KR102278436B1

KR102278436B1 - 내치핑성과 내마모성이 우수한 표면 피복 절삭 공구

Info

Publication number: KR102278436B1
Application number: KR1020187025844A
Authority: KR
Inventors: 츠요시 오가미; 다츠오 하시모토; 나츠키 이치미야
Original assignee: 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
Priority date: 2016-03-11
Filing date: 2017-03-10
Publication date: 2021-07-15
Also published as: EP3427873A4; CN108778585B; US10751806B2; US20190039147A1; JPWO2017155096A1; EP3427873B1; KR20180123029A; WO2017155096A1; CN108778585A; EP3427873A1

Abstract

표면 피복 절삭 공구에 있어서, 경질 피복층은 적어도 (Al, Cr, Si, Cu) 층을 포함하고, 그 층은, 주상과, 주상 중에 분산 분포되는 CrSi 리치 파티클과 Al 리치 파티클로 이루어지고, 상기 주상, CrSi 리치 파티클 및 Al 리치 파티클의 조성을, (Al_1-α-β-γCr_αSi_βCu_γ)_1-xN_x 로 나타낸 경우 (단, α, β, γ, x 는 모두 원자비), 상기 주상은, 0.15 ≤ α ≤ 0.40, 0.05 ≤ β ≤ 0.20, 0.005 ≤ γ ≤ 0.05, 0.45 ≤ x ≤ 0.60 을 만족시키고, 상기 CrSi 리치 파티클은, 0.20 ≤ α ≤ 0.55, 0.20 ≤ β ≤ 0.55, 0 ≤ γ ≤ 0.10, 0.02 ≤ x ≤ 0.35 를 만족시키고, 상기 Al 리치 파티클은, 0.10 ≤ α ≤ 0.25, 0.05 ≤ β ≤ 0.25, 0 ≤ γ ≤ 0.10, 0.02 ≤ x ≤ 0.35 를 만족시키고, 상기 상부층의 단면에 대해, 장경이 100 ㎚ 이상인 파티클을 관찰한 경우, CrSi 리치 파티클이 상부층 단면에서 차지하는 면적률은, 0.20 면적％ 이상 2.0 면적％ 이하이고, 또, Al 리치 파티클이 상부층 단면에서 차지하는 면적률은, 0.50 면적％ 이상 3.0 면적％ 이하인 표면 피복 절삭 공구.

Description

내치핑성과 내마모성이 우수한 표면 피복 절삭 공구

본 발명은, ??칭강 등의 고경도재의 절삭 가공에 있어서, 경질 피복층이 우수한 내치핑성과 내마모성을 발휘하고, 장기의 사용에 걸쳐 우수한 절삭 성능을 발휘하는 표면 피복 절삭 공구 (이하, 피복 공구라고 한다) 에 관한 것이다.

본원은, 2016년 3월 11일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2016-047919호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

일반적으로, 피복 공구로서, 각종 강이나 주철 등의 피삭재의 선삭 가공이나 평삭 가공에 바이트의 선단부에 자유롭게 착탈할 수 있도록 장착하여 사용되는 스로어웨이 팁, 상기 피삭재의 펀칭 절삭 가공 등에 사용되는 드릴이나 미니어처 드릴, 상기 피삭재의 면삭 가공이나 홈 가공, 숄더 가공 등에 사용되는 엔드 밀, 상기 피삭재의 톱니형의 톱니 절삭 가공 등에 사용되는 솔리드 호브, 피니언 커터 등이 알려져 있다.

그리고, 피복 공구의 절삭 성능 개선을 목적으로 하여, 종래부터, 수많은 제안이 이루어지고 있다.

예를 들어, 특허문헌 1 에 나타내는 바와 같이, 탄화텅스텐 (이하, WC 로 나타낸다) 기 초경합금, 탄질화티탄 (이하, TiCN 으로 나타낸다) 기 서멧 등의 공구 기체의 표면에, Cr, Al 및 Si 를 주성분으로 하는 금속 성분과, C, N, O, B 에서 선택되는 적어도 1 종 이상의 원소로 구성되는 입방정 구조의 경질층을 1 층 이상 피복함으로써, 내결손성, 내마모성을 개선한 피복 공구가 제안되어 있다.

또, 특허문헌 2 에는, 공구 기체 표면에 경질 피복층을 피복한 피복 공구에 있어서, 경질막의 적어도 1 층은, (MaLb)Xc (단, M 은 Cr, Al, Ti, Hf, V, Zr, Ta, Mo, W, Y 중에서 선택된 적어도 1 종의 금속 원소를 나타내고, L 은 Mn, Cu, Ni, Co, B, Si, S 중에서 선택된 적어도 1 종의 첨가 원소를 나타내고, X 는 C, N, O 중에서 선택된 적어도 1 종의 비금속 원소를 나타내고, a 는 M 과 L 의 합계에 대한 M 의 원자비를 나타내고, b 는 M 과 L 의 합계에 대한 L 의 원자비를 나타내며, c 는 M 과 L 의 합계에 대한 X 의 원자비를 나타낸다. 또, a, b, c 는, 각각 0.85 ≤ a ≤ 0.99, 0.01 ≤ b ≤ 0.15, a ＋ b = 1, 1.00 ＜ c ≤ 1.20 을 만족시킨다) 로 함으로써, 경질막의 성분인 Cu, Si 등에 의한 결정립의 미세화, 결정 안정성에 의해, 고온 경도가 높아져, 내마모성이 향상되고, 나아가 내산화성도 향상된다고 기재되어 있다.

또한, 특허문헌 3 에는, 공구 기체 표면에, Cr 과 Al 의 복합 질화물로 이루어지는 경질 피복층을 물리 증착하여 이루어지는 피복 공구에 있어서, 경질 피복층을, 층 두께 방향을 따라, Al 최고 함유점과 Al 최저 함유점이 소정 간격을 두고 교대로 반복하여 존재하고, 또한 상기 양 점 간에서 Al 함유량이 연속적으로 변화하는 성분 농도 분포 구조를 갖고, 나아가 상기 Al 최고 함유점이, 조성식 : (Cr_1-XAl_X)N (단, 원자비로, X 는 0.40 ∼ 0.60 을 나타낸다) 을 만족시키고, 또, 상기 Al 최저 함유점이, 조성식 : (Cr_1-YAl_Y)N (단, 원자비로, Y 는 0.05 ∼ 0.30 을 나타낸다) 을 만족시키고, 또한, 이웃하는 상기 Al 최고 함유점과 Al 최저 함유점의 간격이, 0.01 ∼ 0.1 ㎛ 인 경질 피복층으로 함으로써, 중 (重) 절삭 가공 조건에서 경질 피복층이 우수한 내치핑성을 발휘한다고 기재되어 있다.

일본 특허공보 제3781374호 (B) 일본 공개특허공보 2008-31517호 (A) 일본 공개특허공보 2004-50381호 (A)

최근의 절삭 가공 장치의 고성능화는 눈부시고, 한편 절삭 가공에 대한 생력화 (省力化) 및 에너지 절약화, 나아가 저비용화의 요구는 강하고, 이것에 수반하여, 절삭 가공은 점점 고속화·고능률화의 경향이 있는데, 상기 종래의 피복 공구에 있어서는, 이것을 강이나 주철 등의 통상적인 절삭 조건에서의 절삭 가공에 사용한 경우에는, 특별한 문제는 발생하지 않지만, 이것을, 예를 들어, ??칭강 등의 고경도재의 고속 밀링 가공과 같은, 고열 발생을 수반하고, 게다가, 절삭날에 대해 충격적·단속적인 고부하가 가해지는 절삭 가공에 사용한 경우에는, 치핑, 결손의 발생을 억제할 수 없고, 또, 마모 진행도 촉진되기 때문에, 비교적 단시간에 사용 수명에 이르는 것이 현 상황이다.

예를 들어, 특허문헌 1 에 나타나는 종래 피복 공구에 있어서는, 경질 피복층을 구성하는 (Al, Cr, Si)N 층의 Al 성분은 고온 경도, 동 Cr 성분은 고온 인성, 고온 강도를 향상시킴과 함께, Al 및 Cr 이 공존 함유된 상태에서 고온 내산화성을 향상시키고, 또한 동 Si 성분은 내열 소성 변형성을 향상시키는 작용이 있지만, 고열 발생을 수반하고, 게다가, 절삭날에 대해 충격적·단속적인 고부하가 가해지는 절삭 조건에 있어서는, 치핑, 결손 등의 발생을 피하는 것은 불가능하고, 예를 들어, Cr 함유 비율을 증가시킴으로써 고온 인성, 고온 강도의 개선을 도모하고자 해도, 상대적인 Al 함유 비율의 감소에 의해, 내마모성이 저하되어 버리기 때문에, (Al, Cr, Si)N 층으로 이루어지는 경질 피복층에 있어서의 내치핑성과 내마모성의 양립을 도모하는 데에는 자체적으로 한계가 있다.

또, 특허문헌 2 에 나타나는 종래 피복 공구에 있어서는, 경질 피복층 성분으로서 Cu 를 함유시켜, 결정립의 미세화를 도모하는 것에 의해 내마모성을 향상시키는 것이 제안되어 있지만, 내마모성이 향상되는 반면, 인성이 저하되는 것에 의해 치핑의 발생을 억제할 수 없어, 공구 수명은 단명이다.

또한, 특허문헌 3 에 나타나는 종래 피복 공구에 있어서는, 경질 피복층 중에 반복적으로 성분 농도가 변화되는 조성 변조 구조를 형성하고, 고온 경도와 내열성은 Al 최고 함유점 (Cr 최저 함유점에 상당) 에서 담보하고, 한편, 경질 피복층의 강도는, Al 최고 함유점 (Cr 최저 함유점에 상당) 에 인접하는 Al 최저 함유점 (Cr 최저 함유점에 상당) 에서 확보함으로써, 내치핑성과 내마모성을 확보하고 있는데, 통상적인 강이나 합금강, 주철의 절삭 가공에서는 어느 정도의 효과는 얻어지지만, 고경도재 (예를 들어, HRC 60 이상) 의 절삭 가공에 있어서는, 절삭날에 작용하는 충격적·단속적인 고부하에 의해, 내치핑성, 내마모성이 충분하다고는 할 수 없다.

그래서, 본원 발명자들은, 상기 서술한 관점에서, ??칭강 등의 고경도재의 고속 밀링 가공과 같은, 고열 발생을 수반하고, 게다가, 절삭날에 대해 충격적·단속적인 고부하가 작용하는 절삭 가공 조건 하에서, 경질 피복층이 우수한 내치핑성과 내마모성을 양립할 수 있는 피복 공구를 개발하기 위하여, 경질 피복층을 구성하는 성분 및 층 구조에 주목하여 연구를 실시한 결과, 이하와 같은 지견을 얻었다.

즉, 본원 발명자는, (Al, Cr, Si)N 층으로 이루어지는 경질 피복층의 성분으로서 Cu 를 함유시켜, 공구 기체 표면에 Al 과 Cr 과 Si 와 Cu 의 복합 질화물층 (이하, 「(Al, Cr, Si, Cu)N 층」으로 나타내는 경우도 있다) 으로 이루어지는 경질 피복층을 형성하는 것에 의해, 결정립 미세화에 의한 내마모성의 향상을 도모하는 것에 더하여, 상기 (Al, Cr, Si, Cu)N 층으로 이루어지는 경질 피복층 내에, 조성이 상이한 2 종류의 파티클, 구체적으로는, CrSi 리치 파티클과 Al 리치 파티클을 공존시키고, 게다가, 상기 경질 피복층에서 차지하는 상기 2 종류의 파티클의 면적률을 각각 특정 범위로 정하는 것에 의해, 상기 (Al, Cr, Si, Cu)N 층은, 우수한 내치핑성과 내마모성을 나타내게 되는 것을 알아내었다.

또, 본원 발명자는, 상기 (Al, Cr, Si, Cu)N 층과 공구 기체의 밀착 강도를 향상시키기 위한 하부층을 형성하거나, 혹은, 밀착 강도를 더욱 높이기 위해서, 하부층과 상기 (Al, Cr, Si, Cu)N 층 사이에 중간층을 개재 형성하는 것에 의해, ??칭강 등의 고경도재의 단속 절삭 가공과 같은, 고열 발생을 수반하고, 게다가, 절삭날에 대해 큰 충격적·기계적 부하가 가해지는 절삭 가공 조건에 있어서도, 박리 등을 발생시키지 않고, 우수한 내치핑성과 우수한 내마모성의 양립을 도모할 수 있는 것을 알아낸 것이다.

상기 (Al, Cr, Si, Cu)N 층, 하부층, 중간층은, 모두 공구 기체 표면에, PVD 법에 의해 성막할 수 있다.

예를 들어, 도 3 에 그 개략을 나타내는 아크 이온 플레이팅 (이하, 「AIP」로 나타낸다) 장치 (1) 를 사용하여, 상기의 각 층을 성막할 수 있지만, 특히, (Al, Cr, Si, Cu)N 층의 성막에 있어서는, 그 성막 조건으로서, 특히, 타깃에 인가하는 자속 밀도의 강도 및 아크 전류의 크기를 제어함으로써, (Al, Cr, Si, Cu)N 층 중에 소정 면적률의 CrSi 리치 파티클과 Al 리치 파티클을 공존 생성시킬 수 있다.

그리고, (Al, Cr, Si, Cu)N 층 중에 존재하는 소정 면적률의 CrSi 리치 파티클은, 그 층의 고온 강도의 향상에 기여하는 것, 또, 그 층 중에 존재하는 소정 면적률의 Al 리치 파티클이, 내산화성 향상에 기여하는 것을 알아낸 것이다.

그 결과, 상기의 경질 피복층을 피복 형성한 본원 발명에 관련된 피복 공구는, 절삭날에 단속적·충격적인 고부하가 작용하는 고경도재의 단속 절삭 가공에 있어서, 우수한 내치핑성 및 내마모성을 나타내고, 장기의 사용에 걸쳐 우수한 절삭 성능을 발휘하는 것이다.

본원 발명은, 상기 지견에 기초하여 이루어진 것으로서, 이하의 양태를 갖는다.

(1) 탄화텅스텐기 초경합금, 탄질화티탄기 서멧, 입방정 질화붕소 소결체 및 고속도 공구강의 어느 것으로 이루어지는 공구 기체의 표면에, 경질 피복층이 형성된 표면 피복 절삭 공구에 있어서,

(a) 상기 경질 피복층은, 적어도, Al 과 Cr 과 Si 와 Cu 의 복합 질화물층을 함유하고, (b) 상기 Al 과 Cr 과 Si 와 Cu 의 복합 질화물층은, 주상과, 주상 중에 분산 분포되는 CrSi 리치 파티클과 Al 리치 파티클로 이루어지고,

상기 주상, CrSi 리치 파티클 및 Al 리치 파티클의 조성을, 조성식 : (Al_1-α-β-γCr_αSi_βCu_γ)_1-xN_x 로 나타낸 경우 (단, α, β, γ, x 는 모두 원자비를 나타낸다),

(c) 상기 주상은, 0.15 ≤ α ≤ 0.40, 0.05 ≤ β ≤ 0.20, 0.005 ≤ γ ≤ 0.05, 0.45 ≤ x ≤ 0.60 을 만족시키고,

(d) 상기 CrSi 리치 파티클은, 0.20 ≤ α ≤ 0.55, 0.20 ≤ β ≤ 0.55, 0 ≤ γ ≤ 0.10, 0.02 ≤ x ≤ 0.35 를 만족시키고,

(e) 상기 Al 리치 파티클은, 0.10 ≤ α ≤ 0.25, 0.05 ≤ β ≤ 0.25, 0 ≤ γ ≤ 0.10, 0.02 ≤ x ≤ 0.35 를 만족시키고,

(f) 상기 Al 과 Cr 과 Si 와 Cu 의 복합 질화물층의 종단면에 대해 관찰한 경우, 그 종단면에서 차지하는 장경이 100 ㎚ 이상인 상기 CrSi 리치 파티클의 점유 면적률은, 0.20 면적％ 이상 2.0 면적％ 이하이고, 또, 그 종단면에서 차지하는 장경이 100 ㎚ 이상인 상기 Al 리치 파티클의 점유 면적률은, 0.50 면적％ 이상 3.0 면적％ 이하인 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.

(2) 상기 Al 과 Cr 과 Si 와 Cu 의 복합 질화물층의 종단면에 대해, 장경이 100 ㎚ 이상인 파티클을 관찰한 경우, 파티클의 단면 애스펙트비가 2 이상인 파티클의 면적률은, 장경이 100 ㎚ 이상인 파티클의 전체 면적의 80 면적％ 이상인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 에 기재된 표면 피복 절삭 공구.

(3) 상기 (1) 또는 (2) 에 기재된 표면 피복 절삭 공구에 있어서, 상기 Al 과 Cr 과 Si 와 Cu 의 복합 질화물층은 상부층으로 하여 형성되고, 상기 공구 기체와 상기 상부층 사이에, Al 과 Ti 와 Si 의 복합 질화물층으로 이루어지는 하부층이 형성되고,

상기 하부층을, 조성식 : (Al_1-a-bTi_aSi_b)_1-yN_y 로 나타낸 경우,

상기 하부층은, 0.30 ≤ a ≤ 0.50, 0.01 ≤ b ≤ 0.10, 0.45 ≤ y ≤ 0.60 (단, a, b, y 는 모두 원자비) 을 만족시키는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2) 에 기재된 표면 피복 절삭 공구.

(4) 상기 (3) 에 기재된 표면 피복 절삭 공구에 있어서, 상기 하부층과 상부층 사이에, 박층 A 와 박층 B 의 교호 적층 구조로 이루어지는 중간층이 형성되고,

(a) 상기 박층 A 는, 조성식 : (Al_1-α-β-γCr_αSi_βCu_γ)_1-xN_x 로 나타낸 경우,

0.15 ≤ α ≤ 0.40, 0.05 ≤ β ≤ 0.20, 0.005 ≤ γ ≤ 0.05, 0.45 ≤ x ≤ 0.60 (단, α, β, γ, x 는 모두 원자비를 나타낸다) 을 만족시키고, 1 층 평균 층 두께 0.005 ∼ 0.10 ㎛ 의 Al 과 Cr 과 Si 와 Cu 의 복합 질화물층으로 이루어지고,

(b) 상기 박층 B 는,

조성식 : (Al_1-a-bTi_aSi_b)_1-yN_y 로 나타낸 경우, 0.30 ≤ a ≤ 0.50, 0.01 ≤ b ≤ 0.10, 0.45 ≤ y ≤ 0.60 (단, a, b, y 는 모두 원자비) 을 만족시키고, 1 층 평균 층 두께 0.005 ∼ 0.10 ㎛ 의 Al 과 Ti 와 Si 의 복합 질화물층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 상기 (3) 에 기재된 표면 피복 절삭 공구.

본원 발명의 일 양태의 피복 공구 (이하, 「본원 발명의 피복 공구」라고 칭한다) 는, 경질 피복층의 (Al, Cr, Si, Cu)N 층이, 주상과, 그 주상 중에 분산 분포되는 CrSi 리치 파티클과 Al 리치 파티클로 이루어지고, 각각이 소정 조성을 가지고, 또, (Al, Cr, Si, Cu)N 층의 종단면에서 차지하는 장경이 100 ㎚ 이상인 CrSi 리치 파티클의 점유 면적률은, 0.20 면적％ 이상 2.0 면적％ 이하이고, 또, Al 리치 파티클의 점유 면적률은, 0.50 면적％ 이상 3.00 면적％ 이하인 점에서, 본원 발명의 피복 공구는, 절삭날에 단속적·충격적인 고부하가 작용하는 고경도재 등의 단속 절삭 가공에 사용한 경우에도, 장기의 사용에 걸쳐, 우수한 내치핑성, 내마모성을 발휘한다.

또한, 본원 발명의 피복 공구는, (Al, Cr, Si, Cu)N 층에 대해 장경이 100 ㎚ 이상인 파티클을 관찰한 경우, 파티클의 단면 애스펙트비가 2 이상인 파티클의 면적률은, 장경이 100 ㎚ 이상인 파티클의 전체 면적의 80 면적％ 이상으로 정하는 것, (Al, Cr, Si, Cu)N 층을 상부층으로 하고, 공구 기체와 상기 상부층 사이에 밀착 강도가 우수한 (Al, Ti, Si)N 층으로 이루어지는 하부층을 형성하는 것, 상기 하부층과 상기 상부층 사이에 밀착 강도를 더욱 높이기 위해 중간층을 형성하는 것에 의해, 고경도재 등의 단속 절삭 가공에 사용한 경우에도, 경질 피복층의 박리도 없고, 장기의 사용에 걸쳐, 우수한 내치핑성, 내마모성을 발휘할 수 있다.

도 1A 는, 본원 발명의 피복 공구의 경질 피복층의 개략 종단면 모식도를 나타내고, 그 일 양태를 나타낸다.
도 1B 는, 본원 발명의 피복 공구의 경질 피복층의 개략 종단면 모식도를 나타내고, 그 밖의 양태를 나타낸다.
도 1C 는, 본원 발명의 피복 공구의 경질 피복층의 개략 종단면 모식도를 나타내고, 그 밖의 양태를 나타낸다.
도 2(a) 는, CrSi 리치 파티클 및 Al 리치 파티클이 분산되는 본원 발명의 피복 공구의 (Al, Cr, Si, Cu)N 층의 HAADF-STEM 이미지의 일례를 나타내고, (b) 는, 그 부분 확대도를 나타낸다. (a) 에 있어서, 동그라미로 둘러싼 숫자 중, 1, 2, 3 및 6 은 Al 리치 파티클 (A-P) 을 나타내고, 4 및 5 는 CrSi 리치 파티클을 나타낸다.
도 3A 는, 본원 발명의 피복 공구의 실시예 2 에 있어서의 경질 피복층을 성막하는 아크 이온 플레이팅 장치의 개략 설명도를 나타내고, 그 평면도를 나타낸다.
도 3B 는, 본원 발명의 피복 공구의 실시예 2 에 있어서의 경질 피복층을 성막하는 아크 이온 플레이팅 장치의 개략 설명도를 나타내고, 그 측면도를 나타낸다.

본원 발명을 실시하기 위한 형태에 대해, 이하에 상세를 설명한다.

(Al, Cr, Si, Cu)N 층 :

본원 발명의 피복 공구의 경질 피복층은, 적어도, (Al, Cr, Si, Cu)N 층을 구비하지만, (Al, Cr, Si, Cu)N 층에 있어서의 Al 성분에는 고온 경도, 동 Cr 성분에는 고온 인성, 고온 강도를 향상시킴과 함께, Al 및 Cr 이 공존 함유된 상태에서 고온 내산화성을 향상시키고, 또한 동 Si 성분에는 내열 소성 변형성을 향상시키는 작용이 있고, 또, Cu 성분에는, 결정립의 미세화를 도모하는 것에 의해 내마모성을 향상시키는 작용이 있다.

본원 발명의 피복 공구의 경질 피복층은, 하나의 양태로는, 도 1A 의 모식도에 나타내는 바와 같이, (Al, Cr, Si, Cu)N 층의 단층으로 구성된다.

또, 다른 양태로는, 도 1B 의 모식도에 나타내는 바와 같이, Al 과 Ti 와 Si 의 복합 질화물 (이하, 「(Al, Ti, Si)N」으로 나타내는 경우가 있다) 층으로 이루어지는 하부층 (LL) 과 (Al, Cr, Si, Cu)N 층으로 이루어지는 상부층 (UL) 의 2 층 구조로 구성된다.

또한, 다른 양태로는, 도 1C 에 나타내는 바와 같이, (Al, Ti, Si)N 으로 이루어지는 하부층 (LL) 과 (Al, Cr, Si, Cu)N 층으로 이루어지는 상부층 (UL) 사이에, 박층 A 와 박층 B 의 교호 적층 (AL) 구조로 이루어지는 중간층 (IML) 이 개재 형성된 3 층 구조로 구성된다.

그리고, 상기 단층 구조인지 2 층 구조인지 3 층 구조인지에 관계없이, 상기의 (Al, Cr, Si, Cu)N 층은, 주상 (MP) 과, 그 주상 중에 분산 분포되는 CrSi 리치 파티클 (CS-P) 및 Al 리치 파티클 (A-P) 에 의해 구성된다.

여기서 말하는, CrSi 리치 파티클 (CS-P) 및 Al 리치 파티클 (A-P) 은, 주상 (MP) 내에 형성된, 주상에 대해 N 함유량이 적은 매크로 입자를 의미한다.

상기 (Al, Cr, Si, Cu)N 층의 층 두께에 대해, 본원 발명에서는 특별히 제한하는 것은 아니지만, 상기 (Al, Cr, Si, Cu)N 층의 층 두께가 0.5 ㎛ 미만이면, 충분한 내마모성을 장기에 걸쳐 발휘할 수 없고, 한편, 8.0 ㎛ 를 초과하면, 경질 피복층 중에 축적되는 압축 잔류 응력이 커지기 때문에, 절삭 초기에 절삭날에서의 치핑이 발생하기 쉬워지고, 또, 경질 피복층 자체가 자기 파괴될 우려가 있다.

따라서, 상기 (Al, Cr, Si, Cu)N 층의 층 두께는, 0.5 ㎛ 이상 8.0 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.

특별히 한정은 되지 않지만, 보다 바람직한 상기 (Al, Cr, Si, Cu)N 층의 층 두께는, 1.5 ㎛ 이상 5.5 ㎛ 이하이다. 나아가 보다 바람직한 상기 (Al, Cr, Si, Cu)N 층의 층 두께는, 2.0 ㎛ 이상 4.5 ㎛ 이하이다.

상기 (Al, Cr, Si, Cu)N 층의 주상, CrSi 리치 파티클 및 Al 리치 파티클의 조성은, 조성식 : (Al_1-α-β-γCr_αSi_βCu_γ)_1-xN_x 로 나타낼 수 있다 (단, α, β, γ, x 는 모두 원자비를 나타낸다).

(Al, Cr, Si, Cu)N 층의 주상 :

(Al, Cr, Si, Cu)N 층의 주상 (MP) 에 있어서, Cr 의 평균 조성을 나타내는 α 값 (원자비) 이 Al 과 Si 와 Cu 의 합량 (合量) 에서 차지하는 비율로 0.15 미만에서는, 최저한 필요시되는 고온 인성, 고온 강도를 확보할 수 없기 때문에, 치핑, 결손의 발생을 억제할 수 없고, 한편, 동 α 값이 0.40 을 초과하면, 상대적인 Al 함유 비율의 감소에 의해, 마모 진행이 촉진되는 점에서, α 값을 0.15 ∼ 0.40 으로 정하였다.

또, Si 의 평균 조성을 나타내는 β 값 (원자비) 이 Al 과 Cr 과 Cu 의 합량에서 차지하는 비율로 0.05 미만에서는, 내열 소성 변형성의 개선에 의한 내마모성 향상을 기대할 수 없고, 한편, 동 β 값이 0.20 을 초과하면, 내마모성 향상 효과에 저하 경향이 보이게 되는 점에서, β 값을 0.05 ∼ 0.20 으로 정하였다.

또한, Cu 의 평균 조성을 나타내는 γ 값 (원자비) 이 Al 과 Cr 과 Si 의 합량에서 차지하는 비율로 0.005 미만에서는, 내마모성의 향상을 기대할 수 없고, 한편, 동 γ 값이 0.05 를 초과하면, 아크 이온 플레이팅 (이하, 「AIP」로 나타낸다) 장치에 의해 (Al, Cr, Si, Cu)N 층을 성막할 때에, 과잉·조대한 파티클이 발생하기 쉬워져, 큰 충격적·기계적 부하가 가해지는 절삭 가공에 있어서 내치핑성이 저하되는 점에서, γ 값을 0.005 ∼ 0.05 로 정하였다.

또한, 상기 α, β, γ 에 대해, 바람직한 범위는, 각각, 0.15 ≤ α ≤ 0.25, 0.05 ≤ β ≤ 0.15, 0.01 ≤ γ ≤ 0.03 이다.

상기 (Al, Cr, Si, Cu)N 층으로 이루어지는 주상 (MP) 에 있어서, 주상 (MP) 을 구성하는 성분의 총량에 대한 N 성분의 함유 비율 x 는, 화학량론비인 0.50 에는 한정되지 않고, 이것과 동등한 효과가 얻어지는 범위인 0.45 ≤ x ≤ 0.60 의 범위이면 된다.

(Al, Cr, Si, Cu)N 층 중의 CrSi 리치 파티클, Al 리치 파티클 :

(Al, Cr, Si, Cu)N 층 중에는, 주상에 분산 분포되는 CrSi 리치 파티클 (CS-P), Al 리치 파티클 (A-P) (도 2 참조) 이 형성된다.

도 2 에 나타내는 바와 같이, 주상 (MP) 에 분산 분포되는 CrSi 리치 파티클, Al 리치 파티클 (A-P) 은, 거의 모든 파티클의 장경이 공구 기체 표면과 거의 평행한 방향인 편평 형상인 것으로 하여 형성된다.

CrSi 리치 파티클 (CS-P), Al 리치 파티클 (A-P) 의 생성은, 도 3 에 나타내는 AIP 장치 (1) 를 사용하여 AlCrSiCuN 층을 증착 형성할 때의 증착 조건, 특히, 타깃에 인가하는 자속 밀도의 크기 및 아크 전류의 크기를 컨트롤함으로써, 각각의 파티클을 원하는 조성으로 할 수 있고, 또한, 주상 중에 존재하는 파티클 중, 단면의 장경이 100 ㎚ 이상인 파티클이 상기 (Al, Cr, Si, Cu)N 층의 단면에서 차지하는 면적률을 원하는 값으로 할 수 있다.

CrSi 리치 파티클 :

CrSi 리치 파티클 (CS-P) 은, 주상 중에 분산 분포되어, 고온 강도를 향상시키기 때문에, 절삭 가공시의 내치핑성을 향상시킨다.

CrSi 리치 파티클 (CS-P) 의 조성을, 조성식 : (Al_1-α-β-γCr_αSi_βCu_γ)_1-xN_x 로 나타낸 경우 (단, α, β, γ, x 는 모두 원자비를 나타낸다), CrSi 리치 파티클의 조성이, 0.20 ≤ α ≤ 0.55, 0.20 ≤ β ≤ 0.55, 0 ≤ γ ≤ 0.10, 0.02 ≤ x ≤ 0.35 의 범위를 벗어나면, 고온 강도가 충분하지 않기 때문에, ??칭강 등의 고경도재의 단속 절삭 가공에 있어서의 단속적·충격적 부하에 의해 치핑을 발생시키기 쉬워진다.

Cr 의 함유량 α 가 0.20 미만에서는, 주상에 대해 충분한 강도가 얻어지지 않아, 주상 중으로 분산되었을 때에 발휘하는 고온 강도의 향상에 의한 치핑 억제 효과가 작아진다. 한편, Cr 의 함유량이 0.55 를 초과하면, 파티클이 구상에 가까워져서 파티클 아래에 공극이 남기 쉬워져, 이것이 크랙의 기점이 되기 쉬워, 치핑의 원인이 된다.

Si 의 함유 비율 β 가 0.20 미만에서는, 파티클의 내열 소성 변형성을 확보할 수 없고, 0.55 를 초과해도 내소성 변형성이 저하되어 버린다.

Cu 의 함유량이 0.10 을 초과하면, 파티클 자체의 경도를 저하시키고, CrSi 리치 파티클을 분산시킨 막 전체의 경도를 저하시켜, 최저한의 내마모성이 얻어지지 않는다.

또한, 상기 α, β, γ 에 대해, 바람직한 범위는, 각각, 0.25 ≤ α ≤ 0.50, 0.25 ≤ β ≤ 0.50, 0 ≤ γ ≤ 0.08 이다.

N 의 함유량 x 가 0.02 미만에서는, 주상과의 친화성이 저하되어 파티클과 주상의 계면이 크랙의 기점이 되어 버리고, 또, 0.35 를 초과하면 파티클로서의 효과가 발휘되지 않는다.

Al 리치 파티클 :

Al 리치 파티클 (A-P) 은, 주상 중에 분산 분포되어, 경질 피복층의 내산화성을 높이고, 그 결과, 내마모성을 향상시킨다.

Al 리치 파티클 (A-P) 의 조성을, 조성식 : (Al_1-α-β-γCr_αSi_βCu_γ)_1-xN_x 로 나타낸 경우 (단, α, β, γ, x 는 모두 원자비를 나타낸다), Al 리치 파티클의 조성이, 0.10 ≤ α ≤ 0.25, 0.05 ≤ β ≤ 0.25, 0 ≤ γ ≤ 0.10, 0.02 ≤ x ≤ 0.35 의 범위를 벗어나면, 내산화성 향상 효과가 충분하지 않기 때문에, 마모성 향상 효과를 기대할 수 없다.

Cr 함유량 α 가 0.10 미만에서는, 파티클 자체의 고온 내산화성이 저하되고, 한편, Cr 의 함유량이 0.25 를 초과하면, 상대적인 Al 함유 비율의 감소에 의해, 마모 진행이 촉진된다.

Si 의 함유량 β 가 0.05 미만에서는, 최저한의 내소성 변형성이 얻어지지 않고, 0.25 를 초과하면 Cr 과 마찬가지로 상대적인 Al 함유 비율의 감소에 의해, 마모 진행이 촉진된다.

Cu 의 함유량이 0.10 을 초과하면 파티클 자체의 경도가 저하되어, 내마모성이 얻어지지 않는다.

또한, 상기 α, β, γ 에 대해, 바람직한 범위는, 각각, 0.10 ≤ α ≤ 0.20, 0.05 ≤ β ≤ 0.20, 0 ≤ γ ≤ 0.08 이다.

또한, 주상 중에 분산 분포되는 CrSi 리치 파티클 (CS-P), Al 리치 파티클 (A-P) 의 조성은, 투과형 전자 현미경-에너지 분산형 X 선 분광 분석 (TEM-EDS) 을 사용하여 측정할 수 있다.

본원 발명에 있어서는, (Al, Cr, Si, Cu)N 층을, 주상 (MP) 과 그 주상 중에 분산 분포되는 CrSi 리치 파티클 (CS-P), Al 리치 파티클 (A-P) 로 구성하는 것에 의해, (Al, Cr, Si, Cu)N 층이 우수한 내치핑성, 내마모성을 구비하게 되지만, (Al, Cr, Si, Cu)N 층 중에 존재하는 CrSi 리치 파티클 (CS-P), Al 리치 파티클 (A-P) 의 면적률에 의해, (Al, Cr, Si, Cu)N 층의 특성이 영향을 받는 점에서, (Al, Cr, Si, Cu)N 층 중에서 차지하는 상기 파티클의 면적률을 적정한 범위로 유지하는 것이 중요하다.

본원 발명의 피복 공구의 경질 피복층의 (Al, Cr, Si, Cu)N 층은, AIP 장치 (1) 를 사용하고, 또한, 제어된 성막 조건 (특히, 타깃에 인가하는 자속 밀도의 강도 및 아크 전류의 크기) 하에서 증착함으로써, 주상이 형성됨과 동시에, 그 주상 중에 CrSi 리치 파티클 (CS-P), Al 리치 파티클 (A-P) 이 분산 분포되어 형성된다.

(Al, Cr, Si, Cu)N 층의 종단면을 관찰한 경우, CrSi 리치 파티클 (CS-P), Al 리치 파티클 (A-P) 모두, 공구 기체 표면과 거의 평행한 방향으로 장경을 갖는 편평 형상인 것으로 하여 형성된다.

그리고, 상기 파티클에 대해, 장경이 100 ㎚ 이상인 파티클에 대해, (Al, Cr, Si, Cu)N 층의 종단면에서 차지하는 면적률을 구한 경우, CrSi 리치 파티클 (CS-P) 에 대해서는, 0.20 면적％ 이상 2.00 면적％ 이하로 하고, 또, Al 리치 파티클 (A-P) 에 대해서는, 0.50 면적％ 이상 3.00 면적％ 이하로 한다.

이것은, (Al, Cr, Si, Cu)N 층의 종단면에서 차지하는 CrSi 리치 파티클 (CS-P) 의 면적률이 0.20 면적％ 미만인 경우에는, 충분한 치핑의 억제 효과가 얻어지지 않고, 한편, CrSi 리치 파티클 (CS-P) 의 면적률이 2.00 면적％ 를 초과하는 경우에는, 피막 전체의 경도를 저하시켜, 내마모성을 저하시킨다는 이유에 의한 것이다.

또, Al 리치 파티클 (A-P) 의 면적률이 0.50 면적％ 미만인 경우에는, 파티클에 의한 충분한 내마모성 향상의 효과가 얻어지지 않고, 한편, Al 리치 파티클 (A-P) 의 면적률이 3.00 면적％ 를 초과하는 경우에는, 피막 전체에 있어서 내치핑성을 저하시켜 버린다는 이유에 의한 것이다.

또한, (Al, Cr, Si, Cu)N 층의 종단면 관찰에 있어서, 장경이 100 ㎚ 이상인 각 파티클에 대해, 그 장경과 단경을 측정하여 애스펙트비를 구한 경우, 단면 애스펙트비가 2 이상인 파티클의 면적 비율을, 장경이 100 ㎚ 이상인 전체 파티클의 면적의 80 면적％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

이것은, 애스펙트비 2 미만의 파티클의 형상은, 구상에 가까워져 파티클 아래에 공극이 발생하기 쉬워지고, 이 공극은 크랙의 기점이 되기 쉬워, 치핑의 원인이 된다. 이 점에서, 애스펙트비 2 이상의 파티클이 80 면적％ 미만에서는, 크랙의 기점이 되는 구상에 가까운 파티클이 다수 존재하게 되어, 내치핑성이 저하되어 버린다는 이유에 의한 것이다.

또한, 파티클의 면적, 애스펙트비는, 다음과 같은 측정·산출법에 의해 구할 수 있다.

각 파티클을 촬영한 TEM-EDS 매핑 이미지에 있어서, 질소량을 분석한 매핑 이미지를 사용하여 파티클과 주상의 경계를 구별하고, 파티클의 외주부를 선택하여, 둘러싸인 면적을, 화상 해석 소프트 (예를 들어, Adobe photoshop 등) 를 이용하여 파티클의 면적을 산출할 수 있다.

또, 파티클의 장경이란, 기체 표면과 수직인 상부층 단면에 있어서의 파티클의 단면 형상에 대해 측정한 가장 긴 직경을 의미하지만, 본원 발명에 있어서는, 거의 모든 파티클의 장경이 공구 기체 표면과 거의 평행한 방향이므로, 공구 기체 표면과 평행한 방향으로 측정한 파티클의 최대 길이를 장경이라고 하고, 또, 그 장 직경 방향과 직교하는 파티클의 최대 길이를 단경이라고 한다.

그리고, 애스펙트비는, 장경/단경의 값으로서 구할 수 있다.

하부층 혹은 중간층의 박층 B 를 구성하는 (Al, Ti, Si)N 층의 조성 :

본원 발명의 피복 공구에서는, 상기 (Al, Cr, Si, Cu)N 층을 상부층 (UL) 으로 하고, 공구 기체 (B) 와 상부층 (UL) 사이에 (Al, Ti, Si)N 층으로 이루어지는 하부층 (LL) 을 형성하는 것에 의해, 경질 피복층을 2 층 구조인 것으로 하여 형성할 수 있다.

또한, 그 하부층 (LL) 과 상부층 (LL) 사이에, 중간층 (IML) 을 형성하는 것에 의해, 경질 피복층을 3 층 구조인 것으로 하여 형성할 수 있다. 중간층 (IML) 은, 상기 상부층 (UL) 의 주상 (MP) 과 동일한 성분계의 (Al, Cr, Si, Cu)N 층으로 이루어지는 박층 A 와, 상기 하부층과 동일한 성분계의 (Al, Ti, Si)N 층으로 이루어지는 박층 B 에 의해 구성된다.

하부층 (LL) 혹은 중간층 (IML) 의 박층 B 를 구성하는 (Al, Ti, Si)N 층에 있어서의 Al 성분, Si 성분은, 내마모성을 향상시키고, 또, Ti 성분은 고온 인성, 고온 강도를 개선한다.

또한, (Al, Ti, Si)N 층은, 공구 기체 (B) 와의 밀착 강도, 또, 상부층 (UL) 혹은 중간층 (IML) 의 박층 A 와의 밀착 강도가 우수하기 때문에, 절삭 가공시에 큰 충격적·기계적 부하가 작용한 경우에, 경질 피복층의 내박리성을 높인다.

상기 (Al, Ti, Si)N 층은, 그 조성을, 조성식 : (Al_1-a-bTi_aSi_b)_1-yN_y 로 나타낸 경우, 0.30 ≤ a ≤ 0.50, 0.01 ≤ b ≤ 0.10, 0.45 ≤ y ≤ 0.60 (단, a, b, y 는 모두 원자비) 을 만족시키는 것이 바람직하다.

이것은, Al 과 Ti 와 Si 의 합량에서 차지하는 Ti 의 함유 비율을 나타내는 a 값 (원자비) 이 0.30 미만인 경우에는, 고온 인성, 고온 강도의 향상 효과를 기대할 수 없고, 한편, a 값이 0.50 을 초과하는 경우에는, 상대적인 Al 성분, Si 성분의 함유 비율의 감소에 의해, 최저한 필요시되는 고온 경도 및 고온 내산화성을 확보할 수 없게 된다. 또, Al 과 Ti 와 Si 의 합량에서 차지하는 Si 의 비율을 나타내는 b 값 (원자비) 이 0.01 미만에서는, 최저한 필요시되는 소정의 고온 경도, 고온 내산화성, 내열 소성 변형성을 확보할 수 없게 되기 때문에, 내마모성 저하의 원인이 되고, 또 b 값이 0.10 을 초과하면, 내마모성 향상 작용에 저하 경향이 보이게 된다.

따라서, Ti 의 함유 비율을 나타내는 a 값 (원자비) 은 0.30 이상 0.50 이하, 또, Si 의 함유 비율을 나타내는 b 값 (원자비) 은 0.01 이상 0.10 이하로 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 a, b 에 대해, 바람직한 범위는, 0.35 ≤ a ≤ 0.42, 0.03 ≤ b ≤ 0.08 이다.

또한, (Al, Ti, Si)N 층을 구성하는 성분의 총량에 대한 N 성분의 함유 비율 y (원자비) 는, 화학량론비인 0.50 에는 한정되지 않고, 이것과 동등한 효과가 얻어지는 범위인 0.45 ≤ y ≤ 0.60 의 범위이면 된다.

하부층의 평균 층 두께 :

하부층 (LL) 은, 공구 기체 표면과 상부층 (UL) 혹은 중간층 (IML) 의 부착 강도를 보다 높이는 작용을 갖지만, 하부층 (LL) 의 층 두께가, 0.3 ㎛ 미만에서는, 밀착력 향상 효과가 얻어지지 않고, 한편, 층 두께가 3.0 ㎛ 를 초과하면, 잔류 압축 응력의 축적에 의해, 크랙이 발생하기 쉬워져 안정적인 밀착력을 확보할 수 없게 되는 점에서, 하부층 (LL) 의 층 두께는, 0.3 ∼ 3.0 ㎛ 로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는, 0.5 ∼ 2.0 ㎛ 의 범위이다.

중간층의 합계 평균 층 두께와 박층 A, 박층 B 의 1 층 평균 층 두께 :

본원 발명의 피복 공구에서는, (Al, Cr, Si, Cu)N 층으로 이루어지는 상부층 (UL) 과 공구 기체 (B) 의 밀착 강도를 향상시키기 위해서, 공구 기체 표면에 (Al, Ti, Si)N 층으로 이루어지는 하부층 (LL) 을 형성할 수 있지만, 상부층 (UL) 과 하부층 (LL) 의 밀착 강도를 보다 높이기 위해서, 상부층 (UL)-하부층 (LL) 간에, 박층 A, 박층 B 의 교호 적층 (AL) 으로 이루어지는 중간층 (IML) 을 개재 형성할 수 있다.

여기서, 박층 A 는, 예를 들어, 상부층 (UL) 의 주상 (MP) 과 동일 성분 조성의 (Al, Cr, Si, Cu)N 층으로 구성하고, 또, 박층 B 는, 예를 들어, 하부층 (LL) 과 동일한 성분 조성의 (Al, Ti, Si)N 층으로 구성할 수 있다.

박층 A, 박층 B 의 각각의 1 층 평균 층 두께가 0.005 ㎛ 미만에서는, 각각의 박층을 소정 조성인 것으로 하여 명확하게 형성하는 것이 곤란할 뿐만 아니라, 박층 A 에 의한 내마모성 향상 효과, 박층 B 에 의한 인성, 내박리성 향상 효과가 발휘되지 않고, 한편, 박층 A, 박층 B 각각의 1 층 평균 층 두께가 0.10 ㎛ 를 초과한 경우에는, 각각의 박층이 갖는 결점, 즉 박층 A 이면 강도 부족이, 또, 박층 B 이면 내마모성 부족이 층 내에 국부적으로 나타나, 중간층 전체, 나아가서는, 경질 피복층 전체적인 특성 저하를 초래할 우려가 있으므로, 박층 A, 박층 B 각각의 1 층 평균 층 두께를 0.005 ∼ 0.10 ㎛ 로 하는 것이 바람직하다.

즉, 박층 B 는, 박층 A 가 갖는 특성 중 불충분한 특성을 보충하기 위해서 형성한 것이지만, 박층 A, 박층 B 각각의 층 두께가 0.005 ∼ 0.10 ㎛ 의 범위 내이면, 박층 A 와 박층 B 의 교호 적층 구조로 이루어지는 경질 피복층은, 우수한 고온 경도와 우수한 고온 인성, 고온 강도를 구비한 마치 하나의 층인 것 같이 작용하고, 게다가, 상부층과 하부층의 밀착 강도를 높이지만, 박층 A, 박층 B 의 층 두께가 0.10 ㎛ 를 초과하면, 박층 A 의 강도 부족이, 또, 박층 B 의 내마모성 부족이 현재화 (顯在化) 된다.

또, 박층 A 와 박층 B 의 교호 적층 (AL) 구조로 이루어지는 중간층 (IML)은, 그 합계 평균 층 두께가 0.1 ㎛ 미만에서는 우수한 특성을 발휘하는 것은 불가능하고, 또, 합계 평균 층 두께가 1.0 ㎛ 를 초과하면, 치핑, 결손을 발생시키기 쉬워지므로, 박층 A 와 박층 B 의 교호 적층 구조로 이루어지는 중간층의 합계 평균 층 두께는, 0.1 ∼ 1.0 ㎛ 로 하는 것이 바람직하고, 0.2 ∼ 0.5 ㎛ 로 하는 것이 보다 바람직하다.

다음으로, 본원 발명의 피복 공구를 실시예에 의해 구체적으로 설명한다.

이하의 실시예에서는, 본원 발명의 피복 공구를 밀링 가공에서 사용한 경우에 대해 설명하지만, 선삭 가공, 드릴 가공 등에 대해 사용하는 것을 전혀 배제하는 것은 아니다.

또, WC 기 초경합금을 공구 기체로서 사용한 경우에 대해 설명하지만, TiCN 기 서멧, 입방정 질화붕소 소결체, 고속도 공구강을 공구 기체로서 사용한 경우에도 마찬가지이다.

실시예 1

원료 분말로서, 평균 입경 : 5.5 ㎛ 를 갖는 중조립 (中粗粒) WC 분말, 동 0.8 ㎛ 의 미립 (微粒) WC 분말, 동 1.3 ㎛ 의 TaC 분말, 동 1.2 ㎛ 의 NbC 분말, 동 1.2 ㎛ 의 ZrC 분말, 동 2.3 ㎛ 의 Cr₃C₂ 분말, 동 1.5 ㎛ 의 VC 분말, 동 1.0 ㎛ 의 (Ti, W)C［질량비로, TiC/WC = 50/50］분말, 및 동 1.8 ㎛ 의 Co 분말을 준비하고, 이들 원료 분말을 각각 표 1 에 나타나는 배합 조성으로 배합하고, 추가로 왁스를 더하여 아세톤 중에서 24 시간 볼 밀 혼합하고, 감압 건조시킨 후, 100 ㎫ 의 압력으로 소정 형상의 각종 압분체로 압출 프레스 성형하고, 이들 압분체를, 6 Pa 의 진공 분위기 중, 7 ℃/분의 승온 속도로 1370 ∼ 1470 ℃ 의 범위 내의 소정의 온도로 승온하고, 이 온도에 1 시간 유지 후, 노냉 (爐冷) 의 조건에서 소결하고, 직경이 10 ㎜ 인 공구 기체 형성용 환봉 소결체를 형성하고, 추가로 상기 환봉 소결체로부터, 연삭 가공으로, 절삭날부의 직경 × 길이가 6 ㎜ × 12 ㎜ 의 치수이고, 비틀림각이 30 도인 2 장 날 볼 형상을 가진 WC 기 초경합금제의 공구 기체 (엔드 밀) 1 ∼ 3 을 각각 제조하였다.

(a) 이들 공구 기체 1 ∼ 3 을, AIP 장치의 회전 테이블 상의 중심축으로부터 반경 방향으로 소정 거리 떨어진 위치에 외주부를 따라 장착하고, AIP 장치 내에 소정 조성의 Al-Cr-Si-Cu 합금으로 이루어지는 타깃 (캐소드 전극) 을 배치하고,

(b) 먼저, 장치 내를 배기하여 진공으로 유지하면서, 히터로 공구 기체를 400 ℃ 로 가열한 후, 상기 회전 테이블 상에서 자전하면서 회전하는 공구 기체에 ―1000 V 의 직류 바이어스 전압을 인가하고, 또한, Ti 금속 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 100 A 의 전류를 흘려 아크 방전을 발생시키고, 이로써 공구 기체 표면을 봄버드 세정하고,

(c) 이어서, 소정 조성의 Al-Cr-Si-Cu 합금 타깃의 표면에, 표 2 에 나타내는 여러 가지의 최대 자속 밀도로 제어한 자장을 인가하고, 장치 내에 반응 가스로서 질소 가스를 도입하여 표 2 에 나타내는 질소압으로 하고, 상기 회전 테이블 상에서 자전하면서 회전하는 공구 기체의 온도를 표 2 에 나타내는 온도 범위 내로 유지함과 함께 표 2 에 나타내는 직류 바이어스 전압을 인가하고, 또한 상기 Al-Cr-Si-Cu 합금 타깃과 애노드 전극 사이에 표 2 에 나타내는 아크 전류를 흘려 아크 방전을 발생시키고, 이로써 공구 기체의 표면에, 표 3 에 나타나는 주상의 조성, 평균 층 두께, 표 4 에 나타나는 조성, 면적률, 애스펙트비 2 이상의 파티클 면적률의 CrSi 리치 파티클, Al 리치 파티클이 존재하는 (Al, Cr, Si, Cu)N 층을 증착 형성하는 것에 의해, 표 3, 표 4 에 나타내는 경질 피복층을 구비한 본 발명 피복 공구 1 ∼ 10 을 제작하였다.

또한, 상기에서 사용한 AIP 장치는, 도 3 의 AIP 장치에 있어서, Al-Ti-Si 합금 대신에 Ti 금속으로 이루어지는 타깃 (캐소드 전극) 을 배치한 AIP 장치이다.

상기 본 발명 피복 공구 1 ∼ 10 의 (Al, Cr, Si, Cu)N 층에 대해, 공구 기체 표면과 수직인 각 층 단면의 조직 관찰과 조성 분석을, 투과형 전자 현미경-에너지 분산형 X 선 분광 분석 (TEM-EDS) 을 사용하여 실시하였다.

또, 본 발명 피복 공구 1 ∼ 10 의 (Al, Cr, Si, Cu)N 층에 대해, 공구 기체 표면과 평행한 방향의 폭이 20 ㎛ 이고, 경질 피복층의 두께 영역이 모두 포함되도록 설정된 시야에 대해, 상부층 종단면에 대해 0.01 ㎛ 이하의 공간 분해능의 원소 매핑을 실시하고, 피복한 (Al, Cr, Si, Cu)N 층의 주상의 조성이 본원 발명에서 규정하는 범위 내인 것을 확인하고, 동시에, 상부 종단면에 있어서의 CrSi 리치 파티클과 Al 리치 파티클의 조성을 점 분석에 의해 측정하였다.

또, CrSi 리치 파티클과 Al 리치 파티클이, 상부층 종단면에서 차지하는 면적률은, 다음과 같은 방법으로 구하였다. 즉, 각 파티클을 촬영한 TEM-EDS 매핑 이미지에 있어서, 질소량을 분석한 매핑 이미지를 사용하여 파티클과 주상의 경계를 구별하고, 파티클의 외주부를 선택하여, 둘러싸인 면적을, 화상 해석 소프트 (예를 들어, Adobe photoshop 등) 를 이용하여 산출하고, 측정 영역의 상부층 단면에서 차지하는 파티클의 면적률로서 산출하였다.

또한, CrSi 리치 파티클과 Al 리치 파티클의 면적률은, 파티클의 장경이 100 ㎚ 이상인 파티클만을 측정 대상으로 하였다.

또, CrSi 리치 파티클과 Al 리치 파티클의 공구 기체 표면과 평행한 방향의 최대 길이를 장경으로 하여 측정하고, 또, 장경의 방향과 직교하는 방향의 최대 길이를 단경으로 하여 측정하고, 각각의 파티클에 대한 애스펙트비 (장경/단경) 를 구하여 장경이 100 ㎚ 이상인 파티클의 전체 면적에서 차지하는 애스펙트비가 2 이상인 장경이 100 ㎚ 이상인 파티클의 면적률을 산출하였다.

또한, (Al, Cr, Si, Cu)N 층의 층 두께를, 주사형 전자 현미경 (SEM) 을 사용하여 측정하였다.

표 3, 표 4 에, 이것들의 측정값, 산출값을 각각 나타낸다.

다음으로, 비교의 목적에서, 상기 AIP 장치를 사용하여, 공구 기체 1 ∼ 3 의 표면에, 실시예 1 의 상기 공정 (a) ∼ (c) 와 마찬가지로 하여, 표 5 에 나타내는 조건에서 표 6, 표 7 에 나타내는 조성 및 목표 평균 층 두께의 (Al, Cr, Si, Cu)N 층을 증착 형성하는 것에 의해, 표 6, 표 7 에 나타내는 (Al, Cr, Si, Cu)N 층을 구비한 비교 피복 공구 1 ∼ 10 을 제작하였다.

비교 피복 공구 1 ∼ 10 에 대해서도, 실시예 1 의 경우와 동일한 방법으로, (Al, Cr, Si, Cu)N 층의 조성 분석을 실시하고, 또, (Al, Cr, Si, Cu)N 층에 존재하는 파티클의 조성, 애스펙트비가 2 이상인 파티클의 면적률을 측정·산출하고, 또한 (Al, Cr, Si, Cu)N 층의 층 두께를 측정하였다.

표 6, 표 7 에, 이것들의 값을 각각 나타낸다.

다음으로, 상기 본 발명 피복 공구 1 ∼ 10 및 비교 피복 공구 1 ∼ 10 에 대해, 이하에 나타내는 절삭 조건에서, 밀링 절삭 가공 시험을 실시하여, 절삭날의 플랭크면 마모폭을 측정하였다.

≪절삭 조건 A≫

피삭재 : JIS·SKH51 (HRC64) 의 블록재

회전 속도 : 5400/min.,

절삭 속도 : 100 m/min.,

절입 : ae 0.2 ㎜, ap 2.0 ㎜

이송 (1 날당) : 0.05 ㎜/날,

절삭 유제 : 에어 블로,

절삭 길이 : 18 m,

≪절삭 조건 B≫

피삭재 : JIS·SKD11 (HRC60) 의 블록재

회전 속도 : 5400/min.,

절삭 속도 : 100 m/min.,

절입 : ae 0.3 ㎜, ap 2.0 ㎜

이송 (1 날당) : 0.04 ㎜/날,

절삭 유제 : 에어 블로,

절삭 길이 : 50 m,

표 8 에, 상기 절삭 시험의 결과를 나타낸다.

표 3, 4, 6 ∼ 8 에 나타나는 결과로부터, 본 발명 피복 공구 1 ∼ 10 은, (Al, Cr, Si, Cu)N 층으로 이루어지는 경질 피복층 중에, 소정 조성의 주상과 함께, 소정 조성의 CrSi 리치 파티클 및 Al 리치 파티클이 소정의 면적률로 존재함으로써, 절삭날에 단속적·충격적 고부하가 작용하는 고경도재의 단속 절삭 가공에 있어서, 우수한 내치핑성, 내마모성을 나타내었다.

이에 대하여, 비교 피복 공구 1 ∼ 10 은, 경질 피복층 중에, 주상의 조성, 혹은, 각 파티클의 조성, 면적률이 본원 발명에서 규정하는 범위를 벗어나고 있기 때문에, 내치핑성 혹은 내마모성의 양 특성이 우수한 것이라고는 할 수 없다.

실시예 2

실시예 1 에서 사용한 공구 기체 1 ∼ 3 에 대해, 다음과 같은 방법으로, 하부층과 상부층으로 이루어지는 경질 피복층을 구비한 본 발명 피복 공구 11 ∼ 15, 및, 하부층과 박층 A 와 박층 B 의 교호 적층 구조로 이루어지는 중간층과 상부층으로 이루어지는 경질 피복층을 구비한 본 발명 피복 공구 16 ∼ 20 을 제작하였다.

(a) 공구 기체 1 ∼ 3 을, 도 3 에 나타내는 AIP 장치의 회전 테이블 상의 중심축으로부터 반경 방향으로 소정 거리 떨어진 위치에 외주부를 따라 장착하고, AIP 장치의 일방에 소정 조성의 Al-Ti-Si 합금으로 이루어지는 타깃 (캐소드 전극) 을, 타방측에 소정 조성의 Al-Cr-Si-Cu 합금으로 이루어지는 타깃 (캐소드 전극) 을 배치하고, 실시예 1 과 동일한 조건에서 공구 기체 표면을 봄버드 세정하고,

(b) 이어서, 장치 내에 반응 가스로서 질소 가스를 도입하여 표 9 에 나타내는 질소압으로 하고, 상기 회전 테이블 상에서 자전하면서 회전하는 공구 기체의 온도를 표 9 에 나타내는 온도 범위 내로 유지함과 함께, 표 9 에 나타내는 직류 바이어스 전압을 인가하고, 또한 상기 Al-Ti-Si 합금 타깃과 애노드 전극 사이에 표 9 에 나타내는 아크 전류를 흘려 아크 방전을 발생시키고, 따라서 상기 공구 기체의 표면에, 표 12 에 나타나는 조성 및 목표 평균 층 두께의 (Al, Ti, Si)N 층으로 이루어지는 하부층을 증착 형성하고,

(c) 이어서, 장치 내에 반응 가스로서 질소 가스를 도입하여 표 10 에 나타내는 질소압으로 함과 함께, 상기 회전 테이블 상에서 자전하면서 회전하는 공구 기체의 온도를 표 10 에 나타내는 온도 범위 내로 유지함과 함께, 표 10 에 나타내는 직류 바이어스 전압을 인가하고, 또한 상기 Al-Cr-Si-Cu 합금 타깃과 애노드 전극 사이에 표 10 에 나타내는 아크 전류를 흘려 아크 방전을 발생시키고, 따라서 상기 하부층 표면에, 표 12 에 나타나는 조성 및 1 층 평균 층 두께의 (Al, Cr, Si, Cu)N 층으로 이루어지는 박층 A 를 증착 형성하고,

동시에, 상기 Al-Ti-Si 합금 캐소드 전극과 애노드 전극 간에 동일하게 표 10 에 나타내는 아크 전류를 흘려 아크 방전을 발생시켜, 표 12 에 나타나는 조성 및 1 층 평균 층 두께의 (Al, Ti, Si)N 층으로 이루어지는 박층 B 를 증착 형성하고, 따라서, 박층 A 와 박층 B 의 교호 적층 구조로 이루어지는 표 12 에 나타나는 소정의 합계 평균 층 두께가 될 때까지 중간층을 증착 형성하고,

(d) 이어서, 상기 Al-Cr-Si-Cu 합금 타깃의 표면에 표 11 에 나타내는 여러 가지의 최대 자속 밀도로 제어한 자장을 인가하고, 장치 내에 반응 가스로서 질소 가스를 도입하여 표 11 에 나타내는 질소압으로 하고, 상기 회전 테이블 상에서 자전하면서 회전하는 공구 기체의 온도를 표 11 에 나타내는 온도 범위 내로 유지함과 함께 표 11 에 나타내는 직류 바이어스 전압을 인가하고, 또한 상기 Al-Cr-Si-Cu 합금 타깃과 애노드 전극 사이에 표 11 에 나타내는 아크 전류를 흘려 아크 방전을 발생시키고, 따라서 상기 중간층의 표면에, 표 13 에 나타나는 조성, 목표 평균 층 두께의 주상, 동일하게 표 13 에 나타내는 조성, 면적률, 애스펙트비 2 이상의 파티클 면적률의 CrSi 리치 파티클, Al 리치 파티클이 존재하는 상부층을 증착 형성하는 것에 의해, 표 12, 표 13 에 나타내는 하부층, 중간층 및 상부층으로 이루어지는 경질 피복층을 구비한 본 발명 피복 공구 11 ∼ 20 을 제작하였다.

또한, 본 발명 피복 공구 11 ∼ 15 에 대해서는, 상기의 공정 (c) 는 실시하지 않아, 중간층을 형성하지 않았다.

상기에서 제작한 본 발명 피복 공구 11 ∼ 15 의 하부층 및 상부층, 또, 본 발명 피복 공구 16 ∼ 20 의 하부층, 중간층 및 상부층에 대해, 공구 기체 표면과 수직인 각 층 종단면의 조직 관찰과 조성 분석을, 투과형 전자 현미경-에너지 분산형 X 선 분광 분석 (TEM-EDS) 을 사용하여 실시하였다.

또, 본 발명 피복 공구 16 ∼ 20 의 중간층의 박층 A 및 상부층에 대해서는, 실시예 1 의 경우와 마찬가지로 하여, 조성 분석을 실시하고, 또, 파티클이 존재하는 경우에는, 그 파티클의 조성, 면적률, 애스펙트비가 2 이상인 파티클의 면적률을 측정·산출하였다.

표 12, 표 13 에, 이것들의 측정값, 산출값을 각각 나타낸다.

또, 본 발명 피복 공구 11 ∼ 20 의 상부층 및 하부층의 층 두께를, 주사형 전자 현미경 (SEM) 을 사용하여 측정하였다. 또한, 중간층 내의 박층 A 및 박층 B 의 평균 막 두께는, 투과형 전자 현미경 (TEM) 을 사용하여, 시야 내의 임의의 5 점에서 측정하고, 이것을 평균함으로써 산출하였다.

표 12, 표 13 에, 이것들의 값을 나타낸다.

다음으로, 상기 본 발명 피복 공구 11 ∼ 20 에 대해, 이하에 나타내는 절삭 조건에서, 밀링 절삭 가공 시험을 실시하고, 절삭날의 플랭크면 마모 폭을 측정하였다.

≪절삭 조건 C≫

피삭재 : JIS·SKH51 (HRC64) 의 블록재

회전 속도 : 5400/min.,

절삭 속도 : 100 m/min.,

절입 : ae 0.2 ㎜, ap 2.0 ㎜

이송 (1 날 당) : 0.05 ㎜/날,

절삭 유제 : 에어 블로,

절삭 길이 : 20 m,

≪절삭 조건 D≫

피삭재 : JIS·SKD11 (HRC60) 의 블록재

회전 속도 : 5400/min.,

절삭 속도 : 100 m/min.,

절입 : ae 0.3 m, ap 2.0 ㎜

이송 (1 날 당) : 0.04 ㎜/날,

절삭 유제 : 에어 블로,

절삭 길이 : 60 m,

표 14 에, 상기 절삭 시험의 결과를 나타낸다.

표 12 ∼ 14 에 나타나는 결과로부터, 본 발명 피복 공구 11 ∼ 15 는, 하부층과 상부층이 형성되고, 또, 본 발명 피복 공구 16 ∼ 20 은, 하부층과 상부층 사이에, 박층 A 와 박층 B 의 교호 적층 구조로 이루어지는 중간층이 개재 형성되어 있는 것에 의해, 층간 밀착 강도가 향상되고, 또한, (Al, Cr, Si, Cu)N 층으로 이루어지는 경질 피복층 중에, 소정 조성의 주상과 함께, 소정 조성의 CrSi 리치 파티클 및 Al 리치 파티클이 소정의 면적률로 존재함으로써, 절삭날에 단속적·충격적 고부하가 작용하는 고경도재의 단속 절삭 가공에 있어서, 우수한 내치핑성, 내마모성을 나타내었다.

산업상 이용가능성

본원 발명의 피복 공구는, ??칭강 등의 고경도재의 단속 절삭 가공에 있어서 우수한 내치핑성, 내마모성을 발휘하여, 사용 수명의 연명화를 가능하게 하는 것이지만, 그 밖의 피삭재의 절삭 가공, 그 밖의 조건에서의 절삭 가공에서 사용하는 것도 물론 가능하다.

B : 공구 기체
UL : 상부층
LL : 하부층
IML : 중간층
AL : 박층 A 와 박층 B 의 교호 적층
A-P : Al 리치 파티클
CS-P : CrSi 리치 파티클
1 : AIP 장치
2 : 히터
3 : 회전 테이블
4 : 공구 기체
5A, 5B : 자력 발생원
6 : Al-Cr-Si-Cu 합금 타깃 (캐소드 전극)
7 : Al-Ti-Si 합금 타깃 (캐소드 전극)
8A, 8B : 애노드 전극
9A, 9B : 아크 전원
10 : 바이어스 전원
11 : 반응 가스 도입구
12 : 배기 가스구

Claims

탄화텅스텐기 초경합금, 탄질화티탄기 서멧, 입방정 질화붕소 소결체 및 고속도 공구강의 어느 것으로 이루어지는 공구 기체의 표면에, 경질 피복층이 형성된 표면 피복 절삭 공구에 있어서,
(a) 상기 경질 피복층은, 적어도, Al 과 Cr 과 Si 와 Cu 의 복합 질화물층을 함유하고,
(b) 상기 Al 과 Cr 과 Si 와 Cu 의 복합 질화물층은, 주상과, 주상 중에 분산 분포되는 CrSi 리치 파티클과 Al 리치 파티클로 이루어지고,
상기 주상, CrSi 리치 파티클 및 Al 리치 파티클의 조성을, 조성식 : (Al_1-α-β-γCr_αSi_βCu_γ)_1-xN_x 로 나타낸 경우 (단, α, β, γ, x 는 모두 원자비를 나타낸다),
(c) 상기 주상은, 0.15 ≤ α ≤ 0.40, 0.05 ≤ β ≤ 0.20, 0.005 ≤ γ ≤ 0.05, 0.45 ≤ x ≤ 0.60 을 만족시키고,
(d) 상기 CrSi 리치 파티클은, 0.20 ≤ α ≤ 0.55, 0.20 ≤ β ≤ 0.55, 0 ≤ γ ≤ 0.10, 0.02 ≤ x ≤ 0.35 를 만족시키고 (단, α + β + γ < 1),
(e) 상기 Al 리치 파티클은, 0.10 ≤ α ≤ 0.25, 0.05 ≤ β ≤ 0.25, 0 ≤ γ ≤ 0.10, 0.02 ≤ x ≤ 0.35 를 만족시키고,
(f) 상기 Al 과 Cr 과 Si 와 Cu 의 복합 질화물층의 종단면에 대해 관찰한 경우, 그 종단면에서 차지하는 장경이 100 ㎚ 이상인 상기 CrSi 리치 파티클의 점유 면적률은, 0.20 면적％ 이상 2.0 면적％ 이하이고, 또, 그 종단면에서 차지하는 장경이 100 ㎚ 이상인 상기 Al 리치 파티클의 점유 면적률은, 0.50 면적％ 이상 3.0 면적％ 이하인 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 Al 과 Cr 과 Si 와 Cu 의 복합 질화물층의 종단면에 대해, 장경이 100 ㎚ 이상인 파티클을 관찰한 경우, 파티클의 단면 애스펙트비가 2 이상인 파티클의 면적률은, 장경이 100 ㎚ 이상인 파티클의 전체 면적의 80 면적％ 이상인 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 Al 과 Cr 과 Si 와 Cu 의 복합 질화물층은 상부층으로 하여 형성되고, 상기 공구 기체와 상기 상부층 사이에, Al 과 Ti 와 Si 의 복합 질화물층으로 이루어지는 하부층이 형성되고,
상기 하부층을, 조성식 : (Al_1-a-bTi_aSi_b)_1-yN_y 로 나타낸 경우,
상기 하부층은, 0.30 ≤ a ≤ 0.50, 0.01 ≤ b ≤ 0.10, 0.45 ≤ y ≤ 0.60 (단, a, b, y 는 모두 원자비) 을 만족시키는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제 3 항에 있어서,
상기 하부층과 상부층 사이에, 박층 A 와 박층 B 의 교호 적층 구조로 이루어지는 중간층이 형성되고,
(a) 상기 박층 A 는, 조성식 : (Al_1-α-β-γCr_αSi_βCu_γ)_1-xN_x 로 나타낸 경우, 0.15 ≤ α ≤ 0.40, 0.05 ≤ β ≤ 0.20, 0.005 ≤ γ ≤ 0.05, 0.45 ≤ x ≤ 0.60 (단, α, β, γ, x 는 모두 원자비를 나타낸다) 을 만족시키고, 1 층 평균 층 두께 0.005 ∼ 0.10 ㎛ 의 Al 과 Cr 과 Si 와 Cu 의 복합 질화물층으로 이루어지고,
(b) 상기 박층 B 는, 조성식 : (Al_1-a-bTi_aSi_b)_1-yN_y 로 나타낸 경우, 0.30 ≤ a ≤ 0.50, 0.01 ≤ b ≤ 0.10, 0.45 ≤ y ≤ 0.60 (단, a, b, y 는 모두 원자비) 을 만족시키고, 1 층 평균 층 두께 0.005 ∼ 0.10 ㎛ 의 Al 과 Ti 와 Si 의 복합 질화물층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.