KR102326622B1

KR102326622B1 - 내치핑성, 내마모성이 우수한 표면 피복 절삭 공구

Info

Publication number: KR102326622B1
Application number: KR1020177013816A
Authority: KR
Inventors: 슌 사토; ?? 사토; 마사쿠니 다카하시
Original assignee: 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
Priority date: 2014-11-27
Filing date: 2015-11-27
Publication date: 2021-11-15
Also published as: CN107000068A; JP2016107396A; KR20170086043A; US20170266733A1; US10556273B2; CN107000068B; EP3225337A4; EP3225337B1; JP6634647B2; EP3225337A1

Abstract

이 표면 피복 절삭 공구에서는, 적어도 날끝이 cBN 소결체로 이루어지는 공구 기체 표면에, (Al_1-xTi_x)N 층 (단, 원자비로, 0.35 ≤ x ≤ 0.6) 으로 이루어지는 A 층과 (Al_1-y-zTi_ySi_z)N 층 (단, 원자비로, 0.35 ≤ y ≤ 0.6, 0.01 ≤ z ≤ 0.1) 으로 이루어지는 B 층을 적층 피복하고, A 층과 B 층의 층두께비 t_B/t_A 는 2 이상 5 이하로 하고, 경질 피복층 전체로서의 X 선 회절 강도비 I(200)/I(111) 은 3 초과 12 이하로 하고, I(200) 의 피크의 반치폭은 0.3 이상 1.0 이하로 하고, 바람직하게는 A 층의 I_A(200)/I_A(111) 은 2 초과 10 이하, I_A(200) 의 피크의 반치폭은 0.3 ∼ 1.0 으로 하였다.

Description

내치핑성, 내마모성이 우수한 표면 피복 절삭 공구{SURFACE-COATED CUTTING TOOL WITH EXCELLENT CHIPPING RESISTANCE AND WEAR RESISTANCE}

본 발명은, 경질 피복층이 우수한 내치핑성, 내마모성을 구비한 표면 피복 절삭 공구 (이하,「피복 공구」라고 한다) 에 관한 것이다. 상세하게는, 본 발명의 피복 공구는, 절삭에 사용하는 날끝이 입방정 질화붕소 (이하,「cBN」으로 나타낸다) 로 이루어지는 기체 상에 경질 피복층이 피복 형성된 피복 공구이며, 본 발명의 피복 공구는, 합금강 등의 고속 절삭 가공에 제공한 경우에도, 치핑을 발생시키지 않고, 장기에 걸쳐 우수한 내마모성을 발휘한다.

본원은, 2014년 11월 27일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2014-239956호, 및 2015년 11월 25일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2015-229736호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

일반적으로, 피복 공구에는, 각종 강이나 주철 등의 피삭재의 선삭 가공이나 평삭 가공에 바이트의 선단부에 자유롭게 착탈할 수 있도록 장착하여 사용되는 인서트, 피삭재의 구멍 형성 절삭 가공 등에 사용되는 드릴이나 미니어처 드릴, 또한 피삭재의 면삭 가공이나 홈 가공, 숄더 가공 등에 사용되는 솔리드 타입의 엔드 밀 등이 있다. 또 피복 공구로서, 인서트를 자유롭게 착탈할 수 있도록 장착하여 솔리드 타입의 엔드 밀과 동일하게 절삭 가공을 실시하는 인서트식 엔드 밀 등이 알려져 있다.

종래부터, 피복 공구로는, 예를 들어, WC 기 초경 합금, TiCN 기 서멧, cBN 소결체를 공구 기체로 하고, 이것에 경질 피복층을 형성한 피복 공구가 알려져 있으며, 절삭 성능의 개선을 목적으로 하여 다양한 제안이 이루어져 있다.

예를 들어, 특허문헌 1 에는, WC 기 초경 합금 기체 또는 TiCN 계 서멧 기체의 표면에, Ti-Al 복합 질화물층으로 이루어지는 결정 배향 이력층을 개재하여, Al-Ti-Si 복합 질화물층으로 이루어지는 경질 피복층을 물리 증착시키는 것이 개시되어 있다. Ti-Al 복합 질화물층으로 이루어지는 결정 배향 이력층은, (a) 0.05 ∼ 0.5 ㎛ 의 평균 층두께를 갖고, 조성식 : (Ti_1-XAl_X)N (단, 원자비로, X 는 0.01 ∼ 0.15 를 나타낸다) 을 만족하고, 또한, Cu-Kα 선을 사용한 X 선 회절 장치에 의한 측정에서, (200) 면에 최고 피크가 나타나고, 또한 상기 최고 피크의 반가폭이 2θ 에서 0.5 도 이하인 X 선 회절 패턴을 나타낸다. Al-Ti-Si 복합 질화물층으로 이루어지는 경질 피복층은, (b) 2 ∼ 10 ㎛ 의 평균 층두께를 갖고, 조성식 : (Al_1-(A＋B)Ti_ASi_B)N (단, 원자비로, A 는 0.35 ∼ 0.55, B 는 0.05 ∼ 0.20 을 나타낸다) 을 만족하고, 동일하게 Cu-Kα 선을 사용한 X 선 회절 장치에 의한 측정에서, (200) 면에 최고 피크가 나타나고, 또한 상기 최고 피크의 반가폭이 2θ 에서 0.5 도 이하인 X 선 회절 패턴을 나타낸다. 특허문헌 1 에서는, 상기 WC 기 초경 합금 기체 또는 상기 TiCN 계 서멧 기체에, 상기 결정 배향 이력층과 상기 경질 피복층을 형성함으로써, 고속 절삭 가공에 있어서의 경질 피복층의 내마모성을 개선한 표면 피복 초경 합금제 절삭 공구를 얻는 것이 제안되어 있다.

일본 공개특허공보 2003-145313호

상기 특허문헌 1 에서 제안되어 있는 Ti 와 Al 의 질화물 (이하,「(Al, Ti)N」으로 나타낸다) 층 및, Al 과 Ti 와 Si 의 질화물 (이하, 「(Al, Ti, Si)N」으로 나타낸다) 층으로 이루어지는 결정 배향을 제어한 경질 피복층을, WC 기 초경 합금 기체 또는 TiCN 계 서멧 기체의 표면에 피복한 피복 공구는, 고경도이기 때문에 우수한 내마모성을 발휘한다. 그러나 그 한편으로, (Al, Ti, Si)N 층은 Si 를 함유함으로써 결정 격자의 변형이 커지기 때문에 무르고, 또, 피복 공구에 있어서의 기체-(Al, Ti)N 층-(Al, Ti, Si)N 층 간에서의 접합 강도가 충분하지 않았다.

따라서, cBN 소결체를 공구 기체로 하여, 이 위에 상기 질화물을 성막한 피복 공구를 사용한 경우, 절삭날에 고부하가 작용하는 고속 절삭 조건에 있어서는, 내치핑성이 충분하지 않기 때문에, 조기에 수명을 맞이한다는 문제가 있었다.

그래서, 고속 절삭 가공에 제공한 경우에도, 내치핑성, 내마모성이 우수하고, 장기에 걸쳐서 우수한 절삭 성능을 발휘하는 피복 공구가 요구되고 있다.

본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해 경질 피복층의 구조에 대해 예의 검토한 결과, 다음과 같은 지견을 얻었다.

cBN 소결체를 공구 기체 (이하,「cBN 기체」라고 한다) 로 하고, 이 표면에, 예를 들어 아크 이온 플레이팅 장치를 사용하여 (Al, Ti, Si)N 층으로 이루어지는 경질 피복층을 증착 형성할 때, cBN 기체와 (Al, Ti, Si)N 층 사이에 (Al, Ti)N 층을 피복 형성한다. 본 발명자들은, 이 때, 그 (Al, Ti)N 층을 cBN 기체와 (Al, Ti, Si)N 층의 격자 부정합에 의한 변형을 완충시키는 완충층으로 함으로써, 고속 절삭 가공에 있어서의 내치핑성을 향상시킬 수 있는 것을 알아냈다.

또한, cBN 기체에 직접 (Al, Ti, Si)N 층을 형성한 경우에는, (Al, Ti, Si)N 층 자체가 Si 성분의 함유에 의해 격자의 변형이 큰 점에 추가하여, cBN 기체와 (Al, Ti, Si)N 층의 격자 부정합에 의한 변형도 부가되기 때문에, (Al, Ti, Si)N 층의 배향성을 원하는 값으로 제어하기는 곤란하였다. 그러나 본 발명자들은, 그 (Al, Ti)N 층의 배향성 제어에 의해, 이 위에 형성되는 (Al, Ti, Si)N 층의 배향성도 제어할 수 있고, 이로써, 내치핑성과 내마모성의 양 특성을 겸비시킬 수 있는 것을 알아낸 것이다.

본 발명은, 상기 지견에 기초하여 이루어진 것이다.

(1) 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는,

적어도 날끝이 입방정 질화붕소 소결체로 이루어지는 공구 기체 상에 경질 피복층을 증착 형성한 것으로서,

(a) 상기 입방정 질화붕소 소결체는, 입방정 질화붕소 입자와, Ti 의 질화물, 탄화물, 탄질화물, 붕화물 및 Al 의 질화물, 산화물로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1 종 이상, 그리고 불가피 불순물을 함유하는 결합상으로 이루어지고,

(b) 상기 입방정 질화붕소 입자의 평균 입경은 0.5 ∼ 4.0 ㎛, 또, 입방정 질화붕소 소결체 전체에서 차지하는 입방정 질화붕소 입자의 함유 비율은 40 ∼ 70 체적％ 이고, 또한, 상기 결합상의 평균 입경은 1 ㎛ 이하이고,

(c) 상기 경질 피복층은, 공구 기체 표면에 피복된 A 층과, A 층 표면에 피복된 B 층으로 이루어지고,

(d) 상기 A 층은,

조성식 : (Al_1-xTi_x)N 으로 나타낸 경우, 원자비로, 0.35 ≤ x ≤ 0.6 을 만족하고,

상기 B 층은,

조성식 : (Al_1-y-zTi_ySi_z)N 으로 나타낸 경우, 원자비로, 0.35 ≤ y ≤ 0.6, 0.01 ≤ z ≤ 0.1 을 만족하고,

(e) 상기 A 층과 B 층의 평균 합계 층두께는 1.5 ∼ 4.0 ㎛ 이며, 또한 A 층의 평균 층두께를 t_A, B 층의 평균 층두께를 t_B 로 한 경우, 2 ≤ t_B/t_A ≤ 5 를 만족하고,

(f) 상기 A 층과 B 층으로 이루어지는 경질 피복층 전체에 대해 X 선 회절을 실시한 경우, 경질 피복층은 전체적으로 암염형 입방정의 결정 구조를 갖고, 또, 경질 피복층을 구성하는 결정립의 (200) 면의 회절 피크 강도를 I(200), (111) 면의 회절 피크 강도를 I(111) 로 하였을 때, 3 ＜ I(200)/I(111) ≤ 12 를 만족하고, 또한 I(200) 의 피크의 반치폭이 0.3 ∼ 1.0 인 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.

(2) (1) 에 기재된 표면 피복 절삭 공구에서는, 상기 A 층의 Ti 함유 비율을 나타내는 x 와, 상기 B 층의 Ti 함유 비율을 나타내는 y 가, ｜x － y｜ ≤ 0.15 의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.

(3) (1) 또는 (2) 에 기재된 표면 피복 절삭 공구에서는, 상기 A 층에 대해 X 선 회절을 실시한 경우, (200) 면의 회절 피크 강도를 I_A(200), (111) 면의 회절 피크 강도를 I_A(111) 로 하였을 때, 2 ＜ I_A(200)/I_A(111) ≤ 10 을 만족하고, 또한 I_A(200) 의 피크의 반치폭이 0.3 ∼ 1.0 인 것이 바람직하다.

본 발명의 질화물을 성막한 표면 피복 절삭 공구 (이하,「피복 cBN 공구」라고 한다) 는, 적어도 날끝이 cBN 소결체로 이루어지는 공구 기체 표면에, 소정 조성의 (Al_1-xTi_x)N 층으로 이루어지는 A 층과 소정 조성의 (Al_1-y-zTi_ySi_z)N 층으로 이루어지는 B 층을, A 층과 B 층의 순번의 적층 구조로 하여 피복함으로써 경질 피복층을 형성하고 있다. 본 발명에서는, 또한, A 층과 B 층의 층두께비 t_B/t_A 를 2 이상 5 이하로 정하고, 경질 피복층 전체로서의 X 선 회절 강도비 I(200)/I(111) 을 3 초과 12 이하로 정하고, 또, I(200) 의 피크의 반치폭을 0.3 이상 1.0 이하로 정함으로써, A 층이 cBN 기체와 B 층 사이의 완충층으로서 기능함과 함께, A 층의 배향성 제어에 의해, B 층의 배향성도 제어되어, 경질 피복층 전체로서 소정의 배향성을 구비하는 경질 피복층이 얻어진다. 본 발명의 경질 피복층을 갖는 피복 cBN 공구는, 날끝에 고부하가 작용하는 합금강 등의 고속 절삭 가공에 있어서, 우수한 내치핑성을 나타냄과 동시에 우수한 내마모성을 발휘하고, 장기의 사용에 걸쳐서 우수한 절삭 성능을 발휘하는 것이다.

도 1 은 본 발명 피복 공구의 경질 피복층의 단면 개략 모식도를 나타낸다.
도 2A 는 경질 피복층을 증착 형성하기 위한 아크 이온 플레이팅 장치의 개략도로서, 평면도를 나타낸다.
도 2B 는 경질 피복층을 증착 형성하기 위한 아크 이온 플레이팅 장치의 개략도로서, 측면도를 나타낸다.

본 발명의 피복 cBN 공구의 일 실시형태에 대해, 이하에 보다 상세하게 설명한다.

본 실시형태의 피복 cBN 공구는, 도 1 에서 나타내는 바와 같이, cBN 소결체로 이루어지는 공구 기체 (cBN 기체) (11) 상에, A 층 (12) 과 B 층 (13) 으로 이루어지는 경질 피복층을 증착 형성한 것이다.

cBN 소결체 중의 cBN 입자의 평균 입경 :

cBN 소결체 중에 미세하고 경질의 입방정 질화붕소 입자 (이하「cBN 입자」라고 한다) 가 분산되어 있음으로써, 공구 사용 중에 날끝의 cBN 입자가 탈락되는 것에 의한 치핑의 발생을 억제할 수 있다.

또, cBN 소결체 중의 미세 cBN 입자가, 공구 사용 중에 날끝에 가해지는 응력에 의해 발생하는 cBN 입자와 결합상의 계면으로부터 진전하는 크랙, 혹은 cBN 입자가 균열되어 진전하는 크랙의 전파를 분산·완소시키는 역할을 담당하기 때문에, 우수한 내결손성을 발휘할 수 있다.

그러나, cBN 입자의 평균 입경이 0.5 ㎛ 미만이 되면, 지나치게 미세하여 경질 입자로서의 cBN 입자의 기능을 충분히 발휘할 수 없다. 한편, 4.0 ㎛ 를 초과하면, cBN 입자의 탈락에 의해 치핑이 유발될 우려가 있다.

따라서, cBN 입자의 평균 입경은 0.5 ∼ 4.0 ㎛ 로 정하였다.

여기서, cBN 입자의 평균 입경은, 제조된 cBN 소결체의 단면 조직을 주사형 전자 현미경 (Scanning Electron Microscopy : SEM) 및 에너지 분산형 X 선 분광법 (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy : EDS) 으로 관찰하여, 관찰 영역 내의 cBN 입자의 부분을 특정하고, 관찰한 화상 내의 cBN 입자의 부분을 화상 처리로 발출한 후, cBN 입자의 형상을 등가의 면적의 원 형상에 근사 (近似) 시키고, 근사한 원의 직경을 각 cBN 입자의 직경으로 하여, 1 화상에 있어서의 cBN 입자의 직경의 평균값을 구하고, 적어도 3 화상에 대해 구한 평균값의 평균을 cBN 의 평균 입경 (㎛) 으로 하였다. 화상 처리에 사용하는 관찰 영역은 예비 관찰을 실시함으로써 정하였지만, cBN 입자의 평균 입경이 0.5 ∼ 4.0 ㎛ 임을 감안하여, 15 ㎛ × 15 ㎛ 정도의 시야 영역으로 하는 것이 바람직하다.

cBN 소결체 중의 cBN 입자의 체적 비율 :

cBN 소결체에서 차지하는 cBN 입자의 함유 비율이 40 체적％ 미만에서는, 소결체 중에 경질 물질이 적어, cBN 소결체의 경도가 저하되기 때문에, 내마모성이 저하된다. 한편, 70 체적％ 를 초과하면, 결합상이 부족하기 때문에, 소결체 중에 크랙의 기점이 되는 공극이 생성되어, 내결손성이 저하된다. 그 때문에, cBN 소결체에서 차지하는 cBN 입자의 함유 비율은 40 ∼ 70 체적％ 의 범위로 정하였다.

여기서, cBN 소결체에서 차지하는 cBN 입자의 함유 비율 (체적％) 의 측정 방법은, cBN 소결체의 단면 조직을 SEM 에 의해 관찰하여 얻어진 2 차 전자 화상 내의 cBN 입자의 부분을 화상 처리에 의해 발출하고, 화상 해석에 의해 관찰 영역에 있어서의 cBN 소결체의 전체 면적에 대한 cBN 입자가 차지하는 면적을 산출하고, 적어도 3 화상을 처리하여 구한 값의 평균값을 cBN 입자의 함유 비율 (체적％) 로 하였다. 화상 처리에 사용하는 관찰 영역은, cBN 입자의 평균 입경이 0.5 ∼ 4.0 ㎛ 임을 감안하여, 15 ㎛ × 15 ㎛ 정도의 시야 영역으로 하는 것이 바람직하다.

결합상 :

본 실시형태에 있어서의 cBN 소결체 중에 있어서의 주된 경질 성분은, 상기 평균 입경, 체적 비율의 cBN 입자이지만, 결합상을 형성하는 성분으로는, 이미 잘 알려져 있는 Ti 의 질화물, 탄화물, 탄질화물, 붕화물 및 Al 의 질화물, 산화물로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1 종 이상의 입자를 사용할 수 있다.

다만, 상기 결합상의 평균 입경이 1 ㎛ 를 초과하면, 원료 분말을 배합하였을 때에 간극이 많아지기 때문에, 소결시에 소결체 중에 포어가 잔존하기 쉬워져, 내결손성이 저하되는 점에서, 결합상의 평균 입경은 1 ㎛ 이하로 하였다. 결합상의 평균 입경의 하한값은 특별히 한정되지 않지만, 0.1 ㎛ 이상인 것이 바람직하다.

결합상의 평균 입경은 cBN 입자의 평균 입경과 동일한 방법으로 구해진다.

경질 피복층을 구성하는 A 층 :

조성식 : (Al_1-xTi_x)N 으로 나타내는 조성을 갖는 A 층은, Ti 의 Ti 와 Al 의 합량에서 차지하는 함유 비율 x (단, x 는 원자비) 가 0.35 ≤ x ≤ 0.6 을 만족한다.

Ti 성분의 함유량 x 가 0.35 미만에서는, 결정 조직의 변형이 커져, 암염형 결정 구조를 유지할 수 없게 될 뿐만 아니라, 배향성 제어가 곤란해진다. 한편, Ti 성분의 함유량 x 가 0.6 을 초과하면 경도가 저하될 뿐만 아니라 내산화성이 충분하지 않게 되는 점에서, Ti 성분의 함유량 x 는 0.35 이상 0.6 이하로 정하였다.

경질 피복층을 구성하는 B 층 :

조성식 : (Al_1-y-zTi_ySi_z)N 으로 나타내는 조성을 갖는 B 층은, Ti 및 Si 의 Ti 와 Al 과 Si 의 합량에서 차지하는 함유 비율 y, z (단, y, z 는 모두 원자비) 가 각각 0.35 ≤ y ≤ 0.6, 0.01 ≤ z ≤ 0.1 을 만족한다.

이 조건을 만족할 때, B 층을 구성하는 (Al_1-y-zTi_ySi_z)N 층은 원하는 내산화성 및 절삭시에 고온이 되는 고속 절삭시에 있어서의 높은 내마모성을 발휘한다.

한편, Ti 성분의 함유 비율 y 가 0.35 미만에서는, 결정 조직의 변형이 커져, 암염형 결정 구조를 유지할 수 없게 될 뿐만 아니라, 배향성 제어가 곤란해지고, 한편, Ti 성분의 함유량 y 가 0.6 을 초과하면 경도가 저하될 뿐만 아니라 내산화성이 충분하지 않게 된다.

또, Si 성분의 함유 비율 z 가 0.01 미만에서는 원하는 내마모성이 발휘되지 않고, 0.1 을 초과하면 결정 격자의 변형이 커져, 내결손성이 저하된다.

따라서, Ti 성분의 함유량 y 는 0.35 이상 0.6 이하, 또, Si 성분의 함유 비율 z 는 0.01 이상 0.1 이하로 정하였다.

또, A 층이 B 층과 기체의 완충층으로서 기능하는 데에 있어서는, A 층과 B 층의 Ti 의 금속 성분에서 차지하는 함유 비율이 비슷한 것이 보다 바람직하고, 바람직한 값의 범위로는, 함유 비율 x 와 y 의 차의 절대값이 0.15 이하 (｜x － y｜ ≤ 0.15) 이다. x 와 y 의 차의 절대값의 범위는, 보다 바람직하게는 ｜x － y｜ ≤ 0.10 이다. x 와 y 의 차의 절대값이 0.10 을 초과하면 내결손성이 저하되는 경향이 있다.

경질 피복층의 합계 평균 층두께 :

본 실시형태의 경질 피복층은, 공구 기체 바로 위의 A 층인 (Al_1-xTi_x)N 층 (단, 원자비로, 0.35 ≤ x ≤ 0.6) 과 그 위에 형성된 B 층인 (Al_1-y-zTi_ySi_z)N 층 (단, 원자비로, 0.35 ≤ y ≤ 0.6, 0.01 ≤ z ≤ 0.1) 의 적층 구조로서 구성된다.

이 경질 피복층에서는, A 층에 함유되는 Ti 성분에 의해 우수한 강도와 인성을 확보하고, Al 성분이 고온 경도와 내열성을 향상시키고, 동시에 Al 과 Ti 가 공존 함유된 상태에서 고온 내산화성을 향상시키는 작용을 나타낸다. 또한, (Al_1-xTi_x)N 층이 암염형 결정 구조 (암염형 입방정) 를 갖기 때문에 고경도이며, A 층을 공구 기체 상에 형성함으로써 내마모성을 향상시킬 수 있다.

B 층은, 상기 A 층에 Si 성분을 함유시킨 층이며, 암염형 결정 구조 (암염형 입방정) 를 갖는다. 또, B 층은, 상기 A 층에 Si 성분을 함유시킴으로써, 더욱 내열성이 향상된 층이다. B 층은, 산화 개시 온도가 높아서 고온 내산화성이 높기 때문에, B 층을 형성함으로써, 특히 절삭시에 고온이 되는 고속 절삭시의 내마모성이 향상된다.

A 층과 B 층의 적층 구조로 이루어지는 경질 피복층은, 그 평균 합계 층두께가 1.5 ㎛ 미만이면 장기의 사용에 걸쳐서 충분한 내마모성을 발휘할 수 없고, 한편, 평균 합계 층두께가 4.0 ㎛ 를 초과하면 경질 피복층이 자괴하기 쉬워지므로, 경질 피복층의 평균 합계 층두께는 1.5 ∼ 4.0 ㎛ 로 정하였다.

또한, 적층 구조를 구성하는 A 층의 평균 층두께를 t_A, B 층의 평균 층두께를 t_B 로 한 경우, t_B/t_A 의 값이 2 미만에서는, 상대적으로 B 층이 얇아지기 때문에, 충분한 내마모성을 얻을 수 없고, 한편, t_B/t_A 의 값이 5 를 초과하면 A 층의 두께가 상대적으로 얇아져, B 층의 A 층과 기체의 격자 부정합에 의한 변형을 완충시키는 완충층으로서의 기능을 충분히 발휘할 수 없게 될 뿐만 아니라, B 층의 배향성 제어도 충분할 수 없게 되는 점에서, t_B/t_A 의 값은 2 이상 5 이하로 정하였다. t_B/t_A 의 값은, 보다 바람직하게는 3 이상 5 이하이다.

또한, 경질 피복층의 층두께란, 공구 기체 표면에 수직인 방향의 층의 두께로 하고, 공구 기체 표면이란, 기체의 경질 피복층과 접하는 면의 면 방향에 수직인 단면의 관찰 이미지에 있어서의, 기체와 경질 피복층의 계면 조도의 기준선으로 한다.

조성식 : (Al_1-xTi_x)N 으로 나타내는 A 층의 조성, 조성식 : (Al_1-y-zTi_ySi_z)N 으로 나타내는 B 층의 조성은, 각각 A 층, B 층의 평균 조성이다.

또, A 층, B 층의 평균 조성, 평균 층두께 t_A, 평균 층두께 t_B, 경질 피복층의 평균 합계 층두께는, 공구 기체 표면에 수직인 경질 피복층 종단면에 대해, 주사형 전자 현미경 (Scanning Electron Microscopy : SEM), 투과형 전자 현미경 (Transmission Electron Microscope : TEM), 에너지 분산형 X 선 분광법 (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy : EDS) 을 사용한 단면 측정에 의해, 측정할 수 있다.

구체적으로는, 단면 측정에서 측정한 각각 5 개 지점의 측정된 평균값을, A 층, B 층의 평균 조성, 평균 층두께 t_A, 평균 층두께 t_B, 경질 피복층의 평균 합계 층두께로 하였다.

경질 피복층 전체에 대해 X 선 회절 :

본 실시형태에서는, A 층의 배향성을 제어함으로써, B 층에 대해 원하는 배향성을 유지시킨다.

즉, 본 실시형태에서는, A 층과 B 층으로 이루어지는 경질 피복층을, 예를 들어, 도 2A 및 도 2B 에 나타내는 아크 이온 플레이팅 장치 (20) 를 사용하여 성막하는데, 아크 이온 플레이팅시의 아크 전류값, 반응 가스로서의 질소 가스 분압, 바이어스 전압 및 성막 온도를 제어하여, 결정 성장의 속도와 원자의 확산 속도를 조정함으로써, 배향성을 제어할 수 있다. 상대적으로 천천히 결정을 성장시킴으로써, 암염형 입방정 구조에 있어서의 (111) 면보다 표면 에너지가 작은 (200) 면이 공구 기체 표면과 평행하게 배향된다. A 층과 B 층은 동일한 암염형 입방정 구조인 점에서, 전술한 바와 같이 하여 배향성을 제어한 A 층의 상층에, 동일하게 성막 파라미터를 제어하면서 B 층을 형성시킴으로써, A 층과 B 층의 배향성을 가지런히 할 수 있다.

그리고, 경질 피복층 전체에 대해 X 선 회절을 실시하여, (200) 면의 회절 피크 강도를 I(200), (111) 면의 회절 피크 강도를 I(111) 로 한 경우, I(200)/I(111) 의 값이 3 이하이면, 최밀면인 (111) 면 배향이 강한 점에서 내치핑성이 저하되고, 한편, I(200)/I(111) 의 값이 12 를 초과하면, (200) 배향이 극단적으로 강해지기 때문에 내마모성이 저하된다.

따라서, 우수한 내치핑성과 내마모성을 겸비하기 위해서는, I(200)/I(111) 의 값은 3 초과 12 이하인 것이 필요하다. I(200)/I(111) 의 값은, 4 이상 10 이하인 것이 바람직하다.

또, (200) 면의 피크 강도 I(200) 의 반치폭이 0.3 미만이면 결정립이 조대화되기 쉽기 때문에 내치핑성이 저하되고, 한편, 반치폭이 1.0 을 초과하면 원하는 배향성으로 제어되어 있지 않거나, 혹은 결정 조직의 변형이 크기 때문에, 안정적인 성능을 발휘할 수 없다.

따라서, I(200) 의 반치폭은 0.3 이상 1.0 이하로 해야 한다. I(200) 의 반치폭은, 0.4 이상 0.8 이하인 것이 바람직하다.

A 층에 대해 X 선 회절 :

경질 피복층 전체에 대해, I(200)/I(111) 의 값은 3 초과 12 이하로 하는 것, 또한, I(200) 의 피크의 반치폭을 0.3 ∼ 1.0 으로 하는 것은 전술한 바와 같지만, 이와 같은 경질 피복층을 형성하는 데에 있어서는, A 층에 대해 X 선 회절을 실시한 경우, 2 ＜ I_A(200)/I_A(111) ≤ 10 을 만족시키고, 또한 I_A(200) 의 피크의 반치폭을 0.3 ∼ 1.0 으로 하는 것이 바람직하다.

여기서, I_A(200) 및 I_A(111) 은, 각각 A 층에 있어서의 (200) 면의 회절 피크 강도, A 층에 있어서의 (111) 면의 회절 피크 강도를 말한다. I_A(200)/I_A(111) 의 값은 보다 바람직하게는 3 이상 8 이하이고, I_A(200) 의 피크의 반치폭은 보다 바람직하게는 0.4 이상 0.8 이하이다.

상기와 같은 A 층을 형성함으로써, 이 위에 형성되는 B 층의 배향성이 제어되고, 그 결과, 경질 피복층 전체적으로 3 ＜ I(200)/I(111) ≤ 12 를 만족하고, 또한 I(200) 의 피크의 반치폭이 0.3 ∼ 1.0 인 경질 피복층이 형성되기 쉬워지는 경향이 있다.

또한, 경질 피복층 전체에 대한 피크 강도비 I(200)/I(111) 이란, A 층과 B 층의 중첩된 회절 피크를 하나의 회절 피크로 간주하고, (200) 면의 중첩된 회절 피크 강도를 I(200), (111) 면의 중첩된 회절 피크 강도를 I(111) 로 하여 계산한 I(200)/I(111) 의 값을 말한다. 또, A 층의 회절 피크 강도 I_A(200), I_A(111) 에 대해서는, 예를 들어, B 층을 집속 이온 빔 (Focused Ion Beam : FIB) 법 등의 수법으로 가공·제거한 후, 전술한 X 선 회절법을 사용함으로써 측정할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 피복 공구를 실시예에 의해 구체적으로 설명한다.

실시예

공구 기체의 제조 :

원료 분말로서, 평균 입경이 1 ∼ 4 ㎛ 인 cBN 입자를 경질상 형성용 원료 분말로 하고, 또, TiN 분말, TiC 분말, TiCN 분말, Al 분말, AlN 분말, Al₂O₃ 분말을 결합상 형성용 원료 분말로서 준비하였다.

이것들 중에서 몇 개의 원료 분말과 cBN 분말의 합량을 100 체적％ 로 하였을 때의 cBN 입자의 함유 비율이 40 ∼ 70 용량％ 가 되도록 표 1 에 나타내는 배합비로 배합하였다.

이어서, 이 원료 분말을 볼 밀로 72 시간 습식 혼합하고, 건조시킨 후, 성형압 100 ㎫ 로 직경 : 50 ㎜ × 두께 : 1.5 ㎜ 의 치수로 프레스 성형하고, 이어서 이 성형체를 압력 : 1 ㎩ 이하의 진공 분위기 중, 900 ∼ 1300 ℃ 의 범위 내의 소정 온도로 유지하며 가 (假) 소결하고, 그 후, 초고압 소결 장치에 장입하여, 압력 : 5 ㎬, 온도 : 1200 ∼ 1400 ℃ 의 범위 내의 소정 온도에서 소결함으로써, cBN 소결체를 제조하였다.

이 소결체를 와이어 방전 가공기로 소정 치수로 절단하고, Co : 5 질량％, TaC : 5 질량％, WC : 나머지의 조성 및 ISO 규격 CNGA120408 의 인서트 형상을 가진 WC 기 초경 합금제 인서트 본체의 브레이징부 (코너부) 에, 질량％ 로, Cu : 26 ％, Ti : 5 ％, Ag : 나머지로 이루어지는 조성을 갖는 Ag 계 브레이징재를 사용하여 브레이징하고, 상하면 및 외주 연마, 호닝 처리를 실시함으로써 ISO 규격 CNGA120408 의 인서트 형상을 가진 cBN 공구 기체 1 ∼ 3 을 제조하였다.

경질 피복층의 성막 :

상기 공구 기체 1 ∼ 3 에 대하여, 도 2A 및 도 2B 에 나타내는 아크 이온 플레이팅 장치 (20) 를 사용하여, 경질 피복층을 형성하였다.

또한, 도 2A 및 도 2B 의 Al-Ti 합금 타깃 (22) 으로는, 목표로 하는 (Al, Ti)N 층에 따라, 조성이 상이한 복수의 Al-Ti 합금 타깃 (22) 을 장치 내에 배치하였다.

(a) 공구 기체 1 ∼ 3 을 아세톤 중에서 초음파 세정하고, 건조시킨 상태에서, 아크 이온 플레이팅 장치 내 (20) 의 회전 테이블 (23) 상의 중심축으로부터 반경 방향으로 소정 거리 떨어진 위치에 외주부에 따라 장착한다 (도 2A 및 도 2B 의 공구 기체 (11)). 또, 캐소드 전극 (증발원) 으로서, 소정 조성의 Al-Ti 합금 타깃 (22) 을 배치하였다.

(b) 먼저, 장치 내를 배기시켜 10^-2 ㎩ 이하의 진공으로 유지하면서, 히터 (24) 로 장치 내를 500 ℃ 로 가열한 후, 0.5 ∼ 2.0 ㎩ 의 Ar 가스 분위기로 설정하고, 상기 회전 테이블 (23) 상에서 자전하면서 회전하는 공구 기체 (11) 에 -200 ∼ -1000 V 의 직류 바이어스 전압을 인가하고, 그것에 의해 공구 기체 표면을 아르곤 이온에 의해 5 ∼ 30 분간 봄버드먼트 처리하였다.

(c) 다음으로, A 층의 성막을 다음과 같이 실시하였다.

장치 내에 반응 가스로서 질소 가스를 도입하여 표 2 에 나타내는 2 ∼ 10 ㎩ 의 소정의 반응 분위기로 함과 함께, 동일하게 표 2 에 나타내는 장치 내 온도로 유지하고, 상기 회전 테이블 (23) 상에서 자전하면서 회전하는 공구 기체 (11) 에 표 2 에 나타내는 -25 ∼ -75 V 의 소정의 직류 바이어스 전압을 인가하고, 또한 상기 소정 조성의 Al-Ti 합금 타깃 (22) 으로 이루어지는 캐소드 전극 (증발원) 과 애노드 전극 (21) 사이에 표 2 에 나타내는 80 ∼ 120 A 의 소정의 전류를 동시에 소정 시간 흘려 아크 방전을 발생시켜, 상기 공구 기체 (11) 의 표면에 표 4 에 나타내는 목표 조성, 목표 평균 층두께의 (Al, Ti)N 층으로 이루어지는 A 층을 증착 형성하였다 (도 1 의 A 층 (12)).

(d) 이어서, B 층의 성막을 다음과 같이 실시하였다.

먼저, 장치 내에 반응 가스로서 질소 가스를 도입하여 표 2 에 나타내는 2 ∼ 10 ㎩ 의 범위 내의 소정의 반응 분위기로 함과 함께, 동일하게 표 2 에 나타내는 장치 내 온도로 유지하고, 상기 회전 테이블 (23) 상에서 자전하면서 회전하는 공구 기체 (11) 에 표 2 에 나타내는 -25 ∼ -75 V 의 범위 내의 소정의 직류 바이어스 전압을 인가하고, 또한 상기 Al-Ti 합금 타깃 (22) 으로 이루어지는 캐소드 전극 (증발원) 과 애노드 전극 (21) 사이에 표 2 에 나타내는 80 ∼ 120 A 의 범위 내의 소정의 전류를 흘려 아크 방전을 발생시켜, 상기 A 층 표면에 표 4 에 나타내는 목표 조성, 목표 평균 층두께의 (Ti, Al)N 층으로 이루어지는 B 층을 증착 형성하였다 (도 1 의 B 층 (13)).

상기 (a) ∼ (d) 에 의해, A 층 및 B 층의 적층으로 이루어지는 경질 피복층을 증착 형성한 표 4 에 나타내는 본 발명의 피복 cBN 공구 (이하,「본 발명 공구」라고 한다) 1 ∼ 10 을 제조하였다.

비교를 위해, 상기 공구 기체 1 ∼ 3 에 대하여, 표 3 에 나타내는 조건으로 하부층 및 상부층을 증착시킴으로써, 표 5 에 나타내는 비교예의 피복 공구 (이하,「비교예 공구」라고 한다) 1 ∼ 12 를 제조하였다.

또한, 비교예 공구의 하부층 및 상부층은, 각각 본 발명의 A 층, B 층에 대응시키는 층인 점에서, 이하에 있어서는, 비교예 공구의 하부층 및 상부층을, 각각을 편의적으로 A 층, B 층이라고 하기로 하였다.

상기에서 제조된 본 발명 공구 1 ∼ 10 및 비교예 공구 1 ∼ 12 의 공구 기체 표면에 수직인 경질 피복층의 종단면에 대해, 공구 기체 표면에 평행한 방향의 폭이 10 ㎛ 이고, 경질 피복층의 두께 영역이 전부 포함되도록 설정된 시야에 대해, 주사형 전자 현미경 (SEM), 투과형 전자 현미경 (TEM), 에너지 분산형 X 선 분광법 (EDS) 을 사용한 단면 측정에 의해, A 층, B 층의 조성, 층두께를 각각의 층에 대하여 5 개 지점에서 측정하고, 이것을 평균함으로써, A 층, B 층의 평균 조성, 평균 층두께 t_A, 평균 층두께 t_B 를 산출하고, 또, t_B/t_A 의 값을 구하였다.

다음으로, 경질 피복층 전체의 회절 피크 강도비 I(200)/I(111) 은, Cr 관구를 사용한 X 선 회절에 의해 A 층과 B 층의 중첩된 (200) 면의 회절 피크 강도를 I(200) 으로서 측정하고, 또, A 층과 B 층의 중첩된 (111) 면의 회절 피크 강도를 I(111) 로서 측정하고, I(200) 의 피크의 반치폭을 구함과 함께, I(200)/I(111) 의 값을 구하였다.

또, A 층의 회절 피크 강도에 대해서는, 성막 후에 B 층을 집속 이온 빔 (Focused Ion Beam : FIB) 법 등의 수법으로 가공·제거한 후, 전술한 X 선 회절법을 사용함으로써 측정하고, A 층의 (200) 면의 회절 피크 강도 I_A(200) 과 (111) 면의 회절 피크 강도 I_A(111) 을 측정하고, I_A(200) 의 피크의 반치폭을 구함과 함께, I_A(200)/I_A(111) 의 값을 구하였다.

표 4, 표 5 에 상기에서 구한 각종 값을 나타낸다.

이어서, 본 발명 공구 1 ∼ 10 및 비교예 공구 1 ∼ 12 에 대해, 다음의 절삭 조건 A, B 로 절삭 시험을 실시하였다.

절삭 조건 A :

피삭재 : JIS·SCr420 의 ??칭재의 구멍이 형성된 환봉,

절삭 속도 : 220 m/min,

절입 : 0.15 ㎜,

이송 : 0.15 ㎜,

절삭 조건 B :

피삭재 : JIS·SCM415 의 ??칭재의 환봉,

절삭 속도 : 315 m/min.,

절입 : 0.1 ㎜,

이송 : 0.1 ㎜,

상기 절삭 조건 A, B 의 건식 연속 절삭 시험에 있어서, 조건 A 는 절삭 길이 880 m, 조건 B 는 절삭 길이 945 m 까지 절삭하여, 플랭크면 마모량을 측정하였다.

표 6 에 그 결과를 나타낸다.

표 6 에서 나타내는「치핑의 유무」는, 절삭 조건 A, B 의 건식 연속 절삭 시험을 실시한 후의 본 발명 공구 1 ∼ 10 및 비교예 공구 1 ∼ 12 의 마모면을 SEM 으로 관찰하여, 치핑의 유무를 확인한 것이다.

표 6 에서 나타내는「플랭크면 마모량」은, 절삭 조건 A, B 의 건식 연속 절삭 시험을 실시한 후의 본 발명 공구 1 ∼ 10 및 비교예 공구 1 ∼ 12 의 플랭크면을 SEM 으로 관찰하여, 마모 폭을 SEM 사진 상에 있어서의 길이로부터 측정한 것이다. 플랭크면 마모량이 0.2 ㎜ 를 초과하면 가공 정밀도 등의 절삭 성능이 저하되어, 플랭크면 마모량이 0.25 ㎜ 를 초과한 경우를 사용 수명으로 판단하였다.

표 6 의 결과에 따르면, 본 발명 공구 1 ∼ 2 및 4 ∼ 10 은, 치핑이 발생하지도 않고 절삭을 실시하는 것이 가능하며, 게다가, 플랭크면 마모량의 평균은 절삭 조건 A 에서 약 0.11 ㎜, 절삭 조건 B 에서 약 0.13 ㎜ 로서, 내마모성도 우수함을 알 수 있다. 본 발명 공구 3 에 대해서는, 치핑의 발생은 관찰되었지만, 플랭크면 마모량이 0.2 ㎜ 이하로서, 내마모성이 확인되었다.

한편, 비교예 공구 1 ∼ 12 는, 치핑의 발생 혹은 플랭크면 마모의 진행에 의해, 단시간에 수명에 이르는 것은 분명하다.

이 결과로부터, 본 발명 공구는, 비교예 공구에 비해 내치핑성, 내마모성의 어느 쪽에 있어서도 우수함을 알 수 있다.

산업상 이용가능성

본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 각종 강 등의 통상적인 절삭 조건에서의 절삭 가공은 물론이거니와, 특히 고열 발생을 수반함과 함께, 절삭날부에 대하여 큰 부하가 가해지는 합금강 등의 고속 절삭 가공에 있어서도, 우수한 내치핑성, 내마모성을 발휘하고, 장기에 걸쳐 우수한 절삭 성능을 나타내는 것이므로, 절삭 가공 장치의 고성능화, 그리고 절삭 가공의 생력화 (省力化) 및 에너지 절약화, 또한 저비용화에 충분히 만족스럽게 대응할 수 있는 것이다.

11 : cBN 기체, 공구 기체
12 : A 층 : (Al, Ti)N
13 : B 층 : (Al, Ti, Si)N
20 : 아크 이온 플레이팅 장치
21 : 애노드 전극
22 : Al-Ti 합금 타깃 (증발원), 캐소드 전극
23 : 회전 테이블
24 : 히터
25 : 아크 전극
26 : 바이어스 전극
31 : 반응 가스 도입구
32 : 배기 가스구

Claims

표면 피복 절삭 공구로서,
적어도 날끝이 입방정 질화붕소 소결체로 이루어지는 공구 기체 상에 경질 피복층이 형성되어 있고,
(a) 상기 입방정 질화붕소 소결체는,
입방정 질화붕소 입자와,
Ti 의 질화물, 탄화물, 탄질화물, 붕화물 및 Al 의 질화물, 산화물로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1 종 이상, 그리고 불가피 불순물을 함유하는 결합상으로 이루어지고,
(b) 상기 입방정 질화붕소 입자의 평균 입경은 0.5 ∼ 4.0 ㎛, 또, 입방정 질화붕소 소결체 전체에서 차지하는 입방정 질화붕소 입자의 함유 비율은 40 ∼ 70 체적％ 이고, 또한, 상기 결합상의 평균 입경은 1 ㎛ 이하이고,
(c) 상기 경질 피복층은, 공구 기체 표면에 피복된 A 층과, A 층 표면에 피복된 B 층으로 이루어지고,
(d) 상기 A 층은,
조성식 : (Al_1-xTi_x)N 으로 나타낸 경우, 원자비로, 0.35 ≤ x ≤ 0.6 을 만족하고,
상기 B 층은,
조성식 : (Al_1-y-zTi_ySi_z)N 으로 나타낸 경우, 원자비로, 0.35 ≤ y ≤ 0.6, 0.01 ≤ z ≤ 0.1 을 만족하고,
(e) 상기 A 층과 B 층의 평균 합계 층두께는 1.5 ∼ 4.0 ㎛ 이며, 또한 A 층의 평균 층두께를 t_A, B 층의 평균 층두께를 t_B 로 한 경우, 2 ≤ t_B/t_A ≤ 5 를 만족하고,
(f) 상기 A 층과 B 층으로 이루어지는 경질 피복층 전체에 대해 X 선 회절을 실시한 경우, 경질 피복층은 전체적으로 암염형 입방정의 결정 구조를 갖고, 또, 경질 피복층을 구성하는 결정립의 (200) 면의 회절 피크 강도를 I(200), (111) 면의 회절 피크 강도를 I(111) 로 하였을 때, 3 ＜ I(200)/I(111) ≤ 12 를 만족하고, 또한 I(200) 의 피크의 반치폭이 0.3 ∼ 1.0 인 것을 특징으로 하는, 표면 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 A 층의 Ti 함유 비율을 나타내는 x 와, 상기 B 층의 Ti 함유 비율을 나타내는 y 가, ｜x － y｜ ≤ 0.15 의 관계를 만족하는 표면 피복 절삭 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 A 층에 대해 X 선 회절을 실시한 경우, (200) 면의 회절 피크 강도를 I_A(200), (111) 면의 회절 피크 강도를 I_A(111) 로 하였을 때, 2 ＜ I_A(200)/I_A(111) ≤ 10 을 만족하고, 또한 I_A(200) 의 피크의 반치폭이 0.3 ∼ 1.0 인 표면 피복 절삭 공구.