KR20210118093A

KR20210118093A - 경질 피막 절삭 공구

Info

Publication number: KR20210118093A
Application number: KR1020217024372A
Authority: KR
Inventors: 히데토시 아사누마
Original assignee: 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
Priority date: 2019-02-12
Filing date: 2020-02-06
Publication date: 2021-09-29
Also published as: JPWO2020166466A1; WO2020166466A1; US20220143712A1; CN113453828A; US12303982B2; EP3925720A4; EP3925720A1

Abstract

공구 기체의 표면에 평균 층 두께가 0.5∼10.0㎛인 (Me_1-x-yAl_xM_y)N_z(0.35≤x≤0.80, 0.00≤y≤0.20, 0.20≤(1-x-y)≤0.65, 0.90≤z≤1.10(단, Me는 Ti 또는 Cr, x, y, z는 원자비, M은 IUPAC 주기표의 4∼6족의 원자, Y, Si, La, Ce의 적어도 하나))의 평균 조성의 경질 피막을 포함하는 경질 피막층을 갖고, 공구 기체의 표면으로부터 공구 표면을 향하여 평균 두께가 5∼100㎚인 경질 피막층의 계면 영역에 있어서, Ti와 Al과 M과 N의 합계량에 대한 N의 함유 비율은, 공구 기체의 표면측이 10∼30원자％이며, 공구 기체의 표면으로부터 공구 표면을 향하여 증가하고 있는 표면 피복 절삭 공구.

Description

경질 피막 절삭 공구

본 발명은 표면 피복 절삭 공구(이하, 피복 공구라고 하는 경우가 있다)에 관한 것이다.

일반적으로, 피복 공구에는, 각종 강(탄소강, 합금강)이나 주철 등의 피삭재의 선삭 가공이나 평삭 가공을 위해 바이트의 선단부에 탈착이 자유롭게 장착하여 사용되는 인서트, 동 피삭재의 드릴링 절삭 가공 등에 사용되는 드릴이나 미니어처 드릴, 또한 동 피삭재의 면삭 가공이나 홈 가공, 숄더 가공 등에 사용되는 솔리드 타입의 엔드 밀 등이 있고, 또한 인서트를 탈착이 자유롭게 장착하여 솔리드 타입의 엔드 밀과 동일하게 절삭 가공을 행하는 인서트식 엔드 밀 등이 알려져 있다.

그리고, 종래부터 피복 공구로는 예를 들면, WC기 초경합금, TiCN기 서멧, cBN 소결체 등을 공구 기체로 하고, 이에 경질 피막층을 형성한 피복 공구가 알려져 있으며, 절삭 성능의 개선을 목적으로 하여 다양한 제안이 이루어지고 있다.

예를 들면, 특허문헌 1에는, 공구 기체 상에 하층, 중간층 및 상층을 형성한 경질 피막 피복 공구로서,

(a) 상기 하층은 IV, V 및 VI족의 원소, Al 및 Si로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종의 금속 원소와, N, C 및 B로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종의 비금속 원소를 함유하고,

(b) 상기 상층은 (Al_xCr_y)_cO_d(x＝0.1∼0.40, x＋y＝1, c＝1.86∼2.14, d＝2.79∼3.21)로, α형 결정 구조를 가지고, 등가 X선 회절 강도비 TC(110)이 1.3 이상임과 함께, TC(110)이 TC(104)보다 크고, 또한 TC(006)이 0인 산화물로 이루어지며,

(c) 상기 중간층은 금속 원소로서 Al과 Cr을 필수로 하는 산질화물로 이루어지고, 산소 농도가 상기 하층측으로부터 상기 상층측에 걸쳐 증가함과 함께, 질소 농도가 상기 하층측으로부터 상기 상층측에 걸쳐 감소하는 경사 조성을 가지며, 그 평균 조성 (Al_sCr_t)_a(N_vO_w)_b가, s＝0.1∼0.6, s＋t＝1, v＝0.1∼0.8, v＋w＝1, a＝0.35∼0.6, a＋b＝1을 만족하는 것을 특징으로 하는 경질 피막 피복 공구가 기재되어 있다.

또한, 특허문헌 2에는, 공구 기체의 표면에 순서대로, 제1 층째의 TiAl 질화물, 제2 층째의 TiAl 질화물의 합계 2층으로 이루어지고, Ti:Al:N＝α:β:γ로 할 때,

(1) 제1 층째의 TiAl 질화물은 0＜α／β≤3, 0.2≤(α＋β)／γ≤2를 만족하며,

(2) 제2 층째의 TiAl 질화물은 0＜α／β≤3을 만족함과 함께, T＝(α＋β)／γ, 기체부측으로부터 표면부측에 연속적 또는 단속적으로 T₁ T₂ T₃ T₄…T_n(n은 임의)으로 하면, 2≥T₁＞T₂＞T₃＞T₄＞…＞T_n≥0.1을 만족하는 초다층의 경질막인 경질 피막을 갖는 절삭 공구가 기재되어 있다.

또한, 특허문헌 3에는, 내마모성 기재 상에, Al_aM_b(M은 Ti, Ta, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, W, Fe, Co, Ni, Cu 및 Mn으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종. 60at％≤a≤98.5at％, 1.5at％≤b≤40at％)의 조성을 갖는 증발원 재료를 사용하여, 질소, 산소 또는 탄소를 포함하는 반응 가스의 공급량을 그 분압이 연속적 또는 단계적으로 변화하도록 제어하면서, 비정질막 중의 반응 가스 성분의 농도가 막 표면을 향하여 증대하는 높은 경도를 갖는 비정질 경질막이 기재되어 있고, 이 경질막은 전기 전자 재료, 고강도 재료, 내마모 재료, 내고온 재료 등으로서 사용할 수 있는 것이 나타나 있다.

추가로, 특허문헌 4에는, 기판 상에 2개의 코팅층을 갖고, 당해 코팅층의 조성을 MeNx로 하면, 내측의 코팅층에서는 0.5＜x＜0.9이고, 외측의 코팅층에서는 0.9＜x≤1.0이며, 상기 Me가 주기표의 III∼IV족에 속하는 금속인 것을 특징으로 하는 내마모성 표면층으로 코팅된 복합체가 기재되어 있고, 이 복합체는 절삭 공구로서 사용할 수 있는 것이 나타나 있다.

일본 특허 제5617933호 공보 일본 공개특허공보 평10-237629호 공보 일본 공개특허공보 평6-322517호 공보 일본 공개특허공보 소59-159983호 공보

특허문헌 1∼4에 기재된 경질 피막층(내마모층)을 갖는 피복 공구는, 탄소강, 합금강, 스테인리스강, 주철 등의 고속 절삭시에는 날끝이 고온이 되기 때문에, 조기에 경질 피막층의 조성 변화가 진행하여 경질 피막층이 무르게 되고, 단시간에 수명이 다하여 만족하는 절삭 성능을 얻는 것은 곤란하다. 한편, 본 명세서에서는 고속 절삭이란, 특히 가공시 발열이 많은 스테인리스강에서는 통상의 절삭 속도보다 15％ 이상, 또한 탄소강, 합금강, 주철에서는 종래의 절삭 속도보다 30％ 이상의 고속 가공을 말한다.

이에, 본 발명은 탄소강, 합금강, 스테인리스강, 주철 등의 고속 절삭 가공에 사용해도, 경질 피막층이 우수한 내치핑을 구비함으로써, 장기 사용에 걸쳐 우수한 절삭 성능을 발휘하는 절삭 공구를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 표면 피복 절삭 공구는, 다음의 (1) 및 (2)이다.

(1) 공구 기체와, 당해 공구 기체의 표면에 적어도 평균 층 두께가 0.5∼10.0㎛인 복합 질화물 피막을 포함하는 경질 피막층을 갖고,

상기 복합 질화물 피막은 조성식: (Ti_1-x-yAl_xM_y)N_z로 나타낸 경우, 0.35≤x≤0.80, 0.00≤y≤0.20, 0.20≤(1-x-y)≤0.65, 0.90≤z≤1.10(단, x, y, z는 원자비, M은 IUPAC 주기표의 4∼6족의 원자, Y, Si, La, Ce의 적어도 하나)을 만족하는 평균 조성을 가지며,

상기 공구 기체의 표면으로부터 공구 표면을 향하여 평균 두께가 5∼100㎚의 범위에 있는 상기 경질 피막층의 계면 영역에 있어서, Ti와 Al과 M과 N의 합계량에 대한 N의 함유 비율은, 그 상기 공구 기체의 표면측이 10∼30원자％이고, 또한 당해 계면 영역에 있어서 상기 공구 기체의 표면으로부터 상기 공구 표면을 향하여 증가하고 있다.

(2) 공구 기체와, 당해 공구 기체의 표면에 적어도 평균 층 두께가 0.5∼10.0㎛인 복합 질화물 피막을 포함하는 경질 피막층을 갖고,

상기 복합 질화물 피막은 조성식: (Cr_1-x-yAl_xM_y)N_z로 나타낸 경우, 0.35≤x≤0.80, 0.00≤y≤0.20, 0.20≤(1-x-y)≤0.65, 0.90≤z≤1.10(단, x, y, z는 원자비, M은 IUPAC 주기표의 4∼6족의 원자, Y, Si, La, Ce의 적어도 하나)을 만족하는 평균 조성을 가지며,

상기 공구 기체의 표면으로부터 공구 표면을 향하여 평균 두께가 5∼100㎚의 범위에 있는 상기 경질 피막층의 계면 영역에 있어서, Cr과 Al과 M과 N의 합계량에 대한 N의 함유 비율은, 그 상기 공구 기체의 표면측이 10∼30원자％이고, 또한 당해 계면 영역에 있어서 상기 공구 기체의 표면으로부터 상기 공구 표면을 향하여 증가하고 있다.

경질 피막층에 Al과 Ti와 M을 포함하는 복합 질화물 피막을 갖는 표면 피복 절삭 공구는 합금강, 주철 등의 고속 절삭 가공에, 또한 경질 피막층에 Al과 Cr과 M을 포함하는 복합 질화물 피막을 갖는 표면 피복 절삭 공구는 탄소강, 스테인리스강 등의 고속 절삭 가공에 각각 사용해도, 경질 피막층이 우수한 내치핑을 구비함으로써, 장기 사용에 걸쳐 우수한 절삭 성능을 발휘한다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태의 표면 피복 절삭 공구에 있어서의 경질 피막층의 종단면의 모식도이다.

본 발명자는 Al과 Ti와 M을 포함하는 복합 질화물 피막, 및 Al과 Cr과 M을 포함하는 복합 질화물 피막(단, M은 IUPAC 주기표의 4∼6족의 원자, Y, Si, La, Ce의 적어도 하나이고, 이하, 각각 (TiAlM)N 피막, (CrAlM)N 피막이라고 하는 경우가 있다)을 갖는 경질 피막층의 물성에 대해 예의 검토했다. 그 결과, 다음과 같은 지견을 얻었다.

(1) N량이 적은 (TiAlM)N 피막 및 (CrAlM)N 피막을 포함하는 경질 피막층은, 고속 절삭 가공시에도 우수한 내마모성을 갖는다. 그 이유는 이들 피막의 열안전성이 높기 때문이라고 추정된다.

(2) 공구 기체와 계면 영역(공구 기체의 표면 근방에 있는 상기 경질 피막층의 소정 범위)에 있어서, N의 함유량(함유 비율)을 공구 기체의 표면으로부터 공구 표면을 향하여 증가시키면, 절삭 성능이 향상된다. 그 이유는 N 함유 비율을 증가시킴으로써, 상기 경질 피막층의 분해가 발생하기 어려워지기 때문에, 계면 부근에 발생하는 크랙을 억제할 수 있어, 상기 경질 피막층의 밀착력이 향상되기 때문이라고 추정하고 있다.

한편, 상기 특허문헌 1∼4에는, N 함유량이 변화하는 막에 대한 기재가 있지만, 모두 상기 (1) 및 (2)의 지견을 시사조차 하고 있지 않다.

이하, 본 발명의 일 실시형태의 피복 공구에 대해, 보다 상세하게 설명한다. 한편, 본 명세서, 특허청구범위의 기재에 있어서, 수치 범위를 「A∼B」(A, B는 모두 수치)를 사용하여 표현하는 경우, 그 범위는 상한 (B) 및 하한 (A)의 수치를 포함하는 것이다. 또한, 상한 (B)와 하한 (A)의 단위는 동일하다. 한편, 수치는 모두 측정상의 공차를 허용하는 것이다.

경질 피막층:

도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 피복 공구에 있어서의 경질 피막층(4)은 공구 기체(1) 상에 형성된 경질 피막(3)에 포함되는 (TiAlM)N 피막 또는 (CrAlM)N 피막을 갖는 것이고, 그 공구 기체(1)의 표면 근방에 소정 범위의 계면 영역(2)을 갖고 있다.

경질 피막층의 평균 층 두께는 0.5∼10.0㎛가 바람직하다. 이 범위로 한 이유는 평균 층 두께가 0.5㎛ 미만이면, 장기 사용에 걸쳐 우수한 내마모성을 발휘할 수 없고, 한편, 평균 층 두께가 10.0㎛를 초과하면, 결정립이 조대화하기 쉬워져, 내치핑성의 향상 효과가 얻어지지 않기 때문이다.

(TiAlM)N 피막 및 (CrAlM)N 피막:

본 실시형태의 피복 공구에 있어서의 경질 피막층에 포함되는 (TiAlM)N 피막은, 그 평균 조성을 조성식: (Ti_1-x-yAl_xM_y)N_z로 나타낸 경우, 또한 동 (CrAlM)N 피막은 그 평균 조성을 조성식: (Cr_1-x-yAl_xM_y)N_z로 나타낸 경우, 모두 0.35≤x≤0.80, 0.00≤y≤0.20, 0.20≤(1-x-y)≤0.65, 0.90≤z≤1.10(단, x, y, z는 원자비, M은 IUPAC 주기표의 4∼6족의 원자, Y, Si, La, Ce의 적어도 하나)을 만족하는 평균 조성을 갖고 있다.

이와 같이, x, y, 1-x-y, z의 범위를 결정한 이유는 다음과 같다.

x의 값이 0.35 미만이 되면, 고경도가 얻어지지 않을 뿐만 아니라 결정립이 조대화하기 쉬워지고, 한편, 0.80을 초과하면, 일부 결정의 결정 구조가 NaCl형의 면심 입방 구조에서 육방정 구조로 변화하여 경화가 저하된다. 보다 바람직한 범위 로는 0.45≤x≤0.70이다.

또한, 필요에 따라 첨가하는 M의 평균 함유 비율 y가 0.20을 초과하면, 인성이 저하되어 치핑, 결손을 발생하기 쉬워진다.

또한, (1-x-y)의 값이 0.20 미만이 되면, 상대적인 Ti, Cr 함유 비율의 감소에 의해, 인성이 저하되어 치핑, 결손을 발생하기 쉬워지고, 0.65를 초과하면 고경도가 얻어지지 않는다.

추가로, z의 값을 0.90 이상으로 함으로써, 내열성이 보다 향상되어, 우수한 내마모성을 나타낸다. 또한, z의 값이 1.10을 초과하여 커지면, 경질 피막층의 잔류 응력이 너무 커져, 내결손성이 저하된다.

한편, (TiAlM)N 피막 및 (CrAlM)N 피막의 평균 조성, 평균 층 두께에 대해서는, 주사형 전자 현미경(Scanning Electron Microscopy:SEM), 투과형 전자 현미경(Transmission Electron Microscope:TEM), 에너지 분산형 X선 분광법(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy:EDS)을 이용한 단면(공구 기체의 표면에 수직인 종단면)의 관찰에 의해 구할 수 있다.

경질 피막층의 계면 영역:

본 실시형태의 피복 공구에 있어서, 공구 기체의 표면으로부터 공구 표면을 향하여 평균 두께가 5∼100㎚의 범위(두께)에 있는 경질 피막층의 계면 영역에 있어서, Ti와 Al과 M과 N의 합계량에 대해 N의 함유 비율, 및 Cr과 Al과 M과 N의 합계량에 대해 N의 함유 비율은, 모두 그 공구 기체의 표면측(당해 계면 영역에 있어서 공구 기체의 표면측으로부터 공구 표면측을 향하여, 각각 피막 조성의 (Ti, Al, M, N), 또는 (Cr, Al, M, N)의 피막에 관한 원자만이 검출되기 시작한 점)의 값이 10∼30원자％로서, N의 함유 비율(Ti와 Al과 M과 N의 합계량에 대한 N의 함유 비율, 및 Cr과 Al과 M과 N의 합계량에 대한 N의 함유 비율)이 공구 기체의 표면으로부터 공구 표면을 향하여 증가하고 있는 것이 바람직하다.

이에 의해, (TiAlM)N 피막 및 (CrAlM)N 피막의 조성 변화(분해)가 발생하기 쉬운 공구 기체와의 계면 영역에 있어서, (TiAlM)N 피막 및 (CrAlM)N 피막의 분해가 발생하기 어려워져, 상기 계면 영역 부근에 발생하는 크랙을 억제할 수 있고, 그 결과, 공구 기체와 경질 피막층의 밀착력이 향상되어, 절삭 성능이 향상된다고 생각된다. 계면 영역의 평균 두께는 보다 바람직하게는, 20∼80㎚의 범위이다. 한편, 이 계면 영역에 있어서의 N의 함유 비율은 TEM-EDS에 의해 구할 수 있다.

공구 기체:

공구 기체는 이 종류의 공구 기체로서 종래 공지의 기재이면, 본 발명의 목적을 달성하는 것을 저해하는 것이 아닌 한, 어떠한 것이라도 사용 가능하다. 일례를 들면, 초경합금(WC기 초경합금, WC 외에 Co를 포함하고, 추가로 Ti, Ta, Nb 등의 탄질화물을 첨가한 것도 포함하는 것 등), 서멧(TiC, TiN, TiCN 등을 주성분으로 하는 것 등), 고속도강, 세라믹스(탄화티탄, 탄화규소, 질화규소, 질화알루미늄, 산화알루미늄 등), cBN 소결체, 또는 다이아몬드 소결체 중 어느 하나인 것이 바람직하다.

제조 방법:

본 실시형태의 피복 공구에 있어서의 (TiAlM)N 피막 및 (CrAlM)N 피막은, PVD의 일종인 아크 이온 플레이팅(Arc Ion Plating:AIP) 장치를 이용하여 제조할 수 있다. 공구 기체의 표면으로부터 공구 표면을 향하여 5∼100㎚의 범위의 평균 두께가 되는 계면 영역은, 분위기 가스인 질소 가스 분압을 성막 개시부터 서서히 증가(예를 들면, 선형으로 증가)시킴으로써 형성할 수 있다.

실시예

이어서, 실시예에 대해 설명한다. 본 발명은 실시예로 한정되는 것은 아니다. 공구 기체로서 WC기 초경합금을 사용한 인서트 절삭 공구에 적용한 실시예에 대해 기술하지만, 공구 기체로서, 전술한 TiCN기 서멧 등을 사용한 경우에도, 또한 공구로서 드릴, 엔드 밀 등에 적용한 경우에도 동일하다.

우선, 원료 분말로서 Co 분말, VC 분말, Cr₃C₂ 분말, TiC 분말, TaC 분말, NbC 분말, WC 분말을 준비하여, 이들 원료 분말을 표 1에 나타나는 배합 조성으로 배합하고, 추가로 왁스를 첨가하여 볼 밀로 72시간 습식 혼합하여, 감압 건조한 후, 100MPa의 압력으로 프레스 성형했다. 이어서, 이들 압분 성형체를 소결하여, 소정 치수가 되도록 가공하고, ISO 규격 SEEN1203AFTN1의 인서트 형상을 가진 WC기 초경합금제의 공구 기체 1∼3을 제작했다.

이어서, AIP 장치를 이용하여 경질 피막층을 형성하기 위해, 공구 기체 1∼3을 아세톤 중에서 초음파 세정하고 건조시켜, AIP 장치 내의 회전 테이블 상의 중심축으로부터 반경 방향으로 소정 거리 떨어진 위치에 외주부를 따라 장착했다. 또한, 캐소드 전극(증발원)으로서, 소정 조성의 Ti-Al-M 합금 타겟, 소정 조성의 Cr-Al-M 합금 타겟을 배치했다. 소정 조성의 Ti-Al-M 합금 타겟 및 Cr-Al-M 합금 타겟이란, 각각 목표로 하는 (TiAlM)N 피막, (CrAlM)N 피막의 평균 조성에 대응한 조성의 타겟이다.

이어서, AIP 장치 내를 배기하여 10^-2Pa 이하의 진공으로 유지하면서, 히터를 사용하여 AIP 장치 내를 500℃로 가열했다. 그 후, 0.5∼2.0Pa의 아르곤 가스 분위기로 설정하고, 상기 회전 테이블 상에서 자전하면서 회전하는 공구 기체에 -200∼-1000V의 직류 바이어스 전압을 인가했다. 이에 의해, 공구 기체의 표면을 아르곤 이온 또는 금속 이온에 의해, 5∼120분간의 봄바드 처리를 했다. 여기서, 금속 이온이란, 금속 타겟으로 이루어지는 캐소드 전극(증발원)과 애노드 전극 사이에 80∼240A의 범위 내의 소정의 전류를 흘려 보내고 아크 방전시켜 발생시킨 것이다.

AIP 장치 내에 반응 가스로서, 표 2, 표 3에 나타내는 분압이 0.1∼5.0Pa의 범위 내의 질소 가스와 Ar 가스를 소정 시간 도입한다. 그리고, 동일하게 표 2, 표 3에 나타내는 노 내 온도로 유지하여, 상기 회전 테이블 상에서 자전하면서 회전하는 공구 기체에 표 2, 표 3에 나타내는 -30∼-150V의 범위 내의 소정의 직류 바이어스 전압을 인가하고, 또한, Ti-Al-M 합금 타겟 또는 Cr-Al-M 합금 타겟으로 이루어지는 캐소드 전극(증발원)과 애노드 전극 사이에 표 2, 표 3에 나타내는 80∼240A의 범위 내의 소정의 전류를 흘려 보내고 아크 방전을 발생시켜, 표 4, 표 5에 나타내는 본 발명의 피복 공구(이하, 「실시예 공구」라고 한다) 1∼9 및 11∼19(10은 결번이다)를 제작했다.

한편, 표 2, 표 3에서 말하는 「계면 영역 N₂ 가스 공급 시간(분)」이란, 「계면 영역 형성시의 N₂ 가스 공급 시간(분)」이다. 초기값의 압력, N₂ 및 Ar체적％로부터 「계면 영역 N₂ 가스 공급 시간(분)」의 시간을 들여, 종료값의 압력, N₂ 및 Ar체적％에 직선적으로 변화시키고, 그 후, 이 종료값인 채로 성막을 완료시켰다.

한편, 비교를 위해 상기 공구 기체 1∼3에 대해, 상기와 동일한 AIP 장치를 이용하여, 표 2에 나타내는 조건으로 (TiAlM)N 피막, 표 3에 나타내는 조건으로 (CrAlM)N 피막을 증착 형성하고, 표 6, 표 7에 나타내는 비교예의 피막 공구(이하, 「비교예 공구」라고 한다) 1∼3 및 11∼13(4∼10은 결번이다)을 제작했다.

(TiAlM)N 피막, (CrAlM)N 피막을 갖는 경질 피복층의 평균 층 두께, 평균 조성 및 계면 영역의 N의 함유 비율은, 주사형 전자 현미경(SEM), 투과형 전자 현미경(TEM), 에너지 분산형 X선 분광법(EDS)을 이용한 단면 관찰에 의해 구했다. 한편, 관찰 단면은 공구 기체의 표면에 수직인 경질 피막층의 종단면이고, 공구 기체의 표면에 평행한 방향의 폭이 10㎛이며, 경질 피막층의 두께 영역이 전부 포함되도록 설정된 것이었다.

구체적으로는, 평균 층 두께는 관찰 단면을 5000배로 확대하고, 5점의 층 두께를 구하여 평균 층 두께를 산출했다. 평균 조성, 계면 영역의 N 함유량에 대해서는, 층 두께 방향에 등간격으로 5개의 EDS선 분석을 행하여 구했다. 즉, 공구 기체측으로부터 공구 표면측에 TEM-EDS선 분석을 100㎛의 등간격으로 5개 행했다.

그리고, (Ti, Al, M, N) 또는 (Cr, Al, M, N)의 경질 피막층을 구성하는 원자만이 검출되기 시작하여, N 함유량이 10∼30원자％인 공구 기체의 표면에 가장 가까운 점으로부터 공구 기체 표면측으로 0.5㎚인 점을 공구 기체측의 위치로 하고, 또한, N의 함유 비율이 더 이상 증가하지 않는 점으로부터 공구 기체측으로 0.5㎚인 점을 공구 표면측의 위치로 했다. 한편, 이들 점의 위치는 공구 기체의 표면으로부터 측정했다. 표 4∼표 7에서는 이 공구 기체측의 위치 및 공구 표면측의 위치에 있어서의 N의 함유량을, 각각 상기 5개의 분석의 평균값으로서 기재하고 있다. 한편, 계면 영역의 평균 층 두께는 이 공구 기체측의 위치 및 공구 표면측의 위치의 거리에 1㎚를 더한 것이다.

이어서, 실시예 공구 1∼9, 11∼19 및 비교예 공구 1∼3, 11∼13에 대해, 이하의 조건으로, 합금강, 주철, 탄소강, 및 스테인리스강에 대한 고속 절삭 가공 시험을 실시했다.

절삭 시험 A: (본 실시예 공구 1∼9, 비교예 공구 1∼3)

피삭재: JIS·SCM430(HB250)의 환봉

절삭 속도: 220m/min.

절입: 0.3㎜

이송: 0.25㎜/rev.

절삭 시간: 5분

의 조건에서의 합금강의 고속 절삭 가공 시험(통상의 절삭 속도 및 이송은 각각, 165m/min., 0.20㎜/rev.)

절삭 시험 A의 결과를 표 8에 나타낸다.

절삭 시험 B: (본 실시예 공구 1∼9, 비교예 공구 1∼3)

피삭재: JIS·FCD600의 환봉

절삭 속도: 220m/min.

절입: 0.25㎜

이송: 0.21㎜/rev.

절삭 시간: 5분

의 조건에서의 주철의 고속 절삭 가공 시험(통상의 절삭 속도 및 이송은 각각, 145m/min., 0.2㎜/rev.)

절삭 시험 B의 결과를 표 9에 나타낸다.

절삭 시험 C: (본 실시예 공구 11∼19, 비교예 공구 11∼13)

피삭재: JIS·S55C(HB250)의 환봉

절삭 속도: 220m/min.

절입: 0.2㎜

이송: 0.24㎜/rev.

절삭 시간: 5분

의 조건에서의 탄소강의 연속 고속 고이송 절삭 가공 시험(통상의 절삭 속도 및 이송은 각각, 145m/min., 0.25㎜/rev.)

절삭 시험 C의 결과를 표 10에 나타낸다.

절삭 시험 D: (본 실시예 공구 11∼19, 비교예 공구 11∼13)

피삭재: JIS·SUS304(HB180)의 환봉

절삭 속도: 140m/min.

절입: 2.0㎜

이송: 0.33㎜/rev.

절삭 시간: 9분

의 조건(절삭 조건 B)에서의 스테인리스강의 습식 연속 고이송 절삭 가공 시험(통상의 절삭 속도 및 이송은 각각, 120m/min., 0.3㎜/rev.)

절삭 시험 D의 결과를 표 11에 나타낸다.

표 8∼11의 결과에 의하면, 실시예 공구 1∼9에 대해서는 절삭 시험 A, B 중 어느 것에서도, 실시예 공구 11∼19에 대해서는 절삭 시험 C, D 중 어느 것에서도 치핑, 박리 등의 이상 손상의 발생은 없고, 내치핑성, 내마모성 중 어느 것에도 우수하다는 것을 알 수 있다. 이에 대해, 비교예 공구 1∼3에 대해서는 절삭 시험 A, B 중 어느 것에서도, 비교예 공구 11∼13에 대해서는 절삭 시험 C, D 중 어느 것에서도, 치핑의 발생, 혹은 여유면 마모의 진행에 의해, 단시간에 수명이 다하는 것이 명백하다.

상기 개시한 실시형태는 모든 점에서 예시에 지나지 않고, 제한적인 것은 아니다. 본 발명의 범위는 상기한 실시형태가 아닌 청구범위에 의해 나타나고, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

1: 공구 기체
2: 계면 영역
3: 경질 피막
4: 경질 피막층

Claims

공구 기체의 표면에 적어도 평균 층 두께가 0.5∼10.0㎛인 복합 질화물 피막을 포함하는 경질 피막층을 갖는 표면 피복 절삭 공구로서,
상기 복합 질화물 피막은 조성식: (Ti_1-x-yAl_xM_y)N_z로 나타낸 경우, 0.35≤x≤0.80, 0.00≤y≤0.20, 0.20≤(1-x-y)≤0.65, 0.90≤z≤1.10(단, x, y, z는 원자비, M은 IUPAC 주기표의 4∼6족의 원자, Y, Si, La, Ce의 적어도 하나)을 만족하는 평균 조성을 갖고,
상기 공구 기체의 표면으로부터 공구 표면을 향하여 평균 두께가 5∼100㎚의 범위에 있는 상기 경질 피막층의 계면 영역에 있어서, Ti와 Al과 M과 N의 합계량에 대한 N의 함유 비율은, 그 상기 공구 기체의 표면측이 10∼30원자％이며, 또한 당해 계면 영역에 있어서 상기 공구 기체의 표면으로부터 상기 공구 표면을 향하여 증가하고 있는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.
공구 기체의 표면에 적어도 평균 층 두께가 0.5∼10.0㎛인 복합 질화물 피막을 포함하는 경질 피막층을 갖는 표면 피복 절삭 공구로서,
상기 복합 질화물 피막은 조성식: (Cr_1-x-yAl_xM_y)N_z로 나타낸 경우, 0.35≤x≤0.80, 0.00≤y≤0.20, 0.20≤(1-x-y)≤0.65, 0.90≤z≤1.10(단, x, y, z는 원자비, M은 IUPAC 주기표의 4∼6족의 원자, Y, Si, La, Ce의 적어도 하나)을 만족하는 평균 조성을 갖고,
상기 공구 기체의 표면으로부터 공구 표면을 향하여 평균 두께가 5∼100㎚의 범위에 있는 상기 경질 피막층의 계면 영역에 있어서, Cr과 Al과 M과 N의 합계량에 대한 N의 함유 비율은, 그 상기 공구 기체의 표면측이 10∼30원자％이고, 또한 당해 계면 영역에 있어서 상기 공구 기체의 표면으로부터 상기 공구 표면을 향하여 증가하고 있는 것을 특징으로 하는 표면 피복 절삭 공구.