KR20140015132A - 내칩핑성이 우수한 표면 피복 절삭 공구 - Google Patents
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Abstract
고속 단속 절삭 가공에 있어서, 경질 피복층이 우수한 내칩핑성을 발휘하는 표면 피복 절삭 공구를 제공한다. WC 기 초경 합금 또는 TiCN 기 서멧로 구성된 공구 기체 표면에, 하부층 (Ti 화합물층) 과 상부층 (Al2O3 층) 으로 이루어지는 경질 피복층이 증착 형성된 표면 피복 절삭 공구에 있어서, 상기 하부층과 상기 상부층의 인접 계면에 존재하는 상기 Ti 화합물층측의 결정립의 수 a 와 상기 Al2O3 층측의 결정립의 수 b 의 비율 b/a 는 4 < b/a < 20 이고, 또한, 상기 Al2O3 층 바로 아래의 Ti 화합물층의 결정립의 평균 입자경은 0.5 ㎛ 이하이다.
Description
본 발명은, 예를 들어 강이나 주철 등의 피삭재를, 고열 발생을 수반하고, 또한 특히 절단날에 단속적인 부하를 가하는 고속 단속 절삭 조건하에서 절삭 가공한 경우에도, 경질 피복층이 우수한 층간 밀착 강도를 갖기 때문에, 절단날에 칩핑 (미소 결함) 의 발생이 없고, 장기의 사용에 걸쳐 우수한 절삭 성능을 발휘하는 표면 피복 절삭 공구 (이하, 피복 공구라고 한다) 에 관한 것이다.
본원은, 2009 년 10 월 30 일에 일본에서 출원된 일본국 특허출원 2009-250199호, 2010 년 3 월 23 일에 일본에서 출원된 일본국 특허출원 2010-65527호, 2010 년 10 월 6 일에 일본에서 출원된 일본국 특허출원 2010-226353호, 및 2010 년 10 월 6 일에 일본에서 출원된 일본국 특허출원 2010-226354호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
종래, 탄화텅스텐기 초경 합금제 기체 (基體) (이하, 초경 기체라고 한다) 또는 TiCN 기 서멧 기체 (이하, 서멧 기체라고 한다. 또, 초경 기체와 서멧 기체를 총칭하여 공구 기체라고 한다) 의 표면에, 이하의 하부층 (a), 상부층 (b) 로 이루어지는 경질 피복층을 증착 형성한 피복 공구가 널리 알려져 있다 (예를 들어, 특허문헌 1).
(a) 하부층 : 3~20 ㎛ 의 전체 평균 층두께를 갖는 TiC 층, TiN 층, TiCN 층, TiCO 층 및 TiCNO 층 중의 1 층 또는 2 층 이상으로 이루어지는 Ti 화합물층.
(b) 상부층 : 1~15 ㎛ 의 평균 층두께를 갖고, 화학 증착 형성된 상태에서 α 형의 결정 구조를 갖는 산화알루미늄 (이하, Al2O3 으로 나타낸다) 층.
이 피복 공구는, 강이나 주철 등의 절삭 가공에 있어서, 우수한 내마모성을 발휘하는 것이 알려져 있다.
또, 피복 공구의 내결손성, 내충격성, 내마모성 등을 향상시키기 위해, 경질 피복층의 하부층을 구성하는 TiCN 층의 입자폭을 0.01~0.5 ㎛ 로 한 피복 공구도 알려져 있다 (예를 들어, 특허문헌 2).
최근의 절삭 가공의 생력화 및 에너지 절약화에 대한 요구는 강하고, 이것에 따라, 절삭 가공은 점점 고속화, 고효율화의 경향이 있고, 그 반면, 공구 수명의 연명화를 도모한다는 점에서 경질 피복층의 후막화도 요구되고 있는데, 하부층으로서 Ti 화합물층, 상부층으로서 Al2O3 층으로 이루어지는 경질 피복층을 형성한 종래 피복 공구를 사용하여 강이나 주철의 고속 단속 절삭 가공을 실시하면, 경질 피복층에 미소 칩핑, 층간 박리 등을 발생시키고, 이것을 원인으로 하여, 비교적 단시간에 사용 수명에 도달하는 것이 현재의 상황이다.
그래서, 본 발명자들은, 피복 공구의 내칩핑성, 내박리성을 개선하기 위해, 경질 피복층의 층 구조에 관해서 예의 연구를 실시한 결과, 다음과 같은 지견을 얻었다.
피복 공구의 경질 피복층 중, TiC 층, TiN 층, TiCN 층, TiCO 층 및 TiCNO 층 중의 1 층 또는 2 층 이상으로 형성되는 Ti 화합물층으로 이루어지는 하부층은, 그것 자신이 구비하는 우수한 고온 강도에 따라 경질 피복층의 고온 강도 향상에 기여하고, 또한, Al2O3 층으로 이루어지는 상부층은, 내산화성과 열적 안정성이 우수하고, 또한 고경도를 갖는데, 고열 발생을 수반하고, 절단날에 고부하가, 특히 단속적으로 작용하는 고속 단속 절삭에서는, 하부층-상부층 사이의 밀착 강도가 충분하지 않으므로, 이것이 미소 칩핑, 층간 박리 발생의 요인이 된다.
그래서, 하부층-상부층의 계면 밀착 강도를 높이기 위해, 양 층의 밀착 계면 영역의 개질에 관해서, 수많은 실험을 거듭한 결과, 하부층과 상부층이 인접하는 계면의 결정립 구조를 개선함으로써, 하부층과 상부층의 계면 밀착 강도가 높아지는 것을 알아냈다.
구체적으로는, Al2O3 층 바로 아래의 Ti 화합물층의 결정립의 평균 입자경을 0.5 ㎛ 이하로 함과 함께, 하부층과 상부층이 인접하는 계면에 존재하는 하부층측의 결정립 (Ti 화합물) 의 수 a1 과 상부층측의 결정립 (Al2O3) 의 수 b1 의 비율 b1/a1 이, 4 < b1/a1 < 20 을 만족하도록 하부층 및 상부층을 증착 형성하면, 하부층과 상부층의 계면에 발생하는 변형이 완화됨으로써, 하부층-상부층 계면의 층간 밀착성이 높아진다.
또, 하부층-상부층의 계면 밀착 강도를 높이기 위해, 양 층의 밀착 계면 영역의 개질에 관해서, 더욱 수많은 실험을 거듭한 결과, 공구 영역을 절단날부 (1), 플랭크면부 (2) 및 레이크면부 (3) 로 이루어지는 3 영역으로 나누었을 때, 그 영역마다 하부층과 상부층이 인접하는 계면의 결정립 구조를 개선함으로써, 하부층과 상부층의 계면 밀착 강도가 높아지는 것을 알아냈다.
구체적으로는, 절단날부 (1) 에 있어서는, Al2O3 층 바로 아래의 제 2 하부층을 구성하는 Ti 화합물층의 평균 입자경을 0.1 ㎛ 이하로 함과 함께, 제 2 하부층과 제 2 상부층이 인접하는 계면에 존재하는 하부층측의 결정립 (Ti 화합물) 의 수 a2 와 상부층측의 결정립 (Al2O3) 의 수 b2 의 비율 b2/a2 가, 0.8 < b2/a2 < 1.2 를 만족하도록 제 2 하부층 및 제 2 상부층을 증착 형성함과 함께, 플랭크면부 (2) 및 레이크면부 (3) 에 있어서는, Al2O3 층 바로 아래의 제 1 하부층을 구성하는 Ti 화합물층의 평균 입자경을 0.1~0.5 ㎛ 로 함과 함께, 하부층과 상부층이 인접하는 계면에 존재하는 제 1 하부층측의 결정립 (Ti 화합물) 의 수 a1 과 상부층측의 결정립 (Al2O3) 의 수 b1 의 비율 b1/a1 이, 4 < b1/a1 < 20 을 만족하도록 하부층 및 상부층을 증착 형성함으로써, 공구 영역 전체에 걸쳐 하부층과 상부층의 계면에 발생하는 변형이 완화됨으로써, 하부층-상부층 계면의 층간 밀착성이 높아진다.
그리고, 그들의 결과로서, 고열 발생을 수반하고, 또한 특히 절단날에 고부하가 단속적으로 작용하는 고속 단속 절삭 가공에 있어서도, 칩핑, 박리의 발생이 없고, 장기의 사용에 걸쳐 우수한 내마모성을 발휘할 수 있는 것을 알아냈다.
본 발명의 일 양태는, 탄화텅스텐기 초경 합금 또는 탄질화티탄기 서멧로 구성된 공구 기체와, 상기 공구 기체 표면의 적어도 일부에 증착된 제 1 경질 피복층을 구비하고, 상기 제 1 경질 피복층은, 상기 공구 기체 표면에 증착된 제 1 하부층과, 상기 제 1 하부층 표면에 증착된 제 1 상부층을 구비하고, 상기 제 1 하부층은, Ti 탄화물층, Ti 질화물층, Ti 탄질화물층, Ti 탄산화물층 및 Ti 탄질산화물층 중의 1 층 또는 2 층 이상의 Ti 화합물층을 포함하고, 상기 제 1 상부층은, Al2O3 층을 포함하고, 상기 제 1 하부층과 상기 제 1 상부층이 인접하는 계면에 존재하는 상기 Ti 화합물층측의 결정립의 수 a 와 상기 Al2O3 층측의 결정립의 수 b 의 비율 b/a 가 4 < b/a < 20 을 만족하고, 상기 Al2O3 층 바로 아래의 Ti 화합물층의 결정립의 평균 입자경이 0.5 ㎛ 이하인 표면 피복 절삭 공구이다.
본 발명의 표면 피복 절삭 공구에 있어서는, 공구 영역을 절단날부 (1), 플랭크면부 (2), 및 레이크면부 (3) 로 이루어지는 3 영역으로 나누었을 때, 상기 공구 기체의 절단날부 (1) 표면에 증착된 제 2 경질 피복층을 추가로 구비하고, 상기 제 2 경질 피복층은, 상기 공구 기체의 절단날부 (1) 표면에 증착된 제 2 하부층과, 상기 제 2 하부층 표면에 증착된 제 2 상부층을 구비하고, 상기 제 2 하부층은, Ti 탄화물층, Ti 질화물층, Ti 탄질화물층, Ti 탄산화물층 및 Ti 탄질산화물층 중의 1 층 또는 2 층 이상을 포함하고, 상기 제 2 상부층은, α 형의 결정 구조를 갖는 Al2O3 층을 포함하고, 상기 제 2 하부층과 상기 제 2 상부층이 인접하는 계면에 존재하는 상기 Ti 화합물층측의 결정립의 수 a2 와 상기 Al2O3 층측의 결정립의 수 b2 의 비율 b2/a2 가 0.8 < b2/a2 < 1.2 를 만족하고, 상기 제 1 상부층에 포함되는 Al2O3 층 바로 아래의 상기 제 2 하부층에 포함되는 Ti 화합물층의 결정립의 평균 입자경이 0.1 ㎛ 이하이고, 상기 제 1 경질 피복층이, 상기 공구 기체의 플랭크면부 (2) 및 레이크면부 (3) 를 피복해도 된다.
상기 제 1 하부층의 전체 평균 층두께는 3~20 ㎛ 이어도 되고, 상기 제 1 상부층의 평균 층두께가 1~15 ㎛ 이어도 된다.
상기 제 2 하부층의 전체 평균 층두께는 3~20 ㎛ 이어도 되고, 상기 제 2 상부층의 평균 층두께가 1~15 ㎛ 이어도 된다.
상기 제 1 하부층에 포함되는 상기 Al2O3 층 바로 아래의 Ti 화합물층의 결정립의 평균 입자경은 0.1~0.5 ㎛ 이어도 된다.
이하에, 본 발명의 제 1 경질 피복층에 포함되는 제 1 하부층 및 제 1 상부층에 대하여 상세하게 설명한다.
(a) 제 1 하부층 (Ti 화합물층)
제 1 하부층은, Ti 탄화물 (TiC) 층, Ti 질화물 (TiN) 층, Ti 탄질화물 (TiCN) 층, Ti 탄산화물 (TiCO) 층 및 Ti 탄질산화물 (TiCNO) 층 중의 1 층 또는 2 층 이상을 포함하는 Ti 화합물층이다. 제 1 하부층은, 제 1 경질 피복층의 하부층으로서 존재하고, 자신이 구비하는 우수한 고온 강도에 따라 경질 피복층의 고온 강도 향상에 기여한다. 제 1 하부층의 합계 평균 층두께가 3 ㎛ 미만이었던 경우, 상기 작용을 충분히 발휘시킬 수 없다. 한편, 그 합계 평균 층두께가 20 ㎛ 를 초과한 경우, 특히 고열 발생을 수반하는 고속 단속 절삭에 있어서 열소성 변형을 일으키기 쉬워져, 편마모의 원인이 된다. 따라서, 그 평균 층두께를 3~20 ㎛ 로 정하였다. 제 1 하부층의 보다 바람직한 평균 층두께는 5~15 ㎛ 이다. 제 1 하부층의 더욱 더 바람직한 평균 층두께는 7~10 ㎛ 이다.
제 1 하부층에 관해서는, 상부층 (Al2O3 층) 바로 아래의 Ti 화합물층의 결정립의 평균 입자경이 0.5 ㎛ 를 초과한 경우, 상부층 (Al2O3 층) 과 상부층 (Al2O3 층) 바로 아래의 Ti 화합물층의 층간 밀착성이 저하된다. 그 결과, 표면 피복 공구의 내칩핑성이 열화된다. 이상으로부터, 상부층 (Al2O3 층) 바로 아래의 Ti 화합물층의 결정립의 평균 입자경은 0.5 ㎛ 이하로 정하였다. 상부층 (Al2O3 층) 바로 아래의 Ti 화합물층의 결정립의 보다 바람직한 평균 입자경은 0.3 ㎛ 이하이다.
평균 입자경이란, 투과형 전자 현미경의 단면 관찰에 의해 초경 기체 표면과 평행한 방향에 50 ㎛ 에 걸쳐 선을 긋고, Al2O3 층 바로 아래의 Ti 화합물층의 결정립의 결정립계와의 교점을 세어, 그들 선분 길이의 평균으로부터 입경을 구한 것이다.
(b) 제 1 상부층 (Al2O3 층)
제 1 상부층은, 상기 제 1 하부층 표면 상에 증착되는 Al2O3 층이다. 제 1 상부층은, 고온 경도 및 내열성이 우수하고, 고열 발생을 수반하는 고속 단속 절삭 가공에 있어서, 기본적인 역할로서 내마모성을 유지하는 데에 기여한다.
Ti 화합물층을 포함하는 제 1 하부층 표면에, 예를 들어 이하의 순서로 Al2O3 증착 전처리를 실시하고, 이어서, 통상 조건에서 Al2O3 층을 성막함으로써, 본 발명의 일 양태에서 규정하는 조건을 만족하는 Al2O3 층을 형성할 수 있다.
Al2O3 증착 전처리는 이하의 제 1 단계~제 4 단계로 이루어진다.
≪제 1 단계≫
반응 가스 (용량%) : AlCl3 0.5~2 %, 잔부 Ar,
분위기 압력 : 30~100 Torr,
처리 온도 : 750~1000 ℃,
처리 시간 : 1~3 min.
의 조건에서 제 1 하부층의 표면 개질을 실시한다.
≪제 2 단계≫
분위기 압력 : 30~100 Torr,
분위기 온도 : 750~1000 ℃
로 유지한 상태에서, 1~3 분간, Ar 가스에 의해 노내 가스를 퍼지한다.
≪제 3 단계≫
반응 가스 (용량%) : CO2 1~10 %, 잔부 Ar,
분위기 압력 : 30~100 Torr,
처리 온도 : 750~1000 ℃,
처리 시간 : 5~20 min.
의 조건 (단, 시간의 경과와 함께, 반응 가스 중의 CO2 의 함유 비율을 서서히 감소시킨다) 에서 산화 처리를 실시한다.
≪제 4 단계≫
분위기 압력 : 30~100 Torr,
분위기 온도 : 750~1000 ℃
로 유지한 상태에서, 1~3 분간, Ar 가스에 의해 노내 가스를 퍼지한다.
상기 4 개의 단계로 이루어지는 Al2O3 증착 전처리를 실시한 후, 통상의 성막법으로 Al2O3 층을 성막함으로써, 본 발명의 일 양태에서 규정하는 조건을 만족하는 Al2O3 층이 제 1 하부층 표면에 증착된다. 그 결과, 공구 기체 표면에 수직 방향인 단면에 있어서의 하부층 (Ti 화합물층) 과 상부층 (Al2O3 층) 이 인접하는 계면에 존재하는 제 1 하부층측의 Ti 화합물 결정립의 수 a1 과 제 1 상부층측의 Al2O3 결정립의 수 b1 의 비율 b1/a1 을 구한 경우, b1/a1 이 4 이상이고 20 이하가 되는 계면 형태를 구비한 제 1 상부층을 증착 형성할 수 있다.
제 1 하부층 (Ti 화합물층) 과 제 1 상부층 (Al2O3 층) 이 인접하는 계면에 존재하는 하부층측의 Ti 화합물 결정립의 수 a1 과 상부층측의 Al2O3 결정립의 수 b1 의 측정은, 하부층-상부층과의 계면 10 지점에 관해서, 투과형 전자 현미경을 사용하여, 50000 배의 암시야 관찰에 의한 단면 측정을 실시하고, 초경 기체 표면에 평행한 직선 거리를 측정폭 25 ㎛ 로 하고, 그 범위에 존재하는 Al2O3 입자와 계면을 갖고 있는 Ti 화합물 입자의 수 및 Ti 화합물 입자와 계면을 갖고 있는 Al2O3 입자의 수의 각각을 카운트함으로써 구할 수 있다.
상기 a1, b1 의 비의 값 b1/a1 에 관해서, b1/a1 이 4 이하인 경우에는, 제 1 하부층-제 1 상부층 계면에서의 미스핏을 충분히 완화시킬 수 없게 된다. 한편, b1/a1 이 20 을 초과하면, Al2O3 내의 입자간 변형이 증대하여, 우수한 층간 밀착성을 발휘할 수 없게 된다. 이상으로부터, b1/a1 은 4 < b1/a1 < 20 으로 정하였다.
이러한 계면 형태를 구비한 제 1 상부층 및 제 1 하부층을 포함하는 본 발명의 제 1 경질 피복층은, 계면 변형이 완화됨으로써, 우수한 층간 밀착성을 갖게 된다. 그 결과, 본 발명의 일 양태의 표면 피복 절삭 공구에서는, 고속 단속 절삭 가공에 있어서의 미소 칩핑의 발생, 박리의 발생이 억제된다.
제 1 상부층의 평균 층두께가 1 ㎛ 미만인 경우, 장기의 사용에 걸쳐 내마모성을 충분히 발휘할 수 없어, 공구 수명의 단명화를 초래한다. 한편, 제 1 상부층의 평균 층두께가 15 ㎛ 를 초과하면, 절단날부 (1) 에 칩핑, 결손, 박리 등이 발생하기 쉬워진다. 이상으로부터, 제 1 상부층의 평균 층두께는 1~15 ㎛ 로 정하였다. 제 1 상부층의 보다 바람직한 평균 층두께는 3~12 ㎛ 이다. 제 1 상부층의 더욱 더 바람직한 평균 층두께는 5~10 ㎛ 이다.
이하에, 본 발명의 제 2 경질 피복층에 포함되는 제 2 하부층 및 제 2 상부층에 관해서 상세하게 설명한다.
(a) 제 2 하부층 (Ti 화합물층)
제 2 하부층은, Ti 의 탄화물 (TiC) 층, Ti 질화물 (TiN) 층, Ti 탄질화물 (TiCN) 층, Ti 탄산화물 (TiCO) 층 및 Ti 탄질산화물 (TiCNO) 층 중의 1 층 또는 2 층 이상을 포함하는 Ti 화합물층이다. 제 2 하부층은, 제 2 경질 피복층의 하부층으로서 존재하고, 자신이 구비하는 우수한 고온 강도에 따라 경질 피복층의 고온 강도 향상에 기여한다. 제 2 하부층의 합계 평균 층두께가 3 ㎛ 미만이었던 경우, 상기 작용을 충분히 발휘시킬 수 없다. 한편, 그 합계 평균 층두께가 20 ㎛ 를 초과한 경우, 특히 고열 발생을 수반하고, 절단날에 고부하가 단속적으로 작용하는 고속 단속 절삭에 있어서, 열소성 변형을 일으키기 쉬워져, 편마모의 원인이 된다. 따라서, 그 평균 층두께를 3~20 ㎛ 로 정하였다. 제 2 하부층의 보다 바람직한 평균 층두께는 5~15 ㎛ 이다. 제 2 하부층의 더욱 더 바람직한 평균 층두께는 7~10 ㎛ 이다.
제 2 경질 피복층을 구비하는 절단날부 (1) 에 있어서는, Al2O3 층 바로 아래의 Ti 화합물층의 평균 입자경이 0.1 ㎛ 를 초과하면, 상부층 (Al2O3 층) 과 상부층 (Al2O3 층) 바로 아래의 Ti 화합물층의 층간 밀착성이 저하되고, 내칩핑성이 열화된다. 이상으로부터, 제 2 경질 피복층에 있어서는, Al2O3 층 바로 아래의 Ti 화합물층의 평균 입자경은 0.1 ㎛ 이하로 정하였다. 이러한 절단날부에 대하여, 상기 제 1 경질 피복층을 플랭크면부 (2) 및 레이크면부 (3) 에 피복해도 되는데, 그 경우, 플랭크면부 (2) 및 레이크면부 (3) 에 있어서는, Al2O3 층 바로 아래의 Ti 화합물층의 평균 입자경이 0.5 ㎛ 를 초과하면, 상부층 (Al2O3 층) 과 상부층 (Al2O3 층) 바로 아래의 Ti 화합물층의 층간 밀착성이 저하되고, 내칩핑성이 열화된다. 한편, Al2O3 층 바로 아래의 Ti 화합물층의 평균 입자경이 0.1 ㎛ 보다 작으면 결정립이 조대해져 고온 강도가 저하되고, 내결손성, 내충격성, 내마모성이 저하되므로, Al2O3 층 바로 아래의 Ti 화합물층의 평균 입자경은 0.1~0.5 ㎛ 인 것이 바람직하다.
여기서, 절단날부 (1) 및 플랭크면부 (2), 레이크면부 (3) 를 상기 범위 내로 하기 위해, 공구 기체에, 절단날부 (1) 이외를 경질 우레탄 고무 등으로 커버하여 절단날부 (1) 만을 웨트 블라스트 처리를 실시하고, 공구 기체에 있어서의 절단날부 (1) 의 표면 조도를 Ra : 0.2 ㎛ 이하로 하였다. 웨트 블라스트 처리의 가공 조건은, 분사 연마제로서, 물과의 합량 (合量) 에 차지하는 비율로 15~60 질량% 의 산화알루미늄 미립을 배합한 연마액을 분사한다.
(b) 제 2 상부층 (Al2O3 층)
제 2 상부층은, 상기 제 2 하부층 표면 상에 증착되는 Al2O3 층이다. 제 2 상부층은, 고온 경도 및 내열성이 우수하고, 고열 발생을 수반하고, 절단날에 고부하가 단속적으로 작용하는 고속 절삭 가공에 있어서, 기본적인 역할로서 내마모성을 유지하는 데에 기여한다.
Ti 화합물층을 포함하는 제 2 하부층 표면에, 예를 들어 이하의 순서로 Al2O3 증착 전처리를 실시하고, 이어서, 통상 조건에서 Al2O3 층을 성막함으로써, 본 발명의 다른 양태에서 규정하는 조건을 만족하는 Al2O3 층을 형성할 수 있다.
Al2O3 증착 전처리는, 이하의 제 1 단계~4 단계로 이루어진다.
≪제 1 단계≫
반응 가스 (용량%) : AlCl3 0.5~2 %, 잔부 Ar,
분위기 압력 : 30~100 Torr,
처리 온도 : 750~1000 ℃,
처리 시간 : 1~3 min.
의 조건에서 제 2 하부층의 표면 개질을 실시한다.
≪제 2 단계≫
분위기 압력 : 30~100 Torr,
분위기 온도 : 750~1000 ℃
로 유지한 상태에서, 1~3 분간, Ar 가스에 의해 노내 가스를 퍼지한다.
≪제 3 단계≫
반응 가스 (용량%) : CO2 1~10 %, 잔부 Ar,
분위기 압력 : 30~100 Torr,
처리 온도 : 750~1000 ℃,
처리 시간 : 5~20 min
의 조건 (단, 시간의 경과와 함께, 반응 가스 중의 CO2 의 함유 비율을 서서히 감소시킨다) 에서 산화 처리를 실시한다.
≪제 4 단계≫
분위기 압력 : 30~100 Torr,
분위기 온도 : 750~1000 ℃
로 유지한 상태에서, 1~3 분간, Ar 가스에 의해 노내 가스를 퍼지한다.
상기 4 개의 단계로 이루어지는 Al2O3 증착 전처리를 실시한 후, 통상의 성막법으로 Al2O3 층을 성막함으로써, 본 발명의 다른 양태에서 규정하는 조건을 만족하는 Al2O3 층이 제 2 하부층 표면 상에 증착된다. 그 결과, 절단날부 (1) 에 있어서, 공구 기체 표면에 수직 방향인 단면에 있어서의 하부층 (Ti 화합물층) 과 상부층 (Al2O3 층) 이 인접하는 계면에 존재하는 제 2 하부층측의 Ti 화합물 결정립의 수 a2 와 제 2 상부층측의 Al2O3 결정립의 수 b2 의 비율 b2/a2 를 구한 경우, b2/a2 가 0.8 이상이고 1.2 이하가 되는 계면 형태를 구비한 제 2 상부층을 증착 형성할 수 있다.
상기 a2, b2 의 비의 값 b2/a2 에 관해서, b2/a2 가 0.8 이하인 경우에는, 절단날부 (1) 의 하부층-상부층 계면에서의 미스핏을 충분히 완화시킬 수 없게 된다. 한편, b2/a2 가 1.2 를 초과하면, Al2O3 내의 입자간 변형이 증대하여, 우수한 층간 밀착성을 발휘할 수 없게 된다. 이상으로부터 b2/a2 는 0.8 < b2/a2 < 1.2 로 정하였다.
여기서, 제 2 하부층 (Ti 화합물층) 과 제 2 상부층 (Al2O3 층) 이 인접하는 계면에 존재하는 하부층측의 Ti 화합물 결정립의 수 a2 및 상부층측의 Al2O3 결정립의 수 b2 의 측정은, 하부층-상부층과의 계면 10 지점에 관해서, 투과형 전자 현미경을 사용하여, 50000 배의 암시야 관찰에 의한 단면 측정을 실시하고, 초경 기체 표면에 평행한 직선 거리를 측정폭 25 ㎛ 로 하고, 그 범위에 존재하는 Al2O3 입자와 계면을 갖고 있는 Ti 화합물 입자의 수 및 Ti 화합물 입자와 계면을 갖고 있는 Al2O3 입자의 수의 각각을 카운트함으로써 구할 수 있다.
이러한 계면 형태를 구비한 제 2 상부층과 제 2 하부층으로 이루어지는 본 발명의 제 2 경질 피복층은, 계면 변형이 완화됨으로써, 우수한 층간 밀착성을 갖게 된다. 그 결과, 본 발명의 다른 양태의 표면 피복 절삭 공구에서는, 고속 단속 절삭 가공에 있어서의 미소 칩핑의 발생, 박리의 발생이 억제된다.
제 2 상부층의 평균 층두께가 1 ㎛ 미만인 경우, 장기의 사용에 걸쳐 내마모성을 충분히 발휘할 수 없어, 공구 수명의 단명화를 초래한다. 한편, 제 2 상부층의 평균 층두께가 15 ㎛ 를 초과하면, 절단날부 (1) 에 칩핑, 결손, 박리 등이 발생하기 쉬워진다. 이상으로부터, 제 2 상부층의 평균 층두께는 1~15 ㎛ 로 정하였다. 제 2 상부층의 보다 바람직한 평균 층두께는 3~12 ㎛ 이다. 제 2 상부층의 더욱 더 바람직한 평균 층두께는 5~10 ㎛ 이다.
본 발명의 일 양태의 피복 공구는, 경질 피복층으로서, Ti 화합물층을 포함하는 제 1 하부층과 Al2O3 층을 포함하는 제 1 상부층을 증착 형성한 것이다. 제 1 하부층과 제 1 상부층의 인접 계면에 존재하는 하부층측의 Ti 화합물 결정립의 수 a1 과, 상부층측의 Al2O3 결정립의 수 b1 의 비율인 b1/a1 이 4 < b1/a1 < 20 을 만족하도록 계면 구조는 구성된다. 또한, 제 1 상부층 (Al2O3 층) 바로 아래의 Ti 화합물층의 결정립의 평균 입자경을 0.5 ㎛ 이하로 하고 있다.
이상의 구성을 가짐으로써, 제 1 하부층과 제 1 상부층 사이의 층간 밀착성이 특히 높아진다. 그 결과, 고열 발생을 수반하고, 절단날에 고부하가 작용하는 고속 단속 절삭 가공, 예를 들어 강이나 주철 등에 대한 고속 단속 절삭 가공 에 사용한 경우에도, 경질 피복층이 우수한 층간 밀착 강도를 갖기 때문에, 절단날에 있어서의 미소 칩핑, 박리 등의 발생이 저감된다. 이렇게 해서, 본 발명의 제 1 양태의 피복 공구는, 장기의 사용에 걸쳐 우수한 내마모성을 발휘한다.
본 발명의 다른 양태의 피복 공구는, 상기 제 1 경질 피복층에 더하여, 추가로 제 2 경질 피복층으로서, Ti 화합물층을 포함하는 제 2 하부층과 Al2O3 층을 포함하는 제 2 상부층을 공구 기체에 증착 형성한 것이다.
절단날부 (1) 에 있어서는, 제 2 하부층과 제 2 상부층의 인접 계면에 존재하는 하부층측의 Ti 화합물 결정립의 수 a2 와 상부층측의 Al2O3 결정립의 수 b2 의 비율인 b2/a2 가 0.8 < b2/a2 < 1.2 를 만족하도록 계면 구조는 구성된다. 또한, Al2O3 층 바로 아래의 Ti 화합물층의 결정립의 평균 입자경을 0.1 ㎛ 이하로 한다.
플랭크면부 (2) 및 레이크면부 (3) 에 있어서는, 제 1 하부층과 제 1 상부층의 인접 계면에 존재하는 하부층측의 Ti 화합물 결정립의 수 a1 과 상부층측의 Al2O3 결정립의 수 b1 의 비율인 b1/a1 이 4 < b1/a1 < 20 을 만족하도록 계면 구조는 구성된다. 또한, Al2O3 층 바로 아래의 Ti 화합물층의 결정립의 평균 입자경을 0.1~0.5 ㎛ 로 하고 있다.
이상의 구성을 가짐으로써, 제 1 하부층과 제 1 상부층 사이의 층간 밀착성이 특히 높아진다. 그 결과, 고열 발생을 수반하고, 절단날부 (1) 에 고부하가 단속적으로 작용하는 고속 단속 절삭 가공, 예를 들어 강이나 주철 등에 대한 고속 단속 절삭 가공에 사용한 경우에도, 경질 피복층이 우수한 층간 밀착 강도를 갖기 때문에, 절단날부 (1) 에 있어서의 미소 칩핑, 박리 등의 발생이 저감된다. 이렇게 해서, 본 발명의 제 2 양태의 피복 공구는, 장기의 사용에 걸쳐 우수한 내마모성을 발휘할 수 있다.
도 1 은 절삭 공구를 절단날의 능선에 대하여 직각으로 자른 경우의 단면도 그리고 절삭 공구 표면에서의 플랭크면, 절단날부 (1), 및 레이크면에 대응하는 영역을 나타낸다.
도 2 는 본 발명 피복 공구 (A6) 의 제 1 하부층과 제 1 상부층의 계면의 투과형 전자 현미경 사진으로부터 작성한 계면 구조 모식도와 a1, b1, b1/a1 의 값을 나타낸다.
도 3 은 종래 피복 공구 (A8) 의 제 1 하부층과 제 1 상부층의 계면의 투과형 전자 현미경 사진으로부터 작성한 계면 구조 모식도와 a1, b1, b1/a1 의 값을 나타낸다.
도 4 는 본 발명 피복 공구 (B1) 의 절단날부 (1) 에 있어서의 제 2 하부층과 제 2 상부층의 계면의 투과형 전자 현미경 사진으로부터 작성한 계면 구조 모식도를 나타낸다.
도 5 는 본 발명 피복 공구 (B1) 의 플랭크면부 (2) 에 있어서의 제 1 하부층과 제 1 상부층의 계면의 투과형 전자 현미경 사진으로부터 작성한 계면 구조 모식도를 나타낸다.
도 6 은 종래 피복 공구 (B1) 의 절단날부 (1) 에 있어서의 제 2 하부층과 제 2 상부층의 계면의 투과형 전자 현미경 사진으로부터 작성한 계면 구조 모식도를 나타낸다.
도 7 은 종래 피복 공구 (B1) 의 플랭크면부 (2) 에 있어서의 제 1 하부층과 제 1 상부층의 계면의 투과형 전자 현미경 사진으로부터 작성한 계면 구조 모식도를 나타낸다.
도 2 는 본 발명 피복 공구 (A6) 의 제 1 하부층과 제 1 상부층의 계면의 투과형 전자 현미경 사진으로부터 작성한 계면 구조 모식도와 a1, b1, b1/a1 의 값을 나타낸다.
도 3 은 종래 피복 공구 (A8) 의 제 1 하부층과 제 1 상부층의 계면의 투과형 전자 현미경 사진으로부터 작성한 계면 구조 모식도와 a1, b1, b1/a1 의 값을 나타낸다.
도 4 는 본 발명 피복 공구 (B1) 의 절단날부 (1) 에 있어서의 제 2 하부층과 제 2 상부층의 계면의 투과형 전자 현미경 사진으로부터 작성한 계면 구조 모식도를 나타낸다.
도 5 는 본 발명 피복 공구 (B1) 의 플랭크면부 (2) 에 있어서의 제 1 하부층과 제 1 상부층의 계면의 투과형 전자 현미경 사진으로부터 작성한 계면 구조 모식도를 나타낸다.
도 6 은 종래 피복 공구 (B1) 의 절단날부 (1) 에 있어서의 제 2 하부층과 제 2 상부층의 계면의 투과형 전자 현미경 사진으로부터 작성한 계면 구조 모식도를 나타낸다.
도 7 은 종래 피복 공구 (B1) 의 플랭크면부 (2) 에 있어서의 제 1 하부층과 제 1 상부층의 계면의 투과형 전자 현미경 사진으로부터 작성한 계면 구조 모식도를 나타낸다.
다음으로, 본 발명의 피복 공구를 실시예 1 및 실시예 2 에 의해 구체적으로 설명한다.
실시예 1
WC 기 초경 합금제의 절삭 공구 기체의 원료 분말로서, 모두 2~4 ㎛ 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 1 에 나타내는 배합 조성으로 배합하였다. 다음으로, 왁스를 첨가하여 아세톤 중에서 24 시간 볼밀 혼합하고, 감압 건조시킨 후, 98 MPa 의 압력으로 소정 형상의 압분체로 프레스 성형하였다. 다음으로, 이 압분체를 5 Pa 의 진공 중에서, 1370~1470 ℃ 의 범위 내의 소정의 온도에서 1 시간 유지하는 조건으로 진공 소결하였다. 소결 후, 절단날부에 R : 0.07 ㎜ 의 호닝 가공을 실시함으로써, ISO·CNMG160412 에서 규정되는 스로어웨이 팁 형상을 갖는 WC 기 초경 합금제의 공구 기체 (1A~1F) 를 각각 제조하였다.
TiCN 기 서멧제의 절삭 공구 기체의 원료 분말로서, 모두 0.5~2 ㎛ 의 평균 입경을 갖는 TiCN (질량비로 TiC/TiN=50/50) 분말, Mo2C 분말, ZrC 분말, NbC 분말, TaC 분말, WC 분말, Co 분말, 및 Ni 분말을 사용하였다. 다음으로, 이들 원료 분말을, 표 2 에 나타내는 배합 조성으로 배합하고, 볼밀로 24 시간 습식 혼합하고, 건조시킨 후, 98 MPa 의 압력으로 압분체로 프레스 성형하였다. 다음으로, 이 압분체를 1.3 kPa 의 질소 분위기 중에서, 온도가 1540 ℃ 인 조건에서 1 시간 유지하여 소결하였다. 소결 후, 절단날부에 R : 0.07 ㎜ 의 호닝 가공을 실시함으로써, ISO·CNMG160412 에서 규정되는 팁 형상을 갖는 TiCN 기 서멧제의 공구 기체 (1a~1f) 를 형성하였다.
다음으로, 이들 공구 기체 (1A~1F) 및 공구 기체 (1a~1f) 의 각각을, 통상의 화학 증착 장치에 장입하고, 표 3 (표 3 중의 l-TiCN 은 일본 공개특허공보 평6-8010호에 기재되는 세로로 긴 성장 결정 조직을 갖는 TiCN 층의 형성 조건을 나타내는 것이고, 이것 이외에는 통상의 입상 결정 조직의 형성 조건을 나타내는 것이다) 에 나타내는 조건에서, 표 6 에 나타내는 조합 및 목표 층두께로 Ti 화합물층을 제 1 경질 피복층의 제 1 하부층으로서 증착 형성하였다.
다음으로, 표 4 에 나타내는 조건에서, 제 1 하부층의 표면에 Al2O3 증착 전처리를 실시하였다.
다음으로, 표 3 에 나타내는 조건에서, 표 5 에 나타내는 조합 및 목표 층두께로, Al2O3 층을 제 1 상부층으로서 증착 형성하고, 본 발명 피복 공구 (A1~A13) 를 각각 제조하였다.
비교 목적으로, 하부층의 표면에 Al2O3 증착 전처리를 실시하지 않은 것 이외에는, 본 발명 피복 공구 (A1~A13) 와 완전히 동일하게 하여, 제 1 하부층 (Ti 화합물층) 및 제 1 상부층 (Al2O3 층) 을 증착 형성함으로써, 표 6 에 나타내는 종래 피복 공구 (A1~A13) 를 각각 제조하였다.
다음으로, 상기 본 발명 피복 공구 (A1~A13) 와 종래 피복 공구 (A1~A13) 의 제 1 경질 피복층의 하부층과 상부층의 계면 근방 10 지점에 관해서, 투과형 전자 현미경 (50000 배) 에 의한 암시야 관찰에 의한 단면 측정을 실시하고, 초경 기체 표면에 평행한 직선 거리를 측정폭 25 ㎛ 로 하고, 그 범위에 존재하는 Al2O3 입자와 계면을 갖고 있는 Ti 화합물 입자의 수 a1 및 Ti 화합물 입자와 계면을 갖고 있는 Al2O3 입자의 수 b1 을 카운트하였다. 이렇게 해서 얻어진 a1 및 b1 로부터 b1/a1 의 값을 구하였다.
표 5 에, 상기 측정에서 측정된 a1 및 b1, 그리고 이들로부터 얻어진 b1/a1 의 값을 나타냈다.
도 2 에는, 본 발명 피복 공구 (A6) 의 제 1 하부층과 제 1 상부층의 계면의 투과형 전자 현미경 사진으로부터 작성한 계면 구조 모식도와 a1, b1, 및 b1/a1 의 값을 나타냈다.
도 3 에는, 종래 피복 공구 (A8) 의 제 1 하부층과 제 1 상부층의 계면의 투과형 전자 현미경 사진으로부터 작성한 계면 구조 모식도와 a1, b1, 및 b1/a1 의 값을 나타냈다.
본 발명 피복 공구 (A1~A13) 및 종래 피복 공구 (A1~A13) 의 경질 피복층의 하부층의 Ti 화합물에 관해서, 투과형 전자 현미경의 단면 관찰에 의해 초경 기체 표면과 평행한 방향에 50 ㎛ 에 걸쳐 선을 긋고, 상부층 (Al2O3 층) 바로 아래의 Ti 화합물층의 결정립의 결정립계와의 교점을 세어, 그들 선분 길이의 평균으로부터 평균 입자경을 구하였다.
표 5 에 측정한 평균 입자경을 나타냈다.
또한, 본 발명 피복 공구 (A1~A13) 및 종래 피복 공구 (A1~A13) 의 경질 피복층의 각 구성층의 두께를, 주사형 전자 현미경을 사용하여 측정 (종단면 측정) 하였다. 그 결과, 경질 피복층의 각 구성층의 두께는, 모두 목표 층두께와 실질적으로 동일한 평균 층두께 (5 점 측정의 평균값) 였다.
다음으로, 상기 본 발명 피복 공구 (A1~A13) 및 종래 피복 공구 (A1~A13) 에 관해서, 이하에 나타내는 3 개의 조건에서, 탄소강의 건식 고속 단속 절삭 시험을 실시하였다. 어느 경우도, 피복 공구를 공구 강제 (鋼製) 바이트의 선단부에 고정 지그로 나사 고정한 상태에서 실시하였다.
[절삭 조건 1A]
피삭재 : JIS·SNCM420 의 길이 방향 등간격 4 개 세로 홈이 들어간 환봉,
절삭 속도 : 375 m/min.,
노치 : 2.4 ㎜,
이송 : 0.22 ㎜/rev.,
절삭 시간 : 5 분
의 조건에서, 니켈크롬몰리브덴강의 건식 고속 단속 절삭 시험 (통상의 절삭 속도는 200 m/min.) 을 실시하였다.
[절삭 조건 1B]
피삭재 : JIS·FCD500 의 길이 방향 등간격 4 개 세로 홈이 들어간 환봉,
절삭 속도 : 365 m/min.,
노치 : 2.45 ㎜,
이송 : 0.31 ㎜/rev.,
절삭 시간 : 5 분
의 조건에서, 주철의 건식 고속 단속 절삭 시험 (통상의 절삭 속도는 180 m/min.) 을 실시하였다.
[절삭 조건 1C]
피삭재 : JIS·S30C 의 길이 방향 등간격 4 개 세로 홈이 들어간 환봉,
절삭 속도 : 370 m/min.,
노치 : 1.55 ㎜,
이송 : 0.47 ㎜/rev.,
절삭 시간 : 5 분
의 조건에서, 탄소강의 건식 고속 단속 절삭 시험 (통상의 절삭 속도는 250 m/min.) 을 실시하였다.
어느 절삭 시험에서도 절단날의 플랭크면 마모폭을 측정하였다.
이 측정 결과를 표 7 에 나타냈다.
표 5 에 나타내는 결과로부터, 본 발명 피복 공구 (A1~A13) 는, 제 1 하부층과 제 1 상부층의 인접 계면에 존재하는 하부층측의 Ti 화합물 결정립의 수 a1 과 상부층측의 Al2O3 결정립의 수 b1 의 비율 b1/a1 이 4 < b1/a1 < 20 을 만족하는 계면 구조를 구성하고, 또한, 상부층 (Al2O3 층) 바로 아래의 Ti 화합물층의 결정립의 평균 입자경은 0.5 ㎛ 이하인 것으로 나타났다.
표 7 에 나타내는 결과로부터, 하부층과 상부층 사이의 층간 밀착성이 특히 높아지고, 그 결과, 고열 발생을 수반하고, 절단날에 고부하가 작용하는 고속 단속 절삭 가공에 사용한 경우에도, 경질 피복층이 우수한 층간 밀착 강도를 갖기 때문에, 절단날에 미소 칩핑, 박리 등의 발생이 없고, 장기의 사용에 걸쳐 우수한 내마모성을 본 발명 피복 절삭 공구가 발휘하는 것으로 나타났다.
표 6 및 표 7 에 나타내는 결과로부터, 경질 피복층의 하부층과 상부층 사이에 본 발명과 같은 계면 구조가 형성되어 있지 않은 종래 피복 공구 (A1~A13) 에 있어서는, 고속 단속 절삭 조건하에서는, 경질 피복층의 층간 밀착 강도가 불충분하기 때문에, 경질 피복층에 미소 칩핑, 결손, 박리 등이 발생하고, 비교적 단시간에 사용 수명에 도달하는 것으로 나타났다.
실시예 2
WC 기 초경 합금제의 절삭 공구 기체의 원료 분말로서, 모두 2~4 ㎛ 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 8 에 나타내는 배합 조성으로 배합하였다. 다음으로, 왁스를 첨가하여 아세톤 중에서 24 시간 볼밀 혼합하고, 감압 건조시킨 후, 98 MPa 의 압력으로 소정 형상의 압분체로 프레스 성형하였다. 다음으로, 이 압분체를 5 Pa 의 진공 중에서, 1370~1470 ℃ 의 범위 내의 소정의 온도에서 1 시간 유지 조건으로 진공 소결하였다. 소결 후, 절단날부 (1) 에 R : 0.07 ㎜ 의 호닝 가공을 실시함으로써, ISO·CNMG160412 에서 규정되는 스로어웨이 팁 형상을 갖는 WC 기 초경 합금제의 공구 기체 (2A~2F) 를 각각 제조하였다.
TiCN 기 서멧제의 절삭 공구 기체의 원료 분말로서, 모두 0.5~2 ㎛ 의 평균 입경을 갖는 TiCN (질량비로 TiC/TiN=50/50) 분말, Mo2C 분말, ZrC 분말, NbC 분말, TaC 분말, WC 분말, Co 분말, 및 Ni 분말을 준비하였다. 다음으로, 이들 원료 분말을, 표 9 에 나타내는 배합 조성으로 배합하고, 볼밀로 24 시간 습식 혼합하고, 건조시킨 후, 98 MPa 의 압력으로 압분체로 프레스 성형하였다. 다음으로, 이 압분체를 1.3 kPa 의 질소 분위기 중에서, 온도가 1540 ℃ 인 조건에서 1 시간 유지하여 소결하였다. 소결 후, 절단날부 (1) 에 R : 0.07 ㎜ 의 호닝 가공을 실시함으로써, ISO·CNMG160412 에서 규정되는 팁 형상을 갖는 TiCN 기 서멧제의 공구 기체 (2a~2f) 를 형성하였다.
다음으로, 절단날부 (1) 이외를 경질 우레탄 고무 등으로 커버하고, 절단날부 (1) 에만 물과의 합량에 차지하는 비율로 15~60 질량% 의 Al2O3 미립을 배합한 연마액을 분사하여 웨트 블라스트 처리를 실시하였다.
다음으로, 이들 공구 기체 (2A~2F) 및 공구 기체 (2a~2f) 의 각각을, 통상의 화학 증착 장치에 장입하고, 표 10 (표 10 중의 l-TiCN 은 일본 공개특허공보 평6-8010호에 기재되는 세로로 긴 성장 결정 조직을 갖는 TiCN 층의 형성 조건을 나타내는 것이고, 이것 이외에는 통상의 입상 결정 조직의 형성 조건을 나타내는 것이다) 에 나타내는 조건에서, 표 12 에 나타내는 조합 및 목표 층두께로 Ti 화합물층을 제 2 경질 피복층의 제 2 하부층으로서 증착 형성하였다.
다음으로, 표 11 에 나타내는 조건에서, 제 2 하부층의 표면에 Al2O3 증착 전처리를 실시하였다.
다음으로, 표 10 에 나타내는 조건에서, 표 12 에 나타내는 조합 및 목표 층두께로, Al2O3 층을 제 2 상부층으로서 증착 형성하고, 본 발명 피복 공구 (B1~B13) 를 각각 제조하였다.
비교 목적으로, 공구 기체의 표면에 웨트 블라스트 처리 및 Al2O3 증착 전처리를 실시하지 않은 것 이외에는, 본 발명 피복 공구 (B1~B13) 와 완전히 동일하게 하여, 하부층 (Ti 화합물층) 및 상부층 (Al2O3 층) 을 증착 형성함으로써, 표 13 에 나타내는 종래 피복 공구 (B1~B13) 를 각각 제조하였다.
다음으로, 상기 본 발명 피복 공구 (B1~B13) 와 종래 피복 공구 (B1~B13) 의 경질 피복층의 절단날부 (1) 와 플랭크면부 (2) 에 있어서 하부층과 상부층의 계면 근방 10 지점에 관해서, 투과형 전자 현미경 (50000 배) 에 의한 암시야 관찰에 의한 단면 측정을 실시하고, 초경 기체 표면에 평행한 직선 거리를 측정폭 25 ㎛ 로 하고, 그 범위에 존재하는 Al2O3 입자와 계면을 갖고 있는 Ti 화합물 입자의 수 a1 및 a2, 그리고 Ti 화합물 입자와 계면을 갖고 있는 Al2O3 입자의 수 b1 및 b2 를 카운트하였다. 이렇게 해서 얻어진 a1 및 b1 그리고 a2 및 b2 로부터 b1/a1 및 b2/a2 의 값을 구하였다.
표 12 및 표 13 에, 상기 측정에서 측정된 a1, b1, 및 b1/a1, 그리고 a2, b2, 및 b2/a2 의 값을 나타냈다. 어느 피복 공구에 있어서도 플랭크면부 (2) 와 레이크면부 (3) 의 a1, b1, 및 b1/a1 의 값은, 거의 동일한 값인 것을 확인할 수 있었기 때문에, 플랭크면부 (2) 의 값만을 나타내고, 레이크면부 (3) 의 값에 관해서는 표시를 할애하였다.
도 1 에는, 절삭 공구의 단면도를 사용하여, 절단날부 (1), 플랭크면부 (2), 및 레이크면부 (3) 를 나타냈다. 절단날부 (1) 는, 절삭 공구의 영역 중에서, 절삭 가공시에 대상물에 대하여 최초로 접촉하는 영역을 포함하고, 절삭 공구 플랭크면 및 레이크면 사이에 존재하는 곡면으로 구성된다.
도 4 에는, 본 발명 피복 공구 (B1) 의 절단날부 (1) 에 있어서의 제 2 하부층과 제 2 상부층의 계면의 투과형 전자 현미경 사진으로부터 작성한 계면 구조 모식도를 나타냈다.
도 5 에는, 본 발명 피복 공구 (B1) 의 플랭크면부 (2) 에 있어서의 제 1 하부층과 제 1 상부층의 계면의 투과형 전자 현미경 사진으로부터 작성한 계면 구조 모식도를 나타냈다.
도 6 에는, 종래 피복 공구 (B1) 의 절단날부 (1) 에 있어서의 제 2 하부층과 제 2 상부층의 계면의 투과형 전자 현미경 사진으로부터 작성한 계면 구조 모식도를 나타냈다.
도 7 에는, 종래 피복 공구 (B1) 의 플랭크면부 (2) 에 있어서의 제 1 하부층과 제 1 상부층의 계면의 투과형 전자 현미경 사진으로부터 작성한 계면 구조 모식도를 나타냈다.
본 발명 피복 공구 (B1~B13) 및 종래 피복 공구 (B1~B13) 의 경질 피복층의 하부층의 Ti 화합물에 관해서, 투과형 전자 현미경의 단면 관찰에 의해 초경 기체 표면과 평행한 방향에 50 ㎛ 에 걸쳐 선을 긋고, Al2O3 층 바로 아래의 Ti 화합물층의 결정립의 결정립계와의 교점을 세어, 그들 선분 길이의 평균으로부터 평균 입자경을 구하였다.
표 12 에 측정한 평균 입자경을 나타냈다.
또한, 본 발명 피복 공구 (B1~B13) 및 종래 피복 공구 (B1~B13) 의 경질 피복층의 각 구성층의 두께를, 주사형 전자 현미경을 사용하여 측정 (종단면 측정) 하였다. 그 결과, 경질 피복층의 각 구성층의 두께는, 모두 목표 층두께와 실질적으로 동일한 평균 층두께 (5 점 측정의 평균값) 였다.
다음으로, 상기 본 발명 피복 공구 (B1~B13) 및 종래 피복 공구 (B1~B13) 에 관해서, 이하에 나타내는 3 개의 조건에서, 탄소강의 건식 고속 단속 절삭 시험을 실시하였다. 어느 경우도, 피복 공구를 공구 강제 바이트의 선단부에 고정 지그로 나사 고정한 상태에서 실시하였다.
[절삭 조건 2A]
피삭재 : JIS·SNCM420 의 길이 방향 등간격 4 개 세로 홈이 들어간 환봉,
절삭 속도 : 360 m/min.,
노치 : 0.95 ㎜,
이송 : 0.40 ㎜/rev.,
절삭 시간 : 15 분
의 조건에서, 니켈크롬몰리브덴강의 건식 고속 단속 절삭 시험 (통상의 절삭 속도는 200 m/min.) 을 실시하였다.
[절삭 조건 2B]
피삭재 : JIS·FCD500 의 길이 방향 등간격 4 개 세로 홈이 들어간 환봉,
절삭 속도 : 340 m/min.,
노치 : 0.95 ㎜,
이송 : 0.50 ㎜/rev.,
절삭 시간 : 15 분
의 조건에서, 다크타일 주철의 건식 고속 단속 절삭 시험 (통상의 절삭 속도는 180 m/min.) 을 실시하였다.
[절삭 조건 2C]
피삭재 : JIS·S30C 의 길이 방향 등간격 4 개 세로 홈이 들어간 환봉,
절삭 속도 : 385 m/min.,
노치 : 0.90 ㎜,
이송 : 0.8 ㎜/rev.,
절삭 시간 : 15 분
의 조건에서, 탄소강의 건식 고속 단속 절삭 시험 (통상의 절삭 속도는 250 m/min.) 을 실시하였다.
어느 절삭 시험에서도 절단날의 플랭크면 마모폭을 측정하였다.
이 측정 결과를 표 14 에 나타냈다.
표 12 에 나타내는 결과로부터, 본 발명 피복 공구 (B1~B13) 는, 절단날부 (1) 에 있어서, 제 2 하부층과 제 2 상부층의 인접 계면에 존재하는 하부층측의 Ti 화합물 결정립의 수 a2 와 상부층측의 Al2O3 결정립의 수 b2 의 비율 b2/a2 가 0.8 < b2/a2 < 1.2 를 만족하는 계면 구조를 구성하고, 또한, Al2O3 층 바로 아래의 Ti 화합물층의 결정립의 평균 입자경은 0.1 ㎛ 이하인 것으로 나타났다. 또한, 플랭크면부 (2) 및 레이크면부 (3) 는, 제 1 하부층과 제 1 상부층의 인접 계면에 존재하는 하부층측의 Ti 화합물 결정립의 수 a1 과 상부층측의 Al2O3 결정립의 수 b1 의 비율 b1/a1 이 4 < b1/a1 < 20 을 만족하는 계면 구조를 구성하고, 또한, Al2O3 층 바로 아래의 Ti 화합물층의 결정립의 평균 입자경을 0.1~0.5 ㎛ 인 것으로 나타났다.
표 14 에 나타내는 결과로부터, 하부층과 상부층 사이의 층간 밀착성이 특히 높아지고, 그 결과, 강 및 주철의 고열 발생을 수반하고, 절단날에 고부하가 단속적으로 작용하는 고속 단속 절삭 가공에 사용한 경우에도, 경질 피복층이 우수한 층간 밀착 강도를 갖기 때문에, 절단날에 미소 칩핑, 박리 등의 발생이 없고, 장기의 사용에 걸쳐 우수한 내마모성을 본 발명 피복 절삭 공구가 발휘하는 것으로 나타났다.
표 13 및 표 14 에 나타내는 결과로부터, 경질 피복층의 하부층과 상부층 사이에 본 발명과 같은 계면 구조가 형성되어 있지 않은 종래 피복 공구 (B1~B13) 에 있어서는, 고속 단속 절삭 조건하에서는, 경질 피복층의 층간 밀착 강도가 불충분하기 때문에, 경질 피복층에 미소 칩핑, 결손, 박리 등이 발생하고, 비교적 단시간에 사용 수명에 도달하는 것으로 나타났다.
산업상 이용가능성
상기 서술한 바와 같이, 본 발명의 피복 공구는, 강 및 주철 등에 대한, 특히 높은 발열을 수반하고, 절단날에 대하여 고부하가 작용하는 고속 단속 절삭 가공에 있어서 우수한 내칩핑성, 내마모성을 나타내고, 장기의 사용에 걸쳐 우수한 절삭 성능을 발휘하는 것이므로, 절삭 장치의 고성능화 그리고 절삭 가공의 생력화 및 에너지 절약화, 나아가 저비용화를 충분히 기대할 수 있는 것이다.
1 : 절단날부
2 : 플랭크면부
3 : 레이크면부
2 : 플랭크면부
3 : 레이크면부
Claims (5)
- 탄화텅스텐기 초경 합금 또는 탄질화티탄기 서멧로 구성된 공구 기체와,
상기 공구 기체 표면의 적어도 일부에 증착된 제 1 경질 피복층을 구비하고,
상기 제 1 경질 피복층은, 상기 공구 기체 표면에 증착된 제 1 하부층과,
상기 제 1 하부층 표면에 증착된 제 1 상부층을 구비하고, 상기 제 1 하부층은, Ti 탄화물층, Ti 질화물층, Ti 탄질화물층, Ti 탄산화물층 및 Ti 탄질산화물층 중의 1 층 또는 2 층 이상의 Ti 화합물층을 포함하고,
상기 제 1 상부층은, Al2O3 층을 포함하고,
상기 제 1 하부층과 상기 제 1 상부층이 인접하는 계면에 존재하는 상기 Ti 화합물층측의 결정립의 수 a1 과 상기 Al2O3 층측의 결정립의 수 b1 의 비율 b1/a1 이 4 < b1/a1 < 20 을 만족하고,
상기 Al2O3 층 바로 아래의 Ti 화합물층의 결정립의 평균 입자경이 0.5 ㎛ 이하인 표면 피복 절삭 공구. - 제 1 항에 있어서,
상기 공구에 있어서, 공구 영역을 절단날부, 플랭크면부, 및 레이크면부로 이루어지는 3 영역으로 나누었을 때, 상기 공구 기체의 절단날부 (1) 표면에 증착된 제 2 경질 피복층을 추가로 구비하고,
상기 제 2 경질 피막층은, 상기 공구 기체의 절단날부 (1) 표면에 증착된 제 2 하부층과,
상기 제 2 하부층의 표면에 증착된 제 2 상부층을 구비하고,
상기 제 2 하부층은, Ti 탄화물층, Ti 질화물층, Ti 탄질화물층, Ti 탄산화물층 및 Ti 탄질산화물층 중의 1 층 또는 2 층 이상을 포함하고,
상기 제 2 상부층은, α 형의 결정 구조를 갖는 Al2O3 층을 포함하고,
상기 제 2 하부층과 상기 제 2 상부층이 인접하는 계면에 존재하는 상기 Ti 화합물층측의 결정립의 수 a2 와 상기 Al2O3 층측의 결정립의 수 b2 의 비율 b2/a2 가 0.8 < b2/a2 < 1.2 를 만족하고,
상기 Al2O3 층 바로 아래의 상기 Ti 화합물층의 결정립의 평균 입자경이 0.1 ㎛ 이하이고,
상기 제 1 경질 피막층이, 상기 공구 기체의 플랭크면부 (2) 및 레이크면부 (3) 를 피복하고 있는 표면 피복 절삭 공구. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 하부층의 전체 평균 층두께가 3~20 ㎛ 이고,
상기 제 1 상부층의 평균 층두께가 1~15 ㎛ 인 표면 피복 절삭 공구. - 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 제 2 하부층의 전체 평균 층두께가 3~20 ㎛ 이고,
상기 제 2 상부층의 평균 층두께가 1~15 ㎛ 인 표면 피복 절삭 공구. - 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 하부층에 포함되는 상기 Al2O3 층 바로 아래의 Ti 화합물층의 결정립의 평균 입자경이 0.1~0.5 ㎛ 인 표면 피복 절삭 공구.
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