KR20220050204A

KR20220050204A - 피복 절삭 공구

Info

Publication number: KR20220050204A
Application number: KR1020227009568A
Authority: KR
Inventors: 마사카즈 이사카
Original assignee: 가부시키가이샤 몰디노
Priority date: 2019-11-27
Filing date: 2020-10-21
Publication date: 2022-04-22
Also published as: EP4066970A4; CN114531856A; US20220331882A1; EP4066970A1; EP4066970B1; WO2021106440A1

Abstract

기재의 표면에, Al 을 50 원자％ 이상, Cr 을 20 원자％ 이상, Al 과 Cr 을 합계로 85 원자％ 이상, Si 를 4 원자％ 이상 15 원자％ 이하 함유하는 질화물 또는 탄질화물이며, 면심 입방 격자 구조의 A 층과, 상기 A 층 상에 형성되는 B 층을 갖는 피복 절삭 공구. B 층은, 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 총량으로 Ti 를 70 원자％ 이상 90 원자％ 이하, Si 를 5 원자％ 이상 20 원자％ 이하, Nb 또는 Cr 을 1 원자％ 이상 10 원자％ 이하를 함유하는 질화물 또는 탄질화물이며, 면심 입방 격자 구조이다.

Description

피복 절삭 공구

본 발명은, 엔드 밀 등의 피복 절삭 공구에 관한 것이다.

본원은, 2019년 11월 27일에, 일본에 출원된 일본 특허출원 2019-214083호 및 일본 특허출원 2019-213826호에 근거하여 우선권을 주장하고, 그들의 내용을 여기에 원용한다.

AlCrSi 의 질화물 또는 탄질화물은, 내열성과 내마모성이 우수한 막종이며, 피복 절삭 공구에 적용되고 있다. 본원 출원인은, 특허문헌 1 ∼ 3 에 있어서, Si 의 함유 비율을 높여 피막 조직을 미세화한 AlCrSi 의 질화물 또는 탄질화물을 제안하고 있다. 특허문헌 1 ∼ 3 에 개시되어 있는 피복 절삭 공구 중에서도, 상층에 TiSi 의 질화물 또는 탄질화물을 형성한 피복 절삭 공구는, 내마모성이 매우 우수하여, 고경도 강의 절삭 가공에 있어서 우수한 내구성을 갖는다.

국제 공개 제2015/141743호 국제 공개 제2014/156699호 일본 공개특허공보 2016-078131호

본 발명자는, Si 함유 비율이 높고 피막 조직을 미세화한 AlCrSi 의 질화물 또는 탄질화물 상에 TiSi 의 질화물 또는 탄질화물을 형성한 피복 절삭 공구는, 고경도 강의 절삭 가공에 있어서 cBN 공구와 비교해도 동등 이상의 내마모성을 나타내는 경향이 있는 것을 확인하였다. 단, 공구 직경이 1 ㎜ 미만, 나아가서는 공구 직경이 0.5 ㎜ 미만인 소직경 공구에 적용한 경우, 내구성에 개선의 여지가 있는 것을 본 발명자는 확인하였다.

본 발명의 하나의 양태는, 기재의 표면에, 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 총량으로 알루미늄 (Al) 의 함유 비율이 50 원자％ 이상, 크롬 (Cr) 의 함유 비율이 20 원자％ 이상, 알루미늄 (Al) 과 크롬 (Cr) 의 합계의 함유 비율이 85 원자％ 이상, 실리콘 (Si) 의 함유 비율이 4 원자％ 이상 15 원자％ 이하인 질화물 또는 탄질화물인 면심 입방 격자 구조의 A 층과, 상기 A 층 상에 형성되는 B 층을 갖는 피복 절삭 공구이다.

상기 B 층은, 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 총량으로 Ti (티탄) 의 함유 비율이 70 원자％ 이상 90 원자％ 이하, 실리콘 (Si) 의 함유 비율이 5 원자％ 이상 20 원자％ 이하, 니오브 (Nb) 또는 크롬 (Cr) 의 함유 비율이 1 원자％ 이상 10 원자％ 이하인 질화물 또는 탄질화물이며, 면심 입방 격자 구조이다.

A 층의 막두께가 1.0 ㎛ 보다 크고, B 층의 막두께가 0.5 ㎛ 보다 큰 것이 바람직하다.

본 발명의 하나의 양태에 의하면, 내구성이 우수한 피복 절삭 공구가 제공된다.

상기 양태에서는, 피복 절삭 공구의 내구성을 개선하는 것이 가능해진다. 따라서, 예를 들어 고경도인 프리하든강의 가공에 있어서도, 금형 제작의 리드 타임 단축, 금형의 고정밀화, 조질에 의한 치수 변화의 저감 효과가 기대되어, 산업상 매우 유효하다.

본 발명자는, 피막 조직을 미세화한 AlCrSi 의 질화물 또는 탄질화물을 베이스로 한 피복 절삭 공구에 대해, 상층에 형성하는 TiSi 의 질화물 또는 탄질화물에 Nb 또는 Cr 을 미량 첨가함으로써 내구성이 한층 향상되는 것을 알아내어, 발명에 도달하였다. 이하, 본 발명의 상세한 것에 대하여 설명한다.

본 발명의 실시형태에 관련된 피복 절삭 공구는, 기재와, 기재의 표면에 배치된 A 층과, A 층 상에 형성되는 B 층을 갖는다. 본 실시형태의 피복 절삭 공구에는, 필요에 따라, 기재와 경질 피막 사이에 배치되는 중간 피막, A 층과 B 층 사이에 배치되는 중간 피막, B 층의 상층에 배치되는 보호 피막 등의 다른 막이 부여되어 있어도 된다.

A 층은, Al 과 Cr 을 주체로 하는 질화물 또는 탄질화물이다. Al 과 Cr 을 주체로 하는 질화물 또는 탄질화물은 우수한 내마모성과 내열성을 갖는 막종이며, 피복 절삭 공구에 적용함으로써 공구의 내구성을 높일 수 있다. A 층의 구성 재료는, 보다 바람직하게는, 탄질화물보다 내열성이 우수한 질화물이다.

Al 은 경질 피막에 내열성을 부여하는 원소이다. 경질 피막에 대해, 보다 우수한 내열성을 부여하기 위해서, A 층은, 금속 (반금속을 포함한다, 이하 동일.) 원소의 함유 비율 (원자％, 이하 동일.) 로 Al 을 50 ％ 이상으로 한다. 나아가서는, A 층의 Al 의 함유 비율을 55 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, A 층의 Al 의 함유 비율이 지나치게 커지면, 육방 최밀 충전 구조 (hcp 구조, 이하 동일.) 가 주체가 되어, 피복 절삭 공구의 내구성이 저하하는 경향이 있다. 그 때문에, A 층의 Al 의 함유 비율을 70 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

Cr 은 A 층의 결정 구조를 면심 입방 격자 구조 (fcc 구조, 이하 동일.) 로 하여, 피복 절삭 공구로서의 내마모성과 내열성을 향상시키는 원소이다. A 층의 Cr 의 함유 비율이 지나치게 적어지면, 내마모성과 내열성이 저하함과 함께, hcp 구조가 주체가 되어, 피복 절삭 공구의 내구성이 저하하는 경향이 있다. 그 때문에, A 층의 Cr 의 함유 비율은 20 ％ 이상으로 한다. 나아가서는, A 층의 Cr 의 함유 비율은 30 ％ 이상인 것이 바람직하다. 한편, A 층의 Cr 의 함유 비율이 지나치게 커지면, 내열성이 저하하는 경향이 된다. 그 때문에, A 층의 Cr 의 함유 비율을 45 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

A 층은, 내열성 및 내마모성을 높은 레벨로 양립시키기 위해, Al 과 Cr 의 합계의 함유 비율을 85 ％ 이상으로 한다. 나아가서는, A 층의 Al 과 Cr 의 합계의 함유 비율을 90 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. A 층의 Al 과 Cr 의 합계의 함유 비율은, 96 ％ 이하인 것이 바람직하고, 95 ％ 이하인 것이 보다 바람직하다.

Si 는, Al 과 Cr 을 주체로 하는 질화물 또는 탄질화물의 조직을 미세화하기 위해서 중요한 원소이다. Si 를 함유하고 있지 않은 AlCrN 및 Si 함유 비율이 작은 AlCrSiN 은 기둥상 입자가 조대해진다. 이와 같은 조직 형태의 경질 피막은 피막 파괴의 기점이 되는 결정립계가 많아지기 때문에, 피복 절삭 공구의 플랭크면 마모가 증대하는 경향이 있다. 한편, 일정량의 Si 를 함유하는 AlCrSiN 은 조직이 미세화하여, 예를 들어, 전자 현미경에 의한 단면 관찰 (20,000 배) 에 있어서 명확한 기둥상 입자가 관찰되기 어려워진다. 이와 같은 조직 형태의 경질 피막은, 파괴의 기점이 되는 기둥상 입계가 적어져, 피복 절삭 공구의 플랭크면 마모를 억제할 수 있다. 단, A 층의 Si 의 함유 비율이 커지면 비정질 및 hcp 구조가 주체가 되기 쉬워져, 피복 절삭 공구의 내구성이 저하된다. 피복 절삭 공구의 내구성을 저하시키지 않고 피막 조직을 충분히 미세화하려면, A 층은, Si 의 함유 비율을 4 ％ 이상 15 ％ 이하로 하는 것이 중요하다. A 층의 Si 의 함유 비율은 5 ％ 이상인 것이 바람직하다. A 층의 Si 의 함유 비율은 10 ％ 이하인 것이 바람직하다.

A 층은, Al, Cr, Si 이외의 다른 금속 원소를 함유해도 된다. 예를 들어, A 층은, 주기율표의 4a 족, 5a 족, 6a 족의 원소 및 B, Cu, Y, Yb 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 함유할 수 있다. 이들 원소는, 경질 피막의 특성을 개선하기 위해서, AlTiN 계나 AlCrN 계의 경질 피막에 첨가되고 있는 원소이며, 함유 비율이 과다해지지 않으면 피복 절삭 공구의 내구성을 현저하게 저하시키는 경우는 없다.

단, A 층이 Al 과 Cr 과 Si 이외의 금속 원소를 많이 함유하면, Al 과 Cr 을 주체로 하는 질화물 또는 탄질화물의 기초 특성이 손상되어 피복 절삭 공구의 내구성이 저하할 우려가 있다. 그 때문에, A 층은 Al 과 Cr 과 Si 이외의 금속 원소를 함유하는 경우여도, 그들의 합계의 함유 비율을 10 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 나아가서는, A 층은 Al 과 Cr 과 Si 이외의 금속 원소를 함유하는 경우여도, 그들의 합계의 함유 비율을 5 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

본 실시형태의 피복 절삭 공구는, 기재와 A 층 사이에, 금속, 질화물, 탄질화물, 탄화물 등의 중간 피막을 형성해도 된다. 중간 피막을 형성함으로써, 기재와 경질 피막 간의 밀착성이 보다 개선되는 경우가 있다. 또, 기재의 표면을 메탈 봄바드 처리하여 나노 레벨의 개질상을 형성해도 된다. 중간 피막은 단층이어도 되고, 다층이어도 된다. 메탈 봄바드 처리한 후에 중간 피막을 형성해도 된다.

본 실시형태에 있어서의 A 층은, fcc 구조인 것이 중요하다. 본 실시형태에 있어서, fcc 구조이다란, X 선 회절 패턴 또는 투과형 전자 현미경의 제한 시야 회절 패턴으로부터 구해지는 강도 프로파일에 있어서, fcc 구조에서 기인하는 피크 강도가 최대 강도를 나타내는 것이다. hcp 구조에서 기인하는 회절 강도가 최대 강도를 나타내는 경질 피막은 취약하기 때문에, 피복 절삭 공구로서 내구성이 부족해진다. 특히, 습식 가공에 있어서는, 내구성이 저하하는 경향이 있다. A 층은, X 선 회절 패턴에 있어서, hcp 구조에서 기인하는 회절 강도를 가지지 않는 것이 바람직하다. A 층은, fcc 구조 중에서도 (200) 면 또는 (111) 면의 피크 강도가 최대가 되는 피막 조직을 가짐으로써 우수한 내구성을 나타내는 경향이 있어 바람직하다.

A 층은, Si 의 함유 비율이 높아지면 hcp 구조의 AlN 이 마이크로 조직 중에 존재할 수 있다. 경질 피막의 마이크로 조직에 존재하는 hcp 구조의 AlN 량의 정량화에는, 경질 피막의 가공 단면을 관찰했을 때, 투과형 전자 현미경의 제한 시야 회절 패턴으로부터 구해지는 강도 프로파일을 사용할 수 있다. 구체적으로는, 투과형 전자 현미경의 제한 시야 회절 패턴의 강도 프로파일에 있어서, Ih × 100/Is 의 관계를 평가한다.

Ih=hcp 구조의 AlN 의 (010) 면에서 기인하는 피크 강도

Is=fcc 구조의, AlN 의 (111) 면, CrN 의 (111) 면, AlN 의 (200) 면, CrN 의 (200) 면, AlN 의 (220) 면, 및 CrN 의 (220) 면에서 기인하는 피크 강도와, hcp 구조의, AlN 의 (010) 면, AlN 의 (011) 면, 및 AlN 의 (110) 면에서 기인하는 피크 강도의 합계

상기의 관계를 평가함으로써, X 선 회절에 의해 hcp 구조의 AlN 에서 기인하는 피크 강도가 확인되지 않는 경질 피막에 있어서, 마이크로 레벨로 포함되는 hcp 구조의 AlN 을 정량적으로 평가할 수 있다.

A 층은, 마이크로 조직에 존재하는 hcp 구조의 AlN 를 보다 적게 하고, Ih × 100/Is ≤ 25 인 관계를 만족하고 있는 것이 바람직하다. Ih × 100/Is ≤ 25 인 관계를 만족함으로써, 피복 절삭 공구의 내구성이 보다 우수한 것이 된다. 나아가서는, A 층은, Ih × 100/Is ≤ 20 인 관계를 만족하고 있는 것이 바람직하다.

계속해서 B 층에 대해 설명한다.

B 층은 A 층 상에 배치되는 경질 피막이다. B 층은, 내마모성과 내열성이 우수한 막종인 TiSi 의 질화물 또는 탄질화물을 베이스로 한다. B 층에는, 추가로 미량의 Nb 또는 Cr 이 첨가되어 있다. 본 발명자는 TiSiN 의 내마모성을 더욱 높이기 위해서, 제 3 원소의 첨가를 검토하였다. 그리고, Si 함유 비율을 억제한 TiSiN 에 대해, 미량의 Nb 또는 Cr 을 첨가함으로써 경도가 높아져, 피복 절삭 공구의 내마모성이 향상되는 것을 확인하였다. 내마모성이 향상된 메커니즘의 자세한 것은 분명하지 않지만, Nb 또는 Cr 이 TiN 의 Ti 의 일부로 치환된으로써, Ti 와 Nb 또는 Cr 의 원자 반경차에 의해 격자에 변형이 생기고 경화되었기 때문이라고 추찰된다.

B 층의 Ti 의 함유 비율이 지나치게 적거나 지나치게 많거나 하면 경질 피막의 내마모성과 내열성이 저하된다. 그 때문에, B 층은 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 총량으로 Ti (티탄) 의 함유 비율이 60 ％ 이상 90 ％ 이하로 한다.

B 층의 Si 의 함유 비율이 지나치게 적으면, 피막 조직의 미세화가 불충분해져 경질 피막의 내마모성이 저하된다. 또, B 층의 Si 의 함유 비율이 지나치게 많으면, 피막 조직이 지나치게 미세해져 비정질에 가깝게 되기 때문에, 경질 피막의 내마모성이 저하된다. 그 때문에, B 층은 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 총량으로 Si (실리콘) 의 함유 비율이 5 ％ 이상 20 ％ 이하로 한다.

B 층의 Nb 또는 Cr 의 함유 비율이 지나치게 적으면 경질 피막의 내마모성의 개선 효과가 충분하지 않다. 한편, B 층의 Nb 또는 Cr 의 함유 비율이 지나치게 많으면 취약한 Nb 또는 Cr 의 농화상이 많이 석출되어 경질 피막의 내마모성이 저하된다. 그 때문에, B 층은 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 총량으로 Nb (니오브) 또는 Cr (크롬) 의 함유 비율이 1 ％ 이상 10 ％ 이하로 한다. 나아가서는, B 층의 Nb 또는 Cr 의 함유 비율은 2 ％ 이상인 것이 바람직하다. B 층의 Nb 또는 Cr 의 함유 비율은 8 ％ 이하인 것이 바람직하다. B 층의 Nb 또는 Cr 의 함유 비율은 6 ％ 이하인 것이 보다 바람직하다.

본 실시형태에 있어서의 B 층은, fcc 구조인 것이 중요하다. 본 실시형태에 있어서, fcc 구조이다란, X 선 회절 패턴 또는 투과형 전자 현미경의 제한 시야 회절 패턴으로부터 구해지는 강도 프로파일에 있어서, fcc 구조에서 기인하는 피크 강도가 최대 강도를 나타내는 것이다. hcp 구조에서 기인하는 회절 강도가 최대 강도를 나타내는 경질 피막은 취약하기 때문에, 피복 절삭 공구로서 내구성이 부족해진다. 특히, 습식 가공에 있어서는, 내구성이 저하하는 경향이 있다. B 층은, X 선 회절 패턴에 있어서, hcp 구조에서 기인하는 회절 강도를 가지지 않는 것이 바람직하다. B 층은, fcc 구조 중에서도 (200) 면의 피크 강도가 최대가 되는 피막 조직을 가짐으로써 우수한 내구성을 나타내는 경향이 있어 바람직하다.

B 층은, B 층을 구성하는 경질 피막의 평균 결정 입경이 5 ㎚ 이상 50 ㎚ 이하인 것이 바람직하다. 경질 피막의 마이크로 조직이 지나치게 미세해지면, 경질 피막의 조직이 비정질에 가깝게 되기 때문에, 경질 피막의 인성 및 경도가 저하한다. 경질 피막의 결정성을 높이고 취약한 비정질상을 저감하려면, 경질 피막의 평균 결정 입경을 5 ㎚ 이상으로 한다. 또, 경질 피막의 마이크로 조직이 지나치게 조대해지면, 경질 피막의 경도가 저하하여 피복 절삭 공구의 내구성이 저하하는 경향이 있다. 경질 피막에 높은 경도를 부여해 피복 절삭 공구의 내구성을 높이기 위해서는, 경질 피막의 평균 결정 입경을 50 ㎚ 이하로 한다. 나아가서는, 경질 피막의 평균 결정 입경은 30 ㎚ 이하인 것이 바람직하다.

경질 피막의 평균 결정 입경은, X 선 회절의 반가폭으로부터 측정할 수 있다.

B 층은 A 층의 바로 위에 형성해도 된다. 밀착성을 보다 높이기 위해서, A 층과 B 층 사이에는, A 층과 B 층의 조성을 함유하는 적층 피막을 형성해도 된다. 또, A 층과 B 층의 조성 이외의 경질 피막을 A 층과 B 층 사이에 형성해도 된다. B 층 상에는 다른 경질 피막을 형성해도 된다.

본 발명의 실시형태에 관련된 피복 절삭 공구는, 특히, 공구 직경이 2 ㎜ 이하인 소직경 엔드 밀에 적용됨으로써, 내구성의 향상 효과가 보다 한층 효과적으로 발휘되는 점에서 바람직하다. 나아가서는, 공구 직경이 1 ㎜ 이하인 소직경 엔드 밀에 본 실시형태의 피복 절삭 공구의 구성을 적용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시형태에 관련된 피복 절삭 공구에서는, A 층이 B 층보다 두꺼운 막인 것이 바람직하다. 기재 측에 형성되는 A 층을 B 층보다 두꺼운 막으로 함으로써 피복 절삭 공구의 내구성이 높아진다. 또, A 층의 막두께는 1.0 ㎛ 보다 크고, B 층의 막두께는 0.5 ㎛ 보다 큰 것이 바람직하다.

A 층 및 B 층의 어느 것에 대해서도, 막두께를 지나치게 크게 하면 박리가 생기기 쉬워져, 피복 절삭 공구의 내구성이 저하된다. A 층 및 B 층의 막두께의 상한은, 중간층 및 표면층을 포함하는 경질 피막의 구성에 따라 상이하다. 일례를 든다면, A 층의 막두께의 상한은 4 ㎛ 미만, B 층의 막두께의 상한은 3.5 ㎛ 미만, A 층과 B 층의 합계 막두께의 상한은 5 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.

실시예

(실시예 1)

＜성막 장치＞

경질 피막의 성막에는, 아크 이온 플레이팅 방식의 성막 장치를 사용하였다. 본 장치는, 복수의 캐소드 (아크 증발원), 진공 용기 및 기재 회전 기구를 포함한다.

본 장치는, 3 기의 캐소드 C1, C2, C3 을 구비한다. C1 은, 타깃 외주에 코일 자석을 배치한 캐소드이다. C2 및 C3 은, 타깃 배면 및 외주에 영구 자석을 배치한 캐소드이다. C2 및 C3 은, 타깃의 수직 방향의 자속밀도가 타깃 중앙 부근에서 14 mT 이상이다. C2 와 C3 에 장착되는 타깃은, 시료에 따라 조성을 변화시켰다.

진공 용기 내는, 내부를 진공 펌프에 의해 배기된다. 성막 가스는 공급 포트로부터 진공 용기 내로 도입된다. 진공 용기 내에 설치한 각 기재에는 바이어스 전원이 접속된다. 바이어스 전원은, 각 기재에 부압의 DC 바이어스 전압을 인가한다.

기재 회전 기구는, 플래너터리와 플래너터리 상의 플레이트상 지그, 플레이트상 지그 상의 파이프상 지그를 갖는다. 플래너터리는 매분 3 회전의 속도로 회전한다. 플레이트상 지그, 파이프상 지그는 각각 자공전한다.

＜기재＞

물성 평가 및 절삭 시험용의 기재로서, 조성이 WC (bal.)-Co (8 질량％)-Cr (0.5 질량％)-VC (0.3 질량％), WC 평균 입도 0.6 ㎛, 경도 93.9 HRA 로 이루어지는 초경합금제의 2 장날 볼 엔드 밀을 준비하였다. 또한, WC 는 탄화텅스텐을, Co 는 코발트를, Cr 은 크롬을, VC 는 탄화바나듐을 각각 나타낸다.

＜가열 및 진공 배기 공정＞

각 기재를 각각 진공 용기 내의 파이프상 지그에 고정하고, 성막 전 프로세스를 이하와 같이 실시하였다. 먼저, 진공 용기 내를 8 × 10^-3 Pa 이하로 진공 배기하였다. 그 후, 진공 용기 내에 설치한 히터에 의해, 기재 온도가 500 ℃ 가 될 때까지 가열하여, 진공 배기를 실시하였다. 이로써, 기재 온도를 500 ℃, 진공 용기 내의 압력을 8 × 10^-3 Pa 이하로 하였다.

＜Ar 봄바드 공정＞

그 후, 진공 용기 내에 Ar 가스를 도입하여, 용기 내압을 0.67 Pa 로 하였다. 그 후, 필라멘트 전극에 35 A 의 전류를 공급하고, 기재에 -200 V 의 부압의 바이어스 전압을 인가하여, Ar 봄바드를 4 분간 실시하였다.

＜Ti 봄바드 공정＞

그 후, 진공 용기 내의 압력이 8 × 10^-3 Pa 이하가 되도록 진공 배기하였다. 계속해서, 기재에 바이어스 전압을 인가하고, Ti 타깃이 장착된 C1 에 150 A 의 아크 전류를 공급하여 Ti 봄바드 처리를 실시하였다. Ti 봄바드 처리에 의해, 기재의 표면에, W 와 Ti 를 함유하는 탄화물을 1 ㎚ 이상 10 ㎚ 이하로 형성하였다. Ti 봄바드 처리에 의해 형성되는 탄화물의 조성은, 금속 원소의 함유 비율로 W 가 60 원자％ 이상 90 원자％ 이하, Ti 가 10 원자％ 이상 40 원자％ 이하였다.

＜성막 공정＞

Ti 봄바드 후, 즉시 C1 에 대한 전력 공급을 중단하였다. 그리고, 진공 용기 내의 가스를 질소로 치환하고, 진공 용기 내의 압력을 5 Pa, 기재 설정 온도를 520 ℃ 로 하였다. AlCrSi 타깃이 장착된 C2 에 150 A 의 전력을 공급하고, 기재에 인가하는 부압의 바이어스 전압을 120 V, 캐소드 전압을 30 V 로 하여 A 층을 피복하였다.

A 층의 피복 후, B 층을 피복하였다. B 층의 피복에서는, C3 의 타깃으로서, TiSiNb 타깃, TiSiW 타깃, TiSiTa 타깃, 또는 TiSi 타깃을 시료에 따라 사용하였다. 상기 타깃이 장착된 C3 에 150 A 의 전력을 공급하고, 기재에 인가하는 부압의 바이어스 전압을 50 V, 캐소드 전압을 25 V 로 하여 B 층을 피복하였다. 그 후, 대략 250 ℃ 이하로 기재를 냉각하고 진공 용기로부터 꺼냈다. 그리고, 피복 후의 각 시료는 블라스트 처리에 의한 날끝의 연마 처리를 실시하였다.

경질 피막의 조성은, 파장 분산형 전자선 프로브 미소 분석 (WDS-EPMA) 에 의해 측정하였다. 측정 조건은, 가속 전압 10 ㎸, 시료 전류 5 × 10^-8 A, 취득 시간 10 초, 분석 영역 직경 1 ㎛, 분석 깊이가 대략 1 ㎛ 에서 5 점 측정하고 그 평균치로부터 구하였다.

X 선 회절 장치 (스펙트리스 주식회사 제조 EMPYREAN 수직형 고니오미터) 를 사용하여 결정 구조를 확인하였다. 측정 조건은, 관전압 45 ㎸, 관전류 40 ㎃, X 선원 Cukα (λ = 0.15418 ㎚), X 선 입사각 3 도, 발산 슬릿 1/2°, 콜리메이터 0.27 ㎜, 2θ = 20 ∼ 70 도로 하였다.

제작한 각 시료의 피복 절삭 공구를 사용하여 절삭 가공을 실시하고, 절삭 가공 후의 모재 노출 면적으로부터 피복 절삭 공구의 내구성을 평가하였다. 절삭 조건을 이하에 나타낸다.

(조건)

·공구 : 2 장날 초경 볼 엔드 밀

·형번 : EPDBEH2003-0.5-TH3 볼 반경 0.15 ㎜

·절삭 방법 : 포켓 가공 (1 ㎜ × 3 ㎜ × 깊이 0.4 ㎜)

·피삭재 : ASP23(64HRC)

·절입 : 축 방향, 0.013 ㎜, 직경 방향, 0.013 ㎜

·절삭 속도 : 37.7 m/min

·1 날 이송량 : 0.0045 ㎜/날

·절삭유 : 미스트 블로우 (유성)

·가공 개수 : 7 포켓

·평가 방법 : 모재 노출 면적은, 절삭 가공 후, 주사형 전자 현미경을 사용하여 배율 600 배로 관찰하고, 공구의 초경 기재가 노출된 면적을 산출하였다. 모재 노출 면적의 산출에는 시판되는 화상 해석 소프트를 사용하였다. 평가 결과를 표 1 에 정리한다.

본 발명예 및 비교예의 어느 것도 A 층과 B 층은 XRD 회절에 있어서 fcc 구조의 단상이었다. 또, A 층은, 일본 특허 제6410797호와 동일한 방법으로, A 층의 제한 시야 회절 패턴의 강도 프로파일을 평가한 경우, A 층의 Ih × 100/Is 의 값은 20 이하였다. 또, B 층은 fcc(200) 면의 피크 강도가 최대이며, 평균 결정 입경은 5 ㎚ 이상 50 ㎚ 이하였다.

Si 를 일정량 함유하여 피막 조직을 미세화한 A 층의 상층인 B 층에 미량의 Nb 를 첨가한 본 발명예 1 ∼ 3 은 모두 모재의 노출 면적이 작아 우수한 내구성을 나타냈다. 특히, A 층과 B 층의 총막두께가 두꺼운 본 발명예 3 은 모재 노출 면적이 작아져, 보다 우수한 내구성을 나타냈다.

한편, 비교예 1 의 B 층은 미량의 Nb 를 첨가하고 있지만 Si 의 함유량이 많기 때문에, 본 발명예에 비해 모재 노출 면적이 커졌다.

비교예 2, 3 은 Nb 대신에 W (텅스텐) 와 Ta (탄탈) 를 미량 첨가했지만, B 층의 경화가 충분하지 않아, 본 발명예에 비해 모재 노출 면적이 커졌다.

비교예 4 는, B 층에 Nb 를 미량 첨가하고 있지 않기 때문에, 본 발명예에 비해 모재 노출 면적이 커졌다.

비교예 5 는, A 층의 Si 함유 비율이 작기 때문에 피막 조직의 기둥상 입자가 커, 본 발명예 1 과 동일하게 B 층을 형성해도 모재 노출 면적이 커졌다.

비교예 6 은, B 층의 Nb 의 함유 비율이 크기 때문에 Nb 의 농화상이 조대해져, 모재 노출 면적이 커졌다.

(실시예 2)

실시예 2 에서는, 실시예 1 과 동일한 성막 장치를 사용하여, 기재 상에 A 층과 B 층으로 이루어지는 경질 피막을 성막함으로써 피복 절삭 공구를 제작하였다. 실시예 2 에서는 B 층으로서, Cr 을 포함하는 TiSiN 계의 피막을 형성하였다. 실시예 2 의 기재에는, 실시예 1 과 동종의 기재를 사용하였다.

실시예 2 에 있어서의 경질 피막의 형성 공정에서는, 실시예 1 과 마찬가지로, 가열 및 진공 배기 공정, Ar 봄바드 공정, Ti 봄바드 공정을 실시한 후, 성막 공정을 실시하였다. 성막 공정에서는, B 층을 형성하기 위한 타깃으로서, 실시예 1 의 TiSiNb 타깃 대신에, TiSiCr 타깃을 사용하였다.

가열 및 진공 배기 공정, Ar 봄바드 공정, 및 Ti 봄바드 공정에 대해서는, 실시예 1 과 마찬가지이므로 설명을 생략한다.

＜성막 공정＞

A 층의 피복 후, B 층을 피복하였다. B 층의 피복에서는, C3 의 타깃으로서, TiSiCr 타깃, TiSiW 타깃, TiSiTa 타깃, 또는 TiSi 타깃을 시료에 따라 사용하였다. 상기 타깃이 장착된 C3 에 150 A 의 전력을 공급하고, 기재에 인가하는 부압의 바이어스 전압을 50 V, 캐소드 전압을 25 V 로 하여 B 층을 피복하였다. 그 후, 대략 250 ℃ 이하로 기재를 냉각하고 진공 용기로부터 꺼냈다. 그리고, 피복 후의 각 시료는 블라스트 처리에 의한 날끝의 연마 처리를 실시하였다.

실시예 2 에 있어서, 본 발명예 및 비교예의 어느 것도 A 층과 B 층은 XRD 회절에 있어서 fcc 구조의 단상이었다. 또, A 층은, 일본 특허 제6410797호와 동일한 방법으로, A 층의 제한 시야 회절 패턴의 강도 프로파일을 평가한 경우, A 층의 Ih × 100/Is 의 값은 20 이하였다. 또, B 층은 fcc(200) 면의 피크 강도가 최대이며, 평균 결정 입경은 5 ㎚ 이상 50 ㎚ 이하였다.

Si 를 일정량 함유하여 피막 조직을 미세화한 A 층의 상층인 B 층에 미량의 Cr 을 첨가한 본 발명예 21 ∼ 23 은 모두 모재의 노출 면적이 작아 우수한 내구성을 나타냈다. 특히, A 층과 B 층의 총막두께가 두꺼운 본 발명예 23 은 모재 노출 면적이 작아져, 보다 우수한 내구성을 나타냈다.

한편, 비교예 21 의 B 층은 미량의 Cr 을 첨가하고 있지만 Si 의 함유량이 많기 때문에, 본 발명예에 비해 모재 노출 면적이 커졌다.

비교예 22, 23 은 Cr 대신에 W (텅스텐) 와 Ta (탄탈) 를 미량 첨가했지만, B 층의 경화가 충분하지 않아, 본 발명예에 비해 모재 노출 면적이 커졌다.

비교예 24 는, B 층에 Cr 을 미량 첨가하고 있지 않기 때문에, 본 발명예에 비해 모재 노출 면적이 커졌다.

비교예 25 는, A 층의 Si 함유 비율이 작기 때문에 피막 조직의 기둥상 입자가 커, 본 발명예 21 과 동일하게 B 층을 형성해도 모재 노출 면적이 커졌다.

비교예 26 은, B 층의 Cr 의 함유 비율이 크기 때문에 Cr 의 농화상이 조대해져, 모재 노출 면적이 커졌다.

Claims

기재의 표면에, 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 총량으로 알루미늄 (Al) 의 함유 비율이 50 원자％ 이상, 크롬 (Cr) 의 함유 비율이 20 원자％ 이상, 알루미늄 (Al) 과 크롬 (Cr) 의 합계의 함유 비율이 85 원자％ 이상, 규소 (Si) 의 함유 비율이 4 원자％ 이상 15 원자％ 이하인 질화물 또는 탄질화물인 면심 입방 격자 구조의 A 층과, 상기 A 층 상에 형성되는 B 층을 갖는 피복 절삭 공구에 있어서,
상기 B 층은, 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 총량으로 Ti (티탄) 의 함유 비율이 70 원자％ 이상 90 원자％ 이하, 실리콘 (Si) 의 함유 비율이 5 원자％ 이상 20 원자％ 이하, 니오브 (Nb) 또는 크롬 (Cr) 의 함유 비율이 1 원자％ 이상 10 원자％ 이하인 질화물 또는 탄질화물이며 면심 입방 격자 구조인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 A 층의 막두께는 1.0 ㎛ 보다 크고, 상기 B 층의 막두께는 0.5 ㎛ 보다 큰 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.