KR20030052469A - 내마모성 및 인성이 향상된 피복 초경합금 절삭공구의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 코팅 초경 공구에 관한 것으로 초경합금 등의 절삭공구에경질세라믹을 중온 및 고온 화학증착법으로 적층되게 코팅하여 내마모성 및 인성을 동시에 향상시킴에 따라 공구의 사용 수명을 향상시키는데 적합한 피복 초경합금 절삭공구의 제조에 관한 것이다. 이와 같은 본 발명은 초경합금 공구의 모재 표면에 고온 화학증착법(900∼1100℃)에 의한 티타늄 화합물층과 중온 화학증착법(700∼950℃)에 의한 주상정구조(columnar structure)를 가진 TiB_XC_yN_Z(x+y+z=1) 티타늄 화합물층과, 고온 화학증착법(900∼1100℃)에 의한 세라믹층을 CVD(chemical vapor deposition)법에 의해 순차적으로 피복함을 특징으로 한 것이다.

Description

내마모성 및 인성이 향상된 피복 초경합금 절삭공구의 제조방법{Method to improve wear resistance and toughness of coated cutting tools}

본 발명은 코팅초경 공구에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 초경합금 등의 절삭공구에 경질세라믹을 중온 및 고온 화학증착법으로 적층되게 코팅하여 내마모성 및 인성을 향상시키는데 적합한 피복 초경합금 절삭공구의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 WC기 초경합금이나 TiCN기 써멧트의 표면에 화학증착법을 이용해서 Ti탄화물, 질화물, 탄질화물 및 탄질산화물, 산화알루미늄(이하 TiC, TiN, TiCN 및 TiCNO, Al₂O₃라 명함) 중, 2종 이상의 피복으로 된 경질피복층을 0.5∼20㎛의 평균막후로 이루어진 표면 피복 절삭공구가 각종강재등의 연속절삭 및 단속절삭에 광범위하게 사용되어지고 있다.

절삭공구는 철, 강(합금강) 등의 소재를 절삭 가공하는 용도로서 사용되는데, 내마모성 및 인성을 보다 좋게 하기 위하여 공구 모재 표면에 각종 금속 산화물, 탄화물 등을 화학증착법 또는 플라즈마 CVD법에 의하여 형성된 피복층을 지닌 피복 절삭공구가 널리 사용되고 있다.

통상적인 화학증착법은 고온 화학증착법과 중온 화학증착법이 있는데 고온 화학증착법은 사염화티타늄, 질소, 메탄, 수소, 가스등을 함유하는 가스혼합체를 900℃∼1100℃ 정도에서 초경합금 모재와 반응시켜 티타늄 화합물인 TiC, TiN, TiCN 등을 피복층으로 하고, 그 상면에는 AlCl₃, CO₂등의 기체를 반응시켜 세라믹의 일종인 알루미나(혹은 산화알루미늄)를 피복층으로 한다.

중온 화학증착법은 메탄 대신 아세토나이트라일(acetonitrile,CH₃CN) 이라는 유기화합물을 탄소와 질소의 공급원으로 사용하여 800℃∼900℃의 범위에서 모재와 화학적인 반응을 시켜 모재 표면에 TiB_xC_yN_z(x+y+z=1)층을 피복하는 방법이다.

이러한 방법으로 피복하는 TiB_xC_yN_z(x+y+z=1) 층의 경우 중온 화학증착법에의한 피복층은 주상형(columnar)으로 성장한다.

중온 화학증착법에서 얻어진 TiB_xC_yN_z(x+y+z=1) 피복층은 화학반응이 상대적으로 낮은 온도에서 이루어지기 때문에 코팅층과 모재 사이의 계면에 취약한 금속간 화합물의 생성이 크게 억제되므로 피복에 따른 공구의 인성 저하도 현저히 줄어든다. 이러한 장점으로 중온 증착방법이 널리 사용되고 있으나 MT-TiCN 코팅은 두께가 3∼6㎛로 증가함에 따라 주상정입자(columnar grains)의 크기가 증대되고 코팅층 표면의 입도도 크게 되어 내마모성의 저하로 절삭가공 성능이 떨어지는 문제점이 제기(특 1999-0066113C)되고 있다.

절삭가공시 공구의 인선부(cutting edge)는 서로 다른 마모 메카니즘에 의해 마모가 시작되는데 예컨데, 화학적 마모(chemical wear), 마찰마모(abrasive wear), 접착성 마모(adhesive wear)등이 있고 공구의 인선부를 따라 생기는 crack에 의한 치핑과 빗살모양의 crack(comb crack)이 있다. 특히 comb crack의 경우 습식 밀링 가공시 발생하기 쉬우며 냉각유가 피삭재에 의해 comb crack이 발전하게 되고 결국 치핑으로 수명을 다하게 된다.

다양한 절삭조건에 의해 절삭공구는 각각의 절삭조건에 맞는 성질이 요구되는데 예로서 단속이 심한 가공에서는 우수한 인성과 박막간 밀착도가 요구되는 반면 마모 메카니즘이 마찰마모(abrasive wear)가 지배적일 경우 인성보다는 내마모성 향상을 요구한다.

다음은 인성과 내마모성을 향상시키는 일반적인 방법이다.

1. 인성을 향상시키기 위해 초경모재에서 바인더 함유량을 증가시키는 방법이 많이 행해지고 있는데 이와 같은 경우 내마모성의 저하를 가져오게 된다.

2. 마찰마모(abrasive wear)와 관계가 있는 내마모성 향상을 위해 박막두께를 늘이는 방법이 사용되고 있는데 후막의 박막은 접착력(adhesion)이 떨어져 박리가 생기기 쉬우며 접착마모에 취약하게 된다.

따라서 상기에 언급하였듯이 공구의 내인성과 내마모성을 동시에 향상시키는 것은 매우 어렵고 통상 상업적으로 생산되는 절삭공구는 재종별 마모 메카니즘에 따라 최적화되고 있다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 TiC_yN_z(x+y+z=1) 코팅 조건을 최적화하여 내마모성과 인성을 동시에 향상시켜 공구수명을 연장시킬 수 있는 피복 초경합금 절삭공구의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 피복층을 나타낸 절삭공구의 단면도

도 2는 내마모 비교시험 결과 그래프, 그리고

도 3은 내충격성 비교시험 결과 그래프,

A : 공구모재

B : Equiaxed 입자를 가진 TiC_xN_y(x+y=1)층

C : 주상정 구조(columnar structure) 입자를 가진 TiB_xC_yN_z(x+y+z=1)층

D : 알루미나 층

E : TiN 층 (선택적)

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 피복 초경합금 공구를 제조함에 있어서, 공구 모재 표면에 중온 화학증착법을 이용한 티타늄 화합물과 세라믹층을 순차적으로 피복 처리하는 방법을 제공한다.

여기서, 첫 번째 층인 TiBxCyNz(x+y+z=1)의 두께는 0.1∼2.0㎛으로 하고 두 번째 층의 TiBxCyNz(x+y+z=1 이고 바람직한 x의 범위는 0∼1wt%)은 10∼15㎛로 그 주상정입자(columnar grains)의 입자 크기는 5㎛ 이하, 바람직하게는 0.1∼2㎛로 한다. 그 윗층의 알루미나(Al₂O₃)층은 기본적으로 κ상으로 이루어져 있지만 α상 혹은 θ상이 8∼10vol% 존재하는 것이 Xrd측정에 의해 관찰되어 지며 알루미나 박막의 두께는 0.5∼5㎛가 적당하다.

본 발명에 이용되는 모재는 WC, TaC, TiC, Co 등으로 조성된 여타의 초경합금을 대상으로 할 수 있는 것으로 모재 표면에 티타늄 화합물을 피복할 수 있는 대상이면 가능하다.

따라서 모재 조성을 어느 하나에 국한하지 않는다.

이하에서는 본 발명을 바람직한 실시예를 통해 설명한다.

선반 절삭용 공구의 규격이 CNMG120408인 초경합금 모재로 조성은 8.3WT% Co, 3.5WT% TaC, balance WC와 WTiCN으로 이루어진 초경합금으로 다음의 표와 같은 조건으로 코팅을 실시하였다. 초기 및 외각의 적층 코팅은 생략하고 MT-TiB_xC_yN_z(x+y+z=1) 코팅 조건만을 표에 나타냈다. 도1은 본 발명에 의한 피복층의 전자현미경 사진이다.

실시예1

표1은 기존의 코팅조건을 나타낸 것이고 표2는 본 발명의 코팅조건을 나타낸 것이다.

[표1]

TiBxCyNz(x+y+z=1) 형성조건
	온도	압력	반응가스 조성(용량%)	평균 막후(㎛)
			H2		TiCl4	CH3CN	BCl3
기존코팅조건	1	800	50	balance	5	2	0.45	4.5
	2	800	75	balance	4	5	0	4.0
	3	880	80	balance	16	6	0.08	6.0
	4	880	130	balance	10	5	1	7.0
	5	900	100	balance	5	4	0	9.5
	6	850	200	balance	10	3	0	5.5
	7	880	80	balance	30	2	0.4	8.0
	8	950	50	balance	18	5	0.7	9.5

[표2]

TiBxCyNz(x+y+z=1) 형성조건
	온도	압력	반응가스 조성(용량%)	평균 막후(㎛)
			H2		TiCl4	CH3CN	BCL3
본발명코팅조건	1	800	90	balance	6.0	0.8	0.2	11
	2	850	85	balance	8.5	0.8	0	12
	3	900	100	balance	9.0	1.0	0	15
	4	800	70	balance	7.5	0.5	0.08	14
	5	950	90	balance	5.0	0.6	0.1	15
	6	880	85	balance	4.5	0.2	0.45	13
	7	800	80	balance	9.0	1.2	0	13.5
	8	900	75	balance	10.0	1.5	0.18	15

피복된 시료에 대하여 내마모 TEST와 내인성 TEST를 실시하였다. 성능비교는 일반적인 선삭작업에 의한 TEST를 하였다.

[내마모성 TEST]

공구수명의 판단기준은 피삭재를 절삭함에 따라 발생하는 공구측면의 마모(flank 마모)를 기준으로 0.2mm 마모량을 공구수명이 다한 기준으로 하였다.

도 2의 그래프는 내마모 비교시험 결과인데 그래프에서 알 수 있듯이 시편 A,B 모두 기존시료 비교 향상된 내마모성을 보여주고 있다. 여기서 시편 A는 평균 막후 두께가 11~13㎛ 인것으로 하고, B는 13.5~15㎛인것으로 하였다.

코팅절삭공구에 있어서 박막의 밀착도는 매우 중요한 역할을 하는데 박막이 후막이 될수록 박막의 밀착도는 떨어지는 것이 일반적이지만, MT-TiB_xC_yN_z(x+y+z=1)의 경우 밀착도의 저하는 나타나지 않았으며 주상정 입자크기가 과대성정 하지 않았기 때문에 내마모성이 향상되었다고 볼 수 있다.

아래는 내마모성 절삭 TEST 조건을 나타내었으며 TEST는 신뢰성을 높이기 위해 동일조건에서 2회를 실시 하였다.

▶ 내마모성 절삭TEST 조건

절삭조건 : V=200m/min, f=0.25mm/rev, d=2.0mm, dry crttinG

피가공물 : SCM440(직경: 300mm, 길이: 600mm)외경가공

[내충격성 TEST]

내충격성 TEST는 길이방향으로 4개의 홈이 파여진 원통형 강재를 절삭가공하는 방식으로 실시하여 공구에 충격이 심하게 걸리도록 하여 TEST를 실시하였다.

일반적인 절삭공구는 내마모성이 향상되면 반대로 인성이 저하되는 것이 보편적인 경향인데 본 발명에 의한 후막이 MT-TiB_xC_yN_z(x+y+z=1) 및 주성정 입자크기를 제어함으로써 도3에서와 같이 내마모성 및 인성을 동시에 향상시키는 결과를 얻을 수 있었다.

▶ 내마모성 절삭TEST 조건

절삭조건 : V=200m/min, f=0.45mm/rev, d=2.0mm, dry cutting

피가공물 : SCM440(직경:300mm, 길이:600mm)4구홈 외경가공

상기한 바와 같이 본 발명에 따르면 후막의 MT-TiB_xC_yN_z(x+y+z=1) 및 주상정 입자크기를 제어함으로써 절삭공구의 내마모성 및 인성을 동시에 향상시킬 수 있었다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 통하여 본 발명을 기술하였지만, 당업자들은 하기의 특허청구범위에서 기재된 본 발명의 사상 및 영역내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변형할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (3)

1. 내마모성 및 인성을 향상시키기 위한 피복 초경합금 절삭공구의 제조방법에 초경합금 공구의 모재표면에 중온 화학증착법(700∼950℃)에 의해 0.1∼2.0㎛의 TiC_yN_z(x+y=1)층을 형성하고, 그 위에 중온 화학증착법에 의해 10∼15㎛의 MT-TiB_xC_yN_z(x+y+z=1) 층을 형성한 다음 0.5∼5㎛의 알루미나층을 순차적으로 피복함을 특징으로하는 피복초경합금 절삭공구의 제조방법
2. 제1항에 있어서, 상기 TiB_xC_yN_z(x+y+z=1)의 주상정 입자 크기는 5㎛이하임을 특징으로하는 피복초경합금 절삭공구의 제조방법
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 MT-TiB_xC_yN_z에서는 X범위는 0∼1WT%이고, TiB_xC_yN_z(x+y+z=1)의 주상정 크기는 0.1∼2㎛임을 특징으로 하는 피복초경합금 절삭공구의 제조방법