KR20140138711A

KR20140138711A - 표면 피복 절삭 공구

Info

Publication number: KR20140138711A
Application number: KR1020147025388A
Authority: KR
Inventors: 가즈아키 센보쿠야; 유스케 다나카
Original assignee: 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
Priority date: 2012-03-05
Filing date: 2013-03-05
Publication date: 2014-12-04
Also published as: US20150030401A1; EP2823920A4; WO2013133251A1; CN104169030A; JP2013212574A; JP5344204B2; CN104169030B; US9440293B2; EP2823920A1

Abstract

탄화텅스텐기 초경합금으로 구성된 공구 기체의 표면에, 평균 층두께가 2 ∼ 10 ㎛ 인 경질 피복층을 증착 형성한 표면 피복 절삭 공구에 있어서, (a) 상기 경질 피복층은, Al 과 Cr 의 복합 질화물층으로 이루어지고, Al 과 Cr 의 합량에서 차지하는 Cr 의 함유 비율은, 0.2 ∼ 0.5 (단, 원자비) 이고, (b) 상기 표면 피복 절삭 공구의 상기 공구 기체의 플랭크면 상의 날끝에서부터, 상기 플랭크면 상에서 상기 플랭크면 날끝에서 반대측을 향하여 100 ㎛ 떨어진 위치까지의 영역 상에 증착 형성된 경질 피복층은, 입상 결정 조직을 갖고, 상기 영역 상에 형성된 상기 경질 피복층 표면의 입상 결정립의 평균 입경은 0.2 ∼ 0.5 ㎛ 이고, 상기 영역에 있어서의 상기 공구 기체와 상기 경질 피복층의 계면에 있어서의 입상 결정립의 평균 입경은, 상기 경질 피복층 표면의 상기 입상 결정립의 평균 입경보다 0.02 ∼ 0.1 ㎛ 작고, 입경이 0.15 ㎛ 이하인 결정립이 차지하는 결정 입경 길이 비율은 20 ％ 이하인 것을 특징으로 한다.

Description

표면 피복 절삭 공구{SURFACE COATING CUTTING TOOL}

이 발명은 탄소강, 합금강 등의 절삭 가공에 있어서, 경질 피복층이 우수한 내치핑성, 내마모성을 발휘하는 표면 피복 절삭 공구 (이하, 피복 공구라고 한다) 에 관한 것이다.

본원은 2012년 3월 5일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2012-047926호, 및 2013년 3월 1일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2013-40331호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

일반적으로, 피복 공구에는, 각종 강이나 주철 등의 피삭재의 선삭 가공이나 평삭 (平削) 가공에 바이트의 선단부에 자유롭게 착탈할 수 있게 장착하여 사용되는 스로어웨이 팁, 상기 피삭재의 천공 절삭 가공 등에 사용되는 드릴, 또한 상기 피삭재의 면삭 가공이나 홈 가공, 숄더 가공 등에 사용되는 솔리드 타입의 엔드 밀 등이 있고, 또 상기 스로어웨이 팁을 자유롭게 착탈할 수 있게 장착하여 상기 솔리드 타입의 엔드 밀과 마찬가지로 절삭 가공을 실시하는 스로어웨이 엔드 밀 공구 등이 알려져 있다.

예를 들어, 특허문헌 1 에 나타내는 바와 같이, 피복 공구로서, 탄화텅스텐 (이하, WC 로 나타낸다) 기 초경합금으로 구성된 기체 (基體) (이하, 공구 기체라고 한다) 의 표면에, Al 과 Cr 의 복합 질화물 [이하, (Al, Cr)N 으로 나타낸다] 층으로 이루어지는 경질 피복층을 증착 형성하여 이루어지는 피복 공구가 알려져 있으며, 이러한 종래의 피복 공구에 있어서는, 경질 피복층을 구성하는 상기 (Al, Cr)N 층이, 우수한 고온 경도, 내열성, 고온 강도, 고온 내산화성 등을 갖는 점에서, 우수한 절삭 성능을 발휘하는 것이 알려져 있다.

그리고, 상기 종래의 피복 공구는, 예를 들어, 도 1a 및 도 1b 에 나타내는 바와 같이, 물리 증착 장치의 일종인 아크 이온 플레이팅 장치에 상기의 공구 기체를 장입 (裝入) 하고, 히터로 공구 기체를 500 ℃ 의 온도로 가열한 상태에서, 애노드 전극과 소정 조성의 Al-Cr 합금이 세팅된 캐소드 전극 사이에, 전류 : 90 A 의 조건에서 아크 방전을 발생시키고, 동시에 장치 내에 반응 가스로서 질소 가스를 도입하여 2 ㎩ 의 반응 분위기로 하고, 한편, 상기 공구 기체에는 -100 V 의 바이어스 전압을 인가한 조건에서, 상기 공구 기체의 표면에, 상기 (Al, Cr)N 층을 증착 형성함으로써 제조할 수 있는 것도 알려져 있다.

그런데, 피복 공구에 있어서는 그 절삭 성능, 특히, 내치핑성, 내마모성 등의 개선을 도모하기 위해, 경질 피복층의 조직 구조에 대하여 여러 가지의 제안이 이루어지고 있다.

예를 들어, 특허문헌 2 에는, 레이크면에서의 피복층의 결손을 억제하여 내결손성을 향상시키고, 또 플랭크면에 있어서의 내마모성을 향상시킨 피복 공구로서, 피복층을 기둥상 결정으로 구성하고, 레이크면에 있어서의 피복층 두께는 플랭크면에서의 피복층 두께보다 얇고, 피복층 표면측의 상층 영역의 평균 결정폭이, 피복층 기체측의 하층 영역의 평균 결정폭보다 큰 2 개의 층 영역으로 구성하고, 레이크면에서의 피복층 두께에 대한 상층 영역의 두께의 비율이, 플랭크면에서의 피복층 두께에 대한 상층 영역의 두께의 비율보다 작고, 레이크면에서의 기둥상 결정의 평균 결정폭이 플랭크면에서의 기둥상 결정의 평균 결정폭보다 작은 피복 공구 (엔드 밀) 가 기재되어 있다.

또, 예를 들어, 특허문헌 3 에는, 내마모성과 인성을 양립시킴과 함께, 기재와의 밀착성도 우수한 피막을 구비한 피복 공구로서, 기재 상에 형성된 피막은, 제 1 피막층을 포함하고, 그 제 1 피막층은, 미세 조직 영역과 조대 조직 영역을 포함하고, 그 미세 조직 영역은, 그것을 구성하는 화합물의 평균 결정 입경이 10 ∼ 200 ㎚ 이고, 또한 그 제 1 피막층의 표면측으로부터 그 제 1 피막층의 전체 두께에 대해 50 ％ 이상의 두께가 되는 범위를 차지하면서 존재하고, 또한 -4 ㎬ 이상 -2 ㎬ 이하 범위의 응력인 평균 압축 응력을 갖고, 그 제 1 피막층은, 그 두께 방향에 응력 분포를 가지고 있으며, 그 응력 분포에 있어서 2 개 이상의 극대값 또는 극소값을 갖고, 이들 극대값 또는 극소값은 두께 방향 표면측에 위치하는 것일수록 높은 압축 응력을 갖는 피복 공구가 기재되어 있다.

일본 특허 제3969230호 명세서 (B) 일본 공개특허공보 2008-296290호 (A) 일본 공개특허공보 2011-67883호 (A)

최근의 절삭 가공 장치의 고성능화는 놀라우며, 한편으로 절삭 가공에 대한 생력화 및 에너지 절약화, 또한 저비용화의 요구는 강력하여, 이에 수반하여 절삭 가공은 한층더 엄격한 절삭 조건 하에서 행해지게 되고 있다.

상기 종래의 피복 공구에 있어서는, 어느 정도의 내치핑성, 내결손성, 내마모성의 개선은 도모할 수 있기는 하지만, 이것을 탄소강, 합금강 등의 한층더 엄격한 절삭 가공에 사용한 경우에는, 치핑이 발생하기 쉽거나 혹은 마모 손모가 커져, 이것을 원인으로 하여 비교적 단시간에 사용 수명에 이르는 것이 현 상황이다.

그래서, 본 발명자 등은 탄소강, 합금강 등의 절삭 가공에 있어서, 내치핑성 과 함께 내마모성도 우수하고, 장기의 사용에 걸쳐 우수한 절삭 성능을 발휘하는 피복 공구를 제공하기 위해, 경질 피복층의 결정 조직 구조에 대하여 예의 연구를 실시한 결과, 이하의 지견을 얻었다.

종래, 피복 공구를 제작함에 있어서, 경질 피복층의 형성 수단으로는, CVD 법, PVD 법 등이 일반적으로 채용되고 있고, 그리고, 예를 들어, PVD 법의 일종인 아크 이온 플레이팅법 (이하, AIP 법이라고 한다) 에 의해 (Al, Cr)N 으로 이루어지는 경질 피복층을 성막할 때에는, 특허문헌 1 로서 나타낸 바와 같이, 공구 기체를 장치 내에 장입하고, 소정의 바이어스 전압을 인가함과 함께, 장치 내를 소정 온도로 가열한 상태에서, 애노드 전극과 소정 조성의 Al-Cr 합금 타깃 사이에 아크 방전을 발생시키고, 동시에 장치 내에 반응 가스로서 질소 가스를 도입하고, 소정압의 반응 분위기 중에서 증착함으로써 경질 피복층을 성막하고 있었다 (도 1a 및 도 1b 참조).

본 발명자들은 상기 종래의 AIP 법에 의한 (Al, Cr)N 으로 이루어지는 경질 피복층의 성막시에, 공구 기체와 타깃 사이에 자장 (磁場) 을 걸어 경질 피복층의 조직 구조에 미치는 자장의 영향을 조사 검토하였다. 그 결과, 이하를 알아냈다. AIP 법에 의한 경질 피복층의 성막을 소정 강도의 자장 중에서 실시함으로써, 경질 피복층을 구성하는 입상 결정립의 결정 입경을 조정할 수 있다. 또, 경질 피복층 내에 형성되는 잔류 응력의 값을 제어할 수 있다. 또한, 절삭날 선단의 코너부에 형성되는 연속 크랙의 크랙 점유율을 조정할 수 있다. 그리고, 이와 같이 하여 경질 피복층의 결정 입경, 잔류 응력값 및 크랙 점유율을 적정화한 (Al, Cr)N 으로 이루어지는 경질 피복층을 구비한 피복 공구는, 탄소강, 합금강 등의 절삭 가공에 있어서, 우수한 내치핑성, 내마모성을 발휘한다. 그 결과, 이 피복 공구는 장기의 사용에 걸쳐 우수한 절삭 성능을 발휘한다.

이 발명은, 상기의 지견에 기초하여 이루어진 것으로서, 이하의 양태를 갖는다.

(1) 탄화텅스텐기 초경합금으로 구성된 공구 기체의 표면에, 평균 층두께가 2 ∼ 10 ㎛ 인 경질 피복층을 증착 형성한 표면 피복 절삭 공구에 있어서,

(a) 상기 경질 피복층은, Al 과 Cr 의 복합 질화물층으로 이루어지고, Al 과 Cr 의 합량 (合量) 에서 차지하는 Cr 의 함유 비율은, 0.2 ∼ 0.5 (단, 원자비) 이고,

(b) 상기 표면 피복 절삭 공구의 상기 공구 기체의 플랭크면 상의 날끝에서부터, 상기 플랭크면 상에서 상기 플랭크면 날끝에서 반대측을 향하여 100 ㎛ 떨어진 위치까지의 영역 상에 증착 형성된 경질 피복층은, 입상 결정 조직을 갖고, 상기 영역 상에 형성된 상기 경질 피복층 표면의 입상 결정립의 평균 입경은 0.2 ∼ 0.5 ㎛ 이고, 상기 영역에 있어서의 상기 공구 기체와 상기 경질 피복층의 계면에 있어서의 입상 결정립의 평균 입경은, 상기 경질 피복층 표면의 상기 입상 결정립의 평균 입경보다 0.02 ∼ 0.1 ㎛ 작고, 입경이 0.15 ㎛ 이하인 결정립이 차지하는 결정 입경 길이 비율은 20 ％ 이하인 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.

(2) 상기 경질 피복층 중의 압축 잔류 응력은 2.0 ∼ 2.7 ㎬ 인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 에 기재된 표면 피복 절삭 공구.

(3) 상기 피복 공구의 날끝 각도를 α 도로 하고, 그 α 도의 각도 범위 내의 절삭날 선단의 코너부의 경질 피복층 중에 형성되어 있는 연속 크랙의 점유 각도를 β 도로 한 경우, 크랙 점유율 β/α 가 0.3 ∼ 1.0 인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2) 에 기재된 표면 피복 절삭 공구.

(4) 상기 입상 결정 조직에 포함되는 결정립의 애스펙트비는 1 이상 6 이하인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 표면 피복 절삭 공구.

(5) 탄화텅스텐기 초경합금으로 구성된 공구 기체의 표면에, 평균 층두께가 2 ∼ 10 ㎛ 인 경질 피복층을 증착 형성한 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법으로서, 애노드 전극과, Al-Cr 합금으로 이루어지는 타깃과, 상기 타깃의 배면측에 형성된 자력 발생원을 구비하는 아크 이온 플레이팅 장치 내에, 탄화텅스텐기 초경합금으로 이루어지는 공구 기체를 장입하는 기체 장입 공정과, 상기 공구 기체 상에 Al 과 Cr 의 복합 질화물층으로 이루어지는 경질 피복층을 증착 형성하는 증착 공정을 구비하고, 상기 증착 공정은, 상기 아크 이온 플레이팅 장치 내에 질소 가스를 도입하는 가스 도입 공정과, 상기 타깃과 상기 공구 기체 사이에, 상기 자력 발생원에 의해 자장을 인가하는 인가 공정과, 상기 공구 기체에 바이어스 전압을 인가하면서, 상기 타깃과 상기 애노드 전극 사이에 아크 방전을 발생시키는 방전 공정과, 상기 공구 기체를 상기 아크 이온 플레이팅 장치 내에서 자전 및 공전시키는 자전 공전 공정을 갖고, 상기 공구 기체가 상기 타깃에 가장 접근했을 때에는, 상기 공구 기체의 플랭크면의 일부 또는 전부와 상기 타깃의 상기 공구 기체측의 면이 수평이 되도록 상기 공구 기체는 지지되는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법.

(6) 상기 자장이, 적산 자력으로서 140 ∼ 400 mT × ㎜ 인 것을 특징으로 하는 상기 (5) 에 기재된 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법.

이 발명의 일 양태인 피복 공구 (이하, 본 발명의 피복 공구라고 칭한다) 는, 소정 조성의 (Al, Cr)N 층으로 이루어지는 경질 피복층이, 날끝에서부터 100 ㎛ 떨어진 위치까지의 범위에 있어서는 입상 결정 조직으로 구성되고, 게다가, 표면 입경은 0.2 ∼ 0.5 ㎛, 또 계면 입경은, 표면 입경보다 0.02 ∼ 0.1 ㎛ 작고, 또 플랭크면 상의 날끝에서부터 100 ㎛ 떨어진 위치까지의 범위에 있어서는, 입경이 0.15 ㎛ 이하인 결정립이 차지하는 결정 입경 길이 비율은 20 ％ 이하로서, 경질 피복층 중의 압축 잔류 응력은 2.0 ∼ 2.7 ㎬ 이고, 날끝의 크랙 점유율 β/α 가 0.3 ∼ 1.0 인 점에서, 탄소강, 합금강 등의 절삭 가공에 있어서, 우수한 내치핑성, 내마모성을 발휘하고, 장기의 사용에 걸쳐 우수한 절삭 성능을 발휘한다.

도 1a 는 종래의 AIP 장치의 개략 설명도를 나타내고, 그 평면도를 나타낸다.
도 1b 는 종래의 AIP 장치의 개략 설명도를 나타내고, 그 측면도를 나타낸다.
도 2a 는 본 발명의 피복 공구를 제작하기 위한, AIP 장치의 개략 설명도를 나타내고, 그 평면도를 나타낸다.
도 2b 는 본 발명의 피복 공구를 제작하기 위한, AIP 장치의 개략 설명도를 나타내고, 그 측면도를 나타낸다.
도 3a 는 본 발명의 일 양태의 피복 공구의 종단면 개략 설명도를 나타낸다.
도 3b 는 본 발명의 일 양태의 피복 공구의 종단면 개략 설명도를 나타내고, 플랭크면 날끝에서부터 100 ㎛ 떨어진 위치까지의 영역 상에 증착 형성된 경질 피복층의 표면 입경 및 계면 입경 측정 위치를 나타내는 도면이다.
도 3c 는 본 발명의 일 양태의 피복 공구의 종단면 개략 설명도를 나타내고, 기체 플랭크면 및 기체 레이크면의 가상 연장선의 교점과, 플랭크면 상의 날끝의 위치 관계를 나타내는 도면이다.
도 4a 는 본 발명의 피복 공구의 날끝 각도 α, 연속 크랙의 점유 각도 β, 크랙 점유율의 관계를 설명하는 도면으로, 절삭날 선단의 코너부를 포함하는 경질 피복층의 단면 SEM 사진 (배율 : 10000 배) 을 나타낸다.
도 4b 는 본 발명의 피복 공구의 날끝 각도 α, 연속 크랙의 점유 각도 β, 크랙 점유율의 관계를 설명하는 도면으로, 도 4a 에 나타내는 단면 SEM 사진의 모식도를 나타낸다.

이 발명의 피복 공구의 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.

도 3a 는 본 발명의 일 양태의 피복 공구의 종단면 개략 설명도를 나타낸다. 도 3a 에 나타나는 바와 같이, 본원 발명의 피복 공구 (13) 에서는 공구 기체 (14) 상에 경질 피복층 (15) 이 형성되어 있다. 피복 공구 (13) 의 플랭크면 (21) 및 레이크면 (22) 사이에 절삭날부가 형성된다.

(a) 경질 피복층의 종별, 평균 층두께 :

본원 발명의 피복 공구 (13) 의 경질 피복층 (15) 은, Al 과 Cr 의 복합 질화물층 ((Al, Cr)N 층) 으로 이루어진다.

상기 (Al, Cr)N 층은, Al 성분이 고온 경도와 내열성을 향상시키고, Cr 성분이 고온 강도를 향상시키고, 또한 Cr 과 Al 의 공존 함유에 의해 고온 내산화성이 향상되는 점에서, 고온 경도, 내열성, 고온 강도 및 고온 내산화성이 우수한 경질 피복층으로서 이미 잘 알려져 있다.

Al 과의 합량에서 차지하는 Cr 의 함유 비율 (원자비, 이하 동일) 이 0.2 미만에서는, 절삭 가공시의 고온 강도를 확보하는 것이 곤란해지고, 한편, Al 과의 합량에서 차지하는 Cr 의 함유 비율 (원자비) 이 0.5 를 초과하면, 상대적으로 Al 의 함유 비율이 적어져, 고온 경도의 저하, 내열성의 저하를 초래한다. 그 결과, 편마모의 발생, 열 소성 변형의 발생 등에 의해 내마모성이 열화되게 된다. 이상으로부터 본원 발명의 피복 공구에 있어서의 경질 피복층 (15) 에서는, Al 과의 합량에서 차지하는 Cr 의 함유 비율 (원자비) 은, 0.2 ∼ 0.5 로 하고 있다. 보다 바람직한 Cr 의 함유 비율은 0.22 ∼ 0.45 이다. 더욱더 바람직한 Cr 의 함유 비율은 0.25 ∼ 0.42 이다.

또, (Al, Cr)N 층으로 이루어지는 경질 피복층의 평균 층두께는, 2 ㎛ 미만에서는 우수한 내마모성을 장기에 걸쳐 발휘할 수 없어, 공구 수명 단명의 원인이 된다. 한편, 그 평균 층두께가 10 ㎛ 를 초과하면, 날끝부에 치핑이 발생하기 쉬워진다. 이상으로부터, 본원 발명의 피복 공구 (13) 에 있어서의 경질 피복층 (15) 의 평균 층두께는 2 ∼ 10 ㎛ 로 하고 있다. 보다 바람직한 경질 피복층 (15) 의 평균 층두께는 2.5 ∼ 9 이다. 더욱더 바람직한 평균 층두께는 3 ∼ 8 이다.

(b) (Al, Cr)N 층으로 이루어지는 경질 피복층의 층 구조 :

본원 발명의 피복 공구 (13) 에서는, 플랭크면 (21) 의 특정 영역에 있어서, 더욱 특수한 성질을 갖는 경질 피복층을 형성함으로써, 경질 피복층 중의 압축 잔류 응력을 저감시키고 있다.

상기의 플랭크면 특정 영역이란, 플랭크면 상의 날끝 (16) 에서부터, 플랭크면 상에서, 플랭크면 날끝 (16) 에서 반대측을 향하여 100 ㎛ 떨어진 위치까지의 영역 (17) 을 말하는 것이다. 이 영역 (17) 상에 형성된 경질 피복층 (20) 은, 이하에 설명하는 특징을 갖는다.

상기 (Al, Cr)N 층으로 이루어지는 경질 피복층 (20) 은, 입상 결정으로서 성막된다. 또한, 이 경질 피복층 (20) 의 표면 (19) 에 있어서의 결정립의 평균 결정 입경 (이하, 간단히 「표면 입경」이라고 한다) 은 0.2 ∼ 0.5 ㎛ 가 된다. 한편, 공구 기체 (14) 와 경질 피복층 (20) 의 계면 (18) 에 있어서의 경질 피복층 (20) 의 결정립의 평균 결정 입경 (이하, 간단히 「계면 입경」이라고 한다) 은, 표면 입경보다 0.02 ∼ 0.1 ㎛ 작은 값으로서 성막된다. 즉, 이 영역 (17) 상에서는, 표면 입경과 계면 입경이 각각 상이한 평균 결정 입경 범위가 되도록, 경질 피복층 (20) 의 결정 조직 구조가 형성되어 있다. 이로써, 경질 피복층 중에 형성되는 압축 잔류 응력이 소정 수치 범위 내가 되도록 성막된다.

여기에서, 「공구 기체와 경질 피복층의 계면에 있어서의 경질 피복층의 결정립」이란, 경질 피복층 내에 있어서의 공구 기체 (14) 와 경질 피복층 (20) 의 계면으로부터 두께 0.5 ㎛ 의 경질 피복층 내부의 영역에 형성되어 있는 결정립을 의미한다. 또, 「경질 피복층 표면에 있어서의 결정립」이란, 경질 피복층 (20) 의 표면으로부터 깊이 0.5 ㎛ 의 영역에 형성되어 있는 결정립을 의미한다.

또, 여기에서 「입상 결정」이란, 「기둥상 결정」과 구별하기 위해 사용하고 있는 용어로, 구체적으로는, 그 결정립의 애스펙트비가 1 이상 6 이하인 것을 의미한다. 애스펙트비는, 결정립 단면에서 가장 긴 직경 (장변) 과 그것에 수직인 직경 (단변) 의 길이의 비를, 장변을 분자, 단변을 분모로 하여 산출한다.

평균 결정 입경에 대하여 구체적으로 설명하면, 다음과 같다.

경질 피복층 표면 (19) 에 있어서의 결정립의 평균 결정 입경 (표면 입경) 이 0.2 ㎛ 미만이면, 경질 피복층 중의 압축 잔류 응력이 커지기 때문에, 절삭 가공시에 치핑을 발생시키기 쉬워진다. 한편, 표면 입경이 0.5 ㎛ 를 초과하면, 압축 잔류 응력이 작아지기 때문에, 절삭 가공시의 마모량이 증대되어, 장기의 사용에 걸쳐 충분한 내마모성을 발휘할 수 없게 된다. 이상으로부터, 본원 발명의 피복 공구 (13) 에 있어서의 경질 피복층 (20) 에서는, 표면 입경은 0.2 ∼ 0.5 ㎛ 로 정하였다.

공구 기체 (14) 와 경질 피복층 (20) 의 계면 (18) 에 있어서의 경질 피복층 (20) 의 결정립의 평균 결정 입경 (계면 입경) 에 대해서는, 표면 입경보다 0.02 ∼ 0.1 ㎛ 만큼 작은 값으로 하는 것이 필요하다. 그 기술적인 이유는, 표면 입경보다 0.1 ㎛ 를 초과하여 계면 입경이 작은 경우에는, 표면 입경과 계면 입경의 차가 커짐으로써, 각각의 부분에서의 압축 잔류 응력의 차가 커져, 막 전체적으로 취화되어 버린다. 그 때문에, 절삭시에 마모나 치핑이 되기 쉬워져, 절삭 성능이 악화되는 문제가 발생한다.

한편, 계면 입경과 표면 입경의 차가 0.02 ㎛ 이내인 경우에는, 표면과 계면에서 압축 잔류 응력의 차가 동등해져, 절삭을 실시했을 때에 내마모성 향상의 작용을 부여할 수 없는 것이 된다.

또한, 본 발명에서는, 표면 입경보다 계면 입경을 0.02 ∼ 0.1 ㎛ 작은 값으로 함으로써, 막 전체가 취화되지 않을 정도로 계면측에서의 압축 잔류 응력을 크게 하여, 장시간 절삭을 실시했을 때에, 막 표면이 마모된 후에도 계면측의 마모를 억제시키는 작용을 부여한다.

입경의 측정 방법을 이하에 도 3b 를 참조하여 기술한다. 공구 기체 날끝으로부터 플랭크면측의 단면을 잘라내고, 그 단면을 SEM 으로 관찰한다. 경질 피복층 표면 (19) 으로부터 깊이 0.5 ㎛ 의 영역에 형성되어 있는 각 결정립을 사용하여, 공구 기체 표면과 평행하게 직선을 긋고, 결정 입계 간의 거리를 입경이라고 정의한다. 또한, 공구 기체 표면과 평행하게 직선을 긋는 위치는, 각 결정립에 있어서 최장의 결정 입경이 되는 위치로 한다. 플랭크면 상의 날끝 (16) 에서부터 100 ㎛ 떨어진 위치까지의 영역 (17) 에 있어서 결정 입경을 측정하고, 그 평균 결정 입경의 평균값을 표면 입경으로 한다. 보다 구체적으로 말하면, 플랭크면 상의 날끝 (16) 및 플랭크면 상에 있어서 날끝에서 50 ㎛ 떨어진 위치, 및 날끝에서 100 ㎛ 떨어진 위치의 3 개 지점에서, 폭 10 ㎛ 의 범위 내 (도 3b 에 있어서, 경질 피복층 (20) 중에 점선으로 나타나 있는 영역) 에 존재하는 결정의 평균 결정 입경을 측정하고, 또한 그 3 개 지점에서의 평균 결정 입경의 평균값을 표면 입경으로 한다. 또, 경질 피복층 내에 있어서의 공구 기체 (14) 와 경질 피복층 (20) 의 계면 (18) 으로부터 두께 0.5 ㎛ 의 영역에 형성되어 있는 각 결정립에 있어서도 동일한 방법으로 계면 입경을 산출한다.

또, 플랭크면 상의 날끝 (16) 에서부터 100 ㎛ 떨어진 위치까지의 영역 (17) (구체적으로 측정하는 것은, 플랭크면 상의 날끝, 및 플랭크면 상에 있어서 날끝에서 50 ㎛ 떨어진 위치, 및 날끝에서 100 ㎛ 떨어진 위치의 3 개 지점) 에 있어서는, 표면 입경 및 계면 입경 중 어느 것에 대해서도, 입경이 0.15 ㎛ 이하인 결정립이 차지하는 결정 입경 길이 비율은 20 ％ 이하일 필요가 있다. 이것은, 입경이 0.15 ㎛ 이하인 미세 결정립이 20 ％ 를 초과하여 형성되어 있는 경우에는, 경질 피복층 중의 압축 잔류 응력이 커져, 치핑을 발생시키기 쉬워진다는 이유에 의한 것이다.

여기에서, 「입경이 0.15 ㎛ 이하인 결정립이 차지하는 결정 입경 길이 비율」이란, 복수의 결정립의 입경을 측정하고, 그 전체 측정 결정 입경 길이의 합에 대한 입경 0.15 ㎛ 이하의 결정 입경 길이의 합의 비율을 나타낸다.

또, 「날끝」이란, 도 3a 내지 도 3c 에 나타내는 바와 같이, 「절삭날 선단의 코너부의 원추 형상으로 되어 있는 부분을 제외한, 직선상 절삭날의 가장 선단에 가까운 부분」이라고, 본 발명에서는 정의한다.

도 3c 는, 본 발명의 일 양태의 피복 공구의 종단면 개략 설명도를 나타내고, 기체 플랭크면 및 기체 레이크면의 가상 연장선의 교점과, 플랭크면 상의 날끝의 위치 관계를 나타내는 도면이다. 도 3c 에서는 기체만이 나타나 있고, 경질 피복층은 나타나 있지 않다.

도 3c 에 나타내는 바와 같이, 기체 플랭크면 (21A) 및 기체 레이크면 (22A) 의 가상 연장선의 교점 (23) 과, 플랭크면 상의 날끝 (16) 의 거리 (L) (㎛) 에는 이하의 관계가 있다.

거리 (L), 코너부의 원호의 반경 (r) (㎛), 및 기체 플랭크면 (21A) 과 기체 레이크면 (22A) 의 가상 연장선이 이루는 각도 (θ) (도) 에는, 「L = r/tan(0.5 × θ)」의 관계가 성립한다.

본 발명에서는, 상기 (b) 의 층 구조로 이루어지는 (Al, Cr)N 층을, 영역 (17) 상에 경질 피복층 (20) 으로서 형성함으로써, 경질 피복층 중에는 2.0 ∼ 2.7 ㎬ 의 압축 잔류 응력을 생성할 수 있다. 압축 잔류 응력의 값이 2.0 ㎬ 미만이면, 내마모성의 향상을 기대할 수 없고, 한편 이 값이 2.7 ㎬ 를 초과하면, 치핑이 발생하기 쉬워지는 점에서, 본 발명에서는 경질 피복층 중의 압축 잔류 응력의 값을 2.0 ∼ 2.7 ㎬ 로 하는 것이 바람직하다.

본원 발명의 피복 공구 (13) 에서는, 또한, 도 4a 및 도 4b 에 나타내는 바와 같이, 피복 공구의 날끝 각도를 α 도로 하고, 그 α 도의 각도 범위 내의 경질 피복층 중에 형성되어 있는 연속 크랙의 점유 각도를 β 도로 한 경우에, 절삭날 선단의 코너부의 크랙 점유율 β/α 를 0.3 ∼ 1.0 으로 하는 것이 바람직하고, 또한 β/α 가 0.3 ∼ 0.9 인 것이 보다 바람직하다.

그 이유는 다음과 같다.

공구 기체의 표면에, 아크 이온 플레이팅 장치 (AIP 장치) 를 사용하여 경질 피복층을 형성하는 경우, 층 중에는 압축 잔류 응력이 축적되고, 특히, 결정 입경이 큰 층에 있어서는, 결정 입계에 압축 잔류 응력이 집중되어 균열의 기점이 되기 쉽다.

그러나, 본원 발명의 피복 공구 (13) 에 의하면, 절삭날 선단의 코너부의 경질 피복층 중에 미리 크랙 (C) 이 형성되어 있는 점에서 잔류 응력의 집중이 저감되기 때문에, 특히, 절삭 개시 초기의 치핑 발생 등에 의한 절삭 성능의 저하를 억제할 수 있다.

단, β/α 가 0.3 미만인 경우에는, 압축 잔류 응력의 집중 억제 효과를 기대할 수 없기 때문에, β/α 는 0.3 이상으로 정하였다.

압축 잔류 응력의 집중 억제 효과의 관점에서는, β/α 의 값에 상한을 형성할 필요는 없지만 (즉, β/α 는 0.3 ∼ 1.0), β/α 의 값이 1.0 에 가까워질수록 경질 피복층과 공구 기체 계면에서의 계면 박리가 발생하기 쉬워지기 때문에, β/α 의 값은 0.3 ∼ 0.9 인 것이 바람직하다. 더욱 바람직한 β/α 의 범위는 0.4 ∼ 0.85 이다.

여기에서, 먼저 본원 발명에 있어서의 크랙의 정의에 대하여 설명한다.

본원 발명에 있어서의 크랙이란, 절삭날 선단의 코너부를 포함하는 경질 피복층 중에 형성된 균열을 의미한다. 이 크랙은, 예를 들어 피복 공구의 단면 SEM 사진을 예를 들어 10000 배의 배율로 관찰함으로써 확인할 수 있다. 본원 발명에 있어서의 크랙은, 폭이 30 ㎚ 이상인 균열을 의미하고 있다. 크랙의 폭이 단부 (端部) 에서 앞부분이 점점 가늘어지고, 크랙의 폭이 30 ㎚ 미만이 된 지점을 크랙의 단부라고 규정한다.

여기에서, 크랙 점유율이란, 본 발명에서 이하와 같이 정의한다.

도 4a 및 도 4b 에 나타내는 바와 같이, 플랭크면 상의 날끝 (A) 을 지나는 플랭크면의 수선과, 레이크면 상의 날끝 (B) 을 지나는 레이크면의 수선의 교점을 중심 (O) 으로 했을 때, A-O-B 가 이루는 각도를 날끝 각도 α (도) 라고 한다.

또, 절삭날 선단의 코너부의 경질 피복층 중에 형성되어 있는 연속 크랙에 대해서는, 상기 중심 (O) 으로부터, 연속되는 1 개의 크랙의 단부 (C, D) 에 접하는 선을 그었을 때, C-O-D 가 이루는 각도를 연속 크랙의 점유 각도 β (도) 로 한다. 절삭날 선단의 코너부의 경질 피복층 중에 복수의 크랙이 존재하는 경우, 최대의 점유 각도를 나타내는 연속 크랙을 사용하는 것으로 한다.

그리고, (연속 크랙의 점유 각도 β)/(날끝 각도 α) 의 값을 크랙 점유율이라고 정의한다.

또한, 본 발명 피복 공구는, (Al, Cr)N 층으로 이루어지는 경질 피복층의 평균 층두께를 2 ∼ 10 ㎛, Al 과 Cr 의 합량에서 차지하는 Cr 의 함유 비율은 0.2 ∼ 0.5 (단, 원자비), 입상 결정립의 표면 입경, 계면 입경을 특정 수치 범위로 정하고, 또 플랭크면 상의 날끝 (16) 에서부터 100 ㎛ 떨어진 위치까지의 영역 (17) 에 있어서의 입경이 0.15 ㎛ 이하인 결정립이 차지하는 결정 입경 길이 비율을 20 ％ 이하로 정함으로써, 경질 피복층 중의 압축 잔류 응력의 값이 2.0 ∼ 2.7 ㎬ 이고, 또한 날끝의 크랙 점유율 β/α 가 0.3 ∼ 1 인 피복 절삭 공구를 효율적으로 제조할 수 있다.

(c) 경질 피복층의 증착 형성

이 발명의 경질 피복층은, 도 2a 및 도 2b 에 나타내는 바와 같은 아크 이온 플레이팅 장치 (AIP 장치) 를 사용하여, 공구 기체의 온도를 370 ∼ 450 ℃ 로 유지하면서, 공구 기체를 AIP 장치 내에서 자전 및 공전시켜, 타깃 표면 중심과 타깃에 가장 근접한 공구 기체 사이에 소정의 자장 (적산 자력이 140 ∼ 400 mT × ㎜) 을 인가하면서 증착함으로써 형성할 수 있다.

예를 들어, AIP 장치의 일방에는 기체 세정용 Ti 전극으로 이루어지는 캐소드 전극, 타방에는 Al-Cr 합금으로 이루어지는 타깃 (캐소드 전극) 을 형성한다. 이 Al-Cr 합금 중의 Al 함량은 55 at％ Al ∼ 78 at％ Al 이 바람직하다. Cr 함량은, 상기 Al 함량에 대응하여 22 at％ Cr ∼ 45 at％ Cr 이 바람직하다. 예를 들어, 70 at％ Al-30 at％ Cr 합금으로 이루어지는 타깃 (캐소드 전극) 을 형성한다.

먼저, 탄화텅스텐 (WC) 기 초경합금으로 이루어지는 공구 기체를 세정ㆍ건조시키고, AIP 장치 내의 회전 테이블 상에 장착하고, 진공 중에서 기체 세정용 Ti 전극과 애노드 전극 사이에 100 A 의 아크 방전을 발생시키고, 공구 기체에 -1000 V 의 바이어스 전압을 인가하면서 공구 기체 표면을 봄바드먼트 세정한다.

이어서, Al-Cr 합금 타깃의 표면 중심에서부터 타깃에 가장 근접한 공구 기체까지의 적산 자력이 140 ∼ 400 mT × ㎜ 가 되는 자장을 인가한다.

이어서, 장치 내에 반응 가스로서 질소 가스를 도입한다. 이로써, 장치 내의 분위기 압력은 9.0 ㎩ ∼ 9.6 ㎩ 의 범위 내로 유지된다. 예를 들어, 9.3 ㎩ 의 분위기 압력이 된다. 또한, 공구 기체의 온도를 370 ∼ 450 ℃ 로 유지하고, 공구 기체에 -50 V 의 바이어스 전압을 인가하면서, Al-Cr 합금 타깃 (캐소드 전극) 과 애노드 전극 사이에 100 A 의 아크 방전을 발생시킨다. 공구 기체가 타깃에 가장 접근했을 때에는, 플랭크면의 일부 또는 전부와 타깃면이 수평이 되도록 공구 기체를 지지하며 자전 공전시키면서 증착함으로써, 본원 발명의 피복 공구 (13) 가 갖는 경질 피복층을 증착 형성할 수 있다.

또한, 상기의 Al-Cr 합금 타깃과 공구 기체 사이에서의 자장의 인가는, 예를 들어, 캐소드 주변에 자장 발생원인 전자 코일 또는 영구 자석을 설치하거나, 혹은 AIP 장치의 내부, 중심부에 영구 자석을 배치하는 등 임의의 수단으로 자장을 형성할 수 있다.

다음으로, 이 발명의 피복 공구를 실시예에 의해 구체적으로 설명한다.

실시예 1

원료 분말로서, 평균 입경 : 5.5 ㎛ 를 갖는 중조립 (中粗粒) WC 분말, 동 (同) 0.8 ㎛ 의 미립 WC 분말, 동 1.3 ㎛ 의 TaC 분말, 동 1.2 ㎛ 의 NbC 분말, 동 1.2 ㎛ 의 ZrC 분말, 동 2.3 ㎛ 의 Cr₃C₂ 분말, 동 1.5 ㎛ 의 VC 분말, 동 1.0 ㎛ 의 (Ti, W)C [질량비로, TiC/WC = 50/50] 분말, 및 동 1.8 ㎛ 의 Co 분말을 준비하였다. 이들 원료 분말을 각각 표 5 에 나타나는 배합 조성으로 배합하고, 추가로 왁스를 첨가하여 아세톤 중에서 24 시간 볼 밀 혼합하고, 감압 건조시켰다. 그 후, 100 ㎫ 의 압력으로 소정 형상의 각종의 압분체로 압출하여 프레스 성형하고, 얻어진 압분체를, 6 ㎩ 의 진공 분위기 중, 7 ℃/분의 승온 속도로 1370 ∼ 1470 ℃ 의 범위 내의 소정 온도로 승온시켰다. 또한, 이 온도에서 1 시간 유지한 후, 노랭 (爐冷) 의 조건에서 소결하여, 직경이 10 ㎜ 인 공구 기체 형성용 환봉 소결체를 형성하였다. 또한, 상기 환봉 소결체로부터, 연삭 가공으로, 절삭날부의 직경 × 길이가 6 ㎜ × 13 ㎜ 의 치수이고, 비틀림각 30 도의 2 장의 칼날 볼 형상을 가진 WC 기 초경합금제 공구 기체 (엔드 밀) 1 ∼ 3 및, 그리고 절삭날부의 직경 × 길이가 10 ㎜ × 22 ㎜ 의 치수이고, 2 장 칼날 스퀘어 형상을 가진 WC 기 초경합금제 공구 기체 (엔드 밀) 4, 5 를 각각 제조하였다.

(a) 상기의 공구 기체 1 ∼ 5 각각을 아세톤 중에서 초음파 세정하고, 건조시킨 상태에서, 도 2a 및 도 2b 에 나타내는 AIP 장치의 회전 테이블 상의 중심축으로부터 반경 방향으로 소정 거리 떨어진 위치에 외주부를 따라 장착하였다. 그리고, AIP 장치의 일방에 봄바드먼트 세정용 Ti 캐소드 전극을, 타방측에 70 at％ Al-30 at％ Cr 합금으로 이루어지는 타깃 (캐소드 전극) 을 배치하였다.

(b) 다음으로, 장치 내를 배기하여 진공으로 유지하면서, 히터로 공구 기체를 400 ℃ 로 가열한 후, 상기 회전 테이블 상에서 자전하면서 공전하는 공구 기체에 -1000 V 의 직류 바이어스 전압을 인가하고, 또한 Ti 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 100 A 의 전류를 흘려 아크 방전을 발생시켰다. 상기의 순서에 의해, 공구 기체 표면은 봄바드먼트 세정된다.

(c) 이어서, 상기 Al-Cr 합금 타깃의 표면 중심에서부터 공구 기체까지의 적산 자력이 140 ∼ 400 mT × ㎜ 의 범위 내가 되도록 여러 가지의 자장을 인가하였다.

(d) 이어서, 장치 내에 반응 가스로서 질소 가스를 도입하여 9.3 ㎩ 의 반응 분위기로 하였다. 상기 순서와 동시에, 상기 회전 테이블 상에서 자전하면서 회전하는 공구 기체의 온도를 370 ∼ 450 ℃ 의 범위 내로 유지함과 함께 -50 V 의 직류 바이어스 전압을 인가하고, 또한 상기 Al-Cr 합금 타깃과 애노드 전극 사이에 100 A 의 전류를 흘려 아크 방전을 발생시켰다. 상기의 순서에 의해, 상기 공구 기체의 표면에, 표 2 에 나타나는 조성 및 목표 평균 층두께의 (Al, Cr)N 층으로 이루어지는 경질 피복층을 증착 형성하였다.

상기의 공정 (a) 내지 (d) 를 거쳐, 본 발명의 피복 공구로서의 표면 피복 엔드 밀 1 ∼ 7 (이하, 본 발명 1 ∼ 7 이라고 한다) 을 각각 제조하였다.

또한, 도 2a 및 도 2b 에 나타내는 AIP 장치에서는, 공구 기체가 Al-Cr 합금 타깃에 가장 접근할 때에, 플랭크면의 일부 또는 전부와 Al-Cr 합금 타깃면이 수평이 되도록 장착 지지하였다.

비교예 1 :

비교의 목적으로, 상기 실시예 1 에 있어서의 (c) 의 조건을 변경하고 (즉, Al-Cr 합금 타깃의 표면 중심에서부터 공구 기체까지의 적산 자력을 140 mT × ㎜ 미만 혹은 400 mT × ㎜ 를 초과함), 또 (d) 의 조건을 변경하고 (즉, 공구 기체가 370 ℃ 미만 혹은 450 ℃ 를 초과하는 온도로 유지함), 그 밖은 실시예 1 과 동일한 조건에서, 비교예 피복 공구로서의 표면 피복 엔드 밀 1 ∼ 5 (이하, 비교예 1 ∼ 5 라고 한다) 를 각각 제조하였다. 또한, 실시예 1 로부터 피복층 중의 Al 과 Cr 의 합량에서 차지하는 Cr 의 함유 비율이 0.2 ∼ 0.5 의 범위 외, 피복층의 평균 층두께가 2 ∼ 10 ㎛ 인 범위 외인 표면 피복 엔드 밀 6 ∼ 10 을 각각 제조하였다.

상기에서 제작한 본 발명 1 ∼ 7 및 비교예 1 ∼ 10 에 대하여, 그 종단면의 경질 피복층의 결정립 형태를 관찰한 결과, 모두 애스펙트비가 1 이상 6 이하인 입상 결정 조직으로 구성되어 있었다. 애스펙트비는, 결정립 단면에서 가장 긴 직경 (장변) 과 그것에 수직인 직경 (단변) 의 길이의 비를, 장변을 분자, 단변을 분모로 하여 산출하는 것으로 한다.

또한, 그 입상 결정의 결정 입경을 주사형 전자 현미경 (SEM) 으로 측정하고, 플랭크면 상의 날끝에서부터 100 ㎛ 떨어진 위치까지의 영역에 있어서의 표면 입경, 계면 입경을 구하였다. 구체적으로는, 플랭크면 상의 날끝, 및 플랭크면 상에 있어서 날끝에서 50 ㎛ 떨어진 위치, 및 날끝에서 100 ㎛ 떨어진 위치의 3 개 지점에서, 폭 10 ㎛ 의 범위 내에 존재하는 결정의 평균 입경을 산출하고, 3 개 지점의 위치에서의 평균값을 산출함으로써 구하였다.

또, 동일하게 하여, 플랭크면 상의 날끝에서부터 100 ㎛ 떨어진 위치까지의 영역에 있어서, 입경이 0.15 ㎛ 이하인 결정립이 차지하는 결정 입경 길이 비율을, 플랭크면 상의 날끝, 및 플랭크면 상에 있어서 날끝에서 50 ㎛ 떨어진 위치, 및 날끝에서 100 ㎛ 떨어진 위치에서의 계면 및 표면의 합계 6 개 지점에서 측정함으로써 구하였다.

표 2, 표 3 에 상기에서 측정ㆍ산출한 각각의 값을 나타낸다.

또한, 상기 결정 입경의 측정법, 입경이 0.15 ㎛ 이하인 결정립이 차지하는 결정 입경 길이 비율의 측정법을 보다 구체적으로 말하면 이하와 같다.

피복 공구의 절삭날 선단의 코너부를 포함하여, 플랭크면의 단면을 연마 가공한 후, 그 단면을 SEM 이미지로 관찰한다. 측정 조건으로서, 관찰 배율 : 10000 배, 가속 전압 : 3 ㎸ 의 조건을 사용하였다. 경질 피복층 표면으로부터 깊이 0.5 ㎛ 의 영역에 형성되어 있는 각 결정립을 사용하여, 공구 기체 표면과 평행하게 직선을 긋고, 결정 입계 사이의 거리를 입경이라고 정의한다. 또한, 공구 기체 표면과 평행하게 직선을 그은 위치는, 각 결정립에 있어서 최장의 결정 입경이 되는 위치로 한다. 플랭크면 상의 날끝에서부터 100 ㎛ 떨어진 위치까지의 영역, 구체적인 측정점으로는, 플랭크면 상의 날끝, 및 플랭크면 상에 있어서 날끝에서 50 ㎛ 떨어진 위치, 및 날끝에서 100 ㎛ 떨어진 위치의 3 개 지점에서, 폭 10 ㎛ 의 범위 내에 존재하는 결정의 결정 입경을 측정하고, 또한 그 3 개 지점에서의 평균 결정 입경의 평균값을 표면 입경으로 하였다. 폭 10 ㎛ 의 입경을 측정함에 있어서, 각 측정 지점을 중심으로 날끝측 5 ㎛, 날끝과 반대측 5 ㎛ 의 측정 데이터를 사용하였다. 단, 플랭크면 상의 날끝의 지점에 있어서는, 날끝에서 5 ㎛ 떨어진 위치를 중심으로 하여 날끝측 5 ㎛, 날끝과 반대측 5 ㎛ 의 폭 10 ㎛ 의 범위 내에서 측정하였다. 또, 경질 피복층 내에 있어서의 공구 기체와 경질 피복층의 계면으로부터 두께 0.5 ㎛ 의 영역에 형성되어 있는 각 결정립에 있어서도 동일한 방법으로 계면 입경을 산출하였다.

또, 입경이 0.15 ㎛ 이하인 결정립이 차지하는 결정 입경 길이 비율의 측정 방법은, 상기 입경을 측정한 계면 3 개 지점, 및 표면 3 개 지점에서 측정한 결정 입경의 전체 측정 데이터를 사용한다. 측정한 전체 결정 입경의 합에 대한, 입경이 0.15 ㎛ 이하인 결정 입경의 합을 입경이 0.15 ㎛ 이하인 결정립이 차지하는 결정 입경 길이 비율로 하였다.

또한, 경질 피복층 중의 압축 잔류 응력의 값은, X 선 회절을 이용한 2θ-sin²φ 법에 의해, AlCrN(420) 면의 피크를 이용하여 산출하였다.

표 2, 표 3 에 상기에서 측정한 압축 잔류 응력값을 나타낸다.

또한, 본 발명 1 ∼ 7 및 비교예 1 ∼ 10 의 날끝 각도 α 를 측정함과 함께, 절삭날 선단의 코너부의 경질 피복층 중의 연속 크랙의 점유 각도 β 를 측정하고, 크랙 점유율 β/α 의 값을 산출하였다.

표 2, 표 3 에 이들의 값을 나타낸다.

또한, 상기 날끝 각도 α, 연속 크랙의 점유 각도 β 의 측정법을 보다 구체적으로 말하면 이하와 같다.

결정 입경을 측정하기 위해 관찰한 SEM 이미지 중, 조각 날끝 단부의 단면 SEM 이미지를 사용한다. 측정 조건은 관찰 배율 : 10000 배, 가속 전압 : 3 ㎸ 의 조건을 사용하였다. 본 발명 3 의 조각 날끝 단부의 단면 SEM 이미지를 도 4a 에, 모식도를 도 4b 에 나타낸다. 이하, 도 4b 를 사용하여 설명한다. 여기에서는, 플랭크면 상의 날끝을 A, 레이크면 상의 날끝을 B 로 한다. A 를 지나는 플랭크면의 수선, B 를 지나는 레이크면의 수직선을 긋고, 쌍방의 수선의 교점을 중심 (O) 으로 한다. 날끝 각도 α (도) 는 A-O-B 가 이루는 각도로 한다.

또, 절삭날 선단의 코너부의 경질 피복층 중에 형성되어 있는 연속 크랙에 대하여, 상기 중심 (O) 으로부터 그 크랙을 투영시킨 경우, A 를 지나는 플랭크면의 수선에 가장 가까운 지점을 C 로 하고, B 를 지나는 레이크면의 수선에 가장 가까운 지점을 D 로 한다. 연속 크랙의 점유 각도 β (도) 는 C-O-D 가 이루는 각도로 한다. 또한, 절삭날 선단의 코너부의 경질 피복층 중에 복수의 크랙이 존재하는 경우, 최대값을 나타내는 연속 크랙으로 산출한 값을 연속 크랙의 점유 각도 β 라고 정의한다.

그리고, (연속 크랙의 점유 각도 β)/(날끝 각도 α) 의 값을 크랙 점유율이다고 정의한다.

다음으로, 상기 본 발명 1 ∼ 7 및 비교예 1 ∼ 10 의 엔드 밀 중, 본 발명 1 ∼ 3, 6, 7 및 비교예 1 ∼ 3, 6 ∼ 8 에 대해서는,

피삭재-평면 치수 : 100 ㎜ × 250 ㎜, 두께 : 50 ㎜ 의 JISㆍS 55C 의 판재,

회전 속도 : 16000 min.^-1,

세로 방향 절개선 : 2.0 ㎜,

가로 방향 절개선 : 0.3 ㎜,

이송 속도 (1 칼날당) : 0.06 ㎜/tooth,

절삭 길이 : 340 m,

의 조건 (절삭 조건 A 라고 한다) 에서의 탄소강의 홈 절삭 가공 시험을 실시하고, 또 본 발명 4, 5 및 비교예 4, 5, 9, 10 에 대해서는,

회전 속도 : 3200 min.^-1,

세로 방향 절개선 : 10 ㎜,

가로 방향 절개선 : 1 ㎜,

이송 속도 (1 칼날당) : 0.07 ㎜/tooth,

절삭 길이 : 90 m,

의 조건 (절삭 조건 B 라고 한다) 에서의 탄소강의 홈 절삭 가공 시험을 실시하고, 어느 홈 절삭 가공 시험에서도 절삭날의 플랭크면 마모폭을 측정하였다.

이 측정 결과를 표 4 에 나타냈다.

실시예 2

원료 분말로서, 모두 1 ∼ 3 ㎛ 의 평균 입경을 갖는 WC 분말, TiC 분말, ZiC 분말, VC 분말, TaC 분말, NbC 분말, Cr₃C₂ 분말, TiN 분말, TaN 분말 및 Co 분말을 준비하였다. 이들 원료 분말을, 표 1 에 나타나는 배합 조성으로 배합하고, 볼 밀로 72 시간 습식 혼합하여 건조시킨 후, 100 ㎫ 의 압력으로 압분체로 프레스 성형하였다. 얻어진 압분체를 6 ㎩ 의 진공 중, 온도 : 1400 ℃ 로 1 시간 유지하는 조건에서 소결하고, 소결 후, 날끝 부분에 R : 0.03 의 호닝 가공을 실시하고, 추가로 마무리 연마를 실시함으로써, ISO 규격ㆍSNGA120408 의 인서트 형상을 가진 WC 기 초경합금제 공구 기체 6 ∼ 10 을 형성하였다.

이어서, 이들 공구 기체 (인서트) 6 ∼ 10 의 표면을 아세톤 중에서 초음파 세정하고, 건조시킨 상태에서, 마찬가지로 도 2a 및 도 2b 에 나타내는 AIP 장치에 장입하고, 상기 실시예 1 과 동일한 조건에서, 표 6 에 나타나는 조성 및 목표 평균 층두께의 (Al, Cr)N 층으로 이루어지는 경질 피복층을 형성함으로써, 본 발명 피복 공구로서의 본 발명 표면 피복 인서트 (이하, 본 발명 8 ∼ 14 라고 한다) 를 각각 제조하였다.

비교예 2 :

비교의 목적으로, 상기의 공구 기체 (인서트) 6 ∼ 10 에 대하여, 상기 비교예 1 과 동일한 조건에서, 표 7 에 나타나는 조성 및 목표 평균 층두께의 (Al, Cr)N 층으로 이루어지는 경질 피복층을 형성함으로써, 비교예 피복 공구로서의 비교예 표면 피복 인서트 (이하, 비교예 11 ∼ 20 이라고 한다) 를 각각 제조하였다.

상기에서 제작한 본 발명 8 ∼ 14 및 비교예 11 ∼ 20 에 대하여, 그 종단면의 경질 피복층의 결정립 형태를 주사형 전자 현미경 (SEM) 으로 관찰한 결과, 모두 애스펙트비가 1 이상 6 이하인 입상 결정 조직으로 구성되어 있었다.

또, 상기에서 제작한 본 발명 8 ∼ 14 및 비교예 11 ∼ 20 에 대하여, 본 발명 1 ∼ 7, 비교예 1 ∼ 10 의 경우와 마찬가지로 결정립의 표면 입경, 계면 입경을 구하였다.

또, 플랭크면 상의 날끝에서부터 100 ㎛ 떨어진 위치까지의 영역 (즉, 플랭크면 상의 날끝, 및 플랭크면 상에 있어서 날끝에서 50 ㎛ 떨어진 위치, 및 날끝에서 100 ㎛ 떨어진 위치의 3 개 지점) 에 있어서의, 입경이 0.15 ㎛ 이하인 결정립이 차지하는 결정 입경 길이 비율을 측정하였다.

또한, 경질 피복층 중의 압축 잔류 응력의 값을 측정하였다.

또, 날끝 각도 α, 연속 크랙의 점유 각도 β, 크랙 점유율 β/α 의 값에 대해서도 측정ㆍ산출하였다.

표 6, 표 7 에 상기에서 측정ㆍ산출한 각각의 값을 나타낸다.

다음으로, 상기 본 발명 8 ∼ 14, 비교예 11 ∼ 20 의 피복 인서트를, 모두 공구 강제 바이트의 선단부에 고정 지그로 나사 고정한 상태에서,

피삭재 : JISㆍS CM440 의 환봉,

절삭 속도 : 150 m/min.,

절개선 : 1.5 ㎜,

이송 : 0.3 ㎜/rev.,

절삭 시간 : 3 분,

의 조건 (절삭 조건 C 라고 한다) 에서의 합금강 (크롬몰리브덴강) 의 건식 연속 절삭 가공 시험을 실시하고, 절삭날의 플랭크면 마모폭을 측정하였다.

이 측정 결과를 표 8 에 나타냈다.

표 4, 8 에 나타나는 결과로부터, 본 발명 피복 공구는, (Al, Cr)N 층으로 이루어지는 경질 피복층의 입상 결정립의 표면 입경, 계면 입경을 특정 수치 범위로 정하고, 또 플랭크면 상의 날끝에서부터 100 ㎛ 떨어진 위치까지의 영역에 있어서의 입경이 0.15 ㎛ 이하인 결정립이 차지하는 결정 입경 길이 비율을 20 ％ 이하로 정함으로써, 또 경질 피복층 중의 압축 잔류 응력을 2.0 ∼ 2.7 ㎬ 로 정함으로써, 또한 크랙 점유율을 0.3 ∼ 1.0 으로 정함으로써, 탄소강, 합금강 등의 절삭 가공에 있어서 우수한 내치핑성과 함께 우수한 내마모성을 발휘하는 것이다.

이에 반해, 경질 피복층의 구조가 본 발명에서 규정하는 범위를 벗어나는 비교예 피복 공구에서는, 치핑 발생 혹은 내마모성의 저하에 의해 비교적 단시간에 사용 수명에 이르는 것이 분명하다.

산업상 이용가능성

상기 서술한 바와 같이, 이 발명의 피복 공구는, 탄소강, 합금강 등의 절삭 가공에 제공한 경우에 장기에 걸쳐 우수한 절삭 성능을 나타내는 것이기 때문에, 절삭 가공 장치의 FA 화, 그리고 절삭 가공의 생력화 및 에너지 절약화, 또한 저비용화에 충분히 만족스럽게 대응할 수 있는 것이다.

1 : 아크 이온 플레이팅 장치
2 : 챔버
3 : 회전 테이블
4 : 초경 기체
5 : 히터
6 : 애노드 전극
7 : 캐소드 전극
8 : 자력 발생원
9 : 반응 가스 도입구
10 : 배기 가스구
11 : 바이어스 전원
12 : 아크 전원
13 : 피복 절삭 공구
14 : 공구 기체
15 : 경질 피복층
16, A : 플랭크면 날끝
B : 레이크면 날끝
17 : 플랭크면 날끝 (15) 에서부터 100 ㎛ 떨어진 위치까지의 영역
18 : 영역 (16) 에 있어서의 공구 기체와 경질 피복층의 계면
19 : 영역 (16) 상에 형성된 경질 피복층 표면
20 : 영역 (16) 상에 형성된 경질 피복층
21A : 기체 플랭크면
21B : 피복 공구 플랭크면
22A : 기체 레이크면
22B : 피복 공구 레이크면
23 : 기체 플랭크면 (21A) 및 기체 레이크면 (22A) 의 가상 연장선의 교점
L : 교점 (23) 에서부터 플랭크면 날끝 (16) 까지의 거리 (㎛)
r : 코너부의 곡률 반경 (㎛)
θ : 기체 플랭크면 (21) 및 기체 레이크면 (22) 의 연장선이 이루는 각도 (도)
α : 피복 공구의 날끝 각도 (도)
β : α 도의 각도 범위 내의 경질 피복층 중에 형성되어 있는 연속 크랙의 점유 각도 (도)
O : 중심
A : 플랭크면 날끝
B : 레이크면 날끝
C, D : 크랙의 단부
CR1 : 날끝 각도 α 내에 있어서의 최대 각도 β 를 나타내는 크랙
CR2, CR3 : 크랙

Claims

탄화텅스텐기 초경합금으로 구성된 공구 기체의 표면에, 평균 층두께가 2 ∼ 10 ㎛ 인 경질 피복층을 증착 형성한 표면 피복 절삭 공구에 있어서,
(a) 상기 경질 피복층은, Al 과 Cr 의 복합 질화물층으로 이루어지고, Al 과 Cr 의 합량에서 차지하는 Cr 의 함유 비율은, 0.2 ∼ 0.5 (단, 원자비) 이고,
(b) 상기 표면 피복 절삭 공구의 상기 공구 기체의 플랭크면 상의 날끝에서부터, 상기 플랭크면 상에서 상기 플랭크면 날끝에서 반대측을 향하여 100 ㎛ 떨어진 위치까지의 영역 상에 증착 형성된 경질 피복층은, 입상 결정 조직을 갖고, 상기 영역 상에 형성된 상기 경질 피복층 표면의 입상 결정립의 평균 입경은 0.2 ∼ 0.5 ㎛ 이고, 상기 영역에 있어서의 상기 공구 기체와 상기 경질 피복층의 계면에 있어서의 입상 결정립의 평균 입경은, 상기 경질 피복층 표면의 상기 입상 결정립의 평균 입경보다 0.02 ∼ 0.1 ㎛ 작고, 입경이 0.15 ㎛ 이하인 결정립이 차지하는 결정 입경 길이 비율은 20 ％ 이하인 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 경질 피복층 중의 압축 잔류 응력은 2.0 ∼ 2.7 ㎬ 인 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 표면 피복 절삭 공구의 날끝 각도를 α 도로 하고, 그 α 도의 각도 범위 내의 절삭날 선단의 코너부의 경질 피복층 중에 형성되어 있는 연속 크랙의 점유 각도를 β 도로 한 경우, 크랙 점유율 β/α 가 0.3 ∼ 1.0 인 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 입상 결정 조직에 포함되는 결정립의 애스펙트비는 1 이상 6 이하인 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제 3 항에 있어서,
상기 입상 결정 조직에 포함되는 결정립의 애스펙트비는 1 이상 6 이하인 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
탄화텅스텐기 초경합금으로 구성된 공구 기체의 표면에, 평균 층두께가 2 ∼ 10 ㎛ 인 경질 피복층을 증착 형성한 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법으로서,
애노드 전극과, Al-Cr 합금으로 이루어지는 타깃과, 상기 타깃의 배면측에 형성된 자력 발생원을 구비하는 아크 이온 플레이팅 장치 내에, 탄화텅스텐기 초경합금으로 이루어지는 공구 기체를 장입하는 기체 장입 공정과,
상기 공구 기체 상에 Al 과 Cr 의 복합 질화물층으로 이루어지는 경질 피복층을 증착 형성하는 증착 공정을 구비하고,
상기 증착 공정은,
상기 아크 이온 플레이팅 장치 내에 질소 가스를 도입하는 가스 도입 공정과,
상기 타깃과 상기 공구 기체 사이에, 상기 자력 발생원에 의해 자장을 인가하는 인가 공정과,
상기 공구 기체에 바이어스 전압을 인가하면서, 상기 타깃과 상기 애노드 전극 사이에 아크 방전을 발생시키는 방전 공정과,
상기 공구 기체를 상기 아크 이온 플레이팅 장치 내에서 자전 및 공전시키는 자전 공전 공정을 갖고,
상기 공구 기체가 상기 타깃에 가장 접근했을 때에는, 상기 공구 기체의 플랭크면의 일부 또는 전부와 상기 타깃의 상기 공구 기체측의 면이 수평이 되도록 상기 공구 기체는 지지되는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 자장이, 적산 자력으로서 140 ∼ 400 mT × ㎜ 인 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법.