KR20070085468A - 기계 가공을 위한 공구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초경합금, 서멧 또는 세라믹 기재로 제조되며 상기 기재에 단층 또는 다층 경질 재료 코팅이 도포되는 기계 가공용 공구에 대한 것이다. 본 발명에 따르면, 알루미늄, 구리, 아연, 티타늄, 니켈, 주석 또는 이들 금속들의 베이스 합금을 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 금속의 추가 코팅이 경질 재료 코팅에 도포된다.

인서트, 공구, 서멧, 초경합금, 티타늄, 코팅

Description

기계 가공을 위한 공구{MACHINING TOOL}

본 발명은 초경합금(hard metal), 서멧(cermet) 또는 세라믹(ceramic) 기재(base material)로 제조되며 상기 기재(base material)에 단층 또는 다층 경질 재료 코팅이 도포되는 기계 가공용 공구에 대한 것이다.

초경합금 또는 서멧으로 제조된 기계 가공용 공구는 수많은 기계 가공의 경우에 최적의 내마모성 및 절삭날 수명을 여전히 갖추지 못하며, 그로 인해 공구는 단층 또는 다층 경질 재료층을 추가적으로 구비한다.

이러한 경질 재료층의 예로서는 다양한 금속들의 카바이드 화합물, 나이트라이드 화합물, 카본나이트라이드 화합물, 옥사이드 화합물 또는 보라이드 화합물, 그리고 비금속 초경질 화합물(carbidic, nitridic, carbonitridic, oxidic or boridic compounds of various metals and nonmetallic, superhard compounds)이 있다.

빈번하게 사용되는 경질 재료층은, 예를 들어 티타늄 나이트라이드, 티타늄 카본나이트라이드 및 알루미늄 옥사이드이며, 단독으로 사용되거나 서로 혼합되어 사용된다.

이들 경질 재료층을 적용하기 위하여, CVD 및 PVD 방법으로 알려진 화학적 기상 증착법 또는 물리적 기상 증착법이 주로 사용된다.

사용되는 코팅 방법에 따라서, 코팅될 기재(base material)의 제조 유도 표면 거칠기(production-induced surface roughness), 경질 재료의 결정도(crystallinity) 및 공정 유도 층 성장 특성뿐만 아니라 불순물(impurity)이 코팅의 자유 표면에 바람직하지 않은 마이크로 거칠기를 유발하며, 이는 내마모성을 저하할 수 있으므로 공구의 절삭날 수명을 단축할 수 있다.

이러한 표면 거칠기를 최대한 줄이고 그로 인해 절삭날 안정성을 향상시키기 위하여, 이러한 공구는 경질 재료층을 적용한 이후에 다음 평탄화 처리를 받으며, 적어도 하나의 자유 표면 또는 절삭날 상에는 제거된 칩이 흐른다. 층의 표면의 이후 처리를 위해 오늘날 자주 사용되는 방법은 블라스터법(blasting process)이다. 이러한 방법의 경우에, 대략 1 내지 2000 ㎛ 의 입도(grain size)를 갖는 입상 연마제(granular abrasive)는 압축 공기에 의해 건식 상태로 발사되거나, 또는 정압에 의해 부유물과 같은 습식 상태로 표면에 발사되며, 그로 인해 표면의 평탄화가 달성된다. 코런덤(corundum)이 연마제로서 빈번히 사용된다.

독일 특허 공보 DE 199 24 422 C2호는, 특히 연마제로서 예를 들어 1 내지 100 ㎛의 입도를 갖는 Al₂O₃ 또는 SiC 가 사용되는 블라스터법을 개시하며, 다른 블라스터법과의 차이점은 연마제가 환형 입상 형태를 갖는다는 점이다.

사용된 이러한 블라스터법의 단점은 경질 재료층의 상단 박막 또는 부재의 재생되며 제어된 제거가 난해할 뿐만 아니라 상당한 노력에 의해서만 달성될 수 있 다는 점이다. 또한, 이미 공지된 블라스터법의 경우에는 색상 변화가 없는 상단층이 달성된다.

경질 재료로 코팅된 절삭 공구의 내마모성을 향상하는 다른 방법은 유동 칩이 연성 활주층 상에서 미끄러지는 연성 활주층을 적용하는 것이며, 그로 인해 공구면의 마모가 감소된다. 이와 동시에, 공구의 플랭크(flank)와 가공물(workpiece) 사이의 마찰이 감소되며, 이로 인해 공구 플랭크 영역에서의 마모 또한 감소된다.

국제 특허 공보 WO 96/30148호는 절삭 공구를 개시하며, 설파이드(sulphides), 셀레나이드(selenides), 텔루라이드(tellurides) 또는 이들의 혼합 화합물이 대응 활주층으로서 적용된다.

이러한 층의 단점은 상기 층이 마멸에 대해 낮은 열적 안정성, 화학적 안정성 및 기계적 안정성을 일반적으로 갖추고 있으며, 기계 가공 중에 발생하는 높은 열적, 화학적 및 기계적 응력 하에서 부적합한 층 접착이 간혹 발생한다는 점이다. 또한, 색상 변화와 그로 인해 가능한 마모 탐지의 개선은 이러한 층에서 달성되지 않는다.

본 발명의 목적은 기존 공지된 후처리 공구와 비교하여 향상된 내마모성과 그로 인해 증가한 절삭날 수명을 가지며 비용 효율적으로 저비용으로 제조될 수 있으며 마모의 한층 개선된 탐지가 보장되는 기계 가공용 공구를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 상기 목적은 알루미늄, 구리, 아연, 티타늄, 니켈, 주석 또는 이들 금속들의 베이스 합금(base alloys)을 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 금속의 추가적인 코팅이 경질 재료 코팅에 적용되어 달성된다.

대단히 놀랍게도, 본 발명에 따른 이후 처리에 의하여 개선된 칩 흐름이 달성되며, 그로 인해 특히 건식 선삭의 경우에 절삭날에 손상이 발생하지 않으므로 결과적으로 절삭 공구의 작동 가능 시간이 상당히 증가한다는 사실이 발견되었다.

이러한 장점에 더하여, 절삭날의 색상이 금속적으로 밝은 특성에 의해 변색되며 그 결과 마모의 감지가 훨씬 용이하게 수행되는 것은 바람직한 부수적 효과이며, 이는 특히 절삭 공구가 최상단 경질 재료층으로 진회색 또는 진갈색 또는 검정 알루미늄 산화물층을 구비하는 경우에 그러하다.

본 발명에 따른 코팅은, 예를 들어 Ti, Zr, Hf 및 이들 금속의 조합과 같이 주기율표의 IVa - VIa 족 금속들의 카바이드, 나이트라이드, 카본나이트라이드 또는 보라이드의 층과 같은 모든 공지된 경질 재료층에 바람직하게 사용될 수 있으며 이들은 예를 들어 산소 및/또는 붕소가 첨가되며, 이에 더하여 TiAlN 층의 경우와 알루미늄 산화물 및/또는 지르코늄 산화물을 전체 또는 부분적으로 포함하는 층의 경우에도 그러하다.

본 발명에 따른 코팅의 도포를 위하여, 화학적 기상 증착법(CVD) 또는 물리적 기상 증착법(PVD)과 같은 공지된 코팅 방법뿐만 아니라 공지된 여타 코팅 방법을 사용하는 것이 가능하다.

본 발명에 따른 코팅의 바람직한 두께에 대해서는, 0.05 내지 50 ㎛의 범위, 바람직하게는 0.1 내지 10 ㎛의 범위의 층 두께가 적합한 것으로 입증되었다.

본 발명에 따른 코팅의 도포는 경질 재료 코팅으로 된 최상단층이 알루미늄 산화물을 함유한 층을 포함하는 경우에 특히 바람직한데, 왜냐하면 알루미늄 산화물의 상당한 광흡수로 인해 마모의 검출 문제가 되기 때문이다.

최상단층이 티타늄 카바이드, 티타늄 카본나이트라이드, 티타늄 나이트라이드 또는 티타늄 디보라이드(titanium diboride)을 포함하는 경질 재료 코팅의 경우에 있어서, 내마모성의 향상에 대한 매우 우수한 결과는 본 발명에 따른 추가 코팅을 도포함으로써 달성된다.

알루미늄 및 알루미늄계 합금, 특히 12 중량%의 실리콘을 구비하는 알루미늄계 합금과, 청동 및 청동 합금은 한편으로 우수한 활주 특성 또는 윤활 특성을 갖추며 다른 한편으로 경질 재료층의 최상단층의 불규칙함을 놀랍도록 평탄하게 하며, 그로 인해 본 발명에 따른 처리된 공구의 마모 거동(wear behavior)을 상당히 개선하므로 본 발명에 따른 코팅층을 위한 특히 바람직한 재료인 것이 입증되었다. 또한, 공구의 색상에서의 특정한 변화가 달성되며, 상당한 광반사(light reflection)에 의해 공구의 마모를 매우 확실하게 탐지하는 것을 가능하게 한다.

특히, 인덱서블 인서트(indexable insert)의 경우에, 본 발명에 따른 코팅을 도포하는 것이 바람직하다. 이러한 경우에 있어서, 소망한 코팅 금속을 포함하여 구성된 접착제를 사용하여 블라스트법에 의하여 본 발명에 따른 코팅의 도포를 수행하는 것은 매우 저렴할 뿐만 아니라 실행하기 용이하다.

본 발명에 따른 코팅을 도포하기 전에, 예를 들어 코런덤과 같은 비금속 연마제를 사용하여 최상단 경질 재료층에 블라스터법을 적용하는 것이 바람직할 수도 있다. 이로써, 표면이 미리 평탄해지며 본 발명에 따른 코팅의 도포는 한층 얇아진 층 두께로 수행될 수 있다.

최상단 경질 재료층을 평탄하게 하기 위한 이러한 특히 바람직한 전처리 이외에, 예를 들어 기계적 브러시 연마(mechanical brushing) 및 연마제 버니싱마무리(abrasive media burnishing) 등과 같은 공지된 다른 방법도 사용될 수 있다.

본 발명은 예시적인 실시 예를 기초로 하여 더욱 자세하게 설명된다.

도 1은 파손의 예를 본 발명에 따라 코팅되지 않은 인덱서블 인서트의 공구면과 공구 플랭크의 사진을 통해 예시적인 방식으로 나타내는 도면,

도 2는 도 1에서와 같은 시간인 1분 동안 선삭한 이후에 절삭날의 파손이 본 발명에 따른 인덱서블 인서트 상에서 발견되지 않음을 사진을 통해 예시적인 방식으로 나타내는 도면,

도 3은 본 발명에 따른 황동으로 코팅된 인덱서블 인서트에 대하여 사진을 통해 예시적인 방식으로 나타내는 도면,

도 4는 파손의 예를 인덱서블 인서트의 공구면의 사진을 통해 예시적인 방식으로 나타내는 도면, 및

도 5는 본 발명에 따라 코팅된 인덱서블 인서트의 경우에 있어서 6분간 선삭 가공한 이후에도 유동 칩에 의해 발생되는 파손이 하부에 전해 생성되지 않음을 인덱서블 인서트의 사진을 통해 예시적인 방식으로 나타내는 도면.

실시예 1

Ti(C,N)/Al₂O₃ 혼합 산화물/Ti(C,N,B)/TiN 경질 재료 코팅으로 구성된 18 ㎛ 두께의 다층으로 코팅되며 5.8% Co, 1% TiC, 0.8% ZrC, 0.2% ZrN, 4.1% TaC, 잔여 WC 을 구비하는 초경합금 기판을 포함하는 인덱서블 인서트(indexable inserts)는, 2.5 bar의 압력 하에서 100 내지 315 ㎛의 입도와 12 중량% 실리콘을 구비한 알루미늄-실리콘 합금의 그릿(grit)을 갖춘 블라스트 설비에서 1분간 블라스팅된다. 따라서, 인덱서블 인서트는 얇고 금속적으로 밝은 코팅을 구비한다.

본 발명에 따라 Al-Si 합금으로 코팅된 이러한 인덱서블 인서트는 냉각제(coolant) 없이 700 N/㎟의 강도(strength), 300 m/min의 절삭률(cutting rate), 0.25 mm/rev의 공급률(feed rate) 및 2 mm의 절삭 깊이(cutting depth)로 구조강(construction steel) Ck45 을 선삭하기 위한 기계 가공 터스트에 사용된다. 비교를 위해, 본 발명에 따른 코팅이 없는 동일한 경질 재료 코팅 인덱서블 인서트는 동일 조건 하에서 선삭하기 위해 사용된다.

따라서, 본 발명에 따라 코팅되지 않은 인덱서블 인서트는 단지 1분간의 선삭 이후에 마모 표시부 바로 인근의 절삭날이 이미 손상되었음을 발견하였다. 이러한 손상의 예는 인덱서블 인서트의 공구면과 공구 플랭크의 사진을 통해 예시적인 방식으로 도 1에 도시되어 있다.

본 발명에 따른 인덱서블 인서트에 따르면, 동일한 시간인 1분 동안 선삭한 이후에 절삭날의 파손이 발견되지 않았으며, 이는 인덱서블 인서트 상의 예를 통해 도 2에 도시되어 있다.

절삭날의 날 수명은 본 발명에 따른 금속 코팅에 의해 연장될 수 있음은 명확하다.

실시예 2

실시예 1에 기재된 것과 동일한 초경합금 기판/경질 재료층 구조를 갖는 인덱서블 인서트는 2.5 bar의 압력 하에서 100 내지 315 ㎛의 입도를 갖는 황동 그릿을 구비한 블라스트 설비에서 1분간 블라스트된다.

본 발명에 따른 황동으로 코팅된 인덱서블 인서트는 본 발명에 따른 황동 코팅이 없는 인덱서블 인서트와 함께 실시예 1에서와 동일한 기계 가공 테스트를 다시 한번 받고 서로 비교된다.

실시예 1에 따른 인덱서블 인서트 상에서 예시적인 방식으로 도 1에 이미 도시된 방식과 유사한 방식에 있어서, 본 발명에 따라 코팅되지 않은 인덱서블 인서트를 1분간 선삭한 이후에는 상기 인덱서블 인서트는 유동 칩에 의하여 절삭날이 이미 손상을 입었다.

본 발명에 따른 황동으로 코팅된 인덱서블 인서트는 같은 시간 동안의 선삭 이후에 절삭날 상에서 어떠한 손상도 발생하지 않았다. 이는 인덱서블 인서트에 대해 예시적인 방식으로 도 3에 도시된다.

실시예 3

실시예 1에 기재된 것과 동일한 인덱서블 인서트들은 이들 중 하나가 본 발명에 따라 코팅되며 다른 하나가 추가 코팅이 없으며, 상기 인덱서블 인서트들은 냉각 에멀션(cooling emulsion)을 사용하여 700 N/㎟의 강도, 320 m/min의 절삭률, 0.3 mm/rev의 공급률 및 2 mm의 절삭 깊이로 강 Ck45 을 선삭하기 위한 제2 기계 가공 테스트에 사용된다.

이에 따라, 본 발명에 따라 코팅된 인덱서블 인서트를 1분 동안만 선삭한 이후에 상기 인덱서블 인서트는 인덱서블 인서트의 이러한 지점에서 절삭날이 더 이상 선삭을 위해 사용될 수 없을 정도로 유동 칩에 의하여 하부가 이미 파손되었다. 파손의 예는 인덱서블 인서트의 공구면의 사진에 의해 예시적인 방식으로 도 4에 도시된다. 본 발명에 따라 코팅된 인덱서블 인서트의 경우에 있어서, 6분간 선삭 가공한 이후에도 유동 칩에 의해 발생되는 파손이 하부에 전해 생성되지 않으며, 이는 인덱서블 인서트의 사진에 의하여 예시적인 방식으로 도 5에 도시된다.

이들 실시예로부터, 경질 재료 코팅 공구의 보수 가능도(serviceability)는 본 발명에 따른 공구를 위한 처리에 의하여 상당히 증가될 수 있음이 명백하다.

실시예 4

6% Co, 잔여 WC을 구비한 초경합금 기판을 포함하는 인덱서블 인서트는 Ti(C,N)/Ti(C,N,B)/Al₂O₃ 혼합 산화물로 된 16 ㎛ 두께의 다층 경질 코팅으로 코팅된다. 이어서, 인덱서블 인서트들 중 일부가 실시예 1에 기재된 바와 같이 Al-Si 코팅인 본 발명에 따른 코팅으로 코팅된다.

비교 기계 가공 테스트에 있어서, 인덱서블 인서트의 변형 실시예 모두는 냉각 유탁액을 사용하지 않고서 0.3 mm/rev의 공급률 및 2 mm의 절삭 깊이로서 경도 190 HB, 350 m/min의 절삭률로 주철 GG25 을 선삭하기 위해 사용된다.

Al-Si 합금인 본 발명에 따른 코팅을 갖춘 인덱서블 인서트는 0.3 mm의 최대 허용 마모 표시 너비가 도달될 때까지 평균 28% 증가한 날 수명을 갖는다.

실시예 5

6% Co, 2% TaC, 잔여 WC을 구비한 초경합금 기판을 포함하는 인덱서블 인서트는 실시예 4에서와 같이 코팅되며 상기 인서트들 중 일부는 실시예 1에서와 같이 Al-Si 합금인 본 발명에 따른 코팅으로 코팅된다. 인덱서블 인서트의 변형예 모두는 실시예 4에서와 같이 동일한 비교 기계 가공 테스트를 받는다.

본 발명에 따른 Al-Si 코팅을 구비한 인덱서블 인서트는 0.3 mm의 최대 허용 마모 표시 너비가 도달될 때까지 평균 21% 증가한 날 수명을 갖는다.

본 발명은 기계 가공을 위한 공구에 이용될 수 있다.

Claims (10)

1. 초경합금, 서멧 또는 세라믹 기재로 제조되며, 상기 기재에 단층 또는 다층 경질 재료 코팅이 도포되는 기계 가공용 공구에 있어서,

   알루미늄, 구리, 아연, 티타늄, 니켈, 주석 또는 이들 금속의 베이스 합금을 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 금속의 추가 코팅이 경질 재료 코팅에 도포되는 것을 특징으로 하는 공구.
2. 제1항에 있어서,

   추가 코팅의 층 두께는 0.05 내지 50 ㎛, 바람직하게는 0.1 내지 10 ㎛ 범위에 있는 것을 특징으로 하는 공구.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   경질 재료 코팅의 최상단층은 알루미늄 산화물을 함유한 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 공구.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   경질 재료 코팅의 최상단층은 티타늄 카바이드, 티타늄 카본나이트라이드, 티타늄 나이트라이드 또는 티타늄 보라이드를 함유한 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 공구.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   추가 코팅은 알루미늄 또는 알루미늄의 베이스 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 공구.
6. 제5항에 있어서,

   추가 코팅은 12 중량% 실리콘을 갖는 알루미늄계 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 공구.
7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   추가 코팅은 황동 합금 또는 청동 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 공구.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

   공구는 인덱서블 인서트인 것을 특징으로 하는 공구.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 기계 가공용 공구를 제조하기 위한 방법으로서,

   추가 코팅의 도포는 최상단 경질 재료층의 블라스팅 처리에 의해 수행되며, 추가 코팅의 요구되는 조성을 갖는 입상 연마제가 상기 블라스트법을 위해 사용되 는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 기계 가공용 공구를 제조하기 위한 방법으로서,

    최상단 경질 재료층은 추가 코팅이 도포되기 전에, 예를 들어 코런덤(corundum)과 같은 비금속 연마제를 사용한 블라스팅 처리를 받는 것을 특징으로 하는 방법.

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