KR100707755B1

KR100707755B1 - 고속 절삭가공에서 경질 피복층이 우수한 내마모성을발휘하는 표면 피복 절삭공구 부재 및 그 경질 피복층을절삭공구 표면에 형성하는 방법

Info

Publication number: KR100707755B1
Application number: KR1020047011137A
Authority: KR
Inventors: 사또가즈노리; 곤도아끼히로; 다나까유스께
Original assignee: 미츠비시 마테리알 고베 툴스 가부시키가이샤; 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
Priority date: 2002-01-21
Filing date: 2003-01-14
Publication date: 2007-04-17
Also published as: EP1470879A8; KR20040094673A; US20050129986A1; DE60336453D1; EP1470879B1; EP1470879A1; EP1470879A4; CN1642682A; WO2003061884A1; CN100408237C; ATE502710T1; WO2003061884A8; US7094479B2

Abstract

고속 절삭가공에서 경질 피복층이 우수한 내마모성을 발휘하는 표면 피복 절삭공구 부재를 제공한다. 탄화텅스텐기 초경 합금 베이스체 또는 탄질화티탄계 서멧 베이스체 또는 입방정 질화붕소기 소결재료의 표면에, Al 과 Ti 의 복합 질화물로 이루어진 경질 피복층을 1∼15㎛ 의 전체 평균 층두께로 물리증착하여 이루어진 표면 피복 절삭공구 부재에서의 경질 피복층을, 층두께방향을 따라 Al 최고함유점 (Ti 최저함유점) 과 Al 최저함유점 (Ti 최고함유점) 이 소정 간격을 두고 교대로 반복하여 존재하고, 또한 Al 최고함유점에서 Al 최저함유점, Al 최저함유점에서 Al 최고함유점으로 Al(Ti) 함유량이 연속적으로 변화하는 성분농도 분포구조를 가지며, Al 최고함유점이 조성식 : (Al_XTi_1-X)N (단, 원자비로 X 는 0.70∼0.95 를 나타냄), Al 최저함유점이 조성식 : (Al_YTi_1-Y)N (Y 는 0.40∼0.65) 를 각각 만족하며, 인접하는 Al 최고함유점과 Al 최저함유점의 간격이 0.01∼0.1㎛ 인 경질 피복층으로 구성한다.

Description

고속 절삭가공에서 경질 피복층이 우수한 내마모성을 발휘하는 표면 피복 절삭공구 부재 및 그 경질 피복층을 절삭공구 표면에 형성하는 방법{SURFACE COATED CUTTING TOOL MEMBER HAVING HARD COATING LAYER EXHIBITING EXCELLENT ABRASION RESISTANCE IN HIGH-SPEED CUTTING, AND METHOD FOR FORMING SAID HARD COATING LAYER ON SURFACE OF CUTTING TOOL}

본 발명은, 경질 피복층이 우수한 고온특성을 가지며, 따라서 특히 각종 강이나 주철 등의 고열 발생을 수반하는 고속 절삭가공에서 우수한 내마모성을 발휘하는 표면 피복 절삭공구 부재 (이하, 피복 절삭공구라 함) 에 관한 것이다.

또, 본 발명은 상기 경질 피복층을 절삭공구 표면에 형성하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 절삭공구에는, 각종 강이나 주철 등의 피삭재의 선삭가공이나 평삭가공에 바이트의 선단부에 착탈이 자유롭도록 장착되어 사용되는 슬로 어웨이 팁(throw away tip), 상기 피삭재의 개공(開孔) 절삭가공 등에 사용되는 드릴이나 미니츄어(miniature) 드릴, 그리고 상기 피삭재의 면삭가공이나 홈가공, 숄더(shoulder)가공 등에 사용되는 솔리드 타입의 엔드밀 등이 있고, 또 상기 슬로 어웨이 팁을 착탈이 자유롭게 장착하여 상기 솔리드 타입의 엔드밀과 동일하게 절삭 가공을 행하는 슬로 어웨이 엔드밀 공구 등이 알려져 있다.

또한, 내마찰성 향상을 목적으로, 예컨대 도 2 에 개략 설명도로 나타내는 물리증착장치의 1종인 아크 이온 플레이팅 장치내에 탄화텅스텐 (이하, WC 로 나타냄) 기(基) 초경(超硬) 합금이나 탄질화티탄 (이하, TiCN 으로 나타냄) 계(系) 서멧, 또는 입방정 질화붕소 (이하, c-BN 으로 나타냄) 기 소결재료로 이루어진 절삭공구를 장치에 넣고, 히터로 장치내를 예컨대 500℃ 의 온도로 가열한 상태에서, 애노드 전극과 소정 조성을 갖는 Al-Ti 합금이 세팅된 캐소드 전극 (증발원) 사이에, 예컨대 전류 : 90A 의 조건에서 아크 방전을 발생시키고, 동시에 장치내에 반응가스로서 질소가스를 도입하여, 예컨대 2Pa 의 반응 분위기로 하는 한편, 상기 절삭공구에는 예컨대 -100V 의 바이어스 전압을 인가한 조건에서 상기 절삭공구의 표면에,

조성식 : (Al_ZTi_1-Z)N (단, 원자비로 Z 는 0.4∼0.65 를 나타냄) 을 만족하는 Al 과 Ti 의 복합 질화물 [이하, (Al,Ti)N 으로 나타냄] 층으로 이루어진 경질 피복층을 1∼15㎛ 의 평균 층두께로 형성하는 방법이 알려져 있다.

최근의 절삭가공장치의 고성능화는 눈부시며, 한편으로 절삭가공에 대한 노동력 절감 및 에너지 절약, 나아가 저비용화의 요구는 강해지고, 이에 따라 절삭가공은 고속화의 경향이 있지만, 상기 종래 절삭공구에 있어서는, 이것을 통상의 절삭가공조건에서 사용한 경우에는 문제는 없지만, 이것을 높은 발열을 수반하는 고속 절삭조건에서 사용한 경우에는, 이것을 구성하는 경질 피복층의 마모가 현저하 게 촉진되게 되므로, 비교적 단시간에 사용 수명이 다하는 것이 현상이다.

따라서, 본 발명자들은 상기 기술한 바와 같은 관점에서, 특히 상기 종래 절삭공구의 경질 피복층인 (Al,Ti)N 층에 착안하여, 고속 절삭가공에서 우수한 내마모성을 발휘하는 (Al,Ti)N 층을 개발하기 위해 연구한 결과,

(a) 상기 도 2 에 나타내는 아크 이온 플레이팅 장치를 사용하여 형성된 종래 경질 피복층인 (Al,Ti)N 층은, 층두께 전체에 걸쳐 균질한 고온경도와 내열성 및 인성을 갖는데, 예컨대 도 1A 에 개략 평면도로, 도 1B 에 개략 정면도로 나타내는 구조의 아크 이온 플레이팅 장치, 즉 장치 중앙부에 절삭공구 장착용 회전 테이블을 설치하고, 상기 회전 테이블을 사이에 두고 일방측에 상대적으로 Al 함유량이 높은 (Ti 함유량이 낮은) Al-Ti 합금, 타방측에 상대적으로 Ti 함유량이 높은 (Al 함유량이 낮은) Ti-Al 합금을 캐소드 전극 (증발원) 으로서 대향배치한 아크 이온 플레이팅 장치를 사용하고, 이 장치의 상기 회전 테이블 위에, 상기 회전 테이블의 중심축에서 반경방향으로 떨어진 위치에 상기 절삭공구를 장착하고, 이 상태에서 장치내의 반응 분위기를 질소가스 분위기로 하여 상기 회전 테이블을 회전시킴과 동시에, 증착형성되는 경질 피복층의 층두께 균일화를 도모할 목적으로 절삭공구 자체도 자전시키면서, 상기 양측의 캐소드 전극 (증발원) 과 애노드 전극 사이에 아크 방전을 발생시키는 조건에서 (Al,Ti)N 층을 형성하면, 상기 절삭공구의 표면에는, 회전 테이블 위의 중심축에서 반경방향으로 떨어진 위치에 배치된 상기 절삭공구가 상기 일방측의 상대적으로 Al 함유량이 높은 (Ti 함유량이 낮은) Al-Ti 합금의 캐소드 전극 (증발원) 에 가장 접근한 시점에서 층 중에 Al 최고함유 점이 형성되고, 또 상기 절삭공구가 상기 타방측의 상대적으로 Ti 함유량이 높은 (Al 함유량이 낮은) Ti-Al 합금의 캐소드 전극에 가장 접근한 시점에서 층 중에 Al 최저함유점이 형성된다는 점에서, 상기 회전 테이블의 회전에 의해 층 중에는 두께방향을 따라 상기 Al 최고함유점과 Al 최저함유점이 소정 간격을 두고 교대로 반복하여 나타남과 동시에, 상기 Al 최고함유점에서 상기 Al 최저함유점, 상기 Al 최저함유점에서 상기 Al 최고함유점으로 Al(Ti) 함유량이 연속적으로 변화하는 성분농도 분포구조를 가진 (Al,Ti)N 층이 형성되게 되는 것.

(b) 상기 (a) 의 반복 연속변화 성분농도 분포구조의 (Al,Ti)N 층에 있어서, 예컨대 대향배치된 캐소드 전극 (증발원) 의 각각의 합금 조성을 조제함과 동시에, 절삭공구가 장착되어 있는 회전 테이블의 회전속도를 제어하여,

상기 Al 최고함유점이 조성식 : (Al_XTi_1-X)N (단, 원자비로 X 는 0.70∼0.95 를 나타냄),

상기 Al 최저함유점이, 조성식 : (Al_YTi_1-Y)N (단, 원자비로 Y 는 0.40∼0.65 를 나타냄),

를 각각 만족하며, 인접하는 상기 Al 최고함유점과 상기 Al 최저함유점의 두께방향의 간격이 0.01∼0.1㎛ 가 되도록 하면,

상기 Al 최고함유점 부분에서는, 상기 종래 (Al,Ti)N 층에 비해 Al 함유량이 상대적으로 높아진다는 점에서, 한층 더 우수한 고온경도와 내열성 (고온특성) 을 나타내는 한편, 상기 Al 최저함유점 부분에서는, 상기 Al 최고함유점 부분에 비해 Al 함유량이 낮고 Ti 함유량이 높은 것이 되므로 고인성이 확보되고, 또한 이들 Al 최고함유점과 Al 최저함유점의 간격을 매우 작게 한다는 점에서, 층 전체의 특성으로서 고인성을 유지한 상태에서 우수한 고온특성을 구비하게 되고, 따라서 이러한 구성의 (Al,Ti)N 층을 경질 피복층으로서 형성하여 이루어진 절삭공구는, 높은 발열을 수반하는 강이나 주철 등의 고속 절삭가공에서 우수한 내마모성을 발휘하게 되는 것.

이상 (a) 및 (b) 에 나타나는 연구결과를 얻었다.

본 발명은, 상기 연구결과에 의거하여 이루어진 것으로, 절삭공구 베이스체(基體)의 표면에, (Al,Ti)N 으로 이루어진 경질 피복층을 1∼15㎛ 의 전체 평균 층두께로 물리증착하여 이루어진 피복 절삭공구에 있어서,

상기 경질 피복층이, 층두께방향을 따라 Al 최고함유점 (Ti 최저함유점) 과 Al 최저함유점 (Ti 최고함유점) 이 소정 간격을 두고 교대로 반복하여 존재하고, 또한 상기 Al 최고함유점에서 상기 Al 최저함유점, 상기 Al 최저함유점에서 상기 Al 최고함유점으로 Al(Ti) 함유량이 연속적으로 변화하는 성분농도 분포구조를 가지며,

상기 Al 최저함유점이 조성식 : (Al_YTi_1-Y)N (단, 원자비로 Y 는 0.40∼0.65 를 나타냄) 을 각각 만족하며, 인접하는 상기 Al 최고함유점과 상기 Al 최저함유점의 간격이 0.01∼0.1㎛ 인 고속 절삭가공에서 경질 피복층이 우수한 내마모성을 발휘하는 피복 절삭공구에 특징을 갖는 것이다.

또, 본 발명은 아크 이온 플레이팅 장치내의 회전 테이블 위에, 상기 회전 테이블의 중심축에서 반경방향으로 떨어진 위치에 WC 기 초경 합금 및/또는 TiCN 기 서멧 및/또는 입방정 c-BN 기 소결재료로 이루어진 절삭공구를 자전이 자유롭게 장착하고,

상기 아크 이온 플레이팅 장치내의 반응 분위기를 질소가스 분위기로 하여, 상기 회전 테이블을 사이에 두고 대향배치한 Al 최고함유점 (Ti 최저함유점) 형성용 Al-Ti 합금의 캐소드 전극 및 Al 최저함유점 (Ti 최고함유점) 형성용 Ti-Al 합금의 캐소드 전극과, 이들 캐소드 전극의 각각에 나란히 형성된 애노드 전극과의 사이에 아크 방전을 발생시키고,

이로써, 상기 회전 테이블 위에서 자전하면서 회전하는 상기 절삭공구의 표면에, 두께방향을 따라 Al 최고함유점 (Ti 최저함유점) 과 Al 최저함유점 (Ti 최고함유점) 이 소정 간격을 두고 교대로 반복하여 존재하고, 또한 상기 Al 최고함유점에서 상기 Al 최저함유점, 상기 Al 최저함유점에서 상기 Al 최고함유점으로 Al(Ti) 함유량이 연속적으로 변화하는 성분농도 분포구조를 가지며,

상기 Al 최저함유점이 조성식 : (Al_YTi_1-Y)N (단, 원자비로 Y 는 0.40∼0.65 를 나타냄) 을 각각 만족하며, 인접하는 상기 Al 최고함유점과 Al 최저함유점의 간격이 0.01∼0.1㎛ 인 (Al,Ti)N 층으로 이루어진 경질 피복층을 1∼15㎛ 의 전체 평균 층두께로 물리증착하는 것으로 이루어진, 고속 절삭가공에서 우수한 내마모성을 발휘하는 경질 피복층을 절삭공구 표면에 형성하는 방법에 특징을 갖는 것이다.

다음, 본 발명에서의 경질 피복층의 구성을 상기와 같이 한정한 이유를 설명한다.

(a) Al 최고함유점의 조성

경질 피복층을 구성하는 (Al,Ti)N 층에서의 Al 은, 고인성을 갖는 TiN 층의 고온경도 및 내열성 (고온특성) 을 향상시킬 목적으로 함유하는 것이고, 따라서 Al 최고함유점에서의 Al 의 비율 (X) 이 Ti 와의 함량에서 차지하는 비율 (원자비) 로 0.70 미만이면 원하는 우수한 고온특성을 확보할 수 없는 한편, 그 비율이 마찬가지로 0.95 를 초과하면 Ti 의 비율이 너무 낮아져 급격하게 인성이 저하되어 절삭날에 팁핑 (미소 결손) 등이 쉽게 발생하게 되므로, 그 비율을 0.70∼0.95 로 정했다.

(b) Al 최저함유점의 조성

상기와 같이 Al 최고함유점은 고온특성이 우수한 것이지만, 반면 인성이 떨어지므로 이 Al 최고함유점의 인성 부족을 보완할 목적으로, Ti 함유 비율이 높고, 이에 의해 고인성을 갖게 되는 Al 최저함유점을 두께방향으로 교대로 개재시키는 것이며, 따라서 Al 의 비율 (Y) 가 Ti 와의 함량에서 차지하는 비율 (원자비) 로 0.65 를 초과하면, 원하는 우수한 인성을 확보할 수 없는 한편, 그 비율이 마찬가지로 0.40 미만이 되면, 상대적으로 Ti 의 비율이 너무 높아져, Al 최저함유점에 원하는 고온특성을 구비시킬 수 없게 되므로, 그 비율을 0.40∼0.65 로 정했다.

(c) Al 최고함유점과 Al 최저함유점 사이의 간격

그 간격이 0.01㎛ 미만이면 각각의 점을 상기 조성으로 명확하게 형성하기가 어렵고, 그 결과 층에 원하는 고온특성과 인성을 확보할 수 없게 되고, 또 그 간격이 0.1㎛ 를 초과하면 각각의 점이 갖는 결점, 즉 Al 최고함유점은 인성 부족, Al 최저함유점은 고온특성 부족이 층내에 국부적으로 나타나, 이것이 원인이 되어 절삭날에 팁핑이 쉽게 발생하거나, 마모 진행이 촉진되게 되므로, 그 간격을 0.01∼0.1㎛ 로 정했다.

(d) 경질 피복층의 전체 평균 층두께

그 층두께가 1㎛ 미만이면 원하는 내마모성을 확보할 수 없는 한편, 그 평균 층두께가 15㎛ 를 초과하면, 절삭날에 팁핑이 쉽게 발생하게 되므로, 그 평균 층두께를 1∼15㎛ 로 정했다.

도 1A, 1B 는, 본 발명의 피복 절삭공구를 구성하는 경질 피복층을 형성하는 데 사용한 아크 이온 플레이팅 장치를 나타내고, 도1A 는 개략 평면도, 도 1B 는 개략 정면도이다.

도 2 는, 종래 피복 절삭공구를 구성하는 경질 피복층을 형성하는 데 사용한 통상의 아크 이온 플레이팅 장치의 개략 설명도이다.

도 3A 는 피복 초경 팁의 개략 사시도, 도 3B 는 피복 초경 팁의 개략 종단면도이다.

도 4A 는 피복 초경 엔드밀의 개략 정면도, 도 4B 는 동 절삭날부의 개략 횡단면도이다.

도 5A 는 피복 초경 드릴의 개략 정면도, 도 5B 는 동 홈형성부의 개략 횡단면도이다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

다음, 본 발명의 피복 절삭공구를 실시형태에 의해 구체적으로 설명한다.

(실시형태 1)

먼저, 원료 분말로서 모두 1∼3㎛ 의 평균 입경을 갖는 WC 분말, TiC 분말, ZrC 분말, VC 분말, TaC 분말, NbC 분말, Cr₃C₂ 분말, TiN 분말, TaN 분말 및 Co 분말을 준비하고, 이들 원료 분말을 표 1 에 나타내는 배합 조성으로 배합하여 볼밀로 72 시간 습식 혼합하고 건조시킨 후, 100MPa 의 압력으로 압분체(壓粉體)로 프레스 성형하여 이 압분체를 6Pa 의 진공 중에서 온도 : 1400℃ 로 1 시간 유지하는 조건에서 소결하고, 소결후 절삭날 부분에 R : 0.03 의 호닝가공을 실시하여 ISO 규격ㆍCNMG120408 의 팁 형상을 가진 WC 기 초경 합금제의 초경 베이스체 A-1∼A-10 을 제조하였다.

또한, 원료분말로서 모두 0.5∼2㎛ 의 평균 입경을 갖는 TiCN (중량비로 TiC/TiN=50/50) 분말, MO₂C 분말, ZrC 분말, NbC 분말, TaC 분말, WC 분말, Co 분말 및 Ni 분말을 준비하고, 이들 원료분말을 표 2 에 나타내는 배합 조성으로 배합하여 볼밀로 24 시간 습식 혼합하여 건조시킨 후, 100MPa 의 압력으로 압분체로 프레스 성형하여, 이들 압분체 중 초경 베이스체 B-1∼B-6 용 압분체에 대해서는 2kPa 의 질소 분위기 중에서 온도 : 1500℃ 로 1 시간 유지한 후 로냉각(爐冷)의 조건으로 소결하고, 또 초경 베이스체 B-7∼B-9 용 압분체에 대해서는,

실온에서 1300℃ 까지를 1Pa 의 진공 분위기,

1300℃ 에서 1350℃ 까지를 1kPa 의 질소 분위기,

1350℃ 에서 1400℃ 까지를 1Pa 의 진공 분위기,

1400℃ 에서 1450℃ 까지를 2kPa 의 질소 분위기,

그리고 1450℃ 에서 1500℃ 까지를 1Pa 의 진공 분위기

로 하여 소결온도인 1500℃ 까지 승온시키고, 상기 소결온도에서 3kPa 의 질소 분위기로 하여 1 시간 유지한 후 로냉각의 조건으로 소결하고, 소결후 절삭날 부분에 R : 0.03 의 호닝가공을 실시하여 ISO 규격ㆍCNMG120408 의 팁 형상을 갖는 TiCN 계 서멧제 초경 베이스체 B-1∼B-9 를 제조하였다.

이 결과 얻어진 초경 베이스체 B-1∼B-9 에 대해 그 종단면을 주사형 전자현미경을 사용하여 관찰한 결과, 초경 베이스체 B-1∼B-6 은 모두 표면에서 내부까지 균질한 (Ti) 와 (Zr, Ta, Nb, Mo 및 W 중 1종 이상) 의 복합 탄질화물로 이루어진 경질상(硬質相)과, Co 및 Ni 를 주성분으로 하는 결합상의 2 상 조직을 나타내는 한편, 초경 베이스체 B-7∼B-9 는, 내부는 상기 2 상(相) 조직과 동일한 조직을 나타냈지만, 표면부에 표면으로부터 1∼3㎛ 의 깊이 위치에 걸쳐 상기 결합상이 존재하지 않는 층, 즉 상기 복합 탄질화물만으로 이루어진 표면층의 존재가 관찰되었다.

이어서, 상기 초경 베이스체 A-1∼A-10 및 B-1∼B-9 의 각각을 아세톤 중에서 초음파 세정하고 건조시킨 상태에서, 도 1A, 1B 에 나타내는 아크 이온 플레이팅 장치내의 회전 테이블 위에, 상기 회전 테이블의 중심축에서 반경방향으로 떨어진 위치에 자전이 자유롭게 장착하고, 일방측의 캐소드 전극 (증발원) 으로서, 여러 성분 조성을 갖는 Al 최저함유점 형성용 Ti-Al 합금, 타방측의 캐소드 전극 (증발원) 으로서, 여러 성분 조성을 가진 Al 최고함유점 형성용 Al-Ti 합금을 상기 회전 테이블을 사이에 두고 대향배치하고, 또 봄바드 (bombard) 세정용 금속 Ti 도 장착하여, 먼저 장치내를 배기시켜 0.5Pa 이하의 진공으로 유지하면서, 히터로 장치내를 500℃ 로 가열한 후, 상기 회전 테이블 위에서 자전하면서 회전하는 초경 베이스체에 -1000V 의 직류 바이어스 전압을 인가하여 캐소드 전극의 상기 금속 Ti 와 애노드 전극 사이에 100A 의 전류를 흐르게 하여 아크 방전을 발생시킴으로써, 상기 초경 베이스체 표면을 Ti 봄바드 세정하고, 이어서 장치내에 반응가스로서 질소가스를 도입하여 2Pa 의 반응 분위기로 함과 동시에, 상기 회전 테이블 위에서 자전하면서 회전하는 상기 초경 베이스체에 -100V 의 직류 바이어스 전압을 인가하여 각각의 캐소드 전극 (상기 Al 최저함유점 형성용 Ti-Al 합금 및 Al 최고함유점 형성용 Al-Ti 합금) 과 애노드 전극 사이에 100A 의 전류를 흐르게 하여 아크 방전 을 발생시키는 조건에서 본 발명법을 실시하고, 이로써 상기 초경 베이스체의 표면에 두께방향을 따라 표 3, 4 에 나타내는 목표 조성의 Al 최저함유점과 Al 최고함유점이 교대로 동일하게 표 3, 4 에 나타내는 목표 간격으로 반복하여 존재하고, 또한 상기 Al 최고함유점에서 상기 Al 최저함유점, 상기 Al 최저함유점에서 상기 Al 최고함유점으로 Al(Ti) 함유량이 연속적으로 변화하는 성분농도 분포구조를 가지며, 동일하게 표 3, 4 에 나타내는 목표 전체 층두께의 경질 피복층을 증착함으로써, 도 3A 에 개략 사시도로, 도 3B 에 개략 종단면도로 나타내는 형상을 갖는 본 발명 피복 절삭공구로서의 본 발명 표면 피복 초경 합금제 슬로 어웨이 팁 (이하, 본 발명 피복 초경 팁이라 함) 1∼19 를 각각 제조하였다.

또, 비교를 목적으로 이들 초경 베이스체 A-1∼A-10 및 B-1∼B-9 를 아세톤 중에서 초음파 세정하고 건조시킨 상태에서, 각각 도 2 에 나타내는 통상의 아크 이온 플레이팅 장치에 넣고, 캐소드 전극 (증발원) 으로서 여러 성분 조성을 갖는 Al-Ti 합금을 장착하고, 장치내를 배기시켜 0.5Pa 이하의 진공으로 유지하면서, 히터로 장치내를 500℃ 로 가열한 후, Ar 가스를 장치내에 도입하여 10Pa 의 Ar 분위기로 하고, 이 상태에서 상기 초경 베이스체에 -800V 의 바이어스 전압을 인가하여 상기 초경 베이스체 표면을 Ar 가스 봄바드 세정하고, 이어서 장치내에 반응가스로서 질소가스를 도입하여 2Pa 의 반응 분위기로 함과 동시에, 상기 초경 베이스체에 인가하는 바이어스 전압을 -100V 로 낮춰, 상기 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 아크 방전을 발생시키는 조건에서 종래법을 실시하고, 이로써 상기 초경 베이스체 A-1∼A-10 및 B-1∼B-6 의 각각의 표면에, 표 5, 6 에 나타내는 목표 조성 및 목표 층두께를 가지며, 층두께방향을 따라 실질적으로 조성변화가 없는 (Al,Ti)N 층으로 이루어진 경질 피복층을 증착함으로써, 동일하게 도 3A, 3B 에 나타내는 형상의 종래 피복 절삭공구로서의 종래 표면 피복 초경 합금제 슬로 어웨이 팁 (이하, 종래 피복 초경 팁이라 함) 1∼19 를 각각 제조하였다.

다음, 상기 본 발명 피복 초경 팁 1∼19 및 종래 피복 초경 팁 1∼19 에 대해 이것을 공구강제 바이트의 선단부에 고정 지그로 나사를 고정시킨 상태에서,

피삭재 : JISㆍSNCM439 의 환봉,

절삭속도 : 300m/min.,

절삭깊이 : 1.5mm,

이송(feed) : 0.2mm/rev.,

절삭시간 : 10 분

의 조건으로 합금강의 건식 고속 연속 선삭가공 시험,

피삭재 : JISㆍS50C 의 길이방향 등간격으로 4개의 세로홈이 있는 환봉,

절삭속도 : 300m/min.,

절삭깊이 : 1.5mm,

이송 : 0.25mm/rev.,

절삭시간 : 10 분

의 조건으로 탄소강의 건식 고속 단속(斷續) 선삭가공 시험, 그리고,

피삭재 : JISㆍFC300 의 길이방향 등간격으로 4개의 세로홈이 있는 환봉,

절삭속도 : 300m/min.,

절삭깊이 : 1.0mm,

이송 : 0.25mm/rev.,

절삭시간 : 10 분

의 조건에서의 주철의 건식 고속 단속 선삭가공 시험을 행하여, 모든 선삭가공 시험에서 절삭날의 플랭크(flank) 마찰폭을 측정하였다. 이 측정결과를 표 1∼6 에 나타냈다.

(실시형태 2)

원료 분말로서, 평균 입경 : 5.5㎛ 를 갖는 중조립(中粗粒) WC 분말, 동 0.8㎛ 의 미립(微粒) 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 분말, 및 동 1.8㎛ 의 Co 분말을 준비하고, 이들 원료 분말을 각각 표 7 에 나 타내는 배합 조성으로 배합하고, 왁스를 더 첨가하여 아세톤 중에서 24 시간 볼밀로 혼합하여 감압 건조시킨 후, 100MPa 의 압력으로 소정 형상의 각종 압분체로 프레스 성형하여 이들 압분체를 6Pa 의 진공 분위기 중에서 7℃/분의 승온속도로 1370∼1470℃ 의 범위내의 소정 온도로 승온시키고, 이 온도로 1시간 유지한 후 로냉각의 조건으로 소결하여 직경이 8mm, 13mm, 26mm 인 3 종의 초경 베이스체 형성용 환봉 소결체를 형성하고, 상기 3 종의 환봉 소결체로부터 연삭가공하여 표 7 에 나타내는 조합으로 절삭날부의 직경×길이가 각각 6mm×13mm, 10mm×22mm, 20mm×45mm 의 치수를 가진 초경 베이스체 (엔드밀) C-1∼C-8 을 각각 제조하였다.

이어서, 이들 초경 베이스체 (엔드밀) C-1∼C-8 의 표면을 아세톤 중에서 초음파 세정하고 건조시킨 상태에서, 동일하게 도 1A, 1B 에 나타내는 아크 이온 플레이팅 장치에 넣고, 상기 실시형태 1 과 동일한 조건에서 본 발명법을 실시하여, 층두께방향을 따라 표 8 에 나타내는 목표 조성의 Al 최저함유점과 Al 최고함유점이 교대로 동일하게 표 8 에 나타내는 목표 간격으로 반복하여 존재하고, 또한 상기 Al 최고함유점에서 상기 Al 최저함유점, 상기 Al 최저함유점에서 상기 Al 최고함유점으로 Al(Ti) 함유량이 연속적으로 변화하는 성분농도 분포구조를 가지며, 또한 동일하게 표 8 에 나타내는 목표 전체 층두께의 경질 피복층을 증착함으로써, 도 4A 에 개략 정면도로, 도 4B 에 절삭날부의 개략 횡단면도로 나타내는 형상을 갖는 본 발명 피복 절삭공구로서의 본 발명 표면 피복 초경 합금제 엔드밀 (이하, 본 발명 피복 초경 엔드밀이라 함) 1∼8 을 각각 제조하였다.

또, 비교를 목적으로, 상기 초경 베이스체 (엔드밀) C-1∼C-8 의 표면을 아 세톤 중에서 초음파 세정하고 건조시킨 상태에서, 동일하게 도 2 에 나타내는 통상의 아크 이온 플레이팅 장치에 넣고, 상기 실시형태 1 과 동일한 조건에서 종래법을 실시하여, 표 9 에 나타내는 목표 조성 및 목표 층두께를 가지며, 또한 층두께방향을 따라 실질적으로 조성변화가 없는 (Ti,Al)N 층으로 이루어진 경질 피복층을 증착함으로써, 종래 피복 절삭공구로서의 종래 표면 피복 초경 합금제 엔드밀 (이하, 종래 피복 초경 엔드밀이라 함) 1∼8 을 각각 제조하였다.

다음에, 상기 본 발명 피복 초경 엔드밀 1∼8 및 종래 피복 초경 엔드밀 1∼8 중, 본 발명 피복 초경 엔드밀 1∼3 및 종래 피복 초경 엔드밀 1∼3 에 대해서는,

피삭재 : 평면 치수 : 100mm×250mm, 두께 : 50mm 의 JISㆍSKD61 의 판재,

절삭속도 : 180m/min.,

홈깊이 (절삭깊이) : 2mm,

테이블 이송 : 850mm/분

의 조건에서의 공구강의 건식 고속 홈절삭가공 시험, 본 발명 피복 초경 엔드밀 4∼6 및 종래 피복 초경 엔드밀 4∼6 에 대해서는,

피삭재 : 평면 치수 : 100mm×250mm, 두께 : 50mm 의 JISㆍSUS316 의 판재,

절삭속도 : 160m/min.,

홈깊이 (절삭깊이) : 3mm,

테이블 이송 : 800mm/분

의 조건에서의 스텐레스강의 건식 고속 홈절삭가공 시험, 본 발명 피복 초경 엔드 밀 7, 8 및 종래 피복 초경 엔드밀 7, 8 에 대해서는,

피삭재 : 평면 치수 : 100mm×250mm, 두께 : 50mm 의 JISㆍSCM440 의 판재,

절삭속도 : 300m/min.,

홈깊이 (절삭깊이) : 6mm,

테이블 이송 : 850mm/분

의 조건에서의 합금강의 건식 고속 홈절삭가공 시험을 각각 행하여, 모든 홈절삭가공 시험에서 절삭날부의 외주날의 플랭크 마찰폭이 사용 수명의 기준이 되는 0.1mm 에 이르기까지의 절삭홈 길이를 측정하였다. 이 측정결과를 표 7, 8, 9 에 각각 나타냈다.

(실시형태 3)

상기 실시형태 2 에서 제조한 직경이 8mm (초경 베이스체 C-1∼C-3 형성용), 13mm (초경 베이스체 C-4∼C-6 형성용) 및 26mm (초경 베이스체 C-7, C-8 형성용) 의 3 종의 환봉 소결체를 사용하고, 이 3 종의 환봉 소결체로부터 연삭가공으로 홈형성부의 직경×길이가 각각 4mm×13mm (초경 베이스체 D-1∼D-3), 8mm×22mm (초경 베이스체 D-4∼D-6) 및 16mm×45mm (초경 베이스체 D-7, D-8) 의 치수를 가진 초경 베이스체 (드릴) D-1∼D-8 을 각각 제조하였다.

이어서, 이들 초경 베이스체 (드릴) D-1∼D-8 의 절삭날에 호닝을 실시하고, 아세톤 중에서 초음파 세정하고 건조시킨 상태에서, 동일하게 도 1A, 1B 에 나타내 는 아크 이온 플레이팅 장치에 넣고, 상기 실시형태 1 과 동일한 조건에서 본 발명법을 실시하여, 층두께방향을 따라 표 10 에 나타내는 목표 조성의 Al 최저함유점과 Al 최고함유점이 교대로 동일하게 표 10 에 나타내는 목표 간격으로 반복하여 존재하고, 또한 상기 Al 최고함유점에서 상기 Al 최저함유점, 상기 Al 최저함유점에서 상기 Al 최고함유점으로 Al(Ti) 함유량이 연속적으로 변화하는 성분농도 분포구조를 가지며, 동일하게 표 10 에 나타내는 목표 전체 층두께의 경질 피복층을 증착함으로써, 도 5A 에 개략 정면도로, 도 5B 에 홈형성부의 개략 횡단면도로 나타내는 형상을 갖는 본 발명 피복 절삭공구로서의 본 발명 표면 피복 초경 합금제 드릴 (이하, 본 발명 피복 초경 드릴이라 함) 1∼8 을 각각 제조하였다.

또, 비교를 목적으로, 상기 초경 베이스체 (드릴) D-1∼D-8 의 표면에 호닝을 실시하고, 아세톤 중에서 초음파 세정하고 건조시킨 상태에서, 동일하게 도 2 에 나타내는 통상의 아크 이온 플레이팅 장치에 넣고, 상기 실시형태 1 과 동일한 조건에서 종래법을 실시하여, 표 11 에 나타내는 목표 조성 및 목표 층두께를 가지며, 또한 층두께방향을 따라 실질적으로 조성변화가 없는 (Ti,Al)N 층으로 이루어진 경질 피복층을 증착함으로써, 종래 피복 절삭공구로서의 종래 표면 피복 초경 합금제 드릴 (이하, 종래 피복 초경 드릴이라 함) 1∼8 을 각각 제조하였다.

다음에, 상기 본 발명 피복 초경 드릴 1∼8 및 종래 피복 초경 드릴 1∼8 중, 본 발명 피복 초경 드릴 1∼3 및 종래 피복 초경 드릴 1∼3 에 대해서는,

절삭속도 : 70m/min.,

이송 : 0.15mm/rev,

구멍깊이 : 8mm

의 조건에서의 공구강의 습식 고속 개공절삭가공 시험, 본 발명 피복 초경 드릴 4∼6 및 종래 피복 초경 드릴 4∼6 에 대해서는,

피삭재 : 평면 치수 : 100mm×250mm, 두께 : 50mm 의 JISㆍFCD450 의 판재,

절삭속도 : 120m/min.,

이송 : 0.25mm/rev,

구멍깊이 : 16mm

의 조건에서의 덕타일 주철의 습식 고속 개공절삭가공 시험, 본 발명 피복 초경 드릴 7, 8 및 종래 피복 초경 드릴 7, 8 에 대해서는,

피삭재 : 평면 치수 : 100mm×250mm, 두께 : 50mm 의 JISㆍFC250 의 판재,

절삭속도 : 180m/min,

이송 : 0.35mm/rev,

구멍깊이 : 24mm

의 조건에서의 주철의 습식 고속 개공절삭가공 시험을 각각 행하여, 모든 습식 고속 개공절삭가공 시험 (수용성 절삭오일 사용) 에서 선단 절삭날면의 플랭크 마찰폭이 0.3mm 에 이르기까지의 개공가공수를 측정하였다. 이 측정결과를 표 10, 11 에 각각 나타냈다.

(실시형태 4)

원료 분말로서 모두 0.5∼4㎛ 의 범위내의 평균 입경을 갖는 c-BN 분말, TiC 분말, TiN 분말, TiCN 분말, WC 분말, Al 분말, Ti 와 Al 의 금속간 화합물 분말인 Ti₃Al 분말, TiAl 분말 및 TiAl₃ 분말, 그리고 조성식 : Ti₂AlN 을 갖는 복합 금속 질화물 분말, TiB₂ 분말, AlN 분말, AlB₂ 분말, Al₂O₃ 분말을 준비하고, 이들 원료분말을 표 12 에 나타내는 배합 조성으로 배합하여 볼밀로 72 시간 습식 혼합하고 건조시킨 후, 100MPa 의 압력으로 직경 : 50mm×두께 : 1.5mm 의 치수를 가진 압분체로 프레스 성형하고, 이어서 이 압분체를 압력 : 1Pa 의 진공 분위기 중에서 900∼ 1300℃ 의 범위내의 소정 온도로 30 분간 유지하는 조건에서 소결하여 절삭날편용 예비 소결체를 제작하였다. 이 예비 소결체를 별도로 준비한 Co : 8 질량%, WC : 나머지 조성 및 직경 : 50mm×두께 : 2mm 의 치수를 가진 WC 기 초경 합금제 지지편과 겹치게 한 상태에서, 통상의 초고압 소결장치에 넣어 통상의 조건인 압력 : 5GPa, 온도 : 1200∼1400℃ 의 범위내의 소정 온도로 유지시간 : 0.5 시간의 조건에서 초고압 소결하여, 소결후 상하면을 다이아몬드 지석을 이용하여 연마하고, 와이어 방전 가공장치로 한변이 3mm 인 정삼각형으로 분할하고, 다시 Co : 5 질량%, TaC : 5 질량%, WC : 나머지 조성 및 CIS 규격 TNGA160408 의 형상 (두께 : 4.76mm×한변 길이 : 16mm 인 정삼각형) 을 가진 WC 기 초경 합금제 팁 본체의 납땜부 (코너부) 에, 질량% 로 Cu : 30%, Zn : 28%, Ni : 2%, Ag : 나머지로 이루어진 조성을 갖는 Ag 합금의 납재를 사용하여 납땜하고, 여기에 마무리 연마를 실시함으로써 c-BN 기 팁 베이스체 A∼R 을 각각 제조하였다.

이어서, 상기 c-BN 기 팁 베이스체 A∼R 의 각각을 아세톤 중에서 초음파 세정하고 건조시킨 상태에서, 동일하게 도 1A, 1B 에 나타내는 아크 이온 플레이팅 장치를 장치에 넣고, 상기 실시형태 1 과 동일한 조건에서 본 발명법을 실시하여, 층두께방향을 따라 표 13 에 나타내는 목표 조성의 Al 최저함유점과 Al 최고함유점이 교대로 동일하게 표 13 에 나타내는 목표 간격으로 반복하여 존재하고, 또한 상기 Al 최고함유점에서 상기 Al 최저함유점, 상기 Al 최저함유점에서 상기 Al 최고함유점으로 Al(Ti) 함유량이 연속적으로 변화하는 성분농도 분포구조를 가지며, 또한 동일하게 표 13 에 나타내는 목표 전체 층두께의 경질 피복층을 증착형성함으로 써, 본 발명 피복 c-BN 기 공구 1∼18 을 각각 제조하였다.

또, 비교를 목적으로, 상기 c-BN 기 팁 베이스체 A∼R 의 표면에 대한 경질 피복층의 형성을, 동일하게 도 2 에 나타내는 통상의 아크 이온 플레이팅 장치에 넣고, 상기 실시형태 1 과 동일한 조건에서 종래법을 실시하여, 표 14 에 나타내는 목표 조성 및 목표 층두께를 가지며, 또한 층두께방향을 따라 실질적으로 조성변화가 없는 (Ti,Al)N 층으로 이루어진 경질 피복층을 증착하는 것 외에는, 상기의 본 발명 c-BN 기 공구 1∼18 의 제조조건과 동일한 조건에서 종래 피복 c-BN 기 공구 1∼18 을 제조하였다.

다음에, 상기 본 발명 피복 c-BN 기 공구 1∼18 및 종래 피복 c-BN 기 공구 1∼18 에 대해, 이것을 공구강제 바이트의 선단부에 고정 지그로 나사를 고정시킨 상태에서,

피삭재 : JISㆍSMC440 의 길이방향 등간격으로 4개의 세로홈이 있는 환봉의 침탄 담금질재 (표면경도 : HRC60),

절삭속도 : 250m/min.,

절삭깊이 : 0.3mm,

이송 : 0.07mm/rev.,

절삭시간 : 10 분

의 조건에서의 합금강의 건식 고속 단속 절삭가공 시험,

피삭재 : JISㆍS45C 의 길이방향 등간격으로 4개의 세로홈이 있는 환봉의 고주파 담금질재 (표면경도 : HRC55),

절삭속도 : 300m/min.,

절삭깊이 : 0.1mm,

이송 : 0.3mm/rev.,

절삭시간 : 10 분

의 조건에서의 탄소강의 건식 고속 단속 절삭가공 시험, 그리고,

절삭속도 : 500m/min.,

절삭깊이 : 0.5mm,

이송 : 0.15mm/rev.,

절삭시간 : 60 분

의 조건에서의 주철의 건식 고속 단속 절삭가공 시험을 행하여, 모든 선삭가공 시험에서 절삭날의 플랭크 마찰폭을 측정하였다. 이 측정결과를 표 12, 13, 14 에 나타냈다.

이 결과 얻어진 본 발명 피복 절삭 공구로서의 본 발명 피복 초경 팁 1∼19, 본 발명 피복 초경 엔드밀 1∼8, 본 발명 피복 초경 드릴 1∼8 및 본 발명 피복 c-BN 기 공구 1∼18 을 구성하는 경질 피복층에서의 Al 최저함유점과, Al 최고함유점 의 조성 및 종래 피복 절삭 공구로서의 종래 피복 초경 팁 1∼19, 종래 피복 초경 엔드밀 1∼8, 종래 피복 초경 드릴 1∼8 및 종래 피복 c-BN 기 공구 1∼18 의 경질 피복층의 조성을 오제(Auger) 분광분석장치를 사용하여 측정한 결과, 각각 목표 조성과 실질적으로 동일한 조성을 나타냈다.

또, 이들 본 발명 피복 절삭공구의 경질 피복층에서의 Al 최저함유점과 Al 최고함유점 사이의 간격 및 이것의 전체 층두께 및 종래 피복 절삭공구의 경질 피복층의 층두께를, 주사형 전자현미경을 사용하여 단면 측정한 결과, 모두 목표값과 실질적으로 동일한 값을 나타냈다.

표 3∼14 에 나타내는 결과로부터, 경질 피복층이 층두께방향으로 Al 최저함유점과 Al 최고함유점이 교대로 소정 간격을 두고 반복하여 존재하고, 또한 상기 Al 최고함유점에서 상기 Al 최저함유점, 상기 Al 최저함유점에서 상기 Al 최고함유점으로 Al(Ti) 함유량이 연속적으로 변화하는 성분농도 분포구조를 갖는 본 발명 피복 절삭공구는, 모두 강이나 주철의 절삭공구를 높은 발열을 수반하는 고속으로 행하더라도 우수한 내마모성을 발휘하는 데 비해, 경질 피복층이 층두께방향을 따라 실질적으로 조성변화가 없는 (Ti,Al)N 층으로 이루어진 종래 피복 절삭공구에 있어서는, 고온을 수반하는 고속 절삭가공에서는 고온특성 부족이 원인이 되어 절삭날의 마모진행이 빨라, 비교적 단시간에 사용 수명이 다하는 것이 명확하다.

상기 기술한 바와 같이, 본 발명의 피복 절삭 공구는, 특히 각종 강이나 주철 등의 고속 절삭가공에서도 우수한 내마모성을 발휘하고, 장기간에 걸쳐 우수한 절삭성능을 나타내는 것이기 때문에, 절삭가공장치의 고성능화 및 절삭가공의 노동 력 절감 및 에너지 절약, 나아가 저비용화에 충분히 만족스럽게 대응할 수 있는 것이다.

Claims

탄화텅스텐기 초경 합금 베이스체 또는 탄질화티탄계 서멧 베이스체 또는 입방정 질화붕소기 소결재료의 표면에, Al 과 Ti 의 복합 질화물로 이루어진 경질 피복층을 1∼15㎛ 의 전체 평균 층두께로 물리증착하여 이루어진 표면 피복 절삭공구 부재에 있어서,

상기 경질 피복층이, 층두께방향을 따라 Al 최고함유점 (Ti 최저함유점) 과 Al 최저함유점 (Ti 최고함유점) 이 소정 간격을 두고 교대로 반복하여 존재하고, 또한 상기 Al 최고함유점에서 상기 Al 최저함유점, 상기 Al 최저함유점에서 상기 Al 최고함유점으로 Al(Ti) 함유량이 연속적으로 변화하는 성분농도 분포구조를 가지며,

상기 Al 최고함유점이 조성식 : (Al_XTi_1-X)N (단, 원자비로 X 는 0.70∼0.95 를 나타냄),

상기 Al 최저함유점이 조성식 : (Al_YTi_1-Y)N (단, 원자비로 Y 는 0.50∼0.65 를 나타냄) 을 각각 만족하며, 인접하는 상기 Al 최고함유점과 Al 최저함유점의 간격이 0.01∼0.1㎛ 인 것을 특징으로 하는 고속 절삭가공에서 경질 피복층이 우수한 내마모성을 발휘하는 표면 피복 절삭공구 부재.
아크 이온 플레이팅 장치내의 회전 테이블 위에, 상기 회전 테이블의 중심축에서 반경방향으로 떨어진 위치에 탄화텅스텐기 초경 합금 및/또는 탄질화티탄계 서멧 및/또는 입방정 질화붕소기 소결재료로 이루어진 절삭공구를 자전이 자유롭게 장착하고,

상기 아크 이온 플레이팅 장치내의 반응 분위기를 질소가스 분위기로 하여, 상기 회전 테이블을 사이에 두고 대향배치한 Al 최고함유점 (Ti 최저함유점) 형성용 Al-Ti 합금의 캐소드 전극 및 Al 최저함유점 (Ti 최고함유점) 형성용 Ti-Al 합금의 캐소드 전극과, 이들 캐소드 전극의 각각에 나란히 형성된 애노드 전극과의 사이에 아크 방전을 발생시키고,

이로써, 상기 회전 테이블 위에서 자전하면서 회전하는 상기 절삭공구의 표면에, 두께방향을 따라 Al 최고함유점 (Ti 최저함유점) 과 Al 최저함유점 (Ti 최고함유점) 이 소정 간격을 두고 교대로 반복하여 존재하고, 또한 상기 Al 최고함유점에서 상기 Al 최저함유점, 상기 Al 최저함유점에서 상기 Al 최고함유점으로 Al(Ti) 함유량이 연속적으로 변화하는 성분농도 분포구조를 가지며,

상기 Al 최고함유점이 조성식 : (Al_XTi_1-X)N (단, 원자비로 X 는 0.70∼0.95 를 나타냄),

상기 Al 최저함유점이 조성식 : (Al_YTi_1-Y)N (단, 원자비로 Y 는 0.50∼0.65 를 나타냄) 을 각각 만족하며, 인접하는 상기 Al 최고함유점과 상기 Al 최저함유점의 간격이 0.01∼0.1㎛ 인 Al 과 Ti 의 복합 질화물로 이루어진 경질 피복층을 1∼15㎛ 의 전체 평균 층두께로 물리증착하는 것을 특징으로 하는 고속 절삭가공에서 우수한 내마모성을 발휘하는 경질 피복층을 절삭공구 표면에 형성하는 방법.