KR20190142359A - 피복 절삭 공구 - Google Patents

Abstract

본 발명의 피복 절삭 공구의 경질 피막은, 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 총량에 대해서 Al 을 70 원자％ 이상 80 원자％ 이하, Ti 를 20 원자％ 이상 30 원자％ 이하, 금속 원소 (반금속을 포함한다) 와 비금속 원소의 총량에 대해서 Ar 을 0.50 원자％ 이하 함유한다. 경질 피막은, fcc 구조의 TiN (111) 면, TiN (200) 면, TiN (220) 면, hcp 구조의 AlN (100) 면, AlN (002) 면의 회절 피크를 가지며, 또한, TiN (200) 면의 회절 피크가 최대 강도를 나타내고, 이어서, TiN (111) 면에서 기인되는 회절 피크의 강도가 크다. 경질 피막의 평균 결정 입경은 5 ㎚ 이상 50 ㎚ 이하, 단면 관찰에 있어서의 원 상당 직경 1.0 ㎛ 이상의 드롭렛이 100 ㎛² 당 5 개 이하이다.

Description

피복 절삭 공구

본 발명은 기재의 표면에 경질 피막을 갖는 피복 절삭 공구에 관한 것이다. 본원은 2017년 8월 15일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2017-156734호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

Al 과 Ti 의 질화물 피막 (이하, AlTiN 이라고 기재한다.) 은 내마모성과 내열성이 우수한 막종으로서 피복 절삭 공구에 널리 적용되고 있다. 일반적으로 AlTiN 은 Al 의 함유 비율이 커지면, 육방 최밀 충전 구조 (이하, hcp 구조라고 칭하는 경우도 있다) 의 AlN 이 증가되어 피막 경도가 저하되는 것이 알려져 있다. 예를 들어, 특허문헌 1 에는, Al 의 함유 비율을 변화시킨 AlTiN 이 개시되어 있고, Al 의 함유 비율이 크고 hcp 구조를 갖는 AlTiN 은 피막 경도가 저하되어 공구 성능이 저하되는 것이 나타나 있다.

한편, 최근에는 윤활성이나 내용착성을 개선하기 위해서, Al 의 함유 비율이 크고, hcp 구조의 AlN 을 함유하는 경질 피막도 검토되기 시작하고 있다. 예를 들어, 특허문헌 2 에는, 질화물의 적층 피막의 상층에 우르트광형 결정 구조 (hcp 구조) 로 이루어지는 AlTiN 을 베이스로 Cr 을 함유한 경질 피막을 형성한 피복 절삭 공구가 나타나 있다.

그런데, 특허문헌 1, 2 의 구체적인 실시예에서는, 물리 증착법 중에서도 아크 이온 플레이팅법이 적용되고 있다. 물리 증착법은 경질 피막에 잔류 압축 응력을 부여하여 내결손성을 높이기 때문에, 주로 밀링 가공을 행하는 피복 절삭 공구에서 적용되고 있다. 물리 증착법 중에서도 아크 이온 플레이팅법은 타깃의 이온화율이 높고, 기재와의 밀착성이 우수한 경질 피막이 얻어지기 때문에 널리 이용되고 있다. 아크 이온 플레이팅법에서는 타깃 성분을 아크 방전에 의해서 증발시켜 피복하기 때문에, 경질 피막은 불가피하게 수 마이크로미터의 드롭렛을 많이 함유한다. 한편, 물리 증착법 중에서도 타깃 성분을 아르곤 가스로 스퍼터링하여 피복하는 스퍼터링법에서는 드롭렛이 잘 발생되지 않기 때문에 평활한 경질 피막이 얻어진다. 단, 스퍼터링법은, 아크 이온 플레이팅법에 비해서 타깃의 이온화율이 낮기 때문에, 경질 피막의 내부에 공극을 형성하기 쉽고, 경질 피막과 기재와의 밀착성도 부족하다. 그 때문에, 일반적으로 스퍼터링법으로 피복한 경질 피막은, 아크 이온 플레이팅법으로 피복한 경질 피막에 비해서 내구성이 낮은 경향이 있다.

최근에는, 특허문헌 3, 4 에 있는 타깃에 인가하는 전력을 순간적으로 높인 고출력 스퍼터링법이 적용되기 시작하고 있다.

일본 공개특허공보 평8-209333호 국제 공개 번호 WO2014/002948호 일본 공개특허공보 2011-189419호 일본 공개특허공보 2013-202700호

본 발명자의 검토에 의하면, Al 의 함유 비율이 크고 hcp 구조의 AlN 을 함유한 Al 과 Ti 를 주체로 하는 질화물을 아크 이온 플레이팅법으로 피복했을 경우, 스테인리스강의 절삭 가공에 있어서, 마모 폭이 커져 공구 수명에 개선의 여지가 있는 것이 판명되었다.

본 발명은 상기의 사정을 감안하여, hcp 구조의 AlN 을 함유하는 Al 과 Ti 를 주체로 하는 질화물의 내구성을 높여, 내구성이 우수한 피복 절삭 공구를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 양태에 의하면, 공구의 표면에 경질 피막을 갖는 피복 절삭 공구로서,

상기 경질 피막은 질화물이고, 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 총량에 대해서, 알루미늄 (Al) 을 70 원자％ 이상 80 원자％ 이하로 함유하고 있고, 티탄 (Ti) 을 20 원자％ 이상 30 원자％ 이하로 함유하고 있으며, 금속 원소 (반금속을 포함한다) 와 비금속 원소의 총량에 대해서, 아르곤 (Ar) 을 0.50 원자％ 이하로 함유하고 있고,

상기 경질 피막은 X 선 회절에 있어서, 면심 입방 격자 구조의 TiN (111) 면, TiN (200) 면, TiN (220) 면, 육방 최밀 충전 구조의 AlN (100) 면, AlN (002) 면에서 피크 강도를 가지며, 또한, 면심 입방 격자 구조의 TiN (200) 면에서 기인되는 피크 강도가 최대 강도를 나타내고, 이어서, 면심입방구조의 TiN (111) 면에서 기인되는 피크 강도가 크고,

평균 결정 입경이 3 ㎚ 이상 50 ㎚ 이하이며,

상기 경질 피막의 단면 관찰에 있어서, 원 상당 직경이 1.0 ㎛ 이상인 드롭렛이 100 ㎛² 당 5 개 이하인 피복 절삭 공구가 제공된다.

상기 경질 피막은, 피가공재와 접촉하는 공구의 최표층에 형성되어 있는 것이 바람직하다.

상기 경질 피막은, 금속 (반금속을 포함한다) 원소와 질소, 산소, 탄소, 아르곤의 함유 비율을 100 원자％ 로 했을 경우, 질소의 함유 비율이 51 원자％ 이상인 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, hcp 구조의 AlN 을 함유하는 Al 과 Ti 를 주체로 하는 질화물을 피복한 피복 절삭 공구에 대해서 내구성을 높일 수 있다.

도 1 은, 본 실시예 1 의 전자 현미경에 의한 단면 관찰 사진이다.
도 2 는, 본 실시예 1 의 X 선 회절 결과이다.

본 발명자는 Al 의 함유 비율이 크고 육방 최밀 충전 구조 (hcp 구조) 의 AlN 을 함유하는 Al 과 Ti 의 질화물에 대해서, 피막 조직과 결정 구조를 제어한 다음, 피막 내부에 포함되는 결함을 저감함으로써, 피복 절삭 공구로서 내구성이 향상되는 경향이 있는 것을 지견하였다. 이하, 본 발명의 실시형태의 상세한 것에 대하여 설명을 한다.

본 실시형태의 절삭 공구는, 공구의 표면에 Al 과 Ti 의 질화물을 함유하는 경질 피막을 갖는 피복 절삭 공구이다. 본 실시형태의 피복 절삭 공구는, 볼 엔드밀, 스퀘어 엔드밀, 라디우스 엔드밀, 다날 엔드밀, 인서트, 드릴, 커터, 브로치, 리머, 호브, 라우터 등의 양태로 사용할 수 있다.

본 실시형태의 피복 절삭 공구는, 예를 들어, 고경도강, 스테인리스강, 내열강, 주강, 탄소강의 절삭 가공용에 사용할 수 있다. 자세한 것은 후단의 실시예에 기재하지만, 본 실시형태의 피복 절삭 공구는, 스테인리스강의 절삭 가공에 있어서 특히 우수한 내구성을 발휘한다.

＜성분 조성 알루미늄 (Al), 티탄 (Ti)＞

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 질화물이고, 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 총량에 대해서, 알루미늄 (Al) 을 70 원자％ 이상 80 원자％ 이하로 함유하고 있고, 티탄 (Ti) 을 20 원자％ 이상 30 원자％ 이하로 함유하고 있다. Al 과 Ti 를 주체로 하는 질화물은 내마모성과 내열성의 밸런스가 우수한 막종으로서, 기재와의 밀착성도 우수하며, 특히 Al 의 함유 비율을 크게 함으로써 경질 피막의 내열성이 보다 향상된다. 또, Al 의 함유 비율을 크게 함으로써, 공구 표면에 산화 보호 피막이 형성되기 쉬워짐과 함께, 피막 조직이 미세해지기 때문에, 용착에 의한 경질 피막의 마모가 억제되기 쉬워진다.

상기 서술한 Al 의 첨가 효과를 충분히 발휘하려면, 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 금속 (반금속을 포함한다. 이하 동일) 원소 전체를 100 원자％ 로 했을 경우, Al 의 함유 비율을 70 원자％ 이상으로 한다. 한편, Al 의 함유 비율이 지나치게 커지면 경질 피막의 결정 구조가 변화되어 취약해진다. 그 때문에, 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 금속 원소 전체를 100 원자％ 로 했을 경우, Al 의 함유 비율을 80 원자％ 이하로 한다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 금속 원소 전체를 100 원자％ 로 했을 경우, Ti 의 함유 비율을 20 원자％ 이상으로 한다. 이로써, 경질 피막에 우수한 내마모성을 부여할 수 있다. 한편, 경질 피막에 함유되는 Ti 의 함유 비율이 지나치게 커지면, 상기 서술한 Al 의 함유 비율을 크게 하는 것에 의한 효과가 잘 얻어지지 않는다. 그 때문에, 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 금속 원소 전체를 100 원자％ 로 했을 경우, Ti 의 함유 비율을 30 원자％ 이하로 한다.

피복 절삭 공구에 보다 우수한 내구성을 부여하기 위해서, 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 금속 원소 전체를 100 원자％ 로 했을 경우, Al 과 Ti 의 함유 비율의 합계를 90 원자％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또, 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, Al 과 Ti 의 질화물이어도 된다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막의 금속 원소의 함유 비율은, 경면 가공한 경질 피막에 대해서, 전자 프로브 마이크로 애널라이저 장치 (EPMA) 를 사용하여 측정할 수 있다. 이 경우, 예를 들어, 경질 피막 표면의 경면 가공 후, 직경이 약 1 ㎛ 인 분석 범위를 5 점 분석한 평균으로부터 구할 수 있다.

＜결정 구조＞

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, Al 의 함유 비율이 크고, X 선 회절에 있어서, 면심 입방 격자 구조 (fcc 구조) 와 육방 최밀 충전 구조 (hcp 구조) 의 회절 피크를 갖는다. 구체적으로는, fcc 구조의 TiN (111) 면, TiN (200) 면, TiN (220) 면, hcp 구조의 AlN (100) 면, AlN (002) 면에서 기인되는 회절 피크를 갖는다. 그리고, fcc 구조의 TiN (200) 면에서 기인되는 회절 피크가 최대 강도를 나타내고, 이어서, fcc 구조의 TiN (111) 면에서 기인되는 회절 피크가 크게 되어 있다. 요컨대, 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, fcc 구조가 주체인 결정 구조이고, 일부에 hcp 구조의 AlN 을 함유하고 있다.

종래, X 선 회절에 있어서 회절 피크가 확인되는 정도로 hcp 구조의 AlN 을 함유하고 있으면, 경질 피막의 강도가 낮아져, 피복 절삭 공구의 내구성이 부족하였다. 이에 비하여 본 실시형태에서는, 후술하는 바와 같이 결정 입경을 미세하게 하면서, 경질 피막의 드롭렛이나 아르곤 등의 결함을 저감함으로써, 내구성을 향상시켰다. 이로써, X 선 회절에 있어서 회절 피크가 확인될 정도로 hcp 구조의 AlN 을 함유하고 있어도 내구성의 저하가 억제된 피복 절삭 공구를 실현하였다.

단, hcp 구조의 AlN 의 함유 비율이 지나치게 커지면, 피복 절삭 공구의 내구성이 저하되는 경우가 있다. 그 때문에, 본 실시형태에 있어서는, hcp 구조의 AlN (100) 면, AlN (002) 면 이외의 hcp 구조의 회절 피크를 갖지 않는 경질 피막으로 한다. 또, 본 실시형태의 경질 피막에 있어서, hcp 구조의 AlN (100) 면, AlN (002) 면에서 기인되는 회절 피크의 피크 강도의 합계를 Ih, fcc 구조의 TiN (111) 면, TiN (200) 면, TiN (220) 면에서 기인되는 회절 피크의 피크 강도의 합계를 If 로 했을 경우, Ih/If 는 0.8 이하인 것이 바람직하다. Ih/If 는 0.3 이상이어도 된다. 나아가서는, Ih/If 는 0.5 이상이어도 된다.

＜평균 결정 입경＞

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 경질 피막의 평균 결정 입경이 3 ㎚ 이상 50 ㎚ 이하이다. 경질 피막의 마이크로 조직이 지나치게 미세해지면, 경질 피막의 조직이 비정질에 가까워지기 때문에 인성이 현저히 저하된다. 경질 피막의 결정성을 높여 취약한 비정질상을 저감하려면, 경질 피막의 평균 결정 입경을 3 ㎚ 이상으로 한다. 경질 피막의 평균 결정 입경은, 보다 바람직하게는 5 ㎚ 이상이다. 또, 경질 피막의 마이크로 조직이 지나치게 성기게 되면 인성이 저하됨과 함께, 경질 피막의 파괴 단위가 커지기 때문에 공구의 손상이 커진다. 경질 피막의 인성을 높이며, 또한, 파괴 단위를 작게 하여 공구 손상을 억제하려면, 경질 피막의 평균 결정 입경을 50 ㎚ 이하로 한다. 보다 바람직하게는, 경질 피막의 평균 결정 입경은 40 ㎚ 이하이다. 더욱 바람직하게는, 경질 피막의 평균 결정 입경은 30 ㎚ 이하이다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막의 평균 결정 입경은, X 선 회절로 최대 강도를 나타내는 fcc 구조의 TiN (200) 면에서 기인되는 회절 피크의 반가폭으로부터 측정한다.

＜드롭렛＞

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 단면 관찰에 있어서 원 상당 직경이 1 ㎛ 이상인 드롭렛이 100 ㎛² 당 5 개 이하이다. 본 실시형태에서는, 경질 피막의 인성을 보다 높이기 위해서 피막 조직을 미세화한 다음, 경질 피막의 내부에 포함되는 물리적인 결함을 저감한다. 물리 증착법으로 피복하는 경질 피막에서는, 드롭렛이 주된 물리적인 결함이 될 수 있다. 특히, 원 상당 직경이 1 ㎛ 이상인 조대한 드롭렛은 경질 피막의 내부에서 파괴의 기점이 될 수 있기 때문에, 그 발생 빈도를 저감함으로써, 경질 피막의 인성을 높일 수 있다. hcp 구조의 AlN 을 함유하는 Al 과 Ti 를 주체로 하는 질화물의 인성을 높이기 위해서, 본 실시형태에 있어서는, 경질 피막의 단면 관찰에 있어서, 원 상당 직경이 1 ㎛ 이상인 드롭렛을 100 ㎛² 당 5 개 이하로 한다. 보다 바람직하게는, 100 ㎛² 당 3 개 이하이다. 더욱 바람직하게는, 100 ㎛² 당 1 개 이하이다. 나아가서는, 원 상당 직경이 5 ㎛ 이상인 드롭렛을 함유하지 않는 것이 바람직하다.

또, 경질 피막의 표면에 대해서도, 원 상당 직경이 1 ㎛ 이상인 드롭렛이 100 ㎛² 당 5 개 이하인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 경질 피막의 표면의 드롭렛은 100 ㎛² 당 3 개 이하이다. 더욱 바람직하게는, 경질 피막의 표면의 드롭렛은 100 ㎛² 당 1 개 이하이다.

경질 피막의 단면 관찰에 있어서 드롭렛을 평가하려면, 경질 피막을 경면 가공한 후, 수속 이온 빔법으로 가공하고, 투과형 전자 현미경을 사용하여 경면 가공된 면을 5,000 ~ 10,000 배로 복수의 시야를 관찰한다. 또, 경질 피막의 표면의 드롭렛의 개수는, 주사형 전자 현미경 (SEM) 등을 사용하여 경질 피막의 표면을 관찰함으로써 구할 수 있다.

＜아르곤 (Ar) 함유량＞

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 금속 원소와 비금속 원소의 총량에 대해서, 아르곤 (Ar) 을 0.50 원자％ 이하로 함유한다.

경질 피막의 결함이 되는 드롭렛은, 스퍼터링법을 적용함으로써 발생 빈도를 저감시킬 수 있다. 한편, 스퍼터링법에서는 아르곤 이온을 사용하여 타깃 성분을 스퍼터링하기 때문에, 스퍼터링법으로 피복된 경질 피막은 아르곤을 많이 함유한다. 특히, 아르곤은 결정립계에 농화되기 쉬워, 결정 입경이 미립이 되면 아르곤의 함유 비율이 커지는 경향이 된다. 단, 아르곤의 함유 비율이 커지면, 결정립계에 있어서 입자끼리의 결합력이 저하된다. 본 실시형태에 관련된 경질 피막과 같이, hcp 구조의 AlN 을 함유하는 Al 과 Ti 를 주체로 하는 질화물에 있어서는, 과다하게 함유되는 아르곤은 결함이 될 수 있기 때문에, 그 함유 비율을 일정 이하로 하는 것이 유효하다. 구체적으로는, 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 금속 원소와 비금속 원소의 총량에 대해서, 아르곤을 0.50 원자％ 이하에서 함유한다. 보다 바람직하게는, 본 실시형태의 경질 피막은, 아르곤을 0.40 원자％ 이하에서 함유한다.

스퍼터링법에 있어서, 경질 피막에 함유되는 아르곤의 함유 비율을 무한하게 0 원자％ 에 근접시키고자 하면, 아르곤의 유량이 지나치게 작아져 스퍼터링이 안정되지 않는다. 또, 가령, 아르곤의 함유 비율이 0 원자％ 에 근접했다고 해도, 인성, 내열성, 내마모성 등의 절삭 공구에 적용되는 경질 피막으로서의 기본적인 특성이 손상될 수 있다. 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 아르곤의 함유 비율의 하한은 특별히 한정되지 않지만, 스퍼터링법을 안정시켜, 절삭 공구에 적용하는 경질 피막으로서의 기본적인 피막 특성을 확보하기 위해서, 아르곤을 0.10 원자％ 이상으로 함유시키는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 경질 피막에 아르곤을 0.15 원자％ 이상으로 함유시킨다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막의 아르곤의 함유 비율은, 상기 서술한 금속 원소의 함유 비율의 측정과 마찬가지로, 경면 가공한 경질 피막에 대해서, 전자 프로브 마이크로 애널라이저 장치 (EPMA) 를 사용하여 측정할 수 있다. 상기 서술한 금속 원소의 함유 비율의 측정과 마찬가지로, 경면 가공 후, 직경이 약 1 ㎛ 인 분석 범위를 5 점 분석한 평균으로부터 구할 수 있다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막에 있어서는, 비금속 원소로는 질소 이외에 미량의 아르곤, 산소, 탄소가 함유될 수 있다. 경질 피막에 있어서의 아르곤의 함유 비율은, 금속 (반금속을 포함한다) 원소와 질소, 산소, 탄소, 아르곤의 함유 비율을 100 원자％ 로 하여 구할 수 있다.

또, 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 금속 (반금속을 포함한다) 원소와 질소, 산소, 탄소, 아르곤의 함유 비율을 100 원자％ 로 했을 경우, 질소의 함유 비율이 51 원자％ 이상인 것이 바람직하다. 이로써, 경질 피막에 질화물이 충분히 형성되어 내구성이 우수한 경향이 있다. 단, 질소의 함유 비율이 지나치게 높아지면, 경질 피막이 자기 파괴를 일으키기 쉬워지기 때문에, 52 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 평가에 있어서는 소수점 이하의 값은 잘라내고 구하면 된다.

＜알루미늄 (Al), 티탄 (Ti) 이외의 금속 원소＞

본 실시형태에 관련된 경질 피막에는, Al 과 Ti 이외의 금속 원소를 함유해도 된다. 예를 들어, 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 내마모성이나 내열성 등의 향상을 목적으로 하여, 주기율표의 4a 족, 5a 족, 6a 족의 원소 및 Si, B, Y 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 함유할 수도 있다. 이들 원소는 경질 피막의 피막 특성을 향상시키기 위해서 일반적으로 함유되는 것으로서, 피복 절삭 공구의 내구성을 현저히 저하시키지 않는 범위에서 첨가 가능하다.

＜성분 조성 산소 (O), 탄소 (C)＞

본 실시형태에 관련된 경질 피막은 질화물이지만, 상기 서술한 아르곤 이외에도 미량의 산소와 탄소를 함유할 수 있다. 이들 원소는 질화물 중에 미량인 산화물이나 탄화물을 형성하기 때문에, 경질 피막의 인성을 저하시킬 수 있다. 경질 피막에 불가피하게 함유되는 산소와 탄소를 막두께 방향에 걸쳐서 저감할 수 있으면, hcp 구조의 AlN 을 함유하는 Al 과 Ti 를 주체로 하는 질화물의 인성을 높일 수 있다. 또한, 본 실시형태에 관련된 경질 피막에서는, 불가피 불순물로서 산소가 탄소보다 많은 경향이 있다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막에서는, 경질 피막에 함유되는 미세한 산화물을 최대한 적게 하기 위해서, 막두께 방향에 걸쳐서 산소의 함유 비율을 5.0 원자％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 산소의 함유 비율을 4.0 원자％ 이하로 한다. 또, 경질 피막에 함유되는 미세한 탄화물을 최대한 적게 하기 위해서, 막두께 방향에 걸쳐서 탄소의 함유 비율을 3.0 원자％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 탄소의 함유 비율을 1.5 원자％ 이하로 한다.

막두께 방향의 산소와 탄소의 함유 비율은, 주사형 X 선 광 전자 분광 장치를 사용하여 구할 수 있다. 그리고, 산소와 탄소의 함유량은, 탄소, 질소, 산소, 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 합계의 함유 비율을 100 원자％ 로 하여 구하면 된다. 경질 피막의 최표면에서는, 대기로부터의 부착에 의한 불가피 불순물인 산소와 탄소가 많이 검출되기 때문에, 피막 표면으로부터의 깊이 50 ㎚ 의 위치로부터 막두께 방향으로 분석을 행한다.

또, 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 아르곤 이외에 다른 희가스를 함유한 혼합 가스를 사용하여 스퍼터링하면, 아르곤 이외의 희가스도 함유할 수 있다.

본 실시형태의 피복 절삭 공구는, 경질 피막의 밀착성을 보다 향상시키기 위해서, 필요에 따라서, 공구의 기재와 경질 피막 사이에 별도 중간층을 형성해도 된다. 예를 들어, 금속, 질화물, 탄질화물, 탄화물의 어느 하나로 이루어지는 층을 공구의 기재와 경질 피막 사이에 형성해도 된다. 또, 본 실시형태에 관련된 경질 피막 상에, 본 실시형태에 관련된 경질 피막과 다른 성분비나 상이한 조성을 갖는 경질 피막을 별도로 형성시켜도 된다. 나아가서는, 본 실시형태에 관련된 경질 피막과, 별도로 본 실시형태에 관련된 경질 피막과 상이한 조성비나 상이한 조성을 갖는 경질 피막을 상호 적층시켜도 된다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 피가공재와 접촉하는 공구의 최표층에 형성함으로써, 공구 표면에 충분한 양의 산화 보호 피막이 형성되어 용착을 억제하는 효과가 충분히 얻어지기 때문에 바람직하다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막의 피복에서는, 3 개 이상의 AlTi 계 합금 타깃을 사용하여, 타깃에 순차적으로 전력을 인가하고, 전력이 인가되는 타깃이 전환될 때에, 전력의 인가가 종료되는 타깃과 전력의 인가를 개시하는 타깃의 양방의 타깃에 동시에 전력이 인가되고 있는 시간을 형성하는 스퍼터링법을 적용한다. 이와 같은 스퍼터링법은 타깃의 이온화율이 높은 상태가 피복 중에 유지되고, 미립이며 또한, 마이크로 레벨로 치밀한 경질 피막이 얻어짐과 함께, 불가피하게 함유되는 아르곤, 산소 및 탄소가 적은 경향이 있다. 그리고, 스퍼터링 장치의 노 내 온도를 450 ℃ 이상으로 하여 예비 방전을 실시하고, 노 내에 도입하는 질소 가스의 유량을 60 sc㎝ 이상, 아르곤 가스의 유량을 70 sc㎝ 이상 200 sc㎝ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또, 노 내 압력을 0.5 ㎩ ∼ 0.7 ㎩ 로 하는 것이 바람직하다.

전력 펄스의 최대 전력 밀도는, 1.0 ㎾/㎠ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 단, 타깃에 인가하는 전력 밀도가 지나치게 커지면 성막이 안정되기 어렵다. 또, 전력 밀도가 지나치게 커지면, 스퍼터링법이어도 드롭렛의 발생 빈도가 높아지는 경향이 있다. 그 때문에, 전력 펄스의 최대 전력 밀도는, 3.0 ㎾/㎠ 이하로 하는 것이 바람직하고, 나아가서는, 전력 펄스의 최대 전력 밀도는, 2.0 ㎾/㎠ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또, 전력의 인가가 종료되는 합금 타깃과 전력의 인가를 개시하는 합금 타깃의 양방의 합금 타깃에 동시에 전력이 인가되어 있는 시간은 5 마이크로초 이상 20 마이크로초 이하로 하는 것이, 경질 피막의 기본적인 특성을 높여 드롭렛을 저감시키는 데 바람직하다.

실시예 1

＜공구＞

공구로서, 조성이 WC (bal.)-Co (11.5 질량％)-TaC (2.0 질량％)-Cr₃C₂ (0.7 질량％), 경도 89.5 HRA (로크웰 경도, JIS G 0202 에 준하여 측정한 값) 로 이루어지는 초경합금제의 날끝 교환식 공구 (미츠비시 히타치 툴 주식회사 제조) 를 준비하였다.

본 실시예 1, 비교예 1 에서는, 스퍼터 증발원을 6 기 탑재할 수 있는 스퍼터링 장치를 사용하였다. 이들 증착원 중, AlTi 계 합금 타깃 3 개를 증착원으로서 장치 내에 설치하였다. 또한, 치수가 Φ16 ㎝, 두께 12 ㎜ 의 타깃을 사용하였다. 본 실시예 1 과 비교예 1 에서는, 사용하는 AlTi 계 합금 타깃의 조성을 변경하였다.

공구를 스퍼터링 장치 내의 샘플 홀더에 고정시키고, 공구에 바이어스 전원을 접속하였다. 또한, 바이어스 전원은, 타깃과는 독립적으로 공구에 부 (負) 의 바이어스 전압을 인가하는 구조로 되어 있다. 공구는, 매분 2 회전으로 자전하며, 또한, 고정 지그와 샘플 홀더를 개재하여 공전한다. 공구와 타깃 표면 사이의 거리는 100 ㎜ 로 하였다.

도입 가스는, Ar 및 N₂ 를 사용하여 스퍼터링 장치에 형성된 가스 공급 포트로부터 도입하였다.

＜봄버드 처리＞

먼저 공구에 경질 피막을 피복하기 전에, 아래의 순서로 공구에 봄버드 처리를 행하였다. 스퍼터링 장치 내의 히터에 의해서 노 내 온도가 430 ℃ 가 된 상태에서 30 분간의 가열을 행하였다. 그 후, 스퍼터링 장치의 노 내를 진공 배기하여, 노 내 압력을 5.0 × 10^-3 ㎩ 이하로 하였다. 그리고, Ar 가스를 스퍼터링 장치의 노 내에 도입하여, 노 내 압력을 0.8 ㎩ 로 조정하였다. 그리고, 공구에 -170 V 의 직류 바이어스 전압을 인가하여, Ar 이온에 의한 공구의 클리닝 (봄버드 처리) 을 실시하였다.

＜경질 피막의 피복＞

이어서, 아래의 순서로 Al 과 Ti 의 질화물을 공구 상에 피복하였다.

노 내 온도를 430 ℃ 로 유지한 채로, 그리고, 스퍼터링 장치의 노 내에 Ar 가스를 160 sc㎝ 으로 도입하고, 그 후, N₂ 가스를 120 sc㎝ 으로 도입하여 노 내 압력을 0.60 ㎩ 로 하였다. 공구에 -60 V 의 직류 바이어스 전압을 인가하고, 그리고, Al 과 Ti 를 함유하는 합금 타깃에 인가되는 전력의 1 주기당 방전 시간을 4.0 밀리초, 전력이 인가되는 합금 타깃이 전환될 때에, 전력의 인가가 종료되는 합금 타깃과 전력의 인가를 개시하는 합금 타깃의 양방의 합금 타깃에 동시에 전력이 인가되고 있는 시간을 10 마이크로초로 하고, 3 개의 AlTi 계 합금 타깃에 연속적으로 전력을 인가하여, 공구의 표면에 약 3.0 ㎛ 의 경질 피막을 피복하였다. 이 때, 전력 펄스의 최대 전력 밀도는, 1.5 ㎾/㎠, 평균 전력 밀도는 0.37 ㎾/㎠로 하였다.

비교예 2 ∼ 4 는 아크 이온 도금 장치를 사용하였다. AlTi 계 합금 타깃을 증착원으로서 장치 내에 설치하였다. 또한, 치수가 Φ16 ㎝, 두께 12 ㎜ 의 타깃을 사용하였다. 비교예 2 ∼ 비교예 4 에서는, 사용하는 AlTi 계 합금 타깃의 조성을 변경하였다. 본 실시예 1 과 마찬가지로, Ar 이온에 의한 공구의 클리닝 (봄버드 처리) 을 실시하였다. 이어서, 아크 이온 도금 장치의 노 내 압력을 5.0 × 10^-3 ㎩ 이하로 진공 배기하여, 노 내 온도를 500 ℃ 로 하고, 노 내 압력이 3.2 ㎩ 가 되도록 N₂ 가스를 도입하였다. 이어서, 공구에 -120 V 의 직류 바이어스 전압을 인가하고, AlTi 합금 타깃에 200 A 의 전류를 인가하여, 공구의 표면에 약 3.0 ㎛ 의 경질 피막을 피복하였다.

＜피막 조성＞

경질 피막의 피막 조성은, 전자 프로브 마이크로 애널라이저 장치 (주식회사 니혼 전자 제조 JXA-8500F) 를 사용하여, 부속의 파장 분산형 전자 프로브 미소 분석 (WDS-EPMA) 으로 경질 피막의 피막 조성을 측정하였다. 물성 평가용의 볼 엔드밀을 경면 가공하고, 가속 전압 10 ㎸, 조사 전류 5 × 10^-8 A, 입력 시간 10 초로 하고, 분석 영역이 직경 1 ㎛ 인 범위를 5 점 측정하여 그 평균치로부터 경질 피막의 금속 함유 비율 및 금속 성분과 비금속 성분의 합계에 있어서의 Ar 의 함유 비율을 구하였다.

＜결정 구조·결정 입경＞

경질 피막의 결정 구조는, X 선 회절 장치 (주식회사 ㎩Nalytical 제조 EMPYREA) 를 사용하여 관 전압 45 ㎸, 관 전류 40 ㎃, X 선원 Cukα (λ = 0.15405 ㎚), 2θ 가 20 ∼ 80 도인 측정 조건에서 확인하였다. 또, 최대 강도를 나타내는 회절 피크의 반가폭으로부터, 경질 피막의 평균 결정 입경을 산출하였다.

＜피막 경도 및 탄성 계수＞

경질 피막의 피막 경도 및 탄성 계수는, 나노 인덴테이션 테스터 (엘리오닉스 (주) 제조 ENT-2100) 를 사용하여 분석하였다. 분석은, 피막의 최표면에 대해서 시험편을 5 도 기울인 피막 단면을 경면 연마 후, 피막의 연마면 내에서 최대 압입 깊이가 막두께의 대략 1/10 미만이 되는 영역을 선정하였다. 압입 하중 49 mN/초의 측정 조건에서 10 점 측정하고, 값이 큰 쪽의 2 점과 값이 작은 쪽의 2 점을 제외한 6 점의 평균치로부터 구하였다.

＜절삭 시험＞

제작된 피복 절삭 공구를 사용하여 절삭 시험을 행하였다. 표 1 에 분석 결과 및 절삭 시험 결과를 나타낸다. 절삭 조건은 아래와 같다.

(조건) 건식 가공

·공구 : 인서트식 라디우스 엔드밀

·커터 형번 : RV4B050R-5

·인서트 형번 : RPHT1204M0EN-C8

·절삭 방법 : 바닥면 절삭

·피삭재 : SUS630 (35HRC)

·절입 : 축 방향, 1.0 ㎜, 직경 방향, 30.0 ㎜

·절삭 속도 : 300.0 m/min

·1 날 이송량 : 0.15 m/날

·날수 : 1

·절삭 거리 : 2 m

·평가 방법 : 절삭 가공 후, 공구 현미경을 사용하여 배율 10 배로 관찰하고, 공구와 피삭재가 찰과된 폭을 측정하고, 그 중의 찰과 폭이 가장 컸던 부분을 최대 마모 폭으로 하였다.

각 시료에 대해서, 피막 특성 및 피막 조직을 관찰하였다. 피막 특성 및 절삭 평가의 결과를 표 1 에 나타낸다.

본 실시예 1 은, 아크 이온 플레이팅법으로 피복한 비교예 2 에 비해서 최대 마모 폭이 작아져 우수한 내구성을 나타내는 것이 확인되었다. 도 2 에 본 실시예 1 의 X 선 회절 측정 결과를 나타낸다. 본 실시예 1 은 hcp 구조의 AlN (100) 면, AlN (002) 면에서 피크 강도를 갖는 것이 확인된다. 비교예 2 는 fcc 구조로 이루어지는 종래의 Al 과 Ti 의 질화물이지만, 본 실시예 1 은 비교예 2 에 대해서 최대 마모 폭이 100 ㎛ 이상이나 억제되어 있었다. 이것은, 본 실시예 1 은, 경질 피막 내부에 포함되는 드롭렛이나 아르곤 등의 결함이 적기 때문에, 일부에 hcp 구조를 갖는 경질 피막이어도 내구성이 높아져, Al 의 함유 비율이 큰 효과가 얻어졌다고 추정된다.

비교예 3, 4 는 아크 이온 플레이팅법으로 피복하고 있지만, hcp 구조의 피크 강도를 갖고 있기 때문에, 조기에 피막 박리가 발생되었다.

도 1 에 본 실시예 1 의 단면 관찰 사진을 나타낸다. 본 발명에 관련된 경질 피막은 매우 평활한 것이 확인된다. 본 발명에 관련된 경질 피막은, 단면 관찰에 있어서 원 상당 직경이 1.0 ㎛ 이상인 드롭렛이 100 ㎛² 당 1 개 이하였다. 또, 원 상당 직경이 5.0 ㎛ 이상의 드롭렛은 확인되지 않았다. 한편, 아크 이온 플레이팅법으로 피복된 경질 피막은 모두 원 상당 직경이 1.0 ㎛ 이상인 드롭렛이 100 ㎛² 당 수십 개나 확인되었다. 또, 원 상당 직경이 5.0 ㎛ 이상인 드롭렛도 확인되었다.

비교예 1 은, 본 발명예와 동일하게 드롭렛이나 아르곤 등의 결함은 적지만, hcp 구조의 (101) 면이 최대 강도를 나타내었기 때문에 경질 피막의 인성이 저하되어 있어, 조기에 박리가 발생되었다고 추정된다.

본 실시예 1 에 관련된 경질 피막에 대해서 마이크로 해석을 행하였다. 본 실시예 1 에 관련된 경질 피막은, 주사형 X 선 광 전자 분광 장치를 사용한 분석에 있어서, 최표면으로부터 50 ㎚ 이상의 범위에서는, 막두께 방향에 걸쳐서 산소가 1.5 ∼ 3.0 원자％ 이고, 탄소가 1.0 원자％ 이하이며, 산소와 탄소를 미미하게 함유하고 있는 것이 확인되었다.

또, 투과형 전자 현미경으로 조직 관찰했을 경우, 50 ㎚ × 50 ㎚ 의 범위 내이고, 장경이 10 ㎚ 이상이 되는 공극은 1 개 이하이며, 마이크로 레벨로 치밀해져 있는 것이 확인되었다.

실시예 2

실시예 2 에서는, 4 장 날 초경 스퀘어 엔드밀을 사용하여 평가하였다. 평가에는 본 실시예 20, 본 실시예 21, 비교예 20 의 3 종류를 사용하였다.

본 실시예 20 과 비교예 20 은, 실시예 1 에 있어서의 본 실시예 1 과 비교예 2 와 동일한 성막 방법으로 경질 피막을 피복하였다. 본 실시예 21 은, 경질 피막의 피복에 있어서, 스퍼터링 장치의 노 내에 Ar 가스를 160 sc㎝ 으로 도입하고, 그 후, N₂ 가스를 160 sc㎝ 으로 도입하여 노 내 압력을 0.68 ㎩ 로 한 것 이외에는, 실시예 1 과 동일한 조건에서 경질 피막을 피복하였다. 절삭 조건은 아래와 같다.

＜절삭 시험＞

(조건) 습식 가공

·공구 : 4 장 날 초경 스퀘어 엔드밀

·형번 : EPP4060, 공구 반경 3.0 ㎜

·절삭 방법 : 바닥면 절삭

·피삭재 : SUS304

·절입 : 축 방향, 6.0 ㎜, 직경 방향, 0.2 ㎜

·절삭 속도 : 60.0 m/min

·1 날 이송량 : 0.04 ㎜/날

·절삭 거리 : 50 m

·평가 방법 : 절삭 가공 후, 공구 현미경을 사용하여 배율 50 배로 관찰하고, 공구와 피삭재가 찰과된 폭을 측정하고, 그 중의 찰과폭이 가장 컸던 부분을 최대 마모 폭으로 하였다. 각 시료에 대해서, 피막 특성 및 피막 조직을 관찰하였다. 피막 특성 및 절삭 평가의 결과를 표 2 에 나타낸다.

비교예 20 에는 일부에 미세한 치핑이 확인되었다. 본 실시예 20, 21 은 안정적인 마모 형태를 나타내고, 비교예 20 보다 최대 마모 폭도 감소되어 있었다.

성막시의 질소의 가스 유량을 높인 본 실시예 21 은, 금속 원소와 질소, 산소, 탄소, 아르곤의 함유 비율을 100 원자％ 로 했을 경우의 질소의 함유 비율이 51 ％ 가 되어, 다른 시료보다 질소의 함유 비율이 높아졌다. 본 실시예 21 은 질소의 함유 비율이 높고, 마이크로 조직에 질화물이 충분히 형성되었기 때문에 최대 마모 폭이 보다 억제되었다고 추정된다.

Claims (3)

1. 공구의 표면에 경질 피막을 갖는 피복 절삭 공구로서,
   상기 경질 피막은 질화물이고, 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 총량에 대해서, 알루미늄 (Al) 을 70 원자％ 이상 80 원자％ 이하로 함유하고 있고, 티탄 (Ti) 을 20 원자％ 이상 30 원자％ 이하로 함유하고 있으며, 금속 원소 (반금속을 포함한다) 와 비금속 원소의 총량에 대해서, 아르곤 (Ar) 을 0.50 원자％ 이하로 함유하고 있고,
   상기 경질 피막은, X 선 회절에 있어서, 면심 입방 격자 구조의 TiN (111) 면, TiN (200) 면, TiN (220) 면, 육방 최밀 충전 구조의 AlN (100) 면, AlN (002) 면에서 각각 기인하는 회절 피크를 가지며, 또한, 면심 입방 격자 구조의 TiN (200) 면에서 기인되는 회절 피크가 최대 강도를 나타내고, 이어서, 면심 입방 격자 구조의 TiN (111) 면에서 기인되는 회절 피크의 강도가 크고,
   평균 결정 입경이 3 ㎚ 이상 50 ㎚ 이하이며,
   상기 경질 피막의 단면 관찰에 있어서, 원 상당 직경이 1.0 ㎛ 이상인 드롭렛이 100 ㎛² 당 5 개 이하인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 경질 피막은, 피가공재와 접촉하는 공구의 최표층에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 경질 피막은, 금속 (반금속을 포함한다) 원소와 질소, 산소, 탄소, 아르곤의 함유 비율을 100 원자％ 로 했을 경우, 질소의 함유 비율이 51 원자％ 이상인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.

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