KR20120016255A - 물품을 부착시키거나 부착을 개선시키는 방법 - Google Patents

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스티븐 웹
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다이아몬드 이노베이션즈, 인크.
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Abstract

본원은 제 1 재료, 및 제 2 재료를 포함하는 물품에 관한 것으로, 상기 제 1 재료 및 상기 제 2 재료 사이의 부착은 가스상 증착 및/또는 반응에 의해 개선되거나 형성되어, 제 1 재료 및 제 2 재료 사이에 새로운 접착성 고형상(들)을 형성한다.

Description

물품을 부착시키거나 부착을 개선시키는 방법 {METHOD TO ATTACH OR IMPROVE THE ATTACHMENT OF ARTICLES}
본원에 개시된 발명은, 일반적으로 절삭 공구 인서트 및/또는 1 개 이상의 초연마성 절삭 선단을 가진 공구 및 상기 절삭 공구를 제조하는 방법에 관한 것이다.
가공, 절삭, 톱가공 또는 드릴링 절삭 공구에는 초경합금 또는 세라믹 (예를 들어, Si3N4, TiC-Al2O3 복합재) 등의 종래의 재료를 포함하는 분리가능한 인서트가 종종 형성된다. 도 1 에서는, 나사결합 또는 다른 클램핑 기구에 의해 절삭 공구 홀더 (5) 에 단단히 유지되고 잠겨지는 인서트를 도시한다. 이러한 인서트는, 기계 절삭 공구 시스템 중 일회용 부분인데, 그 이유는 가공 작업시 인서트는 가공물과 접촉 유지되어 결국에는 교체를 필요로 하는 지점으로 마모되기 때문이다.
다이아몬드를 포함하는 초연마성 재료, 예를 들어 다결정질 다이아몬드 (PCD) 및/또는 입방정 질화붕소, 예를 들어 다결정질 입방정 질화붕소 (PCBN) 는, 종래의 재료에 향상된 가공 성능을 제공해주고 또한 절삭 공구 인서트로서 광범위하게 사용된다. 하지만, 재료 및/또는 비용으로 인해, 다양한 적용시 초연마성 재료의 사용은 비실용적일 수 있다. 그리하여, 재료 및/또는 제품의 고비용으로 인해, 예를 들어 인서트 또는 드릴 비트의 선단에 초연마물의 사용을 저감시키도록 제조 기술이 개발되었고 최적화되었다.
이러한 일 기술로는, 도 1 에 도시된 절삭 공구 인서트를 제조하는 것이다. 절삭 공구 인서트 (1) 는, 기재 재료 (3) 를 가진 인서트 본체 및 초연마성 재료일 수 있는 연마성 절삭날(들) (2) 을 가진 연마성 절삭 선단을 포함할 수 있고, 상기 절삭 인서트 (3) 는 통상적으로 미리 제조된 초경 텅스텐 합금 또는 경질 강 또는 금속 재료로 제조된다. 초연마성 절삭 선단 (2) 은, 경납땜 (brazing) 공정에 의해, 인서트 본체 (3) 의 코너, 가장자리, 중심 또는 주변에 부착될 수 있거나 또는 그렇지 않으면 인서트 본체와 접촉할 수 있다. 경납땜은 절삭력 및 열을 견디기에 충분한 결합력을 제공하고 또한 작은 연마성 절삭날을 부착하는데 편리하다. 그 후, 인서트 (1) 는 클램프 (4) 또는 쐐기를 통하여 절삭 공구 홀더 (5) 에 고정될 수 있다. 그 후, 절삭 공구 홀더는 절삭 기계에 클램핑되거나 틀어박히게 된다.
종래의 경납땜 공정에서는 초연마성 인서트를 제조하는 재료 비용을 저감시키지만, 공정, 특히 경납땜 작업 그 자체는 일부 경우에 있어서 노동집약적이고 또한 비용이 든다. 경납땜 공정은, 작업자가 조인트 경계면, 즉 연마성 절삭날, 경납땜 경계층 및 인서트 본체에 집중해야하고 또한 필요에 따라 양호한 위치 정확성 및 양호한 접착성을 보장하도록 용융될 때 재료를 재위치시켜야 하기 때문에 노동집약적이다. 인서트 본체내의 연마성 절삭날의 최종 위치 및 그 부착의 품질은, 다양한 경납땜 금속 용융 유동, 부수적인 습윤력 및 상기 유체 힘에 저항하도록 선단의 위치를 제어할 필요성으로 인해 변할 수 있다. 습윤되지 않는 선단에 대한 용융 유체의 모세관력은, 선단을 상승시키고 또한 선단이 세라믹 핀과 함께 유지되지 않으면 이 선단을 "부유" 시킨다. 이는, 선단들 사이에 얇은 금속 층이 도시된 도 3b 에 명확하게 도시되어 있다.
온도에 따라서, 용융물이 유체가 비점성이 되도록 낮은 점성을 가져, 순수 윤활제로서 작용하는 것은 금속 용융 유체의 특성이다. 선단들을 유지하는 것은 보다 더 어렵게 된다. 작은 인서트내에, 드릴 선단상의 위치내에, 또는 다수의 선단 공구 홀더에 다수의 선단을 유지하는 것은, 불가능하지 않다면, 매우 어려워질 수 있다. 실제로, 선단들이 서로 밀접해지면, 다른 조인트를 용융시키지 않으면서, 각각을 개별적으로 경납땜하는 것이 불가능할 수 있다. 이렇게 함으로써, 다수의 작은 선단을 작은 공구에 경납땜하는 것이 매우 어렵게 된다. 용융 유체가 잘 미끄러지면, 경납땜 용융시 선단들을 유지하기 위한 특별한 고정물이 필요하다.
인서트 본체, 드릴 비트 또는 공구에 선단(들)을 경납땜하는 것은 고도의 기술및 고도의 기술 작업을 필요로 한다. 이는, 불가피하게, 비용, 결함, 검사를 추가하게 되고 또한 선단을 가진 공구의 제조를 느리게 한다.
경납땜 공정에서의 다른 난점은, 조성 또는 입자 크기가 상이한 절삭 공구 재료에서는 종종 상이한 경납땜 조건, 즉 온도, 시간, 경납땜 금속 제형을 필요로 한다는 것이다. 추가로, 상이한 재료를 경납땜하는 것, 예를 들어 초경 합금 인서트 본체에 입방정 질화붕소 절삭날을 경납땜하는 것은, 동일한 공정 사이클에서 2 가지 재료를 동시에 접착할 수 있는 특별한 경납땜 합금 및 조건을 필요로 한다. PCBN 및 PCD 는, 활성 금속, 예를 들어 Ti 또는 Fe 가 금속 제형에 포함되지 않으면, 땜납과 습윤되는 것이 어려운 것으로 알려져 있다. 이러한 활성 금속은 산화에 민감하고 또한 불활성 분위기 또는 진공로의 사용을 필요로 할 수 있거나, 또는 매우 신속한 유도 경납땜을 필요로 하여, 상기 결합을 개선시킬 수 있다. 이 또한 초연마성 재료를 열화시킬 수 있는 높은 온도를 필요로 한다.
경납땜 조인트의 품질은 경납땜 재료의 용융, 유동 및 응고에 달려 있기 때문에, 온도에 따른 시간은 중요하다. 상기 공정이 너무 장기간 고온이면, 땜납은 너무 많이 얇아지거나 또는 원하는 것보다 훨씬 더 유동할 것이다. 이렇게 함으로써 조인트를 위태롭게 하고 또한 귀중한 경납땜 금속을 낭비하게 된다. 상기 공정이 너무 저온이면, 땜납은 충분히 멀리 유동하지 않게 되어, 조인트에 보이드를 유발할 수 있다. 공정 시간이 중요하지 않는 부착 공정에는 도움이 될 것이다.
PCBN 및 PCD 는 습윤되지 않는 선단이기 때문에, 유체 힘은 보다 반발하게 되어, 통상적으로 더 많은 경납땜-금속 습윤 탄화물 또는 강제로 만들어지는 공구 홀더에 선단들을 흡인하기 보다는, 초연마성 선단들을 상방으로 멀리 민다.
종래의 경납땜 인서트의 다른 단점은, 형성되자마자, 이러한 인서트들이 후속의 처리 단계, 예를 들어 인서트를 코팅하는 화학 기상 증착 (CVD) 시, 경납땜 금속의 승화 온도 또는 액상 온도 이상으로 가열될 수 없다. 경납땜 합금에 사용되는 저용융 금속, 예를 들어 Sn, Zn 은 휘발성이고, 경납땜 결합은 열화되고 그리고/또는 진공 구성품은 경납땜 후의 열처리에 의해 오염될 것이다. 추가로, 경납땜시 열적 팽창/수축 사이클로 인한 연마성 절삭날 또는 인서트 본체에 대한 손상이 가능하여, 경납땜 온도 및 시간을 최소한으로 유지할 필요가 있다. 몇몇 경우에 있어서, 경납땜 결함을 수정하거나 또는 절삭날을 재연삭하기 위해서 절삭날을 재경납땜하는 것은 불가능하다. 더욱이, 절삭시 절삭날에서 발생하는 열은, 특히 용융가능한 고형물에 의해서만 부착된다면, 경납땜 부착을 손상시킬 수 있어서, 절삭날을 홀더내에 배치시키게 된다. 이렇게 함으로서 절삭 작업을 중단시킬 것이다.
"인서트 클램핑 기구를 가진 절삭 공구" 라는 명칭의 미국특허 제 5,829,924 호, "폐기식 (throw away) 절삭 공구" 라는 명칭의 미국특허 제 4,909,677 호, "폐기식 절삭 드릴 비트" 라는 명칭의 미국특허 제 5,154,550 호 및 "정밀 슬롯팅용 절삭 공구 시스템" 이라는 명칭의 미국특허 제 4,558,974 호를 포함하는, 경납땜 요건을 배제하는 특별한 절삭 공구에 대한 다수의 참조 문헌이 있다. 상기 특허문헌의 교시는, 작동시 절삭 공구 홀더가 인서트를 확실하게 파지함을 보장하도록 인서트 및 절삭 공구 홀더의 정확하고 복잡한 기하학적 형상을 따른다. 하지만, 이러한 특허문헌에서는, 절삭 공구 홀더에 인서트를 유지시키면서 인서트 본체 자체내에 연마성 절삭날을 유지하지 않는 기계식 수단을 사용한다.
경납땜 공정에서는, 3 가지 구성품: (1) 선단(들), (2) 공구 또는 인서트 및 (3) 경납땜 재료, 예를 들어 페이스트, 호일 또는 리본을 동시에 처리할 것을 요구한다. 이러한 경납땜 재료는 최대 용융 온도까지 공구 및 선단(들) 간에 단단히 부착해야 하고, 이러한 온도점에서는 유체의 접착력은 조인트내의 땜납을 유지할 수 있거나 또는 유지할 수 없을 것이다.
추가로, 높은 열 공구 경납땜을 위한 경납땜 금속 시스템은, 통상적으로 상당량의 비산화가능한 은을 경납땜 재료의 최대 80% 까지 포함한다. 산화물은 경납땜 금속 유동을 열화시키고 또한 조인트를 열화시키는 것으로 알려져 있다. 은은 매우 값비싸다.
따라서, 경납땜 용융 유체의 모세관력을 제어할 시 문제없이, 초연마성 절삭 공구를 제조하는 시스템이 필요하다. 비-금속 습윤 절삭 선단을 금속 습윤 공구 유지 재료에 비접촉식 접착제 부착을 가능하게 한다.
일 실시형태는 절삭 공구를 포함한다. 절삭 공구는 연마성 절삭날 및 이러한 절삭날(들)이 접착되는 재료를 포함한다. 연마성 절삭날은 초연마성 재료를 포함할 수도 있다. 이러한 연마성 절삭날은 변형할 수 없을 것이다. 연마성 절삭날은 공구 또는 공구 홀더를 포함하는 재료보다 더 큰 경도를 가질 수도 있다. 이러한 재료는 인서트 본체 또는 공구 본체, 드릴 비트, 기재 또는 공구 홀더일 수 있다. 이러한 재료는 1 종 이상의 강, 금속, 분말 금속, 탄화물 또는 세라믹 또는 이들의 혼합물을 포함할 수도 있다.
초연마성 선단 또는 재료를 공구 본체에 부착하는 것은, 재료의 불충분하게 접촉하는 가스 접근가능한 표면과 초연마성 선단(들) 사이의 틈 및/또는 시임안으로 금속제 및/또는 세라믹 전구체를 기상 침투 (물론 "CVD") 함으로써 실시되고 그리고/또는 개선된다. 상기 전구체는, 공구 홀더 및 초연마성 선단(들)에 자체적으로 접착 결합하는 고형 금속 또는 세라믹 상(들)을 형성하도록 상기 틈 및/또는 시임에 증착되고 반응하거나 변형한다. 반응 가스는 고형물로 전환되고, 이 고형물은 선단 및 재료 사이의 틈 및/또는 시임을 채울 뿐만 아니라 절삭날(들)과 재료 홀더 사이에 새로운 접착력을 형성한다. 형성된 고형물 필름은, 공구의 모든 가스 접근가능한 표면 및 균열, 금, 시일, 틈 및 접촉 영역을 포함하는 선단(들)을 피복한다. 이러한 피복된 표면들간의 거리는 피복 두께의 1/2 미만인 곳에서, 고형 세라믹 브리지 결합부를 형성할 것이다. 이러한 고형 브리지 결합부는 접착력을 통하여 선단(들)을 공구에 유지한다.
상기 결합부는 세라믹 또는 금속, 마이크로 또는 다결정 또는 심지어 단결정일 수 있다. 이러한 결합부는 단일 재료층 또는 다층을 포함할 수도 있다. 가스상 CVD 반응을 통하여 형성되는 고형물 결합부의 두께는, 전기 전도성을 유지하도록 얇게 조절될 수 있거나 또는 대략적인 연삭 또는 톱가공된 절삭 선단(들)을 부착시키도록 두껍게 될 수 있다.
고형 접착 재료는 내화성 세라믹일 수 있고, 그리하여 부착물은 종래의 경납땜 조인트보다 높은 온도를 견딜 수 있다. 본체는 접착을 개선시키도록 연마성 절삭날(들)에 대하여 특별한 기하학적 배열을 가질 수 있다. 이러한 방식으로, 선단(들)을 이동시키도록 하는 유체상 및 유체상 모세관력이 없다. 선단(들) 또는 재료 홀더의 습윤은 중요하지 않다. 부착시 선단(들)을 유지, 고정 또는 위치시킬 필요가 없다.
절삭날(들) 및 재료간의 틈 및 시임의 형성 또는 최초의 부착은, 압입, 억지 끼움 (interference-fit), 열수축 끼움, 화학 접착제, 예를 들어 에폭시, 또는 종래의 경납 또는 연납 금속 또는 간단하게 중력을 포함할 수도 있다. 공구 선단의 표면은 시임 두께를 최소화하도록 연마될 수 있고, 그리하여 브리지 결합을 형성하는데 필요한 피복 두께를 최소화할 수 있다. 다양한 종류의 공구 선단의 재료, 예를 들어 세라믹, PCBN, 다이아몬드 또는 탄화물은 특정 접착을 최적화하도록 상이한 고형 필름을 필요로 할 수 있다.
도 1 은 선삭용 절삭 공구 설치물의 일 실시예의 평면 측면도,
도 2 는 부착 강도를 측정하는 방법을 도시한 도면,
도 3 은 경납땜 및 연삭 이전의 인서트 또한 경납땜 및 연삭 이후의 인서트의 사진으로서, 인서트의 주요부: 강 공구 재료 (3) 또는 인서트 본체, PCBN 절삭 선단 (7) 의 탄화물 지지체 (6) 를 도시한 도면,
도 4 는 TiN 세라믹의 CVD 가스상 증착 이후의 인서트의 일련의 3 개의 사진으로서, 절삭 선단의 탄화물부 및 강 사이에 새로운 세라믹이 존재하고 또한 PCBN 및 강 사이에는 어떠한 새로운 세라믹이 존재하지 않는 도면.
본원에 사용되는 "인서트" 라는 용어는, 초연마성 세라믹 및/또는 탄화물 (탄화텅스텐 등), 또는 다이 또는 절삭 공구 상의 위치에 기계적으로 유지되고, 경납땜되며, 연납땜되거나 용접되며, 마모되면 폐기되는 다른 절삭 재료로 된 피스를 말하고, 다른 것은 그 자리에 장착된다. 일 실시예는 도 1 에 도시되어 있고, 인서트 (1) 는 인서트 본체 (3) 및 연마성 절삭날 (2) 을 포함한다. 또한, 가공 사전 (Eric N. Simmons, Philosophical Library, New York, 1972) 을 참조하면 된다.
본원에 사용되는 "절삭 공구 홀더" 라는 용어는, 인서트(들)를 적소에 단단히 유지하여 선삭, 밀링, 보링, 절삭 또는 드릴링 적용시 사용될 수 있는 강성체를 말한다 (예를 들어, 도 1 참조).
본원은, 일반적으로 연마성 절삭날 (2) 및 인서트 본체 (3) 를 포함하는 인서트 (3) 에 관한 것이다. 특히, 인서트 (1) 는 연마성 절삭날 (2) 의 일부에 삽입 성형된 재료를 포함한다.
당업계에 잘 공지된 소결 기술에 의해 연마성 절삭날 (2) 을 형성할 수 있다. 연마성 절삭날 (2) 은, 기계가공, 절삭 또는 드릴링 적용시 사용될 수 있는 어떠한 재료, 비한정적으로, 탄화물, 세라믹 또는 초연마물, 예를 들어 질화규소, 탄화규소, 탄화붕소, 탄화티타늄-알루미나 세라믹, 예를 들어 탄화티타늄, 융합된 산화알루미늄, 세라믹 산화알루미늄, 열처리된 산화알루미늄, 알루미나 지르코니아, 산화철, 탄화탄탈륨, 산화세륨, 가넷, 초경합금 (예를 들어, WC-Co), 합성 및 천연 다이아몬드, 산화지르코늄, 입방정 질화붕소, 이러한 재료들의 적층체, 혼합물 및 이들의 복합 재료를 포함할 수 있다. 이러한 재료는 단일 결정질 또는 소결된 다결정질 본체 형태일 수도 있다. 일반적으로, 연마성 절삭날은 가공 재료보다 덜 변형가능한 (더 경질) 또는 더 내연마성 및 재료 또는 인서트 본체보다 더 내연마성인 어떠한 재료일 수 있다.
본원의 일 실시형태에 있어서, 연마성 절삭날 (2) 은 인서트 본체 (3) 와 유사한 두께를 가질 수 있다. 이러한 조합은 연마성 절삭날로부터 상부 및 하부 절삭날의 사용을 가능하게 한다. 두꺼운 절삭날은 단일 결정, 소결된 다결정질 본체 또는 조립체의 상부 및 하부 층상의 연마성 재료를 가진 적층체 형태일 수 있다.
다결정질 다이아몬드 (PCD) 또는 다결정질 입방정 질화붕소 (PCBN) 을 포함하는 연마성 압분체 또는 블랭크는, 상표명 COMPAX
Figure pct00001
및 BZN
Figure pct00002
각각으로 이용가능한 Diamond Innovations, Inc. 를 포함하는, 다수의 공급처로부터 상업적으로 이용가능하다. PCD 및 PCBN 압분체는 자체적으로 접착될 수 있거나 또는 약 5 ~ 약 80 체적% 의 적합한 결합 매트릭스를 포함할 수 있다. 결합 매트릭스는 코발트, 철, 니켈, 백금, 티타늄, 크롬, 탄탈륨, 구리 또는 이들의 합금이나 혼합물 및/또는 탄화물, 붕화물 또는 질화물 또는 이들의 혼합물 등의 금속일 수 있다. 매트릭스는, CBN 용 알루미늄 또는 다이아몬드용 코발트 등의 재결정화 또는 성장 촉매를 추가로 포함할 수도 있다.
압분체는 약 1 ~ 약 15 ㎜ 의 두께를 가진 PCBN 디스크일 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, PCBN 은 약 1.6 ~ 약 6.4 ㎜ 의 두께를 가질 수 있다. 압분체의 형성은, 방전 가공 (EDM), 방전 연삭 (EDG), 레이저, 플라즈마 및 워터젯을 포함하는 종래에 알려진 공지된 공정을 통하여 실시될 수 있다. 절삭된 피스의 형상은 미리 정해질 수 있고 또한 컴퓨터는 기밀한 공차를 유지하도록 제어될 수 있다.
일 실시형태에 있어서, PCBN 블랭크는 연마성 워터젯에 의하여 형상으로 성형될 수 있다. 본원의 다른 실시형태에 있어서, PCBN 블랭크는 미리 정해진 컴퓨터 제어된 패턴에 따라서 표면상의 선택된 위치에서 레이저-에칭될 수 있고, 예를 들어 측면들 중 2 개가 약 5.0 ㎜ 의 절삭날 길이를 가진 약 80°의 삼각형을 형성하고 또한 나머지 직선의 측면은 인서트 본체의 결합 특징부와 연속적으로 상호 잠금되는 지그재그 형상을 형성하는 다각형 형상을 형성한다.
일 실시형태에 있어서, 연마성 절삭날은, 어떠한 기준면에서 약 20 ~ 약 90°의 각을 포함하는 약 0.5 ㎜ ~ 약 25.4 ㎜ 의 길이 "a" 를 가진 절삭날을 가질 수 있다. 제 2 실시형태에 있어서, 연마성 절삭날은 약 0.5 ㎜ ~ 약 7 ㎜ 의 두께로 될 수 있다. 연마성 절삭날은 원형, 타원형, 팔각형, 육각형, 부분적으로 링 형상, 완전한 링 형상, 또는 절삭 공구에 사용되는 어떠한 형상 또는 크기일 수 있다.
CVD 처리 이전에, 표면의 예비 세척을 필요로 할 수 있다. 비결합식 산화물 및 탄소 오염물의 제거는, 통상적으로 산화 또는 수소 환원에 의해 실시된다.
절삭날(들)은 일부 방법에 의해 공구 유지 재료에 부착된다. 그 후, 절삭 공구(들)는 불활성 및 반응성 종 둘 다를 포함하는 가스에 의해 제거되고 교체된다. 금속 증착은 금속 카르보닐 또는 금속 아세틸 아세토네이트, 예를 들어 철 펜타카르보닐을 포함하는 가스를 사용할 수 있다. 세라믹 증착 전구체는 TiCl4, NH3, CH4, AlCl3, (CH3)3Al 등 또는 이들의 혼한물을 포함할 수 있다. 가스는 틈, 시임, 접촉 보이드 및 장비내의 외부 또는 내부적으로 접근가능한 어떠한 모든 가열된 고형물 표면상의 증착물을 통하여 관통한다. 표면상에서 응축시, 응축된 상은 화학적으로 반응하여 새로운 고형상 (solid phase) 을 형성한다. 예를 들어, TiCl4 + NH3 → TiC 고형물 + 가스상 HCl 이다. 이러한 고형상은 화학적 친화력에 따라서 고형물 표면에 접착 결합한다. 고형상의 품질 (결정 완전성, 밀도) 은, 이러한 고형상이 응축되는 고형물 표면(들) 에 대한 친화성 및 온도에 따른다. 새로운 고형상을 형성하기 위한 침투, 응축 및 반응 공정은, 새로운 고형상으로 표면이 덮여지거나 피복되고 또한 반응이 중지될 때까지 계속된다.
가스 접근성은, 온도 및 압력에 따르는 가스 확산에 의해 결정된다. 저압에서는, 공구 조립체내의 시임 및 틈으로의 반응 가스의 확산이 더 깊어진다. 고형물을 형성하는 가스 증착비, 반응비 및 고화비는 좁은 틈 및 시임의 "막힘 (plugging)" 을 방지하도록 제어되어야 하고, 그리하여 필름 접촉 면적 및 조이트 인장을 저감시킨다. 이는, 통상적으로 온도를 낮추거나 또는 반응물의 가스상 부분압을 조절하는 것을 필요로 한다. 마지막으로, 형성된 필름의 품질, 그 결정성 및 결정 배향은 온도 및 시간에 따른다. 필름이 형성되어 매우 신속하게 급랭되면, 필름내에 또는 필름 선단 또는 필름 공구 경계면에서 균열 및 열악한 품질이 발생할 수 있다.
가스상 전구체가 반응기의 배향에 상관없이 고형물 표면과 무분별하게 반응하는 것은 중요하다. 소위 "가시선 (line-of-sight)" 증착 공정, 예를 들어 PVD 는, 가스상 전구체가 틈 및 시임을 통과하지 않으면 유효하지 않게 되어, 접착 면적 및 접착 강도를 상당히 저감시킬 수 있다.
더욱이, 비가시선 CVD 피복은, 균일한 코팅을 형성하도록 여러 번 뒤집고 처리할 공구를 필요로 하지 않는다. CVD 는 하나의 노 사이클에서 모든 가스 접근가능한 표면을 피복한다.
CVD 가 고려될 수 있는 가스상 반응은, 산화, 수화 또는 탄화 등의 어떠한 가스-고형 반응을 포함한다. 고형물 성분은 먼저 표면에 흡수된 후, 반응하고 결정화될 수 있거나, 또는 표면 위에 형성되고 반응 및 결정화되기 전에 고형물-표면 인장력에 의해 증착될 수 있다.
후속의 CVD 처리, 예를 들어 소둔은, 필름 또는 필름-선단/필름-공구 접착제의 품질을 개선시키도록 실시될 수 있다.
이러한 "가스상" 또는 "건식 경납땜" 공정의 증착시 핵심적인 공정 변수는, 반응기의 온도 및 압력 뿐만 아니라 처음 고형물 표면의 청결함 및 상태를 포함하고, 이에 따라서 응축 및 반응이 발생한다. 반응기의 온도는 약 200℃ ~ 약 2000℃ 범위일 수 있고, 압력은 약 100 Pa ~ 약 150 Pa 범위일 수 있다. 사용될 수 있는 반응기는, CVD 반응기, 마이크로웨이브 CVD (MWCVD) 반응기, 플라즈마 개선 CVD (PECVD) 반응기 및 다른 가스상 공정을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
가스상 증착 공정에는 새로운 힘이 없고, 그리하여 절삭 공구 또는 공구 인서트의 재료에 대한 절삭날(들)의 이동이 없다. 틈 및 시임이 채워지고 브리지되자마자, 공정은 효과적으로 중지한다. 고형물 재료는 외부면에 계속 축적된다.
연마성 절삭날은, 종래에, 연성인, 예를 들어 소결된 탄화텅스텐에 결합되는 경질층, 예를 들어 소결된 다이아몬드를 포함할 것이다. 하지만, 경질 다이아몬드 층 및/또는 탄화물 층에 그 자체가 결합되는, 단일층 경질 재료 또는 다층 상이한 재료, 예를 들어 순수 금속 또는 순수 세라믹층을 포함할 수도 있다. 이러한 층은 절연재, 공간 충전물 (다이아몬드 비용 저감) 및 내마찰성 또는 경납땜 층으로서 기능할 수도 있다.
선삭, 밀링, 보링, 톱가공, 및 드릴링 적용에 사용하는 광범위한 절삭 공구 홀더에 부착가능한 어떠한 다양한 형상, 크기 또는 두께의 인서트가 형성될 수 있다. 본 발명의 결합된 인서트는, 다수의 연마성 절삭날 (인서트 형상에 의해서만 한정됨) 을 포함할 수 있고 또한 외부 클램프, 본체 쐐기 또는 고정 구속물을 필요로 하지 않는다.
보링 공구, 리머 (reamers) 및 드릴 뿐만 아니라 밀링 공구를 포함하는, 연마성 절삭날을 포함하는 절삭 공구는, 광범위한 크기 및 형상으로 된다.
또한, 유사한 재료에 초연마성 재료를 결합하는 것은, "건식 경납땜" 공정, 예를 들어 PCBN 을 PCBN 에 결합, 탄화물을 탄화물 또는 다른 재료에 결합함으로써 달성될 수 있음을 알았다.
이하의 실시예는 본 발명의 교시에 기여하는 작업을 단지 나타내는 것으로, 본원에 이하의 실시예에 의해 한정되지 않는다.
실시예 1
PCBN 등급의 BZN6000 을 포함하는 인서트 SNGA43 은, WC/Co 층에 결합된 PCBN 을 포함하는 소결된 블랭크로 된 정밀 절삭된 BZN6000 선단을, 정밀 절삭된 경질 A2 강 본체안으로 가압함으로써 제조되었다. 선단의 부착 강도는 필요한 최대 힘을 관찰하면서 포켓 외부로 밀릴 때까지 선단 (도 2 참조) 상에서 밈으로써 측정되었다. 측정된 강도는 46, 35 및 191 lbs 힘이었다. EDM-절삭된 표면을 포함하는 압입의 특징은, 돌기로 인한 치수적 부정확성 및 표면 오염물이 가변적이지만 적합한 부착 강도를 유발한다는 것이다.
부착 강도를 개선하기 위해서, 실시예 1 과 동일한 인서트를 공기중에 12 시간 동안 500℃ 에서 가열된 오븐에 배치하였다. 이렇게 함으로써, 조립된 인서트내의 틈 또는 시임의 열팽창 개구부가, 고온의 산소 가스 및 후속의 강 및 탄화물 표면의 산화에 노출되어, 탄화물상의 W 또는 Co 산화물에 대하여 새로운 고형상 산화철, 수화물을 형성한다. 인서트의 중량 이득은, 대략 0.9% 이고, 이는 강의 산화에 전적으로 기여한다. 정밀 마이크로미터는 거의 0.020 ㎜ 가 되는 전체 강 본체의 외부면의 크기 증가를 나타낸다. 이러한 동일한 새로운 고형물 필름은 또한 강 및 선단 사이의 틈에 형성될 것이고, 처음의 압입 작업시 항복되지 않은 돌기들 사이에서 열팽창에 의해 형성될 것이다. 이러한 새로운 산화물 상은 탄화물 및 강 둘다에 부착되어 간섭 끼움 또는 압입으로 인한 강도를 증가시킨다. 냉각시, 새로운 고형상은 저팽창 PCBN 및 고팽창 강 사이의 간섭 끼움을 효과적으로 증가시켜, 부착을 향상시킨다. 마지막으로, 새로운 산화물은 틈을 충전하고 또한 선단 및 강 본체 사이의 접촉 영역을 증가시킨다. 측정된 강도는 368, 478, 365 lbs 이었고, 거의 4X 증가하고 부착 가변성을 저감시킨다.
실시예 2
DNGA43 인서트는, 정밀 절삭된 선단을 경질 강의 정밀 절삭된 포켓안으로 가압함으로써 PCBN 등급 HTM 으로 제조되었다. 부착은, 푸시 아웃 방향으로의 축방향 응력에 대한 저항을 시험하는 푸시 아웃 시험을 통하여 측정되었고, 254, 279 lbs 이었다. 공기중에서 6 시간 동안 600℃ 에서 산화시키면, 부착 강도는 421, 424 lbs 로 증가되었다 (푸시 아웃 시험 측정). 더 큰 선단을 가지면, D 인서트는 부착 강도에 대한 산화의 이점이 증가되는 것으로 나타났다.
실시예 3
압입 조립된 DNG43 인서트는, 850 C 의 노에서 CuAg 로 경납땜된 후, 모든 측면에서 연삭되었고 또한 모따기되어 DNG432 절삭 인서트를 형성하였다. 연삭력은 어떠한 절삭 선단을 이동시키지 않거나 또는 제거하지 않았다. 부착은 푸시 아웃 시험을 통하여 측정되었고, 경납땜되고 연삭된 인서트의 선단 부착 강도는 190, 224 및 571 lbs 이었고, 평균 157 lbs 이었다. 실시예 2 로부터의 압입 조립된 산화된 DNG43 인서트는 모든 측면에서 연삭되었고 모따기되어 DNG432 절삭 인서트를 형성하였다. 이러한 인서트는 TiCl4, CH4, NH3, AlCl3 가스 및 산소를 사용하여 1000℃ 에서 CVD 반응기에서 처리되어, TiN, TiC, TiCN 및 산화알루미늄을 포함하는 다수의 고형상을 형성하였다. 부착은 푸시 아웃 시험을 통하여 측정되었고, CVD 건식 경납땜 이후의 선단의 부착 강도는 130 lbs, 112 lbs, 180 lbs 및 159 lbs 인 것으로 나타났고, 평균 145 lbs 이었다. CVD 가스상 경납땜으로 인한 선단의 부착 강도는, 용융 금속을 경납땜하는 종래의 노에서와 같이 양호하였다.
실시예 4
PCBN 등급 HTM 선단은 정밀 절삭된 특대형의 탄화물 포켓안으로 배치되어 CNMA43 절삭 공구 인서트를 형성하였다. 이 포켓은 선단 및 공구 본체간의 기계적인 상호잠금을 형성하도록 소나무 형상으로 형성되었다. 선단과 탄화물 포켓 사이의 틈은, 대부분의 접촉 영역에 대하여 0.020 ㎜ 미만이었다. 조립된 인서트는 금속 트레이상에 배치되어 1000℃ 에서 CVD 반응 노 사이클에서 처리되어, 인서트 조립체의 모든 표면상의 접착성 세라믹 필름, PCBN 및 탄화물을 형성하는 반응 가스 TiCl4, H2 및 CH4 를 허용하였다. 선단 및 공구 본체 표면 사이의 틈이 0.020 ㎜ 미만인 곳에서, 피복은 이러한 틈에 뻗어서 브리지시킬 수 있어서, 고형물 결합을 형성하였다. 이러한 "건식 경납땜된" 인서트는 연삭되어 CNGA432 0.004" x 30 도 모따기; 0.001" 숫돌을 제조하였고, 경질 선삭시 656 sfpm, 0.010" 절삭 깊이, 0.007" ipr, HRC61 8620 강의 건식 OD 선삭에서 시험되었다. 인서트는 선단 이동 또는 파괴없이 실시되었다.
실시예 5
탄화물상의 HTM PCBN 의 작은 5 ㎜ 피스는 상하로, 탄화물에 대한 탄화물에 설정되었고 또한 실시예 4 에서와 같이 CVD 반응기에 배치되었다. 작은 부분은, 일 지점으로 연삭되도록 함께 잘 결합되었다. 탄화물은 상기 CVD 건식 경납땜 세라믹 필름 공정으로 탄화물에 결합될 수 있다. 연마는 필요하지 않다.
실시예 6
탄화물상에 12 ㎜ 의 정사각형의 HTM PCBN 은, 전술한 동일한 CVD 반응기 사이클에서, 상하로, 탄화물에 대한 탄화물에 배치되었다. 상기 부분은 함께 결합되었고 또한 주변 연삭을 존속시켰다. 하지만, 상부/바닥 연삭시, 인서트에서는 굽힘 균열이 나타났다. 결합 세라믹 필름의 관통은 단지 4 ㎜ 인것으로 나타났다. 반응 가스에 의한 틈의 완전한 관통의 부족은, 상부/바닥 연삭시 탄화물 부분에 결함을 생기게 하는 조인트의 틈을 발생시켜, 균열을 유발한다.
실시예 7
HTM PCBN 작은 삼각형은, 0.002 ㎜ 미만의 평활도로 연마되었고, 연삭된 산화 알루미나 웨이퍼상에 배치되며, 전술한 바와 동일한 CVD 반응기 사이클에서 처리되었다. 사이클 이후에, 모든 가스상 접근가능한 표면은 백색의 산화알루미늄을 제외하고, 접착성 세라믹 필름으로 피복되었다. 그리하여, 알루미나와 접촉하는 선단은 즉시 떨어지게 되고, 산화알루미늄에 대한 세라믹 필름의 어떠한 접착으로 브리지 결합이 형성되지 않고 또한 알루미나-대-탄화물의 조인트가 형성되지 않음을 확인하게 되었다.
여러 가지 전술되고 또한 다른 특징 및 기능 또는 이들의 대안은, 다양한 다른 상이한 시스템 또는 적용에 바람직하게 조합될 수 있음이 명백할 것이다. 또한, 다음의 청구범위에 포함되는 다양한 현재 예측하지 못하거나 예상하지 못하는 대안, 수정, 변형 또는 개선은 당업자에 의해 그 후에 실시될 수 있다.

Claims (18)

  1. a. 절삭날(들) 또는 형삭날(들), 및
    b. 공구 유지 재료를 포함하는 절삭 또는 형삭 공구로서,
    상기 절삭날(들) 및 상기 공구 유지 재료간의 부착은, 절삭날(들)과 공구 유지 재료 사이에 새로운 접착성 고형상(들)을 형성하는 가스상 증착 및/또는 반응에 의해 향상되거나 형성되는 절삭 공구.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 재료는 절삭 공구 인서트 본체 또는 드릴 본체인 절삭 공구.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 절삭 공구는 리머, 드릴 또는 다른 공구인 절삭 공구.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 절삭 공구의 절삭날(들)은 인서트 본체로부터 칩을 운반하도록 구성되어, 본체를 용융 또는 연화 또는 열화시키지 않는 절삭 공구.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 절삭날(들)은, 가스상 증착 및 반응 공정 이전에, 그 동안 또는 그 이후에 피복되고, 또한 절삭날(들) 및 공구 유지 재료 사이에 새로운 상의 질량 또는 체적을 형성하여, 공구 유지 재료에 대한 접착 결합을 향상시키도록 유도되는 절삭 공구.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 절삭날은 본체를 구성하는 재료보다 더 큰 경도를 가지는 절삭 공구.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 절삭날(들)의 공구 유지 재료에 대한 부착은, CVD, MW-CVD, PE-CVD 또는 다른 가스상 공정에 의해 향상되거나 실행되며, 그리하여 절삭날(들)과 공구 유지 재료 사이에는 유체상 간섭력 또는 모세관력이 없는 절삭 공구.
  8. 절삭 공구를 형성하는 방법으로서,
    절삭날을 제공하는 단계,
    인서트 및/또는 공구 본체를 형성하는 재료를 제공하는 단계, 및
    절삭날(들)과 인서트 본체 재료 사이의 고형물의 CVD 증착을 통하여 인서트 본체를 형성하는 재료에 절삭날(들)을 부착시키거나 또는 이러한 부착을 향상시키는 단계를 포함하는 절삭 공구의 형성 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 재료는 절삭 공구 인서트 본체 또는 드릴 본체인 절삭 공구의 형성 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 절삭 공구는 리머, 드릴 또는 다른 공구인 절삭 공구의 형성 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 절삭 공구의 절삭날(들)은 인서트 본체로부터 칩을 운반하도록 구성되어, 본체를 용융, 연화 또는 열화시키지 않는 절삭 공구의 형성 방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 절삭날은 본체를 구성하는 재료보다 더 큰 경도를 가지는 절삭 공구의 형성 방법.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 절삭날(들)의 인서트 및/또는 공구 본체에 대한 부착은, CVD 증착에 의해 향상되거나 실행되며, 그리하여 절삭날(들)과 인서트 및/또는 공구 본체 사이에는 유체상 간섭력 또는 모세관력이 없는 절삭 공구의 형성 방법.
  14. 제 8 항에 있어서,
    접착 결합에 사용되는 동일한 CVD 공정을 통하여 절삭 공구 또는 인서트상의 모든 고형물 표면 및 인서트 본체를 피복하거나 또는 상기 절삭날(들) 및 공구 유지 재료 간의 결합을 향상시키는 단계를 더 포함하는 절삭 공구의 형성 방법.
  15. 제 8 항에 있어서,
    상기 절삭 공구 인서트를 연삭하는 단계를 더 포함하는 절삭 공구의 형성 방법.
  16. 제 1 재료, 및
    제 2 재료를 포함하는 물품으로서,
    상기 제 1 재료 및 상기 제 2 재료 사이의 부착은 가스상 증착 및/또는 반응에 의해 개선되거나 형성되어, 제 1 재료 및 제 2 재료 사이에 새로운 접착성 고형상(들)을 형성하는 물품.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 재료의 날은, 가스상 증착 및 반응 공정 이전에, 그 동안 또는 그 이후에 피복되고, 또한 날(들) 및 제 2 재료 사이에 새로운 상의 질량 또는 체적을 형성하여, 공구 유지 재료에 대한 접착 결합을 향상시키도록 유도되는 물품.
  18. 제 16 항에 있어서,
    제 1 재료의 제 2 재료에 대한 부착은, CVD, MW-CVD, PE-CVD 또는 다른 가스상 공정에 의해 향상되거나 실행되며, 그리하여 제 1 재료와 제 2 재료 사이에는 유체상 간섭력 또는 모세관력이 없는 물품.
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