KR20190032455A

KR20190032455A - 표면 피복 절삭 공구 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20190032455A
Application number: KR1020197004885A
Authority: KR
Inventors: 신야 이마무라; 히데아키 가나오카; 아농색 파수트; 사토시 오노; 고우헤이 요시무라
Original assignee: 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤
Priority date: 2016-08-25
Filing date: 2017-05-25
Publication date: 2019-03-27
Also published as: JP2018030206A; CN109641285A; CN109641285B; WO2018037648A1; EP3505281A4; US10994340B2; EP3505281A1; US20190232385A1

Abstract

기재와, 기재 상에 형성된 피막을 구비하는 표면 피복 절삭 공구로서, 기재는 초경 합금 또는 서멧이고, 기재의 표면은, 경사면과, 여유면과, 상기 경사면 및 상기 여유면을 잇는 날끝면을 포함한다. 기재에 있어서, 날끝면으로부터 0.4 ㎛의 깊이 위치에서의 산소 농도는 1 원자％ 이하이다. 피막은 경질층을 포함하고, 경질층 중의 최상층은, 절대값이 1.5 ㎬ 이상인 압축 응력을 갖는다.

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 특허 출원 제2016-164781호에 기초한 우선권을 주장한다. 상기 일본 특허 출원에 기재된 모든 기재 내용은, 참조에 의해 본 명세서에 원용된다.

종래부터, 내마모성, 내결손성이라고 하는 공구 특성을 향상시키는 것에 의한, 절삭 공구의 장수명화가 검토되었다. 예컨대, 일본 특허 공개 제2013-244549호 공보(특허문헌 1)에는, 기재의 표면에 피막이 형성된 표면 피복 절삭 공구가 개발되어 있다. 기재 상에 피막을 마련함으로써, 절삭 공구의 특성을 보다 향상시킬 수 있다. 또한 일본 특허 공개 평성6-079502호 공보(특허문헌 2)에는, 기재 상의 피막에 후처리를 실시함으로써, 피막에 대하여 압축 응력을 부여하는 대처가 이루어져 있다. 압축 응력의 부여에 의해 피막의 인성을 향상시킬 수 있고, 이에 따라 절삭 공구의 내결손성이 향상된다고 생각되고 있다.

특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2013-244549호 공보 특허문헌 2: 일본 특허 공개 평성6-079502호 공보

본 개시의 일양태에 따른 표면 피복 절삭 공구는, 기재와, 기재 상에 마련된 피막을 구비하는 표면 피복 절삭 공구로서, 기재는 초경 합금 또는 서멧이고, 기재의 표면은, 경사면과, 여유면과, 상기 경사면 및 상기 여유면을 잇는 날끝면을 포함한다. 기재에 있어서, 날끝면으로부터 0.4 ㎛의 깊이 위치에서의 산소 농도는 1 원자％ 이하이다. 피막은 경질층을 포함하고, 경질층 중의 최상층은 절대값이 1.5 ㎬ 이상인 압축 응력을 갖는다.

본 개시의 일양태에 따른 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법은, 상기 표면 피복 절삭 공구를 제조하는 방법으로서, 기재 전구체를 준비하는 공정과, 기재 전구체의 표면을 기계 가공 처리하여 기재를 제작하는 공정과, 기재 상에 경질층을 포함하는 피막을 형성하는 공정과, 피막에 압축 응력을 부여하는 공정을 포함한다. 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 하나이다.

도 1은 표면 피복 절삭 공구의 일양태를 예시하는 사시도이다.
도 2는 도 1의 X-X선 화살표 방향에서 본 단면도이다.
도 3은 도 2에 나타내는 절삭 공구의 단면에 있어서 기재만을 예시하는 도면이다.
도 4는 도 3의 부분 확대도이다.
도 5는 날끝면의 다른 형상을 예시하는 도면이다.
도 6은 날끝면의 또 다른 형상을 예시하는 도면이다.
도 7은 날끝면의 또 다른 형상을 예시하는 도면이다.

[본 개시가 해결하고자 하는 과제]

상기 대처에 관해서는, 부여하는 압축 응력이 커짐에 따라, 내결손성의 추가적인 향상이 가능해지고, 이에 의해 표면 피복 절삭 공구의 장수명화를 도모할 수 있을 것으로 기대된다. 그러나, 후처리를 거친 표면 피복 절삭 공구에 있어서는, 기대되는 장수명화가 달성되지 않는 경우가 많이 있었다.

이상의 점을 감안하여, 본 개시에서는, 장수명화된 표면 피복 절삭 공구 및 그 제조 방법의 제공을 목적으로 한다.

[본 개시의 효과]

상기에 따르면, 장수명화된 표면 피복 절삭 공구 및 그 제조 방법이 제공된다.

[본원 발명의 실시형태의 설명]

먼저 본 발명의 실시양태를 열기하여 설명한다. 또한, 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 동일하다.

〔1〕본 개시의 일양태에 따른 표면 피복 절삭 공구는, 기재와, 상기 기재 상에 형성된 피막을 구비하는 표면 피복 절삭 공구로서, 기재는 초경 합금 또는 서멧이고, 기재의 표면은, 경사면과, 여유면과, 상기 경사면 및 상기 여유면을 잇는 날끝면을 포함한다. 기재에 있어서, 날끝면으로부터 0.4 ㎛의 깊이 위치에서의 산소 농도는 1 원자％ 이하이고, 피막은 경질층을 포함하고, 경질층 중의 최상층은 절대값이 1.5 ㎬ 이상인 압축 응력을 갖는다.

본 발명자들의 검토에 의해, 큰 압축 응력이 부여된 경질층을 포함하는 피막은, 기재로부터 탈락하기 쉽고, 그 때문에, 부여된 압축 응력으로부터 기대되는 장수명화가 달성되기 어려운 것을 알았다. 또한 본 발명자들은, 예의 검토의 결과, 기재 중의 날끝면 근방에 의도하지 않는 산소 원자가 들어가 있고, 이에 의해, 기재와 피막의 밀착성의 저하가 야기되고 있는 것을 발견하였다.

본 개시의 표면 피복 절삭 공구에 있어서는, 종래의 절삭 공구에 비해서, 날끝면 근방에 있어서의 산소 원자의 농도가 낮게 제어되었다. 구체적으로는, 기재에 있어서, 날끝면으로부터 0.4 ㎛의 깊이 위치에서의 산소 농도는 1 원자％ 이하이다. 이에 의해, 종래에 비해서 기재와 피막의 밀착성이 높여진다. 이 때문에, 피막에 포함되는 경질층에 대하여 큰 압축 응력이 부여되고 있는 경우라도, 종래에 비해서 피막의 탈락이 억제되게 된다. 이와 같이, 상기 표면 피복 절삭 공구에 따르면, 피막의 탈락에 의한 내결손성의 저하를 억제하면서, 압축 응력의 부여에 의한 내마모성의 향상이 가능해지고, 따라서 장수명화가 가능해진다.

〔2〕상기 표면 피복 절삭 공구의 기재에 있어서, 날끝면으로부터 0.2 ㎛의 깊이 위치에서의 산소 농도는 10 원자％ 이하이다. 이 표면 피복 절삭 공구에 따르면, 기재와 피막의 밀착성이 더욱 우수해진다.

〔3〕상기 표면 피복 절삭 공구에 있어서, 최상층은 절대값이 3.5 ㎬ 이상인 압축 응력을 갖는다. 이에 의해, 절삭 공구의 내마모성이 더욱 향상된다.

〔4〕상기 표면 피복 절삭 공구에 있어서, 경질층은, 주기표의 제4족 원소, 제5족 원소, 제6족 원소, Al 및 Si로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 제1 원소와, B, C, N 및 O로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 제2 원소로 이루어지는 화합물층이다. 이러한 화합물층은, 절삭 공구의 특성의 향상에 적합하다.

〔5〕상기 표면 피복 절삭 공구에 있어서, 최상층은 Al을 포함하는 산화물(Al 산화물)로 이루어지는 층이다. 이 경우, 종래에 비해서 비약적인 효과를 발휘할 수 있다.

〔6〕상기 표면 피복 절삭 공구의 기재에 있어서, 날끝면의 변형률은 0.07 이하이다. 이에 의해, 피막의 내박리성이 향상된다.

〔7〕본 개시의 일양태에 따른 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법은, 상기 표면 피복 절삭 공구를 제조하는 방법으로서, 기재 전구체를 준비하는 공정과, 기재 전구체의 표면을 기계 가공 처리하여 기재를 제작하는 공정과, 기재 상에 피막을 형성하는 공정과, 피막에 압축 응력을 부여하는 공정을 포함한다. 기계 가공 처리는 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 하나이다. 이에 의해, 장수명화된 상기 표면 피복 절삭 공구를 제조할 수 있다.

[본원 발명의 실시형태의 상세]

본 발명자들은, 후처리에 의해 압축 응력이 부여된 표면 피복 절삭 공구에 대해서, 여러 가지 각도로부터의 관찰을 실시하였다. 그 결과, 큰 압축 응력이 부여된 피막을 갖는 표면 피복 절삭 공구에서는, 피막의 부분적인 탈락이 생기기 쉬운 것을 알았다.

본 발명자들은, 피막과 기재의 밀착력을 향상시켜, 피막의 탈락을 억제할 필요가 있다고 생각하였다. 그러나, 피막과 기재의 밀착력을 향상시키기 위한 대처는 이제까지 많이 이루어져 있다. 이 때문에, 본 발명자들은, 종래의 어프로치로는, 전술한 피막의 탈락을 충분히 억제할 수 없다고 생각하였다.

그래서, 본 발명자들은, 피막의 탈락이 생긴 표면 피복 절삭 공구에 관하여, 종래의 나노 레벨의 관찰에 더하여, 원자 레벨의 관찰도 실시하는 것으로 하였다. 구체적으로는, 주사형 전자 현미경에 더하여, X선 광전자 분광법(XPS)을 이용하여, 표면 피복 절삭 공구를 관찰하였다. 그 결과, 표면 피복 절삭 공구의 기재 내에 의도하지 않은 산소 원자가 들어가 있는 것, 또한, 기재 내에 높은 농도로 산소 원자가 존재하는 경우에, 기재로부터의 피막의 탈락이 발생하기 쉬운 것을 발견하였다.

표면 피복 절삭 공구에 있어서는, 기재의 표면에 피막이 형성되지만, 이것은, 비교적 엄격한 환경 하에서 실시된다. 이 때문에 당초, 기재 상에 피막을 형성하는 공정을 거침으로써, 기재의 내부에 산소 원자가 공급되는 것이 상정되었다. 그러나, 피막을 갖기 전의 절삭 공구에 있어서도, 산소 원자의 들어감이 보였기 때문에, 상기 상정은 뒤집히게 되었다.

그래서, 본 발명자들은, 기재 전구체에 대한 기계 가공 처리에 착안하였다. 「기재 전구체」란, 기계 가공 처리에 의해 그 표면이 모따기되어, 절삭날이 형성됨으로써 「기재」가 되는 것이다. 즉, 기계 가공 처리는, 소결체 등의 기재 전구체에 대하여 절삭 공구의 기재로서의 적성을 부여하기 위해 실시되는 처리이다. 경질인 기재 전구체를 기계 가공 처리하는 경우에는, 처리 시간의 발열을 억제하거나, 또는 가공 품위를 향상시키기 위해, 공업적으로, 고이송 고절입의 습식 연삭 처리가 실시된다. 본 발명자들은, 이 습식 연삭 처리에 사용되는 물이 상기 산소 원자의 공급원인 것을 발견하였다.

계속해서, 본 발명자들은, 기계 가공 처리의 각종 방법에 따른 기재 내에의 산소 원자의 침입의 양태의 차이에 대해서 예의 검토를 거듭하였다. 그리고, 종래와는 상이한 기계 가공 처리의 방법을 채용함으로써, 산소 원자의 침입을 억제하는 것을 가능하게 하였다. 본 발명은, 이와 같이 하여 완성된 것이다.

이하, 본 발명의 일실시형태(이하 「본 실시형태」라고 기재함)에 대해서 설명한다. 단, 본 실시형태는 이들에 한정되는 것이 아니다. 또한 이하의 실시형태의 설명에 이용되는 도면에 있어서, 동일한 참조 부호는, 동일 부분 또는 상당 부분을 나타낸다. 또한, 본 명세서에 있어서 화합물 등을 화학식으로 나타내는 경우, 원자비를 특별히 한정하지 않을 때는 종래 공지의 모든 원자비를 포함하는 것으로 하고, 반드시 화학 양론적 범위의 것에 한정되는 것이 아니다. 예컨대 「TiCN」이라고 기재되어 있는 경우, TiCN을 구성하는 원자수의 비는 Ti:C:N=1:0.5:0.5에 한정되지 않고, 종래 공지의 모든 원자비가 포함된다.

〈표면 피복 절삭 공구〉

본 실시형태의 표면 피복 절삭 공구(이하, 단순히 「절삭 공구」라고도 함)는, 기재와, 기재 상에 형성된 피막을 구비한다. 절삭 공구의 형상 및 용도 등은 특별히 한정되지 않는다. 본 실시형태의 절삭 공구는, 예컨대, 드릴, 엔드 밀, 드릴용 날끝 교환형 절삭 칩, 엔드 밀용 날끝 교환형 절삭 칩, 프라이스 가공용 날끝 교환형 절삭 칩, 선삭 가공용 날끝 교환형 절삭 칩, 메탈 소오, 치절 공구, 리머, 탭 등일 수 있다.

도 1은 절삭 공구의 일양태를 예시하는 사시도이고, 도 2는 도 1의 X-X선 화살표 방향에서 본 단면도이다.

절삭 공구(10)는, 상면, 하면 및 4개의 측면을 포함하는 표면을 가지고 있고, 전체로서, 상하 방향으로 약간 얇은 사각 기둥 형상이다. 또한, 절삭 공구(10)에는 상하면을 관통하는 관통 구멍이 형성되어 있고, 4개의 측면의 경계 부분에 있어서는, 인접하는 측면끼리가 원호면으로 연결되어 있다.

상기 절삭 공구(10)에서는, 상면 및 하면이 경사면을 이루고, 4개의 측면(및 이들을 서로 잇는 원호면)이 여유면을 이루고, 경사면과 여유면을 잇는 원호면이 날끝면을 이룬다. 이러한 형상의 절삭 공구는, 선삭 가공용 날끝 교환형 절삭 칩으로서 이용된다.

또한, 절삭 공구(10)는, 기재(1)와, 기재(1) 상에 마련된 피막(2)을 구비한다. 피막(2)은, 기재(1)의 표면의 일부(예컨대 날끝면)에 형성되어 있어도 좋고, 전체면에 형성되어 있어도 좋다.

《기재》

기재는 초경 합금 또는 서멧이다. 초경 합금으로서는, WC기 초경 합금(WC 외에, Co를 포함하고, 또는 Ti, Ta, Nb 등의 탄질화물을 첨가한 것도 포함함)을 들 수 있다. 서멧으로서는, TiC, TiN, TiCN 등을 주성분으로 하는 것을 들 수 있고, 그 중에서도, TiCN기 서멧이 바람직하다.

또한 기재는, 표면을 가지고, 상기 표면은, 경사면과, 여유면과, 상기 경사면 및 상기 여유면을 잇는 날끝면을 갖는다. 날끝면은, 절삭 공구의 절삭날을 구성하는 면이다. 기재 중, 어느 영역이 날끝면이 될지는, 기재의 형상에 따라 결정된다. 이에 대해서 도 3∼5를 이용하여 설명한다.

도 3은 도 2에 나타내는 절삭 공구의 단면에 있어서 기재만을 예시하는 도면이다. 또한 도 3에 있어서 피막을 도시하지 않은 것은, 기재(1)의 형상의 설명을 용이하게 하기 위해서이다.

기재(1)에 있어서, 상면 및 하면이 경사면(1a)을 이루고, 4개의 측면(및 이들을 서로 잇는 원호면)이 여유면(1b)을 이루고, 경사면(1a)과 여유면(1b)을 잇는 원호면이 날끝면(1c)을 이룬다. 또한, 기재의 경사면(1a), 여유면(1b) 및 날끝면(1c)의 각각이, 절삭 공구의 경사면, 여유면 및 날끝면의 각각을 형성하는 기초가 된다.

도 4는 도 3의 부분 확대도이다. 도 4에 있어서는, 경사면(1a)을 포함하는 가상 평면(A), 경사면(1a)과 가상 평면(A)의 괴리의 경계가 되는 가상 경계선(AA), 여유면(1b)을 포함하는 가상 평면(B) 및 여유면(1b)과 가상 평면(B)의 괴리의 경계가 되는 가상 경계선(BB)을 나타내고 있다. 또한 도 4에 있어서, 각 가상 평면(A, B)은 선형으로 나타내고 있고, 각 가상 경계선(AA, BB)은 점형으로 나타내고 있다. 도 4에 있어서, 가상 경계선(AA) 및 가상 경계선(BB)에 끼이는 영역 내의 표면이, 날끝면(1c)이 된다.

이와 같이, 날끝면(1c)은, 일반적으로, 기재(1)의 표면으로서, 교차하는 면의 모서리에 대하여 기계 가공 처리가 실시됨으로써 형성되는 면이다. 바꾸어 말하면, 기재(1)는, 소결체 등으로 이루어지는 기재 전구체의 표면의 적어도 일부에 대하여 기계 가공 처리가 실시되어 이루어지는 것이며, 날끝면(1c)은, 기계 가공 처리에 의한 모따기를 거쳐 형성된 면이다.

도 4에 있어서는, 날끝면(1c)이 원호면인 경우에 대해서 나타내었지만, 날끝면(1c)의 형상은 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 도 5에 나타내는 바와 같이, 평면의 형상을 가지고 있는 경우도 있다. 또한, 도 6에 나타내는 바와 같이, 평면과 원호면이 혼재하는 형상을 가지고 있는 경우도 있다.

상기한 바와 같이 기재(1)가 도 4∼도 6에 나타내는 것 같은 형상을 갖는 경우, 날끝면(1c)은, 그 형상만으로부터 용이하게 결정할 수 있다. 이 경우의 날끝면(1c)은, 가상 평면(A) 및 가상 평면(B) 중 어느 것에도 포함되지 않고, 경사면(1a) 및 여유면(1b)의 육안에 의한 구별이 용이하기 때문이다.

한편, 기재(1)가 도 7에 나타내는 것 같은 샤프 엣지 형상을 갖는 경우, 그 형상만으로부터 기계 가공 처리에 의해 형성된 날끝면(1c)을 결정하는 것은 어렵다. 이 경우의 날끝면(1c)은, 가상 평면(A) 및/또는 가상 평면(B)에 포함되기 때문에, 경사면(1a) 및 여유면(1b)의 육안에 의한 구별이 어렵기 때문이다.

그래서 본 명세서에 있어서, 기재(1)가 샤프 엣지 형상을 갖는 경우, 날끝면(1c)은, 경사면(1a)과 여유면(1b)이 교차하여 이루어지는 능선(AB)으로부터의 거리(d)가 100 ㎛ 이내의 영역에 포함되는 면으로 한다. 이 영역에 포함되는 기재(1)가, 절삭 공구(10)의 절삭날로서 기능할 수 있기 때문이다.

본 실시형태의 기재는, 날끝면으로부터 0.4 ㎛의 깊이 위치에서의 산소 농도가 1 원자％ 이하이다. 이 산소 농도는 XPS에 적용 가능한 XPS 분석 장치를 이용하여 측정할 수 있다.

XPS에 있어서는, Ar 등의 이온에 의해 측정 대상물의 표면을 에칭하면서, 측정 대상물의 임의의 깊이 위치에 있어서의 임의의 원자의 비율을 측정할 수 있다. 이 때문에, 다음과 같이 하여, 기재의 표면인 날끝면으로부터 0.4 ㎛의 깊이 위치에서의 산소 농도를 결정할 수 있다.

먼저, XPS에 의해, 기재의 날끝면에 대응하는 절삭 공구의 표면에 위치하는 피막을 에칭해 간다. 에칭 과정에 있어서, 기재의 재료에 특유의 원소(예컨대 기재 중의 결합상을 구성하는 원소)가 측정된 깊이 위치를, 기재의 날끝면으로 한다. 그리고, 기재의 표면인 날끝면으로부터 0.4 ㎛의 깊이 위치에서의 산소 농도를 결정할 수 있다. 이때의 에칭 면적은, 500∼50000 ㎛²로 할 수 있다. 측정은 진공 하에서 실시된다.

또한, 날끝면이 샤프 엣지 형상을 갖는 경우, 날끝면은, 경사면측에 위치하는 날끝면과, 여유면측에 위치하는 날끝면이 있다. 이 경우, 「기재의 표면인 날끝면으로부터 0.4 ㎛의 깊이 위치」란, 어느 한쪽의 날끝면으로부터 0.4 ㎛의 깊이 위치이고, 또한 다른쪽의 날끝면으로부터는 0.4 ㎛ 이상의 깊이 위치에 닿은 위치를 의미한다.

상기 산소 농도는 평균값으로 할 수 있다. 즉, 기재의 날끝면 중 임의의 3개의 측정 부분을 결정하고, 상기 측정 부분으로부터 0.4 ㎛의 깊이 위치에서의 산소 농도를 각각 측정한다. 그리고, 이들의 평균값을 상기 산소 농도로 할 수 있다.

또한 본 발명자들은, 날끝면의 복수의 측정 부분에 있어서의 산소 농도의 측정을 실시한 바, 개개의 측정값과 평균값에서 유의한 차가 없는 것을 확인하였다. 이 때문에, 날끝면 중의 임의의 1부분을 측정하고, 그 결과를 상기 산소 농도로 하여도 좋다. 단, 분명하게 이상값이라고 인식되는 결과는 제외되어야 한다. 이때의 1부분은, 날끝면의 중앙 부분에서 결정되는 것이 바람직하다. 절삭 공구의 특성에 크게 관여하는 부분이며, 절삭 공구의 특성 평가의 대상 부위로서 적절하기 때문이다.

본 실시형태의 절삭 공구에 따르면, 기재에 있어서, 날끝면으로부터 0.4 ㎛의 깊이 위치에서의 산소 농도가 1 원자％ 이하임으로써, 기재와 피막의 높은 밀착성을 가질 수 있다. 이 때문에, 기재 상의 피막에 포함되는 경질층 중의 최상층에 대하여, 1.5 ㎬ 이상이라고 하는 큰 압축 응력이 부여되고 있는 경우라도, 그 탈락을 억제할 수 있다.

여기서, 본 발명자들은 본 개시에 관한 검토에 의해 이하 (a)∼(c)를 발견하였다.

(a) 절삭 공구용의 기재의 날끝면에는, 의도하지 않은 산소 원자가 들어가 있고, 또한 그 산소 원자에 유래하는 산소 농도는, 날끝면 근방에 있어서 가장 높고, 기재의 내부를 향함에 따라 감소하고 있다;

(b) 날끝면 근방의 산소 농도가 높을수록, 기재의 내부 깊이까지 산소 원자가 들어가 있는 경향이 있다;

(c) 기재 내의 산소 농도가 높을수록, 기재와 피막의 밀착성이 낮다(피막이 탈락하기 쉽다).

본 발명자들은, 상기 발견을 근거로 하여, 본 실시형태의 절삭 공구에 있어서, 상기 밀착성이 향상하는 이유를 다음과 같이 추찰한다. 즉, 종래의 절삭 공구의 기재에 있어서는, 날끝면과, 상기 날끝면으로부터 내부를 향하는 어느 정도의 깊이 위치 사이의 영역에, 의도하지 않은 산소 원자가 존재하고 있었다. 기재의 물성에 영향을 끼칠 수 있는 높은 농도로 상기 산소 원자가 존재하는 영역(「고산소 영역」이라고도 함)에서는, 기재의 취화가 발생한다. 취화된 기재 상에 존재하는 피막은, 취화되지 않은 기재 상에 존재하는 경우보다 탈락하기 쉽다.

한편, 본 실시형태의 절삭 공구에 있어서는, 기재에 있어서, 날끝면으로부터 0.4 ㎛의 깊이 위치에서의 산소 농도가 1 원자％ 이하이고, 이것은 종래의 절삭 공구에 비해서 작은 값이다. 이 때문에, 날끝면 근방의 산소 농도도 또한, 종래에 비해서 작고, 따라서 날끝면 근방의 취화가 억제된다. 따라서, 본 실시형태의 절삭 공구에 따르면, 종래에 비해서 피막의 탈락이 생기기 어렵고, 따라서 기재와 피막의 밀착성이 향상된다.

또한, 전술한 바와 같이 날끝면 근방의 취화가 종래에 비해서 억제됨으로써, 기재 자신의 경도의 저하도 억제될 수 있다. 기재의 경도 저하의 억제는, 절삭 공구의 내마모성의 향상에 기여한다. 이것도, 본 실시형태의 절삭 공구의 장수명화에 기여하고 있다고 추찰된다.

본 실시형태의 절삭 공구에 있어서, 기재는, 날끝면으로부터 0.2 ㎛의 깊이 위치에서의 산소 농도가 10 원자％ 이하인 것이 바람직하다. 이 경우, 기재와 피막의 밀착성을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 이론상, 날끝면으로부터 0.4 ㎛의 깊이 위치에서의 산소 농도 및 날끝면으로부터 0.2 ㎛의 깊이 위치에서의 산소 농도는, 각각 0 원자％인 것이 바람직하다.

기재는, 날끝면에 있어서의 변형률이 0.07 이하인 것이 바람직하다. 날끝면에 있어서의 변형률은, X선 회절법을 적용함으로써 구할 수 있다. 또한, 방사광과 같은 고휘도의 X선은, 고정밀도로 측정할 수 있는 점에서 바람직하지만, 통상의 X선 장치를 사용하여도 좋은 것은 물론이다.

X선 회절법에 의해 얻어지는 X선의 회절각(2θ)과 회절 강도의 회절 프로파일에 있어서는, 결정자 사이즈 및 변형률 각각에 의존하여, 회절 피크가 넓어지는(브로드가 되는) 것이 알려져 있다. 결정자 사이즈에 의존하는 회절 피크 및 변형률에 의존하는 회절 피크의 각각을 로렌츠 함수로 근사하면, 회절 피크의 적분폭(β)은 하기 식 (1)로 나타낼 수 있다. βsize는 결정자 사이즈에 의존하는 회절 프로파일에 있어서의 적분폭이고, βstrain은 변형률에 의존하는 회절 프로파일에 있어서의 적분폭이다.

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, θ₀은 브랙각이다. 또한, 하기 식 (2) 및 하기 식(3)을 상기 식 (1)에 대입함으로써, 하기 식 (4)가 얻어진다.

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 상이한 복수의 회절 프로파일로부터 구해지는 값을 플롯하고, 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 평균값으로 할 수 있다. 즉, 기재의 날끝면 중 임의의 3개의 측정 부분에 있어서의 회절 프로파일(입사각이 상이한 복수의 회절 프로파일)을 얻어, 각 측정 부분에 있어서의 η의 값을 각각 산출한다. 그리고, 이들의 평균값을 상기 변형률로 한다. 상기 측정 부분은, 기재의 날끝면으로부터 깊이 방향에 대하여, 그 두께가 1.5 ㎛가 되는 영역에 위치하는 기재이다. 즉, 각 측정 부분에 있어서의 변형률은, 날끝면으로부터 깊이 1.5 ㎛까지의 영역에 있어서의 기재의 변형률의 적산값으로서, 각 측정 부분에 있어서 측정된다.

또한 본 발명자들은, 날끝면의 복수의 측정 부분에 있어서의 η의 값의 산출을 실시한 바, 개개의 값과 평균값에서 유의한 차가 없는 것을 확인하였다. 이 때문에, 날끝면 중의 임의의 1부분을 측정하고, 그 결과를 상기 변형률로 하여도 좋다. 단, 분명하게 이상값이라고 인식되는 결과는 제외되어야 한다. 이때의 1부분은, 날끝면의 중앙 부분에서 결정되는 것이 바람직하다. 절삭 공구의 특성에 크게 관여하는 부분이며, 절삭 공구의 특성 평가의 대상 부위로서 적절하기 때문이다.

상기 변형률이 「0.07 이하」로 충분히 작은 경우, 절삭 공구의 추가적인 장수명화가 가능해진다. 이러한 위치에서의 변형률을 작게 함으로써, 피막의 내박리성이 향상되기 때문이다. 또한 상기 변형률은, 0.05 이하인 것이 보다 바람직하다. 이 경우, 추가적인 절삭 공구의 장수명화가 가능해진다. 또한, 이론상, 상기 변형률은 0인 것이 가장 바람직하다.

《피막》

본 실시형태의 절삭 공구는, 기재 상에 마련된 피막을 구비한다. 피막은, 경질층을 포함하는 한, 1층으로 이루어지는 단층 구조여도 좋고, 2층 이상이 적층된 적층 구조여도 좋다. 예컨대, 경질층 이외에, 하지층, 사용 상태 표시층(표면층) 등을 들 수 있다.

피막은, 0.3∼15 ㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 피막의 두께가 0.3 ㎛ 이상이면, 피막의 특성을 충분히 발휘할 수 있고, 15 ㎛ 이하이면, 피막이 지나치게 두꺼운 것에 따른 피막의 박리를 억제할 수 있다.

피막의 두께는 다음과 같이 하여 구한다. 먼저, 기재의 표면의 법선 방향에 평행한 단면을 포함하는 측정 시료를 제작한다. 다음에, 상기 단면을 주사 투과형 전자 현미경(STEM: Scanning Transmission Electron Microscopy)으로 관찰하여, 관찰 화상에 피막의 두께 방향의 전역이 포함되도록 배율을 조정한다. 그리고, 그 두께를 5점 이상 측정하여, 그 평균값을 두께로 한다. 후술하는 경질층의 두께에 대해서도 동일하다.

《경질층》

피막에 포함되는 경질층은, 1층으로 이루어지는 단층 구조여도 좋고, 2층 이상이 적층된 적층 구조여도 좋다. 경질층 중의 최상층은, 절대값이 1.5 ㎬ 이상인 압축 응력을 갖는다. 또한, 최상층이란, 경질층을 구성하는 층 중, 가장 기재로부터 떨어진 위치에 있는 층을 의미한다. 단 경질층이 1층인 경우에는, 상기 경질층과 경질층 중의 최상층은 동일한 층이 된다.

후처리에 의해 압축 응력이 부여된 경질층에 있어서는, 후처리의 성질상, 경질층 중의 최상층에 가장 큰 압축 응력이 부여되기 쉬운 경향이 있다. 그리고 경질층 중의 최상층이 이와 같이 큰 압축 응력을 갖는 경우, 종래라면, 이 경질층을 포함하는 피막은, 기재로부터 탈락하기 쉬운 경향이 있었다.

이에 대하여 본 실시형태의 절삭 공구는, 전술한 바와 같이, 기재와 피막의 밀착성이 우수하다. 이 때문에, 피막이 큰 압축 응력이 부여된 경질층을 포함함에도 불구하고, 이에 의거하는 피막의 박리가 충분히 억제된다. 따라서, 본 실시형태의 절삭 공구에 따르면, 내마모성과 내결손성의 양특성이 우수할 수 있고, 따라서 장수명을 가질 수 있다.

또한, 큰 압축 응력을 갖는 경질층을 포함하는 피막이, 기재로부터 탈락하기 쉬운 이유는 명확하지 않다. 단, 「큰 압축 응력을 갖는 피막」을 「후처리에 의한 응력 변화가 큰 피막」으로 파악한 경우에는, 다음의 것이 추찰된다.

큰 응력 변화를 거친 피막은, 자괴하기 쉽거나, 및/또는 미세한 균열 등의 결함을 포함하기 쉽다고 하는 특징이 있다. 내부에 자괴한 부분이 존재하거나, 미세한 균열이 존재하거나 하는 피막은, 기재로부터 탈락하기 쉬워진다. 따라서, 큰 응력 변화를 거친 피막인 「큰 압축 응력을 갖는 피막」은, 탈락하기 쉬워진다.

여기서 「압축 응력」이란, 층 내에 존재하는 내부 응력(고유 변형)의 일종이다. 압축 응력은, 「-」(마이너스)의 수치(본 명세서에 있어서 그 단위는 「㎬」로 나타냄)로 나타내는 응력을 말한다. 이 때문에, 압축 응력이 크다고 하는 개념은, 상기 수치의 절대값이 커지는 것을 나타내고, 압축 응력이 작다고 하는 개념은, 상기 수치의 절대값이 작아지는 것을 나타낸다.

최상층의 압축 응력은, 예컨대, X선 응력 측정 장치를 이용한 sin²ψ법에 따라 측정할 수 있다. 이러한 X선을 이용한 sin²ψ법은, 다결정 재료의 압축 응력의 측정 방법으로서 널리 이용되고, 예컨대 「X선 응력 측정법」(일본 재료 학회, 1981년 가부시키가이샤 요켄도 발행)의 54∼67 페이지에 상세하게 설명되어 있는 방법을 이용할 수 있다.

sin²ψ법을 적용하여 최상층의 압축 잔류 응력을 측정하는 경우, 최상층 위에 사용 상태 표시층 등의 다른 층이 존재할 때에는, 필요에 따라 전해 연마, 플랫 밀링 등을 함으로써, 다른 층을 제외하고 최상층을 노출시켜, 이 노출한 최상층에 대하여 압축 응력을 측정한다.

최상층의 압축 응력의 절대값은, 1.5∼5.5 ㎬ 이하인 것이 바람직하다. 5.5 ㎬를 넘으면, 최상층이 자괴하는 경향이 현저히 높아지기 때문이다. 또한 바람직하게는, 최상층의 압축 응력의 절대값은, 3.5∼5.5 ㎬이다.

경질층을 구성하는 각 층(경질층이 1층 구조인 경우에는 경질층 그 자체)은, 주기표의 제4족 원소(Ti, Zr, Hf), 제5족 원소(V, Nb, Ta), 제6족 원소(Cr, Mo, W), Al 및 Si로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 제1 원소와, B, C, N 및 O로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 제2 원소로 이루어지는 화합물층인 것이 바람직하다. 이러한 화합물층으로 구성되는 경질층은, 절삭 공구의 피막으로서 적합하다.

상기 화합물층의 구체예로서, TiCNO층, TiBN층, TiC층, TiN층, TiAlN층, TiSiN층, AlCrN층, AlCrON층, AlCrO층, TiAlSiN층, TiAlON층, AlCrSiCN층, TiCN층, TiSiC층, CrSiN층, AlTiSiCO층, TiSiCN층, ZrO₂층, Al₂O₃층 등을 들 수 있다.

특히 경질층 중의 최상층은, Al 산화물층을 포함하는 것이 바람직하다. Al 산화물층은, 큰 압축 응력이 부여된 경우에, 특히 자괴하기 쉽고, 따라서 피막의 기재로부터의 박리를 재촉하기 쉬운 경향이 있다. 이에 대하여, 본 실시형태의 절삭 공구에 따르면, 전술한 바와 같이, 기재와 피막의 밀착성이 우수하기 때문에, 종래에 비해서 피막의 탈락이 억제되게 된다.

그 중에서도 경질층은, 기재측으로부터 순서대로, TiN층, TiCN층 및 Al 산화물층이 적층된 다층 구조를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 다층 구조는, 각 층의 상승 효과에 의해, 절삭 공구의 내마모성, 내산화성, 내열 안정성 및 내치핑성을 현저히 향상시킬 수 있다.

Al 산화물층으로서는, AlCrON층, AlCrO층, TiAlON층, AlTiSiCO층, Al₂O₃층 등을 들 수 있다.

또한 경질층은, CVD법에 따라 성막된 화학 증착층인 것이 바람직하다. 그 이유의 하나는, 화학 증착층은, 물리 증착(PVD)법에 따라 성막된 물리 증착층에 비해서, 기재와의 밀착성이 우수하기 때문이다. 또한, 그 이유의 다른 하나는, 화학 증착층은, 물리 증착층과 다르게, 그 전체에 인장 응력을 갖는 것이 많은 점에 있다. 이 때문에, 화학 증착층이면서 큰 압축 응력을 갖는 경질층은, 물리 증착층으로서 큰 압축 응력을 갖는 경질층보다, 후처리에 의한 응력 변화가 커서, 탈락하기 쉽다고 할 수 있다. 바꾸어 말하면, 본 실시형태의 경질층이 화학 증착층인 경우에는, 종래에 비해서 현저한 밀착성의 향상이 기대된다. 또한, 화학 증착층과 물리 증착층은, 이들 표면을 SEM 관찰함으로써, 명확하게 구별된다.

경질층은, 0.3∼15 ㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 경질층의 두께가 0.3 ㎛ 이상이면, 경질층의 특성을 충분히 발휘할 수 있고, 15 ㎛ 이하이면, 경질층이 지나치게 두꺼운 것에 따른 경질층의 박리를 억제할 수 있다. 또한 경질층 중의 최상층은, 압축 응력이 부여된 것에 따른 특성의 발휘와 자괴의 억제의 밸런스로부터, 0.3∼15 ㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하고, 2.5∼5.5 ㎛의 두께를 갖는 것이 보다 바람직하다.

〈절삭 공구의 제조 방법〉

본 실시형태의 절삭 공구의 제조 방법은, 기재 전구체를 준비하는 공정과, 기재 전구체의 표면을 기계 가공 처리하여 기재를 제작하는 공정과, 기재 상에 피막을 형성하는 공정과, 피막에 압축 응력을 부여하는 공정을 포함한다. 이하, 각 공정에 대해서 상세하게 서술한다.

《기재 전구체를 준비하는 공정》

본 공정에서는, 기재 전구체가 준비된다. 기재 전구체로서는, 전술한 초경 합금 또는 서멧을 들 수 있다. 또한 기재 전구체란, 그 표면에 대하여 하기에 상세하게 서술하는 기계 가공 처리가 실시되어 날끝면이 형성됨으로써 「기재」가 되는 것이다. 따라서 기재 전구체의 형상은, 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 하나이다. 이에 의해, 절삭 공구의 기재가 제작된다.

기재 전구체 중 기계 가공 처리되는 표면은, 기재 전구체에 있어서의 제1 면과 제2 면이 교차하여 이루어지는 능선과, 상기 능선의 근방을 포함하는 능선 근방부이다. 기재 전구체의 제1 면 및 제2 면은, 기재의 경사면 및 여유면이 되는 부분이고, 기재 전구체의 능선 근방부는, 기재의 날끝면이 되는 부분이다.

예컨대, 능선 근방부를 원호형으로 기계 가공 처리한 경우는 도 4에 나타내는 것 같은 날끝면이 형성되고, 능선 근방부를 평면형에 기계 가공 처리한 경우는 도 5에 나타내는 것 같은 날끝면이 형성된다. 즉 기계 가공 처리란, 기재 전구체의 능선 근방부에 대한 모따기 처리이다.

(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 고절입이어도 좋고, 저이송 저절입이어도 좋다.

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 않고, 예컨대 고이송 고절입이어도 좋고, 저이송 저절입이어도 좋다.

제1 연삭 처리에 의해, 전술한 산소 농도가 낮은 절삭 공구를 제조할 수 있는 이유는 다음과 같다. 종래, 기재 전구체를 기계 가공 처리하여 기재로 하는 데 있어서는, 고이송 고절입의 습식 연삭 처리가 실시되었다. 제1에는, 고이송 고절입의 습식 연삭 처리가 생산성이 우수하기 때문이다. 제2에는, 건식 연삭 처리에서는, 연삭 시의 발열에 의해 기재 표면이 산화된다고 생각되었기 때문이다. 제3에는, 저이송 저절입의 습식 연삭 처리에서는, 생산성이 나쁘다고 생각되었기 때문이다.

그러나, 이 고이송 고절입의 습식 연삭 처리에 의해 기재의 날끝면으로부터 내부 방향으로의 산소의 침입이 발생하여, 결과적으로, 기재 자체의 경도의 저하나 기재와 피막의 밀착성의 저하가 야기되고 있었다.

이에 대하여, 본 실시형태의 제조 방법에 따르면, 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 따르면, 처리면(날끝면)에 있어서 다음과 같은 일이 일어난다.

1회의 습식 연삭 처리에 의해, 기재 전구체의 모따기가 실시되며, 기재 전구체의 표면으로부터 산소가 침입해 간다. 이 습식 연삭 처리가 실시되는 시간은 종래에 비해서 짧게 할 수 있다. 이 때문에, 1회의 습식 연삭 처리 후에 있어서의 기재 내의 산소 농도나, 고산소 영역의 폭(날끝면으로부터 기재 내의 내부 방향으로 직진하는 깊이)은, 종래부터 작아진다. 또한, 습식 연삭 처리 후의 건식 연삭 처리에 있어서는, 기재 전구체에 산소가 침입하는 일이 없다. 이 때문에, 건식 연삭 처리에 있어서는, 앞선 습식 연삭 처리에 의해 형성된 고산소 영역이 제거되면서, 모따기가 실시되게 된다.

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

습식 연삭 처리와 건식 연삭 처리의 반복의 횟수는 특별히 제한되지 않지만, 적어도 각 처리는 1회씩 실시된다. 또한 각 처리는 교대로 3회 이상씩 반복되는 것이 바람직하다. 이에 의해, 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. 또한, 고산소 영역에 있어서의 산소 농도 자체도 낮게 할 수 있다.

또한, 기계 가공 처리의 최초의 처리를 습식 연삭 처리로 하고, 최후의 처리를 건식 연삭 처리로 하는 것이 바람직하다. 최초의 처리를 습식 연삭 처리로 함으로써, 생산성을 향상시킬 수 있고, 최후의 처리를 건식 연삭 처리로 함으로써, 최종적으로 얻어지는 기재에 있어서의 고산소 영역의 폭을 충분히 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 의한 기재 내에의 산소의 들어감이 억제되기 때문에, 전술한 산소 농도가 낮은 절삭 공구를 제조할 수 있다.

또한 본 명세서에 있어서, 습식 연삭 처리에 있어서의 저이송 저절입이란, 연삭 처리의 종류에 따라 상이하지만, 예컨대 브러시 처리의 경우에는, 이송량이 200 ㎜/sec 이하이고, 또한 절입량이 1.5 ㎜ 이하인 것을 의미한다. 또한 본 명세서에 있어서, 습식 연삭 처리에 있어서의 고이송 고절입이란, 예컨대 브러시 처리의 경우에는, 이송량이 300 ㎜/sec 이상이고, 또한 절입량이 3 ㎜ 이상인 것을 의미한다.

또한 제2 연삭 처리에 있어서의 습식 연삭 처리는, 연속 처리가 아니라, 인터벌을 갖는 것이 바람직하다. 즉, 습식 연삭 처리를 임의의 시간 실시한 후, 임의의 시간 연삭 처리를 중단하고, 더욱 습식 연삭 처리를 임의의 시간 실시한다고 하는 공정을 반복하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 산소의 들어감의 억제 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 않고, 예컨대 고이송 고절입이어도 좋고, 저이송 저절입이어도 좋다. 제3 연삭 처리에 의해, 종래의 고이송 고절입의 습식 연삭 처리에 의한 기재 내에의 산소의 들어감이 억제되기 때문에, 전술한 산소 농도가 낮은 절삭 공구를 제조할 수 있다.

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

《피막을 형성하는 공정》

본 공정에서는, 기재의 표면에 피막이 형성된다. 피막을 형성하는 방법으로서, PVD법 또는 CVD법을 들 수 있지만, 본 실시형태에 있어서는, CVD법을 이용하는 것이 바람직하다. CVD법을 이용하면, 성막 온도가 800∼1200℃가 된다. 이 온도는 물리 증착법과 비교하여 높고, 이에 의해 기재와 피막의 밀착성이 향상된다. CVD법으로서는 종래 공지의 방법을 이용할 수 있다.

《피막에 압축 응력을 부여하는 공정》

본 공정에서는, 피막에 대하여 압축 응력이 부여된다. 압축 응력을 부여하기 위한 후처리로서는, 브러시 처리, 또는 샌드 블라스트 처리, 웨트 블라스트 처리, 숏 피닝 처리 등의 블라스트 처리, 또는 PVD의 충돌 처리 등의 각종 방법을 들 수 있다. 이에 의해 피막에 대하여 압축 응력을 부여할 수 있어, 결과적으로, 피막 내의 경질층에 압축 응력이 부여되고, 특히 최상층에 보다 큰 압축 응력을 부여할 수 있다.

이상에 의해, 날끝면으로부터 0.4 ㎛의 깊이 위치에서의 산소 농도는 1 원자％ 이하인 기재와, 절대값이 1.5 ㎬ 이상인 압축 응력을 갖는 최상층(경질층)을 포함하는 피막을 구비한, 전술한 절삭 공구가 제조된다. 이 절삭 공구는, 장수명을 가질 수 있다.

또한, 상기 기재의 날끝면에 있어서의 변형률은, 전술한 기계 가공 처리의 조건을 조정함으로써 작게 제어할 수 있다.

실시예

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

실시예 1∼15의 절삭 공구와, 비교예 1∼5의 절삭 공구를 제작하여, 이들의 특성을 평가하였다.

《실시예 1의 절삭 공구의 제작》

이하와 같이 하여, 실시예 1의 기재를 제작하였다. 이 절삭 공구는 이하의 사양의 기재로 이루어진다.

칩 형식 번호: CNMG120408N-UX(스미토모덴코하드메탈사 제조)

재질: 초경 합금 JIS B4120(2013) 규격.

먼저, 2.0 질량％의 TaC와, 1.0 질량％의 NbC와, 6 질량％의 Co와, 잔부의 WC(단, 불가피 불순물을 포함함)로 이루어지는 조성비로 배합한 원료 분말을, 미리 정해진 형상으로 가압 성형한 후에, 1300∼1500℃에서 1∼2시간 소결하였다. 이에 의해 기재 전구체를 얻었다.

다음에, 기재 전구체의 능선 근방부에 대하여, 이하의 습식 연삭 처리 및 건식 연삭 처리를 이 순서로 교대로 5회씩 반복하여 실시하였다. 즉 제1 연삭 처리를 실시하였다. 이에 의해, 기재 전구체의 능선 근방부에 대하여, 날끝면의 원호에 관하여, R=0.03 ㎜가 되도록 기계 가공 처리가 실시되었다. 이와 같이 하여, 기재가 제작되었다.

(습식 연삭 처리)

처리 종류: 배럴 처리

미디어: 플라스틱

처리액: 물

시간: 5분.

(건식 연삭 처리)

처리 종류: 브러시 처리

브러시: 나일론

회전수: 100 rpm

절입: 1.5 ㎜

이송량: 150 ㎜/sec

처리액: 무(無)

시간: 1분

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

다음에, CVD 장치를 이용하여, 기재의 표면 전체면에 대하여, MT-CVD법에 따라 표 1에 나타내는 피막을 제작하였다. 예컨대 실시예 1의 피막은, 기재의 표면으로부터 순서대로, TiN층, TiCN층, Al₂O₃층(최상층)이 적층되어 이루어지는 경질층과, TiN층(사용 상태 표시층)이 적층된 피막인 것을 나타낸다. 또한, 사용 상태 표시층은, 그 두께가 0.5 ㎛ 이하인 TiN층이고, 최표면에 위치하는 층이다. 또한, 각 층의 조성 뒤에 이어지는 괄호 내에는, 각 층의 두께(㎛)를 나타낸다. 또한 MT-CVD법이란, 850∼950℃라고 하는 비교적 마일드한 온도 환경 하에서 성막하는 방법이다.

다음에, 기재의 표면에 형성된 피막의 전체면에 대하여, 이하의 블라스트 처리를 실시하였다. 즉, 칩을 100 rpm으로 회전시키면서, 경사면을 포함하는 가상 평면과, 여유면을 포함하는 가상 평면의 가상 능선의 45°방향으로부터, 경사면, 여유면 및 날끝면에 균등하게, 평균 입경 50 ㎛의 산화알루미늄제의 볼을 0.10 ㎫의 압축 공기(투사압)로 5초간 충돌시켰다. 이에 의해, 경질층에 대하여 압축 응력이 부여되었다. 이상에 의해, 실시예 1의 절삭 공구가 제작되었다.

《실시예 2∼12의 절삭 공구의 제작》

기재 전구체에 대한 기계 가공 처리로서, 상기 습식 연삭 처리 및 건식 연삭 처리의 각 처리 시간 및 반복 횟수를 적절하게 변경한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 실시예 2∼12의 기재를 제작하였다.

다음에, 피막을 구성하는 층의 조성 및 두께를 표 1에 나타내는 바와 같이 변경한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라, 피막을 제작하였다.

다음에, 블라스트 처리의 투사압 및 처리 시간을 적절하게 변경하여, 각 피막에 대하여 압축 응력을 부여시켰다. 이상에 의해, 실시예 2∼12의 절삭 공구가 제작되었다.

《실시예 13의 절삭 공구의 제작》

이하와 같이 하여, 실시예 13의 기재를 제작하였다. 이 절삭 공구는 이하의 사양의 기재로 이루어진다.

칩 형식 번호: CNMG120408N-UX(스미토모덴코하드메탈사 제조)

재질: P20 그레이드 서멧.

먼저, 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 포함함)으로 이루어지는 조성비로 배합한 원료 분말을, 미리 정해진 형상으로 가압 성형한 후에, 1300∼1650℃에서 1∼2시간 소결하였다. 이에 의해 기재 전구체를 얻었다.

다음에, 기재 전구체의 능선 근방부에 대하여, 상기 습식 연삭 처리 및 건식 연삭 처리의 각 처리 시간 및 반복 횟수를 적절하게 변경한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 기계 가공 처리를 행하였다. 이에 의해, 기재 전구체의 능선 근방부에 대하여, 날끝면의 원호에 관하여, R=0.03 ㎜가 되도록 기계 가공 처리가 실시되었다. 이와 같이 하여, 기재가 제작되었다.

다음에, 블라스트 처리의 투사압 및 처리 시간을 적절하게 변경하여, 피막에 대하여 압축 응력을 부여시켰다. 이상에 의해, 실시예 13의 절삭 공구가 제작되었다.

《실시예 14의 절삭 공구의 작성》

기재 전구체에 대한 기계 가공 처리로서, 이하의 저이송 저절입의 습식 연삭 처리, 즉 제2 연삭 처리를 실시한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 실시예 14의 절삭 공구를 제작하였다.

(습식 연삭 처리)

처리 종류: 배럴 처리

미디어: 플라스틱

처리액: 물

시간: 3분.

《실시예 15의 절삭 공구의 작성》

기재 전구체에 대한 기계 가공 처리로서, 이하의 건식 연삭 처리, 즉 제3 연삭 처리를 실시한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 실시예 15의 절삭 공구를 제작하였다.

(건식 연삭 처리)

처리 종류: 브러시 처리

브러시: 나일론

회전수: 100 rpm

처리액: 무

시간: 1분

《비교예 1∼5의 절삭 공구의 제작》

비교예 1∼5는, 다음과 같이 하여 제작하였다. 먼저, 실시예 1과 동일하게 하여 초경 합금으로 이루어지는 기재 전구체를 얻었다. 그리고, 기재 전구체에 대한 기계 가공 처리로서, 상기 건식 연삭 처리를 실시하지 않고, 또한 이하의 고이송 고절입의 습식 연삭 처리를 실시한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 비교예 1∼5의 기재를 제작하였다.

(습식 연삭 처리)

처리 종류: 배럴 처리

미디어: 플라스틱

처리액: 물

시간: 3분.

다음에, 블라스트 처리의 투사압 및 처리 시간을 적절하게 변경하여, 각 피막에 대하여 압축 응력을 부여시켰다. 이상에 의해, 비교예 1∼5의 절삭 공구가 제작되었다.

《각종 특성 평가》

각 절삭 공구에 관하여, 날끝면으로부터 0.4 ㎛의 깊이 위치에서의 산소 농도, 날끝면으로부터 0.2 ㎛의 깊이 위치에서의 산소 농도, 날끝면에 있어서의 변형률 및 최상층의 압축 응력 각각을, 전술한 방법에 따라 측정하였다.

각 산소 농도 및 변형률은, 각각 날끝면 중 임의의 3개의 측정 부분에서 측정하였다. 단 3개의 측정 부분 중 1부분은, 날끝면의 중앙 부분으로 하였다. 각 결과를 표 2에 나타낸다.

또한 각종 장치로서 이하의 장치를 이용하였다.

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

X선 장치(변형률의 측정): 고이키사이단호진 고우기도고우가가쿠 겐큐센타, 「SPring 8」

X선 응력 측정 장치(압축 응력의 측정): 니혼덴시사 제조, 「JSM-7800」.

표 2에 있어서, 「압축 응력(㎬)」의 난에 나타내는 것은, 각 압축 응력의 절대값이다. 「0.4 산소 농도(원자％)」의 난에는, 날끝면으로부터 0.4 ㎛의 깊이 위치에서의 산소 농도를 나타낸다. 「0.2 산소 농도(원자％)」의 난에는, 날끝면으로부터 0.2 ㎛의 깊이 위치에서의 산소 농도를 나타낸다. 또한 각 산소 농도 및 변형률의 측정값은, 3점의 측정 부분의 평균값으로 하였다.

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

빔 라인: BL16XU

입사 X선 에너지: 10.012 keV[파장(λ): 1.2385 Å]

주사 범위: 2θ로 20°∼120°.

《시험 1: 내결손성 시험》

각 절삭 공구에 대해서, 이하의 절삭 조건 하에서의 절삭을 실시하였다. 그리고, 절삭 시간 20분 경과 후의 여유면측의 평균 마모량[Vb(㎜)]을 측정하였다. 각 결과를 표 2에 나타낸다. 상기 시험에서는, 저합금강의 저속 절삭이 실시되기 때문에, 절삭 공구에의 피삭재의 용착이 일어나기 쉽다. 절삭 공구에 용착한 성분이 탈락할 때에는, 피막의 탈락이 야기되고 쉽고, 그 결과, 마모량이 증대하게 된다. 따라서, 상기 시험에 의해, 피막의 탈락에 관여하는 절삭 공구의 내결손성을 평가할 수 있다. 구체적으로는, Vb(㎜)의 값이 작을수록, 내결손성이 우수해진다.

(절삭 조건)

피삭재: SCM415

절삭 속도: 100 m/min.

이송량: 0.2 ㎜/rev.

절입량: 2.0 ㎜

절삭액: 수용성 절삭유.

《시험 2: 내마모성 시험》

각 절삭 공구에 대해서, 이하의 절삭 조건 하에서의 절삭을 실시하였다. 그리고, 절삭 시간 15분 경과 후의 여유면측의 평균 마모량[Vb(㎜)]을 측정하였다. 각 결과를 표 2에 나타낸다. Vb(㎜)의 값이 작을수록, 내마모성이 우수해진다.

(절삭 조건)

피삭재: FCD700

절삭 속도: 200 m/min.

이송량: 0.2 ㎜/rev.

절입량: 2.0 ㎜

절삭액: 수용성 절삭유.

표 2에 나타내는 바와 같이, 실시예 1∼15의 절삭 공구는, 비교예 1∼5의 절삭 공구에 비해서, 높은 내결손성과 높은 내마모성을 나타내었다. 이것으로부터, 실시예의 절삭 공구는, 비교예의 절삭 공구보다 장수명화되어 있는 것이 확인되었다.

이상과 같이 본 발명의 실시형태 및 실시예에 대해서 설명을 행하였지만, 전술한 각 실시형태 및 실시예의 구성을 적절하게 조합하는 것도 당초부터 예정하고 있다.

이번에 개시된 실시형태 및 실시예는 모든 점에서 예시로서 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 청구범위에 의해 나타나고, 청구범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

10 절삭 공구, 1 기재, 1a 경사면, 1b 여유면, 1c 날끝면, 2 피막.

Claims

기재와, 상기 기재 상에 형성된 피막을 구비하는 표면 피복 절삭 공구로서,
상기 기재는 초경 합금 또는 서멧이고,
상기 기재의 표면은, 경사면과, 여유면과, 상기 경사면 및 상기 여유면을 잇는 날끝면을 포함하고,
상기 기재에 있어서, 상기 날끝면으로부터 0.4 ㎛의 깊이 위치에서의 산소 농도는 1 원자％ 이하이고,
상기 피막은 경질층을 포함하고,
상기 경질층 중의 최상층은, 절대값이 1.5 ㎬ 이상인 압축 응력을 갖는 것인, 표면 피복 절삭 공구.
제1항에 있어서, 상기 기재에 있어서, 상기 날끝면으로부터 0.2 ㎛의 깊이 위치에서의 산소 농도는 10 원자％ 이하인 것인, 표면 피복 절삭 공구.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 최상층은, 절대값이 3.5 ㎬ 이상인 압축 응력을 갖는 것인, 표면 피복 절삭 공구.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 경질층은, 주기표의 제4족 원소, 제5족 원소, 제6족 원소, Al 및 Si로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 제1 원소와, B, C, N 및 O로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 제2 원소로 이루어지는 화합물층인 것인, 표면 피복 절삭 공구.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 최상층은 Al을 포함하는 산화물로 이루어지는 층인 것인, 표면 피복 절삭 공구.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기재에 있어서, 상기 날끝면에 있어서의 변형률은 0.07 이하인 것인, 표면 피복 절삭 공구.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 표면 피복 절삭 공구를 제조하는 방법으로서,
기재 전구체를 준비하는 공정과,
상기 기재 전구체의 표면을 기계 가공 처리하여 기재를 제작하는 공정과,
상기 기재 상에, 경질층을 포함하는 피막을 형성하는 공정과,
상기 피막에 압축 응력을 부여하는 공정
을 포함하고,
상기 기계 가공 처리는,
상기 기재 전구체의 표면에 대하여, 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 하나인 것인, 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법.