KR20070061456A - 강 밀링용 인서트 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 특히, 강, 스테인리스 강, HRSA, 티타늄 또는 이러한 그룹 중에서 임의의 합금 재료의 밀링을 위한, 예컨대, 탄화물 인서트, 고형 탄화물 드릴 또는 밀 또는 탄화물 팁과 같은 절삭 공구에 관한 것으로,
- 10 % 의 Co, 0.39 % 의 Cr, 나머지가 텅스텐 탄화물인 초경합금 기재
- 박판, 다층 구조 (A+B+A+B+...) 를 포함하는 코팅으로서, 상기 층 (A+B) 은 각각 AlxTi1 - xN 및 TiyAl1 - yN 로 이루어지는 코팅을 갖는 초경합금 기재 및 비주기성 다층 코팅을 포함한다. 전형적인 각 연속 층 (A+B) 의 평균 두께는 30 ~ 300 ㎚, 총 두께는 0.5 ㎛ ~ 20 ㎛ 이다. 총 화학 조성은 TizAl1 - zN 로 이루어진 전체 코팅에 걸쳐 평균 내지며, 여기서 z 는 0.40 ~ 0.7 이다.
Description
도 1 은 모두 개별적인 다층을 갖는 코팅의 주사 전자 현미경 (SEM) 사진을 나타낸다.
도 2 는 개별적인 층이 측정되고, 본질적으로 층 구조의 비주기 특성이 명백한 코팅의 상세한 SEM 사진이다.
본 발명은 높은 내마모성과 높은 날 인성이 요구되는 강 (steel) 또는 스테인리스 강을 기계 가공하기 위한 코팅된 초경합금 인서트에 관한 것이다.
통상의 밀링 작업시, 종종 열 응력을 유도하며, 그 후 코팅에서 열에 의한 크랙을 발생시킬 수 있는 인서트의 열 부하는 시간에 걸쳐 변한다. 이는 특히, 건식 작업보다 열 변화가 더 나타내는 냉각/습식 작업에 관한 것이다.
밀링에서 공통의 마모 메커니즘은 크래킹이며, 이어 기재의 여분으로부터 풀리는 절삭 날의 칩핑 또는 작은 파편이다. 따라서, 공구 수명을 증가시키기 위해서는 날 인성을 증가시키는 것이 가장 중요하다. 열 크래킹 및 다른 다양한 원인의 크래킹의 위험을 감소시키기 위해 가능한 한 해결책은 다층의 코팅을 사용 하는 것이다. 다층 코팅은, 코팅에 침투하는 초기 크랙이 임의의 하층 경계로 향할 때, 크랙 억제제로서 작용할 것이다. 다층 코팅의 다른 장점은, 경질 내마모층이 연질 하층에 개재될 때 나타나는 것으로 기대된다. 연질 층은 충격을 흡수할 수 있으므로, 전체 코팅에 크랙이 침투하는 것을 억제할 수 있다.
WO 98/48072 는 적어도 본체의 표면의 기능적인 부분에 얇은 점착성의 경질 내마모 코팅이 가해지는 소결된 초경합금, 세라믹, 또는 고속도강 본체를 포함하는 절삭 공구에 관한 것이다. 코팅은 비반복성 형태 (MX+NX+MX+NX) 의 교대층 (MX 및 NX) 이 금속 질화물 또는 금속 탄화물로 이루어진 다결정의 내화성 화합물의 박막 다층 구조를 포함한다. 연속하는 개별적인 층 두께는 전체 다층 구조 전부 본질적으로 비주기적이다.
본 발명의 목적은 예컨대 강 밀링과 같이 통상의 간헐적인 작업을 위해 마모 메커니즘을 견딜 수 있는 절삭 공구 인서트를 제공하는 것이다.
높은 Al 함량을 갖는 (Ti,Al)N 내마모층에 높은 Ti 함량을 갖는 연질의 얇은 (Ti,Al)N 층이 엇갈려 있는 얇은 다층은 간헐적인 작업시 크래킹에 더욱 저항하는 코팅을 제공하는 것을 알게 되었다.
본 발명에 따라서, 코팅된 절삭 공구 인서트에는 8 ~ 11 wt% 의 Co, 바람직하게는 9.5 ~ 10.5 wt% 의 Co, 가장 바람직하게는 9.9 ~ 10.1 wt% 의 Co, 0.1 ~ 0.5 wt% 의 Cr, 바람직하게는 0.38 ~ 0.40 wt% 의 Cr, 및 나머지가 WC 인 조성을 갖는 초경합금 본체가 제공된다. 초경합금 본체는 또한, 기술적 불순물에 대응하는 수준에서 적은 양의 다른 원소를 포함할 수 있다. 보자력은 18 ~ 22 kA/m 이며, 바람직하게는 19 ~ 21 kA/m, 가장 바람직하게는 19.8 ~ 20.2 kA/m 이다. 코발트 바인더 상에는 제조된 초경합금 절삭 인서트에 그 요구되는 특성을 제공하는 일정 양의 W 및 Cr 가 섞인다. 바인더 상에서 W 및 Cr은 코발트의 자기 특성에 영향을 주므로, 다음과 같이 규정되는 CW 비의 값에 관계할 수 있다.
CW 비 = 자기% Co/ wt% Co
여기서, 자기% Co 는 본체의 자성 재료의 측정된 중량 퍼센트이며, wt% Co 는 본체의 Co 의 중량 퍼센트이다.
CW 비는 바인더 상의 합금화 정도에 따라서 1 ~ 약 0.75에서 변한다. 낮은 CW 비는 높은 W 및 Cr 성분에 대응하며, 그리고 CW 비가 1 이면 실질적으로 바인더 상에 W 및 Cr 이 없는 것에 대응한다.
본 발명에 따라서, 초경합금 본체의 CW 비가 0.78 ~ 0.90, 바람직하게는 0.80 ~ 0.89, 및 가장 바람직하게는 0.83 ~ 0.87인 경우, 절삭성이 개선되는 것을 알게 되었다. 초경 합금은 또한 임의의 역효과 없이 1 체적% 미만의 소량의 η 상 (M6C) 를 포함할 수 있다. 특정 CW 비 (<1) 로부터, 본 발명에 따른 초경합금 본체에는 흑연이 없는 것을 알 수 있다.
본 발명에 따른 인서트에는 교대층 (A+B) 이 전체 코팅 전부에서 반복되는 2 쌍 (A+B+A+B...) 구조로 이루어진 비주기 TiAlN 다층이 제공된다. 하나의 연속 하는 층 (A+B) 은 본 명세서에서는 라멜라 (lamella) 로 나타낸다. 코팅의 비주기 특성 때문에, 각 라벨라의 두께는 변하지만, 평균을 내면 라멜라 두께는 30 ~ 300 ㎚, 바람직하게는 60 ~ 120 ㎚이다. 하층 (A) 은 AlxTi1 - xN 을 포함하며, 여기서 x 는 0.40 ~ 0.7, 바람직하게는 0.5 ~ 0.67이다. 층 (B) 은 TiyAl1 - yN 을 포함하며, 여기서 y 는 0.6 ~ 1, 바람직하게는 0.75 ~ 1이다. 예컨대, 마이크로 프로브 또는 EDS 에 의해 측정된 전체 코팅의 화학량론은 간격 TizAl1 - zN 이내이며, 여기서 z 는 0.40 ~ 0.7, 바람직하게는 0.45 ~ 0.6이다. 다층 코팅의 총 두께는 레이크 측에서 0.5 ㎛ ~ 15 ㎛, 바람직하게는 1 ㎛ ~ 10 ㎛, 보다 바람직하게는 1 ㎛ ~ 5 ㎛, 플랭크 측에서 2 ~ 8 ㎛이다. 바람직한 실시예에는, 외부 TibAl1-bN 층이 있으며 (여기서 b 는 0.8 ~ 0.9, 바람직하게는 0.82 ~ 0.85), 가시적인 균일한 청동 색상의 외관을 나타내기에 충분한 두께, 바람직하게는 0.1 ~ 1 ㎛의 두께를 갖는다.
본 발명은 또한, 초경합금 기재 및 코팅을 포함하는 절삭 인서트의 제조 방법에 관한 것이다. 본 방법에 따라서, 기재는, 18 ~ 22 kA/m, 바람직하게는 19 ~ 21 kA/m, 가장 바람직하게는 19.8 ~ 20.2 kA/m의 보자력을 갖고, WC, 8 ~ 11 wt% 의 Co, 바람직하게는 9.5 ~ 10.5 wt% 의 Co 및 0.1 ~ 0.5 wt% 의 Cr 을 가지며, 또한 0.78 ~ 0.90, 바람직하게는 0.80 ~ 0.89, 및 가장 바람직하게는 0.83 ~ 0.87의 CW 비를 갖는다. 이 기재 위에 박판, 다층 구조 (A+B+A+B+...) 를 포함 하는 코팅이 증착되며, 여기서 층 (A+B) 은 각각 다결정, 비반복 형태의 AlxTi1 - xN 및 TiyAl1 - yN 을 포함하며, 여기서 x 는 0.40 ~ 0.70, 바람직하게는 0.50 ~ 0.67 이고, 여기서 y 는 0.60 ~ 1.00, 바람직하게는 0.75 ~ 1.00이며, 한 (A+B) 하층의 평균 두께는 30 ~ 300 ㎚, 바람직하게는 60 ~ 120 ㎚이며, 본질적으로는 변칙적으로 변한다. 다층 코팅의 총 두께는 레이크 측에서 0.5 ㎛ ~ 15 ㎛, 바람직하게는 1 ㎛ ~ 10 ㎛, 보다 바람직하게는 1 ㎛ ~ 5 ㎛, 플랭크 측에서 2 ~ 8 ㎛이다. N2 또는 혼합된 N2 + Ar 가스 분위기에서, 순 Ti 및/또는 TiAl 합금으로 이루어진, 2 쌍 또는 3 쌍의 아크 공급원을 이용하는 음극 아크 증발을 이용하여, 코팅이 증착된다. 바람직한 실시예에서, 가시적인 균일한 청동 색상의 외관을 나타내기에 충분한 두께, 바람직하게는 0.1 ~ 1 ㎛ 의 두께의 외부 TibAl1 - bN 층 (여기서, b 는 0.8 ~ 0.9, 바람직하게는 0.82 ~ 0.85 임) 이 증착된다.
본 발명은 또한, 바람직하게는 건식 조건 하에서, 다음에 따르는 절삭 속도 및 이송 속도로, 강 합금 및 스테인리스 강의 밀링시 상기에 따르는 절삭 공구의 사용에 관한 것이다.
90도 진입 각을 갖는 밀링:
Vc: 25 ~ 350 m/min, 바람직하게는 50 ~ 250 m/min, 및 fz: 0.04 ~ 0.4 ㎜/치부(tooth)
면 밀링 (45 ~ 75도 진입 각):
Vc: 25 ~ 350 m/min, 바람직하게는 50 ~ 250 m/min, 및 fz: 0.05 ~ 0.7 ㎜/치부
고속도 밀링 개념:
Vc: 25 ~ 350 m/min 및 fz: 0.30 ~ 3.0 ㎜/치부, 바람직하게는 0.3 ~ 1.8 ㎜/치부
실시예
1
비주기성 다층은 포에스터 시스트루먼트사 (Foerster Instruments Inc.) 의 "FOERSTER KOERZIMAT CS 1.096"으로 측정된 바와 같이, 초경합금 밀링 인서트 상에, 10 wt% 의 Co, 0.4 wt% 의 Cr 및 나머지는 WC 인 조성으로, 그리고 20.2 kA/m 의 보자력 및 0.85 의 CW 비로, 음극 아크 증발에 의해 증착되었다. 한 쌍의 Ti84Al16 타깃 (target) 및 두 쌍의 Ti33Al67 타깃으로부터 다층은 비주기성 구조를 얻기 위해 배치된 3 폴드 회전 기재판에 장착된 인서트에 증착 (增着) 된다. 아크 증발은 N2 분위기에서 실시된다. 총 코팅 두께는 2 ~ 9 ㎛ 이며, 한 회마다, 인서트 마다, 인서트 표면에 걸쳐 변한다. 코팅은 두 쌍 (A+B+A+B...) 의 비주기성 다층, 즉 비반복 두께의 층으로 이루어지며, 60 ~ 120 ㎚ 의 평균 층 (A+B) 두께를 갖는다. 인서트는 청동 색상을 나타내기 위해 Ti84Al16N 의 최외층으로 코팅된다.
이 코팅의 단면의 SEM 사진이 도 1 및 도 2 에 도시되어 있다. 비주기성 특성은 도 2 에서 볼 수 있다. 하층의 파상도는 적어도 부분적으로 기재의 조도로부터 기인한다.
코팅은 두 조성의 하층 (A 및 B) 사이에 놓이는 평균 조성 TizAl1 - zN 을 갖는다. 이 평균 조성은 플랭크측의 중심에서 마이크로 프로브로 측정된다. Ti0.5Al0.5N 에 대응하는 조성이 얻어진다.
실시예
2 ~ 7 에 대한 설명
다음 표현/용어는 금속 절삭에서 공통으로 사용되며, 하기와 같이 표현된다.
Vc (m/min): 분당 미터의 절삭 속도
fz (㎜/치부): 치부당 밀리미터의 이송속도
z (수): 커터의 치부의 수
ae (㎜): 반경방향 절삭 깊이 (밀리미터)
ap (㎜): 축선방향 절삭 깊이 (밀리미터)
D (㎜): 커터 직경 (밀리미터)
실시예
2
실시예 1 의 인서트가 시험되고, 동일한 기재를 포함하는 동일한 두께의 균일한 Ti33Al67N 층의 비교예 (A) 에 대해 비교되었다. 두 인서트는 기하학적 형상 (R390-11T0308M-PM) 이었다. 이들은 Vc = 150 m/min, fz = 0.15 ㎜/치부, ae = 25 ㎜, ap = 3 ㎜, z = 3, D = 25 ㎜ 으로, 저합금강에서 시험되었다. 냉각수는 유제. 실시예 1 에서의 인서트는 이 시험에서 56 분 지속 되었고, 비교예 (A) 는 단지 29 분 지속 되었다. 공구 수명을 증가시키는 마모 유형의 결정적인 차이는 날 선의 보다 적은 칩핑이었다.
실시예
3
실시예 1 에서의 인서트가 시험되고, 비교예 (A;균일한 Ti33Al67N 층) 및 비교예 (B;상부에 TiCN 및 두꺼운 TiCN 층이 개재된 TiN 층) 에 대해 비교되었다. 모든 경우의 기하학적 형상은 "N331A-145008 H-WL" 이었다. 작업 재료는 비합금강이었다. 건식 조건. 절삭 조건은 Vc = 466 m/min, fz = 0.22 ㎜/치부였다. 비교예 (B) 는 2.3 분 지속되었고, 비교예 (A) 는 9 분 지속되었다. 9 분 후, 실시예 1 에서의 다층 인서트는 단지 작은 마모 표시만 나타내며 여전히 사용되었고, 다른 두 인서트는 몇몇의 손상 때문에 사용이 중단되었다. 공구 수명을 증가시키는 마모 유형의 결정적인 차이는 날 선의 보다 적은 칩핑이었다.
실시예
4
기하학적 형상 (R300-1648M-PH) 의, 그리고 실시예 1 의 기재와 동일한 조성 및 동일한 코팅의 인서트가 시험되고, 한 번의 동일한 기재로부터 인서트에 증착된 동일한 두께의 균일한 Ti33Al67N 층의 비교예 (A) 에 대해 비교되었다. 이 경우, 작업 재료는 48 HRC 의 경도를 갖는 공구강 이었다. 절삭 데이터는 Vc = 35 m/min, fz = 0.5 ㎜/치부, z = 6, ap = 1.5 ㎜,D = 63 ㎜, ae = 30 ~ 64 ㎜ 였다. 냉각제는 공기 송풍. 이 시험에서 공구 수명은 17 분으로 12 분의 비교예 (A) 에 비해 42 % 증가되었다. 공구 수명을 증가시키는 마모 유형의 결정적인 차이는 우수한 노치 내마모성이었다.
실시예
5
실시예 1 에서의 인서트가 시험되고, 비교예 (A) 및 비교예 (B) 에 대해 비교되었다. 모든 경우의 기하학적 형상은 "R390-11T0308M-PM" 이었다. 작업 재료는 220 HB 경도를 갖는 합금강이었다. 절삭 조건은 Vc = 94 m/min, fz = 0.055 ㎜/치부였다. 건식 조건. 비교예 (B) 는 16 개의 부품을 기계가공 할 수 있었고, 비교예 (A) 는 24 개의 부품을 기계가공 할 수 있었고, 실시예 1 에서의 인서트는 40 개의 부품을 기계가공 할 수 있었다. 공구 수명을 증가시키는 마모 유형의 결정적인 차이는 날 선의 보다 적은 칩핑이었다.
실시예
6
실시예 1 에서의 인서트가 시험되고, 비교예 (A) 및 비교예 (B) 에 대해 비교되었다. 모든 경우의 기하학적 형상은 "CM245-12T3 E-PL" 이었다. 작업 재료는 오스테나이트 스테인리스 강이었다. 절삭 데이터는 Vc = 250 m/min, fz = 0.09 ㎜/치부, ap = 2 ㎜,ae = 50 ㎜, z = 1 이었다. 건식 조건. 이 시험에서, 실시예 1 에서의 인서트는 6 미터 지속되었고, 비교예 (A) 는 3.5 미터 지속되었고, 비교예 (B) 는 3 미터 지속되었다. 실시예 1 에서의 다층 인서트는 다른 변형예 보다 확실히 성능이 뛰어났다. 공구 수명을 증가시키는 마모 유형의 결정적인 차이는 더 우수한 날 선의 인성 (크랙 없음, 날 파손 없음) 이었다.
실시예
7
실시예 1 에서의 인서트가 시험되고, 특허 출원 WO 01/16389 의 실시예 1 에 따라 비교예 (C) 에 대해 비교되었다. 모든 경우의 기하학적 형상은 "R210-140512M-PM" 이었다. 작업 재료는 45 HRC 경도를 갖는 공구강이었다. 절삭 데이터는 Vc = 90 m/min, fz = 0.58 ㎜/치부, ap = 1 ㎜, ae = 38.6 ㎜, z = 1, D = 66 ㎜ 이었다. 건식 조건. 이 시험에서, 실시예 1 의 인서트는 34 분 지속되었고, 비교예 (C) 의 얻어진 최대 결과는 14 분이었다. 공구 수명을 증가시키는 마모 유형의 결정적인 차이는 우수한 노치 내마모성이었다.
결론으로, 본 발명에 따른 인서트는 시험된 다른 인서트보다 더 우수하게 모든 마모 유형을 견딜 수 있으며, 더 예측가능한 날 선의 거동을 나타내며, 불안정한 조건에서 더 신뢰할 수 있다. 이는 절삭 데이터의 증가를 가능하게 한다.
본 발명의 구성에 따라서, 강 밀링과 같이 통상 간헐성 작업을 위해 마모 메커니즘을 견딜 수 있는 절삭 공구 인서트가 제공될 수 있다.
Claims (6)
- 초경합금 기재 및 코팅을 포함하는 절삭 인서트에 있어서,- 상기 기재는, WC, 8 ~ 11 wt% 의 Co, 더 바람직하게는 9.5 ~ 10.5 wt% 의 Co, 가장 바람직하게는 9.9 ~ 10.1 wt% 의 Co, 그리고 0.1 ~ 0.5 wt% 의 Cr, 더 바람직하게는0.38 ~ 0.40 wt% 의 Cr 을 포함하며, 18 ~ 22 kA/m, 더 바람직하게는 19 ~ 21 kA/m, 가장 바람직하게는 19.8 ~ 20.2 kA/m 의 보자력을 가지며, 0.78 ~ 0.90, 바람직하게는 0.80 ~ 0.89, 가장 바람직하게는 0.83 ~ 0.87 의 CW 비를 갖고,- 상기 코팅은, 박판, 다층 구조 (A+B+A+B+...) 를 포함하고, 상기 층 (A+B) 은 각각 다결정, 비반복 형태의 AlxTi1 - xN 및 TiyAl1 - yN 로 이루어지며, 여기서 x 는 0.4 ~ 0.7, 바람직하게는 0.5 ~ 0.67 이고, 여기서 y 는 0.6 ~ 1, 바람직하게는 0.75 ~ 1 이며 x<y 이고, 한 (A+B) 하층의 평균 두께는 30 ~ 300 ㎚, 바람직하게는 60 ~ 120 ㎚이며, 본질적으로는 변칙적으로 변하고, 다층 코팅의 총 두께는 레이크 측에서 0.5 ㎛ ~ 15 ㎛, 바람직하게는 1 ㎛ ~ 10 ㎛, 더 바람직하게는 1 ㎛ ~ 5 ㎛, 플랭크 측에서 2 ~ 8 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 절삭 인서트.
- 제 1 항에 있어서, b 가 0.8 ~ 0.9, 바람직하게는 0.82 ~ 0.85 이고, 가시적인 균일한 청동 색상의 외관을 나타내기에 충분한 두께, 바람직하게는 0.1 ~ 1 ㎛ 의 두께의 외부 TibAl1 - bN 층을 갖는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, TizAl1 - zN 로 표현되며, z 는 0.40 ~ 0.7 인 전체 코팅에 걸쳐 화학 조성이 평균화되는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
- 초경합금 기재 및 코팅을 포함하는 절삭 인서트의 제조 방법에 있어서, 이 제조 방법은,WC, 8 ~ 11 wt% 의 Co, 바람직하게는 9.5 ~ 10.5 wt% 의 Co, 그리고 0.1 ~ 0.5 wt% 의 Cr 을 포함하며, 18 ~ 22 kA/m 의 보자력을 가지며, 0.78 ~ 0.90 의 CW 비를 갖는 기재를 제공하는 단계, 그리고박판, 다층 구조 (A+B+A+B+...) 를 포함하는 코팅으로서, 상기 층 (A+B) 은 각각 다결정, 비반복 형태의 Alx1Ti- xN 및 TiyAl1 - yN 로 이루어지며, 여기서 x 는0.4 ~ 0.7, 바람직하게는 0.5 ~ 0.67 이고, 여기서 y 는 0.6 ~ 1, 바람직하게는 0.75 ~ 1 이며, 한 (A+B) 하층의 평균 두께는 30 ~ 300 ㎚, 바람직하게는 60 ~ 120 ㎚이며, 본질적으로는 변칙적으로 변하고, 다층 코팅의 총 두께는 레이크 측에서 0.5 ㎛ ~ 15 ㎛, 바람직하게는 1 ㎛ ~ 10 ㎛, 더 바람직하게는 1 ㎛ ~ 5 ㎛, 플랭크 측에서 2 ~ 8 ㎛ 이며, N2 또는 혼합된 N2 + Ar 가스 분위기에서, 순 Ti 및/또는 TiAl 합금으로 이루어진, 2 쌍 또는 3 쌍의 아크 공급원을 이용하는 음극 아크 증발을 이용하여, 코팅을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭 인서트 의 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서, b 가 0.8 ~ 0.9, 바람직하게는 0.82 ~ 0.85 이고, 가시적인 균일한 청동 색상의 외관을 나타내기에 충분한 두께, 바람직하게는 0.1 ~ 1 ㎛의 두께의 외부 TibAl1 - bN 층을 증착하는 것을 특징으로 하는 절삭 인서트의 제조 방법.
- 바람직하게는 건식 조건, 그리고 다음에 따르는 절삭 속도 및 이송 속도로, 강 합금 및 스테인리스 강의 금속 밀링시, 제 1 항 내지 제 3 항에 기재된 절삭 공구의 사용.- Vc 는 25 ~ 350 m/min, 바람직하게는 50 ~ 250 m/min 및 fz 는 0.04 ~ 0.4 ㎜/치부(tooth) 인, 90° 진입 각을 갖는 밀링, 또는- Vc 는 25 ~ 350 m/min, 바람직하게는 50 ~ 250 m/min 및 fz 는 0.05 ~ 0.7 ㎜/치부인, 45°~ 75°진입 각을 갖는 면 밀링, 또는- Vc 는 25 ~ 350 m/min 및 fz 는 0.30 ~ 3.0 ㎜/치부, 바람직하게는 0.3 ~ 1.8 ㎜/치부인, 고속도 밀링 적용.
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