KR20130098861A

KR20130098861A - 절삭 공구

Info

Publication number: KR20130098861A
Application number: KR1020127029510A
Authority: KR
Inventors: 마사히로 와키; 야오찬 주
Original assignee: 쿄세라 코포레이션
Priority date: 2010-05-27
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2013-09-05
Also published as: EP2578339B1; WO2011149064A1; CN102917822B; US8691366B2; EP2578339A4; JPWO2011149064A1; CN102917822A; EP2578339A1; US20130071620A1; KR101685446B1; JP5542925B2

Abstract

(과제)
내용착성, 내마모성이 우수한 절삭 공구를 제공한다.
(해결 수단)
기체(2)의 표면에 Ti_aAl_bNb_dM_e(C₁ _- _xN_x)(단, M은 Si, W, Mo, Ta, Hf, Cr, Zr 및 Y로부터 선택되는 적어도 1종, 0.1≤a≤0.7, 0≤b≤0.8, 0.02≤d≤0.25, 0≤e≤0.25, a+b+d+e=1, 0≤x≤1)로 이루어지는 피복층(6)을 피복해서 이루어짐과 아울러 절삭면(3)과, 여유면(4)과, 절삭면(3)과 여유면(4) 사이에 위치하는 절삭날(5)을 갖고, 또한 피복층(6)의 표면에 액적(7)이 존재하고, 여유면(4)에는 입경이 300㎚ 이하인 미세 액적(7a)이 절삭면(3)보다 다량 존재하고, 여유면(4)에 존재하는 입경이 1000㎚ 이상인 조대 액적(7b)의 평균 조성이 절삭면(3)에 존재하는 조대 액적(7b)의 평균 조성에 비하여 Nb의 함유 비율이 높은 절삭 공구(1)이다.

Description

절삭 공구{CUTTING TOOL}

본 발명은 기체의 표면에 피복층이 성막되어 있는 절삭 공구에 관한 것이다.

현재, 절삭 공구나 내마모 부재, 슬라이딩 부재와 같은 내마모성이나 슬라이딩성, 내결손성을 필요로 하는 부재에서는 초경합금이나 서멧 등의 소결합금, 다이아몬드나 cBN(입방정질화붕소)의 고경도 소결체, 알루미나나 질화규소 등의 세라믹스로 이루어지는 기체의 표면에 피복층을 성막하여 내마모성, 슬라이딩성, 내결손성을 향상시키는 방법이 사용되고 있다.

또한, 상기 피복층으로서 물리 증착법인 아크이온플레이팅법이나 스퍼터링법 을 이용하여 Ti나 Al을 주성분으로 하는 질화물층을 피복하는 것이 활발히 연구되고 있고, 공구 수명을 연장시키기 위한 개량이 계속되고 있다. 이들 표면 피복 공구는 절삭 속도의 고속화를 비롯한 절삭 환경의 변화, 피삭재의 다양화에 대응하기 위해 피복 재료 원소 이외에도 여러 가지 고안이 실시되어 오고 있다.

예를 들면, 특허문헌 1에서는 기체의 표면에 TiAlN 등의 피막을 피복한 표면 피복 공구에 있어서 Ti의 비율이 절삭면보다 여유면에 있어서 높게 하는 것이 기재되어 있다.

또한, 특허문헌 2에서는 기재의 표면에 두께가 1~5㎛인 TiAlN계의 경질 피막을 형성하고, 경질 피막에 존재하는 막두께 이상의 크기를 가진 조대 입자가 5면적% 이하이며, 그 표면거칠기(Ra)가 0.1㎛ 이하, 또는 표면거칠기(Rz)가 1㎛ 이하로 하는 것이 기재되어 있다.

또한, 특허문헌 3에서는 기재 표면에 (TiNbAl)N 등의 조성으로 이루어지는 피막을 형성하는 것이 개시되어있고, 특허문헌 4에서는 (TiAlNbSi)N 등의 조성을 갖고, 성막 방식을 변경함으로써 Si 및 Nb 함유량이 다른 층을 다층으로 적층한 경질 피막이 기재되어 있다.

일본 특허 공개 2008-264975호 공보 일본 특허 공개 2002-346812호 공보 일본 특허 공개 평 11-302831호 공보 일본 특허 공개 2005-199420호 공보

그러나, 특허문헌 1에 기재된 절삭면보다 여유면에 있어서 Ti의 비율을 높게 한 구성에서도 절삭면에 있어서의 피복층의 내열성과 내산화성이 불충분하고, 또한 여유면에 있어서는 내결손성이 불충분했다.

또한, 특허문헌 2에 기재되어 있는 조대 입자를 최대한 줄인 구성에서는 표면거칠기가 낮음으로써 칩이 경질막에 대하여 전체적으로 부착된 상태가 되어버려 경질막의 온도가 상승해서 크레이터 마모의 진행의 원인이 되고, 내마모성이 저하한다는 문제가 있었다.

또한, 특허문헌 3이나 특허문헌 4와 같이, TiAlN에 제 3의 금속으로서 Nb를 함유시킨 조성에 있어서도 내마모성은 향상되지만 더욱 개선이 필요하고, 특히 피삭재의 용착 등에 의해 치핑이나 결손 또는 온도 상승에 의한 마모가 급속하게 진행되는 경우가 있어 더욱 내마모성의 향상이 요망되고 있었다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 것이고, 그 목적은 국소적으로 최적인 절삭 성능을 발휘할 수 있는 피복층을 구비한 절삭 공구를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 절삭 공구는 기체의 표면에 Ti_aAl_bNb_dM_e(C₁ _- _xN_x)(단, M은 Si, W, Mo, Ta, Hf, Cr, Zr 및 Y로부터 선택되는 적어도 1종, 0.1≤a≤0.7, 0≤b≤0.8, 0.02≤d≤0.25, 0≤e≤0.25, a+b+d+e=1, 0≤x≤1)로 이루어지는 피복층을 피복해서 이루어짐과 아울러 절삭면과, 여유면과, 절삭면과 여유면 사이에 위치하는 절삭날을 갖고, 또한 상기 피복층의 표면에 액적이 존재하며, 상기 여유면에는 입경이 300㎚ 이하인 미세 액적이 상기 절삭면보다 다량 존재하고, 상기 여유면에 존재하는 입경이 1000㎚ 이상인 조대 액적의 평균 조성이 상기 절삭면에 존재하는 상기 조대 액적의 평균 조성에 비하여 Nb의 함유 비율이 높은 것이다.

(발명의 효과)

본 발명의 절삭 공구에 의하면 기체를 피복하는 피복층의 표면에 액적이 존재하지만 여유면 쪽이 절삭면에 비하여 입경이 300㎚ 이하인 미세 액적이 많으므로 피복층 내의 잔류 응력을 완화함과 아울러 크랙의 진전을 억제하여 여유면에 있어서의 내치핑성이 향상된다. 또한, 여유면에 존재하는 조대 액적의 평균 조성에 있어서 Nb의 함유 비율이 높으므로 절삭시에 피복층의 표면이 고온이 되어도 즉시 열화해서 삭감되지 않고, 절삭액을 피복층의 표면에 보액(保液)하는 효과도 발휘한다. 그 결과, 절삭 저항을 완화함과 아울러 절삭시의 온도 상승을 억제하여 안정하고 평활한 가공면이 얻어지는 절삭이 가능해 진다.

도 1은 본 실시형태의 절삭 공구의 예를 나타내고, (a) 개략 사시도, (b) (a)의 X-X 단면도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 절삭 공구의 일례에 대해서 피복층의 표면에 대한 SEM 사진이며, (a) 절삭면, (b) 여유면에 대한 SEM 사진이다.

본 발명의 절삭 공구에 대한 바람직한 실시형태 예인 도 1[(a) 개략 사시도, (b) (a)의 X-X 단면도] 및 도 1의 절삭 공구의 일례에 대해서 (a) 절삭면 및 (b) 여유면에 있어서의 피복층의 표면에 대한 주사형 전자현미경(SEM) 사진인 도 2를 사용하여 설명한다.

도 1에 의하면 절삭 공구(1)는 주면에 절삭면(3)을, 측면에 여유면(4)을, 절삭면(3)과 여유면(4) 사이에 절삭날(5)을 갖고, 기체(2)의 표면에 피복층(6)을 성막하는 구성으로 되어 있다.

그리고, 기체(2)의 표면에 Ti_aAl_bNb_dM_e(C₁ _- _xN_x)(단, M은 Si, W, Mo, Ta, Hf, Cr, Zr 및 Y로부터 선택되는 적어도 1종, 0.1≤a≤0.7, 0≤b≤0.8, 0.02≤d≤0.25, 0≤e≤0.25, a+b+d+e=1, 0≤x≤1)로 이루어지는 피복층(6)이 피복되어 있다. 또한, 도 2에 나타내는 바와 같이, 피복층(6)의 표면에는 액적(7)이라고 불리는 입상 물질이 존재한다. 또한, 여유면(4)에는 입경이 300㎚ 이하인 미세 액적(7a)이 절삭면(3)보다 다량 존재하고, 또한 여유면(4)에 존재하는 입경이 1000㎚ 이상인 조대 액적(7b)의 평균 조성은 절삭면(3)에 존재하는 조대 액적(7b)의 평균 조성에 비하여 Nb의 함유 비율이 높은 구성으로 되어 있다. 절삭면(3)의 표면에 형성되는 조대 액적(7b)의 Nb 함유 비율(Nb_DR)은 여유면(4)의 표면에 형성되는 조대 액적(7b)의 Nb 함유 비율(Nb_DF)에 대하여 0.85≤Nb_DR/Nb_DF≤0.96인 것이 절삭면(3) 및 여유면(4)에 있어서의 내마모성을 함께 최적화할 수 있는 점에서 바람직하다. 비율 Nb_DR/Nb_br의 특히 바람직한 범위는 0.86≤Nb_DR/Nb_DF≤0.96이다.

이 구성에 의하면 피복층(6) 내의 잔류 응력을 완화함과 아울러 크랙의 진전을 억제하여 여유면(4)에 있어서의 내치핑성이 향상된다. 또한, 여유면(4)에 존재하는 조대 액적(7b)은 Nb의 함유 비율이 높으므로 절삭시에 피복층(6)의 표면이 고온이 되어도 즉시 열화해서 삭감되지 않고, 절삭액을 피복층(6)의 표면에 보액하는 효과도 발휘한다. 또한, 여유면(4)에 존재하는 조대 액적(7b)은 질화가 불충분한 금속 부분이 잔존하는 강도가 낮은 것에 의해 절삭 중에 선단이 찌그러듯이 변형되어 가공면을 거칠게 하는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 여유면(4)에 있어서의 절삭 저항을 완화함과 아울러 절삭시의 온도 상승을 억제하여 안정하고 평활한 가공면이 얻어지는 절삭이 가능해 진다.

여기에서 여유면(4)의 조대 액적(7b)의 조성은 원자비에 있어서 금속/비금속의 비율이 1.2보다 크고, 또한 원자비에 있어서 금속/비금속의 비율이 액적(7b)의 표면으로부터 내부를 향해서 높아지고 있는 것이 바람직하다.

또한, 액적(7) 중 미세 액적(7a)과 조대 액적(7b) 이외의 중간 액적(7c)의 존재 비율은 30~70개수%의 비율인 것이 절삭 성능의 최적화의 점에서 바람직하다. 또한, 피복층의 각 금속 성분의 함유 비율은 에너지 분산 분광 분석(EPMA)이나 에너지 분산 분광 분석(EDS)에 의해 측정할 수 있다.

또한, 피복층(6)의 절삭면(3)의 표면에 존재하는 조대 액적(7b)의 Al 함유 비율(Al_DR)은 여유면(4)의 표면에 존재하는 조대 액적(7b)의 Al 함유 비율(Al_DF)에 대하여 0.94≤Al_DR/Al_DF≤0.99인 것이 절삭면(3) 및 여유면(4)에 있어서의 내마모성을 함께 최적화할 수 있는 점에서 바람직하다. 비율 Al_DR/Al_DF의 특히 바람직한 범위는 0.95≤Al_DR/Al_DF≤0.99이다. 또한, 피복층(6)의 절삭면(3)의 표면에 존재하는 조대 액적(7b)의 Ti 함유 비율(Ti_DR)은 여유면(4)의 표면에 존재하는 조대 액적(7b)의 Ti 함유 비율(Ti_DF)에 대하여 1.03≤Ti_DR/Ti_DF≤1.12인 것이 절삭면(3) 및 여유면(4)에 있어서의 내치핑성을 함께 최적화할 수 있는 점에서 바람직하다. 비율 Ti_DR/Ti_DF의 특히 바람직한 범위는 1.05≤Ti_DR/Ti_DF≤1.10이다.

또한, 피복층(6)은 절삭면에 있어서의 조성이 Ti_aAl_bNb_dM_e(C₁ _- _xN_x)(단, M은 Si, W, Mo, Ta, Hf, Cr, Zr 및 Y로부터 선택되는 적어도 1종, 0.1≤a≤0.7, 0≤b≤0.8, 0.02≤d≤0.25, 0≤e≤0.25, a+b+d+e=1, 0≤x≤1)로 구성되어 있다. 피복층(6)을 이 조성 범위로 함으로써 피복층(6)은 산화 개시 온도가 높아져서 내산화성이 높고, 또한 내재하는 내부 응력을 저감할 수 있어서 내결손성이 높다. 또한, 피복층(6)은 경도 및 기체(2)와의 밀착성도 높은 것이므로 피복층(6)은 난삭재의 가공이나 건식 절삭, 고속 절삭 등의 어려운 절삭 조건에 있어서의 내마모성 및 내결손성에 뛰어난 것이 된다.

즉, 피복층(6)에 있어서 a(Ti 조성 비율)가 0.1보다 작으면 피복층(6)의 결정 구조가 입방정에서 육방정으로 변화되어 경도가 저하되기 때문에 내마모성이 저하된다. a(Ti 조성 비율)가 0.7보다 크면 피복층(6)의 내산화성 및 내열성이 저하된다. a의 특히 바람직한 범위는 0.13≤a≤0.55이다. 또한, b(Al 조성비)가 0.8보다 크면 피복층(6)의 결정 구조가 입방정에서 육방정으로 변화되는 경향이 있어 경도가 저하된다. b의 바람직한 범위는 0<b≤0.8이고, 특히 바람직한 범위는 0.4≤b≤0.7이다. 또한, d[금속(Nb) 조성 비율]가 0.01보다 작으면 피복층(6)의 내산화성이 저하되어서 내마모성이 저하된다. d[금속(Nb) 조성 비율]가 0.25보다 크면 피복층(6)의 내산화성 또는 경도가 저하에 의한 내마모성이 저하된다. d의 특히 바람직한 범위는 0.01≤d≤0.10이다. 또한, e[금속(M) 조성 비율]가 0.25보다 크면 피복층(6)의 내산화성 또는 경도가 저하에 의한 내마모성이 저하된다. e의 바람직한 범위는 0<b≤0.25이고, 특히 바람직한 범위는 0.03≤e≤0.22가다.

또한, 금속(M)은 Si, W, Mo, Ta, Hf, Cr, Zr, Y로부터 선택되는 1종 이상이지만 그 중에서도 Si 또는 W를 함유하는 것이 경도가 우수한 점에서 바람직하고, Nb 또는 Mo를 함유하는 것이 내마모성·내산화성이 가장 뛰어난 점에서 바람직하다.

또한, 피복층이 Ti_a1Al_b1Nb_d1M_e1(C₁ _-x1N_x1)(단, 0≤a1≤0.8, 0≤b1≤0.6, 0.02≤d1≤0.4, 0≤e1≤0.4, a1+b1+d1+e1=1, 0≤x1≤1)로 나타내어지는 제 1층과, Ti_a2Al_b2Nb_d2M_e2(C_1-x2N_x2)(단, 0≤a2≤0.5, 0.2≤b2≤0.8, 0≤d2≤0.25, 0≤e2≤0.7, a2+b2+d2+e2=1, 0≤x2≤1, a1=a2 또한 b1=b2 또한 c1=c2는 제외한다)로 나타내어지는 제 2층이 10층 이상 반복해서 교대로 적층된 구성으로 이루어지는 것이 바람직하고, 이것에 의해 피복층의 경도가 향상됨과 아울러 피복층의 내부 응력을 낮게 할 수 있어서 두꺼운 피복층을 부착해도 피복층이 치핑이나 박리되지 않게 된다.

이때, 제 2층이 M은 Cr이고, a2=0, 0.3≤b2≤0.9, d2=0, 0.1≤e2≤0.7, 0≤x2≤1이며, 상기 제 2층이 Al_b2Cr_e2(C₁ _-x2N_x2)로 나타내어지는 경우에는 특히 피복층의 내치핑성 및 내용착성이 향상되서 내마모성이 향상된다.

또한, 피복층(6)이 상기 제 1층과 상기 제 2층이 10층 이상 반복해서 교대로 적층된 구조(이하, 간단히 교대 적층 구조라고 칭한다)로 이루어질 경우에는 피복층(6)의 전체 조성은 Ti_aAl_bNb_dM_e(C₁ _- _xN_x)(단, 0≤a1≤0.8, 0≤b1≤0.6, 0.02≤d1≤0.4, 0≤e1≤0.4, a1+b1+d1+e1=1, 0≤x1≤1)를 만족시키도록 구성된다. 여기에서 피복층(6)의 조성은 절삭 공구(1)의 단면을 전자현미경 사진으로 관찰하고, 피복층(6)의 두께 방향에 대해서 전체를 관찰할 수 있는 시야에서 EPMA(전자 프로브 마이크로 애널라이저)로 피복층(6)의 구성 성분을 분석함으로써 구할 수 있다.

또한, 피복층(6)의 비금속 성분인 C, N은 절삭 공구에 필요한 경도 및 인성이 뛰어난 것이고, x(N 조성 비율)의 특히 바람직한 범위는 0.9≤x≤1이다. 여기에서, 본 발명에 의하면 상기 피복층(6)의 조성은 에너지 분산형 X선 분광 분석법(EDX) 또는 X선 광전자 분광 분석법(XPS)으로 측정할 수 있다.

표면 피복층(6)의 성막 방법으로서는 이온플레이팅법이나 스퍼터링법 등의 물리 증착(PVD)법이 적응가능하고, 이러한 액적(7)을 피복층(6) 표면 상에 형성하는 방법으로서는 아크이온플레이팅법이 적합하게 사용된다.

또한, 기체(2)로서는 탄화텅스텐이나 탄질화티타늄을 주성분으로 하는 경질상과 코발트, 니켈 등의 철족 금속을 주성분으로 하는 결합상으로 이루어지는 초경합금이나 서멧의 경질 합금, 질화규소나 산화알류미늄을 주성분으로 하는 세라믹스, 다결정 다이아몬드나 입방정질화붕소로 이루어지는 경질상과 세라믹스나 철족 금속 등의 결합상을 초고압하에서 소성하는 초고압 소결체 등의 경질 재료가 적합하게 사용된다.

(제조 방법)

이어서, 본 실시형태의 절삭 공구의 제조 방법에 대하여 설명한다.

우선, 공구 형상의 기체를 종래 공지의 방법을 이용하여 제작한다. 다음으로 기체의 표면에 피복층을 성막한다. 피복층의 성막 방법으로서 이온플레이팅법이나 스퍼터링법 등의 물리 증착(PVD)법이 적합하게 적응가능하다. 성막 방법의 일례에 대한 상세에 대해서 설명하면, 피복층을 이온플레이팅법으로 제작하는 경우에는 금속 티타늄(Ti), 금속 알루미늄(Al), 금속 니오브(Nb), 및 소정의 금속(M)(단, M은 Si, W, Mo, Ta, Hf, Cr, Zr 및 Y로부터 선택되는 적어도 1종 이상)을 각각 독립적으로 함유하는 금속 타깃, 복합화한 합금 타깃 또는 소결체 타깃을 사용하고, 챔버의 측벽면 위치에 셋팅한다.

이때, 본 발명에 의하면 메인 타깃을 챔버의 측면에 셋팅하고, 또한 다른 금속에 비하여 Nb의 함유 비율이 많은 서브 타깃 1을 챔버의 측면에, 다른 금속의 함유 비율이 높은 서브 타깃 2를 챔버의 상면에 셋팅하고, 각각의 타깃에 아크 전류를 흘려서 성막한다. 그 결과, 성막된 피복층의 조성 및 액적의 조성을 본 실시형태의 구성으로 할 수 있다. 또한, 타깃의 제작 방법으로서는 금속 분말을 혼합해서 소성 고화한 소결 타깃을 사용하면, 금속 성분을 용융시켜서 다시 고화시킨 합금 타깃을 사용하는 것보다 피복층의 표면에 석출되는 액적의 양이 많아지는 경향이 있다.

성막 조건으로서는 이들 타깃을 이용하여 아크 방전이나 글로 방전 등에 의해 금속원을 증발시켜 이온화함과 동시에 질소원의 질소(N₂) 가스나 탄소원의 메탄(CH₄)/아세틸렌(C₂H₂) 가스와 반응시키는 이온플레이팅법 또는 스퍼터링법에 의해 피복층 및 액적을 성막한다. 이때, 기체의 셋팅 위치는 여유면이 챔버의 측면과 거의 평행하게, 또한 절삭면이 챔버의 상면과 거의 평행한 방향으로 셋팅한다. 이 때, 메인 타깃에는 100~200A, 측면의 Nb 성분을 다량 함유하는 서브 타깃에는 120~250A, 소망에 따라 상면에 배치하는 서브 타깃에는 80~200A의 아크 전류를 흘린다.

그리고, 발생한 아크 플라즈마에 대하여 타깃의 방향과 수직인 방향으로 자석을 배치하거나 하는 방법에 의해 발생한 아크 플라즈마에 자장을 공급함으로써 플라즈마내에 존재하는 증발한 각 금속 성분의 존재 상태를 변화시킴으로써 미세 액적을 다량으로 발생시킬 수 있다. 또한, 이온플레이팅법이나 스퍼터링법으로 상기 피복층을 성막할 때는 피복층의 결정 구조를 고려해서 고경도의 피복층을 제작할 수 있음과 아울러 기체와의 밀착성을 높이기 위해서 35~200V의 바이어스 전압을 인가 하는 것이 바람직하다.

또한, 교대 적층 구조의 피복층을 성막하기 위해서는 챔버의 측벽면에 대향하는 위치에 메인 타깃 1과 메인 타깃 2를 배치한다. 그리고, 서브 타깃 1을 챔버의 측벽면에, 서브 타깃 2를 챔버의 상면에 배치해서 상기와 마찬가지의 방법에 의해 플라즈마를 발생시킴으로써 성막시키면 된다. 이때, 서브 타깃 1과 서브 타깃 2를 설치하는 위치를 메인 타깃 1 또는 메인 타깃 2의 어느 쪽의 설치 위치에 근접시키는지에 의해 제 1층 및 제 2층을 구성하는 성분을 조정할 수도 있다.

실시예 1

평균 입경 0.8㎛인 탄화텅스텐(WC) 분말을 주성분으로 해서 평균 입경 1.2㎛인 금속 코발트(Co) 분말을 10질량%, 평균 입경 1.0㎛인 탄화바나듐(VC) 분말을 0.1질량%, 평균 입경 1.0㎛인 탄화크롬(Cr₃C₂) 분말을 0.3질량%의 비율로 첨가해 혼합하고, 프레스 성형에 의해 DCGT11T302MFCQ 형상의 스로어웨이 팁 형상으로 성형한 후에 탈바인더 처리를 실시하고, 0.01Pa의 진공 중 1450℃에서 1시간 소성해서 초경합금을 제작했다. 또한, 각 시료의 절삭면 표면을 블라스트 가공, 브러시 가공 등에 의해 연마 가공했다. 또한, 제작한 초경합금에 브러시 가공으로 인선(刃先) 처리(호닝)를 실시했다.

이렇게하여 제작한 기체에 대하여 표 1에 나타내는 바이어스 전압을 인가하고, 메인 타깃(소결체 타깃), 측면의 서브 타깃 1(금속 또는 합금 타깃), 상면의 서브 타깃 2(소결체 타깃)에 대하여 소정의 아크 전류를 각각 흘리고, 또한 아크 전류를 발생시킨 타깃재에 대하여 챔버의 상하면에 링 형상의 영구 자석을 끼워 넣어서 상하 방향으로부터 자장을 공급하면서 성막 온도 550℃로 하여 표 1에 나타내는 조성의 피복층을 성막했다.

얻어진 시료에 대하여 피복층의 표면의 절삭면 및 여유면의 각 면의 임의 3개소 및 절삭면 및 여유면 표면 상에 형성된 액적을 주사형 전자현미경(SEM)으로 관찰하고, 1시야에 있어서의 액적 전수에 대한 입경이 300㎚ 이하인 미세 액적 및 입경이 1000㎚ 이상인 조대 액적의 개수 비율을 측정했다. 또한, 액적의 입경은 화상 해석법에 의해 산출했다. 또한, 조대 액적 각 10개의 조성을 에너지 분산 분광 분석(EDS)(아메텍사제 EDAX)에 의해 측정하고, 이것들의 평균치를 피복층의 절삭면, 여유면 및 각 면 표면 상의 액적의 평균 조성으로서 산출했다. 표 중, 절삭면에 형성된 조대 액적에 대해서 Nb, Al, Ti의 평균 함유량(원자%)을 각각 Nb_DR, Al_DR, Ti_DR, 여유면에 형성된 조대 액적에 대해서 Nb, Al, Ti의 평균 함유량(원자%)을 각각 Nb_DF, Al_DF, Ti_DF라고 표기했다.

또한, 시료 No.1~8의 여유면에 있어서의 조대 액적의 금속/비금속비는 피복층의 표면으로부터 XPS(X선 광전자 분광 분석)에 의해 구성 성분을 분석해서 구한 바, 모두 금속/비금속비가 1.2 이상이고, 시료 No.9에 대해서는 금속/비금속비가 1.05였다. 또한, 시료 No.1~8에 대해서는 TEM(투과형 전자현미경) 분석의 결과, 모두 조대 액적의 표면으로부터 내부를 향해서 금속/비금속비가 높아져 있었다. 이들 결과를 표 2에 나타냈다.

이어서, 얻어진 외경 절삭 공구 DCGT11T302MFCQ 형상의 스로어웨이 팁을 이용하여 이하의 절삭 조건에서 절삭 시험을 행했다. 결과는 표 3에 나타냈다.

절삭 방법 : 외경 선삭 가공

피삭재 : 탄소강(S45C)

절삭 속도 : 120m/분

이송 : 0.05㎜/rev

절삭 깊이 : 1.2㎜

절삭 상태 : 습식

평가 방법 : 500개 가공 후의 피삭재의 가공면을 접촉식 표면조도계(도쿄세이미츠사제 SURFCOM)로 측정하고, 산술 평균 거칠기(Ra)를 가공면 조도로서 표기했다. 또한, 공구 수명까지 가공할 수 있었던 가공 수를 확인하고, 그때의 마모 형태를 확인했다.

표 1~3에 나타내는 결과로부터 미세 액적이 여유면보다 절삭면에서 많은 시료 No.8에서는 여유면에 있어서의 내치핑성이 나쁜 것이었다. 또한, 여유면에 존재하는 조대 액적의 Nb의 함유 비율이 절삭면에 존재하는 조대 액적의 Nb의 함유 비율보다 적은 시료 No.9에서는 피삭재의 가공면 조도가 나빠서 조기에 공구 수명이 되었다.

이에 대하여, 시료 No.1~8에서는 모두 내치핑성이 우수함과 아울러 평활한 가공면으로 가공할 수 있어 양호한 절삭 성능을 발휘했다.

실시예 2

실시예 1의 절삭 인서트 기체를 이용하여 표 4에 나타내는 4종류의 타깃을 측면에 3종류와 상면에 1종류 장착하고, 실시예 1과 마찬가지로 표 4에 나타내는 피복층을 성막했다. 또한, 메인 타깃은 소결 타깃을 사용하고, 챔버의 측벽면에 대향하는 위치에 1개씩 셋팅했다. 또한, 서브 타깃 1은 표 4에 기재된 각 금속의 합금 타깃을 사용하고, 챔버의 메인 타깃 1에 인접하는 위치에 셋팅하며, 서브 타깃 2는 챔버 상면의 메인 타깃 1의 바로 위의 위치에 1개 셋팅했다.

얻어진 인서트에 대해서 실시예 1과 마찬가지로 피복층의 전체 조성 및 각 층의 조성(표의 상단이 제 1층, 하단이 제 2층)으로 해서 표 5에 나타냈다. 또한, 피복층을 투과형 전자현미경(TEM)으로 관찰한 바, 두께 10㎚ 이하의 간격으로 표 5의 조성으로 나타내는 제 1층과 제 2층이 적층된 구성으로 되어 있었다. 미세 액적 및 조대 액적의 개수 비율, 조성을 측정해 표 6 또는 표 7에 나타냈다. 또한, 얻어진 인서트를 이용하여 실시예 1과 같은 절삭 조건에서 절삭 시험을 행했다. 결과는 표 7에 기재했다.

표 4~7에 의해 여유면에 미세 액적이 절삭면보다 다량 존재하고, 또한 여유면에 존재하는 입경이 1000㎚ 이상인 조대 액적의 평균 조성이 절삭면에 존재하는 조대 액적의 평균 조성에 비하여 Nb의 함유 비율이 높은 시료 No.10~14 중 어느 것에 있어서나 내치핑성이 우수함과 아울러 평활한 가공면으로 가공할 수 있어 양호한 절삭 성능을 발휘했다.

1 : 절삭 공구 2 : 기체
3 : 절삭면 4 : 여유면
5 : 절삭날 6 : 피복층
7 : 액적 7a : 미세 액적
7b : 조대 액적

Claims

기체의 표면에 Ti_aAl_bNb_dM_e(C₁ _- _xN_x)(단, M은 Si, W, Mo, Ta, Hf, Cr, Zr 및 Y로부터 선택되는 적어도 1종, 0.1≤a≤0.7, 0≤b≤0.8, 0.02≤d≤0.25, 0≤e≤0.25, a+b+d+e=1, 0≤x≤1)로 이루어지는 피복층을 피복하여 이루어짐과 아울러 절삭면과, 여유면과, 절삭면 및 여유면 사이에 위치하는 절삭날을 갖고, 또한 상기 피복층의 표면에 액적이 존재하며, 상기 여유면에는 입경이 300㎚ 이하인 미세 액적이 상기 절삭면보다 다량 존재하고, 상기 여유면에 존재하는 입경이 1000㎚ 이상인 조대 액적의 평균 조성이 상기 절삭면에 존재하는 상기 조대 액적의 평균 조성에 비하여 Nb의 함유 비율이 높은 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 여유면에 존재하는 조대 액적의 조성은 원자비에 있어서 금속/비금속의 비율이 1.2보다 크고, 또한 원자비에 있어서 금속/비금속의 비율이 상기 조대 액적의 표면으로부터 내부를 향해서 높아져 있는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 피복층은 Ti_a1Al_b1Nb_d1M_e1(C₁ _-x1N_x1)(단, 0≤a1≤0.8, 0≤b1≤0.6, 0.02≤d1≤0.4, 0≤e1≤0.4, a1+b1+d1+e1=1, 0≤x1≤1)로 나타내어지는 제 1층과, Ti_a2Al_b2Nb_d2M_e2(C_1-x2N_x2)(단, 0≤a2≤0.5, 0.2≤b2≤0.8, 0≤d2≤0.25, 0≤e2≤0.7, a2+b2+d2+e2=1, 0≤x2≤1, a1=a2 또한 b1=b2 또한 d1=d2 또한 e1=e2는 제외한다)로 나타내어지는 제 2층이 합계로 10층 이상 반복해서 교대로 적층된 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 3 항에 있어서,
상기 제 2층의 조성에 있어서 M은 Cr이고, a2=0, 0.3≤b2≤0.9, d2=0, 0.1≤e2≤0.7, 0≤x2≤1이며, 상기 제 2층이 Al_b2Cr_e2(C₁ _-x2N_x2)로 나타내어지는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.