KR20140138124A - 표면 피복 절삭 공구 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 기재와 상기 기재 상에 형성된 피막을 포함하고, 상기 피막은, 적어도 1층의 TiB₂층을 포함하며, 상기 TiB₂층은, 배향성 지수 TC(hkl)에 있어서 TC(100)가 최대가 되거나, 또는 (100)면의 X선 회절 강도 I(100)와 (101)면의 X선 회절 강도 I(101)의 비 I(100)/I(101)가 1.2 이상인 것을 특징으로 한다.

Description

표면 피복 절삭 공구 및 그 제조 방법{COATED SURFACE CUTTING TOOL AND MANUFACTURING METHOD THEREFOR}

본 발명은, 기재와 상기 기재 상에 형성된 피막을 포함하는 표면 피복 절삭 공구 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

종래부터, 기재와 상기 기재 상에 형성된 피막을 포함하는 표면 피복 절삭 공구에 있어서, 그 피막으로서 TiB₂층을 포함하는 것이 알려져 있다.

예컨대, 일본 특허 공개 소화 제51-148713호 공보(특허문헌 1)는, 초경 합금 기체(基體) 및 표면층으로 이루어지고, 이 표면층은 포개진 2개의 부분층으로 구성되어 있으며, 그 중 외측 부분층은 산화알루미늄 및/또는 산화지르코늄으로 이루어지고, 내측 부분층은 1종류 이상의 붕소화물, 특히 티탄, 지르코늄, 하프늄 등의 원소의 이붕소화물(diboride)(즉 TiB₂층)로 이루어지는 내마모성 성형 부재를 개시하고 있다.

상기 표면층 중 내측 부분층은, 1000℃, 50 torr의 고온, 고진공의 조건하에서, 반응 원료 가스로서 수소를 1900 l/시간, TiCl₄를 20 ml/시간, BCl₃를 4 g/시간의 조건으로 투입하고 1시간 성막함으로써, 3 ㎛의 TiB₂층을 형성하고 있다. 또한 외측 부분층으로서는, 5 ㎛의 산화알루미늄층이 형성되어 있다.

그러나, 상기 성막시의 고온, 고진공의 조건하에 있어서 초경 합금 기체 중의 접합층 및 TiB₂층 중의 붕소의 확산에 의해 강η층 및/또는 붕소 함유 취성층이 발생하고, 이 때문에 이 내마모성 성형 부재의 수명을 현저히 저하시키고 있었다.

상기한 문제를 해결하는 것을 목적으로 하여, 붕소의 확산 억제 및 TiB₂층에 있어서의 TiB₂의 미립화에 의해 내마모성을 향상시킨 피복 물품이 제안되어 있다[일본 특허 공표 제2011-505261호 공보(특허문헌 2)]. 이 피복 물품은, 초경 기재의 표면에 0.1 ㎛~3 ㎛의 질화티탄, 탄질화티탄 및 탄붕소질화티탄의 군으로 이루어지는 층을 피복한 후, 1 ㎛~5 ㎛의 TiB₂층이 형성되고 있다. 상기 각 층 중 TiB₂층의 형성 조건은, 10 용량%의 수소, 0.4 용량%의 TiCl₄, 0.7 용량%의 BCl₃ 및 88.9 용량%의 아르곤 가스로 이루어지는 원료 가스 조성이며, 1시간, 표준 압력, 온도 800℃에 있어서, 열 CVD법에 의해 두께 2.5 ㎛의 TiB₂층이 형성되고 있다. 이 피복 물품에 있어서는, 초경 기재 중에 붕소의 확산에 의한 붕소 함유 취성층이 형성되어 있지 않고, TiB₂층에 있어서의 TiB₂의 입경도 50 ㎚ 이하로 제어되어 있으며, 어느 정도의 공구 수명의 향상이 도모되어 있었다.

특허문헌 1: 일본 특허 공개 소화 제51-148713호 공보 특허문헌 2: 일본 특허 공표 제2011-505261호 공보

상기한 바와 같이 특허문헌 2의 피복 물품은, 어느 정도의 공구 수명의 향상이 도모된 것이지만, 강η층 및/또는 붕소 함유 취성층 형성의 억제나 TiB₂층에 있어서의 TiB₂의 입경의 제어에만 주목되어 있기 때문에, TiB₂층의 성능을 더욱 향상시키기 위해서는 한계가 있어, 다른 관점으로부터의 고찰이 필요하다고 생각되고 있었다.

또한, 이러한 피복 물품을 이용하여 난삭재(難削材)인 Ti기 합금을 가공하는 경우와 같이, 특히 날끝의 온도가 상승하기 쉬운 가공이나 절삭 부스러기의 독특한 형상(톱날형)에 의해 공구의 날끝에 응력의 집중이나 진동이 발생하기 쉬운 가공에 있어서는, 날끝의 용착이나 치핑에 기인하여, 내치핑성의 향상 등 한층 더 성능의 향상이 요구되고 있었다.

본 발명은, 상기와 같은 현상을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 피막으로서 TiB₂층을 포함하고, 내마모성과 내치핑성을 고도로 향상시킨 표면 피복 절삭 공구를 제공하는 것에 있다.

본 발명자는, 상기 과제를 해결하기 위해서 예의 검토를 거듭한 결과, TiB₂층의 결정 조직을 제어하는 것이 중요하다는 지견을 얻고, 이 지견에 기초하여 더욱 검토를 거듭함으로써, 본 발명을 완성시킨 것이다.

즉, 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 기재와 상기 기재 상에 형성된 피막을 포함하고, 상기 피막은, 적어도 1층의 TiB₂층을 포함하며, 상기 TiB₂층은, 배향성 지수 TC(hkl)에 있어서 TC(100)가 최대가 되거나, 또는 (100)면의 X선 회절 강도 I(100)와 (101)면의 X선 회절 강도 I(101)의 비 I(100)/I(101)가 1.2 이상인 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 TC(100)는, 3 이상인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은, 기재와 상기 기재 상에 형성된 피막을 포함하고, 상기 피막은 적어도 1층의 TiB₂층을 포함하는 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법에도 관련되며, 상기 제조 방법은, 상기 TiB₂층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 단계는, 1 ㎛/hr 이하의 성막 속도로 상기 TiB₂층을 화학 기상 증착법에 의해 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 내마모성과 내치핑성을 고도로 향상시켰다고 하는 우수한 효과를 나타낸다.

이하, 본 발명에 대해서 더욱 상세히 설명한다.

<표면 피복 절삭 공구>

본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 기재와 상기 기재 상에 형성된 피막을 포함하는 구성을 갖는다. 이러한 피막은, 기재의 전면을 피복하는 것이 바람직하지만, 기재의 일부가 이 피막으로 피복되어 있지 않거나, 피막의 구성이 부분적으로 상이하다고 해도 본 발명의 범위를 일탈하는 것은 아니다.

이러한 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 드릴, 엔드밀, 드릴용 날끝 교환형 절삭팁, 엔드밀용 날끝 교환형 절삭팁, 프레이즈 가공용 날끝 교환형 절삭팁, 선삭 가공용 날끝 교환형 절삭팁, 금속 톱(metal saw), 기어 절삭 공구, 리머(reamer), 탭 등의 절삭 공구로서 적합하게 사용할 수 있다.

<기재>

본 발명의 표면 피복 절삭 공구에 이용되는 기재는, 이러한 종류의 기재로서 종래 공지의 것이면 어떠한 것도 사용할 수 있다. 예컨대, 초경 합금(예컨대 WC기 초경 합금, WC 외에, Co를 포함하거나, 또는 Ti, Ta, Nb 등의 탄질화물을 첨가한 것도 포함함), 서멧(TiC, TiN, TiCN 등을 주성분으로 하는 것), 고속도강, 세라믹스(탄화티탄, 탄화규소, 질화규소, 질화알루미늄, 산화알루미늄 등), 입방정형 질화붕소 소결체, 또는 다이아몬드 소결체 중 어느 하나인 것이 바람직하다.

이들 각종 기재 중에서도, 특히 WC기 초경 합금, 서멧(특히 TiCN기 서멧)을 선택하는 것이 바람직하다. 이것은, 이들 기재가 특히 고온에 있어서의 경도와 강도의 밸런스가 우수하고, 상기 용도의 표면 피복 절삭 공구의 기재로서 우수한 특성을 갖기 때문이다.

한편, 표면 피복 절삭 공구가 날끝 교환형 절삭팁 등인 경우, 이러한 기재는, 칩 브레이커를 갖는 것도, 갖지 않는 것도 포함되며, 또한 날끝 능선부는, 그 형상이 샤프 에지(경사면과 여유면이 교차하는 능), 호닝(honing)[샤프 에지에 대하여 R을 부여한 것], 네거티브 랜드(모따기를 한 것), 호닝과 네거티브 랜드를 조합한 것 중의 어떠한 것도 포함된다.

<피막>

본 발명의 피막은, 적어도 1층의 TiB₂층을 포함하는 한, 다른 층을 포함하고 있어도 좋다. 다른 층으로서는, 예컨대 Al₂O₃층, TiN층, TiCN층, TiBNO층, TiCNO층, TiAlN층, TiAlCN층, TiAlON층, TiAlONC층 등을 들 수 있다. 한편, 본 발명에 있어서, 「TiN」이나 「TiCN」 등의 화학식에 있어서 특별히 원자비를 특정하고 있지 않은 것은, 각 원소의 원자비가 「1」만인 것을 나타내는 것이 아니라, 종래 공지의 원자비가 모두 포함되는 것으로 한다.

이러한 본 발명의 피막은, 기재를 피복함으로써, 내마모성이나 내치핑성 등의 여러 가지 특성을 향상시키는 작용을 갖는 것이다.

이러한 본 발명의 피막은, 3 ㎛~30 ㎛, 보다 바람직하게는 5 ㎛~20 ㎛의 두께를 갖는 것이 적합하다. 그 두께가 3 ㎛ 미만에서는, 내마모성이 불충분해지는 경우가 있고, 30 ㎛를 초과하면, 단속 가공에 있어서 피막과 기재 사이에 큰 응력이 가해졌을 때에 피막의 박리 또는 파괴가 고빈도로 발생하는 경우가 있다.

<TiB₂층>

본 발명의 피막에 포함되는 TiB₂층은, 배향성 지수 TC(hkl)에 있어서 TC(100)가 최대가 되거나, 또는 (100)면의 X선 회절 강도 I(100)와 (101)면의 X선 회절 강도 I(101)의 비 I(100)/I(101)가 1.2 이상인 것을 특징으로 한다. 본 발명의 TiB₂층은, 이러한 특유의 결정 조직을 가짐으로써, 내마모성과 내치핑성이 고도로 향상된다고 하는 우수한 효과를 나타낸다. 이것은, TiB₂층의 결정 조직이 배향성 지수 TC(hkl)에 있어서 TC(100)가 최대가 되거나, 또는 (100)면의 X선 회절 강도 I(100)와 (101)면의 X선 회절 강도 I(101)의 비 I(100)/I(101)가 1.2 이상이라고 하는 특유의 특성을 나타냄으로써, 기재 표면에 대하여 TiB₂ 결정이 (100) 방향으로 배향되고, 경도 및 영률이 우위를 보이며, 가혹한 절삭 조건에 따른 충격 및 진동에 대하여 우수한 내마모성 및 내치핑성을 발휘하기 때문이라고 생각된다.

여기서, TiB₂층이란, 이붕소화티탄(TiB₂)에 의해 구성되는 층을 말한다. 한편, 이 TiB₂층에 불가피 불순물 등이 포함되어 있어도 본 발명의 범위를 일탈하는 것은 아니다.

상기한 특성은 모두 X선 회절 강도에 관계되는 것이지만, 이 중 배향성 지수 TC(hkl)란, 이하의 식 (1)에 의해 규정되는 것이다.

식 (1) 중, I(hkl)는 (hkl)면의 X선 회절 강도를 나타내고, I₀(hkl)은 JCPDS35-0741[JCPDS는 Joint Co㎜ittee on Powder Diffraction Standards(분말 X선 회절 표준)임]에 의한 (hkl)면을 구성하는 TiB₂의 X선 분말 회절 강도(표준 강도)를 나타낸다. 또한 식 (1) 중의 n은, 계산에 이용한 반사수를 나타내고, 본 발명에서는 8이다. 한편, 이용한 반사(hkl)는, (001), (100), (101), (110), ((102)+(111)), (201), (112), 및 ((103)+(210))의 8면이며, 식 (1)의 우변의 중괄호 부분은, 이들 8면의 평균값을 나타낸다. 한편, 「((102)+(111))」은, (102)면과 (111)면의 반사가 매우 근접해 있기 때문에 이들 2개의 반사의 합계 강도를 하나의 반사로서 처리하는 것을 의미한다. 「((103)+(210))」에 대해서도 마찬가지이다.

그리고, 「배향성 지수 TC(hkl)에 있어서 TC(100)가 최대가 된다」란, 상기 전 8면에 대해서 식 (1)에 의해 배향성 지수 TC(hkl)를 구하면, TC(100)가 최대값을 나타내는 것을 의미하며, 즉 이것은 TiB₂의 결정이 (100)면에 강하게 배향되는 것을 나타내고 있고, 이와 같이 (100)면이 배향면이 됨으로써, 경도와 영률이 가혹한 절삭 조건에 따른 충격 및 진동에 대하여 우위를 보이기 때문에, 내마모성과 내치핑성의 향상에 이바지하는 것이 된다.

한편, 상기 TC(100)는, 3 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 4 이상이다. 이것은, TC(100)가 3 이상이면 특히 내치핑성이 향상된다고 하는 특성이 나타나기 때문이다. 한편, TC(100)는 이러한 관점에서 커지면 커질수록 바람직하기 때문에, 특별히 그 상한은 제한되지 않으나, TiB₂를 상기 방향으로 성막시키는 데 시간이 걸리기 때문에 코스트 메리트가 저하된다고 하는 관점에서 그 상한은 7 이하로 하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 배향성 지수 TC(hkl)와는 별도로, (100)면의 X선 회절 강도 I(100)와 (101)면의 X선 회절 강도 I(101)의 비 I(100)/I(101)를 규정하는 것은, 본 발명의 피막으로서 TiN이나 TiCN 등의 다른 층이 형성된 경우에, TiB₂의 회절 피크와 상기 다른 층의 회절 피크가 겹치는 경우가 있어, 정확하게 배향성 지수 TC(hkl)를 평가할 수 없는 경우가 있기 때문이다.

이러한 비 I(100)/I(101)가 1.2 이상인 경우도 TiB₂의 결정이 (100)면에 강하게 배향되는 것을 나타내고 있으며, 상기와 동일한 이유로부터 내마모성과 내치핑성의 향상에 이바지하는 것이 된다.

한편, 이 비 I(100)/I(101)는, 1.2 이상, 보다 바람직하게는 2 이상, 더욱 바람직하게는 3 이상이다. 한편, 이 비 I(100)/I(101)는, 상기와 동일한 관점에서 커지면 커질수록 바람직하기 때문에, 특별히 그 상한은 제한되지 않으나, TiB₂를 상기 방향으로 성막시키는 데 시간이 걸리기 때문에 코스트 메리트가 저하된다고 하는 관점에서 그 상한은 6 이하로 하는 것이 바람직하다.

한편, 상기와 같은 X선 회절 강도에 관한 특성은, 예컨대 X선 측정 장치(상품명: 「X pert」, PANalytical사 제조)를 이용하여 이하와 같은 조건으로 측정할 수 있다.

특성 X선: Cu-Kα

관 전압: 45 ㎸

관 전류: 40 ㎃

필터: 다층 미러

광학계: 평행빔법

X선 회절법: θ-2θ법

이러한 본 발명의 TiB₂층은, 1 ㎛~10 ㎛, 보다 바람직하게는 1.5 ㎛~8 ㎛의 두께를 갖는 것이 적합하다. 그 두께가 1 ㎛ 미만인 경우에는, 연속 가공에 있어서 충분히 내마모성을 발휘할 수 없는 경우가 있고, 10 ㎛를 초과하면, 단속 절삭에 있어서 내치핑성이 안정되지 않는 경우가 있다.

한편, TiB₂층을 구성하는 TiB₂의 결정립의 입경은, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 0.01 ㎛~1 ㎛ 정도로 하는 것이 바람직하다.

<그 외의 층>

본 발명의 피막은, 상기한 TiB₂층 이외에 다른 층을 포함할 수 있다. 이러한 다른 층으로서는, 예컨대 기재와 피막의 밀착성을 더욱 높이기 위해서 기재의 바로 위에 형성되는 TiN, TiC, TiBN 등으로 이루어지는 하지층이나, 이러한 하지층과 TiB₂층의 밀착성을 높이기 위해서 이들 양층 사이에 형성되는 TiCN층이나, 내산화성을 높이기 위해서 TiB₂층 상에 형성되는 Al₂O₃층이나, 이러한 Al₂O₃층과 TiB₂층의 밀착성을 높이기 위해서 이들 양층 사이에 형성되는 TiCNO, TiBNO 등으로 이루어지는 중간층이나, 날끝이 사용 완료인지의 여부의 식별성을 나타내기 위해서 피막의 최외측 표면에 형성되는 TiN, TiCN, TiC 등으로 이루어지는 최외층 등을 들 수 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.

이러한 다른 층은, 통상 0.1 ㎛~10 ㎛의 두께로 형성할 수 있다.

<제조 방법>

본 발명은, 기재와 상기 기재 상에 형성된 피막을 포함하고, 상기 피막은 적어도 1층의 TiB₂층을 포함하는 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법에도 관련되며, 상기 제조 방법은, 상기 TiB₂층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 단계는, 1 ㎛/hr 이하의 성막 속도로 상기 TiB₂층을 화학 기상 증착법에 의해 형성하는 것을 특징으로 한다. 즉, 상기에서 설명한 본 발명의 TiB₂층은, 이러한 제조 방법에 의해 형성할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 제조 방법에서는, 상기 TiB₂층을 형성하는 성막 속도를 1시간당 1 ㎛ 이하의 두께(즉 1 ㎛/hr 이하)로 형성함으로써, 상기에서 설명한 바와 같은 특징이 있는 TiB₂층의 구조를 형성하는 것이 가능해진 것이다. 이러한 조건을 채용함으로써, 왜 TiB₂층의 구조가 상기와 같은 특징이 있는 구조가 되는지, 그 상세한 메커니즘은 아직 해명되어 있지 않으나, 아마도 TiB₂층의 결정이 성장할 때에, 하지가 되는 기재나, TiN 또는 TiCN 등의 다른 층의 격자 변형의 영향을 최소로 하기 위해서 우선적으로 (100) 배향하기 때문은 아닐까하고 추찰된다.

여기서, 상기한 제조 방법을 보다 상세히 설명하면, 먼저 원료 가스(반응 가스라고도 함)로서는, TiCl₄, BCl₃, H₂ 및 Ar을 이용할 수 있다. TiCl₄와 BCl₃의 체적비 TiCl₄/BCl₃는 2.0 이상으로 하는 것이 바람직하고, 3.0 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 상기 체적비가 2.0 미만에서는, 배향성 지수 TC(100)가 저하되는 경우가 있기 때문이다. 한편, 원료 가스 중 H₂는 약 50 체적%~80 체적%, Ar은 약 15 체적%~50 체적%로 하는 것이 바람직하다. 즉, 원료 가스 중, 체적 비율적으로는 H₂ 및 Ar이 대부분을 차지하는 것이 된다.

또한, 반응 온도는 800℃~950℃로 하고, 보다 바람직하게는 850℃~900℃이다. 800℃ 미만에서는 본 발명의 특성을 갖는 TiB₂층을 형성하는 것이 곤란해지고, 950℃를 초과하면 TiB₂가 조립화(粗粒化)되거나 기재가 초경 합금인 경우에는 η층이나 붕소 함유 취성층을 생성시킬 우려가 있다. 이러한 점 때문에, 본 발명의 제조 방법에 따르면, 강η층이나 붕소 함유 취성층이 생성되는 것을 방지할 수 있다고 하는 우수한 효과가 나타난다.

또한, 성막 속도의 조정은, 원료 가스의 투입량을 제어함으로써 행할 수 있다. 예컨대, 이 제조 방법에 이용되는 화학 기상 증착 장치 내에 있어서, 피막을 형성하기 위한 기재를 세팅하는 설치대가 상하로 복수 단 있고, 각 단마다 원료 가스를 투입하는 투입구가 복수 형성되어 있는 것과 같은 경우에는, 그 투입구의 수를 제어함으로써 원료 가스의 투입량을 제어할 수 있다. 구체적으로는, 상기 투입구의 수를 감소시켜, 원료 가스의 투입량을 저감시킴으로써 상기와 같은 성막 속도를 달성할 수 있다(한편, 상기 각 단에 있어서, 투입구의 수를 감소시키지 않는 단에 대해서는 원료 가스의 투입량이 반대로 증대하는 경우가 있으나, 그와 같은 단의 설치대에도 기재를 세팅해 두고, 그 기재에도 피막이 형성되도록 함으로써 다른 단으로의 원료 가스의 확산을 방지하는 것이 바람직하다. 이 경우, 그와 같은 피막이 형성된 기재는 본 발명의 대상이 되지 않는다).

성막 속도가 1 ㎛/hr을 초과하면, 목적으로 하는 특성을 갖는 TiB₂층이 형성되지 않고, 내치핑성이 저하되게 된다. 한편, 성막 속도는 낮은 것이 바람직하지만, 0.1 ㎛/hr 미만에서는 기재의 형상에 따라서는 충분히 피막이 형성되지 않는 경우가 있고, 또한 제조 효율도 저하되기 때문에 경제적으로도 바람직하지 않다.

본 발명의 TiB₂층은, 상기한 조건을 채용하는 한, 압력 등의 다른 조건은 종래 공지의 조건을 특별히 한정하지 않고 채용할 수 있다. 한편, 본 발명의 피막이, TiB₂층 이외의 층을 포함하는 경우, 이들 층은 종래 공지의 화학 기상 증착법이나 물리적 증착법에 의해 형성할 수 있으며 특별히 그 형성 방법은 한정되지 않으나, 하나의 화학 기상 증착 장치 내에 있어서 TiB₂층과 연속적으로 형성할 수 있다고 하는 관점에서, 이들 층은 화학 기상 증착법에 의해 형성하는 것이 바람직하다.

실시예

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.

<기재의 조제>

이하의 표 1에 기재된 기재 A~기재 H의 8종류의 기재를 준비하였다. 구체적으로는, 표 1에 기재된 배합 조성으로 이루어지는 원료 분말을 균일하게 혼합하고, 소정의 형상으로 가압 성형한 후, 1300℃~1500℃에서 1시간~2시간 소결함으로써, 형상이 CNMG120408NUJ와 SEET13T3AGSN-G의 2종류의 형상인 초경 합금제의 기재를 얻었다. 즉, 각 기재마다 2종의 상이한 형상의 것을 제작하였다.

상기 2종의 형상은 모두 ISO에 기초한 것이며, CNMG120408NUJ는 선삭용의 날끝 교환형 절삭팁의 형상이고, SEET13T3AGSN-G는 전삭(轉削)(프레이즈)용의 날끝 교환형 절삭팁의 형상이다.

<피막의 형성>

상기에서 얻어진 기재에 대하여 그 표면에 피막을 형성하였다. 구체적으로는, 기재를 화학 기상 증착 장치 내에 세팅함으로써, 기재 상에 화학 기상 증착법에 의해 피막을 형성하였다. 피막의 형성 조건은, 이하의 표 2 및 표 3에 기재한 바와 같다. 표 2는 TiB₂층 이외의 각 층의 형성 조건을 나타내고, 표 3은 TiB₂층의 형성 조건을 나타내고 있다. 한편, 표 2 중의 TiBNO와 TiCNO는 후술하는 표 4의 중간층이며, 그 이외의 것도 표 4 중의 TiB₂층을 제외한 각 층에 상당하는 것을 나타낸다.

또한, 표 3에 나타낸 바와 같이, TiB₂층의 형성 조건은 a~i와 w~z의 13가지이며, 이 중 a~i가 본 발명의 방법에 따르는 조건이고, w~z가 비교예(종래 기술)의 조건이다.

예컨대, 형성 조건 a는, 1.0 체적%의 TiCl₄, 0.4 체적%의 BCl₃, 64.5 체적%의 H₂, 및 34.1 체적%의 Ar로 이루어지는 조성의 원료 가스(반응 가스)를, 전술한 바와 같은 방법으로 그 투입량을 조정함으로써 화학 기상 증착 장치에 공급하고, 압력 80.0 ㎪ 및 온도 850℃의 조건하에, 0.50 ㎛/hr의 성막 속도로 TiB₂층을 화학 기상 증착법에 의해 형성한 것을 나타내고 있다.

한편, 표 2에 기재한 TiB₂층 이외의 각 층에 대해서도, 성막 속도를 특별히 정밀하게 제어하지 않는 것을 제외하고, 동일하게 형성하였다. 한편, 표 2 중의 「잔부」란, H₂가 원료 가스(반응 가스)의 나머지를 차지하는 것을 나타내고 있다. 또한, 「전체 가스량」이란, 표준 상태(0℃, 1기압)에 있어서의 기체를 이상(理想) 기체로 하고, 단위 시간당 CVD로(爐)에 도입된 전체 체적 유량을 나타낸다.

또한, 각 피막의 조성은, SEM-EDX(주사형 전자 현미경-에너지 분산형 X선 분광)에 의해 확인하였다.

<TiB₂층의 특성 평가>

각 형성 조건으로 얻어지는 TiB₂층의 특성을 표 3에 나타내었다.

표 3 중, 「I(100)/I(101)」는, (100)면의 X선 회절 강도 I(100)와 (101)면의 X선 회절 강도 I(101)의 비 I(100)/I(101)를 나타내고, 「TC(100)」는, 배향성 지수 TC(hkl)에 있어서의 TC(100)의 수치를 나타내며, 「TC(hkl)」는, 배향성 지수 TC(hkl)에 있어서 어느 결정면이 최대가 되는지를 나타내고 있다.

한편, 이들 특성은, 전술한 방법에 의해 측정한 것이다.

<표면 피복 절삭 공구의 제작>

상기한 표 2 및 표 3의 조건에 의해 기재 상에 피막을 형성함으로써, 이하의 표 4에 나타낸 실시예 1~22 및 비교예 1~8의 표면 피복 절삭 공구(각 피막마다 2종의 날끝 교환형 절삭팁)를 제작하였다.

예컨대 실시예 4의 표면 피복 절삭 공구는, 기재로서 표 1에 기재된 기재 F를 채용하고, 그 기재 F의 표면에 하지층으로서 두께 0.5 ㎛의 TiN층을 표 2의 조건으로 형성하며, 그 하지층 상에 두께 5.0 ㎛의 TiCN층을 표 2의 조건으로 형성하고, 그 TiCN층 상에 두께 2.7 ㎛의 TiB₂층을 표 3의 형성 조건 g로 형성하며, 그 TiB₂층 상에 중간층으로서 두께 0.5 ㎛의 TiBNO층, 두께 2.5 ㎛의 Al₂O₃층, 최외층으로서 두께 1.0 ㎛의 TiN층을, 각각 이 순서로 표 2의 조건으로 형성함으로써, 기재 상에 합계 두께 12.2 ㎛의 피막을 형성한 구성인 것을 나타내고 있다. 이 실시예 4의 표면 피복 절삭 공구의 TiB₂층은, 배향성 지수 TC(hkl)에 있어서 TC(100)가 최대이고, 그 수치는 4.2가 되며, 또한 비 I(100)/I(101)는 3.2이다.

한편, 비교예 1~8의 TiB₂층은 모두 본 발명의 방법에 따르지 않는 종래 기술의 조건으로 형성되어 있기 때문에, 이들 TiB₂층은, 본 발명과 같은 특성을 나타내지 않는 결정 조직에 의해 구성되게 된다(표 3 참조).

한편, 표 4 중의 공란은, 해당하는 층이 형성되어 있지 않은 것을 나타낸다.

<절삭 시험>

상기에서 얻어진 표면 피복 절삭 공구를 이용하여, 이하의 4종류의 절삭 시험을 행하였다.

<절삭 시험 1>

이하의 표 5에 기재한 실시예 및 비교예의 표면 피복 절삭 공구(형상이 CNMG120408NUJ인 것을 사용)에 대해서, 이하의 절삭 조건에 의해 여유면 마모량(Vb)이 0.25 ㎜가 되기까지의 절삭 시간을 측정하고 날끝의 최종 손상 형태를 관찰하였다. 그 결과를 표 5에 나타낸다. 절삭 시간이 긴 것일수록, 내마모성이 우수한 것을 나타낸다. 또한, 최종 손상 형태가 정상 마모에 가까운 것일수록, 내치핑성이 우수한 것을 나타낸다.

<절삭 조건>

피삭재: Ti6Al4V 환봉(丸棒) 외주 절삭

주속(周速): 7 5 m/min

이송 속도: 0.3 ㎜/rev

절삭량: 2.0 ㎜

절삭액: 있음

표 5로부터 명백하듯이, 본 발명의 실시예의 표면 피복 절삭 공구는, 비교예의 표면 피복 절삭 공구에 비하여, 내마모성 및 내치핑성의 양자가 우수한 것은 분명하다.

한편, 표 5의 최종 손상 형태에 있어서, 「정상 마모」란 치핑, 이지러짐 등을 발생시키지 않고, 마모만으로 구성되는 손상 형태(평활한 마모면을 가짐)를 의미하고, 「전(前) 경계 미소 치핑」이란 마무리면을 생성하는 절삭날부에 발생한 미소한 이지러짐을 의미하며, 「치핑」이란 절삭날부에 작은 이지러짐이 발생한 것을 의미한다.

<절삭 시험 2>

이하의 표 6에 기재한 실시예 및 비교예의 표면 피복 절삭 공구(형상이 CNMG120408NUJ인 것을 사용)에 대해서, 이하의 절삭 조건에 의해 여유면 마모량(Vb)이 0.25 ㎜가 되기까지의 절삭 시간을 측정하고 날끝의 최종 손상 형태를 관찰하였다. 그 결과를 표 6에 나타낸다. 절삭 시간이 긴 것일수록, 내마모성이 우수한 것을 나타낸다. 또한, 최종 손상 형태가 정상 마모에 가까운 것일수록, 내치핑성이 우수한 것을 나타낸다.

<절삭 조건>

피삭재: 인코넬(INCONEL) 718 환봉 외주 절삭

주속: 50 m/min

이송 속도: 0.3 ㎜/rev

절삭량: 3.0 ㎜

절삭액: 있음

표 6으로부터 명백하듯이, 본 발명의 실시예의 표면 피복 절삭 공구는, 비교예의 표면 피복 절삭 공구에 비하여, 내마모성 및 내치핑성의 양자가 우수한 것은 분명하다.

한편, 표 6의 최종 손상 형태에 있어서, 「정상 마모」란 치핑, 이지러짐 등을 발생시키지 않고, 마모만으로 구성되는 손상 형태(평활한 마모면을 가짐)를 의미하고, 「전 경계 미소 이지러짐」이란 마무리면을 생성하는 절삭날부에 발생한 미소한 이지러짐이며 또한 기재의 노출이 인지되는 것을 의미하고, 「전 경계 미소 치핑」이란 마무리면을 생성하는 절삭날부에 발생한 미소한 이지러짐을 의미한다.

<절삭 시험 3>

이하의 표 7에 기재한 실시예 및 비교예의 표면 피복 절삭 공구(형상이 SEET13T3AGSN-G인 것을 사용)에 대해서, 이하의 절삭 조건에 의해 결손 또는 여유면 마모량(Vb)이 0.25 ㎜가 되기까지의 패스 횟수 및 절삭 거리를 측정하고 날끝의 최종 손상 형태를 관찰하였다. 그 결과를 표 7에 나타낸다.

한편, 패스 횟수란, 하기 피삭재(형상: 300 ㎜×100 ㎜×80 ㎜의 판 형상)의 일측면(300 ㎜×80 ㎜의 면)의 한쪽 단으로부터 다른쪽 단까지를, 표면 피복 절삭 공구(날끝 교환형 절삭팁)를 1장 부착한 커터에 의해 전삭하는 조작을 반복하고, 그 반복 횟수를 패스 횟수로 하였다(한편, 패스 횟수에 소수점 이하의 수치를 동반하는 것은, 한쪽 단으로부터 다른쪽 단까지의 도중에서 상기한 조건에 도달한 것을 나타냄). 한편, 절삭 거리란, 상기한 조건에 도달할 때까지 절삭 가공된 피삭재의 합계 거리를 의미하고, 패스 횟수와 상기 측면의 길이(300 ㎜)의 곱에 상당한다.

패스 횟수가 많은 것일수록(즉 절삭 거리가 긴 것일수록), 내마모성이 우수한 것을 나타낸다. 또한, 최종 손상 형태가 정상 마모에 가까운 것일수록, 내치핑성이 우수한 것을 나타낸다.

<절삭 조건>

피삭재: Ti6Al4V 블록재

주속: 50 m/min

이송 속도: 0.15 ㎜/s

절삭량: 2.0 ㎜

절삭액: 있음

커터: WGC4160R(스미토모 덴꼬 하드메탈사 제조)

팁 부착수: 1장

표 7로부터 명백하듯이, 본 발명의 실시예의 표면 피복 절삭 공구는, 비교예의 표면 피복 절삭 공구에 비하여, 내마모성 및 내치핑성의 양자가 우수한 것은 분명하다.

한편, 표 7의 최종 손상 형태에 있어서, 「정상 마모」란 치핑, 이지러짐 등을 발생시키지 않고, 마모만으로 구성되는 손상 형태(평활한 마모면을 가짐)를 의미하고, 「결손」이란 절삭날부에 발생한 큰 이지러짐을 의미한다.

<절삭 시험 4>

이하의 표 8에 기재한 실시예 및 비교예의 표면 피복 절삭 공구(형상이 SEET13T3AGSN-G인 것을 사용)에 대해서, 이하의 절삭 조건에 의해 결손 또는 여유면 마모량(Vb)이 0.25 ㎜가 되기까지의 패스 횟수 및 절삭 거리를 측정하고 날끝의 최종 손상 형태를 관찰하였다. 그 결과를 표 8에 나타낸다.

한편, 패스 횟수란, 절삭 시험 3과 마찬가지로 하기 피삭재(형상: 300 ㎜×100 ㎜×80 ㎜의 판 형상)의 일측면(300 ㎜×80 ㎜의 면)의 한쪽 단으로부터 다른쪽 단까지를, 표면 피복 절삭 공구(날끝 교환형 절삭팁)를 1장 부착한 커터에 의해 전삭하는 조작을 반복하고, 그 반복 횟수를 패스 횟수로 하였다(한편, 패스 횟수에 소수점 이하의 수치를 동반하는 것은, 한쪽 단으로부터 다른쪽 단까지의 도중에서 상기한 조건에 도달한 것을 나타냄). 한편, 절삭 거리도, 절삭 시험 3과 마찬가지로 상기한 조건에 도달할 때까지 절삭 가공된 피삭재의 합계 거리를 의미하며, 패스 횟수와 상기 측면의 길이(300 ㎜)의 곱에 상당한다.

패스 횟수가 많은 것일수록(즉 절삭 거리가 긴 것일수록), 내마모성이 우수한 것을 나타낸다. 또한, 최종 손상 형태가 정상 마모에 가까운 것일수록, 내치핑성이 우수한 것을 나타낸다.

<절삭 조건>

피삭재: SUS304 블록재

주속: 150 m/min

이송 속도: 0.15 ㎜/s

절삭량: 2 ㎜

절삭액: 있음

커터: WGC4160R(스미토모 덴꼬 하드메탈사 제조)

팁 부착수: 1장

표 8로부터 명백하듯이, 본 발명의 실시예의 표면 피복 절삭 공구는, 비교예의 표면 피복 절삭 공구에 비하여, 내마모성 및 내치핑성의 양자가 우수한 것은 분명하다.

한편, 표 8의 최종 손상 형태에 있어서, 「정상 마모」란 치핑, 이지러짐 등을 발생시키지 않고, 마모만으로 구성되는 손상 형태(평활한 마모면을 가짐)를 의미하며, 「결손」이란 절삭날부에 발생한 큰 이지러짐을 의미한다.

이상과 같이 본 발명의 실시형태 및 실시예에 대해서 설명을 행하였으나, 전술한 각 실시형태 및 실시예의 구성을 적절하게 조합하는 것도 당초부터 예정하고 있다.

이번에 개시된 실시형태 및 실시예는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 청구의 범위에 의해 나타나며, 청구의 범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

Claims (3)

1. 기재와 상기 기재 상에 형성된 피막을 포함하고,
   상기 피막은, 적어도 1층의 TiB₂층을 포함하며,
   상기 TiB₂층은, 배향성 지수 TC(hkl)에 있어서 TC(100)가 최대가 되거나, 또는 (100)면의 X선 회절 강도 I(100)와 (101)면의 X선 회절 강도 I(101)의 비 I(100)/I(101)가 1.2 이상인 것인 표면 피복 절삭 공구.
2. 제1항에 있어서, 상기 TC(100)는 3 이상인 것인 표면 피복 절삭 공구.
3. 기재와 상기 기재 상에 형성된 피막을 포함하고, 상기 피막은 적어도 1층의 TiB₂층을 포함하는 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법으로서,
   상기 TiB₂층을 형성하는 단계를 포함하고,
   상기 단계는, 1 ㎛/hr 이하의 성막 속도로 상기 TiB₂층을 화학 기상 증착법에 의해 형성하는 것인 표면 피복 절삭 공구의 제조 방법.