KR20110099694A - 치수 정확성에 대한 요구가 큰 절삭 공구 인서트의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 치수 정확성에 대한 요구가 큰 초경 합금 또는 서멧 인서트, 바람직하게는 나사가공 인서트를 제조하는 방법에 관한 것으로,
- 경질 구성성분을 형성하는 분말 및 바인더상을 밀링에 의해 혼합하는 단계,
- 상기 분말 혼합물을 원하는 형상체로 형성하는 단계,
- 상기 형성된 형상체를 소결하는 단계,
- 상기 소결체를 원하는 형상 및 치수를 가진 인서트로 고정밀도로 연삭하는 단계,
- 가능하게는 절삭날의 날 라운딩처리를 하는 단계, 및
- 상기 연삭된 인서트에 비다이아몬드 또는 비다이아몬드 유형의 내마모성 코팅을 제공하는 단계에 의해, 경질 구성성분 및 바인더상을 포함한다. 상기 방법에 따라서, 상기 연삭된 인서트는, 코팅 작업 이전에, 표면 영역의 미세 구조가 상당한 치수 변화를 유발하지 않으면서 재구조화되는 시간 동안, 바인더상의 고상선 이하에서 불활성 분위기 또는 진공 또는 다른 보호 분위기에서 열처리된다. 이러한 방식으로, 공구 수명 및 치수 정확성에 대한 예상하지 못하게 개선된 인서트를 얻게 된다.
- 경질 구성성분을 형성하는 분말 및 바인더상을 밀링에 의해 혼합하는 단계,
- 상기 분말 혼합물을 원하는 형상체로 형성하는 단계,
- 상기 형성된 형상체를 소결하는 단계,
- 상기 소결체를 원하는 형상 및 치수를 가진 인서트로 고정밀도로 연삭하는 단계,
- 가능하게는 절삭날의 날 라운딩처리를 하는 단계, 및
- 상기 연삭된 인서트에 비다이아몬드 또는 비다이아몬드 유형의 내마모성 코팅을 제공하는 단계에 의해, 경질 구성성분 및 바인더상을 포함한다. 상기 방법에 따라서, 상기 연삭된 인서트는, 코팅 작업 이전에, 표면 영역의 미세 구조가 상당한 치수 변화를 유발하지 않으면서 재구조화되는 시간 동안, 바인더상의 고상선 이하에서 불활성 분위기 또는 진공 또는 다른 보호 분위기에서 열처리된다. 이러한 방식으로, 공구 수명 및 치수 정확성에 대한 예상하지 못하게 개선된 인서트를 얻게 된다.
Description
본 발명은, 금속 절삭 적용시에 치수 정확성에 대한 요구가 큰 공구의 표면 및 날의 강도를 개선시키는 방법에 관한 것이다. 이러한 인서트는 통상적으로 원하는 치수로 연삭된다. 나사가공용 인서트는 일예이지만, 상기 방법은 이러한 유형의 금속 절삭 적용에 제한되지 않는다. 최종 형상 및 치수로 연삭한 후의 인서트를 열처리함으로써, 공구 수명에 있어서 예상하지 못한 증가를 얻을 수 있다.
요즘, 코팅된 초경 합금 또는 서멧 공구를 사용하여 절삭하는 금속은 오늘날의 금속 가공 산업에서 가장 통상적인 재료이다. 이는, 적합한 형상의 절삭날을 가진 날교환가능한 인서트를 사용하여 또한 높은 생산성으로 실시된다. 나사가공 인서트의 일예가 도 1 에 도시되어 있다. 나사의 복잡한 형상 및 허용 공차에 대한 높은 요구는, 가압 및 소결 후에 고정밀도의 연삭, 날 호닝 (honing) 및 마지막으로 내마모성 코팅을 함으로써 형성된다. 하지만, 연삭 및 날 호닝은, 파괴된 카바이드 입자, 크랙 및 변형된 바인더상의 면에서, 미시적인 크기의 표면 결함을 유도한다. 이러한 결함은 금속 절삭시 절삭날의 증가된 파괴 위험 및 빈약한 코팅 접착성을 유도한다.
US 5,068,148 에는, 텅스텐 카바이드계 초경 합금 기재 및 그에 증착된 다이아몬드 코팅을 포함하는 공구 인서트가 개시되어 있다. 인서트를 제조하기 위해서, 텅스텐 카바이드계 초경 합금 기재를 제공하도록 먼저 압축물을 소결한다. 그 후에, 이 기재를 연삭한 후 진공 또는 비산화 분위기에서 1000℃ ~ 1600℃ 의 온도에서 열처리한다. 그 다음에, 다이아몬드 코팅은 증착 방법에 의해 기재상에 형성된다.
US 5,701,578 에는, 금속 바인더에 의해 함께 접착되는 경질 입자를 포함하는 소결된 기재를 제공하는 단계, 상기 소결된 기재로부터 재료를 제거하여 연삭된 그대로의 기재를 형성하는 단계, 상기 기재내의 잔류 응력을 저감시키는 단계, 상기 기재를 재소결하는 단계 및 그 상에 다이아몬드 층을 증착시키는 단계를 포함하는 코팅된 인서트를 제조하는 방법이 기재되어 있다.
US 5,066,553 에는, 텅스텐 카바이드계 초경 합금 기재 및 그 위에 형성된 경질 코팅을 구비한 표면 코팅된 공구 인서트가 기재되어 있다. 이러한 코팅은 1 개 이상의 층을 가질 수 있다. 표면으로부터 약 2 ㎛ 의 깊이에서 표면부내의 기재의 코발트 함량은, 상기 표면으로부터 약 100 ㎛ 깊이에서 내부에 있는 코발트 함량보다 적어도 10% 적다. 이는, 이하의 단계로 생성된다:
- 종래의 수단에 의해 텅스텐 카바이드계 초경 합금 기재를 준비하는 단계,
- 상기 기재의 표면 근방의 텅스텐 카바이드 입자에 응력을 부여하고 또한 상기 텅스텐 카바이드 입자를 더 작은 입자로 부분적으로 분쇄하도록 상기 기재를 연삭하는 단계,
- 상기 텅스텐 카바이드 입자를 재결정화하도록 WC-Co 공융 온도 이상의 온도에서 상기 초경 합금을 열처리하는 단계, 및
- 화학적 기상 증착에 의해 상기 기재상에 경질 코팅을 형성하는 단계.
EP 1247879 에는 티타늄 선삭용 비코팅된 인서트가 개시되어 있다. 종래 기술과 비교하여 일차 랜드의 길이가 저감된 인서트를 사용하여, 공구 수명 및 생산성에 있어서 예상하지 못한 증가를 얻을 수 있다. 이러한 긍정적인 결과는 최종 형상 및 치수로 연삭한 후에 인서트에 추가의 열처리를 함으로써 더 개선된다.
본 발명의 목적은 성능이 개선되고 치수 정확성에 대한 요구가 큰 인서트를 제공하는 것이다.
연삭 작업 후에 인서트가 바인더의 고상선 (solidus) 이하의 열처리를 받게 되면, 공구 수명에서의 예상하지 못한 증가를 얻고 또한 상당한 기하학적 왜곡이 없음을 알았다.
그리하여, 본원은, 나사가공 인서트 등의, 치수 정확성에 대한 요구가 큰 초경 합금 또는 서멧 인서트를 제조하는 방법에 관한 것으로,
- 경질 구성성분을 형성하는 분말 및 바인더상의 밀링에 의해 혼합하는 단계,
- 상기 분말 혼합물을 원하는 형상체로 형성하는 단계,
- 상기 형성된 형성체를 소결하는 단계,
- 상기 소결체를 원하는 형상 및 치수를 가진 인서트로 연삭하는 단계,
- 가능하게는 절삭날의 날 라운딩처리를 하는 단계,
- 표면 영역의 미세 구조가 상당한 치수 변화를 유발하지 않으면서 재구조화되는 시간 동안 바인더상의 고상선 이하의 불활성 분위기 또는 진공 또는 다른 보호 분위기에서, 바람직하게는 1050 ~ 1250℃, 가장 바람직하게는 1150 ~ 1250℃ 의 온도에서 또한 바람직하게는 30 ~ 120 min, 가장 바람직하게는 60 ~ 90 min 동안, 연삭된 인서트를 열처리하는 단계,
- 상기 연삭되고 열처리된 인서트에 비다이아몬드 유형의 내마모성 코팅을 제공하는 단계에 의해, 경질 구성성분 및 바인더상을 포함한다.
본원의 방법은 모든 종류의 초경합금 또는 서멧에 적용될 수 있다. 3 ~ 15, 바람직하게는 5 ~ 13 wt% 의 Co, 최대 25 wt%, 바람직하게는 0 ~ 15 wt% 의 주기율표의 IVb, Vb 및 VIb 족으로부터의 1 종 이상의 입방정 카바이드 형성 원소, 바람직하게는 Ti, Nb 및/또는 Ta 의 조성을 가진 초경 합금에 특히 유용하다.
내마모성 코팅은, 종래 기술에 공지된 물리적 기상 증착 (PVD) 또는 화학적 기상 증착 (CVD), 바람직하게는 아크 증발 PVD 기법으로 증착될 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 코팅은 적어도 하나의 (Ti1-xAlx)N 층을 포함하고, 여기서 1 ~ 5 ㎛ 의 두께를 가지고 0.4 < x < 0.7 이다. 다른 실시형태에 있어서, 코팅은 적어도 하나의 Al2O3 층, 바람직하게는 α-상의 층을 포함하고, 상기 층은 1 ~ 15 ㎛ 의 두께를 가진다. 바람직한 실시형태에 있어서, 코팅은 TiCxNyOz 형태의 입방정 탄질화물 층 및 Al2O3 형태의 금속 산화물 층을 포함하고, 2 ~ 25 ㎛ 의 전체 코팅 두께를 가진다.
본 발명에 따라서 제조되는 인서트는 치수 정확성에 대한 요구가 큰 모든 종류의 가공 작업, 바람직하게는 나사가공 작업에 유용하다. 오일 및 가스를 사용하는 기밀한 파이프를 나사가공하는 필요 작업에 특히 유용하다.
도 1 은 높은 치수 안전성을 요구하는 나사가공용 인서트의 일예를 도시한 도면,
도 2 는 본원에 따라 연삭되고, 열처리되고 또한 코팅된 인서트 단면의 SEM 이미지,
도 3 은 종래 기술에 따라 연삭되고 또한 코팅된 인서트 단면의 SEM 이미지,
도 4 는 본원에 따라 연삭되고, 열처리되고 또한 코팅된 인서트의 표면상의 로크웰 (Rockwell) 압입부의 영향의 SEM 이미지, 및
도 5 는 종래 기술에 따라 연삭되고 또한 코팅된 인서트의 표면상의 로크웰 압입부의 영향의 SEM 이미지.
도 2 는 본원에 따라 연삭되고, 열처리되고 또한 코팅된 인서트 단면의 SEM 이미지,
도 3 은 종래 기술에 따라 연삭되고 또한 코팅된 인서트 단면의 SEM 이미지,
도 4 는 본원에 따라 연삭되고, 열처리되고 또한 코팅된 인서트의 표면상의 로크웰 (Rockwell) 압입부의 영향의 SEM 이미지, 및
도 5 는 종래 기술에 따라 연삭되고 또한 코팅된 인서트의 표면상의 로크웰 압입부의 영향의 SEM 이미지.
실시예 1
도 1 을 참조하면, 기재 및 코팅으로 구성되는 Seco Tools 5-1113 유형의 초경 합금 나사가공 인서트가 준비되었다. 기재는 밀링, 가압 및 소결에 의해 형성되었다. 조성물은 5.9 wt% Co, 2.3 wt% NbC, 3.6 wt% TaC, 2.5 wt% TiC 및 잔부의 WC 이었다. 평균 WC 입자 크기는 약 1 ㎛ 이었다. 상기 인서트는 정확한 형상으로 연삭되고 70 ㎛ 의 날반경으로 브러싱되었다.
실시예 2
실시예 1 로부터의 인서트는 1000 mbar 에서 아르곤 분위기에서 1.4 h 동안 1200℃ 에서 본원에 따라서 열처리되었다.
4.0 Pa 의 전체 압력에서 반응성 N2 분위기하에서 TiAl 음극의 아크 증발에 의해, 2 ㎛ 두께의 (Ti0.34Al0.66)N 층이 증착되었다. 인서트는 증착 동안 -110 V 에서 음으로 편향되었다. 증착 온도는 약 400 ℃ 이었다. 도 2 에서는 인서트 단면의 SEM 이미지를 도시한다.
실시예 3
실시예 1 로부터의 인서트는 진공에서 1 h 동안 1240℃ 에서 본원에 따라서 열처리되었다.
4 ㎛ 의 Ti(C,N) + 3 ㎛ 의 α-Al2O3 층으로 구성되는 CVD 코팅이 증착되었다. 증착 온도는 Ti(C,N) 의 증착 동안 약 850℃ 또한 Al2O3 증착 동안 1030℃ 이었다.
실시예 4
4.0 Pa 의 전체 압력에서 반응성 N2 분위기하에서 TiAl 음극의 아크 증발을 사용하여, 2 ㎛ 두께의 (Ti0.34Al0.66)N 층이 증착되었다. 인서트는 증착 동안 -110 V 에서 음으로 편향되었다. 증착 온도는 약 400 ℃ 이었다. 도 3 에서는 인서트 단면의 SEM 이미지를 도시한다.
실시예 5
실시예 1 로부터의 인서트는 40 mbar 에서 아르곤 분위기에서 1 h 동안 1400℃ 에서 열처리되었다.
열처리에서는, 인서트가 기하학적 허용 공차 외부에 있는 것으로 나타났다.
실시예 6
실시예 2 및 실시예 4 로부터의 인서트의 코팅 및 기재간의 접착은 로크웰 A 압입 시험에 의해 결정되었다. 도 4 에서는 실시예 2 에 따른 인서트의 결과를 도시한다. 도 5 에서는 실시예 4 에 따른 인서트의 결과를 도시한다. 본원에 따른 인서트는 기재 및 코팅간에 우수한 접착을 나타냄을 알 수 있다.
실시예 7
실시예 2, 실시예 3 및 실시예 4 로부터의 코팅된 인서트는 이하의 조건에서 수명에 대하여 시험되었고: 실시예 4 는 종래의 기술이고 또한 참고하기 위해서이다.
절삭 데이터:
회전 속도: n = 380 rev/min
절삭 속도: vc = 233 m/min
이송량: f = 5.080 ㎜/rev
적용분야: 내부 나사가공
공구: Seco 5-1113
가공물:
직경: Φ192.87 ~ Φ196.40 ㎜
길이: L = 254.50 ㎜
재료: L80-1 (API-표준)
경도: 750 N/㎟
결과:
공구 수명의 임계는 233 m/min 의 절삭 속도에서 분단위로 절삭할시 최대 시간이었고, 절삭 공구의 칩핑 또는 파괴는 고장의 통상적인 원인이었다.
실시예 2 (PVD-코팅): 평균 인서트 수명: 31 부분 (6 개의 인서트 시험)
실시예 3 (CVD-코팅): 평균 인서트 수명: 29 부분 (4 개의 인서트 시험)
실시예 4 (참조용 PVD-코팅): 평균 인서트 수명: 9 부분 (6 개의 인서트 시험)
상기 시험에서는, 본원에 따른 인서트가 종래 기술에 비하여 공구 수명이 3 배 이상될 수 있음이 나타났다.
Claims (5)
- 치수 정확성에 대한 요구가 큰 초경 합금 또는 서멧 인서트, 바람직하게는 나사가공 인서트를 제조하는 방법으로서,
- 경질 구성성분을 형성하는 분말 및 바인더상을 밀링에 의해 혼합하는 단계,
- 상기 분말 혼합물을 원하는 형상체로 형성하는 단계,
- 상기 형성된 형상체를 소결하는 단계,
- 상기 소결체를 원하는 형상 및 치수를 가진 인서트로 고정밀도로 연삭하는 단계,
- 가능하게는 절삭날의 날 라운딩처리를 하는 단계, 및
- 상기 연삭된 인서트에 비다이아몬드 또는 비다이아몬드 유형의 내마모성 코팅을 제공하는 단계에 의해, 경질 구성성분 및 바인더상을 포함하는 인서트를 제조하는 방법에 있어서,
코팅 작업 이전에, 표면 영역의 미세 구조가 상당한 치수 변화를 유발하지 않으면서 재구조화되는 시간 동안, 바인더상의 고상선 이하에서 불활성 분위기 또는 진공 또는 다른 보호 분위기에서, 상기 연삭된 인서트를 열처리하는 것을 특징으로 하는 인서트의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
1050 ~ 1250℃, 바람직하게는 1150 ~ 1250℃ 의 온도에서 또한 30 ~ 120 min, 바람직하게는 60 ~ 90 min 동안 열처리되는 것을 특징으로 하는 인서트의 제조 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
3 ~ 15, 바람직하게는 5 ~ 13 wt% 의 Co, 최대 25 wt%, 바람직하게는 0 ~ 15 wt% 의 주기율표의 IVb, Vb 및 VIb 족으로부터의 1 종 이상의 입방정 카바이드 형성 원소, 바람직하게는 Ti, Nb 및/또는 Ta 의 조성을 가진 초경 합금인 것을 특징으로 하는 인서트의 제조 방법. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코팅은, PVD 에 의해 증착되는 1 ~ 5 ㎛ 의 두께를 가지는 적어도 하나의 (Ti1-xAlx)N 층을 포함하고, 여기서 0.4 < x < 0.7 인 것을 특징으로 하는 인서트의 제조 방법. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코팅은, 바람직하게는 α-상으로 된 적어도 하나의 Al2O3 층을 포함하고, 상기 층은 CVD 에 의해 증착되는 1 ~ 15 ㎛ 의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 인서트의 제조 방법.
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