KR20070120066A

KR20070120066A - 코팅된 절삭 공구 인서트

Info

Publication number: KR20070120066A
Application number: KR1020070059067A
Authority: KR
Inventors: 구닐라 안데르손; 안데르스 칼손; 카타리나 달; 얀 셸그렌; 페테르 리텍셰
Original assignee: 산드빅 인터렉츄얼 프로퍼티 에이비
Priority date: 2006-06-16
Filing date: 2007-06-15
Publication date: 2007-12-21
Also published as: IL183732A0; ATE478978T1; KR20070120067A; IL183733A0; DE602007008639D1; KR101444457B1

Abstract

본 발명은 절삭날선의 안전성의 손실 없이 고온을 견딜 수 있는 향상된 조도 특성을 가진 CVD-코팅 절삭 공구 인서트에 관한 것이다. 절삭 코팅은 50 ~ 500 MPa 의 낮은 인장 응력 레벨을 가진 TiC_xN_y 층과 원자력 현미경 (AFM) 으로서 측정된 평균 Ra ＜ 0.12 ㎛ 의 높은 면 평활도를 가진 α-Al₂O₃ 층을 포함하고, 이는 강한 습식 블래스팅 작업에 코팅 과정을 부가함으로써 얻어진다.

Description

코팅된 절삭 공구 인서트{COATED CUTTING TOOL INSERT}

도 1 은 X선 측정에 의해서 잔류 응력의 평가를 위한 고니오미터 (goniometer) 장치를 나타내는 도면이며, 여기서

E = 오일러 1/4-크래들,

S = 샘플,

I = 입사된 X선 빔,

D = 분산된 X선 빔,

θ = 분산각도,

ω = θ,

ψ = 오일러 1/4-크래들을 따른 경사 각도,

φ = 샘플 축선을 중심으로 한 회전 각도이다.

본 발명은 특히 높은 절삭 속도로 저합금강, 탄소강 및 인성 경화강과 같은 강의 선삭 가공에 유용한 코팅된 고성능 절삭 공구 인서트에 관한 것이다. 상기 인서트는 탄화 텅스텐 (WC), 입방 탄화물 및 코발트 (Co) 가 농후한 표면 구역 을 가지며, 상기 절삭 인서트에 소성 변형에 대한 우수한 저항성 및 높은 인성 거동을 제공하는 Co-바인더 상에 기초한다. 또한, 상기 코팅은 공구 인서트에 놀라울 정도로 향상된 절삭 성능을 제공하는 표면 후처리를 받은 다수의 마모 저항층을 포함한다.

오늘날, 대부분의 절삭 공구는 TiC, TiC_xN_y, TiN, TiC_xN_yO_z 및 Al₂O₃ 과 같은 여러 단단한 층으로 코팅되는 초경합금 인서트에 기초한다. 개별 층의 배열 및 두께는 상이한 절삭 적용면과 절삭될 피삭재 재료가 맞도록 신중히 선택된다. 가장 자주 사용되는 코팅 법은 화학증착법 (CVD) 과 물리증착법 (PVD) 이다. 특히, CVD 코팅 인서트는 코팅되지 않은 인서트에 비하여 플랭크 마모 저항 및 크래이터 마모 저항에 대해 아주 큰 이점을 갖는다.

화학증착법은 보다 높은 온도 범위, 즉 950 ~ 1050℃ 에서 수행된다. 이 높은 증착 온도 및 증착된 코팅 재료와 초경합금 공구 인서트 간의 열 팽창 계수에서의 부정합 때문에, 화학증착법은 냉각 크랙과 높은 인장 응력 (때로는 최대 1000 MPa) 을 갖는 코팅을 초래할 수 있다. 어떤 절삭 상태 하에서, 상기 높은 인장 응력은 냉각 크랙이 초경합금체로 더욱 전달하여 절삭날의 파손을 야기하는 것을 촉진시킬 수 있기 때문에 단점일 수 있다.

금속 절삭 산업에서는, 절삭 상태 영역, 예컨대 저속으로 단절된 절삭을 하는 동안 파손이나 치핑을 저항하는 능력을 소모하지 않으면서 더 높은 절삭 속도를 견디는 능력을 증가시키기 위해 끊임없는 노력을 하고 있다.

적용 영역에서 현저한 향상이 바인더상이 농후한 표면 구역을 갖는 인서트와 최적의 두께를 갖는 코팅을 결합함으로써 달성되었다.

그러나, 코팅 두께를 두껍게 함에 따라, 마모 저항에 대한 긍정적인 효과는 코팅의 갈라짐(coating delamination)의 위험성의 증가와 절삭 공구를 덜 신뢰적으로 만드는 인성의 감소의 형태로 부정적인 효과가 증가하기 때문에 균형을 잃게 된다. 이러함은, 특히 저탄소강 및 스테인레스강과 같은 더 연질인 피삭재 재료에 적용되고, 코팅 두께가 약 5 ~ 10 ㎛ 일 경우에 적용된다. 또한, 두꺼운 코팅은 일반적으로 더욱 고르지 못한 표면과, 절삭이 저탄소강 및 스테인레스강과 같은 재료를 손상시킬 때 부정적인 특징을 갖는다. 향상책으로는, 여러 특허 문헌, 예컨대 EP 제 0 298 729 호, EP 제 1 306 150 호 및 EP 제 0 736 615 호에 개시되어 있는 브러싱 또는 습식 블래스팅에 의해 코팅을 매끄럽게 하는 후작업을 적용할 수 있다. US 제 5,861,210 호에서, 그 목적은, 예컨대 매끄러운 절삭날을 형성시키고 마모 감지층으로 사용되기 위해 여유면 상에 TiN 을 남기면서 경사면 상의 상부층으로서 Al₂O₃ 을 노출시키는데 있었다. 플레이크화에 대한 높은 저항성을 갖는 코팅을 얻을 수 있다.

예컨대, 습식 또는 건식 블래스팅과 같은 기계적 효과에 표면, 예컨대 코팅 표면을 노출시키는 모든 후처리 법은 표면 마무리 및 코팅의 응력 상태 (σ) 에 어느 정도 영향을 미칠 것이다.

강한 블래스팅 충격 (intense blasting impact) 은 CVD-코팅시 인장 응력을 더 낮출 수 있지만, 때때로, 냉각 크랙을 따라 홈 (ditches) 을 생성함으로써 코팅 표면 마무리를 고갈시킬 수 있거나 상기 코팅을 박리시킬 수도 있다.

매우 강한 처리는 건식 블래스팅 기술이 사용되는 EP-A-1 311 712 에서 개시된 바와 같이, 높은 인장으로부터 높은 압축까지와 같은 응력 상태에서 큰 변화를 일으킬 수도 있다.

일정한 초경합금 기재 조성물의 조합과 일정한 코팅 구조 및 두께를 갖고, 제어된 상태 하에서 습식 블래스팅에 의해서 후처리된 절삭 공구 인서트가 종래의 절삭 공구 인서트보다 더 광범위한 범위에 걸쳐서 우수한 절삭 특성을 달성하고 있다는 것을 놀랍게도 이제야 발견하였다.

코발트 바인더 상은 다량의 W 로 합금된다. 바인더 상의 W 의 함량은 CW-비로서 나타낼 수 있다:

CW-비 = M_s / (중량% Co * 0.0161)

여기서, M_s 는 측정된 포화 자화도 (hA㎡/kg) 이며, 중량% Co 는 초경합금의 Co 함량이다. 낮은 CW-비는 Co 바인더 상에서 높은 W-함량에 상응한다. 사용된 후처리는 상기 코팅에 알맞은 인장 강도 수준을 부여할 것이고, Al₂O₃ 층에 일정한 중요 결정화 특성을 부여할 것이고, 그리고 상부 표면에 우수한 표면 마무리를 부여할 것이다.

블래스팅 기술과의 언급된 조합은 성능상 불리한 조건없이 적용될 수 있는 코팅 두께의 제한을 효율적으로 확장시킨다. 발명의 결과로서, 탁월한 폭의 적 용 영역이 이제 가능하다. 인성 거동과 코팅 접착에 대해서 현저한 향상점이 달성되었다.

블래스팅에 의해서 코팅의 응력 상태를 현저하게 변화시키기 위하여, Al₂O₃ 그리트와 같은 블래스팅 매체가 높은 임펄스로 코팅 표면에 부딪혀야 한다. 충격력은, 예를 들어 블래스팅 펄프 압력 (습식 블래스팅), 블래스팅 노즐과 코팅 표면간의 거리, 블래스팅 매체의 입자 크기, 블래스팅 매체의 집중도 및 블래스팅 제트의 충격 각도에 의해서 제어될 수 있다.

본 발명의 목적은 절삭날의 보호성 (edge security) 또는 인성을 희생시키지 않으면서, 내고온성을 갖는 향상된 인성 특성을 갖는 CVD-코팅된 공구 인서트를 제공하는 데에 있다.

따라서, 본 발명은 하나 이상의 경사면과 하나 이상의 여유면을 갖고, 코팅 및 초경합금 기재로 이루어진 일반적으로 다각형 또는 라운드 형상의 본체로 이루어진 코팅된 절삭 공구 인서트에 관한 것이다. 상기 본체는 4.4 ~ 6.6, 바람직하게는 5.0 ~ 6.0, 가장 바람직하게는 5.0 ~ 5.8 중량% Co, 4 ~ 8.5 중량% 입방 탄화물, 잔부 WC, 바람직하게는 85 ~ 91 중량% WC, 가장 바람직하게는 87 ~ 90 중량% WC 이고, 바람직하게는 1 ~ 4 ㎛ 의 평균 입자 크기, 0.78 ~ 0.92 범위의 CW-비, 그리고 입방 탄화물 TiC, TaC 및/또는 NbC 로부터 고갈된 표면영역을 갖는 조성을 갖는다.

입방 탄화물로부터 고갈된 상기 표면 구역의 두께는 10 ㎛ 에서부터, 다른 방법으로는 15 ㎛ 에서부터, 또는 다른 방법으로는 20 ㎛ 에서부터 40 ㎛ 까지, 다른 방법으로는 35 ㎛ 까지, 다른 방법으로는 30 ㎛, 또는 다른 방법으로는 25 ㎛ 까지이다.

코팅은 1 이상의 TiC_xN_y 층 및 하나의 100% α-Al₂O₃ 으로 된 결정층 (well-crystalline layer) 을 포함한다. 상기 α-Al₂O₃ 층은 절삭날선을 따라서 경사면상의 최외각 가시층이고, 이 층은 충분히 큰 에너지로 강하게 습식 블래스팅되어서 Al₂O₃ 층 및 TiC_xN_y 층 둘 다에 인장 응력 완화를 할 수 있게 한다. Al₂O₃ 최외각 층은 경사면상의 적어도 칩 접촉 구역에서 매우 매끄러운 표면을 가진다.

놀랍게도, 1 이상의 경사면 및 1 이상의 여유면을 가진 일반적으로 다각형 또는 둥근형으로 되어 있고 또한 적어도 부분적으로 코팅된 절삭 공구 인서트가, 다음의 특징을 갖도록 형성되면, 상당히 향상된 인성 성능을 얻을 수 있음을 알았다.

- TiC_xN_y 의 제 2 층은 3 ㎛ 에서부터, 바람직하게는 4 ㎛ 에서부터, 보다 바람직하게는 5 ㎛ 에서부터, 가장 바람직하게는 6 ㎛ 에서부터 15 ㎛ 까지, 바람직하게는 13 ㎛ 까지, 가장 바람직하게는 10 ㎛ 까지의 두께를 가지고, 여기서, x≥0, y≥0, x + y = 1 이며, 바람직하게는 MTCVD 로 제조되고, 인장 응력은 50 ~ 500 MPa, 바람직하게는 50 ~ 450 MPa, 가장 바람직하게는 50 ~ 400 MPa 이다.

- 외부 α-Al₂O₃ 층은 3 ㎛ 에서부터, 바람직하게는 3.5 ㎛ 에서부터, 가장 바람직하게는 4 ㎛ 에서부터 12 ㎛ 까지, 바람직하게는 11 ㎛ 까지, 가장 바람직하게는 10 ㎛ 까지의 두께를 가지고, 적어도 경사면의 칩 접촉 구역에서, 평균 조도 (Ra) ＜ 0.12 ㎛, 바람직하게는 Ra ≤ 0.10 ㎛ 를 갖는 절삭날선을 따라서 경사면상의 최외각 층이며, 평균 조도는 원자력 현미경 (AFM) 및 X선 회절 강도 (피크 높이 - 백그라운드 (background)) 비 I(012)/I(024) ≥ 1.3, 바람직하게는 ≥ 1.5 에 의해 10 ㎛ × 10 ㎛ 의 영역에 걸쳐 측정되었다.

TiC_xN_y 층과 α-Al₂O₃ 층 사이에는 TiC_xN_yO_z으로 된 0.2 ~ 2 ㎛ 의 얇은 접착층이 있는 것이 바람직하고, 여기서, x≥0, y≥0, z≥0 이다. 두 층의 전체 두께는 25 ㎛ 이하이다.

또한, 본 발명에 따라서, 기재와 층들 사이의 코팅 구조체에 추가의 층이 포함될 수 있고, 이 층은 금속 질화물 및/또는 탄화물 및/또는 산화물로 구성되고, 금속 요소는 Ti, Nb, Hf, V, Ta, Mo, Zr, Cr, W 및 Al 중에서 선택되며, 전체 코팅 두께는 5 ㎛ 미만이다.

상기 유도된 압축 응력은, 코팅에 약간의 인장 응력이 여전히 존재하는 경우에 비하여, 절삭 작업시 발생하는 온도 상승에 대하여 불안정하기 때문에, TiC_xN_y 층에 약간의 인장 응력이 남아있는 것이 바람직하다. 또한, 블래스팅에 의해 압축 응력이 유도되는 경우에, 매우 높은 블래스팅 충격력이 필요하고, 이러한 상태에서는 절삭날을 따라 코팅의 박리가 자주 발생하게 된다.

내부 TiC_xN_y 층의 잔류 응력 (σ) 은 잘 알려진 sin²ψ 방법 (1987년 뉴욕, 스프링거-베르라그에서, I.C. Noyan, J.B. Cohen 저, 회절 및 판독에 의한 잔류 응력 측정법 (117쪽 - 130쪽) 에 기재) 을 사용하여 X선 회절 측정법으로 결정된다. 측정은 도 1 에 도시된 바와 같이 고니오미터 설정으로 TiC_xN_y (422) 반사로 CuK_α-복사를 사용하여 실시된다. 측정은 가능한 한 평면에서 실시된다. 0 내지 0.5 (ψ=45°) 의 sin² ψ 범위 내의 등거리에서, 6 내지 11 ψ각을 가진 측면 경사 기술 (ψ-치수법) 을 사용하는 것이 권장된다. 또한, 90°의 φ-섹터 내의 φ-각의 등거리 분배가 바람직하다. 2 축 응력 상태를 분명히 하기 위해서, 샘플은 Ψ 로 기울어져, φ=0°, 90°로 회전된다. 전단 응력이 존재하는가를 확인하는 것이 권장되며, 따라서, 음 및 양의 Ψ 각 모두가 측정된다. 오일러 1/4 크래들의 경우에, 이는 상이한 Ψ 각에 대하여 φ=180°, 270°로 샘플을 측정하여 이루어진다. sin²Ψ 방법은 유사 보이트 피트 (Pseudo Voigt Fit) 함수를 사용하여 반사가 형성되는 MTCVD Ti (C, N) 층의 경우에 영률, E = 480GPa 및 푸아송의 비, υ= 0.20 으로 Bruker AXS 의 DIFFRAC^Plus Stress 32 v. 1.04 와 같은 몇몇 시중에서 구입가능한 소프트웨어를 바람직하게 사용하여 잔류 응력을 산출하는데 사용된다. 상기 경우에, E-modulus = 480Gpa 및 푸아송의 비 υ=0.20 의 파라미터가 사용된다. 2 축 응력 상태의 경우에, 인장 응력은 상기 얻어진 2 축 응력의 평균으로서 계산된다.

요구된 높은 2θ 각 X선 회절 반사는 너무 약하기 때문에, α-Al₂O₃ 에 대하여 일반적으로 sin²Ψ 법을 사용할 수 없다. 그러나, 절삭 성능에 대한 α-Al₂O₃ 의 상태와 관련된 유용한 다른 측정법이 발견되었다.

α-Al₂O₃ 분말에 대한 회절 강도비 I(012)/I(024) 는 1.5 근방이다. 분말 회절 파일 JCPDS 제 431484 는 강도 I₀(012)=72 및 I₀(024)=48 를 나타낸다. 초경합금의 인장 응력 (350MPa 보다 대략 큰 σ) 을 받은 화학증착(CVD) 의 α-Al₂O₃ 층에 대하여, 강도비 I(012)/I(024) 는 놀랍게도 예상된 값 1.5 보다 현저히 낮았으며, 종종 대부분 1 미만이었다. 이는 상기 인장 응력에 의해 초래된 결정 격자에서의 일부 불규칙성 때문일 수 있다. 상기 층이 예컨대, 강한 블래스팅 작동에 의해 응력이 제거될 때 또는 상기 기재 또는 분말로부터 상기 층이 완전히 제거될 때, 비 I(012)/I(024) 는 1.5 에 근접하거나 또는 그 이상이 된다. 가해진 블래스팅 력이 높아질수록, 상기 비는 높아지게 된다. 그래서, 이러한 강도비는 α-Al₂O₃ 층의 중요한 상태 특징으로서 사용될 수 있다.

본 발명에 따르면, 절삭 공구 인서트에는, 마지막에서 두번째 TiC_xN_y 층 및 외부 α-Al₂O₃ 층을 포함하는 CVD 코팅이 제공된다. 상기 Al₂O₃ 는 1.3 보다 큰, 바람직하게는 1.5 보다 큰 집합 조직 계수 TC(012) 의 012 방향으로 Al₂O₃ 층에 결정학적 집합 조직를 부여하는 EP 제 603 144 호 또는, 집합 조직 계수 TC(110) 가 1.5 보다 큰 110 방향으로 집합 조직를 부여하는 US 제 5,851,687 호 및 제 5,702,808 호에 따라 생성될 수 있다. 매우 매끄러운 표면 및 낮은 인장 응력을 얻기 위해서, 상기 코팅은 인서트 당 약 10 ~ 20 초 동안 2.2 ~ 2.6bar 의 공압으로 물에서의 Al₂O₃ 의 F150 그리트 (grit) (FEPA-표준) 로 이루어진 슬러리로 습식 블래스팅 작업하에 놓인다. 스프레이 건은 90°스프레이 각으로 인서트로부터 약 10mm 에 배치된다. 상기 인서트는 블랙 경사면이 아닌 여유면에서 상이한 색상을 갖는다. TiN (노랑), TiC_xN_y (회색 또는 청동색), ZrC_xN_y (붉은 빛깔 또는 청동색), (여기서, x≥0, y≥0 및 x+y=1), 또는 Tic (회색) 의 최외각의 얇은 0.1 ~ 2㎛ 착색층을 적층하는 바람직하다. 이후, 상기 인서트는 블래스트되고 상부층을 제거하여 상기 블랙 Al₂O₃ 층이 드러나게 된다. 경사면의 코팅은 소망하는 낮은 인장 응력 50 ~ 500MPa 을 가지며, 여유면은 500 ~ 700MPa 의 높은 인장 응력을 가지며, 사용된 초경 인서트의 열 팽창 계수 (CTE) 및 코팅의 선택에 따라, 경사면의 인장 응력은 여유면의 인장 응력보다 낮다. 본 발명의 다른 실시예에서, 코팅된 인서트는 경사면과 여유면 모두에서 블래스트되며, 착색 내열 도료가 여유면에 도포되거나, 착색 PVD 층이 거기에 증착되어 사용된 절삭날을 식별할 수 있는 가능성을 얻는다.

실시예 1

다음과 같은 샘플이 제조되었다.

A) 5.5 중량% Co, 2.9 중량% TaC, 0.5 중량% NbC, 1.4 중량% TiC, 0.9 중량% TiN, 잔부 WC 인 조성을 가지며, 평균 입자 크기가 약 2 ㎛ 이며, 29㎛ 두께의, 입방의 탄화물로부터 고갈된 표면 영역을 갖는 초경합금 절삭 인서트.

B) 5.5 중량% Co, 2.9 중량% TaC, 0.5 중량% NbC, 1.9 중량% TiC, 0.4 중량% TiN, 잔부 WC 인 조성을 가지며, 평균 입자 크기가 약 2 ㎛ 이며, 18㎛ 두께의, 입방의 탄화물로부터 고갈된 표면 영역을 갖는 초경합금 절삭 인서트.

C) 5.5 중량% Co, 2.9 중량% TaC, 0.5 중량% NbC, 1.6 중량% TiC, 0.7 중량% TiN, 잔부 WC 인 조성을 가지며, 평균 입자 크기가 약 2 ㎛ 이며, 23㎛ 두께의, 입방의 탄화물로부터 고갈된 표면 영역을 갖는 초경합금 절삭 인서트.

A) ~ C) 에 대한 포화 자화도(M_s) 는 0.077 hAm²/kg 으로 측정되었으며 CW 비는 0.87 이었다. A) ~ C) 에 따른 인서트에는 930 ℃ 에서 일반적인 CVD-법에 의하여 0.5 ㎛ 두께의 TiN 층을, 이어서 885 ℃ 에서 반응 가스로서 TiCl₄, H₂, N₂, 그리고 CH₃CN 을 사용하고 MTCVD 법을 채택하여 7 ㎛ 의 TiC_xN_y 층을 코팅한다. 동일한 코팅 주기 동안 연속된 반응 단계에서, 1000 ℃ 에서 TiCl₄, CO, 및 H₂ 를 사용하여 약 0.5 ㎛ 두께의 TiC_xO_z 의 층이 증착되고, 이어서 7 ㎛ 두께의 α-Al₂O₃ 층이 증착되기 전에, 2 분간 2 % CO₂, 3.2 % HCl 및 94.8 % H₂ 의 혼합물을 반 응기로 쏟아냄으로써 Al₂O₃ 반응이 시작된다. 최상부에 얇은, 약 0.5 ㎛ 의 TiN 층이 증착된다. 증착 단계 동안 반응 조건은 다음과 같다.

단계	TiN 1, 6	TiC_xN_y 2	TiC_xO_z 3	Al₂O₃-시작 4	Al₂O₃ 5
TiCl₄	1.5 %	1.4 %	2 %
N₂	38 %	38 %
CO₂				2 %	4 %
CO			6 %
AlCl₃					3.2 %
H₂S	-				0.3 %
HCl				3.2 %	3.2 %
H₂	잔부	잔부	잔부	잔부	잔부
CH₃CN	-	0.6 %
압력	160 mbar	60 mbar	60 mbar	60 mbar	70 mbar
온도	930 ℃	885 ℃	1000 ℃	1000 ℃	1000 ℃
시간	30 분	4.5 시간	20 분	2 분	7 시간

추가적인 인서트는 다음과 같다:

D) TiC_xN_y 층의 두께가 6 ㎛ 이고 α-Al₂O₃ 층의 두께가 10 ㎛ 인 것 이외에는 A) 와 동일한 형태의 초경합금 절삭 인서트가 TiC_xN_y 및 Al₂O₃의 증착 시간이 각각 4 시간 및 10 시간인 점 이외에는 동일한 반응 조건을 사용하여 제조되었다.

E) TiC_xN_y 층의 두께가 6 ㎛ 이고 α-Al₂O₃ 층의 두께가 10 ㎛ 인 것 이외에는 B) 와 동일한 형태의 초경합금 절삭 인서트가 TiC_xN_y 및 Al₂O₃의 증착 시간이 각각 4 시간 및 10 시간인 점 이외에는 동일한 반응 조건을 사용하여 제조되었다.

F) TiC_xN_y 층의 두께가 6 ㎛ 이고 α-Al₂O₃ 층의 두께가 10 ㎛ 인 것 이외에 는 C) 와 동일한 형태의 초경합금 절삭 인서트가 TiC_xN_y 및 Al₂O₃의 증착 시간이 각각 4 시간 및 10 시간인 점 이외에는 동일한 반응 조건을 사용하여 제조되었다.

상기 A) ~ F) 에 따른 인서트의 증착된 Al₂O₃ 층의 X선 회절 분석에 의하면, 이하의 식으로 정의되는 집합 조직 계수 (TC)(012) 가 1.6 인 α 상으로만 구성되었음이 판명되었다.

여기서,

I (hkl) = 측정된 (hkl) 반사 세기,

I₀ (hkl) = 분말 회절 화일 JCPDS No 43-1484 의 표준 세기,

n = 계산에 이용된 반사의 수, 이용된 (hkl) 반사는: (012), (104), (110), (113), (024), (116) 이다.

상기 A) ~ F) 에 따른 코팅된 인서트는 앞에서 언급한 블래스팅법에 의해 후처리되어, 2.4 바아의 블래스팅 압력 및 20 초의 노출 시간으로 인서트의 경사면을 블래스팅한다.

공지의 조도 값 (Ra) 으로서 표현되는 코팅면의 평활도는 원자력 현미경 (AFM) 에 의해 표면 이미징 시스템 AG (SIS) 의 장치상에서 측정된다. 조도는 경사면 상의 칩 접촉 영역에서 무작위로 선택한 10 개의 평면 영역 (10㎛ × 10㎛) 에서 측정된다. 측정된 10 개의 Ra 값의 평균 값 (MRa) 은 0.11㎛ 였다.

브래그-브렌타노 (Bragg-Brentano) 회절계 (Simens 사의 D5000) 를 사용한 X선 회절 분석이 구리 Kα-방사를 이용한 I(012)/I(024) 비를 결정하는데에 사용되었다.

여유면 상에서 얻어진 I(012)/I(024) 비는 약 1.4 이다. 경사면 상에서 얻어진 I(012)/I(024) 비는 약 2.2 이다.

잔류 응력은 레이저 비디오 포지셔닝, 오일러 1/4 크래들, X 선원 (CuKα) 으로서의 회전 애노드 및 영역 감지기 (하이-스타) 가 장착된 X선 회절기 브루커 D8 디스커버-GADDS 상에서 ψ-기하학적 특성을 사용하여 결정된다. 0.5mm 크기의 시준기가 광선의 초점을 맞추기 위하여 사용된다. 2θ = 126°, ω = 63°및 Φ = 0°, 90°, 180°, 270°로 설정된 고니오미터를 사용하여 TiC_xN_y 반사에서 분석이 행하여지고, 8 개의 Ψ 기울기가 0°~ 70°에서 각각의 Φ 에서 행하여진다. 영률 상수 E = 480 Gpa 및 푸아송 비 γ= 0.20 로 브루커 AXS 의 소프트웨어 DIFFRAC^plus Stress v.1.04 를 사용하고, 유사 보이트 피트 함수 (pseudo-Voigt-fit function) 을 사용하여 반사를 알아냄으로써 잔류 응력을 평가는 데에 상기 sin²Ψ 방법이 사용된다. 2축 응력 상태가 확인되고, 평균 값이 잔류 응력 값으로서 사용된다. 경사면과 여유면이 모두 측정된다. 여유면 상에서 얻어진 인장 응력은 상기 A) ~ F) 에 따른 인서트에서 약 630 MPa 였다. 경사면에서의 인장 응력은 A) ~ C) 에 따른 인서트에서는 약 370 MPa 였고, D) ~ F) 에 따른 인서트에서는 약 390 MPa 이었다.

실시예 2

실시예 1의 인서트 A) 를 측정하였고, 단절된 커트를 갖는 길이방향의 선회 작업에서의 인성에 대하여 상업용, 블래스팅되지 않은 인서트 (P15 영역에서 고성능 인서트) 와 비교하였다.

재질 : 탄소강 SS1312

절삭 데이타 :

절삭 속도 = 120 m/min

절삭 깊이 = 1.5 mm

이송량 = 0.15 mm 에서 개시하여, 날이 파손될 때까지 0.08 mm/min 씩 점진적으로 증가

각 10 개의 날이 시험되었다.

인서트 스타일 : CNMG120408-PM

결과 :

	파손 평균 이송량
상업용 인서트	0.244 mm/rev
실시예 1의 인서트 A)	0.275 mm/rev

실시예 3

실시예 1 의 인서트 D)가 시험되었으며, 단절된 커트를 갖는 길이방향의 선회 작업에서의 인성에 대하여 실시예 2 와 동일한 상업용 인서트와 비교하였다.

재질 : 탄소강 SS1312

절삭 데이타 :

절삭 속도 = 140 m/min

절삭 깊이 = 1.5 mm

각 10 개의 날이 시험되었다.

인서트 스타일 : CNMG120408-PM

결과 :

	파손 평균 이송량
상업용 인서트	0.232 mm/rev
실시예 1의 인서트 D)	0.315 mm/rev

실시예 4

실시예 1 의 인서트 A)가 시험되었으며, SS2541의 작업에서 전체 소성 변형에의 저항에 대해서 실시예 2 와 동일한 상업용 인서트와 비교하였다.

절삭 데이타 :

절삭 속도 = 220 m/min

이송량 = 0.35 mm/rev

절삭 깊이 = 2 mm

공구 수명 기준 = 플랭크 마모 ≥ 0.5 mm

결과 :

	공구 수명에 이르는 데 필요한 기계가공 사이클의 수
상업용 인서트	65
실시예 1의 인서트 A)	85

실시예 5

실시예 1 의 인서트 A)가 시험되었으며, SS2244-05의 회전에서 날에 근접하한 소성 변형에 대한 저항에 대해서 실시예 2 와 동일한 상업용 인서트와 비교하였다.

절삭 데이터

절삭 속도 : 200 m/min

이송량 : 0.35 mm/rev

절삭 두께 : 2.5 mm

공구 수명 기준 : 플랭크 마모 ≥ 0.4 mm

결과 :

	공구 수명에 이르는데 필요한 기계 가공 사이클의 수
상업용 인서트	19
실시예 1 의 인서트 A)	27^*

* 인서트 A) 에 대한 시험은 규정된 공구 수명 기준에 이르기 전인 27 주기 후에 일찍 종료되었다.

실시예 3 내지 5 에 있어서, 실시예 1 및 본 발명의 인서트 A) 및 인서트 D) 는 종래의 인서트에 비하여 강도 특성이 우수하면서도 탄성 변형 저항이 좋게 나타났다.

실시예 6

실시예 1 의 인서트 B), C), E) 및 F) 가 시험되었으며, 비연속 절삭을 사용하여 종방향 회전 작동에서의 강도에 대하여 실시예 2 에 기재된 상업용 인서트와 비교하였다.

재질 : 탄소강 SS1312

절삭 데이타 :

절삭 속도 = 150 m/min

절삭 깊이 = 1.5 mm

각 10 개의 날이 시험되었다.

인서트 스타일 : CNMG120408-PM

결과 :

	파손 평균 이송량 (mm/rev)
상업용 인서트	0.206
B)	0.270
C)	0.259
E)	0.230
F)	0.216

실시예 7

실시예 1 의 인서트 B) 및 C) 이 시험되었으며, SS2541 의 대면 작동에서의 전체 탄성 변형에 대한 저항성을 실시예 2 의 상업용 인서트와 비교하였다.

절삭 데이터 :

절삭 속도 = 200 m/min

이송량 = 0.35 mm/rev

절삭 깊이 = 2 mm

공구 수명 기준 : 플랭크 마모 ≥ 0.5 mm

인서트 스타일 : CNMG120408-PM

결과 :

	공구 수명에 이르는데 필요한 기계 가공 사이클 수
상업용 인서트	59.5
B)	61
C)	63

실시예 8

실시예 1로부터의 인서트 B), C), E) 및 F) 가 테스트되어서, SS2541의 작업에서 전체 소성 변형에의 저항에 대해서 실시예 2와 같은 통상 이용가능한 인서트가 비교되었다. 이 테스트는 두 개의 다른 인서트 스타일 : CNMG160612-PR (절삭날 길이 = 16mm) 와 CNMG190612-PR (절삭날 길이 = 19mm) 로 표현되는 두 개의 다른 인서트 크기를 포함했다.

절삭 데이타 :

절삭 속도 = 220 m/min

이송량 = 0.35 mm/rev

절삭 깊이 = 3 mm

공구 수명 기준 : 플랭크 마모 ≥ 0.5 mm

결과 :

	공구 수명에 이르는데 필요한 기계 가공 사이클의 수
	CNMG160612-PR	CNMG190612-PR
상업용 인서트	36	50
B)	52	70
C)	45	52
E)	51	77
F)	51	58

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 절삭날의 안전성 또는 인성을 희생시키지 않으면서, 내고온성을 갖는 향상된 인성 특성을 갖는 CVD-코팅된 공구 인서트가 제공된다.

Claims

적어도 하나의 경사면과 적어도 하나의 여유면을 가지는 일반적으로 다각형 또는 둥근 형상의 본체를 포함하는 초경합금 피복 절삭 공구 인서트이며,

상기 인서트는, 4.4 ~ 6.6 중량%, 바람직하게는 5.0 ~ 6.0 중량%, 가장 바람직하게는 5.0 ~ 5.8 중량% Co, 4 ~ 8.5 중량% 입방탄화물, 잔부 WC 및 CW-비 0.78 ~ 0.92 범위의 조성을 가지며, 입방 탄화물 TiC, TaC 및/또는 NbC 가 고갈된 표면 영역의 두께가 10 내지 40 ㎛ 이며, 상기 인서트는 하나 이상의 TiC_xN_y 층(여기서, x≥0, y≥0 및 x+y=1), 바람직하게는 MTCVD 에 의해 증착된 TiC_xN_y 층과 적어도 상기 경사면의 외층인 α-Al₂O₃ 층을 포함하는 두께 10 ~ 25 ㎛ 의 코팅에 의해 적어도 부분적으로 피복되며,

상기 적어도 하나의 경사면에서,

상기 TiC_xN_y 층은 두께가 3 ㎛ 이상, 바람직하게는 4 ㎛ 이상, 더 바람직하게는 5 ㎛ 이상, 가장 바람직하게는 6 ㎛ 이상 그리고 15 ㎛ 이하, 바람직하게는 13 ㎛ 이하, 가장 바람직하게는 10 ㎛ 이하이며, 인장 응력 레벨이 50 ~ 500 MPa, 바람직하게는 50 ~ 450 MPa 이며,

상기 α-Al₂O₃ 층은 두께가 3 ㎛ 이상, 바람직하게는 3.5 ㎛ 이상, 가장 바람직하게는 4 ㎛ 이상 그리고 12 ㎛ 이하, 바람직하게는 11 ㎛ 이하, 가장 바람직 하게는 10 ㎛ 이하이며, I(012)/I(024) ≥ 1.3, 바람직하게는 ≥ 1.5 의 X선 회절 강도비를 가지는 최외각 층이며, 적어도 상기 경사면의 칩 접촉 영역에서 평균 Ra값(MRa) 은 ＜ 0.12 ㎛, 바람직하게는 ≤ 0.10 ㎛ 이며,

상기 적어도 하나의 여유면에서,

상기 TiC_xN_y 층은 인장 응력이 500 ~ 700 MPa 의 범위이며,

상기 α-Al₂O₃ 층은 I(012)/I(024) ＜ 1.5 의 X선 회절 강도비를 가지며, 바람직하게는 그 면에서 인서트에 상이한 색을 부여하는 0.1 ~ 2 ㎛ 의 얇은 TiN, TiC_xN_y, ZrC_xN_y 또는 TiC 층으로 피복되어 있으며, 또는,

상기 적어도 하나의 경사면과 상기 적어도 하나의 여유면에서,

상기 TiC_xN_y 층은 두께가 3 ㎛ 이상, 바람직하게는 4 ㎛ 이상, 더 바람직하게는 5 ㎛ 이상, 가장 바람직하게는 6 ㎛ 이상 그리고 15 ㎛ 이하, 바람직하게는 13 ㎛ 이하, 가장 바람직하게는 10 ㎛ 이하이며, 인장 응력 레벨이 50 ~ 500 MPa, 바람직하게는 50 ~ 450 MPa 이며,

상기 α-Al₂O₃ 층은 두께가 3 ㎛ 이상, 바람직하게는 3.5 ㎛ 이상, 가장 바람직하게는 4 ㎛ 이상 그리고 12 ㎛ 이하, 바람직하게는 11 ㎛ 이하, 가장 바람직하게는 10 ㎛ 이하이며, I(012)/I(024) ≥ 1.3, 바람직하게는 ≥ 1.5 의 X선 회절 강도비를 가지며, 적어도 상기 경사면의 칩 접촉 영역에서 평균 Ra값 (MRa) 은〈 0.12 ㎛, 바람직하게는 ≤ 0.10 ㎛ 인 경사면의 최외각 층이며, 상기 여유면에서 상기 최외각 층은 착색 내열 도료 또는 착색 PVD 층으로 이루어지는 절삭 공구 인서트.
제 1 항에 있어서, 상기 TiC_xN_y 층과 상기 α-Al₂O₃ 층 사이에, 0.2 ~ 2 ㎛ 의 얇은 TiC_xN_yO_z 결합층 (여기서, x≥0, z〉0 및 y≥0) 을 가지는 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 α-Al₂O₃ 층은 012 방향 집합 조직의 집합 조직 계수가 TC(012) ＞1.3, 바람직하게는 TC(012) ＞1.5 인 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트.
제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 α-Al₂O₃ 층은 110 방향 집합 조직의 집합 조직 계수가 TC(110) ＞1.5 인 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트.
제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 코팅은, Ti, Nb, Hf, V, Ta, Mo, Zr, Cr, W 및 Al 로부터 선택된 금속 원소를 가지는 금속 질화물 및/또는 탄화물 및/또는 산화물로 구성된 추가의 층을 총 층두께 5 ㎛ 미만으로 가지는 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트.
제 1 항 내지 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 입방 탄화물이 고갈된 표면 영역의 두께는 15 ㎛ 이상, 또 다르게는 20 ㎛ 이상 그리고 35 ㎛ 이하, 또 다르게는 30 ㎛ 이하, 또 다르게는 25 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트.