KR101299783B1

KR101299783B1 - 절삭 인서트

Info

Publication number: KR101299783B1
Application number: KR1020110089147A
Authority: KR
Inventors: 박권희; 이대엽
Original assignee: 대구텍 유한회사
Priority date: 2011-09-02
Filing date: 2011-09-02
Publication date: 2013-08-23
Also published as: JP2014524363A; EP2751047A1; US20140212233A1; EP2751047A4; WO2013032309A1; KR20130025689A

Abstract

본 발명은 절삭 인서트의 절삭날부만을 SiC 휘스커 강화 세라믹으로 형성하고, 이를 활성 솔더를 통해 생크부에 브레이징하는 것으로 절삭 인서트를 구성함으로써 절삭 인서트의 형상 제한이나 과도한 비용 소모 없이 SiC 휘스커 강화 세라믹의 높은 인성과 강도에 의해 우수한 절삭 성능을 발휘할 수 있도록 하는 절삭 인서트에 관한 것으로, SiC 휘스커 강화 세라믹으로 이루어지는 절삭날부와 초경 합금, 서밋 또는 세라믹으로 이루어지는 생크부를 포함하고, 상기 절삭날부는 활성 솔더를 이용하여 상기 생크부에 브레이징 되며, 상기 절삭날부에는 상기 휘스커가 무질서하게 배열되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

절삭 인서트{CUTTING INSERT}

본 발명은 절삭 인서트에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 절삭 인서트의 절삭날부만을 SiC 휘스커 강화 세라믹으로 형성하고, 이를 활성 솔더를 통해 생크부에 브레이징하는 것으로 절삭 인서트를 구성함으로써 절삭 인서트의 형상 제한이나 과도한 비용 소모 없이 SiC 휘스커 강화 세라믹의 높은 인성과 강도에 의해 우수한 절삭 성능을 발휘할 수 있도록 하는 절삭 인서트에 관한 것이다.

세라믹 재료는 내마모성과 내열성 등이 우수하여 고속절삭에 적합한 기계적 특성을 지니는 반면 세라믹 고유의 취성으로 인해 낮은 파괴인성을 갖는 단점이 있다. 이러한 취약점의 개선 방안으로 세라믹 재료에 휘스커를 첨가하여 복합화한 세라믹 복합 재료가 널리 이용된다. 대표적인 세라믹 복합 재료로는 세라믹을 SiC 휘스커로 보강한 SiC 휘스커 강화 세라믹을 들 수 있으며, SiC 휘스커 강화 세라믹은 인성 및 강도가 우수하여 인코넬(Inconel), 와스팔로이(Waspaloy), 스텔라이트(Stellite)와 같은 난삭재의 가공에 이용된다.

SiC 휘스커 강화 세라믹을 사용하는 절삭 인서트는 일반적으로, 프레스용 분말(ready to press powder)을 열간 가압(hot pressing)하여 소결체를 형성하고, 레이저 커팅(laser cutting)및 그라인딩(grinding)을 통해 절삭 인서트에 마련되는 클램핑 홀 등을 가공하는 공정을 거쳐 제조된다. 이들 공정 중 열간 가압 공정 및 레이저 커팅 공정은 아래 기술하는 바와 같이 SiC 휘스커 강화 세라믹 인서트의 제조를 위해 요구되는 고유한 공정에 해당한다.

먼저, SiC 휘스커 강화 세라믹의 소결에는 열간 가압 공정이 필수적이다. SiC 휘스커 강화 세라믹은 일반적인 분말 야금 공정에 의해서는 전밀도(full density)를 얻기 매우 어려운 재료이다. 따라서 절삭 인서트의 치밀화를 위해서 열간 가압 공정이 요구된다.

그러나 이러한 열간 가압 공정에서는 높은 온도와 압력에 의해 재료의 모양에 변형이 발생하게 되므로 복잡한 기하학적 형상을 갖는 인서트를 제조하기 어렵다. 따라서, 예컨대 제조하려는 절삭 인서트가 클램핑 홀을 구비하거나 딤플 타입 혹은 그루빙 인서트 등 특수한 형상을 지니는 경우라면 이러한 클램핑 홀 등은 열간 가압 이후 별도의 가공 공정을 수행함으로써 형성해야 한다. 이 경우 SiC 휘스커 강화 세라믹은 경도가 매우 높기 때문에 일반 커팅을 통한 가공이 용이하지 않아 고비용의 레이저 커팅에 의해야만 한다.

결국, SiC 휘스커 강화 세라믹 인서트의 제조를 위해 요구되는 고유한 공정인 열간 가압 공정으로 인해 구현가능한 SiC 휘스커 강화 세라믹 인서트의 형상이 제한되며, 레이저 장비를 통해 가공하는 경우에도 SiC 휘스커 강화 세라믹의 높은 경도로 인해 가공이 쉽지 않은 단점이 있다.

뿐만 아니라 클램핑 홀 등의 형성을 위해서는 추가적으로 고비용의 레이저 커팅을 수행해야 하므로 절삭 인서트의 제조 단가가 상승하게 되는 문제점이 있다.

일본공개특허 제1993-301764호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로 SiC 휘스커 강화 세라믹을 사용하여 절삭 인서트를 제조하는 경우에도 클램핑 홀 등을 구비하는 복잡한 기하학적 형상의 절삭 인서트를 구현할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 클램핑 홀 등의 형성에 필요한 레이저 커팅 공정 등을 수행함에 따라 수반되는 과도한 비용을 절감할 수 있는 절삭 인서트를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 절삭 인서트는 SiC 휘스커 강화 세라믹으로 이루어지는 절삭날부와 초경 합금, 서밋 또는 세라믹으로 이루어지는 생크부를 포함하고, 상기 절삭날부는 활성 솔더를 이용하여 상기 생크부에 브레이징 되며, 상기 절삭날부에는 상기 휘스커가 무질서하게 배열되고 뭉쳐져 있는 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 SiC 휘스커 강화 세라믹은 1.0 내지 40 wt%의 SiC 휘스커와, MgO, ZrO₂, Y₂O₃를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 30 wt% 이하(0 wt%를 포함함)의 금속 산화물 및 30 내지 99 wt%의 Al₂O₃를 포함하는 절삭 인서트.

60 내지 99 wt%의 Al₂O₃를 포함하거나, 1.0 내지 40 wt%의 SiC 휘스커와 80 wt% 이하(0 wt%를 포함함)의 Al₂O₃ 및 금속 탄화물, 금속 탄질화물, 금속 질화물, 금속 붕소화물을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 99 wt% 이하(0 wt%를 포함함)의 금속 화합물을 포함할 수 있다.

또한, 상기 활성 솔더는 은 구리 및 티타늄으로 이루어져서 0.5 내지 20 wt%의 티타늄과, 40 내지 80 wt%의 은 및 40 wt% 이하의 구리(0 wt%를 포함함)를 포함하거나, 구리, 니켈, 티타늄 및 지르코늄으로 이루어져서 10 내지 40 wt%의 티타늄과, 10 내지 40 wt%의 지르코늄과, 10 내지 30 wt%의 구리 및 20 wt% 이하(0 wt%를 포함함)의 니켈을 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면 절삭 인서트의 생크부가 클램핑 홀이나 딤플 또는 그루브 등 복잡한 기하학적 형상을 갖도록 형성하고, 절삭날부만을 SiC 휘스커 강화 세라믹으로 형성함으로써, 형상의 제한이 없어 다양한 기하학적 구조로 구현가능한 동시에 SiC 휘스커 강화 세라믹의 높은 강도와 인성으로 인해 우수한 절삭 성능을 발휘할 수 있는 절삭 인서트가 제공된다.

아울러, 가공에 직접 기여하는 절삭날부만을 SiC 휘스커 강화 세라믹으로 형성하고 이를 생크부에 브레이징 결합하는 것으로 절삭 인서트를 구성하므로 절삭 인서트를 제조하기 위해 사용되는 고가의 SiC 휘스커 강화 세라믹 재료를 절감할 수 있다.

또한, SiC 휘스커 강화 세라믹에 클램핑 홀 등을 형성하기 위해 수행하는 고가의 레이저 커팅 및 그라인딩 공정이 필요하지 않으므로 절삭 인서트의 제조 비용을 낮출 수 있는 장점이 있다.

절삭날부를 구성하는 SiC 휘스커는 특정 방향으로 정렬되는 것이 아니라 세라믹 기지 내에서 무질서한 배향을 가지고 뭉쳐지므로 모든 방향에 대해 균일하게 파괴강도 향상에 기여하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 절삭 인서트의 (a) 평면도 및 (b) 정면도이다.
도 2는 구상화된 SiC 휘스커 강화 세라믹 혼합 분말의 확대도이다.
도 3은 소결체 표면의 연마면 조직의 확대도이다.
도 4는 기지조직 내의 SiC 휘스커의 분포 형상을 나타내는 확대도이다.
도 5는 절삭날부와 생크부의 용접부 계면의 확대도이다.

이하, 본 발명의 일실시예에 따른 절삭 인서트(1)를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1을 참조하면 본 발명의 일실시예에 따른 절삭 인서트(1)의 (a) 평면도 및 (b) 정면도가 도시된다. 본 실시예에 따른 절삭 인서트(1)는 클램핑 홀(21)을 구비하는 생크부(20)와 피삭재의 가공에 직접 기여하는 절삭날부(10)를 구비한다.

생크부(20)는 절삭 인서트(1)의 몸체를 이룬다. 생크부(20)의 단부에는 절삭날부(10)가 장착될 수 있도록 절삭날부(10)의 개수와 형상에 대응하는 홈이 마련된다. 생크부(20)는 중앙에 절삭 인서트(1)를 절삭 공구에 고정시킬 수 있도록 하는 클램핑 홀(21)을 구비하고 있으나, 생크부(20)는 초경 합금(cemented carbide), 서밋(cermet), 세라믹(ceramic) 등의 재질로 이루어져서 가공에 어려움이 없으므로 구현가능한 형상에 어떠한 제한도 받지 않는다. 즉, 본 실시예에서와 같이 복잡한 기하학적 형상이 형성되는 영역이 생크부(20)에 포함되기만 한다면, 클램핑 홀(21)을 구비하는 인서트가 아니더라도, 딤플 타입 인서트나 그루빙 인서트 이외에 절삭 인서트가 어떠한 기하학적 형상을 지닌 경우라도 가능하다.

절삭날부(10)는 생크부(20)에 마련된 대응홈에 장착되어 절삭 인서트(1)의 단부에 위치하여 가공시 피삭재와 직접 접촉한다. 본 실시예에서는 절삭 인서트(1)가 4개의 절삭날부(10)를 구비하는 경우를 예시하였으나 이에 한정되는 것은 아니며, 단부의 전부 또는 일부에만 절삭날부(10)가 장착될 수도 있다.

절삭날부(10)는 SiC 휘스커 강화 세라믹으로 이루어진다. SiC 휘스커 강화 세라믹은 30 내지 99 wt%의 Al₂O₃ 기지에 1.0 내지 40 wt%의 SiC 휘스커가 포함되고 MgO, ZrO₂, Y₂O₃를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 0 내지 30 wt% 이하의 금속 산화물이 포함될 수 있다. 또한, 0 내지 80 wt%의 Al₂O₃ 또는 금속 탄화물, 금속 탄질화물, 금속 질화물, 금속 붕소화물을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 0 내지 99 wt%의 금속 화합물 기지에 1.0 내지 40 wt%의 SiC 휘스커가 포함되는 조성을 가질 수 있다.

위와 같이 SiC 휘스커 강화 세라믹으로 이루어지는 절삭날부(10)를 구비하는 절삭 인서트(1)의 제조 방법을 기술하면 아래와 같다.

절삭날부(10)의 제조를 위하여 SiC 휘스커 강화 세라믹 분말을 구상화 처리한다. 상술한 조성을 갖도록 SiC 휘스커 강화 세라믹의 각 분말을 혼합한 후 혼합된 분말이 서로 균일하게 섞일 수 있도록 건식이나 습식으로 믹싱 혹은 밀링을 실시한다. 이러한 분말을 에틸알콜, 유기용매 또는 물 등 증발이 용이한 액체에 섞은 슬러리 상태의 혼합물을 만들고, 스프레이 드라이어를 이용하여 노즐을 통해 분사하면서 열을 가해 액체 성분을 증발시킨다. 액체 성분이 날아가면서 표면적을 최소화하려는 성질에 의해 잔류 고체 성분은 둥글게 뭉쳐지게 되며 결과적으로 도 2에 도시되는 바와 같이 구상화된 혼합 분말을 얻을 수 있다. 도 2는 구상화된 혼합 분말의 100배 확대도이다.

이와 같은 구상화 처리를 하면 성형 작업시 균일한 충진 밀도를 얻을 수 있고 내부 기공을 최소화함으로써 높은 소결 밀도를 얻을 수 있다. 또한 구상화된 혼합 분말을 유동성이 좋아서 넓은 면적의 판재를 제조하는 데에 있어서도 두께 편차가 최소화되며, 소결 후에도 균일한 밀도를 갖는 소결체를 얻을 수 있는 장점이 있다.

이후 열간 가압 공정을 통해 구상화 처리된 혼합 분말을 가압하여 소결체를 형성한다. 열간 가압 시에는 후술하는 바와 같이 SiC 휘스커가 가능한 한 무질서하게 배열될 수 있도록 일정한 압력을 고르게 가해준다. 도 3은 이렇게 형성된 소결체의 연마면 조직을 200배 배율로 관찰한 이미지를 도시한다. 소결 후에도 분말의 둥근 형태가 유지되고 있어서 입자들이 뭉쳐 있는 형상이 관찰되며, 이러한 형상은 소결체를 절삭 공구로 사용하는 경우 충격을 완화시키며 내결손성 향상에 기여하게 된다.

도 4는 소결체를 5000배의 고배율로 관찰한 이미지를 도시한다. 고배율 이미지에서 밝은 회색으로 표시되는 부분은 Al₂O₃ 기지(11)를 나타내고, 짙은 회색으로 표시되는 침상의 부분은 SiC 휘스커(12)를 나타낸다. 도면에서 확인할 수 있는 바와 같이 SiC 휘스커(12)는 Al₂O₃ 기지(11) 내에서 다양한 길이를 갖는 것으로 도시된다. 이는 SiC 휘스커(12)의 배향에 따라 그 길이가 달리 관측되는 것으로서 길이가 긴 것은 수평으로 배향되어 있는 것이며, 길이가 짧은 것은 수직으로 배향되어 있는 것이다. 이와 같이 휘스커는 일정 방향으로 정렬된 것이 아니라 무질서하게 배열되고 뭉쳐져 있으므로 특정 방향이 아닌 모든 방향에 대해서 균일하게 파괴강도 향상에 기여하게 된다.

절삭날부(10)와 생크부(20)가 제조되면 절삭날부(10)는 브레이징을 통해 생크부(20)의 대응홈에 장착된다. 오염을 피하기 위하여 브레이징 공정은 아르곤과 같은 불활성 가스 분위기에서 이루어진다. 일반적으로 세라믹과 금속 사이에는 고용도가 없고 마찰계수가 낮아서 용접을 통해 접합하는 것이 거의 불가능하다. 본 실시예에 따른 절삭 인서트(1)의 경우 절삭날부(10)는 SiC 휘스커 강화 세라믹으로 이루어지는 반면 생크부(20)는 초경 합금으로 이루어지므로 일반적인 솔더를 가지고는 접합이 이루어지지 않는다. 따라서 SiC 휘스커 강화 세라믹을 고강도로 접합시킬 수 있는 활성 솔더를 사용하여 브레이징하였으며, 활성 솔더의 조성은 0.5 내지 20 wt%의 티타늄과, 40 내지 80 wt%의 은 및 0 내지 40 wt%의 구리를 포함하거나, 10 내지 40 wt%의 티타늄과, 10 내지 40 wt%의 지르코늄과, 10 내지 30 wt%의 구리 및 0 내지 20 wt%의 니켈을 포함할 수 있다. 이러한 활성 솔더를 사용하는 브레이징 방법은 생크부(20)가 서밋이나 세라믹으로 이루어지는 경우에도 그대로 적용 가능하므로 본 발명에 따른 절삭 인서트(1)의 생크부(20)는 초경 합금, 서밋 또는 세라믹으로 이루어질 수도 있다.

도 5는 용접부의 계면을 도시하는 도면으로, 이를 참조하면 절삭날부(10)를 이루는 SiC 휘스커 강화 세라믹과 생크부(20)를 이루는 초경 합금이 그 사이에 유입된 활성 솔더(30)와 견고하게 접합하고 있는 것을 볼 수 있다. 절삭 성능의 평가 결과 용접부의 탈락이 발생하지 않았으며, 용접하지 않은 공구에 비해 더 우수한 절삭 성능을 나타냄을 확인할 수 있었다.

상술한 바와 같이 절삭날부(10)는 절삭 인서트(1)의 단부 첨단에만 장착되며 복잡한 기하학적 형상이 형성되는 영역에까지 이르지 않는다. 생크부(20)의 대응홈에 맞는 형상으로 가공하는 이외에 레이저 커팅 등을 이용하여 클램핑 홀 등을 형성하기 위한 추가적인 가공을 가할 필요가 없으므로 SiC 휘스커 강화 세라믹을 레이저 커팅함으로써 발생하는 비용을 줄일 수 있다.

아울러, 원하는 기하학적 형상은 생크부(20)를 통해 구현하고, 가공에 직접 기여하는 절삭 인서트(1)의 단부 영역만을 SiC 휘스커 강화 세라믹 재료로 제조하므로 고가의 SiC 휘스커 강화 세라믹 재료의 사용량을 줄일 수 있어 제조 단가를 낮출 수 있는 장점이 있다.

1 : 절삭 인서트 10 : 절삭날부
11 : Al₂O₃ 기지 12 : SiC 휘스커
20 : 생크부 21 : 클램핑 홀
30 : 활성 솔더

Claims

SiC 휘스커 강화 세라믹으로 이루어지는 절삭날부와 상기 절삭날부가 결합되는 생크부를 포함하고,
상기 절삭날부는 활성 솔더를 이용하여 상기 생크부에 브레이징 되며,
상기 절삭날부에는 상기 휘스커가 무질서하게 배열되고 뭉쳐져 있는 절삭 인서트.
제1항에 있어서, 상기 SiC 휘스커 강화 세라믹은 1.0 내지 40 wt%의 SiC 휘스커와, MgO, ZrO₂, Y₂O₃를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 30 wt% 이하(0 wt%를 포함함)의 금속 산화물 및 30 내지 99 wt%의 Al₂O₃를 포함하는 절삭 인서트.
제1항에 있어서, 상기 SiC 휘스커 강화 세라믹은 1.0 내지 40 wt%의 SiC 휘스커와, 80 wt% 이하(0 wt%를 포함함)의 Al₂O₃ 및 금속 탄화물, 금속 탄질화물, 금속 질화물, 금속 붕소화물을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 99 wt% 이하(0 wt%를 포함함)의 금속 화합물을 포함하는 절삭 인서트.
제1항에 있어서, 상기 활성 솔더는 0.5 내지 20 wt%의 티타늄과, 40 내지 80 wt%의 은 및 40 wt% 이하(0 wt%를 포함함)의 구리를 포함하는 절삭 인서트.
제1항에 있어서, 상기 활성 솔더는 10 내지 40 wt%의 티타늄과, 10 내지 40 wt%의 지르코늄과, 10 내지 30 wt%의 구리 및 20 wt% 이하(0 wt%를 포함함)의 니켈을 포함하는 절삭 인서트.
제1항에 있어서, 상기 생크부는 초경 합금, 서밋 또는 세라믹으로 이루어지는 절삭 인서트.
SiC 휘스커 강화 세라믹 분말을 균일하게 혼합하는 단계와,
혼합된 상기 SiC 휘스커 강화 세라믹 분말을 스프레이 드라잉하여 구상화 처리하는 단계와,
구상화 처리된 상기 SiC 휘스커 강화 세라믹 분말을 열간 가압하여 소결시킴으로써 무질서하게 배열되고 뭉쳐진 SiC 휘스커를 포함하는 절삭날부를 제조하는 단계와,
활성 솔더를 이용하여 상기 절삭날부를 초경 합금으로 이루어지는 생크부에 브레이징하는 단계를 포함하는 절삭 인서트 제조 방법.