KR101804472B1 - 경질피막이 형성된 절삭공구 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초경합금 모재와의 밀착성이 우수하고 내마모성도 우수한 경질피막이 형성된 절삭공구에 관한 것이다.
본 발명에 따른 절삭공구는, 초경합금 모재와, 상기 모재의 표면에 형성되는 단층 또는 다층 구조로 이루어지는 경질피막을 포함하고, 상기 초경합금 모재로부터 소정 깊이까지 바인더 결핍층이 형성되어 있고, 상기 경질피막을 구성하는 성분의 일부가 바인더 결핍층으로 확산되어, WC-경질피막 성분의 혼합조직을 이루는 것을 특징으로 한다.

Description

경질피막이 형성된 절삭공구 {CUTTING TOOLS HAVING HARD COATED LAYER}
본 발명은 경질피막이 형성된 절삭공구에 관한 것으로, 보다 상세하게는 모재와의 밀착성이 우수하고 내마모성이 우수한 경질피막이 형성된 절삭공구에 관한 것이다.
일반적으로 절삭공구로 사용되는 초경합금은 마모 저항성을 높이기 위해 그 표면에 경질피막층을 형성한 후 사용되는데, 이 경질피막은 화학기상증착(CVD) 또는 물리기상증착(PVD) 방법을 통해 형성된다.
한편, 절삭공구의 인선은 고경도 재료의 고속가공 시, 약 1000℃의 고온환경에 노출되고, 가공물과의 접촉으로 인한 마찰과 산화로 마모가 발생할 뿐 아니라, 단속과 같은 기계적 충격도 받게 된다. 그러므로 절삭공구는 적절한 내산화성, 내마모성 및 내치핑성과 같은 특성이 요구된다.
이를 위해, 절삭공구용 경질피막은 일반적으로 단층 또는 다층의 비산화물계 박막이나, 우수한 내산화성을 갖는 산화물계 박막 또는 이들의 혼합층으로 구성되며, 상기 비산화물계 박막의 예로는 TiN, TiC, Ti(CN) 등과 같은 주기율표상 4족, 5족, 6족 금속원소의 탄화물, 질화물, 탄질화물이 있고, 산화물계 박막의 예로는 대표적으로 α-Al2O3가 있다.
그런데 이러한 경질피막은 모재와의 접합성이 향상될수록 내박리성이 좋아져 공구수명을 향상시키는데 유리하다.
이를 위해 종래에서는 초경합금의 모재 상에 TiN층과 같이 모재와의 접합성이 양호한 하지층을 형성한 후, 순차적으로 Ti(CN)층, α-Al2O3층 등의 순으로 경질피막을 형성하였으나, 접합성이 양호한 하지층을 형성하는 것만으로는 내박리성이 충분하지 않은 경우가 있다.
대한민국 특허공보 특1993-0010710
본 발명은 초경합금을 모재로 하는 절삭공구의 표면에 형성되는 경질피막으로 특히 경질피막의 내박리성과 내구성이 향상된 절삭공구를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 초경합금 모재와, 상기 모재의 표면에 형성되는 단층 또는 다층 구조로 이루어지는 경질피막을 포함하는 절삭공구로서, 상기 초경합금 모재로부터 소정 깊이까지 바인더 결핍층이 형성되어 있고, 상기 경질피막을 구성하는 성분의 일부가 바인더 결핍층으로 확산되어, 탄화텅스텐(WC)과 상기 경질피막 성분과의 혼합조직을 이루는 절삭공구를 제공한다.
본 발명에 따른 경질피막은, 초경합금 모재의 표면에 바인더 결핍층을 형성하고, 이 바인더 결핍층의 내부로 초경합금 모재의 표면에 형성되는 경질피막층을 확산시켜 WC와 경질피막을 이루는 성분 간의 혼합조직을 형성함으로써, 모재와 경질피막 간의 결합력을 증대시켜 경질피막의 내박리성을 향상시킬 뿐 아니라, 상기 혼합조직을 통해 절삭공구의 내마모성도 향상시킬 수 있다.
도 1은 Co 결핍층이 형성된 초경합금의 표면상태를 나타내는 이미지이다.
도 2는 도 1의 초경합금의 표면에 TiN층, Ti(CN)층, Al2O3층 및 TiN층을 순차적으로 형성한 후, 맨 아래에 위치하는 TiN층을 초경합금 모재의 Co 결핍층 내부로 확산시킨 상태를 나타내는 이미지이다.
도 3은 Co 결핍층의 깊이를 다르게 제조한 초경합금 모재의 표면에 경질피막을 형성한 후, 연속절삭시험을 수행한 후의 절삭인써트의 상태를 나타낸 것이다.
도 4는 Co 결핍층의 깊이를 다르게 제조한 초경합금 모재의 표면에 경질피막을 형성한 후, 단속절삭시험을 수행한 후의 절삭인써트의 상태를 나타낸 것이다.
본 발명의 실시예들을 설명하기 위해 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함하는 의미이다. 그리고 포함한다의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작. 요소 및/또는 성분을 구체화하며 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작. 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외하는 것은 아니다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학 용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미이다. 또한, 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술 문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 갖는 것으로 추가 해석되고 정의되지 않는 한, 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지는 않는다.
본 발명자들은 초경합금을 모재로 하여 형성되는 경질피막의 내박리성을 향상시키면서 동시에 내마모성을 향상시킬 수 있는 방법을 연구한 결과, 탄화텅스텐(WC)와 금속 바인더의 복합재료로 이루어지는 초경합금의 모재 표면에 소정 깊이로 바인더가 실질적으로 존재하지 않거나 다소 존재하는 '바인더 결핍층'을 형성하고, 초경합금의 표면에 경질피막을 형성한 후, 경질피막을 구성하는 성분의 일부가 상기 '바인더 결핍층' 내부로 확산되도록 할 경우, 경질피막과 초경합금 모재 간의 결합력이 향상될 뿐 아니라, 초경합금을 구성하는 탄화텅스텐(WC)와 경질피막을 구성하는 성분, 예를 들어, TiN, Ti(CN), TiC, Al2O3와 같은 성분과의 혼합조직이 형성됨으로써, WC-바인더 조직으로 이루어질 때에 비해 내마모성도 향상됨을 밝혀내고 본 발명에 이르게 되었다.
본 발명에 따른 절삭공구는, 초경합금 모재와, 상기 모재의 표면에 형성되는 단층 또는 다층 구조로 이루어지는 경질피막을 포함하며, 상기 초경합금 모재로부터 소정 깊이까지 바인더 결핍층이 형성되어 있고, 상기 경질피막을 구성하는 성분의 일부가 바인더 결핍층으로 확산되어, 탄화텅스텐(WC)과 경질피막 간의 혼합조직을 이루는 것을 특징으로 한다.
상기 초경합금은, 탄화텅스텐(WC)과, Co 및/또는 Ni를 포함하는 바인더를 포함할 수 있다. 바람직하게, 상기 초경합금은, Co 7~15중량%와, 4족, 5족 또는 6족의 원소를 포함하는 탄화물 또는 탄질화물 0~5중량%와, 나머지 WC 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
초경합금의 바인더로 작용하는 Co의 함량이 7중량% 미만일 경우 취성이 증가하고, 15중량% 초과일 경우 내마모성이 감소하므로, Co의 함량은 7~15중량% 범위로 첨가되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 4족, 5족 또는 6족의 원소를 포함하는 탄화물 또는 탄질화물은 그 함량이 5중량%를 초과할 경우 반복적인 열충격에 의한 열 크랙 발생이 증가하므로, 5중량% 이하로 첨가되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 혼합조직은 상기 모재 표면으로부터 깊이 5~50㎛까지 형성되는 것이 바람직한데, 표면으로부터의 깊이가 5㎛ 미만일 경우 경질피막과 모재와의 충분한 결합력과 내마모성을 얻기 어렵고, 50㎛를 초과할 경우 내충격성이 저하되기 때문이다. 그리고 보다 바람직한 혼합조직의 깊이는 8~50㎛이다.
또한, 상기 혼합조직은 절삭공구에 요구되는 특성에 맞추어, 초경합금을 구성하는 경질상인 탄화텅스텐(WC)과 경질피막을 구성하는 성분(예를 들어 TiN, Ti(CN), Al2O3 등)과의 다양한 혼합조직을 형성할 수 있으며, 바람직한 예로서 탄화텅스텐(WC)과 TiN의 혼합조직이 가능하다.
또한, 상기 경질피막은 단층 또는 다층의 다양한 성분으로 이루어질 수 있으며, 바람직하게 상기 모재 표면으로부터 TiN층, Ti(CN)층, Al2O3층이 형성된 것이 적용될 수 있다.
[실시예]
초경합금(WC-8wt%Co) 모재를 산성 용액(전해탈지제, 한국종합화학사 SR100)에 노출시키면, 내산화성이 우수한 WC는 남고 바인더인 Co가 선택적으로 부식될 수 있으며, 이를 통해 합금 모재의 표면으로부터 소정 깊이까지 Co가 제거된 결핍층이 형성된다.
Co 결핑층의 깊이는 산성 용액과 접하는 시간에 따라 달라질 수 있으며, 아래 표 1은 산성 용액과 접하는 시간(1분 ~ 60분)에 따라 형성되는 Co 결핍층의 깊이를 나타낸 것이다.
Co 결핍층 형성 조건 및 깊이
용액온도(℃) 30
시간(min) 1 3 10 30 60
층 깊이(μm) 5.33 7.76 9.94 15.75 22.3
도 1은 Co 결핍층이 형성된 WC-Co 합금의 상태를 나타낸 것이며, 도 1에 나타난 바와 같이, 표면으로부터 일정 깊이까지 Co가 제거된 층이 형성되어 있다.
이와 같이, Co 결핍층이 형성된 초경합금 모재의 표면에, CVD법을 사용하여 하지층으로 두께 1.0㎛의 TiN층을 형성하고, 하지층 위에 두께 6㎛ TiCN층을 형성하고, TiCN층 위에 두께 6㎛의 Al2O3층을 형성하고, 최외층으로 두께 1.0㎛의 TiN층을 순서대로 형성하여, 초경합금 모재 위에 총두께 14㎛의 경질피막을 형성하였다.
도 2에 나타난 바와 같이, 상기와 같이 경질피막을 형성한 실시형태의 하나로, TiN층(도면상 금색으로 나타난 층)의 일부가 초경합금 모재의 Co 결핍층 내부로 확산되어 있다. 이를 통해 Co 결핍층은 TiN과 WC의 혼합조직을 이룬다. 한편, 상기 TiN층의 확산은 경질피막의 형성과정에 이루어질 수 있고, 확산이 충분하지 않을 경우 별도의 열처리를 통해 확산층을 형성할 수도 있다.
이상과 같이 제조한 절삭공구에 대해, 아래와 같은 조건으로 연속절삭시험과 단속절삭시험을 수행하였다.
또한, 본 발명에 따른 실시예와의 비교를 위하여, Co 결핍층의 형성과 TiN층의 확산을 시키지 않고 나머지는 본 발명의 실시예와 동일한 초경합금 모재와 동일한 구조를 갖는 경질피막층을 형성한 절삭공구를 제조하여 절삭시험을 수행하였다.
연속절삭 시험조건
사용 홀더 : DCLNR2525M12 (한국야금㈜사 제조)
사용 인서트형번 : CNMG120408-MP
피삭재: SCM440 (HB=280), 직경 300mm의 둥근 막대
절삭속도 : 280m/min
피딩(feeding) : 0.25mm/rev
절삭 깊이 : 2.0mm
절삭 시간 : 25분간 (외경가공)
절삭 오일 : 수용성 오일
연속절삭 시험에 있어서, 수명 판별은 일정시간을 두고 인선 상태를 관찰하면서 사진을 촬영하여 비교 분석을 하는 방법을 사용하였다.
도 3에 나타낸 바와 같이, Co 결핍층의 형성과 WC와 TiN의 혼합조직을 형성하지 않은 비교예에 따른 절삭공구의 경우, 16분 동안 연속절삭 가공 후 상면마모 및 용착에 의해 수명이 종료되었다.
이에 비해, 산성용액에 처리한 실시예들의 경우, 산성용액을 사용한 처리 시간이 길어질수록, 상면마모가 비교예에 비해 안정적으로 진행되는 결과를 나타내었다.
이는 Co가 제거된 결핍층 내부에 TiN 코팅층이 확산되어 코팅층의 밀착력이 향상됨과 동시에, TiN 코팅층과 WC와의 혼합층에 의해 내마모성이 비교예에 비해 향상되었기 때문이다.
단속절삭 시험조건
사용 홀더 : DCLNR2525M12 (한국야금㈜사 제조)
사용 인서트형번 : CNMG120408-MP
피삭재: S45C (HB=220), 70*70*120 사각형 막대
절삭속도 : 280m/min
피딩(feeding) : 0.4mm/rev
절삭 깊이 : 2.5mm
절삭 시간 : 10분간(외경)
절삭 오일 : 수용성 오일
단속절삭 시험에 있어서, 수명 판별은 일정시간을 두고 인선 상태를 관찰하면서 사진을 촬영하여 비교 분석을 하였다.
도 4에 나타난 바와 같이, 단속절삭 시험에는 산성용액에 짧은 시간 동안 처리한 제품의 수명은 비교예에 비해 짧게 나왔으나, 10분 이상 처리한 경우에는 비교예에 비해 코팅층의 박리가 억제되면서 동등한 가공량에서는 산성용액에 처리한 제품의 인선 상태가 더 좋은 것으로 확인되었다. 이 또한 확산된 TiN층에 의해 내박리성이 개선되었다고 볼 수 있다.

Claims (5)

  1. WC와, 바인더로 Co 및/또는 Ni을 포함하는 초경합금 모재와, 상기 모재의 표면에 형성되는 단층 또는 다층 구조로 이루어지는 경질피막을 포함하는 절삭공구로서,
    상기 경질피막은, 상기 모재 표면으로부터 순차적으로 형성된, TiN층, Ti(CN)층, Al2O3층을 포함하고,
    상기 초경합금 모재는 그 표면으로부터 깊이 8~50㎛까지 바인더 결핍층이 형성되어 있고,
    상기 경질피막을 구성하는 TiN층의 일부가 상기 바인더 결핍층으로 확산되어, WC와 TiN의 혼합조직을 이루는 것을 특징으로 하는 경질피막이 형성된 절삭공구.
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