KR102198744B1

KR102198744B1 - 표면 피복 절삭 공구

Info

Publication number: KR102198744B1
Application number: KR1020187030104A
Authority: KR
Inventors: 슈헤이 미스미; 하루요 후쿠이; 신야 이마무라; 가즈히로 히로세; 히로키 다케시타
Original assignee: 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤
Priority date: 2016-04-19
Filing date: 2017-03-03
Publication date: 2021-01-05
Also published as: EP3446814A4; US11167357B2; EP3446814A1; WO2017183327A1; CN109070235B; US20190160546A1; JP6737442B2; KR20180123703A; JP2017193004A; CN109070235A

Abstract

표면 피복 절삭 공구는, 기재와, 상기 기재의 표면에 형성되어 있는 피막을 구비하는 것을 목적으로 한다. 피막은, 교대층을 포함한다. 교대층은, 제1 조성을 갖는 제1 층과, 제2 조성을 갖는 제2 층을 포함한다. 교대층은, 제1 층과 제2 층이 교대로 각각 1층 이상 적층되어 구성되어 있다. 제1 층 및 제2 층은 각각 두께가 2 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하이다. 제1 조성은, Ti_aAl_bSi_cN(0.25≤a≤0.45, 0.55≤b≤0.75, 0≤c≤0.1, a+b+c=1)으로 표시된다. 제2 조성은, Ti_dAl_eSi_fN(0.35≤d≤0.55, 0.45≤e≤0.65, 0≤f≤0.1, d+e+f=1)으로 표시된다. 제1 조성 및 제2 조성은, 0.05≤d-a≤0.2 또한 0.05≤b-e≤0.2를 만족한다.

Description

표면 피복 절삭 공구

본 개시는, 표면 피복 절삭 공구에 관한 것이다. 본 출원은, 2016년 4월 19일에 출원된 일본 특허 출원인 특허 출원 제2016-083780호에 기초한 우선권을 주장한다. 상기 일본 특허 출원에 기재된 모든 기재 내용은, 참조에 의해 본 명세서에 원용된다.

일본 특허 공개 제2002-096205호 공보(특허문헌 1) 및 일본 특허 공개 제2011-224715호 공보(특허문헌 2)에는, 기재와, 상기 기재의 표면에 형성되어 있는 피막을 구비하는 표면 피복 절삭 공구가 개시되어 있다.

특허문헌 1 : 일본 특허 공개 제2002-096205호 공보 특허문헌 2 : 일본 특허 공개 제2011-224715호 공보

본 개시의 표면 피복 절삭 공구는, 기재와, 상기 기재의 표면에 형성되어 있는 피막을 구비한다. 피막은, 교대층을 포함한다. 교대층은, 제1 조성을 갖는 제1 층과, 제2 조성을 갖는 제2 층을 포함한다. 교대층은, 제1 층과 제2 층이 교대로 각각 1층 이상 적층되어 구성되어 있다. 제1 층 및 제2 층은, 각각 두께가 2 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하이다.

제1 조성은, Ti_aAl_bSi_cN(0.25≤a≤0.45, 0.55≤b≤0.75, 0≤c≤0.1, a+b+c=1)으로 표시된다. 제2 조성은, Ti_dAl_eSi_fN(0.35≤d≤0.55, 0.45≤e≤0.65, 0≤f≤0.1, d+e+f=1)으로 표시된다. 제1 조성 및 제2 조성은, 0.05≤d-a≤0.2 또한 0.05≤b-e≤0.2를 만족한다.

도 1은 본 개시의 실시형태에 따른 표면 피복 절삭 공구의 구성의 일례를 나타낸 개략 부분 단면도이다.
도 2는 본 개시의 실시형태에 따른 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법의 개략을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 성막 장치의 개략 단면도이다.
도 4는 성막 장치의 개략 평면도이다.

[본 개시의 해결하고자 하는 과제]

표면 피복 절삭 공구를 둘러싸는 환경은 날마다 변화하고 있다. 특히 최근에는 신소재의 등장에 따른 피삭재의 다양화, 그리고 가공 속도(절삭 속도 및 이송 속도 등)의 고속화가 현저하다. 이에 따라 표면 피복 절삭 공구에의 요구는 점점 엄격해지고 있다.

예컨대, Ni(니켈)기 내열합금이 개발되어, 산업에 이용되기 시작하고 있다. Ni기 내열합금은, 내열성이 우수한 신소재이다. 그러나 그 반면에, Ni기 내열합금은 소위 난삭재로서, 그 절삭 가공에서는 공구 수명이 짧아지기 쉽다.

Ni기 내열합금 등의 난삭재의 절삭 가공에서는, 공구 날끝의 온도 상승이 현저하다. 또한 가공 속도의 고속화와 함께, 공구 날끝은 한층 더 고온이 된다. 그 때문에 고온 환경에서도, 내마모성 및 내산화성을 나타내는 피막의 개발이 요구되고 있다.

특허문헌 1에 따르면, TiAlN(질화티탄알루미늄) 피막에, 실리콘(Si)을 첨가함으로써, 내산화성이 향상되고, 고온 하에서의 피막의 열화가 억제된다고 되어 있다. 그러나 Si를 포함하는 TiAlN 피막에서는, 용착 결손에 의해, 공구 수명이 짧아질 가능성이 있다.

용착 결손이란, 절삭 중, 피삭재가 공구 날끝에 용착되고, 이에 따라 피막이 박리됨으로써 생기는 결손이다. 용착 결손은, 예컨대 Ni기 내열합금과 같이, 공구 소재와의 친화성이 높은 소재를 절삭했을 때에 생기기 쉽다.

TiAlN 피막에 Si를 첨가함으로써, 피막의 경도가 향상된다. 그러나 이것에 따라, 피막에 압축 응력이 잔류하기 쉽게 되어, 피막 내부에서의 밀착성이 저하되는 경향이 있다. 이에 따라, 용착 결손이 생기기 쉬워진다고 생각할 수 있다. 특허문헌 1에서는, TiAlSiN층과, TiAlN층을 적층한 구성도 개시되어 있다. 그러나, Si를 포함하는 TiAlN 피막을 다층화한 경우, 층간 박리에 의해, 용착 결손이 한층 더 생기기 쉬워진다고 생각할 수 있다.

특허문헌 2에서는, TiAlN의 입상정(粒狀晶) 조직으로 이루어진 박층 A와, TiAlN의 주상정(柱狀晶)으로 이루어진 박층 B가 교대로 적층되어 구성되는 피막이 제안되어 있다. 특허문헌 2에 따르면, 이러한 박층 A와 박층 B는 동일 조성이기 때문에, 박층 A와 박층 B 사이에서의 박리(층간 박리)를 억제할 수 있다고 되어 있다. 그러나, 이 구성에서는, 인접한 단위층(박층 A 및 박층 B)이 동일 조성이기 때문에, 균열이 결정립계를 따라 진전되어, 단위층 사이에서 전파하기 쉽다. 이에 따라, 긴 균열이 진전되어, 결손에 이를 가능성도 있다.

이상의 점을 감안하여, 본 개시에서는, 공구 수명이 향상된 표면 피복 절삭 공구의 제공을 목적으로 한다.

[본 개시의 실시형태의 설명]

처음에 본 개시의 실시양태가 열기되어, 설명된다.

[1] 표면 피복 절삭 공구는, 기재와, 상기 기재의 표면에 형성되어 있는 피막을 구비한다. 피막은, 교대층을 포함한다. 교대층은, 제1 조성을 갖는 제1 층과, 제2 조성을 갖는 제2 층을 포함한다. 교대층은, 제1 층과 제2 층이 교대로 각각 1층 이상 적층되어 구성되어 있다. 제1 층 및 제2 층은, 각각 두께가 2 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하이다.

상기 [1]의 표면 피복 절삭 공구(이하 「공구」라고 약기되는 경우가 있음)에 있어서, 교대층에 포함되는 제1 층 및 제2 층은, 모두 TiAlN층이며, 그 조성도 서로 비슷하다. 그 때문에 거시적으로는, 교대층은 똑같은 조성을 갖는다. 그러나 미시적으로는, 제1 층의 조성과, 제2 층의 조성은 서로 상이하다.

즉, 제1 층 및 제2 층은, 제1 층과 제2 층 사이에서 결정 격자를 연속할 수 있을 정도로, 조성이 비슷한 TiAlN층이며, 동시에, 제1 층과 제2 층 사이에서 균열이 전파되지 않을 정도로, 조성이 괴리된 TiAlN층이기도 하다. 따라서, 교대층에서는, 제1 층과 제2 층 사이에서의 층간 박리, 및 균열 전파 양쪽 모두가 억제될 수 있다.

단, 제1 층 및 제2 층의 두께는, 2 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하로 한다. 제1 층 및 제2 층의 두께가 2 ㎚ 미만이 되면, 제1 층과 제2 층이 서로 섞여, 균열 전파의 억제 효과가 저감될 가능성이 있다. 또한 제1 층 및 제2 층의 두께가 100 ㎚를 초과하면, 층간 박리의 억제 효과가 저감될 가능성이 있다.

또한 제1 층 및 제2 층은, Ti(티탄)의 조성비보다 Al(알루미늄)의 조성비가 높은 TiAlN층이다. 이번에, 이러한 제1 층 및 제2 층이 교대로 적층되어 구성되는 교대층에서는, Si를 실질적으로 포함하지 않는 경우여도, 충분한 내산화성이 나타나는 것이 발견되었다. 또한 피막이 상기 교대층을 포함함으로써, 피막에 부여된 압축 응력이 작은 경우여도, 경도가 높은 피막이 되는 것이 발견되었다. 이에 따라, 내마모성을 유지하면서, 피막의 밀착성 저하를 억제하는 것도 가능하다.

[2] 제1 조성은, 바람직하게는 0<c≤0.05를 만족한다.

[3] 제2 조성은, 바람직하게는 0<f≤0.05를 만족한다.

상기한 바와 같이, Ti의 조성비보다 Al의 조성비가 높은 TiAlN층에 있어서는, Si를 실질적으로 함유하지 않는 경우에도, 충분한 내산화성이 나타난다. 그러나 제1 층 및 제2 층이, 극미량의 Si를 함유함으로써, 피막의 경도 및 밀착성을 유지하면서, 내산화성의 한층 더한 향상을 기대할 수 있다.

[4] 기재는, 바람직하게는 WC 입자를 포함한다. 피막은, 바람직하게는 밀착층을 더 포함한다. 밀착층은, 기재와 교대층 사이에 개재되어 있고, 또한 기재 및 교대층 양쪽 모두에 접하고 있다. 밀착층은, 두께가 0.5 ㎚ 이상 50 ㎚ 이하이다. 밀착층은, 금속 탄화물, 금속 질화물 및 금속 탄질화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 화합물을 포함한다. 화합물은, (i) W(텅스텐)와, (ⅱ) Al 및 Si 중 적어도 한쪽의 원소와, (ⅲ) Cr(크롬), Ti, Zr(지르코늄) 및 Nb(니오븀)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유한다.

WC 입자를 포함하는 기재를 채용함으로써, 공구 수명의 향상을 기대할 수 있다. WC(탄화텅스텐)는, 경도가 높아, 내마모성이 우수하기 때문이다. 또한, 피막이 밀착층을 포함함으로써, 기재와 피막과의 박리 강도가 향상된다. 이에 따라 용착 결손이 억제되어, 공구 수명이 더욱 향상된다고 생각된다.

밀착층에 포함되는 화합물(금속 탄화물, 금속 질화물 및 금속 탄질화물)은, W(제1 원소)와, Al 및 Si 중 적어도 한쪽의 원소(제2 원소)를 함유한다. 제1 원소는, 기재에 포함되는 WC 입자와 공통의 원소이며, 제2 원소는, 교대층(TiAlN)과 공통의 원소이다. 따라서, 이러한 밀착층은, 기재 및 교대층 양쪽 모두와 친화성이 높아, 기재 및 교대층 양쪽 모두와 강고하게 밀착된다.

또한 상기 화합물은, Cr, Ti, Zr 및 Nb로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소(제3 원소)를 함유한다. 현시점에서 메커니즘의 상세한 것은 명확하지 않지만, 제1 원소 및 제2 원소에 덧붙여, 제3 원소를 포함하는, 금속 탄화물, 금속 질화물 및 금속 탄질화물은, 박리 강도가 매우 높은 것이 발견되고 있다. 그 때문에 밀착층은, 0.5 ㎚ 이상 50 ㎚ 이하의 매우 박층이면서, 충분한 박리 강도를 나타낼 수 있다.

[5] 밀착층은, 바람직하게는 탄소(C) 및 질소(N)를 포함한다. 밀착층의 두께 방향에 있어서, C의 함유량은, 바람직하게는, 기재와 상기 밀착층과의 계면인 제1 계면으로부터, 상기 밀착층과 교대층과의 계면인 제2 계면을 향해 감소되어, 상기 제2 계면에서 최소가 된다. N의 함유량은, 바람직하게는, 제1 계면으로부터 제2 계면을 향해 증가하여, 상기 제2 계면에서 최대가 된다.

상기한 바와 같이 교대층은, 질화물이다. 또한 기재가 WC 입자를 포함하는 경우, 기재는 탄화물이다. 따라서, 밀착층이 C 및 N 양쪽 모두를 포함함으로써, 밀착층은, 기재 및 교대층 양쪽 모두에 대하여, 친화성을 가질 수 있다.

또한 상기한 바와 같이, 밀착층의 두께 방향에 있어서, C 및 N의 함유량을 변화시킴으로써, 기재와 밀착층과의 계면(제1 계면)에서는, 밀착층은 보다 탄화물에 가까운 조성이 되고, 또한 밀착층과 교대층과의 계면(제2 계면)에서는, 밀착층은 보다 질화물에 가까운 조성이 된다. 이에 따라 밀착층과 기재와의 친화성, 및 밀착층과 교대층과의 친화성이 한층 더 높아진다. 즉, 박리 강도의 향상을 기대할 수 있다.

[6] 기재 중 밀착층과 접하는 부분에 있어서, WC 입자는, 바람직하게는 상기 부분의 80% 이상을 점유한다.

기재가 WC 입자를 포함하는 경우, 통상, 기재는, 예컨대 Co(코발트) 등의 바인더 성분(결합상)도 포함하고 있다. 상기한 조성을 갖는 밀착층을 형성하는 경우에는, 기재 중 밀착층과 접하는 부분에 있어서, WC 입자의 점유율을 높게 할수록, 기재와 피막과의 밀착성을 향상시킬 수 있다. 밀착층은, 기재의 구성 성분 중, WC 입자와의 친화성이 높기 때문이다.

[7] 표면 피복 절삭 공구는, 기재와, 상기 기재의 표면에 형성되어 있는 피막을 구비한다. 피막은, 교대층을 포함한다. 교대층은, 제1 조성을 갖는 제1 층과, 제2 조성을 갖는 제2 층을 포함한다. 교대층은, 제1 층과 제2 층이 교대로 각각 1층 이상 적층되어 구성되어 있다. 제1 층 및 제2 층은, 각각 두께가 2 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하이다.

제1 조성은, Ti_aAl_bSi_cN(0.25≤a≤0.45, 0.55≤b≤0.75, 0<c≤0.05, a+b+c=1)으로 표시된다. 제2 조성은, Ti_dAl_eSi_fN(0.35≤d≤0.55, 0.45≤e≤0.65, 0<f≤0.05, d+e+f=1)으로 표시된다. 제1 조성 및 제2 조성은, 0.05≤d-a≤0.2 또한 0.05≤b-e≤0.2를 만족한다.

[본 개시의 효과]

공구 수명이 향상된 표면 피복 절삭 공구가 제공된다.

[본 개시의 실시형태의 상세]

이하, 본 개시의 실시형태(이하 「본 실시형태」라고 기재됨)가 설명된다. 단, 청구범위는 이하의 설명으로 한정되는 것은 아니다.

<표면 피복 절삭 공구>

본 실시형태의 표면 피복 절삭 공구는, 절삭 공구인 한, 그 형상 및 용도 등은, 특별히 한정되지 않는다. 본 실시형태의 표면 피복 절삭 공구는, 예컨대, 드릴, 엔드밀, 프레이즈(fraise) 가공용 날끝 교환형 팁, 선삭 가공용 날끝 교환형 팁, 메탈 소우, 톱니 절삭 공구, 리머, 탭 또는 크랭크샤프트의 핀 밀링 가공용 팁 등일 수 있다.

도 1은 본 개시의 실시형태에 따른 표면 피복 절삭 공구의 구성의 일례를 나타낸 개략 부분 단면도이다. 표면 피복 절삭 공구(100)는, 기재(10)와, 기재(10)의 표면에 형성되어 있는 피막(20)을 구비한다.

《기재》

기재(10)는, 특별히 한정되지 않는다. 기재(10)는, 예컨대, 초경합금, 서멧, 세라믹스, 입방정 질화붕소 소결체, 및 다이아몬드 소결체 등에 의해 구성될 수 있다. 기재(10)는, 바람직하게는 초경합금제이다. 초경합금은, 내마모성이 우수하기 때문이다.

초경합금이란, WC 입자를 주성분으로 하는 소결체이다. 초경합금은, 경질상 및 결합상을 포함한다. 경질상은, WC 입자를 함유한다. 결합상은, WC 입자 끼리를 서로 결합하고 있다. 결합상은, 예컨대 Co 등을 함유한다. 결합상은, 예컨대, TiC(탄화티탄), TaC(탄화탄탈), NbC(탄화니오븀) 등을 더 함유하고 있어도 좋다.

여기서, 본 명세서에 있어서, 예컨대 「TiC」 등과 같이, 구성 원소의 비를 한정하지 않는 조성식에 의해 화합물을 표시한 경우에는, 그 조성식은 종래 공지된 모든 조성(원소비)을 포함하는 것으로 한다. 또한 이 때, 상기 조성은, 비화학 양론 조성도 포함하는 것으로 한다. 예컨대, 「TiC」라고 표시한 경우에는, 화학 양론 조성 「Ti₁C₁」뿐만 아니라, 예컨대 「Ti₁C_0.8」과 같은 비화학 양론 조성도 나타내고 있다.

초경합금은, 그 제조 과정에서 불가피하게 혼입되는 불순물을 함유하고 있어도 좋다. 초경합금은, 그 조직 중에 유리(遊離) 탄소 또는 「η층」이라고 불리는 이상층을 포함하는 경우도 있다. 또한 초경합금은, 표면 개질 처리가 행해진 것이라도 좋다. 예컨대, 초경합금은, 그 표면에 탈β층 등을 포함하고 있어도 좋다.

초경합금은, 바람직하게는, WC 입자를 87 질량% 이상 96 질량% 이하 함유하고, Co를 4 질량% 이상 13 질량% 이하 함유한다. WC 입자는, 바람직하게는, 평균 입경이 0.2 ㎛ 이상 2 ㎛ 이하이다.

Co는, WC 입자에 비해 연질이다. 후술하는 바와 같이, 기재(10)의 표면에 이온 충격(ion bombardment) 처리를 행하면, 연질인 Co는 제거될 수 있다. 초경합금이 상기한 조성을 가지며, 또한 WC 입자가 상기한 평균 입경을 가짐으로써, Co가 제거된 후의 표면에는, 적절한 요철이 형성되게 된다. 이러한 표면에 피막(20)을 형성함으로써, 앵커 효과가 발현되어, 피막(20)과 기재(10)의 밀착성이 향상된다고 생각할 수 있다.

여기서, WC 입자의 입경은, WC 입자의 2차원 투영상에 외접하는 원의 직경을 나타낸다. 입경은, 주사형 전자 현미경(Scanning Electron Microscope; SEM) 또는 투과형 전자 현미경(Transmission Electron Microscope; TEM)을 이용하여 측정한다. 즉, 초경합금을 절단하고, 그 절단면을 SEM 또는 TEM으로 관찰한다. 관찰상에 있어서, WC 입자에 외접하는 원의 직경을, WC 입자의 입경으로 간주한다. 관찰상에 있어서, 무작위로 추출한 10개 이상(바람직하게는 50개 이상, 보다 바람직하게는 100개 이상)의 WC 입자의 입경을 측정하고, 그 산술 평균값을 WC 입자의 평균 입경으로 한다. 관찰에 있어서, 절단면은, 크로스 섹션 폴리셔(Cross section Polisher; CP) 또는 집속 이온 빔(Focused Ion Beam; FIB) 등에 의해, 단면 가공해 두는 것이 바람직하다.

《피막》

피막(20)은, 기재(10)의 표면에 형성되어 있다. 피막(20)은, 기재(10)의 표면의 일부에 형성되어 있어도 좋고, 전체면에 형성되어 있어도 좋다. 단, 피막(20)은, 기재(10)의 표면 중, 적어도 절삭날에 상당하는 부분에 형성되어 있는 것으로 한다.

피막(20)은, 교대층(21)을 포함한다. 피막(20)은, 교대층(21)을 포함하는 한, 그 밖의 층을 포함하고 있어도 좋다. 피막(20)은, 예컨대, 기재(10)와 접하는 부분에, 후술하는 밀착층(22)을 포함하고 있어도 좋다. 피막(20)은, 예컨대, 그 최외측 표면에, 절삭날의 사용 유무를 판별하기 위한 착색층 등을 포함하고 있어도 좋다. 착색층은, 예컨대, TiN(질화티탄) 등을 포함한다. 피막(20)의 적층 구성은, 피막(20) 전체에 걸쳐 똑같을 필요는 없고, 부분적으로 적층 구성이 상이하여도 좋다.

피막(20)은, 바람직하게는 두께가 0.5 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하이다. 피막(20)의 두께가 0.5 ㎛ 이상임으로써, 충분한 마모 수명을 기대할 수 있다. 피막(20)의 두께가 15 ㎛ 이하임으로써, 내치핑성의 향상을 기대할 수 있다. 피막(20)은, 보다 바람직하게는 두께가 0.5 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하이며, 한층 더 바람직하게는 두께가 0.5 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하이다.

피막(20)의 두께, 및 피막(20)에 포함되는 각 층(예컨대, 후술하는 제1 층(1) 및 제2 층(2))의 두께는, SEM 또는 TEM을 이용하여 측정한다. 즉, 공구를 절단하고, 피막의 두께 방향의 단면에 있어서, 피막(20) 및 각 층의 두께를 측정한다. 피막(20)의 두께는, 피막(20) 내에서 적어도 5점에서 두께를 측정하고, 그 산술 평균값을 채용하는 것으로 한다.

본 실시형태에 있어서, 피막(20)을 구성하는 결정립은, 입방정인 것이 바람직하다. 입방정임으로써, 경도가 높아지고, 공구 수명이 길어지는 경향이 있다. 피막(20)이 부분적으로 비정질을 포함하면, 피막(20)의 경도가 저하될 가능성도 있다.

《교대층》

교대층(21)은, 제1 조성을 갖는 제1 층(1)과, 제2 조성을 갖는 제2 층(2)을 포함한다. 교대층(21)은, 제1 층(1)과 제2 층(2)이 교대로 각각 1층 이상 적층되어 구성되어 있다.

교대층(21)이 제1 층(1) 및 제2 층(2)을 각각 1층 이상 포함하는 한, 적층수는, 특별히 한정되지 않는다. 적층수란, 교대층(21)에 포함되는 제1 층1 및 제2 층(2)의 합계수를 나타낸다. 적층수는, 예컨대 5 이상 7500 이하 정도이며, 바람직하게는 10 이상 5000 이하 정도이고, 보다 바람직하게는 20 이상 500 이하 정도이다. 교대층(21)에 있어서, 가장 기재(10)에 가까운 층은, 제1 층(1)이어도 좋고, 제2 층(2)이어도 좋다. 또한 교대층(21)에 있어서, 가장 기재(10)로부터 떨어져 있는 층은, 제1 층(1)이어도 좋고, 제2 층(2)이어도 좋다.

제1 층(1) 및 제2 층(2)은, 각각 두께가 2 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하이다. 이러한 박층이 교대로 반복됨으로써, 균열의 전파, 진전을 억제할 수 있다고 생각된다. 제1 층(1) 및 제2 층(2)의 두께가 2 ㎚ 미만이 되면, 제1 층(1) 및 제2 층(2)이 서로 섞여, 균열 전파의 억제 효과가 저감될 가능성이 있다. 또한 제1 층(1) 및 제2 층(2)의 두께가 100 ㎚를 초과하면, 층간 박리의 억제 효과가 저감될 가능성이 있다.

제1 층(1) 및 제2 층(2)의 두께를 측정할 때, TEM의 관찰 배율은, 예컨대 1000000배 정도이다. 관찰 배율은, 제1 층(1) 및 제2 층(2)의 두께에 따라 적절하게 조정하는 것으로 한다. 제1 층(1) 또는 제2 층(2)의 두께는, 제1 층(1) 또는 제2 층(2) 내에서, 적어도 5점의 두께를 측정하고, 그 산술 평균값을 채용한다.

제1 층(1) 및 제2 층(2)은, 바람직하게는 두께가 2 ㎚ 이상 80 ㎚ 이하이며, 보다 바람직하게는 두께가 2 ㎚ 이상 50 ㎚ 이하이고, 한층 더 바람직하게는 두께가 2 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이며, 가장 바람직하게는 두께가 2 ㎚ 이상 20 ㎚ 이하이다. 이와 같이 제1 층(1) 및 제2 층(2)의 두께를 조정함으로써, 균열 전파의 억제 효과, 및 층간 박리의 억제 효과의 향상을 기대할 수 있다.

(제1 조성 및 제2 조성)

제1 층(1)은, 제1 조성을 갖는다. 제1 조성은, Ti_aAl_bSi_cN(0.25≤a≤0.45, 0.55≤b≤0.75, 0≤c≤0.1, a+b+c=1)으로 표시된다.

제2 층(2)은, 제2 조성을 갖는다. 제2 조성은, Ti_dAl_eSi_fN(0.35≤d≤0.55, 0.45≤e≤0.65, 0≤f≤0.1, d+e+f=1)으로 표시된다.

또한 제1 조성 및 제2 조성은, 0.05≤d-a≤0.2 또한 0.05≤b-e≤0.2를 만족한다. 0.05≤d-a 또한 0.05≤b-e임으로써, 제1 층(1)과 제2 층(2) 사이에서의 균열 전파를 억제할 수 있을 정도로, 제1 조성과 제2 조성을 괴리시킬 수 있다. 또한 동시에, d-a≤0.2 또한 b-e≤0.2임으로써, 제1 층(1)과 제2 층(2) 사이에서의 층간 박리를 억제할 수 있을 정도로, 제1 조성과 제2 조성을 비슷하게 할 수 있다. 제1 조성 및 제2 조성은, 바람직하게는 0.05≤d-a≤0.1 또한 0.05≤b-e≤0.1을 만족한다. 이에 따라 균열 전파 및 층간 박리의 억제 효과가 한층 더 향상된다고 생각된다.

제1 조성에 있어서, 「a」는, 0.30≤a≤0.40이라도 좋고, 0.35≤a≤0.40이라도 좋다. 「b」는, 0.60≤b≤0.70이라도 좋고, 0.60≤b≤0.65라도 좋다.

제2 조성에 있어서, 「d」는, 0.40≤d≤0.50이라도 좋고, 0.40≤d≤0.45라도 좋다. 「e」는, 0.50≤e≤0.65이라도 좋고, 0.50≤e≤0.55라도 좋다.

제1 층(1) 및 제2 층(2)은, Si를 실질적으로 함유하지 않는 층이라도 좋다. 즉, 제1 조성에 있어서 「c」는 제로라도 좋고, 제2 조성에 있어서 「f」는 제로라도 좋다. 단, 바람직하게는 0<c≤0.05(보다 바람직하게는 0.01≤c≤0.05)이며, 바람직하게는 0<f≤0.05(보다 바람직하게는 0.01≤f≤0.05)이다.

제1 조성 및 제2 조성(즉, a, b, c, d, e 및 f)은, 에너지 분산형 X선 분석(Energy Dispersive X-ray spectrometry; EDX)에 의해 결정한다. 조성 분석에는 TEM-EDX를 이용한다. 구체적으로는, 교대층(21)의 두께 방향의 단면을 TEM으로 관찰하면서, 제1 층(1) 내 또는 제2 층(2) 내에서, 무작위로 추출한 5점에서, EDX 분석을 행한다. 측정 스폿 직경은 1 ㎚로 한다. 5점의 측정으로 얻어진 각 원소의 조성비를 산술 평균함으로써, a, b, c, d, e 및 f를 각각 구할 수 있다.

교대층(21)의 적층수가 3 미만인 경우에는, 제1 층(1) 및 제2 층(2)을 각각 1층, 조성 분석하고, 제1 조성 및 제2 조성을 결정한다. 적층수가 3~10 정도인 경우에는, 제1 층(1) 및 제2 층(2)을 각각 2층, 조성 분석하고, 2층의 평균 조성을 제1 조성 및 제2 조성으로서 채용한다. 적층수가 10~50 정도인 경우, 제1 층(1) 및 제2 층(2)을 각각 5층, 조성 분석하고, 5층의 평균 조성을 제1 조성 및 제2 조성으로서 채용한다. 적층수가 50을 초과하는 경우, 제1 층(1) 및 제2 층(2)을 각각 10층, 조성 분석하고, 10층의 평균 조성을 제1 조성 및 제2 조성으로서 채용한다.

《밀착층》

막(20)은, 바람직하게는 밀착층(22)을 더 포함한다. 밀착층(22)은, 기재(10)와 교대층(21) 사이에 개재되어 있다. 밀착층(22)은, 기재(10) 및 교대층(21) 양쪽 모두에 접하고 있다. 기재(10)와 교대층(21) 사이에, 밀착층(22)이 존재하고 있음으로써, 용착 결손의 억제 효과의 향상을 기대할 수 있다.

(밀착층의 조성)

밀착층(22)은, 금속 탄화물, 금속 질화물 및 금속 탄질화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 화합물을 포함한다. 이러한 화합물은, 제1 원소, 제2 원소 및 제3 원소를 함유한다. 제1 원소는 W이다. 제1 원소는, 기재(10)에 포함되는 WC 입자와 공통의 원소이다. 제2 원소는, Al 및 Si 중 적어도 한쪽이다. 제2 원소는, 교대층(21)(TiAlN)과 공통의 원소이다. 제3 원소는, Cr, Ti, Zr 및 Nb로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소이다.

상기한 제1 원소, 제2 원소 및 제3 원소를 함유하는 금속 탄화물, 금속 질화물 및 금속 탄질화물의 구체예로는, 예컨대, WTiC, WTiN, WTiCN; WCrC, WCrN, WCrCN; WCrTiC, WCrTiN, WCrTiCN; WTiAlC, WTiAlN, WTiAlCN; WTiSiC, WTiSiN, WTiSiCN; WCrTiAlC, WCrTiAlN, WCrTiAlCN; WCrTiSiC, WCrTiSiN, WCrTiSiCN; WTiAlSiC, WTiAlSiN, WTiAlSiCN; WCrTiAlSiC, WCrTiAlSiN, WCrTiAlSiCN; 등, 및; 이들 화합물에 있어서 Cr의 전부 또는 일부를 Zr 및 Nb 중 적어도 한쪽으로 치환한 화합물;을 들 수 있다.

밀착층(22)은, 이들 중 1종의 화합물을 단독으로 포함하고 있어도 좋고, 2종 이상의 화합물을 포함하고 있어도 좋다. 밀착층(22)이 2종 이상의 화합물을 포함하는 경우, 이들 화합물은, 고용체로 되어 있어도 좋다. 혹은, 밀착층(22) 내에 있어서, 2종 이상의 화합물이 층상으로 분리되어 존재하고 있어도 좋다.

밀착층(22)은, 바람직하게는 두께가 0.5 ㎚ 이상 50 ㎚ 이하이다. 상기한 조성을 갖는 밀착층(22)은, 두께가 0.5 ㎚ 이상이면, 충분한 박리 강도를 나타낼 수 있다. 밀착층(22)의 두께는, 0.5 ㎚ 이상인 한, 얇아질수록 박리 강도의 향상을 기대할 수 있다. 얇아질수록, 잔류 응력이 작아지기 때문이라고 생각된다. 따라서, 밀착층(22)은, 보다 바람직하게는 두께가 0.5 ㎚ 이상 40 ㎚ 이하이며, 한층 더 바람직하게는 두께가 0.5 ㎚ 이상 20 ㎚ 이하이고, 가장 바람직하게는 두께가 0.5 ㎚ 이상 5 ㎚ 이하이다. 밀착층(22)의 두께의 측정 방법은, 전술한 제1 층(1) 및 제2 층(2)의 두께의 측정 방법에 준한다.

(C 및 N의 조성 변화)

밀착층(22)은, C 및 N을 포함하는 것이 바람직하다. 즉, 밀착층(22)은, 바람직하게는, 금속 탄화물 및 금속 질화물을 포함하거나, 금속 탄화물 및 금속 탄질화물을 포함하거나, 금속 질화물 및 금속 탄질화물을 포함하거나, 혹은 금속 탄질화물을 포함한다.

밀착층(22)이 C 및 N을 포함하는 경우, 밀착층(22)의 두께 방향에 있어서, C 및 N의 함유량을 변화시켜도 좋다. 이에 따라, 기재(10)와 피막(20)의 밀착성이 향상된다고 생각된다. 밀착층(22)과 기재(10)와의 친화성, 및 밀착층(22)과 교대층(21)과의 친화성이 높아지기 때문이다. 함유량은, 밀착층(22)의 두께 방향에 있어서, 스텝 형상으로 변화시켜도 좋고, 슬로프 형상으로 변화시켜도 좋다.

이 양태에 있어서, C의 함유량은, 바람직하게는, 기재(10)와 밀착층(22)과의 계면인 제1 계면으로부터, 밀착층(22)과 교대층(21)과의 계면인 제2 계면을 향해 감소되어, 제2 계면에서 최소가 된다. 이에 따라, C를 포함하는 기재(10)와, 밀착층(22)과의 친화성이 향상된다고 생각된다.

또한 N의 함유량은, 바람직하게는, 제1 계면으로부터 제2 계면을 향해 증가하여, 제2 계면에서 최대가 된다. 이에 따라, N을 포함하는 교대층(21)과, 밀착층(22)과의 친화성이 향상된다고 생각된다.

이러한 조성 변화는, 예컨대, 증착법에 의해 밀착층(22)을 형성하는 과정에서, C 원료 가스의 유량에 대한 N 원료 가스의 유량의 비를, 변화시킴으로써 실현된다.

C 및 N의 조성 변화의 유무는, TEM-EDX에 의해 확인한다. 즉, 밀착층(22)의 두께 방향의 단면에 있어서, EDX 분석에 의해, C 및 N의 맵핑상을 얻고, 상기 맵핑상에 있어서, 조성 변화의 유무를 확인한다.

(WC 입자의 점유율)

기재(10) 중 밀착층(22)과 접하는 부분에 있어서의, WC 입자의 점유율을 높임으로써, 기재(10)와 피막(20)과의 밀착성을 향상시킬 수도 있다. 밀착층(22)은, 기재(10)의 구성 성분 중, WC 입자와의 친화성이 높기 때문이다.

WC 입자의 점유율은, 예컨대, 기재(10)의 표면에 노출되어 있는 결합상(Co 등)을 저감함으로써, 상대적으로 높일 수 있다. 예컨대, 기재(10)의 표면에 대하여, 후술하는 이온 충격 처리를 행함으로써, 결합상이 저감될 수 있다.

기재(10) 중 밀착층(22)과 접하는 부분에 있어서의, WC 입자의 점유율은, 다음과 같이 하여 측정한다. 우선, 피막(20)의 두께 방향을 따라, 공구를 절단하고, 기재(10)와 밀착층(22)과의 계면(제1 계면)의 단면을 얻는다. FIB 등을 이용하여 적절하게 단면 가공을 행한다. TEM을 이용하여 단면을 관찰한다. 관찰상에 있어서, 제1 계면을 따라, 길이 3 ㎛의 기준선을 설정한다. 기준선 내에서, WC 입자와 밀착층(22)이 접하고 있는 부분의 합계 길이를 측정한다. 합계 길이를, 기준선의 길이로 나눈 값의 백분율이, WC 입자의 점유율이다.

WC 입자의 점유율은, 바람직하게는 80% 이상이다. WC 입자의 점유율은, 높을수록 좋다. 즉 점유율의 상한은, 100%여도 좋다. WC 입자의 점유율은, 보다 바람직하게는 85% 이상이며, 한층 더 바람직하게는 90% 이상이고, 가장 바람직하게는 95% 이상이다.

<표면 피복 절삭 공구의 제조 방법>

이상으로 설명한 본 실시형태의 표면 피복 절삭 공구는, 이하의 제조 방법에 의해 제조할 수 있다.

도 2는 본 개시의 실시형태에 따른 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법의 개략을 나타낸 흐름도이다. 상기 제조 방법은, 기재 준비 단계(S10) 및 피막 형성 단계(S20)를 구비한다. 피막 형성 단계(S20)는, 적어도 교대층 형성 단계(S23)를 포함한다. 피막 형성 단계(S20)는, 기재 세정 단계(S21) 및 밀착층 형성 단계(S22)를 더 포함할 수도 있다.

《기재 준비 단계(S10)》

기재 준비 단계(S10)에서는, 기재(10)가 준비된다. 예컨대, 기재(10)로서, 소정의 형상의 초경합금이 준비된다. 초경합금은, 일반적인 분말 야금법에 의해 준비할 수 있다. 이하에 구체적인 순서의 일례를 나타낸다.

볼밀을 이용하여, WC 분말 및 Co 분말 등을 습식 혼합함으로써, 혼합 분말을 얻는다. 용매는, 예컨대 에탄올이다. 혼합 분말을 건조한다. 건조 후의 혼합 분말을 소정의 형상으로 성형함으로써, 성형체를 얻는다. 성형체를 소결함으로써, 소결체(초경합금)를 얻는다. 소결체에 대하여, 소정의 날끝 가공(예컨대, 호닝 처리 등)을 행한다. 이상으로부터, 초경합금제의 기재(10)가 준비된다.

《피막 형성 단계(S20)》

피막 형성 단계(S20)에서는, 기재(10)의 표면에 피막(20)을 형성한다.

본 실시형태에서는, 바람직하게는, 물리 증착(Physical Vapor Deposition; PVD)법에 의해, 피막(20)을 형성한다. 화학 증착(Chemical Vapor Deposition; CVD)법에 의해, 피막(20)을 형성하여도 좋다. 단, PVD법에 의해 형성되는 피막(20) 쪽이, 고온 하에서의 열화가 적은 경향이 있다. PVD법에서는, CVD법에 비해 결정성이 높은 화합물이 생성되기 쉽기 때문이라고 생각된다.

PVD법의 구체예로는, 아크 이온 플레이팅(Arc Ion Plating; AIP)법, 밸런스드 마그네트론 스퍼터링(Balanced Magnetron Sputtering; BMS)법, 및 언밸런스드 마그네트론 스퍼터링(Unbalanced Magnetron Sputtering; UBMS)법 등을 들 수 있다.

AIP법에서는, 타겟재를 음극(캐소드)으로 하여 아크 방전을 일으킨다. 이에 따라, 타겟재를 증발, 이온화시킨다. 그리고 부의 바이어스 전압이 인가된 기재(10)의 표면에 이온을 퇴적시킨다.

BMS법에서는, 타겟재를 마그네트론 전극 상에 배치하고, 마그네트론 전극의 자장을 이용하여, 가스 플라즈마를 발생시킨다. 이에 따라 타겟재를 증발, 이온화시킨다. 그리고 기재(10)의 표면에 이온을 퇴적시킨다. UBMS법이란, BMS법에 있어서, 의도적으로 자장 밸런스를 무너뜨림으로써, 기재(10)에의 이온의 충돌 빈도를 높이는 방법이다.

AIP법은, 타겟재의 이온화율에 있어서 우수하다. 또한 여기서는, AIP법을 채용함으로써, 동일한 성막 장치 내에서, 기재 세정 단계(S21)~교대층 형성 단계(S23)를 실행할 수 있기 때문에, 경제적이다.

(기재 세정 단계(S21))

기재 세정 단계(S21)에서는, 기재(10)의 표면을 세정한다.

예컨대, 기재(10)의 표면에 대하여, Ar(아르곤) 이온에 의한 제1 이온 충격 처리를 행함으로써, 기재(10)의 표면을 세정할 수 있다. 이에 따라, 기재(10)의 표면에 노출된 결합상을 저감할 수 있다. 즉, 나중에 형성되는 밀착층(22)과 기재(10)와의 계면(제1 계면)에 있어서, WC 입자의 점유율을 높일 수 있다.

또한, 후술하는 제2 이온 충격 처리에도 세정 작용을 기대할 수 있기 때문에, 조건에 따라서는, 제1 이온 충격 처리를 실시하지 않은 양태도 생각할 수 있다.

제1 이온 충격 처리 후, 또한 기재(10)의 표면에 대하여, Cr, Ti, Zr 및 Nb로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 타겟재로 하여, 제2 이온 충격 처리를 행하여도 좋다. 이에 따라, 기재(10)의 표면에 노출된 결합상을 한층 더 저감할 수 있다. 또한 기재(10)의 표면에, 밀착층(22)의 제3 원소(Cr, Ti, Zr 및 Nb)를 미리 부착시켜 둘 수 있다. 밀착층(22)의 두께는, 예컨대, 여기서의 제3 원소의 부착량에 따라 조정할 수 있다.

제2 이온 충격 처리에 있어서의 타겟재는, 바람직하게는 Cr이다. Cr은 승화성의 금속이다. 그 때문에, Cr은 이온 충격 처리에 있어서서 용융 입자(비말)가 되기 어렵다. 따라서 Cr을 채용함으로써, 이온 충격 처리에 따른, 기재(10)의 표면 거칠음을 억제할 수 있다.

(밀착층 형성 단계(S22))

밀착층 형성 단계(S22)에서는, 기재(10)와 접하는 밀착층(22)을 형성한다. 예컨대, 제2 이온 충격 처리에 의해, 제3 원소를 부착시킨 후의 기재(10)의 표면에, AIP법에 의해, 제2 원소(Al, Si), Ti 및 N을 더 퇴적시킨다.

이에 따라, 제3 원소 및 제2 원소가 융합된 퇴적물이 생성된다. 또한 상기 퇴적물에, WC 입자로부터 제1 원소(W)와 C가 확산된다. 그 결과, 제1 원소, 제2 원소 및 제3 원소를 함유하는 금속 탄화물, 금속 질화물, 혹은 금속 탄질화물이 생성되어, 밀착층(22)이 형성되게 된다.

(교대층 형성 단계(S23))

교대층 형성 단계(S23)에서는, 기재(10)의 표면, 또는 밀착층(22)의 표면에, 교대층(21)을 형성한다. 밀착층(22)의 표면에 교대층(21)을 형성함으로써, 밀착층(22)은, 기재(10) 및 교대층(21) 사이에 개재되고, 또한 기재(10) 및 교대층(21) 양쪽 모두에 접하게 된다.

교대층(21)은, 제1 층(1)과 제2 층(2)이 교대로 각각 1층 이상 적층되어 구성된다. 교대층(21)은, 예컨대 다음과 같은 방법으로 형성할 수 있다.

(A) AIP법에 있어서, Ti, Al 및 Si를 함유하고, 각 금속의 입경이 각각 상이한 소결 합금을 타겟재로서 이용한다.

(B) AIP법에 있어서, 조성이 서로 상이한 복수의 타겟재(소결 합금)를 이용한다.

(C) AIP법에 있어서, 성막 중, 기재(10)에 인가되는 바이어스 전압을 펄스 형상으로 변화시킨다.

(D) AIP법에 있어서, 가스 유량을 변화시킨다.

(E) AIP법에 있어서, 기재(10)를 회전시키고, 그 회전 주기를 제어한다.

상기 (A)~(E)의 각 방법은, 각각 단독으로도 교대층(21)을 형성할 수 있다. (A)~(E)의 각 방법을 조합하여, 교대층(21)을 형성할 수도 있다.

이상으로부터, 기재(10)와, 기재(10)의 표면에 형성되어 있는 피막(20)을 구비하는 표면 피복 절삭 공구(100)를 제조할 수 있다.

실시예

이하, 실시예가 설명된다. 단, 청구범위는 이하의 예로 한정되어서는 안된다.

<표면 피복 절삭 공구의 제조>

이하와 같이 하여, 각종 표면 피복 절삭 공구를 제조하고, 공구 수명을 평가하였다.

《시료 No. 1》

1. 기재 준비 단계(S10)

이하의 기재(10)를 준비하였다. 기재(10)는, WC 입자(90 질량%), 및 Co(10 질량%)를 포함하는 것이다. WC 입자의 평균 입경은 2 ㎛이다. WC 입자의 평균 입경은, 전술한 방법에 의해 측정하고 있다.

(기재 사양)

팁 모델 번호: SFKN12T3AZTN(스미토모덴코하드메탈사 제조)

재질: 초경합금(ISO P30 그레이드).

2. 피막 형성 단계(S20)

도 3은 성막 장치의 개략 단면도이다. 도 4는 성막 장치의 개략 평면도이다. 도 3에는 도 4의 Ⅲ-Ⅲ선에 있어서의 단면이 도시되어 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 성막 장치(200)는, AIP 장치이다. 본 예에서는, 성막 장치(200)를 이용하여 피막을 형성하고 있다. 우선, 성막 장치(200)의 구성을 설명한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 성막 장치(200)는, 챔버(201)를 구비한다. 챔버(201)에는, 챔버(201) 내에 원료 가스를 도입하기 위한 가스 도입구(202), 및 챔버(201) 내로부터 원료 가스를 외부로 배출하기 위한 가스 배기구(203)가 마련되어 있다. 가스 배기구(203)는, 도시하지 않은 진공 펌프에 접속되어 있다. 챔버(201) 내의 압력은, 가스의 도입량 및 배출량에 따라 조정된다.

챔버(201) 내에는, 회전 테이블(204)이 배치되어 있다. 회전 테이블(204)에는, 기재(10)를 유지하기 위한 기재 홀더(205)가 부착되어 있다. 기재 홀더(205)는, 바이어스 전원(206)의 부극에 접속되어 있다. 바이어스 전원(206)의 정극은, 접지되어 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 챔버(201)의 측벽에는, 복수의 타겟재(211, 212, 213, 214)가 부착되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이 각 타겟재(211, 212)는, 각각 직류 전원(221, 222)의 부극에 접속되어 있다. 직류 전원(221, 222)은, 가변 전원으로서, 그 정극은 접지되어 있다. 또한, 도 3에서는, 도시되어 있지 않지만, 타겟재(213, 214)에 대해서도 동일하다. 이하, 구체적인 조작을 설명한다.

2-1. 기재 세정 단계(S21)

기재 홀더(205)에 기재(10)를 유지시켰다. 진공 펌프를 이용하여, 챔버(201) 내의 압력을, 1.0×10^-4 Pa로 조정하였다. 회전 테이블(204)을 회전시키면서, 성막 장치(200)에 부대된 히터(도시하지 않음)에 의해, 기재(10)의 온도를 500℃로 조정하였다.

가스 도입구(202)로부터 Ar 가스를 도입하고, 챔버(201) 내의 압력을 3.0 Pa로 조정하였다. 같은 압력을 유지하면서, 바이어스 전원(206)의 전압을 서서히 변화시켜, 최종적으로 -1000 V로 조정하였다. 그리고, Ar 이온에 의한 제1 이온 충격 처리에 의해, 기재(10)의 표면을 세정하였다.

2-2. 교대층 형성 단계(S23)

타겟재(211, 212, 213, 214)로서, 하기 표 1에 나타낸 조성의 교대층(21)을 형성할 수 있는 소결 합금을 각각 준비하였다. 각 타겟재(211, 212, 213, 214)를, 소정의 위치에 세팅하였다. 가스 도입구(202)로부터 질소 가스를 도입하고, 회전 테이블(204)을 회전시키면서, 교대층(21)을 형성하였다. 교대층(21)의 형성 조건은 이하와 같다.

(교대층의 형성 조건)

기재의 온도 : 500℃

반응 가스압 : 0.5~10 Pa

바이어스 전압 : -30 V~-800 V

아크 전류 : 100 A

여기서, 반응 가스압 및 바이어스 전압은, 상기한 범위 내에서 일정값으로 하거나, 혹은 상기한 범위 내에서 연속적으로 값을 변화시켰다.

이상으로부터, 시료 No. 1에 따른 표면 피복 절삭 공구를 제조하였다. 피막 구성을 하기 표 1에 나타낸다. 하기 표 1에 나타낸 각 층의 조성, 두께 등은, 전술한 방법에 의해 측정하고 있다.

《시료 No. 2 및 3》

하기 표 1에 나타낸 바와 같이, 제1 층(1)의 두께, 제2 층(2)의 두께, 및 적층수를 변경하는 것을 제외하고는, 시료 No. 1과 동일하게 하여, 시료 No. 2 및 3에 따른 표면 피복 절삭 공구를 제조하였다.

《시료 No. 4~7》

하기 표 1에 나타낸 조성의 교대층이 형성되도록, 타겟재(소결 합금)의 조성을 변경하는 것을 제외하고는, 시료 No. 3과 동일하게 하여, 시료 No. 4~7에 따른 표면 피복 절삭 공구를 제조하였다.

《시료 No. 8》

시료 No. 8에서는, 기재 세정 단계(S21)에 있어서, Ar 이온에 의한 제1 이온 충격 처리 후, Cr 이온에 의한 제2 이온 충격 처리를 더 행하였다. 이들 처리를 거친 표면에, 교대층(21)을 형성하였다. 즉, 시료 No. 8에서는, 밀착층 형성 단계(S22)가 행해지게 된다. 이것을 제외하고는, 시료 No. 1과 동일하게 하여, 시료 No. 8에 따른 표면 피복 절삭 공구를 제조하였다. 시료 No. 8에 있어서의 밀착층(22)의 조성, 두께를 하기 표 2에 나타낸다. 또한 하기 표 2에, 기재(10)와 밀착층(22)이 접하는 부분에 있어서의 WC 입자의 점유율을 나타낸다. 이들의 값은, 전술한 방법에 의해 측정하고 있다.

《시료 No. 9~13》

하기 표 1에 나타낸 조성의 교대층(21) 및 밀착층(22)이 형성되도록, 타겟재(소결 합금)의 조성을 변경하는 것, 및 제2 이온 충격 처리의 조건을 변경하는 것을 제외하고는, 시료 No. 8과 동일하게 하여, 시료 No. 9~13에 따른 표면 피복 절삭 공구를 제조하였다.

《시료 No. 14~17》

시료 No. 14~17에서는, 밀착층(22)을 형성하지 않고, 하기 표 1에 나타낸 단일 조성의 TiAlN계 피막을 더 형성하였다. 이들을 제외하고는, 시료 No. 1~7과 동일하게 하여, 시료 No. 14~17에 따른 표면 피복 절삭 공구를 제조하였다. 하기 표 1 중, 시료 No. 14~17의 피막 조성은, 편의상, 제1 층의 란에 기재하고 있다.

<평가>

절삭 시험에 의해, 각 시료의 공구 수명을 평가하였다. 구체적으로는, 이하의 절삭 조건으로, 습식의 단속 절삭을 행하여, 공구가 결손될 때까지의 절삭 거리를 측정하였다. 결과를 상기 표 2에 나타낸다. 상기 표 2 중, 절삭 거리가 길수록, 공구 수명이 긴 것을 나타내고 있다.

(절삭 조건)

피삭재 : Ni기 내열합금

절삭 속도 : 40 m/min

이송 속도 : 0.1 ㎜/날

절입량 ap : 1.0 ㎜

절입량 ae : 50 ㎜

상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 시료 No. 3~13은, 그 밖의 시료에 비해 공구 수명이 향상되고 있다.

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 시료 No. 14~17은, 피막이 단일 조성이다. 그 때문에, 입계를 따라 균열이 전파되어, 공구 수명이 연장되지 않았다고 생각된다.

시료 No. 3~13은, 피막(20)이 교대층(21)을 포함한다. 시료 No. 3~13에 있어서, 교대층(21)에 포함되는 제1 층(1) 및 제2 층(2)은, 층간 박리를 억제할 수 있을 정도로, 조성이 비슷하고, 게다가 균열의 전파를 억제할 수 있을 정도로, 조성이 괴리된 층이라고 생각된다.

No. 1 및 2는, 피막(20)이 교대층(21)을 포함함에도 불구하고, No. 3~13보다 공구 수명이 짧다. No. 1은, 제1 층(1) 및 제2 층(2)이 지나치게 얇기 때문에, 제1 층(1)과 제2 층(2)이 서로 섞여, 균열 전파의 억제 효과가 저감되었다고 생각된다. No. 2는, 제1 층(1) 및 제2 층(2)이 지나치게 두껍기 때문에, 제1 층(1)과 제2 층(2) 사이에서 층간 박리가 발생하기 쉬워졌다고 생각된다.

상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 시료 No. 8~13은, 시료 No. 3~7에 비해 공구 수명이 연장되고 있다. 피막(20)이 밀착층(22)을 포함함으로써, 기재(10)와 피막(20)의 밀착성이 향상되었기 때문이라고 생각된다.

이번에 개시된 실시형태 및 실시예는 모든 점에서 예시로서, 제한적인 것은 아니다. 청구범위에 의해 정해지는 기술적 범위는, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경을 포함한다.

1 : 제1 층 2 : 제2 층
10 : 기재 20 : 피막
21 : 교대층 22 : 밀착층
100 : 표면 피복 절삭 공구 200 : 성막 장치
201 : 챔버 202 : 가스 도입구
203 : 가스 배기구 204 : 회전 테이블
205 : 기재 홀더 206 : 바이어스 전원
211, 212, 213, 214 : 타겟재 221, 222 : 직류 전원

Claims

기재와,
상기 기재의 표면에 형성되어 있는 피막
을 구비하고,
상기 피막은, 교대층을 포함하며,
상기 교대층은, 제1 조성을 갖는 제1 층과, 제2 조성을 갖는 제2 층을 포함하고,
상기 교대층은, 상기 제1 층과 상기 제2 층이 교대로 각각 1층 이상 적층되어 구성되어 있으며,
상기 제1 층 및 상기 제2 층은, 각각 두께가 2 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하이고,
상기 제1 조성은, Ti_aAl_bSi_cN(0.25≤a≤0.45, 0.55≤b≤0.75, 0≤c≤0.1, a+b+c=1)으로 표시되며,
상기 제2 조성은, Ti_dAl_eSi_fN(0.35≤d≤0.55, 0.45≤e≤0.65, 0≤f≤0.1, d+e+f=1)으로 표시되고,
상기 제1 조성 및 상기 제2 조성은, 0.05≤d-a≤0.2 및 0.05≤b-e≤0.2를 만족하고,
상기 제1 조성은 0<c≤0.05를 만족하고,
상기 제2 조성은 0<f≤0.05를 만족하는 것인 표면 피복 절삭 공구.
삭제
삭제
제1항에 있어서, 상기 기재는 WC 입자를 포함하고,
상기 피막은 밀착층을 더 포함하며,
상기 밀착층은, 상기 기재와 상기 교대층 사이에 개재되어 있고, 상기 기재 및 상기 교대층 양쪽 모두에 접하고 있으며,
상기 밀착층은, 두께가 0.5 ㎚ 이상 50 ㎚ 이하이고,
상기 밀착층은, 금속 탄화물, 금속 질화물 및 금속 탄질화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 화합물을 포함하며,
상기 화합물은,
W와,
Al 및 Si 중 적어도 한쪽의 원소와,
Cr, Ti, Zr 및 Nb로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소
를 함유하는 것인 표면 피복 절삭 공구.
제4항에 있어서, 상기 밀착층은, 탄소 및 질소를 포함하고,
상기 밀착층의 두께 방향에 있어서,
상기 탄소의 함유량은, 상기 기재와 상기 밀착층과의 계면인 제1 계면으로부터, 상기 밀착층과 상기 교대층과의 계면인 제2 계면을 향해 감소되어, 상기 제2 계면에서 최소가 되고,
상기 질소의 함유량은, 상기 제1 계면으로부터 상기 제2 계면을 향해 증가하여, 상기 제2 계면에서 최대가 되는 것인 표면 피복 절삭 공구.
제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 기재 중 상기 밀착층과 접하는 부분에 있어서, 상기 WC 입자는, 상기 부분의 80% 이상을 점유하는 것인 표면 피복 절삭 공구.
기재와,
상기 기재의 표면에 형성되어 있는 피막
을 구비하고,
상기 피막은, 교대층을 포함하며,
상기 교대층은, 제1 조성을 갖는 제1 층과, 제2 조성을 갖는 제2 층을 포함하고,
상기 교대층은, 상기 제1 층과 상기 제2 층이 교대로 각각 1층 이상 적층되어 구성되어 있으며,
상기 제1 층 및 상기 제2 층은, 각각 두께가 2 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하이고,
상기 제1 조성은, Ti_aAl_bSi_cN(0.25≤a≤0.45, 0.55≤b≤0.75, 0<c≤0.05, a+b+c=1)으로 표시되며,
상기 제2 조성은, Ti_dAl_eSi_fN(0.35≤d≤0.55, 0.45≤e≤0.65, 0<f≤0.05, d+e+f=1)으로 표시되고,
상기 제1 조성 및 상기 제2 조성은, 0.05≤d-a≤0.2 및 0.05≤b-e≤0.2를 만족하는 것인 표면 피복 절삭 공구.