KR100655116B1 - 우수한 표면조도를 가지는 절삭공구용 코팅 모재 및 그형성방법 - Google Patents

우수한 표면조도를 가지는 절삭공구용 코팅 모재 및 그형성방법 Download PDF

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Abstract

절삭공구용 초경합금 혹은 서멧 코팅 부재의 표면조도를 개선하여 밀착력을 향상시키는 것을 목적으로, 초경합금 혹은 서멧 등의 코팅 모재를 물리적기상증착(physical vapor deposition, PVD)법에 의하여 피복하고자 하는 박막(thin film)을 피복하기 전에, 코팅 모재에 대한 표면 전처리로서 약 20 ~ 200μm 크기의 알루미나 분말을 단독 혹은 물과 혼합하여 코팅 모재 표면에 대해 적당한 분사압력과 분사거리에서 충돌시켜 코팅 모재의 표면조도를 개선 혹은 오염물질을 제거시켜, 새로운 코팅 모재 표면층의 형성으로 피복시의 박막과의 밀착력을 향상시켜 준다. 본 발명에 의하면 얻어진 코팅 모재의 표면조도는 약 Ra=0.05 ~ 0.15μm이며, 새로운 코팅 모재의 표면층의 형성 및 표면조도 개선에 따른 밀착력 향상으로 인하여 절삭시 인선에서의 박리현상을 최소화하여 공구성능을 향상시킨다.

Description

우수한 표면조도를 가지는 절삭공구용 코팅 모재 및 그 형성방법{The coating substrate as cutting tool having excellent surface roughness and a method of thereof}
도 1은 본 발명에 사용된 충돌/블라스팅에 의한 전처리 개략도
도 2a는 본 발명으로 개선된 샘플의 표면 SEM사진
도 2b는 본 발명으로 개선된 샘플의 AFM에 의한 표면조도
도 3은 본 발명으로 개선된 샘플 표면의 Co분포 상태사진
도 4는 본 발명으로 개선된 샘플의 잔류응력을 나타내는 그래프
도 5는 본 발명으로 개선된 샘플의 박막의 스크렛치 테스트 결과 그래프
도 6은 본 발명으로 전처리한 샘플의 코팅막의 내마모성 결과 그래프
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 분사기(Injector) 2 : 알루미나 분말
3 : 처리방향 4 : 코팅 모재
본 발명은 우수한 표면조도를 가지는 절삭공구용 코팅 모재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 물리적기상증착법(Physical Vapour Deposition, PVD)에 의한 절삭공구용 초경합금 위에 세라믹계 박막 피복시, 밀착력 증진에 따른 공구수명을 향상시키기 위한 물리적 전처리(알루미나 분말을 단독 혹은 물과 혼합하여 이용한 충돌 혹은 블라스팅(blasting))에 의해 초경합금 코팅 모재의 표면층의 표면조도 향상 및 오염물질 제거에 따른 새로운 표면층 형성 방법에 관한 것이다.
종래의 초경합금 절삭공구로서 사용되는 코팅 모재는 소결 혹은 연삭한 가공 표면을 그대로 피복하기 때문에 어떠한 형상으로 가공할 경우, 반복작업에 의한 가공기(연삭기)의 다이아몬드 휠 메쉬(조도) 불량 혹은 연삭류에 의한 표면조도 불량 및 표면층의 오염물질에 의하여 박막 피복시 코팅막과의 밀착력이 저하되어 공구수명을 저하시킨다.
지금까지 물리적기상증착(PVD)법에 의한 박막 피복시 밀착성이 저하되지 않도록 하기 위하여 연삭한 초경합금 코팅 모재 표면을 가능한 한 청결한 상태로 유지/세척시켜 혹은 피복시에 이온에칭/금속에칭/바이어스전압에 의하여 조절/개선시켜 오고 있다.
먼저 종래의 방법으로, 연삭한 초경합금에 대해서 연삭흔 혹은 연삭류 혹은 오염물질의 제거를 위한 방법으로 산(acid) 혹은 알카리(alkari)용액에 침적시켜 초음파처리에 의한 세정작업을 실시한 후 피복을 하였으나 근본적으로 초경합금 코팅 모재와 박막과의 밀착력을 개선시켜 주지 못하고 있다. 오히려 초경합금 표면층에 바인더(binder)로서 존재하는 일부 Co입자를 제거하여 밀착성을 저하시키는 결 과를 초래하였다.
다른 방법으로는, 코팅 모재를 코팅로에 장입한 다음, 수소 혹은 아르곤가스에 의한 금속 플라즈마를 이용하여 초경합금 코팅 모재 표면에 대하여 고전압 바이어스를 이용하여 전처리로서 세정작업을 실시하지만, 통상적으로 초경합금의 표면에서는 약 수십 μm크기의 조대한 입자의 부착으로 오히려 성막후의 표면조도를 떨어뜨리며, 이것으로 인한 밀착성에도 문제가 발생되고 있는 상황이다. 이렇게 하여 형성된 피복용 초경합금 절삭공구는 코팅 모재와 박막과의 밀착력의 저하로 인하여 최적의 공구수명의 효과를 저하시키고 있다.
이를 해결 또는 개선하기 위한 방법으로 적절한 입자크기로 구성된 알루미나 분말을 이용한 충돌 혹은 블라스팅(blasting)법이 있지만, 코팅용 절삭공구로서의 효과, 작업성, 재현성, 균일성 등의 여러 가지 특성을 고려하여 알루미나 분말을 단독 혹은 적당량의 물과 혼합하여 초경합금 절삭공구 코팅 모재에 대하여 실시한 적은 없었다.
상기에서 설명한 바와 같이, 종래의 초경합금 절삭공구의 코팅 모재의 제조방법은 다양한 형상으로 성형하여 소결한 초경합금에 대하여 적용하는 용도에 따라 표준 공정에 따라 연삭기 혹은 가공기에 의하여 가공한 다음, 산이나 알칼리용액에 침적시켜 가공중에 발생한 연삭류 혹은 물떼 등의 오염물질을 제거하여 코팅 모재로서 사용한다. 상기와 같이, 화학적인 방법에 의해 코팅 모재를 처리함으로서 오히려 최초 코팅 모재 설계시 바인더로 넣었던 Co의 함량이 기준치보다 감소되는 경향이 발생하여 피복에 적용할 경우 코팅 모재와 박막간의 결합력 부족으로 인하여 자연 박리현상이 일어나거나 밀착력을 감소시켜 최종적으로 공구수명을 감소시키는 것으로 나타났다.
다른 방법으로, 다이아몬드 분말을 사용하여 브러쉬(brush)하는 방법도 있지만, 이 방법도 오일이 사용되는 점과 공구 인선을 라운드하여 용도상의 적용 범위를 변화하는 점 등의 단점이 있으며, 이를 위하여 최종적으로 산이나 알칼리에 침적하여 세척하지 않으면 안 되며, 사용되는 다이아몬드 분말의 사용 함량에 따른 가격 측면도 문제가 된다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 코팅 모재의 밀착력 저하의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 피복용 초경합금 절삭공구로서, 코팅 모재와 박막간의 밀착성의 개선 및 이에 따른 공구수명을 향상시키기 위한 방법을 제공하기 위한 것으로서, 코팅 모재의 표면 오염물질 제거 및 표면조도를 개선하기 위한 새로운 전처리 개념의 코팅 모재의 제조방법은, 대기에서 알루미나 분말을 단독 혹은 적당량의 물과 혼합된 용액을 적절한 분사 압력과 거리에서 초경합금 코팅 모재의 표면을 균일하게 적당한 분사 각도를 유지하면서 초경합금 코팅 모재에 대해 충돌시켜 균일하면서도 양호한 표면조도와 밀착성을 가지는 절삭공구용 초경합금 코팅 모재를 제공함으로서 달성된다.
상기와 같이, 본 발명에 의해 처리된 절삭공구용 코팅 모재에 대하여 전자현미경(SEM, scanning electron microscopy)과 원자력간현미경(AFM, atomic force microscopy) 및 스크렛치테스터에 의한 표면사진, 표면 Co조성, 밀착력 측정결과, 코팅 모재의 새로운 모재층 형성과 표면조도 개선에 의해 밀착력 향상 및 공구수명을 향상시키는 것으로 확인되었다.
본 발명에서는 알루미나(Al2O3) 분말을 단독 혹은 적당량의 물과 혼합하여 적절한 분사압력과 분사거리에서 초경합금 코팅 모재 표면에 대해 충돌 혹은 블라스팅(blasting)한다. 그 결과, 우수한 표면조도를 가지는 초경합금 코팅 모재는 기상증착법(vapour deposition)법에 의한 피복시 코팅 모재와의 밀착력을 개선시켜 공구수명을 향상시킨다. 본 발명은 설계한 초경합금 코팅 모재에 있어 최표면층의 화학조성을 유지하면서 표면조도를 향상시켜 줌으로서 기상증착법에 의한 박막 피복시 밀착력을 증진시키기 위한 방법으로 종래의 연삭류 혹은 소결시에 발생되는 초경합금 표면층의 불완전한 상태인 Co 불균일 분포를 가능한 한 균일한 상태로 회복시켜 밀착성을 향상시켜 주고 있다.
피복용 초경합금 절삭공구에 있어 박막과 코팅 모재와의 밀착성 향상 및 이에 따른 공구수명을 향상시키기 위한 방법으로서, 코팅 모재와 박막간의 밀착력을 향상시키기 위해 코팅 모재의 표면조도를 향상하기 위한 새로운 개념의 코팅 모재의 제조방법은, 대기에서 알루미나(Al2O3) 분말을 단독 혹은 적당량의 물과 혼합된 용액을 이용하여 분사 압력과 거리에서 초경합금 코팅 모재의 표면에 대해 적당한 분사각도를 유지하면서 충돌시켜 균일하면서도 종래 코팅 모재 대비 양호한 표면조도와 밀착성을 가지는 초경합금 절삭공구의 코팅 모재를 제조 가능하게 되었다.
상기에서 설명한 바와 같이, 최초 설계한 초경합금 절삭공구의 합금조성을 유지하면서도 코팅 모재의 표면을 청결하게 유지/관리하면서도 양호한 표면조도를 가지는 코팅 모재를 준비할 필요가 있다. 이를 위하여 절삭공구로서 사용되는 초경합금은 텅스텐카바이드(WC)와 코발트(Co)의 혼합물로 이루어져 있으며, 기상증착법에 의해 박막을 피복하는데 있어 최초 코팅 모재의 상태, 즉 균일한 Co 분포 및 양호한 표면조도와 청결성을 양호하게 관리할 필요가 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 모재 특히, 3차원 형상을 가지는 밀링용 초경합금 인서트 SPCN1203EDTR-RH를 이용하여 양산용 파렛트에 셋팅한 다음, 적절한 분사 압력, 거리, 각도 및 시간에서 인서트를 대하여 충돌시켜 균일하면서도 양호한 표면조도와 밀착성을 가지는 초경합금 절삭공구용 코팅 모재 형성 방법을 제공한다.
상기 모재는 특히 초경합금 인서트로서 그 조성은 3~15wt% Co와 10wt%이하의 타탄화물을 포함하는 WC계 초경합금 인서트를 사용함이 바람직하며, 상기 모재의 평균입자크기는 0.5~6㎛의 WC계 초경합금을 사용함이 좋다.
또한, 상기에서 코팅 모재는 기화학적으로 설계한 파렛트에 상기 인서트를 셋팅한 상태에서 분사되는 알루미나 분말과 코팅 모재가 이루는 각도는 45도에서 90도가 될 수 있도록 조절하는 것이 바람직하다.
이러한 각도 한정은 PVD코팅용 초경합금 모재(인서트)는 직육면체 형상(가로12.7mm*세로12.7mm*두께3.18mm)을 가지고 있어, 상면의 면적 혹은 길이가 측면의 면적 혹은 길이의 약 3~5배에 해당하고 있어서, 측면에 대해 충돌되는 각도가 90도일 경우 압력/거리로 인해 인서트의 고정이 불가능하며, 실제 팔레트를 이용한 양 산에서 적용 불가능함에 비해, 상면을 기준으로 하여 45도까지는 상면 인선을 기준으로, 상면의 절반 및 측면의 절반에 해당되는 부분은 처리 가능하며, 반대로 인서트를 뒤집어서 동일한 방법으로 실시할 경우에도 나머지 부분(상면절반/측면절반)에 대해서도 처리 가능하고 또한, 적절한 각도 조절에 의하여 처리되는 인서트의 인선의 형상을 유지할 수 있기 때문이다.
또한, 상기 분사 압력은 0.1 ~ 2.5bar정도가 적절하며, 분사 시간은 10 ~ 60초 정도로 실시함이 바람직하다.
분사압은 분사거리 혹은 인서트의 크기 혹은 형상에 따라 처리(얻어)되는 결과가 달라지며, 중요한 것은 처리되는 인서트(모재)의 표면조도 개선, 균일한 합금조성 및 오염물질(연삭/소결에 따른)의 제거에 있기 때문이다.
또한, 알루미나 분말의 입자 크기는 약 20 ~ 200μm가 되도록 함이 바람직하다.
여기서 사용되는 알루미나 분말의 입자크기에 따라 처리되는 결과가 달라지고, 특히, 양산시(자동라인) 처리하고자 하는 인서트에 대해 적절한 거리와 각도를 유지할 경우, 영향을 주는 인자는 알루미나 분말의 입자크기가 중요한 인자라 할 수 있다. 입자크기에 따라 인서트상면에 충돌(격)되는 량(힘)은 증가하므로 적절한 표면조도를 유지하기 위해서는 적절한 입자크기의 관리도 선택이 중요하다.
또한, 처리된 코팅 모재의 표면조도는 약 Ra=0.05 ~ 0.15μm가 되도록 함이 바람직하다.
또한, 처리된 코팅 모재의 잔류응력은 약 -(0.1 ~ 2.5)GPa이 되도록 함이 바 람직하다.
이러한 표면조도와 잔류응력의 한정범위 이유는, 절삭공구에 사용되는 가공 혹은 비가공 인서트의 표면조도의 관리기준은 Rmax=800nm이하(당사기준)이고. 상기 전처리에 의하여 표면조도 개선은 PVD법에 의한 코팅막과의 밀착력을 좌우하는 중요한 요소이다. 또한, 전처리에 의하여 인서트 표면층에서의 압축 응력은 가중되며(약 <-2GPa), 게다가 PVD법에 의한 코팅시에도 어느 정도 가중(약 <2GPa)되나 많은 압축응력(약 >4GPa)은 오히려 박막과의 밀착력을 저하시키는 요인을 제공하기 때문에 이들 범위가 좋다.
이하에서는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명은 절삭공구로서 사용되는 초경합금 코팅 모재의 표면에 물리적증착법(PVD)에 의한 피복을 행하기 전에, 초경합금 코팅 모재와 박막과의 밀착력을 향상시키기 위한 전처리방법을 제공한다. 종래에는 연삭류를 이용한 상면 혹은 하면 혹은 측면가공이 끝난 초경합금 코팅 모재에는 여러 가지 오염물질 혹은 합금설계 조성치 기준 대비 표면 Co 부족 결함 등으로 인하여 피복시에 박막과의 밀착력을 저하시키며, 공구수명을 저하시킨다. 이를 개선하기 위하여 피복하기 전에 초경합금 코팅 모재에 대해 알루미나 분말을 단독 혹은 적당량의 물과 혼합하여 적절한 분사 압력과 거리에서 충돌시켜 코팅 모재의 표면 오염물질을 제거 혹은 새로운 표면층의 형성 및 표면조도 개선으로 박막과의 밀착력을 향상시켜 준다.
본 발명은 종래의 물리적기상증착(PVD)법에 의한 피복시 박막과 초경합금 코팅 모재와의 밀착력 감소에 따른 공구수명의 저하를 개선하기 위한 목적으로, 종래 의 초경합금 코팅 모재의 표면에서의 불균일한 Co 분포로 인하여 피복시에 박막과의 밀착력을 저하시켜 절삭공구의 품질에 문제가 발생하였으나, 상기의 전처리방법으로 실시한 결과, 초경합금 코팅 모재의 양호한 표면조도와 함께 오염물질을 제거시켜 줌으로서 피복시 박막과의 밀착력을 개선하는 것이 가능하였으며, 최종적으로 공구수명을 향상시키는 결과를 가져왔다.
비교 실시예 1
본 실시예는 종래의 방법으로 전처리 없이 물리적기상증착(PVD)법에 의해 피복한 샘플에 대한 것이다. 통상 절삭공구로서 사용되는 초경합금 코팅 모재인 밀링 인서트 12.7*12.7*3.18(두께)mm3의 3차원 복잡형상을 가지는 초경합금(WC-9%Co)으로 이루어진 코팅 모재(SPCN1203EDTR-RH)(4)를 전용 지그에 셋팅한 다음, TiAl(5:5)조성의 합금타켓을 이용하여 가스압 500~600mPa의 질소가스분위기에서 모재온도 500℃, 3시간동안 TiAlN막을 피복하였다. 그 결과, 얻어진 박막은 연삭면의 방향으로 성장하고 있음을 알 수 있으며, 표면조도도 연삭면의 영향을 받아 양호하지 않았다.
비교 실시예 2
본 발명의 실시예에서는, 그림(도1)과 같이 알루미나 분말을 단독 혹은 적당량의 물과 혼합하여 초경합금 코팅 모재에 대해 충돌시켜 주는 공정의 전처리를 실시한 다음, 물리적기상증착(PVD)법에 의해 피복한 샘플에 관한 것이다. 코팅 모재인 밀링 인서트인 12.7*12.7*3.18(두께)mm3의 3차원 복잡형상을 가지는 초경합금 (WC-9%Co)으로 이루어진 코팅 모재(SPCN1203EDTR-RH)(4)를 전용 지그에 셋팅한 다음, TiAl(5:5)조성의 합금타켓을 이용하여 가스압 500~600mPa의 질소가스분위기에서 모재온도 500℃, 3시간동안 TiAlN막을 피복하였다. 그 결과, 얻어진 막의 표면조도는 양호함을 알 수 있다.
실시예의 실험조건 및 박막구조
약 20~150μm의 입자크기를 가지는 알루미나(Al2O3) 분말에 의한 전처리유무, 가스압 500~600mPa, 질소가스분위기, 코팅시간 3시간, 모재온도 500℃, 바이어스전압 -50V, 박막설계 TiAlN막
물성평가 결과
평가 1
실시예 2에서, 전처리 전후의 초경합금 코팅 모재에 대한 전자현미경(SEM)에 의한 표면형상(도 2a)은 전처리전에는 연삭기의 휠 가공방향에 따른 연삭무늬가 명확히 관찰되며, 부분적으로 오염물질이 부착되어 있음을 알 수 있지만, 전처리후에는 균일한 표면형상을 가지는 새로운 표면층이 형성되어 있음을 알 수 있다. 또한, 원자력간현미경(AFM)에 의한 표면조도(도 2a) 관찰결과 전처리후의 표면조도는 전처리전(Ra=187nm)의 코팅 모재에 비해 평탄함(Ra=107nm)을 볼 수 있으며, EPMA에 의한 Co분포를 분석한 결과 전처리전에 비하여 전처리후의 코팅 모재 표면에서는 균일하게 분포하고 있음을 확인하였다.
평가 2
실시예 2에서, 코팅 부재에 대한 X선회절(XRD)에 의한 잔류응력 분석 결과, 전처리후의 초경합금 모재의 잔류응력은 약 -1.7GPa로서 전처리전의 모재에 비해 약 2배 정도 증가하였다. 이것은 알루미나 분말에 의한 충돌시 발생하는 코팅 모재의 최표면층에서의 격자변형의 증가에 따른 것으로 추측된다.
피복후의 박막과 코팅 모재간의 밀착력을 확인하기 위해, AE(acoustic emission)에 의한 스크렛치 테스트 결과, 전처리 전후의 얻어진 TiAlN막에 대해 각각 약 63N과 90N(도 5)의 밀착력을 가지는 것으로 확인되었다.
평가 3
상기의 방법으로 코팅 모재에 대해 전처리하지 않은 샘플과 여러 가지 표면조도를 달리하여 TiAlN막을 피복한 샘플에 대해 절삭성능평가 결과, 피삭재는 SCM440(Cr-Mo alloy)에 대하여 V=216(m/min), f=0.15(mm/rev), d=2(mm)에서 실시한 결과, 도 6에 나타낸 바와 같이, 전처리한 샘플의 표면조도에 따라 프랭크 마모(Frank wear, Vb)의 차이를 보이고 있으며, 표면조도가 가장 양호한 샘플인 Ra=107nm에서 가장 양호한 공구수명을 보이고 있으며, 마모량/미세치핑/박리가 최소로 확인되었다.
(A) 절삭시험(건식가공, 형번 SPCN1203EDTR-RH(A300))
-피삭재 : SCM440
(크기: 300㎜(L)ㅧ120㎜(W)ㅧ200㎜(t))
-절삭속도 : 216 (m/min)
-이송량 : 0.15 (㎜/rev)
-절입량 : 2 (mm)
-절삭거리 : P(패스)x300mm
(B)결과는 그림(도 5) 참조
상기에서 설명한 바와 같이, 종래의 밀링 인서트에 대하여 알루미나 분말을 단독 혹은 적당량의 물과 혼합하여 절삭공구용 초경합금 코팅 모재에 표면을 적절한 분사 압력과 거리를 유지하면서 충돌시키는 것에 의하여 초경합금 코팅 모재의 표면조도 개선 및 표면에 부착된 오염물질을 제거하여 줌으로서 보다 양호한 표면조도를 가지는 새로운 표면층의 형성 및 표면층에 균일한 Co분포 등에 의하여 물리적기상증착(physical vapor deposition)법에 의하여 피복한 박막의 밀착력을 증진 혹은 향상시켜 줌으로서 절삭공구로서 공구수명을 향상시키는 것이 가능하다.
따라서 종래의 문제점이었던 피복용 밀링 인서트의 표면조도 불량 및 오염물질에 의한 피복시 박막과의 밀착력의 저하로 발생되는 절삭공구의 품질저하 문제를 개선하는 것이 가능하게 되었다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야의 숙련된 당업자는 실용신안등록청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명에 대하여 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (5)

  1. 절삭공구용 초경합금 혹은 서멧의 코팅 모재의 형성방법으로서, 물리적 기상증착(physical vapor deposition, PVD)법에 의하여 박막을 피복하기 전에, 전처리로서 알루미나 분말을 코팅 모재 표면에 분사 충돌시켜 이루어지는 절삭공구용 코팅 모재 형성 방법에 있어서, 상기 절삭공구용 코팅 모재는 조성이 3~15wt%Co와 10wt%이하의 타탄화물을 포함하는 서멧 및 WC계 초경합금 인서트, 드릴, 엔드밀, 기타 이형 공구 등에서 선택되는 1종 이상이며, 상기 알루미나 분말을 이용한 충돌은 코팅 모재에 대하여 분사각도 45 ~ 90도, 분사압력 0.1 ~ 2.5bar에서 처리함을 특징으로 하는 절삭공구용 코팅 모재 형성 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 알루미나 분말은 단독 혹은 물과 혼합하여 사용하며, 분말크기는 20 ~ 200μm 임을 특징으로 하는 절삭공구용 코팅 모재 형성 방법.
  5. 제 1항 또는 제 4항 중 어느 한 항으로 형성되는 절삭공구용 코팅모재로서, 절삭공구용 코팅모재의 표면조도는 Ra=0.05 ~ 0.15μm이며, 잔류응력은 -(0.1 ~ 2.5)GPa인 것을 특징으로 하는 절삭공구용 코팅 모재.
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