KR20030062049A

KR20030062049A - 내마모성 및 인성이 향상된 피복 초경합금 절삭공구

Info

Publication number: KR20030062049A
Application number: KR1020020002449A
Authority: KR
Inventors: 배상일; 고영봉; 김학규; 정종규
Original assignee: 한국야금 주식회사
Priority date: 2002-01-16
Filing date: 2002-01-16
Publication date: 2003-07-23
Also published as: KR100457658B1

Abstract

본 발명은 코팅 초경 공구에 관한 것으로 초경합금 등의 절삭공구에 경질세라믹을 중온 및 고온 화학증착법으로 적층되게 코팅하여 내마모성 및 인성을 동시에 향상 시킴에 따라 공구의 사용 수명을 향상시키는데 적합한 피복 초경합금 절삭공구의 제조에 관한 것이다.

본 발명에 의하면, 탄화텅스텐기 초경합금기체에 0.1~5㎛의 평균막후 및 입상결정조직의 TiC층, TiN층, TiCN층, 등의 Ti 화합물층과 2~15㎛의 평균막후 및 주상정성장 결정조직 또는 입상결정조직의 TiBCN층과 0.5~8㎛의 평균막후 및 입상결정조직의 Al2O3층으로 구성된 결정피복층을 3~25㎛의 전체 평균층으로 화학,물리증착으로 하여 이루어진 표면피복 초경합금제 절삭공구에 있어서, 경질피복층을 구성하는 주상정성장 결정조직 및 입상결정조직의 TiBCN층을, 이것의 상부 및 하부의 조성식: TiBC_xN_Y(X+Y≒1, B:0.01~1용량%)으로 표현할 경우 원자비로 상기 상면부는 Y: 0.05~0.35, B:0.08~1 용량 % 상기 하면부는 Y: 0.65~0.95, B:0~0.08 용량%로 하는 B,C 및 N의 막후방향 농도구배로 하고 또한 B,C 및 N의 농도가 무단계변화 또는 단계변화하는 농도구배 TiBCN층으로 구성되는 초경합금 절삭공구가 제공된다.

Description

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

본 발명은 경질피복층을 구성하는 주상정결정조직 혹은 입상결정조직의 Titanium-Borocarbonitride(이하, TiBCN으로 표시)이 우수한 내치핑성 및 내마모성을 가지고 있고 특히 강이나 주철 등의 단속절삭을 고속으로 또한 고절미,고이송 등의 중절삭조건에서 행하여지는 경우에도 절인에 치핑(미소 파손)등의 발생이 없고 우수한 절삭성능을 장기간 변함 없이 발휘하는 표면피복초경합금제 절삭공구(이하 피복초경공구라 함)에 관한 것이다.

일반적으로, 탄화텅스텐기초경합금기체(이하 초경기체라 함)의 표면에 (a) 어느것이든 0.1~5㎛의 평균막후 및 입상결정조직을 가지는 탄화티탄(이하 TiC라 표시)층, 질화티탄(이하, TiN이라 함)층, 탄질화티탄(이하 TiCN이라 표시)층, 산화티탄(이하, TiCO라 함)층, 질산화티탄(이하, TiNO라 함)층 및 탄질산화티탄(이하 TiCNO라 함)층의 위에 1종 혹은 2종이상으로 된 Ti화합물과 (b) 2~15㎛의 평균막후의 MT-TiCN층과 (c) 0.5~8㎛의 평균막후 및 입상결정조직을 가진 산화알루미늄(이하 Al₂O₃라 함)층으로 구성된 경질피복층을 3~25㎛의 전체평균막후로 화학증착 및/ 또는 물리증착으로 이루어진 피복초경공구가 알려져 있고, 또한 이 피복초경공구가 강이나 주철 등의 연속절삭이나 단속절삭에 사용되고 있는 것도 알려져 있는 바이다. 또, 일반적으로 상기의 피복초경공구의 경질피복층을 구성하는 Al₂O₃층으로써는 α형결정구조를 가진 것이나 κ형결정구조를 가진 것 등이 널리 사용되는 것도 잘 알려져 있는 상태이다. 더욱이 상기 MT-TiCN층은 예로써 일본국특개평6-8015호나 일본국특개평7-328808호 등에 의해 공지된 사항이다. 이들에 있어서는 통상의 화학증착장치에 있어 반응가스로써 유기탄질화물을 함유한 혼합가스를 사용하고 700~950℃의 중온온도영역에서 화학증착을 하는 것에 의해 형성되는 것으로 되어있다.

한편, 최근의 절삭가공은 고속화되고 동시에 고절미 고이송등의 중절삭화의 경향이 있지만 상기의 종래피복초경공구에 있어서는 이런 경질피복층을 구성하는 MT-TiCN이 상대적으로 양호한 인성을 가짐에 따라 고속절삭에서 절인에 치핑등의 발생이 없고 우수한 절삭성능을 발휘하지만 절삭조건이 일단 가혹하게 되고 단속절삭을 고속으로 하는 동시에 고절미 고이송등 중절삭조건에서 행하여 지는 경우에는 아직 충분한 인성을 구비하지 않았기 때문에 절인에 치핑을 방지하지 못하고, 비교적 단시간에 공구수명이 다하는 현상이 발생한다.

이러한 문제를 해결하기 위해 일본국 특허공개 2000-158204 호에서는 상기의 종래피복초경공구의 경질피복층을 구성하는 TiCN에 착안하여 이것의 인성을 향상시키는 것으로 TiCN층의 증착형성에 대해 반응가스중의 성분 예를들면 CH₃CN 및/ 또는 CH₄의 함유분합을 무단계 혹은 단계적으로 변화시키는 것에 의해 MT-TiCN층의 하면부에서 상면부로 갈수록 C성분이 높게 N성분이 낮게되는 농도구배를 부여하고 이 농도구배를 상기면부 및 하면부를 조성식: TIC_1-xN_x으로 표현할 경우 원자비로 상기 상면부는 X: 0.05~0.35, 상기 하면부는 X: 0.65~0.95 를 만족시키는 기술을 공개하고 있다. 이렇게 하면( 이 경우 C 및 N의 막후방향 농도구배로 하고 또한 C 및 N의 농도가 무단계변화 혹은 단계변화한다) 이 결과의 TiCN층(이하 농도구배 TiCN 이라 함)은 하면부에서 상면부까지 C 및 N의 농도구배가 없는 일정한 종래 TiCN층과 비교하면 우선 뛰어난 인성을 구비하게 되고 이에 따라 상기 농도구배 TiCN층이 경질피복층을 구성하는 피복초경공구는 상기 농도구배 TiCN층에 따른 상기 경질피복층자체가 일단 우수한 인성을 가지게 됨에 따라 단속절삭을 고속으로 중절삭으로 행하는 동시에 극단적인 절삭조건에도 인선에 치핑의 발생이 없고 우수한 절삭성능을 발휘하는 것으로 알려져 있다.

그러나 다양한 절삭조건에 의해 절삭공구는 각각의 절삭조건에 맞는 성질이 요구되는데 예로써 단속이 심한 가공에서는 우수한 인성과 박막간 밀착도가 요구되는 반면 마모 메커니즘이 마찰마모(abrasive wear)가 지배적일 경우 인성보다는 내마모성 향상을 요구한다. 따라서 절삭공구에 있어 내치핑성과 내마모성을 동시에 향상시키는 것이 필요하지만 공구의 내인성과 내마모성을 동시에 향상시키는 것은 매우 어렵고 통상 상업적으로 생산되는 절삭공구는 재종별 마모 메커니즘에 따라 최적화되어야한다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, TiBC_xN_Y(X+Y≒1, B:0.01~1 용량%)코팅 조건을 최적화하여 내마모성과 인성을 동시에 향상시켜 공구수명을 연장할 수 있는 절삭공구를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 MT-TiBCN 보론첨가에 따른 미세경도(Micro Hardness)에 대한 그래프,

도 2는 내마모 비교시험 결과 그래프, 그리고

도 3은 본 발명에 의한 농도구배 TiBC_XN_Y(X+Y≒1, B:0.01∼1 용량%)에 의해 내마모성 및 인성의 증가를 보여주는 그래프이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의하면 피복 초경합금 공구를 제조함에 있어서, 공구 모재 표면에 중온 화학증착법을 이용한 티타늄 화학물과 세라믹층을 순차적으로 피복 처리하는 것으로 구성되는 표면 피복 초경합금제 공구가 제공된다.

여기서, 초경기체의 표면에 (a) 0.1~5㎛의 평균막후 및 입상결정조직을 가지는 TiC 층, TiN층, TiCN층, , TiCO층, TiNO, 층 또는 TiCNO층의 1종 혹은 2종이상으로 된 Ti화합물층과 (b) 2~15㎛의 평균막후의 TiBC_xN_Y(X+Y≒1, B:0.01~1 용량%)층과 (c) 0.5~8㎛의 평균막후 및 입상결정조직을 가진 산화알루미늄(이하 Al₂O₃라 함)층으로 구성된 경질피복층을 3~25㎛의 전체평균막후로 화학증착 및/ 혹은 물리증착으로된 피복초경공구에 있어서, 상기 경질피복층을 구성하는 TiBC_xN_Y(X+Y≒1, B:0.01~1 용량%)층을 이것의 상부 및 하부의 조성식: TiBC_xN_Y(X+Y≒1, B:0.01~1 용량%)으로 표현할 경우 원자비로 상기 상면부는 Y: 0.05~0.35, B:0.08~1 용량%와, 상기 하면부는 Y: 0.65~0.95, B:0~0.08 용량%로 하는 B,C 및 N의 막후방향 농도구배로 하고 또한 B,C 및 N의 농도가 무단계변화 혹은 단계변화하는 농도구배 TiBC_xN_Y(X+Y≒1, B:0.01~1vol%)으로 구성함이 바람직하다.

본 발명의 피복초경공구의 경질피복층을 구성하는 농도구배 TiBC_xN_Y(X+Y≒1, B:0.01~1 용량%)층의 조성식: TiBC_xN_Y(X+Y≒1, B:0.01~1 용량%)에 있어 상기 상면부의 Y값을 0.05~0.35, 바람직하게는 0.15~0.30 하면부의 Y값을 0.65~0.95 바람직하게는 0.7~0.85 로 하는 것은, 상면부의 Y값이 0.35를 넘거나 하면부의 Y값이 0.65미만으로 되면 막후방향의 C 및 N의 농도구배가 작게되어 인성향상을 얻을 수 없게 되고 이 결과 경질피복층에 바라는만큼의 우수한 내치핑성을 확보하는 것이 불가능하게 되기 때문이고, 한편 상면부의 Y의 값이 0.05 미만이거나 하면부의 Y값이 0.95를 넘게 되면 반대로 C 및 N의 농도구배가 너무크게 되어 인성저하를 막을 수 없게 되어 이 결과 치핑이 발생하기 쉽게 되기 때문이다. 또한 상기 상면부의 B값을 0.08~1 용량% 바람직하게는 0.08~0.5 용량%, 상기 하면부의 B값을 0~0.08 용량%, 바람직하게는 0~0.05 용량% 으로 하는 것은 상면부의 B값이 0.5 용량%을 넘게 되면 박막에 악영향을 미쳐 경도의 현저한 저하를 가져오게 되고 바라는 내마모성향상을 얻을 수 없게 되고 또한 하부의 B값이 0.05 용량% 이상이 되면 B의 농도구배가 작게되어 인성에 악영향을 미쳐 내치핑성 저하를 가져오게 되기 때문이다. 도1은 MT-TiBCN 에서 보론첨가에 따른 미세경도(Micro Hardness)에 대한 그래프이다. 소량의 보론첨가에 의해 어느 범위에서는 MT-TiBCN의 경도가 급격히 증가함을 보여주고 있다.

또한 경질피복층을 구성하는 Ti화합물층의 여러가지들에는 구성층 상호간의 박막간 밀착도를 향상시키는 작용을 하는 것으로 따라서 그 평균막후가 0.1㎛ 미만에서는 목표로 하는 우수한 박막간 밀착성을 확보하는 것이 불가능하고 한편 그 평균 막후가 5㎛를 넘으면 경질피복층의 마모진행이 촉진되기 때문에 그 평균막후를 0.1~5㎛로 함이 바람직하다. 또한 Al₂O₃층에는 경질피복층의 내마모성을 향상시키는 작용이 있지만 그 평균막후가 0.5㎛ 미만에서는 바라는 우수한 내마모성을 확보하는 것이 불가능하고 한편 그 평균막후가 8㎛를 넘으면 절인에 치핑이 발생하기 쉽게 되기 때문에 그 평균막후를 0.5~8㎛로 함이 바람직하다. 또한 농도구배 TiBC_xN_Y(X+Y≒1, B:0.01~1vol%)층에는 상기한 것과 같이 경질피복층의 내치핑성 및 내마모성을 동시에 향상시키는 작용이 있지만 그 평균막후가 2㎛ 미만에서는 내치핑성 및 내마모성에 바라는 향상효과를 얻을 수 없고, 한편 그 평균막후가 15㎛를 넘으면 내마모성이 급격히 저하되기 때문에 그 평균막후를 2~15㎛로 한다. 또한 경질피복층의 전체평균막후를 3~25㎛로 한 것은 그 평균막후가 3㎛미만에서는 바라는 내마모성을 확보하는 것이 되지 않고 한편, 그 평균막후가 25㎛를 넘으면 절인에 결손이나 치핑이 발생하기 쉽게 되기 때문에 전체평균 막후는 25㎛ 이하가 됨이 바람직하다.

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 바람직한 실시예를 통해 본 발명을 설명한다.

선반 절삭용 공구의 규격이 CNMG120408인 초경합금 모재로 조성은 8.3wt% Co, 3.5wt% TaC, 나머지, WC 와 WTiCN으로 이루어진 초경합금으로 다음의 표와 같은 조건으로 코팅을 실시하였다. 초기 및 외각의 적층 코팅은 생략하고 TiBC_xN_Y(X+Y≒1, B:0.01~1 용량%) 코팅 조건만을 표에 나타냈다.

실시예

[표 1]

TiB_xC_yN_z(x+y+z=1) 형성 조건
	온도(℃)	압력(Torr)	반응가스 조성(용량%)
	온도(℃)	압력(Torr)	H₂	TiCl₄	CH₃CN	BCl₃
기존코팅조건	1	800	50	balance	5	0.5	0.45
	2	800	75	balance	4	1	2.0
	3	880	80	balance	3	2	0.08
	4	880	130	balance	10	5	0.01
	5	900	100	balance	5	4	3.5
	6	850	200	balance	10	3	1.0
	7	880	80	balance	2	2	0.4
	8	950	50	balance	1	0.8	0.7

[표 2]

TiBC_xN_y(X+Y≒1, B:0.001∼1 용량%)
	온도(℃)	압력(Torr)	반응가스 조성(용량%)
			H₂	TiCl₄	CH₃CN	BCl₃
본발명코팅조건	1	900	90	balance	2	상면	0.2	상면	0.3
						하면	0.1	하면	0.01
	2	850	85	balance	2	상면	0.8	상면	0.5
						하면	0.1	하면	0.02
	3	900	100	balance	2	상면	1.5	상면	0.2
						하면	0.2	하면	0.03
	4	800	70	balance	2	상면	1.0	상면	1.0
						하면	0.1	하면	0.08
	5	950	90	balance	2	상면	1.0	상면	0.08
						하면	0.4	하면	0.01
	6	880	85	balance	2	상면	1.5	상면	0.25
						하면	1.0	하면	0.04
	7	800	80	balance	2	상면	2.0	상면	0.18
						하면	1.0	하면	0.02
	8	900	75	balance	2	상면	4.0	상면	0.8
						하면	0.5	하면	0.03

피복된 시료에 대하여 내마모 시험과 내인성 시험을 실시하였다. 성능비교는 일반적인 선삭작업에의한 시험을 하였다.

[내마모성 시험]

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 B가 A와 기존 시료 비교 향상된 내마모성을 보여주고 있다. 여기서 시편 A는 보론이 첨가되지 않은 (Free Boron) 농도구배 MT-TiCN이고 시편 B는 보론이 첨가된 TiBC_xN_Y(X+Y≒1, B:0.01~1 용량%)인 것으로 하였다.

도 1의 MT-TiBCN 보론첨가에 따른 미세경도(Micro Hardness)에 대한 그래프에서 나타났듯이 소량의 보론첨가에 의해 보론첨가량의 어느 특정 범위 내에서는 MT-TiBCN의 경도가 급격히 증가함을 보여주고 있는데 이러한 경도증가에 의해 내마모성의 향상이 나타났다고 볼 수 있다.

아래는 내마모성 절삭 시험 조건을 나타내었으며 시험은 신뢰성을 높이기 위해 동일조건에서 2회를 실시 하였다.

-> 내마모성 절삭시험 조건

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

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

[내충격성 시험]

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 농도구배 TiBC_xN_Y(X+Y≒1, B:0.01~1 용량%)에 의해 내마모성 및 인성을 동시에 향상시키는 결과를 얻을 수 있었다. (도 3 참조)

-> 내충격성 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 의하면 경질 피복층을 구성하는 주상정성장 결정조직 및 입상결정조직의 TiBCN층을 상하부 조성식으로 하여 B, C 및 N의 막후 방향 농도구배로하고 또한 B, C 및 N의 농도가 무단계 변화 또는 단계변화하는 농도구배의 TiBCN 층으로 구성함으로써 내마모성 및 내충격성이 종래의 것에 비해 크게 향상된 초경합금 절삭공구를 얻을 수 있었다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 기술하였지만 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 범위 내에서 당업자들은 본 발명의 다양한 수정 및 변경을 할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

탄화텅스텐기 초경합금기체 표면에 0.1~5㎛의 평균막후 및 입상결정조직을 가진 탄화티탄층, 탄질화티탄층, 산화티탄층, 질산화티탄층 또는 탄질산화티탄층의 1종 또는 2종 이상으로 부터 형성된 화합물 층과, 2~15 ㎛ 의 주상정결정조직 및 입상결정조직을 가진 TiBCN층과, 0.5~8㎛의 평균막후 및 입상결정조직을 가진 산화 알루미늄층으로 구성되어진 경질피복층을 3~25㎛의 전체 평균막후층으로 화학증착 및 혹은 물리증착으로 되어진 표면피복초경합금제 절삭공구에 있어서, 상기 경질피복층을 구성하는 주상정결정조직 및 입상결정조직의 TiBCN층을 , 이것의 상부 및 하부의 조성식: TiBC_xN_Y(X+Y≒1, B:0.01~1용량%)으로 표현할 경우 원자비로 상기 상면부는 Y: 0.05~0.35, B:0.08~1 용량% 상기 하면부는 Y: 0.65~0.95, B:0~0.08 용량%로 하는 B,C 및 N의 막후방향 농도구배로 하고 또한 B,C 및 N의 농도가 무단계변화 혹은 단계변화하는 농도구배 TiBCN층으로 구성한 것을 특징으로 하는 표면피복초경합금제 공구.