KR20210003912A

KR20210003912A - 절삭 공구

Info

Publication number: KR20210003912A
Application number: KR1020207034765A
Authority: KR
Inventors: 게이조 다나카; 신야 이마무라; 하루요 후쿠이
Original assignee: 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤
Priority date: 2018-08-24
Filing date: 2019-06-26
Publication date: 2021-01-12
Also published as: CN112262007B; CN112262007A; WO2020039735A1; JPWO2020039735A1; US11033969B2; EP3842170A4; JP6743350B2; US20210008634A1; EP3842170A1

Abstract

기재와 이 기재의 표면을 피복하는 피막을 구비하는 절삭 공구로서, 상기 피막은 A층과 B층이 기재 측에서 표면 측으로 향하여 교대로 각각 1층 이상 적층된 다층 구조층을 포함하고, 상기 A층의 평균 조성은 Al_xCr_(1-x)N이고, 상기 B층은 Al_yTi_(1-y)N으로 이루어지고, 상기 A층은 도메인 영역과 매트릭스 영역으로 이루어지고, 상기 도메인 영역은 상기 매트릭스 영역 내에서 복수의 부분으로 분산된 상태로 존재하고 있는 영역이고, 상기 매트릭스 영역은 상기 도메인 영역을 구성하는 상기 복수의 부분 각각을 둘러싸도록 배치되어 있는 영역이고, 상기 도메인 영역에 있어서의 Cr의 조성비는 상기 매트릭스 영역에 있어서의 Cr의 조성비보다 높은 절삭 공구. 여기서, x의 범위는 0.5≤x≤0.8이고, y의 범위는 0.5≤y≤0.7이다.

Description

절삭 공구

본 개시는 절삭 공구에 관한 것이다. 본 출원은 2018년 8월 24일에 출원한 일본 특허출원인 특원 2018-157418호에 기초한 우선권을 주장한다. 이 일본 특허출원에 기재된 모든 기재 내용은 참조에 의해서 본 명세서에 원용된다.

종래부터 초경 합금 등으로 이루어지는 절삭 공구를 이용하여 강철 및 주물 등의 절삭 가공이 이루어지고 있다. 이러한 절삭 공구는, 절삭 가공 시에 있어서, 그 컷팅 엣지가 고온 및 고응력 등의 가혹한 환경에 노출되기 때문에, 컷팅 엣지의 마모 및 결손이 초래된다.

따라서, 컷팅 엣지의 마모 및 결손을 억제하는 것이 절삭 공구의 수명을 향상시키는 데에 있어서 중요하다.

절삭 공구의 절삭 성능의 개선을 목적으로 하여, 초경 합금 등의 기재의 표면을 피복하는 피막의 개발이 진행되고 있다. 예컨대 국제공개 제2006/070730호(특허문헌 1)에는, 기재와 이 기재의 표면 상에 형성된 피복층을 포함하는 표면 피복 절삭 공구로서, 상기 피복층은 A층과 B층이 교대로 각각 1층 이상 적층된 교대층을 포함하고, 상기 A층은 Al과 Cr의 질화물로 이루어지고, 상기 B층은 Ti와 Al의 질화물로 이루어지는 표면 피복 절삭 공구가 개시되어 있다.

또한, 일본 특허공개 2002-331408호 공보(특허문헌 2)에는, 기체 상에 경질 피막, (TiSi)(NB)로 표시되는 화학 조성으로 이루어지는 경질층이 적어도 1층 피복된 내마모 피막 피복 공구로서, 상기 경질층이 상대적으로 Si가 풍부한 (TiSi)(NB)상과 상대적으로 Si가 적은 (TiSi)(NB)상으로 구성되고, 상기 Si가 풍부한 (TiSi)(NB)상이 비정질상인 내마모 피막 피복 공구가 개시되어 있다.

또한, C. Tritremmel et al., Surface & Coatings Technology 246 (2014) 57-63(비특허문헌 1)에는, 캐소드 아크 증착법으로 AlTiN의 층과 AlCrBN의 층의 다층막을 합성한 것이 개시되어 있다.

[특허문헌 1] 국제공개 제2006/070730호 [특허문헌 2] 일본 특허공개 2002-331408호 공보

[비특허문헌 1] C. Tritremmel et al., 「Mechanical and tribological properties of Al-Ti-N/Al-Cr-B-N multilayer films synthesized by cathodic arc evaporation」, Surface & Coatings Technology 246 (2014) 57-63

본 개시에 따른 절삭 공구는,

기재와 이 기재의 표면을 피복하는 피막을 구비하는 절삭 공구로서,

상기 피막은 A층과 B층이 기재 측에서 표면 측으로 향하여 교대로 각각 1층 이상 적층된 다층 구조층을 포함하고,

상기 A층의 평균 조성은 Al_xCr_(1-x)N이고,

상기 B층은 Al_yTi_(1-y)N으로 이루어지고,

상기 A층은 도메인 영역과 매트릭스 영역으로 이루어지고,

상기 도메인 영역은 상기 매트릭스 영역 내에서 복수의 부분으로 분산된 상태로 존재하고 있는 영역이고,

상기 매트릭스 영역은 상기 도메인 영역을 구성하는 상기 복수의 부분 각각을 둘러싸도록 배치되어 있는 영역이고,

상기 도메인 영역에 있어서의 Cr의 조성비는 상기 매트릭스 영역에 있어서의 Cr의 조성비보다 높다. 여기서, x의 범위는 0.5≤x≤0.8이고, y의 범위는 0.5≤y≤0.7이다.

도 1(a)은 본 실시형태에 따른 절삭 공구에 있어서의 피막 단면의 주사투과형 전자현미경 사진이다.
도 1(b)은 도 1(a)에 있어서의 영역(1b)을 LAADF-STEM을 이용한 분석법에 의해서 선분석한 결과를 도시하는 그래프이다.
도 1(c)은 도 1(a)에 있어서의 영역(1b)을 EELS법에 의해서 선분석한 결과를 도시하는 그래프이다.
도 2는 본 실시형태에 따른 절삭 공구에 대한 비교예에 있어서의 피막 단면의 투과형 전자현미경 사진이다.
도 3(a)은 본 실시형태에 따른 절삭 공구에 있어서의 피막 단면의 주사투과형 전자현미경 사진이다.
도 3(b)은 도 3(a)에 있어서의 영역(3b)을 EELS법에 의해서 선분석한 결과를 도시하는 그래프이다.
도 4는 절삭 공구의 일 양태를 예시하는 사시도이다.
도 5는 본 실시형태의 일 양태에 있어서의 절삭 공구의 모식 단면도이다.
도 6은 본 실시형태에 있어서의 A층의 확대 모식 단면도이다.

[본 개시가 해결하고자 하는 과제]

예컨대 특허문헌 2에 기재된 내마모 피막 피복 공구는, 피막에 비정질층을 포함하기 때문에 경도가 낮아, 절삭 공구의 성능에 개선의 여지가 있다. 또한, 상기 내마모 피막 피복 공구는, (TiSi)(NB)상을 포함하기 때문에 잔류 응력이 높아지는 경향이 있어, 기재와 피막의 밀착성에 개선의 여지가 있다.

더욱이, 최근은 보다 고효율의(이송 속도가 큰) 절삭 가공이 요구되고 있으며, 한층더 내마모성의 향상이 기대되고 있다.

본 개시는 상기 사정에 감안하여 이루어진 것으로, 내마모성이 우수한 절삭 공구를 제공하는 것을 목적으로 한다.

[본 개시의 효과]

상기한 바에 의하면, 내마모성이 우수한 절삭 공구를 제공할 수 있게 된다.

[본 개시의 실시형태의 설명]

처음에 본 개시의 실시양태를 열기하여 설명한다.

[1] 본 개시에 따른 절삭 공구는,

상기 A층의 평균 조성은 Al_xCr_(1-x)N이고,

상기 B층은 Al_yTi_(1-y)N으로 이루어지고,

상기 A층은 도메인 영역과 매트릭스 영역으로 이루어지고,

상기 절삭 공구는 상술한 것과 같은 구성을 구비함으로써 우수한 내마모성을 가질 수 있게 된다.

[2] 상기 A층의 두께가 0.2 nm 이상 3 ㎛ 이하이다. 이와 같이 규정함으로써 다층 구조층에서 발생한 크랙의 진전을 억제할 수 있게 된다.

[3] 상기 B층의 두께가 0.2 nm 이상 3 ㎛ 이하이다. 이와 같이 규정함으로써 다층 구조층에서 발생한 크랙의 진전을 억제할 수 있게 된다.

[4] 상기 다층 구조층의 두께가 0.5 ㎛ 이상 30 ㎛ 이하이다. 이와 같이 규정함으로써, 우수한 내마모성에 더하여, 우수한 내결손성을 가질 수 있게 된다.

[본 개시의 실시형태의 상세]

이하, 본 개시의 일 실시형태(이하 「본 실시형태」라고 기재한다.)에 관해서 설명한다. 단, 본 실시형태는 이것에 한정되는 것은 아니다. 본 명세서에서 「A∼B」라고 하는 형식의 표기는, 범위의 상한 하한(즉 A 이상 B 이하)을 의미하며, A에서 단위의 기재가 없고 B에서만 단위가 기재되어 있는 경우, A의 단위와 B의 단위는 동일하다. 또한, 본 명세서에서 예컨대 「TiC」등과 같이 구성 원소의 조성비가 한정되어 있지 않은 화학식에 의해서 화합물이 표시된 경우에는, 그 화학식은 종래 공지된 모든 조성비(원소비)를 포함하는 것으로 한다. 이때 상기 화학식은 화학량론 조성뿐만 아니라 비화학량론 조성도 포함하는 것으로 한다. 예컨대 「TiC」의 화학식에는, 화학량론 조성 「Ti₁C₁」뿐만 아니라, 예컨대 「Ti₁C_0.8」와 같은 비화학량론 조성도 포함된다. 이것은 「TiC」 이외의 화합물의 기재에 관해서도 마찬가지다.

≪표면 피복 절삭 공구≫

본 개시에 따른 절삭 공구는,

상기 A층의 평균 조성은 Al_xCr_(1-x)N(0.5≤x≤0.8)이고,

상기 B층은 Al_yTi_(1-y)N(0.5≤y≤0.7)으로 이루어지고,

상기 A층은 도메인 영역과 매트릭스 영역으로 이루어지고,

상기 도메인 영역은 상기 매트릭스 영역 내에 복수의 부분으로 나뉘어 분산된 상태로 존재하고 있는 영역이고,

상기 매트릭스 영역은 상기 도메인 영역을 구성하는 상기 복수의 영역 각각을 둘러싸도록 배치되어 있는 영역이고,

상기 도메인 영역에 있어서의 Cr의 조성비는 상기 매트릭스 영역에 있어서의 Cr의 조성비보다 높다.

본 실시형태의 표면 피복 절삭 공구(이하, 단순히 「절삭 공구」라고 하는 경우가 있다.)는 기재와 이 기재를 피복하는 피막을 구비한다. 상기 절삭 공구는, 예컨대 드릴, 엔드밀, 드릴용 컷팅 엣지 교환형 절삭 팁, 엔드밀용 컷팅 엣지 교환형 절삭 팁, 밀링용 컷팅 엣지 교환형 절삭 팁, 선삭가공용 컷팅 엣지 교환형 절삭 팁, 메탈 소우, 기어 컷팅 툴, 리머, 탭 등일 수 있다.

도 4는 절삭 공구의 일 양태를 예시하는 사시도이다. 이러한 형상의 절삭 공구(10)는, 예컨대 선삭가공용 컷팅 엣지 교환형 절삭 팁으로서 이용된다. 상기 절삭 공구(10)는, 경사면(1)과, 여유면(2)과, 상기 경사면(1)과 상기 여유면(2)이 교차하는 컷팅 엣지 능선부(3)를 갖는다. 즉, 경사면(1)과 여유면(2)은 컷팅 엣지 능선부(3)를 사이에 두고서 이어지는 면이다. 컷팅 엣지 능선부(3)는 절삭 공구(10)의 절단날 선단부를 구성한다.

<기재>

본 실시형태의 기재는, 이런 종류의 기재로서 종래 공지된 것이라면 어느 것이나 사용할 수 있다. 예컨대 상기 기재는, 초경 합금(예컨대 탄화텅스텐(WC)기 초경 합금, WC 외에 Co를 포함하는 초경 합금, WC 외에 Cr, Ti, Ta, Nb 등의 탄질화물을 첨가한 초경 합금 등), 서멧(TiC, TiN, TiCN 등을 주성분으로 하는 것), 고속도강, 세라믹스(탄화티탄, 탄화규소, 질화규소, 질화알루미늄, 산화알루미늄 등), 입방정형 질화붕소 소결체(cBN 소결체) 및 다이아몬드 소결체로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 기재는 초경 합금, 서멧 및 cBN 소결체로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 포함하는 것이 보다 바람직하다.

이들 각종 기재 중에서도, 특히 WC기 초경 합금 또는 cBN 소결체를 선택하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 이들 기재가 특히 고온에서의 경도와 강도의 밸런스가 우수하고, 상기 용도의 절삭 공구의 기재로서 우수한 특성을 갖기 때문이다.

기재로서 초경 합금을 사용하는 경우, 그와 같은 초경 합금은, 조직 중에 유리 탄소 또는 η상이라고 불리는 이상(異狀) 상을 포함하고 있어도 본 실시형태의 효과는 발휘된다. 또한, 본 실시형태에서 이용하는 기재는 그 표면이 개질된 것이라도 지장없다. 예컨대 초경 합금의 경우는 그 표면에 탈β층이 형성되어 있거나, cBN 소결체의 경우에는 표면경화층이 형성되어 있어도 좋으며, 이와 같이 표면이 개질되어 있어도 본 실시형태의 효과는 발휘된다.

절삭 공구가 컷팅 엣지 교환형 절삭 팁인 경우, 기재는 팁 브레이커를 갖는 것도 갖지 않는 것도 포함된다. 컷팅 엣지의 능선 부분의 형상은, 샤프 엣지(경사면과 여유면이 교차하는 능선), 호닝(샤프 엣지에 대하여 라운딩을 부여한 것), 네거티브 랜드(모따기한 것), 호닝과 네거티브 랜드를 조합한 것 중에서 어느 것이나 포함된다.

<피막>

본 실시형태에 따른 피막(20)은, A층(121)과 B층(122)이 기재(11) 측에서 표면 측으로 향하여 교대로 각각 1층 이상 적층된 다층 구조층(12)을 포함한다(예컨대 도 5). 「피막」은, 상기 기재의 적어도 일부(예컨대 절삭 가공 시에 피삭재와 접하는 부분)를 피복함으로써, 절삭 공구에 있어서의 내결손성, 내마모성 등의 제반 특성을 향상시키는 작용을 갖는 것이다. 상기 피막은 상기 기재의 전면을 피복하는 것이 바람직하다. 그러나, 상기 기재의 일부가 상기 피막으로 피복되어 있거나 피막의 구성이 부분적으로 다르거나 한다고 하여 본 실시형태의 범위를 일탈하는 것은 아니다.

상기 피막의 두께는 0.5 ㎛ 이상 30 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 1 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다. 여기서, 피막의 두께란, 피막을 구성하는 층 각각의 두께의 총화를 의미한다. 「피막을 구성하는 층」으로서는, 예컨대 후술하는 다층 구조층, 하지층 및 최외층 등을 들 수 있다. 상기 피막의 두께는, 예컨대 주사투과형 전자현미경(STEM)을 이용하여, 기재 표면의 법선 방향에 평행한 단면 샘플에 있어서의 임의의 10점을 측정하여, 측정된 10점의 두께의 평균치를 취함으로써 구할 수 있다. 후술하는 다층 구조층, 하지층, 최외층 등의 각각의 두께를 측정하는 경우도 마찬가지다. 주사투과형 전자현미경으로서는, 예컨대 닛폰덴시가부시키가이샤 제조의 JEM-2100F(상품명)를 들 수 있다.

(다층 구조층)

본 실시형태에 따른 다층 구조층은 A층과 B층을 포함한다. 상기 다층 구조층은, 상기 A층과 상기 B층이 기재 측에서 표면 측으로 향하여 교대로 각각 1층 이상 적층되어 있다. 여기서, 상기 다층 구조층(12)의 기재(11) 측은 상기 A층(121)으로부터 시작하는 것이 바람직하다(예컨대 도 5). 이와 같이 함으로써, 미세 구조화한 A층 위에 B층이 적층되어, B층의 미세 구조화가 촉진된다.

상기 다층 구조층은, 본 실시형태에 따른 절삭 공구가 발휘하는 효과를 해치지 않는 범위에서, 상기 기재의 바로 위쪽에 형성되어 있어도 좋고, 하지층 등의 다른 층을 통해 상기 기재 위에 형성되어 있어도 좋다. 상기 다층 구조층은 그 위에 최외층 등의 다른 층이 형성되어 있어도 좋다. 또한, 상기 다층 구조층은 상기 피막의 최외층(최표면층)이라도 좋다.

상기 다층 구조층에 있어서, 상기 A층과 상기 B층을 하나의 반복 단위로 한 경우, 반복 단위의 수는 2∼10000인 것이 바람직하고, 2∼3000인 것이 보다 바람직하다. 반복 단위의 수는 예컨대 이하의 식으로 산출할 수 있다.

(반복 단위의 수)=(다층 구조층의 두께)/(A층과 B층의 합계 두께)

상기 반복 단위의 두께(상기 A층과 상기 B층의 합계 두께)는 0.4 nm 이상 6 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 1 nm 이상 4 ㎛ 이하인 것이 보다 바람직하고, 2 nm 이상 10 nm 이하인 것이 더욱 바람직하다.

상기 다층 구조층의 두께는 0.5 ㎛ 이상 30 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 1 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하인 것이 보다 바람직하고, 3 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하인 것이 더욱 바람직하다.

(A층)

본 실시형태에 따른 A층(121)은 도메인 영역(31)과 매트릭스 영역(32)으로 이루어진다(예컨대 도 6). 즉, 상기 A층은 미세 구조를 갖는다. 여기서 「도메인 영역」이란, 후술하는 매트릭스 영역 내에 복수의 부분으로 나뉘어 분산된 상태로 존재하고 있는 영역을 의미한다. 즉, 상기 도메인 영역은 상기 매트릭스 영역 내에서 복수의 부분으로 분산된 상태로 존재하고 있다. 또한, 상기 도메인 영역은 상기 A층에 있어서 복수의 영역으로 나뉘어 배치되는 영역이라고 파악할 수도 있다. 또한, 상술한 「분산된 상태」는, 도메인 영역이 상호 접촉하고 있는 것을 배제하는 것은 아니다. 즉, 각 도메인 영역은 서로 접해 있어도 좋고, 이합(離合)되어 있어도 좋다.

「매트릭스 영역」이란 상기 A층의 모체가 되는 영역이며, 도메인 영역 이외의 영역을 의미한다. 바꿔 말하면, 상기 매트릭스 영역은 상기 도메인 영역을 구성하는 복수의 영역(상기 복수의 부분) 각각을 둘러싸도록 배치되어 있는 영역이다. 본 실시형태의 다른 측면에 있어서, 상기 매트릭스 영역의 대부분은, 상기 도메인 영역을 구성하는 복수의 영역 각각을 둘러싸도록 배치되어 있는 영역이라고 파악할 수도 있다. 또한, 상기 매트릭스 영역의 대부분은, 상기 도메인 영역을 구성하는 복수의 영역 사이에 배치되어 있다고 파악할 수도 있다.

상기 도메인 영역 및 상기 매트릭스 영역은, 예컨대 주사투과형 전자현미경의 저각도 산란 암시야법(LAADF-STEM: Low-Angle Annular Dark-Field Scanning Transmission Electron Microscopy)을 이용한 분석에 의해서 각각 특정할 수 있다. LAADF-STEM을 이용한 분석으로부터 얻어지는 단면 STEM 이미지는, 원자 번호가 큰 원자 및 변형이 존재하는 영역을 보다 밝게 나타낸다. 구체적으로는, 우선 피막 두께 측정 시와 같은 식으로 절삭 공구를 절단하고, 그 절단면을 연마함으로써, 기재와 피막이 포함되는 길이 2.5 mm×폭 0.5 mm×두께 0.1 mm의 절편(切片)을 제작한다. 이 절편에 대하여, 이온 슬라이서 장치(상품명:「IB-09060CIS」, 닛폰덴시가부시키가이샤 제조)를 이용하여, 절편의 두께가 50 nm 이하가 될 때까지 가공함으로써 측정 시료를 얻는다. 또한, 이 측정 시료에 대하여, LAADF-STEM을 이용한 분석에 의해서 도 1(a)에 도시하는 것과 같은 단면 STEM 이미지를 얻는다. 이때의 측정 배율은 예컨대 200만배를 들 수 있다. 도 1(a)의 영역(1b)에서는, 어두운 영역(매트릭스 영역)이 밝은 영역(도메인 영역) 각각을 둘러싸도록 배치되어 있는 것을 시각적으로 확인할 수 있다. 본 실시형태에 있어서 LAADF-STEM을 이용한 분석에는, 예컨대 STEM 장치(상품명: 「JEM-2100F」, 닛폰덴시가부시키가이샤 제조)를 가속 전압 200 kV의 조건 하에서 이용할 수 있다. 이 STEM 장치에는 구면 수차 보정 장치(CESCOR, CEOS GmbH 제조)가 탑재되어 있다.

이어서, 도 1(b) 상측의 사진에 나타내는 것과 같이, 단면 STEM 이미지에서의 A층에 대응하는 영역(도 1(a)의 영역(1b))에 있어서, A층과 B층의 계면에 평행한 방향에서 상기 A층을 따라, 2 nm 폭으로 A층의 원자 및 변형 등에 기인하는 밝기를, LAADF 강도 프로파일로서 측정한다. 도 1(b)의 하측에는, 이 측정에 의해서 얻어진 상기 강도 프로파일의 결과를 도시하고 있다. 도 1(b)에서 상기 강도 프로파일은, X축(횡축)을 상기 A층 상의 측정 시작점으로부터의 거리로 하고, Y축(종축)을 강도(원자에 기인하는 밝기)로 한 라인 그래프로서 나타낸다.

도 1(b)의 라인 그래프가 보여주는 것과 같이, 본 실시형태에 따른 절삭 공구에서는, 상기 강도 프로파일에 요철의 반복 패턴이 있으면, 도메인 영역 및 매트릭스 영역이 존재한다고 판정한다. 이때, LAADF 강도의 피크 부분이 도메인 영역이고, LAADF 강도의 골짜기 부분이 매트릭스 영역이라고 판단할 수 있다. 또한, 상술한 단면 STEM 이미지(예컨대 도 1(a)의 영역(1b))와 상기 강도 프로파일에 있어서의 요철의 반복 패턴을 대조함으로써, 도메인 영역 및 매트릭스 영역을 보다 명확하게 판단할 수 있다.

상기 A층의 평균 조성은 Al_xCr_(1-x)N(0.5≤x≤0.8)이다. 여기서 「A층의 평균 조성」이란, 도메인 영역과 매트릭스 영역을 구별하지 않고 A층 전체에 있어서의 조성을 의미한다. A층의 평균 조성은 예컨대 이하와 같이 구할 수 있다. 각 A층의 중앙부를 TEM-EELS(관찰 배율: 200만배)로 선분석하여, Al과 Cr의 조성비를 산출한다.

Al_xCr_(1-x)N에 있어서의 x는 0.5 이상 0.8 이하이며, 0.6 이상 0.7 이하인 것이 바람직하다. 즉, x의 범위는 0.5≤x≤0.8이며, 0.6≤x≤0.7인 것이 바람직하다.

상기 도메인 영역에 있어서의 Cr의 조성비는 상기 매트릭스 영역에 있어서의 Cr의 조성비보다 높다. 이와 같이 함으로써, 내마모성에 더하여 내결손성도 우수하다. Cr의 조성비는, 예컨대 주사투과형 전자현미경의 전자 에너지 손실 분광법(EELS: Electron energy loss spectroscopy)을 이용한 분석에 의해서 구할 수 있다. 구체적으로는, 우선 상술한 LAADF-STEM에 이용하는 측정 시료와 같은 방법에 의해서 측정 시료를 준비한다. 또한, 이 측정 시료에 대하여, STEM을 이용한 분석에 의해서 도 1(a)에 도시하는 것과 같은 단면 STEM 이미지를 얻는다. 본 실시형태에 있어서 STEM을 이용한 분석에는, 예컨대 STEM 장치(상품명: 「JEM-2100F」, 닛폰덴시가부시키가이샤)를 가속 전압 200 kV의 조건 하에서 이용할 수 있다. 측정에 의해서 얻어진 STEM 이미지에 있어서, A층과 B층의 계면에 평행한 방향에서 상기 A층을 따라 Cr에 대응하는 강도 프로파일을 EELS법에 의해서 측정한다. 이 경우, Cr의 강도 프로파일에 있어서, 높은 영역이 도메인 영역이고, 상대적으로 낮은 영역이 매트릭스 영역이라고 판단할 수 있다(예컨대 도 1(c)).

상기 A층의 두께는 0.2 nm 이상 3 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 0.5 nm 이상 2 ㎛ 이하인 것이 보다 바람직하고, 1 nm 이상 0.1 ㎛ 이하인 것이 더욱 바람직하다. 상기 A층의 두께는 상술한 EELS를 이용한 분석에 의해서 구할 수 있다. 구체적으로는, 측정에 의해서 얻어진 STEM 이미지에 있어서, 상기 다층 구조층의 적층 방향으로 평행한 방향(도 3(a)의 영역(3b))을 따라 Cr와 Ti에 대응하는 강도 프로파일을 측정한다. 도 3(b)의 하측에는, 이 측정에 의해서 얻어진 상기 강도 프로파일의 결과를 도시하고 있다. 도 3(b)에 있어서 상기 강도 프로파일은, X축(횡축)을 상기 다층 구조층 상의 측정 시작점으로부터의 거리로 하고, Y축(종축)을 강도(원자에 기인하는 밝기)로 한 라인 그래프로서 표시한다. 얻어진 그래프에 있어서, Cr에 대응하는 라인 그래프와 Ti에 대응하는 라인 그래프의 교점 사이의 X축에 있어서의 거리를 각 층의 두께로 한다. 본 실시형태에 있어서, Cr는 A층에만 존재하므로, Cr의 조성비가 Ti의 조성비보다도 높은 부분에서의 상기 교점 사이의 X축에 있어서의 거리가 A층의 두께에 상당한다. 이와 같이 하여 구한 각 A층의 두께를 적어도 네 곳 산출하여, 이들의 평균치를 A층의 두께로 한다.

상기 A층은 붕소를 포함하는 드롭렛을 갖고 있어도 좋다. 후술하는 것과 같이 본 실시형태에 따른 절삭 공구의 제조 방법은, 도메인 영역 및 매트릭스 영역을 형성하기 위해서, A층의 원료로서 미량의 붕소(B)를 포함한다. 그 때문에, 붕소를 포함하는 드롭렛이 상기 A층에 형성될 수 있다. 상기 드롭렛은, A층의 원료에 유래하기 때문에, 붕소 외에도 Al, Cr를 포함할 수 있다. A층에 있어서의 드롭렛의 분석은 예컨대 이하의 방법으로 분석할 수 있다. 우선 절삭 공구를 절단하고, 그 절단면을 집속 이온빔 장치, 크로스 섹션 폴리셔 장치 등을 이용하여 연마한다. 그 후, 연마된 상기 절단면에 관해서 주사형 전자현미경에 부속된 EDX로 조성 분석을 한다.

(B층)

본 실시형태에 따른 B층은 Al_yTi_(1-y)N(0.5≤y≤0.7)으로 이루어진다. 상기 B층에 있어서의 Al_yTi_(1-y)N의 조성은, 상술한 A층의 평균 조성을 구하는 방법과 같은 방법에 의해서 구할 수 있다.

Al_yTi_(1-y)N에 있어서의 y는 0.5 이상 0.7 이하이고, 0.55 이상 0.65 이하인 것이 바람직하다. 즉, y의 범위는 0.5≤y≤0.7이며, 0.55≤y≤0.65인 것이 바람직하다.

본 실시형태에 있어서, B층은 미세 구조를 갖는 것이 바람직하다. 상기 미세 구조는, 입자형의 구조(도메인 영역만을 포함하는 구조)라도 좋고, 소위 해도(海島) 구조(도메인 영역과 매트릭스 영역을 포함하는 구조)라도 좋다. B층이 미세 구조를 갖는지 여부는, 예컨대 상술한 방법과 같은 수법으로 얻어진 STEM 이미지를 관찰함으로써 판정할 수 있다. 또한, 상기 B층이 해도 구조를 갖는 경우, 상기 B층에 있어서의 Al_yTi_(1-y)N의 조성은 B층 전체에 있어서의 평균 조성을 의미한다.

상기 B층의 두께는 0.2 nm 이상 3 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 0.5 nm 이상 2 ㎛ 이하인 것이 보다 바람직하고, 1 nm 이상 0.1 ㎛ 이하인 것이 더욱 바람직하다. 상기 B층의 두께는, 상술한 상기 A층 두께의 경우와 마찬가지로 EELS를 이용한 분석에 의해서 구할 수 있다. 여기서, Ti는 B층에만 존재하므로, Ti의 조성비가 Cr의 조성비보다도 높은 부분에서의 상기 교점 사이의 X축에 있어서의 거리가 B층의 두께에 상당하게 된다. 이와 같이 하여 구한 각 B층의 두께를 적어도 네 곳 산출하여, 이들의 평균치를 B층의 두께로 한다.

(다른 층)

본 실시형태의 효과를 해치지 않는 범위에서, 상기 피막은 다른 층을 더 포함하고 있어도 좋다. 상기 다른 층은, 상기 다층 구조층과는 조성이 다르더라도 좋고, 동일하여도 좋다. 다른 층으로서는, 예컨대 TiN층, TiCN층, TiBN층, Al₂O₃층 등을 들 수 있다. 또한, 그 적층 순서도 특별히 한정되지 않는다. 예컨대 상기 다른 층으로서는, 상기 기재와 상기 다층 구조층의 사이에 마련된 하지층, 상기 다층 구조층 위에 형성된 최외층 등을 들 수 있다. 상기 다른 층의 두께는, 본 실시형태의 효과를 해치지 않는 범위에서 특별히 제한은 없지만, 예컨대 0.1 ㎛ 이상 2 ㎛ 이하를 들 수 있다.

≪표면 피복 절삭 공구의 제조 방법≫

본 실시형태에 따른 절삭 공구의 제조 방법은,

상기 기재를 준비하는 공정(이하, 「제1 공정」이라고 하는 경우가 있다.)과,

물리적 증착법을 이용하여 상기 기재 상에 상기 A층과 상기 B층을 교대로 각각 1층 이상 적층함으로써 상기 다층 구조층을 형성하는 공정(이하, 「제2 공정」이라고 하는 경우가 있다.)

을 포함한다.

물리 증착법이란, 물리적인 작용을 이용하여 원료(「증발원」, 「타겟」이라고도 한다.)를 기화하고, 기화한 원료를 기재 등의 위에 부착시키는 증착 방법이다. 특히 본 실시형태에서 이용하는 물리적 증착법은, 캐소드 아크 이온 플레이팅법, 밸런스드 마그네트론 스퍼터링법 및 언밸런스드 마그네트론 스퍼터링법으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종인 것이 바람직하다. 그 중에서도 원료가 되는 원소의 이온화율이 높은 캐소드 아크 이온 플레이팅법이 보다 바람직하다. 캐소드 아크 이온 플레이팅법을 이용하는 경우, 피막을 형성하기 전에, 기재의 표면에 대하여 금속의 이온 충격(ion bombard) 세정 처리가 가능하기 때문에, 세정 시간을 단축할 수도 있다.

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

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

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

<제1 공정: 기재를 준비하는 공정>

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

<제2 공정: 다층 구조층을 형성하는 공정>

제2 공정에서는 A층과 B층이 교대로 각각 1층 이상 적층된 다층 구조층이 형성된다. 그 방법으로서는, 형성하고자 하는 A층 및 B층의 조성에 따라서 각종 방법이 이용된다. 예컨대 Ti, Cr, Al 및 붕소 등의 입경을 각각 변화시킨 합금제 타겟을 사용하는 방법, 각각 조성이 다른 복수의 타겟을 사용하는 방법, 성막 시에 인가하는 바이어스 전압을 펄스 전압으로 하는 방법, 성막 시에 가스 유량을 변화시키는 방법, 또는 성막 장치에 있어서 기재를 유지하는 기재 홀더의 회전 속도를 조정하는 방법 등을 들 수 있다. 이들 방법을 조합하여 다층 구조층을 형성할 수도 있다.

예컨대 제2 공정은 다음과 같은 식으로 행할 수 있다. 우선, 성막 장치의 챔버 내에 기재로서 임의 형상의 칩을 장착한다. 예컨대 기재를, 성막 장치의 챔버 내에 있어서 중앙으로 회전 가능하게 비치된 회전 테이블 상의 기재 홀더의 외표면에 부착한다. 기재 홀더에는 바이어스 전원을 부착한다. 상기 기재를 챔버 내의 중앙에서 회전시킨 상태에서 반응 가스로서 질소를 도입한다. 또한, 기재를 온도 400∼700℃로, 반응 가스의 압을 1.0∼5.0 Pa로, 바이어스 전원의 전압을 -30∼-800 V의 범위로 각각 유지하거나, 또는 각각을 서서히 변화시키면서 A층 형성용의 증발원 및 B층 형성용의 증발원에 각각 100∼200 A의 아크 전류를 공급한다. 이에 따라, A층 형성용의 증발원 및 B층 형성용의 증발원으로부터 각각 금속 이온을 발생시키고, 소정의 시간이 경과한 뒤에 아크 전류의 공급을 멈춰, 기재의 표면 상에 다층 구조층을 형성한다. 이때 다층 구조층은, 상술한 조성을 갖는 A층 및 B층을 소정의 두께를 갖도록 기재의 회전 속도를 제어하면서 각각 1층씩 교대로 적층함으로써 제작한다. 또한, 성막 시간을 조절함으로써 다층 구조층의 두께가 소정의 범위가 되도록 조정한다.

이때, A층의 증발원에 유래하는 원소가 처음에 기재 상에 부착되어, A층의 미세 구조(도메인 영역, 매트릭스 영역)가 형성된다. 그 후, B층의 증발원에 유래하는 원소가 상기 A층 위에 부착됨으로써, A층의 미세 구조에 유인되어 B층도 미세 구조화한다고 본 발명자들은 생각하고 있다. 제법상, B층의 증발원에 유래하는 원소가 먼저 기재 상에 부착되는 것도 존재한다. 그러나, 상술한 미세 구조화가 일어나지 않기 때문에, 상기 B층이 아니라, 상기 B층과 조성이 유사한 하지층이 기재 상에 형성되어 있다고 파악할 수 있다.

상기 제2 공정에 있어서, A층의 원료는 Al, Cr 및 붕소를 포함한다. 종래 피막의 슬라이딩 특성을 향상시키기 위해서, 원료에 붕소(예컨대 10 at% 이상)를 첨가하고 있었다(비특허문헌 1). 그러나, 본 실시형태에서는, A층에 있어서 도메인 영역 및 매트릭스 영역을 형성하기 위해서 A층의 원료로서 미량의 붕소(예컨대 10 at% 미만)를 첨가하는 점에서 종래 기술과는 다르다. A층의 원료로서, Al 및 Cr 외에 붕소가 포함되어 있으면, PVD 법에 의해서 기재에 부착되는 과정에서, Al과 Cr의 분리가 일어나, Cr가 풍부한 도메인 영역과 Al이 풍부한 매트릭스 영역이 형성된다고 본 발명자들은 생각하고 있다.

상기 붕소의 함유 비율(원자수의 비)은, A층 원료 전체를 1로 한 경우, 0.01 이상 0.1 미만인 것이 바람직하고, 0.03 이상 0.07 이하인 것이 보다 바람직하고, 0.03 이상 0.05 이하인 것이 더욱 바람직하다. 붕소의 함유 비율을 이와 같이 함으로써, 도메인 영역 및 매트릭스 영역이 효율적으로 형성된다. 또한, 경도가 높은 A층을 형성할 수 있다.

여기서, 붕소는 통상 금속 원소와 비금속 원소의 중간 성질을 보이는 반금속으로서 파악되지만, 본 실시형태에서는, 자유 전자를 갖는 원소를 금속이라고 간주하여, 붕소를 금속 원소의 범위에 포함하는 것으로 한다.

상기 Al의 함유 비율(원자수의 비)은, A층 원료 전체를 1로 한 경우, 0.5∼0.8인 것이 바람직하고, 0.55∼0.75인 것이 보다 바람직하다.

상기 Cr의 함유 비율(원자수의 비)은, A층 원료 전체를 1로 한 경우, 0.2∼0.5인 것이 바람직하고, 0.2∼0.4인 것이 보다 바람직하다.

상기 제2 공정에 있어서, B층의 원료는 Al 및 Ti를 포함한다. 상기 Al의 함유 비율(원자수의 비)은, B층 원료 전체를 1로 한 경우, 0.5∼0.7인 것이 바람직하고, 0.55∼0.7인 것이 보다 바람직하다.

상기 Ti의 함유 비율(원자수의 비)은, B층 원료 전체를 1로 한 경우, 0.3∼0.5인 것이 바람직하고, 0.3∼0.45인 것이 보다 바람직하다.

다층 구조층을 형성한 후, 피막에 압축 잔류 응력을 부여하여도 좋다. 인성(靭性)이 향상되기 때문이다. 압축 잔류 응력은, 예컨대 블라스트법, 브러시법, 배럴법, 이온주입법 등에 의해서 부여할 수 있다.

<그 밖의 공정>

본 실시형태에 따른 제조 방법에서는, 상술한 공정 외에도, 기재와 상기 다층 구조층의 사이에 하지층을 형성하는 하지층 피복 공정, 상기 다층 구조층 위에 최외층을 형성하는 최외층 피복 공정 및 표면 처리하는 공정 등을 적절하게 행하여도 좋다. 상술한 하지층 및 최외층 등의 다른 층을 형성하는 경우, 종래의 방법에 의해서 다른 층을 형성하여도 좋다. 구체적으로는, 예컨대 상술한 PVD법에 의해서 상기 다른 층을 형성하는 것을 들 수 있다. 표면 처리를 하는 공정으로서는, 예컨대 응력을 부여하는 탄성재에 다이아몬드 분말을 담지시킨 미디어를 이용한 표면 처리 등을 들 수 있다. 상기 표면 처리를 행하는 장치로서는, 예컨대 가부시키가이샤후지세이사쿠쇼 제조의 시리우스 Z 등을 들 수 있다.

이상의 설명은 이하에 부기하는 특징을 포함한다.

(부기 1)

기재와 이 기재의 표면을 피복하는 피막을 구비하는 표면 피복 절삭 공구로서,

상기 A층의 평균 조성은 Al_xCr_(1-x)N(0.5≤x≤0.8)이고,

상기 B층은 Al_yTi_(1-y)N(0.5≤y≤0.7)으로 이루어지고,

상기 A층은 도메인 영역과 매트릭스 영역으로 이루어지고,

상기 도메인 영역은 상기 매트릭스 영역 내에 복수의 부분으로 분리되어 분산된 상태로 존재하고 있는 영역이고,

상기 도메인 영역에 있어서의 Cr의 조성비는 상기 매트릭스 영역에 있어서의 Cr의 조성비보다 높은 표면 피복 절삭 공구.

(부기 2)

상기 A층은 그 두께가 0.2 nm 이상 3 ㎛ 이하인 부기 1에 기재한 표면 피복 절삭 공구.

(부기 3)

상기 B층은 그 두께가 0.2 nm 이상 3 ㎛ 이하인 부기 1 또는 부기 2에 기재한 표면 피복 절삭 공구.

(부기 4)

상기 다층 구조층은 그 두께가 0.5 ㎛ 이상 30 ㎛ 이하인 부기 1 내지 부기 3의 어느 하나에 기재한 표면 피복 절삭 공구.

실시예

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

≪절삭 공구의 제작≫

<기재의 준비>

우선, 피막을 형성시키는 대상이 되는 기재로서, 표면 피복 밀링용 초경 팁(JIS 규격, P30 상당 초경 합금, SEMT13T3AGSN-G)을 준비했다(기재를 준비하는 공정).

<피막의 제작>

상기 기재의 표면 상에, 표 1∼표 3에 나타내는 A층 및 B층을 포함하는 다층 구조층을 형성함으로써 피막을 제작했다. 이하, 다층 구조층의 제작 방법에 관해서 설명한다.

(다층 구조층의 제작)

실시예 1∼21 및 비교예 1∼9에서는, 기재를 챔버 내의 중앙에서 회전시킨 상태에서 반응 가스로서 질소를 도입했다. 또한, 기재를 온도 500℃로, 반응 가스의 압을 2.0 Pa로, 바이어스 전원의 전압을 -30 V∼-800 V 범위의 일정치로 각각 유지하거나, 또는 각각을 서서히 변화시키면서 A층 형성용의 증발원 및 B층 형성용의 증발원에 각각 100 A의 아크 전류를 공급했다. 이에 따라, A층 형성용의 증발원 및 B층 형성용의 증발원으로부터 각각 금속 이온을 발생시키고, 소정의 시간이 경과한 뒤에 아크 전류의 공급을 멈춰, 기재의 표면 상에 표 1에 나타내는 조성의 다층 구조층을 형성했다. 여기서, A층 형성용의 증발원 및 B층 형성용의 증발원은 각각 표 1∼3에 기재한 원료 조성으로 된 것을 이용했다. 이때 다층 구조층은, 표 1∼3에 나타내는 조성을 갖는 A층 및 B층을, 표 1에 나타내는 두께를 갖도록 기재의 회전 속도를 조정하면서 각각 1층씩 교대로 적층함으로써 제작했다.

비교예 1에 관해서는, B층에 상당하는 층으로서 TiN층을 제작했다. 또한, 비교예 1∼7에 관해서는, A층 형성용의 증발원에 붕소를 포함하지 않는 것을 이용했다.

이상의 공정에 의해 실시예 1∼21 및 비교예 1∼9의 절삭 공구를 제작했다.

≪절삭 공구의 특성 평가≫

상술한 것과 같이 하여 제작한 시료(실시예 1∼21 및 비교예 1∼9)의 절삭 공구를 이용하여, 이하와 같이 절삭 공구의 각 특성을 평가했다.

<피막의 두께(다층 구조층의 두께)의 측정>

피막의 두께(즉, 다층 구조층의 두께)는, 주사투과형 전자현미경(STEM)(닛폰덴시가부시키가이샤 제조, 상품명: JEM-2100F)을 이용하여, 기재 표면의 법선 방향에 평행한 단면 샘플에 있어서의 임의의 10점을 측정하고, 측정된 10점의 두께의 평균치를 취함으로써 구했다. 결과를 표 1∼표 3에 나타낸다.

또한, 실시예 1∼21 및 비교예 1∼9에 있어서, 피막을 STEM으로 관찰한 바, 다층 구조층은 A층 및 B층 각각이 교대로 적층된 다층 구조를 형성하고 있는 것을 알 수 있다(도 1(a) 및 도 2).

<A층 및 B층의 두께 측정>

A층 및 B층 각각의 두께는 EELS를 이용한 분석에 의해서 구했다. 구체적으로는, 상술한 측정에 의해서 얻어진 STEM 이미지에 있어서, 상기 다층 구조층의 적층 방향에 평행한 방향(도 3(a)의 영역(3b))을 따라 Cr와 Ti에 대응하는 강도 프로파일을 측정했다. 예컨대 도 3(b)의 하측에는, 이 측정에 의해서 얻어진 상기 강도 프로파일의 결과를 도시하고 있다. 도 3(b)에 있어서 상기 강도 프로파일은, X축(횡축)을 상기 다층 구조층 상의 측정 시작점으로부터의 거리로 하고, Y축(종축)을 강도(원자에 기인하는 밝기)로 한 라인 그래프로서 나타낸다. 얻어진 그래프에 있어서, Cr에 대응하는 라인 그래프와 Ti에 대응하는 라인 그래프의 교점 사이의 거리를 A층 및 B층 각각의 두께로 했다. 여기서, Cr는 A층에만 존재하므로, Cr의 조성비가 Ti의 조성비보다도 높은 부분에서의 상기 교점 사이의 X축에 있어서의 거리를 A층의 두께로 했다. 또한, Ti의 조성비가 Cr의 조성비보다도 높은 부분에서의 상기 교점 사이의 X축에 있어서의 거리를 B층의 두께로 했다. 이와 같이 하여 구한 각 A층의 두께 및 각 B층의 두께 각각을 적어도 네 곳 산출하여, 각각의 평균치를 A층의 두께 및 B층의 두께로 했다. 결과를 표 1∼3에 나타낸다.

<A층 및 B층의 적층 횟수(반복 단위의 수)>

상술한 측정으로 구해진 다층 구조층의 두께, A층 및 B층 각각의 두께에 기초하여, 이하의 식으로부터 A층 및 B층의 적층 횟수(반복 단위의 수)를 산출했다.

구해진 반복 단위의 수를 표 1∼3에 나타낸다.

<A층에 있어서의 도메인 영역 및 매트릭스 영역(A층의 미세 구조)>

다층 구조층에서의 A층에 있어서의 도메인 영역 및 매트릭스 영역(A층의 미세 구조)은 주사투과형 전자현미경의 저각도 산란 암시야법(LAADF-STEM: Low-Angle Annular Dark-Field Scanning Transmission Electron Microscopy)을 이용한 분석에 의해서 각각 특정했다. 구체적으로는, 우선 절삭 공구를 절단하고, 그 절단면을 연마함으로써, 기재와 피막이 포함되는 길이 2.5 mm×폭 0.5 mm×두께 0.1 mm의 절편을 제작했다. 이 절편에 대하여, 이온 슬라이서 장치(상품명: 「IB-09060CIS」, 닛폰덴시가부시키가이샤 제조)를 이용하여, 절편의 두께가 50 nm 이하가 될 때까지 가공함으로써 측정 시료를 얻었다. 또한, 이 측정 시료에 대하여, LAADF-STEM을 이용한 분석에 의해서 예컨대 도 1(a)에 도시하는 것과 같은 단면 STEM 이미지를 얻었다. 이때의 측정 배율은 200만배였다. 도 1(a)의 영역(1b)에 있어서, 어두운 영역(매트릭스 영역)이 밝은 영역(도메인 영역) 각각을 둘러싸도록 배치되어 있는 것을 시각적으로 확인할 수 있었다. 여기서, LAADF-STEM을 이용한 분석에는, 닛폰덴시가부시키가이샤 제조의 STEM 장치(상품명: 「JEM-2100F」)를 가속 전압 200 kV의 조건 하에서 이용했다.

이어서, 도 1(b) 상측의 사진에 보이는 것과 같이, 단면 STEM 이미지에서의 A층에 대응하는 영역(도 1(a)의 영역(1b))에 있어서, A층과 B층의 계면에 평행한 방향에서 상기 A층을 따라, 2 nm 폭으로 A층의 원자 및 변형 등에 기인하는 밝기를 LAADF 강도 프로파일로서 측정했다. 도 1(b)의 하측에, 이 측정 방향을 따른 2 nm 폭의 상기 강도 프로파일의 결과를 도시했다. 도 1(b)에 있어서 상기 강도 프로파일은, X축(횡축)을 상기 A층 상의 측정 시작점으로부터의 거리로 하고, Y축(종축)을 강도(원자에 기인하는 밝기)로 한 라인 그래프로서 나타낸다. 도 1(b)의 라인 그래프가 나타내는 것과 같이, 실시예 1∼21, 그리고 비교예 8 및 9에 따른 절삭 공구에서는, A층에 있어서의 상기 강도 프로파일에 요철의 반복 패턴이 관찰되어, 도메인 영역 및 매트릭스 영역이 존재하는 것을 알 수 있다(표 1∼3, 도메인-매트릭스 구조). 이때, LAADF 강도의 피크 부분이 도메인 영역이고, LAADF 강도의 골짜기 부분이 매트릭스 영역이라고 판단되었다. 또한, 상술한 단면 STEM 이미지(도 1(a)의 영역(1b))와 상기 강도 프로파일에 있어서의 요철의 반복 패턴을 대조함으로써, 도메인 영역 및 매트릭스 영역을 보다 명확하게 판단할 수 있었다. 또한, 측정에 의해서 얻어진 STEM 이미지(도 1(a)의 영역(1b))에 있어서, A층과 B층과의 계면에 평행한 방향에서 상기 A층을 따라 Cr에 대응하는 강도 프로파일을 EELS법에 의해서 측정했다. 결과를 도 1(c)에 도시한다. Cr의 강도 프로파일에 있어서, 높은 영역이 도메인 영역이고, 상대적으로 낮은 영역이 매트릭스 영역이라고 판단할 수 있었다. 한편, A층 형성용의 증발원에 붕소를 포함하지 않는 방법으로 제조한 비교예 1∼7의 절삭 공구에서는, A층에 있어서의 상기 강도 프로파일에 요철의 반복 패턴이 관찰되지 않았다. 즉, 비교예 1∼7의 절삭 공구에서는, A층에 도메인 영역 및 매트릭스 영역이 존재하지 않았다(표 1∼3, 비도메인-매트릭스 구조).

이상의 결과로부터, A층에 있어서 도메인 영역 및 매트릭스 영역을 형성하기위해서는, A층 형성용의 증발원에 미량의 붕소를 포함하게 하는 것이 유효하다는 것을 알 수 있었다.

<A층에 있어서의 드롭렛의 분석>

A층에 있어서의 드롭렛의 분석을 이하의 방법으로 분석했다. 우선 절삭 공구를 절단하고, 그 절단면을 집속 이온빔 장치, 크로스 섹션 폴리셔 장치 등을 이용하여 연마했다. 그 후, 연마된 상기 절단면에 관해서, 주사형 전자현미경에 부속된 EDX으로 조성 분석했다.

그 결과, 실시예 1∼21에 따른 피막에서는, A층에 있어서의 드롭렛에 붕소가 포함되는 것을 알 수 있었다.

<A층의 평균 조성 및 B층의 조성>

A층의 평균 조성 및 B층의 조성을 이하의 방법으로 산출했다. 각 층의 중앙부를 TEM-EELS(관찰 배율 200만배)로 선분석하여, A층에 관해서는 Al과 Cr의 조성비를, B층에 관해서는 Al과 Ti의 조성비를 산출했다. 결과를 표 1∼3에 나타낸다.

≪절삭 시험≫

<절삭 시험 1: 밀링 시험>

상술한 것과 같이 하여 제작한 시료(실시예 1∼21, 비교예 1∼9)의 절삭 공구를 이용하여, 이하의 절삭 조건에 의해 여유면 마모량(Vb)이 0.2 mm가 되기까지의 절삭 거리를 측정했다. 그 결과를 표 4에 나타낸다. 절삭 거리가 길수록 내마모성이 우수한 절삭 공구로서 평가할 수 있다.

절삭 조건

피삭재: SCM435

절삭 속도: 350 m/min

이송량: 0.2 mm/t

절입량(ap): 2 mm

<절삭 시험 2: 밀링 시험>

절삭 조건

피삭재: FCD700

절삭 속도: 200 m/min

이송량: 0.2 mm/t

절입량(ap): 2 mm

절삭 시험 1에 관해서, 표 4의 결과로부터, 실시예 1∼21의 절삭 공구는 절삭 거리가 4 m 이상인 양호한 결과가 얻어졌다. 한편. 비교예 1∼9의 절삭 공구는 절삭 거리가 4 m 미만이었다. 절삭 시험 1의 절삭 조건은 절삭 저항이 높다고 추측되기 때문에, 실시예 1∼21의 절삭 공구는, 비교예 1∼9의 절삭 공구와 비교하여, 고온 시에 있어서의 강도가 향상되어 내열균열진전성도 우수하다고 생각된다. 즉, 실시예 1∼21의 절삭 공구는, 내마모성에 더하여, 내결손성 및 내열균열진전성도 우수하다는 것을 알 수 있었다.

절삭 시험 2에 관해서, 표 4의 결과로부터, 실시예 1∼21의 절삭 공구는 절삭 거리가 5 m 이상인 양호한 결과가 얻어졌다. 한편, 비교예 1∼9의 절삭 공구는 절삭 거리가 5 m 미만이었다. 시험 2의 결과로부터 실시예 1∼21의 절삭 공구는, 비교예 1∼9의 절삭 공구와 비교하여, 내마모성이 우수하고, 공구 수명도 길다는 것을 알 수 있었다.

이상과 같이 본 발명의 실시형태 및 실시예에 관해서 설명했지만, 상술한 각 실시형태 및 각 실시예의 구성을 적절하게 조합하는 것도 당초부터 예정하고 있다.

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

1: 경사면, 2: 여유면, 3: 컷팅 엣지 능선부, 10: 절삭 공구, 11: 기재, 12: 다층 구조층, 20: 피막, 31: 도메인 영역, 32: 매트릭스 영역, 121: A층, 122: B층.

Claims

기재와 이 기재의 표면을 피복하는 피막을 구비하는 절삭 공구로서,
상기 피막은 A층과 B층이 기재 측에서 표면 측으로 향하여 교대로 각각 1층 이상 적층된 다층 구조층을 포함하고,
상기 A층의 평균 조성은 Al_xCr_(1-x)N이고,
상기 B층은 Al_yTi_(1-y)N으로 이루어지고,
상기 A층은 도메인 영역과 매트릭스 영역으로 이루어지고,
상기 도메인 영역은 상기 매트릭스 영역 내에서 복수의 부분으로 분산된 상태로 존재하고 있는 영역이고,
상기 매트릭스 영역은 상기 도메인 영역을 구성하는 상기 복수의 부분 각각을 둘러싸도록 배치되어 있는 영역이고,
상기 도메인 영역에 있어서의 Cr의 조성비는 상기 매트릭스 영역에 있어서의 Cr의 조성비보다 높고,
여기서, x의 범위는 0.5≤x≤0.8이고, y의 범위는 0.5≤y≤0.7인 것인 절삭 공구.
제1항에 있어서, 상기 A층의 두께가 0.2 nm 이상 3 ㎛ 이하인 것인 절삭 공구.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 B층의 두께가 0.2 nm 이상 3 ㎛ 이하인 것인 절삭 공구.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다층 구조층의 두께가 0.5 ㎛ 이상 30 ㎛ 이하인 것인 절삭 공구.