KR20050040823A

KR20050040823A - 고속절삭가공에서 경질피복층이 우수한 내마모성을발휘하는 표면피복 초경합금제 절삭공구

Info

Publication number: KR20050040823A
Application number: KR1020047006310A
Authority: KR
Inventors: 가즈노리 사또; 아끼히로 곤도; 유스께 다나까; 야스히꼬 다시로; 에이지 나까무라; 히데미쯔 다까오까
Original assignee: 미츠비시 마테리알 고베 툴스 가부시키가이샤; 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
Priority date: 2001-10-30
Filing date: 2002-10-28
Publication date: 2005-05-03
Also published as: EP1440754A1; EP1440754A4; US20050019612A1; US7150925B2; CN1280047C; KR100681741B1; CN1578710A; WO2003037554A1

Abstract

본 발명은 탄화텅스텐기 초경합금 기체 또는 탄질화티탄계 서멧 기체의 표면에, (a) 복합 질탄화물층으로 이루어지는 결정배향이력층을 통하여, (b) 복합 질화물층으로 이루어지는 경질피복층을 물리증착하여 이루어지는, 고속절삭가공에서 경질피복층이 우수한 내마모성을 발휘하는 표면피복 초경합금제 절삭공구를 제공한다. 일례로서, (a1) 복합 질탄화물층은 0.05∼0.5㎛ 의 평균층두께를 갖고, 조성식：(Ti_1-XAl_X)(N_1-YC_Y) 를 만족하는 Ti-Al 복합 질탄화물층이고, (b1) 복합 질화물층은 2∼15㎛ 의 평균층두께를 갖고, 조성식：(Ti_1-ZAl_Z)N 을 만족하는 Ti-Al 복합 질화물층이다. 다른 예로서, (a2) 복합 질탄화물층은 0.05∼0.5㎛ 의 평균층두께를 갖고, 조성식：(Ti_1-XAl_X)N_1-YC_Y를 만족하는 Ti-Al 복합 질탄화물층이고, (b2) 복합 질화물층은 2∼10㎛ 의 평균층두께를 갖고, 조성식：(Al_1-(A+B)Ti_ASi_B)N 을 만족하는 Al-Ti-Si 복합 질화물층일 수도 있다.

Description

고속절삭가공에서 경질피복층이 우수한 내마모성을 발휘하는 표면피복 초경합금제 절삭공구 {SURFACE COATED CEMENTED CARBIDE CUTTING TOOL HAVING HARD COATING LAYER EXHIBITING EXCELLENT WEAR RESISTANCE IN HIGH SPEED MACHINING}

본 발명은 경질피복층이 우수한 고온특성을 갖고, 따라서 각종 강이나 주철 등의 고열 발생을 동반하는 고속절삭가공에서 우수한 내마모성을 발휘하는 표면피복 초경합금제 절삭공구 (이하, 피복초경공구) 에 관한 것이다.

일반적으로 절삭공구로는, 각종 강이나 주철 등의 피삭재의 선삭가공이나 평삭가공에서 바이트의 선단부에 착탈이 자유롭게 부착하여 사용되는 슬로 어웨이 칩, 상기 피삭재의 구멍뚫기 절삭가공 등에 사용되는 드릴이나 미니어처 드릴, 나아가 상기 피삭재의 면삭가공이나 홈가공, 숄더가공 등에 사용되는 일체형 엔드밀 등이 있고, 또 상기 슬로 어웨이 칩을 착탈이 자유롭게 부착하여 상기 일체형 엔드밀과 동일하게 절삭가공하는 슬로 어웨이 엔드밀 공구 등이 알려져 있다.

절삭공구로서 탄화텅스텐(이하, WC 로 나타냄)기 초경합금 또는 탄질화티탄(이하, TiCN 으로 나타냄)기 서멧으로 이루어지는 기체 (이하, 이들을 총칭하여 초경기체 (超硬基體) 라 함) 의 표면에 조성식：(Ti_1-ZAl_Z)N (단, 원자비로, Z 는 0.45∼0.65 를 나타냄) 을 만족하는 Ti-Al 복합 질화물 [이하, (Ti, Al)N 으로 나타냄] 층으로 이루어지는 경질피복층을 2∼15㎛ 의 평균층두께로 물리증착하여 이루어지는 피복초경공구가 알려져 있으며, 이것이 각종 강이나 주철 등의 연속절삭이나 단속절삭가공에 사용되는 것도 잘 알려져 있다.

상기 피복초경공구는, 예를 들어 도 5 에 개략 설명도로 나타내는 물리증착장치의 일종인 아크 이온 플레이팅 장치에 상기 초경기체를 장입하여 히터로 장치 내를, 예를 들어 분위기를 0.5Pa 의 진공으로 하고 500℃ 의 온도로 가열한 상태에서 애노드 전극과 소정 조성을 갖는 Ti-Al 합금이 세팅된 캐소드 전극 (증발원) 과의 사이에, 예를 들어 전압：35V, 전류：90A 의 조건으로 아크방전을 발생시키고, 동시에 장치 내에 반응가스로서 질소 가스를 도입하고, 한편 상기 초경기체에는, 예를 들어 -200V 의 바이어스전극을 인가한 조건으로 상기 초경기체의 표면에 상기 (Ti, Al)N 층으로 이루어지는 경질피복층을 증착함으로써 제조되는 것도 알려져 있다.

또, 절삭공구로서 상기와 같이 WC 기 초경합금 또는 TiCN 기 서멧으로 이루어지는 기판, 즉 초경기체의 표면에 조성식：(Al_1-(A+B)Ti_ASi_B)N (단, 원자비로, A 는 0.35∼0.55, B 는 0.05∼0.20 을 나타냄) 을 만족하는 Al-Ti-Si 복합 질화물 [(이하, Al, Ti, Si)N 으로 나타냄] 층으로 이루어지는 경질피복층을 2∼10㎛ 의 평균층두께로 물리증착하여 이루어지는 피복초경공구가 알려져 있고, 이것이 각종 강이나 주철 등의 연속절삭이나 단속절삭가공에 사용되는 것도 잘 알려져 있었다.

상기 피복초경공구가 예를 들어 도 5 에 개략 설명도로 나타내는 물리증착장치의 일종인 아크 이온 플레이팅 장치에 상기 초경기체를 장입하여 히터로 장치 내를, 예를 들어 450℃ 의 온도로 가열한 상태에서 애노드전극과 소정 조성을 갖는 Al-Ti-Si 합금이 세팅된 캐소드 전극 (증발원) 과의 사이에, 예를 들어 전압：40V, 전류：130A 의 조건으로 아크방전을 발생시키고, 동시에 장치 내에 반응가스로서 질소가스를 도입하여 2Pa 의 반응분위기로 하고, 한편 상기 초경기체에는, 예를 들어 -50V 의 바이어스 전압을 인가한 조건에서 상기 초경기체의 표면에 상기 (Al, Ti, Si)N 층으로 이루어지는 경질피복층을 증착함으로써 제조되는 것도 알려져 있다.

최근의 절삭가공 장치의 고성능화는 눈부신 한편, 절삭가공에 대한 동력절약화 및 에너지절약화, 나아가서는 저비용화의 요구는 강하여, 이에 따라 절삭가공은 고속화되는 경향이 있으나, 상기 종래 피복초경공구에서는 이것을 통상의 절삭가공조건에서 사용한 경우에는 문제는 없지만, 이것을 높은 발열을 동반하는 고속절삭조건에서 사용한 경우에는 경질피복층의 마모진행이 촉진되어 비교적 단시간에 사용수명이 다한다는 것이 현 실정이다.

그래서 본 발명자들은 상기 서술한 바와 같은 관점에서 고속절삭가공에서 우수한 내마모성을 발휘하는 피복초경공구를 개발하기 위해, 특히 상기 종래 피복초경공구를 구성하는 경질피복층에 주목하여 연구한 결과,

(a1) 상기 종래 피복초경공구를 구성하는 (Ti, Al)N 층으로 이루어지는 경질피복층은 Cu-Kα선을 사용한 X 선 회절장치에 의한 측정에서 도 2 에 예시되는 것처럼 (200)면에 최고 피크가 나타나고, 또한 상기 최고 피크의 반가폭 (半價幅) 이 2θ(가로폭) 에서 0.9도 이상인 X 선 회절패턴을 나타내는데, 그 경질피복층을 초경기체 표면에 물리증착 형성하기에 앞서 미리 조성식：(Ti_1-XAl_X)(N_1-YC _Y) (단, 원자비로, X 는 0.05∼0.20, Y：0.01∼0.15 를 나타냄) 를 만족하는 Ti-Al 복합 질탄화물 [이하, (Ti, Al)NC 로 나타냄] 층을 매우 얇은 0.05∼0.5㎛ 의 평균층두께로 증착형성해 두면, 상기 (Ti, Al)NC 층은 (200)면에 고배향하여 상기 (200)면의 피크의 반가폭이 2θ에서 0.6도 이하인 X 선 회절패턴을 나타내므로, 그 위에 물리증착된 본래 X 선 회절패턴의 (200)면에서의 피크의 반가폭이 2θ에서 0.9도 이상인 X 선 회절패턴을 나타내는 상기 (Ti, Ai)N 층 (경질피복층) 도, 도 1 에 예시되는 것처럼 상기 (Ti, Al)NC 층에 의한 결정배향이력효과에 의해 상기 (200)면의 피크의 반가폭이 2θ에서 0.6도 이하인 결정성이 우수한 X 선 회절패턴을 나타내게 되는 것. 및

(b1) X 선 회절패턴의 (200)면에서의 피크의 반가폭이 2θ에서 0.6도 이하를 나타내는 결정성이 우수한 (Ti, Al)N 층은 같은 피크의 반가폭이 같은 0.9도 이상인 (Ti, Al)N 층에 비하여 고온특성 (고온내산화성 및 고온경도) 이 우수하므로, 상기 결정성이 우수한 (혹은 작은 반가폭을 갖는) (Ti, Al)N 층으로 이루어지는 경질피복층을 초경기체 표면에 물리증착하여 이루어지는 피복초경공구는, 높은 발열을 동반하는 강이나 연강 등의 고속절삭가공에서 우수한 내마모성을 발휘하게 되는 것.

이상 (a1) 및 (b1) 에 나타내는 연구결과를 얻은 것이다.

그리고, 다른 관점에서 고속절삭가공에서 우수한 내마모성을 발휘하는 피복초경공구를 개발하기 위해, 특히 상기 종래 피복초경공구를 구성하는 경질피복층에 주목하여 연구한 결과,

(a2) 상기 종래 피복초경공구를 구성하는 (Al, Ti, Si)N 층으로 이루어지는 경질피복층은, Cu-Kα선을 사용한 X 선 회절장치에 의한 측정에서 도 4 에 예시되는 것처럼 (200)면에 최고 피크가 나타나고, 또한 상기 최고 피크의 반가폭이 2θ 에서 0.9도 이상인 X 선 회절패턴를 나타내는데, 그 경질피복층을 초경기체 표면에 물리증착 형성하기에 앞서 미리 조성식：(Ti_1-XAl_X)(N_1-YC_Y) (단, 원자비로, X 는 0.01∼0.15, Y：0.01∼0.15 를 나타냄) 를 만족하는 Ti 기 복합 질탄화물 [이하, (Ti, Al)NC 로 나타냄] 층을 매우 얇은 0.05∼0.5㎛ 의 평균층두께로 증착형성해 두면, 상기 (Ti, Al)NC 층은 (200)면에 고배향하여 상기 (200)면의 피크의 반가폭이 2θ에서 0.6도 이하인 X 선 회절패턴을 나타내므로, 그 위에 물리증착된 본래 X 선 회절패턴의 (200)면에서의 피크의 반가폭이 0.9도 이상인 X 선 회절패턴을 나타내는 상기 (Ai, Ti, Si)N 층도 상기 (Ti, Al)NC 층에 의한 결정배향이력효과에 의해 상기 (200)면의 피크 반가폭이 도 3 에 예시되는 것처럼 2θ에서 0.6도 이하인 결정성이 우수한 X 선 회절패턴을 나타내게 되는 것. 및

(b2) X 선 회절패턴의 (200)면에서의 피크의 반가폭이 2θ에서 0.6도 이하를 나타내는 결정성이 우수한 (Al, Ti, Si)N 층은 같은 피크의 반가폭이 0.9도 이상인 (Al, Ti, Si)N 층에 비하여 고온특성 (고온내산화성 및 고온경도) 이 우수하므로, 상기 결정성이 우수한 (혹은 작은 반가폭을 갖는) (Al, Ti, Si)N 층으로 이루어지는 경질피복층을 초경기체 표면에 물리증착하여 이루어지는 피복초경공구는, 높은 발열을 동반하는 강이나 연강 등의 고속절삭가공에서 우수한 내마모성을 발휘하게 되는 것.

이상 (a2) 및 (b2) 에 나타내는 연구결과를 얻은 것이다.

도 1 은 본 발명의 제 1 양태에서의 피복초경칩의 경질피복층이 나타내는 X 선 회절패턴이다.

도 2 는 종래 피복초경칩의 경질피복층이 나타내는 X 선 회절패턴이다.

도 3 은 본 발명의 제 2 양태에서의 피복초경칩의 경질피복층이 나타내는 X 선 회절패턴이다.

도 4 는 종래 피복초경칩의 다른 예의 경질피복층이 나타내는 X 선 회절패턴이다.

도 5 는 아크 이온 플레이팅 장치의 개략 설명도이다.

도 6a 는 피복초경칩의 개략 사시도, 도 6b 는 피복초경칩의 개략 종단면도이다.

도 7a 는 피복초경엔드밀의 개략 정면도, 도 7b 는 동 절삭부의 개략 횡단면도이다.

도 8a 는 피복초경드릴의 개략 정면도, 도 8b 는 동 홈 형성부의 개략 횡단면도이다.

(발명을 실시하기 위한 최선의 형태)

다음으로, 본 발명의 제 1 양태에 의한 피복초경공구를 실시형태에 의해 구체적으로 설명한다.

(실시형태 1)

원료분말로서, 모두 1∼3㎛ 의 평균입경을 갖는 WC 분말, TiC 분말, ZrC 분말, VC 분말, TaC 분말, NbC 분말, Cr₃C₂ 분말, TiN 분말, TaN 분말 및 Co 분말을 준비하고, 이들 원료분말을 표 1 에 나타내는 배합조성으로 배합하고 볼 밀로 72 시간 습식 혼합하여 건조시킨 후, 100MPa 의 압력으로 압분체로 프레스 성형하여, 이 압분체를 6Pa 의 진공 중 온도：1400℃ 로 1 시간 유지하는 조건으로 소결하고, 소결한 후 절삭날 부분에 R：0.05 의 호닝 가공을 실시하여 ISO 규격·CNMG120408 의 칩 형상을 가진 WC 기 초경합금제 초경기체 A1∼A10 을 형성하였다.

또, 원료분말로서, 모두 0.5∼2㎛ 의 평균입경을 갖는 TiCN (중량비로 TiC/TiN = 50/50) 분말, Mo₂C 분말, ZrC 분말, NbC 분말, TaC 분말, WC 분말, Co 분말 및 Ni 분말을 준비하고, 이들 원료분말을 표 2 에 나타내는 배합조성으로 배합하고 볼 밀로 24 시간 습식혼합하여 건조시킨 후, 100MPa 의 압력으로 압분체로 프레스 성형하여, 이 압분체를 2kPa 의 질소분위기 중 온도：1500℃ 로 1 시간 유지하는 조건으로 소결하고, 소결한 후 절삭날 부분에 R：0.03 의 호닝 가공을 실시하여 ISO 규격·CNMG120408 의 칩 형상을 가진 TiCN 계 서멧제 초경기체 B1∼B6 을 형성하였다.

이어서, 이들 초경기체 A1∼A10 및 B1∼B6 을 아세톤 중에서 초음파 세정하여 건조시킨 상태에서 각각 도 5 에 예시되는 통상의 아크 이온 플레이팅 장치에 장입하고, 한편 캐소드 전극 (증발원) 으로서 각종 성분 조성을 가진 결정배향이력층 형성용 Ti-Al 합금 및 경질피복층 형성용 Ti-Al 합금을 장착하여 장치 내를 배기하고 0.5Pa 의 진공으로 유지하면서 히터로 장치 내를 500℃ 로 가열한 후, Ar 가스를 장치 내로 도입하여 10Pa 의 Ar 분위기로 하고 이 상태에서 초경기체에 -800V 의 바이어스 전압을 인가하여 초경기체 표면을 Ar 가스 봄버트 세정하고, 이어서 장치 내에 반응가스로서 소정 비율로 배합한 질소가스와 메탄가스의 혼합가스를 도입하여 3.5Pa 의 반응분위기로 하는 동시에 상기 초경기체에 인가하는 바이어스 전압을 -70V 로 낮추어 상기 캐소드 전극 (결정배향이력층 형성용 Ti-Al 합금) 과 애노드 전극 사이에 아크 방전을 발생시켜, 이로 인해 상기 초경기체 A1∼A10 및 B1∼B6 의 각 표면에 표 3, 표 4 에 나타나는 목표 조성 및 목표 층두께의 결정배향 이력층 [(Ti, Al)NC 층] 을 형성하고, 계속해서 장치 내에 반응 가스로서 질소가스를 도입하여 4Pa 의 반응분위기로 하는 동시에, 상기 초경기체에 인가하는 바이어스 전압을 -20V 로 낮추어 상기 캐소드 전극 (경질피복층 형성용 Ti-Al 합금) 과 애노드 전극 사이에 아크 방전을 발생시키고, 이로 인해 동일하게 표 3, 4 에 나타내는 목표 조성 및 목표 층두께의 경질피복층 [(Ti, Al)N 층] 을 증착함으로써, 도 6a 에 개략 사시도로, 도 6b 에 개략 종단면도 나타내는 형상을 갖는 본 발명 피복초경공구로서의 본 발명 표면 피복초경합금제 슬로 어웨이 칩 (이하, 본 발명 피복초경칩이라 함) 1∼20 을 각각 제조하였다.

또, 비교할 목적으로, 표 5, 표 6 에 나타내는 것처럼 상기 결정배향이력층 [(Ti, Al)NC 층] 을 형성하지 않은 것 이외에는 동일한 조건으로 종래 피복초경공구로서의 종래 표면피복 초경합금제 슬로 어웨이 칩 (이하, 종래 피복초경칩이라 함) 1∼20 을 각각 제조하였다.

다음으로, 상기 본 발명 피복초경칩 1∼20 및 종래 피복초경칩 1∼20 에 관해 이것을 공구강제 바이트의 선단부에 고정 지그로 나사고정한 상태에서

피삭재：JIS·SCM440 의 둥근 막대,

절삭속도：250m/min.,

절삭깊이：1.5㎜,

이송속도：0.2㎜/rev.,

절삭시간：10분

의 조건에서의 합금강의 건식 고속연속 선삭가공 시험,

피삭재：JIS (일본공업규격)·S45C 의 길이 방향 등간격 4 개의 세로홈이 있는 둥근 막대,

절삭속도：280m/min.,

절삭깊이：2.0㎜,

이송속도：0.3㎜/rev.,

절삭시간：5분

의 조건에서의 탄소강의 건식 고속단속 선삭가공 시험,

피삭재：JIS·FC300 의 길이 방향 등간격 4 개의 세로홈이 있는 둥근 막대,

절삭속도：180m/min.,

절삭깊이：1.5㎜,

이송속도：0.3㎜/rev.,

절삭시간：5분

의 조건에서의 주철의 건식 고속단속 선삭가공 시험을 실시하여 모든 선삭가공 시험에서 절삭면의 여유면 마모폭을 측정하였다. 그 측정결과를 표 7, 표 8 에 나타내었다.

(실시형태 2)

원료분말로서, 평균입경：5.5㎛ 를 갖는 중조립 (中粗粒) WC 분말, 평균입경：0.8㎛ 인 미립 (微粒) WC 분말, 평균입경：1.3㎛ 인 TaC 분말, 평균입경：1.2㎛ 인 NbC 분말, 평균입경：1.2㎛ 인 ZrC 분말, 평균입경：2.3㎛ 인 Cr₃C₂ 분말, 평균입경：1.5㎛ 인 VC 분말, 평균입경：1.0㎛ 인 (T1, W)C 분말 및 평균입경：1.8㎛ 인 Co 분말을 준비하고, 이들 원료분말을 각각 표 9 에 나타내는 배합조성으로 배합하고 추가로 왁스를 가하여 아세톤 중에서 24 시간 볼 밀 혼합하여 감압건조시킨 후, 100MPa 의 압력으로 소정 형상의 각종 압분체로 프레스 성형하여, 이들 압분체를 6Pa 의 진공분위기 중 7℃/분의 승온속도로 1370∼1470℃ 범위 내의 소정 온도로 승온하고, 이 온도로 1 시간 유지한 후 노냉 (爐冷) 조건으로 소결하여 직경이 8㎜, 13㎜ 및 26㎜ 인 3 종의 초경기체 형성용 둥근 막대 소결체를 형성하여 추가로 상기 2 종의 둥근 막대 소결체로부터 연삭가공에 의해 표 9 에 나타내는 조합으로 절삭날부의 직경×길이가 각각 6㎜ ×13㎜, 10㎜ ×22㎜ 및 20㎜ ×45㎜ 의 치수를 가진 초경기체 (엔드밀) a∼h 를 각각 제조하였다.

이어서, 이들 초경기체 (엔드밀) a∼h 의 표면에, 아세톤 중에서 초음파 세정하여 건조시킨 상태에서 동일하게 도 5 에 예시되는 통상의 아크 이온 플레이팅 장치에 장입하고, 상기 실시형태 1 과 동일한 조건으로 표 10 에 나타내는 목표 조성 및 목표층두께를 가진 결정배향이력층 [(Ti, Al)NC 층] 및 경질피복층 [(Ti, Al)N 층] 을 증착함으로써, 도 7a 에 개략 정면도로, 도 7b 에 절삭날부의 개략 횡단면도로 나타내는 형상을 갖는 본 발명 피복초경공구로서의 본 발명 표면피복 초경합금제 엔드밀 (이하, 본 발명 피복초경엔드밀이라 함) 1∼8 을 각각 제조하였다.

또, 비교할 목적으로, 표 11 에 나타내는 것처럼 상기 결정배향이력층 [(Ti, Al)NC 층] 을 형성하지 않은 것 이외에는 동일한 조건으로 종래 피복초경공구로서의 종래 표면피복 초경합금제 엔드밀 (이하, 종래 피복초경엔드밀이라 함) 1∼8 을 각각 제조하였다.

다음으로, 상기 본 발명 피복초경엔드밀 1∼8 및 종래 피복초경엔드밀 1∼8 중 본 발명 피복초경엔드밀 1∼3 및 종래 피복초경엔드밀 1∼3 에 관해서는,

피삭재：평면치수：100㎜ ×250㎜, 두께：50㎜ 인 JIS·SNCM439 의 판재,

절삭속도：150m/min.,

홈깊이 (절삭깊이)：3㎜,

테이블 이송속도：650㎜/분,

의 조건에서의 합금강의 건식 고속 홈절삭가공 시험, 본 발명 피복초경엔드밀 4∼6 및 종래 피복초경엔드밀 4∼6 에 관해서는,

피삭재：평면치수：100㎜ ×250㎜, 두께：50㎜ 인 JIS·S55C 의 판재,

절삭속도：160m/min.,

홈깊이 (절삭깊이)：5㎜,

테이블 이송속도：600㎜/분,

의 조건에서의 탄소강의 건식 고속 홈절삭가공 시험, 본 발명 피복초경엔드밀 7, 8 및 종래 피복초경엔드밀 7, 8 에 관해서는,

피삭재：평면치수：100㎜ ×250㎜, 두께：50㎜ 인 JIS·FC250 의 판재,

절삭속도：160m/min.,

홈깊이 (절삭깊이)：10㎜,

테이블 이송속도：320㎜/분,

의 조건에서의 주철의 건식 고속 홈절삭가공 시험을 각각 실시하여, 모든 홈절삭가공 시험에서 외주날의 여유면 마모량이 사용 수명의 기준이 되는 0.1㎜ 에 이를 때까지의 절삭홈 길이를 측정하였다. 그 측정결과를 표 10, 표 11 에 각각 나타내었다.

(실시형태 3)

상기 실시형태 2 에서 제조한 직경이 8㎜ (초경기체 a∼c 형성용), 13㎜ (초경기체 d∼f 형성용) 및 26㎜ (초경기체 g, h 형성용) 의 3 가지 둥근 막대 소결체를 사용하여, 이 3 가지 둥근 막대 소결체로부터 연삭가공으로 홈 형성부의 직경 ×길이가 각각 4㎜ ×13㎜ (초경기체 a'∼c'), 8㎜ ×22㎜ (초경기체 d'∼f') 및 16㎜ ×45㎜ (초경기체 g', h') 의 치수를 가진 초경기체 (드릴) a'∼h' 를 각각 제조하였다.

이어서, 이들 초경기체 (드릴) a'∼h' 의 표면에, 아세톤 중에서 초음파 세정하여 건조시킨 상태에서 동일하게 도 5 에 예시되는 통상의 아크 이온 플레이팅 장치에 장입하고, 상기 실시형태 1 과 동일한 조건으로 표 12 에 나타내는 목표 조성 및 목표층두께를 가진 결정배향이력층 [(Ti, Al)NC 층] 및 경질피복층 [(Ti, Al)N 층] 을 증착함으로써, 도 8a 에 개략 정면도로, 도 8b 에 홈 형성부의 개략 횡단면도로 나타내는 형상을 갖는 본 발명 피복초경공구로서의 본 발명 표면피복 초경합금제 드릴 (이하, 본 발명 피복초경드릴이라 함) 1∼8 을 각각 제조하였다.

또, 비교할 목적으로, 표 13 에 나타내는 것처럼 상기 결정배향이력층 [(Ti, Al)NC 층] 을 형성하지 않은 것 이외에는 동일한 조건으로 종래 피복초경공구로서의 종래 표면피복 초경합금제 드릴 (이하, 종래 피복초경드릴이라 함) 1∼8 을 각각 제조하였다.

다음에, 상기 본 발명 피복초경드릴 1∼8 및 종래 피복초경드릴 1∼8 중 본 발명 피복초경드릴 1∼3 및 종래 피복초경드릴 1∼3 에 관해서는,

피삭재：평면치수：100㎜ ×250㎜, 두께：50㎜ 인 JIS·SCM440 의 판재,

절삭속도：100m/min.,

이송속도：0.12㎜/rev.,

의 조건에서의 합금강의 습식 고속 구멍뚫기 절삭가공 시험, 본 발명 피복초경드릴 4∼6 및 종래 피복초경드릴 4∼6 에 관해서는,

피삭재：평면치수：100㎜ ×250㎜, 두께：50㎜ 인 JIS·S50C 의 판재,

절삭속도：120m/min.,

이송속도：0.25㎜/rev.,

의 조건에서의 탄소강의 습식 고속 구멍뚫기 절삭가공 시험, 본 발명 피복초경드릴 7, 8 및 종래 피복초경드릴 7, 8 에 관해서는,

피삭재：평면치수：100㎜ ×250㎜, 두께：50㎜ 인 JIS·FC300 의 판재,

절삭속도：90m/min.,

이송속도：0.27㎜/rev.,

의 조건에서의 주철의 습식 고속 구멍뚫기 절삭가공 시험을 각각 드릴 직경의 2.5 배인 구멍 깊이의 블라인드 홀 가공에 의해 실행하여 모든 습식 고속 구멍뚫기 절삭가공 시험 (수용성 절삭유 사용) 에서도 선단 절삭날면의 여유면 마모폭이 0.3㎜ 에 이를 때까지의 구멍뚫기 가공수를 측정하였다. 그 측정결과를 표 12, 표 13 에 각각 나타내었다.

또, 그 결과 얻어진 본 발명 피복초경공구로서의 본 발명 피복초경칩 1∼20, 본 발명 피복초경엔드밀 1∼8 및 본 발명 피복초경드릴 1∼8 의 결정배향이력층 [(Ti, Al)NC 층] 및 경질피복층 [(Ti, Al)N 층], 그리고 종래 피복초경공구로서의 종래 피복초경칩 1∼20, 종래 피복초경엔드밀 1∼8 및 종래 피복초경드릴 1∼8 의 경질피복층 [(Ti, Al)N 층] 의 조성에 관해 그 두께 방향 중앙부를 오제 분광분석장치를 사용하여 측정하였더니, 각각 목표 조성과 실질적으로 동일한 조성을 나타내었다.

또, 이들 본 발명 피복초경공구 및 종래 피복초경공구의 상기 구성층의 두께를 주사형 전자현미경을 사용하여 단면 측정하였더니, 모두 목표층두께와 실질적으로 동일한 평균층두께 (5 점 측정의 평균값) 를 나타내었다.

그리고, 이들 본 발명 피복초경공구 및 종래 피복초경공구의 상기 구성층을 X 선 회절장치를 사용하여 절삭날의 경사면, 여유면, 또는 경사면 및 여유면에서 관찰하여, 그 결과 얻어진 X 선 회절패턴으로부터 (200)면에 나타난 피크의 반가폭을 측정하여 (이 경우 정확한 측정이 곤란한 경우에는 상기 실시시에 아크 이온 플레이팅 장치에 동시에 장입한 측정 피스의 X 선 회절패턴을 사용하여 측정), 그 측정결과를 표 3∼6 및 표 10∼13 에 각각 나타내었다.

표 3∼13 에 나타내는 결과로부터, 결정배향이력층의 개재에 의해 경질피복층의 (200)면이 작은 반가폭을 가지며, 이로 인해 우수한 고온 특성 (고온 내산화성 및 고온 경도) 을 구비하게 되는 본 발명 피복초경공구는, 모두 강이나 주철의 절삭가공을 높은 발열을 수반하는 고속으로 실행하여도 상기 경질피복층과 초경기체 표면의 상기 결정배향이력층에서의 C 성분 작용에 의한 밀착성 향상효과와 더불어 우수한 내마찰성을 발휘하는데 반하여, 경질피복층의 (200)면의 결정성이 낮은 종래 피복초경공구에서는, 고온을 수반하는 고속절삭가공에서는 절삭날의 마모진행이 빨라 비교적 단시간에 사용 수명이 다한다는 것이 확실하다.

상기 서술한 바와 같이, 본 발명의 제 1 양태에 관한 피복초경공구는, 특히 각종 강이나 주철 등의 고속절삭가공에서도 우수한 내마모성을 발휘하여 장기에 걸쳐 우수한 절삭성능을 나타내는 것이므로, 절삭가공장치의 고성능화 및 절삭가공의 동력절약화, 에너지절약화, 또한 저비용화에 충분히 만족스럽게 대응할 수 있는 것이다.

다음에, 본 발명의 제 2 양태에 관한 피복초경공구를 실시형태에 의해 구체적으로 설명한다.

(실시형태 4)

원료분말로서, 모두 1∼3㎛ 의 평균입경을 갖는 WC 분말, TiC 분말, ZrC 분말, VC 분말, TaC 분말, NbC 분말, Cr₃C₂ 분말, TiN 분말, TaN 분말 및 Co 분말을 준비하고, 이들 원료분말을 표 14 에 나타내는 배합조성으로 배합하고 볼 밀로 72 시간 습식 혼합하여 건조시킨 후, 100MPa 의 압력으로 압분체로 프레스 성형하여 이 압분체를 6Pa 의 진공 중 온도：1400℃ 로 1 시간 유지하는 조건으로 소결하고, 소결한 후 절삭날 부분에 R：0.03 의 호닝 가공을 실시하여 ISO 규격·CNMG120408 의 칩 형상을 가진 WC 기 초경합금제 초경기기체 A1∼A10 를 형성하였다.

또, 원료분말로서, 모두 0.5∼2㎛ 의 평균입경을 갖는 TiCN (중량비로 TiC/Tin = 50/50) 분말, Mo₂C 분말, ZrC 분말, NbC 분말, TaC 분말, WC 분말, Co 분말 및 Ni 분말을 준비하고, 이들 원료분말을 표 15 에 나타나는 배합조성으로 배합하고 볼 밀로 24 시간 습식 혼합하여 건조시킨 후, 100MPa 의 압력으로 압분체로 프레스성형하여, 이 압분체를 2kPa 의 질소분위기 중 온도：1500℃ 로 1 시간 유지하는 조건으로 소결하고, 소결한 후 절삭날 부분에 R：0.03 의 호닝 가공을 실시하여 ISO 규격·CNMG120408 의 칩 형상을 가진 TiCN 계 서멧제의 초경기체 B1∼B6 를 형성하였다.

이어서, 이들 초경기체 A1∼A10 및 B1∼B6 을 아세톤 중에서 초음파 세정하여 건조시킨 상태에서 각각 도 5 에 예시되는 통상의 아크 이온 플레이팅 장치에 장입하고, 한편 캐소드 전극 (증발원) 으로서 각종 성분 조성을 가진 결정배향이력층 형성용 Ti-Al 합금 및 경질피복층 형성용 Al-Ti-Si 합금을 장착하여 장치 내를 배기하면서 히터로 장치 내를 500℃ 로 가열한 후, Ar 가스를 장치 내로 장입하여 1.3Pa 의 Ar 분위기로 하고 이 상태에서 초경기체에 -800V 의 바이어스 전압을 인가하여 초경기체 표면을 Ar 가스 봄버트 세정하고, 이어서 장치 내에 반응가스로서 소정 비율로 배합한 질소가스와 메탄가스의 혼합가스를 도입하여 3.5Pa 의 반응 분위기로 하는 동시에, 상기 초경기체에 인가하는 바이어스 전압을 -70V 로 낮추어 상기 캐소드 전극 (결정배향이력층 형성용 Ti-Al 합금) 과 애노드 전극 사이에 아크 방전을 발생시켜, 이로 인해 상기 초경기체 A1∼A10 및 B1∼B6 의 각 표면에 표 16, 표 17 에 나타나는 목표 조성 및 목표층두께의 결정배향이력층 [(Ti, Al)NC 층] 을 형성하고, 계속해서 장치 내에 반응 가스로서 질소가스를 도입하여 2.7Pa 의 반응분위기로 하는 동시에 상기 초경기체에 인가하는 바이어스 전압을 -50V 로 낮추어 상기 캐소드 전극 (경질피복층 형성용 Al-Ti-Si 합금) 과 애노드 전극 사이에 아크 방전을 발생시키고, 이로 인해 동일하게 표 16, 표 17 에 나타내는 목표 조성 및 목표층두께의 경질피복층 [(Al, Ti, Si)N 층] 을 증착함으로써, 도 6a 에 개략 사시도로, 도 6b 에 개략 종단면도로 나타내는 형상을 갖는 본 발명 피복초경공구로서의 본 발명 표면피복 초경합금제 슬로 어웨이 칩 (이하, 본 발명 피복초경칩이라 함) 1∼20 을 각각 제조하였다. 또, 비교할 목적으로, 표 18, 표 19 에 나타내는 것처럼 상기 결정배향이력층 [(Ti, Al)NC 층] 을 형성하지 않은 것 이외에는 동일한 조건으로 종래 피복초경공구로서의 종래 표면피복 초경합금제 슬로 어웨이 칩 (이하, 종래 피복초경칩이라 함) 1∼20 을 각각 제조하였다.

피삭재：JIS·SCM440 의 둥근 막대,

절삭속도：330m/min.,

절삭깊이：1.3㎜,

이송속도：0.5㎜/rev.,

절삭시간：15분

의 조건에서의 합금강의 건식 고속연속 선삭가공 시험,

피삭재：JIS·S45C 의 길이 방향 등간격 4 개의 세로홈이 있는 둥근 막대,

절삭속도：300m/min.,

절삭깊이：1.8㎜,

이송속도：0.5㎜/rev.,

절삭시간：18분

의 조건에서의 탄소강의 건식 고속단속 선삭가공 시험, 또한

절삭속도：380m/min.,

절삭깊이：1.5㎜,

이송속도：0.3㎜/rev.,

절삭시간：30분

의 조건에서의 주철의 건식 고속단속 선삭가공 시험을 실시하여 모든 선삭가공 시험에서 절삭날의 여유면 마모폭을 측정하였다. 그 측정결과를 표 20 에 나타내었다.

(실시형태 5)

원료분말로서, 평균입경：5.5㎛ 를 갖는 중조립 WC 분말, 평균입경：0.8㎛ 인 미립 WC 분말, 평균입경：1.3㎛ 인 TaC 분말, 평균입경：1.2㎛ 인 NbC 분말, 평균입경：1.2㎛ 인 ZrC 분말, 평균입경：2.3㎛ 인 Cr₃C₂ 분말, 평균입경：1.5㎛ 인 VC 분말, 평균입경：1.0㎛ 인 (Ti, W)C 분말 및 평균입경：1.8㎛ 인 Co 분말을 준비하고, 이들 원료분말을 각각 표 21 에 나타내는 배합조성으로 배합하고 추가로 왁스를 가하여 아세톤 중에서 24 시간 볼 밀 혼합하여 감압건조시킨 후, 100MPa 의 압력으로 소정 형상의 각종 압분체로 프레스 성형하여, 이들 압분체를 6Pa 의 진공분위기 중 7℃/분의 승온속도로 1370∼1470℃ 범위 내의 소정 온도로 승온하고, 이 온도로 1 시간 유지한 후 노냉 조건으로 소결하여 직경이 8㎜, 13㎜ 및 26㎜ 인 3 종의 초경기체 형성용 둥근 막대 소결체를 형성하고, 추가로 상기 3 종의 둥근 막대 소결체로부터 연삭가공에 의해 표 21 에 나타내는 조합으로 절삭날부의 직경 ×길이가 각각 6㎜ ×13㎜, 10㎜ ×22㎜ 및 20㎜ ×45㎜ 의 치수를 가진 초경기체 (엔드밀) a∼h 를 각각 제조하였다.

이어서, 이들 초경기체 (엔드밀) a∼h 의 표면에, 호닝을 실시하고 아세톤 중에서 초음파 세정하여 건조시킨 상태에서 동일하게 도 5 에 예시되는 통상의 아크 이온 플레이팅 장치에 장입하고, 상기 실시형태 4 와 동일한 조건으로 표 22 에 나타내는 목표 조성 및 목표층두께를 가진 결정배향이력층 [(Ti, Al)NC 층] 및 경질피복층 [(Al, Ti, Si)N 층] 을 증착함으로써, 도 7a 에 개략 정면도로, 도 7b 에 절삭날부의 개략 횡단면도로 나타내는 형상을 갖는 본 발명 피복초경공구로서의 본 발명 표면피복 초경합금제 엔드밀 (이하, 본 발명 피복초경엔드밀이라 함) 1∼8 을 각각 제조하였다.

또, 비교할 목적으로 표 23 에 나타내는 것처럼 상기 결정배향이력층 [(Ti, Al)NC 층] 을 형성하지 않은 것 이외에는 동일한 조건으로 종래 피복초경공구로서의 종래 표면피복 초경합금제 엔드밀 (이하, 종래 피복초경엔드밀이라 함) 1∼8 을 각각 제조하였다.

피삭재：평면치수：100㎜ ×250㎜, 두께：50㎜ 인 JIS·SKD61 (경도：HRC40) 의 판재,

절삭속도：120m/min.,

홈깊이 (절삭깊이)：1.3㎜,

테이블 이송속도：700㎜/분,

의 조건에서의 공구강의 습식 고속 홈절삭가공 시험 (수용성 절삭유 사용), 본 발명 피복초경엔드밀 4∼6 및 종래 피복초경엔드밀 4∼6 에 관해서는,

피삭재：평면치수：100㎜ ×250㎜, 두께：50㎜ 인 JIS·SUS304 의 판재,

절삭속도：100m/min.,

홈깊이 (절삭깊이)：10㎜,

테이블 이송속도：500㎜/분,

의 조건에서의 스테인리스강의 습식 고속 홈절삭가공 시험, 본 발명 피복초경엔드밀 7, 8 및 종래 피복초경엔드밀 7, 8 에 관해서는,

피삭재：평면치수：100㎜ ×250㎜, 두께：50㎜ 인 JIS·S45C 의 판재,

절삭속도：125m/min.,

홈깊이 (절삭깊이)：12㎜,

테이블 이송속도：300㎜/분,

의 조건에서의 탄소강의 습식 고속 홈절삭가공 시험 (모든 시험에 수용성 절삭유 사용) 을 각각 실시하여, 모든 홈절삭가공 시험에서 절삭날부 선단면의 직경이 사용 수명의 기준이 되는 0.2㎜ 감소할 때까지의 절삭홈 길이를 측정하였다. 그 측정결과를 표 22, 표 23 에 각각 나타내었다.

(실시형태 6)

상기 실시형태 5 에서 제조한 직경이 8㎜ (초경기체 a∼c 형성용), 13㎜ (초경기체 d∼f 형성용) 및 26㎜ (초경기체 g, h 형성용) 의 3 가지 둥근 막대 소결체를 사용하여, 이 3 가지 둥근 막대 소결체로부터 연삭가공에 의해 홈 형성부의 직경 ×길이가 각각 4㎜ ×13㎜ (초경기체 a'∼c'), 8㎜ ×22㎜ (초경기체 d'∼f') 및 16㎜ ×45㎜ (초경기체 g', h') 의 치수를 가진 초경기체 (드릴) a'∼h' 를 각각 제조하였다.

이어서, 이들 초경기체 (드릴) a'∼h' 의 표면에, 호닝을 실시하고 아세톤 중에서 초음파 세정하여 건조시킨 상태에서 동일하게 도 5 에 예시되는 통상의 아크 이온 플레이팅 장치에 장입하고, 상기 실시형태 4 와 동일한 조건으로 표 24 에 나타내는 목표 조성 및 목표층두께를 가진 결정배향이력층 [(Ti, Al)NC 층] 및 경질피복층 [(Al, Ti, Si)N 층] 을 증착함으로써, 도 8a 에 개략 정면도로, 도 8b 에 홈 형성부의 개략 횡단면도로 나타내는 형상을 갖는 본 발명 피복초경공구로서의 본 발명 표면피복 초경합금제 드릴 (이하, 종래의 피복초경드릴이라 함) 1∼8 을 각각 제조하였다.

또, 비교할 목적으로, 표 25 에 나타내는 것처럼 상기 결정배향이력층 [(Ti, Al)NC 층] 을 형성하지 않은 것 이외에는 동일한 조건으로 종래 피복초경공구로서의 종래 표면피복 초경합금제 드릴 (이하, 종래의 피복초경드릴이라 함) 1∼8 을 각각 제조하였다.

절삭속도：100m/min.,

이송속도：0.13㎜/rev.,

절삭속도：120m/min.,

이송속도：0.16㎜/rev.,

피삭재：평면치수：100㎜ ×250㎜, 두께：50㎜ 인 JIS·SUS316 의 판재,

절삭속도：80m/min.,

이송속도：0.15㎜/rev.,

의 조건에서의 스테인리스강의 습식 고속 구멍뚫기 절삭가공 시험을 각각 드릴 직경의 2.5 배인 구멍 깊이의 블라인드 홀 가공에 의해 실행하여 모든 습식 고속 구멍뚫기 절삭가공 시험 (수용성 절삭유 사용) 에서도 선단 절삭날면의 여유면 마모폭이 0.3㎜ 에 이를 때까지의 구멍뚫기 가공수를 측정하였다. 그 측정결과를 표 24, 표 25 에 각각 나타내었다.

또, 그 결과 얻어진 본 발명 피복초경공구로서의 본 발명 피복초경칩 1∼20, 본 발명 피복초경엔드밀 1∼8 및 본 발명 피복초경드릴 1∼8 의 결정배향이력층 [(Ti, Al)NC 층] 및 경질피복층 [(Al, Ti, Si)N 층], 그리고 종래 피복초경공구로서의 종래 피복초경칩 1∼20, 종래 피복초경엔드밀 1∼8 및 종래 피복초경드릴 1∼8 의 경질피복층 [(Al, Ti, Si)N 층] 의 조성에 관해 그 두께 방향 중앙부를 오제 분광분석장치를 사용하여 측정하였더니, 각각 목표 조성과 실질적으로 동일한 조성을 나타내었다.

그리고, 이들 본 발명 피복초경공구 및 종래 피복초경공구의 상기 구성층을 Cu-Kα선을 사용한 X 선 회절장치에 의해 절삭날의 경사면, 여유면, 또는 경사면 및 여유면을 관찰하여, 그 결과 얻어진 X 선 회절패턴으로부터 (200)면에 나타난 피크의 반가폭을 측정하여 (이 경우 정확한 측정이 곤란한 경우에는 상기 실시형태 작업시에 아크 이온 플레이팅 장치에 동시에 장입한 측정 피스의 X 선 회절패턴을 사용하여 측정함), 그 측정결과를 표 16∼19 및 표 22∼25 에 각각 나타내었다.

표 16∼25 에 나타내는 결과로부터, 결정배향이력층의 개재에 의해 경질피복층의 (200)면이 작은 반가폭을 가지며, 이로 인해 우수한 고온 특성 (고온 내산화성 및 고온 경도) 을 구비하게 되는 본 발명 피복초경공구는, 모두 강이나 주철의 절삭가공을 높은 발열을 수반하는 고속으로 실행하여도 우수한 내마모성을 발휘하는데 반하여, 경질피복층의 (200)면의 결정성이 낮은 종래 피복초경공구에서는, 고온을 수반하는 고속절삭가공에서는 절삭날의 마모진행이 빨라 비교적 단시간에 사용 수명이 다한다는 것이 확실하다.

상기 서술한 바와 같이, 본 발명의 제 2 양태에 관한 피복초경공구도, 특히 각종 강이나 주철 등의 고속절삭가공에서도 우수한 내마모성을 발휘하여 장기에 걸쳐 우수한 절삭성능을 나타내는 것이므로, 절삭가공장치의 고성능화 및 절삭가공의 동력절약화, 에너지절약화, 또한 저비용화에 충분히 만족스럽게 대응할 수 있는 것이다.

(발명의 개시)

본 발명은 상기 연구결과에 기초하여 이루어진 것으로, 탄화텅스텐기 초경합금 기체 또는 탄질화티탄계 서멧 기체와 같은 초경기체의 표면에,

(a) 복합 질탄화물층으로 이루어지는 결정배향이력층을 통하여,

(b) 복합 질화물층으로 이루어지며 배향성, 결정성, 또는 배향성 및 결정성을 제어한 경질피복층을 물리증착하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 고속절삭가공에서 경질피복층이 우수한 내마모성을 발휘하는 표면피복 초경합금제 절삭공구를 제공하는 것이다.

본 발명의 보다 구체적인 제 1 양태에서는,

(a1) 상기 복합 질탄화물층은,

0.05∼0.5㎛ 의 평균층두께를 갖고,

조성식：(Ti_1-XAl_X)(N_1-YC_Y) (단, 원자비로, X 는 0.05∼0.20, Y：0.01∼0.15 를 나타냄) 를 만족하는 Ti-Al 복합 질탄화물층이고,

(b1) 상기 복합 질화물층은,

2∼15㎛ 의 평균층두께를 갖고,

조성식：(Ti_1-ZAl_Z)N (단, 원자비로, Z 는 0.45∼0.65 를 나타냄) 을 만족하는 Ti-Al 복합 질화물층이다.

이 경우, 상기 Ti-Al 복합 질화물층은 Cu-Kα선을 이용한 X 선 회절장치에 의한 측정에서 (200)면에 최고 피크가 나타나고, 또한 상기 최고 피크의 반가폭이 2θ에서 0.6도 이하인 X 선 회절패턴을 나타내는 Ti-Al 복합 질화물층이며, 상기 Ti-Al 복합 질화물층은 동일하게 Cu-Kα선을 이용한 X 선 회절장치에 의한 측정에서 (200)면에 최고 피크가 나타나고, 또한 상기 최고 피크의 반가폭이 2θ에서 0.6도 이하인 X 선 회절패턴을 나타내는 Ti-Al 복합 질화물층이면 더욱 바람직하다.

여기에서, 본 발명에 관한 상기 제 1 태양의 피복초경공구에 있어서, 이것을 구성하는 결정배향이력층 및 경질피복층의 조성 및 평균층두께를 상기한 바와 같이 한정한 이유를 설명한다.

(a1) 결정배향이력층 [(Ti, Al)NC 층]

(Ti, Al)NC 층에서의 Al 성분에는 층의 (200)면을 절삭날의 경사면 및 여유면에 대하여 대략 평행방향으로 배향하는 작용이 있는데, Al 의 비율이 원자비로 0.05 미만이면 (200)면의 배향이 불충분하고, 한편 그 비율이 마찬가지로 0.20 을 넘어도 결정성이 저하하여 (200)면에 나타나는 최고 피크의 반가폭을 2θ에서 0.6도 이하로 제어하는 것이 곤란해지므로, 그 비율 (X 값) 을 0.05∼0.20 으로 정하였다.

또, (Ti, Al)NC 층에서의 C 성분에는 초경기체 표면 및 경질피복층의 양방에 대한 밀착성을 향상시키는 작용이 있는데, C 성분의 비율이 원자비로 0.01 미만이면 원하는 밀착성 향상효과를 얻을 수 없고, 한편 그 비율이 마찬가지로 0.15 를 넘으면 결정배향에 혼란이 생겨 (200)면에 고배향시키는 것이 곤란해지므로, 그 비율 (Y 값) 을 0.01∼0.15 로 정하였다.

그리고, 그 평균층두께가 0.05 ㎛ 미만이면 (Ti, Al)NC 층이 본래 갖는 (200)면에 대한 고배향성을 경질피복층으로 전화하는 결정배향이력효과를 충분히 발휘시킬 수 없고, 또한 초경기체 표면과 경질피복층 사이의 밀착성도 불충분하며, 한편 그 결정배향이력효과 및 밀착성향상 효과는 0.5㎛ 까지의 평균층두께로 충분하므로, 그 평균층두께를 0.05∼0.5㎛ 로 정하였다.

(b1) 경질피복층 [(Ti, Al)N 층]

(Ti, Al)N 층의 Al 성분은 높은 인성을 갖는 TiN 층의 경도 및 내열성을 높이고, 이로 인해 내마모성을 향상시킬 목적으로 함유하는데, 그 비율이 Ti 와의 함량에서 차지하는 비율 (원자비) 로 0.45 미만이면 원하는 내마모성 향상효과를 얻을 수 없고, 한편 그 비율이 마찬가지로 0.65 를 넘으면 절삭날에 치핑 (미소결손) 등이 발생하기 쉬워지므로, 그 비율을 0.45∼0.65 로 정하였다.

또, 그 평균층두께가 2㎛ 미만이면 원하는 내마모성을 확보할 수 없고, 한편 그 평균층두께가 15㎛ 를 넘으면 절삭날에 치핑이 발생하기 쉬워지므로, 그 평균층두께를 2∼15㎛ 로 정하였다.

또, X 선 회절패턴의 (200)면에 나타나는 최고 피크의 반가폭：0.6도 이하 (2θ) 는 시험결과에 기초하여 경험적으로 정한 것이며, 따라서 상기 반가폭이 0.6도 이하인 경우에 특히 고속절삭가공에서 우수한 내마모성을 발휘하여 상기 반가폭이 0.6도를 넘어 커지면, 즉 (200)면의 결정성이 저하하게 되면 원하는 내마모성을 확보할 수 없게 된다는 이유에 의한 것이다.

또한 본 발명의 제 2 양태로서,

(a2) 상기 복합 질탄화물층은,

0.05∼0.5㎛ 의 평균층두께를 갖고,

조성식：(Ti_1-XAl_X)(N_1-YC_Y) (단, 원자비로, X 는 0.01∼0.15, Y：0.01∼0.15 를 나타냄) 를 만족하는 Ti-Al 복합 질탄화물층이고,

(b2) 상기 복합 질화물층은,

2∼10㎛ 의 평균층두께를 갖고,

조성식：(Al_1-(A+B)Ti_ASi_B)N (단, 원자비로, A 는 0.35∼0.55, B 는 0.05∼0.20 을 나타냄) 을 만족하는 Al-Ti-Si 복합 질화물층일 수도 있다.

이 경우, 상기 Ti-Al 복합 질탄화물층은 Cu-Kα선을 이용한 X 선 회절장치에 의한 측정에서 (200)면에 최고 피크가 나타나고, 또한 상기 최고 피크의 반가폭이 2θ에서 0.6도 이하인 X 선 회절패턴을 나타내는 Ti-Al 복합 질탄화물층이고, 상기 Al-Ti-Si 복합 질화물층은 동일하게 Cu-Kα선을 이용한 X 선 회절장치에 의한 측정에서 (200)면에 최고 피크가 나타나고, 또한 상기 최고 피크의 반가폭이 2θ에서 0.6도 이하인 X 선 회절패턴을 나타내는 Al-Ti-Si 복합 질화물층이면 더욱 바람직하다.

여기에서, 본 발명에 관한 상기 제 2 태양의 피복초경공구에 있어서, 이것을 구성하는 결정배향이력층 및 경질피복층의 조성 및 평균층두께를 상기한 바와 같이 한정한 이유를 설명한다.

(a2) 결정배향이력층 [(Ti, Al)NC 층]

(Ti, Al)NC 층에서의 Al 성분에는 층의 (200)면을 절삭날의 경사면 및 여유면에 대하여 대략 평행방향으로 배향하는 작용이 있는데, Al 의 비율이 Ti 와의 함량에서 차지하는 비율 (원자비) 로 0.01 미만이면 (200)면에 대한 배향이 불충분하고, 한편 그 비율이 마찬가지로 0.15 를 넘어도 결정성이 저하하여 (200)면에 나타나는 최고 피크의 반가폭을 2θ에서 0.6도 이하로 제어하는 것이 곤란해지므로, 그 비율 (X 값) 을 0.01∼0.15 로 정하였다.

또, (Ti, Al)NC 층에서의 C 성분에는 초경기체 표면 및 경질피복층의 양방에 대한 밀착성을 향상시키는 작용이 있는데, C 성분의 비율이 Ti 와의 함량에서 차지하는 비율 (원자비) 로 0.01 미만이면 원하는 밀착성 향상효과를 얻을 수 없고, 한편 그 비율이 마찬가지로 0.15 를 넘으면 결정배향에 혼란이 생겨 (200)면에 고배향시키는 것이 곤란해지므로, 그 비율 (Y 값) 을 0.01∼0.15 로 정하였다.

그리고, 그 평균층두께가 0.05㎛ 미만이면 (Ti, Al)NC 층이 본래 갖는 (200)면의 고배향성을 경질피복층으로 전화하는 결정배향이력효과를 충분히 발휘시킬 수 없고, 한편 그 결정배향이력효과는 0.5㎛ 까지의 평균층두께로 충분하므로, 그 평균층두께를 0.05∼0.5㎛ 로 정하였다.

(b2) 경질피복층 [(Al, Ti, Si)N 층]

(Al, Ti, Si)N 층의 Ti 성분에는 층의 강도 및 인성을 향상시키는 작용이 있는데, 그 비율이 Al 및 Si 와의 함량에서 차지하는 비율 (원자비) 로 0.35 미만이면 상기 작용에 원하는 향상효과를 얻을 수 없고, 한편 그 비율이 동일하게 0.55 를 초과하면 층 자체의 내마모성이 저하하게 되므로, 그 비율을 0.35∼0.55 로 정하였다.

또, (Al, Ti, Si)N 층의 Si 성분에는 층의 고온경도 및 내열성을 향상시키고, 이로 인해 층의 내마모성 향상에 기여하는 작용이 있는데, 그 비율이 Al 및 Ti 와의 함량에서 차지하는 비율 (원자비) 로 0.05 미만이면 상기 작용에 원하는 향상효과를 얻을 수 없고, 한편 그 비율이 마찬가지로 0.20 을 넘으면 강도 및 인성이 저하하여 절삭날에 결손이나 치핑 (미소결손) 등이 발생하게 되므로, 그 비율을 0.05∼0.20 로 정하였다.

그리고, 그 평균층두께가 2㎛ 미만이면 원하는 내마모성을 확보할 수 없고, 한편 그 평균층두께가 10㎛ 를 초과하면 절삭날에 치핑이 발생하기 쉬워지므로, 그 평균층두께를 2∼10㎛ 로 정하였다.

또, X 선 회절패턴의 (200)면에 나타나는 최고 피크의 반가폭：2θ에서 0.6도 이하는 시험결과에 기초하여 경험적으로 정한 것이며, 따라서 상기 반가폭이 2θ에서 0.6도 이하인 경우에 특히 고속절삭가공에서 우수한 내마모성을 발휘하여 상기 반가폭이 같은 0.6도를 넘어 커지면, 즉 (200)면의 결정성이 저하하게 되면, 원하는 내마모성을 확보하는 것이 불가능해진다는 이유에 의한 것이다.

Claims

탄화텅스텐기 초경합금 기체 또는 탄질화티탄계 서멧 기체의 표면에,

(a) 복합 질탄화물층으로 이루어지는 결정배향이력층을 통하여,

(b) 복합 질화물층으로 이루어지며 배향성, 결정성, 또는 배향성 및 결정성을 제어한 경질피복층을 물리증착하여 이루어지는, 고속절삭가공에서 경질피복층이 우수한 내마모성을 발휘하는 표면피복 초경합금제 절삭공구.
제 1 항에 있어서,

(a1) 상기 복합 질탄화물층은,

0.05∼0.5㎛ 의 평균층두께를 갖고,

조성식：(Ti_1-XAl_X)(N_1-YC_Y) (단, 원자비로, X 는 0.05∼0.20, Y：0.01∼0.15 를 나타냄) 를 만족하는 Ti-Al 복합 질탄화물층이고,

(b1) 상기 복합 질화물층은,

2∼15㎛ 의 평균층두께를 갖고,

조성식：(Ti_1-ZAl_Z)N (단, 원자비로, Z 는 0.45∼0.65 를 나타냄) 을 만족하는 Ti-Al 복합 질화물층인 것을 특징으로 하는 표면피복 초경합금제 절삭공구.
제 2 항에 있어서, 상기 Ti-Al 복합 질화물층은 Cu-Kα선을 이용한 X 선 회절장치에 의한 측정에서 (200)면에 최고 피크가 나타나고, 또한 상기 최고 피크의 반가폭이 2θ에서 0.6도 이하인 X 선 회절패턴을 나타내는 Ti-Al 복합 질화물층인 것을 특징으로 하는 표면피복 초경합금제 절삭공구.
제 2 항에 있어서, 상기 Ti-Al 복합 질탄화물층은 Cu-Kα선을 이용한 X 선 회절장치에 의한 측정에서 (200)면에 최고 피크가 나타나고, 또한 상기 최고 피크의 반가폭이 2θ에서 0.6도 이하인 X 선 회절패턴을 나타내는 Ti-Al 복합 질탄화물층이고,

상기 Ti-Al 복합 질화물층은 동일하게 Cu-Kα선을 이용한 X 선 회절장치에 의한 측정에서 (200)면에 최고 피크가 나타나고, 또한 상기 최고 피크의 반가폭이 2θ에서 0.6도 이하인 X 선 회절패턴을 나타내는 Ti-Al 복합 질화물층인 것을 특징으로 하는 표면피복 초경합금제 절삭공구.
제 1 항에 있어서,

(a2) 상기 복합 질탄화물층은,

0.05∼0.5㎛ 의 평균층두께를 갖고,

조성식：(Ti_1-XAl_X)(N_1-YC_Y) (단, 원자비로, X 는 0.01∼0.15, Y：0.01∼0.15 를 나타냄) 를 만족하는 Ti-Al 복합 질탄화물층이고,

(b2) 상기 복합 질화물층은,

2∼10㎛ 의 평균층두께를 갖고,

조성식：(Al_1-(A+B)Ti_ASi_B)N (단, 원자비로, A 는 0.35∼0.55, B 는 0.05∼0.20 을 나타냄) 을 만족하는 Al-Ti-Si 복합 질화물층인 것을 특징으로 하는 표면피복 초경합금제 절삭공구.
제 5 항에 있어서, 상기 Al-Ti-Si 복합 질화물층은 Cu-Kα선을 이용한 X 선 회절장치에 의한 측정에서 (200)면에 최고 피크가 나타나고, 또한 상기 최고 피크의 반가폭이 2θ에서 0.6도 이하인 X 선 회절패턴을 나타내는 Al-Ti-Si 복합 질화물층인 것을 특징으로 하는 표면피복 초경합금제 절삭공구.
제 5 항에 있어서, 상기 Ti-Al 복합 질탄화물층은 Cu-Kα선을 이용한 X 선 회절장치에 의한 측정에서 (200)면에 최고 피크가 나타나고, 또한 상기 최고 피크의 반가폭이 2θ에서 0.6도 이하인 X 선 회절패턴을 나타내는 Ti-Al 복합 질탄화물층이고,

상기 Al-Ti-Si 복합 질화물층은 동일하게 Cu-Kα선을 이용한 X 선 회절장치에 의한 측정에서 (200)면에 최고 피크가 나타나고, 또한 상기 최고 피크의 반가폭이 2θ에서 0.6도 이하인 X 선 회절패턴을 나타내는 Al-Ti-Si 복합 질화물층인 것을 특징으로 하는 표면피복 초경합금제 절삭공구.