KR102064171B1

KR102064171B1 - 초경합금 절삭공구

Info

Publication number: KR102064171B1
Application number: KR1020170175784A
Authority: KR
Inventors: 강재훈; 김옥길; 조성우; 안진우; 이동열; 윤태희; 안선용
Original assignee: 한국야금 주식회사
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2020-01-09
Also published as: KR20190074432A

Abstract

본 발명은 고경도강 가공 시 우수한 절삭성능과 연장된 절삭수명을 구현하게 하는 향상된 내마모성, 내산화성 및 윤활성을 구현할 수 있는 초경합금 절삭공구를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 초경합금 절삭공구는, 초경합금 소결체로 이루어진 모재와 상기 모재의 적어도 일 부분에 형성된 피복층을 포함하며, 상기 모재는, WC 93~94중량%, Co 5~6중량%, Cr₃C₂1중량% 이하를 포함하고, 상기 WC의 평균입도가 0.5~1㎛이며, 상기 피복층은, 상기 모재 상에 형성된 TiN을 포함하는 하층과, MT-CVD법으로 형성된 Ti(C,N)으로 이루어진 중간층과, α-Al₂O₃로 이루어진 상층을 포함하고, 상기 α-Al₂O₃는 TC(104)이 1~1.5이고, TC(006)이 4 이상이고, 상기 중간층의 경도(H2)와 상층의 경도(H3)의 비(H2/H3)가 0.85~1이며, 모재의 경도(H1)와 중간층의 경도(H2)의 비(H1/H2)가 0.85~1인 것을 특징으로 한다.

Description

초경합금 절삭공구 {CEMENTED CARBIDE CUTTING TOOLS}

본 발명은 초경합금으로 이루어진 모재에 경질 피복층을 형성한 절삭공구에 관한 것으로, 구체적으로는 초경합금의 조성 및 미세조직 제어와 경질 피복층의 조성, 적층 구조 및 배향 방위 제어 등을 통해, 고경도강의 절삭가공 시에 절삭공구의 수명을 개선할 수 있는 초경합금 절삭공구에 관한 것이다.

절삭공구에 사용되는 초경합금은 WC 경질상과 Co 결합금속상의 복합재료로 대표적인 분산형 합금이며, 그 기계적 특성은 기본적으로 WC 경질상의 입도와 Co 결합금속상의 양에 의존하며, 특히 경도와 인성은 상호 반비례하는 관계에 있다.

한편, 절삭가공 방법이나 피삭재에 따라 절삭공구용 초경합금에 요구되는 특성도 달라지며, 이에 따라 초경합금의 기계적 특성을 제어하기 위한 다양한 시도가 행해져 왔다.

고경도강은 열처리에 의해 HRC 45 이상의 높은 경도를 가진 강(steel)을 말하며, 일반적으로, 탄소강, 볼 베어링 강 및 공구강이 고경도강의 범주에 포함된다.

경도가 높은 고경도 강의 가공 시에는 절삭가공 시에 생성되는 칩에 의해 절삭열이 공구 인선부에 열이 집중되며, 이로 인해 공구와 피삭재의 화학반응에 의해 공구 인선부에 마모 및 용착/탈락 현상이 쉽게 발생한다. 또한, 절삭공구의 여유면(측면)은 높은 경도를 가진 피삭재를 가공하기 때문에 기계적 마찰 마모가 일반 강보다 빠르게 진행한다. 이로 인해 고경도강의 절삭가공 시에는 절삭공구의 안정적인 수명을 얻기가 어렵다.

특허문헌에는 WC상을 주체로 하여 Co를 11.5∼12.5질량%와 Cr을 Cr₃C₂ 환산량으로 0.2∼0.6질량%의 비율로 함유해서 이루어지고, 상기 WC상의 평균 입경이 0.85∼1.05㎛이고, 항자력(Hc)이 13.0∼16.0kA/m, 록웰 경도(HRA)가 89.5∼90.5인 초경 합금과 같이, WC 상을 초미세립으로 함으로써 절삭성능을 개선한 절삭 공구가 개시되어 있다.

그러나, 특허문헌과 같이, 초경합금의 조성 제어와 WC 조직의 미세화만으로는, 고경도강의 절삭조건에서 절삭공구의 수명을 향상시키는데 한계가 있다.

대한민국 공개특허공보 특2001-0023663호

본 발명은 고경도강 가공 시에 향상된 내마모성, 내산화성 및 윤활성을 구현할 수 있는 초경합금 절삭공구를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 초경합금 소결체로 이루어진 모재와 상기 모재의 적어도 일 부분에 형성된 피복층을 포함하며, 상기 모재는, WC 93~94중량%, Co 5~6중량%, Cr₃C₂1중량% 이하를 포함하고, 상기 WC의 평균입도가 0.5~1㎛이며, 상기 피복층은, 상기 모재 상에 형성된 TiN을 포함하는 하층과, MT-CVD법으로 형성된 Ti(C,N)으로 이루어진 중간층과, α-Al₂O₃로 이루어진 상층을 포함하고, 상기 α-Al₂O₃는 아래 [식 1]로 산출되는 TC(104)이 1~1.5이고, TC(006)이 4 이상이고, 상기 중간층의 경도(H2)와 상층의 경도(H3)의 비(H2/H3)가 0.85~1이며, 모재의 경도(H1)와 중간층의 경도(H2)의 비(H1/H2)가 0.85~1인 것을 특징으로 하는 초경합금 절삭공구를 제공한다.

[식 1]

TC(hkl) = I(hkl)/Io(hkl){1/n∑I(hkl)/Io(hkl)}^-1

(여기서, I(hkl) = (hkl) 반사강도, Io(hkl) = JCPDS 카드 46-1212에 따른 표준 강도, n= 계산에 사용된 반사의 횟수, (hkl) 반사는 (012), (104), (110), (006), (113) 및 (116)을 사용)

본 발명에 따른 초경합금 절삭공구는, 초경합금 모재의 미세조직 제어와, 초경합금 모재와 중간층 간의 경도비, 중간층과 상층 간의 경도비의 제어 및 상층을 형성하는 알파-알루미나층의 집합조직 등을 제어함으로써, 우수한 내마모성, 내산화성 및 윤활성을 통해 공구수명을 연장시킬 수 있다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 모재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명에 따른 초경합금 절삭공구는, 초경합금으로 이루어지는 모재와 이 모재의 표면에 형성된 경질 피복층을 포함할 수 있으며, 다음과 같은 구성을 갖는 것을 특징으로 한다.

초경합금 모재

본 발명에 따른 초경합금 절삭공구를 구성하는 모재는 초경합금 소결체로 이루어지며, WC 93~94중량%, Co 5~6중량%, Cr₃C₂1중량% 이하를 포함하고, 상기 WC의 평균입도가 0.5~1㎛일 수 있다.

상기 WC는 그 함량이 93중량% 미만일 경우, 고경도강에 요구되는 내마모성을 얻기 어렵고, WC의 함량이 94중량%를 초과할 경우, Co의 함량이 줄어들어 인성이 저하되므로 바람직하지 않다.

상기 Co는 경질상인 WC를 잡아주는 바인더 역할을 하는 것으로, Co 함량이 증가함에 따라 인성이 증가하고 그 함량이 감소함에 따라 인성이 감소하는 경향을 보인다. Co함량이 5중량% 미만일 경우 고경도강 가공 시에 인성이 충분하지 못해 파손현상을 유발할 수 있어 바람직하지 않고, 6중량%를 초과할 경우 고경도강의 가공에 요구되는 내마모성을 얻기 어려울 수 있으므로 바람직하지 않다.

상기 Cr₃C₂는, 소결과정에서 WC 입자의 성장을 억제하기 위해 첨가되는 것으로, 그 함량이 1중량%를 초과할 경우, 바인더상인 Co의 내부에 고용도가 증가하여 Co의 경화현상이 초래되어 절삭가공시 요구되는 인성을 확보하기 어려우므로, 1중량% 이하가 바람직하며, Cr₃C₂의 함량이 지나치게 적을 경우, WC 입자의 크기를 미세하기 유지하기 어려울 수 있으므로, 0.1중량% 이상으로 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 초경합금을 구성하는 WC의 평균입도는 0.5㎛ 미만일 경우, Hall-petch 식에 의거하여 WC입자 미세화로 인해 경도가 증가하고 이로인해 25~28GPa의 경도를 얻을 수 있다. 반면에 1㎛ 초과일 경우 WC입자가 조대하므로 모재에서 25~28GPa 높은 경도를 얻기 힘들다. 그러므로, 0.5~1㎛ 범위를 유지하도록 미세조직을 제어하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 모재의 포화자화는 50 G·㎠/g 미만일 경우 미세조직 상에서 델타상이 나타나므로 인성이 매우 감소하고, 100 G·㎠/g 초과일 경우 프리카본상이 발생하여 인성 및 내마모성이 동시에 감소하여 원하는 절삭수명을 얻을 수 없다. 그러므로, 50~100 G·㎠/g이 바람직하다.

피복층

상기 피복층은, 상기 모재 상에 형성된 TiN을 포함하는 하층과, 이 하층 상에 MT-CVD법으로 형성된 Ti(C,N)으로 이루어진 중간층과, 중간층 상에 형성된 ?-Al₂O₃로 이루어진 상층을 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.

상기 하층은 그 두께가 0.3㎛ 미만일 경우 하지층인 TiN의 밀착력 증가 효과가 미비할 수 있으며, 0.6㎛ 초과일 경우 MT-CVD TiCN의 핵생성 시 입자가 조대하가 성장할 수 있으므로, 0.3~0.6㎛ 범위를 유지하는 것이 바람직하다.

상기 중간층은 MT-CVD법으로 형성되는 것을 특징으로 하는데, 본 발명에 있어서, 'MT-CVD법'이란 850~900℃의 공정온도에서 CVD(chemical vapor deposition) 방법으로 피막을 형성하는 공정'을 의미한다.

이 공정을 통해 형성된 Ti(C,N)층은 바람직하게 주상정 조직을 가질 수 있다. 또한, 상기 중간층의 두께는 6㎛ 미만일 경우 연속가공 시 내마모성이 감소하여 원하는 절삭수명을 얻기 어려우며, 10㎛ 초과일 경우 단속가공 시 인장응력을 가지는 MT-CVD TiCN의 두께가 너무 두꺼워서 내박리성이 감소할 수 있으므로, 6~10㎛ 범위로 유지하는 것이 바람직하다.

상기 Ti(C,N)층은 TiC_xN_y(x+y≤1, x＞0, y＞0)으로 이루어진다.

상기 상층을 구성하는 α-Al₂O₃는 아래 [식 1]로 표시되는 TC(104)이 1~1.5이고, TC(006)이 4 이상인 것이 바람직하다. 즉, 1차적으로 (006) 방향으로 우선배향된 집합조직을 가지면서 2차적으로 (104) 방향으로의 약한 우선배향 조직을 가지도록 하는 것이 고경도 피삭재의 가공 시에 경질피막의 밀착력을 향상시킬 수 있기 때문에 바람직하다.

[식 1]

TC(hkl) = I(hkl)/Io(hkl){1/n∑I(hkl)/Io(hkl)}^-1

또한, 상기 α-Al₂O₃는 (006) 방향은 모재 표면의 법선과의 각도가 30~40도인 것이, 마찬가지로 고경도 피삭재의 가공 시에 경질피막의 밀착력을 향상시킬 수 있기 때문에 상기 (006) 및 (104)의 우선배향과 함께 적용될 경우 보다 바람직하다.

본 발명에 있어서, '모재 표면의 법선과의 각도'는 모재 표면의 법선과 (006) 방향이 이루는 내각을 의미한다.

또한, 바람직하게, 상기 중간층과 상층의 사이에는 결합력을 향상시키기 위한 0.1~1㎛ 두께의 계면층을 형성할 수 있고, 이 계면층은 Al_1-aTi_aC_xN_yO_z(a＞0, x+y+z=1, x＞0, y＞0, z＞0)로 형성될 수 있다. 또한, 상기 계면층은 중간층에 인접하여 형성되며 Ti의 함량이 Al의 함량에 비해 상대적으로 많은 TiAlCNO층과 상층에 인접하여 형성되며 Al의 함량이 Ti의 함량에 비해 상대적으로 많은 AlTiCNO층의 2층 구조로 이루어질 수 있다.

또한, 상층의 두께는 5㎛ 미만일 경우 α-Al₂O₃의 두께가 너무 적어 고속가공 시 상면마모 및 내산화성이 감소될 수 있으며, 15㎛ 초과일 경우 인장응력을 가지는 α-Al₂O₃의 두께가 너무 커서 단속가공 시 인성이 감소될 수 있으므로, 5~15㎛ 범위로 유지하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 모재의 경도(H1)와 중간층의 경도(H2)의 비((H1/H2)와, 중간층의 경도(H2)와 상층의 경도(H3)의 비(H2/H3)가 0.85 미만일 경우 고경도강 가공 시 내마모성이 감소하고, 1 초과일 경우 고경도강 가공 시 미세치핑이나 파손이 발생할 수 있으므로, 상기 경도의 비는 각각 0.85~1의 범위를 유지해야 한다.

또한, 상기 상층의 경도(H3)는 30GPa 미만일 경우, 고경도강 가공 시 내마모성이 감소하고, 32GPa 초과일 경우 고경도강 가공 시 미세치핑 및 돌발파손이 발생하므로, 30~32GPa 범위가 바람직하다.

또한, 상기 중간층의 경도(H2)는 28GPa 미만일 경우, 고경도강 가공 시 내마모성이 감소하고, 30GPa 초과일 경우 고경도강 가공 시 미세치핑이 발생할 수 있으므로, 28~30GPa 범위가 바람직하다.

또한, 상기 모재의 경도(H1)은 25GPa 미만일 경우, 고경도강 가공 시 상면내마모성이 감소하고, 28GPa 초과일 경우 고경도강 가공 시 치핑이나 파손이 발송할 수 있으므로, 28~30GPa 범위가 바람직하다.

또한, 상기 중간층의 평균 입도는 0.3㎛ 미만일 경우 MT-CVD TiCN의 인성이 감소되고, 0.6㎛ 초과일 경우 MT-CVD TiCN의 내마모성이 감소하므로, 0.3~0.6㎛의 범위가 바람직하다.

또한, 상기 중간층의 평균 입도에 대한 WC 평균 입도(S_TiCN/S_WC)의 비는 0.3 미만일 경우 조립의 WC입자와 Co 바인더 위에 하지층 TiN과 중간층 MT-CVD TiCN의 핵생성 시 미세한 공극이 발생하여 박막 밀착력의 편차를 가질 수 있으며, 1.2 초과일 경우 조대한 MT-CVD TiCN의 입자로 인해 중간층에서 28~30GPa의 높은 경도를 얻을 수 없다. 그러므로, 상기 중간층의 평균 입도에 대한 WC 평균 입도(S_TiCN/S_WC)의 비는 0.3~1.2의 범위를 유지하는 것이 바람직하다.

[실시예]

먼저, ISO P05~P10 등급에 해당하는 절삭공구용 초경합금 모재 상부에 화학적 기상증착(CVD) 방법으로, 850~930℃ 온도조건에서 50~200mbar의 압력 분위기에서 TiCl₄, H₂, N₂ 반응가스를 이용하여, TiN층을 형성하여 하지층을 만들었다.

그 상부에 850~930℃ 온도조건과 50~100mbar 압력 분위기에서 TiCl₄, CH₃CN, H₂, N₂, HCl, C₂H₆ 반응가스를 이용하여 MT-TiCN 층을 형성하였다.

이후, 920~1010℃ 온도조건과 50~100mbar 압력 분위기에서 TiCl₄, CH₃CN, H₂, N₂ 반응가스를 이용하여, HT-TiCN 층을 형성하여 중간층을 만들었다.

상기 중간층의 상부에 920~1010℃ 온도조건과 50~130mbar 압력 분위기에서 TiCl₄, CH₃CN, H₂, N₂, AlCl₃(AlCl₃의 경우, 고체상태에서 기화시켜 가스) 반응가스를 이용하여 TiAlCNO층을 형성하고, 920~1010℃ 온도조건과 50~130mbar 압력 분위기에서 TiCl₄, CH₃CN, H₂, N₂ , AlCl₃(AlCl₃의 경우, 고체상태에서 기화시켜 가스) 반응가스 중 AlCl₃ 가스량을 증가시켜서 Al 함량이 리치(rich)한 조건으로 AlTiCNO층을 형성하고, 이는 상부 Al₂O₃ 층과의 조성구배를 주기 위해서이다. 그리고, 920~1020℃ 온도조건과 50~150mbar 압력 분위기에서 H₂, CO나 CO₂ 반응가스를 이용하여, 알루미나 산화층을 형성하여 계면층을 만들었다.

상기 계면층의 상부에 940~1000℃ 온도조건과 50~100mbar 압력 분위기에서 AlCl₃, CO₂ and/or CO, H₂, HCl(with, without) 반응가스를 이용하며, 여기서, CO/CO₂의 반응가스의 부피비율을 V1이라고 할 때, CO/CO₂의 V1은 0<V1≤2.5으로, 그리고 반응가스 중 HCl의 양은 0~3.5ml/min로 알루미나 핵생성층을 형성하고, 960~1020℃ 온도조건과 50~125mbar 압력 분위기에서 AlCl₃, CO₂ 및/또는 CO, H₂, HCl 반응가스를 이용하고 AlCl₃과 HCl 반응가스를 이용하며, 여기서, CO/CO₂의 반응가스의 부피비율을 V2이라고 할 때, CO/CO₂의 V2은 0<V2≤2.5으로, 반응가스 중 HCl의 양은 1~4.0ml/min로 알루미나 성장층을 형성하였다. 이와 같은 공정을 통해 미세입자를 갖는 α-Al₂O₃ 층을 만들었다. 구체적으로 하기 표 3과 같이 α-Al₂O₃층의 방위를 제어하기 위해 알루미나 생성 시 반응가스인 CO/CO₂의 V2은 0<V2≤2.5으로, 반응가스 중 HCl의 양은 1~4.0ml/min로 제어하여 실시예 1~10을 제조하였다.

[비교예]

비교예 1~4는 WC입자를 차별하기 위해 비교예시에 해당하는 WC입자를 1㎛이상의 입자크기를 가진 WC를 사용하였으며, MT-TiCN 층의 입자제어를 위해 870~970℃ 온도조건과 50~120mbar 압력 분위기에서 TiCl₄, CH₃CN, H₂, N₂, HCl, C₂H₆의 반응가스제어를 통해 이용하여 MT-TiCN 층을 형성했으며, 알루미나층의 우선방위 및 입자제어를 위해 960~1020℃ 온도조건과 50~125mbar 압력 분위기에서 AlCl₃, CO₂ 및/또는 CO, H₂, HCl 반응가스를 이용하고 AlCl₃과 HCl 반응가스를 이용하며, 여기서, CO/CO₂의 반응가스의 부피비율을 V2이라고 할 때, CO/CO₂의 V2은 0<V2≤1.5으로, 반응가스 중 HCl의 양은 1~4.0ml/min로 하여 알루미나 성장층을 형성하였다.

미세조직 및 경도

아래 표 1은 상기 실시예 1~10 및 비교예 1~4에 따른 공정을 통해 수득한 초경합금 절삭공구의 모재, 중간층 및 상층의 미세조직과 경도를 분석한 결과를 나타낸 것이다.

시편	모재			중간층		상층
	모재			MT-Ti(C,N)		a-Al₂O₃
	미소경도 (GPa)	WC입도 (㎛)	포화자화 (G·㎠/g)	미소경도 (GPa)	입도 (㎛)	미소경도 (GPa)	입도 (㎛)
실시예1	27.7	0.5	52	28.1	0.4	30.4	0.7
실시예2	27.3	0.5	80	29.4	0.6	31.5	0.6
실시예3	28	0.5	92	29.3	0.5	32.8	0.6
실시예4	26.4	0.6	72	29.4	0.3	31.3	0.7
실시예5	27.1	0.5	76	28.6	0.6	31.7	0.6
실시예6	25.1	0.8	70	28.4	0.4	31.9	0.6
실시예7	25.3	0.9	94	28.1	0.6	32.4	0.6
실시예8	27.4	0.5	59	28.4	0.4	32.4	0.6
실시예9	26.9	0.5	79	28.4	0.5	31.5	0.7
실시예10	25.8	0.8	65	28.5	0.5	32.6	0.6
비교예1	19.6	1.5	110	24.6	0.6	30.1	0.7
비교예2	21.3	1.2	94	25.4	0.8	30.2	0.9
비교예3	19.8	1.6	108	26.2	0.7	30.6	0.8
비교예4	20.4	1.4	106	25.3	0.6	30.8	0.7

표 1에서 미소경도는, Fischerscope(HP100C-XYP; 독일 HELMUT FISCHER GMBH, ISO14577)를 사용하여, Load: 100mN, Unload: 100mN, Load time: 10초, Unload time: 10초, Creep time: 5초의 조건으로 측정하였다.

표 1에 나타난 바와 같이, 실시예 1~10에 따라 제조된 초경합금 모재의 경도는 25~28GPa 범위에 있고, WC 입도는 0.5~1um 범위에 있으며, 포화자화는 50~100 G·㎠/g 범위에 있는데 비해, 비교예 1~4의 경우, 모재의 경도는 19~22GPa 범위에 있고, WC 입도는 1㎛ 초과하며, 포화자화는 비교예 2를 제외하고는 100 G·㎠/g을 초과한다.

또한, 중간층의 경도에 있어서도, 실시예 1~10은 28~30GPa 범위에 있는데 비해 비교예 1~4는 24~26GPa 범위에 있는 차이가 있다.

아래 표 2은 상기 실시예 1~10 및 비교예 1~4에 따른 공정을 통해 수득한 초경합금 절삭공구의 모재, 중간층 및 상층의 경도 차이를 나타낸 것이다.

시편	중간층의 경도와 상층의 경도의 비 (H2/H3)	모재의 경도와 중간층의 경도의 비 (H1/H2)
실시예1	0.99	0.92
실시예2	0.93	0.93
실시예3	0.96	0.89
실시예4	0.90	0.94
실시예5	0.95	0.90
실시예6	0.88	0.89
실시예7	0.90	0.87
실시예8	0.96	0.88
실시예9	0.95	0.90
실시예10	0.91	0.87
비교예1	0.80	0.78
비교예2	0.84	0.84
비교예3	0.76	0.80
비교예4	0.81	0.79

표 2에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1~10에 따른 초경합금과 경질피막은 중간층과 상층의 경도의 비가 0.85~1의 범위에 속하는 반면, 비교예 1~4의 경우, 0.76~0.84의 범위에 속한다.

또한, 모재와 중간층의 경도의 비도 본 발명의 실시예 1~10의 경우, 0.85~1의 범위에 속하는 반면, 비교예 1~4의 경우, 0.79~0.84의 범위에 속하는 차이가 있다.

피막의 적층구조와 알파-알루미나의 결정방위

아래 표 3은 상기 실시예 1~10 및 비교예 1~4에 따른 공정을 통해 수득한 초경합금으로 이루어진 모재에 형성된 경질피막의 구조와 알파-알루미나층의 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다.

시편	하층	중간층	계면층	상층
	TiN	MT- Ti(C,N)	TiAlCNO/ AlTiCNO	a-Al₂O₃
	두께 (um)	두께 (um)	두께 (um)	두께 (um)	우선방위 1		우선방위 2
	두께 (um)	두께 (um)	두께 (um)	두께 (um)	결정면	TC	결정면	(006) 법선각도 (°)	TC
실시예1	0.4	7.4	0.6	0.25	(104)	1.4	(006)	0~10	4.5
실시예2	0.4	8.5	0.6	0.28	(104)	1.2	(006)	30~40	5.8
실시예3	0.5	7.8	0.6	0.17	(104)	1.0	(006)	30~40	7.1
실시예4	0.6	9	0.6	0.23	(104)	1.3	(006)	30~40	4.6
실시예5	0.4	7.6	0.6	0.26	(104)	1.3	(006)	30~40	4.3
실시예6	0.4	6.5	0.5	0.33	(104)	1.4	(006)	30~40	5.7
실시예7	0.5	9.5	0.6	0.31	(104)	1.3	(006)	30~40	5.4
실시예8	0.5	9.8	0.5	0.16	(104)	1.4	(006)	0~10	6.3
실시예9	0.6	6.3	0.7	0.28	(104)	1.2	(006)	30~40	6.2
실시예10	0.4	7.9	0.8	0.31	(104)	1.4	(006)	30~40	7.6
비교예1	0.5	8.4	0.6	0.60	(110)	1.3	-	-	-
비교예2	0.6	10.8	0.7	0.40	(012)	1.4	(024)	-	1.2
비교예3	0.4	8.6	0.7	0.40	(006)	4.3	-	0~10	-
비교예4	0.6	9.2	0.6	0.50	(104)	1.6	-	-	-

표 3에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1~10와 비교예 1~4에 따른 경질피막은 TiN으로 이루어진 하층, MT-Ti(C,N)으로 이루어진 중간층, 계면층, 알파-알루미나로 이루어진 상층으로 동일한 적층 구조를 갖는다.

모재와 중간층과의 경도비 및 중간층과 알파-알루미나층과의 경도비는 전술한 바와 같이 차이가 있다.

여기에 추가로 알파-알루미나층의 경우, 본 발명의 실시예 1~10에 따른 경질피막은 모두 (006)면과 (104)면으로 우선배향된 집합조직을 갖도록 형성되어 있음에 비해, 비교예 1은 (110)면, 비교예 2는 (012)면과 (024)면, 비교예 3은 (006)면, 비교예 4는 (104)면에 대해 각각 우선배향된 집합조직을 갖도록 형성된 차이가 있다.

절삭성능 평가

이상과 같은 조건으로 제작한 초경합금 절삭공구의 절삭성능을 아래 (1) 및 (2)의 방법으로 평가하였다.

(1) SKD11 열처리강 내마모 평가

- 가공방식: 선삭

- 피삭재: SKD11(연속가공), HRC 60

- 절삭속도: 100mm/min

- 이송속도: 0.15mm/min

- 절입깊이: 0.5mm, 습식

(2) SCM440 열처리강 내마모 평가

- 가공방식: 선삭

- 피삭재: SCM440(연속가공), HRC 55

- 절삭속도: 100mm/min

- 이송속도: 0.15mm/min

- 절입깊이: 1mm, 습식

아래 표 4는 상기 조건으로 수행한 절삭성능 시험 결과를 나타낸 것이다.

시편	중간층의 경도와 상층의 경도의 비 (H2/H3)	모재의 경도와 중간층의 경도의 비 (H1/H2)	SKD11 열처리강(HRC 60) 내마모		SCM440 열처리강(HRC 55) 내마모
시편	중간층의 경도와 상층의 경도의 비 (H2/H3)	모재의 경도와 중간층의 경도의 비 (H1/H2)	시간 (초)	수명경향	시간 (초)	수명경향
실시예1	0.99	0.92	130	미세치핑	380	상면정상마모
실시예2	0.93	0.93	160	정상마모	400	상면정상마모
실시예3	0.96	0.89	150	정상마모	400	상면정상마모
실시예4	0.90	0.94	150	정상마모	380	상면정상마모
실시예5	0.95	0.90	150	정상마모	400	상면정상마모
실시예6	0.88	0.89	160	정상마모	410	상면정상마모
실시예7	0.90	0.87	160	정상마모	400	상면정상마모
실시예8	0.96	0.88	140	미세치핑	390	상면정상마모
실시예9	0.95	0.90	160	정상마모	400	상면정상마모
실시예10	0.91	0.87	160	정상마모	410	상면정상마모
비교예1	0.80	0.78	90	과대마모	240	상면 과대마모
비교예2	0.84	0.84	70	치핑,파손	260	상면 과대마모
비교예3	0.76	0.80	110	과대마모	290	상면 과대마모
비교예4	0.81	0.79	100	과대마모	290	상면 과대마모

표 4에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예 1~10에 따른 절삭공구는 SKD11 열처리강과 SCM440 열처리강의 내마모 조건에서 우수한 수명 특성을 나타내고 있으며, 이에 비해 비교예 1~4는 본 발명의 실시예 1~10에 비해 현저하게 낮은 특성을 나타낸다.

특히, 비교예 3의 경우, 알파-알루미나층이 (006)면으로 우선배향되어 있어, 본 발명의 실시예 1~10과 매우 유사한 경질피막 구조를 가지고 있음에도 불구하고, 모재와 중간층, 중간층과 상층 간의 경도의 비에서 차이가 발생하여 상기한 현저한 물성의 차이가 발생하였다.

또한, 알파-알루미나층이 (006)면을 가지면서 (006)의 법선 각도가 0~10°인 실시예 1, 8번은 SKD11 절삭가공 시 (006)의 법선 각도 30~40°보다 미세치핑이 더 발생한다.

미세치핑의 안정성까지 고려할 때, (006)의 법선 각도 30~40°인 실시예 2~7, 9, 10이 가장 안정적 절삭수명을 가진다고 할 수 있다.

이상과 같은 절삭성능 평가결과를 통해, 본 발명의 실시예 1~10에 따른 초경합금 절삭공구는 고경도강의 절삭가공 시에 절삭공구의 수명을 연장하는데 우수한 특성을 갖는 것임을 알 수 있다.

Claims

초경합금 소결체로 이루어진 모재와 상기 모재의 적어도 일 부분에 형성된 피복층을 포함하며,
상기 모재는, WC 93~94중량%, Co 5~6중량%, Cr₃C₂0.1~1중량%를 포함하고, 상기 WC의 평균입도가 0.5~1㎛이며,
상기 피복층은, 상기 모재 상에 형성된 TiN을 포함하는 하층과, MT-CVD법으로 형성된 Ti(C,N)으로 이루어진 중간층과, α-Al₂O₃로 이루어진 상층을 포함하고,
상기 α-Al₂O₃는 아래 [식 1]로 산출되는 TC(104)이 1~1.5이고, TC(006)이 4 이상이고,
상기 중간층의 경도(H2)와 상층의 경도(H3)의 비(H2/H3)가 0.85~1이며, 모재의 경도(H1)와 중간층의 경도(H2)의 비(H1/H2)가 0.85~1인 것을 특징으로 하는 초경합금 절삭공구.
[식 1]
TC(hkl) = I(hkl)/Io(hkl){1/n∑I(hkl)/Io(hkl)}^-1
(여기서, I(hkl) = (hkl) 반사강도, Io(hkl) = JCPDS 카드 46-1212에 따른 표준 강도, n= 계산에 사용된 반사의 횟수, (hkl) 반사는 (012), (104), (110), (006), (113) 및 (116)을 사용)
제1항에 있어서,
상기 α-Al₂O₃는 (006) 방향은 모재 표면의 법선과의 각도가 30~40°인 것을 특징으로 하는 초경합금 절삭공구.
제1항에 있어서,
상기 상층의 경도(H3)가 30~32GPa이고,
상기 중간층의 경도(H2)가 28~30GPa이고,
상기 모재의 경도(H1)가 25~28GPa인 것을 특징으로 하는 초경합금 절삭공구.
제1항에 있어서,
상기 중간층의 두께는 6~10㎛이며,
상층의 두께는 5~15㎛인 것을 특징으로 하는 초경합금 절삭공구.
제1항에 있어서,
상기 모재의 포화자화는 50~100 G·㎠/g 인 것을 특징으로 하는 초경합금 절삭공구.
제1항에 있어서,
상기 중간층의 평균 입도는 0.3~0.6㎛이고,
상기 중간층의 입도에 대한 WC 입도의 비는 0.3~1.2인 것을 특징으로 하는 초경합금 절삭공구.