KR20190077475A

KR20190077475A - 공구

Info

Publication number: KR20190077475A
Application number: KR1020197015475A
Authority: KR
Inventors: 히로유키 하뉴; 야스오 후쿠이
Original assignee: 오에스지 가부시키가이샤
Priority date: 2017-01-16
Filing date: 2017-01-16
Publication date: 2019-07-03
Also published as: EP3542938A4; KR102205933B1; WO2018131166A1; US20200094330A1; CN110072658B; CN110072658A; JPWO2018131166A1; US11292066B2; JP6766181B2; EP3542938A1

Abstract

붕소가 함유되는 다이아몬드 피막을 형성한 경우라도, 내구성을 향상시킬 수 있는 공구를 제공하는 것이다. 다이아몬드 피막(40)은, 그 다이아몬드 피막(40)의 표층 측의 층으로서 형성되고, 또한 붕소가 비함유로 되는 제1 층(41)과, 그 제1 층(41)보다 모재(30) 측에 위치하는 층으로서 형성되고, 또한 적어도 1000 ppm 이상의 붕소를 함유하는 제2 층(42)을 구비한다. 제1 층(41)은, 붕소가 비함유로 되므로, 붕소가 함유되는 제2 층(42)보다 압축 응력이 커지게 된다. 즉, 압축 응력이 큰 제1 층(41)이 다이아몬드 피막(40)의 표층에 형성되므로, 가공 시에 다이아몬드 피막(40)의 표층 측으로부터 크랙이 생기는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 1000 ppm 이상의 붕소가 함유되는 다이아몬드 피막(40)을 형성한 경우라도, 공구(1)의 내구성을 향상시킬 수 있다.

Description

공구

본 발명은, 공구(tool)에 관한 것이며, 특히, 붕소가 함유되는 다이아몬드 피막을 형성한 경우라도, 내구성(耐久性)을 향상시킬 수 있는 공구에 관한 것이다.

공구의 모재(母材)의 표면에 형성되는 다이아몬드 피막에 붕소를 도핑(doping)시켜, 다이아몬드 피막의 내산화성 및 윤활성을 향상시키는 기술이 알려져 있다. 예를 들면, 특허문헌 1에는, 붕소의 도핑량이 적은 저도핑층과, 붕소의 도핑량이 많은 고도핑층을 구비하는 다이아몬드 피막이 모재의 표면에 형성되는 다이아몬드 피막 가공 공구가 개시되어 있다. 이 다이아몬드 피막 가공 공구에 의하면, 붕소의 도핑량이 많은 고도핑층이 표층(表層)에 형성되므로, 공구의 내산화성 및 윤활성을 향상시킬 수 있다.

일본 공개특허 제2006―152423호 공보(예를 들면, 단락 [0029], 도 11)

그러나, 전술한 종래의 기술에서는, 붕소의 도핑량이 많은 고도핑층이 다이아몬드 피막의 표층에 형성되므로, 표층에서의 압축의 잔류 응력이 감소하여, 피가공물에 대한 가공 시에 표층 측으로부터 크랙이 생기기 쉽게 된다. 따라서, 공구의 내구성이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은, 전술한 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것이며, 붕소가 함유되는 다이아몬드 피막을 형성한 경우라도, 내구성을 향상시킬 수 있는 공구를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

이 목적을 달성하기 위해 본 발명의 공구는, 다이아몬드 피막이, 그 다이아몬드 피막의 표층 측의 층으로서 형성되고, 또한 1000 ppm 미만의 상기 붕소를 함유하거나, 또는 상기 붕소가 비함유로 되는 제1 층과, 상기 다이아몬드 피막의 상기 제1 층보다 상기 모재 측에 위치하는 층으로서 형성되고, 또한 적어도 1000 ppm 이상의 상기 붕소를 함유하는 제2 층을 구비한다.

제1항에 기재된 공구에 의하면, 다이아몬드 피막은, 그 다이아몬드 피막의 표층 측의 층으로서 형성되고, 또한 1000 ppm 미만의 붕소를 함유하거나, 또는 붕소가 비함유로 되는 제1 층과, 다이아몬드 피막의 제1 층보다 모재 측에 위치하는 층으로서 형성되고, 또한 적어도 1000 ppm 이상의 붕소를 함유하는 제2 층을 구비한다. 제1 층은, 붕소의 함유량이 1000 ppm 미만이거나, 또는 비함유로 되므로, 1000 ppm 이상의 붕소가 함유되는 제2 층보다 압축의 잔류 응력이 커지게 된다.

즉, 압축의 잔류 응력이 큰 제1 층이 다이아몬드 피막의 표층에 형성되므로, 피가공물에 대한 가공 시에 다이아몬드 피막의 표층 측으로부터 크랙이 생기는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 1000 ppm 이상의 붕소가 함유되는 다이아몬드 피막을 형성한 경우라도, 공구의 내구성을 향상시킬 수 있다고 하는 효과가 있다.

또한, 제1 층의 모재 측에 제2 층이 형성되므로, 제1 층의 압축의 잔류 응력이 과잉으로 되는 것을 제2 층에 의해 완화하고, 또한 그 제2 층에 함유되는 붕소에 의해 다이아몬드 피막의 내산화성 및 윤활성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 공구의 내구성이 향상되는 효과가 있다.

제2항에 기재된 공구에 의하면, 제1항에 기재된 공구의 얻을 수 있는 효과에 더하여, 제2 층이 복수 적층되고, 모재 측에 위치하는 제2 층보다, 표층 측에 위치하는 제2 층 정도 붕소의 함유량이 많게 설정되므로, 다이아몬드 피막의 표층 측의 내산화성 및 윤활성을 향상시키고, 또한 다이아몬드 피막의 모재 측의 압축의 잔류 응력을 크게 할 수 있다. 이로써, 다이아몬드 피막의 표층 측의 내마모성(wear resistance)을 향상시키고, 또한 모재 측으로부터 크랙이 생기는 것을 억제하여 다이아몬드 피막의 모재에 대한 밀착성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 공구의 내구성이 향상되는 효과가 있다.

제3항에 기재된 공구에 의하면, 제1항 또는 제2항에 기재된 공구의 얻을 수 있는 효과에 더하여, 제1 층은, 그 막 두께가 다이아몬드 피막의 막 두께의 치수에 대하여 10% 이상 또한 50% 이하의 치수로 설정되므로, 다이아몬드 피막의 표층에서의 압축의 잔류 응력이 과잉으로 증대하거나, 또는 감소하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 다이아몬드 피막의 표층이 좌굴(座屈)되는 것이나, 표층 측으로부터 크랙이 생기는 것을 억제할 수 있으므로, 공구의 내구성이 향상되는 효과가 있다.

제4항에 기재된 공구에 의하면, 제1항에 기재된 공구의 얻을 수 있는 효과에 더하여, 제1 층은, 붕소가 비함유로 되므로, 다이아몬드 피막의 표층 측으로부터 크랙이 생기는 것을 더욱 확실하게 억제할 수 있다. 따라서, 공구의 내구성이 향상되는 효과가 있다.

제5항에 기재된 공구에 의하면, 제4항에 기재된 공구의 얻을 수 있는 효과에 더하여, 다이아몬드 피막이 복수 적층되므로, 압축의 잔류 응력이 작은 제2 층의 각 층의 사이에 압축의 잔류 응력이 큰 제1 층이 적층된다. 이로써, 복수의 다이아몬드 피막 전체의 인성(靭性; toughness)을 높일 수 있고, 또한 제2 층에 크랙이 생긴 경우라도, 그 크랙이 넓어지는 것을 제1 층의 압축의 잔류 응력에 의해 억제할 수 있다. 따라서, 공구의 내구성이 향상되는 효과가 있다.

제6항에 기재된 공구에 의하면, 제5항에 기재된 공구의 얻을 수 있는 효과에 더하여, 모재 측에 위치하는 다이아몬드 피막의 제2 층보다, 표층 측에 위치하는 다이아몬드 피막의 제2 층 정도 붕소의 함유량이 많게 설정되므로, 표층 측에서의 내산화성 및 윤활성을 향상시키고, 또한 모재 측에서의 압축의 잔류 응력을 높여 모재 측으로부터 크랙이 생기는 것을 억제할 수 있다. 이 경우, 가장 표층 측에 위치하는 다이아몬드 피막의 제2 층에 많은 붕소를 함유시킴으로써 압축의 잔류 응력이 저하되지만, 그 제2 층의 상하로는 제1 층이 적층되므로, 표층 측으로부터 크랙이 생기는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 공구의 내구성이 향상되는 효과가 있다.

제7항에 기재된 공구에 의하면, 제6항에 기재된 공구의 얻을 수 있는 효과에 더하여, 복수의 다이아몬드 피막의 제1 층 및 제2 층은, 그 막 두께가 모재 측으로부터 표층 측에 걸쳐 서서히 얇아지는 태양(態樣)으로 형성되므로, 표층 측에서의 단위 체적당의 제1 층 및 제2 층의 층의 수를 증가시켜 인성을 향상시킬 수 있다. 또한, 모재 측의 제2 층은, 표층 측에 비해 붕소의 함유량이 적기 때문에, 그 모재 측에서의 단위 체적당의 제1 층 및 제2 층의 층의 수를 감소시킴으로써, 모재 측에서의 압축의 잔류 응력을 크게 할 수 있다. 이로써, 표층 측의 다이아몬드 피막의 인성을 향상시키고, 또한 모재 측으로부터 크랙이 생기는 것을 억제하여 다이아몬드 피막의 모재에 대한 밀착성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 공구의 내구성이 향상되는 효과가 있다.

제8항에 기재된 공구에 의하면, 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 공구의 얻을 수 있는 효과에 더하여, 복수의 다이아몬드 피막 중 가장 모재 측에 위치하는 다이아몬드 피막은, 모재와 제2 층과의 사이의 층으로서 형성되고, 또한 붕소가 비함유로 되는 제3 층을 구비함으로써, 붕소가 비함유로 되는 제3 층이 다이아몬드 피막(가장 모재 측에 위치하는 다이아몬드 피막)과 모재와의 사이에 형성된다. 이로써, 이러한 다이아몬드 피막의 모재 측에서의 압축 응력을 크게 할 수 있으므로, 모재 측으로부터 크랙이 생기는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 다이아몬드 피막의 모재에 대한 밀착성을 향상시킬 수 있으므로, 공구의 내구성이 향상되는 효과가 있다.

제9항에 기재된 공구에 의하면, 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 공구의 얻을 수 있는 효과에 더하여, 제1 층은, 그 막 두께가 제2 층의 막 두께의 치수에 대하여 100% 미만의 치수로 설정되므로, 제1 층의 압축의 잔류 응력이 과잉으로 증대하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 피가공물에 대한 가공 시에 다이아몬드 피막이 좌굴되는 것을 억제할 수 있으므로, 공구의 내구성이 향상되는 효과가 있다.

제10항에 기재된 공구에 의하면, 제9항에 기재된 공구의 얻을 수 있는 효과에 더하여, 제1 층은, 그 막 두께가 제2 층의 막 두께에 대하여 25% 이상의 치수로 설정되므로, 제1 층의 압축의 잔류 응력이 저하되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 가장 표층 측에 위치하는 다이아몬드 피막의 제1 층보다 크랙이 생기는 것을 억제하면서, 복수의 다이아몬드 피막 전체의 인성을 향상시킬 수 있으므로, 공구의 내구성이 향상되는 효과가 있다.

도 1의 (a)는, 본 발명의 제1 실시형태에 있어서의 공구의 측면도이며, (b)는, 공구의 부분 확대 단면도(斷面圖)이다.
도 2의 (a)는, 제2 실시형태에 있어서의 공구의 부분 확대 단면도이며, (b)는, 제3 실시형태에 있어서의 공구의 부분 확대 단면도이다.
도 3의 (a)는, 제4 실시형태에 있어서의 공구의 부분 확대 단면도이며, (b)는, 제5 실시형태에 있어서의 공구의 부분 확대 단면도이다.
도 4는 검증 시험의 시험 결과를 나타낸 표이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대하여, 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 먼저, 도 1을 참조하여, 제1 실시형태의 공구(1)의 구성에 대하여 설명한다. 도 1의 (a)는, 본 발명의 제1 실시형태에 있어서의 공구(1)의 측면도이며, 도 1의 (b)는, 공구(1)의 부분 확대 단면도이다. 그리고, 도 1의 (b)에서는, 공구(1)의 축심(軸心; axis) O를 포함하는 평면에서 절단한 단면(斷面)이 도시되고, 제1 층(41)의 해칭을 생략하고 있다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 공구(1)(본 실시형태에서는, 엔드밀)는, 홀더(도시하지 않음)를 통하여 가공 기계(예를 들면, 머시닝 센터)로부터 전달되는 회전력에 의해 피가공물의 절삭 가공을 행하기 위한 공구이며, 그 축심 O 주위로 회전되는 본체부(2)와, 그 본체부(2)의 선단측[도 1의 (a)의 좌측]에 설치되는 날부(blade)(3)를 구비한다.

본체부(2)는, 초경합금(超硬合金)으로 원기둥형으로 형성되고, 이 본체부(2)를 통하여 가공 기계로부터 전달되는 회전력에 의해 날부(3)가 회전함으로써 절삭 가공이 행해진다.

날부(3)는, 초경합금으로 형성되는 모재(30)와, 그 모재(30)의 표면에 형성되고, 또한 적어도 일부에 붕소를 함유하는 다이아몬드의 피막으로서 형성되는 다이아몬드 피막(40)을 구비한다.

다이아몬드 피막(40)은, 그 다이아몬드 피막(40)의 표층을 형성하고, 또한 1000 ppm 미만의 붕소가 함유되는 제1 층(41)과, 그 제1 층(41)이 적층되고, 또한 1000 ppm 이상 또한 50000 ppm 미만(본 실시형태에서는, 10000 ppm)의 붕소를 함유하는 제2 층(42)을 구비한다.

이 붕소가 함유되는 다이아몬드 피막(40)(즉, 붕소가 도핑된 다이아몬드 피막)의 성막은, CVD법에 의해 행해지고, 본 실시형태에서는, 마이크로파 플라즈마 CVD법이 사용되지만, 그 외의 CVD법(예를 들면, 핫 필라멘트 CVD법이나 플라즈마 CVD법)을 이용해도 된다. 따라서, 다이아몬드 피막(40)의 성막 방법[제1 층(41) 및 제2 층(42)의 적층 방법]은, 공지의 방법이 채용 가능하므로, 그 상세한 설명은 생략한다.

제1 층(41)은, 1000 ppm 미만의 붕소가 함유되는 다이아몬드의 피막으로서 형성되지만, 실질적으로는 붕소가 비함유의 층으로서 형성된다. 즉, 예를 들면, 붕소가 10000 ppm 함유되는 제2 층(42)을 마이크로파 플라즈마 CVD법 장치(도시하지 않음)에 의해 형성한 후에, 붕소가 비함유로 되는 제1 층(41)을 같은 장치에 의해 형성하는 경우, 장치 내에 잔존하는 붕소[오염; contamination]에 의하여, 제1 층(41)에 1000 ppm 미만의 붕소가 혼입되는 경우가 있다. 따라서, 그와 같은 불순물로서 함유되는(예를 들면, 1000 ppm 미만의) 붕소는, 실질적으로 붕소가 비함유로 되는 것으로 정의한다.

제1 층(41)의 막 두께는, 0.5㎛∼3㎛(본 실시형태에서는, 3㎛), 제2 층(42)의 막 두께는, 2㎛∼40㎛(본 실시형태에서는, 15㎛)으로 각각 설정되고, 다이아몬드 피막(40)의 전체의 막 두께가 2.5㎛∼43㎛(본 실시형태에서는, 18㎛)로 설정된다.

여기서, 10000 ppm의 붕소를 함유하는 제2 층(42)은, 1000 ppm 미만의 붕소를 함유하는(붕소가 비함유로 되는) 제1 층(41)보다 압축의 잔류 응력(CVD법에 의해 형성된 피막에 잔류하는 압축 응력. 이하, 단지 「압축 응력」이라고 함)이 감소한다. 따라서, 예를 들면, 제2 층(42)을 다이아몬드 피막(40)의 표층 측에 형성하면, 피가공물에 대한 가공 시(이하, 단지 「가공 시」라고 함)에 다이아몬드 피막(40)에 가해지는 하중(荷重; load)이나, 다이아몬드 피막(40)의 열팽창에 의하여, 그 표층 측으로부터 크랙이 생기기 쉽게 된다.

이에 대하여, 본 실시형태의 공구(1)에 의하면, 10000 ppm의 붕소를 함유하는 제2 층(42) 상에, 1000 ppm 미만의 붕소를 함유하는(붕소가 비함유로 되는) 제1 층(41)이 적층되므로, 다이아몬드 피막(40)의 표층에서의 압축 응력을 크게 할 수 있다. 이로써, 가공 시에 다이아몬드 피막(40)의 표층 측으로부터 크랙이 생기는 것을 억제할 수 있다. 또한, 제1 층(41)의 모재(30) 측에 제2 층(42)이 형성되므로, 제1 층(41)의 압축 응력이 과잉으로 되는 것을 제2 층(42)에 의해 완화하고, 또한 그 제2 층(42)에 함유되는 붕소에 의해 다이아몬드 피막(40)의 내산화성 및 윤활성을 향상시킬 수 있다. 즉, 제2 층(42)에 의해 다이아몬드 피막(40)의 내산화성 및 윤활성을 확보하면서, 제1 층(41)에 의해 내마모성을 향상시킬 수 있으므로, 공구(1)의 내구성을 향상시킬 수 있다.

이 경우, 제1 층(41)의 막 두께는, 다이아몬드 피막(40)의 막 두께에 대하여 10% 이상 또한 50% 이하의 치수로 설정하는 것이 바람직하다. 제1 층(41)의 막 두께를 다이아몬드 피막(40)의 막 두께에 대하여 10% 미만의 치수로 설정하면, 다이아몬드 피막(40)의 표층에서의 압축 응력이 저하되어, 가공 시에 표층 측으로부터 크랙이 생기기 쉽게 된다. 또한, 제1 층(41)의 막 두께를 다이아몬드 피막(40)의 막 두께에 대하여 50%보다 큰 치수로 설정하면, 다이아몬드 피막(40)의 표층에서의 압축 응력이 과잉으로 높아져, 가공 시에 다이아몬드 피막(40)의 표층이 좌굴되기 쉬워진다.

따라서, 제1 층(41)의 막 두께를 다이아몬드 피막(40)의 막 두께에 대하여 10% 이상 또한 50% 이하의 치수로 설정함으로써, 가공 시에 다이아몬드 피막(40)의 표층 측으로부터 크랙이 생기는 것을 억제하면서, 다이아몬드 피막(40)의 표층이 좌굴되는 것을 억제할 수 있다.

이어서, 도 2의 (a)를 참조하여, 제2 실시형태에 대하여 설명한다. 제1 실시형태에서는, 제2 층(42)이 1층 형성되고, 그 제2 층(42)에 10000 ppm의 붕소가 함유되는 경우에 대하여 설명하였으나, 제2 실시형태에서는, 제2 층(242)이 복수 형성되고, 또한 이들 복수의 제2 층(242)의 붕소의 함유량이 모재(30) 측으로부터 다이아몬드 피막(240)의 표층 측에 걸쳐 점증(漸增)하는 경우에 대하여 설명한다. 그리고, 전술한 제1 실시형태와 동일한 부분에는 동일한 부호를 부여하고 그 설명을 설명을 생략한다.

도 2의 (a)는, 제2 실시형태에 있어서의 공구(201)의 부분 확대 단면도이다. 그리고, 도 2의 (a)에서는, 제2 층(242)에 함유되는 붕소의 함유량이 해칭의 농담(濃淡)에 의해 표시되어 있고, 도 2의 (b) 이후에 있어서도 마찬가지로 한다. 또한, 복수의 제2 층(242)은, 각각 붕소의 함유량이 상위하지만, 도면을 간단화하기 위하여, 동일한 부호를 부여하여 설명한다.

도 2의 (a)에 나타낸 바와 같이, 제2 층(242)은, 복수(본 실시형태에서는, 10층) 형성된다. 이들 복수의 제2 층(242) 중 가장 모재(30) 측[도 2의 (a)의 하측]에 위치하는 제2 층(242)의 붕소의 함유량이 1000 ppm∼10000 ppm(본 실시형태에서는, 1000 ppm)으로 설정되고, 가장 다이아몬드 피막(240)의 표층 측[도 2의 (a)의 상측]에 위치하는 제2 층(242)의 붕소의 함유량이 10000∼50000 ppm(본 실시형태에서는, 10000 ppm)으로 설정된다. 또한, 복수의 제2 층(242)의 각각의 막 두께는, 일정(본 실시형태에서는, 1.5㎛)하게 설정된다.

이들 복수의 제2 층(242)의 붕소의 함유량은, 모재(30) 측으로부터 다이아몬드 피막(240)의 표층 측에 걸쳐 서서히 증가하도록[즉, 모재(30) 측에 위치하는 제2 층(242)보다, 표층 측에 위치하는 제2 층(242) 정도 붕소의 함유량이 많게] 설정된다. 이로써, 다이아몬드 피막(240)의 표층 측에서의 제2 층(242)의 내산화성 및 윤활성을 향상시키면서, 모재(30) 측에서의 제2 층(242)의 압축 응력을 크게 할 수 있다. 즉, 다이아몬드 피막(240) 중 표층 측(가공이 행해지는 측)의 내마모성을 향상시키고, 또한 모재(30) 측으로부터 크랙이 생기는 것을 억제하여, 모재(30)에 대한 다이아몬드 피막(240)의 밀착성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 공구(201)의 내구성이 향상된다.

이어서, 도 2의 (b)를 참조하여, 제3 실시형태에 대하여 설명한다. 제1 실시형태에서는, 다이아몬드 피막(40)이 1층 형성되는 경우에 대하여 설명하였으나, 제3 실시형태에서는, 다이아몬드 피막(340)이 복수 적층되는 경우에 대하여 설명한다. 그리고, 전술한 제1 실시형태와 동일한 부분에는 동일한 부호를 부여하고 그 설명을 설명을 생략한다.

도 2의 (b)는, 제3 실시형태의 형태에서의 공구(301)의 부분 확대 단면도이다. 그리고, 복수의 다이아몬드 피막(340)의 제2 층(342)은, 각각 붕소의 함유량이 상위하지만, 도면을 간단화하기 위하여, 동일한 부호를 부여하여 설명한다.

도 2의 (b)에 나타낸 바와 같이, 다이아몬드 피막(340)은, 복수(본 실시형태에서는, 12층)가 각각 일정한 막 두께로 적층된다[본 실시형태에서는, 제1 층(341) 및 제2 층(342)의 막 두께가 각각 0.8㎛으로 설정되고, 복수의 다이아몬드 피막(340)의 막 두께가 각각 1.6㎛으로 설정된다].

이로써, 압축의 잔류 응력이 작은 제2 층(342)의 각 층의 사이에 압축의 잔류 응력이 큰 제1 층(341)이 각각 적층되므로, 복수의 다이아몬드 피막(340) 전체의 인성을 높일 수 있다. 또한, 가공 시에 제2 층(342)에 크랙이 생긴 경우라도, 그 크랙이 넓어지는 것을 제1 층(341)의 압축 응력에 의해 억제할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 제2 실시형태와 마찬가지로, 가장 모재(30) 측에 위치하는 제2 층(342)의 붕소의 함유량이 1000 ppm∼10000 ppm(본 실시형태에서는, 1000 ppm)으로 설정되고, 가장 표층 측에 위치하는 제2 층(342)의 붕소의 함유량이 10000∼50000 ppm(본 실시형태에서는, 10000 ppm)으로 설정된다. 또한, 이들 복수의 제2 층(342)에 함유되는 붕소의 함유량이, 모재(30) 측으로부터 표층 측에 걸쳐 서서히 증가하도록[즉, 모재(30) 측에 위치하는 다이아몬드 피막(340)의 제2 층(342)보다, 표층 측에 위치하는 다이아몬드 피막(340)의 제2 층(342) 정도 붕소의 함유량이 많게] 설정된다.

이로써, 표층 측에 위치하는 다이아몬드 피막(340)의 내산화성 및 윤활성을 향상시킬 수 있다. 또한, 모재(30) 측에 위치하는 다이아몬드 피막(340)의 압축 응력을 크게 할 수 있으므로, 모재(30) 측으로부터 크랙이 생기는 것을 억제하여, 모재(30)에 대한 다이아몬드 피막(340)의 밀착성을 향상시킬 수 있다.

여기서, 표층 측에 위치하는 다이아몬드 피막(340)의 제2 층(342)에 많은 붕소를 함유하게 하면, 그만큼, 압축 응력이 저하되어 가공 시에 크랙이 생기기 쉽게 된다. 이에 대하여, 본 실시형태의 공구(301)에 의하면, 제2 층(342)의 상하로는 제1 층(341)이 적층되므로, 가공 시에 제2 층(342)에 크랙이 생겨도, 그 크랙이 넓어지는 것을 제1 층(341)의 압축 응력에 의해 억제할 수 있다. 따라서, 표층 측의 내산화성 및 윤활성을 향상시키면서, 표층 측으로부터 크랙이 생기는 것을 더욱 확실하게 억제할 수 있으므로, 공구(301)의 내구성이 향상된다.

이어서, 도 3의 (a)를 참조하여, 제4 실시형태에 대하여 설명한다. 제3 실시형태에서는, 복수의 다이아몬드 피막(340)이 각각 일정 막 두께로 설정되는 경우를 설명하였으나, 제4 실시형태에서는, 복수의 다이아몬드 피막(440)의 막 두께가 모재(30) 측으로부터 표층 측에 걸쳐 서서히 얇아지도록 설정되는 경우에 대하여 설명한다. 그리고, 전술한 제3 실시형태와 동일한 부분에는 동일한 부호를 부여하고 그 설명을 설명을 생략한다.

도 3의 (a)는, 제4 실시형태에 있어서의 공구(401)의 부분 확대 단면도이다. 그리고, 복수의 다이아몬드 피막(440)의 제1 층(441) 및 제2 층(442)은, 각각 막 두께나 붕소의 함유량이 상위하지만, 도면을 간단화하기 위하여, 동일한 부호를 부여하여 설명한다.

도 3의 (a)에 나타낸 바와 같이, 다이아몬드 피막(440)은, 복수(본 실시형태에서는, 15층)가 적층된다. 이들 복수의 다이아몬드 피막(440) 중 가장 모재(30) 측에 위치하는 제2 층(442)의 붕소의 함유량이 1000 ppm∼10000 ppm(본 실시형태에서는, 1000 ppm)으로 설정된다.

또한, 가장 표층 측에 위치하는 제2 층(442)의 붕소의 함유량이 10000∼50000 ppm(본 실시형태에서는, 10000 ppm)으로 설정되고, 이들 복수의 제2 층(442)에 함유되는 붕소의 함유량이, 모재(30) 측으로부터 표층 측에 걸쳐 서서히 증가하도록[즉, 모재(30) 측에 위치하는 다이아몬드 피막(440)의 제2 층(442)보다, 표층 측에 위치하는 다이아몬드 피막(440)의 제2 층(442) 정도 붕소의 함유량이 많게] 설정된다.

또한, 복수의 다이아몬드 피막(440) 중 모재(30) 측의 하층부를 형성하는 5층[모재(30) 측으로부터 세어 5층]은, 제1 층(441) 및 제2 층(442)의 막 두께가 각각 0.8㎛으로 설정되고, 중층부(中層部)를 형성하는 5층[모재(30) 측으로부터 세어 6층∼10층]은, 제1 층(441) 및 제2 층(442)의 막 두께가 각각 0.6㎛으로 설정된다. 또한, 복수의 다이아몬드 피막(440) 중 표층 측의 상층부(上層部)를 형성하는 5층[모재(30) 측으로부터 세어 11층∼15층]은, 제1 층(441) 및 제2 층(442)의 막 두께가 각각 0.4㎛으로 설정된다.

즉, 복수의 다이아몬드 피막(440)의 제1 층(441) 및 제2 층(442)은, 그 막 두께가 모재(30) 측으로부터 표층 측에 걸쳐 서서히 얇아지는 태양으로 형성된다. 이로써, 표층 측에서의 단위 체적당의 제1 층(441) 및 제2 층(442)의 층의 수를 증가시킬 수 있으므로, 표층 측의 다이아몬드 피막(440)의 인성을 향상시킬 수 있다.

또한, 모재(30) 측의 제2 층(442)은, 표층 측에 비해 붕소의 함유량이 적기 때문에, 그 모재(30) 측에서의 단위 체적당의 제1 층(441) 및 제2 층(442)의 층의 수를 감소시키는(막 두께를 두껍게 설정하는) 것에 의하여, 모재(30) 측에서의 압축 응력을 크게 할 수 있다. 이로써, 모재(30) 측으로부터 크랙이 생기는 것을 억제할 수 있으므로, 모재(30)에 대한 다이아몬드 피막(440)의 밀착성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 공구(401)의 내구성이 향상된다.

이어서, 도 3의 (b)를 참조하여, 제5 실시형태에 대하여 설명한다. 제4 실시형태에서는, 복수의 다이아몬드 피막(440)에 각각 제1 층(441) 및 제2 층(442)이 형성되는 경우를 설명하였으나, 제5 실시형태에서는, 가장 모재(30) 측에 위치하는 다이아몬드 피막(540)에 제3 층(543)이 형성되는 경우에 대하여 설명한다. 그리고, 전술한 제4 실시형태와 동일한 부분에는 동일한 부호를 부여하고 그 설명을 설명을 생략한다.

도 3의 (b)는, 제5 실시형태에 있어서의 공구(501)의 부분 확대 단면도이다. 도 3의 (b)에 나타낸 바와 같이, 가장 모재(30) 측에 위치하는 다이아몬드 피막(540)은, 모재(30)와 제2 층(442)과의 사이에 제3 층(543)이 형성된다.

이 제3 층(543)은, 1000 ppm 미만의 붕소가 함유되는(붕소가 비함유로 되는) 층으로서 형성되고, 그 막 두께가 5∼15㎛(본 실시형태에서는, 5㎛)로 설정된다. 이로써, 다이아몬드 피막(540)과 모재(30)와의 사이에 붕소가 비함유로 되는 제3 층(543)이 형성되므로, 다이아몬드 피막(540)의 모재(30) 측에서의 압축 응력을 크게 할 수 있다. 따라서, 모재(30) 측으로부터 크랙이 생기는 것을 억제하여, 모재(30)에 대한 다이아몬드 피막(540)의 밀착성을 향상시킬 수 있으므로, 공구(501)의 내구성이 향상된다.

이어서, 도 4를 참조하여, 전술한 제1∼제4 실시형태에 있어서의 공구(1, 201, 301, 401)를 사용하여 행한 검증 시험에 대하여 설명한다. 도 4는, 검증 시험의 시험 결과를 나타낸 표이다.

검증 시험에서는, 제1, 2, 3, 4 실시형태의 공구(1, 201, 301, 401)(이하 「본 발명품 A, B, C, D」라고 각각 칭함)와, 붕소의 함유량이 10000 ppm로 설정되는 다이아몬드 피막을 모재(30)의 표면에 형성한 공구(이하 「종래품 A」라고 함)와, 붕소의 함유량이 1000 ppm 미만(비함유)으로 설정되는 다이아몬드 피막을 모재(30)의 표면에 형성한 공구(이하 「종래품 B」라고 함)을 사용하여, 내산화성 시험, 마찰 계수 시험, 절삭 내구성 시험, 및 밀착성 시험을 행하였다.

내산화성 시험은, 종래품 A, B 및 본 발명품 A, B, C, D를 600℃의 산화 분위기 하에 1시간 둔 후의 다이아몬드 피막 중량의 감소율(%), 및 700℃의 산화 분위기 하에 10분 둔 후의 다이아몬드 피막 중량의 감소율(%)을 각각 측정하는 시험이다.

마찰 계수 시험은, 종래품 A, B 및 본 발명품 A, B, C, D에 각각 형성한 다이아몬드 피막과 같은 피막을 모재(30)와 같은 재질의 핀으로 형성하고, 그 핀에 형성되는 피막의 마찰 계수를 핀 온 디스크(pin on disc) 시험 장치에 의해 측정하는 시험이다. 이 마찰 계수 시험의 상세 제원(諸元)은, 핀(상대재와 맞닿는 선단 곡면의 곡률 반경): R5, 디스크(상대재): ADC12, 선속도: 20m/min, 압입(押入) 하중: 100gf이다.

절삭 내구성 시험은, 종래품 A, B 및 본 발명품 A, B, C, D을 사용하여 피가공물의 절삭 가공을 행하여, 가공 불가능하게 될 때까지(다이아몬드 피막이 박리되어, 모재가 노출됨)까지의 절삭 길이 m를 측정하는 시험이다. 이 절삭 내구성 시험의 상세 제원은, 피가공물: CFPR(탄소 섬유 강화 플라스틱), 절삭 방법: 측면 절삭(업컷), 절삭유재: 미사용(건식 절삭), 사용 기계: 스탠드형(立形) 머시닝 센터, 회전 속도: 4000회전/min, 이송 속도: 1524/min, 절입(切入) 즉 커트인(cut-in) 깊이: 11.5㎜, 절입 폭: 5㎜이다. 그리고, 도 4에서는, 절삭 내구성 시험을 2회 행한 평균값을 나타내고 있다.

밀착성 시험은, 종래품 A, B 및 본 발명품 A, B, C, D에 연삭재(硏削材)를 투사(投射)하고, 다이아몬드 피막이 박리될 때까지의 시간(초)을 측정하는 시험이다. 이 밀착성 시험의 상세 제원은, 연삭재: #120의 SiC, 투사 압력: 5 kgf/평방 ㎝이다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 절삭 내구성 시험에 있어서, 10000 ppm의 붕소가 함유되는 층이 표층에 형성되는 종래품 A는, 2.5 m 절삭한 시점에서 다이아몬드 피막이 박리되고, 붕소가 비함유로 되는 층이 표층에 형성되는 종래품 B는, 4.5 m 절삭한 시점에서 다이아몬드 피막이 박리되었다. 종래품 A는, 다이아몬드 피막의 표층의 압축 응력이 낮아, 조기에 표층 측으로부터 크랙이 생긴 것이 원인인 것으로 생각된다. 종래품 B는, 다이아몬드 피막의 표층의 압축 응력이 과잉으로 높아, 조기에 표층이 좌굴된 것이 원인인 것으로 생각된다.

이에 대하여, 본 발명품 A, B, C, D는, 12.5 m 이상의 절삭이 가능했었다. 이것은, 붕소가 함유되는 제2 층(42, 242, 342, 442)에, 1000 ppm 미만의 붕소가 함유되는(붕소가 비함유로 되는) 제1 층(41, 341, 441)이 적층됨으로써, 제2 층(42, 242, 342, 442)에 의해 내산화성 및 윤활성을 확보하면서, 제1 층(41, 341, 441)에 의해 다이아몬드 피막(40, 240, 340, 440)의 표층 측에서의 내마모성이 향상되었으므로, 표층 측으로부터의 크랙의 발생이 억제된 것으로 생각된다.

특히, 본 발명품 B, C, D는, 42 m의 절삭이 종료된 후에도 다이아몬드 피막(240, 340, 440)에 박리(剝離)가 생기지 않고 절삭을 계속할 수 있는 상태였다. 또한, 본 발명품 B, C, D는, 10000 ppm의 붕소가 함유되는 층이 표층에 형성되는 종래품 A와 동등한 내산화성 및 마찰 계수를 나타낸 것도 확인되었다.

또한, 본 발명품 B, C, D는, 절삭 내구성 시험에 있어서, 모두 42m 이상의 절삭이 가능한 것이 확인되었으나, 밀착성 시험에서는, 본 발명품 B의 다이아몬드 피막(240)이 박리될 때까지의 시간이 85초인데 대하여, 본 발명품 C의 다이아몬드 피막(340)은 178초, 본 발명품 D의 다이아몬드 피막(440)은 325초였다. 따라서, 본 발명품 B보다 본 발명품 C 쪽이 내구성이 높고, 또한 본 발명품 C보다 본 발명품 D 쪽이 내구성이 높은 것이 확인되었다. 이들 본 발명품 A, B, C, D의 검증 시험의 결과는, 전술한 본 발명의 효과에 의한 것인 것으로 생각된다.

이상, 실시형태에 기초하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 전술한 실시형태에 특별히 한정되지 않고, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위 내에서 각종 개량 변경이 가능한 것은 용이하게 추측할 수 있는 것이다.

예를 들면, 상기 각 실시형태에서 올린 수치는 일례이며, 다른 수치를 채용하는 것은 당연 가능하다. 특히, 하한 및 상한을 지정한 수치 범위에 의해 특정되는 값은, 그 수치 범위 내이면, 어느 값을 채용하는 것도 가능하다.

또한, 제1 층 및 제2 층의 붕소의 함유량이 표층 측에 걸쳐 점증하는 경우나, 막 두께가 표층 측에 걸쳐 점감(漸減)하는 경우를 설명하였으나, 점증하는 부분을 점감하도록 치환하는 것이나, 점감하는 부분을 점증하도록 치환하는 것도 당연 가능하다. 또한, 붕소의 함유량이나 막 두께가 각 층의 사이에서 연속하여 변화하는 구성이라도 되고, 단속적(斷續的)으로 변화하는 구성이라도 된다.

상기 각 실시형태에서는, 공구의 일례로서 엔드밀을 들어 설명하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 그 외의 절삭 공구나 바니싱 공구[예를 들면, 바이트, 밀링 커터(milling cutter), 드릴, 확공기(reamer), 탭(tap), 호브, 피니언 커터, 다이스(dies), 브로치(broach), 스로우 어웨이 팁(throw away tip)]에 본 발명을 적용해도 된다.

상기 각 실시형태에서는, 공구(1, 201, 301, 401, 501)가 초경합금으로 형성되는 경우에 대하여 설명하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 공구(1, 201, 301, 401, 501)를 서멧(cermet)으로 형성해도 된다.

상기 제3∼제5 실시형태에서는, 제1 층(341, 441) 및 제2 층(342, 442)의 막 두께가 각각 같은 치수로 설정되는 경우를 설명하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 층(341, 441)의 막 두께는, 제2 층(342, 442)의 막 두께의 치수에 대하여 100% 미만의 치수로 설정하는 것이 바람직하다. 이로써, 제1 층(341, 441)의 압축 응력이 과잉으로 증대하는 것을 억제할 수 있다. 이로써, 가공 시에 다이아몬드 피막(340, 440)이 좌굴되는 것을 억제할 수 있으므로, 공구(301, 401, 501)의 내구성이 향상된다.

또한, 이 경우에는, 제1 층(341, 441)의 막 두께를, 제2 층(342, 442)의 막 두께에 대하여 25% 이상의 치수로 설정하는 것이 더욱 바람직하다. 이로써, 가장 표층 측에 위치하는 다이아몬드 피막(340, 440)의 제1 층(341, 441)로부터 크랙이 생기는 것을 억제하면서, 복수의 다이아몬드 피막(340, 440) 전체의 인성을 향상시킬 수 있으므로, 공구(301, 401, 501)의 내구성이 향상된다.

상기 제4 실시형태에서는, 제1 층(441) 및 제2 층(442)의 막 두께에 대하여, 복수의 다이아몬드 피막(440) 중 모재(30) 측의 하층부를 형성하는 5층의 막 두께가 0.8㎛, 중층부를 형성하는 5층의 막 두께가 0.6㎛, 상층부를 형성하는 5층의 막 두께가 0.4㎛으로 각각 설정되는 경우에 대하여 설명하였다. 즉, 모재(30) 측으로부터 표층 측에 걸쳐, 각 층으로 단속적으로 막 두께가 감소하는 경우에 대하여 설명하였으나, 각 층에서 연속하여 막 두께가 감소하는 구성이라도 된다.

상기 제5 실시형태에서는, 가장 모재(30) 측에 위치하는 다이아몬드 피막(540)에 제3 층(543)이 형성되는 경우에 대하여 설명하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 제1∼제3 실시형태에 있어서의 다이아몬드 피막(40, 240, 340)[가장 모재(30) 측에 위치하는 다이아몬드 피막(240, 340)]과 모재(30)와의 사이에 제3 층(543)과 같은 구성의 층을 형성해도 된다. 이 경우에도, 모재(30) 측으로부터 크랙이 생기는 것을 억제할 수 있으므로, 모재(30)에 대한 다이아몬드 피막(40, 240, 340)의 밀착성을 향상시킬 수 있다.

1, 201, 301, 401, 501: 공구
30: 모재
40, 240, 340, 440, 540: 다이아몬드 피막
41, 341, 441: 제1 층
42, 242, 342, 442: 제2 층
543: 제3 층

Claims

모재(母材)와, 상기 모재의 표면에 형성되고, 또한 적어도 일부에 붕소를 함유하는 다이아몬드의 피막으로서 형성되는 다이아몬드 피막을 구비하는 공구(tool)에 있어서,
상기 다이아몬드 피막은,
상기 다이아몬드 피막의 표층(表層) 측의 층으로서 형성되고, 또한 1000 ppm 미만의 상기 붕소를 함유하거나, 또는 상기 붕소가 비함유로 되는 제1 층; 및
상기 다이아몬드 피막의 상기 제1 층보다 상기 모재 측에 위치하는 층으로서 형성되고, 또한 적어도 1000 ppm 이상의 상기 붕소를 함유하는 제2 층;
을 포함하는 공구.
제1항에 있어서,
상기 제2 층이 복수 적층되고, 상기 모재 측에 위치하는 상기 제2 층보다, 상기 표층 측에 위치하는 상기 제2 층 정도 상기 붕소의 함유량이 많게 설정되는, 공구.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 층은, 상기 제1 층의 막 두께가 상기 다이아몬드 피막의 막 두께의 치수에 대하여 10% 이상 또한 50% 이하의 치수로 설정되는, 공구.
제1항에 있어서,
상기 제1 층은, 상기 붕소가 비함유로 되는, 공구.
제4항에 있어서,
상기 다이아몬드 피막이 복수 적층되는, 공구.
제5항에 있어서,
상기 모재 측에 위치하는 상기 다이아몬드 피막의 상기 제2 층보다, 상기 표층 측에 위치하는 상기 다이아몬드 피막의 상기 제2 층 정도 상기 붕소의 함유량이 많게 설정되는, 공구.
제6항에 있어서,
상기 복수의 다이아몬드 피막의 상기 제1 층 및 상기 제2 층은, 상기 제1 층 및 상기 제2 층의 막 두께가 상기 모재 측으로부터 상기 표층 측에 걸쳐 서서히 얇아지는 태양(態樣)으로 형성되는, 공구.
제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 다이아몬드 피막 중 가장 상기 모재 측에 위치하는 상기 다이아몬드 피막은, 상기 모재와 상기 제2 층 사이의 층으로서 형성되고, 또한 상기 붕소가 비함유로 되는 제3 층을 구비하는, 공구.
제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 층은, 상기 제1 층의 막 두께가 상기 제2 층의 막 두께의 치수에 대하여 100% 미만의 치수로 설정되는, 공구.
제9항에 있어서,
상기 제1 층은, 상기 제1 층의 막 두께가 상기 제2 층의 막 두께에 대하여 25% 이상의 치수로 설정되는, 공구.