KR20120051045A

KR20120051045A - 백금족 금속 농도 구배를 가진 코팅된 절삭 공구 및 이러한 절삭 공구 제조 공정

Info

Publication number: KR20120051045A
Application number: KR20127004941A
Authority: KR
Inventors: 크레이그 더블유. 모톤; 드윗 도르치; 존 보스트; 데이비드 제이. 윌스
Original assignee: 티디와이 인더스트리스, 인코포레이티드
Priority date: 2009-08-25
Filing date: 2010-08-03
Publication date: 2012-05-21
Also published as: SG178841A1; US20130273382A1; JP2015006728A; US8440314B2; US20110052931A1; CN102597324A; TW201127993A; RU2012111228A; AU2010286865B2; EP2470687A1; IN2012DN01282A; JP2013503048A; BR112012004087A2; CN102597324B; EP2470687B1; IL217995A0; AU2010286865A1; WO2011025630A1; JP5636052B2; MX2012002347A

Abstract

본 발명은 절삭 공구에 관한 것이다. 상기 기술된 절삭 공구는 기질 상에 내마모성 코팅을 가질 수 있다. 상기 기질은 결합제상으로 시멘트화된 경질 입자들을 가질 수 있다. 상기 결합제는 하나 이상의 백금족 원소 및/또는 레늄의 근접-표면 농도 구배를 가질 수 있다. 또한 본 발명에서는 절삭 공구를 제조하기 위한 공정도 기술된다.

Description

백금족 금속 농도 구배를 가진 코팅된 절삭 공구 및 이러한 절삭 공구 제조 공정{COATED CUTTING TOOLS HAVING A PLATINUM GROUP METAL CONCENTRATION GRADIENT AND RELATED PROCESSES}

본 발명은 예를 들어 시멘트화 카바이드 재료와 같이 기질 상에 코팅을 포함하는 절삭 공구와 같은 금속가공 공구들에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 기질 상에 코팅을 포함하는 절삭 공구를 제조하기 위한 공정에 관한 것이다.

예를 들어, 절삭가공, 드릴링가공, 리밍가공, 카운터싱킹가공, 카운터보링가공, 밀링가공, 터닝가공, 그루빙가공, 스레딩가공, 및 탭핑가공과 같은 기계가공 공정에서, 시멘트화 경질 입자들을 포함하는 절삭 인서트와 절삭 공구가 사용된다. 본 명세서에서 사용되는 것과 같이, "시멘트화 경질 입자(cemented hard particles)" 및 "시멘트화 경질 입자 재료(cemented hard particle material)"는 상대적으로 연성인 금속성 결합제(binder) 내에서 시멘트화되고 분산된 상대적으로 경질인 입자들을 포함하는 재료를 가리킨다. 시멘트화 경질 입자 재료의 한 예는 시멘트화 카바이드 재료이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 것과 같이, "시멘트화된" 물품(article)은 시멘트화 경질 입자 재료를 포함하는 물품이다. 시멘트화 절삭 공구를 제작하기 위한 공정은 야금 분말(예를 들어, 금속 결합제 분말과 경질 입자들의 혼합물)을 경화시켜(consolidating) 분압체(compact)를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 분압체는 소결시켜 중실 구조의 모노리식 구성을 가진 공구 미가공품(tool blank)을 형성할 수 있다. 소결 단계 후에, 시멘트화 공구 미가공품이 기계가공되어 하나 또는 그 이상의 절삭 에지(cutting edge) 혹은 공구 상에서 원하는 특정 절삭 기하학적 형상(geometry)을 가진 그 외의 다른 특징부분(feature)들을 형성할 수 있다.

결합제 내에서 시멘트화된 경질 입자들을 포함하는 시멘트화 절삭 공구는 이러한 재료들의 주요 특성인 인장 강도, 내마모성, 및 인성 때문에 산업상 중요하다. 경질 입자들은, 예를 들어, 카바디드, 니트라이드, 보라이드, 실리사이드, 또는 주기율표의 IVB족 내지 VIB족, 및 IIIA족 내에 있는 원소들의 옥사이드를 포함할 수 있다. 한 예가 텅스텐 카바이드이다. 결합제는 금속 또는 금속 합금, 예를 들어, 코발트, 니켈, 아이언 또는 이러한 금속들의 합금일 수 있다. 결합제는 연속적이고 상호연결된 매트릭스(matrix) 내에서 경질 입자들을 시멘트화 한다.

시멘트화 재료들의 물리적 특성 및 화학적 특성들은 재료들을 형성하도록 사용되는 야금 분말들의 개별 구성요소들에 일부분 좌우된다. 시멘트화 경질 입자 재료들의 성질들은, 예를 들어, 경질 입자들의 화학적 조성, 경질 입자들의 입자 크기 분포 및 평균 입자 크기, 결합제의 화학적 조성, 및 기질 내에서의 경질 입자들에 대한 결합제 비율에 좌우될 수 있다.

코발트 결합제 내에서 시멘트화된 텅스텐 카바이드 경질 입자들은 예를 들어, 터닝가공 공구 및 인서트, 밀링가공 공구 및 인서트, 드릴링가공 공구 및 인서트, 스레딩가공 공구 및 인서트, 그리고 그루빙가공 공구 및 인서트와 같은 금속가공 공구(전체적으로, "절삭 공구"로 지칭됨)에서 실효성이 있는 보통의 시멘트화 카비아디 재료이다. 본 명세서에서 사용되는 것과 같이, 용어 "절삭 공구(cutting tools)"는 모노리식 구조의 절삭 공구와 모듈식 절삭 공구용 인서트를 포함한다.

본 명세서에 기술된 구체예들은 절삭 공구에 관한 것이다. 절삭 공구는 기질(substrate) 및 기질의 일부분 이상 위에 하나 이상의 내마모성 코팅을 포함한다. 기질은 경질 입자들과 결합제를 포함한다. 결합제는 하나 이상의 백금족 금속 및/또는 레늄의 근접-표면 농도 구배(near-surface concentration gradient)를 포함한다.

본 명세서에 기술된 그 외의 다른 구체예들은 절삭 공구를 제조하기 위한 공정에 관한 것이다. 이 공정은 하나 이상의 백금족 금속 및/또는 레늄을 기질 표면의 일부분 이상 위에 증착시키는 단계를 포함한다. 기질은 경질 입자들과 결합제를 포함한다. 상부에 증착된 하나 이상의 백금족 금속을 가진 기질은 하나 이상의 백금족 금속 및/또는 레늄을 결합제 내에 확산시키도록 하기에 충분한 시간과 온도로 가열된다. 결합제 내에 확산된 하나 이상의 백금족 금속은 결합제 내에서 근접-표면 백금족 금속 농도 구배를 형성한다.

위의 발명의 상세한 설명 부분에 기술된 구체예들에만 본 발명이 제한되지 않는다는 사실을 이해해야 한다. 본 발명은 청구항에서 정의된 것과 같이 본 발명의 범위 내에 있는 변형예들과 그 외의 다른 주제들을 다루기 위한 것이다.

본 발명의 비-제한적인 구체예들의 특정의 특징들은 첨부된 도면들을 참조하여 더 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 1a, 1b 및 1c는 ASTM/ISO 표준에 따라 XDLW120508SR-D로 표시된 절삭 인서트의 비-제한적인 한 구체예를 도시한 도면들로서, 도 1a는 상기 절삭 인서트의 투시도이고 도 1b는 상기 절삭 인서트의 상부도이며 도 1c는 상기 절삭 인서트의 측면도이다.
도 2a는 도 1a, 1b 및 1c에 예시되어 있는 절삭 인서트의 횡단면도이고, 도 2b는 도 2a에 예시된 절삭 인서트의 한 부분을 확대하여 도시한 도면이며, 도 2c는 도 2b에 예시된 상기 절삭 인서트 부분을 도시한 대안의 도면으로서 절삭 인서트 부분의 근접-표면 영역에서의 백금족 금속 농도 구배를 예시하는 중첩 그래프를 포함한다.
도 3은 WC-11 Co 기질 (적은 양의 TiC/TaC/NbC를 첨가할 수 있게 하는, 11 중량%의 코발트 결합제 모재 및 87-89 중량%의 텅스텐 카바이드 입자)의 표면으로부터 깊이의 함수로서 글로우 방전-분광 분석술(GD-OES) 방출값(텅스텐, 코발트, 카본, 및 루테늄에 대한 상대 강도 값)의 반-대수 그래프로서, 여기서 상기 기질을 4 마이크로미터의 루테늄 층으로 코팅시켜 1325℃에서 60분간의 열처리 사이클로 처리하여, 확산 사이클의 결과로서 상기 그래프 내에 도시된 근접-표면 루테늄 농도 구배를 형성하였다.
도 4는 상이한 기질을 포함하고 Ti-6Al-4V 가공품을 기계가공하는, 3개 타입의 CVD-코팅된ADKT1505PDER-47 절삭 인서트용 공구 마모 테스트의 실험 결과를 비교하는 막대 그래프이다.
도 5는 상이한 기질을 포함하고 Ti-6Al-4V 가공품을 기계가공하는, 3개 타입의 CVD-코팅된 APKT1604PDER-43 절삭 인서트용 공구 마모 테스트의 실험 결과를 비교하는 막대 그래프이다.
도 6은 상이한 기질을 포함하고 Ti-6Al-4V 가공품을 기계가공하는, 3개 타입의 CVD-코팅된 XDLT120508ER-D41 절삭 인서트용 공구 마모 테스트의 실험 결과를 비교하는 막대 그래프이다.
도 7은 상이한 기질을 포함하고 Ti-6Al-4V 가공품을 기계가공하는, 3개 타입의 CVD-코팅된 XDLT120508ER-D41 절삭 인서트용 공구 마모 테스트의 실험 결과를 비교하는 막대 그래프이다.
도 8은 상이한 기질을 포함하고 4340 스틸 가공품을 기계가공하는, 18개 타입의 CVD-코팅된 CNMG432-4T 절삭 인서트용 공구 마모 테스트의 실험 결과를 비교하는 막대 그래프이다.
도 9는 상이한 기질을 포함하고 Ti-6Al-4V 가공품을 기계가공하는, 8개 타입의 CVD-코팅된 CNMG432-4E 절삭 인서트용 공구 마모 테스트의 실험 결과를 비교하는 막대 그래프이다.
도 10은 상이한 기질을 포함하고 1036 스틸 가공품의 두 개의 서로 다른 영역들을 기계가공하는, 2개 타입의 CVD-코팅된 RCMR96S-4M 절삭 인서트용 공구 마모 테스트의 실험 결과를 비교하는 막대 그래프이다.
도 11은 상이한 기질을 포함하고 Ti-6Al-4V 가공품을 기계가공하는, 6개 타입의 CVD-코팅된 ADKT1505PDER-47 절삭 인서트용 공구 수명 테스트의 실험 결과를 비교하는 막대 그래프이다.

본 명세서에 기술되어 있는 구체예들의 특정 내용들은 본 명세서에 기술된 구체예들을 분명하게 이해하는데 관한 요소, 특징 및 양태들을 오직 예시하기 위해 단순화 되었으며 명확하게 하기 위해 그 외의 다른 요소, 특징 및 양태들은 삭제되었음을 이해하여야 한다. 본 발명에 기술되어 있는 구체예들을 고려함으로써, 당업자는 그 외의 다른 요소 및/또는 특징들이 기술되어 있는 구체예들을 특별히 실시하거나 적용하기에 바람직할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 하지만, 당업자가 본 발명에 기술되어 있는 구체예들을 고려함으로써 이러한 그 외의 다른 요소 및/또는 특징들이 용이하게 특징지어질 수 있으며 기술되어 있는 구체예들을 완벽하게 이해하기 위하여 반드시 필요하지는 않기 때문에, 이러한 요소 및/또는 특징들에 대한 설명은 본 명세서에 제공되지 않는다. 이에 따라, 본 명세서에 설명한 내용은 상기 기술되어 있는 구체예들을 단지 대표하고 예시하는 것이며 본 발명의 범위를 청구항들에 의해 전적으로 정의되는 것으로 제한하려는 것이 아니라는 사실을 이해해야 한다.

본 명세서에 기술된 내용에서, 그 외에 달리 언급되지 않는 한, 수량 또는 특성을 나타내는 모든 숫자들은 모든 경우에서 용어 "약(about)"에 의해 수정되고 기술되는 것을 이해하면 된다. 이에 따라, 정반대로 표시되지 않는 한, 하기 내용에서 설명되는 임의의 수치 변수들은 본 발명에 따른 조성과 방법들에서 얻고자 하는 원하는 특징에 따라 변경될 수 있다. 최소한, 청구항의 범위와 동일한 원리를 적용하는 것을 제한하려는 것이 아니라, 본 발명에 기술된 각각의 수치 변수들은, 적어도, 일반적인 근사법을 적용하여 기록된 유효 숫자의 자리수에 비추어 해석되어야 한다.

또한, 본 명세서에 기술된 임의의 수치 범위는 본 명세서에 포함된 모든 부수 범위로 포함하기 위한 것이다. 예를 들어, "1 내지 10"의 범위는 기술된 최소값 1과 최대값 10 사이(및 1과 10을 포함하여)에 있는 모든 부수 범위를 포함하는 즉 최소값 1 또는 1보다 큰 값과 최대값 10 또는 10보다 작은 값을 가지기 위한 것이다. 본 명세서에 기술된 임의의 최대 수치 한계값은 이보다 작은 모든 수치 한계값들을 포함하고 본 명세서에 기술된 임의의 최소 수치 한계값은 이보다 큰 모든 수치 한계값들을 포함하기 위한 것이다. 따라서, 본 출원인(들)은 본 명세서에 명확하게 기술된 범위 내에 포함된 모든 부수 범위를 나타내기 위해 본 발명의 청구항들을 포함하여 상세한 설명을 보정하기 위한 권리를 가지고 있다. 이러한 모든 범위들은 임의의 부수 범위들을 명확하게 보정하는 것이 35 U.S.C. §112, 제 1 항 및 35 U. S. C. §132(a)의 요건과 일치하도록 본 명세서에 본질적으로 기술하기 위한 것이다.

본 명세서에서 사용되는 것과 같이, 문법상 관사들은, 그 외에 달리 언급되지 않는 한, "적어도 하나" 또는 "하나 또는 그 이상"을 포함하기 위한 것이다. 따라서, 본 명세서에 사용되는 관사는 하나 또는 하나보다 많은(즉 하나 이상의) 대상을 가리키기 위한 것으로 사용된다. 한 예로서, "구성요소(component)"는 하나 또는 그 이상의 구성요소를 의미하며 따라서 하나보다 많은 구성요소가 고려되고 제공되거나 또는 사용되는 것도 가능하다.

본 명세서에서 전체 또는 일부분이 참조문헌으로 통합되는 임의의 특허, 공보, 또는 그 외의 다른 개시물들은 인용되는 자료가 기존의 정의, 진술 또는 본 명세서에 기술된 그 외의 개시물과 상충되지 않는 정도로 본 명세서에서 전반적으로 인용된다. 이에 따라, 본 명세서에서 설명되는 명확한 내용은 참조문헌으로서 본 명세서에서 인용되는 임의의 상충되는 자료들을 대신한다. 본 명세서에서 참조문헌으로서 인용되지만 기존의 정의, 진술 또는 본 명세서에 기술된 그 외의 개시물과 상축되는 임의의 자료 또는 본 명세서의 일부분은 기존의 개시물과 인용된 자료들이 서로 상충되지 않도록만 인용되어야 한다.

시멘트화 카바이드는 예를 들어, 코발트, 니켈, 및/또는 아이언 (또는 이 금속들의 합금)의 결합제 내에서 시멘트화되고 분산된 경질 입자들과 같은 하나 또는 그 이상의 전이 금속(transition metal)의 카바이드를 포함하는 금속-매트릭스 복합재(metal-matrix composite)이다. 이런 방식으로, 경질 입자들은 분산상(dispersed phase)을 형성하며 결합제는 연속상(continuous phase)을 포함한다. 시멘트화 카바이드는 가령, 예를 들어, 터닝 인서트(turning insert)와 밀링 인서트(milling insert)를 포함하는 절삭 공구로서 사용하기 위해 강도, 인성, 및 마손/부식(즉 마모) 저항성의 우수한 조합을 제공한다. 예를 들어, 티타늄 및 티타늄 합금, 니켈 및 니켈 합금, 초합금, 스테인리스 스틸, 및 덕타일 아이언(ductile iron)과 같은 재료들을 기계가공하기에 어려운 금속가공 공정용 절삭 공구에 대해, 서로 다른 가능한 경질 입자 조합 중에서, 결합제상(binder phase)으로서 코발트와 경질 입자로서 텅스텐 카바이드를 포함하는 시멘트화 카바이드가 일반적으로 선택된다.

시멘트화 카바이드 절삭 공구에서 발생하는 두 가지 파손 유형은 기계적 충격으로 인한 균열과 열 충격으로 인한 균열이다. 이러한 파손 유형들은 예를 들어, 터닝 인서트와 밀링 인서트에서 발견된다. 기계적 충격은 통상적으로 밀링가공 분야, 차단 절삭면(interrupted cut)을 가진 터닝가공 분야, 및 가공품 또는 기계장치에서 최적 강도 미만으로 수행되는 임의의 기계가공 분야(예를 들어, 터빈 블레이드 기계가공)에서 일반적으로 발견된다. 열 충격은 고항복응력값과 저열전도율을 가진 기계가공 재료들과 고생산성 기계가공 공정과 같이 어려운 기계가공 작업에서 일반적으로 발견된다. 절삭 공구의 열 변형을 방지하기 위해 냉각제를 사용하는 것은 열 충격 크기를 증가시키는 바람직하지 못한 영향을 끼칠 수 있다.

밀링가공 분야에서, 절삭 공구는 밀링 커터 바디가 매번 회전하는 동안 열 사이클링(thermal cycling)을 겪는다. 매번 회전할 때마다 인서트가 작업 재료에 삽입되고 작업 재료로부터 빠지기 때문에, 인서트가 재료를 절삭할 때에는 인서트가 가열되고 재료를 절삭하지 않을 때에는 냉각된다. 밀링가공 작업 동안 냉각제를 사용하면 열 충격의 크기가 현저하게 증가된다. 열 사이클링 동안 커다란 온도 변이로 인해 열 충격이 증가되면 열 피로(thermal fatigue)를 통해 인서트가 파손될 수 있다. 인서트의 열 사이클링 동안, 인서트의 상이한 부분들 간에 열팽창 차이는 기질 내에서 균열 형성을 개시하여 지속적으로 전파되게 한다.

절삭 공구에서 발생하는 그 외의 다른 두 가지 파손 유형은 열 변형과 마찰 마모이다. 절삭 인서트의 절삭 에지의 온도가 1000℃를 초과할 수 있기 때문에, 결합제는 결합제의 강도를 잃을 수 있으며 절삭 공정 동안 변형되기 시작할 수 있다. 내마모성 코팅은 기질이 고온으로부터 단열되도록 도움을 줄 수 있으나 기질은 결합재 재료의 고온 경도(hot hardness)가 없기 때문에 변형되기 시작하는 온도에 도달할 수 있다. 높은 용융 온도의 요소 또는 합금을 결합제에 첨가하면 고온 경도가 증가하고 열 변형을 방지하는데 도움을 줄 수 있다. 또한, 고온 경도가 증가하면 내마모성 코팅이 기질을 부식시켜 기질이 노출되는 경우 마찰 마모를 최소화시키는 데 도움을 줄 수 있다.

시멘트화 경질 입자 재료의 결합제에서 하나 이상의 백금족 원소 및/또는 레늄을 사용하면 시멘트화 절삭 공구의 성능을 향상시킬 수 있다. 백금족 원소(원소의 주기율표의 VIIIB족) 및 레늄(VIIB족)은 상대적으로 높은 용융점을 가진 경질의 광택있는 희끄무레한 금속이다. 백금족 원소들은 종종 귀금속으로 지칭되기도 하는데 이는 다른 원소들과의 매우 낮은 반응성을 보이며 실온에서 변색되지 않기 때문이다. 또한, 백금족 원소들과 레늄은 고용체(solid solution)에서 용이하게 카바이드를 형성하지 못하며 내부식성의 특성을 가진다. 이러한 특성들로 인해 백금족 원소들과 레늄은 기질 내의 카본 균형을 해치지 않고도 예를 들어 시멘트화 카바이드 기질과 같은 시멘트화 경질 입자 기질 내의 결합제상을 변형시킬 수 있게 한다. 고용체는 하나 이상의 백금족 원소 및/또는 레늄을 시멘트화 카바이드의 결합제에 첨가하여 강화되고(strengthening), 이에 따라 시멘트화 기질의 경도와 파괴 인성을 향상시킨다.

백금족 원소들과 레늄은 시멘트화 경질 입자 재료들의 일반적인 결합제의 모재의 용융점 온도보다 훨씬 높은 용융점 온도를 가진다. 레늄 및/또는 백금족 원소로 결합제를 첨가하면 열 변형 저항이 증가할 수 있다. 특정 백금족 원소, 레늄, 및 일반적인 결합제 모재의 선택된 특정 성질들이 표 1에 표시되어 있다.

본 명세서에 기술되어 있는 비-제한적인 구체예들은 코팅된 기질을 포함하는 절삭 공구에 관한 것이다. 기질은 경질 입자들과 결합제를 포함하는 시멘트화 경질 입자 재료를 포함할 수 있다. 결합제는 모재 및 상기 모재 내에 확산된 하나 이상의 백금족 금속의 근접-표면 농도 구배를 포함할 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 것과 같이, 용어 "백금족 금속(platinum group metal)(들)"(축약어는 PGM(들))은 원소의 주기율표의 VIIIB족 및 VIIB족에 있는 금속을 포함한다. PGM은, 예를 들어, 백금, 팔라듐, 이리듐, 로듐, 오스뮴, 루테늄, 이러한 금속들의 임의의 고용체, 및 이러한 금속들의 임의의 합금을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 것과 같이 본 발명의 설명을 간단히 하기 위하여, 용어 "백금족 금속(들)"과 그의 축약어 "PGM(들)"은 VIIB족 금속 레늄, 레늄 고용체, 및 레늄 합금을 포함한다.

본 명세서에서 사용되는 것과 같이, 용어 "모재(base material)"는 결합제 내에서 시멘트화되고 분산된 경질 입자들을 포함하는 기질의 결합제상의 벌크(bulk)를 형성하는 금속 또는 합금을 가리킨다. 이에 따라, 본 명세서에 기술된 여러 구체예들은 결합제를 포함하는 기질을 포함할 수 있으며, 이 결합제는 모재와 결합제 모재 내에 형성된 근접-표면 PGM 농도 구배를 포함한다.

비-제한적인 여러 구체예들에서, 결합제의 모재는, 예를 들어, 코발트, 코발트 합금, 니켈, 니켈 합금, 아이언, 아이언 합금, 또는 이러한 재료들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 결합제의 모재는 본질적으로 각각 코발트, 니켈, 또는 아이언으로 구성될 수 있다. 대안으로, 결합제의 모재는 코발트 합금, 니켈 합금, 또는 아이언 합금으로부터 형성될 수 있다. 합금으로부터 형성된 모재를 포함하는 구체예들에서, 상기 모재는, 예를 들어, 코발트, 니켈, 아이언, 텅스텐, 크로뮴, 티타늄, 탄탈륨, 바나듐, 몰리브덴, 니오븀, 지르코늄, 하프늄, 카본, 구리, 망간, 은, 알루미늄, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.

비-제한적인 여러 구체예들에서, 결합제의 벌크 조성물(bulk composition)은 본질적으로 모재로 구성될 수 있다. 결합제의 근접-표면 조성물은 결합제의 모재 내에 확산된 하나 이상의 PGM의 농도 구배를 포함할 수 있는데, 최대 PGM 농도는 기질 표면에서 결합제 내에서 발생되며 표면 밑으로 깊이 들어갈수록 줄어드는 것을 특징으로 한다. 비-제한적인 여러 구체예들에서, PGM 농도 구배는 구배를 형성하는 PGM 농도보다 더 작은 결합제의 내부 벌크 조성물 내의 특정 지점에서의 벌크 PGM 농도로 감소될 수 있다. 비-제한적인 여러 구체예들에서, PGM 농도 구배는 결합제의 내부 벌크 조성물 내의 특정 지점에서 자연적 수준(incidental level) 이하로 줄어들 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 것과 같이, 용어 "경질 입자(hard particles)"는 결합제에 의해 모노리식 구성의 시멘트화 경질 입자 재료 기질 내로 시멘트화되는 경질의 무기질 입자를 가리킨다. 경질 입자들은, 예를 들어, 금속 카바이드, 금속 니트라이드, 금속 카보니트라이드, 금속 보라이드, 금속 실리사이드, 금속 옥사이드, 이 재료들의 임의의 고용체, 또는 이 재료들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 이러한 재료들 내에 있는 금속은 주기율표의 IVB족 내지 VIB족 및 IIIA족으로부터의 하나 또는 그 이상의 원소일 수 있다. 예를 들어, 상기 금속은 티타늄, 크로뮴, 바나듐, 지르코늄, 하프늄, 탄탈륨, 몰리브덴, 니오븀, 텅스텐, 이러한 금속들의 임의의 고용체, 및 이러한 이러한 금속들의 임의의 조합으로부터 선택될 수 있다. 본 발명에 따른 여러 구체예들의 기질은 결합제 내에서 시멘트화되고 분산된 경질 입자들을 포함할 수 있으며, 상기 결합제는 기질의 일부분 이상에서 근접-표면 PGM 농도 구배를 포함하는 것을 특징으로 한다.

비-제한적인 여러 구체예들에서, 근접-표면 농도 구배를 형성하는 PGM은 레늄, 루테늄, 오스뮴, 로듐, 이리듐, 팔라듐, 백금, 또는 이러한 금속들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. PGM은 기질의 일부분 이상에서 결합제의 모재 내로 확산될 수 있다. 결합제의 모재는 코발트, 니켈, 아이언, 이러한 금속들의 임의의 합금, 및 이러한 금속들 및/또는 금속 합금들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. PGM은 기질 표면에서는 모재 내의 최대 PGM 농도를 포함하는 줄어들고 있는 농도 구배로 존재할 수 있으며 기질의 내부 벌크 부분들에서는 모재 내에 있는 PGM의 자연적 수준 또는 벌크 수준으로 지속적으로 또는 증분적으로 줄어드는 농도 구배로 존재할 수 있다.

본 발명에 따른 기질의 표면의 일부분 이상에서 하나 이상의 코팅이 존재할 수 있다. 비-제한적인 여러 구체예들에서, 하나 이상의 코팅은 내마모성 코팅을 포함할 수 있다. 하나 이상의 코팅은, 예를 들어, 금속 카바이드, 금속 니트라이드, 금속 카보니트라이드, 금속 보라이드, 금속 실리사이드, 금속 옥사이드, 또는 이러한 재료들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 이러한 특정 재료들 내에 있는 금속은, 예를 들어, 주기율표의 IVB족 내지 VIB족, IVA족, 및 IIIA족 으로부터 하나 또는 그 이상의 원소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 금속은 티타늄, 크로뮴, 바나듐, 지르코늄, 하프늄, 탄탈륨, 몰리브덴, 니오븀, 텅스텐, 알루미늄, 보론, 실리콘, 이러한 재료들의 임의의 고용체, 또는 이러한 재료들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 당업자는, 예를 들어, 열, 마모 및/또는 충격에 대한 저항을 향상시키기 위해 종래에 절삭 공구 상에 포함된 여러 코팅들을 알고 있을 것이며 이러한 코팅은 기질과 호환될 수 있을 때 본 발명에 따른 절삭 공구 상에 포함될 수 있다는 사실을 알고 있을 것이다

도 1a, 1b 및 1c는 절삭 인서트(10)의 비-제한적인 한 구체예를 예시하고 있다. 도 1a는 절삭 인서트(10)의 투시도이다. 도 1b는 절삭 인서트(10)의 상부도이다. 도 1c는 절삭 인서트(10)의 측면도이다. 절삭 인서트(10)는 ASTM/ISO 표준에 따라 XDLW120508SR-D로서 기술될 수 있다. 상기 절삭 인서트에 대한 ASTM/ISO 표준은 당업자가 잘 이해하고 있어서 따라서 여기서는 절삭 인서트의 기하학적 형상에 대한 추가적인 설명은 필요 없다. 절삭 인서트(10) 구체예들은 절삭 에지(11), 상측 표면(12), 측벽(13) 및 노즈 코너(nose corner)(14)를 포함한다. 절삭 인서트(10)는 통상 빠른 공급 속도로 대형 밀링가공 공정을 위해 사용되는 디자인을 가진다.

도 2a는 도 1a, 1b 및 1c에 예시되어 있는 절삭 인서트(10)의 횡단면도이다. 도 2a는 절삭 인서트(10)의 일부분(20)을 도시하고 있는데, 이 일부분(20)은 절삭 에지(11)의 일부분과 상측 표면(12)의 일부분을 포함한다. 도 2b는 절삭 인서트(10)의 상기 부분(20)을 확대하여 도시한 도면으로서 도 2a에서 식별된다. 상기 부분(20)에 대해 예시하고 있는 것과 같이, 절삭 인서트(10)는 기질(22) 상에 코팅(21)을 포함한다. 상기 코팅(21)은, 예를 들어, 금속 카바이드, 금속 니트라이드, 금속 카보니트라이드, 금속 보라이드, 금속 실리사이드, 금속 옥사이드, 또는 이러한 재료들의 임의의 조합 또는 다층 배열을 포함할 수 있다. 이러한 재료들 내에 있는 금속은, 예를 들어, 알루미늄, 티타늄, 크로뮴, 바나듐, 지르코늄, 하프늄, 탄탈륨, 몰리브덴, 니오븀, 텅스텐, 보론, 실리콘, 또는 이러한 재료들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 기질(22)은 결합제 내에서 시멘트화되고 분산된 경질 입자들을 포함하는 시멘트화 경질 입자 재료일 수 있다. 예를 들어, 경질 입자들은 금속 카바이드, 금속 니트라이드, 금속 카보니트라이드, 금속 보라이드, 금속 실리사이드, 및/또는 금속 옥사이드를 포함할 수 있으며, 결합제는 코발트, 니켈, 아이언, 및/또는 이러한 금속들의 합금을 포함할 수 있으나, 이들에만 제한되는 것은 아니다.

상기 코팅(21)과 기질(22)은 인터페이스(23)에 의해 분리된다. 상기 인터페이스(23)는 코팅(21)이 상부에 증착되는 기질의 표면을 포함한다. 상기 기질(22)은 근접-표면 영역(24)과 벌크 영역(25)을 포함한다. 상기 근접-표면 영역(24)은 기질 표면/코팅 인터페이스(23)으로부터 기질 내로의 깊이에 의해 정의될 수 있다. 상기 벌크 영역(25)은 표면/코팅 인터페이스(23)로부터 같은 방향으로 측정되며 근접-표면 영역(24)을 지나 기질 내로의 깊이에 의해 정의될 수 있다.

근접-표면 영역(24) 내의 결합제는 하나 이상의 PGM의 근접-표면 농도 구배와 모재를 포함할 수 있으며, 확산 기법 또는 그 외의 다른 임의의 적절한 기술에 의해 모재 내로 들어갈 수 있다. 벌크 영역(25) 내의 결합제는 제로 또는 배경 수준의 PGM과 모제를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 것과 같이, 용어 "배경 수준(background level)" 또는 자연적인(incidental) 수준을 의미하는 재료 농도는 재료 내에서 불순물을 통해 발생하거나(come about), 혹은 그 외의 경우 재료의 성질에 현저한 영향을 끼치지 않다. 근접-표면 영역(24) 내의 결합제의 조성물은 기질 표면/코팅 인터페이스(23)에서의 결합제에서 최대 PGM 농도가 발생하고 근접-표면 영역(24)을 통해 벌크 영역(25) 내의 배경 수준으로 줄어드는 것을 특징으로 한다(예를 들어, 도 2c를 참조하라). 대안으로, 최대 PGM 농도는 기질 표면/코팅 인터페이스(23)에서의 결합제 내에서 발생하며 근접-표면 영역(24)을 통해 벌크 영역(25) 내의 벌크 PGM 농도로 줄어든다. 벌크 영역에서의 벌크 PGM 농도는 배경 PGM 농도보다는 더 크지만 근접-표면 영역(24) 내의 구배를 형성하는 PGM 농도보다는 더 작다.

근접-표면 영역(24) 내의 결합제의 조성물은 레늄, 루테늄, 오스뮴, 로듐, 이리듐, 팔라듐, 백금, 이러한 금속들의 임의의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 PGM을 포함할 수 있다. 상기 PGM은 코발트, 니켈, 아이언, 이러한 금속들의 임의의 합금, 이러한 금속들 및 합금들의 임의의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 모재 내에 용해될 수 있다. 벌크 영역(25) 내의 결합제의 조성물은 실질적으로 PGM이 없을 수 있는데 즉 벌크 결합제 조성물이 PGM의 제로 또는 배경 수준을 포함할 수 있다. 대안으로, 벌크 영역(25) 내의 결합제의 조성물은 근접-표면 영역(24) 내의 구배를 형성하는 PGM 농도보다 더 작은 벌크 PGM 농도를 포함할 수 있다.

본 명세서에 기술된 절삭 공구의 비-제한적인 여러 구체예들에서, 기질은 분말 야금술을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 결합제 금속 분말과 경질 입자들을 포함하는 야금 분말 혼합물이 경화되어 종래 기술에 공지된 기술을 사용하여 절삭 공구 또는 그 외의 다른 물품의 일반적인 형태로 분압체(compact)를 형성할 수 있다. 또한, 상기 결합제 금속 분말은, 예를 들어, 분말 형태의 코발트, 니켈, 및/또는 아이언을 포함할 수 있다. 또한, 상기 결합제 금속 분말은, 예를 들어, 분말 형태의 텅스텐, 크로뮴, 티타늄, 탄탈륨, 바나듐, 몰리브덴, 니오븀, 지르코늄, 하프늄, 및 카본을 포함할 수 있다. 여러 원소들은 결합제의 모재(예를 들어, 코발트, 니켈, 아이언, 이들의 합금, 또는 이들의 조합) 내에서 용해 한도(solubility limit)까지 존재할 수 있어서 이에 따라 추후의 소결 공정 동안 단일상 결합제가 형성될 수 있다. 또한, 결합제 금속 분말은 예를 들어, 소결된 단일상 결합제의 총중량 기준으로 최대 5 중량%까지의 수준으로 구리, 망간, 은, 및 알루미늄을 포함할 수 있다. 당업자는 시멘트화 경질 입자 기질의 임의의 구성성분 또는 모든 구성성분이 화합물로서, 및/또는 모합금(master alloy)으로서 기본 형태로 삽입될 수 있다는 사실을 이해할 것이다.

비-제한적인 여러 구체예들에서, 혼합, 경화 및 소결 단계 동안, 어떠한 상당한 수준의 PGM도 의도적으로 야금 분말 또는 분압체에 첨가되지 않는다. 그 외의 다른 비-제한적인 구체예들에서, PGM은 분압체를 형성하는 야금 분물에 의도적으로 첨가될 수 있다. 이런 방식으로, 벌크 PGM 농도가 결합제 내에 형성되어 제공될 수 있지만 벌크 PGM 농도는 확산 또는 그 외의 다른 적합한 메커니즘(밑에서 기술됨)을 통해 추후의 근접-표면 PGM 농도 구배를 형성할 수 있게 하도록 충분히 낮다.

분압체는 소결되어 종래 기술에 공지되어 있는 기술을 사용하여 중실 구조의 모노리식 구성(solid monolithic structure)을 가진 미가공품(blank) 또는 최종 부분을 형성할 수 있다. 이런 방식으로, 상기 최종 부분 또는 미가공품은 시멘트화 경질 입자 기질을 포함한다. 상기 기질은 기질의 총중량 기준으로 3 중량% 내지 30 중량%의 결합제와 70 중량% 내지 97 중량%의 경질 입자들을 포함할 수 있다. 소결 단계 후에, 미가공품이 기계가공되어 하나 이상의 절삭 에지 및/또는 절삭 공구 상에 원하는 특정 기하학적 형상을 가진 그 외의 다른 특징부들을 형성할 수 있다. 이 단계에서, 상기 기질은 결합제의 연속상에서 시멘트화되고 분산된 경질 입자들을 포함하는데, 상기 결합제는 예를 들어 코발트, 니켈, 아이언, 이러한 금속들의 합금, 또는 이러한 금속들과 합금의 조합을 포함한다. 여러 구체예들에서, 상기 소결된 기질은 상당한 수준의 PGM을 의도적으로 첨가하지 않으며, 이때 기질 내에 존재하는 PGM은 오직 배경 수준으로만 존재한다. 그 외의 다른 여러 구체예들에서, 상기 소결된 기질은 추후에 근접-표면 PGM 농도 구배가 형성되는 것을 방지하지 않는 PGM의 벌크 농도를 포함한다.

하나 이상의 PGM을 포함하는 층을 상기 소결된 기질의 하나 이상의 표면의 일부분 상에 증착함으로써, 근접-표면 PGM 농도 구배가 형성될 수 있다. 하나 이상의 PGM을 포함하는 상기 층은 기질의 표면의 한 부분, 기질의 전체 표면, 또는 기질의 모든 표면들에 제공될 수 있다(applied). 예를 들어, 상기 층은 하나 또는 그 이상의 레이크면(rake face), 플랭크면(flank face), 절삭 에지, 및/또는 절삭 공구 기질의 그 외의 다른 표면/에지들에 제공될 수도 있다.

비-제한적인 여러 구체예들에서, 증착된 PGM 층의 두께는 상기 층을 제공하기 위해 사용되는 방법에 좌우될 수 있다. 예를 들어, PGM 층을 증착하기 위해 성질상 직접적일 수 있는 물리적 기상 증착(PVD) 공정이 사용될 수 있다. 여러 구체예들에서, PVD 공정에 의해 제공된 PGM 층은 2 내지 25 마이크론의 두께를 가질 수 있으며, 몇몇 구체예에서는 2 내지 10 마이크론의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 전기도금법과 전기주조법과 같은 비-직접적 방법들에 의해 증착된 PGM 층은 최대 250 마이크론의 PGM 층 두께를 가질 수 있다. 스프레이 또는 브러시 페인팅에 의해 제공되며 휘발성 캐리어(volatile carrier) 또는 물 내에 분산된 PGM은 사용된 방법과 PGM 코팅 밀도에 따라 250 마이크론 내지 765 마이크론(대략 0.010 인치 내지 0.030 인치)의 PGM 층 두께를 가질 수 있다. 이런 방식으로, 다양한 방법들을 사용함으로써, PGM(들)은 예를 들어, 절삭 에지, 플랭크면, 레이크면, 및/또는 마모 및/또는 파손되기 쉬운 절삭 공구의 그 외의 다른 표면들과 같이 미리 정해진 기질 표면들에만 선택적으로 증착될 수 있다. 이에 따라, 공구 성능을 향상시키기에 필요한 PGM 양이 줄어들 수 있는데 이는 표면 성질 개질작업(modification)이 시멘트화 절삭 공구의 특정 영역들에 표적으로 수행될 수 있기 때문이다. 여러 구체예들에서, PGM 층을 기질 표면의 오직 특정 영역들에만 증착시키도록 제한하기 위해 예를 들어 리소그래피(lithography) 또는 그 외의 다른 적합한 마스킹 기술(masking technique)들이 사용될 수 있다.

하나 이상의 PGM 층이 시멘트화 경질 입자 기질 상에 증착되고 난 뒤, 상기 제공된 PGM을 기질 내에 확산시키기 위해 열처리 단계가 사용될 수 있다. 열처리 사이클의 온도와 시간은 중요한 요인일 수 있는데 그것은 확산되는 PGM에 따른 확산 깊이과 농도 구배가 이러한 변수들에 직접 좌우되기 때문이며 그에 따른 절삭 공구의 성능 향상은 확산 깊이와 농도 구배에 좌우되기 때문이다. 예를 들어, 코발트 내에 있는 PGM 조합 또는 PGM의 확산 속도는 정상적인 소결 온도(약 1400℃)에서 상대적으로 빠르다. PGM이 결합제 모재 내로 확산되는 속도가 너무 빠르면, 농도 구배는 적절하게 형성될 수 없다. 따라서, 여러 구체예들에서, 상부에 증착된 PGM을 가진 기질이 1400℃ 미만의 온도에서 처리될 수 있다. 여러 구체예들에서, 상부에 증착된 PGM을 가진 기질이 1325℃ 내지 1375℃ 범위의 온도에서 처리될 수 있다. 그 외의 다른 구체예들에서, 상부에 증착된 PGM을 가진 기질이 1325℃ 또는 그 미만의 온도에서 처리될 수 있다. 여러 구체예들에서, 상부에 증착된 PGM을 가진 기질이 PGM을 결합제 모재 내에 확산시킴으로써 원하는 근접-표면 농도 구배를 얻기 위한 온도에서 60분 주기 동안 1325℃의 온도에서 처리될 수 있다.

여러 구체예들에서, PGM 증착 단계와 추후 열처리 단계는 1회 또는 그 이상 반복될 수 있다. PGM 증착 단계와 열처리 단계를 반복하면 근접-표면 PGM 농도 구배의 깊이가 연장될 수 있지만, 이것은 그 외의 다른 경우에서는 코발트와 같은 결합제 모재 내에서 PGM이 상대적으로 빠르게 확산되기 때문에 가능할 수 없다. 이런 방식으로, 추후의 여러 증착 및 열처리 사이클이 다양한 근접-표면 PGM 농도 구배를 형성하도록 사용될 수 있다.

여러 구체예들에서, 분압체를 소결한 후에, 하지만, 하나 이상의 PGM을 포함하는 층을 증착하기 전에, 결합제의 한 부분이 기질 표면의 하나 이상의 부분으로부터 제거될 수 있다. 예를 들어, 기질의 한 표면이 에칭되어(etched)) PGM이 상기 표면 부분 상에 증착되기 전에 기질 표면의 하나 이상의 표면으로부터 결합제의 한 부분을 제거할 수 있다. 에칭 가공은 시멘트화 매트릭스로부터 결합제를 용해시킬 수 있으며(leach), 이에 따라 경질 입자 알갱이(grain)들을 기질 표면에 노출시킬 수 있다. 여러 구체예들에서, 결합제는 2 내지 100 마이크론의 깊이로 에칭될 수 있다. 그 외의 다른 구체예들에서, 상기 결합제는 2 내지 25 마이크론의 깊이로 에칭될 수도 있다. 상기 에칭된 결합제의 깊이는 기질과 에칭액(etchant) 간의 접촉 시간과 에칭액의 온도와 화학적 강도를 조절함으로써 조절될 수 있다.

PGM을 증착하기 전에 기질의 표면으로부터 결합제를 제거하면, 시멘트화 경질 입자 매트릭스 내의 결합제 모재 내에 있는 PGM의 농도 구배를 향상시킴으로써 절삭 공구의 성능이 향상될 수 있다. 예를 들어, 이 공정은, 경질 입자의 표면을 따라 모세관 작용을 수행하고 노출된 경질 입자 알갱이들을 습윤(wetting)시킴으로써, PGM(들)을 포함하는 증착된 층이 초기에 시멘트화 경질 입자 매트릭스 내로 들어갈 수 있게 할 수 있다. 확산 공정의 초기 단계에서, 실질적인 확산(예를 들어, 모내 내로의 PGM 확산 및 증착된 PGM 층 내로의 공-확산(co-diffusing)) 단계가 경쟁하면, 증착된 PGM 층과 결합제 모재 사이의 간격만큼 줄어들 수 있다. 확산 공정이 지속되고 상기 간격에 확산 재료가 채워짐에 따라, 결합제 모재는 에칭된 부피 내로 다시 확산될 수 있으며 확산된 PGM(들)과 합금되기 시작한다.

결합제 모재가 없지만, 대신, PGM(들)을 포함하는 증착된 층 내에 일부분 이상 시멘트화된 경질 입자들을 포함하는 표면 영역을 생성하기 위하여 결합제 에칭 가공이 사용될 수 있다. 여러 구체예들에서, 농도 구배는 기질 표면에서 본질적으로 100%의 PGM으로 시작될 수 있으며 점차 기질의 벌크 영역 내로 결합제 모재와 희석될 수 있게 된다. 상기 기질의 벌크 영역은 본질적으로 100%의 결합제 모재를 포함할 수 있다. 이런 방식으로, 농도 구배는 실질적으로 PGM으로 구성된 표면 결합제 조성물을 포함할 수 있으며 본질적으로 모재로 구성된 벌크 결합제 조성물로 줄어든다. 여러 구체예들에서, 상기 농도 구배는 실질적으로 PGM으로 구성된 표면 결합제 조성물을 포함할 수 있으며 구배를 형성하는 PGM 농도보다 더 작은 농도로 존재하는 PGM과 모재를 포함하는 벌크 결합제 조성물로 줄어든다.

모재와 PGM의 공-확산이 시작되기 전에 PGM에 의해 상기 노출된 경질 입자 알갱이들이 습윤되기 때문에, 기질 표면에서 실질적으로 최대 100%까지의 PGM을 포함하는 결합제 조성물들이 구현될 수 있다. 그에 따른 구배는 오직 결합제 모재만이 기질의 벌크 영역 내에 존재하며 PGM 함량(content)이 탐지될 수 없을(undetectable) 때까지 표면으로부터 기질 내로 연장될 수 있다. 대안으로, 그에 따른 구배는 PGM 함량이 기질의 벌크 영역 내의 벌크 농도에 있을 때까지 기질 내로 연장될 수 있다.

이에 따라, 근접-표면 백금족 금속 농도 구배를 포함하는 결합제와 경질 입자들을 포함하는 기질을 형성하도록 사용되는 특정 공정 단계들은 기질의 구조 및/또는 화학에 직접적으로 영향을 끼칠 수 있다.

여러 구체예들에서, 충분한 양의 결합제 모재가 기질 표면으로부터 제거되어 모재와 PGM이 바로 공-확산하지 않고도 경질 입자 알갱이들이 초기에 습윤될 수 있게 한다는 사실은 매우 중요할 수 있다. 하지만, PGM(들)을 포함하는 증착된 층과 그 하부에 있는 결합제 사이의 개방 부피(open volume)가 너무 큰 경우에는 농도 구배가 형성될 수 없기 때문에 너무 많은 결합제를 제거하는 것은 피하는 것이 중요할 수 있다. 코발트 결합제 내에서 시멘트화된 텅스텐 카바이드 경질 입자들을 포함하는 여러 구체예들에서, 코발트 결합제를 2 내지 100 마이크로미터의 깊이로 에칭하면 최적의 PGM 농도 구배가 형성되게 할 수 있다. 코발트 결합제 내에서 시멘트화된 텅스텐 카바이드 경질 입자들을 포함하는 또 다른 구체예들에서, 코발트 결합제를 2 내지 25 마이크로미터의 깊이로 에칭하면 최적의 PGM 농도 구배가 형성되게 할 수 있다.

TiC, TaC, 및/또는 NbC를 포함하는 시멘트화된 WC-Co 기질은 적절한 PGM 농도 구배를 형성하기 위해 상이한 열처리 사이클(예를 들어, 올라간 온도 및 더 긴 노출 시간)을 필요로 할 수도 있다. 이것은 Ti, Ta, 및 Nb의 존재로 인해 결합제 모재 내에서 치환형 확산 변수(substitutional diffusion parameters) 차이로 인한 것으로 믿어진다.

PGM을 포함하는 층을 증착하기 전에 결합제의 한 부분이 에칭되는 많은 유형의 화학적 에칭액(chemical etchant)이 본 발명에 따른 방법들의 구체예들에서 실용성을 찾을 수 있다. 코발트 결합제 내에서 시멘트화되고 분산된 텅스텐 카바이드 입자들을 포함하는 소결된 기질로부터 코발트를 제거하기 위해 적합하고 효율적인 한 에칭액의 예는 5부피%의 포스포릭 애시드(85%)와 1부피%의 하이드로젠 페록사이드(30%)의 수용액을 포함한다. 기질과 상기 용액을 5분 주기 동안 접촉하면, 기질 표면으로부터 측정된, 대략 10 마이크로미터의 깊이로 코발트 결합제를 제거하게 될 것이다. 시간을 연장하면, 용해 공정(leaching process)이 60분 미만의 시간 동안 거의 직선으로 WC-Co 기질 내로 추가로 통과할(penetrate) 수 있게 할 것이다.

매우 날카로운 에지를 필요로 하는 절삭 공구(예를 들어, 버(burr), 엔드밀(endmill), 드릴(drill), 및 인서트와 같은)에 대해서, 시멘트화 기질 표면으로부터 결합제 모재를 일부분 제거한 후에 PGM(들)을 확산하고 증착하면, 우선적으로 일정량의 결합제를 제거하지 않고도 PGM이 기질 표면 상에 증착되는 경우 그 외의 경우에서 발생할 수 있는 에지 라운딩(edge rounding)과 바람직하지 못한 알갱이 성장(grain growth)을 줄일 수 있다. 하지만, 근접-표면 PGM 농도 구배는 이전에 시멘트화 기질로부터 결합제가 제거되지 않고도 상기 기술되어 있는 구체예들에 따라 형성될 수 있다.

여러 구체예들에서, 특정의 근접-표면 PGM 농도 구배는 향상된 성능 수준을 구현하는 공구를 효과적으로 제조하는 데 중요한 요인일 수 있다. 화학적 조성과 표면 상태에서의 차이가 치환형 확산 속도를 변경시킬 수 있기 때문에, 구배를 형성하도록 사용되는 특정의 열처리 공정 사이클에 대해 농도 구배를 측정하는 것이 중요할 수 있다. 이에 따라, 기질 표면으로부터의 깊이에 따라 화학적 조성을 측정하기 위해, 가령, 예를 들어, 글로우 방전-분광 분석술(glow discharge optical emission spectroscopy; GD-OES)과 같이 깊이에 좌우되는 농도 프로파일 기술이 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 시멘트화 경질 입자 기질의 근접-표면 농도 구배는 예를 들어 경질 입자, 결합제 모재, PGM(들), 결합제 제거 공정, 및 열처리의 다양한 조합들에 대해 특징지어질 수 있다.

본 발명에 따른 특정의 비-제한적인 구체예들에서, 예를 들어, GD-OES를 사용하여, WC-11 Co 기질 (TiC/TaC/NbC를 소량 첨가할 수 있게 하는, 11 중량%의 코발트 결합제 및 87-89 중량%의 텅스텐 카바이드 입자)의 표면에서 최대 약 2 중량%의 루테늄을 포함하도록, 마모 저항을 향상시키기 위해 적합한 PGM 농도 구배를 결정하였다. 상기 2 중량%의 루테늄 농도는 표면에서 기질의 총중량(루테늄, 코발트, 및 카바이드 입자들의 총중량)을 기초로 하였다. 도 3에 도시된 것과 같이, 상기와 같이 처리된 WC-11 Co 기질의 루테늄 농도 구배는 2 중량%로부터 기질 표면으로부터 약 125 마이크로미터 내에 있는 배경 수준으로 대수적으로(logarithmically) 감소하였다. 상기 구배는 기질 표면에서 총 결합제 중량(기질 표면에서 코발트 모재와 루테늄의 총중량) 기준으로 약 20 중량% 루테늄에 상응하였다. 이 구배는 PVD 공정을 사용하여 4 마이크로미터 두께의 루테늄 층을 도포하고(applying) 기질 내에서 결합제의 근접-표면 영역 내에 PGM을 확산시키기 위해 1325℃로 60분간 상기 기질을 열처리하여 형성되었다.

여러 구체예들에서, 기질 표면에서 결합제는 총 결합제 중량(즉 PGM과 모재의 총중량) 기준으로 5 중량% 내지 100 중량%의 PGM, 및 0 중량% 내지 95 중량%의 모재를 포함할 수 있다. 여러 구체예들에서, 기질 표면에서 결합제는 총 결합제 중량 기준으로 10 중량% 내지 100 중량%의 PGM, 및 0 중량% 내지 90 중량%의 모재를 포함할 수 있다. 여러 구체예들에서, 기질 표면에서 결합제는 총 결합제 중량 기준으로 20 중량% 내지 100 중량%의 PGM, 및 0 중량% 내지 80 중량%의 모재를 포함할 수 있다.

여러 구체예들에서, 기질의 벌크 영역에서의 결합제는 총 결합제 중량 기준으로 0 중량% 내지 60 중량%의 PGM, 및 40 중량% 내지 100 중량%의 모재를 포함할 수 있다. 벌크 영역에서 결합제가 0 중량% 내지 60 중량%의 PGM을 포함하는 구체예들에서, 결합제는 예를 들어 코발트 분말 및 PGM 분말과 같은 2개 또는 그 이상의 야금 분말을 사용하여 초기에 형성될 수 있다. 상기 2개 또는 그 이상의 야금 분말들은 PGM을 포함하는 벌크 결합제 재료를 형성하기 위해 본 명세서에 기술된 것과 같이 혼합되고 처리될 수 있다. 그러면, 본 명세서에 기술된 것과 같이, 근접-표면 PGM 농도 구배가 형성될 수 있으며, 여기서 근접-표면 농도 구배를 형성하는 PGM과 벌크 결합제 재료 내의 PGM은 똑같은 PGM이거나 또는 상이한 PGM이다. 2개 또는 그 이상의 야금 분말들이 사용되어 벌크 결합제 재료를 형성하는 구체예들에서, 근접 표면 영역에서의 PGM이 PGM 농도 구배를 형성하는 경우, 기질의 벌크 영역 내에서의 결합제와 기질의 근접-표면 영역에서의 결합제는 둘 다 똑 같은 PGM 또는 상이한 PGM을 포함할 수 있다.

여러 구체예들에서, 근접-표면 PGM 농도 구배를 형성하기 위해 열처리한 후에, 기질 표면 상에 코팅이 증착될 수 있다. 상기 코팅은 내마모성 코팅을 포함할 수 있다. 상기 코팅은 하나의 층 또는 다중 층을 포함할 수 있는데, 이 층들은 같거나 또는 상이한 조성물을 포함할 수 있다. 여러 구체예들에서, 상기 코팅은, 예를 들어, 금속 카바이드, 금속 니트라이드, 금속 카보니트라이드, 금속 보라이드, 금속 실리사이드, 금속 옥사이드, 또는 이러한 재료들의 임의의 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 금속은 알루미늄, 티타늄, 크로뮴, 바나듐, 지르코늄, 하프늄, 탄탈륨, 몰리브덴, 니오븀, 텅스텐, 보론, 실리콘, 이러한 재료들의 임의의 고용체, 및 이러한 재료들의 임의의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다.

예를 들어, 코팅은 티타늄 카바이드(TiC), 티타늄 니트라이드(TiN), 티타늄 카보니트라이드(TiCN), 티타늄 알루미늄 니트라이드(TiAIN), 티타늄 알루미늄 니트라이드 플러스 카본(TiAIN+C), 티타늄 알루미늄 니트라이드 플러스 텅스텐 카바이드/카본(TiAI N+WC/C), 알루미늄 티타늄 니트라이드(AITiN), 알루미늄 티타늄 니트라이드 플러스 카본(AITiN+C), 알루미늄 티타늄 니트라이드 플러스 텅스텐 카바이드/카본(AITiN+WC/C), 알루미늄 옥사이드(AI₂O₃), 티타늄 디보라이드(TiB₂), 텅스텐 카바이드 카본(WC/C), 크로뮴 니트라이드(CrN), 알루미늄 크로뮴 니트라이드(AICrN), 지르코늄 니트라이드(ZrN), 지르코늄 카본 니트라이드 (ZrCN), 보론 니트라이드(BN), 보론 카본 니트라이드(BCN), 하프늄 니트라이드(HfN), 또는 하프늄 카본 니트라이드(HfCN) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

여러 구체예들에서, 상기 코팅은 PVD 공정에 의해 도포될 수 있다. 본 명세서에서 기술된 공정에서 실효성이 있는 PVD 공정의 예들은, 예를 들어, 증발 공정(evaporation process), 활성화 반응 증발(activated reactive evaporation), 아크 방전 증발(arc discharge evaporation), 레이저 박리(laser ablation), 이온 전기도금(ion plating), 스퍼터링(sputtering), 및 이온 빔 보조 증착(ion beam assisted deposition)을 포함한다. 본 발명에 따라 근접-표면 PGM 농도 구배를 가지며 결합제 내에서 시멘트화되고 분산된 경질 입자들을 포함하는 기질 상에 도포된 특정 PVD 코팅은 얇고 경질이며 균질적으로 부드럽고 화학적으로 안정적이며 매우 조밀한 구성을 가지는 것으로 특징지어진다.

그 외의 다른 여러 구체예들에서, 상기 코팅은 화학적 기상 증착(CVD) 공정에 의해 도포될 수 있다. 본 명세서에서 실효성이 있는 CVD 공정의 예들은 예를 들어 열적 CVD 및 플라즈마-보조 CVD를 포함한다.

본 발명에 따른 절삭 공구는 근접-표면 PGM 농도 구배를 포함하며 결합제 내에서 시멘트화된 경질 입자들을 포함하는 기질들을 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 기술된 절삭 공구는 기질 상에 있는 CVD 및/또는 PVD 코팅을 포함할 수 있다. 상기 기술된 절삭 공구는 증가된 경도, 감소된 마찰력, 화학적 안정성, 향상된 내마모성, 향상된 열적 균열 저항, 및 늘어난 공구 수명을 지닐 수 있다.

PVD 코팅 및 CVD 코팅은, 각각, 미세구조에서의 특정의 독특한 차이와 각각의 공정에 의해 증착된 코팅의 잔류 응력에 의해 특징지어질 수 있다. 예를 들어, PVD 코팅은 통상 미세한 알갱이들을 가지며 PVD 코팅을 포함하는 절삭 공구의 인성과 경도를 향상시키려는 높은 잔류 압축 응력을 가진다. 이에 따라, PVD 코팅은 절삭 공구에 도포될 때 CVD 코팅에 비해 특정의 성능 이점을 제공할 수 있다.

결합제로서 코발트를 포함하는 시멘트화 경질 입자 기질은 코발트가 용융되어 소결 공정 동안 분압체의 표면을 통해 통과하려는 경향을 가지며 이에 따라 소결된 기질의 표면 위에 코발트 구조를 형성할 수 있다. 이러한 현상은 코발트 캡핑(cobalt capping)으로 지칭될 수 있다. 기질 표면 상의 코발트 캡은 임의적으로 분포될 수 있으며 이에 따라 기질의 표면 상에 크레스트화되고(crested) 거친 텍스쳐를 형성할 수 있다. 기질의 표면에서 코발트 결합제 내에 PGM이 존재하면, 코발트 캡의 높이와 주기(frequency)가 증가될 수 있다. 코발트 캡핑 효과를 어느 정도 줄이기 위해 몇몇 표면 처리 공법이 수행될 수 있으나, 코발트 결합제 내에서 PGM을 포함하는 소결된 시멘트화 경질 입자 기질 상에 균일한 표면을 일정하게 형성하는 것은 어려울 수 있다. 이에 따라, PVD 및/또는 CVD 공정을 사용하여 코팅이 도포되는 구체예들에서, 기질 표면은 사전-코팅(pre-coating) 표면 처리될 수 있다.

상기 사전-코팅 표면 처리법(pre-coating surface treatment)은 예를 들어, 전해연마(electropolishing)(예를 들어, 본 명세서에서 참조문헌으로서 인용되는 미국 특허번호 5,665,431호), 숏 피닝(shot peening), 마이크로블라스팅(microblasting), 건식 블라스팅(dry blasting), 습식 블라스팅(wet blasting)(본 명세서에서 참조문헌으로서 인용되는 미국 특허번호 5,635,247호 및 5,863,640호), 그라인딩(예를 들어, 본 명세서에서 참조문헌으로서 인용되는 미국 특허번호 6,217,992호), 브러싱(예를 들어, 본 명세서에서 참조문헌으로서 인용되는 미국 특허번호 5,863,640호), 젯 연마(jet abrading), 또는 압축 에어 블라스팅(compressed air blasting)과 같은 하나 이상의 가공법을 포함할 수 있다. 사전-코팅 표면 처리는 시멘트화 기질 표면 상에 가해지는 코발트 캡핑 효과로 인해 불규칙적인 표면을 감소시킬 수 있으며, 시멘트화 기질 표면에 도포된 CVD 및/또는 PVD 코팅의 점착(adhesion)을 향상시킬 수 있다.

비-제한적인 여러 구체예들에서, 상기 코팅의 두께는 1 내지 30 마이크로미터일 수 있다. 비-제한적인 여러 구체예들에서, 상기 코팅의 두께는 1 내지 10 마이크로미터일 수 있다. 그 외의 다른 비-제한적인 구체예들에서, 상기 코팅의 두께는 10 내지 30 마이크로미터보다 더 클 수 있다. 그 외의 다른 비-제한적인 구체예들에서, 상기 코팅의 두께는 2 내지 6 마이크로미터 또는 3 내지 5 마이크로미터일 수 있다.

비-제한적인 여러 구체예들에서, 상기 코팅은 PVD 공정에 의해 증착된 1 내지 10 마이크로미터 두께의 TiAIN 층을 포함할 수 있다. 그 외의 다른 비-제한적인 구체예들에서, 상기 코팅은 연속적인 화학적 기상 증착(CVD) 공정에 의해 증착된 1 내지 10 마이크로미터 두께의 두꺼운 TiN-TiC-TiN 3층 코팅을 포할 수 있다. 그 외의 다른 비-제한적인 구체예들에서, 상기 코팅은 CVD 공정을 사용하여 증착된 하나 이상의 층과 PVD 공정을 사용하여 증착된 하나 이상의 층을 포함할 수 있다.

본 명세서에 기술된 공정에 따라 CVD 및/또는 PVD 코팅이 도포될 때, 시멘트화 기질 상부 위에 금속 층이 존재하면 성능에 있어서 여러 문제점이 생길 수 있다. 이러한 문제점들로 인해, 상대적으로 경질인 내마모성 코팅 밑의 금속 층을 부드럽게 할 것이다. 금속 층은 경질 입자 알갱이들의 매트릭스를 포함하지 않기 때문에, 상기 금속 층은 그 밑에 놓인 시멘트화 기질에 효율적으로 점착될 수 없다. 기계가공 동안 생성된 열로 인해, 상기 상대적으로 부드러운 금속 층이 그 밑에 놓인 상대적으로 경질의 층을 부드럽게 할 때, 경질 코팅 층은 공구의 레이크면에 대한 칩의 마찰력으로 인해 마모될 수 있다(sheared away). 경질의 코팅 층이 마모되는 경우, 그 밑에 놓인 기질은 더 이상 보호되지 않으며 심하게 마멸되어 공구가 심각하게 파손될 수 있다. 기질 표면으로부터 임의의 금속 층을 제거하는 사전-코팅 표면 처리는 코팅이 제거되는 것을 줄여줄 수 있다.

금속 층을 기계적으로 제거하는 공정은 예를 들어 Al₂O₃와 같은 적절한 블라스팅 매개체(blasting media)를 사용하여 건식 또는 습식 블라스팅 공정에 의해 구현될 수 있다. 또한 금속 층을 화학적으로 제거하는 공정도 가능하지만, 근접-표면 PGM(들)이 존재하기 때문에 결합제의 증가된 부식 저항으로 인하여, 화학적 제거 공정은 기계적 제거 공정에 비해 수행하기가 더 어려우며 기계적 제거 공정보다 조절하기가 더 어렵다.

여러 구체예들에서, 코팅은 사후-코팅 표면 처리(post-coating surface treatment)를 받을 수 있다. 사후-코팅 표면 처리는 코팅의 표면 퀄리티를 추가로 향상시킬 수 있다. 코팅된 절삭 공구 표면의 사후 처리를 위해 예를 들어 숏 피닝(shot peening)과 같은 다수의 방법들이 있다. 본 명세서에서 참조문헌으로서 인용되는 일본 특허번호 02254144호는 10-2000 마이크로미터 범위에 있는 알갱이 크기를 가지며 구형 알갱이 형태를 가진 작은 금속 입자들을 주입하는 방법을 이용하는 숏 피닝 공정을 기술하고 있다. 사후-코팅 표면 처리의 또 다른 예는 압축 에어 블라스팅 공정이다. 본 명세서에서 참조문헌으로서 인용되는 미국 특허번호 6,869,334호는 1 내지 100 마이크로미터 범위에 있는 메우 미세한 알갱이 크기를 가지며 Al₂O₃와 같은 무기질 블라스팅 제제를 사용하는 블라스팅 공정을 기술하고 있다. 사후-코팅 표면 처리의 또 다른 예는 브러싱 공정이다. 본 명세서에서 참조문헌으로서 인용되는 미국 특허번호 6,638,609호는 SiC 알갱이들을 함유하는 나이론 스트로 브러시(nylon straw brush)를 사용하는 브러싱 공정을 기술하고 있다. 또한, 미국 특허번호 6,638,609호에 기술되어 있는 것과 같이 부드러운 코팅 층을 생성하기 위해 사후-코팅 표면 처리로서 습식 블라스팅 공정도 사용될 수 있다.

상기 기술된 공정들은 결합제와 경질 입자들을 포함하는 기질 상에 내마모성 코팅을 포함하는 절삭 공구를 제조하기 위해 사용될 수 있는데, 결합제의 근접-표면 조성물이 PGM 농도 구배를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 기술된 공정들은 분말 야금술을 사용하여 절삭 공구를 제조하는 소결 단계들과 경화 단계에서 PGM(들)을 포함시키는 필요성을 줄이거나 또는 없앤다. 분말 야금 공정에서 PGM(들)을 추가하는 단계를 줄이거나 또는 없앰으로써, 상당한 항복 손실(yield loss)과 이에 따른 비용이 줄어들거나 혹은 비용이 발생하지 않는다. PGM(들)이 상대적으로 값비싼 재료들이기 때문에, 상기 기술된 공정들은 PGM(들)을 포함하는 절삭 공구를 제조하는 데 있어서 상당한 비용 절감을 촉진할 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 기술된 공정들은 경화 단계 또는 소결 단계 동안 PGM(들)을 벌크로 첨가하는(bulk addition) 대신 PGM(들)을 절삭 공구의 특정 부분들에 선택적으로 표적하여 첨가할 수 있게 하기 때문에, 상기 기술된 공정들은 PGM을 포함하고 있는 절삭 공구의 전체 성능을 현저하게 향상시킬 수 있다.

기술된 절삭 공구는 예를 들어 기계가공 공정 동안 절삭 공구 상에서 줄어든 플랭크 마모값(flank wear)과 같이 감소된 마모값을 지닐 수 있다. 이는 공구 수명을 연장시킬 수 있다. 또한, 상기 기술된 절삭 공구는 공구 수명을 단축시키지 않고도 기계가공 속도, 공급 속도, 및/또는 절단면 깊이를 증가시킬 수 있게 함으로써 증가된 금속 제거 속도를 가질 수 있다. 주어진 시간 주기에서 제거된 재료의 양을 증가시키는 기능은 상업용 기계가공 사업 또는 공정에서 성공적인 재정을 위해 상당한 영향을 미칠 수 있다. 증가된 금속 제거 속도(metal removal rate; MRR)는 티타늄, 티타늄 합금, 니켈, 니켈 합금, 초합금, 스테인리스 스틸, 및 덕타일 아이언과 같이 기계가공하기 어려운 재료를 기계가공할 때 특히 중요할 수 있다.

예를 들어, 티타늄 합금은 상대적으로 낮은 열전도율을 가지려는 경향이 있다. 티타늄 합금의 열적 성질들 때문에, 과도한 열이 발생하고 이에 따른 공구 파손 경향으로 인하여 기계가공 공정들이 느린 속도에서 수행되어야 할 필요가 있다. 상기 기술된 절삭 공구는 예를 들어 공구 비용을 줄이면서도 주어진 시간에서 제거된 재료의 양을 증가시킴으로써 티타늄 합금을 기계가공하는 데 있어 이윤을 개선시킬 수 있다. 이는 예를 들어 티타늄 기계가공 분야에 대해 상대적으로 긴 공구 수명과 더 빠른 MRR을 통해 구현될 수 있다.

근접-표면 PGM 농도 구배는 고용체의 강도, 경도, 파괴 인성, 열 저항, 및 마모 저항을 향상시킴으로써 상기 기술된 절삭 공구의 적용성과 활용도를 높인다. 다수의 PGM과 관련 합금들의 높은 용융 온도는 예를 들어, 즉시 변형되어 그에 따라 파손되지 않고도 공구의 절삭 에지에서 매우 높은 가공 온도로 작업할 수 있게 하는 고온 경도(hot hardness)와 같은 시멘트화 기질의 고온 성질을 향상시킨다. 뿐만 아니라, 근접-표면 PGM 농도 구배는 절삭 에지에서 상대적으로 높은 PGM의 농도를 구현함으로써 기질 성질들을 향상시키며, 차례로, 예를 들어, CVD, PVD, 또는 그 외의 다른 방법들에 의해 도포된 내마모성 코팅을 위한 기초(foundation)를 향상시킨다. 확산과 그에 따른 고용체 강도로 인해 기질의 강도가 증가되어 기질의 파괴 인성과 열 변형 저항이 증가된다. 이렇게 증가된 성질들은 내마모성 코팅의 기초를 더 우수하게 만든다. 그 결과, 같거나 또는 상대적으로 긴 공구 수명에 대해서도 상대적으로 높은 MRR이 구현될 수 있다. 이에 따라, 내마모성 코팅과 조합된 근접-표면 PGM 농도 구배의 효과는 서로 보완되어 실질적으로 개선된 절삭 공구를 제공한다.

밑에 기술된 예시적이고 비-제한적인 실시예들은 본 발명의 범위를 제한하지 않고도 본 명세서에 설명된 구체예들을 추가로 기술하기 위한 것이다. 당업자는 청구항에서 정의된 것과 같이 본 발명의 범위 내에서 이 실시예들의 변형예들이 가능하다는 사실을 이해할 것이다. 모든 부분들과 백분율들은, 그 외에 달리 표시되지 않는 한, 중량%로 표시된다.

실시예

실시예 1

본 명세서에 기술된 여러 구체예들에 따른 코팅된 절삭 인서트를 준비하였다. 상기 절삭 인서트는 표 2의 하부에 표시된 선택 성질들과 공칭 화학적 조성(nominal chemical composition)을 가지며 분말 야금술을 사용하여 준비한 기질들을 포함하였다. 이 기질들은 코발트 결합제 내에서 시멘트화되고 분산된 텅스텐 카바이드 경질 입자들을 포함하였다. 또한, 특정 기질들은 작은 농도의 티타늄, 탄탈륨, 및 니오븀 카바이드를 포함하였다. 또한, 특정 기질들은 벌크 결합제 조성물 내에 루테늄을 포함하였다.

도 2에 도시된 중량%로 표시된 야금 분말들을 혼합시켰다. 각각의 야금 분말(A-Z)을 볼 밀(ball mill)에서 습식 블렌딩시켰다(wet blended).

건조 단계 후에, 상기 혼합되고 습식 블렌딩된 조성물들을 10톤/인치²의 압력(140 MPa) 하에서 해당 절삭 인서트의 녹색 크기의(green sized) 바디 내에 압축시켰다. 그 뒤, 상기 압축된 텅스텐 카바이드 절삭 인서트의 녹색 바디들을 경질 입자들 사이의 결합을 높이고 녹색 바디 내에 있는 공극(pore)들을 밀폐하기 위하여 노(furnace) 안에서 진공 소결시켜(vacuum sintered) 강도와 경도를 증가시켰다. 상기 진공 소결 공정은 탈랍 사이클(dewaxing cycle), 사전소결 사이클(presintering cycle), 및 고온 소결 사이클을 포함하였다.

주 공정 단계 동안 하기 변수들을 이용하여 소결 단계를 수행하였다:

(i) 탈랍 사이클을 2℃/분의 온도 상승 속도(ramping speed)로 실온에서 시작하여 온도가 375℃에 도달할 때까지 지속한 뒤 이 온도에서 약 90분간 유지시켰다;

(ii) 상기 옥사이드를 Co, W, C, Ti, Ta, Nb 등으로 분리시키는 사전소결 사이클을 4℃/분의 온도 상승 속도로 시작하여 온도가 1,200℃에 도달할 때까지 지속한 뒤 이 온도에서 60분간 유지시켰다;

(iii) 고온 소결 사이클을 1,200℃로부터 시작하여 1,400℃/1,450℃(즉 소결 온도)로 온도를 상승시켜 이 소결 온도에서 약 120분간 유지시킨 뒤 종료하였고, 그 동안 소결된 기질들은 비-다공성이 되고 원하는 소결 크기로 감소시켰다;

(iv) 냉각 사이클을 수행하여 노 안에 있는 동안 상기 소결된 시멘트화 카바이드 절삭 인서트 기질들을 실온으로 냉각시켰다.

소결 공정 후에, PVD 공정을 사용하여 인서트 기질들의 절삭 에지 표면들 위에 PGM 층을 증착시켰다. 각각의 시멘트화 카바이드 기질을 포함하는 각각의 인서트 위에 4 마이크로미터 두께의 PVD 루테늄 코팅을 증착시켰다. 또한, ADKT1505PDER-47 기하학적 형상을 가지며 기질 A를 포함하는 인서트를 루테늄, 레늄, 이리듐, 오스뮴, 또는 백금 중 한 층으로 페인팅하였다. 각각의 절삭 인서트 기질을 1325℃, 60분의 열 처리 사이클에 따라 처리하여 기질의 결합제상 내에 PGM을 확산시켜 근접-표면 PGM 농도 구배의 대수학적 곡선을 생성하였다.

그 후, 시멘트화 텅스텐 카바이드 절삭 인서트를 알루미나 그리트(alumina grit)로 건식 블라스팅 시키고, 접지시키고(ground), 에지-혼(edge-honed)시켜 특정 인서트의 기하학적 형상의 형성 단계를 완료하였다. 표 3은 표 2에 표시된 각각의 기질에 대해 준비된 특정 인서트의 기하학적 형상(ASTM/ISO 표준으로 표시)들을 도시하고 있다.

도 3은 기질 A 샘플의 표면으로부터 깊이에 대한 함수로서 GD-OES 방출값(텅스텐, 코발트, 카본 및 루테늄의 상대 강도 값)의 반-대수 그래프로서, 상기 기질 A 샘플을 4 마이크로미터 두께의 루테늄 층으로 코팅하고 1325℃, 60분의 열 처리 사이클에 따라 처리하여 상기 그래프에 도시된 근접-표면 루테늄 농도 구배를 형성하였다. 그래프에 표시된 것과 같이, 카본과 텅스텐의 농도는 샘플링 깊이를 통해 상대적으로 일정하며, 기질에 걸쳐 텅스텐 카바이드 입자들이 균질적으로 분포된 것을 나타내었다. 기질의 근접-표면 영역 내로 깊이가 증가하여 루테늄 농도가 감소되고 코발트 농도가 약간 증가하는 것은 루테늄 농도 구배에서 공-확산 공정이 구현되었음을 나타낸다. 루테늄 농도는 기질 표면에서 최대 약 2%이며 총 기질 중량 기준으로 기질 표면으로부터 약 125 마이크로미터 내에서 배경 수준(약 0.1%)으로 대수적으로 감소한다(총 결합제 중량 기준으로 기질 표면에서 약 20%의 루테늄에 상응함).

그 뒤, 절삭 인서트 기질(근접-표면 PGM 농도 구배가 있는 절삭 인서트 기질 및 근접-표면 PGM 농도 구배가 없는 절삭 인서트 기질)을 내마모성 코팅으로 코팅하였다. 표 4는 표 3에 도시된 각각의 기하학적 형상/기질 조합에 대해 절삭 인서트에 도포된 특정 코팅을 나타낸다.

실시예 2-8은 위에서 기술된 것과 같이 제조된 절삭 인서트의 성능 테스트를 보여주고 있다. 실험 결과들은 절삭 인서트의 절삭 에지에서 마모 효과를 분석한 결과를 포함하며 이들은 도 4 내지 도 10에 도시된다. 도면들에서 도시된 총 기계가공 시간은 절삭 인서트가 공구 수명을 초과하거나 또는 기계가공 공정 동안 파손될 때를 나타낸다. 또한, 실시예 9는 위에서 기술된 것과 같이 제조된 절삭 인서트의 성능 테스트를 나타내고 있다. 하지만, 실험 결과들은 공구 수명 분석을 포함하고 이는 도 11에 도시된다. 표 5는 밑에 있는 각각의 실시예들에서 사용된 절삭 조건들과 가공품 재료들을 요약한 표이다.

실시예 2

Ti-6AI-4V 가공품의 밀링가공 단계를 포함하는 공구 마모 테스트를 위하여, 각각, ADKT1505PDER-47로 표시된 표준 기하학적 형상을 가지고 TiN-TiC-TiN CVD 코팅된 밀링 인서트의 3개의 상이한 그룹들을 사용하였다. 밀링가공 조건들은 표 5에 도시되어 있다. 공구 마모 테스트를 수행하기 위하여, 각각, (i) GX20™ 기질(미국, 테네시주 37086, LaVergne시의 ATI Stellram, an Allegheny Technologies Company사); (ii) 근접-표면 루테늄 농도 구배가 없는 기질 A; 및 (iii) 위에서 기술한 것과 같이 근접-표면 루테늄 농도 구배를 가진 기질 A를 포함하는 3개 그룹의 ADKT1505PDER-47 밀링 인서트를 사용하였다.

ISO 표준에 따라 P45/K35 재료를 기계가공하도록 사용될 수 있는 거친 등급의(tough grade) 시멘트화 카바이드 분말로부터 기질 A를 제조하였다. 기질 A의 특정 성질들과 공칭 화학적 조성은 표 2에 도시되어 있다. ATI Stellram사로부터 구매가능한 GX20™ 분말은 표 6에 도시되어 있는 특정 성질들과 공칭 화학적 조성을 가진 시멘트화 카바이드 분말이다.

상기 실시예 1에서 기술한 것과 유사한 분말 야금술을 사용하여, 코팅된 GX20™ 시멘트화 카바이드 밀링 인서트를 준비하였다. 기질 A(Ru 구배를 가진 기질 A 및 Ru 구배를 가지지 않은 기질 A) 밀링 인서트의 마모 성질들과 비교하기 위하여 기초 마모 성질들을 제공하도록 상기 GX20™ 밀링 인서트를 사용하였다.

마모 테스트 결과들은 도 4에 나타나 있다. 각각의 변형예(GX20™ 재료 기질, Ru 구배가 없는 기질 A, Ru 구배를 가진 기질 A)에 대해서, 가공품 상에서 3회의 반복적인 밀링가공을 수행하기 위해 3개의 복제(replicate) 밀링 인서트를 사용하였다. 각각의 변형예에 대해 3개의 마모 측정값들의 평균이 도 4에 도시되어 있다. 기초 GX20™ 재료 변형예로부터 제조된 밀링 인서트는 0.0073 인치의 평균 플랭크 마모값을 보여주었다. 루테늄 함량이 없는 기질 A를 포함하는 밀링 인서트는 0.0143 인치의 평균 마모값을 보여주었다. 시멘트화 카바이드 기질의 결합제 내로 확산된 근접-표면 루테늄 농도 구배를 가지며 기질 A를 포함하는 절삭 인서트는 0.0065 인치의 평균 마모값을 보여주었다. 루테늄 구배를 가진 기질 A를 포함하는 절삭 인서트는 루테늄 함량이 없는 기질 A를 포함하는 절삭 인서트에 비해 54.5%의 마모 저항 향상을 보여주었다. 루테늄 구배를 가진 기질 A를 포함하는 절삭 인서트는 GX20™ 재료를 포함하는 절삭 인서트에 비해 10.9%의 마모 저항 향상을 보여주었다.

실시예 3

Ti-6AI-4V 가공품의 밀링가공 단계를 포함하는 공구 마모 테스트를 위하여, 각각, APKT1604PDER-43으로 표시된 표준 기하학적 형상을 가지고 TiN-TiC-TiN CVD 코팅된 밀링 인서트의 3개의 상이한 그룹들을 사용하였다. 밀링가공 조건들은 표 5에 도시되어 있다. 공구 마모 테스트를 수행하기 위하여, 각각, (i) GX20™ 재료 기질; (ii) 근접-표면 루테늄 농도 구배가 없는 기질 B; 및 (iii) 근접-표면 루테늄 농도 구배를 가진 기질 B를 포함하는 3개 그룹의 APKT1604PDER-43 밀링 인서트를 사용하였다.

ISO 표준에 따라 P45/K35 재료를 기계가공하도록 사용될 수 있는 거친 등급의 시멘트화 카바이드 분말로부터 기질 B를 제조하였다. 기질 B의 특정 성질들과 공칭 화학적 조성은 표 2에 도시되어 있다. 상기 실시예 1에서 기술한 것과 유사한 분말 야금술을 사용하여, GX20™ 시멘트화 카바이드 밀링 인서트를 준비하였다.

마모 테스트 결과들은 도 5에 나타나 있다. 각각의 변형예(GX20™ 재료 기질, Ru 구배가 없는 기질 B, Ru 구배를 가진 기질 B)에 대해서, 가공품 상에서 3회의 반복적인 밀링가공을 수행하기 위해 3개의 복제 밀링 인서트를 사용하였다. 각각의 변형예에 대해 3개의 마모 측정값들의 평균이 도 5에 도시되어 있다. 기초 GX20™ 재료 변형예를 포함하는 밀링 인서트는 0.012 인치의 평균 플랭크 마모값을 보여주었다. 루테늄 함량이 없는 기질 B를 포함하는 밀링 인서트는 0.030 인치의 평균 마모값을 보여주었다. 시멘트화 카바이드 기질의 결합제 내로 확산된 근접-표면 루테늄 농도 구배를 가지며 기질 B를 포함하는 절삭 인서트는 0.022 인치의 평균 마모값을 보여주었다. 루테늄 구배를 가진 기질 B를 포함하는 절삭 인서트는 루테늄 함량이 없는 기질 B를 포함하는 절삭 인서트에 비해 26.7%의 마모 저항 향상을 보여주었다.

실시예 4

Ti-6AI-4V 가공품의 밀링가공 단계를 포함하는 공구 마모 테스트를 위하여, 각각, XDLT120508ER-D41로 표시된 표준 기하학적 형상을 가지고 TiN-TiC-TiN CVD 코팅된 밀링 인서트의 3개의 상이한 그룹들을 사용하였다. 밀링가공 조건들은 표 5에 도시되어 있다. 공구 마모 테스트를 수행하기 위하여, 각각, (i) GX20™ 재료 기질; (ii) 근접-표면 루테늄 농도 구배가 없는 기질 C; 및 (iii) 근접-표면 루테늄 농도 구배를 가진 기질 C를 포함하는3개 그룹의 XDLT120508ER-D41 밀링 인서트를 사용하였다.

ISO 표준에 따라 P45/K35 재료를 기계가공하도록 사용될 수 있는 거친 등급의 시멘트화 카바이드 분말로부터 기질 C를 제조하였다. 기질 C의 특정 성질들과 공칭 화학적 조성은 표 2에 도시되어 있다. 상기 실시예 1에서 기술한 것과 유사한 분말 야금술을 사용하여, GX20™ 시멘트화 카바이드 밀링 인서트를 준비하였다.

마모 테스트 결과들은 도 6에 나타나 있다. 각각의 변형예(GX20™ 재료 기질, Ru 구배가 없는 기질 C, Ru 구배를 가진 기질 C)에 대해서, 가공품 상에서 3회의 반복적인 밀링가공을 수행하기 위해 3개의 복제 밀링 인서트를 사용하였다. 각각의 변형예에 대해 3개의 마모 측정값들의 평균이 도 6에 도시되어 있다. 기초 GX20™ 재료 변형예를 포함하는 밀링 인서트는 0.0104 인치의 평균 플랭크 마모값을 보여주었다. 루테늄 함량이 없는 기질 C를 포함하는 밀링 인서트는 0.0159 인치의 평균 마모값을 보여주었다. 시멘트화 카바이드 기질의 결합제 내로 확산된 근접-표면 루테늄 농도 구배를 가지며 기질 C를 포함하는 절삭 인서트는 0.0118 인치의 평균 마모값을 보여주었다. 루테늄 구배를 가진 기질 C를 포함하는 절삭 인서트는 루테늄 함량이 없는 기질 C를 포함하는 절삭 인서트에 비해 25.8%의 마모 저항 향상을 보여주었다.

실시예 5

Ti-6AI-4V 가공품의 밀링가공 단계를 포함하는 공구 마모 테스트를 위하여, 각각, XDLT120508ER-D41로 표시된 표준 기하학적 형상을 가지고 TiN-TiC-TiN CVD 코팅된 밀링 인서트의 3개의 상이한 그룹들을 사용하였다. 밀링가공 조건들은 표 5에 도시되어 있다. 공구 마모 테스트를 수행하기 위하여, 각각, (i) GX20™ 재료 기질; (ii) 근접-표면 루테늄 농도 구배가 없는 기질 D; 및 (iii) 근접-표면 루테늄 농도 구배를 가진 기질 D를 포함하는 3개 그룹의 XDLT120508ER-D41 밀링 인서트를 사용하였다.

ISO 표준에 따라 P45/K35 재료를 기계가공하도록 사용될 수 있는 거친 등급의 시멘트화 카바이드 분말로부터 기질 D를 제조하였다. 기질 D의 특정 성질들과 공칭 화학적 조성은 표 2에 도시되어 있다. 상기 실시예 1에서 기술한 것과 유사한 분말 야금술을 사용하여, GX20™ 시멘트화 카바이드 밀링 인서트를 준비하였다.

마모 테스트 결과들은 도 7에 나타나 있다. 각각의 변형예(GX20™ 재료 기질, Ru 구배가 없는 기질 D, Ru 구배를 가진 기질 D)에 대해서, 가공품 상에서 3회의 반복적인 밀링가공을 수행하기 위해 3개의 복제 밀링 인서트를 사용하였다. 각각의 변형예에 대해 3개의 마모 측정값들의 평균이 도 7에 도시되어 있다. 기초 GX20™ 재료 변형예를 포함하는 밀링 인서트는 0.0102 인치의 평균 플랭크 마모값을 보여주었다. 루테늄 함량이 없는 기질 D를 포함하는 밀링 인서트는 0.0153 인치의 평균 마모값을 보여주었다. 시멘트화 카바이드 기질의 결합제 내로 확산된 근접-표면 루테늄 농도 구배를 가지며 기질 D를 포함하는 절삭 인서트는 0.0132 인치의 평균 마모값을 보여주었다. 루테늄 구배를 가진 기질 D를 포함하는 절삭 인서트는 루테늄 함량이 없는 기질 D를 포함하는 절삭 인서트에 비해 13.7%의 마모 저항 향상을 보여주었다.

실시예 6

4340 스틸 가공품의 터닝가공 단계를 포함하는 공구 마모 테스트를 위하여, 각각, CNMG432-4T로 표시된 표준 기하학적 형상을 가지고 TiN-TiCN-Al₂O₃-TiN CVD 코팅된 터닝 인서트의 18개의 상이한 그룹들을 사용하였다. 터닝가공 조건들은 표 5에 도시되어 있다. 공구 마모 테스트를 수행하기 위하여, 각각, 9개의 기질 F-N, 루테늄 구배가 없는 제 1 세트 및 근접-표면 루테늄 농도 구배를 가진 제 2 세트 중 하나를 포함하는 18개 그룹의 CNMG432-4T 밀링 인서트를 사용하였다.

기질 F-N은 ISO 표준에 따라 P05/K05 내지 P40/K40 재료를 기계가공하도록 사용하기 위해 광범위한 등급 범위를 준비하도록 사용될 수 있는 시멘트화 카바이드 분말을 포함한다. 기질 F-N의 특정 성질들과 공칭 화학적 조성은 표 2에 도시되어 있다.

마모 테스트 결과들은 도 8에 나타나 있다. 각각의 변형예(기질 F-N, Ru 구배를 가진 기질 F-N, 및 Ru 구배가 없는 기질 F-N)에 대해서, 가공품 상에서 한 터닝가공을 수행하였다. 기질 F, G 및 J-N을 포함하고 근접-표면 루테늄 구배를 가진 터닝 인서트는 루테늄 함량이 없는 기질을 포함하는 터닝 인서트에 비해 향상된 마모 저항을 보여주었다. 루테늄 구배와 기질 F, G 및 J-N을 포함하는 인서트에 의해 보여진 평균 플랭크 마모값은 약 30%만큼 감소하였다.

실시예 7

Ti-6AI-4V 가공품의 터닝가공 단계를 포함하는 공구 마모 테스트를 위하여, 각각, CNMG432-4E로 표시된 표준 기하학적 형상을 가지고 TiAIN PVD 코팅된 터닝 인서트의 8개의 상이한 그룹들을 사용하였다. 터닝가공 조건들은 표 5에 도시되어 있다. 공구 마모 테스트를 수행하기 위하여, 각각, 4개의 기질 1-4, 루테늄 함량이 없는 제 1 세트 및 근접-표면 루테늄 농도 구배를 가진 제 2 세트 중 하나를 포함하는 CNMG432-4E 터닝 인서트의 8개 그룹들을 사용하였다.

ISO 표준에 따라 P01/K05/S01 내지 P15/K25/S10 재료를 기계가공하도록 사용하기 위해 광범위한 등급 범위를 준비하도록 사용될 수 있는 시멘트화 카바이드 분말로 기질 1-4를 제조하였다. 기질 1-4의 특정 성질들과 공칭 화학적 조성은 표 2에 도시되어 있다.

마모 테스트 결과들은 도 9에 나타나 있다. 각각의 변형예(기질 1-4, Ru 구배를 가진 기질 1-4, 및 Ru 구배가 없는 기질 1-4)에 대해서, 가공품 상에서 3회의 반복적인 터닝가공을 수행하기 위해 3개의 복제 터닝 인서트를 사용하였다. 각각의 변형예에 대해 3개의 마모 측정값들의 평균이 도 9에 도시되어 있다. 기질 2-4와 근접-표면 루테늄 구배를 가진 터닝 인서트는 루테늄 함량이 없는 기질을 포함하는 터닝 인서트에 비해 향상된 마모 저항을 보여주었다. 루테늄 구배와 기질 2-4를 포함하는 인서트에 의해 보여진 평균 플랭크 마모값은 약 10%만큼 감소하였다.

실시예 8

포징가공된 카본 스틸 철로용 휠의 터닝가공 단계를 포함하는 공구 마모 테스트를 위하여, 각각, RCMR96-4M 로 표시된 표준 기하학적 형상을 가지고 TiN-TiCN-αAI₂O₃-TiCN-TiN CVD 코팅된 터닝 인서트의 2개의 상이한 그룹들을 사용하였다. 터닝가공 조건들은 표 5에 도시되어 있다. 공구 마모 테스트를 수행하기 위하여, 각각, (i) 루테늄 함량이 없는 기질 Z, 및 (ii) 근접-표면 루테늄 농도 구배를 가진 기질 Z를 포함하는 RCMR96-4M 터닝 인서트의 2개 그룹들을 사용하였다.

매우 우수한 고온 변형 저항을 필요로 하는 대형 기계가공 공정(heavy duty machining)에 사용하기 위해 저등급의 코발트를 준비하도록 사용될 수 있는 시멘트화 카바이드 분말로 기질 Z를 제조하였다. 기질 Z의 특정 성질들과 공칭 화학적 조성은 표 2에 도시되어 있다.

마모 테스트 결과들은 도 10에 나타나 있다. 각각의 변형예(Ru 구배를 가진 기질 Z, 및 Ru 구배가 없는 기질 Z)에 대해서, 가공품 상에서 터닝가공을 수행하기 위해 한 터닝 인서트를 사용하였다. 각각의 변형예에 대한 마모 측정값들이 도 10에 도시되어 있다. 또한, 각각의 변형예에 대해서, 휠 상에서 2개의 상이한 위치(위치 2 및 3)들을 사용하여 2회의 테스트를 수행하였다. 위치 2는 휠의 플랜지였고 위치 3은 휠의 후방 림 면이었다. 루테늄 함량이 없는 기질 Z를 포함하는 터닝 인서트는 각각의 위치 2 및 3에서 총 1시간의 기계가공 시간 동안 0.0075인치 및 0.0148인치의 평균 마모값을 보여주었다. 시멘트화 카바이드 기질의 결합제 내에 확산된 근접-표면 루테튬 농도 구배를 가지고 기질 Z를 포함하는 절삭 인서트는, 각각, 위치 2 및 3에서 75분과 115분의 총 기계가공 시간 동안 0.0058인치와 0.0135인치의 평균 마모값을 보여주었다.

공구 수명의 차이로 인해, 상기 마모 측정값들은 직접 비교할 수는 없다. 하지만, 동일한 공구 수명을 위해 균등한 양의 마모값을 결정하도록 선형보간법을 이용하여, 루테늄 구배를 가진 기질 Z를 포함하는 절삭 인서트는 루테늄 함량이 없는 기질 Z를 포함하는 절삭 인서트에 비해 각각 약 62%와 67%의 마모 저항 향상을 보여주었다.

실시예 9

Ti-6AI-4V 가공품의 밀링가공 단계를 포함하는 공구 수명 테스트를 위하여, 각각, ADKT1505PDER-47로 표시된 표준 기하학적 형상을 가지고 TiN-TiC-TiN CVD 코팅된 밀링 인서트의 6개의 상이한 그룹들을 사용하였다. 가공품 재료와 밀링가공 조건들은 표 5에 도시되어 있다. 공구 수명 테스트를 수행하기 위하여, 각각, 기질 A, PGM 함량이 없는 한 세트 및 각각 루테늄, 레늄, 이리듐, 오스뮴, 및 백금의 근접-표면 농도 구배를 포함하는 그 외의 5개 세트를 포함하는 ADKT1505PDER-47 밀링 인서트의 6개 그룹들을 사용하였다.

공구 수명 테스트 결과들은 도 11에 나타나 있다. 각각의 변형예에 대해서, 1회의 밀링가공 공정을 수행하였다. PGM이 없는 기질 A를 포함하는 밀링 인서트는 약 4.1분 뒤에 파손되었다(failed). 근접-표면 이리듐, 오스뮴 및 백금 농도 구배를 가진 기질 A를 포함하는 밀링 인서트는 6분 이상의 공구 수명을 보여주었다. 근접-표면 루테늄 농도 구배를 가진 기질 A를 포함하는 밀링 인서트는 5분 이상의 공구 수명을 보여주었다. 근접-표면 레늄 농도 구배를 가진 기질 A를 포함하는 밀링 인서트는 PGM이 없는 기질 A를 포함하는 밀링 인서트와 거의 똑 같은 공구 수명을 보여주었다.

본 발명은 여러 대표적이고 예시적이며 비-제한적인 구체예들을 참조하여 기술되었다. 하지만, 당업자들은 청구항에서 정의된 것과 같이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 본 명세서에 기술된 구체예들(또는 이 구체예들의 일부분)의 다양한 대체예, 변형예 또는 이들의 임의의 조합이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명이 본 명세서에서 직접적으로 설명되지 않는 추가적인 구체예들도 포함하고 있다는 사실을 이해하고 고려해야 한다. 이러한 구체예들은, 예를 들어, 본 명세서에 기술되어 있는 구체예들의 단계, 세부항목, 조성, 구성요소, 원소, 특징, 형태 등을 조합하고, 변형하거나 또는 재형성함으로써 얻어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 대표적이고 예시적인 구체예들을 기술한 내용에만 제한되는 것이 아니라 청구항에 의해 정의된다. 이런 방식으로, 본 출원인은 본 명세서에 다양한 기술한 것과 같이 특징들을 추가하기 위해 출원 동안 청구항들을 보정할 권리를 갖게 된다.

Claims

- 결합제와 경질 입자들을 포함하는 기질을 포함하고, 상기 결합제는 근접-표면 백금족 금속 농도 구배를 포함하며;
- 상기 기질의 일부분 이상 위에 하나 이상의 내마모성 코팅을 포함하는 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 백금족 금속은 레늄, 루테늄, 오스뮴, 로듐, 이리듐, 팔라듐, 백금, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 경질 입자들은 금속 카바이드, 금속 니트라이드, 금속 카보니트라이드, 금속 보라이드, 금속 실리사이드, 금속 옥사이드, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 3 항에 있어서,
상기 경질 입자들을 포함하는 금속은 티타늄, 크로뮴, 바나듐, 지르코늄, 하프늄, 탄탈륨, 몰리브덴, 니오븀, 텅스텐, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 결합제는 코발트, 니켈, 아이언, 이들의 임의의 합금, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 내마모성 코팅은 금속 카바이드, 금속 니트라이드, 금속 카보니트라이드, 금속 보라이드, 금속 실리사이드, 금속 옥사이드, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 6 항에 있어서,
상기 내마모성 코팅을 포함하는 금속은 티타늄, 크로뮴, 바나듐, 지르코늄, 하프늄, 탄탈륨, 몰리브덴, 니오븀, 텅스텐, 알루미늄, 보론, 실리콘, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 근접-표면 백금족 금속 농도 구배는 기질 표면에서 총 결합제 중량 기준으로 10 중량% 내지 100 중량%의 백금족 금속과 상기 기질의 벌크 영역(bulk region)에서 제로 내지 배경 수준의 백금족 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 근접-표면 백금족 금속 농도 구배는 기질 표면에서 총 결합제 중량 기준으로 10 중량% 내지 100 중량%의 백금족 금속을 포함하며 깊이 들어갈수록 백금족 금속의 제로 또는 배경 수준으로 줄어드는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 근접-표면 백금족 금속 농도 구배는 기질 표면에서 총 결합제 중량 기준으로 10 중량% 내지 100 중량%의 백금족 금속을 포함하며 깊이 들어갈수록 상기 기질의 벌크 영역에서 백금족 금속의 제로 또는 배경 수준으로 대수적으로 줄어드는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 내마모성 코팅은 물리적 기상 증착법에 의해 도포된 코팅의 특성들을 가지는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 내마모성 코팅은 화학적 기상 증착법에 의해 도포된 코팅의 특성들을 가지는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 내마모성 코팅은 1 내지 30 마이크로미터의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 내마모성 코팅은 1 내지 10 마이크로미터의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 내마모성 코팅은 2 내지 6 마이크로미터의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 내마모성 코팅은 2개 또는 그 이상의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
- 코발트 결합제와 텅스텐 카바이드 입자들을 포함하는 시멘트화 카바이드 기질을 포함하며, 상기 결합제는 기질 표면에서 총 결합제 중량 기준으로 10 중량% 내지 100 중량%이며 깊이 들어갈수록 백금족 금속의 배경 수준으로 대수적으로 줄어드는 근접-표면 백금족 금속 농도 구배를 포함하고, 상기 백금족 금속은 루테늄, 오스뮴, 로듐, 이리듐, 팔라듐, 백금, 및 이들의 임의의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되며;
- 상기 기질의 일부분 이상 위에 하나 이상의 내마모성 코팅을 포함하고, 상기 코팅은 금속 카바이드, 금속 니트라이드, 금속 카보니트라이드, 금속 보라이드, 금속 실리사이드, 금속 옥사이드, 또는 이들의 임의의 조합, IIIA족, IVA족, IVB족, VB족, 또는 VIIB족 금속을 포함하는 절삭 공구.
- 하나 이상의 백금족 금속을 결합제와 경질 입자들을 포함하는 기질의 표면의 일부분 이상 위에 증착시키는 단계;
- 하나 이상의 백금족 금속을 결합제 내에 확산시키고 결합제 내에 근접-표면 백금족 금속 농도 구배를 형성하도록 하기에 충분한 시간과 온도로 상기 기질을 가열시키는 단계; 및
- 기질을 가열시키고 결합제 내에서 근접-표면 백금족 금속 농도 구배를 형성시키고 난 후에 상기 기질 표면 상에 내마모성 코팅을 증착시키는 단계를 포함하는 절삭 공구 제조 공정.
제 18 항에 있어서,
상기 백금족 금속은 레늄, 루테늄, 오스뮴, 로듐, 이리듐, 팔라듐, 백금, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭 공구 제조 공정.
제 18 항에 있어서,
상기 경질 입자들은 금속 카바이드, 금속 니트라이드, 금속 카보니트라이드, 금속 보라이드, 금속 실리사이드, 금속 옥사이드, 또는 이들의 임의의 조합 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭 공구 제조 공정.
제 20 항에 있어서,
상기 경질 입자들을 포함하는 금속은 티타늄, 크로뮴, 바나듐, 지르코늄, 하프늄, 탄탈륨, 몰리브덴, 니오븀, 텅스텐, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭 공구 제조 공정.
제 18 항에 있어서,
상기 결합제는 코발트, 니켈, 아이언, 이들의 임의의 합금, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭 공구 제조 공정.
제 18 항에 있어서,
상기 근접-표면 백금족 금속 농도 구배는 기질 표면에서 총 결합제 중량 기준으로 10 중량% 내지 100 중량%의 백금족 금속과 상기 기질의 벌크 영역에서 제로 내지 배경 수준의 백금족 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭 공구 제조 공정.
제 18 항에 있어서,
상기 근접-표면 백금족 금속 농도 구배는 기질 표면에서 총 결합제 중량 기준으로 10 중량% 내지 100 중량%의 백금족 금속을 포함하며 깊이 들어갈수록 백금족 금속의 제로 또는 배경 수준으로 줄어드는 것을 특징으로 하는 절삭 공구 제조 공정.
제 18 항에 있어서,
상기 근접-표면 백금족 금속 농도 구배는 기질 표면에서 총 결합제 중량 기준으로 10 중량% 내지 100 중량%의 백금족 금속을 포함하며 깊이 들어갈수록 상기 기질의 벌크 영역에서 백금족 금속의 제로 또는 배경 수준으로 대수적으로 줄어드는 것을 특징으로 하는 절삭 공구 제조 공정.
제 18 항에 있어서,
상기 공정은 상기 기질의 표면의 일부분 이상 위에 하나 이상의 백금족 금속을 증착시키기 전에 기질 표면의 일부분 이상으로부터 결합제의 일부분을 제거하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭 공구 제조 공정.
제 26 항에 있어서,
상기 공정은 상기 기질의 표면의 일부분 이상 위에 하나 이상의 백금족 금속을 증착시키기 전에 기질 표면의 일부분 이상으로부터 결합제의 일부분을 제거하기 위해 기질 표면을 에칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭 공구 제조 공정.
제 18 항에 있어서,
상기 내마모성 코팅은 물리적 기상 증착법을 사용하여 증착되는 것을 특징으로 하는 절삭 공구 제조 공정.
제 18 항에 있어서,
상기 내마모성 코팅은 화학적 기상 증착법을 사용하여 증착되는 것을 특징으로 하는 절삭 공구 제조 공정.
제 18 항에 있어서,
상기 내마모성 코팅은 금속 카바이드, 금속 니트라이드, 금속 카보니트라이드, 금속 보라이드, 금속 실리사이드, 또는 금속 옥사이드 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭 공구 제조 공정.
제 30 항에 있어서,
상기 내마모성 코팅을 포함하는 금속은 티타늄, 크로뮴, 바나듐, 지르코늄, 하프늄, 탄탈륨, 몰리브덴, 니오븀, 텅스텐, 알루미늄, 보론, 실리콘, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭 공구 제조 공정.
제 18 항에 있어서,
상기 공정은, 상기 기질을 가열한 후 및 기질 표면 위에 상기 내마모성 코팅을 증착시키기 전에, 사전-코팅 처리법을 사용하여 기질 표면의 일부분 이상을 처리하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭 공구 제조 공정.
제 32 항에 있어서,
상기 사전-코팅 처리법은 전해연마, 숏 피닝, 마이크로블라스팅, 습식 블라스팅, 건식 블라스팅, 그라인딩, 브러싱, 젯 연마, 압축 에어 블라스팅, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭 공구 제조 공정.
제 1 항에 있어서,
상기 절삭 공구는 버(burr), 엔드밀(endmill), 드릴(drill) 및 인서트로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 17 항에 있어서,
상기 절삭 공구는 버, 엔드밀, 드릴 및 인서트로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 18 항에 있어서,
상기 절삭 공구는 버, 엔드밀, 드릴 및 인서트로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 절삭 공구 제조 공정.