KR20120000087A

KR20120000087A - Ｐｖｄ 피복 공구

Info

Publication number: KR20120000087A
Application number: KR1020117024655A
Authority: KR
Inventors: 파이트 쉬어; 외르크 드로브니브스키
Original assignee: 발터 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2009-03-23
Filing date: 2010-03-22
Publication date: 2012-01-03
Also published as: JP2012521300A; EP2411561B1; WO2010108893A1; US20110268514A1; DE102009001765A1; EP2411561A1; CN102292467A; US8709583B2

Abstract

본 발명은 본체 및 그 본체에 적용된 다층 코팅을 포함하는 절삭 공구에 관한 것이다. 콤크래킹, 마찰화학적 마모, 및 그로 인해 야기되는 크레이터 형성 (cratering) 에 대한 증가된 내성을 갖는 개선된 절삭 공구를 제공하기 위해, 본체가 5 ~ 8 중량% 의 Co, 0 ~ 2 중량% 의 TaC, 0 ~ 1 중량% 의 NbC 및 89 ~ 95 중량% 의 WC 를 포함하는 경질 금속 (hard metal) 을 포함하고, 상기 WC 의 평균입경이 1 ~ 5 ㎛ 이고, 코팅이 1 ~ 5 ㎛ 의 층 두께를 갖는 TiAlN 의 제 1 층 및 1 ~ 4 ㎛ 의 층 두께를 갖는 산화알루미늄의 제 2 층을 갖고, 상기 코팅은, 산화알루미늄의 제 2 층 위에, n 개의 상호 교대로 중첩되어 있는 TiAlN 층 및 산화알루미늄 층 (각각 0.1 ~ 0.5 ㎛ 의 층 두께를 갖고, 여기서 n 은 각각의 개별 층에 관련되고, 0 내지 10 의 짝수임) 을 부가적으로 더 포함하고, 상기 코팅의 총 층 두께가 2 ~ 16 ㎛ 이고, 상기 코팅은 PVD 프로세스에서 형성된다.

Description

ＰＶＤ 피복 공구{PVD-COATED TOOL}

본 발명은 본체 (main body) 및 그 본체에 적용된 다층 코팅을 포함하는 절삭 공구에 관한 것이다.

단단한 재료, 예컨대 강을 기계가공하는데 이용되는 절삭 공구는 일반적으로, 사용 기간 (service life) 을 증가시키거나 절삭 특성을 향상시키기 위해 단층 또는 다층 코팅이 적용된 본체를 포함한다. 본체에 이용되는 재료는 예컨대 카바이드 금속, 서멧, 강 또는 고속도강이다. 코팅은 질화 화합물 (nitridic compounds) 을 자주 포함하지만, 금속성 경질 재료 층, 산화물 층 등도 포함한다. 코팅을 적용하기 위해, 다양한 프로세스가 이용된다. 그러한 프로세스에는, CVD 프로세스 (화학적 기상 증착) 및 PVD 프로세스 (물리적 기상 증착) 가 포함된다.

특히, 작업물의 금속 특성 때문에 밀링 크랭크샤프트 또는 캠샤프트와 같은 특정 용도를 위한 공구가 크게 요구되고 있다. 크랭크샤프트 또는 캠샤프트의 제조에서, 주조 또는 단조된 샤프트는 일반적으로 밀링에 의해 더 기계가공된다. 그러한 상황에서, 크랭크샤프트 밀링 커터 또는 캠샤프트 밀링 커터는 주기적인 높은 열적 및 기계적 하중을 받게 된다. 그 경우, 공구의 사용 기간은 콤크래킹 (comb cracking) 과 이후의 크레이터 침식 마모 (crater erosion wear) (콤크래킹에서 시작됨) 의 조합에 의해 주로 제한된다.

종래 기술에서, 전술한 주기적인 높은 열적 및 기계적 하중을 위한 공구용으로 CVD 피복 공구 강이 알려져 있지만, 이 공구는 높은 코팅 온도 때문에 내콤크래킹성에 관해 단점이 있다. 그 결과, 콤크래킹에서 시작되는 크레이터 침식 마모 때문에, 크레이터 침식 마모에 관한 CVD 피복 공구 강의 자체로 높은 저항이 관련되게 된다.

공지된 공구 강의 PVD 코팅을 위해 질화 화합물을 이용하는 경우, 마찰화학적 (tribochemical) 마모에 의해 야기되는 크레이터 형성이 발생한다. 여기서, 마찰화학적 마모는, 기계가공 작업에서 기계가공되는 재료와 공구 사이의 접촉 부위에서 마찰이 발생하여, 화학 반응이 일어나고, 화학반응 결과, 기계가공된 재료와 공구 강이 화학적으로 그리고 구조적으로 변하여, 공구 마모가 발생하는 것을 의미한다.

본 발명의 목적은, 종래 기술에 비해 향상되고 또한 콤크래킹, 마찰화학적 마모 및 이에 의해 야기되는 크레이터 형성에 대한 저항이 증가된 절삭 공구를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 상기 목적은, 본체 및 그 본체에 적용된 다층 코팅을 포함하는 절삭 공구에 있어서,

상기 본체가, 5 ~ 8 중량% 의 Co, 0 ~ 2 중량% 의 TaC, 0 ~ 1 중량% 의 NbC 및 89 ~ 95 중량% 의 WC 를 포함하는 경질 금속 (hard metal) 을 포함하고, 상기 WC 의 평균입경이 1 ~ 5 ㎛ 이고,

상기 코팅은, 1 ~ 5 ㎛ 의 층 두께를 갖는 TiAlN 의 제 1 층, 및 1 ~ 4 ㎛ 의 층 두께를 갖는 산화알루미늄의 제 2 층을 갖고,

상기 코팅은, 산화알루미늄의 제 2 층 위에, n 개의 상호 교대로 중첩되어 있는 TiAlN 층 및 산화알루미늄 층 (각각 0.1 ~ 0.5 ㎛ 의 층 두께를 갖고, 여기서 n 은 각각의 개별 층에 관련되고, 0 내지 10 의 짝수임) 을 부가적으로 더 포함하고, 또한 선택적으로 0.1 ~ 1 ㎛ 의 층 두께를 갖는 ZrN 의 외층을 갖고,

상기 코팅의 전체 층 두께가 2 ~ 16 ㎛ 이고, 상기 코팅은 PVD 프로세스에서 형성되는 것을 특징으로 하는 절삭 공구에 의해 달성된다.

특정 평균입경은 탄화텅스텐 (WC) 에 관련된다.

놀랍게도, 이와 관련하여, 적어도 TiAlN 및 산화알루미늄 (Al₂O₃) 의 각 층 (선택적으로 다른 층이 적용됨, 또한 TiAlN 및 산화알루미늄으로 교대로 구성됨) 을 포함하는 코팅과 함께 Co, TaC 및 NbC 의 본 발명에 따른 함량을 갖는 경질 금속의 조합이 특히 주기적인 높은 열적 및 기계적 하중으로부터 발생하는 콤크래킹 및 크레이터 마모에 내성을 갖는다는 것이 밝혀졌다.

청구항 1 에 따른 본체 및 코팅의 본 발명에 따른 조합에서, 본체에서의 코발트의 비율이 더 커지면, 절삭 공구가 너무 무르게 된다는 것이 밝혀졌다. 코발트의 비율이 5 중량% 미만이면, 절삭 공구는 더 적은 기계적 하중을 견딜 수 있다.

NbC 및 TaC 의 비율은 조직 및 경도와 인성 사이의 희망하는 비를 조절하는데 기여한다.

다른 층에 관해서는, 산화알루미늄의 제 2 층에 적용되는 층이 TiAlN 을 포함한다는 것으로 이해될 것이다. 따라서, 짝수의 다른 층의 교대 적용은 마지막에 적용된 다른 층이 산화알루미늄으로 이루어진다는 것을 의미한다.

ZrN 의 외층의 이점은, 그 층이 본체 및 TiAlN 와 산화알루미늄의 코팅과 비교해 볼 때 다른 색조를 갖는다는 것이다. 절삭 표면을 이용할 때, ZrN 의 위쪽 층의 부분 마모로 인해, 여유면이 마모 흔적 (wear trace) 을 갖는다. 그러한 방식에서, 육안으로 절삭날이 이미 사용되었는지 여부를 확인할 수 있다.

특히 바람직한 실시형태에서, 본체는, 6 ~ 8 중량% 의 Co, 1 ~ 2 중량% 의 TaC, 0.2 ~ 0.3 중량% 의 NbC 및 잔부의 WC 를 갖는 경질 금속을 포함한다. 이 조성은, 본 발명에 따른 코팅과 조합되면, 주기적인 높은 열적 및 기계적 하중에 특히 적합하다. 어떠한 다른 경질 물질을 포함하지 않는다.

본 발명에 따른 절삭 공구의 탄화텅스텐 (WC) 이 2 ~ 3 ㎛ 의 평균입경을 갖는 것이 또한 바람직하다. WC 의 평균입경은 경도와 인성의 비에 영향을 미친다. 평균입경이 커지면, 확실히 경도가 커지지만, 그와 동시에 인성이 크게 감소하게 된다. 평균입경이 작아지면, 확실히 인성이 커지지만, 그와 동시에 경도가 약간 감소하게 된다.

다른 바람직한 실시형태에서, TiAlN 의 제 1 층은 2 ~ 4 ㎛ 의 층 두께를 갖고/갖거나 산화알루미늄의 제 2 층은 1 ~ 2 ㎛ 의 층 두께를 갖는다. 경도 대 인성의 바람직한 비는 특정 층 두께를 갖는 TiAlN 의 층에 의해 설정된다. 특정 층 두께를 갖는 산화알루미늄 층은 높은 내열 및 내산화성을 좌우하므로, 마찰화학적 내마모성으로 이어진다.

다른 바람직한 실시형태에서, 절삭 공구는 코팅을 포함하고, TiAlN 과 산화알루미늄을 각각 교대로 포함하는 선택적인 다른 층은 0.1 ~ 0.3 ㎛ 의 층 두께를 갖고/갖거나 선택적인 ZrN 의 외층은 0.1 ~ 0.6 ㎛ 의 층 두께를 갖는다. 다른 층으로 인해, 코팅은 더 많은 경계 표면을 갖고, 이로써 경도가 아닌 인성이 증가하게 된다.

부가적인 교대 TiAlN 층 및 산화알루미늄 층에 있어서, n 이 6 이하인 것이 또한 바람직하다. n 이 2 또는 4 인 것이 특히 바람직하다. 층의 개수가 커지면, 명백히 인성이 증가하게 된다. 한편, 이들 층은 일반적으로 압축 응력을 수반한다. 그러므로, 층의 개수가 많아지면, 코팅이 불안정해져 깨어질 수 있다. 그리고, PVD 프로세스에서의 TiAlN 또는 산화알루미늄 각각의 다수의 교대 층의 적용은 프로세스 공학 측면에서 매우 복잡하고 비용이 많이 들어서, 대규모 기술 상황에서 한계가 있다.

특히 바람직하게는, 코팅의 총 두께가 2 ~ 8 ㎛, 특히 바람직하게는 3 ~ 6 ㎛ 인 것이 특히 바람직하다. 더 얇은 코팅은 양호한 내마모성을 나타내기에 적절한 개수의 원자 층을 갖지 않는다. 개별 층의 압축 응력으로 인해, 더 두꺼운 코팅은 덜 안정적이고 특히 날이 깨어질 수 있다.

코팅이, ZrN 의 외층 아래에, 화학량론적 함량 이하의 (substoichiometric) ZrN₁ _- _x 의 층 (여기서, x 는 0.01 ~ 0.1 임) 을 갖고, 이 층의 층 두께가 0.001 ~ 0.1 ㎛ 인 것이 바람직하다. 화학량론적 함량 이하의 ZrN₁ _- _x 의 층은 ZrN 보다 산화알루미늄의 상부 층에 덜 잘 접착하므로, 아래의 ZrN₁ _-x 층과 함께, ZrN 층의 제거는 간단하다. 그 결과, 절삭 공구의 처음 사용시 마모 흔적은 이미 발생하고, 이는 공구가 사용되었음을 나타낸다.

절삭 공구는 경사면, 절삭날 및 여유면 (relief surface) 을 갖는다. 본 발명에 따르면, 단지 여유면의 코팅만이 ZrN 의 외층을 갖고 또한 ZrN 의 외층 아래에 선택적으로 화학량론적 함량 이하의 ZrN₁ _- _x 의 층을 갖는 것이 바람직하다.

먼저 전체 절삭 공구가 ZrN 으로 코팅된 후 경사면으로부터 그리고 또한 대체로 절삭날로부터 브러싱 및/또는 (세척) 분사 (jetting) 에 의해 ZrN 층이 완전히 제거되는 절차에 의해 다른 코팅이 형성된다. ZrN 층이 절삭 공구의 경사면에 남는다면, 이는 배출되는 칩에 악영향을 미칠 수 있다. 또한, 화학량론적 함량 이하의 ZrN₁ _- _x 의 층이 ZrN 의 외층보다 덜 산화알루미늄 층에 잘 접착하므로, ZrN 의 외층 아래에 화학량론적 함량 이하의 ZrN₁ _- _x 의 층의 적용에 의해 제거가 간단해진다.

또한, TiAlN 을 포함하는 층에서 Al 대 Ti 의 비가 60 : 40 ~ 70 : 30, 바람직하게는 67 : 33 인 절삭 공구가 바람직하다. 이는 원자비 (at%) 를 포함한다. 이 비는 특히 TiAlN 층에 대한 산화알루미늄 층의 양호한 접착을 좌우하여, 사용 기간을 연장시킨다.

상기 목적은 크랭크샤프트 밀링 커터 또는 캠샤프트 밀링 커터의 절삭 인서트 또는 특별한 인덱서블 절삭 인서트를 위한, 전술한 특성을 갖는 절삭 공구의 용도에 의해 또한 달성된다.

크랭크샤프트의 밀링시, 기계가공 하중이 특히 높으므로, 절삭 공구는 높은 온도 및 고속에 노출된다. 이로 인해, 절삭 공구의 급격한 주기적인 온도 변화에 대한 특히 높은 내성이 요구되고, 이는 높은 내콤크래킹성을 포함한다.

놀랍게도, 본체가 5 ~ 8 중량% 의 Co, 0 ~ 2 중량% 의 TaC, 0 ~ 1 중량% 의 NbC 및 89 ~ 95 중량% 의 WC 를 포함하는 경질 금속을 포함하고, 상기 WC 의 평균입경이 1 ~ 5 ㎛ 이고, 코팅이 적어도 1 ~ 5 ㎛ 의 층 두께를 갖는 TiAlN 의 제 1 층 및 1 ~ 4 ㎛ 의 층 두께를 갖는 산화알루미늄의 제 2 층을 갖고, 상기 코팅은, 산화알루미늄의 제 2 층 위에, n 개의 상호 교대로 중첩되어 있는 TiAlN 층 및 산화알루미늄 층 (각각 0.1 ~ 0.5 ㎛ 의 층 두께를 갖고, 여기서 n 은 각각의 개별 층에 관련되고, 0 내지 10 의 짝수임) 을 부가적으로 더 포함하고, 상기 코팅의 총 층 두께가 2 ~ 16 ㎛ 이고, 상기 코팅은 PVD 프로세스에서 형성된다는 본 발명에 따른 조합이, 크랭크샤프트 및 캠샤프트의 밀링시 발생하는 주기적인 열적 그리고 기계적 하중에 특히 양호한 내성을 갖는다는 것이 밝혀졌다.

이하의 예를 참조하여 본 발명의 다른 이점, 특징 및 실시형태에 대해 설명한다.

예 1:

PVD 코팅 설비 Hauzer HTC1000 에서, 8 중량% 의 Co, 1.15 중량% 의 TaC, 0.27 중량% 의 NbC 및 90.58 중량% 의 WC 를 포함하는 절삭 공구에 하기와 같은 7층 코팅을 형성하였다.

1. 아크를 이용하여 증착된 층 두께 3 ㎛ 의 TiAlN (Ti : Al 비 = 33 : 67 (원자%))

2. 반응성 마그네트론 (reactive magnetron) 에서 증착된 층 두께 0.6 ㎛ 의 산화알루미늄

3. 아크에서 증착된 층 두께 0.3 ㎛ 의 TiAlN (Ti : Al 비 = 33 : 67 (원자%))

4. 반응성 마그네트론에서 증착된 층 두께 0.1 ㎛ 의 산화알루미늄

5. 아크에서 증착된 층 두께 0.3 ㎛ 의 TiAlN (Ti : Al 비 = 33 : 67 (원자%))

6. 반응성 마그네트론에서 증착된 층 두께 0.1 ㎛ 의 산화알루미늄

7. 아크에서 증착된 층 두께 0.2 ㎛ 의 ZrN

코팅 작업 전에, 기판을 알코올에서 세척하고, 진공 챔버에서의 층의 증착에 앞서 Ar 이온 충격으로 추가 세척하였다.

층의 증착:

제 1, 제 3, 및 제 5 층:

약 550 ℃ 의 온도에서, 3 ㎩ 질소에서의 소스 (source) 당 65 A 증발기 전류 및 40 V 의 DC 모드에서의 바이어스 전압으로 아크에서 TiAlN 을 증착시켰다.

제 2, 제 4, 및 제 6 층:

150 V 의 양극성 펄스 (bipolarly pulsed) 바이어스 전압 (70 ㎑) 및 약 550 ℃ 의 온도로, 반응 가스 (유동 약 80 sscm) 로서 0.5 ㎩ Ar 및 산소에서 약 7 W/㎠ 의 특정 캐소드 파워 (specific cathode power) 를 갖는 반응성 마그네트론에서 산화알루미늄을 증착시켰다.

제 7 층:

약 550 ℃ 의 온도에서, 3 ㎩ 질소에서의 소스당 65 A 증발기 전류 및 40 V 의 DC 모드에서의 바이어스 전압으로 아크에서 ZrN 을 증착시켰다.

예 2 - 비교예

비교를 위해, 예 1 에 따라 종래 CVD 코팅을 기판에 적용하였다. 코팅은 하기 층으로 구성되었다:

1. mtCVD 프로세스에서 적용된 층 두께 5 ㎛ 의 TiCN

2. 1000 ℃ 초과의 온도의 고온 CVD 프로세스에서 적용된 층 두께 4 ㎛ 의 αAl₂O₃

적용은 열적 CVD 에 대한 표준 프로토콜을 따라 행해졌다. 이는 현재 상업적으로 입수가능한 크랭크샤프트 및 캠샤프트 밀링용 절삭 공구를 포함한다.

시험 실행:

25MnCrSi VB6 강을 포함하는 작업물에 크랭크샤프트를 제조하는 밀링 시험에서, 예 1 의 절삭 공구를 예 2 의 것과 비교하였다.

146 m/min 의 절삭 속도 (v_c) 및 0.12 ㎜ ~ 0.18 ㎜ 의 치형부 전진 (tooth advance) (f_z) 으로 밀링을 행하였다. 밀링 가공 작업은 건식으로 행해졌다.

사용 기간:

비교예의 공구를 사용한 것보다 예 1 의 본 발명에 따른 절삭 공구로 사용 기간의 종료까지 더 많은 크랭크샤프트를 밀링 가공할 수 있었다. 여기서, 사용 기간의 종료는 부품 및 칩 형성에서 치수 정확성의 유지에 기초하여 정의된다. 부품에서 희망하는 치수로부터 미리 정해진 편차가 발생하는 때, 사용 기간의 종료에 도달한다.

	크랭크샤프트
예 1	704
예 2	581

Claims

본체 및 그 본체에 적용된 다층 코팅을 포함하는 절삭 공구에 있어서,
상기 본체가, 5 ~ 8 중량% 의 Co, 0 ~ 2 중량% 의 TaC, 0 ~ 1 중량% 의 NbC 및 89 ~ 95 중량% 의 WC 를 포함하는 경질 금속 (hard metal) 을 포함하고, 상기 WC 의 평균입경이 1 ~ 5 ㎛ 이고,
상기 코팅은,
1 ~ 5 ㎛ 의 층 두께를 갖는 TiAlN 의 제 1 층, 및
1 ~ 4 ㎛ 의 층 두께를 갖는 산화알루미늄의 제 2 층을 갖고,
상기 코팅은, 산화알루미늄의 제 2 층 위에, n 개의 상호 교대로 중첩되어 있는 TiAlN 층 및 산화알루미늄 층 (각각 0.1 ~ 0.5 ㎛ 의 층 두께를 갖고, 여기서 n 은 각각의 개별 층에 관련되고, 0 내지 10 의 짝수임) 을 부가적으로 더 포함하고, 또한 선택적으로 0.1 ~ 1 ㎛ 의 층 두께를 갖는 ZrN 의 외층을 갖고,
상기 코팅의 총 층 두께가 2 ~ 16 ㎛ 이고, 상기 코팅은 PVD 프로세스에서 형성되는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 1 항에 있어서, 상기 본체는, 6 ~ 8 중량% 의 Co, 1 ~ 2 중량% 의 TaC, 0.2 ~ 0.3 중량% 의 NbC 및 잔부의 WC 를 갖는 경질 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 본체는 2 ~ 3 ㎛ 의 평균입경을 갖는 WC 를 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 TiAlN 의 제 1 층은 2 ~ 4 ㎛ 의 층 두께를 갖고/갖거나 상기 산화알루미늄의 제 2 층은 1 ~ 2 ㎛ 의 층 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 부가적인 상호 교대로 중첩되어 있는 TiAlN 층 및 산화알루미늄 층은 0.1 ~ 0.3 ㎛ 의 층 두께를 갖고/갖거나 선택적인 ZrN 의 외층은 0.1 ~ 0.6 ㎛ 의 층 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 n 은 6 이하, 바람직하게는 2 또는 4 인 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코팅의 총 두께가 2 ~ 8 ㎛, 바람직하게는 3 ~ 6 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코팅은, ZrN 의 외층 아래에, 화학량론적 함량 이하의 (substoichiometric) ZrN₁ _- _x 의 층 (여기서, x 는 0.01 ~ 0.1 임) 을 갖고, 이 층의 층 두께가 0.001 ~ 0.1 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공구는 경사면, 절삭날 및 여유면 (relief surface) 을 갖고,
단지 여유면의 코팅만이 ZrN 의 외층을 갖고 또한 ZrN 의 외층 아래에 선택적으로 화학량론적 함량 이하의 ZrN₁ _- _x 의 층을 갖는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, TiAlN 을 포함하는 층에서 Al 대 Ti 의 비가 60 : 40 ~ 70 : 30, 바람직하게는 67 : 33 인 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
크랭크샤프트 밀링 커터 또는 캠샤프트 밀링 커터의 절삭 인서트 또는 특별한 인덱서블 절삭 인서트를 위한, 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 절삭 공구의 용도.