KR101130454B1

KR101130454B1 - 코팅된 초경합금 절삭공구와 그 제조를 위한 코팅 전처리 및 코팅 방법

Info

Publication number: KR101130454B1
Application number: KR1020097022295A
Authority: KR
Inventors: 안동길; 이건우
Original assignee: 대구텍 유한회사
Priority date: 2007-04-27
Filing date: 2007-04-27
Publication date: 2012-04-12
Also published as: EP2152926A1; KR20100005093A; JP2010524710A; WO2008133360A1; EP2152926A4; US8399103B2; US20100119773A1

Abstract

본 발명은 초경합금 절삭공구 코팅층의 표면 조도와 모재에 대한 결합력이 모두 탁월하게 개선되는 코팅 전처리 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 본 발명의 전처리 방법은 초경합금 절삭공구의 모재 표면으로부터 해당 모재의 텅스텐 카바이드 입도에 상응하는 0.5～5㎛ 범위 정도의 소결 표면층을 적절히 제거하여, 조직이 불균일한 다공질 소결 표면층이 제거되고 블라스팅 전처리에 비해 조직 밀도와 평활도가 높은 모재 표면이 제공된다. 이 때 코팅층과 모재 사이의 충분한 결합력을 확보하기 위하여 다공질의 소결 표면이 제거되면서 나타나는 표면의 텅스텐 카바이드 입자 주위에 존재하는 소결기공(open pore)의 면적비율을 5％ 이상 확보하도록 한다.

Description

코팅된 초경합금 절삭공구와 그 제조를 위한 코팅 전처리 및 코팅 방법 {COATED CEMENTED CARBIDE CUTTING TOOLS AND METHOD FOR PRE-TREATING AND COATING TO PRODUCE CEMENTED CARBIDE CUTTING TOOLS}

본 발명은 코팅된 초경합금 절삭공구와 그 제조 방법에 관한 것이다.

절삭공구 표면의 코팅층은 공구의 내마모성을 증대시키고 마찰을 저감하는 등, 공구 수명을 향상시키기 위한 중요한 요소이다. 그런데 공구 표면 코팅층의 표면 조도가 나쁘면, 오히려 절삭저항이 커져서 피삭재와 융착되고 코팅층이 박리되기 쉬워진다. 그 결과 공구의 성능이 떨어지고 수명이 단축된다. 이를 방지하기 위해서는 코팅층의 표면 조도를 향상시키고 또한 코팅층과 모재와의 결합력을 개선할 필요가 있다.

초경합금 절삭공구의 모재는 텅스텐 카바이드(WC) 분말과 코발트(Co) 분말을 소정 형상으로 성형한 뒤 고온에서 가열하여 소결함으로써 얻어진다. 소결시 온도 변화에 직접 노출되었던 모재의 표면은, 조직이 치밀하고 균일한 내부에 비하여 텅스텐 카바이드와 코발트의 비율이 균일하지 않고, 요철이 심하게 형성된다. 이러한 초경합금 절삭공구의 표면에 코팅층을 형성할 경우, 초경합금 절삭공구 표면의 텅스텐 카바이드와 코발트의 불균일한 조성과 조직이 그 위에 형성되는 코팅층의 형 상에 악영향을 주어 균일한 코팅층이 형성될 수 없을 뿐만 아니라, 모재와 코팅층과의 결합력이 약해져 코팅층이 쉽게 박리된다. 따라서 초경합금 절삭공구의 모재에 코팅층을 형성하더라도 공구의 성능을 향상시키고 수명을 연장한다는 본연의 목적을 달성할 수 없다. 더욱이, 종래의 코팅 기술, 예컨대 Arc Ion Plating에 의해 코팅층을 형성하면 코팅층 표면에 거대 액적(macro droplet)이 형성되므로 코팅 공정에 의해 코팅층의 표면 조도가 더욱 악화될 수 있다.

이를 개선하기 위하여 코팅 후에 표면의 조도를 개선시키는 이른바 "후처리 공정"을 시행할 수 있으나, 이는 코팅된 초경합금 절삭공구의 표면 조도를 효과적으로 개선시키기는 어렵다. 또한, 코팅층과 모재와의 결합력을 근본적으로 향상시킬 수도 없다. 모재에 대한 코팅층의 결합력은 코팅층에 후처리를 실시하더라도 개선되지 않기 때문이다.

또한, 코팅을 수행하기 전(前) 단계에서 초경합금 절삭공구의 모재 표면을 처리하는 이른바 "전처리 공정"으로서 블라스팅(blasting) 법이 적용될 수 있다. 블라스팅 법이란, 수십 마이크론의 크기를 가진 알루미나와 같은 경질 입자를 절삭공구의 모재 표면 상에 고속 분사하여 표면의 일부와 표면에 부착된 이물질을 제거하도록 다듬질하는 것을 말한다. 그러나 블라스팅을 하더라도 초경합금 절삭공구의 불균일한 조직 및 심한 요철이 충분히 제거되지 않으며 코팅층의 표면 조도 및 모재에 대한 결합력을 충분히 개선시키기는 어렵다.

기술적 과제

본 발명은 위와 같은 종래기술의 문제점들을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 초경합금 절삭공구 코팅층의 표면 조도와 모재에 대한 결합력이 모두 탁월하게 개선되는 코팅 전처리 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 코팅 전처리 후에 코팅층을 형성하는 개선된 초경합금 절삭공구 코팅 방법을 제공하는 데에도 목적이 있다.

본 발명은 또한 코팅층의 표면 조도와 모재에 대한 결합력이 모두 탁월한 초경합금 절삭공구를 제공하는 데에도 목적이 있다.

기술적 해결방법

위와 같은 목적 및 그 밖의 다른 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 전처리 방법은 초경합금 절삭공구의 모재 표면으로부터 해당 모재의 텅스텐 카바이드 입도에 상응하는 0.5～5㎛ 범위정도의 소결 표면층을 적절히 제거한다. 이로써, 조직이 불균일한 다공질 소결 표면층이 제거되고 블라스팅 전처리에 비해 조직 밀도와 평활도가 높은 모재 표면이 제공된다. 이 때 코팅층과 모재 사이의 충분한 결합력을 확보하기 위하여 다공질의 소결 표면이 제거되면서 나타나는 표면의 텅스텐 카바이드 입자 주위에 존재하는 소결기공(open pore)의 면적비율을 5％ 이상 확보하도록 한다.

상기 표면층 제거에는 브러쉬에 의한 래핑 처리법이 이용될 수 있다.

전처리된 모재 표면은 CVD, PVD 등 공지된 코팅 방법에 의해 코팅된다. 코팅 공정 후에 코팅층 표면 조도를 더욱 향상시키기 위해 블라스팅, 브러쉬 등에 의한 후처리 공정이 시행될 수도 있다.

위와 같이 표면의 소정 두께의 소결 표면층을 제거하는 전처리 공정 후에 모재 표면을 코팅하면 코팅층 형성의 기점이 되는 코팅재의 핵이 모재 표면에 균일하게 생성되므로, 그 결과 PVD 코팅을 기준으로 표면 조도 Ra 0.05-0.2㎛인 우수한 코팅층을 얻을 수 있다. 이와 같이, 본 발명으로 전처리된 후 코팅된 초경합금 절삭공구는 표면조도가 우수하기 때문에, 블라스팅이나 브러쉬에 의한 코팅 후처리 공정을 추가하여 수행하더라도 짧은 시간 내에 Ra 0.05～0.15㎛의 표면 조도를 얻을 수 있다.

또한, 전처리 공정으로 모재 표면에 5％ 이상 확보된 소결기공의 면적비율이 코팅층(특히, PVD코팅층)과 모재와의 미끄러짐을 억제하는 앵커효과(anchor effect)를 제공한다. 따라서, 코팅층과 모재의 결합력이 탁월하게 개선된다.

본 발명에 따라 전처리 공정을 거친 뒤 코팅된 초경합금 절삭공구는 기존의 블라스팅 법에 의해 전처리된 뒤 코팅된 초경합금 절삭공구에 비해 약 25％ 이상 우수한 코팅공구의 공구 수명을 얻을 수 있다.

도1은 블라스팅 법에 의해 전처리된 초경합금 절삭인서트 모재의 단면 모식도,

도2는 도1의 모재 상에 코팅층이 형성되어 제공된 초경합금 절삭인서트의 단면 모식도,

도3은 블라스팅 법에 의해 전처리된 초경합금 절삭인서트의 모재 표면의 전자 현미경 사진,

도4는 본 발명의 일 실시예에 따라 전처리된 초경합금 절삭인서트 모재의 단면 모식도,

도5은 도4의 모재 상에 코팅층이 형성되어 제공된 초경합금 절삭인서트의 단면 모식도,

도6은 본 발명의 일 실시예에 따라 전처리된 초경합금 절삭인서트의 모재 표면의 전자 현미경 사진,

도7은 블라스팅 법에 의해 전처리된 초경합금 절삭인서트 모재에 대한 코팅층의 밀착 강도를 조사하기 위하여 압입 시험(indentation test)을 행한 후 광학 현미경으로 촬영한 사진,

도8은 본 발명의 일 실시예에 따라 전처리된 초경합금 절삭인서트 모재에 대한 코팅층의 밀착 강도를 조사하기 위하여 압입 시험을 행한 후 광학 현미경으로 촬영한 사진이다.

발명의 실시를 위한 최선의 형태

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 코팅된 초경합금 절삭공구에 대해 설명한다.

도1은 블라스팅 법에 의해 전처리된 초경합금 절삭인서트 모재의 단면 모식도이다. 블라스팅 후에도 소결 공정 후의 표면의 심한 요철이 제대로 균일하게 연마되어 있지 않은 것을 알 수 있다. 도1의 모재 표면 상에 코팅층이 형성되면, 도2에서 보는 바와 같이, 코팅층 두께가 일정하지 않고 표면에 심한 요철이 형성되므로 표면조도가 크다.

도3은 블라스팅 법에 의해 전처리된 초경합금 절삭인서트 모재의 표면을 전자 현미경으로 3,000배 확대 촬영한 사진이다. 상기 초경합금 절삭인서트 모재의 조성은 WC-8％Co이며, 1.5 bar 압력으로 블라스팅 전처리되었다. 도3으로부터 모재 표면의 조직이 불균일한 것을 알 수 있다.

도4는 본 발명에 따라 전처리된 초경합금 절삭인서트 모재의 단면 모식도이다. 초경합금 모재의 표면으로부터 대략 텅스텐 카바이드 입도에 상응하는 두께가 제거되어 치밀하고 균일한 내부 조직이 표면으로 드러나 있다. 따라서, 도5에 보이는 바와 같이, 그 위에 형성되는 코팅층의 표면 조도는 탁월하게 개선된다.

한편, 도6은 본 발명에 따라 전처리된 초경합금 절삭인서트 모재 표면을 전자 현미경으로 10,000배 확대 촬영한 사진이다. 상기 초경합금 절삭인서트 모재의 조성은 WC-8％Co이며, 50초간 회전 브러쉬를 이용하여 전처리되었다. 도6에서 검게 보이는 부분은 모재 표면의 소결기공이다. 본 발명에 따라 전처리된 초경합금 절삭인서트의 모재 표면에 상기 소결기공의 면적비율이 5％ 이상 확보되면 코팅층과 모재와의 미끄러짐을 억제하는 앵커효과(anchor effect)가 현저히 향상된다. 상기 소결기공의 면적비율은 모재의 표면조직 사진을 광학 현미경으로 촬영한 뒤 공지된 영상 스캔 프로그램을 사용하여 표면조직의 음영비율을 계산함으로써 측정할 수 있다.

도7 및 도8은 초경합금 절삭인서트 모재에 대한 코팅층의 밀착 강도를 비교하기 위해 압입 시험(indentation test)을 행한 후 광학 현미경으로 100배 확대 촬영한 사진이다. 도7은 초경합금 절삭인서트 모재를 블라스팅 법으로 전처리한 후 약 4㎛의 AlTiN 코팅층을 PVD 코팅한 것이다. 도8은 초경합금 절삭인서트 모재를 본 발명에 따라 전처리한 후 동일 조성 및 두께의 코팅층을 코팅한 것이다. 상기 압입 시험에는 로크웰 경도기 HRa가 사용되었으며, 선단이 대체로 구형인 압자가 60kg의 하중으로 압입되었다.

도7과 도8을 비교해 보면, 도7의 절삭인서트의 코팅층에서는 압자의 가압에 의해 형성된 오목부 주변에 다소의 균열이 관찰되는 반면, 도8의 절삭인서트의 코팅층에는 균열 없이 압자의 형상대로 구형 오목부가 뚜렷하게 형성되었음을 확인할 수 있다. 도7의 균열은 코팅층과 모재의 상호 결합 강도가 낮아서 생긴 결과이다.

이하, 본 발명에 따라 전처리하여 제조된 코팅된 초경합금 절삭공구의 실험예들을 설명한다.

[실험1]

본 발명자는 본 발명에 따라 제조된 코팅 절삭공구의 절삭성능시험을 아래와 같이 실시하였다.

절삭성능시험은 코팅된 절삭공구의 절삭날 측면(flank) 마모량이 0.25 mm에 달할 때까지 걸리는 시간을 절삭공구의 수명이라고 할 때, 각 절삭공구의 수명이 얼마나 긴지를 평가하였다. 절삭 도중 절삭날 결손(breakage), 치핑(chipping) 또는 코팅층 박리가 발생한 경우에는 그러한 결손, 치핑이나 박리가 발생한 때까지의 시간을 절삭공구의 수명으로 평가하였다.

상기 절삭성능시험에서 전처리 후 TiN/MTCN/a-Al₂O₃/TiN 코팅층(모재로부터 가까운 순서로 기재함)이 CVD 코팅된 ISO CNMG432 규격의 초경합금재 터닝 인서트 A로 스텐인리스 스틸(SUS304)을 절삭하였다. 또한, 전처리 후 AlTiN 코팅층이 PVD 코팅된 동일 규격의 초경합금재 터닝 인서트 B로 인코넬(Inconel718)을 절삭하였다. 본 발명자는 절삭인서트 A 및 B 각각에 대하여, 본 발명에 따른 전처리 방법이 적용된 경우와 종래의 블라스팅 법에 따른 전처리 방법이 적용된 경우를 나누어 시험하였다.

절삭조건은 인서트 A의 경우 절삭 속도(v)= 200 rpm, 이송량(f)= 0.30 mm/rev, 절삭 깊이(d)= 2.0mm, 습식이었다. 또한, 인서트 B의 경우 절삭 속도(v)= 60 rpm, 이송량(f)= 0.16 mm/rev, 절삭 깊이(d)= 1.0mm, 습식이었다. 그 결과를 아래의 [표 1]에 표시하였다.

표 1

위 [표 1]에서 확인되는 바와 같이, 본 발명에 의해 전처리된 뒤 코팅된 절삭인서트가 종래의 블라스팅 법에 의해 전처리된 뒤 코팅된 절삭인서트에 비해 공구 수명이 긴 것을 확인할 수 있다. 절삭인서트 A의 경우, 본 발명에 의해 전처리된 것이 종래 블라스팅 법에 의하여 전처리된 경우에 비해 공구 수명이 약 28％ 길 었으며, 절삭인서트 B의 경우, 본 발명에 의해 전처리된 것이 종래 블라스팅 법에 의하여 전처리된 것에 비해 공구 수명이 약 26％ 길었다.

이것은 본 발명에 의해 제조된 초경합금 절삭공구의 코팅층 표면이 미세하고 평활하여 절삭 저항이 작고 피삭재와 융착이 잘 되지 않을 뿐만 아니라, 모재와 코팅층의 결합력도 훨씬 향상된 결과이다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나 이는 예시적인 것으로서, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 이로부터 다양한 변형 실시가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

Claims

초경합금 절삭공구 모재의 표면을 0.5～5㎛ 범위에서 균일하게 제거하여 표면이 평활한 면을 가지면서 모재 표면의 텅스텐 카바이드 입자 주위에 존재하는 소결기공의 면적비율이 5％ 이상이 잔존하도록 만드는 단계와,

상기 제거된 표면 상에 코팅하는 단계를 포함하는 코팅된 초경합금 절삭공구의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 코팅을 실시한 후, 코팅층의 표면조도를 향상시키기 위해 코팅층을 후처리하는 단계를 더 포함하는 코팅된 초경합금 절삭공구의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제거는 브러쉬를 사용한 표면처리에 의해 수행되는 코팅된 초경합금 절삭공구의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 코팅층의 표면 조도는 Ra 0.2㎛ 이하인 코팅된 초경합금 절삭공구의 제조 방법.
초경합금 모재와 그 표면의 코팅으로 구성되는 코팅된 초경합금 절삭공구이며,

표면 조도가 Ra 0.2㎛ 이하이고,

코팅 전 초경합금 절삭공구 모재의 표면을 0.5～5㎛ 범위에서 균일하게 제거하여 코팅 전 모재 표면의 텅스텐 카바이드 입자 주위에 존재하는 소결기공의 면적비율이 5％ 이상인 절삭공구.
제5항에 있어서, 상기 제거된 모재의 표면은 브러쉬에 의한 표면 가공면인 절삭공구.