KR20130041325A

KR20130041325A - 표면 피복 절삭 공구

Info

Publication number: KR20130041325A
Application number: KR1020137006123A
Authority: KR
Inventors: 아농색 파수트; 미노루 이토; 요시오 오카다; 히데아키 가나오카; 치에 스즈키
Original assignee: 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2011-07-05
Publication date: 2013-04-24
Also published as: JPWO2012032839A1; US20130152481A1; WO2012032839A1; EP2614905A1; CN103108716A; JP5729777B2; CN103108716B; US9044811B2; EP2614905A4

Abstract

본 발명은, 내마모성 및 내결손성을 고도로 양립시킨 표면 피복 절삭 공구를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 기재와, 이 기재 상에 형성된 피복막을 구비하고, 이 피복막은, 적어도 1층의 탄질화티탄층을 포함하며, 이 탄질화티탄층은, 조직 계수 TC(hkl) 중의 배향성 지수 TC(220)가 최대이며, 경도 기준편의 압입 경도를 Hs로 하고, 탄질화티탄층의 압입 경도를 Ht로 하면, 복수 회의 측정에 있어서의 상대 경도 Ht/Hs의 평균값은 3 이상이며, 상대 경도 Ht/Hs에 대한 탄질화티탄층의 상대 경도의 최대값 Ht_max/Hs와 최소값 Ht_min/Hs의 차는 0.5 이하인 것을 특징으로 한다.

Description

표면 피복 절삭 공구{SURFACE-COATED CUTTING TOOL}

본 발명은, 기재와 그 위에 형성된 피복막을 구비하는 표면 피복 절삭 공구에 관한 것이다.

최근의 절삭 공구의 동향으로서, 지구 환경 보전의 관점에서 절삭 유제를 이용하지 않는 드라이 가공이 요구되고 있는 점, 피절삭재가 다양해지고 있는 점, 가공 능률을 더욱 더 향상시키기 위해서 절삭 속도가 보다 고속이 되고 있는 점 등의 이유로부터, 공구의 날끝 온도는 점점 더 고온이 되는 경향이 있다. 게다가, 최근의 절삭 가공에서는, 절삭 깊이가 깊은 절삭 및 이송량이 많은 절삭도 빈번히 행해지기 때문에, 공구 재료에 요구되는 특성은 엄격해지고 있다.

이 때문에, 공구 재료의 요구 특성으로서, 기재 상에 형성되는 피복막의 고온에서의 안정성(내산화 특성이나 피복막의 밀착성)은 물론, 절삭 공구의 수명에 관계하는 내마모성의 향상이나 내결손성의 향상이 더욱 더 중요시되고 있다.

내마모성 및 표면 보호 기능 개선을 위해 WC기 초경합금, 서멧, 고속도강 등의 경질 기재로 이루어진 절삭 공구나 내마모 공구 등의 표면에는 코팅이 행해진다. 이러한 코팅은 화학 기상 증착(CVD: Chemical Vapor Deposition)법에 의해 행해지는 것이 주류이며, 특히, 비교적 중온～저온으로 코팅하는 MT(moderate temperature)-CVD법 또는 1000℃ 이상의 고온으로 코팅하는 HT(high temperature)-CVD법이 널리 이용되고 있다.

MT-CVD법을 이용한 선행 기술로는, 일본 특허 공개 2008-087150호 공보(특허문헌 1)를 들 수 있다. 특허문헌 1에서는, CH₃CN을 포함한 원료 가스와, 탄소수 2～20의 쇄상 탄화수소를 과잉 탄소원으로서 도입하고, MT-CVD법에 의해 TiCN층을 피복하고 있다. 이와 같이 하여 형성되는 TiCN층은, 주상정(柱狀晶)의 결정 구조로서, 탄소량이 많은 것이 된다. 그리고, 이 TiCN층의 표면에 내산화성이 우수한 산화알루미늄층을 피복하고 있다.

한편, HT-CVD법을 이용한 선행 기술로는 일본 특허 공개 소화 제63-195268호 공보(특허문헌 2)를 들 수 있다. 특허문헌 2에서는, CH₄, N₂ 및 TiCl₄를 주원료로서 도입하고, HT-CVD법을 이용하여 기재의 표면에 Ti의 탄질산화물층을 피복하고 있다.

특허문헌 1 : 일본 특허 공개 제2008-087150호 공보 특허문헌 2 : 일본 특허 공개 소화 제63-195268호 공보

그러나, 특허문헌 1의 MT-CVD법으로 성막된 TiCN층은 (422)로 배향하기 쉽기 때문에, 경도가 충분하다고는 말할 수 없고, 특히 경도가 높은 피절삭재 등을 단속 절삭할 때에 충분한 내마모성을 얻을 수 없었다.

또한, 특허문헌 2의 HT-CVD법은, 그 성막 속도가 MT-CVD법에 비하여 느리기 때문에, 제조 효율의 관점에서 바람직하다고 할 수 없다. 게다가, HT-CVD법에서는, 성막 조건이 조금이라도 변해 버리면, TiCN층의 조성 및 결정 조직이 크게 변해 버린다고 하는 문제가 있다.

이 때문에, TiCN층 중에 경도가 낮은 부분이 분산되게 되어, 주철 등의 딱딱한 피절삭재를 절삭할 때, 또는 미시적인 요철이 있는 피절삭재를 단속 절삭할 때와 같은 절삭 조건에서는, 표면 피복 절삭 공구에 결손이나 치핑이 생기기 쉬웠다.

본 발명은, 상기와 같은 현상을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적으로 하는 바는, 내마모성 및 내결손성을 고도로 양립시킨 표면 피복 절삭 공구를 제공하는 것이다.

본 발명자들은, 화학 증착법에 의해 피복막을 형성하는 방법을 검토한 결과, 피복막의 1층에 탄질화티탄층을 형성하고, 이 탄질화티탄층의 결정 배향성을 제어하고, 이 탄질화티탄층의 경도 편차를 없애면, 내마모성 및 내결손성의 양 특성이 우수하다고 하는 지견을 얻어, 이 지견에 기초하여 더 검토를 거듭함으로써 마침내 본 발명을 완성시키기에 이르렀다.

즉, 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 기재와, 이 기재 상에 형성된 피복막을 구비하고, 이 피복막은, 적어도 1층의 탄질화티탄층을 포함하며, 이 탄질화티탄층은, 조직 계수 TC(hkl) 중의 배향성 지수 TC(220)가 최대이며, 경도 기준편의 압입 경도를 Hs로 하고, 탄질화티탄층의 압입 경도를 Ht로 하면, 복수 회의 측정에 있어서의 상대 경도 Ht/Hs의 평균값은 3 이상이며, 이 상대 경도 Ht/Hs의 평균값에 대한 탄질화티탄층의 상대 경도의 최대값 Ht_max/Hs와 최소값 Ht_min/Hs의 차는 0.5 이하인 것을 특징으로 한다. 상기한 상대 경도 Ht/Hs의 평균값에 대한 탄질화티탄층의 상대 경도의 최대값 Ht_max/Hs와 최소값 Ht_min/Hs의 차는 0.3 이하인 것이 바람직하다.

상기한 탄질화티탄층은, 탄소와 질소의 합계에 대한 탄소의 원자비가 0.7 이상인 것이 바람직하다. 상기한 피복막은 적어도 1층의 알루미나층을 포함하고, 이 알루미나층은 α형 산화알루미늄으로 이루어지며, 또한 그 평균 층두께가 2 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 상기와 같은 구성을 가짐으로써, 내마모성 및 내결손성을 고도로 양립시키는 것을 가능하게 한 것이다.

이하, 본 발명에 대해서 상세히 설명한다. 또한, 본 발명에 있어서, 층두께 또는 막두께는 주사형 전자 현미경(SEM: Scanning Electron Microscope)에 의해 측정하고, 피복막을 구성하는 각 층의 조성은 에너지 분산형 X선 분석 장치(EDS: Energy Dispersive x-ray Spectroscopy)에 의해 측정하는 것으로 한다.

<표면 피복 절삭 공구>

본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 기재와 그 위에 형성된 피복막을 구비한 것이다. 이러한 기본적 구성을 갖는 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 예컨대 드릴, 엔드밀, 밀링 가공용 또는 선삭 가공용 날끝 교환형 절삭칩, 금속톱, 기어 절삭 공구, 리머, 탭 또는 크랭크샤프트의 핀 밀링 가공용 칩 등으로서 매우 유용하게 이용할 수 있다.

<기재>

본 발명의 표면 피복 절삭 공구의 기재로는, 이러한 절삭 공구의 기재로서 알려진 종래 공지의 것을 특별히 한정 없이 사용할 수 있다. 예컨대, 초경합금(예컨대 WC기 초경합금, WC 외, Co를 포함하거나 혹은 Ti, Ta, Nb 등의 탄질화물 등을 더 첨가한 것도 포함함), 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. 이러한 기재로서 초경합금을 사용하는 경우, 그러한 초경합금은, 조직 중에 유리 탄소나 η상이라고 불리는 이상상을 포함하고 있어도 본 발명의 효과는 나타난다.

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

<피복막>

본 발명의 피복막은, 적어도 1층의 탄질화티탄층을 포함하는 단일 또는 복수의 층으로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이러한 탄질화티탄층은, 특정한 결정 배향성을 갖기 때문에, 내마모성이 우수하고, 게다가 균일한 경도를 갖기 때문에, 피복막에 결손이 쉽게 생기지 않는 것이다.

이러한 본 발명의 피복막은, 기재 상의 전면을 피복하는 양태를 포함하고, 부분적으로 피복막이 형성되어 있지 않은 양태도 포함하며, 또한, 부분적으로 피복막의 일부의 적층 양태가 상이한 양태도 더 포함한다. 또한, 본 발명의 피복막은, 그 전체의 막두께가 5 ㎛ 이상 25 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 5 ㎛ 미만이면 내마모성이 뒤떨어지는 경우가 있고, 25 ㎛를 초과하면 기재와의 밀착성 및 내결손성이 저하되는 경우가 있다. 이러한 피복막의 특히 바람직한 막두께는 10 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하이다. 이하, 이러한 피복막을 구성하는 각 층을 더욱 상세히 설명한다.

<탄질화티탄층>

본 발명의 피복막은, 탄질화티탄층을 적어도 1층 포함하는 것이다. 이러한 탄질화티탄층은, TiCN을 주체로 하는 층으로 하는 것이 바람직하고, TiCN의 1차 글라이드 면(glide plane)인 (220)면의 배향성 지수 TC(220)가 최대인 것을 특징으로 한다. 여기서, 배향성 지수 TC(hkl)이란, 이하의 수학식 (I)로 정의되는 것이다.

[수학식 1]

상기 수학식 (I)에서 I(hkl)는 측정된 (hkl)면의 피크 강도(회절 강도)를 나타내고, I₀(hkl)은 JCPDS 파일(Joint Committee on Powder Diffraction Standards(분말 X선 회절 표준) 파일; 32-1383(TiC), 38-1420(TiN))에 의한 (hkl)면을 구성하는 TiC와 TiN의 분말 회절 강도의 평균값이며, (hkl)은 (111), (200), (220), (311), (331), (420), (422), (511)의 8면을 나타낸다.

조직 계수 TC(hkl) 중의 배향성 지수 TC(220)가 최대임에 따라, 피복막의 슬라이딩성이 향상되어 마모되기 어렵게 되고, 이로써 내마모성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라 특히, 주철 또는 탄소강의 선삭 가공에 있어서, 양호한 내마모성을 나타낸다.

본 발명에 있어서, 탄질화티탄층은, 그 상대 경도 Ht/Hs의 복수 회의 측정에 있어서의 평균값이 3 이상인 것을 특징으로 한다. 또한, 상대 경도 Ht/Hs의 평균값의 상한은 특별히 한정되지 않고, 그 값이 높을수록 양호한 내마모성을 나타낸다. 여기서, 상대 경도 Ht/Hs란, 경도 기준편의 압입 경도 Hs에 대한 탄질화티탄층의 압입 경도 Ht의 비를 의미하며, 이하와 같이 하여 산출한다.

우선, 초미소 압입 경도 시험기[장치명: ENT-1100a(가부시키가이샤 에리오닉스사 제조)]를 이용하여, 나노인덴테이션법에 의해 경도 기준편[제품명: UMV905(가부시키가이샤 야마모토카가쿠코구겐큐샤 제조)]의 압입 경도 Hs를 측정한다.

다음에, 상기와 동일한 초미소 압입 경도 시험기를 이용하여 탄질화티탄층의 압입 경도 Ht를 측정한다. 구체적으로는, 표면 피복 절삭 공구의 피복막의 표면에 대한 법선을 포함하는 평면을 따라 시료를 절단하고, 이 절단면을 기계 연마하고, 이 단면에 대한 수직 방향으로 탄질화티탄층에 대하여 압자를 압입함으로써, 탄질화티탄층의 압입 경도 Ht를 측정한다.

그리고, 압자를 압입하는 위치를 바꾸어 동일한 압입 경도의 측정을 30회 반복하고, 이 30회의 측정 중 압입 경도 Ht의 응력-변형선이 불연속이거나, 부자연스럽거나 한 경우를 이상값으로 판단하여 제외하고, 그 이외의 압입 경도의 각 측정값을 평균한다. 이와 같이 하여 얻어진 압입 경도 Ht의 평균값을 경도 기준편의 압입 경도 Hs로 나눔으로써, 탄질화티탄층의 상대 경도 Ht/Hs의 평균값을 산출한다.

또한, 상기한 30회의 압입 경도의 측정 결과를 이용하여 탄질화티탄층의 압입 경도의 분포(즉, 층 내의 경도의 균일성)를 평가한다. 즉, 상기 30회의 압입 경도의 측정 중의 이상값을 제외한 후에, 압입 경도의 최대값 Ht_max 및 최소값 Ht_min을 산출하고, 이들을 각각 경도 기준편의 압입 경도 Hs로 나눔으로써, 상대 경도의 최대값 Ht_max/Hs 및 상대 경도의 최소값 Ht_min/Hs를 산출한다. 이러한 상대 경도의 최대값 Ht_max/Hs와, 상대 경도의 최소값 Ht_min/Hs의 차를, 상대 경도 Ht/Hs의 평균값으로 나누어 얻어진 값이, 탄질화티탄층의 압입 경도의 분포를 나타내는 지표가 된다.

즉 예컨대 30회의 압입 경도의 측정에 의해, 탄질화티탄층의 상대 경도 Ht/Hs가 3.5±0.4의 범위 내가 되는 경우에 있어서는, 탄질화티탄층의 상대 경도의 최대값 Ht_max/Hs가 3.9이고, 최소값 Ht_min/Hs가 3.1이며, 그 차는 0.8이다. 이것을 탄질화티탄층의 평균값 3.5로 나눔으로써, 상대 경도 Ht/Hs의 평균값에 대한 탄질화티탄층의 상대 경도의 최대값 Ht_max/Hs와 최소값 Ht_min/Hs의 차가 0.23으로 산출된다.

본 발명에 있어서, 상기 탄질화티탄층의 압입 경도의 분포를 나타내는 지표(즉 상대 경도 Ht/Hs의 평균값에 대한 탄질화티탄층의 상대 경도의 최대값 Ht_max/Hs와 최소값 Ht_min/Hs와의 차)는 0.3 이하인 것을 특징으로 하고, 0.1 이하인 것이 바람직하다. 이러한 경도 분포를 갖는 탄질화티탄층은, 절삭시에 치핑이나 결손이 쉽게 생기지 않게 한다.

이러한 탄질화티탄층은, 전술한 바와 같이 TiCN을 주체로서 포함하는 것이지만, 여기서의 「TiCN을 주체로서 포함한다」란, TiCN을 90 질량% 이상 포함하는 것을 의미하고, 바람직하게는 불가피 불순물을 제외하고 TiCN으로만 구성되는 것을 의미한다.

이러한 TiCN(Ti의 탄질화물)에 포함되는 각 원소간의 원자비는, 종래 공지의 모든 원자비가 포함되며, 그 원자비는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예컨대 Ti와 CN의 원자비는, CN의 합계를 1로 했을 경우에 Ti가 0.8～1.4로 하는 것이 바람직하고, 탄소와 질소의 합계에 대한 탄소의 원자비가 0.7 이상인 것이 바람직하다. 이것을 식으로 나타내면, C/(C+N)≥0.7을 만족하는 것이 바람직하다. 이에 따라 탄질화티탄층의 (220)면의 배향성 지수를 높일 수 있고, 이로써 내마모성을 향상시킬 수 있다.

상기한 탄질화티탄층은, 그 평균 층두께가 5 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 상한이 15 ㎛이며 하한이 7 ㎛이다. 이것을 만족함으로써, 내마모성과 내결손성의 밸런스를 양호하게 유지할 수 있다. 탄질화티탄층의 두께가 20 ㎛를 초과하면 내결손성이 저하되기 때문에 바람직하지 못한 경우가 있고, 5 ㎛ 미만에서는 고속 절삭시에 피복막의 마모가 진행되기 쉽게 되기 때문에 바람직하지 못하다.

<피복막을 구성하는 각 층>

본 발명에 있어서, 피복막은, 기재측에서부터 차례로 최하층, 탄질화티탄층, 밀착층, 알루미나층 및 최표면층을 이 순서로 포함하는 것이 바람직하다. 이하에 있어서는, 기재측에서부터 차례로 피복막을 구성하는 각 층을 설명한다.

<최하층>

본 발명의 피복막은, 기재와 탄질화티탄층 사이에 Ti의 질화물로 이루어진 최하층(기재와 접하는 층)을 설치하는 것이 바람직하다. 이러한 최하층은, 기재와의 밀착성이 높기 때문에, 가혹한 절삭 조건에 대응하는 경우라도 피복막 전체가 박리되는 것을 방지할 수 있다. 이러한 최하층을 형성함으로써, 피복막 중 적어도 1층에 압축 잔류 응력이 부여된 경우여도 절삭에 견딜 수 있는 충분한 밀착성을 얻을 수 있다. 이러한 최하층의 층두께는, 0.05 ㎛ 이상 1 ㎛ 이하인 것이 바람직하다.

<밀착층>

본 발명의 피복막은, 상기 탄질화티탄층의 바로 위에 TiB_xN_y(식 중, x 및 y는 각각 원자비를 나타내고, 0.001≤x/(x+y)≤0.04임)로 구성되는 밀착층을 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 밀착층은, 그 표면이 매우 미세한 침상(針狀) 조직이 되기 때문에, 그 바로 위에 형성되는 알루미나층으로 우수한 밀착성을 나타낸다.

탄질화티탄층 상에 직접 알루미나층을 설치하면, 탄질화티탄층으로부터 알루미나층이 박리되거나 탈락하는 문제가 있지만, 밀착층을 알루미나층의 바로 아래에 형성함으로써 이러한 문제를 해소할 수 있다. 이에 따라 알루미나층 사이에서 특히 양호한 밀착력을 얻을 수 있다.

상기 식 중, x 및 y는, 특히 바람직하게는 0.003≤x/(x+y)≤0.02이다. 이에 따라 알루미나층 사이에서 특히 양호한 밀착력을 얻을 수 있다. 또한, Ti와 BN의 원자비는 BN의 합계를 1로 했을 경우에 Ti를 0.8～1.5로 하는 것이 바람직하다.

이러한 밀착층은, 본 발명의 피복막을 구성하는 다른 층에 포함되는 원소(특히 밀착층과 접하는 층에 포함되는 원소)를 포함할 수 있다. 이러한 밀착층은, 0.05 ㎛ 이상 1 ㎛ 이하의 두께를 갖는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 상한이 0.8 ㎛이며 하한이 0.1 ㎛이다. 그 두께가 1 ㎛를 초과하면 내마모성이 저하되기 때문에 바람직하지 못한 경우가 있고, 0.05 미만에서는 알루미나층 사이에서 충분한 밀착성이 보이지 않는 경우가 있다.

<알루미나층>

본 발명에 있어서, 피복막은, 상기 최표면층과 상기 탄질화티탄층 사이에 알루미나층을 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 알루미나층은, Al₂O₃을 주체로 하는 층이기 때문에, 고속 절삭시의 산화 마모에 대하여 양호한 성능이 보이며, 내마모성의 향상에 이바지하게 된다. 여기서, Al₂O₃를 주체로 하는 것은, Al₂O₃를 90 질량% 이상 포함하는 것을 의미하고, 바람직하게는 불가피 불순물을 제외하고 Al₂O₃만으로 구성되는 것을 의미한다.

이러한 알루미나층은, α형의 결정 구조를 갖는 Al₂O₃(이하 α-Al₂O₃라고 기재하는 경우도 있음)를 주체로 하거나 또는 κ형의 결정 구조를 갖는 Al₂O₃(이하 κ-Al₂O₃라고 기재하는 경우도 있음)인 것이 바람직하다. 그 중에서도, α-Al₂O₃는 일반적으로 고속 절삭에 있어서 내마모성이 우수한 점에서 유리하다. 또한, 이러한 결정 구조는, X선 회절에 의해 확인할 수 있다.

이러한 알루미나층은, 2 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하의 층두께를 갖는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 상한이 10 ㎛이며 하한이 4 ㎛이다. 그 두께가 15 ㎛를 초과하면, 절삭날의 선단부나 절삭날의 경계부에서의 박리가 생기기 쉽게 되어, 내결손성이 저하되는 경우가 있고, 2 ㎛ 미만이면, 절삭면에 있어서의 내크레이터 마모성이 우수하고, 나사 절삭, 홈 절삭 등의 반복 절삭에 있어서의 내바이팅성이 저하되는 경우가 있다.

<최표면층>

본 발명의 피복막은, 상기 탄질화티탄층과 함께 최표면층을 포함하는 것이 바람직하다. 여기서, 최표면층은, Ti의 탄화물, 질화물 및 탄질화물 중 어느 하나를 주성분으로 하는 피복막의 표면을 구성하는 층이다. 「Ti의 탄화물, 질화물 및 탄질화물 중 어느 하나를 주성분으로 한다」란, Ti의 탄화물, 질화물 및 탄질화물 중 어느 하나를 90 질량% 이상 포함하는 것을 의미하고, 바람직하게는 불가피 불순물을 제외하고 Ti의 탄화물, 질화물 및 탄질화물 중 어느 하나 만으로 구성되는 것을 의미한다. 또한, Ti의 탄화물, 질화물 및 탄질화물의 각각에 있어서, Ti와 Ti 이외의 원소(즉 C, N 및 CN)와의 질량비는 Ti를 50 질량% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

그리고, Ti의 탄화물, 질화물 및 탄질화물의 어느 하나 중, 특히 바람직하게는 Ti의 질화물(즉 TiN으로 표시되는 화합물)이다. TiN은 이들의 화합물 중에서 색채가 가장 명료(금색을 띰)하기 때문에, 절삭 사용 후의 절삭칩의 코너 식별이 용이하다고 하는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 있어서 화합물을 TiN 등의 화학식으로 표시하는 경우, 원자비를 특별히 한정하지 않는 경우는 종래 공지된 모든 원자비를 포함하는 것으로 하고, 반드시 화학 양론적 범위의 것만으로 한정되는 것은 아니다. 예컨대 단순히 「TiCN」이라고 기재하는 경우, 「Ti」와 「C」와 「N」의 원자비는 50:25:25인 경우만으로 한정되지 않고, 또한 「TiN」이라고 기재하는 경우도 「Ti」와 「N」의 원자비는 50:50인 경우만으로 한정되지 않는다. 이들의 원자비로서는 종래 공지된 모든 원자비가 포함되는 것으로 한다.

본 발명에 있어서, 최표면층은 0.05 ㎛ 이상 1 ㎛ 이하의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 그 두께의 상한은 0.8 ㎛, 보다 바람직하게는 0.6 ㎛이며, 그 하한은 0.1 ㎛, 보다 바람직하게는 0.2 ㎛이다. 그 두께가 0.05 ㎛ 미만인 경우, 압축 잔류 응력이 부여되는 경우 그 효과가 충분하지 않고, 내결손성 향상에 그다지 효과가 없으며, 1 ㎛를 초과하면 최표면층의 내측에 위치하는 층과의 밀착성이 저하되는 경우가 있다.

<제조 방법>

본 발명의 피복막은, 화학 증착법(CVD법)에 의해 형성된 것이 바람직하다. 이에 따라, 후술하는 블라스트 처리를 행할 때까지는 피복막의 각 층은 인장 잔류 응력을 가진 것이 되고, 기재와의 밀착성이 매우 높은 것이 된다.

본 발명에 있어서, 탄질화티탄층을 성막할 때의 성막 온도는, 종래의 MT-CVD 법보다도 고온이며, 또한 종래의 HT-CVD법보다도 저온인 것이 바람직하고, 구체적으로는 900℃ 이상 1000℃ 이하인 것이 바람직하다. 이와 같이 종래의 MT-CVD법과 HT-CVD법의 중간 성막 온도로 성막함으로써, 탄질화티탄층을 구성하는 인접한 TiCN 주상 결정끼리의 계면 확산을 촉진할 수 있고, 이로써 탄질화티탄층을 구성하는 결정의 결합력을 향상시킬 수 있다. 이에 따라 절삭시의 마찰 마모에 기인하여 발생하는 TiCN 입자의 탈락을 억제할 수 있고, 이로써 양호한 내결손성과 내마모성을 갖는 피복막을 형성할 수 있다. 덧붙여서 말하면, MT-CVD법이란, 약 830℃～900℃라는 비교적 저온으로 성막을 행하는 것이고, HT-CVD법이란, 약 1000℃ 이상의 비교적 고온으로 성막을 행하는 것이다.

또한, 상기 수치 범위의 성막 온도로 성막함으로써, (220)면이 최대 피크 강도가 되는 결정 배향성을 갖는 탄질화티탄층을 성막할 수 있고, 결정 구조적으로 표면이 평활하며, 또한 내마모성이 우수한 것이 된다. 게다가, 탄질화티탄층을 형성한 후에 형성하는 밀착층 및 알루미나층의 성막 온도의 차도 작아 성막 중의 온도 변화 및 열충격이 최저한으로 억제된다고 하는 메리트도 있다.

성막 온도가 900℃ 미만이면, 탄질화티탄층의 결정 구조가 주상정 (422)면으로 배향하기 때문에, 충분한 슬라이딩성을 얻을 수 없고, 한편, 1000℃를 초과하면, 초경합금 기재 또는 서멧 기재 중의 탈탄(脫炭)이 심해져서, 기재와 피복막의 계면에 딱딱하여 깨지기 쉬운 층이 생성되고, 이 깨지기 쉬운 층이 기재와 피복막의 밀착성 저하의 원인이 된다.

본 발명의 탄질화티탄층의 성막은, 종래의 HT-CVD법보다도 100℃ 정도 저온에서 행해지지만, 탄질화티탄층을 구성하는 탄소원으로서, CH₄ 가스보다도 활성이 높은 탄소수가 2인 포화 탄화수소(C₂H₂ 가스, C₂H₄ 가스 및 C₂H₆ 가스)를 이용하는 것이 바람직하다. 이에 따라 종래의 HT-CVD법과 하등 손색이 없고, 충분한 속도로 성막할 수 있으며, 제조 효율이 저하되는 일도 없다.

본 발명의 피복막을 구성하는 탄질화티탄층은, 종래의 성막 압력보다도 저진공의 성막 조건, 즉 40 kPa 이상 80 kPa 이하의 성막 압력으로 성막된다. 이러한 저압력의 조건으로 성막함으로써, 예컨대 초경합금으로 이루어진 기재를 이용하는 경우, 결합층을 구성하는 Co의 증발을 최소한으로 억제할 수 있고, 이로써 WC 입자끼리의 결합력의 저하를 억제할 수 있다. 또한, 서멧으로 이루어진 기재를 이용하는 경우, 결합층을 구성하는 Ni의 증발을 최소한으로 억제할 수 있고, 이로써 TiCN 입자끼리의 결합력의 저하를 억제할 수 있다.

또한, 상기 저압의 성막 조건에서는, 반응 가스끼리의 평균 자유 경로가 단축되기 때문에, 성막 속도가 빨라지고, 탄질화티탄층을 구성하는 결정 조직의 종횡비를 크게 할 수 있다. 이에 따라 탄질화티탄층이 (220)면에 최대 피크 강도를 갖는 양질의 주상정으로 할 수 있고, 이로써 탄질화티탄층의 경도를 균일하게 할 수 있다.

40 kPa 미만의 고진공의 조건으로 성막하면, 기재 중의 결합층의 증발이 촉진되며, 기재 중의 WC 입자끼리 또는 TiCN 입자끼리의 결합력이 저하된다. 이에 따라 피복막과 기재의 계면이 박리되기 쉽고, 공구에 결손이 생기기 쉽게 된다. 또한, 80 kPa를 초과하는 저진공의 조건으로 성막하면, 탄질화티탄층의 결정 조직을 균일하게 주상정으로 성막할 수 없고, 조건에 따라서는 입자 상태의 혼재 조직이 형성되어 조직 차이가 생겨, 탄질화티탄층의 경도가 균일해지기는 어렵다.

본 발명에 있어서, 전술한 바와 같이 900℃ 이상 1000℃ 이하의 성막 온도로 하여, 40 kPa 이상 80 kPa 이하의 성막 압력으로 탄질화티탄층을 성막함으로써, 탄질화티탄층의 경도를 균일하게 할 수 있고, 이로써 절삭 가공시에 치핑이나 결손을 쉽게 생기지 않게 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 탄질화티탄층을 형성할 때에 도입하는 원료 가스는, Ti원과 C원과 N원을 적어도 포함하고, 또한 H₂ 또는 아르곤을 포함하는 것이 바람직하다. 여기서, Ti원으로는 TiCl₄ 가스 등을 이용하는 것이 바람직하고, N원으로는 N₂ 가스, NH₃ 가스, CH₃CN 가스 등을 이용하는 것이 바람직하다.

C원으로는 탄소수가 1 이상 3 이하인 포화 탄화수소 가스 또는 불포화 탄화수소 가스를 이용하는 것이 바람직하다. 탄소수가 1 이상 3 이하인 포화 탄화수소 가스로는 CH₄ 가스, C₂H₆ 가스 및 C₃H₈ 가스를 들 수 있다. 탄소수가 1 이상 3 이하인 불포화 탄화수소 가스로는 C₂H₂ 가스, C₂H₄ 가스, C₃H₄ 가스, C₃H₆ 가스 등을 들 수 있다. 이들 이외에, 예컨대 N원으로 이용하는 CH₃CN 가스를 C원으로 이용하여도 좋다.

여기서, 도입하는 원료 가스에 있어서, Ti원에 대한 C원의 몰비(즉 C원의 몰비/Ti원의 몰비)는 4 이상 10 이하로 하는 것이 바람직하다. 이러한 몰비로 원료 가스를 도입함으로써, 종래의 MT-CVD법으로 성막하는 것보다도 탄질화티탄층에 포함되는 탄소의 조성비를 높일 수 있고, 이로써 고온에서의 경도가 우수한 탄질화티탄층이 된다. 게다가, 탄질화티탄층의 마찰계수가 낮아지기 때문에, 슬라이딩성이 향상되어, 내마모성을 향상시킬 수 있다.

Ti원에 대한 C원의 몰비가 4 미만이면, 탄질화티탄층의 성막 속도가 느려져서, 양산성에 알맞지 않게 된다. 한편, 10을 초과하면, 탄질화티탄층을 구성하는 결정 구조가 조립화하고, 피복막의 경도가 균일해지기 어려워질 뿐만 아니라, 제조 공정 중에서 염화물이 미반응물로서 대량으로 발생하기 때문에, 환경상 바람직하지 못하다.

또한, 피복막의 표면에 대하여, 블라스트 처리를 행함으로써, 피복막의 잔류 응력의 제거와 함께 압축 응력을 부여할 수 있다. 여기서, 블라스트 처리로는, 강철구 등의 금속 분말이나 알루미나 등의 세라믹스 분말을 직접 또는 물 등의 용매와 혼합한 것을 피복막의 표면에 충돌시킴으로써 실시할 수 있다. 그 충돌 등의 구체적 조건은, 피복막의 구성이나 부여하는 압축 잔류 응력의 크기 등에 따라 적절하게 조절할 수 있지만, 충돌이 너무 약하면 압축 잔류 응력이 부여되지 않게 되기 때문에 적절한 강도로 충돌시키는 것이 바람직하다.

실시예

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

우선, WC-5%Co로 이루어진 조성(단 불가피 불순물을 포함함)의 초경합금제 절삭팁[형상: 스미토모덴코하드메탈(주) 제조 CNMA120408]을 기재로서 이용하였다. 이러한 기재의 절삭날에 대하여, SiC 지립을 포함한 나일론성 브러시에 의해 모따기 가공을 행하여 라운드 호닝(Round honing)을 행하였다. 그 후, 기재 표면을 세정하였다. 이 기재의 노우즈 반경은 0.8 ㎜였다.

다음에, 기재를 저항 과열형 CVD로에 세팅하고, 공지된 열 CVD법을 이용하여 기재 상에 표 1에 기재한 피복막의 각 층을 형성하였다(표 1 중의 좌측란 측에서부터 차례로 기재 상에 형성함). 예컨대 실시예 1에서는, 기재 상에서부터 차례로 0.6 ㎛의 최하층(TiN층), 7.5 ㎛의 탄질화티탄층(TiCN층)을 형성한 후, 0.8 ㎛의 밀착층(TiBN층), 2.8 ㎛의 알루미나층(κ-Al₂O₃층) 및 0.5 ㎛의 최표면층(TiN층)을 형성하였다. 이와 같이 하여 실시예 1의 표면 피복 절삭 공구를 제작하였다. 이것과 동일한 방법에 의해, 각 실시예 및 각 비교예의 표면 피복 절삭 공구를 제작하였다.

표 1 중의 각 층의 「층두께」는, 피복막을 구성하는 각 층의 층두께를 나타내고, 「합계 막두께」는, 피복막의 막두께를 나타내었다. 이들 층두께 및 막두께는, 표면 피복 절삭 공구의 표면에 대한 법선을 포함하는 평면으로 절단하고, 이 절단면을 SEM으로 관찰하여 얻어진 값을 채용하였다.

표 1 중의 「C/(C+N)」은 탄질화티탄층을 구성하는 탄소 및 질소의 원자비의 합에 대한 탄소의 원자비를 나타내었다. 이러한 원자비는, 탄질화티탄층을 EPMA(Electron Probe Micro Analysis)에 의해 분석하여 얻어진 값을 채용하였다.

표 1 중의 「피크 강도의 결정면」은, X선 회절 장치[제품명: RINT2400(리가쿠덴키사 제조)]에 의해 탄질화티탄층을 X선 회절했을 때의 최고 피크 강도의 결정면을 나타내었다.

표 1 중의 「상대 경도」는, 경도 기준편의 압입 경도 Hs에 대한 탄질화티탄층의 압입 경도 Ht의 상대 경도 Ht/Hs의 평균값을 기재하였다. 여기서, 상대 경도 Ht/Hs의 평균값의 산출 방법으로는 우선 초미소 압입 경도 시험기[장치명: ENT-1100a(가부시키가이샤 에리오닉스사 제조)]를 이용하여, 나노인덴테이션법에 의해 경도 기준편[제품명: UMV905(가부시키가이샤 야마모토카가쿠코구겐큐샤 제조)]의 압입 경도 Hs를 측정하였다.

다음에, 표면 피복 절삭 공구의 피복막의 표면에 대한 법선을 포함하는 평면을 따라 시료를 절단하고, 이 절단면을 기계 연마하였다. 그리고, 상기한 경도 기준편을 측정한 초미소 압입 경도 시험기와 동일한 것을 이용하여 이 단면에 대한 수직 방향으로 탄질화티탄층에 대하여 압자를 압입함으로써, 탄질화티탄층의 압입 경도 Ht를 측정하였다. 압자를 압입하는 위치를 바꾸어 탄질화티탄층의 압입 경도를 30회 측정하였다. 이 30회의 측정 중, 압입 경도 Ht의 응력-변형선이 불연속이거나, 부자연스럽거나 한 경우를 이상값으로 판단하여 제외하고, 그 이외의 압입 경도의 각 측정값을 평균함으로써, 압입 경도 Ht의 평균값을 산출하였다. 이 압입 경도 Ht의 평균값을 경도 기준편의 압입 경도 Hs로 나눔으로써, 탄질화티탄층의 상대 경도 Ht/Hs의 평균값을 산출하였다.

그리고, 상기 30회의 압입 경도의 측정 중의 이상값을 제외한 후의 압입 경도의 최대값 Ht_max 및 최소값 Ht_min을, 경도 기준편의 압입 경도 Hs로 나눔으로써 상대 경도의 최대값 Ht_max/Hs 및 최소값 Ht_min/Hs를 산출하였다.

그리고, 상대 경도의 최대값 Ht_max/Hs와, 상대 경도의 최소값 Ht_min/Hs의 차를 구하여, 그 차를 탄질화티탄층의 상대 경도의 평균값으로 나눈 값을, 표 1의 「(Ht_max/Hs-Ht_min/Hs)/(Ht/Hs)」 란에 나타내었다. 이 값이 작을수록 탄질화티탄층의 경도에 편차가 적어 탄질화티탄층이 균일한 경도인 것을 나타낸다.

또한, 표 1의 최표면층의 층두께의 란이 「-」로 되어 있는 실시예가 있지만, 이것은, 피복막을 형성한 후에, 블라스트 처리에 의해 최표면층만을 제거한 것을 의미한다. 이러한 처리를 행함으로써, 인장 잔류 응력을 개방하거나, 또는 압축 잔류 응력을 부여할 수 있다.

또한, 탄질화티탄층 이외의 피복막을 구성하는 각 층은, 이하의 표 2에 표시되는 조건으로 성막하고, 탄질화티탄층은, 이하의 표 3의 조건으로 형성하였다. 즉 예컨대, 실시예 1에 있어서의 탄질화티탄층의 성막에 있어서는, TiCl₄: 1.9 체적%, CH₄: 8.8 체적%, N₂: 3 체적%, H₂: 잔부로 이루어진 반응 가스를 전체 유량이 56.8 ℓ/min가 되도록 도입하여, 그 챔버 내의 압력을 80 kPa로 하고, 온도 990℃로 하였다.

<절삭 시험>

실시예 1 내지 실시예 12 및 비교예 1 내지 비교예 6의 표면 피복 절삭 공구를 이용하여 이하의 조건으로 절삭 가공 시험을 5분간 행하였다.

피절삭재: FCD700(내경 φ=250 ㎜, 길이 l=1000 ㎜)

절삭 속도: 200 m/min

이송 속도: 0.3 ㎜/rev

절삭 깊이: 2.0 ㎜

절삭유: 수용성

절삭 시험 전후의 표면 피복 절삭 공구를 노기스로 측정함으로써, 여유면의 마모 감소폭을 산출하고, 표 4의 「여유면 마모량」 란에 나타내었다. 또한, 여유면 마모량이 적은 것일수록 표면 피복 절삭 공구의 내마모성이 우수한 것을 나타내고 있다.

또한, 절삭 시험 종료 후의 표면 피복 절삭 공구의 절삭면을 육안으로 관찰하고, 거기에 발생하는 크레이터 마모의 길이 방향의 폭을 측정하였다. 그리고, 이하의 평가 기준에 기초하여 내크레이터 마모성을 평가하고, 표 4의 「크레이터 마모」 란에 나타내었다. 또한, 절삭 시험 종료 후의 표면 피복 절삭 공구의 손상 형태를, 표 4의 「손상 형태」 란에 나타내었다.

<크레이터 마모의 평가 기준>

A : 날끝 선단을 기점으로 마모폭이 0.1 ㎜ 이하이고, 기재의 노출이 없을 것

B : 날끝 선단을 기점으로 마모폭이 0.1 ㎜를 초과하고 0.2 ㎜ 이하이며, 기재의 노출이 약간일 것

C : 날끝 선단을 기점으로 마모폭이 0.2 ㎜를 초과하고 0.3 ㎜ 이하이며, 기재의 노출이 있을 것

D : 날끝 선단을 기점으로 마모폭이 0.3 ㎜를 초과하고, 기재의 노출 또는 날끝 선단의 결손이 확인될 것

표 4에 표시되는 결과로부터, 각 실시예의 표면 피복 절삭 공구는, 각 비교예의 표면 피복 절삭 공구에 비하여 여유면 마모량이 적고, 또한 크레이터 마모의 길이 방향의 폭이 좁은 것이 분명하다. 이 결과로부터, 각 실시예의 표면 피복 절삭 공구는, 각 비교예의 표면 피복 절삭 공구에 비하여 내마모성 및 내크레이터 마모성이 우수한 것이라고 말할 수 있다. 이와 같이 내마모성 및 내크레이터 마모성이 향상된 것은, 탄질화티탄층의 피크 강도의 결정면이 (220)인 것에 따른 것으로 생각된다.

또한, 상기 절삭 시험이 종료된 후의 각 실시예 및 각 비교예의 표면 피복 절삭 공구의 손상 형태에 있어서, 각 실시예에서는, 피복막이 정상 마모하고 있는 데 반하여, 각 비교예에서는, 피복막에 치핑이나 결손이 생기고 있다. 각 실시예의 표면 피복 절삭 공구에는 결손이 생기지 않았음에도 불구하고, 각 비교예의 표면 피복 절삭 공구에 치핑이나 결손이 생긴 것은 각 실시예의 표면 피복 절삭 공구가, 각 비교예의 표면 피복 절삭 공구에 비하여 피복막의 경도가 균일한 것에 따른 것으로 생각된다.

이상의 결과로부터, 실시예의 표면 피복 절삭 공구는, 비교예의 표면 피복 절삭 공구에 비하여 내마모성 및 내결손성이 우수한 것을 볼 수 있었다.

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

이번에 개시된 실시형태 및 실시예는 모든 점에서 예시로서 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 청구범위에 의해 나타내어지며, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

Claims

기재와, 이 기재 상에 형성된 피복막을 구비하고,
상기 피복막은, 적어도 1층의 탄질화티탄층을 포함하며,
상기 탄질화티탄층은, 조직 계수 TC(hkl) 중의 배향성 지수 TC(220)가 최대이며,
경도 기준편의 압입 경도를 Hs로 하고, 상기 탄질화티탄층의 압입 경도를 Ht로 하면, 복수 회의 측정에 있어서의 상대 경도 Ht/Hs의 평균값은 3 이상이며,
상기 상대 경도 Ht/Hs에 대한 상기 탄질화티탄층의 상대 경도의 최대값 Ht_max/Hs와 최소값 Ht_min/Hs의 차는 0.5 이하인 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항에 있어서, 상기 탄질화티탄층은, 탄소와 질소의 합계에 대한 탄소의 원자비가 0.7 이상인 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 피복막은 적어도 1층의 알루미나층을 포함하고,
상기 알루미나층은 α형 산화알루미늄으로 이루어지며, 또한 그 평균 층두께가 2 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하인 것인 표면 피복 절삭 공구.