KR101528790B1 - 경질피막이 코팅된 절삭공구 - Google Patents

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KR101528790B1
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김한성
이성구
이동열
김정욱
강재훈
안진우
안선용
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한국야금 주식회사
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B27/00—Tools for turning or boring machines; Tools of a similar kind in general; Accessories therefor
    • B23B27/14—Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material

Abstract

본 발명은 초경합금 상에 형성되는 하지층과 상기 하지층 상에 형성되는 알파 알루미나층을 포함하는 경질피막이 형성된 절삭공구로 상기 초경합금의 표면층에 형성된 CFL층의 경도와 두께의 제어와, 상기 알파 알루미나층의 경도와 두께 조절을 통해, 인성의 저하 없이 내마모성이 향상된 절삭공구를 제공한다.
본 발명에 따른 절삭공구는 모재와, 상기 모재 상에 형성되는 하지층과, 이 하지층 상에 형성되는 알루미나층을 포함하는 경질피막을 포함하는 절삭공구로, 상기 모재의 상부에는 CFL(Cubic Free Layer)층이 형성되어 있고, 상기 하지층은 TiCN층을 포함하는 단일 또는 복수층으로 이루어지며, 상기 알루미나층은 알파-알루미나를 포함하고, 상기 CFL층의 두께는 25~35㎛ 이며, 상기 알루미나층의 경도와 상기 CFL층의 경도 차이는 7~12GPa인 절삭공구.

Description

경질피막이 코팅된 절삭공구 {CUTTING TOOLS COATED WITH HARD FILMS}
본 발명은 초경합금으로 이루어진 모재 상에 경질피막이 코팅된 절삭공구에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초경합금 상에 형성되는 하지층과 상기 하지층 상에 형성되는 알파 알루미나층을 포함하는 경질피막이 형성된 절삭공구로 상기 초경합금의 표면층에 형성된 CFL층의 경도와 두께의 제어와, 상기 알파 알루미나층의 경도와 두께 조절을 통해, 인성의 저하 없이 내마모성이 향상된 절삭공구에 관한 것이다.
최근 절삭가공 시장은 원가 절감을 통한 경쟁력 향상을 목적으로 가공시간(Cycle Time)의 단축이 강하게 요구되고 있어, 절삭공구의 물성도 고속, 고이송 조건의 절삭가공 조건에 대응할 수 있는 내마모성과 인성의 개선이 필요하다. 특히, 강(Steel) 가공용 절삭공구의 물성은, 고속가공과 고속 가공에 수반되는 고온 환경 하에서 발행하는 부하를 견딜 수 있도록, 내마모성을 강화하는 경향이다.
이와 같이 절삭공구에 요구되는 내마모성과 인성을 부여하기 위하여, 일반적으로 절삭공구로 사용되는 초경합금의 표면에는 화학기상증착법(이하, 'CVD'라 함) 또는 물리기상증착법(이하, 'PVD'라 함)을 통해 형성된 경질박막을 형성한다.
이러한 경질박막은, 단층 또는 다층의 비산화물계 박막(예: TiN, TiC, TiCN)이나, 우수한 내산화성을 갖는 산화물계 박막(예: Al2O3) 또는 이들의 혼합층으로 구성되며, 상기 비산화물계 박막의 예로는 TiN, TiC, TiCN 등과 같은 주기율표상 4, 5, 6족 금속원소의 탄화물, 질화물, 탄질화물이 있고, 산화물계 박막의 예로는 대표적으로 κ-Al2O3 또는 α-Al2O3이 있다.
산화물계 박막 중에서도 Al2O3는 산화물로 내산화성이 우수하고 내마모성도 우수하기 때문에 내마모용 경질피막에 널리 사용되고 있다.
이와 같은 α-Al2O3 박막을 포함하는 경질피막은 일반적으로 도 1과 같은 구조로 형성된다. 도 1에 보여지는 바와 같이, 초경합금으로 이루어지는 모재의 표면층에는 탄화물이 분포하지 않는 연질층인 CFL(Cubic Free Layer)층이 형성되고, 상기 표면층의 상부에는 하지층으로 TiCN층이 형성되고 상기 TiCN층 상에 α-Al2O3 층이 형성된다. 이때, 상기 표면층과 TiCN층의 사이에 추가로 TiN층과 같은 층이 형성될 수 있고, TiCN층과 α-Al2O3층 간의 결합력을 높이기 위하여 TiCNO층과 같은 결합층이 형성되기도 한다.
한편, Al2O3로 이루어진 경질피막의 내마모성을 강화하기 위한 방법으로는, Al2O3 박막의 구조를 k구조에서 고속절삭환경의 고온환경에서 상변태가 발생하지 않아 고온 안정성이 우수한 α구조로 변경하여 왔다.
초경합금으로 이루어진 모재의 표면층에 형성되는 연질의 CFL(Cubic Free Layer)층은 절삭 시 발생하는 충격을 흡수하여 절삭공구의 파손을 방지하여 인성을 높이는 역할을 하며, 일반적으로 25~35㎛ 수준으로 형성하였다.
그런데, 경질피막의 내마모성과 절삭수명의 연장에 대한 요구에 대응하기 위하여, 경도가 높아 내마모층으로 기능하는 α-Al2O3층의 두께를 증가시키게 되면 그 하부에 위치한 두꺼운 CFL층으로 인해 α-Al2O3층의 균열 및 박리가 쉽게 발생하기 때문에, CFL층의 두께를 10~15㎛로 낮추어야 한다.
이와 같이 CFL층의 두께를 낮출 경우, 절삭가공시 발생하는 충격을 흡수하는 능력이 떨어져 절삭공구의 인성이 저하하는 문제가 있으나, 현재로는 경질피막의 내마모성 향상을 위해 어쩔 수 없이 인성의 저하를 감수하고 있는 실정이다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 과제는 α-Al2O3층을 포함하는 경질피막을 구비한 절삭공구의 내마모성을 향상시키면서도 인성의 저하를 최소화한 절삭공구를 제공하는데 있다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 모재와, 상기 모재 상에 형성되는 하지층과, 이 하지층 상에 형성되는 알루미나층을 포함하는 경질피막을 포함하는 절삭공구로, 상기 모재의 상부에는 CFL(Cubic Free Layer)층이 형성되어 있고, 상기 하지층은 TiCN층을 포함하는 단일 또는 복수층으로 이루어지며, 상기 알루미나층은 α-Al2O3를 포함하고, 상기 CFL층의 두께는 25~35㎛이며, 상기 α-Al2O3의 경도와 상기 CFL층의 경도 차이는 7~12GPa인 절삭공구를 제공한다.
또한, 상기 알파-알루미나층의 두께는 3~7㎛일 수 있다.
또한, 상기 CFL층의 경도는 20~25GPa일 수 있다.
또한, 상기 모재는 WC 80~90중량%, Co 4.5~9.5중량%, WTi탄질화물 1~5중량%, W, Ti를 제외한 주기율표 4a, 5a, 6a족의 탄화물 중에서 선택된 1종 이상의 탄화물 합이 2~7중량%를 포함할 수 있다.
또한, 상기 절삭공구는 강(steel) 가공용일 수 있다.
본 발명에 따른 절삭공구는 모재에 형성된 CFL층의 두께를 25~35㎛로 두껍게 유지하면서도 내마모층인 α-Al2O3층의 두께를 두껍게 할 수 있어, 절삭공구의 내마모성과 함께 인성도 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 절삭공구는 α-Al2O3층과 CFL층 간의 경도 차이가 12GPa 이하로 매우 낮기 때문에, α-Al2O3층의 두께를 비교적 두껍게 하여도 α-Al2O3층의 균열 내지 박리가 발생하는 것을 상당히 낮출 수 있게 된다.
도 1은 초경합금의 CFL층 상에 형성된 알루미나층을 포함하는 전형적인 경질피막의 구조를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예와, 비교예 1~3에 따른 CFL층 및 경질피막의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나 다음에 예시하는 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예들에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다. 또한 첨부된 도면에서 막 또는 영역들의 크기 또는 두께는 발명의 이해를 위하여 과장된 것으로 이해되어야 한다.
이하의 설명에서 하기의 용어들은 다음과 같이 정의된다.
'CFL층'이란, Cubic Free Layer층으로 초경합금의 표면층에서 WC를 제외한 타탄화물이 거의 존재하지 않아 모재의 다른 부분에 비해 경도가 낮은 층을 의미한다.
본 발명자들은 α-Al2O3층의 두께를 두껍게 하여 내마모성을 향상시키면서도 절삭공구의 인성을 높이기 위하여 연구한 결과, 모재의 표면층에 형성된 CFL층과 α-Al2O3층 간의 경도차를 12GPa 이하, 바람직하게는 12~7GPa 정도로 유지할 경우, CFL층의 두께를 25~35㎛ 수준으로 높게 하여도 α-Al2O3층의 박리를 막을 수 있어, 절삭공구의 인성을 거의 그대로 유지하면서 내마모성을 향상시킬 수 있음을 밝혀내고 본 발명에 이르게 되었다.
본 발명에 따른 절삭공구는, 모재와, 상기 모재 상에 형성되는 하지층과, 이 하지층 상에 형성되는 알루미나층을 포함하는 경질피막을 포함하며, 상기 모재의 상부에는 CFL(Cubic Free Layer)층이 형성되어 있고, 상기 하지층은 TiCN층을 포함하는 단일 또는 복수층으로 이루어지며, 상기 알루미나층은 α-Al2O3로 이루어지고, 상기 CFL층의 두께는 25~35㎛이며, 상기 알루미나층의 경도와 상기 CFL층의 경도 차이는 7~12GPa인 것을 특징으로 한다.
상기 모재는 초경합금이 바람직하며, 강(steel) 가공용인 경우, WC 80~90 중량%, Co 4.5~9.5 중량%, WTi탄질화물 1~5 중량%, W, Ti를 제외한 주기율표 4a, 5a, 6a족의 탄화물 중에서 선택된 1종 이상의 탄화물 합이 2~7 중량%를 포함할 수 있다.
또한, 상기 α-Al2O3층의 두께는 바람직하게 3~7㎛일 수 있다.
또한, 상기 CFL층의 경도는 20GPa 미만일 경우 상부에 형성되는 α-Al2O3층의 손상을 초래하고, 25GPa을 초과할 경우 경질피막 전체의 인성을 저하시키므로, 20~25GPa이 바람직하다.
이하에서는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
[실시예]
절삭공구용 초경합금 모재는 WC 84중량%, Co 7중량%, WTi 탄질화물 3중량%, Ta 탄화물 6중량%로 이루어진 초경합금에서 WC의 일부를 크롬탄화물(CrC) 0.1~1중량%로 대체 첨가하여 소결함으로써, 형성되는 CFL층의 경도가 20GPa 이상이 되도록 하였다.
상기 초경합금의 모재 상에는 화학적 기상증착(CVD) 방법으로, 890~910℃ 온도 조건과 160mbar 압력 분위기에서 TiCl4, H2, N2 반응가스를 이용하여, 두께 약 1.5㎛의 TiN층을 형성하였다.
또한, 상기 TiN층 상에는 화학적 기상증착(CVD) 방법으로, 870~930℃ 온도 조건과 60~170mbar 압력 분위기에서 TiCl4, CH3CN, H2, N2, HCl 반응가스를 이용하여, 두께 약 7㎛의 TiCN층을 형성하였다.
또한, 상기 TiCN층 상에는 화학적 기상증착(CVD) 방법으로, 1000~1030℃ 온도 조건과 100mbar 압력 분위기에서 TiCl4, CH4, CO, H2, N2 반응가스를 이용하여, 두께 약 0.5㎛의 TiCNO층을 형성하였다.
또한, 상기 TiCNO층 상에는 940~1020℃ 온도 조건과 40~90mbar 압력 분위기에서 AlCl3, CO2, 및/또는 CO, H2, HCl 등의 반응가스를 이용하여, 두께 약 5㎛의 α-Al2O3층을 형성하였다.
또한, 상기 α-Al2O3층 상에는 화학적 기상증착(CVD) 방법으로, 990~1020℃ 온도 조건과 650mbar 압력 분위기에서 TiCl4, H2, N2 반응가스를 이용하여, 두께 약 1㎛의 TiN층을 형성하였다.
[비교예 1]
비교예 1의 절삭공구는, 모재로 WC 84중량%, Co 7중량%, WTi 탄질화물 3중량%, Ta탄화물 6중량%로 이루어진 초경합금을 사용하였으며, 이 초경합금의 CFL층의 두께는 약 28㎛이며 경도는 약16GPa이다.
상기 초경합금의 모재 상에는 화학적 기상증착(CVD) 방법으로, 890~910℃ 온도 조건과 160mbar 압력 분위기에서 TiCl4, H2, N2 반응가스를 이용하여, 두께 약 1.5㎛의 TiN층을 형성하였다.
또한, 상기 TiN층 상에는 화학적 기상증착(CVD) 방법으로, 870~930℃ 온도 조건과 60~170mbar 압력 분위기에서 TiCl4, CH3CN, H2, N2, HCl 반응가스를 이용하여, 두께 약 7㎛의 TiCN층을 형성하였다.
또한, 상기 TiCN층 상에는 화학적 기상증착(CVD) 방법으로, 1000~1030℃ 온도 조건과 100mbar 압력 분위기에서 TiCl4, CH4, CO, H2, N2 반응가스를 이용하여, 두께 약 0.5㎛의 TiCNO층을 형성하였다.
또한, 상기 TiCNO층 상에는 940~1020℃ 온도조건과 40~90mbar 압력분위기에서 AlCl3, CO2 및/또는 CO, H2, HCl 등의 반응가스를 이용하여, 두께 약 5㎛의 κ-Al2O3층을 형성하였다.
또한, 상기 κ-Al2O3층 상에는 화학적 기상증착(CVD) 방법으로, 990~1020℃ 온도 조건과 650mbar 압력 분위기에서 TiCl4, H2, N2 반응가스를 이용하여, 두께 약 1㎛의 TiN층을 형성하였다.
즉, 비교예 1의 경질피막은 도 2에 나타낸 바와 같이, 각 층의 두께는 본 발명의 실시예에 따른 경질피막과 동일하게 구성되나, CFL층의 경도와 알루미나층의 경도가 낮은 차이가 있다.
[비교예 2]
비교예 2의 절삭공구는, 모재로 WC 86중량%, Co 7중량%, WTi 탄질화물 1중량%, Ta탄화물 6중량%로 이루어진 초경합금을 사용하였으며, 이 초경합금의 CFL층의 두께는 약 14㎛이며 경도는 약16GPa이다.
상기 초경합금의 모재 상에는 화학적 기상증착(CVD) 방법으로, 890~910℃ 온도 조건과 160mbar 압력 분위기에서 TiCl4, H2, N2 반응가스를 이용하여, 두께 약 1.5㎛의 TiN층을 형성하였다.
또한, TiN층 상에는 화학적 기상증착(CVD) 방법으로, 870~930℃ 온도 조건과 60~170mbar 압력 분위기에서 TiCl4, CH3CN, H2, N2, HCl 반응가스를 이용하여, 두께 약 7㎛의 TiCN층을 형성하였다.
또한, 상기 TiCN층 상에는 화학적 기상증착(CVD) 방법으로, 1000~1030℃ 온도 조건과 100mbar 압력 분위기에서 TiCl4, CH4, CO, H2, N2 반응가스를 이용하여, 두께 약 0.5㎛의 TiCNO층을 형성하였다.
또한, 상기 TiCNO층 상에는 940~1020℃ 온도조건과 40~90mbar 압력분위기에서 AlCl3, CO2 및/또는 CO, H2, HCl 등의 반응가스를 이용하여, 두께 약 5㎛의 α-Al2O3층을 형성하였다.
또한, 상기 α-Al2O3층 상에는 화학적 기상증착(CVD) 방법으로, 990~1020℃ 온도 조건과 650mbar 압력 분위기에서 TiCl4, H2, N2 반응가스를 이용하여, 두께 약 1㎛의 TiN층을 형성하였다.
즉, 비교예 2에 따른 경질피막은 도 2에 나타낸 바와 같이, CFL층의 두께가 본 발명의 실시예에 따른 경질피막에 비해 얇고, CFL층의 경도도 본 발명의 실시예에 비해 낮은 차이가 있다.
[비교예 3]
비교예 3의 절삭공구는, 모재로 WC 84중량%, Co 7중량%, WTi 탄질화물 3중량%, Ta탄화물 6중량%로 이루어진 초경합금을 사용하였으며, 이 초경합금의 CFL층의 두께는 약 28㎛이며 경도는 약16GPa이다.
상기 초경합금의 모재 상에는 화학적 기상증착(CVD) 방법으로, 890~910℃ 온도 조건과 160mbar 압력 분위기에서 TiCl4, H2, N2 반응가스를 이용하여, 두께 약 1.5㎛의 TiN층을 형성하였다.
또한, 상기 초경합금의 모재 상에는 화학적 기상증착(CVD) 방법으로, 870~930℃ 온도 조건과 60~170mbar 압력 분위기에서 TiCl4, CH3CN, H2, N2, HCl 반응가스를 이용하여, 두께 약 7㎛의 TiCN층을 형성하였다.
또한, 상기 TiCN층 상에는 화학적 기상증착(CVD) 방법으로, 1000~1030℃ 온도 조건과 100mbar 압력 분위기에서 TiCl4, CH4, CO, H2, N2 반응가스를 이용하여, 두께 약 0.5㎛의 TiCNO층을 형성하였다.
또한, 상기 TiCNO층 상에는 940~1020℃ 온도조건과 40~90mbar 압력분위기에서 AlCl3, CO2 및/또는 CO, H2, HCl 등의 반응가스를 이용하여, 두께 약 5㎛의 α-Al2O3층을 형성하였다.
또한, 상기 α-Al2O3층 상에는 화학적 기상증착(CVD) 방법으로, 990~1020℃ 온도 조건과 650mbar 압력 분위기에서 TiCl4, H2, N2 반응가스를 이용하여, 두께 약 1㎛의 TiN층을 형성하였다.
즉, 비교예 3에 따른 경질피막은 도 2에 나타낸 바와 같이, 각 층의 두께는 본 발명의 실시예에 따른 경질피막과 동일하게 구성되나, CFL층의 경도가 낮은 차이가 있다.
이상과 같이 제조된 본 발명의 실시예 및 비교예 1~3에 따른 절삭공구의 구조 및 경질피막을 이루는 각 층의 경도를 정리하면 하기 표 1과 같다.
시편 경도/두께 CFL 박 막
TiN TiCN TiCNO Al2O3 TiN 총두께
실시예 경도(GPa) 21 - 22 - 32 - -
두께(㎛) 28 1.5 7 0.5 5 1 15
비교예1 경도(GPa) 16 - 22 - 26 - -
두께(㎛) 28 1.5 7 0.5 5 1 15
비교예2 경도(GPa) 16 - 22 - 32 - -
두께(㎛) 14 1.5 7 0.5 5 1 15
비교예3 경도(GPa) 16 - 22 - 32 - -
두께(㎛) 28 1.5 7 0.5 5 1 15
절삭시험 결과
본 발명의 실시예와 비교예 1~3에 따른 경질피막을 구비한 인써트를 제조하여, 강 가공 조건 하에서 어떠한 성능을 나타낼 수 있는지에 대해 다음과 같은 절삭조건으로 평가하였으며, 그 결과는 하기 표 2와 같았다.
(1) 탄소강 내마모 절삭조건
- 가공방식: 선삭
- 피삭재: SM45C (외경 연속 가공)
- Vc(절삭속도)=300(mm/min)
- fn(이송속도)=0.35(mm/min)
- ap(절입깊이)=2mm, 습식(wet)
(2) 합금강 내마모 절삭조건
- 가공방식: 선삭
- 피삭재: SCM440 (외경 연속 가공)
- Vc(절삭속도)=260(mm/min)
- fn(이송속도)=0.25(mm/min)
- ap(절입깊이)=2mm, 습식(wet)
(3) 탄소강 내충격성 절삭조건
- 가공방식: 선삭
- 피삭재: SM45C-V홈 (외경 단속 가공)
- Vc(절삭속도)=230(mm/min)
- fn(이송속도)=0.2(mm/min)
- ap(절입깊이)=2mm, 습식(wet)
시편 시편 물성 탄소강
내마모		 합금강
내마모		 내충격
CFL
경도		 CFL
두께		 Al2O3
경도		 박막
총두께		 시간
(분)		 수명경향 시간
(분)		 수명경향 시간
(분)		 수명경향
실시예 21 28 32 15 23 측면 마모 26 측면 마모 20 파손
비교예1 16 28 26 15 17 측면 마모 17 측면 마모 20 파손
비교예2 16 14 32 15 23 측면 마모 26 측면 마모 5 파손
비교예3 16 28 32 15 20 상면 마모 23 박막 박리 10 박막 박리
상기 표 2에서 확인되는 바와 같이, 강의 내마모 절삭가공 조건 하에서 본 발명의 실시예에 따른 공구의 경우, 탄소강 및 합금강의 내마모 특성의 측면에서는 비교예 1 및 3에 비해 우수하고 비교예 2와는 동등한 수준을 나타낸다.
그런데, 비교예 2는 본 발명의 실시예에 비해 내충격성이 25% 수준에 불과하여, 내충격성의 측면에서는 본 발명에 비해 현저하게 낮아 절삭공구의 수명이 짧은 단점이 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 절삭공구는 강의 내마모 절삭가공 조건 하에서, 우수한 내마모 특성을 나타내면서도 동시에 양호한 내충격성(인성)을 구비하고 있음을 알 수 있다.

Claims (5)

  1. 모재와,
    상기 모재 상에 형성되는 하지층과, 이 하지층 상에 형성되는 알루미나층을 포함하는 경질피막을 포함하는 절삭공구로,
    상기 모재의 상부에는 CFL(Cubic Free Layer)층이 형성되어 있고,
    상기 하지층은 TiCN층을 포함하는 단일 또는 복수층으로 이루어지며,
    상기 알루미나층은 알파-알루미나로 이루어지며,
    상기 CFL층의 두께는 25~35㎛ 이며,
    상기 알루미나층의 경도와 상기 CFL층의 경도 차이는 7~12GPa인 절삭공구.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 알루미나층의 두께는 3~7㎛ 인 절삭공구.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 CFL층의 경도는 20~25GPa인 절삭공구.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 모재는 WC 80~90 중량%, Co 4.5~9.5 중량%, WTi탄질화물 1~5 중량%, W, Ti를 제외한 주기율표 4a, 5a, 6a족의 탄화물 중에서 선택된 1종 이상의 탄화물 합이 2~7중량%를 포함하는 절삭공구.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절삭공구는 강(steel) 가공용인 절삭공구.
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