KR20090100374A

KR20090100374A - 절삭 공구

Info

Publication number: KR20090100374A
Application number: KR1020097013267A
Authority: KR
Inventors: 박권희; 천성수; 나상웅
Original assignee: 대구텍 유한회사
Priority date: 2006-12-26
Filing date: 2006-12-26
Publication date: 2009-09-23
Also published as: US20100037532A1; WO2008078845A1; CN101568399A; CN101568399B; EP2114595A1; EP2114595A4; US8092561B2; BRPI0622222A2; KR101107406B1

Abstract

본 발명은 다공체의 기공 내에 휘스커를 성장시킨 휘스커 다공체 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 종래의 휘스커 다공체는 세라믹 다공체 내부 깊숙한 곳에는 휘스커가 제대로 형성되지 않았는데, 본 발명은 이러한 문제점을 해소한 것이다. 본 발명의 휘스커 다공체는 다공체에 휘스커 원료를 포함하는 슬러리를 침투시키고 비산화 가스 분위기에서 열탄소환원법으로 다공체 내부에 휘스커를 성장시켜 제조한다. 본 발명에 따르면, 다공체 내부에도 균일하게 휘스커가 형성된다.

Description

절삭 공구 {CUTTING TOOL}

본 발명은 알루미나계 세라믹 절삭 공구에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 표면에 코팅층이 형성된 알루미나계 세라믹 절삭 공구에 관한 것이다.

알루미나는 기계적 성질과 내열성이 우수하여 절삭 공구의 모재로서 널리 사용되고 있다. 이 알루미나 절삭 공구에는 절삭 공구의 표면 조도를 개선하여 절삭 저항을 낮추고 절삭 공구가 피삭재와 융착되는 것을 방지하기 위하여 그 표면에 TiN 코팅층이 형성된다. 그러나 TiN 코팅층은 경도가 높지 않아 절삭 작업 중에 발생하는 마찰력에 의해 쉽게 마모되며, 특히 주철 등 고경도재의 절삭 가공 시에는 더 쉽게 마모된다. 또한, TiN 코팅층은 대기 중 1000℃ 이상의 온도에서 쉽게 산화되는 성질이 있어 고열을 발생시키는 고속 절삭 가공 시에는 산화되어 모재로부터 박리되기 쉽다.

TiN 코팅층의 박리는 절삭날 부분의 급격한 마모를 가져온다. 또한, 절삭 저항의 증가에 수반한 마찰열의 증가는 절삭 공구의 마모를 가속시킨다. 이는 종국적으로 절삭 공구 수명의 단축을 초래한다.

Technical Problem

본 발명은 내마모성이 향상된, 코팅층을 갖는 알루미나계 세라믹 절삭 공구를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명은 또한 고속 절삭 가공시의 기계적 성능이 향상된, 코팅층을 갖는 알루미나계 세라믹 절삭 공구를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명은 또한 공구 수명이 향상된, 코팅층을 갖는 알루미나계 세라믹 절삭 공구를 제공하는 데 그 목적이 있다.

Technical Solution

위와 같은 목적 및 그 밖의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 절삭 공구는 알루미나계 모재를 포함한다. 바람직하게는 상기 알루미나계 모재는 0.1 내지 25 vol.％의 하나 이상의 금속산화물, 또는 5 내지 80 vol.％의 금속탄질화물과, 0.01 내지 10 vol.％의 하나 이상의 금속산화물을 포함한다. 상기 금속산화물 및 금속탄질화물을 이루는 금속은 La 계열 및 Ac 계열을 포함하는 원소 주기율표상의 3족 내지 6족 원소, Mg 및 Co로 이루어지는 군으로부터 선택된다. 상기 금속 산화물은 알루미나 입자의 경계에 자리잡아 알루미나 입자가 소결 중 과도하게 성장하는 것을 억제해 준다. 따라서 상기 금속 산화물의 첨가에 의해 조직이 미세하고 균일한 알루미나계 모재를 얻을 수 있다.

또한 알루미나에 5 내지 80 vol.％ 금속탄질화물을 첨가하면 같은 원리에 의해 알루미나의 입자 크기가 미세해지며 균일한 조직을 얻을 수 있다. 다만, 금속탄질화물을 첨가할 경우 금속 산화물을 첨가한 경우보다 더 큰 인성 증진 효과가 얻어지므로 알루미나계 세라믹 절삭 공구의 절삭 영역이 넓어지고 고경도강의 고속 절삭도 가능해진다.

또한, 본 발명의 절삭 공구의 모재 상에는 하나 이상의 알루미늄-티탄-크롬계 질화물 코팅층이 형성된다. 상기 코팅층의 두께는 바람직하게는 0.3㎛ 내지 5.0㎛이며, 더 바람직하게는 0.5㎛ 내지 2.0㎛이다. 상기 알루미늄-티탄-크롬계 질화물 코팅층의 조성은 Al_WTi_XCr_YSi_ZC_VN_1-V (w+x+y+z=1, v=0∼1)일 수 있다.

또한, 상기 코팅층은 물리증착법(PVD)에 의해 형성될 수 있다.

도1은 본 발명이 적용될 수 있는 다양한 형태의 절삭 인서트의 사진,

도2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 절삭 공구 단면의 전자현미경 사진,

도3은 종래의 절삭 공구 단면의 전자현미경 사진,

도4는 모재에 대한 코팅층의 밀착 강도를 비교하기 위해 도2의 절삭 공구에 비커스 경도 시험을 행한 후 광학 현미경으로 촬영한 사진,

도5는 모재에 대한 코팅층의 밀착 강도를 비교하기 위해 도3의 절삭 공구에 비커스 경도 시험을 행한 후 광학 현미경으로 촬영한 사진,

도6은 본 발명의 제2실시예에 따른 절삭 공구 단면의 전자현미경 사진,

도7 및 도8은 종래의 절삭 공구 단면의 전자현미경 사진,

도9는 모재에 대한 코팅층의 밀착 강도를 비교하기 위해 도6의 절삭 공구에 비커스 경도 시험을 행한 후 광학 현미경으로 촬영한 사진,

도10은 모재에 대한 코팅층의 밀착 강도를 비교하기 위해 도7의 절삭 공구에 비커스 경도 시험을 행한 후 광학 현미경으로 촬영한 사진,

도11은 모재에 대한 코팅층의 밀착 강도를 비교하기 위해 도8의 절삭 공구에 비커스 경도 시험을 행한 후 광학 현미경으로 촬영한 사진,

도12은 본 발명의 제1 실시예에 따른 절삭 공구와 종래의 절삭 공구의 공구 수명을 비교한 표,

도13는 본 발명의 제1 실시예에 따른 절삭 공구의 사진으로, 사용 후 절삭 날의 마모된 정도를 광학 현미경으로 촬영한 사진,

도14 내지 도16은 종래의 절삭 공구의 사진으로, 사용 후 절삭 날의 마모된 정도를 광학 현미경으로 촬영한 사진,

도17는 본 발명의 제2 실시예에 따른 절삭 공구와 종래의 절삭 공구의 공구 수명을 비교한 표,

도18은 본 발명의 제2 실시예에 따른 절삭 공구의 사진으로, 사용 후 절삭 날의 마모된 정도를 광학 현미경으로 촬영한 사진,

도19 내지 도21은 종래의 절삭 공구의 사진으로, 사용 후 절삭 날의 마모된 정도를 광학 현미경으로 촬영한 사진이다.

본 발명의 제1 실시예에 따르면, 알루미나계 세라믹 절삭 인서트는 알루미나와 0.1 내지 25 vol.％의 하나 이상의 금속산화물로 이루어진다. 상기 금속산화물을 이루는 금속은 La 계열 및 Ac 계열을 포함하는 원소 주기율표상의 3족 내지 6족 원소, Mg 및 Co로 이루어지는 군으로부터 선택된다. 상기 절삭 인서트의 표면에는 하나 이상의 알루미늄-티탄-크롬계 질화물 코팅층이 형성된다. 상기 하나 이상의 알루미늄-티탄-크롬계 질화물 코팅층의 두께는 바람직하게는 0.3㎛ 내지 5.0㎛이며, 더 바람직하게는 0.5㎛ 내지 2.0㎛이다. 코팅층의 두께가 0.3㎛ 미만인 경우, 절삭하는 동안 코팅층이 쉽게 마모되거나 박리되어 코팅층에 의한 공구 수명 증가의 효과가 거의 없게 된다. 또한, 코팅층이 5.0㎛ 보다 더 두꺼우면, 모재와 코팅재의 부착강도가 약해져 코팅층이 쉽게 탈락되거나 손상되므로 공구 수명의 저하를 초래하게 된다.

도1은 본 발명이 적용될 수 있는 다양한 형태의 절삭 인서트를 보여주는 사진이다. 본 명세서에는 본 발명을 절삭 공구에 적용한 실시예를 설명하고 있으나, 본 발명은 절삭 공구 이외에 세라믹을 소재로 하는 여러 기계 구조 또는 기능 부품에도 적용 가능하다.

도2 및 도3은 모재에 대한 코팅층의 밀착 강도를 비교하기 위해 상기 절삭 인서트와 종래의 절삭 인서트 각각의 단면을 전자현미경을 사용하여 7000배 확대 촬영한 사진이다. 도2는 본 발명의 절삭 인서트의 단면으로서, 조성이 (Al₂O₃+ 8.0％ ZrO₂+ 0.3％ MgO)인 알루미나계 모재에 조성이 (TiAlCrN + TiN)인 코팅층이 약 1.2㎛로 PVD 코팅된 것이다. 도3은 종래의 절삭 공구의 단면으로서, 조성이 (Al₂O₃+ 3.0％ ZrO₂+ 0.3％ MgO)인 알루미나계 세라믹 모재에 조성이 TiN인 코팅층이 약 1.0㎛로 PVD코팅된 것이다.

도2와 도3을 비교해 보면, 도2의 절삭 인서트는 코팅층과 모재가 간극 없이 치밀하게 밀착되어 있는 반면, 도3의 절삭 공구에는 화살표로 표시한 바와 같이, 코팅층과 모재 사이에 불규칙한 간극이 많이 형성되어 있음을 알 수 있다.

도4는 코팅층의 모재에 대한 밀착 강도를 비교하기 위해 본 발명의 제1 실시예에 따른 절삭 인서트의 표면에 비커스 경도 시험(Vickers Hardness Test)을 행한 후 광학 현미경으로 200 배 확대 촬영한 사진이며, 도5는 종래의 절삭 인서트의 표면에 동일한 비커스 경도 시험을 행한 후 광학 현미경으로 200 배 확대 촬영한 사진이다. 비커스 경도 시험에는 대면각(對面角)이 136°인 다이아몬드 사각뿔(압자)이 사용되었다.

도4와 도5를 비교해 보면, 도4의 절삭 공구는 코팅재가 모재로부터 박리되지 않고 표면에 압자의 형상대로 피라미드형 오목부가 형성된 반면, 도5의 절삭 공구의 코팅층은 압자의 가압에 의해 코팅층이 절삭 공구의 모재로부터 심하게 박리되었음을 확인할 수 있다. 상기 코팅층의 박리는 코팅층과 모재의 상호 결합 강도가 낮아서 생긴 결과이다.

본 발명의 제2 실시예에 따르면, 알루미나계 세라믹 절삭 인서트는 알루미나와 5 내지 80 vol.％의 금속탄질화물과, 0.01 내지 10 vol.％의 하나 이상의 금속산화물로 이루어진다. 상기 금속탄질화물 및 금속산화물을 이루는 금속은 La 계열 및 Ac 계열을 포함하는 원소 주기율표상의 3족 내지 6족 원소, Mg 및 Co로 이루어지는 군으로부터 선택된다. 상기 절삭 인서트의 표면에는 하나 이상의 알루미늄-티탄-크롬계 질화물 코팅층이 형성된다. 상기 하나 이상의 알루미늄-티탄-크롬계 질화물 코팅층의 두께는 바람직하게는 0.3㎛ 내지 5.0㎛이며, 더 바람직하게는 0.5㎛ 내지 2.0㎛이다.

도6 내지 도8은 모재에 대한 코팅층의 밀착 강도를 비교하기 위해 상기 절삭 인서트와 종래의 절삭 인서트 각각의 단면을 전자현미경을 사용하여 7000배 확대 촬영한 사진이다. 도6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 절삭 인서트의 단면으로서, 조성이 (Al₂O₃+ 35％ TiCN + 0.5％ MgO + 1.0％ Y₂O₃)인 알루미나계 모재에 조성이 TiAlCrN인 코팅층이 약 1.2㎛로 PVD 코팅된 것이다. 도7은 종래의 절삭 공구의 단면으로서, 조성이 (Al₂O₃+ 26％ TiCN + 0.5％ MgO)인 알루미나계 세라믹 모재에 조성이 TiN인 코팅층이 약 0.2㎛로 PVD코팅된 것이다. 도8은 다른 종래의 절삭 공구의 단면으로서, 조성이 (Al₂O₃+ 30％ TiCN + 0.3％ MgO)인 알루미나계 세라믹 모재에 조성이 TiN인 코팅층이 약 0.2㎛로 PVD코팅된 것이다.

도6 내지 도8을 비교해 보면, 도6의 절삭 인서트는 코팅층과 모재가 간극 없이 치밀하게 밀착되어 있는 반면, 도7 및 도8의 절삭 공구에는 화살표로 표시한 바와 같이, 표면 곳곳에서 코팅층이 박리되어 있음을 알 수 있다.

도9는 코팅층의 모재에 대한 밀착 강도를 비교하기 위해 상기 본 발명의 제2 실시예에 따른 절삭 인서트의 표면에 비커스 경도 시험을 행한 후 광학 현미경으로 200 배 확대 촬영한 사진이며, 도10 및 도11은 각각 도7 및 도8의 절삭 인서트의 표면에 비커스 경도 시험을 행한 후 광학 현미경으로 200 배 확대 촬영한 사진이다.

도9 내지 도11을 비교해 보면, 도9의 절삭 공구는 코팅층이 박리되지 않고 코팅층의 표면에 압자 형상대로의 피라미드형 오목부가 형성된 반면, 도10 및 도11의 절삭 공구의 코팅층은 압자 주변의 코팅층이 절삭 공구의 모재로부터 심하게 박리되었음을 확인할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 절삭 공구의 실험예들을 설명한다.

[실험 1]

본 발명에 따른 절삭공구의 절삭성능시험을 아래와 같이 실시하였다.

절삭성능시험은 절삭공구의 절삭날 측면(flank) 마모량이 0.25 mm에 달할 때까지 걸리는 시간을 절삭 공구의 수명이라고 할 때, 각 절삭 공구의 수명이 얼마나 긴지를 평가하였다.

상기 절삭성능시험에는 ISO SNGN120412 규격의 터닝 인서트로 조성이(Al₂O₃+ 8.0％ ZrO₂+ 0.3％ MgO)인 모재 상에 코팅층이 형성되지 않은 절삭 인서트 A와, 절삭 인서트 A와 모재의 조성이 같고 TiAlCrN 제1 코팅층과, TiN 제2 코팅층이 형성된 절삭 인서트 B와, 조성이 (Al₂O₃+ 3.0％ ZrO₂+ 0.3％ MgO)인 모재 상에 TiN 코팅층이 형성된 절삭 인서트 C, 조성이 (Al₂O₃+ 10.0％ ZrO₂+ 0.5％ MgO)인 모재 상에 코팅층이 형성되지 않은 절삭 인서트 D가 사용되었다. 여기서 절삭 인서트 B는 본 발명에 따른 것이고, 절삭 인서트 C와 D는 종래의 것이다.

절삭조건은 절삭 속도(v)= 600 rpm, 이송량(f)= 0.3mm/rev, 절삭 깊이(d)= 2mm이다. 또한, 각각의 절삭 인서트는 직경 150mm 및 길이 700mm인 주철(gray cast iron) 봉을 절삭하도록 시험되었다. 그 결과를 아래의 [표 1] 및 도12에 표시하였 다.

[표 1]

위 [표 1]에서 확인되는 바와 같이, 본 발명에 따른 코팅된 절삭 인서트 B의 공구 수명이 동일한 모재에 코팅되지 않은 절삭 인서트 A의 공구수명에 비해 약 2배 가까이 길었다. 또한, 본 발명에 따른 절삭 인서트 B의 공구수명이 종래의 절삭 인서트 C 및 절삭 인서트 D의 공구수명에 비해 월등히 향상되었음을 알 수 있다. 한편, 절삭 인서트 C의 TiN 코팅층은 절삭 공구의 수명 향상에 거의 기여하지 못함을 알 수 있다.

더 나아가, 본 발명자는 상기 [실험 1]과 동일한 조건에서 약 15분간 절삭 인서트 A 내지 절삭 인서트 D로 절삭을 수행한 후 절삭 인서트의 측면 마모량과 노 치 마모량을 측정하였다. 여기서 노치 마모량은 가장 깊게 마모된 부위의 마모량을 가리키고 측면 마모량은 상기 노치 마모량을 제외한 다른 마모된 부위의 평균 마모량을 가리킨다.

[표 2]

절삭 수행 결과, 본 발명에 따른 절삭 인서트 B에서 가장 작은 측면마모량과 노치마모량이 관찰되었다.

도13 내지 16은 상기 [표 2]의 절삭 인서트 A 내지 절삭 인서트 D의 마모된 모습을 광학현미경으로 200배 확대 촬영한 것이다. 절삭 인서트 B의 마모량이 나머지 절삭 인서트 A, C 및 D에 비해 현저히 적은 것이 관찰된다. 이는 절삭 인서트 B의 코팅층이 모재에 대해 우수한 밀착 강도를 갖기 때문에 주철 절삭 시에도 코팅 층이 모재로부터 쉽게 박리되지 않고 피삭재와의 마찰계수를 낮추어 주어 절삭 공구의 마모가 억제된 결과이다.

[실험 2]

CNGA 120408 규격의 터닝 인서트에 모재의 조성이 (Al₂O₃+ 1.0％ Y₂O₃+ 35.0％ TiCN + 0.5％ MgO)이고 코팅층이 형성되지 않은 절삭 인서트 E와, 절삭 인서트 E와 모재의 조성이 같고 TiAlCrN 코팅층이 형성된 절삭 인서트 F와, 모재 조성이 (Al₂O₃+ 26.0％ TiCN + 0.5％ MgO)이고 TiN 코팅층이 형성된 절삭 인서트 G와, 모재 조성이 (Al₂O₃+ 30.0％ TiCN + 0.3％ MgO)이고 TiN 코팅층이 형성된 절삭 인서트 H에 대해 공구수명을 측정하였다. 여기서 절삭 인서트 F가 본 발명에 따른 것이다. 절삭 인서트 G와 H는 종래의 것이다.

절삭조건은 절삭 속도(v)= 270 rpm, 이송량(f)= 0.1mm/rev, 절삭 깊이(d)= 0.5mm이다. 또한, 각각의 절삭 인서트는 직경 150mm 및 길이 700mm인 경화합금강(hardened alloy steel) 봉을 절삭하도록 시험되었다. 그 결과를 아래의 [표 3] 및 도17에 나타내었다.

[표 3]

위 [표 3]에서 확인되는 바와 같이, 본 발명에 따른 코팅된 절삭 인서트 F의 공구수명이 동일한 모재에 코팅되지 않은 절삭 인서트 E의 공구수명에 비해 약 2배 길었다. 또한, 본 발명에 따른 절삭 인서트 F의 공구수명이 종래의 절삭 인서트 G 및 절삭 인서트 H의 공구수명에 비해서도 월등히 향상되었음을 알 수 있다.

상기 [실험 2]와 동일한 조건에서 약 15분간 절삭 인서트 E 내지 절삭 인서트 H로 절삭을 수행한 후 이들 각각의 모습을 관찰하였다. 이 때 각 절삭 인서트의 마모량은 다음과 같았다.

[표 4]

절삭 수행 결과, 본 발명에 따른 절삭 인서트 F에서 가장 작은 마모량이 관찰되었다.

도18 내지 도21은 상기 [표 4]의 절삭 인서트 E 내지 절삭 인서트 H의 마모량을 광학현미경으로 200배 확대 촬영한 것이다. 절삭인서트 E는 코팅하지 않은 모재이므로 검은 색을 띠며, 나머지는 TiAlCrN 또는 TiN 코팅되어 노란색을 띤다. 경화합금강 절삭 시에는 주철 절삭 시와 달리 절삭 부위에 걸친 균일한 마모가 생기며 노치 마모가 발견되지 않는다. 이는 절삭 인서트 F의 코팅층이 모재에 대해 우수한 밀착 강도를 가져 주철 절삭 시에도 코팅층이 모재로부터 쉽게 박리되지 않고 피삭재와의 마찰계수를 낮추어 주어 절삭 공구의 마모가 억제된 결과이다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 이로부터 다양한 변형 실시가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

본 발명의 알루미나계 세라믹 절삭 공구는 주철이나 경화강(hardened steel)과 같은 고경도재를 고속 절삭 가공하여도 코팅재가 모재에 대해 밀착성이 견고하게 유지되어 박리되지 않는다. 따라서, 내마모성이 우수하고 공구 수명이 크게 개선된 절삭 공구가 제공된다.

Claims

알루미나계 모재의 표면에 하나 이상의 알루미늄-티탄-크롬계 질화물 코팅층이 형성된 절삭 공구.
제1항에 있어서, 상기 알루미나계 모재는 알루미나와 0.1 내지 25 vol.％의 하나 이상의 금속산화물로 이루어지며, 상기 금속산화물을 이루는 금속은 La 계열 및 Ac 계열을 포함하는 원소 주기율표상의 3족 내지 6족 원소, Mg 및 Co로 이루어지는 군으로부터 선택되는 절삭 공구.
제1항에 있어서, 상기 알루미나계 모재는 알루미나와, 5 내지 80 vol.％의 금속탄질화물과, 0.01 내지 10 vol.％의 하나 이상의 금속산화물로 이루어지며, 상기 금속탄화물 및 금속산화물을 이루는 금속은 La 계열 및 Ac 계열을 포함하는 원소 주기율표상의 3족 내지 6족 원소, Mg 및 Co로 이루어지는 군으로부터 선택되는 절삭 공구.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 알루미늄-티탄-크롬계 질화물 코팅층은 Al_WTi_XCr_YSi_ZC_VN_1-V (w+x+y+z=1, v=0∼1)인 절삭 공구.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 알루미늄-티탄-크롬계 질화물 코팅층의 두께는 0.3 내지 5.0㎛인 절삭 공구.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 알루미늄-티탄-크롬계 질화물 코팅층의 두께는 0.5 내지 2.0㎛인 절삭 공구.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 코팅층은 PVD에 의해 형성되는 절삭 공구.