KR100978438B1 - 피복 절삭 공구 - Google Patents

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Abstract

내마모성을 유지하면서 윤활성을 갖는 피복막을 구비하는 피복 절삭 공구가 복수의 피복막이 기재 상에 제공되어 있는 피복 절삭 공구에 의해 실현된다. TiSi의 질화물, 탄화물, 탄질화물, 산질화물 및 탄산질화물로부터 선택된 1종의 화합물로 이루어진 제1막과, Cr 또는 TiCr로부터 선택된 금속 M의 질화물, 탄화물, 탄질화물, 산질화물, 및 탄산질화물로부터 선택된 1종의 화합물로 이루어진 제2 막의 각각의 하나 이상의 층이 피복막으로서 제공된다. 제1 막과 제2 막은 교호로 적층된다.
피복 절삭 공구, 피복막, 제1 막, 제2 막, 내마모성, 윤활성

Description

피복 절삭 공구{COATED TOOL}
도1a는 제1 및 제2 막의 2층 구조인, 본 발명의 공구의 피복 구성을 도시하는 개략도.
도1b는 제1 및 제2 막의 복수층 적층 구조인, 본 발명의 공구의 피복 구성을 도시하는 개략도.
도1c는 일 부분은 제1 막 및 제2 막 구성 성분으로 이루어진 단일층이고, 다른 부분은 제1 및 제2 막으로 이루어진 복수층 적층 구조인, 본 발명의 공구의 피복 구성을 도시하는 개략도.
도1d는 일 부분은 중간층 및 공지의 막으로 이루어진 단일층이고, 다른 부분은 제1 및 제2 막으로 이루어진 복수층 적층 구조인, 본 발명의 공구의 피복 구성을 도시하는 개략도.
도1e는 제1 및 제2 막으로 이루어진 복수층 적층 구조가 단일층들에 개재되어 있는 구조인, 본 발명의 공구의 피복 구성을 도시하는 개략도.
도2a는 본 발명의 공구를 도시하는 막의 미세 조직 구조의 개략도.
도2b는 종래의 공구를 도시하는 막의 미세 조직 구조의 개략도.
도3a는 성막 장치의 개략도.
도3b는 도3a의 B-B 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 제1 막
2: 제2 막
3: 적층 구조
4: 단일층
11: 성막 장치
12: 챔버
13: 주 테이블
14: 지지봉
15a, 15b, 15c: 증발원
17: DC 전원
18: 가스 도입 포트
19: 기재
20: 샘플 홀더
본 발명은 드릴, 엔드밀, 밀링용 인덱서블 인서트(indexable insert), 선삭용 인덱서블 인서트, 메탈 슬리팅 소(metal slitting saw), 기어 절삭 공구, 리머, 또는 탭과 같은 기재 상에 다층 피복막을 구비한 피복 절삭 공구에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 내마모성을 유지하면서 윤활성을 갖는 다층 피복막을 구비한 피복 절삭 공구에 관한 것이다.
절삭 공구 및 내마모성 공구의 내마모성 및 표면 보호 기능을 개선하기 위해, WC기 초경합금, 서멧 또는 고속도강으로 이루어진 기재의 표면에, 티타늄, 하프늄, 지르코늄 또는 티타늄 알루미나이드의 탄화물, 질화물 또는 탄질화물로 이루어진 단일층 또는 다층 경질막을 형성하는 것이 종래 공지되어 있다.
그러나, 이하에 열거한 바와 같은 최근의 동향은 절삭시에 공구 절삭날 온도가 더욱 더 고온이 되는 경향, 및 공구 재료의 특성에 대한 요구가 더욱 더 엄격해지는 경향으로 유도되고 있다.
(1) 지구 환경 보전의 관점에서, 절삭유(윤활유)를 사용하지 않는 건식 가공 프로세스가 탐구되고 있고;
(2) 피가공재가 다양화되고 있으며;
(3) 가공 효율을 일층 향상시키기 위해 절삭 속도가 가속화되고 있다.
특히, 고온에서의 막 안정성(내산화성 및 기재에 대한 밀착성)은 물론 공구 재료의 요구 특성이지만, 공구 수명과 관련하여, 내마모성, 즉 고온에서의 막 경도의 향상 및 윤활유를 대용하는 막의 윤활 특성이 더욱 중요해지고 있다.
이러한 논점에 접근하기 위해, 일본 특허 제2,793,773호에는, TiAlSi계 막[(AlxTi1-x-ySiy)(NzC1-z), 여기서 0.05≤x≤0.75, 0.01≤y≤0.1, 및 0.06≤z≤1]의 형성이 제안되어 있다. 미량의 Si를 막에 함유시킴으로써, 상기 기술은 막에 적절 한 내산화성 및 높은 경도를 제공하고, 내마모성을 향상시키는 기능을 한다.
또한, TiSi계 막[(Ti1-xSix)(C1-yNy)z, 여기서 0.01≤x≤0.45, 0.01≤y≤0.1, 및 0.5≤z≤1.34]을 형성하는 것이 일본 특허 출원 공개 평08-118106호에 제안되어 있다. 상기 기술은, 높은 경도의 (Ti1-xSix)(C1-yNy)z 를 공구에 피복함으로써, 연속적인 고속 절삭 가공에서도 공구의 내마모성이 우수하며, 공구의 사용 수명을 연장시키는 기능을 한다.
그러나, 상기 종래의 기술은 이하의 문제점을 갖는다.
일본 특허 제2,793,773호의 기술의 경우, 알루미늄이 막에 함유되며, 900℃를 초과하는 고온하에서는, 막 표면에서 알루미늄이 우선적으로 산소와 결합하여 Al2O3를 형성한다. 따라서, 잔류하는 티타늄이 막 내에 확산되어, 극도의 다공성 티타늄 산화물이 형성되며 막의 내마모성이 저하되는 문제점이 있다.
일본 특허 출원 공개 평08-118106호의 기술의 경우, (Ti1-xSix)(C1-yNy )z의 높은 경도의 부정적인 측면인 극도의 취성에 기인하여, 절삭 공구에 사용되는 경우, 특히 단속 절삭(interrupted cutting)에 사용되는 경우 절삭날이 깨지기 쉬운 문제점이 있다.
또한, 일본 특허 제2,793,773호 또는 일본 특허 출원 공개 평08-118106호에서는 건식 가공시에 문제가 될 수 있는 막 윤활성에 관한 검토가 전혀 수행되지 않았다.
따라서, 본 발명의 주 목적은 높은 경도 및 우수한 내마모성을 가지며 윤활성이 우수한 피복 절삭 공구를 실현하기 위한 것이다.
본 발명자들은 전술된 목적을 성취하는데 있어서 높은 경도의 우수한 내마모성 막과 윤활성이 우수한 막이 기재 상에 교호로 적층되는 구조가 유리하다는 지식을 얻어, 본 발명을 제안한다.
특히, 본 발명은 복수의 피복막을 기재 상에 구비하는 피복 절삭 공구이다. 피복막은, TiSi의 질화물, 탄화물, 탄질화물, 산질화물 및 탄산질화물로부터 선택된 1종의 화합물(TiSi계 화합물)로 이루어진 제1 막; 및 Cr 또는 TiCr로부터 선택된 금속 M의 질화물, 탄화물, 탄질화물, 산질화물 및 탄산질화물로부터 선택된 1종의 화합물(금속 M의 화합물)로 이루어진 제2 막의 각각의 하나 이상의 층을 구비한다. 다음, 제1 막 및 제2 막은 교호로 적층된다.
본 발명은 매우 높은 경도의 우수한 내마모성의 TiSi계 화합물의 막(제1 막)과, 윤활성이 우수한 금속 M의 화합물의 막(제2 막)을 각각 하나 이상 교호로 적층함으로써, 높은 경도의 우수한 내마모성 및 윤활성의 조합을 피복막 전체에 제공한다.
또한, 윤활 효과를 갖는 금속 M의 화합물은 TiSi계 화합물과 비교할 때 낮은 경도를 갖지만, 피복막에 잔류할 때의 압축 응력이 낮기 때문에 TiSi계 화합물의 막과 조합되는 경우, 전체 피복막의 잔류 응력을 감소시킨다. 따라서, 이는 절삭날이 충격을 받게 되는 단속 절삭시와 같은 절삭 가공 중에 본 발명의 공구에 있어서의 절삭날로부터의 막의 박리 및 절삭날의 깨짐을 억제할 수 있게 한다. 또한, 금속 M의 화합물 피복막 중에서 특히 Cr계 화합물의 피복막이 낮은 마찰 계수 및 우수한 스코치 방지 특성(anti-scorch property)에 의해 자동차 부품 등에 적용하기에 적합하다.
첨부 도면과 관련된 하기의 상세한 설명으로부터, 본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징, 양태 및 장점들이 이 기술 분야의 숙련자들에게 용이하게 이해될 것이다.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명에 의한 공구에 있어서, 도1a 내지 도1e에 도시한 다수의 구성이 TiSi계 화합물로 이루어진 제1 막과 금속 M의 화합물로 이루어진 제2 막을 구성하기 위해 고려될 수 있다. 도1a는 제1 막(1)과 제2 막(2)의 2층 구조이고, 도1b는 제1 막(1)과 제2 막(2)의 복수층 적층 구조(3)이다. 제공될 수 있는 다른 예로서는, 도1c에 도시한 바와 같이, 일 부분은 제1 막(1) 및 제2 막(2) 구성 성분으로 이루어진 단일층(4)이고, 다른 부분은 제1 막(1) 및 제2 막(2)으로 이루어진 복수층 적층 구조(3)인 구성; 도1d에 도시한 바와 같이, 일 부분은 후술하는 중간층 및 공지의 막으로 이루어진 단일층(4')이고, 다른 부분은 제1 막(1) 및 제2 막(2)으로 이루어진 복수층 적층 구조(3)인 구성; 및 도1e에 도시한 바와 같이, 제1 막(1) 및 제2 막(2)으로 이루어진 복수층 적층 구조(3)가 단일층(4)에 개재되어 있는 구성이 있다. 도1c에는 단일층(4)으로서 제2 막(2) 구성 성분으로 이루어진 막이 도시되어 있고, 도1d에는 단일층(4')으로서 예컨대 TiAlN막과 같은 공지의 막이 도시되어 있으며, 도1e에는 상측 단일층(4)으로서 제2 막(2) 구성 성분으로 이루어진 막이, 하측 단일층(4)으로서는 제1 막(1) 구성 성분으로 이루어진 막이 도시되어 있다. 적층 순서는 제1 막 또는 제2 막을 기재측으로 할 수 있다.
TiSi계 화합물로 이루어진 제1 막의 두께와, 금속 M의 화합물로 이루어진 제2 막의 두께는 각각 0.5nm 이상, 50nm 이하인 것이 바람직하다. 이러한 박막이 적층되어 있는 구조는 전위(dislocation) 및 균열(cracking)을 제어하는데 효과적이다. 0.5nm 미만의 두께의 막에서는 피복막의 경도 향상을 얻을 수 없다. 마찬가지로, 막 두께가 0.5nm 미만인 경우, 피복막을 구성하는 화학 원소가 확산되어, 막의 구조를 상당히 불안정하게 하고, 박막의 적층 구조가 소실되거나 인접하는 막이 결합되어 막 경계면을 구별할 수 없게 되는 문제가 있다. 한편, 50nm를 초과하는 두께의 막에서는 박막의 적층 구조에 의한 전위 및 균열 제어 효과가 저하되는 경향이 있다. 두께는 각각 0.5nm 이상, 10nm 이하인 것이 더욱 바람직하다.
TiSi계 화합물로 이루어진 제1 막의 Si는 원자량 %로 1% 초과 30% 이하인 것이 바람직하다. 피복막에 Si가 존재하면, 피복막의 경도를 향상시키기 때문에 바람직하지만, 30 원자량 % 이상의 Si를 함유하면 피복막이 취성으로 변환되고, 역으로 마모성이 촉진되는 문제가 있다. 또한, 물리적 기상 증착에 의해 제1 막을 형성할 때 TiSi 합금의 타겟(증발 원료)이 열간 정수압 가압 처리에 의해 제조되는 경우, Si를 30% 초과하여 함유하면, 타겟을 파손시켜 코팅에 사용 가능한 재료 강도의 제공을 방해한다. 원자량 %로 15% 초과 25% 이하의 Si가 제1 막에 함유되는 것이 더욱 바람직하다.
제1 막에서, Ti계 화합물(질화물, 탄화물, 탄질화물, 산질화물 및 탄산질화물로부터 선택된 1종의 화합물)은 입방정(등각성) 구조이고, Si계 화합물(질화물, 탄화물, 탄질화물, 산질화물 및 탄산질화물로부터 선택된 1종의 화합물)은 비정질 구조이며, 제2 막에서, 금속 M의 화합물은 입방정 구조인 것이 바람직하다. 이 경우 피복막 전체의 결정성은 X-선 회절 분석에 의해 평가 가능하지만, Si계 화합물은 그의 비정질 구조 때문에 X-선 회절에 의해 식별 불가능하다. 따라서, 피복막 전체의 X-선 회절 분석에 의해, Ti계 화합물로 이루어진 제1 막 내의 입방정 구조를 갖는 Ti계 화합물, 및 제2 막 내의 입방정 구조를 또한 갖는 금속 M의 화합물만이 식별 가능하다는 사실은, 그 결과로서 피복막 전체의 구조가 입방정계라는 것을 의미한다. 후술하는 중간층이 제1 막 및 제2 막으로 이루어진 피복막에 부가하여 제공되는 경우, 이 중간층을 구비하는 전체 막 구조도 또한 입방정계일 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한 Si계 화합물의 결정성의 평가는 예컨대 투과 전자 회절법에 의해 수행될 수 있다.
제1 막의 Ti계 화합물은 평균 입경이 0.1nm 이상, 10nm 이하인 결정질 물질인 것이 바람직하며, Si계 화합물의 비정질 구조 내에 분산되어 있는 것이 바람직하다. 피복막 미세 조직 구조를 도시하는 개략도인 도2a 및 도2b를 참조하면, 도2a는 본 발명의 공구를 도시하고, 도2b는 종래의 공구를 도시한다. 도2a에 도시한 바와 같이, 본 발명의 공구에서, 제1 막(1)의 Ti계 화합물의 미세한 결정립(5)은 이들이 비정질 구조의 Si계 화합물(6) 내에 분산되어 있는 상태에 있다. Ti계 화합물의 결정립이 이와 같이 나노크기(nanosize)로 되어 있기 때문에 발생하는 소 위 나노크기 효과는 피복막의 경도 상승 및 전위 및 균열을 제어하는 효과를 제공함으로써 손상을 방지한다. 이에 비해 종래의 공구에서는, 도2b에 도시한 바와 같이 피복막 전체의 미세 조직 구조가 소위 기둥형(columnar) 미세 조직 구조(7)이기 때문에, 수직 미세 조직 구조(7)는 균열이 발생하는 경우 각각 탈락되어 피복막을 손상시키는 경향, 즉 마모되기 쉬운 경향이 있다. 다시, 본 발명에 있어서, 결정질 Ti계 화합물 및 비정질 Si계 화합물은 혼합상(blended phase)에 있기 때문에, 제1 막은 피복막 내로 진행될 수 있는 균열의 전파를 억제하도록 에너지를 분산시킬 수 있으며, 내마모성을 더욱 향상시키는 기능을 한다. 게다가, 결정질 Ti계 화합물과 비정질 Si계 화합물의 혼합상인 제1 막이 금속 M의 화합물로 이루어진 제2 막과 교호로 적층될지라도, 피복막 전체는 종래의 공구 피복막의 경우와 같이 기둥형 미세 조직 구조로 전환되지 않으며, 따라서 미립 미세 조직 구조가 유지될 수 있다.
한편, TiSi계 화합물로 이루어진 제1 막과 비교할 때 금속 M의 화합물로 이루어진 제2 막의 경도는 30% 정도 낮지만, 피가공재로서 빈번히 사용되는 강의 스코치성이 적기 때문에 제2 막은 윤활성을 갖는다. 본 발명의 공구가 이와 같이 건식 가공에서조차 우수한 가공 부스러기(swarf) 배출 능력을 가질 수 있다는 사실은, 절삭날 온도 상승을 억제하고, 공구 손상 속도를 지연시키고, 공구 수명의 연장을 도모하는 것을 가능하게 한다. 여기서, 제2 막은 도2a에 도시한 바와 같이 기둥형 미세 조직 구조(7)를 갖는 것이 바람직하다.
이러한 제1 및 제2 막으로 이루어진 피복막의 총 두께는 0.5㎛ 이상, 10㎛ 이하인 것이 바람직하다. 이는 0.5㎛ 미만의 총 두께에서는 향상된 내마모성이 얻어질 수 없으며, 10㎛ 초과의 총 두께에서는 기재에 밀착되는 피복막의 강도가 피복막 내의 잔류 응력의 영향에 의해 저하될 수 있는 위험이 있기 때문이다.
본 발명의 공구에 있어서, 기재의 표면과 상기 피복막 사이에는 중간층이 제공될 수 있다. 중간층은 Ti(티타늄), TiN(질화 티타늄), Cr(크롬), 및 CrN(질화 크롬)으로부터 선택된 1종으로 구성될 수 있다. 특히, 티타늄 및 질화 티타늄에 있어서는, 기재 표면과 피복막 모두에 대한 밀착성이 우수하므로, 상기 재료들은 기재와 피복막 사이의 밀착성을 더욱 향상시킬 수 있다. 따라서, 전술된 중간층을 제공함으로써 기재로부터의 피복막의 박리를 제어할 수 있으며 공구 수명을 더욱 향상시킬 수 있다. 이러한 중간층의 두께는 0.05㎛ 이상, 1.0㎛ 이하인 것이 바람직하다. 이는, 0.05㎛ 미만의 두께에서는 밀착성의 향상이 얻어질 수 없으며, 1㎛ 초과의 두께에서는 밀착성의 추가의 향상이 인정될 수 없기 때문이다.
상기 피복막 및 중간층이 상부에 형성된 기재는 WC기 초경합금, 서멧, 고속도강, 세라믹, 입방정형 질화 붕소(cBN)의 소결체, 다이아몬드 소결체, 질화 실리콘 소결체, 및 알루미나와 탄화 티타늄을 포함하는 소결체로부터 선택된 1종인 것이 바람직하다.
WC기 초경합금은, 주 성분이 탄화 텅스텐(WC)인 고상(solid phase) 및 주 성분이 코발트(Co)와 같은 철족 금속인 결합상(bonded phase)으로 구성되므로, 통상적으로 사용되는 WC기 초경합금이 사용될 수 있다. 게다가, 주기율표의 4a, 5a 및 6a족의 천이 금속으로부터 선택된 적어도 1종과, 탄소, 질소, 산소 및 붕소로부터 선택된 적어도 1종으로 이루어진 고용체를 포함할 수도 있다. 고용체는 예컨대, (Ta,Nb)C, VC, Cr2C2, 및 NbC일 수 있다.
서멧은 주기율표의 4a, 5a 및 6a족의 천이 금속으로부터 선택된 적어도 1종과, 탄소, 질소, 산소 및 붕소로부터 선택된 적어도 1종으로 이루어진 고용체상과; 하나 이상의 철계 금속으로 이루어진 결합상; 및 불회피성 불순물로 이루어질 수 있다. 따라서, 통상적으로 사용되는 서멧이 사용될 수 있다.
고속도강은, 예컨대 JIS 기호 SKH2, SKH5, SKH10, SKH9, SKH52, 및 SKH56에 표기된 것일 수 있다.
세라믹의 예로서는, 탄화 실리콘, 질화 실리콘, 질화 알루미늄, 및 알루미나를 언급할 수 있다.
cBN 소결체는, 예컨대 30 체적% 이상의 cBN을 포함하는 소결체일 수 있다. 보다 구체적으로는, 이하의 소결체가 있다.
(1) 30 체적% 이상, 80 체적% 이하의 cBN을 포함하며, 잔여부는 결합재, 철족 금속, 및 불회피성 불순물로 이루어진 소결체. 결합재는, 주기율표의 4a, 5a 및 6a족 원소의 질화물, 붕화물, 탄화물뿐만 아니라 이들의 고용체로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 1종; 및 알루미늄 화합물을 포함한다.
상기 cBN 소결체의 cBN 입자는, 피가공재로서 빈번히 사용되는 철에 대해 낮은 친화성을 갖는 전술된 결합재를 경유하여 주로 결합되며, 이 결합이 강하기 때문에, 기재의 내마모성 및 강도가 향상된다.
cBN 함유량은, 30 체적% 미만에서 cBN 소결체의 경도가 저하되기 시작하며 템퍼링 경화강과 같은 높은 경도의 피가공재를 절삭 가공하기 위해서는 경도가 불충분할 수 있기 때문에 30 체적% 이상이다. cBN 함유량은, 80 체적%를 초과하는 cBN 소결체에서는 결합재를 경유하는 cBN 입자들 사이의 결합이 곤란하여, 강도 저하의 문제점이 있기 때문에 80 체적% 이하이다.
(2) 80 체적% 이상, 90 체적% 이하의 cBN을 포함하고, cBN 입자들이 서로 결합되어 있으며, 잔여부는 결합재와 불회피성 불순물로 이루어진 소결체. 알루미늄 화합물 또는 코발트 화합물이 결합재의 주성분을 구성하고 있다.
촉매로서 작용하는 Al 또는 Co를 포함하는 금속, 또는 금속간 화합물을 시작 물질(starting material)로서 액상 소결을 수행함으로써, 이 cBN 소결체의 cBN 입자들이 함께 결합될 수 있으며 cBN 입자 함유율이 증가될 수 있다. cBN 소결체의 내마모성이 저하되는 경향이 있지만, cBN 입자들이 함께 강한 골격 구조를 형성하기 때문에, 소결체는 파괴 저항이 우수하여 가혹한 조건하에서 절삭 가공 가능하게 된다.
cBN 함유량은, 80 체적% 미만에서는 cBN 입자들간의 결합에 의한 골격 구조의 형성이 곤란한 것으로 입증되었기 때문에, 80 체적% 이상이다. cBN 함유량은, 90 체적% 초과의 함유량에서는 촉매로서 작용하는 상기 결합재의 부족에 기인하여 미소결 부분이 발생되어 cBN 소결체의 강도가 저하되기 때문에, 90 체적% 이하이다.
다이아몬드 소결체는, 예컨대 40 체적% 이상의 다이아몬드를 포함하는 소결 체일 수 있다. 보다 구체적으로는, 이하의 소결체가 있다.
(1) 50 내지 98 체적%의 다이아몬드를 포함하고, 잔여부는 철족 금속, 텅스텐, 및 불회피성 불순물로 이루어진 소결체. 철족 금속은 특히 코발트인 것이 바람직하다.
(2) 85 내지 99 체적%의 다이아몬드를 포함하고, 잔여부는 공동(void), 텅스텐, 및 불회피성 불순물로 이루어진 소결체.
(3) 60 내지 95 체적%의 다이아몬드를 포함하고, 잔여부는 결합재 및 불회피성 불순물로 이루어진 소결체. 결합재는, 철족 금속; 주기율표의 4a, 5a 및 6a족 원소의 탄화물 및 탄질화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상; 및 텅스텐을 포함한다.
(4) 60 내지 98 체적%의 다이아몬드를 포함하고, 잔여부는 실리콘 및 탄화 실리콘 중 적어도 1종, 텅스텐 및 불회피성 불순물로 이루어진 소결체.
질화 실리콘 소결체는, 예컨대 90 체적% 이상의 질화 실리콘을 포함하는 소결체일 수 있다. HIP법(열간 정수압 소결법)을 사용하여 함께 결합된 90 체적% 이상의 질화 실리콘을 포함하는 소결체가 특히 바람직하다. 이 소결체의 잔여부는, 알루미나, 질화 알루미늄, 산화 이트륨, 산화 마그네슘, 산화 지르코늄, 산화 하프늄, 희토류, TiN 및 TiC로부터 선택된 적어도 1종으로 이루어진 결합재; 및 불회피성 불순물로 이루어지는 것이 바람직하다.
알루미나 및 탄화 티타늄을 포함하는 소결체는, 예컨대 20 체적% 이상, 80 체적% 이하의 알루미나와, 15 체적% 이상, 75 체적% 이하의 탄화 티타늄을 포함하 고, 잔여부는 Mg, Y, Ca, Zr, Ni, Ti 및 TiN의 산화물로부터 선택된 1종 이상인 결합재 및 불회피성 불순물로 이루어진 소결체일 수 있다. 알루미나는 65 체적% 이상, 70 체적% 이하이고, 탄화 티타늄은 25 체적% 이상, 30 체적% 이하이며, 결합재는 Mg, Y 및 Ca의 산화물로부터 선택된 1종인 것이 특히 바람직하다.
본 발명의 피복 절삭 공구는 드릴, 엔드밀, 밀링용 인덱서블 인서트, 선삭용 인덱서블 인서트, 메탈 슬리팅 소, 기어 절삭 공구, 리머, 또는 탭으로부터 선택된 1종을 포함하는 적용에 사용될 수도 있다.
본 발명에 있어서, 피복막을 기재 상에 피복하기 위해, 피복막은 결정성이 높은 화합물이 형성될 수 있도록 하는 성막 프로세스에 의해 형성되는 것이 적합하다. 이 경우, 상기 제1 및 제2 막으로 이루어진 피복막은, TiSi 합금 및 금속 M 각각을 증발 원료로 하여, 질소, 탄소 및 산소 중 하나 이상을 포함하는 가스 내에서 물리적 기상 증착에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 게다가, 다양한 성막 방법을 연구한 결과, 본 발명자들은 원료 원소의 이온의 비율이 높은 아크식 이온 도금 성막법(캐소드 아크식 이온 도금)이 물리적 기상 증착 기술 중에서도 최적으로서 탁월한 것을 발견하였다. 캐소드 아크식 이온 도금법을 사용하면, 피복막을 형성하기 전에 금속 이온으로 타격(bombarding)함으로써 기재의 표면을 처리하는 것이 가능하며, 따라서 피복막 밀착성을 현저하게 향상시킬 수 있으며, 따라서 밀착성의 관점에서 바람직한 프로세스이다.
상기 물리적 기상 증착 기술에 사용되는 TiSi 합금 증발 원료는 열간 정수압 가압 처리에 의해 형성되며 99 내지 100%의 상대 밀도를 가지며, 그 대향면을 포함 하는 원료의 표면 전체 범위에 걸쳐 예컨대 기공 및 균열과 같은 결함이 없는 것이 바람직하다. 이 조건은 성막 중에 타겟(증발 재료) 파괴와 같은 문제가 발생하는 것을 방지할 수 있게 한다.
본 발명의 실시예를 하기에 설명한다.
후술하는 피복 절삭 공구가 제조되어 그 내마모성이 고찰된다.
제1 실시예
(1) 시료의 제조
i. 본 발명의 제품: 시료 번호 1-1 내지 1-8
먼저, 본 발명에 사용되는 성막 장치를 설명한다. 본 시험에 사용되는 성막 장치의 개략도인 도3a, 및 도3a의 B-B 단면도인 도3b를 참조한다. 성막 장치는, 기재(19)가 탑재되며 지지봉(14) 상에 회전 가능하게 장착되는 주 테이블(13)과; 기재(19)를 둘러싸도록 챔버(12)의 벽을 따라 배열된 아크식 증발원(15a, 15b, 15c)과; 증발원(15a, 15b, 15c)에 접속된 가변 전원으로서의 DC 전원(16a, 16b)(도시 생략)과; 주 테이블(13)에 접속된 DC 전원(17)과; 가스를 공급하는 가스 도입 포트(18); 및 가스를 배기하는 가스 배기 포트(18')를 챔버(12) 내에 구비한다.
챔버(12)는 진공 펌프(도시 생략)에 결합되며, 이에 의해 챔버(12) 내부압이 변화될 수 있다. 지지봉(14)의 내측에는 회전 샤프트(도시 생략)가 제공되며, 이 회전 샤프트를 통해 주 테이블(13)이 회전된다. 기재(19)를 유지하기 위한 샘플 홀더(20)가 주 테이블(13)의 상부에 제공된다. 주 테이블(13), 지지봉(14), 및 샘플 홀더(20)는 DC 전원(17)의 음극과 전기적으로 접속되며, DC 전원(17)의 양극은 접지된다. 아크식 증발원(15a, 15b, 15c)은 DC 전원(16a, 16b, 16c)의 음극과 전기적으로 접속되며, DC 전원(16a, 16b, 16c)의 양극은 접지되어 챔버(12)에 전기적으로 접속된다.
다음, 아크식 증발원(15a, 15b, 15c)과 챔버(12) 사이의 아크 방전에 의해 아크식 증발원(15a, 15b, 15c)이 부분적으로 용해되어, 도3b에 도시한 화살표(21a, 21b, 21c)로 나타낸 방향으로 캐소드 물질을 증발시킴으로써, 피복막이 기재(19) 표면 상에 형성된다. 이 때, 다양한 가스가 가스 도입 포트(18)를 통해 질량 유량 제어기(도시 생략)를 경유하여 도입된다. 가스는, 예컨대 아르곤 또는 질소 가스와 같은 불활성 가스, 및 메탄, 아세틸렌 또는 벤젠과 같은 탄화 수소 가스일 수 있다. 이 성막 장치에 방전을 형성하기 위해, 수십 내지 수백 V의 전압이 아크식 증발원(15a, 15b, 15c) 및 챔버(12)를 가로질러 인가된다.
이하, 시료 번호 1-1 내지 1-8용 성막 방법을 설명한다. 기재로서, 일본 공업 규격(JIS) SPGN 120308에 형상이 합치되는 인서트(insert)가 JIS P30 등급 초경합금으로부터 준비된다. 다음, 도3a 및 도3b에 도시한 성막 장치(11)를 사용하여, 주 테이블(13)을 회전시키면서 인서트의 형태인 기재(19)를 히터(도시 생략)에 의해 550℃의 온도로 가열하고, 챔버(12) 내의 압력은 진공 펌프에 의해 진공화함으로써 1.3×10-3Pa이 된다.
다음, 가스 도입 포트(18)를 통해 아르곤 가스를 도입하고 챔버(12) 내의 압력을 3.0Pa로 유지하며 -1000V가 될 때까지 DC 전원(17)으로부터의 전압을 점차적 으로 상승시킴으로써 기재(19) 표면의 세척이 15분 동안 수행된다. 그 후, 아르곤 가스는 가스 배출 포트(18')를 통해 배출된다.
DC 전원(17)으로부터의 전압을 -1000V로 유지한 상태로, 100sccm의 아르곤-질소 가스 혼합물이 가스 도입 포트(18)를 통해 챔버 내로 도입된다. 다음, 150A의 아크 전류가 DC 전원(16a)으로부터 공급되어 아크식 증발원(15a)으로부터 금속 이온을 발생시킨다. 아크식 증발원(15a)으로부터의 금속 이온은 이 프로세스에 의해 기재(19) 표면 상에 스퍼터링되며, 기재(19) 표면 상에 존재하는 강한 오염물 및 산화막을 제거한다. 여기서, 본 예에서, 후술하는 표1에 나타내는 중간층, 제1 막 및 제2 막을 각각 형성하도록 적용 가능한 금속 및 화합물이 아크식 증발원(15a, 15b, 15c)의 증발 원료로서 사용된다. 또한 본 예에서, 열간 정수압 가압 처리에 의해 형성된 99.8%의 상대 밀도를 갖는 제1 막은, 그 대향면을 포함하는 원료의 표면 전체 범위에 걸쳐 결함이 없는 TiSi 합금을 증발 원료로서 사용하여 형성된다.
그 후, 질소 가스는 챔버(12) 내의 압력이 2.7Pa이 되도록 가스 도입 포트(18)를 통해 도입되고, DC 전원(17)으로부터의 전압은 -80V로 설정된다. 따라서, 기재(19) 표면 상에 금속 질화막 또는 금속막의 형성이 시작된다. 이 상태는 금속 질화막(예컨대, TiN 등) 또는 금속막(예컨대, Ti 등)이 소정 두께(0.3㎛)에 도달할 때까지 유지된다. 이 프로세스를 통해, 중간층으로서의 금속 질화막(예컨대, TiN막 등) 또는 금속막(예컨대, Ti막 등)이 형성된다.
상기 중간층의 형성이 완료된 후, 챔버 내의 상태[압력: 2.7Pa, 질소 가스 도입, DC 전원(17)으로부터의 전압: -80V]가 그대로 유지된 상태로, -40V, 95A의 전류가 DC 전원(16b, 16c) 각각으로부터 아크식 증발원(15b, 15c)으로 공급된다. 따라서, 금속 이온은 아크식 증발원(15b)으로부터 화살표(21b)로 나타낸 방향으로 증발되고, 화합물 이온은 아크식 증발원(15c)으로부터 화살표(21c)로 나타낸 방향으로 증발되어, 기재(19) 표면 상에 소정 두께의 피복막이 형성되어, 시료 번호 1-1 내지 1-8이 제조된다. 시료 번호 1-1 내지 1-8에 있어서, 제1 막과 제2 막으로 이루어진 피복막의 고려 가능한 구성은 도1a 내지 도1e에 도시한 구성이다.
ii. 종래 제품: 시료 번호 1-9
시료 번호 1-9는 이하와 같이 제조된다. 먼저, 기재에 대해 시료 번호 1-1 내지 1-8과 동일한 공구가 준비된다. 기재는, 챔버(12)의 상부에 가스 도입 포트(18)가 배치된 상태로, 도3a에 도시한 성막 장치(11)의 샘플 홀더(20) 내에 장착된다. 아크식 증발원(15a)의 증발 원료는 티타늄으로 제조되며, 증발원(15a)에 대향하는 벽면 상에 배치된 아크식 증발원(15c)의 증발 원료는 티타늄 알루미늄 화합물(Ti 0.5, Al 0.5)로 제조되며, 여기서, (Ti 0.5, Al 0.5)는 Ti와 Al의 원자수 비가 0.5:0.5인 화합물을 의미한다. 성막 장치(11)의 다른 구성은 시료 번호 1-1 내지 1-8을 제조할 때와 동일하다.
성막 장치(11)는, 기재(19) 표면을 아르곤으로 스퍼터링한 후 티타늄 이온으로 스퍼터링하기 위해, 상기 시료 번호 1-1 내지 1-8과 동일한 기술에 따라 사용된다. 다음, 상기 시료 번호 1-1 내지 1-8과 마찬가지로, 0.3㎛ 두께의 TiN막이 기재(19) 표면 상에 중간층으로서 형성된다.
TiN막의 형성이 완료된 후, -40V, 95A의 전류가 DC 전원(16c)으로부터 아크식 증발원(15c)으로 공급되어, 티타늄 및 알루미늄 이온을 증발원(15c)으로부터 발생시키고, 질소 가스가 가스 도입 포트(18)로부터 도입된다. 티타늄 이온, 알루미늄 이온, 및 질소 가스가 기재(19) 상에서 반응하여, 기재(19) 표면의 중간층(TiN막) 상에 3㎛ 막 두께의 (Ti 0.5, Al 0.5)N막이 형성되어[여기서, (Ti 0.5, Al 0.5)N은 Ti, Al 및 N의 원자수 비가 0.5:0.5:1인 화합물을 의미함], 시료 번호 1-9가 제공된다.
iii. 종래 제품: 시료 번호 1-10
시료 번호 1-10은 상기 시료 번호 1-9와 동일한 방식으로 제조된다. 구체적으로, 상기 시료 번호 1-1 내지 1-8에서와 동일한 공구 기재가 준비되고, 기재는, 챔버(12)의 상부에 가스 도입 포트(18)가 배치된 상태로, 도3a에 도시한 성막 장치(11)의 샘플 홀더(20) 내에 장착된다. 아크식 증발원(15a)의 증발 원료는 티타늄으로 제조되고, 증발원(15a)에 대향하는 벽면 상에 배치된 아크식 증발원(15c)의 증발 원료는 티타늄 실리콘 화합물(Ti 0.8, Si 0.2)로 제조되며, 여기서 (Ti 0.8, Si 0.2)는 Ti와 Al의 원자수 비가 0.8:0.2인 화합물을 의미한다. 다음, 상기 시료 번호 1-1 내지 1-8을 제조할 때와 동일한 구성의 성막 장치(11)가 시료 번호 1-9에서와 동일한 방식으로 사용되어, 기재(19) 표면을 아르곤으로 스퍼터링한 후 티타늄 이온으로 스퍼터링하고, 또한 기재 상에 0.3㎛ 두께의 TiN막을 중간층으로서 형성한다.
TiN막의 형성이 완료된 후, -40V, 95A의 전류가 DC 전원(16c)으로부터 증발 원(15c)으로 공급되어, 티타늄 및 실리콘 이온이 증발원(15c)으로부터 발생되며, 질소 가스가 가스 도입 포트(18)를 통해 도입된다. 티타늄 이온, 실리콘 이온, 및 질소 가스가 기재(19) 상에서 반응하여, 기재(19) 표면의 중간층(TiN막) 상에 3㎛ 막 두께의 (Ti 0.8, S 0.2)N막이 형성되어[여기서, (Ti 0.8, Si 0.2)N은 Ti, Si 및 N의 원자수 비가 0.8:0.2:1인 화합물을 의미함], 시료 번호 1-10이 제공된다.
iv. 종래 제품: 시료 번호 1-11
시료 번호 1-11은 상기 시료 번호 1-9와 동일한 방식으로 제조된다. 구체적으로, 상기 시료 번호 1-1 내지 1-8에서와 동일한 공구 기재가 준비되고, 기재는, 챔버(12)의 상부에 가스 도입 포트(18)가 배치된 상태로, 도3a에 도시한 성막 장치(11)의 샘플 홀더(20) 내에 장착된다. 아크식 증발원(15a)의 증발 원료는 티타늄으로 제조되며, 다음, 상기 시료 번호 1-1 내지 1-8을 제조할 때와 동일한 구성의 성막 장치(11)가 시료 번호 1-9에서와 동일한 방식으로 사용되어, 기재(19) 표면을 아르곤으로 스퍼터링한 후 티타늄 이온으로 스퍼터링하고, 또한 0.3㎛ 두께의 TiN막을 중간층으로서 기재 상에 형성한다.
TiN막의 형성이 완료된 후, -40V, 95A의 전류가 DC 전원(16a)으로부터 아크식 증발원(15a)으로 공급되어, 티타늄 이온을 증발원(15a)으로부터 발생시키며, 메탄 가스(CH4)와 질소 가스가 가스 도입 포트(18)를 통해 도입된다. 티타늄 이온, 메탄 가스 및 질소 가스가 기재(19) 상에서 반응하여, 기재(19) 표면의 중간층(TiN막) 상에 3㎛ 막 두께의 Ti(C 0.5, N 0.5)막이 형성되어[여기서, Ti(C 0.5, N 0.5) 는 Ti, C 및 N의 원자수 비가 1:0.5:0.5인 화합물을 의미함], 시료 번호 1-11이 제공된다.
(2) 공구 수명 평가
상기와 같이 얻어진 시료 번호 1-1 내지 1-11 각각에 대해 표2에 나타낸 조건하에서 연속 건식 절삭 가공 시험 및 단속 절삭 가공 시험이 수행되고, 절삭날의 릴리프(플랭크) 마모폭이 측정된다. 표1의 시료 번호 1-1 내지 1-8에 나타낸 화합물의 입자의 입경은 투과 전자 현미경으로 관찰하여 평균 입경을 구한 것이라는 것을 이해해야 한다. 마찬가지로, 시료 번호 1-1 내지 1-11의 조성은 투과 전자 현미경과 함께 미소 분석 EDX(에너지 분산 X-선) 분광계에 의해 분석된 것이라는 것을 이해해야 한다. 조성은 또한 XPS(X-선 광전자 분광법) 또는 SIMS(2차 이온 질량 분석법)를 사용하여 확인될 수도 있다. 제2 막, 및 제 1막, 제2 막 및 중간층으로 이루어진 전체 피복막의 조성(결정성)은 X-선 회절에 의해 분석된다. 제1 막의 조성(결정성)은 투과 전자 회절에 의해 분석된다.
Figure 112003025063283-pat00001
연속 절삭 단속 절삭
피가공재 SCM 435 SCM 435
절삭 속도(m/min) 250 250
이송 속도(mm/rev.) 0.35 0.30
절삭 깊이(mm) 2.0 1.5
절삭 가공 시간(min) 20 30

표1에 나타낸 바와 같이, 시료 번호 1-9 내지 1-11과 비교할 때, 시료 번호 1-1 내지 1-8의 릴리프 마모가 적으며, 공구 수명의 상당한 향상이 확인된다. 특히, 건식 절삭 가공에서조차 릴리프 마모가 적으므로, 시료 번호 1-1 내지 1-8은 동시에 내마모성 및 윤활성을 갖는 것이 명백하다. 마찬가지로, 시료 번호 1-1 내지 1-8은 단속 절삭에서도 내마모성 및 윤활성을 갖는 것이 명백하다. 게다가, 시료 번호 1-1 내지 1-8의 조성의 조사에 의하면, 제1 막에서 Ti계 화합물의 입자가 Si계 화합물의 비정질 구조 내에 분산되어 있다.
제2 실시예
제1 실시예와 동일한 제조 방법에 따라 각각의 리머(JIS K10 초경합금)의 기재 상에 코팅이 수행되어, 시료 번호 2-1 내지 2-6이 제조된다. 시료 번호 2-1은 상기 시료 번호 1-1과 동일한 중간층 및 피복막을 구비한다. 시료 번호 2-2에서는, 1㎛의 TiSiN막이 기재 표면 상에 코팅되며, 상기 막 상에는 상기 시료 번호 1-1과 동일한 피복막이 제공된다. 시료 번호 2-3에 있어서는, 1㎛의 TiAlN막이 기재 표면 상에 코팅되며, 상기 막 상에는 상기 시료 번호 1-1과 동일한 피복막이 제공된다. 시료 번호 2-4 내지 2-6에서는, 상기 시료 번호 1-9 내지 1-11과 동일한 중 간층 및 피복막이 각각의 기재 상에 제공된다.
상기 시료 번호 2-1 내지 2-6에 대해 회주철(FC 250) 내로의 드릴링 가공이 수행되어 각각의 수명이 평가된다. 가공 조건은, 리머 직경 20mm, 절삭 속도 5m/min, 이송 속도 0.4mm/rev., 절삭 깊이 0.15mm, 및 습식 프로세스의 파라미터로 설정된다. 수명을 평가하기 위해, 피가공재(회주철)의 천공 구멍의 치수 정밀도가 규정 범위를 벗어나는 시점을 수명으로서 취하고, 수명이 소진될 때까지의 구멍의 개수를 평가한다. 결과는 표3에 나타낸다.
프로세스 수명 판정
기준		 번호 2-1 번호 2-2 번호 2-3 번호 2-4 번호 2-5 번호 2-6

리머 가공		 치수 정밀도를 벗어난 개수
35,000
38,000
37,000
4,500
6,000
3,600

표3에 나타낸 바와 같이, 시료 번호 2-4 내지 2-6과 비교할 때 시료 번호 2-1 내지 2-3에서 수명의 상당한 향상이 확인된다. 이와 같이 수명 향상이 가능하다는 사실은 특히 우수한 내마모성에 기인하는 것으로 고려된다.
제3 실시예
제1 실시예와 동일한 제조 방법에 따라 각각의 엔드밀(JIS K10 초경합금)의 기재 상에 코팅이 수행되어, 시료 번호 3-1 내지 3-6이 제조된다. 시료 번호 3-1은 상기 시료 번호 1-1과 동일한 중간층 및 피복막을 구비한다. 시료 번호 3-2에서, 1㎛의 TiSiN막이 기재 표면 상에 코팅되며, 상기 막 상에는 상기 시료 번호 1-1과 동일한 피복막이 제공된다. 시료 번호 3-3에 있어서는, 1㎛의 TiAlN막이 기재 표면 상에 코팅되며, 상기 막 상에는 상기 시료 번호 1-1과 동일한 피복막이 제공된다. 시료 번호 3-4 내지 3-6에 있어서는, 상기 시료 번호 1-9 내지 1-11과 동일한 중간층 및 피복막이 각각의 기재 상에 제공된다.
상기 시료 번호 3-1 내지 3-6에 대해 구상 흑연 주철(FCD 450) 내로의 엔드밀 수평 절삭 가공(절삭폭 15mm)이 수행되어 각각의 수명이 평가된다. 가공 조건은, 절삭 속도 75m/min, 이송 속도 0.03mm/rev., 절삭 깊이 2mm, 및 습식 가공의 파라미터로서 설정된다. 수명을 평가하기 위해, 피가공재(주철)에 수행된 수평 절삭의 치수 정밀도가 규정 범위를 벗어나는 시점을 수명으로서 취하고, 수명이 소진될 때까지의 절삭 길이가 평가된다. 결과는 표4에 나타낸다.
프로세스 수명 판정
기준		 번호 3-1 번호 3-2 번호 3-3 번호 3-4 번호 3-5 번호 3-6
엔드밀
수평 절삭		 치수 정밀도를 벗어난 길이
20m
22m
25m
2.1m
2.8m
1.9m

표4에 나타낸 바와 같이, 시료 번호 3-4 내지 3-6과 비교할 때, 시료 번호 3-1 내지 3-3에서 수명의 상당한 향상이 확인된다. 이와 같이 수명 향상이 가능하다는 사실은 특히 우수한 내마모성에 기인하는 것으로 고려된다.
제4 실시예
제1 실시예와 동일한 제조 방법에 따라 각각의 교환형 밀링용 인서트(JIS P10 초경합금; 절삭날 형상: 경사각 8°, 릴리프각 6°)의 기재 상에 코팅이 수행되어, 시료 번호 4-1 내지 4-6이 제조된다. 시료 번호 4-1은 상기 시료 번호 1-1 과 동일한 중간층 및 피복막을 구비한다. 시료 번호 4-2에서, 1㎛의 TiSiN막이 기재 표면 상에 코팅되며, 상기 막 상에는 상기 시료 번호 1-1과 동일한 피복막이 제공된다. 시료 번호 4-3에 있어서는, 1㎛의 TiAlN막이 기재 표면 상에 코팅되며, 상기 막 상에는 상기 시료 번호 1-1과 동일한 피복막이 제공된다. 시료 번호 4-4 내지 4-6에 있어서는, 상기 시료 번호 1-9 내지 1-11과 동일한 중간층 및 피복막이 각각의 기재 상에 제공된다.
상기 시료 번호 4-1 내지 4-6에 대해 크롬 몰리브덴 강(SCM 435) 상에 중간 밀링 가공이 수행되어 각각의 수명이 평가된다. 가공 조건은, 절삭 속도 100m/min, 이송 속도 0.08mm/rev., 및 건식 가공의 파라미터로 설정된다. 수명 평가를 위해, 피가공재(강) 상의 중간 밀링의 치수 정밀도가 규정 범위를 벗어나는 시점을 수명으로 취하며, 수명이 소진될 때까지의 시간이 평가된다. 결과는 표5에 나타낸다.
프로세스 수명 판정
기준		 번호 4-1 번호 4-2 번호 4-3 번호 4-4 번호 4-5 번호 4-6
중간 밀링
가공		 치수 정밀도를 벗어난 시간
120분
140분
130분
35분
49분
27분

표5에 나타낸 바와 같이, 시료 번호 4-4 내지 4-6과 비교할 때 시료 번호 4-1 내지 4-3에서 수명의 상당한 향상이 확인된다. 게다가, 건식 조건하에서조차 수명 향상이 가능하다는 사실로부터 우수한 내마모성과 함께 우수한 윤활성을 갖는 것이 명백하다.
제5 실시예
cBN 소결체가 기재에 사용되는 절삭 가공 인서트가 제조되어 마모 분석된다. cBN 소결체는, 초경합금으로 제조된 단지(pot)와 플런저를 사용하여 TiN 40 중량%와 Al 10 중량%로 이루어진 결합재 분말과, 2.5㎛의 평균 입경의 cBN 분말 50 중량%를 혼합하고, 이를 초경합금 용기(vessel) 내에 충전하여, 5GPa의 압력 및 1400℃의 온도에서 60분 동안 소결함으로써 제조된다. 절삭 가공 인서트는 cBN 소결체를 ISO 표준 SNGA 120408 형상으로 가압함으로써 제조된다. 상기 시료 번호 1-1과 동일한 중간층 및 피복막이 제1 실시예와 동일한 방식으로 상기 기재 인서트(시료 번호 5-1) 상에 형성된다. 또한, 상기 시료 번호 1-9와 동일한 중간층 및 피복막이 제1 실시예와 동일한 방식으로 상기 기재 인서트 상에 형성되어 비교예로서 시료 번호 5-2가 준비된다.
상기 시료 번호 5-1 및 5-2에 대해 템퍼링 경화강의 일 형태로서의 SUJ2 로드(HRC 62)의 외주 절삭 가공이 수행되어 각각의 릴리프 마모량이 평가된다. 가공 조건은, 절삭 속도 100m/min, 절삭 깊이 2mm, 이송 속도 0.1mm/rev., 및 건식 프로세스의 파라미터로 설정되고, 가공은 30분 동안 수행된다. 시료 번호 5-1의 최종 릴리프 마모량은 0.085mm인 반면, 시료 번호 5-2의 릴리프 마모량은 0.255mm이다. 따라서, 릴리프 마모량이 건식 조건에서조차 적다는 사실로부터 시료 번호 5-1의 우수한 내마모성 및 우수한 윤활성이 명백해진다.
전술된 바와 같이, 본 발명의 피복 절삭 공구에 의하면, 고도의 경도 및 우수한 내마모성과 함께 우수한 윤활성의 관점에서의 효과가 입증된다. 따라서, 본 발명의 공구에 따르면, 공구 자체의 윤활성에 의해, 절삭유가 사용되지 않는 건식 가공에서조차 공구 수명이 향상될 수 있다. 따라서, 본 발명은 드릴, 엔드밀, 교환형 밀링용 인서트, 교환형 선삭용 인서트, 메탈 슬리팅 소, 기어 절삭 공구, 리머, 및 탭과 같은 공구의 내마모성을 향상시키는 기능을 하며, 공구 수명을 향상시킬 수 있다.
소정 실시예만이 본 발명을 설명하기 위해 선택되었다. 그러나, 이 기술 분야의 숙련자들에게는, 첨부된 청구범위에 규정된 바와 같은 본 발명의 범위로부터 일탈하지 않는 다양한 변경 및 수정이 수행될 수 있다는 것이 상기 설명으로부터 명백해질 것이다. 또한, 본 발명에 따른 상기 실시예의 설명은 설명을 위해서만 제공된 것이며, 첨부된 청구범위 및 그 등가물에 의해 규정된 바와 같은 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
본 발명의 피복 절삭 공구에 의하면, 고도의 경도 및 우수한 내마모성과 함께 우수한 윤활성의 관점에서의 효과가 입증된다. 따라서, 본 발명의 공구에 따르면, 공구 자체의 윤활성에 의해, 절삭유가 사용되지 않는 건식 가공에서조차 공구 수명이 향상될 수 있다. 따라서, 본 발명은 드릴, 엔드밀, 교환형 밀링용 인서트, 교환형 선삭용 인서트, 메탈 슬리팅 소, 기어 절삭 공구, 리머, 및 탭과 같은 공구의 내마모성을 향상시키는 기능을 하며, 공구 수명을 향상시킬 수 있다.

Claims (16)

  1. 기재와;
    상기 기재 상에 제공된 피복막을 포함하고,
    상기 피복막은, Ti계 화합물(Ti의 질화물, 탄화물, 탄질화물, 산질화물 및 탄산질화물로부터 선택된 1종의 화합물)의 미세한 결정립이 비정질 구조의 Si계 화합물(Si의 질화물, 탄화물, 탄질화물, 산질화물 및 탄산질화물로부터 선택된 1종의 화합물) 내에 분산되어 이루어진 제1막과; Cr 또는 TiCr로부터 선택된 금속 M의 질화물, 탄화물, 탄질화물, 산질화물 및 탄산질화물로부터 선택된 1종의 화합물로 이루어진 제2 막이 각각 교호로 적층된 하나 이상의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 막 및 제2 막은 각각 0.5nm 이상, 50nm 이하의 두께인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 막 및 제2 막은 각각 0.5nm 이상, 10nm 이하의 두께인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 막 내의 Si는 1 원자량% 초과, 30 원자량% 이하인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 막 내의 Si는 15 원자 량% 초과, 25 원자량% 이하인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 막에서, Ti계 화합물은 입방정 구조이고, Si계 화합물은 비정질 구조이고,
    상기 제2 막에서는, 금속 M의 화합물은 입방정 구조이며,
    상기 피복막 전체의 X-선 회절 분석된 것은 입방 결정계인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 막 내의 Ti계 화합물은, 평균 입경이 0.1nm 이상, 10nm 이하인 결정질 물질이고, Si계 화합물의 비정질 구조 내에 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피복막은 총 두께가 0.5㎛ 이상, 10㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 중간층이 상기 기재의 표면과 상기 피복막 사이에 제공되며, 상기 중간층은 Ti, TiN, Cr, 및 CrN으로부터 선택된 1종으로 이루어진 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
  10. 제9항에 있어서, 상기 중간층은 0.05㎛ 이상, 1.0㎛ 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기재는 WC기 초경합금, 서멧, 고속도강, 세라믹, 입방정형 질화 붕소의 소결체, 다이아몬드 소결체, 질화 실리콘 소결체, 및 알루미나와 탄화 티타늄을 포함하는 소결체로부터 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피복 절삭 공구는 드릴, 엔드밀, 밀링용 인덱서블 인서트, 선삭용 인덱서블 인서트, 메탈 슬리팅 소, 기어 절삭 공구, 리머, 및 탭으로부터 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
  13. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피복막은, TiSi 합금 및 금속 M을 각각 증발 원료로 하여, 질소, 탄소 및 산소 중 하나 이상을 포함하는 가스 내에서 물리적 기상 증착 기술에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 물리적 기상 증착 기술에 사용된 상기 TiSi 합금 증발 원료는 열간 정수압 가압 처리에 의해 형성되며 99 내지 100%의 상대 밀도를 가지며,
    그 대향면을 포함하는 상기 원료의 표면 전체 범위에 걸쳐 기공 및 균열을 포함한 결함이 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
  15. 제13항에 있어서, 상기 물리적 기상 증착 기술은 아크식 이온 도금 기술인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
  16. 제14항에 있어서, 상기 물리적 기상 증착 기술은 아크식 이온 도금 기술인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
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