KR20010053280A

KR20010053280A - 코팅된 홈가공용 또는 절단용 인써트

Info

Publication number: KR20010053280A
Application number: KR1020007014991A
Authority: KR
Inventors: 라이넥잉그리드; 셀린더토르뵈른; 피르호넨안더스; 쿨란더그레고르
Original assignee: 레나르트 태퀴스트; 산드빅 악티에볼라그
Priority date: 1998-07-09
Filing date: 1999-07-08
Publication date: 2001-06-25
Also published as: SE9802488D0; JP2002520175A; EP1100979A1; IL140551A0; WO2000003062A1; EP1100979B1; US6261673B1; USRE39986E1; DE69933452D1; DE69933452T2; ATE341652T1

Abstract

본 발명은 홈 가공용 공구, 특히 강철 또는 스테인리스강철 튜브 및 바(bar)와 같은 강철요소를 절단하는 데 유용한 코팅된 절삭공구(초경합금 인써트)에 관한 것이다. 상기 인써트는 고도의 W-합금 Co-바인더 페이스를 갖는 WC-Co계 초경합금 모재 및, 주상 알갱이로 상대적으로 얇게 코팅된 TiC_xN_yO_z의 내층 위에 미세 알갱이로 된 κ-Al₂O₃층과 TiN의 최상층을 포함하여 이루어진다.

Description

코팅된 홈가공용 또는 절단용 인써트{COATED GROOVING OR PARTING INSERT}

강철 또는 스테인리스강철 튜브 또는 바를 절단할 때에는, 절삭날이 뜨거워져서 작업대상물 재료가 절삭날에 눌어붙고 코팅이 벗겨짐에 따라 초경합금의 파편이 튀는 등의 고장메카니즘이 발생된다.

한편, 그와 같은 재료를 홈가공하기 위해서는, 모재의 강성과 코팅의 내마모성이 커야 한다. 따라서 상기 두 가지 요구사항을 모두 만족하는 절삭용 공구재료를 찾는 것이 급선무이다.

현재까지는 공구의 이러한 모든 특성을 동시에 향상시키기 어려웠다. 따라서 통상의 초경합금의 재종은 한 개 또는 수 개의 마모 유형 및 그에 따른 특정 이용분야에 맞춰 적합하게 조정되었다.

스웨덴 특허출원 제 9602413-8호에는 거칠기가 요구되는 스테인리스강철 요소를 습식 선삭하는 데 특히 적합한 코팅된 절삭용 인써트가 개시되어 있다. 상기 인써트는, WC-Co와 카바이드 입방체(cubic carbide)로 구성된 초경합금체에, 주상 알갱이(columnar grain)를 갖는 하나의 TiC_xN_yO_z층과 미세하고 고운 알갱이로 된 하나의 κ-Al₂O₃층을 코팅하고, 바람직하게는 TiN을 외층으로 코팅 형성하여 이루어진 것이 특징이다.

또한, 스웨덴 특허출원 제 9504304-8호에는 저합금강 및 중합금강의 습식 및 건식 밀링에 특히 유용한 코팅된 절삭용 인써트가 개시되어 있다. 상기 인써트는 Co-WC와 카바이드 입방체로 이루어진 초경합금모재에, 주상 알갱이를 갖는 하나의 TiC_xN_yO_z층과 미세하고 고운 알갱이로 된 하나의 κ-Al₂O₃층을 코팅하고, 바람직하게는 TiN을 외층으로 코팅 형성하여 이루어진 것이 특징이다.

상기 특허출원에 개시된 초경합금모재와 코팅 및 인서트 스타일을 조합하여 제조하면 강철 또는 스테인리스강철을 홈가공하거나, 특히 절단하는 때의 절삭 성능이 우수해진다고 알려져 있다. 상술한 특허출원 제 9602413-8호에 따라 비교적 얇은 코팅으로 코팅된 초경합금모제는, 고합금강과 같은 재료만큼이나 내마모성이 우수할 뿐만아니라 기계적 성능도 향상된 304L과 같은 스테인리스강철을 쉽게 절단할 만큼 뛰어난 성능을 구비하고 있다. 또한, 절단 작업에 있어서 중요한 요인인 내박리성(flaking resistance)도 매우 향상된다.

본 발명은 홈 가공, 또는 특히 강철 또는 스테인리스강철 튜브 및 바(bar)와 같은 강철 요소를 절단하는 데 유용한 코팅된 절삭공구(초경합금 인써트)에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 인써트의 1800배 단면도.

강철 및 스테인리스강철을 절단하거나 홈가공하는 데 유용한 본 발명에 따른 절삭공구 인써트는, 고도의 W-합금 바인더 페이스(highly W-alloyed binder phase)를 가지며, 적당한 크기의 WC 알갱이와 화학성분이 잘 조화된 초경합금모재, 가능한 얇은 두께의 주상 TiC_xN_yO_z층, κ-Al₂O₃층 및 TiN 층을 구비하며, 또한 필요에 따라서 예를 들어, SiC계 브러쉬 등으로 날을 브러쉬함으로써 절삭날을 매끄럽게 할 수도 있다. 코팅층을 얇게 할수록 많은 유익한 점들이 있다.

본 발명에서의 코발트 바인더 페이스는 W와 매우 잘 혼합된다. 바인더 페이스 내의 W의 함유량은 CW비=M_s/(wt% Co ㆍ0.0161)으로 표현되며, 여기서 M_s는 kA/m 단위인 초경합금모재의 측정된 포화자화도(saturation magnetization)이고, wt% Co 는 초경합금 내의 Co 의 중량 백분률이다. CW-값은 Co 바인더 페이스 내의 W-함유량의 함수이다. CW-값이 작으면 바인더 페이스 내의 W-함유량이 많은 것이다. 본발명에 따르면 초경합금모재의 CW-비가 0.78-0.93일 때 절삭 성능이 향상된다.

본 발명에 따른 절삭공구 인써트는, 6-15wt% Co, 바람직하게는 9-12wt% Co, 가장 바람직하게는 10-11wt% Co와; 0.2-1.8wt%, 바람직하게는 0.4-1.8wt%, 가장 바람직하게는 0.5-1.7wt%의 Ta, Nb 및 Ti의 카바이드 입방체 및 잔량이 WC인 초경합금모재로 이루어진다. 초경합금은 주기율표의 Ⅳb,Ⅴb 또는 Ⅵb 족에서 선택된 원소들로 이루어진 다른 종류의 카바이드를 포함할 수도 있다. Ti의 함유량은 기술적으로 가능한 순도에 대응하는 수준인 것이 바람직하다. 적당한 WC 알갱이의 평균 크기는 바인더 페이스의 함유량에 따라 다르다. 바람직한 조성비인 10-11wt% Co 에서, 알갱이의 크기는 1.5-2㎛ 가 적당하며 1.7㎛ 이면 가장 바람직하다. CW-비는 0.78-0.93 또는 바람직하게는 0.80-0.91 이며, 가장 바람직한 것은 0.82-0.90 이다. 초경합금은 어떠한 악영향을 초래하지 않는 미량(＜ 1체적 %)의 η-페이스(M₆C)을 함유할 수도 있다. 이러한 범위내로 CW-값을 조정하면 본 실시예에 따른 초경합금모재에 유리 흑연이 함유되지 않게 할 수 있다.

한편, 본 발명에서의 코팅은 다음과 같이 구성된다.

A. x+y+z=1 이며, 바람직하게는 y＞x 이고 z＜0.2 이며, 가장 바람직하게는 y＞0.8 이고 z=0 이며, 등축의(equiaxed) 알갱이의 크기는 0.5㎛ 보다 작고, 총 두께는 1.5㎛ 보다 작지만 0.1㎛ 보다는 크며, 바람직하게는 0.1-0.6㎛인 TiC_xN_yO_z의 제 1층(최내층).

B. x+y+z=1 이며, 바람직하게는 z=0, x＞0.3 이고 y＞0.3 이며, 가장 바람직하게는 x＞0.5 이고, 총 두께는 0.4-3.9㎛ 이거나, 바람직하게는 1.5-3.0㎛ 이며 평균 직경이 5㎛ 보다 작거나 바람직하게는 0.1-2㎛ 인 주상 알갱이를 갖는 TiC_xN_yO_z층.

C. 상기 A+B에 따른 층들의 총 두께는 0.5-4㎛ 이며, 바람직하게는 1.5-3.5㎛ 이다. 바람직하기로는 A층이 B층보다 얇아야 한다.

D. κ-페이스를 주로하여 구성된 미세하고 고운 알갱이(알갱이의 크기가 대략 0.5-2㎛)로 된 Al₂O₃층. 하지만, 상기 층은 XRD-측정기에 의해 결정된 미량(1-3 체적 %)의 θ-페이스 또는 α-페이스를 함유할 수도 있다. Al₂O₃층의 두께는 0.5-5.5㎛ 이며, 바람직하게는 0.5-3㎛ 이다. 바람직하기로는 TiN 층(＜1㎛, 바람직하게는 0.1-0.5㎛ 두께의)이 상기 Al₂O₃층상에 있으나 Al₂O₃층이 최외층이 될 수 있다. 이러한 Al₂O₃또는 TiN의 최외층은 10㎛의 길이에 걸친 표면 거칠기가 R_max＜0.4㎛이다. 만일 최외층이 TiN 이라면, 절삭날을 따라 TiN층이 제거되는 것이 바람직하다.

E. 상기 A+B+D에 따른 층들의 총 두께는 2-6㎛ 이며, 바람직하게는 3-5㎛이다.

본 발명의 방법에 따르면, WC-Co계 초경합금모재는 CW-비가 0.78-0.93, 바람직하게는 0.80-0.91, 가장 바람직하게는 0.82-0.90이고; 주로 W-합금 바인더 페이스로 이루어지며, Ta, Nb 및 Ti 등의 금속의 카바이드 입방체가 0.2-1.8 wt%, 바람직하게는 0.4-1.8 wt% 또는 가장 바람직하게는 0.5-1.7 wt% 함유되며; 6-15 wt% Co, 바람직하게는 9-12 wt% Co, 가장 바람직하게는 10-11 wt% Co를 구비하여 제조되며, 상기한 Co-함유량에서 WC 알갱이의 크기는 1.5-2㎛, 가장 바람직하게는 약 1.7㎛ 정도이다. 상기 모재는 다음과 같은 코팅층으로 코팅된다.

A. x+y+z=1 이며, 바람직하게는 y＞x 이고 z＜0.2 이고, 가장 바람직하게는 y＞0.8 이고 z=0 이며, 등축의 알갱이의 크기는 0.5㎛ 보다 작고, 총 두께는 1.5㎛ 보다 작지만 0.1㎛ 보다는 크며, 바람직하게는 0.1-0.6㎛이고, 기존의 CVD 방법을 이용하는 TiC_xN_yO_z의 제 1층(최내층).

B. x+y+z=1 이며, 바람직하게는 z=0, x＞0.3 이고 y＞0.3 이며, 가장 바람직하게는 x＞0.5 이고, 총 두께는 0.4-3.9㎛ 이거나, 바람직하게는 1.5-3.0㎛ 이며 평균 직경이 5㎛ 보다 작거나 바람직하게는 0.1-2㎛인 주상 알갱이를 가지며, MTCVD-기술(탄소와 질소원으로서 아세토니트릴을 사용하여 700-900℃의 온도에서 층을 형성하는 기술)로 형성된 TiC_xN_yO_z층.

C. 상기 A+B에 따른 층들의 총 두께는 0.5-4㎛ 이며, 바람직하게는 1.5-3.5㎛ 이다. 바람직하기로는 A의 층이 B보다 얇다.

D. κ-페이스를 주로하여 구성된 미세하고 고운 알갱이(알갱이의 크기가 대략 0.5-2㎛)로 된 Al₂O₃층. 상기 Al₂O₃층의 두께는 0.5-5.5㎛ 이며, 바람직하게는 0.5-3㎛ 이다. 바람직하기로는 TiN 층(＜1㎛, 바람직하게는 0.1-0.5㎛ 두께의)이 상기 Al₂O₃층상에 있으나 Al₂O₃층이 최외층이 될 수 있다. 이러한 Al₂O₃또는 TiN의 최외층은 10㎛의 길이에 걸친 표면 거칠기가 R_max＜0.4㎛이다. 스웨덴 특허출원 제 9402543-4호에 개시된 바와 같이, SiC계 브러쉬를 사용하여 날을 브러쉬(바람직하게는 TiN 최상층이 존재하는 경우에)하거나 알루미나 파우더의 미세 알갱이(400-150 메시)로 코팅 표면을 부드럽게 습식 블라스팅하면 매끄러운 코팅 표면을 얻을 수 있다. 만일 TiN층이 존재한다면, 절삭날을 따라 TiN층을 제거하는 것이 바람직하다.

제 1실시예

A. 0.87의 CW-비로 W와 고도로 합금되는 바인더 페이스를 구비하며, 10.5 wt-% Co, 1.16 wt-% Ta 및 0.28 wt-% Nb 및 잔량의 WC를 구비하는 N151.2-300-5E 류의 초경합금 절단공구 인써트는 C/N 비가 대략 0.05가 될 만큼 질소 함량이 많은 등축의 TiC_0.05N_0.95층이 최내층에 0.5㎛의 두께로 코팅되어 있고, MT-CVD 기술을 이용하여 2.2㎛ 두께의 TiC_0.54N_0.46주상층이 그 다음에 증착된다. 상기 코팅과정의 후속 단계에서, 유럽특허 EP-A-523 021에 개시되어 있는 절차에 따라 순수 κ-페이스를 함유하는 1.5㎛의 Al₂O₃층이 형성된다. 그와 같은 공정 주기동안에, Al₂O₃층상에 0.5㎛의 얇은 TiN 층이 증착된다. 따라서, 모든 층들의 총 두께는 4.7㎛이다. 코팅된 인써트는 코팅 처리 후에 SiC를 포함하는 나일론 스트로(nylon straw) 브러쉬로 브러쉬하여 절삭날 위의 TiN 층을 제거한다.

B. 8.0 wt-% Co, 카바이드 입방체를 포함하지 않으며, 잔량의 WC 및, 0.94인 CW-비의 조성을 갖는 N151.2-300-5E 류의 초경합금 절단 공구 인써트는 최내부에 0.5㎛ 두께로 등축으로 TiCN 층이 코팅되어 있다. 같은 공정 주기동안에 TiCN 층상에 1.5㎛의 TiN 층이 증착된다. 후속 처리 과정은 없다.

C. 카바이드 입방체를 포함하지 않으며, 8.0 wt-% Co, 잔량의 WC 및, 0.94인 CW-비의 조성을 갖는 N151.2-300-5E 류의 초경합금 절단 공구 인써트. 상기 인써트는 C/N 비가 대략 0.05가 될 만큼 질소 함량이 많은 등축의 TiCN 층이 최내층에 0.5㎛의 두께로 코팅되어 있고, MT-CVD 기술을 이용하여 4.0㎛ 두께의 TiCN 주상층이 그 다음에 증착된다. 그와 같은 코팅과정의 후속 단계에서, EP-A-523 021에 개시되어 있는 절차에 따라 순수 κ-페이스를 함유하는 1.0㎛의 Al₂O₃층이 형성된다. 동일한 공정 주기동안에, Al₂O₃층상에 0.5㎛의 얇은 TiN 층이 증착된다. 따라서, 코팅된 인써트는 코팅 처리 후에 나일론 SiC를 포함하는 스트로 브러쉬에 의해 브러쉬되어 절삭날 위의 최외각의 TiN 층이 제거된다.

D. 유수한 외부 생산업자의 제품으로서 N151.2-300-5E의 유사류인 초경합금 절단 공구가 비교용으로 선택되었다. 상기 초경합금은 11.0 wt-% Co, 7.1 wt-% TiC, 12.1 wt-% TaC 및 1.3 wt-% NbC, 잔량의 WC 및 0.80인 CW-비의 조성을 갖는다. 상기 인써트는 1.1㎛의 TiN 및 0.3㎛의 TiCN 최외층을 포함하여 코팅되어 있다. 광학 현미경으로 검사한 결과 절삭날 코팅에 후속하는 공정처리는 없었다.

A, B 및 C의 인써트로 오스테나이트 스테인리스강철 SanMac 304L에서의 표면 마무리 작업을 포함하는 박리성 비교를 해 보았다. 이송속도(feed)를 0.15 ㎜/rev, 속도를 130 m/min로 하고 절삭 깊이는 0-2.5 ㎜로 하였다.

인써트 과도하게 박리되기까지의 절삭 수

A (본 발명) 10

B (본 발명 외) 5

C (본 발명 외) 1

D (외부등급) 1

제 2실시예

상기 A, B, C 및 D의 인써트로 스테인리스강철 SS2343의 12㎜ 바 스테인리스강철에서 절단하는 실험을 해 보았다.

회전 속도는 1800rpm으로 하고, 이송속도는 0.15-0.02 ㎜/rev로 변화(바의 중심 부근에서는 낮은 이송속도로)시켰다.

마모 메카니즘은 박리성과 노즈 균열(nose cracking)의 조합으로 하였다.

인써트 성분의 수

A (본 발명) 380

B (본 발명 외) 180

C (본 발명 외) 200

D (외부등급) 200

제 3실시예

인써트 A(인서트류 N151.2-400-4E) 및 D를 사용하여 최종 기계제작소에서 이송속도 0.05 ㎜/rev, 속도 150 m/min으로 스테인리스강철 튜브(SS2343, OD 27㎜, ID 25㎜)을 절단하는 실험을 하였다.

인써트 D는 절삭날이 심하게 이가 빠져 못 쓰게 된 반면에 인써트 A는 아주 조금만 이가 빠졌다.

인써트 성분의 수

A (본 발명) 324

D (외부등급) 108

제 4실시예

인써트 A 및 D를 사용하여 최종 기계제작소에서 이송속도 0.15 ㎜/rev, 속도 100 m/min으로 어닐링된 고합금강 SS2242의 중심에 대한 절단 실험을 행하였다.

인써트 D는 모서리부에 균열이 생겨 못 쓰게 된 반면에 인써트 A는 아주 미세한 변형만 발생되었다.

인써트 성분의 수

A (본 발명) 400

D (외부등급) 150

제 5실시예

인써트 A(인서트류 N151.2-400-4E) 및 D를 사용하여 최종 기계제작소에서 이송속도 0.06-0.14 ㎜/rev, 속도 180 m/min으로 강철 바(SS2225, OD 50㎜)를 절단하는 실험을 하였다.

인써트 D는 절삭날이 이가 빠져 못 쓰게 된 반면에 인써트 A는 측면 마모만 발생되었다.

인써트 성분의 수

A (본 발명) 300

D 150

Claims

특히 강철 또는 스테인리스강철을 절단하기 위하여, 초경합금체 및 코팅으로 이루어진 절삭공구 인써트로서,

상기 초경합금체는 6-15, 바람직하게는 9-12 wt% Co 와, Ti, Ta 및/또는 Nb의 0.2-1.8wt% 카바이드 입방체와, 0.78-0.93, 바람직하게는 0.80-0.91의 CW-비를 갖는 고도의 W-합금 바인더 페이스를 포함하며, 상기 코팅은,

가) x+y+z=1 이며, 바람직하게는 y＞x 이고 z＜0.2 이며, 두께는 0.1-1.5㎛ 이며, 바람직하게는 0.1-0.6㎛이고, 0.5㎛보다 작은 크기의 등축 알갱이(equiaxed grain)를 갖는 TiC_xN_yO_z의 제 1층(최내층);

나) x+y+z=1 이며, 바람직하게는 z=0, x＞0.3 이고 y＞0.3 이며, 총 두께는 0.4-3.9㎛, 바람직하게는 1.5-3.0㎛ 이고, 평균 직경이 0.1-5㎛, 바람직하게는 0.1-2㎛ 인 주상 알갱이를 갖는 TiC_xN_yO_z층;

다) 두께가 0.5-5.5㎛, 바람직하게는 0.5-3㎛이고, 미세한 알갱이(0.5-2㎛)의 평탄한 κ-Al₂O₃층인 최외층으로 이루어지며,

최내층인 TiC_xN_yO_z와 주상 TiC_xN_yO_z층의 총 두께는 0.5-4㎛이며, 바람직하게는 1.5-3.5㎛이고,

상기한 모든 층들의 총 두께는 2.0-6.0㎛이며, 바람직하게는 3.0-5.0㎛인 것을 특징으로 하는 절삭공구 인써트.
제 1항에 있어서,

최외층은 0.1-1㎛의 얇은 TiN 층인 것을 특징으로 하는 절삭공구 인써트.
제 2항에 있어서,

절삭날을 따라 상기 최외층인 TiN 층이 제거되는 것을 특징으로 하는 절삭공구 인써트.
초경합금체 및 코팅으로 이루어진 선삭용 인써트를 제조하는 방법으로서,

CW-비가 0.78-0.93인 고도의 W-합금 바인더 페이스를 갖는 WC-Co계 초경합금체를,

x+y+z=1 이며, 바람직하게는 y＞x 이고 z＜0.2 이며, 두께는 0.1-1.5㎛ 이며, 바람직하게는 0.1-0.6㎛이고, 0.5㎛보다 작은 크기의 등축 알갱이를 갖는 TiC_xN_yO_z의 제 1층(최내층)을 기존의 CVD 방법을 사용하여 코팅하는 단계와;

x+y+z=1 이며, 바람직하게는 z=0, x＞0.3 이고 y＞0.3 이며, 총 두께는 0.4-3.9㎛, 바람직하게는 1.5-3.0㎛ 이고, 평균 직경이 0.1-5㎛, 바람직하게는 0.1-2㎛ 인 주상 알갱이를 갖는 TiC_xN_yO_z층을 탄소와 질소원으로 아세토니트릴을 사용하여 850-900℃의 온도에서 층을 형성하는 MTCVD 기술로 증착하는 단계와;

두께가 0.5-5.5㎛, 바람직하게는 0.5-3㎛인 평탄한 κ-Al₂O₃층을 코팅하는 단계와;

바람직하게는 두께가 1㎛보다 작은 TiN 층을 코팅하는 단계를 포함하며,

최내층인 상기 TiC_xN_yO_z와 상기 주상 TiC_xN_yO_z층의 총 두께는 0.5-4㎛이며, 바람직하게는 1.5-3.5㎛이고,

상기 모든 층들의 총 두께는 2.0-6.0㎛이며, 바람직하게는 3.0-5.0㎛인 것을 특징으로 하는 방법.
제 4항에 있어서,

상기 초경합금체는 코발트 함유량이 9-12wt%이고 Ta와 Nb의 0.4-1.8 wt% 카바이드 입방체를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제 4항 또는 제 5항에 있어서,

상기 초경합금체는 코발트 함유량이 10-11wt%인 것을 특징으로 하는 방법.
제 4항, 제 5항 또는 제 6항에 있어서,

CW-비가 0.82-0.90인 것을 특징으로 하는 방법.
제 4항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,

최외층이 TiN 층인 경우에는 절삭날을 따라 상기 TiN 층이 제거되는 것을 특징으로 하는 방법.