KR102534906B1

KR102534906B1 - 표면 피복 절삭 공구

Info

Publication number: KR102534906B1
Application number: KR1020217013991A
Authority: KR
Inventors: 쇼타 노자키; 료지 도요다
Original assignee: 니테라 컴퍼니 리미티드
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2019-11-27
Publication date: 2023-05-26
Also published as: EP3903975A4; EP3903975C0; EP3903975B1; US20220001457A1; JPWO2020137325A1; CN113260475A; WO2020137325A1; KR20210063427A; EP3903975A1; US11623284B2; CN113260475B; JP7093149B2

Abstract

고속 영역에서의 절삭 가공에 있어서의 내마모성이 우수하고, 공구 수명이 긴 표면 피복 절삭 공구를 제공한다. 표면 피복 절삭 공구는, WC 결정 입자와 절연성 입자를 포함하는 공구 기체의 표면에, Ti 와 Al 과 V 의 복합 질화물로 이루어지는 피복층을 갖는다. 복합 질화물은, 조성식 : Ti_aAl_bV_cN 으로 나타낸 경우에, 0.25 ≤ a ≤ 0.35, 0.64 ≤ b ≤ 0.74, 0 ＜c ≤ 0.06, a ＋ b ＋ c = 1 (단, a, b, c 는 모두 원자비) 을 만족한다. 피복층은, X 선 회절에 있어서, 육방정에서 유래하는 피크와 입방정에서 유래하는 피크가 관찰되는 것을 특징으로 한다.

Description

표면 피복 절삭 공구

본 발명은 표면 피복 절삭 공구에 관한 것이다.

하기 특허문헌 1 에서는, 초경합금의 기체 (基體) 를, (TiAlV)(CN) 으로 이루어지는 경질 피막으로 피복하는 기술이 개시되어 있다. Ti, Al, V, C, N 의 첨가량을 제어하여, 암염 구조형의 결정 구조를 주체로 함으로써 고강도를 확보할 수 있다고 기재되어 있다.

하기 특허문헌 2 에서는, 초경합금의 기체를, Al, Ti, Cr, N, O 를 함유하는 경질 피막으로 피복하는 기술이 개시되어 있다. 경질 피막이 NaCl 형의 결정 구조를 갖고, (200) 면 회절 강도가 (111) 면 회절 강도보다 강한 경우, 우수한 내산화성, 내마모성을 발휘한다고 기재되어 있다.

일본 공개특허공보 2003-034858호 일본 공개특허공보 2003-165003호

최근, 고능률 가공의 관점에서, 고속 영역에서의 절삭 가공에 있어서의 내마모성이 우수한 절삭 공구의 요구가 높아지고 있다. 고속 영역에서의 절삭 가공에 있어서는, 발생하는 절삭열에 의해, 절삭 공구의 날끝이 고온이 되는 경향이 있다.

특허문헌 1 에서는, 기체가 초경합금인 경우에는, 경질 피막의 육방정의 생성을 억제함으로써 공구 수명을 길게 할 수 있다고 되어 있다. 그러나, 기체가 초경합금인 경우, 고온에서 연화하는 성분 (Co 등) 을 포함하므로, 고속 영역에서의 절삭열에 의해 공구 손상을 일으킬 우려가 있다.

또, 특허문헌 2 와 같이, 경질 피막이 입방정 단일상인 경우, 경질 피막의 내열성이 충분하지 않아, 고속 영역에서의 절삭열에 의해, 경질 피막의 산화 반응이 진행할 우려가 있다. 경질 피막이 산화하면, 경질 피막의 경도가 저하하여, 절삭 공구의 마모가 진행하는 것이 염려된다.

본 발명은, 상기 실정을 감안하여 이루어진 것으로, 고속 영역에서의 절삭 가공에 있어서의 내마모성이 우수하고, 공구 수명이 긴 표면 피복 절삭 공구를 제공하는 것을 목적으로 하고, 이하의 형태로서 실현할 수 있다.

〔1〕WC 결정 입자와 절연성 입자를 포함하는 공구 기체의 표면에, Ti 와 Al 과 V 의 복합 질화물로 이루어지는 피복층을 갖는 표면 피복 절삭 공구로서,

상기 복합 질화물은,

조성식 : Ti_aAl_bV_cN

으로 나타낸 경우에,

0.25 ≤ a ≤ 0.35

0.64 ≤ b ≤ 0.74

0 ＜ c ≤ 0.06

a ＋ b ＋ c = 1

(단, a, b, c 는 모두 원자비) 을 만족하고,

상기 피복층은, X 선 회절에 있어서, 육방정에서 유래하는 피크와 입방정에서 유래하는 피크가 관찰되는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.

이 구성의 표면 피복 절삭 공구에서는, 공구 기체를 고온에서 연화하는 성분 (Co 등) 을 실질적으로 포함하지 않는 것으로 함으로써, 고속 영역에서의 절삭열에 의한 공구 손상을 억제할 수 있다.

또한, WC 결정 입자와 절연성 입자를 포함하는 공구 기체를, 육방정을 포함하는 피복층으로 피복하기 때문에, 육방정에 의한 열전도율 향상의 작용에 의해, 날끝의 온도 상승이 억제된다. 이 때문에, 표면 피복 절삭 공구의 장수명화를 도모할 수 있다.

또, 피복층에 육방정과 입방정이 혼재함으로써, 피복층의 내산화 온도 (산화 개시 온도) 가 입방정 단일상과 비교해 높아진다. 이 때문에, 고속 영역에서의 절삭열에 의한 피복층의 산화 반응이 억제되어, 고속 영역에서의 절삭 가공에 있어서의 피복층의 내마모성이 향상된다.

이 구성의 표면 피복 절삭 공구에서는, WC 결정 입자와 절연성 입자를 포함하는 공구 기체의 표면에 특정한 조성식의 Ti 와 Al 과 V 의 복합 질화물로 이루어지는 피복층을 가지므로, 육방정과 입방정이 균형있게 혼재 (분산) 하여, 육방정의 특성에 의한 효과와, 입방정의 특성에 의한 효과를 양립시킬 수 있다.

〔2〕상기 피복층을 X 선 회절로 측정하고,

상기 육방정의 (100) 면의 피크 강도를 IA 로 하고,

상기 입방정의 (200) 면의 피크 강도를 IB 로 했을 때에,

피크 강도비 (IA/IB) 의 값이 0.43 이상 0.86 이하인 것을 특징으로 하는〔1〕에 기재된 표면 피복 절삭 공구.

피크 강도비 (IA/IB) 의 값이 0.43 이상 0.86 이하의 범위이면, 육방정과 입방정이 균형있게 혼재하여, 육방정의 특성에 의한 효과와, 입방정의 특성에 의한 효과를 양립시킬 수 있다.

〔3〕상기 피복층의 X 선 회절에 있어서의 가장 피크 강도가 높은 피크는, 입방정의 (200) 면의 피크인 것을 특징으로 하는〔1〕또는〔2〕에 기재된 표면 피복 절삭 공구.

가장 피크 강도가 높은 피크가 입방정의 (200) 면의 피크인 경우에는, 고속 영역에서의 절삭 가공에 있어서의 피복층의 내마모성이 향상된다.

〔4〕상기 절연성 입자는 Al₂O₃, 사이알론, 및 질화규소로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1 종인 것을 특징으로 하는〔1〕~〔3〕중 어느 하나에 기재된 표면 피복 절삭 공구.

기체가 Al₂O₃, 질화규소, 사이알론 등의 절연성 입자를 포함하는 구성에서는, 상기 서술한 구성에 있어서, 고속 영역에서의 절삭 가공에 있어서의 내마모성이 향상된다.

〔5〕상기 공구 기체는 브레이징재를 개재하여 대좌에 접합되고, 상기 대좌는 초경합금으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는〔1〕~〔4〕중 어느 하나에 기재된 표면 피복 절삭 공구.

상기 구성에 의하면, 예를 들어, 공구 기체보다 재료비가 낮은 대좌에 공구 기체를 접합함으로써, 상기 서술한 절삭 특성을 확보하면서 비용 저감을 실현할 수 있다.

본 발명에 의하면, 고속 영역에서의 절삭 가공에 있어서의 내마모성이 우수하고, 공구 수명이 긴 표면 피복 절삭 공구를 제공할 수 있다.

도 1 은 인서트의 일례의 사시도이다.
도 2 는 홀더에 인서트를 장착한 외경 가공용 절삭 공구의 일례의 평면도이다.
도 3 의 (A) 는, 실시예 1 에 있어서의, X 선 회절에 의한 피복층의 측정 결과를 나타내는 설명도이다. 도 3 의 (B) 는, 비교예 3 에 있어서의, X 선 회절에 의한 피복층의 측정 결과를 나타내는 설명도이다.
도 4 의 (A) 는, 공구 기체 및 대좌의 구성을 나타내는 사시도이다. 도 4 의 (B) 는, 인서트의 구성을 나타내는 사시도이다.

1. 표면 피복 절삭 공구의 구성

표면 피복 절삭 공구는, WC 결정 입자와 절연성 입자를 포함하는 공구 기체의 표면에, Ti 와 Al 과 V 의 복합 질화물로 이루어지는 피복층을 갖는다. 복합 질화물은, 조성식 : Ti_aAl_bV_cN 으로 나타낸 경우에,

0.25 ≤ a ≤ 0.35

0.64 ≤ b ≤ 0.74

0 ＜ c ≤ 0.06

a ＋ b ＋ c = 1

(단, a, b, c 는 모두 원자비) 을 만족한다.

피복층은, X 선 회절에 있어서, 육방정에서 유래하는 피크와 입방정에서 유래하는 피크가 관찰된다.

(1) 공구 기체

공구 기체는, WC (탄화텅스텐) 결정 입자와 절연성 입자를 포함하고 있다. 공구 기체는, WC 결정 입자와 절연성 입자로 실질적으로 이루어지는 세라믹스 소결체이며, 고온에서 연화하는 성분을 실질적으로 포함하지 않는다. 여기서 말하는 고온에서 연화하는 성분이란, 고속 영역에서의 절삭 가공을 상정하고, 융점이 대략 1600 ℃ 이하인 Co, Fe, Ni 등의 금속을 예시할 수 있다. 또한, 세라믹스 소결체에는, 제조상 불가피적으로 불순물이 혼입되는 경우가 있다. 실질적으로 포함하지 않는다란, 전혀 포함하지 않아도 되고, 공구 기체의 작용 효과에 영향을 주지 않는 정도의 미량 (예를 들어 불가피적 불순물에 상당하는 양) 을 포함하고 있어도 된다.

절연성 입자는, 특별히 한정되지 않지만, Al₂O₃(알루미나), 사이알론, 및 질화규소로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1 종으로 할 수 있다. 본원 발명자들은, 이들 절연성 입자를 포함하는 공구 기체를 사용한 경우, 고속 영역에서의 절삭 가공에 있어서의 내마모성이 향상되는 것을 확인했다. 이것은, 상기 절연성 입자를 포함하는 공구 기체에서는, 공구 기체의 표면에 피복층을 코팅할 때에 불균일한 전압 분포를 일으키고, 결과적으로 피복층에 가해지는 압축 응력에 분포가 생겼기 때문이라고 생각된다. 이 응력 분포에 의해, 피복층의 결정을 육방정과 입방정의 혼상으로 할 수 있었던 것이라고 추측된다.

WC 결정 입자와 절연성 입자의 함유량은 특별히 한정되지 않는다. 공구 기체 전체를 100 vol% 로 한 경우에, WC 의 함유량이 20 vol% ~ 80 vol% 이며, 그 잔부를 절연성 입자를 구성하는 화합물 (Al₂O₃, 사이알론, 질화규소 등) 로 할 수 있다. WC 의 함유량이 20 vol% 이상이면, 공구 기체의 강도 및 경도가 향상된다. 또, WC 의 함유량이 80 vol% 이하이면, 절연성 입자의 함유량을 충분히 확보하여, 피복층을 코팅할 때의 전압 분포의 양상을 바람직한 것으로 할 수 있다. 또한, 본 발명에 있어서, 「vol% (체적%)」 란, 공구 기체에 포함되는 전체 물질의 체적의 총량을 100 % 로 했을 때의, 각 물질의 비율을 의미한다.

(2) 피복층

표면 피복 절삭 공구에 있어서의 피복층은, 공구 기체의 표면에 형성되어 있다. 피복층은, Ti 와 Al 과 V 의 복합 질화물로 이루어진다. 복합 질화물은, 조성식 : Ti_aAl_bV_cN 으로 나타낸 경우에, 하기의 관계식을 만족하고 있다.

0.25 ≤ a ≤ 0.35

0.64 ≤ b ≤ 0.74

0 ＜ c ≤ 0.06

a ＋ b ＋ c = 1

또한, 피복층은, 실질, 동일한 원소에 의해 구성된 단층의 피복층이며, SEM (주사형 전자현미경) 에 의한 관찰로, 구성 원소의 차이를 따르는 계면이 관찰되지 않는다.

상기 조성식에 있어서의 a 는, 0.25 ≤ a ≤ 0.35 이며, 0.26 ≤ a ≤ 0.35 인 것이 바람직하다. 상기 조성식에 있어서의 b 는, 0.64 ≤ b ≤ 0 .74 이며, 0.64 ≤ a ≤ 0.70 인 것이 바람직하다. 상기 조성식에 있어서의 c 는, 0 ＜ c ≤ 0.06 이며, 0 ＜ c ≤ 0.05 인 것이 바람직하고, 0 ＜ c ≤ 0.04 인 것이 보다 바람직하다.

a, b, c 가 상기 관계식을 만족하고 있는 경우에는, 고속 영역에서의 절삭 가공에 있어서의 절삭 공구의 내마모성이 향상된다.

예를 들어, 상기 조성식에 있어서 b 의 값이 작아지면 피복층에 있어서의 육방정의 비율이 작아지고 (육방정의 생성이 확인되지 않는 경우를 포함한다), b 의 값이 커지면 피복층에 있어서의 육방정의 비율이 커지는 경향이 있다. 따라서, b 의 값을 상기 범위 내로 함으로써, 피복층에 입방정 및 육방정을 적당히 혼재시켜, 입방정과 육방정 쌍방의 특성을 겸비한 피복층으로 할 수 있다. 또한, 입방정과 육방정 쌍방의 특성의 상세한 것은 후술한다.

또, 피복층에서는, 「0 ＜ c」로 되어 있고, V 성분은 필수로 되어 있다. V 를 첨가함으로써 피복층과 피삭재의 슬라이딩성을 향상시킬 수 있다. V 는 산화 개시 온도가 낮고, 우선적으로 산소를 흡착하여 V₂O₅ 를 형성한다. V₂O₅ 에는 피복층과 피삭재의 미끄러짐을 양호하게 유지하는 효과가 기대된다. 그러나, 「0.06 ＜ c」가 되면, V₂O₅ 의 효과가 지배적이 되어, 피복층의 경도, 및 내열성의 저하를 초래하는 경향이 있다. 따라서, 「0 ＜ c ≤ 0.06」으로 함으로써, 피복층의 경도, 및 내열성을 유지한 상태로, 피삭재의 미끄러짐을 양호하게 유지할 수 있다.

Ti 와 Al 과 V 의 복합 질화물로 이루어지는 피복층의 두께는, 특별히 한정되지 않는다. 피복층의 두께는, 충분한 내마모성을 확보하는 점에서, 바람직하게는 0.5 ㎛ 이상이며, 보다 바람직하게는 0.8 ㎛ 이상이며, 특히 바람직하게는 1.5 ㎛ 이상이다. 또한, 피복층의 두께는, 통상 10 ㎛ 이하이다.

피복층의 두께는, 표면 피복 절삭 공구를 절단하고, 그 단면을 SEM 에 의해 관찰하여 측정할 수 있다.

피복층에는, 육방정과 입방정이 혼재하고 있다. 육방정과 입방정이 혼재하고 있는 것에 대해서는, 피복층의 X 선 회절에 의해 확인할 수 있다. 도 3 에 Cu-Kα 선을 사용한 X 선 회절 장치를 사용하여 측정한 X 선 회절의 측정 결과의 일례를 나타낸다. 도 3 의 가로축은, 피크 위치의 회절각 2θ 이다. 세로축은, 회절 강도이며, 입방정 (200) 의 강도를 100 으로 하고 있다. 입방정의 (111) 면, 입방정의 (200) 면, 육방정의 (100) 면의 피크는, 각각 하기의 위치에서 관찰된다. 이들 위치에서의 피크의 유무에 의해, 육방정과 입방정의 존재를 확인할 수 있다. 도 3(A) 에 나타내는 본 발명의 일례의 피복층에서는, 육방정 및 입방정이 혼재하고 있어, 육방정 및 입방정의 어느 피크도 관찰된다. 한편, 도 3(B) 에 나타내는, 본 발명의 범위 외의 조성인 피복층에서는, 육방정이 존재하고 있지 않아, 32.6°부근에서 피크가 관찰되지 않는다. 또한, 도 3(A) 및 도 3(B) 에 있어서, 「● (흑색 동그라미)」 는, WC 유래의 피크를 나타낸다.

·입방정의 (111) 면의 피크…37.7°

·입방정의 (200) 면의 피크…43.8°

·육방정의 (100) 면의 피크…32.6°

본 실시형태에서는, 피복층을 X 선 회절로 측정하고, 육방정의 (100) 면의 피크 강도를 IA 로 하고, 입방정의 (200) 면의 피크 강도를 IB 로 했을 때에, 피크 강도비 (IA/IB) 의 값이 이하의 범위인 것이 바람직하다. 즉, 피크 강도비 (IA/IB) 의 값이 0.43 이상 0.86 이하인 것이 바람직하고, 0.43 이상 0.62 이하인 것이 보다 바람직하다.

피크 강도비 (IA/IB) 의 값은, 입방정에 대한 육방정의 존재 비율을 나타내고, 0.43 이상 0.86 이하인 것이 바람직하다. 상기 서술한 WC 결정 입자와 절연성 입자로 실질적으로 이루어지는 공구 기재는, 경도가 우수한 한편으로, 초경합금 등과 비교해 공구 기체 자체의 방열성이 뒤떨어져, 날끝이 고온이 되기 쉽다. 그 때문에, 피복층의 열전도율을 높게 하는 것이 효과적이다. 피크 강도비 (IA/IB) 의 값이 0.43 미만에서는 입방정의 영향이 지배적이 되어, 피복층의 경도는 상승하지만, 열전도율이 충분히 확보되지 않기 때문에, 피복층의 내산화성이 저하한다. 그러면, 고속 영역에서의 절삭열에 의한 피복층의 산화 반응이 촉진되어, 고속 영역에서의 절삭 가공에 있어서의 피복층의 내마모성이 저하할 우려가 있다.

한편, 피크 강도비 (IA/IB) 의 값이 0.86 보다 크면, 육방정의 영향이 지배적이 되어, 피복층의 열전도율이 향상되지만, 피복층의 경도가 저하하여, 피복층의 내마모성이 저하할 우려가 있다.

피크 강도비 (IA/IB) 의 값이 상기의 범위 내이면, 육방정의 특성에 의한 효과와, 입방정의 특성에 의한 효과를 효과적으로 양립시킬 수 있다.

본 실시형태에서는, 피복층의 X 선 회절에 있어서의 가장 피크 강도가 높은 피크는, 입방정의 (200) 면의 피크인 것이 바람직하다. 최강 피크가 입방정의 (200) 면의 피크인 경우에는, 고속 영역에서의 절삭 가공에 있어서의 피복층의 내마모성이 향상된다. 본원 발명자들은, 상기 a, b, c 의 관계식을 만족하는 조성이며, 또한, 육방정과 입방정이 혼재하는 본 실시형태의 피복층에서는, 입방정의 (200) 면의 피크가 최강 피크가 될 수 있는 것을 알아냈다. 그리고, 본 발명의 범위 외의 조성이며, 입방정의 (111) 면의 피크가 가장 높은 피복층을 갖는 공구와 비교해, 본 실시형태의 공구의 내마모성이 우수한 것을 확인했다. 또, 본원 발명자들은, Al 을 포함하는 피복층을 갖는 공구에 있어서, 입방정의 (111) 면보다 입방정의 (200) 면으로 우선 배향하면, 피막 밀도가 상대적으로 높아지므로, 내마모성이 효과적으로 향상된다는 지견을 별도로 얻었다. 이들 지견에 근거하여, 본 실시형태에 있어서는, 최강 피크가 입방정의 (200) 면의 피크인 경우에, 고속 영역에서의 절삭 가공에 있어서의 피복층의 내마모성이 향상된 것이라고 추측된다. 또한, 입방정의 (200) 면으로 우선 배향시키는 것은, 피복층 성막 시의 온도를 비교적 높게 함으로써 실현할 수 있다.

(3) Ti 와 Al 과 V 의 복합 질화물로 이루어지는 피복층 이외의 피복층

본 실시형태의 표면 피복 절삭 공구에는, Ti 와 Al 과 V 의 복합 질화물로 이루어지는 단층의 피복층 이외의 피복층 (이하, 「다른 피복층」이라고 한다) 을 가지고 있어도 된다.

다른 피복층으로서는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어, CrAlN 이 바람직하게 예시된다. 다른 피복층의 두께는, 특별히 한정되지 않는다. 다른 피복층은, Ti 와 Al 과 V 의 복합 질화물로 이루어지는 단층의 피복층보다, 내측 (공구 기체 측) 에 위치해도 되고, 외측에 위치해도 된다. 또, 다른 피복층의 수는 특별히 한정되지 않고, 단층, 복층 중 어느 것이어도 된다. 또, 다른 피복층이 복층인 경우에는, 동일 조성의 층이 적층되어 있어도 되고, 상이한 조성의 층이 적층되어 있어도 된다.

(4) 표면 피복 절삭 공구의 종류

표면 피복 절삭 공구는, 절삭 가공에 사용되는 종래 공지된 여러 가지 절삭 공구에 적용할 수 있다. 표면 피복 절삭 공구로서, 선삭 가공용 또는 프레이즈 가공용 날끝 교환형 팁 (절삭 인서트, 스로우 어웨이 팁), 드릴, 엔드 밀, 메탈 소, 치절 공구, 리머, 탭을 바람직하게 예시할 수 있다. 또한, 본 발명의 절삭 공구는, 광의의 절삭 공구이며, 선삭 가공, 프레이즈 가공 등을 실시하는 공구 전반을 말한다.

본 실시형태의 표면 피복 절삭 공구는, 예를 들어, 합금강의 고속 가공에 사용하는 절삭 공구로서 바람직하게 사용할 수 있다.

표면 피복 절삭 공구의 일례를 도시하여 설명한다. 도 1 은, 표면 피복 절삭 공구의 일례인 인서트 (1) 를 나타내고 있다. 도 2 는, 인서트 (1) 를 장착한 외경 가공용 절삭 공구 (A) 를 나타내고 있다. 외경 가공용 절삭 공구 (A) 는, 외경 가공용 홀더 (2) 와, 이것에 세트된 인서트 (1) 와, 인서트 (1) 를 누르는 누름쇠 (3) 를 구비하고 있다.

표면 피복 절삭 공구의 다른 예를 도시하여 설명한다. 도 4(B) 는, 표면 피복 절삭 공구의 일례인 인서트 (10) 를 나타내고 있다. 또한, 도 4(B) 에 있어서는, 설명의 편의를 위해서, 피복층을 생략하고 인서트 (10) 를 모식적으로 그리고 있다. 인서트 (10) 는, 공구 기체 (11) 가 대좌 (13) 에 접합된 접합체이다. 상기 서술한 피복층은, 공구 기체 (11) 가 대좌 (13) 에 접합된 상태로, 공구 기체 (11, 11) 및 대좌 (13) 의 표면에 형성되어 있다. 인서트 (10) 의 형상은 직방체 형상이고, DNGA150408 에 해당하는 형상이다. 이 인서트 (10) 는, 홀더에 고정하기 위한 구멍을 대좌 (13) 에 가지고 있어도 되고, 그 이외의 고정 구조에 의해 홀더에 고정되어도 된다.

도 4(A) 에 나타내는 바와 같이, 공구 기체 (11) 는, 삼각기둥 형상이며, 인서트 (10) 에 있어서의 날끝 부분을 구성한다. 대좌 (13) 의 기본적인 형상은 직방체이며, 그 2 개의 정점 (13A, 13B) 에 있어서, 공구 기체 (11) 의 분만큼 절결되어 있다. 공구 기체 (11, 11) 는, 2 개의 정점 (13A, 13B) 에, 브레이징재를 개재하여 접합된다. 대좌 (13) 는 초경합금으로 이루어진다. 이 초경합금으로서는 WC (탄화텅스텐) 와 코발트 바인더로 이루어지는 것을 예시할 수 있다.

(5) 실시형태의 표면 피복 절삭 공구의 효과

본 실시형태의 표면 피복 절삭 공구에서는, 공구 기체를 고온에서 연화하는 성분을 실질적으로 포함하지 않는 것으로 함으로써, 고속 영역에서의 절삭열에 의한 공구 손상을 억제할 수 있다.

또한, WC 결정 입자와 절연성 입자를 포함하는 공구 기체를, 육방정을 포함하는 피복층으로 피복하기 때문에, 날끝의 온도 상승이 억제되어, 표면 피복 절삭 공구의 장수명화를 도모할 수 있다. 일반적으로 열전도율이 낮은 절연성 입자를 포함하는 공구 기체에서는, 초경합금 등과 비교해 공구 기체 자체의 방열성이 뒤떨어져, 날끝이 고온이 되기 쉽다. 본 실시형태에서는, 피복층에 육방정과 입방정이 혼재하기 때문에, 입방정 단일상의 피복층의 경우와 비교해, 피복층의 열전도율이 높아져, 피복층으로부터의 방열이 촉진된다. 이 때문에, 절연성 입자를 포함하는 공구 기체를 채용한 경우여도, 육방정을 포함하는 피복층으로 함으로써, 날끝 온도의 상승이 억제된 것이라고 생각된다. 그리고, 날끝 온도의 상승이 억제됨으로써, 공구 기체의 산화가 억제되어, 고속 영역에서의 절삭 가공에 있어서의 내마모성이 향상된 것이라고 추측된다.

또, 피복층에 육방정과 입방정이 혼재함으로써, 입방정 단일상과 비교해 피복층의 내산화 온도 (산화 개시 온도) 가 높아진다. 이 때문에, 고속 영역에서의 절삭열에 의한 피복층의 산화 반응이 억제되어, 고속 영역에서의 절삭 가공에 있어서의 피복층의 내마모성이 향상된다.

본 실시형태에서는, WC 결정 입자와 절연성 입자를 포함하는 공구 기체의 표면에 특정한 조성식의 Ti 와 Al 과 V 의 복합 질화물로 이루어지는 피복층을 가지므로, 육방정과 입방정이 균형있게 혼재 (분산) 하여, 육방정의 특성에 의한 효과와, 입방정의 특성에 의한 효과를 양립시킬 수 있다.

이들의 결과, 본 실시형태에서는, 고속 영역에서의 절삭 가공에 있어서의 내마모성이 우수하고, 공구 수명이 긴 표면 피복 절삭 공구를 제공할 수 있다.

공구 기체가 초경합금으로 구성된 대좌에 접합되어 있는 경우에는, 예를 들어, 공구 기체보다 재료비가 낮은 대좌에 공구 기체를 접합함으로써, 상기 서술한 절삭 특성을 확보하면서 비용 저감을 실현할 수 있다.

2. 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법

표면 피복 절삭 공구의 제조 방법은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 아크 이온 플레이팅 증발법에 의해, 공구 기체의 표면에, Ti 와 Al 과 V 의 복합 질화물로 이루어지는 단층의 피복층을 형성할 수 있다. 이 제조 방법에 있어서, 표면 피복의 형성 조건을 제어함으로써 원하는 표면 피복 절삭 공구를 얻을 수 있다. 본 실시형태에서는, 공구 기체의 표면에 형성되는, Ti 와 Al 과 V 의 복합 질화물로 이루어지는 피복층이 단층인 경우에는, 이 피복층의 형성에는 1 종류의 타겟 (증발원) 이 사용된다. 타겟으로서는, Al, Ti, 및 V 를 함유하는 합금제 타겟을 사용하고, 반응 가스로서 질소 가스를 사용한다.

또한, 합금제 타겟의 Al, Ti, 및 V 의 함유 비율을 조정함으로써, 표면의 피복층의 조성 및 결정상의 존재 비율을 조정할 수 있다.

실시예

실시예에 의해 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.

1. 표면 피복 절삭 공구의 제작

실시예 1 ~ 6 및 비교예 1 ~ 4, 6 에서는, 공구 기체로서 표 1 의 기체 조성 (vol%) 의 세라믹스 소결체를 사용했다. 비교예 5 에서는, 공구 기체로서 표 1 의 기체 조성 (vol%) 의 초경합금을 사용했다. 각 실시예 및 비교예에 있어서, 팁 형상은 ISO SNGN120408 Z02025 로 했다. 공구 기체를, 캐소드 아크 이온 플레이팅 장치에 설치했다.

진공 펌프에 의해 챔버 내를 감압함과 함께, 장치 내에 설치된 히터에 의해 공구 기체를 온도 550 ℃ 로 가열하고, 챔버 내의 압력이 3.0 × 10^-3 Pa 가 될 때까지 진공 처리를 실시했다. 다음으로, 아르곤 가스를 도입하여 챔버 내의 압력을 1.0 Pa 로 유지하고, 기체 바이어스 전원의 전압을 서서히 올리면서, -200 V 로 하고, 공구 기체의 표면의 클리닝을 15 분간 실시했다. 그 후, 아르곤 가스를 배기했다.

이어서, 상기 장치에 Al, Ti, 및 V 를 함유하는 합금제 타겟을 세트하고, 반응 가스로서 질소 가스를 도입하면서, 기체 온도 550 ℃, 반응 가스압 1.0 Pa, 기체 바이어스 전압을 -100 V 로 유지한 채로, 캐소드 전극에 100 A 의 아크 전류를 공급하고, 아크식 증발원으로부터 금속 이온을 발생시켜, 날끝에 1.5 ㎛ 의 피복층을 형성했다. 본 발명에서는 자력선이 피처리체까지 신장하여, 피처리체 근방에 있어서의 성막 가스의 플라스마 밀도가 종래의 증발원에 비해 현격히 높은 것을 특징으로 하는 증발원을 사용했다. 이와 같은 증발원을 사용함으로써 표면에 「매크로파티클」이라고 불리는 용융된 타겟 물질의 부착이 적어져, 표면 조도가 개선되고, 절삭 특성의 향상으로 이어진다. 따라서, 피복층의 성막에는 본 증발원을 사용하는 것이 유효하다.

이와 같이 하여, 하기 표 1 에 나타내는, 실시예 1 ~ 6, 비교예 1 ~ 6 의 표면 피복 절삭 공구를 얻었다. 얻어진 표면 피복 절삭 공구의 피복층을, Cu-Kα 선을 사용한 X 선 회절 장치 (리가쿠 제조의 RINT-TTR3) 로 측정했다.

또한, 실시예 1 ~ 6, 비교예 1 ~ 6 에서는, 합금제 타겟의 Al, Ti, 및 V 의 함유 비율을 조정함으로써, 표면의 피복층의 조성 및 결정상의 존재 비율이 하기의 표 1 과 같이 되었다.

2. 내마모성 시험

각 표면 피복 절삭 공구를 사용하여, 이하의 조건에 의한 절단 가공을 실시하고, 30 pass 가공 후의 날끝의 마모폭을 측정했다. 절삭 조건은, 피삭재를 SCM415 로 하고, 절삭 속도 250 m/min, 이송량 0.03 mm/rev, 절입 0.2 mm 로 했다. 이 조건에 있어서, 마모폭이 60 ㎛ 이하인 것을 본 발명의 표면 피복 절삭 공구로 할 수 있다.

3. 시험 결과

시험 결과를 표 1 에 나타낸다. 표 중, 「육방정 없음」은, X 선 회절 장치에 의한 측정으로, 육방정에서 유래하는 피크가 관찰되지 않는 것을 나타내고 있다 (비교예 3 의 측정 결과를 나타내는 도면 3(B) 참조).

피복층의 조성식 Ti_aAl_bV_cN 에서, 「0.25 ≤ a ≤ 0.35」, 「0.64 ≤ b ≤ 0.74」, 「0 ＜ c ≤ 0.06」모두를 만족하고, 육방정에서 유래하는 피크와 입방정에서 유래하는 피크가 관찰된 실시예 1 ~ 6 은, 비교예 1 ~ 6 과 비교해, 마모폭이 작다. 이 때문에, 실시예 1 ~ 6 에서는, 고속 영역에서의 절삭 가공에 있어서의 내마모성이 향상된 것이 확인되었다.

비교예 1 은, 피복층의 Al 의 함유량이 많기 때문에, 육방정의 영향이 강해져, 입방정의 특성을 발휘할 수 없고, 마모가 진행되었다고 생각된다. 또, 비교예 1 은, 최강 피크가 입방정의 (111) 면의 피크가 되어, 피복층의 내마모성이 저하하고, 마모가 진행되었다고 생각된다.

비교예 2 는, 피복층의 V 의 함유량이 많기 때문에, V₂O₅ 에 의한 피복층의 경도 및 내열성의 저하의 작용이 지배적이 되어, 마모가 진행되었다고 생각된다.

비교예 3 은, 피복층의 Al 의 함유량이 적기 때문에, 육방정이 생성되지 않아, 입방정 단일상이 되었다. 이 때문에, 육방정의 특성을 발휘할 수 없으므로 마모가 진행되었다고 생각된다.

비교예 4 는, 피복층의 Al 의 함유량이 많고, 또한, V 의 함유량이 많기 때문에, 육방정의 영향이 강하고, 또한, V₂O₅의 효과가 지배적이 되어, 마모가 진행되었다고 생각된다.

비교예 5 는, 공구 기체로서 초경합금을 사용했기 때문에, 공구 기체에 포함되는 Co 가 고온에서 연화하여 마모가 진행되었다고 생각된다. 또, 비교예 5 에서는, 공구 기체로서 초경합금을 사용했기 때문에, 육방정이 충분히 생성되지 않아, 마모가 진행되었다고 생각된다.

비교예 6 은, 피복층에 V 를 포함하지 않는 TiAlN 으로 이루어지는 피복층의 경우를 나타내고 있다. 비교예 6 에서는, V 가 함유되어 있지 않아, V₂O₅에 의한 피복층과 피삭재의 미끄러짐을 양호하게 유지하는 효과를 발휘할 수 없으므로, 마모가 진행되었다고 생각된다.

다음으로, 피크 강도비 (IA/IB) 의 값에 대해 검토한다. 실시예 1 ~ 6 은, 모두 피크 강도비 (IA/IB) 의 값이 0.43 이상 0.86 이하가 되어 있고, 마모폭이 작은 것이 확인되었다.

한편, 비교예 1, 4 는, 피크 강도비 (IA/IB) 가 0.86 을 초과한다. 비교예 2, 5 는, 피크 강도비 (IA/IB) 의 값이 0.43 미만이 되고, 비교예 3, 6 은, 육방정의 생성이 확인되지 않는다. 어느 비교예에 있어서도, 실시예보다 마모폭이 큰 것이 확인되었다.

이상의 결과로부터, 피크 강도비 (IA/IB) 의 값이 0.43 이상 0.86 이하인 경우에는, 고속 영역에서의 절삭 가공에 있어서의 내마모성이 향상되는 것이 확인되었다.

다음으로, 피복층의 X 선 회절에 있어서의 최강 피크와 마모폭의 관계에 대해 검토한다. 실시예 1 ~ 6 은, 모두 가장 피크 강도가 높은 피크가 입방정의 (200) 면의 피크가 되어 있고, 마모폭이 작다.

한편, 비교예 1 은, 가장 피크 강도가 높은 피크가 입방정의 (111) 면의 피크가 되어 있고, 실시예 1 ~ 6 보다 마모폭이 크다.

이상의 결과로부터, 가장 피크 강도가 높은 피크가 입방정의 (200) 면의 피크인 경우에는, 고속 영역에서의 절삭 가공에 있어서의 내마모성이 향상되는 것이 확인되었다.

4. 실시예의 효과

본 실시예에 의하면, 절삭 속도 250 m/min 이라는 고속 영역에서의 절삭 가공에 있어서의 내마모성을 향상시킬 수 있어, 공구 수명이 긴 표면 피복 절삭 공구를 제공할 수 있다.

＜다른 실시형태 (변형예)＞

또한, 이 발명은 상기의 실시예나 실시형태에 한정되는 것이 아니고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 여러 가지의 양태에 있어서 실시하는 것이 가능하다.

(1) 상기 실시형태에서는, 선삭 가공용을 일례로서 설명했지만, 본 발명은, 절삭 가공에 사용되는 여러 가지 절삭 공구에 적용할 수 있다. 또, 팁 형상은, 상기 서술한 것에 한정되지 않고, 여러 가지 형상으로 할 수 있다.

(2) 상기 실시형태에서는, 합금제 타겟의 Al, Ti, 및 V 의 함유 비율을 조정함으로써, 표면의 피복층의 결정상의 존재 비율을 조정했다. 이것 대신에, 기재의 조성을 조정하는 것이나, 캐소드 아크 이온 플레이팅 장치를 사용하여 피복층을 형성할 때의 각종 조건 (성막 조건) 을 조정하는 것에 의해, 표면의 피복층의 결정상의 존재 비율을 조정해도 된다.

1, 10 : 인서트 (표면 피복 절삭 공구)
2 : 외경 가공용 홀더
3 : 누름쇠
11 : 공구 기체
13 : 대좌
13A : 정점

Claims

WC 결정 입자와 절연성 입자를 포함하는 공구 기체의 표면에, Ti 와 Al 과 V 의 복합 질화물로 이루어지는 피복층을 갖는 표면 피복 절삭 공구로서,
상기 복합 질화물은,
조성식 : Ti_aAl_bV_cN
으로 나타낸 경우에,
0.25 ≤ a ≤ 0.35
0.64 ≤ b ≤ 0.74
0 ＜ c ≤ 0.06
a ＋ b ＋ c = 1
(단, a, b, c 는 모두 원자비) 을 만족하고,
상기 피복층은, X 선 회절에 있어서, 육방정에서 유래하는 피크와 입방정에서 유래하는 피크가 관찰되고,
상기 피복층을 X 선 회절로 측정하고,
상기 육방정의 (100) 면의 피크 강도를 IA 로 하고,
상기 입방정의 (200) 면의 피크 강도를 IB 로 했을 때에,
피크 강도비 (IA/IB) 의 값이 0.43 이상 0.86 이하인 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 피복층의 X 선 회절에 있어서의 가장 피크 강도가 높은 피크는, 입방정의 (200) 면의 피크인 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 절연성 입자는 Al₂O₃, 사이알론, 및 질화규소로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1 종인 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 공구 기체는 브레이징재를 개재하여 대좌에 접합되고, 상기 대좌는 초경합금으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
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