KR102480241B1

KR102480241B1 - 피복 절삭 공구

Info

Publication number: KR102480241B1
Application number: KR1020227021050A
Authority: KR
Inventors: 도모야 사사키
Original assignee: 가부시키가이샤 몰디노
Priority date: 2019-12-24
Filing date: 2020-10-12
Publication date: 2022-12-21
Also published as: JPWO2021131232A1; CN114829044A; KR20220093260A; EP4082699A1; JP7164828B2; EP4082699A4; US20230024595A1; WO2021131232A1

Abstract

기재의 표면이 경질 피막으로 피복된 피복 절삭 공구. 경질 피막은, 기재의 표면에 배치되고, 금속 (반금속을 포함한다) 원소 중 W 를 가장 많이 함유하고, 이어서 Ti 를 많이 함유하는 W 와 Ti 의 합계의 함유 비율이 85 원자% 이상인 면심 입방 격자 구조의 A 층과, A 층 상에 배치되고, 금속 (반금속을 포함한다) 원소 중 Al 의 함유 비율 (원자%) 이 50 % 이상, Al 과 Cr 의 합계의 함유 비율 (원자%) 이 85 % 이상, Si 의 함유 비율 (원자%) 이 4 % 이상 15 % 이하인 Al 과 Cr 과 Si 를 함유하는 질화물 또는 탄질화물로 이루어지는 면심 입방 격자 구조의 B 층을 포함한다.

Description

피복 절삭 공구

본 발명은 엔드 밀 등의 피복 절삭 공구에 관한 것이다.

본원은, 2019년 12월 24일에, 일본에 출원된 일본 특허출원 2019-233353호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

AlCrSi 의 질화물 또는 탄질화물은 내열성과 내마모성이 우수한 막종이며 피복 절삭 공구에 적용되고 있다. 본 발명자는 고경도 강의 밀링 가공에 적용 가능한 공구로서, Ti 봄바드에 의해 기재의 바로 윗쪽에 hcp 구조의 W 와 Ti 를 함유하는 중간 피막을 형성하고, 그 바로 윗쪽에 Si 의 함유 비율을 높여 피막 조직을 미세화한 AlCrSi 의 질화물 또는 탄질화물을 형성한 피복 절삭 공구를 제안하고 있다 (특허문헌 1).

국제 공개 제2014/156699호

특허문헌 1 에 기재된 피복 절삭 공구는, 고경도 강의 절삭 가공에 있어서 내구성이 우수한 것이다. 한편, 본 발명자는, Ti 봄바드로 형성되는 중간 피막은 조성이 흐트러지기 쉬운 것을 확인하였다. 중간 피막의 조성의 편차가 크면, 가공 조건이나 공구 형상에 의해 경질 피막의 내구성이 변동하기 쉬워져, 공구 성능이 안정되지 않을 가능성도 있다.

본 발명자는 이하의 지견을 알아내어, 본 발명에 도달하였다.

본 발명자는, Ti 봄바드로 형성되는 중간 피막의 조성에 대해, 중간 피막의 바로 윗쪽에 형성되는 경질 피막의 성분을 포함하는 양이 적고, W 와 Ti 를 주체로 하는 조성으로 하였다. 본 발명자는, 상기 조성의 중간 피막으로 함으로써, 중간 피막의 조성의 편차가 적어짐과 함께, 결정 구조가 면심 입방 격자 구조가 되는 것을 확인하였다. 그리고, 본 발명자는, 상기의 면심 입방 구조의 중간 피막 상에 Si 함유량을 조정한 AlCrSi 계의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지는 경질 피막을 성막함으로써, 우수한 내구성을 갖는 피복 절삭 공구가 얻어지는 것을 확인하였다.

즉 본 발명은, 기재의 표면이 경질 피막으로 피복된 피복 절삭 공구이다. 상기 경질 피막은, 상기 기재의 표면에 배치되고, 금속 (반금속을 포함한다) 원소 중 W 를 가장 많이 함유하고, 이어서 Ti 를 많이 함유하는 W 와 Ti 의 합계의 함유 비율이 85 원자% 이상인 면심 입방 격자 구조의 A 층과, 상기 A 층 상에 배치되고, 금속 (반금속을 포함한다) 원소 중 Al 의 함유 비율 (원자%) 이 50 % 이상, Al 과 Cr 의 합계의 함유 비율 (원자%) 이 85 % 이상, Si 의 함유 비율 (원자%) 이 4 % 이상 15 % 이하인 Al 과 Cr 과 Si 를 함유하는 질화물 또는 탄질화물로 이루어지는 면심 입방 격자 구조의 B 층, 을 포함한다.

A 층은, 금속 (반금속을 포함한다) 원소 중 W 와 Ti 의 합계의 함유 비율이 85 원자% 이상인 것이 바람직하다.

A 층은, 금속 (반금속을 포함한다) 원소 중 Al 과 Si 의 합계의 함유 비율이 10 원자% 이하인 것이 바람직하다.

B 층 상에는, 금속 (반금속을 포함한다) 의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지는 C 층을 추가로 가져도 된다.

C 층은, 금속 (반금속을 포함한다) 원소 중 Ti 의 함유 비율 (원자%) 이 50 % 이상이며, Si 의 함유 비율 (원자%) 이 1 % 이상 30 % 이하인 질화물 또는 탄질화물인 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 내구성이 우수한 피복 절삭 공구가 제공된다.

도 1 은, 실시예 1 의 공구 날끝부의 투과 전자 현미경 사진이다. 도 중의 1 이 나타내는 포인트는 기재, 2 가 나타내는 포인트는 A 층, 3 이 나타내는 포인트는 B 층이다.
도 2 는, 실시예 1 의 기재의 제한 시야 회절 패턴을 나타내는 도면이다.
도 3 은, 실시예 1 의 기재의 조성 분석 결과를 나타내는 도면이다.
도 4 는, 실시예 1 의 A 층의 제한 시야 회절 패턴을 나타내는 도면이다.
도 5 는, 실시예 1 의 A 층의 조성 분석 결과를 나타내는 도면이다.
도 6 은, 실시예 1 의 B 층의 제한 시야 회절 패턴을 나타내는 도면이다.
도 7 은, 실시예 1 의 B 층의 조성 분석 결과를 나타내는 도면이다.

본 발명자는, 고경도 강의 고능률 가공에 있어서의 피복 절삭 공구의 손상 요인에 대해서 검토하고, 경질 피막을 형성하는 주상 (柱狀) 입계를 기점으로 피막 파괴가 발생하기 쉬운 것을 확인하였다. 그리고, 내열성과 내마모성이 우수한 피막종인 Al 과 Cr 을 주체로 하는 질화물 또는 탄질화물을 베이스로 피막 조직을 미세화하여 파괴의 기점이 되는 결정립계를 저감하는 것이 유효한 것을 알아내었다. 또, 경질 피막의 조직을 미세화하는 것에서 기인하는 기재와 경질 피막의 밀착성을 보다 높이기 위해서 면심 입방 격자 구조 (fcc 구조) 의 중간 피막을 형성하는 것을 알아내어, 본 발명에 도달하였다. 이하, 본 발명의 상세한 내용에 대해서 설명한다.

본 실시형태의 피복 절삭 공구는, 기재와, 기재의 표면에 배치되는 A 층과, A 층 상에 배치되는 B 층을 구비한다. 본 실시형태의 피복 절삭 공구에 있어서, B 층이 공구에 내구성을 부여하는 경질 피막이다. A 층은, B 층과 기재의 밀착성을 향상시키는 중간 피막이다.

기재로는, 절삭 공구용의 WC 기 초경합금 기재가 사용된다. 기재는, 헤드와 생크가 일체인 솔리드 공구여도 되고, 헤드 교환식 공구의 헤드여도 되고, 홀더에 장착되는 절삭 인서트여도 된다.

먼저, 본 발명의 경질 피막인 B 층에 대해서 설명한다.

B 층은, 후술하는 A 층 상에 형성되는 Al 과 Cr 을 주체로 하는 질화물 또는 탄질화물로 이루어지는 경질 피막이다. Al 과 Cr 을 주체로 하는 질화물 또는 탄질화물은, 피복 절삭 공구로서 우수한 내마모성과 내열성을 발휘할 수 있는 막종이다. B 층으로서 보다 바람직한 재질은, 내열성이 우수한 질화물이다.

Al 은 경질 피막에 내열성을 부여하는 원소이다. 경질 피막에 대하여, 보다 우수한 내열성을 부여하기 위해서, B 층은, 금속 (반금속을 포함한다, 이하 동일.) 원소의 함유 비율 (원자%, 이하 동일.) 로 Al 의 함유 비율을 50 % 이상으로 한다. 나아가서는, B 층의 Al 의 함유 비율을 55 % 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, B 층은, Al 의 함유 비율이 지나치게 커지면, 육방 최밀 충전 구조 (hcp 구조) 가 주체가 되어, 피복 절삭 공구의 내구성이 저하되는 경향이 있다. 그 때문에, B 층의 Al 의 함유 비율을 70 % 이하로 하는 것이 바람직하다. B 층은 내열성 및 내마모성을 높은 레벨로 양립시키기 위해서, Al 과 Cr 의 합계의 함유 비율을 85 % 이상으로 한다. 나아가서는, B 층의 Al 과 Cr 의 합계의 함유 비율을 90 % 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Cr 은 B 층의 결정 구조를 면심 입방 격자 구조 (fcc 구조) 로 하고, 피복 절삭 공구로서의 내마모성과 내열성을 향상시키는 원소이다. B 층은, Cr 의 함유 비율이 지나치게 적어지면 육방 최밀 충전 구조 (hcp 구조) 가 주체가 되어, 피복 절삭 공구의 내구성이 저하되는 경향이 있다. 그 때문에, B 층의 Cr 의 함유 비율은 20 % 이상인 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에 있어서의 반금속이란, Si, B (보론) 이다.

Si 는, Al 과 Cr 을 주체로 하는 질화물 또는 탄질화물의 조직을 미세화하기 위해서 중요한 원소이다. Si 를 함유하고 있지 않은 AlCrN 및 Si 함유 비율이 작은 AlCrSiN 은 주상 입자가 조대 (粗大) 해진다. 이와 같은 조직 형태의 경질 피막은 피막 파괴의 기점이 되는 결정립계가 많아지기 때문에, 플랭크면 마모가 증대하는 경향이 있다. 한편, 일정량의 Si 를 함유한 AlCrSiN 은 조직이 미세화하여, 예를 들어, 전자 현미경에 의한 단면 (斷面) 관찰 (20,000 배) 에 있어서 명확한 주상 입자가 관찰되기 어려워진다. 이와 같은 조직 형태의 경질 피막은, 파괴의 기점이 되는 주상 입계가 적어져, 플랭크면 마모를 억제할 수 있다. 단, B 층은, Si 함유 비율이 커지면 비정질 및 육방 최밀 충전 구조 (hcp 구조) 가 주체가 되기 쉬워져, 피복 절삭 공구의 내구성이 저하된다. 피복 절삭 공구의 내구성을 저하시키지 않고 피막 조직을 충분히 미세화하려면, B 층은, Si 의 함유 비율을 4 % 이상 15 % 이하로 하는 것이 중요하다. B 층의 Si 의 함유 비율은 5 % 이상인 것이 바람직하다. B 층의 Si 의 함유 비율은 10 % 이하인 것이 바람직하다.

본 실시형태의 피복 절삭 공구에서는, B 층은, 면심 입방 격자 구조 (fcc 구조) 인 것이 중요하다. 본 실시형태에 있어서 면심 입방 격자 구조 (fcc 구조) 라는 것은, 예를 들어, X 선 회절에 있어서 면심 입방 격자 구조 (fcc 구조)에서 기인하는 회절 강도가 최대 강도를 나타내는 것을 말한다. 육방 최밀 충전 구조 (hcp 구조)에서 기인하는 회절 강도가 최대 강도를 나타내는 경질 피막은 취약하기 때문에 피복 절삭 공구로서 내구성이 부족해진다. 특히, 습식 가공에 있어서는, 내구성이 저하되는 경향이 있다.

B 층은, X 선 회절에 있어서 ZnS 형의 결정 구조에서 기인하는 회절 강도가 확인되지 않는 것이 바람직하다. 그러나, NaCl 형의 결정 구조에서 기인하는 회절 강도가 최대 강도를 나타내는 것이면, B 층은, 일부에 육방 최밀 충전 구조 (hcp 구조) 및 비정질상을 함유해도 된다.

단, 피막의 피험 면적이 작은 경우나, B 층 상에 후술하는 다른 피막을 피복하고 있는 경우에는, 상기 X 선 회절에 의한 면심 입방 격자 구조 (fcc 구조) 의 동정 (同定) 이 곤란한 경우가 있다. 이와 같은 경우이더라도, 예를 들어 투과 전자 현미경 (TEM) 을 사용한 제한 시야 회절법에 의한 결정 구조의 동정을 실시할 수 있다.

본 실시형태에 있어서의 B 층의 마이크로 조직은, Si 량의 전체에 대하여 상대적으로 Si 함유량이 많은 결정상에, Si 량의 전체에 대하여 상대적으로 Si 함유량이 적은 결정상이 분산되는 조직 형태이다. B 층이 이와 같은 조직 형태가 됨으로써, 경질 피막에 대하여, 보다 높은 잔류 압축 응력이 부여됨과 함께, 크랙의 진전이 마이크로 레벨에서도 억제된다. 이에 따라, 우수한 내구성을 발휘할 수 있는 것으로 생각된다. 일반적으로, Si 함유 비율이 커지면, Al 과 Cr 을 주체로 하는 질화물 또는 탄질화물은 비정질상이 주체인 조직 형태로 되기 쉽고, 인성 (靭性) 이 저하되는 경향이 있다.

본 실시형태의 B 층은, 결정상을 갖는 결정 구조의 층이다. B 층의 결정성을 높이기 위해서, 성막 장치 내에 있어서 기재 부근의 자속 밀도를 높여 피복을 하고 있다. 구체적으로는, 성막 장치에 있어서, 타깃 중심 부근의 평균 자속 밀도가 14 mT 이상이다. 또, 타깃 배면 및 외주에 영구 자석을 배치하고, 기재 부근까지 자력선이 도달하도록 조정한 캐소드를 사용하여, B 층을 피복하고 있다. 또, 기재에 인가하는 부 (負) 의 바이어스 전압의 절대값이 작아지면 비정질상이 증가하는 경향이 있다. B 층의 피복에 있어서는 -250 V 이상 -100 V 이하의 바이어스 전압으로 피복하는 것이 바람직하다. 결정상을 보다 안정화시키려면, -220 V 이상 -150 V 이하의 바이어스 전압으로 피복하는 것이 보다 바람직하다.

B 층은, 면심 입방 격자 구조 (fcc 구조) 에서 기인하는 회절 강도가 최대 강도를 나타내는 범위이면, Al, Cr, Si 의 함유량을 고려하여, 다른 금속 원소를 함유할 수 있다. 예를 들어, 경질 피막의 내마모성이나 내열성이나 윤활성 등의 향상을 목적으로 하여, 주기율표의 4a 족, 5a 족, 6a 족의 원소 및 B, Y, Cu 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 함유할 수 있다. 이들 원소는, 경질 피막의 특성을 개선하기 위해서, AlTiN 계나 AlCrN 계의 경질 피막에는 일반적으로 첨가되어 있는 원소이며, 함유 비율이 과다해지지 않으면 피복 절삭 공구의 내구성을 현저하게 저하시키는 경우는 없다.

단, B 층이 Al 과 Cr 과 Si 이외의 금속 원소를 많이 함유하면, 상기 서술한 기초 특성이 손상되어 피복 절삭 공구의 내구성이 저하될 우려가 있다. 그 때문에, B 층은 Al 과 Cr 과 Si 이외의 첨가 원소를 함유하는 경우에도, 첨가 원소의 합계의 함유 비율을 10 % 이하로 하는 것이 바람직하다. 나아가서는, B 층은 Al 과 Cr 과 Si 이외의 금속 원소를 함유하는 경우에도, 첨가 원소의 합계의 함유 비율을 5 % 이하로 하는 것이 바람직하다.

B 층의 막두께가 지나치게 얇아지면 우수한 내구성이 충분히 발휘되지 않는 경우가 있다. 또, 막두께가 지나치게 두꺼워지면 피막 박리가 발생하는 경우가 있다. B 층의 두께는, 예를 들어, 0.5 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하의 범위에서 적당한 값을 선택하면 된다. B 층의 두께는, 보다 바람직하게는 1 ㎛ 이상이다. 또, B 층의 두께는, 보다 바람직하게는 5 ㎛ 이하이다.

본 실시형태에 있어서, B 층 상에 추가로 다른 층을 피복해도 본 실시형태의 효과를 발휘한다. 그 때문에, 본 실시형태에 있어서의 A 층과 B 층으로 이루어지는 피막 구조는, B 층을 공구의 최표면으로 하는 구성 이외에, 다른 층이 피복된 구성을 채용해도 된다. 이 경우, B 층 상에는, 보호 피막으로서 내열성과 내마모성이 우수한 질화물 또는 탄질화물로 이루어지는 C 층이 피복되어 있는 것이 바람직하다. C 층은, 보다 바람직하게는 질화물로 이루어지는 층이다. C 층은, 내열 충격성이 우수한, 잔류 압축 응력을 갖는 경질 피막인 것이 바람직하다. C 층의 조성은, 피삭재나 가공 조건에 따라 적절히 선택하면 된다. 특히 습식 가공에 있어서는, 가열 냉각의 사이클에 의해 경질 피막이 박리되기 쉬워진다는 점에서, 높은 잔류 압축 응력을 갖는 경질 피막을 보호 피막으로서 형성하는 것이 바람직하다.

C 층으로는, 특히, 잔류 압축 응력이 높은 피막종인 점에서, Ti 의 함유 비율을 50 % 이상, Si 의 함유 비율을 1 % 이상 30 % 이하로 함유하는 질화물 또는 탄질화물 피막이 바람직하다.

계속해서, A 층에 대해서 설명한다.

본 실시형태에 있어서의 경질 피막인 B 층은, 미세한 조직 형태이기 때문에, 기재와의 밀착성이 부족하다. 본 발명자는, 금속 원소 중 W 를 가장 많이 포함하고, 이어서 Ti 를 많이 함유하는 W 와 Ti 의 합계의 함유 비율이 85 % 이상인 면심 입방 격자 구조 (fcc 구조) 의 A 층을 기재 상에 형성함으로써, 미세한 조직 형태인 B 층과의 밀착성이 개선되어 피복 절삭 공구의 내구성이 향상되는 것을 확인하였다. 요컨대, 본 실시형태의 피복 절삭 공구는, 기재와 B 층 사이에 W 와 Ti 가 주체인 면심 입방 격자 구조 (fcc 구조) 의 A 층을 형성함으로써, 미세한 조직 형태인 B 층 기재와의 밀착성을 개선한 것이다.

기재와 B 층의 사이에 형성되는 A 층을, 면심 입방 격자 구조 (fcc 구조) 로 함으로써, A 층의 상면에 있는 미세 조직인 B 층이, 면심 입방 격자 구조 (fcc 구조) 를 유지하기 쉬워진다. 그리고, A 층의 근방에 있는 B 층의 결정성이 보다 높아져, 기재와 B 층의 밀착성이 보다 높아지는 것으로 생각된다. 또, A 층은, 금속 (반금속을 포함한다) 원소 중 W 와 Ti 의 합계의 함유 비율이 85 % 이상임으로써, 조성 및 결정 구조가 안정된다. 이에 따라, A 층의 조성 및 결정 구조가 흐트러지는 것에 의한 B 층의 조성 및 결정 구조의 불균일이 저감된다. B 층 전체에서 균일한 내구성이 얻어지기 쉬워지기 때문에, 절삭 조건 또는 공구 형상에 의해 공구 성능이 흐트러지는 리스크를 저감할 수 있다. A 층은, 금속 (반금속을 포함한다) 원소 중 W 와 Ti 의 합계의 함유 비율이 90 % 이상인 것이 바람직하다.

A 층은, W 및 Ti 이외에 경질 피막 성분 및 기재 성분을 함유해도 된다. 단, A 층의 조성 및 결정 구조를 안정시키기 위해서는, A 층은 금속 (반금속을 포함한다) 원소 중 Al 과 Si 의 합계의 함유 비율이 10 % 이하인 것이 바람직하다. A 층에 포함되는 Al 과 Si 가 적어짐으로써 A 층의 조성 및 결정 구조가 보다 안정되기 쉬워진다.

A 층에는, 기재의 결합상에 포함되는 Co 와 Cr 이 함유되기 쉽다. A 층이 Co 와 Cr 을 함유하는 경우에도, 금속 (반금속을 포함한다) 원소 중 Co 와 Cr 의 합계의 함유 비율이 10 % 이하인 것이 바람직하다.

A 층은, 투과형 전자 현미경 관찰에 의한 단면 관찰, 조성 분석, 나노 빔 회절 패턴로부터 확인할 수 있다.

A 층은 비금속 원소로서 탄소를 가장 많이 함유하고, 이어서 질소를 많이 함유한다. 또, A 층은 탄소와 질소 이외에 산소를 함유하는 경우도 있다. A 층에 있어서의 탄소와 질소와 산소의 합계의 함유 비율을 100 % 로 했을 경우, A 층은 탄소를 50 % 이상 함유한다. 나아가서는, A 층은 탄소를 60 % 이상 함유하는 것이 바람직하다. 또, A 층은 질소를 30 % 이하로 함유하는 것이 바람직하다. A 층은 산소를 10 % 이하로 함유하는 것이 바람직하다.

A 층의 두께가 지나치게 얇아지면, 기재와의 밀착성이 저하된다. 또, A 층의 두께가 지나치게 커져도, 기재와의 밀착성이 저하되는 경향이 있다. 따라서, A 층의 두께는, 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하인 것이 바람직하다. A 층의 두께는, 2 ㎚ 이상 10 ㎚ 이하로 하는 것이 바람직하다.

기재 상에 본 실시형태의 A 층을 형성하기 위해서는, 기재에 대하여 Ti 봄바드를 실시한다. Ti 봄바드에 사용하는 성막 장치는, 타깃의 외주에 코일 자석을 배치하여 아크 스폿을 타깃 내부에 가두는 자장 구성으로 한 캐소드를 구비하는 것이 바람직하다. 이와 같은 캐소드를 사용하여 탄화물을 형성하기 쉬운 원소종인 Ti 로 봄바드 처리함으로써, 기재 표면의 산화물이 제거되어 청정화된다. 또, 이 청정화 뿐만 아니라, 봄바드 된 Ti 이온이 기재 표면의 WC 에 확산되어 W 및 Ti 를 포함하는 층이 형성되기 쉬워진다.

본 실시형태에 있어서, W 및 Ti 를 포함하는 A 층은, 기능부인 날끝에 형성됨으로써, 날끝에 있어서의 기재와 경질 피막의 밀착성이 높아져, 피복 절삭 공구의 내구성을 높이는 효과를 얻을 수 있다.

A 층을 면심 입방 격자 구조 (fcc 구조) 로 하려면, Ti 봄바드를 개시할 때의 기재 온도가 높은 것이 바람직하다. 그 때문에, Ti 봄바드 개시 시의 노 (爐) 내 온도를 530 ℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또, Ti 봄바드 시에 기재에 인가하는 부압의 바이어스 전압의 절대값이 작은 경우 및 타깃에 투입하는 전류가 낮은 경우에는, 기재 표면에 W 및 Ti 를 포함하는 층이 형성되기 어렵다. 그 때문에, 기재에 인가하는 부압의 바이어스 전압은, -1000 V 이상 -700 V 이하로 하는 것이 바람직하다. 또, 타깃에 투입하는 전류는, 80 A 이상 150 A 이하로 하는 것이 바람직하다.

Ti 봄바드는, 아르곤 가스, 질소 가스, 수소 가스, 탄화수소계 가스 등을 도입하면서 실시해도 되지만, 노 내 분위기를 0.1 Pa 정도의 진공하에서 실시함으로써 기재 표면이 청정화 될 뿐만 아니라, 아크 방전이 안정되어 A 층이 형성되기 쉬워져 바람직하다.

또한, 본 발명자의 검토에 의하면, 공구 지름이나 날끝 형상 등의 형상의 차이에 의해, 공구 날끝에 형성되는 A 층의 두께는 영향을 받는 것을 확인하고 있다.

실시예

동일 조건으로 피복했을 때의 실시예 1, 2 의 피복 절삭 공구와, 비교예 1, 2 의 피복 절삭 공구에 대해, 각각의 중간 피막의 편차를 평가하였다. 그 후, 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2 의 피복 절삭 공구의 공구 성능을 평가하였다.

＜성막 장치＞

성막에는, 아크 이온 플레이팅 방식의 성막 장치를 사용하였다. 본 장치는, 복수의 캐소드 (아크 증발원), 진공 용기 및 기재 회전 기구를 포함한다.

캐소드는, 타깃 외주에 코일 자석을 배치한 캐소드를 1 기 (이하 「C1」 이라고 한다.) 와, 타깃 배면 및 외주에 영구 자석을 배치하고, 타깃에 수직 방향의 자속 밀도가 타깃 중앙 부근에서 14 mT 이상인 자장을 가진 캐소드를 2 기 (이하 「C2」, 「C3」 이라고 한다.) 가 탑재되어 있다.

진공 용기 내는, 내부를 진공 펌프에 의해 배기되고, 가스는 공급 포트로부터 도입된다.

진공 용기 내에 설치한 각 기재에는 바이어스 전원이 접속되고, 독립적으로 각 기재에 부압의 DC 바이어스 전압을 인가한다.

기재 회전 기구는, 플래너터리와 플래너터리 위의 플레이트상 지그, 플레이트상 지그 위의 파이프상 지그가 장착되고, 플래너터리가 매분 3 회전의 속도로 회전하고, 플레이트상 지그, 파이프상 지그는 각각 자공전한다. C1 에는, 금속 티탄 타깃, C2 에는 AlCrSi 합금 타깃, C3 에는 TiSi 합금 타깃을 설치하였다.

＜기재＞

기재는, 조성이 WC (bal.) - Co (8 질량%) - Cr (0.5 질량%) - VC (0.3 질량%), WC 평균 입도 0.6 ㎛, 경도 93.9 HRA 로 이루어지는 초경합금제 2 매 날 볼 엔드 밀 (주식회사 MOLDINO 제조) 을 준비하였다. 또한, WC 는 탄화텅스텐을, Co 는 코발트를, Cr 은 크롬을, VC 는 탄화 바나듐을, 각각 나타낸다.

＜가열 및 진공 배기 공정＞

실시예 1, 2 의 제조 공정에서는, 기재를 각각 진공 용기 내의 파이프상 지그에 고정시키고, 성막 전 프로세스를 이하와 같이 실시하였다. 먼저, 진공 용기 내를 8 × 10^-3 Pa 이하로 진공 배기하였다. 그 후, 진공 용기 내에 설치한 히터에 의해, 기재 온도가 550 ℃ 가 될 때까지 가열하면서, 진공 배기를 실시하였다. 이에 따라, 기재 온도를 550 ℃, 진공 용기 내의 압력을 8 × 10^-3 Pa 이하로 하였다.

＜Ar 봄바드 공정＞

그 후, 진공 용기 내에 Ar 가스를 도입하고, 용기 내압을 0.67 Pa 로 하였다. 그 후, 필라멘트 전극에 20 A 의 전류를 공급하고, 기재에 -200 V 의 부압의 바이어스 전압을 인가하고, Ar 봄바드를 4 분간 실시하였다.

＜Ti 봄바드 공정＞

그 후, 진공 용기 내의 압력이 8 × 10^-3 Pa 이하가 되도록 진공 배기하였다. 계속해서, Ar 가스를 도입하여 진공 용기 내의 압력을 0.1 Pa 로 하고, 기재에 바이어스 전압을 인가하여, C1 에 150 A 의 아크 전류를 공급하여 Ti 봄바드 처리를 실시하였다.

＜성막 공정＞

Ti 봄바드 후, 즉시 C1 에 대한 전력 공급을 중단하였다. 그리고, 진공 용기 내의 가스를 질소로 치환하고, 진공 용기 내의 압력을 5 Pa, 기재 설정 온도를 520 ℃ 로 하였다. C2 에 150 A 의 전력을 공급하고, 기재에 인가하는 부압의 바이어스 전압을 -200 V, 캐소드 전압을 25 V 로 하여 fcc 구조로 이루어지는 약 2 ㎛ 의 Al₅₆Cr₃₇Si₆ 의 질화물 (수치는 원자 비율, 이하 동일) 을 피복하였다. 계속해서, C3 에 150 A 의 전력을 공급하고, 기재에 인가하는 부압의 바이어스 전압을 -100 V, 캐소드 전압을 25 V 로 하여 fcc 구조로 이루어지는 약 1 ㎛ 의 Ti₇₅Si₂₅ 의 질화물을 피복하였다. 그 후, 대략 250 ℃ 이하로 기재를 냉각시켜 진공 용기로부터 꺼내었다. 실시예 1, 2 는 동일 조건으로 따로 따로 피복하였다.

비교예 1, 2 의 제조 공정에서는, 상기의 실시예 1, 2 의 제조 공정에 있어서, Ti 봄바드를 실시하기 전에 노 내에 Ar 을 도입하지 않고, 진공 용기 내의 압력이 8 × 10^-3 Pa 이하로 Ti 봄바드를 실시하였다. 또, 550 ℃ 로 하고 있던 Ti 봄바드 공정의 온도를 520 ℃ 로 변화시켰다. 비교예 1, 2 의 피막은 동일 조건으로 따로 따로 피복하였다.

피막 구조를 확인하기 위해서, 전계 방사형 투과 전자 현미경 (니혼 전자 주식회사 제조 JEM-2010F 형) 을 사용하여 볼 엔드 밀의 날끝부의 단면 관찰을 실시하였다. 시료를 절단하고 더미 기판 상에 에폭시 수지를 사용하여 접착하였다. 그 후, 절단, Mo 제 보강 링 접착, 연마, 딤플링, Ar 이온 밀링을 실시하여 측정용의 시료를 준비하였다. 측정 전에는 카본 증착을 실시하였다. 가속 전압을 200 ㎸ 로 관찰, 조성 분석, 나노 빔 회절을 실시하였다.

조성은 현미경에 부속된 UTW 형 Si (Li) 반도체 검출기를 사용하여 빔 직경 1 ㎚ 로 분석하였다.

조성 분석에 있어서, 미소한 피크에 대해서는, 백그라운드의 요동에 의한 피크와 판별하기 위해서, 백그라운드의 강도의 표준 편차에 대해 3 배 이상의 강도를 갖는 경우에만, 원소의 검출 피크인 것으로 간주하였다. 나노 빔 회절은, 카메라 길이 50 ㎝ 로 하고, 2 ㎚ 이하의 빔 지름으로 분석하였다.

도 1 은, 실시예 1 의 공구 날끝부의 투과 전자 현미경 사진이다. 도 중의 1 이 나타내는 포인트는 기재, 2 가 나타내는 포인트는 A 층, 3 이 나타내는 포인트는 B 층이다. 도 2 ∼도 7 에, 실시예 1 의 피복 절삭 공구의 분석 결과를 나타낸다.

표 1 에, 중간 피막 (A 층) 의 분석 결과를 나타낸다.

실시예 1, 2 의 A 층은, W 와 Ti 이외의 원소의 함유 비율이 적고, 면심 입방 격자 구조 (fcc 구조) 가 되었다. 한편, 비교예 1, 2 의 A 층은 경질 피막의 성분인 Al 또는 Si 를 많이 함유하고 있고, 육방 최밀 충전 구조 (hcp 구조) 였다. 비교예 1, 2 의 A 층에서는, 막 내에 있어서 조성차가 커지는 것이 확인되었다.

실시예 1, 2 의 피복 절삭 공구에 대해, 이하의 가공 조건으로 절삭 평가를 실시하였다.

<절삭 조건>

· 공구 : 2 매 날 초경 볼 엔드 밀

· 형번 : EPDBE2010-6, 공구 반경 0.5 ㎜

· 건식 가공

· 절삭 방법 : 바닥면 절삭

· 피삭재 : STAVAX (52HRC) (우데홀름사 제조) · 절입 : 축 방향, 0.04 ㎜, 지름 방향, 0.04 ㎜ · 절삭 속도 : 75.4 m/min

· 1 날 이송량 : 0.0179 ㎜/날

· 절삭 거리 : 15 m

실시예 1, 2 의 피복 절삭 공구는, 플랭크면 최대 마모 폭이 20 ㎛ 미만으로 작고, 균일하고 안정적인 마모 형태를 나타내고, 내구성이 우수한 것이 확인되었다. 한편, 비교예 1, 2 의 피복 절삭 공구는, 실시예 1, 2 의 피복 절삭 공구와 비교하여, 경질 피막의 마모 상태가 약간 불균일하였다. 본 발명의 피복 절삭 공구에 의하면, 중간 피막의 조성의 편차가 적음으로써, 경질 피막의 막질을 향상시킬 수 있어, 여러 가지 가공 조건에 있어서도 안정적인 공구 성능을 발휘하는 것이 기대된다.

Claims

기재의 표면이 경질 피막으로 피복된 피복 절삭 공구로서,
상기 경질 피막은, 상기 기재의 표면에 배치되고, 금속 (반금속을 포함한다) 원소 중 W 를 가장 많이 함유하고, 이어서 Ti 를 많이 함유하는 W 와 Ti 의 합계의 함유 비율이 85 원자% 이상인 면심 입방 격자 구조의 A 층과, 상기 A 층 상에 배치되고, 금속 (반금속을 포함한다) 원소 중 Al 의 함유 비율 (원자%) 이 50 % 이상, Al 과 Cr 의 합계의 함유 비율 (원자%) 이 85 % 이상, Si 의 함유 비율 (원자%) 이 4 % 이상 15 % 이하인 Al 과 Cr 과 Si 를 함유하는 질화물 또는 탄질화물로 이루어지는 면심 입방 격자 구조의 B 층을 포함하는 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 A 층은, 금속 (반금속을 포함한다) 원소 중 W 와 Ti 의 합계의 함유 비율이 90 원자% 이상인 피복 절삭 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 A 층은, 금속 (반금속을 포함한다) 원소 중 Al 과 Si 의 합계의 함유 비율이 10 원자% 이하인 피복 절삭 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 B 층 상에는, 금속 (반금속을 포함한다) 의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지는 C 층을 추가로 갖는 피복 절삭 공구.
제 4 항에 있어서,
상기 C 층은, 금속 (반금속을 포함한다) 원소 중 Ti 의 함유 비율 (원자%) 이 50 % 이상이며, Si 의 함유 비율 (원자%) 이 1 % 이상 30 % 이하인 질화물 또는 탄질화물로 이루어지는 피복 절삭 공구.