KR20150004339A

KR20150004339A - 표면 피복 절삭 공구

Info

Publication number: KR20150004339A
Application number: KR1020147028138A
Authority: KR
Inventors: 신야 이마무라; 다카히로 이치카와; 스스무 오쿠노; 히데아키 가나오카; 게이이치 츠다
Original assignee: 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤
Priority date: 2012-04-19
Filing date: 2013-04-11
Publication date: 2015-01-12
Anticipated expiration: 2033-04-11
Also published as: US9457407B2; WO2013157472A1; EP3064610B1; CN104271291B; KR101906650B1; CN104271291A; EP2839907B1; EP2839907A4; EP2839907A1; US20150064453A1; JPWO2013157472A1; EP3064610A1; JP6041160B2

Abstract

본 발명의 표면 피복 절삭 공구는 기재와 이 기재 상에 형성된 피복막을 포함하고, 상기 피복막은 1 또는 2 이상의 층을 포함하고, 상기 층 중 상기 기재와 접하는 층은 TiN층이고, 상기 TiN층은 TiN과 함께 적어도 하나의 원소를 포함하고, 상기 원소는 상기 TiN층의 두께 방향으로 농도 분포를 갖고, 상기 농도 분포는, 상기 원소의 농도가 상기 기재 측으로부터 상기 피복막의 표면 측에 걸쳐서 감소하는 영역을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

표면 피복 절삭 공구{SURFACE-COATED CUTTING TOOL}

본 발명은 기재와 이 기재 상에 형성된 피복막을 갖는 표면 피복 절삭 공구에 관한 것이다.

최근의 절삭 가공의 동향으로서, 지구 환경 보전의 관점에서 절삭 유제를 이용하지 않는 드라이 가공이 요구되고 있다는 것, 피삭재가 다양화되고 있다는 것, 가공 능률을 한층 더 향상시키기 위해서 절삭 속도가 보다 고속화되고 있다는 것 등을 들 수 있다. 이 때문에, 절삭 가공에 이용되는 절삭 공구에 있어서, 가공시의 날끝 온도가 고온으로 되는 경향이 있어, 공구 재료에 요구되는 특성은 한층 더 엄격해지고 있다.

특히 공구 표면에 형성되는 피복막(세라믹스 코팅막이나 경질층 등이라고도 불림)은, 이러한 요구 특성을 만족시키기 위해 매우 중요한 요인으로 되어 있다. 이러한 피복막에 요구되는 특성으로서, 고경도(내마모성) 및 고온에서의 안정성(내산화성)에 더하여, 기재와의 강고한 밀착성을 들 수 있다.

기재에 대한 피복막의 밀착성을 향상시키기 위해서, 일본 특허공개 평05-237707호 공보(특허문헌 1)에서는, 초경합금으로 이루어지는 기재에 대하여 복수의 피복막이 형성되고, 그 제1층에 W 및 Co를 확산시키는 것이 제안되어 있다. 또한 일본 특허공개 2002-331403호 공보(특허문헌 2)에서는, 기재 표면에 돌기가 형성되고, 그 돌기의 입계에 피복막을 편석시킴으로써 앵커 효과를 갖게 하는 것이 제안되어 있다.

일본 특허공개 평05-237707호 공보 일본 특허공개 2002-331403호 공보

특허문헌 1에서는, 제1층의 피복 온도가 700~800℃로 저온이기 때문에, 기재와 피복막의 밀착성을 충분히 향상시킬 수는 없었다. 또한 특허문헌 2에서는, 피복막은 기재 표면의 돌기를 따라서 요철 상에 성장하지만, 균일하게 결정 성장하지 않기 때문 내마모성이나 강도가 저하되는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 현상에 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는 기재와 피복막의 밀착성이 우수한 표면 피복 절삭 공구를 제공하는 데에 있다.

본 발명자는 상기 과제를 해결하기 위해서 예의 검토를 거듭한 결과, 기재와의 밀착성이 우수하다는 것이 알려져 있는 TiN층을 피복막의 최하층, 즉 기재와 접하는 위치에 배치시키고, 또 기재를 구성하는 성분을 그 층 속에 확산시킴으로써 그 밀착성이 더욱 향상되는 것은 아닌가라는 지견을 얻고, 이 지견에 기초하여 더욱 검토를 거듭한 결과 본 발명을 완성시킨 것이다.

즉, 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는 기재와 이 기재 상에 형성된 피복막을 포함하고, 이 피복막은 1 또는 2 이상의 층을 포함하고, 이 층 중 상기 기재와 접하는 층은 TiN층이고, 이 TiN층은 TiN과 함께 적어도 하나의 원소를 포함하고, 이 원소는 상기 TiN층의 두께 방향으로 농도 분포를 갖고, 이 농도 분포는, 상기 원소의 농도가 상기 기재 측으로부터 상기 피복막의 표면 측에 걸쳐서 감소하는 영역을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 표면 피복 절삭 공구는 다음과 같이 제1 양태~제2 양태라는 2 양태를 주로 포함하는 것이다. 한편, 제2 양태는 제1 양태의 하위 개념이라고도 생각할 수 있다.

즉, 본 발명의 제1 양태의 표면 피복 절삭 공구는 기재와 이 기재 상에 형성된 피복막을 포함하고, 이 피복막은 1 또는 2 이상의 층을 포함하고, 이 층 중 상기 기재와 접하는 층은 TiN층이고, 이 TiN층은 TiN과 함께 C를 포함하고, 이 C는 상기 TiN층의 두께 방향으로 농도 분포를 갖고, 이 농도 분포는 상기 C의 농도가 상기 기재 측으로부터 상기 피복막의 표면 측에 걸쳐서 감소하는 영역을 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 농도 분포에 있어서, 상기 C의 최대 농도와 최소 농도의 차는 10 원자% 이상인 것이 바람직하고, 상기 C의 최대 농도는 30 원자% 이하인 것이 바람직하다.

또한, 상기 농도 분포는, 상기 C의 농도가 상기 기재 측으로부터 감소한 후 극소점에 달하고, 그 후 상기 피복막의 표면 측에 걸쳐서 증가하는 분포를 갖는 것이 바람직하며, 상기 TiN층은 0.1~0.5 ㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.

또한, 상기 피복막은 상기 TiN층의 바로 위에 TiCN층을 포함하고, 이 TiCN층은 TiCN을 포함하고, 이 TiCN층에 있어서의 C는 최대 농도가 20 원자% 이상으로 되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 피복막은 다른 층을 더 포함하고, 이 다른 층은, 주기율표의 4족 원소(Ti, Zr, Hf 등), 5족 원소(V, Nb, Ta 등), 6족 원소(Cr, Mo, W 등), Al 및 Si로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 1종의 원소와, 붕소, 탄소, 질소 및 산소로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 1종의 원소로 이루어지는 화합물로 구성되는 1 이상의 층인 것이 바람직하다.

또한, 상기 피복막은 화학 증착법에 의해 형성되는 것이 바람직하고, 상기 기재는 초경합금인 것이 바람직하다.

본 발명의 제2 양태의 표면 피복 절삭 공구는 기재와 이 기재 상에 형성된 피복막을 포함하고, 상기 기재는 초경합금으로 이루어지고, 상기 피복막은 1 또는 2 이상의 층을 포함하고, 상기 층 중 상기 기재와 접하는 층은 TiN층이고, 상기 TiN층은 TiN과 함께 C와 Co를 포함하고, 상기 C과 상기 Co는 각각 상기 TiN층의 두께 방향으로 농도 분포를 갖고, 상기 C의 농도 분포는, 상기 C의 농도가 상기 기재 측으로부터 상기 피복막의 표면 측에 걸쳐서 감소하는 영역을 포함하고, 상기 Co의 농도 분포는, 상기 Co의 농도가 상기 기재 측으로부터 상기 피복막의 표면 측에 걸쳐서 감소하는 영역을 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 TiN층 중에 있어서의 상기 C와 상기 Co는 상기 Co에 대하여 상기 C가 원자비로 2배 이상 존재하는 것이 바람직하고, 상기 C의 농도 분포에 있어서, 상기 C의 최대 농도와 최소 농도의 차는 10 원자% 이상인 것이 바람직하다.

또한, 상기 C의 최대 농도는 30 원자% 이하이고, 상기 Co의 최대 농도는 5 원자% 이하인 것이 바람직하다. 또한, 상기 C의 농도 분포는, 상기 C의 농도가 상기 기재 측으로부터 감소한 후 극소점에 달하고, 그 후 상기 피복막의 표면 측에 걸쳐서 증가하는 분포를 갖고, 상기 Co의 농도 분포는, 상기 Co의 농도가 상기 기재 측으로부터 상기 피복막의 표면 측에 걸쳐서 감소하는 분포를 갖는 것이 바람직하다.

또한, 상기 TiN층은 0.1~0.5 ㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 피복막은 상기 TiN층의 바로 위에 TiCN층을 포함하고, 상기 TiCN층은 TiCN을 포함하고, 상기 TiCN층에 있어서의 C는 최대 농도가 20 원자% 이상으로 되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 피복막은 다른 층을 더 포함하고, 상기 다른 층은, 주기율표의 4족 원소(Ti, Zr, Hf 등), 5족 원소(V, Nb, Ta 등), 6족 원소(Cr, Mo, W 등), Al 및 Si로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 1종의 원소와, 붕소, 탄소, 질소 및 산소로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 1종의 원소로 이루어지는 화합물로 구성되는 1 이상의 층인 것이 바람직하고, 상기 피복막은 화학 증착법에 의해 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 표면 피복 절삭 공구는 상기한 구성을 가짐으로써, 기재와 그 표면에 형성되는 피복막과의 밀착성이 우수하다고 하는 매우 우수한 효과를 갖는다. 따라서, 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는 절삭 가공에 있어서 긴 수명을 달성하게 된다.

이하, 본 발명에 관해서 더욱 상세히 설명한다.

<표면 피복 절삭 공구>

본 발명의 표면 피복 절삭 공구는 기재와 이 기재 상에 형성된 피복막을 포함하는 구성을 갖는다. 이러한 피복막은 기재의 전면(全面)을 피복하는 것이 바람직하지만, 기재의 일부가 이 피복막으로 피복되어 있지 않거나, 피복막의 구성이 부분적으로 다르다고 해도 본 발명의 범위를 일탈하는 것은 아니다.

이러한 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는 드릴, 엔드밀, 드릴용 날끝 교환형 절삭 팁, 엔드밀용 날끝 교환형 절삭 팁, 프라이즈 가공용 날끝 교환형 절삭 팁, 선삭 가공용 날끝 교환형 절삭 팁, 메탈소오, 기어 컷팅 공구, 리머, 탭 등의 절삭 공구로서 적합하게 사용할 수 있다.

이하, 본 발명의 표면 피복 절삭 공구에 관해서, 제1 양태와 제2 양태로 나눠 더욱 자세하게 설명한다.

<제1 양태의 표면 피복 절삭 공구>

<기재>

본 발명의 제1 양태의 표면 피복 절삭 공구에 이용되는 기재는, 이런 유형의 기재로서 종래 공지된 것 중에, 탄소를 포함하는 것이라면 어느 것이나 사용할 수 있다. 예컨대, 초경합금(예컨대 WC기 초경합금, WC 외에, Co를 포함하거나, 혹은 Ti, Ta, Nb 등의 탄질화물을 첨가한 것도 포함함), 서멧(TiC, TiN, TiCN 등을 주성분으로 하는 것), 고속도강, 세라믹스(탄화티탄, 탄화규소 등), 다이아몬드 소결체 중 어느 하나인 것이 바람직하다.

이들 각종 기재 중에서도 특히 초경합금이 바람직하다. TiN층에 C를 용이하게 확산할 수 있기 때문이다.

한편, 표면 피복 절삭 공구가 날끝 교환형 절삭 팁 등인 경우, 이러한 기재는, 팁 브레이커를 갖는 것도, 갖지 않는 것도 포함되며, 또한, 날끝 능선부는, 그 형상이 샤프 엣지(절삭면과 여유면이 교차하는 능), 호우닝(샤프 엣지에 대하여 R(라운드)을 부여한 것), 네거티브 랜드(모따기를 한 것), 호우닝과 네거티브 랜드를 조합한 것의 어느 것이나 포함된다.

<피복막>

본 발명의 제1 양태의 피복막은 1 또는 2 이상의 층으로 이루어진다. 이러한 피복막은 일반적으로 절삭 공구로서의 내마모성이나 내결손성 등의 제반 특성을 향상시키거나, 사용이 끝난 날끝의 식별성을 부여하기 위해서 형성되는 것이다.

이러한 피복막의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 예컨대 3~20 ㎛, 보다 바람직하게는 4~15 ㎛로 할 수 있다. 또한, 이러한 피복막은 물리 증착(PVD)법이나 화학 증착(CVD)법 등 종래 공지된 형성 방법(성막 방법)을 특별히 한정하지 않고 채용할 수 있지만, 특히 화학 증착법에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 화학 증착법을 채용하면, 성막 온도가 800~1050℃로 비교적 높아, 물리 증착법 등과 비교하여도 기재와의 밀착성이 우수하기 때문이다.

<TiN층>

본 발명의 제1 양태의 피복막은 상기와 같이 1 또는 2 이상의 층으로 이루어지는 것인데, 그 층 중 상기 기재와 접하는 층은 TiN층이다. TiN층은 각종 기재와의 밀착성이 우수하다고 하는 뛰어난 작용을 갖는다.

그리고, 본 발명의 제1 양태에서는, 상기 TiN층은 TiN과 함께 C(탄소)를 포함하고, 상기 C는 상기 TiN층의 두께 방향으로 농도 분포를 갖고, 상기 농도 분포는, 상기 C의 농도가 상기 기재 측으로부터 상기 피복막의 표면 측에 걸쳐서 감소하는 영역을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 TiN층이 이러한 특징을 가짐으로써, 기재와 피복막의 밀착성이 현저히 향상되게 된다.

아마도 이것은, 기재 중의 C가 TiN층과의 계면을 통해 TiN층 속으로 확산함으로써 기재와 TiN층(피복막)의 밀착성이 향상되는 것으로 생각된다. 그러나, 이와 같이 TiN층 속으로 확산된 C는 밀착성을 향상시킨다고 하는 관점에서는 중요한 인자가 되는 것이지만, 그 반면 피복막을 취화(脆化)시킨다고 하는 작용이 있기 때문에, 피복막의 강도라는 관점에서는 그 존재는 바람직한 것이 아니다. 그래서, 본 발명의 제1 양태는 이 상반적인 작용을 조화되게 하기 위해서, C를 TiN층의 두께 방향으로 농도 분포를 갖는 상태로 존재하게 하여, 기재 측의 C의 농도를 높게 하고, 피복막의 표면 측에 걸쳐서 그 농도를 낮게 한 것이다.

즉, 본 발명의 제1 양태의 TiN층은 TiN과 함께 C를 포함하고, 이 C는 TiN층의 두께 방향으로 농도 분포를 갖고, 이 농도 분포는, C의 농도가 기재 측으로부터 피복막의 표면 측에 걸쳐서 감소하는 영역을 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, TiN층 중의 C(탄소)의 존재 형태는, 특별히 한정되지 않고, 원자형의 탄소로서 존재하거나, 혹은 TiN 중에 고용(固溶)되어 존재하는 것으로 추측된다. 또한, 「C의 농도가 기재 측으로부터 피복막의 표면 측에 걸쳐서 감소하는 영역을 포함한다」란, TiN층의 두께 방향에서의 C의 농도 분포에 있어서, C의 농도가 기재 측으로부터 피복막의 표면 측에 걸쳐서 감소하는 부분이 포함되어 있으면 된다는 것을 의미하고, 이러한 부분이 포함되는 한, 두께 방향에 있어서 C의 농도가 일정하게 되는 부분이나 피복막의 표면 측에 걸쳐서 그 농도가 증가하는 부분이나 C가 포함되어 있지 않은 부분 등이 존재하여도 되는 것을 의미하는 것이다.

또한, 상기 농도 분포에 있어서, C의 최대 농도와 최소 농도의 차는 10 원자% 이상인 것이 바람직하고, C의 최대 농도는 30 원자% 이하인 것이 바람직하다. 이것은, C의 최대 농도가 30 원자%를 넘으면, 밀착성을 향상시키는 작용보다도 피복막을 취화시키는 작용이 우수하게 되어, 결과적으로 피복막의 강도가 저하하기 때문이다. 또한, 최대 농도와 최소 농도의 차가 10 원자% 미만이면, 충분한 밀착성의 향상 작용이 나타나지 않는 경우가 있다. 한편, C의 최대 농도의 하한은, 특별히 한정되지 않지만, 충분한 밀착성의 향상 작용을 얻는다고 하는 관점에서는 5 원자% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, C의 최대 농도는 상기한 바와 같이 30 원자% 이하로 하는 것이 바람직하므로, C의 최대 농도와 최소 농도의 차는 15 원자% 이하로 하는 것이 바람직하다.

한편, 여기서 말하는 C의 농도(원자%)는 TiN층을 구성하는 전체 원자에 대한 것이다.

더욱이, 상기 농도 분포는, C의 농도가 기재 측으로부터 감소한 후 극소점에 달하고, 그 후 피복막의 표면 측에 걸쳐서 증가하는 분포를 갖는 것이 바람직하다. 이것은, 농도의 극소점을 존재하게 함으로써 C의 농도가 낮아지는 영역을 확보하고, 이에 따라 C에서 기인한 피복막의 취화를 억제하고, 이로써 피복막의 강도 저하를 방지하고, 피복막의 표면 측에 걸쳐서 C의 농도를 증가시킴으로써 피복막의 경도를 높일 수 있기 때문이다. 즉, 이러한 농도 분포로 함으로써, 피복막의 강도와 경도를 고도로 양립시킬 수 있게 된다.

한편, 피복막의 표면 측에 걸쳐서 C의 농도를 증가시키는 수단으로서는, 여러 가지 방법을 생각할 수 있는데, 상기 TiN층의 바로 위에 형성되는 층으로부터 C를 확산시키는 것이 가장 용이하고 바람직하다고 생각된다.

이러한 본 발명의 제1 양태의 TiN층은 0.1~0.5 ㎛(0.1 ㎛ 이상 0.5 ㎛ 이하)의 두께를 갖는 것이 바람직하다. TiN층의 두께가 0.1 ㎛ 미만이면, 밀착성을 향상시키는 작용이 충분히 나타나지 않는 경우가 있고, 0.5 ㎛를 넘으면, 피복막 전체의 내마모성이 저하하는 경우가 있다. TiN층의 두께는 보다 바람직하게는 0.2~0.4 ㎛이다.

한편, 본 발명의 제1 양태에 있어서, 피복막의 조성이나 C의 농도는 피복막의 단면을 투과형 전자현미경의 EDS(에너지 분산형 X선 분석 장치) 분석에 의해 구할 수 있다. 또한, 피복막의 두께는 피복막의 단면을 주사형 전자현미경에 의해 관찰함으로써 측정할 수 있다.

<TiCN층>

본 발명의 제1 양태의 피복막은 상기 TiN층의 바로 위에 TiCN층을 포함하는 것이 바람직하다. 그리고, 이러한 TiCN층은 TiCN을 포함하고, 이 층에 있어서의 C(탄소)는, 최대 농도가 20 원자% 이상으로 되는 것이 바람직하다. 이와 같이 TiN층의 바로 위에 TiCN층을 배치하게 함으로써, TiCN층으로부터 TiN층으로 C가 확산되어, 이들 양 층 사이의 밀착성이 향상된다.

한편, TiCN층에 있어서의 C의 최대 농도는 20 원자% 이상으로 되는 것이 바람직한데, 이것은 TiCN층의 내마모성 향상에 필요하기 때문이다. C의 최대 농도는 30 원자% 이상으로 하는 것이 보다 바람직하고, 또한 그 상한은 60 원자% 이하로 하는 것이 바람직하다. 그 상한이 60 원자%를 넘으면 취화에 의해 취약하게 되기 때문이다.

한편, 본 발명의 제1 양태에 있어서, 「TiN」이나 「TiCN」등의 화학식에서 특별히 원자비를 특정하지 않은 것은, 각 원소의 원자비가 「1」뿐임을 나타내는 것이 아니라, 종래 공지된 원자비가 전부 포함되는 것으로 한다. 특히, 이 TiCN층의 TiCN에 관해서는, C가 화학양론비를 넘어 존재하는 경우가 포함된다.

<다른 층>

본 발명의 제1 양태의 피복막은 상기 TiN층 및 TiCN층 이외에 다른 층을 더 포함할 수 있다. 이러한 다른 층은 TiCN층(TiCN층이 형성되지 않는 경우는 TiN층) 상에 형성된다.

이러한 다른 층은, 주기율표의 4족 원소, 5족 원소, 6족 원소, Al 및 Si로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 1종의 원소와, 붕소, 탄소, 질소 및 산소로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 1종의 원소로 이루어지는 화합물로 구성되는 1 이상의 층인 것이 바람직하다. 이러한 다른 층을 형성시킴으로써, 절삭 공구로서의 내마모성이나 내결손성 등의 제반 특성을 향상시키거나, 사용 종료된 날끝의 식별성을 부여하게 하거나 할 수 있다.

여기서, 이러한 다른 층을 구성하는 화합물의 구체예로서는, 예컨대 TiC, Al₂O₃, ZrN, TiAlN, TiBN, TiCN, TiN, CrN, ZrCN, AlZrO, HfN, TiSiCN, ZrO₂, TiB₂, TiAlCN, TiCNO, Ti₂O₃ 등을 들 수 있다.

한편, 상기한 화합물의 구체예로서, TiN이나 TiCN을 들고 있는데, 이것은 TiN층을 기재의 바로 위 이외의 부위에도 배치할 수 있다는 것과 TiCN층을 TiN층의 바로 위 이외의 부위에도 배치할 수 있다는 것을 나타내고 있다.

<제조 방법>

본 발명의 제1 양태의 표면 피복 절삭 공구는 예컨대 다음과 같이 하여 제조할 수 있다.

우선 기재를 준비한다. 기재가 초경합금인 경우는, 그 제작시에, 고압 승온 공정과 저압 승온 공정으로 이루어지는 복합 공정을, 1회 이상 행함으로써 기재를 제작하는 것이 바람직하다.

여기서, 고압 승온 공정이란, 기재 전구체(원료 분말을 원하는 형상으로 성형한 것)를 CVD로 등의 가열 장치 내에 세팅하고, 압력 800 hPa~대기압(1013 hPa)이라는 고압 상태에서, H₂ 가스 및 Ar 가스를 합계 0.5~5 L/min의 낮은 유량으로 도입하면서 900~1000℃에서 60~180분간 유지하는 공정을 말한다. 이 공정에 의해, 기재의 표면 근방의 C 농도가 상승한다.

또한, 저압 승온 공정이란, 상기한 고압 승온 공정을 거친 기재 전구체를 이어서 동 장치 내에 세팅하여, 압력 10~50 hPa라는 저압 상태에서, H₂ 가스 및 N₂ 가스를 합계 10~50 L/min의 유량으로 도입하면서 900~1000℃에서 15~30분간 유지하는 공정을 말한다. 이 공정에 의해, 기재의 표면 근방의 C 농도의 상승이 더욱 조장된다. 즉, 이러한 고압 승온 공정과 저압 승온 공정을 1회 이상 반복함으로써, 기재 표면의 C 농도가 상승하고 그 후에 행해지는 피복막 형성 공정(TiN층 형성 공정)에서, TiN층 속으로 기재 중의 C가 용이하게 확산되게 되어, 본 발명의 제1 양태의 구성의 TiN층이 형성되게 된다.

한편, 상기한 고압 승온 공정에서, 압력이 높아지면 높아질수록, 또한 가스의 유량이 적어지면 적어질수록, 혹은 온도가 높아지면 높아질수록, 기재의 표면 근방의 C 농도의 상승이 조장된다. 또한 마찬가지로, 상기한 저압 승온 공정에서, 압력이 낮아지면 낮아질수록, 또한 가스의 유량이 적어지면 적어질수록, 혹은 온도가 높아지면 높아질수록, 기재의 표면 근방의 C 농도의 상승이 조장된다. 이와 같이, 기재의 표면 근방의 C 농도의 상승이 조장되면, 결과적으로 TiN층 속으로 확산되는 C의 농도가 높아진다.

한편, 기재가 세라믹스인 경우는, 예컨대 SiC와 같이 C를 함유하는 조성인 것을 선택하여, 그 제작시에 상기한 초경합금과 같은 처리를 실시함으로써 기재의 표면 근방의 C 농도의 상승을 조장할 수 있다.

또한, 기재가 입방정 질화붕소인 경우는, 예컨대 결합재로서 TiC나 WC-Co와 같이 C를 함유하는 조성인 것을 선택하여, 그 제작시에 상기한 초경합금과 같은 식의 처리를 실시함으로써 기재의 표면 근방의 C 농도의 상승을 조장할 수 있다.

이어서 상기한 바와 같이 준비된 기재의 표면 상에 TiN층을 형성한다. TiN층은 CVD법으로 형성하는 것이 바람직하며, 예컨대 40~100 hPa의 압력 하에, 반응 가스로서 H₂ 가스를 15~40 L/min, N₂ 가스를 10~30 L/min 및 TiCl₄ 가스를 1~5 L/min의 유량으로 CVD로 내에 투입하고, 온도를 900~1000℃로 하여 성막을 시작한다. 그 후, 성막 온도를 서서히 저하시켜 최종적으로 840~860℃로 한다. 이러한 성막 시간은 20~60분간으로 하는 것이 바람직하다. 이와 같이, TiN층의 형성 중(성막 중)에 온도를 서서히 저하시킴으로써, TiN층의 두께 방향에 있어서, C의 농도가 기재 측으로부터 피복막의 표면 측에 걸쳐서 감소하는 영역을 포함하는 농도 분포를 형성할 수 있다.

이 경우, 상기 압력이 낮아지면 낮아질수록, 또한 가스의 유량이 적어지면 적어질수록, 혹은 온도의 저하가 커지면 커질수록, 농도 분포에 있어서 최대 농도와 최소 농도의 차를 크게 할 수 있다.

한편, TiN층을 PVD법으로 형성하는 경우는, N₂ 가스 분위기 하에서 온도 700℃ 이상, 압력 0.5~2 Pa, 아크 전류 150 A, 바이어스 전압 30 V라는 조건으로 성막을 시작하여, 서서히 온도를 저하시켜 최종적으로 400~500℃로 하고, 성막 시간을 20~30분간으로 하는 조건을 채용함으로써, 상기와 같은 TiN층 속에서의 C의 농도 분포를 형성할 수 있다.

이 경우, 상기 온도가 높아지면 높아질수록, 농도 분포에 있어서 최대 농도와 최소 농도의 차를 크게 할 수 있다.

이어서, 상기한 TiN층 상에 TiCN층을 형성하는 경우는, TiCN층도 CVD법으로 형성하는 것이 바람직하다. 즉, 예컨대 40~100 hPa의 압력 하에, 반응 가스로서 H₂ 가스를 50~100 L/min, N₂ 가스를 10~40 L/min, TiCl₄ 가스를 1~6 L/min 및 CH₃CN 가스를 0.2~1.0 L/min의 유량으로 CVD로 내에 투입하고, 온도를 800~870℃로 하여 성막을 한다. 이러한 성막의 시간은 100~200분간으로 하는 것이 바람직하다. 이와 같이, TiCN층의 형성(성막)을 100 hPa 이하, 보다 바람직하게는 50 hPa 이하라는 저압 조건으로 행함으로써, TiCN층의 성막 속도가 낮아져, 이미 형성되어 있는 TiN층으로 TiCN층 속의 C가 확산되는 것이 조장된다. 이에 따라, TiN층 중의 C의 농도 분포에서 극소점이 형성되게 된다.

이 경우, 상기 압력이 낮아지면 낮아질수록, 또한 가스의 유량이 적어지면 적어질수록, 혹은 온도가 높아지면 높아질수록, 상기 극소점의 위치가 TiCN층 측으로부터 멀어지는 경향을 보인다.

한편, TiCN층을 PVD법으로 형성하는 경우는, CH₄ 및 N₂로 이루어지는 가스 분위기 하에서, 유량비를 CH₄/N₂=1/6~1/1로 하고, 아크 전류 150 A, 바이어스 전압 100~250 V, 온도 400~500℃, 압력 0.5~3 Pa라는 조건을 채용함으로써, 상기와 마찬가지로 TiN층 중의 C의 농도 분포에서 극소점을 형성할 수 있다.

이 경우, 상기 온도가 높아지면 높아질수록, 극소점의 위치가 TiCN층 측으로부터 멀어지는 경향을 보인다.

이어서, 피복막으로서 다른 층을 TiCN층(TiCN층이 형성되지 않는 경우는 TiN층) 상에 형성하는 경우는, 종래 공지된 CVD법 또는 PVD법에 의해 다른 층을 형성할 수 있다. 이 경우, TiN층 및 TiCN층을 CVD법으로 형성하는 경우는, 다른 층도 CVD법으로 형성하는 것이 바람직하다.

이와 같이 하여, 본 발명의 제1 양태의 구성을 갖는 표면 피복 절삭 공구를 제조할 수 있다.

<제2 양태의 표면 피복 절삭 공구>

<기재>

본 발명의 제2 양태의 표면 피복 절삭 공구에 이용되는 기재는 초경합금으로 이루어진다. 예컨대, WC기 초경합금, WC 외에, Co를 포함하거나, 혹은 Ti, Ta, Nb 등의 탄질화물을 첨가한 것 등을 들 수 있지만, C과 Co를 포함하는 한 종래 공지된 조성의 초경합금을 특별히 한정하지 않고 이용할 수 있다.

한편, 표면 피복 절삭 공구가 날끝 교환형 절삭 팁 등인 경우, 이러한 기재는, 팁 브레이커를 갖는 것도, 갖지 않는 것도 포함되며, 또한, 날끝 능선부는, 그 형상이 샤프 엣지(절삭면과 여유면이 교차하는 능), 호우닝(샤프 엣지에 대하여 R을 부여한 것), 네거티브 랜드(모따기를 한 것), 호우닝과 네거티브 랜드를 조합한 것의 어느 것이나 포함된다.

<피복막>

본 발명의 제2 양태의 피복막은 1 또는 2 이상의 층으로 이루어진다. 이러한 피복막은, 일반적으로 절삭 공구로서의 내마모성이나 내결손성 등의 제반 특성을 향상시키거나, 사용 종료된 날끝의 식별성을 부여하기 위해서 형성되는 것이다.

이러한 피복막의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 예컨대 3~20 ㎛, 보다 바람직하게는 4~15 ㎛로 할 수 있다. 또한, 이러한 피복막은, 물리 증착(PVD)법이나 화학 증착(CVD)법 등 종래 공지된 형성 방법(성막 방법)을 특별히 한정하지 않고서 채용할 수 있지만, 특히 화학 증착법에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 화학 증착법을 채용하면 성막 온도가 800~1050℃로 비교적 높아, 물리 증착법 등과 비교하더라도 기재와의 밀착성이 우수하기 때문이다.

<TiN층>

본 발명의 제2 양태의 피복막은 상기한 바와 같이 1 또는 2 이상의 층으로 이루어지는 것인데, 이 층 중 상기 기재와 접하는 층은 TiN층이다. TiN층은 초경합금과의 밀착성이 우수하다고 하는 뛰어난 작용을 갖는다.

그리고, 본 발명의 제2 양태에서는, 상기 TiN층은 TiN과 함께 C(탄소)와 Co(코발트)를 포함하고, 이 C와 상기 Co는 각각 상기 TiN층의 두께 방향으로 농도 분포를 갖고, 상기 C의 농도 분포는 상기 C의 농도가 상기 기재 측으로부터 상기 피복막의 표면 측에 걸쳐서 감소하는 영역을 포함하고, 상기 Co의 농도 분포는, 상기 Co의 농도가 상기 기재 측으로부터 상기 피복막의 표면 측에 걸쳐서 감소하는 영역을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 TiN층이 이러한 특징을 가짐으로써, 기재와 피복막의 밀착성이 현저하게 향상되게 된다.

아마도 이것은, 기재 중의 C와 Co가 TiN층과의 계면을 통해 TiN층 속으로 확산됨으로써 기재와 TiN층(피복막)과의 밀착성이 향상되는 것으로 생각된다. 그러나, 이와 같이 TiN층 속으로 확산된 C는 밀착성을 향상시킨다고 하는 관점에서는 중요한 인자가 되는 것이지만, 그 반면 피복막을 취화시킨다고 하는 작용이 있기 때문에, 피복막의 강도라는 관점에서는 그 존재는 바람직한 것이 아니다. 또한, Co는, 상기 C와 마찬가지로 밀착성을 향상시킨다고 하는 관점에서는 중요한 인자가 되는 것이지만, 그 반면 피복막의 경도를 저하시킨다고 하는 작용이 있기 때문에, 피복막의 경도라는 관점에서는 그 존재는 바람직한 것이 아니다.

그래서, 본 발명의 제2 양태는 이 상반적인 작용을 조화롭게 하기 위해서, C와 Co를 각각 TiN층의 두께 방향으로 농도 분포를 갖는 상태로 존재하게 하고, 기재 측의 C의 농도 및 Co의 농도를 높게 하고, 피복막의 표면 측에 걸쳐서 이들의 농도를 낮게 한 것이다.

즉, 본 발명의 제2 양태의 TiN층은 TiN과 함께 C와 Co를 포함하고, 이 C와 Co는 각각 TiN층의 두께 방향으로 농도 분포를 갖고, C의 농도 분포는 C의 농도가 기재 측으로부터 피복막의 표면 측에 걸쳐서 감소하는 영역을 포함하고, Co의 농도 분포는, Co의 농도가 기재 측으로부터 피복막의 표면 측에 걸쳐서 감소하는 영역을 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, TiN층 중의 C(탄소)와 Co(코발트)의 존재 형태는, 특별히 한정되지 않고, 원자형으로 존재하거나, 혹은 TiN 중에 고용되어 존재하는 것으로 추측된다. 또한, 「C의 농도가 기재 측으로부터 피복막의 표면 측에 걸쳐서 감소하는 영역을 포함한다」란, TiN층의 두께 방향에서의 C의 농도 분포에 있어서, C의 농도가 기재 측으로부터 피복막의 표면 측에 걸쳐서 감소하는 부분이 포함되어 있으면 되는 것을 의미하며, 이러한 부분이 포함되는 한, 두께 방향에 있어서 C의 농도가 일정하게 되는 부분이나 피복막의 표면 측에 걸쳐서 그 농도가 증가하는 부분이나 C가 포함되지 않은 부분 등이 존재하여도 되는 것을 의미하는 것이다. 마찬가지로, 「Co의 농도가 기재 측으로부터 피복막의 표면 측에 걸쳐서 감소하는 영역을 포함한다」란, TiN층의 두께 방향에서의 Co의 농도 분포에 있어서, Co의 농도가 기재 측으로부터 피복막의 표면 측에 걸쳐서 감소하는 부분이 포함되어 있으면 되는 것을 의미하며, 이러한 부분이 포함되는 한, 두께 방향에 있어서 Co의 농도가 일정하게 되는 부분이나 피복막의 표면 측에 걸쳐서 그 농도가 증가하는 부분이나 Co가 포함되어 있지 않은 부분 등이 존재하여도 되는 것을 의미하는 것이다.

한편, 「C의 농도가 기재 측으로부터 피복막의 표면 측에 걸쳐서 감소하는 영역」과 「Co의 농도가 기재 측으로부터 피복막의 표면 측에 걸쳐서 감소하는 영역」이란, 일치하거나 중복해 있어도 좋고, 다르더라도 좋다.

또한, 상기 TiN층 속에서의 상기 C와 상기 Co는 상기 Co에 대하여 상기 C가 원자비로 2배 이상 존재하는 것이 바람직하다. 이것은 전술한 바와 같이, C와 Co의 TiN층 속으로의 확산은, 기재와 TiN층과의 밀착성을 향상시키는 것이지만, Co의 확산량이 과도하게 되면 TiN층의 경도 저하가 현저하게 되기 때문이다. 상기 Co에 대하여 상기 C는 보다 바람직하게는 원자비로 3배 이상 존재하는 것이 적합하다. 한편, 이들 양자는 함께 TiN층의 두께 방향으로 농도 분포를 갖기 때문에, 이들 양자의 농도는 TiN층 중의 동일한 지점에서 비교할 필요가 있다.

더욱이, 상기 농도 분포에 있어서, C의 최대 농도와 최소 농도의 차는 10 원자% 이상인 것이 바람직하고, C의 최대 농도는 30 원자% 이하인 것이 바람직하다. 이것은, C의 최대 농도가 30 원자%를 넘으면, 밀착성을 향상시키는 작용보다도 피복막을 취화시키는 작용이 우수하게 되어, 결과적으로 피복막의 강도가 저하하기 때문이다. 또한, C의 최대 농도와 최소 농도의 차가 10 원자% 미만이면, 충분한 밀착성의 향상 작용이 나타나지 않는 경우가 있다. 한편, C의 최대 농도의 하한은 특별히 한정되지 않지만, 충분한 밀착성의 향상 작용을 얻는다고 하는 관점에서는 5 원자% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, C의 최대 농도는 상기한 바와 같이 30 원자% 이하로 하는 것이 바람직하므로, C의 최대 농도와 최소 농도의 차는 15 원자% 이하로 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 농도 분포에 있어서, Co의 최대 농도는 5 원자% 이하인 것이 바람직하다. 이것은, C의 최대 농도가 5 원자%를 넘으면, 밀착성을 향상시키는 작용보다도 피복막의 경도를 저하시키는 작용이 우수하게 되기 때문이다. 한편, Co의 최대 농도의 하한은 특별히 한정되지 않지만, 충분한 밀착성의 향상 작용을 얻는다고 하는 관점에서는 1 원자% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

한편, 여기서 말하는 C 및 Co의 농도(원자%)는 TiN층을 구성하는 전체 원자에 대한 것이다.

더욱이, 상기 C의 농도 분포는, C의 농도가 기재 측으로부터 감소한 후 극소점에 달하고, 그 후 피복막의 표면 측에 걸쳐서 증가하는 분포를 갖는 것이 바람직하다. 이것은, 농도의 극소점을 존재하게 함으로써 C의 농도가 낮아지는 영역을 확보하고, 이에 따라 C에서 기인한 피복막의 취화를 억제하고, 이로써 피복막의 강도 저하를 방지하고, 피복막의 표면 측에 걸쳐서 C의 농도를 증가시킴으로써 피복막의 경도를 높일 수 있기 때문이다.

한편, 상기 Co의 농도 분포는 상기 Co의 농도가 상기 기재 측으로부터 상기 피복막의 표면 측에 걸쳐서 감소하는 분포를 갖는 것이 바람직하다. 이것은, 기재 근방에서는 Co의 농도를 높게 하여, 기재와의 밀착성의 향상을 도모하는 한편, 기재로부터 멀어짐에 따라서 그 농도를 순차 낮게 함으로써, 경도의 저하를 방지한 것이다.

이와 같이, C와 Co와의 농도 분포를 상기와 같은 구성으로 함으로써, 피복막의 강도와 경도를 고도로 양립시킬 수 있게 된다.

이러한 본 발명의 제2 양태의 TiN층은 0.1~0.5 ㎛(0.1 ㎛ 이상 0.5 ㎛ 이하)의 두께를 갖는 것이 바람직하다. TiN층의 두께가 0.1 ㎛ 미만이면, 밀착성을 향상시키는 작용이 충분히 나타나지 않는 경우가 있고, 0.5 ㎛를 넘으면, 피복막 전체의 내마모성이 저하되는 경우가 있다. TiN층의 두께는 보다 바람직하게는 0.2~0.4 ㎛이다.

한편, 본 발명의 제2 양태에 있어서, 피복막의 조성이나 C나 Co의 농도는 피복막의 단면을 투과형 전자현미경의 EDS(에너지 분산형 X선 분석 장치) 분석에 의해 구할 수 있다. 또한, 피복막의 두께는 피복막의 단면을 주사형 전자현미경에 의해 관찰함으로써 측정할 수 있다.

<TiCN층>

본 발명의 제2 양태의 피복막은 상기 TiN층의 바로 위에 TiCN층을 포함하는 것이 바람직하다. 그리고, 이러한 TiCN층은 TiCN을 포함하고, 이 층에 있어서의 C(탄소)는 최대 농도가 20 원자% 이상으로 되는 것이 바람직하다. 이와 같이 TiN층의 바로 위에 TiCN층을 배치하게 함으로써, TiCN층에서 TiN층으로 C가 확산되어, 이들 양 층 사이의 밀착성이 향상된다.

한편, TiCN층에서의 C의 최대 농도는 20 원자% 이상으로 되는 것이 바람직한데, 이것은 TiCN층의 내마모성 향상에 필요하기 때문이다. C의 최대 농도는 30 원자% 이상으로 하는 것이 보다 바람직하고, 또한 그 상한은 60 원자% 이하로 하는 것이 바람직하다. 그 상한이 60 원자%를 넘으면 취화되어 강도가 저하하기 때문이다.

한편, 본 발명의 제2 양태에 있어서, 「TiN」이나 「TiCN」 등의 화학식에서 특별히 원자비를 특정하지 않은 것은, 각 원소의 원자비가 「1」뿐임을 나타내는 것이 아니라, 종래 공지된 원자비가 전부 포함되는 것으로 한다. 특히, 이 TiCN층의 TiCN에 관해서는, C가 화학양론비를 넘어 존재하는 경우가 포함된다.

<다른 층>

본 발명의 제2 양태의 피복막은 상기 TiN층 및 TiCN층 이외에 다른 층을 더 포함할 수 있다. 이러한 다른 층은 TiCN층(TiCN층이 형성되지 않는 경우는 TiN층) 상에 형성된다.

이러한 다른 층은, 주기율표의 4족 원소, 5족 원소, 6족 원소, Al 및 Si로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 1종의 원소와, 붕소, 탄소, 질소 및 산소로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 1종의 원소로 이루어지는 화합물로 구성되는 1 이상의 층인 것이 바람직하다. 이러한 다른 층을 형성시킴으로써, 절삭 공구로서의 내마모성이나 내결손성 등 제반 특성을 향상시키거나, 사용 종료된 날끝의 식별성을 부여하게 하거나 할 수 있다.

여기서, 이러한 다른 층을 구성하는 화합물의 구체예로서는, 예컨대 TiC, Al₂O₃, ZrN, TiAlN, TiBN, TiCN, TiN, CrN, ZrCN, ZrO₂, AlZrO, HfN, TiSiCN, TiB₂, TiAlCN, TiCNO, Ti₂O₃ 등을 들 수 있다.

한편, 상기한 화합물의 구체예로서, TiN이나 TiCN을 들 수 있는데, 이것은 TiN층을 기재의 바로 위 이외의 부위에도 배치할 수 있다는 것과 TiCN층을 TiN층의 바로 위 이외의 부위에도 배치할 수 있다는 것을 보이고 있다.

<제조 방법>

본 발명의 제2 양태의 표면 피복 절삭 공구는 예컨대 다음과 같이 하여 제조할 수 있다.

우선 기재를 준비한다. 기재의 제작시에, 고압 승온 공정과 저압 승온 공정으로 이루어지는 복합 공정을 1회 이상 행함으로써 기재를 제작하는 것이 바람직하다.

여기서, 고압 승온 공정이란, 기재 전구체(원료 분말을 원하는 형상으로 성형한 것)를 CVD로 등의 가열 장치 내에 세팅하여, 압력 800 hPa~대기압(1013 hPa)이라는 고압 상태에서, H₂ 가스 및 Ar 가스를 합계 0.5~5 L/min의 낮은 유량으로 도입하면서 900~1000℃에서 60~180분간 유지하는 공정을 말한다. 이 공정에 의해, 기재의 표면 근방의 C 농도 및 Co 농도가 상승한다.

또한, 저압 승온 공정이란, 상기한 고압 승온 공정을 거친 기재 전구체를 이어서 동 장치 내에 세팅하고, 압력 10~50 hPa라는 저압 상태에서, H₂ 가스 및 N₂ 가스를 합계 10~50 L/min의 유량으로 도입하면서 900~1000℃에서 15~30분간 유지하는 공정을 말한다. 이 공정에 의해, 기재의 표면 근방의 C 농도 및 Co 농도의 상승이 더욱 조장된다. 즉, 이러한 고압 승온 공정과 저압 승온 공정을 1회 이상 반복함으로써, 기재 표면의 C 농도 및 Co 농도가 상승하고 그 후에 행해지는 피복막 형성 공정(TiN층 형성 공정)에 있어서, TiN층 속으로 기재 중의 C 및 Co가 용이하게 확산되게 되어, 본 발명의 제2 양태의 구성의 TiN층이 형성되게 된다.

한편, 상기한 고압 승온 공정에서, 압력이 높아지면 높아질수록, 또한 가스의 유량이 적어지면 적어질수록, 혹은 온도가 높아지면 높아질수록, 기재의 표면 근방의 C 농도 및 Co 농도의 상승이 조장된다. 또한 마찬가지로, 상기한 저압 승온 공정에서, 압력이 낮아지면 낮아질수록, 또한 가스의 유량이 적어지면 적어질수록, 혹은 온도가 높아지면 높아질수록, 기재의 표면 근방의 C 농도 및 Co 농도의 상승이 조장된다. 이와 같이, 기재의 표면 근방의 C 농도 및 Co 농도의 상승이 조장되면, 결과적으로 TiN층 속으로 확산되는 C의 농도 및 Co 농도가 높아진다.

이어서 상기한 바와 같이 준비된 기재의 표면 상에 TiN층을 형성한다. TiN층은 CVD법으로 형성하는 것이 바람직하며, 예컨대 40~100 hPa의 압력 하에, 반응 가스로서 H₂ 가스를 15~40 L/min, N₂ 가스를 10~30 L/min 및 TiCl₄ 가스를 1~5 L/min의 유량으로 CVD로 내에 투입하고, 온도를 900~1000℃로 하여 성막을 시작한다. 그 후, 성막 온도를 서서히 저하시켜 최종적으로 840~860℃로 한다. 이러한 성막의 시간은 20~60분간으로 하는 것이 바람직하다. 이와 같이, TiN층의 형성 중(성막 중)에 온도를 서서히 저하시킴으로써, TiN층의 두께 방향에 있어서, C의 농도 및 Co의 농도가 각각 기재 측으로부터 피복막의 표면 측에 걸쳐서 감소하는 영역을 포함하는 농도 분포를 형성할 수 있다.

이 경우, 상기 압력이 낮아지면 낮아질수록, 또한 가스의 유량이 적어지면 적어질수록, 혹은 온도의 저하가 커지면 커질수록, C 및 Co의 농도 분포에 있어서 최대 농도와 최소 농도의 차를 크게 할 수 있다.

한편, TiN층을 PVD법으로 형성하는 경우는, N₂ 가스 분위기 하에서 온도 700℃ 이상, 압력 0.2~2 Pa, 아크 전류 150 A, 바이어스 전압 30 V라는 조건으로 성막을 시작하고, 서서히 온도를 저하시켜 최종적으로 400~500℃로 하고, 성막 시간을 20~30분간으로 하는 조건을 채용함으로써, 상기와 같은 TiN층 속에서의 C 및 Co의 농도 분포를 형성할 수 있다.

이 경우, 상기 온도가 높아지면 높아질수록, C 및 Co의 농도 분포에 있어서 최대 농도와 최소 농도의 차를 크게 할 수 있다.

이어서, 상기 TiN층 상에 TiCN층을 형성하는 경우는, TiCN층도 CVD법으로 형성하는 것이 바람직하다. 즉, 예컨대 40~100 hPa의 압력 하에, 반응 가스로서 H₂ 가스를 50~100 L/min, N₂ 가스를 10~40 L/min, TiCl₄ 가스를 1~6 L/min 및 CH₃CN 가스를 0.2~1.0 L/min의 유량으로 CVD로 내에 투입하고, 온도를 800~870℃로 하여 성막을 한다. 이러한 성막의 시간은 100~200분간으로 하는 것이 바람직하다. 이와 같이, TiCN층의 형성(성막)을 100 hPa 이하, 보다 바람직하게는 50 hPa 이하라는 저압 조건으로 행함으로써, TiCN층의 성막 속도가 낮아져, 이미 형성되어 있는 TiN층으로 TiCN층 속의 C가 확산되는 것이 조장된다. 이에 따라, TiN층 중의 C의 농도 분포에서 극소점이 형성되게 된다.

한편, TiCN층을 PVD법으로 형성하는 경우는, CH₄ 및 N₂로 이루어지는 가스 분위기 하에서, 유량비를 CH₄/N₂=1/6~1/1로 하고, 아크 전류 150 A, 바이어스 전압 100~250 V, 온도 400~500℃, 압력 0.5~3 Pa라는 조건을 채용함으로써, 상기와 같이 TiN층 중의 C의 농도 분포에서 극소점을 형성할 수 있다.

이와 같이 하여, 본 발명의 제2 양태의 구성을 갖는 표면 피복 절삭 공구를 제조할 수 있다.

실시예

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

<실시예 1>

2.0 질량%의 TaC, 10.0 질량%의 Co 및 잔부 WC로 이루어지는 조성(단 불가피한 불순물을 포함함)의 원료 분말을, 충분히 혼합한 후 원하는 형상으로 되도록 프레스 성형하여 소결했다. 형상은, 프라이즈 가공용 날끝 교환형 절삭 팁으로서 「SDKN42MT」(스미토모덴코하드메탈(주) 제조)의 형상을 갖는 것과, 선삭 가공용 날끝 교환형 절삭 팁으로서 「CNMG120408N-GU」(스미토모덴코하드메탈(주) 제조)의 형상을 갖는 것의 2종을 제작했다.

이어서 상기한 바와 같이 프레스 성형된 기재 전구체를 CVD로 내에 세팅하여, 대기압(1013 hPa), H₂ 가스 유량 2 L/min, Ar 가스 유량 2 L/min, 910℃의 조건 하에서 100분간 유지했다(고압 승온 공정).

계속해서, 상기한 고압 승온 공정을 거친 기재 전구체를 이어서 CVD로 내에 세팅한 채로, 압력 48 hPa, H₂ 가스 유량 18 L/min, N₂ 가스 유량 9 L/min, 온도 910℃의 조건 하에서 20분간 유지했다(저압 승온 공정).

이와 같이 하여 초경합금으로 이루어지는 절삭 공구용의 기재(형상이 다른 것 2종)를 제작했다. 계속해서, 각 기재를 이어서 CVD로 내에 세팅한 채로, 각 기재 상에 TiN층을 CVD법에 의해 형성했다. 즉, 압력 48 hPa, H₂ 가스 유량 35 L/min, N₂ 가스 유량 18 L/min, TiCl₄ 가스 유량 2 L/min, 온도 900℃의 조건으로 성막을 시작하고, 그 후 온도를 서서히 내려, 최종적으로는 860℃로 했다. 이 성막 시간은 30분간으로 했다. 이에 따라, 각 기재 상에 0.3 ㎛의 TiN층을 형성했다.

이어서 상기한 바와 같이 하여 형성된 TiN층 상에 TiCN층을 CVD법에 의해 형성했다. 즉, 압력 48 hPa, H₂ 가스 유량 90 L/min, N₂ 가스 유량 30 L/min, TiCl₄ 가스 유량 5 L/min, CH₃CN 가스 유량 0.8 L/min, 온도 860℃라는 조건으로 200분간 성막함으로써, TiN층 상에 5.2 ㎛의 TiCN층을 형성했다.

그 후, 상기한 TiCN층 상에 다른 층으로서 3.5 ㎛의 Al₂O₃층과 0.5 ㎛의 TiN층을 이 순서로 CVD법으로 형성했다. Al₂O₃층은 압력 67 hPa, 온도 980℃, H₂ 가스 유량 40 L/min, CO₂ 가스 유량 2 L/min, HCl 가스 유량 2 L/min으로 하여, Al을 기화시킴으로써 형성하고(성막 시간은 260분간), TiN층은 압력 67 hPa, 온도 980℃, H₂ 가스 유량 50 L/min, N₂ 가스 유량 35 L/min, TiCl₄ 가스 유량 4 L/min, 성막 시간 30분간이라는 조건으로 형성했다.

이와 같이 하여, 본 발명의 제1 양태의 표면 피복 절삭 공구를 제작했다. 그리고, 각 표면 피복 절삭 공구에 관해서, 절삭면 측의 피복막 표면의 법선과 여유면 측의 피복막 표면의 법선을 포함하는 임의의 평면으로 절단하고, 그 절단면을 투과형 전자현미경의 EDS 분석(장치명: 「JEM-2100F」, 니혼덴시사 제조)를 이용하여, 가속 전압 200 kV라는 조건으로 측정한 바, 0.3 ㎛의 TiN층, 5.2 ㎛의 TiCN층, 3.5 ㎛의 Al₂O₃층 및 0.5 ㎛의 TiN층이 기재 상에 이 순서로 형성되고, 기재 바로 위의 TiN층이 표 1에 기재한 C의 농도 분포를 갖고 있는 것과 TiCN층 중의 C의 최대 농도를 확인했다. 한편, 각 층의 두께는, 상기한 절단면을 주사형 전자현미경(장치명: 「S-3400」, 히타치하이테크놀로지즈사 제조)을 이용하여 관찰함으로써 확인했다.

<실시예 2~16>

실시예 1의 표면 피복 절삭 공구와 같은 식으로 하여 실시예 2~16의 표면 피복 절삭 공구를 제작했다.

단, 실시예 1에 대하여, 기재 제작시의 고압 승온 공정의 조건, 저압 승온 공정의 조건, TiN층의 형성 조건 및 TiCN층의 형성 조건을 이하의 범위 내에서 각각 조정했다.

즉, 고압 승온 공정의 조건은 압력을 800 hPa~대기압(1013 hPa), H₂ 가스 유량을 0.5~5 L/min, Ar 가스 유량을 0.5~5 L/min(단, H₂ 가스와 Ar 가스는 합계로 0.5~5 L/min), 온도를 900~1000℃, 유지 시간을 60~180분간의 범위에서 조정했다.

저압 승온 공정의 조건은 압력을 10~50 hPa, H₂ 가스 유량을 10~50 L/min, N₂ 가스 유량을 10~50 L/min(단 H₂ 가스와 N₂ 가스는 합계 10~50 L/min), 온도를 900~1000℃, 유지 시간을 15~30분간의 범위에서 조정했다.

TiN층의 형성 조건은 압력을 40~100 hPa, H₂ 가스 유량을 15~40 L/min, N₂ 가스 유량을 10~30 L/min, TiCl₄ 가스 유량을 1~5 L/min, 온도를 900~1000℃의 조건으로 성막을 시작하고, 그 후 온도를 서서히 내려, 최종적으로는 840~860℃로 하고, 성막 시간은 20~60분간이라는 범위에서 조정했다.

TiCN층의 형성 조건은 압력을 40~100 hPa, H₂ 가스 유량을 50~100 L/min, N₂ 가스 유량을 10~40 L/min, TiCl₄ 가스 유량을 1~6 L/min, CH₃CN 가스 유량을 0.2~1.0 L/min, 온도를 800~870℃, 성막 시간을 100~200분간이라는 범위에서 조정했다.

한편, 실시예 11에 관해서는, 상기한 조건 중 압력을 110 hPa, H₂ 가스 유량을 70 L/min, N₂ 가스 유량을 50 L/min, TiCl₄ 가스 유량을 6 L/min, CH₃CN 가스 유량을 1.5 L/min, 온도를 880℃, 성막 시간을 80분으로 함으로써, 극소점을 형성하지 않았다.

또한, 실시예 12에 관해서는, 상기한 조건 중 압력을 100 hPa, H₂ 가스 유량을 60 L/min, N₂ 가스 유량을 60 L/min, TiCl₄ 가스 유량을 6 L/min, CH₃CN 가스 유량을 2.0 L/min, 온도를 880℃, 성막 시간을 60분으로 함으로써, 극소점을 형성하지 않았다.

한편, 다른 층은 실시예 1과 같은 조건에 의해 제작했다. 이와 같이 하여 제작한 표면 피복 절삭 공구에 관해서, 실시예 1과 같은 식으로 하여 기재 바로 위의 TiN층이 표 1에 기재한 C의 농도 분포를 갖고 있는 것과 TiCN층 중의 C의 최대 농도를 확인했다.

<실시예 17~18>

TiN층을 형성하기까지는 실시예 1과 같은 조건으로 했다. 그 후, TiCN층을 형성하지 않고, 다른 층을 형성했다.

다른 층은, 실시예 17에서는 3.5 ㎛의 ZrN층과 2.5 ㎛의 TiN층을 이 순서로 CVD법으로 형성하고, 실시예 18에서는 3.5 ㎛의 TiAlN층과 2.5 ㎛의 TiSiCN층을 이 순서로 CVD법으로 형성했다.

상기에서, ZrN층은 압력 160 hPa, 온도 1000℃, ZrCl₄ 가스 유량 5 L/min, N₂ 가스 유량 20 L/min, H₂ 가스 유량 55 L/min, 성막 시간 300분간이라는 조건으로 형성하고, TiN층은 압력 133 hPa, 온도 900℃, TiCl₄ 가스 유량 5 L/min, N₂ 가스 유량 18 L/min, H₂ 가스 유량 30 L/min, 성막 시간 210분간이라는 조건으로 형성하고, TiAlN층은 압력 13 hPa, 온도 800℃, TiCl₄ 가스 유량 1 L/min, AlCl₃ 가스 유량 1.5 L/min, NH₃ 가스 유량 4 L/min, N₂ 가스 유량 12 L/min, H₂ 가스 유량 12 L/min, 성막 시간 120분간이라는 조건으로 형성하고, TiSiCN층은 압력 40 hPa, 온도 830℃, TiCl₄ 가스 유량 2.5 L/min, SiCl₄ 가스 유량 0.5 L/min, NH₃ 가스 유량 5 L/min, C₂H₂ 가스 유량 5.5 L/min, N₂ 가스 유량 2 L/min, H₂ 가스 유량 50 L/min, 성막 시간 60분간이라는 조건으로 형성했다.

이와 같이 하여 제작한 표면 피복 절삭 공구에 관해서, 실시예 1과 같은 식으로 하여 기재 바로 위의 TiN층이 표 1에 기재한 C의 농도 분포를 갖고 있음을 확인했다. 한편, 실시예 17 및 18은 TiN층 상에 TiCN층을 형성하지 않았기 때문에, 표 1에서 해당 부분은 공란으로 두었다.

<실시예 19~20>

실시예 1과 같은 식으로 기재를 준비하여, 그 기재 상에 PVD법에 의해 피복막을 형성했다.

실시예 19에서는, 기재 상에 0.3 ㎛의 TiN층을 형성하고, 그 위에 3.5 ㎛의 TiCN층을 형성했다. TiN층은 N₂ 가스 분위기 하에서, 온도 700℃, 압력 1 Pa, 아크 전류 150 A, 바이어스 전압 30 V로 성막을 시작하고, 그 후 서서히 온도를 내려 최종적으로 450℃로 하여 형성했다(성막 시간 25분간). TiCN층은 CH₄ 및 N₂로 이루어지는 가스 분위기 하에서, 가스 유량비 CH₄/N₂=1/4, 온도 450℃, 압력 2 Pa, 아크 전류 150 A, 바이어스 전압 150 V로 성막했다(성막 시간 180분간).

실시예 20에서는, 기재 상에 0.3 ㎛의 TiN층을 형성하고, 그 위에 2.5 ㎛의 TiCN층을 형성하고, 그 위에 다른 층으로서 2.5 ㎛의 TiN층을 형성했다. 기재 바로 위의 TiN층은 N₂ 가스 분위기 하에서, 온도 700℃, 압력 1 Pa, 아크 전류 150 A, 바이어스 전압 30 V로 성막을 시작하고, 그 후 서서히 온도를 내려 최종적으로 450℃로 하여 형성했다(성막 시간 25분간). TiCN층은 CH₄ 및 N₂로 이루어지는 가스 분위기 하에서, 가스 유량비 CH₄/N₂=1/4, 온도 450℃, 압력 2 Pa, 아크 전류 150 A, 바이어스 전압 150 V로 성막했다(성막 시간 120분간). 다른 층으로서의 TiN층은 N₂ 가스 분위기 하에서, 온도 450℃, 압력 2 Pa, 아크 전류 150 A, 바이어스 전압 50 V로 성막했다(성막 시간 40분간).

이와 같이 하여 제작한 표면 피복 절삭 공구에 관해서, 실시예 1과 같은 식으로 하여 기재 바로 위의 TiN층이 표 1에 기재한 C의 농도 분포를 갖고 있는 것과 TiCN층 중의 C의 최대 농도를 확인했다.

<실시예 21~22>

실시예 21은 기재의 조성으로서 세라믹스를 채용하고, 형상은 실시예 1과 같은 것으로 했다. 상기 기재는 SiC을 이용하고, 그 제작 조건은 실시예 1의 초경합금과 동일한 조건으로 제작했다.

실시예 22는 기재의 조성으로서 입방정 질화붕소를 채용하고, 형상은 실시예 1과 같은 것으로 했다. 상기 기재는 결합재로서 TiC를 이용한 입방정 질화붕소를 이용하고, 그 제작 조건은 실시예 1의 초경합금과 동일한 조건으로 제작했다.

그리고, 상기한 각 기재 상에, 실시예 19와 같은 식으로 하여 물리 증착법에 의해 피복막을 형성했다.

이와 같이 하여 제작한 표면 피복 절삭 공구에 관해서, 실시예 1과 같은 식으로 하여 기재 바로 위의 TiN층이 표 1에 기재한 C의 농도 분포를 갖고 있다는 것과 TiCN층 중의 C의 최대 농도를 확인했다.

<비교예 1~2>

실시예 1과 같은 식으로 기재를 준비하고, 그 기재 상에 CVD법에 의해 이하와 같은 피복막을 형성했다(단, 이 피복막은 기재 바로 위에 TiN층을 형성하지 않는 구성을 갖는다).

비교예 1에서는, 기재 상에 3.5 ㎛의 TiAlN층을 형성하고, 그 위에 2.5 ㎛의 TiCN층을 형성했다. TiAlN층은 압력 13 hPa, 온도 800℃, TiCl₄ 가스 유량 1 L/min, AlCl₃ 가스 유량 1.5 L/min, NH₃ 가스 유량 4 L/min, N₂ 가스 유량 12 L/min, H₂ 가스 유량 12 L/min, 성막 시간 120분간이라는 조건으로 형성했다. TiCN층은 압력 60 hPa, H₂ 가스 유량 70 L/min, N₂ 가스 유량 50 L/min, TiCl₄ 가스 유량 10 L/min, CH₃CN 가스 유량 1.5 L/min, 온도 840℃라는 조건으로 180분간 성막함으로써 형성했다.

비교예 2에서는, 기재 상에 3.5 ㎛의 TiBN층을 형성했다. TiBN층은 압력 67 hPa, 온도 980℃, TiCl₄ 가스 유량 1 L/min, BCl₃ 가스 유량 0.5 L/min, N₂ 가스 유량 1 L/min, H₂ 가스 유량 40 L/min, 성막 시간 300분간이라는 조건으로 형성했다.

이와 같이 하여 제작한 표면 피복 절삭 공구에 관해서, 실시예 1과 같은 식으로 하여 피복막의 구성을 확인한 바, 기재 바로 위에 TiN층이 형성되지 않았음을 확인했다(표 2 참조).

<비교예 3~6>

실시예 1의 표면 피복 절삭 공구와 같은 식으로 하여 비교예 3~6의 표면 피복 절삭 공구를 제작했다.

단, 실시예 1에 대하여, 각 조건을 다음과 같이 변경했다.

즉, 비교예 3 및 4는 기재 제작시에, 고압 승온 공정 및 저압 승온 공정을 채용하지 않고, 종래와 같은 승온 공정(압력 800 hPa, H₂ 가스 유량 10 L/min, Ar 가스 유량 10 L/min, 온도 850℃, 승온 시간 60분간)에 의해 기재를 준비했다. TiN층의 형성 조건은 온도를 850℃로 일정하게 하는 것을 제외하고 실시예 1과 같은 식으로 형성했다. TiCN층은 실시예 1과 같은 식으로 형성했다(단 비교예 3의 성막 시간은 150분간으로 했다).

비교예 5는 실시예 1과 같은 식으로 기재를 준비했다. TiN층은 압력 70 hPa, H₂ 가스 유량 60 L/min, N₂ 가스 유량 60 L/min, TiCl₄ 가스 유량 10 L/min, 온도 860℃에서 일정하게 하는 조건으로 30분간 성막함으로써 형성했다. TiCN층은 압력 60 hPa, H₂ 가스 유량 60 L/min, N₂ 가스 유량 50 L/min, TiCl₄ 가스 유량 10 L/min, CH₃CN 가스 유량 2 L/min, 온도 860℃라는 조건으로 120분간 성막함으로써 형성했다.

비교예 6은 TiN층을 형성시킬 때에, 성막 시작 온도를 900℃로 하고 최종 온도를 880℃로 하는 것을 제외하고, 다른 것은 실시예 1과 같은 식으로 하여 제작했다.

표 1에서, 「at%」란 원자%를 나타낸다. 또한, TiN층 중의 C의 농도 분포의 「차」란, 그 농도 분포에 있어서의 C의 최대 농도와 최소 농도의 차를 나타내고, 「최대 농도」란 그 농도 분포에 있어서의 C의 최대 농도를 나타내고, 「극소점」란에서의 「있음」란, C의 농도가 기재 측으로부터 감소한 후 극소점에 달하고, 그 후 피복막의 표면 측에 걸쳐서 증가하는 분포를 보이는 것(즉 이러한 극소점을 갖는 것)을 나타내고, 「없음」이란, 상기와 같은 극소점을 갖지 않고, C의 농도가 기재 측으로부터 피복막의 표면 측에 걸쳐서 연속적으로 감소했음을 나타낸다. 한편, 「극소점」란이 「있음」인 것도 「없음」인 것도, 모두 TiN층은 두께 방향에 있어서 C의 농도 분포를 갖고, 그 C의 농도가 기재 측으로부터 피복막의 표면 측에 걸쳐서 감소하는 영역을 포함하고 있는 데에 변함이 없다.

또한, 표 2에서의 각 표기도 기본적으로는 표 1에서의 표기와 같은 내용을 나타낸다. 단, 비교예 3 및 비교예 4는 기재 바로 위에 TiN층은 형성되어 있지만 그 층은 C를 포함하지 않음을 나타내고, 비교예 5는 기재 바로 위에 TiN층이 형성되고 그 층은 C를 포함하지만, 그 C는 농도 분포를 갖지 않음(즉 두께 방향에 있어서 C의 농도는 일정한 것)을 나타내고, 비교예 6은 기재 바로 위에 TiN층이 형성되고 그 층은 C의 농도 분포를 갖지만, 그 농도 분포에 있어서 C의 농도는 기재 측으로부터 피복막의 표면 측에 걸쳐서 연속적으로 증가함을 나타내고 있다.

<평가>

상기한 바와 같이 하여 제작한 각 실시예 및 각 비교예의 표면 피복 절삭 공구(프라이즈 가공용 날끝 교환형 절삭 팁 및 선삭 가공용 날끝 교환형 절삭 팁)에 관해서, 이하에 나타내는 2종의 절삭 시험을 행함으로써 평가를 했다. 그 결과를 이하의 표 3에 나타낸다.

<절삭 시험 1: 프라이즈 내마모성 평가>

표면 피복 절삭 공구로서 프라이즈 가공용 날끝 교환형 절삭 팁을 이용하고, 피삭재=SCM435(길이 300 mm×폭 200 mm의 블록재), 절삭 속도=300 m/min, 이송량=0.25 mm/t, 절입량=1.5 mm, 절삭유 없음이라는 절삭 조건으로 절삭을 하여 프라이즈 내마모성을 평가했다. 절삭 시간이 15분간으로 된 시점에서의 여유면의 평균 마모 폭 Vb(mm)을 측정했다. 평균 마모 폭 Vb이 작을수록 내마모성이 우수하다는 것을 나타내고 있다.

<절삭 시험 2: 선삭 내마모성 평가>

표면 피복 절삭 공구로서 선삭 가공용 날끝 교환형 절삭 팁을 이용하고, 피삭재=SCM415(직경 350 mm×길이 500 mm), 절삭 속도=200 m/min, 이송량=0.3 mm/t, 절입량=1.5 mm, 절삭유=수용성 절삭액이라는 절삭 조건으로 절삭을 하여 선삭 내마모성을 평가했다. 절삭 시간이 30분간으로 된 시점에서의 여유면의 평균 마모 폭 Vb(mm)을 측정했다. 평균 마모 폭 Vb이 작을수록 내마모성이 우수하다는 것을 나타내고 있다.

표 3으로부터 분명한 바와 같이, 실시예의 표면 피복 절삭 공구는 비교예의 표면 피복 절삭 공구와 비교하여 내마모성이 향상되어, 공구 수명이 현저히 향상됨을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 본 발명의 표면 피복 절삭 공구가 고속 가공에 있어서 충분히 대응할 수 있음을 확인할 수 있었다. 이것은 본 발명의 표면 피복 절삭 공구가 본 발명의 구성을 가짐으로써, 기재와 피복막의 밀착성이 향상되었음에서 기인한 것은 분명하다.

<실시예 101>

2.0 질량%의 TaC, 10.0 질량%의 Co 및 잔부 WC로 이루어지는 조성(단 불가피한 불순물을 포함함)의 원료 분말을, 충분히 혼합한 후에 원하는 형상으로 되도록 프레스 성형하여 소결했다. 형상은, 프라이즈 가공용 날끝 교환형 절삭 팁으로서 「SDKN42MT」(스미토모덴코하드메탈(주) 제조)의 형상을 갖는 것과, 선삭 가공용 날끝 교환형 절삭 팁으로서 「CNMG120408N-GU」(스미토모덴코하드메탈(주) 제조)의 형상을 갖는 것의 2종을 제작했다.

계속해서, 상기한 고압 승온 공정을 거친 기재 전구체를 이어서 CVD로 내에 세팅한 채로, 압력 48 hPa, H₂ 가스 유량 30 L/min, N₂ 가스 유량 25 L/min, 온도 910℃의 조건 하에서 20분간 유지했다(저압 승온 공정).

이와 같이 하여 초경합금으로 이루어지는 절삭 공구용의 기재(형상이 다른 것 2종)를 제작했다. 계속해서, 각 기재를 이어서 CVD로 내에 세팅한 채로, 각 기재 상에 TiN층을 CVD법에 의해 형성했다. 즉, 압력 48 hPa, H₂ 가스 유량 35 L/min, N₂ 가스 유량 18 L/min, TiCl₄ 가스 유량 2 L/min, 온도 900℃의 조건으로 성막을 시작하고, 그 후 온도를 서서히 내려, 최종적으로는 860℃으로 했다. 이 성막 시간은 30분간으로 했다. 이에 따라, 각 기재 상에 0.3 ㎛의 TiN층을 형성했다(표 4 참조).

이어서 상기한 바와 같이 하여 형성된 TiN층 상에 TiCN층을 CVD법에 의해 형성했다. 즉, 압력 48 hPa, H₂ 가스 유량 90 L/min, N₂ 가스 유량 30 L/min, TiCl₄ 가스 유량 5 L/min, CH₃CN 가스 유량 0.8 L/min, 온도 860℃라는 조건으로 173분간 성막함으로써, TiN층 상에 4.5 ㎛의 TiCN층을 형성했다(표 4 참조).

그 후, 상기한 TiCN층 상에 다른 층으로서 3.0 ㎛의 Al₂O₃층과 0.5 ㎛의 TiN층을 이 순서로 CVD법으로 형성했다. Al₂O₃층은 압력 67 hPa, 온도 980℃, H₂ 가스 유량 40 L/min, CO₂ 가스 유량 2 L/min, HCl 가스 유량 2 L/min으로 하여, Al을 기화시킴으로써 형성하고(성막 시간은 220분간), TiN층은 압력 67 hPa, 온도 980℃, H₂ 가스 유량 50 L/min, N₂ 가스 유량 35 L/min, TiCl₄ 가스 유량 4 L/min, 성막 시간 30분간이라는 조건으로 형성했다.

이와 같이 하여, 본 발명의 제2 양태의 표면 피복 절삭 공구를 제작했다. 그리고, 각 표면 피복 절삭 공구에 관해서, 절삭면 측의 피복막 표면의 법선과 여유면 측의 피복막 표면의 법선을 포함하는 임의의 평면으로 절단하고, 그 절단면을 투과형 전자현미경의 EDS 분석(장치명: 「JEM-2100F」, 니혼덴시사 제조)을 이용하여, 가속 전압 200 kV라는 조건으로 측정한 바, 0.3 ㎛의 TiN층, 4.5 ㎛의 TiCN층, 3.0 ㎛의 Al₂O₃층 및 0.5 ㎛의 TiN층이 기재 상에 이 순서로 형성되고, 기재 바로 위쪽의 TiN층이 표 4에 기재한 C의 농도 분포 및 Co의 농도 분포를 갖고 있다는 것과 TiCN층 중의 C의 최대 농도를 확인했다. 한편, 각 층의 두께는 상기한 절단면을 주사형 전자현미경(장치명: 「S-3400」, 히타치하이테크놀로지즈사 제조)을 이용하여 관찰함으로써 확인했다.

<실시예 102~117>

실시예 101의 표면 피복 절삭 공구와 같은 식으로 하여 실시예 102~117의 표면 피복 절삭 공구를 제작했다.

단, 실시예 101에 대하여, 기재 제작시의 고압 승온 공정의 조건, 저압 승온 공정의 조건, TiN층의 형성 조건 및 TiCN층의 형성 조건을 이하의 범위 내에서 각각 조정했다.

즉, 고압 승온 공정의 조건은 압력을 800 hPa~대기압(1013 hPa), H₂ 가스 유량을 0.5~5 L/min, Ar 가스 유량을 0.5~5 L/min(단 H₂ 가스와 Ar 가스는 합계로 0.5~5 L/min), 온도를 900~1000℃, 유지 시간을 60~180분간의 범위에서 조정했다.

한편, 실시예 113에 관해서는, 상기한 조건 중 압력을 50 hPa, H₂ 가스 유량을 60 L/min, N₂ 가스 유량을 60 L/min, TiCl₄ 가스 유량을 8 L/min, CH₃CN 가스 유량을 1.2 L/min, 온도를 870℃, 성막 시간을 180분으로 함으로써, 극소점을 형성하지 않았다.

한편, 다른 층은 실시예 101과 같은 조건에 의해 제작했다. 이와 같이 하여 제작한 표면 피복 절삭 공구에 관해서, 실시예 101과 같은 식으로 하여 기재 바로 위의 TiN층이 표 4에 기재한 C의 농도 분포 및 Co의 농도 분포를 갖고 있다는 것과 TiCN층 중의 C의 최대 농도를 확인했다.

<실시예 118~119>

TiN층을 형성하기까지는 실시예 101과 같은 조건으로 했다. 그 후, TiCN층을 형성하지 않고, 다른 층을 형성했다.

다른 층은, 실시예 118에서는 3.5 ㎛의 ZrN층과 2.5 ㎛의 TiN층을 이 순서로 CVD법으로 형성하고, 실시예 119에서는 3.5 ㎛의 TiAlN층과 2.5 ㎛의 TiSiCN층을 이 순서로 CVD법으로 형성했다.

상기에서, ZrN층은 압력 160 hPa, 온도 1000℃, ZrCl₄ 가스 유량 5 L/min, N₂ 가스 유량 20 L/min, H₂ 가스 유량 55 L/min, 성막 시간 300분간이라는 조건으로 형성하고, TiN층은 압력 133 hPa, 온도 900℃, TiCl₄ 가스 유량 5 L/min, N₂ 가스 유량 18 L/min, H₂ 가스 유량 30 L/min, 성막 시간 210분간이라는 조건으로 형성하고, TiAlN층은 압력 13 hPa, 온도 800℃, TiCl₄ 가스 유량 1 L/min, AlCl₃ 가스 유량 1.5 L/min, NH₃ 가스 유량 4 L/min, N₂ 가스 유량 12 L/min, H₂ 가스 유량 12 L/min, 성막 시간 120분간이라는 조건으로 형성하고, TiSiCN층은 압력 40 hPa, 온도 830℃, TiCl₄ 가스 유량 2.5 L/min, SiCl₄ 가스 유량 0.5 L/min, NH₃ 가스 유량 5 L/min, C₂H₄ 가스 유량 5.5 L/min, N₂ 가스 유량 2 L/min, H₂ 가스 유량 50 L/min, 성막 시간 60분간이라는 조건으로 형성했다.

이와 같이 하여 제작한 표면 피복 절삭 공구에 관해서, 실시예 101과 같은 식으로 하여 기재 바로 위의 TiN층이 표 4에 기재한 C의 농도 분포 및 Co의 농도 분포를 갖고 있음을 확인했다. 한편, 실시예 118 및 119는 TiN층 상에 TiCN층을 형성하지 않았기 때문에, 표 4에서 해당 부분은 공란으로 두었다.

<실시예 120~121>

실시예 101과 같은 식으로 하여 기재를 준비하고, 그 기재 상에 PVD법에 의해 피복막을 형성했다.

실시예 120에서는, 기재 상에 0.3 ㎛의 TiN층을 형성하고, 그 위에 3.5 ㎛의 TiCN층을 형성했다. TiN층은 N₂ 가스 분위기 하에서, 온도 700℃, 압력 1 Pa, 아크 전류 150 A, 바이어스 전압 50 V로 성막을 시작하고, 그 후 서서히 온도를 내려 최종적으로 450℃로 하여 형성했다(성막 시간 25분간). TiCN층은 CH₄ 및 N₂로 이루어지는 가스 분위기 하에서, 가스 유량비 CH₄/N₂=1/4, 온도 450℃, 압력 2 Pa, 아크 전류 150 A, 바이어스 전압 150 V로 성막했다(성막 시간 180분간).

실시예 121에서는, 기재 상에 0.3 ㎛의 TiN층을 형성하고, 그 위에 2.5 ㎛의 TiCN층을 형성하고, 그 위에 다른 층으로서 2.5 ㎛의 TiN층을 형성했다. 기재 바로 위의 TiN층은 N₂ 가스 분위기 하에서, 온도 700℃, 압력 1 Pa, 아크 전류 150 A, 바이어스 전압 30 V로 성막을 시작하고, 그 후 서서히 온도를 내려 최종적으로 450℃로 하여 형성했다(성막 시간 25분간). TiCN층은 CH₄ 및 N₂로 이루어지는 가스 분위기 하에서, 가스 유량비 CH₄/N₂=1/4, 온도 450℃, 압력 2 Pa, 아크 전류 150 A, 바이어스 전압 150 V로 성막했다(성막 시간 120분간). 다른 층으로서의 TiN층은 N₂ 가스 분위기 하에서, 온도 450℃, 압력 2 Pa, 아크 전류 150 A, 바이어스 전압 50 V로 성막했다(성막 시간 40분간).

이와 같이 하여 제작한 표면 피복 절삭 공구에 관해서, 실시예 101과 같은 식으로 하여 기재 바로 위의 TiN층이 표 4에 기재한 C의 농도 분포 및 Co의 농도 분포를 갖고 있다는 것과 TiCN층 중의 C의 최대 농도를 확인했다.

<비교예 101~102>

실시예 101과 같은 식으로 하여 기재를 준비하고, 그 기재 상에 CVD법에 의해 다음과 같은 피복막을 형성했다(단, 이 피복막은 기재 바로 위에 TiN층을 형성하지 않는 구성을 갖는다).

비교예 101에서는, 기재 상에 3.5 ㎛의 TiAlN층을 형성하고, 그 위에 2.5 ㎛의 TiCNO층과 0.5 ㎛의 TiN층을 이 순서로 형성했다. TiAlN층은 압력 13 hPa, 온도 800℃, TiCl₄ 가스 유량 1 L/min, AlCl₃ 가스 유량 1.5 L/min, NH₃ 가스 유량 4 L/min, N₂ 가스 유량 12 L/min, H₂ 가스 유량 12 L/min, 성막 시간 120분간이라는 조건으로 형성했다. TiCNO층은 압력 90 hPa, 온도 900℃, TiCl₄ 가스 유량 0.5 L/min, N₂ 가스 유량 10 L/min, CO 가스 유량 0.5 L/min, H₂ 가스 유량 20 L/min이라는 조건으로, 240분간 성막함으로써 형성했다. TiN층은 압력 133 hPa, 온도 900℃, TiCl₄ 가스 유량 5 L/min, N₂ 가스 유량 18 L/min, H₂ 가스 유량 30 L/min, 성막 시간 40분간이라는 조건으로 형성했다.

비교예 102에서는, 기재 상에 3.5 ㎛의 TiBN층을 형성하고, 그 위에 1.5 ㎛의 TiB₂층과 0.3 ㎛의 TiN층을 이 순서로 형성했다. TiBN층은 압력 67 hPa, 온도 980℃, TiCl₄ 가스 유량 1 L/min, BCl₃ 가스 유량 0.5 L/min, N₂ 가스 유량 1 L/min, H₂ 가스 유량 40 L/min, 성막 시간 300분간이라는 조건으로 형성했다. TiB₂층은 압력 800 hPa, 온도 900℃, TiCl₄ 가스 유량 3 L/min, BCl₃ 가스 유량 8 L/min, H₂ 가스 유량 35 L/min, 성막 시간 60분간이라는 조건으로 형성했다. TiN층은 압력 133 hPa, 온도 900℃, TiCl₄ 가스 유량 5 L/min, N₂ 가스 유량 18 L/min, H₂ 가스 유량 30 L/min, 성막 시간 25분간이라는 조건으로 형성했다.

이와 같이 하여 제작한 표면 피복 절삭 공구에 관해서, 실시예 101과 같은 식으로 하여 피복막의 구성을 확인한 바, 기재 바로 위에 TiN층이 형성되지 않았음을 확인했다(표 5 참조).

<비교예 103~107>

실시예 101의 표면 피복 절삭 공구와 같은 식으로 하여 비교예 103~107의 표면 피복 절삭 공구를 제작했다(표 5 참조).

단, 실시예 101에 대하여, 각 조건을 다음과 같이 변경했다.

즉, 비교예 103 및 104는 기재 제작시에, 고압 승온 공정 및 저압 승온 공정을 채용하지 않고, 종래와 같은 승온 공정(압력 800 hPa, H₂ 가스 유량 10 L/min, Ar 가스 유량 10 L/min, 온도 850℃, 승온 시간 60분간)에 의해 기재를 준비했다. TiN층의 형성 조건은 온도를 850℃로 일정하게 하는 것을 제외하고 실시예 101과 같은 식으로 형성했다. TiCN층은 실시예 101과 같은 식으로 하여 형성했다(단 비교예 104의 성막 시간은 200분간으로 했다).

비교예 105는 실시예 101과 같은 식으로 하여 기재를 준비했다. TiN층은 압력 70 hPa, H₂ 가스 유량 60 L/min, N₂ 가스 유량 60 L/min, TiCl₄ 가스 유량 10 L/min, 온도 800℃로 일정하게 하는 조건으로 30분간 성막함으로써 형성했다. TiCN층은 압력 60 hPa, H₂ 가스 유량 60 L/min, N₂ 가스 유량 50 L/min, TiCl₄ 가스 유량 10 L/min, CH₃CN 가스 유량 2 L/min, 온도 860℃라는 조건으로 120분간 성막함으로써 형성했다.

비교예 106은 TiN층을 형성시킬 때에, 성막 시작 온도를 900℃로 하고 최종 온도를 880℃로 하는 것을 제외하고, 다른 것은 실시예 101과 같은 식으로 제작했다.

비교예 107은 TiN층을 형성시킬 때에, 성막 온도를 950℃의 일정 온도로 하는 것을 제외하고, 다른 것은 실시예 101과 같은 식으로 제작했다.

한편, 다른 층은 실시예 101과 동일한 조건에 의해 제작했다. 이와 같이 하여 제작한 표면 피복 절삭 공구에 관해서, 실시예 101과 같은 식으로 하여 기재 바로 위의 TiN층이 표 5에 기재한 C의 농도 분포 및 Co의 농도 분포를 갖고 있다는 것과 TiCN층 중의 C의 최대 농도를 확인했다.

표 4에서, 「at%」란 원자%를 나타낸다. 또한, TiN층 중의 C의 농도 분포의 「차」란, 상기 농도 분포에 있어서의 C의 최대 농도와 최소 농도의 차를 나타내고, 「최대 농도」란 상기 농도 분포에 있어서의 C의 최대 농도를 나타내고, 「극소점」란에서의 「있음」이란, C의 농도가 기재 측으로부터 감소한 후 극소점에 달하고, 그 후 피복막의 표면 측에 걸쳐서 증가하는 분포를 보이는 것(즉 이러한 극소점을 가짐)을 나타내고, 「없음」이란, 상기와 같은 극소점을 갖지 않고, C의 농도가 기재 측으로부터 피복막의 표면 측에 걸쳐서 연속적으로 감소했음을 나타낸다. 한편, 「극소점」란이 「있음」인 것도 「없음」인 것도, 모두 TiN층은 두께 방향에 있어서 C의 농도 분포를 갖고, 그 C의 농도가 기재 측으로부터 피복막의 표면 측에 걸쳐서 감소하는 영역을 포함하고 있음에 변함이 없다.

또한, 표 4에서, TiN층 중의 Co의 농도 분포의 「최대 농도」란, 상기 농도 분포에 있어서의 Co의 최대 농도를 나타내고, 「분포」란에서의 「감소」란, Co의 농도 분포에 있어서 Co의 농도가 기재 측으로부터 피복막의 표면 측에 걸쳐서 연속적으로 감소하는 것을 나타내고, 「일정」이란 Co의 농도가 기재 측으로부터 피복막의 표면 측에 걸쳐서 일정한 것을 나타낸다. 또한 「C/Co」란, TiN층에 있어서 Co에 대하여 C가 원자비로 몇 배 존재하는지를 나타내는 것인데, 그 수치는 그 배수 중 각 TiN층마다의 최소치를 나타내고 있다.

또한, 표 5에서의 각 표기도 기본적으로는 표 4에서의 표기와 같은 내용을 나타낸다. 다만, 비교예 103 및 비교예 104는 기재 바로 위에 TiN층은 형성되어 있지만 그 층은 C 및 Co를 포함하고 있지 않음을 나타내고, 비교예 105는 기재 바로 위에 TiN층이 형성되고 그 층은 C과 Co를 포함하지만, 그 C는 농도 분포를 갖지 않음(즉 두께 방향에 있어서 C의 농도는 일정함)을 나타내고(Co의 농도는 기재 측으로부터 피복막의 표면 측에 걸쳐서 감소하는 것을 나타내고), 비교예 106은 기재 바로 위에 TiN층이 형성되고 그 층은 C과 Co의 농도 분포를 갖지만, 그 농도 분포에 있어서 C의 농도는 기재 측으로부터 피복막의 표면 측에 걸쳐서 연속적으로 증가하는 것을 나타내고(Co의 농도는 기재 측으로부터 피복막의 표면 측에 걸쳐서 감소하는 것을 나타내고), 비교예 107은 기재 바로 위에 TiN층이 형성되고 그 층은 C과 Co를 포함하지만, 그 C 및 Co는 농도 분포를 갖지 않음(즉 두께 방향에 있어서 C 및 Co의 농도는 일정함)을 나타낸다.

<평가>

상기한 바와 같이 하여 제작한 각 실시예 및 각 비교예의 표면 피복 절삭 공구(프라이즈 가공용 날끝 교환형 절삭 팁 및 선삭 가공용 날끝 교환형 절삭 팁)에 관해서, 이하에 나타내는 2종의 절삭 시험을 행함으로써 평가했다. 그 결과를 이하의 표 6 및 표 7에 나타낸다.

<절삭 시험 101: 프라이즈 내마모성 평가>

표면 피복 절삭 공구로서 프라이즈 가공용 날끝 교환형 절삭 팁을 이용하고, 피삭재=SCM435(길이 300 mm×폭 200 mm의 블록재), 절삭 속도=300 m/min, 이송량=0.25 mm/t, 절입량=1.5 mm, 절삭유 없음이라는 절삭 조건으로 절삭을 하여 프라이즈 내마모성을 평가했다. 절삭 시간이 15분간으로 된 시점에서의 여유면의 평균 마모 폭 Vb(mm)을 측정했다. 평균 마모 폭 Vb이 작을수록 내마모성이 우수함을 나타내고 있다.

<절삭 시험 102: 선삭 내마모성 평가>

표면 피복 절삭 공구로서 선삭 가공용 날끝 교환형 절삭 팁을 이용하여, 피삭재=SCM415(직경 350 mm×길이 500 mm), 절삭 속도=200 m/min, 이송량=0.3 mm/t, 절입량=1.5 mm, 절삭유=수용성 절삭액이라는 절삭 조건으로 절삭을 하여 선삭 내마모성을 평가했다. 절삭 시간이 30분간으로 된 시점에서의 여유면의 평균 마모 폭 Vb(mm)을 측정했다. 평균 마모 폭 Vb이 작을수록 내마모성이 우수함을 나타내고 있다.

표 6 및 표 7로부터 분명한 바와 같이, 실시예의 표면 피복 절삭 공구는 비교예의 표면 피복 절삭 공구와 비교하여 내마모성이 향상되어, 공구 수명이 현저하게 향상됨을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 본 발명의 표면 피복 절삭 공구가 고속 가공에서 충분히 대응할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 본 발명의 표면 피복 절삭 공구가 본 발명의 구성을 가짐으로써, 기재와 피복막의 밀착성이 향상되었음에서 기인한 것임은 분명하다.

이상과 같이 본 발명의 실시형태 및 실시예에 관해서 설명했지만, 전술한 각 실시형태 및 실시예의 구성을 적절하게 조합하는 것도 당초 예정되어 있다.

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

Claims

기재와 이 기재 상에 형성된 피복막을 포함하고,
상기 피복막은 1 또는 2 이상의 층을 포함하고,
상기 층 중 상기 기재와 접하는 층은 TiN층이고,
상기 TiN층은 TiN과 함께 적어도 하나의 원소를 포함하고,
상기 원소는 상기 TiN층의 두께 방향으로 농도 분포를 갖고,
상기 농도 분포는, 상기 원소의 농도가 상기 기재 측으로부터 상기 피복막의 표면 측에 걸쳐서 감소하는 영역을 포함하는 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항에 있어서, 상기 TiN층은 TiN과 함께 C를 포함하고,
상기 C는 상기 TiN층의 두께 방향으로 농도 분포를 갖고,
상기 농도 분포는, 상기 C의 농도가 상기 기재 측으로부터 상기 피복막의 표면 측에 걸쳐서 감소하는 영역을 포함하는 것인 표면 피복 절삭 공구.
제2항에 있어서, 상기 농도 분포에서, 상기 C의 최대 농도와 최소 농도의 차는 10 원자% 이상인 것인 표면 피복 절삭 공구.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 C의 최대 농도는 30 원자% 이하인 것인 표면 피복 절삭 공구.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 농도 분포는, 상기 C의 농도가 상기 기재 측으로부터 감소한 후 극소점에 달하고, 그 후 상기 피복막의 표면 측에 걸쳐서 증가하는 분포를 갖는 것인 표면 피복 절삭 공구.
제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 TiN층은 0.1~0.5 ㎛의 두께를 갖는 것인 표면 피복 절삭 공구.
제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피복막은 상기 TiN층의 바로 위에 TiCN층을 포함하고,
상기 TiCN층은 TiCN을 포함하고,
상기 TiCN층에 있어서의 C는, 최대 농도가 20 원자% 이상으로 되는 것인 표면 피복 절삭 공구.
제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피복막은 다른 층을 더 포함하고,
상기 다른 층은, 주기율표의 4족 원소, 5족 원소, 6족 원소, Al 및 Si로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 1종의 원소와, 붕소, 탄소, 질소 및 산소로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 1종의 원소로 이루어지는 화합물로 구성되는 1 이상의 층인 것인 표면 피복 절삭 공구.
제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피복막은 화학 증착법에 의해 형성되는 것인 표면 피복 절삭 공구.
제2항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기재는 초경합금인 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항에 있어서, 상기 기재는 초경합금으로 이루어지고,
상기 TiN층은 TiN과 함께 C와 Co를 포함하고,
상기 C와 상기 Co는 각각 상기 TiN층의 두께 방향으로 농도 분포를 갖고,
상기 C의 농도 분포는, 상기 C의 농도가 상기 기재 측으로부터 상기 피복막의 표면 측에 걸쳐서 감소하는 영역을 포함하고,
상기 Co의 농도 분포는, 상기 Co의 농도가 상기 기재 측으로부터 상기 피복막의 표면 측에 걸쳐서 감소하는 영역을 포함하는 것인 표면 피복 절삭 공구.
제11항에 있어서, 상기 TiN층 중에 있어서의 상기 C와 상기 Co는 상기 Co 에 대하여 상기 C가 원자비로 2배 이상 존재하는 것인 표면 피복 절삭 공구.
제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 C의 농도 분포에서, 상기 C의 최대 농도와 최소 농도의 차는 10 원자% 이상인 것인 표면 피복 절삭 공구.
제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 C의 최대 농도는 30 원자% 이하이고,
상기 Co의 최대 농도는 5 원자% 이하인 것인 표면 피복 절삭 공구.
제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 C의 농도 분포는, 상기 C의 농도가 상기 기재 측으로부터 감소한 후 극소점에 달하고, 그 후 상기 피복막의 표면 측에 걸쳐서 증가하는 분포를 갖고,
상기 Co의 농도 분포는, 상기 Co의 농도가 상기 기재 측으로부터 상기 피복막의 표면 측에 걸쳐서 감소하는 분포를 갖는 것인 표면 피복 절삭 공구.
제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 TiN층은 0.1~0.5 ㎛의 두께를 갖는 것인 표면 피복 절삭 공구.
제11항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피복막은 상기 TiN층 바로 위에 TiCN층을 포함하고,
상기 TiCN층은 TiCN을 포함하고,
상기 TiCN층에 있어서의 C는, 최대 농도가 20 원자% 이상으로 되는 것인 표면 피복 절삭 공구.
제11항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피복막은 다른 층을 더 포함하고,
상기 다른 층은, 주기율표의 4족 원소, 5족 원소, 6족 원소, Al 및 Si로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 1종의 원소와, 붕소, 탄소, 질소 및 산소로 이루어지는 그룹에서 선택된 적어도 1종의 원소로 이루어지는 화합물로 구성되는 1 이상의 층인 것인 표면 피복 절삭 공구.
제11항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피복막은 화학 증착법에 의해 형성되는 것인 표면 피복 절삭 공구.