도 한쪽을 연마함으로써, 피막 표면의 중심선 평균 면 거칠기 Ra를 0.2 ㎛ 이하로 하는 것이 개시되어 있다.

일본 특허 공개 제2007-283487호 공보(특허문헌 2)에는, 호닝면의 표면 거칠기 Rz를 0.1 Z∼0.5 Z의 범위로 설정한 스로 어웨이 팁(throw-away tip)이 개시되어 있다.

일본 특허 공개 제2012-157915호 공보(특허문헌 3) 및 일본 특허 공개 제2012-157916호 공보(특허문헌 4)에는, 피막에 접하는 쪽의 기재 표면에 요철이 형성되어 있고, 여유면과 경사면의 표면 거칠기, 기재 상의 오목부와 볼록부의 높이와 간격의 절대값, 및 여유면측과 경사면측의 대소관계를 규정함으로써, 기재와 피막과의 밀착성을 양호하게 유지하여, 절삭 가공에서의 응착 방지 혹은 가공면 품위의 향상을 달성하는 것이 개시되어 있다.

일본 특허 공개 제2005-279821호 공보(특허문헌 5) 및 일본 특허 공개 제2005-279822호 공보(특허문헌 6)에는, 여유면과 경사면의 표면 거칠기의 대소관계를 규정하고, 내마모성을 유지한 상태에서 치핑을 억제하는 것이 개시되어 있다.

특허문헌 1 : 일본 특허 공개 제2001-220268호 공보 특허문헌 2 : 일본 특허 공개 제2007-283487호 공보 특허문헌 3 : 일본 특허 공개 제2012-157915호 공보 특허문헌 4 : 일본 특허 공개 제2012-157916호 공보 특허문헌 5 : 일본 특허 공개 제2005-279821호 공보 특허문헌 6 : 일본 특허 공개 제2005-279822호 공보

특허문헌 1에서는, 피막에의 부하가 큰 고능률 가공에 있어서는, Ra 0.2 ㎛ 이하의 규정 및 기재와 피막 중 적어도 한쪽을 연마하는 것에 의해서는 불충분하고, 표면에 용착이 발생함으로써 치핑, 박리가 발생할 가능성이 있다.

특허문헌 2에서는, 피막을 갖지 않는 절삭 공구의 기재의 면 거칠기를 규정하여 용착을 저감시키고 있지만, 특히 고능률 가공에 있어서 내마모성을 향상시키기 위해서는 입방정 질화붕소 소결체에 비해 내열성이 있는 피막이 필요하고, 기재의 면 거칠기를 규정하는 것만으로는 수명의 향상은 불충분하다.

특허문헌 3 및 특허문헌 4에서는, 입방정 질화붕소 소결체는 피막과의 밀착력을 쉽게 얻을 수 없고, 기재 요철의 규정에 따라서는, 최근의 담금질강 절삭에 있어서의 침탄 제거 가공이나 고이송 조건 등과 같은 가혹한 절삭 조건에 대해서는 효과가 불충분하다. 또한, 기재의 면 거칠기만을 규정한 것에 의해서는, 막 표면의 평활성이 충분하지 않고, 담금질강에 있어서는 절삭 저항의 배분력(thrust force)이 주분력에 비해 보다 높아지기 때문에, 네거티브 랜드면과 여유면에 용착이 증가하는 것을 완전히 막을 수 없다.

특허문헌 5 및 특허문헌 6에서는, 입방정 질화붕소 소결체를 기재로 하여, 기재보다 경도가 낮은 피막을 형성한 공구를 상정하지 않는다. 특히 입방정 질화붕소 소결체는 피막과의 밀착력을 쉽게 얻을 수 없고, 또한 피막의 총 막두께가 얇기 때문에, 피복 입방정 질화붕소 소결체 공구에 대해서는, 충분한 효과를 얻을 수 없다.

본 발명은, 상기한 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 고부하 및 고능률 절삭 조건 하에서도, 안정된 가공을 할 수 있는 장수명의 절삭 공구를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 절삭 공구는, 기재와 상기 기재 상에 형성된 피막을 포함하는 절삭 공구로서, 상기 기재는, 30∼80 체적%의 입방정 질화붕소와 결합재를 포함하는 소결체이며, 상기 결합재는, 주기율표 4족 원소(Ti, Zr, Hf), 5족 원소(V, Nb, Ta), 6족 원소(Cr, Mo, W) 및 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소와, 붕소, 탄소, 질소 및 산소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소로 이루어진 화합물을 적어도 1종 포함하고, 상기 피막과 접하는 상기 기재의 표면은, 상기 입방정 질화붕소로 이루어진 복수의 볼록부와, 상기 결합재로 이루어진 복수의 오목부를 가지며, 상기 피막은, M1_xL1_y(단, x 및 y는 원자비를 나타내고, 0<x≤1.2, y=1이며, M1은, 주기율표 4족 원소, 5족 원소, 6족 원소, 알루미늄 및 규소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소이고, L1은, 붕소, 탄소, 질소 및 산소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소임)라고 하는 조성을 갖는 층을 적어도 1층 포함하고, 상기 피막과 접하는 상기 기재 표면의 표면 거칠기 Rsub는, 0.1∼0.4 ㎛이며, 상기 피막 최외측 표면의 표면 거칠기 Rsurf는, 0∼0.15 ㎛이고, 상기 피막 최외측 표면의 표면 거칠기 Rasurf는, 0∼0.1 ㎛이며, 상기 피막과 접하는 상기 기재 표면의 표면 거칠기 Rsub는, 상기 피막 최외측 표면의 표면 거칠기 Rsurf보다도 큰 것을 특징으로 한다.

본 발명의 절삭 공구는, 상기한 구성을 가짐으로써, 고부하 및 고능률 절삭 조건 하에서도, 안정된 가공을 할 수 있는 장수명의 것이 된다.

[본원 발명의 실시형태의 설명]

우선, 본원 발명의 실시형태(이하 「본 실시형태」라고도 기재함)의 개요를 이하의 (1)∼(4)에 열기하여 설명한다.

(1) 본 실시형태에 따른 절삭 공구는, 기재와 상기 기재 상에 형성된 피막을 포함하는 절삭 공구로서, 상기 기재는, 30∼80 체적%의 입방정 질화붕소와 결합재를 포함하는 소결체이며, 상기 결합재는, 주기율표 4족 원소, 5족 원소, 6족 원소 및 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소와, 붕소, 탄소, 질소 및 산소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소로 이루어진 화합물을 적어도 1종 포함하고, 상기 피막과 접하는 상기 기재의 표면은, 상기 입방정 질화붕소로 이루어진 복수의 볼록부와, 상기 결합재로 이루어진 복수의 오목부를 가지며, 상기 피막은, M1_xL1_y(단, x 및 y는 원자비를 나타내고, 0<x≤1.2, y=1이며, M1은, 주기율표 4족 원소, 5족 원소, 6족 원소, 알루미늄 및 규소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소이며, L1은, 붕소, 탄소, 질소 및 산소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소임)라고 하는 조성을 갖는 층을 적어도 1층 포함하고, 상기 피막과 접하는 상기 기재 표면의 표면 거칠기 Rsub는, 0.1∼0.4 ㎛이며, 상기 피막 최외측 표면의 표면 거칠기 Rsurf는, 0∼0.15 ㎛이고, 상기 피막 최외측 표면의 표면 거칠기 Rasurf는, 0∼0.1 ㎛이며, 상기 피막과 접하는 상기 기재 표면의 표면 거칠기 Rsub는, 상기 피막 최외측 표면의 표면 거칠기 Rsurf보다도 크다.

본 실시형태에 따른 절삭 공구는, 상기한 구성을 가짐으로써, 고부하 및 고능률 절삭 조건 하에서도, 안정된 가공을 할 수 있는 장수명이 가능해진다.

여기서, 주사형 전자현미경에 의해 측정되는 피막과 접하는 기재 표면의 표면 거칠기 R을 Rsub라고 나타내고, 주사형 전자현미경에 의해 측정되는 피막 최외측 표면의 표면 거칠기 R을 Rsurf라고 나타내며, 침 접촉식 표면 형상 측정기에 의해 측정되는 피막 최외측 표면의 표면 거칠기 Ra를 Rasurf라고 나타낸다.

주사형 전자현미경에 의해 측정되는 표면 거칠기 R은, 이하와 같이 정의된다. 즉, 우선 주사형 전자현미경을 이용하여 2000배로 관찰한 절삭 공구의 날끝 파단면의 반사 전자상을 2.5배로 확대한다. 계속해서, 기재와 피막과의 계면 및 피막 최외측 표면의 계면을 포함하는 사방 50 ㎛ 부분을 발췌하여, 각각의 계면을 0.3 ㎜ 이하의 선으로 트레이스하여 추출하고, 이 선을 화상 처리 소프트(예컨대, 상품명 「Winroof」 미타니쇼지 가부시키가이샤 제조)를 이용하여 수치화함으로써 평균값을 산출하고, 수평 방향으로 평균선을 그린다. 계속해서, 그 평균선을 X축으로 하고 그 수직 방향을 Y축으로 하여, X 방향(50 ㎛) 사이에서의 Y의 값을 적분하고, 그것을 50 ㎛로 나누어 산출한 값을, 표면 거칠기 R로 하였다. 또한, 상기에 있어서의 날끝 파단면이란, 공구의 절삭에 사용되는 개소 근방의 경사면에 대한 법선을 포함하는 평면으로 절단했을 때의, 경사면, 여유면 및 네거티브 랜드면의 기재와 피막을 포함하는 단면을 말한다.

한편, 침 접촉식 표면 형상 측정기에 의해 측정되는 표면 거칠기 Ra는, 공구의 절삭에 사용되는 개소 근방의 경사면, 여유면의 피막 표면의 사방 400 ㎛ 부분을 침 접촉식 표면 형상 측정기에 의해 측정했을 때의 JIS B 0601-2001에 규정되는 산술 평균 거칠기이다.

(2) 상기 피막의 두께는, 0.2∼10 ㎛인 것이 바람직하다. 이에 따라 내마모성 및 내박리성을 더욱 향상시킬 수 있다. 여기서, 주사형 전자현미경을 이용하여 2000배로 관찰한 절삭 공구의 날끝 파단면의 반사 전자상의 사방 50 ㎛ 부분을 발췌하여, 발췌 부분의 기재측의 오목 부분으로부터, 수직 방향으로 피복 표면까지 연장시킨 선의 길이를 피막의 두께로 한다.

(3) 상기 피막과 접하는 상기 기재 표면의 표면 거칠기 Rsub는, 0.1∼0.15 ㎛이며, 상기 피막 최외측 표면의 표면 거칠기 Rsurf는, 0∼0.08 ㎛인 것이 바람직하다. 이와 같이 기재의 표면을 거칠게 하고 피막의 표면을 평활하게 함으로써, 내결손성 및 내박리성을 더욱 향상시킬 수 있다.

(4) 상기 소결체는, 65∼75 체적%의 입방정 질화붕소를 포함하는 것이 바람직하다. 이에 따라 내결손성을 더욱 향상시킬 수 있다.

[본원 발명의 실시형태의 상세]

이하, 본 실시형태에 따른 절삭 공구에 대해서 보다 상세하게 설명하였으나, 본 실시형태는 이들로 한정되는 것은 아니다.

<절삭 공구>

본 실시형태에 따른 절삭 공구는, 기재와 상기 기재 상에 형성된 피막을 포함하는 구성을 갖는다. 이러한 피막은, 기재의 전체면을 피복하는 것이 바람직하지만, 기재의 일부가 이 피막으로 피복되어 있지 않거나, 피막의 구성이 부분적으로 상이하였다고 해도 본 발명의 범위를 벗어나는 것은 아니다.

이러한 본 실시형태에 따른 절삭 공구는, 예컨대 드릴, 엔드밀, 드릴용 날끝 교환형 절삭팁, 엔드밀용 날끝 교환형 절삭팁, 프라이즈 가공용 날끝 교환형 절삭팁, 선삭 가공용 날끝 교환형 절삭팁, 금속톱(metal saw), 기어 절삭 공구, 리머, 탭, 크랭크 샤프트의 핀 밀링 가공용 팁 등을 들 수 있다.

또한, 본 실시형태에 따른 절삭 공구는, 공구의 전체가 기재와 상기 기재 상에 형성된 피막을 포함하는 상기 구성을 갖는 것만으로 한정되지 않고, 공구의 일부(특히 날끝 부위(절삭 날부) 등)만이 상기 구성으로 구성되는 것도 포함한다. 예컨대, 초경합금 등으로 이루어진 기체(지지체)의 날끝 부위만이 상기 구성으로 구성되는 것도 본 실시형태에 따른 절삭 공구에 포함된다. 또한, 이 경우는, 용어 상, 그 날끝 부위를 절삭 공구로 간주하는 것으로 한다. 바꾸어 말하면, 상기 구성이 절삭 공구의 일부만을 차지하는 경우라도, 상기 구성을 절삭 공구라고 부르는 것으로 한다.

<기재>

본 실시형태에 따른 기재는, 30∼80 체적%의 입방정 질화붕소와 결합재를 포함하는 소결체이다. 본 실시형태에 따른 소결체는, 이상의 두 성분을 포함하는 한 다른 성분을 포함하고 있어도 좋고, 또한 사용하는 원재료나 제조 조건 등에 기인하는 불가피 불순물을 포함할 수 있다.

본 실시형태에 따른 소결체에 포함되는 입방정 질화붕소는, 그 자체가 고경도이기 때문에, 고경도의 담금질강 가공에 유리한 것이다. 이 입방정 질화붕소의 함유율이, 30 체적%를 하회하면, 내결손성이 부족하고, 80 체적%를 상회하면, 결합재의 비율이 상대적으로 감소되기 때문에 내열성이 부족하여 내마모성이 저하된다. 최근 고능률화하는 담금질강 가공에 필요한 내결손성을 고려하면, 입방정 질화붕소의 함유율은 65∼75 체적%인 것이 특히 바람직하다.

또한, 이러한 함유율(체적%)은, 소결체의 제조시에 있어서 이용하는 입방정 질화붕소 분말의 체적%를 상기한 범위의 것으로 함으로써 달성할 수 있지만, 소결체를 ICP(유도 결합 고주파 플라즈마 분광 분석)에 의한 정량 분석, 또는 SEM(주사 전자현미경) 내지 TEM(투과형 전자현미경)을 이용함으로써, 조직 관찰이나 원소 분석 등에 의해 확인할 수 있다. 특히, SEM을 이용하여 소결체의 조직을 관측하고, 콘트라스트의 차로 입방정 질화붕소와 결합재를 구별하고, 화상 해석으로 면적 비율을 산출함으로써, 그 면적 비율을 체적%로 간주함으로써 확인할 수 있다. 이에 따라, 후술하는 결합재의 체적%를 동시에 구할 수 있다.

본 실시형태에 따른 소결체에 포함되는 결합재는, 주기율표 4족 원소, 5족 원소, 6족 원소 및 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소와, 붕소, 탄소, 질소 및 산소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소로 이루어진 화합물을 적어도 1종 포함하는 것이다. 이에 따라, 고경도의 담금질강 가공으로 양호한 내결손성을 얻을 수 있다.

이러한 결합재로는, 예컨대, TiN, TiB₂, ZrN, HfN, TiAlN(TiNAl), TiAlCN(TiCNAl), Al₂O₃, AlN, AlB₂ 등을 들 수 있다.

또한, 본 명세서에 있어서 상기한 바와 같이 화합물을 화학식으로 나타내는 경우, 원자비를 특별히 한정하지 않는 경우는 종래 공지된 모든 원자비를 포함하는 것으로 하고, 반드시 화학양론적 범위의 것만으로 한정되는 것은 아니다. 예컨대 단순히 「TiN」과 같이 기재하는 경우, 「Ti」와 「N」의 원자비는 50:50인 경우만으로 한정되지 않고, 또한 「ZrN」과 같이 기재하는 경우도, 「Zr」과 「N」의 원자비는 50:50인 경우만으로 한정되지 않고, 종래 공지된 모든 원자비가 포함되는 것으로 한다.

<피막>

본 실시형태에 따른 피막은, M1_xL1_y(단, x 및 y는 원자비를 나타내고, 0<x≤1.2, y=1이며, M1은, 주기율표 4족 원소, 5족 원소, 6족 원소, 알루미늄 및 규소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소이고, L1은, 붕소, 탄소, 질소 및 산소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소임)라고 하는 조성을 갖는 층을 적어도 1층 포함한다. 이에 따라, 고부하, 고능률의 담금질강 가공으로 양호한 내마모성을 얻을 수 있다.

상기와 같은 층으로는, 예컨대, TiAlN, TiCN, AlCrN, TiN, TiSiN, TiNbCN, AlCrSiN, AlVCrN, TiSiCN, TiAlWN 등을 들 수 있다.

또한, 상기와 같은 층을 포함하는 한, 다른 임의의 층이 포함되어 있어도 상관없다.

이러한 본 실시형태에 따른 피막은, 0.2∼10 ㎛의 두께를 갖는 것이 적합하다. 그 두께가 0.2 ㎛ 미만에서는, 내마모성이 불충분해지는 경우가 있고, 10 ㎛를 초과하면, 피막 자체가 박리되기 쉬워지는 경향을 보인다. 피막의 두께는, 1∼5 ㎛로 하는 것이 보다 바람직하다.

<표면 거칠기>

본 실시형태에 있어서, 피막과 접하는 기재 표면의 표면 거칠기 Rsub는, 0.1∼0.4 ㎛이며, 피막 최외측 표면의 표면 거칠기 Rsurf는, 0∼0.15 ㎛이고, 피막 최외측 표면의 표면 거칠기 Rasurf는, 0∼0.1 ㎛이다. 또한, 피막과 접하는 기재 표면의 표면 거칠기 Rsub는, 피막 최외측 표면의 표면 거칠기 Rsurf보다도 크다. 이와 같이, 피막 최외측 표면의 표면 거칠기 Rsurf보다도 기재 표면의 표면 거칠기 Rsub를 크게 함(즉 기재의 표면을 거칠게 함)으로써 앵커 효과에 의해 기재와 피막과의 밀착력이 향상된다. 또한, 기재 표면의 표면 거칠기 Rsub보다도 피막 최외측 표면의 표면 거칠기 Rsurf를 작게 함(즉 피막 표면을 평활하게 함)으로써 내결손성, 내박리성이 향상된다.

피막과 접하는 기재 표면의 표면 거칠기 Rsub가, 0.1 ㎛ 미만에서는, 앵커 효과를 쉽게 얻을 수 없어 피막의 밀착력이 저하되어 성능을 얻을 수 없고, 0.4 ㎛를 초과하면, 피막 표면에 반영되는 면 거칠기가 지나치게 커서 면 거칠기를 저감하는 것이 곤란해진다. 또한, 피막 최외측 표면의 표면 거칠기 Rsurf가 0.15 ㎛를 초과하면, 요철 부분에 용착이 발생하고, 볼록부를 기점으로 한 박리나 치핑이 발생하기 쉬워진다. 또한, 피막 최외측 표면의 표면 거칠기 Rasurf에 대해서도 마찬가지로, 0.1 ㎛를 초과하면, 요철 부분에 용착이 발생하고, 볼록부를 기점으로 한 박리나 치핑이 발생하기 쉬워진다. 피막과 접하는 기재 표면의 표면 거칠기 Rsub는, 0.1∼0.15 ㎛인 것이 보다 바람직하고, 피막 최외측 표면의 표면 거칠기 Rsurf는, 0∼0.08 ㎛인 것이 보다 바람직하며, 피막 최외측 표면의 표면 거칠기 Rasurf는, 0∼0.06 ㎛인 것이 보다 바람직하다.

한편, 본 실시형태에 있어서, 피막과 접하는 기재의 표면은, 입방정 질화붕소로 이루어진 복수의 볼록부와, 결합재로 이루어진 복수의 오목부를 갖는다. 여기서, 「복수의」란, 그러한 볼록부 및 오목부가 하나밖에 없는 경우를 배제하는 것을 의미하는 것으로, 구체적인 수치를 의미하는 것은 아니다. 예컨대 상기 표면의 10 ㎛²당 볼록부 및 오목부를 각각 10개 갖는 것을 포함한다. 통상, 피막 최외측 표면의 표면 상태는 기재의 표면 상태를 반영한 요철을 가진 것이 되기 때문에, 피막 표면을 연마하는 경우, 기재 표면의 볼록 부분에 상당하는 피막 표면의 볼록 부분이 우선 깎아 내어져, 입방정 질화붕소 상의 피막이 다른 부분(즉 결합재 상의 부분)보다도 얇아진다. 이 때문에, 결합재보다 피막과의 밀착력이 낮은 입방정 질화붕소 상의 막두께가 선택적으로 얇아짐으로써, 내박리성을 향상시킬 수 있다.

또한, 기재의 볼록 부분 상에서는, 피막의 결정립이 선행하여 피막 표면측에 성장하기 때문에 결정립 사이즈가 커지고, 기재의 오목 부분 상에서는 기재의 볼록 부분 상과 비교하여 피막의 결정립 사이즈가 작아지며, 따라서 이와 같이 결정립 사이즈가 불균일해짐으로써 크랙의 전파가 억제된다. 이러한 효과는, 특히 치핑이 일어나기 쉬운 고능률 절삭 가공에 있어서 피막의 치핑이 집적되어 모재가 결손되고 단수명이 되는 것에 대하여, 치핑을 억제하기 때문에 수명의 연장에 효과가 있다.

또한, 기재의 볼록 부분 상의 피막, 즉 입방정 질화붕소 상의 피막의 결정립이 선행하여 피막 표면측에 성장하기 때문에, 보다 피막 표면측에는 입방정 질화붕소 상의 피막이 차지하는 비율이 높아지고, 기재측일수록 결합재 상의 피막이 차지하는 비율이 높아진다. 또한, 입방정 질화붕소 상의 피막의 결정끼리의 결합력은, 상이한 화합물이나 사이즈로 구성된 결합재 상의 피막의 결정끼리의 결합력보다도 강하기 때문에, 피막 표면의 강도가 높아진다. 이 때문에, 절삭 초기에는 절삭 종반에 비해 강도가 높은 피막으로 가공하게 되고, 특히 침탄 제거 가공과 같이 절삭 초기에 큰 부하가 가해지는 절삭에 있어서, 치핑을 억제하는 효과를 발휘하고, 또한 결합재와 피막과의 밀착력이 높기 때문에 절삭 종반까지 내박리성을 유지할 수 있다.

본 실시형태에 따른 절삭 공구는, 능선으로부터 여유면에 이르기까지의 피막 최외측 표면의 표면 거칠기 Rsurf가, 0.06 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 침탄 제거 가공의 절삭 종반에서 피삭재의 경도가 낮은 경우, 특히 능선과 여유면에 용착이 많이 발생하지만, 능선으로부터 여유면에 이르기까지의 표면 거칠기를 0.06 ㎛ 이하로 함으로써, 용착이 쉽게 발생하지 않게 되어, 내용착성을 향상시킬 수 있다.

본 실시형태에 따른 절삭 공구는, 능선으로부터 네거티브 랜드면에 이르기까지의 피막 최외측 표면의 표면 거칠기 Rsurf가, 0.06 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 담금질강의 절삭에서는 절삭 저항 중 배분력이 높아지기 때문에, 능선으로부터 네거티브 랜드면에 이르기까지의 표면 거칠기를 0.06 ㎛ 이하로 함으로써, 내치핑성과 내박리성을 더욱 향상시킬 수 있다.

또한, 본 실시형태에 있어서, 능선이란, 네거티브 랜드면과 경사면의 접선의 교점 부분을 의미하며, 네거티브 랜드면이란, 경사면과 여유면의 접선의 교점 부분에 연마에 의해 행한 모따기 부분을 의미한다.

또한, 본 실시형태에 있어서, 상기한 표면 거칠기의 각 규정은, 특별히 부위의 규정이 없는 한, 기재의 전체면에서 달성되어 있어도 좋고, 기재의 일부에서만 달성되어 있어도 좋다. 또한, 기재의 일부에서만 달성되는 경우로서, 경사면에서 달성되는 경우는, 특별히 워크의 경도가 낮은 경우에 증가하는 여유면의 용착을 저감하고, 피막의 박리를 억제한다고 하는 효과가 있다. 또한, 기재의 일부에서만 달성되는 경우로서, 경사면에서 달성되는 경우는, 배분력이 커지면 일어나는 경사면측의 막박리나 브레이킹을 억제하는 효과가 있다.

<제조 방법>

본 실시형태에 따른 기재는, 초고압 소결법 등의 종래 공지된 제법에 의해 얻을 수 있다. 그리고, 얻어진 기재에 대하여, 이온 충돌 처리를 행함으로써, 입방정 질화붕소로부터 결합재가 선택적으로 에칭되고, 기재 표면에 있어서 입방정 질화붕소가 돌출하여 볼록부가 되고, 결합재가 오목부가 된다. 또한, 종래 공지된 조건을 채택하여 기재 상에 피막을 형성한다. 계속해서, 피막 표면을 연마하여, 피막 최외측 표면을 기재보다도 평활하게 한다.

이상과 같이 하여, 본 실시형태에 따른 절삭 공구를 제조할 수 있다.

또한, 공구의 일부만이 본 실시형태의 구성으로 구성되는 경우, 예컨대 초경합금 등으로 이루어진 기체의 날끝 부위만이 본 실시형태의 구성으로 구성되는 경우는, 이하와 같이 하여 제조할 수 있다.

우선, 초경합금제의 기체는, 종래 공지된 소결법과 성형법에 의해 제조할 수 있다. 그리고, 그 기체의 적절한 부위에, 공지된 땜납재를 이용함으로써 공지된 접합법으로 본 실시형태의 상기 구성의 것을 접합함으로써, 절삭 공구로 할 수 있다.

실시예

이하, 실시예를 들어 본 실시형태를 더욱 상세히 설명하였으나, 본 실시형태는 이들로 한정되는 것은 아니다.

<기재의 제조>

이하와 같이 하여 표 1에 나타내는 조성을 갖는 기재 A∼V를 제조하였다.

(기재 A의 제조)

우선, 원자비로 Ti:N=1:0.6이 되도록 평균 입경 1 ㎛의 TiN 분말과 평균 입경이 3 ㎛인 Ti 분말을 혼합함으로써 혼합물을 얻었다. 상기 혼합물을 진공 중 1200℃에서 30분간 열처리하고 나서 분쇄하였다. 이에 따라 TiN₀ _.6으로 이루어진 금속간 화합물 분말을 얻었다.

다음에, 질량비로 TiN₀ _. ₆:Al=90:10이 되도록, TiN₀ _.6으로 이루어진 금속간 화합물 분말과 평균 입경이 4 ㎛인 Al 분말을 혼합함으로써 혼합물을 얻었다. 상기 혼합물을 진공 중 1000℃에서 30분간 열처리하였다. 열처리에 의해 얻어진 화합물을, 직경이 6 ㎜인 초경합금제 볼 미디어를 이용하여, 볼밀 분쇄법에 의해 균일하게 분쇄하였다. 이에 따라 결합재의 원료 분말을 얻었다.

계속해서, 기재에 있어서의 입방정 질화붕소 입자의 함유율이 25 체적%가 되도록 평균 입경이 2 ㎛인 입방정 질화붕소 입자와 결합재의 원료 분말을 배합하고, 직경이 3 ㎜인 질화붕소제 볼 미디어를 이용하여, 볼밀 혼합법에 의해 균일하게 혼합하여 분말형의 혼합물을 얻었다. 그리고 상기 혼합물을 초경합금제 지지 기판에 적층하고 나서 Mo제 캡슐에 충전하였다. 계속해서, 초고압 장치를 이용하여 압력 5.5 GPa, 온도 1300℃에서 30분간 소결하였다. 이에 따라 기재 A를 얻었다.

(기재 B∼S의 제조)

표 1에 나타낸 바와 같이 입방정 질화붕소 입자의 체적 함유율 및 평균 입경을 변경한 것 이외에는 기재 A와 동일하게 하여 기재 B∼S를 얻었다.

(기재 T∼V의 제조)

우선, 원자비로 Ti:C:N=1:0.3:0.3이 되도록 평균 입경 1 ㎛의 TiCN 분말과 평균 입경이 3 ㎛인 Ti 분말을 혼합함으로써 혼합물을 얻었다. 상기 혼합물을 진공 중 1200℃에서 30분간 열처리하고 나서 분쇄하였다. 이에 따라 TiC_0.3N_0.3으로 이루어진 금속간 화합물 분말을 얻었다.

다음에, 질량비로 TiC_0.3N_0.3:Al=95:5가 되도록, TiC_0.3N_0.3으로 이루어진 금속간 화합물 분말과 평균 입경이 4 ㎛인 Al 분말을 혼합함으로써 혼합물을 얻었다. 상기 혼합물을 진공 중 1000℃에서 30분간 열처리하였다. 열처리에 의해 얻어진 화합물을, 직경이 6 ㎜인 초경합금제 볼 미디어를 이용하여, 볼밀 분쇄법에 의해 균일하게 분쇄하였다. 이에 따라 결합재의 원료 분말을 얻었다. 그리고 상기 결합재의 원료 분말을 이용하여, 표 1에 나타낸 바와 같이 입방정 질화붕소 입자의 체적 함유율 및 평균 입경을 변경한 것 이외에는 기재 A와 동일하게 하여 기재 T∼V를 얻었다.

<시료의 제조>

(기체의 형성)

형상이 ISO 규격의 DNGA150408이며, 초경합금 재료(K10 상당)로 이루어진 기체를 준비하였다. 상기 기체의 날끝(코너 부분)에 상기한 기재(형상: 꼭지각이 55°이며 상기 꼭지각을 사이에 둔 양변이 각각 2 ㎜인 이등변 삼각형을 밑면으로 하고, 두께가 2 ㎜인 삼각기둥 형상의 것)를 접합하였다. 또한 접합에는, Ti-Zr-Cu로 이루어진 땜납재를 이용하였다. 계속해서, 접합체의 외주면, 상면 및 하면을 연삭하고, 날끝에 네거티브 랜드 형상(네거티브 랜드폭이 150 ㎛이고, 네거티브 랜드각이 25°)을 형성하였다. 이와 같이 하여, 날끝(절삭날) 부분이 각각 기재 A∼V로 이루어진 기체를 얻었다.

(성막 장치)

여기서, 이후의 공정에 있어서, 피막의 형성에 이용하는 성막 장치에 대해서 설명한다. 상기 성막 장치에는 진공 펌프가 접속되어 있고, 장치 내부에 진공화 가능한 진공 챔버를 갖고 있다. 진공 챔버 내에는, 회전 테이블이 설치되어 있고, 상기 회전 테이블은 지그를 통해 기체를 세트할 수 있도록 구성되어 있다. 진공 챔버 내에 세트된 기체는, 진공 챔버 내에 설치되어 있는 히터에 의해 가열할 수 있다. 또한, 진공 챔버에는 에칭 및 성막용 가스를 도입하기 위한 가스 배관이, 유량 제어용 매스 플로우 컨트롤러(MFC: Mass Flow Controller)를 통해 접속되어 있다. 또한, 진공 챔버 내에는, 에칭용 Ar 이온을 발생시키기 위한 텅스텐 필라멘트, 필요한 전원이 접속된 성막용 아크 증발원 혹은 스퍼터원이 배치되어 있다. 그리고, 아크 증발원 혹은 스퍼터원에는, 성막에 필요한 증발원 원료(타겟)가 세트되어 있다.

(이온 충돌 처리)

상기한 바와 같이 하여 얻어진 기체를, 성막 장치의 진공 챔버 내에 세트하고, 챔버 내의 진공화를 행하였다. 그 후, 회전 테이블을 3 rpm으로 회전시키면서 기체를 500℃로 가열하였다. 계속해서, 진공 챔버 내에 Ar 가스를 도입하고, 텅스텐 필라멘트를 방전시켜 Ar 이온을 발생시키고, 기체에 바이어스 전압을 인가하고, Ar 이온에 의해 기체의 이온 충돌 처리를 행하였다. 또한, 이때의 이온 충돌 처리의 조건은 다음과 같으며, 표 2에 나타내는 피막과 접하는 기재 표면의 표면 거칠기 Rsub가 되도록 시간을 조정하여 처리를 행하였다. 이온 충돌 시간이 길수록 Rsub는 커진다.

Ar 가스의 압력 : 1 Pa

기판 바이어스 전압 : -600 V

처리 시간 : 10분∼45분.

이와 같이 하여, 입방정 질화붕소가 볼록부가 되어 결합재가 오목부가 되고, 피막과 접하는 기재 표면의 표면 거칠기 Rsub가 표 2에 나타낸 바와 같이 되었다.

(시료 1∼8, 17∼22의 제조)

전술한 바와 같이 기재 A∼H, Q∼V의 이온 충돌 처리를 행한 후, 기재 A∼H, Q∼V 상에 TiAlN층을 형성하였다. 구체적으로는, 우선 다음에 나타내는 조건으로, 증착 시간을 조정하여 두께가 표 2에 나타낸 바와 같은 TiAlN층을 형성하였다.

타겟 : Al, Ti

도입 가스 : N₂

성막 압력 : 4 Pa

아크 방전 전류 : 150 A

기판 바이어스 전압 : -35 V

테이블 회전수 : 3 rpm.

계속해서, 얻어진 피막 표면을, 표 2에 나타내는 피막 최외측 표면의 표면 거칠기(Rsurf, Rasurf)가 되도록, 회전 브러시의 표면에 #2000 상당의 다이아몬드 유리 지립을 도포하고, 이것을 압착시키는 방법에 의해 처리 시간을 조정하여 연마하였다.

이상과 같이 하여, 기재 A∼H, Q∼V 상에 TiAlN층이 적층된 시료 1∼8, 17∼22를 얻었다.

(시료 9, 12∼15의 제조)

전술한 바와 같이 기재 I, L∼O의 이온 충돌 처리를 행한 후, 기재 I, L∼O 상에 TiAlN층 및 TiCN층을 형성하였다. 구체적으로는, 우선 다음에 나타내는 조건으로, 증착 시간을 조정하여 총 두께가 표 2에 나타낸 바와 같은 TiAlN층 및 TiCN층을 형성하였다.

1) TiAlN층의 형성 조건

타겟 : Al, Ti

도입 가스 : N₂

성막 압력 : 4 Pa

아크 방전 전류: 150 A

기판 바이어스 전압 : -35 V

테이블 회전수 : 3 rpm.

2) TiCN층의 형성 조건

타겟 : Ti

도입 가스 : N₂, CH₄

성막 압력 : 2 Pa

아크 방전 전류 : 180 A

기판 바이어스 전압 : -350 V

테이블 회전수 : 3 rpm.

계속해서, 얻어진 피막 표면을, 표 2에 나타내는 피막 최외측 표면의 표면 거칠기(Rsurf, Rasurf)가 되도록, 건식 블라스트에 의해 다이아몬드 지립을 사용한 탄성 연마 미디어를, 가공하고자 하는 면(경사면, 여유면, 네거티브 랜드면)에 대하여 100 ㎜의 투사 거리에서 15°∼70°의 투사 각도로 조정하여, 30초간 블라스트를 투사한다고 하는 조건으로 연마하였다. 가공하고자 하는 면에 대한 투사 각도가 크면, 피막 표면의 요철을 줄여 면 거칠기를 감소하는 것보다 피막의 제거가 진행되어 피막의 효과를 얻을 수 없게 된다. 투사 각도가 작으면 탄성 연마 미디어의 연마 효과를 얻을 수 없어 면 거칠기를 감소시킬 수 없게 된다.

이상과 같이 하여, 기재 I, L∼O 상에 TiAlN층 및 TiCN층이 이 순서로 적층된 시료 9, 12∼15를 얻었다.

(시료 10의 제조)

전술한 바와 같이 기재 J의 이온 충돌 처리를 행한 후, 기재 J 상에 AlCrN층, TiN층, TiCN층 및 TiN층을 이 순서로 반복하여 형성하였다. 구체적으로는, 우선 다음에 나타내는 조건으로, 총 두께가 표 2에 나타낸 바와 같이 증착 시간을 조정하여 AlCrN층, TiN층, TiCN층 및 TiN층을 이 순서로 반복하여 형성하였다.

1) AlCrN층의 형성 조건

타겟 : Al, Cr

도입 가스 : N₂

성막 압력 : 3 Pa

아크 방전 전류 : 150 A

기판 바이어스 전압 : -50 V.

2) TiN층의 형성 조건

타겟 : Ti

도입 가스 : N₂

성막 압력 : 3 Pa

아크 방전 전류 : 150 A

기판 바이어스 전압 : -40 V.

3) TiCN층의 형성 조건

타겟 : Ti

도입 가스 : N₂, CH₄

성막 압력 : 2 Pa

아크 방전 전류 : 180 A

기판 바이어스 전압 : -350 V

테이블 회전수 : 3 rpm.

계속해서, 얻어진 피막 표면을, 표 2에 나타내는 피막 최외측 표면의 표면 거칠기(Rsurf, Rasurf)가 되도록, 고무 부재에 지립을 분산시킨 지석으로 문지르도록 10초간 연마하는 랩핑법으로 연마하였다.

이상과 같이 하여, 기재 J 상에, AlCrN층, TiN층, TiCN층 및 TiN층이 이 순서로 3층씩 반복하여 적층되도록 함으로써 시료 10을 얻었다.

(시료 11의 제조)

전술한 바와 같이 기재 K의 이온 충돌 처리를 행한 후, 기재 K 상에 AlCrN층, TiSiN층, TiN층 및 TiCN층을 형성하였다. 구체적으로는, 우선 다음에 나타내는 조건으로, 총 두께 및 피막 최외측 표면 거칠기가 표 2에 나타낸 바와 같이 증착 시간을 조정하여 AlCrN층, TiSiN층, TiN층 및 TiCN층을 형성하였다.

1) AlCrN층의 형성 조건

타겟 : Al, Cr

도입 가스 : N₂

성막 압력 : 3 Pa

아크 방전 전류: 150 A

기판 바이어스 전압 : -50 V.

2) TiSiN층의 형성 조건

타겟 : Ti, Si

도입 가스 : N₂

성막 압력 : 3 Pa

아크 방전 전류 : 150 A

기판 바이어스 전압 : -40 V.

3) TiN층의 형성 조건

타겟 : Ti

도입 가스 : N₂

성막 압력 : 3 Pa

아크 방전 전류 : 150 A

기판 바이어스 전압 : -40 V.

4) TiCN층의 형성 조건

타겟 : Ti

도입 가스 : N₂, CH₄

성막 압력 : 2 Pa

아크 방전 전류 : 180 A

기판 바이어스 전압 : -350 V

테이블 회전수 : 3 rpm.

이상과 같이 하여, 기재 K 상에, AlCrN층, TiSiN층, TiN층 및 TiCN층이 이 순서로 적층된 시료 11을 얻었다.

(시료 16의 제조)

전술한 바와 같이 기재 P의 이온 충돌 처리를 행한 후, 기재 P 상에 피막을 형성하지 않았다. 이상과 같이 하여, 기재 P 상에, 피막이 형성되어 있지 않은 시료 16을 얻었다.

<표면 거칠기의 측정>

각 표면 거칠기 Rsub, Rsurf, Rasurf는 전술한 방법에 의해 측정하였다.

<평가>

이상과 같이 하여 얻어진 시료 1∼22에 따른 절삭 공구의 수명을, 침탄재의 절삭에 의해 평가하였다.

(절삭 조건)

피삭재 : 침탄재(표면 HRC60)를, φ 100×300 ㎜로 가공한 것(일반적으로 침탄층의 두께는 1 ㎜ 정도이며, 그것보다 깊은 곳의 HRC는 30∼50이 되고, 침탄층으로부터 경도 저하되는 내부까지를 가공함)

절삭 속도 : 100 m/min

이송량 : f=0.15 ㎜/rev

절입 : ap=0.5 ㎜

절삭유 : 에멀젼(니혼플루이드시스템 학회 제조의 상품명 「시스템 커트 96」)을 20배 희석한 것(웨트 상태).

<수명의 측정>

손상 폭이 0.1 ㎜를 초과했을 때의 절삭 시간을 수명으로 하였다. 또한, 여유면의 마모의 크기, 결손의 크기, 피막 박리의 크기 중 어느 하나라도 0.1 ㎜를 초과했을 때를 수명으로 한다. 시료 1∼22에 대한 수명 측정 결과를 표 3에 나타낸다.

<결과와 고찰>

(입방정 질화붕소의 함유율)

시료 1∼8의 평가에서는, 입방정 질화붕소의 함유율이 30∼80 체적%인 시료 2∼7은, 긴 수명을 나타내는 경향이 확인되었다. 따라서, 입방정 질화붕소의 함유율은 30∼80 체적%인 것이 바람직하다고 확인되었다. 또한, 입방정 질화붕소의 함유율이 65∼75 체적%인 시료 5 및 6은, 특별히 긴 수명을 나타내는 경향이 확인되었다. 따라서, 입방정 질화붕소의 함유율은 65∼75 체적%인 것이 특히 바람직하다.

상기한 결과로부터 밝혀진 바와 같이, 시료 2∼7이 실시예이고, 시료 1 및 8이 비교예이다.

(피막과 접하는 기재 표면의 표면 거칠기 Rsub, 및 피막 최외측 표면의 표면 거칠기 Rsurf와의 관계)

시료 20∼22의 평가에서는, 피막과 접하는 기재 표면의 표면 거칠기가 0.1∼0.4 ㎛인 시료 20∼21은, 피막과 접하는 기재 표면의 표면 거칠기가 0.1 ㎛ 미만인 시료 22에 비해 수명이 긴 경향이 있었다. 따라서, 피막과 접하는 기재의 표면 거칠기 Rsub가 0.1∼0.4 ㎛를 나타내는 것이 바람직하다고 확인되었다.

한편, 시료 20∼22의 평가에서는, 피막과 접하는 기재 표면의 표면 거칠기가 피막 최외측 표면의 표면 거칠기보다도 큰 시료 20 및 21은, 이러한 조건을 만족하지 않는 시료 22에 비해 수명이 긴 경향이 있었다. 따라서, 피막과 접하는 기재 표면의 표면 거칠기가 피막 최외측 표면의 표면 거칠기보다도 큰 것이 바람직하다고 확인되었다.

상기한 결과로부터 밝혀진 바와 같이, 시료 20 및 21이 실시예이고, 시료 22가 비교예이다.

(피막 최외측 표면의 표면 거칠기 Rsurf)

시료 17∼19의 평가에서는, 피막 최외측 표면의 표면 거칠기가 0∼0.15 ㎛인 시료 18 및 19는, 피막 최외측 표면의 표면 거칠기가 0.15 ㎛를 초과하는 시료 17에 비해 수명이 긴 경향이 있었다. 따라서, 피막 최외측 표면의 표면 거칠기 Rsurf가 0∼0.15 ㎛를 나타내는 것이 바람직하다고 확인되었다.

상기한 결과로부터 밝혀진 바와 같이, 시료 18 및 19가 실시예이고, 시료 17이 비교예이다.

(피막의 두께)

시료 11∼16의 평가에서는, 피막의 두께가 0.2∼10 ㎛인 시료 11∼13, 15는 피막을 갖지 않는 시료 16, 피막의 두께가 10 ㎛를 초과하는 시료 14에 비해 우수한 수명을 나타내었다. 따라서, 피막의 두께는 0.2∼10 ㎛인 것이 바람직하다고 확인되었다.

또한, 시료 11∼16은 전부 실시예이다.

이번에 개시된 실시형태는 모든 점에서 예시로서 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는, 상기한 의미가 아니라, 청구범위에 의해 나타내어지며, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

Claims

기재와 상기 기재 상에 형성된 피막을 포함하는 절삭 공구로서,
상기 기재는, 30∼80 체적%의 입방정 질화붕소와 결합재를 포함하는 소결체이며,
상기 결합재는, 주기율표 4족 원소, 5족 원소, 6족 원소 및 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소와, 붕소, 탄소, 질소 및 산소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소로 이루어진 화합물을 적어도 1종 포함하고,
상기 피막과 접하는 상기 기재의 표면은, 상기 입방정 질화붕소로 이루어진 복수의 볼록부와, 상기 결합재로 이루어진 복수의 오목부를 가지며,
상기 피막은, M1_xL1_y(단, x 및 y는 원자비를 나타내고, 0<x≤1.2, y=1이며, M1은, 주기율표 4족 원소, 5족 원소, 6족 원소, 알루미늄 및 규소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소이고, L1은, 붕소, 탄소, 질소 및 산소로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소임)라고 하는 조성을 갖는 층을 적어도 1층 포함하고,
상기 피막과 접하는 상기 기재 표면의 표면 거칠기 Rsub는, 0.1∼0.4 ㎛이며,
상기 피막 최외측 표면의 표면 거칠기 Rsurf는, 0∼0.15 ㎛이고,
상기 피막 최외측 표면의 표면 거칠기 Rasurf는, 0∼0.1 ㎛이며,
상기 피막과 접하는 상기 기재 표면의 표면 거칠기 Rsub는, 상기 피막 최외측 표면의 표면 거칠기 Rsurf보다도 크고,
상기 표면 거칠기 Rsurf는 주사형 전자현미경에 의해 측정되는 피막 최외측 표면의 표면 거칠기 R을 나타내며, 상기 표면 거칠기 Rasurf는 침 접촉식 표면 형상 측정기에 의해 측정되는 피막 최외측 표면의 표면 거칠기 Ra를 나타내는 것인 절삭 공구.
제1항에 있어서, 상기 피막의 두께는, 0.2∼10 ㎛인 것인 절삭 공구.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 피막과 접하는 상기 기재 표면의 표면 거칠기 Rsub는, 0.1∼0.15 ㎛이고,
상기 피막 최외측 표면의 표면 거칠기 Rsurf는, 0∼0.08 ㎛인 것인 절삭 공구.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 소결체는, 65∼75 체적%의 입방정 질화붕소를 포함하는 것인 절삭 공구.