KR100669878B1

KR100669878B1 - 코팅된 절삭 공구 인서트

Info

Publication number: KR100669878B1
Application number: KR1020060017689A
Authority: KR
Inventors: 비에른 리웅베르
Original assignee: 산드빅 인터렉츄얼 프로퍼티 에이비
Priority date: 2005-02-25
Filing date: 2006-02-23
Publication date: 2007-01-16
Also published as: IL173741A0; CN1824440A; SE0500435L; DE602006001762D1; JP2013163264A; EP1696051B1; CN100484672C; US20060204757A1; ATE401431T1; JP4624940B2; EP1696051A1; JP5650466B2; US7655293B2; JP2010269446A; JP2006231512A; KR20060094895A; SE528696C2; JP5603454B2

Abstract

본 발명은 코팅과 기재를 포함하는 경사면과 여유면을 각각 하나 이상 가지며 일반적으로 다각형 또는 둥근 모양의 몸체를 포함하는 코팅된 절삭 공구 인서트에 관한 것이다.

본 발명의 목적은 개선된 인성 특성을 가진 CVD 코팅 공구 인서트와 그 제조방법을 제공하기 위한 것으로 높은 표면 매끄러움과 낮은 인장 응력 레벨을 가진 TiC_xN_y 층과 α- Al₂O₃ 층을 가지는 CVD 코팅 절삭 공구 인서트를 제조하는 방법에 있어서, 상기 코팅에 대하여 1.8 - 2.4 바의 공기 압력에서 Al₂O₃ 의 F80 그릿과 물로 이루어진 슬러리를 사용하는 첫번째 강력한 습식 블라스팅을 실시하고, 이어서 약 2 바의 공기 압력에서 Al₂O₃ 의 F320 그릿과 물로 이루어진 슬러리를 사용하는 두번째 블라스팅을 실시하는 것을 특징으로 하는 CVD 코팅 절삭 공구 인서트의 제조 방법을 제공한다.

Description

코팅된 절삭 공구 인서트{COATED CUTTING TOOL INSERT}

도 1 은 X-ray 검사를 통해 잔류 응력을 측정하는 측각기를 보여준다.

E = 오일러(Euler) 1/4 - 크래들

S = 샘플

I = X-ray 입사 광선

D = X-ray 회절 광선

θ = 회절각

ω = θ

ψ = 오일러 1/4 - 크래들을 따른 경사각

Φ = 샘플 축을 중심으로 한 회전각

본 발명은 선삭, 밀링, 드릴링 또는 유사한 칩 발생 기계 가공법으로 금속 을 가공하는데 적합한 CVD 코팅 절삭 공구 인서트에 관한 것이다. 상기 코팅 공구 인서트는 단속적인 절삭 작업에 사용될때 개선된 인성 거동을 나타낸다.

금속에 대한 현재의 고 생산성 칩 발생 기계 가공에서는 높은 내 마모성, 좋 은 인성, 우수한 내 소성 변형성을 지닌 신뢰성 있는 공구 인서트가 필요하다.

이는 지금까지 내 마모성 코팅으로 피복된 초경합금 인서트를 사용함으로써 달성되고 있다. 일반적으로 상기 초경합금 인서트는 공구 홀더에 고정되는 인덱서블 인서트의 형태이지만, 솔리드 카바이드 드릴 또는 밀링 커터의 형태도 될 수 있다. TiC, TiC_xN_y, TiN, TiC_xN_yO_z, Al₂O₃등의 다양한 경질층으로 코팅된 초경합금 공구 인서트는 오랫 동안 상용화 되어 오고 있다. 일반적으로 이러한 코팅은 여러개의 경질층이 다층 구조로 된 것이다. 상이한 절삭 분야 가공물의 재질에 맞게 각 층의 순서와 두께가 신중하게 선택된다.

상기 코팅은 주로 화학적 증기 증착 (Chemical Vapour Deposition : CVD) 또는 물리적 증기 증착 (Physical Vapour Deposition : PVD) 법을 사용하여 주로 형성된다. 어떤 경우에는 플라즈마 보조 화학적 증기 증착 (Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition : PACVD) 법이 사용되기도 한다.

상기 CVD 기술은 그의 몇가지 이점 때문에 PVD 기술보다 종종 더 선호되고 있다. 상기 CVD 기술을 이용하면, 더 큰 코팅 배치가 가능하고, 복잡한 모양의 인서트에서도 코팅 두께 분포가 양호한 코팅을 얻을 수 있으며, 증착력 (throwing power) 이 높고, Al₂O₃와 ZrO₂ 같은 비전도성 층도 증착할 수 있다. Al₂O₃, TiC, TiC_xN_y, TiN, TiC_xN_yO_z, ZrC_xN_y, ZrO₂과 같은 여러 다른 재료가 동일한 코팅 작업에서 증착될 수 있다.

상기 CVD 기술은 950 - 1050 ℃ 의 다소 높은 범위의 온도에서 실시된다. 이 러한 높은 증착 온도와, 증착된 코팅 재료와 초경합금 공구 인서트 사이의 열 팽창 계수의 불일치 때문에 CVD 로 만들어진 코팅은 냉각 균열과 인장응력을 가지게 된다.

PVD 공정은 450 - 650 ℃ 의 비교적 낮은 온도에서 이루어지고 강한 이온 충돌로 수행되기 때문에, 높은 압축 응력이 발생되어 있고 균열이 없는 층이 형성된다. 높은 압축 응력이 발생하고 냉각 균열이 없으므로 PVD 코팅 공구 인서트는 CVD 코팅 공구 인서트보다 더 큰 인성을 갖게 되고, 그 결과 밀링에서와 같은 단속적인 절삭 작업에서 종종 선호된다.

약 5 - 10 년 전 공구 산업에 MTCVD (Moderate Temperature CVD) 기술이 소개 되었을때, CVD 코팅 공구 인서트의 성능에 있어 큰 개선이 있었다. 절삭 공구 인서트의 인성 특성이 개선되었다. 오늘날 대부분의 공구 생산업자들은 이 기술을 사용한다. 불행하게도 MTCVD 기술은 약 0.5 < x < 0.7 , 0.3 < y < 0.5, x + y 은 1 이거나 대략 1 인 TiC_xN_y층의 형성에만 제한된다. 이 경우 증착 공정은 700 - 930 ℃ 온도에서 실시된다. 이 때 CH₃CN, TiCl₄, H₂ 의 혼합 가스가 사용된다. 높은 내 크레이터 마모성을 얻기 위해 오늘날의 코팅에는 적어도 하나의 Al₂O₃층이 포함된다.

EP-A-1464727 에 개시된 바와 같이 α- Al₂O₃공정을 위한 증착 온도도 가능하게 되었을때, 인성 특성이 더욱 개선될 수 있다.

코팅된 절삭 인서트를 브러싱이나 습식 블라스팅(wet blasting) 으로 후 처 리 하는 것이 여러 특허에 개시되어 있다. 이러한 후 처리의 목적은 US 5,851,687, EP 603 144 에 개시된 바와 같이 매끄러운 절삭날을 얻거나, 절삭날 선을 따라 Al₂O₃ 를 노출시키거나, 또는 US 5,861,210 에 개시된 바와 같이 TiN 이 측면에서 마모 검출 층으로 사용될 때 경사면에서도 Al₂O₃의 최상층을 얻기 위함이다. 모든 처리 기술에서는 코팅 표면과 같은 표면이 습식 또는 건식 블라스팅시의 충격력이나 초음파 충격파를 받게되므로 코팅의 응력 상태 (σ) 는 어느 정도 영향을 받게 될 것이다. 그러나, CVD 코팅 구조에 있는 모든 층에서 인장 응력을 상당히 경감시키기 위해서는 강력한 표면 처리가 요구된다. 그러나 이러한 처리는 건식 블라스팅 기술이 사용되는 EP-A-1311712 에 개시된 바와 같이 예컨대 높은 인장에서 높은 압축으로 너무 큰 응력 상태의 변화가 일어날 수 있다.

습식 블라스팅 기술에 있어서, 보통 Al₂O₃ 그릿과 물인 블라스팅 매체는 더 강한 충격력으로 코팅 표면을 타격하여야 한다. 이 충격력은 블라스팅 펄프 압력, 블라스팅 노즐과 코팅 표면 사이의 거리, 블라스팅 매체의 입자 크기, 블라스팅 매체의 농도, 블라스팅 분류 (jet) 의 각도 등에 의해 제어될 수 있다.

이러한 발전에도 불구하고 CVD 코팅 공구 인서트의 인성 특성의 좀 더 나은 개선이 매우 요망되고 있다.

본 발명의 목적은 개선된 인성 특성을 가진 CVD 코팅 공구 인서트를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 개선된 인성 특성을 가진 CVD 코팅 공구 인서트를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 코팅과 기재를 포함하는 경사면과 여유면을 각각 하나 이상 가지며 일반적으로 다각형 또는 둥근 모양의 몸체를 포함하는 코팅된 절삭 공구 인서트에 관한 것이다. 상기 코팅은 적어도 하나의 TiC_xN_y 층 및 100% α - Al₂O₃로 이루어진 양호한 결정질의 층 하나를 포함한다. 이러한 α - Al₂O₃층은 절삭날 선을 따라서 적어도 경사면에 형성되어 눈에 보이는 최상위 층이고, Al₂O₃와 TiC_xN_y 층 모두에서 인장 응이 완화되도록 강하게 습식 블라스팅 되거나 또는 충분한 높은 에너지로 코팅 표면을 타격할 수 있는 다른 유사한 기술에 의해 처리된다. 상기 Al₂O₃ 최상위 층은 매우 매끄러운 표면을 갖는다.

일반적으로 다각형이거나 둥근 모양이며, 적어도 하나의 경사면과 적어도 하나의 여유면을 가지며 적어도 부분적으로 코팅된 절삭 공구 인서트가 아래와 같은 층을 갖는다면, 상당히 개선된 인성 특성을 얻을 수 있다는 놀라운 사실을 발견하였다.

- 바람직하게는 MTCVD 로 형성되고, 표면에서 두번째인 TiC_xN_y (x≥0, y≥0, x+y = 1) 층 두께가 1 - 8 ㎛, 바람직하게는 2 - 5 ㎛ 이고, 인장 응력은 0.01 - 300 MPa, 바람직하게는 0.01 - 200 MPa 이며,

- 두께가 1 - 5 ㎛ , 바람직하게는 2 - 4 ㎛ 이고 원자 현미경 (Atomic Force Microscopy : AFM) 으로 10㎛ 의 측정 길이에 대해 측정한 평균 조도 Ra < 0.1㎛ 이고, XRD 회절 강도 (피크 높이 마이너스 백그라운드) 비가 I(012)/I(024) ≥ 1.5 이며, 절삭날 선을 따라 경사면에 형성되는 α-Al₂O₃최상층

바람직하게 TiC_xN_y 층과 α-Al₂O₃ 층 사이에는 x ≥ 0, y ≥ 0, z ≥ 0 인 TiC_xN_yO_z결합층이 존재한다. 두 층의 전체 두께는 10㎛ 이하이고, 바람직하게 6㎛ 이하이다.

또한, 본 발명에 따르면 Ti, Nb, Hf, V, Ta, Mo, Zr, Cr, W, Al 중에서 선택된 금속 원소와의 금속 질화물 및/또는 탄화물 및/또는 산화물로 이루어진 추가적인 층이 20㎛ 미만의 전체 코팅 두께로 기재와 상기 층 사이에서 코팅 구조에 제공될 수 있다.

만일 블라스팅에 의해 압축 응력이 유도되면, 매우 높은 블라스팅 충격력이 요구되고, 이러한 조건 하에서 절삭날을 따라 코팅 플래킹이 발생하는 것으로 밝혀졌기 때문에, TiC_xN_y 층에서는 인장 응력이 낮은 것이 바람직하다. 상기 코팅에 어느 정도의 인장 응력이 여전히 존재하는 경우에 비교하여 절삭 작업에서 발생하는 온도 증가에 대해 이렇게 유도된 압축 응력은 안정하지 못하다는 것이 발견되었다.

내부 TiC_xN_y 층의 잔류 응력은 1987년 I.C. Noyan, J.B. Cohen 의 "Residual Stress Measurement by Diffraction and Interpretation", Springer-Verlag, New York 의 p.117 - 130 에 개시된 sin²ψ 방법을 이용한 XRD 측정을 사용하여 평가될 수 있다. 상기 측정은 도 1 에 도시된 측각기 (goniometer) 를 사용하여 TiC_xN_y(422) 에서 CuKα 방사선의 반사를 이용하여 수행될 수 있다. 이 측정은 가능한 한 평면 위에서 수행되는 것이 바람직하다. sin²ψ 범위가 0 - 0.5 (ψ=45°) 등간격을 갖고, 6 - 11 ψ 각도를 가지는 측면각 기술 (ψ기하학)을 사용하는 것이 권장된다. Φ 섹터가 90° 인 Φ 각도의 등간격 분포도 바람직하다. 2축 응력 상태를 확인하기 위해 샘플이 ψ 로 기울어진 상태에서 Φ=0°, 90° 로 회전되는 것이 바람직하다. 있을 수 있는 전단 응력을 측정하고, 양, 음의 ψ 각도를 측정한다. 오일러 1/4 크래들의 경우 이는 다른 ψ 각도값에 대하여 Φ = 180°, 270°에서도 샘플을 측정하여 이루어진다. sin²ψ 법은 Pseudo-Voigt-Fit 함수를 사용하여 반사 위치를 알아내고, MT CVD Ti(C,N) 층의 경우에 영률 E = 480 GPa 으로 일정하고 Poisson 비가 ν = 0.20 인 Bruker AXS 사의 DIFFRAC^Plus Stress 32 v. 1. 04 와 같은 상용 소프트웨어를 사용하여 잔류 응력을 측정하는데 사용된다. 이 경우 다음과 같은 파라미터가 사용된다 : 영률 E = 480 GPa, Poisson 비 ν = 0.20 . 2축 응력 상태의 경우 인장 응력은 얻어진 2 축 응력의 평균값으로 계산된다.

α-Al₂O₃ 의 경우에는 요구값 2θ XRD 반사가 종종 너무 약하기 때문에 sin²ψ 법을 사용하는 것이 일반적으로 가능하지 않다. 그러나, 본 발명자는 절삭성에 α-Al₂O₃ 상태를 관련시키는 유용한 대안 측정 방법을 발견하였다.

α-Al₂O₃ 분말에 있어서 회절 강도비 I(012)/I(024) 는 대략 1.5 이다. Powder Diffraction File JCPDS No 43-1484 에 따르면 I₀(012) = 72 이고 I₀(024) = 48 이다. 본 발명자는 초경합금에서 인장 응력 (σ> 약 350 MPa) 을 받는 CVD α-Al₂O₃층의 경우에는 강도비 I(012)/I(024) 가 놀랍게도 기대값인 1.5 보다 상당히 작고, 대부분 1 미만이라는 것을 발견하였다. 이는 인장 응력에 의해 결정 격자에 일부 무질서가 발생했기 때문이다. 이러한 층이 강력한 블라스팅(응력 완화)을 받거나 또는 기재로부터 완전히 제거되어 분말화(무응력상태) 된다면 I(012)/I(024) 비는 작용하는 블라스팅 력에 따라 1.5 에 가깝거나, 일치 또는 초과한다는 것이 발견되었다. 그러므로 이러한 강도비는 α-Al₂O₃층의 중요한 상태 지표로 사용될 수 있다. 높은 블라스팅력이 사용된다면 1.5 보다 높은 비가 나타날 것이며, 또한 얇은 층의 XRD 분석의 경우 소위 "박막 보정" 계산이 행해지지 않으면, (012) 반사와 같은 작은 2θ 각도에 대한 피크 강도 I(012) 는 (024) 반사와 같은 더 큰 각도의 반사에 비하여 높게 측정된다.

본 발명 방법에 따라 절삭 공구 인서트에는 α-Al₂O₃ 외층과 TiC_xN_y 내층을 포함하는 CVD 코팅이 제공된다. 높은 표면 매끄럼움과 낮은 인장 응력 레벨을 얻기 위해, 경사면의 코팅에 첫번째의 강한 습식 블라스팅 및 이어서 두번째의 블라스팅 처리를 실시한다. 첫번째 습식 블라스팅 처리시에는 물과 Al₂O₃의 F80 그릿 (FEPA - 표준) 으로 이루어진 슬러리를 사용하고 공기 압력은 1.8 - 2.4 바 이고 처리 시간은 약 2 ∼ 8 초/인서트 이며, 두번째 블라스팅 처리에서는 물과 Al₂O₃의 F320 그릿 (FEPA - 표준) 으로 이루어진 슬러리를 사용하고 공기 압력은 약 2 바 이며 처리 시간은 약 4 ∼ 10 초/인서트 이다. F80 그릿과 물로 새롭게 만들어진 슬러리를 제조된 인서트에 사용하기 전에 먼저 더미 인서트에 사용하여 그릿을 약간 둥글게 만들어야 된다.

만약 여유면에도 매끄러운 코팅 면이 요구된다면 이 여유면에도 블라스팅이 수행되어야 한다. 이러한 경우 경사면과 여기면 모두에서 TiC_xN_y 층은 낮은 인장 응력을 갖게 될 것이다. 스테인리스 강이나 구상 흑연 주철 같은 스미어링 재료를 절삭할 때 바람직하다.

여유면의 색은 검정색의 경사면과 다르게 하고자 하는 경우에는, TiN (노랑), TiC_xN_y (회색 또는 청동색) 또는 TiC (회색) 으로 이루어지는 0.1 - 2 ㎛ 의 얇은 최외각 유색 층을 형성한다. 그 후에 90°의 분사각으로 인서트를 블라스팅하여 최상층을 제거하면 검정색의 Al₂O₃ 층이 드러나게 된다. 이러한 경우 경사면의 코팅을 바람직하게 낮은 인장 응력을 갖게 되며, 여유면은 코팅의 선택과 사용 되는 초경합금 인서트의 열 팽창 계수 (coefficient of Thermal Expansion : CTE) 에 따라서 600 - 1000 MPa 의 높은 인장 응력을 갖게 된다.

실시예 1

조성이 12.6 wt% Co, 1.25 wt% TaC, 0.32 wt% NbC 와 나머지로서 WC 로 이루어진 R390-11T308M-PM 형의 초경합금 절삭 인서트 (열팽창 계수 = 약 6 * 10^-6 ) 에 930℃ 에서 일반적인 CVD 기술을 사용하여 0.5 ㎛ 두께의 TiN 층을 코팅한 후, 885℃ 에서 처리 가스로서 TiCl₄, H₂, N₂ 와 CH₃CN 을 사용하여 MTCVD 기술을 적용하여 2㎛ 두께의 TiC_xN_y 층을 코팅하였다. 동일한 코팅 싸이클 동안 다음 공정 단계에서 TiCl₄, CO 와 H₂ 를 사용하여 1000℃ 에서 약 0.5㎛ 두께의 TiC_xO_z 층을 증착하고, 그 후에 2.2㎛ 두께의 α-Al₂O₃ 층이 형성되기 전에 2분동안 2% CO₂, 5% HCl, 93% H₂ 의 혼합기체로 반응기를 플러싱 하였다. 상기 증착 단계 동안의 공정 조건은 다음과 같다.

단계	TiN	TiC_xN_y	TiC_xO_z	플러쉬	Al₂O₃
TiCl₄	1.5 %	1.4 %	2 %
N₂	38 %	38 %
CO₂				2%	4 %
CO			6%
AlCl₃					3.2 %
H₂S					0.3 %
HCl		1 %		5 %	3.2 %
H₂	나머지	나머지	나머지	나머지	나머지
CH₃CN		0.6 %
압력	160 mbar	60 mbar	60 mbar	60 mbar	70 mbar
온도	930 ℃	885 ℃	1000 ℃	1000 ℃	1000 ℃
시간	30 min	1 h	20 min	2 min	2 h

증착된 Al₂O₃ 층의 XRD 분석 결과, Al₂O₃ 층은 오직 α상만으로 이루어진 것으로 나타났다.

실시예 2

실시예 1 의 과정이 반복되나, TiC_xN_y단계의 처리 시간이 1.5 h 이고, Al₂O₃단계의 처리 시간은 4 시간이다. 약 3㎛ 의 TiC_xN_y 와 4.5㎛ 의 α - Al₂O₃의 코팅이 얻어졌다.

실시예 3

실시예 1 의 과정이 반복되나, Al₂O₃단계의 처리 시간은 6 시간이다. 약 2㎛ 의 TiC_xN_y 와 6.5㎛ 의 α - Al₂O₃의 코팅이 얻어졌다.

실시예 4

실시예 1, 2, 3 으로부터 얻어진 코팅된 인서트는 각기 다른 조건들하에서 습식 블라스팅 (양 측면) 과 날 브러싱에 의해 후 처리되었다. 블라스팅은 두 단계로 수행된다. 먼저 Al₂O₃ 그릿 (입자 크기 F80, FEPA - 표준) 와 물로 이루어진 슬러리를 사용하고, 두번째 단계에서는 Al₂O₃ 그릿 (입자 크기 F320, FEPA - 표준) 을 사용한다. 이러한 단계들의 목적은 인장 응력 레벨을 줄이고 아주 매끄러운 코팅을 얻기 위해서다. 첫번째 단계에서 사용되는 네가지 다른 블라스팅 압력은 1.8, 2.0, 2.2, 2.4 바 이고 두가지 다른 분사 각도는 45°, 90°이다. 두번째 단계에서는 2 바 의 압력과 90°의 분사 각도만이 사용되었다. 절삭날을 따 라 또는 그 부근에서의 코팅 표면을 매끄럽게 하기 위해 어떤 인서트들은 SiC 입자가 함유된 나일론 브러쉬를 사용해 브러싱 되었다. 후 처리된 서로 다른 인서트의 코팅을 높은 배율의 주사 전자 현미경 (Scanning Electron Microscope : SEM) 으로 조사하였다. 조사 결과 2.4 바 에서 블라스팅된 실시예 1 의 일부 인서트들만이 절삭날에서 코팅의 산발적인 플레이킹이 나타났다. 90°에서 블라스팅된 인서트는 45°에서 블라스팅된 것에 비하여 표면이 약간 더 매끄러움을 보여주었다.

주지의 조도값인 Ra 값으로서 표현되는 코팅 표면의 매끄러움 정도는 브러싱된 것과 블라스팅 되지 않은 것들을 제외한 모든 인서트들에 대하여 표면 이미지 시스템 AG (Surface Imaging System AG :SIS) 의 장비를 사용하여 AFM 으로 측정되었다. 상기 조도는 무작위로 선택된 10 개의 표면 영역 (10㎛ × 10㎛) 에 대하여 측정되었다. 위의 10 개의 Ra 값들의 평균 값은 아래 표 1 에 나타난 평균 Ra (mean Ra : MRa) 로 명명된 조도 값으로 사용된다.

Bragg-Brentano 회절계측기인 Siemens D5000 와 CuK_α- 방사선을 사용하여 X - Ray 회절 분석을 실시하여 I(012)/I(024) 비를 결정하였다. X-ray 소스 (CuK_α방사선) 와 면적 측정기 (Hi-star)로서 레이저-비디오 위치추적기, Euler 1/4 크래들, X-선 (CuK_α방사선) 발생기인 회전 양극 및 면적 검출기 (Hi-스타) 가 장착된 X-ray 회절계측기 Bruker D8 Discover-GADDS 에서 ψ 형상을 사용하여 잔류 응력이 계산된다. 0.5 mm 크기의 조준기 - 빔의 초점을 맞추는데 사용된다. 측각기를 2θ=126°, ω=63°및 φ = 0°, 90°, 180°, 270°으로 셋팅하여 TiC_xN_y(422) 반사로의 분석이 이루어진다. 각각의 φ 각도에 대하여 0°와 70°사이에서 8개의 ψ 경사각이 주어진다. sin²ψ 법은 Pseudo-Voigt-Fit 함수를 사용하여 반사 위치를 알아내고, MT CVD Ti(C,N) 층의 경우에 영률 E = 480 GPa 으로 일정하고 Poisson 비가 ν = 0.20 인 Bruker AXS 사의 DIFFRAC^Plus Stress 32 v. 1. 04 와 같은 상용 소프트웨어를 사용하여 잔류 응력을 측정하는데 사용된다. 이 경우 다음과 같은 파라미터가 사용된다 : 영률 E = 480 GPa, Poisson 비 ν = 0.20 . 2축 응력 상태의 경우 인장 응력은 얻어진 2 축 응력 평균값으로 계산된다.

실시예 5

각기 다른 후 처리를 거친 인서트들은 두 개의 다른 밀링 절삭 작업으로 시험되고, 상기 두 밀링 절삭 작업 모두 인성 특성을 크게 요구한다. 하기 조건들이 사용된다.

절삭 시험 1

합금강 SS2541 대해서 밀링 작업이 수행된다. 상기 작업 물은 직사각형 블록 이다. "힘든 진입"으로 분류되는 조건하에서, 상기 밀링 커터는 긴 변에서 작업물에 여러번 진입 되었다.

건식 조건

절삭 속도 V = 200 m/min

날당 이송 Fz = 0.17 mm/Z

축 방향 절삭 깊이 Ap = 3 mm

반경 방향 절삭 깊이 Ae = 16 mm

날의 수 = 1

세 개의 인서트 ( 각 인서트당 하나의 절삭날) 가 작업 물을 절삭하였다. 절삭날의 파손이 발생하기 전에 완료될 수 있는 진입 횟수로 표현되는 수명이 하기 표 1 에 나타나 있다.

절삭 시험 2

합금강 SS2244 에 대해 밀링 작업이 수행되었다. 작업 물의 모양은 밀링 커터의 직경 보다 매우 작은 두께를 가지는 얇은 긴 바아 모양이다. "힘든 탈출"으로 분류되는 조건하에서, 상기 밀링 커터는 길이 방향으로 바아를 지나갔다.

습식 조건

절삭 속도 V = 150 m/min

날당 이송 Fz = 0.15 mm/Z

축 방향 절삭 깊이 Ap = 3 mm

반경 방향 절삭 깊이 Ae = 7 mm

날의 수 = 2

3×2 인서트 ( 각 인서트당 하나의 절삭날) 가 작업 물을 절삭했다. 절삭날의 파손이 발생하기 전 완성될 수 있는 바아의 갯수로 표현되는 수명이 하기 표 1 에 나타나 있다.

경우	압력/블라스팅 각도 단계 1	평균 Ra 값 MRa	시험 1 평균수명	시험 2 평균수명	Al₂O₃ 층의 I(012)/ I(024)	TiC_xN_y 층의 응력
A	처리없음	>>0.09	2	< 1	0.8	700 MPa
B	브러싱처리	---	6	5	0.9	610 MPa
C	1.8 bar/45°	0.11	11	5	1.2	450 MPa
D	2.0 bar/45°	0.10	14	11	1.3	410 MPa
E	1.8 bar/90°	0.09	24	17	1.5	265 MPa
F	2.0 bar/90°	0.09	24	19	1.8	160 MPa
G	2.2 bar/90°	0.06	27	22	1.9	50 MPa
H	2.4 bar/90°	0.07	27	23	2.2	10 MPa
I	2.2 bar/90°	0.09	18	13	1.8	280 MPa
J	2.4 bar/90°	0.08	10	7	2.0	390 MPa

A-H) 2.5㎛ (TiN + TiCxNy) + 0.5㎛ TiCxOy + 2.2㎛ α-Al₂O₃

I) 3.5㎛ (TiN + TiCxNy) + 0.5㎛ TiCxOy + 4.5㎛ α-Al₂O₃

J) 2.5㎛ (TiN + TiCxNy) + 0.5㎛ TiCxOy + 6.6㎛ α-Al₂O₃

상기 절삭 시험의 결과 TiC_xN_y 층의 인장 응력이 가장 낮고, Al₂O₃ 층의 I(012)/I(024) 비가 가장 크며 또한 평균 Ra 값이 낮은 E, F, G 및 H 의 경우에 가장 우수한 인성 특성이 나타났다. 전체 코팅 두께가 8.5㎛ 인 I 의 경우는 비교적 더 얇은 5.2㎛ 의 두께를 갖는 경우 G 의 경우 만큼 좋은 특성을 보여주지 못한다 (그러나 여전히 만족스럽다). 또한 두꺼운 Al₂O₃층을 가지는 J 의 경우는 낮은 특성을 보여준다. J 의 경우 TiC_xN_y 층의 응력은 더 높은 390 MPa 이다. 이러한 사실들은 절삭 공구 인서트의 수명과 직접적으로 관계된 어떤 특성 파라미터가 존재함을 보여준다. 결과적으로, 고성능의 절삭 공구를 얻기 위해서는 많은 조건과 특징들이 동시에 존재해야만 한다.

상기의 과정들을 통해 개선된 인성 특성을 가진 CVD 코팅 공구 인서트 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.

Claims

경사면과 여유면을 각각 적어도 하나 갖는 일반적으로 다각형 또는 둥근 모양의 몸체를 포함하는 초경합금, 서멧 또는 세라믹재의 코팅된 절삭 공구 인서트로서, 상기 인서트의 적어도 경사면에는 바람직하게는 MTCVD 로 증착된 하나 이상의 TiC_xN_y 층 및 α- Al₂O₃ 외층을 포함하는 코팅이 2-10㎛ 의 두께로 적어도 부분적으로 피복 되어 있는 상기 절삭 공구 인서트에 있어서,

상기 하나 이상의 경사면과 여유면에서

- TiC_xN_y 층은 두께가 1 - 8㎛, 바람직하게는 2 -5 ㎛ 이며, 인장 응력 레벨은 10 - 300 MPa 이고,

-α-Al₂O₃ 층은 최외각 층으로서 두께가 1 - 5 ㎛, 바람직하게는 2 -4 ㎛ 이며, XRD 회절 강도 비가 I(012)/I(024) ≥ 1.5 이고, AFM 기술로 10 개의 무작위 선택된 영역 10×10㎛² 에서 측정하였을때 평균 Ra 값 (MRa) < 0.1 ㎛ 이거나,

또는

- 상기 하나 이상의 경사면에서만

- TiC_xN_y 층은 두께가 1 - 8㎛ 이며, 인장 응력 레벨이 10 - 300 MPa 이고,

-α-Al₂O₃ 층은 두께가 1 - 5 ㎛, 바람직하게는 2 -4 ㎛ 이며, XRD 회절 강도 비가 I(012)/I(024) ≥ 1.5 이고, AFM 기술로 10 개의 무작위 선택된 영역 10× 10㎛² 에서 측정하였을때 평균 Ra 값 (MRa) < 0.1 ㎛ 이고,

상기 하나 이상의 여유면에서는

- TiC_xN_y 층은 인장 응력이 600 - 1000 MPa 이고,

-α-Al₂O₃ 층은 XRD 회절 강도 비가 I(012)/I(024) < 1.5 이고, 또한 다른 색깔이 나타나도록 0.1 - 2㎛ 의 얇은 두께를 지닌 TiN, TiC_xN_y 또는 TiC 층으로 덮여 있는 것을 특징으로 하는 코팅된 절삭 공구 인서트.
제 1 항에 있어서, 상기 TiC_xN_y 층위에 두께 0.1 - 1㎛ 의 얇은 TiC_xN_yO_z 결합층을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 열 팽창 계수가 5.5 * 10^-6 m/K 이상인 초경합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트.
높은 표면 매끄러움과 낮은 인장 응력 레벨을 가진 TiC_xN_y 층과 α- Al₂O₃ 층을 가지는 CVD 코팅 절삭 공구 인서트를 제조하는 방법에 있어서, 상기 코팅에 대하여 1.8 - 2.4 바의 공기 압력에서 Al₂O₃ 의 F80 그릿과 물로 이루어진 슬러리를 사용하는 첫번째 강력한 습식 블라스팅을 실시하고, 이어서 약 2 바의 공기 압력에 서 Al₂O₃ 의 F320 그릿과 물로 이루어진 슬러리를 사용하는 두번째 블라스팅을 실시하는 것을 특징으로 하는 CVD 코팅 절삭 공구 인서트의 제조 방법.