KR20060134859A - 경화강 마무리가공용 복합코팅 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기재 및 코팅을 포함하는 절삭공구 인서트, 솔리드 엔드밀 (end mill), 또는 드릴 (drill) 에 관한 것이다. 상기 코팅은 하나 이상의 층이 입방 (Me,Si)X 상을 포함하고 있는 하나 이상의 내화성 화합물층으로 구성되며, 여기서 Me 는 원소 Ti, V, Cr, Xr, Nb, Mo, Hf, Ta 및 Al 중의 하나 이상이고, X 는 원소 N, C, O 또는 B 중의 하나 이상이다. c-MeSiX 상의 비 (R = (X 의 %)/(Me 의 %)) 은 0.5 ~ 0.1 이고 X 는 30 % 미만의 O+B 를 포함한다. 본 발명은 칩 두께가 작으며 작업재료가 경질인 금속 기계가공용 (예컨데, 솔리드 엔드밀을 사용하는 모방 밀링, 삽입 밀링 커터 또는 경화강의 드릴링) 으로 특히 유용하다.
절삭공구
Description
도 1 은 본 발명에 따른 PcBN 기재에 증착된 Ti0 .77Si0 .23N 층으로부터 얻은 θ-2θ 방식의 CuKα X 선 회절 패턴을 보여준다. 상기 도에서 지수들은 코팅의 NaCl 형 조직, 즉 (Ti,Si)N 을 나타낸다.
도 2 는 본 발명에 따른 PcBN 기재에 증착된 Ti0 .77Si0 .23N 층에서 주 빔 (beam) 과 샘플 면 사이의 1°의 일정한 그레이싱 (gracing) 입사각을 사용한 CuKα X 선 회절 패턴을 보여준다. 상기 도에서 지수들은 코팅의 NaCl 형 조직, 즉 (Ti,Si)N 을 나타낸다.
도 3 은 코팅하기 전 종래의 이온 에칭 후의 PcBN 재료의 조직을 보여주는 SEM (주사 전자 현미경) 현미경사진이다.
도 4 는 코팅하기 전 본 발명에 따른 이온 에칭 후의 PcBN 재료의 조직을 보여주는 SEM 현미경사진이다.
본 발명은 입방 질화 붕소계 재료의 기재 및 하나 이상의 층이, 단일 상으로 증착되거나 다른 상 (phase) 또는 상이한 화학적 조성을 갖는 동일한 상과 함께 증착되어 형성된 Me-Si-X 상을 포함하는 경질의 내마모성 내화 코팅 (coating) 으로 구성된 칩 (chip) 발생 기계가공용 절삭공구에 관한 것이다. 본 발명에 따른 상기 공구는 칩 두께가 작으며 작업 재료가 경질인 금속 절삭용 (예컨데, 경화강의 마무리 가공) 으로 특히 유용하다.
입방 질화 붕소 (cBN) 는 다이아몬드 다음으로 경도 및 열전도성이 좋고 철금속과의 반응성이 다이아몬드보다 더 낮은 뛰어난 특성들을 지니고 있다. 경화강, 주철 및 니켈계 합금을 기계가공 할 때 작업효율을 개선하기 위해, cBN 을 포함하는 소결체와 같은 다결정 입방 질화 붕소 (PcBN) 를 사용하는 절삭공구가 초경합금 또는 서멧 (cermet) 공구 대신 사용된다.
절삭공구용 PcBN 소결체들은 cBN 입자 및 바인더 (binder) 를 포함한다. PcBN 소결체들은 일반적으로 다음 두 그룹들로 분류된다:
- 주로 TiN, TiC, Ti(C,N) 등의 Ti 형 세라믹으로 구성된 바인더로 결합된 30 ~ 80 부피-% 의 cBN 입자를 포함하며, 강도와 내마모성이 잘 조화되어있고 경화강용으로 주로 사용되는 소결체.
- 직접 결합된 80 ~ 90 부피-% 의 cBN 입자 및 일반적으로 Al 화합물 또는 Co 화합물로 구성된 나머지 바인더를 포함하며, 주철용으로 주로 사용되고 강도와 열전도성이 뛰어난 소결체.
그러나, cBN 입자들은 철금속에 대한 친화력이 TiN, TiC, Ti (C,N) 바인더들 보다 크다는 단점이 있다. 따라서, cBN 을 사용하는 절삭공구들은 종종 열마모로 인해 사용수명이 짧아지는데, 열마모는 결국 공구날의 파괴를 초래한다. PcBN 공구의 내마모성 및 파괴강도를 더욱 개선하기 위해서, 예를 들어, US 5853873 및 US 6737178 에서와 같이 TiN, Ti (C,N), (Ti,Al) N 등의 층을 PcBN 공구에 코팅하는 것이 제안되었다.
그러나, 코팅된 PcBN 공구는 예상치 않은 층벗겨짐이 종종 나타나는 문제를 지니고 있다.
JP-A-1-96083 또는 JP-A-1-96084 는 평균두께 0.05 - 0.3 ㎛ 의 금속 Ti 층을 통해 티타늄의 질화물, 탄화물 또는 탄질화물로 구성된 층으로 코팅된 PcBN 공구의 부착강도를 개선하는 것을 소개하고 있다.
US-A-5,583,873 은 높은 결합강도로 (Ti,Al)N 코팅 막을 cBN 기재에 결합하기 위해 그 cBN 기재 및 (Ti,Al)N 코팅 막 사이의 중간층으로서 TiN 층을 소개하고 있다.
US 6,737,178 은 TiN, Ti(C,N), (Ti,Al)N, Al2O3, ZrN, ZrC, CrN, VN, HfN, HfC 및 Hf(C,N) 으로된 층들을 소개하고 있다.
US 6,620,491 은 경질 코팅층 및 주기율표의 4a, 5a 및 6a 족에서 선택된 하나 이상의 원소로 구성되며 두께가 최대 1 ㎛ 인 중간층을 갖는 표면 코팅된 질화 붕소 공구를 소개하고 있다. 상기 경질 코팅은 4a, 5a, 6a 족 원소 Al, B, Si 및 Y 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 원소 및 C, N 및 O 중에서 선택된 하나 이상 의 원소를 포함하는 두께 0.5-10 ㎛ 의 하나 이상의 층을 포함한다. 상기 중간층은 원소 Cr, Zr 및 V 중의 하나 이상을 포함한다.
US-B-6,811,580, US-B-6,382,951 및 US-B-6,382,951 은 Al2O3 로 코팅된 입방 질화 붕소 인서트를 소개하고 있다.
본 발명의 목적은, 경화강 또는 주철의 칩 발생 기계가공을 위해 부착강도에 있어서 뛰어난 코팅을 구비하고 cBN 과 같은 고압 상(high-phase) 형 질화 붕소를 포함하는 소결체로 만들어진 개선된 절삭공구를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 경화강 또는 주철의 칩 발생 기계가공을 위해 부착강도에 있어서 뛰어난 PcBN 으로 만들어진 절삭공구에 코팅을 증착하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
최적화된 특성의 코팅을 PcBN 계 절삭공구에 최적의 공정으로 형성함으로써 코팅된 공구의 마찰 특성이 상당히 개선될 수 있다는 것을 알아냈다. 화학적 조성, 열에너지의 양 및 성장중의 이온유도 표면 활성화도를 잘 조절하면, (Me,Si)X 상을 포함하고 종래 기술에 비해 경화강의 금속 절삭에 있어서 향상된 성능을 나타내는 층들이 얻어질 수 있다. 상기 층의 부착성은 최적화된 전처리 및 증착 조건으로 인해 우수하다. 상기 층(들)은 다른 상들의 입자들과 함께 또는 다른 상들의 입자들 없이 (Me,Si)X 입자들을 포함한다. 상기 층(들)은 PVD (물리적 기상 증착법) 기술, 바람직하게는 아크 (arc) 증착으로 증착된다.
본 발명은 내마모성 코팅이 증착된 다결정 입방 질화 붕소 (PcBN) 계 재료로 된 몸체를 포함하는 칩 발생 기계가공용 절삭공구를 제공한다. 상기 코팅은 (Me,Si)X 상의 결정들로 구성되고 물리적 기상 증착법 (PVD) 으로 성장되는 하나 이상의 층을 포함하는 하나 이상의 내화성 화합물층으로 구성된다. 추가층들은 주기율표의 4 내지 6 족의 질화물 및/또는 탄화물 및/또는 산화물로 구성된다. 본 발명에 따른 공구들은 기계가공된 부분의 표면거칠기가 공구수명을 때때로 제한하는 경화강 또는 회주철의 마무리 금속절삭용으로 특히 유용하다.
상기 (Me,Si)X 층(들)은 Me1 - aSiaXb 상의 결정들을 포함하는데, 여기서 Me 는 원소 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr 및 Al, 바람직하게는 Ti, Cr, Zr 및 Al 중의 하나 이상이고, a 는 0.05 ~ 0.4 , 바람직하게는 0.1 ~ 0.3 이고, 그리고 X 는 원소 N, C, O 및 B 중의 하나 이상이고, 그리고 b 는 0.5 ~ 1.1 , 바람직하게는 0.8 ~ 1.05 이다.
결정질 Me1 - aSiaXb 상의 존재는 CuKα 방사선을 사용한 θ-2θ 및/또는 그레이싱 입사방식의 X 선 회절 (XRD) 에 의해 검출되며, 다음과 같은 특성들이 나타난다:
- Ti1 - xSixN 에 대해, 약 36°2θ 에서 (Me,Si)X (111) 피크,
- Ti1 - xSixN 에 대해, 약 42°2θ 에서 (Me,Si)X (200) 피크,
- Ti1 - xSixN 에 대해, 약 61°2θ 에서 (Me,Si)X (220) 피크,
- Me 가 Ti 가 아닐 때, 또는 Me 및 Si 의 상대적인 양이 상이할 때, 상기 피크 위치들은 변할 수 있다.
- 상기 (Me,Si)X 의 조직은 NaCl 형이 바람직하다.
- θ-2θ 방식의 X 선 회절 패턴에 있어서, Me1 - aSiaXb (111) 피크의 면적 (A(Me1-aSiaXb)111) 과 Me1 - aSiaXb (200) 피크의 면적 (A(Me1 - aSiaXb)200) 사이의 비 (K = A(Me1-aSiaXb)111/A(Me1-aSiaXb)200) 로 정의되는 조직 (texture) 이 0.0 ~ 1.0 , 바람직하게는 0.0 ~ 0.3 이며, 그리고/또는 상기 Me1 - aSiaXb (200) 피크에 대해 피크 대 백그라운드 비 (최대 피크의 카운트 (counts) 를 그 피크에 인접한 평균 백그라운드 카운트로 나눈 값) 는 2 보다 크며, 바람직하게는 4 보다 크다.
- 이 층의 피크 확장 FWHM (Full Width Half Maximum) 값은 주로 작은 입도의 효과이다. (장비에 의한 영향은 대략 2θ = 0.05°이고 그러므로 이러한 계산에서는 무시될 수 있다.)
- (Me,Si)X (111) 피크의 FWHM 은 0.4 ~ 1.5 °2θ 이며, 그리고/또는
- (Me,Si)X (200) 피크의 FWHM 은 0.4 ~ 1.5 °2θ 이다.
- X 는 30 % 미만의 O 및/또는 B 와 나머지 N 및/또는 C 로 이루어진다. 질화물들이 탄질화물 및 탄화물보다 선호된다. (Me,Si)X 에서 X 는 15 % C 보 다 적다. 1 - 10 % 의 O 를 추가하면 미세 입자 조직의 성장이 촉진되고 내산화성이 개선되지만, 비전도성 코팅 챔버 (chamber) 가 되어 생산 문제를 일으킬 위험이 있다.
- 넓은 피크 (FWHM = 4 °- 6 °) 로 확인된 비결정성 상은 2θ = 36 °- 38 °에 위치했다. 비결정성 피크의 굴절강도 (Aa) 및 결정성 (200) 피크의 강도 (Ac) 를 측정했을때 비결정성 상과 결정성 상 사이의 비는 일반적으로 0≤Aa/Ac＜0.20 이다.
(Me,Si)X 를 포함하는 층은 예 1 의 조직 Ti1 - xSixN 및 Ti1 - yAlyN 에 의해 설명된 것처럼, NaCl 형 Ti1 - yAlyN 구조의 입방 단일 상 층에 비해 경도가 상당히 증가했다.
본 발명에 따른 (Me,Si)X 포함 층(들)이 다른 층(들)과 결합되면, 총 코팅 두께는 0.1 ~ 5 ㎛ 이며, 바람직하게는 0.1 ~ 3 ㎛ 이고 (Me,Si)X 비포함 층(들)의 두께는 0.1 ~ 3 ㎛ 이다. 마무리용에 있어서, 상기 코팅 두께는 2 ㎛ 보다 작으며, 바람직하게는 1.2 ㎛ 보다 작다.
일 실시예에 있어서, 0.1 ~ 2 ㎛ 두께의 (Me,Si)X 포함 층(들)은 2 - 100, 바람직하게는 5 - 50 개의 개별 층들로 구성된 0.5 ~ 5 ㎛ 의 두꺼운 다층 코팅에 있어서 최대 5 개의 상이한 재료들 중 하나이다.
일 바람직한 실시예에 있어서, Me 는 Ti 이고, 이때 조성은 (Ti0 .9-0.7Si0 .10- 0.30)N, 가장 바람직하게는 (Ti0 .85-0.75Si0 .15-0.25)N 이다.
다른 바람직한 실시예에 있어서, Me 는 Ti 와 Al 이고, 이때 조성은 (Ti0 .6-0.35Al0.20-0.40Si0.15-0.30)N, 가장 바람직하게는 (Ti0 .6-0.35Al0 .25-0.35Si0 .15-0.30)N 이다.
또 다른 바람직한 실시예에 있어서, TiN 및/또는 CrN 및/또는 ZrN 또는 이것들의 혼합물로 구성된 최상층은 가장 바깥쪽에 증착된다.
상기 PcBN 에서 입방 질화 붕소 (cBN) 함량은 경화강의 기계가공의 경우 30 ~ 80 부피-% 이고 주철의 기계가공의 경우에는 80 ~ 90 부피-% 이며, 바람직하게는 경화강의 기계가공의 경우 Ti(C,N) NaCl 형 바인더 상에서 cBN 함량은 35 ~ 60 부피-% 이고 입도는 0.5 - 2 ㎛ 이다.
본 발명에 따른 상기 층의 조성은, 증가된 에피텍시얼성장 (epitaxial growth) 량 및 최대의 부착강도를 얻기 위해 단위 셀 파라미터가 NaCl 상 조직 바인더 상의 단위 셀 파라미터의 +/- 2 % 이내, 가장 바람직하게는 +/- 1 % 이내이다. 상기 NaCl 조직 바인더 상의 단위 셀 파라미터는 샘플의 연마 단면에 대한 X 선 회절을 사용하여 측정된다. 상기 층의 단위 셀 파라미터는 코팅된 샘플에 대한 X 선 회절을 사용하여 측정된다. 이 층은 기재와 직접 접촉하는 것이 바람직하다. 그러한 단위 셀에 맞는 조성의 예는 (Ti0 .85-0.75Si0 .15-0.25)N 및 (Ti0.37Al0.25Zr0.18Si0.20)N 이다. 대안으로, 단위 셀에 맞지 않는 ＜ 0.3 ㎛ 의 중간층(들)을 사이에 둘 수 있다.
본 발명은 또한 PcBN 기재상에서 (Me,Si)X 상을 포함하는 층을 성장시키는 방법에 관한 것이다.
우선, 바람직하게는 소프트 Ar 이온 에칭을 사용하여 최적화된 표면 조건을 얻는다, 이러한 에칭을 이용하면 우선 스퍼터링에 의한 바인더 상의 표면 함량 감소가 없이 바인더 상과 cBN 입자의 세정 및 에칭이 잘된다. 상기 바인더 상의 표면 함량은 벌크의 것과 같거나 또는 더 크다. 상기 Ar 이온 에칭은 Ar 분위기 또는 Ar 과 H2 의 혼합물 중에서 실행되며, 후자의 경우에, 둘 이상의 단계에서 물리적 스퍼터링 및 화학적 에칭의 조합된 효과가 얻어지며, 충돌 이온들의 평균에너지는 기재 바이어스 (Vs＜ -500 V) 에서 시작해 연속적으로 감소하여 Vs＞ -150 V 으로 끝나게 된다. 중간단계(들)가 있는 경우에는 -500 V＜Vs＜ -150 V 이다. 가장 바람직하게는 이극 전압이 인가된 상태에서 인가된 기재 바이어스 (substrate bias) 는 ＞ 5 kHz 의 주파수로 펄스화된다. 음의 펄스는 바람직하게는 ＞ 80 % 이고 그 다음에 양의 방전 펄스가 뒤따른다.
도 3 은 코팅 전에 종래의 이온 에칭을 한 후에 NaCl 형 조직 바인더 상을 갖는 PcBN 재료의 조직을 보여주는 SEM 현미경 사진이고, 도 4 는 코팅 전에 본 발명에 따른 이온 에칭을 한 후의 현미경 사진이다. 도 3 과 4 를 비교할 때 알수 있는 것처럼, 종래의 이온 에칭은 너무 많은 바인더 상을 제거하여 cBN 입자가 노출되게 한다. 증착 전에 cBN 의 부분 투영 면적 (AcBN) 을 cBN 의 부분 체적 (VcBN) 으로 나눈 값인 비 L (L=AcBN/VcBN) 은 ＜ 1.15 이며 바람직하게는 ＜ 1.0 이다. 벌크의 체적분율이 50% 인 것에 비해, 도 3 에서 cBN 의 표면 함량은 59 % (L= 1.18) 이고, 도 4 에서 49% (L= 0.98) 이다.
최적의 표면은 증착 전 및/또는 증착 시스템에서 현장 공정과의 결합에서 화학처리 및/또는 광 블라스팅 (light blasting) 과 같은 기계적 처리에 의해 얻어질 수도 있다.
본 발명에 따른 층의 바람직한 조직을 얻기 위해서 수개의 증착 파라미터들이 조정되어야 한다. 증착에 영향을 주는 요인들은 기재 바이어스에 의해 변할 수 있는 충돌 이온들의 에너지와 관련 있는 온도, 음극-기재 거리 및 N2 분압 (PN2) 이다.
여기서 Ti1 - XSiXN 으로 예시된 본 발명의 (Me,Si)X 상을 포함하는 층들을 성장시키기 위해 사용되는 방법은 다음의 조건하에서 합금화된 또는 복합 음극의 아크 (arc) 증착을 기반으로 한다:
Ti+Si 음극 조성은 60 ~ 90 % 의 Ti, 바람직하게는 70 ~ 90 % 의 Ti 및 나머지 Si 이다.
증착 전류는 음극크기 및 음극재료에 따라 50 A ~ 200 A 이다. 직경이 63 mm 인 음극을 사용할 때, 증착 전류는 60 A ~ 120 A 인 것이 바람직하다.
기재 바이어스는 -10 V ~ -150 V 이며, 바람직하게는 -40 V ~ -70 V 이다.
증착 온도는 400 ℃ ~ 700 ℃ 이며, 바람직하게는 500 ℃ ~ 700 ℃ 이다.
X 가 N 인 (Me,Si)X 를 포함하는 층(들)을 성장시킬 때, 0.5 Pa ~ 9.0 Pa, 바람직하게는 1.5 Pa ~ 5.0 Pa 의 총 압력에서 0 - 50 부피-%, 바람직하게는 0 - 20 부피-% 의 Ar 으로 구성된 Ar+N2 분위기가 사용된다.
X 가 C 및 O 를 포함하는 (Me,Si)X 의 성장을 위해서는, C 및/또는 O 함유 가스를 N2 및/또는 Ar+N2 분위기에 추가해야 한다 (예를 들어, C2H2, CH4, CO, CO2, O2). X 가 B 도 포함한다면, B 는 타겟을 B 로 합금화시키거나 또는 B 함유 가스를 상기 분위기에 추가함으로써 더해질 수 있다.
정확한 공정 파라미터들은 사용되는 코팅 장비의 설계 및 조건에 따라 달라진다. 당업자라면 필요한 조직이 얻어졌는지 그리고 증착 조건을 수정할 것인지는 본 명세서에 따라 결정할 수 있을 것이다.
(Me,Si)X 상을 포함하는 층(들) 을 성장시킬 때, 예리한 절삭날들이 사용될 때 그리고/또는 양호한 부착성이 가장 중요할 때 압축 잔류응력이 매우 커지게 되어 기계가공 성능에 부정적인 영향을 줄 위험이 있다. 잔류응력은 20 ~ 60 분 동안 600 ℃ ~ 1100 ℃ 의 Ar 및/또는 N2 분위기에서 풀림하면 감소 될 수 있다.
또한, 절삭날의 표면 거칠기를 개선하기 위해 후처리를 추가할 수 있다. 이 후처리는 습식 블라스팅으로 이루어질 수 있다. 또한, 연마입자들이 박힌 나일론 브러쉬가 사용될 수 있다. 다른 방법으로는 코팅된 PcBN 공구를 텀블링 (tumbling) 또는 드래그피니싱 (dragfinishing) 과 같은 연마 매체를 통해 이동시키는 것이다.
본 발명은 아크 증착을 이용하여 증착되는 (Me,Si)X 상을 포함하는 층(들) 관하여 설명되었다. (Me,Si)X 상 포함 층(들)은 마그네트론 스퍼터링 (magnetron sputtering) 과 같은 PVD 기술을 이용해서도 제조될 수 있다는 것은 분명하다.
예 1
평균 입도 1 ㎛ 이고 부피분율이 50 % 인 cBN 및 Ti(C,N) 으로 구성된 바인더 상을 갖는 RCGN0803M0S 형의 다결정 입방 질화 붕소 (PcBN) 인서트가 알카리성 용액 및 알콜을 사용하여 초음파 욕에서 세정되었고 그 후 3 중 회전 고정구를 이용하여 PVD 시스템에 놓여졌다. 가장 짧은 음극-기재 거리는 160 mm 였다. 상기 시스템은 배기되어 2.0×10-3 Pa 보다 작은 압력으로 되었고 그 후 상기 인서트들은 Ar 이온으로 스퍼터 (sputter) 세정되었다. 기재 바이어스가 20 kHz 의 주파수로 한 주기 동안 -Vs (80 %) 와 + 50 V (20 %) 사이에서 바뀌는 이극 펄스 공정이 사용되었다. Vs 는 공정의 초기에 -550 V 이였고 그 후에 단계적으로 감소하여 마지막에 -120 V 로 되었다. 도 4 는 이 공정을 사용한 에칭 후의 PcBN 표면의 상태이다.
경우 A 는 63 mm 직경의 Ti0 .80Si0 .25 음극들의 아크 증착을 이용하여 성장하였고, 경우 B 는 Ti0 .80Si0 .20 음극을 이용하였다. 증착은 60 분 동안 -110 V 기재 바이어스를 이용하여 4.0 Pa 의 총압력에서 99.995 % 순도의 N2 분위기에서 실행되 었다. 증착 온도는 약 530 ℃ 였다. 증착 직후 챔버는 건조한 N2 로 소기되었다. 비교를 위해 최신의 Ti0 .34Al0 .66N 코팅 및 코팅되지 않은 것을 이용하였다. 증착된 Ti1 - XSiXN 층 + TiN 층의 X 선 회절 패턴이 도 1 및 도 2 에 보여졌다. PcBN 기재에 대응하는 피크들 외에, 나타나는 피크들은 (111), (200), (220), (311), (222), (400), (331), (420), (422) 및 (511) 피크들로 표시된 것과 같이 입방 NaCl 형 Ti1 - XSiXN 상 및 입방 NaCl 형 TiN 상에 대응하는 것들뿐이다. (Me,Si)X (111) 피크 및 (Me,Si)X (200) 피크의 면적 사이의 비 (K) 로서 정의된 조직 (texture) 은 이 경우에 대해서 0.28 이다. 상기 (Me,Si)X (111) 피크의 FWHM 은 1.30 °2θ 이고 상기 (Me,Si)X (200) 피크의 FWHM 은 1.44 °2θ 이다.
증착된 상태에서 Ti1 - XSiXN 상의 식별은 도 2 와 같이 주 빔과 샘플 면 사이의 1 °의 일정한 그레이싱 입사각을 이용하고 코팅에서 비롯된 피크들을 확대하기 위해 검출기로 스캐닝하는 X 선 회절에 의해 이루어졌다. Ti1 - XSiXN 의 존재는 NaCl 형 조직에서 회절 패턴의 인덱싱으로 확인된다.
Ti1 - XSiXN (200) 에 대한 피크 대 백그라운드 비는 24 였다.
단면에서 주사 전자 현미경 (SEM) 을 이용했을 때 절삭날의 두께는 Ti1 - XSiXN 층의 1.0 ㎛ 였다.
(Ti0 .77Si0 .23)N 의 단위 셀 파라미터는 4.29 Å 였고, Ti(C,N) 상으로 구성된 PcBN 바인더 상의 단위 셀 파라미터는 4.30 Å 그리고 Ti0 .34Al0 .66N 의 단위 셀 파라미터는 4.14 Å 였다.
상기 층들의 비커스경도는 25 mN 의 최대 하중을 사용하여 테이퍼 형의 연마된 단면에서 나노 인덴터 (IndenterTM) Ⅱ 기구를 이용하는 나노인덴테이션 (nanoindentation) 으로 측정되었으며, 그 결과 약 200 nm 의 최대 침투 깊이가 나타났다 . 상기 경도는 표 1 에 기록되어 있다. 경도는 Si 가 상기 층에 존재할 때 Ti1 - yAlyN 경우에 비해 급격히 증가함을 표 1 로부터 알 수 있다.
예 2
RCGN0803M0S 형의 다결정 입방 질화 붕소 (PcBN) 인서트들로 구성된 예 1 의 코팅된 절삭공구 인서트들이 케이스 경화된 기어 휠 (wheel) 에 대한 마무리 작업에서 시험되었다. 사용된 절삭 데이타는 다음과 같다:
- 재료: SAE 5120 (20MnCr5), 59-61 HRC
- vf = 190 m/min
- ap = 0.10 mm
- fn = 0.07 mm/rev.
공구수명 기준은 기계가공된 부품들에 대해 75 %의 최소 부력 (buoyancy) 레벨을 주는 기계가공된 기어 휠의 수로 나타냈다. 그 결과는 표 2 에 나와있다.
이 시험은 경우 A 및 B (본 발명) 가 가장 많은 수의 부품을 기계가공 할 수 있고 그 다음이 경우 C 라는 것을 보여준다.
예 3
케이스 경화된 기어축에 대한 마무리 작업에서, CNGA120408S-L1-WZ 형의 다결정 입방 질화 붕소 (PcBN) 인서트들로 구성되며 예 1 에서와 유사하게 코팅된 와이퍼 형의 절삭공구 인서트가 사용되었다. 사용된 절삭 데이타는 다음과 같다:
- 재료: SAE 5115 (16MnCrS5), 58 HRC
- vf = 190 m/min
- ap = 0.15/0.35 mm
- fn = 0.3 mm/rev
공구수명 기준은 최대 표면 거칠기를 주는 기계가공된 기어축의 수로 나타냈다. 그 결과는 표 3 에 나와있다.
이 실험은 경우 A (본 발명) 가 가장 많은 수의 부품을 기계가공 할 수 있다는 것을 보여준다.
예 4
온스루우 경화 소켓 (socket) 에 대해서, CNGA120408S-L0-B 형의의 다결정 입방 질화 붕소 (PcBN) 인서트들로 구성되며 예 1 에서와 유사하게 코팅된 절삭공구 인서트가 사용되었다. 사용된 절삭 데이타는 다음과 같다:
- 재료: SAE 52100 (100Cr6), 63 HRC
- vf = 220 m/min
- ap = 0.11/0.15 mm
- fn = 0.3 mm/rev
공구수명 기준은 최대 표면 거칠기를 주는 기계가공된 소켓의 수로 나타냈다. 그 결과는 표 4 에 나와있다.
이 실험은 경우 B (본 발명) 가 가장 많은 수의 부품들을 기계가공 할 수 있다는 것을 보여준다.
최적화된 특성의 코팅을 PcBN 계 절삭공구에 최적의 공정으로 형성함으로써 코팅된 공구의 마찰 특성이 상당히 개선될 수 있다. 화학적 조성, 열에너지의 양 및 성장중의 이온유도 표면 활성화도를 잘 조절하면, (Me,Si)X 상을 포함하고 종래 기술에 비해 경화강의 금속 절삭에 있어서 향상된 성능을 나타내는 층들이 얻어질 수 있다. 상기 층의 부착성은 최적화된 전처리 및 증착 조건으로 인해 우수하다.
Claims (11)
- 다결정 입방 질화 붕소 (PcBN) 계 재료의 기재 및 코팅을 포함하는 절삭공구 인서트, 솔리드 엔드밀 (end mill) 또는 드릴 (drill) 에 있어서, 상기 코팅은 하나 이상의 층이 조성 Me1 - aSiaXb 으로 표현되는 (Me,Si)X 상을 포함하는 하나 이상의내화성 화합물 층으로 구성되며, 여기서 Me 는 원소 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Co 및 Al, 바람직하게는 Ti, Cr, Zr 및 Al 중의 하나 이상이고, a 는 0.05 ~ 0.4 , 바람직하게는 0.1 ~ 0.3 이고, X 는 원소 N, C, O 및 B 중의 하나 이상이며, b 는 0.5 ~ 1.1 , 바람직하게는 0.8 ~ 1.05 이며, 그리고 X 는 30 % 미만의 O+B 를 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭공구 인서트.
- 제 1 항에 있어서, Me1 - aSiaXb 의 조직이 NaCl 형인 것을 특징으로 하는 절삭공구 인서트.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 층에서 결정 입방 상인 (Me,Si)X 의 존재를 θ - 2θ 및/또는 그레이싱 (gracing) 입사방식의 X 선 회절로 검출했을 때(Me,Si)X (111) 피크,(Me,Si)X (200) 피크,(Me,Si)X (220) 피크.와 같은 특성 중 하나 이상이 나타나는 것을 특징으로 하는 절삭공구 인서트.
- 제 3 항에 있어서, 상기 층에 대한, θ-2θ 방식의 X 선 회절 패턴에 있어서, Me1 - aSiaXb (111) 피크의 면적 (A(Me1 - aSiaXb)111) 과 Me1 - aSiaXb (200) 피크의 면적 (A(Me1-aSiaXb)200) 사이의 비 (K = A(Me1 - aSiaXb)111/A(Me1 - aSiaXb)200) 가 0.0 ~ 1.0 , 바람직하게는 0.0 ~ 0.3 이며, 그리고/또는 상기 Me1 - aSiaXb (200) 피크에 대해 피크 대 백그라운드 비 (최대 피크의 카운트 (counts) 를 그 피크에 인접한 평균 백그라운드 카운트로 나눈 값) 는 2 보다 크며, 바람직하게는 4 보다 큰 것을 특징으로 하는 절삭공구 인서트.
- 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 층에 대한, θ-2θ 방식의 X 선 회절 패턴에서 Me1 - aSiaXb (111) 피크의 FWHM (Full Width Half Maximum) 값이 0.4 ~ 1.5 °2θ 이고, Me1 - aSiaXb (200) 피크는 0.4 ~ 1.5 °2θ 인 것을 특징으로 하는 절삭공구 인서트.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 PcBN 에서 입방 질화 붕소 (cBN) 함량은 경화강의 기계가공의 경우 30 ~ 90 부피-% 이고 주철의 기계가 공의 경우에는 80 ~ 90 부피-% 이며, 바람직하게는 경화강의 기계가공의 경우 Ti(C,N) NaCl 형 바인더 상에서 cBN 함량은 35 ~ 60 부피-% 이고 입도는 0.5 - 2 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 절삭공구 인서트.
- 제 6 항에 있어서, 상기 층의 단위 셀 (cell) 파라미터가 NaCl 상 조직 바인더 상의 단위 셀 파라미터의 +/- 2 % 이내, 바람직하게는 +/- 1 % 이내이고, 상기 층은 기재와 직접 접촉하거나 또는 사이에 있는 ＜0.3 ㎛ 의 중간층(들) 과 접촉하는 것을 특징으로 하는 절삭공구 인서트.
- 제 7 항에 있어서, X 는 N 이고, 이때 조성 (Me0 .9-0.7Si0 .10-0.30)N 인 것을 특징으로하는 절삭공구 인서트.
- 제 8 항에 있어서, Me 는 Ti 이고, 이때 조성 (Ti0 .85-0.75Si0 .15-0.25)N 인 것을 특징으로하는 절삭공구 인서트.
- 제 7 항에 있어서, Me 는 Ti 및 Al 이고, 이때 조성 (Ti0 .6-0.35Al0 .20-0.40Si0 .15-0.30)N, 바람직하게는 (Ti0 .6-0.35Al0 .25-0.35Si0 .15-0.30)N 인 것을 특징으로 하는 절삭공구 인서트.
- 다결정 입방 질화 붕소 (PcBN) 계 재료의 기재 및 코팅을 포함하는 코팅된 절삭공구 인서트, 솔리드 엔드밀 또는 드릴을 제조하는 방법에 있어서, Me 는 원소 Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta 및 Al 중의 하나 이상이고, a 는 0.05 ~ 0.4 , 바람직하게는 0.1 ~ 0.3 이고, X 는 원소 N, C, O 및 B 중의 하나 이상이며, b 는 0.5 ~ 1.1 , 바람직하게는 0.8 ~ 1.05 이며, 그리고 X 는 30 % 미만의 O+B 를 포함한다고 할 때, 하나 이상의 층이 조성 Me1 - aSiaXb 으로 표현되는 Me1 - aSiaXb 상을 포함하는 하나 이상의 내화성 화합물층으로 구성되는 코팅이, 50 - 200 A 의 증착 전류, -10 - -150 V 의 기재 바이어스, 400 - 700℃ 의 온도, 0.5 - 9 Pa 의 총 압력에서 아크 (arc) 증착 기술에 의해 증착되며, cBN 의 부분 체적에 비해 cBN 상의 부분 투영 면적이 더 작은 표면을 얻기 위해 기재 바이어스 Vs＜ -500 V 에서 시작하여 Vs＞ -150 V 으로 끝나는 둘 이상의 단계로 실행되는 Ar 이온 에칭에 의해 코팅대상 표면이 전처리 되며, 증착 전에 cBN 의 부분 투영 면적 (AcBN) 을 cBN 의 부분 체적 (VcBN) 으로 나눈 값으로 정의된 비 L (L=AcBN/VcBN) 이 ＜ 1.15 , 바람직하게는 ＜ 1.0 인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
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