KR20170117131A - 피복절삭공구 - Google Patents

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Abstract

기재와 기재의 표면에 형성된 피복층을 포함하고, 피복층은 조성이 다른 2종 또는 3종 이상의 화합물층을 번갈아 각 2층 이상 적층한 교호적층구조를 가지며, 교호적층구조는 (AlxM1 -x)N[M은 4~6족 및 Si로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 나타내고, x는 원자비로, 0.58~0.80을 만족함.]으로 나타나는 조성을 가지는 화합물을 포함하는 화합물층과, (AlyM1 -y)N[M은 4~6족 및 Si로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 나타내고, y는 원자비로, 0.57~0.79을 만족함.]으로 나타나는 조성을 가지는 화합물을 포함하는 화합물층으로 구성되고, 교호적층구조를 구성하는 2종류의 화합물층에 각각 포함되는 금속원소의 양에 대한 특정 금속원소의 양의 차이의 절대치가, 0원자%를 초과하여 크고, 5원자% 미만이며, 각 화합물층의 평균 두께는 1nm~50nm이고, 교호적층구조의 평균 두께는 1.5㎛~15㎛인 피복절삭공구.

Description

피복절삭공구
본 발명은 피복절삭공구에 관한 것이다.
최근, 절삭가공의 고능률화에 따라서, 종래보다 공구수명이 긴 절삭공구가 요구되고 있다. 이 때문에, 공구재료의 요구성능으로서, 공구수명에 직결하는 내마모성 및 내결손성의 향상이 한층 중요시되고 있다. 그래서, 이들 특성을 향상시키기 위하여, 기재의 표면에 2종류의 피막을 번갈아 적층한 피복절삭공구가 이용되고 있다.
이와 같이 절삭공구의 표면에 2종류가 번갈아 적층된 피막의 특성을 개선하기 위한 다양한 기술이 제안되어 있다. 예를 들어, 특허문헌 1에는, TixAl1 - xN 및 TiyAl1-yN(0≤x＜0.5, 0.5＜y≤1)인 2종류의 화합물을 번갈아 반복하여 적층하고, 적층체 전체적으로 알루미늄 리치가 되는 피복절삭공구가 제안되어 있다.
특허문헌 1: 일본공개특허공보 평7-97679호
가공능률을 높이기 위하여, 종래보다 절삭조건이 엄격해지는 경향 중으로, 지금까지보다 공구수명을 연장하는 것이 요구되어 왔다. 니켈계 내열합금이나 코발트계 내열합금 등의 열전도율이 낮은 난삭재의 가공에 있어서는, 절삭가공시의 발열에 의하여 절삭날에 있어서의 피막이 분리 및 산화되기 쉽다. 그 때문에, 피막의 경도가 저하되고, 또한 취화(脆化)됨으로써, 공구의 결손이 발생하기 쉬워지는 경향이 있다.
특허문헌 1의 발명에서는, Ti의 비율이 Al의 비율에 대하여 높은 층을 가지기 때문에, 절삭공구의 내산화성을 충분히 확보할 수 없다는 문제가 있다. 또한, Ti의 비율이 높은 층과, Al의 비율이 높은 층을 번갈아 반복하여 적층하고 있기 때문에, 적층체의 격자변형이 커진다. 그 때문에, 적층체의 경도가 높아지는 동시에 잔류압축응력도 높아져, 결손이 발생하기 쉬워진다. 특히, 난삭재의 가공에 있어서, 잔류응력은, 내결손성에 큰 영향을 미친다.
본 발명은, 상기 사정에 감안하여 이루어진 것으로, 특히 열전도율이 낮은 난삭재의 가공에 있어서, 내결손성이 뛰어나고, 또한 장기간에 걸쳐서 양호하게 가공할 수 있는 피복절삭공구를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자는 피복절삭공구의 공구수명의 연장에 대하여 연구를 거듭한바, 피복절삭공구를 이하의 구성으로 하면, 그 내결손성을 향상시키는 것이 가능해져, 피복절삭공구의 공구수명을 연장할 수 있는 것을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
즉, 본 발명의 요지는 이하와 같다.
(1) 기재와 상기 기재의 표면에 형성된 피복층을 포함하는 피복절삭공구로서, 상기 피복층은, 조성이 다른 2종 또는 3종 이상의 화합물층을 번갈아 각 2층 이상 적층한 교호(交互)적층구조를 가지고, 상기 교호적층구조는, 하기 식 (1):
(AlxM1-x)N (1)
[식 중, M은 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W 및 Si로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 나타내고, x는 Al원소와 M으로 나타나는 원소의 합계에 대한 Al원소의 원자비를 나타내며, 0.58≤x≤0.80을 만족함.]
으로 나타나는 조성을 가지는 화합물을 포함하는 화합물층과, 하기 식 (2):
(AlyM1-y)N (2)
[식 중, M은 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W 및 Si로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 나타내고, y는 Al원소와 M으로 나타나는 원소의 합계에 대한 Al원소의 원자비를 나타내며, 0.57≤y≤0.79를 만족함.]
으로 나타나는 조성을 가지는 화합물을 포함하는 화합물층으로 구성되며, 상기 교호적층구조를 구성하는 화합물층에 포함되는 전체 금속원소의 양에 대한 특정 금속원소의 양과, 그 화합물층에 인접한 상기 교호적층구조를 구성하는 다른 화합물층에 포함되는 전체 금속원소의 양에 대한 상기 특정 금속원소의 양과의 차이의 절대치가 0원자%를 초과하여 크고, 또한 5원자% 미만이며, 상기 화합물층의 각각의 평균 두께는 1nm 이상 50nm 이하이고, 상기 교호적층구조의 평균 두께는 1.5㎛ 이상 15.0㎛ 이하인 피복절삭공구.
(2) 상기 절대치가 1원자% 이상 4원자% 이하인 (1)의 피복절삭공구.
(3) 상기 교호적층구조의 평균 결정입자직경은 100nm 이상 450nm 이하인 (1) 또는 (2)의 피복절삭공구.
(4) 상기 피복층은, 상기 기재와 상기 교호적층구조 사이에 하부층을 가지고, 상기 하부층은 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al, Si 및 Y로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소와, C, N, O 및 B로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소로 이루어지는 화합물의 단층 또는 적층이며, 상기 하부층의 평균 두께는 0.1㎛ 이상 3.5㎛ 이하인 (1) 내지 (3) 중 어느 하나의 피복절삭공구.
(5) 상기 피복층은, 상기 교호적층구조의 표면에 상부층을 가지고, 상기 상부층은 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al, Si 및 Y로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소와, C, N, O 및 B로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소로 이루어지는 화합물의 단층 또는 적층이며, 상기 상부층의 평균 두께는 0.1㎛ 이상 3.5㎛ 이하인 (1) 내지 (4) 중 어느 하나의 피복절삭공구.
(6) 상기 피복층 전체의 평균 두께는 1.5㎛ 이상 15㎛ 이하인 (1) 내지 (5) 중 어느 하나의 피복절삭공구.
(7) 상기 기재는 초경합금, 서밋, 세라믹 또는 입방정 질화붕소 소결체 중 어느 것인 (1) 내지 (6) 중 어느 하나의 피복절삭공구.
본 발명에 따르면, 특히 열전도율이 낮은 난삭재의 가공에 있어서, 내결손성이 뛰어나고, 또한 장기간에 걸쳐서 양호하게 가공할 수 있는 피복절삭공구를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 피복절삭공구의 일례를 나타내는 모식도이다.
이하, 필요에 따라서 도면을 참조하면서, 본 발명을 실시하기 위한 형태(이하, 단순히 '본 실시형태'라고 함.)에 대하여 상세하게 설명하는데, 본 발명은 하기 본 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명은, 그 요지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능하다.
본 실시형태의 피복절삭공구는, 기재와 그 기재의 표면에 형성된 피복층을 포함한다. 본 실시형태에 있어서의 기재는, 피복절삭공구의 기재로서 이용될 수 있는 것이라면, 특별히 한정되지 않는다. 기재의 예로서, 초경합금, 서밋, 세라믹, 입방정 질화붕소 소결체, 다이아몬드 소결체, 및 고속도강을 들 수 있다. 그들 중에서도, 기재가 초경합금, 서밋, 세라믹 및 입방정 질화붕소 소결체 중 어느 것이라면, 내마모성 및 내결손성에 한층 뛰어나므로, 더욱 바람직하다.
본 실시형태의 피복절삭공구에 있어서, 피복층 전체의 평균 두께가 1.5㎛ 이상이면, 내마모성이 더욱 향상되는 경향이 보인다. 한편, 피복층 전체의 평균 두께가 15㎛ 이하이면, 내결손성이 더욱 향상되는 경향이 보인다. 그 때문에, 피복층 전체의 평균 두께는, 1.5㎛ 이상 15㎛ 이하인 것이 바람직하다. 그 중에서도, 상기와 같은 관점에서, 피복층 전체의 평균 두께는 1.5㎛ 이상 6.5㎛ 이하이면 보다 바람직하다.
본 실시형태의 피복층은, 조성이 다른 2종 또는 3종 이상의 화합물층을 번갈아서 각 2층 이상 적층한 교호적층구조를 가진다. 이와 같은 교호적층구조를 가지면, 피복층의 경도가 높아지므로, 내마모성이 향상된다. 본 실시형태의 교호적층구조는, 조성이 다른 2종의 화합물층을 주기적으로 각 2층 이상 적층한 구조여도 좋고, 3종 이상의 화합물층을 주기적으로 각 2층 이상 적층한 구조여도 좋다. 본 명세서에 있어서, '조성이 다르다'란, 2개의 화합물층 사이에서, 화합물층에 포함되는 전체 금속원소의 양에 대한 특정 금속원소의 양(단위: 원자%)과, 다른 화합물층에 포함되는 전체 금속원소의 양에 대한 그 특정 금속원소의 양(단위: 원자%)과의 차이가 0원자%를 초과하여 큰 것을 말한다. 따라서, 예를 들어, 금속원자의 양의 차이가 0.4원자%인 경우에는, '조성이 다르다'에 해당하지 않지만, 0.5원자%인 경우에는, '조성이 다르다'에 해당한다. 상기 '특정 원소'는, 어떤 화합물층에 포함되는 금속원소 중 어떤 것이어도 좋으며, Si원소는 금속원소에 포함된다.
본 실시형태의 교호적층구조를 구성하는 화합물층의 1종은, 하기 식 (1)로 나타나는 조성을 가지는 화합물을 포함하는 층이고, 그 화합물로 이루어지는 층이면 바람직하다.
(AlxM1-x)N (1)
여기에서, 식 (1) 중, M은 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W 및 Si로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 나타내고, x는 Al원소와 M으로 나타나는 원소의 합계에 대한 Al원소의 원자비를 나타내며, 0.58≤x≤0.80을 만족한다. 이러한 화합물층에 있어서의 Al원소의 원자비(x)가 0.58 이상이면, Al의 함유량이 많아짐으로써, 하기 식 (2)로 나타나는 조성을 가지는 화합물층에 있어서의 Al원소의 원자비(y)에 근거하는 효과와 더불어, 내산화성의 저하를 더욱 억제할 수 있다. 한편, Al원소의 원자비(x)가 0.80 이하이면, 육방정의 존재비율을 보다 낮게 억제함으로써, 하기 식 (2)로 나타나는 조성을 가지는 화합물층에 있어서의 Al원소의 원자비(y)에 근거하는 효과와 더불어, 내마모성의 저하를 더욱 억제할 수 있다. 같은 관점에서 0.60≤x≤0.80을 만족하면 바람직하고, 0.65≤x≤0.75를 만족하면 보다 바람직하다.
또한, 본 실시형태의 교호적층구조를 구성하는 화합물층의 다른 1종은, 하기 식 (2)로 나타나는 조성을 가지는 화합물을 포함하는 층이고, 그 화합물로 이루어지는 층이면 바람직하다.
(AlyM1-y)N (2)
여기에서, 식 (2) 중, M은 Ti, Zr,Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W 및 Si로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 나타내고, y는 Al원소와 M으로 나타나는 원소의 합계에 대한 Al원소의 원자비를 나타내며, 0.57≤y≤0.79를 만족한다. 이 화합물층에 있어서의 Al원소의 원자비가 0.57 이상이면, Al의 함유량이 많아짐으로써, 내산화성의 저하를 더욱 억제할 수 있다. 한편, Al원소의 원자비가 0.80 이하이면, 육방정의 존재비율을 보다 낮게 억제함으로써, 내마모성의 저하를 더욱 억제할 수 있다. 같은 관점에서 0.58≤y≤0.77을 만족하면 바람직하고, 0.63≤y≤0.71을 만족하면 보다 바람직하다.
또한, 화합물층을 구성하는 M으로 나타나는 원소는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W 및 Si로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종이면, 내마모성이 더욱 향상된다. 같은 관점에서, 화합물층을 구성하는 M으로 나타나는 원소는 Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, Cr 및 Si로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종이면 바람직하다.
본 실시형태의 교호적층구조를 구성하는 화합물층에 포함되는 금속원소의 종류는, 그 교호적층구조를 구성하는 다른 화합물층에 포함되는 금속원소의 종류와 적어도 일부가 동일하면 바람직하고, 모두 동일하면 보다 바람직하다. 즉, 교호적층구조를 구성하는 복수의 화합물층은, 서로 동일한 종류의 금속원소로 구성되면 보다 바람직하다. 더욱이, 교호적층구조를 구성하는 화합물층에 포함되는 전체 금속원소의 양에 대한 특정 금속원소의 양(단위: 원자%)과, 그 화합물층에 인접한 교호적층구조를 구성하는 다른 화합물층에 포함되는 전체 금속원소의 양에 대한 상기 특정 금속원소의 양(단위: 원자%)과의 차이의 절대치(이하, '조성차의 절대치'라고도 함.)가 0원자%를 초과하여 크고, 또한 5원자% 미만이다. 즉, 교호적층구조를 구성하는 화합물층에 포함되는 특정 금속원소의 비율과, 그 화합물층에 인접한 교호적층구조를 구성하는 다른 화합물층에 포함되는 상기 특정 금속원소의 비율의 차이의 절대치가 0원자%를 초과하여 크고, 또한 5원자% 미만이다. 여기에서 말하는 '특정 금속원소의 비율'이란, 화합물층에 포함되는 금속원소 전체의 원자수에 대한 그 화합물층에 포함되는 특정 금속원자의 원자수의 비율(단위: 원자%)를 의미한다. 또한, '특정 금속원소'는 화합물층에 포함되는 금속원소 중 적어도 1종이면 좋은데, 화합물층에 포함되는 금속원소의 각각에 대하여, 상기 절대치가 상술하는 관계에 있으면 바람직하다.
교호적층구조가 이와 같은 구성이라면, 교호적층구조를 구성하는 어느 화합물층과, 그 화합물층에 인접하는 다른 화합물층의 밀착성이 저하되지 않고, 2종의 화합물층의 계면에 있어서의 결정 격자의 부정합이 작아진다. 그 때문에, 교호적층구조의 잔류압축응력이 높아지는 것을 억제할 수 있으므로, 난삭재의 가공에 있어서, 내결손성이 향상된다. 그 중에서도, 교호적층구조를 구성하는 화합물층에 포함되는 특정 금속원소의 비율과, 그 화합물층에 인접한 교호적층구조를 구성하는 다른 화합물층에 포함되는 상기 특정 금속원소의 비율의 차이의 절대치가 1원자% 이상 4원자% 이하이면 바람직하다. 한편, 교호적층구조를 구성하는 화합물층에 포함되는 특정 금속원소의 비율과, 그 화합물층에 인접한 교호적층구조를 구성하는 다른 화합물층에 포함되는 상기 특정 금속원소의 비율과의 차이의 절대치가 0원자%라는 것은 단층을 의미한다. 단층은, 교호적층구조보다 경도가 낮기 때문에, 내마모성이 뒤떨어진다.
한편, 본 실시형태에 있어서, 화합물층의 조성을 (Al0 . 60Ti0 . 40)N으로 표기하는 경우는, Al원소와 Ti원소의 전체에 대한 Al원소의 원자비가 0.60, Al원소와 Ti원소의 전체에 대한 Ti원소의 원자비가 0.40인 것을 나타낸다. 즉, 전체 금속원소, 즉 Al원소 및 Ti원소의 양에 대한 특정 금속원소인 Al원소의 양이 60원자%, 전체 금속원소, 즉 Al원소 및 Ti원소의 양에 대한 특정 금속원소인 Ti원소의 양이 40원자%인 것을 의미한다.
상기의 '화합물층에 포함되는 특정 금속원소의 비율과, 그 화합물층에 인접한 다른 화합물층에 포함되는 상기 특정 금속원소의 비율의 차이의 절대치가 0원자%를 초과하여 크고, 또한 5원자% 미만임'에 대하여, 더욱 상세하게 설명한다. 예를 들어, 교호적층구조가 (Al0 . 67Ti0 . 33)N층과, (Al0 . 70Ti0 . 30)N층에 의하여 구성되는 경우, 2개의 화합물층에 포함되는 금속원소의 종류는 모두 동일하다. 왜냐하면, 2개의 화합물층은, 모두 금속원소로서 Al원소와 Ti원소를 포함하기 때문이다. 이 경우, (Al0 . 67Ti0 . 33)N층에 포함되는 Al원소의 원자수는, 금속원소 전체의 원자수에 대하여 67원자%이다. (Al0 . 70Ti0 . 30)N층에 포함되는 Al원소의 원자수는, 금속원소 전체의 원자수에 대하여 70원자%이다. 이들 2개의 화합물층에 있어서의 Al원소의 원자수의 비율의 차이는, 3원자%이다. 따라서, 이 경우, '차이의 절대치가 0원자%를 초과하여 크고, 또한 5원자% 미만'이라는 상기 조건이 만족되어 있다.
또한, 예를 들어 교호적층구조가 (Al0 . 65Ti0 . 30Cr0 . 05)N층과, (Al0 . 68Ti0 . 29Cr0 . 03)N층에 의하여 구성되는 경우, 2개의 화합물층에 포함되는 금속원소의 종류는 모두 동일하다. 왜냐하면, 2개의 화합물층은, 모두 금속원소로서 Al원소와 Ti원소와 Cr원소를 포함하기 때문이다. 이 경우, 2개의 화합물층에 포함되는 Ti원소의 원자수의 비율의 차이는 1원자%이다. 2개의 화합물층에 포함되는 Cr원소의 원자수의 비율의 차이는 2원자%이다. 이들 값은, 각각 5원자% 미만이다. 더욱이, 2개의 화합물층에 포함되는 Al의 원자수의 비율의 차이는, 3원자%이므로, '차이의 절대치가 0원자%를 초과하여 크고, 또한 5원자% 미만'이라는 상기 조건이 만족되어 있다.
본 실시형태에 있어서, 조성이 다른 2종의 화합물층을 1층씩 형성한 경우, '반복수'는 1회이다. 도 1은 본 발명의 피복절삭공구의 단면조직의 일례를 나타내는 모식도인데, 이하, 이것을 이용하여 반복수에 대하여 설명한다. 이 피복절삭공구(8)는, 기재(1)와, 기재(1)의 표면에 형성된 피복층(7)을 구비한다. 피복층(7)은, 기재(1)측으로부터 순서대로, 후술하는 하부층(2)과, 교호적층구조(6)와, 후술하는 상부층(5)을 적층하여 이루어진다. 교호적층구조(6)는, 하부층(2)측으로부터 상부층(5)측을 향하여 순서대로, 각각 화합물층인 A층(3)과, A층과는 조성이 다른 B층(4)을 번갈아 적층하여 이루어지고, A층(3) 및 B층(4)을 각각 4층씩 가진다. 이 경우, 반복수는 4회가 된다. 또한, 예를 들어, A층(3) 및 B층(4)을 하부층(2)측으로부터 상부층(5)측을 향하여 순서대로 A층(3), B층(4), A층(3), B층(4), A층(3), B층(4), A층(3), B층(4), A층(3), B층(4)으로, A층(3)을 5층, B층(4)을 5층 각각 형성한 경우, 반복수는 5회가 된다. 여기에서, A층(3)이 상기 식 (1)로 나타나는 조성을 가지는 화합물을 포함하는 화합물층이며, B층(4)이 상기 식 (2)로 나타나는 조성을 가지는 화합물을 포함하는 화합물층이어도 좋다. 또는, A층(3)이 상기 식 (2)로 나타나는 조성을 가지는 화합물을 포함하는 화합물층이며, B층(4)이 상기 식 (1)로 나타나는 조성을 가지는 화합물을 포함하는 화합물층이어도 좋다. 또한, 도 1에 있어서, 피복층(7)은 하부층(2) 및 상부층(5)의 양쪽을 구비하는데, 피복층이 하부층(2) 및 상부층(5)의 어느 하나만을 구비하여도 좋고, 양쪽을 구비하지 않아도 좋다.
또한, 본 실시형태의 다른 일 실시형태에 있어서, 조성이 다른 3종의 화합물층으로 구성되는 교호적층구조를 가지는 피복절삭공구에 대하여 간단하게 설명한다. 이와 같은 피복절삭공구에 있어서, 교호적층구조는, 상기와 같은 A층 및 B층에 더하여, 그들의 화합물층과 조성이 다른 화합물층인 C층을 더 가진다. A층을 상기 식 (1)로 나타나는 조성을 가지는 화합물을 포함하는 화합물층으로 하고, B층을 상기 식 (2)로 나타나는 조성을 가지는 화합물을 포함하는 화합물층으로 한다. 이 경우, A층, B층 및 C층의 적층순서는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 기재측으로부터 순서대로 A층, B층, C층의 순서, B층, A층, C층의 순서, A층, C층, B층의 순서, B층, C층, A층의 순서, C층, A층, B층의 순서, 또는 C층, B층, A층의 순서의 어느 것이어도 좋다. C층은 A층과 B층 사이에 위치하므로, A층과 B층의 밀착성을 향상시키는 관점에서, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al, Si 및 Y로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소와, C, N, O 및 B로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소로 이루어지는 화합물을 포함하면 바람직하다. 특히, C층이 A층 및 B층 중 어떤 화합물층과 금속원소의 종류의 적어도 일부가 동일하면 바람직하고, 모두 동일하면 보다 바람직하다. 또한, C층이 A층에 포함되는 특정 금속원소의 비율과 B층에 포함되는 상기 특정 금속원소의 비율 사이가 되는 비율로, 상기 특정 금속원소를 포함하면 바람직하다. 이들에 의하여, 서로 인접하는 화합물층간의 밀착성이 저하되지 않고, 그들의 화합물층의 계면에 있어서의 결정격자의 부정합이 작아진다. 그 때문에, 교호적층구조의 잔류압축응력이 높아지는 것을 억제할 수 있으므로, 난삭재의 가공에 있어서 내결손성이 향상된다.
더욱이, 본 실시형태의 또 다른 일 실시형태에 있어서, 교호적층구조가, 상기 A층, B층 및 C층에 더하여, 그들의 화합물층과 조성이 다른 다른 1종 또는 2종 이상의 화합물층을 가져도 좋다. 단, 그와 같은 교호적층구조인 경우에는, A층 및 B층을 인접시키도록, 각 화합물층을 적층하는 것이 바람직하다. 상기 A층, B층 및 C층과 조성이 다른 기타 1종 또는 2종 이상의 화합물층은, 서로 조성이 다른 층이고, 그들의 층은 A층, B층 및 C층과의 밀착성을 향상시키는 관점에서, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al, Si 및 Y로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소와, C, N, O 및 B로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소로 이루어지는 화합물을 포함하면 바람직하다. 이러한 경우에 있어서, 특히 A층 및 B층 이외의 화합물층이, A층 및 B층 중 어떤 화합물층과 금속원소의 종류의 적어도 일부가 동일하면 바람직하고, 모두 동일하면 보다 바람직하다. 또한, A층 및 B층 이외의 각 화합물층은, 그 화합물층을 사이에 끼우는 2종의 화합물층 중, 한쪽에 포함되는 특정 금속원소의 비율과 다른 쪽에 포함되는 상기 특정 금속원소의 비율 사이가 되는 비율로, 상기 특정 금속원소를 포함하면 바람직하다. 이에 따라, 서로 인접하는 화합물층의 밀착성이 저하되지 않고, 그들 화합물층의 계면에 있어서의 결정격자의 부정합이 작아진다. 그 때문에, 교호적층구조의 잔류압축응력이 높아지는 것을 억제할 수 있으므로, 난삭재의 가공에 있어서, 내결손성이 향상된다.
본 실시형태의 교호적층구조를 구성하는 화합물층의 각각의 평균 두께가 1nm 이상이면, 균일한 두께의 화합물층을 형성하는 것이 보다 용이해진다. 한편, 교호적층구조를 구성하는 화합물층의 각각의 평균 두께가 50nm 이하이면, 교호적층구조의 경도가 더욱 높아진다. 그 때문에, 교호적층구조를 구성하는 화합물층의 평균 두께는 1nm 이상 50nm 이하이고, 2nm 이상 50nm 이하이면 바람직하며, 4nm 이상 50nm 이하이면 보다 바람직하다.
본 실시형태에 있어서, 교호적층구조의 평균 두께는, 1.5㎛ 이상이면 내마모성이 더욱 향상되고, 15㎛ 이하이면 내결손성이 더욱 높아진다. 그 때문에, 교호적층구조의 평균 두께는 1.5㎛ 이상 15.0㎛ 이하이다. 그 중에서도, 교호적층구조의 평균 두께는 1.5㎛ 이상 6.0㎛ 이하이면 바람직하다.
본 실시형태에 있어서, 교호적층구조의 평균 결정입자직경은 100nm 이상이면 내마모성의 저하를 보다 억제할 수 있고, 450nm 이하이면 내결손성의 저하를 보다 억제할 수 있다. 그 때문에, 교호적층구조의 평균 결정입자직경은 100nm 이상 450nm 이하이면 바람직하고, 105nm 이상 430nm 이하이면 보다 바람직하다.
본 실시형태에 있어서의 교호적층구조의 평균 결정입자직경은, 피복절삭공구에 있어서의 기재의 표면에 대하여, 직교하는 방향의 단면조직(즉, 도 1에 나타내는 바와 같은 방향에서 본 단면조직)으로부터 투과형 전자현미경(TEM)을 이용하여 측정할 수 있다. 보다 구체적으로는, 피복절삭공구의 단면조직을 TEM으로 관찰하고, 10000배~80000배로 확대한 화상을 촬영한다. 촬영한 화상에 있어서, 기재의 표면에 대하여 평행한 직선(폭은 200nm 상당)을 긋는다. 이때, 교호적층구조의 조직을 가로지르도록 직선을 긋는다. 이 직선에 포함되는 입자의 길이(직경)를 이 직선이 통과한 입자의 수로 나눈 값을 교호적층구조의 결정입자직경으로 한다. 5곳 이상에서 그은 직선으로부터 교호적층구조의 결정입자직경을 각각 측정하고, 얻어진 값의 상가평균값을 교호적층구조의 평균 결정입자직경으로 정의한다.
본 실시형태의 피복층은, 교호적층구조만으로 구성되어도 좋은데, 기재와 교호적층구조와의 사이(즉, 교호적층구조의 하층)에 하부층을 가지면, 기재와 교호적층구조의 밀착성이 더욱 향상되므로 바람직하다. 그 중에서도 하부층은, 상기와 같은 관점에서 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al, Si 및 Y로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소와, C, N, O 및 B로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소로 이루어지는 화합물을 포함하면 바람직하고, Ti 및 Al로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소와, C, N, O 및 B로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소로 이루어지는 화합물을 포함하면 보다 바람직하며, Ti 및 Al로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소와, N원소로 이루어지는 화합물을 포함하면 더욱 바람직하다. 단, 하부층은, 교호적층구조에 있어서의 화합물층과 조성이 다르다. 또한, 하부층은 단층이어도 좋고 2층 이상의 다층이어도 좋다.
본 실시형태에 있어서, 하부층의 평균 두께가 0.1㎛ 이상 3.5㎛ 이하이면, 기재와 피복층의 밀착성이 더욱 향상되는 경향을 나타내므로 바람직하다. 같은 관점에서, 하부층의 평균 두께는 0.1㎛ 이상 3.0㎛ 이하이면 보다 바람직하고, 0.1㎛ 이상 2.5㎛ 이하이면 더욱 바람직하다.
본 실시형태의 피복층은, 교호적층구조의 기재와는 반대측(즉, 교호적층구조의 표면)에 상부층을 가져도 좋다. 하부층은 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al, Si 및 Y로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소와, C, N, O 및 B로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소로 이루어지는 화합물을 포함하면, 내마모성이 한층 뛰어나므로 더욱 바람직하다. 또한, 상기와 같은 관점에서, 상부층은 Ti, Nb, Cr 및 Al로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소와, C, N, O 및 B로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소로 이루어지는 화합물을 포함하면 보다 바람직하고, Ti, Nb, Cr 및 Al로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소와, N으로 이루어지는 화합물을 포함하면 더욱 바람직하다. 단, 상부층은, 교호적층구조에 있어서의 화합물층과 조성이 다르다. 또한, 상부층은 단층이어도 좋고 2층 이상의 다층이어도 좋다.
본 실시형태에 있어서, 상부층의 평균 두께가 0.1㎛ 이상 3.5㎛ 이하이면, 내마모성이 뛰어난 경향을 나타내므로 바람직하다. 같은 관점에서, 상부층의 평균 두께는 0.2㎛ 이상 3.0㎛ 이하이면 보다 바람직하다.
본 실시형태의 피복절삭공구에 있어서의 피복층의 제조방법은, 특별히 한정되는 것이 아니다. 예를 들어, 피복층은, 이온플레이팅법, 아크이온플레이팅법, 스퍼터링법, 및 이온믹싱법 등의 물리증착법에 의하여, 상기에서 설명한 교호적층구조에 있어서의 각 화합물층을 순서대로 형성함으로써 얻어진다. 특히, 아크이온플레이팅법에 의하여 형성된 피복층은, 기재와의 밀착성이 높다. 따라서, 이들 중에서는, 아크이온플레이팅법이 바람직하다.
본 실시형태의 피복절삭공구의 제조방법에 대하여, 구체적인 예를 이용하여 설명한다. 한편, 본 실시형태의 피복절삭공구의 제조방법은, 그 피복절삭공구의 구성을 달성할 수 있는 한, 특별히 제한되는 것은 아니다.
우선, 공구 형상으로 가공한 기재를 물리증착장치의 반응용기 내에 수용하고, 금속증발원을 반응용기 내에 설치한다. 그 후, 반응용기 내를 그 압력이 1.0×10-2Pa 이하가 될 때까지 진공배기하고, 반응용기 내의 히터에 의하여 기재를 그 온도가 600℃~700℃가 될 때까지 가열한다. 가열 후, 반응용기 내에 Ar가스를 도입하고, 반응용기 내의 압력을 0.5Pa~5.0Pa로 한다. 압력 0.5Pa~5.0Pa의 Ar가스 분위기에서, 기재에 -350V~-500V의 바이어스 전압을 인가하고, 반응용기 내의 텅스텐 필라멘트에 40A~50A의 전류를 만족하는 조건 하에서, 기재의 표면에 Ar가스에 의한 이온충격처리를 실시한다. 기재의 표면에 이온충격처리를 실시한 후, 반응용기 내를 그 압력이 1.0×10-2Pa 이하가 될 때까지 진공배기한다.
이어서, 기재를 그 온도가 250℃ 이상 500℃ 이하가 되도록, 히터의 온도를 조정하여 가열한 후, 질소가스 등의 반응가스를 반응용기 내에 도입한다. 그 후, 반응용기 내의 압력을 2.0~4.0Pa로 하고, 기재에 -60~-150V의 바이어스 전압을 인가한다. 그리고, 각 층의 금속성분에 따른 금속증발원을 아크방전에 의하여 증발시킴으로써, 기재의 표면에 각 층을 형성할 수 있다. 이때, 기재를 고정한 테이블을 회전시키면서, 떨어진 위치에 놓인 2종류 이상의 금속증발원을 동시에 아크방전에 의하여 증발시킴으로써, 교호적층구조를 구성하는 각 화합물층을 형성할 수 있다. 이 경우, 반응용기 내의 기재를 고정한 회전테이블의 회전수를 조정함으로써, 교호적층구조를 구성하는 각 화합물층의 두께를 제어할 수 있다. 또는, 2종류 이상의 금속증발원을 번갈아 아크방전에 의하여 증발시킴으로써, 교호적층구조를 구성하는 화합물층을 형성할 수도 있다. 이 경우, 금속증발원의 아크방전시간을 각각 조정함으로써, 교호적층구조를 구성하는 각 화합물층의 두께를 제어할 수 있다.
본 실시형태의 교호적층구조의 평균 결정입자직경을 상술한 소정의 크기로 하기 위하여는, 교호적층구조를 형성할 때의 기재의 온도를 낮게 하면 좋다. 보다 구체적으로는, 기재의 온도를 300℃로 한 경우와 500℃로 한 경우를 비교하면, 300℃로 한 경우 쪽이 기재의 온도가 낮기 때문에, 교호적층구조의 평균 결정입자직경은 커진다. 또한, Al원소와 M으로 나타나는 원소의 합계에 대한 Al원소의 원자비가 작은 금속증발원을 이용하면, 교호적층구조의 평균 결정입자직경은 커지는 경향을 나타낸다. 따라서, 교호적층구조를 형성할 때의 기재의 온도와, 금속증발원의 조성을 조정함으로써, 교호적층구조의 평균 결정입자직경을 제어할 수 있다.
본 실시형태의 피복절삭공구에 있어서의 피복층을 구성하는 각 층의 두께는, 예를 들어 피복절삭공구의 단면조직으로부터 TEM을 이용하여 측정할 수 있다. 보다 구체적으로는, 피복절삭공구에 있어서, 금속증발원에 대향하는 면의 날끝 능선부로부터 그 면의 중심부를 향하여 50㎛ 위치 근방에 있어서의 3곳 이상의 단면에서의 각 층의 두께를 측정한다. 얻어진 각 층의 두께의 상가평균값을 피복절삭공구에 있어서의 각 층의 평균 두께로 정의할 수 있다.
또한, 본 실시형태의 피복절삭공구에 있어서의 피복층을 구성하는 각 층의 조성은, 본 실시형태의 피복절삭공구의 단면조직으로부터 에너지 분광형 X선 분석장치(EDS)나 파장분산형 X선 분석장치(WDS) 등을 이용하여 측정에 의하여 결정할 수 있다.
본 실시형태의 피복절삭공구는, 종래보다 공구수명을 연장할 수 있다는 효과를 나타낸다. 그 요인은, 이것으로 한정되지 않지만, 피복절삭공구가 내산화성 및 내결손성이 뛰어나기 때문으로 생각된다. 본 실시형태의 피복절삭공구의 종류로서, 구체적으로는, 프라이스 가공용 또는 선삭가공용 날끝 교환형 절삭인서트, 드릴, 및 엔드밀 등을 들 수 있다.
실시예
이하, 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하는데, 본 발명은 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
기재로서, ISO규격 CNMG120408 형상의 인서트로 가공하고, 93.5WC-6.2Co-0.3Cr3C2(이상, 질량%)의 조성을 가지는 초경합금을 준비하였다. 아크이온플레이팅 장치의 반응용기 내에, 표 1에 나타내는 각 층의 조성이 되도록 금속증발원을 배치하였다. 준비한 기재를, 반응용기 내의 회전테이블 지그에 고정하였다.
그 후, 반응용기 내를 그 압력이 5.0×10-3Pa 이하가 될 때까지 진공배기하였다. 진공배기한 후, 반응용기 내의 히터에 의하여, 기재를 그 온도가 600℃가 될 때까지 가열하였다. 가열 후, 반응용기 내에 그 압력이 5.0Pa이 되도록 Ar가스를 도입하였다.
압력 5.0Pa의 Ar가스 분위기에서, 기재에 -450V의 바이어스 전압을 인가하고, 반응용기 내의 텅스텐 필라멘트에 45A의 전류를 흘리는 조건 하에서, 기재의 표면에 Ar가스에 따른 이온충격처리를 30분간 실시하였다. 이온충격처리 종료 후, 반응용기 내를 그 압력이 5.0×10-3Pa 이하가 될 때까지 진공배기하였다.
진공배기 후, 기재를 그 온도가 표 2에 나타내는 온도(공정개시시의 온도)가 될 때까지 가열하고, 질소(N2)가스를 반응용기 내에 도입하여, 반응용기 내를 표 2에 나타내는 압력으로 조정하였다.
이어서, 발명품 1~14 및 비교품 1~7에 있어서는, 표 1에 나타내는 A층 및 B층을 번갈아 형성하여 교호적층구조를 얻었다. 상세하게는, A층의 금속증발원과 B층의 금속증발원을 동시에 아크방전에 의하여 발열시키고, A층 및 B층을 번갈아 형성하였다. 이때, A층의 두께 및 B층의 두께는, 회전테이블의 회전수를 1~5rpm의 범위로 조정함으로써 제어하였다. 한편, 표 1에 있어서의 '조성차의 절대치'는, A층과 B층의 사이의 '조성차의 절대치'이다.
한편, 비교품 8에 대하여는, 기재에 -50V의 바이어스 전압을 인가하고, 아크전류 120A의 아크방전에 의하여 금속증발원을 증발시켜, 표 1에 나타내는 단층의 화합물층을 형성하였다.
기재의 표면에, 표 1에 나타내는 소정의 평균 두께가 되도록 각 층을 형성한 후, 히터의 전원을 끊고, 시료온도가 100℃ 이하가 된 후, 반응용기 내로부터 시료를 취출하였다.


시료번호
 피복층
교호적층구조 피복층
전체
평균
두께
(㎛)
A층(화합물층) B층(화합물층) 반복수
(회)		 조성차
절대치
(%)
조성 평균두께
(nm)		 조성 평균
두께
(nm)
발명품1 (Al0 . 70Ti0 . 30)N 5 (Al0 . 69Ti0 . 31)N 5 300 1 3.00
발명품2 (Al0 . 70Ti0 . 30)N 5 (Al0 . 67Ti0 . 33)N 5 300 3 3.00
발명품3 (Al0 . 70Ti0 . 30)N 5 (Al0 . 67Ti0 . 33)N 5 150 3 1.50
발명품4 (Al0 . 70Ti0 . 30)N 5 (Al0 . 67Ti0 . 33)N 5 600 3 6.00
발명품5 (Al0 . 70Ti0 . 30)N 20 (Al0 . 67Ti0 . 33)N 20 75 3 3.00
발명품6 (Al0 . 70Ti0 . 30)N 50 (Al0 . 67Ti0 . 33)N 50 30 3 3.00
발명품7 (Al0 . 70Ti0 . 30)N 10 (Al0 . 67Ti0 . 33)N 5 200 3 3.00
발명품8 (Al0.67Ti0.30Hf0.03)N 5 (Al0.65Ti0.30Hf0.05)N 5 300 2 3.00
발명품9 (Al0 . 65Ta0 . 35)N 5 (Al0 . 61Ta0 . 39)N 5 300 4 3.00
발명품10 (Al0 . 60Zr0 . 40)N 5 (Al0 . 58Zr0 . 42)N 5 300 2 3.00
발명품11 (Al0 . 75Nb0 . 25)N 4 (Al0 . 71Nb0 . 29)N 4 375 4 3.00
발명품12 (Al0 . 80Cr0 . 20)N 2 (Al0 . 77Cr0 . 23)N 3 600 3 3.00
발명품13 (Al0 . 80Cr0 . 20)N 2 (Al0 . 77Cr0 . 23)N 3 2500 3 12.50
발명품14 (Al0.70Cr0.20Si0.10)N 2 (Al0.67Cr0.20Si0.13)N 3 600 3 3.00
비교품1 (Al0 . 70Ti0 . 30)N 5 (Al0 . 60Ti0 . 40)N 5 300 10 3.00
비교품2 (Al0 . 50Ti0 . 50)N 5 (Al0 . 30Ti0 . 70)N 5 300 20 3.00
비교품3 (Al0 . 60Ti0 . 40)N 5 TiN 5 300 60 3.00
비교품4 (Al0 . 70Cr0 . 30)N 100 (Al0 . 65Cr0 . 35)N 100 15 5 3.00
비교품5 (Al0 . 65Ti0 . 35)N 200 (Al0 . 62Ti0 . 38)N 300 6 3 3.00
비교품6 (Al0 . 53Ti0 . 47)N 20 (Al0 . 51Ti0 . 49)N 20 75 2 3.00
비교품7 (Al0 . 85Ti0 . 15)N 3 (Al0 . 81Ti0 . 19)N 3 500 4 3.00
비교품8 (Al0 . 70Ti0 . 30)N(단층) 3.00
시료번호 기재의 온도(℃) 반응용기 내 압력(Pa)
발명품1 400 2.5
발명품2 350 4.0
발명품3 400 3.0
발명품4 250 3.5
발명품5 350 3.0
발명품6 350 2.5
발명품7 300 3.5
발명품8 250 3.5
발명품9 300 4.5
발명품10 300 5.0
발명품11 400 2.5
발명품12 400 3.0
발명품13 400 3.5
발명품14 450 2.0
비교품1 250 4.0
비교품2 400 3.0
비교품3 350 3.0
비교품4 350 4.0
비교품5 300 3.0
비교품6 350 3.5
비교품7 350 3.0
비교품8 450 2.5
얻어진 시료의 각 층의 평균 두께는, 피복절삭공구의 금속증발원에 대향하는 면의 날끝 능선부로부터 그 면의 중심부를 향하여 50㎛ 위치 근방에 있어서, 3곳의 단면을 TEM 관찰하고, 각 층의 두께를 측정하여, 그 상가평균값을 계산함으로써 구하였다. 얻어진 시료의 각 층의 조성은, 피복절삭공구의 금속증발원에 대향하는 면의 날끝 능선부로부터 중심부를 향하여 50㎛까지의 위치 근방의 단면에 있어서, EDS를 이용하여 측정하였다. 그들 결과도 표 1에 함께 나타낸다. 한편, 표 1의 각 층의 금속원소의 조성비는, 각 층을 구성하는 화합물에 있어서의 금속원소 전체에 대한 각 금속원소의 원자비를 나타낸다.
얻어진 시료의 교호적층구조의 평균 결정입자직경은, 이하와 같이 하여 구하였다. 우선, 피복절삭공구의 단면조직을 TEM으로 관찰하고, 60000배로 확대한 화상을 촬영하였다. 촬영한 화상에 있어서, 교호적층구조의 조직을 가로지르도록, 기재의 표면에 대하여 평행한 직선(폭은 200mn 상당)을 그었다. 이 직선에 포함되는 입자의 길이(직경)를 이 직선이 통과한 입자의 수로 나눈 값을 교호적층구조의 결정입자직경으로 하였다. 5개의 직선을 긋고, 각각의 직선에 있어서의 교호적층구조의 결정입자직경을 측정하였다. 얻어진 교호적층구조의 결정입자직경의 상가평균값을 계산하고, 그 값을 교호적층구조의 평균 결정입자직경으로 하였다. 그 결과를 표 3에 나타낸다.

시료번호
 교호적층구조
평균결정입자직경
(nm)
발명품1 130
발명품2 204
발명품3 140
발명품4 250
발명품5 185
발명품6 170
발명품7 220
발명품8 262
발명품9 330
발명품10 420
발명품11 115
발명품12 105
발명품13 120
발명품14 78
비교품1 380
비교품2 504
비교품3 650
비교품4 200
비교품5 230
비교품6 500
비교품7 38
비교품8 100
얻어진 시료를 이용하여, 이하의 절삭시험을 행하고, 평가하였다.
[절삭시험]
피삭재: 인코넬 718,
피삭재 형상: Ø150mm×300mm의 원주,
절삭속도: 60m/min,
이송: 0.15mm/rev,
절삭깊이: 0.8mm,
냉각수: 있음,
평가항목: 시료가 결손(시료의 절삭날부에 결손이 발생)하였을 때, 또는 플랭크 마모폭이 0.3mm에 도달하였을 때를 공구수명으로 하고, 공구수명에 이를 때까지의 가공시간을 측정하였다. 전자의 경우, 손상형태를 '결손'으로 하고, 후자의 경우, 손상형태를 '정상마모'로 하였다.
절삭시험의 결과를 표 4에 나타낸다.

시료번호
 절삭시험
가공시간(분) 마모형태
발명품1 47 정상마모
발명품2 51 정상마모
발명품3 42 정상마모
발명품4 43 정상마모
발명품5 48 정상마모
발명품6 46 정상마모
발명품7 50 정상마모
발명품8 44 정상마모
발명품9 42 정상마모
발명품10 41 정상마모
발명품11 46 정상마모
발명품12 43 정상마모
발명품13 40 정상마모
발명품14 40 정상마모
비교품1 30 결손
비교품2 25 결손
비교품3 18 결손
비교품4 35 정상마모
비교품5 33 정상마모
비교품6 17 결손
비교품7 25 정상마모
비교품8 22 정상마모
비교품 1~3에서는, 조성차의 절대치가 큰 것에 의하여, 피복층 중의 변형량이 커졌기 때문에 결손되었다. 특히, B층에 있어서의 Al의 함유량이 적은 비교품 3은, 산화의 진행에 의하여, 날끝의 강도가 저하되었으므로, 조기에 결손되었다. 같은 이유에 의하여, A층 및 B층에 있어서의 Al의 함유량이 적은 비교품 6은, 조기에 결손되었다. 비교품 4 및 5는, 각 화합물층의 두께가 두꺼운 것에 의하여, 피복층의 경도가 저하되었으므로, 발명품보다 공구수명이 짧았다. 비교품 7 및 8은, 조기에 플랭크 마모폭이 커졌다.
표 4에 나타내는 결과로부터, 발명품의 가공시간은 모두 비교품의 가공시간보다 길어졌다. 따라서, 발명품은, 공구수명이 길어진 것을 알 수 있다. 그 요인으로서는, 발명품이 내산화성 및 내결손성의 양쪽에 뛰어나기 때문으로 생각되는데, 요인은 이것으로 한정되지 않는다.
(실시예 2)
기재로서, ISO 규격 CNMG120408 형상의 인서트로 가공하고, 93.5WC-6.2Co-0.3Cr3C2(이상, 질량%)의 조성을 가지는 초경합금을 준비하였다. 아크이온플레이팅 장치의 반응용기 내에, 표 5에 나타내는 각 층의 조성이 되도록 금속증발원을 배치하였다. 준비한 기재를 반응용기 내의 회전테이블의 지그에 고정하였다.
그 후, 반응용기 내를 그 압력이 5.0×10-3Pa 이하가 될 때까지 진공배기하였다. 진공배기한 후, 반응용기 내의 히터에 의하여, 기재를 그 온도가 600℃가 될 때까지 가열하였다. 가열 후, 반응용기 내에 그 압력이 5.0Pa이 되도록 Ar가스를 도입하였다.
압력 5.0Pa의 Ar가스 분위기에서, 기재에 -450V의 바이어스 전압을 인가하고, 반응용기 내의 텅스텐 필라멘트에 45A의 전류를 흘리는 조건 하에서, 기재의 표면에 Ar가스에 의한 이온충격처리를 30분간 실시하였다. 이온충격처리 종료 후, 반응용기 내를 그 압력이 5.0×10-3Pa 이하가 될 때까지 진공배기하였다.
진공배기 후, 기재를 그 온도가 표 6에 나타내는 온도(공정개시시의 온도)가 될 때까지 가열하고, 질소(N2)가스를 반응용기 내에 도입하여, 반응용기 내를 표 6에 나타내는 압력으로 조정하였다.
이어서, 발명품 15~18의 표 5에 나타내는 하부층을 형성하였다. 상세하게는, 기재에 -50V의 바이어스 전압을 인가하여, 아크전류 120A의 아크방전에 의하여 금속증발원을 증발시켜 하부층을 형성하였다.
다음으로, 발명품 15~18의 표 5에 나타내는 A층 및 B층을 번갈아 형성하여 교호적층구조를 얻었다. 상세하게는, 표 6에 나타내는 조건으로, A층의 금속증발원과 B층의 금속증발원을 동시에 아크방전에 의하여 증발시키고, A층 및 B층을 번갈아 형성하였다. 이때, A층의 두께 및 B층의 두께는, 회전테이블의 회전수를 1~5rpm의 범위로 조정함으로써 제어하였다. 한편, 표 5에 있어서의 '조성차의 절대치'는, A층과 B층의 사이의 '조성차의 절대치'이다.
교호적층구조를 형성한 후, 기재에 -50V의 바이어스 전압을 인가하고, 아크전류 120A의 아크방전에 의하여 금속증발원을 증발시켜, 표 5에 나타내는 상부층을 형성하였다.
기재의 표면에, 표 5에 나타내는 소정의 두께까지 각 층을 형성한 후, 히터의 전원을 끊고, 시료온도가 100℃ 이하가 된 후, 반응용기 내로부터 시료를 취출하였다.



시료
번호

 피복층
하부층 교호적층구조 상부층 피복층
전체
평균
두께
(㎛)
조성
 평균
두께
(㎛)		 A층 B층 반복수
(회)		 조성차
절대치
(%)		 교호
적층
구조
전체
평균
두께
(㎛)		 조성
 평균
두께
(㎛)
조성 평균
두께
(㎛)		 조성 평균
두께
(㎛)
발명품
15		 (Al0 .50
Ti0 . 50)N		 0.5 (Al0 .65
Ti0 . 35)N		 10 (Al0 .61
Ti0 . 39)N		 10 120 4 2.40 (Al0 .80
Nb0 . 20)N		 0.2 3.10
발명품
16		 (Al0 .67
Ti0 . 33)N		 0.5 (Al0 .70
Ti0 .20
Mo0 . 10)N		 5 (Al0 .67
Ti0 .20
Mo0 . 13)N		 5 220 3 2.20 (Al0 .70
Ti0 . 30)N		 0.5 3.20
발명품
17		 (Al0 .70
Ti0 . 30)N		 0.2 (Al0 .80
Ti0 .15
W0. 05)N		 2 (Al0 .77
Ti0 .15
W0. 08)N		 2 600 3 2.40 (Al0 .80
Ti0 . 20)N		 1 3.60
발명품
18		 TiN 0.1 (Al0 .60
Ti0 .30
V0. 10)N		 30 (Al0 .58
Ti0 .30
V0. 12)N		 30 50 2 3.00 (Al0 .75
Cr0 . 25)N		 3 6.10
시료번호 기재의 온도(℃) 반응용기 내의 압력(Pa)
발명품15 250 3.5
발명품16 350 4.0
발명품17 400 3.5
발명품18 300 4.5
얻어진 시료의 각 층의 평균 두께는, 피복절삭공구이 금속증발원에 대향하는 면의 날끝 능선부로부터 그 면의 중심부를 향하여 50㎛ 위치 근방에 있어서, 3곳의 단면을 TEM 촬영하고, 각 층의 두께를 측정하여, 그 상가평균값을 계산함으로써 구하였다. 얻어진 시료의 각 층의 조성은, 피복절삭공구의 금속증발원에 대향하는 면의 날끝 능선부로부터 중심부를 향하여 50㎛까지의 위치 근방의 단면에 있어서, EDS를 이용하여 측정하였다. 그들 결과도, 표 5에 함께 나타낸다. 한편, 표 5의 각 층의 금속원소의 조성비는, 각 층을 구성하는 화합물에 있어서의 금속원소 전체에 대한 각 금속원소의 원자비를 나타낸다.
얻어진 시료의 교호적층구조의 평균 결정입자직경은, 이하와 같이 하여 구하였다. 우선, 피복절삭공구의 단면 조직을 TEM으로 관찰하고, 60000배로 확대한 화상을 촬영하였다. 촬영한 화상에 있어서, 교호적층구조의 조직을 가로지르도록, 기재의 표면에 대하여 평행한 직선(폭은 200nm 상당)을 그었다. 이 직선에 포함되는 입자의 길이(직경)를 이 직선이 통과한 입자의 수로 나눈 값을, 교호적층구조의 결정입자로 하였다. 5개의 직선을 긋고, 각각의 직선에 있어서의 교호적층구조의 결정입자직경을 측정하였다. 얻어진 교호적층구조의 결정입자직경의 상가평균값을 계산하고, 그 값을 교호적층구조의 평균 결정입자직경으로 하였다. 그 결과를 표 7에 나타내었다.

시료번호
 교호적층구조
평균결정입자직경
(nm)
발명품15 250
발명품16 200
발명품17 120
발명품18 350
얻어진 시료를 이용하여, 실시예 1과 마찬가지의 절삭시험을 행하고 평가하였다. 절삭시험의 결과를 표 8에 나타내었다.
시료번호
 절삭시험
가공시간(분) 손상형태
발명품15 47 정상마모
발명품16 53 정상마모
발명품17 44 정상마모
발명품18 42 정상마모
표 8에 나타내는 결과로부터, 발명품의 가공시간은 표 4에 나타내는 비교품의 가공시간보다 길다. 따라서, 발명품은, 상부층 및 하부층을 가졌더라도, 공구수명이 길어진 것을 알 수 있다. 그 요인으로는, 발명품이 내산화성 및 내결손성의 양쪽에 뛰어나기 때문인 것으로 생각되는데, 요인은 이것으로 한정되지 않는다.
산업상의 이용가능성
본 발명의 피복절삭공구는, 내결손성이 뛰어나고, 종래보다 공구수명을 연장할 수 있으므로, 산업상의 이용가능성이 높다.
1: 기재
2: 하부층
3: A층
4: B층
5: 상부층
6: 교호적층구조
7: 피복층
8: 피복절삭공구

Claims (7)

  1. 기재와 상기 기재의 표면에 형성된 피복층을 포함하는 피복절삭공구로서, 상기 피복층은, 조성이 다른 2종 또는 3종 이상의 화합물층을 번갈아 각 2층 이상 적층한 교호적층구조를 가지고,
    상기 교호적층구조는, 하기 식 (1):
    (AlxM1-x)N (1)
    [식 중, M은 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W 및 Si로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 나타내고, x는 Al원소와 M으로 나타나는 원소의 합계에 대한 Al원소의 원자비를 나타내며, 0.58≤x≤0.80을 만족함.]
    으로 나타나는 조성을 가지는 화합물을 포함하는 화합물층과, 하기 식 (2):
    (AlyM1-y)N (2)
    [식 중, M은 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W 및 Si로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 나타내고, y는 Al원소와 M으로 나타나는 원소의 합계에 대한 Al원소의 원자비를 나타내며, 0.57≤y≤0.79를 만족함.]
    으로 나타나는 조성을 가지는 화합물을 포함하는 화합물층으로 구성되며,
    상기 교호적층구조를 구성하는 화합물층에 포함되는 전체 금속원소의 양에 대한 특정 금속원소의 양과, 그 화합물층에 인접한 상기 교호적층구조를 구성하는 다른 화합물층에 포함되는 전체 금속원소의 양에 대한 상기 특정 금속원소의 양과의 차이의 절대치가 0원자%를 초과하여 크고, 또한 5원자% 미만이며,
    상기 화합물층의 각각의 평균 두께는 1nm 이상 50nm 이하이고, 상기 교호적층구조의 평균 두께는 1.5㎛ 이상 15.0㎛ 이하인 피복절삭공구.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 절대치가 1원자% 이상 4원자% 이하인 피복절삭공구.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 교호적층구조의 평균 결정입자직경은 100nm 이상 450nm 이하인 피복절삭공구.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피복층은, 상기 기재와 상기 교호적층구조 사이에 하부층을 가지고,
    상기 하부층은 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al, Si 및 Y로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소와, C, N, O 및 B로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소로 이루어지는 화합물의 단층 또는 적층이며,
    상기 하부층의 평균 두께는 0.1㎛ 이상 3.5㎛ 이하인 피복절삭공구.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피복층은, 상기 교호적층구조의 표면에 상부층을 가지고,
    상기 상부층은 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al, Si 및 Y로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소와, C, N, O 및 B로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소로 이루어지는 화합물의 단층 또는 적층이며,
    상기 상부층의 평균 두께는 0.1㎛ 이상 3.5㎛ 이하인 피복절삭공구.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피복층 전체의 평균 두께는 1.5㎛ 이상 15㎛ 이하인 피복절삭공구.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기재는 초경합금, 서밋, 세라믹 또는 입방정 질화붕소 소결체 중 어느 것인 피복절삭공구.
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