KR20060091237A

KR20060091237A - 고경도 강의 고속 절삭 가공에서 경질 피복층이 우수한내마모성을 발휘하는 표면 피복 초경 합금제 절삭 공구

Info

Publication number: KR20060091237A
Application number: KR1020060012308A
Authority: KR
Inventors: 아끼히로 곤도; 유스께 다나까; 고이찌 마에다
Original assignee: 미츠비시 마테리알 가부시키가이샤; 미츠비시 마테리알 고베 툴스 가부시키가이샤
Priority date: 2005-02-14
Filing date: 2006-02-09
Publication date: 2006-08-18
Also published as: CN100510161C; JP4702520B2; JP2006218592A; ATE443167T1; EP1690959A2; EP1690959A3; KR101148540B1; DE602006009162D1; US7510761B2; EP1690959B1; US20060183000A1; CN1820880A

Abstract

초경 기체의 표면에 경질 피복층을 형성하여 이루어지는 표면 피복 초경 합금제 절삭 공구이며, 상기 경질 피복층은 상기 상부층과 하부층으로 이루어지고, 상기 상부층은 얇은층 A와 얇은층 B의 교대 적층 구조를 갖고, 상기 얇은층 A는 조성식 : [Ti₁ _{-(A + B)} Al_ASi_B] N(단, 원자비로, A는 0.01 내지 0.06, B는 0.25 내지 0.35를 나타냄)을 만족하는 (Ti, Al, Si) N층, 상기 얇은층 B는 조성식 : [Ti₁ _{-(C + D)} Al_CSi_D] N(단, 원자비로, C는 0.30 내지 0.45, D는 0.10 내지 0.15를 나타냄)을 만족하는 (Ti, Al, Si) N층으로 이루어지고, 상기 하부층은 단일상 구조를 갖고, 조성식 : [Ti₁ _{-(E + F)} Al_ESi_F] N(단, 원자비로, E는 0.50 내지 0.60, F는 0.01 내지 0.09를 나타냄)을 만족하는 (Ti, Al, Si) N층으로 이루어진다.

초경 기체, 경질 피복층, 상부층, 하부층, 절삭 공구

Description

고경도 강의 고속 절삭 가공에서 경질 피복층이 우수한 내마모성을 발휘하는 표면 피복 초경 합금제 절삭 공구 {CUTTING TOOL MADE OF SURFACE-COATED CEMENTED CARBIDE WITH HARD COATING LAYER EXHIBITING EXCELLENT WEAR RESISTANCE IN HIGH SPEED CUTTING OPERATION OF HIGH HARDNESS STEEL}

도1은 본 발명 피복 초경 공구를 구성하는 경질 피복층을 형성하는 데 이용한 아크 이온 플레이팅 장치를 도시하는 개략 평면도.

도2는 본 발명 피복 초경 공구를 구성하는 경질 피복층을 형성하는 데 이용한 아크 이온 플레이팅 장치를 도시하는 개략 정면도.

도3은 통상의 아크 이온 플레이팅 장치의 개략 설명도.

[문헌 1] 일본 특허 제2793773호

본 발명은 경질 피복층이 우수한 내열성을 갖고, 또한 고온 경도 및 고온 강도도 구비하고, 따라서 특히 우수한 내열성이 요구되는 합금 공구 강이나 베어링 강의 켄칭재 등의 고경도 강 등의 높은 발열을 수반하는 고속 절삭 가공에 이용한 경우에도, 우수한 내마모성을 발휘하는 표면 피복 초경 합금제 절삭 공구(이하, 피복 초경 공구라 함)에 관한 것이다.

일반적으로, 피복 초경 공구에는 각종의 강이나 주철 등의 피삭재의 선삭 가공이나 평삭 가공을 행할 때에 바이트의 선단부에 착탈 가능하게 부착되어 이용되는 스로어웨이 팁, 상기 피삭재의 구멍 개방 절삭 가공 등에 이용되는 드릴이나 소형 드릴, 또한 상기 피삭재의 면삭 가공이나 홈 가공 및 편 가공 등에 이용되는 솔리드 타입의 엔드 밀 등이 있다. 또한 상기 스로우웨이 팁을 착탈 가능하게 부착하여 상기 솔리드 타입의 엔드 밀과 마찬가지로 절삭 가공을 행하는 스로우웨이 엔드 밀 공구 등도 피복 초경 공구로서 알려져 있다.

또한, 피복 초경 공구로서, 탄화텅스텐(이하, WC로 나타냄)기 초경 합금 또는 탄질화티탄(이하, TiCN으로 나타냄)기 서멧으로 구성된 초경 기체의 표면에 단일상 구조를 갖고, 또한,

조성식 : [Ti₁ _{-(x + y)} Al_xSi_y] N(단, 원자비로, X는 0.05 내지 0.75, Y는 0.01 내지 0.10을 나타냄)을 만족하는 Ti과 Al과 Si의 복합 질화물[이하,(Ti, Al, Si) N으로 나타냄]층으로 이루어지는 경질 피복층을 0.1 내지 20 ㎛의 층 두께로 증착 형성하여 이루어지는 피복 초경 공구가 알려져 있고, 상기 (Ti, Al, Si) N층에 있어서는 구성 성분인 Al에 의해 고온 경도, 구성 성분인 Ti에 의해 고온 강도, 또한 구성 성분인 Si에 의해 내열성이 향상된 특성을 갖게 되는 것도 알려져 있다.

또한, 상기의 피복 초경 공구가, 예를 들어 도3에 개략 설명도로 도시하는 물리 증착 장치의 1종인 아크 이온 플레이팅 장치에 상기의 초경 기체를 장입하고, 히터로 장치 내를, 예를 들어 500 ℃의 온도로 가열한 상태로, 애노드 전극과 소정 조성을 갖는 Ti-Al-Si 합금이 세트된 캐소드 전극(증발원) 사이에, 예를 들어 전류 : 90A의 조건으로 아크 방전을 발생시키고, 동시에 장치 내에 반응 가스로서 질소 가스를 도입하여, 예를 들어 2㎩의 반응 분위기로 하고, 한편 상기 초경 기체에는, 예를 들어 -100V의 바이어스 전압을 인가한 조건으로, 상기 초경 기체의 표면에, 상기 (Ti, Al, Si) N층으로 이루어지는 경질 피복층을 증착함으로써 제조되는 것도 알려져 있다.

[특허 문헌 1] 일본 특허 제2793773호

최근 절삭 가공 장치의 고성능화는 우수하고, 한편으로 절삭 가공에 대한 절력화 및 에너지 절약화, 또한 저비용화의 요구는 강하고, 이에 수반하여 절삭 가공은 고속화의 경향에 있지만, 상기의 종래 피복 초경 공구에 있어서는, 이를 강이나 주철 등의 절삭을 통상의 절삭 가공 조건으로 행하는 데 이용하는 경우에는, 절삭 가공 조건에 따른 조성을 선택하면 문제는 없지만, 특히 합금 공구강이나 베어링 강의 켄칭재 등의 빅커스 경도(C 스케일)로 50 이상의 높은 경도를 갖는 고경도 강 등의 절삭 가공을, 고열 발생을 수반하는 고속 절삭 가공 조건으로 행하는 데 이용한 경우에는, 특히 경질 피복층의 내열성 부족이 원인으로 마모 진행이 매우 빠르고, 이로 인해 비교적 단시간에 사용 수명에 이르는 것이 현재 상태이다.

본 발명은, 이러한 종래 기술의 문제점에 비추어 이루어진 것으로, 내마모성 이 우수하여 사용 수명을 향상시킬 수 있고, 절삭 가공에 대한 절력화 및 에너지 절약화, 또한 저비용화할 수 있는 피복 초경 공구를 제공하는 것을 과제로 한다.

그래서, 본 발명자들은 상술한 바와 같은 관점으로부터, 특히 고경도 강의 고속 절삭 가공에서 경질 피복층이 우수한 내마모성을 발휘하는 피복 초경 공구를 개발하도록, 상기의 종래 피복 초경 공구의 경질 피복층을 구성하는 (Ti, Al, Si) N층에 착안하여 연구를 행한 결과, 이하의 (1) 내지 (3)에 기재되는 것을 처음으로 구명하였다.

(1) 경질 피복층을 구성하는 (Ti, Al, Si) N층에 있어서, Si 성분의 함유 비율을 많게 하면 내열성이 향상되지만, 상기의 종래 (Ti, Al, Si) N층에 있어서의 1 내지 10 원자 ％ 정도의 Si 함유 비율로는, 고경도 강의 고속 절삭 가공에 요구되는 높은 내열성을 확보할 수 없다. 이러한 요구에 만족하게 대응시키기 위해서는 Si 함유 비율이 상기 1 내지 10 원자 ％를 훨씬 넘은 25 내지 35 원자 ％인 것이 필요하다. 한편, 25 내지 35 원자 ％의 Si 성분을 함유한 (Ti, Al, Si) N층을 경질 피복층으로서 실용적으로 이바지하기 위해서는, 소정량의 Ti을 함유시켜 소정의 고온 강도를 확보할 필요가 있지만, 이 경우 Al 성분의 함유 비율은 현저하게 낮은 상태가 되는 것을 피할 수 없고, 이 결과 고온 경도가 매우 낮은 것으로 되는 것이다.

(2) 조성식 : [Ti₁ _{-(A + B)} Al_ASi_B] N(단, 원자비로, A는 0.01 내지 0.06, B는 0.25 내지 0.35를 나타냄)을 만족하는 Si 함유 비율이 25 내지 35 원자 ％의 (Ti, Al, Si) N층과,

조성식 : [Ti₁ _{-(C + D)} Al_CSi_D] N(단, 원자비로, C는 0.30 내지 0.45, D는 0.10 내지 0.15를 나타냄)을 만족하는 상대적으로 Al 성분의 함유 비율을 많게 한 (Ti, Al, Si) N층을, 각각의 층 두께를 5 내지 20 ㎚의 얇은층으로 한 상태에서, 교대 적층하면, 이 결과의 (Ti, Al, Si) N층은 상기 양쪽 얇은층의 교대 적층 구조에 의해, 상기의 고 Si 함유의 (Ti, Al, Si) N층(이하, 얇은층 A라 함)이 갖는 우수한 내열성과, 상기 얇은층 A에 비해 Si 함유 비율이 낮고, 또한 상대적으로 고 Al 함유의 (Ti, Al, Si) N층(이하, 얇은층 B라 함)이 갖는 상대적으로 높은 고온 경도를 구비하도록 되는 것이다.

(3) 상기 (b)의 얇은층 A와 얇은층 B의 교대 적층 구조를 갖는 (Ti, Al, Si) N층은 고경도 강의 고속 절삭 가공에서 요구되는 우수한 내열성과 소정의 고온 경도를 구비하지만, 충분히 만족한 고온 경도를 갖는 것이 아니기 때문에, 이를 경질 피복층의 상부층으로서 마련하고, 한편 경질 피복층의 하부층으로서 내열성은 불충분하지만, 상대적으로 Al 성분의 함유 비율이 높고, 우수한 고온 경도를 구비하는 상기의 종래 경질 피복층에 상당하는 조성을 갖는 (Ti, Al, Si) N층, 즉

조성식 : [Ti₁ _{-(E + F)} Al_ESi_F] N(단, 원자비로, E는 0.50 내지 0.60, F는 0.01 내지 0.09를 나타냄)을 만족하는 단일상 구조의 (Ti, Al, Si) N층을 마련한 구조로 하면, 이 결과의 경질 피복층은 우수한 내열성, 고온 강도 및 고온 경도의 전부를 구비한 것으로 되므로, 이 경질 피복층을 증착 형성하여 이루어지는 피복 초경 공구는, 상기한 고경도 강의 고속 절삭 가공이라도 치핑의 발생 없이 우수한 내마모성을 장기에 걸쳐 발휘하는 것이다.

이상 (1) 내지 (3)에 기재되는 연구 결과를 얻은 것이다.

본 발명은, 상기의 연구 결과를 기초로 하여 이루어진 것으로, 탄화텅스텐기 초경 합금 또는 탄질화티탄기 서멧으로 구성된 초경 기체와, 이 초경 기체의 표면에 증착 형성된 경질 피복층을 갖는 표면 피복 초경 합금제 절삭 공구이며,

(a) 상기 경질 피복층은 상부층과 하부층을 갖고, 상기 상부층과 하부층은 모두 (Ti, Al, Si) N으로 이루어지고, 상기 상부층은 0.5 내지 1.5 ㎛, 상기 하부층은 2 내지 6 ㎛의 층 두께를 각각 갖고,

(b) 상기 상부층은, 모두 5 내지 20 ㎚의 층 두께를 갖는 얇은층 A와 얇은층 B의 교대 적층 구조를 갖고,

상기 얇은층 A는,

조성식 : [Ti₁ _{-(A + B)} Al_ASi_B] N(단, 원자비로, A는 0.01 내지 0.06, B는 0.25 내지 0.35를 나타냄)을 만족하는 (Ti, Al, Si) N층으로 이루어지고,

상기 얇은층 B는,

조성식 : [Ti₁ _{-(C + D)} Al_CSi_D] N(단, 원자비로, C는 0.30 내지 0.45, D는 0.10 내지 0.15를 나타냄)을 만족하는 (Ti, Al, Si) N층으로 이루어지고,

(c) 상기 하부층은 단일상 구조를 갖고,

조성식 : [Ti₁ _{-(E + F)} Al_ESi_F] N(단, 원자비로, E는 0.50 내지 0.60, F는 0.01 내지 0.09를 나타냄)을 만족하는 (Ti, Al, Si) N층으로 이루어지는, 고경도 강의 고속 절삭 가공에서 경질 피복층이 우수한 내마모성을 발휘하는 피복 초경 공구이다.

이어서, 본 발명의 피복 초경 공구의 경질 피복층에 관한 것으로, 상기와 같이 수치 한정된 이유를 설명한다.

(1) 하부층의 조성식 및 층 두께

상기와 같이, 경질 피복층을 구성하는 (Ti, Al, Si) N층에 있어서의 Al 성분에는 고온 경도를 향상시키고, 한편 상기 (Ti, Al, Si) N층에 있어서의 Ti 성분에는 고온 강도, 또한 상기 (Ti, Al, Si) N층에 있어서의 Si 성분에는 내열성을 향상시키는 작용이 있고, 하부층에서는 Al 성분의 함유 비율을 상대적으로 많게 하여 높은 고온 경도를 구비하게 하지만, Al의 함유 비율을 나타내는 E치가 Ti과 Si와의 합량에 차지하는 비율(원자비, 이하와 같음)로 0.50 미만에서는 상대적으로 Ti의 비율이 많아져, 고경도 강의 고속 절삭 가공에 요구되는 우수한 고온 경도를 확보할 수 없어 마모 진행이 급격하게 촉진하도록 되고, 한편 Al의 비율을 나타내는 E치가 Ti과 Si와의 합량에 차지하는 비율로 0.60을 넘으면, 상대적으로 Ti의 비율이 지나치게 적어져 고온 강도가 급격하게 저하되고, 이 결과 치핑(미소 결여) 등이 쉽게 발생하게 되므로, E치를 0.50 내지 0.60으로 정하였다.

또한, Si의 비율을 나타내는 F치가 Ti과 Al의 합량에 차지하는 비율로, 0.01 미만에서는 소정의 내열성을 확보할 수 없고, 한편 Si의 비율을 나타내는 F치가 Ti과 Al의 합량에 차지하는 비율로 0.09를 넘으면, 소정의 고온 강도 확보가 곤란해지므로, F치를 0.01 내지 0.09로 정하였다.

또한, 그 층 두께가 2 ㎛ 미만에서는 자신이 갖는 우수한 고온 경도를 경질 피복층에 장기에 걸쳐 부여할 수 없어 공구 수명 단명의 원인이 되고, 한편 그 층 두께가 6 ㎛를 넘으면 치핑이 쉽게 발생되므로, 그 층 두께를 2 내지 6 ㎛로 정하였다.

(2) 상부층의 얇은층 A의 조성식

상부층의 얇은층 A의 (Ti, Al, Si) N에 있어서의 Si 성분은, 상기와 같이 상대적으로 함유 비율을 높게 하여 내열성을 향상시키고, 또한 고열 발생을 수반하는 고경도 강의 고속 절삭 가공에 적응시킬 목적으로 함유하는 것이며, 따라서 B치가 0.25 미만에서는 원하는 우수한 내열성을 확보할 수 없고, 한편 B치가 0.35를 넘으면 인접하여 고온 강도가 우수한 얇은층 B가 존재해도, 상부층의 고온 강도 저하는 피할 수 없어 치핑 발생의 원인이 되므로, B치를 0.25 내지 0.35로 정하였다.

또한, Al의 비율을 나타내는 A치가 Ti과 Al의 합량에 차지하는 비율이고, 0.01 미만에서는 최저한의 고온 경도를 확보할 수 없어 마모 촉진의 원인이 되고, 한편 Al의 비율을 나타내는 A치가 Ti과 Al의 합량에 차지하는 비율로 0.06을 넘으면, 고온 강도에 저하 경향이 나타나게 되어 치핑 발생의 원인이 되므로, A치를 0.01 내지 0.06으로 정하였다.

(3) 상부층의 얇은층 B의 조성식

상부층의 얇은층 B에 있어서는 Si 성분의 함유 비율을 상대적으로 낮게 하고, 한쪽 Al 성분의 함유 비율을 상대적으로 높게 유지함으로써, 상대적으로 높은 고온 경도를 구비하게 하고, 인접하는 얇은층 A의 고온 경도 부족을 보강하고, 또한 상기 얇은층 A가 갖는 우수한 내열성과, 상기 얇은층 B가 갖는 소정의 고온 경도를 구비한 상부층을 형성하는 것이지만, 상기 얇은층 B의 조성식에 있어서의 Al의 함유 비율을 나타내는 C치가 0.30 미만이 되면, Al의 함유 비율이 지나치게 적어져 소정의 고온 경도를 확보할 수 없어 경질 피복층의 마모 진행이 촉진되도록 되고, 한편 상기 얇은층 B의 조성식에 있어서의 Al의 함유 비율을 나타내는 C치가 0.45를 넘으면, 상대적으로 Ti 성분의 함유 비율이 저하되고 고온 강도 저하는 피할 수 없어 치핑 발생의 원인이 되므로, C치를 0.30 내지 0.45로 정하였다.

또한, Si의 비율을 나타내는 D치가 Ti과 Al의 합량에 차지하는 비율로, 0.10 미만에서는 상부층 전체의 내열성 저하를 피할 수 없고, 한편 Si의 비율을 나타내는 D치가 0.15를 넘으면, 상부층 전체의 고온 강도가 저하되도록 되므로, D치를 0.10 내지 0.15로 정하였다.

(4) 상부층의 얇은층 A와 얇은층 B의 층 두께

상부층의 얇은층 A와 얇은층 B는, 각각의 층 두께가 5 ㎚ 미만에서는 각각의 얇은층을 상기의 조성으로 명확하게 형성하는 것이 곤란하며, 이 결과 상부층에 원하는 우수한 내열성과, 소정의 고온 경도를 확보할 수 없게 된다. 또한, 상부층의 얇은층 A와 얇은층 B는, 각각의 층 두께가 20 ㎚를 넘으면 각각의 얇은층이 갖는 결점, 즉 얇은층 A이면 고온 경도 부족, 얇은층 B이면 내열성 부족이 층 내에 국부 적으로 나타나고, 이것이 원인으로 치핑이 쉽게 발생하게 되거나 마모 진행이 촉진되도록 되므로, 각각의 층 두께를 5 내지 20 ㎚로 정하였다.

(5) 상부층의 층 두께

상부층의 층 두께가 0.5 ㎛ 미만에서는, 자신이 갖는 우수한 내열성을 경질 피복층에 장기에 걸쳐 부여할 수 없어 공구 수명 단명의 원인이 되고, 한편 상부층의 층 두께가 1.5 ㎛를 넘으면, 치핑이 쉽게 발생하게 되므로, 그 층 두께를 0.5 내지 1.5 ㎛로 정하였다.

본 발명의 피복 초경 공구는 경질 피복층이 (Ti, Al, Si) N층으로 이루어지지만, 이 경질 피복층을 상층부와 단일상 구조의 하부층으로 구성하고, 또한 상기 상부층을 얇은층 A와 얇은층 B의 교대 적층 구조로 함으로써 우수한 내열성을 구비하게 하고, 상기 단일상 구조의 하부층이 우수한 고온 경도를 갖기 때문에, 특히 고열 발생을 수반하는 고경도 강의 고속 절삭 가공이지만, 상기 경질 피복층에 치핑의 발생 없이 우수한 내마모성을 장기에 걸쳐 발휘하는 것이다.

이어서, 본 발명의 피복 초경 공구를 실시예에 의해 구체적으로 설명한다.

(제1 실시예)

원료 분말로서, 모두 1 내지 3 ㎛의 평균 입경을 갖는 WC 분말, TiC 분말, ZrC 분말, VC 분말, TaC 분말, NbC 분말, Cr₃C₂ 분말, TiN 분말, TaN 분말 및 Co 분말을 준비하고, 이들 원료 분말을 표 1에 나타내는 배합 조성에 배합하고, 볼 밀로 72 시간 습식 혼합하여 건조한 후 100 ㎫의 압력으로 압분체에 프레스 성형하고, 이 압분체를 6 ㎩의 진공 중, 온도 : 1400 ℃에 1 시간 보유 지지의 조건으로 소결하고, 소결 후 절삭날 부분에 R : 0.03의 호닝 가공을 실시하여 ISO 규격ㆍCNMG 120408의 팁 형상을 가진 WC기 초경 합금제 초경 기체 A-1 내지 A-10을 형성하였다.

또한, 원료 분말로서, 모두 0.5 내지 2 ㎛의 평균 입경을 갖는 TiCN(중량비로 TiC/TiN = 50/50) 분말, Mo₂C 분말, ZrC 분말, NbC 분말, TaC 분말, WC 분말, Co 분말 및 Ni 분말을 준비하고, 이들 원료 분말을 표 2에 나타내는 배합 조성에 배합하고, 볼 밀로 24 시간 습식 혼합하여 건조한 후, 100 ㎫의 압력으로 압분체에 프레스 성형하고, 이 압분체를 2 ㎪의 질소 분위기 속, 온도 : 1500 ℃에 1 시간 보유 지지의 조건으로 소결하고, 소결 후 절삭날 부분에 R : 0.03의 호닝 가공을 실시하여 ISO 규격ㆍCNMG 120408의 팁 형상을 가진 TiCN기 서멧으로 된 초경 기체 B-1 내지 B-6을 형성하였다.

(1) 이어서, 상기의 초경 기체 A-1 내지 A-10 및 B-1 내지 B-6의 각각을, 아세톤 속에서 초음파 세정하여 건조한 상태로, 도1 내지 도2에 도시한 아크 이온 플레이팅 장치 내의 회전 테이블 상의 중심축으로부터 반경 방향으로 소정 거리 떨어진 위치에 외주부에 따라서 장착하고, 한 쪽측의 캐소드 전극(증발원)으로서, 각각 표 3, 표 4에 나타내는 목표 조성에 대응한 성분 조성을 가진 상부층의 얇은층 A 형성용 Ti-Al-Si 합금, 다른 쪽측의 캐소드 전극(증발원)으로서, 각각 표 3, 표 4에 나타내는 목표 조성에 대응한 성분 조성을 가진 상부층의 얇은층 B 형성용 Ti- Al-Si 합금을 상기 회전 테이블을 협지하여 대향 배치하고, 또한 상기 양쪽 Ti-Al-Si 합금으로부터 90도 어긋난 위치에 상기 회전 테이블에 따라서 캐소드 전극(증발원)으로서 하부층 형성용 Ti-Al-Si 합금을 장착하였다.

(2) 이어서, 장치 내를 배기하여 0.1 ㎩ 이하의 진공으로 보유 지지하면서 히터로 장치 내를 500 ℃로 가열한 후, 상기 회전 테이블 상에서 자전하면서 회전하는 초경 기체에 -1000V의 직류 바이어스 전압을 인가하고, 또한 상기 하부층 형성용 Ti-Al-Si 합금과 애노드 전극 사이에 100 A의 전류를 흐르게 하여 아크 방전을 발생시키고, 또한 초경 기체 표면을 상기 Ti-Al-Si 합금에 의해 본바드 세정하였다.

(3) 이어서, 장치 내에 반응 가스로서 질소 가스를 도입하여 3 ㎩의 반응 분위기로 하는 동시에, 상기 회전 테이블 상에서 자전하면서 회전하는 초경 기체에 -100V의 직류 바이어스 전압을 인가하고, 또한 상기 하부층 형성용 Ti-Al-Si 합금과 애노드 전극 사이에 100 A의 전류를 흐르게 하여 아크 방전을 발생시키고, 이와 같이 함으로써 상기 초경 기체의 표면에 표 3, 표 4에 나타내는 목표 조성 및 목표층 두께의 단일상 구조를 갖는 (Ti, Al, Si) N층을 경질 피복층의 하부층으로서 증착 형성하였다.

(4) 이어서, 장치 내에 반응 가스로서 질소 가스를 도입하여 2 ㎩의 반응 분위기로 하는 동시에, 상기 회전 테이블 상에서 자전하면서 회전하는 초경 기체에 -100V의 직류 바이어스 전압을 인가한 상태로, 상기 얇은층 A 형성용 Ti-Al-Si 합금의 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 50 내지 200 A의 범위 내 소정의 전류를 흐르게 하여 아크 방전을 발생시키고, 상기 초경 기체의 표면에 소정층 두께의 얇은층 A를 형성하였다. 상기 얇은층 A 형성 후, 아크 방전을 정지하고, 대신하여 상기 얇은층 B 형성용 Ti-Al-Si 합금의 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 50 내지 200 A의 범위 내 소정의 전류를 흐르게 하여 아크 방전을 발생시켜 소정층 두께의 얇은층 B를 형성한 후, 아크 방전을 정지하였다(이 경우 얇은층 B의 형성으로부터 기재해도 좋음). 다시 상기 얇은층 A 형성용 Ti-Al-Si 합금의 캐소드 전극과 애노드 전극 사이의 아크 방전에 의한 얇은층 A의 형성과, 상기 얇은층 B 형성용 Ti-Al-Si 합금의 캐소드 전극과 애노드 전극 사이의 아크 방전에 의한 얇은층 B의 형성을 교대로 반복하여 행한다. 이와 같이 함으로써 상기 초경 기체의 표면에, 층 두께 방향에 따라서 표 3, 표 4에 나타내는 목표 조성 및 한층 목표층 두께의 얇은층 A와 얇은층 B의 교대 적층으로 이루어지는 상부층을 표 3, 표 4에 나타내는 전체 목표층 두께로 증착 형성함으로써, 본 발명 피복 초경 공구로서의 본 발명 표면 피복 초경으로 된 스로우웨이 팁(이하, 본 발명 피복 초경 팁이라 말함) 1 내지 16을 각각 제조하였다.

또한, 비교의 목적으로, 이들 초경 기체 A-1 내지 A-10 및 B-1 내지 B-6을, 아세톤 속에서 초음파 세정하여 건조한 상태로, 각각 도3에 도시하는 아크 이온 플레이팅 장치에 장입하고, 캐소드 전극(증발원)으로서, 각각 표 5에 나타내는 목표 조성에 대응한 성분 조성을 가진 Ti-Al-Si 합금을 장착하였다. 이어서, 장치 내를 배기하여 0.1 ㎩ 이하의 진공으로 보유 지지하면서 히터로 장치 내를 500 ℃로 가열한 후, 상기 초경 기체에 -1000V의 직류 바이어스 전압을 인가하고, 또한 캐소드 전극의 상기 Ti-Al-Si 합금과 애노드 전극 사이에 100 A의 전류를 흐르게 하여 아크 방전을 발생시키고, 또한 초경 기체 표면을 상기 Ti-Al-Si 합금으로 본바드 세정하였다. 이어서 장치 내에 반응 가스로서 질소 가스를 도입하여 3 ㎩의 반응 분위기로 하는 동시에, 상기 초경 기체에 인가하는 바이어스 전압을 -100V로 내리고, 상기 Ti-Al-Si 합금의 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 아크 방전을 발생시켰다. 이와 같이 함으로써 상기 초경 기체 A-1 내지 A-10 및 B-1 내지 B-6의 각각의 표면에, 표 5에 나타내는 목표 조성 및 목표층 두께의 단일상 구조를 갖는(Ti, Al, Si) N층으로 이루어지는 경질 피복층을 증착 형성함으로써, 종래 피복 초경 공구로서의 종래 표면 피복 초경으로 된 스로우웨이 팁(이하, 종래 피복 초경 팁이라 말함) 1 내지 16을 각각 제조하였다.

이어서, 상기 각종의 피복 팁을, 모두 공구 강으로 된 바이트의 선단부에 고정 지그에 의해 나사 고정한 상태로, 본 발명 피복 초경 팁 1 내지 16 및 종래 피복 초경 팁 1 내지 16에 대해,

피삭재 : JISㆍSKD61의 켄칭재(경도 : HRC55)의 둥근 막대,

절삭 속도 : 80 m/min.,

절입 : 1.0 ㎜,

이송 : 0.1 ㎜/rev.,

절삭 시간 : 5분,

의 조건(절삭 조건 A)에서의 합금 공구 강의 건식 연속 고속 절삭 가공 시험(통상의 절삭 속도는 40 m/min.)을 행하였다.

또한, 상기 각종의 피복 팁을, 모두 공구 강으로 된 바이트의 선단부에 고정 지그에 의해 나사 고정한 상태로, 본 발명 피복 초경 팁 1 내지 16 및 종래 피복 초경 팁 1 내지 16에 대해,

피삭재 : JISㆍSUJ2의 켄칭재(경도 : HRC56)의 길이 방향 등간격 4개 세로 홈들이 둥근 막대,

절삭 속도 : 40 m/min.,

절입 : 0.8 ㎜,

이송 : 0.1 ㎜/rev.,

절삭 시간 : 5분,

의 조건(절삭 조건 B)에서의 베어링 강의 건식 단속 고속 절삭 가공 시험(통상의 절삭 속도는 20 m/min.)을 행하였다.

또한, 상기 각종의 피복 팁을, 모두 공구 강으로 된 바이트의 선단부에 고정 지그에 의해 나사 고정한 상태로, 본 발명 피복 초경 팁 1 내지 16 및 종래 피복 초경 팁 1 내지 16에 대해, 피삭재 : JISㆍSKD11의 켄칭재(경도: HRC58)의 길이 방향 등간격 4개 세로 홈들이 둥근 막대,

절삭 속도 : 40 m/min.,

절입 : 0.6 ㎜,

이송 : 0.12 ㎜/rev.,

절삭 시간 : 5분,

의 조건(절삭 조건 C)에서의 합금 공구 강의 건식 단속 고속 절삭 가공 시험(통상 의 절삭 속도는 20 m/min.)을 행하였다.

상기 모든 절삭 가공 시험이라도 절삭날의 릴리프면 마모 폭을 측정하였다. 이 측정 결과를 표 6에 나타냈다.

[표 1]

[표 2]

[표 3]

[표 4]

[표 5]

[표 6]

(제2 실시예)

원료 분말로서, 평균 입경 : 5.5 ㎛를 갖는 중 조립 WC 분말, 평균 입경 : 0.8 ㎛의 미립 WC 분말, 평균 입경 : 1.3 ㎛의 TaC 분말, 평균 입경 : 1.2 ㎛의 NbC 분말, 평균 입경 : 1.2 ㎛의 ZrC 분말, 평균 입경 : 2.3 ㎛의 Cr₃C₂ 분말, 평균 입경 : 1.5 ㎛의 VC 분말, 평균 입경 : 1.0 ㎛의 (Ti, W) C[질량비로, TiC/WC = 50/50] 분말 및 평균 입경 : 1.8 ㎛의 Co 분말을 준비하고, 이들 원료 분말을 각각 표 7에 나타내는 배합 조성으로 배합하고, 또한 왁스를 첨가하여 아세톤 속에서 24 시간 볼 밀 혼합하여 감압 건조한 후, 100 ㎫의 압력으로 소정 형상 각종의 압분체에 프레스 성형하였다. 이어서, 이러한 압분체를 6 ㎩의 진공 분위기 속, 7 ℃/분의 승온 속도로 1370 내지 1470 ℃의 범위 내 소정의 온도로 승온하고, 이 온도에 1 시간 보유 지지 후, 노 냉각의 조건으로 소결하여 직경이 8 ㎜, 13 ㎜ 및 26 ㎜의 3종의 초경 기체 형성용 둥근 막대 소결체를 형성하였다. 또한 상기 3종의 둥근 막대 소결체로부터 연삭 가공에 의해, 표 7에 나타내는 조합으로 절삭날부의 직경 × 길이가 각각 6 ㎜ × 13 ㎜, 10 ㎜ × 22 ㎜ 및 20 ㎜ × 45 ㎜의 치수 및 모두 비틀림각 30도의 4매 사각형 칼날을 가진 WC기 초경 합금제 초경 기체(엔드 밀) C-1 내지 C-8을 각각 제조하였다.

이어서, 이러한 초경 기체(엔드 밀) C-1 내지 C-8의 표면을 아세톤 속에서 초음파 세정하여 건조한 상태로, 도1 내지 도2에 도시한 아크 이온 플레이팅 장치에 장입하고, 상기 제1 실시예와 동일한 조건으로, 표 8에 나타내는 목표 조성 및 목표층 두께의 단일상 구조를 갖는 (Ti, Al, Si) N층으로 이루어지는 하부층과, 층 두께 방향에 따라서 표 8에 나타내는 목표 조성 및 한층 목표층 두께의 얇은층 A와 얇은층 B의 교대 적층으로 이루어지는 상부층을 표 8에 나타내는 전체 목표층 두께로 증착 형성하였다. 이와 같이 함으로써, 본 발명 피복 초경 공구로서의 본 발명 표면 피복 초경으로 된 엔드 밀(이하, 본 발명 피복 초경 엔드 밀이라 말함) 1 내 지 8을 각각 제조하였다.

또한, 비교의 목적으로, 상기의 초경 기체(엔드 밀) C-1 내지 C-8의 표면을 아세톤 속에서 초음파 세정하여 건조한 상태로, 도3에 도시한 아크 이온 플레이팅 장치에 장입하고, 상기 제1 실시예와 동일한 조건으로, 표 9에 나타내는 목표 조성 및 목표층 두께의 단일상 구조를 갖는 (Ti, Al, Si) N층으로 이루어지는 경질 피복층을 증착하였다. 이와 같이 함으로써, 종래 피복 초경 공구로서의 종래 표면 피복 초경으로 된 엔드 밀(이하, 종래 피복 초경 엔드 밀이라 말함) 1 내지 8을 각각 제조하였다.

이어서, 상기 본 발명 피복 초경 엔드 밀 1 내지 8 및 종래 피복 초경 엔드 밀 1 내지 8 중, 본 발명 피복 초경 엔드 밀 1 내지 3 및 종래 피복 초경 엔드 밀 1 내지 3에 대해서는,

피삭재-평면 : 100 ㎜ × 250 ㎜, 두께 : 50 ㎜의 치수를 가진 JISㆍSKD11의 켄칭재(경도 : HRC58)의 판재,

절삭 속도 : 40 m/min.,

홈 깊이(절입) : 0.2 ㎜,

테이블 이송 : 100 ㎜/분,

의 조건에서의 합금 공구 강의 건식 고속 홈 절삭 가공 시험(통상의 절삭 속도는 20 m/min.)을 행하였다.

본 발명 피복 초경 엔드 밀 4 내지 6 및 종래 피복 초경 엔드 밀 4 내지 6에 대해서는,

피삭재-평면 : 100 ㎜ × 250 ㎜, 두께 : 50 ㎜의 치수를 가진 JISㆍSUJ2의 켄칭재(경도 : HRC56)의 판재,

절삭 속도 : 35 m/min.,

홈 깊이(절입) : 0.3 ㎜,

테이블 이송 :100 ㎜/분,

의 조건에서의 베어링 강의 건식 고속 홈 절삭 가공 시험(통상의 절삭 속도는 20 m/min.)을 행하였다.

본 발명 피복 초경 엔드 밀 7, 8 및 종래 피복 초경 엔드 밀 7, 8에 대해서는,

피삭재-평면 : 100 ㎜ × 250 ㎜, 두께 : 50 ㎜의 치수를 가진 JISㆍSKD61의 켄칭재(경도 : HRC55)의 판재,

절삭 속도 : 80 m/min.,

홈 깊이(절입) : 0.8 ㎜,

테이블 이송 : 40 ㎜/분,

의 조건에서의 합금 공구 강의 건식 고속 홈 절삭 가공 시험(통상의 절삭 속도는 40 m/min.)을 행하였다.

상기 모든 홈 절삭 가공 시험이라도 절삭날부의 외주 칼날의 릴리프면 마모 폭이 사용 수명의 목표가 되는 0.1 ㎜에 이르기까지의 절삭 홈 길이를 측정하였다. 이 측정 결과를 표 8, 표 9에 각각 나타냈다.

[표 7]

[표 8]

[표 9]

(제3 실시예)

상기의 제2 실시예에서 제조한 직경이 8 ㎜(초경 기체 C-1 내지 C-3 형성용), 13 ㎜(초경 기체 C-4 내지 C-6 형성용), 및 26 ㎜(초경 기체 C-7, C-8 형성용) 3종의 둥근 막대 소결체를 이용하고, 이 3종의 둥근 막대 소결체로부터 연삭 가공에 의해 홈 형성부의 직경 × 길이가 각각 4 ㎜ × 13 ㎜(초경 기체 D-1 내지 D-3), 8 ㎜ × 22 ㎜(초경 기체 D-4 내지 D-6), 및 16 ㎜ × 45 ㎜(초경 기체 D-7, D-8)의 치수 및 모두 비틀림각 30도의 2매 칼날 형상을 가진 WC기 초경 합금제 초경 기체(드릴) D-1 내지 D-8을 각각 제조하였다.

이어서, 이러한 초경 기체(드릴) D-1 내지 D-8의 절삭날에 호닝을 실시하고, 아세톤 속에서 초음파 세정하여 건조한 상태로, 도1 내지 도2에 도시한 아크 이온 플레이팅 장치에 장입하고, 상기 제1 실시예와 동일한 조건으로, 표 10에 나타내는 목표 조성 및 목표층 두께의 단일상 구조를 갖는 (Ti, Al, Si) N층으로 이루어지는 하부층과, 층 두께 방향에 따라서 표 10에 나타내는 목표 조성 및 한층 목표층 두께의 얇은층 A와 얇은층 B의 교대 적층으로 이루어지는 상부층을 표 10에 나타내는 전체 목표층 두께로 증착 형성함으로써, 본 발명 피복 초경 공구로서의 본 발명 표면 피복 초경으로 된 드릴(이하, 본 발명 피복 초경 드릴이라 말함) 1 내지 8을 각각 제조하였다.

또한, 비교의 목적으로, 상기의 초경 기체(드릴) D-1 내지 D-8의 절삭날의 표면에 호닝을 실시하고, 아세톤 속에서 초음파 세정하여 건조한 상태로, 도3에 나타내는 아크 이온 플레이팅 장치에 장입하고, 상기 제1 실시예와 동일한 조건으로, 표 11에 나타내는 목표 조성 및 목표층 두께의 단일상 구조를 갖는 (Ti, Al, Si) N층으로 이루어지는 경질 피복층을 증착함으로써, 종래 피복 초경 공구로서의 종래 표면 피복 초경으로 된 드릴(이하, 종래 피복 초경 드릴이라 말함) 1 내지 8을 각각 제조하였다.

이어서, 상기 본 발명 피복 초경 드릴 1 내지 8 및 종래 피복 초경 드릴 1 내지 8 중, 본 발명 피복 초경 드릴 1 내지 3 및 종래 피복 초경 드릴 1 내지 3에 대해서는, 피삭재-평면 : 100 ㎜ × 250, 두께 : 50 ㎜의 치수를 가진 JISㆍSKD11의 켄칭재(경도 : HRC58)의 판재,

절삭 속도 : 35 m/min.,

이송 : 0.1 ㎜/rev,

구멍 깊이 : 8 ㎜,

의 조건에서의 합금 공구 강의 습식 고속 구멍 개방 절삭 가공 시험(통상의 절삭 속도는 20 m/min.)을 행하였다.

본 발명 피복 초경 드릴 4 내지 6 및 종래 피복 초경 드릴 4 내지 6에 대해서는,

절삭 속도 : 50 m/min.,

이송 : 0.12 ㎜/rev,

구멍 깊이 : 16 ㎜,

의 조건에서의 베어링 강의 습식 고속 구멍 개방 절삭 가공 시험(통상의 절삭 속도는 25 m/min.)을 행하였다.

본 발명 피복 초경 드릴 7, 8 및 종래 피복 초경 드릴 7, 8에 대해서는,

절삭 속도 : 65 m/min.,

이송 : 0.18 ㎜/rev,

구멍 깊이 : 32 ㎜,

의 조건에서의 합금 공구 강의 습식 고속 구멍 개방 절삭 가공 시험(통상의 절삭 속도는 30 m/min.)을 행하였다.

상기 모든 습식 고속 구멍 개방 절삭 가공 시험(수용성 절삭유 사용)이라도 선단부 절삭날면의 릴리프면 마모 폭이 0.3 ㎜에 이르기까지의 구멍 개방 가공수를 측정하였다. 이 측정 결과를 표 10, 표 11에 각각 나타냈다.

[표 10]

[표 11]

이 결과 얻어진 본 발명 피복 초경 공구로서의 본 발명 피복 초경 팁 1 내지 16, 본 발명 피복 초경 엔드 밀 1 내지 8 및 본 발명 피복 초경 드릴 1 내지 8의 (Ti, Al, Si) N으로 이루어지는 경질 피복층을 구성하는 상부층의 얇은층 A 및 얇은층 B, 또한 하부층의 조성 및 종래 피복 초경 공구로서의 종래 피복 초경 팁 1 내지 16, 종래 피복 초경 엔드 밀 1 내지 8 및 종래 피복 초경 드릴 1 내지 8의 (Ti, Al, Si) N으로 이루어지는 경질 피복층의 조성을, 투과형 전자 현미경을 이용한 에너지 분산형 X선 분석법에 의해 측정한 바, 각각 목표 조성과 실질적으로 같은 조성을 나타냈다.

또한, 상기의 경질 피복층의 구성층의 평균층 두께에 대해 투과형 전자 현미경을 이용하여 단면 측정한 바, 모두 목표층 두께와 실질적으로 같은 평균치(5 군데의 평균치)를 나타냈다.

표 3 내지 표 11에 나타내는 결과로부터, 본 발명 피복 초경 공구는 모두 경질 피복층이 각각 조성이 다른 (Ti, Al, Si) N으로 이루어지는 단일상 구조의 하부층과, 층 두께가 각각 5 내지 20 ㎚의 얇은층 A와 얇은층 B의 교대 적층 구조를 갖는 상부층으로 구성되고, 상기 하부층이 우수한 고온 경도, 흔히 상기 상부층이 우수한 내열성을 갖고, 경질 피복층은 이러한 우수한 특성을 겸비한 것으로 되기 때문에, 합금 공구 강이나 베어링 강의 켄칭재의 고경도 강의 고열 발생을 수반하는 고속 절삭 가공이라도, 상기 경질 피복층에 치핑의 발생 없이 우수한 내마모성을 장기에 걸쳐 발휘하는 것을 알 수 있다. 이에 대해, 경질 피복층이 단일상 구조의 (Ti, Al, Si) N층으로 이루어지는 종래 피복 초경 공구는, 특히 내열성 부족이 원인으로 마모 진행이 빠르고, 비교적 단시간에 사용 수명에 이르는 것이 명백하다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 피복 초경 공구는, 특히 각종의 강이나 주철 등의 통상의 절삭 조건에서의 절삭 가공은 물론인 점, 특히 고경도 강의 고열 발생을 수반하는 고속 절삭 가공이라도 우수한 내마모성을 발휘하고, 장기에 걸쳐 우수한 절삭 성능을 나타내는 것이므로, 절삭 가공 장치의 고성능화 및 절삭 가공의 절력화 및 에너지 절약화, 또한 저비용화에 충분히 만족하게 대응할 수 있는 것이다.

본 발명의 양호한 실시예가 앞에서 기술 및 설명되었지만, 이들은 본 발명의 예시이며 본 발명을 한정하고자 하는 것이 아님을 이해하여야 한다. 또한, 생략, 대체 및 다른 변형이 본 발명의 정신 또는 범위 내에서 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 앞선 설명에 의해 한정되지 않고 첨부된 청구 범위의 범위에 의해서만 한정된다.

본 발명에 따르면, 내마모성이 우수하여 사용 수명을 향상시킬 수 있고, 절삭 가공에 대한 절력화 및 에너지 절약화, 또한 저비용화할 수 있는 피복 초경 공구를 제공할 수 있다.

Claims

고경도 강의 고속 절삭 가공에서 경질 피복층이 우수한 내마모성을 발휘하는 표면 피복 초경 합금제 절삭 공구이며,

상기 표면 피복 초경 합금제 절삭 공구는 탄화텅스텐기 초경 합금 또는 탄질화티탄기 서멧으로 구성된 초경 기체와, 이 초경 기체의 표면에 증착 형성된 경질 피복층을 갖고,

(a) 상기 경질 피복층은 상부층과 하부층을 갖고, 상기 상부층과 하부층은 모두 Ti과 Al과 Si의 복합 질화물로 이루어지고, 상기 상부층은 0.5 내지 1.5 ㎛, 상기 하부층은 2 내지 6 ㎛의 층 두께를 각각 갖고,

(b) 상기 상부층은 모두 5 내지 20 ㎚(나노미터)의 층 두께를 갖는 얇은층 A와 얇은층 B의 교대 적층 구조를 갖고,

상기 얇은층 A는,

조성식 : [Ti₁ _{-(A + B)} Al_ASi_B] N(단, 원자비로, A는 0.01 내지 0.06, B는 0.25 내지 0.35를 나타냄)을 만족하는 Ti과 Al과 Si의 복합 질화물층으로 이루어지고,

상기 얇은층 B는,

조성식 : [Ti₁ _{-(C + D)} Al_CSi_D] N(단, 원자비로, C는 0.30 내지 0.45, D는 0.10 내지 0.15를 나타냄)을 만족하는 Ti과 Al과 Si의 복합 질화물층으로 이루어지고,

(c) 상기 하부층은 단일상 구조를 갖고,

조성식 : [Ti₁ _{-(E + F)} Al_ESi_F] N(단, 원자비로, E는 0.50 내지 0.60, F는 0.01 내지 0.09를 나타냄)을 만족하는 Ti과 Al과 Si의 복합 질화물층으로 이루어지는 표면 피복 초경 합금제 절삭 공구.