KR20070092945A - 표면 피복 절삭 공구 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 기재와, 이 기재상에 형성된 피막을 구비하는 표면 피복 절삭 공구로서, 이 피막은 붕질화티탄 또는 붕질산화티탄으로 이루어지는 제1 피막과, 산화알루미늄, 산화지르코늄, 산화하프늄, 및 이들 중 2개 이상을 주성분으로 하는 고용체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종에 의해 구성되는 제2 피막을 포함하고, 이 제1 피막은, 상기 기재와 상기 제2 피막 사이에서, 상기 제2 피막의 바로 아래에 위치하며, 이 제2 피막은 적어도 절삭에 관여하는 부위에서 압축 응력을 갖는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구에 관한 것이다.

Description

표면 피복 절삭 공구{SURFACE-COATED CUTTING TOOL}

본 발명은, 드릴, 엔드밀, 밀링 가공용 또는 선삭 가공용 날끝 교환형 팁, 메탈 소오(metal saw), 기어 절삭 공구, 리머, 탭 또는 크랭크샤프트의 핀 밀링 가공용 팁 등의 절삭 공구에 관한 것이며, 특히 그 표면에 인성이나 내마모성 등의 특성을 향상시키는 피막을 형성한 표면 피복 절삭 공구에 관한 것이다.

종래부터, 절삭 공구의 인성이나 내마모성을 향상시키기 위해 기재의 표면에 각종 피막을 형성한 표면 피복 절삭 공구가 이용되어 왔다. 최근, 이와 같은 피막으로서 산화알루미늄을 중심으로 하는 산화물로 이루어지는 피막을 최외층에 형성하는 것이 주목받고 있지만, 이것은 이 산화물이 내산화성 및 고온 안정성이 우수하고, 피삭재와의 용착이 방지되는 동시에 양호한 내마모성을 보여주고 있기 때문이다.

그러나, 산화물로 이루어지는 피막은, 특히 그것이 산화알루미늄인 경우, 그것을 최외층에 형성시키면 공구 전체가 흑색에 가까운 착색 상태가 되기 때문에, 외관의 의장성에 문제가 있는 동시에 공구의 사용 상태(특히, 어느 하나의 날끝 능선부가 이미 사용되었는지의 여부)를 용이하게 판별할 수 없다고 하는 문제를 갖고 있었다.

이 때문에 비교적 얇은 두께의 산화알루미늄층의 하층에 금색 TiN층을 형성하는 것에 의해 산화알루미늄층을 통해 이 TiN층을 관찰할 수 있도록 하고, 또한 공구 전체에 황색을 띠게 함으로써, 상기 문제를 해결하는 것이 제안되고 있다[일본 특허 공개 평07-227703호 공보(특허 문헌 1)].

그러나, 이 제안에 있어서는, 사용 상태의 판별이라는 관점에서는 어느 정도의 효과를 기대할 수 있지만, 산화알루미늄층과 TiN층 사이의 밀착력이 충분하지 않기 때문에, 산화알루미늄층이 용이하게 박리된다고 하는 문제가 있었다.

한편, 이 박리의 문제를 해결하는 시도의 하나로서, 산화물층의 하층으로서 붕질화티탄층 또는 붕질산화티탄층을 형성하는 것이 제안되고 있다[국제 공개 제03/061885호 팜플렛(특허 문헌 2)]. 이 제안에 의해, 상기 박리의 문제는 해결할 수 있지만, 이러한 산화물 층은 인성이 떨어진다고 하는 문제를 갖고 있었다.

[특허 문헌 1] 일본 특허 공개 평07-227703호 공보

[특허 문헌 2] 국제 공개 제03/061885호 팜플렛

본 발명은, 상기한 문제를 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 그 목적으로 하는 것은 내마모성이 우수한 동시에 인성도 우수한 산화물 피막을 갖는 표면 피복 절삭 공구를 제공하는 것에 있다.

본 발명자는, 상기 과제를 해결하기 위해 예의 검토를 거듭한 바, 종래 기술(특허 문헌 2)에 있어서의 산화물 피막은 붕질화티탄층 또는 붕질산화티탄층 위에 화학적 증착법(CVD법)에 의해 형성되어 있고, 이 때문에 이 산화물 피막은 잔류 인장 응력을 갖기 때문에 인성을 저하시키고 있지 않는가라는 지견을 얻어, 이 지견에 기초하여 검토를 더 거듭함으로써, 드디어 본 발명을 완성시키기에 이른 것이다.

즉, 본 발명은 기재와, 이 기재상에 형성된 피막을 포함하는 표면 피복 절삭 공구로서, 이 피막은 붕질화티탄 또는 붕질산화티탄으로 이루어지는 제1 피막과, 산화알루미늄, 산화지르코늄, 산화하프늄, 및 이들 중 2개 이상을 주성분으로 하는 고용체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종에 의해 구성되는 제2 피막을 포함하고, 상기 제1 피막은, 상기 기재와 상기 제2 피막 사이에서, 상기 제2 피막의 바로 아래에 위치하며, 상기 제2 피막은, 적어도 절삭에 관여하는 부위에서 압축 응력을 갖는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구에 관한 것이다.

또한, 이러한 표면 절삭 공구의 상기 피막은, 상기 기재와 상기 제1 피막 사이에 제3 피막을 포함하고, 이 제3 피막은, 주기율표의 IVa족 원소(Ti, Zr, Hf 등), Va족 원소(V, Nb, Ta 등), VIa족 원소(Cr, Mo, W 등), Al, 및 Si로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소와, 탄소, 질소, 산소 및 붕소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소로 이루어지는 화합물에 의해 구성되는 것으로 할 수 있다.

또한, 상기 제1 피막은 TiB_XN_Y[다만 식 중에, X, Y는 각각 원자%로서, 0.001<X/(X+Y)<0.04임]로 나타내는 붕질화티탄으로 이루어지는 것으로 할 수 있다.

또한, 상기 제1 피막은 TiB_XN_YO_Z[다만 식 중에, X, Y, Z는 각각 원자%로서, 0.0005<X/(X+Y+Z)<0.04이며, 0<Z/(X+Y+Z)<0.5임]로 나타내는 붕질산화티탄으로 이루어지는 것으로 할 수 있다.

또한, 상기 압축 응력은 그 절대값이 0.2 GPa 이상이 되는 압축 응력으로 할 수 있다.

또한, 상기 제1 피막은 0.1 μm 이상 3 μm 이하의 두께를 갖는 것으로 할 수 있고, 상기 피막은 0.2 μm 이상 30 μm 이하의 두께를 갖는 것으로 할 수 있다.

또한, 제3 피막은 MT-CVD법에 의해 형성된 탄질화티탄층을 포함하는 것으로 할 수 있고, 상기 제2 피막은 α형 산화알루미늄에 의해 구성되는 것으로 할 수 있다.

또한, 상기 피막은 제4 피막을 더 포함하고, 이 제4 피막은, 상기 제2 피막 위에서, 적어도 절삭에 관여하는 부위를 제외한 부분에 형성되어 있는 것으로 할 수 있다.

또한, 상기 기재는 초경합금, 서멧, 고속도강, 세라믹스, 입방정형 질화붕소 소결체, 다이아몬드 소결체, 질화규소 소결체, 또는 산화알루미늄과 탄화티탄으로 이루어지는 혼합체 중 어느 하나에 의해 구성된 것으로 할 수 있고, 이들 표면 피복 절삭 공구는 드릴, 엔드밀, 밀링 가공용 또는 선삭 가공용 날끝 교환형 팁, 메탈 소오, 기어 절삭 공구, 리머, 탭, 또는 크랭크샤프트의 핀 밀링 가공용 팁 중 어느 하나인 것으로 할 수 있다.

본 발명의 표면 피복 절삭 공구는 전술한 바와 같은 구성을 가짐으로써, 특히 산화물에 의해 구성되는 제2 피막의 적어도 절삭에 관여하는 부위에서 압축 응력을 가짐으로써, 우수한 내마모성과 인성을 양립시키는 것에 성공한 것이다. 또한, 제1 피막이 갖는 착색 상태를 제2 피막을 통해 관찰할 수 있기 때문에 황색을 띤 외관을 나타낼 수 있고, 따라서 공구의 사용 상태(어느 하나의 날끝 능선부가 이미 사용되었는지의 여부)를 용이하게 판별할 수 있다.

<표면 피복 절삭 공구>

본 발명의 표면 피복 절삭 공구는 기재와, 이 기재상에 형성된 피막을 구비하는 것이다. 이러한 기본적 구성을 갖는 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는 드릴, 엔드밀, 밀링 가공용 또는 선삭 가공용 날끝 교환형 팁, 메탈 소오, 기어 절삭 공구, 리머, 탭, 또는 크랭크샤프트의 핀 밀링 가공용 팁으로서 매우 유용하다.

<기재>

본 발명의 표면 피복 절삭 공구의 기재로서는, 이러한 절삭 공구의 기재로서 알려진 종래 공지의 것을 특별한 한정 없이 사용할 수 있다. 예컨대, 초경합금(예컨대 WC기 초경합금, WC 외, Co를 포함하고, 또는 Ti, Ta, Nb 등의 탄질화물을 더 첨가한 것도 포함함), 서멧(TiC, TiN, TiCN 등을 주성분으로 하는 것), 고속도강, 세라믹스(탄화티탄, 탄화규소, 질화규소, 질화알루미늄, 산화알루미늄 등), 입방정형 질화붕소 소결체, 다이아몬드 소결체, 질화규소 소결체, 또는 산화알루미늄과 탄화티탄으로 이루어지는 혼합체 등을 이러한 기재의 예로서 들 수 있다. 이러한 기재로서 초경합금을 사용하는 경우, 이와 같은 초경합금은 조직 중에 유리탄소나 ε상으로 불리는 이상상(異常相)을 포함하고 있어도 본 발명의 효과는 나타난다.

또한, 이들 기재는, 그 표면이 개질된 것이어도 지장이 없다. 예컨대, 초경합금의 경우는 그 표면에 탈 β층이 형성되어 있거나, 서멧의 경우에는 표면 경화층이 형성되어 있어도 좋고, 이와 같이 표면이 개질되어 있어도 본 발명의 효과는 나타난다.

<피막>

본 발명의 표면 피복 절삭 공구의 상기 기재상에 형성되는 피막은 적어도 후술하는 제1 피막과 제2 피막을 포함하는 것이다. 이 제1 피막은, 상기 기재와 후술하는 제2 피막 사이에서, 이 제2 피막의 바로 아래에 위치하도록 하여 형성된다.

또한, 이러한 피막은 이들 제1 피막과 제2 피막 이외에 제3 피막이나 제4 피막을 포함할 수 있다. 제3 피막은 상기 기재와 제1 피막 사이에 위치하고, 제4 피막은 상기 제2 피막상에 형성되는 것이다.

또한, 이러한 피막은 0.2 μm 이상 30 μm 이하의 두께를 갖는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 그 상한이 20 μm 이하, 더 바람직하게는 15 μm 이하, 그 하한이 0.3 μm 이상, 더 바람직하게는 1 μm 이상이다. 그 두께가 0.2 μm 미만인 경우, 내마모성이나 인성 등의 특성이 충분히 나타나지 않는 경우가 있고, 30 μm를 넘어도 효과에 큰 차이 없이 경제적으로 불리해 진다. 이하, 이들의 피막에 대해서 더 상세히 설명한다.

<제1 피막>

본 발명의 제1 피막은 붕질화티탄(TiBN) 또는 붕질산화티탄(TiBNO)으로 이루어지는 것이고, 상기와 같이, 기재와 제2 피막 사이에서, 이 제2 피막의 바로 아래에 위치하는 것을 특징으로 하는 것이다. 이러한 제1 피막은, 상기 제2 피막과의 밀착력이 우수하고, 이에 따라 제2 피막이 박리되는 것을 방지하는 작용을 나타내는 것이다.

이 제1 피막은 그 자체가 황색 내지 금색의 색을 나타내고 상기 제2 피막을 통해서 이 색이 관찰되기 때문에, 공구에 대하여 황색을 띤 외관을 부여할 수 있다. 이에 따라, 이 공구의 날끝 능선부가 사용되었는지를 용이하게 판별할 수 있게 된다. 날끝 능선부가 사용되면 그 사용 지점의 주변에 있어서 흑색 등으로 변색되는 지점이 발생하기 때문이다.

이러한 제1 피막은, 특히 TiB_XN_Y[다만 식 중에, X, Y는 각각 원자%로서, 0.001<X/(X+Y)<0.04임]로 나타내는 붕질화티탄으로 구성된 것이 바람직하다. 이에 따라, 특히 이 제2 피막과의 밀착성이 우수한 것이 된다.

X/(X+Y)가 0.001 이하가 되면 제2 피막과의 밀착성이 떨어지는 경우가 있고, 반대로 0.04 이상이 되면 피삭재와의 반응성이 높아져 이 제1 피막이 공구 표면에 노출된 경우에 피삭재와 반응하며, 그 용착물이 공구의 날끝에 강고히 부착되어 피삭재의 외관을 해치는 경우가 있다. X/(X+Y)는 보다 바람직하게는 0.003<X/(X+Y)<0.02이다. 또한, 상기 식에 있어서 Ti와 BN 합계 간의 원자비는 종래 공지와 같이 1:1일 필요는 없다.

또한, 이러한 제1 피막은, 특히 TiB_XN_YO_Z[다만 식 중에, X, Y, Z는 각각 원자%로서, 0.0005<X/(X+Y+Z)<0.04이고, 0<Z/(X+Y+Z)<0.5임]로 나타내는 붕질산화티탄으로 구성되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 특히 이 제2 피막과의 밀착성이 우수한 것이 된다.

X/(X+Y+Z)가 0.0005 이하가 되면 제2 피막과의 밀착성이 떨어지는 경우가 있고, 반대로 0.04 이상이 되면 피삭재와의 반응성이 높아져 이 제1 피막이 공구 표면에 노출된 경우에 피삭재와 반응하며, 그 용착물이 공구의 날끝에 강고히 부착되어 피삭재의 외관을 해치는 경우가 있다. X/(X+Y+Z)는 보다 바람직하게는 0.003<X/(X+Y)<0.02이다.

또한, Z/(X+Y+Z)가 0.5 이상이 되면 막의 경도는 높아지지만 인성이 저하되어 내결손성이 낮아져 버리는 경우가 있다. Z/(X+Y+Z)는 보다 바람직하게는 0.0005<Z/(X+Y+Z)<0.3이다. 또한, 종래 공지와 같이, 상기 식에 있어서 Ti와 BNO 합계 간의 원자비는 1:1일 필요는 없다.

이러한 제1 피막은 0.1 μm 이상 3 μm 이하의 두께를 갖는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 그 상한이 2 μm 이하, 그 하한이 0.2 μm 이상이다. 그 두께가 0.1 μm 미만인 경우, 제2 피막과의 밀착성을 향상시키는 효과가 충분히 나타나지 않는 경우가 있고, 3 μm를 넘어도 효과에 큰 차이 없이 경제적으로 불리해진다.

이러한 제1 피막은 기재상에 직접 형성되거나, 또는 후술하는 제3 피막이 형성되는 경우는 그 제3 피막상에 형성할 수 있다. 또한, 그 형성 방법(성막 방법)은 종래 공지의 화학적 증착법(CVD법) 및 물리적 증착법(PVD법) 등 어떠한 방법을 채용하여도 지장이 없고, 그 형성 방법은 특별히 한정되지 않는다.

<제2 피막>

본 발명의 제2 피막은 산화알루미늄, 산화지르코늄, 산화하프늄, 및 이들 중 2개 이상을 주성분으로 하는 고용체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종에 의해 단층 또는 복층으로서 구성되고, 상기 제1 피막의 바로 위에 위치하는 것을 특징으로 하는 것이다. 이러한 제2 피막은 내산화성 및 고온 안정성이 우수하고, 양호한 내마모성을 나타내는 동시에 피삭재와의 반응성이 낮다고 하는 우수한 특성을 갖는다. 또한, 상기 고용체는, 상기 3종의 산화물 중 2개 이상의 것을 포함하는 것이고, 통상 2개 이상의 상기 산화물에 의해서만 구성되는 것이지만, 다른 성분의 혼입을 제외하는 것이 아니기 때문에 「이들 중 2개 이상을 주성분으로 한다」라고 표현하고 있다.

그리고 이 제2 피막은 적어도 절삭에 관여하는 부위에서 압축 응력을 가짐으로써, 우수한 인성을 나타내는 것이 되고, 이에 따라 우수한 내결손성을 갖는 것이 된다. 또한, 압축 응력이란 피막에 존재하는 내부 응력(고유 변형)의 일종으로서, 「-」(마이너스)의 수치(단위: 본 발명에서는「GPa」를 사용함)로 나타내는 응력을 말한다. 이 때문에, 압축 응력이 크다고 하는 개념은, 상기 수치의 절대값이 커지는 것을 나타내고, 또한 압축 응력이 작다고 하는 개념은, 상기 수치의 절대값이 작아지는 것을 나타낸다. 추가로, 인장 응력이란 피막에 존재하는 내부 응력(고유 변형)의 일종으로서, 「+」(플러스)의 수치로 나타내는 응력을 말한다. 이 제2 피막이 후술과 같이 CVD법으로 형성되면 인장 응력이 잔류하는 것이 되기 때문에, 블라스트 처리 등을 실시함으로써 이 인장 응력을 해방하여 압축 응력을 부여한 것에 본 발명의 특징이 존재한다.

여기서, 절삭에 관여하는 부위란, 피삭재의 절삭에 실질적으로 관여하는 부위로서, 구체적으로는 날끝 능선부로부터 경사면의 방향과 여유면(flank face)의 방향에 각각 적어도 0.01 mm의 폭을 갖고 넓어진 영역을 말한다. 이 폭은 일반적으로는 0.05 mm 이상, 보다 일반적으로는 0.1 mm 이상의 폭이 되는 경우가 많다. 또한, 상기 날끝 능선부란, 공구에 있어서 피삭재의 칩과 접하는 측의 면인 경사면과 피삭재 자체에 접촉하는 측의 면인 여유면이 교차하는 릿지에 상당하는 부분(샤프 에지)을 말하는 동시에, 그 샤프 에지에 대하여 날끝 처리가 실시되어 곡선(R)을 갖도록 처리된 부분(소위, 날끝 처리부)이나, 모따기 처리가 된 부분(소위, 네거티브랜드 처리부)을 포함하는 동시에, 이들 날끝 처리나 모따기 처리가 조합되어 처리된 부분도 포함하는 개념이다.

이와 같이 제2 피막에 대하여 적어도 절삭에 관여하는 부위에 있어서 압축 응력을 갖는 것으로 한 것은, 이 부위는 절삭 가공시에 있어서 직접 피삭재와 접촉하고, 이에 따라 내결손성에 가장 관여하는 부위라고 생각되기 때문이다. 따라서, 이 절삭에 관여하는 부위에서 압축 응력을 갖는 한, 그 부위 이외의 부분에 있어서 압축 응력을 갖고 있어도 좋고, 제2 피막 전체에 걸쳐 압축 응력을 갖도록 하여도 좋다.

또한, 이러한 압축 응력을 부여하는 방법은, 특별히 한정되는 것이 아니라, 예컨대 후술과 같이 제2 피막이 CVD법에 의해 형성되는 경우에는 그 형성 후에 있어서 제2 피막에 대하여 블라스트 처리, 쇼트피닝 처리, 배럴 처리, 브러시 처리, 이온 주입 처리 등의 처리를 실시함으로써 압축 응력을 부여할 수 있다. 한편, 제2 피막이 PVD법에 의해 형성되는 경우에는 형성시에 있어서 이미 압축 응력이 부여된 상태가 되기 때문에 굳이 상기와 같은 처리를 실시할 필요는 없다. 그러나, 이 경우라도 소망에 따라 상기와 같은 처리를 실시하여도 지장이 없다.

이러한 압축 응력은, 그 절대값이 0.2 GPa 이상이 되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.5 GPa 이상이다. 그 절대값이 0.2 GPa 미만에서는 충분한 인성을 얻을 수 없는 경우가 있고, 한편 그 절대값은 커지면 커질수록 인성의 부여라는 관점에서는 바람직하지만, 그 절대값이 8 GPa를 넘으면 제2 피막 자체가 박리되는 경우가 있어 바람직하지 못하다.

이러한 제2 피막은, 상기한 산화물 중 산화알루미늄에 의해 구성되는 것이 바람직하고, 특히 α형 산화알루미늄에 의해 구성되는 것이 바람직하다. 특히 고온 안정성이 우수한 동시에 고경도를 가지며, 이에 따라 매우 우수한 내마모성이 나타나고, 또한 피삭재와도 거의 반응하지 않는다고 하는 우수한 특성을 갖기 때문이다.

이러한 제2 피막은 0.1 μm 이상 20 μm 이하의 두께(복층으로 형성되는 경우는 그 전체의 두께)를 갖는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 그 상한이 10 μm 이하, 그 하한이 0.2 μm 이상이다. 그 두께가 0.1 μm 미만인 경우, 내마모성을 향상시키는 효과가 충분히 나타나지 않는 경우가 있고, 20 μm를 넘어도 효과에 큰 차이 없이 경제적으로 불리해진다.

이러한 제2 피막은, 상기한 제1 피막상에 직접 형성되고, 그 형성 방법(성막 방법)은 종래 공지의 화학적 증착법(CVD법) 및 물리적 증착법(PVD법) 등 어떠한 방법을 채용하여도 지장이 없으며, 그 형성 방법은 특별히 한정되지 않는다.

또한, 상기 압축 응력은 어떠한 방법을 이용하여 측정하여도 좋지만, 예컨대 X선 응력 측정 장치를 이용한 sin²φ법에 의해 측정할 수 있다. 그리고, 이러한 압축 응력은 절삭에 관여하는 부위에 포함되는 임의의 점 10점(이들 각 점은 해당 부위의 응력을 대표할 수 있도록 상호 0.5 mm 이상의 거리를 두고 선택하는 것이 바람직함)의 응력을 상기 sin²φ법에 의해 측정하고, 그 평균값을 구함으로써 측정할 수 있다.

이러한 X선을 이용한 sin²φ법은 다결정 재료의 잔류 응력의 측정 방법으로서 널리 이용되고 있는 것이며, 예컨대 「X선 응력 측정법」(일본 재료 학회, 1981년 주식회사 요켄도 발행)의 54 내지 66 페이지에 상세히 설명되어 있는 방법을 이용하면 좋다.

또한, 상기 압축 응력은 라만 분광법을 이용한 방법을 이용함으로써 측정하는 것도 가능하다. 이러한 라만 분광법은 좁은 범위, 예컨대 스폿 직경 1 μm라고 하는 국소적인 측정을 할 수 있다고 하는 메리트를 갖고 있다. 이러한 라만 분광법을 이용한 압축 응력의 측정은 일반적인 것이지만, 예컨대 「박막의 역학적 특성 평가 기술」(사이펙, 1992년 발행)의 264 내지 271 페이지에 기재된 방법을 채용할 수 있다.

또한, 상기 압축 응력은 방사광을 이용하여 측정할 수도 있다. 이 경우, 피막의 두께 방향으로 압축 응력의 분포를 구할 수 있다고 하는 메리트가 있다.

<제3 피막>

본 발명의 제3 피막은 소망에 따라 기재와 상기 제1 피막 사이에 형성되는 것으로서, 기재와 제1 피막 양자에 대하여 우수한 밀착력을 가짐으로써, 제1 피막이 박리되는 것을 방지하는 작용을 나타내는 것이다.

이러한 제3 피막은 주기율표의 IVa족 원소, Va족 원소, VIa족 원소, Al, 및 Si로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소와, 탄소, 질소, 산소, 붕소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소로 이루어지는 화합물에 의해 단층 또는 복층으로서 구성된다.

이러한 제3 피막으로서 적합한 화합물로서는, 예컨대 TiC, TiN, TiCN, TiCNO, TiB₂, TiBN, TiCBN, ZrC, ZrO₂, HfC, HfN, TiAlN, AlCrN, CrN, VN, TiSiN, TiSiCN, AlTiCrN, TiAlCN 등을 들 수 있다.

이러한 제3 피막은 0.01 μm 이상 27 μm 이하의 두께(복층으로 형성되는 경우는 그 전체의 두께)를 갖는 것이 바람직하다. 그 두께가 0.01 μm 미만인 경우, 기재 및 제1 피막의 밀착성을 향상시키는 효과가 충분히 나타나지 않는 경우가 있고, 27 μm를 넘어도 효과에 큰 차이 없이 경제적으로 불리해진다.

이러한 제3 피막은, 기재상에 직접 형성할 수 있고, 그 형성 방법(성막 방법)은 종래 공지의 화학적 증착법(CVD법) 및 물리적 증착법(PVD법) 등 어떠한 방법을 채용하여도 지장이 없으며, 그 형성 방법은 특별히 한정되지 않는다.

그러나, 이러한 제3 피막은, 특히 MT-CVD(medium temperature CVD)법에 의해 형성하는 것이 바람직하고, 특히 그 방법에 의해 형성한 내마모성이 우수한 탄질화티탄(TiCN)층을 구비하는 것이 최적이다. 종래의 CVD법은 약 1020℃ 내지 1030℃로 성막을 행하는 것에 대하여, MT-CVD법은 약 850℃ 내지 950℃라는 비교적 저온으로 행할 수 있기 때문에, 성막시에 가열에 의한 기재의 손상을 저감할 수 있기 때문이다. 따라서, MT-CVD법에 의해 형성한 층은 기재에 근접시켜 구비하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 성막시에 사용하는 가스는 니트릴계의 가스, 특히 아세토니트릴(CH₃CN)을 이용하면 양산성이 우수하고 바람직하다.

<제4 피막>

본 발명의 제4 피막은, 소망에 따라 상기 제2 피막 위에서 적어도 절삭에 관여하는 부위를 제외한 부분에 형성되는 것을 특징으로 하는 것이다. 이러한 제4 피막은 공구의 사용 상태를 보다 용이하게 판별하는 것을 가능하게 하는 사용 상태 표시층으로서의 작용을 나타내는 것이다. 또한, 제2 피막에 대하여 압축 응력을 부여하거나, 공구의 표면 평활성을 향상시키기 위해 행해지는 블라스트 처리가 행해졌는지의 여부를 나타내는 지표층으로서의 작용을 나타내는 것으로 할 수도 있다.

따라서, 이러한 제4 피막은, 상기한 제2 피막에 비해 내마모성이 떨어지는 것이 바람직하고, 황색, 금색, 은색, 분홍색 등의 색채를 갖고 있는 것이 적합하다.

또한, 여기서 말하는 절삭에 관여하는 부위란, 상기한 제2 피막에 대해서 설명한 부위와 동일한 부위를 나타낸다. 제4 피막이, 이와 같이 절삭에 관여하는 부위를 제외하는 부분에 형성되는 것은 피삭재와 반응하여 그 반응물이 공구의 날끝에 용착함으로써 피삭재의 외관을 해치는 것을 방지하기 때문이다.

이러한 제4 피막으로서는, 예컨대 주기율표의 IVa족 원소, Va족 원소, VIa족 원소, Al, Si, Cu, Pt, Au, Ag, Pd, Fe, Co 및 Ni로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속, 또는 주기율표의 IVa족 원소, Va족 원소, VIa족 원소, Al 및 Si로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소와, 탄소, 질소, 산소, 및 붕소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소로 이루어지는 화합물에 의해 구성되는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는, 예컨대 TiN, ZrN, TiCN, TiSiCN, TiCNO, VN, Cr 등의 원소 또는 화합물에 의해 구성할 수 있다.

이러한 제4 피막은 0.01 μm 이상 5 μm 이하의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 그 두께가 0.01 μm 미만인 경우, 상기한 작용이 충분히 나타나지 않는 경우가 있고, 5 μm를 넘으면 제조 효율을 악화시켜 경제적으로 불리해진다.

이러한 제4 피막은 제2 피막상에 직접 형성할 수 있고, 그 형성 방법(성막 방법)은 종래 공지의 화학적 증착법(CVD법) 및 물리적 증착법(PVD법) 등 어떠한 방법을 채용하여도 지장이 없으며, 그 형성 방법은 특별히 한정되지 않는다. 그러나 이러한 형성 방법으로서 특히 바람직하게는 CVD법 또는 PVD법에 의해 이 제4 피막을 제2 피막의 전체면을 덮도록 하여 형성하고, 그 후 적어도 절삭에 관여하는 부위에 형성된 이 제4 피막을 블라스트 처리 등에 의해 제거하는 것이 적합하다. 이 방법에 의하면 제2 피막에 대한 압축 응력의 부여와 표면 평활 처리를 동시에 행하는 효과를 얻을 수 있기 때문에 높은 생산 효율을 갖는 것이 된다.

[실시예]

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것이 아니다.

<실시예 1>

우선, 기재로서 이하의 3종류의 기재 A 내지 C를 제작하였다.

기재 A는 초경합금 분말로서, 86.7 질량%의 WC, 3.0 질량%의 TaC, 0.3 질량%의 NbC, 2.2 질량%의 TiC, 및 7.8 질량%의 Co로 이루어지는 조성의 것을 프레스하고, 그 후 진공 분위기 중에서 1400℃, 1시간의 조건으로 소결을 행하며, 계속해서 연삭 가공 처리를 행한 후, 날끝 능선부에 대하여 SiC 브러시 호닝 처리에 의해 날끝 처리[경사면과 여유면의 교차부에 대하여 반경이 약 0.05 mm의 곡선(R)을 부여한 것]를 함으로써, 절삭 팁 CNMG120408N-GU[스미토모 덴꼬오 하드메탈 가부시키가이샤제]의 형상과 같은 형상의 초경합금제의 절삭 팁으로 한 것이다.

기재 B는 초경합금 분말로서, 84.2 질량%의 WC, 1.0 질량%의 TaC, 3.5 질량%의 NbC, 3.0 질량%의 ZrC, 0.5 질량%의 ZrN, 및 7.8 질량%의 Co로 이루어지는 조성의 것을 이용하는 것을 제외하고, 기재 A와 마찬가지로 하여 제작하였다.

기재 C는 초경합금 분말로서, 93.4 질량%의 WC, 0.6 질량%의 TaC, 0.3 질량%의 NbC, 0.2 질량%의 TiC, 및 5.5 질량%의 Co로 이루어지는 조성의 것을 이용하는 것을 제외하고, 기재 A와 마찬가지로 하여 제작하였다.

또한, 기재 A는 표면에 탈 β층이 10 μm 존재하고, 기재 B는 동일하게 표면에 탈 β층이 15 μm 존재하였었지만, 기재 C에는 탈 β층은 존재하지 않았다.

계속해서, 이들 기재에 대하여, 이하의 표 1 및 표 2에 나타낸 각 피막을 종래 공지의 CVD법에 의해 형성하였다. 다만, 제3 피막의 탄질화티탄(TiCN)은 850℃ 내지 900℃의 MT-CVD법에 의해 형성하였다.

또한, 제1 피막은 TiB_XN_Y로 나타내는 붕질화티탄으로 이루어지는 것이지만, X/(X+Y)가 0.001<X/(X+Y)<0.04를 만족시키는 경우는 2 용량%의 TiCl₄, 0.005 내지 2 용량%의 BCl₃, 5 내지 15 용량%의 N₂, 5 내지 15 용량%의 NO, 및 나머지 H₂로 이루어지는 반응 가스를 이용하여 압력 4 내지 10.7 kPa, 온도 800℃ 내지 930℃의 조건에 의해 성막하였다. 한편, X/(X+Y)가 0.001<X/(X+Y)<0.04를 만족시키지 않는 경우는 2 용량%의 TiCl₄, 0.001 용량% 이하 또는 5 용량%의 BCl₃, 5 내지 15 용량%의 N₂, 1 내지 10 용량%의 NO, 및 나머지 H₂로 이루어지는 반응 가스를 이용하여 압력 13.3 kPa, 온도 950℃의 조건에 의해 성막하였다.

그리고, 이와 같이 성막된 피막은 제2 피막에 있어서 인장 응력이 잔류하고 있기 때문에 공지의 블라스트 처리를 실시함으로써, 전체면에 걸쳐 압축 응력을 부여하였다(다만, 이하의 표 2의 No.25와 No.26에 대해서는 블라스트 처리를 행하지 않음). 이와 같이 하여 부여된 응력을 sin²φ법에 의해 측정한 바(상기에 설명한 바와 같이 절삭에 관여하는 부위에 포함되는 임의의 점 10점의 평균값으로서 산출함), 표 1 및 표 2에 나타낸 바와 같은 잔류 응력(압축 응력)을 갖고 있었다.

이와 같이 하여, 표 1 및 표 2에 나타낸 No.1 내지 26의 표면 피복 절삭 공구를 제작하였다. No.1 내지 22가 본 발명의 실시예이며, No.23 내지 26은 비교예이다.

그리고, 이들의 표면 피복 절삭 공구에 대해서, 하기의 조건에 의해 내마모성 시험과 단속 절삭 시험을 행하였다. 그 결과를 이하의 표 1 및 표 2에 나타낸다. 내마모성 시험에서는 여유면 마모량(V_B)을 측정하고, 그 수치가 적은 것일수록 내마모성이 우수함을 나타내고 있다. 또한, 단속 절삭 시험에서는 공구가 결손되기 까지의 충격 횟수를 측정하고, 그 횟수가 많은 것일수록 인성이 우수함을 나타내고 있다.

(내마모성 시험)

피삭재: SCM435 둥근 막대

절삭 속도: 250 m/min

절삭 깊이 d: 2.0 mm

이송 f: 0.30 mm/rev.

절삭 시간: 12분

건식/습식: 습식

(단속 절삭 시험)

피삭재: SCM440(4개의 홈이 형성된 둥근 막대)

절삭 속도: 180 m/min

절삭 깊이: 1.5 mm

이송: 0.35 mm/rev.

건식/습식: 습식

표 1 및 표 2에 있어서, 「*」의 기호를 붙인 것이 비교예이다. 또한, 제2 피막에 있어서, 「α-Al₂O₃」는 α형 산화알루미늄을, 「κ-Al₂O₃」는 κ형 산화알루미늄을 나타내고 있다. 또한, No.22의 제2 피막은 산화알루미늄과 산화지르코늄의 질량비 9:1로 이루어지는 고용체를 나타내고 있다. 또한 「X/(X+Y)」란, 제1 피막을 구성하는 TiB_XN_Y의 식 중의 X/(X+Y)를 나타내고, 「잔류 응력」이란, 상기한 측정 방법으로 측정된 제2 피막의 응력을 나타내고 있다.

또한, 표 1 및 표 2에 있어서, 제3 피막으로서 복수의 것이 기재되어 있는 경우는 좌측의 것부터 순서대로 기재상에 형성되는 것을 나타낸다. 또한 No.18의 제4 피막은 블라스트 처리에 의해 절삭에 관여하는 부위로부터 제거되어 형성되어 있다. 이와 같이 제4 피막을 제거하지 않는 경우(절삭에 관여하는 부위에 제4 피막이 형성되어 있는 경우)는 내마모성이 떨어지는 동시에, 특히 인성이 떨어진 것이 되고, 또한 피삭재의 외관도 손상된 것이 된다.

이상, 상기한 표 1 및 표 2로부터 명백한 바와 같이, No.1 내지 No.22의 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는 모두 우수한 내마모성과 인성을 갖고 있었다(제2 피막이 박리되는 것은 없었음). 이에 대하여, 제1 피막을 갖지 않는 No.23 및 No.24의 표면 피복 절삭 공구는 내마모성이 떨어지고, 제2 피막이 박리되는 경향을 나타내었다. 또한, 제2 피막에 있어서 잔류 인장 응력을 갖는 No.25 및 No.26은 인성이 매우 떨어져 있었다.

또한, No.1 내지 No.22의 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는 공구 전체가 황색을 띤 외관을 나타내고, 공구의 사용 상태(어느 하나의 날끝 능선부가 이미 사용되었는지의 여부)를 용이하게 판별할 수 있었다.

또한, 본 실시예에서는 기재로서 칩 브레이커를 갖는 것을 이용하였지만, 칩 브레이커를 갖고 있지 않은 것이나, 절삭 공구의 상하면 전체면이 연마된 공구(팁)라도 본 실시예와 같은 효과를 얻을 수 있다.

<실시예 2>

초경합금 분말로서, 88.7 질량%의 WC, 2.0 질량%의 TaC, 0.8 질량%의 NbC, 및 8.5 질량%의 Co로 이루어지는 조성의 것을 프레스하고, 그 후 진공 분위기 중에서 1400℃, 1시간의 조건으로 소결을 행하며, 계속해서 연삭 가공 처리를 행한 후, 날끝 능선부에 대하여 SiC 브러시 호닝 처리에 의해 날끝 처리[경사면과 여유면의 교차부에 대하여 반경이 약 0.04 mm의 곡선(R)을 부여한 것]를 함으로써, ISO 규격 SPGN120412의 형상의 초경합금제의 절삭 팁을 제작하고, 이것을 기재로 하였다. 또한, 이 기재에 탈 β층은 존재하지 않았다.

계속해서, 이 기재에 대하여, 이하의 표 3에 도시한 각 피막을 종래 공지의 CVD법에 의해 형성하였다. 다만, 제3 피막의 탄질화티탄(TiCN)은 850℃ 내지 900℃의 MT-CVD법에 의해 형성하였다. 또한, 제1 피막의 형성 조건은 실시예 1과 마찬가지로 하여 성막하였다.

그리고, 이와 같이 성막된 피막은, 제2 피막에 있어서 인장 응력이 잔류하고 있기 때문에 공지의 블라스트 처리를 실시함으로써, 전체면에 걸쳐 압축 응력을 부여하였다(다만, 이하의 표 3의 No.39에 대해서는 블라스트 처리를 행하고 있지 않음). 이와 같이 하여 부여된 응력을 실시예 1과 마찬가지로 하여 sin²φ법에 의해 측정한 바, 표 3에 나타낸 바와 같은 잔류 응력(압축 응력)을 갖고 있었다.

이와 같이 하여, 표 3에 나타낸 No.31 내지 39의 표면 피복 절삭 공구를 제작하였다. No.31 내지 36이 본 발명의 실시예이며, No.37 내지 39는 비교예이다.

그리고, 이들 표면 피복 절삭 공구에 대해서, 하기의 조건에 의해 3종의 밀링 절삭 시험을 행하였다. 그 결과를 이하의 표 3에 나타낸다. 강 내마모성 시험과 주물 내마모성 시험에서는 여유면 마모량(V_B)을 측정하고, 그 수치가 적은 것일수록 내마모성이 우수함을 나타내고 있다. 또한, 인성 절삭 시험에서는 다른 10개의 절삭 날로 절삭을 행하고, 파손된 절삭 날의 수를 계측하여, 그 파손 수가 적은 것일수록 인성이 우수함을 나타내고 있다.

(강 내마모성 시험)

피삭재: SCM435 블록재

절삭 속도: 310 m/min

절삭 깊이 d: 2.0 mm

이송 f: 0.28 mm/rev.

절삭 시간: 10분

건식/습식: 습식

(주물 내마모성 시험)

피삭재: FC250 블록재

절삭 속도: 250 m/min

절삭 깊이 d: 1.5 mm

이송 f: 0.29 mm/rev.

절삭 시간: 12분

건식/습식: 건식

(인성 절삭 시험)

피삭재: SCM435 블록재(슬릿 있음)

절삭 속도: 160 m/min

절삭 깊이: 2.0 mm

이송: 0.37 mm/rev.

건식/습식: 습식

커터: DPG4100R[스미토모 덴꼬오 하드메탈 가부시키가이샤제]

상기 커터에 대한 표면 피복 절삭 공구(절삭 팁)의 부착 수는 1개로 하였다. 이 때문에, 커터 1회전당의 이송과, 한 날당의 이송은 일치하는 것이었다.

표 3 중의 표기는 표 1 및 표 2의 표기에 준하여 기재하였다. 또한, No.35의 제4 피막은 블라스트 처리에 의해 절삭에 관여하는 부위로부터 제거되어 형성되어 있다. 이와 같이 제4 피막을 제거하지 않는 경우(절삭에 관여하는 부위에 제4 피막이 형성되어 있는 경우)는 내마모성이 떨어지는 동시에, 특히 인성이 떨어진 것이 되고, 또한 피삭재의 외관도 해치는 것이 된다.

이상, 상기한 표 3으로부터 명백한 바와 같이, No.31 내지 No.36의 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는 모두 우수한 내마모성과 인성을 갖고 있었다(제2 피막이 박리되는 것은 없었음). 이에 대하여, 제1 피막을 갖지 않는 No.37 및 No.38의 표면 피복 절삭 공구는 내마모성 및 인성이 떨어지고, 제2 피막이 박리되는 경향을 나타내었다. 또한, 제2 피막에 있어서 잔류 인장 응력을 갖는 No.39는 인성이 매우 떨어져 있었다.

또한, No.31 내지 No.36의 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는 공구 전체가 황색을 띤 외관을 나타내고, 공구의 사용 상태(어느 하나의 날끝 능선부가 이미 사용되었는지의 여부)를 용이하게 판별할 수 있었다.

<실시예 3>

기재로서는 실시예 2와 같은 것을 이용하고, 이 기재에 대하여, 이하의 표 4에 도시한 각 피막을 종래 공지의 이온 도금법에 의해 형성함으로써 표면 피복 절삭 공구를 제작하였다. 실시예 1 및 2와 달리, 제2 피막은 형성시에 압축 응력을 갖기 때문에(압축 응력의 측정은 실시예 1 및 2와 마찬가지로 하여 측정하고 그 결과는 표 4와 같음), 블라스트 처리는 행하지 않았다.

이와 같이 하여, 표 4에 나타낸 No.41 내지 47의 표면 피복 절삭 공구를 제작하였다. No.41 내지 44가 본 발명의 실시예이며, No.45 내지 47은 비교예이다.

그리고, 이들 표면 피복 절삭 공구에 대해서, 하기의 조건에 의해 3종의 밀링 절삭 시험을 행하였다. 그 결과를 이하의 표 4에 나타낸다. 강 내마모성 시험과 주물 내마모성 시험에서는 여유면 마모량(V_B)을 측정하고, 그 수치가 적은 것일수록 내마모성이 우수함을 나타내고 있다. 또한, 인성 절삭 시험에서는 다른 10개의 절삭 날로 절삭을 행하고, 파손된 절삭 날의 수를 계측하여, 그 파손 수가 적은 것일수록 인성이 우수함을 나타내고 있다.

(강 내마모성 시험)

피삭재: SKD11 블록재

절삭 속도: 160 m/min

절삭 깊이 d: 2.0 mm

이송 f: 0.26 mm/rev.

절삭 시간: 5분

건식/습식: 습식

(주물 내마모성 시험)

피삭재: FCD450 블록재

절삭 속도: 180 m/min

절삭 깊이 d: 1.5 mm

이송 f: 0.27 mm/rev.

절삭 시간: 6분

건식/습식: 건식

(인성 절삭 시험)

피삭재: S50C 블록재(슬릿 있음)

절삭 속도: 150 m/min

절삭 깊이: 2.0 mm

이송: 0.38 mm/rev.

건식/습식: 습식

커터: DPG4100R[스미토모 덴꼬오 하드메탈 가부시키가이샤제]

상기 커터에 대한 표면 피복 절삭 공구(절삭 팁)의 부착 수는 1개로 하였다. 이 때문에, 커터 1회전당의 이송과, 한 날당 이송은 일치하는 것이었다.

표 4 중의 표기는 표 1 내지 3의 표기에 준하여 기재하였다.

이상, 상기한 표 4로부터 명백한 바와 같이, No.41 내지 No.44의 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는 모두 우수한 내마모성과 인성을 갖고 있었다(제2 피막이 박리되는 것은 없었음). 이에 대하여, 제1 피막을 갖지 않는 No.45 내지 No.47의 표면 피복 절삭 공구는 내마모성 및 인성이 떨어지는 동시에 제2 피막이 박리되는 경향을 나타내었다.

또한, No.41 내지 No.44의 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는 공구 전체가 황색을 띤 외관을 나타내고, 공구의 사용 상태(어느 하나의 날끝 능선부가 이미 사용되었는지의 여부)를 용이하게 판별할 수 있었다.

<실시예 4>

우선, 기재로서 이하의 3 종류의 기재 A2 내지 C2를 제작하였다.

기재 A2는 초경합금 분말로서, 86.7 질량%의 WC, 3.0 질량%의 TaC, 0.3 질량%의 NbC, 2.2 질량%의 TiC, 및 7.8 질량%의 Co로 이루어지는 조성의 것을 프레스하고, 그 후 진공 분위기 중에서 1400℃, 1시간의 조건으로 소결을 행하며, 계속해서 연삭 가공 처리를 행한 후, 날끝 능선부에 대하여 SiC 브러시 호닝 처리에 의해 날끝 처리[경사면과 여유면의 교차부에 대하여 반경이 약 0.05 mm의 곡선(R)을 부여한 것]를 함으로써, 절삭 팁 CNMG120408N-GU[스미토모 덴꼬오 하드메탈 가부시키가이샤제]의 형상과 같은 형상의 초경합금제의 절삭 팁으로 한 것이다.

기재 B2는 초경합금 분말로서, 84.2 질량%의 WC, 1.0 질량%의 TaC, 3.5 질량%의 NbC, 3.0 질량%의 ZrC, 0.5 질량%의 ZrN, 및 7.8 질량%의 Co로 이루어지는 조성의 것을 이용하는 것을 제외하고, 기재 A2와 마찬가지로 하여 제작하였다.

기재 C2는 초경합금 분말로서, 93.4 질량%의 WC, 0.6 질량%의 TaC, 0.3 질량%의 NbC, 0.2 질량%의 TiC, 및 5.5 질량%의 Co로 이루어지는 조성의 것을 이용하는 것을 제외하고, 기재 A2와 마찬가지로 하여 제작하였다.

또한, 기재 A2는 표면에 탈 β층이 10 μm 존재하고, 기재 B2는 동일하게 표면에 탈 β층이 15 μm 존재하였었지만, 기재 C2에는 탈 β층은 존재하지 않았다.

계속해서, 이들 기재에 대하여, 이하의 표 5 및 표 6에 나타낸 각 피막을 종래 공지의 CVD법에 의해 형성하였다. 다만, 제3 피막의 탄질화티탄(TiCN)은 850℃ 내지 900℃의 MT-CVD법에 의해 형성하였다.

또한, 제1 피막은 TiB_XN_YO_Z로 나타내는 붕질산화티탄으로 이루어지는 것이지만, X/(X+Y+Z)가 0.0005<X/(X+Y+Z)<0.04 및 0<Z/(X+Y+Z)<0.5를 만족시키는 경우는 2 용량%의 TiCl₄, 0.005 내지 2 용량%의 BCl₃, 5 내지 15 용량%의 N₂, 5 내지 15 용량%의 NO, 및 나머지 H₂로 이루어지는 반응 가스를 이용하고, 압력 4 내지 10.7 kPa, 온도 800℃ 내지 930℃의 조건에 의해 성막하였다. 한편 X/(X+Y+Z)가 0.0005<X/(X+Y+Z)<0.04 및 0<Z/(X+Y+Z)<0.5를 만족시키지 않는 경우는 2 용량%의 TiCl₄, 0.001 용량% 이하 또는 5 용량%의 BCl₃, 5 내지 15 용량%의 N₂, 1 내지 10 용량%의 NO, 및 나머지 H₂로 이루어지는 반응 가스를 이용하여 압력 13.3 kPa, 온도 950℃의 조건에 의해 성막하였다.

그리고, 이와 같이 성막된 피막은 제2 피막에 있어서 인장 응력이 잔류하고 있기 때문에 공지의 블라스트 처리를 실시함으로써, 전체면에 걸쳐 압축 응력을 부여하였다(다만, 이하의 표 6의 No.125와 No.126에 대해서는 블라스트 처리를 행하지 않음). 이와 같이 하여 부여된 응력을 sin²φ법에 의해 측정한 바(상기에 설명한 바와 같이 절삭에 관여하는 부위에 포함되는 임의의 점 10점의 평균값으로서 산출함), 표 5 및 표 6에 나타낸 바와 같은 잔류 응력(압축 응력)을 갖고 있었다.

이와 같이 하여, 표 5 및 표 6에 나타낸 No.101 내지 126의 표면 피복 절삭 공구를 제작하였다. No.101 내지 122가 본 발명의 실시예이며, No.123 내지 126은 비교예이다.

그리고, 이들 표면 피복 절삭 공구에 대해서, 하기의 조건에 의해 내마모성 시험과 단속 절삭 시험을 행하였다. 그 결과를 이하의 표 5 및 표 6에 나타낸다. 내마모성 시험에서는 여유면 마모량(V_B)을 측정하고, 그 수치가 적은 것일수록 내마모성이 우수함을 나타내고 있다. 또한, 단속 절삭 시험에서는 공구가 결손되기까지의 충격 횟수를 측정하고, 그 횟수가 많은 것일수록 인성이 우수함을 나타내고 있다.

(내마모성 시험)

피삭재: SCM435 둥근 막대

절삭 속도: 240 m/min

절삭 깊이 d: 2.0 mm

이송 f: 0.31 mm/rev.

절삭 시간: 12분

건식/습식: 습식

(단속 절삭 시험)

피삭재: SCM440(4개의 홈이 형성된 둥근 막대)

절삭 속도: 170 m/min

절삭 깊이: 1.5 mm

이송: 0.36 mm/rev.

건식/습식: 습식

표 5 및 표 6에 있어서, 「*」의 기호를 붙인 것이 비교예이다. 또한, 제2 피막에 있어서, 「α-Al₂O₃」는 α형 산화알루미늄을, 「κ-Al₂O₃」은 κ형 산화알루미늄을 나타내고 있다. 또한, No.122의 제2 피막은 산화알루미늄과 산화지르코늄의 질량비 9:1로 이루어지는 고용체를 나타내고 있다. 또한, 「X」란, 제1 피막을 구성하는 TiB_XN_YO_Z의 식 중의 X/(X+Y+Z)를 나타내고, 「Z」란, 제1 피막을 구성하는 TiB_XN_YO_Z의 식 중의 Z/(X+Y+Z)를 나타내며, 「잔류 응력」이란, 상기한 측정 방법으로 측정된 제2 피막의 응력을 나타내고 있다.

또한, 표 5 및 표 6에서, 제3 피막으로서 복수의 것이 기재되어 있는 경우는 좌측의 것부터 순서대로 기재상에 형성되는 것을 나타낸다. 또한 No.118의 제4 피막은 블라스트 처리에 의해 절삭에 관여하는 부위로부터 제거되어 형성되어 있다. 이와 같이 제4 피막을 제거하지 않는 경우(절삭에 관여하는 부위에 제4 피막이 형성되어 있는 경우)는 내마모성이 떨어지는 동시에, 특히 인성이 떨어진 것이 되고, 또한 피삭재의 외관도 해치는 것이 된다.

이상, 상기한 표 5 및 표 6으로부터 명백한 바와 같이, No.101 내지 No.122의 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는 모두 우수한 내마모성과 인성을 갖고 있었다(제2 피막이 박리되는 것은 없었음). 이것에 대하여, 제1 피막을 갖지 않는 No.123 및 No.124의 표면 피복 절삭 공구는 내마모성이 떨어지고, 제2 피막이 박리되는 경향을 나타냈다. 또한, 제2 피막에 있어서 잔류 인장 응력을 갖는 No.125 및 No.126은 인성이 매우 떨어져 있었다.

또한, No.101 내지 No.122의 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는 공구 전체가 황색을 띤 외관을 나타내고, 공구의 사용 상태(어느 하나의 날끝 능선부가 이미 사용되었는지의 여부)를 용이하게 판별할 수 있었다.

또한, 본 실시예에서는 기재로서 칩 브레이커를 갖는 것을 이용하였지만, 칩 브레이커를 갖고 있지 않은 것이나, 절삭 공구의 상하면 전체면이 연마된 공구(팁)라도 본 실시예와 같은 효과를 얻을 수 있다.

<실시예 5>

초경합금 분말로서, 88.7 질량%의 WC, 2.0 질량%의 TaC, 0.8 질량%의 NbC, 및 8.5 질량%의 Co로 이루어지는 조성의 것을 프레스하고, 그 후 진공 분위기 중에서 1400℃, 1시간의 조건으로 소결을 행하고, 계속해서 연삭 가공 처리를 행한 후, 날끝 능선부에 대하여 SiC 브러시 호닝 처리에 의해 날끝 처리[경사면과 여유면의 교차부에 대하여 반경이 약 0.04 mm의 곡선(R)을 부여한 것]를 함으로써, ISO 규격 SPGN120412의 형상의 초경합금제의 절삭 팁을 제작하고, 이것을 기재로 하였다. 또한, 이 기재에 탈 β층은 존재하지 않았다.

계속해서, 이 기재에 대하여 이하의 표 7에 나타낸 각 피막을 종래 공지의 CVD법에 의해 형성하였다. 다만, 제3 피막의 탄질화티탄(TiCN)은 850℃ 내지 900℃의 MT-CVD법에 의해 형성하였다. 또한, 제1 피막의 형성 조건은 실시예 4와 마찬가지로 하여 성막하였다.

그리고, 이와 같이 성막된 피막은 제2 피막에 있어서 인장 응력이 잔류하고 있기 때문에 공지의 블라스트 처리를 실시함으로써, 전체면에 걸쳐 압축 응력을 부여하였다(다만, 이하의 표 7의 No.139에 관해서는 블라스트 처리를 행하고 있지 않음). 이와 같이 하여 부여된 응력을 실시예 4와 마찬가지로 하여 sin²φ법에 의해 측정한 바, 표 7에 나타낸 바와 같은 잔류 응력(압축 응력)을 갖고 있었다.

이와 같이 하여, 표 7에 나타낸 No.131 내지 139의 표면 피복 절삭 공구를 제작하였다. No.131 내지 136이 본 발명의 실시예이며, No.137 내지 139는 비교예이다.

그리고, 이들 표면 피복 절삭 공구에 대해서, 하기의 조건에 의해 3종의 밀링 절삭 시험을 행하였다. 그 결과를 이하의 표 7에 나타낸다. 강 내마모성 시험과 주물 내마모성 시험에서는 여유면 마모량(V_B)을 측정하고, 그 수치가 적은 것일수록 내마모성이 우수함을 나타내고 있다. 또한, 인성 절삭 시험에서는 다른 10개의 절삭 날로 절삭을 행하고, 파손한 절삭 날의 수를 계측하며, 그 파손 수가 적은 것일수록 인성이 우수함을 나타내고 있다.

(강 내마모성 시험)

피삭재: SCM435 블록재

절삭 속도: 320 m/min

절삭 깊이 d: 2.0 mm

이송 f: 0.27 mm/rev.

절삭 시간: 10분

건식/습식: 습식

(주물 내마모성 시험)

피삭재: FC250 블록재

절삭 속도: 260 m/min

절삭 깊이 d: 1.5 mm

이송 f: 0.28 mm/rev.

절삭 시간: 12분

건식/습식: 건식

(인성 절삭 시험)

피삭재: SCM435 블록재(슬릿 있음)

절삭 속도: 170 m/min

절삭 깊이: 2.0 mm

이송: 0.36 mm/rev.

건식/습식: 습식

커터: DPG4100R[스미토모 덴꼬오 하드메탈 가부시키가이샤제]

상기 커터에 대한 표면 피복 절삭 공구(절삭 팁)의 부착 수는 1개로 하였다. 이 때문에 커터 1 회전당의 이송과, 한 날당 이송은 일치하는 것이었다.

표 7 중의 표기는, 표 5 및 표 6의 표기에 준하여 기재하였다. 또한, No.135의 제4 피막은 블라스트 처리에 의해 절삭에 관여하는 부위로부터 제거되어 형성되어 있다. 이와 같이 제4 피막을 제거하지 않는 경우(절삭에 관여하는 부위에 제4 피막이 형성되어 있는 경우)는 내마모성이 떨어지는 동시에, 특히 인성이 떨어진 것이 되고, 또한 피삭재의 외관도 해치는 것이 된다.

이상, 상기한 표 7로부터 명백한 바와 같이, No.131 내지 No.136의 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는 모두 우수한 내마모성과 인성을 갖고 있었다(제2 피막이 박리되는 것은 없음). 이에 대하여, 제1 피막을 갖지 않는 No.137 및 No.138의 표면 피복 절삭 공구는 내마모성 및 인성이 떨어지고, 제2 피막이 박리되는 경향을 나타냈다. 또한, 제2 피막에 있어서 잔류 인장 응력을 갖는 No.139는 인성이 매우 떨어져 있었다.

또한, No.131 내지 No.136의 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 공구 전체가 황색을 띤 외관을 나타내고, 공구의 사용 상태(어느 하나의 날끝 능선부가 이미 사용되었는지의 여부)를 용이하게 판별할 수 있었다.

<실시예 6>

기재로서는 실시예 5와 같은 것을 이용하고, 이 기재에 대하여 이하의 표 8에 나타낸 각 피막을 종래 공지의 이온 도금법에 의해 형성함으로써 표면 피복 절삭 공구를 제작하였다. 실시예 4 및 5와 달리, 제2 피막은 형성시에 압축 응력을 갖고 있기 때문에(압축 응력의 측정은 실시예 4 및 5와 마찬가지로 하여 측정하고 그 결과는 표 8과 같음) 블라스트 처리는 행하지 않았다.

이와 같이 하여, 표 8에 도시한 No.141 내지 147의 표면 피복 절삭 공구를 제작하였다. No.141 내지 144가 본 발명의 실시예이며, No.145 내지 147은 비교예이다.

그리고 이들 표면 피복 절삭 공구에 대해서, 하기의 조건에 의해 3종 밀링 절삭 시험을 행하였다. 그 결과를 이하의 표 8에 나타낸다. 강 내마모성 시험과 주물 내마모성 시험에서는 여유면 마모량(V_B)을 측정하고, 그 수치가 적은 것일수록 내마모성이 우수함을 나타내고 있다. 또한, 인성 절삭 시험에서는 다른 10개의 절삭 날로 절삭을 행하고, 파손된 절삭 날의 수를 계측하여, 그 파손 수가 적은 것일수록 인성이 우수함을 나타내고 있다.

(강 내마모성 시험)

피삭재: SKD11 블록재

절삭 속도: 170 m/min

절삭 깊이 d: 2.0 mm

이송 f: 0.25 mm/rev.

절삭 시간: 5분

건식/습식: 습식

(주물 내마모성 시험)

피삭재: FCD450 블록재

절삭 속도: 190 m/min

절삭 깊이 d: 1.5 mm

이송 f: 0.26 mm/rev.

절삭 시간: 6분

건식/습식: 건식

(인성 절삭 시험)

피삭재: S50C 블록재(슬릿 있음)

절삭 속도: 160 m/min

절삭 깊이: 2.0 mm

이송: 0.39 mm/rev.

건식/습식: 습식

커터: DPG4100R[스미토모 덴꼬오 하드메탈 가부시키가이샤제]

상기 커터에 대한 표면 피복 절삭 공구(절삭 팁)의 부착 수는 1개로 하였다. 이 때문에 커터 1 회전당의 이송과, 한 날당의 이송은 일치하는 것이었다.

표 8 중의 표기는, 표 5 내지 7의 표기에 준하여 기재하였다.

이상, 상기의 표 8로부터 명백한 바와 같이, No.141 내지 No.144의 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는 모두 우수한 내마모성과 인성을 갖고 있었다(제2 피막이 박리되는 것은 없었음). 이에 대하여, 제1 피막을 갖지 않는 No.145 내지 No.147의 표면 피복 절삭 공구는 내마모성 및 인성이 떨어지는 동시에, 제2 피막이 박리되는 경향을 나타내었다.

또한, No.141 내지 No.144의 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 공구 전체가 황색을 띤 외관을 나타내고, 공구의 사용 상태(어느 하나의 날끝 능선부가 이미 사용되었는지의 여부)를 용이하게 판별할 수 있었다.

이상과 같이 본 발명의 실시형태 및 실시예에 관해서 설명을 행하였지만, 전술한 각 실시형태 및 실시예의 구성을 적절하게 조합하는 것도 당초부터 예정하고 있다.

이번 개시된 실시형태 및 실시예는 모든 점에서 예시로서 제한적인 것이 아니라고 생각해야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 청구의 범위에 의해 나타나고, 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (12)

1. 기재와, 이 기재상에 형성된 피막을 포함하는 표면 피복 절삭 공구로서,

   상기 피막은, 붕질화티탄 또는 붕질산화티탄으로 이루어지는 제1 피막과, 산화알루미늄, 산화지르코늄, 산화하프늄, 및 이들 중 2개 이상을 주성분으로 하는 고용체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종에 의해 구성되는 제2 피막을 포함하고,

   상기 제1 피막은, 상기 기재와 상기 제2 피막 사이에서, 상기 제2 피막의 바로 아래에 위치하며,

   상기 제2 피막은, 적어도 절삭에 관여하는 부위에서 압축 응력을 갖는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
2. 제1항에 있어서, 상기 피막은, 상기 기재와 상기 제1 피막 사이에 제3 피막을 포함하고,

   상기 제3 피막은, 주기율표의 IVa족 원소, Va족 원소, VIa족 원소, Al, 및 Si로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소와, 탄소, 질소, 산소, 붕소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소로 이루어지는 화합물에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
3. 제2항에 있어서, 상기 제3 피막은 MT-CVD법에 의해 형성된 탄질화티탄층을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
4. 제1항에 있어서, 상기 제1 피막은 TiB_XN_Y[다만 식 중에, X, Y는 각각 원자%로서, 0.001<X/(X+Y)<0.04임]로 나타내는 붕질화티탄으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
5. 제1항에 있어서, 상기 제1 피막은 TiB_XN_YO_Z[다만 식 중에, X, Y, Z는 각각 원자%로서, 0.0005<X/(X+Y+Z)<0.04이면서, 0<Z/(X+Y+Z)<0.5임]로 나타내는 붕질산화티탄으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
6. 제1항에 있어서, 상기 압축 응력은 그 절대값이 0.2 GPa 이상이 되는 압축 응력인 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
7. 제1항에 있어서, 상기 제1 피막은 0.1 μm 이상 3 μm 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
8. 제1항에 있어서, 상기 피막은 0.2 μm 이상 30 μm 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
9. 제1항에 있어서, 상기 제2 피막은 α형 산화알루미늄에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
10. 제1항에 있어서, 상기 피막은 제4 피막을 더 포함하고,

    상기 제4 피막은, 상기 제2 피막 위에서, 적어도 절삭에 관여하는 부위를 제외한 부분에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
11. 제1항에 있어서, 상기 기재는 초경합금, 서멧, 고속도강, 세라믹스, 입방정형 질화붕소 소결체, 다이아몬드 소결체, 질화규소 소결체, 또는 산화알루미늄과 탄화티탄으로 이루어지는 혼합체 중 어느 하나에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
12. 제1항에 있어서, 상기 표면 피복 절삭 공구는 드릴, 엔드밀, 밀링 가공용 또는 선삭 가공용 날끝 교환형 팁, 메탈 소오, 기어 절삭 공구, 리머, 탭, 또는 크랭크샤프트의 핀 밀링 가공용 팁 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.