KR102336097B1

KR102336097B1 - 피복 절삭 공구

Info

Publication number: KR102336097B1
Application number: KR1020207001159A
Authority: KR
Inventors: 도모야 사사키
Original assignee: 가부시키가이샤 몰디노
Priority date: 2017-09-27
Filing date: 2018-09-19
Publication date: 2021-12-06
Also published as: CN110944776B; EP3689513A1; CN110944776A; US20200230705A1; JP6658983B2; KR20200019199A; WO2019065397A1; US11224921B2; JPWO2019065397A1; EP3689513A4

Abstract

본 발명의 피복 절삭 공구는, 질화물의 경질 피막을 갖고, 금속 원소의 총량에 대해서 Ti 를 70 원자％ ∼ 95 원자％, Si 를 5 원자％ ∼ 30 원자％, 금속 원소와 비금속 원소의 총량에 대해서 Ar 을 0.05 원자％ ∼ 0.20 원자％ 로 함유하고, NaCl 형의 결정 구조이고, (200) 면의 회절 피크 강도가 최대 강도를 나타내며, 평균 결정 입경이 5 ㎚ ∼ 30 ㎚, 경질 피막의 표면으로부터 깊이 20 ㎚ 부터 200 ㎚ 까지의 20 ㎚ 마다의 각 조성이 금속 원소, 질소, 산소 및 탄소의 합계의 함유 비율을 100 원자％ 로 했을 경우, 질소의 함유 비율이 50.0 원자％ 이상, 피복 절삭 공구의 플랭크면에 있어서 ISO25178 에서 규정되는 산술 평균 높이 Sa 가 0.1 ㎛ 이하, 최대 높이 Sz 가 2.0 ㎛ 이하, 산 정점의 산술 평균 곡률 Spc (1/㎜) 의 값이 5000 이하이다.

Description

피복 절삭 공구

본 발명은 공구의 표면에 경질 피막을 갖는 피복 절삭 공구에 관한 것이다.

본원은 2017년 9월 27일에 일본에 출원된 일본국 특허출원 2017-185677호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

종래, 절삭 공구 등의 공구의 수명을 향상시키는 기술로는, 각종 세라믹스로 이루어지는 경질 피막을 공구의 표면에 피복하는 표면 처리 기술이 채용되고 있다. 경질 피막 중에서도, 티탄 (Ti) 및 규소 (Si) 의 복합 질화물 피막 (이하, Ti 및 Si 의 복합 질화물 피막을「TiSiN」으로 기재하는 경우가 있다.) 은 우수한 내마모성을 갖는다. 그 때문에, 이들 경질 피막이 형성된 절삭 공구는, 고경도강 등의 절삭 가공에 있어서 우수한 내구성을 발휘한다.

질화물 피막으로 피복된 절삭 공구로는, 예를 들어, 질화규소 (Si₃N₄) 및 Si 가 독립된 상으로서 화합물상 중에 존재하는 TiSiN 을 피복한 피복 절삭 공구가 알려져 있다 (예를 들어, 특허문헌 1 참조). 또, 마이크로 조직에 미세 결정 및 비정질상이 혼재된 TiSiN 을 피복한 피복 절삭 공구가 알려져 있다 (예를 들어, 특허문헌 2 참조).

일본 공개특허공보 2000-334606호 일본 공개특허공보 2008-80447호

종래의 TiSiN 은, 완전한 질화물이 충분히 형성되어 있지 않고, 또, 비정질상을 많이 함유하기 때문에 결정성이 낮은 것이었다. 본 발명자의 검토에 의하면, 예를 들어, HRC (로크웰 경도) 50 이상의 고경도 강의 고능률 가공 등의 공구의 부하가 큰 가혹한 사용 환경하에서는, 종래의 TiSiN 을 피복한 공구에 있어서, 공구 손상이 커지는 경우가 있어, 공구 수명에 개선의 여지가 있는 것이 판명되었다.

본 발명은 상기한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, Ti 와 Si 를 주체로 하는 질화물의 내열성과 내마모성을 높여, 내구성이 우수한 피복 절삭 공구를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 양태에 의하면, 공구의 표면에 경질 피막을 갖는 피복 절삭 공구로서, 상기 경질 피막은 질화물이고, 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 총량에 대해서, 티탄 (Ti) 을 70 원자％ 이상 95 원자％ 이하, 규소 (Si) 를 5 원자％ 이상 30 원자％ 이하에서 함유하고 있고, 금속 (반금속을 포함한다) 원소와 비금속 원소의 총량에 대해서, 아르곤 (Ar) 을 0.05 원자％ 이상 0.20 원자％ 이하에서 함유하고 있고, 상기 경질 피막은 NaCl 형의 결정 구조이고, 상기 NaCl 형의 결정 구조에서 기인되는 (200) 면의 회절 피크 강도가 최대 강도를 나타내고, 평균 결정 입경이 5 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이고, 상기 경질 피막의 표면으로부터 깊이 20 ㎚ 부터 200 ㎚ 까지의 20 ㎚ 마다의 각 조성이, 금속 (반금속을 포함한다) 원소, 질소, 산소 및 탄소의 합계의 함유 비율을 100 원자％ 로 했을 경우, 질소의 함유 비율이 50.0 원자％ 이상이고, 상기 피복 절삭 공구의 플랭크면에 있어서, ISO25178 에서 규정되는 산술 평균 높이 Sa 가 0.1 ㎛ 이하, 최대 높이 Sz 가 2.0 ㎛ 이하, 산 정점의 산술 평균 곡률 Spc (1/㎜) 의 값이 5000 이하인 피복 절삭 공구가 제공된다.

상기 플랭크면에 있어서, 일정 방향으로 형성되는 대략 평행하는 연삭흔을 갖지 않는 것이 바람직하다.

상기 공구와 상기 경질 피막 사이에 중간 피막을 갖는 것이 바람직하다.

상기 플랭크면에 있어서, ISO25178 에서 규정되는 스큐네스 (Ssk) 의 값이 -4.0 이상 0 이하인 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 피복 절삭 공구에 있어서, 그 표면에 형성한 Ti 와 Si 를 주체로 하는 질화물을 함유하는 경질 피막에 대해서, 마이크로 레벨로 피막 조직을 제어함과 함께, 막 두께 방향에 걸쳐서 질소의 함유 비율을 높임으로써, 피복 절삭 공구의 내구성을 향상시켜, 우수한 피복 절삭 공구를 제공할 수 있다.

도 1 은, 실시예 3 의 레이저 현미경 (배율 50 배) 에 의한 표면 관찰 사진의 일례이다.
도 2 는, 실시예 5 의 레이저 현미경 (배율 50 배) 에 의한 표면 관찰 사진의 일례이다.
도 3 은, 참고예 1 의 레이저 현미경 (배율 50 배) 에 의한 표면 관찰 사진의 일례이다.
도 4 는, 비교예 1 의 레이저 현미경 (배율 50 배) 에 의한 표면 관찰 사진의 일례이다.
도 5 는, 비교예 2 의 레이저 현미경 (배율 50 배) 에 의한 표면 관찰 사진의 일례이다.

본 발명자는, Ti 와 Si 를 주체로 하는 질화물에 있어서, 내열성과 내마모성을 높이는 수법에 대해서 검토하였다. 본 발명자는, 종래의 아크 이온 플레이팅법으로 피복한 Ti 와 Si 를 주체로 하는 질화물에는, 산소나 탄소가 수 원자％ 레벨로 함유되기 때문에, 경질 피막에 함유되는 질소의 함유 비율이 금속 원소의 함유 비율에 대해서 감소하는 경향이 있고, 그 결과, 완전한 질화물이 충분히 잘 형성되지 않는 것을 지견하였다. 그리고, 본 발명자는, Ti 와 Si 를 주체로 하는 질화물에 대해서 마이크로 레벨로 피막 조직을 제어함과 함께, 막 두께 방향에 걸쳐서 질소의 함유 비율을 높이고, 나아가서는 표면 조도를 제어하는 것이, 피복 절삭 공구의 내구성을 향상시키는 데 유효한 것을 알아내었다.

이하, 본 발명의 실시형태의 상세한 것에 대하여 설명한다.

본 실시형태의 피복 절삭 공구는, 공구의 표면에 Ti 와 Si 를 주체로 하는 질화물을 함유하는 경질 피막을 갖는 피복 절삭 공구이다.

본 실시형태의 피복 절삭 공구를 구성하는 경질 피막의 성분 조성, 조직, 특성, 및, 그 제조 방법 등의 상세한 것에 대하여 설명한다.

[1] 경질 피막

＜성분 조성 (티탄 (Ti), 규소 (Si))＞

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, Ti 와 Si 를 주체로 하는 질화물이다. Ti 와 Si 를 주체로 하는 질화물은, 일정 양의 Si 를 함유함으로써, 경질 피막의 조직이 미세해져 내열성과 경도가 높아진다. 또, 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 높은 잔류 압축 응력을 갖고, 피복 절삭 공구에 적용함으로써 절삭 공구의 내구성이 향상된다.

또한, 아래의 설명에 있어서, 단순히「Si 의 함유 비율」,「Ti 의 함유 비율」이라고 할 때에는, 각각「경질 피막에 있어서의 Si 의 함유 비율」,「경질 피막에 있어서의 Ti 의 함유 비율」을 의미한다.

경질 피막의 내열성과 경도를 높이고, 적당한 잔류 압축 응력을 부여하려면, 본 실시형태에 관련된 경질 피막은 금속 (반금속을 포함한다. 이하 동일) 원소의 총량에 대해서, Si 를 5 원자％ 이상으로 함유한다. 한편, Si 의 함유 비율이 지나치게 커지면, 경질 피막에 포함되는 비정질상이 많아져, 피복 절삭 공구의 내구성이 저하된다. 그 때문에, 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 금속 원소의 총량에 대해서, Si 를 30 원자％ 이하에서 함유한다. Si 의 함유 비율의 바람직한 하한은 10 원자％ 이다. 또, Si 의 함유 비율의 바람직한 상한은 25 원자％ 이다.

또, Ti 에 대해서는, 함유 비율이 작을 경우에는, 경질 피막의 내마모성이나 내열성이 저하되는 경향이 있다. 그 때문에, 경질 피막이 높은 레벨에서 내마모성과 내열성을 양립시킬 수 있도록 하려면, 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 금속 원소의 총량에 대해서, Ti 를 70 원자％ 이상에서 함유한다. 한편, Ti 의 함유 비율이 지나치게 커지면, 상대적으로 Si 의 함유 비율이 저하되어 피막 조직이 조대 (粗大) 해짐과 함께, 경질 피막에 충분한 잔류 압축 응력을 부여하기가 곤란해진다. 따라서, 경질 피막의 조직을 미세하게 제어하여 적당한 잔류 압축 응력을 부여하기 위해서는, 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 금속 원소의 총량에 대해서, Ti 를 95 원자％ 이하에서 함유한다. Ti 의 함유 비율의 바람직한 하한은 75 원자％ 이다. 또, Ti 의 함유 비율의 바람직한 상한은 90 원자％ 이다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, Ti 와 Si 를 상기 서술한 범위에서 함유하면, 다른 금속 원소를 함유해도 된다. 다른 금속 원소를 함유하는 경우에도, 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 금속 원소 전체를 100 원자％ 로 했을 경우, Ti 와 Si 의 합계의 함유 비율은 90 원자％ 이상인 것이 바람직하다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막의 금속 원소의 함유 비율은, 경면 가공한 경질 피막에 대해서, 전자 프로브 마이크로 애널라이저 장치 (EPMA) 를 사용하여 측정할 수 있다. 이 경우, 예를 들어, 경질 피막 표면의 경면 가공 후, 직경이 약 1 ㎛ 인 분석 범위를 5 점 분석하고, 얻어진 측정치의 평균으로부터 각 금속 원소의 함유 비율을 구할 수 있다.

경질 피막의 막 두께가 지나치게 얇아지면 피복 절삭 공구의 내마모성이 저하되는 경향이 있다. 또, 경질 피막의 막 두께가 지나치게 두꺼워지면 경질 피막이 박리되기 쉬워진다. 그 때문에, 본 실시형태에 관련된 경질 피막의 막 두께는, 0.3 ㎛ 이상 5.0 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 경질 피막의 막 두께는, 0.5 ㎛ 이상 3.0 ㎛ 이하이다.

＜성분 조성 (아르곤 (Ar))＞

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 금속 (반금속을 포함한다) 원소와 비금속 원소의 총량 (경질 피막 전체) 에 대해서, 아르곤 (Ar) 을 0.05 원자％ 이상 0.20 원자％ 이하에서 함유한다.

스퍼터링법에서는, 아르곤 이온을 사용하여 타깃을 스퍼터링하여 경질 피막을 피복하기 때문에, 경질 피막에 아르곤을 함유시키기 쉽다. 후술하는 바와 같이, 경질 피막의 결정 입경이 미립화되면, 경도가 높아진다. 한편, 경질 피막의 결정 입경이 미립화되면, 결정립계가 많아져, 경질 피막에 함유되는 아르곤이 결정립계에서 농화된다. 경질 피막의 아르곤의 함유 비율이 지나치게 커지면, 경질 피막의 인성이 저하되어, 충분한 공구 성능이 발휘되기 어렵다. 그 때문에, 본 실시형태에서는, 경질 피막의 결정립계에서 농화되는 아르곤을 저감하여, 후술하는 경질 피막의 미립화 효과를 얻기 위해서, 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 아르곤을 0.20 원자％ 이하에서 함유한다. 또한, 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 아르곤을 0.15 원자％ 이하에서 함유하는 것이 바람직하다. 추가로, 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 아르곤을 0.10 원자％ 이하에서 함유하는 것이 바람직하다. 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 스퍼터링법으로 피복하기 때문에, 아르곤을 0.05 원자％ 이상에서 함유할 수 있다. 그 때문에, 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 아르곤의 함유 비율의 하한이 0.05 원자％ 이다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막의 아르곤의 함유 비율은, 상기 서술한 금속 원소의 함유 비율의 측정과 마찬가지로, 경면 가공한 경질 피막에 대해서, 전자 프로브 마이크로 애널라이저 장치 (EPMA) 를 사용하여 측정할 수 있다. 그리고, 상기 서술한 금속 원소의 함유 비율의 측정과 마찬가지로, 경질 피막의 표면의 경면 가공 후, 직경이 약 1 ㎛ 인 분석 범위를 5 점 분석하고, 얻어진 측정치의 평균으로부터 각 금속 원소의 함유 비율을 구할 수 있다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 비금속 원소로서 질소 이외에, 아르곤, 산소, 탄소를 미량으로 함유하는 경우가 있다. 본 실시형태에 관련된 경질 피막의 아르곤의 함유 비율은, 금속 (반금속을 포함한다) 원소와 질소, 산소, 탄소 및 아르곤의 함유 비율을 100 원자％ 로 하여 구할 수 있다.

＜결정 구조＞

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, NaCl 형의 결정 구조, 즉, 면심 입방 격자 구조 (fcc 구조) 이다. 본 실시형태에 있어서, 경질 피막이 NaCl 형의 결정 구조라는 것은, X 선 회절 또는 투과형 전자 현미경 (TEM) 을 사용한 제한 시야 회절 패턴 등에서, NaCl 형의 결정 구조에서 기인되는 회절 피크 강도가 최대 강도를 나타내는 것을 의미한다. 그 때문에, 경질 피막의 전체로서 NaCl 형의 결정 구조에서 기인되는 회절 피크 강도가 최대 강도를 나타내면, 가령 투과형 전자 현미경 (TEM) 을 사용한 마이크로 해석에 있어서, 부분적으로 육방 최밀 충전 구조 (hcp 구조) 나 비정질상을 포함하고 있다고 해도, 경질 피막은 NaCl 형의 결정 구조이다. 한편, hcp 구조에서 기인되는 회절 피크 강도가 최대 강도인 경질 피막은 취약하기 때문에, 피복 절삭 공구에 적용하면 내구성이 저하되는 경향이 있다. 본 실시형태에 관련된 경질 피막의 결정 구조는, 예를 들어, X 선 회절 또는 투과형 전자 현미경 (TEM) 을 사용한 제한 시야 회절 패턴 등으로 확인할 수 있다. 경질 피막의 피험 면적이 작은 경우에는, X 선 회절에 의한 NaCl 형의 결정 구조의 동정이 곤란한 경우가 있다. 이와 같은 경우여도, 투과형 전자 현미경 (TEM) 을 사용한 제한 시야 회절 패턴 등에 의해서 결정 구조의 동정을 행할 수 있다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, NaCl 형의 결정 구조에서 기인되는 (200) 면의 회절 피크 강도가 최대 강도를 나타낸다. 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, (200) 면의 회절 피크 강도가 최대 강도를 나타냄으로써, 다른 회절 피크 강도가 최대 강도를 나타내는 것보다 우수한 내구성을 나타낸다. NaCl 형의 결정 구조에서 기인되는 (200) 면의 회절 피크 강도를 I(200), (111) 면의 회절 피크 강도를 I(111) 로 했을 경우, I(200)/I(111) 은 3 이상인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, I(200)/I(111) 은 4 이상이다. 더욱 바람직하게는, I(200)/I(111) 은 5 이상이다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, X 선 회절이나 투과형 전자 현미경 (TEM) 을 사용한 결정 해석에 있어서, hcp 구조에서 기인되는 회절 강도나 회절 패턴이 확인되지 않는 것이 바람직하다.

＜평균 결정 입경＞

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 경질 피막의 평균 결정 입경이 5 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이다. 경질 피막의 마이크로 조직이 지나치게 미세해지면, 경질 피막의 조직이 비정질에 가까워지기 때문에, 경질 피막의 인성 및 경도가 저하된다. 경질 피막의 결정성을 높여 취약한 비정질상을 저감하려면, 경질 피막의 평균 결정 입경을 5 ㎚ 이상으로 한다. 또, 경질 피막의 마이크로 조직이 지나치게 조대해지면, 경질 피막의 경도가 저하되어 피복 절삭 공구의 내구성이 저하되는 경향이 있다. 경질 피막에 높은 경도를 부여하여 피복 절삭 공구의 내구성을 높이기 위해서는, 경질 피막의 평균 결정 입경을 30 ㎚ 이하로 한다. 경질 피막의 평균 결정 입경은, 20 ㎚ 이하인 것이 보다 바람직하다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막의 평균 결정 입경은, X 선 회절로 최대 강도를 나타내는 (200) 면의 회절 피크의 반가폭부터 측정한다.

＜성분 조성 (질소 (N), 산소 (O), 탄소 (C))＞

본 실시형태에 관련된 경질 피막은 질화물이지만, 상기 서술한 아르곤 이외에도 미량의 산소와 탄소를 함유할 수 있다.

주사형 X 선 광 전자 분광 장치를 사용하여, 경질 피막의 표면으로부터 막 두께 방향으로 순차적으로 분석함으로써, 경질 피막의 피막 조성을 막 두께 방향에 걸쳐서 정확하게 측정할 수 있다. 본 실시형태에서는, 주사형 X 선 광 전자 분광 장치를 사용하여, 종래의 아크 이온 플레이팅법으로 피복한 Ti 와 Si 의 질화물을 평가하였다. 본 발명자는, 종래의 아크 이온 플레이팅법으로 피복했을 경우, 질화물이, 불가피적으로 일정 양의 산소와 탄소를 함유하고 있고, 금속 원소에 대해서 질소 원소의 함유 비율이 낮아, 완전한 질화물이 충분히 형성되기 어려운 것을 지견하였다. 질화물이 경질 피막 전체에 걸쳐서 충분히 형성되지 않을 경우, 경질 피막의 마이크로 조직 및 조성이 불균일해지기 쉬워, 피복 절삭 공구의 내구성이 저하되는 경향이 있다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 주사형 X 선 광 전자 분광 장치를 사용하여, 경질 피막의 표면으로부터 깊이 20 ㎚ 부터 200 ㎚ 까지의 20 ㎚ 마다의 각 조성을 분석하고, 그 각 조성 분석의 결과, 각 깊이 위치의 조성에 있어서, 금속 (반금속을 포함한다) 원소, 질소, 산소 및 탄소의 합계의 함유 비율을 100 원자％ 로 했을 경우, 질소의 함유 비율이 50.0 원자％ 이상이다. 막 두께 방향에 걸쳐서 경질 피막에 함유되는 질소의 함유 비율을 높임으로써, 경질 피막의 전체에 충분한 질화물을 형성하여, 경질 피막의 내열성을 향상시킬 수 있다. 특히, 질소의 함유 비율이 50.0 원자％ 이상임으로써, 경질 피막의 전체에 충분한 질화물이 형성되어, 경질 피막의 내열성이 향상되는 경향이 있다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막의 분석 방법에서는, 경질 피막에 대해서, 표면으로부터 깊이 20 ㎚ 부터 200 ㎚ 까지의 에칭마다 조성의 분석을 실시하여, 경질 피막의 표면으로부터 깊이 200 ㎚ 까지의 범위를 조성 분석한다. 조성 분석에서는, 금속 (반금속을 포함한다) 원소, 질소, 산소 및 탄소의 합계의 함유 비율을 100 원자％ 로 하여 각 원소의 함유 비율을 산출한다. 또한, 경질 피막의 최표면에는 불가피 불순물인 산소와 탄소가 많이 검출되기 때문에, 경질 피막의 표면으로부터의 깊이가 20 ㎚ 인 위치부터 분석을 행한다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 주사형 X 선 광 전자 분광 장치를 사용하여, 경질 피막의 표면으로부터 깊이 20 ㎚ 부터 200 ㎚ 까지의 20 ㎚ 마다의 각 조성을 분석하고, 그 각 조성 분석 결과, 각 조성에 있어서 금속 (반금속을 포함한다) 원소, 질소, 산소 및 탄소의 합계의 함유 비율을 100 원자％ 로 했을 경우, 질소의 함유 비율이 51.0 원자％ 이상인 것이 바람직하다. 그러나, 질소의 함유 비율이 55.0 원자％ 를 초과하면, 경질 피막의 잔류 압축 응력이 지나치게 높아져, 경질 피막이 자기 파괴를 일으키기 쉬워진다. 그 때문에, 질소의 함유 비율은 55.0 원자％ 이하인 것이 바람직하다.

주사형 X 선 광 전자 분광 장치를 사용하여, 막 두께 방향에 걸쳐서 경질 피막의 피막 조성을 분석하면, 경질 피막의 최표면에는 불가피 불순물인 산소와 탄소가 많이 검출된다. 그 때문에, 본 실시형태에 관련된 경질 피막의 분석 방법에서는, 경질 피막의 최표면을 피하여, 경질 피막의 표면으로부터의 깊이가 20 ㎚ 인 위치부터 20 ㎚ 깊이마다 조성 분석을 실시한다. 그리고, 질소, 산소, 탄소에 대해서, 적어도 경질 피막의 표면으로부터 200 ㎚ 까지의 깊이에 있어서, 원하는 조성 범위를 만족하면, 일정한 막 두께에 있어서 질화물이 충분히 형성된 Ti 와 Si 를 주체로 하는 질화물이 형성되어 있다고 간주할 수 있다. 그 때문에, 상기한 분석 방법에 의해서, 본 발명의 효과를 발휘하는 경질 피막을 특정할 수 있다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 경질 피막의 표면으로부터 깊이 20 ㎚ 부터 200 ㎚ 까지의 20 ㎚ 마다의 각 조성에 있어서, 산소의 함유 비율이 3 원자％ 이하인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 산소의 함유 비율이 2 원자％ 이하이다. 경질 피막에 함유되는 산소의 함유 비율이 극히 적어짐으로써, 경질 피막의 결정성이 높아지는 경향이 있다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 경질 피막의 표면으로부터 100 ㎚ 이내의 범위에 있어서, 산소의 함유 비율이 1.5 원자％ 이하인 영역을 갖는 것이 바람직하다. 경질 피막의 표면부 (경질 피막의 표면으로부터 100 ㎚ 이내의 범위) 에 있어서, 산소의 함유 비율이 1.5 원자％ 이하로 극히 적은 영역을 형성함으로써, 경질 피막의 내열성이 더욱 높아지는 경향이 있다. 또한, 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 산소의 함유 비율이 적은 경향이 있지만, 규소나 티탄과 결합한 산소가 경질 피막 중에 어느 정도는 존재한다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 경질 피막의 표면으로부터 깊이 20 ㎚ 부터 200 ㎚ 까지의 20 ㎚ 마다의 각 조성에 있어서, 금속 (반금속을 포함한다) 원소, 질소, 산소 및 탄소의 합계의 함유 비율을 100 원자％ 로 했을 경우, 탄소의 함유 비율이 5 원자％ 이하인 것이 바람직하다. 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 경질 피막의 표면으로부터 깊이 20 ㎚ 부터 200 ㎚ 까지의 20 ㎚ 마다의 각 조성에 있어서, 탄소의 함유 비율이 4 원자％ 이하인 것이 보다 바람직하다. 경질 피막에 함유되는 불가피적인 산소의 함유 비율에 더하여, 탄소의 함유 비율도 저감함으로써, 경질 피막의 내열성이 더욱 향상되는 경향이 있다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 경질 피막의 표면으로부터 깊이 20 ㎚ 부터 200 ㎚ 까지의 20 ㎚ 마다의 각 조성에 있어서, 금속 (반금속을 포함한다) 원소, 질소, 산소 및 탄소의 합계의 함유 비율을 100 원자％ 로 했을 경우, 산소와 탄소의 합계의 함유 비율이 3 원자％ 이하인 것이 바람직하다. 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 경질 피막의 표면으로부터 깊이 20 ㎚ 부터 200 ㎚ 까지의 20 ㎚ 마다의 각 조성에 있어서, 산소와 탄소의 합계의 함유 비율이 2 원자％ 이하인 것이 보다 바람직하다. 경질 피막에 함유되는 산소와 탄소의 합계량의 함유 비율을, 경질 피막에 함유되는 산소의 함유 비율 및 탄소의 함유 비율과 함께 제한함으로써, 경질 피막의 내열성이 보다 향상되는 경향이 있다.

상기 서술한 Ti 와 Si 를 주체로 하는 질화물을 함유하는 경질 피막을 피복한 피복 절삭 공구에 대해서, 추가로, 표면을 평활하게 함으로써, 마모 폭이 저감되거나 돌발적인 결손이 억제되기 쉬워진다. 본 발명자는, 일반적인 선 평가에서의 표면 조도인 산술 평균 조도 Ra 나, 최대 높이 조도 Rz 를 평활하게 하는 것만으로는 공구 성능의 편차가 크기 때문에, 보다 넓은 면 평가에 있어서 표면 조도를 제어하는 것이 중요한 것을 지견하였다. 그리고, 본 발명자는, 면 평가인 ISO25178 에서 규정되는 산술 평균 높이 Sa 와 최대 높이 Sz 에 더하여, 산 정점의 산술 평균 곡률 Spc 를 제어하는 것이 유효한 것을 알아내었다. 여기서, 산 정점의 산술 평균 곡률 Spc 란, 산의 정점이 뾰족한 정도의 지표이다. 산 정점의 산술 평균 곡률 Spc 의 값이 작으면, 다른 물체와 접촉하는 산의 정점이 둥그스러움을 띠고 있는 상태를 나타낸다. 산 정점의 산술 평균 곡률 Spc 의 값이 크면, 다른 물체와 접촉하는 산의 정점이 날카로운 상태를 나타낸다. 피복 절삭 공구의 플랭크면에 있어서, 산 정점의 산술 평균 곡률 Spc 의 값을 보다 작게 함으로써, 플랭크면의 표면의 "뾰족함" 이 보다 작아져, 플랭크면의 마모가 보다 억제되기 쉬워진다.

본 실시형태에 관련된 피복 절삭 공구에서는, 플랭크면에 있어서, ISO25178 에서 규정되는 산술 평균 높이 Sa 를 0.1 ㎛ 이하, 최대 높이 Sz 를 2.0 ㎛ 이하로 한 다음, 산 정점의 산술 평균 곡률 Spc (1/㎜) 의 값을 5000 이하로 한다. 피복 절삭 공구의 플랭크면에 있어서, 산술 평균 높이 Sa 를 0.1 ㎛ 이하, 최대 높이 Sz 를 2.0 ㎛ 이하로 함으로써, 플랭크면의 표면은 평활한 표면 상태가 된다. 또한, 피복 절삭 공구의 플랭크면에 있어서, 산 정점의 산술 평균 곡률 Spc (1/㎜) 의 값을 5000 이하로 함으로써, 플랭크면의 표면의 "뾰족함" 이 보다 적어져, 플랭크면의 마모가 억제되어 쉬워진다. 이와 같은 표면 상태를 달성하려면, 스퍼터링법에 의해서, 공구에 경질 피막을 피복한 후에, 추가로, 웨트 블라스트 처리나 연마제 등을 분사하여 날끝 처리를 행하는 것이 바람직하다.

또한, 본 실시형태에 관련된 피복 절삭 공구에서는, 플랭크면에 있어서, ISO25178 에서 규정되는 스큐네스 (Ssk) 의 값이 -4.0 이상 0 이하인 것이 바람직하다. 스큐네스 (Ssk) 란, 높이 분포의 상대성을 나타내는 지표이다. 경질 피막에 드롭 렛이 많으면 볼록부가 많아져, 스큐네스 (Ssk) 의 값이 0 보다 커진다. 한편, 경질 피막에 오목부가 많으면 스큐네스 (Ssk) 의 값이 0 보다 작아진다. 드롭 렛을 많이 갖는 경질 피막을 연마하면 볼록부가 연마되어, 스큐네스 (Ssk) 의 값은 0 보다 작아지지만, 드롭 렛이 제거됨으로써 큰 오목부가 형성되어, 스큐네스 (Ssk) 의 값이 마이너스측으로 커진다. 스큐네스 (Ssk) 의 값을 -4.0 이상 0 이하로 함으로써, 플랭크면의 표면이 요철이 보다 적은, 보다 평활한 표면 상태가 되어 바람직하다. 또, 스큐네스 (Ssk) 의 값을 -2.0 이상 0 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 이와 같은 표면 상태를 달성하려면, 스퍼터링법에 의해서, 공구에 경질 피막을 피복한 후에, 추가로 웨트 블라스트 처리나 연마제 등을 분사하여 날끝 처리를 행하는 것이 바람직하다.

또한, 이들 피복 절삭 공구의 플랭크면의 조도는, 플랭크면에 형성된 경질 피막의 표면에 관한 것이다.

본 실시형태에 관련된 피복 절삭 공구에서는, 플랭크면의 조도는, 주식회사 키엔스 제조의 형상 해석 레이저 현미경 (VK-X250) 을 사용하여, 컷오프치 0.25 ㎜, 배율 50 배에서 관찰하고, 60 ㎛ × 100 ㎛ 의 영역을 3 개 지점 측정하여, 얻어진 측정치의 평균으로부터 구할 수 있다.

상기 서술한 표면 조도를 달성하는 평활한 표면 상태여도, 현미경 관찰에 있어서는 연삭흔이 확인되는 경우가 있다. 연삭흔은 플랭크면을 지석으로 가공했을 때에 형성되는 것으로, 일반적으로는 플랭크면 전체에 대략 평행하게 일정 방향으로 형성되어 있다.

본 실시형태에 관련된 피복 절삭 공구는, 플랭크면에 있어서, 일정 방향으로 형성되는 대략 평행하는 연삭흔을 갖지 않는 것이 바람직하다. 이로써, 경질 피막의 파괴를 더욱 억제하는 효과가 높아진다. 이와 같은 표면 상태를 달성하려면, 스퍼터링법에 의해서, 공구에 경질 피막을 피복하기 전에, 플랭크면을 웨트 블라스트 처리나 연마제 등을 분사하여 날끝 처리하는 것이 바람직하다.

＜드롭 렛＞

경질 피막에 조대한 드롭 렛이 포함되면, 드롭 렛을 기점으로 하는 경질 피막의 파괴가 발생되기 쉬워져, 피복 절삭 공구의 내구성이 저하된다. 특히, 원 상당 직경이 1.0 ㎛ 이상인 조대한 드롭 렛이 경질 피막의 표면이나 내부에 많이 존재하면, 돌발적인 결손 등이 발생되기 쉬워져, 피복 절삭 공구의 내구성이 저하되는 경향이 있다. 또, 피막 표면만을 평활하게 해도, 피막 내부에 조대한 드롭 렛이 많이 포함되면, 그것을 기점으로 피막 파괴가 발생되기 쉬워진다. 그 때문에, 경질 피막의 표면 및 단면 관찰에 있어서, 원 상당 직경이 2.0 ㎛ 이상인 드롭 렛이 없고, 원 상당 직경이 1.0 ㎛ 이상인 드롭 렛이 100 ㎛² 당 5 개 이하인 것이 바람직하다. 경질 피막의 표면에 있는 조대한 드롭 렛을 저감함으로써, 피복 절삭 공구의 돌발적인 파손을 억제할 수 있다. 또한, 경질 피막의 표면 및 단면 관찰에 있어서, 원 상당 직경이 1.0 ㎛ 이상인 드롭 렛이 100 ㎛² 당 3 개 이하인 것이 보다 바람직하다.

경질 피막의 표면 및 단면 관찰에 있어서 드롭 렛을 평가하려면, 경질 피막을 경면 가공한 후, 수속 이온 빔법으로 가공하고, 투과형 전자 현미경을 사용하여 경면 가공된 면을 5,000 ∼ 10,000 배에서 복수의 시야를 관찰한다. 또, 경질 피막의 표면의 드롭 렛의 개수는, 주사형 전자 현미경 (SEM) 등을 사용하여 경질 피막의 표면을 관찰함으로써 구할 수 있다.

＜그 밖의 첨가 원소＞

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, Ti 와 Si 이외의 금속 원소를 함유할 수 있다. 예를 들어, 경질 피막의 내마모성이나 내열성 등의 향상을 목적으로 하여, 주기율표의 4a 족의 원소, 주기율표의 5a 족의 원소, 주기율표의 6a 족의 원소, 붕소 (B) 및 이트륨 (Y) 으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1 종의 원소를 경질 피막에 함유시켜도 된다. 경질 피막에 있어서, 금속 (반금속을 포함한다) 원소, 질소, 산소 및 탄소의 합계의 함유 비율을 100 원자％ 로 했을 경우, 주기율표의 4a 족의 원소, 주기율표의 5a 족의 원소, 주기율표의 6a 족의 원소, 붕소 (B) 및 이트륨 (Y) 으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1 종의 원소의 함유 비율이 5 원자％ 이하인 것이 바람직하다.

＜중간 피막 등＞

본 실시형태에 관련된 피복 절삭 공구는, 경질 피막의 밀착성을 보다 향상시키기 위해서, 필요에 따라서, 공구와 경질 피막 사이, 보다 상세하게는, 공구의 기재와 경질 피막 사이에 별도로 중간 피막을 형성해도 된다. 예를 들어, 금속, 질화물, 탄질화물, 탄화물의 어느 것을 포함하는 막을, 공구의 기재와 경질 피막 사이에 형성해도 된다. 특히, 중간 피막으로는, Al 과 Ti 의 질화물을 함유하는 막을 형성하는 것이 바람직하다.

또, 본 실시형태에 관련된 경질 피막과 공구의 기재 사이에, 성분비가 상이한 다른 경질 피막과의 혼합 경사 피막을 형성해도 된다. 또, 본 실시형태에 관련된 경질 피막 상에, 본 실시형태에 관련된 경질 피막과 상이한 성분비나 상이한 조성을 갖는 경질 피막을 별도로 형성해도 된다. 나아가서는, 본 실시형태에 관련된 경질 피막과, 본 실시형태에 관련된 경질 피막과 상이한 조성비나 상이한 조성을 갖는 경질 피막을 상호 적층시켜도 된다.

[2] 경질 피막의 성막 방법

본 실시형태에 관련된 경질 피막을, 공구 (공구의 기재) 에 피복하려면, 물리 증착법 중에서도 타깃 성분을 스퍼터하여 경질 피막을 피복하는 스퍼터링법을 적용하는 것이 바람직하다.

물리 증착법은, 경질 피막에 잔류 압축 응력이 부여되어, 내결손성이 우수한 경향이 있다. 물리 증착법 중에서도, 아크 이온 플레이팅법은, 타깃 성분의 이온화율이 높고, 경질 피막의 밀착성이 우수한 경향이 있기 때문에 널리 적용되고 있다. 단, 아크 이온 플레이팅법은, 타깃을 아크 방전에 의해서 용융하기 때문에, 노 내에 포함되는 산소나 탄소의 불가피 불순물이 경질 피막에 유입되기 쉬워, 질소의 함유 비율이 높은 경질 피막이 잘 얻어지지 않는 경향이 있다.

그래서, 타깃을 용융시키지 않는 스퍼터링법을 적용함으로써, 경질 피막에 함유되는 산소나 탄소의 불가피 불순물이 저감되는 경향이 있다. 단, 종래의 DC 스퍼터링법이나 단순히 타깃에 높은 전력을 인가하는 고출력 스퍼터링법에서는, 타깃 성분의 이온화율이 낮기 때문에, 경질 피막 중에 질화물이 충분히 형성되지 않는다. 그 때문에, 스퍼터링법 중에서도, 타깃에 순차적으로 전력을 인가하는 스퍼터링법을 적용하여, 전력이 인가되는 타깃이 교체될 때에, 전력의 인가가 종료되는 타깃과 전력의 인가를 개시하는 타깃의 양방의 타깃에 동시에 전력이 인가되어 있는 시간을 형성하는 것이 바람직하다.

이와 같은 스퍼터링법으로, 공구에 경질 피막을 피복함으로써, 타깃 성분의 이온화율이 높은 상태가 성막 중에 유지되고, 경질 피막의 결정성이 높아져, 충분한 질화물이 형성되는 경향이 있다.

또, 스퍼터링법에 의해서, 경질 피막 중에 질화물을 충분히 형성하기 위해서는, 전력 펄스의 최대 전력 밀도를, 1.0 kW/㎠ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 단, 타깃에 인가하는 전력 밀도가 지나치게 커지면 성막이 안정되기 어렵다. 그 때문에, 전력 펄스의 최대 전력 밀도를, 3.0 kW/㎠ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또, 전력의 인가가 종료되는 합금 타깃과 전력의 인가를 개시하는 합금 타깃의 양방의 합금 타깃에 동시에 전력이 인가되어 있는 시간이 지나치게 짧거나 지나치게 길거나 할 경우에는, 타깃의 이온화가 충분하지 않아, 경질 피막에 질화물이 충분히 형성되기 어렵다. 그 때문에, 전력의 인가가 종료되는 합금 타깃과 전력의 인가를 개시하는 합금 타깃의 양방의 합금 타깃에 동시에 전력이 인가되어 있는 시간을, 5 마이크로초 이상 20 마이크로초 이하로 하는 것이 바람직하다.

또, 타깃 성분의 이온화율을 높이기 위해서는, TiSi 계 합금 타깃을 3 개 이상 사용하는 것이 바람직하다.

또, 스퍼터링 장치의 노 내 온도를 430 ℃ 이상으로 하여 예비 방전을 실시하고, 노 내에 도입되는 질소 가스의 유량을 60 sc㎝ 이상, 아르곤 가스의 유량을 70 sc㎝ 이상 200 sc㎝ 이하로 하는 것이 바람직하다.

또, 스퍼터링 장치의 노 내 압력을 0.5 ㎩ ∼ 0.7 ㎩ 로 하는 것이 바람직하다.

상기한 조건에서 공구에 경질 피막을 피복함으로써, 경질 피막에 있어서의, 아르곤 및 산소의 함유 비율이 저감됨과 함께, 질소의 함유 비율이 높아지기 쉽다. 또, 경질 피막을 NaCl 형의 결정 구조로 하며, 또한, 결정성이 높은 미립 조직으로 하려면, 공구의 기재에 인가하는 부 (負) 의 바이어스 전압은, -55 V ∼ -20 V 의 범위로 제어하는 것이 바람직하다.

본 실시형태의 피복 절삭 공구는, 예를 들어, 고경도강, 스테인리스강, 내열강, 주강, 탄소강의 절삭 가공용의 절삭 공구에 사용할 수 있다. 본 실시형태의 피복 절삭 공구는, 구체적으로는, 볼 엔드 밀, 스퀘어 엔드 밀, 레디어스 엔드 밀, 다날 엔드 밀, 인서트, 드릴, 커터, 브로치, 리머, 호브, 라우터 등의 양태로 사용할 수 있다.

실시예

이하, 실시예 및 비교예에 의해서 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 아래의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

＜공구＞

공구로서, 조성이 WC (bal.)-Co (8.0 질량％)-Cr (0.5 질량％)-Ta (0.3 질량％), WC 평균 입도 0.5 ㎛, 경도 93.6 HRA (로크웰 경도, JIS G 0202 에 준하여 측정한 값) 로 이루어지는 초경합금제의 4 장 날 스퀘어 엔드 밀 (공구 반경 3 ㎜, 미츠비시 히타치 툴 주식회사 제조) 을 준비하였다.

실시예 1 ∼ 실시예 5, 참고예 1 에서는, 스퍼터 증발원을 6 기 탑재할 수 있는 스퍼터링 장치를 사용하였다. 이들 증착원 중에서, AlTi 계 합금 타깃 3 개 및 TiSi 계 합금 타깃 3 개를 증착원으로서 장치 내에 설치하였다. 또한, 치수가 직경 16 ㎝, 두께 12 ㎜ 인 타깃을 사용하였다.

공구를 스퍼터링 장치 내의 샘플 홀더에 고정시키고, 공구에 바이어스 전원을 접속하였다. 또한, 바이어스 전원은, 타깃과는 독립적으로 공구에 부의 바이어스 전압을 인가하는 구조로 되어 있다. 공구는, 매분 2 회전으로 자전하며, 또한, 고정 지그와 샘플 홀더를 개재하여 공전한다. 공구와 타깃 표면 사이의 거리를 100 ㎜ 로 하였다.

도입 가스는, Ar 및 N₂ 를 사용하고, 스퍼터링 장치에 형성된 가스 공급 포트로부터 도입하였다.

＜봄버드 처리＞

먼저, 공구에 경질 피막을 피복하기 전에, 아래의 순서로 공구에 봄버드 처리를 행하였다.

스퍼터링 장치 내의 히터에 의해서 노 내 온도가 430 ℃ 가 된 상태에서 30 분간의 가열을 행하였다. 그 후, 스퍼터링 장치의 노 내를 진공 배기하여, 노 내 압력을 5.0 × 10^-3 ㎩ 이하로 하였다. 그리고, Ar 가스를 스퍼터링 장치의 노 내에 도입하여, 노 내 압력을 0.8 ㎩ 로 조정하였다. 그리고, 공구에 -170 V 의 직류 바이어스 전압을 인가하여, Ar 이온에 의한 공구의 클리닝 (봄버드 처리) 을 실시하였다.

＜중간 피막의 성막＞

이어서, 아래의 순서로 공구 상에 AlTiN 의 중간 피막을 피복하였다.

노 내 온도를 430 ℃ 로 유지한 채로, 스퍼터링 장치의 노 내에 Ar 가스를 160 sc㎝ 으로 도입하고, 그 후, N₂ 가스를 120 sc㎝ 으로 도입하여 노 내 압력을 0.60 ㎩ 로 하였다. 공구에 -60 V 의 직류 바이어스 전압을 인가하고, Al 과 Ti 를 함유하는 합금 타깃에 인가되는 전력의 1 주기당 방전 시간을 4.0 밀리초, 전력이 인가되는 합금 타깃이 교체될 때에, 전력의 인가가 종료되는 합금 타깃과 전력의 인가를 개시하는 합금 타깃의 양방의 합금 타깃에 동시에 전력이 인가되고 있는 시간을 10 마이크로초로 하여, 3 개의 AlTi 계 합금 타깃을 교체하면서 연속적으로 전력을 인가하여, 공구의 표면에 두께 약 1.5 ㎛ 의 중간 피막을 피복하였다. 이 때, 전력 펄스의 최대 전력 밀도를 1.5 kW/㎠, 평균 전력 밀도를 0.37 kW/㎠ 로 하였다.

＜경질 피막의 성막＞

이어서, 실시예 1 ∼ 실시예 3, 실시예 5, 참고예 1 에 대해서는, 아래의 순서로 중간 피막 상에 경질 피막을 피복하였다.

노 내 온도를 430 ℃ 로 유지한 채로, 스퍼터링 장치의 노 내에 Ar 가스를 160 sc㎝ 으로 도입하고, 그 후, N₂ 가스를 80 sc㎝ 으로 도입하여 노 내 압력을 0.52 ㎩ 로 하였다. 공구에 -40 V 의 직류 바이어스 전압을 인가하여, Ti 와 Si 를 함유하는 합금 타깃에 인가되는 전력의 1 주기당 방전 시간을 4.0 밀리초, 전력이 인가되는 합금 타깃이 교체될 때에, 전력의 인가가 종료되는 합금 타깃과 전력의 인가를 개시하는 합금 타깃의 양방의 합금 타깃에 동시에 전력이 인가되고 있는 시간을 10 마이크로초로 하여, 3 개의 TiSi 계 합금 타깃을 교체하면서 연속적으로 전력을 인가하여, 중간 피막 상에 두께 약 1.5 ㎛ 의 경질 피막을 피복하였다. 이 때, 전력 펄스의 최대 전력 밀도를 1.5 kW/㎠, 평균 전력 밀도를 0.37 kW/㎠ 로 하였다.

실시예 4 에 대해서는, 스퍼터링 장치의 노 내에 Ar 가스를 160 sc㎝ 으로 도입하고, 그 후, N₂ 가스를 100 sc㎝ 으로 도입하여 노 내 압력을 0.57 ㎩ 로 한 것 이외에는, 실시예 1 ∼ 실시예 3, 실시예 5, 참고예 1 과 동일한 조건에서, 중간 피막 상에 두께 약 1.5 ㎛ 의 경질 피막을 피복하였다.

또한, 실시예 5 에 대해서는, 경질 피막의 피복 전에 연마제를 분사하여, 공구의 플랭크면의 연삭흔을 제거하였다. 그리고, 경질 피막을 피복 후, 추가로 연마제를 분사하여 날끝 처리를 행하였다. 실시예 1 ∼ 실시예 4, 참고예 1 에 대해서는, 경질 피막을 피복 후에만, 연마제를 분사하여 날끝 처리를 행하였다.

비교예 1, 비교예 2 에 대해서는, 아크 이온 플레이팅법으로 피복한 시료를 준비하였다.

성막에는, AlTi 계 합금 타깃 1 개 및 TiSi 계 합금 타깃 1 개를 증착원에 설치한 아크 이온 플레이팅 장치를 사용하였다. 또한, 치수가 직경 10.5 ㎝, 두께 16 ㎜ 의 타깃을 사용하였다.

실시예 1 ∼ 실시예 5, 참고예 1 과 동일하게 하여, Ar 이온에 의한 공구의 클리닝을 실시하였다.

아크 이온 플레이팅 장치의 노 내 압력을 5.0 × 10^-3 ㎩ 이하로 진공 배기하여, 노 내 온도를 430 ℃ 로 하고, 노 내 압력이 4.0 ㎩ 가 되도록 N₂ 가스를 도입하였다. 공구에 -50 V 의 직류 바이어스 전압을 인가하여, AlTi 계 합금 타깃에 150 A 의 전류를 공급하여, 시료의 표면에 두께 약 1.5 ㎛ 의 중간 피막을 피복하였다.

계속해서, 노 내 온도를 430 ℃ 로 유지한 채로, 노 내 압력이 4.0 ㎩ 가 되도록 N₂ 가스를 도입하였다. 그리고, 공구에 인가하는 바이어스 전압을 -50 V, TiSi 계 합금 타깃에 150 A 의 전류를 공급하여 두께 약 1.5 ㎛ 의 경질 피막을 피복하였다.

또한, 비교예 1 에 대해서는, 경질 피막의 피복 후에, 연마제를 분사하여 날끝 처리를 실시하였다.

＜피막 조성＞

경질 피막의 피막 조성은, 전자 프로브 마이크로 애널라이저 장치 (주식회사 니혼 전자 제조 JXA-8500F) 를 사용하여 측정하였다. 구체적으로는, 전자 프로브 마이크로 애널라이저 장치에 부속된 파장 분산형 전자 프로브 미소 분석 (WDS-EPMA) 에 의해서 경질 피막의 피막 조성을 측정하였다. 물성 평가용의 볼 엔드 밀을 경면 가공하여 시료로 하였다. 측정 조건은, 가속 전압 10 ㎸, 조사 전류 5 × 10^-8 A, 도입 시간 10 초로 하고, 분석 영역이 직경 1 ㎛ 인 범위를 5 점 측정하여, 그 평균치로부터 경질 피막의 금속 함유 비율 및 금속 성분과 비금속 성분의 합계에 있어서의 Ar 의 함유 비율을 구하였다.

＜결정 구조·결정 입경＞

경질 피막의 결정 구조는, X 선 회절 장치 (주식회사 ㎩Nalytical 제조 EMPYREA) 를 사용하여, 관 전압 45 ㎸, 관 전류 40 ㎃, X 선원 Cukα (λ = 0.15405 ㎚), 2 θ 가 20 도 ∼ 80 도인 측정 조건에서 확인하였다. 또, 경질 피막의 (200) 면의 회절 피크 강도의 반가폭으로부터, 경질 피막의 평균 결정 입경을 측정하였다. 또, 경질 피막의 (200) 면의 회절 피크 강도를 I(200), 경질 피막의 (111) 면의 회절 피크 강도를 I(111) 로 했을 경우, I(200)/I(111) 을 산출하였다.

＜표면 조도＞

플랭크면을 피복하는 경질 피막에 있어서의 산술 평균 높이 Sa, 최대 높이 Sz, 스큐네스 (Ssk) 및 산 정점의 산술 평균 곡률 Spc (1/㎜) 는, ISO25178 의 규정에 준거하여, 주식회사 키엔스 제조의 형상 해석 레이저 현미경 (VK-X250) 을 사용하여, 컷오프치 0.25 ㎜, 배율 50 배로 관찰하고, 60 ㎛ × 100 ㎛ 의 영역을 3 개 지점 측정하여, 얻어진 측정치의 평균으로부터 구하였다.

＜경질 피막의 표면으로부터 깊이 방향의 원자 농도 분포의 측정＞

실시예와 비교예의 피복 절삭 공구에 대해서, 주사형 X 선 광 전자 분광 장치 (알박·파이 주식회사 제조 Quantum-2000) 를 사용하여, 경질 피막의 표면으로부터 깊이 방향의 원자 농도 분포의 측정을 실시하였다. 분석은, X 선원 AlKα, 분석 영역을 직경 20 ㎛, 전자 중화총을 사용하여 측정을 실시하였다. 경질 피막의 깊이 방향의 원소 분포를 측정하기 위해서, Ar 이온총을 사용하여, SiO₂ 환산으로 10 ㎚/분의 속도로 에칭을 실시하고, 20 ㎚ 에칭마다 피막 조성의 분석을 실시하여, 경질 피막의 표면으로부터 200 ㎚ 까지의 깊이를 분석하였다.

탄소, 질소, 산소, 규소 및 티탄의 합계의 함유 비율을 100 원자％ 로 하여, 피막 조성의 조성 분석을 행하였다. 또한, 경질 피막에 상기 이외의 금속 (반금속을 포함한다) 원소는 함유되어 있지 않다.

아크 이온 플레이팅법으로 경질 피막을 피복한 비교예 1 및 비교예 2 의 피복 절삭 공구는, 경질 피막의 막 두께 방향에 걸쳐서, 산소 및 탄소의 함유 비율이 높고, 질소의 함유 비율이 50.0 원자％ 미만이었다. 한편, 실시예 1 ∼ 실시예 5 의 피복 절삭 공구는, 경질 피막의 막 두께 방향에 걸쳐서, 산소 및 탄소의 함유 비율이 낮으며, 또한, 질소의 함유 비율이 50.0 원자％ 이상이고, 아크 이온 플레이팅법으로 피복한 경질 피막에 비해서 질화물이 충분히 형성되어 있다고 추정된다.

또한, 실시예 1 ∼ 실시예 5 의 피복 절삭 공구는, 경질 피막의 표면으로부터의 깊이가 200 ㎚ 보다 깊은 지점에 있어서도, 산소나 탄소의 함유 비율이 낮고, 질소의 함유 비율이 50.0 원자％ 이상이었다. 한편, 아크 이온 플레이팅법으로 경질 피막을 피복한 비교예 1 및 비교예 2 의 피복 절삭 공구는, 경질 피막의 표면으로부터의 깊이가 200 ㎚ 보다 깊은 지점에 있어서 산소나 탄소가 많고 질소의 함유 비율이 50.0 원자％ 미만이었다.

실시예 4 의 피복 절삭 공구는, 경질 피막의 막 두께 방향에 걸쳐서, 질소의 함유 비율이 51.0 원자％ 이상으로 되어 있고, 다른 실시예에 비해서 질화물이 충분히 형성되어 있다고 추정된다.

실시예 1 ∼ 실시예 5 의 피복 절삭 공구는, 스퍼터링법으로 경질 피막을 피복한 후에 연마제를 분사하여 날끝 처리를 한 것으로서, 날끝 처리를 하지 않은 참고예 1 의 피복 절삭 공구에 비해서 산 정점의 산술 평균 곡률 Spc 의 값이 작아졌다. 도 1 에, 실시예 3 의 피복 절삭 공구의 레이저 현미경 (배율 50 배) 에 의한 표면 관찰 사진의 일례를 나타낸다. 도 2 에, 실시예 5 의 피복 절삭 공구의 레이저 현미경 (배율 50 배) 에 의한 표면 관찰 사진의 일례를 나타낸다. 도 3 에, 참고예 1 의 피복 절삭 공구의 레이저 현미경 (배율 50 배) 에 의한 표면 관찰 사진의 일례를 나타낸다.

도 2 로부터, 경질 피막의 피복 전에 날끝 처리를 한 실시예 5 의 피복 절삭 공구는, 일정 방향으로 형성되는 대략 평행하는 연삭흔을 갖지 않는 것이 확인되었다. 한편, 도 1 및 도 3 으로부터, 경질 피막의 피복 전에 날끝 처리를 하지 않은 실시예 3 과 참고예 1 의 피복 절삭 공구는, 일정 방향으로 형성되는 대략 평행하는 연삭흔을 갖는 것이 확인되었다.

비교예 1 의 피복 절삭 공구는, 아크 이온 플레이팅법으로 경질 피막을 피복한 후에 날끝 처리를 한 것으로서, 산 정점의 산술 평균 곡률 Spc 의 값은 실시예 1 ∼ 실시예 5 의 피복 절삭 공구와 동일한 정도이지만, 최대 높이 Sz 는 실시예 1 ∼ 실시예 5 의 피복 절삭 공구에 비해서 커졌다. 또, 비교예 1 의 피복 절삭 공구는, 드롭 렛이 제거됨으로써, 스큐네스 (Ssk) 의 값도 마이너스측으로 커졌다.

비교예 2 의 피복 절삭 공구는, 아크 이온 플레이팅법으로 경질 피막을 피복한 후에 날끝 처리를 하지 않아, 산 정점의 산술 평균 곡률 Spc 및 최대 높이 Sz 의 어느 것도 실시예 1 ∼ 실시예 5 의 피복 절삭 공구에 비해서 커졌다. 또, 비교예 2 의 피복 절삭 공구는, 경질 피막에 드롭 렛이 많이 존재함으로써, 스큐네스 (Ssk) 의 값도 0 이상이 되었다.

도 4 에, 비교예 1 의 피복 절삭 공구의 레이저 현미경 (배율 50 배) 에 의한 표면 관찰 사진의 일례를 나타낸다. 도 5 에, 비교예 2 의 피복 절삭 공구의 레이저 현미경 (배율 50 배) 에 의한 표면 관찰 사진의 일례를 나타낸다. 도 4 및 도 5 로부터, 비교예 1 및 비교예 2 의 피복 절삭 공구는, 경질 피막의 피복 전에 날끝 처리를 하지 않았기 때문에, 연삭흔이 확인되었다. 또, 비교예 1 및 비교예 2 의 피복 절삭 공구는, 아크 이온 플레이팅법으로 경질 피막을 피복하였기 때문에, 많은 드롭 렛이 확인되었다.

＜절삭 시험＞

제작된 피복 절삭 공구를 사용하여 절삭 시험을 행하였다. 절삭 조건은 아래와 같다.

(조건) 습식 가공

·공구 : 4 장 날 초경 스퀘어 엔드 밀

·형번 : EPP4030, 공구 반경 1.5 ㎜

·절삭 방법 : 바닥면 절삭

·피삭재 : STAVAX (52HRC) (Bohler Uddeholm 주식회사 제조)

·절입 : 축 방향, 3.0 ㎜, 직경 방향, 0.2 ㎜

·절삭 속도 : 50.0 m/min

·1 날 이송량 : 0.015 ㎜/날

·절삭유 : 수용성 에멀션 가압 공급

·절삭 거리 : 30 m

스퍼터링법으로 경질 피막을 피복한 실시예 1 ∼ 실시예 5 및 참고예 1 의 피복 절삭 공구의 최대 마모 폭은, 아크 이온 플레이팅법으로 피복한 비교예 1 및 비교예 2 의 피복 절삭 공구의 최대 마모 폭보다 억제되어 있었다. 또, 실시예 1 ∼ 실시예 5 의 피복 절삭 공구는, 참고예 1 의 피복 절삭 공구보다 공구 마모의 편향이 적어, 보다 안정적인 경향이 있었다.

산업상 이용가능성

본 발명에 관련된 피복 절삭 공구는, 고경도강 등의 절삭 가공에 있어서 우수한 내구성을 갖고, 매우 유용하다.

Claims

공구의 표면에 경질 피막을 갖는 피복 절삭 공구로서,
상기 경질 피막은 질화물이고, 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 총량에 대해서, 티탄 (Ti) 을 70 원자％ 이상 95 원자％ 이하, 규소 (Si) 를 5 원자％ 이상 30 원자％ 이하에서 함유하고 있고, 금속 (반금속을 포함한다) 원소와 비금속 원소의 총량에 대해서, 아르곤 (Ar) 을 0.05 원자％ 이상 0.20 원자％ 이하에서 함유하고 있고,
상기 경질 피막은 NaCl 형의 결정 구조이고, 상기 NaCl 형의 결정 구조에서 기인되는 (200) 면의 회절 피크 강도가 최대 강도를 나타내고,
평균 결정 입경이 5 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이고,
상기 경질 피막의 표면으로부터 깊이 20 ㎚ 부터 200 ㎚ 까지의 20 ㎚ 마다의 각 조성이, 금속 (반금속을 포함한다) 원소, 질소, 산소 및 탄소의 합계의 함유 비율을 100 원자％ 로 했을 경우, 질소의 함유 비율이 50.0 원자％ 이상 55.0 원자％ 이하이고,
상기 피복 절삭 공구의 플랭크면에 있어서, ISO25178 에서 규정되는 산술 평균 높이 Sa 가 0.1 ㎛ 이하, 최대 높이 Sz 가 2.0 ㎛ 이하, 산 정점의 산술 평균 곡률 Spc (1/㎜) 의 값이 5000 이하인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 플랭크면에 있어서, 일정 방향으로 형성되는 평행하는 연삭흔을 갖지 않는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 공구와 상기 경질 피막 사이에 중간 피막을 갖는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 플랭크면에 있어서, ISO25178 에서 규정되는 스큐네스 (Ssk) 의 값이 -4.0 이상 0 이하인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 3 항에 있어서,
상기 플랭크면에 있어서, ISO25178 에서 규정되는 스큐네스 (Ssk) 의 값이 -4.0 이상 0 이하인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.