KR20040073570A

KR20040073570A - 표면 피복 절삭 공구

Info

Publication number: KR20040073570A
Application number: KR10-2004-7011041A
Authority: KR
Inventors: 오까다요시오; 모리구찌히데끼
Original assignee: 스미토모덴키고교가부시키가이샤
Priority date: 2002-01-18
Filing date: 2003-01-14
Publication date: 2004-08-19
Also published as: EP1473101A4; CN1620349A; JPWO2003061885A1; WO2003061885A1; US20050042482A1; CN1319689C; US7087295B2; JP4251990B2; EP1473101A1

Abstract

용착에 수반하는 막 박리를 억제할 수 있는 표면 피복 절삭 가공을 제공한다.

베이스 부재 표면에 내측층(2), 중간층(3), 외측층(4)을 형성한다. 내측층(2)는 주기율표 Ⅳa, Va, Ⅵa족의 탄화물, 질화물, 탄질화물, 붕화물, 붕질화물, 붕질탄화물, 산화물, 탄산화물, 탄질화물, 탄질산화물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종류의 재료로 구성되고, 또한 기둥형 조직으로 이루어지는 층을 포함한다. 외측층(4)은 산화알루미늄, 산화지르코늄, 산화하프늄 및 그들의 고용체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종류의 산화물층으로 이루어진다. 중간층(3)은 수학식 1을 만족시키는 붕질화티탄 TiBxNy(x, y : atomic ％)로 이루어진다.

0.001 ＜ x/(x ＋ y) ＜ 0.04 .........[수학식 1]

이 중간층(3)의 평균 막 두께를 0.1 내지 1 ㎛로 하고, 또한 기준 길이 1 ㎛의 표면 거칠기로 최정상선과 최바닥선 사이의 수직 거리를 50 내지 500 ㎚로 한다.

Description

표면 피복 절삭 공구 {SURFACE-COATED CUTTING TOOL}

피복 절삭 공구에는 다양한 것이 제안되어 있고, 예를 들어 베이스 부재에 피복을 설치한 공구를 개시하는 문헌으로서 특허 문헌 1 내지 6을 예로 들 수 있다. 그와 같은 피복 구조의 일예로서, 내측층에 Ti계 막, 외측층에 Al₂O₃막, 최외층에 Ti계 막을 배치한 것이 알려져 있다. 이 내측층과 외측층은 밀착력이 떨어져 다양한 접착층이 제안되어 있다.

(특허 문헌 1)

일본 특허 공고 소57-42152호 공보

(특허 문헌 2)

일본 특허 공고 소58-67858호 공보

(특허 문헌 3)

일본 특허 공고 소59-44385호 공보

(특허 문헌 4)

일본 특허 공고 소60-37189호 공보

(특허 문헌 5)

일본 특허 공고 평1-12835호 공보

(특허 문헌 6)

일본 특허 공개 평5-8103호 공보

그러나, 최근 피삭재의 복잡한 형상에 의한 가공 접촉 횟수의 증가, 난삭재화에 따른 공구에의 용착량의 증가 등, 피복막에 대한 절삭 부하가 매우 커져 있다. 구체적으로는 용착량 증가에 수반하여 절삭 저항이 커져 막 박리(막의 층간 박리)나 막의 마모가 급격하게 발생하여 공구 수명을 단축하고 있다.

본 발명은 강재의 절삭 등에 적합한 피복 절삭 공구에 관한 것이다.

도1은 본 발명의 절삭 공구의 피복 구조를 도시하는 모식 설명도이다.

도2는 각종 세라믹스와 철의 반응성 및 열전도율의 관계를 나타내는 그래프이다.

본 발명의 주된 목적은 용착에 수반하는 막 박리를 억제할 수 있는 표면 피복 절삭 공구를 제공하는 데 있다.

본 발명의 표면 피복 절삭 공구는 베이스 부재 표면에 피복층을 갖는다. 이 피복층은 각각 적어도 한 층의 내측층, 중간층 및 외측층을 구비한다. 이 내측층은 주기율표 Ⅳa, Va, Ⅵa족의 탄화물, 질화물, 탄질화물, 붕화물, 붕질화물, 붕질탄화물, 산화물, 탄산화물, 산질화물, 탄질산화물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종류의 재료로 구성되고, 또한 기둥형 조직으로 이루어지는 층을 포함한다. 외측층은 산화알루미늄, 산화지르코늄, 산화하프늄 및 그들의 고용체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종류의 산화물층으로 이루어진다. 중간층은 하기의 수학식 1을 만족시키는 붕질화티탄 TiBxNy(x, y : atomic ％)로 이루어진다. 그리고, 이 중간층의 평균 막 두께를 0.1 내지 1 ㎛로 하는 것을 특징으로한다.

[수학식 1]

0.001 ＜ x/(x ＋ y) ＜ 0.04

본 발명의 절삭 공구는, 도1에 도시한 바와 같이 베이스 부재(1) 표면으로부터 차례로 내측층(2), 중간층(3), 외측층(4)을 구비하는 구성이다. 또한 외측층 상에 식별층(5)을 형성해도 좋다. 이와 같은 절삭 공구에 있어서, 중간층에 있어서의 붕소의 함유량을 특정하고, 또한 평균 막 두께를 한정함으로써 내측층과 외측층을 높은 밀착력으로 결합하고, 또한 철과의 반응성을 낮게 함으로써 용착을 일으키기 어려워 막 박리가 생기기 어려운 피복 절삭 공구를 얻을 수 있다. 이하, 본 발명의 구성을 상세하게 설명한다.

(내측층)

내측층(2)은 주기율표 Ⅳa, Va, Ⅵa족의 탄화물, 질화물, 탄질화물, 붕화물, 붕질화물, 붕질탄화물, 산화물, 탄산화물, 산질화물, 탄질산화물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종류의 재료로 구성된다. 보다 구체적으로는, TiC, TiN, TiCN, TiCNO, TiB₂, TiBN, TiCBN, ZrC, ZrO₂, HfC, HfN 등을 예로 들 수 있다.

내측층에는 기둥형 조직으로 이루어지는 층을 포함하는 것이 바람직하다. 기둥형 조직으로 이루어지는 층은 내마모성이 우수하다. 기둥형 조직이 되는 층의 구체적 재질로서는 탄질화티탄 또는 탄질산화티탄이 적합하다. 기둥형 조직의 내측층은 주로 제조 조건에 있어서의 반응 가스 조성이나 온도를 조정하거나, 성막시간을 어느 정도 길게 함으로써 얻을 수 있다. 기둥형 조직의 종횡비는 5 이상인 것이 바람직하다. 종횡비 5 이상의 기둥형 결정으로 한 것은 주로 외측층이 마멸 혹은 박리된 후의 내마모성을 고려하였기 때문이다.

종횡비는 기둥형 결정 TiCN층의 상단부의 수평 방향 입경을 d1, 하단부의 수평 방향 입경을 d2로 하였을 때, (d1 ＋ d2)/2와 결정 입자의 길이(수직 방향 길이 ＝ 막 두께)의 비를 취한다.

종횡비의 측정 방법은 다음과 같다. 절삭 공구의 종단면에 대해 평행 혹은 적당한 각도(10°이하가 바람직함)로 연마하여 적당한 부식액을 이용하여 결정 입계를 떠오르게 한 후에, 주사형 전자 현미경으로 관찰하여 적절한 배율로 촬영한 사진으로부터 결정 입경의 성장 방향, 종횡비를 산출한다.

내측층의 평균 막 두께는 1.0 내지 20.0 ㎛인 것이 바람직하다. 이 하한치를 하회하면 기둥형 결정을 얻는 것이 어려워지고, 외측층의 박리 후에 내마모성을 유지하는 것이 곤란해진다. 반대로 상한치를 초과해도 막이 물러져 내마모성이 저하된다.

(외측층)

외측층(4)은 산화알루미늄, 산화지르코늄, 산화하프늄 및 그들의 고용체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종류의 산화물층으로 이루어진다. 이들 산화물은 화학적으로 안정되고, 철과의 반응성이 낮아 용착이 생기기 어렵다. 그중에서도 Al₂O₃이 바람직하다. 특히 α형 Al₂O₃을 주성분으로 하는 외측층이 적합하다. α형 Al₂O₃은 고온 안정형 재료로, 강도, 내열성이 우수하다. α형 Al₂O₃을 주성분으로 하는 것이라 함은, 외측층에 차지하는 α형 Al₂O₃의 중량비가 50 ％ 이상인 것을 말한다. 외측층의 평균 막 두께는 0.5 내지 10.0 ㎛가 바람직하다. 이 하한치를 하회하면 용착을 억제하는 효과가 적고, 상한치를 초과해도 결손이나 박리가 생기기 쉬워진다.

(중간층)

내측층(2)과 외측층(4) 사이에 개재되는 중간층(3)은 수학식 1을 만족시키는 붕질화티탄 TiBxNy(x, y : atomic ％)으로 이루어진다. 단, 불순물로서 포함되는 염소는 화학식에 더하지 않는다.

0.001 ＜ x/(x ＋ y) ＜ 0.04

보다 바람직하게는, 수학식 2를 만족시키는 붕질화티탄 TiBxNy(x, y : atomic ％)로 이루어지는 중간층으로 한다.

[수학식 2]

0.003 ＜ x/(x ＋ y) ＜ 0.02

B량을 수학식 1의 범위로 함으로써 외측층의 박리를 억제하고, 또한 TiBN막이 외측층의 마모 혹은 박리로 노출되었을 때, 피삭재와의 반응성을 낮춤으로써 공구 수명의 연장이 가능해진다.

내측층과 외측층의 밀착성 향상을 목적으로 한 중간층에는 TiB₂도 생각할 수있다. 그러나, 도2의 그래프에 나타낸 바와 같이, TiB₂는 철과의 반응성이 TiN에 비해 35배 정도 높아 피삭재가 용착하기 쉽다. 한편, 중간층에 TiBN 대신에 TiN을 배치하는 것은 내측 및 외측층간의 밀착력을 저하시키고, 또한 경도 저하가 현저해지므로 공구의 수명 연장을 할 수 없게 된다. 본 발명에서는 중간층의 B량을 제한함으로써 외측층이 박리 또는 마멸되어 중간층이 노출되었을 때의 철과의 반응성을 낮추어 피삭재의 용착을 억제한다. 또한, TiBN층이 노출된 경우, B량을 적게 하였으므로 경도 저하(경도 : TiB₂＞ TiN)에 기인하는 내마모성 저하는 TiBN의 막 두께와 기둥형 결정 조직을 갖는 내측층으로 보충하여 내마모성의 향상을 도모한다.

게다가, 상기한 TiBN층으로 함으로써 외측층이 되는 산화물막의 입도를 억제할 수 있고, 그에 의해 피복층 표면의 요철을 적게 하여 절삭 저항의 부하를 낮추는 것이 가능해진다. 이는, TiN에의 B의 미량 첨가에 의해 TiBN막이 미립화한 조직이 되어 그 외측층의 핵 발생을 균일화하고, 또한 미세화할 수 있기 때문이다. 보다 구체적으로는, 중간층의 기준 길이 1 ㎛의 표면 거칠기로, 최고부의 수평선인 최정상선과 최저부의 수평선인 최바닥선 사이의 수직 거리를 50 내지 500 ㎚로 한다. 이에 의해 외측층을 균일하게 성장시켜 표면 피복 공구의 최표면의 요철을 최대한 없애는 것이 가능해진다. 그리고, 중간층과 외측층의 밀착력도 향상시킬 수 있다.

또한, TiBN막의 두께를 억제하여 내층에 기둥형 조직을 갖는 Ti계의 막을 1층 이상 배치함으로써 내마모성의 향상을 도모할 수 있다. 이 중간층의 평균 막두께는 0.1 내지 1 ㎛로 하는 것이 적합하다. 이 하한치를 하회하면 내측층과 외측층의 밀착성을 높이는 효과가 적고, 상한치를 상회하면 피복층의 내마모성을 향상시키는 효과가 적기 때문이다.

혹은, 이 중간층(3)은 수학식 1을 만족시키는 붕질화티탄 TiBxNy(x, y : atomic ％)와 Ti, B, N을 제외하는 내측층 및/또는 외측층을 구성하는 원소를 포함하여,

[수학식 1]

0.001 ＜ x/(x ＋ y) ＜ 0.04

이 중간층 중 내측층 구성 원소는 중간층의 내측층측으로부터 중간층의 막 두께의 중앙을 향하는 방향으로 원소량을 연속 또는 단계적으로 감소시키고, 및/또는 중간층 중 외측층 구성 원소는 중간층의 외측층측으로부터 중간층의 막 두께의 중앙을 향하는 방향으로 원소량을 연속 또는 단계적으로 감소시키는 구조로 함으로써 내측층과 외측층의 밀착력을 한층 더 높이는 것이 가능해진다. 단, 이 때 이 중간층의 기준 길이 1 ㎛의 표면 거칠기로 최정상선과 최바닥선 사이의 수직 거리가 50 내지 500 ㎚가 아니면 양호한 밀착력을 얻을 수 없다.

이 중간층은 붕질화티탄 TiBxNy(x, y : atomic ％) 대신에 붕질산화티탄 TiBxNyOz(x, y, z : atomic ％)로 하여 수학식 1 및 수학식 3을 만족시키는 것도 바람직하다.

[수학식 1]

0.001 ＜ x/(x ＋ y) ＜ 0.04

[수학식 3]

0.0005 ＜ x/(x ＋ y ＋ z) ＜ 0.04 또한 0 ＜ z/(x ＋ y ＋ z) ＜ 0.5

중간층 속에 산소를 함유시킴으로써 산소를 포함하지 않는 붕질화티탄보다 중간층의 막 입경을 미세하게 하는 것이 가능해져 중간층의 막 경도가 높아진다. 또한, B량을 제한함으로써 외측층의 밀착력이 더욱 향상된다. 이에 의해, 내마모성이 좋아지고, 나아가서는 공구 수명을 연장할 수 있게 된다.

x/(x ＋ y ＋ z)의 값이 0.0005 이하가 되면, B량을 적게 하였으므로 경도 저하가 생겨 버린다. 반대로, x/(x ＋ y ＋ z)의 값이 0.04 이상이 되면, 피삭재와의 반응성이 높아져 중간층이 노출되었을 때에 피삭재와 반응하여 용착물이 공구의 날끝에 견고하게 부착되어 내측층의 박리 현상을 촉진시켜 버린다. x/(x ＋ y ＋ z)의 상한치를 0.02 이하로 하는 것도 적합하다. 또한, z/(x ＋ y ＋ z)가 0이 되면 산소를 포함하지 않는 붕질화티탄 TiBxNy(x, y : atomic ％)로 변하지 않고, 0.5보다 커지면 막의 경도는 증가하지만 인성이 저하되어 단속 절삭시의 내결손성이 낮아져 버린다.

또한, 중간층은 내측층측에 산소를 포함하지 않는 붕질화티탄 TiBxNy(x, y : atomic ％)를 배치하고, 외측층측에 산소를 포함하는 붕질산화티탄 TiBxNy0z(x, y, z : atomic ％)를 배치하는 것이 바람직하다. 이 구조에 의해, 내측층과 외측층의 양방의 밀착력을 높여 공구의 수명을 더 연장할 수 있다. 특히, 내층측으로부터 외층측을 향해 산소의 함유량이 단계적 또는 연속적으로 증가하는 경사 조성 구조의 중간층을 설치하는 것이 바람직하다.

(식별층)

외측층보다도 더욱 외측에 주기율표 Ⅳa, Va, Ⅵa족의 탄화물, 질화물, 탄질화물, 산화물, 탄산화물, 산질화물, 탄질산화물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종류의 재료로 구성되는 식별층(5)을 갖는 것이 바람직하다. 일반적으로, Al₂O₃은 흑색 또는 갈색을 나타내, 피복층의 최외층에 전면적으로 배치하면 사용이 끝난 코너를 식별하는 것이 어렵다. 그로 인해 식별층을 설치하여 사용이 끝난 코너의 식별을 쉽게 하는 동시에, 내마모성을 높이고 있다. 식별층은 단층이든 복층이든 상관없다. 식별층의 평균 막 두께는 0.2 내지 5.0 ㎛ 정도가 적절하다.

(피복층의 표면 거칠기)

피복층의 최표면 중 날끝 능선부 근방 이외에 피삭재와 접촉하는 부위의 평균 면 거칠기가 공구 단면으로부터 관찰하는 방법에 의해 측정되는 기준 길이 5 ㎛에 대해 Rmax 0.2 내지 1.3 ㎛인 것이 적합하다.

또한, 피복층의 최표면 중 날끝 능선부 근방에 있어서의 면 거칠기가 공구 단면으로부터 관찰하는 방법에 의해 측정되는 기준 길이 5 ㎛에 대해 Rmax 0.2 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 이 규정치를 상회하면 용착하기 쉬워져 절삭칩의 흐름도 나빠진다. 날끝 능선부 근방은 실질적으로 절삭에 관여하여 절삭 저항이 가장 많이 작용하는 부위이고, 그 표면을 평활하게 함으로써 절삭 저항을 저감시키는 동시에 고정밀도의 가공을 가능하게 한다.

(베이스 부재)

베이스 부재(1)는 경질상(硬質相)과 결합상(結合相)으로 이루어지는 초경 합금으로 한다. 경질상은 탄화텅스텐을 주성분으로 하고, 주기율표 Ⅳa, Va, Ⅵa족 금속의 탄화물, 질화물, 탄질화물 및 그들의 고용체(WC를 제외함)로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종류를 포함하는 것으로 한다. 탄화텅스텐을 주성분으로 하는 것이라 함은, 경질상 중에 차지하는 탄화 텅스텐의 중량비가 50 ％ 이상인 것을 말한다. 결합상은 철족 금속으로부터 선택된 적어도 1종류 이상을 포함하는 것으로 한다.

(용도)

본 발명의 절삭 공구의 구체적 용도는 엔드 밀, 절삭용 칩, 밀링 커터용 칩, 선삭용 칩 등을 예로 들 수 있다.

(피삭재)

본 발명의 절삭 공구가 특히 유효한 피삭재로서는, 저탄소강, 중탄소강, 고탄소강 등의 강 일반 외에, 특히 용착이 생기기 쉬운 덕타일 주철, 스테인레스, 인코넬 등을 예로 들 수 있다.

이하, 본 발명의 실시 형태를 설명한다.

(시험예 1)

하기에 나타내는 베이스 부재(A)의 재료 분말을 볼 밀에 의해 15H 습식 혼합하여 건조한 후, 압분체에 프레스 성형하였다. 본 예의 압분체 형상은 전체 주위형 칩 브레이커의 ISO CNMG120408로 정해지는 형상으로 하였다. 이 압분체를 소결로 내에 삽입하고 1526.85 ℃(1800K)의 온도에서 0.5H 진공 소결(100 Pa)을 행하여 소결체를 제조하였다. 그 후, 날끝 능선부에만 SiC 브러시로 호우닝 처리를 행하였다.

(베이스 부재의 원료 분말 : 중량 ％)

A TaC : 2.3, NbC : 1.2, TiC : 2, TiN : 2, ZrC : 0.2, Co : 6 나머지 WC

B TaC : 2.3, NbC : 1.2, TiC : 2, TiN : 2, TiCN : 0.2, Co : 6, Ni : 3 나머지 WC

C TaC : 2.3, NbC : 1.2, TiC : 2, TiN : 2, ZrC : 0.2, Fe : 6 나머지 WC

이 베이스 부재(A) 상에 CVD로 내에 있어서 표 1에 나타내는 가스 조성, 압력 조건, 온도로 피복층을 형성하였다. 여기서는, 피복층 조성으로서 표 1 중 TiCN, TiBN, α-Al₂O₃,TiN을 선택하여 각각 차례로 내층, 중간층, 외측층, 식별층으로 하였다. 두께는 내측층 : 10 ㎛, 중간층 : 1.0 ㎛, 외측층 : 7 ㎛, 식별층 : 3 ㎛이다. 내측층의 TiCN은 모두 기둥형 결정 조직이고, 그 종횡비는 7.0이다. 또한, TiBN은 표 2에 나타낸 바와 같이 TiBxNy(x, y : atomic ％)에서 0.001 ＜ x/(x ＋ y) ＜ 0.04를 만족시키는 것과 만족시키지 않는 것의 양방을 제작하였다.이렇게 얻게 된 피복층 최표면의 면 거칠기는 공구 단면으로부터 관찰하는 방법에 의해 측정되는 기준 길이 5 ㎛에 대해, 날끝 능선부에서 Rmax 0.15 ㎛, 날끝 능선부 이외의 부위에서 Rmax 0.70 ㎛이다. 또한, TiBN은 기준 길이 1 ㎛의 표면 거칠기로 최정상선과 최바닥선 사이의 수직 거리가 50 내지 150 ㎚였다.

[표 1]

[표 2]

상기에 의해 얻게 된 각 시료를 이용하여 이하의 표 3에 나타내는 조건으로 단속 절삭 시험을 행하여 공구 수명까지의 가공 시간을 측정하였다. 또한, 이하의 표 4에 나타내는 조건으로 연속 절삭 시험을 행하여 공구 수명까지의 가공 시간을 측정하였다. 이들 결과도 표 2에 나타낸다.

[표 3]

[표 4]

표 2로부터 명백한 바와 같이, TiBxNy(x, y : atomic ％)에서 0.001 ＜ x/(x ＋ y) ＜ 0.04를 만족시키는 것은 단속 및 연속 중 어느 하나의 절삭 가공에 있어서도 피복의 박리가 억제되어 가공 시간이 길어지고 있는 것을 알 수 있다.

(시험예 2)

시험예 1에 기재된 베이스 부재(A) 상에 CVD로 내에 있어서 표 1에 나타내는 가스 조성, 압력 조건, 온도로 피복층을 형성한다. 여기서는, 피복 조성으로서 표 1 중 TiCN, TiBN, α-Al₂O₃, TiN을 선택하여 각각 차례로 내측층, 중간층, 외측층, 식별층이라 하였다. 또한 중간층 중 내측층 구성 원소의 양을 중간층의 내측층측으로부터 중간층의 막 두께의 중앙을 향하는 방향으로 연속 또는 단계적으로 감소시키는 방법은 중간층 형성 가스를 흐르게 하는 데다가, 내측층 형성 가스의 양을 중간층의 막이 내측층측으로부터 중간층의 막 두께의 중앙을 향하는 방향으로 연속 또는 단계적으로 감소시켜 감으로써 얻을 수 있고, 및/또는 중간층 중 외측층 구성원소의 양을 중간층의 외측층측으로부터 중간층의 막 두께의 중앙을 향하는 방향으로 연속 또는 단계적으로 감소시키는 방법은, 중간층 형성 가스를 흐르게 하는 데다가, 중간층의 막이 막 두께의 중앙으로부터 중간층의 외측층측을 향하는 방향으로 외측층 형성 가스의 양을 연속 또는 단계적으로 늘려 감으로써 얻을 수 있다.

이 상기 기재한 방법으로 얻게 된 막과 비교하기 위해 시험예 1의 표 2의 시료 1-3을 이용하였다. 또한, 상기 기재한 방법으로 얻게 된 막은 막 두께, 종횡비, x/(x ＋ y) ＝ 0.01, 공구 최표면의 면 거칠기, TiBN의 최정상선과 최바닥선의 수직 거리를 모두 시료 번호 1-3과 마찬가지가 되도록 온도, 압력의 조정을 행하였다.

상기의 얻게 된 시료와 시료 번호 1-3을 표 3에 나타내는 조건으로 단속 시험을 행하여 공구 수명까지의 가공 시간을 측정한 결과, 번호 1-3은 30분간의 가공을 할 수 있었던 것에 대해, 40분간 가공이 가능해졌다.

또한, 표 4에 나타내는 조건으로 연속 절삭 시험을 행하여 공구 수명까지의 가공 시간을 측정한 결과, 번호 1-3이 20분간의 절삭 가능 시간에 대해, 30분간의 연속 절삭이 가능해졌다.

이와 같이, 상기 중간층은 수학식 1을 만족시키는 붕질화티탄 TiBxNy(x, y : atomic ％)와 Ti, B, N을 제외한 내측층 및/또는 외측층을 구성하는 원소를 포함하여

[수학식 1]

0.001 ＜ x/(x ＋ y) ＜ 0.04

상기 중간층 중 내측층 구성 원소는 중간층의 내측층측으로부터 중간층의 막 두께의 중앙을 향하는 방향으로 원소량을 연속 또는 단계적으로 감소시키고, 및/또는 중간층 중 외측층 구성 원소는 중간층의 외측층측으로부터 중간층의 막 두께의 중앙을 향하는 방향으로 원소량을 연속 또는 단계적으로 감소시키는 구조로 함으로써 단속 및 연속 중 어떠한 절삭 가공에 있어서도 피복의 박리가 더욱 억제되어 가공 시간이 길어지고 있는 것을 알 수 있다.

(시험예 3)

또한, 시험예 1에 나타내는 베이스 부재(A 내지 C)를 이용하여 표5에 나타내는 구조의 피복층을 형성하여 시험예 1과 같은 절삭 시험을 행하였다. 각 조성의 피복층의 성막 조건은 시험예 1의 표 1에 나타낸 바와 같다. 각 시료의 x/(x ＋ y), 종횡비, 표면 거칠기 및 시험 결과를 표 6에 나타낸다. 표 6 중「중간층 표면 거칠기」는 기준 길이 1 ㎛의 표면 거칠기로 최정상선과 최바닥선 사이의 수직 거리로 나타내고 있다.

[표 5]

[표 6]

표 6으로부터 다음의 것을 알 수 있다.

① 내측층은 기둥형 결정의 TiCN이 적합하고, 그 종횡비가 5 이상인 것이 바람직하다.

② 중간층의 두께는 0.1 내지 2.0 ㎛가 적합하다.

③ 외측층의 두께는 0.5 내지 10 ㎛가 바람직하다. 또한, 외측층의 재질은 α-Al₂O₃이 바람직하다.

④ 표면 거칠기는 날끝 능선부 근방 이외에서 Rmax 0.2 내지 1.3 ㎛로 하고, 날끝 능선부 근방에서 Rmax 0.2 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.

(시험예 4)

다음에, 시험예 1에 나타낸 베이스 부재(A)에서 ISO CNMG120408로 정하는 형상의 소결체를 제조하여 그 소결체 표면에 피복층을 제조하였다. 피복층은 내측층(TiCN), 중간층(TiBN 및 TiBNO 중 적어도 한 쪽), 외측층(α-Al₂O₃), 식별층(TiN)으로 이루어지고, 두께는 내측층 : 10 ㎛, 중간층: 1.0 ㎛, 외측층 : 7 ㎛, 식별층 : 3 ㎛로 하였다. 중간층은 내측층측으로부터 외측층측을 향해 산소 함유량이 연속적으로 많아지는 경사 조성 구조의 것도 제조하였다. 각 시료의 중간층의 조성을 표 7에 나타낸다.

TBxNyOz에서 0.001 ＜ x/(x ＋ y) ＜ 0.04 및 0.0005 ＜ x/(x ＋ y ＋ z) ＜ 0.04, 0 ＜ z/(x ＋ y ＋ z) ＜ 0.5를 만족시키는 것은 다음의 조건에 의해 성막한다.

TiCl₄: 2 용량 ％, BCl₃: 0.005 내지 2 용량 ％, N₂: 5 내지 15 용량 ％, NO : 5 내지 15 용량 ％, H₂: 나머지, 압력 : 4 내지 10.7 ㎪, 온도 : 800 내지 930 ℃.

TiBxNyOz에서 0.001 ＜ x/(x ＋ y) ＜ 0.04 및 0.0005 ＜ x/(x ＋ y ＋ z) ＜ 0.04, 0 ＜ z/(x ＋ y ＋ z) ＜ 0.5를 만족시키지 않는 것은 다음의 조건에 의해 성막한다.

TiCl₄: 2 용량 ％, BCl₃: 5 용량 ％, N₂: 5 내지 15 용량 ％, NO : 1 내지 10 용량 ％, H : 나머지, 압력 : 13.3 ㎪, 온도 : 950 ℃.

또한, 경사 조성 구조의 중간층을 얻기 위해서는 서서히 산소량을 변화시키면 된다. 즉, 산화질소 NO의 가스량과 성막 압력 및 성막 온도를 변화시킴으로써 가능해진다.

내측층은 모두 기둥형 결정 조직이고, 그 종횡비는 7.0이다. 얻게 된 피복층 최표면의 면 거칠기는 공구 단면으로부터 관찰하는 방법에 의해 측정되는 기준 길이 5 ㎛에 대해, 날끝 능선부에서 Rmax 0.15 ㎛, 날끝 능선부 이외의 부위에서 Rmax 0.90 ㎛이다. TiBNO는 기준 길이 1 ㎛의 표면 거칠기로, 최정상선과 최바닥선 사이의 수직 거리가 100 내지 300 ㎚였다. TiBN은 기준 길이 1 ㎛의 표면 거칠기로, 최정상선과 최바닥선 사이의 수직 거리가 50 내지 150 ㎚였다.

이와 같은 시료를 이용하여 표 3에 나타내는 조건으로 단속 절삭 시험을, 표 4에 나타내는 조건으로 연속 절삭 시험을 행하여 공구 수명까지의 가공 시간을 측정하였다. 그 결과도 표 7에 나타낸다.

[표 7]

표 7로부터 명백한 바와 같이, 중간층에 TiBNO를 이용한 것이라도 0.001 ＜ x/(x ＋ y) ＜ 0.04 및 0.0005 ＜ x/(x ＋ y ＋ z) ＜ 0.04, 0 ＜ z/(x ＋ y ＋ z) ＜ 0.5를 만족시키는 것은 공구 수명이 우수하다는 것을 알 수 있다. 특히, 내측층측에 산소를 포함하지 않는 TiBN을 배치하고, 외측층측에 산소를 포함하는 TiBNO를 배치한 시료 번호 3-9는 우수한 공구 수명을 나타내고 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 절삭 공구에 따르면, 내측층과 외측층의 접착층으로서 붕질화티탄과 붕질산화티탄 중 적어도 한 쪽을 이용하여 그 붕소의 함유량이나 산소의 함유량을 특정함으로써 내측층과 외측층의 접착성을 높일 수 있다. 또한, 붕소의 함유량을 특정한 붕질화티탄을 이용함으로써, 외측층이 박리된 경우라도 피삭재와의 반응을 최대한 낮추어 피삭재의 용착을 방지할 수 있다. 특히, 내측층측에 산소를 포함하지 않는 붕질화티탄을 배치하고, 외측층측에 산소를 포함하는 붕질산화티탄을 배치한 중간층을 이용하면, 한층 더 공구 수명을 개선할 수 있다.

Claims

베이스 부재 표면에 피복층을 설치한 표면 피복 절삭 공구에 있어서,

상기 피복층은 각각 적어도 한 층의 내측층, 중간층 및 외측층을 구비하고,

상기 내측층은 주기율표 Ⅳa, Va, Ⅵa족의 탄화물, 질화물, 탄질화물, 붕화물, 붕질화물, 붕질탄화물, 산화물, 탄산화물, 산질화물, 탄질산화물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종류의 재료로 구성되고, 또한 기둥형 조직으로 이루어지는 층을 포함하고,

상기 외측층은 산화알루미늄, 산화지르코늄, 산화하프늄 및 그들의 고용체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종류의 산화물층으로 이루어지고,

상기 중간층은 수학식 1을 만족시키는 붕질화티탄 TiBxNy(x, y : atomic ％)로 이루어지고,

[수학식 1]

0.001 ＜ x/(x ＋ y) ＜ 0.04

이 중간층의 평균 막 두께가 0.1 내지 1 ㎛이고, 또한 이 중간층의 기준 길이 1 ㎛의 표면 거칠기로 최정상선과 최바닥선 사이의 수직 거리가 50 내지 500 ㎚인 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
베이스 부재 표면에 피복층을 설치한 표면 피복 절삭 공구에 있어서, 상기 피복층은 각각 적어도 1층의 내측층, 중간층 및 외측층을 구비하고, 상기 내측층은주기율표 Ⅳa, Va, Ⅵa족의 탄화물, 질화물, 탄질화물, 붕화물, 붕질화물, 붕질탄화물, 산화물, 탄산화물, 산질화물, 탄질산화물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종류의 재료로 구성되고, 또한 기둥형 조직으로 이루어지는 층을 포함하고,

상기 외측층은 산화알루미늄, 산화지르코늄, 산화하프늄 및 그들의 고용체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종류의 산화물층으로 이루어지고,

상기 중간층은 수학식 1을 만족시키는 붕질화티탄 TiBxNy(x, y : atomic ％)와 Ti, B, N을 제외한 내측층 및/또는 외측층을 구성하는 원소를 포함하고,

[수학식 1]

0.001 ＜ x/(x ＋ y) ＜ 0.04

상기 중간층 중 내측층 구성 원소는 중간층의 내측층측으로부터 중간층의 막 두께의 중앙을 향하는 방향으로 원소량을 연속 또는 단계적으로 감소시키고, 및/또는 중간층 중 외측층 구성 원소는 중간층의 외측층측으로부터 중간층의 막 두께의 중앙을 향하는 방향으로 원소량을 연속 또는 단계적으로 감소시키는 구조이고, 이 중간층의 평균 막 두께가 0.1 내지 1 ㎛이고, 또한 이 중간층의 기준 길이 1 ㎛의 표면 거칠기로 최정상선과 최바닥선 사이의 수직 거리가 50 내지 500 ㎚인 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 중간층 TiBxNy(x, y : atomic ％)는 수학식 2를 만족시키는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.

[수학식 2]

0.003 ＜ x/(x ＋ y) ＜ 0.02
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 중간층은 TiBxNyOz(x, y, z : atomic ％)의 붕질산화티탄이고,

하기의 수학식 1 및 수학식 3을 만족시키는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.

[수학식 1]

0.001 ＜ x/(x ＋ y) ＜ 0.04

[수학식 3]

0.0005 ＜ x/(x ＋ y ＋ z) ＜ 0.04 또한 0 ＜ z/(x ＋ y ＋ z) ＜ 0.5
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 중간층은 내측층측이 수학식 1을 만족시키는 붕질화티탄 TiBxNy(x, y : atomic ％)로 이루어지고, 외측층측이 수학식 1 및 수학식 3을 만족시키는 붕질산화티탄 TiBxNyOz(x, y, z : atomic ％)로 이루어지며, 내측층측으로부터 외측층측을 향해 산소 함유량이 많아지는 구조인 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.

[수학식 1]

0.001 ＜ x/(x ＋ y) ＜ 0.04

[수학식 3]

0.0005 ＜ x/(x ＋ y ＋ z) ＜ 0.04 또한 0 ＜ z/(x ＋ y ＋ z) ＜ 0.5
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피복층은 내측층의 평균 막 두께를 1.0 내지 20.0 ㎛, 외측층의 평균 막 두께를 0.5 내지 10.0 ㎛로 하는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내측층의 기둥형 조직은 탄질화티탄층 또는 탄질산화티탄층이고,

이 탄질화티탄층 또는 탄질산화티탄층의 평균 막 두께가 1.0 내지 20.0 ㎛이고,

기둥형 조직의 종횡비가 5 이상인 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외측층은 α형 Al₂0₃을 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외측층보다도 더욱 외측에 주기율표 Ⅳa, Va, Ⅵa족의 탄화물, 질화물, 탄질화물, 산화물, 탄산화물, 산질화물, 탄질산화물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종류의 재료로 구성되는 식별층을 갖고,

식별층의 평균 막 두께가 0.2 내지 5.0 ㎛인 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피복층의 최표면 중 날끝 능선부 근방 이외에서 피삭재와 접촉하는 부위의 평균 면 거칠기가 공구 단면으로부터 관찰하는 방법에 의해 측정되는 기준 길이 5 ㎛에 대해 Rmax 0.2 내지 1.3 ㎛인 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피복층의 최표면 중 날끝 능선부 근방에 있어서의 면 거칠기가 공구 단면으로부터 관찰하는 방법에 의해 측정되는 기준 길이 5 ㎛에 대해 Rmax 0.2 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 베이스 부재가,

탄화텅스텐을 주성분으로 하여 주기율표 Ⅳa, Va, Ⅵa족 금속의 탄화물, 질화물, 탄질화물 및 그들의 고용체(WC를 제외함)로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종류를 포함하는 경질상과,

철족 금속으로부터 선택된 1종류 이상을 포함하는 결합상으로 이루어지는 초경 합금인 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.