KR0182289B1 - 접합제가 풍부한 화학적증착 (cvd) 및 물리적증착(pvd)으로 증착된 피복층을 가진 절삭공구 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 접합제 강화기재를 지니는 피복재 절삭공구에 관한 것이다. 그 피복재는 적어도 하나의 화학적 중착(CVD) 층 및 적어도 하나의 물리적 중착(PVD) 층을 포함한다. PVD층은 잔류압축웅력들을 포함한다.
Description
[발명의 명칭]
접합제가 풍부한 화학적증착 (CVD) 및 물리적증착(PVD)으로 증착된 피복층을가진 절삭공구
[발명의 상세한 설명]
[발명의 배경]
본 발명은 피복 절삭 공구(coated cutting tool)분야에 관한 것이다. 본 발명은 특히 밀링 또는 다른 불연속 절삭작업동안 초래되는 반복된 충격을 받게 될 수 있는 피복 절삭 인서트(insert)에 관한 것이다.
다양한 금속절삭 공정중, 밀링 절삭은 절삭 인서트에게는 가장 힘든 작업이다. 밀링은 일정한 속도로 제거되는 불연속 칩을 수반한다. 공구팁은 반복적으로 공작물로 진입해야 하며 이를 절삭하고 공작물을 지나가게 됨으로 기계적 및 열적 충격 모두를 받게 된다. 이같은 충격의 량은 절삭부의 길이 및 절삭부들 사이의 간격에 의존한다. 인서트가 어떻게 공작물로 진입해서 공작물을 절삭하며 지나갔는지의 여부에 따라 유입 및 방출변수들이 공구재료에 형성된 기계적 충격의 범위를 결정할 수 있다. 이같은 충격의 조건은 절삭속도가 증가할 때 더 심해진다.
밀링작업에 사용된 침탄된 탄화물(cemnted carbide) (이하 '초경합금'이라 한다) 절삭 인서트들은, 절삭날에 대해 직각으로 배향된 다수의 평행한 열적균열(thermal crack)을 나타낸다. 이같은 열적균열은 그 자체로서 공구수명을 제한시키지는 않는다. 그러나, 그 인서트들은 절삭날에 평행한 균열을 나타낼 수 있다. 이같은 균열은 기계적 충격이 가해짐으로써 생기는 것으로 믿어진다. 그러나, 열 및 기계적 균열이 서로 교차되면, 절삭날의 칩핑(chipping)이 초래하게 되고, 결국 조기에 공구의 파손을 일으키게 된다.
주어진 절삭날 구조에서 절삭날의 칩핑의 문제를 해결하기 위하여 현재 사용하는 방법은 더 높은 수준의 코발트 접합제를 갖는 초경합금 기재(substrate)를 설계하는 것이다. 이같은 해결법은 칩핑에 대한 문제는 감소시키지만, 또 다른 문제점, 즉 절삭날의 변형 및/ 또는 측면마모(flank wear)를 초래한다.
종래에는 피복재가 있는 것 및 없는 것 두 가지의 초경합금제품들이 밀링용으로 이용되어 왔다. 피복되지 않는 밀링 절삭 인서트의 예로는 K2885 인서트 및 K2884 인서트가 있는 바, 이 인서트들은 10.5 내지 8.5 중량 %의 코발트를 지니는 텅스텐 카바이드를 기존으로 하는 초경합금 공구(tungsten carbide based cemented carbide tools)들로서 모두 고용 카바이드 형성요소(solid solution carbide forming element)들, 즉, 탄탈륨(tantalum), 니오븀(niobium) 및 티타늄(titanium)을 다양한 수준으로 포함한다. 피복된 밀링 인서트의 예로서는 KC710인서트 및 KC720인서트가 있는 바, 이들은 높은 잔류 압축응력(high residual cpmpressive stresses)을 지니는 티타늄 니트라이드 층으로 PVD (물리적 증착) 피복된 텅스텐 카바이드를 기본으로 하는 초경합금 공구들이다.
KC710 및 KC720에 사용된 기재는 약 8.5 내지 11.5 중량 %의 코발트를 포함하며, 또한 다양한 량의 고용 카바이드 형성요소들을 포함한다.
이온 플레이팅(ion plating), 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering) 및 아크증착과 같은 다양한 기술에 의해 PVD 피복재가 초경합금 기재에 도포될 수 있는 것으로 공지되어 있다. 부가적으로, 상기 각각의 기술은 많은 변형을 가진다. 이같은 기술 및 그들의 변형은 다양한 특성을 갖는 PVD 피복된 공구들을 생산하는 것으로 관찰됐다. 피복재를 데포지트 시키는데 시용된 정확한 기술에 따라, 피복경도, 잔류응력, 기재와의 반응도 또는 접합성과 같은 특성들이 긍정적으로 또는 불리하게 영향받을 수 있다. 이같은 PVD기술 및 이로 인해 얻어진 결과적으로 피복의 특성, 및 CVD (화학적 증착) 피복과 PVD피복과의 비교는 다음과 같은 문헌에 기재되어 있는바, 즉, 벌(Buhl) 등에 의해 1981년 발간된 강()상의 TiN 피복(TiN Coatings on Steel) 틴 솔리드 필름(Tin Solid Films), 제 80권(1981), 제 265 내지 270 페이지 ; 벌 등에 허여된 미합중국 특허 제 4,448,802호 (상기한 발쳐스 에이지(Balzers AG)이온 플레팅 기술 및 설비에 관한 것으로 본원 출원인이 사용한 것임) ; 뮨츠 (Munz)의 논문등 공구상의 경질마찰-감소 TiN 피복재 형성을 위한 고속 스퍼터링 공정(A Hing Rate Sputtering Process for the Formation of Hard Friction -Reducing TiN Coatings on Tools) 1982년판 틴 솔리드필름, 제 96권 제 79-86페이지 ;뮨츠 등에 허여된 미합중국 특허 제 4,426,267호 ;카마치등이 발표한 CVD와 PVD 공정에 의해 TiN으로 피복된 초경합금 절삭팁들 내의 저항응력의 비교 및 이들이 절삭팁들의 파손방지에 미치는 효과(A Comparison of Resudial Stresses in Cemented Carbide Cutting Tips Coated with TiN by the CVD and PVD Processes and their Errect on Failure Resistance) 제 1권 제 3, 제82-86 페이지 ; 울프 등이 발표한 카바이드 밀링 공구들에서의 경질 코팅의 역할(Tne Role of Hard Coatings in Carbide Milling Tools) 1986년 발행 저널 오브 배큠사이언스 테크놀로지 A3 제 2747-2754페이지 ; 퀸토 등에 의한 물리적 및 화학적 증착에 의해 생성된 경질 코팅재의 고온 마이크로 경도(Hing Temperature Microhardness of Hard Coatings Produced by Physical and Chemical Vapor Deposition) 1987년 발행 틴 솔리드 필름 제 153권, 제 19-36페이지; 진달 등의 화학적 증착 및 물리적 증착된 WC-Co 기재상의 경질 코팅재의 점착에 대한 측정(Adhesion Measurements of Chemically Vapor Deposited and Physically Vapor Deposited Hard Coatings on WC-Co substrates) 1987년 제 54권, 제 361-375페이지 ; 진달 등에 의해 발표된 경질 코팅재의 마이크로경도의 부하의존성(Load Dependence of Microhardness of Hard Coatings) 1988년 표면 및 표면기술 제 683-694 페이지 ; 릭커비 등에 의해 발표된 물리적으로 증착된 경질 피복의 구조 및 성질과 공정 및 시스템 변수의 상호관계 (Correlation of Process and System Parameters with Structure and Properties of Physically Vapor-Deposited Hard Coatings) 1982년 2월 틴 솔리드 필름 제 157권, 제 195-222 페이지 ; 퀸토 등에 의한 화학적 증착 및 물리적 증착으로 피복된 카바이드 공구의 기겨적 성질,구조 및 성능(Mechanical Properties, Structure and Performance of Chemically Vapor-Deposited and Physically Vapor-Deposited Coated Carbide Tools) 1988년 발간 머터리얼 사이언스 앤드 엔지니어링 제 A 105/106 권, 제 443 -452 페이지에 개시되어 있다.
발명자들의 의견에 따르면 최상의 PVD피복을 제공하는 기술은, 벌 등에 허여된 특허 및 상기한 문헌에 기술된 발처스 아게 이온 플레이팅 기술 및 설비를 이용하는 기술이라 한다. 이같은 결론은 PVD TiN 피복재에 있어서, 가장 높은 경도 및 가장 높은 압축 잔류응력이 발처스 아게 이온 플레이트 PVD 피복으로 획득할 수 있는 것을 보여준 PVD 피복 공구들의 여러가지 상이한 형태를 분석함으로써 얻어졌다.
이같은 특성들은, 다른 PVD 피복 절삭 공구들이 소유한 것 보다 더 높은 마멸저항을 나타내고 절삭날 칩핑 및 파괴가 덜 일어나는 절삭공구를 형성한다. KC 710 및 KC720 상의 PVC TiN 피복은 전술된 발쳐스 PVD 기술에 의해 생산된다.
부가적으로, 접합제가 풍부한(enriched) 절삭공구들이 밀링용으로 이용되었다. 이같은 인서트들은 KC850 인서트및 KC950 인서트를 포함한다. KC850 인서트는, 약 5.9 중량 퍼센트의 코발트를 함유하는 벌크(bulk) 코발트, 및 고용 카바이드 형성요소들의 부가물을 지니는 C-형 다공성의 코발트가 풍부한 텡스텐 카바이드를 기초로하는 초경합금기재를 가진다. KC 850 인서트는 또한 3개의 층, 즉, 티타늄 카바이드의 내층, 티타늄 카보니트라이드의 중간층 ; 및 티타늄 니트라이드의 외층을 지니는, 기재상의 CVD(화학적 증착) 피복재를 구비한다. 3개층의 CVD 피복재는 미합중국 특허 제 4,035,541 호에 개시되어 있다.
KC 950 인서트는, 6.0 중량 %의 벌크 코발트 및 고용 카바이드 형성요소들의 부가물을 갖는 A형 다공성의 코발트가 풍부한 텅스텐 카바이드를 기초로하는 초경합금 기재를 지닌다. KC 950 인서트는 또한 티타늄 카바이드의 내층, 알루미늄 옥사이드의 중간층 및 티타늄 니트라이드의 외층으로 구성된 CVD 피복재를 지닌다. KC 850 인서트 및 KC 950 인서트에서의 코발트를 풍부하게 하는 것은 초경합금기재의 주변 영역에서 발생하여 고용 카바이드 소모에 의해 달성될 수 있다. 코발트가 풍부해진 영역내의 코발트 농도는 일반적으로 벌크 코발트 함량의 150 내지 300% 범위에서 최대값을 갖는다. KC 950 에서의 코발트를 풍부하게 하는 메카니즘이 미합중국 특허 제 4,610,931호에 개시되어 있다 (KC 950, KC850, KC, KC710, KC720, K, K2885 및 K2884는 절삭인서트의 초경합금 제품에 대한 케나메탈 아이엔씨의 등록상표이며 본원에서도 이를 상표로서 사용하였다. )
CVD 피복재들은, 그 CVD 피복재와 초경합금 기재의 열팽창 계수들간의 차이로 인한 잔류 인장응력 및 열적 균열에 의해 특징화된다. 그러므로, CVD 피복 공구들은 PVD 피복 공구들보다 절삭날에 칩핑이 더 생기기 쉽다.
전술한 선행기술의 절삭 인서트 제품들은 모두 상업적으로 유용하지만, 조기 칩핑 또는 변형 및/또는 측면 마모로 인하여 절삭날 수명이 제한되는 등 밀링에 연관된 상기 문제점을 더 개선시킬 필요가 있다.
[발명의 개요]
본 출원인은, 경질 내화성층의 피복재(coating of hard refractory layers)를 가진 인성, 절삭날 강도, 열적 및 기계적 충격, 변형 및 마멸에 대한 내구성이 향상된 초경합금 절삭 인서트를 발견했다.
본 출원인은, CVD내층 및 PVD 외층을 갖는 경질 내화성 피복재와 결합된 코발트가 풍부한 주변영역을 갖는 기재를 지니는 금속절삭 인서트는 놀랍게도 AISI 4140 강의 밀링중 절삭성능의 일관성 및 절삭날 수명 모두를 향상시키는 반면 마멸 저항 및 부가적 칩핑 저항을 제공하는 것을 입증했다.
본 발명에 따라서, 경사면 (rake)과 측면 (flank)의 연접부에서 절삭날을 갖는 경사면과 측면을 지니는 절삭공구가 제공된다. 절삭공구는 기재에 접합된 피복재를 지닌다. 기재는 접합제 재료(binder material)로 접합된 금속 카바이드 입자(metal carbide grains)로 만들어진다. 접합제의 농도는, 주변경계로 부터 이격된 곳에서의 농도와 비교해 기재의 주변 경계 근처에서 더 크다. 피복재는, 화학적 증착(CVD) 층 및 물리적 증착(PVD) 층을 포함하는 다수의 층을 지닌다. 최외측의 PVD 피복층은 최종 CVD 층의 외측에 있는 것이 바람직하다. 적어도 하나의 PVD층, 바람직하게는 최종 CVD 층의 외측상의 PVD층은 잔류 압축응력 상태에 있다.
밀링 인서트에 대한 접합제 농도는, 피복된 공구의 측면과 경사면에 평행한 기재의 주변경계들 모두에 또는 그 근처에서 풍부하게 하는 것이 바람직하다.
최대로 접합제를 풍부하게 하는 것은 (enrichment) 기재의 벌크접합제 함량이 바람직하게는 125 내지 300% 이고, 더 바람직하게는 150 내지 300% 이며, 가장 바람직하게는 200 내지 300% 로 하는 것이다. CVD층, 또는 층들은 티타늄, 지르코늄, 하프늄의 카바이드, 니트라이드, 카보니트라이드, 보라이드, 보로니트라이드, 옥시카바이드 및 그들의 고용체, 혼합물, 산화물 및 알루미늄의 옥시니트라이드와 같은 경질 내화성 재료들 중 어떤 것으로 선택될 수 있다. CVD 층, 또는 층들은 티타늄, 하프늄, 지르코늄, 그들 상호간의 합금 및 다른 원소와의 합금의 니트라이드 및 카보니트라이드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 경질 니트라이드 및/ 또는 카보니트라이드로 구성된 층 또는 층들이 바람직하다.
PVD층, 또는 층들은 티타늄, 하프늄, 지르코늄, 그들 상호간의 합금 및 다른 원소와의 합금의 니트라이드 및 카보니트라이드와 같은 경질 내화성 물질 중에서 선택되는 것이 바람직하다. 특히 바람직한 것은 티타늄 니트라이드, 티타늄 카보니트라이드, 및 티나늄 알루미늄 니트라이드 등이다.
본 발명의 상기 특성 또는 기타 특징들은 아래에 간단히 설명되는 도면과 그에 관한 상세한 설명을 고찰함으로써 더 명확히 될 것이다.
[도면의 간단한 설명]
제1도는 본 발명에 따른 절삭공구의 일 실시예를 개략적으로 도시한다.
제2도는 제 1 도에 도시된 실시예에서 선 II - II 을 따라 취한 절삭공구의 단면도를 도시한다.
[발명의 상세한 설명]
본 발명에 따르면, 제1도에는 측면(14)과 경사면(16)의 연접부에서 절삭날(12)을 갖는 인덱시블(indexible) 절삭 인서트(10)의 바람직한 실시예가 도시되어 있다. 제 1도에 도시되어 있으며 후속 하는 실험에 사용된 절삭 인서트(10)는 예리한(sharp)(제 2도에 도시되어 있음) 또는 호닝가공된(honed) (도시되지 않았음) 절삭날 상태의 SPGN-433 (ANSI B212.4-1986)이다.
제2도에는, 제 1 도의 선(II - II)을 따라 취한 절삭날(12)의 단면도가 도시되어 있다. 제2도에 도시된 실시예에 있어서, 기재(18)는 2개의 영역, 즉, 접합제가 풍부하지 않은 영역(20) 및 기재의 주변경계(24, 26) 근처의 접합제가 풍부한 외측 영역을 지닌다. 제2도에 도시된 바와같이, 밀링용으로는, 접합제가 풍부한 외측 영역(22)이 절삭공구(10)의 측면(14)과 경사면(16)에 평행하게 놓인 주변영역하부에 존재하는 것이 바람직하다. 다른 응용에서는, 접합제가 풍부한 영역(22)은 측면하부에만 존재하도록 하거나, 다른 표면으로부터는 (예컨데 연마에 의해)제거함이 고려될 수도 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 기재는 적어도 70 중량 %의 WC, 더 바람직하게는 80 중량 %의 WC를 포함하는 WC를 기초로하는, 즉, WC를 기본으로 하는 초경합금 기재이다. 접합제는 코발트 또는 코발트 합금이 바람직하며, 또한 3 내지 12 중량 %의 벌크농도를 지니는 것이 바람직하다. 벌크 코발트 함량은 더 바람직하게는 약 5 내지 8 중량 %, 가장 바람직하게는 5.5 내지 7 중량 %로 된다. 기재는 또한 바람직하게는 Ti, Nb 및 Ta 단독으로 또는 상호간의 결합으로 부터 선택된 Ti, Hf, Zr, Nb, Ta, V와 같은 고용체 카바이드 형성요소들을 포함하는 것이 바람직하다. 이같은 원소들은 하나의 원소, 합금, 카바이드, 니트라이드 또는 카보니트라이드로써 혼합물에 첨가될 수 있는 것이 바람직하다. 이같은 원소들의 농도는 다음을 따른다. 즉, 0 내지 12 w/o (중량%)의 Ta ; 0 내지 10 w/o의 Ti ; 및 0 내지 6 w/o의 Nb이 바람직하다. Ta와 Nb의 합은 약 3 내지 7 w/o로 되며 티타늄 함량은 0.5 내지 10 w/o로 되는 것이 더 바람직하다. 티타늄 함량은 1.5 내지 4.0 w/o가 가장 바람직하다.
이같은 원소들은, 접합제가 풍부한 영역(22)에서, 고용체 카바이드가 전체적으로 또는 부분적으로 소모 제거되는 것을 제외하고는 기재중에서 WC와 고용체 카바이드를 형성한다.
접합제가 풍부한 영역내에서의 접합제(예컨데 코발트) 함량은 기재내의 벌크농도에 대해 125 내지 300%, 바람직하게는 150 내지 300% 더 바람직하게는 200 내지 300%로 되는 최대값에 이를 것이다. 풍부한 영역은 기재주변 경계들 (24,26)까지 연장되는 것이 바람직하지만, 이와는 달리, 이들 경계에 인접해서는 기재의 소결중 증착에 의해 코발트 함량이 감소하여 얇은 층으로 될 수 있다. 풍부한 영역의 두께는 50 마이크로미터(㎛)미만, 더 바람직하게는 40㎛미만으로 되는 것이 바람직하다. 풍부한 영역의 평균두께는 약 5 내지 20㎛로 되는 것이 가장 바람직하다.
적어도 2개의 층, 즉, CVD층 및 PVD층을 갖는 경질 내화성 피복재가 기재(18)의 주변경계(24,26)상에 접합되는 바, 최종 PVD 층은 최종 CVD층 외측에 위치하는 것이 바람직하다. 출원인들은, PVD 층이 압축 잔류응력을 지닐때, 강의 밀링작업시 절삭날이 우수한 수명을 지닌다는 것을 발견했다.
그러나 바람직한 대안은 아니더라도, 최외측 CVD 층이 PVD 층내의 잔류 압축응력을 현저히 감소시키는 온도, 결과적으로는 절삭공구의 칩핑 저항을 감소시키는 온도에서 데포지트되지 않는 한은, 최외측 PVD 층의 외측에 CVD 또는 다른층을 갖는 절삭공구는 본 발명의 범위내에 포함할 수 있다는 것으로 이해해야 할 것이다.
제2도의 실시예에 있어서, 제2도에 도시된 내측 CVD 층(30)은 Ti, Zr 또는 Hf 니트라이드와 같은 내화성 니트라이드가 바람직하다. 기재 근처의 내층에 대해 내화성 카바이드 또는 카보니트라이드보다 니트라이드가 바람직한 이유는, 침탄 텅스텐 카바이드가 기본인 기재 주변 경계에서 에타 상(eta phase) (Co3W3C 및/또는 Co6W6C)의 형성을 최소화하도록 하기 때문이다. 에타상은 절삭날이 칩핑이 더 생기기 쉬운 취약한 상(brittle phase) 이다. 제2도에 도시된 피복재내의 제2층 (32)은 Ti, Zr 또는 Hf 카보니트라이드 또는 카바이드와 같은 CVD 내화성 카보니트라이드 또는 카바이드가 바람직한 바, 이는 Ti, Zr 및 Hf의 카바이드 및 카보니트라이드가 그들의 니트라이드에 비해 더높은 경도및 마멸저항을 지니기 때문이다. 제2 CVD 층및 어떤 부가적인 CVD층은 예컨데 니트라이드, 카보니트라이드, 또는 Ti, Hf 또는 Zr, 바람직하게는 Ti의 카바이드와 같은 또다른 내화성 재료층에 의해 상호 분리되는 단일층 또는 다중층으로서 알루미나를 포함할 수 있다.
외측 PVD 층에 다음으로 AL2O3CVD 층을 지니는 것이 바람직한 경우,Al2O3와 PVD 층간의 접합강도를 향상시키기 위해 Ti, Hf 또는 Zr의 CVD 니트라이드, 카보니트라이드 또는 카바이드층이 알루미나 CVD층과 PVD층사이에 데포지트되는 것이 바람직하다.
코팅재의 최종 및 최외측층(34)은 Ti, Zr 또는 Hf의 니트라이드 또는 카보니트라이드와 같은 경질 내화성 PVD층이다. 이 최외측층은 잔류 압축응력을 지닌다.
전체 피복두께(CVD+PVD)는 약 5 내지 12㎛이다. 종래의 공지 기술에 따르면, 피복의 두께가 두꺼울 수록 마멸수명이 개선되는 것으로 알려져 있으나, 밀링용의 피복 두께는 약 5㎛ 또는 그 이하로 제한되는 것이 일반적인바, 이는 이 두께 이상으로 되면 칩핑저항이 감소하기 때문이다. 본 출원인은, 본 발명을 사용하면, 5㎛ 이상되는 두께의 피복재가 사용되더라도 밀링작업중 향상된 칩핑저항 및 향상된 마멸저항의 조합을 얻을 수 있다는 점을 발견하였다.
본 발명은, 단지 본 발명의 예시를 위한 것일뿐 제한적 의미로 해석되지 않는 후술하는 실시예에 의하여 좀 더 상세하게 설명된다.
접착제가 풍부한 기재들은 후술하는 공정을 거쳐 제조되고 후술하는 다양한 층으로 피복되어 SPGN-433형 인서트를 형성한다.
기재 분말 (substrate powder)은 표 1 에 예시된 바와같이 2 단계의 밀링공정에서 형성된다. 제1단계에 있어서, 130 갤론(gallon)의 헵탄과 함께 3400kg의 침탄 텅스텐 카바이드 사이클로이드로 5 ft의 길이의 분쇄자 (mill jar)에 의하여 4 ft 직경으로 성분들이 첨가되고 18시간 분쇄되어 1.05㎛의 피셔 어페어런트 입자 크기(Fisher Apparent Particle Size)로 됐다. 제2단계에서, 성분들은 95 갤런의 헵탄과 함께 첨가됐으며, 그 혼합물은 12시간 동안 볼 분쇄(ball milled)되어 1.05㎛인 피셔 어페어런트 입자크기로 됐다.
이후 분쇄장입물이 분무건조됐다. SPGN-433형 인서트 기재들이 압축되고 소결됐다. 소결은, 진공하에서 약 30분 동안 약2650°F로 실행됐다. 결과적인 소결된 기재들은 그들의 경사면 및 측면영역을 지니며, 그 동안 접착제가 풍부한 영역이 제거됐다. 일부 기재들의 절삭날들이 혼 가공되었으며, 반면 나머지 기재들의 절삭날은 예리한 상태로 남겼다. 이후 기재들은 진공상태에서 약 30분 동안 2650°F로 소결되어 기재의 경사 및 측방주변 경계들 하부에 코발트가 풍부한 영역을 다시 제공했다. 이후 기부가 연마되어 평탄하게 됐다. 결과적인 기재들은 C형 기공성이 없으며 90%의 자기 포화값, 및 Hc191 에르스텟의 자기보자력값 (magnetic coercive force value)을 지녔다.
이같은 형태의 기재들은 약 92 록크웰 A의 벌크 경도, 및 가능한 최소량의 B형 다공성을 갖는 A형 다공성을 지녔다. 에너지 분산분광학에 의한 기재의 측정은 약 20 내지 25㎛의 평균두께, 및 평균 약 12.7 w/o의 최대 코발트 농도 또는 평균 약 200 내지 210%의 벌크 기재 농도를 지니는 기재의 주변 경계 근처에서의 접착제가 풍부한 영역을 보여줬다.
이후 기재들은 표 2 내지 6에 도시된 후술하는 실시예에 설명된 CVD 및 PVD 층들로 피복됐다. 사용된 CVD 피복기술은 일반적인 방법이다. 먼저 CVD TiN 층이 기재에 도포된 후, CVD-TiCN 층이 CVDTiN 층의 상부에 도포됐다. 이같은 층들은 950 내지 1000℃에서 데포지트 됐다.
바닥면을 제외한 CVD TiCN층 이후의 모든 층들(즉, 측면 및 경사면)은, 티타늄 소스(source) 및 질소 대기 (atmosphere)를 사용하여 약 500℃에서 발쳐스 BAI-830(리힌텐스타인소재 발쳐스 아게) 이온 플레이팅 PVD 피복 유닛에서 TiN의 PVD층으로 피복됐다 (미합중국 특허 제4,448,802호 참조). 초기 피복단계중 일반적인 실시 형태로서, 매우 얇은 (고분해능 TEM에 의해 탐지가능한) 티타늄층이 CVD TiCN 층상에 데포지트되어 그것과 PVD-TiN 층사이에 향상된 점착을 제공했다.
후술하는 인서트의 기재의 최외측 TiN층 및 WC내의 잔류응력이 다음과 같이 분석됐다. 즉 :
잔류응력 측정의 sin2 방법은 전술된 각각의 인서트의 샘플의 측면상에서 실행됐다. 사용된 각 ()은 0, 21, 30, 38, 45, 52, -21, -30, -45, -52로 됐다. 모든 데이터들이 (일본, 오사카 소재 리가쿠에 의해 제조된) 응력측정 부착물을 구비하는 리가쿠 DMAX 회절기상에 수집됐다. 통상의 피크(peak) 접합방법은 X-선 회절 피이크를 분석하는데 사용됐다. 이후 데이터는 리가쿠 응력분석 프로그램내로 공급됐다. 분석을 수행하는데 있어서, 기계적 특성들이 다음과 같이 정해졌는바, 즉 WC--포아송비 = 0.2 및 영률 = 700 GPa ; Tin -- 포아송비 = 0.2 및 영률 = 640 GPa이다. 분석된 피크 반사는 WC에 대해 {211}반사 및 TiN에 대해{422}및 {511}반사였다. 잔류응력은 피크 데이터에 적합한 최소 사각형을 사용하여 계산됐다. 이같은 분석은, 최외층이 CVD TiN층인 곳에서는 그 층이 잔류 인장 응력하에 있으나, 최외층이 PVD TiN층인 곳에서는 그 층이 잔류 압축 응력하에 있게 된다는 것을 보여줬다. 모든 경우에, 기재내의 WC는 잔류 압축 응력을 지녔다.
코발트 - 풍부 및 풍부하지 않은 공구의 기계적 성능은 후술하는 플라이컷 밀링 시험(flycut milling test)에 의해 측정됐는바, 즉:
제1의 일련의 실험에 있어서, 여러 형태의 풍부하지 않은 기재및 상기한 바와 같이 준비된 풍부한 기재 각각은 CVD TiN 내층, CVD TiCN 중간층 및 PVD TiN 외층으로 피복됐다. 이 3개 층의 공칭 두께는 각각 1, 3 및 4 마이크로미터(㎛)가 바람직하다. 상기 공정을 마친 예리한 날의 SPGN-433 공구들은 공구수명 및 칩핑저항 데이터를 비교하기 위해 상호간에 전술된 밀링 시험절차를 사용하여 시험됐다. 이같은 시험결과가 표 2, 3 및 4에 나타나 있다. 표 2의 데이타에 나타난 바와같이, 제공된 풍부한 기재는 날의 조기칩핑에 대한 저항이 향상된 반면, 풍부하지 않은 기재(A,C)는 조기 칩핑에 의한 파손에 민감한 것으로 나타났다. 기재 B 공구들은 조기 칩핑을 받지않은 반면, 칩핑이 발생하면, 심각한 문제가 되어 또다른 절삭용으로는 쓸모없는 절삭날이 된다. 그러나 풍부한 기재를 갖는 공구들에서는 칩핑이 관찰되더라도 성격상 비교적 가벼운 칩핑만이 생긴다.
호닝 가공된 절삭날 조건에서, 표 3 에 풍부한 기재와 풍부하지 않은 기재를 지니는 공구들을 비교하면, 파손 메카니즘은 풍부및 비풍부기재 각각에 대해 각각 경사면 마모이거나 칩핑중 하나를 보여주고 있다. 호닝 가공된 비풍부 기재공구들에서는 조기에 칩핑이 없었는데, 이는 호닝 가공이 절삭날을 기계적으로 강화시키는 작용을 하여 조기 칩핑의 기회를 감소시키기 때문이다. 그러나, 칩핑이 격심했고 비교적 예측불가의 현상이기 때문에, 이러한 것은 기재(B,C)를 갖는 공구에서 발견된 더높은 표준편차로 표시된 바와 같은 바람직하지 못한 조건이 된다. 호닝 가공은, 심지어 풍부한 기재들에서의 가벼운 날칩핑으로 인한 파손조차 제거시켰다.
풍부한 기재의 우수한 날칩핑 저항은, 3가지 공구 각각의 형태에 대하여 공구들이 6번 시험하는 동안 나타나는 칩핑의 수를 조사한 시험의 결과 작성된 표 4로부터 더욱 구체화된다.
따라서 이같은 시험들은, 날칩핑의 문제를 극복하는데 있어서 접합제가 풍부한 주변에 의한 중요한 역할을 강조하고 있다.
제2 의 일련의 실시예에 있어서, PVD TiN 피복과 다양한 CVD 피복들이 CVD 및 PVD 조합 피복과 비교됐다. 모든 기재들은 조성물을 지니며 전술된 방법에 의해 준비된 풍부한 기재(표 6에 표시된 것은 제외)들이다. 플라이커트 밀링 데이터가 표 5 및 6에 나타났다.
상기 데이터는 조기칩핑및 파손이 없음을 보여주며, 또한 CVD층 + 외측 PVD 층으로 피복된 공구들의 경우에서는 더 일관한 공구수명을 보여준다. 그 데이터는 또한, PVD TiN 단독으로 피복된 경우는 공구 마멸에 대하여 충분한 저항을 주지 않는데, 이는 PVD TiN 으로 피복된 공구들이 CVD 피복된 공구및 CVD + PVD 피복된 공구들과 비교해서 다 빠르게 마모되는 것을 보여준다 (표 5 참조). 표 6은 PVD 피복을 한 후 CVD 피복을 하여 최외층이 PVD 피복이 되지 않은 경우는 (피복 3 참조) 공구수명이 향상되지 않는다는 것을 보여준다. (피복 1,2 참조).
이 결과는 연속 CVD 층의 도포에 이용된 고온(900 내지 1000℃)이 종래의 TiN PVD층에서의 압축 잔류응력을 감소시키기 때문인 것으로 설명된다. 표 6은 또한, 최종 PVD 층을 지니는 공구의 피복에 있어서, 평균공구수명은 단지 CVD 피복 만을 갖는 공구들에 비해 더 길고 더 일관성이 있음을 보여준다. 이 결과들은 CVD + PVD 피복된 절삭공구의 우수한 성능을 명확히 입증한다. 이 공구들은 평활도(smoothness), 압축잔류응력 및 절삭날 강도의 유지와 같은 PVD 피복의 장점 및 CVD 피복의 마멸저항성과, 코발트를 풍부하게 함에 의해 제공된 절삭날 칩핑 저항성을 겸비한다.
본원에 참조로 모든 출원, 특허 및 기타 문헌들은 본원에 참고 자료로써 인용되고 있다.
본원 발명의 다른 실시예는 본원에서 개시된 상세한 설명 및 실시예를 고려할 때, 당업자에게는 자명하다 할 것이다. 명세서 및 실시예들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 예에 불과하며 본 발명의 진정한 범위 및 기술적 사상은 첨부된 청구범위에 의해 결정된다.
Claims (18)
- 측면 (rake face)과 경사면 (frank face) 을 가지며, 상기 측면과 경사면의 접합부에 절삭날을 포함하며, 피복재(coating)가 기재(substrate)에 접착되었으며, 상기 기재는 접합재료에 하여 접합된 경질 내화성 입자를 가진 초경합금 (침탄된 카바이드)을 포함하며, 상기 기재 내에서의 접합재료의 농도는 상기 기재의 주변의 경계로부터 멀리 떨어진 지점에서 보다, 가까운 지점에서 큰 절삭공구에서, 상기 피복재는 상기 기재에 인접한 화학적 증착층 및 잔류 압축 응력(residual compressive stress) 상태의 물리적 증착층을 포함하는 다수의 경질 내화성 층을 가진 것을 특징으로 하는 절삭공구.
- 제1항에 있어서, 상기 화학적 증착층은 Ti, Hf, Zr 및 그들의 고용체 및 혼합물로 이루어진 그룹으로 부터 선택된 경질 니트라이드로 이루어진 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭공구.
- 제2항에 있어서, 상기 경질 니트라이드층은 상기 기재에 인접하게 되는 것을 특징으로 하는 절삭공구.
- 제1항에 있어서, 상기 화학적 증착층은 Ti, Hf, Zr 및 그들의 고용체 및 혼합물로 이루어진 그룹으로 부터 선택된 경질 카보니트라이드로 이루어진 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭공구.
- 제1항에 있어서, 상기 물리적 증착층은 Ti, Zr, Hf 및 그들의 합금의 니트라이드 및 카보니트라이드로 이루어진 그룹으로 부터 선택되는 것을 특징으로 하는 절삭공구.
- 제3항에 있어서, 상기 물리적 증착층은 Ti, Zr, Hf 및 그들의 합금의 니트라이드 및 카보니트라이드로 이루어진 그룹으로 부터 선택되는 것을 특징으로 하는 절삭공구.
- 제1항에 있어서, 상기한 접합재료와 함께 접합된 경질의 내화성 입자는 0 - 12 중량 퍼센트의 Ta, 0 - 6 중량 퍼센트의 Nb, 0.0 - 10 중량 퍼센트의 Ti 및 3 - 12 중량 퍼센트의 Co로 이루어진 벌크 조성(bulk compostion)을 갖는 텅스텐 카바이드를 기본으로 하는 초경합금이며 ; 상기 코발트농도는 상기 기재의 주변경계 근처영역에서 농축되었으며 ; 상기 영역은 벌크기재 코발트농도의 125 내지 300%의 최대 코발트 농도 및 50㎛ 미만의 두께를 지니는 것을 특징으로 하는 절삭공구.
- 제4항에 있어서, 상기 물리적 증착층 및 상기 회학적 증착층의 최외측층은 물리적 증착층인 것을 특징으로 하는 절삭공구.
- 제7항에 있어서, 잔류 압축 응력을 갖는 상기 물리적 증착층이 상기 피복재의 최외층으로 되는 것을 특징으로 하는 절삭공구.
- 제1항에 있어서, 상기 절삭날은 예리한 상태에 있는 것을 특징으로 하는 절삭공구.
- 제1항에 있어서, 상기 접합제의 농도는 상기 측면 근처에서 크고, 상기 경사면 근처에서는 그렇지 않은 것을 특징으로 하는 절삭공구.
- 제7항에 있어서, 상기 영역은 상기 측면에 평행한 주변경계 근처에 존재하고, 상기 경사면에는 존재하지않음을 특징으로 하는 절삭공구.
- 제7항에 있어서, 상기 화학적 증착층은 상기 기재에 인접한 티타늄 니트라이드층을 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭공구.
- 제7항에 있어서, 상기 화학적 증착층은 제1 알루미나층 및 제2층을 포함하고 상기 제2층은 상기 제1층과 상기 물리적 증착층에 사이에 위치하는 것으로서 Ti, Zr 및 Hf의 카바이드, 니트라이드및 카보니트라이드로 이루어진 그룹으로 부터 선택되며; 상기 물리적 증착층은 상기 제1층과 제2층의 외측에 배치되는 것을 특징으로 하는 절삭공구.
- 제1항에 있어서, 강의 밀링에 사용하기 위한 인덱시블 절삭인서트를 포함하는 절삭공구에서, 상기 기재는 적어도 70 중량 퍼센트의 텅스텐 카바이드를 포함하고, 약 5 내지 8 중량 퍼센트의 코발트를 포함하는 벌크 조성물을 지니는 텅스텐 카바이드가 주성분인 초경합금이며 ; 상기 코발트 농도는 상기 기재의 주변경계 근처영역에 풍부하게 하였으며, 상기 영역은 벌크기재 코발트농도의 150 내지 300%의 최대 코발트농도를 지니고 상기 영역은 50㎛미만의 두께를 지니며 ; 상기 경질 내화성층의 최외측층은 잔류 압축 응력상태에 있는 물리적 증착층이며 ; 화학적 증착층은 상기 기재에 인접해 있고 티타늄 니트라이드로 구성되어 있으며 ; 상기 인덱시블 절삭 인서트는 상기 강을 밀링 작업하는 동안 향상된 칩핑(chipping) 저항을 나타내는 것을 특징으로 하는 절삭공구.
- 제7항에 있어서, 대부분의 조성은 약 5.5 내지 7중량 %의 코발트이며, 최대 코발트 농도는 대부분 기재 코발트 농도의 200 내지 300%임을 특징으로 하는 절삭공구.
- 제15항에 있어서, 화학 증착층은 추가로 Ti, Hf, Zr의 카보니트릴의 그룹으로부터 선택된 경질 카보니트릴, 그들의 고용체 및 혼합물로 구성된 층을 포함함을 특징으로 하는 절삭공구.
- 제1항에 있어서, 티타니움 카보니트라이드로 구성된 제2의 화학적 증착을 추가로 포함함을 특징으로 하는 절삭공구.
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