KR20000062269A - 금속 가공 드릴/엔드밀 블랭크 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 의하면, 개선된 기술적 성질을 갖는 코어 및 서라운딩 튜브로 구성된 초경합금 드릴/엔드밀 블랭크가 제공된다. 코어와 튜브의 코발트 함유량 차이는 1 내지 10 중량% 단위이고 입방체 카바이드의 함유량은 튜브에서 8 내지 20 중량%이고 코어에서는 0.5 내지 2중량%이다. 본 발명은 또한 상기 초경합금 드릴/엔드밀 블랭크의 제조 방법에 관한 것이다.
Description
드릴 공구에 있어서, 주변부와 중심부에 대한 요구 사항은 내마모성과 인성(toughness)에 대해서 상이하다. 암석 드릴링용 드릴 비트에 있어서, 요구 사항은 암석 드릴링용 비트에 2개의 그레이드의 사용을 강조한 미국 특허 제5,541,006호에 개시된 바와 같이 표면(내마모성)과 내부 부분(인성)에서 상이하다. 이 그레이드는 둘 다 텅스텐카바이드와 코발트를 갖는 직선 그레이드(straight grade)이다. 이 경우에 구역들 사이의 경계면에서 급격한 또는 불연속적인 조성 변화가 바람직한 코발트의 이동을 제어할 수 있는 능력에 많은 관심이 쏠리고 있다. 이러한 문제점은 미국 특허 제4,743,515호에 개시된 2상(dual-phase) 또는 디피-기술(DP-technique)로써, 피셔(Fischer) 등에 의해서 해결된다. 마모 부분으로서의 공구, 압연링 및 슬릿터(slitter)/트리밍(trimming) 나이프는 미국 특허 제5,543,235호에서 설명된 방법으로 제조될 수 있다.
그러나, 이들 특허들은 단지 텅스텐카바이드-코발트 또는 텅스텐카바이드-니켈을 함유하는 그레이드의 조합을 다룬다. 또한, 이들 특허들은 단지 하나의 그레이드가 공작물 재료와 접촉하고 다른 하나는 압력 또는 충격의 '평형 장치'(equalizer) 또는 '캐리어'(carrier)의 역할을 하는 적용예에 대해 설명하고 있다.
입방체 카바이드(cubic carbide)를 함유하는 초경합금 드릴을 다루는 한 특허로서 미국 특허 제4,971,485호가 있으나, 이 경우에 텅스텐카바이드-코발트의 그레이드는 기계로부터 나오는 진동에 기인한 손상을 피하기 위해 축에 사용된다.
본 발명은 초경합금 몸체, 양호하게는 서로 상이한 조성(composition), 미세조직(microstructure) 및 성질을 갖는 적어도 2개의 그레이드(grade)로 구성된 원통형 몸체, 특히 드릴링, 엔드밀링 또는 디버링(deburring) 공구용 블랭크로서의 작동을 목적으로 하는 몸체에 관한 것이다.
도1은 본 발명에 따른 드릴 블랭크를 6배 확대하여 도시한 단면도이다. 이 도면에서 A는 코어이고 B는 튜브이다.
도2는 두 개의 그레이드 사이의 확산 경계면을 도시하는 200배 확대도이다.
본 발명은, 둘 다 공작물 재료와 활발한 접촉을 하는 인성을 갖는 그레이드의 코어와 이를 둘러싸는 보다 큰 내마모성 그레이드의 튜브(이하, "서라운딩 튜브")로 구성된 복합 초경합금 몸체에 관한 것이다. 이러한 복합 몸체를 제작시 문제점은 외부 부분의 크랙(crack) 또는 보이드(void)의 형성과 소결하는 동안의 수축율의 차이에 기인한 두개의 부분 사이의 경계면에서의 현저한 다공성(porosity)을 피하는 것이다. 또, 경계면에서의 너무 높은 응력은 예를 들어 슬릿팅(slitting) 및 그라인딩(grinding)과 같은 제조 공정을 불가능하게 만든다. 또 다른 문제는 소결(sintering) 동안 두 부분의 바인더 상(binder phase) 함유량을 균등하게 하는 바인더 상의 이동일 수 있다. 그레이드의 조합은 주변부 뿐만 아니라 중심부에서의 인성 및 내마모성에 대한 요구 사항을 충족시켜야 한다. 또한, 그레이드는 가압 조건 및 소결 조건에 대해서도 적용될 수 있어야 한다.
본 발명에 따르면, 두 개의 그레이드의 조성 및 미세조직을 적절히 선택함으로써 상술된 문제점들을 피할 수 있는 것이 가능하다는 것을 알 수 있었다. 특히, 본 발명은 4족 내지 6족의 원소, 양호하게는 티탄(Ti), 탄탈(Ta) 및 니오브(Nb)의 탄화물(carbide) 및/또는 탄소질화물(carbonitride)을 함유하는 그레이드의 튜브에 의해 둘러싸인 텅스텐-코발트 그레이드의 코어를 갖는 드릴 블랭크에 관한 것이다.
본 발명에 따른 드릴 블랭크는 코어와 서라운딩 튜브로 구성된다. 코어는 소결 후에 텅스텐카바이드에 추가하여 30 중량% 미만, 양호하게는 5 내지 20 중량%, 가장 양호하게는 10 내지 15 중량%의 코발트를 함유한다. 튜브 그레이드는 5 중량% 이상의 코발트와 4족 내지 6족의 원소, 양호하게는 티탄(Ti), 탄탈(Ta) 및 니오브(Nb)의 탄화물 및/또는 탄소질화물 중 하나 이상의 5 내지 25 중량%, 양호하게는 8 내지 20 중량%, 가장 양호하게는 10 내지 15 중량%를 갖는다. 코어와 튜브 사이의 코발트 함유량의 차이는 1 내지 10 중량% 단위, 양호하게는 2 내지 4 중량% 단위이다. 시료의 미량 분석(microprobe analysis)에 의하면 코발트 함유량의 변화로서 측정된 300 내지 500μm 폭의 전이대(transition zone)가 존재한다. 코어는 0.5 내지 2 중량%의 입방체 카바이드를 함유한다.
코어 그레이드의 입자 크기는 10μm 미만, 양호하게는 0.5 내지 5μm, 가장 양호하게는 0.5 내지 3μm이다. 튜브 그레이드는 10μm 미만, 양호하게는 0.5 내지 3μm, 가장 양호하게는 0.5 내지 1.5μm의 입자 크기를 갖는다.
본 발명에 따른 블랭크는 두 단계로 압축하는 방법을 포함하는 분말야금법(powder metallurgical method)에 의해 제조된다. 먼저, 10 내지 30 중량%의 코발트와 나머지는 상기의 입자 크기를 갖는 텅스텐카바이드로 구성된 약 300mm의 길이 및 5 내지 15mm의 직경을 갖는 로드가 가압된다. 양호하게는, 이 로드는 홈과 튜브 사이의 키이(keying) 작용을 제공하는 홈 형태를 갖는다. 이어서, 소정 직경의 튜브가 최종 압분체 밀도(green density)까지 로드의 외부 주변에서 가압된다. 코어의 크기는 양호하게는 블랭크의 총 직경의 40 내지 60%이다. 필요하다면, 드릴 블랭크는 본 기술분야에 공지된 방법으로 냉각제 구멍을 구비할 수 있다. 튜브 그레이드와 코어 그레이드 사이의 코발트 함유량의 차이가 0 내지 15 중량%, 양호하게는 5 내지 10 중량% 단위이고 튜브가 상기의 입방체 카바이드를 함유한다면, 블랭크는 코어와 튜브 사이의 크랙 또는 보이드의 형성없이 소결될 수 있다는 사실을 알 수 있다.
최초 그레이드 분말의 가압 및 소결 특성은 좋은 결과를 얻기 위해서 극히 중요하다. 가압 조건은 사용되는 그레이드의 열팽창계수, 수축율 및 소정의 가압 압력에 의해 결정된다. 시험에 의해 이러한 조건을 결정하는 것은 이 기술분야에서 숙련된 자라면 알 수 있다. 소결은 1350 내지 1450℃에서 수행된다.
소결 후, 로드는 50 내지 150mm, 양호하게는 80 내지 120mm 길이의 드릴 블랭크로 통상 절단된다. 가장 유용한 직경 범위는 5 내지 35mm, 양호하게는 5 내지 20mm이다.
세로 홈(flute)은 예를 들어 60 내지 80mm/min의 속도로 피드(feeding)되면서 18 내지 20m/sec의 속도로 다이아몬드 휠에 의해 연마된다.
다른 실시예에 있어서 축에 납땜된 길이/직경의 비가 0.5 내지 5인 드릴 상부(drill top)가 사용된다.
마무리 연마 후에, 상술된 바와 같은 종류의 드릴은 탄화물, 질화물, 탄소질화물 또는 산화물 또는 그 조합, 예컨대 TiN, TiALN, Ti(C,N)으로써 물리적 증착 (PVD)에 의해 코팅되기에 적합하다.
본 발명의 드릴은 스테인레스강 및 보통강의 가공에 있어 특히 유용하다.
실시예 1
본 발명에 따른 드릴이 제조되었다. 가압은 두 단계로 수행되었다. 먼저, 입자 크기가 2μm이고 20 중량%의 코발트 및 80 중량%의 텅스텐 조성을 갖는 길이가 300mm이고 직경이 11mm인 원통형 로드가 가압되었다. 이후, 입자 크기가 2μm이고 11 중량%의 코발트, 6.1 중량%의 TaC, 1.9 중량%의 NbC, 4 중량%의 TiC 및 나머지가 텅스텐으로 된 최초 조성의 분말이 최종 압분체 밀도까지 로드의 외부 주변에서 가압되었다. 몇몇 드릴에는 본 기술분야에서 공지된 기술에 의해 형성된 냉각제 구멍이 주어졌다. 소결 후, 코어 그레이드의 코발트 함유량은 20 중량%로부터 14 중량%로 감소되고, 튜브 그레이드의 코발트 함유량은 12 중량%로 증가되었다. 또, 입방체 카바이드의 상당한 양이 코어의 중심부에서 검출될 수 있다.
소결 후 로드는 길이가 105mm이고 직경이 14mm인 드릴 블랭크로 절단되었다. 블랭크의 세로 홈, 상부 및 바닥부는 최종 형태로 연마되었다.
실시예 2
실시예 1로부터 물리적 증착(PVD)된 TiN으로 피복된 드릴은 스테인레스강 AISI 316 으로 시험되었다. 실시예 1로부터의 드릴에 사용된 두 개의 최초 그레이드와 이런 절삭 조건에서 통상 사용된 하나의 미세하게 입자화된 1μm의 텅스텐카바이드 10 중량%로 된 코발트 그레이드에서의 싱글 그레이드 드릴이 기준으로 사용된다.
다음 세개의 검사 데이타가 외부 냉각과 함께 사용되었다.
a) v=50m/min, f=0.14mm/rev
b) v=82m/min, f=0.12mm/rev
c) v=32m/min, f=0.22mm/rev
시험 a)에서 본 발명에 따른 드릴은 357개의 구멍을 천공할 때까지 지속된 반면에, 싱글 그레이드 드릴은 207개(세밀하게 입자화된 WC-Co의 싱글 그레이드)의 구멍, 149개[11 중량%의 코발트, 12 중량%의 탄탈, 니오브, 티탄 탄화물과 나머지는 텅스텐카바이드로 된 싱글 그레이드]의 구멍 및 55개(20 중량%의 코발트로된 싱글 그레이드)의 구멍을 천공한 후에 마모되었다.
더 높은 속도 b)에서 본 발명에 따른 드릴 및 세밀하게 입자화된 그레이드는 192개의 구멍을 천공하는 반면에, 다른 그레이드는 126개[11 중량%의 코발트, 12 중량%의 탄탈, 니오브, 티탄 탄화물과 그 나머지는 텅스텐카바이드로 된 싱글 그레이드]의 구멍 및 22개(20 중량%의 코발트로 된 싱글 그레이드)의 구멍을 각각 천공하였다.
더 높은 피드 속도 c)를 가진 더 낮은 속도에서 본 발명에 따른 드릴은 179개의 구멍을 천공하는 반면에, 세밀하게 입자화된 그레이드는 128개의 구멍을 천공하고 20 중량%의 코발트로 된 그레이드는 크랙이나 마모로 작동을 멈추기 전에 41개의 구멍을 천공하였다.
실시예 3
내부 냉각제 공급이 이루어지는 실시예 1로부터의 드릴은 스테인레스강으로 시험되었다. 이 시험에서 보통의 P40 드릴(ordinary P40 drill)이 기준으로 사용되었다.
증가된 속도(100m/min, f=0.16mm/rev)에서 본 발명에 따른 드릴은 550개의 구멍을 천공하는 반면 P40 기준 드릴은 단지 세 개의 구멍을 천공한 후에 완전히 파손되었다.
정상 속도이나 더 높은 피드 속도(50m/min, f=0.25mm/rev)에서, P40 기준 드릴은 660개의 구멍을 천공한 후에 칩핑(chipping)으로 곤란을 겪고 본 발명에 따른 드릴은 1100개의 구멍을 천공한 후에도 여전히 사용할 수 있었다.
보통의 절삭 데이타(50m/min, f=0.16mm/rev)에서, 이들 2개의 드릴은 성능이 거의 동일하였고 시험은 1100개의 구멍을 천공한 후에 중단되었다.
실시예 4
내부 냉각제 공급이 이루어지는 실시예 1로부터의 드릴은 상이한 오스테나이트계 스테인레스강(AISI 304)으로 시험되었다. 이 시험에서, 보통의 P40 및 서브-마이크론 K20 드릴(sub-micron K20 drill)은 기준으로 사용되었다.
정상 속도(50m/min, f=0.16mm/rev)에서, 본 발명에 따른 드릴은 2668개의 구멍을 천공한 후에도 작동하는 반면에, P40 및 서브-마이크론 K20 드릴은 각각 2011개 및 242개의 구멍을 천공한 후에 완전히 마모되었다.
증가된 피드 속도이지만 정상 속도(50m/min, f=0.30mm/rev)에서, 본 발명에 따른 드릴은 520개의 구멍을 완성하는 반면에, P40 및 서브-마이크론 K20 드릴은 각각 110개 및 22개의 구멍을 완성하였다.
증가된 속도(100m/min, f=0.16mm/rev)에서, 본 발명에 따른 드릴은 198개의 구멍을 달성하는 반면에, P40 및 K20 드릴은 하나 또는 두 개의 구멍을 천공한 후에 파손되었다.
실시예 5
내부 냉각제 공급 구멍을 구비한, 그러나 직경이 10mm이고 Ti(C,N) 및 TiN 으로 피복된 실시예 1로부터의 드릴은 AISI 316(SS2353), 30mm 관통 구멍 드릴링으로 시험되었다. 이 시험에서 보통의 세밀하게 입자화된 PVD 피복된 드릴은 기준으로 사용되었다. 몇 개의 절삭 데이타 조합이 사용되었고, 그 결과로부터 본 발명에 따른 드릴은 훨씬 광범위한 작업 범위를 갖는다는 사실은 명백하다.
아래의 표는 드릴이 달성한 구멍의 수를 보여준다. 드릴이 완전히 마모되지 않았더라도 1300개의 구멍을 천공한 후에 시험은 중단되었다.
Claims (2)
- 하나의 그레이드의 코어 및 또 다른 그레이드의 서라운딩 튜브로 구성된 초경합금 드릴/엔드밀 블랭크에 있어서,코어와 튜브 사이의 Co 함유량이 1 내지 10 중량% 단위만큼 차이가 나고, 입방체 카바이드 함유량은 튜브에서 8 내지 20 중량%이고 코어에서 0.5 내지 2 중량%인 것을 특징으로 하는 초경합금 드릴/엔드밀 블랭크.
- 코어에 이어 튜브를 2단계로 압축하는 단계를 포함하는 분말야금법에 의해 하나의 그레이드의 코어 및 또 다른 그레이드의 서라운딩 튜브로 구성되는 초경합금 드릴/엔드밀 블랭크를 제조하는 방법에 있어서,코어용으로 10 내지 30 중량%의 코발트와 나머지는 텅스텐카바이드로 구성된분말을 이용하고, 튜브용으로 텅스텐카바이드에 5 중량% 이상의 코발트와 5 내지 25 중량%의 입방체 카바이드가 추가된 분말을 이용하고, 코어 분말과 튜브 분말 사이의 코발트 함유량 차이가 5 내지 15 중량% 단위인 것을 특징으로 하는 초경합금 드릴/엔드밀 블랭크의 제조 방법.
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