KR101506031B1 - 초합금의 일반적인 선삭가공용의 코팅된 절삭공구 인서트 - Google Patents

초합금의 일반적인 선삭가공용의 코팅된 절삭공구 인서트 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초합금의 일반적인 선삭작업에 특히 유용한 코팅된 초경합금 인서트에 관한 것이다.
상기 인서트의 조성은 WC, 5.0 ~ 7.0 중량%의 Co, 0.22 ~ 0.43 중량%의 Cr 을 포함하며, 보자력은 19 ~ 28 kA/m 이다.
코팅은 NaCl형 결정구조의 (TixAl1 -x)N 단일층을 포함하며, 여기서 x는 0.25 ~ 0.50 이며, 총 두께는 3.0 ~ 5.0 ㎛, (200) 집합조직을 가지고, 최외각 TiN층 아래에서 2.5 * 10-3 ~ 5.0 * 10- 3 의 압축잔류 변형률을 가진다.
초경합금, 초합금, 인서트

Description

초합금의 일반적인 선삭가공용의 코팅된 절삭공구 인서트 {Coated cutting tool for general turning in heat resistant superalloys (HRSA)}
본 발명은 초경합금 기재 및 코팅을 포함하는 절삭공구 인서트에 관한 것으로, 상기 인서트는 초합금의 일반적인 선삭가공에 특히 유용하다. 잔류 변형률이 감소된 후막 PVD 코팅과 조화된 미립 기재는 내마모성이 매우 향상된다.
초합금은 고온에서 이례적인 기계적/화학적 특성을 요구하는 응용분야를 위하여 특별하게 고안된 니켈, 철 및 코발트계 합금을 광범위하게 말한다. 이 합금은 전통적으로 항공기 엔진의 고온 단부 및 지상에서 사용하는 터빈 (land based turbine) 에 이용되었다. 고온 특성을 개선하기 위한 거의 모든 야금학적 변화는 이 합금의 기계가공을 더욱 어렵게 하였다.
고온강도가 증가하였기 때문에, 상기 합금은 절삭 온도에서 더욱 경해짐과 동시에 강성을 가지게 된다. 그 결과, 기계가공시에 절삭날 상에서 마모가 증가하고 절삭력이 증가하였다.
강도가 큰 재료일수록 칩 형성시에 더욱 많을 열을 발생시키고, 또한 이 합금의 열전도도가 비교적 낮기 때문에, 절삭 온도가 매우 높아지게 되고, 이는 절삭 날의 마모가 증가하는 것에 기여한다.
더욱 안 좋은 것은, 상기 합금에 주조 또는 용체화 처리 특성을 부여하기 위한 열처리를 하기 때문에 마모성 탄화물 석출물 또는 기타 제 2 상 입자가 종종 형성된다는 것이다. 이 입자들도 상기 절삭날의 급속한 마모를 유발한다.
본 발명의 목적은 초합금의 일반적인 습식 기계가공을 위하여 내마모성이 향상된 코팅 초경합금을 제공하는 것이다.
PVD법으로 성장시킨 (Ti,Al)N 단일층으로 코팅되며 마이크론 이하의 WC 입도를 가지며 Co 함량이 낮은 초경합금은 습식 조건하에서 초합금의 일반적인 기계가공에 대한 생산성을 매우 향상시키는 것으로 밝혀졌다.
본 발명에 따르면, 기재 및 코팅을 포함하는 코팅된 절삭공구 인서트가 제공된다. 상기 기재는 WC, 5.0 ~ 7.0, 바람직하게는 5.5 ~ 6.5, 가장 바람직하게는 5.8 ~ 6.2 중량%의 Co, 0.22 ~ 0.43, 바람직하게는 0.24 ~ 0.33, 가장 바람직하게는 0.26 ~ 0.29 중량%의 Cr을 포함하며, 보자력 (Hc) 은 19 ~ 28, 바람직하게는 21 ~ 27, 가장 바람직하게는 22.5 ~ 26.5 kA/m 이다. 바람직하게는, 코팅 전의 상기 인서트의 날 반경 (edge radius) 은 15 ~ 30 ㎛ 이다.
상기 코팅은 (TixAl1 -x)N 단일층을 포함하며, 여기서 x는 0.25 ~ 0.50, 바람직하게는 0.30 ~ 0.40, 가장 바람직하게는 0.33 ~ 0.35 이다. 상기 (Ti,Al)N 층의 결정 구조는 NaCl형이다. 상기 층의 총 두께는 3.0 ~ 5.0 ㎛, 바람직하게는 3.5 ~ 4.5 ㎛ 이다. 상기 두께는 플랭크면의 중앙에서 측정된 것이다.
상기 층은 (200) 방향에서 강하게 조직화되어 있으며, 1.6 ~ 2.1 의 집합조 직계수 (texture coefficient) {TC(200)} 를 갖는다.
상기 집합조직계수 (TC) 는 다음과 같이 정의된다.
Figure 112008059719508-pat00001
여기서,
I(hkl) = (hkl)면의 반사강도
I0(hkl) = JCPDS 카드 제 38-1420 에 따른 표준 강도
n = 계산에 이용된 반사의 개수
이용된 (hkl) 은 (111), (200), (220).
상기 층은 응력을 받으며, 변형율은 2.5 * 10-3 ~ 5.0 * 10-3, 바람직하게는 3.0 * 10-3 ~ 4.0 * 10- 3 이다.
(Ti,Al)N 의 최상부에는 0.1 ~ 0.5 ㎛ 두께의 TiN 층이 증착될 수 있다.
또한, 본 발명은 기재 및 코팅을 포함하는 절삭공구 인서트의 코팅 방법에 관한 것이다. 상기 기재는 종래의 분말야금법 밀링, 프레싱 및 소결로 제작된다. 그 조성은 WC, 5.0 ~ 7.0, 바람직하게는 5.5 ~ 6.5, 가장 바람직하게는 5.8 ~ 6.2 중량%의 Co, 0.22 ~ 0.43, 바람직하게는 0.24 ~ 0.33, 가장 바람직하게는 0.26 ~ 0.29 중량%의 Cr을 포함하며, 19 ~ 28, 바람직하게는 21 ~ 27, 가장 바람직하게는 22.5 ~ 26.5 kA/m의 보자력 (Hc) 을 갖는다.
코팅하기 전에, 상기 인서트는 바람직하게는 15 ~ 30 ㎛ 의 날 반경이 얻어지도록 습식 블라스팅법으로 날이 호닝가공된다.
층을 성장시키는 방법은 다음과 같은 조건하에서 합금 또는 복합재료 캐소드의 아크 증발에 기초한다. Ti + Al 캐소드 조성은 25 ~ 50 원자%의 Ti, 바람직하게는 30 ~ 40 원자%의 Ti, 가장 바람직하게는 33 ~ 35 원자%의 Ti 이다.
코팅하기 전에, 바람직하게는 소프트한 이온 에칭을 적용하여 표면을 정화한다. 상기 이온 에칭은 Ar 분위기 또는 Ar 및 H2 의 혼합물에서 실시한다.
증발 전류는 캐소드의 크기 및 소재에 따라 50 A ~ 200 A 가 된다. 63 mm 직경의 캐소드를 이용할 경우, 상기 증발 전류는 60 A ~ 100 A 가 바람직하다. 상기 기재의 바이어스 전압은 -20 V ~ -35 V 이다. 증착 온도는 400 ℃ ~ 700 ℃, 바람직하게는 500 ℃ ~ 600 ℃ 이다.
(Ti,Al)N 층은 1.0 Pa ~ 7.0 Pa, 바람직하게는 3.0 Pa ~ 5.5 Pa의 총 압력하에서 0 ~ 50 부피% Ar, 바람직하게는 0 ~ 20 부피% Ar 을 포함하는 Ar + N2 분위기에서 성장된다.
상기 (Ti,Al)N 층의 최상부에는 0.1 ~ 0.5 ㎛ 두께의 TiN 층이 공지의 아크 증발법을 이용하여 증착될 수 있다.
또한, 본 발명은 20 ~ 75 m/min 의 절삭 속도, 0.2 ~ 2.5 mm 의 절삭 깊이 및 0.05 ~ 0.30 mm/rev 의 이송량에서 Inconel 718, Inconel 625, Nimonic 81, Waspaloy 또는 Ti6Al4V 등의 초합금의 습식 기계가공을 위한 상기 인서트의 용도에 관한 것이다.
본 발명에 따른 인서트는 기존 인서트에 비하여 공구 수명이 향상된다.
예 1
기재 및 코팅을 포함하는 CNMG120408-MF1 및 CNMG120412-MR3 형의 초경합금 절삭공구 인서트를 준비하였다. 상기 기재는 밀링, 프레싱 및 소결에 의해 제작되었다. 그 조성은 5.9 중량% Co, 0.27 중량% Cr 및 잔부는 WC 이다. WC의 평균 입도 약 0.80 ㎛ 에 상응하는 보자력은 24.0 kA/m 이었다.
상기 인서트를 25 ㎛ 의 날 반경이 얻어지도록 습식 블라스팅하였다.
직경 63 mm 의 Ti0 .34Al0 .66 캐소드의 아크 증발법을 이용하여 상기 코팅을 성장시켰다. 상기 증착은 -30 V의 기재 바이어스 전압을 이용하여 60분 동안 99.995 %의 순수 질소 분위기 및 4.5 Pa의 총 압력에서 실시했다. 증착 온도는 약 530 ℃ 였다. 상기 층의 두께는 플랭크면의 중앙에서 3.8 ㎛ 였다. X선 회절 결과 (TC) = 1.8 의 강한 (002) 집합조직과, 3.5 * 10-3의 잔류 변형률이 나타났다.
도 1 에 인서트의 파단면이 도시되어 있다.
예 2
예 1 의 CNMG120412-MR3 코팅 인서트를 이하의 조건에서 길이방향 중간 ~ 거친 선삭으로 내마모성을 시험하였다.
피삭재: 원통형 바
재질: Inconel 718
절삭 속도: 50 m/min
이송량: 0.25 mm/rev
절삭 깊이: 2.0 mm
비고: 플러드 냉각제 (flood coolant)
비교: Seco CP200
결과
공구수명 기준은 50 m/min 의 절삭 속도에서 0.2 mm 의 플랭크 마모를 나타내는 최대 절삭시간 (분) 으로 하였다. 그 결과를 표 1 에 도시하였다.
등급 절삭 시간 (분)
본 발명 8.50
Seco CP200 6.00
이 시험을 통해 본 발명에 따른 인서트가 Seco CP200 에 비하여 약 40 % 의 더 긴 공구수명을 보여줌을 알 수 있다.
예 3
예 1 의 CNMG120408-MF1 코팅 인서트를 이하의 조건에서 길이방향 정밀 선삭으로 내마모성을 시험하였다.
피삭재: 원통형 바
재질: Inconel 718
절삭 속도: 55, 70 m/min
이송량: 0.15 mm/rev
절삭 깊이: 0.5 mm
비고: 플러드 냉각제 (flood coolant)
비교: Seco CP200
결과
0.2 mm 의 플랭크 마모를 나타내는 시간 (분) 을 측정하였다. 그 결과를 표 2 에 도시하였다.
절삭속도 (m/mim) 55 70
본 발명 - 7.00
Seco CP200 7.00 5.00
이 시험을 통해 본 발명에 따른 인서트가 Seco CP200 에 비하여 40 % 향상된 공구수명을 보여줌을 알 수 있다.
예 4
예 1 의 CNMG120412-MR3 코팅 인서트를 이하의 조건에서 길이방향 중간 ~ 거친 보링 작업으로 공구수명을 시험하였다.
피삭재: 특수 부품
재질: Inconel 718
절삭 속도: 37 m/min
이송량: 0.20 mm/rev
절삭 깊이: 3.2 mm
비고: 플러드 냉각제 (flood coolant)
비교: 경쟁 등급
결과
기계가공된 비교 등급은 7분 40초 후에 공구수명을 다하였다. 본 발명에 따른 인서트는 11분 50초 후에 공구수명을 다하였다.
이 시험결과를 통해 본 발명에 따른 인서트의 공구 수명이 50 % 까지 증가함을 알 수 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 코팅 초경합금 기재의 파단면을 나타낸다.
* 도면 부호의 설명 *
1. 초경합금체
2. (Ti,Al)N 단일층

Claims (9)

  1. 초합금의 일반적인 선삭가공에 유용한 코팅 및 초경합금체를 포함하는 절삭공구 인서트로서,
    상기 초경합금의 조성은 WC, 5.0 ~ 7.0 중량%의 Co, 0.22 ~ 0.43 중량%의 Cr을 포함하며, 보자력 (Hc) 은 19 ~ 28 kA/m 이며,
    상기 코팅은 NaCl형 결정구조의 (TixAl1-x)N 단일층을 포함하며, 여기서 x는 0.25 ~ 0.50 이며, 플랭크면의 중앙에서 측정한 상기 층의 총 두께는 3.0 ~ 5.0 ㎛ 이며,
    상기 층은 2.5 * 10-3 ~ 5.0 * 10-3 의 압축잔류 변형률을 가지며,
    상기 층은 (200) 방향에서
    Figure 112014082824351-pat00002
    I(hkl) = (hkl)면의 반사강도
    I0(hkl) = JCPDS 카드 제 38-1420 에 따른 표준 강도
    n = 계산에 이용된 반사의 개수
    이용된 (hkl) 은 (111), (200), (220) 로 정의된 1.6 ~ 2.1 의 집합조직계수 {TC(200)} 를 가지는 것을 특징으로 하는 절삭공구 인서트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 코팅은 최외각 TiN 층을 더 포함하고,
    상기 최외각 TiN 층의 두께는 0.1 ~ 0.5 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 절삭공구 인서트.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    날 반경은 15 ~ 30 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 절삭공구 인서트.
  4. 초합금의 일반적인 선삭가공에 유용한 코팅 및 초경합금체를 포함하는 절삭공구 인서트의 제조 방법에 있어서,
    WC, 5.0 ~ 7.0 중량%의 Co, 0.22 ~ 0.43 중량%의 Cr을 포함하며, 보자력 (Hc) 은 19 ~ 28 kA/m 인 기재를 종래의 분말 야금법 밀링, 프레싱 및 소결에 의해 제공하는 단계, 및
    조성이 25 ~ 50 원자% Ti 인 합금 또는 Ti + Al 복합재료 캐소드의 아크 증발로서, 상기 캐소드의 크기 및 소재에 따라 전류가 50 A ~ 200 A 이며, 상기 기재의 바이어스 전압이 -20 V ~ -35 V 이고, 증착 온도가 400 ℃ ~ 700 ℃ 이며, 1.0 Pa ~ 7.0 Pa의 총 압력하에서 상기 아크 증발을 사용하여 0 ~ 50 부피% Ar 을 포함하는 Ar + N2 분위기에서 성장시킨 (TixAl1-x)N 단일층을 증착하는 단계를 포함하며,
    상기 (TixAl1-x)N 단일층은 x가 0.25 ~ 0.50 이며, 플랭크면의 중앙에서 측정한 층의 총 두께가 3.0 ~ 5.0 ㎛ 이며, NaCl형 결정구조를 가지며,
    상기 층은 2.5 * 10-3 ~ 5.0 * 10-3 의 압축잔류 변형률을 가지며,
    상기 층은 (200) 방향에서
    Figure 112014082824351-pat00003
    I(hkl) = (hkl)면의 반사강도
    I0(hkl) = JCPDS 카드 제 38-1420 에 따른 표준 강도
    n = 계산에 이용된 반사의 개수
    이용된 (hkl) 은 (111), (200), (220) 로 정의된 1.6 ~ 2.1 의 집합조직계수 {TC(200)} 를 가지는 것을 특징으로 하는 절삭공구 인서트의 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 코팅은 최외각 TiN 층을 더 포함하고,
    아크 증발법을 이용하여 상기 최외각 TiN 층을 0.1 ~ 0.5 ㎛ 의 두께로 증착하는 단계를 특징으로 하는 절삭공구 인서트의 제조 방법.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    코팅하기 전에 습식 블라스팅법을 이용하여 날 반경이 15 ~ 30 ㎛ 이 되도록 인서트의 날을 호닝가공하는 단계를 특징으로 하는 절삭공구 인서트의 제조 방법.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    20 ~ 75 m/min 의 절삭 속도, 0.2 ~ 2.5 mm 의 절삭 깊이 및 0.05 ~ 0.30 mm/rev 의 이송량에서 Inconel 718, Inconel 625, Nimonic 81, Waspaloy 또는 Ti6Al4V 등의 초합금의 일반적인 기계가공을 위한 상기 인서트의 이용 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 초경합금의 조성은 5.5 ~ 6.5 중량% 의 Co 를 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭공구 인서트.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 초경합금의 조성은 0.24 ~ 0.33 중량% 의 Cr 을 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭공구 인서트.
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