KR20200128060A

KR20200128060A - 표면 피복 절삭 공구

Info

Publication number: KR20200128060A
Application number: KR1020207027299A
Authority: KR
Inventors: 다쓰키 기노시타; 다쓰오 하시모토; 슌 사토; 사토; 유토 스가와라; 다쿠야 마에카와
Original assignee: 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
Priority date: 2018-03-27
Filing date: 2019-03-25
Publication date: 2020-11-11
Also published as: EP3778080A4; CN111902231A; US20210016361A1; JPWO2019188967A1; EP3778080A1; WO2019188967A1

Abstract

탄화 텅스텐기 초경합금으로 이루어지는 공구 기체(11)에 하부층(2)과 상부층(3)이 설치된 표면 피복 절삭 공구로서, 상기 하부층(2)은, 공구 기체(11) 표면으로부터 그 내부에 소정 깊이에 걸쳐 형성된 W층(4)과, 상기 W층(4) 바로 위에 형성된 금속 탄화물층(5)과, 상기 금속 탄화물층(5) 바로 위에 형성된 금속 탄질화물층(6)으로 이루어지고, 상기 상부층(3)은, A층과 B층과의 교대 적층 구조로 이루어지고, A층은, (Al_xTi₁ _-x)N으로 표현되는(Al, Ti)N층(단, x는 원자비로, 0.40≤x≤0.70을 만족시킴)으로 이루어지고, B층은, (Al₁ _-a-b-c- _dTi_aCr_bSi_cY_d)N으로 표현되는 (Al, Ti, Cr, Si, Y)N층(단, a, b, c, d는 원자비로, 0≤a≤0.40, 0.05≤b≤0.40, 0≤c≤0.20, 0.01≤d≤0.10을 만족시킴)으로 이루어진다.

Description

표면 피복 절삭 공구

본 발명은, Ni기 내열 합금의 고속 절삭 가공에 있어서, 경질(硬質) 피복층이 박리(剝離) 등을 발생하지 않고, 우수한 내치핑성(resistance to chipping)과 내마모성(wear resistance)을 발휘하고, 장기의 사용에 걸쳐서 우수한 절삭 성능을 발휘하는 표면 피복 절삭 공구(이하, 피복 공구라고 함)에 관한 것이다.

본원은, 2018년 3월 27일자에 일본에 출원된 특허출원 제2018-059674호에 대하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

일반적으로, 피복 도구로서, 각종 강(鋼)이나 주철(鑄鐵) 등의 피삭재(被削材)의 선삭(旋削) 가공이나 평(平) 절삭 가공에 바이트의 선단부에 착탈 가능하게 장착하여 사용되는 스로우어웨이 팁(throwaway tip), 상기 피삭재의 구멍내기 절삭 가공 등에 사용되는 드릴이나 미니어처 드릴, 상기 피삭재의 면삭 가공이나 홈 가공, 어깨 가공 등에 사용되는 엔드밀, 상기 피삭재의 톱니형의 기어 커팅(齒切; tooth-cutting) 가공 등에 사용되는 솔리드 호브, 피니언 커터 등이 알려져 있다.

그리고, 피복 공구의 절삭 성능 개선을 목적으로 하여, 종래부터, 수많은 제안이 되어 있다.

예를 들면, 특허문헌 1에서는, 합금강용 절삭 공구 등의 표면에 형성되는 내마모성이 우수한 경질 피막 및 이와 같은 경질 피막을 형성하기 위한 방법이 제안되어 있고, 상기 내마모성이 우수한 경질 피막으로서는, M_aCr_bAl_cSi_dB_eY_fZ로 이루어지는 경질 피막[단, M은, 주기율표 제4A족 원소, 5A족 원소, 6A족 원소(Cr을 제외함)로부터 선택되는 적어도 1종의 원소이며, Z는, N, CN, NO 또는 CNO 중 어느 하나를 나타내고, a＋b＋c＋d＋e＋f=1, 0<a≤0.3, 0.05≤b≤0.4, 0.4≤c≤0.8, 0≤d≤0.2, 0≤e≤0.2, 0.01≤f≤0.1(a, b, c, d, e 및 f는, 각각 M, Cr, Al, Si, B 및 Y의 원자비를 나타냄)을 만족시킴]이 제안되어 있다.

그리고, 상기 M으로서는 Ti를 선택할 수 있는 것, 또한 상기 M이 Ti인 경우에, 상기 c는 0.5≤c≤0.8, 및 상기 f는 0.02≤f≤0.1로 하는 것, 상기 경질 피막은, 서로 상이한 조성(組成)으로 교호적(交互的)으로 적층한 것으로 할 수 있는 것이 기재되어 있다.

또한, 상기 경질 피막은, AIP 장치 내에 기체(基體)를 장입(裝入; charge) 하고, AR 이온에 의한 특정한 조건(예를 들면, 압력: 0.6 Pa, 전압: 500V, 시간: 5분)으로 기체의 클리닝을 실시한 후, 캐소드 방전형 아크 이온 플레이팅법에 의해 성막할 수 있는 것이 기재되어 있다.

또한, 특허문헌 2에서는, 강이나 Ni기 내열 합금 등의 절삭 가공에 적용되는 피복 절삭 공구의 내구성(耐久性) 향상을 도모하기 위해, 기재(基材)와, 기재 상에 설치된 중간 피막과, 중간 피막 상에 설치된 경질 피막을 구비하는 피복 절삭 공구로서, 상기 중간 피막은, 나노 빔 회절(回折) 패턴이 WC의 결정(結晶) 구조에 지수(指數)를 부여하고, W와 Ti를 함유하는 탄화물로 이루어지고, 또한 막 두께가 1㎚ 이상 10㎚ 이하이며, 상기 경질 피막은, 결정 구조가 면심 입방 격자(格子) 구조의 질화물 또는 탄질화물로서, 적어도 Al과 Ti와 Y를 함유하고, 반금속(半金屬)을 포함하는 금속 원소의 함유 비율(원자%)의 합계를 100%로 한 경우, Al의 함유 비율(원자%)이 60% 이상 75% 이하, Ti의 함유 비율(원자%)이 20% 이상 35% 이하, Y의 함유 비율(원자%)이 1% 이상 5% 이하인 피복 절삭 공구가 제안되어 있다.

그리고, 전술한 중간 피막을 형성하기 위해서는, 타겟의 외주(外周)에 코일 자석을 배치하여 아크 스폿을 타겟 내부에 폐입(閉入)하도록 한 자장(磁場) 구성으로 한 캐소드를 사용하여 Ti 봄바드(bombard)를 행하는 것이 바람직한 것으로 되어 있고, 또한 그 구체적인 처리 조건으로서, 기재에 인가하는 마이너스의 바이어스 전압은 ―1000V∼700V로 하는 것, 타겟에 투입하는 전류는 80A∼150A로 하는 것, 봄바드 처리 전의 기재의 가열 온도를 45℃ 이상으로 하는 것, Ti 봄바드 처리는 3분∼7분으로 하는 것, Ti 봄바드는 아르곤 가스, 질소 가스, 수소 가스, 탄화수소계 가스 등을 도입하면서 실시해도 되지만, 노(爐) 내 분위기를 1.0×10^- ² Pa 이하의 진공 하에서 행하는 것이 바람직한 것으로 되어 있다.

또한, 특허문헌 3에서는, 피막과 기재의 밀착 강도를 개선하여, 합금 공구강(SKD11)의 절삭 가공에서의 내박리성(耐剝離性)과 내마모성의 향상을 목적으로 한, WC기 초경합금(超硬合金)을 기재로 하는 피복 공구 및 그 제조 방법이 제안되어 있다.

특허문헌 3의 기재에 의하면, 이 피복 공구는, WC기 초경합금 기재의 표면에 결정 구조가 bcc 구조로 이루어지는 W 개질상(改質相)(바람직하게는, 그 평균 두께는 10∼300㎚)을 가지고, 상기 W 개질상은, Ti, Zr, Hf, Nb 및 Ta로부터 선택되는 1종 이상의 금속의 이온 조사(照射)에 의해 상기 기재의 WC가 W와 C와의 분해를 거쳐 형성된 W이며, 상기 W 개질상의 바로 위에 Ti, Zr, Hf, Nb 및 Ta로부터 선택되는 1종 이상의 금속의 탄화물상을 가지고, 상기 탄화물상의 바로 위에 경질 피막(이 경질 피막은, 바람직하게는, 적어도 1층이, Ti, Cr, W, Nb, Y, Ce, Si 및 B로부터 선택되는 1종 이상의 원소와 Al를 함유하는 질화물임)을 구비한다.

그리고, 이 피복 공구는, 기재에 이온 봄바드먼트 처리를 행하는 제1 공정과, 경질 피막을 형성하는 제2 공정에 의해 제조할 수 있고, 상기 이온 봄바드먼트 처리를 행하는 제1 공정은, 기재에 ―1000∼600(V)의 마이너스의 바이어스 전압을 인가하고, 압력 0.01∼2 Pa이며, 수소 가스와 AR 또는 N₂와의 혼합 가스(단, 상기 혼합 가스의 수소 가스 체적 비율이 1 내지 20%임)를 사용하여, 아크 방전식 증발원으로부터 음극 물질(Ti, Zr, Hf, Nb 및 Ta로부터 선택되는 1종 이상의 금속)을 증발시키고, 상기 음극 물질로부터 증발한 금속 이온을 기재에 조사하고, 따라서 기재의 표면 온도를 800℃∼860℃의 범위로 하여, 기재의 표면에 결정 구조가 bcc 구조로 이루어지는 W 개질상을 형성하고 또한 상기 W 개질상의 바로 위에 Ti, Zr, Hf, Nb 및 Ta로부터 선택되는 1종 이상의 금속의 탄화물상을 형성하고, 또한 상기 탄화물상의 바로 위에 경질 피막을 형성하는 것인 것이 개시되어 있다.

일본 특허 제4713413호 공보 일본 공개특허 제2017-001147호 공보 일본 특허 제5098726호 공보

최근의 절삭 가공 장치의 FA화는 눈부시고, 한편 절삭 가공에 대한 저감화 및 에너지 절약화, 또한 저비용화의 요구는 강하고, 이에 따라서, 절삭 가공은 더욱 더 고속화·고능률화하는 경향에 있고 또한 가능한 한 많은 재종(材種)의 피삭재의 절삭 가공이 가능해지도록 한 범용성이 있는 절삭 공구가 요구되는 경향이 있다.

상기 특허문헌 1, 3에 나타낸 종래의 피복 공구에 있어서는, 이것을 합금강의 절삭 가공에 사용한 경우에는, 특별한 문제는 생기지 않지만, 이것을, 예를 들면, 인코넬 718(등록상표)로 대표되는 Ni기 내열 합금의 고속 밀링 가공, 고속 드릴 가공에 제공한 경우에는, 커팅 에지(cutting edge)에 큰 열적(熱的) 부하, 기계적 부하가 작용하는 것에도 불구하고, 공구 기체와 경질 피복층의 밀착성이 충분하지 않다. 그러므로, 박리 등의 이상(異常) 손상이 발생하고, 이것을 원인으로, 단시간에 사용 수명에 이르는 것이 현 실정이다.

또한, 특허문헌 2에서는, 경질 피막으로서, 적어도 Al과 Ti와 Y를 함유하는 입방정 구조의 질화물층 또는 탄질화물층을 형성하고, 또한 공구 기체와 경질 피막과의 사이에, Ti 봄바드 처리에 의해 형성한 중간 피막을 형성함으로써, Ni기 내열 합금 등의 절삭 가공에서의 피복 공구의 내구성을 높이는 것으로 되어 있다. 그러나, Ni기 내열 합금의 고속 밀링 가공, 고속 드릴 가공과 같은, 커팅 에지에 대하여 큰 열적 부하, 기계적 부하가 작용하는 절삭 가공에서는, 중간 피막과 경질 피막 사이의 밀착성이 충분하지 않아, 박리가 발생하기 쉬우므로, 이것을 원인으로, 비교적 단시간에 사용 수명에 이르는 것이 현 실정이다.

따라서, 본 발명자 등은, 전술한 바와 같은 관점에서, Ni기 내열 합금 등의 고속 밀링 가공, 고속 드릴 가공과 같은, 고열 발생을 따라서, 또한 커팅 에지에 대하여 큰 열적 부하, 기계적 부하가 가해지는 절삭 가공 조건 하에서, 경질 피복층이 우수한 내용착성(耐溶着性), 내치핑성, 내 결손성(缺損性), 내박리성을 가지고, 장기의 사용에 걸쳐서, 우수한 내마모성을 발휘하는 피복 공구를 개발하기 위해, 예의(銳意) 연구를 행한 결과, 다음과 같은 지견(知見)을 얻었다.

본 발명자들은, 먼저, 합금강용의 절삭 도구로서 제안된 상기 특허문헌 1에 개시된 경질 피막에 대하여, Ni기 내열 합금의 절삭 도구로서의 적용 가능성을 조사하였다. 내용착성의 관점에서는, 조성식: (Al₁ _-a-b-c- _dTi_aCr_bSi_cY_d)N으로 나타낸 경우, 0≤a≤0.40, 0.05≤b≤0.40, 0≤c≤0.20, 0.01≤d≤0.10(단, a, b, c, d는 모두 원자비)을 만족시키는 평균 조성을 가지는 경질 피복층[이하, 「(Al, Ti, Cr, Si, Y)N층」으로 나타내는 경우가 있음]을 구비한 피복 공구가, Ni기 내열 합금의 고속 절삭 가공에서의 내용착성의 관점에서 바람직한 것을 발견하였다.

즉, 상기한 피복 공구에 있어서, 특히, 경질 피복층 중에 함유되는 Y성분은, 경질 피복층의 최표면에 있어서는, 안정 산화물을 생성하고, 이 산화물이 내용착성을 향상시키고, 또한 Y성분은 경질 피복층 중에 균일하게 존재한다. 그러므로, 절삭 가공의 진행에 의해서도, 경질 피복층의 최표면에는, 항상 Y의 산화물이 존재하여, 내용착성의 저하가 생기지 않기 때문이다.

그러나, 상기 (Al, Ti, Cr, Si, Y)N층의 층 두께를 과도하게 두껍게 하면, 치핑, 결손, 박리 등의 발생에 의해, 피복 공구의 수명이 단명으로 되었다.

따라서, 본 발명자들은, 치핑, 결손, 박리 등의 발생이 없고, 장기의 사용에 걸쳐서 우수한 내마모성을 발휘하는 피복 공구를 제공하기 위해, 경질 피복층을, 상기 (Al, Ti, Cr, Si, Y)N층과, Al과 Ti의 복합 질화물층(이하, 「(Al, Ti) N층」으로 나타내는 경우가 있음)과의 교대 적층 구조로서 구성하였다. 또한, 공구 기체 표면에, 상기 특허문헌 2, 3에 의해 교시되는 봄바드 처리를 행하고, 그 다음에, 상기 교대 적층 구조로 이루어지는 경질 피복층을 형성한 바, Ni기 내열 합금의 고속 절삭 가공에 있어서, 치핑, 결손의 발생은 억제되고, 어느 정도의 공구 수명의 연장화는 도모되었다. 그러나, 박리 발생에 대해서는 이것을 억제할 수 없고, 아직도 충분히 만족할 수 있는 공구 특성을 구비한다고는 할 수 없었다.

본 발명자들은, 상기 특허문헌 2, 3에 나타내는 봄바드 처리에 대하여 더 연구를 진행시켰던 바, 금속 이온 봄바드 처리 조건을 변경하고, 특허문헌 2, 3에 기재되는 것과는 상이한 층 구조의 하부층을 형성하고, 상기 하부층을 통해 경질 피복층을 형성하는 것에 의해, 경질 피복층과 공구 기체와의 사이의 밀착성 개선 효과를 현저하게 향상시킬 수 있는 것을 발견하였다. 또한, 그 결과, Ni기 내열 합금의 고속 절삭 가공에 있어서, 박리의 발생을 억제할 수 있는 동시에, 용착(溶着), 치핑, 결손 등의 이상 손상의 발생을 억제할 수 있으므로, 장기의 사용에 걸쳐서, 우수한 내마모성을 발휘하는 피복 공구가 얻어지는 것을 발견한 것이다.

즉, 본 발명자들은, 공구 기체에 대한 금속 이온 봄바드로서, Ti, Cr, Zr, Hf, Nb 및 Ta로부터 선택되는 어느 일종의 금속을 이온 봄바드하는 데 있어서, 그 처리 분위기를 1×10^-3 Pa 이하의 고진공으로 하고, 공구 기체의 처리 온도를 약 750℃∼800℃로 높게 하고, 또한 처리 시간을 길게 하는(예를 들면, 30분 이상 60분 이하) 것으로 하였다. 이로써, 상기 특허문헌 2, 3에 기재되는 하부층과는 상이한 하부층, 구체적으로는, W층(텅스텐층)과 상기 층의 바로 위에 형성되는 금속 탄화물층과, 또한 상기 금속 탄화물층의 바로 위에 형성되는 금속 탄질화물층으로 이루어지는 하부층을 형성함으로써, 경질 피복층과 공구 기체의 밀착성을 높일 수 있는 것을 발견한 것이다.

그리고, 이와 같은 하부층을, 경질 피복층과 공구 기체와의 사이에 개재(介在) 형성함으로써, 고열 발생을 따라서, 또한 커팅 에지에 대하여 큰 열적 부하, 기계적 부하가 작용하는 Ni기 내열 합금의 고속 절삭 가공에 있어서, 박리의 발생을 억제하고, 또한 용착, 치핑, 결손 등의 이상 손상의 발생을 억제하고, 장기의 사용에 걸쳐서, 우수한 절삭 성능을 발휘하는 피복 공구가 얻어지는 것을 발견한 것이다.

본 발명은, 상기한 지견에 기초하여 이루어진 것으로서, 본 발명에 관한 표면 피복 절삭 공구는, 하기 (1)∼(3)의 구성을 가진다.

(1) 탄화 텅스텐기 초경합금으로 이루어지는 공구 기체에 하부층이 설치되고, 상기 하부층의 표면에 교대 적층 구조의 상부층이 형성된 표면 피복 절삭 공구이며, (a)∼(g)의 특징을 가진다.

(a) 상기 하부층은, W층과 금속 탄화물층과 금속 탄질화물층으로 이루어진다.

(b) 상기 W층은, 공구 기체 표면으로부터 그 내부에 10∼500㎚의 깊이에 걸쳐 형성된다.

(c) 상기 금속 탄화물층은, Ti, Cr, Zr, Hf, Nb 및 Ta로부터 선택되는 어느 일종의 금속 탄화물층으로서, 5∼500㎚의 평균층 두께를 가지고, 상기 W층의 바로 위에 형성된다.

(d) 상기 금속 탄질화물층은, 상기 금속 탄화물층에 함유되는 금속 성분을 포함하는 금속 탄질화물층으로서, 5∼300㎚의 평균층 두께를 가지고, 상기 금속 탄화물층의 바로 위에 형성된다.

(e) 상기 상부층은, A층과 B층이 적어도 1층씩 교호로 적층된 교대 적층 구조로 이루어지고, 1.0∼8.0㎛의 합계 평균층 두께를 가진다.

(f) 상기 A층은, 0.1∼5.0㎛의 한층 평균층 두께를 가지는 Al과 Ti의 복합 질화물층으로서, 그 조성을, 조성식: (Al_xTi₁ _-x)N으로 나타낸 경우, 0.40≤x≤0.70(단, x는 원자비)을 만족시키는 평균 조성을 가진다.

(g) 상기 B층은, 0.1∼5.0㎛의 한층 평균층 두께를 가지는 Al과 Ti와 Cr과 Si와 Y의 복합 질화물층으로서, 그 조성을, 조성식: (Al₁ _-a-b-c- _dTi_aCr_bSi_cY_d)N으로 나타낸 경우, 0≤a≤0.40, 0.05≤b≤0.40, 0≤c≤0.20, 0.01≤d≤0.10(단, a, b, c, d는 모두 원자비)을 만족시키는 평균 조성을 가진다.

(2) 상기 표면 피복 절삭 공구가, 표면 피복 인서트, 표면 피복 엔드밀, 표면 피복 드릴 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 표면 피복 절삭 공구.

(3) 상기 (1) 또는 (2)에 기재되는 표면 피복 절삭 공구로 이루어지는 Ni기 내열 합금 고속 절삭 가공용의 표면 피복 절삭 공구.

본 발명의 피복 공구는, 하부층과 상부층을 구비하고, 상기 하부층은, 공구 기체 표면으로부터 그 내부의 소정 깊이에 걸쳐 형성되는 W층과, 상기 W층의 표면에 형성되는 금속 탄화물층과, 상기 금속 탄화물층의 표면에 형성되는 금속 탄질화물층으로 이루어지고, 상기 상부층은, (Al, Ti)N층으로 이루어지는 A층과 (Al, Ti, Cr, Si, Y)N층으로 이루어지는 B층이 적어도 1층씩 교호로 적층된 교대 적층 구조로 이루어지고, 공구 기체와 상부층과의 사이에 개재 형성된 상기 하부층에 의해, 공구 기체와 상부층과의 밀착 강도가 높아지는 동시에, 상기 상부층은, 우수한 내용착성, 내치핑성, 내 결손성, 내마모성을 구비하고 있다.

따라서, 본 발명의 피복 공구는, 고열 발생을 따라서, 또한 커팅 에지에 대하여 큰 열적 부하, 기계적 부하가 작용하는 Ni기 내열 합금의 고속 절삭 가공에 있어서, 박리의 발생을 억제하고, 또한 용착, 치핑, 결손 등의 이상 손상의 발생을 억제하고, 장기의 사용에 걸쳐서, 우수한 절삭 성능을 발휘한다.

도 1은 일 실시 형태에 관한 피복 공구의 개략 종단면 모식도의 일례를 나타낸다
도 2a는 일 실시 형태에 관한 피복 공구의 상부층을 형성하는 데 사용한 아크 이온 플레이팅 장치(그리고, 금속 이온 봄바드용의 금속 타겟에 대해서는 도시하지 않음)의 개략 평면도의 일례를 나타낸다
도 2b는 일 실시 형태에 관한 피복 공구의 상부층을 형성하는 데 사용한 아크 이온 플레이팅 장치(그리고, 금속 이온 봄바드용의 금속 타겟에 대해서는 도시하지 않음)의 개략 정면도의 일례를 나타낸다

도 1은, 본 실시형태에 관한 표면 피복 공구의 개략 종단면 모식도를 나타낸다

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태에 관한 피복 공구는, 탄화 텅스텐기 초경합금으로 이루어지는 공구 기체(11)에, 하부층(2) 및 교대 적층 구조로 이루어지는 상부층(3)이 형성되어 있다.

상기 하부층(2)는, W층(4)과 금속 탄화물층(5)과 금속 탄질화물층(6)으로 이루어지지만, 상기 W층(4)은, 공구 기체(11)의 표면 상에 형성되어 있는 것이 아니고, 공구 기체(11)의 표면으로부터 그 내부를 향하는 10∼500㎚의 평균 깊이에 걸쳐 형성되어 있다.

그리고, 상기 W층(4)의 바로 위에는, 상기 금속 탄화물층(5)이 5∼500㎚의 평균층 두께로 형성되고, 또한 상기 금속 탄화물층(5)의 바로 위에는, 상기 금속 탄질화물층(6)이 5∼300㎚의 평균층 두께로 형성되어 있다. 그리고, W층(4)과 금속 탄화물층(5)과 금속 탄질화물층(6)으로 이루어지는 상기 하부층(2)의 표면에는, A층과 B층이 적어도 1층씩 교호로 적층된 교대 적층 구조로 이루어지고, 1.0∼8.0㎛의 합계 평균층 두께를 가지는 상부층(3)이 형성되어 있다.

[평균층 두께의 측정 방법]

층 두께의 측정은, 수속 이온 빔(Focused Ion Beam: FIB)을 사용하여 종단면을 잘라내고, 주사형(走査型) 전자 현미경(SEM) 또는 투과형 전자 현미경(TEM)을 사용한 에너지 분산형 X선 분석법(EDS), 오제 전자 분광법(分光法)(Auger Electron Spectroscopy: AES)이나 전자선 마이크로 애널라이저(Electron Probe Micro Analyzer: EPMA)를 사용한 단면(斷面) 측정에 의해 행한다. 상부층의 각 층의 층 두께를 구하는 방법을 구체적으로 말하면 다음과 같다. 공구의 종단면에 대하여, 기체 표면의 법선 방향에 대한 조성의 선분석을 행한다. 이로써, 얻어지는 성분 함유량 변화 곡선을 기초로 하여, A층과 B층의 경계를, B층에서의 Cr 함유량의 증가 개시 위치 및 감소 개시 위치로 한다. 이들로부터, A층의 층 두께는, Cr 함유량의 감소 개시 위치로부터 Cr 함유량의 증가 개시 위치, 또한 B층의 층 두께는, Cr 함유량의 증가 개시 위치로부터 Cr 함유량의 감소 개시 위치를 기준으로 하여 구해진다. 평균층 두께는, 상기 측정 방법을 5회 행하여, 산출한 평균값을 말한다.

도 2a 및 도 2b는, 상기 본 실시형태에 관한 표면 피복 공구의 층 구조를 형성하기 위한 아크 이온 플레이팅(이하, 「AIP」라고 함) 장치(10)를 나타낸다(그리고, 금속 이온 봄바드 처리용 금속 타겟에 대해서는 도시하지 않음). AIP 장치(10)의 회전 테이블에 배치된 공구 기체(11)의 표면에 대하여, 소정 조건 하에서 금속 이온 봄바드를 행하여, W층(4)과 금속 탄화물층(5)과 금속 탄질화물층(6)으로 이루어지는 하부층(2)을 형성하고, 그 후, A층과 B층을 교호로 적층하여 상부층(3)을 성막하고, 층 구조를 가지는 본 실시형태에 관한 표면 피복 절삭 공구를 제작할 수 있다.

[하부층]

하부층(2)을 구성하는 W층(4), 금속 탄화물층(5)의 층은, 모두, 금속 이온 봄바드 처리에 의해 형성되는 층이다.

상기 하부층(2)을 구성하는 층 중, W층(4) 및 상기 W층(4) 바로 위쪽의 금속 탄화물층(5)은, 금속 이온 봄바드(조사)에 의해, 공구 기체(11)의 표면 근방의 WC가 W와 C로 분해되고, 이로써, 공구 기체(11)의 표면으로부터 소정 깊이에까지 W층(4)이 형성되고, 또한 상기 W층(4)의 표면에는, 이온 봄바드된 금속과 C가 반응하여, 금속 탄화물층(5)이 생성된다.

여기서, 형성되는 W층(4)의 평균 두께(깊이)가 10㎚ 미만에서는, 바로 위쪽의 금속 탄화물층(5)이 충분히 형성되지 않고, 경질층(硬質層)과의 충분한 밀착 강도가 얻어지지 않는다. 한편, 그 평균 두께가 500㎚을 넘으면, 공구 기체(11)의 표면의 취화(脆化)에 의해, 경질 피복층이 박리되기 쉬워지므로, 공구 기체(11)의 표면으로부터 그 내부를 향해 형성되는 W층(4)의 평균 두께(깊이)는, 10∼500㎚ 이하로 한다. 더욱 바람직하게는 20㎚∼300㎚이다.

또한, 상기 W층(4) 바로 위에 형성되는 금속 탄화물층(5)은, 전술한 바와 같이, 봄바드된 금속 이온이, WC로부터 W와 C로 분해된 C의 반응에 의해 형성되지만, 그 평균층 두께가, 5㎚ 미만에서는 W층(4)의 두께도 너무 얇게 되어 경질층과의 밀착성 향상 효과가 적고, 한편, 그 평균층 두께가 500㎚을 넘으면, 결과로서 W층(4)의 평균 두께(깊이)가, 500㎚를 초과하게 되기 때문에, 공구 기체(11)의 표면의 취화를 초래한다. 따라서, W층(4) 바로 위에 형성되는 금속 탄화물층(5)의 평균층 두께는 5∼500㎚로 한다. 더욱 바람직하게는 10㎚∼300㎚이다.

[W층의 평균 두께(깊이)의 측정 방법]

W층의 두께(깊이)의 측정은, 수속 이온 빔(Focused Ion Beam: FIB)을 사용하여 종단면을 잘라내고, 주사형 전자 현미경(SEM) 또는 투과형 전자 현미경(TEM)을 사용한 에너지 분산형 X선 분석법(EDS), 오제 전자 분광법(Auger Electron Spectroscopy: AES)이나 전자선 마이크로 애널라이저(Electron Probe Micro Analyzer: EPMA)를 사용한 단면 측정에 의해 행한다. W층의 두께(깊이)를 구하는 방법을 구체적으로 말하면 다음과 같다. 공구의 종단면에 대하여, 기체 표면의 법선 방향에 대한 조성의 선분석을 행한다. 이로써, 얻어지는 성분 함유량 변화 곡선을 기초로 하여 각 층의 경계를 다음에 따라서 정의한다. 먼저, WC와 W층의 경계를, W 함유량의 증가 개시 위치로 한다. 또한, W층과 금속 탄화물층의 경계를, W의 함유량 변화를 나타내는 곡선과 금속 탄화물층을 구성하는 금속 성분의 함유량 변화를 나타내는 곡선과의 교점(交点)으로 한다. 이들로부터, W층의 두께(깊이)는, 상기 W 함유량 증가 개시 위치 및 W의 함유량 변화를 나타내는 곡선과 금속 탄화물층을 구성하는 금속 성분의 함유량 변화를 나타내는 곡선과의 교점을 기준으로 하여 구해진다. W층의 평균 두께는, 상기 측정 방법을 5회 행하여, 산출한 평균값을 말한다.

[금속 탄화물층의 평균 두께의 측정 방법]

금속 탄화물층의 두께의 측정은, 수속 이온 빔(Focused Ion Beam: FIB)을 사용하여 종단면을 잘라내고, 주사형 전자 현미경(SEM) 또는 투과형 전자 현미경(TEM)을 사용한 에너지 분산형 X선 분석법(EDS), 오제 전자 분광법(Auger Electron Spectroscopy: AES)이나 전자선 마이크로 애널라이저(Electron Probe Micro Analyzer: EPMA)를 사용한 단면 측정에 의해 행한다. 금속 탄화물층의 두께를 구하는 방법을 구체적으로 말하면 다음과 같다. 공구의 종단면에 대하여, 기체 표면의 법선 방향에 대한 조성의 선분석을 행한다. 이로써, 얻어지는 성분 함유량 변화 곡선을 기초로 하여 각 층의 경계를 다음에 따라서 정의한다. 먼저, W층과 금속 탄화물층의 경계를, W의 함유량 변화를 나타내는 곡선과 금속 탄화물층을 구성하는 금속 성분의 함유량 변화를 나타내는 곡선과의 교점으로 한다. 또한, 금속 탄화물층과 금속 탄질화물층의 경계를, N 함유량의 증가 개시 위치로 한다. 이들로부터, 금속 탄화물층의 두께는, 상기 W의 함유량 변화를 나타내는 곡선과 금속 탄화물층을 구성하는 금속 성분의 함유량 변화를 나타내는 곡선과의 교점 및 N 함유량의 증가 개시 위치를 기준으로 하여 구해진다. 금속 탄화물층의 평균 두께는, 상기 측정 방법을 5회 행하여, 산출한 평균값을 말한다.

[금속 탄질화물층의 평균 두께의 측정 방법]

금속 탄질화물층의 두께의 측정은, 수속 이온 빔(Focused Ion Beam: FIB)을 사용하여 종단면을 잘라내고, 주사형 전자 현미경(SEM) 또는 투과형 전자 현미경(TEM)을 사용한 에너지 분산형 X선 분석법(EDS), 오제 전자 분광법(Auger Electron Spectroscopy: AES)이나 전자선 마이크로 애널라이저(Electron Probe Micro Analyzer: EPMA)를 사용한 단면 측정에 의해 행한다. 금속 탄질화물층의 두께를 구하는 방법을 구체적으로 말하면 다음과 같다. 공구의 종단면에 대하여, 기체 표면의 법선 방향에 대한 조성의 선분석을 행한다. 이로써, 얻어지는 성분 함유량 변화 곡선을 기초로 하여 각 층의 경계를 다음에 따라서 정의한다. 먼저, 금속 탄화물층과 금속 탄질화물층의 경계를, N 함유량의 증가 개시 위치로 한다. 또한, 금속 탄질화물층과 상부층의 경계를, 금속 탄질화물층을 구성하는 금속 성분과 상부층을 구성하는 금속 성분의 함유량 변화를 나타내는 곡선과의 교점으로 한다. 이들로부터, 금속 탄질화물층의 두께는, 상기 N 함유량의 증가 개시 위치 및 금속 탄질화물층을 구성하는 금속 성분과 상부층을 구성하는 금속 성분의 함유량 변화를 나타내는 곡선과의 교점을 기준으로 하여 구해진다. 금속 탄질화물층의 평균 두께는, 상기 측정 방법을 5회 행하여, 산출한 평균값을 말한다.

또한, 상기 금속 탄화물층(5)의 표면에 금속 탄질화물층(6)이 형성되지만, 이 금속 탄질화물층(6)은, 금속 이온 봄바드 처리 후, 상부층(3)을 증착(蒸着) 형성할 때 형성되는 층이다. 고진공 하에서 장시간(30∼60분)에 걸쳐서 금속 이온 봄바드 처리하고, 상기 W층(4)과 상기 금속 탄화물층(5)이 형성된 후, 또한 질소 분위기 하에서 상부층(3)을 증착 형성함으로써 상기 금속 탄질화물층(6)을 형성할 수 있다. 이 형성 방법에 의해, 상기 금속 탄화물층(5)에 함유되는 금속 성분을 포함하는 금속 탄질화물층(6)으로 된다.

이 금속 탄질화물층(6)은, 금속 탄화물층(5)과의 밀착 강도가 뛰어나는 동시에, 금속 탄질화물층(6)의 표면에 형성되는 경질층, 특히, Al과 Ti의 복합 질화물 층으로 이루어지는 A층과의 밀착성이 우수하다. 그러므로, 고열 발생을 따라서, 또한 커팅 에지에 대하여 큰 열적 부하, 기계적 부하가 가해지는 Ni기 내열 합금의 고속 절삭 가공에서의 경질층의 박리 발생을 억제한다. 그러나, 금속 탄질화물층(6)의 평균층 두께가 5㎚ 미만에서는 상기한 금속 탄화물층(5) 및 A층과의 밀착성이 충분히 발휘되지 않고, 또한 그 평균층 두께가 300㎚을 넘으면, 층 내의 불균일이 커져, 오히려 밀착력의 저하를 초래한다. 따라서, 금속 탄질화물층(6)의 평균층 두께는 5∼300㎚로 한다. 더욱 바람직하게는 10∼200㎚이다.

[하부층의 형성]

보다 구체적으로, 상기 하부층(2)의 형성 방법의 일례를 말하면, 예를 들면, 다음과 같다.

먼저, 공구 기체(11)를 AIP 장치(10) 내의 회전 테이블(12) 상에 자전 가능하게 탑재하고, 장치 내를 1×10^-3 Pa 이하의 고진공으로 유지하여, 공구 기체(11)의 온도를 약 500℃로 가열하고, 그 다음에, 공구 기체(11)의 온도를 약 750∼800℃로 높이고, 이 온도를 금속 이온 봄바드 처리 중 유지하도록 하고, 그 다음에, 공구 기체(11)에 약 -1000V의 바이어스 전압을 인가하고, 금속 이온 봄바드용의 타겟(예를 들면, Ti 타겟) 약 100A의 아크 전류를 흘리고, 이 처리를 약 30∼60분간 계속함으로써 금속 이온 봄바드 처리를 행하여, 공구 기체(11) 표면으로부터 그 내부를 향한 소정의 깊이로 W층(4)을 형성하고, 동시에, W층(4) 표면에 소정 두께의 금속 탄화물층(5)을 형성하고, 또한 상부층(3)을 증착 형성할 때 상부층(3)과 금속 탄화물층(5) 사이의 확산 반응에 의해 금속 탄질화물층(6)을 형성한다.

상기 방법에 의해, 공구 기체(11)에, 소정 깊이의 W층(4), 소정 평균층 두께의 금속 탄화물층(5), 소정 평균층 두께의 금속 탄질화물층(6)로 이루어지는 하부층(2)을 형성할 수 있다.

상기 W층(4), 금속 탄화물층(5), 및 금속 탄질화물층(6)은, 공구 기체(11) 상에 층형(層形)으로 형성되는 것이 바람직하지만, 예를 들면, WC 입자 상에 우선적으로 섬형상으로 형성되는 경우도 있고, 이 경우에도 기재와 경질 피복층의 밀착 강도 개선의 효과를 얻을 수 있다.

상기 금속 탄화물층(5)을 구성하는 금속의 종류로서는, Ti, Cr, Zr, Hf, Nb 및 Ta로부터 선택되는 어느 일종의 금속이 매우 적합하고, 특히, Ti, Cr이 바람직하다.

금속 탄화물층(5)을 구성하는 전술한 금속을 이온 봄바드했을 때, 전술한 각각의 금속은, W보다 탄화물을 형성하기 쉬우므로, 공구 기체(11) 표면 근방에서 W와 C로 분해한 C와 반응하고, 그 결과, W층(4) 표면에 금속 탄화물층(5)이 형성되기 때문이다.

또한, 금속 탄질화물층(6)은, 상기 금속 탄화물층(5)에 함유되는 금속 성분을 포함하는 탄질화물층이지만, 금속 탄질화물층(6)을 구성하는 금속의 종류로서는, Al, Ti, Cr, Zr, Hf, Nb 및 Ta로부터 선택되는 적어도 일종 이상의 금속이 매우 적합하고, 특히, Ti, Cr이 바람직하다.

상기 금속 탄질화물층(6)이 형성됨으로써, 상부층(3)과의 계면에서의 격자의 부정합(不整合)이 완화되므로, 상부층(3)과의 밀착 강도가 향상된다.

금속 탄질화물층(6)의 탄소와 질소의 비는 한정되는 것은 아니지만, 바람직하게는 탄소와 질소의 원자 농도의 합계에 대한 질소의 원자 농도의 비율이 금속 탄질화물층(6) 내의 평균으로 0.1∼0.9이며, 더욱 바람직하게는 0.1∼0.6이다.

금속 탄화물층(5)을 구성하는 금속과, 금속 탄질화물층(6)을 구성하는 금속이, 동종의 금속(예를 들면, Ti 탄화물층과 Ti 탄질화물층)인 것에 의해, 금속 이온 봄바드 처리와 금속 탄질화물층 형성 처리를 연속하여 행할 수 있다는 장점이 있다.

그러나, 동종의 금속에 한정되지 않고, 이종(異種)의 금속이라도 지장은 없다. 그리고, 본 발명의 금속 이온 봄바드 처리에 있어서, 하부층(2)을 형성할 때의 반응 과정에서 부분적으로 W입자가 층 내에 잔류하는 경우가 있지만, 이 경우에도 하부층(2)의 밀착력 향상 효과는 발휘된다.

[상부층]

상기 하부층(2) 상에 형성되는 상부층(3)은, A층과 B층이 적어도 1층씩 교호로 적층된 교대 적층 구조로 이루어지고, 1.0∼8.0㎛의 합계 평균층 두께를 가진다.

A층은, 0.1∼5.0㎛의 한층 평균층 두께를 가지는 Al과 Ti의 복합 질화물(이하, 「(Al, Ti) N」로 나타내는 경우가 있음)층으로서, 그 조성을, 조성식: (Al_xTi₁ _-x)N으로 나타낸 경우, 0.40≤x≤0.70(단, x는 원자비)을 만족시키는 평균 조성을 가진다.

B층은, 0.1∼5.0㎛의 한층 평균층 두께를 가지는 Al과 Ti와 Cr과 Si와 Y의 복합 질화물(「(Al, Ti, Cr, Si, Y) N」) 층으로서, 그 조성을, 조성식: (Al₁ _-a-b-c-dTi_aCr_bSi_cY_d)N으로 나타낸 경우, 0≤a≤0.40, 0.05≤b≤0.40, 0≤c≤0.20, 0.01≤d≤0.10(단, a, b, c, d는 모두 원자비)을 만족시키는 평균 조성을 가진다.

상기 A층에 관한 조성식에서의 N/(Ti＋Al＋N)의 값, 또한 상기 B층에 관한 조성식에서의 N/(Al＋Ti＋Cr＋Si＋Y＋N)의 값은, 반드시, 화학양론비의 0.5일 필요는 없다. 공구 기체(11) 표면의 오염의 영향 등으로 불가피하게 검출되는 탄소나 산소 등의 원소를 제외하고, Ti, Al, N의 함유 비율의 원자비를 정량(定量)하고, 또한 Al, Ti, Cr, Si, Y, N의 함유 비율의 원자비를 정량하고, N/(Ti＋Al＋N)의 값 또는 N/(Al＋Ti＋Cr＋Si＋Y＋N)의 값이, 0.45 이상 0.65 이하의 범위이면, 상기 화학양론비가 0.5인 A층 또는 B층과 동등한 효과가 얻어지므로, 특별히 문제는 없다.

[상부층의 A층을 구성하는(Al, Ti)N층]

(Al, Ti)N층으로 이루어지는 상기 A층에 대하여, 그 한층 평균층 두께가 0.1㎛ 미만일 경우에는, 내마모성 향상 효과, 내 결손성 향상 효과가 충분하지 않고, 한편, 한층 평균층 두께가 5.0㎛을 넘으면, A층의 내부 불균일이 크게 되어 자괴(自愧)되기 쉬워지기 때문에, A층의 한층 평균층 두께는 0.1∼5.0㎛로 한다.

또한, A층의 조성식: (Al_xTi₁ _-x)N에 있어서, Al의 평균 조성을 나타내는 x의 값이 0.40 미만일 경우에는, 하부층(2)의 금속 탄질화물층(6)과 A층과의 밀착 강도, 또한 A층과 B층의 밀착 강도는 높아지는 반면, A층의 고온 경도(硬度) 및 고온 내산화성(耐酸化性)이 저하된다. 한편, x의 값이 0.70을 초과하는 경우에는, 6방정(方晶) 구조의 결정 입자가 형성되기 용이해져, A층의 경도가 저하하여 충분한 내마모성을 얻을 수 없게 된다.

따라서, Al의 평균 조성을 나타내는 x의 값은, 0.40≤x≤0.70로 한다.

Al의 평균 조성을 나타내는 x의 값은, 0.50≤x≤0.70이 더욱 바람직하다.

A층에서의 Al 성분의 평균 조성 x는, SEM-EDS를 사용하여, A층의 종단면의 복수 개소[예를 들면, 5개소(箇所)]에서 Al 성분량을 측정하고, 그 측정값을 평균함으로써 구할 수 있다.

종단면의 복수 개소는, 무작위로 선택한 1개소보다 각각의 개소 사이가 100㎚∼200㎚로 되도록 적어도 5개소 이상을 선택하는 것으로 한다.

[상부층의 B층을 구성하는(Al, Ti, Cr, Si, Y)N층]

상부층(3)의 B층을 구성하는(Al, Ti, Cr, Si, Y)N층에서의 Al 성분에는 고온 경도(hardness)와 내열성(耐熱性), 동(同) Ti성분에는 고온 경도를 향상시키는 효과가 있고, 동 Cr성분에는 고온 인성(靭性; toughness), 고온 강도를 향상시키고 또한 AL 및 Cr이 공존 함유한 상태로 고온 내산화성을 향상시키고, 또한 동 Si성분에는 내열소성(耐熱塑性) 변형성을 향상시키는 작용이 있고, 또한 Y성분에는, 전술한 바와 같이, 내용착성을 높이는 동시에 내산화성을 높이는 작용이 있다.

상기 (Al, Ti, Cr, Si, Y)N층에서의 Al과 Ti와 Cr과 Si와 Y의 합량(合量)에 차지하는 Ti의 함유 비율을 나타내는 a값(원자비)이 0.40을 넘으면, 상대적인 Al의 함유 비율의 저하에 의해 피복 공구의 내구성이 저하되므로, a값은, 0∼0.40으로 정한다.

상기 (Al, Ti, Cr, Si, Y)N층에서의 Cr의 함유 비율을 나타내는 b값(원자비)이 0.05 미만에서는, 최저한 필요로 하는 고온 인성, 고온 강도를 확보할 수 없으므로, 치핑, 결손의 발생을 억제할 수 없고, 한편, 동 b값이 0.40을 넘으면, 상대적인 Al 함유 비율의 감소에 의해, 마모 진행이 촉진되므로, b값을 0.05∼0.40으로 정한다.

상기 (Al, Ti, Cr, Si, Y)N층에서의 Si의 함유 비율을 나타내는 c값(원자비)이 0.20을 넘으면, 내열소성 변형성의 향상이 포화하는 한편, 내마모성 향상 효과에 저하 경향이 도시된 바와 같이 되므로, c값을 0∼0.20으로 정한다.

상기 (Al, Ti, Cr, Si, Y)N층에서의 Y의 함유 비율을 나타내는 d값(원자비)이 0.01 미만에서는, 내용착성, 내산화성 향상의 효과를 기대할 수 없고, 한편, 동 d값이 0.10을 넘으면, 6방정 구조의 AlN이 생성되게 되어, B층의 경도가 저하되므로, d값을 0.01∼0.10으로 정한다.

상기 a, b, c, d에 대한, 바람직한 범위는 0≤a≤0.30, 0.10≤b≤0.30, 0.05≤c≤0.15, 0.05≤d≤0.08이다.

상기 (Al, Ti, Cr, Si, Y)N층으로 이루어지는 B층은, 그 한층 평균층 두께가 0.1㎛ 미만에서는, 장기의 사용에 걸쳐서 우수한 내마모성을 발휘할 수 없고, 한편, 그 한층 평균층 두께가 5.0㎛을 넘으면, 치핑, 결손이 발생되기 쉽게 되므로, (Al, Ti, Cr, Si, Y)N층으로 이루어지는 B층의 한층 평균층 두께는, 0.1∼5.0㎛ㄹ로 정했다. 그리고, B층에서의 Ti 성분, Cr 성분, Si 성분 및 Y 성분의 각각의 평균 조성 a, b, c, d는, SEM-EDS를 사용하여, B층의 종단면의 복수 개소(예를 들면, 5개소)에서 각 성분량을 측정하고, 그 측정값을 평균함으로써 구할 수 있다.

[상부층의 합계 평균층 두께]

전술한 바와 같이, A층의 한층 평균층 두께 및 B층의 한층 평균층 두께는, 각각, 0.1∼5.0㎛로 하지만, A층과 B층이 적어도 1층씩 교호로 적층된 적층 구조의 상부층(3)의 합계 평균층 두께는, 1.0∼8.0㎛로 한다. A층의 한층 평균층 두께 및 B층의 한층 평균층 두께는, 각각, 0.5∼4.0㎛인 것이 더욱 바람직하다.

이것은, 상부층(3)의 합계 평균층 두께가 1.0㎛ 미만에서는, 장기의 사용에 걸쳐서 우수한 내마모성을 발휘할 수 없으므로, 한편, 합계 평균층 두께가 8.0㎛을 넘으면, 상부층(3)이 치핑, 결손, 박리 등의 이상 손상이 발생되기 쉽기 때문이다.

A층과 B층은, 적어도 1층씩 교호로 적층되어 있는 적층 구조를 가지는 것이 바람직하다.

그리고, 하부층(2)의 표면에, 상부층(3)을 성막하는 경우, A층과 하부층(2)의 금속 탄질화물층(6)과의 밀착 강도는 높고, 또한 A층과 B층의 밀착 강도도 높으므로, 하부층(2)의 금속 탄질화물층(6) 바로 위에는, 상부층(3)의 A층을 형성하는 것이 바람직하다.

상기 표면 피복 절삭 공구는, 표면 피복 인서트, 표면 피복 엔드밀, 표면 피복 드릴 중 어느 하나인 것이 바람직하다.

상기 표면 피복 절삭 공구는, Ni기 내열 합금 고속 절삭 가공용인 것이 바람직하다.

[실시예]

이하에 실시예를 사용하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

<<실시예 1>>

원료 분말로서, 모두 0.5∼5㎛의 평균 입경(粒徑)을 가지는 WC 분말, TiC 분말, VC 분말, TaC 분말, NbC 분말, Cr₃C₂ 분말 및 CO 분말을 준비하고, 이들 원료 분말을, 표 1에 나타내는 배합 조성에 배합하고, 또한 왁스를 더하여 아세톤 중에서 24시간 볼밀(ball mill) 혼합하고, 감압 건조한 후, 98 MPa의 압력으로 소정 형상의 압분체로 프레스 성형하고, 이 압분체를 5Pa의 진공 중, 1370∼1470℃ 의 범위 내의 소정의 온도에 1시간 유지의 조건 하에서 진공 소결(燒結)하고, 소결 후, 커팅부에 호닝(honing) 가공을 행함으로써 ISO·CNMG 120408에 규정하는 인서트 형상을 가진 WC기 초경합금제(超硬合金製)의 공구 기체(11)(인서트) 1∼4를 제조하였다.

전술한 공구 기체(11)(인서트) 1∼4에 대하여, 이하의 공정에서 하부층과 상부층을 형성하고, 본 발명의 표면 피복 인서트 1∼8(이하, 본 발명 공구 1∼8이라고 함)를 각각 제조하였다.

공정 (a) :

상기한 공구 기체(11)의 1∼4의 각각을, 아세톤 중에서 초음파 세정하고, 건조한 상태에서, 도 2a 및 도 2b에 나타낸 AIP 장치(10)의 회전 테이블 상의 중심축으로부터 반경 방향으로 소정 거리 이격된 위치에 외주부에 따라 장착하고, AIP 장치(10)의 한쪽에 소정 조성의 Al-Ti 합금으로 이루어지는 타겟(13)(캐소드 전극)을, 다른 쪽 측에 소정 조성의 Al-Ti-Cr-Si-Y 합금으로 이루어지는 타겟(14)(캐소드 전극)을 배치하고,

공정 (b) :

먼저, 장치 내를 배기하여 진공(1×10^-3 Pa 이하)로 유지하면서, 상기 회전 테이블 상에서 자전하면서 회전하는 공구 기체(11)를, 약 500℃로부터 표 2에 나타낸 소정의 온도(금속 이온 봄바드 처리 중인 공구 기체 온도)에까지 히터로 순차적으로 가열하고, 동일하게 표 2에 나타낸 바이어스 전압을 공구 기체(11)에 인가하고, 공구 기체(11)와 금속 이온 봄바드용 타겟(예를 들면, Ti)과의 사이에 동일하게 표 2에 나타낸 아크 전류를 흘려, 동일하게 표 2에 나타낸 처리 시간, 공구 기체(11)에 금속 이온 봄바드 처리를 행함으로써 표 4에 나타낸 하부층(2)을 형성하고,

공정 (c) :

그 다음에, 장치 내에 반응 가스로서 질소 가스를 도입하여 표 3에 나타낸 질소 분압(分壓)으로 하고 또한 상기 회전 테이블(12) 상에서 자전하면서 회전하는 공구 기체(11)의 온도를 표 3에 나타낸 온도 범위 내로 유지하고 또한 표 3에 나타낸 직류 바이어스 전압을 인가하고, 또한 상기 Al-Ti 합금 타겟(13)과 애노드 전극(15)과의 사이에 150A의 전류를 흐르게 하여 아크 방전을 발생시키고, 따라서 상기 공구 기체(11)의 표면에, 표 4에 나타내는 조성 및 한층 평균층 두께의 A층을 증착 형성하고,

공정 (d) :

그 다음에, 장치 내에 반응 가스로서 질소 가스를 반응 가스 도입구(導入口)(20)로부터 도입하여 표 3에 나타낸 질소 분압으로 하고 또한 상기 회전 테이블(12) 상에서 자전하면서 회전하는 공구 기체(11)의 온도를 표 3에 나타낸 온도 범위 내로 유지하고 또한 표 3에 나타낸 직류 바이어스 전압을 인가하고, 또한 상기 Al-Ti-Cr-Si-Y 합금 타겟(14)과 애노드 전극(16)과의 사이에 150A의 전류를 흐르게 하여 아크 방전을 발생시키고, 따라서 상기 공구 기체(11)의 표면에, 표 4에 나타내는 조성 및 한층 평균층 두께의 B층을 증착 형성하였다.

공정 (e)

그 다음에, 상기 (c)와 (d)를, 상부층의 합계 평균층 두께가 될 때까지 반복하여 행하였다.

상기 공정 (a)∼(e)에 의해, 표 4에 나타낸 본 발명 공구 1∼8을 각각 제조하였다.

비교예:

비교의 목적으로, 실시예 1에서 제작한 WC기 초경합금제의 공구 기체(11)(인서트) 1∼4의 각각을, 아세톤 중에서 초음파 세정하고, 건조한 상태에서, 도 2a 및 도 2b에 나타낸 AIP 장치(10)의 회전 테이블 상의 중심축으로부터 반경 방향으로 소정 거리 이격된 위치에 외주부에 따라 장착하고, 실시예 1과는, 금속 이온 봄바드 처리 조건을 변경한 것 이외에, 실시예 1과 같은 방법으로, 표 7에 나타낸 비교예의 표면 피복 인서트 1∼6(이하, 비교예 공구 1∼6이라고 함)를 각각 제조하였다.

구체적으로 말하면, 다음과 같다.

비교예 공구 1∼4에 대해서는, 표 5의 비교예 조건 1∼4에 나타낸 바와 같이, AIP 장치(10) 내를 표 5에 나타낸 노 내 분위기, 노 내 압력으로 유지하면서, 히터로 공구 기체(11)를 표 5에 나타낸 온도로 가열한 후, 회전 테이블(12) 상에서 자전하면서 회전하는 공구 기체(11)에 표 5에 나타낸 직류 바이어스 전압을 인가하고, 또한 금속 이온 봄바드용 타겟과 애노드 전극과의 사이에 표 5에 나타낸 아크 전류를 흐르게 하여 아크 방전을 발생시키고, 따라서 공구 기체(11) 표면을 봄바드 처리하였다.

또한, 비교예 공구 5, 6에 대해서는, 표 5의 비교예 조건 5, 6에 나타낸 바와 같은 봄바드 처리를 행하였으나, 비교예 조건 5의 처리는, 상기 특허문헌 2에 개시되는 범위 내의 조건이며, 또한 비교예 조건 6의 처리는, 상기 특허문헌 3에 개시되는 범위 내의 조건이다. 또한, 비교예 공구 1∼4: 및 비교예 공구 5, 6의 봄바드 처리 후의, 상부층의 성막 조건은, 표 6에 나타낸 바와 같다.

상기에서 제작한 본 발명 공구 1∼8: 및 비교예 공구 1∼6에 대하여, 수속 이온 빔(Focused Ion Beam: FIB)을 사용하여 종단면을 잘라내고, 주사형 전자 현미경(SEM) 또는 투과형 전자 현미경(TEM)을 사용한 에너지 분산형 X선 분석법(EDS), 오제 전자 분광법(Auger Electron Spectroscopy: AES)이나 전자선 마이크로 애널라이저(Electron Probe Micro Analyzer: EPMA)를 사용한 단면 측정에 의해, 상부층의 A층, B층의 성분 조성, 각 층 두께를 5개소 측정하고, 그 평균값보다 평균 조성 및 평균층 두께를 산출하였다.

하부층의 W층, 금속 탄화물층 및 금속 탄질화물층에 있어서도, 상부층과 마찬가지의 분석 방법을 이용한 단면의 평균 측정보다, 각 층의 동정(同定) 및 각 층 두께를 산출하였다. 하부층의 각 층의 층 두께를 구하는 방법을 구체적으로 말하면 다음과 같이 행하였다. 공구의 종단면에 대하여, 기체 표면의 법선 방향에 대한 조성의 선분석을 행하였다. 이로써, 얻어지는 성분 함유량 변화 곡선을 기초로 하여 각 층의 경계를 다음에 따라서 정의하였다. 먼저, WC와 W층의 경계를, W 함유량의 증가 개시 위치로 하였다. 또한, W층과 금속 탄화물층의 경계를, W의 함유량 변화를 나타내는 곡선과 금속 탄화물층을 구성하는 금속 성분의 함유량 변화를 나타내는 곡선과의 교점으로 하였다. 또한, 금속 탄화물층과 금속 탄질화물층의 경계를, N 함유량의 증가 개시 위치로 하였다. 그리고, 금속 탄질화물층과 상부층의 경계를, 금속 탄질화물층을 구성하는 금속 성분과 상부층을 구성하는 금속 성분의 함유량 변화를 나타내는 곡선과의 교점으로 하였다. 여기로부터, W층의 깊이 및 금속 탄화물층의 층 두께 및 금속 탄질화물층의 층 두께를, 상기 W 함유량, N 함유량의 증가 개시 위치 또는 각 곡선의 교점을 기준으로 하여 구하였다.

그리고, 이 측정을 공구의 종단면에 있어서 5개소에서 반복하고, 그 평균값을 하부층의 각 층의 평균층 두께로 하였다.

표 4, 표 7에, 측정·산출한 각각의 값을 나타낸다.

다음에, 상기 본 발명 공구 1∼8: 및 비교예 공구 1∼6에 대하여, 모두 공구강제 바이트의 선단부에 고정 지그(jig)에 의해 나사고정한 상태에서, 하기의 조건(절삭 조건 1이라고 함]에 의한 Ni기 내열 합금의 습식 연속 절삭 가공 시험을 실시하고, 커팅 에지의 여유면(flank-surface) 마모폭을 측정하였다.

<절삭 조건 1>

피삭재: Ni기 내열 합금(Cr19 질량% - Fe19 질량% - Mo3 질량% - Ti0.9 질량% - Al0.5 질량% - Ni 잔부)의 환봉(丸棒)],

절삭 속도: 100m/min.,

절입(切入) 즉 커트인(cut-in): 0.5㎜,

이송: 0.15 ㎜/rev.,

절삭 시간: 10 분,

절삭유: 수용성 쿨란트(coolant)

표 8에, 그 결과를 나타낸다

<<실시예 2>>

표 1에 나타내는 배합 조성의 원료 분말을, 실시예 1에 나타낸 조건 하에서 소결하여, 직경이 10㎜의 공구 기체 형성용 환봉 소결체(燒結體)를 형성하고, 또한 상기 환봉 소결체로부터, 연삭(硏削) 가공에 의해, 커팅부의 직경×길이가 6㎜×12㎜의 치수로, 토션각 30°의 4개날 스퀘어 형상을 가진 WC기 초경합금제의 공구 기체(11)(엔드밀) 1∼4를 각각 제조하였다.

이어서, 전술한 공구 기체(11)(엔드밀) 1∼4에 대하여, AIP 장치(10)를 사용하여, 실시예 1의 공정 (a)∼(e)와 같은 공정에 의해, 표 9에 나타낸 본 발명의 표면 피복 엔드밀 11∼18(이하, 본 발명 공구 11∼18이라고 함)을 제조하였다.

상기에서 제작한 본 발명 공구 11∼18에 대하여, 실시예 1과 같은 방법으로, 하부층의 W층, 금속 탄화물층 및 금속 탄질화물층의 동정 및 각 층 두께를 산출하였다. 상부층의 A층, B층에 있어서도, 각 성분의 평균 조성, 평균층 두께를 산출하였다.

표 9에, 측정·산출한 각각의 값을 나타낸다.

다음에, 상기 본 발명 공구 11∼18의 엔드밀에 대하여, 하기의 조건(절삭 조건 2이라고 함)에 의한 Ni기 내열 합금의 측면 절삭 가공 시험을 실시하고, 커팅 에지의 여유면 마모폭을 측정하였다.

<절삭 조건 2>

피삭재-평면 치수: 100㎜×250㎜, 두께: 50㎜의 Ni기 내열 합금(Cr19 질량% - Fe19 질량% - Mo3 질량% - Ti0.9 질량% - Al0.5: 질량% - Ni 잔부)의 판재,

절삭 속도: 40m/min,

회전 속도: 2100 min. ^-1.

절입 즉 커트인: ae 0.3㎜, ap 6㎜,

이송 속도(1날당): 0.03㎜/tooth,

절삭 길이: 10m,

표 10에, 절삭 시험 결과를 나타낸다

<<실시예 3>>

상기한 실시예 2에서 제조한 직경이 10㎜의 환봉 소결체를 이용하고, 이 환봉 소결체로부터, 연삭 가공에 의해, 홈 형성부의 직경×길이가 6㎜×30㎜의 치수, 및 모두 토션각 30°의 2개날 형상을 가진 WC기 초경합금제의 공구 기체(11)(드릴)를 제조하였다.

그 다음에, 이 공구 기체(11)(드릴)의 커팅 에지에, 호닝을 행하여, 아세톤 중에서 초음파 세정하고, 건조하였다.

그 다음에, AIP 장치(10)에 장입하여, 상기 실시예 1과 동일한 조건 하에서, 표 11에 나타내는 하부층, 상부층을 구비하는 본 발명의 표면 피복 드릴 21∼28(이하, 본 발명 공구 21∼28이라고 함)을 제조하였다.

상기에서 제작한 본 발명 공구 21∼28에 대하여, 실시예 1과 같은 방법으로, 하부층의 W층(4), 금속 탄화물층(5) 및 금속 탄질화물층(6)의 동정 및 각 층 두께를 산출하였다. 상부층의 A층, B층에 있어서도, 각 성분의 평균 조성, 평균층 두께를 산출하였다.

표 11에, 측정·산출한 각각의 값을 나타낸다.

다음에, 상기 본 발명 공구 21∼28에 대하여, 하기의 조건(절삭 조건 3이라고 함)에 의한 Ni기 내열 합금의 습식 구멍내기 절삭 가공 시험을 실시하고, 구멍내기 가공수를 30 구멍으로 했을 때의 절삭날의 여유면 마모폭을 측정하였다.

<절삭 조건 3>

피삭재-평면 치수: 100㎜×250㎜, 두께 50㎜의 Ni기 내열 합금(Cr19 질량% - Fe19 질량% - Mo3 질량% - Ti0.9 질량% - Al0.5 질량% - Ni 잔부)의 판재,

절삭 속도: 13.7m/min.,

이송: 0.06㎜/rev,

구멍 깊이: 12㎜,

표 12에, 절삭 시험 결과를 나타낸다

표 8, 표 10, 표 12에 나타내는 결과로부터, 본 발명 공구 1∼8, 11∼18, 21∼28은, 고열 발생을 따라서, 또한 커팅 에지에 대하여 큰 열적 부하, 기계적 부하가 가해지는 Ni기 내열 합금의 고속 절삭 가공에 있어서, 박리의 발생은 없고, 또한 용착, 치핑, 결손 등의 이상 손상의 발생도 없고, 장기의 사용에 걸쳐서 우수한 내마모성을 발휘하는 것을 알 수 있다.

이에 대하여, 비교예 공구 1∼6은, 커팅 에지에 작용하는 절삭 가공 시의 열적 부하, 기계적 부하에 의해, 박리, 치핑, 결손 등을 발생하고, 또한 수명은 단명이었다.

[산업 상의 이용 가능성]

본 발명의 피복 공구는, 고열 발생을 따라서, 또한 커팅 에지에 대하여 큰 열적 부하, 기계적 부하가 작용하는 Ni기 내열 합금의 고속 절삭 가공에 있어서, 박리의 발생을 억제하고, 또한 용착, 치핑, 결손 등의 이상 손상의 발생을 억제하고, 장기의 사용에 걸쳐서, 우수한 절삭 성능을 발휘한다.

2: 하부층
3: 상부층
4: W층(텅스텐층)
5: 금속 탄화물층
6: 금속 탄질화물층
10: AIP 장치(아크 이온 플레이팅 장치)
11: 공구 기체
12: 회전 테이블
13: Al-Ti 합금 타겟(증발원)
14: Al-Ti-Cr-Si-Y 합금 타겟(증발원)
15, 16: 애노드 전극
17, 18: 아크 전원
19: 바이어스 전원
20: 반응 가스 도입구
21: 배기 가스구

Claims

탄화 텅스텐기 초경합금(超硬合金)으로 이루어지는 공구 기체(基體)에 하부층이 설치되고, 상기 하부층의 표면에 교대 적층 구조의 상부층이 형성된 표면 피복 절삭 공구에 있어서,
(a) 상기 하부층은, W층과 금속 탄화물층과 금속 탄질화물층으로 이루어지고,
(b) 상기 W층은, 공구 기체 표면으로부터 그 내부에 10∼500㎚의 깊이에 걸쳐 형성되고,
(c) 상기 금속 탄화물층은, Ti, Cr, Zr, Hf, Nb 및 Ta로부터 선택되는 어느 일종의 금속 탄화물층으로서, 5∼500㎚의 평균층 두께를 가지고, 상기 W층의 바로 위에 형성되고,
(d) 상기 금속 탄질화물층은, 상기 금속 탄화물층에 함유되는 금속 성분을 포함하는 금속 탄질화물층으로서, 5∼300㎚의 평균층 두께를 가지고, 상기 금속 탄화물층의 바로 위에 형성되고,
(e) 상기 상부층은, A층과 B층이 적어도 1층씩 교호(交互)로 적층된 교대 적층 구조로 이루어지고, 1.0∼8.0㎛㎛의 합계 평균층 두께를 가지고,
(f) 상기 A층은, 0.1∼5.0㎛의 한층 평균층 두께를 가지는 Al과 Ti의 복합 질화물층으로서, 그 조성(組成)을, 조성식: (Al_xTi₁ _-x)N으로 나타낸 경우,
0.40≤x≤0.70(단, x는 원자비)을 만족시키는 평균 조성을 가지고,
(g) 상기 B층은, 0.1∼5.0㎛의 한층 평균층 두께를 가지는 Al과 Ti와 Cr과 Si와 Y의 복합 질화물층으로서, 그 조성을, 조성식: (Al₁ _-a-b-c- _dTi_aCr_bSi_cY_d)N으로 나타낸 경우, 0≤a≤0.40, 0.05≤b≤0.40, 0≤c≤0.20, 0.01≤d≤0.10(단, a, b, c, d는 모두 원자비)을 만족시키는 평균 조성을 가지는,
표면 피복 절삭 공구.
제1항에 있어서,
상기 표면 피복 절삭 공구가, 표면 피복 인서트, 표면 피복 엔드밀, 표면 피복 드릴 중 어느 하나인, 표면 피복 절삭 공구.
제1항 또는 제2항에 기재된 표면 피복 절삭 공구로 이루어지는 Ni기 내열 합금 고속 절삭 가공용의 표면 피복 절삭 공구.