KR102395885B1 - 절삭공구용 경질피막 - Google Patents

절삭공구용 경질피막 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초경합금과 같은 모재 상에 형성되며, 교대 반복 적층된 다층 구조를 이루고 있으며, 다층 구조를 이루는 각 층 간의 조성 및 물성의 주기적 제어를 통해, 우수한 내마모성을 유지하면서 인성이 향상된 절삭공구용 경질피막에 관한 것이다.
본 발명에 따른 절삭공구용 경질피막은, 초경합금으로 이루어진 모재 상에 형성되며, 상기 경질피막은, 티타늄과 질소를 포함하는 제1층과, 티타늄과 붕소를 포함하는 제2층이 적어도 2층 이상 교대 반복하여 적층된 구조를 이루고, 상기 제2층은, 교대 반복될 때마다 모재에서 표면으로 갈수록, B의 함량이 증가하는 것을 특징으로 한다.

Description

절삭공구용 경질피막 {HARD FILM FOR CUTTING TOOLS}
본 발명은 절삭공구용 경질피막에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초경합금과 같은 모재 상에 형성되며, 교대 반복적으로 적층된 다층 구조를 이루고 있으며, 다층 구조를 이루는 각 층 간의 조성 및 물성의 주기적 제어를 통해, 우수한 내마모성을 유지하면서 내치핑성이 향상된 절삭공구용 경질피막에 관한 것이다.
TiB2는 높은 경도를 가지므로, 초경합금으로 이루어진 모재 상에 TiB2 코팅층을 적용하여 높은 내마모성이 요구되는 피삭재의 가공에 적용되고 있다. 이러한 TiB2 코팅층은 일반적으로 공지의 화학기상증착이나 물리기상증착과 같은 방법이 사용된다.
그런데 TiB2 코팅층의 형성 과정에 가해지는 고온, 고진공 등의 조건에 의해서, 초경합금 모재와의 경계면에 TiB2 코팅층 중의 붕소의 확산에 의해 붕소를 함유하고 취성이 강한 상(phase)이 생성되어, 절삭공구의 수명을 크게 저하시키는 문제점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 하기 특허문헌에는, 붕소의 확산 억제 및 TiB2 코팅층에 있어서의 TiB2의 미립화에 의해 내마모성을 향상시킨 경질피막이 개시되어 있다. 여기서, 초경합금 모재의 표면에는 두께 0.1㎛ ~ 3㎛의 TiN, TiCN, TiBCN의 군에서 선택된 1종 이상의 중간층을 피복한 후, 두께 1㎛ ~ 5㎛의 TiB2 층을 형성한다. 이러한 구조의 경질 피복층은 초경합금 모재로 붕소가 확산되어 취성이 높은 상이 형성되지 않도록 하면서, 내마모성을 유지하여, 절삭공구의 수명을 향상시키고 있다.
한편, TiB2 층을 포함하는 경질피막의 경우 내치핑성과 같이 인성이 함께 요구되므로, 상기 종래기술의 경우 경질피막의 내마모성 유지와 모재의 표면부에서의 취화는 억제할 수 있으나, 경질피막 자체의 인성을 향상시킬 수 있는 것은 아니다.
대한민국 공개특허공보 제2010-0093077호
본 발명의 목적은 우수한 내마모성과 함께 향상된 내치핑성을 가질 수 있는 절삭공구용 경질피막을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 초경합금으로 이루어진 모재 상에 형성되는 경질피막으로, 티타늄과 질소를 포함하는 제1층과, 티타늄과 붕소를 포함하는 제2층이 적어도 2층 이상 교대 반복하여 적층된 구조를 이루고, 상기 제2층은, 교대 반복될 때마다 모재에서 표면으로 갈수록, B의 함량이 증가하는 것을 특징으로 하는, 절삭공구용 경질피막을 제공한다.
본 발명에 따른 경질피막은, TiB2 층이 갖는 우수한 내마모성을 유지하면서, 종래에 비해 크랙 전파에 대한 저항성이 높아 향상된 내치핑성을 가지게 되어, 절삭공구에 적용되었을 때 절삭수명을 더 연장시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 절삭공구용 경질피막의 적층 구조를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 절삭공구용 경질피막의 조성 프로파일을 나타낸 것이다.
도 3는 실시예와 비교예에 따라 제조된 인써트를 사용하여 티타늄 합금에 대해 절삭성능 시험을 수행한 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 실시예와 비교예에 따라 제조된 인써트를 사용하여 인코넬 합금에 대해 절삭성능 시험을 수행한 결과를 나타낸 것이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
본 발명에 따른 절삭공구용 경질피막은, 초경합금으로 이루어진 모재 상에 형성되는 것으로, 도 1에 도시된 것과 같이, 티타늄과 질소를 포함하는 제1층과, 티타늄과 붕소를 포함하는 제2층이 적어도 2층 이상 교대 반복하여 적층된 구조를 이루고, 상기 제2층은, 교대 반복될 때마다 모재에서 표면으로 갈수록, B의 함량이 증가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1층은 TiN을 주상으로 포함하고, 상기 제2층은 TiB2를 주상으로 포함할 수 있다. 본 발명에 있어서 '주상'이라고 하면, 제1층 또는 제2층을 구성하는 부피분율로 80% 이상, 바람직하게는 90% 이상, 보다 바람직하게는 95% 이상을 이루는 상(phase)을 의미한다. 상기 제1층 또는 제2층에 포함되는 다른 상(phase)은 성막 과정에 발생하는 물질 이동에 의해 소량 생성될 수 있는 상이다.
또한, 상기 제1층과 제2층은, 3회 ~ 10회로 교대 반복되어 적층될 수 있으며, 바람직하게는 4회 ~ 8회로 교대 반복되어 적층될 수 있다. 또한, 상기 경질피막의 바람직한 총 두께는 1 ~ 10㎛, 보다 바람직한 총 두께는 1 ~ 5㎛이다.
또한, 상기 모재층에 가장 가까운 TiB2 층의 경도에 비해 최표면층의 TiB2 층의 경도가 2GPa 미만일 경우 인성 향상 효과를 얻기 어렵고, 5GPa을 초과할 경우 경질피막 전체의 내마모성이 저하될 수 있으므로, 2 ~ 5GPa 정도의 경도 차이를 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 초경합금 모재는 다양한 조성의 것이 사용될 수 있으나, 바람직하게, WC 83 ~ 96.7중량%와, W를 제외한 주기율표 중 4족, 5족, 6족 금속으로부터 선택되는 1종 이상의 금속의 탄화물, 탄질화물, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 입성장억제제 0.1 ~ 2.0 중량%와, Co, Ni 및 Fe 중에서 선택된 1종 이상의 바인더 3.0 ~ 13.0중량%를 포함할 수 있다.
또한, 초경합금 모재의 조성을 한정한 이유는 다음과 같다.
상기 WC는 그 함량이 83중량% 미만일 경우 고속절삭 조건 및 고경도 피삭재가공시 내열성이 부족으로 인하여 절삭공구의 변형이 빨리 올 수 있으며, WC 함량이 96.7중량%를 초과할 경우 절삭공구가 쉽게 손상될 수 있으므로, 83 ~ 96.7중량%가 바람직하다.
또한, 상기 입성장억제제는 0.1중량% 미만일 경우 입성장 억제 효과 감소 및 고온 내소성변형성이 감소하여 고속, 연속조건에서 절삭공구의 변형이 쉽게 발생하는 단점을 가지게 되며, 2.0중량%를 초과할 경우 WC와 바인더와의 결합력이 떨어져 외부로부터 받는 충격에 WC와 바인더 간의 균열발생이 쉽게 일어나기 때문에 공구수명을 저하시킬 수 있다. 따라서 입성장억제제는 0.1 ~ 2.0중량%가 바람직하다.
또한, 바인더를 구성하는 Co, Ni 및 Fe의 합계 함량이 3.0중량% 미만일 경우, WC 및 입성장억제제와의 결합력이 약하게 되어 절삭공구가 쉽게 손상되는 단점을 갖게 되며, 13.0중량%를 초과할 경우 WC 및 입성장억제제와의 경질상과의 결합력은 우수하나 충분한 내마모성을 확보하기 어려우므로, 3.0 ~ 13.0중량% 범위가 바람직하다.
[실시예]
먼저, 초경합금 모재는 WC 70 ~ 92중량%와, W를 제외한 주기율표 중 4족, 5족, 6족 금속으로부터 선택되는 1종 이상의 금속의 탄화물, 탄질화물, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 입성장억제제 0.1 ~ 3.0 중량%와, Co, Ni 및 Fe 중에서 선택된 1종 이상의 바인더 2.0 ~ 15.0중량%를 갖도록 원료를 준비하여, 초경볼과 유기용매를 첨가하여 약 5 ~ 13시간 혼합 분쇄 이후 건조해 혼합분말을 얻었다.
얻어진 혼합분말을 가지고 RPMT1204-ML 및 SXMT130410R-ML의 형상용 금형을 통해 2ton/㎠의 압력으로 프레스를 수행하여 성형체를 제조하였다.
이어서, 600℃에서 탈지(dewaxing) 공정을 수행하여, 성형체 제조과정에 투입된 유기 바인더 성분을 제거한 후, 불활성 가스 분위기에서 1 ~ 2시간 동안 소결을 진행하고, 600℃까지 불활성 가스 분위기에서 냉각시킨 후, 자연냉각시키는 방법으로 소결공정을 수행하여, 경질피막 형성을 위한 인써트를 제조하였다.
다음으로, 제조된 인써트의 표면에 레이디얼 타입의 530mm 사이즈의 이온본드사 CVD 장비를 사용하여 경질피막을 형성하였다.
상기 인써트의 표면에는 850 ~ 900℃, 200 mbar 에서 1.5 vol.% TiCl4, 28.3 vol.% N2 및 잔부 H2를 사용하여 1 ~ 2㎛의 두께로 TiN 박막을 베리어 층으로 코팅하였다.
배리어 층의 상면에는 TiB2 층과 TiN 층을 880℃에서 5회 교대 반복 적층(내마모성을 위해 최표면층은 TiB2가 되도록 형성)하여 총 3 ~ 4㎛ 두께가 되도록 성막하였다. 이때, TiB2 층은 150 mbar에서 1.2 vol.% TiCl4, 0.7 ~ 1.2 vol.% BCl3, 0 ~ 3 vol.% HCl, 25.3 vol.% N2 및 잔부 H2를의 조건으로 성막하되, 상부로 갈수록 BCl3의 함량이 증가하도록 조절하였다. 또한 TiN 층은 120 mbar에서 1 vol.% TiCl4, 0~4 vol.% HCl, 28.9 vol.% N2 및 잔부 H2의 조건으로 성막하였다.
[비교예]
비교예는 본 발명의 실시예에 따른 경질피막과 TiBN을 위주로 하는 경질피막을 대비하기 위한 것으로, 실시예와 동일한 인써트에 동일한 배리어 층을 형성한 후, 배리어 층의 상부에 두께 3 ~ 4㎛의 TiBN 층을 형성한 것만 차이가 있다. 이때, TiBN 층은 100 mbar에서 1.2 vol.% TiCl4, 1.2 vol.% BCl3, 16.3 vol.% N2 및 잔부 H2의 공정 조건으로 형성되었다.
경질피막의 성분분석
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 절삭공구용 경질피막의 조성 프로파일을 나타낸 것이다.
도 2에서 확인되는 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 절삭공구용 경질피막의 경우, WC-Co 합금으로 이루어진 모재 경계면에서 위로 갈수록, N의 함량이 증가하는 TiN층이 형성되고, TiN층의 상부에 B의 함량이 주기적으로 증가와 감소하는 패턴을 나타내는데, B의 함량(그림에서 노란색)은 표면층으로 갈수록 B의 함량이 증가하는 형태로, TiB2층이 형성되어 있는 것을 알 수 있다.
한편, 도 2에서는 B와 N의 함량이 0이 아닌 형태로 나타나지만, 이는 TiN층 및 TiB2층의 두께가 얇아 조성 분석장치의 해상도가 충분하지 않아서 나타나는 것이며, 실제로는 TiN층과 TiB2층의 형태이며 단지 B의 함량만이 주기가 늘어남에 따라 점점 증가한다.
절삭성능 평가
이상과 같이 경질피막이 형성된 실시예와 비교예에 따라 제조된 인써트를 다음과 같은 2가지 피삭재와 절삭가공 조건으로 밀링 가공을 수행하였다.
<평가조건: 밀링>
- 인써트 형번: SXMT130410R-ML
- 피삭재: Ti-6Al-4V
- Vc(절삭속도): 60mm/min
- fz(이송량): 0.7mm/tooth
- ap(절입량): 1mm
- ae(절삭폭): 10mm
- 가공 시간: 15분
<평가조건: 밀링>
- 인써트 형번: RPMT1204M0E-ML
- 피삭재: 인코넬 718
- Vc(절삭속도): 40mm/min
- fz(이송량): 0.3mm/tooth
- ap(절입량): 1mm
- ae(절삭폭): 1mm
- 가공 시간: 10분
도 3는 실시예와 비교예에 따라 제조된 인써트를 사용하여 티타늄 합금에 대해 절삭성능 시험을 수행한 결과를 나타낸 것이다.
도 3에서 확인되는 바와 같이, 15분의 가공 후에, 비교예에 따른 경질피막은 인선부(아래 그림)에 상당한 손상이 생긴 것이 관찰되나, 본 발명의 실시예에 따른 경질피막은 인선부가 양호하게 유지되어 있음을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 경질피막은 난삭재의 하나인 티타늄 합금 가공 시 비교예에 비해 우수한 성능을 나타낸다고 할 수 있다.
도 4는 실시예와 비교예에 따라 제조된 인써트를 사용하여 인코넬 합금에 대해 절삭성능 시험을 수행한 결과를 나타낸 것이다.
도 4에서 확인되는 바와 같이, 10분의 가공 후에, 비교예에 따른 경질피막은 인선부(아래 그림)에 과대마모에 의한 치핑이 생긴 것이 관찰되나, 본 발명의 실시예에 따른 경질피막은 비교예와 같은 치핑이 발생하지 않았음을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 경질피막은 난삭재인 인코넬 합금 가공 시에도 비교예에 비해 우수한 성능을 나타내었다.

Claims (6)

  1. CVD법으로 형성되며, 초경합금으로 이루어진 모재 상에 형성되는 경질피막으로,
    상기 경질피막은, 티타늄과 질소를 포함하는 제1층과, 티타늄과 붕소를 포함하는 제2층이 적어도 2층 이상 교대 반복하여 적층된 구조를 이루고,
    상기 제2층은, 교대 반복될 때마다 모재측에서 표면으로 갈수록, B의 함량이 증가하고,
    상기 제1층은 TiN을 주상으로 포함하고,
    상기 제2층은 TiB2를 주상으로 포함하고,
    상기 모재층에 가장 가까운 TiB2층의 경도에 비해 최표면층의 TiB2층의 경도가 2 ~ 5GPa 큰 것을 특징으로 하는, 절삭공구용 경질피막.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1층과 제2층은 3회 이상 10회 이하로 교대 반복되어 적층되는 것을 특징으로 하는, 절삭공구용 경질피막.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 경질피막에 있어서, 최표면층은 TiB2층으로 이루어지는, 절삭공구용 경질피막.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 초경합금 모재는, WC 83 ~ 96.7중량%와, W를 제외한 주기율표 중 4족, 5족, 6족 금속으로부터 선택되는 1종 이상의 금속의 탄화물, 탄질화물, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 입성장억제제 0.1 ~ 2.0 중량%와, Co, Ni 및 Fe 중에서 선택된 1종 이상의 바인더 3.0 ~ 13.0중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는, 절삭공구용 경질피막.
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