KR102176362B1 - 패턴화된 표면 영역을 갖는 피복 절삭 공구 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 피복 절삭 공구 및 그 절삭 공구의 제조 방법에 관한 것으로, 상기 공구는 기재, 및 그 기재에 퇴적되어 기재의 적어도 일부를 덮고 두께 (Tc) 를 갖는 표면 코팅을 포함한다. 기재는 기재의 피복 부분 내의 패턴화된 표면 영역 내에 기재 내로의 복수의 리세스들을 포함하고, 각 리세스는 표면 코팅에 의해 적어도 부분적으로 채워진다.

Description

패턴화된 표면 영역을 갖는 피복 절삭 공구{COATED CUTTING TOOL WITH PATTERNED SURFACE AREA}
본 발명은 선삭, 밀링, 드릴링 또는 다른 칩형성 기계가공법에 적합한 피복 절삭 공구에 관한 것이다.
경질 내화성 코팅을 갖는 초경합금 절삭 공구의 코팅은 공구의 극적으로 향상된 내마모성 및 절삭 성능을 갖고, 따라서 기계가공 작업에서 향상된 공구 수명 및 생산성을 갖는다. 공구의 내마모성 및 성능을 더욱 향상시키기 위해, 일반적으로 특정 적용에 대해 공구의 기하학적 형상에 대해 그리고 초경합금 기재 (substrate) 와 코팅의 재료 특성에 대해 최적화되어 있다. 재료 특성의 최적화는 일반적으로 특정 적용의 주 마모 메커니즘을 줄이는 것을 목적으로 하고, 절삭 공구의 기하학적 공구의 최적화는 일반적으로 작업편의 거철기 또는 칩 제거와 같은 절삭 프로세스의 향상을 목적으로 한다. 따라서, 하나의 최적화에 의해 달성되는 긍적적인 효과가 절삭 프로세스 및/또는 절삭 공구의 다른 특성에 영향을 미치지 않거나 또는 부정적인 영향을 미치지 않을 수 있다.
예컨대, 피복 초경합금 절삭 공구 인서트는 티타늄 카바이드, 티타늄 니트라이드, 티타늄 카보니트라이드, 티타늄 옥시카바이드 및 티타늄 옥시카보니트라이드 서브층들로부터 선택된 하나 이상의 서브층으로 이루어진 내층 및 알루미나 외층을 갖는 코팅을 종종 포함한다. 알루미나 외층은 절삭 공구 인서트의 레이크면에서의 크레이터 마모에 대한 저항을 향상시키는 것으로 알려져 있는 한편, 절삭 공구 인서트의 플랭크면에서, 알루미나는 덜 매력적인 특성을 갖고, TiCN 이 높은 연마 마모 저항에 기여한다. 많은 적용에 있어서 레이크면에서의 크레이터 마모가 치명적인 마모 메커니즘이므로, 알루미나 외층의 특성이 우선시된다. 크레이터 마모 저항을 향상시키는 일 방법은 알루미나 외층의 두께를 증가시키는 것이다. 그렇지만, 크레이터 마모에 대한 이러한 최적화는, 특히 에지 라인 또는 플랭크면에서, 코팅의 플레이킹에 대한 저항과 같은 다른 특성을 훼손시킨다.
이것에 대한 일 해법으로서, 상이한 후처리가 사용되고 있다. 예컨대, US 5,776,588 에는, 예컨대 최내측 TiCN 층, 중간 Al2O3 층 및 최외측 TiN 층을 포함하는 다층 내마모성 코팅으로 코팅된 절삭 공구가 개시되어 있다. 에지 라인에서의 코팅의 플레이킹에 대한 저항을 향상시키기 위해, TiN 층 및 Al2O3 층이 절삭 공구의 에지 라인으로부터 진동성 텀블링, 브러싱, 숏 블라스팅, 그라인딩과 같은 기계적 수단에 의해 제거되어서, 최내측 TiCN 층이 노출된다. 다른 예에서, US 7,431,747 에는, 경질 재료 층에 퇴적된 (deposited) 알루미나층을 포함하는 다층 내마모성 코팅으로 코팅된 절삭 공구가 개시되어 있다. 레이크면에서의 크레이터 마모에 대한 저항의 유지 및 플랭크면에서의 마모 마크 폭의 증가를 동시에 회피하기 위해, 알루미나층이 플랭크면의 적어도 일부로부터 레이저 처리에 의해 선택적으로 제거되어서, 아래에 놓인 경질 재료 층이 노출된다.
비록 이러한 후처리가 절삭 공구 인서트의 절삭 성능의 전체적인 특성을 향상시키더라도, 알루미나층의 최대 두께가 제한되고, 따라서 두께 증가로 인한 크레이터 마모 저항의 향상이 제한된다.
본 발명의 일 목적은 피복 절삭 공구의 절삭 성능을 향상시키는 것이다. 다른 목적은 피복 절삭 공구의 내마모성을 향상시키는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은, 특히 피복 절삭 공구의 다른 부분의 특성을 손상시키지 않으면서 국부적으로 피복 절삭 공구에서 향상된 내마모성을 제공함으로써, 피복 절삭 공구의 크레이터 마모 저항을 향상시키는 것이다. 또 다른 목적은 강과 같은 철계 재료의 기계가공을 위한 향상된 절삭 공구를 제공하는 것이다.
이는 독립 청구항들에 따른 피복 절삭 공구에 의해 달성된다. 바람직한 실시형태는 종속 청구항에 개시되어 있다.
본 발명에 따른 피복 절삭 공구는 기재, 및 상기 기재에 퇴적되고 상기 기재의 적어도 일부를 덮는 표면 코팅을 포함한다. 표면 코팅은 두께 (Tc) 를 갖고, 기재는 기재의 피복 부분 내의 패턴화된 표면 영역 내에 기재에 복수의 리세스를 포함한다. 상기 리세스의 각각은 100 ㎛ 미만, 바람직하게는 75 ㎛ 미만의 깊이 (D), 및 리세스의 절반 깊이 [D/2] 에서 2Tc 이하의 폭 (Wi) 을 갖는다. Tc 는 2 ㎛ 내지 30 ㎛, 바람직하게는 5 ㎛ 내지 25 ㎛, 더 바람직하게는 5 ㎛ 내지 22 ㎛ 이고, 리세스는 표면 코팅에 의해 적어도 부분적으로 채워진다.
본 발명에 따른 절삭 공구는 그러한 패턴화된 표면 영역을 구비하지 않는 절삭 공구에 비해 더 큰 크레이터 마모 저항을 보여주었다. 크레이터 마모는 일반적으로 화학 및 연마 타입의 마모이다. 기계적 부하 및 온도 쌍방이 이 영역에서 매우 높다. 본 발명에 따른 공구는 이 측면들 중 적어도 하나에서 향상된 특성을 갖는다.
기재에서의 리세스의 형성에 관한 일 이점은 기재의 표면적을 증가시킨다는 것이다. 리세스 내에 가해진 코팅은 기재 내로의 하향 연장부를 갖는 코팅을 제공한다. 따라서, 채워진 리세스는 코팅 자체의 공칭 두께인 Tc 보다 더 큰, 패턴화된 표면 영역 내에 코팅의 유효 두께를 제공한다. 표면 영역에서의 코팅 재료의 증가된 체적은 이러한 향상의 일 이유이다. 패턴으로 인해, 국부적으로 코팅의 유효 두께가 증가되었다. 증가된 코팅 두께는, 코팅이 연속적으로 마모되고 파쇄되지 않는 한, 증가된 내마모성을 나타낸다. 리세스가 마모에 대해 중요한 영역에 형성될 수 있으므로, 절삭 공구의 다른 영역에 대해 성능을 손상시킴이 없이 피복 절삭 공구의 내마모성이 향상된다.
기재에서의 리세스의 다른 이점은, 코팅/기재 인터페이스의 배향이 예컨대 공구 표면에서의 칩 슬라이딩의 슬라이딩 방향에 평행하지 않다는 것이다. 이는 박리에 대한 저항을 증가시킨다.
본 발명에 따른 절삭 공구는 절삭 공구 인서트 또는 라운드 공구 (round tool) 일 수도 있다.
기재에 적합한 재료는 세라믹, 서멧, 초경합금, 입방정 질화붕소, 다결정질 다이아몬드 또는 고속도강, 바람직하게는 초경합금이다.
패턴화된 표면 영역은 바람직하게는 마모에 대해 중요한 영역에 위치된다. 패턴화된 표면 영역은 플랭크면 및/또는 레이크면을 적어도 부분적으로 덮을 수도 있다. 패턴이 레이크면에 있다면, 패턴화된 표면 영역은 에지 라인으로부터 적어도 100 ㎛, 바람직하게는 150 ㎛ 초과의 거리에 위치되는 것이 바람직하다. 패턴화된 표면 영역이 플랭크면에 있다면, 상기 영역은 에지 라인으로부터 적어도 50 ㎛ 에 있는 것이 바람직하다. 여기서 에지 라인은 패턴화된 표면 영역에 수직한 방향으로부터 패턴화된 표면 영역을 관찰할 때에 공구 에지를 따른 라인으로 정의된다. 에지에 너무 가까이 위치된 패턴은 절삭 에지의 불균일한 마모 위험이 증가함을 암시한다.
본 발명의 절삭 공구는 기재에 퇴적된 표면 코팅을 포함한다. 이 표면 코팅은 일반적으로 적어도 절삭 동안에 마모를 겪는 영역을 덮고 있는 내마모성 코팅이다. 절삭 공구가 레이크면 및 플랭크면을 갖는 인서트라면, 코팅은 이 면들 중 일방 또는 쌍방에 적용될 수 있다.
코팅 두께 (Tc) 는 리세스 외부의 평평한 표면에 퇴적된 코팅의 두께이다. 이 경우, 패턴화된 영역 내이지만 리세스 외부의 기재의 표면을, 기재의 제 1 표면이라 부른다. 기재의 이 제 1 표면은 리세스와 함께 배치되는 표면이고, 각각의 리세스, 리세스의 벽과 저부를 규정하는 표면은 기재의 제 1 표면의 일부가 아니다.
리세스의 폭 (We) 은 기재의 제 1 표면에서의 폭인 것으로 간주된다. 폭 (Wi) 은 리세스의 절반 깊이 [D/2] 에서의 리세스의 폭이고, Wi ≤ 2Tc 이다. 일 실시형태에서, We < 2Tc 이다.
리세스는 기재의 제 1 표면, 즉 리세스 외부의 기재 표면으로부터 아래로 리세스 저부까지의 거리인 깊이 (D) 를 갖는다. 리세스 저부는 예컨대 최적화되지 않은 레이저 프로세스에 의해 야기되는 국부적인 깊고 좁은 구멍과 같은 인위구조부 또는 불규칙부를 포함할 수 있다. 그러한 인위구조부의 예를 도 3 에서 볼 수 있다. 깊이 (D) 는 바람직하게는 2 ㎛ 초과, 더 바람직하게는 5 ㎛ 초과이다. 깊이 (D) 는 100 ㎛ 미만, 바람직하게는 75 ㎛ 미만이다. 깊이는 공구 수명에 영향을 줄 정도로 충분히 커야 하고, 또한 에지의 인성에 부정적인 영향을 주지 않을 정도로 충분히 작아야 한다. 큰 마모 깊이가 공구의 에지를 약화시키므로, 리세스의 너무 큰 깊이는 공구 수명을 증가시키지 않는다. 일 실시형태에서, 리세스의 어스패트비 (D/We) 는 2 미만, 바람직하게는 0.5 내지 1.5 이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 피복 절삭 공구는 기재, 바람직하게는 초경합금으로 이루어진 기재, 및 코팅을 포함한다. 기재는 그 표면에 구멍 또는 그루브와 같은 리세스를 갖는 기하학적 패턴을 포함한다. 이 리세스는 코팅으로 적어도 부분적으로 채워져서, 코팅이 적어도 리세스에 합체되기 시작한다. 각각의 리세스는 표면 코팅에 의해 적어도 부분적으로 채워져서, 표면 코팅이 리세스에서 함께 성장한다. 이는 표면 코팅의 퇴적 (deposition) 동안에 달성된다. 리세스의 약간의 깊이에서의 폭이 리세스의 양 측벽에서 성장하는 표면 코팅의 총 두께의 2 배보다 작으므로, 표면 코팅의 일부가 최종적으로 리세스에서 합체될 것이다. 코팅은 기재 표면 프로파일을 모사하는 제 1 초기 타입의 성장, 및 성장하는 코팅의 표면의 일부가 성장하는 코팅의 다른 부분의 표면과 만나도록 코팅이 리세스 내에 합체되는 제 2 타입의 성장을 가질 수 있고, 코팅은 코팅의 성장이 제 2 타입의 성장인 때에 합체된다. 이는 국부적으로 더 큰 코팅 두께를 제공하여서 더 높은 내마모성을 제공하므로 유리하다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 절삭 공구는 코팅을 구비하고, 리세스 내에 퇴적된 코팅의 두께가 기재의 제 1 표면에 퇴적된 코팅보다 더 크다.
리세스의 형상은 리세스의 저부에서의 폭이 기재의 제 1 표면에서의 폭 (We) 보다 더 작도록 되는 것이 바람직하다. 이는 보이드 및 기공 (pores) 을 회피할 수 있기 때문에 유리하다. 리세스는 제 1 기재 표면에 수직하거나 또는 경사질 수 있는 측벽을 구비할 수 있다. 리세스의 측벽과 제 1 기재 표면 사이의 각도는 바람직하게는 45°내지 90°이다. 본 발명의 일 실시형태에서, 표면 코팅은 외측 표면을 갖고, 외측 표면에 있는/에서의 나머지 리세스의 최대 깊이의 지점은 기재의 제 1 표면 위에 위치되어서, 코팅은 여러 개의 리세스에 걸쳐 기재의 제 1 표면에 평행한 라인을 따라 연속적이다. 이는 예컨대 공구의 단면에서 관찰될 수 있다. 이는 내마모성 증가에 유리하다.
본 발명의 일 실시형태에서, 코팅은 리세스를 완전히 채우고, 적어도 패턴화된 표면 영역 내에서 주위 기재 표면을 덮는다. 본 발명의 일 실시형태에서, 패턴화된 기재 표면 영역의 아래에 놓인 구조는 코팅의 외측 표면에서 유지되지 않는다. 이는 더 낮은 표면 거칠기가 종종 더 낮은 마모 속도를 암시하므로 유리하다.
본 발명의 일 실시형태에서, 리세스는 10 ㎛ 초과 100 ㎛ 미만, 바람직하게는 70 ㎛ 내지 90 ㎛ 의 인접한 리세스들 사이의 피치를 갖는 패턴으로 배치된다. 피치는 패턴화된 영역 내에서 달라질 수 있지만, 피치는 패턴화된 영역 내에서 일정한 것이 바람직하다. 바람직한 피치 (P) 는 리세스의 구체적인 폭 (We) 에 의존하므로, 피치 (P) 는 항상 폭 (We) 을 초과하여야 한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 패턴화된 표면 영역은 공칭 표면적의 50-98%, 바람직하게는 75-95% 를 덮는 리세스를 구비한다. 패턴화된 영역의 공칭 표면리세스가 존재하지 않는다면 기재의 제 1 표면와 동등하다. 표면 커버리지가 더 높아지면, 아래로 기재 내로의 코팅의 양이 더 많아진다. 너무 가까워지는 리세스가 기재의 제 1 표면을 낮추는 경향이 있으므로 커버리지는 너무 높아서는 안 된다. 표면 커버리지가 너무 낮으면, 마모 속도가 리세스가 없는 표면에 유사해진다.
본 발명의 일 실시형태에서, 절삭 공구는 균일한 (conformal), 즉 균일 증착법 (conformal deposition method) 에 의해 증착된 표면 코팅을 구비한다. 본 발명의 일 실시형태에서, 코팅은 CVD (화학 기상 증착) 코팅이다. CVD 증착 프로세스의 특성으로 인해, 코팅은 실질적으로 균일하고, 따라서 리세스 내의 기재 표면상의 코팅은, 적어도 코팅이 함께 성장하거나 또는 위에서 개시된 것처럼 리세스 내에 합체될 때까지, 다른 기재 표면에서만큼 두껍게 된다.
다른 실시형태에서, 코팅은 PVD (물리 기상 증착) 코팅이다.
본 발명의 일 실시형태에서, 리세스는 그루브이다. 그루브는 불규칙적인 또는 규칙적인 패턴으로 배치될 수 있다. 그루브는 절삭 에지에 평행하게 또는 수직하게 배향될 수 있다. 대안으로서, 그루브는 절삭 에지에 대해 특정 각도로 배향될 수 있다. 그루브는 특정 길이 및 폭을 갖거나, 또는 패턴화된 영역에 걸쳐 달라질 수 있다.
리세스는 "등축 폭 (equiaxed width)" 을 가질 수도 있고, 예컨대 원형 또는 정사각형 형상일 수도 있다. 대안적으로, 리세스는 세장형일 수도 있고, 따라서 짧은 그루브를 형성할 수도 있다. 리세스는 상기한 실시형태의 그루브에 대응하는 패턴으로 배치된 트랙에 배치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시형태에서, 리세스는 원, 링 또는 타원과 같은 곡선형 외측 형상을 갖는 피트 (pit) 또는 그루브이다. 리세스는 예컨대, 더 작은 반경을 갖는 링들을 에워싸는 더 큰 반경을 갖는 링을 포함할 수 있다. 이는 두 인접한 리세스들 사이의 거리가 배향에 상관없이 가까이 배치될 수 있으므로 유리하다.
본 발명의 일 실시형태에서, 리세스는 그루브들에 의해 에워싸인 아일랜드 (islands) 를 형성하는 교차형 그루브 (crossing grooves) 를 갖는 패턴으로 배치된 그루브를 포함한다. 하나의 아일랜드의 최대 폭은 바람직하게는 100 ㎛ 미만, 더 바람직하게는 70 ㎛ 미만, 보다 더 바람직하게는 50 ㎛ 미만이다. 이는 일반적으로 CVD 코팅의 열적 크랙이 50-70 ㎛ 의 범위 내인 것으로 보여진 아일랜드을 생성하므로 유리하다. 리세스에 가해진 코팅은 인공 크랙을 갖는 코팅으로 볼 수 있다. 이 인공 크랙은 트랩 또는 응력 저장소로서 작용하는 것 같아서, 코팅 자체의 열적 크랙이 회피될 수 있다. 코팅의 열적 크랙은 마모 및 코팅 파쇄의 위험이 증가함을 항상 암시한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 피복 절삭 공구는 레이크면 및 플랭크면을 포함하고, 패턴화된 표면 영역은 피복 절삭 공구의 레이크면에 있다. 피복 절삭 공구는 피복 절삭 공구의 레이크면의 크레이터 영역을 덮고 있는 것이 바람직하고, 크레이터 영역은 절삭 작업에서의 증가된 크레이터 마모 위험을 갖는 영역이다.
코팅은 하나 이상의 층을 포함할 수도 있다. 층으로서 퇴적되기에 적합한 재료는 4 족, 5 족, 6 족 (IUPAC) 으로부터 선택된 하나 또는 여러 개의 제 1 원소 및 N, B, O, C 로부터 선택된 하나 또는 여러 개의 제 2 원소의 화합물이다.
본 발명의 일 실시형태에서, 코팅은 4 족, 5 족, 6 족 (IUPAC), Al 및 Si 로부터 선택된 하나 또는 여러 개의 제 1 원소 및 N, B, O, C 로부터 선택된 하나 또는 여러 개의 제 2 원소의 화합물의 하나 또는 여러 개의 층을 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 코팅의 두께의 적어도 절반은 4 족, 5 족, 6 족 (IUPAC), Al 및 Si 로부터 선택된 하나 또는 여러 개의 제 1 원소 및 N, B, O, C 로부터 선택된 하나 또는 여러 개의 제 2 원소의 화합물로 이루어진 하나 또는 여러 개의 층을 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 코팅은 4 족, 5 족, 6 족 (IUPAC), Al 및 Si 로부터 선택된 하나 또는 여러 개의 제 1 원소 및 N, B, O, C 로부터 선택된 하나 또는 여러 개의 제 2 원소의 화합물로 이루어진 하나 이상의 층으로 이루어진다.
바람직한 화합물은 Ti(C,O,N), Ti(C,N), TiC, TiN, 또는 이들의 조합을 포함한다. 바람직하게는, 이 층들 중 적어도 하나를 위해 MTCVD 프로세스가 사용된다. 일 실시형태에서, 코팅은 적어도 하나의 Al2O3 층, 및 Ti(C,N), TiN, TiC, Ti(C,N,O) 의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 내화 금속 니트라이드, 카바이드, 또는 카보니트라이드 층을 포함한다. 내화 금속 니트라이드, 카바이드, 또는 카보니트라이드 층은 Al2O3 층에 앞서 퇴적되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시형태에서, 피복 절삭 공구는 두께 Tci 의 내층 및 두께 Tco 의 외층을 갖는 코팅을 포함한다. 내층은 Ti(C,O,N), Ti(C,N), TiC, TiN, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수도 있고, 외층은 Al2O3 으로 이루어질 수도 있다. 내층은 2-10 ㎛ 의 두께 (Tci) 를 가질 수도 있고, 외층은 1-10 ㎛ 의 두께 (Tco) 를 가질 수도 있다.
일 실시형태에서, Wi < 2Tci, 바람직하게는 We < 2Tci 이다. 내층이 예컨대 Ti(C,N) 을 포함하면, 이는 증가된 연마 마모 저항을 암시한다.
다른 실시형태에서, Wi < 2(Tci +Tco), 바람직하게는 We < 2(Tci +Tco) 이다. 이는 리세스가 내층과 외층 쌍방으로부터 재료를 포함하므로 유리하다. 외층이 예컨대 Al2O3 이면, 이는 증가된 열 저항 효과를 암시한다. 알루미나 층과 같은 열장벽층을 포함하는 패턴화된 표면 영역이 크레이터 마모가 통상 나타나는 영역, 즉 기계가공 동안에 온도가 가장 높은 절삭 공구 인서트의 레이크면에 위치되는 것이 유리하다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 피복 절삭 공구의 제조 방법은, 기재, 바람직하게는 초경합금으로 이루어진 기재를 제공하는 단계; 코팅에 앞서, 바람직하게는 레이저 가공에 의해, 리세스가 깊이 (D), 기재의 제 1 표면에서의 폭 (We), 및 리세스의 절반 깊이 [D/2] 에서의 폭 (Wi) 을 갖고, 어스팩트비 (D/We) 가 2 미만인, 기재의 패턴화된 표면 영역을 형성하는 단계; 2-30 ㎛ 의 두께 (Tc) 를 갖는 코팅을 패턴화된 표면 영역에 퇴적시키는 단계를 포함하고, Wi = 2Tc 이고, 리세스는 표면 코팅에 의해 적어도 부분적으로 채워진다.
표면 패턴을 형성하는 다른 방식은 엠보싱, 집속 이온 빔, 반응성 이온 에칭 (RIE) 와 같은 건식 에칭, 방전 가공, 습식 에칭, 또는 첨부된 청구항에 따라 표면 패턴을 형성하기 위한 본 기술분야에 알려진 임의의 다른 기술에 의한 것일 수 있다.
리세스는 레이저 가공으로 형성될 수도 있다. 사용되는 레이저 장비는 바람직하게는 피코 세컨드 레이저이다. 레이저 가공은 기재를 레이저 빔에 노출시킴으로써 수행된다. 레이저 빔은 리세스를 형성하도록 다중 또는 단일 스캔으로 주사된다. 레이저 가공에 의해, 기재는 거의 모든 기하학적 패턴, 예컨대 그루브 또는 구멍으로 구조화될 수 있다. 더욱이, 레이저 가공은 많은 다른 기계가공 기술에 비해 빠르다. 형성되는 기하학적 패턴은 정연하거나 정연하지 않을 수도 있다. 리세스의 밀도의 제어에 관하여, 이는 사용된 특정 레이저 가공 시스템에 의해 폐쇄 리세스를 어떻게 형성할 수 있는가에 의존하며, 이는 적어도 광학계 (렌즈), 레이저 파라미터 (첨두 전력, 펄스 길이, 펄스 진동수), 기재 재료 등의 문제이다.
상기한 본 발명에 따른 표면 패턴의 제조 방법은 적어도 패턴 영역에서의 표면 코팅으로 퇴적된 공구의 최종 블라스팅 단계를 더 포함할 수도 있다. 이는 평활화 효과에 도달할 수 있어서 패턴화된 영역의 표면에서의 작은 유지된 패턴들이 치수 감소되거나 제거될 수 있다는 점에서 유리하다.
본 발명의 다른 목적, 이점 및 신규한 특징들은 본 발명의 이하의 상세한 설명으로부터 첨부 도면 및 청구항과 함께 고려될 때 분명해질 것이다.
이제, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 대해 설명한다.
도 1 은 코팅을 구비하는 리세스의 기하학적 패턴을 갖는 인서트의 부분을 개략적으로 보여준다.
도 2 는, 인서트의 레이크면에 레이저에 의해 형성된 수직한 리세스 (도 2a), 평행한 리세스 (도 2b), 십자형 리세스 (도 2c), 및 기준 (도 2d) 을 보여준다.
도 3 은 절삭 공구 표면에 있는 그루브의 단면의 주사 전자 현미경 (SEM) 사진을 보여준다. 기재는 Ti(C,N) 내층 및 그 위의 Al2O3 층으로 코팅되어 있고, Al2O3 층은 리세스 내에서 함께 성장되었다.
도 4 는 예 1 에 따른 28 분 작업 후의, 도 2 에 나타낸 샘플 A-D 의 사진을 보여준다.
도 5 는 도 3c 에 나타낸 인서트의 크레이터 마모 부분의 SEM 사진을 보여준다.
도 6 은 예 1 에 따른 36 분 작업 후의, 도 2 의 샘플 A-D 의 사진을 보여준다.
도 1 은 리세스를 구비하는 표면의 개략도이고, 각 리세스는 깊이 (D), 기재 (1) 의 제 1 표면 (4) 에서의 폭 (We), 및 절반 깊이 (D/2) 에서의 폭 (Wi) 을 갖는다. 리세스는 두 인접한 리세스들 사이의 피치 (P) 로 배치되어 있다. 두께 (Tc) 를 갖는 코팅 (2) 이 기재 (1) 에 도포되어 있다. 코팅 (2) 은 기재 (1) 의 제 1 표면 (4) 및 리세스 내의 표면 (3) 을 덮고 있다. 코팅 (2) 은 상이한 방향으로 성장하는 코팅 표면들이 서로 만나는 곳인 리세스 내의 점선 (7) 을 따라 합체한다. 표면 코팅 (2) 은 외측 표면 (6) 및 그 외측 표면 (6) 의 임의의 남은 리세스의 최대 깊이의 지점 (5) 갖는다. 코팅은 기재 (1) 의 제 1 표면 (4) 에 평행한 여러 개의 리세스들을 가로지르는 선을 따라 연속적이다. 볼 수 있는 것처럼, 리세스의 측벽은 제 1 기재 표면 (4) 에 대해 경사져 있다.
도 1 에서 볼 수 있는 것처럼, 외측 표면 (6) 의 남은 리세스의 최대 깊이의 지점 (5) 이 기재 (1) 의 제 1 표면 (4) 보다 위에 위치되므로, 이 리세스들은 표면 코팅으로 채워져 있다. 도시되지 않은 대안적인 실시형태에서, 리세스들은 표면 코팅에 의해 완전히 채워지지 않는다.
예 1
DMG 사의 Lasertech 40S 피코 세컨드 레이저 (50W) 를 이용하여, 초경합금으로 이루어진 절삭 인서트 120408 NM4 에 그루브들을 형성하였다. 파장은 1064 nm 이었고, 스팟 직경은 40-50 ㎛ 이었으며, 펄스 진동수는 500 kHz 이었다. 스캐너 속도는 2000 mm/s 이었고, 스캔당 제거되는 층의 두께는 0.6 ㎛ 이었다. 레이저 스팟의 이동은 평행하였다.
기재는 초경합금으로 이루어지고, 7.5 wt% Co, 2.9 wt% TaC, 0.5 wt% NbC, 1.9 wt% TiC, 0.4 wt% TiN 및 잔부의 WC 를 포함한다. 초경합금 기재는 감마상이 없는 표면 구역 22-30 ㎛, 1450-1550 HV3 의 벌크 경도 및 12.9-14.4 의 Hc [kA/m] 를 갖는다.
패턴화된 표면 영역은, 크레이터 마모가 보통 발견되며 절삭 에지로부터 0.15 ㎜ 떨어져 있는, 절삭 공구 인서트의 레이크면 상의 위치에 놓인다. 패턴화된 영역은 2x3 ㎜ 의 연장부를 갖는다.
3 가지 타입의 패턴의 그루브들을 만들었다:
- 도 2a 에 나타낸 바와 같이, 주 절삭 에지에 수직한 그루브들 (샘플 A, 본 발명),
- 도 2b 에 나타낸 바와 같이, 주 절삭 에지에 평행한 그루브들 (샘플 B, 본 발명),
- 도 2c 에 나타낸 바와 같이, 아일랜드를 에워싸는 그루브들의 십자형 패턴을 형성하도록 직각으로 서로 교차하는 평행한 그루브들 (샘플 C, 본 발명).
이러한 패턴화된 공구들을 기준 샘플과 성능 비교하였는데, 기준 샘플은, 도 2d 에 나타낸 바와 같이, 레이저 처리되지 않고 어떠한 패턴화된 표면 영역을 포함하지 않았지만 대응하는 기재 및 코팅들을 포함한다 (샘플 D, 종래 기술).
이러한 패턴화된 표면들의 기하학적 형상을 광학현미경으로 단면에서 관찰하였다. 기재의 제 1 표면의 그루브들의 평균 최대 폭 (We) 은 약 45-50 ㎛ 이고, 절반 깊이 (D/2) 에서의 평균 폭 (Wi) 은 약 27 ㎛ 이다. 그루브의 깊이 (D) 는 약 45-55 ㎛ 이다. 피치 (P) 는 약 80 ㎛ 이다. 그루브의 측벽은 약간 경사져 있어서, 그루브의 저부의 레벨에서의 표면적 커버리지가 기재의 제 1 표면에서의 표면적 커버리지보다 더 낮다. 이 특별한 경우에, 십자형 패턴에서의 표면적 커버리지는 기재의 제 1 표면에서의 약 83% 코팅 및 약 50 ㎛ 의 깊이에서의 약 44% 표면적 커버리지이다. 프로파일이 도 1 및 도 3 에 도시되어 있다. 도 3 은 샘플 C 의 단면의 SEM 현미경사진이다.
레이저 미세가공 후, CVD 반응기에서 절삭 인서트를 코팅하였다. 표면 코팅은 내측의 두께 10 ㎛ 의 MT-Ti(C,N) 층 및 외측의 두께 10 ㎛ 의 α-알루미나 층으로 이루어진다. 두께 1 ㎛ 의 최외측 TiN 코팅을 퇴적시켰다. 220 메시 Al2O3　그릿 (grits) 을 사용하여 습식 블라스팅으로 모든 인서트를 최종 처리하였다.
상기한 바에 따른 피복 절삭 공구는, 냉각재를 사용하고 컷 깊이 2 ㎜, 절삭 속도 220 m/min, 이송 속도 0.3 ㎜/rev 로 볼 베어링 강 (Ovako 825B) 의 연속적인 길이방향 선삭 작업에서 크레이터 마모에 대해 평가되었다.
광학현미경으로 매 2 분마다 기준 절삭 공구의 마모를 관찰하였고, 기재의 노출 영역의 크기를 측정하였다. 마무리 시험 후에, 패턴화된 절삭 공구의 마모를 측정하였다. 마모된 패턴화된 영역에서, 노출된 기재 서브영역을 추가하였고, 노출된 서브영역의 합을 표 1 에 나타낸다.
절삭 공구는 0.2 ㎟ 의 크레이터 영역에서의 노출된 서브영역의 정지 기준 (stop criteria) 에 도달되는 때에 그리고 이 기준에 도달하는데 요구되는 절삭 시간에 마모된 것으로 간주될 수 있다. 이 정지 기준은 기준 인서트의 경우 28 분에 도달되었다. 평행한 그리고 수직한 경우 정지 기준은 44 분에 도달되었다. 기준의 선삭은 정기 기준에 도달하더라도 계속되었지만, 곧 일어날 것으로 예상되는 공구의 전체 파손으로 인해 40 분에 정지되어야 했다. 표 1 에서 볼 수 있는 것처럼, 십자형은 44 분에 상기 정지 기준에 도달하지 않았다.
도 4a 내지 도 4d 는 28 분 작업 후의 샘플을 보여준다. 노출된 기재 영역은 기준 샘플 D 의 경우에 모든 다른 샘플의 경우보다 분명히 더 넓다. 도 5 는 도 4c 에 나타낸 샘플 C 의 마모된 표면의 중앙 부분을 확대하여 보여주는 SEM 현미경사진이다. 도 6a 내지 도 6d 는 36 분 작업 후의 샘플을 보여준다. 도 6d 에 나타낸 기준 샘플은 과도한 크레이터 마모를 보여준다.
크레이터의 동일한 깊이가 더 낮은 노출된 기재 영역에 비해 기준의 경우 더 넓은 노출된 기재 영역을 야기하더라도, 리세스가 완전히 마모되지 않는 한, 이 값은 패턴화된 공구와 기준 공구 사이에 상이한 마모 속도를 나타내는 것으로 생각된다. 그리고, 36 분과 40 분 작업 시간 사이의 기준 공구의 마모 속도의 증가는 이러한 거동을 확인해 준다. 이를 확인하기 위해, 28 분 작업 후의 샘플에서 마모 마크의 깊이를 또한 관찰하였고, 결과를 표 1 에 나타낸다.
플랭크 마모는 샘플 A, B, C 및 D 간에 크게 다르지 않았다.
Figure 112015036544293-pct00001
예 2
전술한 것처럼 십자형 그루브를 포함하는 패턴화된 영역을 구비한 공구를, 어떠한 패턴화된 영역도 갖지 않는 기준 공구와 비교하였고, 상이한 코팅 두께를 연구하였다. 샘플 E 및 F 는 내측의 두께 5.5 ㎛ 의 MT-TiCN 층, 두께 4 ㎛ 의 α-알루미나 층, 및 최외측의 두께 1.2 ㎛ 의 TiN 코팅으로 코팅되었다. 샘플 G 및 H 는 내측의 두께 8.5 ㎛ 의 MT-TiCN 층, 두께 4.5 ㎛ 의 α-알루미나 층, 및 최외측의 두께 1.2 ㎛ 의 TiN 코팅으로 코팅되었다. 샘플 I 및 J 는 내측의 두께 10 ㎛ 의 MT-TiCN 층, 두께 10 ㎛ 의 α-알루미나 층, 및 최외측의 두께 0.8 ㎛ 의 TiN 코팅으로 코팅되었다. 모든 인서트는 220 메시 Al2O3　그릿을 사용하여 습식 블라스팅으로 최종 처리되었다.
상기한 바에 따라 제조된 절삭 공구는, 냉각재를 사용하고 컷 깊이 2 ㎜, 절삭 속도 220 m/min, 이송 속도 0.3 ㎜/rev 로 볼 베어링 강 (Ovako 825B) 의 연속적인 길이방향 선삭 작업에서 크레이터 마모에 대해 평가되었다. 정지 기준은 0.2 ㎟ 의 크레이터 영역, 또는 절삭 에지의 분명한 소성 변형, 및 이러한 기준 중 어느 것에 도달하는 요구되는 절삭 시간으로 설정되었다. 이러한 2 가지 레벨의 마모 중 어느 것을 갖는 절삭 에지는 마모된 것으로 간주되고, 절삭 에지의 수명에 도달한 것으로 간주된다. 플랭크 측에서 보았을 때 에지 라인과 마모된 코팅 사이의 거리로서 규정되는 플랭크 마모가 0.4 ㎜ 를 초과하였을 때, 시험은 또한 정지되었다. 2 개의 평행한 시험의 평균으로서의 결과를 표 2 에 나타낸다.
표 2 에서 볼 수 있는 것처럼, 십자형 그루브 및 총 두께 10.5 ㎛ 의 가장 얇은 코팅을 갖는 샘플 E 는 소성 변형을 겪었고, 그루브가 없는 것에 대응하는 대응 기준 (F) 은 과도한 크레이터 마모를 겪었다. 십자형 그루브 및 13.5 ㎛ 의 코팅 두께를 갖는 샘플 G 도 또한 소성 변형을 겪었고, 대응 기준인 샘플 H 는 과도한 크레이터 마모를 겪었다. 이 예에서 시험된 가장 두꺼운 코팅은 21 ㎛ 의 두께를 갖고, 이 경우, 기준인 샘플 J 및 패턴화된 샘플인 샘플 I 쌍방은 0.4 ㎜ 초과의 플랭크 마모를 보여주었고, 단지 기준 샘플 J 가 과도한 크레이터 마모를 겪었다. 그러므로, 결론은 패턴화된 공구가 크레이터 마모에 대한 증가된 저항을 갖는다는 것이다.
Figure 112015036544293-pct00002
기재가 초경합금으로 이루어진 본 발명에 대해 전술하였다. 그렇지만, 코팅의 증가된 유효 두께를 국부적으로 갖는 것의 유리한 효과는 세라믹, 서멧, 입방정 질화붕소, 다결정질 다이아몬드, 고속도강과 같은 다른 재료로 이루어진 절삭 공구용 기재에서도 또한 달성될 수도 있다.
다양한 모범적인 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 개시된 모범적인 실시형태로 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 하며, 오히려 첨부된 청구범위 내에 다양한 수정 및 동등한 배치를 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (19)

  1. 기재 (substrate; 1), 및
    상기 기재 (1) 에 퇴적되고, 상기 기재 (1) 의 적어도 일부를 덮고, 두께 (Tc) 를 갖는 표면 코팅 (2)
    을 포함하는 피복 절삭 공구로서,
    상기 기재 (1) 는 상기 기재의 피복 부분 내의 패턴화된 표면 영역 내에 상기 기재 (1) 내로의 복수의 리세스들을 포함하고,
    상기 리세스들의 각각은 2 ㎛ 초과 100 ㎛ 미만의 깊이 (D) (2 ㎛ < D < 100 ㎛), 및 상기 리세스의 절반 깊이 [D/2] 에서 2Tc 이하의 폭 (Wi) (Wi≤2Tc) 을 갖고, Tc 는 2 ㎛ 내지 30 ㎛ 이고,
    상기 리세스는 상기 표면 코팅 (2) 에 의해 적어도 부분적으로 채워지고,
    상기 코팅은 Ti(C,O,N), Ti(C,N), TiC, TiN, 또는 이들의 조합으로 이루어진 두께 Tci 의 내층 및 Al2O3 로 이루어진 두께 Tco 의 외층을 포함하고,
    각 리세스는 2 미만의 어스팩트비 (D/We) 를 갖고, We 는 상기 기재 (1) 의 제 1 표면 (4) 에서의 리세스의 폭인, 피복 절삭 공구.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기재 (1) 의 상기 패턴화된 표면 영역은 상기 기재 (1) 내로의 리세스들을 구비하는 상기 기재 (1) 의 제 1 표면 (4) 을 포함하고,
    상기 리세스 내에 퇴적된 코팅의 두께가, 상기 기재 (1) 의 상기 제 1 표면 (4) 에 수직한 방향에서 측정하였을 때, 상기 기재 (1) 의 상기 제 1 표면 (4) 에서 상기 리세스 외부에 퇴적된 코팅보다 더 큰, 피복 절삭 공구.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 표면 코팅 (2) 은 외측 표면 (6) 을 갖고,
    상기 외측 표면 (6) 에서 남아 있는 리세스의 최대 깊이의 지점 (5) 이 상기 기재 (1) 의 제 1 표면 (4) 보다 위에 위치되어서, 상기 코팅 (2) 이 여러 개의 리세스들에 걸쳐 상기 기재 (1) 의 상기 제 1 표면 (4) 에 평행한 선을 따라 연속적인, 피복 절삭 공구.
  4. 제 1 항에 있어서,
    두 인접한 리세스들 사이의 피치 (P) 가 10 ㎛ 초과 100 ㎛ 미만인, 피복 절삭 공구.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 패턴화된 표면 영역은 공칭 표면적의 50-98% 를 덮는 리세스들을 포함하는, 피복 절삭 공구.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면 코팅은 화학 기상 증착에 의해 퇴적되는, 피복 절삭 공구.
  8. 제 1 항 내지 제 5 항 및 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 리세스는 그루브인, 피복 절삭 공구.
  9. 제 8 항에 있어서,
    그루브들은 상기 그루브들에 의해 에워싸이는 아일랜드들 (islands) 을 형성하는 교차형 (crossing) 그루브들을 갖는 패턴으로 배치되는, 피복 절삭 공구.
  10. 제 1 항 내지 제 5 항 및 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 리세스는 링 또는 타원과 같은 곡선형 외측 형상을 갖는 피트 (pit) 또는 그루브인, 피복 절삭 공구.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 아일랜드들의 최대 폭이 100 ㎛ 미만인, 피복 절삭 공구.
  12. 제 1 항 내지 제 5 항 및 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절삭 공구는 레이크면 및 플랭크면을 포함하고,
    상기 패턴화된 표면 영역은 상기 피복 절삭 공구의 레이크면에 있는, 피복 절삭 공구.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 패턴화된 표면 영역은 상기 피복 절삭 공구의 레이크면에서 크레이터 영역을 덮고, 상기 크레이터 영역은 증가된 크레이터 마모 위험을 갖는 영역인, 피복 절삭 공구.
  14. 제 1 항 내지 제 5 항 및 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅은 4 족, 5 족, 6 족 (IUPAC) 으로부터 선택된 하나 또는 여러 개의 제 1 원소 및 N, B, O, C 로부터 선택된 하나 또는 여러 개의 제 2 원소의 화합물로 이루어진 여러 개의 층을 포함하는, 피복 절삭 공구.
  15. 제 1 항 내지 제 5 항 및 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅은 4 족, 5 족, 6 족 (IUPAC), Al 또는 Si 로부터 선택된 하나 또는 여러 개의 제 1 원소 및 N, B, O, C 로부터 선택된 하나 또는 여러 개의 제 2 원소의 화합물로 이루어진 여러 개의 층을 포함하는, 피복 절삭 공구.
  16. 제 1 항 내지 제 5 항 및 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    Wi < 2Tci 인, 피복 절삭 공구.
  17. 제 1 항 내지 제 5 항 및 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    Wi < 2(Tci +Tco) 인, 피복 절삭 공구.
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