KR20060102658A - Cemented carbide cutting tool having multicoated layer - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속절삭 가공용 공구재료로 사용되는 피복 초경합금 모재 표면에 화학증착법에 의한 적층 티타늄화합물층과 물리증착법에 의한 티타늄알루미늄질화물층 또는 알루미늄티타늄질화물층을 형성함으로서 모재와의 결합력 증대 및 인장 잔류응력을 완화시키고, 내마모성 및 내산화성 향상으로 사용수명이 증대된 절삭공구 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention forms a laminated titanium compound layer by chemical vapor deposition and a titanium aluminum nitride layer or aluminum titanium nitride layer by physical vapor deposition on the surface of a coated cemented carbide base material used as a tool material for metal cutting, thereby increasing bonding strength and tensile residual stress. The present invention relates to a cutting tool and a method of manufacturing the same, alleviating and increasing the service life by improving wear resistance and oxidation resistance.
본 밞명의 구성은 모재 표면에 TiN층 또는 TiC층이 적층되고, 상기 적층된 상면에 적층순서와 관계없이 MTCVD(Moderate Temperature CVD)에 따른 TiCN층을 적어도 포함함과 함께 TiN층, TiC층, TiCN층 중 1종 이상 선택하여 재질이 서로 겹치지 않는 경계로 적층된 적어도 3층 이상으로 된 내부층(2)과 상기 내부층의 최외각층의 상면에 TiAlN층 또는 AlTiN층으로 된 단일층 또는 동일 재질의 복합층으로 된 외부층(3)으로 적층되어 이루어짐을 특징으로 하는 초경합금 절삭공구로 이루어진다.TiN layer or TiC layer is laminated on the surface of the base material, and the TiN layer, TiC layer, TiCN is included on the laminated upper surface, at least including the TiCN layer according to MTCVD (Moderate Temperature CVD) regardless of the stacking order. A single layer of the same material or a TiAlN layer or an AlTiN layer on the upper surface of at least three layers and at least three layers stacked on a boundary where materials are not overlapped with each other by selecting one or more of the layers. The cemented carbide cutting tool is characterized by being laminated with an outer layer 3 of a composite layer.
화학증착법. 물리증착법. 절삭공구 Chemical vapor deposition. Physical vapor deposition. Cutting tools
Description
도 1은 본 발명의 CVD 및 PVD 복합코팅에 적용되는 밀링용 인서트1 is a milling insert applied to the CVD and PVD composite coating of the present invention
도 2 내지 도8은 모재 표면에 CVD 및 PVD 복합코팅층이 형성된 바람직한 여러 실시예를 나타낸 본 발명의 피복층이 적층된 단면도2 to 8 are cross-sectional views in which the coating layer of the present invention is shown, showing several preferred embodiments in which a CVD and PVD composite coating layer is formed on the base material surface.
도 3 내지 도 16은 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 피복층이 적층된 단면도3 to 16 are cross-sectional views in which a coating layer showing another embodiment of the present invention is stacked.
도면의 주요부분에 대한 도면부호의 설명Explanation of reference numerals for main parts of drawings
1: WC-Co 합금 모재 2: 내부층 3: 외부층1: WC-Co alloy base material 2: inner layer 3: outer layer
본 발명은 금속절삭 가공용 공구재료로 사용되는 피복 초경합금 공구에 관한 것으로, 보다 상세하게는 절삭공구의 모재 표면에 화학증착법에 의한 적층 티타늄화합물층과 물리증착법에 의한 티타늄알루미늄질화물층 또는 알루미늄티타늄질화물층을 형성함으로서 모재와의 결합력 증대 및 인장 잔류응력을 완화시키고, 내마모성 및 내산화성 향상으로 사용수명이 증대된 절삭공구에 관한 것이다.The present invention relates to a coated cemented carbide tool used as a tool material for metal cutting, and more particularly to a laminated titanium compound layer by chemical vapor deposition and a titanium aluminum nitride layer or aluminum titanium nitride layer by physical vapor deposition. The present invention relates to a cutting tool having a longer service life due to an increase in bonding strength with a base material and relaxation of tensile residual stress, and an improvement in wear resistance and oxidation resistance.
피가공물을 절삭하기 위한 절삭공구는 철, 강(합금강)등과 같은 초경합금을 성분으로 하고, 내마모성 및 인성을 증대시키기 위해 공구강 모재의 표면에 각종 산화물, 탄화물 등과 같은 화합물을 화학증착법(CVD:Chemical vapor deposition), 물리증착법(PVD:Physical vapor deposition)을 이용하여 코팅하고 있다.The cutting tool for cutting the workpiece consists of cemented carbide such as iron, steel (alloy steel), etc., and chemical vapor deposition (CVD: chemical vapor deposition of compounds such as various oxides and carbides on the surface of the tool steel base material in order to increase wear resistance and toughness. coating) and physical vapor deposition (PVD).
CVD 코팅 초경공구는 일반적으로 TiC, TaC등 제2탄화물이 첨가된 P계열의 재종인 경합금 모재에 TiC, TiN, TiCN 및 Al2O3 층을 코팅하여 800℃ 이상의 고온에서 화학증착법으로 코팅하는 방법으로 균일한 코팅층과 모재와의 높은 결합력을 얻을 수 있다. 이러한 CVD 코팅 절삭공구는 코팅의 결합력이 우수하고 특히 내마모성과 내열특성이 우수하여 터닝 인서트에서 우수한 특성을 발휘한다. CVD coated carbide tools are generally coated with chemical vapor deposition at a temperature of 800 ℃ or higher by coating TiC, TiN, TiCN, and Al 2 O 3 layers on a light alloy base material, which is a P-based grade containing a second carbide such as TiC and TaC. As a result, a high bonding strength between the uniform coating layer and the base material can be obtained. The CVD coated cutting tool has excellent bonding strength, and particularly excellent wear resistance and heat resistance, thus exhibiting excellent characteristics in turning inserts.
그러나 상기한 CVD 코팅은 고온화학반응에 의해 코팅이 진행되므로 모재와 코팅 사이에 변질층(Brittle Eta phase)이 생기기 쉽고 예리한 절삭날을 얻기 어려우며 코팅면에 인장응력이 생기는 단점이 있다.However, the CVD coating has a disadvantage in that the coating proceeds by a high temperature chemical reaction, and thus, a brittle eta phase is easily formed between the base material and the coating, it is difficult to obtain a sharp cutting edge, and tensile stress occurs on the coating surface.
한편 PVD 코팅 초경공구는 물리적 증착법에 의해 낮은 온도에서 TiN, TiCN 및 TiAiN 등을 코팅하여 주로 내충격성이 요구되는 밀링용 절삭공구에 많이 응용되는 것으로 CVD코팅과 달리 압축응력이 생겨 단속가공에는 유리하다. 또한 PVD코팅은 CVD코팅에 비해 코팅층의 밀착강도는 떨어지지만 내칩핑성을 높일 수 있고, 예리한 절삭날을 얻을 수 있는 장점이 있다.On the other hand, PVD-coated carbide tools are applied to milling tools that require high impact resistance by coating TiN, TiCN and TiAiN at low temperatures by physical vapor deposition. Unlike CVD coating, compression stress is generated, which is advantageous for interrupted machining. . In addition, the PVD coating has an advantage in that the adhesion strength of the coating layer is lower than that of the CVD coating, but the chipping resistance can be increased and a sharp cutting edge can be obtained.
이와 같이 두종류의 절삭공구 코팅기술은 각각의 장단점을 살려 그 용도에 맞게 폭 넓게 사용되고 있다. 최근에 이러한 두종류의 코팅기술에 대한 복합화 시도가 진행되고 있다. 이러한 시도는 주로 TiC, TaC, NbC, Cr3C 등의 제2탄화물이 첨 가된 P계열의 초경합금 모재에 CVD 코팅에 의한 TiN 및 TiCN과 PVD법에 의한 TiN 코팅을 복합화한 방법이다(US Patent 5,364,209). 이 방법은 CVD TiCN의 특성을 살려 이를 이용한 것이다. 한편 또 다른 시도는 다양한 제2탄화물을 코팅한 후 다시 0.1∼5㎛의 k-Al3O3를 CVD 코팅하는 것이다(US Patent 6,565,957 B2).As such, two types of cutting tool coating techniques are widely used to suit their purpose, taking advantage of their respective advantages and disadvantages. Recently, attempts to combine these two coating technologies have been conducted. Such an attempt is a method in which TiN, TiCN by CVD coating, and TiN coating by PVD method are combined with P-based cemented carbide base material containing a second carbide such as TiC, TaC, NbC, Cr 3 C, etc. (US Patent) 5,364,209). This method takes advantage of the characteristics of CVD TiCN. On the other hand, another attempt is to coat a variety of second carbide and then CVD coating k-Al 3 O 3 of 0.1 ~ 5㎛ again (US Patent 6,565,957 B2).
기존의 복합코팅 모재의 경우 모두가 WC-Co 재종이 아닌 TiC, TaC등 제2탄화물이 첨가된 P계열의 재종을 사용하고 있는데 그 이유는 모재인 WC-Co 재종에 맞는 CVD+PVD 복합코팅층을 개발하기 어렵기 때문이다. 상대적으로 P계열의 모재에 대한 CVD코팅기술은 비교적 보편화되었기 때문이며, 거기에 추가로 PVD코팅을 하여 새로운 보다 개선된 성능의 보합 코팅층을 얻는 것이 상기에서 언급한 미국특허라 할 수 있다. In the case of the existing composite coating base materials, not all WC-Co grades are used but P-type grades including TiC, TaC, etc., and the reason is CVD + PVD composite coating layer suitable for the base material WC-Co grade. It is difficult to develop. This is because the CVD coating technology for the P-based base material is relatively common, and further, PVD coating to obtain a new improved performance of the composite coating layer can be referred to the above-mentioned US patent.
본 발명은 상기와 같은 CVD 및 PVD 코팅을 복합화하여 각각의 단점을 보완하여 새로운 개념의 코팅 절삭공구를 얻고자 하는데 있는 것으로, 미국특허를 포함한 통상의 특허에 있어 CVD 코팅의 경우 Al2O3층을 포함하지만 본 발명의 경우는 Al2O3층을 포함하지 않는다. Al2O3층은 고온 내마모성은 우수하지만 취성이 있어 코팅층 박리나 치핑성 원인이 되기 쉬우므로 이 코팅층을 도입하지 않고 고온내마모성, 산화마모, 내치핑성 등의 특성이 우수한 TiAlN 코팅을 Monolayer 또는 Multinano구조로 하여 Al2O3층의 역할을 대신하므로서 내마모 및 인성이 우수한 코팅을 얻을 수 있다. The present invention is to obtain a new concept of the coating cutting tool by compensating the respective disadvantages by complexing the above CVD and PVD coating, Al 2 O 3 layer in the case of CVD coating in the conventional patent, including the United States patent But in the case of the present invention does not comprise an Al 2 O 3 layer. The Al 2 O 3 layer has excellent abrasion resistance at high temperature but is brittle and easily causes coating layer peeling and chipping. Therefore, without introducing this coating layer, TiAlN coating with excellent properties such as high temperature abrasion resistance, oxide wear and chipping resistance can be used as monolayer or multinano. As a structure, the coating having excellent wear resistance and toughness can be obtained by replacing the role of the Al 2 O 3 layer.
즉, 본 발명은 WC-Co 모재를 이용하여 이에 적합한 우수한 절삭특성을 나타 내는 CVD+PVD 복합코팅층을 새롭게 개발한 것이다.That is, the present invention newly developed a CVD + PVD composite coating layer exhibiting excellent cutting characteristics using the WC-Co base material.
본 발명은 종래의 절삭공구에 폭 넓게 이용되는 CVD 코팅 및 PVD 코팅 각각의 단점을 보완하고 장점을 극대화한 것으로, 절삭공구 모재와의 결합력 증대 및 인장 잔류응력을 완화시키고, 내마모성 및 내산화성 향상으로 사용수명이 증대된 새로운 절삭공구를 얻고자 하는 것으로, Ti계 세라믹층을 CVD 코팅층을 이용하여 모재와의 결합력이 우수한 견고한 코팅층을 얻음과 함께, PVD 코팅층을 이용한 경질의 TiAlN층을 상기 CVD층에 다시 코팅함으로서 CVD 코팅층의 인장 잔류응력을 완화시켜 내마모성을 향상시키는 등 내산화성 향상으로 사용수명이 증대된 새로운 절삭공구를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다. The present invention is to complement the disadvantages of each of the CVD coating and PVD coating widely used in conventional cutting tools and maximize the advantages, to increase the bonding strength with the cutting tool base material and to reduce the tensile residual stress, and to improve wear resistance and oxidation resistance In order to obtain a new cutting tool with an increased service life, a Ti-based ceramic layer is used as the CVD coating layer to obtain a rigid coating layer having excellent bonding force with the base material, and a hard TiAlN layer using the PVD coating layer is applied to the CVD layer. The purpose of the present invention is to provide a new cutting tool having a longer service life by improving oxidation resistance, such as relieving tensile residual stress of the CVD coating layer to improve wear resistance.
즉, 본 발명은 WC-Co 모재를 이용하여 이에 적합한 우수한 절삭특성을 나타내는 CVD+PVD 복합코팅층을 새롭게 개발한 것이다.That is, the present invention newly developed a CVD + PVD composite coating layer exhibiting excellent cutting characteristics using the WC-Co base material.
상기한 목적 달성을 위한 본 발명은 WC-Co 2원계 합금 모재 표면에 화학증착법에 따른 복수의 적층과 물리증착법에 따른 적층구조가 순차적으로 이루어진 절삭공구로 구성되어 진다. 도 1은 인서트 절삭 구조에 대한 사시도를 나타낸 것이고, 도 2 내지 도8은 상기 인서트 모재 표면에 적층되는 여러 적층 코팅구조의 실시예를 나타낸 것이다. The present invention for achieving the above object is composed of a cutting tool consisting of a plurality of lamination according to the chemical vapor deposition method and a lamination structure according to the physical vapor deposition method on the surface of the WC-Co binary alloy base material. 1 illustrates a perspective view of an insert cutting structure, and FIGS. 2 to 8 show embodiments of various laminated coating structures laminated to the insert base material surface.
본 발명은 초경모재로서, 예를 들면 WC-Co 모재(1)인 기판상에 화학증착법(CVD)에 따른 티타늄화합물로 된 복수층을 이루는 내부층(2)(Inner layer)과 물리 증착법(PCD)에 따라 적층되는 티타늄알루미늄질화물 또는 알루미늄티타늄질화물로 된 단일층(Monolayer) 또는 동일재질로 된 복합층(Multinanolayer)을 갖는 외부층(3)(out layer) 구조로 이루어 진다.The present invention is a superhard base material, for example, the inner layer (2) (Inner layer) and the physical vapor deposition method (PCD) forming a plurality of layers of titanium compound by chemical vapor deposition (CVD) on a substrate, for example, WC-Co base material (1) It is composed of an outer layer (out layer) structure having a monolayer or a multilayer layer made of titanium aluminum nitride or aluminum titanium nitride laminated according to the same material.
도 2 내지 도 16은 본 발명의 여러 실시예를 나타낸 것으로, 모재(1) 표면에 TiN층 또는 TiC층이 적층되고, 상기 적층된 상면에 적층순서와 관계없이 MTCVD(Moderate Temperature CVD)에 따른 TiCN층을 적어도 포함하고, TiN층, TiC층, TiCN층 중 1종 이상 선택하여 재질이 서로 겹치지 않는 경계로 적층된 내부층(2)과 상기 내부층의 최외각층의 상면에 TiAlN층 또는 AlTiN층으로 된 단일층 또는 동일 재질의 복합층으로 된 외부층(3)이 적층되어 이루어짐을 특징으로 하는 초경합금 절삭공구로 이루어진다. 2 to 16 illustrate various embodiments of the present invention, in which a TiN layer or a TiC layer is stacked on the surface of the
본 발명의 실시예를 나타낸 도 2 내지 도 16도에 따라 상세히 설명하면, 도 2에 나타낸 바와 같이, 코발트(Co)를 3∼15중량% 포함한 WC-Co모재(1) 표면에 순차적으로 TiN층, MTCVD(Moderate Temperature CVD에 따른 TiCN층, TiC층, TiCN층, TiN층이 화학증착법(CVD)에 따라 내부층(2)이 적층되고, 연속하여 상기 최외각층을 이루는 TiN 상단에 물리증착법(PVD)에 따라 TiAlN 또는 AlTiN층이 되도록 코팅한다.2 to 16 showing an embodiment of the present invention, as shown in Figure 2, as shown in Figure 2, the TiN layer sequentially on the surface of the WC-Co base material (1) containing 3 to 15% by weight cobalt (Co) MTC (TiCN layer, TiC layer, TiCN layer, TiN layer according to Moderate Temperature CVD, the inner layer (2) is laminated by chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD) on top of the TiN continuously forming the outermost layer ) Coating to form a TiAlN or AlTiN layer.
또한 본 발명은 도 3에 나타낸 바와 같이, 모재(1) 상단에 TiN층, MTCVD(Moderate Temperature CVD)에 따른 TiCN층, TiCN층, TiC층, TiN층이 화학증착법(CVD)에 따라 순차적으로 적층된 내부층(2)과 연속하여 상기 최외각층을 이루는 상단에 물리증착법(PVD)에 따라 TiAlN 또는 AlTiN층이 되도록 코팅한다.In addition, as shown in FIG. 3, the TiN layer, the TiCN layer, the TiCN layer, the TiC layer, and the TiN layer according to Moderate Temperature CVD (MTCVD) are sequentially stacked on the
또한 본 발명은 도 4에 나타낸 바와 같이, 모재(1) 상단에 TiN층, MTCVD(Moderate Temperature CVD)에 따른 TiCN층, TiC층, TiN층이 화학증착법(CVD)에 따라 순차적으로 적층된 내부층(2)과 연속하여 상기 최외각층을 이루는 상단에 물리증착법(PVD)에 따라 TiAlN 또는 AlTiN층이 되도록 코팅한다.In addition, the present invention, as shown in Figure 4, the TiN layer, the TiCN layer, TiC layer, TiN layer according to the Moderate Temperature CVD (MTCVD), the upper layer of the base material (1) sequentially stacked by chemical vapor deposition (CVD) Continuously coated with (2) to the TiAlN or AlTiN layer according to physical vapor deposition (PVD) on the top of the outermost layer.
또한 본 발명은 도5에 나타낸 바와 같이, 모재(1) 상단에 TiN층, TiC층, MTCVD(Moderate Temperature CVD)에 따른 TiCN층이 화학증착법(CVD)에 따라 순차적으로 적층된 내부층(2)과 연속하여 상기 최외각층을 이루는 상단에 물리증착법(PVD)에 따라 TiAlN 또는 AlTiN층이 되도록 코팅한다.In addition, the present invention, as shown in Figure 5, the inner layer (2) in which the TiN layer, the TiC layer, the TiCN layer according to the Moderate Temperature CVD (MTCVD) sequentially stacked on the
또한 본 발명은 도 6에 나타낸 바와 같이, 모재(1) 상단에 TiN층, MTCVD(Moderate Temperature CVD)에 따른 TiCN층, TiC층이 화학증착법(CVD)에 따라 내부층(2)이 적층되고, 연속하여 상기 최외각층을 이루는 상단에 물리증착법(PVD)에 따라 TiAlN 또는 AlTiN층이 되도록 코팅한다.In addition, in the present invention, as shown in Figure 6, the TiN layer, the TiCN layer according to the Moderate Temperature CVD (MTCVD), the TiC layer is stacked on the
본 발명은 상기 한 도 2 내지 도 6에 나타낸 적층구조가 바람직하다.In the present invention, the laminated structure shown in FIGS. 2 to 6 is preferable.
또한 본 발명은 상기 한 도 2 내지 도 6에 도시되지 않은 이하에서 설명되는 도 7 내지 도 16에 대한 실시도 가능한 것으로, 도 7에 나타낸 바와 같이, 모재(1) 상단에 TiC층, TiN층, TiCN층, MTCVD(Moderate Temperature CVD)에 따른 TiCN층이 화학증착법(CVD)에 따라 순차적으로 적층된 내부층(2)과 연속하여 상기 최외각층을 이루는 상단에 물리증착법(PVD)에 따라 TiAlN 또는 AlTiN층이 되도록 코팅한다.In addition, the present invention can also be implemented with respect to Figures 7 to 16 described below, which is not shown in Figures 2 to 6 as described above, as shown in Figure 7, the TiC layer, TiN layer, TiCN layer, TiAlN or AlTiN according to physical vapor deposition (PVD) on top of the outer layer in succession with the inner layer (2) in which the TiCN layer according to the Moderate Temperature CVD (MTCVD) sequentially stacked by chemical vapor deposition (CVD) Coating to layer.
또한 도 8에 나타낸 바와 같이, 모재(1) 상단에 TiC층, TiN층, MTCVD(Moderate Temperature CVD)에 따른 TiCN층이 화학증착법(CVD)에 따라 순차적 으로 적층된 내부층(2)과 연속하여 상기 최외각층을 이루는 상단에 물리증착법(PVD)에 따라 TiAlN 또는 AlTiN층이 되도록 코팅한다.In addition, as shown in FIG. 8, the TiC layer, the TiN layer, and the TiCN layer according to the Moderate Temperature CVD (MTCVD) layer on the
또한 도 9에 나타낸 바와 같이, 모재(1) 상단에 TiC층, MTCVD(Moderate Temperature CVD)에 따른 TiCN층이 화학증착법(CVD)에 따라 순차적으로 적층된 내부층(2)과 연속하여 상기 최외각층을 이루는 상단에 물리증착법(PVD)에 따라 TiAlN 또는 AlTiN층이 되도록 코팅한다.In addition, as shown in Fig. 9, the outermost layer in succession with the inner layer (2) in which the TiC layer on the base material (1), the TiCN layer by MTCVD (Moderate Temperature CVD) is sequentially laminated by chemical vapor deposition (CVD) Coating on the top to form a TiAlN or AlTiN layer according to physical vapor deposition (PVD).
또한 도 10에 나타낸 바와 같이, 모재(1) 상단에 TiN층, MTCVD(Moderate Temperature CVD)에 따른 TiCN층, TiCN층, TiC층이 화학증착법(CVD)에 따라 순차적으로 적층된 내부층(2)과 연속하여 상기 최외각층을 이루는 상단에 물리증착법(PVD)에 따라 TiAlN 또는 AlTiN층이 되도록 코팅한다.In addition, as shown in FIG. 10, an
또한 본 발명은 도 11에 나타낸 바와 같이, 모재(1) 상단에 TiN층, TiCN층, MTCVD(Moderate Temperature CVD)에 따른 TiCN층이 화학증착법(CVD)에 따라 순차적으로 적층된 내부층(2)과 연속하여 상기 최외각층을 이루는 상단에 물리증착법(PVD)에 따라 TiAlN 또는 AlTiN층이 되도록 코팅한다.In addition, according to the present invention, as shown in FIG. 11, the TiN layer, the TiCN layer, and the TiCN layer according to the Moderate Temperature CVD (MTCVD) layer on the
또한 도 12에 나타낸 바와 같이, 모재(1) 상단에 TiC층, TiCN층, MTCVD(Moderate Temperature CVD)에 따른 TiCN층이 화학증착법(CVD)에 따라 순차적으로 적층된 내부층(2)과 연속하여 상기 최외각층을 이루는 상단에 물리증착법(PVD)에 따라 TiAlN 또는 AlTiN층이 되도록 코팅한다. In addition, as shown in FIG. 12, the TiC layer, the TiCN layer, and the TiCN layer according to the Moderate Temperature CVD (MTCVD) layer on the
또한 도 13에 나타낸 바와 같이, 모재(1) 상단에 TiC층, TiCN층, MTCVD(Moderate Temperature CVD)에 따른 TiCN층, TiN층이 화학증착법(CVD)에 따라 순차적으로 적층된 내부층(2)과 연속하여 상기 최외각층을 이루는 상단에 물리증착법(PVD)에 따라 TiAlN 또는 AlTiN층이 되도록 코팅한다. In addition, as shown in FIG. 13, an
또한 도 14에 나타낸 바와 같이, 모재(1) 상단에 TiC층, MTCVD(Moderate Temperature CVD)에 따른 TiCN층, TICN층, TiN층이 화학증착법(CVD)에 따라 순차적으로 적층된 내부층(2)과 연속하여 상기 최외각층을 이루는 상단에 물리증착법(PVD)에 따라 TiAlN 또는 AlTiN층이 되도록 코팅한다. In addition, as shown in FIG. 14, an
또한 도 15에 나타낸 바와 같이, 모재(1) 상단에 TiC층, MTCVD(Moderate Temperature CVD)에 따른 TiCN층, TiC층이 화학증착법(CVD)에 따라 순차적으로 적층된 내부층(2)과 연속하여 상기 최외각층을 이루는 상단에 물리증착법(PVD)에 따라 TiAlN 또는 AlTiN층이 되도록 코팅한다. In addition, as shown in FIG. 15, the TiC layer, the TiCN layer according to the Moderate Temperature CVD (MTCVD), and the TiC layer are successively stacked on the
또한 도 16에 나타낸 바와 같이, 모재(1) 상단에 TiC층, MTCVD(Moderate Temperature CVD)에 따른 TiCN층, TiN층이 화학증착법(CVD)에 따라 순차적으로 적층된 내부층(2)과 연속하여 상기 최외각층을 이루는 상단에 물리증착법(PVD)에 따라 TiAlN 또는 AlTiN층이 되도록 코팅한다. In addition, as shown in FIG. 16, the TiC layer, the TiCN layer according to the Moderate Temperature CVD (MTCVD), and the TiN layer were sequentially stacked on the
상기 내부층(2)을 이루는 적층구조에서 MTCVD(Moderate Temperature CVD)에 따른 TiCN층을 제외하고는 고온화학증착법(800∼1000℃) 따라 실시 한다. 상기 내부층에서 MTCVD(Moderate Temperature CVD)라 함은 400∼700℃범위에서 코팅하는 것으로, 고온에서 코팅할 때 문제점으로 대두되는 코팅층과 모재와의 반응과 이에 따른 모재조직의 열화와 변질층의 생성 등을 개선하기 위해 실시한 것으로, 이 코팅은 종래보다 낮은 온도에서 코팅이 진행되므로 상기와 같은 고온코팅의 문제점을 개선할 수 있다.Except for the TiCN layer according to the Moderate Temperature CVD (MTCVD) in the laminated structure constituting the inner layer (2) it is carried out according to the high temperature chemical vapor deposition method (800 ~ 1000 ℃). MTCVD (Moderate Temperature CVD) in the inner layer is to be coated in the range of 400 ~ 700 ℃, when the coating at a high temperature is a problem between the coating layer and the base material, resulting in the degradation of the base material structure and the generation of altered layer In order to improve the etc, this coating can improve the problems of the high-temperature coating as the coating proceeds at a lower temperature than the conventional one.
상기 적층구조에서 TiC 및 TiN은 모재와 코팅층 또는 코팅층간의 결합력을 높이기 위해 도입된 코팅층이고, MT TiCN 및 TiCN은 인성과 내마모성을 높이기 위해 도입된 코팅층이다.TiC and TiN in the laminated structure is a coating layer introduced to increase the bonding force between the base material and the coating layer or coating layer, MT TiCN and TiCN is a coating layer introduced to increase the toughness and wear resistance.
본 발명은 상기한 내부층(2)의 전체 두께가 2∼20㎛ 범위이고, 외부층(3)의 전체 뚜께가 0.5∼10㎛범위로 함이 바람직하다.In the present invention, it is preferable that the total thickness of the
본 발명의 복합코팅에 사용되는 WC-Co 2원계 합금인 초경모재의 Co 함량은 5∼13중량% 범위의 것을 사용함이 바람직 한 것으로, 본 발명에 사용되는 상기 2원계 합금 조성은 TiC, TaC 등이 첨가된 P계열 등의 타 초경모재에 비해 강도 및 인성이 우수하여 내충격성 이 요구되는 절삭조건에서 우수한 특성이 기대된다. Co content of the cemented carbide base material WC-Co binary alloy used in the composite coating of the present invention is preferably used in the range of 5 to 13% by weight, the binary alloy composition used in the present invention is TiC, TaC, etc. Compared to other cemented carbides such as P series, the strength and toughness are excellent, and excellent characteristics are expected under cutting conditions requiring impact resistance.
상기 구조에서 외부층(3)을 이루는 TiAlN 또는 AlTiN층을 이루는 외부층(3)에 있어서는 TiAlN 또는 AlTiN층을 단일층(Monolayer)으로 하거나 복합층(Mutinanolayer 즉, 나노 사이즈의 TiAlN층이 중첩된 층)으로 하는 것으로, 이러한 복합층으로 할 경우에는 고속가공에서 절삭 공구날의 내치핌성 등의 안정성이 크게 향상되므로 단속 절삭가공 등의 절삭용도에서 유용하다고 할 수 있다. In the
상기 외부층(3)을 갖기 위한 물리증착법을 적용함에 있어서는 400∼600℃ 범위에서 실시한다.In applying the physical vapor deposition method to have the
다음은 실시예에 따라 설명한다.The following is described according to the embodiment.
(표 1)과 같이 본 발명에 적용된 초경모재는 제2 탄화물이 첨가되지 않는 Co함량이 5∼13중량%를 갖는 WC-Co 2원계 합금을 적용하였다.The carbide base material applied to the present invention as shown in Table 1 was WC-Co binary alloy having a Co content of 5 to 13% by weight without the addition of a second carbide.
상기 조성의 원료분말을 숩식 볼밀링 분쇄법으로 50∼80시간 분쇄 및 혼합한 후 건조하여 150∼200Mpa의 성형압으로 각 규격의 절삭공구를 성형하였다. 성형체는 소결온도 1350∼1450℃구간에서 30∼60분간 진공분위기에서 행하여 코팅용 모재를 얻었다. The raw material powder having the composition was pulverized and mixed for 50 to 80 hours by a wet ball milling method, and dried to form cutting tools of each specification at a molding pressure of 150 to 200 Mpa. The molded body was carried out in a vacuum atmosphere at a sintering temperature of 1350 to 1450 ° C. for 30 to 60 minutes to obtain a coating base material.
실시예 1Example 1
상기에서 얻어진 초경모재(Co 3중량%를 함유하는 Wc-Co)의 표면을 크리닝 처리하여 이물질을 제거한 다음 CVD 코팅에 의해 (표 1)과 같은 구조의 코팅층을 얻었다.The surface of the cemented carbide (Wc-Co containing 3% by weight of Co) obtained above was cleaned to remove foreign substances, and then a coating layer having a structure as shown in Table 1 was obtained by CVD coating.
(표 1)Table 1
상기 (표 1)에서와 같이 모재 표면에서부터 TiN/MTCVD(Moderate Temperature CVD)TiCN/TiC/TiN 순서로된 적층구조를 갖는다. 이와 같은 다중 코팅층의 두께는 4∼9㎛ 범위를 갖으며 약 6㎛의 평균 두께를 갖는다. 이러한 CVD코팅은 종래의 Al2O3층을 포함한 CVD 구조와는 달리 순수한 Ti계 세라믹 층으로 구성되어 있으며, 이 층의 조합에서 TiCN과 TiC, TiC와 TiN 사이에는 0.2∼1.0㎛의 TiCxN1-x 천이층이 포함되어 있다.As shown in Table 1, it has a laminated structure in the order of TiN / MTCVD (TiCN / TiC / TiN) from the base material surface. The thickness of such a multi-coating layer has a range of 4 ~ 9㎛ and has an average thickness of about 6㎛. Unlike the CVD structure including a conventional Al 2 O 3 layer, such CVD coating is composed of a pure Ti-based ceramic layer, TiCxN1-x of 0.2 ~ 1.0㎛ between TiCN and TiC, TiC and TiN in combination of these layers A transition layer is included.
따라서 코팅층 간의 특성 및 물성이 유사한 코팅층 구조를 가지므로 코팅층간 결합력이 보다 견고할 뿐 아니라 우수한 경질 코팅 효과를 기대할 수 있다. 이 와 같은 CVD 코팅층은 CVD+PVD 복합 코팅층의 내부층(Inner layer)으로서 우수한 특성을 가지는 것으로 평가된다.Therefore, since the coating layer structure has similar properties and physical properties between the coating layers, the bonding strength between the coating layers is not only firm, but also excellent hard coating effect can be expected. Such a CVD coating layer is evaluated to have excellent properties as an inner layer (Inner layer) of the CVD + PVD composite coating layer.
실시예 2Example 2
본 실시예는 실시예 1에서 얻어진 내부층(Inner layer)에 대한 외부층(out layer)으로서 (표 2)와 같은 PVD 코팅에 의한 2종의 단일층(Mono layer) 또는 복합층(Multinano layer)구조를 갖는 TiAlN(또는 AlTiN)코팅층을 각각 독립적으로 하여 복합층을 얻었다.This embodiment is an outer layer to the inner layer (Inner layer) obtained in Example 1, two monolayers or a composite layer (Multinano layer) by PVD coating as shown in Table 2 The TiAlN (or AlTiN) coating layers having a structure were each independently obtained to obtain a composite layer.
(표 2)Table 2
상기 (표 2)와 같이 실시예 1에서 얻어진 내부층(Inner layer)상단에 형성되는 PVD 코팅에 따른 외부층(Out layer)은 결정구조에 따라 Mono 또는 Nano 구조의 TiAlN 층을 갖는다. Mono-TiAlN 코팅층의 평균두께는 약 3.5㎛이며, Nano-TiAlN 코팅층의 평균두께는 약6㎛이다. As shown in Table 2, the outer layer according to the PVD coating formed on the inner layer obtained in Example 1 has a TiAlN layer of mono or nano structure depending on the crystal structure. The average thickness of the mono-TiAlN coating layer is about 3.5㎛, and the average thickness of the Nano-TiAlN coating layer is about 6㎛.
이러한 외부층(Out layer)의 TiAlN 코팅층은 CVD Inner layer 표면에 발생하는 인장응력을 완화시켜 주므로서 절살공구의 내치핑성을 크게 개선시킬 것으로 평가된다. 또한 TiAlN 코팅층은 실온 뿐만 아니라 고온에서 내산화성 및 내마모성이 뛰어나 절삭공구의 내마모성을 크게 향상시켜줄 것으로 기대된다.The TiAlN coating layer of the outer layer is expected to greatly improve the chipping resistance of the cutting tool while mitigating the tensile stress generated on the surface of the CVD inner layer. In addition, TiAlN coating layer is expected to greatly improve the wear resistance of the cutting tool due to excellent oxidation resistance and wear resistance at high temperature as well as room temperature.
실시예 3Example 3
상기 실시예 2를 통한 절삭공구에 대하여 절삭성능 시험을 실시하였다.The cutting performance test was performed for the cutting tool through Example 2.
절삭공구의 규격은 SPKN1203EFTR 밀링 인서트로 제작하였으며 종래의 동일 용도인 주철 가공용의 대표적인 CVD 도는 PVD 코팅한 절삭공구와의 절삭성능을 비교하여 실시한 결과를 (표 3)에 나타내었다.The cutting tool specifications were manufactured with SPKN1203EFTR milling inserts and the results of comparing the cutting performance with the typical CVD or PVD coated cutting tools for conventional cast iron machining are shown in (Table 3).
밀링시험에는 90×90×200mm 크기의 피삭재인 주철FC(Gray cast iron) 및 덕타일 주철(FCD)을 사용하였고, 종래의 코팅 절삭공구가 사용되는 절삭조건에서 각 절삭공구의 절삭날 측면(Flank) 마모량이 0.25mm에 도달할 때까지의 거리로 평가하였고, 절삭도중 절삭날 결손이나 치핑이 발생하여 더 이상 절삭가공이 어려울 경우에는 공구수명이 다 끝난 것으로 평가하였다.In the milling test, cast iron (Gray cast iron) and ductile cast iron (FCD), which are 90 × 90 × 200 mm sized workpieces, were used, and the cutting edges of each cutting tool (Flank) under cutting conditions in which conventional coated cutting tools are used. Abrasion was evaluated as the distance to reach 0.25mm, and the tool life was evaluated when the cutting was difficult due to chip edge defect or chipping during cutting.
(표 3) 및 (표 4)에 각각 주철 및 덕타일 주철 피삭제의 밀링가공 비교 시험결과를 종래의 코팅 절삭공구와 비교해서 나타내었다.Table 3 and Table 4 show the results of milling comparison test of cast iron and ductile cast iron, respectively, compared with conventional coated cutting tools.
(표 3)Table 3
(표 4)Table 4
상기 (표 3) 및 (표 4) 결과에서와 같이 본 발명의 코팅 절삭공구는 FC 및 FCD 절삭가공에서 종래의 CVD 또는 PVD 코팅 절삭공구에 비해 우수한 절삭성능을 가지는 것을 알 수 있다. 따라서 동일 조건의 절삭에서 타 절삭공구에 비해 뛰어난 공구수명으로 안정적인 절삭가공이 가능하다.As shown in the results of Tables 3 and 4, it can be seen that the coated cutting tool of the present invention has superior cutting performance compared to conventional CVD or PVD coated cutting tools in FC and FCD cutting. Therefore, stable cutting is possible with excellent tool life compared to other cutting tools in cutting under the same conditions.
특히 종래의 CVD 코팅 절삭공구에 비해 절삭날의 내칩핑성이 우수하여 보다 신뢰성이 높은 밀링가공이 가능하다. 또한 종래의 TiAlN PVD 코팅한 절삭공구에 비해서는 PVD 코팅과 같은 우수한 인성을 가질 뿐만 아니라 내마모성이 뛰어나 보다우수한 공구수명을 나타내었다.In particular, the chipping resistance of the cutting edge is superior to the conventional CVD-coated cutting tool, which enables more reliable milling. In addition, compared to the conventional TiAlN PVD-coated cutting tools, not only has excellent toughness, such as PVD coating, but also shows excellent tool life due to excellent wear resistance.
이와같은 절삭 성능 비교시험 결과로부터 본 발명의 CVD+PVD 코팅한 절삭공구는 종래의 대표적인 주철가공용 절삭공구인 CVD 도는 PVD 코팅 절삭공구에 비해 공구수명이 대폭 개선된 것을 알 수 있다.From the cutting performance comparison test results, the CVD + PVD-coated cutting tool of the present invention can be seen that the tool life is significantly improved compared to the conventional CVD or PVD-coated cutting tool.
이상에서와 같이 본 발명의 새로운 CVD+PVD 코팅 절삭공구는 기존의 CVD 또는 PVD 코팅 절삭공구가 갖고 있는 문제점을 해결함으로써 종래의 코팅 절삭공구보다 뛰어난 절삭성능을 얻을 수 있으며, 또한 초경모재로서 WC-Co 2원계 조성을 가지므로 인성이 우수하여 강재의 절삭가공 뿐만 아니라 특히 회주철 및 덕타일 주철의 가공에서 우수한 성능을 발휘하므로 종래의 코팅 절삭공구에 비해 공구수명을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.As described above, the new CVD + PVD coated cutting tool of the present invention solves the problems of the conventional CVD or PVD coated cutting tool, thereby obtaining cutting performance superior to that of the conventional coated cutting tool. It is expected to be able to greatly improve the tool life compared to the conventional coated cutting tool because the Co binary composition has excellent toughness and shows excellent performance not only in cutting of steel but also in gray and ductile cast iron.
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