KR101905903B1

KR101905903B1 - 내마모성이 우수한 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법

Info

Publication number: KR101905903B1
Application number: KR1020120017574A
Authority: KR
Inventors: 히데미츠 다카오카; 아키라 오사다; 나오키 와키야; 히사오 스즈키; 가즈오 시노자키
Original assignee: 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤; 고쿠리츠 다이가꾸 호우진 시즈오까 다이가꾸; 고쿠리츠다이가쿠호진 토쿄고교 다이가꾸
Priority date: 2011-02-24
Filing date: 2012-02-21
Publication date: 2018-10-08
Also published as: JP5739189B2; US8895110B2; JP2012171083A; KR20120097329A; EP2492370A2; US20120219720A1; EP2492370A3; CN102650049A; CN102650049B

Abstract

(과제) 내마모성이 우수한 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법을 제공한다.
(해결 수단) 공구 기체의 적어도 최표면에, 0.05∼5 ㎛ 의 막두께를 갖고, 코랜덤형의 결정 구조를 갖는 α 알루미나 구조의 산화 알루미늄층을 피복 형성하는 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법에 있어서, 상기 산화 알루미늄층은, 알루미늄의 알콕시드에 알코올을 첨가하고, 추가로 산 (예를 들어, 희염산) 을 첨가 (동시에, α 알루미나 입자를 첨가하는 것도 가능) 한 후, 10 ℃ 이하의 저온에서 교반하여 생성시킨 알루미나졸을, 상기 공구 기체 표면에, 혹은 공구 기체 표면 상에 형성한 경질 피막의 최표면에 도포하고, 이어서 100∼400 ℃ 에서의 건조 처리를 1 회 이상 반복하여 실시하고, 이어서 500∼1000 ℃ 의 온도 범위에서 소성 처리를 실시하는 졸-겔법에 의해 피복 형성한다.

Description

내마모성이 우수한 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법{METHOD OF PRODUCING SURFACE-COATED CUTTING TOOL WITH EXCELLENT ABRASION RESISTANCE}

본 발명은, 내마모성이 우수한 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법에 관한 것으로, 특히, 탄화 텅스텐기 초경합금, 탄질화 티탄기 서멧, 고속도강 혹은 입방정 (立方晶) 질화 붕소기 초고압 소결체로 이루어지는 공구 기체 (이하, 간단히 공구 기체라고 한다) 의 표면에, 혹은, 그 공구 기체 표면에 형성된 경질 피막의 최표면에, 졸-겔법에 의해 산화 알루미늄층을 형성하는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법에 관한 것이다.

종래부터, 공구 기체 표면에, 주기율표의 4a, 5a, 6a 족에서 선택된 적어도 1 종 이상의 원소의 탄화물, 질화물, 탄질화물 등으로 이루어지는 경질 피막을 피복 형성함으로써, 절삭 공구의 내마모성 향상을 도모하는 것이 알려져 있다.

그리고, 경질 피막 중에서도, α 형 산화 알루미늄층은, 열안정성이 우수하고, 반응성이 낮으며, 또한 고경도라는 점에서, 상기 주기율표의 4a, 5a, 6a 족에서 선택된 적어도 1 종 이상의 원소의 탄화물, 질화물, 탄질화물 등으로 이루어지는 경질 피막의 최표면층으로서, α 형 산화 알루미늄층이 피복 형성되는 경우가 많다.

산화 알루미늄층의 피복 형성 방법으로는, 통상적으로는, 화학 증착 (CVD) 법이 채용되고 있는데, 그 외에, 물리 증착 (PVD) 법, 졸-겔법에 의해 산화 알루미늄층을 형성하는 것도 알려져 있다.

예를 들어, 특허문헌 1 에 나타내는 바와 같이, 공구 기체, 경질 피막의 특성의 열화·변형을 초래하지 않도록 하기 위해, 저온 조건하 (1000 ℃ 이하) 에서의 α 형 알루미나층의 형성 방법으로서, 공구 기체 표면에, Al 과, 4a 족, 5a 족, 6a 족 및 Si 로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1 종의 원소를 필수 성분으로 하는 질화물, 탄화물, 탄질화물, 붕화물, 질산화물, 탄질산화물로 이루어지는 경질 피막을 물리 증착 (PVD) 법으로 형성한 후, 그 경질 피막을 산화시킴으로써 산화물 함유층을 형성하고, 그 산화물 함유층 상에 물리 증착 (PVD) 함으로써, 최표면층으로서의 내마모성 및 내열성이 우수한 α 형 결정 구조를 주체로 하는 알루미나층을 증착 형성하는 것이 제안되어 있다.

또, 특허문헌 2 에 나타내는 바와 같이, 물리 증착 (PVD) 법에 의해 경질 피복층을 증착 형성한 표면 피복 절삭 공구에 있어서, 제 1 층을 (Ti, Al) N 층으로 구성하고, 또, 제 2 층을 산화 알루미늄층 (바람직하게는, γ 형 알루미나층) 으로 구성하는 것이 제안되어 있다.

또한 특허문헌 3 에 나타내는 바와 같이, 기계 특성, 내구성이 있는 산화 알루미늄 피복 구조체의 제조 방법으로서, 모재 상에, 결정 구조가 아모르퍼스 구조, 또는 γ 형의 알루미나, 또는 그들의 혼합물로 이루어지는 제 1 알루미나층을 졸-겔법으로 피복한 후, 스퍼터링에 의해, γ 형을 주체로 하는 제 2 알루미나층을 피복 형성하는 것이 제안되어 있다.

일본 공개특허공보 2004-124246호 일본 공개특허공보 2007-75990호 일본 공개특허공보 2006-205558호

경질 피막과 그 최표면에 형성한 산화 알루미늄으로 이루어지는 경질 피복층을 피복 형성한 상기 종래의 표면 피복 절삭 공구 (이하, 간단히 피복 공구라고 한다) 에 있어서는, 최표면의 산화 알루미늄층은, 강 등의 절삭 가공시에, 피복 공구의 레이크면에서의 내마모성 향상을 들 수 있는데, 이것은, 특히 α 형 알루미나의 열안정성, 비반응성이 높은 것에 의한 것이다.

상기 특허문헌 1 에 있어서는, 물리 증착 (PVD) 법에 의한 저온 조건하에서의 α 형 알루미나층의 형성이 제안되어 있는데, 산화 알루미늄층의 증착 형성에 있어서는, 먼저, 경질 피막을 산화시켜 그 표면에 산화물 함유층을 형성할 필요가 있지만, 산화물 함유층과 산화 알루미늄층의 밀착성이 충분하지 않은 것, 또 산화 알루미늄으로서 α 형 알루미나뿐만 아니라 γ 형 알루미나도 존재하기 때문에 충분한 내열성이 얻어지지 않고, 그 결과, 장기의 사용에 걸쳐서 만족할 수 있는 절삭 성능을 발휘할 수 없다는 문제가 있었다.

또, 상기 특허문헌 2, 3 에 있어서는, 형성되는 산화 알루미늄은 γ 알루미나이기 때문에, 고온에서의 안정성이 부족하고, 또, 고속 절삭 가공에 있어서는, 만족할 수 있는 절삭 성능을 발휘할 수 없다는 문제가 있었다.

그래서, 본 발명자들은, 공구 기체 표면에 물리 증착 (PVD) 법으로 경질 피막을 형성한 후, 그 최표면층을 피복 형성하기 위한 졸-겔법에 대해 예의 검토한 결과, 저온 조건하에서 장시간의 숙성 처리를 실시하는 알루미나졸의 조제에 의해, 최표면층으로서, α 형 결정 구조를 갖는 산화 알루미늄층을 피복 형성할 수 있는 것을 알아낸 것이다.

즉, 알루미나졸의 조제시에, 통상보다 저온하에서의 교반과, 장시간의 숙성 처리를 실시한 경우에는, 가수 분해의 반응 속도를 저하시킴으로써, Al-O 의 결합 로 이루어지는 산화 알루미늄 전구체가 조밀하게 형성되고, 그 결과, 저온하에서의 알루미나의 결정화를 촉진시킬 수 있는 점에서, 이것을 건조, 소성시키면, 경질 피막의 최표면층으로서, 코랜덤형의 결정 구조를 갖는 α 알루미나 구조의 산화 알루미늄층을 형성할 수 있는 것을 알아낸 것이다.

또, 최표면층의 산화 알루미늄층과 접하는 경질 피막을, 그 경질 피막 중의 금속 성분에서 차지하는 Al 의 함유 비율이 40 원자% 이상인 질화물 피막으로서 형성한 경우에는, 최표면층의 산화 알루미늄층과의 밀착 강도가 높아지므로, 절삭 가공시의 충격 등에 의한 산화 알루미늄층의 박리, 결손 등의 발생 억제라는 관점에서 바람직하다.

그리고, 본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 표면 피복 절삭 공구는, 최표면의 산화 알루미늄층의 표면이 평활하고, 절삭 부스러기에 대한 내용착성이 우수함과 더불어, 장기의 사용에 걸쳐서 우수한 내마모성을 발휘하는 것을 알아낸 것이다.

본 발명은, 상기 지견에 기초하여 이루어진 것으로서,

「(1) 탄화 텅스텐기 초경합금, 탄질화 티탄기 서멧, 고속도강 혹은 입방정 질화 붕소기 초고압 소결체로 이루어지는 공구 기체의 최표면에, 0.05∼5 ㎛ 의 막두께를 갖고, 코랜덤형의 결정 구조를 갖는 α 알루미나 구조의 산화 알루미늄층을 피복 형성하는 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법에 있어서,

상기 산화 알루미늄층은, 알루미늄의 알콕시드에 알코올을 첨가하고, 추가로 산을 첨가한 후, 10 ℃ 이하의 온도 범위에서 교반하여 생성시킨 졸을, 상기 공구 기체의 표면 혹은 공구 기체 표면에 형성한 경질 피막의 최표면에 도포하고, 그것에 이어서 100∼400 ℃ 에서 건조시키는 처리를 1 회 이상 반복하여 실시하고, 이어서, 500∼1000 ℃ 의 온도 범위에서 소성 처리를 실시하는 졸-겔법에 의해 피복 형성하는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법.

(2) 상기 공구 기체의 표면에, 경질 피막으로서, 주기율표의 4a, 5a, 6a 족, Al, Si 에서 선택되는 적어도 1 종 이상의 원소를 함유하는 질화물을 물리 증착법, 화학 증착법 혹은 졸-겔법에 의해 피복하고, 그 경질 피막 최표면에 상기 산화 알루미늄층을 형성하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 에 기재된 내마모성이 우수한 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법.

(3) 상기 공구 기체의 표면에, 미리, 플라즈마 질화 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 에 기재된 내마모성이 우수한 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법.

(4) 상기 알루미늄의 알콕시드와 알코올과 산의 혼합에 의한 졸의 생성에 있어서, 산을 첨가할 때에, 동시에 평균 입경 10∼300 ㎚ 의 알루미나 입자를 첨가하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 내마모성이 우수한 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법.」을 특징으로 하는 것이다.

본 발명의 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법에 의하면, 공구 기체의 표면에 직접, 혹은, 물리 증착 (PVD) 법에 의해 형성된 경질 피막을 개재하여 그 최표면에, 졸-겔법에 의해, 코랜덤형의 결정 구조를 갖는 α 알루미나 구조의 산화 알루미늄층을 피복 형성하는데, 형성된 상기 산화 알루미늄층은, 우수한 내용착성, 내마모성을 갖고, 또 경질 피막을 개재하여 최표면에 형성된 상기 산화 알루미늄층은, 경질 피막과 우수한 밀착 강도를 가지므로, 본 발명의 제조 방법에 의해 제작한 표면 피복 절삭 공구는, 장기의 사용에 걸쳐 우수한 절삭 성능을 발휘하여, 공구 수명의 장기 수명화가 도모되는 것이다.

도 1 의 (a) 는, 본 발명의 제조 방법에 의해 제조한 표면 피복 절삭 공구 (본 발명 공구 (1)) 의 산화 알루미늄층의 전자선 회절 도형을 나타내고, 도 1 의 (b) 는 그 해석 결과와 면 간격의 실측값을 나타낸다.

이하, 본 발명에 대해, 상세하게 설명한다.

본 발명의 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법에서는, 탄화 텅스텐기 초경합금, 탄질화 티탄기 서멧, 고속도강 혹은 입방정 질화 붕소기 초고압 소결체로 이루어지는 공구 기체의 표면에 직접, 코랜덤형의 결정 구조를 갖는 α 알루미나 구조의 산화 알루미늄층을 졸-겔법에 의해 피복 형성한다.

또, 본 발명의 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법에서는, 상기 공구 기체의 표면에, 당업자에게 있어서 이미 알려져 있는 경질 피막, 즉, 주기율표의 4a, 5a, 6a 족 및 Si 에서 선택되는 적어도 1 종 이상의 원소와 Al 을 함유하는 질화물로 이루어지는 적어도 1 층 이상의 경질 피막 (예를 들어, TiAlN 막, CrAlN 막 등) 을 물리 증착 (PVD) 법에 의해 형성한 후, 그 경질 피막의 최표면에 코랜덤형의 결정 구조를 갖는 α 알루미나 구조의 산화 알루미늄층을 졸-겔법에 의해 피복 형성할 수도 있다.

또한, 상기 물리 증착 (PVD) 법에 의한 경질 피막의 형성시에는, 산화 알루미늄층과 접하는 경질 피막에 대해서는, 밀착성을 높인다는 관점에서, 그 경질 피막 중의 금속 성분에서 차지하는 Al 의 함유 비율이 40 원자% 이상인 질화물 피막으로서 형성하는 것이 바람직하다.

이것은, 경질 피막 중의 금속 성분에서 차지하는 Al 의 함유 비율이 40 원자% 이상의 질화물 피막과, 질화물 피막과 산화 알루미늄 피막의 계면에 알루미늄 농도가 높은 산화물을 형성하고, 이 산화물이 질화물 피막과 산화 알루미늄 피막을 강고하게 접착시키는 작용을 갖게 되기 때문이라는 이유에 의한다.

본 발명의 졸-겔법에 의한 산화 알루미늄층의 피복 형성 공정은, 구체적으로는 다음과 같다.

알루미나졸의 조제：

먼저, 알루미늄의 알콕시드 (예를 들어, 알루미늄세컨드리부톡시드, 알루미늄프로폭시드) 에 알코올 (예를 들어, 에탄올, 1-부탄올) 을 첨가하고, 추가로 산 (예를 들어, 희염산, 희질산) 을 첨가 (동시에, 평균 입경 10∼300 ㎚ 의 알루미나 입자를 첨가해도 된다) 한 후, 10 ℃ 이하의 온도 범위에서 교반하고, 또한, 예를 들어, 12 시간 이상의 숙성 처리를 실시함으로써 알루미나졸을 형성한다.

여기서, α 알루미나 입자를 첨가하는 경우, α 알루미나 입자의 평균 입경이 10 ㎚ 미만이면, 응집을 일으키기 쉬워 분산 상태가 나빠지고, 한편 평균 입경이 300 ㎚ 를 초과하면, 졸 안에 대한 분산 상태가 나빠질 뿐만 아니라, 막 중에 도입되었을 때에 결함이 되는 위험성이 있는 점에서, 첨가하는 알루미나 입자의 평균 입경은 10∼300 ㎚ 로 한다.

또, 첨가하는 산의 농도는, 0.01∼1.0 N 이 바람직하고, 알코올에 대한 산의 첨가량은, 0.5∼5 배 (용량) 가 바람직하다.

통상 실시되는 알루미나졸의 조제에 있어서는, 40∼80 ℃ 에서의 교반과 그 교반 온도에서 수시간 정도의 숙성 처리가 실시되는데, 본 발명에 있어서는, 10 ℃ 이하의 저온도 범위에 있어서의 교반을, 예를 들어, 12 시간 이상이라는 장시간에 걸쳐 숙성 처리를 실시한다.

여기서, 교반시의 온도가 10 ℃ 를 초과하면 가수 분해가 과도하게 진행되기 때문에, 후공정의 소성 공정에서 α 알루미나가 형성되지 않게 되므로, 교반시의 온도를 10 ℃ 이하의 저온 온도 범위로 하였다.

또한, 숙성 시간을 12 시간 이상이라는 장시간으로 한 것은, 저온에서 서서히 가수 분해를 촉진하여, 산화 알루미늄 전구체를 조밀하게 생성시킨다는 이유에 의한다.

건조·소성 :

상기에서 조제한 알루미나졸을, 공구 기체의 표면에 직접, 혹은, 공구 기체 표면에 물리 증착 (PVD) 법으로 형성한 경질 피막의 최표면에 도포하고, 그것에 이어서 100∼400 ℃ 에서의 건조 처리를 1 회 이상 반복하여 실시하고, 이어서, 500∼1000 ℃ 의 온도 범위에서 소성 처리를 실시하여 산화 알루미늄층을 피복 형성한다.

졸을 생성하기 위한 교반 공정에 있어서의, 알코올의 온도는, 알코올이 동결되지 않는 온도이면 된다. 그러나, 알코올의 온도가 너무 낮으면, 졸의 숙성에 필요로 하는 시간이 길어져, 생산성이 저하된다. 따라서, 졸을 생성하기 위한 교반 공정에 있어서의, 알코올 온도의 바람직한 하한값은, -30 ℃ 이다. 더욱 바람직한 알코올 온도의 하한값은 -18 ℃ 이다.

상기 건조 처리에 의해 알루미나의 건조 겔이 형성되고, 이어서 실시하는 소성 처리에 의해, 경질 피막 표면에, 코랜덤형의 결정 구조를 갖는 α 알루미나 구조의 산화 알루미늄층이 피복 형성된다.

상기 산화 알루미늄층의 막두께는, 알루미나졸의 도포 두께 및 도포 횟수에 따라 상이하지만, 피복 형성된 상기 산화 알루미늄층의 막두께가 0.05 ㎛ 미만에서는, 장기의 사용에 걸쳐서 표면 피복 공구로서 우수한 내마모성을 발휘할 수 없고, 한편, 막두께가 5 ㎛ 를 초과하면 산화 알루미늄층이 박리를 발생시키기 쉬우므로, 상기 산화 알루미늄층의 막두께는 0.05∼5 ㎛ 로 정하였다.

또, 건조 처리의 온도 범위를 100∼400 ℃, 소성 처리의 온도 범위를 500∼1000 ℃ 로 정한 것은, 각각, 건조 온도에 대해서는, 100 ℃ 미만에서는 충분한 건조를 실시할 수 없고, 400 ℃ 을 초과하면 소성이 동시에 진행되어 막에 크랙 등을 발생시켜, 피막이 박리 등을 발생시키기 쉬워지기 때문이고, 소성 온도에 대해서는, 500 ℃ 미만에서는 절삭에 충분한 결정성을 갖는 산화 알루미늄층이 형성되지 않고, 1000 ℃ 를 초과하는 온도에서 소성시킨 경우, 특별히 큰 문제는 없지만, 하지로서 성막한 (Ti, Al) N 등의 경질 피막의 분해나 산화가 발생하거나, 초경합금이나 서멧 기체 등의 산화가 발생하여, 저온 성막의 유리성을 볼 수 없게 되기 때문이라는 이유에 의한다.

상기 산화 알루미늄층은, 공구 기체에 직접 성막함으로써도, 그 성능을 발휘할 수 있지만, 특히 초경합금이나 탄질화 티탄기 서멧, 고속도강을 기체로 하는 경우에는, 미리 공구 기체 표면을 플라즈마 질화 처리에 의해 공구 표면 부근의 금속 결합상을 질화함으로써 표면 경화시켜, 그 표면에 산화 알루미늄층을 형성시킴으로써, 산화 알루미늄층과 공구 기체의 밀착 강도가 향상되어, 공구 수명을 연장하는 것이 가능해진다.

다음으로, 본 발명을 실시예에 의해 구체적으로 설명한다.

실시예 1

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 소정의 배합 조성으로 배합하고, 추가로 왁스를 첨가하여 아세톤 중에서 24 시간 볼밀 혼합하고, 감압 건조시킨 후, 98 ㎫ 의 압력으로 소정 형상의 압분체로 프레스 성형하고, 이 압분체를 5 Pa 의 진공 중, 1370∼1470 ℃ 범위 내의 소정 온도로 1 시간 유지 조건에서 진공 소결하고, 소결 후, 절삭날부에 R：0.07 ㎜ 의 호닝 가공을 실시함으로써 ISO·CNMG120408 에 규정하는 인서트 형상을 가진 WC 기 초경합금제의 공구 기체 A, B, C, D (초경 기체 A, B, C, D 라고 한다) 를 제조하였다.

(a) 이어서, 상기 초경 기체 A 를 물리 증착 장치의 일종인 아크 이온 플레이팅 장치에 장입 (奬入) 하고, 막두께 2.0 ㎛ 의 Ti₀ _.5Al₀ _.5N 층으로 이루어지는 경질 피막을 물리 증착에 의해 피복 형성하였다.

또, 상기 초경 기체 B 에 대해서도, 동일하게 아크 이온 플레이팅 장치에 장입하고, 막두께 2.0 ㎛ 의 Al₀ _.7Cr₀ _.3N 층으로 이루어지는 경질 피막을 물리 증착에 의해 피복 형성하였다.

또, 상기 초경 기체 C 에 대해서는, 플라즈마 질화 처리 장치 내에 장입하고, 기판을 600 ℃ 로 가열하여, 암모니아와 수소의 기류 중 (유량비를 1：4 로 한다), 200 Pa 의 압력하에서, 기판에 -300 V 의 직류 전압을 인가하여, 약 1 시간 플라즈마 질화 처리를 실시하였다.

(b) 한편, 경질 피막의 최표면에, 산화 알루미늄층을 졸-겔법으로 피복 형성하기 위한 알루미나졸의 조제를, 다음과 같이 실시하였다.

알루미늄의 알콕시드인 알루미늄세컨드리부톡시드 123 g 에 알코올로서 에탄올 586 ㎖ 를 첨가하고, 항온조 중 0 ℃ 에서 교반을 실시하고, 추가로 0.2 N 의 희염산을 적하에 의해 1 시간에 걸쳐 첨가하였다.

(c) 이것을, 항온조 중 0 ℃ 로 유지한 채, 12 시간 교반을 계속하고, 추가로 3 ℃ 에서 24 시간 숙성 처리함으로써, 알루미나졸을 조제하였다.

최종적인 용액 조성은, 몰비로,

(알루미늄세컨드리부톡시드)：(물)：(에탄올)：(염산)=1：50：20：1 이 되도록 조정을 실시하였다.

(d) 다음으로, 상기 초경 기체 A, B 에 형성한 상기 Ti₀ _.5Al₀ _.5N 층, Al_0.7Cr_0.3N 층으로 이루어지는 경질 피막 상, 플라즈마 질화 처리를 실시한 초경 기체 C 상 및 특별한 표면 처리를 실시하지 않은 초경 기체 D 상에, 상기 알루미나졸을 도포하였다.

(e) 이어서, 상기 도포한 알루미나졸을, 대기 중 300 ℃ 에서 0.5 시간의 건조 처리를 실시하고, 추가로 도포와 건조를 합계 5 회 반복한 후, 대기 중 600 ℃ 에서 1 시간의 소성 처리를 실시하고, 막두께 1 ㎛ 의 코랜덤형의 결정 구조를 갖는 α 알루미나 구조의 산화 알루미늄층을 최표면에 피복 형성함으로써, 본 발명의 표면 피복 절삭 공구 1, 2, 3, 4 (본 발명 공구 1, 2, 3, 4 라고 한다) 를 제조하였다.

상기 본 발명 공구 1∼4 에 대해, 산화 알루미늄층을 투과형 전자현미경을 이용하여 구조 해석한 결과, 산화 알루미늄층은, 코랜덤형의 결정 구조를 갖는 α 알루미나 구조를 갖는 것이 확인되었다.

도 1 의 (a) 에, 일례로서 본 발명 공구 (1) 의 산화 알루미늄층에 대해 얻어진 전자 회절 도형을 나타내고, 또 도 1 의 (b) 에, 그 해석 결과와 면 간격의 실측값을 나타낸다. 또한, 도 1 의 (b) 에는, 코랜덤형의 결정 구조를 갖는 α 알루미나의 기준면 간격을 병기하였다.

즉, 도 1 의 (a), 도 1 의 (b) 에 나타내는 결과로부터, 본 발명 공구의 산화 알루미늄층은, 코랜덤형의 결정 구조를 갖는 α 알루미나 구조인 것이 확인된다.

비교예 1

비교를 위해, 이하의 제조 방법으로 표면 피복 절삭 공구를 제조하였다.

즉, 상기 공구 기체 A, B, C, D 에 대해,

상기 (a) 의 공정에서, 경질 피막을 형성하고, 상기 (b) 의 공정에서, 알루미나졸을 조제하였다.

이어서, 상기 (c) 의 공정으로 바꾸어, 항온조 중 40 ℃ 로 유지한 채, 12 시간 교반을 계속하고, 추가로 40 ℃ 에서 24 시간 숙성시킨다는 처리를 실시함으로써 알루미나졸을 조제하였다.

이어서, 상기 (d) 와 동일하게 하여, 초경 기체 A, B 에 형성한 Ti₀ _.5Al₀ _.5N층, Al₀ _.7Cr₀ _.3N 층으로 이루어지는 경질 피막 상, 플라즈마 질화 처리를 실시한 초경 기체 C 상, 및 특별한 표면 처리를 실시하지 않은 초경 기체 D 상에, 상기 알루미나졸을 도포하였다.

이어서, 상기 도포한 알루미나졸을, 상기 (e) 와 동일하게 하여, 대기 중 300 ℃ 에서 0.5 시간의 건조 처리를 실시하고, 추가로 도포와 건조 처리를 합계 5 회 반복한 후, 대기 중 600 ℃ 에서 1 시간의 소성 처리를 실시하여, 막두께 1 ㎛ 의 산화 알루미늄층을 최표면에 피복 형성함으로써, 비교예의 표면 피복 절삭 공구 1, 2, 3, 4 (비교예 공구 1, 2, 3, 4 라고 한다) 를 제조하였다.

상기 비교예 공구 1∼4 에 대해, 산화 알루미늄층을 투과형 전자 현미경을 이용하여 구조 해석한 결과, 산화 알루미늄층은, 특정한 결정 구조를 갖지 않는 아모르퍼스 구조인 것이 확인되었다.

다음으로, 상기 본 발명 공구 1∼4 및 비교예 공구 1∼4 에 대해, 다음의 조건에서 탄소강의 절삭 가공 시험을 실시하였다.

피삭재：JIS·S45C 의 환봉,

절삭 속도：200 m/min,

절삭 깊이：2.0 ㎜,

이송：0.2 ㎜/rev,

절삭 시간：3 분

절삭 가공 시험 후의, 각각의 공구의 마모 상태에 대해 관찰을 실시하고, 플랭크면 마모량의 측정을 실시하였다.

이들 결과를 표 1 에 나타낸다.

종별		공구 기체 기호	플랭크면 마모량 (mm)	종별		공구 기체 기호	마모 상태
본 발 명	1	A	0.11	비 교 예	1	A	1.8 분 후에 레이크면의 마모로부터 결손
	2	B	0.09		2	B	2.4 분 후에 레이크면의 마모로부터 결손
	3	C	0.15		3	C	0.3 분 후에 레이크면의 마모로부터 결손
	4	D	0.18		4	D	0.2 분 후에 레이크면의 마모로부터 결손
	5	E	0.12		5	E	1.8 분 후에 레이크면의 마모로부터 결손
	6	F	0.15		6	F	1.5 분 후에 레이크면의 마모로부터 결손
	7	G	0.07		7	G	3.2 분 후에 레이크면의 마모로부터 결손
	8	H	0.08		8	H	1.6 분 후에 레이크면의 마모로부터 결손
	9	I	0.12		9	I	0.3 분 후에 레이크면의 마모로부터 결손

실시예 2

원료 분말로서, 모두 0.5∼2 ㎛ 의 평균 입경을 갖는 TiCN (질량비로 TiC/TiN=50/50) 분말, Mo₂C 분말, ZrC 분말, NbC 분말, TaC 분말, WC 분말, Co 분말, 및 Ni 분말을 준비하고, 이들을 소정 배합 조성으로 배합하여, 볼밀로 24 시간 습식 혼합하고, 건조시킨 후, 98 ㎫ 의 압력으로 압분체로 프레스 성형하고, 이 압분체를 1.3 kPa 의 질소 분위기 중, 온도：1540 ℃ 에서 1 시간 유지하는 조건에서 소결하여, 소결 후, 절삭날 부분에 R：0.07 ㎜ 의 호닝 가공을 실시함으로써 ISO 규격·CNMG190612 의 칩 형상을 가진 TiCN 기 서멧제의 공구 기체 E, F (서멧 기체 E, F 라고 한다) 를 제조하였다.

(g) 이어서, 상기 서멧 기체 E 를 물리 증착 장치의 일종인 아크 이온 플레이팅 장치에 장입하고, 막두께 2.0 ㎛ 의 Ti₀ _.5Al₀ _.5N 층으로 이루어지는 경질 피막을 물리 증착에 의해 피복 형성하였다.

또, 상기 서멧 기체 F 에 대해서도, 동일한 아크 이온 플레이팅 장치에 장입하고, 막두께 2.0 ㎛ 의 Al₀ _.7Cr₀ _.3N 층으로 이루어지는 경질 피막을 물리 증착에 의해 피복 형성하였다.

(h) 한편, 경질 피막의 최표면에, 산화 알루미늄층을 졸-겔법으로 피복 형성하기 위한 알루미나졸의 조제를 다음과 같이 실시하였다.

알루미늄의 알콕시드인 알루미늄이소프로폭시드 102 g 에 알코올로서 1-부탄올 915 ㎖ 를 첨가하고, 항온조 중 0 ℃ 에서 교반을 실시하면서, 알루미늄이소프로폭시드에 대해 4 wt% 가 되도록 평균 입경 100 ㎚ 의 알루미나 입자를 첨가하고, 추가로 0.2 N 의 희질산을 적하에 의해 1 시간에 걸쳐 첨가하였다.

(i) 이것을, 항온조 중 0 ℃ 로 유지한 채, 12 시간 교반을 계속하고, 추가로 3 ℃ 에서 24 시간 숙성 처리함으로써, 알루미나졸을 조제하였다.

최종적인 용액 조성은, 몰비로,

(알루미늄이소프로폭시드)：(물)：(1-부탄올)：(질산)=1：50：20：1 이 되도록 조정을 실시하였다.

(j) 다음으로, 상기 서멧 기체 E, F 에 형성한 상기 Ti₀ _.5Al₀ _.5N 층, Al₀ _.7 Cr_0.3N 층으로 이루어지는 경질 피막 상에, 상기 알루미나졸을 도포하였다.

(k) 이어서, 상기 도포한 알루미나졸을, 대기 중 300 ℃ 에서 0.5 시간의 건조 처리를 실시하고, 추가로 도포와 건조를 합계 4 회 반복한 후, 대기 중 600 ℃ 에서 1 시간의 소성 처리를 실시하여, 막두께 1 ㎛ 의 코랜덤형의 결정 구조를 갖는 α 알루미나 구조의 산화 알루미늄층을 최표면에 피복 형성함으로써, 본 발명의 표면 피복 절삭 공구 5, 6 (본 발명 공구 5, 6 이라고 한다) 을 제조하였다.

또, 원료 분말로서 모두 0.3∼0.9 ㎛ 범위 내의 평균 입경을 갖는 TiN 분말, TiC 분말, TiCN 분말, TiAl₃ 분말, Al₂O₃ 분말, WC 분말 및 cBN 분말을 준비하고, 이들을 소정의 배합 조성으로 배합하여, 볼밀로 48 시간 아세톤을 이용하여 습식 혼합하고, 건조시킨 후, 유압 프레스에서 성형압 1 ㎫ 로 직경：50 ㎜×두께 : 1.5 ㎜ 의 치수로 프레스 성형하고, 이어서 이 성형체를, 압력：1 Pa 의 진공 분위기 중, 1000∼1300 ℃ 범위 내의 소정 온도로 30∼60 분간 유지하여 열처리하고, 휘발 성분 및 분말 표면에 대한 흡착 성분을 제거하여 절삭날편용 예비 소결체로 하고, 이 예비 소결체를, 별도 준비한, Co：8 질량%, WC：나머지 조성, 그리고 직경：50 ㎜×두께 : 2 ㎜ 의 치수를 가진 WC 기 초경합금제 지지편과 중첩시킨 상태에서, 통상적인 초고압 소결 장치에 장입하고, 통상적인 조건인 압력：5 GPa, 온도：1500 ℃, 유지 시간： 30 분간의 조건에서 초고압 고온 소결하여, cBN 소결재를 얻는다. cBN 소결재 원판을, 와이어 방전 가공기로 소정 치수로 절단하고, Co：5 질량%, TaC：5 질량%, WC：나머지 조성 및 ISO 규격 CNGA120408 의 인서트 형상을 가진 WC 기 초경합금제 인서트 본체의 납땜부 (코너부) 에, 질량% 로, Cu：26 %, Ti：5 %, Ag：나머지로 이루어지는 조성을 갖는 Ag 합금의 납재를 사용하여 납땜하고, 상하면 및 외주 연마, 호닝 처리를 실시함으로써 ISO 규격 CNGA120408 의 인서트 형상을 가진 cBN 소결체제의 공구 기체 G, H, I 를 제조하였다.

cBN 소결체제의 공구 기체 G, H, I 에 대해, 상기 공정 (g)∼(k) 에 의해, 공구 기체 G, H 에는, 각각 경질 피막을 형성한 후에, 공구 기체 I 에 대해서는 무처리인 채로, 각각의 표면에 알루미나 막을 형성하고, 본 발명의 표면 피복 절삭 공구 7, 8, 9 (본 발명 공구 7, 8, 9 라고 한다) 를 제조하였다.

상기 본 발명 공구 5∼9 에 대해, 산화 알루미늄층을 투과형 전자 현미경을 이용하여 구조 해석한 결과, 산화 알루미늄층은, 코랜덤형의 결정 구조를 갖는 α 알루미나 구조를 갖는 것이 확인되었다.

비교예 2

비교를 위해, 상기 공구 기체 E∼I 를 이용하여, 비교예의 표면 피복 절삭 공구 5∼9 (비교예 공구 5∼9 라고 한다) 를 제조하였다.

즉, 상기 (g) 의 공정에서, 서멧 기체 E 에 Ti₀ _.5Al₀ _.5N 층, 서멧 기체 F 에 Al_0.7Cr_0.3N 층, cBN 소결체제의 공구 기체 G 에 Ti₀ _.5Al₀ _.5N 층, cBN 소결체제의 공구 기체 H 에 Al₀ _.7Cr₀ _.3N 층으로 이루어지는 경질 피막을 각각 형성하고, 또, cBN 소결체제의 공구 기체 I 에 대해서는 무처리인 상태로 하여, 상기 (h) 의 공정에서 알루미나졸을 조제하였다.

이어서, 상기 (i) 의 공정에 있어서, 항온조 중 40 ℃ 로 유지한 채, 12 시간 교반을 계속하고, 추가로 40 ℃ 에서 24 시간 숙성시킨다는 처리를 실시함으로써 알루미나졸을 조제하였다.

이어서, 서멧 기체 E, F, cBN 소결체제의 공구 기체 G, H 에 형성한 경질 피막 상, 또, 무처리의 cBN 소결체제의 공구 기체 I 상에, 상기 알루미나졸을 도포하였다.

이어서, 상기 도포한 알루미나졸을, 상기 (k) 와 동일하게 하여, 대기 중 300 ℃ 에서 0.5 시간의 건조 처리를 실시하고, 추가로 도포와 건조 처리를 합계 5회 반복한 후, 대기 중 600 ℃ 에서 1 시간의 소성 처리를 실시하고, 막두께 1 ㎛ 의 산화 알루미늄층을 최표면에 피복 형성함으로써, 비교예의 표면 피복 절삭 공구 5∼9 (비교예 공구 5∼9 라고 한다) 를 제조하였다.

상기 비교예 공구 5∼9 에 대해, 산화 알루미늄층을 투과형 전자 현미경을 이용하여 구조 해석한 결과, 산화 알루미늄층은, 아모르퍼스 구조인 것이 확인되었다.

다음으로, 상기 본 발명 공구 5, 6 및 비교예 공구 5, 6 에 대해, 다음의 조건에서 탄소강의 절삭 가공 시험을 실시하였다.

피삭재：JIS·S45C 의 환봉,

절삭 속도：200 m/min,

절삭 깊이：2.0 ㎜,

이송：0.2 ㎜/rev,

절삭 시간：3 분

또, 상기 본 발명 공구 7, 8, 9 및 비교예 공구 7, 8, 9 에 대해, 다음의 조건에서 담금질강의 절삭 가공 시험을 실시하였다.

피삭재：JIS·SUJ2 (HRA60) 의 환봉,

절삭 속도：220 m/min,

절삭 깊이：0.15 ㎜,

이송：0.25 ㎜/rev,

절삭 시간：5 분

표 1 에, 절삭 가공 시험 후의, 각각의 공구의 마모 손상 상황에 대한 관찰 결과를 나타낸다.

표 1 에 나타나는 결과로부터, 본 발명의 제조 방법에 의해 제조한 표면 피복 절삭 공구 1∼9 에 있어서는, 최표면의 산화 알루미늄층이, 평활성이 우수한 막두께 0.05∼5 ㎛ 의 코랜덤형의 결정 구조를 갖는 α 알루미나 구조의 산화 알루미늄층으로서 구성되어 있으므로, 용착 등의 발생도 없고, 장기의 사용에 걸쳐서 우수한 내마모성을 발휘한다.

이에 대하여, 최표면의 산화 알루미늄층이, α 알루미나 구조인 비교예의 표면 피복 절삭 공구 1∼9 에 있어서는, 절삭의 도중에 레이크면으로부터 결손을 발생시키거나, 격렬한 레이크면 마모가 발생하거나 하기 때문에, 내마모성이 열등하여, 단시간에 사용 수명에 이르는 것은 분명하다.

본 발명의 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법에 의하면, 비교적 저온도 영역에서의 알루미나졸의 조제를 실시하는 졸-겔법에 의해, 열안정성, 내마모성이 우수한 코랜덤형의 결정 구조를 갖는 α 알루미나 구조의 산화 알루미늄층을 간단한 조작으로 형성할 수 있으므로, 공구 수명의 장기 수명화를 도모할 수 있을 뿐만 아니라, 제조 공정상의 자원 절약, 에너지 절약에도 기여할 수 있는 것으로서, 실용상의 효과가 크다.

Claims

탄화 텅스텐기 초경합금, 탄질화 티탄기 서멧, 고속도강 혹은 입방정 (立方晶) 질화 붕소기 초고압 소결체로 이루어지는 공구 기체의 최표면에, 0.05∼5 ㎛ 의 막두께를 갖고, 코랜덤형의 결정 구조를 갖는 α 알루미나 구조의 산화 알루미늄층을 피복 형성하는 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법에 있어서,
상기 산화 알루미늄층은, 알루미늄의 알콕시드에 알코올을 첨가하고, 추가로 산을 첨가한 후, 10 ℃ 이하의 온도 범위에서 교반하여 생성시킨 졸을, 12 시간 이상의 숙성 처리를 실시하고, 상기 공구 기체의 표면 혹은 공구 기체 표면에 형성한 경질 피막의 최표면에 도포하고, 그것에 이어서 100∼400 ℃ 에서 건조시키는 처리를 1 회 이상 반복하여 실시하고, 이어서, 500∼1000 ℃ 의 온도 범위에서 소성 처리를 실시하는 졸-겔법에 의해 피복 형성하는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 공구 기체의 표면에, 경질 피막으로서, 주기율표의 4a, 5a, 6a 족, Al, Si 에서 선택되는 적어도 일종 이상의 원소를 함유하는 질화물을 물리 증착법, 화학 증착법 혹은 졸-겔법에 의해 피복하고, 그 경질 피막 최표면에 상기 산화 알루미늄층을 형성하는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 공구 기체의 표면에, 미리, 플라즈마 질화 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 알루미늄의 알콕시드와 알코올과 산으로부터 졸을 생성하는 데에 있어서, 산을 첨가할 때에, 동시에 평균 입경 10∼300 ㎚ 의 α 알루미나 입자를 첨가하는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법.