KR102160349B1

KR102160349B1 - 표면 피복 절삭 공구 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR102160349B1
Application number: KR1020187013308A
Authority: KR
Inventors: 사토시 오노; 신야 이마무라; 다카노리 데타니; 아농색 파수트
Original assignee: 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤
Priority date: 2016-01-13
Filing date: 2016-11-30
Publication date: 2020-09-25
Also published as: WO2017122448A9; CN108367363A; US20180029144A1; EP3357614B1; EP3357614A4; US10603726B2; EP3357614A1; WO2017122448A1; CN108367363B; JP6638936B2; KR20180066200A; JP2017124463A

Abstract

표면을 가지며, 표면은 경사면 및 여유면을 포함하고, 경사면 및 여유면의 경계 부분이 절삭날을 이루는 표면 피복 절삭 공구로서, 기재와, 기재의 표면을 피복하는 피막을 구비하고, 피막은, NaCl형 결정 구조의 TiAlN층을 가지며, TiAlN층 중, 절삭날에 위치하는 절삭날 영역의 조성을 Ti₁ _- _XEAl_XEN으로 하고, 경사면에 위치하는 경사면 영역의 조성을 Ti₁ _- _XRAl_XRN으로 하고, 또한 여유면에 위치하는 여유면 영역의 조성을 Ti₁ _- _XFAl_XFN으로 한 경우에, 0.65<XR≤0.9, 0.65<XF≤0.9, 0.4≤XE≤0.7, XR-XE≥0.2 및 XF-XE≥0.2를 만족시킨다.

Description

표면 피복 절삭 공구 및 그 제조 방법

본 발명은, 표면 피복 절삭 공구 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 출원은, 2016년 1월 13일에 출원한 일본 특허 출원 2016-004572호에 기초하는 우선권을 주장한다. 상기 일본 특허 출원에 기재된 모든 기재 내용은, 참조에 의해 본 명세서에 원용된다.

강철이나 주철 등의 절삭 가공에 이용되는 절삭 공구로서, 기재의 표면에 경질 피막이 형성된 표면 피복 절삭 공구가 있다. 이 경질 피막의 하나로서, 티탄(Ti)과 알루미늄(Al)과 질소(N)의 화합물인 NaCl형 결정 구조의 TiAlN으로 이루어진 피막(이하, 「TiAlN 피막」이라고 함)이 알려져 있다. 이 TiAlN 피막은, 지금까지 PVD(Physical Vapor Deposition)법에 의해 제작되었고, 원하는 물성을 발휘할 수 있도록 그 조성 등의 개량이 시도되었다.

예를 들면, 특허문헌 1에는, PVD법에 의해 제작되는 TiAlN 피막의 조성을, 공구에서의 각 부위마다 변화시킨 표면 피복 절삭 공구가 개시되어 있다. 또한, TiAlN 피막의 Al의 함유 비율을 높이는 것에 의해, 그 경도를 높일 수 있는 것이 알려져 있고, 그 실현을 위해 다양한 검토가 이루어졌다. 그러나, PVD법에 의해 제작된 TiAlN 피막에서는, Al의 배합 비율을 0.65초로 하면, 우르츠광형의 AlN이 석출되어 버리고, 결과적으로, 기대되는 충분한 경도를 발휘할 수 없는 것이 실정이었다.

이에 비해, 최근 CVD(Chemical Vapor Deposition)법에 의해 TiAlN 피막을 제작함으로써, NaCl형 결정 구조를 유지한 채로, Al의 배합 비율을 0.65 초과로 하는 것이 가능해졌다. 예를 들면, 특허문헌 2에는, CVD법에 의해, Al의 비율이 0.75 초과 0.93 이하인 TiAlN 피막이 제조된다는 취지가 개시되어 있다.

그러나, CVD법에 의해 Al의 배합 비율을 높인 TiAlN 피막의 제작이 가능해지는 것에 의해, 「Al의 함유 비율을 지나치게 높이는 것에 의한 내결손성의 저하」라는 새로운 문제점이 떠올랐다. 이것은, TiAlN 피막의 경도가 지나치게 높아지는 것에 의해, TiAlN 피막의 인성이 낮아지고, 결과적으로 TiAlN 피막이 결손되어 버리기 때문이다.

상기 문제점에 대하여, 특허문헌 3 및 특허문헌 4에는, TiAlN 피막 중에 억지로 우르츠광형의 AlN을 석출시킴으로써, 경도의 지나친 고조를 억제하고, 이것에 의해 내결손성의 저하를 억제한다는 취지가 개시되어 있다.

특허문헌 1 : 일본 특허 공개 평8-267306호 공보 특허문헌 2 : 일본 특허 공표 제2008-545063호 공보 특허문헌 3 : 국제 공개 제2012/126030호 공보 특허문헌 4 : 독일 특허 발명 제102007000512호 명세서

본 개시의 일 양태에 관한 표면 피복 절삭 공구는, 표면을 가지며, 표면은, 경사면 및 여유면을 포함하고, 경사면 및 여유면의 경계 부분이 절삭날을 이루는 표면 피복 절삭 공구로서, 기재와, 기재의 표면을 피복하는 피막을 구비하고, 피막은, NaCl형 결정 구조의 TiAlN층을 가지며, TiAlN층 중, 절삭날에 위치하는 절삭날 영역의 조성을 Ti₁ _- _XEAl_XEN으로 하고, 경사면에 위치하는 경사면 영역의 조성을 Ti₁ _-XRAl_XRN으로 하고, 또한 여유면에 위치하는 여유면 영역의 조성을 Ti₁ _- _XFAl_XFN으로 한 경우에,

0.65<XR≤0.9,

0.65<XF≤0.9,

0.4≤XE≤0.7,

XR-XE≥0.2,

및 XF-XE≥0.2를 만족시킨다.

본 개시의 일 양태에 관한 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법은, 전술한 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법으로서, 반응로 내에 배치된 기재 상에, CVD법에 의해 TiAlN층을 형성하는 TiAlN층 형성 공정을 포함하고, TiAlN층 형성 공정은, Ti 및 Al을 포함하는 제1 원료 가스 및 암모니아를 포함하는 제2 원료 가스를, 기재가 배치된 반응로 내에 공급하는 제1 공정을 포함하고, 제1 공정에 있어서, 절삭날 영역에 대응하는 기재의 표면에 도달하는 Al의 양은, 경사면 영역에 대응하는 기재의 표면에 도달하는 Al의 양 및 여유면 영역에 대응하는 기재의 표면에 도달하는 Al의 양의 각각보다 적다.

도 1은 본 개시의 일 실시형태에 관한 표면 피복 절삭 공구의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 표면 피복 절삭 공구의 단면도이며, 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 화살표 방향에서 본 단면도이다.
도 3은 도 1의 사선 부분을 나타내는 도면이며, Ⅲ 영역을 나타내는 단면 사시도이다.
도 4는 도 2에 나타내는 단면도에 있어서, 절삭날에 호닝 가공이 실시되어 있는 경우의 부분도이다.
도 5는 도 3에 나타내는 단면 사시도에 있어서, 절삭날에 호닝 가공이 실시되어 있는 경우의 단면 사시도이다.
도 6은 도 2에 나타내는 단면도에 있어서, 절삭날에 네거티브 랜드 가공이 실시되어 있는 경우의 부분도이다.
도 7은 도 3에 나타내는 단면 사시도에 있어서, 절삭날에 네거티브 랜드 가공이 실시되어 있는 경우의 단면 사시도이다.
도 8은 도 2에 나타내는 단면도에 있어서, 절삭날에 호닝 가공과 네거티브 랜드 가공이 실시되어 있는 경우의 부분도이다.
도 9는 도 3에 나타내는 단면 사시도에 있어서, 절삭날에 호닝 가공과 네거티브 랜드 가공이 실시되어 있는 경우의 단면 사시도이다.
도 10은 CVD 장치의 반응로 내에서의 기재의 배치를 설명하기 위한 모식도이다.

[본 개시가 해결하고자 하는 과제]

그러나, CVD법에 있어서 TiAlN 피막 중에 AlN을 석출시킴에 있어서, 그 비율이나 석출 위치 등의 제어는 어렵다. 이 때문에, 특허문헌 3 및 특허문헌 4에 개시되는 것 같은 TiAlN 피막을 갖는 표면 피복 절삭 공구를 공업적으로 생산하는 것은 실질적으로 어렵다. 이러한 이유에서, NaCl형 결정 구조의 TiAlN 피막에 유래하는 높은 경도를 갖고, 높은 내결손성을 발휘할 수 있는 표면 피복 절삭 공구의 개발이 요구된다.

본 개시의 목적은, 경도 및 내결손성의 두 특성이 우수한 표면 피복 절삭 공구를 제공하는 것이다.

[본 개시의 효과]

상기에 의하면, 경도 및 내결손성의 두 특성이 우수한 표면 피복 절삭 공구를 제공할 수 있다.

[본 발명의 실시형태의 설명]

처음에 본 발명의 실시양태를 열기하여 설명한다. 또, 본 명세서의 결정학적 기재에서는 개별면을 ()로 나타낸다. 또한, 본 명세서에서 「A~B」라는 형식의 표기는, 범위의 상한 하한(즉 A 이상 B 이하)을 의미하고 있고, A에서 단위의 기재가 없고 B에서만 단위가 기재되어 있는 경우, A의 단위와 B의 단위는 동일하다. 또한 본 명세서에서, 「TiAlN」, 「TiN」, 「TiCN」 등의 화학식에서 특별히 원자비를 특정하지 않은 것은, 각 원소의 원자비가 「1」만이라는 것을 나타내는 것은 아니며, 종래 공지된 원자비가 전부 포함되는 것으로 한다.

본 발명자들은, 전술한 바와 같이, CVD법에 의해 Al의 배합 비율이 높은 TiAlN 피막을 제작하는 경우에, 우르츠광형의 AlN을 석출시키는 것 같은 종래의 방법으로는 그 제어가 어렵고, 경도 및 내결손성이 우수한 피막을 실제로 제공하는 것은 어렵다고 생각했다. 따라서, 종래의 방법과는 크게 다른 방법으로서, TiAlN 피막의 조성을 공구에서의 위치마다 변화시키는 방법에 착안했다.

CVD법이란, 원래 일정한 피막을 성막하기 위한 방법이므로, 상기 방법의 확립에는 많은 어려움이 있었지만, 상기 착안점에 기초하여 여러 검토를 거듭하여, 기재의 각 표면에 대한 각 원료 가스의 공급 방법을 특징적인 양태로 함으로써, 상기 방법을 실현할 수 있는 것을 지견했다. 그리고, 이 지견에 기초하여 더욱 예의 검토를 거듭하여 본 발명을 완성시켰다.

〔1〕본 발명의 일 양태에 관한 표면 피복 절삭 공구는, 표면을 가지며, 표면은 경사면 및 여유면을 포함하고, 경사면 및 여유면의 경계 부분이 절삭날을 이루는 표면 피복 절삭 공구로서, 기재와, 기재의 표면을 피복하는 피막을 구비하고, 피막은, NaCl형 결정 구조의 TiAlN층을 가지며, TiAlN층 중, 절삭날에 위치하는 절삭날 영역의 조성을 Ti₁ _- _XEAl_XEN으로 하고, 경사면에 위치하는 경사면 영역의 조성을 Ti_1-XRAl_XRN으로 하고, 또한 여유면에 위치하는 여유면 영역의 조성을 Ti₁ _- _XFAl_XFN으로 한 경우에,

0.65<XR≤0.9,

0.65<XF≤0.9,

0.4≤XE≤0.7,

XR-XE≥0.2,

및 XF-XE≥0.2를 만족시킨다.

상기 표면 피복 절삭 공구에 의하면, 여유면 및 경사면에서는 현저히 높은 경도를 발휘할 수 있고, 가장 부하가 걸리는 절삭날에서는 인성과 경도의 밸런스가 우수하다. 이 때문에, 공구 전체적으로, 높은 경도를 유지하면서 높은 내결손성을 발휘할 수 있다. 따라서, 상기 표면 피복 절삭 공구는, 경도 및 내결손성이 우수한 것이 된다.

〔2〕상기 표면 피복 절삭 공구에 있어서, TiAlN층에서의 (111)면의 배향성 지수 TC(111)는 1<TC(111)≤4를 만족시키는 것이 바람직하다. 이 경우, 내마모성이 더욱 우수하다.

〔3〕상기 표면 피복 절삭 공구에 있어서, TiAlN층은 1~10 ㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 특성이 더욱 우수하다.

〔4〕상기 표면 피복 절삭 공구에 있어서, 피막은 3~15 ㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 이 경우, 절삭 공구로서의 적성이 우수하다.

〔5〕본 발명의 일 양태에 관한 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법은, 전술한 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법으로서, 반응로 내에 배치된 기재 상에, CVD법에 의해 TiAlN층을 형성하는 TiAlN층 형성 공정을 포함하고, TiAlN층 형성 공정은, Ti 및 Al을 포함하는 제1 원료 가스 및 암모니아를 포함하는 제2 원료 가스를, 기재가 배치된 반응로 내에 공급하는 제1 공정을 포함하고, 제1 공정에 있어서, 절삭날 영역에 대응하는 기재의 표면에 도달하는 Al의 양은, 경사면 영역에 대응하는 기재의 표면에 도달하는 Al의 양 및 여유면 영역에 대응하는 기재의 표면에 도달하는 Al의 양의 각각보다 적다.

상기 제조 방법에 의하면, 각 영역(절삭날 영역, 경사면 영역 및 여유면 영역)에 대응하는 부분의 TiAlN층의 각 조성이 변화하도록 제어할 수 있다. 따라서, 전술한 표면 피복 절삭 공구를 제조할 수 있다.

[본 발명의 실시형태의 상세]

이하, 본 발명의 일 실시형태(이하 「본 실시형태」라고 함)에 관해 설명하지만, 본 실시형태는 이들에 한정되는 것이 아니다.

<표면 피복 절삭 공구>

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시형태의 표면 피복 절삭 공구(1)(이하, 단순히 「공구(1)」라고도 하)는, 상면, 하면 및 4개의 측면을 포함하는 표면을 갖고 있고, 전체적으로 상하 방향으로 약간 얇은 사각기둥 형상이다. 또한, 공구(1)에는, 상하면을 관통하는 관통 구멍이 형성되어 있고, 공구(1)의 4개의 측면의 경계 부분에서는, 인접하는 측면끼리 원호면으로 이어져 있다.

본 실시형태의 공구(1)에서는, 상면 및 하면이 경사면(11)을 이루고, 4개의 측면(및 이들을 잇는 원호면)이 여유면(12)을 이룬다. 또한, 경사면(11)과 여유면(12)의 경계 부분이 절삭날(13)로서 기능한다. 바꾸어 말하면, 본 실시형태의 공구(1)는, 표면(상면, 하면, 4개의 측면, 이들 측면을 잇는 원호면 및 관통 구멍의 내주면)을 가지며, 표면은 경사면(11) 및 여유면(12)을 포함하고, 경사면(11) 및 여유면(12)의 경계 부분이 절삭날(13)을 이룬다.

여기서, 경사면(11) 및 여유면(12)의 경계 부분이란, 「경사면(11)과 여유면(12)의 경계를 이루는 능선(E)과, 경사면(11) 및 여유면(12) 중 능선(E) 근방이 되는 부분을 합한 부분」을 의미한다. 「경사면(11) 및 여유면(12) 중 능선(E) 근방이 되는 부분」이란, 공구(1)의 절삭날(13)의 형상에 의해 결정된다. 이하에, 공구(1)가, 샤프 엣지 형상의 공구, 호닝 가공이 실시된 호닝 형상의 공구 및 네거티브 랜드 가공이 실시된 네거티브 랜드 형상의 공구의 경우에 관해 설명한다.

도 2 및 도 3에, 샤프 엣지 형상의 공구(1)를 나타낸다. 이러한 샤프 엣지 형상의 공구(1)에서 「경사면(11) 및 여유면(12) 중 능선(E) 근방이 되는 부분」은, 능선(E)으로부터의 거리(직선 거리)(D)가 50 ㎛ 이하인 영역(도 3에서 점해칭이 실시된 영역)으로 정의된다. 따라서, 샤프 엣지 형상의 공구(1)에서의 절삭날(13)이란, 도 3에서 점해칭이 실시된 영역에 대응하는 부분이 된다.

도 4 및 도 5에, 호닝 가공이 실시된 호닝 형상의 공구(1)를 나타낸다. 도 4 및 도 5에서는, 공구(1)의 각 부 외에, 경사면(11)을 포함하는 가상 평면(R), 여유면(12)을 포함하는 가상 평면(F), 가상 평면(R)과 가상 평면(F)이 교차하여 이루어진 가상 능선(EE), 경사면(11)과 가상 평면(R)의 괴리의 경계가 되는 가상 경계선(ER), 및 여유면(12)과 가상 평면(F)의 괴리의 경계가 되는 가상 경계선(EF)이 도시되어 있다. 또, 호닝 형상의 공구(1)에서 상기 「능선(E)」은, 「가상 능선(EE)」으로 바꾼다.

이러한 호닝 형상의 공구(1)에서 「경사면(11) 및 여유면(12) 중 가상 능선(EE) 근방이 되는 부분」은, 가상 경계선(ER) 및 가상 경계선(EF)에 끼인 영역(도 5에서 점해칭이 실시된 영역)으로 정의된다. 따라서, 호닝 형상의 공구(1)에서의 절삭날(13)이란, 도 5에서 점해칭이 실시된 영역에 대응하는 부분이 된다.

도 6 및 도 7에, 네거티브 랜드 가공이 실시된 네거티브 랜드 형상의 공구(1)를 나타낸다. 도 6 및 도 7에서도, 공구(1)의 각 부 외에, 경사면(11)을 포함하는 가상 평면(R), 여유면(12)을 포함하는 가상 평면(F), 가상 평면(R)과 가상 평면(F)이 교차하여 이루어진 가상 능선(EE), 경사면(11)과 가상 평면(R)의 괴리의 경계가 되는 가상 경계선(ER), 및 여유면(12)과 가상 평면(F)의 괴리의 경계가 되는 가상 경계선(EF)이 도시되어 있다. 또, 네거티브 랜드 형상의 공구(1)에서도, 상기 「능선(E)」은 「가상 능선(EE)」으로 바꾼다.

이러한 네거티브 랜드 형상의 공구(1)에서 「경사면(11) 및 여유면(12) 중 가상 능선(EE) 근방이 되는 부분」은, 가상 경계선(ER) 및 가상 경계선(EF)에 끼인 영역(도 7에서 점해칭이 실시된 영역)으로 정의된다. 따라서, 네거티브 랜드 형상의 공구(1)에서의 절삭날(13)이란, 도 7에서 점해칭이 실시된 영역에 대응하는 부분이 된다.

도 8 및 도 9에, 호닝과 네거티브 랜드가 조합된 가공이 실시된 형상의 공구(1)를 나타낸다. 도 8 및 도 9에서도, 공구(1)의 각 부 외에, 경사면(11)을 포함하는 가상 평면(R), 여유면(12)을 포함하는 가상 평면(F), 가상 평면(R)과 가상 평면(F)이 교차하여 이루어진 가상 능선(EE), 경사면(11)과 가상 평면(R)의 괴리의 경계가 되는 가상 경계선(ER), 및 여유면(12)과 가상 평면(F)의 괴리의 경계가 되는 가상 경계선(EF)이 도시되어 있다. 또, 네거티브 랜드 형상의 공구(1)에서도, 상기 「능선(E)」은 「가상 능선(EE)」으로 바꾼다. 또, 가상 평면(R)은, 경사면(11) 중 절삭날(13)에 가까운 평면을 포함하는 면으로 한다.

이러한 형상의 공구(1)에서 「경사면(11) 및 여유면(12) 중 가상 능선(EE) 근방이 되는 부분」은, 가상 경계선(ER) 및 가상 경계선(EF)에 끼인 영역(도 9에서 점해칭이 실시된 영역)으로 정의된다. 따라서, 상기 공구(1)에서의 절삭날(13)이란, 도 9에서 점해칭이 실시된 영역에 대응하는 부분이 된다.

도 1로 되돌아가, 도 1에는, 선삭 가공용 날끝 교환형 절삭 팁으로서의 공구(1)가 도시되지만, 공구(1)는 이것에 한정되지 않고, 드릴, 엔드밀, 드릴용 날끝 교환형 절삭 팁, 엔드밀용 날끝 교환형 절삭 팁, 프라이즈 가공용 날끝 교환형 절삭 팁, 메탈소우, 기어 커팅 공구, 리머, 탭 등을 예시할 수 있다.

또한, 공구(1)가 날끝 교환형 절삭 팁 등인 경우, 공구(1)는, 칩 브레이커를 갖는 것도, 갖지 않는 것도 포함되고, 또한 절삭날(13)은, 그 형상이 샤프 엣지(경사면과 여유면이 교차하는 모서리)(도 1~도 3 참조), 호닝(샤프 엣지에 대하여 R을 부여한 것)(도 4 및 도 5 참조) 가공된 것, 네거티브 랜드(면취한 것)(도 6 및 도 7 참조) 가공된 것, 호닝 가공과 네거티브 랜드 가공이 조합된 것(도 8 및 도 9 참조)도 모두 포함할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 공구(1)는, 기재(2)와, 상기 기재(2)의 표면을 피복하는 피막(3)을 갖는다. 공구(1)에 있어서, 피막(3)은 기재(2)의 전면을 피복하는 것이 바람직하지만, 기재(2)의 일부가 이 피막(3)으로 피복되어 있거나, 피막(3)의 구성이 부분적으로 상이하거나 하더라도 본 실시형태의 범위를 일탈하는 것은 아니다.

<기재>

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시형태의 기재(2)는, 경사면(2a)과 여유면(2b)을 갖는다. 또한, 경사면(2a)과 여유면(2b)의 경계 부분이 절삭날(2c)을 이룬다. 「경사면(2a)과 여유면(2b)의 경계 부분」이란, 전술한 「경사면(11)과 여유면(12)의 경계 부분」과 마찬가지로, 「경사면(2a)과 여유면(2b)의 경계를 이루는 능선과, 경사면(2a) 및 여유면(2b) 중 능선 근방이 되는 부분을 합한 부분」을 의미한다. 또한 「경사면(2a)과 여유면(2b) 중 능선 근방이 되는 부분」이란, 공구(1)의 절삭날(13)의 형상이 샤프 엣지 형상인지, 호닝 형상인지, 네거티브 랜드 형상인지에 따라서, 전술한 바와 같이 정의되게 된다.

기재(2)로는, 이 종류의 기재로서 종래 공지된 것이라면 어느 것이라도 사용할 수 있다. 예를 들면, 초경합금(예를 들면 WC기 초경합금, WC 외에, Co를 포함하거나, 혹은 Ti, Ta, Nb 등의 탄질화물을 첨가한 것도 포함), 서멧(TiC, TiN, TiCN 등을 주성분으로 하는 것), 고속도강, 세라믹스(탄화티탄, 탄화규소, 질화규소, 질화알루미늄, 산화알루미늄 등), 입방정형 질화붕소 소결체 또는 다이아몬드 소결체 중의 어느 것인 것이 바람직하다. 이들 각종 기재의 중에서도, 특히 WC기 초경합금, 서멧(특히 TiCN기 서멧)을 선택하는 것이 바람직하다. 이것은, 이들 기재가 특히 고온에서의 경도와 강도의 밸런스가 우수하고, 표면 피복 절삭 공구의 기재로서 우수한 특성을 갖기 때문이다.

<피막>

본 실시형태의 피막(3)은, TiAlN층을 갖는 한, 다른 층을 포함해도 좋고 포함하지 않아도 좋다. 다른 층으로는, 예를 들면 TiN층, TiCN층, TiBNO층, TiCNO층, Al₂O₃층, TiB₂층, TiAlCN층, TiAlON층, TiAlONC층 등을 들 수 있다. 그 적층의 순서도 특별히 한정되지 않는다.

이러한 본 실시형태의 피막(3)은, 기재(2)를 피복함으로써, 경도, 내결손성 등의 여러 특성을 향상시키는 작용을 갖는 것이다.

피막(3)은, 3~15 ㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 그 두께가 3 ㎛ 미만이면, 공구 수명이 불충분해지는 경우가 있고, 15 ㎛을 초과하면, 단속 가공에서 피막(3)과 기재(2) 사이에 큰 응력이 가해졌을 때에 피막(3)의 박리 또는 파괴가 높은 빈도로 발생하는 경우가 있다. 상기 두께는, 보다 바람직하게는 5~15 ㎛이고, 더욱 바람직하게는 7~15 ㎛이다.

<TiAlN층>

본 실시형태의 피막(3)은 TiAlN층을 포함한다. 이 TiAlN층은, 상기 피막(3) 중에 1층 또는 2층 이상 포함될 수 있다.

본 실시형태의 TiAlN층의 특징의 하나는, NaCl형 결정 구조를 갖는 점에 있다. 여기서 「NaCl형 결정 구조를 갖는다」란, TiAlN층의 X선 회절 스펙트럼을 측정한 경우에, NaCl형 결정 구조 유래의 피크가 관찰되고, NaCl형 결정 구조 이외의 결정 구조(예를 들면, 우르츠광형 결정 구조) 유래의 피크가 관찰되지 않는(즉, 검출 한계 이하인) 것을 의미한다. 이러한 X선 회절 스펙트럼은 이하와 같이 하여 측정된다.

우선, 공구(1)의 여유면(12)이 평탄한 임의의 일부분을 절취하여 이것을 홀더에 고정하여 샘플을 준비하고, 필요에 따라서 연마 처리함으로써, 측정 대상으로 하는 표면을 평활하게 한다. 또, TiAlN층 위에 다른 층이 형성되어 있는 경우에는, 그 층을 연마 등에 의해 제거한 뒤에, TiAlN층의 표면을 평활하게 한다. 다음으로, X선 회절 장치(XRD)를 이용하여 TiAlN층의 X선 회절을 행하여, X선 회절 스펙트럼을 얻는다.

전술한 X선 회절은, 예를 들면 X선 회절 장치(SmartLab(등록상표), 리가쿠 주식회사 제조)를 이용하여, 이하의 조건으로 측정할 수 있다.

회절법 : θ-2θ법

X선원 : Cu-Kα선(1.541862Å)

검출기 : D/Tex Ultra250

관전압 : 45 kV

관전류 : 200 mA

스캔 스피드 : 20°/분

스캔 범위 : 15~85°

슬릿 : 2.0 ㎜.

또한, 본 실시형태의 TiAlN층의 다른 특징은, TiAlN층 중, 절삭날(13)에 위치하는 절삭날 영역의 조성을 Ti₁ _- _XEAl_XEN으로 하고, 경사면(11)에 위치하는 경사면 영역의 조성을 Ti₁ _- _XRAl_XRN으로 하고, 여유면(12)에 위치하는 여유면 영역의 조성을 Ti_1-XFAl_XFN으로 한 경우에, 이하 (1)~(5)를 만족시키는 것에 있다.

(1) 0.65<XR≤0.9;

(2) 0.65<XF≤0.9;

(3) 0.4≤XE≤0.7;

(4) XR-XE≥0.2;

(5) 및 XF-XE≥0.2.

상기 XR, XF 및 XE는, 에너지 분산형 X선 분광기를 구비하는 주사형 전자 현미경(SEM-EDS)을 이용하여, TiAlN층의 각 영역(절삭날 영역, 경사면 영역 및 여유면 영역)에서의 각 조성을 측정함으로써 구할 수 있다.

XE의 산출 방법에 관해 설명한다. 우선, 절삭날 영역의 TiAlN층의 단면을 포함하는 측정 시료를 준비한다. 이 측정 시료는, 예를 들면, 공구(1)를 피막(3)의 두께 방향을 따라서(TiAlN층에 대략 수직인 단면을 얻을 수 있도록) 절단함으로써 얻을 수 있다. 또한, 필요에 따라서, 노출된 절단면을 연마 처리하여, 상기 절단면에 포함되는 절삭날 영역의 TiAlN층의 단면을 평활하게 한다.

또, 측정 시료용의 단면 제작에 있어서, 절삭날 영역 중, 절삭날 영역과 경사면 영역의 경계 근방이 아니라, 절삭날 영역의 중앙 부분의 단면을 이용하는 것이 바람직하다. 절삭날 영역 중의 상기 경계 근방의 특성보다, 절삭날 영역 중의 상기 중앙 부분의 특성이, 공구(1)의 절삭날(13)로서의 특성에 크게 영향을 미치기 때문이다.

다음으로, SEM-EDS를 이용하여 준비된 측정 시료를 관찰하고, TiAlN층에서의 Al과 Ti의 조성비를 분석하여, TiAlN층에서의 Al의 비율을 산출한다. 하나의 공구(1)에 있어서, 측정점을 3개소 이상으로 하여 Al의 비율을 산출하고, 이들 값의 평균치를 XE로 한다.

XR에 관해서도 마찬가지로, 경사면 영역의 TiAlN층의 단면을 포함하는 측정 시료를 준비하고, SEM-EDS를 이용하여, TiAlN층에서의 Al과 Ti의 조성비를 분석한다. XR의 산출시에도, 하나의 공구(1)에 있어서, 측정점을 3개소 이상으로 하여 Al의 비율을 산출하고, 이들 값의 평균치를 XR로 한다.

또, 측정 시료용의 단면 제작에 있어서, 경사면 영역 중, 절삭날 영역과 경사면 영역의 경계로부터 50~100 ㎛ 떨어진 영역의 단면을 이용하는 것이 바람직하다. 「절삭날 영역과 경사면 영역의 경계」는, 도 3, 도 5, 도 7 및 도 9의 경사면(11)에 있어서, 점해칭이 실시된 영역과 점해칭이 실시되지 않은 영역의 경계에 해당한다.

XF에 관해서도 마찬가지로, 여유면 영역의 TiAlN층의 단면을 포함하는 측정 시료를 준비하고, SEM-EDS를 이용하여, TiAlN층에서의 Al과 Ti의 조성비를 분석한다. XF의 산출시에도, 하나의 공구(1)에 있어서, 측정점을 3개소 이상으로 하여 Al의 비율을 산출하고, 이들 값의 평균치를 XF로 한다.

또, 측정 시료용의 단면 제작에 있어서, 여유면 영역 중, 절삭날 영역과 여유면 영역의 경계로부터 50~200 ㎛ 떨어진 영역의 단면을 이용하는 것이 바람직하다. 「절삭날 영역과 여유면 영역의 경계」는, 도 3, 도 5, 도 7 및 도 9의 여유면(12)에 있어서, 점해칭이 실시된 영역과 점해칭이 실시되지 않은 영역의 경계에 해당한다.

전술한 SEM-EDS 해석은, 예를 들면 주사형 전자 현미경(S-3400N형, 히타치 하이테크놀로지스사 제조)을 이용하여 이하의 조건으로 측정할 수 있다.

가속 전압 : 15 kV

프로세스 타임 : 5

스펙트럼 레인지 : 0~20 keV

채널수 : 1 K

프레임수 : 150

X선 취출 각도 : 30°.

여기서, XE를 산출함에 있어서는, 공구(1)의 실제의 사용 상황을 감안하여, 측정 시료로 하는 TiAlN층의 단면의 위치를 결정하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 공구(1)가, 코너 부분(원호를 그리는 꼭지각 부분)의 절삭날(13)에 의해 피삭재를 절삭하기 위해 사용되는 경우에는, 코너 부분의 절삭날 영역에 위치하는 TiAlN층의 단면을 측정 시료로 하는 것이 바람직하다. 한편, 공구(1)가, 스트레이트 부분(직선을 그리는 부분)의 절삭날(13)에 의해 피삭재를 절삭하기 위해 사용되는 경우에는, 스트레이트 부분의 절삭날 영역에 위치하는 TiAlN층의 단면을 측정 시료로 하는 것이 바람직하다. 공구(1)를 절삭 공구로서 이용한 경우의 실제 공구 특성에 직결되기 때문이다.

또한, XR을 산출함에 있어서도, 공구(1)의 실제의 사용 상황을 감안하여, 측정 시료로 하는 TiAlN층의 단면의 위치를 결정하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 공구(1)가, 코너 부분의 절삭날(13)에 의해 피삭재를 절삭하기 위해 사용되는 경우에는, 코너 부분의 절삭날 영역 근방의 경사면 영역에 위치하는 TiAlN층의 단면을 측정 시료로 하는 것이 바람직하다. 코너 부분 근방의 경사면(11)의 특성이, 공구(1)를 절삭 공구로서 이용한 경우의 실제의 공구 특성에 직결되기 때문이다. 한편, 같은 이유에서, 공구(1)가 스트레이트 부분의 절삭날(13)에 의해 피삭재를 절삭하기 위해 사용되는 경우에는, 스트레이트 부분의 절삭날 영역 근방의 경사면 영역에 위치하는 TiAlN층의 단면을 측정 시료로 하는 것이 바람직하다. XF를 산출함에 있어서도 마찬가지이다.

NaCl형 결정 구조를 가지며, 또한 상기 (1)~(5)를 만족시키는 TiAlN층은, 높은 경도와 높은 내결손성을 가질 수 있고, 따라서 경도 및 내결손성이 우수한 것이 된다. 따라서, 이러한 TiAlN층을 갖는 공구(1)는, 경도 및 내결손성이 우수할 수 있다. 그 이유에 관해, 본 발명자들은 다음과 같이 고찰한다.

본 실시형태의 TiAlN층은, 상기 (1)~(3)에 규정된 바와 같이, Al 비율이 0.65 초과가 되는 영역을 갖고 있다. 그럼에도 불구하고, 그 결정 구조는 NaCl형 결정 구조를 유지하고 있다. 이러한 TiAlN층은, 종래의 PVD법으로는 제작할 수 없는 것이며, 이것에 의해 높은 경도를 가질 수 있다. 또한, TiAlN층은, 또한 상기 (4) 및 (5)에 규정된 바와 같이, 절삭날(13)(절삭날 영역)에서의 Al 비율이, 경사면(11)(경사면 영역) 및 여유면(12)(여유면 영역)의 각각과 비교해 작다. 이러한 구성을 갖는 것에 의해, TiAlN층은, 경사면(11) 및 여유면(12)에서는 현저히 높은 경도를 발휘할 수 있고, 가장 부하가 걸리는(즉, 결손이 생기기 쉬운) 절삭날(13)에서는 인성과 경도의 밸런스가 우수할 수 있다. 따라서, 공구(1) 전체적으로, 실제의 사용에 적합한 높은 경도와 높은 내결손성을 발휘할 수 있다.

이상 상세히 설명한 본 실시형태의 TiAlN층에서, 상기 (3)은 0.4<XE<0.55가 바람직하다. 이 경우, 상기 효과가 더욱 우수하다. 또한, 상기 (4) 및 (5)에 관해, 그 상한치는 특별히 한정되지 않지만, 경도와 내결손성의 밸런스의 관점에서는, 0.4 이하인 것이 바람직하고, 0.38 이하인 것이 보다 바람직하다.

또한, 본 실시형태의 TiAlN층에서, (111)면의 배향성 지수 TC(111)는, 1.0<TC(111)≤4.0을 만족시키는 것이 바람직하고, 2.0<TC(111)≤4.0을 만족시키는 것이 보다 바람직하다. 이 경우, 내마모성이 더욱 우수하다.

여기서 「배향성 지수」란, 일반적으로 배향성 지수 TC(hkl)로 표기되고, 하기 식(1)로 표시된다.

[수 1]

식(1) 중, I(hkl)은, (hkl) 반사면의 X선 회절 강도를 나타내고, I₀(hkl)은, ICDD의 데이터베이스 00-046-1200에 의한 표준 강도를 나타낸다. 또한, 식(1) 중의 n은, 계산에 이용한 반사수를 나타내고, 본 실시형태에서는 5이다. 반사에 이용한 (hkl)면은, (111), (200), (220), (311) 및 (222)이다. 따라서, 본 실시형태의 TiAlN층에서의 TC(111)는, 하기 식(2)로 나타낼 수 있다.

[수 2]

본 실시형태에서, 상기 식(2)로 표시되는 TiAlN층의 (111)면의 배향성 지수 TC(111)는, XRD를 이용한 분석에 의해 구할 수 있다.

예를 들면, X선 회절 장치(SmartLab(등록상표), 리가쿠 주식회사 제조)를 이용하여, 이하의 조건으로 측정할 수 있다.

회절법 : θ-2θ법

X선원 : Cu-Kα선(1.541862Å)

검출기 : D/Tex Ultra250

관전압 : 45 kV

관전류 : 200 mA

스캔 스피드 : 20°/분

스캔 범위 : 15~85°

슬릿 : 2.0 ㎜.

또한, 본 실시형태의 TiAlN층은, 1~10 ㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 그 두께가 1 ㎛ 미만이면, 경도 및 내결손성을 충분히 발휘할 수 없을 우려가 있고, 10 ㎛을 초과하면, TiAlN층의 박리가 발생하는 경우가 있다. 상기 두께는, 보다 바람직하게는 2~10 ㎛이고, 더욱 바람직하게는 5~7 ㎛이다.

또한, 본 실시형태의 TiAlN층은, 상기 효과를 나타내는 한 불순물을 포함하고 있어도 좋다. 불순물로는, 염소(Cl), 산소(O), 탄소(C), 아르곤(Ar) 및 수소(H)를 들 수 있다. 그 중에서도 Cl은, CVD법에 의해 제작된 TiAlN층에 포함될 수 있는 특유의 원소로서, PVD법에 의해 제작된 TiAlN층 중에는 혼입될 수 없다. TiAlN층에서의 Cl의 농도는 0.05~0.20 원자%이다.

<다른 층>

본 실시형태의 피막(3)은, 전술한 바와 같이 다른 층을 포함해도 좋다. 다른 층의 예시는 상기에서 열거했지만, 예를 들면, 기재(2)의 표면에 접하는 하지층으로는, TiCN층 또는 TiN층이 적합하다. 이 경우, 기재(2)와 피막(3)의 밀착성이 우수하다. 또한, 피막(3)의 최외측 표면에 위치하는 표면층으로는, TiCNO 층 또는 Al₂O₃층이 적합하다. 이 경우, 피막(3)의 내산화성이 보다 우수한 것이 된다.

<제조 방법>

본 실시형태의 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법은, 반응로 내에 배치된 기재 상에, CVD법에 의해 TiAlN층을 형성하는 TiAlN층 형성 공정을 포함한다. TiAlN층 형성 공정은, Ti 및 Al을 포함하는 제1 원료 가스 및 암모니아를 포함하는 제2 원료 가스를, 기재가 배치된 반응로 내에 공급하는 제1 공정을 포함한다. 그리고, 이 제1 공정에서는, 절삭날 영역에 대응하는 기재의 표면에 도달하는 Al의 양은, 경사면 영역에 대응하는 기재의 표면에 도달하는 Al의 양 및 여유면 영역에 대응하는 기재의 표면에 도달하는 Al의 양의 각각보다 적다.

여기서, 「절삭날 영역에 대응하는 기재의 표면」이란, 기재의 표면 중, 절삭날 영역에 대응하는 TiAlN층이 배치되어야 하는 표면을 의미한다. 마찬가지로, 「경사면 영역에 대응하는 기재의 표면」은, 기재의 표면 중, 경사면 영역에 대응하는 TiAlN층이 배치되어야 하는 표면을 의미하고, 「여유면 영역에 대응하는 기재의 표면」이란, 기재의 표면 중, 여유면 영역에 대응하는 TiAlN층이 배치되어야 하는 표면을 의미한다.

본 실시형태의 표면 피복 절삭 공구의 피막은, CVD법에 의해 제조할 수 있는 것이며, 피막 중 TiAlN층 이외의 층이 형성되는 경우, 이들 층은 종래 공지의 조건으로 형성할 수 있다. 한편, TiAlN층은, 상기 특이적인 CVD법에 의해 형성할 수 있는 것이다.

상기 특이적인 CVD법을 실시 가능한 CVD 장치의 일례로서, 도 10에 도시되는 반응로를 갖는 CVD 장치를 들 수 있다. 도 10에 도시되는 반응로 내에는, 제1 배관(51)과 제2 배관(52)이 배치되어 있다. 제1 배관(51) 및 제2 배관(52)은, 각각 관통 구멍(51a~51c) 및 관통 구멍(52a~52c)을 갖고 있다. 제1 배관(51)과 반응로 내는, 관통 구멍(51a~51c)을 통해 연통해 있고, 제2 배관(52)과 반응로 내는, 관통 구멍(52a~52c)을 통해 연통해 있다.

또, 도 10에서, 관통 구멍(51a~51c)과 관통 구멍(52a~52c)은, 각각 약간 높이(도면의 상하 방향)가 상이하게 도시되지만, 이것은 이해를 쉽게 하기 위한 도면이며, 각 높이는 일치해 있는 것이 바람직하다. 즉, 관통 구멍(51a)과 관통 구멍(52a), 관통 구멍(51b)과 관통 구멍(52b), 관통 구멍(51c)과 관통 구멍(52c)은, 각각 동일한 높이에 배치되어 있는 것이 바람직하다.

TiAlN층 형성 공정에서, 기재(2)는 반응로 내에 배치된다. 이때, 기재(2)의 절삭날(2c)의 표면(절삭날 영역에 대응하는 기재의 표면)과, 관통 구멍(51a~51c, 52a~52c)이 직접 대치하지 않도록, 양자 사이에 차폐판(53 및 54)이 배치된다. 또한, 반응로 내의 압력 및 온도는, 각각 0.5~3.0 ㎪ 및 600~900℃로 제어할 수 있다. 또한 기재(2)는, 도면 중 회전 화살표로 나타낸 바와 같이, 자전하고 있는 것이 바람직하다.

제1 공정에서, 제1 배관(51)에는, Ti 및 Al을 포함하는 제1 원료 가스가 공급되고, 제2 배관(52)에는, 암모니아(NH₃)를 포함하는 제2 원료 가스가 공급된다. 제1 원료 가스의 구체예로는, AlCl₃, TiCl₄, HCl, N₂ 및 Ar로 이루어진 혼합 가스를 들 수 있다. 제2 원료 가스의 구체예로는, NH₃, N₂ 및 Ar로 이루어진 혼합 가스를 들 수 있다. 제1 원료 가스와 제2 원료 가스를 각각 상이한 배관에 흘리는 것에 의해, 반응로 내에 분출되기 전에, AlCl₃ 또는 TiCl₄와, NH₃이 반응해 버리는 것을 억제할 수 있다.

제1 원료 가스에서의 Ti 및 Al의 비율은 특별히 제한되지 않지만, 본 실시형태의 TiAlN층을 성막함에 있어서는, 예를 들면 AlCl₃ 및 TiCl₄을 이용하는 경우, AlCl₃/TiCl₄(체적비)는, 1~5가 바람직하고, 2~4가 더욱 바람직한 것이 각종 실험으로부터 유도되어 있다. 또한, 본 실시형태의 TiAlN층을 성막함에 있어서, 반응로 내에 공급되는 가스의 총량(체적)을 100%로 한 경우에, NH₃의 유량의 비율(체적 비율)은 2.3~2.9%가 바람직한 것도, 각종 실험으로부터 유도되어 있다.

제1 배관(51)에 공급된 제1 원료 가스는, 관통 구멍(51a~51c)을 통해 반응로 내에 분출된다. 한편, 제2 배관(52)에 공급된 제2 원료 가스는, 관통 구멍(52a~52c)을 통해 반응로 내에 분출된다. 또, 도 10에서는, 각 배관 내에서의 제1 원료 가스의 흐름, 및 제2 원료 가스의 흐름을 실선 화살표 및 점선 화살표로 나타낸다. 이에 따라, 기재(2)의 표면에 TiAlN층이 형성된다.

상기와 같은 CVD법에 의해 본 실시형태에 관한 TiAlN층이 제작되는 이유에 관해, 본 발명자들은 다음과 같이 고찰한다.

도 10을 참조하여, 제1 공정에서 각 관통 구멍으로부터 분출된 각 가스는, 분출 구멍으로부터 기재(2)측으로 확산해 가고, 이에 따라, 기재의 표면에 TiAlN층이 형성된다. 보다 구체적으로는, 각 가스는, 관통 구멍측을 상류로 하고 또한 기재측을 하류로 하는 유로 내를 흘러, 상기 유로 내에 위치하는 기재의 표면에서 화학 반응을 일으키고, 이 화학 반응의 결과물로서 상기 표면에서 TiAlN층이 형성된다.

여기서, 본 실시형태에서는, 도 10에 도시된 바와 같이, 기재(2)의 절삭날(2c)(절삭날 영역에 대응하는 기재의 표면)과 관통 구멍으로부터 분출된 각 가스의 사이에 차폐판(53, 54)이 배치되어 있다. 이 때문에, 각 가스의 일부는, 도면 중 흰색 화살표로 나타낸 바와 같이, 차폐판(53, 54)을 돌아서 들어가도록 흐른다. 이와 같이 흐르는 가스(이하, 「랩어라운드 가스」라고 함)는, 우선, 경사면(2a) 중의 경사면 영역에 대응하는 표면 또는 여유면(2b) 중의 여유면 영역에 대응하는 표면에 도달하여 이들 표면에서 화학 반응을 일으키고, 그 후, 절삭날(2c)에 도달하여 절삭날 영역에 대응하는 표면에서 화학 반응을 일으키는 거동을 나타내게 된다. 바꾸어 말하면, 랩어라운드 가스의 유로에 관해, 각 분출 구멍으로부터 절삭날 영역에 대응하는 표면에 도달하기까지의 유로의 길이는, 각 가스가 각 분출 구멍으로부터 경사면 영역에 대응하는 표면 및 여유면 영역에 대응하는 표면에 도달하기까지의 각 유로의 길이보다 커지게 된다.

그런데, 랩어라운드 가스에는 AlCl₃, TiCl₄ 및 NH₃이 포함되지만, TiCl₄과 NH₃의 반응성보다, AlCl₃와 NH₃의 반응성이 높다. 따라서, 경사면 영역에 대응하는 표면 및 여유면 영역에 대응하는 표면에서 AlCl₃가 TiCl₄보다 많이 소비되기 때문에, 절삭날 영역에 대응하는 표면에 도달하는 랩어라운드 가스에서의 Al과 Ti의 원자비(AlCl₃/TiCl₄)는, 경사면 영역에 대응하는 표면 및 여유면 영역에 대응하는 표면에 도달하는 랩어라운드 가스에서의 동원자비보다 작아진다. 이 때문에, 절삭날 영역에 대응하는 표면에 도달하는 Al의 양은, 경사면 영역에 대응하는 표면 및 여유면 영역에 대응하는 표면에 도달하는 Al의 각 양보다 적어진다.

이상의 이유에 의해, 절삭날 영역에 대응하는 TiAlN층의 Al 함유 비율은, 경사면 영역 및 여유면 영역에 대응하는 각 TiAlN층의 각 Al 함유 비율보다 작아지고, 결과적으로, 본 실시형태에 관한 TiAlN층이 형성된다.

전술한 제조 방법에서는, 차폐판을 이용함으로써, 절삭날 영역에 대응하는 기재의 표면에 도달하는 Al의 양을, 경사면 영역에 대응하는 기재의 표면 및 여유면 영역에 대응하는 기재의 표면에 도달하는 Al의 각 양보다 적게 하는 것을 가능하게 했지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 관통 구멍과의 위치 관계에 관해, 경사면 영역에 대응하는 기재의 표면 및 여유면 영역에 대응하는 기재의 표면을, 절삭날 영역에 대응하는 기재의 표면보다, 보다 관통 구멍에 가깝게 하는 것에 의해, 경사면 영역에 대응하는 기재의 표면 및 여유면 영역에 대응하는 기재의 표면과 분출 구멍의 각 거리를, 절삭날 영역에 대응하는 기재의 표면과 분출 구멍의 거리보다 짧게 하도록 기재(2)를 반응로 내에 배치해도 좋다.

실시예

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것이 아니다. 또, 이하에서, 우르츠광형의 AlN을 함유하는 TiAlN층에 관해서도, 단순히 「TiAlN층」으로 기재하는 경우가 있다.

<기재의 조제>

이하의 표 1에 기재된 기재 K 및 기재 L의 2종류의 기재를 준비했다. 구체적으로는, 표 1에 기재된 배합 조성으로 이루어진 원료 분말을 균일하게 혼합하고, 소정의 형상으로 가압 성형한 후, 1300~1500℃에서 1~2시간 소결함으로써, 형상이 CNMG120408N-GU(스미토모 전기 공업 제조)(기재 K) 및 SEET13T3AGSN-G(스미토모 전기 공업 제조)(기재 L)의 초경합금제의 기재를 얻었다.

<피막의 형성>

상기에서 얻어진 각 기재에 대하여 그 표면에 피막을 형성했다. 구체적으로는, 기재를 화학 기상 증착 장치의 반응로 내에 셋팅함으로써, 기재 상에 화학 기상 증착법에 의해 피막을 형성했다.

피막의 형성 조건은, 이하의 표 2 및 표 3에 기재한 바와 같다. 표 2는 TiAlN층 이외의 각 층의 형성 조건을 나타내고, 표 3은 TiAlN층의 형성 조건을 나타내고 있다.

표 2 중의 「잔부」란, H₂가 원료 가스의 잔부를 차지하는 것을 나타내고 있다. 또한, 「총가스량」이란, 표준 상태(0℃, 1 기압)에서의 기체를 이상 기체로 하여, 단위시간당 화학 기상 증착 장치에 도입된 총체적유량을 나타낸다(표 3에 관해서도 동일).

또한, 표 3에 나타낸 바와 같이, TiAlN층의 형성 조건은 a~j와 k~o의 15가지이며, 이 중 a~j가 실시예의 조건이고, k~o가 비교예의 조건이다. 특히, 형성 조건 a~j에서는, 도 10과 동일한 배치가 되도록 반응로 내에 차폐판을 배치했다. 표 3의 「차폐판 폭」이란, 도 10에서의 차폐판(53, 54)의 상하 방향의 폭을 의미하고, 「차폐판 거리」란, 도 10의 좌우 방향에서의 차폐판(53, 54)과 기재(2)의 절삭날(2c) 사이의 공간 길이의 최단치를 의미한다. 또, 표 3의 형성 조건 m, n, o는, 각각, 전술한 특허문헌 2, 3 및 4에 개시되는 각 TiAlN층의 형성 조건과 동일하다.

<표면 피복 절삭 공구의 제작>

상기 표 2 및 표 3의 조건에 따라 기재 상에 피막을 형성함으로써, 이하의 표 4에 나타낸 시료 No.1~36의 표면 피복 절삭 공구를 제작했다.

표 4에 관해, 예를 들면 시료 No.1의 표면 피복 절삭 공구는, 기재로서 표 1에 기재된 기재 K를 채용하고, 그 기재 K의 표면에, 두께 0.5 ㎛의 TiN층 및 두께 8.5 ㎛의 TiCN층이 이 순으로 적층된 하지층을 표 2의 조건으로 형성하고, 그 하지층 상에 두께 5.0 ㎛의 TiAlN층을 표 3의 형성 조건 a로 형성함으로써, 기재 상에 합계 두께 14.0 ㎛의 피막을 형성한 구성인 것을 나타내고 있다. 또, 표 4 중의 공란은, 해당하는 층이 형성되지 않은 것을 나타낸다.

<TiAlN층의 특성>

TiAlN층의 특성 평가용으로서, 기재 K 상에, 형성 조건 a~o의 각 방법으로 TiAlN층을 제작하여, 상기 TiAlN층의 각종 특성을 평가했다. 그 결과를 표 5에 나타낸다.

표 5에서 「우르츠광형 검출」의 란에는, 전술한 X선 회절 스펙트럼의 측정 방법으로, TiAlN층의 결정 구조를 확인한 결과를 나타낸다. 「없음」이란, 우르츠광형 결정 구조 유래의 피크가 관찰되지 않고, NaCl형 결정 구조 유래의 피크만이 관찰된 것을 의미하고, 「있음」란, 우르츠광형 결정 구조 유래의 피크가 관찰된 것을 의미한다.

또한, 표 5의 「Al 비율」의 각 란에는, 절삭날 영역, 경사면 영역 및 여유면 영역의 각각에 대응하는 TiAlN층에서의 Al의 비율을 나타낸다. 각 영역의 Al의 비율은 각각, 3개소 이상의 측정점의 평균치로 했다.

또한, 후술하는 절삭 시험에서, 표면 피복 절삭 공구의 코너 부분을 절삭날로서 사용했다. 이 때문에, 코너 부분의 절삭날 영역에서의 TiAlN층의 단면을, 절삭날 영역의 측정 시료로 했다. 같은 이유에서, 코너 부분의 절삭날 영역과 경사면 영역의 경계로부터 50~100 ㎛ 떨어진 경사면 영역에서의 TiAlN층의 단면을, 경사면 영역의 측정 시료로 하고, 코너 부분의 절삭날 영역과 여유면 영역의 경계로부터 50~200 ㎛ 떨어진 여유면 영역에서의 TiAlN층의 단면을, 여유면 영역의 측정 시료로 했다.

또한 「TC(111)」의 란에는, 배향성 지수 TC(111)의 결과를 나타낸다. 또, 각 값은 전술한 방법에 의해 산출하고, 또한 3개의 측정점의 평균치로 했다. 표 5에 나타내는 각 경도 및 영률은, 초미세 압입 경도 시험기(엘리오닉스사 제조)를 이용하여, TiAlN층의 두께 방향으로 수직으로 3000 mgf의 하중으로 압자를 압입하는 것에 의해 구했다. 또, 표 중의 「절삭날(edge)」, 「경사면」 및 「여유면」는, 「절삭날 영역」, 「경사면 영역」 및 「여유면 영역」을 의미한다.

표 5에 나타낸 바와 같이, 형성 조건 a~j로 제작된 TiAlN층은, NaCl형 결정 구조로 이루어지고, 또한, 상기 (1)~(5)를 만족시키는 것이 확인되었다. 한편, 형성 조건 k~o로 제작된 TiAlN층은, 이들을 만족시키지 않았다.

또한, Hv/E에 관해, 형성 조건 a~j로 제작된 TiAlN층은, 절삭날에서 가장 높고, 경사면 및 여유면의 각 값은, 절삭날의 값보다 0.005 이상 작은 값이었다.

<절삭 시험 1>

이하의 표 6에 기재한 실시예 및 비교예의 표면 피복 절삭 공구에 관해, 이하의 절삭 조건에 따라 여유면 마모량(Vb)이 0.20 ㎜가 되기까지의 절삭 시간을 측정함과 함께 절삭날의 최종 손상 형태를 관찰했다. 그 결과를 표 6에 나타낸다. 절삭 시간이 긴 것일수록, 경도가 우수하고, 공구 수명이 길어진 것을 나타낸다. 또한, 최종 손상 형태가 「마모」인 것은, 절삭날이 결손되지 않고 마모된 것을 의미하고, 최종 손상 형태가 「칩핑」인 것은, 절삭날에 칩핑이 생긴 것을 의미한다.

<절삭 조건>

피삭재 : FCD600 라운드바 외주 절삭

주속 : 200 m/min

이송 속도 : 0.15 ㎜/rev

절입량 : 1.0 ㎜

절삭액 : 있음

표 6에서 분명한 바와 같이 실시예의 표면 피복 절삭 공구는, 비교예의 표면 피복 절삭 공구에 비하여, 내마모성 및 내칩핑성이 모두 높기 때문에, 경도 및 내결손성의 두 특성이 우수한 것이 확인되었다.

<절삭 시험 2>

이하의 표 7에 기재한 실시예 및 비교예의 표면 피복 절삭 공구에 관해, 이하의 절삭 조건에 따라, 절삭날이 결손되기까지의 절삭 시간을 측정했다. 그 결과를 표 7에 나타낸다. 절삭 시간이 긴 것일수록 내결손성이 우수한 것을 나타낸다.

<절삭 조건>

피삭재 : SCM435 홈재

주속 : 200 m/min

이송 속도 : 0.20 ㎜/rev

절입량 : 1.0 ㎜

절삭액 : 있음

표 7에서 분명한 바와 같이 실시예의 표면 피복 절삭 공구는, 비교예의 표면 피복 절삭 공구에 비하여 내칩핑성이 우수하기 때문에, 내결손성이 우수한 것이 확인되었다.

<절삭 시험 3>

이하의 표 8에 기재한 실시예 및 비교예의 표면 피복 절삭 공구에 관해, 이하의 절삭 조건에 따라 여유면 마모량(Vb)이 0.20 ㎜가 되기까지의 절삭 거리를 측정함과 함께 절삭날의 최종 손상 형태를 관찰했다. 그 결과를 표 8에 나타낸다. 절삭 거리가 긴 것일수록, 경도가 우수하고, 공구 수명이 길어진 것을 나타낸다. 또한, 최종 손상 형태가 「결손」인 것은, 절삭날에 결손이 생긴 것을 의미한다. 「결손」이란, 「칩핑」이 미세한 이지러짐인 데 비해, 「결손」이란 절삭날이 생성한 큰 이지러짐을 의미한다.

<절삭 조건>

피삭재 : FCD700 블록재

주속 : 350 m/min

이송 속도 : 0.30 ㎜/rev

절입량 : 2.0 ㎜

절삭액 : 있음

커터 : WGC4160(스미토모 전공 하드메탈 주식회사 제조).

표 8에서 분명한 바와 같이 실시예의 표면 피복 절삭 공구는, 비교예의 표면 피복 절삭 공구에 비하여, 내마모성 및 내칩핑성이 모두 높기 때문에, 경도 및 내결손성의 두 특성이 우수한 것이 확인되었다.

<절삭 시험 4>

이하의 표 9에 기재한 실시예 및 비교예의 표면 피복 절삭 공구에 관해, 이하의 절삭 조건에 따라 여유면 마모량(Vb)이 0.20 ㎜이 되기까지의 절삭 거리를 측정함과 함께 절삭날의 최종 손상 형태를 관찰했다. 그 결과를 표 9에 나타낸다. 절삭 거리가 긴 것일수록, 내결손성이 우수하고, 공구 수명이 길어진 것을 나타낸다.

<절삭 조건>

피삭재 : S450C 블록재

주속 : 160 m/min

이송 속도 : 0.30 ㎜/rev

절입량 : 2.0 ㎜

절삭액 : 없음

커터 : WGC4160(스미토모 전공 하드메탈 주식회사 제조).

표 9에서 분명한 바와 같이 실시예의 표면 피복 절삭 공구는, 비교예의 표면 피복 절삭 공구에 비하여 내결손성이 우수했다.

이번에 개시된 실시형태 및 실시예는 모든 점에서 예시이며, 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기 실시형태 및 실시예가 아니라 청구범위에 의해 나타나며, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

1 : 표면 피복 절삭 공구 2 : 기재
2a : 경사면 2b : 여유면
2c : 절삭날 3 : 피막
11 : 경사면 12 : 여유면
13 : 절삭날 E : 능선
F, R : 가상 평면 EE : 가상 능선
EF, ER : 가상 경계선 51 : 제1 배관
52 : 제2 배관 51a~51c, 52a~52c : 관통 구멍
53, 54 : 차폐판.

Claims

표면을 가지며, 상기 표면은 경사면 및 여유면을 포함하고, 상기 경사면 및 상기 여유면의 경계 부분이 절삭날을 이루는 표면 피복 절삭 공구로서,
기재와,
상기 기재의 표면을 피복하는 피막
을 구비하고,
상기 피막은 NaCl형 결정 구조의 TiAlN층을 가지며,
상기 TiAlN층 중, 상기 절삭날에 위치하는 절삭날 영역의 조성을 Ti₁ _- _XEAl_XEN으로 하고, 상기 경사면에 위치하는 경사면 영역의 조성을 Ti₁ _- _XRAl_XRN으로 하고, 상기 여유면에 위치하는 여유면 영역의 조성을 Ti_1-XFAl_XFN으로 한 경우에,
0.65<XR≤0.9, 0.65<XF≤0.9, 0.4≤XE≤0.7, XR-XE≥0.2 및 XF-XE≥0.2를 만족시키는 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항에 있어서, 상기 TiAlN층에 있어서, (111)면의 배향성 지수 TC(111)는 1.0<TC(111)≤4.0을 만족시키는 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 TiAlN층은 1 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하의 두께를 갖는 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 피막은 3 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하의 두께를 갖는 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항 또는 제2항에 기재된 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법으로서,
반응로 내에 배치된 상기 기재 상에, CVD법에 의해 상기 TiAlN층을 형성하는 TiAlN층 형성 공정을 포함하고,
상기 TiAlN층 형성 공정은,
Ti 및 Al을 포함하는 제1 원료 가스 및 암모니아를 포함하는 제2 원료 가스를, 상기 기재가 배치된 상기 반응로 내에 공급하는 제1 공정을 포함하고,
상기 제1 공정에 있어서,
상기 절삭날 영역에 대응하는 상기 기재의 표면에 도달하는 상기 Al의 양은, 상기 경사면 영역에 대응하는 기재의 표면에 도달하는 상기 Al의 양 및 상기 여유면 영역에 대응하는 기재의 표면에 도달하는 상기 Al의 양의 각각보다 적은 것인 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법.
제5항에 있어서, 상기 제1 원료 가스 및 상기 제2 원료 가스는, 각각 제1 배관의 관통 구멍 및 제2 배관의 관통 구멍을 통해 상기 반응로 내에 분출되고,
상기 기재의 상기 절삭날 영역에 대응하는 표면과, 상기 관통 구멍으로부터 분출된 각 가스의 사이에 차폐판이 배치되는 것인 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법.