KR20150082577A

KR20150082577A - 절삭 공구

Info

Publication number: KR20150082577A
Application number: KR1020157015169A
Authority: KR
Inventors: 요시키 사카모토
Original assignee: 쿄세라 코포레이션
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2013-12-25
Publication date: 2015-07-15
Also published as: US20150343535A1; JP5883161B2; US9579728B2; CN104870127A; CN104870127B; WO2014104111A1; KR101710501B1; EP2939770B1; JPWO2014104111A1; EP2939770A1; EP2939770A4

Abstract

[과제]
절삭날, 경사면, 플랭크면 각각에 최적인 절삭 성능을 발휘할 수 있는 피복층을 구비한 절삭 공구를 제공한다.
[해결 수단]
기체(2)의 표면에 Si_aM₁ _-a(C₁ _- _xN_x)(단, M은 Ti, Al, Cr, W, Mo, Ta, Hf, Nb, Zr 및 Y로부터 선택되는 적어도 1종, 0.01≤a≤0.4, 0≤x≤1)로 이루어지는 피복층(6)을 피복해서 이루어짐과 아울러 경사면(3)과 플랭크면(4)의 교차 능선에 절삭날(5)을 갖고 있고, 절삭날(5)보다 경사면(3) 쪽이 피복층(6) 중의 Si 함유 비율이 높은 절삭 공구(1)이다.

Description

절삭 공구{CUTTING TOOL}

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

현재, 절삭 공구나 내마 부재, 슬라이딩 부재와 같은 내마모성이나 슬라이딩성, 내결손성을 필요로 하는 부재에서는 초경합금이나 서멧 등의 소결합금, 다이아몬드나 cBN(입방정 질화붕소)의 고경도 소결체, 알루미나나 질화규소 등의 세라믹스로 이루어지는 기체의 표면에 피복층을 성막해서 내마모성, 슬라이딩성 또는 내결손성을 향상시키는 방법이 이용되고 있다.

또한, 이온 플레이팅법이나 스퍼터링법을 이용하여 성막되는 Ti나 Al을 주성분으로 하는 질화물로 이루어지는 피복층이 활발하게 연구되고 있고, 공구 수명을 연명시키기 위한 개량이 계속되고 있다. 이들 표면 피복 공구는 절삭 속도의 고속화를 비롯한 절삭 환경의 변화, 피삭재의 다양화에 대응하기 위해서, 피복 재료 원소 이외에도 여러 가지 연구가 실시되어 오고 있다.

예를 들면, 특허문헌 1이나 특허문헌 2에서는 이온 플레이팅법에 의해 기체의 표면에 TiAlN 등을 피복한 표면 피복 공구에 있어서, 성막 중에 인가하는 부의 바이어스의 절대값을 성막 초기보다 성막 후기에서 높임으로써 Ti의 비율을 평탄부보다 절삭날에서 많게 한 피복막(피복층)이 개시되어 있다.

일본 특허 공개 평 01-190383호 공보 일본 특허 공개 평 08-267306호 공보

그러나, 특허문헌 1이나 특허문헌 2에 기재된 절삭날에 있어서의 Ti의 비율을 높게 한 TiAlN막의 구성에서도 절삭날에 있어서의 치핑을 충분하게 억제할 수 없고, 치핑으로부터 급격하게 마모가 진행되어 공구를 장기간에 걸쳐서 사용할 수 없는 경우가 있었다.

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

본 발명의 절삭 공구는 기체의 표면에 평균 조성이 Si_aM₁ _-a(C₁ _- _xN_x)(단, M은 Ti, Al, Cr, W, Mo, Ta, Hf, Nb, Zr 및 Y로부터 선택되는 적어도 1종, 0.01≤a≤0.40, 0≤x≤1)로 이루어지는 피복층을 피복해서 이루어짐과 아울러, 경사면과 플랭크면의 교차 능선에 절삭날을 갖고 있고, 상기 경사면에 있어서의 상기 피복층 중의 Si 함유 비율이 상기 절삭날에 있어서의 상기 피복층 중의 Si 함유 비율보다 높은 것이다.

(발명의 효과)

본 발명의 절삭 공구에 의하면, 상기 경사면에 있어서의 상기 피복층 중의 Si 함유 비율이 상기 절삭날에 있어서의 상기 피복층 중의 Si 함유 비율보다 높은 구성으로 되어 있고, 이것에 의해 절삭 부스러기의 접촉에 의해 고온이 되는 경사면에 있어서의 피복층의 내산화성을 향상시킬 수 있다. 그 때문에, 경사면의 크레이터 마모의 진행을 억제할 수 있다. 또한, 절삭날에 있어서는 Si 함유 비율이 경사면에 비해서 낮으므로, 피복층의 인성이 향상된다. 그 때문에, 절삭날에 있어서의 내치핑성이 향상된다. 그 결과, 절삭날, 경사면, 플랭크면 각각에 최적인 절삭 성능을 발휘할 수 있고, 절삭 공구를 장기간에 걸쳐서 사용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 절삭 공구의 일례를 나타내는 개략 사시도이다.
도 2는 도 1의 절삭 공구의 X-X 단면도이다.
도 3은 도 1, 2의 절삭 공구의 피복층의 일례에 대한 요부 확대도이다.

본 발명의 절삭 공구에 대한 바람직한 실시형태인 도 1, 2를 사용하여 설명한다.

도 1, 2에 의하면, 절삭 공구(1)는 기체(2)의 표면에 피복층(6)을 구비하고 있다. 또한, 절삭 공구(1)는 주면에 경사면(3)을, 측면에 플랭크면(4)을, 경사면(3)과 플랭크면(4)의 교차 능선에 절삭날(5)을 갖고 있다.

피복층(6)은 평균 조성이 Si_aM₁ _-a(C₁ _- _xN_x)(단, M은 Ti, Al, Cr, W, Mo, Ta, Hf, Nb, Zr 및 Y로부터 선택되는 적어도 1종, 0.01≤a≤0.40, 0≤x≤1)로 이루어진다.

본 실시형태에 의하면, 경사면(3)에 있어서의 피복층(6) 중의 Si 함유 비율(a)이 절삭날(5)에 있어서의 피복층(6) 중의 Si 함유 비율보다 높고, 특히 절삭날(5)로부터 경사면(3)을 향해서 점차 피복층(6) 중의 Si 함유 비율이 높아지고 있다. 이것에 의해, 절삭 부스러기의 접촉에 의해 고온이 되는 경사면(3)에 있어서의 피복층(6)의 내산화성을 높일 수 있다. 그 때문에, 경사면(3)의 크레이터 마모의 진행을 억제할 수 있다. 또한, 절삭날(5)에 있어서는 Si 함유 비율이 경사면(3)에 비해서 낮으므로, 피복층(6)의 인성이 향상된다. 그 때문에, 절삭날(5)에 있어서의 내치핑성이 향상된다. 그 결과, 공구 수명을 연장시킨다. 또한, Si 함유 비율의 바람직한 범위는 절삭날(5)의 피복층(6) 중에서 0.01∼0.035, 경사면(3)의 피복층(6) 중에서 0.01∼0.30이다.

여기에서, 평균 조성이 Si_aM₁ _-a(C₁ _- _xN_x)(단, M은 Ti, Al, Cr, W, Mo, Ta, Hf, Nb, Zr 및 Y로부터 선택되는 적어도 1종, 0.01≤a≤0.4, 0≤x≤1)로 이루어지는 피복층(6)에 있어서 a(Si 함유 비율)가 0.01보다 작으면 피복층(6)의 내산화성 및 윤활성이 저하된다. a(Si 함유 비율)가 0.4보다 크면 피복층(6)의 내마모성이 저하된다. a의 특히 바람직한 범위는 0.01≤a≤0.15이다.

또한, M은 Ti, Al, Cr, W, Mo, Ta, Hf, Nb, Zr, Y로부터 선택되는 1종 이상이지만, 그 중에서도 Ti, Al, Cr, Nb, Mo 및 W의 1종 이상을 함유하면 경도가 향상되어 내마모성에 뛰어나다. 그 중에서도 M이 Ti, Al 또는 Nb를 함유하면 고온에서의 내산화성에 뛰어나기 때문에, 예를 들면 고속 절삭에 있어서의 크레이터 마모의 진행을 억제할 수 있다.

여기에서, 본 실시형태에 있어서의 피복층(6)의 보다 구체적인 평균 조성을 예시하면 Si_aTi_bAl_cNb_dW_eCr_f(C₁ _- _xN_x)(0.01≤a≤0.40, 0.13≤b≤0.80, 0≤c≤0.65, 0≤d≤0.25, 0≤e≤0.25, 0≤f≤0.35, a+b+c+d+e+f=1, 0≤x≤1)이다. 피복층(6)이 이 조성 범위가 됨으로써, 피복층(6)은 산화 개시 온도가 높아져서 내산화성이 높고, 또한 내재하는 내부 응력을 저감시킬 수 있어서 내결손성이 높다. 또한, 피복층(6)은 경도 및 기체(2)와의 밀착성도 높은 것이다. 그 때문에, 피복층(6)은 난삭재의 가공이나 건식 절삭, 고속 절삭 등의 엄격한 절삭 조건에 있어서의 내마모성 및 내결손성에 뛰어난 것이 된다. 또한, 상기 조성에 있어서 피복층(6) 중의 함유 비율이 1원자% 미만이며 Mo, Ta, Hf, Zr 및 Y로부터 선택되는 적어도 1종을 함유하고 있어도 좋다.

즉, b(Ti 함유 비율)가 0.13 이상이면 피복층(6)의 결정 구조가 입방정에서 육방정으로 변화되어서 경도가 저하되지 않아 내마모성이 높다. b(Ti 함유 비율)가 0.8 이하이면 피복층(6)의 내산화성 및 내열성이 높다. b의 특히 바람직한 범위는 0.15≤b≤0.50이다. 또한, c(Al 함유 비율)가 0.6 이하이면 피복층(6)의 결정 구조가 입방정에서 육방정으로 변화되지 않아 경도가 저하될 일이 없다. c의 특히 바람직한 범위는 0.45≤c≤0.58이다. 또한, d(Nb 함유 비율)가 0.25 이하이면 피복층(6)의 내산화성 및 경도가 저하되지 않아 내마모성이 높다. d의 특히 바람직한 범위는 0.01≤d≤0.20이다. e(W 함유 비율)가 0.25 이하이면 피복층(6)의 내산화성 및 경도가 저하되지 않아 내마모성이 높다. e의 특히 바람직한 범위는 0.01≤e≤0.20이다. f(Cr 함유 비율)가 0.35 이하이면 피복층(6)의 내용착성이 높고, 또한 내산화성이 저하되지 않아 내마모성이 높다. f의 특히 바람직한 범위는 0.01≤f≤0.30이다.

또한, 피복층(6)의 비금속 성분인 C, N은 절삭 공구에 필요한 경도 및 인성에 영향을 미치는 것이며, 본 실시형태에서는 x(N 함유 비율)는 0≤x≤1, 특히 0.8≤x≤1이다.

상기 피복층(6)의 평균 조성은 에너지 분산형 X선 분광 분석법(EDS) 또는 X선 광전자 분광 분석법(XPS)에 의해, 피복층(6)의 표면으로부터 기체측에 걸치는 조성을 측정함으로써 특정할 수 있다. 절삭날(5), 경사면(3), 플랭크면(4)에 있어서의 피복층의 조성을 측정함으로써, 절삭날(5), 경사면(3), 플랭크면(4)의 각각에 있어서의 피복층(6)의 평균 조성을 구할 수 있다.

또한, 본 실시형태에 있어서는 절삭날(5)에 있어서의 피복층(6) 중의 Si 함유 비율이 플랭크면(4)에 있어서의 피복층(6) 중의 Si 함유 비율보다 높고, 또한 플랭크면(4)으로부터 절삭날(5)을 향해서 점차 피복층(6) 중의 Si 함유 비율이 높아지고 있다. 이것에 의해, 절삭날(5)에 있어서의 내열성을 향상시킬 수 있음과 아울러 플랭크면(4)에 있어서의 내결손성이 높아진다.

또한, 본 실시형태에서는 경사면(3)에 있어서의 피복층(6)의 평균 조성에 있어서의 Si 함유 비율이 플랭크면(4)에 있어서의 피복층(6)의 평균 조성에 있어서의 Si 함유 비율보다 크다. 이것에 의해, 경사면(3)에 있어서의 경도 및 내산화성이 향상되고, 경사면(3)에 있어서의 크레이터 마모를 억제할 수 있다. 또한, 플랭크면(4)에 있어서의 인성이 높아지고, 플랭크면의 경계 손상을 억제할 수 있다.

또한, 하기 피복층(6)의 조성이나 두께를 특정할 때의 절삭날(5)의 범위는 경사면(3)과 플랭크면(4)의 교차 능선으로부터 500㎛폭의 영역으로 정의한다. 따라서, 경사면(3)의 범위는 절삭 공구(1)의 주면 등의 경사면(3)의 중앙으로부터 절삭날(5)의 종단인 교차 능선으로부터 500㎛의 위치까지 걸치는 영역, 플랭크면(4)의 범위는 절삭 공구(1)의 측면 등의 플랭크면(4)의 중앙으로부터 절삭날(5)의 종단인 교차 능선으로부터 500㎛의 위치까지 걸치는 영역이다.

여기에서, 본 실시형태에 있어서 절삭날(5)에 있어서의 피복층(6)의 평균 조성은 상기 조성식 Si_aTi_bAl_cNb_dW_eCr_f(C₁ _- _xN_x)에 있어서 0.012≤a≤0.35, 0.15≤b≤0.80, 0≤c≤0.63, 0≤d≤0.25, 0≤e≤0.25, 0≤f≤0.35, a+b+c+d+e+f=1, 0≤x≤1)이다. 경사면(3)에 있어서의 피복층(6)의 조성은 상기 조성식 Si_aTi_bAl_cNb_dW_eCr_f(C_1-xN_x)에 있어서 0.015≤a≤0.4, 0.13≤b≤0.78, 0≤c≤0.65, 0≤d≤0.25, 0≤e≤0.25, 0≤f≤0.35, a+b+c+d+e+f=1, 0≤x≤1)이다. 플랭크면(4)에 있어서의 피복층(6)의 조성은 상기 조성식 Si_aTi_bAl_cNb_dW_eCr_f(C_1- _xN_x)에 있어서 0.01≤a≤0.3, 0.14≤b≤0.79, 0≤c≤0.62, 0≤d≤0.25, 0≤e≤0.25, 0≤f≤0.35, a+b+c+d+e+f=1, 0≤x≤1)이다.

또한, 피복층(6)은 전체가 균일한 단일의 조성으로 이루어지는 것이라도 좋지만, 본 실시형태에 있어서는 도 3의 피복층(6)의 일례에 대한 요부 확대도에 나타내는 바와 같이 피복층(6)이 다른 조성의 2층 이상이 교대로 적층된 다층 구성으로 되어 있다. 그리고, 본 실시형태에 있어서는 제 1 피복층(6a)과 제 2 피복층(6b)이 합계로 10층 이상 반복해서 교대로 적층된 구성으로 이루어진다. 이것에 의해, 피복층(6) 내에 크랙이 진전되는 것을 억제할 수 있고, 또한 피복층(6) 전체가 고경도화하여 내마모성이 향상된다. 또한, 피복층(6)의 내부 응력을 낮게 할 수 있으므로, 피복층(6)의 두께를 두껍게 해도 피복층(6)이 치핑이나 박리되는 것을 억제할 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서 이와 같이 조성이 다른 2종류 이상의 다층 구성으로 이루어지는 피복층(6)의 경우, 피복층(6)의 평균 조성은 상술한 EDS 분석 또는 XPS 분석에 의해 피복층(6)의 표면으로부터 기체에 걸치는 전체 조성으로 나타낸다. 그리고, 피복층(6) 중의 제 1 층(6a) 및 제 2 층(6b)의 각 층의 조성에 대해서는 투과형 전자 현미경(TEM)에 의해 피복층(6)의 단면을 관찰하고, EDS 분석에 의해 각 층의 조성을 측정할 수 있다.

또한, 상기 다층 구성의 피복층(6)을 형성하기 위해서는, 예를 들면 성막 장치의 챔버의 내벽 측면에 조성이 다른 타깃을 일정한 간격을 두고 배치한 상태에서 성막하는 시료를 회전시키면서 성막함으로써 제작할 수 있다.

한쪽 층[제 1 층(6a) 또는 제 2 층(6b)]이 Si_aTi_bAl_cNb_dW_e(C₁ _-x1Nx₁)(단, 0.01≤a≤0.80, 0.1≤b≤0.80, 0≤c≤0.80, 0≤d≤0.50, 0≤e≤0.50, a+b+c+d+e=1, 0≤x1≤1)로 이루어지고, 다른쪽 층[제 1 6a 또는 제 2 층(6b)]이 Si_gAl_hCr_i(C_1-x2N_x2)(단, 0≤g≤0.30, 0.30≤h≤0.90, 0.05≤i≤0.70, 0≤x2≤1)로 이루어질 경우에는 피복층(6)의 경도 및 내용착성이 향상됨과 아울러 피복층(6)의 내부 응력을 낮게 할 수 있어, 피복층(6)의 두께를 두껍게 해도 피복층(6)이 치핑이나 박리되는 것을 억제할 수 있다. 각 원소의 보다 바람직한 범위는 0.01≤a≤0.20이고, 0.10≤b≤0.50이고, 0.30≤c≤0.70이고, 0.01≤d≤0.30이고, 0.01≤e≤0.20이고, 0≤g≤0.20이고, 0.30≤h≤0.80이고, 0.15≤i≤0.60이고, 0.8≤x1≤1이고, 0.8≤x2≤1이다.

여기에서, 제 1 피복층(6a) 및 제 2 피복층(6b)의 조성은 연속하는 5층씩(합계 10층)의 조성을 측정해서 평균값을 취함으로써 산출된다.

피복층(6)의 상기 조성식에 있어서, 절삭날(5)에 있어서의 한쪽 피복층[제 1 층(6a) 또는 제 2 피복층(6b)]의 조성은 0.01≤a≤0.75, 0.15≤b≤0.80, 0≤c≤0.70, 0≤d≤0.50, 0≤e≤0.50, a+b+c+d+e=1, 0≤x1≤1)이다. 경사면(3)에 있어서의 한쪽 피복층의 조성은 0.02≤a≤0.80, 0.10≤b≤0.70, 0≤c≤0.80, 0≤d≤0.50, 0≤e≤0.50, a+b+c+d+e=1, 0≤x1≤1)이다. 플랭크면(4)에 있어서의 한쪽 피복층의 조성은 0.01≤a≤0.70, 0.1≤b≤0.75, 0≤c≤0.75, 0≤d≤0.50, 0≤e≤0.50, a+b+c+d+e=1, 0≤x1≤1)이다.

또한, 절삭날(5)에 있어서의 다른쪽 피복층[제 1 피복층(6a) 또는 제 2 층(6b)]의 조성은 0≤g≤0.25, 0.30≤h≤0.75, 0.05≤i≤0.60, 0≤x2≤1)이다. 경사면(3)에 있어서의 제 2 층(6b)의 조성은 0≤g≤0.30, 0.40≤h≤0.80, 0.05≤i≤0.70, 0≤x2≤1)이다. 플랭크면(4)에 있어서의 제 2 층(6b)의 조성은 0≤g≤0.20, 0.30≤h≤0.60, 0.05≤i≤0.65, 0≤x2≤1)이다.

또한, 본 실시형태에서는 경사면(3)에 있어서의 피복층(6)의 두께(tr)에 대한 절삭날(5)에 있어서의 피복층(6)의 두께(tc)의 비(tc/tr)가 1.1∼3이다. 이것에 의해, 절삭날(5)에 있어서의 내치핑성과 경사면(3)에 있어서의 내마모성의 밸런스를 유지하고, 공구 수명을 길게 할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는 피복층(6)의 플랭크면(4)에 있어서의 두께(tf)가 경사면(3)에 있어서의 두께(tr)보다 두껍다. 이것에 의해, 플랭크면(4)의 내마모성이 향상되고, 공구 수명을 연장시킬 수 있다. 본 실시형태에서는 경사면(3)에 있어서의 피복층(6)의 두께(tr)에 대한 플랭크면(4)에 있어서의 피복층(6)의 두께(tf)의 비(tf/tr)가 1.2∼3이다.

또한, 피복층(6)의 표면 및 내부에는 도 2에 나타내는 바와 같이 드롭렛(droplet)(7)이라고 불리는 입상 물질이 존재한다. 그리고, 본 실시형태에서는 경사면(3)의 표면에 존재하는 드롭렛(7)의 평균 조성은 플랭크면(4)의 표면에 존재하는 드롭렛(7)의 평균 조성에 비해서 Si의 함유 비율이 높은 구성으로 되어 있다.

이 구성에 의하면, 절삭시에 경사면(3) 상을 절삭 부스러기가 통과해도 드롭렛(7)의 존재에 의해 절삭 부스러기가 경사면(3)에 솔리드 접촉하지 않고, 피복층(6)의 표면이 그다지 고온이 될 일이 없다. 또한, 경사면(3) 쪽이 플랭크면(4)에 비해서 드롭렛(7) 중의 Si의 함유 비율이 높으므로, 경사면(3) 상에 존재하는 드롭렛(7)의 내열성이 높고, 또한 절삭액을 피복층(6)의 표면에 액 보존하는 효과도 발휘한다. 또한, 플랭크면(4)에 있어서는 드롭렛(7) 중의 Si의 함유 비율이 낮아서 내열성이 낮기 때문에, 조기에 마모되어 소멸되어 버려 가공시의 마무리면 상태가 개선된다.

또한, 본 실시형태에서는 피복층(6)의 경사면(3)의 표면에 형성되는 드롭렛(7)의 Si 함유 비율 Si_DR은 플랭크면(4)의 표면에 형성되는 드롭렛(7)의 Si 함유 비율 Si_DF에 대하여 1.05≤Si_DR/Si_DF≤3.50이다. 이것에 의해, 경사면(3) 및 플랭크면(4)에 있어서의 내마모성을 모두 최적화할 수 있다.

또한, 존재하는 드롭렛(7)의 수는 경사면(3)에 있어서의 10㎛×10㎛ 사방으로 직경이 0.2㎛ 이상인 드롭렛(7)이 15∼50개, 바람직하게는 18∼30개인 것이 절삭 부스러기의 통과에 의한 발열 완화의 점에서 바람직하다. 또한, 경사면(3)에 있어서의 드롭렛(7)의 수가 플랭크면(4)에 존재하는 드롭렛(7)의 수보다 많은 것이 경사면(3)이 절삭 부스러기의 통과에 의해 고온이 되는 것을 완화함과 아울러, 플랭크면(4)의 표면을 매끄럽게 해서 마무리면 품위를 향상시키는 점에서 바람직하다.

또한, 피복층(6)의 경사면(3)의 표면에 형성되는 드롭렛(7)의 Al 함유 비율 Al_DR은 플랭크면(4)의 표면에 형성되는 드롭렛(7)의 Al 함유 비율 Al_DF에 대하여 1.00≤Al_DR/Al_DF≤1.10인 것이 경사면(3) 및 플랭크면(4)에 있어서의 내마모성을 최적화할 수 있는 점에서 바람직하다. 비율 Al_DR/Al_DF의 특히 바람직한 범위는 1.00≤Al_DR/Al_DF≤1.02이다. 또한, 피복층(6)의 경사면(3)의 표면에 형성되는 드롭렛(7)의 Ti 함유 비율 Ti_DR는 플랭크면(4)의 표면에 형성되는 드롭렛(7)의 Ti 함유 비율 Ti_DF에 대하여 0.91≤Ti_DR/Ti_DF≤0.97인 것이 경사면(3) 및 플랭크면(4)에 있어서의 내치핑성을 모두 최적화할 수 있는 점에서 바람직하다. 비율 Ti_DR/Ti_DF의 특히 바람직한 범위는 0.94≤Ti_DR/Ti_DF≤0.97이다.

또한, 기체(2)로서는 탄화텅스텐이나 탄질화티탄을 주성분으로 하는 경질상과 코발트, 니켈 등의 철족 금속을 주성분으로 하는 결합상으로 이루어지는 초경합금이나 서멧의 경질합금, 질화규소나 산화알루미늄을 주성분으로 하는 세라믹스, 다결정 다이아몬드나 입방정 질화붕소로 이루어지는 경질상과 세라믹스나 철족 금속 등의 결합상을 초고압 하에서 소성하는 초고압 소결체 등의 경질 재료가 바람직하게 사용된다.

(제조 방법)

이어서, 본 발명의 절삭 공구의 제조 방법에 대하여 설명한다.

우선, 공구 형상의 기체를 종래 공지의 방법을 이용하여 제작한다. 이어서, 기체의 표면에 피복층을 성막한다. 피복층의 성막 방법으로서, 이온 플레이팅법이나 스퍼터링법 등의 물리 증착(PVD)법이 바람직하게 적응 가능하다. 성막 방법의 일례에 대한 상세에 대해서 설명하면, 피복층을 아크 이온 플레이팅법으로 제작할 경우에는 금속 실리콘(Si), 및 소정의 금속 M(단, M은 Ti, Al, Cr, W, Mo, Ta, Hf, Nb, Zr 및 Y로부터 선택되는 적어도 1종 이상)을 각각 독립적으로 함유하는 금속 타깃, 복합화한 합금 타깃 또는 소결체 타깃을 챔버의 측벽면 위치에 세팅한다. 본 실시형태에서는 Si를 많이 함유하는 제 1 타깃과, Si를 함유하지 않거나 또는 Si 함유량이 적은 제 2 타깃 2종류의 타깃을 이용하여 성막한다.

이때, 타깃의 주위에는 타깃의 이면의 중앙측에 위치하도록 센터 자석이 설치되어 있다. 본 발명에 의하면, 이 자석의 자력의 세기를 제어함으로써 상기 실시형태의 절삭 공구를 제작할 수 있다. 즉, 제 1 타깃에 병설되는 센터 자석의 자력을 강하게 하고, 제 2 타깃의 센터 자석의 자력을 약하게 한다. 이것에 의해, 각 타깃으로부터 발생하는 금속 이온의 확산 상태를 바꾸고, 챔버 내에 존재하는 금속 이온의 분포 상태를 변화시킨다. 그 결과, 기체의 표면에 성막되는 피복층 중의 각 금속의 비율, 및 드롭렛의 존재 상태를 변화시킬 수 있다.

성막 조건으로서는 이들 타깃을 이용하여 아크 방전이나 그로우 방전 등에 의해 금속원을 증발시켜 이온화함과 동시에, 질소원의 질소(N₂) 가스나 탄소원의 메탄(CH₄)/아세틸렌(C₂H₂) 가스와 반응시키는 이온 플레이팅법 또는 스퍼터링법에 의해 피복층을 성막한다. 이때, 기체의 세팅 위치는 플랭크면이 챔버의 측면과 거의 평행하게, 또한 경사면이 챔버의 상면과 거의 평행한 방향으로 세팅한다. 이때, 센터 자석에는 2∼8T의 자력을 인가해서 성막하지만, 제 1 타깃에 병설되는 센터 자석에 인가하는 자력을 제 2 타깃에 병설되는 센터 자석에 인가하는 자력보다 높게 해서 성막한다.

또한, 상기 피복층을 성막할 때에는 피복층의 결정 구조를 고려해서 고경도인 피복층을 제작할 수 있음과 아울러 기체와의 밀착성을 높이기 위해서, 본 실시형태에서는 35∼200V의 바이어스 전압을 인가한다.

또한, 챔버 내에 세팅하는 시료를 챔버 내에서 회전시키면서 성막함으로써 시료와 2종류의 타깃의 거리가 주기적으로 변화되므로, 제 1 층과 제 2 층의 교대 적층 구조로 이루어지는 피복층을 성막할 수 있다.

실시예 1

평균 입경 0.8㎛의 탄화텅스텐(WC) 분말을 주성분으로 해서 평균 입경 1.2㎛의 금속 코발트(Co) 분말을 10질량%, 평균 입경 1.0㎛의 탄화바나듐(VC) 분말을 0.1질량%, 평균 입경 1.0㎛의 탄화크롬(Cr₃C₂) 분말을 0.3질량%의 비율로 첨가해 혼합하고, 프레스 성형에 의해 쿄세라 제 절삭 공구 BDMT11T308TR-JT 형상의 드로우어웨이 팁 형상으로 성형한 후 탈바인더 처리를 실시하고, 0.01Pa의 진공 중, 1450℃에서 1시간 소성해서 초경합금을 제작했다. 또한, 각 시료의 경사면의 표면을 블래스트 가공, 브러시 가공 등에 의해 연마 가공했다. 또한, 제작한 초경합금에 브러시 가공으로 에지 처리(호닝)를 실시했다.

이렇게 하여 제작한 기체에 대하여, 챔버 내의 제 1 타깃, 제 2 타깃에 대하여 표 1에 나타내는 자력의 센터 자석을 세팅하여 표 1에 나타내는 바이어스 전압을 인가하고, 아크 전류 150A를 각각 흘려서 성막 온도 540℃로 해서 표 2∼3에 나타내는 조성의 피복층을 성막했다. 또한, 피복층의 조성은 하기 방법에 의해 전체 조성을 측정했다.

얻어진 드로우어웨이 팁에 대하여, 피복층의 표면으로부터 절삭날, 경사면 및 플랭크면의 피복층의 각 위치의 임의 3개소 및 경사면 및 플랭크면의 표면 상에 형성된 드롭렛을 주사형 전자 현미경(SEM)으로 관찰하고, 각 위치에서의 조성을 분석했다. 절삭날, 경사면, 플랭크면에 있어서의 3개소의 평균 조성을 피복층의 절삭날, 경사면, 플랭크면의 조성으로서 표기했다. 또한, 1시야에 있어서의 10㎛×10㎛의 임의 영역에 있어서의 직경 0.2㎛ 이상의 드롭렛의 개수를 측정하고, 측정 개소 5개소에 있어서의 평균 개수를 산출했다. 또한, 드롭렛 각 10개의 조성을 에너지 분산 분광 분석(EDS)(아메테크사 제 EDAX)에 의해 측정하고, 이것들의 평균값을 피복층의 경사면, 플랭크면 및 각 표면 상의 드롭렛의 조성으로서 산출했다. 표 중, 경사면에 형성된 드롭렛에 대해서 Si, Ti, Al의 평균 함유량(원자%)을 각각 Si_DR, Ti_DR, Al_DR, 플랭크면에 형성된 드롭렛에 대해서 Si, Ti, Al의 평균 함유량(원자%)을 각각 Si_DF, Ti_DF, Al_DF로 표기했다. 또한, 각 시료의 피복층을 포함하는 단면에 대해서 SEM 관찰을 행하고, 절삭날, 경사면 및 플랭크면의 각 위치에 있어서의 피복층의 두께를 측정하여 두께비를 구했다. 결과는 표 2∼4에 나타냈다.

이어서, 얻어진 드로우어웨이 팁을 사용하여 이하의 절삭 조건으로 절삭 시험을 행했다. 결과는 표 4에 나타냈다.

절삭 방법: 밀링 가공

피삭재: 금형강(SKD11)

절삭 속도: 150m/분

이송: 0.12㎜/rev

절개부: 2.0㎜

절삭 상태: 건식

평가 방법: 200개 가공 후의 절삭 공구를 관찰해서 절삭날 상태를 확인했다. 또한, 공구 수명까지 가공할 수 있었던 가공수를 확인했다.

표 1∼4에 나타내는 결과로부터, 절삭날과 경사면의 피복층의 Si 함유 비율이 같은 시료 No.9, 및 절삭날보다 경사면에 있어서 피복층의 Si 함유 비율이 낮은 시료 No.8에서는 절삭날에 있어서 치핑이 발생하기 쉽고, 또한 경사면에 있어서의 크레이터 마모가 진행되어 조기에 수명이 되었다.

이에 대하여, 본 발명의 범위 내인 시료 No.1∼7에서는 모두 절삭날에 있어서의 치핑의 발생이 적고, 또한 경사면에 있어서의 크레이터 마모의 진행이 느려서 가공수가 많고, 양호한 절삭 성능을 발휘했다.

실시예 2

실시예 1의 기체에 대하여, 제 1 타깃, 제 2 타깃에 대해서 표 5에 나타내는 자력의 센터 자석을 세팅하여 표 5에 나타내는 바이어스 전압을 인가하고, 아크 전류 150A를 각각 흘려서 성막 온도 540℃로 해서 표 6∼8에 나타내는 조성의 피복층을 성막했다. 또한, 피복층의 조성은 실시예 1과 마찬가지로 해서 전체 조성을 측정했다.

또한, 얻어진 시료에 대하여 실시예 1과 마찬가지로 절삭날, 경사면 및 플랭크면의 피복층의 표면의 드롭렛의 개수와, 드롭렛 중의 Si, Al, Ti의 평균 함유량(원자%), 각 위치에 있어서의 피복층의 두께를 측정했다. 결과는 표 6∼7에 나타냈다.

또한, 각 피복층을 투과형 전자 현미경(TEM)으로 관찰한 결과, 제 1 층과 제 2 층이 교대로 적층된 구조로 이루어지는 것을 알 수 있었다. 연속하는 10층(제 1 층과 제 2 층의 5층씩)에 대해서 제 1 층과 제 2 층의 두께를 측정하여 그 평균값을 산출한 결과, 모두 평균 두께 10㎚였다. 또한, TEM 장치에 부수의 에너지 분산형 X선 분석(EDS)에 의해, 연속하는 5층씩에 대해서 제 1 층 및 제 2 층의 조성을 분석했다. 결과는 표 6∼9에 나타냈다. 또한, 실시예 1과 같은 조건으로 절삭 성능을 평가했다. 결과는 표 10에 나타냈다.

표 5∼10에 나타내는 결과로부터, 시료 No.10∼12 모두 절삭날에 있어서의 치핑의 발생이 적고, 또한 경사면에 있어서의 크레이터 마모의 진행이 느려서 가공수가 많았다. 특히, 피복층이 제 1 층 또는 제 2 층 중 어느 한쪽이 Si_aTi_bAl_cNb_dW_e(C_1-x1N_x1)(단, 0.01≤a≤0.80, 0.1≤b≤0.80, 0≤c≤0.80, 0≤d≤0.50, 0≤e≤0.50, a+b+c+d+e=1, 0≤x1≤1)로 이루어지고, 제 2 층 또는 제 1 층의 다른쪽이 Si_gAl_hCr_i(C₁ _-x2N_x2)(단, 0≤g≤0.30, 0.30≤h≤0.90, 0.05≤i≤0.70, 0≤x2≤1)로 이루어지는 시료 No.10, 11에서는 더욱 양호한 절삭 성능을 발휘했다.

1 : 절삭 공구 2 : 기체
3 : 경사면 4 : 플랭크면
5 : 절삭날 6 : 피복층
7 : 드롭렛

Claims

기체의 표면에 평균 조성이 Si_aM₁ _-a(C₁ _- _xN_x)(단, M은 Ti, Al, Cr, W, Mo, Ta, Hf, Nb, Zr 및 Y로부터 선택되는 적어도 1종, 0.01≤a≤0.4, 0≤x≤1)로 이루어지는 피복층을 피복해서 이루어짐과 아울러, 경사면과 플랭크면의 교차 능선에 절삭날을 갖고 있고, 상기 경사면에 있어서의 상기 피복층 중의 Si 함유 비율은 상기 절삭날에 있어서의 상기 피복층 중의 Si 함유 비율보다 높은 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 절삭날에 있어서의 상기 피복층 중의 Si 함유 비율은 상기 플랭크면에 있어서의 상기 피복층 중의 Si 함유 비율보다 높은 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 경사면에 있어서의 상기 피복층의 두께(tr)에 대한 상기 절삭날에 있어서의 상기 피복층의 두께(tc)의 비(tc/tr)는 1.1∼3인 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 경사면의 표면에 형성되는 드롭렛에 있어서의 Si의 함유 비율은 상기 플랭크면의 표면에 형성되는 드롭렛에 있어서의 Si의 함유 비율보다 높은 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 피복층은 조성이 다른 적어도 제 1 층과 제 2 층이 합계로 10층 이상 반복해서 교대로 적층된 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 5 항에 있어서,
상기 제 1 층 또는 상기 제 2 층 중 어느 한쪽이 Si_aTi_bAl_cNb_dW_e(C₁ _-x1N_x1)(단, 0.01≤a≤0.80, 0.1≤b≤0.80, 0≤c≤0.80, 0≤d≤0.50, 0≤e≤0.50, a+b+c+d+e=1, 0≤x1≤1)로 이루어지고, 상기 제 1 층 또는 상기 제 2 층 중 어느 다른쪽이 Si_gAl_hCr_i(C_1-x2N_x2)(단, 0≤g≤0.30, 0.30≤h≤0.90, 0.05≤i≤0.70, 0≤x2≤1)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.