KR102471905B1 - 피복 공구 및 그것을 구비한 절삭 공구 - Google Patents

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Abstract

본 개시의 피복 공구는 기체와, 상기 기체의 표면에 위치하는 피복층을 구비한다. 상기 피복층은 TiCNO층과, Al2O3층을 가지고 있다. 상기 Al2O3층은 상기 TiCNO층보다 상기 기체로부터 먼 위치에 있어서 상기 TiCNO층에 접하여 위치되어 있다. 상기 TiCNO층은 상기 Al2O3층을 향해서 돌출된 제 1 돌기와, 상기 제 1 돌기로부터 상기 제 1 돌기의 돌출방향에 교차하는 방향으로 돌출된 제 2 돌기와, 상기 제 2 돌기로부터 상기 제 2 돌기의 돌출방향에 교차하는 방향으로 돌출된 제 3 돌기를 갖는 복합 돌기를 갖는다. 본 개시의 절삭 공구는 제 1 단으로부터 제 2 단을 향해서 연장되고, 상기 제 1 단측에 포켓을 갖는 홀더와, 상기 포켓에 위치하는 상술의 피복 공구를 구비한다.

Description

피복 공구 및 그것을 구비한 절삭 공구
본 개시는 기체의 표면에 피복층을 갖는 피복 공구 및 그것을 구비한 절삭 공구에 관한 것이다.
초경합금이나 서멧, 세라믹스 등의 기체 표면에, 결합막을 개재해서 Al2O3층을 적층한 피복층을 형성한 절삭 공구 등의 피복 공구가 알려져 있다.
절삭 공구는 최근의 절삭 가공의 고능률화에 따라, 큰 충격이 절삭날에 걸리는 중단속 절삭 등에 사용되는 기회가 늘고 있다. 이러한 가혹한 절삭 조건에 있어서는 피복층에 큰 충격이 가해지고, 피복층의 치핑이나 박리가 발생하기 쉬워진다. 그 때문에, 피복층에는 내마모성에 추가해서 내결손성의 향상이 요구되고 있다.
상기 절삭 공구에 있어서, 내결손성을 향상시키는 기술로서, 특허문헌 1에서는 결합막과 Al2O3층을 차례로 성막하고, 결합막에 Al2O3층측으로 연장되는 수상 돌기와, 수상 돌기에 이어지는 지상 돌기를 형성함으로써, 결합막과 Al2O3층의 밀착력을 높여 피복층의 박리를 억제하는 것이 개시되어 있다. 특허문헌 1의 수상 돌기는 Ti(CO) 또는 Ti(CNO)이며, 지상 돌기는 (TiAl)(CNO)인 것이 개시되어 있고, 수상 돌기를 형성한 후에, 일단 원료 가스를 흘리는 것을 멈추고 온도를 유지하면서, 압력, 원료 가스의 종류를 바꾸어 수상 돌기와 상이한 조성의 지상 돌기를 형성하는 것이 기재되어 있다.
일본 특허 제5303732호 공보
본 개시의 피복 공구는 기체와, 상기 기체의 표면에 위치하는 피복층을 구비한다. 상기 피복층은 TiCNO층과, Al2O3층을 가지고 있다. 상기 Al2O3층은 상기 TiCNO층보다 상기 기체로부터 먼 위치에 있어서 상기 TiCNO층에 접하여 위치되어 있다. 상기 TiCNO층은 상기 Al2O3층을 향해서 돌출된 제 1 돌기와, 상기 제 1 돌기로부터 상기 제 1 돌기의 돌출방향에 교차하는 방향으로 돌출된 제 2 돌기와, 상기 제 2 돌기로부터 상기 제 2 돌기의 돌출방향에 교차하는 방향으로 돌출된 제 3 돌기를 갖는 복합 돌기를 갖는다. 본 개시의 절삭 공구는 제 1 단으로부터 제 2 단을 향해서 연장되고, 상기 제 1 단측에 포켓을 갖는 홀더와, 상기 포켓에 위치하는 상술의 피복 공구를 구비한다.
도 1은 본 개시의 피복 공구의 일례를 나타내는 개략 사시도이다.
도 2는 도 1의 피복 공구에 있어서의 피복층의 단면의 구성을 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 본 개시의 피복 공구의 TiCNO층 및 Al2O3층 부근의 구성을 설명하기 위한 요부 확대도이다.
도 4는 본 개시의 피복 공구의 TiCNO층 및 Al2O3층 부근의 구성을 설명하기 위한 요부 확대도이다.
도 5는 본 개시의 피복 공구에 있어서의 다른 형태의 피복층의 단면의 구성을 설명하기 위한 모식도이다.
도 6은 본 개시의 절삭 공구의 일례를 나타내는 평면도이다.
<피복 공구>
본 개시의 피복 공구는 도 1에 나타내는 예에 있어서는 주면이 대략 사각형 형상의 판 형상이다. 단, 이 형상에 한정되는 것은 아니다. 피복 공구(1)는 제 1 면(2)과, 제 2 면(3)을 가지고, 제 1 면(2)과 제 2 면(3)이 교차하는 부분의 적어도 일부에 절삭날(4)을 가지고 있다. 제 1 면(2)은 절삭면이라고 불리는 면이며, 제 2 면(3)은 여유면이라고 불리는 면이다. 그 때문에, 절삭면(2)과 여유면(3)이 교차하는 부분의 적어도 일부에 절삭날(4)을 가지고 있다고 할 수 있는 것이다.
또한, 도 2의 피복 공구(1)에 있어서의 피복층(7)의 단면의 구성을 설명하기 위한 모식도에 나타내는 바와 같이, 피복 공구(1)는 기체(5)와, 이 기체(5)의 표면에 위치하는 피복층(7)을 구비하고 있다.
피복 공구(1)의 기체(5)를 구성하는 재질은 경질합금, 세라믹스 또는 금속을 들 수 있다. 경질합금으로서는 탄화텅스텐(WC)과, 코발트(Co)나 니켈(Ni) 등의 철속 금속을 함유하는 초경합금이어도 좋다. 다른 경질합금으로서, 탄질화티탄(TiCN)과, 코발트(Co)나 니켈(Ni) 등의 철속 금속을 함유하는 Ti기 서멧이어도 좋다. 세라믹스가 Si3N4, Al2O3, 다이아몬드, 입방정 질화붕소(cBN)이어도 좋다. 금속으로서는 탄소강, 고속도강, 합금강이어도 좋다. 상기 재질 중에서도, 피복 공구(1)로서 사용하는 경우에는, 기체(5)는 초경합금 또는 서멧으로 이루어지는 것이 내결손성 및 내마모성의 점에서 좋다.
피복층(7)은 TiCNO층(9)과, Al2O3층(11)을 가지고 있다. Al2O3층(11)은 TiCNO층(9)의 기체(5)로부터 먼 위치에 있어서 TiCNO층(9)에 접하고 있다.
본 개시의 피복 공구(1)는 도 3에 나타내는 바와 같이 Al2O3층(11)을 향해서 돌출된 제 1 돌기(13a)를 가지고 있다. 또한, 이 제 1 돌기(13a)로부터 제 1 돌기(13a)의 돌출방향에 교차하는 방향으로 돌출된 제 2 돌기(13b)를 가지고 있다. 또한, 제 2 돌기(13b)로부터 제 2 돌기(13b)의 돌출방향에 교차하는 방향으로 돌출된 제 3 돌기(13c)를 더 가지고 있다. 이하에 있어서, 이 제 1 돌기(13a)와 제 2 돌기(13b) 및 제 3 돌기(13c)의 복합체를 복합 돌기(14)라고 한다.
본 개시의 피복 공구(1)는 제 1 돌기(13a)가 Al2O3층(11)을 향해서 돌출되고, 제 2 돌기(13b)가 제 1 돌기(13a)로부터 제 1 돌기(13a)의 돌출방향에 교차하는 방향으로 돌출되고, 제 3 돌기(13c)가 제 2 돌기(13b)의 돌출방향에 교차하는 방향으로 더 돌출되어 있음으로써, 제 1 돌기(13a), 제 2 돌기(13b) 및 제 3 돌기(13c)와 Al2O3층(11)의 맞물림에 의해, TiCNO층(9)과 Al2O3층(11)이 박리하기 어렵게 되어 있다. 또한, 도 2에서는 도가 번잡해지기 때문에, 제 2 돌기(13b), 제 3 돌기(13c)를 생략하고 있다.
본 개시의 피복 공구(1)에 있어서의 제 1 돌기(13a), 제 2 돌기(13b) 및 제 3 돌기(13c)는 모두 Ti, C, N 및 O를 함유하고 있으며, 조성이 동질이어도 좋다. 이 제 1 돌기(13a), 제 2 돌기(13b) 및 제 3 돌기(13c)의 조성이 동질이면, 제 1 돌기(13a)와 제 2 돌기(13b)와 제 3 돌기(13c) 사이에서, 균열이나 파괴가 일어나기 어렵고, 각각의 조성이 상이한 경우에 비해, TiCNO층(9)과 Al2O3층(11)의 밀착성이 높아진다.
또한, 제 1 돌기(13a), 제 2 돌기(13b) 및 제 3 돌기(13c)의 조성이 동질이다란 각각의 구성 성분의 차가 5% 이하의 것을 말한다.
또한, 각각의 조성의 차이가 3% 이하이어도 좋다. 또한, 1% 이하이어도 좋다.
이러한 제 1 돌기(13a), 제 2 돌기(13b) 및 제 3 돌기(13c)는 제 1 돌기(13a), 제 2 돌기(13b) 및 제 3 돌기(13c)의 성막시에, 같은 가스를 사용함으로써 얻을 수 있다.
또한, 제 1 돌기(13a)와 제 2 돌기(13b)의 조성이 상이하고 있어도 좋다. 제 2 돌기(13b)와 제 3 돌기(13c)의 조성이 상이하고 있어도 좋다.
조성이 상이한 제 1 돌기(13a), 제 2 돌기(13b) 및 제 3 돌기(13c)는 성막시에 조성이 상이한 가스를 사용하면 좋다.
본 개시의 피복 공구(1)는 도 3에 나타내는 바와 같이 제 2 돌기(13b)에 복수의 제 3 돌기(13c)를 가지고 있어도 좋다. 이러한 구성으로 하면, TiCNO층과 Al2O3층의 밀착 강도가 높아진다. 제 2 돌기(13b)에 복수의 제 3 돌기(13c)를 가지고 있다란 1개의 제 2 돌기(13b)가 복수의 제 3 돌기(13c)를 가지고 있는 것을 말한다.
또한, 도 3에 나타내는 바와 같이 제 3 돌기(13c)는 돌출방향이 제 1 돌기(13a)를 향하고 있어도 좋다. 이러한 구성으로 하면, TiCNO층(9)과 Al2O3층(11)의 밀착 강도가 높아진다.
또한, TiCNO층(9)은 제 1 돌기(13a)에 복수의 제 2 돌기(13b)를 가지고 있어도 좋고, 이에 따라 TiCNO층(9)과 Al2O3층(11)이 더욱 박리하기 어려워진다. 또한, 여기에서 말하는 제 1 돌기(13a)에 복수의 제 2 돌기(13b)를 가지고 있다란 1개의 제 1 돌기(13a)에 복수의 제 2 돌기(13b)를 가지고 있는 것을 말한다.
또한, 도 3에 나타내는 바와 같이 제 2 돌기(13b)는 돌출방향이 기체(5)를 향하고 있어도 좋다. 제 2 돌기(13b)의 돌출방향이 기체(5)를 향하고 있다란 도 3 에 나타내는 바와 같은 단면에 있어서, 제 2 돌기(13b)의 돌출의 기점이 되는 부분의 폭의 중점과 정점을 연결하는, 제 2 돌기(13b)의 축을 연장했을 때 기체(5)와 교차하는 상태를 말한다.
또한, 제 1 돌기(13a)는 도 3에 나타내는 바와 같은 단면에 있어서, TiCNO층(9)으로부터의 돌출의 기점이 되는 부분의 폭은 그 제 1 돌기(13a)로부터 돌출되는 제 2 돌기(13b)의 제 1 돌기(13a)로부터의 돌출의 기점이 되는 부분의 폭보다 커도 좋다. 또한, 제 1 돌기(13a)의 길이는 그 제 1 돌기(13a)로부터 돌출되는 제 2 돌기(13b)의 길이보다 길어도 좋다. 또한, 제 1 돌기(13a)의 길이란 제 1 돌기(13a)의 돌출의 기점이 되는 부분의 폭의 중점과 정점을 연결하는 부분의 거리를 말한다. 마찬가지로, 제 2 돌기(13b)의 길이란 제 2 돌기(13b)의 돌출의 기점이 되는 부분의 폭의 중점과 정점을 연결하는 부분의 거리를 말한다. 제 1 돌기(13a)의 평균 길이는 10∼500㎚이어도 좋다.
기체(5)의 표면에 직교하는 단면에 있어서, 제 1 돌기(13a)의 기부의 평균 폭은 40∼200㎚이어도 좋다. 또한, 제 1 돌기(13a)의 평균 길이는 10∼500㎚이어도 좋다. 또한, 제 1 돌기(13a)의 평균 길이는 50∼300㎚이어도 좋다.
또한, 제 1 돌기(13a)의 기부의 폭이란 제 1 돌기(13a)의 돌출의 기점이 되는 부분의 폭이다. 제 1 돌기(13a)의 기부의 폭의 평균값이란 20 이상의 제 1 돌기(13a)의 기부의 폭의 평균값이다. 제 1 돌기(13a)의 길이란 제 1 돌기(13a)의 돌출의 기점이 되는 부분의 폭의 중점과 정점을 연결하는 부분의 거리를 말한다. 제 1 돌기(13a)의 평균길이란 20 이상의 제 1 돌기(13a)의 길이의 평균값이다. 마찬가지로, 제 2 돌기(13b)의 길이란 제 2 돌기(13b)의 돌출의 기점이 되는 부분의 폭의 중점과 정점을 연결하는 부분의 거리를 말한다.
제 1 돌기(13a)의 기부의 평균 폭은 60∼120㎚이어도 좋다. 제 1 돌기(13a)의 평균 길이는 150∼230㎚이어도 좋다. 이러한 형상의 제 1 돌기(13a)를 가지면, 가장 긴 제 1 돌기(13a)와, 가장 짧은 제 1 돌기(13a)의 차가 작아진다. 이와 같이 비교적 균일한 제 1 돌기부 13a를 가지면, TiCNO층(9)과 Al2O3층(11)이 보다 박리하기 어렵다.
또한, 제 1 돌기(13a)의 평균 길이는 제 1 돌기(13a)의 기부의 평균 폭의 4배 이하이어도 좋다. 이러한 구조를 가지면, 제 1 돌기(13a)가 파괴되기 어렵기 때문에, TiCNO층(9)과 Al2O3층(11)이 보다 박리하기 어렵다. 또한, 제 1 돌기(13a)의 평균 길이는 제 1 돌기(13a)의 기부의 평균 폭의 3배 이하이어도 좋다. 이 비율이 작아질수록 제 1 돌기(13a)가 파괴되기 어렵기 때문에, TiCNO층(9)과 Al2O3층(11)이 보다 박리하기 어렵다. 특히, 제 1 돌기(13a)의 평균 길이는 제 1 돌기(13a)의 기부의 평균 폭의 2.5배 이하이어도 좋다.
또한, 제 2 돌기(13b)의 길이는 10∼150㎚이어도 좋다. 또한, 제 2 돌기(13b)의 최대폭은 50㎚ 이하이어도 좋다. 또한, 제 3 돌기(13c)의 길이는 10∼70㎚이어도 좋다. 또한, 제 3 돌기(13c)의 최대폭은 20㎚ 이하이어도 좋다.
또한, 제 3 돌기(13c)의 길이는 제 2 돌기(13b)의 길이보다 짧아도 좋다. 이러한 구조를 가지면, 제 1 돌기(13a) 및 제 2 돌기(13b)가 깨지기 어려워져, TiCNO층(9)과 Al2O3층(11)이 더욱 박리하기 어렵다. 그 결과, 피복 공구(1)의 내결손성이 향상된다.
또한, 제 3 돌기(13c)의 길이는 제 2 돌기(13b)의 길이보다 길어도 좋다. 이러한 구조를 가지면, 복합 돌기(14)의 수가 적은 경우에도, TiCNO층(9)과 Al2O3층(11)이 박리하기 어렵다.
또한, 제 3 돌기(13c)와 제 2 돌기(13b)의 길이를 비교할 때는 각각의 평균 길이를 비교한다.
또한, 제 1 돌기(13a)는 기체(5)의 제 1 면(2)에 대하여, 수직하게 형성되어 있지 않아도 좋고, 기체(5)의 제 1 면(2)에 대하여 경사져 있어도 좋다.
또한, TiCNO층(9)의 두께가 10㎚∼35㎚인 경우에는 TiCNO층(9)의 경도가 저하하는 경우 없이, 또한 Al2O3층(11)이 α형 결정 구조가 된다. 여기에서, TiCNO층(9)의 두께란 제 1 돌기(13a), 제 2 돌기(13b), 제 3 돌기(13c)를 제외한 것이다.
TiCNO층(9)은, 예를 들면 티탄을 30∼70원자%, 탄소를 1∼70원자%, 질소를 1∼35원자%, 산소를 3∼20원자%의 비율로 함유하고 있어도 좋다. 또한, 알루미늄을 10원자% 이하 더 함유해서 있어도 좋다. 또한, 염소나 크롬 등의 성분을 1∼10원자% 함유하고 있어도 좋다. 또한, TiCNO층(9)은 다른 미량 성분을 함유하고 있어도 좋다.
본 개시의 피복 공구(1)에 있어서는 TiCNO층과 제 1 돌기(13a), 제 2 돌기(13b), 제 3 돌기(13c)는 모두 같은 조성이며, 상술의 조성 범위이어도 좋다.
제 1 돌기(13a)를 갖는 TiCNO층(9)은 기체(5)의 표면에, 화학 기상 증착(CVD)법에 의해 하기의 조건으로 성막함으로써 형성할 수 있다.
기체(5)를 성막 장치의 챔버에 세팅하고, 예를 들면 성막 온도를 900℃∼990℃, 가스압을 5㎪∼40㎪으로 하고, 반응 가스 조성이 사염화티탄(TiCl4) 가스를 3체적%∼15체적%, 메탄(CH4) 가스를 3체적%∼10체적%, 질소(N2) 가스를 3체적%∼50체적%, 일산화탄소(CO) 가스를 0.5체적%∼2.0체적%, 나머지가 수소(H2) 가스로서 성막하면 좋다. 이 반응 가스 조성의 질소(N2) 가스를 30체적%∼50체적%로 하면, 제 1 돌기(13a)의 기부의 평균 폭은 넓어지기 쉽고, 제 1 돌기(13a)의 평균 길이는 짧아지기 쉽다. 바꿔 말하면, 이러한 조건에서는 굵고, 짧고, 파손되기 어려운 제 1 돌기(13a)를 얻기 쉽다.
또한, 상기의 TiCNO층(9)의 성막의 후기에 있어서, 원료 가스의 배합을 바꾸지 않고, 성막 온도를 내려서 성막 온도를 900∼940℃의 범위로 하면 제 2 돌기(13b)가 형성된다. 이 성막 시간은 합계로 30∼90분으로 해도 좋다.
TiCNO층(9)의 성막의 후기, 즉 제 2 돌기(13b)를 형성하는 공정에 있어서, 성막 시간을 연장시키면, 제 2 돌기(13b)의 수가 증가하고, 폭이나 길이가 증가하기 쉽다. 또한, 돌출방향이 기체(5)를 향해서 연장되고 있는 제 2 돌기(13b)가 형성되기 쉽다. 또한, 성막 시간을 연장시키면, 제 2 돌기(13b)로부터 돌출된 제 3 돌기(13c)가 형성된다. 즉, 복합 돌기(14)가 형성된다.
Al2O3층(11)은 TiCNO층(9)의 성막 후에, 성막 온도를 900℃∼990℃, 가스압을 5㎪∼20㎪으로 하고, 반응 가스의 조성이 삼염화알루미늄(AlCl3) 가스를 5체적%∼15체적%, 염화수소(HCl) 가스를 0.5체적%∼2.5체적%, 이산화탄소(CO2) 가스를 0.5체적%∼5.0체적%, 황화수소(H2S) 가스를 0체적%∼1.0체적%, 나머지가 수소(H2) 가스로서 성막할 수 있다. Al2O3층(11)은 α-알루미나로 이루어지는 것이어도 좋다.
이상, 기체(5) 상에 TiCNO층(9)과 Al2O3층(11)이 차례로 형성된 예를 설명했다. 피복층(7)은 도 5에 나타내는 바와 같이, 기체(5)로부터 차례로 제 1 TiCN층(15), 제 2 TiCN층(17)을 가지고 있어도 좋다. 이 제 2 TiCN층(17) 상에, 차례로 TiCNO층(9), Al2O3층(11)을 가지고 있어도 좋다. 또한, Al2O3층(11) 상에 Ti와 N을 함유하는 표층(19)을 더 가지고 있어도 좋다. 또한, 도 5에서는 제 2 돌기(13b), 제 3 돌기(13c), 및 복합 돌기(14)를 생략하고 있다.
표층(19)은 질화티탄 이외의 탄질화티탄, 탄산질화티탄, 질화크롬 등의 다른 재질이어도 좋다. 표층(19)은 유색의 재질로 이루어지고, 절삭날(4)의 사용의 유무를 용이하게 판별하는 기능을 가지고 있어도 좋다. 표층(19)은 0.1㎛∼3.0㎛의 두께로 형성해도 좋다. 또한, 기체(5)와 제 1 TiCN층(15) 사이에 TiN으로 이루어지는 하지층(도시하지 않음)을 더 가지고 있어도 좋다.
하지층은 기체(5)가 Co, C(탄소), W(텅스텐) 등의 성분을 포함할 때, 이들의 성분이 하지층 상에 존재하는 층으로 확산되는 것을 억제하는 기능을 갖는다. 예를 들면, 하지층 상에 제 1 TiCN층(15)이 존재할 때, 상기 성분이 제 1 TiCN층(15)으로 확산되는 것을 억제하고, 제 1 TiCN층(15)의 경도가 저하하는 것을 억제한다. 또한, 하지층의 TiN에 기체(5) 중의 탄소 성분이 확산되어 TiCN으로 되어 있어도 좋다. 하지층은 0.1㎛∼1.0㎛의 두께로 해도 좋다.
본 개시의 피복 공구(1)는 제 1 TiCN층(15)을 가지고 있을 때, 제 1 TiCN층(15)의 두께는 2㎛∼15㎛로 해도 좋다. 또한, 제 2 TiCN층(17)의 두께는 10㎚∼900㎚로 해도 좋다.
제 1 TiCN층(15),은 소위 MT(moderate temperature)-TiCN층으로 이루어진다. 이 MT-TiCN층은 사염화티탄(TiCl4) 가스, 질소(N2) 가스 및 아세토니트릴(CH3CN) 가스 등을 포함하는 원료를 사용하여, 성막 온도가 780℃∼880℃로 비교적 저온에서 성막함으로써 형성되는 제 1 TiCN층(15)의 두께가 2㎛∼15㎛이면, 제 1 TiCN층(15)의 내마모성과 내결손성이 높다.
제 1 TiCN층(15) 중에 포함되는 제 1 탄질화티탄 결정은 피복층(7)의 두께 방향으로 가늘고 긴 주상 결정으로 해도 좋다.
제 2 TiCN층(12)은, 소위 HT(high temperature)-TiCN층으로 이루어진다. HT-TiCN층은 원료 가스로서 사염화티탄(TiCl4) 가스, 질소(N2) 가스, 메탄(CH4) 가스 등을 사용하여(아세토니트릴(CH3CN) 가스를 포함하지 않음), 성막 온도가 900℃∼1050℃의 범위에서 성막해도 좋다. 또한, 제 1 TiCN층(15)보다 고온에서 성막해도 좋다. 제 2 TiCN층(17)의 두께는 10㎚∼900㎚로 해도 좋다.
여기에서, 제 1 TiCN층(15)과 제 2 TiCN층(17) 사이에는 티탄을 30∼70원자%, 탄소를 15∼35원자%, 질소를 15∼35원자%, 산소를 2∼10원자%의 비율로 함유하는 계면층(도시하지 않음)이 배치되어 있어도 좋다. 계면층의 두께는 5㎚∼50㎚로 해도 좋다.
계면층을 제작하는 대신에, 제 1 TiCN층(15)을 성막한 후 성막 챔버를 일단 냉각해서 시료를 대기 중으로 인출하고, 그 후 재차 시료를 성막 챔버 내에 세팅해서 성막 챔버를 가열하고, 제 2 TiCN층(17)을 성막하는 방법을 사용해도 좋다.
또한, 제 2 TiCN층(17)에 함유되는 탄소와 질소의 합계 함유량에 대한 탄소 함유 비율이 제 1 TiCN층(15)의 탄소 함유 비율보다 적어도 좋다. 이것에 의해, 제 1 TiCN층(15)의 경도가 향상된다. 그 결과, 피복층(7)의 내마모성 및 내결손성이 향상된다. 여기에서, 탄소 함유 비율이란 함유되는 탄소(C)와 질소(N)의 합계 함유량에 대한 탄소의 함유량의 비율(C/(C+N))이다.
제 1 TiCN층(15)의 탄소 함유 비율을 0.52∼0.57로 하고, 제 2 TiCN층(17) 중의 탄소 함유 비율을 0.42∼0.51로 하면, 피복층(7)의 내마모성 및 내결손성이 보다 향상된다. 제 1 TiCN층(15) 중의 탄소 함유량을 15∼29원자%로 하고, 질소 함유량을 22∼35원자%로 하면, 피복층(7)의 내마모성 및 내결손성이 보다 높아진다. 제 2 TiCN층(17)의 탄소 함유량을 13∼24원자%로 하고, 질소 함유량을 23∼35원자%로 하면, 제 2 TiCN층(17)과 Al2O3층(11) 사이의 밀착성이 높아진다.
제 1 TiCN층(15)을 티탄이 45∼60원자%, 탄소가 15∼29원자%, 질소가 22∼35원자%로 하면, 피복층(7)의 내마모성과 내결손성이 보다 높다. 또한, 제 1 TiCN층(15)은 0.5원자% 이하의 산소를 함유하고 있어도 좋다. 제 2 TiCN층(17)은 티탄이 48∼60원자%, 탄소가 10∼20원자%, 질소가 15∼25원자%인 경우에는 제 2 TiCN층(17)이 파괴되지 않고, 또한 제 2 TiCN층(17)과 Al2O3층(11) 사이의 밀착성이 높다. 또한, 제 2 TiCN층(17)은 1∼10원자%의 산소를 함유하고 있어도 좋다.
즉, 제 1 TiCN층(15) 및 제 2 TiCN층(17) 중에 산소가 존재함과 아울러, 제 2 TiCN층(17) 중에 존재하는 산소가 제 1 TiCN층(15) 중에 존재하는 산소보다 많아도 좋다.
또한, 제 1 TiCN층(15)과 제 2 TiCN층(17) 중의 탄소 함유량과 질소 함유량은 투과형 전자 현미경(TEM)에 부수의 에너지 분산형 X선 분광기(EDS)를 사용하여 측정한다.
또한, 각 층에 있어서의 구조나 두께, 또한 각 층을 구성하는 결정의 형상 등은 공구(1)의 단면에 있어서의 전자 현미경 사진(주사형 전자 현미경(SEM) 사진 또는 투과 전자 현미경(TEM) 사진)을 관찰함으로써 측정하는 것이 가능하다.
또한, 상기 피복 공구(1)는 절삭면과 여유면의 교차부에 형성된 절삭날을 피절삭물에 맞춰서 절삭 가공하는 것이며, 상술한 우수한 효과를 발휘할 수 있다. 또한, 본 개시의 피복 공구(1)는 절삭 공구 이외에도, 슬라이딩 부품이나 금형 등의 내마 부품, 굴착 공구, 날붙이 등의 공구, 내충격 부품 등의 각종 용도에 응용 가능하며, 이 경우에도 우수한 기계적 신뢰성을 갖는 것이다.
다음에, 본 개시의 공구의 제조 방법에 대해서 일례를 설명한다.
우선, 기체가 되는 경질합금을 소성에 의해 형성할 수 있는 탄화물, 질화물, 탄질화물, 산화물 등의 무기물 분말에, 금속 분말, 카본 분말 등을 적당 첨가, 혼합하여 혼합 분말을 제작한다. 다음에, 이 혼합 분말을 사용하여 프레스 성형, 주입 성형, 압출 성형, 냉간 정수압 프레스 성형 등의 공지의 성형 방법에 의해 소정의 공구 형상으로 성형한다. 이 성형체를 진공 중 또는 비산화성 분위기 중에서 소성함으로써 상술한 기체를 제작한다. 그리고, 기체의 표면에 소망에 의해 연마 가공이나 절삭날부의 호닝 가공을 실시한다.
다음에, 그 표면에 화학 기상 증착(CVD)법에 의해 피복층을 성막한다.
우선, 기체를 챔버 내에 세팅하고, 하지층인 TiN층을 성막한다. 성막 온도를 800℃∼940℃, 가스압을 8㎪∼50㎪으로 하고, 반응 가스의 조성이 사염화티탄(TiCl4) 가스를 0.5체적%∼10체적%, 질소(N2) 가스를 10체적%∼60체적%, 나머지가 수소(H2) 가스로서 성막한다.
다음에, 제 1 TiCN층을 성막한다. 성막 온도를 780℃∼880℃, 가스압을 5㎪∼25㎪으로 하고, 반응 가스 조성으로서 체적%로 사염화티탄(TiCl4) 가스를 0.5체적%∼10체적%, 질소(N2) 가스를 5체적%∼60체적%, 아세토니트릴(CH3CN) 가스를 0.1체적%∼3.0체적%, 나머지가 수소(H2) 가스로서 성막한다. 이 때, 아세토니트릴(CH3CN) 가스의 함유 비율을 성막 초기보다 성막 후기에서 늘림으로써, 제 1 TiCN층을 구성하는 탄질화티탄 주상 결정의 평균 결정 폭을 기체측보다 표면측의 쪽이 큰 구성으로 할 수 있다.
다음에, 제 1 TiCN층 상에 계면층을 제작한다. 성막 온도를 900℃∼1050℃, 가스압을 5㎪∼40㎪으로 하고, 반응 가스의 조성이 사염화티탄(TiCl4) 가스를 3체적%∼30체적%, 메탄(CH4) 가스를 3체적%∼15체적%, 질소(N2) 가스를 5체적%∼10체적%, 이산화탄소(CO2) 가스를 0.5체적%∼10체적%, 나머지가 수소(H2) 가스로서 성막한다.
다음에, 제 2 TiCN층을 성막한다. 성막 온도를 900℃∼990℃, 가스압을 5㎪∼40㎪으로 하고, 반응 가스의 조성이 사염화티탄(TiCl4) 가스를 1체적%∼4체적%, 질소(N2) 가스를 5체적%∼20체적%, 메탄(CH4) 가스를 0.1체적%∼10체적%, 나머지가 수소(H2) 가스로서 성막한다.
계속해서, TiCNO층(9)을 성막한다. 우선, 성막 온도를 940℃∼990℃, 가스압을 5㎪∼40㎪으로 하고, 반응 가스 조성이 사염화티탄(TiCl4) 가스를 3체적%∼15체적%, 메탄(CH4) 가스를 3체적%∼10체적%, 질소(N2) 가스를 3체적%∼25체적%, 일산화탄소(CO) 가스를 0.5체적%∼2.0체적%, 나머지가 수소(H2) 가스로서 성막한다. 다음에, 성막 온도를 내려서 900∼940℃로 하고, 합계 시간이 30∼90분이 되도록 성막한다. 그리고, Al2O3층을 성막한다. Al2O3층은 성막 온도를 950℃∼1100℃, 가스압을 5㎪∼20㎪으로 하고, 반응 가스의 조성이 삼염화알루미늄(AlCl3) 가스를 5체적%∼15체적%, 염화수소(HCl) 가스를 0.5체적%∼2.5체적%, 이산화탄소(CO2) 가스를 0.5체적%∼5.0체적%, 황화수소(H2S) 가스를 0체적%∼1.0체적%, 나머지가 수소(H2) 가스로서 성막한다.
그리고, 표층인 TiN층을 성막한다. 성막 온도를 960℃∼1100℃, 가스압을 10㎪∼85㎪으로 하고, 반응 가스 조성은 사염화티탄(TiCl4) 가스를 0.1체적%∼10체적%, 질소(N2) 가스를 10체적%∼60체적%, 나머지가 수소(H2) 가스로서 성막한다.
그 후, 소망에 의해 성막한 피복층 표면의 적어도 절삭날부를 연마 가공한다. 이 연마 가공에 의해, 절삭날부가 평활하게 가공되어 피삭재의 용착을 억제하고, 또한 내결손성이 우수한 공구가 된다.
또한, 상기의 예에서는 제 1 TiCN층이나 제 2 TiCN층이나 표층을 설치한 예를 나타냈지만, 직접 기체의 표면에 TiCNO층과 Al2O3층을 적층해도 좋다.
이상, 본 개시의 피복 공구(1)에 대해서 설명했지만, 본 개시는 상술의 실시형태에 한정되지 않고, 본 개시의 요지를 벗어나지 않는 범위에 있어서 각종 개량 및 변경을 행해도 좋다.
<절삭 공구>
다음에, 본 개시의 절삭 공구에 대해서 도면을 사용하여 설명한다.
본 개시의 절삭 공구(101)는 도 6에 나타내는 바와 같이, 예를 들면 제 1 단(도 6에 있어서의 상단)으로부터 제 2 단(도 6에 있어서의 하단)을 향해서 연장되는 막대 형상체이다. 절삭 공구(101)는 도 6에 나타내는 바와 같이 제 1 단측(선단측)에 포켓(103)을 갖는 홀더(105)와, 포켓(103)에 위치하는 상기의 피복 공구(1)를 구비하고 있다. 절삭 공구(101)는 피복 공구(1)를 구비하고 있기 때문에, 장기간에 걸쳐 안정한 절삭 가공을 행할 수 있다.
포켓(103)은 피복 공구(1)가 장착되는 부분이며, 홀더(105)의 하면에 대하여 평행한 착좌면과, 착좌면에 대하여 경사지는 구속측면을 가지고 있다. 또한, 포켓(103)은 홀더(105)의 제 1 단측에 있어서 개구되어 있다.
포켓(103)에는 피복 공구(1)가 위치되어 있다. 이 때, 피복 공구(1)의 하면이 포켓(103)에 직접적으로 접하고 있어도 되고, 또한 피복 공구(1)와 포켓(103) 사이에 시트(도시하지 않음)가 끼워져 있어도 좋다.
피복 공구(1)는 제 1 면(3) 및 제 2 면(5)이 교차하는 능선에 있어서의 절삭날(4)로서 사용되는 부분의 적어도 일부가 홀더(105)로부터 외방으로 돌출되도록 홀더(105)에 장착된다. 본 실시형태에 있어서는, 피복 공구(1)는 고정 나사(107)에 의해 홀더(105)에 장착되어 있다. 즉, 피복 공구(1)의 관통구멍(17)에 고정 나사(107)를 삽입하고, 이 고정 나사(107)의 선단을 포켓(103)에 형성된 나사구멍(도시하지 않음)에 삽입해서 나사부끼리를 나사결합시킴으로써 피복 공구(1)가 홀더(105)에 장착되어 있다.
홀더(105)의 재질로서는 강, 주철 등을 사용할 수 있다. 이들의 부재 중에서 인성이 높은 강을 사용해도 좋다.
본 실시형태에 있어서는, 소위 선삭 가공에 사용되는 절삭 공구(101)를 예시하고 있다. 선삭 가공으로서는, 예를 들면 내경 가공, 외경 가공 및 그루빙 가공 등을 들 수 있다. 또한, 절삭 공구(101)로서는 선삭 가공에 사용되는 것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 전위 가공에 사용되는 절삭 공구에 상기의 실시형태의 피복 공구(1)를 사용해도 좋다.
실시예
우선, 평균 입경 1.2㎛의 금속 코발트 분말을 6질량%, 평균 입경 2.0㎛의 탄화티탄 분말을 0.5질량%, 평균 입경 2.0㎛의 탄화니오브 분말을 5질량%, 잔부가 평균 입경 1.5㎛인 텅스텐카바이드 분말의 비율로 첨가, 혼합하고, 프레스 성형에 의해 공구 형상(CNMG120408)으로 성형했다. 그 후, 탈 바인더 처리를 실시하고, 1500℃, 0.01㎩의 진공 중에 있어서, 1시간 소성해서 초경합금으로 이루어지는 기체를 제작했다. 그 후, 제작한 기체에 브러시 가공을 하고, 절삭날이 되는 부분에 R 호닝을 실시했다.
다음에, 상기의 초경합금의 기체에 대하여, 화학 기상 증착(CVD)법에 의해 표 1에 나타내는 개별의 성막 조건을 표 2, 표 3에 기재한 바와 같이, 조합하여 피복층을 성막하고, 피복 공구를 제작했다. 표 1에 있어서, 각 화합물은 화학 기호로 표기했다.
상기 시료에 대해서, 피복층을 포함하는 단면에 대해서 SEM 관찰을 행하고, 제 1 돌기, 제 2 돌기, 제 3 돌기 및 복합 돌기의 유무, 제 1 돌기, 제 2 돌기, 제 3 돌기 및 복합 돌기의 형태를 관찰했다. 다음에, 얻어진 피복 공구를 사용하고, 하기의 조건에 있어서 단속 절삭 시험을 행하여 내결손성을 평가했다. 시험 결과는 표 2, 3에 나타낸다.
<단속 절삭 조건>
피삭재: 크롬몰리브덴강 4개 그루빙강재(SCM440)
공구 형상: CNMG120408
절삭 속도: 300m/분
보냄 속도: 0.3㎜/rev
노치: 1.5㎜
기타: 수용성 절삭액 사용
평가 항목: Al2O3층 박리에 이르는 충격 횟수를 측정.
Figure 112020089676451-pct00001
Figure 112020089676451-pct00002
Figure 112021146931876-pct00010
표 2에 나타내는 시료 No.1∼7은 모두 기체 상에 직접 TiCNO층을 형성하고, 그 상에 Al2O3층을 형성했다. TiCNO층을 970℃에서 60분 성막한 시료 No.1에서는 제 1 돌기가 형성되어 있지만, 제 2 돌기 및 제 3 돌기는 형성되어 있지 않았다.
표 2에 있어서는 시료 No.1의 충격 횟수를 기준으로서, 각 시료가 시료 No.1의 몇배의 충격 횟수에 견딜 수 있는지를 기재하고 있다.
복합 돌기를 갖는 시료 No.4, 7에서는 우수한 절삭성이 얻어졌다.
표 3에 나타내는 시료 No.8∼14는 모두 기체 상에 하지층, 제 1 TiCN층, 제 2 TiCN층을 형성하고, TiCNO층, Al2O3층을 더 형성했다. TiCNO층을 970℃에서 60분 성막한 시료 No.8에서는 제 1 돌기가 형성되어 있지만, 제 2 돌기 및 제 3 돌기는 형성되어 있지 않았다. 또한, 성막 시간이 긴 시료에서는 기체를 향해서 연장되는 제 2 돌기가 많이 관찰되었다.
표 3에 있어서는 시료 No.8의 충격 횟수를 기준으로서, 각 시료가 시료 No.8의 몇배의 충격 횟수에 견딜 수 있는지를 기재하고 있다. 복합 돌기를 갖는 시료 No.11, 14에서는 우수한 절삭 성능이 얻어졌다.
이상, 설명한 바와 같이, 본 개시의 피복 공구는 복합 돌기가 없는 시료보다 우수한 절삭 성능을 갖는 것이다.
또한, 시료 No.11과 시료 No.14를 비교하면, 시료 No.14의 쪽이 제 1 돌기의 길이는 짧게 되어 있지만, 제 3 돌기의 길이는 오히려 시료 No.11보다 시료 No.14의 쪽이 길게 되어 있었다.
시료 No.11에서는 제 2 돌기의 평균 길이가 제 3 돌기의 평균 길이보다 길었다. 한편, 시료 No.14에서는 제 3 돌기의 평균 길이의 쪽이 제 2 돌기의 평균 길이보다 길었다.
1 피복 공구 2 절삭면
3 여유면 4 절삭날
5 기체 7 피복층
9 TiCNO층 11 Al2O3층
13a 제 1 돌기 13b 제 2 돌기
13c 제 3 돌기 14 복합 돌기
15 제 1 TiCN층 17 제 2 TiCN층
19 표층 101 절삭 공구
103 포켓 105 홀더
107 고정 나사

Claims (10)

  1. 기체와, 상기 기체의 표면에 위치하는 피복층을 구비한 피복 공구로서,
    상기 피복층은 TiCNO층과, Al2O3층을 가지고,
    상기 Al2O3층은 상기 TiCNO층보다 상기 기체로부터 먼 위치에 있어서 상기 TiCNO층에 접하여 위치되어 있고,
    상기 TiCNO층은 상기 Al2O3층을 향해서 돌출된 제 1 돌기와, 상기 제 1 돌기로부터 상기 제 1 돌기의 돌출방향에 교차하는 방향으로 돌출된 제 2 돌기와, 상기 제 2 돌기로부터 상기 제 2 돌기의 돌출방향에 교차하는 방향으로 돌출된 제 3 돌기를 갖는 복합 돌기를 가지고,
    상기 피복층은 상기 기체로부터 차례로 TiN층, 제 1 TiCN층, 제 2 TiCN층, 상기 TiCNO층, 상기 Al2O3층을 가지고,
    상기 제 2 TiCN층에 함유되는 탄소와 질소의 합계 함유량에 대한 탄소 함유 비율은, 상기 제 1 TiCN층에 함유되는 탄소와 질소의 합계 함유량에 대한 탄소 함유 비율보다 적은 피복 공구.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합 돌기는 상기 제 2 돌기에 복수의 상기 제 3 돌기를 갖는 피복 공구.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 3 돌기는 돌출방향이 상기 제 1 돌기를 향하고 있는 피복 공구.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 복합 돌기는 상기 제 1 돌기에 복수의 상기 제 2 돌기를 갖는 피복 공구.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 돌기는 돌출방향이 상기 기체를 향하고 있는 피복 공구.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 기체의 표면에 직교하는 단면에 있어서, 상기 제 1 돌기의 기부의 평균 폭은 40∼200㎚이며, 상기 제 1 돌기의 평균 길이는 50∼300㎚인 피복 공구.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 돌기의 평균 길이는 상기 제 1 돌기의 기부의 평균 폭의 3배 이하인 피복 공구.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 복합 돌기에 있어서의 상기 제 3 돌기의 평균 길이는 상기 제 2 돌기의 평균 길이보다 긴 피복 공구.
  9. 삭제
  10. 제 1 단으로부터 제 2 단을 향해서 연장되고, 상기 제 1 단측에 포켓을 갖는 홀더와,
    상기 포켓에 위치하는 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 피복 공구를 구비한 절삭 공구.
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