KR100233154B1 - 화학적 증착 및 물리적 증착 피복 절삭공구 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 피복재 및 기재를 지니는 피복된 절삭공구에 관한 것이다. 피복재는 적어도 하나의 화학적 증착(CVD) 층 및 적어도 하나의 물리적 증착(PVD) 층을 포함한다. 피복재의 최외측층은 잔류 압축성 응력을 포함하는 PVD 층이다. 기재는 접합제에 의해 함께 접합된 강한 내화성 입자들을 갖는 복합물이다.

Description

[발명의 명칭]
화학적 증착 및 물리적 증착 피복 절삭공구
[발명의 배경]
본 발명은 피복된 절삭공구 분야에 관한 것이다.
지금까지는, 초경합금(cemented carbide) 절삭공구가 피복된 상태와 피복되지않은 상태 모두에서 금속 및 합금을 기계가공하는데 사용되어 왔다. 텅스텐 카바이드-코랍트의 초경합금기재에 1층 또는 복수층의 내열성 재료의 피복을 행함으로써, 내마모성을 개선하고 초경합금 절삭공구의 적용범위를 확대하여 왔다. 지금까지는, TiC, TiCN, TiN 및 Al2O3와 같은 내열성 피복재가 CVD(화학적 증착) 기술에 의해 도포되었다. 또한, TiN 피복재가 PVD(물리적 증착) 기술에 의해 도포되었다. 이와같이 초경합금 기재상에 증착(蒸着)된 CVD 피복재는 열에 의한 균열과 잔류 인장력을 특징으로 한다. PVD TiN 피복재는 열에 의한 균열이 없는 밀도높은 비다공성 구조를 특징으로 하며, 또한 잔류 압축응력을 지닌다. 초경합금 기재에 대한 CVD 피복의 실시는 인서트의 횡방향 파단강도를 감소시킴으로써, 사용중 치핑(chipping) 및 파괴에 더 민감하게 된다.
[발명의 개요]
본 출원인은, CVD 피복된 기재에 PVD 층을 가함으로써 CVD피복된 초경합금의 횡방향 파단강도를 향상시킬 수 있다는 것을 발견했다. 전술된 개선점을 제공하기 위하여, PVD 피복은 잔류 압축응력을 포함하애 할 것으로 믿어진다.
그러므로, 본 발명에 따르면, 1층 또는 복수의 CVD 층과 1층 또는 복수의 PVD층으로 피복된 기재를 지니는 개선된 절삭공구가 제공된다. CVD 및 PVD 층의 최외측의 층은 잔류 압축응력을 갖는 PVD 층으로 되는 것이 바람직하다. 기재는 바람직하게는 금속성의(예컨대, Co) 결합제 재료에 의해 결합된 경질의 내열성 입자(예컨대, WC)들을 갖는 복합재료이다.
본 발명의 상기 특성 및 다른 특성들이, 간단히 후술될 도면과 관련한 상세한 설명을 고찰함으로써 더 명백하게 될 것이다.
[도면의 간단한 설명]
도면은 본 발명에 따른 절삭공구의 한 실시예의 등각투영도이다.
[발명의 상세한 설명]
본 발명에 따라, 도면에는 경사면(14)과 측면(16)의 연접부에서 절삭날(12)을 갖는 분학가능한 (indexable) 절삭 인서트(10)의 바람직한 실시예가 도시되어 있다. 도면에 도시된 절삭 인서트(10)는, 절삭날의 상태가 예리하거나 또는 바람직하게는 호닝가공되어 (honed) 있는 SPGN - 433(ANSI B212.4 - 1986)이다.
바람직한 실시예에 있어서, 기재는 적어도 70w/o(중량 %)의 WC, 더 바람직하게는 적어도 80w/o의 WC를 함유하는 WC주성분 초경합금 기재이다. 결합제는 코발트 또는 코발트 합금이 바람직하며, 또한 5 내지 13w/o의 벌트농도(bulk concentration)를 지니는 것이 바람직하다. 벌크 코발트 함량은 더 바람직하게 7 내지 13w/o, 가장 바람직하게는 8 내지 12w/o로 된다. 기재는 바람직하게는 Ti, Nb 및 Ta 단독으로 또는 그들 상호간의 결합으로부터 선택된 Ti, Hf, Zr, Nb, Ta, V와 같은 고용체 카바이드 형성 원소들을 포함하는 것이 바람직하다. 이같은 원소들은 하나의 원소, 합금, 카바이드, 니트라이드 또는 카보니트라이드로서 혼합물에 첨가될 수 있는 것이 바람직하다. 이같은 원소들의 농도는, 12w/o까지의 Ta ; 10w/o까지의 Ti ; 및 6w/o까지의 Nb로 되는 것이 바람직하다. Ta와 Nb의 합은 약 3 내지 7w/o로 되며, 티타늄의 함량은 약 0.5 내지 10w/o로 되는 것이 더 바람직하다. 티타늄의 함량은 약 1.5 내지 4.0w/o로 되는 것이 가장 바람직하다.
이같은 원소들은 기재중에서 WC와 고용체 카바이드를 형성한다. 크로뮴이, 바람직하게는 Cr3C2로서 소량으로 첨가될 수 있다.
적어도 2개의 층, 즉 CVD 층 및 PVD 층을 갖는 경질의 내열성 피복재가 기재상에 결합되는바, 최종 PVD 층은 최종 CVD 층의 외측에 배치되는 것이 바람직하다. 출원인들은, PVD 층이 잔류 압축응력을 지니면, CVD 피복 제품의 횡방향 파단강도가 개선된다는 것을 발견했다.
바람직한 실시예에 있어서, 내측의 CVD 층은 바람직하게는 Ti, Hf, Zr, 그들 상호간의 합금 및 다른 원소와 그들간의 합금의 니트라이드, 더 바람직하게 Ti, Zr 또는 Hf의 니트라이드와 같은 경질의 니트라이드로 된다. 기재에 인접한 내측층에 대해 경질의 카바이드 또는 카보니트라이드보다 니트라이드가 바람직한 이유는 텅스텐 카바이드 주성분 초경합금 기재의 주변 경계에서 에타상(eta phase)(Co3W3C 및/또는 Co6W6C)의 형성을 최소화하기 때문이다. 에타상은 절삭날을 치핑에 더 민감하게 할 수 있는 취약한 상(brittle phase)이다. 피복재중에서 제2층은 Ti, Zr 또는 Hf의 카보니트라이드 또는 카바이드와 같은 경질의 CVD 카보니트라이드, 또는 카바이드로 되는 것이 바람직한바, 이는 Ti, Zr 및 Hf의 카바이드 및 카보니트라이드가 그들의 니트라이드에 비해 더 높은 경도 및 마멸저항을 지니기 때문이다. Ti, Hf 및 Zr 상호간의 합금 및 다른 원소와 그들간의 합금의 카보니트라이드가 사용될 수도 있다. 제2CVD층 및 부가적인 CVD 층은, 예컨대 Ti, Hf, 또는 Zr, 바람직하게는 Ti의 니트라이드, 카보니트라이드 또는 카바이드와 같은 또 다른 내열성 재료층에 의해 상호 분리되는 단일층 또는 다중층으로서 알루미나를 포함할 수 있다.
Al2O3의 CVD 층을 외측의 PVD 층의 다음에 지니는 것이 바람직한 경우에는, Al2O3와 PVD 층의 사이의 결합강도를 향상시키기 위해 Ti, Hf 또는 Zr의 CVD 니트라이드, 카보니트라이드 또는 카바이드층이 알루미나 CVD 층과 PVD 층 사이에 증착되는 것이 바람직하다.
피복재의 최종적인 최외측층으로는 Ti, Zr, Hf, 그들 상호간의 합금 및 다른 원소와 그들간의 합금의 니트라이드 또는 카보니트라이드와 같은 경질의 내열성 PVD 층이 바람직하다. 이같은 최외측의 층은 잔류 압축응력을 특징으로 한다.
본 발명은, 단지 예시로서 제공되었을 뿐 제한적이지 않은 후술 실시예들에 의해 더 상세하게 설명한다.
초경합금 기재의 횡방향 파단강도에 대한 피복재의 효과는, 다음과 같은 피복재를 통상의 WC - 6w/o의 코발트 - 0.5w/o의 Cr3C2초경합금 기재상에 도포시킴으로써 입증됐다.
[피복재]
1. CVD { TiN (1㎛)/TiCN (3㎛)/TiN (4㎛) }
2. CVD { TiN (1㎛)/TiCN (3㎛) }/PVD TiN (4㎛)
3. PVD TiN (8㎛)
CVD 피복재는, 통상의 CVD 기술에 의해 약 950 내지 1000℃의 온도에서 도포됐다. PVD TiN 피복재는, 티타늄 원(源)과 질소 분위기를 이용하여 약 500℃에서 발쳐스 BAI - 830 (리히텐 스타인 소재의 발쳐스 아게) 이온 도금 PVD 피복장치에 의해 도포됐다(미합중국 특허 제 4,448,802 호 참조). 피복의 초기 단계에서 일반적으로 실시되는 바와같이, 매우 얇은 티타늄 층(고도의 분해 TEM에 의해 검출가능함)이 CVD TiCN 층상에 증착되어 티타늄 층과 PVD - TiN 층 사이의 결합을 개선했다. 이같은 기술에 의해 형성된 PVD 층은 잔류 압축응력을 지닌다.
상기와 같이 피복된 경우와 피복되지 않은 상태의 경우에 있어서, 횡방향 파괴봉들의 횡방향 파단강도를 ASTM 표준 B406 횡방향 파괴 시험절차를 이용하여 측정했다. 횡방향 파단강도 데이터가 아래의 표 1에 제시되어 이다.
[표 1]
실시예에 의해 나타낸 바와같이, 초경합금 기재에 CVD 층을 도포하면 횡방향 파단강도를 대폭 감소시킬 수 있다. 이같은 감소는 (a) 초경합금 기재의 연마로 인하여 표면의 유익한 전류 압축응력을 감소시키는 CVD 증착 온도 (950 내지 1000℃)의 고온 어닐링(annealing ; 풀림) 효과 ; 및 (b) 피복재와 초경합금 기재 사이의 열 팽창의 부정합(mismatch)에 의해 초래되는 CVD 층에서의 열에 의한 균열과 잔류 인장응력의 존재 때문인 것으로 믿어진다.
CVD {TiN/TiCN} 상에 PVD TiN의 증착은, CVD 피복재 단독일때에 관찰되는 TRS(횡방향 파단강도)의 손실을 부분적으로 회복한다. 이러한 TRS에 있어서의 (약 45%의) 개선은 외측의 PVD TiN 층중에 잔류 압축응력이 존재하고, 열에 의한 균열이 없는 것에 기인하는 것으로 믿어진다.
그러므로, PVD 만의 피복은 횡방향 파단 성능을 열화시키지 않을 것으로 믿어진다. 이것은 표 1의 ‘피복 3’에서 피복된 샘플의 결과에 의해 제시된다.
상기의 별과에 비추어, CVD 및 PVD 피복재의 조합이 다양한 초경합금 기재에 적용되어 재료 전체의 특성과 성능을 개선할 수 있다고 믿어진다. 본 발명은, 기재의 코발트 함유량이 7 내지 13w/o, 더 바람직하게는 8 내지 12w/o일때 가장 유리하게 이용될 수 있는 것으로 고찰된다. 본 발명이 적용될 수 있는 기재의 특정 실시예로서는 다음과 같은 것이 있다. 즉,
기재 1 11.5w/o Co, 2.5w/oTa(Nb) C, 86w/o WC - 89.8 RA, Hc 160 Oe, A 및/또는 B 다공성
기재 2 6.0w/o Co, 0.5w/o Cr3C2, 93.5w/o WC - 93 RA, Hc 300 Oe, A 및/또는 B 다공성 (표 1의 실시예에 사용됨)
기재 3 9.75w/o Co, 90.25w/o WC - 91 RA, Hc 200 Oe, A 및/또는 B 다공성
기재 4 10w/o Co, 90w/o WC - 89 RA, Hc 120 Oe, A 및/또는 B 다공성
기재 5 10.5w/o Co, 10w/o Ta(Nb)C, 7w/o TiC, 72.5w/o WC - 91.4 RA, Hc 180 Oe, A 및/또는 B 다공성
기재 6 8.5w/o Co, 11w/o Ta(Nb) C, 7.5w/o TiC, 73w/o WC - 91.2 RA, Hc 140 Oe, A 및/또는 B 다공성
본 발명의 CVD 및 PVD 피복된 결합제가 풍부한 기재 및 다른 실시예들이, 본 출원인과 동일자로 출원된 본 출원인 명의의 출원 계류중인 미합중국 특허출원 제 07/583,544 호 (“결합제가 풍부한 CVD 및 PVD 피복된 절삭공구”)에 개시되어 있다. 이 계류중인 출원은 강(steel)의 밀링을 위한 절삭인서트의 적용을 기술하고 있으며, 또한 그 명세서에 기술된 엄격한 밀링의 적용에 있어서 결합제가 풍부한 제품들에 비해 우수하다는 것을 보여준다. 본 출원인은, 보다 덜 엄격한 밀링과 선반에의 적용을 위하여는 본 출원에 기술된 바와같이 결합제가 풍부하지 않은 기재에 CVD + PVD 피복을 행하면 개선된 치핑에 대한 저항을 제공하기에 충분하다고 믿는다.
본원에 참고된 모든 출원, 특허 및 다른 문헌들이 참고로 기재된 것이다.
본 발명의 다른 실시예들이 본원에 기술된 본 발명의 명세서 또는 실시예의 고찰을 통해 명확해 진다는 것이 당업자에게 자명할 것이다. 명세서 및 실시예들은 단지 실시태양으로서 고찰된 것이며, 본 발명의 목적 및 사상은 첨부된 청구범위에 의해서만 한정될 것이다.

Claims (17)

  1. 측면 및 경사면 ; 상기 측면과 경사면의 연접부에서의 절삭날 ; 을 포함하는 절삭공구에 있어서, 상기 절삭공구는 피복재 및 기재 ; 를 포함하며, 상기 기재는 12w/o (중량%) 까지의 Ta ; 6w/o 까지의 Nb ; 10w/o 까지의 Ti ; 5 내지 13w/o의 Co ; 로 구성되는 벌크 조성 (bulk composition)을 지니는 텅스텐 카바이드 주성분 초경합금이며, 상기 피복재는 화학적 층착층과 물리적 증착층을 포함하는 층으로 이루어지며, 상기 화학적 증착층과 상기 물리적 증착층의 최외측층은 상기 물리적 증착층으로 되며, 상기 화학적 증착층은 상기 기재에 인접해 있으며, 상기 물리적 증착층은 잔류 압축응력의 상태에 있는 것을 특징으로 하는 절삭공구.
  2. 제1항에 있어서, 상기 화학적 증착층은 Ti, Hf, Zr, 그들 상호간의 합금 및 다른 원소들과 그들과의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 경질의 니트라이드로 구성된 층을 포함하는 절삭공구.
  3. 제2항에 있어서, 상기 경질의 니트라이트층은 상기 기재에 인접해 있는 절삭공구.
  4. 제1항에 있어서, 상기 화학적 증착층은 Ti, Hf, Zr, 그들 상호간의 합금 및 다른 원소들과 그들간의 합금의 카보니트라이드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 경질의 카보니트라이드로 구성된 층을 포함하는 절삭공구.
  5. 제3항에 있어서, 상기 화학적 Ti, Hf, Zr, 그들 상호간의 합금 및 다른 원소와 그들간의 합금의 카보니트라이드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 경질의 카보니트라이드로 구성된 층을 더 포함하는 절삭공구.
  6. 제1항에 있어서, 상기 물리적 증착층은 Ti, Hf, Zr, 그들 상호간의 합금 및 다른 원소들과 그들간의 합금의 니트라이드 및 카보니트라이드로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 절삭공구.
  7. 제2항에 있어서, 상기 물리적 증착층은 Ti, Hf, Zr, 그들 상호간의 합금 및 다른 원소와 그들간의 합금의 니트라이드 및 카보니트라이드로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 절삭공구.
  8. 제3항에 있어서, 상기 물리적 증착층은 Ti, Hf, Zr, 그들 상호간의 합금 및 다른 원소와 그들간의 합금의 니트라이드 및 카보니트라이드로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 절삭공구.
  9. 제4항에 있어서, 상기 물리적 증착층은 Ti, Hf, Zr, 그들 상호간의 합금 및 다른 원소와 그들간의 합금의 니트라이드 및 카보니트라이드로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 절삭공구.
  10. 제5항에 있어서, 상기 물리적 증착층은 Ti, Hf, Zr, 그들 상호간의 합금 및 다른 원소와 그들간의 합금의 니트라이드 및 카보니트라이드로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 절삭공구.
  11. 제1항에 있어서, 상기 텅스텐 카바이드 주성분 초경합금은 A, B 또는 A 및 B 형 다공도로 이루어진 다공율을 지니는 절삭공구.
  12. 제10항에 있어서, 상기 텅스텐 카바이드 주성분 초경합금은 A, B 또는 A 및 B 형 다공도로 이루어진 다공율을 지니는 절삭공구.
  13. 제1항에 있어서, 상기 벌크 조성물은 6w/o의 코발트를 지니는 절삭공구.
  14. 제12항에 있어서, 상기 벌크 조성물은 6w/o의 코발트를 지니는 절삭공구.
  15. 제1항에 있어서, 상기 벌크 조성물은 0.5w/o의 크로뮴(chromium) 카바이드를 지니는 절삭공구.
  16. 제13항에 있어서, 상기 벌크 조성물은 0.5w/o의 크로뮴 카바이드를 지니는 절삭공구.
  17. 제14항에 있어서, 상기 벌크 조성물은 0.5w/o의 크로뮴 카바이드를 지니는 절삭공구.
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