KR102350221B1

KR102350221B1 - 표면 피복 절삭 공구 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR102350221B1
Application number: KR1020207026927A
Authority: KR
Inventors: 아농색 파수트; 야스키 기도; 스스무 오쿠노; 신야 이마무라
Original assignee: 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤
Priority date: 2018-03-22
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2022-01-14
Also published as: JP6565093B1; US20200376566A1; US11311945B2; JPWO2019181135A1; KR20200119335A

Abstract

본 발명에 따른 표면 피복 절삭 공구는, 기재(基材)와 상기 기재를 피복하는 피막을 포함하는 표면 피복 절삭 공구로서, 상기 피막은, 도메인 영역과 매트릭스 영역을 포함하는 경질 피막층을 포함하고, 상기 도메인 영역은, 상기 매트릭스 영역 중에 복수의 부분으로 나뉘고, 분산된 상태로 존재하고 있는 영역이며, 상기 도메인 영역은, 제1 Al_x1Ti_(1-x1) 화합물을 포함하는 제1 층과 제2 Al_x2Ti_(1-x2) 화합물을 포함하는 제2 층이 서로 적층된 구조를 갖고, 상기 매트릭스 영역은, 제3 Al_x3Ti_(1-x3) 화합물을 포함하는 제3 층과 제4 Al_x4Ti_(1-x4) 화합물을 포함하는 제4 층이 서로 적층된 구조를 가지며, 상기 제1 AlTi 화합물은 육방정형의 결정 구조를 갖고, 또한 상기 제2 AlTi 화합물은 입방정형의 결정 구조를 가지며, 상기 제3 AlTi 화합물은 육방정형의 결정 구조를 갖고, 또한 상기 제4 AlTi 화합물은 입방정형의 결정 구조를 가지며, 상기 x1은, 0.89 이상 0.97 이하이고, 상기 x2는, 0.5 이상 0.61 이하이며, 상기 x3은, 0.86 이상 0.95 이하이고, 상기 x4는, 0.5 이상 0.65 이하인 표면 피복 절삭 공구이다.

Description

표면 피복 절삭 공구 및 그 제조 방법

본 개시는 표면 피복 절삭 공구 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 출원은 2018년 3월 22일에 출원한 일본 특허 출원인 특원 제2018-054715호에 기초하는 우선권을 주장한다. 상기 일본 특허 출원에 기재된 모든 기재 내용은, 참조에 의해 본 명세서에 원용된다.

종래부터, 초경 합금을 포함하는 절삭 공구를 이용하여, 강철 및 주물 등의 절삭 가공이 행해지고 있다. 이러한 절삭 공구는, 절삭 가공 시에 있어서, 그 날끝이 고온 및 고응력 등의 가혹한 환경에 노출되기 때문에, 날끝의 마모 및 이지러짐이 초래된다.

따라서, 날끝의 마모 및 이지러짐을 억제하는 것이 절삭 공구의 수명을 향상시키는 데에 있어서 중요하다.

절삭 공구의 절삭 성능의 개선을 목적으로 하여, 초경 합금 등의 기재(基材)의 표면을 피복하는 피막의 개발이 진행되고 있다. 그 중에서도, 알루미늄(Al)과 티탄(Ti)과 질소(N)의 화합물(이하, 「AlTiN」이라고도 함)을 포함하는 피막은, 높은 경도를 가질 수 있고, Al의 함유 비율을 높임으로써 내산화성을 높일 수 있다[예컨대, 일본 특허 공표 제2015-509858호 공보(특허문헌 1), 일본 특허 공표 제2017-508632호 공보(특허문헌 2), 일본 특허 공개 제2016-130343호 공보(특허문헌 3)].

특허문헌 1: 일본 특허 공표 제2015-509858호 공보 특허문헌 2: 일본 특허 공표 제2017-508632호 공보 특허문헌 3: 일본 특허 공개 제2016-130343호 공보

본 개시에 따른 표면 피복 절삭 공구는,

기재와 상기 기재를 피복하는 피막을 포함하는 표면 피복 절삭 공구로서,

상기 피막은, 도메인 영역과 매트릭스 영역을 포함하는 경질 피막층을 포함하고,

상기 도메인 영역은, 상기 매트릭스 영역 중에 복수의 부분으로 나뉘고, 분산된 상태로 존재하고 있는 영역이며,

상기 도메인 영역은, Al_x1Ti_(1-x1)N, Al_x1Ti_(1-x1)BN 및 Al_x1Ti_(1-x1)CN으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 제1 AlTi 화합물을 포함하는 제1 층과, Al_x2Ti_(1-x2)N, Al_x2Ti_(1-x2)BN 및 Al_x2Ti_(1-x2)CN으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 제2 AlTi 화합물을 포함하는 제2 층이 서로 적층된 구조를 갖고,

상기 매트릭스 영역은, Al_x3Ti_(1-x3)N, Al_x3Ti_(1-x3)BN 및 Al_x3Ti_(1-x3)CN으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 제3 AlTi 화합물을 포함하는 제3 층과, Al_x4Ti_(1-x4)N, Al_x4Ti_(1-x4)BN 및 Al_x4Ti_(1-x4)CN으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 제4 AlTi 화합물을 포함하는 제4 층이 서로 적층된 구조를 가지며,

상기 제1 AlTi 화합물은 육방정형의 결정 구조를 갖고, 또한 상기 제2 AlTi 화합물은 입방정형의 결정 구조를 가지며,

상기 제3 AlTi 화합물은 육방정형의 결정 구조를 갖고, 또한 상기 제4 AlTi 화합물은 입방정형의 결정 구조를 가지며,

상기 x1은, 0.89 이상 0.97 이하이고,

상기 x2는, 0.5 이상 0.61 이하이며,

상기 x3은, 0.86 이상 0.95 이하이고,

상기 x4는, 0.5 이상 0.65 이하이다.

본 개시에 따른 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법은,

상기 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법으로서,

상기 기재를 준비하는 공정과,

알루미늄의 할로겐화물 가스 및 티탄의 할로겐화물 가스를 포함하는 제1 가스와, 알루미늄의 할로겐화물 가스, 티탄의 할로겐화물 가스 및 암모니아 가스를 포함하는 제2 가스와, 암모니아 가스를 포함하는 제3 가스 각각을, 650℃ 이상 900℃ 이하 또한 0.5 ㎪ 이상 5 ㎪ 이하의 분위기에 있어서 상기 기재에 대해 분출하는 공정을 포함한다.

도 1은 본 실시형태에 따른 표면 피복 절삭 공구의 피막을 구성하는 경질 피막층의 모식도이다.
도 2는 영역 a의 예시적인 확대 사진이다.
도 3은 영역 b의 예시적인 확대 사진이다.
도 4는 본 실시형태에 따른 표면 피복 절삭 공구의 제조에 이용되는 CVD 장치의 모식적인 단면도이다.
도 5는 본 실시형태에 따른 표면 피복 절삭 공구의 제조에 이용되는 CVD 장치의 가스 도입관의 모식적인 단면도이다.

[본 개시가 해결하고자 하는 과제]

최근에는 보다 고효율의(이송 속도가 큰) 절삭 가공이 요구되고 있고, 한층 더한 내결손성 및 내마모성의 향상(날끝의 이지러짐 및 마모의 억제)이 기대되고 있다.

본 개시는 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 우수한 내결손성 및 내마모성을 갖는 표면 피복 절삭 공구를 제공하는 것을 목적으로 한다.

[본 개시의 효과]

상기에 의하면, 우수한 내결손성 및 내마모성을 갖는 표면 피복 절삭 공구를 제공하는 것이 가능해진다.

[본 개시의 실시형태의 설명]

최초로 본 개시의 일 양태의 내용을 열기(列記)하여 설명한다.

[1] 본 개시에 따른 표면 피복 절삭 공구는,

상기 x1은, 0.89 이상 0.97 이하이고,

상기 x2는, 0.5 이상 0.61 이하이며,

상기 x3은, 0.86 이상 0.95 이하이고,

상기 x4는, 0.5 이상 0.65 이하이다.

상기 표면 피복 절삭 공구는, 전술한 바와 같은 구성을 구비함으로써, 우수한 내결손성 및 내마모성을 갖는 것이 가능해진다.

[2] 상기 도메인 영역은, 쌍정(雙晶) 부분을 포함한다. 이와 같이 규정함으로써 내치핑성이 우수한 표면 피복 절삭 공구가 된다.

[3] 상기 제1 층의 두께와 상기 제2 층의 두께의 합계 두께는, 2 ㎚ 이상 20 ㎚ 이하이다. 이와 같이 규정함으로써 내마모성이 우수한 표면 피복 절삭 공구가 된다.

[4] 상기 제3 층의 두께와 상기 제4 층의 두께의 합계 두께는, 1.5 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이다. 이와 같이 규정함으로써 내결손성이 우수한 표면 피복 절삭 공구가 된다.

[5] 본 개시에 따른 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법은, 상기 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법으로서,

상기 기재를 준비하는 공정과,

상기 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법은, 전술한 바와 같은 구성을 구비함으로써, 우수한 내결손성 및 내마모성을 갖는 표면 피복 절삭 공구를 제조하는 것이 가능해진다.

[본 개시의 실시형태의 상세]

이하, 본 개시의 일 실시형태(이하 「본 실시형태」라고 기재함)에 대해 설명한다. 단, 본 실시형태는 이것에 한정되는 것이 아니다. 한편 이하의 실시형태의 설명에 이용되는 도면에 있어서, 동일한 참조 부호는, 동일 부분 또는 상당 부분을 나타낸다. 본 명세서에 있어서 「A~B」라고 하는 형식의 표기는, 범위의 상한 하한(즉 A 이상 B 이하)을 의미하고, A에 있어서 단위의 기재가 없고, B에 있어서만 단위가 기재되어 있는 경우, A의 단위와 B의 단위는 동일하다. 또한, 본 명세서에 있어서, 예컨대 「TiC」 등과 같이, 구성 원소의 조성비가 한정되어 있지 않은 화학식에 의해 화합물이 표시된 경우에는, 그 화학식은 종래 공지된 모든 조성비(원소비)를 포함하는 것으로 한다. 이때 상기 화학식은, 화학량론 조성뿐만이 아니라, 비화학량론 조성도 포함하는 것으로 한다. 예컨대 「TiC」의 화학식에는, 화학량론 조성 「Ti₁C₁」뿐만이 아니라, 예컨대 「Ti₁C_0.8」과 같은 비화학량론 조성도 포함된다. 이것은, 「TiC」 이외의 화합물의 기재에 대해서도 마찬가지이다.

≪표면 피복 절삭 공구≫

본 실시형태에 따른 표면 피복 절삭 공구는,

상기 x1은, 0.89 이상 0.97 이하이고,

상기 x2는, 0.5 이상 0.61 이하이며,

상기 x3은, 0.86 이상 0.95 이하이고,

상기 x4는, 0.5 이상 0.65 이하이다.

본 실시형태의 표면 피복 절삭 공구(이하, 간단히 「절삭 공구」라고 하는 경우가 있음)는, 기재와, 상기 기재를 피복하는 피막을 구비한다. 상기 절삭 공구는, 예컨대, 드릴, 엔드 밀, 드릴용 날끝 교환형 절삭 팁, 엔드 밀용 날끝 교환형 절삭 팁, 프레이즈 가공용 날끝 교환형 절삭 팁, 선삭 가공용 날끝 교환형 절삭 팁, 메탈 소(metal saw), 기어 절삭 공구, 리머, 탭 등일 수 있다.

<기재>

본 실시형태의 기재는, 이러한 종류의 기재로서 종래 공지된 것이면 어느 것도 사용할 수 있다. 예컨대, 상기 기재는, 초경 합금[예컨대, 탄화텅스텐(WC)기 초경 합금, WC 외에 Co를 포함하는 초경 합금, WC 외에 Cr, Ti, Ta, Nb 등의 탄질화물을 첨가한 초경 합금 등], 서멧(TiC, TiN, TiCN 등을 주성분으로 하는 것), 고속도강, 세라믹스(탄화티탄, 탄화규소, 질화규소, 질화알루미늄, 산화알루미늄 등), 입방정형 질화붕소 소결체(cBN 소결체) 및 다이아몬드 소결체로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 포함하는 것이 바람직하고, 초경 합금, 서멧 및 cBN 소결체로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 포함하는 것이 보다 바람직하다.

이들의 각종 기재 중에서도, 특히 WC기 초경 합금 또는 cBN 소결체를 선택하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 이들 기재가 특히 고온에 있어서의 경도와 강도의 밸런스가 우수하여, 상기 용도의 표면 피복 절삭 공구의 기재로서 우수한 특성을 갖기 때문이다.

기재로서 초경 합금을 사용하는 경우, 그러한 초경 합금은, 조직 중에 유리(遊離) 탄소 또는 η상(相)이라고 불리는 이상상(異常相)을 포함하고 있어도 본 실시형태의 효과는 나타난다. 한편, 본 실시형태에서 이용하는 기재는, 그 표면이 개질된 것이어도 상관없다. 예컨대, 초경 합금의 경우에는 그 표면에 탈(脫) β층이 형성되어 있거나, cBN 소결체의 경우에는 표면 경화층이 형성되어 있어도 좋고, 이와 같이 표면이 개질되어 있어도 본 실시형태의 효과는 나타난다.

표면 피복 절삭 공구가, 날끝 교환형 절삭 팁인 경우, 기재는, 칩 브레이커를 갖는 것도, 갖지 않는 것도 포함된다. 날끝의 능선 부분의 형상은, 샤프 에지[경사면과 여유면이 교차하는 능(稜)], 호닝(샤프 에지에 대해 라운딩을 부여한 형상), 네거티브 랜드(모따기를 한 형상), 호닝과 네거티브 랜드를 조합한 형상 중에서, 어느 형상도 포함된다.

<피막>

본 실시형태에 따른 피막은, 도메인 영역과 매트릭스 영역을 포함하는 경질 피막층을 포함한다. 「피막」은, 상기 기재의 적어도 일부(예컨대, 절삭 가공 시에 피삭재와 접하는 부분)를 피복함으로써, 절삭 공구에서의 내결손성, 내마모성 등의 여러 가지 특성을 향상시키는 작용을 갖는 것이다. 상기 피막은, 상기 기재의 전면(全面)을 피복하는 것이 바람직하다. 그러나, 상기 기재의 일부가 상기 피막으로 피복되어 있지 않거나 피막의 구성이 부분적으로 상이하거나 하고 있었다고 해도 본 실시형태의 범위를 일탈하는 것이 아니다.

상기 피막은, 그 두께가 2 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 5 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다. 여기서, 피막의 두께란, 피막을 구성하는 층 각각의 두께의 총합을 의미한다. 「피막을 구성하는 층」으로서는, 예컨대, 후술하는 경질 피막층, 하지층(下地層) 및 최외층 등을 들 수 있다. 상기 피막의 두께는, 예컨대, 투과형 전자 현미경(TEM)을 이용하여, 기재의 표면의 법선 방향에 평행한 단면 샘플에 있어서의 임의의 10점을 측정하고, 측정된 10점의 두께의 평균값을 취함으로써 구하는 것이 가능하다. 후술하는 경질 피막층, 하지층, 최외층 등의 각각의 두께를 측정하는 경우도 마찬가지이다. 투과형 전자 현미경으로서는, 예컨대, 니혼 덴시 가부시키가이샤 제조의 JEM-2100F(상품명)를 들 수 있다.

(경질 피막층)

도 1은 본 실시형태에 따른 표면 피복 절삭 공구의 피막을 구성하는 경질 피막층의 모식도이다. 상기 경질 피막층은, 상기 도메인 영역(도 1의 영역 a)과 상기 매트릭스 영역[도 1의 영역 b(영역 a 이외의 영역)]을 포함한다. 도 1 중, 도메인 영역 a끼리가 겹쳐 보이는 개소가 있으나, 도면의 깊이 방향으로 매트릭스 영역 b가 개재되어 있는 것도 포함된다. 상기 경질 피막층은, 후술하는 조성을 갖지만, 본 실시형태에 따른 표면 피복 절삭 공구가 발휘하는 효과를 손상시키지 않는 범위에 있어서, 불가피 불순물이 포함되어 있어도 좋다. 상기 불가피 불순물의 함유 비율은, 경질 피막층의 전체 질량에 대해 0 질량% 이상 10 질량% 이하인 것이 바람직하다.

상기 경질 피막층은, 본 실시형태에 따른 표면 피복 절삭 공구가 발휘하는 효과를 손상시키지 않는 범위에 있어서, 상기 기재 바로 위에 형성되어 있어도 좋고, 하지층 등의 다른 층을 통해 상기 기재 위에 형성되어 있어도 좋다. 상기 경질 피막층은, 그 위에 최외층 등의 다른 층이 형성되어 있어도 좋다. 또한, 상기 경질 피막층은, 상기 피막의 최외층(최표면층)이어도 좋다.

상기 경질 피막층은, 그 두께가 0.5 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 3 ㎛ 이상 13 ㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다.

(도메인 영역)

본 실시형태에 있어서 「도메인 영역」이란, 후술하는 매트릭스 영역 중에 복수의 부분으로 나뉘고, 분산된 상태로 존재하고 있는 영역(예컨대, 도 1에서의 영역 a)을 의미한다. 또한, 상기 도메인 영역은, 상기 경질 피막층에 있어서 복수의 영역으로 나뉘어 배치되는 영역이라고 파악할 수도 있다. 한편, 전술한 「분산된 상태」는, 도메인 영역이 서로 접촉하고 있는 것을 배제하는 것이 아니다. 상기 도메인 영역은, Al_x1Ti_(1-x1)N, Al_x1Ti_(1-x1)BN 및 Al_x1Ti_(1-x1)CN으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 제1 AlTi 화합물을 포함하는 제1 층과, Al_x2Ti_(1-x2)N, Al_x2Ti_(1-x2)BN 및 Al_x2Ti_(1-x2)CN으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 제2 AlTi 화합물을 포함하는 제2 층이 서로 적층된 구조를 갖는다. 여기서, x1 및 x2는, 각각 제1 층에서의 Al의 원자비 및 제2 층에서의 Al의 원자비를 의미한다. 상기 제1 AlTi 화합물은, Al_x1Ti_(1-x1)N인 것이 바람직하다. 또한, 상기 제2 AlTi 화합물은, Al_x2Ti_(1-x2)N인 것이 바람직하다.

도 2는 영역 a의 예시적인 확대 사진이다. 상기 제1 층(도 2의 어두운 층) 및 상기 제2 층(도 2의 밝은 층)은, 각각이 교대로 1층 이상 적층된 다층 구조를 형성하고 있어도 좋다. 본 실시형태에 있어서, 도메인 영역은, 그 일부가 상기 다층 구조를 포함하고 있어도 좋다. 또한, 도메인 영역은, 상기 다층 구조를 포함하고 있어도 좋다.

상기 도메인 영역은, TEM에 의한 관찰 및 제한 시야 전자선 회절상을 분석함으로써, 후술하는 매트릭스 영역과 명확히 구별할 수 있다.

상기 도메인 영역의 체적 비율은, 특별히 제한은 없으나, 상기 도메인 영역 및 상기 매트릭스 영역의 전체 체적을 기준으로 하여, 10 체적% 이상 90 체적% 이하여도 좋고, 20 체적% 이상 80 체적% 이하여도 좋으며, 50 체적% 이상 80 체적% 이하여도 좋다. 상기 도메인 영역의 체적 비율은, X선 회절 측정(XRD 측정)을 행하고, 리트벨트 해석함으로써 구해진다. 예컨대, 표면 피복 절삭 공구가 날끝 교환형 절삭 팁인 경우, 후술하는 표 10에 기재된 조건을 이용하여 XRD 측정을 행한다. 이때, 측정하는 영역은, 상기 날끝 교환형 절삭 팁의 능선으로부터 2 ㎜ 이내의 영역이며 또한 평탄한 영역으로 하는 것이 바람직하다. 상기 측정하는 영역을 2개소 선정하고, 각각의 영역에 대해 적어도 2회 이상 측정하는 것이 바람직하다. 그 후, 얻어진 데이터를 리트벨트 해석함으로써, 상기 도메인 영역의 체적 비율을 구한다.

상기 제1 층의 두께는, 2 ㎚ 이상 20 ㎚ 이하인 것이 바람직하고, 4 ㎚ 이상 14 ㎚ 이하인 것이 보다 바람직하다. 상기 제2 층의 두께는, 0.5 ㎚ 이상 5 ㎚ 이하인 것이 바람직하고, 1 ㎚ 이상 4 ㎚ 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기 도메인 영역이 상기 다층 구조를 포함하는 경우, 상기 제1 층의 두께는, 상기 다층 구조를 구성하고 있는 임의의 10개소의 제1 층 각각의 두께의 평균값을 의미한다. 상기 제2 층의 두께에 대해서도 마찬가지이다.

상기 제1 층의 두께와 상기 제2 층의 두께의 합계 두께(양층의 1층씩의 합)는, 2 ㎚ 이상 25 ㎚ 이하인 것이 바람직하고, 2.5 ㎚ 이상 25 ㎚ 이하인 것이 보다 바람직하며, 5 ㎚ 이상 20 ㎚ 이하인 것이 더욱 바람직하다.

상기 제1 AlTi 화합물에서의 x1은, 0.89 이상 0.97 이하이고, 0.9 이상 0.95 이하인 것이 바람직하다. 상기 x1은, 전술한 단면 샘플에 나타난 제1 층에서의 결정립에 대해 주사형 전자 현미경(SEM) 또는 TEM에 부대되는 에너지 분산형 X선 분석(EDX: Energy Dispersive X-ray spectroscopy) 장치를 이용하여 분석함으로써, 구하는 것이 가능하다. 구체적으로는, 상기 단면 샘플의 도메인 영역 중의 제1 층에서의 임의의 10점 각각을 측정하여 상기 x1의 값을 구하고, 구해진 10점의 값의 평균값을 상기 제1 층에서의 x1로 한다. 여기서 상기 「임의의 10점」은, 상기 제1 층 중의 서로 상이한 결정립에서 선택하는 것으로 한다. 또한, 상기 도메인 영역이 상기 다층 구조를 포함하는 경우, 상기 x1은, 상기 다층 구조를 구성하고 있는 임의의 10개소의 제1 층 각각의 x1의 평균값을 의미한다. 후술하는 x2, x3 및 x4의 경우도 마찬가지이다. 상기 EDX 장치로서는, 예컨대, 니혼 덴시 가부시키가이샤 제조의 JED-2300(상품명)을 들 수 있다.

상기 제2 AlTi 화합물에서의 x2는, 0.5 이상 0.61 이하이고, 0.52 이상 0.58 이하인 것이 바람직하다. 상기 x2는, 전술한 단면 샘플에 나타난 제2 층에서의 결정립에 대해 SEM 또는 TEM에 부대되는 EDX 장치를 이용하여 분석함으로써, 구하는 것이 가능하다. 구체적으로는, 상기 x1을 구하는 방법과 동일한 방법에 의해 x2도 구해진다.

상기 제1 층을 구성하는 제1 AlTi 화합물은, 육방정형의 결정 구조를 포함한다. 상기 제1 AlTi 화합물이 육방정형의 결정 구조를 포함하는 것은, 전술한 단면 샘플의 제1 층에 대해 제한 시야에 의한 전자선 회절 측정(SAED: Selected Area Electron Diffraction)을 행하여 얻어진 전자선 회절상의 패턴을 해석함으로써 확인할 수 있다. 구체적으로는, 상기 제1 층에서의 상기 제1 AlTi 화합물의 결정립에 대해 전자선 회절 측정을 행한다. 이때, 측정하는 결정립의 수는, 적어도 10점 이상으로 하고, 20점 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기 도메인 영역이 상기 다층 구조를 포함하는 경우, 전자선 회절 측정은, 전술한 방법을 임의의 10개소의 상기 제1 층에 대해 행하는 것이 바람직하다. 후술하는 제2 층, 제3 층 및 제4 층에 대해서도 마찬가지이다. 상기 전자선 회절상의 패턴 해석을 행할 때 필요한 물질의 결정 구조 파라미터는, 예컨대, International Centre for Diffraction Data(ICDD)로부터 입수하고, 상기 결정 구조 파라미터와 전자선 회절 도형 시뮬레이션 소프트웨어(예컨대: ReciPro)를 이용하여 해석이 가능하다. 상기 전자선 회절 측정에 이용하는 장치로서는, 예컨대, 니혼 덴시 가부시키가이샤 제조의 「JEM-2100F」(상품명)를 들 수 있다.

상기 제2 층을 구성하는 제2 AlTi 화합물은, 입방정형의 결정 구조를 포함한다. 상기 제2 AlTi 화합물이 입방정형의 결정 구조를 포함하는 것은, 전술한 단면 샘플의 제2 층에 대해 전자선 회절 측정(SAED 측정)을 행하고, 전자선 회절상의 패턴 해석을 함으로써 확인할 수 있다. 전자선 회절 측정 및 전자선 회절상의 패턴 해석을 할 때의 구체적인 조건 등은, 상기와 동일하다.

본 실시형태에 있어서, 상기 제1 AlTi 화합물은 육방정형의 결정 구조를 포함하고, 또한 상기 제2 AlTi 화합물은 입방정형의 결정 구조를 포함한다. 상기 제1 AlTi 화합물은 육방정형의 결정 구조로 이루어지고, 또한 상기 제2 AlTi 화합물은 입방정형의 결정 구조로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 실시형태의 일 양태에 있어서, 상기 도메인 영역은, 쌍정 부분을 포함하는 것이 바람직하다. 여기서 「쌍정 부분」이란, 상기 도메인 영역을 구성하는 2개의 단결정이 모여, 일정한 방위에 따라 접합한 부분을 일부에 포함하는 구조를 의미한다. 예컨대, 도 2에 있어서 도시되어 있는 영역 a가 상기 쌍정 부분에 해당한다. 상기 쌍정 부분을 포함하는지의 여부는, 투과형 전자 현미경을 이용하여 상기 도메인 영역을 관찰함으로써 판단할 수 있다.

(매트릭스 영역)

본 실시형태에 있어서 「매트릭스 영역」이란 상기 피막의 모체가 되는 영역(예컨대, 도 1에서의 영역 b)이고, 도메인 영역 이외의 영역을 의미한다. 바꿔 말하면, 상기 매트릭스 영역의 대부분은, 상기 도메인 영역을 구성하는 복수의 영역의 각각을 둘러싸도록 배치되어 있는 영역이라고 파악할 수도 있다. 또한, 상기 매트릭스 영역의 대부분은, 상기 도메인 영역을 구성하는 복수의 영역 사이에 배치되어 있다고 파악할 수도 있다. 상기 매트릭스 영역은, Al_x3Ti_(1-x3)N, Al_x3Ti_(1-x3)BN 및 Al_x3Ti_(1-x3)CN으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 제3 AlTi 화합물을 포함하는 제3 층과, Al_x4Ti_(1-x4)N, Al_x4Ti_(1-x4)BN 및 Al_x4Ti_(1-x4)CN으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 제4 AlTi 화합물을 포함하는 제4 층이 서로 적층된 구조를 갖는다. 여기서, x3 및 x4는, 각각 제3 층에서의 Al의 원자비 및 제4 층에서의 Al의 원자비를 의미한다. 상기 제3 AlTi 화합물은, Al_x3Ti_(1-x3)N인 것이 바람직하다. 또한, 상기 제4 AlTi 화합물은, Al_x4Ti_(1-x4)N인 것이 바람직하다.

도 3은 영역 b의 예시적인 확대 사진이다. 상기 제3 층(도 3의 어두운 층) 및 상기 제4 층(도 3의 밝은 층)은, 각각이 교대로 1층 이상 적층된 다층 구조를 형성하고 있어도 좋다. 본 실시형태에 있어서, 매트릭스 영역은, 그 일부가 상기 다층 구조를 포함하고 있어도 좋다. 또한, 매트릭스 영역은, 상기 다층 구조를 포함하고 있어도 좋다.

상기 매트릭스 영역은, TEM에 의한 관찰 및 제한 시야 전자선 회절상을 분석함으로써, 상기 도메인 영역과 명확히 구별할 수 있다.

상기 매트릭스 영역의 체적 비율은, 특별히 제한은 없으나, 상기 도메인 영역 및 상기 매트릭스 영역의 전체 체적을 기준으로 하여, 10 체적% 이상 90 체적% 이하여도 좋고, 20 체적% 이상 80 체적% 이하여도 좋으며, 50 체적% 이상 80 체적% 이하여도 좋다. 상기 매트릭스 영역의 체적 비율은, X선 회절 측정(XRD 측정)을 행하고, 리트벨트 해석함으로써 구해진다. 구체적으로는, 전술한 도메인 영역의 체적 비율의 구하는 방법과 동일한 방법으로 구할 수 있다.

상기 제3 층의 두께는, 1 ㎚ 이상 20 ㎚ 이하인 것이 바람직하고, 2.5 ㎚ 이상 9.5 ㎚ 이하인 것이 보다 바람직하다. 상기 제4 층의 두께는, 0.5 ㎚ 이상 10 ㎚ 이하인 것이 바람직하고, 1.5 ㎚ 이상 5 ㎚ 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기 매트릭스 영역이 상기 다층 구조를 포함하는 경우, 상기 제3 층의 두께는, 상기 다층 구조를 구성하고 있는 임의의 10개소의 제3 층 각각의 두께의 평균값을 의미한다. 상기 제4 층의 두께에 대해서도 마찬가지이다.

상기 제3 층의 두께와 상기 제4 층의 두께의 합계 두께(양층의 1층씩의 합)는, 1.5 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하인 것이 바람직하고, 4 ㎚ 이상 20 ㎚ 이하인 것이 보다 바람직하다.

상기 제3 AlTi 화합물에서의 x3은, 0.86 이상 0.95 이하이고, 0.89 이상 0.94 이하인 것이 바람직하다. 상기 x3은, 전술한 단면 샘플에 나타난 제3 층에서의 결정립에 대해 SEM 또는 TEM에 부대되는 EDX 장치를 이용하여 분석함으로써, 구하는 것이 가능하다. 구체적으로는, 상기 x1을 구하는 방법과 동일한 방법에 의해 x3도 구해진다.

상기 제4 AlTi 화합물에서의 x4는, 0.5 이상 0.65 이하이고, 0.53 이상 0.61 이하인 것이 바람직하다. 상기 x4는, 전술한 단면 샘플에 나타난 제4 층에서의 결정립에 대해 SEM 또는 TEM에 부대되는 EDX 장치를 이용하여 분석함으로써, 구하는 것이 가능하다. 구체적으로는, 상기 x1을 구하는 방법과 동일한 방법에 의해 x4도 구해진다.

상기 제3 층을 구성하는 제3 AlTi 화합물은, 육방정형의 결정 구조를 포함한다. 상기 제3 AlTi 화합물이 육방정형의 결정 구조를 포함하는 것은, 전술한 단면 샘플의 제3 층에 대해 전자선 회절 측정(SAED 측정)을 행하고, 전자선 회절상의 패턴 해석을 함으로써 확인할 수 있다. SAED 측정 및 전자선 회절의 패턴 해석을 할 때의 구체적인 조건 등은, 상기와 동일하다.

상기 제4 층을 구성하는 제4 AlTi 화합물은, 입방정형의 결정 구조를 포함한다. 상기 제4 AlTi 화합물이 입방정형의 결정 구조를 포함하는 것은, 전술한 단면 샘플의 제4 층에 대해 전자선 회절 측정(SAED 측정)을 행하고, 전자선 회절의 패턴 해석을 함으로써 확인할 수 있다. SAED 측정 및 전자선 회절의 패턴 해석을 할 때의 구체적인 조건 등은, 상기와 동일하다.

본 실시형태에 있어서, 상기 제3 AlTi 화합물은 육방정형의 결정 구조를 포함하고, 또한 상기 제4 AlTi 화합물은 입방정형의 결정 구조를 포함한다. 이와 같이 함으로써 내열 충격성이 우수한 표면 피복 절삭 공구가 된다. 바람직하게는, 상기 제3 AlTi 화합물은 육방정형의 결정 구조로 이루어지고, 또한 상기 제4 AlTi 화합물은 입방정형의 결정 구조로 이루어진다.

(다른 층)

본 실시형태의 효과를 손상시키지 않는 범위에 있어서, 상기 피막은, 다른 층을 더 포함하고 있어도 좋다. 상기 다른 층은, 상기 경질 피막층과는 조성이 상이해도 좋고, 동일해도 좋다. 다른 층으로서는, 예컨대, TiN층, TiCN층, TiBN층, Al₂O₃층 등을 들 수 있다. 한편, 그 적층 순서도 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 상기 다른 층으로서는, 상기 기재와 상기 경질 피막층 사이에 형성되어 있는 하지층, 상기 경질 피막층 위에 형성되어 있는 최외층 등을 들 수 있다. 상기 다른 층의 두께는, 본 실시형태의 효과를 손상시키지 않는 범위에 있어서, 특별히 제한은 없으나 예컨대, 0.1 ㎛ 이상 2 ㎛ 이하를 들 수 있다.

≪표면 피복 절삭 공구의 제조 방법≫

본 실시형태에 따른 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법은,

기재와 상기 기재를 피복하는 피막을 포함하는 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법으로서,

상기 기재를 준비하는 공정과,

<기재를 준비하는 공정>

본 공정에서는, 상기 기재를 준비한다. 상기 기재로서는, 전술한 바와 같이 이러한 종류의 기재로서 종래 공지된 것이면 어느 것도 사용할 수 있다. 예컨대, 상기 기재가 초경 합금을 포함하는 경우, 소정의 배합 조성(질량%)을 포함하는 원료 분말을 시판의 아트라이터(attritor)를 이용하여 균일하게 혼합하고, 계속해서 이 혼합 분말을 소정의 형상(예컨대, SEET13T3AGSN, CNMG120408 등)으로 가압 성형한 후에, 소정의 소결로에 있어서 1300℃~1500℃에서, 1~2시간 소결함으로써, 초경 합금을 포함하는 상기 기재를 얻을 수 있다. 또한, 기재는, 시판품을 그대로 이용해도 좋다. 시판품으로서는, 예컨대, 스미또모 덴꼬 하드메탈 가부시키가이샤 제조의 EH520(상품명)을 들 수 있다.

<제1 가스와 제2 가스와 제3 가스 각각을 기재에 분출하는 공정>

본 공정에서는, 알루미늄의 할로겐화물 가스 및 티탄의 할로겐화물 가스를 포함하는 제1 가스와, 알루미늄의 할로겐화물 가스, 티탄의 할로겐화물 가스 및 암모니아 가스를 포함하는 제2 가스와, 암모니아 가스를 포함하는 제3 가스 각각을, 650℃ 이상 900℃ 이하 또한 0.5 ㎪ 이상 5 ㎪ 이하의 분위기에 있어서 상기 기재에 분출한다. 이 공정은, 예컨대 이하에 설명하는 CVD 장치를 이용하여 행할 수 있다.

(CVD 장치)

도 4에, 실시형태의 절삭 공구의 제조에 이용되는 CVD 장치의 일례의 모식적인 단면도를 도시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, CVD 장치(10)는, 기재(11)를 설치하기 위한 기재 세트 지그(12)의 복수와, 기재 세트 지그(12)를 피복하는 내열 합금강제의 반응 용기(13)를 구비하고 있다. 또한, 반응 용기(13)의 주위에는, 반응 용기(13) 내의 온도를 제어하기 위한 온도 조절 장치(14)가 설치되어 있다.

반응 용기(13)에는, 인접하여 접합된 제1 가스 도입관(15)과 제2 가스 도입관(16)과 제3 가스 도입관(17)을 갖는 가스 도입관(18)이 반응 용기(13)의 내부의 공간을 연직 방향으로 연장되고, 상기 연직 방향을 축으로 회전 가능하게 설치되어 있다. 가스 도입관(18)에 있어서는, 제1 가스 도입관(15)에 도입된 제1 가스와, 제2 가스 도입관(16)에 도입된 제2 가스와 제3 가스 도입관(17)에 도입된 제3 가스가 가스 도입관(18)의 내부에서 혼합되지 않는 구성으로 되어 있다. 또한, 제1 가스 도입관(15), 제2 가스 도입관(16) 및 제3 가스 도입관(17)의 각각의 일부에는, 제1 가스 도입관(15), 제2 가스 도입관(16) 및 제3 가스 도입관(17)의 각각의 내부를 흐르는 가스를 기재 세트 지그(12)에 설치된 기재(11) 상에 분출시키기 위한 복수의 관통 구멍이 형성되어 있다.

또한, 반응 용기(13)에는, 반응 용기(13)의 내부의 가스를 외부로 배기하기 위한 가스 배기관(19)이 설치되어 있고, 반응 용기(13)의 내부의 가스는, 가스 배기관(19)을 통과하여, 가스 배기구(20)로부터 반응 용기(13)의 외부로 배출된다.

보다 구체적으로는, 전술한 제1 가스, 제2 가스 및 제3 가스를, 각각 제1 가스 도입관(15), 제2 가스 도입관(16) 및 제3 가스 도입관(17)에 도입한다. 이때, 각 가스 도입관 내에서의 제1 가스, 제2 가스 및 제3 가스 각각의 온도는, 액화하지 않는 온도이면 특별히 제한은 없다. 다음으로, 650℃ 이상 900℃ 이하(바람직하게는 750℃ 이상 770℃ 이하) 또한 0.5 ㎪ 이상 5 ㎪ 이하(바람직하게는 2.5 ㎪ 이상 3 ㎪ 이하)의 분위기로 한 반응 용기(13) 내에 제1 가스, 제2 가스, 제3 가스를 이 순서로 반복해서 분출한다. 가스 도입관(18)에는 복수의 관통 구멍이 뚫려 있기 때문에, 도입된 제1 가스, 제2 가스 및 제3 가스는, 각각 상이한 관통 구멍으로부터 반응 용기(13) 내에 분출된다. 이때 가스 도입관(18)은, 도 4 중의 회전 화살표가 나타내는 바와 같이 그 축을 중심으로 하여, 예컨대, 2~4 rpm의 회전 속도로 회전하고 있다. 이에 의해, 제1 가스, 제2 가스, 제3 가스를 이 순서로 반복해서 기재(11)에 대해 분출할 수 있다.

(제1 가스)

상기 제1 가스는, 알루미늄의 할로겐화물 가스 및 티탄의 할로겐화물 가스를 포함한다.

알루미늄의 할로겐화물 가스로서는, 예컨대, 염화알루미늄 가스(AlCl₃ 가스, Al₂Cl₆ 가스) 등을 들 수 있다. 바람직하게는, AlCl₃ 가스가 이용된다. 알루미늄의 할로겐화물 가스의 농도(체적%)는, 제1 가스의 전체 체적을 기준으로 하여, 1 체적% 이상 5 체적% 이하인 것이 바람직하고, 2.1 체적% 이상 2.4 체적% 이하인 것이 보다 바람직하다.

티탄의 할로겐화물 가스로서는, 예컨대, 염화티탄(Ⅳ) 가스(TiCl₄ 가스), 염화티탄(Ⅲ) 가스(TiCl₃ 가스) 등을 들 수 있다. 바람직하게는, 염화티탄(Ⅳ) 가스가 이용된다. 티탄의 할로겐화물 가스의 농도(체적%)는, 제1 가스의 전체 체적을 기준으로 하여, 0.05 체적% 이상 1 체적% 이하인 것이 바람직하고, 0.1 체적% 이상 0.4 체적% 이하인 것이 보다 바람직하다.

상기 제1 가스에서의 알루미늄의 할로겐화물 가스의 몰비는, 알루미늄의 할로겐화물 가스 및 티탄의 할로겐화물 가스의 전체 몰수를 기준으로 하여, 0.8 이상 0.98 이하인 것이 바람직하고, 0.85 이상 0.95 이하인 것이 보다 바람직하다. 상기 몰비를 상기 범위 내로 하면, 핵 생성-성장형 분해에 의해 상기 제3 층 및 상기 제4 층이 형성된다고 본 발명자들은 생각하고 있다.

상기 제1 가스는, 수소 가스를 포함해도 좋고, 아르곤 가스 등의 불활성 가스를 포함해도 좋다. 불활성 가스의 농도(체적%)는, 제1 가스의 전체 체적을 기준으로 하여, 5 체적% 이상 50 체적% 이하인 것이 바람직하고, 20 체적% 이상 40 체적% 이하인 것이 보다 바람직하다. 수소 가스는, 통상 상기 제1 가스의 잔부를 차지한다.

상기 기재에 분출할 때의 상기 제1 가스의 유량은, 20~30 L/min인 것이 바람직하다.

(제2 가스)

상기 제2 가스는, 알루미늄의 할로겐화물 가스, 티탄의 할로겐화물 가스 및 암모니아 가스를 포함한다. 알루미늄의 할로겐화물 가스 및 티탄의 할로겐화물 가스는, 상기 (제1 가스)의 난에 있어서 예시된 가스를 이용할 수 있다. 이때, 상기 제1 가스에 이용된 알루미늄의 할로겐화물 가스 및 티탄의 할로겐화물 가스 각각과, 제2 가스에 이용된 알루미늄의 할로겐화물 가스 및 티탄의 할로겐화물 가스 각각은, 동일해도 좋고, 상이해도 좋다.

알루미늄의 할로겐화물 가스의 농도(체적%)는, 제2 가스의 전체 체적을 기준으로 하여, 4 체적% 이상 5 체적% 이하인 것이 바람직하고, 4.3 체적% 이상 4.8 체적% 이하인 것이 보다 바람직하다.

티탄의 할로겐화물 가스의 농도(체적%)는, 제2 가스의 전체 체적을 기준으로 하여, 0.1 체적% 이상 1 체적% 이하인 것이 바람직하고, 0.3 체적% 이상 0.8 체적% 이하인 것이 보다 바람직하다.

제2 가스에서의 알루미늄의 할로겐화물 가스의 몰비는, 알루미늄의 할로겐화물 가스 및 티탄의 할로겐화물 가스의 전체 몰수를 기준으로 하여, 0.82 이상 0.98 이하인 것이 바람직하고, 0.85 이상 0.95 이하인 것이 보다 바람직하다. 상기 몰비를 상기 범위 내로 하면, 핵 생성-성장형 분해에 의해 상기 제1 층 및 상기 제2 층이 형성된다고 본 발명자들은 생각하고 있다.

암모니아 가스의 농도(체적%)는, 제2 가스의 전체 체적을 기준으로 하여, 5 체적% 이상 25 체적% 이하인 것이 바람직하고, 10 체적% 이상 20 체적% 이하인 것이 보다 바람직하다.

상기 제2 가스는, 수소 가스를 포함해도 좋고, 아르곤 가스 등의 불활성 가스를 포함해도 좋다. 불활성 가스의 농도(체적%)는, 제2 가스의 전체 체적을 기준으로 하여, 5 체적% 이상 50 체적% 이하인 것이 바람직하고, 15 체적% 이상 20 체적% 이하인 것이 보다 바람직하다. 수소 가스는, 통상 상기 제2 가스의 잔부를 차지한다.

상기 기재에 분출할 때의 상기 제2 가스의 유량은, 30~40 L/min인 것이 바람직하다.

(제3 가스)

상기 제3 가스는, 암모니아 가스를 포함한다. 또한 상기 제3 가스는, 수소 가스를 포함해도 좋고, 아르곤 가스 등의 불활성 가스를 포함해도 좋다. 상기 제3 가스를 상기 기재에 분출함으로써, 매트릭스 영역의 형성이 촉진된다.

암모니아 가스의 농도(체적%)는, 제3 가스의 전체 체적을 기준으로 하여, 3 체적% 이상 30 체적% 이하인 것이 바람직하고, 10 체적% 이상 20 체적% 이하인 것이 보다 바람직하다. 수소 가스는, 통상 상기 제3 가스의 잔부를 차지한다.

상기 기재에 분출할 때의 상기 제3 가스의 유량은, 10~20 L/min인 것이 바람직하다.

<그 외의 공정>

본 실시형태에 따른 제조 방법에서는, 전술한 공정 외에도, 다른 층을 형성하는 공정, 및 표면 처리하는 공정 등을 적절히 행해도 좋다. 전술한 다른 층을 형성하는 경우, 종래의 방법에 의해 다른 층을 형성해도 좋다.

실시예

이하, 실시예를 들어 본 발명을 상세히 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것이 아니다.

≪절삭 공구의 제작≫

<기재의 준비>

먼저, 피막을 형성시키는 대상이 되는 기재로서, 이하의 표 1에 나타내는 기재 K 및 기재 L을 준비하였다(기재를 준비하는 공정). 구체적으로는, 먼저, 표 1에 기재된 배합 조성(질량%)을 포함하는 원료 분말을 균일하게 혼합하였다. 표 1 중의 「나머지」란, WC 또는 c-BN이 배합 조성(질량%)의 잔부를 차지하는 것을 나타내고 있다.

종류		배합 조성 (질량%)
종류		Co	TiCN	TaC	c-BN	WC
기체 (基體)	K	없음	40	없음	나머지	없음
기체 (基體)	L	10.0	없음	2.0	없음	나머지

다음으로, 이 혼합 분말을 소정의 형상으로 가압 성형한 후에, 1300~1500℃에서 1~2시간 소결함으로써, c-BN 복합 소결체를 포함하는 기재 K[기재 형상(JIS 규격): 4NC-CNGA120408] 및 초경 합금을 포함하는 기재 L[기재 형상(JIS 규격): SEET13T3AGSN-L]을 얻었다.

한편, 4NC-CNGA120408은 선삭용의 날끝 교환형 절삭 팁의 형상이고, SEET13T3AGSN-L은 전삭(轉削)(프레이즈)용의 날끝 교환형 절삭 팁의 형상이다.

<피막의 제작>

기재 K 또는 기재 L의 표면 상에, 표 11에 나타나는 하지층, 경질 피막층 및 최외층을 형성함으로써, 기재 K 또는 기재 L의 표면 상에 피막을 제작하였다. 이하, 피막을 구성하는 각 층의 제작 방법에 대해 설명한다.

(경질 피막층의 제작)

표 2에 기재된 성막(成膜) 조건하에서, 표 3~표 5에 기재된 조성을 각각 갖는 제1 가스, 제2 가스 및 제3 가스를 이 순서로 반복해서 기재 K 또는 기재 L의 표면 상에 분출하여 경질 피막층을 제작하였다(제1 가스와 제2 가스와 제3 가스 각각을 기재에 분출하는 공정). 한편, 기재의 표면에 하지층을 형성한 경우에는, 상기 하지층의 표면 상에 경질 피막을 제작하였다.

예컨대, 표 6의 식별 기호 [1]로 나타나는 경질 피막층은, 온도 750℃, 압력 2.5 ㎪, 가스 도입관의 회전 속도 2 rpm의 성막 조건으로(표 2의 식별 기호 A), 표 3의 식별 기호 1-b로 나타나는 제1 가스(2.3 체적%의 AlCl₃, 0.3 체적%의 TiCl₄, 20 체적%의 Ar, 잔부는 H₂, 가스 유량 20 L/min), 표 4의 식별 기호 2-b로 나타나는 제2 가스(4.5 체적%의 AlCl₃, 0.5 체적%의 TiCl₄, 10 체적%의 NH₃, 17 체적%의 Ar, 잔부는 H₂, 가스 유량 40 L/min) 및 표 5의 식별 기호 3-a로 나타나는 제3 가스(10 체적%의 NH₃, 잔부는 H₂, 가스 유량 10 L/min)를 이 순서로 반복해서 기재의 표면 상에 분출하여 경질 피막층을 제작하였다. 제작한 경질 피막층의 조성 등을 표 6에 나타낸다. 표 6 중, 「없음」으로 나타내고 있는 개소는, 해당하는 가스의 분출을 행하지 않았기 때문에, 도메인 영역 또는 매트릭스 영역이 형성되어 있지 않은 것을 나타내고 있다.

성막 조건
식별 기호	A	B	C
온도 (℃)	750	770	770
압력 (㎪)	2.5	3.0	3.0
회전 속도 (rpm)	2	2	4

제1 가스의 조성
식별 기호	1-a	1-b	1-c	1-d	1-e
AlCl₃ (vol%)	2.1	2.3	2.4	2.1	0.5
TiCl₄ (vol%)	0.4	0.3	0.1	0.4	0.5
AlCl₃/(AlCl₃+TiCl₄) (몰비)	0.85	0.90	0.95	0.85	0.5
Ar (vol%)	30	20	40	30	30
H₂ (vol%)	나머지	나머지	나머지	나머지	나머지
가스 유량 (L/min)	20	20	20	30	30

제2 가스의 조성
식별 기호	2-a	2-b	2-c	2-d	2-e
AlCl₃ (vol%)	4.3	4.5	4.8	4.6	2.0
TiCl₄ (vol%)	0.8	0.5	0.3	0.8	2.0
AlCl₃/(AlCl₃+TiCl₄) (몰비)	0.85	0.90	0.95	0.85	0.5
NH₃ (vol%)	10	10	10	10	10
Ar (vol%)	15	17	20	15	15
H₂ (vol%)	나머지	나머지	나머지	나머지	나머지
가스 유량 (L/min)	40	40	40	30	30

제3 가스의 조성
식별 기호	3-a	3-b
NH₃ (vol%)	10	20
H₂ (vol%)	나머지	나머지
가스 유량 (L/min)	10	10

(하지층의 제작, 최외층의 제작)

표 7에 기재된 성막 조건하에서, 표 7에 기재된 조성을 갖는 반응 가스를, 하지층의 경우에는 기재의 표면 상에, 최외층의 경우에는 경질 피막층의 표면 상에 분출하여 하지층 및 최외층을 제작하였다.

≪절삭 공구의 특성 평가≫

전술한 바와 같이 하여 제작한 시료(실시예 1~20 및 비교예 1~6)의 절삭 공구를 이용하여, 이하와 같이, 절삭 공구의 각 특성을 평가하였다.

<피막 등의 두께의 측정>

피막, 및 상기 피막을 구성하는 하지층, 경질 피막층(제1 층, 제2 층, 제3 층, 제4 층) 및 최외층의 두께는, 투과형 전자 현미경(TEM)(니혼 덴시 가부시키가이샤 제조, 상품명: JEM-2100F)을 이용하여, 기재의 표면의 법선 방향에 평행한 단면 샘플에 있어서의 임의의 10점을 측정하고, 측정된 10점의 두께의 평균값을 취함으로써 구하였다. 결과를 표 6 및 표 11에 나타낸다. 여기서, 표 6 중의 제1 층의 「두께」는, 다층 구조를 구성하고 있는 복수의 제1 층 각각에 대해 전술한 방법에 의해 구해진 두께의 평균값을 의미한다. 제2 층, 제3 층, 및 제4 층의 두께에 대해서도 마찬가지이다. 표 11 중, 「하지층」 및 「최외층」의 난에서의 「상동」이라는 표기는, 위에 기재된 실시예에서의 하지층 또는 최외층과 동일한 조성 및 두께인 것을 나타낸다. 또한, 「최외층」의 난에서의 「없음」이라는 표기는, 상기 최외층이 피막 중에 존재하지 않는 것을 나타낸다. 또한, 「경질 피막층」의 난에서의 「[1](7.0)」 등의 표기는, 경질 피막층이 표 6의 식별 기호 [1]로 나타나는 구성을 갖고, 두께가 7.0 ㎛인 것을 나타낸다. 표 11 중, 「TiN(1.0)」 등의 표기는, 해당하는 층이 두께 1.0 ㎛의 TiN의 층인 것을 나타낸다. 또한, 하나의 난 내에 2개의 화합물이 기재되어 있는 경우[예컨대, 「TiN(0.5)-TiCN(2.5)」 등의 경우]에는, 좌측의 화합물[TiN(0.5)]이 기재의 표면에 가까운 측에 위치하는 층인 것을 의미하고, 우측의 화합물[TiCN(2.5)]이 기재의 표면으로부터 먼 측에 위치하는 층인 것을 의미하고 있다. 또한 「[Al₂O₃(0.2)-TiN(0.1)]x3」 등의 표기는, 「Al₂O₃(0.2)-TiN(0.1)」로 나타나는 층이 3회 반복해서 적층되어 있는 것을 의미하고 있다. 한편, 「Al₂O₃(0.2)-TiN(0.1)」에서의, Al₂O₃의 층과 TiN의 층의 적층 순서는, 전술한 설명과 동일하다.

또한, 경질 피막층을 TEM으로 관찰한 결과, 도메인 영역은, 제1 층 및 제2 층의 각각이 교대로 적층된 다층 구조를 형성하고 있는 것을 알 수 있었다(예컨대, 도 2). 또한, 도메인 영역에 있어서 쌍정 부분이 관찰되었다. 또한, 제한 시야의 전자선 회절상으로부터, 도메인 영역을 구성하는 제1 층 및 제2 층은, 각각 육방정 및 입방정형의 결정 구조를 갖고, <100> 방위에 있어서 제1 층 중의 Al 조성과 제2 층 중의 Al 조성이 변화하는 것을 알 수 있었다. 한편 매트릭스 영역은, 제3 층 및 제4 층의 각각이 교대로 적층된 다층 구조를 형성하고 있는 것을 알 수 있었다(예컨대, 도 3).

<막 경도 및 막 영률의 측정>

경질 피막층의 막 경도 및 막 영률은, 나노인덴터(Elionix사 제조, 상품명: ENT1100a)를 이용하여, 이하의 조건으로 측정하였다. 이때, 상기 경질 피막층이 최표면에 없는 시료를 측정하는 경우에는, 기계 연마 등으로 상기 경질 피막층을 노출시키고 나서 측정을 행하였다. 또한, 상기 경질 피막층에서의 임의의 10점 각각을 측정하여 상기 막 경도를 구하고, 구해진 10점의 막 경도의 평균값을 상기 경질 피막층에서의 막 경도 및 막 영률로 하였다. 한편, 경질 피막층의 막 경도 및 막 영률은, 하중과 변위의 곡선으로부터 올리버와 파르의 이론에 기초하여 산출하였다. 결과를 표 6에 나타낸다.

나노인덴터의 측정 조건

압자(壓子) 재질: 다이아몬드

압자 형상: 베르코비치 압자

시험 하중: 30 mN

스텝 인터벌: 20 msec

유지 시간: 1000 msec

측정점수: 10점

<도메인 영역 및 매트릭스 영역의 결정 구조>

도메인 영역(제1 층, 제2 층) 및 매트릭스 영역(제3 층, 제4 층)에서의 AlTiN의 결정 구조는, 투과 전자 현미경 및 제한 시야 전자선 회절 측정(TEM-SAED 측정)용 장치(니혼 덴시 가부시키가이샤 제조, 상품명: JEM-2100F)를 이용하여, 이하의 표 8에 나타내는 조건으로 측정하였다. 이때, 측정하는 결정립의 수는, 1개소의 층에 대해 적어도 10개 이상으로 하고, 임의의 10개소의 각 층에 대해 측정하였다. 그 결과, 도메인 영역을 구성하는 제2 층 및 매트릭스 영역을 구성하는 제4 층은 입방정형의 결정 구조를 갖고 있는 것을 알 수 있었다. 또한, 도메인 영역을 구성하는 제1 층 및 매트릭스 영역을 구성하는 제3 층은 육방정의 결정 구조를 갖고 있는 것을 알 수 있었다. 한편, 표 6의 「도메인 영역」 및 「매트릭스 영역」의 난에 있어서, 「h-AlTiN」 등의 표기에서의 「h」는 상기 화합물이 육방정형의 결정 구조를 갖고 있는 것을 나타내고 있다. 또한, 「c-TiAlN」 등의 표기에서의 「c」는 상기 화합물이 입방정형의 결정 구조를 갖고 있는 것을 나타내고 있다.

<도메인 영역 및 매트릭스 영역의 조성>

경질 피막층에서의 제1 층, 제2 층, 제3 층 및 제4 층의 조성은, EDX 측정용 장치(니혼 덴시 가부시키가이샤 제조, 상품명: JED-2300)를 이용하여, 이하의 표 9의 조건으로 측정하였다. 예컨대, 상기 단면 샘플의 도메인 영역 중의 제1 층에서의 임의의 10점 각각을 측정하여 상기 x1의 값을 구하고, 구해진 10점의 값의 평균값을 상기 제1 층에서의 x1로 하였다. 여기서 상기 「임의의 10점」은, 상기 제1 층 중의 서로 상이한 결정립에서 선택하였다. 또한, 상기 도메인 영역이 상기 다층 구조를 포함하는 경우, 상기 x1은, 상기 다층 구조를 구성하고 있는 임의의 10개소의 제1 층 각각의 x1의 평균값으로 하였다. 제2 층, 제3 층 및 제4 층의 경우도 동일한 방법으로 구하였다. 결과를 표 6에 나타낸다.

EDX 측정 조건

<도메인 영역 및 매트릭스 영역의 체적 비율>

도메인 영역(제1 층, 제2 층) 및 매트릭스 영역(제3 층, 제4 층)의 전체 체적을 기준으로 한, 상기 도메인 영역, 상기 매트릭스 영역 각각의 체적 비율은, X선 회절 측정(XRD 측정)용 장치(가부시키가이샤 리가쿠 제조, 상품명: SmartLab)를 이용하여, 이하의 표 10에 나타내는 조건으로 측정하였다. 이때, 상기 경질 피막층이 최표면에 없는 시료를 측정하는 경우에는, 기계 연마 등으로 상기 경질 피막층을 노출시키고 나서 측정을 행하였다. 또한, 측정하는 영역은, 공구 날끝의 능선으로부터 2 ㎜ 이내의 영역이며 또한 평탄한 영역으로 하였다. 상기 측정하는 영역을 2개소 선정하고, 각각의 영역에 대해 적어도 2회 이상 측정하였다. 그 결과, 도메인 영역을 구성하는 제2 층 및 매트릭스 영역을 구성하는 제4 층은 입방정형의 결정 구조를 갖고 있는 것을 알 수 있었다. 도메인 영역을 구성하는 제1 층 및 매트릭스 영역을 구성하는 제3 층은 육방정의 결정 구조를 갖고 있는 것을 알 수 있었다. 또한, 도메인 영역과 매트릭스 영역의 체적 비율을 리트벨트 해석(가부시키가이샤 리가쿠사 제조, 해석 소프트웨어명: PDXL)으로부터 정량적으로 추정하는 것이 가능하였다. 구체적으로는, 표 6에서의 식별 기호 [1]~[9]의 경질 피막층은, 도메인 영역 및 매트릭스 영역 각각의 체적 비율이, 80 체적% 및 20 체적%였다. 또한, 표 6에서의 식별 기호 [10]의 경질 피막층은, 도메인 영역 및 매트릭스 영역 각각의 체적 비율이, 50 체적% 및 50 체적%였다.

≪절삭 시험≫

<시험 1: 선삭 가공 시험>

전술한 바와 같이 하여 제작한 시료(실시예 1~10, 비교예 1, 2 및 5)의 절삭 공구를 이용하여, 이하의 절삭 조건에 의해 여유면 마모량(Vb)이 0.2 ㎜가 될 때까지 또는 결손(치핑)이 발생할 때까지의 절삭 시간을 측정하고 날끝의 최종 손상 형태를 관찰하였다. 그 결과를 표 12에 나타낸다. 절삭 시간이 길수록 내마모성이 우수한 절삭 공구로서 평가할 수 있다.

절삭 조건

피삭재 : SUJ2

주속(周速) : 400 m/min

절입량(ap) : 1.5 ㎜

절삭 환경 : 건식

<시험 2: 프레이즈 가공 시험>

전술한 바와 같이 하여 제작한 시료(실시예 11~20, 비교예 3, 4 및 6)의 절삭 공구를 이용하여, 이하의 절삭 조건에 의해 여유면 마모량(Vb)이 0.2 ㎜가 될 때까지 또는 결손(치핑)이 발생할 때까지의 절삭 시간을 측정하고 날끝의 최종 손상 형태를 관찰하였다. 그 결과를 표 13에 나타낸다. 절삭 시간이 길수록 내마모성이 우수한 절삭 공구로서 평가할 수 있다.

절삭 조건

피삭재 : SUS316L

주속 : 250 m/min

절입량(ap) : 2 ㎜

절입폭(ae) : 30 ㎜

절삭 환경 : 습식

표 12의 결과로부터 실시예 1~10의 절삭 공구는, 절삭 시간이 15분 이상의 양호한 결과가 얻어졌다. 또한, 실시예 1~10의 절삭 공구는, 최종적인 손상 형태가 정상 마모였다. 한편 비교예 1, 2 및 5의 절삭 공구는, 각각 절삭 시간이 7분, 13분, 10분이었다. 또한, 비교예 1, 비교예 2 및 비교예 5의 절삭 공구는 치핑이 관찰되었다. 시험 1의 절삭 조건은 절삭 저항이 높다고 추측되기 때문에, 실시예 1~10의 절삭 공구는, 비교예 1, 2 및 5의 절삭 공구에 비해, 고온 시에서의 강도가 향상되어 내열 충격성도 우수하다고 생각된다. 즉, 실시예 1~10의 절삭 공구는, 내결손성, 내마모성에 더하여, 내열 충격성도 우수한 것을 알 수 있었다.

표 13의 결과로부터, 실시예 11~20의 절삭 공구는, 절삭 시간이 18분 이상의 양호한 결과가 얻어졌다. 또한, 실시예 11~20의 절삭 공구는, 최종적인 손상 형태가 정상 마모였다. 한편 비교예 3, 4 및 6의 절삭 공구는, 절삭 시간이 각각 10분, 15분, 5분이었다. 또한, 비교예 3의 절삭 공구는 치핑이 관찰되었다. 비교예 6의 절삭 공구는 결손이 관찰되었다. 시험 2의 결과로부터 실시예 11~20의 절삭 공구는, 비교예 3, 4 및 6의 절삭 공구에 비해, 내결손성 및 내마모성이 우수하고, 공구 수명도 긴 것을 알 수 있었다. 또한, 실시예 11~20의 절삭 공구는, 비교예 3, 4 및 6의 절삭 공구에 비해, 습식 단속 가공에 적합한 것을 알 수 있었다.

이상과 같이 본 발명의 실시형태 및 실시예에 대해 설명을 행하였으나, 전술한 각 실시형태 및 각 실시예의 구성을 적절히 조합하는 것도 당초부터 예정하고 있다.

이번에 개시된 실시형태 및 실시예는 모든 점에서 예시이고, 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 실시형태 및 실시예가 아니라 청구의 범위에 의해 나타나고, 청구의 범위와 균등의 의미, 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

10: CVD 장치 11: 기재
12: 기재 세트 지그 13: 반응 용기
14: 온도 조절 장치 15: 제1 가스 도입관
16: 제2 가스 도입관 17: 제3 가스 도입관
18: 가스 도입관 19: 가스 배기관
20: 가스 배기구 a: 영역 a, 도메인 영역
b: 영역 b, 매트릭스 영역

Claims

기재(基材)와 상기 기재를 피복하는 피막을 포함하는 표면 피복 절삭 공구로서,
상기 피막은, 도메인 영역과 매트릭스 영역을 포함하는 경질 피막층을 포함하고,
상기 도메인 영역은, 상기 매트릭스 영역 중에 복수의 부분으로 나뉘고, 분산된 상태로 존재하고 있는 영역이며,
상기 도메인 영역은, Al_x1Ti_(1-x1)N, Al_x1Ti_(1-x1)BN 및 Al_x1Ti_(1-x1)CN으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 제1 AlTi 화합물을 포함하는 제1 층과, Al_x2Ti_(1-x2)N, Al_x2Ti_(1-x2)BN 및 Al_x2Ti_(1-x2)CN으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 제2 AlTi 화합물을 포함하는 제2 층이 서로 적층된 구조를 갖고,
상기 매트릭스 영역은, Al_x3Ti_(1-x3)N, Al_x3Ti_(1-x3)BN 및 Al_x3Ti_(1-x3)CN으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 제3 AlTi 화합물을 포함하는 제3 층과, Al_x4Ti_(1-x4)N, Al_x4Ti_(1-x4)BN 및 Al_x4Ti_(1-x4)CN으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 제4 AlTi 화합물을 포함하는 제4 층이 서로 적층된 구조를 가지며,
상기 제1 AlTi 화합물은 육방정형의 결정 구조를 갖고, 또한 상기 제2 AlTi 화합물은 입방정형의 결정 구조를 가지며,
상기 제3 AlTi 화합물은 육방정형의 결정 구조를 갖고, 또한 상기 제4 AlTi 화합물은 입방정형의 결정 구조를 가지며,
상기 x1은, 0.89 이상 0.97 이하이고,
상기 x2는, 0.5 이상 0.61 이하이며,
상기 x3은, 0.86 이상 0.95 이하이고,
상기 x4는, 0.5 이상 0.65 이하인 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항에 있어서, 상기 매트릭스 영역의 체적 비율은, 상기 도메인 영역 및 상기 매트릭스 영역의 전체 체적을 기준으로 하여, 10 체적% 이상 90 체적% 이하인 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 x1은, 0.9 이상 0.95 이하인 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 x2는, 0.52 이상 0.58 이하인 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 x3은, 0.89 이상 0.94 이하인 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 x4는, 0.53 이상 0.61 이하인 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 도메인 영역은, 쌍정(雙晶) 부분을 포함하는 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 층의 두께와 상기 제2 층의 두께의 합계 두께는, 2 ㎚ 이상 20 ㎚ 이하인 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제3 층의 두께와 상기 제4 층의 두께의 합계 두께는, 1.5 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하인 것인 표면 피복 절삭 공구.
제1항 또는 제2항에 기재된 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법으로서,
상기 기재를 준비하는 공정과,
알루미늄의 할로겐화물 가스 및 티탄의 할로겐화물 가스를 포함하는 제1 가스와, 알루미늄의 할로겐화물 가스, 티탄의 할로겐화물 가스 및 암모니아 가스를 포함하는 제2 가스와, 암모니아 가스를 포함하는 제3 가스 각각을, 650℃ 이상 900℃ 이하 또한 0.5 ㎪ 이상 5 ㎪ 이하의 분위기에 있어서 상기 기재에 대해 분출하는 공정
을 포함하는 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법.
제10항에 있어서, 상기 제1 가스에서의 상기 알루미늄의 할로겐화물 가스의 농도는, 상기 제1 가스의 전체 체적을 기준으로 하여, 1 체적% 이상 5 체적% 이하이고,
상기 제1 가스에서의 상기 티탄의 할로겐화물 가스의 농도는, 상기 제1 가스의 전체 체적을 기준으로 하여, 0.05 체적% 이상 1 체적% 이하인 것인 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법.
제10항에 있어서, 상기 제1 가스에서의 상기 알루미늄의 할로겐화물 가스의 몰비는, 상기 제1 가스에서의 상기 알루미늄의 할로겐화물 가스 및 상기 티탄의 할로겐화물 가스의 전체 몰수를 기준으로 하여, 0.8 이상 0.98 이하인 것인 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법.
제10항에 있어서, 상기 제2 가스에서의 상기 알루미늄의 할로겐화물 가스의 농도는, 상기 제2 가스의 전체 체적을 기준으로 하여, 4 체적% 이상 5 체적% 이하이고,
상기 제2 가스에서의 상기 티탄의 할로겐화물 가스의 농도는, 상기 제2 가스의 전체 체적을 기준으로 하여, 0.1 체적% 이상 1 체적% 이하이며,
상기 제2 가스에서의 상기 암모니아 가스의 농도는, 상기 제2 가스의 전체 체적을 기준으로 하여, 5 체적% 이상 25 체적% 이하인 것인 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법.
제10항에 있어서, 상기 제2 가스에서의 상기 알루미늄의 할로겐화물 가스의 몰비는, 상기 제2 가스에서의 알루미늄의 할로겐화물 가스 및 상기 티탄의 할로겐화물 가스의 전체 몰수를 기준으로 하여, 0.82 이상 0.98 이하인 것인 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법.
제10항에 있어서, 상기 제3 가스에서의 상기 암모니아 가스의 농도는, 상기 제3 가스의 전체 체적을 기준으로 하여, 3 체적% 이상 30 체적% 이하인 것인 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법.