KR19990030862A

KR19990030862A - 다층코팅층을 갖는 초경 인서트(Ｉｎｓｅｒｔ)

Info

Publication number: KR19990030862A
Application number: KR1019970051312A
Authority: KR
Inventors: 윤철원; 이상훈
Original assignee: 최효병; 대한중석 주식회사
Priority date: 1997-10-07
Filing date: 1997-10-07
Publication date: 1999-05-06

Abstract

본 발명은 절삭공구에 사용되고 있는 코팅층을 갖는 초경 인서트(Insert)에 대해 내충격성 강화로 내균열성과 내치핑성을 증대시켜 고속절삭 가공이 가능하도록 하는 것에 관한 것으로, 초경 인서트 모재 표면에 중온화학증착법에 따른 탄질화티타늄(TiCN)층과, 고온화학증착에 따른 코팅층(TiC, TiN, TiCN 중에서 선택한 단층 또는 복수층)과 물리증착에 따른 질화티타늄(TiN) 및 질화알루미늄(AlN)으로된 복합층이 순차적으로 적층됨을 특징으로 하는 다층코팅층을 갖는 초경 인서트(Insert)에 관한 기술이다.

Description

다층코팅층을 갖는 초경 인서트(Ｉｎｓｅｒｔ)

본 발명은 절삭공구에 사용되고 있는 코팅층을 갖는 초경 인서트에 관한 것으로 보다 상세하게는 중온화학증착법과 고온화학증착법 및 물리화학증착법에 의한 복합 코팅층을 순차적으로 형성시켜 내충격성 향상으로 내균열성과 내치핑성을 증대시키는데 적합한 초경 인서트(Insert)에 관한 것이다.

자동차부품, 각종 기계부품 등의 소재 가공용 절삭공구로 사용되고 있는 코팅 초경 인서트는 그 코팅층을 증착시키는데 있어서, 여러 가지 방법을 이용하고 있다.

그 방법으로는 탄화티타늄(TiC), 질화티타늄(TiN), 탄질화티타늄(TiCN), 산화알루미늄(Al₂O₃) 등을 고온(900∼1050℃)에서 수소, 메탄, 질소, 사염화티타늄, 이산화탄소, 삼염알루미늄, 염화수소와 화학 반응시켜 초경 인서트 모재 표면에 증착시키는 고온화학증착법이 있다.

이와 같은 방법으로 코팅된 초경 인서트는 경질코팅층에 의하여 내마모성이 대폭적으로 향상될 수는 있으나 코팅층과 모재사이의 계면에는 취약한 에타상(CO₃W₃C, CO₆W₆C)이 형성되어 인서트의 인선부위에 치핑현상 또는 인성의 저하를 초래한다.

이와 같은 단점을 보완하기 위해 아세토나이트라일을 반응원으로 사용한 중온화학증착법이 이용되고 있다.

이는 700∼900℃ 온도에서 CH₃CN, 수소, 질소, 사염화티타늄 등을 화학적으로 반응시켜 모재의 표면에 주상정의 탄질화티타늄(TiCN)을 증착시키거나, 모재의 표면에 질화티타늄(TiN)과 탄질화 티타늄(TiCN) 층을 적층시켜 취약한 에타상의 제거 및 내치핑성이 보강된 층을 얻고 있다.

그러나 상기한 중온화학증착법으로 코팅한 절삭 인서트는 인성의 향상 측면에서는 양호한 결과를 얻을 수 있으나, 내마모성은 상대적으로 떨어지므로 중온화학증착법과 고온화학증착법(TiN, TiC, TiCN, Al₂O₃중에서 선택한 1층 또는 2층이상)을 병용하여 사용하고 있다.

그 일예로써, 중온화학증착법에 의한 탄질화티타늄(TiCN)층의 경도는 고온화학증착법에 의한 탄화티타늄(TiC)보다 낮고, 고온내마모성, 내산화성 등은 고온화학증착법에 의한 산화알루미늄(Al₂O₃)보다 떨어지므로 절삭공구로써의 적절한 성질을 위해서 중온 및 고온화학증착법을 병용하는 것이다.

그런데 이와 같은 고온 및 중온화학증착법은 냉각시 모재 또는 각층간의 열팽창 계수 차이에 의한 균열이 발생된다.

또한 상기와는 다르게 코팅층에 압축응력을 일으키는 물리증착법이 현재 활용화 되고 있다.

이 방법은 350∼500℃ 온도에서 전기적으로 플라즈마를 발생시켜 고순도 금속타겟트(target)으로부터의 금속이온과 가스와의 물리적 반응으로 모재표면에 직접 코팅하는 방법이 사용되고 있으며, 주된층은 질화티타늄(TiN) 또는 탄질화티타늄(TiCN)등이다.

그러나 상기한 재질을 이용한 물리증착법은 충분한 경도를 얻을 수 없으며, 고온내산화성이 만족되지 않는 등 고속가공에서 효과적인 성능이 발휘되지 않는다.

본 발명은 상기한 고온 및 저온화학증착법과 물리증착법의 장점을 모두 활용하기 위해 이들 증착법을 병용하여 내치핑성과 내균열성이 향상되고, 고경도 및 고온내산화성이 우수한 복합층을 형성시킴으로써 고속가공에서 효과적 성능이 발휘될 수 있는 초경 인서트(Insert)를 얻는데 그 목적이 있다.

도 1a는 종래 시편의 균열저항성을 나타낸 압흔 자국에 대한 주사전자 현미경 사진

도 1b는 본 발명에 따른 시편의 균열저항성을 나타낸 압흔 자국에 대한 주사전자 현미경 사진

도 2a는 종래의 다른 시편의 균열저항성을 나타낸 압흔 자국에 대한 주사전자 현미경 사진

도 2b는 본 발명의 타실시예에 따른 시편의 균열 저항성을 나타낸 압흔 자국에 대한 주사전자 현미경 사진

도 3은 절삭가공 시험에 따른 내충격성을 나타낸 그래프

도 4a는 도 3의 종래에 따른 코팅층의 탈락 및 절삭날의 치핑현상을 나타낸 주사현미경 사진

도 4b는 도 3의 본 발명에 따른 코팅층의 탈락 및 절삭날의 치핑현상을 나타낸 주사 현미경 사진

상기 목적 달성을 위한 본 발명은 초경 인서트 모재 표면에 중온화학증착법에 의한 탄질화티타늄(TiCN)층과 고온화학증착법에 의한 코팅층(TiC, TiN, TiCN 중에서 선택한 단층 또는 복수층)과 물리증착법에 의한 질화티타늄(TiN) 및 질화알루미늄(AlN) 복합층이 순차적으로 적층됨을 특징으로 하는 다층코팅층을 갖는 초경 인서트로 구성된다.

또한 본 발명은 상기한 중온화학증착법과 고온화학증착법의 순서를 바꾸어 고온화학증착법에 이어서 중온화학증착법으로 할 수도 있다.

또한 본 발명은 중온화학증착법 → 고온화학증착법(또는 고온화학증착법 → 중온화학증착법)에 이어서 상기 증착법을 반복적으로 행할 수 있으며, 이때 반복적인 증착법을 행함에 있어서는 하나의 증착법만을 반복적으로 행할수도 있으며(즉, 중온화학증착 → 고온화학증착 → 중온화학증착, 또는 고온화학증착 → 중온화학증착 → 고온화학증착), 상기 증착법을 모두 반복적으로 행할수도 있다.

상기 증착법에 의한 코팅층 위에 최종적으로 물리증착법에 따른 질화티타늄(TiN)과 질화알루미늄(AlN)이 복합적으로 구성된 최외각 층이 형성된다.

물리증착에 의해 TiN + AlN 복합층은 질화티타늄(TiN) 단독 재질에 비해 경도가 높고, 고온내산화성이 우수하며, 균열에 대한 저항성이 높은등 고속가공에서 효과적인 성능을 발휘할 수 있다.

이때 물리증착에 따른 복합층(TiN + AlN)의 두께는 0.3∼6㎛ 범위가 바람직하다.

다음은 실시예에 따라 설명한다.

실시예 1

표 1과 같은 조성을 갖는 초경 인서트 모재를 대상으로 하여 실시하였다.

시편	모재조성	코팅층
종래	CO : 7wt%, Cubic Carbide : 4wt%, WC : 나머지	TiN/TiCN : 3㎛
본 발명	상동	상기 종래 시편/물리증착(TiN + AlN) : 4.5㎛

표 1과 같은 모재표면에 고온화학증착법으로 질화티타늄(TiN)을 코팅한 후 연속하여 중온화학증착법으로 탄질화티타늄을 코팅하였다(종래).

그리고 연속하여 물리증착법으로 질화티타늄(TiN)과 질화알루미늄(AlN)의 복합으로된 층을 코팅하였다(본 발명).

도 1a 및 도 1b는 이들 시편들에 대한 압흔(다이아몬드압흔자사용)자국을 주사전자 현미경으로 관찰한 것으로, 도 1a(종래)에서는 압흔주위에 여러개의 균열이 발생하여 전파된 것을 볼 수 있으나, 도 1b(본 발명)는 균열의 발생 및 전파가 많이 억제되고 있는 것을 알 수 있다.

이는 물리증착법으로 증착된 질화티타늄(TiN) 및 질화알루미늄(AlN)의 복합층이 균열에 대한 저항성을 가지고 있기 때문이라 판단된다.

실시예 2

표 2와 같은 조성을 갖는 초경 인서트 모재를 대상으로 하여 실시하였다.

시편	모재조성
종래	Co : 5.5wt%, Cubic carbide : 6wt%	TiN/TiCN/TiCN/TiC/TiN : 5.5㎛
본 발명	상동	상기 종래 시편/물리증착(TiN + AlN) : 7㎛

상기 표 2와 같은 모재표면에 고온화학증착법으로 질화티타늄(TiN)층을, 중온화학증착법으로 탄질화티타늄(TiCN)층을, 고온화학증착법으로 탄질화티타늄(TiCN)과 탄화티타늄(TiC), 질화티타늄(TiN)을 연속하여 코팅하였다(종래).

상기 코팅된 종래 시편에 물리증착법으로 질화티타늄(TiN) 및 질화알루미늄(AlN)의 복합으로된 층을 코팅하였다(본 발명).

도 2a 및 도 2b는 이들 시편들에 대한 압흔자국을 주사전자현미경으로 관찰한 것으로, 도 2a(종래)는 압흔주위에 여러개의 균열이 발생하고 전파된 것을 볼 수 있으나, 도 2b(본 발명)는 균열의 발생 및 전파가 상당히 억제되고 있는 것을 볼 수 있다.

이는 실시예 1과 마찬가지로 물리증착법으로 증착된 질화티타늄(TiN) 및 질화알루미늄(AlN)의 복합층이 균열에 대한 저항성을 가지고 있기 때문이라 판단되며, 그 억제의 정도가 실시예 1 보다 큰 것으로 나타나고 있다.

실시예 3

실시예 2에서 제작된 시편들의 내충격성 절삭시험을 통하여 본 발명품에 대한 성능평가를 실시하였다.

이때 절삭가공조건은 표 3과 같이 하였다.

피삭재	절삭속도(m/분)	이송(㎜/REV)	절삭깊이(㎜)
S45C(4홈)	100	0.2 → 0.25	1.5

도 3은 시험결과를 나타낸 것으로, 본 발명품의 내충격성이 우수하게 나타났다.

도 4a, 도 4b는 절삭시험에서 파손되지 않은 시편들의 절삭날 부위에 대한 주사전자현미경 사진으로, 도 4a(종래)의 경우는 충격에 의한 코팅층의 탈락 및 절삭날의 치핑현상이 나타난 반면 도 4b(본 발명)는 절삭날 부위가 양호하였다.

이는 실시예 2에서의 압흔자국부위 관찰 결과와 같이 본 발명품이 우수한 내균열성 및 내치핑성을 가지고 있음을 알 수 있다.

이상에서와 같이, 본 발명은 자동차부품, 각종 기계부품 등의 소재를 가공하는 초경 인서트 모재 표면에 중온화학증착법과 고온화학증착법(또는 고온화학증착법과 중온화학증착법)을 이용한 코팅층에 물리증착법을 이용하여 질화티타늄(TiN)과 질화알루미늄(AlN)으로된 복합층을 형성시켜 내충격성 증대로 내균열성 및 내치핑성 향상에 고속절삭가공이 가능한 초경 인서트를 얻게 된다.

Claims

초경 인서트 모재 표면에 중온화학증착법에 따른 탄질화티타늄(TiCN)층과, 고온화학증착에 따른 코팅층(TiC, TiN, TiCN 중에서 선택한 단층 또는 복수층)과 물리증착에 따른 질화티타늄(TiN) 및 질화알루미늄(AlN)으로된 복합층이 순차적으로 적층됨을 특징으로 하는 다층코팅층을 갖는 초경 인서트(Insert).
제 1 항에 있어서,

물리증착에 따른 복합층의 두께가 0.3∼6㎛ 범위임을 특징으로 하는 다층코팅층을 갖는 초경 인서트(Insert).
제 1 항에 있어서,

중온화학증착에 따른 코팅층과 고온화학증착에 따른 코팅층 상면에 다시 상기층을 교대로 하여 단층 또는 복수층이 반복적으로 이루어짐을 특징으로 하는 다층코팅층을 갖는 초경 인서트(Insert).
초경 인서트 모재 표면에 고온화학증착에 따른 코팅층(TiC, TiN, TiCN 중에서 선택한 단층 또는 복수층)과, 중온화학증착에 따른 탄질화티타늄(TiCN)층과 물리증착에 따른 질화티타늄(TiN) 및 질화알루미늄(AlN)으로된 복합층이 순차적으로 적층됨을 특징으로 하는 다층코팅층을 갖는 초경 인서트(Insert).
제 4 항에 있어서,

물리증착에 따른 복합층의 두께가 0.3∼6㎛ 범위임을 특징으로 하는 다층코팅층을 갖는 초경 인서트(Insert).
제 4 항에 있어서,

고온화학증착에 따른 코팅층과 중온화학증착에 따른 코팅층 상면에 다시 상기층을 교대로 하여 단층 또는 복수층이 반복적으로 이루어짐을 특징으로 하는 다층코팅층을 갖는 초경 인서트(Insert).