KR20010031674A - 고도의 내마모성 및 강한 인성을 갖는 소결탄화물체 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면, 철강 및 특히 Ca-처리된 철강의 터닝을 위한 Al2O3-TiN 코팅된 소결탄화물 인서트가 제공된다. 알루미나층은 추가의 두꺼운 다중층 TiN 코팅으로 보호된다. TiN 코팅은 웨트 블라스팅되며, 이를 위하여, (Ti,Al)(C,O,N)이 아래에 있는 Al2O3층(바람직하기는 α-Al2O3로 구성)에 결합된다. TiN 층 두께, 구조 및 상기 TiN 코팅의 부착성과 웨트 블라스팅을 최적화함으로써, 추가의 인성 및 증가된 내마모성을 얻을 수 있다. 본 발명은 코팅층이 인서트의 절삭 에지에 존재한다는 사실을 특징으로 한다.

Description

고도의 내마모성 및 강한 인성을 갖는 소결탄화물체{CEMENTED CARBIDE BODY WITH HIGH WEAR RESISTANCE AND EXTRA TOUGH BEHAVIOR}
산화 알루미늄이 코팅된 소결탄화물 절삭 공구는 15년 이상 산업에 사용되어 왔으며, 현재 주철 및 철강의 터닝(turning) 및 밀링(milling)에 널리 사용되고 있다.
Al2O3코팅은 일반적으로 소결탄화물(cemented carbide) 기판 상에 TiC, TiN 또는 Ti(C,N) 중간층을 적용한 후, 화학 증착(CVD)을 통하여 단일층 또는 다중층으로 증착된다. 중간층 대신, 소결탄화물 기판에 γ-탄화물 상, 즉, 티탄, 탄탈, 니오븀 및 텅스텐 입방정 탄화물(cubic carbide) 고용체를 다량 사용한 후, Al2O3를 증착할 수 있다. 중간층에 대한 알루미나의 부착을 개선하기 위하여, 일반적으로 결합층으로 불리는 하나 또는 수개의 층(interlayers)을 중간층 및 알루미나층 사이에 적용할 수 있다. 또한, 알루미나 코팅 자체를 다중층으로 증착할 수 있다. 이에 따라, 다수의 코팅 조합체가 존재하게 된다.
CVD 알루미나층은 일반적으로 순수한 κ-Al2O3또는, κ-Al2O3및 α-Al2O3의 혼합물, 또는 순수한 α-Al2O3로 이루어진다. TiN층은 일반적으로 알루미나 층에 대하여 상부에 증착된다. TiN층은 비교적 얇고(1 내지 2㎛), 주로 공구의 외관을 위하여(말하자면, ″금색″) 사용되는 것이 일반적이다. 예를 들어, 미합중국 특허 제4,984,940호에서 마무리층으로 언급한 TiN층은, 코팅 상에 금속 빌드-업을 최소화하고, 저마찰면을 제공하기 위하여 사용된다. 따라서, 이런 경우에 TiN은 상기 특허에서는 0.2 내지 4㎛로 개시하고 있으나, 2㎛ 이하로 4㎛보다 훨씬 얇다.
금색 알루미나 코팅된 인서트(insert) 뿐 아니라, 블랙 인서트, 즉 TiN 탑 코팅 없이 알루미나 코팅된 것이 시판 중이며, 사실상 산업적으로 크게 성공을 거두었다. 이러한 인서트는 치핑(chipping) 내성 및 표면 마무리(finish)를 개선하기 위하여 웨트 블라스팅(wet blasting)되는 경우가 많다. 초기에는 웨트 블라스팅이 알루미나 코팅에 직접 행해져야 하는 것으로 생각되었는데, 주된 이유는 다음 두가지였다.
1) 알루미나층 상부에 증착된 TiN층은 웨트 블라스팅 효과를 감소시키는 것으로 생각되며,
2) TiN 및 알루미나 간의 부착력이 나쁘기 때문에, 제조 규모에서 TiN 코팅된 알루미나 인서트의 웨트 블라스팅은 제어될 수 없다. 이러한 이유로, 웨트 블라스팅된 TiN 코팅 또는 Al2O3-TiN 코팅 인서트는 전혀 시판되지 못 했다.
결과적으로, TiN 코팅된 알루미나 인서트는 일반적으로 치핑 내성 및 에지 강도(edge strength)를 개선하기 위하여 브러싱한다(brushing). TiN 코팅(금색) 알루미나 인서트를 브러싱하면, 커팅 에지(TiN층이 닳아 없어진 부분)를 따라 흑색 라인이 생긴다.
도 1a는 하기와 같은 알루미나층의 증착에 관한 본 발명의 제 1 실시형태를 나타내고,
도 1b는 하기와 같은 알루미나층의 증착에 관한 본 발명의 제 2 실시형태를 나타내고,
도 1c는 하기와 같은 알루미나층의 증착에 관한 본 발명의 제 3 실시형태를 나타내고,
도 2는 중탄소강(medium carbon steel)을 절삭하기 위하여 사용되는 인서트의 플랭크 마모 그래프이고,
도 3은 주철을 절삭하기 위하여 사용되는 인서트의 플랭크 마모 그래프이고,
도 4는 다른 재료들을 사용한 실험에서 상대 내마모성 대 TiN층 두께의 그래프이고,
도 5는 코팅 또는 웨트 블라스팅된 특정 인서트를 사용하여 얻은 패스 수의 그래프이고,
도 6a 내지 6c는 블라스팅 결과를 도시한 특정 인서트의 전형적인 SEM's(스캐닝 전자 현미경법)을 나타낸 것이다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 대한 상세한 설명
알루미늄 층 상부에 증착된 TiN층이 두꺼우면(≥4㎛), 인서트의 절삭 성능이 종래 기술에 따른 철강 생성물보다 수백 퍼센트 개선된다는 것을 알아내었다. Ca-처리된 철강의 경우, 매우 뚜렷한 효과를 얻을 수 있다. 플랭크 내마모성이 특히 개선될 수 있다.
또한, 치핑 내성을 저하시키지 않고 TiN 층에 웨트 블라스팅을 실시할 수 있다는 것을 밝혀냈다. 이를 위해서는, TiN 층의 부착성이 개선되어야 하고, TiN 층 자체가 다층화되어야 한다.
본 발명에 따르면, 다층화된 코팅 소결탄화물이 제공된다. 도 1a, 1b 및 1c에 도시된 바와 같이, 코팅은 주로 세 층으로 구성된다.
1) 두께가 4㎛ 이상인 Ti(C,N) 내층(10)
2) 두께가 6㎛ 이상인 Al2O3중간층(12), 및
3) 두께가 4㎛ 이상, 바람직하기는 4㎛를 초과하는 TiN/TiC 다중층인 외층(14)
이 TiN/TiC 다중층은, 두꺼운 알루미나 층 상부에 적용되어 있는 대부분이 TiN인 비교적 두꺼운 다중층인 것을 특징으로 한다. 이와 같이 TiN 및 Al2O3의 장점을 결합하는 것은 중요한 것으로 밝혀졌다. 즉, 알루미나 층만을 ″활성″층으로 생각지 않고, TiN 층을 ″마무리″층으로 하지 않는다.
하기 실시예와 같이, 이러한 제품은 종래 기술에 따른 제품보다 철강 절삭시 성능이 우수하다. TiN/TiC 다중층은 절삭하는 물질이 Ca-처리된 철강인 경우에 특히 중요하다. 또한, TiN/TiC 다중층 밑의 알루미나층도 빠른 커팅 속도에서 소성 변형을 감소시키는 열 배리어로서 중요하다.
내층(10)은 소결탄화물 기판(8)에 바로 증착된 TiC, Ti(C,N), TiN, Ti(C,O) 또는 Ti(C,O,N) 중 하나 이상의 층이다. 이 층은 Ti(C,O,N) 및 Ti(C,N)이 바람직하고, 코발트가 Ti(C,N)-Al2O3계면에 이동하는 것을 방지하기 위하여, 얇은 TiC 또는 TiN 중간층이 삽입된다. 이 층의 두께는 4 내지 10㎛, 바람직하기는 5 내지 6.5㎛ 범위이다.
외층(14)은 산화 알루미늄 중간층(12) 상부에 증착되어 있는 다층화된 TiN-TiC 코팅이다. 이 층(14)은, 재응집을 통하여 그레인을 정련하기 위하여 다층화되어야 한다. 이와 달리, 단일 TiN 층을 사용하면, 비교적 큰 TiN 그레인이 생성되어 웨트 블라스팅 성질이 나빠진다.
이러한 외층은, 0.01㎛보다 얇은 Ti(C,N) 층, 바람직하기는 TiC 층으로 분리되어 있는 5 내지 20층, 바람직하기는 6 내지 10층의 TiN 층으로 구성된다. 또한, TiN층을 탄소로 도우핑하는 것이 유리한 것으로 밝혀졌다. 예를 들어, TiN의 층을 증착하는 동안에 매초 ≤1% 의 CHy가 반응 기체에 첨가될 수 있다. 이에 따라, 그레인 강화 및 성장율 증가가 가능하다(도 6).
TiN 다중층의 총 두께는 4 내지 15 ㎛, 바람직하기는 4 내지 6㎛의 범위이다. 제 1 다중층은, α-Al2O3의 (Ti,Al)(C,O,N) 결합층에 증착되는 경우, TiN 대신 순수한 TiC가 바람직하다.
중간층은 산화 알루미늄이다. 이 알루미나 층은 순수한 (100%) α-Al2O3또는 순수한 (100%) κ-Al2O3가 되어야 한다. 알루미나 층의 순도는 중요한데, TiN 다중층의 증착동안 κ-α상 변환으로 인하여 Al2O3-TiN 계면에 큰 응력이 가해지므로, TiN 층의 부착성이 약화되기 때문이다. 알루미나 층의 두께는 6 내지 20㎛, 바람직하기는 8 내지 12㎛ 범위가 되어야 한다. 알루미나층으로는, 미합중국 특허 제 5,137,774호에 개시된 바와 같이, α-Al2O3은 주철에서 우수한 성능을 가지므로, α-Al2O3로 구성되는 것이 바람직하다.
그러나, TiN, TiC 및 Ti(C,N)은, α-Al2O3층에 직접 증착되는 경우에는 부착성이 나쁘고, κ-Al2O3층(18)에 직접 증착되는 경우에는 부착성이 우수한 것으로 밝혀졌다. 이 계면에서의 에피택시(epitaxy)로 인하여, 예를 들어 TiN 및 κ-Al2O3사이의 부착성이 우수한 것으로 생각된다. 이와 같은 이유로, TiN 또는 TiC가 α-Al2O3에 증착되는 경우에 특수한 결합층(16)이 사용되어야 한다. α-Al2O3를 미합중국 특허 제 5,137,774호에 따라 변형시킬 수도 있다. 이에 따라, 알루미나 층을 증착시키기 위하여 다음 세가지 방법이 있다.
1) α-Al2O3+ [(Ti,Al)(C,O,N)/TiC]-결합층 + 다중 TiN/TiC (도 1a 참조). α-Al2O3은 미합중국 특허 제 5,137,774호에 기재된 바와 같이 증착하거나, 미합중국 특허 제 5,635,247호에 기재된 바와 같이 얻는다.
2) α-Al2O3+ (Ti,Al)(C,O) 변형층 + κ-Al2O3+ 다중 TiN/TiC (도 1b 참조). α/κ멀티옥사이드는 미합중국 특허 제 5,137,774호에 따라 증착한다. α-Al2O3상의 κ-Al2O3는 0.5 내지 1.5㎛ 범위가 되어야 한다. 다중층 TiN/TiC 코팅은 이러한 κ-Al2O3층 상에 부착성이 충분하도록 증착시킬 수 있다.
3) κ-Al2O3+ 다중 TiN/TiC (도 1c 참조). κ-Al2O3층은 미합중국 특허 제 5,137,774호에 기재된 바와 같이 증착시키거나, 미합중국 특허 제 5,635,247호 에 기재된 바와 같이 다중층(8x κ-Al2O3)으로 구성되는 것이 바람직하다. 결합층은 필요없다.
TiN 다중층을 증착시키는 동안 열-처리가 비교적 길어지면, κ-α변환이 일어날 수 있다. 따라서, 1번 방법이 바람직하다.
외층(14) 외면(20)의 웨트 블라스팅은 물 현탁액 중의 Al2O3입자(320 메쉬, 매질 그레인 크기 30㎛)를 사용하여 실시하였다. 적용된 압력은 2-6바, 바람직하기는 3바였다. 웨트 블라스팅하는 동안 인서트를 회전시켰다. 인서트의 양쪽을 모두 웨트 블라스팅하였다.
본 발명은, 본 발명을 예시하는 하기 실시예와 함께 더욱 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예의 특정 내용에 제한되는 것은 아니다.
발명의 목적 및 요약
본 발명은 종래 기술의 문제점을 줄이거나 해결하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 고도의 내마모성 및 강한 인성(toughness)을 갖는 Al2O3코팅된 소결탄화물 절삭 공구를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일실시형태에서는, 소결탄화물 기판, Al2O3층 및 두께가 4㎛ 이상인 웨트 블라스팅된 TiN 외층을 포함하여 이루어지는, 코팅된 소결탄화물체가 제공된다.
본 발명의 다른 실시형태에서는, 소결탄화물 기판, Al2O3층, 및 두께가 4㎛ 이상인 웨트 블라스팅된 TiN 외층을 포함하여 이루어지는 코팅된 소결탄화물체의 절삭 인서트를 사용하여 개선된, 소결탄화물 절삭 인서트를 사용하는 Ca-처리된 철강의 절삭 방법이 제공된다.
하기 코팅 조합체는 시판 CNMG 120408-M3 소결탄화물 인서트에 CVD으로 증착된다. 코팅 조합체를 사용하여 하기된 바를 증명한다.
철강 및 주철에서의 절삭 성능에 대한, 알루미나층 상부에 증착된 TiN 층의 효과(A 계열, 표 1);
철강 및 주철에서의 절삭 성능에 대한, Al2O3/TiN 두께 비율의 효과(B 계열, 표 2);
이러한 인서트의 웨트 블라스팅을 이용한 인성 최적화; 및
코팅된 인서트의 블라스팅 결과의 최적화(TiN 층의 부착 및 기계적 특성, C 계열, 표 3)
표 4 및 5에 각각 철강 및 주철에 대한 절삭 실험 결과를 나타낸다. 철강 및 주철에서 TiN코팅된 인서트의 파손 모우드는 일반적으로 플랭크 마모이다(도 2 및 3). 상부 TiN이 없는 알루미나층은 일반적으로 크레이터 마모가 나타난다. 도 4에서 명백한 것처럼, TiN층 두께의 함수로서 철강, 특히 Ca-처리된 철강에서 약 8㎛두께까지 성능(수명)이 크게 증가된다. 그러나, TiN층의 두께가 5㎛를 초과하는 경우에는 주철에서 절삭 성능이 나빠지는 것으로 나타난다.
코팅 두께가 증가하면, 잔류 응력이 코팅에 빌드업된다. 잔류 응력은 코팅의 강도를 감소시키고, 이에 따라, 코팅된 공구의 치핑 경향[취성(brittleness)]이 증가되는 경우가 많다. 코팅된 공구를 웨트 블라스팅하면 잔류 응력을 감소시킬 수 있다. 웨트 블라스팅을 하면 치핑 경향이 현저히 감소된다.
표 6 및 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 코팅된 인서트(as-coated inserts)는 치핑 내성이 불충분하다. 웨트 블라스팅을 하면, TiN 코팅된 알루미나 코팅은 치핑 내성이 크게 증가하나, TiN 층의 특정 두께까지만 증가한다. 이것은 약 5㎛이다. 따라서, 충분한 인성(실험실 조건에서의 40 패스가 기계 공장에서의 충분한 인성에 해당하는 것으로 나타남)를 얻기 위하여, TiN 층의 두께는 이 두께(약 5㎛)까지로 제한되어야 한다.
절삭 속도가 빠른 경우에 TiN층 밑의 알루미나층은 중요하다(표 7). 특정 이론으로 제한하기를 원하지 않지만, 알루미나 층이 열 배리어로 작용하고, 이에 따라 인서트의 소성 변형이 감소되는 것으로 생각된다. 200m/min 이하의 절삭 속도에서, 알루미나 코팅된 인서트는 TiN 코팅된 인서트보다 성능이 좋지 못할 것으로 기대된다.
상기한 바와 같이, 인성과 관련하여 블라스팅은 매우 중요하다. 제조 규모에서는, 단일 TiN 층으로 허용가능한 결과를 얻는 것은 불가능하다(도 6a). 다중 TiN층(도 6b) 또는 단일 TiN층을 (Ti,Al)(C,O,N) 결합층과 조합하여 사용하면 더 나은 결과를 얻는다. 그러나, 표 8, 도 6c의 (Ti,Al)(C,O,N) 결합층을 통하여 Al2O3층에 결합되는 다중층 TiN 코팅만이 허용가능하다. 여기서 강조되는 바는, 예를 들어, 종래 기술의 제품(TiN이 Al2O3의 상층인 경우)(예를 들어, 미합중국 특허 제 5,597,272호 참조)에서와 같이, 절삭 에지에 코팅층이 없지 않다는 것이다. 또한, TiN 층이 다층화되어 알루미나 층에 적당히 결합되는 경우에 철강에서의 절삭 성능이 약간 증가하였다. 주철에서, TiN 층 두께가 5㎛를 초과하면, 코팅에 치핑 및 플레이킹(flaking) 파손이 발생하였다.
최근 Ca-처리된 철강을 기계가공하는 경우, 절삭 속도를 실질적으로 증가시킬 수 있다. 그러나, 코팅 재료는 통상적인 철강과 비교할 때 이들 철강에서 성질이 상이하다. 예를 들어, Al2O3는 반드시 가장 안정한 코팅 재료는 아니다. Ca-처리된 철강에 존재하는 원소는 알루미나와 반응하여 저융점의 액체를 형성하는 것으로 제안되었다. 이 액체는 칩(chip)에 의하여 쉽게 제거되어, 마모율이 커진다.
본 실험에 따르면, TiN 및 TiC 코팅은 Ca-처리된 철강의 크레이터 내마모성 및 플랭크 내마모성에 면에서 Al2O3코팅보다 훨씬 효과적이다. 그러나, Al2O3코팅은 TiC 및 TiN 코팅보다 노치 내마모성 면에서 훨씬 효과적이며, Al2O3가 열 배리어로 작용하여 절삭 속도를 더욱 높일 수 있음이 명백하다. 또한, 이러한 시험을 통하여, 이러한 장점을 TiN/TiC 및 Al2O3코팅에 결합시키기에 가장 효과적인 방법은, 이들을 다중층으로 증착시킴으로써, TiN/TiC 코팅을 알루미나 코팅 상에 형성하는 것임을 알 수 있다(통상의 철강에 대하여 상기한 바와 같이). Ca-처리된 철강에서의 수명의 평균 증가율은 종래 기술 제품의 통상적인 철강에서보다 50% 내지 100% 우수하다(도 4).
기판 외부로부터의 코팅 구조(A 계열)
No. 1 Ti(C,N) 6㎛α-Al2O38㎛
No. 2 Ti(C,N) 6㎛α-Al2O38㎛TiN 3㎛
No. 3 Ti(C,N) 6㎛α-Al2O38㎛TiN 5㎛ Σ19㎛
No. 4 Ti(C,N) 6㎛α-Al2O38㎛TiN 9㎛
No. 5 Ti(C,N) 6㎛α-Al2O38㎛TiN 11㎛
기판 외부로부터의 코팅 구조(B 계열)
No. 6 Ti(C,N) 6㎛α-Al2O30㎛TiN 13㎛ Σ19㎛
No. 7 Ti(C,N) 6㎛α-Al2O34㎛TiN 9㎛ Σ19㎛
코팅 구조(C 계열)(웨트 블라스팅 시험에 사용)
No. 8 Ti(C,N) 6㎛α-Al2O38㎛TiN 5㎛(다층, TiC 층으로 분리되는6층의 TiN으로 구성)
No. 9 Ti(C,N) 6㎛α-Al2O38㎛결합 (Ti,Al)(C,O,N)≤0.5㎛TiN 5㎛(단일)
No. 10 Ti(C,N) 6㎛α-Al2O38㎛결합 (Ti,Al)(C,O,N)≤0.5㎛TiN 5㎛(다층, No.8과 동일)
블라스팅 결과
코팅 구조 인성(패스 수)*) 플레이킹 내성 수율
No. 3No. 8No. 9No. 10 40404040 ___-+++ 80% 벗겨짐45% 벗겨짐20% 벗겨짐〈2% 벗겨짐
주:*)알루미나 코팅된 인서트는 절삭 속도가 빠를수록 소성 변형이 줄었다.
본 발명의 원리, 바람직한 실시형태 및 작동 모우드는 상기 상세한 설명에 기재하였다. 그러나, 본 명세서를 통하여 보호받고자 하는 발명은 특정 기재 내용에 제한되지 않는데, 이들 특정 기재 내용이 제한을 위한 것이 아니라 설명을 위한 것이기 때문이다. 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 한 당업자는 이를 변형 및 변경할 수 있다.

Claims (12)

  1. 소결탄화물 기판, Al2O3층, 및 두께가 4㎛ 이상인 웨트 블라스팅된 TiN 외층을 포함하여 이루어지는 코팅된 소결탄화물체.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 외층이 TiN/TiC 다중층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 코팅된 소결탄화물체.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 Al2O3는 α-Al2O3인 것을 특징으로 하는 코팅된 소결탄화물체.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 α-Al2O3및 외층 사이에 결합층이 있는 것을 특징으로 하는 코팅된 소결탄화물체.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 외층이 TiN/TiC 다중층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 코팅된 소결탄화물체.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 Al2O3층이 α-Al2O3층, 결합층 및 κ-Al2O3층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 코팅된 소결탄화물체.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 결합층이 상기 Al2O3층 상에 증착된 (Ti,Al)(C,O,N) 층 및 상기 (Ti,Al)(C,O,N)층 상에 증착된 TiC 층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 코팅된 소결탄화물체.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 Al2O3가 두께 〉8㎛ 인 것을 특징으로 하는 코팅된 소결탄화물체.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 TiN 외층이 4 내지 15㎛인 것을 특징으로 하는 코팅된 소결탄화물체.
  10. 제 2항에 있어서, 상기 TiN/TiC 다중층이 4 내지 15㎛이고, 5 내지 20층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 코팅된 소결탄화물체.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 TiN 외층이 4㎛ 보다 큰 것을 특징으로 하는 코팅된 소결탄화물체.
  12. 제 1항의 절삭 인서트를 사용하여 개선되는, 소결탄화물 절삭 인서트를 사용하는 Ca-처리된 철강의 절삭 방법.
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