KR20060074467A - 초경합금 절삭공구에 피복되는 고경도 비정질 탄소막 - Google Patents
초경합금 절삭공구에 피복되는 고경도 비정질 탄소막 Download PDFInfo
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Abstract
알루미늄합금, 흑연, 플라스틱 등 비철재료 가공용 공구로서 인체에는 친환경적이며 자체 윤활특성을 가지는 고경도 비정질 탄소막을 피복한 절삭공구에 관한 것으로, 고경도 비정질 탄소막은 물리적기상증착법(physical vapor deposition, PVD)에 의하여 수소를 포함하지 않는 아르곤 진공분위기에서 흑연 타켓을 이용한 높은 이온에너지에 의하여 탄소원자 혹은 가벼운 입자를 초경합금 모재에 형성시킨다. 본 발명에 의하면 얻어진 탄소막의 표면조도는 약 Ra=0.05μm이며, 막중에 입자 크기가 매우 미세한 다이아몬드 성분을 포함하고 있어 경도가 22~25GPa으로 높으며, WC-Co기 초경합금으로 이루어진 예리한 인선을 가지는 모재, 즉 인서트, 드릴, 엔드밀, 기타 이형 공구에 0.7μm이상 3.5μm이하의 두께로 피복되어 절삭시 인선에서의 칩용착을 방지함으로서 절삭저항을 최소화하여 공구성능을 향상시킨다.
Description
도 1은 본 발명 공구의 성막장치 개략도
도 2는 종래 코팅용 다이아몬드막의 표면사진
도 3은 종래 용접형 소결체 PCD 절삭공구(인서트) 외관사진
도 4a는 본 발명으로 형성된 비정질 탄소막의 표면사진
도 4b는 본 발명으로 형성된 비정질 탄소막의 단면사진
도 5a는 본 발명으로 형성된 비정질 탄소막의 AFM에 의한 표면형상사진
도 5b는 본 발명으로 형성된 비정질 탄소막의 AFM에 의한 표면조도사진
도 6은 본 발명에 따른 비정질 탄소막의 나노인텐터(nanoindentor)에 의한 미소경도 분포그래프
도 7은 본 발명에 따른 비정질 탄소막의 Visible(514.5nm)라만(Raman) 분광에 의한 분석결과 그래프
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 기판홀더2 : 바이어스용 전원 3: 음극 아크 전원
4 : 흑연 타켓 5 : 필터 6: 가스 도입구
7 : 지그 8 : 모재 9: 가스 배기구
본 발명은 고경도 비정질 탄소막으로 피복된 초경합금 절삭공구에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 예리한 인선을 가지는 인서트, 드릴, 엔드밀, 기타 공구에 고경도의 비정질 탄소막을 피복한 절삭공구의 특성에 관한 것이다.
고경도 비정질 탄소막(amorphous carbon film)은 다이아몬드(diamond)의 성분을 일부 포함하고 있어 높은 경도와 낮은 마찰계수를 가지는 인체에 무해한 친환경재료이며, 다른 표현으로는 DLC(diamond like carbon)막으로도 알려져 있다. 오늘날 기상합성법에 의해 만들어지는 비정질 탄소막 절삭공구는 일반 강용 절삭공구로서 기계가공이 힘든 난삭재, 즉 알루미늄-실리콘합금 혹은 마그네슘합금 및 흑연재료, 목재, 플라스틱 등을 범용으로 가공하는데 있어 향후 최상의 공구로서 적용이 기대되고 있다.
지금까지 상기 알루미늄, 동, 흑연, 플라스틱 등 비철재료에 대한 가공용 절삭공구로서 코팅용 다이아몬드(coating diamond) 혹은 용접형 소결체 PCD(poly-crystalline diamond) 절삭공구가 일반적으로 사용되고 있다.
먼저 화학적기상증착(chemical vapor deposition, CVD)에 의한 코팅법으로 제조되는 코팅용 다이아몬드막은 약 5~15㎛의 조대한 결정크기로 구성되는 마이크로결정 다이아몬드(microcrystalline diamond)이며, 모재표면으로부터 기둥모양의 주상정구조(columnar structure)로 석출되어 표면이 대단히 거칠다. 이러한 조대한 결정크기로 구성된/제조된 초경합금 다이아몬드 절삭공구는 가공시에 피삭재의 표면조도를 저하시켜 최종적으로 가공 정밀도를 저하시킨다. 또한, 마이크로결정 다이아몬드의 마찰계수(μ, >0.6)가 매우 높기 때문에 절삭시 다이아몬드 입자와 입자사이에서 피삭재의 미세한 잔류물에 의한 용착현상으로 공구수명을 떨어뜨리는 원인이 된다. 이를 해결 또는 개선하기 위한 방법으로 마이크로결정 다이아몬드막의 표면을 미세하게 평활하게 연마하지 않으면 안 된다. 그렇지만, 초경합금 절삭공구는 3차원적인 복잡형상구조를 가지고 있어서 인선부위에 대한 연마는 대단히 어려우며, 연마비용이 많이 소요되는 등 단점이 있다. 또한 코팅방법 측면에서 상기의 문제점인 기상증착법으로 제조된 마이크로결정 다이아몬드막의 표면조도를 해결하기 위하여 지금까지 몇가지 방법에 의하여 미세결정 다이아몬드막(fine-crystalline diamond film) 코팅에 대한 기초연구가 일부 논문 및 특허로서 발표되었다. 발표된 논문 및 특허를 보면, 대부분이 Si웨이퍼에 약 15~50nm의 미세결정다이아몬드를 제작한 예이다. 제조방법으로서는 대부분이 마이크로파 플라즈마화학기상증착법(microwave plasma CVD)을 이용하여, 메탄-수소혼합가스에서 고농도의 메탄가스 농도를 사용하는 방법, 아르곤 혹은 C60-수소-메탄을 이용하는 방법, 모재에 직류 바이어스전압을 인가하는 방법 등이 있다. 그 외의 다른 방법인 열필라멘트법에서는, 수소-메탄의 혼합가스를 이용하여 높은 가스압(약 200Torr)에서 기판온도를 감소(1250℃ => 1020℃)하는 것에 의하여 약 8~16nm의 미세한 결정크기의 다이아몬드가 석출되었다는 보고가 있다. 그러나, 실제적으로 초경합금인 절삭공구에 응용한 예는 아직 보고된 바 없으며, 제조된 미세결정 다이아몬드막 절삭공구의 평가방법도 보고되지 않았다. 그 이유로서는, 미세결정 다이아몬드막의 합성조건이 매우 혹독하며 대량생산이 불가능한 것에 있다.
다음은 용접형 소결체 PCD 절삭공구의 제조방법으로, 고온고압법으로 소결한 다이아몬드 벌크를 적당한 크기로 잘라 인서트 코너에 브레이징하여 사용하고 있지만, 범용성 측면에서 제조원가가 매우 높으며, 형상이 복잡한 C/B붙이 인서트, 3차원적인 형상의 엔드밀 혹은 드릴의 경우 제조방법의 문제점과 제조비용이 높은 점 등의 많은 난점이 산재해 있다.
상기의 코팅용 다이아몬드와 용접형 소결체 PCD 절삭공구의 대량생산 및 제조원가 문제로 인하여 범용성의 비철재료 가공용 절삭공구가 필요하다. 즉, 대량생산이 가능하고, 제조원가가 낮으며, 다이아몬드의 물성을 포함하는 새로운 개념의 코팅용 절삭공구가 필요하다. 이를 위해서는 다이아몬드의 물성을 가지는 고경도의 탄소막(carbon film)을 물리적기상증착(physical vapor deposition)법을 이용하여 대량으로 짧은 시간에 초경합금 절삭공구에 코팅하는 것이 적절하다. 고경도의 탄소막의 제조방법으로, 원료로서 고체 흑연 타켓(target)을 이용하는 방법, 수소 혹은 탄화수소를 이용하는 방법, 벤젠 등의 유기용매를 이용하는 방법이 있으며, 다양한 전원장치에 의해 발생한 플라즈마(plasma)중의 탄소이온의 높은 이온에너지를 이용한 다음의 몇가지 물리 혹은 화학기상증착법(physical or chemical vapor deposition, PVD/CVD)에 의하여 코팅되고 있다. 제조법으로서는 이온비임법(ion beam), 이온플레이팅(ion plating), 고주파 혹은 ECR 플라즈마 화학기상증착법(rf or ECR plasma CVD), 스퍼터링법(sputtering), laser ablation법 등이 있다. 초경합금 절삭공구로의 적용은 고체 원료인 흑연 타켓을 이용한 높은 이온에너지에 의하여 치밀한 비정질 탄소막을 증착을 시도하고 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 소량생산에 따른 제조원가를 절감하기 위한 새로운 개념의 고경도 비정질 탄소막의 제조방법은, 고진공분위기에서 흑연타켓을 이용한 직류전원에 의한 플라즈마를 발생시켜 높은 이온에너지에 의한 초미립자를 모재(초경합금)에 합성하였다.
상기에서 설명한 바와 같이, 종래의 코팅용 다이아몬드와 용접형 소결체 PCD 절삭공구에 대한 제조법을 보면, 먼저 Si웨이퍼 혹은 초경합금에 열필라멘트법 혹은 기타 방법을 이용한 코팅용 다이아몬드막의 제조방법은, 수십 ~ 수백Torr의 높은 가스압의 메탄-수소-아르곤가스를 포함한 혼합가스분위기에서 마이크로파 혹은 교류전원에 의한 플라즈마를 발생시켜 이온화를 억제하면서 가스를 여기화시켜 모재에 다이아몬드막을 합성한다. 그 결과, 2차원적인 평탄한 모재에서는 일부 성장 가능하지만, 3차원적인 복잡형상을 가지는 초경합금 절삭공구에 적용하는데 있어서는 결정입자의 크기/막두께의 균일성 혹은 밀착력이 문제이다. 또한, 공구로서 사용되기에는 장시간 처리시간에 따른 생산능력의 제한되는 어려움이 있다. 다음은, 용접형 소결체 PCD 절삭공구의 제조법은 수 μm단위 크기의 분말용 다이아몬드와 불순물(바인더)을 고온고압법에 의하여 성형/소결한 다음 인서트의 코너에 사용가능한 크기(약 두께 0.5~1mm)로 잘라 용접하여 사용하고 있으며, 미세한/정밀한 폴리싱/정밀연마에 의하여 표면조도는 우수하지만, 다양한 복잡한 3차원 형상을 가지는 C/B붙이 인서트, 엔드밀, 드릴, 기타 이형 공구에 대해서는 제조 불가능하다.
상기에서 설명한 바와 같이, 다이아몬드의 물성을 유지하면서 생산능력의 향상과 제조원가의 절감을 개선할 필요가 있다. 또한 절삭시의 경우 피삭재의 표면조도 개선과 함께 고속절삭을 위해서는 다양한 형상을 가진 초경합금 절삭공구위에 직접 고경도 비정질 탄소막을 제조함과 동시에 얻어지는 탄소막의 입자크기를 가능한 한 미세하게 조절 혹은 기계적인 외부 힘을 가하지 않는 범위에서 탄소막의 표면을 평탄/평활하게 조절할 필요가 있다. 이를 위하여 절삭공구로서 사용되는 초경합금은 텅스텐카바이드(WC)와 코발트(Co)의 혼합물로 이루어져 있으며, 고경도 비정질 탄소막을 코팅하는데 있어서 최초 모재의 표면조도를 양호하게 할 필요가 있다.
고경도 비정질 탄소막으로 코팅된 절삭공구와 관련하여 대한민국 공개특허 제 2002-32713호가 공개되어 있으나 상기 공개특허에서는 박막의 두께가 매우 얇으며, 제조방법만을 개시하고 있을 뿐이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 범용성의 비철재료 가공용 절삭공구로서, 생산성과 원가절감을 개선하기 위한 것과 코팅용 다이아몬드로 절삭시 문제되는 피삭재의 표면조도 개선 및 고속절삭 성능을 향상시키기 위한 절삭공구로 사용되는 3차원 복합형상의 초경합금 모재 특히, 인서트, 드릴, 엔드밀, 기타 공구를 모재로 하여 물리적기상증착법에 의하여 원료인 고체 흑연을 타켓으로 장착하여 홀더에 처리하고자 하는 모재를 셋팅시켜 높은 탄소 이온에너지에 의한 고경도 비정질 탄소막으로 피복된 초경합금 절삭공구를 제공함에 있다.
이렇게 본 발명에 의해 형성된 막을 Visible(514.5nm) 라만(Raman)분광법과 나노인텐터(nanoindentor)에 의한 특성평가 결과, 탄소막은 다이아몬드의 물성을 포함하는 고경도 비정질 탄소막으로 확인되었다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 모재 특히, 3차원 형상을 가지는 초경합금 인서트를 기화학적으로 설계한 지그를 이용하여 기판홀더에 셋팅한 다음, 고체 원료인 흑연 타켓을 이용하여 아르곤 이온의 스퍼터에 의해 형성되는 고경도 비정질 탄소막으로 피복된 초경합금 절삭공구를 제공하게 된다.
따라서 본 발명에 의하면 알루미늄합금, 흑연, 플라스틱 등 비철금속 가공용 초경합금 절삭공구 모재의 고경도 비정질 탄소막에 있어서, 원료인 고체 흑연 타켓을 이용한 아르곤 분위기에서 물리적기상증착(physical vapor deposition, PVD)법에 의하여 3차원 복잡형상을 가지는 초경합금 모재에 중간층을 포함하여 약 20~40GPa의 경도를 가지며 박막두께 0.7~3.5μm인 것을 특징으로 하는 고경도 비정질 탄소막이 제공된다.
여기서, 상기 모재의 조성은 3~15wt%Co와 10wt%이하의 타탄화물을 포함하며 WC계 초경합금 인서트, 드릴, 엔드밀, 또는 이형 공구 등 예리한 인선을 가지는 3차원 복잡형상을 가진 초경합금으로 이루어진 것이 바람직하고,
상기 중간층은 초경합금 모재와 고경도 비정질 탄소막 사이에 존재하며, 주기율표의 IVa, VIa 또는 IVb족 원소로 탄소 이외의 적어도 1종류 이상의 원소로 구성되며, 중간층의 두께는 약 0.1~0.4μm인 것이 좋다.
또한, 상기 탄소막의 표면조도는 약 Ra=0.02~0.1μm이며, 또는 제 4 항에 상기 탄소막은 라만분광법에 의하여 얻어진 막의 Visible(514.5nm) Raman분광결과, Visible Raman분광에서는 약 1540cm-1에서 1840cm-1에 걸쳐 커다란 산봉우리의 형태를 가지는 브로드한 피크를 가지며, 피크를 분리에 의해 약 1333cm-1에서 다이아몬드(diamond)의 sp3결합구조 및 1560cm-1에서 흑연(G band)의 sp2결합구조로 되어 있으며, I(sp3)/I(sp2)의 면적비가 약 0.5~3.5로 바람직하다.
본 발명은 또한, 알루미늄 합금, 흑연, 플라스틱 등 비철금속 가공용 초경합금 절삭공구 모재에 고경도 비정질 탄소막을 형성시키는 방법에 있어서, 초경합금 절삭공구 모재를 기판 홀더에 세팅한 다음 필터가 장착된 음극 아크 이온 증착에 의해 형성시킴을 특징으로 하는 고경도 비정질 탄소막의 형성방법을 제공한다.
여기서, 상기 음극 아크 이온 증착을 자기장, 전기장 또는 실드 방법에 의해 증착되는 입자 또는 원자 크기를 제어함이 바람직하고, 상기 음극 아크 이온 증착을 흑연 타겟을 이용하여 아르곤 분위기에서 행함이 바람직하다.
또한, 상기 흑연 타겟은 초경합금 절삭공구 모재에 90°로 위치함이 바람직하고, 상기 음극 아크 이온 증착은 가스압 2~5 × 10-3 Torr의 분위기에서 모재 온도를 40~60℃로 유지하여 1~3시간 행함이 바람직하다.
상기에서 모재 셋팅은 기화학적으로 설계한 지그를 이용하여 3차원 형상을 가지는 초경합금 인서트를 고체원료인 흑연 타켓과 인서트의 측면이 약 90도가 될 수 있도록 조절하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 모재는 특히 초경합금 인서트로서 그 조성은 3~15wt% Co와 10wt%이하의 타탄화물을 포함하는 WC계 초경합금 인서트를 사용함이 바람직하며, 상기 모재의 평균입자크기는 0.5~6㎛의 WC계 초경합금을 사용함이 좋다.
또한, 상기 개발품에 사용된 장비 구조는 자기장 혹은 전기장 혹은 실드에 의한 가벼운 이온만을 적층하는 아크 이온 도금에 의한 합성방법이 바람직하며, 사용되는 플라즈마원은 아르곤분위기를 이용한 고체 흑연 타켓을 사용함이 바람직하다.
또한, 코팅된 막의 두께는 0.7~3.5㎛, 표면조도는 Ra=0.02~0.1㎛, 경도 20~40GPa가 되도록 함이 바람직하다.
또한, 상기 Visible 라만분광에서는 약 1540cm-1을 중심으로 960cm-1 주변에서 1840cm-1에 걸쳐 브로드한 피크가 얻어짐이 바람직하다. 또한, 얻어진 피크를 가우시안(Gauss)법에 의하여 피크를 분리한 결과, 약 1333cm-1에서 다이아몬드의 sp3결합구조 및 1560cm-1에서 흑연(G band)의 sp2결합구조를 가지며, I(sp3)/I(sp2)의 면적비가 약 0.5~3.5이 얻어지게 함이 바람직하다.
이하에서는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명은 종래의 코팅용 다이아몬드(coating diamond) 혹은 용접형 소결체 PCD(poly crystalline diamond) 절삭공구의 생산성 및 원가절감 측면을 개선하기 위한 새로운 비철재료 가공용 절삭공구로서 물리적기상증착(physical vapor deposition)법에 의해 고체 흑연 타켓을 이용하여 아크에 의한 플라즈마를 발생시켜 무거운 입자들은 설치된필터를 통하여 제거하며 가벼운 이온들만을 모재에 적층시킨 결과, 약 22~25GPa의 고경도 비정질 탄소막을 형성시켰으며, 결과물로 얻어진 코팅막에 대하여 상기 Visible(514.5nm) 라만분광법과 나노인텐터를 이용하여 특성을 평가한 결과 다이아몬드의 물성을 가지면서 수소를 전혀 포함하지 않는 높은 경도를 가지는 새로운 개념의 비정질 탄소막을 형성시키는 것이 가능하였다.
본 발명은 종래 코팅 다이아몬드의 CVD법 혹은 용접형 소결체 PCD의 고온고압법의 제조법과는 달리 대량생산이 가능한 PVD법에 의한 짧은 코팅시간에 많은 제품을 처리할 수 있으며, 또한 C/B붙이 인서트, 드릴, 엔드밀, 기타 이형 공구 등과 같은 3차원적인 복잡한 형상을 가진 절삭공구에 적용 가능하였으며, 종래의 코팅용 다이아몬드막 제조시 초래되는 모재에 대한 불균일한 온도분포에 대한 공구수명의 재현성 문제가 해결되고, 특히 조대한 결정입자 성장으로 인한 표면조도 불량으로 절삭시 피삭재의 표면조도를 떨어뜨리는 점을 개선하였으며, 고온고압법의 제조공정이 장시간 필요한 것에 대하여 단시간 내에 해결하였다.
비교 실시예 1
본 실시예는 종래의 방법으로 코팅용 다이아몬드(coating diamond)에 대한 것이다. 통상 절삭공구에 사용되는 코팅용 다이아몬드는 열필라멘트법에 의하여 기판홀더에 16*8*5(두께)mm3의 3차원 복잡형상을 가지는 초경합금(WC-6%Co)으로 이루어진 모재(APKT1604PDFR-MA)를 기판홀더에 셋팅한 다음, 가스압 20~40Torr의 메탄-수소의 혼합가스분위기에서 모재온도 750~850℃, 12시간 코팅하였다. 그 결과, 얻어진 막의 결정입자(도 2)의 크기는 약 2~10㎛정도이며, XRD분석결과 다이아몬드(111), (200), (311)면의 피크가 검출되었으며, Visible Raman분광분석결과 약 1333cm-1에서 다이아몬드의 비교적 양호한 결정성을 보여주는 예리한 피크가 얻어졌다. 하지만, 얻어진 막의 두께를 보면, 상면에서는 비교적 균일하게 얻어지지만, 측면에서는 인선 및 상면에 비해 얇게 코팅되며, 결정입자의 크기도 상이하다. 이것은 외관상 플라즈마와 모재의 상면부가 접하는 부분에서 플라즈마의 분포가 인선부에 집중되며, 그 결과, 모재의 온도분포가 다르기 때문에 다이아몬드의 핵생성 및 성장속도가 상이하다. 또한, 여기원인 텅스텐(W) 필라멘트를 주기적으로 교환해야 하며, 코팅시간이 장시간이며, 처리되는 면적이 작아 1회 장입량도 소량에 불가하며, 3차원 복잡 형상 공구에 대해서는 동일 모재에 있어 부위별 균일한 코팅막의 두께 조절이 어려운 점을 들 수 있다.
비교 실시예2
본 실시예는 종래의 방법으로 용접형 소결체 PCD(polycrystalline diamond)에 대한 것이다. 고온고압법으로 만들어진 벌크용 소결체 다이아몬드를 12*12*3(두께)mm3의 2차원 형상을 가지는 초경합금(WC-6%Co)으로 이루어진 모재(SFCN1203EFR)의 1코너를 이용하여 용접한 것이다(도 3). 3차원적인 복잡한 형상을 가지는 C/B붙이 인서트, 드릴, 엔드밀, 기타 이형공구 등에 적용 불가능하며, 또한 단순한 2차원적인 형상을 가진 인서트에서도 1코너가 아닌 4코너를 사용/적용하기에는 제조상의 문제 및 원가적인 측면이 고려되지 않으면 안 된다.
실시예 3
본 발명의 실시예에서는, 기판홀더(1)에 16*8*5(두께)mm3의 3차원 복잡형상을 가지는 초경합금(WC-6%Co)인 모재(APKT1604PDFR-MA)(8)를 그림과 같이 셋팅한 다음, 가스압 2~5×10-3Torr의 아르곤 가스분위기에서 모재온도 50℃, 2시간 코팅하였다. 즉, 탄소를 포함하는 반응가스를 사용하지 않으며, 원료인 고체 흑연 타켓(4)을 사용하여 아크 방전에 의한 플라즈마를 발생시켜 줌으로서 순간적으로 높은 전류를 타켓에 흘러주어 이온화율이 매우 높으며, 또한 필터(5)를 사용하여 무거운 혹은 조대한 입자를 제거함으로서 최종적으로 모재에는 가벼운 입자 혹은 원자들로 구성된 퇴적층을 3차원적으로 균일하게 조절하는 것이다.
실시예의 실험조건 및 박막구조
가스압 2~5×10-3Torr, 아르곤 가스분위기, 코팅시간 2시간, 모재온도 50℃, 바이어스전압 -250V, 박막구조 중간층(Si/Cr/W)+고경도 비정질 탄소막 설계
물성평가 결과
평가 1
실시예 3에서, 얻어진 막의 표면형상(도 4a)은 매우 평탄함을 알 수 있으며, 단면조직(도 4b) 관찰결과 모재 계면으로부터 치밀하게 성장되어 있음을 알 수 있다. 표면조도(도 5)는 약 Ra=0.05μm이며, 60kgf의 하중(HRA)으로 압흔하였을 때 박리가 일어나지 않았다. 또한, 도 6에서 나타낸 바와 같이, 나노인텐터에 의한 미소경도 측정결과(3회측정) 약 22~25GPa로서 비정질 탄소막으로서 매우 높은 경도를 보였다.
평가 2
실시예 3에서, Visible 라만분광에서는 약 1540cm-1을 중심으로 960cm-1 주변에서 1840cm-1에 걸쳐 산봉우리의 형태를 가지는 브로드한 피크가 얻어짐이 바람직하다.
라만분광법에 의한 결과, 얻어진 막의 Visible(514.5nm) Raman분광결과, 도 7에서 나타낸 바와 같이, Visible Raman분광에서는 약 1540cm-1주변에서 1840cm-1에 걸쳐 산봉우리의 형태를 가지는 브로드한 피크가 관찰되었으며, 또한, 상면부와 인선부에 있어 얻어진 피크에 대해 가우스(Gauss)법에 의하여 피크를 분리한 결과, 약 1333cm-1에서 다이아몬드의 sp3결합구조 및 1560cm-1에서 흑연(G band)의 sp2결합구조를 가지며, I(sp3)/I(sp2)의 면적비가 약 0.90~3.05인 것으로 확인되었다.
평가 3
상기 중간층(Si/Cr/W, ~0.25μm)을 이용한 비정질 탄소막의 절삭성능평가 결과, 피삭재는 Al6061(~1%Si-Al)에 대하여 V=300/500/949(m/min), f=0.15(mm/rev), Ad=Rd=5(mm)에서 실시한 결과, 표 1에 나타낸 바와 같이, 중간층 유무에 따른 절삭시의 공구수명 판단결과, 절삭장 50m에서 Cr+탄소막의 경우가 가장 양호한 절삭수명을 나타내었다. 즉, 인선부 상면부에서 용착 및 주절인부에서 미세치핑/면조도/마모/박리가 최소로 확인되었다. 또한 박막두께 측면에서는 약 1.1μm의 경우가 가장 양호하였다.
(A) 절삭시험(건식가공, 형번 APKT1604PDFR-MA(H1))
-피삭재 : Al6061
(~1%Si-Al, 크기: 300㎜(L)×120㎜(W)×200㎜(t))
-절삭속도 : 300/500/949 (m/min)
-이송량 : 0.15 (㎜/rev)
-절입량 : 2 (mm)
-절삭거리 : 50 (m)
| 주속(mim) 항목 | 초경 | 탄소막 | Si+탄소막 | Cr+탄소막 | W+탄소막 | |||||||||||
| 300 | 500 | 949 | 300 | 500 | 949 | 300 | 500 | 949 | 300 | 500 | 949 | 300 | 500 | 949 | ||
| 절삭장 | 30 | 10 | 12 | 15 | 20 | 18 | 15 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 10 | 30 | 10 |
| 용착 | 30 | 10 | 12 | 15 | 13 | 13 | 16 | 20 | 17 | 23 | 25 | 25 | 24 | 10 | 20 | 17 |
| 미세치핑 | 15 | 5 | 6 | 8 | 9 | 10 | 10 | 13 | 11 | 11 | 11 | 13 | 13 | 5 | 10 | 5 |
| 면조도 | 15 | 4 | 5 | 7 | 9 | 7 | 7 | 15 | 12 | 14 | 15 | 14 | 14 | 5 | 11 | 10 |
| 박리/마모 | 10 | 3 | 3 | 4 | 4 | 4 | 3 | 6 | 7 | 9 | 9 | 9 | 9 | 3 | 7 | 2 |
| 소계 | 32 | 38 | 49 | 55 | 52 | 51 | 84 | 77 | 86 | 90 | 91 | 90 | 33 | 78 | 44 | |
| 계(평균) | 100 | 40 | 53 | 82.3 | 90.3 | 51.7 | ||||||||||
표1
상기에서 설명한 바와 같이, 3차원 복잡형상을 가지는 C/B붙이 인서트, 드릴, 엔드밀, 기타 이형 공구에 대하여 물리적기상증착(physical vapor deposition)법에 의하여 기화학적으로 설계된 지그(기판홀더)를 이용하여 3차원적으로 균일하게 코팅한 결과, 다이아몬드의 물성을 일부 함유하는 표면조도가 매우 양호한 게다가 자체 윤활효과를 가지는 약 22~25GPa의 고경도의 비정질 탄소막의 특성을 가지는 막을 3차원 복잡형상 초경합금에 형성하는 것이 가능하다.
따라서 종래의 문제점이었던 코팅용 다이아몬드와 용접형 소결체 PCD 절삭공구의 소량생산 및 제조원가 절감 차원에서 다양한 모재와 복잡 형상에 대하여 대량생산이 가능하게 되었다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야의 숙련된 당업자는 실용신안등록청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명에 대하여 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (7)
- 알루미늄합금, 흑연, 플라스틱 등 비철금속 가공용 초경합금 절삭공구 모재의 고경도 비정질 탄소막에 있어서, 원료인 고체 흑연 타켓을 이용한 아르곤 분위기에서 물리적기상증착(physical vapor deposition, PVD)법에 의하여 3차원 복잡형상을 가지는 초경합금 모재에 중간층을 포함하여 약 20~40GPa의 경도를 가지며 박막두께 0.7~3.5μm인 것을 특징으로 하는 고경도 비정질 탄소막.
- 제 1항에 있어서, 상기 모재의 조성은 3~15wt%Co와 10wt%이하의 타탄화물을 포함하며 WC계 초경합금 인서트, 드릴, 엔드밀, 또는 이형 공구 등 예리한 인선을 가지는 3차원 복잡형상을 가진 초경합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고경도 비정질 탄소막.
- 제 1항에 있어서, 상기 중간층은 초경합금 모재와 고경도 비정질 탄소막 사이에 존재하며, 주기율표의 IVa, VIa 또는 IVb족 원소로 탄소 이외의 적어도 1종류 이상의 원소로 구성되며, 중간층의 두께는 약 0.1~0.4μm인 것을 특징으로 하는 고경도 비정질 탄소막.
- 제 1항에 있어서, 상기 탄소막의 표면조도는 약 Ra=0.02~0.1μm인 것을 특징으로 하는 고경도 비정질 탄소막.
- 제 1항 또는 제 4항에 있어서, 상기 탄소막은 라만분광법에 의하여 얻어진 막의 Visible(514.5nm) Raman분광결과, Visible Raman분광에서는 1540cm-1 에서 1840cm-1에 걸쳐 커다란 산봉우리의 형태를 가지는 브로드한 피크를 가지며, 피크를 분리에 의해 약 1333cm-1에서 다이아몬드(diamond)의 sp3결합구조 및 1560cm-1에서 흑연(G band)의 sp2결합구조로 되어 있으며, I(sp3)/I(sp2)의 면적비가 약 0.5~3.5인 것을 특징으로 하는 고경도 비정질 탄소막.
- 알루미늄 합금, 흑연, 플라스틱 등 비철금속 가공용 초경합금 절삭공구 모재에 고경도 비정질 탄소막을 형성시키는 방법에 있어서, 초경합금 절삭공구 모재를 기판 홀더에 세팅한 다음 필터가 장착된 음극 아크 이온 증착에 의해 형성시킴을 특징으로 하는 고경도 비정질 탄소막의 형성방법.
- 제 6항에 있어서, 상기 음극 아크 이온 증착을 자기장, 전기장 또는 실드 방법에 의해 증착되는 입자 또는 원자 크기를 제어함을 특징으로 하는 고경도 비정질 탄소막의 형성방법.
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| KR1020040113218A KR20060074467A (ko) | 2004-12-27 | 2004-12-27 | 초경합금 절삭공구에 피복되는 고경도 비정질 탄소막 |
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| KR1020040113218A KR20060074467A (ko) | 2004-12-27 | 2004-12-27 | 초경합금 절삭공구에 피복되는 고경도 비정질 탄소막 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010064879A2 (ko) * | 2008-12-05 | 2010-06-10 | 주식회사 도루코 | 면도기 면도날의 박막 증착 방법 |
| WO2014104569A1 (ko) * | 2012-12-24 | 2014-07-03 | 한국야금 주식회사 | 표면조도가 우수한 다이아몬드가 코팅된 절삭공구 및 절삭공구의 다이아몬드 코팅법 |
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| WO2010064879A3 (ko) * | 2008-12-05 | 2010-09-30 | 주식회사 도루코 | 면도기 면도날의 박막 증착 방법 |
| WO2014104569A1 (ko) * | 2012-12-24 | 2014-07-03 | 한국야금 주식회사 | 표면조도가 우수한 다이아몬드가 코팅된 절삭공구 및 절삭공구의 다이아몬드 코팅법 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| J201 | Request for trial against refusal decision | ||
| J801 | Dismissal of trial |
Free format text: REJECTION OF TRIAL FOR APPEAL AGAINST DECISION TO DECLINE REFUSAL REQUESTED 20061117 Effective date: 20070201 |