KR20170046672A

KR20170046672A - 표면 피복 절삭 공구 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20170046672A
Application number: KR1020177005554A
Authority: KR
Inventors: 다카시 기무라; 마사쿠니 다카하시; 가즈아키 센보쿠야; 다츠오 하시모토
Original assignee: 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
Priority date: 2014-09-03
Filing date: 2015-09-03
Publication date: 2017-05-02
Also published as: WO2016035854A1; EP3189916A4; JPWO2016035854A1; EP3189916A1; CN106604796A; JP6037155B2; US20170283936A1; US10358712B2; CN106604796B

Abstract

이 표면 피복 절삭 공구는, 탄화 텅스텐기 초경합금으로 구성된 공구 기체의 표면에, 경질 피복층을 증착 형성한 표면 피복 절삭 공구에 있어서, 경질 피복층은, 적어도 1 층의, 평균 층두께가 0.5 ∼ 10 ㎛ 인 (Ti₁ _- _XAl_X)N 층 (0.4 ≤ X ≤ 0.7 (단, X 는 원자비)) 을 갖고, 상기 (Ti, Al)N 층은 입방정 결정 구조를 갖고, 상기 경질 피복층의 파장 400 ∼ 500 ㎚ 에 있어서의 흡수율의 평균값을 Ia (％) 로 하고, 파장 600 ∼ 700 ㎚ 에 있어서의 흡수율의 평균값을 Ib (％) 로 했을 때 Ia － Ib ＜ 5 라는 관계를 만족한다.

Description

표면 피복 절삭 공구 및 그 제조 방법{SURFACE-COATED CUTTING TOOL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 경질 피복층이 우수한 내산화성과 고온 경도를 구비함으로써, 장기에 걸쳐 우수한 내마모성을 발휘하는 표면 피복 절삭 공구 (이하, 피복 공구라고도 한다) 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

본원은 2014년 9월 3일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2014-178723호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

일반적으로, 표면 피복 절삭 공구에는, 각종 강이나 주철 등의 피삭재의 선삭 가공이나 평삭 가공에 있어서 바이트의 선단부에 자유롭게 착탈할 수 있도록 장착하여 사용되는 인서트, 상기 피삭재의 천공 절삭 가공 등에 사용되는 드릴이나 미니추어 드릴, 또한 상기 피삭재의 면삭 가공이나 홈 가공, 숄더링 가공 등에 사용되는 솔리드 타입의 엔드 밀 등이 있다. 또, 상기 인서트를 자유롭게 착탈할 수 있도록 장착하여 상기 솔리드 타입의 엔드 밀과 동일하게 절삭 가공을 행하는 인서트식 엔드 밀 공구 등이 피복 공구로서 알려져 있다.

그리고, 내마모성이 우수하다는 점에서, 탄화 텅스텐기 초경합금으로 이루어지는 공구 기체의 표면에, 물리 증착의 일종인 아크 이온 플레이팅 (이하,「AIP」로 기재한다) 법에 의해서, Ti 와 Al 의 복합 질화물 (이하, (Ti, Al)N 으로 기재한다) 을 경질 피복층으로서 피복 형성한 피복 공구가 종래부터 알려져 있다.

예를 들어, 특허문헌 1 에는, 기체 표면에, 조성식 (Ti₁ _- _XAl_X)N (단, 원자비로, X 는 0.40 ∼ 0.60) 을 만족하는 (Ti, Al)N 층으로 이루어지며, 또한, 상기 (Ti, Al)N 층에 대해서 전자선 후방 산란 회절 장치에 의한 결정 방위 해석을 행했을 경우, 표면 연마면의 법선 방향으로부터 0 ∼ 15 도의 범위 내에서 결정 방위 ＜111＞ 을 갖는 결정립의 면적 비율이 50 ％ 이상, 또, 인접하는 결정립끼리가 이루는 각을 측정했을 경우, 소각립계 (小角粒界) (0 ＜ θ ≤ 15˚) 의 비율이 50 ％ 이상인, 결정 배열을 나타내는 개질 (Ti, Al)N 층으로 이루어지는 경질 피복층을 증착 형성함으로써, 고속 중절삭 가공에 의해서 경질 피복층이 우수한 내결손성을 발휘하는 피복 공구가 얻어지는 것이 개시되어 있다.

또, 특허문헌 2 에는, (Ti, Al)N, Ti 와 Al 의 복합 탄질화물, 탄화물을 피복한 엔드 밀에 있어서, 경질 피복층의 X 선 회절에 있어서의 (111) 면의 회절 강도를 I(111), (200) 면의 회절 강도를 I(200) 으로 했을 때 I(200)/I(111) 의 값을 2.0 이하로 함으로써, 로크 웰 경도 50 (C 스케일) 을 초과하는 고경도 스틸의 절삭 가공에 있어서, 경질 피복층의 밀착성 그리고 내마모성을 개선한 피복 공구가 개시되어 있다.

또, 특허문헌 3 에는, Ti 및/또는 Ti 와 Al 및/또는 4A, 5A, 6A 족의 금속의 화합물막에 있어서 함유 질소량을 변화시킴으로써, 먼셀 표색에 있어서 색상이 7.5YR ∼ 10Y, 명도가 3 ∼ 8, 채도가 2 ∼ 8 인 색조를 나타내는 것을 특징으로 하는 질화 경질 피막에 의해서 피복 공구의 절삭 특성이 우수한 것이 개시되어 있다.

일본 공개특허공보 2008-264890호 일본 공개특허공보 평9-291353호 일본 공개특허공보 평7-243047호

최근의 절삭 가공 장치의 고성능화는 눈부시고, 한편으로 절삭 가공에 대한 생력화 및 에너지 절약화, 나아가 저비용화에 대한 요구는 크다. 이에 수반하여, 절삭 가공은 고속화의 경향에 있다. 예를 들어, 경질 피복층으로서 (Ti, Al)N 층을 증착 형성한 종래의 피복 공구를, 강이나 주철의 통상 조건에서의 절삭에 사용한 경우에는 특별히 문제는 없다. 그러나, 특히, 이와 같은 종래의 피복 공구를 사용하여 고온 산화 분위기 중 (예를 들어, 절삭에 의해서 온도가 상승된 상태) 에서 절삭 가공을 행했을 경우에는, 경질 피복층의 내산화성이 충분하지 않기 때문에 피막이 열화되기 쉽고, 그 때문에, 장기 사용에 걸쳐서 충분한 내마모성을 발휘할 수 없다. 그 결과, 비교적 단시간에 사용 수명에 이르는 것이 현 상이다.

그래서, 본 발명자들은, 전술한 관점에서, 고온 산화 분위기 중에서 절삭 가공을 행했을 경우, 경질 피복층이 우수한 내산화성과 고온 경도를 구비하고, 장기 사용에 걸쳐서 우수한 내마모성을 발휘하는 피복 공구를 개발하기 위해서 예의 연구를 행하였다. 그 결과, 이하의 지견을 얻었다.

(Ti, Al)N 층으로 구성된 경질 피복층을 갖는 피복 공구에 있어서, 경질 피복층의 고온 경도와 내산화성을 향상시키기 위해서, Al 의 함유 비율을 높인다고 하는 방법이 있다. 이 경우, Al 의 함유 비율이 70 원자％ 를 초과하면 결정 구조가 육방정 구조로 되기 쉽고, 그 결과 경도가 저하되기 때문에 고온 경도와 내산화성을 양립시키는 것은 곤란하다.

그래서, 본 발명자들은, (Ti, Al)N 층을 구성하는 성분 원소량의 조정에 의한 내산화성 향상책 대신에, 고온 경도를 유지하면서 내산화성을 향상시키기 위한 하나의 가설을 세우고, 이것을 실증하기 위해서 예의 연구를 진행시켰다. 그 결과, 분광 광도계에 의해서 피복 공구의 경질 피복층 표면의 광 흡수 스펙트럼을 측정했을 때, 파장 400 ∼ 500 ㎚ 에 있어서의 흡수율의 평균값 Ia (％) 와 파장 600 ∼ 700 ㎚ 에 있어서의 흡수율의 평균값 Ib (％) 사이에, Ia － Ib ＜ 5 라는 소정의 관계가 성립하는 경우에는, 경질 피복층은 우수한 고온 경도를 구비함과 함께, 우수한 내산화성을 나타내는 것을 본 발명자들은 실험적으로 알아내었다.

따라서, 경질 피복층 표면의 광 흡수 스펙트럼에 관하여, 상기한 Ia － Ib ＜ 5 라는 소정의 관계가 성립되는 경질 피복층을 증착 형성한 피복 공구는, 고온 산화 분위기 중에서 절삭 가공을 행한 경우여도, 경질 피복층이 우수한 내산화성을 구비하기 때문에 경질 피복층의 열화는 일어나지 않는다. 그 때문에, 장기 사용에 걸쳐서 우수한 내마모성을 발휘하는 것을 본 발명자들은 알아내었다.

본 발명은 상기한 지견에 기초하여 이루어진 것으로서, 이하의 구성을 구비한다.

(1) 탄화 텅스텐기 초경합금으로 구성된 공구 기체의 표면에, 경질 피복층을 증착 형성한 표면 피복 절삭 공구에 있어서,

(a) 상기 경질 피복층은, 적어도 1 층의 평균 층두께가 0.5 ∼ 10 ㎛ 인 (Ti, Al)N 층을 갖고, 상기 (Ti, Al)N 층은

조성식 : (Ti₁ _- _XAl_X)N

으로 나타냈을 경우, X 의 값은 0.4 ≤ X ≤ 0.7 (단, X 는 원자비) 을 만족하며, 또한, 입방정 결정 구조를 갖고,

(b) 상기 경질 피복층 표면의 광 흡수 스펙트럼을 분광 광도계에 의해서 측정했을 경우, 파장 400 ∼ 500 ㎚ 에 있어서의 흡수율의 평균값을 Ia (％) 로 하고, 또, 파장 600 ∼ 700 ㎚ 에 있어서의 흡수율의 평균값을 Ib (％) 로 했을 때, Ia － Ib ＜ 5 라는 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.

(2) Ti-Al 합금 타깃의 표면 중심에 있어서의 표면 임의의 10 ㎜ 의 범위를 측정했을 때의 최대 자속 밀도 구배가 6 G/㎜ 이상이며 또한 최대 자장 자속 밀도가 100 ∼ 250 G 의 범위 내가 되도록 하여 경질 피복층을 제조한 (1) 에 기재된 표면 피복 절삭 공구.

(3) 탄화 텅스텐기 초경합금으로 구성된 공구 기체의 표면에, 경질 피복층을 증착 형성한 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법으로서,

상기 경질 피복층은 적어도 1 층의 (Ti, Al)N 층을 갖고,

Ti-Al 합금 타깃의 표면 중심에 있어서의 표면 임의의 10 ㎜ 의 범위를 측정했을 때의 최대 자속 밀도 구배를 6 G/㎜ 이상으로 하며, 또한 최대 자장 자속 밀도를 100 ∼ 250 G 로 하면서, 상기 Ti-Al 합금 타깃을 사용하여 상기 (Ti, Al)N 층을 상기 공구 기체 표면에 증착 형성하는 표면 피복 공구의 제조 방법.

본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, (Ti, Al)N 층으로 이루어지는 경질 피복층 표면의 광 흡수 스펙트럼을 측정했을 때, 파장 400 ∼ 500 ㎚ 에 있어서의 흡수율의 평균값 Ia (％) 와 파장 600 ∼ 700 ㎚ 에 있어서의 흡수율의 평균값 Ib (％) 가 Ia － Ib ＜ 5 라는 소정의 관계를 만족한다. 그 때문에, 고온 산화 분위기 하에서 절삭 가공을 행한 경우여도, 내산화성이 우수하고, 피막 특성의 열화를 초래하지 않고, 장기 사용에 걸쳐서 우수한 내마모성을 발휘한다.

도 1A 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 표면 피복 절삭 공구를 구성하는 경질 피복층을 형성하는 데 사용한 AIP 장치를 나타내는 개략 평면도이다.
도 1B 는, 도 1A 의 AIP 장치를 나타내는 개략 정면도이다.
도 2 는, 경질 피복층 표면의 광 흡수 스펙트럼 측정 방법의 개략 설명도를 나타낸다.
도 3 은, 샘플 1, 2 에 대해서 측정한 샘플 1, 2 의 표면의 광 흡수 스펙트럼 측정 결과를 나타낸다.
도 4 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 표면 피복 절삭 공구를 사용한 절삭 시험 결과의 일례를 나타낸다.

다음으로, 본 발명의 실시형태 (이하, 본 실시형태라고 한다) 에 관련된 표면 피복 절삭 공구에 대해서 보다 상세하게 설명한다.

본 실시형태의 피복 공구는 공구 기체와, 경질 피복층을 구비한다. 경질 피복층은 탄화 텅스텐기 초경합금으로 이루어지는 공구 기체의 표면에 증착 형성된다. 경질 피복층은, 적어도 1 층의 평균 층두께가 0.5 ∼ 10 ㎛ 인 입방정 결정 구조의 (Ti, Al)N 층 (Ti 와 Al 의 복합 질화물층) 으로 이루어진다. 그 층의 성분 조성을 조성식 : (Ti₁ _- _XAl_X)N 으로 나타냈을 경우, X 는 원자비로 0.4 ≤ X ≤ 0.7 을 만족한다.

상기 (Ti, Al)N 층에 있어서, Al 성분이 고온 경도와 내열성을 향상시키고, Ti 성분이 고온 인성, 고온 강도를 향상시키는 작용이 있다. 그러나, Ti 와 Al 의 합량에서 차지하는 Al 의 함유 비율 X (원자비, 이하 동일) 가 0.7 을 초과하면, 경질 피복층을 경도가 우수한 입방정 결정상의 단상으로 할 수 없어, 육방정 결정상과 입방정 결정상의 혼합상이 되기 때문에 경도가 저하된다. 한편, Ti 와 Al 의 합량에서 차지하는 Al 의 함유 비율 X 가 0.4 미만이 되면, 상대적으로 Al 의 함유 비율이 적어져 내열성의 저하를 초래한다. 그 결과, 편마모의 발생, 열소성 변형의 발생 등에 의해서 내마모성이 열화되게 된다. 따라서, Ti 와 Al 의 합량에서 차지하는 Al 의 함유 비율 X (원자비) 는 0.4 ∼ 0.7 일 필요가 있다. Ti 와 Al 의 합량에서 차지하는 Al 의 함유 비율 X (원자비) 는 0.45 ∼ 0.7 인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.5 ∼ 0.7 이지만, 이에 한정되지 않는다.

또, 상기 (Ti, Al)N 층의 평균 층두께가 0.5 ㎛ 미만에서는, 자체적으로 갖는 우수한 내마모성을 장기에 걸쳐서 발휘할 수 없다. 한편, 평균 층두께가 10 ㎛ 를 초과하면 칩핑이 발생되기 쉬워진다. 따라서, (Ti, Al)N 층의 평균 층두께는 0.5 ∼ 10 ㎛ 로 할 필요가 있다. 이 평균 층두께는 0.5 ∼ 8 ㎛ 인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.5 ∼ 6 ㎛ 이지만, 이에 한정되지 않는다.

본 발명자들은 다음의 가설을 세웠다. 경질 피복층 표면에 존재하는 격자 결함 (예를 들어, 전위 (轉位) 등) 등이 많은 경우에는, 절삭 가공시의 고온 산화 분위기 중에서 격자 결함에 산소 원자가 흡착하기 쉽고, 그 때문에, 경질 피복층 표면에 산화물을 형성하기 위한 핵 생성의 기점이 다수 형성된다. 이와 같이, 격자 결함이 경질 피복층의 내산화성 향상에 기여함으로써 절삭 성능이 향상된다. 또한, 경질 피복층의 격자 결함 등의 영향을 광 흡수 스펙트럼의 변화로 나타낼 수 있다. 본 발명자들은 이 변화와 절삭 성능의 관계를 여러 실험을 행함으로써 (자세한 것은 후술한다) 실증할 수 있었다.

또한, 본 실시형태에 있어서는, 경질 피복층 표면의 광 흡수 스펙트럼을 분광 광도계로 측정하여, 파장 400 ∼ 500 ㎚ 에 있어서의 흡수율의 평균값을 Ia (％) 로 하고, 또, 파장 600 ∼ 700 ㎚ 에 있어서의 흡수율의 평균값을 Ib (％) 로 했을 경우, 양자의 흡수율의 평균값의 차 (이하,「흡수율 차」라고 한다) 인 Ia － Ib 는 Ia － Ib ＜ 5 라는 관계를 만족시킬 필요가 있다. 또한, 본 명세서에 있어서 특별히 명기하지 않는 한, 흡수율 차 (Ia － Ib) 는 그 절대값 (｜Ia － Ib｜) 을 의미한다.

여기서, 상기 흡수율 차가 5 ％ 이상인 경우에는, 경질 피복층 표면에 격자 결함 (예를 들어, 전위 등) 이 적기 때문에, 절삭 가공시의 고온 산화 분위기 중에서 경질 피복층 표면에 산화물의 핵 생성이 발생되기 어렵고, 산화물의 생성이 일어나기 어렵기 때문에 내산화성 향상 효과를 기대할 수는 없다. 따라서, 상기 흡수율 차 (Ia － Ib) 의 값은 Ia － Ib ＜ 5 (％) 를 만족할 필요가 있다. 또한, 보다 우수한 내산화성 향상의 효과를 얻기 위해서, 흡수율 차 (Ia － Ib) 의 값을 0 ∼ 3.5 ％ 로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0 ∼ 3.0 ％ 이지만, 이에 한정되지 않는다.

본 실시형태에서 정한 상기 5 ％ 미만의 흡수율 차 (Ia － Ib) 를 갖는 경질 피복층은, 예를 들어, 도 1A, 1B 에 나타내는 AIP 장치 (아크 이온 플레이팅 장치) (100) 를 사용하여, Ti-Al 합금 타깃 (캐소드 전극) (113) 의 배면에 영구 자석 등의 자력 발생원 (121) 을 배치하고, 타깃 (113) 표면에 자속 밀도 구배를 제어한 100 G (0.01 T) 이상의 표면 최대 자속 밀도를 인가하면서 (Ti, Al)N 층을 성막함으로써 증착 형성할 수 있다.

이 때, 타깃 (113) 의 표면에 있어서의 최대 자속 밀도 (최대 자장 자속 밀도) 를 100 ∼ 250 G (0.01 ∼ 0.025 T) 로 한다. 최대 자속 밀도가 100 G 미만이면, (Ia － Ib) ＜ 5 로 하기 어렵다. 한편, 최대 자속 밀도가 250 G 를 초과하면, (Ia － Ib) ≥ 5 가 된다. 타깃 (113) 의 표면에 있어서의 최대 자속 밀도는 바람직하게는 100 ∼ 250 G 이고, 보다 바람직하게는 100 ∼ 150 G 이지만, 이에 한정되지 않는다. 또, 타깃 (113) 의 표면 중심에 있어서의 표면 임의의 10 ㎜ 의 범위를 측정했을 때의 최대 자속 밀도 구배를 6 G/㎜ (0.6 mT/㎜) 이상으로 한다. 최대 자속 밀도 구배가 6 G/㎜ 미만이면, (Ia － Ib) ≥ 5 가 된다. 이 최대 자속 밀도 구배의 상한은 20 G/㎜ 로 하는 것이 바람직하다. 최대 자속 밀도 구배는 바람직하게는 6 ∼ 20 G 이고, 보다 바람직하게는 6 ∼ 10 G 이지만, 이에 한정되지 않는다. 여기서, 상기한 임의의 10 ㎜ 의 범위란, 타깃 표면의 중심부를 10 ㎜ 간격으로 격자상 분할한 격자점 중에서, 임의의 격자점과 인접하는 격자점 사이의 범위이다.

여기서, 도 1A, 1B 의 AIP 장치 (100) 는, 공구 기체 (초경 기체) (1) 를 재치 (載置) 하기 위한 회전 테이블 (101) 과, 공구 기체 (1) 를 가열하기 위한 히터 (102) 와, 반응 가스를 도입하기 위한 반응 가스 도입구 (103) 와, 가스를 계 외로 배출하기 위한 배기 가스구 (104) 와, 2 개의 애노드 전극 (111, 112) 과, 2 개의 캐소드 전극 (113, 114) 을 구비한다. 애노드 전극 (111) 과 캐소드 전극 (Al-Ti 합금 타깃) (113) 은 장치 (100) 외부의 아크 전원 (115) 에 접속되어 있다. 애노드 전극 (112) 과 캐소드 전극 (Ti 타깃) (114) 은 장치 (100) 외부의 아크 전원 (116) 에 접속되어 있다. 회전 테이블 (101) 은 장치 (100) 외부의 바이어스 전원 (117) 에 접속되어 있다. 또한, 캐소드 전극 (113) 의 배면, 즉, AIP 장치 (100) 의 측벽을 사이에 두고 캐소드 전극 (113) 과 대향하도록, 아크 이온 플레이팅 장치 (100) 의 외부에 자력 발생원 (121) 이 형성되어 있다. 캐소드 전극 (114) 의 배면에도 동일하게 자력 발생원 (122) 이 형성되어 있다. 또한, 도시한 예에서는, 자력 발생원 (121, 122) 은 원환상의 코일 자석 또는 영구 자석이다.

또, 상기한 분광 광도계에 의한 경질 피복층 표면의 광 흡수 스펙트럼의 측정은, 예를 들어 아래와 같이 행할 수 있다.

도 2 에, 경질 피복층 표면의 광 흡수 스펙트럼 측정 방법의 개략 설명도를 나타낸다.

도 2 에 나타내는 바와 같이, 분광 광도계의 광원 (10) 과 검출부 (11) 사이에 적분구 (12) 를 설치한다. 피복 공구로부터 샘플 S 를 잘라내고, 적분구 (12) 내에서 경질 피복층 표면 S1 에 광 L (도 2 중의 화살표) 이 조사되도록 샘플 S 를 설치한다. 또한, 광원 (10) 으로부터 시료 S 까지의 조사광 L 의 경로상에는, 특정 파장을 갖는 광만을 회절하는 그레이팅 (13) 이 설치되어 있다.

이어서, 파장을 200 ㎚ ∼ 1100 ㎚ 까지 연속적으로 변화시키면서 광원 (10) 으로부터 광 L 을 적분구 내에 조사하고, 검출부 (11) 에서 각 파장에 있어서의 경질 피복층 표면 S1 에서의 광의 흡수율 (감쇠율) 을 측정한다.

흡수율의 검출을 각 파장에서 연속적으로 행함으로써, 경질 피복층 표면의 광 흡수 스펙트럼을 측정할 수 있다.

표 1 에 측정 샘플과 그 측정 결과를 나타낸다.

표 1 에 나타내는 샘플 1, 2 는, 도 1A, 1B 에 나타내는 AIP 장치 (100) 에 있어서, 50 원자％ Ti - 50 원자％ Al 의 성분 조성의 타깃 (캐소드 전극 (113)) 을 사용하여, 목표 조성 (Ti_0.5, Al_0.5)N 층으로 이루어지는 경질 피복층을 증착 형성한 샘플이다.

여기서는, 타깃 표면 최대 자속 밀도 (100 G 이상이거나 40 G 미만), 및 타깃 표면의 임의의 10 ㎜ 의 범위를 측정했을 때의 최대 자속 밀도 구배에 의한 영향을 조사하기 위해서 2 종류의 샘플을 제작하여 사용하였다. 여기서, 가우스［테스라］미터를 사용하여, 타깃 표면을 상기 서술한 바와 같이 격자상 분할한 격자점마다 10 ㎜ 간격에서의 표면 자속 밀도를 측정하고, 측정된 표면 자속 밀도 중에서 최대의 것을 타깃 표면 최대 자속 밀도로 하였다. 또, 측정된 표면 자속 밀도 간에서 자속 밀도 구배를 계산하고, 계산된 자속 밀도 구배 중 최대의 것을 최대 자속 밀도 구배로 하였다.

도 3 에, 상기에서 제작한 샘플 1, 2 에 대해서 측정한 샘플 1, 2 의 표면의 광 흡수 스펙트럼 측정 결과를 나타낸다.

도 3 에 나타내는 결과에서 보았을 때, 타깃 표면의 최대 자속 밀도 및 최대 자속 밀도의 구배가 상이한 경우 (즉, 타깃 표면에서 임의의 10 ㎜ 의 범위를 관측했을 때의 최대 자속 밀도 구배가 6 G/㎜ 이상이며 또한 100 G 이상의 최대 자속 밀도를 인가했거나, 그렇지 않으면, 타깃 표면에서 임의의 10 ㎜ 의 범위를 측정했을 때의 최대 자속 밀도 구배가 6 G/㎜ 미만이며 또한 40 G 미만의 최대 자속 밀도를 인가했는지에 따라서), 파장 600 ∼ 700 ㎚ 에 있어서의 흡수율에는 큰 상이함은 없었지만, 파장 400 ∼ 500 ㎚ 에 있어서의 흡수율에는 큰 상이함이 보였다.

즉, 파장 400 ∼ 500 ㎚ 에 있어서의 흡수율에는 큰 차이가 보인 샘플 1 과 샘플 2 의 표면의 광 흡수 계수를 측정한 결과, 타깃 (113) 배면에 영구 자석 (121) 을 배치하여 타깃 표면에 100 G 이상의 최대 자속 밀도를 인가한 샘플 1 은, 샘플 2 와 비교하여 파장 400 ∼ 500 ㎚ 에 있어서의 흡수율이 확연하게 작은 것이 확인되었다.

그리고, 샘플 1 은 후기하는 바와 같이, 우수한 내산화성, 내마모성을 갖는 점에서, 샘플 1 의 파장 400 ∼ 500 ㎚ 와 파장 600 ∼ 700 ㎚ 에 있어서의 흡수율의 상이함은, 경질 피복층 표면에 존재하는 전위 등의 격자 결함에 의한 영향을 반영한 것으로 말할 수 있다.

표 2 에, 샘플 1, 2 에 대해서, 도 3 에서 구한 파장 400 ∼ 500 ㎚ 에 있어서의 흡수율의 평균값 Ia 와, 파장 600 ∼ 700 ㎚ 에 있어서의 흡수율의 평균값 Ib 와, 흡수율 차 (Ia － Ib) 를 나타낸다. 또한, 각 흡수율의 평균값은, 파장 400 ∼ 500 ㎚ 의 1 ㎚ 마다의 흡수율 100 점의 평균값을 Ia (％), 파장 600 ∼ 700 ㎚ 의 1 ㎚ 마다의 흡수율 100 점의 평균값을 Ib (％) 로 하였다. 또, 동표 2 에, 샘플 1, 2 에 증착 형성한 목표 조성 (Ti_0.5, Al_0.5)N 층으로 이루어지는 경질 피복층에 있어서의 에너지 분산형 X 선 분석 (EDS) 에 의해서 측정한 Al 함유율 (원자비에 의한 Al/(Ti ＋ Al) 의 값) 을 나타낸다.

표 2 에 의하면, Ia, Ib, (Ia － Ib) 는 변화하기는 하지만, 샘플 1, 2 의 Al 함유율은 거의 동일하였다. 이 점에서, 상기한 샘플 1 의 파장 400 ∼ 500 ㎚ 에 있어서의 흡수율이 작은 원인은 경질 피복층의 Al 함유율이 아니고, 경질 피복층 표면에 존재하는 전위 등의 격자 결함에 의한 것을 알 수 있다.

도 4 에, 본 실시형태에 관련된 피복 공구를 사용하여 행한 절삭 시험 결과의 일례를 나타낸다. 이 절삭 시험 조건은 아래와 같다.

공구 : 초경합금제 2 장 날 볼 엔드 밀 (사이즈 3R)

피삭재 : SKD61 (52 HRC)

회전수 : 17,000 min^-1

절삭 속도 : 300 m/min

이송 : 1,700 ㎜/min

1 날당의 이송 : 0.05 ㎜/tooth

절삭 깊이량 : ae 0.3 ㎜ (폭 방향), ap 2 ㎜ (깊이 방향)

절삭 방식 : 다운 컷

절삭유제 : 에어 블로

돌출 길이 : 22 ㎜

도 4 에 나타내는 결과에 의하면, 타깃 표면의 최대의 자속 밀도 구배와 최대 자속 밀도가 상이한 경우에는 절삭 성능에 큰 변화가 일어나는 것을 알 수 있다.

즉, 샘플 1 의 타깃 표면의 임의의 10 ㎜ 의 범위를 측정했을 때의 최대의 자속 밀도 구배가 7 G/㎜ 이고, 타깃 표면 최대 자속 밀도가 110 G 였다. 이와 같은 샘플 1 은, 절삭 길이가 450 m 를 초과해도 우수한 절삭 성능 (플랭크면 마모 폭) 을 구비하고 있었다.

이에 비하여, 샘플 2 의 타깃 표면의 임의의 10 ㎜ 의 범위를 측정했을 때의 최대의 자속 밀도 구배가 2 G/㎜ 이고, 타깃 표면 최대 자속 밀도가 35 G 인 샘플 2 는, 절삭 길이가 300 m 를 초과한 시점에서부터 절삭 성능의 저하가 보였다.

도 4 로부터, 타깃 표면의 임의의 10 ㎜ 의 범위를 측정했을 때의 최대의 자속 밀도 구배 및 타깃 표면 최대 자속 밀도가 큰 샘플 1 이 우수한 절삭 성능을 구비하는 것을 알 수 있었다. 한편, 절삭 성능이 양호했던 샘플 1 은, 표 2 에 나타낸 흡수율 차 (Ia － Ib) 가 작았던 샘플이다. 이 점에서, 경질 피복층의 절삭 성능은, 흡수율 차 (Ia － Ib) 가 소정의 수치 범위 내에 있는 경우에 얻어지는 것이 실증되었다고 말할 수 있다.

이상의 실험적 사실로부터, 본 실시형태의 피복 공구의 (Ti, Al)N 층으로 이루어지는 경질 피복층은, 분광 광도계에 의해서 광 흡수 스펙트럼을 측정하여, 파장 400 ∼ 500 ㎚ 에 있어서의 흡수율의 평균값을 Ia (％) 로 하고, 또, 파장 600 ∼ 700 ㎚ 에 있어서의 흡수율의 평균값을 Ib (％) 로 했을 때, 흡수율 차 (Ia － Ib) 가 5 ％ 미만의 범위 내인 경우에 우수한 절삭 성능을 구비한다.

그리고, 이것은 아래와 같이 추론된다. 즉, 경질 피복층의 표면에 격자 결함 (예를 들어, 전위) 등이 존재했을 경우, 결함 위치에 산소 원자가 흡착되기 쉬워지고, 산화물이 형성될 때의 핵 발생의 기점이 되는 점에서 경질 피복층 표면에 산화물이 형성되기 쉬워진다. 그 결과, 고온 산화 분위기 하에서 절삭 가공을 행했을 경우, 경질 피복층의 내산화성이 향상됨과 함께 내마모성도 향상된다.

다음으로, 본 발명의 피복 공구를, 실시예에 기초하여 보다 구체적으로 설명한다.

실시예

원료 분말로서, 평균 입경 : 5.5 ㎛ 를 갖는 중조립 탄화 텅스텐 (이하, WC) 분말, 동 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 준비하고, 이들 원료 분말을 각각 표 3 에 나타내는 배합 조성으로 배합하였다. 배합된 원료 분말에 추가로 왁스를 첨가하여 아세톤 중에서 24 시간 볼 밀 혼합하고, 감압 건조시켰다. 그 후, 100 ㎫ 의 압력으로 소정 형상의 각종 압분체로 프레스 성형하였다. 이들 압분체를, 6 ㎩ 의 진공 분위기 중에서, 7 ℃/분의 승온 속도로 1370 ∼ 1470 ℃ 범위 내의 소정 온도로 승온하고, 이 온도로 1 시간 유지 후, 노랭 (爐冷) 의 조건에서 소결하여, 직경이 8 ㎜, 26 ㎜ 인 2 종의 초경 기체 형성용 환봉 소결체를 형성하였다. 또한, 상기한 2 종의 환봉 소결체로부터, 연삭 가공에 의해서, 표 3 에 나타내는 조합으로, 절삭날부의 직경 × 길이가 각각 6 ㎜ × 13 ㎜ 및 20 ㎜ × 45 ㎜ 인 치수, 그리고 어느 것이나 비틀림각 30 도의 4 장 날 스퀘어 형상을 가진 WC 기초 경합금제의 공구 기체 (엔드 밀) (1 ∼ 8) 을 각각 제조하였다.

(a) 이어서, 상기한 공구 기체 (1 ∼ 8) 의 각각을, 아세톤 중에서 초음파 세정하고, 건조된 상태에서, 도 1A, B 에 나타내는 AIP 장치 (100) 내의 회전 테이블 (101) 상의 중심축으로부터 반경 방향으로 소정 거리 떨어진 위치에 회전 테이블 (101) 의 외주부를 따라서 장착하고, 일방에 봄버드 세정용의 Ti 캐소드 전극 (Ti 타깃) (114) 을, 타방측에 소정 성분 조성의 Ti-Al 합금으로 이루어지는 타깃 (캐소드 전극) (113) 을, 회전 테이블을 사이에 두고 대향 배치하였다.

(b) 먼저, 장치 (100) 내를 배기하여 0.1 ㎩ 이하의 진공으로 유지하면서, 히터 (102) 에 의해서 장치 (100) 내를 500 ℃ 로 가열하였다. 그 후, 회전 테이블 (101) 상에서 자전하면서 회전하는 공구 기체 (도면 중의 부호 1) 에 -1000 V 의 직류 바이어스 전압을 인가하며, 또한, 전술한 Ti 캐소드 전극 (114) 과 애노드 전극 (112) 사이에 100 A 의 전류를 흘려 아크 방전을 발생시키고, 그것에 의해서 공구 기체 표면을 봄버드 세정하였다.

(c) 이어서, Ti-Al 의 Al 함유량의 변화에 따라서, 장치 (100) 내에 도입하는 반응 가스로서의 질소 가스의 유량을 조정하여 4 ∼ 10 ㎩ 의 반응 분위기로 함과 함께, 회전 테이블 (101) 상에서 자전하면서 회전하는 공구 기체에 -250 ∼ -50 V 의 직류 바이어스 전압을 인가하였다. 또한, Ti-Al 합금 타깃 (113) 의 표면에 있어서의 임의의 10 ㎜ 의 범위를 측정했을 때의 최대 자속 밀도 구배가 6 G/㎜ 이상이며 또한 최대 자속 밀도가 100 ∼ 250 G 인 범위 내가 되도록 표 4 에 나타내는 여러 자속 밀도를 인가하였다. 이와 같은 상태에서, Ti-Al 합금 타깃 (113) 과 애노드 전극 (111) 사이에 100 A 의 전류를 흘려 아크 방전을 발생시켜, 소정의 목표 층두께의 (Ti, Al)N 층으로 이루어지는 경질 피복층을 공구 기체 (1 ∼ 8) 상에 증착 형성하였다.

상기 공정 (a) ∼ (c) 에 의해서, 표 4 에 나타내는 본 발명에 관련된 표면 피복 절삭 공구로서, 본 발명 표면 피복 초경제 엔드 밀 (이하, 본 발명 피복 엔드 밀이라고 한다) (1 ∼ 8) 을 제조하였다.

또, 비교의 목적에서, 상기 공구 기체 (1 ∼ 8) 를 아세톤 중에서 초음파 세정하고, 건조된 상태에서 도 1A, B 에 나타내는 AIP 장치에 장입하며, 캐소드 전극 (증발원) (113) 으로서 Ti-Al 합금을 장착하였다. 먼저, 장치 (100) 내를 배기하여 0.1 ㎩ 이하의 진공으로 유지하면서, 히터 (102) 에 의해서 장치 (100) 내를 500 ℃ 로 가열하였다. 그 후, 상기 공구 기체에 -1000 V 의 직류 바이어스 전압을 인가하며, 또한, Ti 캐소드 전극 (114) 과 애노드 전극 (112) 사이에 100 A 의 전류를 흘려 아크 방전을 발생시켜 공구 기체 표면을 봄버드 세정하였다. 이어서 장치 (100) 내에 반응 가스로서 질소 가스를 도입하여 4 ㎩ 의 반응 분위기로 함과 함께, 공구 기체에 -50 V 의 바이어스 전압을 인가하였다. Ti-Al 합금 타깃 (113) 의 표면에 있어서의 임의의 10 ㎜ 의 범위를 측정했을 때의 최대 자속 밀도 구배가 6 G/㎜ 미만이며 또한 최대 자속 밀도가 40 G 미만이 되도록 표 5 에 나타내는 여러 자속 밀도를 인가하였다. 이와 같은 상태에서, Ti-Al 합금의 캐소드 전극 (113) 과 애노드 전극 (111) 사이에 100 A 의 전류를 흘려 아크 방전을 발생시켜, 공구 기체 (1 ∼ 8) 의 각각의 표면에, 목표 층두께의 (Ti, Al)N 층으로 이루어지는 경질 피복층을 증착 형성하였다. 이로써, 표 5 에 나타내는 비교 표면 피복 초경제 엔드 밀 (이하, 비교 피복 엔드 밀이라고 한다) (1 ∼ 8) 을 각각 제조하였다.

또, 상기 본 발명 피복 엔드 밀 (1 ∼ 8) 및 비교 피복 엔드 밀 (1 ∼ 8) 에 대해서, 각각으로부터 그 일부를 잘라내어 광 흡수 스펙트럼 측정용 시료를 제작하였다. 이 시료를 사용하여, 도 2 에 나타내는 전술한 광 흡수 스펙트럼 측정 방법에 따라서, (Ti, Al)N 층으로 이루어지는 경질 피복층의 표면의 흡수율을 측정하였다.

그리고, 이 측정치로부터, 파장 400 ∼ 500 ㎚ 에 있어서의 흡수율의 평균값 Ia (％), 파장 600 ∼ 700 ㎚ 에 있어서의 흡수율의 평균값 Ib (％), 흡수율 차 (Ib-Ia) 를 산출하여 구하였다.

또한, 구체적인 산출 방법은 아래와 같다. 파장 400 ∼ 500 ㎚ 및 600 ∼ 700 ㎚ 에 있어서, 1 ㎚ 마다의 흡수율을 측정하였다. 그리고, 파장 400 ∼ 500 ㎚ 의 1 ㎚ 마다의 흡수율 100 점의 평균값을 Ia (％), 파장 600 ∼ 700 ㎚ 의 1 ㎚ 마다의 흡수율 100 점의 평균값을 Ib (％) 로 하였다.

표 4, 표 5 에 그 값을 나타낸다.

또, 상기 본 발명 피복 엔드 밀 (1 ∼ 8) 및 비교 피복 엔드 밀 (1 ∼ 8) 의 각각을 제작했을 때의 성막 조건인, 타깃 표면의 최대 자속 밀도 (G) 의 값 및 타깃 표면의 임의의 10 ㎜ 의 범위를 측정했을 때의 최대 자속 밀도 구배 (G/㎜) 의 값에 대해서도 표 4, 표 5 에 나타내었다.

또, 상기 본 발명 피복 엔드 밀 (1 ∼ 8), 비교 피복 엔드 밀 (1 ∼ 8) 의 (Ti, Al)N 층으로 이루어지는 경질 피복층의 Al 함유량을, EPMA 를 사용한 5 개 지점 측정의 평균값으로서 구하였다.

또, 상기 경질 피복층의 (Ti, Al)N 층의 평균 층두께를, 주사 전자 현미경을 사용한 단면 (斷面) 측정에 의해서 5 개 지점 측정의 평균값으로서 구하였다.

표 4, 표 5 에 그 값을 나타낸다.

다음으로, 본 발명 피복 엔드 밀 (1 ∼ 8) 및 비교 피복 엔드 밀 (1 ∼ 8) 중에서, 본 발명 피복 엔드 밀 (1 ∼ 4) 및 비교 피복 엔드 밀 (1 ∼ 4) 에 대해서는, 아래의 조건에서 합금 공구강의 건식 고속 홈 절삭 가공 시험을 행하였다.

피삭재 - 평면 : 100 ㎜ × 250 ㎜, 두께 : 50 ㎜ 의 치수의 JIS 4404 : 2006 (ISO 4957 : 1999 에 대응) 에서 규정되는 SKD61 (HRC 52) 의 판재,

절삭 속도 : 300 m/min.,

홈 깊이 (절삭 깊이) : ae 0.3 ㎜, ap 2 ㎜,

테이블 이송 : 1700 ㎜/min..

본 발명 피복 엔드 밀 (5 ∼ 8) 및 비교 피복 엔드 밀 (5 ∼ 8) 에 대해서는, 아래의 조건에서 합금 공구강의 건식 고속 홈 절삭 가공 시험을 행하였다.

피삭재 - 평면 : 100 ㎜ × 250 ㎜, 두께 : 50 ㎜ 의 치수의 JIS·SKD61 의 판재,

절삭 속도 : 300 m/min.,

홈 깊이 (절삭 깊이) : ae 0.3 ㎜, ap 2 ㎜,

테이블 이송 : 1.700 ㎜/min..

상기한 어느 홈 절삭 가공 시험에서나, 절삭날부의 외주 날의 플랭크면 마모 폭이 사용 수명의 기준이 되는 0.1 ㎜ 에 이를 때까지의 절삭 홈 길이를 측정하였다.

표 6 에 그 측정 결과를 나타낸다.

표 4 ∼ 6 에 나타내는 결과로부터, 본 발명 피복 엔드 밀 (1 ∼ 8) 은, (Ti, Al)N 층으로 이루어지는 경질 피복층 표면의 광 흡수 스펙트럼을 측정했을 때, 파장 400 ∼ 500 ㎚ 에 있어서의 흡수율의 평균값 Ia (％) 와 파장 600 ∼ 700 ㎚ 에 있어서의 흡수율의 평균값 Ib (％) 가 Ia － Ib ＜ 5 라는 소정의 관계를 만족하였다. 그 때문에, 고온 산화 분위기 하에서 절삭 가공을 행한 경우여도, 본 발명 피복 엔드 밀 (1 ∼ 8) 은 내산화성이 우수하기 때문에, 피막 특성의 열화를 초래하지 않고, 장기 사용에 걸쳐서 우수한 내마모성을 발휘하였다.

이에 비하여, 경질 피복층 표면의 광 흡수 스펙트럼의 흡수율의 평균값 Ia (％), Ib (％) 가, Ia － Ib ＜ 5 라는 관계를 만족하지 못하는 비교 피복 엔드 밀 (1 ∼ 8) 은, 고온 산화 분위기의 절삭 조건 하에 있어서의 피막 특성의 열화에 의해서 내마모성이 저하되어, 비교적 단시간에 사용 수명에 이르른 것이 명확하다.

또한, 본 실시예에서는 단층의 경질 피복층에서의 효과를 나타냈지만, 본 발명의 피막 ((Ti, Al)N 층) 과 다른 피막의 조합으로도 효과를 발휘한다. 예를 들어, (Ti, Al)N 과, TiN, Ti(C, N), (Al, Cr)N 등의 질화물이나 Al₂O₃ 이나 비정질 탄소막 등과의 복수 층 구조나, 이들 피막과의 교호 적층으로 한 경우여도 효과를 발휘한다. 또한, 다른 피막과 조합할 경우, 우수한 내산화성을 발휘하기 위해서, 본 발명의 피막 ((Ti, Al)N 층) 을 경질 피복층의 최표층으로 하여 형성하는 것이 바람직하다.

산업상 이용가능성

본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 고온 산화 분위기 하에서 절삭 가공을 행한 경우여도, 내산화성이 우수하기 때문에 피막 특성의 열화가 없어, 장기 사용에 걸쳐서 우수한 내마모성을 발휘한다. 따라서, 절삭 가공 장치의 고성능화, 그리고 절삭 가공의 생력화 및 에너지 절약화, 나아가 저비용화에 충분히 만족스럽게 대응할 수 있다.

1 : 공구 기체
100 : 아크 이온 플레이팅 장치 (AIP 장치)
101 : 회전 테이블
102 : 히터
103 : 반응 가스 도입구
104 : 배기 가스구
111 : 애노드 전극
112 : 애노드 전극
113 : 캐소드 전극
114 : 캐소드 전극
115 : 아크 전원
116 : 아크 전원
117 : 바이어스 전원
121 : 자력 발생원
122 : 자력 발생원

Claims

탄화 텅스텐기 초경합금으로 구성된 공구 기체의 표면에, 경질 피복층을 증착 형성한 표면 피복 절삭 공구에 있어서,
(a) 상기 경질 피복층은, 적어도 1 층의 평균 층두께가 0.5 ∼ 10 ㎛ 인 (Ti, Al)N 층을 갖고, 상기 (Ti, Al)N 층은
조성식 : (Ti₁ _- _XAl_X)N
으로 나타냈을 경우, X 의 값은 0.4 ≤ X ≤ 0.7 (단, X 는 원자비) 을 만족하며, 또한, 입방정 결정 구조를 갖고,
(b) 상기 경질 피복층 표면의 광 흡수 스펙트럼을 분광 광도계에 의해서 측정했을 경우, 파장 400 ∼ 500 ㎚ 에 있어서의 흡수율의 평균값을 Ia (％) 로 하고, 또, 파장 600 ∼ 700 ㎚ 에 있어서의 흡수율의 평균값을 Ib (％) 로 했을 때 (Ia － Ib) ＜ 5 라는 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
Ti-Al 합금 타깃의 표면 중심에 있어서의 표면 임의의 10 ㎜ 의 범위를 측정했을 때의 최대 자속 밀도 구배가 6 G/㎜ 이상이며 또한 최대 자장 자속 밀도가 100 ∼ 250 G 의 범위 내가 되도록 하여 경질 피복층을 제조한 표면 피복 절삭 공구.
탄화 텅스텐기 초경합금으로 구성된 공구 기체의 표면에, 경질 피복층을 증착 형성한 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법으로서,
상기 경질 피복층은 적어도 1 층의 (Ti, Al)N 층을 갖고,
Ti-Al 합금 타깃의 표면 중심에 있어서의 표면 임의의 10 ㎜ 의 범위를 측정했을 때의 최대 자속 밀도 구배를 6 G/㎜ 이상으로 하며, 또한 최대 자장 자속 밀도를 100 ∼ 250 G 로 하면서, 상기 Ti-Al 합금 타깃을 사용하여 상기 (Ti, Al)N 층을 상기 공구 기체 표면에 증착 형성하는 표면 피복 공구의 제조 방법.