KR100380262B1

KR100380262B1 - 피복경질합금공구

Info

Publication number: KR100380262B1
Application number: KR1019970024380A
Authority: KR
Inventors: 히데키 모리구찌; 아끼히코 이께가와
Original assignee: 스미토모덴키고교가부시키가이샤
Priority date: 1996-06-12
Filing date: 1997-06-12
Publication date: 2003-08-19
Also published as: EP0812650B1; DE69718847D1; EP0812650A2; EP0812650A3; KR980000768A; US6082936A; DE69718847T2

Abstract

피복경질 합금공구는 프랭크면(4)과 절삭면(6)의 연결부를 이루는 절단날 능선부(3)에 칼날끝 처리부를 갖는 경질합금 기본재료(1)와, 해당 경질합금 기본재료(1)의 표면에 피복된 피복막(2)을 구비하며, 피복막(2)의 표면의 절단날 능선부(3)에 표면처리부를 갖고 있다. 이 피복경질 합금공구의 특징은 경질합금 기본재료(1)의 표면에서 프랭크면(4)과 칼날끝 처리부의 경계부에 형성되는 볼록면의 곡율반경을 Rs1, 피복막(2)의 표면에서 프랭크면(4)과 표면처리부의 경계부에 형성되는 볼록면의 곡율반경을 Rc1, 칼날끝 처리부 이외의 영역의 피복막(2)의 평균막을 d로 했을 때, Rc1/(Rs1+d)<1.0으로 되도록 피복막(2)이 형성되어 있는 것에 있다. 이 구조에 의하면, 내결손성을 손상하지 않고 내마모성을 향상한 수명이 긴 피복경질 합금공구를 제공할 수 있다.

Description

피복경질 합금공구

본 발명은 피복경질 합금공구에 관한 것으로, 특히 경질합금 기본재료의 피복막 막두께를 증대함과 동시에, 피복처리후의 절단날 능선부의 형상을 특정하는 표면처리를 실시함으로써, 내결손성을 손상하지 않고 내마모성을 향상하는 기술에 관한 것이다.

종래, 금속재료를 절삭하는 공구의 재질로서는 초경합금(WC-Co 합금 또는 WC-Co 합금에 Ti나 Ta, Nb의 탄질화물을 첨가한 합금)이 사용되어 왔다. 그런데 최근에는 절삭 조건이 고속화된 결과, 초경합금이나 서멧(cermet)으로 이루어진 기본재료 혹은 알루미나계나 질화규소계의 세라믹스로 이루어진 기본재료의 표면에, CVD(Chemical Vapor Deposition)법이나 PVD(Physical Vapor Deposition)법에 의해서 여러 가지 재료의 피복막을 3 내지 15㎛의 두께로 피복한 경질합금 공구의 사용이 증대되고 있다. 그 피복막의 재질로서는 원소 주기율표 IVa, Va, VIa족 금속 및 Al 등의, 탄화물, 질화물, 탄질화물, 탄산화물, 붕소질화물 또는 산화물 또는 이들의 고용체가 사용되고 있다. 또한 다이아몬드 혹은 다이아몬드상 탄소로 이루어진 피복막도 사용되고 있다.

이들의 피복경질 합금공구는 경질합금 기본재료를 호닝 챔퍼링(honing chamfering) 또는 그들의 복합처리에 의해 모떼기 가공함으로써 칼날끝 형상을 형성하고, 그것에 의해 파괴되기 쉬운 경질합금의 내결손성을 보충한 후에, 피막처리를 행하고 있다. 또한 내마모성의 향상에는 피복막을 다층화하는 공지된 기술이 존재한다. 그러나, 경질합금 기본재료의 칼날끝 처리량을 크게 하면, 내결손성은 개선되지만 내마모성이 저하되어 칼날끝 처리량을 작게 하면, 내마모성은 향상되지만 내결손성이 저하된다고 하는 상반된 현상에 의한 문제점을 충분히 회피할 수는 없다.

또한 특공평 5-9201호 공보에는 경질합금 기본재료 표면에의 피복처리후의 표면처리에 의해서, 절단날 능선부의 피복막의 일부를 제거함으로써, 칼날끝 강도를 개선하여, 내마모성의 향상을 도모하는 기술이 개시되어 있다. 그러나 이 공보에 기재된 기술에 있어서도 피복막의 제거 정도에 따라서, 반드시 내결손성 및 내마모성의 쌍방의 향상을 향상을 도모할 수 없는 경우가 있다고 하는 문제가 있다.

본 발명의 목적은 피복경질 합금공구의 칼날끝에 있어서, 경질합금 기본재료의 형상 및 피복층 형상의 쌍방을 최적화함으로써, 내결손성을 손상하지 않고 내마모성을 개선한 수명이 긴 피복경질 합금공구를 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 다른 목적은 내결손성 및 내마모성의 쌍방을 개선한 수명이 긴 피복경질 합금공구를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하는 본 발명의 피복경질 합금공구는 프랭크면과 절삭면과의 연결부를 이루는 절단날 능선부에 칼날끝 처리부를 갖는 경질합금 기본재료와, 해당 경질합금 기본재료의 표면에 피복된 피복막을 구비하고, 상기 피복막 표면의 절단날 능선부에 표면처리부를 갖고 있다. 상기의 피복경질 합금공구의 특징은 경질합금 기본재료의 표면에 있어서 프랭크면과 칼날끝 처리부의 경계부에 형성되는 볼록면의 곡율반경을 Rs1, 상기 피복막의 표면에 있어서 프랭크면과 표면처리부의 경계부에 형성되는 볼록면의 곡율반경을 Rc1, 표면처리부 이외의 영역의 피복막의 평균막두께를 d로 했을 때, Rc1/(Rs1+d)<1.0이 되도록 피복막을 형성한 것에 있다.

이 구조에 의하면, Rc1/(Rs1+d)<1.0으로 되도록 피복막이 형성되어 있는 것에 의해 내결손성을 손상하지 않고, 내마모성의 향상을 도모할 수 있다.

본 발명자들이 경질합금 기본재료 및 피복층의 쌍방의 칼날끝의 곡율반경의 관계에 착안하여, 상기 본 발명의 구조를 찾아낸 경위는 다음과 같다.

피복경질 합금공구의 내결손성은 피복본재료인 경질합금 기본재료의 재질에 의해 결정되는 인성 및 피복전의 경질합금 기본재료의 칼날끝 처리 형상에 의해서 지배되는 것은 이미 알려져 있다. 통상 경질합금 기본재료의 칼날끝 형상은 알루미나이거나 ZrO₂등의 산화물을 피복한 경우, 절단날 능선을 이루는 각부에 있어서 피복막 두께가 쉽게 극대화된다. 그 때문에 프랭크면과 칼날끝 처리된 절단날부의 경계에 있어서의 피복막 표면의 곡율반경을 Rc1, 그것에 대응하는 경질합금 기본재료 표면의 곡율반경을 Rs1, 및 표면처리부 이외의 영역의 피복막의 평균막두께를 d로 했을 때, 이들이 Rc1>Rs1+d를 만족시키는 관계로 되어 있는 것이 많다. 다만 알루미나막 코팅시에 원료가스로서 H₂S를 사용하여, 각 부에서의 막두께의 극대화를 억제하는 기술을 사용하면, 경질합금 기본재료의 칼날끝상에 Rc1=Rs1+d의 관계를 만족시키는 거의 균일한 막두께의 피복막을 형성하는 것이 가능하다.

곡율반경 Rc1의 대소가 공구로서의 절단 정도를 결정짓기 때문에, 피복처리를 행하지 않은 경우와 비교하여, 피복처리를 행한 후의 공구의 절단 정도는 약간 저하하고, 내마모성도 동시에 열화한다. 이 경향은 피복막의 막두께가 증대할수록 커지고, 피복막 두께가 15㎛이상에 있어서 특히 현저한 것이 판명되었다.

그리하여, 인성을 유지한 채로 내마모성을 향상시키기 위해서, 경질합금 기본재료의 프랭크면과 칼날끝 처리된 절단날부의 경계에 있어서의 곡율반경 Rs1을 종래의 공구보다도 크게 함과 동시에, 종래보다도 피복막 두께가 커지도록 피복처리를 행하고, 그 후에 피복막의 표면처리를 행하는 것을 시도하였다.

그 때에 있어서, Rc1을 작게 하고, Rc1<Rs1+d의 관계를 만족시키도록 칼날끝 형상으로 되도록 칼날끝 처리를 실시함으로써, 내결손성을 손상하지 않고 내마모성의 향상을 도모할 수 있는 것을 발견한 것이다.

본 발명의 피복경질 합금공구는 상기 구조에 있어서, 경질합금 기본재료의 표면에 있어서 절삭면과 칼날끝 처리부의 경계부에 형성되는 볼록면의 곡율반경을 Rs2, 상기 피복막의 표면에 있어서 절삭면과 표면처리부의 경계부에 형성되는 볼록면의 곡율반경을 Rc2로 했을 때에, 또한 Rc2/(Rs2+d)>1.0이 되도록 피복막이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같이, Rc1/(Rs1+d)<1.0 및 Rc2/(Rs2+d)>1.0의 양방의 관계를 만족시킴으로써, 내결손성 및 내마모성의 쌍방을 향상할 수 있다.

또한 내결손성 및 내마모성의 향상의 효과를 한층 더 발휘시키기 위해서는 Rc1/(Rs1+d)가 0.2 이상 0.8이하가 되도록, 또한 Rs2/(Rc2+d)가 2.0 이상 5.0이하가 되도록 형성하는 것이 바람직하다.

도 1은 본 발명의 피복경질 합금공구의 칼날끝 능선부에 있어서, 경질합금 기본재료의 칼날끝 처리부의 형태와 피복막의 표면처리부의 형태를 도시한 도면도.

도 2는 본 발명의 효과를 검증하기 위해서 사용한 슬로우어웨이칩의 형태를 도시한 사시도.

도 3은 절삭 테스트시에, 절단가루와 슬로우어웨이칩의 절삭면과의 접촉면에 발생하는 크레이터 마모를 설명하기 위한 도면.

도 4A는 증가표면적 비율의 정의를 설명하기 위한 모식적 사시도.

도 4B는 샘플링에 의해 측정부의 표면적을 구하는 방법을 설명하기 위한 도면.

도 5는 내결손성 테스트에 있어서의 단속(斷續)절삭에 사용되는 피삭재의 횡단면 형상을 도시한 단면도.

도 6A는 4층의 피복막을 피복한 피복경질 합금공구의 피복막을 표면 처리하기 전 상태의 단면도.

도 6B는 피복막을 표면 처리한 후에 산화물 세라믹층이 절단날 능선부 전역에 잔존한 상태의 단면도.

도 6C는 피복막을 표면 처리한 후에 칼날끝 능선부의 일부에 있어서 산화물세라믹층이 제거된 상태의 단면도.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※

1 : 경질합금 기본재료 2 : 피복막

2a : 산화물 세라믹층 3 : 절단날 능선부

4 : 프랭크면 6 : 절삭면

7 : 슬로우어웨이칩 8 : 노즈 R부

9 : 크레이터 마모 10 : 절단칩

11 : 피삭재

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여, 도면을 참조하여 설명한다.

우선, 도 1 및 도 2를 참조하여 프랭크면(4)과 절삭면(6)의 연결부를 이루는 절단날 능선부(3)를 칼날끝 처리한 경질합금 기본재료(1) 표면에 피복막(2)을 피복처리한 후, 다시 표면처리를 행하여 피복막(2) 표면의 절단날 능선부(3)에 표면처리부를 형성함으로써, 도 1에 도시된 단면형상을 갖는 피복경질 합금공구가 형성된다.

이렇게 하여 형성된 도 1에 도시된 피복경질 합금공구에 있어서는 경질합금 기본재료(1)의 표면에 있어서 프랭크면(4)과 칼날끝 처리부의 경계부에 형성되는 볼록면의 곡육반경을 Rs1, 피복막(2)의 표면에 있어서 프랭크면(4)과 표면처리부의 경계부에 형성되는 볼록면의 곡율반경을 Rc1, 표면처리부 이외의 영역의 피복막(2)의 평균막두께를 d로 했을 때, Rc1/(Rs1+d)<1.0 및 Rc2/(Rs 2+d)>1.0의 관계를 만족시키도록, 경질합금 기본재료(1)의 칼날끝 처리부 및 피복막(2) 표면의 표면처리부가 형성되어 있다.

이와 같이, Rc1/(Rs1+d)<1.0 및 Rc2/(Rs2+d)>1.0의 양방의 관계를 만족시킴으로써, 내결손성 및 내마모성의 쌍방을 향상할 수 있다. 또한 적어도 Rc1/(Rs1+d)<1.0 만의 관계를 만족시킴에 의해서도, 내결손성을 손상하지 않고, 내마모성을 향상할 수 있다.

이들의 부등식에 의해서 나타내는 관계는 도 2에 도시된 슬로우어웨이칩(7)의 절단날(3)의 노즈 R부(8)의 절단날의 전부에 걸쳐 성립하도록 형성되어 있는 것이 바람직하지만, 그 일부에 있어서 성립하는 경우에도, 어느 정도의 효과가 발휘된다.

또한 곡율반경 Rc1의 값은 다음과 같이 하여 측정된다. 우선 피복막(2)을 표면 처리한 피복경질 합금공구를 절단날에 대하여 수직인 단면으로 절단 후, 그 절단면을 수지에 매설한다. 이것에 평면연삭과 경면 연마를 실시한 후 에칭하고, 그 후에 다시 필요에 따라서 금 증착을 행한다. 다음에 그와 같이 하여 형성된 시료의 절단날 능선부 부근을 광학 현미경으로 1500배의 배율로 촬영한다. 다음에 촬영된 사진을 화상처리장치에 집어넣고, 그 화상 상에서 프랭크면측의 피복막의 미처리부와 표면처리부의 경계부를 기점(0점)으로 하고, 이 0점으로부터 피복막의 표면상을 절삭면으로 5㎛떨어진 점(A점) 및 0점으로부터 피복막의 표면상을 프랭크면으로 5㎛떨어진 점(B 점)을 결정한다. 이렇게 하여 결정한 0점, A점 및 B점의 (x, y)좌표를 바탕으로, 이들의 3점을 통과하는 원의 반경을 계산함으로써, 곡율반경 Rc1의 값이 구해진다. 곡율반경 Rc2, Rs1, Rs2에 대하여도 같은 방법에 의해 구한다.

피복막(2)의 표면처리의 방법으로서는 다이아몬드나 SiC등의 경질 물질을 함유한 브러시나 탄성숫돌 등에 의한 처리 방법이 적합하지만, 이들의 방법에 한정되지 않는다. 브러시나 숫돌의 회전 속도, 경도, 공구의 절삭면에 대한 처리 각도 등, 혹은 숫돌의 가압력, 절삭유의 유무 등에 의해서, 표면처리 후의 칼날끝 형상이 좌우된다. 그 때문에 원하는 칼날끝 형상을 얻기 위해서는 이들의 조건을 적정하게 설정하는 것이 필요하게 된다.

경질합금 기본재료(1)의 재질로서는 초경합금 외에 서멧이나 세라믹(예를 들면 질화규소나 섬유강화 세라믹(FRC))을 사용할 수 있고, 이들의 재료가 경사(gradient) 조성을 갖고 있어도 무방하다. 경사조성 재료로서는 표면에 강인층이나 세라믹층을 갖는 타입의 것을 이용할 수 있다. 피복층(2)을 구성하는 재료로서는 원소의 주기율표의 IVa, Va, VIa족 금속(즉, Ti, Zr, Hf: V, Nb, Ta; Cr, Mo, W) 또는 Al 등의 탄화물, 질화물, 탄질화물, 탄산화물, 붕소질화물 또는 산화물 혹은 그들의 고용체를 들 수 있다. 또한 피복층(2)의 재질로서 다이아몬드나 다이아몬드상 탄소 등도 사용된다. 피복층(2)은 CVD법이나 PVD법 등에 의해 형성된다.

본 실시예의 피복경질 합금공구에 있어서는 경질합금 기본재료의 피복막의 평균막두께가 15㎛이상이고, 또한 표면처리에 의해서 박막화된 절단날 능선부에서의 막두께를 dx로 할 때, dx/d가 0.2 이상 0.8이하로 되도록 형성되어 있다.

피복막(2)의 두께가 일정한 종래의 경우에 있어서, 그 두께가 15㎛을 넘으면, 피복막(2) 표면의 Rc1이 증대하여 절단 정도가 저하된다. 그것에 대하여, 칼날끝 처리를 행하지 않은 영역인 프랭크면(4)에 있어서의 피복막(2)의 평균막두께를 d, 표면처리에 의해 박막화된 절단날 능선부(3)에서의 가장 얇은 부분에서의 막두께를 dx로 했을 때, dx/d가 0.2 내지 0.8의 범위로 들어가도록 형성함으로써, 종래 실용화되어 있지 않았던 피복막(2)의 박막화되지 않은 부분의 두께가 15㎛이상 공구의 절단 정도를 향상시킬 수 있음과 동시에 내마모성이 개선된다. 그 결과 피복막(2)의 막두께가 20㎛ 내지 50㎛의 피복경질 합금공구의 실용화를 도모할 수 있다.

여기에서, dx/d의 값을 0.2이상으로 설정한 것은 이 값이 0.2미만이면 피복막(2)의 마모에 의한 경질합금 기본재료(1)가 노출되기까지의 시간이 극단적으로 짧게 되어 내마모성이 저하하고, 0.8을 초과하는 값으로 설정했다고 해도 내결손성의 대폭적인 향상이 인정되지 않기 때문이다.

또한 경질합금 기본재료(1)의 2개의 곡율반경의 비 Rs2 /Rs1이 0.7 이상 1.3이하로 되도록 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같이, Rs2/Rs1을 0.7 내지 1.3의 범위에 형성하면, 경질합금 기본재료(1)의 절단날 능선부(3)에 작용하는 절삭 저항의 응력집중이 완화된다. 이러한 칼날끝 방법에서는 원심배럴이나 진동배럴 등에 의한 연마법이 바람직하다. 이들의 칼날끝 처리법은 경질합금 기본재료(1)의 표면성 형상으로 평탄(Rmax 0.3㎛이하)하게 하는 공업적 수단으로서 유효하다. 여기에서 Rs2/Rs1의 비가 0.7미만에서는 내마모성이 저하하고, 1.3을 초과하면 내결손성이 저하한다.

또한 피복막(2) 표면의 2개의 곡율반경의 비 Rc2/Rc1이 2.0이상, 50이하로 되도록 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같이, Rc2/Rc1이 2.0 내지 50의 범위가 되도록 형성하면, 내마모성과 내결손성의 밸런스가 매우 좋아진다. Rc2/Rc1이 2.0미만에서는 내마모성이 열화하여, 50을 초과하면 내결손성이 저하한다.

피복막(2)의 표면에 있어서의 칼날끝 처리부는 도 1에 도시된 바와 같이, 그 절삭면측의 폭을 a, 프랭크면측의 폭을 b로 했을 때, 이들의 비 a/b가 1.5 이상 4.0 이하로 되도록 형성되는 것이 바람직하다. a/b의 비가 1.5미만이 되면, 내마모성의 개선효과가 작고, 4.0을 초과하면 내결손성이 저하한다.

피복막(2)은 바람직하게는 적어도 산화물 세라믹층을 포함한 다층구조를 갖고, 상기 산화물 비세라믹층의 적어도 1층의 두께의 일부가 절단날 능선부 전영역에 걸쳐서 잔존하도록 표면처리가 행해지고 있는 것이 바람직하다. 예를 들면, 도 6A에 도시된 바와 같이, 4층으로 이루어진 피복층(2) 중의 1층만이 산화물 세라믹층(2a)으로 이루어진 피복경질 합금인 경우, 피복막(2)의 칼날끝 처리를 행한 후에 있어서, 산화물 세라믹층(2a)이 도 6B에 도시된 바와 같이 그 두께의 일부가 칼날끝 처리부 전역에 잔존하고 있으면, 양호한 내마모성을 발휘하지만, 산화물 세라믹층(2a)이 도 6C에 도시된 바와 같이 칼날끝 처리부의 일부에서라도 제거되어 있으면, 내마모성이 열화하는 것이 있다.

보다 구체적으로는 고속 고능률 절삭시의 절삭온도의 상승에 의한 도 3에 도시된 위치의 크레이터 마모(9)의 발생이, 산화물 세라믹층(2a)이 절단날 능선부(3)에 존재하고 있는 것에 따라 대폭 억제된다. 특히 상술의 비 a/b가 1,5 내지 4의범위에 있을 때에는 표면처리에 의해서 절삭면(6)측의 피복막의 제거량이 커지고, 크레이터 마모(9)가 발생하기 쉬운 영역과 절단칩(10)의 접촉면이 겹치기 때문에, 산화물 세라믹층을 잔존시켜 크레이터 마모(9)를 저감하는 것이 극히 유효하다.

본 실시예의 피복경질 합금공구는 피복막(2)의 표면처리부에 있어서의 증가 표면적 비율이 0.1% 이상 1.0%이하로 되도록 설정되어 있다. 표면처리 후의 절단날 능성부(3)에 있어서의 증가 표면적 비율을 0.1 내지 1.0%로 함으로써, 내결손성 및 내마모성의 쌍방을 향상하는 것에 덧붙여, 피복막의 내박리성을 향상시킬 수 있다. 피복막(2)의 내박리성은 표면처리 후의 표면이 경면에 가까울수록 향상되지만, 증가 표면적 비율이 0.1미만이 되도록 처리하는 것은 공업적으로 어렵고, 또한 증가 표면적비율이 1.0을 초과하면 내박리성의 대폭적인 향상을 얻을 수 없다. 피복 등의 내박리성의 향상에 의해 칼날끝 처리부에서의 경질합금 기본재료 표면이 절삭중에 노출되는 정도가 억제되기 때문에 피삭재의 칼날끝 처리부에의 용착 현상도 억제되고, 그 결과로서 공구의 내결손성을 더욱 향상할 수 있다.

여기에서 증가표면적 비율이란, 도 4A에 도시된 바와 같이 측정 시야 면적을 Sm, 측정부의 표면적을 Sa로 했을 때에, (Sa/Sm-1)×100%라는 수식에 의해 정량화되는 수치이다. 즉 측정 시야 면적 영역내를 완전한 경면으로 한 경우의 표면적에 대하여, 측정 시야 면적 영역의 표면요철 면적의 증가율을 나타낸 것이다. 이 수치로 표면적을 경량화한 이유는 Rmax, Ra 등의 종래의 거칠기 지표가 높이 방향의 면거침성의 상태 밖에 표현할 수 없었던 것에 반해, 이 수치로는 수평방향의 면거칠기도 포함시킨 3차원의 면거침에 관한 정보를 정량화할 수 있기 때문이다.

측정부의 표면적 Sa는 도 4B에 흑점으로 도시된 위치의 좌표를 화살표 M방향으로 샘플링하여 구한 후에, 측정부의 표면상의 샘플링점 x11, x12, x21. …을 정점으로 한 삼각형의 면적 s11, s12, … 의 합으로서 계산된다.

이하, 본 발명의 효과를 검증한 실시예를 나타낸다.

실시예 1

형 번호 SNMG120408 형상의 ISO-P20급 슬로우어웨이칩의 절단날 능선부에서의 Rs1이 60㎛, Rs2가 90㎛이 되도록 칼날끝 처리하고, 하층으로부터 순서대로 0.5㎛TiN / 7㎛TiCN / 2㎛Al₂O₃/ 0.5㎛TiN의 4층으로 이루어진 세라믹 피막(d=10㎛)을 약 1000℃의 온도로 CVD법에 의해서 코팅하였다. 또한 알루미나막 피복시에는 H₂S 가스를 원료로서 사용하여 엣지부에서의 알루미나막의 극대화를 방지하고 있고, 평탄부와 엣지부에서 막두께의 차가 거의 없는 피복막을 얻을 수 있다.

다음에, 상기의 피복 슬로우어웨이칩을 #400의 다이아몬드 연마용 입자를 부착시킨 나일론제 브러시로 슬로우어웨이칩에 대한 절삭각을 변화시켜, 표 1에 나타낸 바와 같이 Rc1 및 Rc2가 다른 슬로우어웨이칩를 준비한다.

다음에 이들의 시료를 사용하여, 도 5에 횡단면을 도시한 바와 같이 외주에 4개의 홈(12)을 설치한 고탄소강 SCM435 재료로 이루어진 피삭재(11)를 다음 조건으로 단속 절삭하고, 각시료의 내결손성을 평가함과 동시에 저탄소강 SCM415재로 이루어진 둥근 막대의 피삭재를 사용하여, 다음 조건으로 내마모성을 평가한다.

내결손성 테스트 1

절삭속도 100m/min

이송 0.2 내지 0.4mm/rev

절삭깊이 2mm

절삭유 없음

사용홀더 PSUNR 2525-43

수명시간은 절삭개시로부터 흠결 발생 시점까지의 시간으로 하고. 각 시료에 있어서의 4코너의 평균수명시간을 해당 시료의 수명시간으로 하였다.

내마모성 테스트 1

절삭속도 300m/min

이송 0.3mm/rev

절삭깊이 1.5mm

절삭시간 30분

절삭유 있음

그 결과를 하기의 표 1에 나타내고 있다.

[표 1]

주 1. d:표면미처리부의 피복막 평균막두께

주 2. R2비:Rc2/(Rs2+d), R1비:Rc1/(Rs1+d)

주 3. Tav:내결손성 테스트 1에 있어서의 평균수명시간

주 4. W:내마모성 테스트 1에 있어서의 마모량

표 1의 결과로부터 알 수 있듯이, 표면처리를 행하지 않은 비교품 1-1 및 표면처리를 행하였지만 본 발명의 범위에 들어가지 않는 비교품 1-2와 비교하여, Rc1을 Rs1+d보다도 작게 한 발명품 1-1 내지 1-6은 내결손성을 손상하지 않고, 내마모성이 향상하고 있는 것을 알 수 있다. 그 중에서도 Rc1/(Rs+d)가 0.2내지 0.8의 범위 내에 있는 발명품 1-3 내지 1-5는 특히 우수한 내마모성을 보이고 있다.

실시예 2

ISO-P20급의 서밋계 슬로우어웨이칩을 기본재료로 하고, 그 표면에 두께 d=10 내지 22㎛의 피복막을 피복처리한 시료를 형성하고, 이 시료에 실시예 1과 동일한 다이아몬드 브러시를 사용하여 Rc2, Rs2, Rc1, Rs1의 값이 다른 비교품 2-1,발명품 2-1 내지 2-7을 준비하였다. 그 테스트 결과를 하기의 표에 나타낸다.

[표 2]

주 1. R2비:Rc2/(Rs2+d), R1비:Rc1/(Rs1+d)

주 2. Tav:내결손성 테스트 1에 있어서의 평균수명시간

주 3. W:내마모성 테스트 1에 있어서의 마모량

주 4. d:표면처리부의 피복막 평균막두께

표 2에 나타낸 결과로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 범위에서 벗어난 비교품 2-1과 비교하여, 발명품 2-1 내지 2-7은 우수한 내결손성 및 내마모성을 나타내었다. 그 중에서도 Rc2/ (Rs2+d)를 1.0보다도 크게 한 발명품 2-2 내지 2-7은 특히 우수한 절삭 특성을 나타내고, 특히, Rc2/ (Rs2+d)가 2.0 내지 5.0의 범위 내에 있는 발명품 2-4 내지 2-6이 우수한 절삭 성능을 발휘하였다.

실시예 3

실시예 1에서 준비한 비교품1-1과 같은 Rs1(=60㎛), Rs2(=90㎛)의 경질합금 기본재료에 하기의 표 3에 나타내는 중간층의 TiCN막의 막두께만이 실시예 1과 다르고, 기타는 실시예 1과 동일한 피복명을 코팅하여 실시예 1과 같이 다이아몬드 브러시로 표면 처리하여 Rc1, Rc2를 발명품 1-4와 동일한 40㎛, 90㎛으로 한 발명품 3-1 내지 3-4에 대하여 실시예 1과 같은 내마모성 테스트를 하였다. 그 결과를 표 4에 나타낸다.

[표 3]

주 d:표면미처리부의 피복막 평균막두께

[표 4]

주1. R2비:Rc2/(Rs2+d), R1비:Rc1/(Rs1+d)

주 2. V1:표면처리를 실시한 시료의 내마모성 테스트 1에 있어서의 마모량

주 3. V0:표면처리 없음의 시료의 내마모성 테스트 1에 있어서의 마모량

주 4. 개선비율:(V0-V1)/V0x100

주 5. d:표면미처리부의 피복막 평균막두께

표 4의 결과로부터, 피복막의 막두께 d가 15㎛보다도 두꺼운 발명품 3-2 내지 3-4에 있어서의 절삭 성능 향상의 정도가 특히 큰 것을 알 수 있다.

다음에, 발명품 3-3(Rs1=60㎛, Rs2=90㎛, d=22㎛)을 사용하여, 브러시의 슬로우어웨이칩에 대한 절삭각을 -10°로 하고, 표면처리시간을 바꾸는 것에 의해 절단날 능선부에서의 막두께가 다른 발명품 4-1 내지 4-6을 준비하였다. 또한 완전히 표면처리를 행하지 않은 시료를 비교품 4-2로 하였다. 또한 브러시의 슬로우어웨이칩에 대한 절삭각을 30°로 설정하여 표면처리를 행하였다. 본 발명의 범위에서 벗어난 비교품 4-1을 준비하였다. 또한 이렇게 하여 얻어진 발명품 4-1 내지 4-6의 Rc1은 각각 40㎛, 42㎛, 45㎛, 47㎛, 48㎛ 및 50㎛로서, 어느 것이나 40-50㎛의 범위 내의 것으로, 비교품 4-1의 Rc1은 100㎛의 것을 준비하였다. 또한 발명품 4-1내지 4-6의 Rc2는 각각 70㎛, 75㎛, 80㎛, 83㎛, 86㎛ 및 90㎛로서 어느 것이나 70 내지 90㎛의 범위 내의 것이고, 비교품 4-1의 Rc2는 90㎛이었다.

이들의 비교품 및 발명품에 대한 절삭 테스트 결과를 하기의 표 5에 나타낸다.

[표 5]

주 1. R2비:Rc2/(Rs2+d), R1비:Rc1/(Rs1+d)

주 2. Tav:내결손성 테스트 1에 있어서의 평균수명시간

주 3. W:내마모성 테스트 1에 있어서의 마모량

주 4. dx:피복막의 최대박부막두께, d:표면미처리부의 피복막 평균막두께

표 5에 나타낸 테스트 결과로부터 알 수 있듯이, 비교품 4-2의 표면처리를 행하지 않은 시료가 내결손성 테스트에 있어서 초기치핑(chipping)을 발생 한데 대하여, 발명품 4-1 내지 4-6은 대폭 절삭 가능시간이 연장되어 있다. 또한 내마모성 테스트의 결과로부터 발명품 4-6을 제외하고, 내마모성이 향상되고 있는 것을 알 수 있다. 이상 결과를 종합하면 dx/d=0.2 내지 0.8의 범위에 있는 발명품 4-2 내지 4-5의 절삭 성능이 특히 우수한 것을 알 수 있다. 그 중에서도 dx/d=0.2 내지 0.6의 범위에 있는 발명품 4-3 내지 4-5는 특히 우수한 내결손성을 보이고 있다.

실시예 4

형 번호 SNMG120408 형상의 ISO-K10급 기본재료의 절단날 능선부에서의 Rs1이 30㎛, Rs2가 30㎛으로 되도록 표면처리를 행한 슬로우어웨이칩에, 실시예 1과 같은 세라믹막(d=10㎛)을 피복 후, 표면처리를 실시하고 Rc1, Rc2가 다른 비교품 5-1, 5-2, 발명품 5-1 내지 5-5를 준비하였다. 이들의 슬로우어웨이칩을 사용하여, FCD450제 피삭재(11)를 다음 조건으로 절삭하여, 각 시료의 내결손성을 평가함과 동시에, FCD700제 피삭재(11)를 사용하여 다음 조건으로 내마모성을 평가하였다. 또한 이렇게 한 테스트에 있어서 연성주철을 사용한 것은 K10급 기본재료를 사용했기 때문이다.

내결손성 테스트 2

절삭속도 150m/min

이송 0.2 내지 0.4mm/rev

절삭깊이 2mm

절삭유 있음

수명시간은 절삭개시로부터 흠결 발생 시점까지의 시간으로 하여 각 시료에 있어서의 4코너의 평균수명시간을 해당 시료의 수명시간으로 하였다.

내마모성 테스트 2

절삭속도 200m/min

이송 0.3mm/rev

절삭깊이 1.5mm

절삭시간 10분

절삭유 있음

이들의 절삭 테스트의 결과를 하기의 표 6에 나타낸다.

[표 6]

주 1. R2비:Rc2/(Rs2+d), R1비:Rc1/(Rs1+d), Rc비:Rc2/Rc1

주 2. Tav:내결손성 테스트 2에 있어서의 평균수명시간

주 3. W:내마모성 테스트 2에 있어서의 마모량

표6에 나타내는 결과로부터 알 수 있듯이 발명품 5-1 내지 5-5는 비교품 5-1 및 5-2와 비교하여, 내결손성 및 내마모성 모두 우수하고, 그 중에서도 Rc2/Rc1이 2.0 내지 50의 범위에 있는 발명품 5-2 내지 5-4는 특히 우수한 절삭 성능을 나타내는 것을 알 수 있다.

실시예 5

실시예 3에서 준비한 발명품 3-2와 동일 기본재료, 동일 피복층을 갖는 표면처리를 행하지 않은 비교품 6-1(Rs1=60㎛, Rs2=90㎛, d=16㎛)을 #400의 SiC 연마용 입자가 부착된 탄성숫돌을 사용하여 회전수, 경도, 가압력을 선택하여, 하기의 표7에 나타내는 비교품 6-2, 발명품 6-1 내지 6-5를 준비하였다. 실시예 1과 같은 절삭 테스트를 행하고, 그 결과를 하기의 표 7에 나타낸다.

[표 7]

주 1. R2비:Rc2/(Rs2+d), R1비:Rc1/(Rs1+d)

주 2. Tave:내결손성 테스트 1에 있어서의 평균수명시간

주 3. W:내마모성 테스트 1에 있어서의 마모량

표 7의 결과로부터 알 수 있듯이, 발명품 6-1 내지 6-5는 비교품 6-1 및 6-2와 비교하여 우수한 절삭 성능을 보이고 있다. 그 중에서도 a/b가 1.5 내지 4.0의 범위에 있는 발명품6-2 내지 6-4는 특히 우수한 절삭 성능을 보이고 있다.

실시예 6

실시예 5에서 준비한 발명품 6-1 내지 6-5와 평가품 6-1을 절삭온도의 상승하기 쉬운 고탄소강 SCM435로 이루어진 둥근 막대의 피삭재를 사용하여, 하기 조건으로 절삭 테스트를 하였다.

내마모테스트 3

절삭속도 180m/min

이송 0.3mm/rev

절삭깊이 1.5mm

절삭시간 10분

절삭유 없음

이 시험의 결과, 하기의 표 8에 나타낸 바와 같이, 비교품 6-1은 마모량은 큰 것이지만, 10분간 절삭 가능한데 대하여, 발명품 6-3 내지 6-5는 절삭 도중에서 불꽃이 발생하여, 절삭을 계속하는 것이 불가능하게 되었다. 그 원인은 피복 후의 표면처리에 의해서 절단날 능선부의 알루미나막이 제거되었기 때문으로 추정된다.

그리하여 피복막을 하층으로부터 순서대로 0.5㎛TiN / 2㎛Al₂Os / 13㎛TiCN / 0.5㎛TiN의 4층(전체 막두께 d=16㎛)으로 하여, 알루미나막을 하층에 피복하여 표면처리 후의 알루미나막이 절단날 능선부에 남는 구조로 한 피복막을, 발명품 6-1 내지 6-5와 동일 조성, 동일 Rs1, Rs2 (Rs1=60㎛, Rs2: 90㎛)의 기본재료로 코팅하고, 발명품 6-4와 동일한 Rc1, Rc2, a, b (Rc1=45㎛, Rc2=120㎛, a=0.26mm, b=0.07mm)로 되도록 표면처리를 행한 발명품 7-1을 준비하였다. 그리고 상기의 내마모성 테스트 3을 한 결과, 하기의 표 8에 나타내는 우수한 내마모성을 나타내는 것을 알았다.

[표 8]

주. R2비:Rc2/(Rs2+d), R1비:Rc1/(Rs1+d)

표 8에 나타내는 결과로부터 본 발명의 표면처리시, 표면처리 후도 절단날 능선부에 산화물피막이 잔존하는 피막구조를 갖는 슬로우어웨이칩이 절삭온도가 상승하기 쉬운 고탄소강의 고속절삭에 있어서 특히 우수한 절삭 성능을 나타내는 것을 알았다.

실시예 7

#800 및 1200의 SiC 연마용 입자의 부착한 탄성숫돌을 사용하여, 표면처리를 행하지 않은 비교품 1-1을 표면 처리한 발명품 8-1 내지 8-5를 준비하였다. 또한 이들의 슬로우어웨이칩의 Rs1, Rs2, Rc1, Rc2, a, b, d는 각각 60㎛, 90㎛, 40㎛, 90㎛, 0.15mm, 0.08mm, 10㎛이고, 발명품 1-4와 거의 동일하다. 다음에 실시예 1에서 사용한 발명품 1-4(절단날 능선부의 증가표면적 비율 1.5%)의 시료와 발명품 8-1 내지 8-5의 (증가표면적 비율 0.2 내지 1.3%) 및 비교품 1-1(증가표면적 비율2.4%)의 시료를 비교한다. 증가표면적 비율의 측정은 주식회사 엘리오닉스(Ehonix)제 ERA8000형 측정기를 사용하여, 측정배율은 경질합금 기본재료의 표면의 물결을 배제하여 미세한 요철을 측정하기 위해서 500배로 하고, 측정 시야 내의 수평방향 및 수직방향의 샘플링수를 각각 280점 및 210점으로 하였다.

이들의 슬로우어웨이칩을 사용하여 용착이 발생하기 쉬운 금형등 SKD61로 이루어진 도 5에 도시된 횡단면 형상을 갖는 피삭재(11)를 다음 조건으로 단속 절삭하여, 각 시료의 내박리성을 평가하였다.

내박리테스트 1

절삭속도 100m/min

이송 0.15mm/rev

절삭깊이 1.5mm

절삭유 없음

이 테스트에 있어서는 절삭개시시로부터 시료의 칼날끝에 피삭재가 용착하여 피막박리가 발생한 시점까지의 시간을 수명시간으로 하였다. 그 테스트 결과를 하기의 표 9에 나타낸다.

[표 9]

주. R2비:Rc2/(Rs2+d), R1비:Rc1/(Rs1+d)

표 9에 나타내는 테스트 결과로부터, 증가표면적 비율이 0.1 내지 1.3%의 범위에 있는 슬로우어웨이칩은 특히 내박리성능이 우수한 것을 알 수 있다. 그 중에서도, 증가표면적 비율이 0.2 내지 1.0%의 범위에 있는 발명품 8-1, 8-2, 8-4, 8-5는 특히 우수한 내박리성을 나타내고 있다.

이상 개시된 본 발명의 실시의 형태 및 실시예는 모든 점에서 실 예로서 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상술의 설명에서는 특허청구의 범위에 의해서 나타나고, 특허청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경을 포함하는 것이 의도된다.

Claims

기저부 프랭크면과 기저부 절삭면과의 사이에서의 기저부 절단날 능선부를 갖춘 칼날끝 처리부를 갖는 경질합금 기본재료와, 해당 경질합금 기본재료의 표면에서 피복 프랭크면과 피복 절삭면과의 사이에서 상기 기저부 절단날 능선부에 걸쳐 연장하는 피복막 절단날 능선부를 갖는 피복막을 구비하고;

상기 절단날 능선부는 곡율반경 Rs1을 가지며, 프랭크면에서 한정되는 제1 볼록면과, 곡율반경 Rs2를 가지며, 절삭면에서 한정되는 제2 볼록면을 포함하고,

상기 피복막 절단날 능선부는 곡율반경 Rc1을 가지며, 피복 프랭크면에서 한정되는 제1 볼록 피복면과, 곡율반경 Rc2를 가지며, 피복 절삭면에서 한정되는 제2 볼록 피복면을 포함하고;

상기 피복막은 상기 피복 프랭크면과 상기 피복 절삭면에서 평균 두께 d를 가지며;

상기 기저부 절단날 능선부 및 상기 피복막 절단날 능선부는 Rc1/ (Rs1+d)<1.0이 되고 또 Rc2/(Rs2+d)가 2.0 이상, 5.0 이하가 되도록 형성하는 피복경질 합금공구.
제 1항에 있어서, 상기 기저부 절단날 능선부 및 상기 피복막 절단날 능선부는 Rc1/(Rs1+d)가 0.2 이상 0.8 이하가 되도록 형성되는 피복경질 합금공구.
제 1 항에 있어서, 상기 기저부 절단날 능선부 및 상기 피복막 절단날 능선부는 Rc1/ (Rs1+d)가 0.25 이상 0.5 이하로 되고 또 Rc2/(Rs2+d)가 2.17 이상, 3.79 이하가 되도록 형성하는 피복경질 합금공구.
제 1항에 있어서, 상기 기저부 절단날 능선부 및 상기 피복막 절단날 능선부는 비율 dx/d가 0.2 이상 0.8 이하로 되고, 상기 평균두께 d는 적어도 15㎛이고, dx는 상기 기저부 절단날 능선부에 걸쳐 상기 피복막 절단날 능선부에서 상기 피복막의 최소 두께를 나타내는 피복경질 합금공구.
제 4 항에 있어서, 상기 비율 dx/d 는 0.2 이상 0.6 이하인 피복경질 합금공구.
제 4 항에 있어서, 상기 비율 dx/d 는 0.23 이상 0.59 이하인 피복경질 합금공구.
제 4 항에 있어서 , 상기 평균두깨는 20㎛ 내지 50㎛의 범위에 있는 피복경질 합금공구.
제 1 항에 있어서, 상기 기저부 절단날 능선부 및 상기 피복막 절단날 능선부는 비율 Rs2/Rs1이 0.7 이상 1.3 이하로 되도록 형성되는 피복경질 합금공구.
제 8 항에 있어서, 상기 비율 Rs2/Rs1이 0.83 이상 1.17 이하인 피복경질 합금공구.
제 1 항에 있어서, 상기 기저부 절단날 능선부 및 상기 피복막 절단날 능선부는 비율 Rc2/Rc1 이 2.0 이상 50 이하로 되도록 형성되는 피복경질 합금공구.
제 10 항에 있어서. 상기 비율 Rc2/Rc1 이 2.1 이상 45.45 이하로 되도록 형성되는 피복경질 합금공구.
제 1 항에 있어서, 상기 기저부 절단날 능선부 및 피복막 절단날 능선부는 비율 a/b 가 1.5 이상 4.0 이하로 되도록 형성되고, 여기서 a는 피복 프랭크면에서부터 수직으로 측정할 때 상기 피복 절삭면을 향하여 연장하는 피복막 절단날 능선부의 폭을 나타내고, b는 상기 피복 절삭면에서부터 수직으로 측정할 때 상기 피복 프랭크면을 향하여 연장하는 피복막 절단날 능선부의 폭을 나타내는 피복경질 합금공구.
제 12 항에 있어서, 상기 비율 a/b는 1.7 이상 3.7 이하인 피복경질 합금공구.
제 1 항에 있어서, 상기 피복막은 다층구조를 가지며, 이 다층구조는 적어도 하나의 산화물 세라막층으로 이루어지고, 상기 산화물 세라믹층의 최대 두께의 적어도 일부분은 남아서 기저부 절단날 능선부에 걸쳐 연속적으로 연장하는 피복경질 합금공구.
제 1 항에 있어서, 상기 피복막의 절단날 능선부의 표면의 적어도 일부분에서의 증가 표면적 비율이 0.1% 이상 1.3% 이하인 피복경질 합금공구.
제 1 항에 있어서, 상기 평균 두께 d는 적어도 10㎛인 피복경질 합금공구.
제 1 항에 있어서, 상기 평균 두께 d는 적어도 15㎛인 피복경질 합금공구.