KR102107878B1

KR102107878B1 - 표면 피복 절삭 공구

Info

Publication number: KR102107878B1
Application number: KR1020167016973A
Authority: KR
Inventors: 신야 이마무라; 히데아키 가나오카; 아농색 파수트; 다카노리 데타니
Original assignee: 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤
Priority date: 2015-08-28
Filing date: 2015-08-28
Publication date: 2020-05-07
Also published as: CN106660137A; EP3311940A1; US20170191169A1; KR20180020853A; JPWO2017037797A1; JP5872748B1; EP3311940B1; WO2017037797A1; CN106660137B; US9834845B2; EP3311940A4

Abstract

본 발명의 표면 피복 절삭 공구(10)가 구비하는 피막(12)은, 복수의 α-Al₂O₃의 결정립을 포함하는 α-Al₂O₃층을 갖는다. α-Al₂O₃층 중, 그 표면에 평행한 가공면에 관한 15 ㎛ 사방의 컬러 맵에 있어서, 조립인 결정립 A이 차지하는 면적(A₁)이 50% 이하이면서 또한 면적(A₁) 중 (001)면 배향성의 결정립이 차지하는 면적(A₂)이 90% 이상이고, 중립인 α-Al₂O₃의 결정립 B이 차지하는 면적(B₁)이 20% 이상 50% 이하이면서 또한 면적(B₁) 중 (001)면 배향성의 결정립이 차지하는 면적(B₂)이 90% 이상이고, 미립인 α-Al₂O₃의 결정립 C이 차지하는 면적(C₁)이 10% 이상 50% 이하이면서 면적(C₁) 중 (001)면 배향성의 결정립이 차지하는 면적(C₂)이 50% 이상이고, 컬러 맵 전체의 면적에 대한, 면적(A₁), 면적(B₁) 및 면적(C₁)의 합계 면적의 비율이 95% 이상이다.

Description

표면 피복 절삭 공구{SURFACE-COATED CUTTING TOOL}

본 발명은 표면 피복 절삭 공구에 관한 것이다.

종래부터 기재 상에 피막을 형성한 표면 피복 절삭 공구가 이용되어 왔다. 예컨대, 일본 특허공개 2004-284003호 공보(특허문헌 1)는, 층 표면의 법선 방향에서 평면으로 본 경우에, (0001)면의 결정 방위를 보이는 결정립의 총면적이 70% 이상인 α-Al₂O₃층을 포함하는 피막을 갖는 표면 피복 절삭 공구를 개시하고 있다.

또 일본 특허공개 2010-207946호 공보(특허문헌 2)는, 층 표면의 법선 방향에 있어서 평면으로 본 경우에, 층 표면에 있어서 관찰되는 결정립이 특이적인 크기 구분을 갖는 α-Al₂O₃층을 포함하는 피막을 갖는 표면 피복 절삭 공구를 개시하고 있다.

특허문헌 1: 일본 특허공개 2004-284003호 공보 특허문헌 2: 일본 특허공개 2010-207946호 공보

특허문헌 1 및 특허문헌 2에서는, 상기와 같은 구성의 α-Al₂O₃층을 포함하는 피막을 가짐으로써, 표면 피복 절삭 공구의 내마모성이나 내결손성과 같은 기계 특성이 향상되고, 이로써 절삭 공구의 수명이 길어질 것이 기대되고 있다.

그러나, 최근의 절삭 가공에서는 고속화 및 고능률화가 진행되어, 절삭 공구에 걸리는 부하가 커져, 절삭 공구의 수명이 단기화되는 것이 문제가 되고 있었다. 이 때문에, 절삭 공구의 피막의 기계 특성을 더욱 향상시켜, 절삭 공구의 수명을 더욱 장수명화할 것이 요구되고 있다.

본 개시는 이러한 상황에 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 피막의 기계 특성을 향상시켜, 절삭 공구의 수명을 더욱 장수명화한 표면 피복 절삭 공구를 제공하는 데에 있다.

본 개시의 일 양태에 따른 표면 피복 절삭 공구는, 기재와, 기재 상에 형성된 피막을 구비하는 표면 피복 절삭 공구로서, 피막은 복수의 α-Al₂O₃의 결정립을 포함하는 α-Al₂O₃층을 갖는다. α-Al₂O₃층 중, 그 표면에 평행한 면이며, 표면에서부터 깊이 방향에 대하여 0.1 ㎛ 이상 0.5 ㎛ 이하의 영역에 위치하는 α-Al₂O₃층을 제거하여 얻어지는 가공면에 대하여, 전계 방사형 주사현미경(FE-SEM)을 이용한 전자 후방 산란 회절상(EBSD) 해석에 의해서 결정립의 각각의 결정 방위를 특정하고, 이것을 토대로 한 15 ㎛ 사방의 컬러 맵을 작성한 경우에, 컬러 맵에 있어서, 입경이 1 ㎛ 이상 3 ㎛ 이하인 α-Al₂O₃의 결정립 A이 차지하는 면적(A₁)이 50% 이하이면서 또한 면적(A₁) 중 (001)면의 법선 방향이 가공면의 법선 방향에 대하여 ±10° 이내가 되는 결정립이 차지하는 면적(A₂)이 90% 이상이고, 입경이 0.5 ㎛ 이상 1 ㎛ 미만인 α-Al₂O₃의 결정립 B이 차지하는 면적(B₁)이 20% 이상 50% 이하이면서 또한 면적(B₁) 중 (001)면의 법선 방향이 가공면의 법선 방향에 대하여 ±10° 이내가 되는 결정립이 차지하는 면적(B₂)이 90% 이상이고, 입경이 0.05 ㎛ 이상 0.5 ㎛ 미만인 α-Al₂O₃의 결정립 C이 차지하는 면적(C₁)이 10% 이상 50% 이하이면서 또한 면적(C₁) 중 (001)면의 법선 방향이 가공면의 법선 방향에 대하여 ±10° 이내가 되는 결정립이 차지하는 면적(C₂)이 50% 이상이고, 컬러 맵 전체의 면적에 대한, 면적(A₁), 면적(B₁) 및 면적(C₁)의 합계 면적의 비율이 95% 이상이다.

상기에 따르면, 피막의 기계 특성이 향상되어, 절삭 공구의 수명을 더욱 장수명화할 수 있다.

도 1은 본 개시의 일 실시형태에 따른 표면 피복 절삭 공구의 일례를 도시하는 사시도이다.
도 2는 도 1의 II-II선 화살 표시 단면도이다.
도 3은 도 2의 부분 확대도이다.
도 4는 α-Al₂O₃층의 가공면에 관한 컬러 맵의 일례이다.
도 5는 도 4의 컬러 맵에 표시되는 결정립 중, 조립(粗粒)만을 도시한 컬러 맵이다.
도 6은 도 4의 컬러 맵에 표시되는 결정립 중, 중립(中粒)만을 도시한 컬러 맵이다.
도 7은 도 4의 컬러 맵에 표시되는 결정립 중, 미립(微粒)만을 도시한 컬러 맵이다.
도 8은 제2 중간층의 두께 방향에 있어서의 형상을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 9는 실시형태에 따른 피막의 제조에 이용되는 화학 기상 증착 장치의 일례를 개략적으로 도시하는 단면도이다.

[본 발명의 실시형태의 설명]

처음에 본 발명의 실시양태를 열기하여 설명한다. 또한 본 명세서의 결정학적 기재에서는 개별의 면을 ()로 나타낸다. 또한 본 명세서에서 「X~Y」라고 하는 형식의 표기는 범위의 상한 하한(즉 X 이상 Y 이하)을 의미하고 있으며, X에 있어서 단위의 기재가 없고, Y에 있어서만 단위가 기재되어 있는 경우, X의 단위와 Y의 단위는 같다. 또한 본 명세서에서 「TiN」, 「TiCN」 등의 화학식에 있어서 특별히 원자비를 특정하지 않은 것은, 각 원소의 원자비가 「1」뿐임을 나타내는 것이 아니라, 종래 공지된 원자비가 전부 포함되는 것으로 한다.

[1] 본 개시의 일 양태에 따른 표면 피복 절삭 공구는, 기재와, 기재 상에 형성된 피막을 구비하는 표면 피복 절삭 공구로서, 피막은 복수의 α-Al₂O₃의 결정립을 포함하는 α-Al₂O₃층을 갖는다. α-Al₂O₃층 중, 그 표면에 평행한 면이며, 표면에서부터 깊이 방향에 대하여 0.1 ㎛ 이상 0.5 ㎛ 이하의 영역에 위치하는 α-Al₂O₃층을 제거하여 얻어지는 가공면에 대하여, 전계 방사형 주사현미경(FE-SEM)을 이용한 전자 후방 산란 회절상(EBSD) 해석에 의해서 결정립의 각각의 결정 방위를 특정하고, 이것을 토대로 한 15 ㎛ 사방의 컬러 맵을 작성한 경우에, 컬러 맵에 있어서, 입경이 1 ㎛ 이상 3 ㎛ 이하인 α-Al₂O₃의 결정립 A이 차지하는 면적(A₁)이 50% 이하이면서 또한 면적(A₁) 중 (001)면의 법선 방향이 가공면의 법선 방향에 대하여 ± 10° 이내가 되는 결정립이 차지하는 면적(A₂)이 90% 이상이고, 입경이 0.5 ㎛ 이상 1 ㎛ 미만인 α-Al₂O₃의 결정립 B이 차지하는 면적(B₁)이 20% 이상 50% 이하이면서 또한 면적(B₁) 중 (001)면의 법선 방향이 가공면의 법선 방향에 대하여 ±10° 이내가 되는 결정립이 차지하는 면적(B₂)이 90% 이상이고, 입경이 0.05 ㎛ 이상 0.5 ㎛ 미만인 α-Al₂O₃의 결정립 C이 차지하는 면적(C₁)이 10% 이상 50% 이하이면서 또한 면적(C₁) 중 (001)면의 법선 방향이 가공면의 법선 방향에 대하여 ±10° 이내가 되는 결정립이 차지하는 면적(C₂)이 50% 이상이고, 컬러 맵 전체의 면적에 대한, 면적(A₁), 면적(B₁) 및 면적(C₁)의 합계 면적의 비율이 95% 이상이다. 이러한 α-Al₂O₃층은 높은 경도를 가질 수 있다. 따라서, 상기 [1]의 표면 피복 절삭 공구는 기계 특성이 우수하며, 이로써 수명이 장수명화된 것으로 된다.

[2] 상기 표면 피복 절삭 공구에 있어서 바람직하게는 α-Al₂O₃층은 1 ㎛ 이상 25 ㎛ 이하의 두께를 갖는다. 이에 따라, 상기한 특성이 보다 효과적으로 발휘된다.

[3] 상기 표면 피복 절삭 공구에 있어서 바람직하게는 α-Al₂O₃층은 4 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하의 두께를 갖는다. 이에 따라, 상기한 특성이 보다 효과적으로 발휘된다.

[4] 상기 표면 피복 절삭 공구에 있어서 바람직하게는 피막은, 기재와 Al₂O₃층 사이에 제1 중간층을 포함하고, 이 제1 중간층은 TiCN층이다. TiCN층은 고경도이기 때문에, 이러한 제1 중간층을 갖는 피막을 포함하는 표면 피복 절삭 공구는 내마모성이 우수하게 된다.

[5] 상기 표면 피복 절삭 공구에 있어서 바람직하게는 피막은, 기재와 α-Al₂O₃층 사이에 제2 중간층을 포함하고, 제2 중간층은 TiCNO층 또는 TiBN층이며, 제2 중간층의 최대 두께와 최소 두께의 차는 0.3 ㎛ 이상이다. 이러한 제2 중간층은, α-Al₂O₃층과 제1 중간층을 밀착시키는 앵커로서의 효과를 발휘할 수 있으므로, 피막의 내박리성을 높일 수 있다. 따라서, 이러한 제2 중간층을 갖는 피막을 포함하는 표면 피복 절삭 공구는 또한 내결손성이 우수하게 된다.

[6] 상기 표면 피복 절삭 공구에 있어서 바람직하게는 피막은 가장 표면에 위치하는 표면층을 포함하고, 표면층은 TiC층, TiN층 또는 TiB₂층이다. 이에 따라, 피막의 인성이 향상된다.

[본 발명의 실시형태의 상세]

이하, 본 발명의 일 실시형태(이하 「본 실시형태」라고 기재한다)에 관해서 설명하지만, 본 실시형태는 이들에 한정되는 것이 아니다. 또 이하에서 「(001)면의 법선 방향이 α-Al₂O₃층의 표면의 법선 방향에 대하여 ±10° 이내가 되는 결정립」을 「(001)면 배향성 결정립」이라고도 한다.

〔표면 피복 절삭 공구〕

도 1을 참조하면, 본 실시형태의 표면 피복 절삭 공구(10)(이하, 단순히 「공구(10)」라고 기재한다)는, 경사면(1)과, 여유면(2)과, 경사면(1)과 여유면(2)이 교차하는 날끝 능선부(3)를 갖는다. 즉, 경사면(1)과 여유면(2)은 날끝 능선부(3)를 사이에 두고 이어지는 면이다. 날끝 능선부(3)는 공구(10)의 절단날 선단부를 구성한다. 이러한 공구(10)의 형상은 후술하는 기재의 형상에 의거한다.

도 1에는 선삭 가공용 날끝 교환형 절삭 칩으로서의 공구(10)가 도시되지만, 공구(10)는 이것에 한정되지 않고, 드릴, 엔드밀, 드릴용 날끝 교환형 절삭 칩, 엔드밀용 날끝 교환형 절삭 칩, 프라이즈 가공용 날끝 교환형 절삭 칩, 메탈소오, 기어 컷팅 공구, 리머, 탭 등의 절삭 공구로서 적합하게 사용할 수 있다.

또 공구(10)가 날끝 교환형 절삭 칩 등인 경우, 공구(10)는 칩 브레이커를 갖는 것도 갖지 않는 것도 포함되며, 또 날끝 능선부(3)는, 그 형상이 샤프 엣지(경사면과 여유면이 교차하는 모서리), 호닝(샤프 엣지에 대하여 라운드를 부여한 것), 네거티브 랜드(모따기를 한 것), 호닝과 네거티 브랜드를 조합한 것의 어느 것이나 포함된다.

도 2를 참조하면, 상기 공구(10)는, 기재(11)와, 이 기재(11) 상에 형성된 피막(12)을 구비한 구성을 갖는다. 공구(10)에 있어서, 피막(12)은, 기재(11)의 전면을 피복하는 것이 바람직하지만, 기재(11)의 일부가 이 피막(12)으로 피복되어 있거나, 피막(12)의 구성이 부분적으로 다르거나 하여도 본 실시형태의 범위를 일탈하는 것은 아니다.

〔기재〕

도 2를 참조하면, 본 실시형태의 기재(11)는, 경사면(11a)과, 여유면(11b)과, 경사면(11a)과 여유면(11b)이 교차하는 날끝 능선부(11c)를 갖는다. 경사면(11a), 여유면(11b) 및 날끝 능선부(11c)는, 공구(10)의 경사면(1), 여유면(2) 및 날끝 능선부(3)를 구성한다.

기재(11)로서는, 이런 유형의 기재로서 종래 공지된 것이라면 어느 것이나 사용할 수 있다. 예컨대, 초경합금(예컨대, WC기 초경합금, WC 외에, Co를 포함하거나 혹은 Ti, Ta, Nb 등의 탄질화물을 첨가한 것도 포함한다), 서멧(TiC, TiN, TiCN 등을 주성분으로 하는 것), 고속도강, 세라믹스(탄화티탄, 탄화규소, 질화규소, 질화알루미늄, 산화알루미늄 등), 입방정형 질화붕소 소결체 또는 다이아몬드 소결체 중 어느 것인 것이 바람직하다. 이들 각종 기재 중에서도 특히 WC기 초경합금, 서멧(특히 TiCN기 서멧)을 선택하는 것이 바람직하다. 이것은, 이들 기재가 특히 고온에서의 경도와 강도의 밸런스가 우수하여, 상기 용도의 표면 피복 절삭 공구의 기재로서 우수한 특성을 갖기 때문이다.

〔피막〕

본 실시형태의 피막(12)은 이하에 상술하는 α-Al₂O₃층을 적어도 1층 포함한다. 피막(12)은, 이 α-Al₂O₃층을 포함하는 한, 다른 층을 포함할 수 있다. 다른 층의 조성은 특별히 한정되지 않고, TiC, TiN, TiB, TiBN, TiAlN, TiSiN, AlCrN, TiAlSiN, TiAlNO, AlCrSiCN, TiCN, TiCNO, TiSiC, CrSiN, AlTiSiCO 또는 TiSiCN 등을 예로 들 수 있다. 그 적층 순서도 특별히 한정되지 않는다.

이러한 본 실시형태의 피막(12)은, 기재(11)를 피복함으로써, 내마모성이나 내결손성 등의 제반 특성을 향상시키는 작용을 갖는 것이다.

피막(12)은 3~35 ㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 피막(12)의 두께가 3 ㎛ 이상인 경우, 피막(12)의 두께가 얇음으로 인한 공구 수명의 저하를 억제할 수 있다. 피막(12)의 두께가 35 ㎛ 이하인 경우, 절삭 초기에 있어서의 내결손성을 향상시킬 수 있다.

도 3을 참조하면, 본 실시형태의 피막(12)의 바람직한 구성의 일례로서, 기재 측에서부터 피막(12)의 표면 측을 향해(도면에서 아래쪽에서 위쪽으로 향해) 순서대로 하지층(13), 제1 중간층(14), 제2 중간층(15) 및 α-Al₂O₃층(16)이 적층된 피막(12)에 관해서 설명한다.

〔α-Al₂O₃층〕

본 실시형태의 α-Al₂O₃층(16)은 복수의 α-Al₂O₃(결정 구조가 α형인 산화알루미늄)의 결정립을 포함한 층이다. 즉, 이 층은 다결정의 α-Al₂O₃에 의해 구성된다. 통상 이 결정립은 약 0.01~3.5 ㎛ 정도 크기의 입경을 갖는다.

또 본 실시형태의 α-Al₂O₃층(16)은, α-Al₂O₃층(16) 중, 그 표면에 평행한 면이며, 표면에서부터 깊이 방향에 대하여 0.1 ㎛ 이상 0.5 ㎛ 이하의 영역에 위치하는 α-Al₂O₃층을 제거하여 얻어지는 가공면에 대하여, FE-SEM을 이용한 EBSD 해석에 의해서 α-Al₂O₃로 이루어지는 결정립의 각각의 결정 방위를 특정하고, 이것을 토대로 한 15 ㎛ 사방의 컬러 맵을 작성한 경우에, 컬러 맵에 있어서 이하 (1)~(7)을 만족하는 것을 특징으로 한다.

(1) 입경이 1 ㎛ 이상 3 ㎛ 이하인 α-Al₂O₃의 결정립 A이 차지하는 면적(A₁)이 50% 이하이다.

(2) 입경이 0.5 ㎛ 이상 1 ㎛ 미만인 α-Al₂O₃의 결정립 B이 차지하는 면적(B₁)이 20% 이상 50% 이하이다.

(3) 입경이 0.05 ㎛ 이상 0.5 ㎛ 미만인 α-Al₂O₃의 결정립 C이 차지하는 면적(C₁)이 10% 이상 50% 이하이다.

(4) 면적(A₁) 중 (001)면 배향성 결정립이 차지하는 면적(A₂)이 90% 이상이다.

(5) 면적(B₁) 중 (001)면 배향성 결정립이 차지하는 면적(B₂)이 90% 이상이다.

(6) 면적(C₁) 중 (001)면 배향성 결정립이 차지하는 면적(C₂)이 50% 이상이다.

(7) 컬러 맵 전체의 면적에 대한, 면적(A₁), 면적(B₁) 및 면적(C₁)의 합계 면적의 비율이 95% 이상이다.

여기서, 상기한 컬러 맵의 구체적인 작성 방법에 관해서 설명한다. 우선 α-Al₂O₃층(16)을 후술하는 제조 방법에 기초하여 형성한다. 그리고, 형성된 α-Al₂O₃층(16)의 표면(기재 측에 위치하는 면의 반대쪽의 면이며, 본 실시형태에서는 피막(12)의 표면을 구성한다)에 평행한 면이며, 표면에서부터 깊이 방향에 대하여 0.1~0.5 ㎛의 영역에 위치하는 α-Al₂O₃층(16)을 제거하여 얻어지는 새로운 표면인 가공면을 제작한다. 가공 위치에 관해서는 α-Al₂O₃층(16)의 임의의 위치로 할 수 있지만, 후술하는 것과 같이, 날끝 능선부 근방으로 하는 것이 바람직하다.

상기한 가공면의 적합한 제작 방법으로서는, FIB(Focused Ion Beam)을 이용한 FIB 가공을 들 수있다. FIB 가공의 조건은 다음과 같다. 이에 따라, 표면에 평행하면서 또한 FE-SEM을 이용한 EBSD 해석에 알맞은 측정면(가공면)을 얻을 수 있다.

가속 전압: 30 kV

이온: 갈륨(Ga) 이온

가공 범위: 20 ㎛×20 ㎛

가공 깊이: 0.1~0.5 ㎛(제거되는 α-Al₂O₃층(16)의 두께)

조사 각도: 5°

조사 시간: 1시간.

가공면의 제작 방법은 FIB 가공에 한정되지 않지만, 적어도 FIB 가공에 의해 제작되는 가공면에 준한 측정면을 제작할 수 있는 방법인 것이 바람직하다. 또한, α-Al₂O₃층(16) 상에 표면층 등의 다른 층이 형성되어 있는 경우에는, 예컨대 3000번의 지석을 이용한 연마 가공에 의해 다른 층을 제거하여 α-Al₂O₃층(16)을 노출시킨 후에 상기 FIB 가공을 실시하는 것이 바람직하다.

이어서, 상기 가공면을 EBSD를 갖춘 FE-SEM(제품명: 「SU6600」, 히타치하이테크놀로지즈사 제조)를 이용하여 관찰하여, 얻어진 관찰상에 대하여 EBSD 해석을 한다. 상기 관찰 장소는 특별히 한정되지 않지만, 절삭 특성과의 관계를 고려하면 날끝 능선부 근방을 관찰하는 것이 바람직하다.

또 EBSD 해석에 관해서, 데이터는, 집속 전자빔을 각 픽셀 상에 개별적으로 위치시킴으로써 순차 수집한다. 샘플면(FIB 가공된 α-Al₂O₃층의 가공면)의 법선은, 입사빔에 대하여 70° 경사시키고, 해석은 15 kV으로 행한다. 대전 효과를 피하기 위해서 10 Pa의 압력을 인가한다. 개구경 60 ㎛ 또는 120 ㎛과 맞춰 고전류 모드를 이용한다. 데이터 수집은, 단면 상, 50×30 ㎛의 면 영역에 상당하는 500×300 포인트에 관해서 0.1 ㎛/스텝의 단계로 행한다.

상기 EBSD 해석 결과를 시판되는 소프트웨어(상품명: 「orientation Imaging microscopy Ver 6.2」, EDAX사 제조)를 이용하여 분석하여, 상기 컬러 맵을 작성한다. 구체적으로는, 소프트웨어를 이용하여 각 측정 픽셀의 (001)면의 법선 방향과, α-Al₂O₃층(16)의 표면(피막 표면 측에 위치하는 표면으로 한다)의 법선 방향(즉 FIB 가공에 의해 제작된 α-Al₂O₃층의 가공면의 법선 방향)이 이루는 각도를 산출하고, 그 각도마다 색채를 변화시킨 컬러 맵을 작성한다. 이 컬러 맵의 작성에는, 상기 소프트웨어에 포함되는 「Cristal Direction MAP」의 수법을 이용할 수 있다.

또 상기 컬러 맵을 이용하여 각 결정립을 입경마다 구분함으로써, 결정립 A, 결정립 B 및 결정립 C을 구별할 수 있다. 구체적으로는, 우선, 상기 컬러 맵에 있어서, 색채가 일치하며(즉 면 방위가 일치하고) 또한 주위가 다른 색채(즉 다른 면 방위)로 둘러싸여 있는 영역을, 각 결정립의 개별의 영역이라고 간주한다. 이어서, 각 결정립에 대하여 가장 길게 그을 수 있는 가상의 대각선을 그어, 이것을 각 결정립의 입경으로 한다. 그리고, 상기 입경이 1 ㎛ 이상 3 ㎛ 이하인 것을 조립인 결정립 A으로 하고, 입경이 0.5 ㎛ 이상 1 ㎛ 미만인 것을 중립인 결정립 B로 하고, 입경이 0.05 ㎛ 이상 0.5 ㎛ 미만인 것을 미립인 결정립 C으로 하여 구별한다.

구별된 결정립 A, 결정립 B 및 결정립 C에 기초하여, 컬러 맵 중에서 각 결정립이 차지하는 면적, 및 각 결정립이 차지하는 면적 중 (001)면 배향성 결정립이 차지하는 면적을 구할 수 있다. 컬러 맵은 15 ㎛ 사방(15 ㎛×15 ㎛)의 가공면에 관해서 작성된다.

도 4는 α-Al₂O₃층(16)의 상술한 가공면에 관한 컬러 맵의 일례이다. 도 4에서, 실선으로 둘러싸이고 사선의 해칭으로 표시되는 영역이 (001)면 배향성 결정립이고, 실선으로 둘러싸이고 하얗게 아웃라인 표시되는 각 영역이 (001)면 배향성 결정립 이외의 결정립이다. 즉, 도 4에 예시되는 컬러 맵에서는, α-Al₂O₃층(16) 표면의 법선 방향에 대한 (001)면의 법선 방향의 각도가 10° 이하인 결정립이 사선의 해칭으로 표시되어 있고, α-Al₂O₃층(16) 표면의 법선 방향에 대한 (001)면의 법선 방향의 각도가 10°를 넘는 결정립이 하얗게 아웃라인 표시되어 있다. 또한, 도 4에서는, 결정 방위가 특정되지 않은 영역을 흑색으로 표시했다.

도 5~도 7에, 도 4의 컬러 맵 중 결정립 A(조립), 결정립 B(중립) 및 결정립 C(미립)을 각각 구별한 컬러 맵을 예시한다. 즉, 도 4의 컬러 맵 중에 도시되는 결정립 중 결정립 A만이 도 5의 컬러 맵에 도시된다. 도 4의 컬러 맵 중에 도시되는 결정립 중 결정립 B만이 도 6의 컬러 맵에 도시된다. 도 4의 컬러 맵 중에 도시되는 결정립 중 결정립 C만이 도 7의 컬러 맵에 도시된다. 특히 도 7에서, 실선으로 둘러싸이고 해칭된 영역이 결정립 C 중 (001)면 배향성 결정립이고, 실선으로 둘러싸이고 해칭되지 않은 영역이 결정립 C 중 (001)면 배향성 결정립 이외의 결정립이다. 또한, 도 5 및 도 6을 참조하면, 이러한 컬러 맵을 보이는 α-Al₂O₃층(16)에 있어서는, 결정립 A 전부가 (001)면 배향성 결정립이고, 결정립 B 전부가 (001)면 배향성 결정립인 것을 알 수 있다.

상기 (1)~(7)을 만족하는 α-Al₂O₃층(16)을 구비하는 공구(10)는 종래의 공구와 비교하여 기계 특성에 우수하며, 이로써 장수명화된 것으로 된다.

구체적으로는, 상기 (1)~(3) 및 (7)을 만족하는 α-Al₂O₃층은, 조립의 비율이 종래와 비교하여 낮게 억제되고 있다. 조립은 미립이나 중립과 비교하여 α-Al₂O₃층으로부터 탈락하기 쉬운 경향이 있는데, 본 실시형태의 α-Al₂O₃층(16)은 이러한 탈락이 종래와 비교하여 억제되기 때문에, 내결손성이 우수하게 된다. 또한, 상기 (4)~(6)을 만족하는 α-Al₂O₃층은, 조립, 중립, 미립의 각각에 있어서, (001) 배향성 결정립이 차지하는 비율이 종래와 비교하여 높다. 이 때문에, 본 실시형태의 α-Al₂O₃층(16)은 내마모성이 우수하게 된다. 따라서, 본 실시형태의 α-Al₂O₃층(16)은 내마모성 및 내결손성 양 특성이 우수하기 때문에, α-Al₂O₃층(16)을 갖는 피막(12)을 구비하는 공구(10)에 있어서는 그 기계 특성이 종래와 비교하여 향상되고, 이로써 장수명화된 것으로 된다.

상기 (1)에 관해서, 면적(A₁)의 비율이 50%를 넘으면, α-Al₂O₃층(16)의 내마모성이 현저히 저하한다. 면적(A₁)의 비율은 바람직하게는 49% 이하이다. 또한 면적(A₁)의 비율의 하한치는 특별히 제한되지 않지만, 내결손성의 관점에서, 바람직하게는 10% 이상이고, 보다 바람직하게는 25% 이상이다.

상기 (2)에 관해서, 면적(B₁)의 비율이 50%를 넘으면, 내마모성의 저하가 우려된다. 또한 면적(B₁)의 비율이 20%를 밑돌면, 내결손성의 저하가 우려된다. 면적(B₁)의 비율은 바람직하게는 25~48%이다.

상기 (3)에 관해서, 면적(C₁)의 비율이 50%를 넘으면, 미립의 비율이 지나치게 증가함에 따른 내결손성의 저하가 우려된다. 또한 면적(C₁)의 비율이 10%를 밑돌면 내마모성의 저하가 우려된다. 면적(C₁)의 비율은 바람직하게는 15~40%이며, 보다 바람직하게는 15~37%이다.

상기 (4)에 관해서, 면적(A₂)의 비율이 90% 미만인 경우, α-Al₂O₃층(16)의 경도가 현저히 저하하고, 이에 기인하여 내마모성도 저하한다. 면적(A₂)의 비율은 바람직하게는 92% 이상이다. 또한, 면적(A₂)의 비율의 상한은 특별히 한정되지 않으며, 100%로 할 수 있다.

상기 (5)에 관해서, 면적(B₂)의 비율이 90% 미만인 경우, α-Al₂O₃층(16)의 경도가 현저히 저하하고, 이에 기인하여 내마모성도 저하한다. 면적(B₂)의 비율은 바람직하게는 92% 이상이다. 또한, 면적(B₂)의 비율의 상한은 특별히 한정되지 않으며, 100%로 할 수 있다.

상기 (6)에 관해서, 면적(C₂)의 비율이 50% 미만인 경우, α-Al₂O₃층(16)의 경도가 현저히 저하하고, 이에 기인하여 내마모성도 저하한다. 면적(C₂)의 비율은 바람직하게는 52% 이상이다. 또한, 면적(C₂)의 비율의 상한은 특별히 한정되지 않으며, 100%로 할 수 있다. 종래, 면적(C₂)의 비율을 높이는 것은 특히 어려운 경향이 있었지만, 후술하는 제조 방법에 의해 이것이 가능하게 된 것은 특필해야 할 것이다.

상기 (7)에 관해서, 컬러 맵 전체의 면적에 대한, 면적(A₁), 면적(B₁) 및 면적(C₁)의 합계 면적의 비율이 95% 미만인 경우, 가공면에 있어서, 입경이 3 ㎛를 넘는 특히 조대한 결정립이나, 입경이 0.05 ㎛ 미만인 특히 미세한 결정립이 존재하거나 결정립의 누락 부분이 존재하거나 하는 것을 의미한다. 이러한 α-Al₂O₃층(16)은 내마모성 및 내결손성 모두 현저히 저하한다.

〔α-Al₂O₃층의 두께〕

본 실시형태에 있어서, α-Al₂O₃층(16)은 바람직하게는 3~25 ㎛의 두께를 갖는다. 이에 따라, 상기와 같은 우수한 효과를 발휘할 수 있다. 그 두께는 보다 바람직하게는 4~15 ㎛이며, 더욱 바람직하게는 5~15 ㎛이다.

α-Al₂O₃층(16)의 두께가 3 ㎛ 미만인 경우, α-Al₂O₃층(16)의 존재에 기인하는 내마모성의 향상 정도가 낮은 경향이 있다. 25 ㎛를 넘으면, α-Al₂O₃층(16)과 다른 층과의 선팽창 계수의 차에 기인하는 계면 응력이 커져, α-Al₂O₃의 결정립이 탈락하는 경우가 있다. 이러한 두께는, 주사형 전자현미경(SEM) 등을 이용하여 기재(11)와 피막(12)의 수직 단면 관찰에 의해 확인할 수 있다.

〔제1 중간층〕

도 3으로 되돌아가면, 본 실시형태에 따른 피막(12)은, 기재(11)와 α-Al₂O₃층(16) 사이에 제1 중간층(14)으로서의 TiCN층을 갖는다. TiCN층은 내마모성이 우수하기 때문에, 이에 따라 피막(12)의 내마모성을 더욱 향상시킬 수 있다.

〔제2 중간층〕

도 3을 참조하면, 본 실시형태에 따른 피막(12)은, 제1 중간층(14)과 α-Al₂O₃층(16) 사이에 제2 중간층(15)을 갖는다. 도 8에 도시하는 것과 같이, 제2 중간층(15)은 침상(針狀) 결정으로 구성되는 것이 바람직하다.

침상 결정이란, 그 결정 성장 방향이 한 방향이기 때문에 바늘과 같이 가늘고 긴 형상을 갖는 결정이다. 침형 결정으로 이루어지는 층은, 도 8에 도시하는 것과 같이, 그 두께가 크게 변동되어, 표면 형상이 복잡하게 된다고 하는 특징을 갖기 때문에, 접하는 층에 대하여 앵커로서의 효과를 발휘할 수 있다. 따라서, 기재(11)와 α-Al₂O₃층(16) 사이에 이러한 제2 중간층(15)을 가짐으로써, α-Al₂O₃층(16)을 기재(11)로부터 박리하기 어렵게 할 수 있고, 이로써 피막(12)을 포함하는 공구(10)의 내결손성이 더욱 우수하게 된다.

제2 중간층(15)은 TiCNO층 또는 TiBN층인 것이 바람직하다. TiCNO 및 TiBN은 침상 결정을 구성하기가 용이하기 때문이다. 또, 제2 중간층(15)의 최대 두께 d₁와 최소 두께 d₂의 차는 0.3 ㎛ 이상인 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 특성이 효과적으로 발휘된다. 또 상기 차는 1.0 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 상기 차가 1.0 ㎛를 넘으면, 제2 중간층(15)의 형상이 피막(12)의 형상에 악영향을 미치게 할 우려가 있기 때문이다. 또한 상기 차는 상기한 EBSD를 갖춘 FE-SEM을 이용하여 확인할 수 있다.

〔하지층〕

도 3을 참조하면, 본 실시형태에 따른 피막(12)은, 기재(11)와 접하는 하지층(13)을 갖는다. 하지층(13)으로서, 예컨대 TiN층을 이용함으로써 기재(11)와 피막(12)의 밀착성을 더욱 높일 수 있다.

〔그 밖의 층〕

본 실시형태에 따른 피막(12)은 α-Al₂O₃층(16) 상에 표면층을 갖고 있어도 좋다. 표면층은 TiC층, TiN층 또는 TiB₂층인 것이 바람직하다. α-Al₂O₃층(16)은 (001)면의 높은 배향성을 갖는데, 이러한 α-Al₂O₃층(16) 상에 형성된 TiC층, TiN층 및 TiB₂층은 단속 절삭시의 균열 전파 억제에 특히 효과가 있다. 따라서, 이러한 조성의 표면층을 갖는 피막(12)은 인성 향상의 점에서 유리하다. 그 중에서도 TiN층은 색채가 명료한 금색을 띠기 때문에, 절삭 사용 후의 날끝의 식별이 용이하여, 경제성의 관점에서 유리하다.

〔제조 방법〕

상술한 본 실시형태에 따른 공구(10)는, 기재(11)의 표면에 피막(12)을 제작함으로써 제조할 수 있다. 피막(12)은, 도 9에 예시하는 화학 기상 증착(CVD) 장치를 이용한 CVD법에 의해 형성할 수 있다.

도 9를 참조하면, CVD 장치(30)는, 기재(11)를 유지하기 위한 기재 셋트 지그(31) 여러 개와, 기재 셋트 지그(31)를 덮는 내열합금강제의 반응 용기(32)를 구비하고 있다. 또한, 반응 용기(32)의 주위에는, 반응 용기(32) 내부의 온도를 제어하기 위한 온도 조절 장치(33)가 설치되어 있다. 반응 용기(32)에는 가스 도입구(34)를 갖는 가스 도입관(35)이 설치되어 있다. 가스 도입관(35)은, 기재 셋트 지그(31)가 배치되는 반응 용기(32)의 내부 공간에 있어서, 연직 방향으로 연장되도록 배치되어 있고, 또한 가스를 반응 용기(32) 내에 분출하기 위한 복수의 분출 구멍(36)이 형성되어 있다. 이 CVD 장치(30)를 이용하여, 다음과 같은 식으로 각 층을 형성할 수 있다.

우선, 기재(11)를 기재 셋트 지그(31)에 배치하여, 반응 용기(32) 내부의 온도 및 압력을 소정의 범위로 제어하면서, 하지층(13)용의 원료 가스를 가스 도입관(35)으로부터 반응 용기(32) 내에 도입시킨다. 이에 따라, 기재(11)의 표면에 하지층(13)이 제작된다. 마찬가지로, 제1 중간층(14)용의 원료 가스, 제2 중간층(15)용의 원료 가스를 순차 반응 용기(32) 내에 도입시킴으로써, 하지층(13) 상에, 제1 중간층(14) 및 제2 중간층(15)이 순차 형성된다.

예컨대 TiN층을 제조하는 경우, 원료 가스로서 TiCl₄ 및 N₂을 이용할 수 있다. TiCN층을 제조하는 경우, TiCl₄, N₂ 및 CH₃CN을 이용할 수 있다. TiCNO층을 제조하는 경우, TiCl₄, N₂, CO 및 CH₄를 이용할 수 있다.

각 층을 형성할 때의 반응 용기(32) 내부의 온도는 1000~1100℃로 제어되는 것이 바람직하고, 반응 용기(32) 내부의 압력은 0.1~1013 hPa로 제어되는 것이 바람직하다. 또, 상기한 원료 가스와 함께 HCl을 도입해도 좋다. HCl의 도입에 의해, 각 층의 두께 균일성을 향상시킬 수 있다. 또한, 캐리어 가스로서는 H₂를 이용하는 것이 바람직하다. 또한 가스 도입시, 도시되지 않는 구동부에 의해 가스 도입관(35)을 회전시키는 것이 바람직하다. 이에 따라, 반응 용기(32) 내에서 각 가스를 균일하게 분산시킬 수 있다.

더욱이, 상기 층 중, 적어도 1층을 MT(Medium Temperature)-CVD법으로 형성하여도 좋다. MT-CVD법은, 1000℃~1100℃의 온도에서 실시되는 CVD법(이하, 「HT-CVD법」이라고도 한다)과는 달리, 반응 용기(32) 내부의 온도를 850~950℃이라고 하는 비교적 마일드한 온도로 유지하여 층을 형성하는 방법이다. MT-CVD법은, HT-CVD법과 비교하여 비교적 저온에서 실시되기 때문에, 가열에 의한 기재(11)에의 손상을 저감할 수 있다. 특히, TiCN층을 MT-CVD법으로 형성하는 것이 바람직하다.

이어서, 제2 중간층(15) 상에 α-Al₂O₃층(16)을 형성한다. 본 실시형태에 따른 α-Al₂O₃층(16)은, 이하의 제1 공정 및 제2 공정을 포함하는 CVD법을 실시함으로써 형성할 수 있다. 이하, 각 공정에 관해서 순차 설명한다.

첫째로, 제2 중간층(15) 상에 제1 α-Al₂O₃층을 형성한다(제1 공정). 원료 가스로서는 AlCl₃, N₂, CO₂ 및 H₂S를 이용한다. 이 때, CO₂와 H₂S의 유량(l/min)에 관해서 CO₂/H₂S≥2를 만족하는 유량비로 한다. 이에 따라, 제1 α-Al₂O₃층이 형성된다. 또한 CO₂/H₂S의 상한치는 특별히 제한되지 않지만, 층 두께의 균일성이라는 관점에서, 5 이하가 바람직하다. 또 본 발명자들은, 제1 공정에 있어서의 CO₂ 및 H₂S의 바람직한 각 유량은 0.4~2.0 l/min 및 0.1~0.8 l/min이고, 가장 바람직하게는 1 l/min 및 0.5 l/min임을 확인했다.

둘째로, 제1 α-Al₂O₃층 상에 제2 α-Al₂O₃층을 형성한다(제2 공정). 원료 가스로서는 AlCl₃, N₂, CO₂ 및 H₂S를 이용한다. 이 때, CO₂ 가스와 H₂S 가스의 유량(l/min)에 관해서 0.5≤CO₂/H₂S≤1을 만족하는 유량비로 한다.

제1 공정 및 제2 공정에 있어서, 반응 용기(32) 내의 온도는 1000~1100℃로 제어되는 것이 바람직하고, 반응 용기(32) 내부의 압력은 0.1~100 hPa로 제어되는 것이 바람직하다. 또한, 상기에 열거한 원료 가스와 함께 HCl을 도입하여도 좋으며, 캐리어 가스로서는 H₂를 이용할 수 있다. 또한, 가스 도입시, 가스 도입관(35)을 회전시키는 것이 바람직한 것은 상기와 같다.

제1 공정 및 제2 공정을 거쳐 형성된, 제1 α-Al₂O₃층 및 제2 α-Al₂O₃층으로 이루어지는 α-Al₂O₃층(16)에 대하여, 표면 측으로부터 블라스트 처리를 실시하여도 좋다. CVD법에 의해서 형성된 층은 전체에 인장 잔류 응력을 갖는 경향이 있는데, 본 공정에 의해, α-Al₂O₃층(16)의 표면 측에 압축 잔류 응력을 부여할 수 있고, 이로써 α-Al₂O₃층(16)의 경도를 높일 수 있다.

또한, 피막(12)이 α-Al₂O₃층(16) 상에 형성된 표면층을 갖는 경우, 그 표면층이 형성된 후에 블라스트 처리를 실시하는 것이 바람직하다. 블라스트 처리를 실시한 후에 표면층을 형성하기 위해서는, CVD 장치(30)의 정지, 반응 용기(32) 안으로부터의 기재(11)의 취출 등이 필요하게 되어, 제조 공정이 번잡해지기 때문이다. 이 표면층은 공구(10) 표면의 일부에 잔존하고 있으면 되기 때문에, 상기 블라스트 처리에 의해서 표면층이 부분적으로 제거되어도 좋다.

상술한 제조 방법에 의해 피막(12)을 제조할 수 있고, 이로써 피막(12)을 포함하는 공구(10)를 제조할 수 있다. 이러한 제조 방법에 의해서 상기 (1)~(7)을 만족하는 α-Al₂O₃층(16)이 형성되는 이유는 명확하지 않지만, 본 발명자들은 다음과 같이 미루어 생각한다.

α-Al₂O₃층과 조성이 다른 층(본 실시형태에서는 제2 중간층(15)) 상에 α-Al₂O₃층을 형성하는 데 있어서, α-Al₂O₃의 결정립의 배향성을 가지런히 하는 것은 어려운 경향이 있다. 이것은, α-Al₂O₃과 조성이 다른 층과의 적합성이 α-Al₂O₃의 결정립의 배향성에 영향을 주기 때문이다. 이 때문에, 만일 제2 중간층(15) 상에, (001)면 배향성 결정립이 적은 채로 α-Al₂O₃층의 성막을 진행시킨 경우, (001)면 배향성 결정립이 적은 α-Al₂O₃층이 형성되어 버린다.

이에 대하여, 상술한 것과 같이 제1 공정 및 제2 공정을 실시함으로써, 가령 제1 공정에 의해서 형성된 제1 α-Al₂O₃층에 있어서 (001)면 배향성 결정립이 적었다고 해도, 종래와 같이 α-Al₂O₃층의 성막이 그대로 진행되는 일이 없기 때문에(즉 제2 공정으로 전환되기 때문에), 상기와 같은 (001)면 배향성 결정립이 적은 α-Al₂O₃층의 성막을 막을 수 있다. 특히, 제1 공정에 의해서 다른 층 상에 제1 α-Al₂O₃층이 형성됨으로써, 이어지는 제2 공정에 의해서 형성되는 제2 α-Al₂O₃층은, 상술한 것과 같이 적합성에 좌우되는 일이 없고, 오히려 적합성이 높은(상성이 좋은) 제1 α-Al₂O₃층으로 형성되기 때문에, 결과적으로 (001)면 배향성이 우수하게 된다.

상기 제조 방법에 관해서, CVD법의 각 조건을 제어함으로써, 각 층의 양태가 변화된다. 예컨대, 반응 용기(32) 내에 도입하는 원료 가스의 조성에 의해서, 각 층의 조성이 결정되고, 실시 시간(성막 시간)에 따라 각 층의 두께가 제어된다. 또한, 제2 중간층(15)은 침상 결정인 것이 바람직한데, 이것은, 원료 가스의 유량과 성막 온도를 제어함으로써 결정의 형상을 침상 결정으로 할 수 있다. 또한, 성막시의 압력의 제어에 의해 각 침상 결정의 길이를 불균일하게 할 수 있으며, 이로써 상술한 것과 같이 최대 두께 d₁와 최소 두께 d₂의 차를 생기게 할 수 있다. 그 중에서도 α-Al₂O₃층(16)에 있어서의 조립의 비율을 저하시키거나 (001)면 배향성을 높이기 위해서는, 원료 가스 중, CO₂ 가스와 H₂S 가스의 유량비(CO₂/H₂S)의 제어가 중요하다.

[실시예]

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것이 아니다. 시료 No. 1~12가 실시예에 해당하고, 시료 No. 13~17는 비교예이다.

〔시료의 제작〕

우선 시료 No. 1의 제작에 관해서 설명한다. 기재로서, TaC(2.0 질량%), NbC(1.0 질량%), Co(10.0 질량%) 및 WC(나머지)로 이루어지는 조성(단 불가피한 불순물을 포함한다)의 초경합금제 절삭 칩(형상: CNMG120408N-UX, 스미토모덴코하드메탈가부시키가이샤 제조, JIS B4120(2013))를 준비했다. 준비한 기재에 대하여, CVD 장치를 이용하여, 하지층, 제1 중간층, 제2 중간층, α-Al₂O₃층 및 표면층을 이 순서로 형성시켜, 기재의 표면에 피막을 제작했다. 각 층의 형성 조건을 이하에 나타낸다. 또한 각 가스 조성에 이어지는 괄호 안은 각 가스의 유량(l/min)을 나타낸다.

(하지층: TiN층)

가스: TiCl₄(5), N₂(15), H₂(45)

압력 및 온도: 130 hPa 및 900℃.

(제1 중간층: TiCN층)

가스: TiCl₄(10), N₂(15), CH₃CN(1.0), H₂(80)

압력 및 온도: 90 hPa 및 860℃(MT-CVD법).

(제2 중간층: TiCNO층)

가스: TiCl₄(0.002), CH₄(2.5), N₂(6.0), CO(0.5), HCl(1.2), H₂(40)

압력 및 온도: 180 hPa 및 1010℃.

(α-Al₂O₃층)

(1) 제1 공정에 있어서의 CVD 조건

가스: AlCl₃(2.5), CO₂(1.3), H₂S(0.4), H₂(40)

압력 및 온도: 80 hPa 및 1000℃

(2) 제2 공정에 있어서의 CVD 조건

가스: AlCl₃(3.0), CO₂(1.2), H₂S(1.4), H₂(32)

압력 및 온도: 80 hPa 및 1000℃.

(표면층: TiN층)

가스: TiCl₄(5), N₂(15), H₂(45)

압력 및 온도: 130 hPa 및 900℃.

이어서, 피막이 형성된 기재인 선삭 가공용 날끝 교환형 절삭 칩에 대하여, 이하의 블라스트 처리를 실시했다. 즉, 칩을 100 rpm으로 회전시키면서, 날끝 능선부의 45° 방향에서, 경사면, 여유면에 균등하게, 평균 입경 50 ㎛의 산화알루미늄제의 볼을 0.1 MPa의 압축 공기로 5초간 충돌시켰다.

이상과 같이 하여 시료 No. 1의 공구를 제작했다. 시료 No. 2~17에 관해서도, 같은 기재 상에, 하지층, 제1 중간층, 제2 중간층, α-Al₂O₃ 층 및 표면층으로 이루어지는 피막을 형성함으로써 각 공구를 제작했다. 각 시료에 있어서, 제2 중간층 및 표면층의 성막에 이용하는 원료 가스를 변경함으로써, 제2 중간층 및 표면층의 조성을 적절하게 변경했다. 각 시료에 있어서 피막을 구성하는 각 층의 조성 및 두께를 표 1에 나타낸다. 또한, 각 층의 두께는 성막 시간을 적절하게 조절함으로써 조정했다.

또, 제2 중간층 및 α-Al₂O₃층에 관해서는, 원료 가스, 성막 시간 이외의 다른 조건에 관해서도 적절하게 변경했다. 구체적으로는, 제2 중간층에 있어서는, 성막시의 압력을 표 2에 나타내는 것과 같이 변경했다. 이에 따라, 각 시료에 있어서, 침상 결정으로 이루어지는 제2 중간층의 최대 두께와 최소 두께의 차는 표 2에 나타내는 것과 같이 상이했다.

또 α-Al₂O₃층에 관해서는, 도입하는 가스 중, CO₂과 H₂S의 유량비(CO₂/H₂S)를 표 3에 나타내는 것과 같이 변경시켰다. 시료 No. 1~12에 있어서, 제1 공정용의 가스를 30분간 도입한 후, 제2 공정용의 가스를 도입했다. 한편, 시료 No. 13~17에 있어서는, 제1 공정을 실시하지 않고, 제2 공정만을 실시했다.

그리고, 기재의 표면에 피막이 설치된 공구의 경사면 측이며 날끝 능선부 근방에 있어서 상술한 FIB 가공을 실시하여, α-Al₂O₃층의 표면에서부터 깊이 방향에 대하여 0.2 ㎛의 영역에 위치하는 α-Al₂O₃층을 제거했다. 이에 따라, 가공면이 제작되었다. 제작된 가공면을 EBSD를 갖춘 FE-SEM을 이용하여 관찰함으로써, 15 ㎛×15 ㎛의 가공면에 관해서 상술한 컬러 맵을 작성했다. 그리고, 각 컬러 맵을 이용하여, 결정립 A, 결정립 B 및 결정립 C이 차지하는 각 면적(A₁, B₁, C₁) 그리고 각 면적에 차지하는 (001)면 배향성 결정립의 면적의 비율(A₂, B₂, C₂)을 구했다. 그 결과를 표 3에 나타낸다. 또한, 표 3으로부터 분명한 것과 같이, 각 컬러 맵에 있어서, 컬러 맵 전체의 면적에 대한, 면적(A₁), 면적(B₁) 및 면적(C₁)의 합계 면적의 비율은 100%였다.

〔평가 1: 내결손성〕

각 시료의 칩을, 형식번호 PCLNR2525-43(스미토모덴키고교가부시키가이샤 제조)의 바이트에 셋트하고, 이것을 이용하여 합금강의 반복 선삭 가공에 의한 내결손성 평가를 했다.

절삭 가공의 조건은 다음과 같다. 시료마다 20개의 칩을 이용하여 20초간 선삭 가공을 실시하고, 전체 20개의 칩 중, 파손이 생긴 칩의 비율(수)을 파손율(%)로서 산출했다. 그 결과를 표 4에 나타낸다. 표 4에서 파손율(%)이 낮을수록 내결손성이 우수함을 나타낸다.

피삭재: SCM440(6개 홈이 있음, φ350 mm)

절삭 속도: 120 m/min

절삭 깊이: 2.0 mm

절삭유: 없음.

〔평가 2: 내마모성〕

각 시료의 칩을, 형식번호 PCLNR2525-43(스미토모덴키고교가부시키가이샤 제조)의 바이트에 셋트하고, 이것을 이용하여 합금강의 반복 선삭 가공에 의한 내마모성 평가를 했다.

선삭 가공의 조건은 다음과 같다. 시료마다 20개의 칩을 이용하여 15분간 선삭 가공을 실시하고, 전체 20개의 칩의 여유면 측의 마모량 Vb(mm)을 측정하여, 각 시료의 평균치를 산출했다. 그 결과를 표 4에 나타낸다. 표 4에서 Vb(mm)의 값이 작을수록 내마모성이 우수함을 나타낸다.

피삭재: SCr420H(φ250 mm)

절삭 속도: 280 m/min

절삭 깊이: 2.0 mm

이송량: 0.2 mm/rev

절삭유: 수용성유.

표 4를 참조하면, 시료 No. 1~12에서는, 시료 No. 13~17과 비교하여 높은 내결손성과 높은 내마모성이 확인되었다. 시료 No. 1~12는, 상기 (1)~(7)을 만족하고 있고, 한편, 시료 No. 13~17은 이것을 만족하지 않았다. 이들 결과로부터, 본 실시형태의 일례가 되는 시료 No. 1~12의 칩은, 높은 내결손성과 높은 내마모성을 가지며, 고로 기계 특성이 우수하고, 이로써 안정된 긴 수명을 갖는 것이 확인되었다.

또한, 시료 No. 13, 15 및 17에서는, α-Al₂O₃층(16)의 성막시에, 원료 가스의 유량을 제어함으로써, 조립의 비율을 저하시킬 수 있는 있었지만, 그 (001)면의 배향성을 높일 수는 없었다.

이번에 개시된 실시형태는 모든 점에서 예시이며, 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 실시형태가 아니라 청구범위에 의해서 나타내어지며, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

1: 경사면 2: 여유면
3: 날끝 능선부 10: 표면 피복 절삭 공구
11: 기재 11a: 경사면
11b: 여유면 11c: 날끝 능선부
12: 피막 13: 하지층
14: 제1 중간층 15: 제2 중간층
16: α-Al₂O₃층 30: CVD 장치
31: 기재 셋트 지그 32: 반응 용기
33: 온도 조절 장치 34: 가스 도입구
35: 가스 도입관 36: 관통 구멍
P₁: 제1 영역 P₂: 제2 영역
P₃: 중간점

Claims

기재와, 이 기재 상에 형성된 피막을 구비하는 표면 피복 절삭 공구로서,
상기 피막은 복수의 α-Al₂O₃의 결정립을 포함하는 α-Al₂O₃층을 가지고,
상기 α-Al₂O₃층 중, 그 표면에 평행한 면이며, 상기 표면에서부터 깊이 방향에 대하여 0.1 ㎛ 이상 0.5 ㎛ 이하의 영역에 위치하는 상기 α-Al₂O₃층을 제거하여 얻어지는 가공면에 대하여, 전계 방사형 주사현미경을 이용한 전자 후방 산란 회절상 해석에 의해서 상기 결정립의 각각의 결정 방위를 특정하고, 이것을 토대로 한 15 ㎛ 사방의 컬러 맵을 작성한 경우에,
상기 컬러 맵에 있어서,
입경이 1 ㎛ 이상 3 ㎛ 이하인 α-Al₂O₃의 결정립 A이 차지하는 면적(A₁)이 50% 이하이면서 또한 상기 면적(A₁) 중 (001)면의 법선 방향이 상기 가공면의 법선 방향에 대하여 ±10° 이내가 되는 결정립이 차지하는 면적(A₂)이 90% 이상이고,
입경이 0.5 ㎛ 이상 1 ㎛ 미만인 α-Al₂O₃의 결정립 B이 차지하는 면적(B₁)이 20% 이상 50% 이하이면서 또한 상기 면적(B₁) 중 (001)면의 법선 방향이 상기 가공면의 법선 방향에 대하여 ±10° 이내가 되는 결정립이 차지하는 면적(B₂)이 90% 이상이고,
입경이 0.05 ㎛ 이상 0.5 ㎛ 미만인 α-Al₂O₃의 결정립 C이 차지하는 면적(C₁)이 10% 이상 50% 이하이면서 또한 상기 면적(C₁) 중 (001)면의 법선 방향이 상기 가공면의 법선 방향에 대하여 ± 10° 이내가 되는 결정립이 차지하는 면적(C₂)이 50% 이상이고,
상기 컬러 맵 전체의 면적에 대한, 상기 면적(A₁), 상기 면적(B₁) 및 상기 면적(C₁)의 합계 면적의 비율이 95% 이상인 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항에 있어서, 상기 α-Al₂O₃층은 1 ㎛ 이상 25 ㎛ 이하의 두께를 갖는 것인 표면 피복 절삭 공구.
제2항에 있어서, 상기 α-Al₂O₃층은 4 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하의 두께를 갖는 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피막은, 상기 기재와 상기 α-Al₂O₃층 사이에 제1 중간층을 포함하고,
상기 제1 중간층은 TiCN층인 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피막은, 상기 기재와 상기 α-Al₂O₃층 사이에 제2 중간층을 포함하고,
상기 제2 중간층은 TiCNO층 또는 TiBN층이고,
상기 제2 중간층의 최대 두께와 최소 두께의 차는 0.3 ㎛ 이상인 표면 피복 절삭 공구.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피막은, 가장 표면에 위치하는 표면층을 포함하고,
상기 표면층은 TiC층, TiN층 또는 TiB₂층인 것인 표면 피복 절삭 공구.