KR100191280B1 - 피복 초경합금 절삭공구의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 절삭 공구 모재의 표면에 코팅되는 코팅층을 중온 및 고온 화학증착법으로 적층되게 피복처리함으로써 내마모성과 인성을 동시에 만족시킬 수 있고 사용 수명을 향상시키는데 적합한 피복 초경합근 절삭공구의 제조에 관한 것이다.

이와 같은 본 발명은 초경합금 공구의 모재 표면에 고온 화학증착법(900~1,100℃)에 의한 0.1~2.0㎛ 두께의 티타늄 화합물층과, 중온 화합증착법(700~880℃)에 의한 1.0-10㎛ 두께의 티타늄 화합물층과, 고온 화학증착법(900~1,100℃)에 의한 0.1~3.0㎛ 두께의 세라믹층을 순차적으로 피복함을 특징으로 한 것이다.

Description

피복 초경합금 절삭공구의 제조방법

제1도는 본 발명의 제1실시예에 따른 피복층을 나타낸 절삭공구의 단면도.

제2도는 본 발명의 제2실시예에 따른 피복층을 나타낸 절삭공구의 단면도.

제3도는 본 발명을 이용한 피삭재(SKD4)를 건식 절삭한 경우의 내마모성 시험을 나타낸 그래프.

제4도는 본 발명을 이용한 피삭재(SKD4)를 습식 절삭한 경우의 내마모성 시험을 나타낸 그래프.

제5도는 본 발명을 이용한 피삭재(SKT4)를 건식 절삭한 경우의 내마모성 시험을 나타낸 그래프.

제6도는 본 발명을 이용한 피삭재(SKT4)를 습식 절삭한 경우의 내마모성 시험을 나타낸 그래프.

제7도는 본 발명을 이용한 피삭재(SKD4)를 건식 절삭한 경우의 내결손성 시험을 나타낸 그래프.

제8도는 본 발명을 이용한 피삭재(SKT4)를 습식 절삭한 경우의 내결손성 시험을 나타낸 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 공구 모재 2,3 : 티타늄 화합물층

4 : 알루미나층

본 발명은 금속 절삭 가공용 공구재료로 사용되는 피복 초경합금 인서트에 관한 것으로, 보다 상세하게는 절삭 공구 모재의 표면에 코팅되는 코팅층을 고온, 중온 및 고온 화학증착법으로 적층되게 피복 처리함으로써 내마모성과 인성을 동시에 만족시킬 수 있고 사용 수명을 향상시키는데 적합한 피복 초경합금 절삭공구의 제조에 관한 것이다.

일반적으로 절삭공구는 철, 강(합금강) 등의 소재를 절삭 가공하는 용도로서 사용되는데, 내마모성 및 인성을 보다 좋게 하기 위하여 공구 모재 표면에 각종 금속 산화물, 탄화물 등을 화학증착법으로 피복하고 있다.

통상적인 화학증착법은 고온 화학증착법과 중온 화학증착법이 있다.

고온 화학증착법은 사염화티타늄, 질소, 메탄, 수소, 가스 등을 함유하는 가스혼합체 900℃-1100℃ 정도의 온도에서 초경합금 모재와 반응시켜 티타늄 화합물인 TiC, TiCN, TiN 등을 피복층으로 하고, 그 상면에는 AlCl₃, CO₂등의 기체를 반응시켜 세라믹의 일종인 알루미나(혹은 산화알루미늄)를 피복층으로 한다.

상기 티타늄 화합물로 하는 피복층은 두 층으로 할 수 있다. 예로서 1층으로는 TiN층으로 하고, 2층으로는 TiCN층으로 하며, 또한 이들의 층을 바꿀 수도 있다.

중온 화학증착법은 메탄 대신 아세토나이트라일(acetonitrile, CH₃CN)이라는 유기화합물을 탄소와 질소의 공급원으로 사용하여 700℃-900℃의 온도 범위에서 모재와 화학적인 반응을 시켜 모재 표면에 TiCN층을 피복하는 방법이다.

상기한 두방법으로 피복하는 TiCN층을 볼 때에 기존의 고온 화학증착법에 의한 피복층은 미세 입자가 둥근 형태로 성장하며, 중온 화학증착법에 의한 피복층은 주상형(columnar)으로 성장한다.

이와같이 기존의 고온 및 중온 화학증착법에 의한 방법으로 제조된 피복층은 광학현미경으로는 명확히 구별하기 어려우나, 주사 전자현미경으로 쉽게 구별할 수 있다.

고온 화학증착법에 비해 중온 화학증착법에서 얻어진 TiCN 피복층은 화학 반응이 상대적으로 낮은 온도에서 이루어지기 때문에 코팅층과 모재 사이의 계면에 취약한 금속간 화합물의 생성이 크게 억제되므로 피복에 따른 공구의 인성 저하도 현저히 줄어든다.

따라서 중온 화학증착법에 의한 코팅제품은 통상적인 고온 화학증착법에 의한 코팅공구보다 인성이 뛰어나며, 습식 밀링절삭과 같이 반복적인 열충격이 있을 때 성능이 우수한 장점이 있다.

상기한 바와 같이 기존의 고온 화학증착법은 피복층과 모재 사이의 계면에 금속간 화합물이 형성되는데, 금속간 화합물을 최대한 억제하더라도 현재의 기술로는 완전히 없애기는 어렵다.

이 금속간 화합물은 보통 에타(eta, η)상이라고 하며 Me₆C, Me₁₂C, Me₁₂C₄등의 형태로 흔히 관찰되며, 이러한 화합물은 매우 취약한 성질이 있어 초경합금 모재내부에 존재할 경우 인성 및 내칩핑성을 저하시키게 된다.

따라서 이 경우는 단속이 걸리지 않는 선삭용 공구로 많이 사용되며, 작업특성상 단속이 계속적으로 걸리는 밀링용 공구로는 일부 영역에서만 국한되어 사용되고 있을 뿐이다.

이러한 문제로 인하여 최근 들어 물리증착법에 의해 피복된 절삭공구가 밀링용 공구로 점차 많이 사용되고 있는데, 이와 같은 물리증착법은 주로 티타늄 화합물 계통만 피복하고 있으며 알루미나와 같은 세라믹을 피복하는 기술은 아직 확립되지 않고 있다.

따라서 고속 절삭조건이나 주철과 같이 마멸 현상이 심한 피삭재를 가공할 때 물리증착법에 의한 티타늄 화합물 피복은 세라믹에 비하여 내마모성이 현저히 부족하여 공구 수명이 저하된다.

한편, 중온 화학증착법은 고온 화학증착법에 비하여 온도가 낮아 금속간 화합물이 크게 감소되므로써 인성이 개선되는 효과는 있으나, 내마모성의 저하가 수반되며, 물리증착법과 마찬가지로 중온 화학증착법에서도 세라믹을 피복할 수 없는 문제가 있다.

이에 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 절삭공구 모재 표면에 티타늄 화합물과 세라믹을 피복하되 중온 및 고온 화학증착법을 적절히 병행하여 실시하므로써, 내마모성과 인성을 동시에 얻을 수 있고, 공구 사용수명을 증대시키는데 적합한 절삭공구의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와같은 목적 달성을 위한 본 발명은 피복 초경합금 공구를 제조함에 있어서, 공구 모재 표면에 중온 화학증착법을 이용한 티타늄 화합물층과 고온 화학증착법을 이용한 세라믹층을 순차적으로 피복 처리하는 공정으로 구성된다.

또한 본 발명의 다른 하나는 상기한 중온 화학증착법을 이용한 티타늄 화합물층과 모재 사이에 고온 화학증착법을 이용한 티타늄 화합물층을 형성할 수 있다.

본 발명에 이용되는 모재는 WC, TaC, TiC, Co 등으로 조성된 여타의 초경합금을 대상으로 할 수 있는 것으로 모재 표면에 티타늄 화합물을 피복할 수 있는 대상이면 가능하다.

따라서 모재 조성을 어느 하나에 국한하지 않는다.

상기한 티타늄 화합물층은(중온 화학증착법 및 고온 화학증착법 모두) TiC, TiCN, TiN 중에서 선택한 1종으로 한다.

이때 중온 화학증착법에 따른 티타늄 화합물층의 두께는 1.0-10㎛으로 하고, 고온 화학증착법에 따른 티타늄 화합물의 두께는 0.1-2.0㎛으로 함이 바람직하다.

상기한 티타늄 화합물층에 적층되는 세라믹층은 각종 금속산화물을 적층할 수 있으며 일예로써 알루미나(Al₂O₃)를 들 수 있다.

이때 세라믹층의 두께는 0.1-3.0㎛으로 함이 바람직하다.

제1도 및 제2도는 본 발명의 실시예를 나타낸 것으로, 제1도와 같이 공구 모재(1) 표면에 700-800℃ 온도인 중온 화학증착법에 의거 티타늄 화합물층(3)을 코팅하고 그 상면에는 900-1100℃ 온도인 고온 화학증착법에 의거 알루미나층(4)을 증착한다.

상기한 티타늄 화합물층(3)은 1층은 TiN층으로 하고, 2층을 TiCN으로 할 수 있으며, 또한 이들 층의 재질을 바꿀 수도 있다.

또한 본 발명은 제2도와 같이 공구 모재(1) 표면에 900-1100℃온도인 고온 화학증착법에 의거 티타늄 화합물층(2)을 코팅하고, 그 상면에는 상기한 제1도와 같은 중온 화학증착법에 의한 티타늄 화합물층(3)과 고온 화학증착법에 의한 세라믹층(4)을 코팅한다.

상기한 제2도에서 티타늄 화합물층(2)(3)은 각각 TiN, TiCN, TiC 중에서 선택하여 사용할 수 있다.

이와 같이 제조된 본 발명에 따른 피복 절삭공구는 내마모성과 내결손성이 모두 햐앙된 특성을 갖게 된다.

이하에서는 실시예에 따라 본 발명을 설명한다.

밀링 절삭용 공구의 규격이 SPKN1203EDTR인 초경합금 모재를 다음의 표와 같은 조건으로 코팅을 실시하였다.

표 1은 기존의 코팅 조건을 나타낸 것이고, 표 2 및 표 3은 본 발명의 코팅 조건을 나타낸 것이다.

이들 코팅 조건에서는 상호대비를 위하여 중요 단계만 제시하였고, 각 단계 사이의 짧은 전이단계들은 생략하고 단순화하였다.

모재는 WC, TaC, TiC, Co로 구성된 초경합금으로 각 조건에 대하여 모두 동일한 것으로 하였다.

코팅후 피복층의 두께는 표 4에 나타내었다.

피복된 세가지종류의 시편(표 1-표 3)에 대하여 밀링 절삭시험을 실시하여 성능을 비교하였다.

성능비교는 일반적인 밀링 절삭방법에 의한 시험을 하였고, 공구에 충격이 심하게 걸리는 조건으로 내결손성 시험도 하였다.

[내마모성 시험]

비교시험에서 절삭조건은 피삭재가 SKD4 재질의 강인 경우에 절삭속도를 315m/min, 이송량을 0.1mm/tooth, 절삭깊이를 2.0mm로 하여 절삭하였으며, 피삭재 SKT4 재질의 강인 경우에는 절삭속도를 150m/min, 이송량을 0.1mm/tooth, 절삭깊이를 2.0mm로 하여 각각 건식과 습식에서 절삭을 실시하였다.

공구 측면의 최대 마모(프랭크마모)량을 Vb max로 표시하였으며 이 마모량이 적을수록 내마모성 우수함을 나타낸다.

제3도와 제4도는 SKD4를 절삭한 시험결과인데, 전자는 건식으로 절삭한 결과이고, 후자는 습식으로 절삭한 결과이다.

또한 제5도와 제6도는 SKT4를 피삭재로 하여 각각 건식과 습식으로 절삭한 결과이다.

제3도-제6도에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 표 2 및 표 3의 (시편 A,B)은 모두 내마모성이 종래에 비하여 향상된 효과가 있음을 알 수 있다.

이는 밀링 절삭조건에서 주된 마모는 칩핑성에 의한 마모현상이기 때문으로 해석된다.

즉, 선삭 작업과 같이 단순한 마모는 칩핑성에 의한 마모현상이기 때문으로 해석된다.

즉, 선삭 작업과 같이 단순한 마모인 경우에는 고온 화학증착법인 경우에 유리하지만, 밀링과 같이 연속적인 단속이 걸리는 경우에는 인선부의 내칩성이 요구되며, 내칩핑성은 중온 화학증착법이 우수한 것으로 말할 수 있다.

본 발명의 코팅조건인 표 2 및 표 3의 (시료 A 및 B)를 비교하여 볼때도 같은 현상으로 인하여 코팅조건 B의 경우에 내마모성이 우수하게 나타난 것으로 볼 수 있다.

이러한 경향은 모든 절삭 조건에서 정도의 차이는 있지만 동일하게 나타났다.

[내결손 시험]

본 시험은 두 종류의 피삭재(SKD4,SKT4) 모두에 대하여 절삭 속도를 90m/ min, 절삭깊이를 2.0mm로 하여 시험하였으며, 이송량은 0.14mm/tooth에서부터 몇 단계 증가시키면서 건식으로 시험하였다.

제7도는 SDK4를 피삭재로 하여 시험한 결과이고, 제8도는 SKT4를 피삭재로 하여 시험한 결과이다.

본 발명의 시편 A 및 B는 각각 표 2와 표 3의 조건으로 피복된 조건들이다.

본 시험에서는 동일한 4개의 시편을 가지고 시험하였는데, 이는 내결손시험에서 종종 예측할 수 없는 돌발적인 파손이 일어나기 때문에 이로 인한 오판을 없애기 위함이었다.

본 시험 결과에 의하면 시편 A가 가장 우수한 것으로 나타났고, 종래의 조건으로 제조된 시편이 가장 나쁜 결과로 나타났다.

따라서 내결손성의 경우에도 본 발명에 의해서 제조된 두 종류 모두가 우수함을 알 수 있다.

시편 A와 시편 B를 서로 비교해볼 때, 중온 화학증착법에 의한 TiN층이 수㎛ 이내에서 어느 정도 두께로 존재하는 것이 내결손 측면에서 유리한 것을 알 수 있다.

이는 중온 화학증착법에 위한 피복층이 주상조직을 가지기 때문에 균열이 생기면 계속적으로 진전하기 쉬운 경향에서 기인한 것으로 해석할 수 있으며, 고온 화학증착법에 의해 형성된 피복층이 구형의 입자로 형성되어 있어 균열의 계속적인 성장을 억제한 결과로 가정하여 해석할 수 있다.

여기서 모재와 바로 접하는 TiN을 모재위에 바로 피복하고자 하여도 모재의 탄소와 쉽게 TiC 형성 반응을 일으키기 때문에 TiCN으로 얻어지기 쉬우며, 이러한 TiCN도 미세입자가 등방성의 구형입자이기 때문에 균열 성장 억제효과는 TiN과 마찬가지로 나타날 것이다.

이상에서와 같이 제조된 본 발명의 피복 초경합금 절삭공구는 종래 방법으로 제조된 공구에 비하여 내마모성과 내결손성이 모두 향상되는 효과가 있음이 확인되었다.

Claims (2)

1. 초경합금 공구의 모재 표면에 고온 화학증착법(900~1,100℃)에 의한 0.1~ 2.0㎛ 두께의 티타늄 화합물층과, 중온 화합증착법(700~880℃)에 의한 1.0-10㎛ 두께의 티타늄 화합물층과, 고온 화학증착법(900~1,100℃)에 의한 0.1~3.0㎛ 두께의 세라믹층을 순차적으로 피복함을 특징으로 하는 피복 초경합금 절삭공구의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 티타늄 화합물층이 TiC, TiCN, TiN 중에서 선택한 1종이고, 세라믹층이 알루미나층인 것을 특징으로 하는 피복 초경합금 절삭공구의 제조방법.