KR101816712B1 - Cutting tools having hard coated layer - Google Patents

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이대기
김홍은
안선용
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Abstract

The present invention relates to a cutting tool having a hard coating film with excellent adhesion with a cemented carbide preform and excellent abrasion resistance. According to the present invention, the cutting tool is a cutting tool including a cermet preform, and a hard coating film formed of a single layer or multi-layer structure formed on a surface of the cermet preform. The preform includes a core-rim structure, and a core structure in the core-rim structure is distributed within 10 points in a scanning electron microscope image area which is an observed area of the preform at a 5000 magnifications. A binder phase deficiency layer is formed in at least a depth of 5m from the surface of the preform in which a content of the deficiency layer in a metal bind phase is less than or equal to 0.5 wt%. The hard coating film comprises Ti.

Description

경질피막이 형성된 절삭공구 {CUTTING TOOLS HAVING HARD COATED LAYER}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a cutting tool having a hard coating,

본 발명은 경질피막이 형성된 절삭공구에 관한 것으로, 보다 상세하게는 경질상을 포함하는 코어(core)와 이 코어(core)를 둘러싼 림(rim) 구조를 갖는 Ti계 써메트(cermet)의 표면에 경질피막이 형성된 것으로, Ti계 써메트로 이루어진 모재의 인성과 내마모성을 향상시키고, Ti계 써메트 상에 형성된 경질피막과의 밀착력을 향상시킴으로써, 종래에 비해 향상된 공구 수명을 얻을 수 있는 절삭공구에 관한 것이다.More particularly, the present invention relates to a cutting tool having a hard coating formed on a surface of a Ti-based cermet having a core including a hard phase and a rim structure surrounding the core, The present invention relates to a cutting tool capable of improving the toughness and abrasion resistance of a base material made of a Ti based thermometer and improving the adhesion strength with a hard coating formed on a Ti based cermet so as to obtain an improved tool life .

금속의 절삭 가공에 사용되는 내마모성 공구나 절삭 공구의 모재로는, 주로 WC-Co 초경합금, TiC나 Ti(C,N) 계열의 Ti계 소결합금인 써메트, 기타 세라믹 또는 고속도강 등이 사용된다.WC-Co cemented carbide, Ti-based sintered alloy of Ti (C, N) type, cermet, other ceramics or high-speed steel are used as the base material of the wear resistant tool or cutting tool used for cutting the metal.

이중, WC-Co 초경합금은 전략 물질적 성격이 강한 코발트와 텅스텐을 주성분으로 하므로 가격이 높은 단점이 있다.Of these, WC-Co cemented carbide is mainly composed of cobalt and tungsten, which have strong strategic material characteristics, and thus has a high price.

써메트는 일반적으로 세라믹 경질상과 금속 결합상으로 이루어진 복합체를 의미하는데, 특히 절삭공구 분야에서는, TiC 또는 Ti(C,N)을 기본으로, WC, NbC, TaC, Mo2C와 같은 경질 세라믹을 일부 혼합한 경질상 분말과 니켈(Ni), 코발트(Co) 및/또는 철(Fe)과 같은 금속을 주성분으로 하는 결합상 분말을 혼합하여 진공 또는 수소 분위기, 아르곤 분위기 하에서 소결한 세라믹-금속 복합 소결체를 말한다.Cermet generally refers to a composite composed of a ceramic hard phase and a metal bond phase. In particular, in the field of cutting tools, a hard ceramic such as WC, NbC, TaC, or Mo 2 C, based on TiC or Ti And a binder phase powder mainly composed of a metal such as nickel (Ni), cobalt (Co) and / or iron (Fe) are mixed and then sintered in a vacuum or hydrogen atmosphere or an argon atmosphere to form a ceramic- Composite sintered body.

써메트는 높은 경도와 고온에서의 화학적 안정성, 낮은 비중과 저렴한 원료 가격 등의 장점이 있어, WC-Co계 초경합금을 대체하기 위한 물질로 주목을 받아 왔고 일부 분야에서 대체 물질로서의 사용이 시도되고 있으나, WC-Co계 초경합금에 비해 상대적으로 인성이 낮은 점이 적용 확대에 제한 요소로 작용하고 있다.Cermet has been attracting attention as a substitute for WC-Co cemented carbide because of its high hardness, chemical stability at high temperature, low specific gravity and low cost of raw material. , And WC-Co-based cemented carbide are relatively limited in toughness.

예를 들어, TiC를 이용하여 써메트를 제조하는 경우, 소결 시 니켈(Ni), 코발트(Co) 및/또는 철(Fe) 등의 결합상 금속을 사용하게 되는데, 이 경우, WC-Co 조합에 비해서 젖음각(wetting angle)이 크기 때문에, TiC 입자 간의 급속한 입성장이 일어나게 되어 인성이 떨어지는 문제점이 있었다.For example, when a cermet is manufactured using TiC, a binding metal such as nickel (Ni), cobalt (Co) and / or iron (Fe) is used in sintering. In this case, There is a problem that the toughness of the TiC particles is increased and the toughness is lowered.

이러한 TiC를 이용한 써메트의 문제점은, TiC에 TiN을 첨가하여 열역학적으로 보다 안정하며 미세한 조직을 갖는 Ti(C,N)을 형성함으로써, 어느 정도 인성의 증가를 얻을 수 있었다.The problem of the cermet using TiC is that TiC is thermodynamically more stable and TiC (C, N) having a fine structure is formed by adding TiN to TiC to obtain an increase in toughness to some extent.

한편, 종래의 TiC계 또는 Ti(C,N)계 써메트 소결체의 미세조직에는, 통상 TiC 또는 Ti(C,N)으로 존재하는 코어(core)와 상기 코어를 둘러싸고 첨가된 다른 탄화물 간의 고용체(solid-solution:(Ti,M1,M2)(C,N)으로 나타난다)로 이루어진 림(rim)이 형성된 유심구조(core-rim structure)가 생성된다. 이와 같이, 코어(core)를 둘러싼 림(rim) 조직은 코어를 이루는 TiC 또는 Ti(C,N)에 비해 높은 인성을 갖는 조직이므로, 써메트의 인성 향상에 도움을 줄 수 있다.On the other hand, in the microstructure of a conventional TiC-based or Ti (C, N) -saminated sintered body, a solid solution containing a core existing as TiC or Ti (C, N) and another carbide added around the core a core-rim structure is formed in which a rim consisting of a solid-solution: (Ti, M1, M2) (C, N) is formed. As described above, the rim structure surrounding the core is a structure having higher toughness than TiC or Ti (C, N) constituting the core, and thus can improve the toughness of the cermet.

그러나 유심구조의 써메트도 취성을 유발하는 코어가 존재하기 때문에, WC-Co계 초경합금에 비하면 인성이 떨어져 WC-Co계 초경합금을 대체하는데 한계가 있다.However, due to the existence of cores inducing brittleness in the centrifugal structure, there is a limit in replacing the WC-Co cemented carbide because the toughness is lower than that of the WC-Co cemented carbide.

이러한 써메트의 취성 문제를 해결하기 위하여, 아래 특허문헌과 같이, 주기율표 중 4족, 5족, 6족 금속으로부터 티타늄을 포함하여 선택되는 둘 이상의 금속의 탄화물, 탄질화물, 또는 이들의 혼합물로 이루어지고, 유심구조가 없는 완전 고용상으로 이루어진 경질상 분말을 사용하여 유심구조가 없는 소결체를 얻는 방법이 제시되었다.In order to solve the brittleness problem of the cermet, as described in the following Patent Literature, carbides, carbonitrides, or mixtures thereof of two or more metals selected from metals of Groups 4, 5, and 6 of Periodic Table including titanium A method of obtaining a sintered body having no centrifugal structure by using a hard phase powder composed of a completely solid phase with no freezing structure is proposed.

이 방법은 출발 원료물질로 유심구조가 없는 고용상 분말의 입도를 200nm 이하로 한정하여 조직의 미세화와 소결온도를 낮추는 방법을 사용하고 있는데, 최소 100Kg 이상의 대량 생산시에는 소결체의 출발물질로 200nm 이하의 나노 사이즈 분말을 사용할 경우 분말이 응집되고 산화되기 쉽기 때문에, 대량생산이 어려운 문제가 있다. 더욱이, 이 방법에서는 고용상 분말의 입도를 200nm 이하로 한정하면서 높은 파괴인성을 얻기 위해 금속 결합상을 20중량% 정도 함유시키고 있는데, 금속 결합상의 함량을 20중량%로 높게 유지할 경우 절삭 공구로서 요구되는 경도와 내마모성을 얻기 어려운 문제점도 있다.In this method, finer grain size and sintering temperature are reduced by limiting the particle size of the solid phase powder not having a core structure to 200 nm or less as a starting material. When mass production of at least 100 kg or more, , There is a problem that mass production is difficult because the powder is aggregated and easily oxidized. Furthermore, in this method, the metal phase is contained in an amount of about 20% by weight in order to obtain a high fracture toughness while limiting the particle size of the solid solution powder to 200 nm or less. When the content of the metal bond phase is kept as high as 20% Hardness and abrasion resistance are difficult to obtain.

한편, 절삭공구로 사용되는 써메트이나 초경합금은 마모 저항성을 높이기 위해 그 표면에 경질피막층을 형성한 후 사용되는데, 이 경질피막은 화학기상증착(CVD) 또는 물리기상증착(PVD) 방법을 통해 형성된다.On the other hand, a cermet or a cemented carbide used as a cutting tool is used after forming a hard coat layer on its surface in order to increase abrasion resistance. The hard coat is formed by chemical vapor deposition (CVD) or physical vapor deposition (PVD) do.

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.The cutting edge of the cutting tool is exposed to a high temperature environment of about 1000 캜 during high speed machining of a high hardness material and not only abrasion due to contact with the workpiece and abrasion due to oxidation but also mechanical shock such as interruption is received. Therefore, cutting tools require properties such as adequate oxidation resistance, abrasion resistance and resistance to chipping.

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.For this purpose, the hard coating for a cutting tool is generally composed of a single layer or a multilayer non-oxide thin film, an oxide thin film having excellent oxidation resistance, or a mixed layer thereof. Examples of the non-oxide thin film include TiN, TiC, Ti the periodic table group 4, and a carbide, nitride, carbonitride of a Group 5, Group 6 metals, examples of the oxide-based thin film, such as (CN) has a typically α-Al 2 O 3.

이러한 경질피막은 모재와의 접합성이 향상될수록 내박리성이 좋아져 공구수명을 향상시키는데 유리하다.Such a hard coating film is advantageous in improving the peeling resistance and improving the tool life as the bonding property with the base material is improved.

이를 위해 종래 공구의 모재 상에 TiN층과 같이 모재와의 접합성이 양호한 경질피막을 형성하거나, 상기 TiN층 상에 추가로 공구 특성에 맞게 Ti(CN), α-Al2O3와 같은 경질피막을 형성하였으나, 접합성이 양호한 경질피막을 형성하는 것만으로는 경질피막의 밀착력이 충분하지 않은 경우가 있다.For this purpose, a hard coating having good bonding properties to a base material such as a TiN layer is formed on a base material of a conventional tool, or a hard coating such as Ti (CN) and? -Al 2 O 3 is formed on the TiN layer The adhesion of the hard coating may not be sufficient by merely forming the hard coating having good bonding property.

1. 대한민국 특허공개공보 제2004-0009859호1. Korean Patent Publication No. 2004-0009859 2. 대한민국 특허공개공보 제2007-0099056호2. Korean Patent Publication No. 2007-0099056 3. 대한민국 특허공개공보 제2005-0038163호3. Korean Patent Publication No. 2005-0038163 4. 대한민국 특허공개공보 제2005-0032533호4. Korean Patent Publication No. 2005-0032533 5. 대한민국 특허공개공보 제2007-0017564호5. Korean Patent Publication No. 2007-0017564 6. 대한민국 특허공보 특1993-0010710호6. Korean Patent Publication No. 1993-0010710

본 발명은 Ti계 써메트로 이루어진 모재의 표면에 경질피막이 형성된 절삭공구로, 모재의 인성과, 내마모성과, 상기 경질피막의 내박리성이 향상된 절삭공구를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.An object of the present invention is to provide a cutting tool in which a hard coating is formed on the surface of a base material made of a Ti-based thermoplastic material, the toughness of the base material, the abrasion resistance, and the peel resistance of the hard coating are improved.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 써메트 모재와, 상기 모재의 표면에 형성되는 단층 또는 다층 구조로 이루어지는 경질피막을 포함하는 절삭공구로서, 상기 모재는 코어-림 조직을 포함하고, 상기 코어-림 조직 중 코어 조직은 상기 모재를 5000배의 배율로 관찰한 주사전자현미경 이미지 면적 중에 10점 이내로 분포하고, 상기 모재의 표면으로부터 적어도 깊이 5㎛까지 금속 결합상의 함량이 0.5중량% 이하인 결합상 결핍층이 형성되어 있고, 상기 경질피막은 Ti를 포함하는, 경질피막이 형성된 절삭공구를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a cutting tool comprising a cermet base material and a hard coating formed on the surface of the base material, the base material having a core-rim structure, The core structure of the rim structure is distributed within 10 points of the scanning electron microscope image area observed at a magnification of 5,000 times, and the binder phase having a metal binding phase content of 0.5 wt% or less from the surface of the base material, Wherein the hard coating is formed of a hard coating, and the hard coating comprises Ti.

본 발명에 따른 절삭공구는, Ti계 써메트 공구의 취성 유발 요인인 코어-림 조직 중에서 코어의 면적분율을 최소화하여 모재의 인성을 향상시키고, 모재의 표면부로부터 소정 두께까지 금속 결합상을 제거한 결합상 결핍층을 형성하여 내마모성을 향상시키며, 결합상 결핍층에 경질피막을 구성하는 피막성분이 확산되어 혼합조직이 되도록 함으로써, 종래에 비해 향상된 공구수명을 얻을 수 있게 된다.The cutting tool according to the present invention can improve the toughness of the base material by minimizing the area fraction of the cores in the core-rim structure which is a cause of brittleness of the Ti-based cermet tool and to remove the metal bond phase from the surface portion of the base material to a predetermined thickness A binder phase depletion layer is formed to improve abrasion resistance, and a component of a hard film is diffused into the binder phase depletion layer to form a mixed structure, thereby achieving an improved tool life.

도 1은 본 발명의 실시예 3에 따라 코어의 면적분율이 최소화된 Ti계 써메트 조직을 나타내는 주사전자현미경 이미지이다.
도 2는 비교예 1에 따라 제조된 Ti계 써메트 조직을 나타내는 주사전자현미경 이미지이다.
도 3은 본 발명의 실시예 3에 따라 제조된 Ti계 써메트의 표면으로부터 두께 30㎛까지 측정된 Ti, W, Ni 및 Co의 조성 프로파일이다.
도 4는 비교예 1에 따라 제조된 Ti계 써메트의 표면으로부터 두께 25㎛까지 측정된 Ti, W, Ni 및 Co의 조성 프로파일이다.
1 is a scanning electron microscope image showing a Ti-based cermet structure in which the area fraction of the core is minimized according to Example 3 of the present invention.
2 is a scanning electron microscope image showing a Ti-based cermet structure manufactured according to Comparative Example 1. Fig.
Fig. 3 is a compositional profile of Ti, W, Ni and Co measured from the surface of a Ti-based cermet prepared according to Example 3 of the present invention to a thickness of 30 mu m.
Fig. 4 is a composition profile of Ti, W, Ni and Co measured from the surface of a Ti-based cermet prepared according to Comparative Example 1 to a thickness of 25 mu m.

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.The singular forms used to describe the embodiments of the present invention are meant to include plural forms unless the phrases expressly mean the opposite. And includes meaning of specific characteristics, regions, integers, steps, and actions. Elements and / or components, and other particular features, regions, integers, steps, acts. Quot; does not exclude the presence or addition of elements, elements and / or groups.

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.Although not defined differently, all terms including technical terms and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Also, commonly used predefined terms are not to be construed as ideal or very formal meanings unless further defined and interpreted as having a meaning consistent with the relevant technical literature and the present disclosure.

본 발명자들은 Ti계 써메트를 모재로 하고 그 상부에 경질피막이 형성되는 절삭공구의 인성과 내마모성을 향상시키면서 동시에 경질피막의 내박리성을 향상시킬 수 있는 방법을 연구한 결과, Ti계 써메트의 모재에 형성되는 유심구조(core-rim structure) 중에서 코어를 구성하는 경질상의 면적비율을 최소화하여 모재 전체의 인성을 향상시키고, 이와 같이 코어 조직을 줄임으로써 발생하는 경도 저하는 Ti계 써메트의 모재 표면에서 소정 깊이까지 금속 결합층을 제거하여 결합층 결핍층을 형성하고 결합층 결핍층에 Ti계 써메트의 모재 상에 형성되는 경질피막이 확산되도록 한 후 경질피막에 후처리를 실시하여 잔류압축응력 상태가 되도록 함으로써 보완하고 동시에 경질피막의 모재에 대한 접합력을 향상시킴으로써, 절삭공구 전체의 인성, 내마모성 및 내박리성을 모두 향상시킬 수 있음을 밝혀내고 본 발명에 이르게 되었다.The inventors of the present invention have studied a method for improving the tear resistance of a hard coating while improving the toughness and abrasion resistance of a cutting tool in which a hard coating is formed on a Ti-based cermet as a base material. As a result, In the core-rim structure formed on the base material, the ratio of the area of the hard phase constituting the core is minimized to improve the toughness of the entire base material. The decrease in hardness, The metal bond layer is removed from the surface to a predetermined depth to form a bond layer depletion layer and the hard coating formed on the base material of the Ti-based cermet is diffused in the bonding layer depletion layer, and then the hard coating is post- State, and at the same time improving the bonding force of the hard coating to the base material, it is possible to improve the toughness, abrasion resistance, Revealing that can improve both the releasable led to the present invention.

본 발명에 따른 절삭공구는, 써메트 모재와, 상기 모재의 표면에 형성되는 단층 또는 다층 구조로 이루어지는 경질피막을 포함하며, 상기 모재는 코어-림 조직을 포함하고, 상기 코어-림 조직 중 코어 조직은 상기 모재를 5000배의 배율로 관찰한 주사전자현미경 이미지 면적 중에 10점 이내로 분포하고, 상기 모재의 표면으로부터 적어도 깊이 5㎛까지 금속 결합상의 함량이 0.5중량% 이하인 결합상 결핍층이 형성되어 있고, 상기 경질피막은 Ti를 포함하는 것을 특징으로 한다.The cutting tool according to the present invention includes a cermet base material and a hard coating formed on the surface of the base material, the base coating having a single-layer or multi-layer structure, wherein the base material includes a core- The tissue is distributed within 10 points of the scanning electron microscope image area observed at a magnification of 5,000 times, and a binder-phase depletion layer having a metal binding phase content of 0.5 wt% or less is formed from the surface of the base material to at least a depth of 5 mu m And the hard coating contains Ti.

상기 써메트 모재는, Ti 화합물과 W 화합물을 포함하는 경질상과, Co, Ni 또는 Co 및 Ni 중에서 선택된 금속 결합상을 포함할 수 있다. 상기 Ti 화합물로는 Ti 탄화물 및/또는 Ti 탄질화물이 포함될 수 있고, W 화합물로는 W 탄화물 및/또는 탄질화물이 포함될 수 있다.The cermet base material may include a hard phase containing a Ti compound and a W compound, and a metal bond phase selected from Co, Ni, Co, and Ni. The Ti compound may include Ti carbide and / or Ti carbonitride, and the W compound may include W carbide and / or carbonitride.

또한, 상기 써메트 모재는, 바람직하게, Ti를 포함하는 탄질화물 40~94중량%와, Fe, Co 및 Ni 중에서 선택된 1종 이상의 금속 5~20중량%와, 주기율표 중 4족, 5족 및 6족 금속으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 포함하는 탄화물, 탄질화물, 또는 이들의 혼합물 1~40중량%를 포함할 수 있다.The cermet base material preferably contains 40 to 94% by weight of a carbonitride containing Ti, 5 to 20% by weight of at least one metal selected from Fe, Co and Ni, Group 4, Group 5 and Group 5 of the periodic table, 1 to 40% by weight of a carbide, a carbonitride, or a mixture thereof, containing at least one metal selected from Group 6 metals.

상기 모재에 있어서 금속 결합상의 함량이 5중량% 미만일 경우 취성이 증가하고, 20중량% 초과일 경우 내마모성이 감소하므로, 금속 결합상의 함량은 5~20중량% 범위로 첨가되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 4족, 5족 또는 6족의 원소를 포함하는 탄화물 또는 탄질화물은 그 함량이 1중량% 미만일 경우 본 발명에 따른 절삭공구에 요구되는 내마모성을 얻을 수 없고, 40중량%를 초과할 경우 반복적인 열충격에 의한 열 크랙 발생이 증가하므로, 40중량% 이하로 첨가되는 것이 바람직하다.If the content of the metal-bonded phase in the base material is less than 5% by weight, the brittleness increases. When the base metal content exceeds 20% by weight, the abrasion resistance is reduced, so that the content of the metal-bonded phase is preferably 5 to 20% by weight. If the content of the carbide or carbonitride containing the element of Group 4, Group 5 or Group 6 is less than 1% by weight, the abrasion resistance required for the cutting tool according to the present invention can not be obtained. If the content is more than 40% The occurrence of heat cracks due to repetitive thermal shocks increases, so that it is preferably added in an amount of 40 wt% or less.

또한, 상기 경질상 코어 조직은 상기 모재를 5000배의 배율로 관찰한 주사전자현미경 이미지 면적 중에 10점을 초과하여 분포할 경우, 모재의 인성이 충분하지 않으므로 바람직하지 않다.In addition, when the base material is distributed over 10 points in the scanning electron microscope image area observed at a magnification of 5000 times, the hard core structure is not preferable because the toughness of the base material is not sufficient.

또한, 상기 결합상 결핍층에는, 바람직하게, 상기 Ti를 포함하는 경질피막의 성분이 확산되어, 경질피막과 모재의 혼합조직이 형성될 수 있다.In addition, the component of the hard coating containing Ti may preferably be diffused into the bonding-phase depletion layer to form a mixed structure of the hard coating and the base metal.

또한, 상기 결합상 결핍층은, 바람직하게, Ti계 써메트의 표면을 에칭함으로써, 모재 표면에서 소정 두께까지 형성된 금속 결합층을 용해하여 제거하는 방법으로 형성될 수 있으나, 결합상 결핍층을 본 발명에서 제시하는 두께로 형성할 수 있는 방법이라면 특별히 제한되지 않는다.The bonding-phase depletion layer may be formed by a method of dissolving and removing the metal bonding layer formed to a predetermined thickness from the surface of the base material by etching the surface of the Ti-based cermet. However, And there is no particular limitation so long as it is a method capable of forming a thickness as described in the present invention.

또한, 상기 결합상 결핍층은, 모재 표면으로부터 5~50㎛까지 형성되는 것이 바람직한데, 표면으로부터의 깊이가 5㎛ 미만일 경우 경질피막과 모재와의 충분한 결합력과 함께 내마모성을 얻기 어렵고, 50㎛를 초과할 경우 내충격성이 저하되기 때문이며, 내마모성과 내충격성을 고려한 보다 바람직한 결합상 결핍층의 깊이는 8~20㎛이다.If the depth from the surface is less than 5 mu m, it is difficult to obtain a sufficient bonding force with the hard coating and the base material, and it is difficult to obtain the abrasion resistance. When the depth from the surface is less than 50 mu m The impact resistance is lowered. The depth of the bond-phase depletion layer is preferably 8 to 20 占 퐉, in consideration of wear resistance and impact resistance.

또한, 상기 경질피막에 있어서, 상기 모재의 표면에 형성되는 피막은 절삭공구에 요구되는 특성에 맞추어, 예를 들어 TiN, Ti(C,N), Al2O3 등의 다양한 경질피막이 형성될 수 있으나, Ti계 써메트를 구성하는 경질상인 Ti 화합물과의 화학적 친화성을 고려할 때, TiN층이 바람직하며, 형성된 TiN층은 모재 표면에 형성된 결합상 결핍층으로 확산되어, 모재의 표면에서 소정 깊이까지 Ti 화합물 TiN의 혼합조직을 형성한다. 이와 같이 형성된 혼합조직은 TiN층의 내박리성을 향상시키고 절삭공구의 내마모성을 향상시킨다.In addition, in the hard coating, various coatings such as TiN, Ti (C, N), and Al 2 O 3 may be formed on the surface of the base material in accordance with the characteristics required for the cutting tool However, considering the chemical affinity with the Ti compound, which is a hard phase constituting the Ti-based cermet, the TiN layer is preferable, and the TiN layer formed diffuses into the bonding-deficient layer formed on the surface of the base material, To form a mixed structure of Ti compound TiN. The thus formed mixed structure improves the peel resistance of the TiN layer and improves the abrasion resistance of the cutting tool.

[실시예][Example]

본 발명의 실시예에 따른 써메트는 다음과 같은 공정을 통해 제조하였다.The cermet according to the embodiment of the present invention was produced through the following process.

먼저, 아래 표 1과 같은 조성을 갖도록 소결용 원료분말을 준비하였다.First, raw powder for sintering was prepared so as to have the composition shown in Table 1 below.

  성분
(중량%)
ingredient
(weight%)
(Ti,W)(C,N)
함량
(중량%)
(Ti, W) (C, N)
content
(weight%)
Ti
화합물
Ti
compound
WCWC TaTa MoMo NbNb CoCo NiNi
비교예1Comparative Example 1 5050 1818 1One 66 99 88 88 00 비교예2Comparative Example 2 4040 1818 1One 66 99 88 88 1010 비교예3Comparative Example 3 3535 1818 1One 66 99 88 88 1515 실시예1Example 1 3030 1818 1One 66 99 88 88 2020 실시예2Example 2 2020 1818 1One 66 99 88 88 3030 실시예3Example 3 1010 1818 1One 66 99 88 88 4040

위 표에서 (Ti,W)(C,N)의 함량은, 전체 원료분말의 중량에서, (Ti,W)(C,N)의 중량 비율을 나타낸 것으로서, Ti계 써메트에서 형성되는 유심구조 중에서 코어 면적의 비율을 제어하기 위한 것으로, (Ti,W)(C,N)을 제외한 나머지 Ti 화합물은 Ti(C,N)이다.The content of (Ti, W) (C, N) in the table indicates the weight ratio of (Ti, W) (C, N) in the weight of the entire raw material powder, (Ti, W) (C, N) is Ti (C, N).

상기 원료분말에 초경 볼과 유기용매를 첨가하여 17시간 혼합 분쇄 이후 건조해 혼합분말을 얻었다. 얻어진 혼합분말을 가지고 CCMT09T304 Posi 타입의 형상용 금형을 통해 2 ton/㎠의 압력으로 프레스를 수행하여 성형체를 제조하였다.A cemented carbide ball and an organic solvent were added to the raw material powder, followed by mixing and grinding for 17 hours to obtain a mixed powder. The obtained mixed powder was pressed at a pressure of 2 ton / cm 2 through a shape metal mold of CCMT09T304 Posi type to prepare a molded article.

다음으로, 450℃에서 1차 탈지(dewaxing) 공정을, 650℃~750℃에서 불활성 가스를 사용하여 2차 탈지(dewaxing)공정을 수행하였다. 성형체 제조과정에 투입된 유기 바인더 성분을 제거한 후, 1500℃에서 본 소결을 1.5시간 동안 진행하고, 1500℃에서 1100℃까지 수소 가스 분위기에서 8.5℃/min의 속도로 냉각시킨 후, 자연냉각시키는 방법으로 소결공정을 수행하여 Ti계 써메트로 이루어진 인써트를 제조하였다.Next, a first dewaxing process was performed at 450 ° C and a second dewaxing process was performed at 650 ° C to 750 ° C using an inert gas. After removing the organic binder component introduced in the molding process, the sintering was conducted at 1500 ° C for 1.5 hours, cooled at a rate of 8.5 ° C / min in a hydrogen gas atmosphere from 1500 ° C to 1100 ° C, Sintering process was performed to fabricate inserts made of Ti-based thermoset.

도 1은 본 발명의 실시예 3에 따라 코어의 면적분율이 최소화된 Ti계 써메트 조직을 나타내는 주사전자현미경 이미지이고, 도 2는 비교예 1에 따라 제조된 Ti계 써메트 조직을 나타내는 주사전자현미경 이미지이다.Fig. 1 is a scanning electron microscope image showing a Ti-based cermet structure in which the area fraction of the core is minimized according to Example 3 of the present invention, Fig. 2 is a scanning electron microscope image showing a Ti-based cermet structure produced according to Comparative Example 1, It is a microscopic image.

도 1에 나타난 바와 같이 본 발명의 실시예 3에 따라 제조된 인써트의 미세조직 중에서, 이미지 상에서 상대적으로 검은색으로 나타나는 코어 조직이 5000배 배율의 이미지 중에서 10점 미만으로 관찰됨을 알 수 있으며, 다른 실시예도 동일하다. 이와 같이 코어 조직이 많지 않을 경우 인써트의 인성이 향상된다.As shown in FIG. 1, among the microstructures of the inserts prepared according to Example 3 of the present invention, it can be seen that core structures appearing relatively black on the image are observed at less than 10 points in the image of 5000 times magnification, The same is true for the embodiment. If the core structure is not so large, the toughness of the insert is improved.

또한, 실시예 1 및 2의 경우에도 실시예 3과 동일하게 코어 조직은 10점 미만으로 관찰되었다.Also in the case of Examples 1 and 2, the core texture was observed to be less than 10 points as in Example 3. [

도 2는 비교예 1에 따라 제조된 인써트의 미세조직을 나타낸 것으로도, 도 2에 나타난 바와 같이, 비교예 1의 경우 검은색으로 나타나는 코어 조직이 고르게 분산되어 형성되어 있음을 알 수 있다. 이와 같이 코어 조직이 발달한 경우, 인써트의 인성이 좋지 않게 된다.FIG. 2 shows the microstructure of the insert prepared according to Comparative Example 1. As shown in FIG. 2, in Comparative Example 1, the black core is uniformly dispersed. When the core structure develops like this, the toughness of the insert is not good.

또한, 비교예 2 및 3의 경우, 비교예 1에 비해 코어 조직의 수는 감소하였으나, 10점을 초과하여 관찰되었다.In the case of Comparative Examples 2 and 3, the number of core tissues was decreased as compared with Comparative Example 1, but was observed to exceed 10 points.

이와 같이 제조된 인써트를 산성 용액(전해탈지제, 한국종합화학사 SR100)에 침지하여, 금속 결합상인 Co 및 Ni를 선택적으로 용해시킴으로써, 인써트의 표면으로부터 소정 깊이까지 금속 결합상이 제거된 '결합상 결핍층'을 얻었다.The thus-prepared insert is immersed in an acidic solution (electrolytic degreasing agent, Korea Synthesizer SR100) to selectively dissolve Co and Ni, which are metal bonding phases, to form a 'bond phase depletion layer '.

'결합상 결핍층'의 깊이는 산성 용액과 접하는 시간에 따라 달라질 수 있으며, 아래 표 2는 실시예 1~3과 비교예 1~3에 따라 형성된 '결합상 결핍층'의 깊이를 나타낸 것이다.The depth of the 'bond-phase depletion layer' may vary depending on the contact time with the acid solution, and Table 2 below shows depths of the 'bond-depletion layer' formed according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3.

  최표면에서 바인더 함량이 최소 0.5중량%가 되는 지점까지의 거리 (um)The distance (um) from the top surface to the point where the binder content is at least 0.5 wt% 비교예1Comparative Example 1 00 비교예2Comparative Example 2 22 비교예3Comparative Example 3 44 실시예1Example 1 55 실시예2Example 2 5.55.5 실시예3Example 3 77

위 표 1에 나타난 바와 같이, 비교예 1의 경우 산성용액에 침지하는 공정을 실시하지 않았고, 비교예 2 및 비교예 3은 '결합상 결핍층'의 깊이를 5㎛ 미만으로 하였으며, 실시예 1~3은 '결합상 결핍층'의 깊이가 5㎛ 이상이 되도록 하였다.As shown in Table 1, in the case of Comparative Example 1, the step of immersion in an acidic solution was not performed. In Comparative Example 2 and Comparative Example 3, the depth of the 'bonding-phase depletion layer' was less than 5 μm, ~ 3 so that the depth of the 'binding-depletion layer' was 5 μm or more.

도 3은 본 발명의 실시예 3에 따라 제조된 Ti계 써메트의 표면으로부터 두께 30㎛까지 측정된 Ti, W, Ni 및 Co의 조성 프로파일이다.Fig. 3 is a composition profile of Ti, W, Ni and Co measured from the surface of a Ti-based cermet prepared according to Example 3 of the present invention to a thickness of 30 mu m.

도 3에 나타난 바와 같이, 산성용액에 침지된 후, 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 Ti계 써메트의 경우, 두께 약 7㎛까지 금속 결합상인 Co 및 Ni의 함량이 0.5중량% 미만인 '결합상 결핍층'이 형성되어 있고, 이후 서서히 결합상의 비율이 증가하여 두께 약 30㎛ 지점부터 금속 결합상의 함량이 원료분말에서 배합된 비율로 나타나는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 3, in the case of the Ti-based cermet prepared according to Example 1 of the present invention after immersion in an acidic solution, the content of Co and Ni, which are metallic bonding phases of up to about 7 탆 in thickness, And the ratio of the binder phase gradually increases. From the point of about 30 탆 in thickness, it can be seen that the content of the metal binding phase is expressed by the ratio of the raw material powder.

이에 비해, 도 4에 나타난 바와 같이, 산성용액에 침지하지 않은 비교예 1의 경우, 모재의 표면부로부터 약 2~3㎛까지는 Co와 Ni의 함량이 더 많이 존재하는 '결합상 부화층'이 형성되어 있고, 금속 함량이 점점 줄어든 후 5㎛ 지점부터 결합상의 함량이 서서히 증가하는 경향을 나타냄을 알 수 있다.On the other hand, as shown in FIG. 4, in the case of Comparative Example 1 not immersed in an acidic solution, a " bonding top layer " in which the content of Co and Ni is greater than about 2 to 3 m from the surface portion of the base material And the content of the binder phase gradually increases from the point of 5 mu m after the metal content is gradually decreased.

이와 같이, 제조한 실시예 1~3과 비교예 1~3에 따라 제조한 인써트의 표면에, CVD법을 사용하여 두께 2.0㎛의 TiN층을 형성하였다.Thus, a TiN layer having a thickness of 2.0 占 퐉 was formed on the surfaces of the inserts prepared according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 by CVD.

이와 같이 TiN층을 형성할 경우, 인써트의 모재 표면으로부터 TiN층의 일부가 써메트 모재의 '결합상 결핍층' 내부로 확산되며, 이를 통해 '결합상 결핍층'은 TiN과 Ti(C,N)을 포함하는 경질상의 혼합조직을 이룬다. 한편, 상기 TiN층의 확산은 경질피막의 형성과정에 이루어질 수 있고, 확산이 충분하지 않을 경우 별도의 열처리를 통해 확산층을 형성할 수도 있다.When the TiN layer is formed as described above, a portion of the TiN layer diffuses from the surface of the base of the insert into the 'coupling-phase depletion layer' of the cermet base material, ). ≪ / RTI > On the other hand, the diffusion of the TiN layer may be performed in the process of forming the hard coating, and if the diffusion is not sufficient, the diffusion layer may be formed through a separate heat treatment.

이상과 같이 제조한 절삭공구에 대해, 먼저 산성용액 침지처리 및 TiN층의 형성 처리 전 상태로 내마모성과 내치핑성을 평가한 후, 산성용액 침지처리 및 TiN층을 형성한 후에 내마모성과 TiN층의 밀착력을 평가하였다.The cutting tool thus manufactured was first evaluated for wear resistance and chipping resistance before the acidic solution immersion treatment and the TiN layer formation treatment, and after the acidic solution immersion treatment and the TiN layer were formed, the abrasion resistance and the TiN layer The adhesion was evaluated.

내마모성, 내치핑성 및 TiN층의 밀착력 평가는 다음과 같은 조건으로 수행하였다.The abrasion resistance, the chipping resistance and the adhesion of the TiN layer were evaluated under the following conditions.

(1) 내마모성 평가조건(1) Condition for evaluating abrasion resistance

주속=350 m/min, 이송=0.2 mm/rev, 절입량: 1.0 mm(편측)Feed rate = 350 mm / min, feed = 0.2 mm / rev, infeed amount: 1.0 mm (one side)

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(2) 내치핑성 평가조건(2) Evaluation conditions for chipping resistance

주속=200 m/min, 이송=0.25 mm/rev, 절입량: 1.0 mm(편측)Feed rate: 200 mm / min, feed = 0.25 mm / rev, infeed amount: 1.0 mm (one side)

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(3) 밀착력 평가조건(3) Adhesion evaluation condition

JNL사의 스크레치 테스트 장비를 이용하여 ASTM C1624 방법에 의거하여 평가하였다.And evaluated according to the ASTM C1624 method using a scratch test equipment of JNL.

이때, 스크레치 압입자 이동거리는 10.0mm 이며 이송조건은 1.0mm/sec로 하였다.      At this time, the moving distance of the scratch pressure particle was 10.0 mm and the feeding condition was 1.0 mm / sec.

아래 표 3은 산성용액 침지처리 및 TiN층의 형성 처리 전 상태로 내마모성과 내치핑성을 평가한 결과를 나타낸 것이다.Table 3 below shows the results of evaluating the wear resistance and the chipping resistance in the state before the acidic solution immersion treatment and the TiN layer formation treatment.

  TiN층 형성 없는 모재Base material without TiN layer formation 내마모성 평가
(분)
VB 마모 0.2mm 도달 시간
Abrasion resistance evaluation
(minute)
VB wear time to 0.2 mm
내치핑성 평가
(분)
Evaluation of chipping resistance
(minute)
비교예1Comparative Example 1 1111 55 비교예2Comparative Example 2 1010 66 비교예3Comparative Example 3 8.58.5 88 실시예1Example 1 77 1515 실시예2Example 2 8.28.2 1414 실시예3Example 3 55 2020

내마모성 평가시 표시한 시간은 여유면 마모 VB 마모의 0.2mm 도달시간을 기준한 것이다. 내치핑성의 경우 파손되는 시간임The time indicated in the evaluation of the wear resistance is based on the arrival time of 0.2 mm of abrasion wear VB wear. In case of chipping resistance, it is time to break.

위 표 3에 나타난 바와 같이, 비교예 1~3에서 (Ti,W)(C,N)의 함량이 증가할수록 내치핑성(즉, 인성)은 향상되나, 내마모성은 줄어드는 경향을 나타낸다.As shown in Table 3, in Comparative Examples 1 to 3, as the content of (Ti, W) (C, N) increases, the chipping resistance (i.e., toughness) is improved but the abrasion resistance is decreased.

아래 표 4는 실시예 1~3, 비교예 2, 3에 산성용액 침지처리 및 TiN층의 형성 처리를 한 후 상태로 내마모성과 밀착도를 평가한 결과를 나타낸 것이다.Table 4 below shows the results of evaluating the abrasion resistance and the degree of adhesion in the state after the acidic solution immersion treatment and the TiN layer formation treatment are carried out in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 2 and 3.

  TiN층
두께
(um)
TiN layer
thickness
(um)
밀착도
(KN)
Coherence
(KN)
TiN 형성 후 공구수명 및 밀착도 평가Evaluation of tool life and adhesion after TiN formation
내마모성
(분)
Abrasion resistance
(minute)
내치핑성
(분)
Chipping resistance
(minute)
비교예1Comparative Example 1 2.02.0 88 KN88 KN 1515 1313 비교예2Comparative Example 2 2.02.0 93 KN93 KN 2424 1414 비교예3Comparative Example 3 2.02.0 99 KN99 KN 3232 1818 실시예1Example 1 2.02.0 120 KN120 KN 6868 2424 실시예2Example 2 2.02.0 116 KN116 KN 7474 3131 실시예3Example 3 2.02.0 119 KN119 KN 9191 4444

위 표 4에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예 1은 비교예 2 및 3에 비해 내마모성과 밀착도가 현저하게 향상되고, 실시예 1~3의 경우 산성용액 침지처리를 수행하지 않은 비교예 1에 비해, 내마모성과 밀착도의 측면에서 현저한 향상이 이루어짐을 알 수 있다.As shown in Table 4, Example 1 of the present invention exhibited remarkably improved wear resistance and adhesion as compared with Comparative Examples 2 and 3, and Comparative Examples 1 to 3 in which acidic solution immersion treatment was not performed in Examples 1 to 3 It can be seen that remarkable improvement is achieved in terms of abrasion resistance and adhesion.

한편, TiN층의 밀착도의 경우, 실시예 1~3에서 실질적으로 유사한 수준을 나타내므로, 결합상 결핍층의 두께는 5㎛ 이상이면 유사한 결과를 나타냄을 알 수 있다.On the other hand, the adhesion of the TiN layer shows substantially similar levels in Examples 1 to 3, so that it can be seen that the thickness of the bonding-phase-depletion layer is similar to the thickness of 5 mu m or more.

본 발명의 실시예와 같이 밀착도가 향상될 경우, 모재와 박막간 결합력이 우수하게 되어 외부의 충격에 대한 저항성이 커지게 되므로, 공구 관점에서 내치핑성이 향상되게 된다.When the degree of adhesion is improved as in the embodiment of the present invention, the bonding force between the base material and the thin film is excellent, and the resistance to external impact increases, so that the chipping resistance is improved from a tool standpoint.

또한, 고속 가공 시 절삭부하에 의한 절삭 날부에 발생하는 박리로 인하여 절삭 부하가 박리된 영역에 집중되어 결국 과도한 부하에 의하여 VB 마모 0.2mm 도달 시간이 줄어들게 되는데, 본 발명의 실시예에 따른 경질피막은 내박리성이 우수하여 공구 수명을 연장시킬 수 있게 된다.In addition, due to the peeling occurring at the cutting edge due to the cutting load during the high speed machining, the cutting load is concentrated in the peeled area, so that the time for reaching the VB wear of 0.2 mm is reduced by the excessive load. The peeling resistance is excellent and the tool life can be prolonged.

Claims (6)

써메트 모재와, 상기 모재의 표면에 형성되는 단층 또는 다층 구조로 이루어지는 경질피막을 포함하는 절삭공구로서,
상기 모재는 코어-림 조직을 포함하고,
상기 코어-림 조직 중 코어 조직은 상기 모재를 5000배의 배율로 관찰한 주사전자현미경 이미지 면적 중에 10점 이내로 분포하고,
상기 모재의 표면으로부터 적어도 깊이 5㎛까지 금속 결합상의 함량이 0.5중량% 이하인 결합상 결핍층이 형성되어 있고,
상기 경질피막은 Ti를 포함하고,
상기 결합상 결핍층에는 상기 Ti를 포함하는 경질피막의 성분이 확산되어, 경질피막과 모재의 혼합조직이 형성되어 있는, 경질피막이 형성된 절삭공구.
1. A cutting tool comprising a cermet base material and a hard coating formed on the surface of the base material,
Wherein the base material comprises a core-rim structure,
The core structure of the core-rim structure is distributed within 10 points of the scanning electron microscope image area observed at a magnification of 5,000 times,
A binder phase depletion layer having a metal binding phase content of 0.5 wt% or less from the surface of the base material to at least a depth of 5 mu m is formed,
Wherein the hard coating comprises Ti,
Wherein a hard coating film containing the Ti is diffused into the bonding-phase depletion layer to form a mixed structure of the hard coating and the base metal.
제1항에 있어서,
상기 써메트는,
Ti 화합물과 W 화합물을 포함하는 경질상과,
Co, Ni 또는 Co 및 Ni 중에서 선택된 금속 결합상을 포함하는, 경질피막이 형성된 절삭공구.
The method according to claim 1,
The cermet,
A hard phase containing a Ti compound and a W compound,
Co, Ni or a metal bond phase selected from Co and Ni.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 결합상 결핍층은 표면으로부터 깊이 5~50㎛까지 형성된, 경질피막이 형성된 절삭공구.
The method according to claim 1,
Wherein the binder phase depletion layer is formed to a depth of 5 to 50 mu m from the surface.
제1항에 있어서,
상기 경질피막에 있어서, 상기 모재의 표면에 형성되는 피막은 TiN층인, 경질피막이 형성된 절삭공구.
The method according to claim 1,
Wherein the hard coating is a TiN layer formed on the surface of the base material.
제1항에 있어서,
상기 써메트 모재는,
Ti를 포함하는 탄질화물 40~94중량%와, Fe, Co 및 Ni 중에서 선택된 1종 이상의 금속 5~20중량%와, 주기율표 중 4족, 5족 및 6족 금속으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 포함하는 탄화물, 탄질화물, 또는 이들의 혼합물 1~40중량%를 포함하는, 경질피막이 형성된 절삭공구.
The method according to claim 1,
The cermet base material,
40 to 94% by weight of a carbonitride containing Ti, 5 to 20% by weight of at least one metal selected from Fe, Co and Ni, at least one metal selected from Group 4, Group 5 and Group 6 metals in the periodic table, 1 to 40% by weight of a carbide, carbonitride, or a mixture thereof.
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