KR20190028503A

KR20190028503A - 표면 피복 절삭 공구 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20190028503A
Application number: KR1020197004212A
Authority: KR
Inventors: 히데아키 가나오카; 신야 이마무라; 아농색 파수트; 사토시 오노; 고우헤이 요시무라
Original assignee: 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤
Priority date: 2016-08-25
Filing date: 2017-04-25
Publication date: 2019-03-18
Also published as: WO2018037623A1; US11014169B2; JP6728551B2; CN109641283A; US20190210116A1; KR102202521B1; EP3505278B8; JP2018030207A; EP3505278A4; CN109641283B; EP3505278B1; EP3505278A1

Abstract

표면 피복 절삭 공구는, 경사면과 여유면을 가지고, 기재와 이 기재 상에 형성된 피막을 구비하고, 상기 기재는 초경합금 또는 서멧이고, 상기 피막은 복수의 산화알루미늄의 결정립을 포함하는 산화알루미늄층을 포함하고, 상기 산화알루미늄층은, 상기 경사면 상의 A 영역과 상기 여유면 상의 B 영역으로 이루어지는 제1 영역과, 상기 경사면에 있어서 상기 A 영역을 제외한 영역인 제2 영역과, 상기 여유면에 있어서 상기 B 영역을 제외한 영역인 제3 영역을 포함하고, 상기 산화알루미늄층은, 배향성 지수 TC(hkl)에 있어서 TC(110)의 상기 제1 영역에 있어서의 평균치가 a이고, 상기 TC(110)의 상기 제2 영역 또는 상기 제3 영역에 있어서의 평균치가 b일 때, b-a>0.5의 관계를 만족한다.

Description

표면 피복 절삭 공구 및 그 제조 방법

본 발명은 표면 피복 절삭 공구 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 출원은 2016년 8월 25일에 출원한 일본 특허 출원인 특원 2016-164782호에 기초한 우선권을 주장한다. 이 일본 특허 출원에 기재된 모든 기재 내용은 참조에 의해서 본 명세서에 원용된다.

종래부터 Al₂O₃의 결정 배향성을 변화시킴으로써 피막의 막질 개량을 도모하는 기술 등, 표면 피복 절삭 공구의 성능 향상을 목적으로 한 다양한 기술이 제안되어 있다. 예컨대 일본 특허 제5904389호 공보(특허문헌 1)에서는, 기재 상의 피막에 관해서, 그 날끝에 가까운 부분의 배향성 지수 TC(hkl)에 있어서, TC(006)를 다른 부분보다도 낮게 함으로써, 열전도율을 유지하면서 날끝의 돌발적인 치핑을 억제할 수 있는 표면 피복 절삭 공구가 제안되어 있다.

일본 특허공개 2012-213853호 공보(특허문헌 2)에서는, 기재 상에 피복층을 형성한 후, 이 피복층에 표면 처리를 실시하고, X선 회절법에 의한 회절 강도 비율 I(012)/I(024)을 제어함으로써, 내마모성과 인성을 높인 피복 절삭 공구 인서트가 제안되어 있다.

특허문헌 1: 일본 특허 제5904389호 공보 특허문헌 2: 일본 특허공개 2012-213853호 공보

본 개시의 일 양태에 따른 표면 피복 절삭 공구는, 경사면(rake face)과 여유면(flank face)을 갖는 표면 피복 절삭 공구로서, 기재와 이 기재 상에 형성된 피막을 구비하고, 상기 기재는 초경합금 또는 서멧이고, 상기 피막은 복수의 산화알루미늄의 결정립을 포함하는 산화알루미늄층을 포함하고, 상기 산화알루미늄층은, 상기 경사면 상의 A 영역과 상기 여유면 상의 B 영역으로 이루어지는 제1 영역과, 상기 경사면에 있어서 상기 A 영역을 제외한 영역인 제2 영역과, 상기 여유면에 있어서 상기 B 영역을 제외한 영역인 제3 영역을 포함하고, 상기 A 영역은, 상기 경사면과 상기 여유면을 가상적으로 연장시켰을 때에 이들이 교차하여 형성되는 선을 날끝 능선으로 했을 때, 상기 경사면에 있어서 상기 날끝 능선을 따라서 상기 날끝 능선으로부터 1 mm 떨어진 지점을 지나는 가상선과 상기 날끝 능선 사이에 있는 영역이고, 상기 B 영역은, 상기 여유면에 있어서 상기 날끝 능선을 따라서 상기 날끝 능선으로부터 1 mm 떨어진 지점을 지나는 가상선과 상기 날끝 능선 사이에 있는 영역이고, 상기 산화알루미늄층은, 배향성 지수 TC(hkl)에 있어서 TC(110)의 상기 제1 영역에 있어서의 평균치가 a이고, 상기 TC(110)의 상기 제2 영역 또는 상기 제3 영역에 있어서의 평균치가 b일 때, b-a>0.5의 관계를 만족한다.

더욱이, 본 개시의 일 양태에 따른 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법은, 상기 표면 피복 절삭 공구를 제조하는 방법으로서, 상기 기재 상에 상기 피막을 형성하는 공정과, 상기 피막에 있어서 상기 제1 영역에 대응하는 부분에 표면 처리를 행하는 공정을 포함한다.

도 1은 X선 회절법을 이용하여 TC(hkl)를 산출하기 위해서 X선이 조사되는 표면 피복 절삭 공구 상의 5 곳의 측정점을 모식적으로 도시하는 설명도이다.
도 2는 기재의 일 양태를 예시하는 사시도이다.
도 3은 도 2의 X-X선 화살 표시 단면도이다.
도 4는 도 3의 부분 확대도이다.
도 5는 표면 처리가 이루어질 때에 피막의 제1 영역에 대응하는 부분에 블라스트가 투사되는 방향(각도)을 모식적으로 도시하는 설명도이다.

[본 개시가 해결하고자 하는 과제]

그러나, 상기 특허문헌 1의 표면 피복 절삭 공구는, 기재와 피막의 밀착력, 즉 절삭 중인 피막의 박리를 방지하는 성능 등에 있어서 개선의 여지가 있었다. 상기 특허문헌 2의 절삭 공구는 내치핑성이 불충분했다.

이상의 점에 감안하여, 본 개시는, 박리, 치핑 등을 포함한 피막의 결손에 대한 저항성(이하 「내결손성」이라고도 기재한다)을 높인 표면 피복 절삭 공구 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

[본 개시의 효과]

상기한 바에 따르면, 박리, 치핑 등을 포함한 피막의 결손에 대한 저항성을 높인 표면 피복 절삭 공구가 제공된다.

[본 발명의 실시형태의 설명]

처음에 본 발명의 실시양태를 열기하여 설명한다.

[1] 본 개시의 일 양태에 따른 표면 피복 절삭 공구는, 경사면과 여유면을 갖는 표면 피복 절삭 공구로서, 기재와 이 기재 상에 형성된 피막을 구비하고, 상기 기재는 초경합금 또는 서멧이고, 상기 피막은 복수의 산화알루미늄의 결정립을 포함하는 산화알루미늄층을 포함하고, 상기 산화알루미늄층은, 상기 경사면 상의 A 영역과 상기 여유면 상의 B 영역으로 이루어지는 제1 영역과, 상기 경사면에 있어서 상기 A 영역을 제외한 영역인 제2 영역과, 상기 여유면에 있어서 상기 B 영역을 제외한 영역인 제3 영역을 포함하고, 상기 A 영역은, 상기 경사면과 상기 여유면을 가상적으로 연장시켰을 때에 이들이 교차하여 형성되는 선을 날끝 능선으로 했을 때, 상기 경사면에 있어서 상기 날끝 능선을 따라서 상기 날끝 능선으로부터 1 mm 떨어진 지점을 지나는 가상선과 상기 날끝 능선 사이에 있는 영역이고, 상기 B 영역은, 상기 여유면에 있어서 상기 날끝 능선을 따라서 상기 날끝 능선으로부터 1 mm 떨어진 지점을 지나는 가상선과 상기 날끝 능선 사이에 있는 영역이고, 상기 산화알루미늄층은, 배향성 지수 TC(hkl)에 있어서 TC(110)의 상기 제1 영역에 있어서의 평균치가 a이고, 상기 TC(110)의 상기 제2 영역 또는 상기 제3 영역에 있어서의 평균치가 b일 때, b-a>0.5의 관계를 만족한다. 이러한 구성에 의해, 표면 피복 절삭 공구는 박리, 치핑 등을 포함한 피막의 결손에 대한 저항성을 높일 수 있다.

[2] 상기 a는 2<a의 관계를 만족하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 박리, 치핑 등을 포함한 피막의 결손에 대한 저항성을 보다 높일 수 있다.

[3] 상기 산화알루미늄층은 α-Al₂O₃의 결정립을 주성분으로 하는 α-Al₂O₃층인 것이 바람직하다. 이에 따라, 박리, 치핑 등을 포함한 피막의 결손에 대한 저항성을 높일 수 있다.

[4] 상기 기재는 표면을 가지고, 상기 표면은, 상기 경사면과, 상기 여유면과, 상기 경사면 및 상기 여유면을 잇는 날끝면을 포함하고, 상기 기재는, 상기 날끝면으로부터 0.4 ㎛의 깊이 위치에 있어서 1 원자% 이하의 산소 농도를 갖는 것이 바람직하다. 이에 따라 기재와 피막의 밀착성을 향상시킬 수 있다.

[5] 상기 기재는, 상기 날끝면으로부터 0.2 ㎛의 깊이 위치에 있어서 10 원자% 이하의 산소 농도를 갖는 것이 바람직하다. 이에 따라 기재와 피막의 밀착성을 보다 향상시킬 수 있다.

[6] 상기 날끝면은 0.07 이하의 변형률을 갖는 것이 바람직하다. 이에 따라, 기재와 피막의 밀착성을 향상시킬 수 있다.

[7] 상기 초경합금은, 코발트가 5∼7 질량%이고, 제1 금속의 탄화물이 0.01∼3 질량%이며, 또한 탄화텅스텐 및 불가피 불순물이 잔부인 조성을 가지고, 상기 서멧은, 코발트 또는 니켈이 5∼25 질량%이고, 탄화텅스텐이 5∼40 질량%이며, 또한 제1 금속의 탄화물, 질화물, 탄질화물에서 선택되는 적어도 어느 하나 및 불가피 불순물이 잔부인 조성을 가지고, 상기 제1 금속은, 주기표의 제4족 원소, 제5족 원소 및 제6족 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 금속인 것이 바람직하다. 이에 따라, 고온에 있어서의 경도와 강도의 밸런스가 우수한 초경합금 또는 서멧을 소재로 한 기재를 구비할 수 있다.

[8] 상기 피막은, 주기표의 제4족 원소, 제5족 원소, 제6족 원소, 알루미늄 및 규소로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 제1 원소와, 붕소, 탄소, 질소 및 산소로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 제2 원소로 구성되는 화합물층을 추가로 포함하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 피막의 막질 개량을 행할 수 있다.

[9] 상기 피막은 화학 증착막인 것이 바람직하다. 이에 의해서도 기재와 피막의 밀착성을 향상시킬 수 있다.

[10] 본 개시의 일 양태에 따른 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법은, 상기 표면 피복 절삭 공구를 제조하는 방법으로서, 상기 기재 상에 상기 피막을 형성하는 공정과, 상기 피막에 있어서 상기 제1 영역에 대응하는 부분에 표면 처리를 행하는 공정을 포함한다. 이에 따라, 박리, 치핑 등을 포함한 피막의 결손에 대한 저항성을 높인 표면 피복 절삭 공구를 제조할 수 있다.

[11] 상기 표면 처리는 브러시 처리 또는 블라스트 처리를 적어도 포함하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 박리, 치핑 등을 포함한 피막의 결손에 대한 저항성을 보다 향상시킨 표면 피복 절삭 공구를 제조할 수 있다.

[12] 상기 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법은, 기재 전구체를 준비하는 공정과, 상기 기재 전구체의 표면에 기계 가공 처리를 실시하여 기재를 제작하는 공정을 포함하고, 상기 기계 가공 처리는, 습식 연삭 처리와 건식 연삭 처리가 교대로 반복되는 제1 연삭 처리, 저이송-저절입의 습식 연삭 처리가 실시되는 제2 연삭 처리, 또는 건식 연삭 처리가 실시되는 제3 연삭 처리 중 어느 것인 것이 바람직하다. 이에 따라, 박리, 치핑 등을 포함한 피막의 결손에 대한 저항성을 가장 향상시킨 표면 피복 절삭 공구를 제조할 수 있다.

[본 발명의 실시형태의 상세]

이하, 본 발명의 실시형태(이하 「본 실시형태」라고도 기재한다)에 관해서 더욱 상세히 설명한다. 이하의 실시형태의 설명에 이용되는 도면에 있어서 동일한 참조 부호는 동일한 부분 또는 상당하는 부분을 나타낸다.

여기서, 본 명세서에 있어서 「A∼B」라고 하는 형식의 표기는, 범위의 상한 하한(즉 A 이상 B 이하)을 의미하고, A에 있어서 단위의 기재가 없고, B에 있어서만 단위가 기재되어 있는 경우, A의 단위와 B의 단위는 같다. 또한 본 명세서에 있어서 화합물 등을 화학식으로 나타내는 경우, 원자비를 특별히 한정하지 않을 때는 종래 공지된 모든 원자비를 포함하는 것으로 하고, 반드시 화학양론적 범위인 것에만 한정되어야 하는 것은 아니다. 예컨대 「TiAlN」라고 기재되어 있는 경우, TiAlN을 구성하는 원자수의 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), 탄소(C) 등의 비금속 원소는, 반드시 화학양론적인 조성을 구성하고 있을 필요가 없다.

≪표면 피복 절삭 공구≫

본 실시형태에 따른 표면 피복 절삭 공구는 경사면과 여유면을 갖고 있다. 표면 피복 절삭 공구에 있어서 경사면이란, 절삭 가공 시에 있어서 주로 피삭재의 절삭 부스러기와 접하는 면을 말한다. 예컨대 도 1의 설명도에 있어서, 표면 피복 절삭 공구의 상면 및 바닥면이 경사면이 된다. 여유면이란, 주로 가공면(피삭재를 절삭함으로써 새롭게 형성되는 면)에 대향하는 면을 말한다. 예컨대 도 1의 설명도에 있어서, 표면 피복 절삭 공구의 측면이 여유면으로 된다. 본 실시형태에 있어서 경사면 및 여유면의 경계는, 후술하는 표면 처리가 이루어지고, 공구 날끝부가 형성된다. 이 공구 날끝부는, 표면 피복 절삭 공구에 있어서 통상 절삭날(이하, 단순히 「날끝」이라고 기재하는 경우도 있다)이 되는 부분이다.

공구 날끝부의 형상은, 샤프 엣지(경사면과 여유면이 교차하는 능(稜)), 호닝(샤프 엣지에 대하여 라운딩을 부여한 것), 네거티브 랜드(모따기를 한 것), 호닝과 네거티브 랜드를 조합한 것 등, 어느 형상이라도 좋다. 공구 날끝부는, 표면 처리되어 호닝 형상으로 되는 경우, 원호면을 갖게 된다. 공구 날끝부는, 표면 처리되어 네거티브 랜드의 형상으로 되는 경우, 모따기면을 갖게 된다. 공구 날끝부는, 표면 처리되어 샤프 엣지의 형상으로 되는 경우, 경사면 및 여유면의 경계로서의 능선을 갖게 된다.

여기서 본 명세서에서는, 후술하는 제1 영역의 범위(A 영역 및 B 영역) 등을 결정하기 위해서, 표면 피복 절삭 공구의 경사면과 여유면을 가상적으로 연장시켰을 때에 이들이 교차하여 형성되는 선(이하 「날끝 능선」이라고도 기재한다)이 필요하게 된다. 이 선은, 표면 처리되어 샤프 엣지의 형상으로 되는 경우의 능선에 해당되지만, 표면 처리되어 호닝 또는 네거티브 랜드의 형상으로 되는 경우, 공구 날끝부로 치환되기 때문에 존재하지 않는다. 그러나, 이들의 경우에도, 후술하는 제1 영역의 범위(A 영역 및 B 영역) 등을 결정하기 위해서, 표면 피복 절삭 공구에 가상의 날끝 능선이 있다고 간주하여 이후 설명한다.

표면 피복 절삭 공구는 기재와 이 기재 상에 형성된 피막을 구비한다. 피막은 기재의 전면을 피복하는 것이 바람직하다. 그러나, 기재의 일부가 이 피막으로 피복되거나 피막의 구성이 부분적으로 달랐다고 해도 본 발명의 범위를 일탈하는 것은 아니다.

표면 피복 절삭 공구는, 드릴, 엔드밀, 드릴용 날끝 교환형 절삭 칩, 엔드밀용 날끝 교환형 절삭 칩, 밀링 가공용 날끝 교환형 절삭 칩, 선삭 가공용 날끝 교환형 절삭 칩, 메탈 소오, 기어 컷팅 공구, 리머, 탭 등의 절삭 공구로서 적합하게 사용할 수 있다. 표면 피복 절삭 공구가 날끝 교환형 절삭 칩인 경우, 기재는 칩 브레이커를 갖는 것도 갖지 않는 것도 포함된다.

<피막>

피막은 복수의 산화알루미늄(이하 「Al₂O₃」이라고 기재하는 경우도 있다)의 결정립(다결정)을 포함하는 산화알루미늄층을 포함한다.

본 실시형태에 있어서 산화알루미늄층은, 그 일부로서 적어도 Al₂O₃을 포함하고 있는 것(50 질량% 이상 포함되어 있으면 Al₂O₃층이라고 간주한다)을 의미하고, ZrO₂, Y₂O₃(Al₂O₃에 Zr 또는 Y가 첨가되었다고 볼 수도 있다) 등을 포함할 수 있다. 또한, 염소, 탄소, 붕소, 질소 등의 불순물을 포함하고 있어도 좋다. 한편, Al₂O₃층은 불순물을 제외하는 조성 모두가 Al₂O₃인 경우도 포함된다. Al₂O₃층에 포함되는 Al₂O₃의 결정 구조는 특별히 한정되어야 하는 것은 아니며, 예컨대 α-Al₂O₃(결정 구조가 α형인 산화알루미늄), κ-Al₂O₃(결정 구조가 κ형인 산화알루미늄), γ-Al₂O₃(결정 구조가 γ형인 산화알루미늄) 및 아모르퍼스 상태의 Al₂O₃이 포함되고, 이들이 혼재된 상태도 포함된다. 이하, 산화알루미늄층이 α-Al₂O₃의 결정립을 주성분으로 하는 α-Al₂O₃층인 경우를 예시하여 설명한다.

「α-Al₂O₃의 결정립을 주성분으로 한다」란, 산화알루미늄층을 구성하는 Al₂O₃의 결정립 중, α-Al₂O₃의 결정립이 90 질량% 이상을 차지하는 것을 의미한다. 바람직하게는 「α-Al₂O₃의 결정립을 주성분으로 한다」란, 불가피하게 γ-Al₂O₃ 및 κ-Al₂O₃의 적어도 하나 이상의 결정립이 혼입되는 경우를 제외하고, α-Al₂O₃의 결정립으로 α-Al₂O₃층이 구성되는 것을 의미한다.

산화알루미늄층을 구성하는 Al₂O₃의 결정립 중, α-Al₂O₃의 결정립이 차지하는 비율은 X선 회절 장치에 의해 회절 피크를 해석함으로써 측정할 수 있다.

(제1 영역, 제2 영역 및 제3 영역)

α-Al₂O₃층(산화알루미늄층)은, 경사면 상의 A 영역과, 여유면 상의 B 영역으로 이루어지는 제1 영역을 포함한다. 또한, 경사면에 있어서 A 영역을 제외한 영역인 제2 영역을 포함한다. α-Al₂O₃층은, 여유면에 있어서 B 영역을 제외한 영역인 제3 영역도 포함한다. 여기서 A 영역은, 경사면과 여유면을 가상적으로 연장시켰을 때에 이들이 교차하여 형성되는 날끝 능선으로 했을 때, 경사면에 있어서, 날끝 능선을 따라서 날끝 능선으로부터 1 mm 떨어진 지점을 지나는 가상선과 날끝 능선 사이에 있는 영역이다. B 영역은, 여유면에 있어서, 날끝 능선을 따라서 날끝 능선으로부터 1 mm 떨어진 지점을 지나는 가상선과 날끝 능선 사이에 있는 영역이다. 따라서, 제1 영역에는, 날끝 능선을 포함하는 것으로 하여, 날끝 능선의 교점(이하 「코너」라고도 기재한다), 상기 가상선의 교점 및 날끝 능선과 가상선이 교차하는 교점도 포함되는 것으로 한다. 제2 영역 및 제3 영역에 날끝 능선은 포함되지 않는다.

(제1 영역 및 제2 영역에 있어서의 TC(110))

α-Al₂O₃층(산화알루미늄층)은, 배향성 지수 TC(hkl)에 있어서 TC(110)의 제1 영역에 있어서의 평균치가 a이고, TC(110)의 제2 영역에 있어서의 평균치가 b일 때, b-a>0.5의 관계를 만족한다. 이에 따라, α-Al₂O₃층에 있어서의 높은 (110) 배향에 기초한 내마모성을 유지하면서 날끝 부분만 (110) 배향의 높이를 비교적 낮게 제어함으로써, 날끝의 돌발적인 치핑을 억제할 수 있다.

(제3 영역에 있어서의 TC(110))

제2 영역은 경사면에 형성되는데, 이 경사면의 표면에 요철이 존재하여 배향성 지수 TC(hkl)를 측정하기가 곤란한 케이스가 있을 수 있다. 이 경우라도, α-Al₂O₃층(산화알루미늄층)은, TC(110)의 제3 영역에 있어서의 평균치를 b로 했을 때, TC(110)의 제1 영역에 있어서의 평균치인 a에 대하여, b-a>0.5의 관계를 만족한다. 이에 따라, α-Al₂O₃층에 있어서의 높은 (110) 배향에 기초한 내마모성을 유지하면서 날끝 부분만 (110) 배향의 높이를 비교적 낮게 제어함으로써, 날끝의 돌발적인 치핑을 억제할 수 있다.

여기서 α-Al₂O₃층에 있어서의 「(110) 배향」이란, 후술하는 X선 회절 장치를 이용한 분석에 의해 얻어지는 α-Al₂O₃층의 회절 프로파일에 있어서, 각 (hkl) 반사면(본 실시형태에 있어서 후술하는 8개의 반사면)의 배향성 지수 TC(hkl)를 비교했을 때, 가장 높은 수치를 보이는 반사면이 (110)면임을 의미한다. 배향성 지수 TC(hkl)는 하기 식(1)과 같이 규정할 수 있다.

식(1) 중, I(hkl)은 (hkl) 반사면의 X선 회절 강도를 나타내고, I₀(hkl)은 ICDD의 PDF 카드 No. 00-042-1468에 의한 표준 강도를 나타낸다. 또한 식(1) 중의 n은 계산에 사용한 반사수를 나타낸다. (hkl) 반사로서 (012), (104), (110), (006), (113), (024), (116) 및 (300)을 사용한다. 따라서, 본 실시형태에 있어서 n은 8이다.

ICDD(등록상표)란, International Centre for Diffraction Data(국제회절데이터센터)의 약칭이다. PDF(등록상표)란, Powder Diffraction File의 약칭이다.

따라서, α-Al₂O₃층에 있어서의 제1 영역과 제2 영역 또는 제3 영역과의 임의 부위에서 측정한 지점의 TC(110)는 하기 식(2)으로 나타낼 수 있다.

이상과 같은 TC(hkl)의 측정은 X선 회절 장치를 이용한 분석에 의해 가능하게 된다. TC(hkl)는, 예컨대 X선 회절 장치(상품명: 「SmartLab(등록상표) 3」, 가부시키가이샤리가크 제조)를 이용하여 다음과 같은 조건으로 측정할 수 있다.

특성 X선 : Cu-Kα

관 전압: 45 kV

관 전류: 200 mA

X선 회절법: θ-2θ법

X선 조사 범위: 핀홀 콜리메이터를 사용하여, 직경 0.3 mm 정도의 범위에 X선을 조사.

본 실시형태에 있어서, TC(110)의 측정은 예컨대 표면 피복 절삭 공구의 경사면에 있어서 행한다. 표면 피복 절삭 공구의 경사면에서 측정하는 한, TC(110)을 측정하기 위한 측정점을, 제1 영역(A 영역) 내의 서로 겹치지 않는 임의의 부위에 복수 설정할 수 있고, 마찬가지로 제2 영역 내의 서로 겹치지 않는 임의의 부위에 복수 설정할 수 있다. 이들 복수의 측정점에 대하여 각각 X선을 조사하여 TC(110)를 얻음으로써, 그 평균치로서 a 및 b의 값을 산출할 수 있다.

TC(110)의 측정은, 경사면에 요철이 존재하여 배향성 지수 TC(hkl)를 측정하기가 곤란할 때, 표면 피복 절삭 공구의 여유면에서 행하여도 좋다. 이 경우도, TC(110)를 측정하기 위한 측정점을, 여유면에 있어서의 제1 영역(B 영역) 내의 서로 겹치지 않는 임의의 부위에 복수 설정할 수 있고, 마찬가지로 제3 영역 내의 서로 겹치지 않는 임의의 부위에 복수 설정할 수 있다. 이들 복수의 측정점에 대하여 각각 X선을 조사하여 TC(110)를 얻음으로써, 그 평균치로서 a 및 b의 값을 산출할 수 있다.

측정점은, 제1 영역 상, 제2 영역 상 및 제3 영역 상에 있어서, 각각 평탄한 부분을 선택하여 설정하는 것이 바람직하다. 측정점은, 상술한 것과 같이 서로 겹치지 않는 2점 이상으로 하는 것이 바람직하지만, 제1 영역 상, 제2 영역 상 및 제3 영역 상에 설정하고자 하면 반드시 겹쳐 버리는 경우, 1점만으로 할 수 있다. 측정점에서의 TC(110)가 분명한 이상치(異常値)를 보인 경우, 이상치는 제외되어야 한다.

본 실시형태에서는, 예컨대 도 1에 도시한 것과 같이, 경사면과 여유면을 연장시킴으로써 형성되는 4개의 꼭지각 중 예각(θ=80°)의 각(100)과 각(200)을 연결한 대각선을 따라서, 각(100)(2 라인의 날끝 능선의 교점인 코너)으로부터 0.7 mm 간격으로 측정점(제1 측정점(1), 제2 측정점(2), 제3 측정점(3), 제4 측정점(4), 제5 측정점(5))을 설정할 수 있다. 이들 측정점에 대하여, 상기 조건으로 X선을 조사함으로써 α-Al₂O₃층에 있어서의 X선 회절(XRD: X-Ray Diffraction)로부터 얻어지는 데이터(이하 「회절 프로파일」이라고도 기재한다)를 얻는다. 이에 따라, 이 α-Al₂O₃층에 있어서의 회절 프로파일에 기초하여 TC(110)를 산출할 수 있다.

제1 영역은, 경사면 상의 날끝 능선을 따라서 날끝 능선으로부터 1 mm 떨어진 지점을 지나는 가상선과 날끝 능선 사이에 있는 영역(A 영역)과, 여유면 상의 날끝 능선을 따라서 날끝 능선으로부터 1 mm 떨어진 지점을 지나는 가상선과 날끝 능선 사이에 있는 영역(B 영역)으로 이루어진다. 또한, 날끝 능선 자체도 제1 영역에 포함되는 것으로 한다. 이 때문에, 도 1에 기초하면, 예각(θ=80°)인 각(100)과 각(200)을 연결한 대각선을 따라서 코너에서부터 0.7 mm 간격으로 설정된 제1 측정점(1) 및 제2 측정점(2)이 제1 영역에 포함되고, 이들 측정점에 있어서 얻어진 TC(110)의 평균치가 a의 값이 된다.

제2 영역은, 상술한 것과 같이 경사면에 있어서 상기 A 영역이 되는 영역을 제외한 영역이다. 이 때문에, 상기 대각선을 따라서 0.7 mm 간격으로 제1 측정점(1) 및 제2 측정점(2)에 이어서 설정된 제3 측정점(3), 제4 측정점(4) 및 제5 측정점(5)이 제2 영역에 포함되고, 이들 측정점에 있어서 얻어진 TC(110)의 평균치가 b의 값이 된다. 이 a, b에 기초하여 b-a를 산출하면, 본 실시형태에 있어서 그 값은 0.5를 넘는다. b-a의 상한치는, 상기 식(1)의 정의로부터 TC(110)의 상한치가 8이 되기 때문에, b-a<8의 관계가 성립한다.

도 1에 있어서, 표면 피복 절삭 공구의 코너에서 중심으로 향하는 대각선 상에 측정점을 설정했지만, 본 실시형태는 이것에 한정되어야 하는 것은 아니다. 예컨대 제1 영역, 제2 영역 및 제3 영역의 각 영역 중에서, 복수의 측정점을 최대한 분산시켜 설정할 수 있으며, 이들에 있어서 TC(110)를 측정할 수 있다.

예컨대, 제1 영역의 측정점으로서, 날끝 능선과, 날끝 능선을 따라서 날끝 능선으로부터 1 mm 떨어진 지점을 지나는 가상선과의 중간선 상에 1점 또는 2점 이상 설정할 수 있다. 제2 영역의 측정점으로서, 제1 영역과의 경계선(경사면 상의 날끝 능선을 따라서 날끝 능선으로부터 1 mm 떨어진 지점을 지나는 가상선)에서 제2 영역 측으로 1 mm 떨어진 선 상에 1점 또는 2점 이상 설정할 수 있다. 또한 제3 영역의 측정점으로서, 제1 영역과의 경계선(여유면 상의 날끝 능선을 따라서 날끝 능선으로부터 1 mm 떨어진 지점을 지나는 가상선)에서 제3 영역 측으로 1 mm 떨어진 선 상에 1점 또는 2점 이상 설정할 수 있다. 이 밖에, 표면 피복 절삭 공구가 사각형 이상의 정다각형이라면, 도 1에 도시한 예와 마찬가지로, 측정점을 대각선 상에 설정할 수 있다. 표면 피복 절삭 공구가 원형이라면, 날끝 능선 상의 임의의 1점, 원의 중심을 지나는 선 상에 1점 또는 2점 이상으로 하여 측정점을 설정할 수 있다.

TC(110)의 제1 영역에 있어서의 평균치인 a는 2<a의 관계를 만족하는 것이 바람직하다. TC(110)의 제2 영역 또는 제3 영역에 있어서의 평균치인 b는 3.5<b의 관계를 만족하는 것이 바람직하다. a의 상한치는 5이고, b의 상한치는 8이다. 이들 관계를 만족함으로써, α-Al₂O₃층에 있어서의 높은 (110) 배향에 기초한 내마모성을 유지하면서 날끝 부분만 (110) 배향의 높이를 비교적 낮게 제어할 수 있다. 이에 따라 날끝의 돌발적인 치핑을 억제할 수 있다.

a가 a≤2의 관계가 될 때, 제1 영역에 있어서 α-Al₂O₃층(산화알루미늄층)의 특정 방향으로의 배향성[(110) 배향]이 지나치게 낮아져, 예컨대 α-Al₂O₃층이 (110) 배향하는 일이 없어지는 경우가 있다. 이러한 경우, 제1 영역에 있어서의 피막에, 원하는 경도 및 강도를 갖추게 할 수 없게 될 우려가 있다. a의 상한치는 5이고, 5<a의 관계가 되면, 제1 영역에 있어서의 α-Al₂O₃층의 특정 방향으로의 배향성[(110) 배향]이 지나치게 높아져, 날끝의 돌발적인 치핑이 발생하기 쉽게 될 우려가 있다.

b≤3.5의 관계가 되면, 공구 전체에 있어서의 α-Al₂O₃층의 특정 방향으로의 배향성[(110) 배향]이 지나치게 낮아져, 예컨대 α-Al₂O₃층이 (110) 배향하는 일이 없어지는 경우가 있다. 이러한 경우, 공구 전체적으로 α-Al₂O₃의 결정립이 구비하는 내마모성을 유지할 수 없을 우려가 있다.

(다른 층)

피막은, 상술한 산화알루미늄층이 1층으로 이루어지는 단층 구조라도 좋고, 산화알루미늄층과 다른 층으로 2층 이상이 적층된 적층 구조라도 좋다. 피막은, 상술한 것과 같이 기재 표면의 일부(예컨대 날끝면)에 형성되어 있어도 좋고, 전면에 형성되어 있어도 좋다.

2층 이상이 적층된 적층 구조를 갖는 경우, 피막은, 상술한 산화알루미늄층에 더하여, 주기표의 제4족 원소(Ti, Zr, Hf 등), 제5족 원소(V, Nb, Ta 등), 제6족 원소(Cr, Mo, W 등), 알루미늄 및 규소로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 제1 원소와, 붕소, 탄소, 질소 및 산소로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 제2 원소로 구성되는 화합물층(이하 「다른 층」이라고 기재하는 경우가 있다.)을 추가로 포함하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 더욱 기재와 피막의 밀착성을 향상시킬 수 있어, 표면 피복 절삭 공구의 피막으로서 적합하게 된다. 단, 이러한 다른 층 중, 제1 원소로서 알루미늄을 선택하면서 제2 원소로서 산소를 선택하는 조합은 제외하는 것으로 한다. 이에 따라 구성되는 화합물이 산화알루미늄으로 되기 때문이다.

화합물층(다른 층)의 구체예로서, TiCNO층, TiBN층, TiC층, TiN층, TiAlN층, TiSiN층, AlCrN층, TiAlSiN층, TiAlNO층, AlCrSiCN층, TiCN층, TiSiC층, CrSiN층, AlTiSiCO층, TiSiCN층, ZrO₂층 등을 들 수 있다. 화합물층은, 경도가 특히 우수하다는 점에서, Ti를 포함하는 층(예컨대 TiCN층, TiN층)인 것이 바람직하고, 내산화성이 특히 우수하다는 점에서, Al을 포함하는 층(예컨대 AlCrN층)인 것이 바람직하다.

다른 층 중, 예컨대 TiCN층은 Al₂O₃층과 기재의 사이에 배치되는 것이 바람직하다. 이 TiCN층은 내마모성이 우수하기 때문에, 피막에 의해 적합한 내마모성을 부여할 수 있다. TiCN층은 특히 MT-CVD(medium temperature CVD)법에 의해 형성하는 것이 바람직하다. MT-CVD법은 약 850∼900℃라는 비교적 저온에서 성막할 수 있어, 성막 시의 가열에 의한 기재의 손상을 저감할 수 있다.

또 다른 층으로서 최표면층 및 중간층 등도 피막에 포함할 수 있다. 최표면층은 피막의 가장 표면 측에 배치되는 층이다. 중간층은, 이 최표면층과 α-Al₂O₃층의 사이, α-Al₂O₃층과 TiCN 층의 사이 또는 TiCN층과 기재의 사이 등에 배치되는 층이다. 최표면층으로서 예컨대 TiN층을 예시할 수 있다. 중간층으로서 예컨대 TiCNO층을 예시할 수 있다.

본 실시형태에 있어서 피막은 화학 증착막인 것이 바람직하다. 즉, 후술하는 것과 같이 피막을 기재 상에 화학 기상 증착(CVD)법에 의해 형성하는 것이 적합하게 되기 때문이다. CVD법을 이용하면, 성막 온도가 800∼1200℃로 물리 증착법보다도 높기 때문에, 물리 증착법을 이용한 경우와 비교하여 기재와 피막의 밀착성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

피막은 0.3∼20 ㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 피막의 두께가 0.3 ㎛ 이상이라면 피막의 특성을 충분히 발휘할 수 있고, 20 ㎛ 이하라면 피막이 지나치게 두꺼움으로 인한 피막의 박리를 억제할 수 있다.

본 명세서에 있어서 피막의 두께, α-Al₂O₃층(산화알루미늄층)의 두께 및 다른 층의 두께는 각각 평균 두께를 의미한다. 이들 두께는 전계 방출형 주사 전자현미경(FE-SEM: Field Emission Scanning Electron Microscopy)을 이용하여 다음과 같은 수법에 의해 측정할 수 있다.

우선 표면 피복 절삭 공구를 그 경사면의 법선과 평행한 평면으로 절단하여, 그 단면을 노출시킨다. 이어서, 이 노출시킨 단면을 연마함으로써 관찰용 연마면을 제작한다. 피막의 두께를 측정하는 경우, 이 관찰용 연마면에 나타난 피막 부분을 포함하는 임의의 5 곳(5 시야)을 5000배의 배율에 의해 관찰하여, 그 두께를 구한다. 마지막으로 상기 5 시야의 값의 평균치를 구하여, 이것을 피막의 평균 두께로 할 수 있다. α-Al₂O₃층 및 다른 층의 두께를 측정하는 경우, 관찰용 연마면에 나타난 α-Al₂O₃층 부분 및 다른 층의 부분을 포함하는 각각 임의의 5 곳(5 시야)을 5000배의 배율에 의해 관찰하여, 그 두께를 구한다. 마지막으로 상기 5 시야의 값의 평균치를 구하여, 이것을 각각 α-Al₂O₃층 및 다른 층의 평균 두께로 할 수 있다.

피막으로 피복된 기재의 단면의 연마에 관해서는 종래 공지된 방법을 이용할 수 있다. 예컨대, 기재의 단면에 대하여 아르곤(Ar) 이온을 이용한 이온 밀링 처리를 행함으로써 평활화된 관찰용 연마면을 얻을 수 있다. Ar 이온에 의한 이온 밀링 처리의 조건은 예컨대 다음과 같다.

가속 전압: 6 kV

조사 각도: 기재가 경사면의 법선으로부터 0-5°

조사 시간: 6시간

그 후, 상기한 평활화된 관찰용 연마면을 FE-SEM을 이용하여 해석하면 된다.

<기재>

기재는 표면을 갖는다. 이 표면은, 경사면과, 여유면과, 이 경사면 및 이 여유면을 잇는 날끝면을 포함한다. 즉, 기재의 표면에 포함되는 경사면이란, 표면 피복 절삭 공구에 있어서의 경사면에 대응하는 기재 상의 면을 말한다. 기재의 표면에 포함되는 여유면이란, 표면 피복 절삭 공구에 있어서의 여유면에 대응하는 기재 상의 면을 말한다. 기재의 표면에 포함되는 날끝면은 상술한 것과 같다. 이 날끝면은, 후술하는 것과 같이 원호면의 형상, 평면의 형상, 평면과 원호면이 혼재하는 형상 또는 샤프 엣지의 형상을 갖는 경우가 있다. 즉, 기재의 표면에 포함되는 날끝면은, 표면 피복 절삭 공구에 있어서의 공구 날끝부에 대응하는 기재 상의 면이 된다. 이하, 기재에 포함되는 날끝면에 관해서 도 2∼도 4를 이용하여 더욱 설명한다.

도 2는 기재의 일 양태를 예시하는 사시도이다. 도 3은 도 2의 X-X선 화살 표시 단면도이다. 이러한 형상의 기재는 예컨대 선삭 가공용 날끝 교환형 절삭 칩의 기재로서 이용된다.

도 2 및 도 3에 도시되는 기재(10)는, 상면, 하면 및 4개의 측면을 포함하는 표면을 갖고 있고, 전체적으로 도 2 및 도 3에 있어서 좌우 방향으로 편평한 사각기둥 형상이다. 기재(10)는 상하면을 관통하는 관통 구멍을 갖고 있다. 4개의 측면의 경계 부분은 인접하는 측면끼리 원호면으로 이어져 있다.

기재(10)는, 상면 및 하면이 경사면(10a)이고, 4개의 측면(및 이들을 서로 잇는 원호면)이 여유면(10b)이며, 경사면(10a)와 여유면(10b)을 잇는 원호면이 날끝면(10c)이다.

도 4는 도 3의 부분 확대도이다. 도 4에는, 경사면(10a)을 포함하는 가상 평면 A, 경사면(10a)과 가상 평면 A의 괴리의 경계가 되는 가상 경계선 AA, 여유면(10b)를 포함하는 가상 평면 B 및 여유면(10b)과 가상 평면 B의 괴리의 경계가 되는 가상 경계선 BB이 도시되어 있다. 도 4에 있어서, 각 가상 평면 A, B는 선으로 표시되어 있고, 각 가상 경계선 AA, BB은 점으로 표시되어 있다. 이 가상 경계선 AA 및 가상 경계선 BB 사이에 있는 영역 내의 표면이 날끝면(10c)으로 된다.

여기서, 날끝면(10c)은 기재(10)의 표면이며, 교차하는 면의 능에 대하여 기계 가공 처리가 실시됨으로써 형성되는 면이다. 바꿔 말하면, 기재(10)는, 소결체등으로 이루어지는 기재 전구체의 표면의 적어도 일부에 대하여 기계 가공 처리가 실시되어 이루어지며, 이 기재(10)에 있어서 기계 가공 처리에 의한 모따기를 거쳐 형성된 면을 날끝면(10c)이라고 부르고 있다.

도 2∼도 4에서는, 날끝면(10c)이 원호면의 형상(소위 호닝)을 갖는 경우에 관해서 도시했지만, 날끝면의 형상은 이것에 한정되어야 하는 것은 아니다. 예컨대, 날끝면의 형상은 평면의 형상(소위 네거티브 랜드)을 갖고 있는 경우도 있다. 평면과 원호면이 혼재하는 형상(소위 호닝과 네거티브 랜드의 조합)을 갖고 있는 경우도 있다. 날끝면의 형상은 샤프 엣지의 형상(경사면과 여유면이 교차하는 능)을 갖는 경우도 있다.

날끝면이 샤프 엣지인 경우, 그 형상에 기초하여 기계 가공 처리에 의해 형성된 날끝면과 경사면 및 여유면의 경계를 결정하기는 어렵다. 따라서, 본 명세서에 있어서 기재가 샤프 엣지의 형상을 갖는 경우, 경사면과 여유면이 교차하여 이루어지는 능선으로부터의 거리가 30 ㎛ 이내의 영역에 포함되는 면을 날끝면이라고 간주하는 것으로 한다. 이 영역이 표면 피복 절삭 공구의 절삭날로서 기능할 수 있기 때문이다.

(산소 농도)

기재는, 날끝면으로부터 0.4 ㎛의 깊이 위치에 있어서 1 원자% 이하의 산소 농도를 갖고 있다. 산소 농도는 X선 광전자 분광법(XPS: X-Ray Photoelectron Spectroscopy)을 실시할 수 있는 XPS 분석 장치를 이용하여 측정할 수 있다.

XPS 분석 장치를 이용함으로써, Ar 등의 이온에 의해서 측정 대상물의 표면을 에칭하면서 측정 대상물의 임의의 깊이 위치에 있어서의 임의의 원자의 비율(원소 분포)을 측정할 수 있다. 이 때문에, XPS에 의해서 날끝면으로부터 0.4 ㎛의 깊이 위치에 있어서의 기재의 산소 농도를 결정할 수 있다. 이 때의 에칭 면적은 5000∼50000 ㎛²로 할 수 있다. 측정은 진공 하에서 실시된다.

날끝면이 샤프 엣지의 형상을 갖는 경우, 날끝면은 경사면 측 및 여유면 측의 각각에 존재한다. 이 경우, 「기재의 표면인 날끝면으로부터 0.4 ㎛의 깊이 위치」란, 경사면 측 및 여유면 측 중 어느 한쪽의 날끝면으로부터 0.4 ㎛의 깊이 위치이며, 또한 다른 쪽의 날끝면으로부터는 0.4 ㎛ 이상의 깊이 위치에 닿는 위치를 의미한다.

본 실시형태에서는, 기재의 표면에 피막이 마련되어 있기 때문에, 다음과 같이 하여 기재의 표면이 결정된다. 우선 XPS를 이용하여, Ar 등의 이온에 의해서 기재의 날끝면에 대응하는 표면 피복 절삭 공구의 최표면에서부터 깊이 방향으로 에칭한다. 이어서, 기재의 재료에 특유의 원소(예컨대 기재 중의 결합상을 구성하는 원소, 예컨대 Co)가 측정된 깊이 위치를 기재의 날끝면으로 한다.

상기 산소 농도는 평균치로 할 수 있다. 즉, 기재의 날끝면 중 임의의 3개의 측정 부위를 결정하고, 이 측정 부위로부터 0.4 ㎛의 깊이 위치에서의 산소 농도를 각각 측정함으로써, 이들의 평균치를 상기 산소 농도로 할 수 있다.

본 발명자들은, 날끝면의 복수의 측정 부위에 있어서의 산소 농도의 측정을 실시한 바, 개개의 측정치와 평균치에서 유의차가 없음을 확인했다. 이 때문에, 날끝면 중의 임의의 한 곳을 측정하고, 그 결과를 상기 산소 농도로 하여도 좋다. 단, 분명히 이상치라고 인식되는 결과는 제외되어야 한다. 이 때의 한 곳은 날끝면의 중앙 부분에서 결정되는 것이 바람직하다. 날끝면의 중앙 부분은 공구의 특성에 크게 관여하는 부분이며, 공구의 특성 평가의 대상으로 하는 부위로서 적합하기 때문이다.

본 실시형태에 따른 표면 피복 절삭 공구에 의하면, 기재가, 날끝면으로부터 0.4 ㎛의 깊이 위치에 있어서 1 원자% 이하의 산소 농도를 가짐으로써, 내결손성이 우수하고, 이로써 긴 수명을 가질 수 있다.

여기서, 본 발명자들은 본 개시에 관한 검토에 의해서 이하의 (a)∼(c)의 사항을 지견하고 있다.

(a) 표면 피복 절삭 공구용의 기재의 날끝면에는 의도하지 않는 산소 원자가 들어가 있으며, 또한 그 산소 원자에 유래하는 산소 농도는, 날끝면 근방에 있어서 가장 높고, 기재의 내부로 향함에 따라 감소하고 있는 것;

(b) 날끝면 근방의 산소 농도가 높을수록 기재의 내부 깊숙이까지 산소 원자가 들어가 있는 경향이 있는 것;

(c) 날끝면에서부터 기재의 내부 깊숙이까지 산소 원자가 들어가 있는 기재에 있어서는, 날끝면에서 내부로 향해 균열이 전파하기 쉬우며, 또한 기재를 구성하는 경질 입자가 탈락하기 쉬운 경향이 있는 것.

본 발명자들은, 상기 지견에 입각하여, 본 개시의 표면 피복 절삭 공구가 우수한 내결손성을 갖는 이유를 다음과 같이 추찰한다. 즉, 종래의 표면 피복 절삭 공구의 기재는, 날끝면과, 이 날끝면에서 내부로 향하는 어느 정도의 깊이 위치와의 사이의 영역에, 의도하지 않는 산소 원자가 기재의 물성에 영향을 줄 수 있는 높은 농도로 존재하는 경향이 있었다. 기재 내부의 산소 원자가 높은 농도로 존재하는 영역(고산소 영역)에서는, 기재의 취약화가 발생한다. 이 때문에 날끝면에서 발생한 균열은, 날끝면에서 내부(기재의 깊이 방향)로 넓어지는 고산소 영역 내부를 전파하기 쉽다.

또한, 종래의 표면 피복 절삭 공구에서는, 고산소 영역의 폭(날끝면에서 기재 내의 내부 방향으로 직진하는 깊이)이 비교적 컸다. 이 때문에, 결과적으로 큰 균열이 형성된다. 이에 따라, 고산소 영역에 내포되는 경질 입자 및 그 대부분이 고산소 영역에 위치하는 경질 입자는 탈락하기 쉽게 된다.

한편, 본 개시의 기재는 날끝면으로부터 0.4 ㎛의 깊이 위치에 있어서 1 원자% 이하의 산소 농도를 갖고 있기 때문에, 종래에 비해서 고산소 영역의 폭이 작거나 또는 존재하지 않는다. 이 때문에, 기재의 취약화가 일어날 수 있는 영역이 종래와 비교하여 작거나 또는 존재하지 않아, 종래와 비교하여 경도가 우수하게 된다. 또한, 균열의 기점이 발생했다고 해도, 그 전파도 종래에 비해서 억제된다.

특히 0.4 ㎛의 깊이 위치에서의 산소 농도가 1 원자% 이하인 경우, 고산소 영역의 폭은, 기재의 표면에 위치하는 경질 입자의 입경보다도 작아지기 쉽다. 이 때문에, 고산소 영역 전역에 균열이 전파했다고 해도, 그 길이는 기재의 최표면에 위치하는 경질 입자의 입경보다도 작게(짧게) 되기 쉽고, 결과적으로 경질 입자의 탈락이 억제된다. 따라서, 본 개시의 표면 피복 절삭 공구는 높은 내마모성과 높은 내결손성을 가질 수 있고, 이로써 긴 수명을 가질 수 있다.

본 실시형태에 있어서 기재는, 날끝면으로부터 0.2 ㎛의 깊이 위치에 있어서 10 원자% 이하의 산소 농도를 갖는 것이 바람직하다. 이 경우, 또한 균열의 전파를 억제할 수 있고, 경질 입자의 탈락도 억제할 수 있으므로, 표면 피복 절삭 공구의 한층 더한 장수명화가 가능하게 된다. 여기서 날끝면으로부터 0.4 ㎛의 깊이 위치에서의 산소 농도 및 날끝면으로부터 0.2 ㎛의 깊이 위치에서의 산소 농도는 각각 0 원자%인 것이 이상적이다.

(변형률)

본 실시형태에 있어서, 날끝면은 0.07 이하의 변형률을 갖는 것이 바람직하다. 날끝면에 있어서의 변형률은, X선 회절법에 기초한 X선의 회절각(2θ)과 회절 강도의 기재에 있어서의 회절 프로파일에 기초하여 구할 수 있다. 이 때에 이용하는 X선은, 방사광과 같은 고휘도인 것이 고정밀도로 측정할 수 있다는 점에서 바람직하다.

X선 회절법에 의해 얻어지는 X선의 회절각(2θ)과 회절 강도의 기재에 있어서의 회절 프로파일은, 결정자 사이즈(즉 입경) 및 변형률의 각각에 의존하여 회절 피크가 넓어지는(브로드하게 되는) 것이 알려져 있다. 결정자 사이즈에 의존하는 회절 피크 및 변형률에 의존하는 회절 피크의 각각을 로렌츠 함수로 근사하면, 회절 피크의 적분 폭 β은 하기 식(1)으로 나타낼 수 있다. 식(1) 중, βsize는 결정자 사이즈에 의존하는 회절 프로파일에 있어서의 적분 폭이고, βstrain은 변형률에 의존하는 회절 프로파일에 있어서의 적분 폭이다.

β=βsize+βstrain ··· (1)

βsize 및 βstrain은 하기 식(2) 및 하기 식(3)으로 나타낸다. λ는 X선의 파장이고, ε는 결정자 사이즈이고, θ는 X선의 입사각이고, η는 변형률(불균일 격자 변형률)이고, θ₀는 브랙각이다. 또한, 하기 식(2) 및 하기 식(3)을 상기 식(1)에 대입함으로써 하기 식(4)을 얻을 수 있다.

βsize=λ/(εcosθ₀) ··· (2)

βstrain=ηtanθ₀ ··· (3)

βcosθ₀/λ=1/ε+ηsinθ₀/λ ··· (4)

종축을 βcosθ₀/λ로 하고, 횡축을 sinθ₀/λ로 하는 2축 그래프에 있어서, 2θ의 값이 다른 복수의 회절 프로파일로부터 구해지는 값을 플롯하여, 이 플롯을 선형 회귀한다. 얻어진 회귀 직선에 있어서, 그 기울기가 변형률(불균일 격자 변형률)이고, 상기 회귀 직선의 절편의 역수가 결정자 사이즈가 된다.

상기 변형률은 평균치로 할 수 있다. 즉, 기재의 날끝면 중 임의의 3개의 측정 부위를 결정하고, 이 측정 부위에서부터 임의의 깊이 위치에 있어서의 회절 프로파일(입사각이 다른 복수의 회절 프로파일)을 얻어, 각 측정 부위에 있어서의 η의 값을 각각 산출함으로써, 이들의 평균치를 상기 변형률로 할 수 있다. 상기한 측정 부위는, 기재의 날끝면에서부터 깊이 방향에 대하여, 그 두께가 1.5 ㎛가 되는 영역에 위치하고 있다. 즉 날끝면에 있어서의 변형률은, 날끝면으로부터 깊이 1.5 ㎛까지의 영역에 있어서의 변형률의 적산치로서 각 측정 부위에 있어서 측정된다.

본 발명자들은, 날끝면의 복수의 측정 부위에 있어서의 η의 값의 산출을 실시한 바, 개개의 값과 평균치에서 유의차가 없음을 확인하고 있다. 이 때문에, 날끝면 중 임의의 한 곳을 측정하고, 그 결과를 상기 변형률로 하여도 좋다. 다만, 분명히 이상치라고 인식되는 결과는 제외되어야 한다. 이 때의 한 곳은, 날끝면의 중앙 부분에서 결정되는 것이 바람직하다. 날끝면의 중앙 부분은, 공구의 특성에 크게 관여하는 부분이며, 공구의 특성 평가의 대상 부위로서 적합하기 때문이다.

상기 변형률이 「0.07 이하」로 충분히 작은 경우, 표면 피복 절삭 공구의 한층 더한 장수명화가 가능하게 된다. 이러한 위치에서의 변형률이 작음으로써, 내결손성이 우수하다고 하는 경향을 보인다. 상기 변형률은 0.05 이하인 것이 보다 바람직하다. 이 경우, 한층 더한 절삭 공구의 장수명화가 가능하게 된다. 상기 변형률은 0인 것이 가장 바람직하다.

(기재의 조성)

기재의 조성은 초경합금 또는 서멧이다. 초경합금으로서는, WC기 초경합금(WC 외에 Co를 포함하거나 혹은 Ti, Ta, Nb 등의 탄질화물을 첨가한 것도 포함한다)을 들 수 있다. 서멧으로서는, TiC, TiN, TiCN 등을 주성분으로 하는 것을 들 수 있고, 그 중에서도 TiCN기 서멧이 바람직하다. 본 실시형태에 있어서, 기재의 재료는 산소 원자를 의도적으로 포함하지 않는 조성을 갖는 것이 바람직하다.

특히 기재로서 WC기 초경합금을 이용하는 경우, 그 조직 중에 유리 탄소, 그리고 η상 또는 ε상이라고 불리는 이상층 등을 포함하고 있어도 좋다. 또한 기재는 그 표면이 개질된 것이라도 지장 없다. 예컨대 초경합금의 경우, 그 표면에 탈β층이 형성되어 있거나, 서멧의 경우에 표면 경화층이 형성되어 있거나 하여도 좋다. 기재는 그 표면이 개질되어 있더라도 원하는 효과가 발휘된다.

예컨대 기재가 초경합금인 경우, 이 초경합금은, 코발트가 5∼7 질량%이고, 제1 금속의 탄화물이 0.01∼3 질량%이며, 또한 탄화텅스텐 및 불가피 불순물이 잔부인 조성을 갖는 것이 바람직하다. 기재가 서멧인 경우, 이 서멧은, 코발트 또는 니켈이 5∼25 질량%이고, 탄화텅스텐이 5∼40 질량%이며, 또한 제1 금속의 탄화물, 질화물, 탄질화물에서 선택되는 적어도 어느 하나 및 불가피 불순물이 잔부인 조성을 갖는 것이 바람직하다. 이에 따라, 고온에 있어서의 경도와 강도의 밸런스가 특히 우수한 초경합금 또는 서멧을 소재로 한 기재를 갖출 수 있다.

상기 제1 금속은, 주기표의 제4족 원소, 제5족 원소 및 제6족 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 금속을 가리킨다. 따라서 제1 금속의 탄화물로서는 TiC, ZrC, VC, NbC, TaC, Cr₃C₂ 및 Mo₂C 등을 예시할 수 있다. 제1 금속의 질화물로서는 TiN 및 TaN 등을 예시할 수 있다. 제1 금속의 탄질화물로서는 TiCN 및 ZrCN 등을 예시할 수 있다.

(경질 입자의 입경)

본 실시형태에 있어서, 기재는 경질 입자를 포함하고, 이 경질 입자의 입경이 0.5 ㎛ 이상인 것이 바람직하다.

여기서 경질 입자란, 기재를 구성하는 결정립 중 경질 성분으로 이루어지는 결정립을 의미한다. 따라서, 예컨대 기재가 WC기 초경합금으로 이루어지는 경우의 경질 입자는 WC 입자이고, 서멧으로 이루어지는 경우의 경질 입자는 TiCN 입자 및 Ti를 포함하는 복합 탄질화물이다.

경질 입자의 입경은 다음 방법에 의해서 측정할 수 있다. 우선, 기재의 단면을 경면 연마하고, 이 단면의 임의 영역의 반사 전자상을 전자현미경을 이용하여 5000배의 배율로 관찰한다. 이어서, 이 반사 전자상에 있어서, 기재의 주성분으로 간주되는 결정립에 외접하는 원의 직경(즉 외접원 상당 직경)을 측정한다. 측정된 직경을 경질 입자의 입경으로 한다. 이와 같이 하여 적어도 50개의 경질 입자의 입경을 산출하여, 이들의 평균치를 상기 입경으로 한다.

경질 입자의 입경이 0.5 ㎛ 이상인 경우, 균열의 길이가 경질 입자의 입경보다도 작아지기 쉽고, 결과적으로 경질 입자의 탈락이 억제되기 때문에, 표면 피복 절삭 공구의 한층 더한 장수명화가 가능하게 된다. 다만, 경질 입자의 입경이 지나치게 커지면, 기재 자체의 경도가 저하하는 경향이 있기 때문에, 경질 입자의 입경은 5 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 경질 입자의 입경은 0.5∼4 ㎛이다.

이상으로부터, 본 실시형태에 따른 표면 피복 절삭 공구는 박리, 치핑 등을 포함한 피막의 결손에 대한 저항성이 우수하고, 이로써 장수명화가 가능하게 된다.

≪표면 피복 절삭 공구의 제조 방법≫

본 실시형태에 따른 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법은, 상기 표면 피복 절삭 공구를 제조하는 방법으로서, 기재 상에 피막을 형성하는 공정과, 피막에 있어서 제1 영역에 대응하는 부분에 표면 처리를 행하는 공정을 포함한다. 이에 따라, 박리, 치핑 등을 포함한 피막의 결손에 대한 저항성을 높인 표면 피복 절삭 공구를 제조할 수 있다.

<기재 상에 피막을 형성하는 공정>

본 실시형태에서는, 기재 상에 피막을 화학 기상 증착(CVD)법에 의해 형성하는 것이 적합하다. CVD법을 이용하면, 성막 온도가 800∼1200℃로 물리 증착법보다도 높기 때문에, 물리 증착법을 이용한 경우와 비교하여 기재와 피막의 밀착성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다. 피막 중, 산화알루미늄층 이외의 다른 층이 형성되는 경우, 이들 층은 종래 공지된 조건으로 형성할 수 있다.

산화알루미늄층으로서 예컨대 α-Al₂O₃층을 형성하는 경우, 원료 가스로서는, 예컨대 AlCl₃, HCl, CO₂, H₂S 및 H₂를 포함하는 혼합 가스를 이용하면 된다. 혼합 가스의 배합량은, AlCl₃을 1.3∼2.5 체적%, HCl을 2∼6 체적%, CO₂를 0.6∼6 체적%, H₂S를 0.2∼2 체적%로 하고, 잔부를 H₂로 한다. 또한 CVD법의 제반 조건은, 온도가 950∼1050℃이고, 압력이 1∼10 kPa이고, 가스 유량(전체 가스량)이 10∼150 L/min이다.

α-Al₂O₃층 및 그 밖의 층의 두께는 성막 시간을 적절하게 조절함으로써 조정할 수 있다(각 층의 성막 속도는 약 0.5∼2.0 ㎛/시간이다).

<피막의 제1 영역에 대응하는 부분에 표면 처리를 행하는 공정>

본 실시형태는, 피막에 있어서 제1 영역에 대응하는 부분에 표면 처리를 행하는 공정을 포함한다. 특히 표면 처리는 브러시 처리 또는 블라스트 처리를 적어도 포함하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 산화알루미늄층의 결정립이 갖추는 내마모성을 유지하면서 날끝의 돌발적인 치핑을 억제할 수 있는 표면 피복 절삭 공구를 유리하게 제조할 수 있다.

구체적으로는, 상술한 것과 같이 하여 기재 상에 피막을 형성한 후, 이 피막의 제1 영역에 대응하는 부분에 표면 처리를 행한다. 이하, 표면 처리로서 블라스트 처리, 예컨대 웨트 블라스트 처리를 실시하는 예를 설명한다.

도 5에 도시한 것과 같이, 표면 피복 절삭 공구(11)의 날끝 능선(12)에 대하여, 평균 입경 25∼100 ㎛의 고체 미립자(예컨대 평균 입경 70 ㎛의 세라믹스 지립)를 10∼80°의 각도(예컨대 45°)로 배치한 투사 노즐의 선단으로부터 부여한다. 동시에, 경사면의 중심의 관통 구멍(13)을 축 중심으로 하여, 표면 피복 절삭 공구(11)를 10∼50 rpm으로 회전시킨다.

이 때의 투사압은 0.05∼0.25 MPa(예컨대 0.05 MPa), 투사 거리는 2∼100 mm(예컨대 50 mm), 투사 시간은 5∼20초, 고체 미립자의 농도는 5∼15 체적%(잔부는 물을 주성분으로 하는 액체)로 할 수 있다. 또한, 표면 피복 절삭 공구(11)가 회전함으로써 날끝 능선(12)에서부터 투사 노즐의 선단까지의 거리가 신축하기 때문에, 날끝 능선(12)과 투사 노즐의 선단 사이가 항상 등거리로 유지되도록 표면 피복 절삭 공구(11)의 회전과 투사 노즐 위치의 이동을 동기시키는 것이 바람직하다.

여기서, 피막의 제1 영역에 대응하는 부분에의 표면 처리는 상술한 방법에 한정되어야 하는 것은 아니다. 종래부터 널리 알려진 브러시 처리, 배럴 처리, 웨트 블라스트 처리 이외의 각종 블라스트 처리(샌드 블라스트 처리, 숏피닝 처리 등)를 공지된 조건에 의해 적용하여도 좋다.

또한, 본 실시형태에 따른 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법은, 기재 전구체를 준비하는 공정과, 상기 기재 전구체의 표면에 기계 가공 처리를 실시하여 기재를 제작하는 공정을 포함하는 것이 바람직하다. 기재를 제작하는 공정에 있어서의 기계 가공 처리는, 습식 연삭 처리와 건식 연삭 처리가 교대로 반복되는 제1 연삭 처리, 저이송-저절입의 습식 연삭 처리가 실시되는 제2 연삭 처리, 또는 건식 연삭 처리가 실시되는 제3 연삭 처리 중 어느 것인 것이 바람직하다.

본 발명자들은 기재 전구체에 대한 기계 가공 처리에 주목했다. 「기재 전구체」란, 기계 가공 처리에 의해서 그 표면이 모따기되고, 절삭날이 형성됨으로써 「기재」로 되는 것이다. 즉, 기계 가공 처리는, 소결체 등의 기재 전구체에 대하여 절삭 공구의 기재로서의 적성을 부여하기 위해서 실시되는 처리이다. 경질인 기재 전구체를 기계 가공 처리하는 경우에는, 처리 시의 발열을 억제하거나 또는 가공 품위를 향상시키기 위해서, 산업적으로 습식 연삭 처리가 실시된다. 본 발명자들은, 이 습식 연삭 처리에 사용되는 물이 상기 산소 원자의 공급원임을 지견했다. 이하 각 공정에 관해서 상세히 설명한다.

<기재 전구체를 준비하는 공정>

본 공정에서는 기재 전구체가 준비된다. 기재 전구체로서는 상술한 초경합금 또는 서멧을 예로 들 수 있다. 기재 전구체의 형상은 상술한 것과 같기 때문에, 날끝면을 아직 갖고 있지 않은 것 이외에는 기재의 형상과 유사하다.

<기재를 제작하는 공정>

본 공정에서는 기재 전구체의 표면이 기계 가공 처리된다. 기계 가공 처리는, 습식 연삭 처리와 건식 연삭 처리가 교대로 반복되는 제1 연삭 처리, 저이송-저절입의 습식 연삭 처리가 실시되는 제2 연삭 처리, 또는 건식 연삭 처리가 실시되는 제3 연삭 처리 중 어느 것이다. 이에 따라, 본 개시의 표면 피복 절삭 공구에 이용하는 기재를 제작할 수 있다.

기재 전구체 중 기계 가공 처리되는 표면은, 기재 전구체에 있어서의 제1 면과 제2 면이 교차하여 이루어지는 능선과, 이 능선의 근방을 포함하는 능선 근방부이다. 기재 전구체의 제1 면 및 제2 면은 기재에 있어서 경사면 및 여유면으로 되는 부분이며, 기재 전구체의 능선 근방부는 기재에 있어서 날끝면으로 되는 부분이다.

예컨대 능선 근방부를 원호형으로 기계 가공 처리한 경우, 도 4에 도시하는 호닝된 날끝면이 형성된다. 능선 근방부를 평면형으로 기계 가공 처리한 경우에는 네거티브 랜드의 날끝면이 형성된다(도시하지 않음). 즉 기계 가공 처리란, 기재 전구체의 능선 근방부에 대한 모따기 처리를 의미한다.

(제1 연삭 처리)

제1 연삭 처리에 있어서의 습식 연삭 처리(처리 시에 물을 사용하는 처리)로서는, 습식 브러시 처리, 습식 배럴 처리, 습식 블라스트 처리를 들 수 있다. 이 습식 연삭 처리의 조건은 특별히 한정되지 않고, 예컨대 고이송-고절입이라도 좋고, 저이송-저절입이라도 좋지만, 생산성의 관점에서는 고이송-고절입인 것이 바람직하다. 본 명세서에 있어서, 습식 연삭 처리에 있어서의 저이송-저절입이란, 연삭 처리의 종류에 따라 다르지만, 예컨대 습식 브러시 처리인 경우에는, 이송량이 200 mm/sec 이하이며 또한 절입량이 1.5 mm 이하인 것을 의미한다. 또한 습식 연삭 처리에 있어서의 고이송-고절입이란, 예컨대 습식 브러시 처리의 경우, 이송량이 300 mm/sec 이상이며 또한 절입량이 3 mm 이상인 것을 의미한다.

제1 연삭 처리에 있어서의 건식 연삭 처리(처리 시에 물을 사용하지 않는 처리)로서는, 건식 브러시 처리, 건식 배럴 처리, 건식 블라스트 처리를 들 수 있다. 이 건식 연삭 처리의 조건은 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 고이송-고절입이라도 좋고, 저이송-저절입이라도 좋지만, 생산성의 관점에서는 고이송-고절입인 것이 바람직하다. 본 명세서에 있어서, 건식 연삭 처리에 있어서의 저이송-저절입이란, 연삭 처리의 종류에 따라 다르지만, 예컨대 건식 브러시 처리의 경우에는, 이송량이 150 mm/sec 이하이며 또한 절입량이 1 mm 이하인 것을 의미한다. 또한 건식 연삭 처리에 있어서의 고이송-고절입이란, 예컨대 건식 브러시 처리의 경우, 이송량이 250 mm/sec 이상이며 또한 절입량이 2.5 mm 이상인 것을 의미한다.

제1 연삭 처리에 의해 상술한 산소 농도가 낮은 절삭 공구를 제조할 수 있는 이유는 다음과 같다. 종래, 기재 전구체를 기계 가공 처리하여 기재로 함에 있어서는, 고이송-고절입의 습식 연삭 처리가 실시되고 있었다. 첫째로는, 고이송-고절입의 습식 연삭 처리가 생산성이 우수하기 때문이다. 둘째로는, 건식 연삭 처리에서는 연삭 시의 발열에 의해 기재가 열화된다고 생각되고 있었기 때문이다. 셋째로는, 저이송-저절입의 습식 연삭 처리는 생산성이 나쁘다고 생각되고 있었기 때문이다.

그러나, 이 고이송-고절입의 습식 연삭 처리에 의해서 기재의 날끝면에서 내부 방향으로의 산소의 침입이 발생하여, 결과적으로 기재 자체의 경도 저하 및 기재와 피막의 밀착성 저하가 야기되고 있었다.

이에 대하여, 본 실시형태의 제조 방법에 의하면, 종래의 고이송-고절입의 습식 연삭 처리로 이루어지는 기계 가공 처리 대신에, 습식 연삭 처리와 건식 연삭 처리가 반복되는 기계 가공 처리가 실시된다. 이러한 기계 가공 처리에 의하면, 처리면(날끝면)에 있어서 다음과 같은 일이 일어난다.

1회의 습식 연삭 처리에 의해서 기재 전구체의 모따기가 실시됨과 더불어, 기재 전구체의 표면으로부터 산소가 침입해 나간다. 이 습식 연삭 처리가 실시되는 시간은 종래와 비교하여 짧게 할 수 있다. 이 때문에, 1회의 습식 연삭 처리 후의 고산소 영역의 폭은 종래보다도 작아진다. 더욱이, 습식 연삭 처리 후의 건식 연삭 처리에 있어서는 기재 전구체에 산소가 침입하는 일은 없다. 이 때문에, 건식 연삭 처리에 있어서는, 앞의 습식 연삭 처리에 의해서 형성된 고산소 영역이 제거되면서 모따기가 실시되게 된다.

따라서, 결과적으로 고산소 영역의 폭이 종래와 비교하여 충분히 작아지거나 또는 기재의 물성에 영향을 줄 수 있는 고산소 영역이 존재하지 않게 된다. 이에 따라, 날끝면으로부터 0.4 ㎛의 깊이 위치에서의 산소 농도가 1 원자% 이하인 상기 기재가 제작된다.

습식 연삭 처리와 건식 연삭 처리의 반복 횟수는 특별히 제한되지 않지만, 적어도 각 처리는 1회씩 실시된다. 또한 각 처리는 교대로 3회 이상씩 반복되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 각 습식 연삭 처리 시에 형성되는 고산소 영역의 폭을 더욱 작게 할 수 있다. 이 때문에, 최종적인 고산소 영역의 폭도 더욱 작게 할 수 있다. 고산소 영역에 있어서의 산소 농도 자체도 낮출 수도 있다.

또한 기계 가공 처리의 최초의 처리를 습식 연삭 처리로 하고, 최후의 처리를 건식 연삭 처리로 하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 각 습식 연삭 처리 시에 형성되는 고산소 영역의 폭을 더욱 작게 할 수 있어, 최종적인 고산소 영역의 폭을 비약적으로 작게 할 수 있다. 고산소 영역에 있어서의 산소 농도도 낮게 억제할 수 있다. 이 밖에, 상기 기재의 날끝면에 있어서의 변형률은, 1회의 처리에 의한 에너지를 저감시킴으로써 작게 제어할 수 있다.

(제2 연삭 처리)

제2 연삭 처리에 있어서의 저이송-저절입의 습식 연삭 처리로서는, 제1 연삭 처리와 마찬가지로, 습식 브러시 처리, 습식 배럴 처리, 습식 블라스트 처리를 들 수 있다. 제2 연삭 처리에 의해, 종래의 고이송-고절입의 습식 연삭 처리에 의해 기재 내부로 산소가 들어가는 것이 억제되기 때문에, 상술한 산소 농도가 낮은 절삭 공구를 제조할 수 있다.

또한 제2 연삭 처리에 있어서의 습식 연삭 처리는, 연속 처리가 아니라 인터벌을 갖는 것이 바람직하다. 즉, 습식 연삭 처리를 임의 시간 실시한 후, 임의 시간 연삭 처리를 중단하고, 또 습식 연삭 처리를 임의 시간 실시한다고 하는 공정을 반복하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 산소가 들어가는 것을 억제하는 효과를 높일 수 있다.

(제3 연삭 처리)

제3 연삭 처리에 있어서의 건식 연삭 처리로서는, 제1 연삭 처리와 마찬가지로, 건식 브러시 처리, 건식 배럴 처리, 건식 블라스트 처리를 들 수 있다. 제3 연삭 처리에 있어서의 건식 연삭 처리의 조건은 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 고이송-고절입이라도 좋고, 저이송-저절입이라도 좋다. 생산성의 관점에서는 고이송-고절입인 것이 바람직하다. 제3 연삭 처리에 의해, 종래의 고이송-고절입의 습식 연삭 처리에 의해 기재 내부로 산소가 들어가는 것이 억제되기 때문에, 상술한 산소 농도가 낮은 절삭 공구를 제조할 수 있다.

이상 제1 연삭 처리, 제2 연삭 처리 및 제3 연삭 처리에 관해서 설명했지만, 기계 가공 처리는 제1 연삭 처리인 것이 바람직하다. 이 경우, 높은 생산성을 유지한 채로 상술한 산소 농도가 낮은 절삭 공구를 제조할 수 있다.

실시예

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

≪시료 No. 1의 표면 피복 절삭 공구의 제작≫

다음과 같이 하여 시료 No. 1의 표면 피복 절삭 공구(날끝 교환형 절삭 칩)를 제작했다. 시료 No. 1의 표면 피복 절삭 공구는 이하의 사양을 갖는 기재로 이루어진다.

칩 형식 번호: CNMG120408N-UX(스미토모덴코하드메탈가부시키가이샤 제조)

재질: 초경합금 JIS B 4120(2013) 규격.

<기재의 제작>

우선 2.0 질량%의 NbC와 6 질량%의 Co와 잔부의 WC(단, 불가피 불순물을 포함한다)로 이루어지는 조성비로 배합한 원료 분말을 소정의 형상으로 가압 성형한 후에 1300∼1500℃에서 1∼2시간 소결했다. 이에 따라 기재 전구체를 얻었다.

이어서, 기재 전구체의 능선 근방부에 대하여, 이하의 습식 연삭 처리 및 건식 연삭 처리를 이 순서로 교대로 5회씩 반복하여 실시했다. 이에 따라, 기재 전구체의 능선 근방부에 대하여, 날끝면이 반경 0.05 mm(R=0.05 mm)의 원호가 되도록 기계 가공 처리(호닝)가 실시되었다. 이와 같이 하여 시료 No. 1의 기재를 제작했다.

(습식 연삭 처리)

처리 종류: 배럴 처리

미디어: 플라스틱

처리액: 물

시간: 15분

(건식 연삭 처리)

처리 종류: 브러시 처리

브러시: 나일론

회전수: 100 rpm

절입: 0.8 mm

이송량: 120 mm/sec

처리액: 없음

시간: 1분

페이스트: 평균 입경 10 ㎛ 이하의 다이아몬드 페이스트(단, 페이스트에 포함되는 액체 성분은 고형 유지).

<피막의 형성>

이어서 CVD 장치를 이용하여, 표 1에 나타내는 압력, 온도 및 혼합 가스 조성의 조건 하에서 시료 No. 1의 기재의 표면 전면에 피막을 제작했다. 구체적으로는, 기재의 표면에서부터 순차 0.3 ㎛ 두께의 TiN층, 8 ㎛의 두께 TiCN층, 5.5 ㎛ 두께의 α-Al₂O₃층, 0.7 ㎛ 두께의 TiN층을 적층함으로써 피막을 제작했다. 표 1 중, 「MT-TiCN」란, 850∼950℃라는 CVD법 중에서는 비교적 마일드한 온도 환경 하에서 TiCN막을 성막했음을 의미한다.

<표면 처리>

이어서, 시료 No. 1의 기재의 표면에 형성된 피막의 제1 영역에 대응하는 부분에 대하여 이하의 표면 처리(웨트 블라스트 처리)를 실시했다. 즉, 표면에 피막이 형성되어 있는 기재를, 60 rpm의 속도로 경사면의 관통 구멍을 축 중심으로 하여 회전시키면서, 입경 70 ㎛의 세라믹(산화알루미늄) 지립을, 경사면을 포함하는 가상 평면과 여유면을 포함하는 가상 평면의 가상 능선으로부터 45° 방향으로 배치한 투사 노즐의 선단으로부터 부여하여, 웨트 블라스트 처리를 실시했다. 이 때의 세라믹 지립의 투사압은 0.10 MPa, 투사 시간은 5∼10초, 농도는 10 체적%(잔부는 물을 주성분으로 하는 용매)이다. 또한, 투사 노즐과 기재 상의 날끝면과의 투사 거리를 10 mm로 하고, 투사 노즐과 기재 상의 노우즈 R와의 투사 거리를 15 mm로 했다. 이에 따라, 시료 No.1의 표면 피복 절삭 공구를 제작했다.

≪시료 No. 2의 표면 피복 절삭 공구의 제작≫

다음과 같이 하여 시료 No. 2의 표면 피복 절삭 공구(날끝 교환형 절삭 칩)를 제작했다. 시료 No. 2의 표면 피복 절삭 공구는 이하의 사양을 갖는 기재로 이루어진다.

재질: P20 그레이드 서멧.

<기재의 제작>

우선, 7 질량%의 NbC와 7 질량%의 Mo₂C와 10 질량%의 Co와 5 질량%의 Ni와 20 질량%의 WC와 잔부의 TiCN(단, 불가피 불순물을 포함한다)로 이루어지는 조성비로 배합한 원료 분말을, 소정의 형상으로 가압 성형한 후에, 1300∼1650℃에서 1∼2시간 소결했다. 이에 따라 기재 전구체를 얻었다. 이어서, 이 기재 전구체에 대하여 시료 No. 1과 동일한 조건으로 기계 가공 처리를 행했다. 이와 같이 하여 시료 No. 2의 기재를 제작했다.

<피막의 형성>

시료 No. 2의 기재에 대하여 시료 No. 1의 기재에 대한 피막의 형성 조건과 동일한 조건 하에서 피막을 형성하고, 또한 표면 처리를 실시했다.

≪시료 No. 3, 4, 5의 표면 피복 절삭 공구의 제작≫

시료 No. 3, 4, 5의 표면 피복 절삭 공구는, 각각 기재 전구체에 대한 기계 가공 처리를 변경한 것 이외에는, 구체적으로는 습식 연삭 처리 및 건식 연삭 처리의 각 처리 시간 및 반복 횟수를 변경한 것 이외에는 시료 No. 1과 동일한 방법에 의해 제작했다.

≪시료 No. 6의 표면 피복 절삭 공구의 제작≫

시료 No. 6의 표면 피복 절삭 공구는, 기재 전구체에 대한 기계 가공 처리를 종래의 습식 연삭 처리만 행하는 것으로 변경한 것 이외에는 시료 No. 1의 표면 피복 절삭 공구와 동일한 방법에 의해 제작했다.

≪시료 No. 7의 표면 피복 절삭 공구의 제작≫

시료 No. 7의 표면 피복 절삭 공구는, 기재 전구체에 대한 기계 가공 처리를 종래의 습식 연삭 처리만 행하는 것, 그리고 기재의 표면에 형성된 피막의 제1 영역에 표면 처리를 실시하지 않은 것 이외에는 시료 No. 1의 표면 피복 절삭 공구와 동일한 방법에 의해 제작했다.

≪시료 No. 8의 표면 피복 절삭 공구의 제작≫

시료 No. 8의 표면 피복 절삭 공구는, 기재 전구체에 대한 기계 가공 처리를 종래의 습식 연삭 처리만 행하는 것, 그리고 기재의 표면에 형성된 피막의 제1 영역에 표면 처리를 실시하지 않은 것 이외에는 시료 No. 2의 표면 피복 절삭 공구와 동일한 방법에 의해 제작했다.

≪시료 No. 9의 표면 피복 절삭 공구의 제작≫

시료 No. 9의 표면 피복 절삭 공구는, 기재의 표면에 형성된 피막의 제1 영역에 표면 처리를 실시하지 않은 것 이외에는 시료 No. 1의 표면 피복 절삭 공구와 동일한 방법에 의해 제작했다.

이상과 같이 하여 시료 No. 1∼9의 표면 피복 절삭 공구를 제작했다. 여기서 시료 No. 1∼6의 표면 피복 절삭 공구가 실시예가 되고, 시료 No. 7∼9의 표면 피복 절삭 공구가 비교예가 된다. 표면 피복 절삭 공구는, 후술하는 각종 특성 평가(산소 농도, 변형률, TC(110) 및 내결손성 시험)를 위해, 시료 No. 1∼9의 각 그룹마다 4개씩 제작되었다.

≪각종 특성 평가≫

<산소 농도 및 변형률의 측정>

시료 No. 1∼9의 표면 피복 절삭 공구에 대하여, 날끝면으로부터 0.4 ㎛의 깊이 위치에서의 산소 농도, 날끝면으로부터 0.2 ㎛의 깊이 위치에서의 산소 농도 및 날끝면에 있어서의 변형률(날끝면으로부터 1.5 ㎛의 깊이 위치에서의 변형률) 각각을 상술한 방법에 따라서 측정했다.

각 산소 농도 및 변형률은, 각각 날끝면(R=0.05 mm의 호닝 가공이 실시된 면) 중 임의의 3개의 측정 부위에서 측정하여, 그 평균치를 산출했다. 단, 3개의 측정 부위 중 한 곳은 날끝면의 중앙 부분으로 했다. 각 산소 농도 및 변형률의 결과(평균치)를 표 2에 나타낸다.

각종 장치로서 이하의 장치를 이용했다.

XPS 분석 장치(산소 농도의 측정): 상품명 「JPS-9030」, 닛폰덴시가부시키가이샤 제조

X선 장치(변형률의 측정): 시설명 「SPring-8」, 일본 공익재단법인 고휘도광과학연구센터.

X선 회절법에 의한 변형률의 측정에 있어서 이용한 SPring-8의 방사광(고휘도 X선)의 조건은 이하와 같다.

빔 라인: BL16XU

입사 X선 에너지: 10 keV

입사 각도: 9.5°

주사 범위: 2θ로 18°∼97°

표 2에 있어서, 「산소 농도 at%(0.4 ㎛)」란에는 날끝면으로부터 0.4 ㎛의 깊이 위치에서의 산소 농도(원자%)가 표시된다. 「산소 농도 at%(0.2 ㎛)」란에는 날끝면으로부터 0.2 ㎛의 깊이 위치에서의 산소 농도(원자%)가 표시된다.

<TC(110)의 측정>

시료 No. 1∼9의 표면 피복 절삭 공구에 대하여, X선 회절 장치(상품명: 「SmartLab(등록상표) 3」, 가부시키가이샤리가크 제조)를 사용하여, Cu-KαX선을 이용한 θ-2θ법에 의해서 α-Al₂O₃층의 회절 프로파일을 얻었다. 관 전압은 45 kV, 관 전류는 200 mA로 하고, X선 조사 범위는 핀홀 콜리메이터를 사용하여, 경사면 상의 직경 0.3 mm의 범위에 X선을 조사했다.

여기서 시료 No. 1∼9의 표면 피복 절삭 공구는, 가상적으로 경사면과 여유면을 연장시켜, 이들이 교차하여 형성되는 선을 날끝 능선이라고 간주하고, 이 가상적인 날끝 능선에 기초하여 X선의 조사 부위를 설정했다. 구체적으로는 도 1에 도시한 것과 같이, 경사면의 예각(θ=80°, 가상적인 2 라인의 날끝 능선의 교차각)의 각(100)과 각(200)을 연결한 대각선을 따라서, 각(100)의 코너에서부터 0.7 mm 간격으로 측정점(제1 측정점(1), 제2 측정점(2), 제3 측정점(3), 제4 측정점(4), 제5 측정점(5))을 설정하고, 이들 측정점에 대하여 상기 조건으로 X선을 조사했다. 얻어진 α-Al₂O₃층의 회절 프로파일로부터 각 측정점에 있어서의 TC(110)를 산출했다. 이들의 측정 결과를 이하의 표 2에 나타낸다.

시료 No. 1∼9의 표면 피복 절삭 공구에 있어서, 제1 영역은, 경사면에 있어서 날끝 능선을 따라서 날끝 능선으로부터 1 mm 떨어진 지점을 지나는 가상선과 날끝 능선 사이에 있는 영역(A 영역)을 포함하므로, 제1 측정점(1) 및 제2 측정점(2)이 제1 영역에 포함된다. 제2 영역은, 경사면에 있어서 상기 A 영역이 되는 영역을 제외한 영역이기 때문에, 제3 측정점(3), 제4 측정점(4) 및 제5 측정점(5)이 제2 영역에 포함된다. 따라서, 제1 측정점(1), 제2 측정점(2)에 있어서 얻어진 TC(110)의 평균치가 a의 값으로 된다. 제3 측정점(3), 제4 측정점(4), 제5 측정점(5)에 있어서 얻어진 TC(110)의 평균치가 b의 값으로 된다.

<내결손성 시험>

시료 No. 1∼9의 표면 피복 절삭 공구에 대하여 이하의 절삭 조건으로 절삭을 실시했다. 절삭 시간 3분 경과 후의 날끝의 상태 및 피막의 박리 유무를 눈으로 보아 시각적으로 비교했다. 이들의 시험 결과도 이하의 표 2에 나타낸다. 표 2 중, 「정상 마모」란, 마모흔뿐이며, 미세한 빠짐, 결손이 날끝에 있어서 확인되지 않았음을 의미한다. 「미소 치핑」이란, 날끝에 있어서 결손되지 않았지만, 미세한 빠짐이 1∼3개 인정되었음을 의미한다. 「치핑」이란, 날끝에 있어서 결손이 인정되지 않았지만, 미세한 빠짐이 4∼8개 인정되었음을 의미한다. 「치핑 현저」란, 날끝에 있어서 결손 및 미세한 빠짐이 8개 초과인 어느 한쪽이 적어도 인정되었음을 의미한다.

(절삭 조건)

피삭재: SCM415(JIS) 홈을 가진 재료

절삭 속도: 150 m/min.

이송량: 0.2 mm/rev.

절입량: 1.5 mm

절삭액: 수용성 절삭유

평가: 3분 절삭 후의 날끝의 상태 및 피막의 박리 유무를 비교

<시험 결과 및 고찰>

표 2에 나타내는 것과 같이, 시료 No. 1∼6은 b-a>0.5의 관계를 만족하고, 피막의 박리가 인정되지 않았다. 내결손성 시험에 있어서도 양호한 결과를 얻을 수 있었다. 특히, 산소 농도 및 변형률이 충분히 작은 시료 No. 1∼3은, 내결손성 시험에 있어서 「정상 마모」의 평가를 얻을 수 있어, 보다 우수한 내결손성을 갖추는 것을 알 수 있었다. 이상으로부터, 시료 No. 1∼6은, b-a>0.5의 관계를 만족하지 않는 시료 7, 시료 8 및 시료 9와 비교하여, 박리, 치핑 등을 포함한 피막의 결손에 대한 저항성을 높인 표면 피복 절삭 공구라는 것이 이해된다.

이상과 같이 본 발명의 실시형태 및 실시예에 관해서 설명했지만, 상술한 각 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 실시형태가 아니라 청구범위에 의해서 나타내어지며, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

1: 제1 측정점, 2: 제2 측정점, 3: 제3 측정점, 4: 제4 측정점, 5: 제5 측정점, 10: 기재, 10a: 경사면, 10b: 여유면, 10c: 날끝면, 11: 표면 피복 절삭 공구, 12: 날끝 능선, 13: 관통 구멍, 100: 각, 200: 각.

Claims

경사면(rake face)과 여유면(flank face)을 갖는 표면 피복 절삭 공구로서,
기재와 이 기재 상에 형성된 피막을 구비하고,
상기 기재는 초경합금 또는 서멧이고,
상기 피막은 복수의 산화알루미늄의 결정립을 포함하는 산화알루미늄층을 포함하고,
상기 산화알루미늄층은, 상기 경사면 상의 A 영역과 상기 여유면 상의 B 영역으로 이루어지는 제1 영역과, 상기 경사면에 있어서 상기 A 영역을 제외한 영역인 제2 영역과, 상기 여유면에 있어서 상기 B 영역을 제외한 영역인 제3 영역을 포함하고,
상기 A 영역은, 상기 경사면과 상기 여유면을 가상적으로 연장시켰을 때에 이들이 교차하여 형성되는 선을 날끝 능선으로 했을 때, 상기 경사면에 있어서 상기 날끝 능선을 따라서 상기 날끝 능선으로부터 1 mm 떨어진 지점을 지나는 가상선과 상기 날끝 능선 사이에 있는 영역이고,
상기 B 영역은, 상기 여유면에 있어서 상기 날끝 능선을 따라서 상기 날끝 능선으로부터 1 mm 떨어진 지점을 지나는 가상선과 상기 날끝 능선 사이에 있는 영역이고,
상기 산화알루미늄층은, 배향성 지수 TC(hkl)에 있어서 TC(110)의 상기 제1 영역에 있어서의 평균치가 a이고, 상기 TC(110)의 상기 제2 영역 또는 상기 제3 영역에 있어서의 평균치가 b일 때, b-a>0.5의 관계를 만족하는 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항에 있어서, 상기 a는 2<a의 관계를 만족하는 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 산화알루미늄층은 α-Al₂O₃의 결정립을 주성분으로 하는 α-Al₂O₃층인 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기재는 표면을 가지고,
상기 표면은, 상기 경사면과, 상기 여유면과, 상기 경사면 및 상기 여유면을 잇는 날끝면을 포함하고,
상기 기재는, 상기 날끝면으로부터 0.4 ㎛의 깊이 위치에 있어서 1 원자% 이하의 산소 농도를 갖는 것인 표면 피복 절삭 공구.
제4항에 있어서, 상기 기재는, 상기 날끝면으로부터 0.2 ㎛의 깊이 위치에 있어서 10 원자% 이하의 산소 농도를 갖는 것인 표면 피복 절삭 공구.
제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 날끝면은 0.07 이하의 변형률(strain)을 갖는 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초경합금은, 코발트가 5∼7 질량%이고, 제1 금속의 탄화물이 0.01∼3 질량%이며, 또한 탄화텅스텐 및 불가피 불순물이 잔부인 조성을 가지고,
상기 서멧은, 코발트 또는 니켈이 5∼25 질량%이고, 탄화텅스텐이 5∼40 질량%이며, 또한 제1 금속의 탄화물, 질화물, 탄질화물에서 선택되는 적어도 어느 하나 및 불가피 불순물이 잔부인 조성을 가지고,
상기 제1 금속은, 주기표의 제4족 원소, 제5족 원소 및 제6족 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 금속인 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피막은, 주기표의 제4족 원소, 제5족 원소, 제6족 원소, 알루미늄 및 규소로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 제1 원소와, 붕소, 탄소, 질소 및 산소로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 제2 원소로 구성되는 화합물층을 추가로 포함하는 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피막은 화학 증착막인 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재한 표면 피복 절삭 공구를 제조하는 방법으로서,
상기 기재 상에 상기 피막을 형성하는 공정과,
상기 피막에 있어서 상기 제1 영역에 대응하는 부분에 표면 처리를 행하는 공정
을 포함하는 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법.
제10항에 있어서, 상기 표면 처리는 브러시 처리 또는 블라스트 처리를 적어도 포함하는 것인 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법.
제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법은,
기재 전구체를 준비하는 공정과,
상기 기재 전구체의 표면에 기계 가공 처리를 실시하여 상기 기재를 제작하는 공정
을 포함하고,
상기 기계 가공 처리는,
습식 연삭 처리와 건식 연삭 처리가 교대로 반복되는 제1 연삭 처리,
저이송-저절입의 습식 연삭 처리가 실시되는 제2 연삭 처리,
또는 건식 연삭 처리가 실시되는 제3 연삭 처리
중 어느 것인 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법.