KR20180127165A

KR20180127165A - 표면 피복 절삭 공구 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20180127165A
Application number: KR1020177031889A
Authority: KR
Inventors: 히로키 다케시타; 슈헤이 미스미; 하루요 후쿠이; 신야 이마무라; 가즈히로 히로세
Original assignee: 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤
Priority date: 2016-03-28
Filing date: 2017-03-02
Publication date: 2018-11-28
Also published as: US11872636B2; EP3269479A4; US20180099335A1; WO2017169498A1; JP2017177239A; CN107848040A; CN107848040B; EP3269479A1; JP6222675B2; KR102268364B1; EP3269479B1

Abstract

표면 피복 절삭 공구는, 기재와 이 기재의 표면에 형성된 피막을 구비하고, 피막은 제1 교호층과 이 제1 교호층 상에 형성된 제2 교호층을 포함하고, 제1 교호층은 제1층과 제2층을 포함하고, 제2 교호층은 제3층과 제4층을 포함하고, 제1층과 제2층은 교대로 각각 1층 이상 적층되고, 제3층과 제4층은 교대로 각각 1층 이상 적층되고, 제1층은 Al_aCr_bM1_1-a-b의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지고, 제2층은 Al_cTi_dM2_1-c-d의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지고, 제3층은 Al_eTi_fM3_1-e-f의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지고, 제4층은 Al_gTi_hM4_1-g-h의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지고, M1, M2, M3 및 M4는 Cr, Ti를 제외한 주기표의 제4족 원소, 제5족 원소, 제6족 원소, Si 및 B로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이다.

Description

표면 피복 절삭 공구 및 그 제조 방법

본 발명은 표면 피복 절삭 공구 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 출원은 2016년 3월 28일에 출원한 일본 특허 출원인 특원 2016-063935호에 기초한 우선권을 주장한다. 이 일본 특허 출원에 기재된 모든 기재 내용은 참조에 의해서 본 명세서에 원용된다.

최근의 절삭 공구의 동향으로서, 지구 환경 보전의 관점에서 절삭유제를 이용하지 않는 드라이 가공이 요구되고 있다는 점, 피삭재가 다양화되고 있다는 점, 가공 능률을 한층 더 향상시키기 위해서 절삭 속도가 보다 고속으로 되고 있다는 점 등에서, 공구날의 온도는 점점 더 고온으로 되는 경향이 있다. 그 결과, 공구 수명이 줄어들기 때문에 그 비용 부담이 크며, 이로 인해 공구 재료에 요구되는 특성은 점점 더 엄격해지고 있다.

일본 특허공개 평07-310174호 공보(특허문헌 1)에서는, 절삭 공구 또는 내마모 공구로서 이용하는 경우에, 내마모성 및 표면 보호 기능을 개선하기 위해서, WC기 초경합금, 서멧, 고속도강 등의 경질 기재의 표면에, 경질 피복층으로서 Al_xTi_1-x-ySi_yC_zN_1-z(단, 0.05≤x≤0.75, 0.01≤y≤0.1, 0.6≤z≤1)와 같은 AlTiSi계의 막을 피복하는 예가 개시되어 있다.

일본 특허공개 2005-305576호 공보(특허문헌 2)에서는, 기재 표면에, Ti_1-xAl_x(단, 0.2≤x≤0.7)의 탄화물 또는 탄질화물을 주성분으로 하는 내마모성 피막을 형성하고, 이 내마모성 피막 표면에, Al_1-a-bCr_aV_b(단, 0.2≤a≤0.4, 0≤b≤0.4, a+b≤0.4)의 질화물 또는 탄질화물을 주성분으로 하는 내치핑성 피막을 형성한 절삭 공구가 개시되어 있다. 이 절삭 공구에 따르면, 절삭 초기에 발생하는 날의 치핑 또는 결손을 억제하여, 즉 모재의 노출을 억제함으로써, 공구 수명을 향상할 수 있다고 되어 있다.

국제공개 제2006/070730호 팜플렛(특허문헌 3)에 개시된 절삭 공구는, 내마모성 및 내치핑성을 향상시키는 것을 목적으로 하여, 잔류 응력 및 경도 등의 특성이 다른 A층 및 B층을 교대로 각각 1층 이상 적층시킨 교호층(交互層)을 피복층으로서 포함한다. 이에 따라, 피복층 전체적인 내마모성 및 인성을 향상시킬 수 있다고 되어 있다.

특허문헌 1 : 일본 특허공개 평07-310174호 공보 특허문헌 2 : 일본 특허공개 2005-305576호 공보 특허문헌 3 : 국제공개 제2006/070730호

본 발명의 일 양태에 따른 표면 피복 절삭 공구는, 기재와, 이 기재의 표면에 형성된 피막을 구비하는 표면 피복 절삭 공구로서, 상기 피막은 제1 교호층과 이 제1 교호층 상에 형성된 제2 교호층을 포함하고, 상기 제1 교호층은 제1층과 제2층을 포함하고, 상기 제2 교호층은 제3층과 제4층을 포함하고, 상기 제1층과 상기 제2층은 교대로 각각 1층 이상 적층되고, 상기 제3층과 상기 제4층은 교대로 각각 1층 이상 적층되고, 상기 제1층은 Al_aCr_bM1_1-a-b의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지며, 상기 제1층을 구성하는 각 금속 원자의 원자수비는 0.5≤a≤0.9, 0<b≤0.4 및 0≤1-a-b≤0.1의 관계를 만족하고, 상기 제2층은 Al_cTi_dM2_1-c-d의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지며, 상기 제2층을 구성하는 각 금속 원자의 원자수비는 0.35≤c≤0.7, 0.3≤d≤0.7 및 0≤1-c-d≤0.1의 관계를 만족하고, 상기 제3층은 Al_eTi_fM3_1-e-f의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지며, 상기 제3층을 구성하는 각 금속 원자의 원자수비는 0.35≤e≤0.7, 0.3≤f≤0.7 및 0≤1-e-f≤0.1의 관계를 만족하고, 상기 제4층은 Al_gTi_hM4_1-g-h의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지며, 상기 제4층을 구성하는 각 금속 원자의 원자수비는 0.35≤g≤0.7, 0.3≤h≤0.7 및 0≤1-g-h≤0.1의 관계를 만족하고, 상기 제3층을 구성하는 Al의 원자수비 e 및 상기 제4층을 구성하는 Al의 원자수비 g는 0.05≤|g-e|≤0.2의 관계를 만족하고, 상기 제3층을 구성하는 Ti의 원자수비 f 및 상기 제4층을 구성하는 Ti의 원자수비 h는 0.05≤|h-f|≤0.2의 관계를 만족하고, 상기 M1, 상기 M2, 상기 M3 및 상기 M4는 각각 독립적으로 Cr, Ti를 제외한 주기표의 제4족 원소, 제5족 원소, 제6족 원소, Si 및 B로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이다.

본 발명의 일 양태에 따른 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법은, 상기 기재를 준비하는 제1 공정과, 상기 제1층과 상기 제2층을 물리적 증착법을 이용하여 교대로 각각 1층 이상 적층함으로써 상기 제1 교호층을 형성하는 제2 공정과, 상기 제1 교호층 상에 상기 제3층과 상기 제4층을 물리적 증착법을 이용하여 교대로 각각 1층 이상 적층함으로써 상기 제2 교호층을 형성하는 제3 공정을 포함한다.

도 1은 본 실시형태에 따른 표면 피복 절삭 공구의 단면을 모식적으로 도시하여 설명하는 단면 설명도이다.
도 2는 본 실시형태에 있어서의 피막의 하부층(제1 교호층)을 현미경으로 촬영한 도면 대용 사진이다.
도 3A는 본 실시형태에 있어서의 피막의 상부층(제2 교호층)을 현미경으로 촬영한 도면 대용 사진이다.
도 3B는 도 3A를 확대하여 도시한 도면 대용 사진이다.
도 4A는 본 실시형태에 있어서의 피막의 밀착층을 현미경으로 촬영한 도면 대용 사진이다.
도 4B는 도 4A를 확대하여 도시한 도면 대용 사진이다.
도 5는 본 실시형태에 따른 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법에서 이용하는 성막 장치를, 그 단면에 있어서 모식적으로 도시하여 설명하는 설명도이다.
도 6은 본 실시형태에 따른 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법에서 이용하는 성막 장치를, 그 평면에 있어서 모식적으로 도시하여 설명하는 설명도이다.

[본 개시가 해결하고자 하는 과제]

그러나, 특허문헌 1에 기재된 경질 피복층을 절삭 공구에 이용한 경우, 고경도이며 내산화성이 우수한 한편, 취약하고 또한 치핑되기 쉽다고 하는 난점이 있었다.

특허문헌 2에 기재된 절삭 공구는, 예컨대 스테인리스강 등 날끝에 용착이 발생하기 쉬운 재료를 절삭한 경우, 절삭 초기에 있어서 내치핑성 피막과 내마모성 피막 간의 밀착성이 불충분하거나 하여, 피막이 박리되어, 피막의 치핑 억제에 개선의 여지가 남아 있었다.

특허문헌 3에 기재된 절삭 공구는 날끝에 용착이 발생하기 쉽다. 따라서, 용착과 함께 피복층이 박리되는 난삭재 등의 가공에 있어서, 가공 초기에 피복층과 피삭재가 반응하여, A층과 B층 사이에 크랙이 발생함으로써 층간 박리가 발생하여 단수명으로 되는 경향이 있어, 개선의 여지가 남아 있었다.

본 발명은, 상기 실정에 감안하여 이루어진 것으로, 우수한 내치핑성 및 내마모성을 보이는 표면 피복 절삭 공구 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

[본 개시의 효과]

상기에 따르면, 우수한 내치핑성 및 내마모성을 보일 수 있다.

[본 발명의 실시형태의 설명]

먼저, 본 발명의 실시양태를 열기하여 설명한다.

[1] 본 발명의 일 양태에 따른 표면 피복 절삭 공구는, 기재와 이 기재의 표면에 형성된 피막을 구비하는 표면 피복 절삭 공구로서, 상기 피막은 제1 교호층과 이 제1 교호층 상에 형성된 제2 교호층을 포함하고, 상기 제1 교호층은 제1층과 제2층을 포함하고, 상기 제2 교호층은 제3층과 제4층을 포함하고, 상기 제1층과 상기 제2층은 교대로 각각 1층 이상 적층되고, 상기 제3층과 상기 제4층은 교대로 각각 1층 이상 적층되고, 상기 제1층은 Al_aCr_bM1_1-a-b의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지며, 상기 제1층을 구성하는 각 금속 원자의 원자수비는 0.5≤a≤0.9, 0<b≤0.4 및 0≤1-a-b≤0.1의 관계를 만족하고, 상기 제2층은 Al_cTi_dM2_1-c-d의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지며, 상기 제2층을 구성하는 각 금속 원자의 원자수비는 0.35≤c≤0.7, 0.3≤d≤0.7 및 0≤1-c-d≤0.1의 관계를 만족하고, 상기 제3층은 Al_eTi_fM3_1-e-f의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지며, 상기 제3층을 구성하는 각 금속 원자의 원자수비는 0.35≤e≤0.7, 0.3≤f≤0.7 및 0≤1-e-f≤0.1의 관계를 만족하고, 상기 제4층은 Al_gTi_hM4_1-g-h의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지며, 상기 제4층을 구성하는 각 금속 원자의 원자수비는 0.35≤g≤0.7, 0.3≤h≤0.7 및 0≤1-g-h≤0.1의 관계를 만족하고, 상기 제3층을 구성하는 Al의 원자수비 e 및 상기 제4층을 구성하는 Al의 원자수비 g는 0.05≤|g-e|≤0.2의 관계를 만족하고, 상기 제3층을 구성하는 Ti의 원자수비 f 및 상기 제4층을 구성하는 Ti의 원자수비 h는 0.05≤|h-f|≤0.2의 관계를 만족하고, 상기 M1, 상기 M2, 상기 M3 및 상기 M4는 각각 독립적으로 Cr, Ti를 제외한 주기표의 제4족 원소, 제5족 원소, 제6족 원소, Si 및 B로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이다. 이러한 구성의 표면 피복 절삭 공구는, 우수한 내치핑성 및 내마모성을 보일 수 있으며, 이로써 가혹한 절삭 조건에 견뎌, 우수한 날의 품위를 얻을 수 있다.

[2] 상기 제2층을 구성하는 Al의 원자수비 c, 상기 제3층을 구성하는 Al의 원자수비 e 및 상기 제4층을 구성하는 Al의 원자수비 g는 e≤c≤g의 관계를 만족하고, 상기 제2층을 구성하는 Ti의 원자수비 d, 상기 제3층을 구성하는 Ti의 원자수비 f 및 상기 제4층을 구성하는 Ti의 원자수비 h는 h≤d≤f의 관계를 만족한다. 이에 따라, 보다 우수한 내치핑성 및 내마모성을 보일 수 있다.

[3] 상기 제1 교호층은 최상층이 상기 제2층이다. 이에 따라 피막의 밀착성을 보다 강고하게 할 수 있다.

[4] 상기 제1 교호층은 최하층이 상기 제1층 또는 상기 제2층이다. 이에 따라 피막의 박리를 보다 억제할 수 있다.

[5] 상기 제1층의 두께 λ1 및 상기 제2층의 두께 λ2는 각각 0.005 ㎛ 이상 2 ㎛ 이하이고, 상기 제1층과 상기 제2층의 두께의 비인 λ1/λ2는 1≤λ1/λ2≤5의 관계를 만족한다. 이에 따라, 피막의 내산화성을 향상시키고, 또한 피막을 고경도화할 수 있다.

[6] 상기 제3층의 두께 λ3 및 상기 제4층의 두께 λ4는 각각 0.005 ㎛ 이상 2 ㎛ 이하이고, 상기 제3층과 상기 제4층의 두께의 비인 λ3/λ4는 1≤λ3/λ4≤5의 관계를 만족한다. 이에 따라, 피막에 있어서의 크랙의 진전을 보다 강하게 억제할 수 있다.

[7] 상기 피막은 전체의 두께가 0.5 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하이다. 이에 따라, 피막이 내치핑성이 우수하여, 공구 수명을 향상시킬 수 있다.

[8] 상기 피막은, 상기 제1 교호층보다도 상기 기재 측에 밀착층을 포함하고, 상기 밀착층은 두께가 0.5 nm 이상 20 nm 이하이고, 상기 밀착층은, 상기 기재를 구성하는 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소와, 제1 원소와, 제2 원소를 포함하는 탄화물, 질화물 또는 탄질화물이고, 상기 제1 원소는 Cr, Ti, Zr 및 Nb를 제외한 주기표의 제4족 원소, 제5족 원소, 제6족 원소, Al, Si 및 B로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이고, 상기 제2 원소는 Cr, Ti, Zr 및 Nb로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이고, 기재를 구성하는 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소는 적어도 W를 포함하며, 상기 W가 밀착층에 확산되어 있다. 이에 따라, 피막과 기재의 밀착성을 향상시킬 수 있다.

[9] 상기 기재는, WC를 포함하는 경질 입자와, 이 경질 입자끼리를 결합하는 결합상을 포함하고, 상기 결합상은 Co를 포함하고, 상기 밀착층은 W, Cr, Ti, Al 및 M5를 포함하는 탄화물, 질화물 또는 탄질화물이고, 상기 M5는 W, Cr, Ti를 제외한 주기표의 제4족 원소, 제5족 원소, 제6족 원소, Si 및 B로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이다. 이에 따라, 피막과 기재의 밀착성을 보다 향상시킬 수 있다.

[10] 상기 제1 교호층 및 상기 제2 교호층은 결정 구조가 입방정이다. 이에 따라, 피막의 경도를 향상시킬 수 있다.

[11] 본 발명의 일 양태에 따른 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법은, 상기 기재를 준비하는 제1 공정과, 상기 제1층과 상기 제2층을 물리적 증착법을 이용하여 교대로 각각 1층 이상 적층함으로써 상기 제1 교호층을 형성하는 제2 공정과, 상기 제1 교호층 상에 상기 제3층과 상기 제4층을 물리적 증착법을 이용하여 교대로 각각 1층 이상 적층함으로써 상기 제2 교호층을 형성하는 제3 공정을 포함한다. 이에 따라, 우수한 내치핑성 및 내마모성을 보이는 표면 피복 절삭 공구를 제조할 수 있다.

[12] 상기 물리적 증착법은, 캐소드 아크 이온 플레이팅법, 밸런스드 마그네트론 스퍼터링(Balanced magnetron sputtering)법 및 언밸런스드 마그네트론 스퍼터링(Unbalanced magnetron sputtering)법으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종이다. 이에 따라, 상술한 성능을 갖는 표면 피복 절삭 공구를 수율 좋게 제조할 수 있다.

[본 발명의 실시형태의 상세]

이하, 본 발명의 실시형태(이하 「본 실시형태」라고도 기재한다)에 관해서 더욱 상세히 설명한다. 이하의 실시형태의 설명에서는 도면을 이용하여 설명하고 있는데, 그 도면에 있어서 동일한 참조 부호를 붙인 것은 동일하거나 또는 상당하는 부분을 나타낸다.

여기서, 본 명세서에 있어서 「X~Y」라는 형식의 표기는 범위의 상한 하한(즉 X 이상 Y 이하)을 의미하고 있고, X에 있어서 단위의 기재가 없고, Y에 있어서만 단위가 기재되어 있는 경우, X의 단위와 Y의 단위는 동일하다. 또한, 본 명세서에 있어서 화합물을 화학식으로 나타내는 경우, 원자비를 특별히 한정하지 않을 때는 종래 공지된 모든 원자비를 포함하는 것으로 하며, 반드시 화학양론적 범위인 것에만 한정되는 것은 아니다. 예컨대 「TiAlN」이라고 기재되어 있는 경우, TiAlN을 구성하는 원자수비의 비는 Ti:Al:N=0.5:0.5:1에 한정되지 않고, 종래 공지된 모든 원자비가 포함된다. 이것은 「TiAlN」 이외의 화합물의 기재에 관해서도 마찬가지이다. 본 실시형태에 있어서, 티탄(Ti), 알루미늄(Al), 규소(Si), 탄탈(Ta), 크롬(Cr) 등의 금속 원소와, 질소(N), 산소(O) 또는 탄소(C) 등의 비금속 원소는 반드시 화학양론적인 조성을 구성하고 있을 필요가 없다.

<표면 피복 절삭 공구>

본 실시형태에 따른 표면 피복 절삭 공구는, 예컨대 도 1에 도시한 것과 같이, 기재(12)와 이 기재(12)의 표면에 형성된 피막(11)을 구비한다. 표면 피복 절삭 공구(1)는, 후술하는 구성을 갖춤으로써, 우수한 내치핑성 및 내마모성을 보이고, 가혹한 절삭 조건에 견뎌 우수한 날의 품위를 얻을 수 있다.

따라서, 본 실시형태에 따른 표면 피복 절삭 공구는, 드릴, 엔드밀, 드릴용 날 교환형 절삭 팁, 엔드밀용 날 교환형 절삭 팁, 프라이즈 가공용 날 교환형 절삭 팁, 선삭 가공용 날 교환형 절삭 팁, 메탈 소오, 기어 커팅 공구, 리머, 탭, 크랭크샤프트의 핀 밀링 가공용 팁 등으로서 매우 유용하다.

<기재>

기재는, 이런 종류의 기재로서 종래 공지된 것이라면 어느 것이나 사용할 수 있다. 예컨대, 초경합금[예컨대, WC(탄화텅스텐)기 초경합금, WC 외에, Co(코발트)를 포함하거나, 혹은 Ti(티탄), Ta(탄탈), Nb(니오븀) 등의 탄질화물을 첨가한 것도 포함한다], 서멧(탄화티탄, 질화티탄, 탄질화티탄 등을 주성분으로 하는 것), 고속도강, 세라믹스(탄화티탄, 탄화규소, 질화규소, 질화알루미늄, 산화알루미늄 등), 입방정형 질화붕소 소결체 또는 다이아몬드 소결체 중 어느 것인 것이 바람직하다. 기재로서 WC기 초경합금을 이용하는 경우, 그 조직 중에 유리 탄소 및 η상이라고 불리는 이상층(異常層) 중 어느 한쪽 또는 양쪽을 포함하고 있어도 좋다.

이들 각종 기재 중에서도 초경합금, 특히 WC기 초경합금을 선택하는 것, 또는 서멧(특히 탄질화티탄기 서멧)을 선택하는 것이 바람직하다. 이들 기재는, 특히 고온에 있어서의 경도와 강도의 밸런스가 우수하고, 상기 용도의 절삭 공구의 기재로서 우수한 특성을 갖고 있다. 특히 WC기 초경합금을 선택한 경우, 기재는, WC을 포함하는 경질 입자와, 이 경질 입자끼리를 결합하는 결합상을 포함하고, 결합상은 Co를 포함하는 것이 보다 바람직하다.

또한, 표면 피복 절삭 공구가 후술하는 밀착층을 포함하는 경우, 기재와 피막의 밀착성의 관점에서, 기재로서 WC기 초경합금을 선택했을 때에, 밀착층과 접하는 면적 중 80% 이상이 WC인 것이 보다 바람직하다. 이들 기재는 그 표면이 개질되어 있어도 지장없다. 예컨대, 초경합금의 표면에 탈β층이 형성되어 있더라도 본 발명의 범위를 일탈하는 것은 아니다.

또, 절삭 공구가 날 교환형 절삭 팁 등인 경우, 기재는 칩 브레이커를 갖는 것도 갖지 않는 것도 포함된다. 날 능선부는, 그 형상이 샤프 엣지(공구 앞면과 플랭크면이 교차하는 능선), 호닝(샤프 엣지에 대하여 라운드를 부여한 것), 네거티브 랜드(모따기를 한 것), 호닝과 네거티브 랜드를 조합시킨 것 등, 어느 것이나 포함된다.

<피막>

피막은, 도 1에 도시한 것과 같이 제1 교호층(112)과, 이 제1 교호층(112) 상에 형성된 제2 교호층(113)을 포함한다. 이 제1 교호층(112)은 제1층과 제2층을 포함한다. 제2 교호층(113)은 제3층과 제4층을 포함한다. 제1층과 제2층은 교대로 각각 1층 이상 적층되어 있다. 제3층과 제4층은 교대로 각각 1층 이상 적층되어 있다. 제1 교호층(112)은, 내마모성을 특히 구비하기 위해서 구성하는 2층 이상으로 이루어지는 다층막이며, 본 명세서에서 「내마모층」이라고 부르는 경우가 있다. 또한, 제1 교호층(112)은 그 위에 제2 교호층(113)이 형성되기 때문에, 본 명세서에서 「하부층」이라고 부르는 경우도 있다.

제2 교호층(113)은, 내치핑성을 특히 구비하기 위해서 구성하는 2층 이상으로 이루어지는 다층막이며, 본 명세서에서 「내치핑층」이라고 부르는 경우가 있다. 또한, 제2 교호층(113)은 제1 교호층(112) 상에 형성되기 때문에, 본 명세서에서 「상부층」이라고 부르는 경우도 있다.

본 실시형태에 있어서 피막(11)은 기재(12)를 피복하고 있다. 피막(11)은 기재 전면을 피복하는 것이 바람직하지만, 기재(12)가 부분적으로 피막(11)으로 피복되어 있거나 피막(11)을 구성하는 각 층의 적층 구성이 부분적으로 다르거나 하여도 본 발명의 범위를 일탈하는 것은 아니다.

피막은, 제1 교호층, 제2 교호층, 후술하는 밀착층 이외에 다른 층을 포함할 수 있다. 피막은, 예컨대 기재와의 사이에 형성하는 층으로서 하지층을 포함할 수 있다. 또한 피막은, 표면을 보호하는 층으로서 표면보호층을 포함할 수도 있다. 하지층으로서, 피막을 구성하는 원소를 포함하는 고용체층을 예시할 수 있다. 고용체층을 가짐으로써, 피막의 균일성을 보다 담보할 수 있게 된다. 또, 이들 층의 형성 방법은 공지된 방법을 이용할 수 있다.

다른 하지층으로서 TiCNO층, TiBN층, TiC층, TiN층, TiAlN층, TiSiN층, AlCrN층, TiAlSiN층, TiAlNO층, AlCrSiCN층, TiCN층, TiSiC층, CrSiN층, AlTiSiCO층, TiSiCN층 등을 예시할 수 있다. 표면보호층으로서 α-Al₂O₃층 및 κ-Al₂O₃층을 예시할 수 있다.

본 실시형태에 있어서 피막은, 내마모성이 우수한 층과 내치핑성이 우수한 층을 적층시킴으로써, 각 층의 원래의 적합한 특성을 유지하면서, 취성 등의 각 층의 단점을 잘 해소시킬 수 있다. 또한, 각 층에 있어서 2종의 층을 교대로 각각 1층 이상 적층한 다층으로 함으로써, 각 층을 단독으로 형성한 경우와 비교하여 피막의 강도를 비약적으로 향상시킬 수 있다. 각 층을 단독으로 형성한 경우, 층 두께가 두껍게 됨에 따라서 취성이 커지는 경향이 있지만, 2종의 층을 교대로 각각 1층 이상 적층하여 다층으로 하여 단위 층 당 두께를 얇게 제어함으로써, 이것을 억제하는 것이 가능하게 된다.

본 명세서에 있어서 피막을 구성하는 구성 단위에 대하여 편의적으로 「막」 또는 「층」이라는 명칭을 이용하고 있지만, 「막」과 「층」은 양자를 명확하게 구별하는 것을 의도하고 있는 것은 아니다.

피막은, 그 전체 두께가 0.5 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 전체 두께의 상한은 10 ㎛ 이하이고, 더욱 바람직하게는 6 ㎛ 이하이며, 그 하한이 0.5 ㎛이다. 피막의 전체 두께가 0.5 ㎛ 미만인 경우, 피막의 두께가 지나치게 얇아 표면 피복 절삭 공구의 수명이 줄어드는 경향이 있다. 한편, 피막의 전체 두께가 15 ㎛를 넘는 경우, 절삭 초기에 있어서 피막이 치핑되기 쉽게 되기 때문에, 표면 피복 절삭 공구의 수명이 줄어드는 경향이 있다. 피막의 전체 두께란, 제1 교호층, 제2 교호층, 후술하는 밀착층 및 다른 층을 포함하는 경우는 그 다른 층을 포함한 전체의 두께를 의미한다.

피막 중 제1 교호층 및 제2 교호층은 결정 구조가 입방정인 것이 바람직하다. 이에 따라 피막의 경도를 향상시킬 수 있다. 제1 교호층 및 제2 교호층 전체가 비정질 혹은 일부가 비정질인 경우, 경도가 저하하여, 표면 피복 절삭 공구의 수명이 줄어드는 경향이 있다.

피막의 전체 두께는 성막 시간을 적절하게 조절함으로써 조정할 수 있다. 또한, 본 명세서에 있어서 「피막의 두께」라고 했을 때, 그 두께는 평균 두께를 의미한다. 피막의 두께는, 예컨대, 피막을 임의의 기재 상에 형성하고, 이것을 임의의 위치에서 절단하여, 그 단면을 주사형 전자현미경(SEM: Scanning Electron Microscope), 투과형 전자현미경(TEM: Transmission Electron Microscope, 주사형 투과 전자현미경(STEM: Scanning Transmission Electron Microscope) 등으로 관찰함으로써 측정할 수 있다. 단면 관찰용의 샘플은, 예컨대, 집속 이온빔 장치(FIB: Focused Ion Beam system), 크로스 섹션 폴리셔 장치(CP: Cross section Polisher) 등을 이용하여 제작할 수 있다. 그리고, 예컨대 피막의 10 곳에서 단면을 얻어, 각각의 단면에 있어서의 두께를 측정하고, 그 측정치의 평균치를 「피막의 두께」라고 할 수 있다. 또한, 피막을 구성하는 원소의 조성은, SEM 혹은 TEM 부대의 에너지 분산형 X선 분석(EDX: Energy Dispersive X-ray spectroscopy) 장치에 의해 측정할 수 있다. 후술하는 제1층~제4층의 두께 및 그 조성도 상술한 방법과 같은 방법에 의해 측정할 수 있다.

≪제1 교호층(하부층, 내마모층)≫

도 1 및 도 2에 도시한 것과 같이, 제1 교호층(112)은, 상술한 대로 제1층과 제2층을 포함한다. 제1층과 제2층은 교대로 각각 1층 이상 적층되어 있다. 특히, 제1층의 두께 λ1 및 제2층의 두께 λ2는 각각 0.005 ㎛ 이상 2 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 제1층의 두께 λ1 및 제2층의 두께 λ2가 각각 0.005 ㎛ 미만인 경우, 각 층이 서로 섞여 제1층과 제2층을 교대로 적층함에 의한 효과를 얻을 수 없는 경향이 있다. 한편, 제1층의 두께 λ1 및 제2층의 두께 λ2가 각각 2 ㎛를 넘는 경우, 크랙의 진전을 억제하는 효과를 얻기 어려운 경향이 있다. 제1 교호층에 관해서 내마모성 및 내산화성을 강화한다는 관점에서, 제1층의 두께 λ1 및 제2층의 두께 λ2는 각각 0.005 ㎛ 이상 0.5 ㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다.

또한, 제1층과 제2층의 두께의 비인 λ1/λ2는 1≤λ1/λ2≤5의 관계를 만족하는 것이 바람직하다. λ1/λ2가 1 미만인 경우, 피막의 내산화성이 저하하는 경향이 있다. 한편, λ1/λ2가 5를 넘는 경우, 제1층과 제2층을 교대로 적층함에 의한 크랙의 진전을 억제하는 효과를 얻기 어렵게 되는 경향이 있다. 제1 교호층에 관해서 내마모성 및 내산화성을 강화한다는 관점에서, λ1/λ2는 1≤λ1/λ2≤4의 관계를 만족하는 것이 보다 바람직하다.

(제1층)

제1층은 Al_aCr_bM1_1-a-b의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지고, 제1층을 구성하는 각 금속 원자의 원자수비는 0.5≤a≤0.9, 0<b≤0.4 및 0≤1-a-b≤0.1의 관계를 만족한다. 제1층은, 질화물 또는 탄질화물임으로써, 막의 경도가 높아져 내마모성이 향상되고, 피삭재에 대한 마찰 계수가 작아짐으로써 내용착성이 향상되는 등의 효과가 있다.

제1층은, Al(알루미늄)과 함께 Cr(크롬)을 포함하기 때문에, 내산화성이 향상되고 있다. 또한 제1층은 Al과 Cr가 조합됨으로써 그 결정 구조가 입방정으로 되고, 이로써 고경도화할 수 있다.

특히, 제1층을 구성하는 Cr의 원자수비 b는 0보다도 크고 0.4 이하이다. Cr의 원자수비 b는, Al과 Cr를 조합함으로써 제1층을 고경도화하기 위해서, 0보다도 크게 할 필요가 있다. 한편 Cr의 원자수비 b는, 0.4를 넘는 경우, 제1층의 경도가 저하하는 경향이 있다. 제1층의 경도 및 내산화성을 보다 높인다는 관점에서 Cr의 원자수비 b는 0.2 이상 0.34 이하(0.2≤b≤0.34)인 것이 바람직하다.

또한, 제1층을 구성하는 Al의 원자수비 a는 0.5 이상 0.9 이하이다. Al의 원자수비 a는, 0.5 미만인 경우, 피막의 내산화성이 저하하는 경향이 있다. 한편 Al의 원자수비 a는, 0.9를 넘는 경우, 경도가 저하하여 마모가 촉진되는 경향이 있다. 제1층의 경도 및 내산화성을 보다 높인다는 관점에서 Al의 원자수비 a는 0.56이상 0.7 이하(0.56≤a≤0.7)인 것이 보다 바람직하다.

M1은, Cr, Ti를 제외한 주기표의 제4족 원소(Zr, Hf 등), 제5족 원소(V, Nb, Ta 등), 제6족 원소(Mo, W 등), Si(규소) 및 B(붕소)로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이다. 이러한 원소임으로써, 제1층은 내열성, 막 경도 및 내용착성이 향상된다. M1은 구체적으로는 B, Si, Zr, V, Nb, W, Ta 중 어느 원소인 것이 바람직하다.

또, B(붕소)는 통상 금속 원소와 비금속 원소의 중간의 성질을 보이는 반금속으로서 파악되지만, 본 실시형태에서는, 자유 전자를 갖는 원소를 금속이라고 간주하여 붕소를 금속의 범위에 포함하는 것으로 한다.

(제2층)

제2층은 Al_cTi_dM2_1-c-d의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지고, 제2층을 구성하는 각 금속 원자의 원자수비는 0.35≤c≤0.7, 0.3≤d≤0.7 및 0≤1-c-d≤0.1의 관계를 만족한다. 제2층은, 질화물 또는 탄질화물임으로써 막의 경도가 높아져 내마모성이 향상된다, 피삭재에 대한 마찰 계수가 작아짐으로써 내용착성이 향상된다 등의 효과가 있다.

제2층은, Al과 함께 Ti를 포함하기 때문에, 내마모성이 향상되고 있다. 또한 제2층은, Al과 Ti이 조합되어 있기 때문에, Al의 첨가량이 많아질수록 내산화성이 향상된다고 하는 효과가 있다.

특히, 제2층을 구성하는 Al의 원자수비 c는 0.35 이상 0.7 이하이다. Al의 원자수비 c는, 0.35 미만인 경우, 피막의 내산화성이 저하하는 경향이 있다. 한편 Al의 원자수비 c는, 0.7을 넘는 경우, 제2층의 경도가 저하하여, 마모가 촉진되는 경향이 있다. 제2층의 내마모성 및 내산화성을 보다 높인다는 관점에서 Al의 원자수비 c는 0.4 이상 0.65 이하(0.4≤c≤0.65)인 것이 보다 바람직하다.

또한, 제2층을 구성하는 Ti의 원자수비 d는 0.3 이상 0.7 이하이다. Ti의 원자수비 d는, 0.3 미만인 경우, 경도가 저하하여 마모가 촉진되는 경향이 있다. 한편 Ti의 원자수비 d는, 0.7을 넘는 경우, 피막의 Al의 첨가량이 상대적으로 적어져, 내산화성이 저하하는 경향이 있다. 제2층의 내마모성 및 내산화성을 보다 높인다는 관점에서 Ti의 원자수비 d는 0.4 이상 0.6 이하(0.4≤d≤0.6)인 것이 보다 바람직하다.

M2는, Cr, Ti를 제외한 주기표의 제4족 원소, 제5족 원소, 제6족 원소, Si 및 B로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이다. 이러한 원소임으로써, 제2층은 내열성, 막 경도 및 내용착성이 향상된다. M2는, 구체적으로는 B, Si, Zr, V, Nb, W, Ta 중 어느 한 원소인 것이 바람직하다. M1과 M2는 동일하거나 또는 이종이다. 즉 M1과 M2는 동일한 원소라도 좋고, 이종의 원소라도 좋다.

제1 교호층은, 최하층이 제1층 또는 제2층인 것이 바람직하다. 최하층이 제1층 또는 제2층임으로써, 막 전체의 밀착성이 균일하게 되기 때문에 피막과 기재의 계면에서의 박리를 억제할 수 있다. 최하층을 제1층으로 한 경우, 마모의 진전에 의해 기재가 노출되었다고 해도, 기재와 피막 사이의 계면으로부터의 산화를 억제할 수 있다. 또한, 최하층을 제2층으로 한 경우, 제2층은 응력이 작은 경향이 있으므로, 특히 날에 반복해서 부하가 걸리는 밀링, 엔드밀 가공 등의 단속 가공의 경우에, 피막의 내박리성이 현저히 향상되는 경향이 있다.

제1 교호층은 최상층이 제2층인 것이 바람직하다. 최상층이 제2층임으로써, 후술하는 것과 같이, 제1 교호층과 제2 교호층의 밀착성을 보다 강고하게 할 수 있다.

또한, 제1 교호층은, 최하층 및 최상층 양쪽 또는 어느 한쪽이, 제1층을 구성하는 화합물과 제2층을 구성하는 화합물의 조성이 혼합된 화합물로 이루어지는 혼합층이라도 좋다. 혼합층의 조성으로서는, 제1층과 제2층으로 이루어지는 원소로 구성되며, TiAlCrN, TiAlCrCN, TiAlCrC, TiAlCrSiN, TiAlCrSiCN, TiAlCrSiC 등을 예시할 수 있다.

≪제2 교호층(상부층, 내치핑층)≫

도 1에 도시한 것과 같이, 제2 교호층(113)은, 제1 교호층(112) 상이며 제1 교호층(112)의 기재 측과는 반대쪽에 형성되어 있다. 제2 교호층(113)은 제3층과 제4층을 포함한다. 제3층과 제4층은 교대로 각각 1층 이상 적층되어 있다. 특히, 제3층의 두께 λ3 및 제4층의 두께 λ4는 각각 0.005 ㎛ 이상 2 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 제3층의 두께 λ3 및 제4층의 두께 λ4가 각각 0.005 ㎛ 미만인 경우, 각 층이 서로 섞여 제3층과 제4층을 교대로 적층함에 의한 효과를 얻을 수 없는 경향이 있다. 한편, 제3층의 두께 λ3 및 제4층의 두께 λ4가 각각 2 ㎛를 넘는 경우, 크랙의 진전을 억제하는 효과를 얻기 어려운 경향이 있다. 제2 교호층에 관해서 내마모성 및 내균열 진전성을 강화한다는 관점에서, 제3층의 두께 λ3 및 제4층의 두께 λ4는 0.005 ㎛ 이상 0.5 ㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다.

또한, 제3층과 제4층의 두께의 비인 λ3/λ4는 1≤λ3/λ4≤5의 관계를 만족하는 것이 바람직하다. λ3/λ4가 1 미만인 경우, λ3/λ4가 5를 넘는 경우 모두 크랙의 진전을 억제하는 효과를 얻기 어려운 경향이 있다. 제2 교호층에 관해서 내균열 진전성을 강화한다는 관점에서, λ3/λ4는 1≤λ3/λ4≤4의 관계를 만족하는 것이 보다 바람직하다.

(제3층)

제3층은 Al_eTi_fM3_1-e-f의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지고, 제3층을 구성하는 각 금속 원자의 원자수비는 0.35≤e≤0.7, 0.3≤f≤0.7 및 0≤1-e-f≤0.1의 관계를 만족한다. 제3층은 질화물 또는 탄질화물임으로써 막의 경도가 높아져 내마모성이 향상된다, 피삭재에 대한 마찰 계수가 작아짐으로써 내용착성이 향상된다 등의 효과가 있다.

제3층은, Al과 함께 Ti를 포함하기 때문에, 내마모성이 향상되고 있다. 또한 제3층은, Al과 Ti가 조합되어 있기 때문에, Al의 첨가량이 많아질수록 내산화성이 향상된다고 하는 효과가 있다.

특히, 제3층을 구성하는 Al의 원자수비 e는 0.35 이상 0.7 이하이다. Al의 원자수비 e는, 0.35 미만인 경우, 피막의 내산화성이 저하하는 경향이 있다. 한편 Al의 원자수비 e는, 0.7을 넘는 경우, 제3층의 경도가 저하하여, 마모가 촉진되는 경향이 있다. 제3층의 내마모성 및 내산화성을 보다 높인다는 관점에서 Al의 원자수비 e는 0.4 이상 0.65 이하(0.4≤e≤0.65)인 것이 보다 바람직하다.

또한, 제3층을 구성하는 Ti의 원자수비 f는 0.3 이상 0.7 이하이다. Ti의 원자수비 f는, 0.3 미만인 경우, 경도가 저하하여 마모가 촉진되는 경향이 있다. 한편 Ti의 원자수비 f는, 0.7을 넘는 경우, 피막의 Al의 첨가량이 상대적으로 적어져, 내산화성이 저하하는 경향이 있다. 제3층의 내마모성 및 내산화성을 보다 높인다는 관점에서 Ti의 원자수비 f는 0.4 이상 0.6 이하(0.4≤f≤0.6)인 것이 보다 바람직하다.

M3은, Cr, Ti를 제외한 주기표의 제4족 원소, 제5족 원소, 제6족 원소, Si 및 B로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이다. 이러한 원소임으로써, 제3층은 내열성, 막 경도 및 내용착성이 향상된다. M3은 구체적으로는 B, Si, Zr, V, Nb, W, Ta 중 어느 한 원소인 것이 바람직하다. M1~M3은 동일하거나 또는 이종이다. 즉 M1과 M2와 M3은, 동일한 원소라도 좋고, 이종의 원소라도 좋다. 단, 제1 교호층과 제2 교호층의 밀착성을 보다 강고하게 한다는 관점에서, M2와 M3은 동일한 것이 바람직하다.

(제4층)

제4층은 Al_gTi_hM4_1-g-h의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지고, 제4층을 구성하는 각 금속 원자의 원자수비는 0.35≤g≤0.7, 0.3≤h≤0.7 및 0≤1-g-h≤0.1의 관계를 만족한다. 제4층은, 질화물 또는 탄질화물임으로써 막의 경도가 높아져 내마모성이 향상된다, 피삭재에 대한 마찰 계수가 작아짐으로써 내용착성이 향상된다 등의 효과가 있다.

제4층은, Al과 함께 Ti를 포함하기 때문에, 내마모성이 향상되고 있다. 또한 제4층은, Al과 Ti가 조합되어 있기 때문에 Al의 첨가량이 많아질수록 내산화성이 향상된다고 하는 효과가 있다.

특히, 제4층을 구성하는 Al의 원자수비 g는 0.35 이상 0.7 이하이다. Al의 원자수비 g는, 0.35 미만인 경우, 피막의 내산화성이 저하하는 경향이 있다. 한편 Al의 원자수비 g는, 0.7을 넘는 경우, 제4층의 경도가 저하하여, 마모가 촉진되는 경향이 있다. 제4층의 내마모성 및 내산화성을 보다 높인다는 관점에서 Al의 원자수비 g는 0.4 이상 0.65 이하(0.4≤g≤0.65)인 것이 보다 바람직하다.

또한, 제4층을 구성하는 Ti의 원자수비 h는 0.3 이상 0.7 이하이다. Ti의 원자수비 h는, 0.3 미만인 경우, 경도가 저하하여 마모가 촉진되는 경향이 있다. 한편 Ti의 원자수비 h는, 0.7을 넘는 경우, 피막의 Al의 첨가량이 상대적으로 적어져, 내산화성이 저하하는 경향이 있다. 제4층의 내마모성 및 내산화성을 보다 높인다는 관점에서 Ti의 원자수비 h는, 0.4 이상 0.6 이하(0.4≤h≤0.6)인 것이 보다 바람직하다.

M4는, Cr, Ti를 제외한 주기표의 제4족 원소, 제5족 원소, 제6족 원소, Si 및 B로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이다. 이러한 원소임으로써, 제4층은 내열성, 막 경도 및 내용착성이 향상된다. M4는 구체적으로는 B, Si, Zr, V, Nb, W, Ta 중 어느 한 원소인 것이 바람직하다. M1~M4는 동일하거나 또는 이종이다. 즉 M1과 M2와 M3과 M4는, 동일한 원소라도 좋고, 이종의 원소라도 좋다. 단, 제3층과 제4층의 밀착성을 보다 강고하게 한다는 관점에서, M3과 M4는 동일한 것이 바람직하다.

제2 교호층은, 제1 교호층의 최상층을 제2층으로 하고, 이 최상층 상에 형성되는 것이 바람직하다. 제1 교호층에 있어서의 제2층은, 제2 교호층을 구성하는 제3층 및 제4층과 가까운 조성을 가지므로, 제1 교호층과 제2 교호층의 밀착성을 보다 강고하게 할 수 있기 때문이다. 이러한 관점에서 제2 교호층의 최상층 및 최하층에 관해서는, 제3층이라도 제4층이라도 어느 쪽이나 좋다.

또한, 제2층을 구성하는 Al의 원자수비 c, 제3층을 구성하는 Al의 원자수비 e 및 제4층을 구성하는 Al의 원자수비 g는 e≤c≤g의 관계를 만족하는 것이 바람직하다. 제2층을 구성하는 Ti의 원자수비 d, 제3층을 구성하는 Ti의 원자수비 f 및 제4층을 구성하는 Ti의 원자수비 h는 h≤d≤f의 관계를 만족하는 것이 바람직하다. 이들에 의해, 제1 교호층과 제2 교호층의 밀착성을 향상시키면서, 피막 전체의 경도를 더욱 강고한 것으로 할 수 있기 때문에, 우수한 내치핑성 및 내마모성을 가질 수 있다.

여기서 본 실시형태에서는, 내치핑층인 제3층 및 제4층을, 그 구성 원소 및 조성비에 있어서 굳이 매우 닮은 구성으로 했다. 이에 따라, 내치핑층(제2 교호층)은, 도 3A에 도시한 것과 같이, 거시적으로는 마치 단일 조성을 갖는 것처럼 관찰된다.

그러나, 제3층을 구성하는 Al의 원자수비 e 및 제4층을 구성하는 Al의 원자수비 g는 0.05≤|g-e|≤0.2의 관계를 만족하고, 제3층을 구성하는 Ti의 원자수비 f 및 제4층을 구성하는 Ti의 원자수비 h는 0.05≤|h-f|≤0.2의 관계를 만족한다. 이 때문에, 제3층과 제4층은 그 조성비가 적어도 일치하는 경우가 없다. 이에 따라 도 3B에 도시한 것과 같이, 미시적으로 2종의 줄기 형상부 혹은 층 형상부가 관찰되어, 제3층과 제4층이 구별 가능하게 된다. 특히, 도 3B에 도시하는 현미경 사진으로부터 제3층과 제4층의 사이에는, 이들을 구별할 수 있는 계면(전위에 이르지 않을 때까지의 근소한 왜곡을 갖는 면)이 존재하고 있는 것이 이해된다.

내치핑층은, 이 계면을 가짐으로써, 피막 내에서 균열이 발생한 경우에, 제3층과 제4층 사이에서 균열의 전파를 억제할 수 있다. 또한, 제3층과 제4층은, 그 구성 원소 및 조성비에 있어서 매우 닮았기 때문에, 제3층과 제4층 사이에서 결정 격자를 연속시킬 수 있다. 이에 따라, 제3층과 제4층은, 강고한 밀착성을 갖출 수 있다.

≪밀착층≫

도 1 및 도 4A, 도 4B에 도시한 것과 같이, 피막(11)은, 제1 교호층(112)보다도 기재(12) 측에 밀착층(111)을 포함하는 것이 바람직하다. 즉 피막(11)은, 제1 교호층(112)과 기재(12) 사이에 밀착층(111)을 포함하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 피막(11)에 있어서 밀착층(111)은 제1 교호층(112) 및 기재(12)와 접하는 구성으로 된다. 피막(11)이 밀착층(111)을 포함함으로써, 피막(11)의 기재(12)로부터의 박리가 방지되어, 표면 피복 절삭 공구(1)의 수명을 안정화시킬 수 있다.

밀착층은 그 두께가 0.5 nm 이상 20 nm 이하인 것이 바람직하다. 밀착층의 두께가 0.5 nm 미만인 경우, 지나치게 얇아 충분한 밀착력을 얻을 수 없을 우려가 있다. 밀착층의 두께가 20 nm를 넘는 경우, 밀착층 내의 잔류 응력이 커져, 오히려 박리되기 쉽게 될 우려가 생긴다. 밀착층의 두께는, 보다 바람직하게는 0.5 nm 이상 10 nm 이하이고, 특히 바람직하게는 2 nm 이상 6 nm 이하이다. 밀착층의 두께도 TEM, STEM 등으로 측정할 수 있다. 그 측정 방법은, 피막 두께의 측정과 마찬가지로, 밀착층의 단면 샘플을 얻어 측정하면 된다. 단면 관찰용의 샘플도 피막의 두께 측정과 같은 방법에 의해 얻을 수 있다. 밀착층의 두께는 평균 두께이며, 측정치의 평균치이다.

밀착층은, 기재를 구성하는 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소와, 제1 원소와, 제2 원소를 포함하는 탄화물, 질화물 또는 탄질화물인 것이 바람직하다. 제1 원소는, Cr, Ti, Zr(지르코늄) 및 Nb를 제외하고, 상기 제1 교호층을 형성하는 원소에서 선택되는 1종 이상의 원소이고, 제2 원소는, Cr, Ti, Zr 및 Nb로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이다. 기재를 구성하는 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소는, 적어도 W를 포함하고, 이 W가 밀착층에 확산되어 있다. 제1 원소는 구체적으로는 Al, Si, B, V, Ta에서 선택되는 1종 이상의 원소인 것이 바람직하다. 밀착층은, 탄화물, 질화물 또는 탄질화물임으로써, 밀착성이 현저히 향상된다. 또한, 기재를 구성하는 원소의 하나인 W를 포함하고, 이 W가 밀착층에 확산되어 있음으로써, 기재와 밀착층의 밀착성을 보다 높일 수 있다.

예컨대, 본 실시형태에 따른 표면 피복 절삭 공구에 있어서, 기재는, WC를 포함하는 경질 입자와, 경질 입자끼리를 결합하는 결합상을 포함하고, 결합상은 Co를 포함하는 구성인 것이 바람직하다. 밀착층은, 특히 W, Cr, Ti, Al 및 M5를 포함하는 탄화물, 질화물 또는 탄질화물로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 M5는, W, Cr, Ti를 제외한 주기표의 제4족 원소, 제5족 원소, 제6족 원소, Si 및 B로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소인 것이 바람직하다. M5는 구체적으로는 Si, B, Zr, V, Nb, Ta 중 어느 한 원소인 것이 보다 바람직하다.

즉 밀착층은, 기재 및 제1 교호층 양쪽과 화학적 친화성을 갖는 원소를 함유하는 화합물로 이루어지는 것이 바람직하고, 기재를 구성하는 원소(예컨대, 초경합금의 경우, W, C)와, 제1 교호층을 구성하는 원소(Cr, Ti, Al, Si, B, N 등)를 포함하는 탄화물, 질화물 또는 탄질화물로 할 수 있다. 특히, 이러한 탄화물, 질화물 또는 탄질화물이, Cr, Ti, Zr 및 Nb로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함함으로써 밀착성을 현저히 향상시킬 수 있어, 표면 피복 절삭 공구의 수명이 보다 안정화된다. 밀착층의 두께, 구성 원소 및 조성비에 관해서도 SEM 혹은 TEM 부대의 EDX에 의해 측정할 수 있다.

이하, 밀착층을 구성하는 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물의 구체예로서 하기 (a)~(j)를 들 수 있다.

(a) Ti, W를 포함하는 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물(예컨대 WTiC, WTiN, WTiCN 등)

(b) Cr, W를 포함하는 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물(예컨대 WCrC, WCrN, WCrCN 등)

(c) Ti, Cr, W를 포함하는 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물(예컨대, WCrTiC, WCrTiN, WCrTiCN 등)

(d) Ti, Al, W를 포함하는 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물(예컨대 WTiAlC, WTiAlN, WTiAlCN 등)

(e) Ti, Si, W를 포함하는 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물(예컨대 WTiSiC, WTiSiN, WTiSiCN 등)

(f) Ti, Cr, Al, W를 포함하는 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물(예컨대 WCrTiAlC, WCrTiAlN, WCrTiAlCN 등)

(g) Ti, Cr, Si, W를 포함하는 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물(예컨대 WCrTiSiC, WCrTiSiN, WCrTiSiCN 등)

(h) Ti, Al, Si, W를 포함하는 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물(예컨대 WTiAlSiC, WTiAlSiN, WTiAlSiCN 등)

(i) Ti, Cr, Al, Si, W를 포함하는 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물(예컨대 WCrTiAlSiC, WCrTiAlSiN, WCrTiAlSiCN 등)

(j) 상기한 (a)~(i)에 있어서 Cr의 전부 또는 일부가 Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소와 치환된 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물.

<표면 피복 절삭 공구의 제조 방법>

본 실시형태에 따른 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법은, 기재를 준비하는 제1 공정과, 제1층과 제2층을 물리적 증착법을 이용하여 교대로 각각 1층 이상 적층함으로써 제1 교호층을 형성하는 제2 공정과, 제1 교호층 상에 제3층과 제4층을 물리적 증착법을 이용하여 교대로 각각 1층 이상 적층함으로써 제2 교호층을 형성하는 제3 공정을 포함한다.

상기 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법에서는, 내마모성을 갖는 피막을 기재의 표면 상에 형성하는 것을 목적으로 하기 때문에, 결정성이 높은 화합물로 이루어지는 층을 형성하는 것이 바람직하다. 본 발명자가 그와 같은 피막을 개발하기 위해 각종 성막 기술을 검토한 바, 그 수단으로서는 물리적 증착법을 이용하는 것이 적절했다. 물리 증착법이란, 물리적인 작용을 이용하여 원료(증발원, 타겟이라고도 한다)를 기화하고, 기화한 원료를 기재 상에 부착시키는 증착 방법이다. 특히, 본 실시형태에서 이용하는 물리적 증착법은, 캐소드 아크 이온 플레이팅법, 밸런스드 마그네트론 스퍼터링법 및 언밸런스드 마그네트론 스퍼터링법으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종인 것이 바람직하다. 그 중에서도, 원료가 되는 원소의 이온화율이 높은 캐소드 아크 이온 플레이팅법이 보다 바람직하다. 캐소드 아크 이온 플레이팅법을 이용하는 경우, 피막을 형성하기 전에 기재의 표면에 대하여 금속의 이온 충격 세정 처리가 가능하기 때문에, 세정 시간을 단축할 수도 있다.

캐소드 아크 이온 플레이팅법은, 장치 내에 기재를 설치함과 더불어 캐소드로서 타겟을 설치한 후, 이 타겟에 고전류를 인가하여 아크 방전을 생기게 한다. 이에 따라, 타겟을 구성하는 원자를 증발시켜 이온화시키고, 마이너스의 바이어스 전압을 인가한 기재 상에 퇴적시켜 피막을 형성한다.

또한, 예컨대, 밸런스드 마그네트론 스퍼터링법은, 장치 내에 기재를 설치함 과 더불어 평형의 자장을 형성하는 자석을 갖춘 마그네트론 전극 상에 타겟을 설치하고, 마그네트론 전극과 기재 사이에 고주파 전력을 인가하여 가스 플라즈마를 발생시킨다. 이 가스 플라즈마의 발생에 의해 생긴 가스의 이온을 타겟에 충돌시켜 타겟으로부터 방출된 원자를 이온화시키고, 기재 상에 퇴적시킴으로써 피막을 형성한다.

언밸런스드 마그네트론 스퍼터링법은, 상기 밸런스드 마그네트론 스퍼터링법에 있어서의 마그네트론 전극에 의해 발생하는 자장을 비평형으로 함으로써 피막을 형성한다.

≪제1 공정≫

제1 공정에서는 기재가 준비된다. 예컨대, 기재로서 초경합금 기재가 준비된다. 초경합금 기재는 시판되는 것을 이용하여도 좋고, 일반적인 분말 야금법으로 제조하여도 좋다. 일반적인 분말 야금법으로 제조하는 경우, 예컨대, 볼밀 등에 의해서 WC 분말과 Co 분말 등을 혼합하여 혼합 분말을 얻는다. 이 혼합 분말을 건조한 후, 소정의 형상으로 성형하여 성형체를 얻는다. 또한 상기 성형체를 소결함으로써, WC-Co계 초경합금(소결체)을 얻는다. 이어서 상기 소결체에 대하여, 호우닝 처리 등의 소정의 블레이드 가공을 실시함으로써, WC-Co계 초경합금으로 이루어지는 기재를 제조할 수 있다. 제1 공정에서는, 상기한 것 이외의 기재라도, 이런 종류의 기재로서 종래 공지된 것이라면 어느 것이나 준비 가능하다.

(기재 세정 공정)

후술하는 제2 공정 전에, 기재를 세정하는 기재 세정 공정을 행할 수 있다. 예컨대, 제2 공정에서 캐소드 아크 이온 플레이팅법을 이용하여 피막을 형성하기 전에, 기재의 표면에 대하여 이온 충격(ion bombardment) 처리를 실시할 수 있다. 이에 따라 예컨대, 기재로서 초경합금 기재를 이용한 경우, 기재의 표면으로부터 연질의 결합상을 제거할 수 있다. 그 후, 기재 상에 밀착층을 형성함으로써, 밀착층과 기재가 접하는 부분에 있어서의 경질 입자의 점유율을 높일 수 있다. 이 때 기재에 있어서의 밀착층과 접하는 면적 중 80% 이상이 WC인 것이 보다 바람직하다.

(밀착층 형성 공정)

또한 이온 충격 처리 자체에 의해 밀착층의 전구체를 형성할 수 있다. 즉 이온 충격 처리에 있어서 Cr, Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 타겟을 사용함으로써, 기재의 표면을 세정하면서, 이들 원소를 밀착층의 전구체로서 기재의 표면에 부착시킬 수 있다. 그리고, 이들 원소가 부착된 표면 상에, 후술하는 제2 공정인 제1 교호층을 형성하는 공정을 행함으로써, 밀착력이 우수한 밀착층을 제1 교호층과 더불어 형성할 수 있다. 이온 충격 처리에 사용되며 또한 밀착층에 포함되는 원소로서는, Cr인 것이 보다 바람직하다. Cr는 승화성의 원소이기 때문에, 이온 충격 처리 시에 용융 입자(droplet)의 발생이 적고, 기재의 표면 거칠어짐을 방지할 수 있기 때문이다.

예컨대 제1 공정 및 그 후의 기재 세정 공정은 다음과 같이 행할 수 있다. 성막 장치의 챔버 내에 기재로서 임의 형상의 팁을 장착한다. 예컨대, 도 5에 도시하는 성막 장치를 이용하여 설명하면, 기재(12)를, 챔버(2) 내의 중앙에 비치된 회전 테이블(20) 상의 기재 홀더(21)의 외표면에 부착한다. 기재 홀더(21)에는 바이어스 전원(42)을 부착한다.

이어서, 도 6에 도시한 것과 같이, 챔버(2) 내의 소정 위치에, 피막의 금속 원료인 합금제 타겟을 각각 대응하는 제1층 형성용의 증발원(31), 제2층 형성용의 증발원(32), 제3층 형성용의 증발원(33), 제4층 형성용의 증발원(34) 및 이온 충격용 증발원(30)에 부착한다. 제1층 형성용의 증발원(31)에는 아크 전원(41)을 부착하고, 제2층 형성용의 증발원(32), 제3층 형성용의 증발원(33), 제4층 형성용의 증발원(34) 및 이온 충격용 증발원(30)에도 각각 아크 전원(도시하지 않음)을 부착한다.

챔버(2) 내에는, 분위기 가스를 도입하기 위한 가스 도입구(22)가 형성되고, 챔버(2)로부터 분위기 가스를 배출하기 위한 가스 배출구(23)가 형성되어 있다. 이 가스 배출구(23)로부터 진공 펌프에 의해서 챔버(2) 내의 분위기 가스를 흡인할 수 있다.

우선, 진공 펌프에 의해 챔버(2) 내부를 1.0×10^-5~1.0×10^-3 Pa까지 감압함과 더불어, 회전 테이블(20)을 회전시킴으로써 기재 홀더(21)의 기재(12)를 회전시키면서, 장치 내에 설치된 히터(도시하지 않음)에 의해 기재(12)의 표면 온도를 400~700℃로 가열한다.

이어서, 가스 도입구(22)로부터 분위기 가스로서 아르곤 가스를 도입하여, 챔버(2) 내의 압력을 1.0~4.0 Pa로 유지하고, 바이어스 전원(42)의 전압을 서서히 올리면서 -1000~-400 V로 하여, 기재(12)의 표면을 15~90분에 걸쳐 세정한다. 이에 따라, 기재(12)가 초경합금 기재인 경우, 그 표면으로부터 결합상을 제거할 수 있다.

이온 충격용 증발원(30)에 100~200 A의 아크 전류를 인가하여, 기재의 표면에 대하여 이온 충격 처리를 15~90분에 걸쳐 실시함으로써, 기재의 표면을 더욱 세정함과 더불어, 금속 원소를 표면에 부착시킨다.

≪제2 공정≫

제2 공정에서는, 제1층과 제2층이 교대로 각각 1층 이상 적층된 제1 교호층이 형성된다. 그 방법으로서는, 형성하고자 하는 제1층 및 제2층의 조성에 따라서 각종 방법이 이용된다. 예컨대, Ti, Cr, Al 및 Si 등의 입경을 각각 변화시킨 합금제 타겟을 사용하는 방법, 각각 조성이 다른 복수의 타겟을 사용하는 방법, 성막 시에 인가하는 바이어스 전압을 펄스 전압으로 하는 방법, 혹은 성막 시에 가스 유량을 변화시키는 방법, 성막 장치에 있어서 기재를 유지하는 기재 홀더의 회전 속도를 조정하는 방법 등을 들 수 있다. 이들 방법을 조합하여 제1 교호층을 형성할 수도 있다.

예컨대, 제2 공정은 다음과 같이 하여 행할 수 있다. 즉, 상기한 기재(12)의 세정에 이어서, 기재(12)를 중앙에서 회전시킨 상태에서, 반응 가스로서 질소를 도입한다. 또한, 기재(12)를 온도 400~700℃로, 반응 가스압을 1.0~5.0 Pa로, 바이어스 전원(42)의 전압을 -30~-800 V의 범위로 각각 유지하거나, 또는 각각을 서서히 변화시키면서 제1층 형성용의 증발원(31) 및 제2층 형성용의 증발원(32)에 각각 100~200 A의 아크 전류를 공급한다. 이에 따라, 증발원(31) 및 증발원(32)으로부터 각각 금속 이온을 발생시키고, 소정의 시간이 경과한 시점에서 아크 전류의 공급을 멈춰, 기재(12)의 표면 상에 제1 교호층을 형성한다. 이 때 제1 교호층은, 상술한 조성을 갖는 제1층 및 제2층을, 소정의 두께(λ1,λ2) 및 소정의 층 두께의 비(λ1/λ2)를 갖도록 기재(12)의 회전 속도를 제어하면서 각각 1층씩 교대로 적층함으로써 제작한다. 또한, 성막 시간을 조절함으로써, 제1 교호층의 두께가 소정 범위가 되도록 조정한다.

특히, 제1 교호층의 최상층 및 최하층은, 각 층을 성막할 때에 사용하는 증발원을 한정(즉 제1층 형성용의 증발원(31) 및 제2층 형성용의 증발원(32)의 어느 쪽인지를 지정)함으로써 제1층 또는 제2층으로서 제작할 수 있다. 예컨대, 제1층을 최하층으로 하는 경우, 제2층 형성용의 증발원(32)의 아크 전류를 0 A로 함으로써 제1층만을 성막할 수 있다. 또한, 제1 교호층의 최상층 및 최하층 양쪽 또는 어느 한쪽을 혼합층으로 하는 경우, 혼합층은, 회전 테이블(20)의 회전 속도를 빠르게 함으로써, 제1층과 제2층이 혼합된 층으로서 제작할 수 있다.

≪제3 공정≫

제3 공정에서는, 제3층과 제4층이 교대로 각각 1층 이상 적층된 제2 교호층이 형성된다. 그 방법으로서도, 제2 공정과 마찬가지로, 형성하고자 하는 제3층 및 제4층의 조성에 따라서 각종 방법이 이용된다. 예컨대, Ti와, Al과, Si 또는 B의 입경을 각각 변화시킨 합금제 타겟을 사용하는 방법, 각각 조성이 다른 복수의 타겟을 사용하는 방법, 성막 시에 인가하는 바이어스 전압을 펄스 전압으로 하거나 혹은 가스 유량을 변화시키는 방법, 성막 장치에 있어서 기재를 유지하는 기재 홀더의 회전 속도를 조정하는 방법 등을 들 수 있다. 이들 방법을 조합하여 제2 교호층을 형성할 수도 있다.

예컨대, 제3 공정은 다음과 같이 하여 행할 수 있다. 즉, 상기 제2 공정을 행하는 예에서 나타낸 기재(12)의 온도, 반응 가스압 및 바이어스 전압을 유지한 채로, 제3층 형성용의 증발원(33) 및 제4층 형성용의 증발원(34)에 각각 100~200 A의 아크 전류를 공급함으로써, 증발원(33) 및 증발원(34)으로부터 각각 금속 이온을 발생시킨다. 그 후, 소정의 시간이 경과한 시점에서 아크 전류의 공급을 멈춰, 제1 교호층 상에 제2 교호층을 형성한다. 이 때 제2 교호층은, 상술한 조성을 갖는 제3층 및 제4층을, 소정의 두께(λ3, λ4) 및 소정의 층 두께의 비(λ3/λ4)를 갖도록 기재(12)의 회전 속도를 조정하면서 각각 1층씩 교대로 적층함으로써 제작한다. 또한, 성막 시간을 조절함으로써, 제2 교호층의 두께가 소정 범위가 되도록 조정한다. 특히, 제2 교호층은, 예컨대 증발원(33) 및 증발원(34)에 사용하는 금속 원료의 조성을 적절하게 조정함으로써, 상술한 0.05≤|g-e|≤0.2의 관계, 0.05≤|h-f|≤0.2의 관계를 만족하도록 제어할 수 있다.

제1 교호층 및 제2 교호층을 형성한 후, 피막에 압축 잔류 응력을 부여하여도 좋다. 인성이 향상되기 때문이다. 압축 잔류 응력은, 예컨대 블라스트법, 브러시법, 배럴법, 이온주입법 등에 의해서 부여할 수 있다.

실시예

이하, 실시예를 들어 본 발명을 상세히 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.

<표면 피복 절삭 공구의 제작>

도 5에, 본 실시예에서 이용한 성막 장치(캐소드 아크 이온 플레이팅 장치)의 모식적인 측면 투시 설명도를 도시하고, 도 6에, 도 5에 도시하는 캐소드 아크 이온 플레이팅 장치의 모식적인 평면 투시 설명도를 도시한다.

(기재의 준비 및 세정)

이 성막 장치의 챔버(2) 내에 기재(12)를 준비한다. 본 실시예에서는, 기재(12)로서 등급이 ISO 규격 P30인 초경합금이며 형상이 JIS 규격의 SFKN12T3AZTN인 팁을 이용했다. 도 5에 도시한 것과 같이, 기재(12)는, 챔버(2) 내의 중앙에 비치된 회전 테이블(20) 상의 기재 홀더(21)의 외표면에 부착했다.

도 6에 도시한 것과 같이, 챔버(2)에는, 피막의 금속 원료가 되는 합금제 타겟인 제1층 형성용의 증발원(제1층을 구성하는 조성의 금속 원료로 이루어지는 합금제 증발원)(31), 제2층 형성용의 증발원(제2층을 구성하는 조성의 금속 원료로 이루어지는 합금제 증발원)(32), 제3층 형성용의 증발원(제3층을 구성하는 조성의 금속 원료로 이루어지는 합금제 증발원)(33) 및 제4층 형성용의 증발원(제4층을 구성하는 조성의 금속 원료로 이루어지는 합금제 증발원)(34)을 부착했다.

도 5에 도시한 것과 같이, 제1층 형성용의 증발원(31)에는 아크 전원(41)을 부착했다. 또한, 제2층 형성용의 증발원(32), 제3층 형성용의 증발원(33), 제4층 형성용의 증발원(34) 및 이온 충격용 증발원(30)에도 각각 아크 전원(도시하지 않음)을 부착했다.

기재 홀더(21)에는 바이어스 전원(42)을 부착했다. 챔버(2) 내에는, 분위기 가스를 도입하기 위한 가스 도입구(22)가 형성되고, 챔버(2)로부터 분위기 가스를 배출하기 위한 가스 배출구(23)가 형성되어 있기 때문에, 이 가스 배출구(23)로부터 진공 펌프에 의해서 챔버(2) 내의 분위기 가스를 흡인하여 배기할 수 있다.

우선, 도 5 및 도 6에 도시하는 성막 장치에 있어서, 진공 펌프에 의해 챔버(2) 안을 감압함과 더불어, 회전 테이블(20)을 회전시킴으로써 기재 홀더(21)의 기재(12)를 회전시켰다. 이어서, 장치 내에 설치된 히터(도시하지 않음)에 의해 기재(12)의 표면 온도를 500℃로 가열하고, 챔버(2) 내의 압력이 1.0×10^-4 Pa가 될 때까지 진공 상태로 만들었다.

이어서, 가스 도입구(22)로부터 분위기 가스로서 아르곤 가스를 도입하여, 챔버(2) 내의 압력을 3.0 Pa로 유지하고, 바이어스 전원(42)의 전압을 서서히 올리면서 -1000 V로 하고, 기재(12) 표면의 클리닝에 더하여 기재(12) 표면으로부터 결합상을 제거하는 처리를 행했다. 그 후, 챔버(2) 내에서 아르곤 가스를 배기했다.

(피막의 형성)

실시예 1~11, 13, 15~23에서는, 상기한 기재(12)의 세정에 이어서, 기재(12)를 중앙에서 회전시킨 상태에서, 반응 가스로서 질소를 도입했다. 또한, 기재(12)를 온도 500℃로, 반응 가스압을 2.0 Pa로, 바이어스 전원(42)의 전압을 -30 V~-800 V 범위의 일정치로 각각 유지하거나, 또는 각각을 서서히 변화시키면서 제1층 형성용의 증발원(31) 및 제2층 형성용의 증발원(32)에 각각 100 A의 아크 전류를 공급했다. 이에 따라, 증발원(31) 및 증발원(32)으로부터 각각 금속 이온을 발생시키고, 소정 시간이 경과한 시점에서 아크 전류의 공급을 멈춰, 기재(12)의 표면 상에 표 1에 나타내는 조성의 제1 교호층을 형성했다. 이 때 제1 교호층은, 표 1에 나타내는 조성을 갖는 제1층 및 제2층을, 표 1에 나타내는 두께 및 층 두께의 비(λ1/λ2)를 갖도록 기재(12)의 회전 속도를 조정하면서 각각 1층씩 교대로 적층함으로써 제작했다.

실시예 12, 14에서는, 반응 가스로서 질소에 더하여 메탄 가스를 도입하여, 형성되는 제1층 및 제2층이 탄질화물이 되도록 하고, 그 밖에는 상기와 같이 하여 제1 교호층을 제작했다.

특히, 제1층 및 제2층의 1층 당 두께의 비율(층 두께의 비)은, 표 1과 같이 되도록 회전 테이블(20)의 회전 속도를 제어함으로써 조정했다.

여기서, 최상층 및 최하층에 관해서는, 표 1에 나타낸 것과 같이, 실시예 1~4에 있어서 제1층 및 제2층의 혼합층으로 하고, 실시예 5~23에 있어서 제1층 또는 제2층 중 어느 것으로 했다. 비교예 1, 2, 7에 관해서는 제1 교호층에 상당하는 층으로서 TiN층을 단일층으로서 제작했다. 비교예 3~5, 8에 관해서는 제1 교호층에 상당하는 층으로서 표 1과 같은 제1층을 단일층으로서 제작했다. 비교예 6은, 후술하는 것과 같이 제2 교호층을 형성하지 않는 예이다. 비교예 9에 관해서는, 최하층 및 최상층을 제2층으로 하는 것, 층 두께의 비(λ1/λ2)를 5로 하는 것, 그리고 후술하는 제2 교호층의 조성비에 있어서 0.05≤|g-e|≤0.2의 관계 및 0.05≤|h-f|≤0.2의 관계를 어느 것도 만족하지 않는 것 이외에, 실시예 1과 같이 하여 제작했다. 이에 따라, 제2 공정을 실시했다.

또, 실시예 5~23에 있어서, 제1 교호층의 최상층 및 최하층은, 제1 교호층을 형성하는 증발원 2면 중 한쪽 1면만을 사용하여 성막함으로써 제작했다. 실시예 1~4에 있어서의 혼합층은, 회전 테이블(20)의 회전 속도를 빨리 하여, 제1층과 제2층이 혼합된 층으로서 제작했다.

이어서, 실시예 1~12, 15~23에 있어서, 기재(12)의 온도, 반응 가스압 및 바이어스 전압을 상기에서 유지한 채로, 제3층 형성용의 증발원(33) 및 제4층 형성용의 증발원(34)에 각각 100 A의 아크 전류를 공급함으로써, 증발원(33) 및 증발원(34)으로부터 각각 금속 이온을 발생시키고, 소정의 시간이 경과한 시점에서 아크 전류의 공급을 멈춰, 제1 교호층 상에 표 2에 나타내는 조성의 제2 교호층을 형성했다. 이 때 제2 교호층은, 표 2에 나타내는 조성을 갖는 제3층 및 제4층을, 표 2에 나타내는 두께(λ3, λ4) 및 층 두께의 비(λ3/λ4)를 갖도록 기재(12)의 회전 속도를 조정하면서 각각 1층씩 교대로 적층함으로써 제작했다. 실시예 13, 14에서는, 반응 가스로서 질소에 더하여 메탄 가스를 도입하여, 형성되는 제3층 및 제4층이 탄질화물이 되도록 하고, 그 밖에는 상기와 같이 하여 제2 교호층을 제작했다. 또, 제3층 및 제4층의 1층 당 두께의 비율(층 두께의 비)은, 표 2와 같이 되도록 회전 테이블(20)의 회전 속도를 제어함으로써 조정했다. 이에 따라, 제3 공정을 실시했다.

특히, 제2 교호층은, 제3층과 제4층에 사용하는 금속 원료를 다른 조성의 조합으로 함으로써, 0.05≤|g-e|≤0.2의 관계 및 0.05≤|h-f|≤0.2의 관계를 만족하도록 하여 제작했다.

비교예 1~6에 관해서는 제2 교호층을 형성하지 않았다. 비교예 7, 8에 관해서는 제2 교호층을 실시예 2와 같은 식으로 제작했다. 단 비교예 9는, 제3층 및 제4층의 조성이 표 2와 같이 되도록 했기 때문에, 0.05≤|g-e|≤0.2의 관계를 만족하지 않으며 또한 0.05≤|h-f|≤0.2의 관계도 만족하지 않았다.

(밀착층의 형성)

여기서 실시예 11~23에서는, 상기한 「(기재의 준비 및 세정)」에 따른 공정에 이어서, 표 4에 나타내는 조성 및 두께의 밀착층을 형성했다. 비교예 2에 관해서는, 밀착층에 상당하는 것으로서 TiN을 표 4에 나타내는 두께로 형성했다.

밀착층의 형성은, 상기한 「(피막의 형성)」에 따른 공정 전에, 기재(12)의 세정에 이어서, 기재(12)를 중앙에서 회전시킨 상태에서, 반응 가스로서 질소 및 메탄 가스 양쪽 또는 어느 한쪽을 도입하여 행했다. 또한, 기재(12)를 온도 500℃로, 반응 가스압을 2.0 Pa로, 바이어스 전원(42)의 전압을 -30 V~-800 V 범위의 일정치로 각각 유지하거나, 또는 각각을 서서히 변화시키면서 밀착층의 조성으로 구성되는 합금제 타겟(도시하지 않는다)에 100 A의 아크 전류를 공급했다. 이에 따라, 합금제 타겟으로부터 각각 금속 이온을 발생시키고, 소정의 시간이 경과한 시점에서 아크 전류의 공급을 멈춰, 기재(12)의 표면 상에 표 4에 나타내는 조성 및 두께를 갖는 밀착층을 형성했다.

이상과 같이 하여, 실시예 1~23 및 비교예 1~9의 표면 피복 절삭 공구를 제조했다.

<표면 피복 절삭 공구의 수명 평가>

≪연속 절삭 시험≫

상술한 것과 같이 하여 얻은 실시예 및 비교예의 표면 피복 절삭 공구에 대하여, 이하의 조건으로 연속 절삭 시험을 행하여, 플랭크면 마모 폭이 0.2 mm를 넘을 때까지 절삭한 거리(단위는 m)를 측정함으로써 공구 수명을 평가했다. 그 결과를 표 4에 나타낸다. 절삭 거리의 값이 클수록 수명이 보다 길다는 것을 나타낸다.

연속 절삭 시험 조건:

절삭재: SCM435

절삭 속도 v(m/min): 250

이송 속도 f(mm/날): 0.3

절삭 깊이 ap(mm): 2.0

반경 방향의 절삭 깊이 as(mm): 50.

≪단속 절삭 시험≫

또한, 실시예 및 비교예의 표면 피복 절삭 공구에 대하여 이하의 조건으로 건식의 단속 절삭 시험을 행하여, 날이 결손될 때까지 절삭한 거리(단위는 m)를 측정함으로써 공구 수명을 평가했다. 그 결과를 표 4에 나타낸다. 절삭 거리의 값이 클수록 수명이 보다 길다는 것을 나타낸다.

건식의 단속 절삭 시험 조건:

절삭재: SUS316

절삭 속도 v(m/min): 200

이송 속도 f(mm/날): 0.2

절삭 깊이 ap(mm): 2

반경 방향의 절삭 깊이 as(mm): 50.

≪평가 결과≫

표 4에 나타낸 것과 같이, 각 실시예에 따른 표면 피복 절삭 공구는, 각 비교예의 표면 피복 절삭 공구와 비교하여 공구 수명이 향상되었음이 분명하다. 그 이유는, 제1층 및 제2층으로 이루어지는 제1 교호층에 의해 내마모성이 향상되고, 제3층 및 제4층으로 이루어지는 제2 교호층에 의해 내치핑성이 향상됨에 의한 것이라고 생각된다. 따라서, 실시예에 따른 표면 피복 절삭 공구는 각각 우수한 내치핑성 및 내마모성을 보이고, 가혹한 절삭 조건에 견뎌, 우수한 날의 품위를 얻을 수 있다.

특히, 제2층~제4층을 구성하는 Al의 원자수비가 소정의 관계에 있는 것, 제2층~제4층을 구성하는 Ti의 원자수비가 소정의 관계에 있는 것, 제1 교호층의 최하층이 제1층 또는 제2층인 것, 제1 교호층의 최상층이 제2층인 것, λ1/λ2, λ3/λ4가 소정의 범위에 있는 것 등에 의해, 공구 수명이 향상되는 경향은, 보다 강하게 인정되었다. 또한, 소정 조성의 밀착층을 갖춤으로써 더욱 공구 수명은 향상되었다.

이상과 같이 본 발명의 실시형태 및 실시예에 관해서 설명했지만, 상술한 실시형태 및 실시예의 구성을 적절하게 조합하거나 다양하게 변형하거나 하는 것도 당초부터 예정하고 있다.

이번에 개시된 실시형태 및 실시예는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 청구범위에 의해서 나타내어지며, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

1: 표면 피복 절삭 공구, 11: 피막, 111: 밀착층, 112: 제1 교호층, 113: 제2 교호층, 12: 기재, 2: 챔버, 20: 회전 테이블, 21: 기재 홀더, 22: 가스 도입구, 23: 가스 배출구, 30: 이온 충격용 증발원, 31: 증발원, 32: 증발원, 33: 증발원, 34: 증발원, 41: 아크 전원, 42: 바이어스 전원.

Claims

기재와 이 기재의 표면에 형성된 피막을 구비하는 표면 피복 절삭 공구로서,
상기 피막은 제1 교호층과 이 제1 교호층 상에 형성된 제2 교호층을 포함하고,
상기 제1 교호층은 제1층과 제2층을 포함하고,
상기 제2 교호층은 제3층과 제4층을 포함하고,
상기 제1층과 상기 제2층은 교대로 각각 1층 이상 적층되고,
상기 제3층과 상기 제4층은 교대로 각각 1층 이상 적층되고,
상기 제1층은 Al_aCr_bM1_1-a-b의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지며, 상기 제1층을 구성하는 각 금속 원자의 원자수비는 0.5≤a≤0.9, 0<b≤0.4 및 0≤1-a-b≤0.1의 관계를 만족하고,
상기 제2층은 Al_cTi_dM2_1-c-d의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지며, 상기 제2층을 구성하는 각 금속 원자의 원자수비는 0.35≤c≤0.7, 0.3≤d≤0.7 및 0≤1-c-d≤0.1의 관계를 만족하고,
상기 제3층은 Al_eTi_fM3_1-e-f의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지며, 상기 제3층을 구성하는 각 금속 원자의 원자수비는 0.35≤e≤0.7, 0.3≤f≤0.7 및 0≤1-e-f≤0.1의 관계를 만족하고,
상기 제4층은 Al_gTi_hM4_1-g-h의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지며, 상기 제4층을 구성하는 각 금속 원자의 원자수비는 0.35≤g≤0.7, 0.3≤h≤0.7 및 0≤1-g-h≤0.1의 관계를 만족하고,
상기 제3층을 구성하는 Al의 원자수비 e 및 상기 제4층을 구성하는 Al의 원자수비 g는 0.05≤|g-e|≤0.2의 관계를 만족하고,
상기 제3층을 구성하는 Ti의 원자수비 f 및 상기 제4층을 구성하는 Ti의 원자수비 h는 0.05≤|h-f|≤0.2의 관계를 만족하고,
상기 M1, 상기 M2, 상기 M3 및 상기 M4는 각각 독립적으로 Cr, Ti를 제외한 주기표의 제4족 원소, 제5족 원소, 제6족 원소, Si 및 B로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소인 표면 피복 절삭 공구.
제1항에 있어서, 상기 제2층을 구성하는 Al의 원자수비 c, 상기 제3층을 구성하는 Al의 원자수비 e 및 상기 제4층을 구성하는 Al의 원자수비 g는 e≤c≤g의 관계를 만족하고,
상기 제2층을 구성하는 Ti의 원자수비 d, 상기 제3층을 구성하는 Ti의 원자수비 f 및 상기 제4층을 구성하는 Ti의 원자수비 h는 h≤d≤f의 관계를 만족하는 표면 피복 절삭 공구.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 교호층은 최상층이 상기 제2층인 표면 피복 절삭 공구.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 교호층은 최하층이 상기 제1층 또는 상기 제2층인 표면 피복 절삭 공구.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1층의 두께 λ1 및 상기 제2층의 두께 λ2는 각각 0.005 ㎛ 이상 2 ㎛ 이하이고,
상기 제1층과 상기 제2층의 두께의 비인 λ1/λ2는 1≤λ1/λ2≤5의 관계를 만족하는 표면 피복 절삭 공구.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제3층의 두께 λ3 및 상기 제4층의 두께 λ4는 각각 0.005 ㎛ 이상 2 ㎛ 이하이고,
상기 제3층과 상기 제4층의 두께의 비인 λ3/λ4는 1≤λ3/λ4≤5의 관계를 만족하는 표면 피복 절삭 공구.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피막은 전체의 두께가 0.5 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하인 표면 피복 절삭 공구.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피막은 상기 제1 교호층보다도 상기 기재 측에 밀착층을 포함하고,
상기 밀착층은 두께가 0.5 nm 이상 20 nm 이하이고,
상기 밀착층은, 상기 기재를 구성하는 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소와, 제1 원소와, 제2 원소를 포함하는 탄화물, 질화물 또는 탄질화물이고,
상기 제1 원소는 Cr, Ti, Zr 및 Nb를 제외한 주기표의 제4족 원소, 제5족 원소, 제6족 원소, Al, Si 및 B로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이고,
상기 제2 원소는 Cr, Ti, Zr 및 Nb로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이고,
상기 기재를 구성하는 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소는 적어도 W를 포함하고, 상기 W가 상기 밀착층에 확산되어 있는 표면 피복 절삭 공구.
제8항에 있어서, 상기 기재는, WC을 포함하는 경질 입자와, 이 경질 입자끼리를 결합하는 결합상을 포함하고,
상기 결합상은 Co를 포함하고,
상기 밀착층은 W, Cr, Ti, Al 및 M5를 포함하는 탄화물, 질화물 또는 탄질화물이고,
상기 M5는 W, Cr, Ti를 제외한 주기표의 제4족 원소, 제5족 원소, 제6족 원소, Si 및 B로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소인 표면 피복 절삭 공구.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 교호층 및 상기 제2 교호층은 결정 구조가 입방정인 표면 피복 절삭 공구.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재한 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법으로서,
상기 기재를 준비하는 제1 공정과,
상기 제1층과 상기 제2층을 물리적 증착법을 이용하여 교대로 각각 1층 이상 적층함으로써 상기 제1 교호층을 형성하는 제2 공정과,
상기 제1 교호층 상에 상기 제3층과 상기 제4층을 물리적 증착법을 이용하여 교대로 각각 1층 이상 적층함으로써 상기 제2 교호층을 형성하는 제3 공정을 포함하는 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법.
제11항에 있어서, 상기 물리적 증착법은, 캐소드 아크 이온 플레이팅법, 밸런스드 마그네트론 스퍼터링법 및 언밸런스드 마그네트론 스퍼터링법으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종인 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법.