KR20060024442A - 공구용 표면피복 고경도 재료 - Google Patents

Abstract

(과제) CBN 소결체 공구의 피복막을 얇게 함으로써, 담금질 강의 정밀 마무리나 홈 형성 가공용 공구를 제공한다.

(해결수단) 본 발명은 CBN 소결체를 기재로 하여, 기재의 표면에 C, N 및 O 중에서 선택된 적어도 1종의 원소와 Ti 와 Al 을 주성분으로 한 화합물로 이루어지는 적어도 1층의 피복막을 0.1μm 이상 1μm 미만의 두께로 갖는 공구용 표면피복 고경도 재료이다. 홈 형성 공구로서 이 재료를 사용하면, 우수한 성능을 나타낸다. 피복막으로서는 중간층, 내마모막 및 표면층 등이 있다.

Description

공구용 표면피복 고경도 재료{SURFACE-COATED HIGH HARDNESS MATERIAL FOR TOOL}

본 발명은 입방정 질화붕소 (CBN) 를 주성분으로 하는 CBN 소결체를 기재로 하여, 그 위에 박막을 피복한 공구용 재료의 개량에 관한 것이다.

CBN 은 다이아몬드 다음으로 높은 경도를 갖는 재료로서 금속과의 반응성이 낮으므로, 그 소결체는 내열 합금이나 담금질 강의 절삭에 사용되고 있다. 이와 같이 경도가 높은 CBN 소결체에 있어서도, 피복을 함으로써 날끝의 마모를 방지할 수 있는 등의 효과를 갖고 있다. 피복막은 절삭날 에지 부분에서 둥그스름하고 막두께가 두꺼워지면 이 부분은 더 둥글게 된다. 특허문헌 1 은 CBN 소결체의 위에 내마모층과 중간층과 최표면층을 갖는 피복 CBN 소결체를 개시하고 있다. 내마모층으로서 TiAl(CNO) 등, 중간층이나 최표면층으로서 TiN 등을 피복한 공구용 표면피복 고경도 재료가 제공되고 있다.

특허문헌 2 는 CBN 소결체에 티탄과 알루미늄을 함유하는 복합 질화물, 복합 탄질화물 등의 피복막을 갖는 것이다. 특히, 피복막의 결정면 (200) 의 X 선의 회절 강도와 결정면 (111) 의 X선 회절 강도의 비가 특정 범위에 있고, 피복막의 두께가 1∼15μm 인 복합 경질막 피복 부재이다.

특허문헌 1: 일본 공개특허공보 평8-119774호 제2페이지, 제6∼10페이지, 표 1, 3, 5

특허문헌 2: 일본 공개특허공보 2001-234328호 제2페이지

발명의 개시

발명이 해결하고자 하는 과제

종래의 피복 공구는 피복막의 두께가 1μm 이상인 두께를 갖고 있었다. 최근에는 담금질 강 등의 단속 절삭 가공에서의 장수명화나 정밀 마무리 가공의 고정밀도화가 요망되고 있기 때문에, 종래의 피복 공구에서는 피막의 안정성이 부족하여, 충분한 공구 수명이 얻어지고 있지 않다. 단속 절삭 가공에 있어서, CBN 소결체보다 강도가 떨어지는 세라믹스 피복막은 막두께가 크면 단속의 충격(interrupted impact)에 의해 막박리·막파괴가 절삭날부에 생겨, 피복 공구의 결손이나 피삭재의 면 조도 악화의 원인이 된다. 또한, 이송량이 피복막 두께에 가까워짐에 따라서, 피복막의 밑에 기재가 없는 부분에서 절삭하는 비율이 높아져, 피복막의 박리가 생기기 쉬워진다.

일반적으로, 피복 초경합금 공구에서는 고정밀도 가공이 아니라 절삭 깊이, 이송량이 큰 고능률 가공을 대상으로 하고 있으므로, 높은 절삭 부하에 의한 막박리의 발생이 문제가 된다. 한편, CBN 공구에 의한 절삭에서는 고정밀도인 마무리면이 얻어지기 때문에, 이송량이 작은 마무리 가공을 대상으로 하는 경우가 많다. 발명자들이 얻은 지견에서는, 저이송 가공에 있어서도 비절삭 저항 (절삭 저항을 절삭 단면적으로 나눈 값) 이 높아짐으로써 막박리가 발생되기 쉬워진다. 비절삭 저항이 높아지는 이유는, 이송량이 작은 경우, 절삭 단면적이 작아짐으로써 피삭재 내부 결함의 존재 확률이 작아지기 때문에, 재질 강도가 상대적으로 높아지기 때문인 것으로 생각된다 (비절삭 저항의 치수 효과). 특히 플런지 컷인 홈 형성 가공에서는 절삭날의 접촉 면적이 커 그 높은 절삭 부하 때문에 트래버스 컷보다 이송량이 작고, 또한 그 가공 종료시에는 이송이 제로 상태가 되어, 피복막에 큰 절삭 응력이 가해져 막의 박리로 이어진다. 이러한 점에서 피복막의 박리 방지가 제 1 과제이다.

또한, 고정밀도 가공에 있어서 종래의 피복막의 절삭날 에지부에 생기는 「둥그스름부(round)」는 가공 정밀도를 저하시키고, 또한 비절삭 저항도 높아지기 때문에, 이 「둥그스름부」를 작게 하는 것이 제 2 과제이다.

과제를 해결하기 위한 수단

본 발명은 CBN 소결체를 기재로 하여, 기재의 표면에 C, N 및 O 중에서 선택된 적어도 1종의 원소와 Ti 와 Al 중에서 선택된 적어도 1종의 원소를 주성분으로 한 화합물로 이루어지는 적어도 1층의 피복막을 두께 0.1μm 이상 1μm 미만으로 갖는 공구용 표면피복 고경도 재료이다. 본 발명의 공구용 표면피복 고경도 재료는 피복막으로서 TiAl (CNO) 로 이루어지는 내마모층을 갖고 있다. 그 밖에 TiN 등으로 이루어지는 중간층이나 최표면층을 형성해도 된다.

본 발명의 피복막은 Ti 와 Al 의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지고, 피복막의 X선 회절에 있어서의 (111)면으로부터의 회절 강도를 I(111), (200)면으로부터의 회절 강도를 I(200) 으로 하였을 때, 0≤I(200)/I(111)≤3 인 것이 바람직하다. 회절 강도는 막형성 조건에 의존하지만, I(200)/I(111) 이 3 을 초과하면, 압축 응력의 저하 및 결정립의 조대화로 인한 내마모성과 내결손성의 저하를 초래하기 때문에 3 이하로 하였다.

각종 실험으로부터, 종래 막보다 막두께가 얇은 본 발명의 피복막은 (Ti_{1 -X}Al_X)N, 0.3≤X≤0.6 으로 표시되는 조성을 갖는 것이 바람직하다. TiAlN 계의 피복막이 CBN 기재보다 열팽창 계수가 크기 때문에, 막형성 완료 후의 냉각시에 각각의 수축률의 차에 의해 피복막 내부에 인장 응력이 발생하여, 막형성시에 발생된 잔류 압축 응력이 완화된다. 여기서 피복막 중의 Al 의 비율이 높아짐에 따라서, 피복막의 열팽창 계수가 낮아지는 것으로 추정되어 X 가 0.6 를 초과하면, CBN 기재와의 열팽창 계수의 차에 의한 압축 응력의 완화 효과가 작아져, 막 내부의 높은 압축 응력이 잔류하여 절삭시에 막박리가 발생되기 쉬워진다. 또한, X 가 0.3 미만이면 경도가 낮아져 마모 억제 효과가 얻어지지 않기 때문에, 0.3≤X≤0.6 으로 하였다. 이 범위는 내마모성과 내박리성의 밸런스가 우수하여, 단속 절삭이나 홈 형성 가공에 적합한 조성이다. 더욱 바람직하게는 0.3≤X≤0.45 인 것을 알 수 있었다.

본 발명의 피복막을 구성하는 결정의 평균 입경은 50nm 이상 150nm 이하인 것이 바람직하다. 일반적으로 결정 입경이 미세해짐에 따라서, 막의 경도가 높아지는 반면, 인성은 저하되는 것으로 생각되어, 상기 범위가 내마모성과 내결손성의 밸런스가 우수하여 단속 절삭이나 홈 형성 가공에 적합한 결정 입경이다.

상기 피복막에 함유되는 Ti 의 일부를, Si, B 및 Ti 를 제외하는 주기율표 4a, 5a 및 6a족 천이 금속 원소 중에서 선택되는 적어도 1종의 원소로 치환하고, 치환된 원소의 피복막 중의 함유량이 원자% 로 10% 미만인 것이 바람직하다. Ti, Al 에 더하여 상기한 바와 같은 제 3 원소를 첨가함으로써, 피복막을 구성하는 결정 입자의 입경이 더욱 미세해지고, 또한 균일한 결정 구조가 되어, 막의 강도가 향상되기 때문이다.

본 발명의 공구용 표면피복 고경도 재료를 홈 형성 공구로서 이용하면 현저한 효과가 얻어진다. 홈 형성 가공에서는, 원래 저이송 조건인 데다가, 홈 밑바닥부에서 이송이 제로인 상태가 되어, 피복막에 큰 응력이 가해져, 피복막이 두꺼운 경우에는 막의 박리로 이어진다. 본 발명의 피복막은 막두께가 얇기 때문에, 상기한 바와 같은 홈 형성 가공 특유의 높은 응력에 견딜 수 있다.

본 발명에서 사용하는 기재는 CBN 분말 30∼90체적% 와 잔부 결합재로 이루어지는 소결체로서, 잔부 결합재가 주기율표 제 4a, 5a 및 6a족 원소인 질화물, 탄화물, 붕화물, 산화물 및 이들의 고용체로 이루어지는 군 중에서 선택된 적어도 1종과, 알루미늄 화합물과 불가피한 불순물로 이루어진다. 여기서 Al 화합물로서는 알루미늄의 산화물, 붕화물, 질화물 등이다. CBN 소결체로서 여러 가지의 것이 알려져 있지만, 상기 기재는 담금질 강의 절삭에 적합하다.

더욱 바람직하게는 피복막의 막두께가 0.1μm 이상이고 0.5μm 미만이다. 막두께를 얇게 함으로써, 절삭시의 이송량을 작게 할 수 있어, 고정밀도 가공을 가능하게 한다. 본 발명에 있어서의 고정밀도 가공이란, 이송량이 0.08mm/rev 이하인 가공을 말한다. 본 발명에서 피복막의 막두께라고 할 때에는 중간층, 내마모층 및 최표면층 등의 각종 층의 합계 막두께를 가리킨다.

본 발명의 공구용 표면피복 고경도 재료로 이루어지는 절삭 공구는 건식 공구로서는 물론 습식 공구로서도 사용가능하다. 단속 절삭 가공에서는 열사이클이 현저하여, 공구 수명의 관점에서는 건식 가공이 바람직하지만, 치수 정밀도의 관점에서는 습식 가공이 바람직한 경우가 있다. 그 때, CBN 기재와 경질 피복막의 열팽창 계수가 상이하기 때문에, 종래의 막에서는 단속의 충격에 더하여 열사이클에 의한 막박리, 막파괴가 발생되어 충분한 마모 억제 효과가 얻어지지 않았다. 그러나, 본 발명에서는 압축 응력을 부하함으로써 막 자체의 내결손성을 높이고 있는 데다가, 막두께를 얇게 함으로써 열사이클에 의해 발생되는 열응력에 의존하는 전체 응력을 억제하여, 내박리성을 대폭 향상시키고 있다. 이 때문에, 습식 조건 하에서의 단속 절삭에 있어서도 막파괴, 막박리가 발생되기 어려워, 충분한 마모 억제 효과가 얻어진다.

발명의 효과

본 발명의 공구용 표면피복 고경도 재료는 우수한 강도, 경도 및 인성을 갖는 CBN 소결체에, 우수한 경도와 내열성을 갖는 경질 피복막을 종래 막보다 얇게 피복하여, 막의 내박리성, 내결손성을 대폭 개선한 것이다.

발명의 실시형태

본 발명에서는 피복막을 얇게 함으로써 단속 절삭 가공이나 고정밀도 가공에 있어서 장수명화를 실현하는 공구용 표면피복 고경도 재료 및 그 재료를 사용한 홈 형성 공구를 제공하고자 하는 것이다. 단속 절삭에서는 단속의 충격에 견딜 수 있을 만큼의 높은 내박리성이 요구되는 것은 당연하지만, 연속 절삭에 있어서도 이송량이 작은 조건 하에서는 피복막에 높은 응력이 가해져 막박리를 야기한다. 이 이유를 다음에 나타내는 도 1∼도 3 을 사용하여 설명한다.

외경 절삭에 있어서, 도 1 에 나타내는 기재 (1) 로 이루어지는 공구를 피삭재 (3) 의 축 방향으로 보내는 트래버스 컷과 도 2 에 나타내는 직경 방향으로 보내는 플런지 컷이 있다. 어느 가공에서나, 피삭재 (3) 가 화살표 방향으로 회전하고, 기재 (1) 로 이루어지는 공구가 화살표 방향으로 이동하여, 이송량 (F) 에 비례하는 두께를 갖는 절삭밥이 제거됨으로써 가공이 진행된다. 또, 실선으로 나타내는 기재 (1) 의 위치와 그 1회전 전의 기재의 위치 (7) 등에 둘러싸인 사선부는 절삭 단면적을 나타낸다. 도 1, 2 에서 알 수 있는 바와 같이, 특히 플런지 컷은 트래버스 컷에 비교하여 절삭날의 접촉 면적이 커 절삭 저항이 높다. 따라서 플런지 컷인 홈 형성 가공에서는 원래 트래버스 컷보다 이송량이 작고, 또한 홈 형성 가공의 마지막 시점에서 공구의 진행이 멈춰 공구 선단과 홈의 밑바닥이 닿는다는 단계가 있다.

도 3 은 도 2 에 있어서의 피삭재 가공 부위의 A-A 단면도이고, 본 발명의 재료로 이루어지는 홈 형성 공구를 사용하여, 피삭재의 홈을 절삭하고 있는 상태를 나타낸다. 기재 (1) 의 표면에 피복막 (2) 이 있고, 피삭재 (3) 를 화살표 방향으로 회전시켜 절삭하고 있다. 고정밀도 가공이나 홈 형성 가공에서는 절삭 가공시의 이송을 작게 할 필요가 있다. 절삭 가공에 있어서 이송 (F) 에 상당하는 폭의 부분이 절삭분 (5) 으로서 제거되어, 홈벽 (6) 을 형성한다. 이송 (F) 을 작게 하면, 이윽고 절삭분으로서 제거되는 부분의 두께가, 피복막 (2) 의 두께에 근접되어 온다. 이렇게 되면, 절삭시에 공구에 가해지는 부하 중, 피복막 (2) 에서 받는 비율이 높아져 피복막 (2) 의 박리의 원인이 된다. 피복막 (2) 을 얇게 하면, 같은 이송 (F) 이더라도 기재 (1) 에 이러한 부하의 비율을 늘릴 수 있어, 피복막의 박리를 억제할 수 있다.

요컨대 홈 형성 가공에서는 통상의 트래버스 컷보다 이송량이 작고, 날끝 선단부에 절삭 응력이 집중된다. 종래의 두꺼운 피복막이면, 피복막 내에서 받는 절삭 응력의 비율이 높아지므로, 기재로부터의 막박리나 막결손이 일어나기 쉽다. 이에 비하여 본 발명의 홈 형성 공구는 피복막의 두께가 얇으므로 막박리나 막결손과 같은 문제는 없다.

기재에 막을 피복하면, 도 3 에 나타내는 바와 같이 기재의 절삭날 에지에 둥그스름부 (4) 가 발생한다. 본 발명의 피복막은 예를 들어 PVD 법으로 피복되는데, 그 때 절삭날 에지에 전하가 집중되기 쉬워 아무리 해도 절삭날 에지가 둥글게 되는 것을 막을 수 없다. 둥그스름부 (4) 에 가해지는 부하는 커서, 막이 손상받기 쉬운 구조로 되어 있다. 본 발명에서는 피복막의 두께를 얇게 하고 있으므로, 둥그스름부를 작게 억제할 수 있다.

본 발명의 피복막은 이온 플레이팅 등의 PVD 법으로 형성할 수 있다. 본 발명의 피복막을 형성하는 방법은 원료 원소의 이온화율이 높고, 반응성이 풍부하고, 기재에 바이어스 전압을 인가함으로써 밀착성이 우수한 피복막을 얻을 수 있는 아크식 이온 플레이팅법이 가장 적합하다. 여기서, 바이어스 전압이란 기재와 금속 타깃 사이의 전위차를 가리킨다.

일반적으로 아크식 이온 플레이팅법에서는 피복막의 구성 물질을 바이어스 전압으로 가속한다. 요컨대 기재에 부의 바이어스를 부가함으로써, 이온화된 금속 양이온이 가속되어, 기재 표면에 도달하여 막이 성장해 간다. 바이어스 전압과 잔류 응력의 관계는 문헌 Surface and Coatings Technology vol.163-164 p135-143 (2003) 의 Fig.7 에 개시되어 있는데, 이 문헌에서는 바이어스 전압이 높아짐에 따라서 잔류 압축 응력이 높아지고, 100V 에서 극대치가 되고, 그 이상에서는 반대로 잔류 압축 응력이 저하되는 것을 나타내고 있다.

여기서 바이어스 전압이 「높다」 라는 것은, 기재에 가해지는 부의 바이어스 전압의 절대치가 큰 것을 의미하고, 후술하는 표 8 이나 도 4 등에서는 절대치로 표시하고 있다. 바이어스 전압이 높아지면, 가속된 양이온의 기재에 대한 스트라이킹 (bombardment) 효과가 높아져 압축 응력이 증가하지만, 동시에 기재와 피복막의 온도도 상승하기 때문에 응력 완화가 작용하여, 어떤 바이어스 전압으로부터 압축 응력이 저하되는 경향을 나타낸다. 상기 문헌에 대하여 본 발명의 피복막 (피복막의 조성: (Ti_{0 .6}Al_{0 .4})N, 막두께: 0.45μm) 은 도 4 에 나타내는 바와 같이 바이어스 전압이 200V 에서 잔류 압축 응력이 극대가 되고, 또한 잔류 압축 응력의 절대치도 상기 문헌보다 커진다.

그 이유는 다음과 같이 추정된다. CBN 기재의 열전도율은 피복막의 열전도율보다 훨씬 크고, 막형성시에 피복막에 발생된 열을 내보내는 기능이 있지만, 그 방열 효과는 막두께에 의존한다. 요컨대, 막두께가 얇으면 방열 효과가 우수하기 때문에 피복막의 온도 상승에 의한 응력 완화 효과가 작아져, 압축 응력이 높아지는 것으로 추정된다. 이는 피복막을 얇게 함으로써 보다 높은 압축 응력을 부가할 수 있음을 의미한다.

피복막 내부의 압축 응력은 높은 편이 막의 경도, 강도가 높아지지만, 막두께가 두꺼우면 전체 응력 (내부 응력×막두께) 이 커져 절삭 부하에 의해서 기재로부터의 박리가 발생되기 쉬워지기 때문에, 적절한 시점에서 제어할 필요가 있다. 특히 기재가 CBN 소결체인 경우, CBN 입자가 세라믹스 결합상보다 화학적으로 안정적이기 때문에 피복막과의 계면에서의 확산 반응이 일어나기 어렵다. 또한 CBN 입자가 기계적 강도도 우수하기 때문에, 양이온의 스트라이킹에 의한 기재의 표면 조도가 얻어지지 않기 때문에 앵커 효과도 작다. 이 때문에, 종래의 1μm 이상의 막두께이며, 기재가 CBN 소결체인 경우에는 초경합금이나 서멧에 비하여 밀착력이 발휘되기 어렵고, 바이어스 전압을 높게 하면 막 내부의 전체 응력이 높아져 절삭시에 피복막이 박리되므로, 통상 100V 이하에서 막형성되고 있었다.

그러나, 본 발명과 같이 얇은 피복막의 경우에는 높은 내부 압축 응력을 유지하면서 피복막의 전체 응력을 제어하는 것이 가능하기 때문에, 바이어스 전압을 상기보다 높게 하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명에서 사용하는 바이어스 전압은 100V∼300V 의 범위가 바람직하다.

본 발명의 피복막은 단층이어도 복층이어도 된다. 단 최표면층을 형성하는 경우에는 TiN, TiCN, CrN, TiC, HfC 등이 바람직하다. 그 이유는 CBN 소결체가 흑색인 데 비하여, 상기 막은 산뜻한 밝은색을 띠기 때문이다. 최표면층을 형성한 본 발명의 피복 CBN 소결체 공구를 대량 생산에서 사용할 때에, 수명에 달한 공구 또는 코너와 미사용 공구 또는 코너의 구별이 용이해져, 공구 관리를 철저히 할 수 있기 때문이다.

이하, 본 발명의 실시형태를 설명한다.

초경합금 제 포트 및 볼을 사용하여 TiN 과 알루미늄을 80:20 의 중량비로 혼합한 결합재 분말을 얻었다. 다음으로, 이 결합재와 CBN 분말을 체적비로 40:60 이 되도록 배합하고, Mo 제 용기에 충전하여 압력 50kb (5GPa), 온도 1450℃ 에서 20분간 소결하였다. 소결체 중에는 질화알루미늄, 산화알루미늄과 붕화알루미늄으로 판단되는 알루미늄 화합물이 함유되어 있었다. 이 소결체를 절삭 공구용 팁의 형상 (형번 SNGN120408) 및 홈 형성 공구용 팁의 형상 (형번 BNGNT0250R) 으로 가공한 후, 팁에 진공 아크 방전에 의한 이온 플레이팅법으로 표 1 에 나타내는 피복막을 피복하였다.

막형성 장치 내는 복수개의 타깃을 배치하고, 이들의 타깃의 중심에 형성된 회전식 기재 유지구에 상기 팁을 장착하여 막형성하였다. 타깃으로서는 피복막의 금속분의 성분과 동일한 조성으로 하여 Ti_{0 .5}Al_{0 .5}, Ti_{0 .3}Al_{0 .7}, Ti_{0 .7}Al_{0 .3}, Ti_{0 .6}Al_{0 .4} 및 Ti 등을 사용하였다. 우선, 막형성 장치를 1.33×10^-3Pa(10^-5torr) 의 진공도까지 감압하고, Ar 가스를 도입하여 1.33Pa(10^-2torr) 의 분위기 속에서 팁에 -1000V 의 전압을 가하여 세정하였다. 다음으로, 500℃ 까지 가열하여, Ar 가스를 배기한 후 반응 가스로서 N₂ 가스를 도입하고, 팁에 -120V 의 전압을 가하여, 진공 아크 방전에 의해 아크 전류 100A 에서 상기 타깃을 증발 이온화시켜 피복하였다. 압력은 1.33Pa (10^-2torr) 로 하고, 또한 막두께는 피복 시간에 의해서 제어하였다.

피복막이 N 에 더하여 C, O 를 함유하는 막인 경우에는, 반응 가스로서 N₂ 에 더하여 CH₄, O₂ 를 사용하고, 각각의 유량의 비율을 조정하여 C, N, O 의 비율을 조정하였다. 또한, 중간층, 최표면층으로서 TiN 을 피복하는데, 그 때 Ti 를 타깃으로서 배치하여, 상기와 동일한 요령으로 순차 막형성하였다. 이렇게 하여 얻어진 시료를 표 1 에 나타낸다. 피복막의 결정계는 입방정형의 결정 구조이었다.

표 1 에 있어서 시료 No.9, 10, 21 및 22 는 기재와 내마모층 사이에 막두께 0.05μm 의 TiN 으로 이루어지는 중간층을 형성한 것으로, 중간층은 피복막의 접합 강도를 높이는 기능이 있다. 또한, 시료 No.1, 10, 21, 27 및 28 은 최표면층이 없는 피복막 구조로 되어있다. TiN 으로 이루어지는 최표면층은 금색이고 공구의 사용이 끝난 코너를 식별하기 쉬우므로 피복되어 있다. 시료 No.15∼18 에 있어서, 피복막은 탄질화물이나 산질화물을 사용하고 있다. 또한 시료 No.19, 20 및 25 는 Ti 만을 금속원소로 하는 피복막이다. 또한, 시료 27, 28 은 Ti, Al 에 더하여 Si 나 B 를 첨가한 것이다. 또 시료 26 은 시판 중인 피복막 없는 공구이다.

(절삭 시험 1)

표 1 에 기재되어 있는 팁을 사용하여, 오일 구멍이 가공되어 있는 피삭재를 10분간 절삭하여 단속 절삭 시험 (단속도 50%) 을 실시하였다. 피삭재는 담금질 강인 SCr420H (JIS 규격) 를 경도 HRc60 으로 조정한 것을 사용하였다. 또, 단속도란 피삭재의 이송 방향에 있어서, 절삭하는 부분의 길이에 대한 공전 부분의 길이의 비율을 의미한다. 본 절삭 시험의 단속도 50% 에서는 피삭재가 절삭되는 길이에 대하여 절반의 길이가 단속 절삭이었다는 의미이다. 본 발명의 재료는 단속 절삭과 연속 절삭이 혼재하는 피삭재의 절삭에 바람직하다. 피삭재 전체에 스플라인 홈 등이 있는 경우에는 단속도 100% 가 된다.

절삭 시험의 조건은 이하와 같다.

절삭 속도: 200m/min

이송: 0.15mm/rev

절삭 깊이: 0.2mm

절삭 방식: 건식

이렇게 하여 얻어진 결과를 표 2 에 나타낸다. 플랭크 마모와 절삭된 면의 면 조도를 함께 고려하여 평가한 결과가 평가 란에 기재되어 있다. 이 중 ◎ 이 가장 좋고, 이하 ○, × 로 순차적으로 평가는 나빠진다. 이 표시는 이하의 절삭 시험에서도 동일하다. 이 결과로부터, 중간층과 내마모층과 최표면층을 합친 피복막의 두께가 1μm 를 초과하는 것 및 피복막이 없는 것은 × 또는 △ 의 평가이었다. 여기서 표 중에 나타낸 면 조도 Rz 는 피삭재의 표면을 표면 조도계로 측정한 조도 곡선으로부터 기준 길이를 절취하고, 그 부분의 산 정상선과 골 밑바닥선의 간격을 조도 곡선의 세로 방향으로 측정하여, 이것을 마이크론 단위 (1μm=0.001mm) 로 나타낸 것을 말하고, JIS (일본 공업 규격) B0601 에 정해져 있다 (이하의 실시예에서도 동일).

(절삭 시험 2)

표 1 에 기재되어 있는 팁을 사용하여, 오일 구멍이 가공되어 있는 피삭재를 10분간 절삭하여 단속 절삭 시험 (단속도 50%) 하였다. 피삭재는 담금질 강인 SCr420H (JIS 규격) 를 경도 HRc60 으로 조정한 것으로, 절삭 시험 1 과 동일한 형상을 한 것을 사용하였다. 절삭 시험의 조건은 이하와 같다.

절삭 속도: 200m/min

이송: 0.04mm/rev

절삭 깊이: 0.1mm

절삭 방식: 건식

절삭 시험의 조건은 절삭 시험 1 과 비교하면, 이송이 작고 또한 절삭 깊이도 작은 고정밀도 가공에 속하는 조건이다. 이렇게 하여 얻어진 결과를 표 3 에 나타낸다. 표 3 에 의하면, 막두께가 1.3μm 인 시료 No.5 의 것은 박리되어 사용할 수 없음을 나타내고 있다. 또한, 막두께 0.8μm 의 시료 No.4 는 간신히 사용할 수 있는 정도이었다. 그 이유는 필시, 절삭 시험 1 과 비교하면 이송량이 작아졌기 때문에, 비절삭 저항이 증가하고, 또한 피복막 내에서 받는 절삭 응력의 비율이 높아졌기 때문인 것으로 생각된다.

(절삭 시험 3)

표 1 에 기재되어 있는 팁을 사용하여, 피삭재를 20분간 절삭하여 연속 절삭 시험하였다. 피삭재는 담금질 강인 SCr420H (JIS 규격) 을 경도 HRc60 으로 조정한 것을 사용하였다. 절삭 시험의 조건은 이하와 같다.

절삭속도: 200m/min

이송: 0.04mm/rev

절삭 깊이: 0.05mm

절삭 방식: 건식

절삭 시험 2 보다, 다시 절삭 깊이를 절반으로 한 조건으로 절삭 시험하였다. 이 절삭 시험은 연속 절삭이므로 공구의 성능차를 파악하기 위해서 절삭 시간을 20분간으로 연장하였다. 이렇게 하여 얻어진 결과를 표 4 에 나타낸다. 이 결과로부터 말할 수 있는 것은, 중간층과 내마모층과 최표면층을 합친 피복막의 두께가 1μm 를 초과하는 것 및 피복막이 없는 것은 × 또는 △ 의 평가이었다. 본 발명의 공구를 사용함으로써, 종래에는 연삭으로밖에 달성할 수 없는 것으로 알려졌던 1.6S 가공 (Rz=1.6μm 이하) 을 절삭에 의해 실현할 수 있었다.

(절삭 시험 4)

표 1 에 기재되어 있는 팁을 사용하여, 절삭 시험 1 과 동일하게 절삭 시험하였다. 여기서는 같은 시료 No. 의 팁으로 0.02mm/rev 와 0.15mm/rev 의 2종류의 이송량을 채용하여, 피삭재를 20분간 연속 절삭하여 비교하였다. 피삭재는 담금질 강인 SCr420H (JIS 규격) 를 경도 HRc60 으로 조정한 것을 사용하였다. 절삭 시험의 조건은 이하와 같다.

절삭 속도: 200m/min

이송: 표 5 에 기재된 바와 같음.

절삭 깊이: 0.2mm

절삭 방식: 건식

이렇게 하여 얻어진 결과를 표 5 에 나타낸다. 표의 위부터 차례로 시료 No.3, 4, 5, 6 및 8 의 피복막은, 피복막의 두께가 얇은 순으로 되어 있어 차례로 0.4μm, 0.8μm, 1.3μm, 2.1μm, 10.1μm 로 되어 있다. 피복막이 얇은 시료 No.3 의 것은 0.02mm/rev 의 작은 이송에서도 0.15mm/rev 의 이송에서도 높은 평가를 얻고 있어, 두꺼워짐에 따라서 평가가 나쁘게 되어 있음을 나타낸다.

(절삭 시험 5)

이 절삭 시험에서는 홈 형성 가공에 의한 절삭 시험을 행하였다. 표 1 에 기재되어 있는 팁을 사용하여, 피삭재에 120개의 홈을 가공하여 성능 평가하였다. 피삭재는 담금질 강인 SCr420H (JIS 규격) 를 경도 HRc63 으로 조정한 것을 사용하였다. 절삭 시험의 조건은 이하와 같다.

절삭 속도: 200m/min

이송: 0.02mm/rev

홈의 깊이: 0.8mm

절삭 방식: 건식

이렇게 하여 얻어진 결과를 표 6 에 나타낸다. CBN 공구에 의한 담금질 강의 홈 형성 가공은 통상의 절삭 가공보다 이송이 작고, 특히 홈의 밑바닥부를 절삭할 때에는 이른바 「제로 절삭」 의 상태가 되고, 막에 가해지는 부하가 통상의 선삭(旋削)보다 크다. 홈 형성 가공에 있어서도, 피복막은 얇은 편이 플랭크 마모, 막손상 모두 우수하다. 1μm 미만의 막두께를 갖는 팁의 성능은 특히 우수하다.

(절삭 시험 6)

이 절삭 시험에서는 절삭 시험 5 와 동일하게 홈 형성 가공에 의해 평가하였다. 표 1 에 기재되어 있는 팁을 사용하여, 피삭재에 120개의 홈을 가공하여 성능 평가하였다. 피삭재는 이송 방향으로 스플라인 홈을 갖는 단속도 100% 의 형상으로, 담금질 강인 SCr420H (JIS 규격) 를 경도 HRc63 으로 조정한 것을 사용하였다.

절삭 속도: 150m/min

이송: 0.02mm/rev

홈의 깊이: 0.8mm

절삭 방식: 건식

이렇게 하여 얻어진 결과를 표 7 에 나타낸다. 홈 형성 가공의 단속 절삭에서도 역시, 피복막이 얇은 편이 플랭크 마모, 막손상 모두 우수하다.

(실시예 2)

결정의 배향성과 평균 입경을 변화시켜 그 효과를 조사하였다. 실시예 1 과 동일하게 하여, 공구용 표면피복 고경도 재료로부터 팁형상 (형번 SNGN120408) 으로 가공하였다. 단, 막두께, X 선의 회절 강도 I(200)/I(111), 평균 결정 입경을 여러 가지로 변화시켰다. 이 실시예에서는 주로 (Ti_{0 .6}Al_{0 .4})N 을 내마모층으로 하여, 최표면층과 중간층을 형성하지 않은 공구용 표면피복 고경도 재료를 제작하였다. 바이어스 전압을 높게 하면, I(200)/I(111) 의 값이 작아지는 경향이 있다. 또한 평균 결정 입경은 바이어스 전압이 높아지면 작아지고, 또한 막두께가 얇아지면 작아지는 경향이 있다. 이렇게 하여 얻어진, 팁의 성질을 표 8 에 나타낸다.

(절삭 시험 7)

여기서는 표 8 에 기재되어 있는 팁을 사용하여, 10분간의 절삭 시험을 하였다. 피삭재는 절삭 시험 1 에서 사용한 것과 동일한 단속 절삭 테스트용 피삭재이다. 절삭 시험의 조건은 이하와 같다.

절삭 속도: 200m/min

이송: 0.1mm/rev

절삭 깊이: 0.2mm

절삭 방식: 건식

이렇게 하여 얻어진 결과를 표 9 에 나타낸다. 막두께가 0.5μm 미만, 회절 강도 I(200)/I(111) 가 3 이하, 평균 입경이 150nm 이하인 시료 No.41, 42 의 것이 특히 우수하였다.

종래의 표면피복 고경도 재료에서는 충분한 수명이 얻어지지 않았던 피복막에 대한 부하가 큰 용도, 예를 들어, 건식은 물론 습식 조건 하에서의 고경도 담금질 강의 단속 절삭이나 고정밀도 가공 분야에서 널리 이용할 수 있다. 또한, 본 발명의 재료를 홈 형성 공구에 적용한 경우, 특히 수명 연장 효과가 현저히 나타난다.

도 1 은 트래버스 컷에 있어서의, 절삭 단면적을 설명하는 개념도이다.

도 2 는 플런지 컷에 있어서의, 절삭 단면적을 설명하는 개념도이다.

도 3 은 도 2 의 A-A 단면도로서, 본 발명의 절삭 공구를 사용하여, 피삭재를 플런지 컷하고 있는 상태를 모식적으로 나타낸 도면이다.

도 4 는 바이어스 전압과 잔류 응력의 관계를 나타내는 그래프이다.

부호의 설명

1: 기재 2: 피복막

3: 피삭재 4: 둥그스름부

5: 절삭분 6: 홈벽

7: 1회전 전의 기재 위치 F: 이송

Claims (10)

1. 입방정 질화붕소 소결체 (이하 CBN 소결체) 를 기재로 하여,

   상기 기재의 표면에 C, N 및 O 중에서 선택된 적어도 1종의 원소와 Ti 와 Al 중에서 선택된 적어도 1종의 원소를 주성분으로 한 화합물로 이루어지는 적어도 1층의 피복막을 두께 0.1μm 이상 1μm 미만으로 갖는 것을 특징으로 하는 공구용 표면피복 고경도 재료.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 피복막이, Ti 와 Al 의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지고, 피복막의 X선 회절에 있어서의 (111)면의 회절 강도를 I(111), (200)면의 회절 강도를 I(200) 으로 하였을 때, 0≤I(200)/I(111)≤3 인 것을 특징으로 하는 공구용 표면피복 고경도 재료.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 피복막이 (Ti_{1 - X}Al_X)N, 0.3≤X≤0.6 으로 표시되는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 공구용 표면피복 고경도 재료.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 피복막이 (Ti_{1 - X}Al_X)N, 0.3≤X≤0.45 로 표시되는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 공구용 표면피복 고경도 재료.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 피복막을 구성하는 결정의 평균 입경이 50nm 이상 150nm 미만인 것을 특징으로 하는 공구용 표면피복 고경도 재료.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 피복막에 함유되는 Ti 의 일부를, Si, B 및 Ti 를 제외하는 주기율표 4a, 5a 및 6a족 천이 금속 원소 중에서 선택되는 적어도 1종의 원소로 치환하고, 치환된 원소의 피복막 중의 함유량이 원자% 로 10% 미만인 것을 특징으로 하는 공구용 표면피복 고경도 재료.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 공구용 표면피복 고경도 재료의 용도가 홈 형성 공구인 것을 특징으로 하는 공구용 표면피복 고경도 재료.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,

   기재가 입방정 질화붕소 (CBN) 분말 30∼90체적% 와 잔부 결합재로 이루어지 는 소결체로서, 잔부 결합재가 주기율표 제4a, 5a 및 6a족 원소인 질화물, 탄화물, 붕화물, 산화물 및 이들의 고용체로 이루어지는 군 중에서 선택된 적어도 1종과, 알루미늄 화합물과 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공구용 표면피복 고경도 재료.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 피복막의 합계 막두께가 0.1μm 이상 0.5μm 미만인 것을 특징으로 하는 공구용 표면피복 고경도 재료.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 공구용 표면피복 고경도 재료의 용도가, 담금질 강의 고정밀도 가공용 공구이고, 여기서 고정밀도 가공이란 이송량 0.08mm/rev 이하의 가공인 것을 특징으로 하는 공구용 표면피복 고경도 재료.

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