KR20170103828A

KR20170103828A - 표면 피복 절삭 공구

Info

Publication number: KR20170103828A
Application number: KR1020177019832A
Authority: KR
Inventors: 가즈아키 센보쿠야; 마사쿠니 다카하시; 츠요시 오가미; 다츠오 하시모토
Original assignee: 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
Priority date: 2015-01-22
Filing date: 2016-01-22
Publication date: 2017-09-13
Also published as: EP3248722A1; CN107206513B; JP2016137567A; EP3248722A4; JP6593776B2; CN107206513A; US10569339B2; US20180021858A1

Abstract

표면 피복 절삭 공구에 있어서, 경질 피막은 1 또는 2 이상의 층으로 형성되고, 그 적어도 1 층은, 평균 조성식 : (Al₁ _-x- _yCr_xSi_y)(C_zN₁ _-z) (단, x, y, z 는 모두 원자비로서, 0.1≤x≤0.4, 0.01≤y≤0.2, 0≤z≤0.3) 을 만족하는 Al 과 Cr 과 Si 의 복합 질화물층 또는 복합 탄질화물층으로 이루어지는 경질 피복층이며, 상기 경질 피복층은, 10 원자％ 미만의 C, N 으로부터 선택되는 비금속 성분과, Cr, Al, Si 로부터 선택되는 금속 성분으로 이루어지는 복수의 입자를 포함하고, 상기 복수의 입자 중 Al 함유량은 50 원자％ 이하이고, 상기 공구 기체의 표면에 대하여 수직인 단면 장경이 0.5 ㎛ 미만이며, 또한 애스펙트비가 2.0 이상인 편평 입자는, 상기 복수의 입자의 전체 개수에 대하여 개수 비율로 90 ％ 이상을 상기 단면 중에서 차지한다.

Description

표면 피복 절삭 공구{CUTTING TOOL FOR SURFACE COATING}

본원 발명은, 예를 들어 합금 공구강 등의 피삭재의 밀링 가공에 있어서 경질 피복층의 내치핑성, 내용착성을 향상시킴으로써, 장기간의 사용에 걸쳐 우수한 절삭 성능을 발휘하는 표면 피복 절삭 공구 (이하, 피복 공구라고 한다) 에 관한 것이다.

본원은 2015년 1월 22일에 일본에 출원된 특허출원 2015-010351호, 및 2016년 1월 20일에 일본에 출원된 특허출원 2016-8494호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

종래, 예를 들어 특허문헌 1 에 나타나 있는 바와 같이, 공구 기체의 표면에, 조성식 : (Al₁ _-x- _yCr_xSi_y)(N₁ _- _zC_z) (단, 0.3≤x≤0.7, 0≤y≤0.1, 0≤z≤0.3) 으로 나타내는 평균 층두께 0.5 ∼ 8.0 ㎛ 의 복합 탄질화물층 또는 복합 질화물층으로 이루어지는 경질 피복층을 형성한 표면 피복 절삭 공구에 있어서, 경질 피복층은, 구성 원소의 90 원자％ 이상이 금속 원소인 입자를 함유하고 있고, 상기 입자는, 단면 장경 0.05 ∼ 1.0 ㎛ 로 상기 경질 피복층 중에 3 ∼ 20 ％ 의 종단면 면적 비율로 분산 분포하고, 상기 입자 중 구성 원소에 50 원자％ 이상의 Al 을 포함하고, 또한 종단면 형상의 애스펙트비가 2.0 이상 또한 단면 장경이 기판 표면과 이루는 예각이 45°이하인 입자의 종단면 면적 비율을 A ％, 그 이외의 입자의 종단면 면적 비율을 B ％ 로 했을 때, 0.3≤A/(A＋B) 를 만족하고, 탄소강, 합금 공구강 등의 정면 프레이즈 가공에 있어서, 우수한 내결손성, 내마모성을 발휘하는 표면 피복 절삭 공구가 알려져 있다.

또한, 특허문헌 2 에 나타나 있는 바와 같이, 공구 기체의 표면에, 적어도 0.5 ∼ 10 ㎛ 의 층두께의 Al 과 Cr 의 복합 질화물층으로 이루어지는 경질 피복층을 피복 형성한 표면 피복 절삭 공구에 있어서, 상기 Al 과 Cr 의 복합 질화물층 중에는, 포어 및 드롭렛이 분산 분포하고, 상기 Al 과 Cr 의 복합 질화물층의 임의의 단면에 있어서의 상기 포어의 점유 면적률 및 상기 드롭렛의 점유 면적률은, 각각 0.5 ∼ 1 면적％ 및 2 ∼ 4 면적％ 이며, 또한 상기 드롭렛 중 상기 Al 과 Cr 의 복합 질화물층의 평균 Al 함유량보다 Al 함유 비율이 높은 Al 리치 드롭렛이, 상기 Al 과 Cr 의 복합 질화물층의 임의의 단면에 있어서의 전체 드롭렛 면적의 20 면적％ 이상을 차지하고, 탄소강, 합금 공구강 등의 고속 절삭 가공에 있어서, 우수한 내결손성, 내마모성을 발휘하는 표면 피복 절삭 공구가 알려져 있다.

또, 특허문헌 3 에 나타나 있는 바와 같이, Ti₁ _-a- _bAl_aM_b(C_xN₁ _-x) (단, M 은 Ti 를 제외한 주기표 4, 5, 6 족 원소, 희토류 원소 및 Si 로부터 선택되는 1 종 이상이며, 0.40≤a≤0.65, 0≤b≤0.5, 0≤x≤1) 로 이루어지는 경질 피복층의 표면에 복수의 매크로 입자가 돌출되고, 바닥날 및 외주날의 절삭날에 계속되는 레이크면에 있어서 매크로 입자가 기체와 피복층의 계면의 수선 방향에 대하여 절삭날로부터 멀어지는 방향으로 평균으로 5 ∼ 20 ％ 의 각도로 돌출되어 있으며, 매크로 입자가 기울어져 돌출됨으로써 절삭 부스러기의 충격을 분산시키고, 매크로 입자가 탈락되는 것을 억제할 수 있어, 내치핑성을 향상시킨 엔드 밀 등의 표면 피복 절삭 공구가 알려져 있다.

일본국 공개특허공보 2013-46954호(A) 일본국 공개특허공보 2012-166333호(A) 일본국 공개특허공보 2008-238336호(A)

최근의 절삭 가공에 있어서의 생력화 및 에너지 절약화의 요구는 강하고, 이에 수반하여, 피복 공구는 한층 가혹한 조건하에서 사용되게 되어, 내결손성, 내마모성 등을 높이기 위해서, 상기 특허문헌 1 ∼ 3 에 나타내는 바와 같은 수법으로 피복 공구의 성능 향상이 이루어져 오고 있으나, 내결손성의 개선은 아직 충분하다고는 할 수 없다.

즉, 특허문헌 1 에 나타내는 표면 피복 절삭 공구에 있어서는, 경질 피복층 중에 함유되는 입자를 구성하는 원소의 90 원자％ 이상이 금속 원소이고, 게다가 구성 원소의 50 원자％ 이상 Al 이 함유되어 있기 때문에, 입자 조성이 Al 리치로서 융점이 낮고, 고온 강도를 유지할 수 없어 내용착성이 악화된다는 문제가 있다.

또, 특허문헌 2 에 나타내는 표면 피복 절삭 공구에 있어서는, 경질 피복층 중에 존재하는 드롭렛의 하부에는 공극이 형성되어 있고, 그 공극이 존재함으로써, 외력이 가해졌을 때의 경질 피복층의 강도가 약하여, 예를 들어 절삭 가공시에 공극이 크랙의 기점이 되어, 치핑이 발생하기 쉬워진다는 문제가 있다.

또한, 특허문헌 3 에 나타내는 표면 피복 절삭 공구는, 고부하가 작용하는 절삭 조건에서는, 경질 피복층의 표면으로부터 돌출되는 복수의 매크로 입자가 탈락되고, 이것이 크랙 발생의 기점이 되기 때문에 만족할 수 있는 내치핑성을 발휘할 수 없다는 문제가 있었다.

그래서, 본원 발명은 합금 공구강 등의 밀링 가공에 제공했을 경우라도, 우수한 내치핑성과 내용착성을 발휘하는 표면 피복 절삭 공구를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본원 발명자들은, 전술한 바와 같은 관점에서, 내마모성과 함께 내치핑성, 내용착성이 동시에 필요하게 되는 밀링 가공 등의 가공 형태에 이용되었을 경우에 있어서도, 장기간의 사용에 걸쳐 우수한 절삭 성능을 발휘하는 피복 공구에 대하여 예의 연구를 실시한 결과, 이하의 지견을 얻었다.

즉, 본원 발명자들은, 이하의 구성을 갖는 경질 피복층을 구비하는 경질 피막을, 공구 기체 표면에 피복 형성한 표면 피복 절삭 공구는, 장기간의 사용에 걸쳐 우수한 절삭 성능을 발휘하는 것을 알아냈다.

이 경질 피복층은, 경질 피막에 포함되는 층으로, Al 과 Cr 과 Si 의 복합 탄질화물층 (이하, 「(Al, Cr, Si)(C, N) 층」으로 나타낸다), 또는 복합 질화물층 (이하, 「(Al, Cr, Si)N 층」으로 나타낸다) 으로 이루어지고, 평균 층두께는 0.5 ∼ 8.0 ㎛ 이다. 이 경질 피복층에는, 복수의 입자가 포함되어 있다. 그리고, 이들 복수의 입자 중 구성 원소의 90 원자％ 이상이 Cr, Al, Si 중 1 종 혹은 2 종 이상에서 선택된 원소이며 (10 원자％ 미만이 C 및 N 으로부터 선택되는 1 종 이상인 비금속 원소), 구성 원소의 50 원자％ 이하가 Al 이고, 공구 기체 표면에 수직인 종방향 단면에 있어서의 장경이 0.5 ㎛ 미만이며, 종단면 형상의 애스펙트비가 2.0 이상인 입자 (이하, 「편평 입자」라고 칭한다) 의, 입자 전체 개수에 대한 개수 비율은 90 ％ 이상을 차지한다.

이와 같은 입자 (편평 입자) 를 함유하는 (Al, Cr, Si)(C, N) 층, 또는 (Al, Cr, Si)N 층은 우수한 내치핑성, 내용착성을 나타내게 된다. 그 결과로서, 이 경질 피복층을 포함하는 경질 피막이 피복 형성된 표면 피복 절삭 공구는, 장기간의 사용에 걸쳐 우수한 절삭 성능을 발휘한다.

또한, 상기 편평 입자의 각 입자에 대하여, 그 단면 장경을 이루는 직선이 기체 표면과 이루는 경사 각도를 측정했을 경우, 경사 각도가 45 도 이하이고, 또한 장경을 이루는 직선과 경질 피막 표면측의 입자 외주부로 둘러싸인 면적을 A, 그 직선과 기체측의 입자 외주부로 둘러싸인 면적을 B 로 했을 경우, A＞B 인 입자가, 입자 전체 개수에 대하여 개수 비율로 80 ％ 이상을 차지하는 것이 보다 바람직하다. 이와 같은 입자를 함유하는 (Al, Cr, Si)(C, N) 층, 또는 (Al, Cr, Si)N 층은, 한층 더 우수한 내치핑성, 내용착성을 나타내고, 장기간의 사용에 걸쳐 한층 더 우수한 절삭 성능을 발휘한다.

경질 피복층은, PVD 법을 사용하여 탄화텅스텐기 초경합금으로 이루어지는 공구 기체 표면에 성막할 수 있다.

예를 들어, 본원 발명에서는, 도 1A 및 도 1B 에 그 개략을 나타내는 아크 이온 플레이팅 장치 (1) 를 사용하여 성막을 실시할 수 있다. 이 경우, 노 (爐) 전체의 분위기 온도를 제어하는 히터 (6) 에 추가하여, 바람직하게는 타깃 (4A, 4B) 의 전면 (前面) 에 통 형상 히터 (7) 를 형성함으로써 타깃 전면의 공간을 고온으로 하고, 이로써 타깃 (4A, 4B) 로부터 발생하는 입자가 분위기 중에서 응고되는 것을 방지할 수 있고, 고온인 채로 공구 기체 (9) 에 부착시킴으로써, 입자는 부착시의 충격에 의해 기체 표면의 형상을 따라 변형된다. 그 때문에, 입자는, 표면 평활한 기체 표면의 형상을 따라 변형되고, 피막의 종단면 (기체 표면에 대하여 수직인 단면) 에서 보았을 경우, 기체 표면을 따른 편평 형상으로 되어, 입자의 단면 형상의 단면 장경을 이루는 직선과 공구 기체 표면과 이루는 각도는 45 도 이하로 제어된다. Al 함유량이 50 원자％ 이하인 입자를 경질 피복층 내에 분산 분포시키고, 또한 입자를 기체 표면을 따른 애스펙트비가 큰 편평 형상으로 함으로써 절삭시의 저항이 작아져, 입자는 잘 탈락되지 않고, 또 탈락되었을 경우라도 층두께 방향에 대한 손상이 작아진다. 그 결과, 내치핑성, 내용착성이 우수한 경질 피복층을 제공할 수 있다.

통 형상 히터 (7) 는, 그 두께 방향이 대응하는 타깃 (4A, 4B) 의 사용면에 수직이 되도록 배치된다. 그리고, 통 형상 히터 (7) 는, 타깃 (4A, 4B) 의 사용면의 중심이, 통 형상 히터 (7) 의 중심축과 겹치도록 타깃 (4A, 4B) 의 전면에 통 형상 히터 (7) 가 배치된다.

통 형상 히터 (7) 의 후단 (대응하는 타깃 대향하고, 대응하는 타깃에 가까운 측) 과 대응하는 타깃의 사용면과의 거리는, 예를 들어 50 ㎜ 이내로 설정된다. 통 형상 히터 (7) 의 전단 (대응하는 타깃과 동일한 방향을 향하고, 대응하는 타깃으로부터 먼 측) 과 대응하는 타깃의 사용면과의 거리는, 예를 들어 타깃으로부터 기체 거리 (회전 테이블 상에 배치된 복수의 기체 중 최근접한 기체까지의 거리) 의 2/3 의 길이로 설정된다.

또, 통 형상 히터 (7) 로부터의 복사열에 의한 피막에 대한 데미지는 공구 기체 지그 (8) 에 냉각 기구를 형성함으로써 방지할 수 있다. 이와 같은 기구를 가진 성막 장치로 성막함으로써, 본원 발명의 일 양태인 표면 피복 절삭 공구가 갖는 특징이 있는 경질 피막이 형성된다.

또한, (Al, Cr, Si)(C, N) 층, 또는 (Al, Cr, Si)N 층에 있어서의 상기 입자의 조성, 단면 장경, 종단면 형상의 애스펙트비, 단면 장경을 이루는 직선이 기체 표면과 이루는 각도가 45 도 이하인 입자의 단면 장경을 이루는 직선과 경질 피막 표면측의 입자 외주부로 둘러싸인 면적 A, 그 직선과 기체측의 입자 외주부로 둘러싸인 면적 B 의 대소는, PVD 장치 내 온도, 타깃의 아크 전류, 질소 및 메탄의 합계 가스 분압 등을 조정함으로써 제어할 수 있는 것을 알아내었다.

이상과 같은 지견에 기초하여, 본원 발명을 완성하기에 이르렀다. 또한, 본원 발명은 상기 제법에 한정되는 것은 아니다.

본원 발명은 상기 지견에 기초하여 이루어진 것으로, 이하의 양태를 갖는다.

(1) 탄화텅스텐기 초경합금으로 이루어지는 공구 기체의 표면에, 경질 피막이 형성되어 있는 표면 피복 절삭 공구에 있어서,

(a) 상기 경질 피막은 1 또는 2 이상의 층으로 형성되고, 그 적어도 1 층은, 평균 조성식 : (Al_1-x-yCr_xSi_y)(C_zN_1-z) (단, x, y, z 는 모두 원자비로서, 0.1≤x≤0.4, 0.01≤y≤0.2, 0≤z≤0.3) 을 만족하는 평균 층두께 0.5 ∼ 8.0 ㎛ 의 Al 과 Cr 과 Si 의 복합 질화물층 또는 복합 탄질화물층으로 이루어지는 경질 피복층이며,

(b) 상기 경질 피복층은, 10 원자％ 미만의 C 및 N 으로부터 선택되는 1 종 이상으로 이루어지는 비금속 성분과, Cr, Al, Si 로부터 선택되는 1 종 이상의 원소인 금속 성분으로 이루어지는 복수의 입자를 포함하고,

(c) 상기 복수의 입자 중 Al 함유량은 50 원자％ 이하이고, 상기 공구 기체의 표면에 대하여 수직인 단면에 있어서의 장경이 0.5 ㎛ 미만이며, 또한 애스펙트비가 2.0 이상인 편평 입자는, 상기 복수의 입자의 전체 개수에 대하여 개수 비율로 90 ％ 이상을 상기 단면 중에서 차지하는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.

(2) 상기 경질 피막의 상기 공구 기체의 표면에 대하여 수직인 단면에서, 상기 경질 피복층에 함유되는 상기 편평 입자를 관찰했을 때에, 상기 편평 입자의 각각에 있어서, 상기 장경을 이루는 직선이 공구 기재 표면과 이루는 각도는 45 도 이하이며, 또한 상기 직선과 경질 피막 표면측의 입자 외주부로 둘러싸인 면적을 A, 상기 직선과 공구 기체측의 입자 외주부로 둘러싸인 면적을 B 로 했을 경우, A＞B 인 입자가, 상기 편평 입자의 전체 개수에 대하여 개수 비율로 80 ％ 이상을 차지하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 에 기재된 표면 피복 절삭 공구.

(3) 상기 경질 피복층의 평균 층두께가, 0.7 ∼ 7.5 ㎛ 인 상기 (1) 또는 (2) 에 기재된 표면 피복 절삭 공구.

(4) 상기 경질 피복층이, 상기 경질 피막의 최외층인 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 표면 피복 절삭 공구.

(5) 상기 비금속 성분의 함유량이, 0.5 원자％ 이상 10 원자％ 미만인 상기 (1) 에 기재된 표면 피복 절삭 공구.

(6) 상기 금속 성분의 Al 함유량이, 0.5 원자％ 이상 20 원자％ 이하인 상기 (1) 에 기재된 표면 피복 절삭 공구.

(7) 상기 단면에 있어서의, 상기 복수의 입자의 면적당 개수는, 1 개/㎛² ∼ 5 개/㎛²인 상기 (1) 에 기재된 표면 피복 절삭 공구.

본원 발명의 일 양태인 피복 공구 (이하, 「본 발명의 피복 공구」라고 칭한다) 는, 탄화텅스텐기 초경합금으로 이루어지는 공구 기체의 표면에, 물리 증착법에 의해 경질 피막을 피복 형성한 표면 피복 절삭 공구로서, (a) 상기 경질 피막은 1 또는 2 이상의 층으로 형성되고, 그 적어도 1 층은, 평균 조성식 : (Al_1-x-yCr_xSi_y)(C_zN_1-z) (단, x, y, z 는 모두 원자비로서, 0.1≤x≤0.4, 0.01≤y≤0.2, 0≤z≤0.3) 을 만족하는 평균 층두께 0.5 ∼ 8.0 ㎛ 의 Al 과 Cr 과 Si 의 복합 질화물층 또는 복합 탄질화물층으로 이루어지는 경질 피복층이며, (b) 상기 경질 피복층은, 10 원자％ 미만의 C 및 N 으로부터 선택되는 1 종 이상으로 이루어지는 비금속 성분과 Cr, Al, Si 로부터 선택되는 1 종 이상의 원소인 금속 성분으로 이루어지는 복수의 입자를 포함하고, (c) 상기 복수의 입자 중 Al 함유량은 50 원자％ 이하이며, 상기 공구 기체의 표면에 대하여 수직인 단면 장경이 0.5 ㎛ 미만이며, 또한 애스펙트비가 2.0 이상인 편평 입자는, 상기 복수의 입자의 전체 개수에 대하여 개수 비율로 90 ％ 이상을 상기 단면 중에서 차지하는 것을 특징으로 한다. 이 구성을 가짐으로써, 본원 발명의 표면 피복 절삭 공구가 구비하는 경질 피막은, 우수한 내치핑성, 내용착성을 나타낸다.

또한, 상기 경질 피막의 상기 공구 기체의 표면에 대하여 수직인 단면에서, 상기 Al 과 Cr 과 Si 의 복합 질화물층 또는 복합 탄질화물층에 함유되는 상기 복수의 입자를 관찰했을 때에, 상기 복수의 입자의 각각의 상기 단면의 장경을 이루는 직선이 공구 기재 표면과 이루는 각도는 45 도 이하이며, 또한 상기 장경을 이루는 직선과 경질 피막 표면측의 입자 외주부로 둘러싸인 면적을 A, 그 직선과 공구 기체측의 입자 외주부로 둘러싸인 면적을 B 로 했을 경우, A＞B 인 입자가, 상기 복수의 입자의 전체 개수에 대하여 개수 비율로 80 ％ 이상을 차지함으로써, 경질 피막이 한층 우수한 내치핑성, 내용착성을 나타낸다. 그 결과, 예를 들어 합금 공구강 등의 밀링 가공에 있어서, 장기간의 사용에 걸쳐 우수한 절삭 성능을 발휘한다.

도 1A 는 본 발명의 피복 공구의 경질 피막을 성막하는 아크 이온 플레이팅 장치의 개략 설명도이며, 이 아크 이온 플레이팅 장치의 평면 단면도를 나타낸다.
도 1B 는 본 발명의 피복 공구의 경질 피막을 성막하는 아크 이온 플레이팅 장치의 개략 설명도이며, 이 아크 이온 플레이팅 장치의 종단면도를 나타낸다.
도 2A 는 본 발명의 피복 공구의 일례로서 본 발명 피복 공구 (8) 의 (Al_0.63Cr_0.27Si_0.10)N 층의 단면에 대하여 측정한 TEM 이미지를 나타낸다.
도 2B 는 본 발명의 피복 공구의 일례로서 본 발명 피복 공구 (8) 의 (Al_0.63Cr_0.27Si_0.10)N 층의 단면에 대하여 측정한 EDS 에 의한 N 매핑 이미지를 나타낸다.
도 2C 는 본 발명의 피복 공구의 일례로서 본 발명 피복 공구 (8) 의 (Al_0.63Cr_0.27Si_0.10)N 층의 단면에 대하여 측정한 EDS 에 의한 Al 매핑 이미지를 나타낸다.
도 2D 는 본 발명의 피복 공구의 일례로서 본 발명 피복 공구 (8) 의 (Al_0.63Cr_0.27Si_0.10)N 층의 단면에 대하여 측정한 EDS 에 의한 Cr 매핑 이미지를 나타낸다.
도 2E 는 본 발명의 피복 공구의 일례로서 본 발명 피복 공구 (8) 의 (Al_0.63Cr_0.27Si_0.10)N 층의 단면에 대하여 측정한 EDS 에 의한 Si 매핑 이미지를 나타낸다.
도 3A 는 본 발명의 피복 공구의 일례로서 본 발명 피복 공구 (8) 의 (Al_0.63Cr_0.27Si_0.10)N 층의 단면에 존재하는 입자의 조성 분석시에 취득한 화상으로, 입자 및 측정 지점을 나타낸다.
도 3B 는 도 3A 에 나타내는 입자의 측정 지점에 있어서의 EDS 조성 분석 결과를 나타낸다.

본원 발명에 대하여 이하에 상세를 설명한다.

(Al, Cr, Si)(C, N) 층, 또는 (Al, Cr, Si)N 층으로 이루어지는 경질 피복층 :

(Al, Cr, Si)(C, N) 층, 또는 (Al, Cr, Si)N 층으로 이루어지는 경질 피복층에 있어서는, 그 구성 성분인 Al 성분이 고온 경도와 내열성을 향상시키고, Cr 성분이 고온 강도를 향상시키고, 또 Si 성분이 내산화성을 향상시킨다. 또한, Al 과 Cr 이 공존함으로써 고온 내산화성을 향상시키는 작용이 있다.

그러나, (Al, Cr, Si)(C, N) 층, 또는 (Al, Cr, Si)N 층에 있어서, Al 과 Cr 과 Si 의 함량에서 차지하는 Cr 의 함유 비율 x 가 0.1 미만이면, 상대적으로 Al 함유량이 높아지기 때문에, 용착성이 높은 피삭재의 밀링 절삭 가공에 있어서, 피삭재 및 절삭분에 대한 내용착성을 확보할 수 없고, 또 고온 강도도 저하되기 때문에, 용착, 치핑을 발생시키기 쉬워진다. 한편, Al 과 Cr 과 Si 의 함량에서 차지하는 Cr 의 함유 비율 x 가 0.4 를 초과하면, 경질 피복층을 PVD 법으로 성막할 때에, 타깃재의 융점이 높아지고, 그 때문에 부차적으로 생성되는 구상의 입자는 고 Cr 농도가 되어, Al 과 Cr 과 Si 의 함량에서 차지하는 Cr 의 함유 비율 x 가 0.4 이하인 입자와 비교하여 융점이 상대적으로 높아진다. 그 때문에, 타깃으로부터 발생한 입자가 피막에 부착된 후, 고착될 때까지 탈열 (奪熱) 되는 열량이 적기 때문에, 구상의 형상을 유지한 채로 고착된다. 그 위에 피막이 퇴적함으로써, 입자 하부에 공극이 남는다. 이 공극이 존재함으로써, 절삭 가공시에 공극이 기점이 되어 크랙이 발생하여, 치핑이 발생하기 쉬워진다.

따라서, Al 과 Cr 과 Si 의 함량에서 차지하는 Cr 의 함유 비율 x 는, 0.1 이상 0.4 이하로 한다. 바람직하게는, 함유 비율 x 는 0.15 ∼ 0.37 이며, 보다 바람직하게는 0.2 ∼ 0.3 이지만, 이들에 의해 특별히 한정되지 않는다.

또한 금속 성분과 비금속 성분의 비는 화학량론비인 1 : 1 에 한정되지 않고, 1 : 1 의 경우와 동일한 결정 구조가 유지되고 있으면 본원 발명의 효과를 얻을 수 있다.

또, Al 과 Cr 과 Si 의 함량에서 차지하는 Si 의 함유 비율 y 가 0.01 미만에서는, 내산화성 향상 효과가 적을 뿐만 아니라, 상대적으로 Cr 함유 비율이 높아지기 때문에, 입자의 융점이 높아져, 상기와 같이 (Al, Cr, Si)(C, N) 층, 또는 (Al, Cr, Si)N 층에 함유되는 입자 하부에 공극이 형성되어, 내치핑성 향상 효과가 적다. 한편, Al 과 Cr 과 Si 의 함량에서 차지하는 Si 의 함유 비율 y 가 0.2 를 초과하면, (Al, Cr, Si)(C, N) 층, 또는 (Al, Cr, Si)N 층의 고온 인성, 고온 강도가 저하되므로, Al 과 Cr 과 Si 의 함량에서 차지하는 Si 의 함유 비율 y 는, 0.01 이상 0.2 이하로 한다. 바람직하게는 함유 비율 y 는 0.07 ∼ 0.2 이며, 보다 바람직하게는 0.1 ∼ 0.15 이지만, 이들에 의해 특별히 한정되지 않는다.

또한, C 와 N 의 함량에서 차지하는 C 의 함유 비율 z 가 0.3 을 초과하면, 경질 피복층의 경도가 과대하게 크기 때문에, 절삭 가공에 있어서 내치핑성이 저하된다. 그 때문에, C 와 N 의 함량에서 차지하는 C 의 함유 비율 z 는, 0.3 이하로 한다. 바람직하게는 0 ∼ 0.2 이지만, 이들에 의해 특별히 한정되지 않는다.

경질 피복층의 층두께가 0.5 ㎛ 미만이면, 절삭 초기 이후 경질 피복층의 소실이 빨라, 충분한 내마모성을 발휘할 수 없고, 한편 8.0 ㎛ 를 초과하면, (Al, Cr, Si)(C, N) 층, 또는 (Al, Cr, Si)N 층에 축적되는 압축 잔류 응력이 커지기 때문에, 날끝 능선부 상의 경질 피복층에 관하여, 절삭 가공시의 외력에 대한 감수성이 높아, 절삭 초기에 치핑이 발생하기 쉬워진다. 혹은, 피막이 자기 파괴한다.

따라서, (Al, Cr, Si)(C, N) 층, 또는 (Al, Cr, Si)N 층의 평균 층두께는, 0.5 ㎛ 이상 8.0 ㎛ 이하로 하였다. 바람직하게는 (Al, Cr, Si)(C, N) 층, 또는 (Al, Cr, Si)N 층의 평균 층두께는 0.7 ㎛ ∼ 7.5 ㎛ 이지만, 이들에 의해 특별히 한정되지 않는다.

입자의 구성 :

본원 발명의 경질 피복층에 포함되는 복수의 입자란, 10 원자％ 미만의 비금속 성분 (즉, C, N 의 적어도 1 종 이상) 과, 그 밖의 성분인 금속 성분 (Cr, Al, Si 중 1 종 혹은 2 종 이상) 으로 이루어지는 덩어리를 의미한다.

상기 비금속 성분의 함유량은, 0.5 원자％ 이상 10 원자％ 미만이 바람직하다. 또, 경질 피복층에 포함되는 복수의 입자에는, 상기 비금속 성분 및 금속 성분에 추가하여 미량의 불가피 불순물이 혼입되어도 된다. 단, 이 불가피 불순물의 혼입이, 이 경질 피복층을 포함하는 경질막의 내치핑성 및/또는 내용착성에 현저하게 영향을 미치지 않는 경우에 한정한다.

입자 중에 있어서의 Al 의 함유 비율은, PVD 법에 의해 (Al, Cr, Si)(C, N) 층, 또는 (Al, Cr, Si)N 층을 성막할 때의, 주로 성막시의 질소 및 메탄의 합계 가스 분압을 4 ∼ 10 Pa 의 범위 내로 제어함으로써, 입자에 있어서의 Al 의 함유량을 50 원자％ 이하로 할 수 있다.

입자에 있어서의 Al 의 함유량이 50 원자％ 를 초과하면, (Al, Cr, Si)(C, N) 층, 또는 (Al, Cr, Si)N 층보다 융점이 낮은 입자가 층 중에 존재하게 되고, 그 부위가 원인으로 고온 강도를 유지할 수 없게 되기 때문에 용착을 발생시키기 쉬워진다.

따라서, 복수의 입자 (편평 입자) 에 있어서의 Al 의 함유량은 50 원자％ 이하로 한다. 바람직하게는 입자에 있어서의 Al 의 함유량은 0.5 ∼ 50 원자％ 이며, 보다 바람직하게는 0.5 ∼ 20 원자％ 이지만, 이들에 의해 특별히 한정되지 않는다.

본 발명의 피복 공구가 갖는 경질 피막에 포함되는 경질 피복층 (Al, Cr, Si)(C, N) 층, 또는 (Al, Cr, Si)N 층 중에 있어서의 입자는, 그 공구 기체 표면에 수직인 단면 장경이 0.5 ㎛ 이상이 되면, 상대적으로 경도가 작은 입자가 층 중에 폭넓게 존재하게 되어, (Al, Cr, Si)(C, N) 층, 또는 (Al, Cr, Si)N 층의 경도가 저하되고, 그 결과 절삭 가공시의 내마모성을 충분히 확보할 수 없게 된다.

또, 본 발명의 피복 공구가 갖는 경질 피막에 포함되는 경질 피복층 (Al, Cr, Si)(C, N) 층, 또는 (Al, Cr, Si)N 층 중에 있어서의 입자의 애스펙트비가 2.0 미만이 되면, 경질 피복층을 PVD 법으로 성막했을 때의 입자의 형상이 거의 구상되기 때문에, 그 구상의 입자 하부에 공극이 형성되어 버리고, 이 공극이 절삭 가공시의 크랙 발생의 기점이 되어, 내치핑성을 저하시킨다.

따라서, 본 발명의 피복 공구가 갖는 경질 피막에 포함되는 경질 피복층 (Al, Cr, Si)(C, N) 층, 또는 (Al, Cr, Si)N 층 중에 있어서의 입자의 단면 장경은 0.5 ㎛ 미만, 또 입자의 애스펙트비는 2.0 이상으로 한다.

단, 모든 입자 중의 Al 의 함유량이 50 원자％ 이하이고, 또한 그 단면 장경이 0.5 ㎛ 미만이며, 또한 애스펙트비가 2.0 이상일 필요는 없고, 전체의 입자 중, 입자 중의 Al 의 함유량이 50 원자％ 이하이고, 또한 단면 장경이 0.5 ㎛ 미만이며, 또한 애스펙트비가 2.0 이상인 입자 (편평 입자) 가, 입자 전체 개수에 대하여 개수 비율로 90 ％ 이상을 차지한다는 조건을 만족하면, 본원 발명에서 목적으로 하는 내치핑성, 내용착성을 얻을 수 있다.

본원 발명의 표면 피복 공구의 경질 피복층에 포함되는 입자의 단면 장경이란, 기체 표면에 수직인 피막 단면에 있어서의 입자의 단면 형상에 대하여 측정했을 경우에, 입자 내에만 그을 수 있는 직선으로서 가장 긴 것으로 정의한다. 즉, 일시적으로 입자 밖에 나오는 직선은 입자의 단면 장경의 결정에는 사용하지 않는다.

또한, 본원 발명의 표면 피복 공구의 경질 피복층에 포함되는 입자의 애스펙트비란, 기체 표면에 수직인 피막 단면에 있어서, 상기 단면 장경을 이루는 직선에 직교하는 입자 폭의 최대의 값을 입자의 단면 단경으로 했을 경우에, 단면 장경/단면 단경의 값을 말한다.

본원 발명에 있어서는, 경질 피복층에 함유되는 전체 입자 중의, Al 의 함유량이 50 원자％ 이하이고, 또한 단면 장경이 0.5 ㎛ 미만이며, 게다가 애스펙트비가 2.0 이상이라는 조건에 추가하여, 입자의 단면 장경을 이루는 직선이 공구 기체 표면과 이루는 각도가 45 도 이하인 입자에 대하여, 그 장경을 이루는 직선과 경질 피막 표면측의 입자 외주부로 둘러싸인 면적을 A, 그 직선과 공구 기체측의 입자 외주부로 둘러싸인 면적을 B 로 했을 경우, A＞B 인 입자가, 입자 전체 개수에 대하여 개수 비율로 80 ％ 이상을 차지하는 경우에, 한층 더 우수한 내치핑성이 발휘된다.

이는 다음과 같은 이유에 의한다.

즉, 절삭 가공시에 경질 피복층의 마모가 진행함에 따라, 입자 (편평 입자) 가 경질 피복층 표면에 노출되어, 경질 피복층과 비교하여 입자의 경도가 작기 때문에, 경질 피복층과 비교하여 입자부에서 마모의 진행이 빠르다. 그 때문에, 경질 피복층과 비교하여 입자부가 깊게 도려내지듯이 마모가 진행되어, 오목부가 형성된다. 이 때, 입자의 단면 장경을 이루는 직선이 공구 기체 표면과 이루는 각도가 45 도를 초과하거나, 혹은 A≤B 이면, 형성되는 오목부의 깊이가 상대적으로 깊어져, 절삭에 의한 전단 방향의 응력이 오목부의 패인 곳에 집중되고, 경질 피막 중으로 진전하는 균열의 기점이 되어, 치핑이 발생하기 쉽다. 그러나, 입자의 단면 장경을 이루는 직선이 공구 기체 표면과 이루는 각도가 45 도 이하, 또한 A＞B 이면, 형성되는 오목부의 깊이는 상대적으로 작기 때문에, 절삭시의 전단력의 집중이 잘 생기지 않아, 치핑의 발생은 억제된다는 이유에 의한다.

따라서, 본원 발명에서는, 입자 (편평 입자) 의 단면 장경을 이루는 직선이 공구 기재 표면과 이루는 각도가 45 도 이하, 또한 그 장경을 이루는 직선과 경질 피막 표면측의 입자 외주부로 둘러싸인 면적을 A, 그 직선과 공구 기체측의 입자 외주부로 둘러싸인 면적을 B 로 했을 경우, A＞B 인 입자가, 입자 전체 개수에 대하여 개수 비율로 80 ％ 이상을 차지하는 것이 바람직하고, 이로써 한층 더 내치핑성, 내용착성이 향상되어, 우수한 절삭 성능을 발휘한다.

경질 피복층 및 경질 피복층에 포함되는 입자의 조성은, 투과형 전자 현미경-에너지 분산형 X 선 분광 분석 (TEM-EDS) 을 사용하여, 공구 기체 표면에 수직인 경질 피복층 단면의 조직 관찰과 조성 분석을 실시함으로써 얻을 수 있다. 이 경우의 관찰 범위는, 공구 기체 표면과 평행 방향으로 20 ㎛ 로 한다. 그리고, 경질 피복층 단면에 대하여 0.01 ㎛ 이하의 공간 분해능의 원소 매핑을 실시함으로써, 예를 들어 피복한 (Al, Cr, Si)(C, N) 층, 또는 (Al, Cr, Si)N 층의 조성이 규정의 범위 내인 것을 확인할 수 있다. 동시에 막 단면에 있어서의 점 분석에 의해 입자의 조성을 분석할 수 있다.

각각의 입자의 애스펙트비는 이하와 같이 하여 얻을 수 있다. 우선, 입자의 단면에 있어서의 최대 직경을 단면 장경으로 하고, 이 단면 장경을 이루는 직선에 직교하는 입자 폭의 최대의 값을 입자의 단면 단경으로 한다. 다음으로, 각 입자에 대하여 단면 장경, 단면 단경을 구함과 함께, 단면 장경, 단면 단경으로부터 각각의 입자의 애스펙트비 (=단면 장경/단면 단경) 를 구한다.

Al 함유량이 50 원자％ 이하이고, 또한 단면 장경이 0.5 ㎛ 미만이며, 또한 애스펙트비가 2.0 이상인 입자의 개수 비율은 이하와 같이 하여 얻을 수 있다. 측정 대상이 되는 피복 공구에 대하여, 상기 서술한 분석과 동일하게 경질 피복층 단면을 분석한다. 우선, 관찰 범위 내 (5 ㎛ × 5 ㎛) 에 존재하는 입자의 전체 개수를 TEM-EDS 를 사용한 N 매핑 이미지에 의해 카운트한다. 다음으로, 전 (前) 입자 중 입자를 구성하는 구성 원소의 90 원자％ 이상은 Cr, Al, Si 중 1 종 혹은 2 종 이상에서 선택된 원소이며, 또한 Al 함유량이 50 원자％ 이하이고, 또한 단면 장경이 0.5 ㎛ 미만이며, 또한 애스펙트비가 2.0 이상인 입자의 개수를 카운트한다. 이들 입자수의 카운트 결과에 기초하여, 전 (前) 입자에 대한, Al 함유량이 50 원자％ 이하이고, 또한 단면 장경이 0.5 ㎛ 미만이며, 또한 애스펙트비가 2.0 이상인 입자 (편평 입자) 의 개수 비율을 산출한다. 또한 당해 입자의 면적당 개수는, 1 개/㎛² ∼ 5 개/㎛² 가 바람직하다.

관찰 범위 내에 존재하는 전체 입자에 대하여, 각각의 금속 입자의 단면 장경을 이루는 직선이 공구 기재 표면과 이루는 각도를 구함과 함께, 그 각도가 45 도 이하인 입자에 대해서는, 각 입자의 단면 장경을 이루는 직선과 경질 피막 표면측의 입자 외주부로 둘러싸인 면적 A 와, 그 직선과 공구 기체측의 입자 외주부로 둘러싸인 면적 B 를 구하여, A 와 B 를 비교하고, A＞B 인 입자의 개수 비율을 산출한다. 또한, 면적 A 및 면적 B 를 산출하는 방법은, 이하와 같다. 각 입자를 촬영한 TEM-EDS 매핑 이미지를 사용한다. 질소량을 분석한 매핑 이미지를 사용함으로써, 입자와 경질 피복층의 경계를 구별할 수 있다. 입자의 외주부를 선택하고, 둘러싸인 면적은 화상 해석 소프트 (예를 들어, Adobe photoshop 등) 를 사용하여 산출할 수 있다. 산출한 면적을 A 로 한다. 또, 입자의 단면 장경 및 공구 기체측의 입자 외주부를 선택하고, 둘러싸인 면적에 대하여 화상 해석 소프트를 사용하여 산출하고, 이것을 면적 B 로 한다. 본 방법을 각 입자에 의해 실시하여, A＞B 인 입자의 개수 비율을 산출한다.

다음에, 본원 발명의 피복 공구를 실시예에 의해 구체적으로 설명한다.

실시예

원료 분말로서, 평균 입경 : 5.5 ㎛ 를 갖는 중조립 (中粗粒) 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 준비하여, 이들 원료 분말을 각각 표 5 에 나타내는 배합 조성으로 배합하고, 추가로 왁스를 첨가하여 아세톤 중에서 24 시간 볼 밀 혼합하고, 감압 건조시킨 후, 100 ㎫ 의 압력으로 소정 형상의 각종 압분체로 프레스 성형하고, 이들 압분체를 6 Pa 의 진공 분위기 중, 7 ℃/분의 승온 속도로 1370 ∼ 1470 ℃ 의 범위 내의 소정 온도로 승온시키고, 이 온도로 1 시간 유지 후, 노랭의 조건으로 소결하여, 직경이 8 ㎜ 인 공구 기체 형성용 환봉 소결체를 형성하고, 다시 상기 환봉 소결체로부터, 연삭 가공으로, 절삭날부의 직경 × 길이가 6 ㎜ × 13 ㎜ 인 치수, 그리고 비틀림각 30 도의 날이 2 개인 볼 형상을 가진 WC 기 초경합금제의 공구 기체 (엔드 밀) A ∼ E 를 각각 제조하였다.

다음에, 이들의 공구 기체 A ∼ E 를, 도 1A 및 도 1B 에 나타내는 아크 이온 플레이팅 장치에 장입하고, 다음의 조건으로 Ar 봄버드먼트를 실시하였다.

우선, 장치 내를 배기시켜 0.1 Pa 이하의 진공으로 유지하면서, 히터로 장치 내를 500 ℃ 로 가열한 후, Ar 가스 압력 : 0.5 ∼ 1.0 Pa 의 분위기로 함과 함께, 텅스텐 필라멘트에 전류 50 ∼ 60A 의 조건하에서 1 분의 봄버드먼트 처리를 3 회 반복하여, 공구 기체 표면에 불가피적으로 부착되어 있는 유기물 등의 오염물을 제거하였다.

이어서, 동일하게 표 2 에 나타내는 조성의 타깃을 이용하고, 동 표 2 의 성막 조건으로 소정의 층두께의 (Al, Cr, Si)(C, N) 층, 또는 (Al, Cr, Si)N 층을 증착 형성함으로써, 본 발명 피복 공구 (1 ∼ 10) 를 제작하였다.

표 2 의 성막 조건에 있어서, 장치 내의 온도를 종래 (500 ℃) 보다 높인 것은, 비산된 입자가 경질 피복층에 부착 후, 입자의 온도가 융점 이하로 저하될 때까지의 시간을 길게 하는 것이 목적이며, 이로써 애스펙트비가 2.0 이상인 입자가 형성되기 쉽게 하기 위해서이다.

또, 질소 및 메탄의 합계 가스 분압을 4 ∼ 10 Pa 의 범위 내로 한 것은, 질소 및 메탄의 합계 가스 분압이 4 Pa 미만에서는, 아크 스폿의 이동 속도가 상대적으로 느려, 단면 장경이 0.5 ㎛ 이상인 입자가 발생하기 쉬워지고, 이 입자는 (Al, Cr, Si)(C, N) 층, 또는 (Al, Cr, Si)N 층과 비교하여 상대적으로 질화의 정도가 적고 경도가 작기 때문에, 경질 피막 전체로서의 경도가 작아져 절삭 가공시에 내마모성이 저하된다. 한편, 질소 및 메탄의 합계 가스 분압이 10 Pa 를 초과하면, 아크 스폿의 운동이 불안정하여 성막 자체가 곤란해진다는 이유에 의한다.

또한, 장치 내의 온도를 종래 (500 ℃) 보다 높게 할 때에, 타깃 전면에 통 형상 히터를 형성함으로써 타깃 전면의 공간을 고온으로 하는 것도 유효하다. 이로써 타깃으로부터 발생하는 입자가 분위기 중에서 응고되는 것을 방지할 수 있어, 입자는 공구 기체에 부착되었을 때에 공구 기체의 형상을 따라 변형된다. 통 형상 히터로부터의 복사열에 의한 피막에 대한 데미지는 공구 기체용 지그에 냉각 기구를 형성함으로써 방지할 수 있다. 타깃 전면의 공간을 가열하는 통 형상 히터는 타깃으로부터 보아 기판 방향으로 신장되어 있고, 길이는 히터의 선단이 타깃-공구 기체간 거리의 2/3 ∼ 3/4 정도의 위치에 있는 것이 바람직하다. 지나치게 길면 피막에 복사열에 의한 데미지가 생기고, 한편 지나치게 짧으면 타깃 전면에 존재하는 고온의 공간이 좁아지기 때문에, 공구 기체 부착 전에 입자가 응고되어 버린다. 타깃 전면의 공간을 적절히 가열하기 위해서는, 설치 위치는 타깃 표면으로부터 50 ㎜ 이내의 위치가 바람직하고, 예를 들어 애노드 전극의 전면 등에 설치하면 된다. 공구 기체의 냉각 기구는, 예를 들어 공구 기체용 지그에 냉각수를 흐르게 하여 냉각시키는 방법이 있다.

상기 본 발명 피복 공구 (1 ∼ 10) 의 (Al, Cr, Si)(C, N) 층, 또는 (Al, Cr, Si)N 층에 대하여, 공구 기체 표면에 수직인 경질 피복층 단면의 조직 관찰과 조성 분석을, 투과형 전자 현미경-에너지 분산형 X 선 분광 분석 (TEM-EDS) 을 사용하여 실시하였다. 각 본 발명 피복 공구에 있어서의 관찰 범위는, 공구 기체 표면과 평행 방향으로 20 ㎛ 로 한다. 경질 피복층 단면에 대하여 0.01 ㎛ 이하의 공간 분해능의 원소 매핑을 실시하여, 피복한 (Al, Cr, Si)(C, N) 층, 또는 (Al, Cr, Si)N 층의 조성이 규정의 범위 내인 것을 확인하고, 동시에 막 단면에 있어서의 점 분석에 의해 입자의 조성을 분석하였다.

다음으로, 입자의 단면에 있어서의 최대 직경을 단면 장경으로 하고, 그 단면 장경을 이루는 직선에 직교하는 입자 폭의 최대의 값을 입자의 단면 단경으로 하여, 각 입자에 대하여 단면 장경, 단면 단경을 구함과 함께, 단면 장경, 단면 단경으로부터 각각의 입자의 애스펙트비 (=단면 장경/단면 단경) 를 구하였다.

또, 각 본 발명 피복 공구의 관찰 범위 내에 존재하는 입자의 전체 개수와, 입자를 구성하는 구성 원소의 90 원자％ 이상은 Cr, Al, Si 중 1 종 혹은 2 종 이상에서 선택된 원소이며, 또한 Al 함유량이 50 원자％ 이하이고, 또한 단면 장경이 0.5 ㎛ 미만이며, 또한 애스펙트비가 2.0 이상인 입자의 개수를 카운트함으로써, Al 함유량이 50 원자％ 이하이고, 또한 단면 장경이 0.5 ㎛ 미만이며, 또한 애스펙트비가 2.0 이상인 입자의 개수 비율을 산출하였다.

또한, 관찰 범위 내에 존재하는 전체 입자에 대하여, 각각의 금속 입자의 단면 장경을 이루는 직선이 공구 기재 표면과 이루는 각도를 구함과 함께, 그 각도가 45 도 이하인 입자에 대해서는, 각 입자의 단면 장경을 이루는 직선과 경질 피막 표면측의 입자 외주부로 둘러싸인 면적 A 와, 그 직선과 공구 기체측의 입자 외주부로 둘러싸인 면적 B 를 구하여, A 와 B 를 비교하고, A＞B 인 입자의 개수 비율을 산출한다. 또한, 면적 A 및 면적 B 를 산출하는 방법은, 이하와 같다. 각 입자를 촬영한 TEM-EDS 매핑 이미지를 사용한다. 질소량을 분석한 매핑 이미지를 사용함으로써, 입자와 경질 피복층의 경계를 구별할 수 있다. 입자의 외주부를 선택하고, 둘러싸인 면적은 화상 해석 소프트 (예를 들어, Adobe Photoshop 등) 를 사용하여 산출할 수 있다. 산출한 면적을 A 로 한다. 또, 입자의 단면 장경 및 공구 기체측의 입자 외주부를 선택하고, 둘러싸인 면적에 대하여 화상 해석 소프트를 사용하여 산출하고, 이것을 면적 B 로 한다. 본 방법을 각 입자에 의해 실시하여, A＞B 인 입자의 개수 비율을 산출하였다.

표 3 에 이들의 측정치, 산출치를 각각 나타낸다.

도 2A ∼ 도 2E 에, 일례로서 본 발명 피복 공구 (8) 의 (Al₀ _.63Cr₀ _.27Si₀ _.10)N 층의 단면에 대하여 측정한 TEM-EDS 매핑 이미지를 나타낸다.

또, 도 3A 및 도 3B 에, 동일하게 본 발명 피복 공구 (8) 의 (Al_0.63Cr_0.27Si_0.10)N 층의 단면에 존재하는 입자에 대하여 측정한 조성 분석 결과를 나타낸다.

다음으로, 비교를 위해, 상기 아크 이온 플레이팅 장치를 사용하여, 공구 기체 A ∼ E 의 표면에, 실시예와 동일한 조건으로 Ti 봄버드먼트를 실시하고, 이어서 표 4 에 나타내는 조건으로 입자가 분산 분포된 소정의 층두께의 (Al, Cr, Si)(C, N) 층, 또는 (Al, Cr, Si)N 층을 증착 형성함으로써, 비교 피복 공구 (1 ∼ 10) 를 제작하였다.

비교 피복 공구 (1 ∼ 10) 의 (Al, Cr, Si)(C, N) 층, 또는 (Al, Cr, Si)N 층에 대해서도, 그 단면을 TEM-EDS 에 의해 관찰하고, 막 단면에 있어서의 점 분석에 의해 입자의 조성을 분석하여, 입자 중 Al 함유량이 50 원자％ 이하이고, 단면 장경이 0.5 ㎛ 미만이며, 또한 애스펙트비가 2.0 이상인 입자가, 입자 전체 개수에서 차지하는 개수 비율을 측정하고, 또 측정 범위 내에 존재하는 입자에 대하여, 각각의 입자의 단면 장경을 이루는 직선이 공구 기재 표면과 이루는 각도를 구함과 함께, 그 각도가 45 도 이하인 입자에 대해서는, 각 입자의 단면 장경을 이루는 직선과 경질 피막 표면측의 입자 외주부로 둘러싸인 면적 A 와, 그 직선과 공구 기체측의 입자 외주부로 둘러싸인 면적을 B 를 구하여, A 와 B 의 대상을 비교하고, A＞B 인 입자의 측정 범위 내에 존재하는 전체 입자에서 차지하는 개수 비율을 산출하였다.

표 5 에 이들의 값을 각각 나타낸다.

또, 본 발명 피복 공구 (1 ∼ 10) 및 비교 피복 공구 (1 ∼ 10) 의 경질 피막의 층두께를, 주사형 전자 현미경 (SEM) 을 사용하여 측정한 결과, 모두 표 3, 표 5 에 나타내는 목표 층두께와 실질적으로 동일한 평균 층두께를 나타내었다.

다음에, 상기 본 발명 피복 공구 (1 ∼ 10) 및 비교 피복 공구 (1 ∼ 10) 에 대하여, 이하에 나타내는 조건으로 밀링 절삭 가공 시험을 실시하여, 절삭날의 플랭크면 마모폭을 측정하였다.

피삭재 : JIS·SKD61 (HRC52) 의 블록재

회전 속도 : 17000/min.,

절삭 속도 : 300 m/min.,

랜싱 : ap 2.0 ㎜, ae 0.3 ㎜

이송 속도 (1 날당) : 0.06 ㎜/날,

절삭 유제 : 에어,

절삭 길이 : 300 m,

표 6 에 상기 절삭 시험의 결과를 나타냄과 함께, 치핑, 용착 발생의 유무를 나타낸다.

표 3, 6 에 나타내는 결과로부터, 본 발명의 피복 공구 (1 ∼ 10) 는, 경질 피막의 (Al, Cr, Si)(C, N) 층, 또는 (Al, Cr, Si)N 층 중에, 구성 원소의 90 원자％ 이상이 Cr, Al, Si 중 1 종 혹은 2 종 이상에서 선택된 원소인 입자가 존재하고, 또한 그 입자 중의 Al 함유량이 50 원자％ 이하이고, 또한 단면 장경이 0.5 ㎛ 미만이며, 또한 애스펙트비가 2.0 이상인 입자가, 입자 전체 개수에서 차지하는 개수 비율은 90 ％ 이상인 점에서, 밀링 가공에 있어서 우수한 내치핑성, 내용착성을 나타냄과 함께, 우수한 내마모성을 나타내었다.

또, 본 발명의 피복 공구 (1 ∼ 3, 5 ∼ 10) 는, 상기 입자 중, 입자의 단면 장경을 이루는 직선이 공구 기재 표면과 이루는 각도가 45 도 이하, 또한 그 장경을 이루는 직선과 경질 피막 표면측의 입자 외주부로 둘러싸인 면적을 A, 그 직선과 공구 기체측의 입자 외주부로 둘러싸인 면적을 B 로 했을 경우, A＞B 인 입자가, 입자 전체 개수에서 차지하는 개수 비율로 80 ％ 이상인 점에서, 밀링 가공에 있어서 한층 더 우수한 내치핑성, 내용착성을 나타내고, 그 결과 장기간에 걸쳐 우수한 내마모성을 나타내었다.

이에 비하여, 비교 피복 공구 (1 ∼ 6, 8) 는, 경질 피막 중에 입자는 형성되지만, 그 입자 중의 Al 함유량이 50 원자％ 이하이고, 또한 단면 장경이 0.5 ㎛ 미만이며, 또한 애스펙트비가 2.0 이상인 입자의 개수 비율이 본원 발명에서 규정하는 범위에서 벗어나기 때문에, 밀링 가공에 있어서, 치핑, 용착 등의 발생에 의해 단시간에 수명에 이르는 것이 분명하다. 또한, 비교 피복 공구 (1, 2, 5, 6, 8) 는 입자의 단면 장경을 이루는 직선이 공구 기재 표면과 이루는 각도가 45 도 이하이며, 또한 그 장경을 이루는 직선과 경질 피막 표면측의 입자 외주부로 둘러싸인 면적 A 와 그 장경을 이루는 직선과 공구 기체측의 입자 외주부로 둘러싸인 면적 B 가 A＞B 의 관계를 만족하지 않기 때문에, 밀링 가공에 있어서, 치핑, 용착 등의 발생에 의해 더욱 단시간에 수명에 이르는 것이 분명하다.

또, 비교 피복 공구 (7, 9, 10) 는, 경질 피복층 중에 입자는 형성되지만, 경질 피복층의 조성, 또는 층두께가 본원 발명에서 규정하는 범위에서 벗어나기 때문에, 밀링 가공에 있어서, 치핑의 발생에 의해 단시간에 수명에 이르는 것이 분명하다.

산업상 이용가능성

전술한 바와 같이, 본 발명의 피복 공구는, 예를 들어 탄소강, 합금 공구강 등의 피삭재의 고속 절삭 가공에 있어서, 우수한 내치핑성, 내용착성을 발휘하여, 사용 수명의 연명화를 가능하게 하는 것이지만, 다른 피삭재의 절삭 가공, 다른 조건에서의 절삭 가공에서 사용하는 것도 물론 가능하다.

또 상기 실시예에서는 1 층으로 이루어지는 경질 피막으로 설명했지만, 경질 피막이 2 이상인 층으로 이루어지는 경우라도, 적어도 1 층이 상기 실시예에 기재된 피막이면 동일한 효과를 발휘하는 것이다.

1 아크 이온 플레이팅 장치
2 회전 테이블
3 전자 코일
4A 캐소드 전극 (AlCrSi 합금)
4B 캐소드 전극 (타깃) (AlCrSi 합금 혹은 하부층 성막용 타깃)
5 애노드 전극
6 히터
7 통 형상 히터
8 공구 기체용 지그
9 기체
10 냉각수
11 아크 전원
12 바이어스 전원
13 반응 가스
14 배기 가스
15 입자
16 측정 지점
W1 타깃 표면으로부터 통 형상 히터 선단면까지의 거리 (예를 들어 타깃-기판 거리의 2/3 정도의 길이)
W2 타깃 표면으로부터 통 형상 히터 후단면 전의 거리 (예를 들어 50 ㎜ 이내)

Claims

탄화텅스텐기 초경합금으로 이루어지는 공구 기체의 표면에, 경질 피막이 형성되어 있는 표면 피복 절삭 공구에 있어서,
(a) 상기 경질 피막은 1 또는 2 이상의 층으로 형성되고, 그 적어도 1 층은, 평균 조성식 : (Al_1-x-yCr_xSi_y)(C_zN_1-z) (단, x, y, z 는 모두 원자비로서, 0.1≤x≤0.4, 0.01≤y≤0.2, 0≤z≤0.3) 을 만족하는 평균 층두께 0.5 ∼ 8.0 ㎛ 의 Al 과 Cr 과 Si 의 복합 질화물층 또는 복합 탄질화물층으로 이루어지는 경질 피복층이며,
(b) 상기 경질 피복층은, 10 원자％ 미만의 C 및 N 으로부터 선택되는 1 종 이상으로 이루어지는 비금속 성분과, Cr, Al, Si 로부터 선택되는 1 종 이상의 원소인 금속 성분으로 이루어지는 복수의 입자를 포함하고,
(c) 상기 복수의 입자 중 Al 함유량은 50 원자％ 이하이고, 상기 공구 기체의 표면에 대하여 수직인 단면에 있어서의 장경이 0.5 ㎛ 미만이며, 또한 애스펙트비가 2.0 이상인 편평 입자는, 상기 복수의 입자의 전체 개수에 대하여 개수 비율로 90 ％ 이상을 상기 단면 중에서 차지하는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 경질 피막의 상기 공구 기체의 표면에 대하여 수직인 단면에서, 상기 경질 피복층에 함유되는 상기 편평 입자를 관찰했을 때에, 상기 편평 입자의 각각에 있어서, 상기 장경을 이루는 직선이 공구 기재 표면과 이루는 각도는 45 도 이하이며, 또한 상기 직선과 경질 피막 표면측의 입자 외주부로 둘러싸인 면적을 A, 상기 직선과 공구 기체측의 입자 외주부로 둘러싸인 면적을 B 로 했을 경우, A＞B 인 입자가, 상기 편평 입자의 전체 개수에 대하여 개수 비율로 80 ％ 이상을 차지하는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 경질 피복층의 평균 층두께가, 0.7 ∼ 7.5 ㎛ 인 표면 피복 절삭 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 경질 피복층이, 상기 경질 피막의 최외층인 표면 피복 절삭 공구.
제 3 항에 있어서,
상기 경질 피복층이, 상기 경질 피막의 최외층인 표면 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 비금속 성분의 함유량이, 0.5 원자％ 이상 10 원자％ 미만인 표면 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 금속 성분의 Al 함유량이, 0.5 원자％ 이상 20 원자％ 이하인 표면 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 단면에 있어서의, 상기 복수의 입자의 면적당 개수는, 1 개/㎛² ∼ 5 개/㎛² 인 표면 피복 절삭 공구.