KR20020033436A

KR20020033436A - 절삭공구

Info

Publication number: KR20020033436A
Application number: KR1020010064277A
Authority: KR
Inventors: 가토히데키
Original assignee: 오카무라 가네오; 니혼도꾸슈도교 가부시키가이샤
Priority date: 2000-10-19
Filing date: 2001-10-18
Publication date: 2002-05-06
Also published as: US20020076284A1; EP1199381A2; EP1199381A3

Abstract

(과제) 열적 및 기계적으로 고부하가 걸리는 절삭가공조건에서도 안정한 절삭성능을 장기간 확보할 수 있고, 또한 저렴하게 제조할 수 있는 세라믹 절삭공구를 제공한다.

(해결수단) 공구 본체부(1)의 세라믹 기체(4)가 질화규소질 세라믹으로 구성되고, 이 세라믹 기체(4)의 표면이 탄질화티탄 피복층(1f)으로 덮여진다. 상기 피복층(1f)은 그 두께방향으로 성장한 주상(柱狀) 결정입자를 주체로 하는 조직을 나타내는 것이고, 또한 표면에서 관찰되는 결정입자의 평균치수를 d, 상기 피복층의 평균두께를 t라 하였을 때, t가 0.5∼3㎛이고, d/t의 값이 0.1 이상 0.5 이하로 조정된다. 이와 같은 피복층(1f)은 형성온도가 750∼900℃의 중저온 영역에서 CVD법에 의해서 형성된다.

Description

절삭공구{Cutting Tool}

본 발명은 공구 본체부가 세라믹으로 구성됨과 아울러 스로어 웨이 팁, 엔드 밀 또는 드릴 등에 사용되는 절삭공구에 관한 것으로서, 상세하게는 내마모성을 개선하기 위해서 상기 세라믹제의 공구 본체부의 표면에 피복층을 형성한 절삭공구에 관한 것이다.

종래에는 상기한 바와 같은 절삭공구로서, 질화규소질 세라믹으로 이루어지는 기체의 표면에 산화알루미늄이나 탄화티탄 등의 피복층을 CVD법(Chemical Vapor Deposition : 화학증착법)에 의해서 다층 형성한 것이, 예를 들면 일본국 특공평3-49681호 공보 혹은 특개평6-246511호 공보에 개시되어 있다. 이들 피복층은 주로 공구의 내마모성이나 내열성을 향상시키기 위한 목적에서 형성되는 것이다.

그러나, 상기 공보에서는 피복층 형성시에 이 피복층에서 발생하는 잔류응력에 대해서 그다지 큰 주의를 기울이지 않았기 때문에, 반드시 현저한 성능 개선을 기대할 수 없다는 문제가 있었다. 즉, CVD법에서는, 가스상태의 원료물질의 화학반응에 의해서 피복층의 형성물질을 합성하면서 세라믹 기체의 표면에 퇴적시키는 수법을 취하는데, 이 화학반응은 원료물질을 활성화시키기 위해서 일반적으로 1000℃ 이상의 고온에서 행해진다. 그리고, 형성되는 피복층과 세라믹 기체간의 열팽창 계수의 차(差)가 크면, 피복층 형성후 상온에서 냉각할 때에 피복층에는 큰 잔류응력이 발생한다. 또, 피복층이 열팽창 계수가 다른 재질에 의해서 복수층으로 구성되어 있는 경우에는, 층과 층간의 열팽창 계수의 차도 잔류응력의 원인이 될 수 있다. 세라믹 공구는 내마모성에 있어서는 우수하지만, 상기한 바와 같은 잔류응력이 과잉되게 발생하면, 공구 사용시에 피복층이 쉽게 박리되는 문제가 있다.

상기한 과제를 해결하기 위한 목적에서, 일본국 특개평10-212183호 공보에는, 기체의 표면에 산질화알루미늄층을 형성하고, 그 위에 다른 산질화알루미늄층, 탄화티탄층, 질화티탄층 및 탄질화티탄층을 이 수순으로 더 형성하고, 또한 최상층에 질화티탄층을 형성한 공구가 제안되어 있다. 그러나, 생력화나 고능률 가공화에 대한 요망이 더욱더 높아지고 있는 최근의 상황하에서는, 상기 공보에 개시된 공구도 피복층의 밀착성 개선에 대해서는 충분하다고 말할 수 없다.

또, 기계적으로 고부하가 걸리는 중절삭가공조건에서 공구를 사용할 경우, 공구는 피삭재와의 접촉마찰에 의해서 고온으로 가열되게 되는데, 피복층과 세라믹 기체간의 열팽창 계수의 차가 크면, 가열ㆍ냉각에 의한 큰 열충격이 공구에 가해지게 된다. 이 결과, 공구의 내결손성이 부족하게 되기 쉽다는 문제도 있다. 예를 들면, 피복층이 세라믹 기체보다도 열팽창 계수가 크면, CVD법에 의한 피복층 형성후의 냉각시에 피복층에 발생하는 잔류응력이 인장응력으로 되어, 공구의 내결손성 저하의 큰 요인이 된다. 특히, 단속절삭의 경우에는 이와 같은 열충격이 반복해서 공구에 가해지기 때문에, 공구수명의 저하가 현저하게 된다.

본 발명의 과제는, 열적 및 기계적으로 고부하가 걸리는 절삭가공조건에서도 안정한 절삭성능을 장기간에 걸쳐서 확보할 수 있고, 또한 저렴하게 제조할 수 있는 세라믹계의 절삭공구를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명의 세라믹 절삭공구의 실시예로서의 스로어 웨이 팁을 나타낸 사시도, 부분 확대 사시도 및 측면부분 단면 모식도(변형예를 포함한다)

도 2는 도 1의 스로어 웨이 팁을 팁 홀더에 부착한 상태를 나타낸 사시도

도 3은 본 발명의 세라믹 절삭공구를 밀링 커터로서 구성한 예를 나타낸 사시도 및 확대 부분 측면도

도 4는 본 발명의 세라믹 절삭공구를 드릴로서 구성한 예를 나타낸 정면도 및 저면도

도 5는 결정입자치수의 정의를 나타낸 설명도

도 6은 탄질화티탄 피복층의 모식도

도 7은 피복층의 두께방향으로의 성분분포 형태예를 몇개의 변형예와 함께 나타낸 개념도

도 8은 탄질화티탄 피복층의 하측 또는 상측에 질화티탄층을 형성한 예를 나타낸 모식도

도 9는 절삭시험에 있어서의 피삭재와 공구의 위치관계를 나타낸 설명도

도 10은 피삭재의 형상을 나타낸 정면도

도 11은 본 발명의 실시예에 있어서의 실험번호 2의 시험품에 형성된 피복층의 표면(a) 및 파단면(b)의 SEM관찰화상

도 12는 본 발명의 실시예에 있어서의 실험번호 13의 시험품에 형성된 피복층의 표면(a) 및 파단면(b)의 SEM관찰화상

* 도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 - 스로어 웨이 팁(공구 본체부)1c - 경사면(상면)

1e - 플랭크1f - 피복층

4 - 세라믹 기체(基體)11 - 팁 홀더

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 절삭공구는, "질화규소질 세라믹으로 이루어지는 세라믹 기체의 표면을 탄질화티탄 피복층으로 덮은 공구 본체부를 가지며, 또한 상기 탄질화티탄 피복층은 그 두께방향으로 성장한 주상(柱狀) 결정입자를 주체로 하는 조직을 가지는 것이고, 또한 상기 탄질화티탄 피복층의 표면에서 관찰되는 결정입자의 평균치수를 d, 상기 탄질화티탄 피복층의 평균두께를 t라 하였을 때, t가 0.5∼3㎛이고, 또한 d/t의 값이 0.1 이상 0.5 이하로 조정되어 있는 것"을 특징으로 한다.

본 발명에서 주안점으로 한 것은, "피복층을 형성한 세라믹 절삭공구에 있어서, 피복층과 세라믹 기체의 밀착성을 유지하면서 내결손성의 저하를 어떻게 억제할 것인가"라는 점에 있었다. 이 점을 감안하여 본 발명자들이 다각적으로 검토한 결과, 세라믹 기체로서 질화규소질 세라믹을 채용하고, 또한 피복층의 재질로서 특히 탄질화티탄을 채용하는 것이 내결손성을 향상시키는데 유리하다는 것이 판명되었다. 그리고, 예의 검토를 거듭한 결과, 탄질화티탄 피복층을 도 6에 모식적으로 나타낸 바와 같이 피복층의 두께방향으로 성장한 주상(柱狀) 결정입자를 주체로 하는 조직(이하, 간단히 「주상 조직」이라 한다)을 가지는 것으로서 형성하고, 또한 탄질화티탄 피복층의 표면에서 관찰되는 결정입자의 평균치수(이하, 간단히「주상 결정입자의 평균치수」라 한다)를 d, 탄질화티탄 피복층의 평균두께를 t라 하였을 때, t를 0.5∼3㎛, 또한 d/t의 값을 0.1 이상 0.5 이하로 조정하는 것이 피복층의 잔류응력을 경감하여 더욱더 우수한 내결손성을 얻을 수 있다는 것을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르른 것이다.

탄질화티탄 피복층에 있어서는, 그 평균두께(t)를 3㎛라는 어느 정도 작은 값으로 조정하면서 또한 d/t의 값을 0.5 이하로 조정함으로써, 피복층 내의 잔류응력이 억제되어 공구의 내결손성을 대폭적으로 개선할 수 있다. 그리고, 본 발명자들의 검토에 의하면, 탄질화티탄 피복층의 조직은 CVD법에 의한 피복층 형성에 의해서 상기 주상 조직으로 할 수 있는데, 이 경우, 상기 d/t의 값은 탄질화티탄 피복층의 형성온도에 의존하여 변화하며, 형성온도가 낮을수록 결정입자의 피복층 면내(面內)방향으로의 성장이 피복층 두께방향으로의 성장에 대해서 상대적으로 억제되기 때문에, d/t의 값이 작아지게 되는 경향이 있다. 그리고, 공구의 내결손성 개선이 현저하게 되는 잔류응력 억제효과는, 상기 d/t의 값이 0.5 이하로 될 정도로 탄질화티탄 피복층의 형성온도가 제한된 경우에 특히 현저하게 된다. 따라서, 보다 저렴한 상기 복합 세라믹을 사용하면서, 공구 사용시의 결손 등을 효과적으로 억제할 수 있게 된다.

또한, 본 명세서에 있어서, 탄질화티탄 피복층의 표면에서 관찰되는 결정입자의 치수(dj)란, 도 5에 나타낸 바와 같이 탄질화티탄 피복층의 표면에 나타나는 입자의 외형선에 대해서, 입자의 내부를 횡단하지 않는 외접 평행선을 상기 입자와의 위치관계를 변경하면서 다수개 그었을 때, 그 평행선의 최소 간격(dmin)과 최대간격(dmax)의 평균값{즉, dj=(dmin＋dmax)/2}으로 나타내는 것으로 한다. 그리고, 평균치수(d)는 표면에 나타나는 모든 입자에 대한 dj의 평균값이다.

d/t의 값이 0.5를 넘으면, 잔류응력 억제효과가 불충분하게 되어 내결손성의 개선을 기대할 수 없게 된다. 한편, 상기 d/t의 값을 0.1 미만으로 하는 것은 탄질화티탄 피복층의 형성온도가 극단적으로 낮아지게 되는 것을 의미하며, 균질의 탄질화티탄 피복층이 얻어지지 않게 되거나 탄질화티탄 피복층과 세라믹 기체와의 밀착성이 저하되어 공구 사용시에 피복층의 박리 등이 쉽게 발생하게 된다. d/t의 값은, 보다 바람직하게는 0.1∼0.3으로 하는 것이 좋다.

또, 탄질화티탄 피복층의 잔류응력 레벨은 탄질화티탄 피복층의 두께에 의해서도 영향을 받는다. 본 발명에서는 탄질화티탄 피복층의 평균두께를 0.5∼3㎛로함에 의해서 상기 잔류응력을 효과적으로 억제할 수 있으며, 따라서 공구의 내결손성을 향상시킬 수 있다. 탄질화티탄 피복층의 평균두께가 0.5㎛ 미만에서는 내마모성이 불충분하게 되고, 3㎛를 넘으면 잔류응력 레벨이 증대되어 내결손성이 손상되는 것으로 이어진다.

상기 탄질화티탄 피복층은, 구체적으로는 750∼900℃의 중저온의 형성온도 범위에서 CVD법에 의해서 형성하는 것이 바람직하다. 형성온도(반응온도)가 900℃ 이상에서는, 얻어지는 탄질화티탄 피복층의 잔류응력이 너무 커지게 되어 공구의 내결손성이 충분히 확보되지 않게 된다. 한편, 750℃ 미만에서는, 탄질화티탄을 형성하기 위한 화학반응이 충분히 진행되지 않게 되어 균질의 탄질화티탄 피복층을 얻는 것이 곤란하게 된다. 탄질화티탄 피복층의 형성온도는, 더 바람직하게는 830∼880℃로 하는 것이 좋다.

CVD법에 의한 피복층 형성에 있어서는, 반응용기 내에 소기의 형상으로 된 세라믹 기체를 배치하고, 이것을 상기한 반응온도로 가열하면서 원료가스를 캐리어가스{예를 들면, 수소가스(H₂)}와 함께 흐르게 하고, 원료가스에서의 화학반응에 의해서 피복층 물질을 생성시키면서 세라믹 기체의 표면에 퇴적시킨다. 원료가스는, 질화티탄 피복층을 형성할 경우에는 티탄원 성분{예를 들면, 사염화티탄(TiCl₄) 등의 염화티탄)과 질소원 성분{예를 들면, 질소가스(N₂)나 암모니아(NH₃)}를 함유한 가스를 사용할 수 있고, 탄질화티탄 피복층을 형성할 경우에는 상기한 질화티탄 피복층의 원료가스에 탄소원 성분(메탄 등의 탄화수소나 그 외의 유기화합물 기체)을더 혼합한 것을 사용할 수 있다. 또, 질소를 함유한 유기화합물{예를 들면, CH₃CN(아세토니트릴)}을 탄질화티탄 피복층의 원료가스로서 이용할 수도 있다.

상기한 바와 같은 중저온 온도범위에서 CVD법에 의해서 형성된 탄질화티탄 피복층은, 도 6의 (a)∼(c)에 나타낸 바와 같이, 피복층의 성장두께(t)가 t1 ⇒ t2 ⇒ t3로 커지게 됨에 따라서 주상 결정입자의 평균치수(d)도 d1 ⇒ d2 ⇒ d3로 커지게 되는 경향이 있다. 그러나, 본 발명에 있어서는 어느 경우도 t/d(= d1/t1, d2/t2, d3/t3)의 값이 0.1 이상 0.5 이하의 범위에 있는 것이 중요하며, 이것에 의해서 상기한 본 발명의 효과를 달성할 수 있다.

탄질화티탄 피복층을 구성하는 탄질화티탄은 탄화티탄(일반식: TiC)과 질화티탄(일반식: TiN)의 고용체로서, 일반식은 TiC_1-xN_x(이하, 간단히 TiCN이라 한다)이다. X의 값은 원료가스 중의 질소원 성분과 탄소원 성분의 조성비에 대응하여 다양하게 설정할 수 있다. 또, 피복층 형성중에 질소원 성분과 탄소원 성분의 조성비를 연속적 또는 단계적으로 변경하여 두께방향으로 X의 값을 연속적 또는 단계적으로 변화시킨 피복층을 형성할 수도 있다. 예를 들면, X의 값이 작은 경우(즉, 탄화티탄 성분이 많은 경우)에는 피복층의 내마모성이 개선되지만, 탄질화티탄 피복층의 하지(下地)가 질화규소질 세라믹으로 이루어진 기체이거나 혹은 후술하는 질화티탄 피복층인 경우에는, 밀착성 개선의 관점에서 X의 값이 큰(즉, 질화티탄 성분이 많은) 쪽이 유리한 경우도 있을 수 있다. 이와 같은 때에는 질소원 성분량에 대한 탄소원 성분량의 비율을 서서히 증가시키면서 피복층을 형성함으로써, 도 7의 (b) 혹은 도 7의 (c)에 나타낸 바와 같이, X의 값이 세라믹 기체 측에서는 크고 피복층 표면 측에서는 작은 경사조성형(傾斜組成型)의 피복층을 형성하는 것이 가능하다.

이어서, 세라믹 기체를 구성하는 질화규소질 세라믹은 질화규소(Si₃N₄)를 주체로 하는 것이지만, 그 잔여성분으로서는 소결조제성분이 있으며, 주기율표의 3A, 4A, 5A, 3B{예를 들면, A1(산화알루미늄 등)} 및 4B{예를 들면, Si(실리카 등)}의 각 족의 원소군 및 Mg에서 선택되는 적어도 1종을, 산화물 환산으로 예를 들면 5질량% 이하의 범위 내에서 함유시킬 수 있다. 이것들은 소결체 중에서는 산화물이나 복합 산화물(예를 들면, 금속 실리케이트) 등의 상태로 존재한다.

3A족의 소결조제성분으로서는 Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu가 일반적으로 이용된다. 이들 원소(R)의 함유량은 Ce만이 RO₂형 산화물로 환산되고, 그 외는 R₂O₃형 산화물로 환산된다. 이것들 중에서도 Y, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb의 각종 희토류 원소의 산화물은 질화규소질 소결체의 강도, 인성 및 내마모성을 향상시키는 효과가 있기 때문에 매우 적합하게 사용된다. 또, 그 외에 마그네시아스피넬, 산화지르코늄 등도 소결조제로서 사용이 가능하다.

세라믹 기체의 구성성분인 질화규소는, 표 1에 나타낸 바와 같이, 세라믹 공구의 피복층의 구성성분으로서 사용되는 산화알루미늄(Al₂O₃), 탄화티탄(TiC), 질화티탄(TiN), 혹은 탄질화티탄(표 1에서는 TiC_0.5N_0.5의 조성의 것을 대표한다)에 비해 열팽창계수가 상당히 작아 피복층에 잔류응력을 발생시키기 쉽다. 그리고, 소결조제성분의 함유량이 적어지게 되면, 그 열팽창계수는 순수한 질화규소에 가까워지기 때문에, 피복층과의 열팽창계수의 차가 더 커지게 되어 잔류응력에 의한 내결손성이 더욱더 발생하기 쉬워지게 된다. 따라서, 종래에는 소결조제성분의 양을 감소시키는 것이 내마모성 향상에 유리하다는 것을 알면서도, 내결손성 확보의 관점에서 어느 정도 많은 소결조제성분을 함유시키지 않을 수 없는 사정이 있었다.

재질	Si₃N₄	AL₂O₃	TiC	TiCN	TiN
열팽창계수(×10^-6/℃)	3.2	8.5	7.6	8.4	9.2

그러나, 본 발명의 채용에 의해서 피복층에 대한 잔류응력을 대폭적으로 억제할 수 있기 때문에, 질화규소질 세라믹 중의 소결조제성분 함유량을 종래 레벨보다도 낮은 값, 예를 들면 5질량% 이하로 저감시키는 것이 가능하게 된다. 이 결과, 공구의 내결손성을 유지하면서 세라믹 기체의 내마모성을 향상시킬 수 있다. 다만, 소결조제성분은, 질화규소질 세라믹의 소성 그 자체가 곤란하게 되는 문제를 피하기 위해서, 최저라 하더라도 1질량% 정도는 첨가하는 것이 바람직하다.

질화규소질 세라믹의 조직은, 질화규소를 주성분으로 하는 주상(主相) 결정입자가 유리질 및/또는 결정질의 결합상으로 결합된 형태의 것이 된다. 또한, 주상(主相)은 β화율이 70체적% 이상(바람직하게는 90체적% 이상)의 Si₃N₄상을 주체로 하는 것인 것이 좋다. 이 경우, Si₃N₄상은 Si 혹은 N의 일부가 Al 혹은 산소로치환된 것, 또한 상(相) 중에 Li, Ca, Mg, Y 등의 금속원자가 고용된 것이어도 된다. 예를 들면, 다음의 일반식으로 나타내는 사이아론을 예시할 수 있다.

β-사이아론 : Si_6-zAl_zO_zN_8-z(z = 0∼4.2)

α-사이아론 : M_x(Si,Al)₁₂(O,N)₁₆(X = 0∼2)

M : Li, Mg, Ca, Y, R (R은 La, Ce를 제외한 희토류 원소)

또한, 본 발명에 있어서,「주성분」(「주체」 혹은 「주로」 등도 같다)이란, 특별한 단서가 없는 한 착안하고 있는 물질에 있어서 그 성분의 함유율이 50질량% 이상인 것을 의미한다.

상기한 소결조제성분은 주로 결합상을 구성하지만, 일부가 주상 중에 혼입되는 것도 있을 수 있다. 또한, 결합상 중에는 소결조제로서 의도적으로 첨가한 성분 이외에 불가피한 불순물, 예를 들면 질화규소 원료분말에 함유되어 있는 산화규소 등이 함유되는 것이 있다.

계속해서, 본 발명에 있어서는, 도 7에 나타낸 바와 같이, 탄질화티탄 피복층과 세라믹 기체와의 사이에 질화티탄 피복층을 삽입할 수 있다(이 질화티탄 피복층도 상술한 중저온 온도영역에서 CVD법에 의해서 형성할 수 있다). 질화티탄은 탄질화티탄보다도 세라믹 기체를 구성하는 질화규소질 세라믹과의 친화성이 우수하기 때문에, 상기한 바와 같은 질화티탄 피복층의 삽입에 의해서 피복층 전체의 밀착성이 향상되며, 더 나아가서는 피복층의 박리 등의 문제점을 일층 효과적으로 억제할 수 있다. 이 경우, 삽입되는 질화티탄 피복층의 평균두께는 0.2∼1㎛의 범위에서조정하는 것이 바람직하다. 평균두께가 0.2㎛ 미만에서는 상기한 밀착성 향상효과가 충분히 얻어지지 않는 경우가 있으며, 1㎛를 넘으면 잔류응력 억제효과가 저하되어 내결손성의 저하 등을 초래하기 쉽게 된다. 도 7의 (a)는 탄질화티탄 피복층을 구성하는 탄질화티탄의 상기 X의 값을, 피복층의 두께방향에 있어서 거의 일정한 값(여기서는 0.5)으로 한 경우의 예이다. 또, 도 7의 (c)의 실선은, X의 값을 피복층의 두께방향으로 연속적으로 변화시킨 예이고, 파선은 단계적으로 변화시킨 예이다.

또한, 도 7의 (b)는 X의 값을 서서히 증가시킨 후, 최종적으로 1보다 작은 값으로 일정하게 유지시킨 경우의 예이다. 이 경우는, 전체가 탄질화티탄 피복층이 되나, 세라믹 기체에 접하는 제 1 층은 두께방향으로 X의 값이 거의 일정한 탄질화티탄 피복층이 되고, 피복층 표면측의 제 2 층은 X의 값이 피복층의 두께방향으로 변화하는 경사조성형의 탄질화티탄 피복층이 된다.

또, 도 8에 나타낸 바와 같이, 탄질화티탄 피복층의 외측을 질화티탄 피복층으로 더 덮을 수 있다(이 질화티탄 피복층도 상술한 중저온 온도영역에서 CVD법에 의해서 형성할 수 있다). 질화티탄은 탄질화티탄보다도 마찰계수가 작기 때문에, 상기한 바와 같은 질화티탄 피복층으로 덮음으로써 공구와 피삭재간의 마찰저항을 줄일 수 있으며, 중절삭 등을 한 경우에도 날끝 부분의 온도상승을 억제할 수 있다. 따라서, 냉각ㆍ가열 사이클 부가에 의한 열충격이 완화되어 내결손성의 향상을 더욱더 도모할 수 있다. 또, 발열 그 자체가 억제되는 것이기 때문에, 내마모성의 향상에도 기여할 수 있다. 이와 같은 질화티탄 피복층은 그 평균두께가 0.3∼1㎛의범위에서 조정되는 것이 바람직하다. 평균두께가 0.3㎛ 미만에서는 상기한 마찰저항 저감효과가 충분히 얻어지지 않는 경우가 있으며, 1㎛를 넘으면 잔류응력 억제효과가 저하되어 내결손성의 저하 등을 초래하기 쉽게 된다.

또한, 본 발명에 있어서,「탄질화티탄 피복층」은 탄질화티탄을 주성분으로 하는 것이라면 본 발명의 목적이 달성되며, 상기한 효과가 손상되지 않는 범위 내에서 불가피한 불순물 혹은 의도적인 첨가성분으로 이루어지는 부성분이 함유되어 있어도 된다. 또,「질화티탄 피복층」도 상기한 것과 마찬가지로 질화티탄을 주성분으로 하는 것이라면 본 발명의 목적이 달성되며, 상기한 효과가 손상되지 않는 범위 내에서 불가피한 불순물 혹은 의도적인 첨가성분으로 이루어지는 부성분{다만, 불가피한 불순물 레벨(예를 들면, 0.5질량% 정도를 상한으로 한다)을 넘는 탄화티탄 성분은 제외한다}이 함유되어 있어도 된다.

(발명의 실시형태)

이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 나타낸 실시예에 의거하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 세라믹 절삭공구의 일실시예로서, 그 공구 본체부를 이루는 스로어 웨이 팁(1)(이하, 간단히 팁이라 한다)을 나타내고 있다. 상기 팁(1)은, 도 1의 (a)에 나타낸 바와 같이 편평한 대략 4각 기둥형상으로 형성된 세라믹 기체의 외면 전체를 도 1의 (c)에 나타낸 피복층(1f)으로 덮은 구조를 가지고 있으며, 예를 들면 그 상면(1c)이 경사면{이하, 간단히 경사면(1c)이라고도 한다}을, 측면(1e)이 플랭크{이하, 간단히 플랭크(1e)라고도 한다}를 형성한다. 도 1의 (b)에 나타낸 바와 같이, 팁(1)은 각 코너부(1a)가 라운딩되어 있으며, 도 1의 (c)에나타낸 바와 같이 각 절삭날(1b)에 대응하여 모따기부(1k)가 형성되어 있다. 또, 도 1의 (a)에 나타낸 바와 같이, 상면(1c)의 중앙에는 도시하지 않은 팁 홀더에 팁(1)을 장착하기 위한 관통구멍(1d)이 두께방향으로 형성되어 있다. 모따기부(1k)는 그 단면이 평면형상으로 되어 있으며, 경사면(1c)과 이루는 각도(θ)가 예를 들면 20∼35˚의 범위로 조정되어 있다. 또한, 모따기부(1k)의 단면형상을 도 1의 (d)에 나타낸 바와 같이 외향 곡면(R면)으로 하거나, 혹은 도 1의 (e)에 나타낸 바와 같이 평면과 곡면을 조합한 것으로 하는 것도 가능하다.

세라믹 기체(4)는 질화규소질 세라믹으로 이루어지며, 함유되는 소결조제성분이 예를 들면 5질량% 이하이다. 또, 피복층(1f)은, 예를 들면 도 6에 나타낸 바와 같은 탄질화티탄 피복층이고, 피복층의 표면에서 관찰되는 결정입자의 평균치수를 d(d1,d2,d3), 상기 피복층의 평균두께를 t라 하였을 때, t(=t1,t2,t3)가 0.5∼3㎛이고, 또한 d/t의 값이 0.1 이상 0.5 이하로 조정되어 있다.

이하, 상기 팁(1)의 제조방법의 일례에 대해서 설명한다.

원료분말로서 질화규소 분말 및 소결조제 분말을 소정량 배합하고, 이것에 필요에 따라서 바인더를 첨가ㆍ혼합하고서 프레스성형(냉간 정수압 소결법을 포함한다) 혹은 사출성형 등의 공지의 방법으로 성형하여 성형체를 제작하고, 또한 상기 성형체를 소성하여 세라믹 기체(4)를 얻는다. 계속해서, 세라믹 기체(4)를 반응용기 내에 배치하고, 이 반응용기 내에 배치된 히터로 이것을 750∼900℃의 중저온 영역에서 가열한다. 탄질화티탄 피복층의 형성은, 이 상태에서 반응용기 내로 원료가스로서의 사염화티탄과 탄소/질소원이 되는 가스(예를 들면, 아세토니트릴, 혹은질소와 메탄 등의 탄화수소와의 혼합가스)를, 캐리어가스로서의 수소와 함께 유통시킴으로써, 원료가스의 분해ㆍ반응에 의해서 탄질화티탄을 합성하면서 세라믹 기체(4)의 표면에 퇴적ㆍ성장시켜서 피복층(1f)을 형성한다. 또한, 반응온도를 상기한 범위로 설정함으로써, 피복층(1f)의 상기한 d/t의 값이 0.1∼0.5의 범위로 조정된다. 또, 피복층(1f)의 형성두께(t)의 절대값은 성장시간의 가감에 의해서 0.5∼3㎛의 범위로 조정된다.

상기 팁(1)은, 도 2에 나타낸 바와 같이 팁 홀더(11)에 착탈 가능하게 부착하여 사용한다. 구체적으로는, 팁(1)과 시트부재(15)를 팁(1)이 상측에 놓이도록 겹쳐지게 하고, 이것들을 팁 홀더(11)의 선단부에 형성된 오목형상의 부착부(12)에 끼워 넣는다. 그리고, 팁(1)의 관통구멍(1d)(도 1) 및 시트부재(15)의 도시하지 않은 관통구멍에 나사(13)를 끼우고서 팁 홀더(11)측으로 나사끼움함으로써, 팁(1)이 팁 홀더(11)에 착탈 가능하게 고정된다.

또한, 본 발명의 세라믹 절삭공구는 밀링 커터나 드릴 등의 다른 절삭공구에도 적용할 수 있는 것은 물론이다. 도 3에는 그 일례로서 정면 밀링 커터(30)가 도시되어 있으며, 회전베이스(31)의 외주면에 복수개의 절삭팁(32)이 설치되어 있다. W는 절삭되는 워크를 나타낸다. 각 절삭팁(32)은 상기한 팁(1)과 같은 재질로 구성되며, 절삭날(35)에 인접하는 경사면(33)과 플랭크(34)에 상기한 팁(1)과 같은 피복층이 형성된다. 한편, 도 4에는 또다른 예로서 드릴(40)이 도시되어 있으며, 축형상의 본체(41)의 선단면에 2개의 드릴팁(42)이 부착되어 있다. 각 드릴팁(42)은 상기한 팁(1)과 같은 재질로 구성되며, 절삭날(45)에 인접하는 경사면(34)과 플랭크(44)에 상기한 팁(1)과 같은 피복층이 형성된다.

(실시예)

이하, 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다.

우선 원료분말로서 α형 질화규소 분말(평균입경 0.5㎛, 산소함유량 1.0질량%), 및 소결조제 분말로서 산화알루미늄 분말, 산화마그네슘 분말, 산화이트륨 분말, 산화이테르븀 분말 및 산화지르코늄 분말(모두 평균입경 1㎛ 이하)을 준비하였다. 그리고, 이들 분말을 표 2에 나타낸 각종 조성이 되도록 배합하고, 유기용매로서의 알코올과 함께 볼 밀을 이용하여 24시간 습식 혼합ㆍ분쇄함으로써 원료 슬러리를 얻었다. 그리고, 이 원료 슬러리를 건조한 후, 바인더로서의 파라핀을 첨가하고, 1톤/㎠의 압력으로 금형 프레스 성형함으로써 성형체를 얻었다. 성형체는 탈바인더 처리후, 질소가스 분위기에서 표 2에 나타낸 각종 온도 및 시간으로 소성하였다. 또한, 소성후에는 필요에 따라서 온도 1600℃, 압력 150㎫의 질소가스 분위기에서 2시간의 열간 정수압 프레스(HIP)처리를 하였다(HIP처리의 유무를 표 2에 나타낸다). 이와 같이 하여 얻어진 4종류의 소결체를, 도 1에 나타낸 형상으로 연삭가공하여 세라믹 기체(4)로 하였다. 또한, 세라믹 기체(4)의 치수는 ISO규격에서 SNGN120408로서 규정되어 있는 것을 채용하였다.

시료 No	조성(중량%)	소성조건	이론밀도비(%)
1	MgO(1)-Y₂O₃(1)	1900℃－4Hr＋HIP	99.6
2	MgO(0.5)-Al₂O₃(1)-Yb₂O₃(2)	1850℃－4Hr	99.5
3	MgO(1)-Y₂O₃(2)-ZrO₂(1)	1850℃－4Hr	99.8
4	MgO(1.5)-Al₂O₃(1)-Y₂O₃(1.5)-ZrO₂(2)	1800℃－4Hr	99.8

이와 같이 하여 얻어진 4종류의 세라믹 기체(4)를 공지의 CVD장치의 반응용기 내에 세트하고, 하기한 조건에 따라서 피복층을 단독 또는 서로 조합시킨 형태로 복수층 형성하여 팁 시험품을 만들었다. 또한, 반응시간의 조정에 의해서 피복층의 형성두께를 각각 변화시켰다.

① MT-TiCN 피복층

피복층 형성온도: 870℃ ;

분위기 압력: 80h㎩ ;

캐리어가스 종별(유량): H₂(18ℓ/min) ;

원료가스 종별(유량): N₂(10ℓ/min),TiCl₄(1.8㎖/min),CH₃CN(0.3㎖/min) ;

② TiN 피복층

피복층 형성온도: 900℃ ;

분위기 압력: 800h㎩ ;

캐리어가스 종별(유량): H₂(13.5ℓ/min) ;

원료가스 종별(유량): N₂(5.6ℓ/min), TiCl₄(0.8㎖/min) ;

③ HT-TiCN 피복층

피복층 형성온도: 980℃ ;

분위기 압력: 800h㎩ ;

캐리어가스 종별(유량): H₂(13.5ℓ/min) ;

원료가스 종별(유량): N₂(3.5ℓ/min), TiCl₄(0.8㎖/min), CH₄(1.0㎖/min);

④ 산화알리늄(Al₂O₃) 피복층

피복층 형성온도: 1010℃ ;

분위기 압력: 80h㎩ ;

캐리어가스 종별(유량): H₂(16.5ℓ/min) ;

원료가스 종별(유량): CO₂(0.8ℓ/min),HCl(1.5ℓ/min), H₂S(60㎖/min). 알루미늄원으로서 금속알루미늄을 사용하고, HCl과의 반응에 의해서 AlCl₃을 소스로서 생성시키도록 하고 있다.

또한, 각종 피복층의 조합에 의해서 제작한 시험품의 상세에 대해서는 표 3에 나타낸다. 각 시험품 모두는 세라믹 기체 측으로부터 표에 기재된 수순으로 피복층을 형성하고 있다(또한, 표 3에 있어서, 「기체 No」란 표 2에서 사용한 세라믹 기체의 번호이다).

시험품No	기체No	피복층(괄호 내는 각 층의평균두께:㎛)	TiCN층 결정입자 평균치수(d:㎛)	d/t	결손될 때까지의 가공산의 수(山)	플랭크마모량(㎜)	비고
1	1	MT-TiCN(2)	0.6	0.3	14	0.13
2	2	MT-TiCN(2)	0.6	0.3	12	0.16
3	3	MT-TiCN(2)	0.6	0.3	미결손	0.18
4	4	MT-TiCN(2)	0.6	0.3	미결손	0.2
5	2	TiN(0.3)-MT-TiCN(2)	0.6	0.3	13	0.14
6	2	TiN(1)-MT-TiCN(2)	0.8	0.4	11	0.12
7	2	TiN(0.5)-MT-TiCN(2)-TiN(0.5)	0.7	0.35	12	0.09
8	2	MT-TiCN(0.5)	0.2	0.4	미결손	0.21
9	2	MT-TiCN(2.5)	0.8	0.32	12	0.09
10	2	MT-TiCN(3.5)	1.3	0.37	3	0.06	*
11	2	TiN(0.5)-MT-TiCN(2)-TiN(1.0)	1.2	0.6	9	0.07	*
12	2	HT-TiCN(2)	1.5	0.75	3	0.15	*
13	2	Al₂O₃(0.5)-HT-TiCN(2)	1.6	0.8	1	0.15	*
14	2	-	-	-	미결손	0.35	*기체

'*'표시는 본 발명의 범위 외의 것을 나타낸다.

또, 형성후의 피복층의 구조를 X선 회절에 의해서 조사한 바, ① 및 ③의 피복층은 탄질화티탄을 주성분으로 하는 것이고, ②의 피복층은 질화티탄을 주성분으로 하는 것임을 알 수 있었다. 또, ①의 피복층의 조성을 X선 광전자 분광법에 의해서 조사한 바, TiC_0.3N_0.7으로 되어 있음을 알 수 있었다. 한편, 탄질화티탄 피복층을 형성한 시험편에 대해서는 그 표면을 SEM(주사전자현미경)으로 관찰하고, 그 관찰화상상에서 결정입자의 치수를 측정하고서 평균값(d)을 구하였다(또한, 탄질화티탄 피복층을 질화티탄 피복층으로 더 덮은 것은, 질화티탄 피복층을 형성하기 전에 탄질화티탄 피복층의 표면에서 결정입자의 치수를 측정하였다). 또한, 후술하는 절삭가공 시험후에 상면(경사면)과 직교하는 방향으로 각 시험편을 절단하고, 그 단면화상으로부터 탄질화티탄 피복층의 평균두께(t)를 측정하였다. 이상의 결과를 표3에 나타낸다.

또, 각 시료(공구)의 절삭성능의 평가는 하기한 조건에 따라서 실시하였다. 즉, 도 9의 (a)에 나타낸 환봉(丸棒)형상의 피삭재(W)를 축선을 중심으로 하여 회전시키고, 그 외주면에 대해서 팁 시험품을 도 9의 (b)에 나타낸 바와 같이 맞닿게 하되, 상면(1c)의 일측을 경사면, 측면(1e)을 플랭크로서 이용하여, 이하의 절삭조건으로 절삭재(W)의 외주면을 건식으로 연속 절삭하였다.

절삭재 : 회색 주철(JIS : FC200)

형상 : 환봉{외경 ø240㎜, 길이 200㎜ : 다만, 도 10에 나타낸 바와 같이,

폭 10㎜(깊이 10㎜)의 둘레방향의 홈을 축선방향으로 10㎜간격으로 형

성하였다(인접하는 홈과 홈 사이의 부분이 가공산(加工山)이 된다} :

또한, 전 둘레를 1회 절삭할 때마다 홈을 재차 절삭하여 홈 깊이를

10㎜로 유지하도록 하였다) ;

절삭속도(V) : 150m/min ;

이송량 : 0.6㎜/1회전 ;

절삭량 : 2.0㎜ ;

절삭유 : 없음(건식 절삭) ;

날끝처리 : 챔퍼 0.1㎜ ×25°;

평가방법 : 날끝이 결손될 때까지의 가공거리에 의한 내결손성 평가.

이상의 결과를 표 3에 나타낸다. 즉, 탄질화티탄 피복층의 평균두께(t)와, 결정입자의 평균치수(d)와 평균두께(t)의 비(d/t)가 본 발명의 청구항에 기재된 수치범위 내에 속하는 것은 양호한 내결손성이 얻어지는 것을 알 수 있다. 또한, 도 11은 표 3에 있어서의 번호 2의 시험품(실시예)에 형성된 피복층의 표면(a) 및 파단면(b)의 SEM관찰화상이고, 도 12는 번호 13의 시험품(비교예)에 형성된 피복층의 표면(a) 및 파단면(b)의 SEM관찰화상이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 열적 및 기계적으로 고부하가 걸리는 절삭가공조건에서도 안정한 절삭성능을 장기간 확보할 수 있고, 또한 저렴하게 제조할 수 있는 세라믹 절삭공구를 제공할 수 있다.

Claims

질화규소질 세라믹으로 이루어지는 세라믹 기체의 표면을 탄질화티탄 피복층으로 덮은 공구 본체부를 가지며,

또한 상기 탄질화티탄 피복층은 그 두께방향으로 성장한 주상(柱狀) 결정입자를 주체로 하는 조직을 가지는 것이고,

또한 상기 탄질화티탄 피복층의 표면에서 관찰되는 결정입자의 평균치수를 d, 상기 탄질화티탄 피복층의 평균두께를 t라 하였을 때, t가 0.5∼3㎛이고, 또한 d/t의 값이 0.1 이상 0.5 이하로 조정되어 있는 것을 특징으로 하는 절삭공구.
청구항 1에 있어서,

상기 탄질화티탄 피복층은 750∼900℃의 온도범위에서 CVD법에 의해서 형성된 것인 것을 특징으로 하는 절삭공구.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

상기 질화규소질 세라믹에 함유되는 소결조제성분의 합계가 5질량% 이하인 것을 특징으로 하는 절삭공구.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,

상기 탄질화티탄 피복층과 상기 세라믹 기체와의 사이에 질화티탄 피복층이 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 절삭공구.
청구항 4에 있어서,

상기 질화티탄 피복층의 평균두께가 0.2∼1㎛인 것을 특징으로 하는 절삭공구.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,

상기 탄질화티탄 피복층의 외측이 질화티탄 피복층으로 더 덮여져 있는 것을 특징으로 하는 절삭공구.
청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,

상기 공구 본체부가 스로어 웨이 팁으로서 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 절삭공구.
청구항 7에 있어서,

상기 스로어 웨이 팁과, 이 스로어 웨이 팁이 착탈 가능하게 부착되는 팁 홀더를 가지는 것을 특징으로 하는 절삭공구.