KR20110133590A - 초연삭재 공구를 위한 두꺼운 열차폐 코팅 - Google Patents

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압스-사미 말릭
프랜시스 제이 디살보
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다이아몬드 이노베이션즈, 인크.
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Abstract

본 발명은, 경사면에 초연삭재 층 및 HPHT 소결되거나 HPHT 접착된 캡 층을 포함하는 절삭 공구 날에 관한 것이다. 캡 층은 절삭 인서트를 위한 선택적인 코팅 시스템과 초연삭재 층 사이의 부착을 향상시키고, 두꺼운 마찰감소 층 및/또는 열차폐 코팅으로서 작용한다.

Description

초연삭재 공구를 위한 두꺼운 열차폐 코팅{THICK THERMAL BARRIER COATING FOR SUPERABRASIVE TOOL}
본 발명은 절삭 인서트에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 경사면 (rake face) 에 초연삭재 층 및 캡 층 (cap layer) 을 포함하는 절삭 인서트에 관한 것이다. 캡 층은 절삭 인서트를 위한 선택적인 코팅 시스템과 초연삭재 층 사이의 부착 (adhesion) 을 향상시키고, 두꺼운 마찰감소 (anti-friction) 층 및/또는 열차폐 (thermal barrier) 코팅으로서 작용한다.
이하의 배경기술에 대한 설명에서, 특정 구조 및/또는 방법을 인용한다. 그러나, 이하의 인용은 이 구조 및/또는 방법이 종래 기술을 구성한다는 자백으로 해석되어서는 안 된다. 본 출원인은 그러한 구조 및/또는 방법이 종래 기술로서의 자격을 갖지 않는다고 말할 권리를 명백히 유보한다.
절삭 공구의 날 (edge) 또는 팁의 기능에 관련된 두 부분은, 고압 하에서 금속 분리가 이루어지는 측 (또는 플랭크) 면, 및 저압 및 높은 전단 응력 하에서 금속 칩이 내부적으로 변형되면서 그리고 공구를 문지르면서 유동하는 상부 (또는 경사) 면을 포함한다. 칩 유동 (2) 을 도 1 에 개략적으로 나타내었다. 경사면 (4) 에서의 낮은 압력 및 칩의 경사면에 대한 한정된 부착으로 인해, 칩은 높은 변형률로 칩 내에서 그리고 경사면에서 변형되어, 마찰열 (6) 을 발생시킨다. 플랭크면 (8) 에서의 높은 압력 하에서, 적은 전단 변형으로 크래킹 (cracking) 을 통해 작업물은 부서지기 쉽고 분리된다.
플랭크면에서, 마찰열은 경사면에서보다 적다. 그러므로, 플랭크면에서, 마모는 주로 공구의 경질 플랭크면에 대한 금속 스크래칭의 연마 마모, 예컨대 경질 그릿 (grit) 에 의한다. 경사면에서, 마모는 주로, 확산, 합금 형성, 및 본래 공구 재료보다 더 연한 신규 상을 형성하는 반응을 포함하는 부착성 (adhesive) 또는 열화학적 메커니즘에 의하거나, 또는 공구의 결정립 크기보다 훨씬 더 큰 조작이 파괴되는 깨짐 (spalling), 치핑 (chipping), 및 적층분리 (delamination) 에 의한다.
플랭크 마모는 금속 절삭 작업에 직접 영향을 미치므로 중요하다. 플랭크 마모가 진행됨에 따라, 공구는 점진적으로 재료를 덜 제거한다. 일반적으로 기계 경로를 수정하는데 수동 조정이 요구되거나 또는 부정확한 치수의 기계가공된 부품이 제조될 것이다. 이는 기계가공 작업의 생산성을 떨어뜨린다. 경사면의 열화학적 마모는 기계가공된 부품의 질에 직접 영향을 미치지 않으므로 그렇게 중요하지는 않다. 경사면은 칩을 외부로 운반한다. 그러나, 경사면의 마모가 너무 많이 진행된 경우, 팁이 기하학적으로 부적합하게 지지될 수 있고, 통상적인 칩 힘 (chip force) 을 받아 너무 많이 구부러져 파괴될 수 있다. 경사면의 마모가 증가함에 따라, 칩 내 변형률 및 칩-공구 접촉 면적과 마찬가지로 칩 접촉이 증가하고, 이들 모두는 마찰열 생성을 가속시킬 수 있다.
칩 형성 및 경사면에의 부착과 관련된 중요한 문제 중 하나는, 그곳에서 생성되는 마찰열일 플랭크로 전도되어, 공구 경도를 감소시키고 연마 마모를 증대시킨다는 것이다. 압축으로부터 유도된 공구 경도는, 팽창을 발생시키는 열에 의해 손상된다. 마찰열이 충분히 큰 경우, 플랭크는 과열되어 열화학적 마모될 수 있고, 열화학적 마모는 가우징 (gouging), 치핑 및 노칭 (notching) 과 같은 특징부에서 나타날 수 있다. 이러한 일이 발생하면, 경사면과 플랭크면 사이의 마모 패턴 차이를 식별하기 곤란할 수 있다. 플랭크에서의 앞선 열화학적 마모가 새로운 작업물 표면을 훼손시켜, 아마 플랭크 마모에 의해 부품 치수가 손상되기 훨씬 전에 기계가공된 부품의 질을 떨어뜨리거나, 공구가 파괴될 위험에 처할 수 있다. 경질 강 선삭의 경우, 플랭크 과열로 인한 표면의 질은 전형적으로, 경질 및/또는 초경질 공구 재료의 이점을 허비시킬 수 있는 가장 흔한 모드의 조숙한 (premature) 공구 수명이다.
그러므로, 마찰열을 감소시키는 및/또는 경사면으로부터 플랭크면으로의 마찰열의 전달을 감소시키는 방법이 절삭 공구 또는 공구 인서트의 성능 증가에 기여한다.
과열이 모든 공구 재료의 문제이지만, 다이아몬드 및 입방정 질화붕소 (cBN) 에 기초하는 열적으로 불안정한 준안정 초연삭재 공구에서 특히 문제된다. 초연삭재 재료의 경도는 온도에 예민하다.
마찰열은 연한 재료를 높은 절삭깊이 (depth-of-cut, doc) 및 이송률로 비윤활 고속 비윤활 절삭할 때 훨씬 더 악화된다. 그렇지만, 플랭크 경도의 요구는 경질 강을 비윤활 절삭할 때보다 훨씬 덜하다. 금속에 윤활제를 첨가함으로써, 마찰열이 많이 감소하게 된다.
초연삭재 공구의 열 문제에 대한 일반적인 해법은, 공구 재료에 세라믹을 첨가하여, 내열성 (heat tolerance) 을 향상시키는 것이다. 그러나, 초연삭재 재료에 세라믹을 첨가하는 것은, 세라믹을 초연삭재 재료에 접착 (bond) 시키는 것이 용이하지 않기 때문에 재료 결함을 생성시킬 수 있다. 초연삭재 재료 자체의 경도를 손상시키거나 감소시키지 않으면서 세라믹이 칩을 외부로 운반하는데 효과적이 되도록, 공구 보디 자체의 재료가 아니라 경사면에 세라믹을 위치시키는 것이 바람직하다.
코팅은 마찰열의 생성 및 마찰열의 플랭크로의 전도를 감소시키는 마찰감소 및/또는 열 장벽으로서 작용할 수 있다. 코팅은, 변형되는 금속 칩과 공구 재료의 임의의 금속이나 유사금속 (metal-like) 성분(들) 사이에 칩배출 부착감소 (chip-repelling anti-adhesive) 재료 층을 위치시킴으로써, 부착성 마찰 (adhesive friction) 을 감소시킨다. 이는 칩 자체 내 내부 전단 변형뿐만 아니라 부착을 감소시킨다. 또한, 코팅은 더 연한 산화물로의 공구 재료의 산화를 방지할 수 있다. 대부분 공유 (covalent) 세라믹을 포함하는 코팅은 불량한 열 전도체로서 작용하여, 플랭크로의 열 전도를 감소시킬 수 있다.
코팅은 공구를 마무리 그라인딩하는 최종 단계로서 적용되고, 도 1 에 나타낸 예의 모따기부 (10), 플랭크면 (8) 및 경사면 (4) 을 포함하는 모든 표면에 위치될 수 있다. 플랭크면 (8) 에서, 전형적으로 공구 재료보다 더 연한 코팅은 빠르게 연마 마모되어, 아래에 있는 더 단단하고 내마모성이 더 큰 공구 재료를 노출시킨다. 경사면 (4) 에서, 코팅은 더 낮은 압력으로 인해 느리게 연마 마모된다.
전형적으로 코팅은 심한 가열, 부착 실패 및 관련된 열화학적 마모 프로세스로 인해 깨지거나, 치핑되거나, 크래킹되거나, 적층분리되거나 또는 벗겨진다. 전형적으로, 일단 코팅이 없어지면, 경사 및 플랭크가 과열되어 고장난다. 코팅 수명을 향상시키는 통상적인 방식은 코팅의 두께를 감소시키고 코팅의 압축을 증가시키는 것이다. 그러나, 얇은 코팅은 훨씬 더 작은 내마모성을 갖는다.
절삭 공구의 코팅은 통상적으로 저압 가스상 (gas phase) 의 물리적 기상 증착 (PVD) 또는 화학적 기상 증착 (CVD) 프로세스에 의해 적용되고, 증가하는 응력, 결정립 성장 및 적층분리로 인해 두께 0.020 ㎜ 미만으로 제한된다. 얇은 코팅은 열적 절연을 제한하고, 두꺼운 코팅보다 더 빠르게 마모된다.
더 양호한 코팅은 더 두껍고, 더 불활성이며, 작업물에 비부착성이고, 단단하며 (낮은 접착성 마모율), 크랙이 발생하지 않도록 기계적 (진동, 충격) 및 열적 인장 변형 (팽창/수축) 에 대해 질기고, 적층분리되지 않도록 코팅의 벌크에 그리고 공구 재료와의 코팅 계면에 잘 부착될 것이다. 종래 PVD 및 CVD 가스상 증착법으로 이것 전부를 달성하는 것은 힘들다. PVD 로는 두꺼운 코팅을 효과적으로 만들 수 없다. 낮은 PVD 온도로 인해, PVD 필름 내 결정립이 잘 발달하지 않고, 따라서 더 낮은 경도와 결합 강도를 갖는다. 1000 ℃ 이하에서 생성되는 CVD 코팅은 PVD 보다 더 양호하게 결정화된다. 그렇지만, 두께 0.020 ㎜ 초과의 CVD 코팅은 일반적으로 성공적이지 않고 일반적으로 공구 취성을 야기한다.
세라믹 PVD 또는 CVD 필름을 공구 재료, 특히 초연삭재 공구 재료에 접착시키는 것은 종종 매우 힘들다. 두 재료, 즉 세라믹과 초연삭재는 두께나 코팅 온도에 관계없이 공구 제조 및 사용의 열적 그리고 굽힘 변형을 견디도록 간단히 잘 부착되지 않는다. 따라서, 그러한 접착된 세라믹 층을 포함하는 공구 및 그러한 접착된 세라믹 층을 형성하는 방법을 갖는 것이 유리하다.
초연삭재 분말 콤팩트와 접촉하고 있는, 서멧 웨이퍼, 디스크나 콤팩트 (compact) 의 HPHT 확산-접착이나 또는 미세결정립 세라믹 또는 서멧 분말 또는 세라믹의 고압/고온 (HPHT) 공동-소결 (co-sintering) 에 의해, 절삭 공구의 초연삭재 층의 경사면에 두꺼운 (0.02 ㎜ 초과의) 캡 층이 형성된다. 세라믹 및/또는 서멧 층의 HPHT 공동-소결 또는 접착은 소결 동안 결정립 성장을 제한하고, 초연삭재 층에 대한 더 높은 온도의 접착을 허용하므로, 더 양호한 세라믹 또는 서멧 재료 및 우수한 접착을 형성할 수 있다.
캡 층의 두께는, 모따기부가 존재한다면, 공구 모따기부 높이를 포함할 수 있지만, 공구 플랭크면의 어떤 부분도 포함하지 않는 것이 바람직하다. 최소 코팅 두께는 공구의 디자인 및 절삭 조건에 의해 설정되며, 코팅 프로세스 제한에 의해서는 설정되지 않는다. 절삭 인서트는 경사면의 캡 층 위에 그리고 초연삭재 층의 플랭크면과 아래에 놓인 기재 (substrate) 에 적용되는, 선택적인 부가적 PVD 또는 CVD 코팅 시스템을 포함할 수 있다. 캡 층은, HPHT 조건에서 초연삭재 층에 최적으로 소결 (분말의 경우) 또는 접착 (고체의 경우) 된 "프라이머 (primer)" 층으로서 작용하여, 초연삭재 공구에 대한 PVD 및 CVD 코팅의 부착을 또한 향상시킨다. 실제로, 캡 층은 PVD/CVD 코팅뿐만 아니라 초연삭재에 소결 (분말의 경우) 또는 접착 (고체의 경우) 되기 때문에, 캡 층이 선택될 수 있다. 부가적으로, 두꺼운 캡 층은 플랭크로의 마찰열 유동을 제한하는 열적 절연체로서 기능할 수 있다. 마지막으로, 캡 층 자체가 초연삭재 공구에서 내구성의 두꺼운 마찰감소 코팅을 형성할 수 있다.
대표적인 절삭 인서트는, 절삭 인서트의 경사면의 초연삭재 층, 및 경사면의 초연삭재 층에 고압/고온 (HPHT) 소결되거나 고압/고온(HPHT) 접착된 캡 층을 포함하하고, 캡 층은 서멧, 세라믹 또는 금속을 포함하는 조성을 각각 갖는 1 이상의 층을 포함하고, 캡 층의 두께가 약 20 ㎛ 이상이다.
다른 대표적인 실시형태의 절삭 인서트는 경사면, 대향하는 베이스면, 및 경사면과 베이스면을 서로 연결시키는 복수의 플랭크면을 포함하고, 복수의 플랭크면과 경사면의 교차부가 절삭날을 형성하고, 절삭 인서트의 경사면은 최외측 표면으로부터 내측으로 기재 (22) 까지 순서대로, 코팅 시스템, 캡 층, 초연삭재 층 및 기재를 포함하고, 캡 층은 서멧, 세라믹 또는 금속을 포함하는 조성을 갖고, 캡 층의 두께가 약 20 ㎛ ~ 약 200 ㎛ 이다.
절삭 인서트를 제조하는 대표적인 방법은, 고압/고온 (HPHT) 프로세스에 의해 기재 구조의 초연삭재 층의 표면에 캡 층을 접착시키는 단계; 캡 층이 접착된 기재 구조를 절삭 인서트의 형상으로 셰이핑 (shaping) 하는 단계; 및 적어도 하나의 세라믹 층을 포함하는 코팅 시스템으로 절삭 인서트의 경사면 및 플랭크면을 코팅하는 단계를 포함하고, 캡 층은 서멧, 세라믹 또는 금속을 포함하는 조성을 갖고, 캡 층의 두께가 약 20 ㎛ ~ 약 200 ㎛ 이다.
이상의 개략적인 설명 및 이하의 상세한 설명 모두는 예시 및 설명을 위한 것이고 청구되는 본 발명에 대한 추가 설명을 제공하기 위한 것임을 이해해야 한다.
이하의 상세한 설명은 첨부 도면을 참조하며, 도면에서 유사한 도면부호는 유사한 부재를 나타낸다.
도 1 은 절삭 작업 동안의 칩 유동 및 가열 현상의 개략도이다.
도 2 는 절삭 인서트의 대표적인 실시형태의 사시도에 해당하는 현미경 사진이다.
도 3 은 절삭 인서트의 대표적인 실시형태의 단면의 현미경 사진으로서, 절삭 인서트의 상이한 층의 다양한 위치를 보여준다.
도 4 는 지지 보디 (support body), 초연삭재 층 및 세라믹 캡 층을 보여주는 광학 현미경 사진이다.
도 5 는 연속 기계가공에서의 공구 수명의 결과를 보여준다.
도 6 은 불연속 기계가공에서의 공구 수명의 결과를 보여준다.
도 7a 및 도 7b 는 연강 (soft steel) 의 기계가공 후 탄화물 인서트 (도 7a) 및 캡핑된 (capped) 초연삭재 인서트 (도 7b) 의 현미경 사진이다.
도 2 는 절삭 인서트의 대표적인 실시형태의 사시도에 해당하는 현미경 사진으로서, 개시되는 절삭 인서트의 일반적인 특징 중 일부를 보여준다. 절삭 인서트 (20) 의 대표적인 실시형태는 경사면 (24), 베이스면 (도시 안 됨), 및 경사면 (24) 과 베이스면을 서로 연결시키는 복수의 플랭크면 (26) 을 포함하는 지지 보디 (22) (WC-Co 보디 등) 를 포함한다. 복수의 플랭크면 (26) 과 경사면 (24) 의 교차부가 절삭날 (28) 을 형성한다. 도 2 의 실시형태는 지지 보디 (22) 를 갖는 것으로 도시되어 있지만, 절삭 인서트의 경사면으로서 초연삭재 층 및 경사면에서 초연삭재 층에 소결되거나 접착된 캡 층을 포함하는, 지지되지 않은 구조도 또한 가능하다. 이후에, 그러한 지지되지 않은 구조에 지지 보디 및/또는 코팅 시스템이 제공될 수 있다.
도 3 은 절삭 인서트의 대표적인 실시형태의 단면의 현미경 사진으로서, 절삭 인서트 (20) 의 상이한 층의 다양한 위치를 보여준다. 지지 보디 (22) (도시 안 됨) 의 경사면에 초연삭재 층 (30) 이 위치된다. 초연삭재 층 (30) 에 캡 층 (32) 이 접착되고, 코팅 시스템 (34) 이 뒤따른다. 코팅 시스템 (34) 은 절삭 인서트 (20) 의 경사면 (24) 및 플랭크면 (26) 위에 있다. 따라서, 단면에서, 절삭 인서트의 경사면이 최외측 표면 (36) 으로부터 기재 (22) 까지 순서대로, 코팅 시스템 (34), 캡 층 (32), 초연삭재 층 (30) 및 기재 (22) 를 포함한다.
절삭 인서트는, 도 2 에서 보여지는 바와 같이, 모따기부 (38) 를 선택적으로 포함할 수 있다. 절삭 인서트가 모따기부를 포함하는 경우, 캡 층의 두께는, 최적으로는 캡 층이 플랭크면에서 금속 절삭에 관여하지 않도록, 모따기부의 높이 이하일 수 있다. 모따기부의 높이는 경사면을 포함하는 평면으로부터 모따기부와 플랭크면의 교차부까지 수직으로 측정된다. 모따기부는, 공구가 공구 마모 전에 칩 힘을 받아 구부러지거나 파괴되지 않도록, 공구를 강화하기 위한 것이다.
캡 층은 다중 또는 단일 서멧, 세라믹 또는 금속 층(들)을 포함하는 조성을 갖는다. 이러한 조성 각각의 예에는, 서멧의 경우, WC/Co 또는 TiCN/Co; 세라믹의 경우, 질화물, 붕소화물, 탄화물 또는 산화물, 예컨대 알루미나, AlN, 또는 Zr02; 그리고 금속의 경우, Ta, Nb, Mo, 또는 내화성 금속이 포함된다. 캡 층 자체는, 그 두께가 선택적인 모따기 또는 캡 층의 날 효과 (edge effect) 를 도모하기 위해 절삭날에서 더 두껍거나 더 얇아질 수 있지만, 약 20 ㎛ 이상의 두께를 갖는다. 대안적인 실시형태에서, 캡 층의 두께는 약 30 ㎛ ~ 약 200 ㎛, 대안적으로는 약 150 ㎛ 미만이다. 더 두꺼운 두께에서 그리고 절삭 인서트의 기하학적 형상에 따라, 캡 층은 최적이 아닌 방식으로 (non-optimally) 플랭크면의 일부가 될 수 있다. 소량이 허용될 수 있지만, 캡 층이 플랭크면의 일부가 되는 것은 일반적으로 바람직하지 않은데, 캡 층이 전형적으로 공구 재료보다 더 부드러워서, 플랭크에서 더 부드러운 재료가 마모됨에 따라 공구의 브레이크인 시간 (break-in period) 을 늘임으로써 절삭 효율을 감소시키기 때문이다.
HPHT 조건에서 형성된 캡 층은, 부가적인 코팅 층이 HPHT 조건에서 도포되든지 그렇지 않든지간에, 그러한 부가적인 코팅 층을 위한 프라이머 층으로서 작용한다. 이 부가적인 코팅 층은 열차폐 및/또는 마찰감소 코팅 층으로서 기능할 수 있다. 프라이머 층의 개념은, 캡 층 아래에 있는 표면과 캡 층 위에 있는 임의의 층 사이에서의 부착 및 다른 향상된 성능을 촉진하는 캡 층의 기능을 암시한다. 이는, PVD 또는 CVD 법을 통해 퇴적되는 때에 얇은 세라믹 필름이 잘 부착되지 않는 절삭 공구 재료에 있어 중요하다. 이 재료는 초연삭 재료를 포함한다.
코팅 시스템 (34) 은 적어도 하나의 세라믹 층을 포함하는 1 이상의 층을 포함한다. 적어도 하나의 세라믹 층의 조성의 예에는, TiN, TiC, TiCN, TiSiN, SiN, 알루미나, AlN, Zr02, ZrN, 크로미아 (chromia) 및 그 조합 (combinations) 및/또는 합금과 같은 티타늄계 탄화물 또는 질화물 층이 포함된다. 도시된 실시형태에서, 코팅 시스템은 최내측 TiCN 세라믹 층 (40), 중간 산화알루미늄 층 (42) 및 최외측 TiN 층 (44) 을 포함하는 다층 (multilayer) 이다. 다층 및 단일 층 코팅 시스템 모두가 이용될 수 있다. 코팅 시스템은 경사면 (24) 으로부터 플랭크면 (26) 까지 전이부에 걸쳐 일반적으로 등각 (conformal) 이다.
코팅의 조성을 위한 재료는 금속 절삭 작업에 관한 재료의 성능 특성에 기초하여 선택된다. 따라서, 예컨대 TiAlN 이 큰 중단 (heavy interruption), 냉각 선삭 (cooler turning) 을 위한 더 양호한 코팅이고, 이 코팅은 (TiN 을 통해) 매끄럽지 않다면 기재에 잘 달라붙고 유연하다. 그러나, TiN 은 강에 달라붙어, AlN or Al203 보다 훨씬 더 금속성 (metallic) 이다. Al203 는 고온 연속 선삭을 위한 마찰감소 코팅이다. 그렇지만, 깨지기 쉽고 불가피하게 얇고, 접착성 TiCN 층과 적층된다. 불연속 절삭에서, 알루미나는 적층분리될 수 있다. 두꺼운 AlN 은 유용한 중간 코팅일 수 있고, TiN 보다 덜 금속성이며, 마찰이 더 적지만, 알루미나만큼 취성을 갖지 않는다.
초연삭재 층 (30) 은 다결정질 질화붕소 (PCBN) 또는 다결정질 다이아몬드 (PCD) 를 포함하는 조성을 갖는다.
개시된 절삭 인서트를 형성하는 대표적인 방법은, 서멧, 세라믹 또는 금속 층을 포함하는 조성을 갖는 두께 30 ㎛ ~ 200 ㎛ 의 캡 시스템을 초연삭재 층에 접착시키기 위한 고압/고온 (HPHT) 프로세싱, 즉 5 ~ 20 분 동안 50 ~ 60 kbar, 1200 ℃ ~ 1600 ℃ 에서의 프로세싱을 포함한다. 예컨대 그라인딩, 절삭 등의 성형 프로세스 후, 적어도 하나의 세라믹 층을 포함하는 코팅 시스템이 퇴적된다. HPHT 프로세싱에 관한 세부 내용은 미국특허 2,941,428 을 인용하는 미국특허 4,954,139 에 개시되어 있다 (칼럼 1 ~ 9 및 도 1 ~ 9 참조). HPHT 프로세싱 결과, 등방성의 미세 결정립 구조 (더 적은 응력을 갖는 더 두꺼운 코팅, 향상된 부착 및 더 큰 내열성을 재료에 부여할 수 있음) 를 갖는 소결된 (분말 출발 물질을 이용하는 경우) 또는 접착된 (고체 출발 물질을 이용하는 경우) 캡 층이 형성된다. 일례로서 그리고 대조적으로, CVD 는 전형적으로 주상정 구조를 형성한다.
상기 대표적인 방법에서, 프로세스는 단일 프로세스에서 지지 보디, 초연삭재 층 및 캡 층을 소결 및 접착시킨다. 대안적인 방법에서, 캡 층은 아래에 있는 지지 보디 및 초연삭재 층과는 별도로 형성될 수 있고, HPHT 조건을 포함하거나 또는 포함하지 않을 수 있는 개별 프로세스에서 접착/적용될 수 있다.
초연삭재에 캡 층을 부착시키는데 여러 대표적인 방법이 이용될 수 있다. 이러한 방법에는, 자유 분말 소결, 금속 접착 포일 (금속 접착 포일은 HPHT 소결용 컨테이너로서도 또한 적합함), 및 WC/Co 서멧 HPHT 가 포함된다. 이 대표적인 방법 중에서, WC/Co 서멧 HPHT 프로세싱이 절삭 인서트 분야에 가장 바람직한 결과가 얻어지는 것으로 생각되었다.
예 1 : Ta 금속 소결 컨테이너 컵의 저부에, 미리 혼합된 분말 (25/75 중량% (w/w) 2 ㎛ TiC 및 <1 ㎛ Al2O3) 3 그램을 추가하였다. 상부에, 50 w/w 1 ㎛ TiN, 41 w/w 2 ㎛ cBN, 5 w/w 2 ㎛ NiAl3 및 4 w/w 서브미크론 WC 분말을 포함하는 미리 혼합된 분말 14 그램을 추가하였다. 이 분말은, 경화된 합금강 (HRC>30) 의 기계가공에 적합한 낮은 cBN 함량의 PCBN 제형 (formulation) 으로 간주될 수 있다. 두 분말 혼합물은 개별적으로 레벨링 및 치밀화 (compact) 되었다. cBN 분말 위에, 0.05 ~ 0.3" (1.27 ㎜ ~ 7.62 ㎜) 의 소결된 고체 탄화텅스텐 디스크를 위치시켰다. 층 분말 및 탄화물 디스크를 담고 있는 Ta 컵을 크림핑 (crimping) 한 후, HPHT 셀 내에 위치시키고, 1450 ℃ 및 55 kbar 에서 20 분 동안 소결시켰다. 얻어지는 소결된 재료를 모든 측에서 그라인딩하여, 컨테이너 재료를 제거하고, 검사 및 공구 제조를 위한 편평한 표면을 형성하였다. 소결된 블랭크는 2 개의 표면 크랙을 가졌지만, 잘 부착되었다. 그라인딩된 공구 블랭크로부터 방전가공 (WEDM) 에 의해 작은 삼각형이 형성되었다.
예 1 에서 얻은 샘플의 일부의 광학 현미경 사진을 도 4 에 나타내었다. 도 4 에서, WC-Co 지지 보디 (50) 및 소결된 초연삭재 층 (52) 을 볼 수 있다. 또한, 세라믹 층 (54) 도 볼 수 있다. 이 예에서, 세라믹 층 (54) 은 더 어두운 상부 층으로서 나타나 있으며, 초연삭재 층 (52) 에 눈에 보이는 적층분리 없이 HPHT-소결-접착된 TiC/알루미나 HPHT-소결된 세라믹이다. 여기서, 초연삭재 층 (52) 은 다결정질 질화붕소 (PCBN) 층이다. 초연삭재 층 (52) 아래에는, 지지 보디 (50) 인 소결된 탄화 텅스텐의 영역이 있으며, 광학 현미경 사진에서 백색으로 나타나 있다. 세라믹 층 (54) 은 0.05 ㎜ ~ 0.26 ㎜ 두께 (평균 0.17 ㎜ 두께) 이다. 참고로, 세라믹 층 (54) 의 표면으로부터 초연삭재 층 (52) 과 지지 보디 (50) 의 계면까지의 거리 (d) 는 1.08 ㎜ 이다.
예 1 의 방법에 의해 형성된 삼각형을 표준 탄화물 인서트 공구 홀더에 납땜한 후 그라인딩하여, 0.005 ~ 0.008" x 25°모따기부를 갖는 금속 절삭용 CNGA432 타입 공구 인서트를 형성하였다. 이 경우, 세라믹 캡 층이 모따기부 전체를 포함하였다. 1200 표면선속도 (surface feet per minute, sfpm), 0.040" (1.016 ㎜) 절삭깊이 (doc) 및 0.010" (ipr, 회전당 인치) 의 이송률로 주철에서, TiC/알루미나 캡핑된 PCBN 인서트를 시험하였다. 인서트는 PCBN 에 대한 세라믹 캡 층의 불량한 부착으로 인해 날이 빠졌다. 이 불량한 부착은 세라믹 분말의 사용에 기인한 불균일한 캡 두께의 결과인 것으로 생각된다.
예 2 : 예비소결 및 그라인딩된 조밀한 경질 알루미나 (0.77 ㎜ 두께) 및 AlN (0.8 ㎜ 두께) 웨이퍼를, 예 1 에 따른 초연삭재 분말을 담고 있는 Ta 컵 외부에 위치시켰다. 2 개의 시스템은 예 1 에 따라 HPHT-소결되었다. 이런 방식에서, 세라믹 웨이퍼, 알루미나 및 AlN 은 초연삭재 재료와 세라믹 캡 사이의 Ta 컨테이너 층으로 초연삭재 디스크에 접착되었다. 알루미나 캡 층은 AlN 캡보다 훨씬 덜 깨어지고 더 양호하게 접착되고 더 단단하였다 (그릿 블라스트 (grit blast) 에서). 세라믹 캡 층은 자유 분말 (free powder) 에서 획득되는 것보다 더 양호한 특질을 보여주었다. 그러나, 이 캡핑된 PCBN 재료로부터 제조된 공구는 즉시 고장났는데, 이는 칩 부착 및 마찰열을 증가시키는 컨테이너 금속 계면 층의 존재에 기인하는 것 같다. 이 금속 층은 실제 적용시 감소되어야 한다.
예 3 : 세라믹 디스크의 PCBN 에의 접착을 돕기 위해 하나의 블랭크에 0.025 ㎜ Ti 웨이퍼 및 다른 블랭크에 0.05 ㎜ Nb 포일을 갖는 Ta 컵 내부의 동일한 알루미나 디스크로 예 2 의 시스템을 재현하였다. HPHT 프로세싱 후에, Nb 및 Ti 금속 계면 및 세라믹 캡 층의 특질이 드러나도록, 알루미나-캡핑된 블랭크를 그라인딩하였다. 세라믹 층은 크랙이 없었고, 2 ~ 3 지점의 적층분리가 있었다.
예 4 : 세라믹 필름으로 금속 중간층을 대체하는 것을 시도하였다. 동일한 알루미나 웨이퍼에 0.005 ㎜ CVD TiN 코팅을 적용하였다. TiN 이 알루미나 및 PCBN 에 접착하여, 세라믹 캡과 PCBN 사이에서 무금속 (metal-free) 중간층으로서 작용하는 것으로 가정하였다. 알루미나/TiN 캡은 실제로 PCBN 에 잘 접착되었지만, 계면은 공구 제조용으로는 너무 약하였다.
예 5 : 개별 금속 또는 세라믹 계면 층보다는, 세라믹 캡 재료 대신에 서멧 캡을 사용하는 것이 제안되었다. 서멧은 전형적으로 소량의 금속을 포함하므로, 마찰감소 또는 열차폐 층으로서 최적이 아니지만, PCBN 에 더 용이하게 접착할 수 있고 더 유연하다. 서멧 위에 이후의 PVC 또는 CVD 세라믹 필름이 부착성 마찰을 줄이기 위해 사용될 수 있다.
소결된 WC/Co, 14 w/w 및 2 ㎛ 결정립 크기를 포함하는 서멧 디스크 (0.023") 를, 예 1 과 같이 PCBN 을 위한 캡 층으로서 사용하였다. 소결된 WC/Co 는 PCBN 과 잘 접착하였고, 무크랙 (crack-free) 캡 층을 형성하였다. 탄화물-캡핑된 PCBN 재료를 커팅, 납땜 및 그라인딩하여, 표준 절삭 공구 인서트를 형성하였다. 그리고 나서, 도 3 과 동일한 다층 세라믹 코팅으로 인서트를 CVC 코팅하였다.
절삭 인서트 샘플을 준비하여, 2 개의 시험 구성으로 경질 강의 기계가공에 대해 시험하였다. 시험 1 은, 마찰열이 방산되지 않도록 중단이 없는 연속 페이싱 (facing) 시험이다. 이는 마찰열 및 마찰열이 공구 플랭크 마모에 미치는 영향을 관찰하기 위한 "고온" 시험이다. 시험 2 는, 완전한 공구 파괴까지 증가하는 이송 및 절삭깊이를 통해 증가하는 충격 강도의 반복되는 충격으로부터 공구 재료 시스템 (캡 및/또는 코팅을 포함함) 의 인성을 시험하기 위한 불연속 시험이다.
시험 1 : 페이싱 시험 - 52100 강 (경화된 경우)
속도 (sfm): 508
이송률 (ipr): 0.003
절삭깊이 (doc): 0.010"
인서트 스타일: CNGA-432
모따기: 30°로 0.004"
예 5 로 제조한 인서트에 대한 시험 1 의 결과를 도 5 에 나타내었는데, 수명은 0.008" 플랭크 마모에 도달하는 시간 (단위: 분) 으로 정의하였다. 인서트는 베어 (bare) PCBN, 코팅된 PCBN, 캡핑된 PCBN, 그리고 캡핑 및 코팅된 PCBN 이었다.
CVD 코팅된 PCBN 인서트가 베어 PCBN 에 비해 불량한 마모 수명을 나타냈다. CBN 에의 세라믹 필름의 P부착이 불량한 것으로 생각된다. 그러나, 놀랍게도, 캡 층 위에 동일한 CVD 코팅 (도 3) 이 있는 경우, PCBN 공구 수명이 현저하게 증가한다. 이는 탄화물에의 코팅의 향상된 부착, PCBN 에의 탄화물의 향호한 부착, 및 마찰열을 감소시키는 코팅의 기능에 의한 것이다. 세라믹 코팅 없이 탄화물 캡 단독으로는 시험 1 에서 성능이 가장 나쁘다. 탄화물은 경질 강 칩을 제거하기에는 그렇게 좋은 재료가 아니다.
시험 2 : 불연속 페이싱 시험 - 8620 강 (경화된 경우)
속도 (sfm): 656
이송률 (ipr): 패스 당 0.003 으로 시작하여 고장시까지 0.0008" 로 증가
절삭깊이 (doc): 이송률과 동일하게 증가
인서트 스타일: CNGA-432
모따기: 30°로 0.004"
중단은 8620 강 디스크의 작은 노치로부터이다. 예 5 로 제조한 3 개의 인서트에 대한 시험 2 의 결과를 도 6 에 나타내었는데, 공구 고장 수명은 공구 균열 (fracture) 전 최대 이송률로서 정의하였다. 도 6 의 그래프는 코팅이 인장에 약하고 빠르게 깨진다는 것을 보여준다. PCBN 에 접착된 캡 층 위의 동일한 코팅은 코팅되지 않은 PCBN 의 동일한 그레이드만큼 질기다. 결과에 의하면, 여기서 개시된 캡이 포함되는 때에 캡이 없는 샘플에 비해 본질적으로 손상이 없다.
예 6 : 예 5 와 동일한 탄화물 캡 층을 갖지만 어떠한 다른 코팅 층도 갖지 않는, 즉 코팅되지 않고 캡핑된 인서트에 대해, 연강 기계가공에서 다른 시험을 행하였다. 탄화물 캡은, 연강을 기계가공하는 베어 PCBN 이 직면하는 증가된 마찰열을 처리할 수 있는, PCBN 을 위한 두꺼운 내화성 코팅으로 작용하도록 하기 위한 것이다. 탄화물 캡 두께는 0.002" 과 0.007" 사이에서 변한다. 3 개의 CNGA-432 스타일 인서트, 즉 (A) 종래 칩브레이커를 갖는, 코팅되지 않은 탄화물, (B) 모따기부를 갖는, 탄화물 캡핑된 PCBN, 및 (C) 모따기부를 갖지 않는, 탄화물 캡핑된 PCBN 을 시험하였다. 두 PCBN 인서트는 칩브레이커로서 작용하는 클램핑된 시임 (clamped shim) 을 이용한다. PCBN 그레이드는 예 1 에서의 그레이드와 동일하였다. 저탄소강 (1018) 실린더를 냉각제 없이 OD 선삭하였다. 사용한 기계가공 파라미터는 다음과 같다:
절삭깊이 (doc): 0.010"
속도 (sfm): 1200
이송률 (ipr): 0.007"
패스 수: 5, 각각 9" 길이
표준 카바이드 (샘플 A) 가 0.018" 플랭크 마모를 나타낸 데 비해, 모따기부를 갖는 탄화물 캡핑된 PCBN 인서트 (샘플 B) 는 0.003" 플랭크 마모를 나타내었다. 연강 칩으로부터의 높은 마찰열 및 냉각제 없음으로 인해, 마모가 가속되었다. 모따기부가 없는 PCBN 인서트 (샘플 C) 는 치핑되었다.
모든 인서트가 냉각제의 결핍으로부터 과도한 마찰열로 인해 부착된 연강의 "용접" 또는 빌드업 (build-up) 을 나타내었다. 동일한 칩 브레이커의 이용으로 인해, 칩 컬, 두께 및 폭이 각각의 인서트에서 유사하다. 도 7a 및 도 7b 는 납땜된 샘플 B (도 7a) 및 표준 탄화물 샘플 A (도 7b) 의 현미경 사진이다. 표준 탄화물 샘플 A 는, 경사면 (도시 안 됨) 에서의 더 큰 마모와 수반되는 더 높은 열로 인해, 탄화물 캡핑된 PCBN (샘플 B) 에서의 플랭크 마모의 영역 (62) 보다 더 큰 플랭크 마모의 영역 (60) 및 훨씬 더 큰 부착된 강 층을 갖는다. 도 7a 의 마모 패턴이 도 7b 에 비해 눈에 띄게 명백하다.
바람직한 실시형태와 관련하여 설명하였지만, 본 기술분야의 당업자는, 구체적으로 설명되지 않은 부가, 삭제, 수정 및 치환이 첨부된 청구항에 기재된 본 발명의 보호범위로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다.

Claims (19)

  1. 절삭 인서트의 경사면의 초연삭재 층; 및
    경사면의 초연삭재 층에 고압/고온 (HPHT) 소결되거나 고압/고온(HPHT) 접착된 캡 층을 포함하는 절삭 인서트로서,
    캡 층이 서멧, 세라믹 또는 금속을 포함하는 조성을 각각 갖는 1 이상의 층을 포함하고,
    캡 층의 두께가 약 20 ㎛ 이상인 절삭 인서트.
  2. 제 1 항에 있어서, 절삭 인서트는 지지 보디를 더 포함하고, 상기 초연삭재 층은 지지 보디의 제 1 표면에 소결되는 절삭 인서트.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 경사면의 캡 층 및 절삭 인서트의 플랭크면에 퇴적된 코팅 시스템을 포함하는 절삭 인서트.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초연삭재 층은 다결정질 질화붕소 (PCBN) 또는 다결정질 다이아몬드 (PCD) 를 포함하는 조성을 갖는 절삭 인서트.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캡 층의 두께가 약 30 ㎛ ~ 약 200 ㎛ 인 절삭 인서트.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 캡 층의 두께가 약 150 ㎛ 미만인 절삭 인서트.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 서멧은 WC/Co 또는 TiCN/Co 를 포함하고 또한 0.5 w/w ~ 25 w/w 의 금속 함량을 갖는 절삭 인서트.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세라믹은 질화물, 붕소화물, 탄화물 또는 산화물을 포함하는 절삭 인서트.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 세라믹은 알루미나, AlN 또는 ZrO2 인 절삭 인서트.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속은 Ta, Nb, Mo, 또는 내화성 금속을 포함하는 절삭 인서트.
  11. 제 3 항에 있어서, 상기 코팅 시스템은 적어도 하나의 세라믹 층을 포함하는 절삭 인서트.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 세라믹 층은 TiN, TiC, TiCN, TiSiN, SiN, 알루미나, AlN, ZrO2, ZrN, 크로미아 (chromia) 및 그 조합 (combinations) 및/또는 합금을 포함하는 조성을 갖는 절삭 인서트.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절삭 인서트는 모따기부를 포함하고, 상기 캡 층의 두께가 모따기부의 높이 이하인 절삭 인서트.
  14. 고압/고온 (HPHT) 프로세스에 의해 기재 구조의 초연삭재 층의 표면에 캡 층을 접착시키는 단계;
    캡 층이 접착된 기재 구조를 절삭 인서트의 형상으로 셰이핑 (shaping) 하는 단계; 및
    적어도 하나의 세라믹 층을 포함하는 코팅 시스템으로 절삭 인서트의 경사면 및 플랭크면을 코팅하는 단계를 포함하는 절삭 인서트의 제조 방법으로서,
    캡 층이 서멧, 세라믹 또는 금속을 포함하는 조성을 갖고,
    캡 층의 두께가 약 20 ㎛ ~ 약 200 ㎛ 인 절삭 인서트의 제조 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 코팅 시스템은 질화물, 붕소화물, 탄화물 또는 산화물을 포함하는 조성을 갖는 적어도 하나의 세라믹 층을 포함하는 절삭 인서트의 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 세라믹 층은 TiN, TiC, TiCN, TiSiN, SiN, 알루미나, AlN, ZrO2, ZrN, 크로미아 및 그 조합 및/또는 합금을 포함하는 조성을 갖는 절삭 인서트의 제조 방법.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캡 층의 두께가 약 150 ㎛ 미만인 절삭 인서트의 제조 방법.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절삭 인서트는 모따기부를 포함하고, 상기 캡 층의 두께가 모따기부의 높이 이하인 절삭 인서트의 제조 방법.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 절삭 인서트는 지지 보디를 더 포함하고, 상기 초연삭재 층은 지지 보디의 제 1 표면에 소결되는 절삭 인서트의 제조 방법.
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Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2714312B1 (en) 2011-05-27 2019-11-27 Nanomech Inc. Coating layer with microstructure serrated edge
US9586376B2 (en) 2012-04-09 2017-03-07 Smith International, Inc. High pressure high temperature cell
US20130266678A1 (en) 2012-04-09 2013-10-10 Smith International, Inc. Thermal insulation layer and pressure transfer medium for high pressure high temperature cell
KR101471257B1 (ko) * 2012-12-27 2014-12-09 한국야금 주식회사 절삭공구용 다층박막과 이를 포함하는 절삭공구
US9896767B2 (en) 2013-08-16 2018-02-20 Kennametal Inc Low stress hard coatings and applications thereof
US10179366B2 (en) 2014-03-25 2019-01-15 Kanefusa Kabushiki Kaisha Cutting tool
RU2687623C2 (ru) * 2014-06-03 2019-05-15 Сандвик Интеллекчуал Проперти Аб Способ изготовления режущего инструмента и режущий инструмент
RU2678276C2 (ru) 2014-10-31 2019-01-24 Дау Глоубл Текнолоджиз Ллк Придающий липкость агент и непрерывный способ получения указанного агента
CN105070729A (zh) * 2015-08-31 2015-11-18 京东方科技集团股份有限公司 一种阵列基板和显示装置
CN107507823B (zh) * 2016-06-14 2022-12-20 三星电子株式会社 半导体封装和用于制造半导体封装的方法
US10502550B2 (en) * 2016-12-21 2019-12-10 Kennametal Inc. Method of non-destructive testing a cutting insert to determine coating thickness
AT15991U1 (de) * 2017-05-12 2018-10-15 Plansee Se Hochtemperaturkomponente
MX2019014994A (es) * 2018-02-08 2020-01-27 Sumitomo Electric Industries Grano super abrasivo y rueda de esmeril super abrasiva.
CN110760273B (zh) * 2018-07-27 2021-12-21 苏州今蓝纳米科技有限公司 具有高耐候高清晰度的单层低透无机纳米隔热膜及其制备方法
US11371150B2 (en) 2020-01-04 2022-06-28 Kennametal Inc. Coating and coated cutting tool comprising the coating
US11306387B2 (en) 2020-01-17 2022-04-19 Lockheed Martin Corporation Thermal protection system for lightweight hypersonic missile fin
WO2021260775A1 (ja) * 2020-06-22 2021-12-30 住友電工ハードメタル株式会社 切削工具
CN115360110B (zh) * 2022-08-17 2024-02-06 潮州三环（集团）股份有限公司 一种焊接劈刀

Family Cites Families (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2941428A (en) 1959-06-15 1960-06-21 Cramer Controls Corp Staking apparatus
US4605343A (en) * 1984-09-20 1986-08-12 General Electric Company Sintered polycrystalline diamond compact construction with integral heat sink
US4694918A (en) * 1985-04-29 1987-09-22 Smith International, Inc. Rock bit with diamond tip inserts
US4954139A (en) * 1989-03-31 1990-09-04 The General Electric Company Method for producing polycrystalline compact tool blanks with flat carbide support/diamond or CBN interfaces
EP0520403B1 (en) * 1991-06-25 1995-09-27 Sumitomo Electric Industries, Ltd Hard sintered compact for tools
US5193948A (en) * 1991-12-16 1993-03-16 Gte Valenite Corporation Chip control inserts with diamond segments
JPH0724606A (ja) * 1993-07-06 1995-01-27 Mitsubishi Materials Corp 耐欠損性のすぐれた表面複合立方晶窒化ほう素基超高圧焼結材料製切削工具
US5370195A (en) * 1993-09-20 1994-12-06 Smith International, Inc. Drill bit inserts enhanced with polycrystalline diamond
US5510193A (en) * 1994-10-13 1996-04-23 General Electric Company Supported polycrystalline diamond compact having a cubic boron nitride interlayer for improved physical properties
JP3866305B2 (ja) * 1994-10-27 2007-01-10 住友電工ハードメタル株式会社 工具用複合高硬度材料
US5976716A (en) * 1996-04-04 1999-11-02 Kennametal Inc. Substrate with a superhard coating containing boron and nitrogen and method of making the same
US5948541A (en) * 1996-04-04 1999-09-07 Kennametal Inc. Boron and nitrogen containing coating and method for making
SE511211C2 (sv) 1996-12-20 1999-08-23 Sandvik Ab Ett multiskiktbelagt skärverktyg av polykristallin kubisk bornitrid
JPH10180508A (ja) 1996-12-20 1998-07-07 Ngk Spark Plug Co Ltd スローアウェイチップ
US6499547B2 (en) * 1999-01-13 2002-12-31 Baker Hughes Incorporated Multiple grade carbide for diamond capped insert
US6599062B1 (en) * 1999-06-11 2003-07-29 Kennametal Pc Inc. Coated PCBN cutting inserts
IL140024A0 (en) * 1999-12-03 2002-02-10 Sumitomo Electric Industries Coated pcbn cutting tools
US6779951B1 (en) * 2000-02-16 2004-08-24 U.S. Synthetic Corporation Drill insert using a sandwiched polycrystalline diamond compact and method of making the same
US20030063955A1 (en) * 2001-09-28 2003-04-03 De Beaupre Jerome Cheynet Superabrasive cutting tool
US20050210755A1 (en) * 2003-09-05 2005-09-29 Cho Hyun S Doubled-sided and multi-layered PCBN and PCD abrasive articles
US7455918B2 (en) * 2004-03-12 2008-11-25 Kennametal Inc. Alumina coating, coated product and method of making the same
SE529143C2 (sv) * 2005-04-18 2007-05-15 Sandvik Intellectual Property Skär belagt med ett kompositoxidskikt
EP1932816B1 (en) 2005-10-04 2015-11-18 Sumitomo Electric Hardmetal Corp. CBN SINTERED BODY FOR HIGH-QUALITY SURFACE ASPECT MACHINING AND CUTTING TOOL OF cBN SINTERED BODY
SE530755C2 (sv) * 2006-03-03 2008-09-02 Sandvik Intellectual Property Belagt cermetskär och användning därav
EP2015881B1 (en) 2006-04-21 2017-05-31 Element Six Abrasives S.A. cBN COMPOSITE MATERIAL AND TOOL
US7998573B2 (en) * 2006-12-21 2011-08-16 Us Synthetic Corporation Superabrasive compact including diamond-silicon carbide composite, methods of fabrication thereof, and applications therefor
CA2677700A1 (en) * 2007-02-28 2008-09-04 Element Six (Production) (Pty) Ltd Method of machining a workpiece

Also Published As

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