KR20230093316A

KR20230093316A - 피복 절삭 공구

Info

Publication number: KR20230093316A
Application number: KR1020237017777A
Authority: KR
Inventors: 노리히토 나스; 도모야 사사키
Original assignee: 가부시키가이샤 몰디노
Priority date: 2021-03-24
Filing date: 2022-03-22
Publication date: 2023-06-27
Also published as: JPWO2022202729A1; EP4316707A1; CN116490638A; WO2022202729A1; US20230390829A1

Abstract

피복 절삭 공구는, 기재와 경질 피막을 구비한다. 경질 피막은, 기재 상에 배치되는 b 층과, b 층 상에 배치되는 적층 피막으로서, Al 과 Cr 을 함유하는 질화물 또는 탄질화물의 c1 층과, Ti 와 Si 를 함유하는 질화물 또는 탄질화물의 c2 층이 각각 50 nm 이하의 막두께로 교대로 적층된 적층 피막인 c 층과, c 층 상에 배치되는 TiSi 의 질화물 또는 탄질화물인 d 층을 갖는다. c 층은, 금속 (반금속을 포함한다) 원소와 비금속 원소의 총량에 대해, Ar 을 0.10 원자％ 이하로 함유하고 있다. 금속 (반금속을 포함한다) 원소, 질소, 산소, 탄소 및 Ar 의 합계를 100 원자％ 로 한 경우의 경질 피막의 질소의 원자 비율 A 와 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 원자 비율 B 가 1.02 ＜ A/B 의 관계를 만족한다.

Description

피복 절삭 공구

본 발명은, 피복 절삭 공구에 관한 것이다.

본원은, 2021년 3월 24일에, 일본에 출원된 일본 특허출원 2021-049708호에 근거하여 우선권을 주장하고, 이들의 내용을 여기에 원용한다.

종래, 절삭 공구의 수명을 향상시키는 기술로서, 각종 세라믹스로 이루어지는 경질 피막을 절삭 공구의 표면에 피복하는 표면 처리 기술이 채용되고 있다. 최근, 예를 들면 특허문헌 1 과 같은, 나노 레벨의 막두께로 교대로 적층하는 적층 피막을 형성한 피복 절삭 공구가 널리 적용되고 있다.

일본 공개특허공보 2006-152321호

본 발명자의 검토에 의하면, 종래부터 제안되어 있는 적층 구조의 피복 절삭 공구에 대하여, 내구성에 개선의 여지가 있는 것을 확인하였다.

본 발명의 일 양태는, 기재 (基材) 와, 상기 기재 상에 형성되는 경질 피막을 구비하고,

상기 경질 피막은,

상기 기재 상에 배치되는, 질화물 또는 탄질화물로 이루어지는 b 층과,

상기 b 층 상에 배치되는 적층 피막으로서, Al 과 Cr 을 함유하는 질화물 또는 탄질화물의 c1 층과, Ti 와 Si 를 함유하는 질화물 또는 탄질화물의 c2 층이 각각 50 nm 이하의 막두께로 교대로 적층된 적층 피막인 c 층과,

상기 c 층 상에 배치되는, TiSi 의 질화물 또는 탄질화물인 d 층을 갖고,

상기 c 층은, 금속 (반금속을 포함한다) 원소와 비금속 원소의 총량에 대해, Ar 을 0.10 원자％ 이하로 함유하고 있고, 금속 (반금속을 포함한다) 원소, 질소, 산소, 탄소 및 Ar 의 합계를 100 원자％ 로 한 경우의 상기 경질 피막의 질소의 원자 비율 A 와 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 원자 비율 B 가 1.02 ＜ A/B 의 관계를 만족하고, 면심 입방 격자 구조인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구이다.

본 발명에 의하면, 내구성이 우수한 피복 절삭 공구를 제공할 수 있다.

도 1 은, 시료 No.1 의 제한 시야 회절 패턴 및 그 강도 프로파일을 나타내는 일례이다.
도 2 는, 시료 No.2 의 제한 시야 회절 패턴 및 그 강도 프로파일을 나타내는 일례이다.
도 3 은, 시료 No.6 의 제한 시야 회절 패턴 및 그 강도 프로파일을 나타내는 일례이다.

본 실시형태의 피복 절삭 공구는, 기재와, 기재 상에 형성되는 경질 피막을 갖는다. 경질 피막은, 기재측으로부터 순서대로, 질화물 또는 탄질화물로 이루어지는 b 층과, 적층 피막으로 이루어지는 c 층과, TiSi 의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지는 d 층을 갖는다. 이하, 각 층에 대해 상세하게 설명한다.

본 실시형태의 피복 절삭 공구에 있어서는, 기재는 특별히 한정되지 않으나, 강도와 인성이 우수한 WC-Co 기 초경 합금을 기재로 하는 것이 바람직하다.

본 실시형태에 관련된 b 층은, 기재 상에 배치되는 질화물 또는 탄질화물이다. b 층은, 기재와 적층 피막인 c 층의 밀착성을 높이는 하지층이다. 기재 상에 배치되는 b 층이 질화물 또는 탄질화물임으로써, 기재와 경질 피막의 밀착성이 우수한 피복 절삭 공구가 된다. b 층은, 내열성과 내마모성이 우수한 질화물인 것이 바람직하다. 또한, 적층 피막인 c 층과의 밀착성을 높이기 위해, b 층은, Al, Cr , Ti 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소의 질화물 또는 탄질화물인 것이 바람직하다. b 층은, 금속 (반금속을 포함한다. 이하 동일) 원소의 총량에 대해, Al 이 50 원자％ 이상 70 원자％ 이하인 것이 바람직하다. b 층의 결정 구조는 면심 입방 격자 구조인 것이 바람직하다. 이것에 의해, b 층 상에 형성되는 적층 피막인 c 층에 있어서, c 층의 마이크로 조직에 함유되는 hcp 구조의 AlN 이 저감된다. 취약한 hcp 구조의 AlN 이 저감됨으로써, 피복 절삭 공구의 내구성이 향상된다. b 층은 질화물 또는 탄질화물이라면, 조성이 상이한 복수의 층으로 구성되어도 된다.

b 층은, c 층 전체보다 두꺼운 피막인 것이 바람직하다. b 층의 막두께는, c 층의 막두께의 2 배 이상 10 배 이하인 것이 바람직하다. b 층의 막두께는, 0.2 ㎛ 이상 4.0 ㎛ 이하의 범위 내인 것이 바람직하다.

본 실시형태에 관련된 c 층은, 하지층인 b 층과, 후술하는 TiSi 의 질화물 또는 탄질화물인 d 층의 사이에 형성되는 적층 피막이다.

구체적으로는, c 층은, Al 과 Cr 을 함유하는 질화물 또는 탄질화물의 c1 층과, Ti 와 Si 를 함유하는 질화물 또는 탄질화물의 c2 층이, 각각 50 nm 이하의 막두께로 교대로 적층된 적층 피막이다. AlCr 계의 질화물 또는 탄질화물은 내열성이 우수한 막종 (膜種) 이다. TiSi 계의 질화물 또는 탄질화물은 내마모성이 우수한 막종이다. 이들을 나노 레벨로 교대로 적층시킴으로써, 경질 피막의 전체에서 밀착성이 향상됨과 함께, 내열성과 내마모성이 우수한 것이 된다. c 층은 내열성이 우수한 질화물인 것이 바람직하다.

c 층 전체의 막두께는, 0.05 ㎛ 이상 2.0 ㎛ 이하의 범위 내인 것이 바람직하다.

c1 층은, Al 과 Cr 을 함유하는 질화물 또는 탄질화물이다. c1 층은, 금속 원소의 총량에 대해, Al 을 50 원자％ 이상 함유하는 것이 바람직하다. c1 층은, 금속 원소의 총량에 대해, Al 과 Cr 의 합계의 함유 비율이 80 원자％ 이상인 것이 바람직하다. c1 층은 c2 층에 함유되는 Ti 와 Si 를 함유할 수 있다.

c2 층은, Ti 와 Si 를 함유하는 질화물 또는 탄질화물이다. c2 층은, 금속 원소의 총량에 대해, Ti 가 50 원자％ 이상인 것이 바람직하다. c2 층은, 금속 원소의 총량에 대해, Si 가 10 원자％ 이상인 것이 바람직하다. c2 층은 c1 층에 함유되는 Al 과 Cr 을 함유할 수 있다.

c 층의 평균 조성은, 금속 원소의 총량에 대해, Al 과 Ti 와 Cr 의 합계가 80 원자％ 이상인 것이 바람직하다. c 층의 평균 조성은, 금속 원소의 총량에 대해, Al 의 함유 비율이 가장 큰 것이 바람직하다. c 층의 평균 조성은, 금속 원소의 총량에 대해, Al 이 30 원자％ 이상 50 원자％ 이하인 것이 바람직하다. c 층의 평균 조성은, Al 에 이어서 Ti 또는 Cr 의 함유 비율이 큰 것이 바람직하다. c 층의 평균 조성은, 금속 원소의 총량에 대해, Ti 와 Cr 의 합계가 50 원자％ 이상 80 원자％ 이하인 것이 바람직하다.

c 층의 평균 조성은, 금속 원소의 총량에 대해, Ti 가 15 원자％ 이상 40 원자％ 이하인 것이 바람직하다. c 층의 평균 조성은, 금속 원소의 총량에 대해, Cr 이 15 원자％ 이상 40 원자％ 이하인 것이 바람직하다. c 층의 평균 조성은, 금속 원소의 총량에 대해, Si 가 3 원자％ 이상 20 원자％ 이하인 것이 바람직하다. c 층의 평균 조성은, 금속 원소의 총량에 대해, Si 가 5 원자％ 이상인 것이 바람직하다. c 층의 평균 조성은, 금속 원소의 총량에 대해, Si 가 15 원자％ 이상인 것이 바람직하다.

c 층은 Al 과 Ti 와 Cr 과 Si 이외의 금속 원소를 함유할 수 있다. 예를 들어, 내마모성이나 내열성 등의 향상을 목적으로 하여, 주기율표의 4a 족, 5a 족, 6a 족의 원소 및 B, Y, Yb, Cu 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 함유할 수도 있다. 이들 원소는 피복 절삭 공구의 피막 특성을 향상시키기 위해서 일반적으로 함유되는 것으로, 피복 절삭 공구의 내구성을 현저하게 저하시키지 않는 범위에서 첨가 가능하다. 단, Al 과 Ti 와 Cr 과 Si 이외의 금속 원소의 함유 비율이 지나치게 커지면, c 층의 내구성이 저하되는 경우가 있다. 그 때문에, c 층이, Al 과 Ti 와 Cr 과 Si 이외의 금속 원소를 함유하는 경우, 그 합계의 함유 비율은 15 원자％ 이하인 것이 바람직하다. 나아가서는, 10 원자％ 이하인 것이 바람직하다.

c 층은, 금속 (반금속을 포함한다) 원소, 질소, 산소, 탄소 및 Ar 의 합계를 100 원자％ 로 한 경우의 상기 경질 피막의 질소의 원자 비율 A 와 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 원자 비율 B 가 1.02 ＜ A/B 의 관계를 만족한다. 이것에 의해, 적층 피막이 N 리치가 되고, 마이크로 레벨로 질화물이 형성되어, hcp 구조의 AlN 이 적어진다. 또한, 결정성이 높아지고 b 층, d 층과의 계면에서의 결정 구조가 정합하여, 경질 피막의 전체에서 밀착성이 향상된다. c 층은, 1.05 ＜ A/B 인 것이 바람직하다. 단, N 이 지나치게 많아지면, 경질 피막의 잔류 압축 응력이 지나치게 높아져 경질 피막이 자기 파괴되기 쉬워진다. 그 때문에, c 층은 A/B ＜ 1.20 인 것이 바람직하다. 또한, c 층은 A/B ＜ 1.12 인 것이 바람직하다. 나아가서는, c 층은 A/B ＜ 1.10 인 것이 바람직하다.

c 층은, 금속 (반금속을 포함한다) 원소와 비금속 원소의 총량에 대해, 아르곤 (Ar) 을 0.1 원자％ 이하로 함유한다.

스퍼터링법에서는, 아르곤 이온을 사용하여 타깃 성분을 스퍼터링하여 경질 피막을 피복하기 때문에, 경질 피막에 아르곤을 함유시키기 쉽다. 경질 피막의 결정 입경이 미립화되면 경도가 높아지는 한편, 결정 입계가 많아져, 경질 피막에 함유되는 아르곤이 결정 입계에 농화된다. 경질 피막의 아르곤 함유 비율이 지나치게 큰 경우에는, 경질 피막의 인성이 저하되어, 충분한 공구 성능이 발휘되기 어렵다. 그 때문에, 본 실시형태에서는 경질 피막의 결정 입계에 농화되는 아르곤을 저감시키려고, c 층은 아르곤을 0.1 원자％ 이하로 함유시킨다. 본 실시형태에 있어서는, 아르곤 (Ar) 의 함유 비율의 하한을 특별히 한정하는 것은 아니다. 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 스퍼터링법으로 피복하기 때문에, 아르곤 (Ar) 을 0.02 원자％ 이상으로 함유할 수 있다. c 층의 아르곤 함유 비율은, 0.08 원자％ 이하인 것이 바람직하고, 0.05 원자％ 이하인 것이 보다 바람직하다. 아르곤 함유 비율을 상기 범위로 함으로써, c 층의 기계 특성을 보다 향상시킬 수 있다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막에는, 비금속 원소로서, 질소 이외에 아르곤, 산소, 탄소가 미량으로 함유되는 경우가 있다. 아르곤의 함유 비율은, 금속 (반금속을 포함한다) 원소와 질소, 산소, 탄소, 아르곤의 함유 비율을 100 원자％ 로 하여, 구할 수 있다.

c 층은, 면심 입방 격자 구조 (fcc 구조) 이다. 본 실시형태에 있어서, 면심 입방 격자 구조라는 것은, X 선 회절 또는 투과형 전자 현미경 (TEM) 을 사용한 제한 시야 회절 패턴 등에서, 면심 입방 격자 구조에서 기인하는 회절 피크 강도가 최대 강도를 나타내는 것을 의미한다. 그 때문에, 경질 피막의 전체적으로 면심 입방 격자 구조에서 기인하는 회절 피크 강도가 최대 강도를 나타내면, 가령 투과형 전자 현미경 (TEM) 을 사용한 마이크로 해석에 있어서, 부분적으로 육방 최밀 충전 구조 (hcp 구조) 나 비정질상을 포함하고 있었다고 해도, 경질 피막은 면심 입방 격자 구조이다. 한편, hcp 구조에서 기인하는 회절 피크 강도가 최대 강도인 경질 피막은 취약하기 때문에, 피복 절삭 공구에 적용하면 내구성이 저하되는 경향이 있다. 본 실시형태에 관련된 경질 피막의 결정 구조는, 예를 들면, X 선 회절 또는 투과형 전자 현미경 (TEM) 을 사용한 제한 시야 회절 패턴 등으로 확인할 수 있다. 경질 피막의 피험 면적이 작은 경우에는, X 선 회절에 의한 결정 구조의 동정이 곤란한 경우가 있다. 이와 같은 경우에도, 투과형 전자 현미경 (TEM) 을 사용한 제한 시야 회절 패턴 등에 의해 결정 구조의 동정을 실시할 수 있다. 본 발명의 경질 피막은, 제한 시야 회절 패턴에서 hcp 구조의 AlN 의 회절 패턴을 갖지 않는 것이 바람직하다.

d 층은, 내마모성이 우수한 막종인 TiSi 의 질화물 또는 탄질화물이다. d 층이 TiSi 의 질화물 또는 탄질화물임으로써, 나노인덴테이션 경도가 40 GPa 보다 고경도가 되기 쉽다. 나아가서는 d 층의 나노인덴테이션 경도는 42 GPa 이상이 바람직하다. 또한, TiSi 의 질화물 또는 탄질화물은, 경질 피막의 조직이 미세하게 되어 경질 피막이 고경도가 됨과 함께, 내열성도 우수하고, 높은 잔류 압축 응력도 부여된다. 그 때문에, TiSi 의 질화물 또는 탄질화물의 d 층을 적층 피막의 상층에 형성함으로써, 고부하의 사용 환경하에 있어서, 피복 절삭 공구의 내구성을 현저하게 개선할 수 있다. TiSi 의 질화물 또는 탄질화물로서의 특성을 발휘하기 위해서, d 층의 Ti 의 함유 비율은 60 원자％ 이상 95 원자％ 이하가 바람직하다. 또한 d 층의 Si 의 함유 비율은 5 원자％ 이상 40 원자％ 이하가 바람직하다. d 층은, 내열성과 내마모성이 우수한 질화물인 것이 바람직하다. d 층의 결정 구조는 면심 입방 격자 구조인 것이 바람직하다. d 층은 비정질상을 함유하지 않는 것이 바람직하다. 또한, 필요에 따라서, d 층의 상층에 다른 층을 형성해도 된다.

d 층은, c 층 전체보다 두꺼운 피막인 것이 바람직하다. d 층의 막두께는, c 층의 막두께의 2 배 이상 10 배 이하인 것이 바람직하다. d 층의 막두께는, 0.2 ㎛ 이상 4.0 ㎛ 이하의 범위에 있는 것이 바람직하다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막의 피복에서는, 물리 증착법 중에서도 타깃 성분을 스퍼터하여 경질 피막을 피복하는 스퍼터링법을 적용하는 것이 바람직하다.

물리 증착법에서는 경질 피막에 잔류 압축 응력이 부여되어 내결손성이 우수한 경향이 있다. 물리 증착법 중에서도 아크 이온 플레이팅법은 타깃 성분의 이온화율이 높고 경질 피막의 밀착성이 우수한 경향이 있어 널리 적용되고 있다. 단, 아크 이온 플레이팅법은, 타깃 성분을 아크 방전에 의해 용융하기 때문에 노 내에 함유되는 산소나 탄소의 불가피적 불순물이 경질 피막에 도입되기 쉬워, 질소의 함유 비율이 높은 경질 피막을 얻기 힘든 경향이 있다.

그래서, 타깃을 용융시키지 않는 스퍼터링법을 적용함으로써 경질 피막에 함유되는 산소나 탄소의 불가피적 불순물이 저감되는 경향이 있다. 단, 종래의 DC 스퍼터링법이나 단순히 타깃에 높은 전력을 인가하는 고출력 스퍼터링법에서는, 타깃의 이온화율이 낮기 때문에 경질 피막에 형성되는 질화물이 충분하지 않다. 그 때문에, 스퍼터링법 중에서도, 타깃에 순차 전력을 인가하는 스퍼터링법을 적용하여, 전력이 인가되는 타깃이 바뀔 때에, 전력의 인가가 종료되는 타깃과 전력의 인가를 개시하는 타깃의 양방의 타깃에 동시에 전력이 인가되고 있는 시간을 설정하는 것이 바람직하다.

이와 같은 스퍼터링법으로 피복함으로써 타깃의 이온화율이 높은 상태가 성막 중에 유지되어, 경질 피막의 결정성이 높고, 충분한 질화물이 형성되는 경향이 있다.

또한, 경질 피막 중에 충분한 질화물을 형성하기 위해, 전력 펄스의 최대 전력 밀도는, 0.5 kW/cm²이상으로 하는 것이 바람직하다. 단, 타깃에 인가하는 전력 밀도가 지나치게 커지면 성막이 안정되기 어렵다. 또한, 전력의 인가가 종료되는 합금 타깃과 전력의 인가를 개시하는 합금 타깃의 양방의 합금 타깃에 동시에 전력이 인가되고 있는 시간이 지나치게 짧거나 지나치게 긴 경우에는, 타깃의 이온화가 충분하지 않아 경질 피막에 충분한 질화물이 형성되기 어렵다. 그 때문에, 전력의 인가가 종료되는 합금 타깃과 전력의 인가를 개시하는 합금 타깃의 양방의 합금 타깃에 동시에 전력이 인가되고 있는 시간은 5 마이크로초 이상 20 마이크로초 이하로 하는 것이 바람직하다. 타깃 성분의 이온화율을 높이기 위해서는, AlCr 계 합금 타깃 3 개 이상과 TiSi 계 합금 타깃 3 개 이상을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 스퍼터링 장치의 노내 온도를 430 ℃ 이상으로 하여 예비 방전을 실시하고, 노내에 도입하는 질소 가스의 유량을 410 sccm 이상, 아르곤 가스의 유량을 300 sccm 이상 450 sccm 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 노내 압력을 0.6 Pa ∼ 0.8 Pa 로 하는 것이 바람직하다. 질소의 함유량을 향상시키기 위해서는 상기한 조건으로 피복함으로써, 경질 피막의 아르곤, 산소의 함유 비율이 저감됨과 함께, 질소의 함유 비율이 높아지기 쉽다. 또한, 경질 피막을 면심 입방 격자 구조로 하며, 또한, 결정성이 높은 미립 조직으로 하기 위해서는, 기체가 되는 절삭 공구에 인가하는 마이너스의 바이어스 전압은, -80 V ∼ -40 V 의 범위로 제어하는 것이 바람직하다.

이하, 실시예 및 비교예에 의해 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

실시예 1 에서는, 먼저 성막 조건을 변경한 적층 피막의 물성을 평가하였다.

<공구>

공구로서, 조성이 WC (bal.)-Co (8.0 질량％)-Cr (0.5 질량％)-Ta (0.3 질량％), WC 평균 입도 0.5 ㎛, 경도 93.6 HRA (록웰 경도, JIS G 0202 에 준하여 측정한 값) 로 이루어지는 초경 합금제의 2 날 볼 엔드밀 (공구경 0.8 mm, 주식회사 MOLDINO 제조) 을 준비하였다.

스퍼터 증발원을 12 기 탑재할 수 있는 스퍼터링 장치를 사용하였다. 이들 증착원 중, AlCr 계 합금 타깃 (Al 58％ Cr 40％ Si 2％ 숫자는 원자 비율, 이하 동일) 6 개 및 TiSi 계 합금 타깃 (Ti 80％ Si 20％) 6 개를 증착원으로서 장치 내에 설치하였다. 또한, 치수가 직경 16 cm, 두께 12 mm 의 타깃을 사용하였다.

공구를 스퍼터링 장치 내의 샘플 홀더에 고정하고, 공구에 바이어스 전원을 접속하였다. 또한, 바이어스 전원은, 타깃과는 독립적으로 공구에 마이너스의 바이어스 전압을 인가하는 구조로 되어 있다. 공구는, 매분 3 회전으로 자전하며, 또한, 고정 지그와 샘플 홀더를 개재하여 공전한다. 공구와 타깃 표면과의 사이의 거리를 100 mm 로 하였다.

도입 가스는, Ar 및 N₂를 사용하고, 스퍼터링 장치에 형성된 가스 공급 포트로부터 도입하였다.

<봄바드 처리>

시료 No.1 에 관해서, 먼저 공구에 경질 피막을 피복하기 전에, 이하의 순서로 공구에 봄바드 처리를 실시하였다. 스퍼터링 장치 내의 히터에 의해 노내 온도가 430 ℃ 가 된 상태에서 30 분간의 가열을 실시하였다. 그 후, 스퍼터링 장치의 노내를 진공 배기하여, 노내 압력을 5.0×10^-3 Pa 이하로 하였다. 그리고, Ar 가스를 스퍼터링 장치의 노내에 도입하고, 노내 압력을 0.8 Pa 로 조정하였다. 그리고, 공구에 -200 V 의 직류 바이어스 전압을 인가하여, Ar 이온에 의한 공구의 클리닝 (봄바드 처리) 을 실시하였다.

이어서, 노내 온도를 430 ℃ 로 유지한 채로, 스퍼터링 장치의 노내에 Ar 가스를 400 sccm 으로 도입하고, 그 후, N₂가스를 470 sccm 으로 도입하여 노내 압력을 0.70 Pa 로 하였다. 공구에 -50 V 의 직류 바이어스 전압을 인가하고, AlCr 계 합금 타깃에 0.6 kW/cm² 의 최대 전력 밀도를 인가하여, 전력의 1 주기당 방전 시간을 0.8 밀리초, AlCr 계 합금 타깃에 동시에 전력이 인가되고 있는 시간을 10 마이크로초로 하였다. 또한, TiSi 계 합금 타깃에 1.5 kW/cm² 의 최대 전력 밀도를 인가하여, 전력의 1 주기당 방전 시간을 3.6 밀리초, TiSi 계 합금 타깃에 동시에 전력이 인가되고 있는 시간을 10 마이크로초로 하였다. 그리고, 각각의 합금 타깃에 연속적으로 전력을 인가하여, 개개의 막두께가 약 4 nm 이고 총 막두께가 약 2 ㎛ 인 적층 피막을 피복하였다.

시료 No.2 는 적층 피막의 피복시에, N₂가스의 도입 유량을 420 sccm 으로 하고, 노내 압력을 0.62 Pa 로 한 것 이외에는 시료 No.1 과 동일하게 하였다.

시료 No.3 은 적층 피막의 피복시에, N₂가스의 도입 유량을 520 sccm 으로 하고, 노내 압력을 0.78 Pa 로 한 것 이외에는 시료 No.1 과 동일하게 하였다.

시료 No.4 는 적층 피막의 피복시에, N₂가스의 도입 유량을 560 sccm 으로 하고, 노내 압력을 0.83 Pa 로 한 것 이외에는 시료 No.1 과 동일하게 하였다.

시료 No.5 는 적층 피막의 피복시에, N₂가스의 도입 유량을 600 sccm 으로 하고, 노내 압력을 0.88 Pa 로 한 것 이외에는 시료 No.1 과 동일하게 하였다.

시료 No.6 은 적층 피막의 피복시에, N₂가스의 도입 유량을 340 sccm 으로 하고, 노내 압력을 0.57 Pa 로 한 것 이외에는 시료 No.1 과 동일하게 하였다.

시료 No.7 은 적층 피막의 피복시에, N₂가스의 도입 유량을 400 sccm 으로 하고, 노내 압력을 0.60 Pa 로 한 것 이외에는 시료 No.1 과 동일하게 하였다.

나노 인덴테이션 테스터 (엘리오닉스 (주) 제조 ENT-2100) 를 사용하여 경도·탄성 계수를 측정하였다.

전자 프로브 마이크로 애널라이저 장치 (주식회사 니혼 덴시 제조 JXA-8500F) 에 부속된 파장 분산형 전자 프로브 미소 분석 (WDS-EPMA) 으로 경질 피막의 피막 조성을 측정하였다. 측정 조건은, 가속 전압 10 kV, 조사 전류 5×10^-8A, 도입 시간 10 초로 하고, 분석 영역이 직경 1 ㎛ 의 범위를 5 점 측정하여 그 평균값으로부터 경질 피막의 금속 함유 비율 및 금속 성분과 비금속 성분의 합계에 있어서의 Ar 의 함유 비율을 구했다.

시료 No.1 ∼ 5 는 질소의 함유 비율이 높고, 경도와 탄성률이 높은 것이 확인되었다. 한편, 시료 No.6 은 질소의 함유 비율이 낮고, 경도와 탄성률이 낮은 것이 확인되었다. 또한, 시료 No.1 ∼ 5 는 No.6, 7 에 비해 Ar 의 함유 비율도 적은 것이 확인되었다.

시료 No.1, 2, 6 의 차이를 마이크로 레벨로 확인하기 위해 TEM 해석을 실시하였다. TEM 에 의한 적층 피막의 제한 시야 회절 패턴을, 가속 전압 120 kV, 제한 시야 영역 φ750 nm, 카메라 길이 100 cm, 입사 전자량 5.0 pA/cm²(형광판 상) 의 조건에서 구하였다. 구한 제한 시야 회절 패턴의 휘도를 변환하여, 강도 프로파일을 구했다. 분석 지점은, 막두께 방향에 있어서의 중간 부분으로 하였다.

도 1 에 시료 No.1 의 제한 시야 회절 패턴의 강도 프로파일을 나타낸다. 도 2 에 시료 No.2 의 제한 시야 회절 패턴의 강도 프로파일을 나타낸다. 도 3 에 시료 No.6 의 제한 시야 회절 패턴의 강도 프로파일을 나타낸다.

강도 프로파일로부터, 시료 No.6 에는 hcp 구조의 AlN 이 많이 포함되는 것이 확인되었다. 시료 No.6 은 질소가 적기 때문에 마이크로 레벨로 질화물이 충분히 형성되지 않아, hcp 구조의 AlN 이 많아진 것으로 추정된다. 취약한 hcp 구조의 AlN 이 증가함으로써, 시료 No.6 은 경도 및 탄성률이 낮아졌다. 또한, hcp 구조의 AlN 을 많이 포함함으로써 조직이 미세해지고 Ar 의 함유 비율도 높아진 것으로 추정된다.

한편, 시료 No.1, 2 는 질소의 함유 비율이 높아 마이크로 레벨 질화물이 충분히 형성되어 있기 때문에, 강도 프로파일에 있어서 시료 No.6 과 같이 hcp 구조의 AlN 의 피크를 갖지 않는다. 시료 No.2 는 제한 시야 회절 패턴의 강도 프로파일에 있어서는, 시료 No.6 과 같은 hcp 구조의 AlN 의 피크는 없지만, 제한 시야 회절 패턴에 미미하게 hcp 구조의 AlN 을 가지고 있었다. 한편, 시료 No.1 은 제한 시야 회절 패턴에 hcp 구조의 AlN 을 가지고 있지 않았다. 이것에 의해, 시료 No.1 은 시료 No.2 보다 경도 및 탄성률이 높아졌다고 추정된다.

실시예 2

실시예 2 에서는, 실시예 1 에서 평가한 적층 피막을 형성한 피복 절삭 공구로 절삭 평가를 실시하였다. 봄바드 처리까지는 실시예 1 과 동일하게 하였다.

본 실시예 1 에 대해, 봄바드 처리 후, 노내 온도를 430 ℃ 로 유지한 채, 스퍼터링 장치의 노내에 Ar 가스를 400 sccm 으로 도입하고, 그 후, N₂가스를 490 sccm 으로 도입하여 노내 압력을 0.72 Pa 로 하였다. 이어서, 공구에 -50 V 의 직류 바이어스 전압을 인가하고, AlCr 계 합금 타깃에 0.8 kW/cm² 의 최대 전력 밀도를 인가하여, 전력의 1 주기당 방전 시간을 0.8 밀리초, AlCr 계 합금 타깃에 동시에 전력이 인가되고 있는 시간을 10 마이크로초로 하여 막두께가 약 0.6 ㎛ 인 하지층을 피복하였다.

이어서, 노내 온도를 430 ℃ 로 유지한 채로, 스퍼터링 장치의 노내에 Ar 가스를 400 sccm 으로 도입하고, 그 후, N₂가스를 470 sccm 으로 도입하여 노내 압력을 0.70 Pa 로 하였다. 이어서, 공구에 -50 V 의 직류 바이어스 전압을 인가하고, AlCr 계 합금 타깃에 0.6 kW/cm² 의 최대 전력 밀도를 인가하여, 전력의 1 주기당 방전 시간을 0.8 밀리초, AlCr 계 합금 타깃에 동시에 전력이 인가되고 있는 시간을 10 마이크로초로 하였다. 또한, TiSi 계 합금 타깃에 1.5 kW/cm² 의 최대 전력 밀도를 인가하여, 전력의 1 주기당 방전 시간을 3.6 밀리초, TiSi 계 합금 타깃에 동시에 전력이 인가되고 있는 시간을 10 마이크로초로 하였다. 그리고, 각각의 합금 타깃에 연속적으로 전력을 인가하여, 개개의 막두께가 약 4 nm 이고 총 막두께가 약 0.1 ㎛ 인 적층 피막을 피복하였다.

이어서, 노내 온도를 430 ℃ 로 유지한 채로, 스퍼터링 장치의 노내에 Ar 가스를 400 sccm 으로 도입하고, 그 후, N₂가스를 200 sccm 으로 도입하여 노내 압력을 0.54 Pa 로 하였다. 공구에 -50 V 의 직류 바이어스 전압을 인가하고, TiSi 계 합금 타깃에 1.5 kW/cm² 의 최대 전력 밀도를 인가하여, 인가 전력의 1 주기당 방전 시간을 3.6 밀리초, TiSi 계 합금 타깃에 동시에 전력이 인가되고 있는 시간을 10 마이크로초로 하여 막두께가 약 0.4 ㎛ 인 상층을 피복하였다.

본 실시예 2 는 적층 피막의 피복시에, N₂가스의 도입 유량을 420 sccm 으로 하고, 노내 압력을 0.62 Pa 로 한 것 이외에는 본 실시예 1 과 동일하게 하였다.

본 실시예 3 은 적층 피막의 피복시에, N₂가스의 도입 유량을 520 sccm 으로 하고, 노내 압력을 0.78 Pa 로 한 것 이외에는 시료 No.1 과 동일하게 하였다.

본 실시예 4 는 적층 피막의 피복시에, N₂가스의 도입 유량을 560 sccm 으로 하고, 노내 압력을 0.83 Pa 로 한 것 이외에는 시료 No.1 과 동일하게 하였다.

본 실시예 5 는 적층 피막의 피복시에, N₂가스의 도입 유량을 600 sccm 으로 하고, 노내 압력을 0.88 Pa 로 한 것 이외에는 시료 No.1 과 동일하게 하였다.

비교예 1 은 적층 피막의 피복시에, N₂가스의 도입 유량을 340 sccm 으로 하고, 노내 압력을 0.57 Pa 로 한 것 이외에는 본 실시예 1 과 동일하게 하였다.

비교예 2 는 적층 피막의 피복시에, N₂가스의 도입 유량을 400 sccm 으로 하고, 노내 압력을 0.60 Pa 로 한 것 이외에는 시료 No.1 과 동일하게 하였다.

《절삭 조건》

제작한 피복 절삭 공구에 대해, 이하에 나타내는 절삭 조건으로 절삭 시험을 실시하였다. 표 2 에 절삭 시험 결과를 나타낸다. 절삭 조건의 상세는, 이하와 같다.

<가공 조건>

·절삭 방법 : 바닥면 절삭

·피삭재 : STAVAX (52HRC)

·사용 공구 : 2 날 볼 엔드밀 (공구경 0.8 mm 수하 길이 5 mm)

·절입 : 축 방향, 0.04 mm, 직경 방향, 0.04 mm

·절삭 속도 : 60 m/min

·1 날 피드량 : 0.018 mm/날

·쿨런트 : 드라이 가공

·절삭 거리 : 50 m

본 실시예 1 ∼ 4 는 비교예 1, 2 에 비해 최대 마모폭이 작고 공구 마모가 안정되어 있는 경향이 있었다. 적층 피막이 N 리치이며, 또한 Ar 리스임으로써 공구 손상이 억제된 것으로 추정된다. 본 실시예 5 와 비교예 1 은 최대 마모폭은 동일했지만 본 실시예 5 쪽이 안정된 공구 손상 상태였다.

Claims

기재와, 상기 기재 상에 형성되는 경질 피막을 구비하고,
상기 경질 피막은,
상기 기재 상에 배치되는, 질화물 또는 탄질화물로 이루어지는 b 층과,
상기 b 층 상에 배치되는 적층 피막으로서, Al 과 Cr 을 함유하는 질화물 또는 탄질화물의 c1 층과, Ti 와 Si 를 함유하는 질화물 또는 탄질화물의 c2 층이 각각 50 nm 이하의 막두께로 교대로 적층된 적층 피막인 c 층과,
상기 c 층 상에 배치되는, TiSi 의 질화물 또는 탄질화물인 d 층을 갖고,
상기 c 층은, 금속 (반금속을 포함한다) 원소와 비금속 원소의 총량에 대해, Ar 을 0.10 원자％ 이하로 함유하고 있고, 금속 (반금속을 포함한다) 원소, 질소, 산소, 탄소 및 Ar 의 합계를 100 원자％ 로 한 경우의 상기 적층 피막의 질소의 원자 비율 A 와 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 원자 비율 B 가 1.02 ＜ A/B 의 관계를 만족하고, 면심 입방 격자 구조인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.