KR102623142B1

KR102623142B1 - 피복 절삭 공구

Info

Publication number: KR102623142B1
Application number: KR1020217023359A
Authority: KR
Inventors: 마사카즈 이사카; 료우타로우 후와
Original assignee: 가부시키가이샤 몰디노
Priority date: 2019-03-18
Filing date: 2020-03-03
Publication date: 2024-01-09
Also published as: EP3943224A1; CN113365768A; EP3943224A4; JP7277820B2; KR20210104146A; WO2020189252A1; US20220072622A1; JPWO2020189252A1

Abstract

피복 절삭 공구는, 질화물 또는 탄질화물로 이루어지는 b 층과, Al 을 55 원자％ 이상 75 원자％ 이하, 이어서 Cr 의 함유 비율이 많고, 또한, 적어도 Si 를 함유하는 질화물 또는 탄질화물의 c1 층과, Al 을 55 원자％ 이상 75 원자％ 이하, 이어서 Ti 를 많이 함유하는 질화물 또는 탄질화물의 c2 층이 각각 50 ㎚ 이하의 막 두께로 교대로 적층된 적층 피막인 c 층과, 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 총량에 대하여, Al 을 55 원자％ 이상 75 원자％ 이하, 이어서 Ti 의 함유 비율이 많고, Ti 의 함유 비율이 20 원자％ 이상인 질화물 또는 탄질화물인 d 층을 포함하는 경질 피막을 갖는다. c 층에 있어서의 AlN 의 hcp(010) 면에서 기인하는 피크 강도 Ih 와, 복수의 소정 결정상에서 기인하는 피크 강도의 합계 Is 가, Ih × 100/Is ≤ 15 의 관계를 만족한다.

Description

피복 절삭 공구

본 발명은, 피복 절삭 공구에 관한 것이다. 본원은, 2019년 3월 18일에, 일본에 출원된 특원 2019-050328호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

종래, 절삭 공구의 수명을 향상시키는 기술로서, 각종 세라믹스로 이루어지는 경질 피막을 절삭 공구의 표면에 피복하는 표면 처리 기술이 채용되고 있다. 경질 피막 중에서도 Al 과 Ti 를 주체로 하는 질화물은 내마모성과 내열성이 우수한 막종으로서 피복 절삭 공구에 널리 적용되고 있다.

통상적으로, Al 과 Ti 의 질화물은, Al 함유량이 많으면 내열성이 보다 높아지는 경향이 있다. 그러나, Al 함유량이 지나치게 많아지면 취약한 hcp 구조의 AlN 이 석출되어 경도가 저하하는 것이 알려져 있다. 예를 들어, 특허문헌 1 에는, 금속 (반금속을 포함한다) 원소 중 Al 의 함유 비율 (원자％) 이 60 ％ 이상이 됨으로써 AlTiN 의 경도가 저하하기 시작하는 것이 개시되어 있고, Al 의 함유 비율 (원자％) 이 70 ％ 인 경우, 결정 구조의 일부에 hcp 구조가 확인되어 있다.

한편, 최근에는 윤활성이나 내용착성을 개선하기 위해서, Al 의 함유 비율이 크고, hcp 구조의 AlN 을 함유하는 경질 피막을 피복 절삭 공구의 최표층에 형성하는 것도 제안되어 있다. 예를 들어, 특허문헌 2 에는, Al 과 Ti 의 질화물과 Al 과 Cr 의 질화물의 적층 피막의 상층에 우르츠광형 결정 구조 (hcp 구조) 로 이루어지는 AlTiN 을 베이스로 Cr 을 함유한 경질 피막을 형성한 피복 절삭 공구가 나타나 있다.

일본 공개특허공보 평8-209333호 국제 공개 번호 WO2014/002948호

본 발명자의 검토에 의하면, 종래부터 제안되어 있는 Al 과 Ti 의 질화물을 형성한 피복 절삭 공구에 대하여, 내구성에 개선의 여지가 있는 것을 확인하였다.

본 발명의 일 양태는,

기재와, 상기 기재 위에 형성되는 경질 피막을 구비하고,

상기 경질 피막은, 상기 기재 위에 배치되는, 질화물 또는 탄질화물로 이루어지는 b 층과,

상기 b 층 위에 배치되고, 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 총량에 대하여, 알루미늄 (Al) 을 55 원자％ 이상 75 원자％ 이하, 이어서 크롬 (Cr) 의 함유 비율이 많고, 또한, 적어도 실리콘 (Si) 을 함유하는 질화물 또는 탄질화물의 c1 층과, 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 총량에 대하여, 알루미늄 (Al) 을 55 원자％ 이상 75 원자％ 이하, 이어서 티탄 (Ti) 을 많이 함유하는 질화물 또는 탄질화물의 c2 층이 각각 50 ㎚ 이하의 막 두께로 교대로 적층된 적층 피막인 c 층과,

상기 c 층 위에 배치되는, 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 총량에 대하여, 알루미늄 (Al) 을 55 원자％ 이상 75 원자％ 이하, 이어서 티탄 (Ti) 의 함유 비율이 많고, 티탄 (Ti) 의 함유 비율이 20 원자％ 이상인 질화물 또는 탄질화물인 d 층

을 갖고,

상기 c 층은, 투과형 전자 현미경의 제한 시야 회절 패턴으로부터 구해지는 강도 프로파일에 있어서, 육방 최밀 충전 구조의 AlN 의 (010) 면에서 기인하는 피크 강도를 Ih 로 하고, 면심 입방 격자 구조의, AlN 의 (111) 면, TiN 의 (111) 면, CrN 의 (111) 면, AlN 의 (200) 면, TiN 의 (200) 면, CrN 의 (200) 면, AlN 의 (220) 면, TiN 의 (220) 면, 및 CrN 의 (220) 면에서 기인하는 피크 강도와, 육방 최밀 충전 구조의, AlN 의 (010) 면, AlN 의 (011) 면, 및 AlN 의 (110) 면에서 기인하는 피크 강도의 합계를 Is 로 했을 경우, Ih × 100/Is ≤ 15 의 관계를 만족하는 피복 절삭 공구이다.

또한, 상기 경질 피막의 총 막 두께에 대하여, 상기 c 층이 가장 두꺼운 막인 것이 바람직하다.

또한, 상기 c 층은, 기둥상 입자로 구성되어 있고, 상기 기둥상 입자의 평균 폭은 90 ㎚ 이하인 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 내구성이 우수한 피복 절삭 공구를 제공할 수 있다.

도 1 은, 실시형태의 피복 절삭 공구의 단면 구조를 나타내는 도면이다.
도 2 는, 본 실시예 1 의 적층 피막에 있어서의 제한 시야 회절 패턴의 일례이다.
도 3 은, 도 2 의 제한 시야 회절 패턴으로부터 구해지는 강도 프로파일의 일례이다.

본 발명자는, AlTi 계의 질화물 또는 탄질화물을 형성한 피복 절삭 공구에 대하여, 공구 수명을 개선하는 수법에 대하여 검토하였다. 본 발명자는, Al 이 풍부한 AlCr 계의 질화물 또는 탄질화물 (이하, AlCrN 계라고 기재하는 경우가 있다) 과 Al 이 풍부한 AlTi 계의 질화물 또는 탄질화물 (이하, AlTiN 계라고 기재하는 경우가 있다) 이 나노 레벨로 교대로 적층된 적층 피막을 형성하고, 또한 그 적층 피막의 마이크로 조직에 함유되는 hcp 구조의 AlN 을 저감시키고, 그 상층에 AlTi 계의 질화물 또는 탄질화물을 형성함으로써, 피복 절삭 공구가 보다 우수한 내구성을 나타내는 것을 알아내고, 본 발명에 도달하였다. 이하, 본 실시형태의 상세한 것에 대하여 설명한다.

본 실시형태의 피복 절삭 공구는, 예를 들어, 도 1 에 나타내는 단면 구조를 갖는다. 본 실시형태의 피복 절삭 공구는, 기재와, 기재 위에 형성되는 경질 피막을 갖는다. 경질 피막은, 기재측으로부터 순서대로, 필요에 따라 형성되는 a 층과, 질화물 또는 탄질화물로 이루어지는 b 층과, 적층 피막으로 이루어지는 c 층과, AlTi 계의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지는 d 층을 갖는다. 이하, 각 층에 대하여 상세하게 설명한다.

≪기재≫

본 실시형태의 피복 절삭 공구에 있어서는, 기재는 특별히 한정되지 않지만, 강도와 인성이 우수한 WC-Co 기 초경 합금을 기재로 하는 것이 바람직하다.

≪b 층≫

본 실시형태에 관련된 b 층은, 기재 위에 배치되는 질화물 또는 탄질화물이다. b 층은, 기재와 적층 피막인 c 층의 밀착성을 높이는 하지층이다. 기재 위에 배치되는 b 층이 질화물 또는 탄질화물임으로써, 기재와 경질 피막의 밀착성이 우수한 피복 절삭 공구가 된다. b 층은, 금속 (반금속을 포함한다. 이하, 동일) 원소의 총량에 대하여, Al 을 55 원자％ 이상으로 함유하는 것이 바람직하다. 나아가서는, b 층의 Al 은 60 원자％ 이상이 바람직하다. b 층을 Al 이 풍부하게 함으로써, 후술하는 Al 이 풍부한 적층 피막으로 이루어지는 c 층과의 조성차가 작아져 밀착성이 향상된다. 또한, b 층을 Al 이 풍부하게 함으로써, 경질 피막의 전체적으로 내열성이 높아진다. 나아가서는, b 층은, 내열성과 내마모성이 우수한 질화물인 것이 바람직하다. 단, b 층의 Al 의 함유 비율이 지나치게 커지면 취약한 hcp 구조의 AlN 이 많아진다. 그 때문에, b 층의 Al 은 75 원자％ 이하가 바람직하다. 또한, 적층 피막인 c 층과의 밀착성을 보다 높이기 위해서, b 층은 후술하는 c1 층 또는 c2 층이 함유하는 금속 원소를 함유하는 것이 바람직하다. 또한, b 층은, X 선 회절 또는 투과형 전자 현미경의 제한 시야 회절 패턴으로부터 구해지는 강도 프로파일에 있어서, fcc 구조에서 기인하는 피크 강도가 최대를 나타내는 것이 바람직하다. 이로써, b 층 위에 형성되는 Al 이 풍부한 적층 피막인 c 층에 있어서, c 층의 마이크로 조직에 함유되는 취약한 hcp 구조의 AlN 이 저감됨으로써, 피복 절삭 공구의 내구성이 향상된다. b 층은 질화물 또는 탄질화물이면, 조성이 상이한 복수의 층으로 구성되어도 된다.

b 층의 막 두께가 지나치게 얇아지면, 기재 또는 c 층과의 밀착성이 저하하기 쉬워진다. 한편, b 층의 막 두께가 지나치게 두꺼워지면 칩핑이 발생하기 쉬워진다. 피복 절삭 공구가 보다 우수한 내구성을 실현하기 위해서는, b 층의 막 두께는 0.1 ㎛ 이상 5.0 ㎛ 이하가 바람직하다. 나아가서는, b 층의 막 두께는 0.2 ㎛ 이상이 바람직하다. 나아가서는, b 층의 막 두께는 3.0 ㎛ 이하가 바람직하다. b 층의 막 두께의 상한치 및 하한치는 적절히 조합 가능하다.

≪c 층≫

본 실시형태에 관련된 c 층은, 상기 서술한 하지층인 b 층과, 후술하는 AlTi 계의 질화물 또는 탄질화물인 d 층 사이에 형성되는 Al 이 풍부한 적층 피막이다.

구체적으로는, c 층은, 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 총량에 대하여, 알루미늄 (Al) 을 55 원자％ 이상, 이어서 크롬 (Cr) 의 함유 비율이 많고, 또한, 적어도 실리콘 (Si) 을 함유하는 질화물 또는 탄질화물의 c1 층과, 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 총량에 대하여, 알루미늄 (Al) 을 55 원자％ 이상, 이어서 티탄 (Ti) 을 많이 함유하는 질화물 또는 탄질화물의 c2 층이 각각 50 ㎚ 이하의 막 두께로 교대로 적층된 적층 피막이다.

나아가서는, c 층은, 금속 원소의 총량에 대하여, 알루미늄 (Al) 을 55 원자％ 이상 75 원자％ 이하, 크롬 (Cr) 을 20 원자％ 이상, 실리콘 (Si) 을 1 원자％ 이상, 을 함유하는 질화물 또는 탄질화물의 c1 층과, 금속 부분의 총량에 대하여, 알루미늄 (Al) 을 55 원자％ 이상 75 원자％ 이하, 티탄 (Ti) 을 20 원자％ 이상, 을 함유하는 질화물 또는 탄질화물의 c2 층이 50 ㎚ 이하의 막 두께로 교대로 적층된 적층 피막인 것이 바람직하다. 조성계가 서로 상이한 Al 이 풍부한 AlCrN 계의 경질 피막과 Al 이 풍부한 AlTiN 계의 경질 피막이 나노 레벨로 교대로 적층됨으로써, 피막 파괴의 진전이 억제되기 쉬워진다. 또한, c 층 중에 hcp 구조의 AlN 을 함유하기 어려워져, 경질 피막의 전체적으로 내열성이 높아져 피복 절삭 공구의 내구성이 향상된다.

c 층의 평균 조성은, Al 의 함유 비율이 55 원자％ 이상 75 원자％ 이하인 것이 바람직하고, Al 의 함유 비율이 73 원자％ 이하인 것이 보다 바람직하다. 나아가서는, c 층의 평균 조성은, Al 의 함유 비율이 60 원자％ 이상 70 원자％ 이하인 것이 바람직하다. 또한, c 층의 평균 조성은, Cr 과 Ti 의 합계의 함유 비율이 20 원자％ 이상 40 원자％ 이하인 것이 바람직하다. 또한, c 층의 평균 조성은, Si 의 함유 비율이 0.5 원자％ 이상 5 원자％ 이하인 것이 바람직하다. 나아가서는, c 층의 평균 조성은, Si 의 함유 비율이 1 원자％ 이상 3 원자％ 이하인 것이 바람직하다. 또한, c 층의 평균 조성은, 500 ㎚ × 500 ㎚ 이상의 범위를 측정하여 산출하면 된다.

나아가서는, c 층은 마이크로 조직에 함유되는 hcp 구조의 AlN 이 적을 필요가 있다. 본 발명자는, c 층의 평가에 있어서 X 선 회절에서는 hcp 구조의 AlN 의 피크 강도가 확인되지 않는 경우에도, 마이크로 조직에는 취약한 hcp 구조의 AlN 을 함유하는 경우가 있는 것을 지견하였다. 그리고, 본 발명자는, c 층의 마이크로 조직에 포함되는 취약한 hcp 구조의 AlN 을 저감시킴으로써, 피복 절삭 공구의 내구성이 향상되는 것을 확인하였다.

경질 피막의 마이크로 조직에 존재하는 hcp 구조의 AlN 의 양을 정량적으로 평가하기 위해서는, 경질 피막의 가공 단면에 대하여, 투과형 전자 현미경을 사용하여 제한 시야 회절 패턴을 구하고, 제한 시야 회절 패턴으로부터 구해지는 강도 프로파일을 사용한다. 구체적으로는, 투과형 전자 현미경의 제한 시야 회절 패턴의 강도 프로파일에 있어서, Ih × 100/Is 의 관계를 평가한다. Ih 및 Is 는 이하와 같이 정의된다.

Ih : hcp 구조의 AlN 의 (010) 면에서 기인하는 피크 강도.

Is : fcc 구조의, AlN 의 (111) 면, TiN 의 (111) 면, CrN 의 (111) 면, AlN 의 (200) 면, TiN 의 (200) 면, CrN 의 (200) 면, AlN 의 (220) 면, TiN 의 (220) 면, 및 CrN 의 (220) 면에서 기인하는 피크 강도와, hcp 구조의, AlN 의 (010) 면, AlN 의 (011) 면, 및 AlN 의 (110) 면에서 기인하는 피크 강도의 합계.

상기 Ih 와 Is 의 관계를 평가함으로써, X 선 회절에 의해 hcp 구조의 AlN 에서 기인하는 피크 강도가 확인되지 않는 경질 피막에 있어서, 마이크로 조직에 포함되는 hcp 구조의 AlN 을 정량적으로 평가할 수 있다. Ih × 100/Is 의 값이 보다 작은 것은, c 층의 마이크로 조직에 존재하는 취약한 hcp 구조의 AlN 이 보다 적은 것을 의미한다. 본 발명자는, c 층에 있어서의 Ih × 100/Is 의 값이 15 보다 큰 경우, 가혹한 사용 환경하에 있어서는 피복 절삭 공구의 내구성이 저하하기 쉬워지는 것을 확인하였다. 본 실시형태에 있어서는, c 층이 Ih × 100/Is ≤ 15 를 만족하는 구성으로 함으로써, 양호한 내구성을 갖는 피복 절삭 공구를 실현하였다. 나아가서는, 본 실시형태의 피복 절삭 공구는, c 층이 Ih × 100/Is ≤ 10 을 만족하는 구성인 것이 바람직하다. 나아가서는, 본 실시형태의 피복 절삭 공구는, c 층이 Ih × 100/Is ≤ 5 를 만족하는 구성인 것이 바람직하다. 나아가서는, 본 실시형태의 피복 절삭 공구는, c 층에 있어서 hcp 구조의 AlN 의 (010) 면에서 기인하는 피크 강도가 확인되지 않는 구성, 즉, c 층이 Ih × 100/Is = 0 을 만족하는 구성인 것이 바람직하다. 또한, 제한 시야 회절 패턴에 있어서, hcp 구조의 AlN 의 회절 패턴이 확인되는 경우에도, 그 양이 미량이면, 강도 프로파일에는 피크가 나타나지 않고 Ih × 100/Is 의 값은 0 이 되는 경우가 있다. c 층의 제한 시야 회절 패턴에 있어서, hcp 구조의 AlN 이 확인되지 않는 것이, 피복 절삭 공구의 내구성을 보다 높이기 때문에 바람직하다.

c 층의 마이크로 조직은 미세한 기둥상 입자로 구성된다. c 층을 구성하는 기둥상 입자는, 적층 피막의 막 두께 방향 (적층 방향) 을 따라 연장된다. c 층이 미립의 기둥상 입자로 구성됨으로써, 경질 피막의 경도와 인성이 높아지는 경향이 있다. 경질 피막의 경도와 인성을 모두 높이기 위해서는, c 층의 기둥상 입자의 평균 폭은 90 ㎚ 이하가 바람직하다. 단, 기둥상 입자의 폭이 지나치게 작아지면 경질 피막의 인성이 저하된다. 그 때문에, c 층의 기둥상 입자의 평균 폭은 30 ㎚ 이상이 바람직하다. 기둥상 입자의 폭은, 투과형 전자 현미경을 사용한 단면 관찰 이미지에 의해 확인할 수 있다. 기둥상 입자의 평균 폭은, 단면 관찰 이미지에 의해 확인한 10 개 이상의 기둥상 입자의 폭의 평균치로서 산출한다.

≪c1 층≫

c1 층은, 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 총량에 대하여, 알루미늄 (Al) 을 55 원자％ 이상 75 원자％ 이하, 이어서 크롬 (Cr) 의 함유 비율이 많고, 또한, 적어도 실리콘 (Si) 을 함유하는 질화물 또는 탄질화물이다. 나아가서는, c1 층은, 금속 원소의 총량에 대하여, 알루미늄 (Al) 을 55 원자％ 이상 75 원자％ 이하, 크롬 (Cr) 을 20 원자％ 이상, 실리콘 (Si) 을 1 원자％ 이상, 을 함유하는 질화물 또는 탄질화물인 것이 바람직하다.

Al 과 Cr 을 베이스로 하는 질화물 또는 탄질화물은 내열성이 우수한 막종이다. 특히 Al 의 함유 비율이 커지면 경질 피막의 내열성이 향상되는 경향이 있고, 피복 절삭 공구의 내구성이 향상된다. 나아가서는, c1 층은, 내열성과 내마모성이 우수한 질화물인 것이 바람직하다. 경질 피막에 높은 내열성을 부여하기 위해서, c1 층은 Al 을 55 원자％ 이상으로 함유한다. 나아가서는 c1 층의 Al 함유 비율은 60 원자％ 이상이 바람직하다. 단, Al 의 함유 비율이 지나치게 커지면, 마이크로 조직에 함유되는 취약한 hcp 구조의 AlN 이 많아지기 때문에, 경질 피막의 내구성이 저하된다. 그 때문에, c1 층의 Al 함유 비율은 75 원자％ 이하로 한다. c1 층의 Al 함유 비율은 73 원자％ 이하, 나아가서는 70 원자％ 이하가 바람직하다.

Al 과 Cr 을 베이스로 하는 질화물 또는 탄질화물은, Cr 의 함유 비율이 지나치게 작아지면 내마모성이 저하된다. 경질 피막에 높은 내마모성을 부여하기 위해서, c1 층은 Cr 을 20 원자％ 이상으로 함유하는 것이 바람직하다. c1 층은 AlCr 계의 질화물 또는 탄질화물로 하기 위해서, Al 에 이어서 Cr 을 많이 함유한다. 단, c1 층에 있어서 Cr 의 함유 비율이 지나치게 커지면, 상대적으로 Al 의 함유 비율이 저하하기 때문에, 내열성이 저하된다. 그 때문에, c1 층의 Cr 함유 비율은 40 원자％ 이하, 나아가서는 35 원자％ 이하가 바람직하다.

c1 층은, 적층 피막의 내열성과 내마모성을 보다 높이기 위해서, 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 총량에 대하여, Al 과 Cr 의 함유 비율의 합계가 85 원자％ 이상인 것이 바람직하다.

Al 과 Cr 의 질화물 또는 탄질화물은 Si 원소를 함유함으로써, 피막 조직이 미세해지고 내마모성과 내열성이 보다 향상된다. 그 때문에, c1 층이 Si 를 함유함으로써, 적층 피막의 전체의 내마모성과 내열성이 향상된다. Si 의 첨가 효과를 충분히 나타내기 위해서는, c1 층은 Si 를 1 원자％ 이상으로 함유하는 것이 바람직하다. 단, Si 의 함유 비율이 지나치게 커지면, 마이크로 조직에 포함되는 hcp 구조의 AlN 이나 비정질상이 증가하기 때문에 내구성이 저하된다. 그 때문에, c1 층의 Si함유 비율은 5 원자％ 이하, 나아가서는 3 원자％ 이하가 바람직하다.

c1 층과 c2 층은 나노 레벨로 교대로 적층되어 있기 때문에, 피복시에 서로의 조성이 혼합된다. 또한, 서로의 조성이 확산될 수 있다. 그 때문에, c1 층에는 c2 층에 필수로 포함되는 Ti 를 함유할 수 있다. 단, 조성계가 상이한 Al 이 풍부한 AlCrN 계의 경질 피막과 Al 이 풍부한 AlTiN 계의 경질 피막을 적층시키기 위해서, c1 층의 Ti 의 함유 비율은 c2 층의 Ti 의 함유 비율보다 적게 한다.

c1 층은 Al 과 Cr 과 Si 이외의 금속 원소를 함유할 수 있다. c1 층은, 예를 들어, 경질 피막의 내마모성이나 내열성이나 윤활성 등의 향상을 목적으로 하여, 주기율표의 4a 족, 5a 족, 6a 족의 원소 및 B, Y 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 원소이고, 함유 비율이 과다해지지 않으면 피복 절삭 공구의 내구성을 현저하게 저하시키는 경우는 없다.

단, c1 층이 Al 과 Cr 과 Si 이외의 금속 원소를 많이 함유하면 AlCrN 계의 경질 피막으로서의 기초 특성이 손상되어 피복 절삭 공구의 내구성이 저하된다. 그 때문에, c1 층은 Al 과 Cr 과 Si 이외의 금속 원소의 합계가, 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 총량에 대하여, 25 원자％ 이하, 나아가서는 20 원자％ 이하, 나아가서는 15 원자％ 이하인 것이 바람직하다.

≪c2 층≫

c2 층은, 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 총량에 대하여, 알루미늄 (Al) 을 55 원자％ 이상 75 원자％ 이하, 이어서 티탄 (Ti) 을 많이 함유하는 질화물 또는 탄질화물이다. 나아가서는, c2 층은, 금속 원소의 총량에 대하여, 알루미늄 (Al) 을 55 원자％ 이상 75 원자％ 이하, 티탄 (Ti) 을 20 원자％ 이상, 으로 함유하는 질화물 또는 탄질화물인 것이 바람직하다. Al 과 Ti 를 주체로 하는 질화물 또는 탄질화물은, 내마모성 및 내열성이 우수한 막종이다. 특히, Al 의 함유 비율이 커지면 경질 피막의 내열성이 향상되는 경향이 있고, 피복 절삭 공구의 내구성이 향상된다. 나아가서는, c2 층은, 내열성과 내마모성이 우수한 질화물인 것이 바람직하다. 경질 피막에 높은 내열성을 부여하기 위해서, c2 층은 Al 을 55 원자％ 이상으로 함유한다. 나아가서는 c2 층의 Al 은 60 원자％ 이상이 바람직하다. 단, Al 의 함유 비율이 지나치게 커지면, hcp 구조의 AlN 이 많아지기 때문에, 경질 피막의 내구성이 저하된다. 그 때문에, c2 층의 Al 의 함유 비율은 75 원자％ 이하로 한다. c2 층의 Al 함유 비율은 73 원자％ 이하, 나아가서는 70 원자％ 이하가 바람직하다.

Al 과 Ti 를 베이스로 하는 질화물 또는 탄질화물은 Ti 의 함유 비율이 지나치게 작아지면 내마모성이 저하된다. 그 때문에, c2 층은 Ti 를 20 원자％ 이상으로 함유하는 것이 바람직하다. c2 층은 AlTi 계의 질화물 또는 탄질화물로 하기 위해서, Al 에 이어서 Ti 를 많이 함유한다. 단, Ti 의 함유 비율이 지나치게 커지면, 상대적으로 Al 의 함유 비율이 저하하기 때문에, 내열성이 저하된다. 그 때문에, c2 층의 Ti 의 함유 비율은 40 원자％ 이하, 나아가서는 35 원자％ 이하가 바람직하다.

c2 층은, 적층 피막의 내열성과 내마모성을 보다 높이기 위해서, 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 총량에 대하여, Al 과 Ti 의 함유 비율의 합계가 80 원자％ 이상인 것이 바람직하다.

c1 층과 c2 층은 나노 레벨로 교대로 적층되어 있기 때문에, 피복시에 서로의 조성이 혼합된다. 또한, 서로의 조성이 확산될 수 있다. 그 때문에, c2 층은 c1 층에 필수로 포함되는 Cr 과 Si 를 함유할 수 있다. 단, 조성계가 상이한 Al 이 풍부한 AlCrN 계의 경질 피막과 Al 이 풍부한 AlTiN 계의 경질 피막을 적층시키기 위해서, c2 층의 Cr 의 함유 비율은 c1 층의 Cr 함유 비율보다 적게 한다. 또한, c1 층에 있어서 함유 비율이 작은 Si 는 c2 층에는 함유되지 않는 경우도 있다.

c2 층은, Al 과 Ti 와 이외의 금속 원소를 함유할 수 있다. c2 층은, 예를 들어, 경질 피막의 내마모성이나 내열성이나 윤활성 등의 향상을 목적으로 하여, 주기율표의 4a 족, 5a 족, 6a 족의 원소 및 Si, B, Y 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 원소로서, 함유 비율이 과다해지지 않으면 피복 절삭 공구의 내구성을 현저하게 저하시키는 경우는 없다. 특히 AlTiN 계의 경질 피막이 W (텅스텐) 의 원소를 함유함으로써, 보다 가혹한 사용 환경하에 있어서 내구성이 우수한 경향이 있어 바람직하다.

단, c2 층이 Al 과 Ti 이외의 금속 원소를 많이 함유하면, AlTiN 계의 경질 피막으로서의 기초 특성이 손상되어 피복 절삭 공구의 내구성이 저하된다. 그 때문에, c2 층은 Al 과 Ti 이외의 금속 원소의 합계가, 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 총량에 대하여, 25 원자％ 이하, 나아가서는 20 원자％ 이하, 나아가서는 15 원자％ 이하인 것이 바람직하다.

하지층인 b 층과, 적층 피막인 c 층의 밀착성을 보다 높이기 위해서는, c 층의 b 층측의 부분에서는, b 층과 동일 조성계의 경질 피막이 보다 두꺼운 막인 것이 바람직하다. 구체적으로는, b 층이 AlCrN 계의 경질 피막이면, c 층의 b 층측의 부분에서는, c1 층이 c2 층보다 후막인 것이 바람직하다. 또한, b 층이 AlTiN 계의 경질 피막이면, c 층의 b 층측의 부분에서는, c2 층이 c1 층보다 두꺼운 막인 것이 바람직하다. 이와 같은 피막 구조로 함으로써, 하지층인 b 층과 적층 피막인 c 층의 밀착성이 높아지는 경향이 되고, 공구 형상이나 사용 환경에 따라서는, 피복 절삭 공구의 내구성이 보다 향상되는 경우도 있다.

본 실시형태에서는, 경질 피막의 총 막 두께에 대하여, c 층을 가장 두꺼운 막으로 하는 것이 바람직하다. c 층이 경질 피막의 주층임으로써, 밀착성 및 내마모성이 높은 레벨로 양립되어 피복 절삭 공구의 내구성이 향상된다.

각 층의 최적의 막 두께는, 공구의 종류, 공구 직경 및 피삭재 등에 따라 상이하지만, 어느 쪽도 c 층이 가장 두꺼운 막이 됨으로써 우수한 내구성을 실현하기 쉽다. 그리고, b 층, c 층, d 층의 합계의 막 두께를 100 ％ 로 했을 경우, c 층의 막 두께 비가 50 ％ 이상, 나아가서는 60 ％ 이상, 나아가서는 70 ％ 이상이 바람직하다. 단, c 층의 막 두께 비가 지나치게 커지면, b 층과 d 층의 막 두께가 작아지기 때문에, 밀착성이나 내마모성이 저하된다. 그 때문에, c 층의 막 두께 비는 90 ％ 이하, 나아가서는 85 ％ 이하가 바람직하다.

b 층의 막 두께 비는 5 ％ 이상이 바람직하다. d 층의 막 두께 비는 10 ％ 이상이 바람직하다.

적층 피막의 밀착성을 높이기 위해서는, c1 층과 c2 층의 각각의 막 두께는 20 ㎚ 이하가 바람직하다. 또한, c1 층 및 c2 층의 개개의 막 두께가 지나치게 작으면, 조성계가 상이한 적층 피막을 형성하는 것이 곤란해지기 때문에, c1 층과 c2 층의 각각의 막 두께는 2 ㎚ 이상이 바람직하다. 나아가서는 c1 층과 c2 층의 각각의 막 두께는 5 ㎚ 이상이 바람직하다. c1 층 및 c2 층의 막 두께의 상한치 및 하한치는 적절히 조합 가능하다.

≪d 층≫

본 실시형태에 관련된 d 층은, 적층 피막인 c 층의 상층에 형성된다. d 층은, 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 총량에 대하여, 알루미늄 (Al) 을 55 원자％ 이상 75 원자％ 이하, 이어서 티탄 (Ti) 의 함유 비율이 많고, 티탄 (Ti) 의 함유 비율이 20 원자％ 이상인 질화물 또는 탄질화물이다. Al 이 풍부한 적층 피막인 c 층의 상층에 Al 이 풍부한 AlTi 계의 질화물 또는 탄질화물의 d 층을 형성함으로써, 경질 피막 전체의 내마모성을 보다 높일 수 있다.

Al 과 Ti 를 주체로 하는 질화물 또는 탄질화물은, 내마모성 및 내열성이 우수한 막종이다. 특히, Al 의 함유 비율이 커지면 경질 피막의 내열성이 향상되는 경향이 있고, 피복 절삭 공구의 내구성이 향상된다. 나아가서는, d 층은, 내열성과 내마모성이 우수한 질화물인 것이 바람직하다. 경질 피막에 높은 내열성을 부여하기 위해서, d 층은 Al 을 55 원자％ 이상으로 함유한다. 나아가서는 d 층의 Al 은 60 원자％ 이상이 바람직하다. 단, Al 의 함유 비율이 지나치게 커지면, hcp 구조의 AlN 이 많아지기 때문에, 경질 피막의 내구성이 저하된다. 그 때문에, d 층의 Al 의 함유 비율은 75 원자％ 이하로 한다. 혹은 d 층의 Al 의 함유 비율은 73 원자％ 이하, 나아가서는 70 원자％ 이하가 바람직하다.

Al 과 Ti 를 베이스로 하는 질화물 또는 탄질화물은 Ti 의 함유 비율이 지나치게 작아지면 내마모성이 저하된다. 그 때문에, d 층은 Ti 를 20 원자％ 이상으로 함유한다. d 층은 AlTi 계의 질화물 또는 탄질화물로 하기 위해서, Al 에 이어서 Ti 를 많이 함유한다. 단, Ti 의 함유 비율이 지나치게 커지면, 상대적으로 Al 의 함유 비율이 저하하기 때문에, 내열성이 저하된다. 그 때문에, d 층의 Ti 의 함유 비율은 40 원자％ 이하, 나아가서는 35 원자％ 이하가 바람직하다.

d 층은 내열성과 내마모성을 보다 높이기 위해서, Al 과 Ti 의 함유 비율의 합계가, 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 총량에 대하여, 85 원자％ 이상인 것이 바람직하다. d 층은 내열성과 내마모성이 보다 우수한 질화물인 것이 바람직하다.

d 층은, Al 과 Ti 와 이외의 금속 원소를 함유할 수 있다. d 층은, 예를 들어, 경질 피막의 내마모성이나 내열성이나 윤활성 등의 향상을 목적으로 하여, 주기율표의 4a 족, 5a 족, 6a 족의 원소 및 Si, B, Y 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 원소로서, 함유 비율이 과다해지지 않으면 피복 절삭 공구의 내구성을 현저하게 저하시키는 경우는 없다. 특히 AlTiN 계의 경질 피막이 W (텅스텐) 의 원소를 함유함으로써, 보다 가혹한 사용 환경하에 있어서 내구성이 우수한 경향이 있어 바람직하다.

단, d 층이 Al 과 Ti 이외의 금속 원소를 많이 함유하면, AlTiN 계의 경질 피막으로서의 기초 특성이 손상되어 피복 절삭 공구의 내구성이 저하된다. 그 때문에, d 층은 Al 과 Ti 이외의 금속 원소의 합계가, 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 총량에 대하여, 20 원자％ 이하, 나아가서는 15 원자％ 이하, 나아가서는 10 원자％ 이하인 것이 바람직하다.

d 층의 막 두께가 지나치게 얇아지면 내열성의 향상이 충분하지 않다. 경질 피막의 전체적인 내열성을 높이기 위해서는, d 층의 막 두께는, 1 ㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 나아가서는, d 층의 막 두께는 2 ㎛ 이상이 바람직하다. 한편, d 층의 막 두께가 지나치게 두꺼워지면 칩핑이 발생하기 쉬워진다. d 층의 막 두께는 5.0 ㎛ 이하가 바람직하다.

필요에 따라, d 층의 상층에 다른 층을 형성해도 된다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막의 b 층, c 층, d 층은, 내열성과 내마모성이 우수한 질화물인 것이 바람직하다. 경질 피막의 전체가 질화물임으로써, 피복 절삭 공구의 내구성이 보다 향상된다. 또한, 일반적으로, 질화물이어도 미소한 산소와 탄소를 함유한다. 요컨대, 금속 질화물은, 마이크로 해석에 있어서, 금속 원소와 산소나 탄소가 결합하고 있는 피크 강도를 갖는다. 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 질화물이 주체이면, 일부에 탄질화물이나 산질화물을 함유해도 된다. 상기 서술한 조성 및 피막 구조를 만족하는 범위이면, 경질 피막을 구성하는 질화물의 일부에 탄질화물이나 산질화물이 포함되어도, 피복 절삭 공구의 내구성을 현저하게 저하시키는 경우는 없다. 또한, 본 실시형태에 관련된 경질 피막을, 탄질화물로 하는 경우에도, 경질 피막의 내열성과 내마모성을 보다 높이기 위해서, 탄소보다 질소의 함유 비율이 큰 것이 바람직하다. 탄질화물로 하는 경우에도, 질소의 함유 비율에 대하여, 탄소의 함유 비율을 20 원자％ 이하로 하는 것이 바람직하고, 나아가서는 10 원자％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

≪a 층≫

본 실시형태에서는, 필요에 따라, 기재와 하지층인 b 층 사이에, 나노 빔 회절 패턴이 WC 의 결정 구조에 지수 부여되는 a 층을 가져도 된다. a 층은 금속 이온 봄바드에 의해 기재의 표면에 형성된다. a 층은 금속 이온 봄바드에 사용한 금속 원소가 확산되어 형성되는 층이기 때문에, WC-Co 기 초경 합금을 기재로 하는 경우, 금속 원소의 총량으로 W (텅스텐) 를 가장 많이 함유하고 있고, 이어서 금속 이온 봄바드에 사용한 금속 원소를 함유한다. 이와 같은 a 층을 가짐으로써, 기재와 그 위에 형성하는 하지층의 밀착성이 현저하게 개선되는 경향이 있다.

단, 공구 직경이 작아지면, 날끝이 예각이 되기 쉬운 스퀘어 엔드 밀이나 래디어스 엔드 밀에 있어서는, 금속 이온 봄바드에 의해, 날끝이 용손되는 경우가 있어, 날끝 능선이 파괴되기 쉬워진다. 그 때문에, a 층은, 금속 이온 봄바드에 의해 날끝 능선이 잘 파괴되지 않는, 예각의 날끝이 형성되지 않는 볼 엔드 밀에 형성하는 것이 바람직하다. a 층의 막 두께가 지나치게 얇은 경우나, 지나치게 두꺼운 경우에는 밀착성의 개선 효과가 얻어지지 않는다. 그 때문에, a 층의 막 두께는 1 ㎚ 이상 10 ㎚ 이하가 바람직하다.

a 층은 나노 빔 회절 패턴이 WC 의 결정 구조에 지수 부여되는 층이기 때문에, 주로 탄화물로 구성된다. a 층은 나노 빔 회절 패턴이 WC 의 결정 구조에 지수 부여되는 층이면, 일부에, 질소나 산소를 함유해도 된다. 또한, a 층은, 일부에 금속층이나 fcc 구조의 결정상을 함유하는 경우도 있다. 특히, 금속 Ti 나 Ti 를 주체로 하는 합금 타깃을 사용한 봄바드 처리는 밀착성의 개선 효과가 크다. 그 때문에, a 층은 금속 원소의 함유 비율로, W 에 이어서 Ti 를 많이 함유하는 것이 바람직하다. 단, a 층에 함유되는 Ti 의 함유 비율이 지나치게 많아지거나, 지나치게 적어지면 밀착성의 향상 효과가 잘 얻어지지 않는다. a 층은 Ti 를 10 원자％ 이상 30 원자％ 이하로 함유하는 것이 바람직하다.

이상에 설명한 본 실시형태의 피복 절삭 공구에 의하면, AlTi 의 질화물을 주체로 하는 d 층의 하층에, AlCr 계의 경질 피막으로 이루어지는 c1 층과 AlTi 계의 경질 피막으로 이루어지는 c2 층의 적층 피막이고, 또한 hcp 구조의 AlN 의 함유량이 저감된 c 층을 형성한 것에 의해, 종래의 AlTi 계의 경질 피막에 대하여, 내열성과 내마모성을 향상시킬 수 있다. 따라서 본 실시형태에 의하면, 내구성이 우수한 피복 절삭 공구가 제공된다.

≪제조 방법≫

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 타깃의 이온화율이 높은 아크 이온 플레이팅법으로 피복하는 것이 바람직하다. 또한, 타깃의 이온화율이 높은 고출력 스퍼터링법으로 피복해도 된다. 그리고, Al 이 풍부한 적층 피막에 대하여, 결정성을 높여 마이크로 조직에 함유되는 hcp 구조의 AlN 을 저감시키기 위해서, 타깃 중심 부근의 수직 방향에 있어서의 자속 밀도가 10 mT 이상인 캐소드를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, AlCr 계의 경질 피막을 형성하기 위한 캐소드에서는, 캐소드 전압이 20 V 이상 35 V 이하의 범위에서 성막하는 것이 바람직하다. 캐소드 전압이 지나치게 낮으면, 적층 피막은 hcp 구조의 AlN 이 많아져 내구성이 저하된다. 또한, 캐소드 전압이 지나치게 높아지면, 적층 피막의 피막 조직이 지나치게 조대해져 내구성이 저하하기 쉬워진다.

AlTi 계의 경질 피막을 형성하기 위한 캐소드에서는, 캐소드 전압이 20 V 이상 30 V 이하의 범위에서 성막하는 것이 바람직하다. 캐소드 전압이 지나치게 낮아지면, 적층 피막은 hcp 구조의 AlN 이 많아져 내구성이 저하된다. 또한, 캐소드 전압이 지나치게 높아지면, 적층 피막의 피막 조직이 지나치게 조대해져 내구성이 저하하기 쉬워진다. 캐소드 전류는 각각 120 A 이상 200 A 이하가 바람직하다.

본 실시형태의 제조 방법에서는, 타깃 중심 부근의 수직 방향에 있어서의 자속 밀도와 캐소드 전압을 상기 서술한 범위가 되는 성막 장치를 선정한 후에, 기재에 인가하는 부 (負) 의 바이어스 전압의 절대치를 크게 하는 것이 바람직하다. 이 제조 방법에 의하면, 마이크로 조직에 있어서 hcp 구조의 AlN 의 생성이 억제된다. 이로써, c 층에 있어서의 Ih × 100/Is 의 값을 15 보다 작게 할 수 있다.

기재에 인가하는 부의 바이어스 전압은 -200 V 이상 -100 V 미만이 바람직하다. 나아가서는, -120 V 이하가 바람직하다. 바이어스 전압의 절대치가 지나치게 커지면, 성막이 잘 안정되지 않아 막 두께를 조정하는 것이 곤란해진다. 또한, 바이어스 전압의 절대치가 지나치게 작아지면, 적층 피막은 hcp 구조의 AlN 이 많아져 내구성이 저하된다. 피복 온도는 400 ℃ 이상 600 ℃ 이하가 바람직하다. 질화물을 피복하는 경우, 노 내에 질소 가스를 도입하여 피복한다. 또한, 피복시의 질소 가스 압력은 2.0 ㎩ 이상 8.0 ㎩ 이하가 바람직하다. 탄질화물을 피복하는 경우에는, 질소 가스의 일부를 메탄 가스로 치환하면 된다.

실시예

＜성막 장치＞

성막에는, 아크 이온 플레이팅법을 이용한 성막 장치를 사용하였다. 이 성막 장치는, 복수의 캐소드 (아크 증발원), 진공 용기, 및 기재 회전 기구를 구비하고 있다. 캐소드로는, 타깃의 외주에 코일 자석이 배치 구비된 캐소드를 1 기 (이하, 「C1」 이라고 한다) 와, 타깃의 배면 및 외주에 영구 자석이 배치 구비되고, 타깃 표면에 수직 방향의 자속 밀도를 갖고, 타깃 중앙 부근에 있어서의 수직 방향의 자속 밀도가 14 mT 인 캐소드를 3 기 (이하, 「C2, C3, C4」 라고 한다) 가 탑재되어 있다.

C1 ∼ C4 는 기재가 배치되는 영역의 주위에 약 90°간격으로 배치되어 있고, C1 과 C4, C2 와 C3 이 대향하도록 형성되어 있다.

진공 용기는, 내부가 진공 펌프에 의해 배기되고, 가스가 공급 포트로부터 도입되도록 되어 있다. 진공 용기 내에 설치된 각 기재에는, 바이어스 전원이 접속되고, 각 기재에 대하여 각각 독립적으로 부의 DC 바이어스 전압을 인가할 수 있다.

기재 회전 기구는, 플라네터리와, 플라네터리 위에 배치된 플레이트상 지그와, 플레이트상 지그 위에 배치된 파이프상 지그를 구비하고, 플라네터리는 매분 3 회전의 속도로 회전하고, 플레이트상 지그 및 파이프상 지그는 각각 자공전하도록 되어 있다.

실시예 1 에서는, 이하의 볼 엔드 밀을 기재에 사용하였다.

조성 : WC (bal.) - Co (8 질량％) - Cr (0.5 질량％) - V (0.3 질량％)

경도 : 94.0 HRA

날 직경 : 1 ㎜, 날 수 : 2 장

C1 에 금속 티탄 타깃, C2 에 AlTi 계 합금 타깃, C3 에 AlCrSi 계 합금 타깃, C4 에 AlTi 계 합금 타깃을 설치하였다. 표 1 에 사용한 타깃 조성을 나타낸다.

각 기재를 각각 진공 용기 내의 파이프상 지그에 고정시키고, 성막 전에 이하의 프로세스를 실시하였다. 먼저, 진공 용기 내를 5 × 10^-2 ㎩ 이하로 진공 배기하였다. 그 후, 진공 용기 내에 설치한 히터에 의해, 기재를 온도 500 ℃ 까지 가열하고, 진공 배기를 실시하였다. 그리고, 기재의 설정 온도를 500 ℃ 로 하여, 진공 용기 내의 압력을 5 × 10^-2 ㎩ 이하로 하였다.

＜Ar 봄바드＞

그 후, 진공 용기 내에 Ar 가스를 도입하고, 용기 내압을 0.67 ㎩ 로 하였다. 그 후, 필라멘트 전극에 35 A 의 전류를 공급하고, 기재에 -200 V 의 부의 바이어스 전압을 인가하여, Ar 봄바드를 15 분간 실시하였다.

＜Ti 봄바드 공정＞

그 후, 진공 용기 내의 압력이 8 × 10^-3 ㎩ 이하가 되도록 진공 배기하였다. 계속해서, C1 에 120 A 의 아크 전류를 공급하고, 기재에 -800 V 의 부의 바이어스 전압을 인가하여, Ti 봄바드 처리를 15 분 실시하였다.

＜성막 공정＞

그 후, 기재의 설정 온도를 480 ℃ 로 하여, 진공 용기 내에 질소 가스를 도입하여, 노 내 압력을 3.2 ㎩ 로 하였다.

b 층의 피복에서는, 어느 시료도 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압을 -120 V, C3 에 인가하는 전류를 200 A 로 하였다. b 층은 약 0.5 ㎛ 의 막 두께로 피복하였다.

c 층의 피복에서는, 시료에 의해 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압을 변화시켰다. 또한, C3 에 투입하는 전력은 일정하게 하고, C2 에 투입하는 전력을 서서히 증가시켜 가고, c 층의 b 층측의 부분에서는 c1 층 (AlCrN 계) 이 c2 층 (AlTiN 계) 보다 두꺼운 막이 되도록 피복하였다. 또한, 피복시의, C2 의 캐소드 전압은 20 V 이상 30 V 이하, C3 의 캐소드 전압은 20 V 이상 35 V 이하였다.

d 층의 피복에서는, 어느 시료도 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압을 -120 V, C4 에 인가하는 전류를 150 A 로 하였다. d 층은 약 1.5 ㎛ 의 막 두께로 피복하였다.

표 2 에 c 층의 성막 조건을 나타낸다.

제작한 피복 절삭 공구에 대하여, 이하에 나타내는 절삭 조건으로 절삭 시험을 실시하였다.

표 3 에 절삭 시험 결과를 나타낸다. 절삭 조건의 상세한 것은, 이하와 같다.

＜가공 조건＞

· 절삭 방법 : 측면 절삭

· 피삭재 : STAVAX (52HRC)

· 사용 공구 : 2 장 날 볼 엔드 밀 (공구 직경 1 ㎜)

· 절입 : 축 방향, 0.04 ㎜, 직경 방향, 0.04 ㎜

· 주축 회전수 : 24000 min^-1

· 이송 속도 : 860 ㎜/min

· 쿨런트 : 드라이 가공 (에어 블로)

· 절삭 거리 : 90 m

본 실시예 1 은, 최대 마모 폭이 작고, 안정적인 마모 형태를 나타내, 계속해서 절삭 가공이 가능한 상태였다. 비교예 1 은, 본 실시예 1 과 동일한 피막 조성이지만, 최대 마모 폭이 커졌다. 비교예 2 는, 본 실시예보다 적층 피막의 Al 의 함유 비율이 적은 조성으로, 최대 마모 폭이 커졌다.

본 실시예 1 에 대하여 내구성이 우수한 요인을 해명하기 위해서 적층 피막의 마이크로 해석을 실시하였다.

또한, b 층과 d 층에 대해서는, 주식회사 니혼 전자 제조의 전자 프로브 마이크로 애널라이저 장치 (형번 : JXA-8500F) 를 사용하여, 부속의 파장 분산형 전자 프로브 미소 분석 (WDS-EPMA) 으로 조성 분석을 실시하여, 타깃의 합금 조성과 대략 동일한 질화물인 것이 확인되었다.

본 실시예 1 에 대하여, 물성 평가용의 볼 엔드 밀을 가공하여, 가공 단면을 투과형 전자 현미경 (TEM) 에 의해 관찰하였다. 적층 피막인 c 층은, 평균 폭이 50 ∼ 70 ㎚ 인 미세한 기둥상 입자로 형성되어 있는 것이 확인되었다.

적층 피막의 전체의 조성 분석의 결과의 일례를 표 4 에 나타낸다. c1 층과 c2 층의 조성은, 에너지 분산형 X 선 분광기 (EDS) 를 사용하여, 분석 영역을 φ1 ㎚ 로 하여, 각 층의 중심 부분을 분석함으로써 구하였다. 소수점 이하의 값은 사사오입하여 구하였다.

본 실시예 1 의 c 층은, 적층 피막의 전체에서 Al 이 풍부하고, 적어도 Si 와 Ti 와 Cr 을 함유하고 있었다. 본 실시예 1 에서는, c1 층과 c2 층의 조성은 서로 혼합되어 있고, c1 층은 Ti 와 W 의 합계를 10 원자％ 이하로 함유하고 있었다. 또한, 본 실시예 1 의 c2 층은 Cr 을 10 원자％ 이하로 함유하고 있었다.

계속해서, 적층 피막의 제한 시야 회절 패턴을, 가속 전압 120 ㎸, 제한 시야 영역 φ750 ㎚, 카메라 길이 100 ㎝, 입사 전자량 5.0 ㎀/㎠ (형광판 상) 의 조건으로 구하였다. 구한 제한 시야 회절 패턴의 휘도를 변환하여, 강도 프로파일을 구하였다. 분석 지점은, 막 두께 방향에 있어서의 중간 부분으로 하였다.

도 2 에, 본 실시예 1 에 있어서의 c 층의 제한 시야 회절 패턴의 일례를 나타낸다. 또한, 도 3 에, 도 2 의 적층 피막의 제한 시야 회절 패턴의 휘도를 변환하여 구한, 제한 시야 회절 패턴의 강도 프로파일의 일례를 나타낸다. 도 3 에 있어서, 가로축은 (000) 면 스폿 중심으로부터의 거리 (반경 r) 를, 세로축은 각 반경 r 에 있어서의 원 1 둘레분의 적산 강도 (임의 단위) 를, 각각 나타내고 있다.

도 3 에 있어서, 화살표 1 은, fcc 구조의 AlN 의 (111) 면, TiN 의 (111) 면, 및 CrN 의 (111) 면에서 기인하는 피크이다. 화살표 2 는, fcc 구조의 AlN 의 (200) 면, TiN 의 (111) 면, 및 CrN 의 (200) 면에서 기인하는 피크이다. 화살표 3 은, fcc 구조의 AlN 의 (220) 면, TiN 의 (111) 면, 및 CrN 의 (220) 면에서 기인하는 피크이다. 도 3 에 있어서는, hcp 구조의 AlN(010) 에서 기인하는 피크 강도는 확인되지 않는다.

도 2 에 나타내는 바와 같이 본 실시예 1 은 hcp 구조의 AlN(010) 에서 기인하는 피크는 확인되지 않아, Ih × 100/Is 는 0 이었다. 한편, 비교예 1 의 c 층에 대하여 본 실시예 1 과 동일한 측정을 실시한 결과, hcp 구조의 AlN(010) 에서 기인하는 피크가 있고, Ih × 100/Is 는 19 가 되었다.

본 실시예 1 및 비교예 1 에 대하여, X 선 회절에서는, hcp 구조의 AlN 에서 기인하는 피크 강도는 확인되지 않았지만, 제한 시야 회절 패턴에 있어서는, hcp 구조의 AlN 에서 기인하는 피크 강도에 차이가 생겼다. 본 실시예 1 은, 마이크로 조직에 함유되는 hcp 구조의 AlN 이 적기 때문에, 내구성이 현저하게 개선된 것으로 추정된다.

Claims

기재와, 상기 기재 위에 형성되는 경질 피막을 구비하고,
상기 경질 피막은,
상기 기재 위에 배치되는, 질화물 또는 탄질화물로 이루어지는 b 층과,
상기 b 층 위에 배치되고, 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 총량에 대하여, 알루미늄 (Al) 을 60 원자％ 이상 75 원자％ 이하, 이어서 크롬 (Cr) 의 함유 비율이 많고, 크롬 (Cr) 을 20 원자％ 이상 40 원자％ 이하, 또한, 적어도 티탄 (Ti) 과 실리콘 (Si) 을 함유하는 질화물 또는 탄질화물의 c1 층과, 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 총량에 대하여, 알루미늄 (Al) 을 60 원자％ 이상 75 원자％ 이하, 이어서 티탄 (Ti) 을 많이 함유하고, 티탄 (Ti) 을 20 원자％ 이상 40 원자％ 이하, 또한, 적어도 크롬 (Cr) 을 함유하는 질화물 또는 탄질화물의 c2 층이 각각 50 ㎚ 이하의 막 두께로 교대로 적층된 적층 피막인 c 층과,
상기 c 층 위에 배치되는, 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 총량에 대하여, 알루미늄 (Al) 을 60 원자％ 이상 75 원자％ 이하, 이어서 티탄 (Ti) 의 함유 비율이 많고, 티탄 (Ti) 의 함유 비율이 20 원자％ 이상 40 원자％ 이하인 질화물 또는 탄질화물인 d 층
을 갖고,
상기 c 층은, 투과형 전자 현미경의 제한 시야 회절 패턴으로부터 구해지는 강도 프로파일에 있어서, 육방 최밀 충전 구조의 AlN 의 (010) 면에서 기인하는 피크 강도를 Ih 로 하고, 면심 입방 격자 구조의, AlN 의 (111) 면, TiN 의 (111) 면, CrN 의 (111) 면, AlN 의 (200) 면, TiN 의 (200) 면, CrN 의 (200) 면, AlN 의 (220) 면, TiN 의 (220) 면, 및 CrN 의 (220) 면에서 기인하는 피크 강도와, 육방 최밀 충전 구조의, AlN 의 (010) 면, AlN 의 (011) 면, 및 AlN 의 (110) 면에서 기인하는 피크 강도의 합계를 Is 로 했을 경우, Ih × 100/Is = 0 의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 경질 피막의 총 막 두께에 대하여, 상기 c 층이 가장 두꺼운 막인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 c 층은, 기둥상 입자로 구성되어 있고, 상기 기둥상 입자의 평균 폭은 90 ㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.