KR102491413B1 - Ti, Ti 합금 및 Ni 기반 합금 가공 방법 - Google Patents

Ti, Ti 합금 및 Ni 기반 합금 가공 방법 Download PDF

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Abstract

본원은 극저온 조건 하에서 Ti, Ti 합금 및 Ni 기반 합금을 가공할 때 WC 및 소량의 바인더상을 포함하는 초경합금 절삭 공구의 용도에 관한 것이다. 본원은 상당히 연장된 공구 수명을 초래한다.

Description

Ti, Ti 합금 및 Ni 기반 합금 가공 방법
본 발명은 극저온 조건 하에서 Ti, Ti 합금 및 Ni 기반 합금을 가공할 때 WC 및 소량의 바인더상을 포함하는 초경합금 절삭 공구의 용도에 관한 것이다.
초경합금으로 제조된 절삭 공구는 Ti 합금 및 Inconel 과 같은 Ni 합금을 가공하기 위해 당업계에서 잘 알려져 있다. 이러한 재료는 가공하기 어려운 것으로 알려져 있다. 이러한 유형의 가공물 재료를 가공할 때 발생할 수 있는 문제 중 하나는 화학적 마모이다.
화학적 마모는 Ti 합금을 가공하는데 일반적이다. 따라서, Ti 합금을 가공하기 위한 인서트를 선택할 때 가공물 재료와의 용해성 및 반응성은 매우 중요한 것으로 밝혀졌다. Ti 의 극히 낮은 열전도성은 인서트로의 열전달 및 향상된 화학 반응성을 유발한다.
온도를 낮게 유지하기 위해 일부 유형의 냉각을 사용하는 것이 유리하다는 것이 가공 업계에 잘 알려져 있다.
많은 적용시, 이를 달성하기 위해 냉각제가 사용된다. 하지만, 종래의 냉각제는 항상 환경 친화적이지 않고 처리를 필요로 한다. 냉각제의 재활용은 가공물 재료로부터의 칩을 포함하기 때문에 어렵다. 큰 칩은 물론 제거될 수 있지만, 몇 마이크로미터 범위의 작은 칩은 남아 있다. 이러한 작은 조각들은 냉각제가 재사용되는 경우 가공물 재료에 손상을 줄 수 있다.
또한, 일부 항공우주 적용시 에멀젼 또는 MQL (최소량 윤활) 과 같은 종래의 냉각제를 사용하면 칩을 재활용할 수 있는 가능성을 제한한다. 예를 들어, 일부 항공우주 적용시 재활용 칩은 냉각제 에멀젼 또는 윤활제와의 오염으로 인해 새로운 합금을 생성할 때 사용될 수 없다.
일부 적용에 대해서, 종래의 냉각제 (에멀젼) 에 의해 달성되는 냉각 효과는 충분하지 않다. 극저온 가공은 보다 효율적인 냉각 효과를 얻기 위한 하나의 대안이다. 극저온 냉각은 독성이 없기 때문에 환경적인 이유로 종래의 냉각제에 대한 양호한 대안이기도 하다.
본 발명의 일 목적은 Ti, Ti 합금 및 Ni 기반 합금을 가공할 때 공구 수명을 향상시키는 것이다.
본 발명은, WC 및 1 ~ 5 중량% 함량의 바인더상을 포함하고 그리고 평균 WC 입자 크기가 1.2 ~ 8 ㎛ 인 초경합금 기재를 포함하는 절삭 공구의 용도에 관한 것이다. 절삭 공구는 극저온 냉각제와 함께 Ti, Ti 합금 또는 Ni 기반 합금을 가공하는데 사용된다.
극저온의 정의는 수년에 걸쳐 다소 변경되었다. 과학적 정의는 온도가 -153 ℃ 미만이어야 한다는 것이다. 하지만, 최근에 그 정의는 다소 넓어졌으며 보다 최근의 출판물에서는 예를 들어 -80 ℃ 의 온도를 가진 CO2 가 또한 포함된다.
극저온 냉각이란 본원에서 냉각제가 -50 ℃ 미만의 온도를 가짐을 의미한다. 적절하게는, 냉각제는 액체 질소 및/또는 CO2 이다.
본 발명의 일 실시형태에서, 냉각제는 액체 질소이다.
본 발명의 다른 실시형태에서, 냉각제는 액체 CO2 이다. CO2 는 액체 (초임계), 기체 또는 액체/기체의 혼합물 형태일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 극저온 냉각제는 MQL (최소량의 윤활) 과 결합된다.
본 발명의 다른 실시형태에서, 극저온 냉각제는 압축 공기와 결합된다. 이는 때때로 절단 영역에서 칩을 제거하는데 도움이 되는 장점이 있다.
본 발명의 다른 실시형태에서, 극저온 냉각제는 압축 공기 및 MQL (최소량의 윤활) 둘 다와 결합된다.
냉각제의 유동은 정확한 적용 및 설정에 따르지만 적절하게는 0.05 ~ 1 kg/min 이다. 냉각제의 압력은 또한 정확한 적용 및 설정에 따라 변하지만 적절하게는 3 ~ 100 Bar 이다.
냉각제는 가공 작업 유형 및 공구 종류 등에 따라서 다양한 방식으로 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 냉각제는 외부 냉각에 의해 제공된다. 이는, 냉각제가 가공이 실시되는 영역, 즉 공구와 가공물 재료가 만나는 영역쪽으로 배향된 하나 이상의 개별 노즐들에 의해 제공되는 것을 의미한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 냉각제는 공구 홀더를 통하여 내부 냉각에 의해 제공된다. 이는 절삭 공구에 냉각제를 직접 적용할 공구 홀더의 채널들에 의해 냉각제가 공급되는 것을 의미한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 냉각제는 공구 홀더 및 절삭 공구, 즉 폐쇄 루프를 통하여 내부 냉각에 의해 제공된다. 이는 공구 홀더 및 절삭 공구를 통하여 냉각제를 유도한 후 폐쇄 루프의 공구 홀더를 통하여 되돌아오는 채널들을 통하여 냉각제가 제공되는 것을 의미한다. 따라서, 냉각제는 재사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 냉각제는 공구 홀더 및 절삭 공구를 통하여 내부 냉각에 의해 제공되고, 여기에서 냉각제는 절삭 공구를 나오고, 즉 폐쇄 루프가 없다. 이 실시형태는 예를 들어 드릴들에 대해서 일반적이다.
본 발명의 일 실시형태에서, 냉각제는 전술한 바와 같이, 즉 외부 냉각, 공구 홀더를 통한 내부 냉각 및 공구 홀더를 통한 그리고 폐쇄 루프를 가진 또는 갖지 않은 절삭 공구를 통한 내부 냉각으로부터 선택된 적어도 2 가지 유형의 냉각 방법의 조합에 의해 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 가공 방법은 적절하게는 선삭 작업이다. 적절하게는, 가공 파라미터들은 30 ~ 200 m/min, 바람직하게는 30 ~ 120 m/min, 보다 바람직하게는 100 ~ 120 m/min 의 Vc, 0.1 ~ 5 mm, 바람직하게는 0.3 ~ 2 mm 의 ap 이다. 공급률, fz 은 적절하게는 0.05 ~ 0.4 mm/rev, 바람직하게는 0.05 ~ 0.3 mm/rev 이다.
본 발명에 따른 초경합금의 기재를 포함하는 절삭 공구는 비철 합금을 가공하는데 적합하고, Ti 또는 Ti 합금 및/또는 Ni 기반 합금에 가장 적합하며, 그리고 Ti 또는 Ti 합금에 가장 적합하다. Ti 및 Ti 합금의 실시예들은 적절하게는 α, β 및 γ 합금, 예를 들어 α-Ti 및 α 합금, 예를 들어 Ti5Al2.5Sn, 거의 α 합금, 예를 들어 Ti6Al2Sn4Zr2Mo, α+β 합금, 예를 들어 Ti6Al2Sn4Zr6Mo 및 Ti6Al4V 이다. Ni 기반 합금의 실시예들로서는 Inconel 718, Waspaloy 및 Haynes 282 합금이 있다.
절삭 공구는 WC 및 바인더상을 포함하는 초경합금을 포함하고, 여기에서 바인더상 함량은 1 ~ 5 중량% 이고, 평균 WC 입자 크기는 적절하게는 1.2 ~ 8 ㎛ 이다.
본 발명에 따른 초경합금에서 WC 는 적절하게는 1.2 ~ 8 ㎛, 바람직하게는 2 ~ 5 ㎛, 보다 바람직하게는 3 ~ 4 ㎛ 의 평균 입자 크기를 가진다. WC 입자 크기는 바람직하게는 주사 전자 현미경 이미지상의 라인 인터셉트 방법 (line intercept method) 을 사용하여 측정된다. 제조 등에서, 입자 크기의 추정은 보자력 측정으로부터 이루어질 수 있다.
WC 및 바인더상 이외에, 초경합금은 또한 예를 들어 Nb, Ta, Ti 및 Cr 과 같은 초경합금을 제조하는 분야에서 일반적인 다른 성분을 포함할 수 있다. 이러한 원소들의 양은 전체 초경합금의 20 중량ppm ~ 5 중량% 에서 변할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태예에서, 추가 성분들의 양은, 즉 WC 이외에, 전체 초경합금의 20 중량ppm ~ 1 중량%, 바람직하게는 20 ~ 250 중량ppm 이다.
본 발명의 다른 실시형태에서, WC 에는 경질 성분만이 존재한다.
초경합금은 또한 희토류, 산화물, 알루미나이드 및 붕화물과 같은 당업계에 일반적인 소량의 다른 원소들을 포함할 수 있다.
초경합금의 기재를 포함하는 절삭 공구의 바인더상 함량은 적절하게는 1 ~ 5 중량%, 바람직하게는 2 ~ 4 중량% 이다.
바인더상은 Co, Ni 및 Fe 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 바인더상은 주로 Co 를 포함한다. 즉, 본원에서 바인더상을 위한 원료로서, Co 만을 첨가하는 것을 의미한다. 하지만, 제조 중에 다른 요소들이 Co 에 부분적으로 용해될 수도 있다.
초경합금에는 적절하게는 에타상 및 흑연이 없다. 바람직하게는, 초경합금은 약간 과도한 화학량론적인 (overstoichiometric) 탄소 함량을 가진다.
본 발명의 일 실시형태에서, 초경합금은 WC 및 Co 및 불가피한 불순물로 이루어진다.
공구 수명을 증가시키기 위해 초경합금 공구에 코팅을 제공하는 것은 당업계에서 일반적이다. 본 발명에 따른 초경합금은 코팅되지 않거나 코팅, 적절하게는 당업계에 공지된 CVD 또는 PVD 코팅이 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 본 발명에 따른 절삭 공구는 적절하게는 코팅되지 않는다.
본 발명의 일 실시형태에서, 초경합금 본체에는 마모 검출에 유용한 코팅, 예를 들어 0.2 ~ 3 ㎛ 의 두께를 가진 TiN 이 제공된다.
본 발명의 다른 실시형태에서, 초경합금 본체에는 탄소를 포함하는 코팅, 예를 들어 CVD 에 의해 성막된 0.2 ~ 3 ㎛ 의 두께를 가진 DLC 코팅이 제공된다.
본 발명의 다른 실시형태에서, 초경합금 본체에는 0.5 ~ 15 ㎛ 두께를 가진 다이아몬드를 포함하는 코팅이 제공된다.
본 발명의 다른 실시형태에서, 초경합금 본체에는 CVD 성막에 의해 0.2 ~ 3 ㎛ 의 두께를 가진 ZrC 단층을 포함하는 코팅이 제공된다.
절삭 공구는 본원에서 인서트, 드릴 또는 엔드 밀을 의미한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 절삭 공구는 선삭 인서트이다.
더욱이, 본 발명은, 전술한 바와 같이 WC 및 1 ~ 5 중량% 함량의 바인더상을 포함하고 평균 WC 입자 크기가 1.2 ~ 8 ㎛ 인 초경합금 기재를 포함하는 절삭 공구를 사용하는 것, 및 극저온 냉각제를 사용하는 것에 의해, Ti, Ti 합금 또는 Ni 기반 합금을 가공하는 방법에 관한 것이다.
실시예 1 (본 발명)
평균 입자 크기 및 3 중량% Co 를 가진 WC 로 제조된 혼합물은 18 시간 동안 혼합 및 블렌딩되었고, 진공 조건 하에서 1 시간 동안 1410 ℃ 에서 가압 및 소결되었다. 소결 후 초경합금은 Co 금속 바인더상에 매립된 WC 로 이루어진다. 그 후, 소결 피스는 1 시간 동안 1410 ℃ 에서 제 2 소결 단계를 받게 되었다.
얻어진 초경합금은 DIN ISO 3326 에 따라 Foerster Koerzimat CS1.096 을 사용하여 측정한 보자력, 16.5 kA/m 로부터 산출된 바와 같이 3.4 ㎛ 의 WC 입자 크기를 가졌다.
이러한 초경합금 본체를 샘플 1 이라고 한다.
실시예 2 (참고)
WC, 추가의 여분의 탄소를 가진 6 중량% Co 로 제조된 혼합물은 18 시간 동안 혼합 및 블렌딩되었고, 진공 조건 하에서 1 시간 동안 1410 ℃ 에서 가압 및 소결되었다. 소결 후, 초경합금은 Co 금속 바인더상에 매립된 WC 를 포함하였다. 보자력은 DIN ISO 3326 에 따라서 Foerster Koerzimat CS1.096 을 사용하여 측정한 18 kA/m 이었다.
WC 평균 입자 크기는 라인 인터셉트 방법을 사용하여 측정한 0.76 ㎛ 이었다.
이러한 초경합금 본체를 샘플 2 라고 한다.
실시예 3 (작동 실시예)
실시예 1 및 실시예 2 에 기재된 인서트들은 이하의 조건을 사용하여 Ti6Al4V 합금에서 선삭 작업시에 시험되었다.
ap = 2 mm
Fz = 0.1 ~ 0.2 mm/rev, 가변적
Vc = 70 m/min
냉각 : 액체 질소, 7 bar, 0.85 kg/min, 홀더를 통해 내부
공구 수명 임계는 플랭크 마모 (VB = 0.3 mm), 노치 (VBn = 0.4 mm) 또는 가장자리 파괴였다.
결과는 표 1 에서 볼 수 있는데, 각각의 결과는 2 회의 시험, 즉 2 개의 인서트들의 평균이다.
Figure 112019045129229-pct00001
실시예 4 (작동 실시예)
실시예 1 및 실시예 2 에 기재된 인서트들은 이하의 조건을 사용하여 Ti6Al4V 합금에서 선삭 작업시에 시험되었다.
ap = 2 mm
Fz = 0.1 ~ 0.2 mm/rev, 가변적
Vc = 115 m/min
냉각 : 액체 질소, 7 bar, 0.85 kg/min, 홀더를 통해 내부
공구 수명 임계는 플랭크 마모 (VB = 0.3 mm), 노치 (VBn = 0.4 mm) 또는 가장자리 파괴였다.
결과는 표 2 에서 볼 수 있는데, 각각의 결과는 2 회의 시험, 즉 2 개의 인서트들의 평균이다.
Figure 112019045129229-pct00002

Claims (12)

  1. Ti, Ti 합금 또는 Ni 기반 합금에서의 가공하기 위한, WC 및 1 ~ 5 중량% 함량의 바인더상을 포함하고 평균 WC 입자 크기가 1.2 ~ 8 ㎛ 인 초경합금 기재를 포함하는 절삭 공구로서, 극저온 냉각제가 상기 절삭 공구와 함께 사용되고, 상기 초경합금은 에타상 및 흑연이 없는, 절삭 공구.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각제는 액체 질소인 것을 특징으로 하는, 절삭 공구.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각제는 액체 CO2 인 것을 특징으로 하는, 절삭 공구.
  4. 제 1 항에 있어서,
    선삭 작업은 30 ~ 200 m/min 의 Vc, 0.1 ~ 5 mm 의 ap 및 0.05 ~ 0.4 mm/rev 의 공급률에서 작동되는 것을 특징으로 하는, 절삭 공구.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각제는 외부 냉각을 통하여 제공되는 것을 특징으로 하는, 절삭 공구.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각제는 공구 홀더를 통하여 내부 냉각을 통하여 제공되는 것을 특징으로 하는, 절삭 공구.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각제는 공구 홀더 및 상기 절삭 공구를 통하여 내부 냉각을 통하여 제공되는 것을 특징으로 하는, 절삭 공구.
  8. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초경합금 중의 WC 의 평균 입자 크기는 2 ~ 5 ㎛ 인 것을 특징으로 하는, 절삭 공구.
  9. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바인더상은 2 ~ 4 중량% 양의 코발트인 것을 특징으로 하는, 절삭 공구.
  10. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절삭 공구는 코팅되지 않는 것을 특징으로 하는, 절삭 공구.
  11. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절삭 공구에는 코팅이 제공되는 것을 특징으로 하는, 절삭 공구.
  12. Ti, Ti 합금 또는 Ni 기반 합금을 가공하는 방법으로서,
    - WC 및 1 ~ 5 중량% 함량의 바인더상을 포함하고 평균 WC 입자 크기가 1.2 ~ 8 ㎛ 인 초경합금 기재를 포함하고, 상기 초경합금은 에타상 및 흑연이 없는 절삭 공구를 사용하는 것, 및
    - 극저온 냉각제를 사용하는 것을 포함하는, Ti, Ti 합금 또는 Ni 기반 합금을 가공하는 방법.
KR1020197012738A 2016-11-08 2017-11-06 Ti, Ti 합금 및 Ni 기반 합금 가공 방법 KR102491413B1 (ko)

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