KR20070063448A - 노치 및 마모가 수반되는 내열성 초합금 (ｈｒｓａ) 및스테인리스 강의 선삭 가공용 초경합금 인서트 - Google Patents

노치 및 마모가 수반되는 내열성 초합금 (ｈｒｓａ) 및스테인리스 강의 선삭 가공용 초경합금 인서트 Download PDF

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마린 모르텐손
마트스 알그렌
안데르스 노르드그렌
케르스틴 발푸이스트
마리아 오스트란드
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산드빅 인터렉츄얼 프로퍼티 에이비
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Abstract

본 발명은 기재 및 코팅을 포함하는 내열성 초합금 및 스테인리스 강의 선삭 가공용 절삭 인서트에 관한 것이다. 이 기재는 5 ~ 7 wt% Co, 0.15 ~ 0.60 wt% TaC 및 0.10 ~ 0.50 wt% NbC 및 잔부로서 WC를 포함하며, 19.5 ~ 24.5의 보자력 및 0.85 ~ 1.00의 CW 비를 갖는다. 이 코팅은 x = 0.6 ~ 0.7 이고, 두께가 1 ~ 3.8 ㎛ 인 균일한 AlxTi1 - xN 층을 포함한다.
초경 합금 인서트, HRSA, 스테인리스 강

Description

노치 및 마모가 수반되는 내열성 초합금 (ＨＲＳＡ) 및 스테인리스 강의 선삭 가공용 초경합금 인서트{CEMENTED CARBIDE INSERTS FOR NOTCH AND WEAR DEMANDING TURNING IN HEAT RESISTANT SUPER ALLOYS (HRSA) AND STAINLESS STEELS}
도 1 은 본 발명 (◇), 본 발명의 범위 외 (■) 및 종래 기술 (▲) 에 따른 인서트의 부절삭날의 시간에 따른 마모를 나타낸다.
본 발명은 특히 내열성 초합금 및 스테인리스 강의 선삭 가공에 유용한 코팅된 절삭 공구 인서트에 관한 것이다. 얇은 PVD 코팅은 주절삭날 및 부절삭날의 내플랭크마모성 및 내노치마모성을 매우 향상시키고, 세립 기재는 소성 변형에 대한 우수한 저항성을 제공한다.
초합금의 선삭 가공은 일반적으로 황삭, 반-황삭, 반-정삭 및 정삭으로 나뉠 수 있다. 황삭 및 반-황삭의 경우에, 절삭깊이는 노즈 반경보다 크며, 주절삭날 및 부절삭날 상의 노치 마모가 주요한 메카니즘이다. 반-정삭 및 정삭의 경우, 절삭 깊이는 노즈 반경보다 작으며, 플랭크 마모 및 크레이터 마모가 우세하 다.
부절삭날의 마모는 기계 가공된 표면의 질에 영향을 미치기 때문에 중요한 파라미터이다.
본 발명의 목적은 내열성 초합금 및 스테인리스 강의 선삭 가공에 특히 유용한 절삭공구 인서트를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가적인 목적은 내마모성이 향상된 부절삭날를 구비한 절삭공구 인서트를 제공하는 것이다.
내열성 초합금 및 스테인리스 강을 선삭 가공할 때, 비교적 얇은 PVD 코팅은 주절삭날 및 부절삭날 상에 내플랭크마모성 및 내노치마모성을 매우 향상시키고, 세립 기재는 소성 변형에 대한 우수한 저항성을 제공한다는 것을 현재 알아냈다. 부절삭날의 마모는 코팅의 두께와 함께 증가한다. 코팅의 두께가 약 4 ㎛ 를 초과할 경우, 부절삭날의 마모는 단계적으로 확대된다.
따라서, 본 발명은 초경합금 기재 및 코팅을 포함하는 코팅된 절삭공구 인서트에 관한 것이다. 이 초경합금 기재는 5 ~ 7 wt% Co, 바람직하게는 5.8 ~ 6.2 wt% Co, 가장 바람직하게는 6.0 wt% Co, 0.15 ~ 0.60 wt% TaC, 바람직하게는 0.20 ~ 0.30 wt% TaC 및 0.10 ~ 0.50 wt% NbC, 바람직하게는 0.10 ~ 0.20 wt% NbC 및 잔부로서 WC를 포함한다. 이 초경합금체는 소량의 다른 원소도 또한 포함하지만, 그 양은 기술적 불순물에 상응하는 정도이다. 보자력은 19.5 ~ 24.5 kA/m 이다.
코발트 바인더상은 본 발명의 초경합금 절삭 인서트에 소망하는 성질을 제공하는 특정량의 W로 합금된다. 바인더상 내의 W는 코발트의 자성에 영향을 미치며, 따라서 다음과 같이 규정된 CW 비와 관련될 수 있다.
CW 비 = Co의 마그네틱% / Co의 wt%
여기에서, Co의 마그네틱% 는 마그네틱 Co의 중량% 이며, Co의 wt% 는 초경합금 내의 Co의 중량% 이다.
이 CW 비는 W 합급의 정도에 따라 1 ~ 약 0.75 이다. 낮은 CW 비는 높은 W 함량을 의미하며, CW 비 = 1 인 경우는 바인더상에 실제로 W가 존재하지 않음을 의미한다.
본 발명에 따르면, 향상된 절삭 성능은 초경합금의 CW 비가 0.85 ~ 1.00, 바람직하게는 0.9 ~ 0.98, 가장 바람직하게는 0.92 ~ 0.97 인 경우에 달성된다는 것을 알아냈다.
코팅은 x = 0.6 ~ 0.67, 바람직하게는 x = 0.62 인 균일한 AlxTi1 - xN 코팅층을 포함한다. 이 층의 총 두께는 1 ㎛ 초과, 바람직하게는 1.8 ㎛ 초과이지만 3.8 ㎛ 미만, 바람직하게는 3.0 ㎛ 미만이다. 조성 및 두께는 노즈 반경으로부터 1mm, 절삭날로부터 200 ㎛ 아래의 플랭크에서 측정된다.
본 발명은 또한 초경합금 기재 및 코팅을 포함하는 코팅된 절삭공구 인서트의 제조 방법에 관한 것이다. 이 초경합금 기재는 밀링, 프레싱 및 소결과 같은 종래의 분말 금속학적 방법을 사용하여 제조되며, 5 ~ 7 wt% Co, 바람직하게는 5.8 ~ 6.2 wt% Co, 가장 바람직하게는 6.0 wt% Co 및 0.15 ~ 0.60 wt% TaC, 바람직하게는 0.20 ~ 0.30 wt% TaC 및 0.10 ~ 0.50 wt% NbC, 더욱 바람직하게는 0.10 ~ 0.20 wt% NbC 및 잔부로서 WC를 포함한다. 초경합금체는 소량의 다른 원소를 포함할 수도 있지만, 그 양은 기술적 물순물에 상응하는 정도이다. 보자력은 19.5 ~ 24.5 kA/m 이다.
CW 비는 0.85 ~ 1.00, 바람직하게는 0.9 ~ 0.98, 가장 바람직하게는 0.92 ~ 0.97 이며, 또한 분말 혼합물에 적정량의 카본 블랙 또는 텅스텐 분말을 가함으로써 조정된다.
블라스팅 (blasting) 또는 연마와 같은 종래의 후 소결 처리 후에, N2 가스 분위기에서 x = 0.6 ~ 0.67, 바람직하게는 x = 0.62 인 AlxTi1 - xN 층을 포함하는 코팅이 적절한 조성의 TiAl 합금으로 구성된 타겟 물질을 사용하는 음극 아크법 (cathodic arc evaporation) 을 사용하여 증착된다. 이 코팅의 총 두께는 1㎛ 초과, 바람직하게는 1.8 ㎛ 초과이지만, 3.8 ㎛ 미만, 바람직하게는 3.0 ㎛ 미만이다.
본 발명은 또한 Inconel 718, Inconel 625, Waspaloy, Udimet 720, San-Mac 316L, SAF2205, SAF2507 과 같은 내열성 초합금 및 스테인리스 강의 선삭 가공을 위한 전술한 인서트의 30 ~ 180 m/min 의 절삭속도 및 0.1 ~ 0.4 mm/rev 의 이송 속도에서의 사용에 관한 것이다.
예 1
조성이 6 wt% Co, 0.16 wt% NbC, 0.23 wt% TaC 및 잔부는 WC이고, 보자력이 22.4 kA/m 이고 CW 비가 0.96 인 초경합금으로 제조된 선삭 가공 인서트에 음극 아크법에 의한 균일한 (Ti, Al)N 코팅이 증착되었다. 이 코팅은 Ti33Al67 합금을 포함하는 타겟 물질을 사용하여 증착되었다. 아크 증발 (arc evaporation) 은 N2 가스 분위기에서 실시되었다. 최종 코팅의 총 두께는 2.5 ㎛ 였으며, 균일한 Al0.62Ti0.38N 층을 포함한다.
예 2
4.5 ㎛ 의 층 두께를 얻기 위해 증착 시간이 선택되는 중요한 차이를 두고 예 1 이 반복되었다.
예 3
A. 조성이 6 wt% Co, 0.16 wt% NbC, 0.23 wt% TaC 및 잔부는 WC이고, 보자력이 22.4 kA/m 이고 CW 비가 0.96 에 상응하는 W 로 합금된 바인더상을 포함하는 초경합금 선삭 가공 인서트가 2.9 ㎛ 의 (Ti, Al)N PVD 코팅으로 코팅되었다.
B. 조성이 6 wt% Co, 0.5 wt% Cr3O2 및 잔부는 WC이고, 보자력이 23.8 kA/m 이고 CW 비가 0.85 인 상업용 초경합금. 이 인서트는 2.9 ㎛ 의 (Ti, Al)N PVD 코팅으로 코팅되었다.
A 및 B로부터 제조된 인서트가 주조 (cast), Inconel 718 베어링 하우스의 선삭 가공으로 시험되었다.
작업: 선삭 가공/정면 가공 - 황삭
공작물: 베어링 하우스
재료: 주조 및 시효 조건의 Inconel 718
절삭 속도: 34 m/min
이송 속도: 0.175 mm/rev
절삭 깊이: 1.78 mm
인서트형: CNMG 120408
주의: 냉각제를 사용한 선삭 가공
결과: 7.2 분의 기계가공 후에 발생한 부절삭날의 플랭크 마모
그레이드 A (본 발명): 0.05 mm
그레이드 B (종래 기술): 0.20 mm
7.2 분의 기계 가공에 해당하는 (소정의) 2 개의 공작물을 가공한 후에 공구 교환.
예 4
C. 조성이 6 wt% Co, 0.16 wt% NbC, 0.23 wt% TaC 및 잔부는 WC이고, 보자력이 23.1 kA/m 이고 CW 비가 0.93 인 상업용 초경합금. 이 인서트는 4.3 ㎛ 의 PVD (Ti, Al)N 다층 코팅으로 코팅되었다.
인서트 A 및 C가 Inconel 718 게이트 스프링 리테이너 (gate spring retainer) 의 선삭 가공으로 시험되었다.
작업: 선삭 가공 - 황삭
공작물: 게이트 스프링 리테이너
재료: 단조 및 시효 조건의 Inconel 718
절삭 속도: 30 m/min
이송 속도: 0.2 mm/rev
절삭 깊이: 2.5 mm
인서트형: CNMG 120412
주의: 냉각제를 사용한 선삭 가공
결과: 1개의 공작물을 가공한 후에 주절삭날을 따라 발생한 플랭크 마모
그레이드 A (본 발명): 0.05 mm
그레이드 C (종래 기술): 0.10 mm
(소정의) 1 개의 공작물을 가공한 후에 공구 교환.
예 5
D. 조성이 6 wt% Co, 0.16 wt% NbC, 0.23 wt% TaC 및 잔부는 WC이고, 보자력이 24.0 kA/m 이고 CW 비가 0.93 인 본 발명에 따른 초경합금 선삭 가공 인서트가 2.6 ㎛ 의 (Ti, Al)N PVD 코팅으로 코팅되었다.
E. 조성이 6 wt% Co, 0.5 wt% Cr3C2 및 잔부는 WC이고, 보자력이 22.0 kA/m 이고 CW 비가 0.82 인 상업용 초경합금. 이 인서트는 5.2 ㎛ 의 (Ti, Al)N PVD 코팅으로 코팅되었다.
인서트 D 및 E가 Udimet 720 터빈 휠의 선삭 가공으로 시험되었다.
작업: 선삭 가공 - 반-정삭
공작물: 터빈 휠
재료: 단조 및 시효 조건의 Udimet 720
절삭 속도: 46 m/min
이송 속도: 0.075 ~ 0.15 mm/rev
절삭 깊이: 1 mm
인서트형: CNGP 120408
주의: 냉각제를 사용한 선삭 가공
결과: 1개의 공작물을 가공한 후에 부절삭날에 발생한 플랭크 마모
그레이드 D (본 발명): 0.07 mm
그레이드 E (종래 기술): 0.13 mm
13 분의 기계 가공에 해당하는 (소정의) 1 개의 공작물을 가공한 후에 공구 교환.
예 6
인서트 B, C 및 D가 Udimet 720 터빈 휠의 선삭 가공으로 시험되었다.
작업: 선삭 가공 - 반-정삭
공작물: 터빈 휠
재료: 단조 및 시효 조건의 Udimet 720
절삭 속도: 46 ~ 55 m/min
이송 속도: 0.075 ~ 0.125 mm/rev
절삭 깊이: 0.25 ~ 1 mm
인서트형: CNGP 120408, CNGG 120408
주의: 냉각제를 사용한 선삭 가공
결과: 1개의 공작물을 가공한 후에 주절삭날에 발생한 플랭크 마모
그레이드 D (본 발명): 0.04 mm
그레이드 C (종래 기술): 0.09 mm
그레이드 B (종래 기술): 0.17 mm
23.7 분의 기계 가공에 해당하는 (소정의) 1 개의 공작물을 가공한 후에 공구 교환.
예 7
인서트 B, D 및 E가 Udimet 720 터빈 휠의 선삭 가공으로 시험되었다.
작업: 선삭 가공 - 정삭
공작물: 터빈 휠
재료: 단조 및 시효 조건의 Udimet 720
절삭 속도: 46 m/min
이송 속도: 0.125 mm/rev
절삭 깊이: 0.38 mm
인서트형: CNGP 120408, CNGG 120408
주의: 냉각제를 사용한 선삭 가공
결과: 1개의 공작물을 가공한 후에 주절삭날에 발생한 플랭크 마모
그레이드 D (본 발명): 0.05 mm
그레이드 E (종래 기술): 0.10 mm
그레이드 B (종래 기술): 0.10 mm
5 분의 기계 가공에 해당하는 (소정의) 1 개의 공작물을 가공한 후에 공구 교환.
예 8
인서트 C 및 D가 Inconel 718 바의 선삭 가공으로 시험되었다.
작업: 선삭 가공 - 황삭
공작물: 단조 및 기계가공된 바
재료: 단조 및 시효 조건의 Inconel 718
절삭 속도: 50 m/min
이송 속도: 0.25 mm/rev
절삭 깊이: 1 mm
인서트형: CNMG 120408
주의: 냉각제를 사용한 선삭 가공
결과: 공구 수명, 절삭 시간
그레이드 D (본 발명): 5.2 min
그레이드 C (종래 기술): 3 min
공구 수명의 기준은 주절삭날의 노치 마모가 0.3 mm.
예 9
F. 조성이 5.8 wt% Co, 0.5 wt% Cr3C2 및 잔부는 WC이고, 보자력이 19.8 kA/m 이고 CW 비가 0.83 인 상업용 초경합금. 이 인서트는 1.3 ㎛ 의 (Ti, Al)N PVD 코팅으로 코팅되었다.
인서트 D, E 및 F가 Udimet 720 터빈 휠의 선삭 가공으로 시험되었다.
작업: 선삭 가공 - 정삭
공작물: 터빈 휠
재료: 단조 및 시효 조건의 Udimet 720
절삭 속도: 46 m/min
이송 속도: 0.15 mm/rev
절삭 깊이: 0.1 ~ 0.5 mm
인서트형: CNGP 120408, CNGG 120408
주의: 냉각제를 사용한 선삭 가공
결과: 1개의 공작물을 가공한 후에 부절삭날에 발생한 플랭크 마모
그레이드 D (본 발명): 0.07 mm
그레이드 E (종래 기술): 0.15 mm
그레이드 F (종래 기술): 0.15 mm
8.3 분의 기계 가공에 해당하는 (소정의) 1 개의 공작물을 가공한 후에 공구 교환.
예 10
G. 조성이 6 wt% Co, 0.16 wt% NbC, 0.23 wt% TaC 및 잔부는 WC이고, 보자력이 24.0 kA/m 이고 CW 비가 0.93 인 본 발명에 따른 초경합금 인서트가 2.6 ㎛ 의 (Ti, Al)N PVD 코팅으로 코팅되었다.
인서트 C, E 및 G가 Inconel 718 케이싱의 선삭 가공으로 시험되었다.
작업: 선삭 가공 - 정삭
공작물: 케이싱
재료: 단조 및 시효 조건의 Inconel 718
절삭 속도: 37 m/min
이송 속도: 0.2 mm/rev
절삭 깊이: 0.25 mm
인서트형: CNMG 120408
주의: 냉각제를 사용한 선삭 가공
결과: 1개의 공작물을 가공한 후에 부절삭날에 발생한 플랭크 마모
그레이드 G (본 발명): 0.06 mm
그레이드 E (종래 기술): 0.17 mm
그레이드 C (종래 기술): 0.22 mm
9.7 분의 기계 가공에 해당하는 (소정의) 1 개의 공작물을 가공한 후에 공구 교환.
예 11
H. 조성이 6 wt% Co, 0.16 wt% NbC, 0.23 wt% TaC 및 잔부는 WC이고, 보자력 이 21.6 kA/m 이고 CW 비가 0.95 인 본 발명에 따른 초경합금 선삭 가공 인서트가 2.7 ㎛ 의 (Ti, Al)N PVD 코팅으로 코팅되었다.
인서트 C 및 H가 Inconel 718 바의 선삭 가공으로 시험되었다.
작업: 선삭 가공 - 반-정삭
공작물: 단조 및 기계가공된 바
재료: 단조 및 시효 조건의 Inconel 718
절삭 속도: 70 m/min
이송 속도: 0.15 mm/rev
절삭 깊이: 0.5 mm
인서트형: CNGP 120408
주의: 냉각제를 사용한 선삭 가공
결과: 공구 수명, 절삭 시간
그레이드 H (본 발명): 5 min
그레이드 C (종래 기술): 2.5 min
공구 수명의 기준은 주절삭날의 노치 마모가 0.3 mm.
예 12
I. 조성이 6 wt% Co, 0.16 wt% NbC, 0.23 wt% TaC 및 잔부는 WC이고, WC의 평균 입도는 1.2 ㎛ 이고, 보자력이 22.0 kA/m 이고 CW 비가 0.97 인 본 발명에 따른 초경합금 선삭 가공 인서트가 2.4 ㎛ 의 (Ti, Al)N PVD 코팅으로 코팅되었다.
인서트 B, C 및 I가 Inconel 718 바의 선삭 가공으로 시험되었다.
작업: 선삭 가공 - 황삭
공작물: 단조 및 기계가공된 바
재료: 단조 및 시효 조건의 Inconel 718
절삭 속도: 50 m/min
이송 속도: 0.2 mm/rev
절삭 깊이: 1.5 mm
인서트형: CNMG 120408
주의: 냉각제를 사용한 선삭 가공
결과: 공구 수명, 절삭 시간
그레이드 I (본 발명): 5.5 min
그레이드 B (종래 기술): 4.5 min
그레이드 C (종래 기술): 3.2 min
공구 수명의 기준은 주절삭날의 노치 마모가 0.3 mm.
예 13
J. 그레이드 I와 동일 조성의 본 발명에 따른 초경합금 선삭 가공 인서트가 4.7 ㎛ 의 두꺼운 (Ti, Al)N PVD 코팅으로 코팅되었다.
그레이드 I (본 발명), 그레이드 J 및 C (종래 기술) 로 제조된 인서트가 Inconel 718 바의 선삭 가공으로 시험되었다.
작업: 선삭 가공 - 황삭
공작물: 단조 및 기계가공된 바
재료: 단조 및 시효 조건의 Inconel 718
절삭 속도: 50 m/min
이송 속도: 0.2 mm/rev
절삭 깊이: 1.5 mm
인서트형: CNMG 120408
주의: 냉각제를 사용한 선삭 가공
결과: 4분간 기계 가공 후 부절삭날의 플랭크 마모.
그레이드 I (본 발명): 0.12 mm
그레이드 J (본 발명의 범위 외): 0.26 mm
그레이드 C (종래 기술): 0.26 mm
도 1 의 그래프는 시간에 따른 부절삭날의 최대 플랭크 마모를 나타내며, W는 부절삭날의 최대 마모 (mm) 이며 T는 절삭 시간 (min) 을 나타낸다. ◇는 그레이드 I (본 발명), ■는 그레이드 J (본 발명의 범위 외), 그리고 ▲는 그레이드 C (종래 기술) 를 나타낸다.
본 발명에 따른 초경합금 기재 및 코팅을 구비한 절삭공구 인서트는 플랭크 및 노치 내마모성이 향상되어 종래 기술에 비해 공구 수명이 향상되었다.

Claims (3)

  1. 기재 및 코팅을 포함하는, 내열성 초합금 및 스테인리스 강의 선삭가공에 사용되는 절삭공구 인서트에 있어서,
    상기 기재는 5 ~ 7 wt% Co, 바람직하게는 5.8 ~ 6.2 wt% Co, 가장 바람직하게는 6.0 wt% Co 및 0.15 ~ 0.60 wt% TaC, 바람직하게는 0.20 ~ 0.30 wt% TaC 및 0.10 ~ 0.50 wt% NbC, 바람직하게는 0.10 ~ 0.20 wt% NbC 및 잔부로서 WC를 포함하며, 보자력은 19.5 ~ 24.5 kA/m 이며, CW 비는 0.85 ~ 1.00, 바람직하게는 0.9 ~ 0.98, 가장 바람직하게는 0.92 ~ 0.97 이며,
    상기 코팅은 x = 0.6 ~ 0.67, 바람직하게는 x = 0.62 이며, 두께는 1 ㎛ 초과, 바람직하게는 1.8 ㎛ 초과, 3.8 ㎛ 미만, 바람직하게는 3.0 ㎛ 미만인 균일한 AlxTi1-xN 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트.
  2. 초경합금 기재 및 코팅을 포함하는, 내열성 초합금 및 스테인리스 합금의 선삭 가공용 코팅된 절삭공구 인서트의 제조 방법으로서,
    밀링, 프레싱 및 소결과 같은 종래의 분말 금속학적 방법을 사용하여 5 ~ 7 wt% Co, 바람직하게는 5.8 ~ 6.2 wt% Co, 가장 바람직하게는 6.0 wt% Co 및 0.15 ~ 0.60 wt% TaC, 바람직하게는 0.20 ~ 0.30 wt% TaC 및 0.10 ~ 0.50 wt% NbC, 바람직하게는 0.10 ~ 0.20 wt% NbC 및 잔부로서 WC를 포함하며, 보자력은 19.5 ~ 24.5 kA/m 이며, CW 비는 0.85 ~ 1.00, 바람직하게는 0.9 ~ 0.98, 가장 바람직하게는 0.92 ~ 0.97인 기재를 제공하는 단계,
    종래의 후 소결처리 후에, 적절한 조성의 TiAl 합금을 포함하는 타겟 물질을 사용하는 음극 아크법에 의해 x = 0.6 ~ 0.67, 바람직하게는 x = 0.62 인 AlxTi1 - xN 층을 포함하는 코팅을 N2 가스 분위기에서 코팅의 총 두께가 1㎛ 초과, 바람직하게는 1.8 ㎛ 초과, 3.8 ㎛ 미만, 바람직하게는 3.0 ㎛ 미만으로 증착하는 단계를 특징으로 하는 절삭공구 인서트의 제조 방법.
  3. 30 ~ 180 m/min 의 절삭 속도 및 0.1 ~ 0.4 mm/rev 의 이송 속도로 Inconel 718, Inconel 625, Waspaloy, Udimet 720, San-Mac 316L, SAF2205, SAF2507과 같은 내열성 초합금 및 스테인리스 강의 선삭가공에 사용되는 제 1 항에 따른 인서트의 용도.
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