KR20120073333A

KR20120073333A - 표면 피복 절삭 공구

Info

Publication number: KR20120073333A
Application number: KR1020127012480A
Authority: KR
Inventors: 히데아키 가나오카; 미노루 이토; 요시오 오카다; 치에 스즈키; 아농색 파수트
Original assignee: 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤
Priority date: 2010-07-16
Filing date: 2011-04-04
Publication date: 2012-07-04
Also published as: KR101384421B1; CN102639267B; JP5124793B2; EP2594352A4; CN102639267A; EP2594352A1; EP2594352B1; JP2012020391A; WO2012008185A1; US20120231227A1; US8465828B2

Abstract

내마모성과 내결손성이 모두 우수한 표면 피복 절삭 공구를 제공한다. 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 기재와 피복층을 포함하며, 상기 피복층은 1층 또는 복수의 층으로 구성되고, 특정한 평면으로 절단한 단면에서, 상기 피복층 중 날끝 능선부에서 가장 얇아지는 부분의 두께를 T₁, 날끝 능선으로부터 경사면 방향으로 1 mm 떨어진 지점에서의 두께를 T₂로 하는 경우, T₁<T₂를 만족하고, 또한, 상기 피복층 표면에서, 날끝 능선으로부터 경사면 방향으로 거리 D_a 떨어진 지점을 a로 하고, 여유면 방향으로 거리 D_b 떨어진 지점을 b로 하는 경우, 상기 D_a 및 상기 D_b는 특정한 수치 범위를 만족하는 것으로서, 지점 a로부터 지점 b까지의 상기 피복층에서의 표면으로부터 두께 0.1 T₁?0.9 T₁을 차지하는 영역 E의 10% 이상의 영역에서, 상기 피복층을 구성하는 결정립의 결정 방위의 차이가 5도 이상 10도 미만이 되는 것을 특징으로 한다.

Description

표면 피복 절삭 공구{SURFACE COATING CUTTING TOOL}

본 발명은, 기재와 이 기재 표면에 형성된 피복층을 포함하는 표면 피복 절삭 공구에 관한 것이다.

종래, 일반 강이나 주물의 절삭 가공에는, WC-Co 합금 또는 WC-Co 합금에 Ti 및/또는 Ta, Nb 등의 탄질화물을 첨가한 합금으로 이루어진 초경합금제의 절삭 공구가 이용되어 왔다. 그러나, 그 절삭 가공시에, 절삭 공구의 날끝은 800℃ 이상의 고온이 되기 때문에, 이러한 초경합금으로 이루어진 절삭 공구는, 그 절삭 가공시의 열에 의해 소성 변형되기 쉬웠다. 그리고, 그 결과, 여유면 마모의 진행이 증대되기 쉬워졌다.

따라서, 고온에서의 절삭 공구의 절삭 특성을 개선하기 위해, 상기 초경합금을 모재(기재)로 하고, 그 표면에, 주기율표의 IVa족 금속의 탄화물, 질화물 또는 탄질화물(TiC, TiN, 또는 TiCN 등), 또는 Al₂O₃ 등과 같은 경질 세라믹스의 단일층, 또는 이들 경질 세라믹스의 복합층으로 이루어진 피복층을 형성한 표면 피복 절삭 공구가 사용되고 있다. 이들 피복층의 형성에는, 화학적 증착법 또는 이온 플레이팅법이나 이온 스퍼터링법 등의 물리적 증착법이 이용된다.

이러한 방법으로 형성된 피복층 중, 특히 화학적 증착법으로 형성한 피복층은, 초경합금의 모재와의 밀착 강도가 매우 높고, 내마모성이 매우 우수하다. 최근, 절삭의 고속화 및 고능률화의 요망으로 인해 피복층은 점점 더 두꺼워지는 경향이 있기 때문에, 초경합금 모재와 피복층의 밀착 강도는 중요하다.

그러나, 한편으로, 화학적 증착법으로 피복층을 형성할 때에는, 피복층의 온도가 약 1000℃ 근처의 고온이 되기 때문에, 피복층 형성후에 실온까지 냉각시키면, 초경합금 모재와 피복층의 열팽창계수의 차이에 의해 피복층에 인장 응력이 잔류한다. 그 결과, 절삭 가공시에 피복층의 표면을 기점으로 하여 균열이 발생하면, 인장 응력에 의해 그 균열이 전파되어, 피복층의 탈락이나 치핑이 발생한다. 구체적으로는, 초경합금 모재의 열팽창계수는 약 5.1×10^-6 K^-1 정도인 데 비해, 피복층의 열팽창계수는, 예를 들어 TiN의 경우 약 9.2×10^-6 K^-1이고, TiC의 경우 약 7.6×10^-6 K^-1이고, Al₂O₃의 경우 약 8.5×10^-6 K^-1이다.

현재 일반적으로 사용되고 있는 표면 피복 절삭 공구의 피복층의 두께는, 약 수 ㎛에서부터 약 십수 ㎛의 범위이다. 그것은, 피복층의 두께를 두껍게 할수록 내마모성이 향상되지만, 상기의 이유로 인해 두꺼운 피복층일수록 공구가 이상 손상을 야기할 가능성이 높아져, 내결손성이 저하되는 것에 기인한다.

따라서, 이러한 피복층의 특성을 개선하기 위한 여러가지 기술이 제안되어 있다. 예를 들어 일본 특허 공개 평07-216549호 공보(특허문헌 1)에는, 알루미나층 성막후의 냉각시에 발생하는 크랙을 없앰으로써, 절삭 공구의 절삭 수명을 향상시키는 기술이 기재되어 있다.

또, 일본 특허 공개 평05-057507호 공보(특허문헌 2)에서는, 경질 재료로 이루어진 공구 모재의 표면에, 화학 기상 성장법에 의해 최외층으로서 TiN, TiCN 중의 어느 막을 형성하고, 최외층에 인접하는 내층으로서 Al₂O₃막을 형성한 후, 공구 날끝부만을 연마 처리한다. Al₂O₃막을 노출시킴으로써 절삭 부스러기의 내용착성과 절삭 가공시의 내충격성을 향상시킬 수 있다고 하여, 공구의 수명 장기화를 도모하는 기술이 제안되어 있다.

특허문헌 1 : 일본 특허 공개 평07-216549호 공보 특허문헌 2 : 일본 특허 공개 평05-057507호 공보

그러나, 특허문헌 1에 개시된 공구라 하더라도, 피복층 중에는 여전히 인장 응력이 잔류하고 있기 때문에, 고속 가공 및 고능률 가공으로 단속적으로 절삭을 행하는 경우에는, 여전히 내결손성이 떨어진다고 하는 문제가 있었다. 또, 절삭 공구의 날끝 능선부에서의 피복층은, 박막화나 응력 부여가 실시되어 있지 않아, 절삭시의 단속 부하가 날끝에 작용했을 때 균열이 피복층끼리의 계면 또는 피복층과 기재의 계면에 발생하여, 공구가 결손된다고 하는 문제가 있었다.

또, 특허문헌 2에 개시된 공구에서는, 날끝부의 표면 거칠기에 주안을 두고 있어, 피복층끼리의 계면 및 피복층과 기재의 계면에서 절삭시의 단속 부하가 집중되는 경우에는 균열이 상기 계면에 발생한다고 하는 문제가 있었다.

상기와 같은 문제에 기인하여, 피복층의 탈락이나 치핑에 의해 마모가 불균일하게 진행되어, 내마모성이 저하된다고 하는 문제가 있었다. 이러한 문제는, 표면 피복 절삭 공구 전반에 걸친 문제이지만, 특히 프레이즈(fraise) 가공이나 홈이 있는 재료의 선삭 가공 등의 절삭 가공에 이용되는 표면 피복 절삭 공구에서 특히 현저해지는 문제였다. 상기 용도로 이용되는 표면 피복 절삭 공구에서는, 단속적인 하중이 가해짐으로써 날끝의 결손이 매우 일어나기 쉬웠다. 따라서, 본 발명은, 내마모성과 내결손성이 모두 우수한 표면 피복 절삭 공구를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 기재와, 상기 기재 표면에 형성된 피복층을 포함하며, 상기 피복층은, 1층 또는 복수의 층으로 구성되고, 경사면의 중심에서의 피복층 표면의 법선과 2개의 여유면이 교차하는 능선을 포함하는 평면에 의해 표면 피복 절삭 공구를 절단한 단면에서, 상기 피복층 중 날끝 능선부에서 가장 얇아지는 부분의 두께를 T₁, 날끝 능선으로부터 경사면 방향으로 1 mm 떨어진 지점에서의 두께를 T₂로 하는 경우, T₁<T₂를 만족하고, 또한, 상기 피복층 표면에서, 날끝 능선으로부터 경사면 방향으로 거리 D_a 떨어진 지점을 a로 하고, 여유면 방향으로 거리 D_b 떨어진 지점을 b로 하는 경우, 상기 D_a는 0.05 mm≤D_a≤0.5 mm를 만족하고, 상기 D_b는 0.01 mm≤D_b≤0.2 mm를 만족하는 것으로서, 지점 a로부터 지점 b까지의 상기 피복층에서의 표면으로부터 두께 0.1 T₁?0.9 T₁을 차지하는 영역 E의 10% 이상의 영역에서, 상기 피복층을 구성하는 결정립의 결정 방위의 차이가 5도 이상 10도 미만이 되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 D_a는, 0.05 mm≤D_a≤0.25 mm를 만족하는 것이 바람직하고, 상기 영역 E의 두께는 0.5 T₁?0.9 T₁인 것이 바람직하다.

또, 상기 피복층은, 복수의 층으로 구성되고, 상기 날끝 능선부에서의 피복층의 구성과 상기 날끝 능선부 이외의 영역에서의 피복층의 구성이 상이한 것이 바람직하다. 또, 상기 피복층은, 주기율표의 IVa족 원소(Ti, Zr, Hf 등), Va족 원소(V, Nb, Ta 등), VIa족 원소(Cr, Mo, W 등), 알루미늄 및 실리콘을 포함하는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소와, 탄소, 질소, 산소 및 붕소를 포함하는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 화합물로 구성되는 것이 바람직하다. 또, 상기 T₂는 3 ㎛ 이상 30 ㎛ 이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 상기와 같은 구성을 갖는 것에 의해, 우수한 내마모성과 우수한 내결손성을 갖고 있다.

도 1은 경사면의 중심에서의 피복층 표면의 법선과 2개의 여유면이 교차하는 능선을 포함하는 평면으로 절단한 경우의 본 발명의 표면 피복 절삭 공구의 날끝 능선부 주변의 모식적 단면도이다.
도 2는 본 발명의 표면 피복 절삭 공구의 날끝 능선부 주변의 현미경 사진이다.

이하, 본 발명에 관해 더 상세하게 설명한다.

<표면 피복 절삭 공구>

본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 기재와, 상기 기재 표면에 형성된 피복층을 포함한다. 이러한 구성을 갖는 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 예를 들어 드릴 가공용, 엔드밀 가공용, 프레이즈 가공용, 선삭 가공용, 크랭크 샤프트의 핀 밀링 가공용 등의 날끝 교환형 절삭 팁으로서 유용하게 이용할 수 있지만, 이러한 용도 및 형상에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 프레이즈 가공이나 홈이 있는 재료의 선삭 가공 등 단속적인 하중이 부하되는 절삭 가공 용도에서 특히 적합하다.

<기재>

본 발명의 표면 피복 절삭 공구의 기재로는, 이러한 절삭 공구의 기재로서 알려진 종래 공지의 것을 특별한 한정없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 초경합금(예를 들어 WC기 초경합금, WC 외에, Co를 포함하고, 또는 Ti, Ta, Nb 등의 탄질화물 등을 더 첨가한 것도 포함), 서멧(TiC, TiN, TiCN 등을 주성분으로 하는 것), 고속도강, 세라믹스(탄화티탄, 탄화규소, 질화규소, 질화알루미늄, 산화알루미늄 및 이들의 혼합체 등), 입방정형 질화붕소 소결체, 다이아몬드 소결체 등을 이러한 기재의 예로서 들 수 있다.

그리고 본 발명에서는, 상기와 같은 기재 중에서도, 특히 경질 화합물로 이루어진 복수의 경질상(통상 매트릭스가 됨)과, 상기 경질상끼리를 결합시킨 결합상을 포함하는 구조를 갖는 것이 바람직하고, 특히 경질 화합물인 금속탄화물의 분말 등을 소결하여 제조되는 초경합금이 바람직하다. 여기서, 이러한 경질 화합물로는, 예를 들어 주기율표의 IVa족 원소, Va족 원소 및 VIa족 원소 중의 어느 것에 속하는 1종 이상의 원소의 탄화물, 질화물 및 탄질화물을 포함하는 군에서 선택되는 1종 이상의 화합물과, 탄화텅스텐을 포함하는 것이 바람직하다. 또는, 상기 경질 화합물은, 탄화텅스텐만인 것이 바람직하다. 또한, 주기율표의 IVa족 원소, Va족 원소 및 VIa족 원소 중의 어느 것에 속하는 1종 이상의 원소의 탄화물, 질화물 및 탄질화물을 포함하는 군에서 선택되는 1종 이상의 화합물의 구체예로는, TiC, TiN, TaC, NbC, ZrCN, Cr₃C₂, ZrC, ZrN, TiCN 등을 들 수 있다. 상기 화합물과 탄화텅스텐의 배합 비율 및 상기 화합물을 복수 배합하는 경우의 각 배합 비율은 특별히 한정되지 않고, 종래 공지의 배합 비율을 채택할 수 있다. 또한, 상기 경질상은 상기 경질 화합물 대신, 서멧 등으로 구성되는 것이어도 좋다.

상기와 같은 경질 화합물로 구성되는 경질상은, 경질이며, 내마모성이 우수하다.

또, 고온시의 경도 저하도 작다. 이 때문에, 본 발명의 표면 피복 절삭 공구의 기재의 소재로서 적합하다.

한편, 상기 결합상은 상기 경질상끼리를 결합하는 작용을 갖는 것이며, 예를 들어 철계 금속, 즉 철, 코발트 및 니켈을 포함하는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소로 구성되는 것이 바람직하다. 이러한 원소에 의한 결합상은, 상기 경질상, 특히 금속 탄화물로 이루어진 경질상끼리의 결합을 강화하는 성질을 갖고 있기 때문에 바람직하다. 또한, 경질상이 서멧으로 이루어져 있는 경우, 결합상은 코발트, 니켈, 또는 코발트와 니켈의 합금인 것이 특히 바람직하다.

본 발명에서, 기재로서 초경합금을 사용하는 경우, 그와 같은 초경합금은, 조직 중에 유리(遊離) 탄소나 η상이라고 불리는 이상상(異常相)을 포함하고 있어도 본 발명의 효과는 나타난다. 또한, 본 발명에서 이용하는 기재는, 그 표면이 개질된 것이어도 지장이 없다. 예를 들어, 초경합금의 경우는 그 표면에 탈(脫) β층이 형성되어 있거나, 서멧의 경우에는 표면 경화층이 형성되어 있어도 좋고, 이와 같이 표면이 개질되어 있어도 본 발명의 효과는 나타난다.

<피복층>

본 발명의 피복층은, 1층 또는 복수의 층으로 구성된다. 즉, 상기 피복층은, 단일층이어도 좋고, 복수의 층으로 이루어진 복합층이어도 좋다. 이러한 피복층을 기재 표면에 형성함으로써 내마모성이 향상된다.

본 발명의 피복층은, 기재 상의 전면(全面)을 피복하는 양태를 포함하고, 부분적으로 피복층이 형성되어 있지 않은 양태도 포함하며, 또한 표면 피복 절삭 공구의 특정 부분에서 피복층의 일부의 적층 양태가 상이한 양태도 포함한다. 특히, 이러한 피복층은, 복수의 층으로 구성되는 경우, 후술하는 날끝 능선부에서의 피복층의 구성과 날끝 능선부 이외의 영역에서의 피복층의 구성이 상이한 것이 바람직하다. 이에 따라, 막(피복층) 계면의 수를 감소시켜, 내치핑성이 향상된다고 하는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 피복층으로는, 종래 공지의 조성의 피복층을 특별히 한정없이 채택할 수 있고, 예를 들어 경질 세라믹스, 특히 주기율표의 IVa족 원소, Va족 원소, VIa족 원소, 알루미늄 및 실리콘을 포함하는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소와, 탄소, 질소, 산소 및 붕소를 포함하는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 화합물로 구성되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 내마모성을 한층 더 향상시킬 수 있다.

이러한 화합물로는, 보다 구체적으로는, 주기율표의 IVa족 원소, Va족 원소, VIa족 원소, 알루미늄 및 실리콘을 포함하는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소의 탄화물, 질화물, 탄질화물, 산화물, 탄산화물, 탄산질화물, 붕질화물 및 붕탄질화물을 포함하는 군에서 선택되는 1종 이상의 화합물을 들 수 있고, 더욱 구체적으로는, TiC, TiCN, TiN, TiSiN, TiSiCN, TiCNO, TiHfN, TiNbN, TiTaN, TiAlN, TiAlCrN, TiAlSiN, TiAlSiCrN, TiBN, TiAlBN, TiSiBN, TiBCN, TiAlBCN, TiSiBCN, CrN, AlN, AlCrN, Al₂O₃, ZrN, ZrCN, ZrO₂, VN, TiO₂ 등을 들 수 있다.

또한, 이러한 피복층은, 후술하는 T₂로 표시되는 두께가 3 ㎛ 이상 30 ㎛ 이하인 것(피복층이 복수의 층으로 구성되는 경우는 전체 두께를 나타냄)이 바람직하고, 보다 바람직하게는 7 ㎛ 이상 23 ㎛ 이하이다. 상기 두께를 3 ㎛ 이상으로 함으로써, 피복층의 내마모성 향상의 효과를 얻을 수 있고, 피복층의 두께가 두꺼워질수록 내마모성은 향상된다. 한편, 피복층의 두께를 30 ㎛ 이하로 함으로써, 피복층의 내결손성을 확보할 수 있다. 또한, T₂는 경사면측의 두께이지만, 날끝 능선부를 제외한 여유면측의 두께도 이것과 동일한 정도의 두께로 하는 것이 바람직하다.

<날끝 능선부에서의 특징>

본 발명은, 경사면의 중심에서의 피복층 표면의 법선과 2개의 여유면이 교차하는 능선을 포함하는 평면으로 본 발명의 표면 피복 절삭 공구를 절단한 단면에서, 상기 피복층 중 날끝 능선부에서 가장 얇아지는 부분의 두께를 T₁, 날끝 능선으로부터 경사면 방향으로 1 mm 떨어진 지점에서의 두께를 T₂로 하는 경우, T₁<T₂를 만족하고, 또한, 상기 피복층 표면에서, 날끝 능선으로부터 경사면 방향으로 거리 D_a 떨어진 지점을 a로 하고, 여유면 방향으로 거리 D_b 떨어진 지점을 b로 하는 경우, 상기 D_a는 0.05 mm≤D_a≤0.5 mm를 만족하고, 상기 D_b는 0.01 mm≤D_b≤0.2 mm를 만족하는 것으로서, 지점 a로부터 지점 b까지의 상기 피복층에서의 표면으로부터 두께 0.1 T₁?0.9 T₁을 차지하는 영역 E의 10% 이상의 영역에서, 상기 피복층을 구성하는 결정립의 결정 방위의 차이가 5도 이상 10도 미만이 되는 것을 특징으로 한다(도 1 참조). 이에 따라, 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 치핑의 기점이 되는 날끝 능선부의 막두께가 박막화되고, 또한 피복층의 상부가 변형(strain)을 발생시키고 있기 때문에, 날끝 강도를 증강시킬 수 있다. 그 결과, 피복층에 의해 내마모성을 향상시키면서 피복층의 탈락이나 치핑을 방지할 수 있어, 우수한 내마모성과 우수한 내결손성을 얻을 수 있다.

여기서, 본 발명에서의 「날끝 능선」과 「날끝 능선부」는 상이한 개념을 나타낸다. 「날끝 능선」은, 본 발명의 표면 피복 절삭 공구(10)(기재(1) 표면에 피복층(2)이 형성되어 있음)의 상기 단면에서, 경사면(3)과 2개의 여유면이 교차하는 능선(4)이 교차하는 능선을 나타내는 것이지만, 이러한 능선은 호닝 처리에 의해 가공되어 있기 때문에 현실에는 존재하지 않고, 따라서 본 발명에서는, 도 1에 나타낸 바와 같이 이러한 단면에서 경사면(3)과 2개의 여유면이 교차하는 능선(4)을 각각 직선으로 근사하여, 그 직선을 연장한 경우에 양 연장선이 교차하는 교점을 날끝 능선(5)으로 한다.

이에 비해, 「날끝 능선부」란, 절삭 가공시에 피삭재의 절삭에 가장 관여하는 부위의 하나이며, 상기 날끝 능선(5)의 주변부를 나타내는 것이지만, 본 발명에서는, 상기 단면에서 경사면(3)과 2개의 여유면이 교차하는 능선(4)을 각각 직선으로 근사한 경우에, 호닝 처리에 의해 상기 직선이 굴곡되는 점을 연결한 영역(즉 피복층(2) 표면에서의 경사면(3)의 굴곡점으로부터 2개의 여유면이 교차하는 능선(4)의 굴곡점까지의 영역)을 날끝 능선부(본 발명에서는 단순히 「날끝」으로 부르는 경우도 있음)로 한다. 상기 지점 a 및 지점 b를, 각각 경사면(3)의 굴곡점 및 2개의 여유면이 교차하는 능선(4)의 굴곡점과 일치시키는 것이 바람직하지만, 이들이 일치하지 않는 경우라 하더라도 본 발명의 범위를 일탈하는 것은 아니다.

한편, 상기에서 규정되는 평면에 관해, 「경사면의 중심」이란 경사면의 기하학적인 의미에서의 중심을 의미한다. 경사면의 중앙부에 상기 표면 피복 절삭 공구를 부착하기 위한 관통 구멍이 형성되어 있는 경우는, 그 관통 구멍이 형성되어 있지 않다고 가정한 경우의 경사면의 기하학적인 의미에서의 중심을 의미한다. 또, 「2개의 여유면이 교차하는 능선」이란, 2개의 여유면이 교차하는 능선을 의미한다. 이 능선이 명료한 능선을 형성하지 않는 경우는, 양 여유면을 각각 기하학적으로 확대한 경우에 양자가 교차하는 가정적인 능선을 의미하는 것으로 한다. 또한, 이와 같이 규정되는 평면이, 1개의 표면 피복 절삭 공구에 2 이상 존재하는 경우는, 어느 하나의 평면을 선택하는 것으로 한다.

그리고, 본 발명에서는 상기 단면에서, 상기 피복층 중 날끝 능선부에서 가장 얇아지는 부분의 두께를 T₁, 날끝 능선으로부터 경사면 방향으로 1 mm 떨어진 지점에서의 두께를 T₂로 하는 경우, T₁<T₂를 만족함으로써, 날끝 능선부에서의 피복층이 박막화되기 때문에, 날끝 강도가 비약적으로 향상된다. 이 경우, T₁/T₂는 0.05≤T₁/T₂≤0.95로 하는 것이 바람직하고, 0.3≤T₁/T₂≤0.7로 하는 것이 보다 바람직하다. T₁/T₂=0의 경우, 날끝 능선부에 피복층이 형성되지 않기 때문에 내마모성이 현저하게 저하되고, T₁/T₂>0.95의 경우는, 날끝 능선부에서의 박막화가 충분하지 않아 내결손성이 떨어지는 경우가 있다.

또한, 본 발명에서는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 단면에서의 피복층(2)의 표면에서, 날끝 능선(5)으로부터 경사면(3) 방향으로 거리 D_a 떨어진 지점을 a로 하고, 여유면 방향으로 거리 D_b 떨어진 지점을 b로 하는 경우, 상기 D_a는 0.05 mm≤D_a≤0.5 mm를 만족하고, 상기 D_b는 0.01 mm≤D_b≤0.2 mm를 만족하는 것으로서, 지점 a로부터 지점 b까지의 상기 피복층(2)에서의 표면으로부터 두께 0.1 T₁?0.9 T₁를 차지하는 영역 E의 10% 이상의 영역에서, 상기 피복층을 구성하는 결정립의 결정 방위의 차이가 5도 이상 10도 미만이 되는 것을 특징으로 한다. 이에 따라 피복층의 상부에 변형이 생겨, 상기 박막화와 맞물려 날끝 강도를 한층 더 증강시킬 수 있다. 그 결과, 피복층에 의해 내마모성을 향상시키면서 피복층의 탈락이나 치핑을 방지할 수 있어, 우수한 내마모성과 우수한 내결손성을 얻을 수 있는 것이다.

여기서, 결정 방위의 차이는, 표면 피복 절삭 공구를 연마함으로써 연마면으로서 노출된 상기 단면의 피복층에 대하여, 전계 방출형 주사 전자 현미경을 이용하여 전자선을 조사하고, 50 nm 간격으로 상기 영역 E의 피복층을 구성하는 결정립의 결정을 관찰함으로써 판단한다. 구체적으로는, 우선 후방 산란광 회절 분석 장치를 이용하여 10000개의 결정립을 관찰하여, 각 방위마다의 결정 방위의 평균치를 구한다. 이어서, 50 nm 간격의 각 관찰점에서, 상기 각 방위마다의 평균치로부터의 차이가 5도 이상 10도 미만이 되는 관찰점을 화상 해석 소프트(후방 산란광 회절 분석 장치에 부대된 분석 소프트를 사용할 수 있음)를 이용하여 맵핑하고, 상기 맵핑된 관찰점으로 둘러싸인 영역의 면적이 상기 영역 E의 10% 이상이 되는 경우에, 본 발명의 규정을 만족하는 것으로 한다. 상기 면적이 10% 미만이 되는 경우는, 날끝의 강도가 충분히 확보되지 않아 내결손성이 저하된다. 또, 상기 면적은 커지면 커질수록 바람직한 효과를 얻을 수 있기 때문에 상한은 특별히 한정되지 않지만, 커질수록 피복층 중의 변형이 증대되어 피복층의 밀착력 저하가 우려된다는 이유에서, 그 상한을 90%로 하는 것이 바람직하다. 상기 면적은, 보다 바람직하게는, 상기 영역 E의 20% 이상 80% 이하이다.

상기 영역 E의 두께가 0.1 T₁ 미만인 경우는, 날끝의 강도가 충분히 확보되지 않아 내결손성이 저하된다. 또, 상기 두께가 0.9 T₁를 넘으면 피복층과 기재의 밀착성이 저하된다. 이 때문에, 상기 영역 E의 두께는, 0.5 T₁?0.9 T₁으로 하는 것이 보다 바람직하다.

또, 상기 D_a 및 D_b가 D_a<0.05 mm 또는 D_b<0.01 mm가 되는 경우, 날끝의 강도가 충분히 확보되지 않아 내결손성이 저하된다. 또, 상기 D_a 및 D_b가 0.5 mm<D_a 또는 0.2 mm<D_b가 되는 경우, 피복층과 기재의 밀착성이 저하된다. 이 때문에, 상기 D_a 및 D_b는, 0.05 mm≤D_a≤0.25 mm, 0.02 mm≤D_b≤0.1 mm로 하는 것이 보다 바람직하다.

또, 결정 방위의 차이가 5도 미만인 경우는, 피복층 중에 충분한 변형이 생기지 않기 때문에 날끝 강도가 향상되지 않고, 10도 이상이 되면 다른 방위의 결정이 되어 버린다.

<제조 방법>

본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 예를 들어 다음과 같이 하여 제조할 수 있다. 우선, 경질 화합물로 이루어진 복수의 경질상과, 경질상끼리를 결합하는 결합상을 포함하는 기재를 준비한다. 계속해서, 이 기재에 대하여, 브러시 또는 플라스틱 미디어(media)를 이용하여, 상기 날끝 능선부에 해당하는 부위를 호닝 처리한다. 또한, 호닝 처리는, 샷 피닝을 이용하여 알루미나 등의 미립자를 기재에 충돌시키는 방법을 이용해도 좋다.

이어서, 기재의 표면에 피복층을 형성한다. 피복층은, 예를 들어 챔버 내에 기재를 배치하고, CVD법 등의 기상 합성법을 이용하여, 800℃ 이상 1100℃ 이하의 온도(MT(moderate temperature)법의 경우는 800℃ 이상 1050℃ 이하의 온도)로 기재 상에 성막된다. 특히 CVD법으로 형성한 피복층은, 기재와의 밀착 강도가 매우 강하다. 그 결과, 피복층을 두껍게 할 수 있어, 내마모성을 향상시킬 수 있다. 또, CVD법 대신, 이온 플레이팅법이나 이온 스퍼터링법 등의 물리적 증착법을 이용해도 좋다.

다음으로, 상기와 같이 하여 성막된 피복층에 대하여, 상기 영역 E를 형성하기 위해 경사면측은 날끝 능선으로부터 예를 들어 0.5 mm의 부분을, 여유면측은 날끝 능선으로부터 예를 들어 0.2 mm의 부분을, 각각 덮지 않도록 하여 나머지 부분을 예를 들어 두께 0.2 mm?3.2 mm의 금속제(예를 들어 스테인레스제) 플레이트에 의해 마스킹한다. 계속해서, 샷 피닝, 또는 브러시 또는 플라스틱 미디어를 이용하여, 마스킹 부분과 마스킹되지 않은 부분의 양 피복층(단 날끝 능선부 및 그 주변 부분)에 대하여 호닝 처리를 행한다. 이 경우, 마스킹을 행함으로써, 호닝 처리시에 미디어가 마스킹 부분에 들어가는 것을 억제할 수 있기 때문에, 마스킹되지 않은 부분에만 변형(결정 방위의 차이)을 형성하는 것이 가능해진다. 이 마스킹되지 않은 부분이, 도 1에서의 지점 a로부터 지점 b까지의 영역이 된다. 따라서, 상기 마스킹하는 부분의 위치를 조절함으로써, 상기 D_a, D_b로 표시되는 거리를 0.05 mm≤D_a≤0.5 mm, 0.01 mm≤D_b≤0.2 mm의 범위로 임의로 조정할 수 있다. 또한, 마스킹을 행하지 않고 호닝 처리를 행하는 경우는, 도 1에서의 지점 a로부터 지점 b까지의 영역에 변형(결정 방위의 차이)을 형성할 수 없어, 내결손성을 향상시킬 수 없다.

여기서, 상기 호닝 처리의 조건으로서, 2종류 이상의 복수의 미디어를 혼재시키고, 또한 마스킹용의 금속제 플레이트의 두께를 0.2 mm?3.2 mm의 각 범위에서 선택함으로써, 결정 방위의 차이 및 그 영역이 차지하는 비율을 조정할 수 있다.

이 경우, 복수의 미디어의 선택에서는, 호닝 처리를 정밀하게 제어할 수 있도록, 연삭 및 응력 부여라는 상이한 2종의 기능을 분화시킨다고 하는 관점에서, 연삭력이 우수하고, 경도가 높다는 특성을 갖춘 소재와, 연삭성이 높지 않고, 피연삭물에 대하여 충격을 가함으로써 응력을 부여할 수 있다는 특성을 갖춘 소재를 조합하는 것이 바람직하다. 예를 들어 전자의 소재로는, SiC, TiC, 다이아몬드 등을 들 수 있고, 후자의 소재로는, Al₂O₃, ZrO₂ 등을 들 수 있다.

실시예

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

<실시예 1>

JIS(Japanese Industrial Standard)에 규정되는 JIS B 4120(1998) CNMG120408의 절삭 공구 형상을 갖는 초경합금 모재를 기재로서 준비했다. 또한, 이 기재는, 후술하는 각 시료(A1?A6)마다 3개씩 총 18개 준비했다. 또, 이 기재의 조성은, 87.0 wt%의 WC와, 7.0 wt%의 Co와, 3.0 wt%의 TiC와, 3.0 wt%의 NbC로 구성되어 있다.

그리고, 이 기재의 날끝 능선부에 대하여 SiC 브러시 등을 이용하여 호닝 처리를 실시했다. 이어서, 이와 같이 호닝 처리된 기재의 표면 상에 피복층을 형성했다. 이 피복층은, CVD법에 의해 형성하며, 우선 기재 표면과 접하도록 1.0 ㎛의 두께를 갖는 TiN을 형성하고, 그 위에 순차적으로, 10.0 ㎛의 두께를 갖는 MT(moderate temperature)-TiCN, 1.0 ㎛의 두께를 갖는 TiN, 4.0 ㎛의 두께를 갖는 Al₂O₃ 및 1.5 ㎛의 두께를 갖는 TiN을 순서대로 성막했다. 또한, 이상의 두께는 상기 T₂에서의 두께로 했다.

계속해서, 상기와 같이 하여 성막된 피복층에 대하여, 경사면측은 날끝 능선으로부터 0.5 mm의 부분을, 여유면측은 날끝 능선으로부터 0.2 mm의 부분을, 각각 덮지 않도록 하고 나머지 부분을 이하와 같은 두께의 금속제(SUS304제) 플레이트에 의해 마스킹했다. 즉, 시료 A2는 0.1 mm, 시료 A3은 0.5 mm, 시료 A4는 1.0 mm, 시료 A5는 2.0 mm, 시료 A6는 5.0 mm로 했다. 이에 비해, 시료 A1에 관해서는 마스킹을 행하지 않았다. 그리고, 시료 A2?A6에 관해서는 마스킹 부분 및 마스킹을 행하지 않은 부분(단, 날끝 능선부 및 그 주변 부분), 및 시료 A1에 관해서는 시료 A2?A6과 동일한 부분에 대하여, SiC 브러시가 75 면적% 및 알루미나 브러시가 25 면적% 포함된 혼재 브러시를 이용하여 동일한 조건의 호닝 처리(조건 : 회전수 1500 rpm, 피딩 5000 mm/분, 절삭 깊이 3.0 mm)를 행했다.

이와 같이 하여 얻어진 각 시료(표면 피복 절삭 공구) 중 각 시료마다 1개씩, 경사면의 중심에서의 피복층 표면의 법선과 2개의 여유면이 교차하는 능선을 포함하는 평면을 따라서 시료를 절단하고, 그 단면을 기계 연마했다. 그리고, 연마면으로서 노출된 단면의 피복층에 대하여, 전계 방출형 주사 전자 현미경을 이용하여 전자선을 조사하고, 50 nm 간격으로 상기 영역 E의 피복층을 구성하는 결정립의 결정 방위를 관찰함으로써, 결정 방위의 차이를 측정했다. 이러한 측정의 구체적 방법은, 상기에 기재한 방법에 따른다. 또한, 상기 측정과 동시에, 날끝 능선부에서의 피복층의 가장 얇아지는 부분의 두께 T₁ 및 D_a, D_b를 측정했다. 이들 결과를 표 1에 나타낸다. T₁, T₂의 단위는 ㎛이고, D_a, D_b의 단위는 mm이다.

한편, 상기에서 절단하지 않은 시료 중 각 시료마다 1개씩을 이용하여 이하의 조건으로 내마모성을 평가했다. 또한, 나머지 시료에 관해, 각 시료마다 1개씩을 이용하여 이하의 조건으로 내결손성(내치핑성)을 평가했다. 이들 결과를 동일하게 이하의 표 1에 나타낸다. 또한, 시료 A3의 상기 단면을 촬영한 현미경 사진(촬영 조건 : 주사형 전자 현미경을 이용하여 500배로 촬영)을 도 2에 나타낸다.

<내마모성의 평가>

피삭재 : SCM435(JIS)

절삭 속도 : 300 m/min.

피딩 : 0.3 mm/rev.

절삭 깊이 : 1.5 mm

절삭유 : 습식

절삭 시간 : 20 min.

평가 : 여유면 마모량을 측정(상기 수치가 작은 쪽이 내마모성이 우수함).

<내결손성의 평가>

피삭재 : SCM435(JIS) 홈이 있는 재료

절삭 속도 : 330 m/min.

피딩 : 0.25 mm/rev.

절삭 깊이 : 1.5 mm

절삭유 : 습식

평가 : 치핑 또는 결손되기까지의 시간(긴 쪽이 내결손성이 우수함).

표 1 중, 「영역 E의 두께」의 항은 영역 E의 두께를 나타내고, 「영역 E에서 차지하는 비율」의 항은, 결정립의 결정 방위의 차이가 5도 이상 10도 미만이 되는 영역이 영역 E에서 차지하는 비율을 나타낸다.

표 1 중, 시료 A3?A5가 실시예이고, 시료 A1, A2 및 A6이 비교예이다.

표 1로부터 명확한 바와 같이, 본 발명의 실시예인 시료 A3?A5는, 시료 A1 및 A2와 동등한 여유면 마모량의 결과가 얻어진 한편, 시료 A1 및 A2보다 치핑 또는 결손되기까지의 시간(표 1의 「충격 시간」)이 비약적으로 길어졌다. 한편, 시료 A6은, 시료 A3?A5에 비해 여유면 마모량이 증가하고, 충격 시간은 짧아졌다. 따라서, 이상의 결과에서, 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 내마모성과 내결손성이 모두 우수하다는 것을 확인할 수 있었다.

<실시예 2>

JIS(Japanese Industrial Standard)에 규정되는 JIS B 4120(1998) CNMG120408의 절삭 공구 형상을 갖는 초경합금 모재를 기재로서 준비했다. 또한, 이러한 기재는, 후술하는 각 시료(B1?B5)마다 3개씩 총 15개 준비했다. 또, 이 기재의 조성은, 88.0 wt%의 WC와, 5.0 wt%의 Co와, 3.0 wt%의 TiC와, 2.0 wt%의 TaC와, 2.0 wt%의 NbC로 구성되어 있다.

그리고, 이 기재의 날끝 능선부에 대하여 SiC 브러시 등을 이용하여 호닝 처리를 했다. 이어서, 이와 같이 호닝 처리된 기재의 표면 상에 피복층을 형성했다. 이 피복층은 CVD법에 의해 형성하며, 우선 기재 표면과 접하도록 0.5 ㎛의 두께를 갖는 TiN을 형성하고, 그 위에 순차적으로 10.0 ㎛의 두께를 갖는 MT(moderate temperature)-TiCN, 1.0 ㎛의 두께를 갖는 TiBN, 6.0 ㎛의 두께를 갖는 Al₂O₃ 및 1.5 ㎛의 두께를 갖는 TiN을 순서대로 성막했다. 또한, 이상의 두께는 상기 T₂에서의 두께로 했다.

계속해서, 상기와 같이 하여 성막된 피복층에 대하여, 경사면측은 날끝 능선으로부터 0.5 mm의 부분을, 여유면측은 날끝 능선으로부터 0.2 mm의 부분을, 각각 덮지 않도록 하고 나머지 부분을 1 mm 두께의 금속제(SUS304제) 플레이트에 의해 마스킹했다. 그리고, 마스킹 부분 및 마스킹을 행하지 않은 부분(단 날끝 능선부 및 그 주변 부분)에 대하여, 샷(shot)할 때의 압력을 0.2 MPa로 하고, SiC 지립이 15 질량% 및 알루미나 지립이 85 질량% 포함된 혼재 미디어를 이용하여 처리 시간을 이하와 같이 변경함으로써, 샷 피닝에 의해 호닝 처리를 행했다. 즉, 시료 B1은 1초, 시료 B2는 5초, 시료 B3은 10초, 시료 B4는 15초, 시료 B5는 20초로 했다.

이와 같이 하여 얻어진 각 시료(표면 피복 절삭 공구) 중, 각 시료마다 1개씩, 경사면의 중심에서의 피복층 표면의 법선과 2개의 여유면이 교차하는 능선을 포함하는 평면을 따라서 시료를 절단하고, 그 단면을 기계 연마했다. 그리고, 연마면으로서 노출된 단면의 피복층에 대하여, 전계 방출형 주사 전자 현미경을 이용하여 전자선을 조사하고, 50 nm 간격으로 상기 영역 E의 피복층을 구성하는 결정립의 결정을 관찰함으로써, 결정 방위의 차이를 측정했다. 이러한 측정의 구체적 방법은, 상기에 기재한 방법에 따른다. 또한, 상기 측정과 동시에, 날끝 능선부에서의 피복층의 가장 얇아지는 부분의 두께 T₁ 및 D_a, D_b를 측정했다. 이들 결과를 표 2에 나타낸다. T₁, T₂의 단위는 ㎛이고, D_a, D_b의 단위는 mm이다.

한편, 상기에서 절단하지 않은 시료 중 각 시료마다 1개씩을 이용하여 실시예 1과 동일한 조건으로 내마모성을 평가했다. 또한, 나머지 시료에 관해, 각 시료마다 1개씩을 이용하여 실시예 1과 동일한 조건으로 내결손성(내치핑성)을 평가했다. 이들 결과를 동일하게 이하의 표 2에 나타낸다.

표 2 중, 「영역 E의 두께」의 항은 영역 E의 두께를 나타내고, 「영역 E에서 차지하는 비율」의 항은, 결정립의 결정 방위의 차이가 5도 이상 10도 미만이 되는 영역이 영역 E에서 차지하는 비율을 나타낸다.

표 2 중, 시료 B2?B4가 실시예이고, 시료 B1 및 B5가 비교예이다. 표 2로부터 명확한 바와 같이, 본 발명의 실시예인 시료 B2?B4는, 시료 B1과 동등한 여유면 마모량의 결과가 얻어진 한편, 시료 B1보다 치핑 또는 결손되기까지의 시간(표 2의 「충격 시간」)이 비약적으로 길어졌다. 한편, 시료 B5는, 시료 B2?B4에 비해, 여유면 마모량이 증가하고, 충격 시간은 짧아졌다. 따라서, 이상의 결과에서, 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 내마모성과 내결손성이 모두 우수하다는 것을 확인할 수 있었다.

이상과 같이 본 발명의 실시형태 및 실시예에 관해 설명했지만, 전술한 각 실시형태 및 실시예의 구성을 적절하게 조합하는 것도 처음부터 예정되어 있다.

본 명세서에 개시된 실시형태 및 실시예는 모든 점에서 예시일 뿐 제한적인 것은 아니라는 점이 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기 설명이 아니라 특허청구범위에 의해 표시되며, 특허청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것을 의도한 것이다.

1 : 기재 2 : 피복층
3 : 경사면 4 : 2개의 여유면이 교차하는 능선
5 : 날끝 능선 10 : 표면 피복 절삭 공구

Claims

기재와, 상기 기재의 표면에 형성된 피복층을 포함하는 표면 피복 절삭 공구로서,
상기 피복층은 1층 또는 복수의 층으로 구성되고,
경사면의 중심에서의 상기 피복층의 표면의 법선과 2개의 여유면이 교차하는 능선을 포함하는 평면에 의해 상기 표면 피복 절삭 공구를 절단한 단면에서, 상기 피복층 중 날끝 능선부에서 가장 얇아지는 부분의 두께를 T₁, 날끝 능선으로부터 경사면 방향으로 1 mm 떨어진 지점에서의 두께를 T₂로 하는 경우, T₁<T₂를 만족하고,
상기 피복층 표면에서, 날끝 능선으로부터 경사면 방향으로 거리 D_a 떨어진 지점을 a로 하고, 여유면 방향으로 거리 D_b 떨어진 지점을 b로 하는 경우, 상기 D_a는 0.05 mm≤D_a≤0.5 mm를 만족하고, 상기 D_b는 0.01 mm≤D_b≤0.2 mm를 만족하는 것이며, 지점 a로부터 지점 b까지의 상기 피복층에서의 표면으로부터 두께 0.1 T₁?0.9 T₁을 차지하는 영역 E의 10% 이상의 영역에서, 상기 피복층을 구성하는 결정립의 결정 방위의 차이가 5도 이상 10도 미만이 되는 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항에 있어서, 상기 D_a는 0.05 mm≤D_a≤0.25 mm를 만족하는 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 영역 E의 두께는 0.5 T₁?0.9 T₁인 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피복층은 복수의 층으로 구성되고,
상기 날끝 능선부에서의 상기 피복층의 구성과 상기 날끝 능선부 이외의 영역에서의 상기 피복층의 구성이 상이한 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 T₂는 3 ㎛ 이상 30 ㎛ 이하인 것인 표면 피복 절삭 공구.