KR100187614B1 - 절삭용 소결체 인서트 및 그 제조 방법 - Google Patents

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미쯔히로 고또
사토루 구끼노
겐이치 기꾸타니
테쯔오 나가이
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구라우치 노리타카
스미토모 덴키 고교 가부시키가이샤
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Abstract

초경합금,철계금속 및 고융점 금속중 어느 재료로 이루어진 중간층(24,32)과 이 중간층(24,32)을 상하 양측으로부터 끼운 위치에 배치되며, 중간층(24,32)과 소결 접합된 입방정 질화 붕소 또는 다이아몬드를 함유한 경질 소결체로 이루어진 제 1층(25a,33a) 및 제 2층(25b,33b)를 구비하며, 그 전면 및 배면이 경사면을 구성하도록 형성되어 있다. 절삭에 관여하는 모든 날끝(R) 및 프랭크면은 제 1 층(25a,33a) 및 제 2층(25b,33b)으로 형성되며 상기 중간층(24,32)은 절삭면의 중심을 포함함과 동시에 인서트 전체의 중심을 포함하도록 구성되어 있다. 또한 절삭면과 프랭크면의 표면에는 주기율표 4a, 5a, 6a 족 원소의 질화물 등으로 이루어진 피복층이 형성되어 있다. 이 구조에 의하면 수명을 연장함과 동시에 제조 비용등의 경제성에도 우수한 절삭용 소결체 인서트를 제공할 수 있다.

Description

절삭용 소결체 인서트 및 그 제조방법
제1a도 및 제1b도는 본 발명의 실시예에 있어서 2 종류의 인서트 형상의 절삭용 소결체 인서트를 나타내는 사시도.
제2도는 본 발명의 실시예에서 절삭용 소결체 인서트를 제조하는 공정에 있어서 형성된 샌드위치 형상으로 원반 형상을 가지는 복합 소결체를 나타내는 사시도.
제3a도는 제2도에 도시한 복합 소결체를 방전가공에 의해 절단할 때의 절단선을 표면에 도시한 사시도.
제3b도는 방전 가공에 의해 잘라내진 복합 소결체 인서트를 확대 도시한 사시도.
제4a도는 본 발명의 실시예에서 절삭용 소결체 인서트에 있어서 그 중앙에 홀더로의 체결용의 관통구멍을 형성한 인서트를 나타내는 사시도.
제4b도는 제4a도에 도시한 것과 동일의 전체 형상에 있어서 중앙에 관통 구멍을 형성하지 않은 인서트를 나타내는 사시도.
제5도는 본 실시예의 절삭용 소결체 인서트에 있어서 중앙에 홀더로의 체결용의 관통구멍을 설치한 대략 정삼각형의 인서트를 나타내는 사시도.
제6a도는 본 발명의 실시예의 절삭용 인서트를 홀더에 장착하여 절삭 가공을 행하는 상태를 나타내는 도면.
제6b도는 제4a도에 도시한 대략 정방향의 절삭용 소결체 인서트를 홀더에 장착한 상태를 나타내는 사시도.
제6c도는 제5도에 도시한 대략 정삼각형의 인서트를 홀더에 장착한 상태를 나타내는 사시도.
제7도는 종래의 납땜(brazing)을 사용한 절삭용 인서트의 제조공정에 있어서 형성되는 원반상의 복합 소결체를 나타내는 사시도.
제8a도 및 제8b도는 제7도에 도시한 복합 소결체로부터 잘라내어 반출한 절삭 에지부를 인서트 본체에 납땜에 의해 접합한 종래의 절삭용 인서트에 2종류의 형상을 나타내는 사시도.
제9a도, 제9b도 및 제9c도는 종래의 납땜을 사용하지 않은 절삭용 소결체 인서트에 3종류의 형상을 나타내는 사시도.
제10a도 및 제10b도는 본 발명의 실시예에 따른 절삭 테스트에 있어서 비교예로서 사용된 납땜을 사용한 2종류의 절삭용 인서트의 형상을 나타내는 사시도.
제11a도는 절삭용 인서트의 날끝(R,nose) 및 NL 면(Negative Land Plane)을 설명하기 위해 절삭중에 따른 인서트 선단을 확대 도시한 평면도.
제11b도는 NL 면의 형상을 특정하기 위한 각도(θ) 및 폭(L)의 정의를 설명하기 위한 인서트 선단의 절단 근방을 확대 도시한 단면도.
제11c도는 프랭크 마모폭(W1) 및 크레이터 마모폭(W2)의 정의를 설명하기 위해 인서트 선단의 절단근방을 확대 도시한 단면도.
제12a도는 적층화하지 않은 통상의 피복층을 갖는 소결체 인서트의 모식 단면도.
제12b도는 적층화된 피복층을 갖는 소결체 인서트의 모식 단면도.
제12c도는 초미립자 적층막의 경우의 제12b도의 일부분(a)을 확대 도시한 모식 단면도.
제12d도는 초격자 적층막의 경우의 제12b도의 일부분(a)을 확대 도시한 모식 단면도.
제13a도 및 제13b도는 본 발명의 실시예에 있어서 사용되는 아크 이온 도금법에 의한 성형막 장치의 정면 단면도 및 평면 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
21 : 초경합금층
22a,22b : CBN 소결체층 또는 다이아몬드 소결체층
23,31 : 절삭용 소결체 인서트 24,32 : 중간층
25a, 33a : 제1층 25b,33b : 제2층
[발명의 배경]
[발명의 분야]
본 발명은 입방정 질화붕소(cubic boron nitride, 이하 CBN 이라 칭함) 또는 다이아몬드를 사용한 소결체와 초경합금 등의 복합 소결체로 이루어진 고경도인 절삭용 소결체 인서트, 상기 절삭용 소결체 인서트에 내마모층을 피복한 피복절삭용 소결체 인서트 및 그 제조방법에 관한 것이다.
[종래의 기술]
다이아몬드 소결체 및 CBN 소결체는 일반적으로 선반용 바이트 등의 절삭공구로서 널리 사용되고 있다. 이들 소결체 공구는 40kb 이상의 초고압과 1300℃의 고온을 발생시킬 수 있는 대단히 고가인 설비를 사용하여 제조된다.
이들 소결체를 사용한 공구는 종래, 우선 제7도에 도시한 바와 같이 초경합금층(1, cemented carbide layer)의 상면에 이 소결체로 이루어진 층(2)이 접합된 원반형의 복합 소결체(3)로 하여 얻어진 후, 와이어 방전가공에 의해 절단되어 소망의 절단형상 (제8a도에 나타내는 3a 및 제8b도에 나타내는 3b)으로 잘라내어 반출되어, 소망 형상의 초경합금 기본재료(제8a도 및 제8b도에 나타내는 4 및 5)로 납땜된다. 이를 연마가공하는 것에 의해 제8a도 및 제8b도에 나타낸 절삭용 교환 가능 인서트(displaceable insert for cutting)를 얻을 수가 있다. 제8a도 및 제8b도 중에 화살표(A, B)로 지시한 경계면이 납땜면(brazed surface)이다.
제8b도에 나타낸 3 각형의 절삭 인서트의 중앙에는 절삭 인서트를 공구의 섕크에 나사체결에 의해 체결고정하기 위한 관통구멍(6)이 설치되어 있다.
이와 같이 종래의 절삭 인서트를 사용한 공구는 실제 절삭에 필요하고 충분한 소결체 면적을 확보하고 있다는 점에서는 경제적으로는 우수하지만 납땜 부분을 가지므로 다음과 같은 문제점이 있다.
다이아몬드 소결체나 CBN 소결체를 사용한 공구는 일반적으로 얕은 깊이 절삭 또는 낮은 이송량을 갖는 다듬질 가공 등에 적용되지만, 경도가 높으며 내열성이 우수하다고 하는 특징을 가지기 때문에 절삭온도가 높게되는 고속 절삭에 적용되는 것이 많다. 더욱이 근년의 가공능률 향상의 요구로부터 우선 무엇보다도 고속으로 적용이 확대되고 있다.
그런데, 종래의 납땜 공구는 납땜 온도가 700 내지 900℃정도인 것에 대해, 소입강(hardened steel)이나 주철의 고속 절삭의 경우에는 절삭온도가 900℃를 초과하여 납땜제가 용융하거나, Al-Si 합금이나 소입강(燒入鋼) 및 주철의 황삭(rough cutting)을 행하는 경우에는 절삭온도가 900℃이하로 있어도 절삭 저항이 증대하기 때문에 납땜 강도가 불충분하여 납땜 어긋남(de-brazing)이 생길수가 있다. 또한 다이아몬드 소결체를 납땜하는 경우에는 충분한 납땜 강도를 나타내기 위하여 900℃근방의 고온으로 납땜 처리를 행하면, 일부가 흑연화를 일으키거나 초경합금 기본재료 등의 열팽창율 차가 크기 때문에 균열이 생기는 것도 있다.
또한 이와 같은 종래의 절삭 인서트를 형성하기 위한 제조공정도 제7도에 나타낸 소결체 형성공정, 와이어 방전 가공 공정, 잘라내어 반출한 복합 소결체의 연마공정, 납땜공정 및 절삭 인서트의 연마 작업공정을 거쳐 행하여야 하기 때문에 초경합금이나 세라믹 공정에 비교하여 긴 제조공정을 필요로 하고 있다.
납땜부를 가지고 있지 않은 종래의 공구로서 제9a도, 제9b도 및 제9c도에 나타낸 형상의 절삭 인서트가 시판되고 있다. 이들중 제9a도의 나타낸 절삭 인서트(10a)는 상면(절삭면) 전면만이 CBN 또는 다이아몬드 소결체로 구성되어 있으며, 제9b도에 나타낸 절삭 인서트 (10b)는 샌드위치 형상의 복합 소결체를 사용하여 상하면의 절삭면 전체가 CBN 또는 다이아몬드 소결체로 구성되어 있고, 제9c도의 절삭 인서트(10c)는 인서트 전체가 CBN 또는 다이아몬드 소결체로 구성되어 있는 것이다.
이들 공구에 공통인 문제점으로서는 절삭면의 절삭에 관여하지 않는 부분도 고가인 CBN 또는 다이아몬드 소결체로 구성되어 있는 것이다. 그 때문에 이들 종래의 절삭 인서트는 그 제조가격을 고려하면 경제성 이상으로 종래의 납땜 인서트에 대하여 우수성을 가지는 것은 아니다. 또한 절삭면의 중심부 혹은 인서트 전체의 중심부에 경도가 높은 소결체 층을 설치하고 있기 때문에 예를 들면, 널리 시판 되고 있는 제8b도에 나타낸 홀더로의 체결고정용의 구멍부착의 인서트의 가공이 곤란하게 되는 문제가 있다.
CBN 소결체 및 다이아몬드 소결체는 경도, 강도, 열전도율 등의 물성에 따라 우수한 성질을 가지고 있기 때문에 각종의 절삭공구로서 이용되고 있다. CBN 소결체는 철과의 반응성이 낮으므로 철계 재료의 절삭공구로서 사용되며, 특히 소입강등의 절삭이 곤란한 고경도의 절삭에 이용되고 있다.
다이아몬드 소결체는 다이아몬드 입자 자체가 CBN 입자와 비교하여 고경도이며, 벽개면(壁開面,cleavage plane)이 적고 일반적으로 결함도 적으며 입자 형태가 강하고 견고하게 결합하고 있으므로 CBN 소결체에 비교하여 고경도이며 고강도인 것이 공지되어 있다. 그러나 이들 널리 시판되고 있는 다이아몬드 소결체는 다이아몬드가 내산화성이 열악하고 철계금속등의 반응성에 많기 때문에 내마모성이 저하하고 철계 재료의 실용적인 절삭에 이용될 수 없다는 결점이 있다. 단 알루미늄 등의 비철계 재료에 대하여 우수한 내마모성을 나타내기 때문에 다이아몬드가 비철재료계의 절삭공구로서 이용되고 있다.
절삭의 고속화, 고능률화를 위시하여 절삭조건의 가혹화에 따라 철계재료의 절삭, 비철재료의 절삭 혹은 철계 재료 및 비철재료의 공통절삭에 있어서 CBN 소결체만 혹은 다이아몬드만으로는 내마모성이 충분하다는 언급을 하지 않는 것이 현상황이다.
내마모성을 향상시키기 위해 CBN 소결체나 다이아몬드 소결체로 이루어진 종래의 절삭 인서트에 TiN등의 각종 내마모층을 PVD(Physical Vapor Deposition)법이나 CVD (Chemical Vapor Deposition)법에 의해 피복하는 방법이 제안되고 있다(예를 들면 특개소 61-183187호 공보, 특개평 1-96083호 공실, 특개령 1-96084호 공보 참조), 그러나 고속 다듬질 절삭이나 황삭 같은 보다 가혹한 절삭조건에 견딜수 있는 피복층과 소결체와의 밀착강도에 뛰어난 내마모층을 피복하기 위해서는 납땜제의 융점 이상의 고온으로 피복처리를 행할 필요가 있으며 납땜 공구는 피복 절삭용 인서트의 모재로서는 적절하지 않다. 또한 통상의 다듬질 절삭용의 경절삭용의 공구에 적용하는 것을 목적으로 하여 성형막 온도가 납땜제의 융점 이하인 각종 저온 프로세스를 사용한 PVD 법 및 CVD 법에 의해 피복처리를 행하여도 납땜공구를 피복 절삭용 인서트의 모재로서 사용한 경우에는 납땜 어긋남이 일어날 수 있는 등 납땜부를 가지지 않는 피복 절삭용 인서트와 비교하여 안정성이 열악하다는 문제가 있다.
또한 CBN 소결체 및 다이아몬드 소결체는 어느것도 단순히 흑색 또는 다색을 나타내고 있다. 상술한 바와 같이 이들 재료를 사용한 절삭공구의 태반은 절삭 깊이량 및 이송량이 작은 절삭조건으로 사용되는 다듬질 가공을 주용도로 하고 있다. 이와 같이 절삭공구에 있어서, 종래의 일반적인 납땜 인서트는 절삭 에지 모서리가 사용완료 여부를 판별할 필요는 없지만, 다수의 모서리부를 절삭 에지로 하여 사용하는 절삭공구에 있어서는 흑 또는 다색의 소결체 표면에서는 그 사용 또는 미사용의 판별이 곤란하다고 하는 문제도 있으며, TiN, Ni 등의 도금이 유효하다. 그러나 역시 납땜 인서트를 사용한 경우에는 피복처리중에 납땜부의 온도가 상승하여 납땜제가 용융하여 납땜부에 어긋남이 생기거나 납땜부가 열화하여 가혹한 절삭조건하에서 사용한 경우에 납땜부가 어긋나는 것이다.
[발명의 개요]
본 발명은 상기 종래의 문제점을 감안하여 제조공정을 축소하고, CBN 소결체부 및 다이아몬드 소결체부를 효율 좋게 이용할 수 있는 형상을 가지는 제조방법을 이용하는 것에 의해 경제성을 향상시킴과 동시에 용이하게 각종 피복층을 피복하는 것이 가능한 고경도인 절삭용 소결체 인서트를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 CBN 소결체 및 다이아몬드 소결체의 고경도 및 고강도와 피복층의 우수한 내마모성을 수반하여 가진, 예를 들면 소입강 절삭이나 주철의 거친 절삭, 주철과 알루미늄 합금의 공통 절삭(Co-cutting) 등에 이용된 경우에 종래 공구에 대하여 현저하게 긴 수명을 나타내는 이상적인 피복 CBN 소결체 인서트 및 피복 다이아몬드 소결체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 절삭후에 있어서 사용 절삭 에지 모서리가 사용완료 여부의 판별을 용이하게 한 소결체 인서트를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하는 본 발명의 절삭용 소결체 인서트는 초경 합금, 철계금속 및 고융점 고속으로 되는 군으로부터 선택된 재료로 이루어진 중간층과, 이 중간층을 상하 양측으로 좁은 위치에 배치하며 중간층과 소결접합된 입방정 질화 붕소 또는 다이아몬드를 포함한 경질 소결체로 이루어진 제1 및 제2층을 구비하며, 그 전면 및 배면이 절삭면을 구성하도록 형성되어 있다. 절삭에 관여하는 전체 날끝(R) 및 프랭크면은 제 1 및 제 2 층으로 형성되며, 중간층은 절삭면의 중심부 및 인서트 전체의 중심을 포함하도록 형성되어 있다.
절삭용 소결체 인서트에 의하면, 우선 종래의 많은 공구에 사용되고 있는 납땜 부분을 포함하고 있지 않으므로 고속 절삭이나 황삭에서의 납땜 어긋남과 같은 문제점이 회피된다. 또한 절삭면의 중심부 및 인서트 전체의 중심부가 초경합금, 철계금속 및 고융점 금속 중의 어느 재료로 구성되어 있기 때문에 인서트 홀더에 체결고정하기 위한 관통 구멍의 가공이나 인서트를 정밀도 좋게 홀더에 부착하기 위한 홈 등을 용이하게 연마 등에 의해 형성하는 것이 가능하다. 더욱이 절삭에 관여하는 프랭크면이 전체 CBN 또는 다이아몬드로부터 이루어진 고경도인 소결체층에 의해 구성되어 있기 때문에 공구수명을 연장 할 수 있다. 이것은 다른 재료에 비하여 영 계수가 높은 소결체 층이 프랭크면 전면을 구성하고 있기 때문에 절삭시에 증가하는 응력 분포가 개선되는 것에 기인하는 것이라고 고려된다. 또한 고경도 소결체와 비교하여 경도도 낮은 저강성인 납땜재를 포함하지 않는 것이 공구 수명에 관하여 더욱 적합한 영향을 미치는 것이라고 관측된다.
중간층과 제 1 및 제 2 층의 계면에는 접합강도의 향상을 도모하기 위해 주기율표 4a, 5a, 6a 족 원소로 이루어진 군 중에서 선택된 1 종류 이상의 금속 또는 상기 군 중에서 선택된 1 종류 이상의 원소에 질화물, 탄화물, 산화물 및 이들 고용체 중에서 선택된 1 종류 이상의 화합물의 층을 가지는 것이 적합하다. 또한 특성이 크게 다른 중간층과 제 1 및 제 2 층의 계면에 중간적인 특성을 가지는 상기 고융점 금속 혹은 그 화합물 층을 설치하는 것에 의해 고속 절삭, 황삭 혹은 피복 처리 등을 행한 경우에 발생하는 열응력이나 실제응력(actual stress)의 영향을 완화하고, 균열이 없는 건전한 절삭용 소결체 인서트를 제공할 수 있다.
CBN 소결체 또는 다이아몬드 소결체로 이루어진 제 1 및 제 2 층의 각각의 두께는 1㎜ 이상 4㎜ 미만인 것이 바람직하다. 1㎜ 미만이면 절삭시에 크레이터 마모가 고경도 소결체층 이외의 부분에 발달하기 쉽게되며, 그 결과 수명이 단축된다. 4㎜ 이상은 절삭성능에는 영향을 미치지 않지만 불필요한 소결체 층이 두껍게 되기 때문에 제조비용상 적합하지 않다.
더욱이 인서트의 두께는 1.5㎜ 이상 5.0㎜ 미만인 것이 적합하다. 이것은 1.5㎜ 미만인 상술한 공구 수명연장의 효과가 충분하지 않고 또한 상하 2 회 절삭한 경우에 상호 절삭의 손상에 영향을 주기 쉽기 때문에 수명이 단축되는 경우가 있으며, 5㎜ 이상인 소결체의 면적이 필요 이상으로 크게 되기 때문에 경제적인 관점으로부터 적합하지 않기 때문이다.
더욱이 절삭면만 또는 절삭면과 프랭크면과의 양방향의 표면에 주기율표 4a, 5a, 6a 족 원소 Al, Si 및 B 로 이루어진 군 중에서 선택된 1 종류 이상의 원소 또는 상기 군 중에서 선택된 1 종류 이상의 원소의 질화물, 탄화물, 산화물 및 이들 고용체 중에서 선택된 1 종류 이상의 화합물의 박막을 피복하는 것이 적합하다. 그 이유는 이와 같은 막을 절삭용 소결체 인서트에 피복하는 것에 의해 내마모성의 개선이 도모되며, 가혹한 절삭 조건에 견딜수 있는 내결손성(chipping resistant)과 내마모성을 수반하여 가지는 우수한 절삭공구를 얻을 수 있다. 또한 절삭후에 피복층이 마모하여 소결체 인서트의 표면이 노출하여 색이 변화하기 때문에 사용한 인서트의 모서리부의 판별이 용이하게 된다.
피복층으로서 박막의 경도는 기본재료의 영향을 받기 쉬우며 박막의 두께가 얇게 되는 것에 따라 그 영향은 현저하게 된다. 그러나 본 발명에 있어서는 현존하는 물자 중에서 가장 강도가 높은 다이아몬드(Hv = 9000 정도) 및 다이아몬드에 이어 경도가 높은 CBN (Hv = 2800 ~ 5000 정도)으로 이루어진 고경도 소결체를 모재로 하여 사용하는 것에 의해 WC 계 초경합금 (Hv = 1800 정도)을 모재로한 피복 초경합금 공구의 경우에 큰 문제로 되어 있는 기본재료의 탄성변형에 피복층이 추종할 수 없는 것에 기인하는 피복층의 박리를 현저하게 억제할 수 있는 것 이외에도 절삭시의 고온조건하에서도 피복층의 고경도를 유지시키는 효과를 발휘하고, 절삭용 소결체 인서트의 내마모성을 현저하게 향상시킬 수 있다.
본 발명에 있어서는 이온 도금 PVD 법이나 플라즈마 CVD 법 등을 사용하여 모재와의 밀착성이 뛰어난 피복층을 성형막으로 하기 위해 절삭시에 피복층의 탄성 및 소성 변형이 모재와 피복층과의 계면에서 구속되며, 피복층의 경도가 대폭 향상된다. 즉 CBN 소결체 및 다이아몬드 소결체를 모재로 하여 사용하는 것에 의해 피복층의 경도가 향상하고 우수한 내마모성을 나타낸다.
본 발명의 적합한 실시예의 절삭용 소결체 인서트에 있어서는
(1) (Ti, Al)N막
(2) TiN 층과 AlN 층을 반복 적층하는 구조를 가지고 전체에 대해 입방정형의 X 선 회절 패턴을 가지고, 각층의 두께가 0.2nm 내지 20nm 인 초격자적층 화합물막(이하 TiN 과 AlN 과의 초격자 적층 화합물막 이라고 한다),
(3) TiN 층과 AlN 층을 적어도 2 층 이상을 가지고, 각층이 입경 1nm 내지 50nm 의 초미립자 적층막(이하, TiN 과 AlN 과의 초미립자 적층막 이라고 한다),
(4)Ti 질화물, 탄화물, 산화물 및 이들 고용체 중에서 선택된 1 종류 이상의 화합물막
으로 이루어진 군 중에서 선택된 1종류 이상의 막이 피복되어 있다.
특히 피복에 대해 (Ti, Al)N 막, TiN 과 AlN 과의 초격자 적층 화합물막, TiN 과 AlN 과의 초미립자 적층막을 사용한 절삭용 소결체 인서트는 현저하게 내마모성이 향상되는 것이 발견되었다. 그 이유는 다음과 같이 추측된다.
CBN 소결체 공구나 다이아몬드 소결체 공구는 대단히 고경도이며, 우수한 내마모성을 가지는 공구이지만, 절삭을 행하는 고온의 공기 분위기하에서는 CBN 이 약 900℃로부터 산소와 반응하여 B2O₃가 생기며, 다이아몬드가 600℃부근으로부터 흑연화함과 동시에 산소와 반응하여 CO2를 발생하기 때문에 내마모성이 현저하게 저하할 수가 있다. 그래서 CBN 소결체 이상으로 고경도로 내산화성이 우수한(Ti, Al)N 막, TiN 과 AIN 과의 초격자 적층 화합물막, TiN 과 AlN 과의 초미립자 적층막을 사용한 절삭용 소결체 인서트는 통상의 CBN 소결체 공구나 다이아몬드 소결체 공구 등과 비교하여 내마모성이 향상되는 것이 고려된다.
본 발명의 절삭용 소결체 인서트의 다른 적합한 실시예에 있어서는 절삭용 소결체 인서트의 피복층 외측에 Al2O₃의 단층 또는 TiCN 층을 2 층 이상 적층한 다층막이 피복되어 있다.
본 발명의 절삭용 소결체 인서트의 또다른 적합한 실시예에 있어서는 절삭용 소결체 인서트의 절삭면의 피복층 외측만 Al2O₃의 단층막 또는 Al2O₃ 층과 TiCN 층을 2 층 이상 적층한 다층막이 피복되어 있다.
피복층이 이와 같이 구성되어 있는 것에 의해 더욱 내크레이터 마모성의 향상이 현저하게 된다. 그 이유는 크레이터 마모의 요인에 대해 열적인 마모의 비율이 지배적이기 때문에 (Ti, Al)N 막, TiN 과 AlN 과의 초격자 적층화합물막, TiN과 AlN과의 초미립자 적층막 보다도 열적 안정성이 우수한 산화물인 Al2O₃가 우수한 효과를 발휘한 것이라고 생각된다. 프랭크면 마모의 요인으로서는 기계적인 마모의 비율이 지배적이기 때문에 소입강 등의 고경도의 절삭이 곤란한 재료의 절삭에 있어서는 절삭면만으로 Al2O₃를 피복하는 것이 우수하다. 또한 Al2O₃와 TiCN을 교호로 2 층 이상 적층한 다층막으로 하는 것으로 Al2O3의 조대주상 조직화(entering a coarse columnar structure)를 억제할 수가 있기 때문에 내결손성이 향상하고 더욱이 적합하다.
본 발명의 절삭용 소결체 인서트의 또다른 적합한 실시예에 있어서는 절삭용 소결체 인서트의 절삭면의 피복부층의 최외층으로 TiN 이 피복되어 있다.
본 발명에 사용되는 (Ti, Al)N 막은 통상의 이온 도금 PVD 법으로 형성될 수 있다. TiN 과 AlN 이나 TiC 와 AlN 등의 초격자 적층화합물 및 초미립자 적층화합물은 2 종류 이상의 금속 타겟과 회전하는 기본재료 유지구(rotary base material holders)를 부착한 이온 도금 장치를 사용하는 것에 의해 성형막으로 할 수가 있다. 성형막 온도, 아크 방전량 및 N2, C2H2등의 가스를 도입할 때의 진공도의 차이에 의해 초격자 적층 화합물막과 초미립 적층 화합물 막을 제작 분리할 수 있다. 제13도에 TiC 와 AlN 의 초격자 적층 화합물막의 성형막 장치를 도시하였다.
제13도에 나타낸 성형막 장치에 있어서 챔버(51)내에 기판전극(52)에 접속된 회전축(53, rotary sus-ceptor)과 그 위에 고정된 회전 유지구(54)가 설치되며, 그 회전 유지구(54)의 외측면상에 복수개의 기본재료(55, base material)가 부착되어 있다. 또한 아크 전원(56)에 접속된 아크 전극(57) 및 금속 타겟(58)이 챔버(51)의 내주 근방에 각각 복수개 원주상으로 배치되며 아크 전극(57)과 금속 타겟(58)과의 사이의 아크 방전에 의해 금속 타겟(58)으로부터 금속 이온이 기본재료(55) 방향으로 방출된다. 챔버(51)의 입구 포트(51a, inlet port)에서는 반응가스가 도입되며 기본재료(55)상으로 금속 이온과 동시에 성형막 반응을 행하여 출구포트(51b, outlet port)로부터 배기된다.
본 발명의 절삭용 소결체 인서트에 있어서 피복층의 막 두께의 합계가 절삭면을 구성하는 장소에 있어서 0.1㎛이상 15㎛ 이하이며, 프랭크면을 구성하는 장소에 있어서 0.1㎛ 이상 10㎛ 이하인 것이 적합하다.
피복층의 막 두께의 합계가 절삭면을 구성하는 장소에 있어서 0.1㎛ 미만의 경우에는 모서리부의 판별이 불가능하며, 내마모성의 향상도 거의 볼 수 없다. 피복층의 막 두께의 합계가 15㎛ 를 초과하면, CBN 소결체나 다이아몬드 소결체를 모재로 하여 사용되는 것에 의한 특성이 없어지는데다 기계적으로 약한 주상정(columnar crystal)도 발달하기 쉽게 되기 때문에 피복층 자체의 역학적 특성이 지배적으로 되며 결손하기 쉽게 된다. 또한 피복층중의 잔류응력의 영향도 현저하게 되며 피복층에 균열이 생기거나 절삭용 소결체 인서트와의 사이에 박리가 생기기 쉽게 된다.
프랭크면을 구성하는 장소에는 절삭면의 경우와는 다르게 열적인 마모보다도 기계적인 마모가 지배적이기 때문에 피복층의 두께 합계는 0.1㎛ 이상 10㎛ 이하인 것이 적합하다.
본 발명의 절삭용 소결체 인서트의 제조방법은 입방정질화 붕소 또는 다이아몬드를 포함한 경질소결체로 이루어진 상층 및 하층과, 초경합금, 철계 금속 및 고융점 금속으로 이루어진 군으로부터 선택된 재료로 이루어지며, 상기 방법 및 하층 사이에 끼인 중간층을 가지는 샌드위치형 소결체를 형성한다. 이어서, 형성된 샌드위치형 소결체에 방전가공을 실시하여 상층 및 하층에 수직으로 또한 서로 수직인 4 면으로 절단하는 것에 의해 상층, 중간층 및 하층이 종방향으로 나란한 구조를 가지는 직방체의 복합 소결체 인서트를 잘라내어 반출한다. 이어서 잘라내어 반출된 복합 소결체 인서트에 연마가공 또는 방전가공을 실시하여 절삭에 관여하는 전체 날끝(R) 및 프랭크면이 상층 및 하층에 의해 구성되며 중간층은 절삭면의 중심부 및 인서트 전체의 중심(center of gravity)을 포함하도록 절삭용 소결체 인서트를 형성한다.
이 제조 방법에 의하면, 납땜 공정을 필요로 하지 않고 비교적 적은 공정수로 상술의 절삭용 소결체 인서트를 형성할 수 있다.
본 발명의 절삭용 소결체 인서트의 제조 방법은 적합한 실시예에 있어서는 상기 공정을 가하여 PVD 법 또는 CVD 법에 의해 소결체 인서트의 절삭면만 또는 절삭면 및 프랭크면의 양방에 주기율표 4a, 5a, 6a 족 요소 Al, Si 및 B 로 이루어진 군중에서 선택된 1 종류 이상의 금속 또는 상기 군중에서 선택된 1 종류 이상의 원소의 질화물, 탄화물, 산화물 및 이들 고용체 중에서 선택된 1 종류 이상의 화합물로 이루어진 피복층을 형성하는 공정은 또한 구비하고 있다.
이 제조 방법에 의하면 상술의 피복층을 가지는 절삭용 소결체 인서트가 비교적 간단한 공정으로 더욱 밀착성 좋게 형성될 수 있다.
[적합한 실시예의 설명]
이하 본 발명의 실시예에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다. 또한 이하의 실시예는 본 발명의 일부의 실시 형태를 나타낸 것에 불과하며 본 발명이 그들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
CBN 분말이 70 체적 %, 나머지부가 TiN, Al 및 불가피 불순물로 배합된 혼합분말을 준비했다. 다음에 Mo 제 용기에 이 분말을 충전하고 평활하게 고른 후 원반상의 초경합금을 삽입하고 또한 그위에 분말을 충전하고, 초고압 발생 장치를 사용하여 50Kb, 1440℃로 30 분간 소결한다. 또한 그 소결한 Mo 제 용기를 연삭에 의해 제거하고, 제2도에 도시한 중간의 초경 합금층(21) 및 CBN 소결체층(22a,22b)으로 되는 복합 소결체를 얻는다. 여기에서 초경합금층(21)의 두께가 2.0 내지 2.3㎜, CBN 소결체층(22a,22b)의 두께가 각각 2.3 내지 2.5㎜ 이다. CBN 소결체층을 X 선 회절에 의해 분석한바, CBN, TiN, AlN, TiB2,AlB2및 불가피한 불순물로 Co, Fe 가 검출된다.
다음에 이 복합 소결체를 제3a도의 상부 표면에 도시한 선에 따라 와이어 방전 가공기로 절단하고, 제3b도에 도시한 인서트 형상으로 되도록 복합 소결체를 잘라내어 반출하여 이를 연삭반으로 더욱 가공을 가하고 제1a도에 도시한 대략 정방형의 주면 형상(square major surface shape)을 가지는 절삭용 소결체 인서트(23)를 형성했다. 이 절삭용 소결체 인서트(23)는 초경합금으로 되는 중간층(24)과 이 중간층(24)을 상하로 끼이도록 배치한 CBN 소결체로 되는 제 1 및 제 2 층(25a,25b)을 구비하며, 중간층(24)은 절삭용 인서트의 절삭면의 중심부 및 절삭용 인서트 전체의 중심부를 포함하도록 형성되어 있다. 또한 절삭에 관여하는 전체의 날끝(R, nose) 및 프랭크면은 절삭용 소결체 인서트의 각 모서리부의 제 1 및 제 2 층 표면에 형성되어 있다.
이와같이 하여 형성된 복수의 절삭용 소결체 인서트중 일부에 대해서는 제4a도에 도시한 바와같이 중간층(24)이 중앙에 나사 체결에 의한 홀더로의 체결 고정용의 관통 구멍(26)을 형성하고, 다른 것에 대해서는 제4b도에 도시한 관통 구멍(26)을 형성하지 않는 그대로의 상태로 제6a도 및 제6c도에 도시한 절삭용 소결체 인서트(23)를 하부판(27)을 거쳐서 홀더(28)에 고정했다.
절삭용 소결체 인서트(23)의 홀더(28)로의 체결 고정에 즈음하여 제6a도, 제6b도에 도시한 바와같이 클램프 부재(29)를 홀더(28) 상면으로 나사 체결하여 절삭용 소결체 인서트(23)를 가압하는 것에 의해 절삭용 소결체 인서트(23)의 홀더(28)로부터의 이탈을 방지하고 있다. 또한, 제6a도는 절삭용 소결체 인서트(23)에 의해 회전하는 피삭재(30)를 절삭하고 있는 상태의 측면도가 도시되어 있다.
본 실시예의 절삭용 소결체 인서트(23)의 시료로서 ISO 규격의 SNMN 090208 및 SNGN 090208를 채용하고, 어느 인서트에 대해서도 제11a도에 그 정의가 설명된 날끝(R) 반경을 0.8㎜ 로 한다.
홀더(26)의 형상에 대해서는 절단 경사각 및 횡절삭면각을 각각 -5˚및 -6˚로 설정했다. 또한 제11b도에 의해 설명된 네가티브 랜드(NL)면(45, negative land surface)의 형상은 어느것도 각도(θ)가 25°, 폭(L)은 0.1㎜ 로 설정했다.
더욱이 비교용의 시료로서 실시예의 것과 동일 혼합분말을 사용하여 소결체를 형성하고 이것에 납땜(brazing) 및 성형가공(molding)을 실시하여 제10a도, 제10b도 및 제9a도에 나타낸 형상의 절삭용 인서트(11a,11b,10a)를 형성했다. 이들 비교용의 절삭용 인서트의 날끝(R) 및 홀더 형상에 대해서는 상기 본 실시예의 것과 동일하게 설정했다. 제10a도, 제10b도에 도시한 절삭용 인서트(11a,11b)는 초경합금 인서트 본체(12a,12b)에 하부판(13a,13b)을 거쳐서 절삭 에지부(14a,14b)가 납땜에 의해 접합 고정되어 있다.
이상과 같이 형성된 각각의 절삭용 인서트(23)를 사용하여 다음 조건으로 절삭 테스트를 실시했다.
피삭재 : 경도 HRC60 의 SKD11 재의 환봉
외주절삭속도 180ｍ/분, 절삭 깊이 0.4㎜, 이송량 0.25㎜
건식으로 20 분간 절삭
절삭 테스트 결과를 하기 표 1 로 나타내었다.
[실시예 2]
우선 상기 실시예 1과 동일 방법에 의해 CBN 분말이 60 체적 ％, 나머지부가 TiC 및 AlN, TiBAlB, WC 와 불가피 불순물로 되는 소결체 층을 금속 Mo 으로 되는 중간층(32)을 끼운 구조를 가지는 샌드위치 형상 CBN 소결체에 방전가공 및 성형 가공을 실시하여 제1b도에 나타낸 대략 정사각형의 인서트 형상(JIS 규격 : TNGN 형)의 절삭용 인서트(31)를 형성했다.
각 절삭용 인서트의 CBN 소결체로 되는 제 1 및 제 2 층(33a,33b)의 두께(제1b도에 도시한 치수 t, t)는 소결체 형성시의 분말 충전량과 와이어 절단 및 연마 공정에 의해 그 크기를 설정했다. 더욱이 인서트 전체의 두께(제1b도에 도시한 치수 T)에 대해서는 와이어 절단과 상하면 연마에 의해 소망의 크기를 얻었다. 또한 이들 절삭용 인서트의 절삭 에지는 전체 날끝(R) 반경을 1.2㎜ 로 하고, NL 면의 형상을 θ=25˚, 폭(L)을 0.1㎜ 로 되도록 공정을 행하였다. 더욱이 제6c도에 도시한 바와같이 절삭용 인서트(31)를 하부판(27)을 거쳐서 홀더(28)에 체결 고정하고, 클램프 부재(29)를 홀더(28)에 나사 체결하여 절삭용 인서트(31)를 가압했다.
더욱이 비교예로서 본 실시예와 동일 조성의 소결체를 사용하여 납땜한 절삭용 인서트를 형성했다. 다음에 형성된 절삭용 인서트를 사용하여 하기의 절삭 테스트를 행하였다.
피삭재 : 경도 HB 200 의 FCD 500 재의 환봉
외주절삭속도 400ｍ/분, 절삭 깊이 0.5㎜, 이송량 0.2㎜
건식 절삭
절삭 테스트 결과를 하기 표 2 로 나타내었다. 또한 하기 표 2 에 있어서 시료 번호 2-9 는 비교예로서 형성된 납땜 인서트이다.
[실시예 3]
우선 CBN 가 88 체적％, 나머지부가 Co, W 의 붕화물, 탄화물 및 AlN 및 불가피한 불순물로 이루어진 소결체층을 하기 표 3 에 나타낸 초경합금, 철계 금속 및 고융점 금속의 어느것으로부터 이루어진 중간층을 끼운 샌드위치 형상 소결체를 상기 실시예 1 과 동일의 방법으로 형성했다. 이어서 형성된 소결체중 일부에 대해서는 그 계면에 TiN을 설치했다. 그후 형성된 복합 소결체에 와이어 방전 가공에 의해 방전가공을 실시하고, 인서트를 잘라내어 반출하여 계면 강도를 측정했다.
본 실시예에 있어서는 제11b도에 나타난 NL 면의 가공은 행하지 않았다. 비교예로서 하기 표 3 의 시료 번호 3-6 에 나타낸 초경합금과 같은 납땜한 시료의 납땜면의 강도도 측정했다. 납땜용의 납땜재로서 시판의 은 납땜을 사용했다.
측정 결과를 하기의 표 3 으로 나타내었다.
표 3 에 나타낸 결과로부터 본 실시예의 시료는 어느것도 비교예인 시료 번호 3-6 에 비하여 계면의 유무에 관계없이 높은 전단 강도를 가지는 것을 알 수 있다.
[실시예 4]
우선 다이아몬드가 85 체적 ％, 나머지부가 Co 및 WC 및 불가피한 불순물로 이루어진 소결체층을 금속 Mo 으로 이루어진 중간층을 끼운 위치에 접합하여 샌드위치 형상의 소결체를 형성했다. 그후 이 소결체를 와이어 방전가공에 의해 절단 한 후 성형 가공을 실시하여 절삭용 인서트를 형성했다.
또한 본 실시예에 있어서는 제11b도에 도시한 NL 면의 가공은 행하지 않았다. 일반적으로도 다이아몬드 소결체의 절단을 가지는 인서트의 경우는 NL 면의 가공은 행하지 않았다.
다음에는, 형성된 절삭용 인서트를 사용하여 이하의 절삭 테스트를 행하였다.
피삭재 : Si를 18％ 함유하는 알루미늄 합금의 환봉
외부절삭속도 900ｍ/분, 절삭 깊이 1.0㎜, 이송량 0.2㎜,
건식절삭
비교용으로서 시판의 납땜 인서트를 사용한 절삭 테스트도 행하였다.
절삭 테스트 결과 본 실시예의 절삭용 인서트에 의해 60 분간 결손없이 절삭 가공을 행할 수 있다는 것에 대해, 비교용 인서트에서는 35 분간 절삭 가공을 행한 시점에서 납땜부로부터 소결체가 어긋났다.
[실시예 5]
우선 CBN 분말이 60 체적 ％ 로 나머지부가 TiCN, Al, WC 및 불가피한 불순물로부터 구성되도록 배합된 혼합분말을 준비했다. 다음에 Mo 제 용기에 이 분말을 충전하고, 평활하게 고른 후 원반상의 초경합금을 삽입하고, 또한 그 위에 분말을 충전하고 초고압 발생 장치를 사용하여 50kb, 1450℃ 에서 30 분간 소결했다. 이 소결한 Mo 제 용기를 연삭에 의해 제거하고 제2도에 도시한 중간의 초경합금층(21) 및 CBN 소결체층(22a,22b)으로 되는 복합 소결체를 얻었다. 여기에서 초경합금층(21)의 두께가 1.8 내지 2.0㎜, CBN 소결체층(22a,22b)의 두께가 각각 2.0 내지 2.2㎜ 로 되었다. CBN 소결체층을 x 선 회절에 의해 분석한바, CBN, TiCN, AlN, TiB, AlB, WC, AlO및 불가피한 불순물로서 Co, Fe가 검출되었다.
다음에 이 복합 소결체에 상기 실시예의 1 의 경우와 동일의 공정을 거쳐 제1a도에 도시한 대략 정방형의 주면 형상을 가지는 절삭용 소결체 인서트(23)를 형성했다. 이 절삭용 소결체 인서트(23)의 중간층(24), 제 1 및 제 2 층(25a,25b),날끝(R) 및 프랭크면의 기본적 구조에 있어서는 상기 실시예의 1 의 경우와 동일하며 그 구체적 형상 치수는 그 주면이 내접원반경 6㎜ 의 약정방형으로 두께가 2.5㎜ 의 직방체이며, 날끝(R) 반경은 0.8㎜ 이다.
이와같이 하여 형성된 절삭용 소결체 인서트의 표면에 PVD 법이나 CVD 법 등에 의해 하기의 표 4 내지 표 6 에 나타내는 피복층을 형성했다. 제12a도 내지 제12d도는 시료 4-8, 4-11, 4-12 의 피복층의 상태를 설명하기 위한 모식적 단면도를 나타낸다. 제12a도에 나타내는 구조는 WC-Co 로 이루어진 초경합금층(61)과 CBN 소결체(62)와의 복합 소결체의 표면에 적층되지 않은 피복층(63)이 형성되어 있으며, 시료 4-8 이 이 구조를 가지고 있다. 또한 제12b도에는 적층된 피복층(64)을 가지는 구조를 나타내고 있다. 이 피복층(64)은 초미립자 적층막으로 되는 경우에는 제12c도에 확대하여 나타낸 입자상 결정구조를 가지고 있으며, 초격자 적층 화합물막으로 되는 경우에는 제12d도에 확대하여 주상정화한 결정 구조를 가지고 있다. 즉 시료 4-11 은 제12c도에 나타낸 피복층을 가지고, 시료 4-12 는 제12d도에 나타낸 피복층을 가진다.
시료 4-1 로부터 4-10 및 시료 4-17 로부터 4-20 은 통상의 아크 이온 도금 PVD 법에 의해 형성했다. 시료 4-11 로부터 4-16 및 시료 4-21, 4-22 에 대해서는 다음 공정에 의해 형성했다. 즉, 우선 제13도에 나타낸 아크 이온 도금 장치 내의 진공도를 10 토르의 분위기로 한 후 Ar 가스를 도입하여 10 토르의 분위기로 유지하면서 400℃ 까지 가열하고, 기본재료 유지구(base material holder)를 회전시키면서 인서트에 800V의 전압을 가하여 세정했다. 다음에 Ar가스를 배기하고 N가스, CH가스, O가스를 100cc/분 내지 300cc/분의 비율로 도입했다. 그리하여 진공 아크 방전에 의해 Ti, Zr, Cr, Nb, B, Si, Al 중의 2 개 이상의 타겟을 발열 이온화하여 인서트상에 각각 TiN 층과 AlN 층, TiN 층과 SiN층, NbC 층과 AlN 층, CrN 층과 AlN 층, TiC 층과 AlN 층, TiCN 층과 AlN 층, ZrN 층과 AlN 층, TiN 층과 BN 층을 교대로 적층했다. 표면을 싼 후, X 선 회절 측정을 한바, 전체의 초격자 적층 화합물막은, X 선 회절 패턴은 입방정 구조인 것을 나타내고, 전체의 초미립자 적층막은, X 선 회절 패턴은 혼합층인 것을 나타낸다.
또한 비교용으로서 동일 분말을 이용하여 제9a도에 나타내는 납땜부를 가지지 않는 종래의 공구나 제8a도, 제10a도, 제10b도에 나타내는 납땜 인서트를 형성했다.
이상과 같이하여 형성된 절삭용 소결체 인서트의 시료 4-1 내지 4-25 에 대해서는 다음 조건으로 절삭 테스트를 실시했다.
피삭재 : 경도 HRC 60 의 침탄 소입된 SCM415 재
절삭속도 : 150ｍ/분, 절삭 깊이 : 0.2㎜ 이송량 0.1㎜/rev
건식으로 40 분간 절삭
테스트 결과에 대해, 절삭 테스트 후의 프랭크면 마모폭을 하기의 표 4 내지 표 6 에 나타내었다. 또한 제11c도에 프랭크면 마모폭 W1 및 크레이터 마모폭 W2의 정의를 나타내고 있다.
표 4 내지 표 6 의 결과로 이해되는 바와같이, 본 실시예의 피복층을 형성한 시표 4-2, 4-3 및 4-17 내지 4-19 는 비교예 4-23 과 비교하여 사용 완료 모서리의 판별이 용이하며, 시료 4-5 내지 4-7 은 비교예 4-23 비교하여 사용 완료 모서리의 판별이 용이하며, 비교예 4-23, 4-24 와 비교하여 내마모성이 향상된다. 시료 4-8 내지 4-16을 비교예 4-23, 4-24 와 비교하여 내마모성이 대폭 향상된다. 시료 4-20 내지 4-22 는 비교예 4-23, 4-24 와 비교하여 사용 완료 모서리부의 판별이 용이하게 되며 내마모성이 대폭 향상된다. 시료 4-1은 피복 처리후도 CBN 소결체부는 프랭크면 및 절삭면과 동시에 흑색을 나타내고, 사용 완료 모서리의 판별은 불가능하다. 시료 4-4 는 절삭 개시 5 분 후에 피복층이 결손했다. 그결과로 피복의 막 두께가 프랭크면에서는 0.1 내지 10㎛ 가 적합하다는 것을 알 수 있다. 시료 4-25는 절삭 개시 30 분 후에 납땜 어긋남을 일으킨다.
[실시예 6]
실시예 5의 경우와 동일 방법으로 CBN 85 체적 % 로 나머지부가 W 및 Co의 붕화물 및 탄화물과 TiN, Al 및 Ti 의 붕화물과 AlN 과 불가피한 불순물을 포함하는 CBN 소결체를 가지는 샌드위치 구조의 복합 소결체를 형성했다. 단, 분말 총전시에 금속 Ti 박을 놓고 초경합금으로 되는 중간층과 CBN 소결체와의 계면에 고융점 금속인 Ti 로 되는 계면층을 형성했다. 다음에 이 복합 소결체로부터 제5도에 나타나는 주면 형상이 삼각형의 절삭용 소결체 인서트를 형성했다. 이 절삭용 소결체 인서트에 아크 이온 도금 PVD 법이나 플라즈마 CVD 법에 의해 표 7 및 표 8 에 나타나는 피복층을 형성했다. 절삭 에지의 날끝(R) 반경은 1.2㎜ 로 하고, 다음조건에서 SKH51 의 고능률 절삭을 행했다. 시료 5-6 에 나타난 바와같이, 절삭면에만 피복층을 설치한 경우에는 절삭용 소결체 인서트 전체를 피복후 프랭크면만 연삭 처리를 행하여 형성했다. 시료 5-1, 5-2, 및 5-7 은 중온 CVD 법을 사용하여 노내온도 800℃, 노내압력 30 토르, 반응가스 조성이 95.4 체적 ％ H-4 체적 % TiCl-0.6 체적 % CHCN, 반응시간 6시간의 조건으로 TiCN 층을 형성하고, 그후 통상의 CVD 법에 의해 AlO의 단층 혹은 TiCN 층과 AlO층을 2 층 이상 적층한 다층막을 형성했다. 시표 5-3 내지 5-6 및 시료 5-8 은 실시예 5 와 동일로 아크 증발 방식 이온 도금 PVD 법 및 제13도에 도시한 아크 이온 도금법에 의해 제1층의 피복을 행했다. 그후 다른 성형막 장치를 사용하여 통상의 면 CVD 법에 의해 최외층을 피복했다. 비교를 위해 제8b도에 도시한 납땜 형태의 인서트와 제5도에 도시한 중간층과 CBN 소결체와의 사이에 계면층을 포함하지 않은 절삭용 소결체 인서트에 피복 처리를 실시한 시료에 대해서도 절삭 시험을 행했다.
피삭재 : 경도 HRC64 의 SKH51 의 환봉
외주절삭속도 : 80ｍ/분, 절삭 깊이 0.75㎜. 이송량 0.1㎜/rev
습식으로 15 분간 절삭
절삭 테스트 결과로서 절삭 테스트 후의 프랭크면 마모폭(제11c도에 나타난 W1) 및 크레이터 마모폭(제11c도에 나타난 W2)을 하기의 표 7, 8 에 나타낸다.
시료 5-1, 5-2 의 결과로부터 피복의 층 두께가 절삭면에서는 0.1 내지 15㎛ 가 적합하다는 것을 알 수 있다. 시료 5-1 및 5-3 내지 5-8 의 결과로부터 크레이터 마모의 억제에는 AlO가 가장 적합하다는 것을 알 수 있으며, AlO층과 TiCN 층을 2 층 이상 적층한 다층막이 치핑 저항성이 우수하기 때문에 더욱 적합하다는 것을 알 수 있다. 시료 5-6 의 결과로부터 절삭면에만 피복하는 것에 의해 경계 마모를 경감시키는 것이 명백하게 되었다. 시료 5-9, 5-10 의 결과로부터 본 실시예와 같이 절삭 저항이 높은 절삭을 행한 경우에는 초경합금으로 되는 중간층과 CBN 소결체와의 계면에 고융점 금속인 Ti 로 되는 계면층을 형성한 것이 강도적으로 우수하다는 것을 알 수 있다.
[실시예 7]
실시예 4 및 실시예 6 에 사용한 다이아몬드 소결체 혹은 CBN 소결체로 되는 절삭용 소결체 인서트의 프랭크면 및 절삭면에 TiCN 층을 8㎛ 씩 피복한 절삭용 소결체 인서트를 사용하여 이하의 절삭 테스트를 행하였다. 우선, 피복제로서 FCD550 재와 16% Si-A 합금이 2:3 의 절삭 비율로 되도록 조합한 환봉을 사용하고 그 결과를 절삭깊이 250ｍ/분, 절삭 깊이 0.25㎜,, 이송량 0.2 ㎜/rev, 건식으로 15분간 절삭했다. 비교를 위해 피복층을 가지지 않는 실시예 4 및 실시예 6 에 사용한 다이아몬드 소결체 또는 CBN 소결체로 되는 절삭용 소결체에 대해서도 절삭 테스트를 행하였다. 그 결과를 표 9 에 나타내었다.
사료 6-1 내지 6-4 의 결과로부터 다이아몬드 소결체 또는 CBN 소결체를 사용한 절삭용 소결체 인서트에 피복 처리를 실시하는 것에 의해 철계 재료와 배철재료의 공통 절삭에 있어서 우수한 공구 수명을 제공하는 것이 명백하게 된다.
또한 상기 실시예에 있어서 설명한 절삭용 소결체 인서트의 구조 및 그 제조 방법은 어디까지 대표적인 실시예를 나타낸 것에 불과하며, 특허청구범위에 기본재료된 발명의 균등의 범위를 이탈하지 않는 한 다른 각종의 양태를 취할 수 있음은 물론이다.

Claims (15)

  1. 초경합금, 철계금속 및 고융점 금속으로 이루어진 군으로부터 선택된 재료로 이루어진 중간층과, 상기 중간층을 상하 양측으로부터 끼운 위치에 배치되며 상기 중간층과 소결 접합된 입방정 질화붕소 또는 다이아몬드를 함유한 경질 소결체로 이루어진 제1 및 제2층을 포함하는 그 전면 및 배면이 절삭면을 구성하도록 구성된 복합 소결체 인서트에 있어서, 절삭에 관여하는 모든 날끝(R) 및 프랭크면은 상기 제 1 및 제 2 층에 형성되며, 상기 중간 층은 절삭면의 중심부 및 인서트 전체의 중심을 포함하도록 형성된 것을 특징으로 하는 절삭용 소결체 인서트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 중간층과 상기 제 1 및 제 2 층의 계면에 주기율표 4a, 5a 및 6a 족의 원소로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종류 이상의 금속 또는 상기 군으로부터 선택된 1 종류 이상의 금속의 질화물, 탄화물, 산화물 및 이들 고용체 중에서 선택된 1 종류 이상의 화합물층을 가지는 것을 특징으로 하는 절삭용 소결체 인서트.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 층의 각각의 상하 방향의 두께가 1.0㎜ 이상 4.0㎜ 미만인 것을 특징으로 하는 절삭용 소결체 인서트.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복합 소결체 인서트의 두께, 즉 절삭면을 구성하는 전면 및 배면간의 거리가 1.5㎜ 이상 5.0㎜ 미만인 것을 특징으로 하는 절삭용 소결체 인서트.
  5. 제1항에 있어서, 절삭면만 또는 절삭면과 프랭크면의 양방 표면에 주기율표 4a, 5a, 6a 족 원소 및 Al, Si, B 로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종류 이상의 원소 또는 상기 군으로부터 선택된 1 종류 이상의 금속의 질화물, 탄화물, 산화물 및 이들 고용체 중에서 선택된 1 종류 이상의 화합물로 이루어진 피복층이 형성된 것을 특징으로 하는 절삭용 소결체 인서트.
  6. 제5항에 있어서, 상기 피복층이(Ti, Al) N 막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 절삭용 소결체 인서트.
  7. 제5항에 있어서, 상기 피복층이 TiN 과 AlN 층을 반복 적층한 구조를 가지고 전체로서 입방정형의 X 선 회절 패턴을 가지고, 적층된 각 층의 두께가 0.2㎚ 이상 20㎚ 이하인 초격자 적층 화합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 절삭용 소결체 인서트.
  8. 제5항에 있어서, 상기 피복층이 TiN 층과 AlN 층을 2층 이상을 가지며, 상기 피복층을 구성하는 각 층이 입경 1㎚ 이상 50㎚ 이하의 초미립자로 이루어지며, 상기 각 층의 두께가 1㎚ 이상 60㎚ 이하인 초미립자 적층막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 절삭용 소결체 인서트.
  9. 제5항에 있어서, 상기 피복층이 Ti 의 질화물, 탄화물, 산화물 및 이를 고용체중에서 선택된 1 종류 이상의 화합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 절삭용 소결체 인서트.
  10. 제6항 내지 제9항중 어느 한 항에 있어서, 상기 피복층의 표면에 Al2O3의 단층 또는 Al2O3층과 TiCN 층을 2 층 이상 적층한 다층막을 피복한 것을 특징으로 하는 절삭용 소결체 인서트.
  11. 제6항 내지 제9항중 어느 한 항에 있어서, 상기 피복층중 절삭면상에 형성된 부분만 표면에 Al2O3의 단층막 또는 Al2O3층과 TiCN 층을 2 층 이상 적층한 다층막을 피복한 것을 특징으로 하는 절삭용 소결체 인서트.
  12. 제6항 내지 제8항중 어느 한 항에 있어서, 상기 피복층을 구성하는 적층된 층중 최외층이 TiN 층인 것을 특징으로 하는 절삭용 소결체 인서트.
  13. 제6항 내지 제9항중 어느 한 항에 있어서, 상기 피복층의 막 두께의 합계가 절삭면을 구성하는 장소에 대해서는 0.1㎛ 이상 15μm 이하이며, 프랭크면을 구성하는 장소에 대해서는 0.1μm 이상 10㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 절삭용 소결체 인서트.
  14. 입방정 질화붕소 또는 다이아몬드를 함유한 경질 소결체로 이루어진 상층 및 하층과, 초경합금, 철계금속 및 고융점 금속으로 이루어진 군으로부터 선택된 재료로 이루어진 절삭용 소결체 인서트 제조 방법에 있어서, 상기 상층 및 하층 사이에 끼인 중간층을 가지는 샌드위치 형상 소결체를 형성하는 공정과, 상기 샌드위치 형상 소결체에 방전가공을 실시하여 상기 상층 및 하층에 수직임과 동시에 서로 수직인 4 면으로 절단하는 것에 의해 상기 상층, 상기 중간층 및 상기 하층이 종방향으로 나란한 직방체의 복합 소결체 인서트를 잘라내어 반출하는 공정과, 잘라내어 반출된 상기 복합 소결체 인서트에 연마 가공 또는 방전 가공을 실시하여 절삭에 관여하는 모든 날끝(R) 및 프랭크면이 상기 상층 및 하층에 의해 구성되며 상기 중간 층은 절삭면의 중심부 및 인서트 전체의 중심을 포함하도록 절삭용 소결체 인서트를 형성하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 절삭용 소결체 인서트 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서, 물리적 증착(PVD) 방법 또는 화학적 증착(CVD) 방법에 있어서 소결체 인서트의 절삭면만 또는 절삭면 및 프랭크면의 양방으로 주기율표 4a, 5a, 6a 족 원소, Al, Si 및 B 로 이루어진 군으로부터 선택된 1종류 이상의 금속 또는 이 군으로부터 1종류 이상의 원소의 질화물, 탄화물, 산화물 및 이들 고용체중에서 선택된 1종류 이상의 화합물로 이루어진 피복층을 형성하는 공정을 또한 구비하는 것을 특징으로 하는 절삭용 소결체 인서트 제조 방법.
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