KR20180073572A

KR20180073572A - 표면 피복 절삭 공구

Info

Publication number: KR20180073572A
Application number: KR1020187011115A
Authority: KR
Inventors: 츠요시 오가미; 다츠오 하시모토; 나츠키 이치미야
Original assignee: 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
Priority date: 2015-10-28
Filing date: 2016-10-27
Publication date: 2018-07-02
Also published as: EP3369503B1; CN108349015B; KR102523236B1; CN108349015A; EP3369503A1; US10618113B2; EP3369503A4; JP2017080879A; US20180326501A1

Abstract

탄화텅스텐기 초경합금, TiCN 기 서멧, 입방정 질화붕소 소결체 및 고속도 공구강의 어느 것으로 이루어지는 공구 기체의 표면에, 경질 피복층이 형성된 표면 피복 절삭 공구에 있어서, 하부층은, 조성식 : (Al_1-α-βTi_αSi_β)N 으로 나타냈을 경우, 0.3 ≤ α ≤ 0.5, 0.01 ≤ β ≤ 0.10 (단, α, β 는 모두 원자비) 을 만족하는 복합 질화물층으로 이루어지고, 상부층은, 조성식 : (Al_1-a-b-cCr_aSi_bCu_c)N 으로 나타냈을 경우, 0.15 ≤ a ≤ 0.40, 0.05 ≤ b ≤ 0.20, 0.005 ≤ c ≤ 0.05 (단, a, b, c 는 모두 원자비) 를 만족하고, 육방정 구조를 주체로 하는 결정으로 이루어지며, 그 상부층에 대해서 X 선 회절로 구한 2θ = 55 ∼ 65°의 범위 내에 존재하는 (110) 면의 회절 피크의 반치폭은 1.0 ∼ 3.5°이다.

Description

표면 피복 절삭 공구

본원 발명은, ?칭강 등의 고경도재의 절삭 가공에 있어서, 경질 피복층이 박리 등을 발생시키지도 않고, 우수한 내치핑성과 내마모성을 발휘하고, 장기의 사용에 걸쳐서 우수한 절삭 성능을 발휘하는 표면 피복 절삭 공구 (이하, 피복 공구라고 한다) 에 관한 것이다.

본원은, 2015년 10월 28일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2015-211484호 및 2016년 10월 26일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2016-209195호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

일반적으로, 피복 공구로서 각종 강이나 주철 등의 피삭재의 선삭 가공이나 평삭 가공에 바이트의 선단부에 자유롭게 착탈할 수 있도록 장착하여 사용되는 스로 어웨이 팁, 상기 피삭재의 천공 절삭 가공 등에 사용되는 드릴이나 미니어처 드릴, 상기 피삭재의 면삭 가공이나 홈 가공, 숄더 가공 등에 사용되는 엔드 밀, 상기 피삭재의 치형 (齒形) 의 치절 가공 등에 사용되는 솔리드 호브, 피니언 커터 등이 알려져 있다.

그리고, 피복 공구의 절삭 성능 개선을 목적으로 하여, 종래부터 수 많은 제안이 이루어지고 있다.

예를 들어, 특허문헌 1 에 나타내는 바와 같이, 탄화텅스텐 (이하, WC 로 나타낸다) 기 초경합금, 탄질화티탄 (이하, TiCN 으로 나타낸다) 기 서멧 등의 공구 기체의 표면에, Cr, Al 및 Si 를 주성분으로 하는 금속 성분과 C, N, O, B 에서 선택되는 적어도 1 종 이상의 원소로 구성되는 입방정 구조의 경질층을 1 층 이상 피복함으로써, 내결손성, 내마모성을 개선한 피복 공구가 제안되어 있다.

또, 특허문헌 2 에는, 기체 표면에, 금속 원소로서 주기율표의 4a, 5a, 6a 족 금속 및 Al 의 1 종 이상에서 선택된 원소와 Si 원소를 함유하고, 비금속 원소로서 N, C, O, S 중 1 종 이상에서 선택된 원소와 B 원소를 함유하는 Si, B 를 함유하는 피막을, 적어도 1 층 피복한 피복 공구에 있어서, Si, B 함유 피막을 결정질상과 비정질상의 혼상 (混相) 으로 하고, 결정질상 내에 함유되는 결정 입자의 최소 결정 입경을 0.5 ㎚ 이상 20 ㎚ 미만으로 함으로써, Si 함유 내마모 피막의 고경도를 희생시키지 않고, 과잉 잔류 압축 응력에 의한 취화를 억제하여, Si 함유 내마모 피막의 인성을 개선하는 것이 제안되어 있다. 또한, 피막 성분의 10 원자％ 미만을 Cu 로 치환함으로써, 내산화성의 개선에 유효한 것이 기재되어 있다.

또, 특허문헌 3 에는, 공구 기체 표면에 경질 피복층을 피복한 피복 공구에 있어서, 경질막의 적어도 1 층은, (MaLb)Xc (단, M 은 Cr, Al, Ti, Hf, V, Zr, Ta, Mo, W, Y 중에서 선택된 적어도 1 종의 금속 원소를 나타내고, L 은 Mn, Cu, Ni, Co, B, Si, S 중에서 선택된 적어도 1 종의 첨가 원소를 나타내고, X 는 C, N, O 중에서 선택된 적어도 1 종의 비금속 원소를 나타내고, a 는 M 과 L 의 합계에 대한 M 의 원자비를 나타내고, b 는 M 과 L 의 합계에 대한 L 의 원자비를 나타내고, c 는 M 과 L 의 합계에 대한 X 의 원자비를 나타낸다. 또, a, b, c 는, 각각 0.85 ≤ a ≤ 0.99, 0.01 ≤ b ≤ 0.15, a ＋ b = 1, 1.00 ＜ c ≤ 1.20 을 만족한다.) 로 함으로써, 경질막의 성분인 Cu, Si 등에 의한 결정립의 미세화, 결정 안정성에 의해서, 고온 경도가 높아지고, 내마모성이 향상되며, 추가로, 내산화성도 향상된다고 기재되어 있다.

또, 특허문헌 4 에는, 공구 기체 표면에, Al_1-a-b-cSi_aMg_bM_c(B_xC_yN_z) 로 이루어지는 조성 (단, M 은, Nb, V, Zr, Cr, Ti, Cu 및 Y 에서 선택되는 적어도 1 종 이상의 원소이고, a, b, c, x, y, z 가 원자비일 때, 0 ≤ a ≤ 0.35, 0 ≤ b ≤ 0.2, 0.03 ≤ a ＋ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.1, 또한, 원자비로, 0.9 ≤ Al ＋ Si ＋ Mg, 0 ≤ x ≤ 0.2, 0 ≤ y ≤ 0.4, 0.5 ≤ z ≤ 1, x ＋ y ＋ z = 1 을 만족한다.) 의 경질 피막을 형성함으로써, 경질 피막의 경도, 내산화성, 인성, 내마모성을 개선한 피복 공구가 제안되어 있다. 또, 경질 피막 성분으로서 Cu 를 함유시켰을 경우, 결정립의 미세화에 의한 피막의 고경도화와 함께, 윤활 작용이 기대된다고 기재되어 있다.

또한, 특허문헌 5 에는, 공구 기체 표면에, 적어도, 박층 A 와 박층 B 의 교호 적층 구조로 이루어지는 경질 피복층을 형성하고, 박층 A 는, 조성식 : [Al_XCr_YSi_Z]N (원자비로, 0.2 ≤ X ≤ 0.45, 0.4 ≤ Y ≤ 0.75, 0.01 ≤ Z ≤ 0.2, X ＋ Y ＋ Z = 1) 을 만족하는 (Al, Cr, Si)N 층, 박층 B 는 [Al_UTi_VSi_W]N (원자비로, 0.05 ≤ U ≤ 0.75, 0.15 ≤ V ≤ 0.94, 0.01 ≤ W ≤ 0.1, U ＋ V ＋ W = 1) 을 만족하는 (Al, Ti, Si)N 층으로 구성함으로써, 고속 절삭 가공에 있어서의 내결손성, 내마모성을 개선한 피복 공구가 제안되어 있다.

일본국 특허공보 제3781374호 (B) 일본국 공개특허공보 2004-34186호 (A) 일본국 공개특허공보 2008-31517호 (A) 일본국 공개특허공보 2008-73800호 (A) 일본국 공개특허공보 2009-39838호 (A)

최근의 절삭 가공 장치의 고성능화는 눈부시고, 한편으로 절삭 가공에 대한 생력화 (省力化) 및 에너지 절약화, 나아가 저비용화에 대한 요구는 강하다. 그리고, 이에 수반하여, 절삭 가공은 점점 고속화·고능률화되는 경향에 있다. 상기 종래의 피복 공구를 강이나 주철 등의 통상적인 절삭 조건에서의 절삭 가공에 사용한 경우에는 특별한 문제는 발생되지 않지만, 이것을, 예를 들어, ?칭강 등의 고경도재의 고속 밀링 가공과 같은, 고열 발생을 수반하고, 게다가, 절삭날에 대해서 큰 충격적·기계적 부하가 가해지는 절삭 가공에 사용한 경우에는, 치핑, 결손, 박리 등의 발생을 억제할 수 없다. 또, 마모 진행도 촉진된다. 그 때문에, 상기 종래의 피복 공구는, 비교적 단시간에 사용 수명에 이르는 것이 현상황이다.

그래서, 본원 발명자들은, 상기 서술한 바와 같은 관점에서, ?칭강 등의 고경도재의 고속 밀링 가공과 같은, 고열 발생을 수반하고, 게다가, 절삭날에 대해서 큰 충격적·기계적 부하가 가해지는 절삭 가공 조건 하에서, 경질 피복층이 우수한 내치핑성, 내결손성, 내박리성 및 내마모성을 발휘하는 피복 공구를 개발하기 위해서, 상기 종래의 피복 공구의 경질 피복층을 구성하는 층 형성 재료 및 그 결정 구조에 주목하여 연구를 행한 결과, 아래와 같은 지견을 얻었다.

특허문헌 1 에 나타내는 종래 피복 공구에 있어서는, 경질 피복층을 구성하는 (Al, Cr, Si)N 층의 Al 성분은 고온 경도, 동 Cr 성분은 고온 인성, 고온 강도를 향상시킴과 동시에, Al 및 Cr 이 공존 함유된 상태에서 고온 내산화성을 향상시키고, 또한 동 Si 성분은 내열 소성 변형성을 향상시키는 작용이 있다. 그러나, 고열 발생을 수반하고, 게다가, 절삭날에 대해서 큰 충격적·기계적 부하가 가해지는 절삭 조건 하에 있어서는, 치핑, 결손 등의 발생을 피할 수는 없고, 예를 들어, Cr 함유 비율을 증가시킴으로써 고온 인성, 고온 강도의 개선을 도모하고자 해도, 상대적인 Al 함유 비율의 감소에 의해서 내마모성이 저하되어 버린다. 그 때문에, (Al, Cr, Si)N 층으로 이루어지는 경질 피복층에 있어서의 내치핑성과 내마모성의 향상에는 한계가 있다.

또, 특허문헌 2 ∼ 4 에 나타내는 종래 피복 공구에 있어서는, 경질 피복층 성분으로서 Cu 를 함유시키고, 결정립의 미세화를 도모함으로써 내마모성을 향상시키는 것이 제안되어 있는데, 내마모성이 향상되는 반면, 인성이 저하됨으로써 치핑의 발생을 억제할 수 없어, 공구 수명은 여전히 단명이다.

또한, 특허문헌 5 에 나타내는 종래 피복 공구에 있어서는, 통상적인 탄소강, 합금강 등의 절삭 가공에 있어서는, 우수한 내치핑성, 내마모성을 발휘하기는 하지만, ?칭강 등의 고경도재의 절삭에 있어서는, 장기의 사용에 걸친 충분히 만족할 수 있는 내치핑성, 내마모성이 발휘된다고는 말할 수 없다.

그래서, 본원 발명자들은 (Al, Cr, Si)N 층으로 이루어지는 경질 피복층의 성분으로서 Cu 를 함유시킴으로써, 결정립 미세화에 의한 내마모성의 향상을 목표로 함과 함께, 경질 피복층의 결정 구조를 육방정 구조로 함으로써 경질 피복층의 인성을 향상시키고, 나아가, 경질 피복층과 공구 기체의 밀착 강도를 향상시키기 위한 하부층을 형성하거나, 또는, 밀착 강도를 추가로 높이기 위해서, 하부층-상부층 사이에 중간층을 개재 형성함으로써, ?칭강 등의 고경도재의 고속 밀링 가공과 같은, 고열 발생을 수반하고, 게다가, 절삭날에 대해서 큰 충격적·기계적 부하가 가해지는 절삭 가공 조건에 있어서도, 박리 등을 발생시키지도 않아, 우수한 내치핑성과 우수한 내마모성의 양립을 도모할 수 있는 것을 알아낸 것이다.

본원 발명은 상기한 지견에 기초하여 이루어진 것으로서, 이하의 양태를 갖는다.

(1) 탄화텅스텐기 초경합금, TiCN 기 서멧, 입방정 질화붕소 소결체 및 고속도 공구강의 어느 것으로 이루어지는 공구 기체의 표면에, 경질 피복층이 형성된 표면 피복 절삭 공구에 있어서, 상기 경질 피복층은 적어도 하부층과 상부층으로 이루어지고,

(a) 상기 하부층은, 평균 층두께 0.3 ∼ 3.0 ㎛ 의 Al 과 Ti 와 Si 의 복합 질화물층으로 이루어지고, 상기 하부층은,

조성식 : (Al_1-α-βTi_αSi_β)N 으로 나타냈을 경우,

0.30 ≤ α ≤ 0.50, 0.01 ≤ β ≤ 0.10 (단, α, β 는 모두 원자비) 을 만족하고,

(b) 상기 상부층은, 평균 층두께 0.5 ∼ 5.0 ㎛ 의 Al 과 Cr 과 Si 와 Cu 의 복합 질화물층으로 이루어지고,

상기 상부층은,

조성식 : (Al_1-a-b-cCr_aSi_bCu_c)N 으로 나타냈을 경우,

0.15 ≤ a ≤ 0.40, 0.05 ≤ b ≤ 0.20, 0.005 ≤ c ≤ 0.05 (단, a, b, c 는 모두 원자비) 를 만족하고,

(c) 상기 상부층의 결정 구조는 육방정 구조로 이루어지고, 그 상부층에 대해서 X 선 회절에 의해서 구한 2θ = 55 ∼ 65°의 범위에 존재하는 (110) 면의 회절 피크의 반치폭 (Full width at half maximum (FWHM)) 은 1.0 ∼ 3.5°인 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.

(2) 상기 (1) 에 기재된 표면 피복 절삭 공구에 있어서, 상기 하부층과 상부층 사이에, 박층 A 와 박층 B 의 교호 적층 구조로 이루어지는 합계 평균 층두께 0.1 ∼ 1.0 ㎛ 의 중간층이 개재 형성되고,

(a) 상기 박층 A 는,

조성식 : (Al_1-a-b-cCr_aSi_bCu_c)N 으로 나타냈을 경우,

0.15 ≤ a ≤ 0.40, 0.05 ≤ b ≤ 0.20, 0.005 ≤ c ≤ 0.05 (단, a, b, c 는 모두 원자비) 를 만족하고, 1 층 평균 층두께 0.005 ∼ 0.10 ㎛ 의 Al 과 Cr 과 Si 와 Cu 의 복합 질화물층으로 이루어지고,

(b) 상기 박층 B 는,

조성식 : (Al_1-α-βTi_αSi_β)N 으로 나타냈을 경우,

0.30 ≤ α ≤ 0.50, 0.01 ≤ β ≤ 0.10 (단, α, β 는 모두 원자비) 을 만족하고, 1 층 평균 층두께 0.005 ∼ 0.10 ㎛ 의 Al 과 Ti 와 Si 의 복합 질화물층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 에 기재된 표면 피복 절삭 공구.

(3) 상기 상부층은, 그 층 중에 육방정 구조의 결정과 함께 입방정 구조의 결정을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2) 에 기재된 표면 피복 절삭 공구.

(4) 상기 상부층의 입방정 (200) 면의 회절 피크 강도를 c(200), 육방정 (110) 면의 회절 피크 강도를 h(110) 으로 했을 때, 피크 강도비 c(200)/h(110) ＜ 1 인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 표면 피복 절삭 공구.

다음으로, 본원 발명의 일 종류인 피복 절삭 공구 (이하,「본원 발명의 피복 절삭 공구」라고 칭한다) 에 대해서 상세하게 설명한다.

도 1A 는, 본원 발명의 피복 절삭 공구의 개략 종단면 모식도를 나타내고, 본원 발명의 피복 절삭 공구의 일 형태를 나타낸다. 또, 도 1B 는, 본원 발명의 피복 절삭 공구의 개략 종단면 모식도를 나타내고, 본원 발명의 피복 절삭 공구의 다른 형태를 나타낸다.

도 1A 에 있어서, 탄화텅스텐기 초경합금으로 이루어지는 공구 기체의 표면에, 하부층인 Al 과 Ti 와 Si 의 복합 질화물층 (이하,「(Al, Ti, Si)N 층」으로 나타내는 경우도 있다.) 이 피복 형성되고, 그 하부층 상에, Al 과 Cr 과 Si 와 Cu 의 복합 질화물층 (이하,「(Al, Cr, Si, Cu)N 층」으로 나타내는 경우도 있다.) 이 상부층으로서 피복 형성된다.

도 1B 에 있어서, 도 1A 에서 나타낸 하부층과 상부층 사이에는, 박층 A 와 박층 B 의 교호 적층 구조로 이루어지는 중간층이 개재 형성되고, 박층 A 는, 상기 상부층과 동일 성분 조성의 (Al, Cr, Si, Cu)N 층으로 이루어지고, 또, 박층 B 는, 상기 하부층과 동일 성분 조성의 (Al, Ti, Si)N 층으로 이루어진다.

하부층 또는 중간층의 박층 B 를 구성하는 Al 과 Ti 와 Si 의 복합 질화물층의 조성 :

하부층 또는 중간층의 박층 B 를 구성하는 Al 과 Ti 와 Si 의 복합 질화물층 (이하,「(Al, Ti, Si)N 층」으로 나타내는 경우도 있다.) 의 조성식에 있어서의 Al 성분, Si 성분은, 하부층 또는 중간층의 박층 B 에 있어서의 내마모성을 향상시키고, 또, Ti 성분은 하부층 또는 중간층의 박층 B 에 있어서의 고온 인성, 고온 강도 개선한다.

또한, (Al, Ti, Si)N 층은, 공구 기체 및 상부층 또는 중간층의 박층 A 인 Al 과 Cr 과 Si 와 Cu 의 복합 질화물층 (이하,「(Al, Cr, Si, Cu)N 층」으로 나타내는 경우도 있다.) 과의 밀착 강도가 우수하기 때문에, 절삭 가공시에 큰 충격적·기계적 부하가 작용했을 경우에, 경질 피복층의 내박리성을 높인다.

그러나, Al 과 Ti 와 Si 의 합량에서 차지하는 Ti 의 함유 비율을 나타내는 α 값 (원자비) 이 0.3 미만인 경우에는, 고온 인성, 고온 강도의 향상 효과를 기대할 수 없고, 한편, α 값이 0.5 를 초과하는 경우에는, 상대적인 Al 성분, Si 성분의 함유 비율의 감소에 의해서, 최저한 필요하게 되는 고온 경도 및 고온 내산화성을 확보할 수 없게 된다. 또, Al 과 Ti 와 Si 의 합량에서 차지하는 Si 의 비율을 나타내는 β 값 (원자비) 이 0.01 미만에서는, 최저한 필요하게 되는 소정의 고온 경도, 고온 내산화성, 내열 소성 변형성을 확보할 수 없게 되기 때문에, 내마모성 저하의 원인이 되고, 또 β 값이 0.10 을 초과하면, 내마모성 향상 작용에 저하 경향이 보여지게 된다.

따라서, Ti 의 함유 비율을 나타내는 α 값 (원자비) 은 0.30 ≤ α ≤ 0.50, 또, Si 의 함유 비율을 나타내는 β 값 (원자비) 은 0.01 ≤ β ≤ 0.10 으로 정하였다.

또한, 상기 α, β 에 대해서 특별히 바람직한 범위는 0.35 ≤ α ≤ 0.42, 0.03 ≤ β ≤ 0.08 이다.

상부층 또는 중간층의 박층 A 를 구성하는 Al 과 Cr 과 Si 와 Cu 의 복합 질화물층의 조성 :

상부층 또는 중간층의 박층 A 를 구성하는 (Al, Cr, Si, Cu)N 층에 있어서의 Al 성분에는 고온 경도, 동 Cr 성분에는 고온 인성, 고온 강도를 향상시킴과 함께, Al 및 Cr 이 공존 함유된 상태에서 고온 내산화성을 향상시키고, 또한 동 Si 성분에는 내열 소성 변형성을 향상시키는 작용이 있으며, 또한, Cu 성분에는, 결정립의 미세화를 도모함으로써 내마모성을 향상시키는 작용이 있다.

그러나, 상기 (Al, Cr, Si, Cu)N 층에 있어서의 Al 과 Cr 과 Si 와 Cu 의 합량에서 차지하는 Cr 의 함유 비율을 나타내는 a 값 (원자비) 이 0.15 미만에서는, 최저한 필요하게 되는 고온 인성, 고온 강도를 확보할 수 없기 때문에, 치핑, 결손의 발생을 억제할 수 없고, 한편, 동 a 값이 0.40 을 초과하면, 상대적인 Al 함유 비율의 감소에 의해서, 마모 진행이 촉진되는 점에서, a 값을 0.15 ∼ 0.40 으로 정하였다. 또, Al 과 Cr 과 Si 와 Cu 의 합량에서 차지하는 Si 의 함유 비율을 나타내는 b 값 (원자비) 이 0.05 미만에서는, 내열 소성 변형성의 개선에 의한 내마모성 향상을 기대할 수는 없고, 한편, 동 b 값이 0.20 을 초과하면, 내마모성 향상 효과에 저하 경향이 보이는 점에서, b 값을 0.05 ∼ 0.20 으로 정하였다. 또한, Al 과 Cr 과 Si 와 Cu 의 합량에서 차지하는 Cu 의 함유 비율을 나타내는 c 값 (원자비) 이 0.005 미만에서는, 보다 더 내마모성의 향상을 기대할 수 없고, 한편, 동 c 값이 0.05 를 초과하면, 아크 이온 플레이팅 (이하,「AIP」로 기재한다.) 장치에 의해서 (Al, Cr, Si, Cu)N 층을 성막할 때에 파티클이 발생되기 쉬워지고, 큰 충격적·기계적 부하가 가해지는 절삭 가공에 있어서의 내치핑성이 저하되는 점에서, c 값을 0.005 ∼ 0.05 로 정하였다.

또한, 상기 a, b, c 에 대해서 바람직한 범위는, 0.15 ≤ a ≤ 0.25, 0.05 ≤ b ≤ 0.15, 0.01 ≤ c ≤ 0.03 이다.

하부층의 평균 층두께 :

공구 기체 표면 상에 직접, 물리 증착으로 (Al, Cr, Si, Cu)N 층으로 이루어지는 상부층을 증착 형성하면, 층 내에는 잔류 압축 응력이 발생되기 때문에, 가혹한 절삭 가공 조건 하에서 사용하면, 이 압축 잔류 응력에 의해서 공구 기체-상부층 간의 밀착력이 불안정해진다. 그래서, 공구 기체 표면과 (Al, Cr, Si, Cu)N 층 사이의 부착 강도를 보다 높여 둘 필요가 있고, 이를 위해서, 공구 기체 표면에 (Al, Ti, Si)N 층을 하부층으로서 형성하여, 부착 강도를 높이는 것이 유효하다.

하부층의 층두께는, 0.3 ㎛ 미만에서는, 밀착력 향상 효과를 얻지 못하고, 한편, 층두께가 3.0 ㎛ 를 초과하면, 잔류 압축 응력의 축적에 의해서, 크랙이 발생하기 쉬워져 안정적인 밀착력을 확보할 수 없게 되는 점에서, 하부층의 층두께는 0.3 ∼ 3.0 ㎛, 바람직하게는 0.5 ∼ 2.0 ㎛ 로 정하였다.

상부층의 평균 층두께 :

(Al, Cr, Si, Cu)N 층으로 이루어지는 상부층은, 그 평균 층두께가 0.5 ㎛ 미만에서는, 장기의 사용에 걸쳐서 우수한 내마모성을 발휘할 수는 없고, 한편, 그 평균 층두께가 5.0 ㎛ 를 초과하면, 치핑, 결손을 발생시키기 쉬워지기 때문에, (Al, Cr, Si, Cu)N 층으로 이루어지는 상부층의 평균 층두께는 0.5 ∼ 5.0 ㎛ 로 정하였다.

상부층의 결정 구조 :

본원 발명에서는, ?칭강 등의 고경도재의 고속 밀링 가공과 같은, 고열 발생을 수반하고, 게다가, 절삭날에 대해서 큰 충격적·기계적 부하가 가해지는 절삭 가공 조건에 있어서, 경질 피복층의 내치핑성과 우수한 내마모성의 양립을 도모하기 위해서 (Al, Cr, Si, Cu)N 층으로 이루어지는 상부층의 조성 및 층두께를 상기한 바와 같이 정했지만, 이에 더하여, 그 층의 결정 구조를 육방정으로 함으로써, 추가로 내치핑성을 향상시킬 수 있다.

종래부터, AIP 장치를 사용한 경질 피막의 성막은 잘 알려져 있지만, Al-Cr-Si-Cu 합금을 타깃으로 하여 통상적인 조건에서 성막하면, 형성되는 (Al, Cr, Si, Cu)N 층은 입방정 구조인 것, 또는, 입방정 구조가 주체인 것이 된다.

그래서, 본원 발명에서는, 도 2A 및 도 2B 에 나타내는 Al-Cr-Si-Cu 합금을 타깃으로서 사용한 AIP 장치 (6) 에 의한 성막시에, 자장 중에서 성막을 행하며, 또한, 타깃 표면에 인가하는 최대 자속 밀도를 제어함과 함께, 바이어스 전압을 제어함으로써, 입방정 구조는 아니고 육방정 구조의 결정으로 이루어지는 (Al, Cr, Si, Cu)N 층을 형성할 수 있다.

예를 들어, 타깃 표면에 인가하는 최대 자속 밀도는 7 ∼ 15 mT (밀리테슬라), 또, 공구 기체에 인가하는 바이어스 전압, -75 ∼ -150 V 의 범위 내에서 증착 조건을 조정함으로써, 입방정 구조가 아니라 육방정 구조의 결정으로 이루어지는 (Al, Cr, Si, Cu)N 층을 형성할 수 있다.

그리고, (Al, Cr, Si, Cu)N 층의 결정 구조가, 육방정 구조로 구성됨으로써, 내마모성의 저하를 초래하지 않고 인성을 향상시킬 수 있고, 그 결과로서 내치핑성이 향상된다.

본원 발명의 피복 절삭 공구가 구비하는 (Al, Cr, Si, Cu)N 층은, 그 모두를 육방정 구조의 결정으로 구성할 수 있는데, 그 층 중에 입방정 구조의 결정이 미미하게 함유되어 있어도, 내치핑성, 내마모성에 악영향을 미치는 경우는 없다.

다만, X 선 회절에서 얻어지는 입방정 (200) 면의 회절 피크 강도가, 육방정 (110) 면의 회절 피크 강도를 초과하면 내마모성은 향상되기는 하지만, 내치핑성이 저하되는 점에서, 입방정 (200) 면의 회절 피크 강도를 c(200), 육방정 (110) 면의 회절 피크 강도를 h(110) 으로 했을 때의 피크 강도비 c(200)/h(110) ＜ 1 로 하는 것이 바람직하다.

이 피크 강도비가 0.05 미만이었을 경우, 편의상, 피크 강도비는「0」으로 하고 있다.

이하에서는, (Al, Cr, Si, Cu)N 층의 결정 구조가 모두 육방정 구조인 경우와, (Al, Cr, Si, Cu)N 층 중에 입방정 구조의 결정이 미미하게 함유되는 경우의 쌍방을 포함하여, (Al, Cr, Si, Cu)N 층의 결정 구조는 육방정 구조가 주체라고 표현하는 경우가 있다.

또, 본원 발명의 피복 절삭 공구가 구비하는 (Al, Cr, Si, Cu)N 층으로 이루어지는 상부층의 X 선 회절을 행하면, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 2θ 가 55°내지 65°의 범위 내에, (110) 면으로부터의 육방정 구조 특유의 회절 피크가 관찰된다.

그리고, 이 회절 피크가 첨예한 경우, 즉, 반치폭이 1.0°미만인 경우에는, (Al, Cr, Si, Cu)N 층의 내마모성이 저하되고, 한편, 피크가 브로드하며, 반치폭이 3.5°보다 큰 경우에는, (Al, Cr, Si, Cu)N 층의 내치핑성이 저하 경향을 나타내는 점에서, X 선 회절에 의해서 측정한 2θ 가 55°내지 65°의 범위 내에 존재하는 (110) 면으로부터의 회절 피크에 대한 반치폭은 1.0°이상 3.5°이하로 한다.

중간층의 합계 평균 층두께와 박층 A, 박층 B 의 1 층 평균 층두께 :

본원 발명에서는, (Al, Cr, Si, Cu)N 층으로 이루어지는 상부층과 공구 기체의 밀착 강도를 향상시키기 위해서, 공구 기체 표면에 (Al, Ti, Si)N 층으로 이루어지는 하부층을 형성하지만, (Al, Cr, Si, Cu)N 층으로 이루어지는 상부층과 (Al, Ti, Si)N 층으로 이루어지는 하부층의 밀착 강도를 보다 높이기 위해서는, 상부층-하부층 사이에, 박층 A, 박층 B 의 교호 적층으로 이루어지는 중간층을 개재 형성하는 것이 바람직하다.

여기서, 박층 A 는, 상부층과 동일 성분 조성인 (Al, Cr, Si, Cu)N 층으로 구성하고, 또, 박층 B 는, 하부층과 동일 성분 조성인 (Al, Ti, Si)N 층으로 구성한다.

박층 A, 박층 B 의 각각의 1 층 평균 층두께가 0.005 ㎛ 미만에서는, 각각의 박층을 소정 조성의 것으로서 명확하게 형성하는 것이 곤란할 뿐만 아니라, 박층 A 에 의한 내마모성 향상 효과, 박층 B 에 의한 고온 인성 개선 효과가 충분히 발휘되지 않고, 한편, 박층 A, 박층 B 각각의 층두께가 0.10 ㎛ 를 초과하는 경우에는, 각각의 박층이 갖는 결점, 즉 박층 A 이면 강도 부족이, 또, 박층 B 이면 내마모성 부족이 층 내에 국부적으로 나타나, 중간층 전체, 나아가서는, 경질 피복층 전체로서의 특성 저하를 초래할 우려가 있기 때문에, 박층 A, 박층 B 각각의 1 층 평균 층두께를 0.005 ∼ 0.10 ㎛ 로 하는 것이 바람직하다.

즉, 박층 B 는, 박층 A 가 갖는 특성 중 불충분한 특성을 보충하기 위해서 형성한 것이지만, 박층 A, 박층 B 각각의 층두께가 0.005 ∼ 0.10 ㎛ 의 범위 내이면, 박층 A 와 박층 B 의 교호 적층 구조로 이루어지는 경질 피복층은, 우수한 고온 경도, 고온 내산화성, 내열 소성 변형성을 저해하지 않고, 우수한 고온 인성, 고온 강도를 구비한 마치 하나의 층인 것처럼 작용하고, 게다가, 상부층과 하부층의 밀착 강도를 높이지만, 박층 A, 박층 B 의 층두께가 0.10 ㎛ 를 초과하면, 박층 A 의 강도 부족이, 또, 박층 B 의 내마모성 부족이 현재화한다.

또, 박층 A 와 박층 B 의 교호 적층 구조로 이루어지는 중간층은, 그 합계 평균 층두께가 0.1 ㎛ 미만에서는 우수한 특성을 발휘할 수는 없고, 또, 합계 평균 층두께가 1.0 ㎛ 를 초과하면, 치핑, 결손을 발생시키기 쉬워지기 때문에, 박층 A 와 박층 B 의 교호 적층 구조로 이루어지는 중간층의 합계 평균 층두께는, 0.1 ∼ 1.0 ㎛ 로 하는 것이 바람직하고, 0.2 ∼ 0.5 ㎛ 로 하는 것이 더욱 바람직하다.

본원 발명의 피복 절삭 공구는, (Al, Cr, Si, Cu)N 층으로 이루어지는 상부층과 공구 기체 사이에 (Al, Ti, Si)N 층으로 이루어지는 하부층을 형성함으로써 밀착 강도가 높아지거나, 또는, 상기 상부층과 상기 하부층 사이에, 박층 A 와 박층 B 의 교호 적층으로 이루어지는 중간층을 개재 형성함으로써 밀착 강도가 더욱 높아지고, 또, 상부층을 육방정 구조 주체의 (Al, Cr, Si, Cu)N 층으로 구성하며, 또한, 그 피복층에 대해서 X 선 회절을 행했을 경우, 2θ = 55 ∼ 65°의 범위에 존재하는 (110) 면의 회절 피크의 반치폭은 1.0 ∼ 3.5°임으로써, (Al, Cr, Si, Cu)N 층은 우수한 내치핑성과 내마모성을 구비하고 있다.

따라서, 본원 발명의 피복 절삭 공구는, 고열 발생을 수반하며, 또한, 절삭날에 대해서 큰 충격적·기계적 부하가 가해지는 ?칭강 등의 고경도재의 고속 밀링 가공에서도, 박리 등을 발생시키지도 않고, 우수한 내치핑성 및 내마모성을 장기에 걸쳐 발휘하는 것이다.

도 1A 는, 본원 발명의 피복 절삭 공구의 개략 종단면 모식도를 나타내고, 본원 발명의 피복 절삭 공구의 일 형태를 나타낸다.
도 1B 는, 본원 발명의 피복 절삭 공구의 개략 종단면 모식도를 나타내고, 본원 발명의 피복 절삭 공구의 다른 형태를 나타낸다.
도 2A 는, 본원 발명의 피복 절삭 공구가 구비하는 (Al, Cr, Si, Cu)N 층을 형성하는 데 사용한 아크 이온 도금 장치의 개략 평면도이다.
도 2B 는, 본원 발명의 피복 절삭 공구가 구비하는 (Al, Cr, Si, Cu)N 층을 형성하는 데 사용한 아크 이온 도금 장치의 개략 정면도이다.
도 3 은, 본원 발명의 피복 절삭 공구가 구비하는 (Al, Cr, Si, Cu)N 층에 대해서 측정한 X 선 회절 차트의 일례를 나타낸다.

다음으로, 본원 발명의 피복 절삭 공구를 실시예에 의해서 구체적으로 설명한다.

또한, 실시예로는, WC 기 초경합금을 공구 기체로서 사용한 경우에 대해서 설명하지만, TiCN 기 서멧, 입방정 질화붕소 소결체, 고속도 공구강을 공구 기체로서 사용한 경우여도 동일하다.

[실시예 1]

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 준비하고, 이들 원료 분말을 각각 표 1 에 나타내는 배합 조성으로 배합하고, 추가로 왁스를 첨가하여, 아세톤 중에서 24 시간 볼 밀 혼합하고, 감압 건조시킨 후, 100 ㎫ 의 압력으로 소정 형상의 각종 압분체에 압출 프레스 성형하고, 이들 압분체를, 6 ㎩ 의 진공 분위기 중, 7 ℃／분의 승온 속도로 1370 ∼ 1470 ℃ 의 범위 내의 소정 온도로 승온하고, 이 온도로 1 시간 유지 후, 노랭의 조건에서 소결하여, 직경이 10 ㎜ 인 공구 기체 형성용 환봉 소결체를 형성하고, 추가로 상기 환봉 소결체로부터, 연삭 가공에 의해서, 절삭날부의 직경 × 길이가 6 ㎜ × 12 ㎜ 인 치수이고, 비틀림각 30 도의 2 장 날 볼 형상을 가진 WC 기 초경합금제의 공구 기체 (엔드 밀) 1 ∼ 3 을 각각 제조하였다.

(a) 상기한 공구 기체 1 ∼ 3 의 각각을, 아세톤 중에서 초음파 세정하고, 건조시킨 상태에서, 도 2A 및 도 2B 에 나타내는 AIP 장치 (6) 의 회전 테이블 (2) 상의 중심축으로부터 반경 방향으로 소정 거리 떨어진 위치에 외주부에 따라서 장착하고, AIP 장치 (6) 의 일방에 소정 조성의 Al-Ti-Si 합금으로 이루어지는 타깃 (캐소드 전극) (9) 을, 타방측에 소정 조성의 Al-Cr-Si-Cu 합금으로 이루어지는 타깃 (캐소드 전극) (5) 을 배치하고,

(b) 먼저, 장치 내를 배기하여 진공으로 유지하면서, 히터 (1) 로 공구 기체 (3) 를 400 ℃ 로 가열한 후, 상기 회전 테이블 (2) 상에서 자전하면서 회전하는 공구 기체 (3) 에 -1000 V 의 직류 바이어스 전압을 인가하며, 또한, Al-Ti-Si 합금 캐소드 전극 (9) 과 애노드 전극 (10) 사이에 100 A 의 전류를 흘려 아크 방전을 발생시키고, 이로써 공구 기체 표면을 봄버드 세정하고,

(c) 이어서, 장치 내에 반응 가스로서 질소 가스를 도입하여 표 2 에 나타내는 질소압으로 함과 함께, 상기 회전 테이블 (2) 상에서 자전하면서 회전하는 공구 기체 (3) 의 온도를 표 2 에 나타내는 온도 범위 내로 유지함과 함께, 표 2 에 나타내는 직류 바이어스 전압을 인가하며, 또한 상기 Al-Ti-Si 합금 타깃 (9) 과 애노드 전극 (10) 사이에 100 A 의 전류를 흘려 아크 방전을 발생시키고, 이로써 상기 공구 기체 (3) 의 표면에, 표 3 에 나타내는 조성 및 목표 평균 층두께가 (Al, Ti, Si)N 층으로 이루어지는 하부층 (LL) 을 증착 형성하고,

(d) 이어서, 상기 Al-Cr-Si-Cu 합금 타깃의 표면에 표 2 에 나타내는 여러 가지의 최대 자속 밀도로 제어한 자장을 인가하고, 장치 내에 반응 가스로서 질소 가스를 도입하여 표 2 에 나타내는 질소압으로 함과 함께, 상기 회전 테이블 (2) 상에서 자전하면서 회전하는 공구 기체 (3) 의 온도를 표 2 에 나타내는 온도 범위 내로 유지함과 함께 표 2 에 나타내는 직류 바이어스 전압을 인가하며, 또한 상기 Al-Cr-Si-Cu 합금 타깃 (5) 과 애노드 전극 (7) 사이에 100 A 의 전류를 흘려 아크 방전을 발생시키고, 이로써 상기 공구 기체 (3) 의 표면에, 표 3 에 나타내는 조성 및 목표 평균 층두께가 (Al, Cr, Si, Cu)N 층으로 이루어지는 경질 피복층을 증착 형성함으로써,

표 3 에 나타내는 본원 발명의 피복 절삭 공구로서의 표면 피복 엔드 밀 1 ∼ 10 (이하, 본 발명 1 ∼ 10 이라고 한다) 을 각각 제조하였다.

[실시예 2]

실시예 1 에서 제작한 WC 기 초경합금제의 공구 기체 (엔드 밀) (1 ∼ 3) 의 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 따라서 장착하고, AIP 장치 (6) 의 일방에 소정 조성의 Al-Ti-Si 합금으로 이루어지는 타깃 (캐소드 전극) (9) 을, 타방측에 소정 조성의 Al-Cr-Si-Cu 합금으로 이루어지는 타깃 (캐소드 전극) (5) 을 배치하고,

(a) 먼저, 장치 내를 배기하여 진공으로 유지하면서, 히터 (1) 로 공구 기체 (3) 를 400 ℃ 로 가열한 후, 상기 회전 테이블 (2) 상에서 자전하면서 회전하는 공구 기체 (3) 에 -1000 V 의 직류 바이어스 전압을 인가하며, 또한, Al-Ti-Si 합금 캐소드 전극 (9) 과 애노드 전극 (10) 사이에 100 A 의 전류를 흘려 아크 방전을 발생시키고, 이로써 공구 기체 표면을 봄버드 세정하고,

(b) 이어서, 장치 내에 반응 가스로서 질소 가스를 도입하여 표 4 에 나타내는 질소압으로 함과 함께, 상기 회전 테이블 (2) 상에서 자전하면서 회전하는 공구 기체 (3) 의 온도를 표 4 에 나타내는 온도 범위 내로 유지함과 함께 표 4 에 나타내는 직류 바이어스 전압을 인가하며, 또한 상기 Al-Ti-Si 합금 타깃 (9) 과 애노드 전극 (10) 사이에 100 A 의 전류를 흘려 아크 방전을 발생시키고, 이로써 상기 공구 기체 (3) 의 표면에, 표 5 에 나타내는 조성 및 목표 평균 층두께가 (Al, Ti, Si)N 층으로 이루어지는 하부층을 증착 형성하고,

(c) 이어서, 장치 내에 반응 가스로서 질소 가스를 도입하여 표 4 에 나타내는 질소압으로 함과 함께, 상기 회전 테이블 (2) 상에서 자전하면서 회전하는 공구 기체 (3) 의 온도를 표 4 에 나타내는 온도 범위 내로 유지함과 함께, 표 4 에 나타내는 직류 바이어스 전압을 인가하며, 또한 상기 Al-Cr-Si-Cu 합금 타깃 (5) 과 애노드 전극 (7) 사이에 100 A 의 전류를 흘려 아크 방전을 발생시키고, 이로써 상기 하부층 표면에, 표 5 에 나타내는 조성 및 1 층 평균 층두께가 (Al, Cr, Si, Cu)N 층으로 이루어지는 박층 A 를 증착 형성하고,

(d) 이어서, 아크 방전을 정지시키고, 대신에 표 4 에 나타내는 직류 바이어스 전압을 인가하며, 또한 상기 Al-Ti-Si 합금 캐소드 전극 (9) 과 애노드 전극 (10) 사이에 동일하게 100 A 의 전류를 흘려 아크 방전을 발생시키고, 이로써, 상기에서 형성한 박층 A 의 표면에, 표 5 에 나타내는 조성 및 1 층 평균 층두께가 (Al, Ti, Si)N 층으로 이루어지는 박층 B 를 증착 형성하고,

(e) 상기 (c) 와 (d) 를 교대로 반복하여 행함으로써, 박층 A 와 박층 B 의 교호 적층 구조 ASL 로 이루어지는 표 5 에 나타내는 소정의 합계 평균 층두께로 될 때까지 중간층을 증착 형성하고,

(f) 이어서, 상기 Al-Cr-Si-Cu 합금 타깃 (5) 의 표면에 표 4 에 나타내는 여러 가지의 최대 자속 밀도로 제어한 자장을 인가하고, 장치 내에 반응 가스로서 질소 가스를 도입하여 표 4 에 나타내는 질소압으로 함과 함께, 상기 회전 테이블 (2) 상에서 자전하면서 회전하는 공구 기체 (3) 의 온도를 표 4 에 나타내는 온도 범위 내로 유지함과 함께 표 4 에 나타내는 직류 바이어스 전압을 인가하며, 또한 상기 Al-Cr-Si-Cu 합금 타깃 (5) 과 애노드 전극 (7) 사이에 100 A 의 전류를 흘려 아크 방전을 발생시키고, 이로써 상기 공구 기체의 표면에, 표 5 에 나타내는 조성 및 목표 평균 층두께가 (Al, Cr, Si, Cu)N 층으로 이루어지는 경질 피복층을 증착 형성함으로써,

표 5 에 나타내는 본원 발명의 피복 절삭 공구로서의 표면 피복 엔드 밀 11 ∼ 20 (이하, 본 발명 11 ∼ 20 이라고 한다) 을 각각 제조하였다.

비교예 :

비교의 목적에서, 실시예 1 에서 제작한 WC 기 초경합금제의 공구 기체 (엔드 밀) 1 ∼ 3 의 각각을, 아세톤 중에서 초음파 세정하고, 건조시킨 상태에서, 도 2A 및 도 2B 에 나타내는 AIP 장치 (6) 의 회전 테이블 (2) 상의 중심축으로부터 반경 방향으로 소정 거리 떨어진 위치에 외주부를 따라서 장착하고, AIP 장치 (6) 의 일방에 소정 조성의 Al-Ti-Si 합금으로 이루어지는 타깃 (캐소드 전극) (9) 을, 타방측에 소정 조성의 Al-Cr-Si-Cu 합금으로 이루어지는 타깃 (캐소드 전극) (5) 을 배치하고, 표 6 에 나타내는 조건에서 하부층 (LL), 중간층 (IL) 및 상부층 (UL) 을 형성함으로써, 표 7 에 나타내는 비교예 피복 공구로서의 표면 피복 엔드 밀 1 ∼ 10 (이하, 비교예 1 ∼ 10 이라고 한다) 을 각각 제조하였다.

또한, 비교예 1, 2 에 대해서는, 하부층 (LL) 과 중간층 (IL) 의 성막은 행하지 않고, 또, 비교예 3 ∼ 6 에 대해서는, 중간층 (IL) 의 성막은 행하지 않았다.

상기에서 제작한 본 발명 1 ∼ 20 및 비교예 1 ∼ 10 의 경질 피복층의 조성을, 주사형 전자 현미경 (SEM) 또는 투과형 전자 현미경 (TEM) 을 사용한 에너지 분산형 X 선 분석법 (EDS) 에 의해서 측정하였다.

또, 그 층두께를 주사형 전자 현미경, 투과형 전자 현미경을 사용하여 단면측정하고, 5 개 지점의 측정치의 평균치로부터 평균 층두께를 산출하였다.

또한, 상기에서 제작한 본 발명 1 ∼ 20 및 비교예 1 ∼ 10 에 대해서, 경질 피복층 (Al, Cr, Si, Cu)N 층의 X 선 회절을 행하고, 백그라운드 제거한 후에 육방정 구조를 나타내는 2θ = 55 ∼ 65°의 범위 내에 나타나는 (110) 면의 피크를 Pseudo Voigt 함수로 피팅하여, 그 피크의 반치폭을 측정하였다.

또한, X 선 회절은, X 선 회절 장치로서 스펙트리스사 PANalytical Empyrean을 사용하여, CuKα 선에 의한 2θ － θ 법으로 측정하고, 측정 조건으로서 측정 범위 (2θ) : 30 ∼ 80 도, X 선 출력 : 45 ㎸, 40 ㎃, 발산 슬릿 : 0.5 도, 스캔 스텝 : 0.013 도, 1 스텝당 측정 시간 : 0.48 sec/step 이라는 조건에서 측정하였다.

표 3, 표 5, 표 7 에 측정·산출한 각각의 값을 나타낸다.

다음으로, 상기 본 발명 1 ∼ 20 및 비교예 1 ∼ 10 의 엔드 밀에 대해서, 하기의 조건 (절삭 조건 A 라고 한다) 에서의 합금 공구강의 측면 절삭 가공 시험을 실시하였다.

피삭재－평면 치수 : 100 ㎜ × 250 ㎜, 두께 : 50 ㎜ 의 JIS·SKD11 (60HRC) 의 판재,

절삭 속도 : 100 m/min,

회전 속도 : 5400 min.^-1,

절입 : ae 0.25 ㎜, ap 2 ㎜,

이송 속도 (1 날당) : 0.04 ㎜/tooth,

절삭 길이 : 50 m,

또한, 하기의 조건 (절삭 조건 B 라고 한다) 에서의 고속도 공구강의 측면 절삭 가공 시험을 실시하였다.

피삭재－평면 치수 : 100 ㎜ × 250 ㎜, 두께 : 50 ㎜ 의 JIS·SKH51 (64HRC) 의 판재,

절삭 속도 : 100 m/min,

회전 속도 : 5400 min.^-1,

절입 : ae 0.2 ㎜, ap 2.5 ㎜,

이송 속도 (1 날당) : 0.05 ㎜/tooth,

절삭 길이 : 15 m,

모든 측면 절삭 가공 시험에서 절삭날의 플랭크면 마모폭을 측정하였다.

이 측정 결과를 표 8 에 나타내었다.

표 8 에 나타내는 결과로부터, 본원 발명의 피복 절삭 공구는 경질 피복층으로서, 소정의 조성, 평균 층두께의 하부층, 중간층을 구비함 함께, 소정의 조성, 평균 층두께의 (Al, Cr, Si, Cu)N 층으로 이루어지는 상부층을 포함하고, 상부층의 결정은 육방정 구조가 주체이고, 또한, 상부층에 대해서 X 선 회절을 행한 경우, 2θ = 55 ∼ 65°의 범위에 존재하는 (110) 면의 회절 피크의 반치폭은 1.0 ∼ 3.5°임으로써, ?칭강 등의 고경도재의 절삭 가공에 있어서 우수한 내치핑성, 내박리성 및 내마모성을 나타내고, 장기의 사용에 걸쳐서 우수한 절삭 성능을 발휘하는 것이다.

이에 비하여, 경질 피복층으로서, 소정의 조성, 평균 층두께의 하부층, 중간층을 갖지 않는 것, 또는, (Al, Cr, Si, Cu)N 층으로 이루어지는 상부층의 조성, 결정 구조 또는 (110) 면의 회절 피크의 반치폭이 본원 발명에서 규정하는 범위를 벗어나는 비교예 피복 공구에서는, 치핑, 박리의 발생, 또는, 마모 진행에 의해서 비교적 단시간에 사용 수명에 이르는 것이 분명하다.

또한, 상기 표 8 에 나타내는 결과는, WC 기 초경합금을 공구 기체로 하는 본원 발명의 피복 절삭 공구에 대한 것인데, 공구 기체는, WC 기 초경합금에 한정되는 것이 아니라, TiCN 기 서멧, 입방정 질화붕소 소결체, 고속도 공구강을 공구 기체로서 사용할 수 있고, 이것들을 공구 기체로 하는 본원 발명의 피복 절삭 공구에 있어서도, 상기 실시예와 마찬가지로, 우수한 내치핑성 및 우수한 내마모성이 장기의 사용에 걸쳐 발휘된다.

산업상 이용가능성

상기 서술한 바와 같이, 본원 발명의 피복 절삭 공구는, ?칭강 등의 고경도재의 고속 밀링 가공에 제공했을 경우에 장기에 걸쳐 우수한 절삭 성능을 나타내는 것이기 때문에, 절삭 가공 장치의 FA 화, 그리고 절삭 가공의 생력화 및 에너지 절약화, 나아가 저비용화에 충분히 만족스럽게 대응할 수 있는 것이다.

B : 공구 기체
LL : 하부층
UL : 상부층
ASL : 박층 A 와 박층 B 의 교호 적층
1 : 히터
2 : 회전 테이블
3 : 초경 기체
4, 8 : 자력 발생원
5 : Al-Cr-Si-Cu 합금 타깃 (캐소드 전극)
6 : AIP 장치
7, 10 : 애노드 전극
9 : Al-Ti-Si 타깃 (캐소드 전극)
11 : 반응 가스 도입구
12 : 배기 가스구
13, 14 : 아크 전극
15 : 바이어스 전극

Claims

탄화텅스텐기 초경합금, TiCN 기 서멧, 입방정 질화붕소 소결체 및 고속도 공구강의 어느 것으로 이루어지는 공구 기체의 표면에, 경질 피복층이 형성된 표면 피복 절삭 공구에 있어서, 상기 경질 피복층은 적어도 하부층과 상부층으로 이루어지고,
(a) 상기 하부층은, 평균 층두께 0.3 ∼ 3.0 ㎛ 의 Al 과 Ti 와 Si 의 복합 질화물층으로 이루어지고, 상기 하부층은,
조성식 : (Al_1-α-βTi_αSi_β)N 으로 나타냈을 경우,
0.3 ≤ α ≤ 0.5, 0.01 ≤ β ≤ 0.10 (단, α, β 는 모두 원자비) 을 만족하고,
(b) 상기 상부층은, 평균 층두께 0.5 ∼ 5.0 ㎛ 의 Al 과 Cr 과 Si 와 Cu 의 복합 질화물층으로 이루어지고,
상기 상부층은,
조성식 : (Al_1-a-b-cCr_aSi_bCu_c)N 으로 나타냈을 경우,
0.15 ≤ a ≤ 0.40, 0.05 ≤ b ≤ 0.20, 0.005 ≤ c ≤ 0.05 (단, a, b, c 는 모두 원자비) 를 만족하고,
(c) 상기 상부층은 육방정 구조의 결정으로 이루어지고, 그 상부층에 대해서 X 선 회절에 의해서 구한 2θ = 55 ∼ 65°의 범위에 존재하는 (110) 면의 회절 피크의 반치폭은 1.0 ∼ 3.5°인 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 하부층과 상부층 사이에, 박층 A 와 박층 B 의 교호 적층 구조로 이루어지는 합계 평균 층두께 0.1 ∼ 1.0 ㎛ 의 중간층이 개재 형성되고,
(a) 상기 박층 A 는,
조성식 : (Al_1-a-b-cCr_aSi_bCu_c)N 으로 나타냈을 경우,
0.15 ≤ a ≤ 0.40, 0.05 ≤ b ≤ 0.20, 0.005 ≤ c ≤ 0.05 (단, a, b, c 는 모두 원자비) 를 만족하고, 1 층 평균 층두께 0.005 ∼ 0.10 ㎛ 의 Al 과 Cr 과 Si 와 Cu 의 복합 질화물층으로 이루어지고,
(b) 상기 박층 B 는,
조성식 : (Al_1-α-βTi_αSi_β)N 으로 나타냈을 경우,
0.3 ≤ α ≤ 0.5, 0.01 ≤ β ≤ 0.10 (단, α, β 는 모두 원자비) 을 만족하고, 1 층 평균 층두께 0.005 ∼ 0.10 ㎛ 의 Al 과 Ti 와 Si 의 복합 질화물층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 상부층은, 그 층 중에 육방정 구조의 결정과 함께 입방정 구조의 결정을 함유하는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 상부층의 입방정 (200) 면의 회절 피크 강도를 c(200), 육방정 (110) 면의 회절 피크 강도를 h(110) 으로 했을 때, 피크 강도비 c(200)/h(110) ＜ 1 인 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.