KR102600218B1

KR102600218B1 - 피복 절삭 공구

Info

Publication number: KR102600218B1
Application number: KR1020217018406A
Authority: KR
Inventors: 도모야 사사키
Original assignee: 가부시키가이샤 몰디노
Priority date: 2019-03-22
Filing date: 2019-12-10
Publication date: 2023-11-08
Also published as: KR20210092264A; US20220040769A1; EP3943222A1; JPWO2020194899A1; EP3943222A4; JP6969703B2; WO2020194899A1; CN113226604B; CN113226604A

Abstract

본 발명의 피복 절삭 공구는, 기재의 표면에 경질 피막을 갖는다. 경질 피막은, Al 이 50 원자％ 이상, Cr 이 30 원자％ 이상, Si 가 1 원자％ 이상 5 원자％ 이하의 Al 과 Cr 과 Si 의 질화물이다. 경질 피막은, Ar 을 0.02 원자％ 이하로 함유하고, 원자 비율 A 와 질소의 원자 비율 B 가 1.02 ≤ B/A ≤ 1.10 의 관계를 만족하고, 면심 입방 격자 구조의 (111) 면에서 기인하는 회절 피크가 최대 강도를 나타낸다. 경질 피막의 단면 관찰에 있어서, 원상당경이 3 ㎛ 이상인 드롭렛이 100 μ㎡ 당 1 개 미만이다. 경질 피막의 표면은, ISO25178 에서 규정되는 산 정점의 산술 평균 곡률 Spc (1/㎜) 의 값이 5000 이하이다.

Description

피복 절삭 공구

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

본원은 2019년 3월 22일에, 일본에 출원된 일본 특허출원 2019-055368호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

AlCrSi 의 질화물은 내마모성과 내열성이 우수한 막종이며 피복 절삭 공구에 널리 적용되고 있다. 일반적으로, 피복 절삭 공구에 적용하는 AlCrSi 의 질화물은 물리 증착법 중에서도 기재와의 밀착성이 우수한 아크 이온 플레이팅법을 사용하여 피복되어 있다. 단, 아크 이온 플레이팅법에서는 타깃 성분을 아크 방전에 의해 증발시켜 피복하기 때문에, 경질 피막은 불가피적으로 수 마이크로미터의 드롭렛을 많이 함유한다. 공구경(徑) 이 3 ㎜ 이하, 나아가서는 1 ㎜ 이하인 소경 공구에 피복했을 경우, 공구경에 대하여 경질 피막의 표면에 존재하는 드롭렛의 영향이 커지기 때문에, 가공 정밀도 및 공구 수명이 충분하지 않은 경우가 있다. 또, 공구에 대한 부하가 큰 사용 환경하에 있어서는, 경질 피막의 내부에 존재하는 드롭렛이 기점이 되어, 경질 피막의 파괴가 발생하는 경우가 있다.

한편, 물리 증착법 중에서도 타깃 성분을 아르곤 가스로 스퍼터링하여 피복하는 스퍼터링법에서는 드롭렛이 잘 발생하지 않기 때문에 평활한 경질 피막이 얻어진다. 단, 스퍼터링법은, 아크 이온 플레이팅법에 비해 타깃의 이온화율이 낮기 때문에, 경질 피막의 내부에 공극을 형성하기 쉽고, 경질 피막과 기재의 밀착성도 부족한 경향이 있다. 스퍼터링법에 있어서, 타깃의 이온화율을 높이는 수단으로서, 자장 밸런스를 의도적으로 무너뜨려 자력선의 일부를 기재측까지 연신시킨 언밸런스드 마그네트론 스퍼터링이 알려져 있다. 예를 들어, 특허문헌 1 은 언밸런스드 마그네트론 스퍼터링에 의해 AlCrSi 의 질화물을 피복하는 것을 개시하고 있다.

또, 최근에는, 타깃에 인가하는 전력을 순간적으로 높게 한 고출력 스퍼터링법으로 AlCrSi 의 질화물을 피복한 피복 절삭 공구도 제안되어 있다. 예를 들어, 특허문헌 2 에 개시되는 방법에서는, 스퍼터링법으로, Ti 타깃에 투입하는 최대 전력을 0.1 ∼ 0.2 MW 로 하여 기재의 표면에 미세한 Ti 의 화합물로 이루어지는 중간 피막을 형성한다. 이어서, 스퍼터링법으로, 타깃에 인가하는 전력을 4 kW 로 하여 중간 피막 상의 AlCrSi 의 질화물을 피복한다.

일본 공개특허공보 2005-344148호 일본 공개특허공보 2012-092433호

특허문헌 1, 2 에 기재된 바와 같이, 스퍼터링법으로 피복함으로써 경질 피막의 내부에 조대 (粗大) 한 드롭렛을 함유하지 않는 AlCrSi 의 질화물을 얻을 수 있다. 단, 스퍼터링법으로 피복한 경질 피막은 아크 이온 플레이팅법으로 피복한 경질 피막에 비해 치밀화가 충분하지 않고, 또 불가피적으로 Ar 을 많이 함유하기 쉽다. 그 때문에, 종래부터 제안되어 있는 스퍼터링법의 AlCrSi 의 질화물을 피복한 피복 절삭 공구는, 아크 이온 플레이팅법의 AlCrSi 의 질화물을 피복한 피복 절삭 공구에 비해 공구 손상이 크고, 내구성이 떨어지는 경향이 있어, 개선의 여지가 있었다.

본 발명은 상기의 사정을 감안하여, 스퍼터링법으로 피복한 AlCrSi 의 질화물의 내구성을 높이고, 내구성이 우수한 피복 절삭 공구를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 양태에 의하면, 기재의 표면에 경질 피막을 갖는 피복 절삭 공구로서,

상기 경질 피막은, 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 총량에 대하여, Al 이 50 원자％ 이상, Cr 이 30 원자％ 이상, Si 가 1 원자％ 이상 5 원자％ 이하의 Al 과 Cr 과 Si 의 질화물이고, 금속 (반금속을 포함한다) 원소와 비금속 원소의 총량에 대하여, Ar 이 0.02 원자％ 이하이고,

금속 (반금속을 포함한다) 원소, 질소, 산소, 탄소 및 Ar 의 합계를 100 원자％ 로 했을 경우의 상기 경질 피막의 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 원자 비율 A 와 질소의 원자 비율 B 가 1.02 ≤ B/A ≤ 1.10 의 관계를 만족하고,

X 선 회절 또는 투과형 전자 현미경을 사용한 제한 시야 회절 패턴의 강도 프로파일에 있어서, 면심 입방 격자 구조의 (111) 면에서 기인하는 회절 피크가 최대 강도를 나타내고,

상기 경질 피막의 단면 (斷面) 관찰에 있어서, 원상당경이 3 ㎛ 이상인 드롭렛이 100 μ㎡ 당 1 개 미만이고,

상기 경질 피막의 표면은, ISO25178 에서 규정되는 산 (山) 정점의 산술 평균 곡률 Spc (1/㎜) 의 값이 5000 이하인 피복 절삭 공구가 제공된다.

상기 경질 피막의 표면은, ISO25178 에서 규정되는 최대 높이 Sz 는 2.0 ㎛ 이하인 것이 바람직하다.

상기 경질 피막의 표면은, ISO25178 에서 규정되는 스큐니스 (Ssk) 의 값이 -1.5 이상 0 이하인 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 피복 절삭 공구의 내구성을 높일 수 있다.

도 1 은, 실시예 1 의 전자 현미경에 의한 단면 관찰 사진 (× 30000 배) 이다.
도 2 는, 실시예 1 의 전자 현미경에 의한 공구 부근의 표면 관찰 사진 (× 150 배) 이다.

본 발명자는, 스퍼터링법으로 성막되는 AlCrSi 의 질화물에 대해, 질소의 함유 비율을 높이고, 또한, 아르곤의 함유 비율을 낮게 함과 함께, 경질 피막의 표면의 "뾰족해짐" 을 보다 작게 함으로써, 내구성이 우수한 피복 절삭 공구가 되는 것을 확인하여 본 발명에 도달하였다.

이하, 본 발명의 실시형태의 상세한 내용에 대해서 설명한다.

본 실시형태의 피복 절삭 공구는, 공구의 표면에 AlCrSi 의 질화물로 이루어지는 경질 피막을 갖는 피복 절삭 공구이다.

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

＜성분 조성 알루미늄 (Al), 크롬 (Cr), 규소 (Si)＞

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 반금속을 포함하는 금속 원소 (이하, 금속 원소라고 기재한다) 의 총량에 대하여, Al 이 50 원자％ 이상, Cr 이 30 원자％ 이상, Si 가 1 원자％ 이상 5 원자％ 이하의 Al 과 Cr 과 Si 의 질화물이다.

AlCrSi 의 질화물은 내마모성과 내열성의 밸런스가 우수한 막종이며, 기재와의 밀착성도 우수하고, 특히 Al 의 함유 비율을 크게 함으로써 경질 피막의 내열성이 보다 향상된다. 또, Al 의 함유 비율을 크게 함으로써, 공구 표면에 산화 보호 피막이 형성되기 쉬워짐과 함께, 피막 조직이 미세해지기 때문에, 용착에 의한 경질 피막의 마모가 억제되기 쉬워진다. 또한, Al 의 함유 비율을 크게 함으로써, 절삭 저항이 저하되는 경향이 있다. 상기 서술한 Al 의 첨가 효과를 충분히 발휘하려면, 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 금속 원소 전체를 100 원자％ 로 했을 경우, Al 의 함유 비율을 50 원자％ 이상으로 한다. 나아가서는, Al 의 함유 비율을 55 원자％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, Al 의 함유 비율이 지나치게 커지면, 경질 피막의 결정 구조가 육방 최밀 충전 구조 (hcp 구조) 가 되기 쉽고, 취약해진다. 그 때문에, 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 금속 원소 전체를 100 원자％ 로 했을 경우, Al 의 함유 비율을 65 원자％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 나아가서는, Al 의 함유 비율을 60 원자％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 금속 원소 전체를 100 원자％ 로 했을 경우, Cr 의 함유 비율을 30 원자％ 이상으로 한다. 이에 따라, 경질 피막이 우수한 내마모성을 부여할 수 있다. 나아가서는, Cr 의 함유 비율을 35 원자％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, 경질 피막에 함유되는 Cr 의 함유 비율이 지나치게 커지면, 상기 서술한 Al 의 함유 비율을 크게 하는 효과가 잘 얻어지지 않는다. 그 때문에, 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 금속 원소 전체를 100 원자％ 로 했을 경우, Cr 의 함유 비율을 48 원자％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 나아가서는, Cr 의 함유 비율을 45 원자％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 금속 원소 전체를 100 원자％ 로 했을 경우, Si 의 함유 비율을 1 원자％ 이상 5 원자％ 이하로 한다. Al 과 Cr 의 질화물이 Si 를 함유함으로써, 피막 조직이 미세해지고 내마모성 및 내열성이 향상된다. 상기 서술한 Si 의 첨가 효과를 충분히 발휘하려면, 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 금속 원소 전체를 100 원자％ 로 했을 경우, Si 의 함유 비율을 1 원자％ 이상으로 한다. 한편, Si 의 함유 비율이 지나치게 커지면 피막 조직이 미세해지기 때문에 결정립계가 많아진다. 후술하는 Ar 은 경질 피막의 결정립계에 존재하기 쉽기 때문에, 결정립계가 많아지면 경질 피막에 포함되는 Ar 이 많아져, 피복 절삭 공구의 내구성이 저하된다. 또, Si 의 함유 비율이 커지면 피막 구조가 육방 최밀 충전 구조 (hcp 구조) 나 비정질이 되기 쉬워져, 피복 절삭 공구의 내구성이 저하된다. 그 때문에, 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 금속 원소 전체를 100 원자％ 로 했을 경우, Si 의 함유 비율을 5 원자％ 이하로 한다. 나아가서는, Si 의 함유 비율을 3 원자％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막의 금속 원소의 함유 비율은, 경면 가공한 경질 피막에 대해, 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, 최대값과 최소값을 제외한 3 점의 평균으로부터 구할 수 있다.

＜아르곤 (Ar) 함유량＞

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 금속 원소와 비금속 원소의 총량에 대하여, 아르곤 (Ar) 이 0.02 원자％ 이하이다. 경질 피막의 결함이 되는 조대한 드롭렛은, 스퍼터링법을 적용함으로써 발생 빈도를 저감시킬 수 있다. 한편, 스퍼터링법에서는 아르곤 이온을 사용하여 타깃 성분을 스퍼터링하기 때문에, 스퍼터링법으로 피복한 경질 피막은 아르곤을 함유할 수 있다. 특히, 아르곤은 경질 피막의 결정립계에 농화하기 쉬워, 결정 입경이 미립 (微粒) 이 되면 아르곤의 함유 비율이 커지는 경향이 된다. 단, 아르곤의 함유 비율이 커지면, 결정립계에 있어서 입자끼리의 결합력이 저하된다. 본 실시형태에 관련된 경질 피막과 같이, AlCrSi 의 질화물에 대해서도, 과다하게 포함되는 아르곤은 결함이 되기 때문에, 그 함유 비율을 일정 이하로 하는 것이 유효하다. 구체적으로는, 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 금속 원소와 비금속 원소의 총량에 대하여, 아르곤이 0.02 원자％ 이하이다. 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 금속 원소와 비금속 원소의 총량에 대하여, 아르곤이 0.01 원자％ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 경질 피막의 아르곤의 함유 비율이 0.02 원자％ 이하 혹은 0.01 원자％ 이하인 범위에는, 측정 장치의 검출 한계에 의해 값을 정확하게 평가하는 것이 어려운 범위가 포함된다. 이와 같은 미량인 함유량은, 아르곤을 사용하고 있지 않는 아크 이온 플레이팅법으로 피복한 경질 피막과 동일 레벨이다. 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 금속 원소와 비금속 원소의 총량에 대하여, 아르곤이 0.003 원자％ 이상으로 될 수 있다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막의 아르곤의 함유 비율은, 상기 서술한 금속 원소의 함유 비율의 측정과 마찬가지로, 경면 가공한 경질 피막에 대해, 전자 프로브 마이크로 애널라이저 장치 (EPMA) 를 사용하여 측정할 수 있다. 상기 서술한 금속 원소의 함유 비율의 측정과 마찬가지로, 경면 가공 후, 직경이 약 1 ㎛ 인 분석 범위를 5 점 분석하고, 최대값과 최소값을 제외한 3 점의 평균으로부터 구할 수 있다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막에 있어서는, 비금속 원소로는 질소 이외에 미량의 아르곤, 산소, 탄소가 포함될 수 있다. 경질 피막에 있어서의 아르곤의 함유 비율은, 금속 (반금속을 포함한다) 원소와 질소, 산소, 탄소, 아르곤의 함유 비율을 100 원자％ 로 하여 구할 수 있다.

＜금속 (반금속을 포함한다) 원소의 원자 비율 A 와 질소의 원자 비율 B＞

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 금속 (반금속을 포함한다) 원소와 질소, 산소, 탄소, 아르곤의 함유 비율을 100 원자％ 로 했을 경우의 상기 경질 피막의 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 원자 비율 A 와 질소의 원자 비율 B 가 1.02 ≤ B/A ≤ 1.10 의 관계를 만족한다. 원자 비율 A, B 의 값은, 상기한 측정 방법에 의한 EPMA 의 측정값을 사용한다. 경질 피막에 미량으로 포함될 수 있는 산소, 탄소, 아르곤을 고려한 다음에, 질소의 함유 비율을 높임으로써, 경질 피막의 내열성이 보다 향상되어 피복 절삭 공구의 내구성을 높일 수 있다.

B/A 의 값이 1.02 미만이면 완전한 질화물이 충분히 형성되기 어렵기 때문에, 경질 피막의 마이크로 조직 및 조성이 불균일해지기 쉽고, 피복 절삭 공구의 내구성이 저하되는 경향이 된다. 또, B/A 의 값이 1.10 보다 커지면 잔류 압축 응력이 높아져 경질 피막이 자기 파괴를 일으키기 쉬워진다.

B/A 의 보다 바람직한 범위는, 1.03 ≤ B/A ≤ 1.08 이다.

＜성분 조성 산소 (O), 탄소 (C)＞

본 실시형태에 관련된 경질 피막은 질화물이지만, 미량의 산소와 탄소를 함유할 수 있다. 이들 원소는 질화물 중에 미량인 산화물이나 탄화물을 형성하기 때문에, 경질 피막의 인성 (靭性) 을 저하시킬 수 있다. 경질 피막에 불가피적으로 함유되는 산소와 탄소를 저감할 수 있으면, Al 과 Cr 을 주체로 하는 질화물의 인성을 높일 수 있다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막에서는, 경질 피막에 함유되는 미세한 산화물을 최대한 줄이기 위해서, 산소의 함유 비율을 1.5 원자％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 나아가서는, 산소의 함유 비율을 1.0 원자％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또, 경질 피막에 함유되는 미세한 탄화물을 최대한 줄이기 위해서, 탄소의 함유 비율을 1.5 원자％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 나아가서는, 탄소의 함유 비율을 1.0 원자％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

산소와 탄소의 함유 비율은, 탄소, 질소, 산소, 아르곤, 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 합계의 함유 비율을 100 원자％ 로 하여 구하면 된다.

＜결정 구조＞

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, X 선 회절 또는 투과형 전자 현미경을 사용한 제한 시야 회절 패턴의 강도 프로파일에 있어서, 면심 입방 격자 구조 (fcc 구조) 의 (111) 면에서 기인하는 회절 피크가 최대 강도를 나타낸다. 요컨대, 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, fcc 구조가 주체의 결정 구조이다. (111) 면에서 기인하는 회절 피크가 최대 강도를 나타내는 Al 과 Cr 을 주체로 하는 질화물을 적용함으로써, 피복 절삭 공구의 내구성이 우수한 경향이 있다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 회절 패턴의 강도 프로파일에 있어서, fcc 구조의 (111) 면 이외에, fcc 구조의 (200) 면, fcc 구조의 (220) 면의 피크 강도를 갖는다. 또한, 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, X 선 회절에 있어서는 육방 최밀 충전 구조 (hcp 구조) 의 회절 피크는 확인되지 않지만, 투과형 전자 현미경을 사용한 제한 시야 회절 패턴의 강도 프로파일에 있어서는, 일부에 hcp 구조의 회절 피크를 갖는 경우가 있다.

＜드롭렛＞

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 단면 관찰에 있어서 원상당경이 3 ㎛ 이상인 드롭렛이 100 μ㎡ 당 1 개 미만이다. 본 실시형태에서는, 경질 피막에 포함되는 Ar 의 함유 비율을 낮게 한 다음에, 경질 피막의 내부에 포함되는 드롭렛을 저감한다. 물리 증착법으로 피복하는 경질 피막에서는, 드롭렛이 주된 물리적인 결함이 될 수 있다. 특히, 공구경이 3 ㎜ 이하, 나아가서는 1 ㎜ 이하인 소경 공구가 되면, 공구 성능에 미치는 드롭렛의 영향도가 커지기 때문에, 조대한 드롭렛의 발생 빈도를 저감함으로써, 피복 절삭 공구의 내구성을 높일 수 있다. 특히, 매우 큰 드롭렛은 경질 피막의 내부에 약간 존재해도 큰 파괴의 기점이 될 수 있다. 그 때문에, 본 실시형태에 있어서는, 경질 피막의 단면 관찰에 있어서, 원상당경이 3 ㎛ 이상인 드롭렛이 100 μ㎡ 당 1 개 미만으로 한다. 나아가서는, 단면 관찰에 있어서, 원상당경이 5 ㎛ 이상인 드롭렛이 없는 것이 바람직하다.

본 실시형태에 있어서는, 경질 피막의 단면 관찰에 있어서, 원상당경이 1 ㎛ 이상인 드롭렛을 100 μ㎡ 당 5 개 이하로 하는 것이 바람직하다. 나아가서는, 단면 관찰에 있어서, 원상당경이 1 ㎛ 이상인 드롭렛이 100 μ㎡ 당 3 개 이하인 것이 바람직하다.

또한, 원상당경이란, 단면 관찰에 있어서, 드롭렛의 면적과 동일한 면적을 갖는 진원의 직경이다.

경질 피막의 단면 관찰에 있어서 드롭렛을 평가하려면, 경질 피막을 경면 가공한 후, 수속 이온 빔법으로 시료로 가공하고, 전자 현미경을 사용하여, 경질 피막의 경면 가공된 면을 관찰한다. 평가에 있어서는, 5,000 ∼ 10,000 배로 복수의 시야를 관찰하면 된다.

본 실시형태에 관련된 피복 절삭 공구의 표면은, ISO25178 에서 규정되는 산술 평균 높이 Sa 를 0.1 ㎛ 이하, 최대 높이 Sz 를 3.0 ㎛ 이하로 한 다음에, 산 정점의 산술 평균 곡률 Spc (1/㎜) 의 값을 5000 이하로 한다.

본 발명자는, 일반적인 선 평가에서의 표면 조도인 산술 평균 조도 Ra 나, 최대 높이 조도 Rz 를 평활하게 하는 것만으로는 공구 성능의 편차가 커지는 경우가 있어, 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 알아냈다. 여기서, 산 정점의 산술 평균 곡률 Spc 란, 산의 정점이 뾰족해져 있는 정도의 지표이다. 산 정점의 산술 평균 곡률 Spc 의 값이 작으면, 다른 물체와 접촉하는 산의 정점이 둥그스름한 상태를 나타낸다. 산 정점의 산술 평균 곡률 Spc 의 값이 크면, 다른 물체와 접촉하는 산의 정점이 뾰족해져 있는 상태를 나타낸다. 피복 절삭 공구의 표면에 있어서, 산 정점의 산술 평균 곡률 Spc 의 값을 보다 작게 함으로써, 플랭크면의 표면의 "뾰족해짐" 이 보다 작아져, 마모가 보다 억제되기 쉬워진다. 본 실시형태에 관련된 피복 절삭 공구의 표면에 대해, 산술 평균 높이 Sa 를 0.1 ㎛ 이하, 최대 높이 Sz 를 3.0 ㎛ 이하로 함으로써, 표면은 평활한 표면 상태가 된다. 또한, 본 실시형태에 관련된 피복 절삭 공구의 표면에 대해, 산 정점의 산술 평균 곡률 Spc (1/㎜) 의 값을 5000 이하로 함으로써, 플랭크면의 표면의 "뾰족해짐" 이 보다 적어져, 마모가 억제되기 쉬워진다. 나아가서는, 산 정점의 산술 평균 곡률 Spc (1/㎜) 의 값을 3000 이하로 하는 것이 바람직하다. 최대 높이 Sz 는 2.0 ㎛ 이하인 것이 바람직하다.

이와 같은 표면 상태를 달성하려면, 스퍼터링법에 의해, 공구에 경질 피막을 피복한 후에, 또한, 웨트 블라스트 처리나 연마제 등을 분사하여 날끝 처리를 실시하는 것이 바람직하다.

또한, 본 실시형태에 관련된 피복 절삭 공구에서는, ISO25178 에서 규정되는 스큐니스 (Ssk) 의 값이 -1.5 이상 0 이하인 것이 바람직하다. 스큐니스 (Ssk) 란, 높이 분포의 상대성을 나타내는 지표이다. 경질 피막에 드롭렛이 많으면 볼록부가 많아져, 스큐니스 (Ssk) 의 값이 0 보다 커진다. 한편, 경질 피막에 오목부가 많으면, 스큐니스 (Ssk) 의 값이 0 보다 작아진다. 드롭렛을 많이 갖는 경질 피막을 연마하면 볼록부가 연마되어, 스큐니스 (Ssk) 의 값은 0 보다 작아지지만, 드롭렛이 제거됨으로써 큰 오목부가 형성되어, 스큐니스 (Ssk) 의 값이 마이너스측으로 커진다. 스큐니스 (Ssk) 의 값을 -1.5 이상 0 이하로 함으로써, 표면이 요철이 보다 적은 보다 평활한 표면 상태가 되어 바람직하다. 또, 스큐니스 (Ssk) 의 값을 -1.0 이상 0 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 이와 같은 표면 상태를 달성하려면, 스퍼터링법에 의해, 공구에 경질 피막을 피복한 후에, 또한, 웨트 블라스트 처리나 연마제 등을 분사하여 날끝 처리를 실시하는 것이 바람직하다.

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

본 실시형태에 관련된 피복 절삭 공구의 표면 조도는, 주식회사 키엔스 제조의 형상 해석 레이저 현미경 (VK-X250) 을 사용하여, 컷오프값 0.25 ㎜, 배율 50 배로 관찰하여, 60 ㎛ × 100 ㎛ 의 영역을 3 개 지점 측정하고, 얻어진 측정값의 평균으로부터 구할 수 있다.

＜중간 피막＞

본 실시형태의 피복 절삭 공구는, 경질 피막의 밀착성을 보다 향상시키기 위해서, 필요에 따라, 공구의 기재와 경질 피막의 사이에 중간 피막을 형성해도 된다. 예를 들어, 금속, 질화물, 탄질화물, 탄화물 중 어느 것으로 이루어지는 층을 공구의 기재와 경질 피막의 사이에 형성해도 된다. 또, 중간 피막을 형성하지 않고 기재의 바로 위에 경질 피막을 형성해도 된다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막의 피복에서는, 3 개 이상의 AlCrSi 합금 타깃을 사용하여, 타깃에 순차 전력을 인가하여, 전력이 인가되는 타깃이 전환될 때에, 전력의 인가가 종료되는 타깃과 전력의 인가를 개시하는 타깃의 양방의 타깃에 동시에 전력이 인가되고 있는 시간을 형성하는 스퍼터링법을 적용한다. 이와 같은 스퍼터링법은 타깃의 이온화율이 높은 상태가 피복 중에 유지되어, 마이크로 레벨로 치밀한 경질 피막이 얻어짐과 함께, 불가피적으로 함유되는 아르곤, 산소 및 탄소가 적고, 질소의 함유 비율이 높아지는 경향이 있다. 그리고, 스퍼터링 장치의 노 (爐) 내 온도를 400 ℃ 이상 500 ℃ 이하로 하여 예비 방전을 실시하고, 노 내에 도입하는 질소 가스의 유량을 60 sccm 이상, 아르곤 가스의 유량을 70 sccm 이상 200 sccm 이하로 하는 것이 바람직하다. 또, 노 내 압력을 0.5 ㎩ ∼ 0.8 ㎩ 로 하는 것이 바람직하다. AlCrSi 합금 타깃은, 인가하는 전력의 1 주기당의 방전 시간이 길어지면, 아킹의 리스크가 높아져 성막이 잘 안정되지 않는 경향이 있다. 그 때문에, AlCrSi 합금 타깃에 인가하는 전력의 1 주기당의 방전 시간은 1.0 밀리초 이하로 하는 것이 바람직하다.

전력 펄스의 최대 전력 밀도는, 0.5 kW/㎠ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 단, 타깃에 인가하는 전력 밀도가 지나치게 커지면 성막이 잘 안정되지 않는다. 또, 전력 밀도가 지나치게 커지면, 스퍼터링법이더라도 드롭렛의 발생 빈도가 높아지는 경향이 있다. 그 때문에, 전력 펄스의 최대 전력 밀도는, 3.0 kW/㎠ 이하로 하는 것이 바람직하고, 나아가서는, 전력 펄스의 최대 전력 밀도는, 2.0 kW/㎠ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또, 전력의 인가가 종료되는 합금 타깃과 전력의 인가를 개시하는 합금 타깃의 양방의 합금 타깃에 동시에 전력이 인가되고 있는 시간은 5 마이크로초 이상 20 마이크로초 이하로 하는 것이, 경질 피막의 기본적인 특성을 높여 드롭렛을 저감시키는 데에 바람직하다.

실시예 1

＜공구＞

공구로서, 조성이 WC (bal.) - Co (8 질량％) - V (0.3 질량％) - Cr (0.4 질량％), 경도 94.0 HRA (로크 웰 경도, JIS G 0202 에 준하여 측정한 값) 로 이루어지는 초경합금제 날끝 교환식 공구 (미츠비시 히타치 툴 주식회사 제조) 를 준비하였다.

본 실시예 1 ∼ 3, 비교예 1 ∼ 3 에서는, 스퍼터 증발원을 6 기 탑재할 수 있는 스퍼터링 장치를 사용하였다. 이들 증착원 중, AlCrSi 합금 타깃 3 개를 증착원으로서 장치 내에 설치하였다. 또한, 치수가 Φ16 ㎝, 두께 12 ㎜ 의 타깃을 사용하였다.

공구를 스퍼터링 장치 내의 샘플 홀더에 고정시키고, 공구에 바이어스 전원을 접속하였다. 또한, 바이어스 전원은, 타깃과는 독립적으로 공구에 부 (負) 의 바이어스 전압을 인가하는 구조로 되어 있다. 공구는, 매분 2 회전으로 자전하고 또한, 고정 지그와 샘플 홀더를 개재하여 공전한다. 공구와 타깃 표면의 사이의 거리는 100 ㎜ 로 하였다.

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

＜봄바드 처리＞

먼저 공구에 경질 피막을 피복하기 전에, 이하의 순서로 공구에 봄바드 처리를 실시하였다. 스퍼터링 장치 내의 히터에 의해 노 내 온도가 450 ℃ 가 된 상태에서 30 분간의 가열을 실시하였다. 그 후, 스퍼터링 장치의 노 내를 진공 배기하고, 노 내 압력을 5.0 × 10^-3 ㎩ 이하로 하였다. 그리고, Ar 가스를 스퍼터링 장치의 노 내에 도입하고, 노 내 압력을 0.8 ㎩ 로 조정하였다. 그리고, 공구에 -200 V 의 직류 바이어스 전압을 인가하여, Ar 이온에 의한 공구의 클리닝 (봄바드 처리) 을 실시하였다.

＜경질 피막의 피복＞

이어서, 이하의 순서로 AlCrSi 의 질화물을 공구 상에 피복하였다.

노 내 온도를 450 ℃ 로 유지한 채로, 그리고, 스퍼터링 장치의 노 내에 Ar가스를 160 sccm 으로 도입하고, 그 후, N₂ 가스를 190 sccm 으로 도입하여 노 내 압력을 0.7 ㎩ 로 하였다. 공구에 -40 V 의 직류 바이어스 전압을 인가하고, 그리고, AlCrSi 합금 타깃에 인가되는 전력의 1 주기당의 방전 시간을 0.5 밀리초, 전력이 인가되는 합금 타깃이 전환될 때에, 전력의 인가가 종료되는 합금 타깃과 전력의 인가를 개시하는 합금 타깃의 양방의 합금 타깃에 동시에 전력이 인가되고 있는 시간을 10 마이크로초로 하여, 3 개의 AlCrSi 합금 타깃에 연속적으로 전력을 인가하여, 공구의 표면에 약 3.0 ㎛ 의 경질 피막을 피복하였다. 이 때, 전력 펄스의 최대 전력 밀도는, 1.0 kW/㎠, 평균 전력 밀도는 0.2 kW/㎠ 로 하였다.

본 실시예 1 ∼ 3 은 경질 피막을 피복 후에 연마제를 약 60 초간 분사하여 날끝 처리를 실시하였다.

비교예 1 ∼ 3 은 경질 피막을 피복 후에 날끝 처리를 실시하지 않았다.

비교예 4 ∼ 6 은 아크 이온 플레이팅 장치를 사용하였다. AlCrSi 합금 타깃을 증착원으로서 장치 내에 설치하였다. 또한, 치수가 Φ105 ㎜, 두께 16 ㎜ 의 타깃을 사용하였다. 본 실시예 1 과 마찬가지로, Ar 이온에 의한 공구의 클리닝 (봄바드 처리) 을 실시하였다. 이어서, 아크 이온 플레이팅 장치의 노 내 압력을 5.0 × 10^-3 ㎩ 이하로 진공 배기하여, 노 내 온도를 500 ℃ 로 하고, 노 내 압력이 5.0 ㎩ 가 되도록 N₂ 가스를 도입하였다. 이어서, 공구에 -150 V 의 직류 바이어스 전압을 인가하고, AlCrSi 합금 타깃에 150 A 의 전류를 인가하여, 공구의 표면에 약 3.0 ㎛ 의 경질 피막을 피복하였다.

비교예 4 ∼ 6 은 경질 피막을 피복 후에 연마제를 약 60 초간 분사하여 날끝 처리를 실시하였다.

＜피막 조성＞

경질 피막의 피막 조성은, 전자 프로브 마이크로 애널라이저 장치 (주식회사 니혼 전자 제조 JXA-8500F) 를 사용하여, 부속의 파장 분산형 전자 프로브 미소 분석 (WDS-EPMA) 으로 경질 피막의 피막 조성을 측정하였다. 물성 평가용의 볼엔드밀을 경면 가공하고, 가속 전압 10 ㎸, 조사 전류 5 × 10^-8 A, 도입 시간 10 초로 하고, 분석 영역이 직경 1 ㎛ 의 범위를 5 점 측정하고, 최대값과 최소값을 제외한 3 점의 평균값으로부터 경질 피막의 조성을 구하였다.

＜결정 구조·결정 입경＞

경질 피막의 결정 구조는, X 선 회절 장치 (주식회사 PaNalytical 제조 EMPYREA) 를 사용하여, 관 전압 45 ㎸, 관 전류 40 ㎃, X 선원 Cukα (λ = 0.15405 ㎚), 2θ 가 20 도 ∼ 80 도의 측정 조건으로 확인을 실시하였다. 또, 경질 피막의 최대의 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(111) / I(200) 을 산출하였다.

＜표면 조도＞

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

＜절삭 시험＞

제조한 피복 절삭 공구를 사용하여 절삭 시험을 실시하였다. 표 1 에 분석 결과 및 절삭 시험 결과를 나타낸다. 절삭 조건은 이하와 같다.

＜절삭 시험＞

(조건) 건식 가공

·공구 : 2 매 날 초경 (超硬) 볼엔드밀

·형번 : EPDBE2010-6, 공구 반경 0.5 ㎜

·절삭 방법 : 저면 (底面) 절삭

·피삭재 : STAVAX (52HRC) (Bohler Uddeholm 주식회사 제조) ·절입 : 축 방향 0.04 ㎜, 지름 방향 0.04 ㎜

·절삭 속도 : 75.4 m/min

·1 날 이송량 : 0.018 ㎜/날

·절삭 거리 : 15 m

·평가 방법 : 절삭 가공 후, 주사 전자 현미경을 사용하여 관찰 배율 1000 배로 관찰하고, 공구와 피삭재가 찰과한 폭을 측정하고, 그 중의 찰과폭이 가장 컸던 부분을 최대 마모폭으로 하였다. 각 시료에 대해, 피막 특성 및 피막 조직을 관찰하였다. 피막 특성 및 절삭 평가의 결과를 표 1 에 나타낸다.

＜표면 조도＞

＜절삭 시험＞

제조한 피복 절삭 공구를 사용하여 절삭 시험을 실시하였다. 표 1 에 분석 결과 및 절삭 시험 결과를 나타낸다. 절삭 조건은 이하와 같다. 측정예로서, 도 1 에, 본 실시예 1 의 경질 피막의 단면 관찰 사진을 나타내고, 도 2 에, 본 실시예 1 의 피복 절삭 공구의 절삭 시험 전의 표면 관찰 사진을 나타낸다. 도 1 은, 경질 피막 중의 드롭렛을 확인할 때에 촬영된 사진이다. 도 2 는, 절삭 후의 찰과폭의 측정에 있어서 촬영된 저배율 사진이다.

＜절삭 조건＞

(조건) 건식 가공

·공구 : 2 매 날 초경 볼엔드밀

·형번 : EPDBE2010-6, 공구 반경 0.5 ㎜

·절삭 방법 : 저면 절삭

·피삭재 : STAVAX (52HRC) (Bohler Uddeholm 주식회사 제조) ·절입 : 축방향 0.04 ㎜, 지름 방향 0.04 ㎜

·절삭 속도 : 75.4 m/min

·1 날 이송량 : 0.018 ㎜/날

·절삭 거리 : 15 m

본 실시예 1 ∼ 3, 비교예 1 ∼ 3 은 스퍼터링법으로 피복하고 있지만, 아크 이온 플레이팅법으로 피복한 비교예 4 ∼ 6 과 마찬가지로, 경질 피막은 아르곤을 거의 함유하고 있지 않았다. 또, 본 실시예 1 ∼ 3, 비교예 1 ∼ 3 은 경질 피막에 포함되는 원상당경이 1 ㎛ 이상의 조대한 드롭렛은 거의 없었다. 비교예 4 ∼ 6 은, 현재, 시장에서 적용되고 있는 아크 이온 플레이팅법으로 피복한 AlCrSi 의 질화물을 형성한 피복 절삭 공구이다.

본 실시예 1 ∼ 3 은 비교예 1 ∼ 6 에 비해 최대 마모폭이 작아지고, 또한, 공구 마모 치우침도 보다 적은 안정된 공구 손상 상태였다. 본 실시예 1 ∼ 3 은 드롭렛이 잘 발생하지 않는 스퍼터링법으로 피복한 후에, 연마제를 분무하여 평활화함으로써, 산술 평균 곡률 Spc (1/㎜) 의 값이 작고, 이에 따라 공구 손상 상태가 안정된 것으로 추정된다. 비교예 4 ∼ 6 은, 아크 이온 플레이팅법으로 피복했기 때문에, 경질 피막의 표면에 조대한 드롭렛이 많이 있었다. 그 때문에, 본 실시예 1 ∼ 3 과 마찬가지로 연마제를 분무하여 평활화해도, 본 실시예 1 ∼ 3 에 비해 산술 평균 곡률 Spc (1/㎜) 의 값이 커졌다. 이에 따라 본 실시예 1 ∼ 3 에 비해 최대 마모폭이 커진 것으로 추정된다.

Claims

기재의 표면에 스퍼터링법에 의해 피복된 경질 피막을 갖는 피복 절삭 공구로서,
상기 경질 피막은, 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 총량에 대하여, Al 이 50 원자％ 이상 65 원자％ 이하, Cr 이 30 원자％ 이상 48 원자％ 이하, Si 가 1 원자％ 이상 5 원자％ 이하의 Al 과 Cr 과 Si 의 질화물이고, 금속 (반금속을 포함한다) 원소와 비금속 원소의 총량에 대하여, Ar 이 0.003 원자％ 이상 0.02 원자％ 이하이고,
금속 (반금속을 포함한다) 원소, 질소, 산소, 탄소 및 Ar 의 합계를 100 원자％ 로 했을 경우의 상기 경질 피막의 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 원자 비율 A 와 질소의 원자 비율 B 가 1.02 ≤ B/A ≤ 1.10 의 관계를 만족하고,
X 선 회절 또는 투과형 전자 현미경을 사용한 제한 시야 회절 패턴의 강도 프로파일에 있어서, 면심 입방 격자 구조의 (111) 면에서 기인하는 회절 피크가 최대 강도를 나타내고,
상기 경질 피막의 단면 (斷面) 관찰에 있어서, 원상당경이 3 ㎛ 이상인 드롭렛이 100 μ㎡ 당 1 개 미만이고,
상기 경질 피막의 표면은, ISO25178 에서 규정되는 산 (山) 정점의 산술 평균 곡률 Spc (1/㎜) 의 값이 5000 이하인, 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 경질 피막의 표면은, ISO25178 에서 규정되는 최대 높이 Sz 는 2.0 ㎛ 이하인, 피복 절삭 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 경질 피막의 표면은, ISO25178 에서 규정되는 스큐니스 (Ssk) 의 값이 -1.5 이상 0 이하인, 피복 절삭 공구.