KR102498224B1

KR102498224B1 - 표면 피복 절삭 공구

Info

Publication number: KR102498224B1
Application number: KR1020187010927A
Authority: KR
Inventors: 츠요시 오가미; 다츠오 하시모토; 나츠키 이치미야
Original assignee: 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
Priority date: 2015-10-28
Filing date: 2016-10-27
Publication date: 2023-02-08
Anticipated expiration: 2036-10-27
Also published as: US10618114B2; EP3369504A4; US20180311743A1; JP2017080878A; CN108349016A; CN108349016B; KR20180072690A; EP3369504A1; EP3369504B1

Abstract

탄화텅스텐기 초경 합금, TiCN 기 서멧, 입방정 질화붕소 소결체 및 고속도 공구강의 어느 것으로 이루어지는 공구 기체의 표면에, 평균 층 두께 0.5 ∼ 8.0 ㎛ 의 Al 과 Cr 과 Si 와 Cu 의 복합 질화물층을 적어도 포함하는 경질 피복층이 형성된 표면 피복 절삭 공구에 있어서, 상기 복합 질화물층은, 조성식 : (Al_1-a-b-cCr_aSi_bCu_c)N 으로 나타낸 경우, 0.15 ≤ a ≤ 0.40, 0.05 ≤ b ≤ 0.20, 0.005 ≤ c ≤ 0.05 (단, a, b, c 는 모두 원자비) 를 만족하고, 상기 복합 질화물층은 육방정 구조를 주체로 하는 결정으로 이루어지고, 그 질화물층에 대해 X 선 회절에 의해 구한 2θ = 55 ∼ 65°의 범위 내에 존재하는 (110) 면의 회절 피크의 반치폭은 1.0 ∼ 3.5°이다.

Description

표면 피복 절삭 공구

본원 발명은, ??칭강 등의 고경도재의 절삭 가공에 있어서, 경질 피복층이 우수한 내치핑성과 내마모성을 발휘하여, 장기의 사용에 걸쳐 우수한 절삭 성능을 발휘하는 표면 피복 절삭 공구 (이하, 피복 공구라고 한다) 에 관한 것이다.

본원은, 2015년 10월 28일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2015-211483호 및 2016년 10월 26일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2016-209194호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

일반적으로, 피복 공구로서, 각종 강이나 주철 등의 피삭재의 선삭 가공이나 평삭 가공에 바이트의 선단부에 자유롭게 착탈할 수 있도록 장착하여 사용되는 스로 어웨이 팁, 상기 피삭재의 천공 절삭 가공 등에 사용되는 드릴이나 미니어처 드릴, 상기 피삭재의 면삭 가공이나 홈 가공, 숄더 가공 등에 사용되는 엔드밀, 상기 피삭재의 치형 (齒形) 의 치절 가공 등에 사용되는 솔리드 호브, 피니언 커터 등이 알려져 있다.

그리고, 피복 공구의 절삭 성능 개선을 목적으로 하여, 종래부터 수많은 제안이 이루어지고 있다.

예를 들어, 특허문헌 1 에 나타내는 바와 같이, 탄화텅스텐 (이하, WC 로 나타낸다) 기 초경 합금, 탄질화티탄 (이하, TiCN 으로 나타낸다) 기 서멧 등의 공구 기체의 표면에, Cr, Al 및 Si 를 주성분으로 하는 금속 성분과, C, N, O, B 에서 선택되는 적어도 1 종 이상의 원소로 구성되는 입방정 구조의 경질층을 1 층 이상 피복함으로써, 내결손성, 내마모성을 개선한 피복 공구가 제안되어 있다.

또, 특허문헌 2 에는, 기체 표면에, 금속 원소로서 주기율표의 4a, 5a, 6a 족 금속 및 Al 의 1 종 이상에서 선택된 원소와 Si 원소를 함유하고, 비금속 원소로서 N, C, O, S 중 1 종 이상에서 선택된 원소와 B 원소를 함유하는 Si, B 를 함유하는 피막을, 적어도 1 층 피복한 피복 공구에 있어서, Si, B 함유 피막을 결정질상과 비정질상의 혼상 (混相) 으로 하고, 결정질상 내에 함유되는 결정 입자의 최소 결정 입경을 0.5 ㎚ 이상 20 ㎚ 미만으로 함으로써, Si 함유 내마모 피막의 고경도를 희생시키지 않고, 과잉 잔류 압축 응력에 의한 취화를 억제하여, Si 함유 내마모 피막의 인성을 개선하는 것이 제안되어 있다. 또한, 피막 성분의 10 원자％ 미만을 Cu 로 치환함으로써, 내산화성의 개선에 유효한 것이 기재되어 있다.

또, 특허문헌 3 에는, 공구 기체 표면에 경질 피복층을 피복한 피복 공구에 있어서, 경질막의 적어도 1 층은, (MaLb)Xc (단, M 은 Cr, Al, Ti, Hf, V, Zr, Ta, Mo, W, Y 중에서 선택된 적어도 1 종의 금속 원소를 나타내고, L 은 Mn, Cu, Ni, Co, B, Si, S 중에서 선택된 적어도 1 종의 첨가 원소를 나타내고, X 는 C, N, O 중에서 선택된 적어도 1 종의 비금속 원소를 나타내고, a 는 M 과 L 의 합계에 대한 M 의 원자비를 나타내고, b 는 M 과 L 의 합계에 대한 L 의 원자비를 나타내고, c 는 M 과 L 의 합계에 대한 X 의 원자비를 나타낸다. 또, a, b, c 는, 각각 0.85 ≤ a ≤ 0.99, 0.01 ≤ b ≤ 0.15, a ＋ b = 1, 1.00 ＜ c ≤ 1.20 을 만족한다) 로 함으로써, 경질막의 성분인 Cu, Si 등에 의한 결정립의 미세화, 결정 안정성에 의해, 고온 경도가 높아지고, 내마모성이 향상되며, 또한 내산화성도 향상되는 것으로 기재되어 있다.

또한, 특허문헌 4 에는, 공구 기체 표면에, Al_1-a-b-cSi_aMg_bM_c(B_xC_yN_z) 로 이루어지는 조성 (단, M 은, Nb, V, Zr, Cr, Ti, Cu 및 Y 에서 선택되는 적어도 1 종 이상의 원소이고, a, b, c, x, y, z 가 원자비일 때, 0 ≤ a ≤ 0.35, 0 ≤ b ≤ 0.2, 0.03 ≤ a ＋ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.1, 또한, 원자비로, 0.9 ≤ Al ＋ Si ＋ Mg, 0 ≤ x ≤ 0.2, 0 ≤ y ≤ 0.4, 0.5 ≤ z ≤ 1, x ＋ y ＋ z = 1 을 만족한다) 의 경질 피막을 형성함으로써, 경질 피막의 경도, 내산화성, 인성, 내마모성을 개선한 피복 공구가 제안되어 있다. 또, 경질 피막 성분으로서 Cu 를 함유시킨 경우, 결정립의 미세화에 의한 피막의 고경도화와 함께, 윤활 작용이 기대되는 것으로 기재되어 있다.

일본 특허공보 제3781374호 (B) 일본 공개특허공보 2004-34186호 (A) 일본 공개특허공보 2008-31517호 (A) 일본 공개특허공보 2008-73800호 (A)

최근의 절삭 가공 장치의 고성능화는 눈부시고, 한편 절삭 가공에 대한 생력화 (省力化) 및 에너지 절약화, 또한 저비용화의 요구는 강하다. 그리고, 이것에 수반하여, 절삭 가공은 더욱 더 고속화·고능률화의 경향이 있다. 상기 종래의 피복 공구를 강이나 주철 등의 통상적인 절삭 조건에서의 절삭 가공에 사용한 경우에는, 특별한 문제는 발생하지 않지만, 이것을, 예를 들어, ??칭강 등의 고경도재의 고속 밀링 가공과 같은, 고열 발생을 수반하고, 게다가, 절삭날에 대해 큰 충격적·기계적 부하가 가해지는 절삭 가공에 사용한 경우에는, 치핑, 결손의 발생을 억제할 수 없다. 또, 마모 진행도 촉진된다. 그 때문에, 상기 종래의 피복 공구는, 비교적 단시간에 사용 수명에 이르는 것이 현상황이다.

그래서, 본원 발명자들은, 상기 서술한 바와 같은 관점에서, ??칭강 등의 고경도재의 고속 밀링 가공과 같은, 고열 발생을 수반하고, 게다가, 절삭날에 대해 큰 충격적·기계적 부하가 가해지는 절삭 가공 조건 하에서, 경질 피복층이 우수한 내치핑성과 내마모성을 발휘하는 피복 공구를 개발하기 위하여, 상기 종래의 피복 공구의 경질 피복층을 구성하는 층 형성 재료 및 그 결정 구조에 주목하여 연구를 실시한 결과, 이하와 같은 지견을 얻었다.

특허문헌 1 에 개시되는 종래 피복 공구에 있어서는, 경질 피복층을 구성하는 (Al, Cr, Si)N 층의 Al 성분은 고온 경도, 동 Cr 성분은 고온 인성, 고온 강도를 향상시킴과 함께, Al 및 Cr 이 공존 함유된 상태에서 고온 내산화성을 향상시키고, 또한 동 Si 성분은 내열 소성 변형성을 향상시키는 작용이 있다. 그러나, 고열 발생을 수반하고, 게다가, 절삭날에 대해 큰 충격적·기계적 부하가 가해지는 절삭 조건 하에 있어서는, 치핑, 결손 등의 발생을 피할 수는 없어, 예를 들어, Cr함유 비율을 증가시킴으로써 고온 인성, 고온 강도의 개선을 도모하고자 해도, 상대적인 Al 함유 비율의 감소에 의해, 내마모성이 저하되어 버린다. 그 때문에, (Al, Cr, Si)N 층으로 이루어지는 경질 피복층에 있어서의 내치핑성과 내마모성의 향상에는 한계가 있다.

한편, 특허문헌 2 ∼ 4 에 개시되는 종래 피복 공구에 있어서는, 경질 피복층 성분으로서 Cu 를 함유시켜, 결정립의 미세화를 도모함으로써 내마모성을 향상시키는 것이 제안되어 있지만, 내마모성이 향상되는 반면, 인성이 저하됨으로써 치핑의 발생을 억제할 수 없어, 공구 수명은 여전히 짧다.

그래서, 본원 발명자는, (Al, Cr, Si)N 층으로 이루어지는 경질 피복층의 성분으로서, Cu 를 함유시킴으로써, 결정립 미세화에 의한 내마모성의 향상을 꾀함과 함께, 경질 피복층의 결정 구조를 육방정 구조로 함으로써 경질 피복층의 인성을 향상시킴으로써, ??칭강 등의 고경도재의 고속 밀링 가공과 같은, 고열 발생을 수반하고, 게다가, 절삭날에 대해 큰 충격적·기계적 부하가 가해지는 절삭 가공 조건에 있어서도, 피복 공구의 우수한 내치핑성과 우수한 내마모성의 양립을 도모할 수 있는 것을 알아낸 것이다.

본원 발명은, 상기의 지견에 기초하여 이루어진 것으로서, 이하의 양태를 갖는다.

(1) 탄화텅스텐기 초경 합금, TiCN 기 서멧, 입방정 질화붕소 소결체 및 고속도 공구강 중 어느 것으로 이루어지는 공구 기체의 표면에, 경질 피복층이 형성된 표면 피복 절삭 공구에 있어서,

상기 경질 피복층은, 평균 층 두께 0.5 ∼ 8.0 ㎛ 의 Al 과 Cr 과 Si 와 Cu 의 복합 질화물층을 적어도 포함하고,

상기 복합 질화물층은,

조성식 : (Al_1-a-b-cCr_aSi_bCu_c)N 으로 나타낸 경우,

0.15 ≤ a ≤ 0.40, 0.05 ≤ b ≤ 0.20, 0.005 ≤ c ≤ 0.05 (단, a, b, c 는 모두 원자비) 를 만족하고,

상기 복합 질화물층의 결정 구조는 육방정 구조로 이루어지고, 그 복합 질화물층에 대해 X 선 회절에 의해 구한 2θ = 55 ∼ 65°의 범위에 존재하는 (110) 면의 회절 피크의 반치폭 (Full width at half maximum (FWHM)) 은 1.0 ∼ 3.5°인 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.

(2) 상기 복합 질화물층은, 그 층 중에 육방정 구조의 결정과 함께 입방정 구조의 결정을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 에 기재된 표면 피복 절삭 공구.

(3) 상기 복합 질화물층의 입방정 (200) 면의 회절 피크 강도를 c(200), 육방정 (110) 면의 회절 피크 강도를 h(110) 로 했을 때, 피크 강도비 c(200)/h(110) ＜ 1 인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2) 에 기재된 표면 피복 절삭 공구.

다음으로, 본원 발명의 일 양태의 피복 절삭 공구 (이하, 「본원 발명의 피복 절삭 공구」라고 칭한다) 에 대해 상세하게 설명한다.

Al 과 Cr 과 Si 와 Cu 의 복합 질화물층의 조성 :

Al 과 Cr 과 Si 와 Cu 의 복합 질화물층 (이하, 「(Al, Cr, Si, Cu)N 층」으로 나타내는 경우도 있다) 에 있어서의 Al 성분에는 고온 경도, 동 Cr 성분에는 고온 인성, 고온 강도를 향상시킴과 함께, Al 및 Cr 이 공존 함유된 상태에서 고온 내산화성을 향상시키고, 또한 동 Si 성분에는 내열 소성 변형성을 향상시키는 작용이 있고, 또, Cu 성분에는, 결정립의 미세화를 도모함으로써 내마모성을 향상시키는 작용이 있다.

그리고, 상기 (Al, Cr, Si, Cu)N 층에 있어서의 Cr 의 함유 비율을 나타내는 a 값 (원자비) 이 Al 과 Si 와 Cu 의 합량 (合量) 에서 차지하는 비율로 0.15 미만에서는, 최저한으로 필요시되는 고온 인성, 고온 강도를 확보할 수 없으므로 치핑, 결손의 발생을 억제할 수 없고, 한편, 동 a 값이 0.40 을 초과하면, 상대적인 Al 함유 비율의 감소에 의해, 마모 진행이 촉진되므로, a 값을 0.15 ∼ 0.40 이라고 정하였다. 또, Si 의 함유 비율을 나타내는 b 값 (원자비) 이 Al 과 Cr 과 Cu 의 합량에서 차지하는 비율로 0.05 미만에서는, 내열 소성 변형성의 개선에 의한 내마모성 향상을 기대할 수는 없고, 한편, 동 b 값이 0.20 을 초과하면, 내마모성 향상 효과에 저하 경향이 보여지게 되므로, b 값을 0.05 ∼ 0.20 이라고 정하였다. 또한, Cu 의 함유 비율을 나타내는 c 값 (원자비) 이 Al 과 Cr 과 Si 의 합량에서 차지하는 비율로 0.005 미만에서는, 추가적인 내마모성의 향상을 기대할 수 없고, 한편, 동 c 값이 0.05 를 초과하면, 아크 이온 플레이팅 (이하, 「AIP」로 나타낸다) 장치에 의해 (Al, Cr, Si, Cu)N 층을 성막할 때에 파티클이 발생하기 쉬워져, 큰 충격적·기계적 부하가 가해지는 절삭 가공에 있어서의 내치핑성이 저하되므로, c 값을 0.005 ∼ 0.05 라고 정하였다.

또한, 상기 a, b, c 에 대해, 바람직한 범위는, 0.15 ≤ a ≤ 0.25, 0.05 ≤ b ≤ 0.15, 0.01 ≤ c ≤ 0.03 이다.

(Al, Cr, Si, Cu)N 층의 평균 층 두께 :

상기 (Al, Cr, Si, Cu)N 층은, 그 평균 층 두께가 0.5 ㎛ 미만에서는, 장기의 사용에 걸쳐 우수한 내마모성을 발휘할 수는 없고, 한편, 그 평균 층 두께가 8.0 ㎛ 를 초과하면, 치핑, 결손을 발생시키기 쉬워지므로, (Al, Cr, Si, Cu)N 층의 평균 층 두께는, 0.5 ∼ 8.0 ㎛ 라고 정하였다.

(Al, Cr, Si, Cu)N 층의 결정 구조 :

본원 발명에서는, ??칭강 등의 고경도재의 고속 밀링 가공과 같은, 고열 발생을 수반하고, 게다가, 절삭날에 대해 큰 충격적·기계적 부하가 가해지는 절삭 가공 조건에 있어서, 경질 피복층의 내치핑성과 우수한 내마모성의 양립을 도모하기 위해, (Al, Cr, Si, Cu)N 층의 조성 및 층 두께를 상기와 같이 정했지만, 이것에 더하여, 그 층의 결정 구조를 육방정으로 함으로써, 더욱 내치핑성을 향상시킬 수 있다.

종래부터, AIP 장치를 사용한 경질 피막의 성막은 잘 알려져 있지만, Al-Cr-Si-Cu 합금을 타깃으로 하여 통상적인 조건에서 성막하면, 형성되는 (Al, Cr, Si, Cu)N 층은 입방정 구조인 것, 혹은, 입방정 구조가 주체인 것이 된다.

그래서, 본원 발명에서는, 도 1A 및 도 1B 에 나타내는 Al-Cr-Si-Cu 합금을 타깃으로서 사용한 AIP 장치 (6) 에 의한 성막시에, 자장 중에서 성막을 실시하고, 또한, 타깃 표면에 인가하는 최대 자속 밀도를 제어함과 함께, 바이어스 전압을 제어함으로써, 입방정 구조는 아니고 육방정 구조의 결정으로 이루어지는 (Al, Cr, Si, Cu)N 층을 형성할 수 있다.

예를 들어, 타깃 표면에 인가하는 최대 자속 밀도는 7 ∼ 15 mT (밀리테슬라), 또, 공구 기체에 인가하는 바이어스 전압, -75 ∼ -150 V 의 범위 내에서 증착 조건을 조정함으로써, 입방정 구조가 아니라 육방정 구조의 결정으로 이루어지는 (Al, Cr, Si, Cu)N 층을 형성할 수 있다.

그리고, (Al, Cr, Si, Cu)N 층의 결정 구조가, 육방정 구조로 구성됨으로써, 내마모성의 저하를 초래하지 않고 인성을 향상시킬 수 있고, 그 결과로서, 내치핑성이 향상된다.

본원 발명의 피복 절삭 공구가 구비하는 (Al, Cr, Si, Cu)N 층은, 그 전부를 육방정 구조의 결정으로 구성할 수 있지만, 그 층 중에 입방정 구조의 결정이 약간 함유되어 있어도, 내치핑성, 내마모성에 악영향을 미치는 경우는 없다.

단, X 선 회절에 의해 얻어지는 입방정 (200) 면의 회절 피크 강도가, 육방정 (110) 면의 회절 피크 강도를 초과하면 내마모성은 향상되지만 내치핑성이 저하되므로, 입방정 (200) 면의 회절 피크 강도를 c(200), 육방정 (110) 면의 회절 피크 강도를 h(110) 로 했을 때의 피크 강도비 c(200)/h(110) ＜ 1 로 하는 것이 바람직하다.

이 피크 강도비가 0.05 미만이었던 경우, 편의상, 피크 강도비는 「0」으로 하고 있다.

이하에서는, (Al, Cr, Si, Cu)N 층의 결정 구조가 모두 육방정 구조인 경우와 (Al, Cr, Si, Cu)N 층 중에 입방정 구조의 결정이 약간 함유되는 경우의 쌍방을 포함하여, (Al, Cr, Si, Cu)N 층의 결정 구조는 육방정 구조가 주체인 것으로 표현하는 경우가 있다.

또, 본원 발명의 피복 절삭 공구가 구비하는 (Al, Cr, Si, Cu)N 층에 대해 X 선 회절을 실시하면, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 2θ 가 55°에서 65°의 범위 내에, (110) 면으로부터의 육방정 구조 특유의 회절 피크가 관찰된다.

그리고, 이 회절 피크가 첨예한 경우, 즉, 반치폭이 1.0°미만인 경우에는, (Al, Cr, Si, Cu)N 층의 내마모성이 저하되고, 한편, 피크가 브로드하며, 반치폭이 3.5°보다 큰 경우에는, (Al, Cr, Si, Cu)N 층의 내치핑성이 저하 경향을 나타내므로, X 선 회절에 의해 측정한 2θ 가 55°에서 65°의 범위 내에 존재하는 (110) 면으로부터의 회절 피크에 대한 반치폭은 1.0°이상 3.5°이하로 한다.

본원 발명의 피복 절삭 공구는, 경질 피복층이, 적어도, 소정 조성의 (Al, Cr, Si, Cu)N 층으로 이루어지는 층을 포함하고, 또, (Al, Cr, Si, Cu)N 층의 결정 구조는 육방정 구조가 주체이며, 또한, (Al, Cr, Si, Cu)N 층에 대해 X 선 회절을 실시한 경우, 2θ = 55 ∼ 65°의 범위에 존재하는 (110) 면의 회절 피크의 반치폭은 1.0 ∼ 3.5°임으로써, (Al, Cr, Si, Cu)N 층은 우수한 내치핑성과 내마모성을 구비하고 있다. 따라서, 본원 발명의 피복 절삭 공구는, 고열 발생을 수반하고, 또한, 절삭날에 대해 큰 충격적·기계적 부하가 가해지는 ??칭강 등의 고경도재의 고속 밀링 가공에서도, 우수한 내치핑성 및 우수한 내마모성을 장기에 걸쳐 발휘하는 것이다.

도 1A 는, 본원 발명 피복 절삭 공구가 구비하는 (Al, Cr, Si, Cu)N 층을 형성하는 데에 사용한 아크 이온 플레이팅 장치의 개략 평면도이다.
도 1B 는, 본원 발명 피복 절삭 공구가 구비하는 (Al, Cr, Si, Cu)N 층을 형성하는 데에 사용한 아크 이온 플레이팅 장치의 개략 정면도이다.
도 2 는, 본원 발명 피복 절삭 공구가 구비하는 (Al, Cr, Si, Cu)N 층에 대해 측정한 X 선 회절 차트의 일례를 나타낸다.

다음으로, 본원 발명의 피복 절삭 공구를 실시예에 의해 구체적으로 설명한다.

또한, 실시예로는, WC 기 초경 합금을 공구 기체로서 사용한 경우에 대해 설명하지만, TiCN 기 서멧, 입방정 질화붕소 소결체, 고속도 공구강을 공구 기체로서 사용한 경우에도 동일하다.

실시예

원료 분말로서, 평균 입경 : 5.5 ㎛ 를 갖는 중조립 (中粗粒) WC 분말, 동 0.8 ㎛ 의 미립 WC 분말, 동 1.3 ㎛ 의 TaC 분말, 동 1.2 ㎛ 의 NbC 분말, 동 1.2 ㎛ 의 ZrC 분말, 동 2.3 ㎛ 의 Cr₃C₂ 분말, 동 1.5 ㎛ 의 VC 분말, 동 1.0 ㎛ 의 (Ti, W)C［질량비로, TiC/WC = 50/50］분말, 및 동 1.8 ㎛ 의 Co 분말을 준비하고, 이들 원료 분말을 각각 표 1 에 나타나는 배합 조성으로 배합하고, 추가로 왁스를 첨가하여 아세톤 중에서 24 시간 볼밀 혼합하고, 감압 건조시킨 후, 100 ㎫ 의 압력으로 소정 형상의 각종 압분체로 압출 프레스 성형하고, 이들 압분체를, 6 Pa 의 진공 분위기 중, 7 ℃/분의 승온 속도로 1370 ∼ 1470 ℃ 의 범위 내의 소정의 온도로 승온하고, 이 온도에 1 시간 유지 후, 노랭의 조건에서 소결하여, 직경이 10 ㎜ 인 공구 기체 형성용 환봉 소결체를 형성하고, 추가로 상기 환봉 소결체로부터, 연삭 가공에 의해, 절삭날부의 직경 × 길이가 6 ㎜ × 12 ㎜ 인 치수로, 비틀림각 30 도의 2 개날 볼 형상을 가진 WC 기 초경 합금제의 공구 기체 (엔드밀) 1 ∼ 3 을 각각 제조하였다.

(a) 상기의 공구 기체 1 ∼ 3 의 각각을 아세톤 중에서 초음파 세정하고, 건조시킨 상태에서, 도 1A 및 도 1B 에 나타내는 AIP 장치 (6) 의 회전 테이블 (2) 상의 중심축으로부터 반경 방향으로 소정 거리 떨어진 위치에 외주부를 따라 장착하고, AIP 장치 (6) 의 일방에 봄버드 세정용의 Ti 캐소드 전극 (9) 을, 타방측에 소정 조성의 Al-Cr-Si-Cu 합금으로 이루어지는 타깃 (캐소드 전극) (5) 을 배치하고,

(b) 먼저, 장치 내를 배기하여 진공으로 유지하면서, 히터 (1) 로 공구 기체 (3) 를 400 ℃ 로 가열한 후, 상기 회전 테이블 (2) 상에서 자전하면서 회전하는 공구 기체 (3) 에 -1000 V 의 직류 바이어스 전압을 인가하고, 또한, Ti 캐소드 전극 (5) 과 애노드 전극 (10) 사이에 100 A 의 전류를 흘려 아크 방전을 발생시키고, 이로써 공구 기체 표면을 봄바드 세정하고,

(c) 이어서, 상기 Al-Cr-Si-Cu 합금 타깃 (5) 의 표면에 표 2 에 나타내는 여러 가지의 최대 자속 밀도로 제어한 자장을 인가하고,

(d) 이어서, 장치 내에 반응 가스로서 질소 가스를 도입하여 표 2 에 나타내는 질소압으로 함과 함께, 상기 회전 테이블 (2) 상에서 자전하면서 회전하는 공구 기체 (3) 의 온도를 표 2 에 나타내는 온도 범위 내로 유지함과 함께 표 2 에 나타내는 직류 바이어스 전압을 인가하고, 또한 상기 Al-Cr-Si-Cu 합금 타깃 (5) 과 애노드 전극 (7) 사이에 100 A 의 전류를 흘려 아크 방전을 발생시키고, 이로써 상기 공구 기체 (3) 의 표면에, 표 4 에 나타나는 조성 및 목표 평균 층 두께의 (Al, Cr, Si, Cu)N 층으로 이루어지는 경질 피복층을 증착 형성함으로써, 표 4 에 나타내는 본원 발명의 피복 절삭 공구로서의 표면 피복 엔드밀 1 ∼ 10 (이하, 본 발명 1 ∼ 10 이라고 한다) 을 각각 제조하였다.

비교예 :

또, 비교의 목적에서, 상기 실시예에 있어서의 (c) 의 공정을 표 3 에 나타내는 조건 (즉, Al-Cr-Si-Cu 합금 타깃 (5) 의 표면의 최대 자속 밀도를 변경) 에서 실시하고, 또, (d) 의 공정을 마찬가지로 표 3 에 나타내는 조건 (즉, 질소 분압, 직류 바이어스 전압의 변경) 에서 실시하고, 그 외에는 실시예와 동일한 조건에서, 표 5 에 나타내는 비교예의 피복 절삭 공구로서의 표면 피복 엔드밀 1 ∼ 10 (이하, 비교예 1 ∼ 10 이라고 한다) 을 각각 제조하였다.

상기에서 제작한 본 발명 1 ∼ 10 및 비교예 1 ∼ 10 의 경질 피복층의 조성을, 주사형 전자 현미경 (SEM) 을 사용한 에너지 분산형 X 선 분석법 (EDS) 에 의해 측정하였다.

또, 그 층 두께를 주사형 전자 현미경을 사용하여 단면 측정하고, 5 개 지점의 측정값의 평균값으로부터 평균 층 두께를 산출하였다.

또한, 상기에서 제작한 본 발명 1 ∼ 10 및 비교예 1 ∼ 10 에 대해, 경질 피복층의 X 선 회절을 실시하고, 백그라운드 제거한 후에 육방정 구조를 나타내는 2θ = 55 ∼ 65°의 범위 내에 나타나는 (110) 면의 피크를 Pseudo Voigt 함수로 피팅하여, 그 피크의 반치폭을 측정하였다.

또한, X 선 회절은, X 선 회절 장치로서 스펙트리스사 PANalytical Empyrean을 사용하여, CuKα 선에 의한 2θ-θ 법으로 측정하고, 측정 조건으로서, 측정 범위 (2θ) : 30 ∼ 80 도, X 선 출력 : 45 ㎸, 40 ㎃, 발산 슬릿 : 0.5 도, 스캔 스텝 : 0.013 도, 1 스텝당 측정 시간 : 0.48 sec/step 라는 조건에서 측정하였다.

표 4, 표 5 에 측정·산출한 각각의 값을 나타낸다.

다음으로, 상기 본 발명 1 ∼ 10 및 비교예 1 ∼ 10 의 엔드밀에 대해, 하기의 조건 (절삭 조건 A 라고 한다) 에서의 합금 공구강의 측면 절삭 가공 시험을 실시하였다.

피삭재-평면 치수 : 100 ㎜ × 250 ㎜, 두께 : 50 ㎜ 의 JIS·SKD11 (60HRC)의 판재,

절삭 속도 : 100 m/min,

회전 속도 : 5400 min.^-1,

절입 : ae 0.2 ㎜, ap 2 ㎜,

이송 속도 (1 날당) : 0.05 ㎜/tooth,

절삭 길이 : 40 m,

또한, 하기의 조건 (절삭 조건 B 라고 한다) 에서의 고속도 공구강의 측면 절삭 가공 시험을 실시하였다.

피삭재-평면 치수 : 100 ㎜ × 250 ㎜, 두께 : 50 ㎜ 의 JIS·SKH51 (64HRC) 의 판재,

절삭 속도 : 100 m/min,

회전 속도 : 5400 min.^-1,

절입 : ae 0.2 ㎜, ap 2 ㎜,

이송 속도 (1 날당) : 0.05 ㎜/tooth,

절삭 길이 : 10 m,

어떠한 측면 절삭 가공 시험에서도 절삭날의 플랭크면 마모 폭을 측정하였다.

이 측정 결과를 표 6 에 나타내었다.

표 6 에 나타나는 결과로부터, 본원 발명의 피복 절삭 공구는, 경질 피복층으로서, 적어도 소정 조성의 (Al, Cr, Si, Cu)N 층을 함유하고, (Al, Cr, Si, Cu)N 층의 결정 구조는 육방정 구조가 주체이며, 또한, X 선 회절을 실시한 경우, 2θ = 55 ∼ 65°의 범위에 존재하는 (110) 면의 회절 피크의 반치폭은 1.0 ∼ 3.5°임으로써, ??칭강 등의 고경도재의 절삭 가공에 있어서, 우수한 내치핑성과 내마모성을 나타내고, 장기의 사용에 걸쳐 우수한 절삭 성능을 발휘하는 것이다.

이에 반해, 경질 피복층을 구성하는 (Al, Cr, Si, Cu)N 층의 조성, 결정 구조 혹은 (110) 면의 회절 피크의 반치폭이 본원 발명에서 규정하는 범위를 벗어나는 비교예의 피복 절삭 공구에서는, 치핑의 발생, 혹은, 마모 진행에 의해, 비교적 단시간에 사용 수명에 이르는 것이 분명하다.

또한, 상기 실시예의 표 6 은, WC 기 초경 합금을 공구 기체로 하는 본원 발명의 피복 절삭 공구에 대한 것이지만, 공구 기체는, WC 기 초경 합금에 한정되는 것이 아니고, TiCN 기 서멧, 입방정 질화붕소 소결체, 고속도 공구강을 공구 기체로서 사용할 수 있고, 이것들을 공구 기체로 하는 본원 발명의 피복 절삭 공구에 있어서도, 상기 실시예와 마찬가지로, 우수한 내치핑성 및 우수한 내마모성이 장기의 사용에 걸쳐 발휘된다.

상기 서술한 바와 같이, 본원 발명의 피복 절삭 공구는, ??칭강 등의 고경도재의 고속 밀링 가공에 제공한 경우에 장기에 걸쳐 우수한 절삭 성능을 나타내는 것이기 때문에, 절삭 가공 장치의 FA 화, 그리고 절삭 가공의 생력화 및 에너지 절약화, 또한 저비용화에 충분히 만족스럽게 대응할 수 있는 것이다.

1 : 히터
2 : 회전 테이블
3 : 초경 기체
4, 8 : 자력 발생원
5 : Al-Cr-Si-Cu 합금 타깃 (캐소드 전극)
6 : AIP 장치
7, 10 : 애노드 전극
9 : Ti 타깃 (캐소드 전극)
11 : 반응 가스 도입구
12 : 배기 가스구
13, 14 : 아크 전극
15 : 바이어스 전극

Claims

탄화텅스텐기 초경 합금, TiCN 기 서멧, 입방정 질화붕소 소결체 및 고속도 공구강의 어느 것으로 이루어지는 공구 기체의 표면에, 경질 피복층이 형성된 표면 피복 절삭 공구에 있어서,
상기 경질 피복층은, 평균 층 두께 0.5 ∼ 8.0 ㎛ 의 Al 과 Cr 과 Si 와 Cu 의 복합 질화물층을 적어도 포함하고,
상기 복합 질화물층은,
조성식 : (Al_1-a-b-cCr_aSi_bCu_c)N 으로 나타낸 경우,
0.15 ≤ a ≤ 0.40, 0.05 ≤ b ≤ 0.20, 0.005 ≤ c ≤ 0.05 (단, a, b, c 는 모두 원자비) 를 만족하고,
상기 복합 질화물층의 결정 구조는 육방정 구조로 이루어지고, 그 복합 질화물층에 대해 X 선 회절에 의해 구한 2θ = 55 ∼ 65°의 범위 내에 존재하는 (110) 면의 회절 피크의 반치폭은 1.0 ∼ 3.5°인 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 복합 질화물층은, 그 층 중에 육방정 구조의 결정과 함께 입방정 구조의 결정을 함유하는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 복합 질화물층의 입방정 (200) 면의 회절 피크 강도를 c(200), 육방정 (110) 면의 회절 피크 강도를 h(110) 로 했을 때, 피크 강도비 c(200)/h(110) ＜ 1 인 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.