KR20080075172A - 코팅된 초경합금부재 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 CVD 코팅을 수단으로 향상된 마모저항성을 갖는 코팅된 초경합금부재 및 상기 코팅된 초경합금부재의 제조방법에 관한 것이다. 초경합금부재, 바람직하게는 절삭공구의 마모 특성을 개선하기 위해, 특히 크레이터 마모를 감소시키기 위해, 본 발명에 따르면 소결 압분체는 원소 Ti 및/또는 Nb 및/또는 Ta의 5 중량%를 초과하는 혼합 탄화물을 포함하며, 표면에는 탄소 함량 및 바깥쪽으로 증가하는 질소 함량을 갖는 컨디셔닝 영역이 제공되고 질화물 및/또는 탄화물 및/또는 탄질화물로 만들어진 미립자 또는 미정질 코팅을 구비하며 이 코팅층은 CVD 공정에 따라 900℃를 초과하는 온도에서 도포되어 있다.
Description
본 발명은 소결 압분체(sintered compact) 상에 도포된 CVD 코팅을 구비한 탄화물(carbide)과 경우에 따라 탄질화물(carbonitride)의 소결에 의해 형성된 향상된 마모저항성을 갖는 코팅된 초경합금부재에 관한 것이다.
본 발명은 또한 코팅된 초경합금부재의 제조방법을 포함한다.
초경합금부재는 복합재료이며 본질적으로 초경재료 분말에서 하나의 방식 또는 특히 여러 방식으로 구성되고 상기 초경재료는 결합금속을 수단으로 결합되어 있다. 초경재료로는 주기율표의 4족, 5족 및 6족 원소들의 탄화물, 질화물(nitride) 또는 탄질화물이 사용되며 이때 결합금속으로는 코발트, 니켈 및/또는 철 및 상기 금속들로 만들어진 합금이 몸체 내의 2 내지 30 중량%의 농도로 이용된다. 경우에 따라 초경합금의 주요 구성요소는 텅스텐 탄화물이다.
초경합금부재는 정련된 강철 및 금속성 합금과 비교하여 현저히 높은 경도를 구비하며 인덱스 가능 삽입체와 같은 절삭요소로서 자주 이용된다. 절삭요소의 절삭 유지성을 계속 향상시키고 마모를 감소시키기 위해 초경합금부재 표면의 초경재료 코팅이 항상 수행된다.
기계적 및 열적 부하시, 예컨대 칩 제거를 위한 공구로서의 사용시 긴 수명 또는 높은 절삭성능을 가능하게 하기 위해, 초경합금부재 상의 코팅은 경도가 높아야 하고, 기재에서 높은 부착강도를 가져야 한다.
그러나 코팅 및 초경합금부재의 높은 경도는 특히 간헐적인 부하시 균열 시작을 돕고, 파괴 및 분리 파괴를 초래한다.
코팅된 초경합금 미립자에서의 균열 시작 및 균열 진행이라는 문제를 해결하기 위해, 선행기술에서는 소결시 및/또는 진공에서의 열처리에 의해 표면에 가까운 구역에서 결합금속의 상승을 성취하고 그리고 이와 같이 하여 이 영역에서 감소한 재료 경도와 더불어 보다 높은 재료 점착성을 설정하는 것이 제안되었다.
이때, 높아진 두께를 갖는 코팅은 경도가 높고 마모에 저항하는 수단으로서 작용하며, 그 아래에 놓인 보다 부드럽고 보다 질긴 구역은 균열 진행을 저지하기 위한 수단으로서 작용하고, 다시 보다 강하고 보다 부서지기 쉬운 초경합금부재가 수반된다.
초경합금부재 표면의 마모저항성을 높이기 위해 상기 표면을 질화 처리하고, 따라서 표면의 안쪽으로 감소하는 질소 함량이 존재하는 것이 또한 제안되었다(DE-OS-27 17 842). 즉, 이때 초경합금 물체는 코팅을 지니고 있는 것이 아니라 재료의 마모저항성 및 경도가 바깥쪽으로 상승하도록 형성되어 있다.
질소로 농축된 초경합금부재의 이 표면층의 큰 단점은, 기재상에 높은 부착강도를 구비하는 코팅이 상기 표면층에 도포될 수 없다는 것이다.
본 발명의 목적은, 선행기술의 단점을 제거하고 경도가 감소하며 균열을 저지하는 질긴 표면 영역을 구비하는 것이 아니라 변함없는 특히 코팅 쪽으로 외부 영역의 상승하는 경도를 구비하는 전술된 유형의 코팅된 초경합금부재를 제공하는 것이다. 본 발명의 목적은 또한 경도가 높은 코팅이 상기 코팅의 분해에 크게 저항하도록 초경합금부재의 표면을 컨디셔닝하는 것이다. 본 발명의 목적은 또한 감소한 균열 시작과 더불어 코팅된 초경합금 물체의 마모저항성의 향상, 특히 절삭공구에서 크레이터 마모(crater wear)의 감소를 포함한다.
이 이외에, 본 발명의 목적은 상기 목적을 갖는 코팅된 초경합금부재의 제조방법을 제공하는 것이다.
이 목적들은, 소결 압분체는 원소 Ti 및/또는 Nb 및/또는 Ta들 중 적어도 하나의 5 중량%를 초과하는 탄화물(들) 또는 탄질화물(들)을 포함하며 표면에는 탄소 함량 및 바깥쪽으로 증가하는 질소 함량을 갖는 컨디셔닝 영역을 구비하고 질화물 및/또는 탄화물 및/또는 탄질화물로 만들어진 미립자(fine-grained) 또는 미정질(microcrystalline) 코팅층을 구비하며 이 코팅층은 900℃를 초과하는 온도에서 CVD 공정에 따라 도포되어 있는 동종의 초경합금부재에서 달성된다.
본 발명을 갖고 달성된 장점들은 본질적으로 소결 압분체의 조성에 의해 그 표면에서 컨디셔닝 영역을 제조하기 위한 전제 조건이 마련되어 있다는 데에 있다. 이 컨디셔닝 영역은 코팅의 높은 부착력 또는 결합을 위해 기초가 되는 초경합금 내부영역으로부터 바깥쪽으로 변함없는 또는 끊임없이 상승하는 경도, 탄소 함량 및 증가된 질소 농도를 구비한다. 코팅을 위해 중요한 것은 상기 코팅이 고온 CVD 공정을 수단으로 도포되는 것인데 왜냐하면 이 온도들에서 주어진 반응 동력학을 토대로 특히 좋은 부착기준이 달성될 수 있기 때문이다. 컨디셔닝 영역의 탄소는 코팅의 도포시 상기 코팅에 삽입되고 이는 상기 영역과 코팅 사이의 특히 밀접한 연결을 야기한다. 다른 말로 하자면: 탄소는 기재 표면으로부터 900℃ 이상의 온도에서, 생성되는 코팅 내로 사실상 흡입되고 질소와 함께 확산에 의해 코팅의 탁월한 부착과 함께 연속적인 이행을 매개한다. 경계 영역에서의 거친 상 또는 C 미세 구멍은 이로 인해 완전히 저지되어 있다.
소결 압분체는 원소 Ti 및/또는 Nb 및/또는 Ta의 7.5 중량%를 초과하는 바람직하게는 8.5 중량%를 초과하는 특히 10 중량%를 초과하는 탄화물 또는 탄질화물을 포함하는 것이 유리하다. 이른바 혼합 탄화물(mixed carbides)의 낮은 함량은 컨디셔닝 영역의 형성을 악화시키며, 따라서 그 하부경계는 7.5 중량%이다. 10 내지 40 중량% 혼합 탄화물의 농도 간격에서, 컨디셔닝 영역의 가장 좋은 형성 형태가 제공된다.
코팅된 초경합금 물체의 재료 경도는 이제 대개 표면 쪽으로 올라가기 때문에, 소결 압분체 자체는 높아진 결합금속 함량, 그리고 이로써 개선된 점착성 특징을 가질 수 있다. 그러나, 취성 파괴 및 에지 파괴(edge fracture)를 저지하기 위해서는 본 발명에 따른 소결 압분체는 중량에 있어 6 %를 초과하는 바람직하게는 8 %를 초과하는 특히 대략 10 % 이상의 결합금속 함량을 구비하는 것이 적절하다.
컨디셔닝 영역의 소망하는 형성 및 그 표면에서의 좋은 부착 전제조건과 관련하여, 결합금속은 코발트로 또는 철과 함께 코발트 및/또는 니켈로 만들어진 합금으로 형성되는 것이 유리하며 이때 바람직하게는 철 함량은 5 내지 80 중량%, 특히 50 중량%까지이다. 결합금속에서의 철은 컨디셔닝 영역의 표면에서 원소 Ti, Nb, Ta의 탄질화물의 농축을 위한, 그리고 이로써 상기 컨디셔닝 영역 상에서의 코팅 부착의 특히 좋은 전제 조건을 마련하기 위한 촉매 기능을 갖는다. 5 중량% 미만의 철 함량은 소망하는 결과를 더 이상 나타내지 않으며 이와 반대로 결합금속에서 80 중량%를 초과하는 철은 탄질화물 형성의 진행에 너무 강하게 작용한다.
이 이외에 본 발명에 따라 제공될 수 있는 바와 같이, 결합금속이 2차 경화 가능한 합금으로 특히 고속도강(high-speed steel)의 조성과 유사한 조성을 갖는 합금으로 형성되면 초경합금 물체의 그 밖의 경도 상승이 실현될 수 있다.
전술한 바와 같이, 내부 소결 압분체로부터 표면 쪽으로 컨디셔닝 영역에는 적어도 동일한 수준의 재료 경도, 바람직하게는 재료의 상승하는 경도, 특히 균일하게 상승하는 경도가 존재하는 것이 특히 유리하며 이때 경도는 비커스 마이크로 경도 시험(HV0 .1)을 갖는 평균치로서 산출된다. 이와 같이, 하나 또는 여러 개의 층으로 만들어진 코팅은 얇게 및 탄성적으로 실시될 수 있고 균열 시작을 저지할 수 있다.
본 발명에 따른 초경합금부재의 전체 표면 구역의 안정성 및 안전하게 된 품질을 위해 컨디셔닝 영역은 적어도 3 ㎛, 바람직하게는 적어도 5 ㎛ 내지 50 ㎛의 두께를 구비하는 것이 유리하다. 컨디셔닝 영역에서, 표면에는 유리하게는 텅스텐 탄화물의 적은 함량, 예컨대 20 내지 35 중량%, 및 3.5 내지 5.5 중량%의 적은 결합금속 함량이 존재하며, 따라서 3 ㎛ 미만의 컨디셔닝 범위의 두께에서는 균열 시작 위험을 높이는 비약적인 구조 변경이 주어진다. 50 ㎛보다 큰 컨디셔닝 영역 깊이는 보다 큰 노력이 있어야 제조될 수 있고 코팅 부착의 그 밖의 개선을 초래하지 않는다.
나노미터 영역에서의 표면 치부 및 코팅의 미정질 형성의 시작을 갖는 코팅의 부착 강도는, 컨디셔닝 영역이 주기율표의 4족 및 5족 금속들의 40 내지 80 중량% 탄질화물 함량, 바람직하게는 50 내지 70 중량%의 함량, 텅스텐 탄화물(WC) 및 결합금속을 구비하면 달성될 수 있다.
본 발명의 특히 바람직한 형태에서는 고온 공정에 따라 소결 압분체의 컨디셔닝 영역 상에 도포된 코팅 또는 코팅층은 미정질로 및 구조화되어 형성되어 있고 현미경적인 관찰시 보다 어두운 줄무늬를 가진 붉은빛을 띤 오렌지색을 구비하며 본질적으로 티탄-탄질화물(Ti(CxNy)로 구성된다. 이와 같이, 한편으론 초경합금의 컨디셔닝 영역에서 코팅의 최적의 부착이 달성될 수 있고 다른 한편으론 상기 코팅층의 구조는 상기 코팅층에서의 균열 시작 및 균열 진행을 현저히 감소시킨다.
컨디셔닝층의 표면 영역은 혼합 탄화물의 보다 높은 함량을 구비하며 따라서 티탄-탄질화물로 만들어진 코팅은 연속적으로 계속 형성되어 있고 가장 좋은 부착을 구비한다.
유리하게 제공될 수 있는 바와 같이, 티탄-탄질화물 코팅이 본질적으로 산화 알루미늄(Al2O3)으로 만들어진 커버층을 지니고 있으면 공구의 절삭 성능은 현저히 향상되고 크레이터 마모는 감소한다. Al2O3 커버층은 그 아래에 놓여 있는 티탄-탄질화물 코팅을 위해 반응 또는 산화 보호부로서 뿐만 아니라 산화층으로 인한 나쁜 열전도의 열 보호부로서 작용한다.
티탄-탄질화물 코팅이 본질적으로 티탄-알루미늄-질화물((TixAly)N)로 만들어진 층을 지니고 있으면, 공구의 사용 기간을 늘리기 위해 유리할 수 있다.
거친 작동에서의 인덱스 가능 삽입체를 위해 최적화된 이용 특성을 가진 본 발명의 특별한 형태에서는, 소결 압분체에서의 컨디셔닝 영역은 1 내지 35 ㎛, 바람직하게는 2 내지 25 ㎛의 두께를 구비하고 Ti(CxNy) 코팅 또는 코팅층은 1 내지 22 ㎛, 바람직하게는 2 내지 15 ㎛의 두께를 구비하며 선택적으로 1 내지 25 ㎛, 바람직하게는 1 내지 15 ㎛의 두께를 가진 Al2O3 커버층, 또는 0.5 내지 12 ㎛, 바람직하게는 0.6 내지 0.9 ㎛의 두께를 가진 (TixAly)N 커버층을 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명에 기초가 되는 그 밖의 목적은 동종의 방법에서 압분체 또는 그린 콤팩트(green compact)로부터 소결을 수단으로 원소 Ti 및/또는 Nb 및/또는 Ta의 5 중량%를 초과하는 혼합 탄화물을 가진 소결 압분체 또는 초경합금부재가 소망하는 기하학적 치수를 갖고 형성되고 이때 또는 바로 그 다음에 질소를 포함하는 대기에서의 어닐링에 의해 탄소 함량 및 바깥쪽으로 증가하는 질소 농도를 가진 컨디셔닝 영역이 표면에 제공되며 이 컨디셔닝 영역 상에는 탄질화물로 만들어진 미립자 또는 미정질의 구조화된 코팅층의 침전이 CVD 공정에 따라 (CH4 및 N2)의 사용하에 900℃를 초과하는 온도에서 수행됨으로써 달성된다.
본 발명에 따른 방법의 장점들은 그린 콤팩트 및 잇따른 소결 압분체의 조성에 기초를 두고 있다. 특히 진공에서 장시간의 소결시, 반응 동력학적인 이유로 인해 소결 압분체의 표면에서 텅스텐 탄화물 및 결합금속의 농축이 생길 수 있다. 그러나 진공에서의 단시간의 소결 및 잇따른 그 밖의 소결 또는 어닐링이 질소를 포함하는 및/또는 방출하는 대기하에서 실행되면 곧바로 표면의 아래 영역에서 탄질화물의 농축 및 이와 같이 70%까지의 티탄 및/또는 니오븀 및/또는 탄탈 탄질화물을 가진 컨디셔닝 영역의 형성이 일어난다. 이때, 본 발명에 따르면 탄소 및 질소가 컨디셔닝 영역에 충분한 정도로 포함되거나 또는 특히 질소가 바깥쪽으로 증가하도록 조절되는 것이 가장 중요하다. 이 컨디셔닝층은 질소를 방출하는 가스 대기의 온도 및 방식과 같은 파라미터에 의해 그의 치수 및 조성이 형성될 수 있고 이때 감소된 국부적인, 경우에 따라 4 중량%를 구비하는 결합금속 함량 및 경우에 따라 20 중량%로 내려진 텅스텐 농도가 달성될 수 있으며 이때 이 값들은 하부경계를 나타낼 필요가 없다. 컨디셔닝 영역의 외부 표면에서의 이른바 혼합 탄화물의 이 농축에서, 나노 영역에서 구조화된 표면 및 코팅의 성장을 위한 유리한 전제 조건이 마련된다. 코팅을 만들어냄은 CVD 공정에 따라 수행되며 이때, 탄소뿐만 아니라 질소를 작용에 제공하기 위해 CH4 및 N2를 포함하는 가스가 사용된다. 코팅 요소의 반응의 소망하는 시작을 위해 900℃를 초과하는 범위에서의 온도가 사용될 수 있으며 이때 1050℃까지의 보다 높은 코팅 온도는 장점을 가져온다. 반응의 제어는 컨디셔닝층의 표면 밖으로 탄소가 흡사 빨아 내지는 듯하며 증기 침전시 코팅 연결부 내로 삽입되고, 따라서 나노 구조화된 기재와 코팅 사이의 밀접한 부착이 수행되도록 행해진다.
본 발명에 따르면 소망하는 대로 형태가 완성된 컨디셔닝층을 만들어내기 위해 유리한 전제조건을 마련하기 위해서는, 주기율표의 4족 및/또는 5족 원소들, 바람직하게는 Ti 및/또는 Nb 및/또는 Ta의 각기 7.5 중량%를 초과하는, 바람직하게는 8.5 중량%를 초과하는, 특히 10 중량%를 초과하는 혼합 탄화물을 갖는 소결 압분체가 만들어 내진다.
개발 작업에서 6 중량%를 초과하는 바람직하게는 8 중량%를 초과하는 특히 대략 10 중량% 이상의 결합금속 함량을 갖는 소결 압분체가 만들어 내지고 결합금속으로는 코발트 및/또는 니켈 및/또는 철이 사용되는 것이 생산품의 질을 위해 유리한 것으로 밝혀졌다.
단순화하면서 본 발명의 특별한 실시형태에 따르면 분말 형태의 금속성 개별 구성요소들, 예컨대 코발트, 니켈, 철 및/또는 그 합금은 분말 형태의 탄화물에 첨가되고, 소결시 확산에 의해 결합금속의 조성의 형성이 생길 수 있다. 이와 같이, 극도로 경제적이며, 소망하는 정확한 결합금속 조성이 달성될 수 있다.
코팅을 지니고 있는 표면층의 본 발명에 따른 형태 완성을 위해 중요한 것은, 어닐링을 수단으로 소결 압분체 또는 초경합금부재에서는 (1 내지 20) x 105 Pa의 압력에서, 바람직하게는 (5 내지 10) x 105 Pa의 압력에서 및 소결 온도보다 낮은 온도에서, 하지만 800℃보다 높은 온도에서 질소 함유 대기에서 컨디셔닝 영역이 소결 압분체로부터 표면쪽으로 적어도 동일한 수준의 재료 경도, 바람직하게는 상승하는 경도, 특히 균일하게 상승하는 경도(마이크로 경도(HV0 .1)의 평균치 산출)를 갖고 형성되고 및/또는 결합금속 함량은 (0.25 내지 0.8) 곱하기 소결 압분체의 결합금속값의 값으로 내려지는 것이다.
컨디셔닝 영역에서의 혼합 탄화물의 농축을 위해서는 압력, 온도 적용 및 시간이 가장 중요하다. 소결 압분체의 경제적인 처리는 적어도 1 x 105 Pa의 질소 함유 대기의 압력에서 및 800℃보다 높은 온도에서 수행되는데, 왜냐하면 이때 처음으로 연결 요소들의 효과적인 반응 및 확산이 발생하기 때문이다. 20 x 105 Pa보다 높은 압력 및/또는 1050℃를 넘는, 특히 1120℃를 넘는 어닐링 온도는 거칠어짐 및 컨디셔닝 영역 형성의 나쁜 조절가능성을 초래한다.
본 발명에 따라 컨디셔닝 영역에서 주기율표의 4족 및 5족의 탄질화물 함량, 바람직하게는 40 내지 80 중량%, 바람직하게는 50 내지 70 중량%의 티탄- 및/또는 니오븀- 및/또는 탄탈-탄질화물(Ti, Nb, Ta)(C, N) 함량이 설정되면, 이때, 찾아내진 바와 같이, 나노 구조화된 표면의 형성이 수행되고 상기 표면상에서 잇따라 본질적으로 경계영역 응력 없이 만들어 내지고 톱니 모양으로 티탄-탄질화물의 성장이 수행되며, 이 티탄-탄질화물은 고온 CVD 공정에 따라 도포된다.
중단된 절삭과 더불어 회전시 가장 좋은 칩 제거 결과는 3 ㎛보다 큰 두께를 갖는 컨디셔닝 영역이 제공되고 상기 영역 상에는 본질적으로 티탄-탄질화물 Ti(CxNy)로 만들어진 미정질의 구조화된 코팅이 1 내지 22 ㎛의 층 두께를 갖고 고온 CVD 공정에 따라 도포되며 이 코팅 상에는 선택적으로 본질적으로 1 내지 25 ㎛의 층 두께를 갖는 산화 알루미늄(Al2O3)으로 만들어지거나 또는 본질적으로 0.5 내지 12 ㎛, 바람직하게는 0.6 내지 9.0 ㎛의 층 두께를 갖는 티탄-알루미늄-질화물((TixAly)N)로 만들어진 커버층의 침전이 수행되면 달성될 수 있다.
3 ㎛보다 적은 컨디셔닝 영역의 두께는 결합상 및 텅스텐 탄화물의 너무 높은 함량으로 인해 코팅의 적은 부착을 초래할 수 있다. 티탄-탄질화물로 만들어진 코팅은 1 ㎛ 이상의 두께에서만 효력이 있고, 이때 대략 6 내지 9 ㎛부터 가장 좋은 결과가 달성된다. 이때, 본 발명에 본질적인 것은 고온 CVD 공정을 이용하는 것인데, 왜냐하면 반응 동력학은 900℃를 넘는 온도에서 소망하는 형태로 진행되기 때문이다. 900℃ 미만에서 코팅 가스로서 CH3CN + TiCl4를 이용할 때는 기재 표면에 탄소의 존재시 경우에 따라 탄소상이 형성될 수 있으며 이 탄소상은 부드럽고 부착을 악화시킨다. 이 이외에 경우에 따라 대략 75 nm의 그레인 크기를 갖는 코팅이 만들어지며 이 코팅은 대개 회색을 구비한다.
그러나, 본 발명에 따르면 900℃를 초과하여 코팅의 도포가 수행되고 이때 이 코팅은 붉은빛을 띠는 노랑-오렌지색을 구비하고 경우에 따라 대략 25 nm의 평균 그레인 지름을 가지며 즉 현저히 유리하게 미립자로 형성되고 이때 현미경에서 약간 보다 어둡게 나타나는 내부 구조는 균열 시작을 계속 감소시키며 마모저항성을 현저히 개선한다.
이하, 본 발명을 원리 개략도 및 실험 결과를 근거로 상세히 설명한다.
도 1은 초경합금,
도 2는 컨디셔닝 영역을 구비한 초경합금,
도 3은 HT-CVD 코팅을 구비한 초경합금,
도 4는 컨디셔닝 영역 및 HT-CVD 코팅을 구비한 초경합금,
도 5는 칩 제거 실험의 결과이다.
도 1은 표시(A)를 가진 초경합금 물체(1)를 개략적으로 보이고 있으며 이 초경합금 물체는 결합금속(2), 텅스텐 탄화물 미립자(3) 및 혼합 탄화물 입자(4)로 만들어져 있다.
도 2에는 초경합금 물체(1)가 도시되어 있으며, 이 초경합금 물체는 도 1에서의 초경합금 물체와 동일한 방식으로 구성되어 있다. 하지만 상기 초경합금 물체는 표면에 컨디셔닝 영역(conditioning area, 40)을 구비하며, 이 컨디셔닝 영역은 바깥쪽으로 증가하는 질소 함량을 갖는 혼합 탄화물(4)의 보다 높은 함량을 구비한다(표시 B).
도 3은 도 1에서와 같은 초경합금 물체(1)를 도시하고 있으나, 이 초경합금 물체는 HT-CVD 코팅(5)을 지니고 있고 C로 표시되어 있다.
도 4에는 초경합금 물체(1)(표시 D)가 도시되어 있으며, 이 초경합금 물체는 컨디셔닝 영역(40) 및 HT-CVD 코팅(5)을 구비한다.
도 5에서는 칩 제거(chip removal) 실험의 결과를 알 수 있다:
동일한 조성, 즉:
텅스텐 탄화물(WC) 60 중량%
혼합 탄화물(Ti, Nb, Ta)C 30 중량%
결합금속(Co) 10 중량%
및 동일한 기하형상을 가진 초경합금 인덱스 가능 삽입체(indexable insert)는 표면 실시의 4 개의 상이한 방식에서 도면 1 내지 도 4에서의 표시(A, B, C, D)에 상응하여 제조되었다.
DIN(독일공업규격) 재료 번호 1.6582에 따른 조성을 갖는 회전체에서 2 mm의 절삭깊이의 220 m/min의 절삭속도 및 건식절삭시 회전당 0.28 mm의 피드에서 각기 절삭이 수행되었고 이때 시간 간격을 두고 마모 영역이 측정되었다.
초경합금(A)과 비교하여 컨디셔닝 영역(곡선 B)과 함께 그의 높은 경도로 인해 수명 개선이 달성되는 것을 도면으로부터 짐작할 수 있다.
초경합금(곡선 C) 상에서 및 컨디셔닝 영역을 가진 초경합금(곡선 D) 상에서 고온 CVD 코팅의 수명 개선 작용을 분명히 알아볼 수 있다.
이 이외에, 본 발명에 따른 공구(곡선 D)에서는 마모량이 단지 천천히 올라가게 형성되어 있음이 확인되었는데 왜냐하면 높은 경도, 특히 높은 마모저항성을 갖는 높은 컨디셔닝 영역과 함께 기재에서 코팅의 특히 뚜렷한 부착이 존재하기 때문이다.
Claims (20)
- 향상된 마모저항성을 갖는 코팅된 초경합금부재로서, 상기 코팅된 초경합금부재는 소결 압분체 상에 도포된 CVD 코팅을 구비하고 탄화물과 경우에 따라 탄질화물 및 결합금속의 소결에 의해 형성되며 이때 상기 소결 압분체는 원소 Ti 및/또는 Nb 및/또는 Ta의 5 중량%를 초과하는 혼합 탄화물을 포함하고 표면에는 탄소 함량 및 바깥쪽으로 증가하는 질소 함량을 갖는 컨디셔닝 영역을 구비하며 질화물 및/또는 탄화물 및/또는 탄질화물로 만들어진 미립자 또는 미정질 코팅층을 구비하고 이 코팅층은 900℃를 초과하는 온도에서 CVD 공정에 따라 도포되어 있는 코팅된 초경합금부재.
- 제 1 항에 있어서, 상기 소결 압분체는 원소 Ti 및/또는 Nb 및/또는 Ta의 7.5 중량%를 초과하는, 바람직하게는 8.5 중량%를 초과하는 특히 10 중량%를 초과하는 탄화물 또는 탄질화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅된 초경합금부재.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 소결 압분체는 중량%에 있어 6 %를 초과하는, 바람직하게는 8 %를 초과하는, 특히 대략 10% 이상의 결합금속 함량을 구비하는 것을 특징으로 하는 코팅된 초경합금부재.
- 제 3 항에 있어서, 상기 결합금속은 코발트로 또는 철과 함께 코발트 및/또 는 니켈로 만들어진 합금으로 형성되어 있고 이때 바람직하게는 철 함량은 5 내지 80 중량%, 특히 50 중량%까지인 것을 특징으로 하는 코팅된 초경합금부재.
- 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 결합금속은 2차 경화 가능한 합금으로 특히 고속도강의 조성과 유사한 조성을 갖는 합금으로 형성된 것을 특징으로 하는 코팅된 초경합금부재.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 내부 소결 압분체로부터 표면 쪽으로 컨디셔닝 영역에는 적어도 동일한 수준의 재료 경도가 존재하며 바람직하게는 재료의 상승하는 경도, 특히 균일하게 상승하는 경도가 주어지고 이때 경도는 비커스 마이크로 경도 시험(HV0 .1)을 갖는 평균치로서 산출되는 것을 특징으로 하는 코팅된 초경합금부재.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컨디셔닝 영역은 적어도 3 ㎛, 바람직하게는 5 내지 50 ㎛의 두께를 구비하는 것을 특징으로 하는 코팅된 초경합금부재.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컨디셔닝 영역은 주기율표의 4족 및 5족 금속들의 40 내지 80 중량%, 바람직하게는 50 내지 70 중량% 탄 질화물 함량, 텅스텐 탄화물(WC) 및 결합금속을 구비하는 것을 특징으로 하는 코팅된 초경합금부재.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 고온 공정에 따라 상기 소결 압분체의 컨디셔닝 영역 상에 도포된 코팅 또는 코팅층은 미정질로 및 구조화되어 형성되어 있고, 현미경적인 관찰시 보다 어두운 줄무늬를 가진 붉은빛을 띤 오렌지색을 구비하며, 본질적으로 티탄-탄질화물(Ti(CxNy)로 구성되는 것을 특징으로 하는 코팅된 초경합금부재.
- 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 티탄-탄질화물 코팅은 본질적으로 산화 알루미늄(Al2O3)으로 만들어진 커버층을 지니고 있는 것을 특징으로 하는 코팅된 초경합금부재.
- 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 티탄-탄질화물 코팅은 본질적으로 티탄-알루미늄-질화물((TixAly)N)로 만들어진 층을 지니고 있는 것을 특징으로 하는 코팅된 초경합금부재.
- 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 소결 압분체에서의 상기 컨디셔닝 영역은 1 내지 35 ㎛, 바람직하게는 2 내지 25 ㎛의 두께를 구비하며 Ti(CxNy) 코팅 또는 코팅층은 1 내지 22 ㎛, 바람직하게는 2 내지 15 ㎛의 두께를 구비하고 선택적으로 1 내지 25 ㎛, 바람직하게는 1 내지 15 ㎛의 두께를 갖는 Al2O3 커버층 또는 0.5 내지 12 ㎛, 바람직하게는 0.6 내지 0.9 ㎛의 두께를 갖는 (TixAly)N 커버층을 구비하는 것을 특징으로 하는 코팅된 초경합금부재.
- 소결 압분체 상에 CVD 코팅의 도포를 구비한, 탄화물 및 결합금속의 소결에 의한 코팅된 초경합금부재의 제조방법으로서 이때 압분체 또는 그린 콤팩트(green compact)로부터 소결을 수단으로 원소 Ti 및/또는 Nb 및/또는 Ta의 5 중량%를 초과하는 혼합 탄화물을 가진 소결 압분체 또는 초경합금부재가 소망하는 기하학적 치수를 갖고 형성되고 이때 또는 바로 그 다음에 질소를 포함하는 대기에서의 어닐링에 의해 탄소 함량 및 바깥쪽으로 증가하는 질소 농도를 가진 컨디셔닝 영역이 표면에 제공되며 이 컨디셔닝 영역 상에는 탄질화물로 만들어진 미립자 또는 미정질의 구조화된 코팅층의 침전이 CVD 공정에 따라 (CH4 및 N2)의 사용하에 900℃를 초과하는 온도에서 수행되는 코팅된 초경합금부재의 제조방법.
- 제 13 항에 있어서, 주기율표의 4족 및/또는 5족 원소들, 바람직하게는 Ti 및/또는 Nb 및/또는 Ta의 각기 7.5 중량%를 초과하는, 바람직하게는 8.5 중량%를 초과하는 특히 10 중량%를 초과하는 혼합 탄화물을 갖는 소결 압분체가 만들어 내지는 것을 특징으로 하는 코팅된 초경합금부재의 제조방법.
- 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서, 6 중량%를 초과하는, 바람직하게는 8 중량%를 초과하는, 특히 대략 10 중량% 이상의 결합금속 함량을 갖는 소결 압분체가 만들어 내지는 것을 특징으로 하는 코팅된 초경합금부재의 제조방법.
- 제 15 항에 있어서, 결합금속으로는 코발트 및/또는 니켈 및/또는 철이 사용되는 것을 특징으로 하는 코팅된 초경합금부재의 제조방법.
- 제 13 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 분말 형태의 금속성 개별 구성요소들, 예컨대 코발트, 니켈, 철 및/또는 그 합금이 탄화물에 첨가되며, 소결시 확산에 의해 결합금속의 조성 형성이 수행되는 것을 특징으로 하는 코팅된 초경합금부재의 제조방법.
- 제 13 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 어닐링을 수단으로 소결 압분체 또는 초경합금부재에서는 (1 내지 20) x 105 Pa의 압력에서 바람직하게는 (5 내지 10) x 105 Pa의 압력에서 및 소결 온도보다 낮은 온도에서, 하지만 800℃보다 높은 온도에서 질소 함유 대기에서 표면에 컨디셔닝 영역이 소결 압분체로부터 표면쪽으로 적어도 동일한 수준의 재료 경도, 바람직하게는 상승하는 경도, 특히 균일하게 상승하는 경도(마이크로 경도(HV0 .1)의 평균치 산출)를 갖고 형성되고 및/또 는 결합금속 함량은 (0.25 내지 0.6) 곱하기 소결 압분체의 결합금속 함량의 값으로 내려지는 것을 특징으로 하는 코팅된 초경합금부재의 제조방법.
- 제 13 항 내지 특히 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컨디셔닝 영역에서는 주기율표의 4족 및 5족의 탄질화물 함량, 바람직하게는, 40 내지 80 중량%, 바람직하게는 50 내지 70 중량%의 티탄- 및/또는 니오븀- 및/또는 탄탈-탄질화물(Ti, Nb, Ta)(C,N) 함량이 설정되는 것을 특징으로 하는 코팅된 초경합금부재의 제조방법.
- 제 13 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서, 3 ㎛보다 큰 두께를 갖는 컨디셔닝 영역이 제공되고, 상기 영역 상에는 본질적으로 티탄-탄질화물 Ti(CxNy)로 만들어진 미정질의 구조화된 코팅이 1 내지 22 ㎛의 층 두께를 갖고 고온 CVD 공정에 따라 도포되며, 이 코팅 상에는 선택적으로 본질적으로 1 내지 25 ㎛의 층 두께를 갖는 산화 알루미늄(Al2O3)으로 만들어지거나 또는 본질적으로 0.5 내지 12 ㎛, 바람직하게는 0.6 내지 9.0 ㎛의 층 두께를 갖는 티탄-알루미늄-질화물((TixAly)N)로 만들어진 커버층의 침전이 수행되는 것을 특징으로 하는 코팅된 초경합금부재의 제조방법.
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