KR101700699B1

KR101700699B1 - 절삭 공구

Info

Publication number: KR101700699B1
Application number: KR1020157022364A
Authority: KR
Inventors: 요우센 슈
Original assignee: 쿄세라 코포레이션
Priority date: 2013-02-22
Filing date: 2014-02-20
Publication date: 2017-02-13
Also published as: US9555476B2; WO2014129530A1; CN104981310B; EP2959993B1; JP5744336B2; KR20150106967A; CN104981310A; JPWO2014129530A1; EP2959993A4; US20160001374A1; EP2959993A1

Abstract

(과제) 내치핑성 및 내마모성이 우수한 절삭 공구를 제공한다.
(해결 수단) 기체(2)와, 기체(2)의 표면을 피복하는 기둥 형상 결정(7)으로 이루어지는 피복층(6)을 구비하고, 레이크면(3)과 플랭크면(4)의 교차 능선을 절단날(5)로 하고, 플랭크면(4)에 있어서의 기체(2)의 표면에 직교하는 방향에 대한 기둥 형상 결정(7)의 길이 방향의 평균의 경사각(θ2)이 레이크면(3)에 있어서의 기체(2)의 표면에 직교하는 방향에 대한 기둥 형상 결정(7)의 길이 방향의 평균의 경사각(θ1)보다 큰 절삭 공구(1)이다.

Description

절삭 공구{CUTTING TOOL}

본 발명은 기체의 표면에 피복층이 성막되어 있는 절삭 공구에 관한 것이다.

절삭 공구는 초경합금이나 서멧 등의 소결 합금, 다이아몬드나 cBN(입방정 질화붕소)의 고경도 소결체, 알루미나나 질화규소 등의 세라믹스로 이루어지는 기체의 표면에 피복층을 성막해서 내마모성 및 내결손성을 향상시키는 방법이 사용되어져 있다.

또한, TiAlN 등의 피복층이 왕성하게 연구되고 있다. 예를 들면, 특허문헌 1에서는 2층 적층한 TiAlN계의 피복층의 2층째의 기둥 형상 결정을 기체의 표면에 직교하는 방향에 대해서 평균으로 1~15°의 각도로 비스듬한 방향으로 성장시킨 피복막(피복층)이 개시되어 있다.

일본 특허 공개 2008-105164호 공보

그러나, 특허문헌 1에 기재된 2층째를 기체의 표면에 직교하는 방향에 대해서 평균으로 1~15°의 각도로 비스듬한 방향으로 성장시킨 피복막(피복층)이어도 절삭 공구 전체로서의 절삭 성능은 불충분하며, 추가적인 개선이 필요했다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 것이며, 그 목적은 레이크면 및 플랭크면에 있어서의 피복층의 결정 상태를 최적으로 해서 레이크면에 있어서의 크레이터 마모를 억제함과 아울러 플랭크면에 있어서의 내치핑성을 높여서 종합적으로 절삭 성능을 향상시키는 절삭 공구를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 절삭 공구는 기체와, 상기 기체의 표면을 피복하는 기둥 형상 결정으로 이루어지는 피복층을 구비하고, 레이크면과 플랭크면의 교차 능선을 절단날로 하고, 상기 플랭크면에 있어서의 상기 기체의 표면에 직교하는 방향에 대한 상기 기둥 형상 결정의 길이 방향의 평균의 경사각이 상기 레이크면에 있어서의 상기 기체의 표면에 직교하는 방향에 대한 상기 기둥 형상 결정의 길이 방향의 평균의 경사각보다 큰 것이다.

본 발명의 다른 절삭 공구는 기체와, 상기 기체의 표면을 피복하는 기둥 형상 결정으로 이루어지는 피복층을 구비하고, 레이크면과 플랭크면의 교차 능선을 절단날로 하고, 상기 플랭크면에 있어서 상기 기둥 형상 결정의 길이 방향의 평균의 방향이 상기 기체의 표면에 직교하는 방향에 대해서 경사져 있음과 아울러 상기 플랭크면에 있어서의 상기 기둥 형상 결정의 평균 애스펙트비가 상기 레이크면에 있어서의 상기 기둥 형상 결정의 평균 애스펙트비보다 큰 것이다.

(발명의 효과)

본 발명의 절삭 공구에 의하면 피복층이 기둥 형상 결정으로 이루어지고, 플랭크면에 있어서의 기체의 표면에 직교하는 방향에 대한 기둥 형상 결정의 길이 방향의 평균의 경사각이 레이크면에 있어서의 기체의 표면에 직교하는 방향에 대한 기둥 형상 결정의 길이 방향의 평균의 경사각보다 크다. 즉, 플랭크면에서는 레이크면보다 기둥 형상 결정의 길이 방향의 평균의 방향이 기체의 표면에 직교하는 방향에 대해서 보다 비스듬히 경사져 있다. 이것에 의해 플랭크면에 있어서는 피복층의 크랙의 진전을 억제할 수 있어서 내치핑성이 향상되어 경계 손상을 억제할 수 있다. 또한, 레이크면에 있어서는 플랭크면보다 기둥 형상 결정의 경사각이 작기 때문에 피복층의 경도가 높아 크레이터 마모를 억제할 수 있다.

본 발명의 다른 절삭 공구에 의하면 플랭크면에 있어서 기둥 형상 결정의 길이 방향의 평균의 방향이 기체의 표면에 직교하는 방향에 대해서 경사져 있음과 아울러 플랭크면에 있어서의 기둥 형상 결정의 평균 애스펙트비가 레이크면에 있어서의 기둥 형상 결정의 평균 애스펙트비보다 크다. 이것에 의해 플랭크면에 있어서는 피복층 중에 크랙이 발생하기 어렵고, 또한 크랙이 발생했다고 해도 그 진전을 억제할 수 있다. 그 결과, 플랭크면에 있어서의 피복층의 내치핑성이 향상되어 플랭크면에 있어서 발생하기 쉬운 경계 손상을 억제할 수 있다. 또한, 레이크면에 있어서는 피복층이 고온이 되기 쉬워 산화되기 쉽지만, 피복층을 구성하는 결정의 입계가 많아지기 때문에 이 입계를 따라서 진행되기 쉬운 피복층의 산화를 억제할 수 있다. 그 결과, 레이크면에 있어서의 피복층의 내산화성이 향상되고, 레이크면에 있어서 진행되기 쉬운 크레이터 마모를 억제할 수 있다.

즉, 어느 경우에 있어서도 플랭크면에 있어서 크랙이나 경계 손상을 억제할 수 있음과 아울러 레이크면에 있어서의 크레이터 마모의 진행을 억제할 수 있다. 그 결과, 공구 수명이 연장된다.

도 1은 본 발명의 절삭 공구의 일례에 대한 개략 사시도이다.
도 2는 도 1의 절삭 공구의 (a)레이크면, (b)플랭크면에 대한 요부 확대도이다.
도 3은 도 1, 도 2의 절삭 공구의 피복층의 성막 공정에 있어서의 성막 장치의 모식도이다.
도 4는 도 3의 성막 장치의 시료의 회전 상태를 나타내는 모식도이다.

본 발명의 절삭 공구에 대한 바람직한 실시형태인 도 1, 도 2에 의하면 절삭 공구(1)는 기체(2)와, 기체(2)의 표면을 피복하는 피복층(6)을 구비하고 있다. 피복층(6)은 가늘고 긴 기둥 형상 결정(7)으로 이루어진다. 본 발명에 있어서 기둥 형상 결정(7)이란 결정의 길이가 가장 긴 방향을 결정의 길이 방향으로 하고, 이 길이 방향에 직교하는 방향 중 가장 긴 길이를 결정의 폭 방향의 길이로 해서 결정의 길이 방향의 길이/폭 방향의 길이의 비인 애스펙트비가 1.5 이상인 결정을 가리킨다. 피복층(6)이 기둥 형상 결정(7)으로 이루어짐으로써 플랭크면(4) 및 레이크면(3)의 내마모성 및 내결손성이 높다. 즉, 피복층(6)을 구성하는 결정이 기둥 형상 결정이 아닌 입상 결정으로 이루어지면 플랭크면(4) 및 레이크면(3)의 내마모성 및 내결손성이 낮다.

또한, 절삭 공구(1)는 주면에 레이크면(3)을, 측면에 플랭크면(4)을, 레이크면(3)과 플랭크면(4)의 교차 능선에 절단날(5)을 갖고 있다. 도 1의 절삭 공구(1)는 주면이 다각형인 개략 평판상으로 양쪽 주면을 사용 가능한 소위 네거티브 타입의 절삭 인서트이며, 레이크면(3)의 이면은 착좌면(8)을 구성한다. 사용시에 뒤집어서 다시 사용할 때에는 레이크면(3)과 착좌면(8)이 역전된다. 또한, 본 발명은 네거티브 타입의 절삭 인서트에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 한쪽의 주면만을 레이크면(3)으로 하는 포지티브 타입의 절삭 인서트에도 적합하게 사용 가능하다. 또한, 주면이 원형이나, 평면이 아닌 형상에도 적용 가능하며, 회전 공구에 대해서도 적용 가능하다.

본 실시형태에 의하면 절삭 공구(1)는 플랭크면(4)에 있어서의 기체(2)의 표면에 직교하는 방향(이하, 막두께 방향이라고 하는 경우가 있다)에 대한 기둥 형상 결정(7)의 길이 방향의 평균의 경사각(θ2)이 레이크면(3)에 있어서의 막두께 방향에 대한 기둥 형상 결정(7)의 길이 방향의 평균의 경사각(θ1)보다 크다. 이것에 의해 플랭크면(4)에 있어서는 피복층(6)의 크랙의 진전을 억제할 수 있어서 내치핑성이 향상되어 경계 손상을 억제할 수 있다. 또한, 레이크면(3)에 있어서는 플랭크면(4)보다 기둥 형상 결정(7)의 경사각이 작기(θ1<θ2) 때문에 피복층(6)의 경도가 높아 크레이터 마모를 억제할 수 있다. 그 결과, 절삭 공구(1)의 수명이 연장된다.

또한, 기둥 형상 결정(7)의 경사각의 측정은 주사형 전자 현미경(SEM) 관찰에 있어서 전자 후방 산란 회절법(EBSD)을 사용해서 폭 10㎛×피복층의 두께의 시야에서 측정한다. 절삭 공구(1)를 플랭크면(4)측으로부터 플랭크면(4)에 평행하게 0.1㎜~0.2㎜ 연마한 연마면에서 관찰되는 피복층(6) 중 기체(2)의 표면이 직선상인 부위에서 레이크면(3)의 경사각(θ1)을 측정한다. 마찬가지로 절삭 공구(1)를 레이크면(3)측으로부터 착좌면(8)에 평행하게 0.1㎜~0.2㎜ 연마한 연마면에서 관찰되는 피복층(6) 중 기체(2)의 표면이 직선상인 부위에서 플랭크면(4)의 경사각(θ2)을 측정한다. 구체적인 측정 방법으로서는 EBSD법에 의한 피복층(6)의 각 결정면의 배향 방향을 칼라 맵으로 확인함으로써 각 결정의 윤곽을 특정한다. 그리고, 각 기둥 형상 결정(7)의 윤곽으로부터 가장 긴 방향을 기둥 형상 결정(7)의 길이 방향으로서 막두께 방향, 즉 기체(2)의 표면에 대해서 수직인 방향으로부터의 경사를 경사각으로서 측정하여 각 결정의 평균값을 평균의 경사각으로서 산출한다. 이때, 피복층(6)에 포함되는 기둥 형상 결정(7) 이외의 애스펙트비가 1.5보다 작은 입상 결정의 방향은 기둥 형상 결정의 경사각의 계산에는 포함하지 않는다.

여기에서 본 실시형태에서는 플랭크면(4)에 있어서의 기둥 형상 결정(7)의 경사각(θ2)이 10~50°이며, 레이크면(3)에 있어서의 기둥 형상 결정(7)의 경사각(θ1)이 0~20°이다. 이것에 의해 플랭크면(4)에 있어서는 피복층(6)의 크랙의 진전을 억제하는 효과가 높아 내치핑성이 향상되어 경계 손상이 보다 억제된다. 또한, 레이크면(3)에 있어서는 피복층(6)의 경도가 높아 크레이터 마모를 보다 효과적으로 억제할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는 절단날(5)이 곡선상의 노즈 절단날(5a)과 직선상의 직선 절단날(5b)을 갖고, 노즈 절단날(5a)의 직하의 플랭크면(4)에 노즈부(9)가 형성됨과 아울러 피복층(6)은 노즈부(9)에 있어서의 기둥 형상 결정(7)의 길이 방향의 평균의 경사각(θ3)(도시 생략)이 플랭크면(4)에 있어서의 경사각(θ2)보다 크다. 이것에 의해 미소 치핑이 발생하기 쉬운 노즈부(9)에 있어서의 피복층(6)의 내치핑성을 향상시킬 수 있다. 또한, 노즈부(9)에 있어서의 기둥 형상 결정(7)의 경사각(θ3)은 절삭 공구(1)를 레이크면(3)측으로부터 0.1㎜~0.2㎜ 연마한 연마면에 있어서의 노즈부(9)의 피복층(6)에 대해서 전자 후방 산란 회절법(EBSD)을 사용해서 폭 10㎛×피복층의 두께의 시야에서 측정한다. 이 시야이면 노즈부(9)에 있어서의 기체(2)의 표면은 대략 직선이 된다. 이 시야에 있어서 각 결정의 윤곽으로부터 가장 긴 직선이 그어지는 방향을 기둥 형상 결정의 길이 방향으로 하고, 이 길이 방향의 막두께 방향으로부터의 경사인 경사각을 측정하여 각 결정의 평균값을 평균의 경사각으로 해서 산출한다. 또한, 본 발명에 있어서는 직선 절단날(5b)의 직하의 플랭크면(4)에 있어서의 경사각을 플랭크면(4)의 경사각(θ2)으로 한다.

또한, 본 실시형태에서는 피복층(6)의 전체 조성은 (Al₁ _-a- _bTi_aM_b)C_1- _dN_d(단, M은 Ti를 제외하는 주기율표 제 4, 5 및 6족 원소, Si 및 희토류 금속 원소로부터 선택되는 1종류 이상의 원소. 0.2≤a≤0.7, 0≤b≤0.2, 0≤d≤1)로 이루어진다. 이 범위이면 피복층의 경도 및 내산화성이 높아서 레이크면(3)에 있어서의 크레이터 마모를 억제할 수 있음과 아울러 플랭크면에 있어서의 마모의 진행도 억제할 수 있다. 또한, 피복층(6)은 전체가 균일한 조직이어도 좋지만, 2층 이상의 다층이어도 좋고, 그 중에서도 2종류 이상의 두께가 ㎚로부터 수십㎚ 오더의 단위층을 주기적으로 반복하여 적층한 구조이어도 좋다. 이와 같이 피복층(6)이 2층 이상의 다층인 경우에는 각 층의 조성이 상기 피복층(6)의 전체 조성의 범위 내에 있는 경우에 한정되지 않고, Ti 및 Al 중 적어도 한쪽을 포함하지 않는 층이 포함되어 있어도 좋다.

또한, M으로서는 Cr, W, Mo, Ta, Hf, Nb, Zr, Si, Y로부터 선택되는 1종류 이상이 바람직하지만, 그 중에서도 Cr, Si, Nb, Mo 및 W 중 1종류 이상을 함유하면 경도가 우수해서 내마모성이 우수하다. 또한, M이 Nb 또는 Mo이면 고온에서의 내산화성이 우수하기 때문에, 예를 들면 고속 절삭에 있어서의 크레이터 마모의 진행을 억제할 수 있다. 또한, Ti 및 Al은 입방정의 TiN 결정 구조를 기본으로 해서 Al이 치환된 형태로 이루어져 내마모성 및 내결손성이 우수하다.

또한, 피복층(6)의 비금속 성분인 C, N은 절삭 공구에 필요한 경도 및 인성에 영향을 미치는 것이며, 본 실시형태에서는 d(N 함유 비율)는 0≤d≤1, 특히, 0.8≤d≤1이다. 여기에서 본 발명에 의하면 상기 피복층(6)의 조성은 에너지 분산형 분광 분석법(EPMA) 또는 X선 광전자 분광 분석법(XPS)으로 측정할 수 있다. 또한, 피복층(6)의 구조가 미세한 경우에는 투과형 전자 현미경(TEM) 관찰해서 상세한 구조를 확인하고, 에너지 분산형 X선 분석법(EDS)으로 상세 조성을 확인할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는 플랭크면(4)에 있어서의 피복층(6)의 두께(tf)와 레이크면(3)에 있어서의 피복층(6)의 두께(tr)의 비(tf/tr)가 1.2~3이다. 이것에 의해 플랭크면(4)의 내마모성이 향상되어 플랭크면 마모를 작게 해서 공구 수명을 연장시킬 수 있다. 또한, 본 실시형태에서는 노즈부(9)에 있어서의 피복층(6)의 두께(tn)와 플랭크면(4)에 있어서의 피복층(6)의 두께(tf)의 비(tn/tf)는 1.2~2.0이다. 이것에 의해 노즈부(9)의 내마모성도 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 있어서는 피복층(6)의 레이크면(3), 플랭크면(4), 노즈부(9)에 있어서의 두께(tr, tf, tn)는 피복층(6)의 각 위치에 있어서의 두께의 평균값을 가리키고, 피복층(6)의 단면 관찰에 있어서 임의 5개소에서의 두께를 측정해서 그 평균값을 취함으로써 구할 수 있다.

또한, 기체(2)로서는 탄화텅스텐이나 탄질화티타늄을 주성분으로 하는 경질상과 코발트, 니켈 등의 철족 금속을 주성분으로 하는 결합상으로 이루어지는 초경합금이나 서멧의 경질 합금, 질화규소나 산화알루미늄을 주성분으로 하는 세라믹스, 다결정 다이아몬드나 입방정 질화붕소로 이루어지는 경질상과 세라믹스나 철족 금속 등의 결합상을 초고압 하에서 소성하는 초고압 소결체 등의 경질 재료가 적합하게 사용된다.

또한, 본 실시형태에 의하면 절삭 공구(1)는 도 2에 나타내는 바와 같이 플랭크면(4)에 있어서의 기둥 형상 결정(7)의 평균 애스펙트비가 레이크면(3)에 있어서의 기둥 형상 결정(7)의 평균 애스펙트비보다 크다. 이것에 의해 플랭크면(4)에 있어서는 기둥 형상 결정(7)의 방향이 기체(2)의 표면에 직교하는 방향인 피복층(6)의 두께 방향에 대해서 비스듬히 경사져 있음과 아울러 기둥 형상 결정(7)의 평균 애스펙트비가 크므로 피복층(6) 중에 크랙이 발생했다고 해도 피복층(6)의 두께 방향으로 진전되기 어려워 그 진전을 억제할 수 있다. 그 결과 플랭크면(4)에 있어서의 피복층(6)의 내치핑성이 향상되어 플랭크면(4)에 있어서 발생하기 쉬운 경계 손상을 억제할 수 있다. 또한, 레이크면(3)에 있어서는 플랭크면(4)보다 기둥 형상 결정(7)의 평균 애스펙트비가 작기 때문에 피복층(6)을 구성하는 결정의 입계를 따라서 보다 깊숙이 진행되는 피복층(6)의 산화를 억제할 수 있다. 그 결과 레이크면(3)에 있어서의 피복층(6)의 내산화성이 향상되어 레이크면(3)에 있어서 진행되기 쉬운 크레이터 마모를 억제할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는 노즈부(9)에 있어서의 기둥 형상 결정(7)의 평균 애스펙트비는 플랭크면(4)에 있어서의 기둥 형상 결정(7)의 평균 애스펙트비보다 크다. 이것에 의해 노즈부(9)에 있어서의 내치핑성이 더 향상된다.

본 발명에 있어서 기둥 형상 결정(7)의 애스펙트비는 상술한 기둥 형상 결정(7)의 결정의 길이가 가장 긴 방향을 결정의 길이 방향과, 이 길이 방향에 직교하는 방향 중 가장 긴 길이를 결정의 폭 방향의 길이의 비(길이 방향의 길이/폭 방향의 길이)를 가리키고, 평균 애스펙트비는 폭 10㎛×피복층(6)의 두께의 영역에서 관찰되는 임의 10개의 기둥 형상 결정(7)의 애스펙트비의 평균값을 가리킨다.

또한, 피복층(6)으로서 복수층이 적층되며, 또한 층간에서 결정의 성장을 이어받을 경우에는 1개의 기둥 형상 결정으로 간주해서 상기와 마찬가지의 방법으로 평균 애스펙트비를 산출한다. 또한, 피복층(6)으로서 복수층이 적층되며, 또한 층간에서 결정의 성장을 이어받는 일 없이 상하층에서 다른 결정을 구성하고 있는 경우에는 각 층을 구성하는 결정의 형상 및 경사 상태를 각각 확인하여 각 층의 두께 비율을 가미한 평균값을 피복층(6)의 전체의 결정의 형상 및 경사 상태로 한다. 각 층의 두께 비율을 가미한 평균값이란, 예를 들면 제 1 두께의 제 1 층과 제 2 두께의 제 2 층이 적층된 피복층에 있어서의 피복층(6)의 경사각은(제 1 층을 구성하는 결정의 경사각×제 1 두께+제 2 층을 구성하는 결정의 경사각×제 2 두께)/(제 1 두께+제 2 두께)로 산출한다.

여기에서 본 실시형태에서는 플랭크면(4)에 있어서의 기둥 형상 결정(7)의 평균 애스펙트비가 3~15, 레이크면(3)에 있어서의 기둥 형상 결정(7)의 평균 애스펙트비가 1.5~5이다. 이 범위에서는 레이크면(3)의 크레이터 마모의 진행을 억제하는 효과가 높고, 또한 플랭크면(4)에 있어서의 치핑을 억제하는 효과도 높다.

또한, 본 실시형태에서는 플랭크면(4)에 있어서의 기둥 형상 결정(7)의 평균 결정폭과, 레이크면(3)에 있어서의 기둥 형상 결정(7)의 평균 결정폭의 비가 0.8~1.2이다. 즉, 플랭크면(4) 및 레이크면(3) 중 어느 쪽도 동등한 결정폭을 갖는 기둥 형상 결정임으로써 플랭크면(4) 및 레이크면(3)의 내마모성 및 내결손성이 높다. 또한, 본 발명에 있어서의 기둥 형상 결정(7)의 평균 결정폭이란 기둥 형상 결정(7)의 기체(2)의 표면과 평행한 방향에 대한 평균 폭을 가리킨다. 구체적인 측정법은 피복층(6)의 두께 방향의 중간 위치에 있어서 기체(2)의 표면 방향에 평행하게 직선을 긋고, 이 직선을 가로지르는 입계의 수를 계측하여 직선의 길이를 계측한 입계의 수로 나누어서 구해진다. 이때, 피복층(6)으로서 복수층이 적층되며, 또한 층간에서 결정의 성장을 이어받는 일 없이 상하층에서 다른 결정을 구성하고 있을 경우에는 각 층의 두께의 중간 위치에서 평균 결정폭을 각각 측정한다. 그리고, 각 층의 두께 비율을 가미한 평균값을 피복층(6)의 평균 결정폭으로 한다. 복수층이 적층되며, 또한 층간에서 결정의 성장을 이어받아 상하층에서 같은 결정을 구성하고 있을 경우에는 복수층에 걸쳐서 1개의 기둥 형상 결정으로 해서 카운트한다.

또한, 본 실시형태에서는 플랭크면(4)에 있어서 피복층(6) 내에는 기둥 형상 결정(7)의 길이 방향에 평균 2~5개의 기둥 형상 결정(7)이 존재하고, 레이크면(3)에 있어서 피복층(6) 내에는 기둥 형상 결정(7)의 길이 방향에 평균 3~10개의 기둥 형상 결정(7)이 존재한다. 이것에 의해 레이크면(3)에서는 피복층(6)의 두께 방향에 존재하는 입계의 수가 많아 레이크면(3)에 있어서의 내산화성이 높다. 그 때문에 레이크면(3)에 있어서의 크레이터 마모의 진행이 억제된다. 또한, 플랭크면(4)에서는 충격이 가해졌을 때에 충격이 입계를 따라서 피복층(6)의 두께 방향으로부터 경사지는 방향으로 전해지므로 충격이 흡수되기 쉬워 치핑의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 본 발명에 있어서 기둥 형상 결정(7)의 길이 방향의 평균 존재수는 피복층(6)의 두께 방향으로 직선을 긋고, 이 직선을 가로지르는 결정의 수를 측정하여 임의 5개소에 있어서의 평균값으로 해서 산출한다.

(제조 방법)

이어서, 본 발명의 절삭 공구의 제조 방법에 대해서 설명한다. 우선, 공구 형상의 기체를 종래 공지의 방법을 사용해서 제작한다. 이어서, 기체의 표면에 피복층을 성막한다. 피복층의 성막 방법으로서 이온 플레이팅법이나 스퍼터링법 등의 물리 증착(PVD)법을 적합하게 적응 가능하다. 상세한 성막 방법의 일례에 대해서 아크 이온 플레이팅 성막 장치(이하, AIP 장치로 약기한다)(20)의 모식도인 도 3 및 성막 중의 시료의 회전 상태를 나타내는 모식도인 도 4를 참조해서 설명한다.

도 3의 AIP 장치(20)는 진공 챔버(21) 안에 N₂나 Ar 등의 가스를 가스 도입구(22)로부터 도입하고, 캐소드 전극(23)과 애노드 전극(24)을 배치해서 양자 사이에 고전압을 인가해서 플라즈마를 발생시키고, 이 플라즈마에 의해 타깃(25)으로부터 소망의 금속 또는 세라믹스를 증발시킴과 아울러 이온화시켜서 고에너지 상태로 하고, 이 이온화한 금속을 시료(기체 2)의 표면에 부착시켜서 도 2와 같이 기체(2)의 표면에 피복층(6)을 피복하는 구조로 되어 있다. 또한, 도 3, 도 4에 의하면 진공 챔버(21) 내에 회전 테이블(26)이 적재되어 있다. 회전 테이블(26) 상에는 서브 회전대(27)와 그 위에 적재된 복수개의 축봉(28)과, 축봉(28)에 스큐어링된 복수개의 기체(2)로 이루어지는 타워(35)가 복수(도 3에서는 2세트, 도 4에서는 6세트 도시되어 있다) 배치된 구성으로 되어 있다. 또한, 도 3에 의하면 기체(2)를 가열하기 위한 히터(29)와, 가스를 계외부로 배출하기 위한 가스 배출구(30)와, 기체(2)에 바이어스 전압을 인가하기 위한 바이어스 전원(31)이 배치되어 있다.

여기에서 본 실시형태에 의하면 기체(2)를 성막 챔버 내에 세팅할 때에 도 3에 나타내는 바와 같이 타깃(25)의 표면에 대해서 기체(2)의 플랭크면(측면)이 평행이 되도록 세팅한다. 그리고, 타깃(25)을 사용해서 아크 방전이나 글로 방전 등에 의해 금속원을 증발시켜 이온화함과 동시에 질소원의 질소(N₂) 가스나 탄소원의 메탄(CH₄)/아세틸렌(C₂H₂) 가스와 반응시킴으로써 기체(2)의 표면에 피복층(6)을 퇴적시킨다.

이때, 회전 테이블(26)과 서브 회전대(27)와 축봉(28)을 각각 회전시키지만, 본 실시형태예로서는 도 4에 나타내는 방향으로 회전한다. 즉, 회전 테이블(26)과 서브 회전대(27)는 같은 방향(도 4에서는 시계 방향)으로 회전한다. 그리고, 축봉(28)은 회전 테이블(26) 및 서브 회전대(27)의 회전 방향과는 반대 방향(도 4에서는 반시계 방향)으로 회전시킨다. 회전 테이블(26)의 회전수는 1~4rpm으로 하고, 서브 회전대(27)의 회전수는 회전 테이블(26)의 회전수의 3배 이상, 특히는 5~10배의 회전수로 한다. 또한, 축봉(28)의 회전수는 1~5rpm, 특히 1.5~3rpm의 회전수로 한다. 이것에 의해 레이크면에 있어서의 기둥 형상 결정의 경사 각도와 플랭크면에 있어서의 기둥 형상 결정의 경사 각도를 소정의 범위 내로 제어할 수 있다. 또한, 도 4에 의하면 회전 테이블(26)과 서브 회전대(27)는 같은 방향(도 4에서는 시계 방향)으로 회전시키고 있지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니고, 회전 테이블(26)과 서브 회전대(27)를 역회전으로 할 수도 있다. 이 경우에는, 예를 들면 서브 회전대(27)의 회전수를 회전 테이블(26)의 회전수의 5배 이상, 특히는 7~12배의 회전수로 함으로써 기둥 형상 결정의 경사 각도를 소정의 범위 내로 조정할 수 있다.

본 실시형태에 의하면 기체(2)를 상기 방향으로 세팅하고 있기 때문에 플랭크면(4)은 타깃(25)으로부터의 금속 성분이 직선적으로 비래하는 위치가 되므로 타깃(25)으로부터의 금속 성분이 직선적으로 비래하는 형태가 되어서 성막 속도가 빨라지기 쉽다. 한편, 레이크면(3)은 타깃(25)의 방향에 대해서 타깃(25)으로부터의 금속 성분이 돌아 들어가서 비래하는 형태가 되므로 성막 속도가 느려지기 쉽다.

이때, 상하로 이웃하는 시료의 간격(g)을 시료의 두께에 대해서 0.5~1배로 한다. 이것에 의해 플랭크면(4)에 있어서 기둥 형상 결정(7)의 길이 방향의 평균의 방향이 기체(2)의 표면에 직교하는 방향으로부터 경사져 있음(도 2의 경사각(θ2)>0)과 아울러 플랭크면(4)에 있어서의 기둥 형상 결정(7)의 평균 애스펙트비가 레이크면(3)에 있어서의 기둥 형상 결정(7)의 평균 애스펙트비보다 큰 구성으로 할 수 있다. 즉, 상하로 이웃하는 시료의 간격(g)을 시료의 두께에 대해서 0.5~1배로 좁힘으로써 레이크면 및 착좌면을 이루는 주면과 플랭크면을 이루는 측면에 있어서의 피복층의 성막 상태가 변화되어 성막되는 결정의 성장 상태를 다르게 할 수 있다. 또한, 상하로 이웃하는 시료의 간격(g)을 시료의 두께에 대해서 0.5~1배로 좁힘으로써 노즈부(9)에 있어서의 기둥 형상 결정(7)의 길이 방향의 평균의 경사각을 보다 크게 할 수 있다.

또한, 타깃(25)으로서는, 예를 들면 금속 티탄(Ti), 금속 알루미늄(Al), 금속 M(단, M은 Ti를 제외하는 주기율표 제 4, 5, 6족 원소, 희토류 원소 및 Si로부터 선택되는 1종류 이상)을 각각 독립적으로 함유하는 금속 타깃, 이들을 복합화한 합금 타깃, 이들의 화합물 분말 또는 소결체로 이루어지는 혼합물 타깃을 사용할 수 있고, 챔버의 측벽면 위치에 세팅한다.

성막 조건으로서는 이들 타깃을 사용해서 아크 방전이나 글로 방전 등에 의해 금속원을 증발시켜 이온화함과 동시에 질소원의 질소(N₂) 가스나 탄소원의 메탄(CH₄)/아세틸렌(C₂H₂) 가스와 반응시키는 이온 플레이팅법 또는 스퍼터링법에 의해 피복층을 성막한다. 또한, 상기 피복층을 성막할 때에는 피복층의 결정 구조를 고려해서 고경도인 피복층을 제작할 수 있음과 아울러 기체와의 밀착성을 높이기 위해서 본 실시형태에서는 35~200V, 특히 75~150V의 바이어스 전압을 인가한다.

실시예

평균 입자 지름 0.9㎛의 탄화텅스텐(WC) 분말을 주성분으로 하고, 평균 입자 지름 1.2㎛의 금속 코발트(Co) 분말을 10질량%, 평균 입자 지름 1.0㎛의 탄화크롬(Cr₃C₂) 분말을 0.5질량%의 비율로 첨가하여 혼합하고, 프레스 성형에 의해 KYOCERA Corporation제 절삭 공구 BDMT11T308ER-JT 형상의 스로우 어웨이 팁 형상으로 성형한 후 탈 바인더 처리를 실시하고, 0.01㎩의 진공 중 1450℃에서 1시간 소성해서 초경합금을 제작했다. 또한, 각 시료의 레이크면 표면을 블라스트 가공, 브러시 가공 등에 의해 연마 가공했다. 또한, 제작한 초경합금에 브러시 가공으로 날끝 처리(호닝)를 실시했다.

이와 같이 해서 제작한 기체에 대해서 표 1에 나타내는 바이어스 전압을 인가하고, 아크 전류 150A를 각각 흐르게 하여 표 1에 나타내는 세팅된 시료의 레이크면 및 착좌면 사이의 간격(g)(표 중, 시료의 두께에 대한 비율로 표기)과, 표 1에 나타내는 회전 테이블, 서브 회전대, 축봉의 회전수로 시료를 회전시키면서 성막 온도 540℃로 해서 표 2에 나타내는 조성의 피복층을 성막했다. 또한, 피복층의 전체 조성은 각 시료의 피복층을 포함하는 단면에 대해서 주사형 전자 현미경(SEM) 관찰을 행하여 에너지 분산 분광 분석법(EPMA)으로 측정했다. 또한, 각 피복층을 투과형 전자 현미경(TEM)으로 관찰하여 에너지 분산형 X선 분석법(EDS)으로 피복층의 상세한 구성을 확인했다.

또한, SEM 관찰로부터 레이크면, 플랭크면 및 노즈부의 임의 5개소에 있어서의 피복층의 두께를 측정하고, 그 평균값을 피복층의 두께(tr, tf, tn)로서 산출했다. 또한, SEM 관찰에 있어서 전자 후방 산란 회절법(EBSD)을 사용해서 칼라 맵으로부터 각 결정의 윤곽을 특정하여 레이크면, 플랭크면 및 노즈부에 있어서의 피복층의 기둥 형상 결정의 형상 및 경사각을 측정했다. 표 중 평균 애스펙트비에 대해서는 애스펙트비, 평균 결정폭에 대해서는 결정폭, 기둥 형상 결정의 길이 방향의 평균 존재 개수에 대해서는 존재수, 레이크면, 플랭크면 및 노즈부에 있어서의 기둥 형상 결정의 평균의 경사각에 대해서는 θ1, θ2, θ3, 피복층의 레이크면, 플랭크면 및 노즈부에 있어서의 두께에 대해서는 두께(tr, tf, tn)로 표기했다. 결과는 표 3, 표 4에 나타냈다.

이어서, 얻어진 스로우 어웨이 팁을 사용해서 이하의 절삭 조건으로 절삭 시험을 행했다. 결과는 표 4에 나타냈다.

절삭 방법 : 밀링 가공

피삭재 : 금형강(SKD11)

절삭 속도 : 120m/분

송출 : 0.12㎜/rev

절입 : 2.0㎜×12.5㎜

절삭 상태 : 건식

평가 방법 : 20분 가공 후의 절삭 공구를 관찰해서 절단날 상태를 확인했다. 치핑이나 결함 등 이상 마모 상태를 확인했다. 또한, 공구 수명까지 가공할 수 있었던 가공 시간을 확인했다.

표 1~표 4에 나타내는 결과로부터 레이크면 및 플랭크면에 있어서의 피복층의 기둥 형상 결정의 경사각(θ1, θ2)의 관계가 본 발명의 범위 외인 시료 No.8~11에서는 절단날에 있어서 치핑이 발생하기 쉽고, 또한 레이크면에 있어서의 크레이터 마모가 진행되어서 조기에 수명이 되었다. 또한, 레이크면에 있어서의 기둥 형상 결정의 평균 애스펙트비가 플랭크면에 있어서의 피복층의 기둥 형상 결정의 평균 애스펙트비보다 큰 시료 No. 8에서는 플랭크면에 있어서 치핑이 발생하기 쉬워 경계 결손되었다. 레이크면에 있어서의 기둥 형상 결정의 평균 애스펙트비와 플랭크면에 있어서의 피복층의 기둥 형상 결정의 평균 애스펙트비가 같은 시료 No. 9에서는 플랭크면의 노즈부에 있어서의 노즈 마모가 진행되고, 시료 No. 10에서는 레이크면에 있어서의 크레이터 마모가 진행되어 모두 조기에 수명이 되었다. 레이크면에 있어서의 결정이 기둥 형상 결정이 아니고 평균 애스펙트비가 1.5 미만인 입상 결정이 된 시료 No. 11에서는 레이크면에 있어서의 크레이터 마모가 진행되어 조기에 수명이 되었다.

이것에 대해서 본 발명의 범위 내인 시료 No. 1~7에서는 모두 절단날에 있어서의 치핑의 발생이 적고, 또한 레이크면에 있어서의 크레이터 마모의 진행이 느려서 양호한 절삭 성능을 발휘했다.

1 : 절삭 공구 2 : 기체
3 : 레이크면 4 : 플랭크면
5 : 절단날 5a : 노즈 절단날
5b : 직선 절단날 6 : 피복층
7 : 기둥 형상 결정 8 : 착좌면
9 : 노즈부

Claims

기체와, 그 기체의 표면을 피복하는 기둥 형상 결정으로 이루어지는 피복층을 구비하고, 레이크면과 플랭크면의 교차 능선을 절단날로 하고, 상기 플랭크면에 있어서의 상기 기체의 표면에 직교하는 방향에 대한 상기 기둥 형상 결정의 길이 방향의 평균의 경사각(θ2)이 상기 레이크면에 있어서의 상기 기체의 표면에 직교하는 방향에 대한 상기 기둥 형상 결정의 길이 방향의 평균의 경사각(θ1)보다 큰 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 플랭크면에 있어서의 상기 기둥 형상 결정의 상기 경사각(θ2)이 10~50°이며, 상기 레이크면에 있어서의 상기 기둥 형상 결정의 상기 경사각(θ1)이 0~20°인 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 피복층의 전체 조성이 (Al₁ _-a- _bTi_aM_b)C_1- _dN_d(단, M은 Ti를 제외하는 주기율표 제 4, 5 및 6족 원소, Si 및 희토류 원소로부터 선택되는 1종류 이상의 원소. 0.2≤a≤0.7, 0≤b≤0.2, 0≤d≤1)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 플랭크면에 있어서의 상기 피복층의 두께(tf)와 상기 레이크면에 있어서의 상기 피복층의 두께(tr)의 비(tf/tr)가 1.2~3인 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
기체와, 그 기체의 표면을 피복하는 기둥 형상 결정으로 이루어지는 피복층을 구비하고, 레이크면과 플랭크면의 교차 능선을 절단날로 하여 상기 플랭크면에 있어서 상기 기둥 형상 결정의 길이 방향의 평균의 방향이 상기 기체의 표면에 직교하는 방향에 대해서 경사져 있음과 아울러 상기 플랭크면에 있어서의 상기 기둥 형상 결정의 평균 애스펙트비가 상기 레이크면에 있어서의 상기 기둥 형상 결정의 평균 애스펙트비보다 큰 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 5 항에 있어서,
상기 플랭크면에 있어서의 상기 기둥 형상 결정의 평균 애스펙트비가 3~15, 상기 레이크면에 있어서의 상기 기둥 형상 결정의 평균 애스펙트비가 1.5~5인 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
상기 플랭크면에 있어서의 상기 기둥 형상 결정의 평균 결정폭과, 상기 레이크면에 있어서의 상기 기둥 형상 결정의 평균 결정폭의 비가 0.8~1.2인 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
상기 플랭크면의 상기 피복층에 상기 기둥 형상 결정이 상기 기둥 형상 결정의 길이 방향으로 평균 2~5개 존재하고, 상기 레이크면의 상기 피복층에 상기 기둥 형상 결정이 그 기둥 형상 결정의 길이 방향으로 평균 3~10개 존재하는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 1 항 , 제 2 항, 제 5 항 또는 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 절단날이 곡선상의 노즈 절단날과 직선상의 직선 절단날을 갖고, 상기 노즈 절단날의 직하의 상기 플랭크면에 노즈부가 형성됨과 아울러 상기 피복층은 상기 노즈부에 있어서의 상기 기둥 형상 결정의 길이 방향의 평균의 경사각(θ3)이 상기 플랭크면에 있어서의 상기 기둥 형상 결정의 길이 방향의 평균의 경사각(θ2)보다 큰 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 3 항에 있어서,
상기 플랭크면에 있어서의 상기 피복층의 두께(tf)와 상기 레이크면에 있어서의 상기 피복층의 두께(tr)의 비(tf/tr)가 1.2~3인 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 7 항에 있어서,
상기 플랭크면의 상기 피복층에 상기 기둥 형상 결정이 상기 기둥 형상 결정의 길이 방향으로 평균 2~5개 존재하고, 상기 레이크면의 상기 피복층에 상기 기둥 형상 결정이 그 기둥 형상 결정의 길이 방향으로 평균 3~10개 존재하는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 3 항에 있어서,
상기 절단날이 곡선상의 노즈 절단날과 직선상의 직선 절단날을 갖고, 상기 노즈 절단날의 직하의 상기 플랭크면에 노즈부가 형성됨과 아울러 상기 피복층은 상기 노즈부에 있어서의 상기 기둥 형상 결정의 길이 방향의 평균의 경사각(θ3)이 상기 플랭크면에 있어서의 상기 기둥 형상 결정의 길이 방향의 평균의 경사각(θ2)보다 큰 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 4 항에 있어서,
상기 절단날이 곡선상의 노즈 절단날과 직선상의 직선 절단날을 갖고, 상기 노즈 절단날의 직하의 상기 플랭크면에 노즈부가 형성됨과 아울러 상기 피복층은 상기 노즈부에 있어서의 상기 기둥 형상 결정의 길이 방향의 평균의 경사각(θ3)이 상기 플랭크면에 있어서의 상기 기둥 형상 결정의 길이 방향의 평균의 경사각(θ2)보다 큰 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 7 항에 있어서,
상기 절단날이 곡선상의 노즈 절단날과 직선상의 직선 절단날을 갖고, 상기 노즈 절단날의 직하의 상기 플랭크면에 노즈부가 형성됨과 아울러 상기 피복층은 상기 노즈부에 있어서의 상기 기둥 형상 결정의 길이 방향의 평균의 경사각(θ3)이 상기 플랭크면에 있어서의 상기 기둥 형상 결정의 길이 방향의 평균의 경사각(θ2)보다 큰 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 8 항에 있어서,
상기 절단날이 곡선상의 노즈 절단날과 직선상의 직선 절단날을 갖고, 상기 노즈 절단날의 직하의 상기 플랭크면에 노즈부가 형성됨과 아울러 상기 피복층은 상기 노즈부에 있어서의 상기 기둥 형상 결정의 길이 방향의 평균의 경사각(θ3)이 상기 플랭크면에 있어서의 상기 기둥 형상 결정의 길이 방향의 평균의 경사각(θ2)보다 큰 것을 특징으로 하는 절삭 공구.