KR20100138672A - 입방 질화 붕소 및 다이아몬드의 다층코팅된 초경 인서트 공구 - Google Patents

입방 질화 붕소 및 다이아몬드의 다층코팅된 초경 인서트 공구 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초경 인서트 공구 기판 ; 및 상기 기판 상에 도포된 다층코팅으로 이루어지며, 다층코팅은 상기 기판 위에 순차로 적층된 제1, 2 코팅층들로 구성되며, 상기 제1 코팅층은 0.5 내지 2.0㎛의 평균 두께를 가지면서 CVD 다이아몬드 코팅을 함유하고, 상기 제2 코팅층은 0.5 내지 2.0㎛의 평균 두께를 가지면서 cBN(입방 질화 붕소) 코팅을 함유하는 것을 특징으로 하는 cBN/다이아몬드 다층코팅된 초경 인서트 공구를 개시한다. 본 발명에 따르면 종래의 다이아몬드만을 이용한 공구보다 철계 재료의 가공이 가능해지기 때문에 가공대상이 폭넓게 되고, cBN만을 이용하는 경우보다 경도가 개선되는 장점이 있다.
초경 공구, 다이아몬드, cBN, 절삭공구, 초경합금

Description

입방 질화 붕소 및 다이아몬드의 다층코팅된 초경 인서트 공구{cBN/Diamond Multi Layer Hard Coating on Cutting Tool}
본 발명은 초경 인서트 공구에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 표면에 cBN(cubic boron Nitride)와 다이아몬드(Diamond) 박막이 형성된 초경공구 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
현대산업사회는 산업의 고도화 추세에 따라 기계적 특성이 우수한 소재 및 정밀 기계가공의 중요성이 증가되고 있다. CNC에 의한 대량 생산방식, 소재 산업의 발달에 따른 신소재 분야 가공의 어려움 때문에 품질과 수명을 향상시키기 위해서는 새로운 공구의 탄생은 필수적이다.
금속절삭과정이 제품생산에 중요한 위치를 차지하게 되면서 절삭공구는 고속도강으로부터 소결탄화물, 피복소결탄화물, 세라믹, 써멧 등으로 꾸준히 발전하였는데 계속 고경도화 되어 가는 피삭제를 가공하기 위해서는 이러한 절삭공구로서는 한계가 있다. 고경도 재료의 절삭 가공시는 절삭시간의 증가에 따른 공구의 파괴 및 마모가 매우 빠르고 불규칙적으로 일어나기 때문에 피삭재의 표면조도 및 절삭성능의 저하, 공구교체 시간의 증가 등 생산성을 저하시키는 원인이 되었다.
기계 가공에 있어서 생산능률 향상의 동향은 더욱 높아질 것으로 예상된다. 이러한 고능률화의 수단으로서 절삭속도의 고속화와 새로운 가공양식의 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 또 가공물 쪽에서도 강도, 내열성의 향상이 진행되어 보다 가공이 어려워지는 경향이 있다.
현재 초경 공구에 다이아몬드, cBN 등을 코팅하여 광범위한 절삭용도에 사용가능한 코팅공구가 많이 사용되고 있다. 다이아몬드는 물질 중 가장 경도가 높고, 열전도성, 내마모성 및 전기저항성이 아주 우수한 물질이라고 할 수 있다. 이러한 우수한 특성으로 다이아몬드 코팅공구가 많이 사용되나, 철계 재료 가공에는 탄소의 확산과 흑연화 현상(graphitization) 때문에 다이아몬드는 적합하지 않다는 단점이 있다. 또한 레이저 가공 등에서 높은 온도로 올라가면서 다이아몬드가 산화되는 단점이 있다.
여기에 대응하기 위한 공구로서는 cBN 소결체 등의 초 경질재료가 가장 유력하고 그 재질개발의 동향이 주목된다. 종래에 없는 초고속 절삭가공과 복합 NC 가공기를 사용한 새로운 절삭가공에도 응용할 수 있는 가능성이 있어 차세대 절삭공구로서 주목할만한 신소재이다. 그러나 cBN은 가공 대상이 넓게 된다는 장점은 있다고 하더라도 경도면에서 다이아몬드에 크게 못 미치기 때문에 이러한 경도를 보완하여야 한다는 문제점이 있었다.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 다이아몬드의 단점을 보완하면서 경도가 향상된 cBN를 이용한 cBN/Diamond 다층 코팅된 초경 인서트 공구를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 다이아몬드의 단점을 보완하면서 경도가 향상된 cBN를 이용한 cBN/Diamond 다층 코팅된 초경 인서트 공구의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
초경 인서트 공구 기판 ; 및
상기 기판 상에 도포된 다층코팅으로 이루어지며, 다층코팅은 상기 기판 위에 순차로 적층된 제1, 2 코팅층들로 구성되며,
상기 제1 코팅층은 0.5 내지 2.0㎛의 평균두께를 가지면서 CVD 다이아몬드 코팅을 함유하고,
상기 제2 코팅층은 0.5 내지 2.0㎛의 평균두께를 가지면서 cBN(입방 질화 붕소) 코팅을 함유하는 것을 특징으로 하는 cBN/다이아몬드 다층코팅된 초경 인서트 공구를 제공한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
초경 인서트 공구 기판 상에 메탄/수소 가스를 이용하여 CVD 다이아몬드를 증착하여 코팅하는 단계; 및
상기 CVD 다이아몬드 코팅층 상에 트리메틸보레이트 및 암모니아 가스를 이용하여 cBN(입방 질화 붕소)를 증착하여 코팅하는 단계;를 포함하는 cBN/다이아몬드 다층코팅된 초경 인서트 공구의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면 종래의 다이아몬드만을 이용한 공구보다 철계 재료의 가공이 가능해지기 때문에 가공대상이 폭넓게 되고, cBN만을 이용하는 경우보다 경도가 개선되는 장점이 있다.
본 발명은 초경 인서트 공구 기판 ; 및 상기 기판 상에 도포된 다층코팅으로 이루어지며, 다층코팅은 상기 기판 위에 순차로 적층된 제1, 2 코팅층들로 구성되며, 상기 제1 코팅층은 0.5 내지 2.0㎛의 평균 두께를 가지면서 CVD 다이아몬드 코팅을 함유하고, 상기 제2 코팅층은 0.5 내지 2.0㎛의 평균 두께를 가지면서 cBN(입방 질화 붕소) 코팅을 함유하는 것을 특징으로 하는 cBN/다이아몬드 다층코팅된 초경 인서트 공구를 제공한다.
다이아몬드는 기계적 경도, 화학적 내구성, 적외선 투과율 등의 우수한 특성을 가지고 있다고 오래 전부터 알려져 왔다. 다이아몬드의 결정 구조는 100% sp3
tetrahedral 탄소 결합의 형태를 가지는 바, 탄소 동소체(allotrope)인 graphite(100% sp2) 및 fullerene(C60, C70) 등과 구별된다. 다이아몬드는 탄소(c) 단일원소로 된 결정체로서 현재까지 알려진 물질 중에서 가장 강한 것으로 충격에 는 약하나 치수변화가 적으면서 많은 물량을 가공할 수 있는 장점을 가지고 있다.
천연 및 인조 다이아몬드를 소재로 하여 제조된 공구를 의미하는 다이아몬드 공구는 다이아몬드 톱, 다이아몬드 휠, 유리가공용 다이아몬드 공구 기타 다이아몬드 공구로 분류되며 각종 금속, 비금속의 경질 및 난삭재의 절삭 연마 및 연삭작업은 물론 플라스틱이나 비철금속과 같은 연성이 많은 재질들의 광택 및 초정밀가공등이 가능하여 기술적으로나 경제적으로 높은 생산성을 실현한다.
다이아몬드는 sp3의 사면체 결합구조의 탄소로 이루어진 정방형체의 결정으로서 Lonsdaleite, 흑연, 무정형탄소와 함께 탄소 동소체에 속한다. Lonsdaleite는 물리, 화학적 성질이 다이아몬드와 거의 유사해 hexagonal 다이아몬드라고 불리기도 하지만, 구조 전체에 걸쳐 chair form을 형성하는 다이아몬드와는 달리 111면 사이의 결합이 boat form으로 이루어져 있으며 두 가지 물질 모두 비저항이 1X10^16Ωcm 인 우수한 절연체이다. 한편 흑연은 sp3 결합 구종의 탄소 원자가 육각형 망의 평면구조를 이루며, 인접 평면 간에는 약한 반데르발스 힘만으로 결합되어 있고, 전기적으로는 도체에 속한다. 일반적인 물리적 특성으로서 경도는 비커스 경도로 10,000Hv을 나타내며 지상에서 존재하는 물질 가운데 가장 높다.
열팽창계수는 100 - 900℃에서 1.5X10-6 - 4.8X10-6으로 불변강 만큼 작으며, 팽창률이 매우 적어 급격한 온도변화에도 균열이 잘 생기지 않는다. 화학적으로는 극히 안정하여 어떠한 산에도 침식되지 않을 뿐만 아니라 비활성 기체 속에서는 약 1700℃까지 안정하다.
합성 다이아몬드에는 합성하는 공법에 따라 두 가지의 종류가 있다. 일반적으로 많이 알리어진 고온고압법에 의해 만들어진 합성다이아몬드와 CVD법에 의해 만들어진 합성다이아몬드이다. CVD에 의한 다이아몬드의 합성법은 기존의 높은 온도와 높은 압력에 의한 합성다이아몬드보다 낮은 압력에서 수소와 메탄가스를 적절한 열원에 반응시켜 다이아몬드를 박막(薄膜) 형태로 합성해 내는 방법으로, 원래의 이 공법은 다이아몬드가 지닌 높은 경도와 열전도의 특성으로 인해 기계가공 및 전자부품 소재로 폭 넓게 응용하기 위한 것이었다. 이를 기반으로 CVD 합성다이아몬드는 다이아몬드의 특성을 이용한 산업적 응용에 연계하여 1차적 연구의 목표에 두고 있었으며, CVD 방법으로 다이아몬드를 합성함으로써 지금까지 기대할 수 없었던 다이아몬드가 지닌 여러 가지 우수한 특성을 폭넓게 응용할 수 있는 새로운 분야(공구, 내마모부품, 광학부품, 전기전자부품, 반도체 센서 등)까지 이용될 여지가 충분히 있게 되었다.
다이아몬드는 600℃ 이상에서는 산화되어 본래의 탄소 상태가 되기 때문에 가공시 열이 많이 발생하는 철(Fe)계 (합금강, 베어링강, 공구강, SUS, HSS 등)의 가공에는 적용을 못하다가 600℃ 이상의 높은 온도에서도 가공할 수 있는 물질을 개발하게 되었는데 이것이 바로 cBN(Cubic Boron Nitrite)이다. cBN은 붕소(B)와 질소(N)의 화합물로서 B와 N을 결합시켜 인공적으로 다이아몬드 구조를 만들어낸 것이다.
다이아몬드에 다음가는 경도, 열 전도율을 갖는 cBN(입방 질화 붕소)은 철계 재료와의 반응성이 적고 열에 대한 화학적 안전성이 다이아몬드보다 뛰어나다. 따 라서 다이아몬드로는 불가능했던 철계통의 금속가공을 할 수 있는 공구재료로서 주목되어 왔다.
한편, 다이아몬드는 철계 재료의 가공시 피삭재 내의 탄소와의 화학반응 및 산화현상 때문에 공구마모가 발생되는 반면 cBN은 이런 현상이 발생하지 않으므로 고경도의 철계 재료 절삭가공에 매우 효과적으로 사용될 수 있다. 또한 소결탄화물보다 월등히 높은 경도와 높은 열전도 때문에 소결탄화물보다 열충격에 의한 공구파괴가 적게 일어난다.
따라서 cBN은 1200℃ 이하에서는 산화작용을 하지 않기 때문에 다이아몬드공구로는 가공이 어려운 철(Iron)계의 합금강, 베어링강, 공구강, SUS, HSS 들의 가공에 이용된다.
cBN이나 다이아몬드가 초고압에서 합성되는 것은 동일하다고 할 수 있지만 실제로 합성되는 과정에는 큰 차이점이 있다. cBN은 자연상태에서는 존재하지 않으며 고온고압하에서 인공적으로만 합성되는 물질이다. hBN이 흑연과 유사한 결정구조를 가지며 전기전도도를 제외한 물성이 흑연과 유사한 점으로부터 hBN도 다이아몬드와 유사한 결정으로 바뀌게 하고자 초고압하에서 상변화를 시도한 끝에 합성해 낸 것이 cBN이다.
다이아몬드공구의 단점으로 인해 많이 사용되는 공구가 cBN 공구로서 철계 재료 가공에는 다이아몬드보다 cBN을 사용하는 것이 적합하다. cBN은 철계 재료와 화학반응이 없을 뿐만 아니라 열적 안정성도 매우 뛰어나서 고경도로 열처리된 고 탄소강, 금형강, 합금강 등의 가공에 뛰어난 성능을 발휘한다. 전형적인 고경도 난 삭재인 니켈 합금은 높은 고온경도를 가지고 가공경화가 발생하며 열전도율이 낮다. 높은 절삭온도는 마모를 초래하게 되므로 내열성이 좋은 세라믹 또는 cBN 공구가 사용된다.
따라서 본 발명의 초경 공구는 초경 공구 기판에 구성된 다층코팅으로 이루어지며, 다층코팅은 순차로 적층된 제1, 2 코팅층들을 포함한다. 제1 코팅층은 CVD 다이아몬드 코팅을 함유한다. 제1 코팅층의 평균두께는 0.5 내지 2.0㎛이고, 제1 코팅층의 두께가 0.5 ㎛ 미만인 경우에는 공구 박막의 기능이 저하되어 바람직하지 못하고, 2.0㎛를 초과하는 경우에는 코팅막이 너무 두꺼워 밀착력이 저하되므로 바람직하지 못하다. 제2 코팅층은 cBN(입방 질화 붕소) 코팅을 함유한다. 제2 코팅층의 평균두께는 0.5 내지 2.0㎛이고, 제2 코팅층의 두께가 0.5 ㎛ 미만인 경우에는 공구 박막으로서의 기능이 저하되어 바람직하지 못하고, 2.0㎛를 초과하는 경우에는 코팅막이 너무 두꺼워 밀착력이 저하되므로 바람직하지 못하다.
또한, 본 발명은 초경 인서트 공구 기판 상에 메탄/수소 가스를 이용하여 CVD 다이아몬드를 증착하여 코팅하는 단계; 및 상기 CVD 다이아몬드 코팅층 상에 트리메틸보레이트 및 암모니아 가스를 이용하여 cBN(입방 질화 붕소)를 증착하여 코팅하는 단계;를 포함하는 cBN/다이아몬드 다층코팅된 초경 인서트 공구의 제조방법을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 MPECVD 장치 모식도를 도시하고 있다. 도 1을 참조하면, MPECVD는 진공 챔버 안에 시편을 장입한 후 진공펌프를 이용하여 최대 2*10-3Torr까지 진공을 유지한 뒤 H2, CH4 gas를 이용하여 챔버 안에 gas를 주입한다. 그 후 Microwave를 이용하여 챔버 안에 들어있는 gas를 이온화시켜 플라즈마를 형성한다. 그 플라즈마를 이용하여 다이아몬드, cBN 등을 합성한다.
실시예
전처리
산업현장에서 널리 사용되고 있는 초경 인서트 공구를 60 ~ 80mesh의 벌크형 다이아몬드와 함께 넣고 초음파 세척기를 이용하여 30분간 연마하여 공구 표면에 scratch를 내었다. 실온의 무라카미 용액에서 30분, 왕수 용액에서 10초간 에칭한 후, 표면에 묻어있는 불순물을 제거하기 위하여 아세톤 및 증류수에서 각각 30분씩 1차, 2차 세척을 하였다.
CVD Diamond 코팅막 형성
초경 인서트 공구를 MPECVD(Microwave Plasma Enhance Chemical Vapor Deposition) 장치의 챔버 내부에 장입시켰다. 챔버의 내부 기판온도를 800℃로 유지하면서 챔버 내측으로 수소 가스를 200sccm유량으로 주입시켜 진공도를 40torr로 유지하고, 방전전력(Microwave Power)을 1400W로 공급하여 수소 플라즈마를 생성시킨다. 그 후, 챔버의 내측으로 메탄 가스를 4sccm 유량으로 주입시켜 진공도를 40torr로 유지하면서 3시간 동안 CVD Diamond 합성을 실시하였다. 상기의 방법에 두께 약 1㎛의 CVD Diamond 박막 코팅을 얻었다.
cBN ( cubic Boron Nitride ) 코팅막 형성
CVD Diamond 박막 코팅된 초경 인서트 공구를 MPECVD(Microwave Plasma Enhance Chemical Vapor Deposition) 장치의 챔버 내부에서 챔버의 내부 기판온도를 830℃로 유지하면서 챔버 내측으로 수소 가스를 200sccm 유량으로 주입시켜 진공도를 50torr로 유지하고 방전전력(Microwave Power) 1600W로 공급하여 수소 플라즈마를 생성시킨다. 그 후, 챔버의 내측으로 암모니아 가스를 5sccm, TMB(Trimethylborate) 5sccm 유량으로 주입시켜 진공도를 40torr로 유지하면서 3시간 동안 cBN 합성을 실시하여 두께 약 1㎛의 cBN 코팅막 초경 인서트 공구를 얻었다.
실험결과
라만 분광분석 결과
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 코팅막과 cBN 코팅막의 다중막의 라만 분광분석 결과를 도시한다. 도 2a는 다이아몬드 코팅막에 대해 라만 분광분석 결과이고, Raman shift의 값이 1332cm-1에서 마이크로 다 이아몬드의 피크가 형성됨을 확인하였으며, 1140cm-1에서의 나노 다이아몬드의 피크가 형성됨을 확인하였다. 그리고 1580cm-1 블러드한 graphite의 피크도 확인하였다. 도 2b는 cBN 코팅막의 다중막의 라만 분광분석 결과이고, Raman shift의 값이 1300cm-1에서의 샤프한 cBN 피크와 1500cm-1에서의 블러드한 hBN peak을 관찰하였고, 1300cm-1에서 cBN이 형성되었음을 확인할 수 있다.
XRD 피크
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 코팅막과 cBN 코팅막의 다중막을 XRD 분석 결과를 사진을 도시한다. 일반적으로 2θ의 값이 43°, 50°, 74°등에서 cBN 피크가 나타나며, 도 3을 참고하면, cBN이 형성되었음을 확인할 수 있다. 또한 44°에서 다이아몬드의 피크와 함께 26°, 35°, 42°, 76° hBN의 피크도 확인이 가능하였다. 그리고 모재로 사용하였던 초경 인서트 공구인 WC의 피크도 38°, 96°부근에서 확인이 가능하였다.
SEM 사진
본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 코팅막과 cBN 코팅막의 다중막을 SEM 사진을 도 4에 도시하였다. 도 4를 참고하면, 다이아몬드 코팅막과 cBN 코팅막이 상분리되지 않고 다중막을 형성하고 있음을 확인할 수 있다.
경도실험
경도실험은 nano indentation 장비로 측정을 하였다. 표면에 5mN의 미소하중을 가하여 코팅층이 모재에 영향을 받지 않는 막두께의 20%만을 압입하여 그때의 경도를 측정하는 방법이다.
도 5는 본 발명의 실험에 따른 경도측정 결과를 나타내고 있다. 도 5를 참조하면, 다이아몬드를 단독으로 사용한 경우 8300 내지 9300Hv의 경도가 측정되었고, cBN을 5500 내지 6200Hv 경도가 측정되었다. cBN/다이아몬드 이중막의 경우에는 7000 내지 7500Hv 정도의 경도가 측정되었다. 본 발명에 따르면, 다이아몬드 보다 경도는 약간 저하되지만 cBN보다는 경도가 개선됨을 확인할 수 있다.
도 1은 본 발명에 사용한 MPECVD 장치 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 cBN/Diamond를 합성한 후 Raman 분광분석 결과이다.
도 3은 본 발명에 따라 cBN/Diamond를 합성한 후 XRD 분석결과이다.
도 4는 본 발명에 따른 cBN/Diamond를 합성한 후 FE-SEM 분석결과이다.
도 5는 본 발명에 따른 cBN/Diamond를 합성한 후 Nano Indentation 경도 측정결과이다.

Claims (2)

  1. 초경 인서트 공구 기판 ; 및
    상기 기판 상에 도포된 다층코팅으로 이루어지며, 다층코팅은 상기 기판 위에 순차로 적층된 제1, 2 코팅층들로 구성되며,
    상기 제1코팅층은 0.5 내지 2.0㎛의 평균두께를 가지면서 CVD 다이아몬드 코팅을 함유하고,
    상기 제2코팅층은 0.50 내지 2.0㎛의 평균두께를 가지면서 cBN(입방 질화 붕소) 코팅을 함유하는 것을 특징으로 하는 cBN/다이아몬드 다층코팅된 초경 인서트 공구.
  2. 초경 인서트 공구의 기판 상에 메탄/수소 가스를 이용하여 CVD 다이아몬드를 증착하여 코팅하는 단계; 및
    상기 CVD 다이아몬드 코팅층 상에 트리메틸보레이트 및 암모니아 가스를 이용하여 cBN(입방 질화 붕소)를 증착하여 코팅하는 단계;를 포함하는 cBN/다이아몬드 다층코팅된 초경 인서트 공구의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN108220916A (zh) * 2018-01-15 2018-06-29 南京航空航天大学 一种具有增韧机制的GNCD-cBN纳米复合多层涂层刀具的制备方法

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CN108220916A (zh) * 2018-01-15 2018-06-29 南京航空航天大学 一种具有增韧机制的GNCD-cBN纳米复合多层涂层刀具的制备方法

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