KR20140001694A

KR20140001694A - 절삭 인서트

Info

Publication number: KR20140001694A
Application number: KR1020120070210A
Authority: KR
Inventors: 이은수; 김지헌; 나상웅; 김종성; 송시훈
Original assignee: 대구텍 유한회사
Priority date: 2012-06-28
Filing date: 2012-06-28
Publication date: 2014-01-07

Abstract

본 발명은 절삭 인서트에 관한 것으로, 주철가공을 위한 초경 절삭공구의 기상화학 증착법에 관한 것이다. 회주철 및 흑연구상화주철의 선삭 가공 시 코팅층의 박리를 최소화하고 내산화성 및 인성을 향상시키기 위해 하지층을 이루는 TiC_xN_y주상정의 크기 및 N/C 비율, 상부층을 이루는 Al₂O₃ 결정립의 성장방향을 제어하고, 성장 후 후처리를 통해 각층의 응력을 피삭물에 맞게 제어하는 처리를 한다.

Description

절삭 인서트 {CUTTING INSERT}

본 발명은 주철 및 흑연구상화 주철의 선삭 가공에서 내마모성, 내산화성, 그리고 인성이 특히 유용한 특성을 갖는 코팅층을 포함하는 절삭 인서트에 관한 것이다.

기상 화학 증착법으로 코팅된 초경 재료의 절삭 인서트는 주철과 강의 선삭에 주로 사용된다. 이러한 절삭 인서트의 코팅층은 주로 TiC_xN_y 및 Al₂O₃로 구성된다. 다양한 피삭물과 다양한 절삭 조건에 대해 절삭 성능을 향상시키기 위해, 다양한 초경 기재들이 개발되고 있고, 그 초경 기재에 적합한 코팅 물질 및 코팅의 구성도 함께 개발되고 있다. 현재, 기상 화학 증착법 코팅 연구개발의 주된 주제는, 코팅된 물질의 결정 크기 및 결정 방향 제어, 코팅층과 초경 기재 사이의 부착력 강화, 다층 코팅의 층간 결합력 강화, 소량의 원소 첨가를 통한 코팅 물질의 화학적, 물리적 특성 향상, 표면 코팅 형성 후의 표면 거칠기 제어, 코팅층의 응력 제어 등이다. 결국, 다양한 피삭물에 대한 최상의 절삭 성능을 얻기 위해서는, 상기 여러 주제들을 적절히 조합하고 또한 신규의 기술을 추가할 것이 요구된다.

최근 금속화합물의 조성 변화, 경원소의 비율, 그리고 코팅 조건의 변화를 통해 절삭공구의 수명을 증가시키기 위한 연구가 다수 진행되었고, 특히 인성 강화를 위해 TiC_xN_y의 미세한 주상정(柱狀晶)을 코팅하는 기술들이 개발되었다. 미국특허 제6,472,060호 및 스웨덴특허 제200301196호 에서는, TiC_xN_y층을 코팅할 때 CO 가스, 알루미늄 및 지르코늄을 도입함으로써, 미세한 주상정의 TiC_xN_y을 형성할 수 있다는 것을 주장하였다. 또한, 일본특허공개 제2006-239719호에서는, TiC_xN_y 코팅층을 형성할 때 탄소 원자수가 2개 내지 20개인 쇄상 탄화수소, 유기 시안 화합물, 사염화티타늄 및 수소로 이루어지는 원료 기체를 사용하여 미세한 주상정을 형성하였고, 이렇게 제조된 TiC_xN_y는 탄소의 비율이 질소의 비율보다 커서 경도 상승 효과가 있음을 주장하였다. 그리고 미국특허 제6,638,571호에서는 TiC_xN_y층을 구성할 때 주로 사용하는 CH₃CN 이외에 메탄 가스를 도입하고, 온도 구간을 변화시킴으로써 미세한 주상정을 만들 수 있음을 주장하였다.

그러나, 위 방법들에 의해 형성된 TiC_xN_y층에서는 미세한 주상정을 얻을 수는 있었으나, TiC_xN_y층 내의 산소 함량이 증가되어 기공이 발생하고 경도가 저하되는 문제가 있었으며, 탄소 함량이 높아서 내산화성이 저하되는 문제가 있었다.

한편, 오래 전부터 연구개발이 진행된 TiC 및 TiCN의 코팅 방법과 더불어, 알파상 Al₂O₃의 코팅 방법이 학술지 "Journal of the Korean Institute of Metals, vol. 19, No. 9, (1981)" 및 학술지 "Thin Solid Films 263 (1995) 28-36" 등에서 밝혀졌다. 이후, 알파상 Al₂O₃의 고속 성장 방법 및 성장 메커니즘이 미국특허 제4,169,866호, 학술지 "J, phys, Ⅳ France 9 (1999) Pr8-877", 그리고 학술지 "J, phys, Ⅳ France 12 (2002) Pr4-113" 등에서 밝혀졌다. 이러한 선행기술들을 기초로, 알파상 Al₂O₃의 코팅에 대한 다양한 개념들과, 그것의 구현을 위한 다양한 접근법들이 Al₂O₃ 및 TiCN을 기반으로 한 선삭용 기상 화학 증착법 코팅 분야에서 연구되고 있다.

미국특허 제7,011,867호에서는 알파상 Al₂O₃층을 형성하기 전 결합층을 형성하는 공정에서, 마지막에 CO₂가스를 도입하고, Al₂O₃층에는 다른 금속 원소를 도핑함으로써, 특징적인 배향 방향이 우선되는 알파상 Al₂O₃층을 형성할 수 있음을 주장하였다. 미국특허출원공보 제2008/0311290A1호에서는 결합층에 경원소를 도핑함으로써, 알파상 Al₂O₃의 배향 방향을 조절할 수 있음을 주장하였다. 또한, 미국특허 제7,955,651호 및 학술지 "Surface & Coatings technology 202 (2008) 4257-4269"에서는, 매우 높은 수준의 우선 배향성을 지닌 알파상 Al₂O₃층을 형성할 수 있는 방법을 제시하였다.

그러나, 실제로 알파상 Al₂O₃층의 배향성은, 결합층 말단의 조성 및 결정 방향, 결합층의 형상, 결합층이 형성되는 TiC_xN_y층의 크기, 형태 및 우선 배향 방향에 의해서도 영향을 받기 때문에, 이중 한두 가지 인자만을 가지고 알파상 Al₂O₃층의 배향성을 조절하는 데에는 한계가 있고, 피삭물에 따라 여러 가지 인자를 조합하여 최상의 우선 배향 방향을 조절해야 한다. 또한, 알파상 Al₂O₃층과 TiC_xN_y층 사이의 응력, 그리고 전체 알파상 Al₂O₃층 자체에서 발생되는 응력은, Al₂O₃층과 TiC_xN_y층 사이의 결합층과, Al₂O₃층에서 주된 배향성이 나타나는 영역의 사이에서 형성되는 알파상 Al₂O₃의 핵의 배향성의 영향을 받고, 그에 따라 알파상 Al₂O₃의 부착력은 달라지게 된다. 따라서, 선행기술에서 알파상 Al₂O₃층이 주된 배향성을 가지더라도, 알파상 Al₂O₃의 부착력이 충분히 높지 못해 코팅층의 박리가 발생하는 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 주철 및 흑연구상화 주철의 선삭 가공 시 공구의 수명을 결정하는 척도가 되는 공구의 마모, 코팅층의 박리, 공구의 치핑 및 파손을 최소화하는 절삭 인서트를 제공하는 것이다. 특히, 본 발명의 과제는, 주철 가공의 중기 또는 말기, 흑연구상화 주철 가공의 초기에 발생하기 쉬운 알파상 Al₂O₃층의 박리를 최소화하는 코팅층을 갖는 절삭 인서트를 제공하는 것이다. 이를 위해, 본 발명에서는 마모를 최소화하고 높은 수준의 안정성을 달성하는 향상된 내산화성과 인성을 가지면서도, 경도의 하락은 없는 TiC_xN_y층을 초경 기재 위에 형성하고, 주철 및 흑연구상화 주철의 선삭 가공에 최적화된 우선 배향 방향을 갖는 알파상 Al₂O₃층을 형성한 절삭 인서트를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은, 상기 코팅층에 표면 처리를 하여, 화학 기상 층착법으로 형성된 코팅층이 가지고 있는 높은 수준의 인장 응력을 낮은 수준으로 감소시키고, 우선 배향된 알파상 Al₂O₃층의 탁월한 열 배출 능력 및 표면 미끄러짐 현상을 극대화시킴으로써, 피삭물의 가공 시 코팅층의 표면에서 기재 방향으로 발생하는 균열의 진행을 방해하는 동시에, 갑작스러운 인장 해소 시에 발생하기 쉬운 코팅층 전체의 박리를 최소화하는 코팅층을 갖는 절삭 인서트를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적을 실현하기 위한 본 발명에 따른 절삭 인서트는, 하나 이상의 경사면(rake face)과 하나 이상의 여유면(flank face)을 포함하고, 상기 절삭 인서트의 기재는, 4 내지 8 중량%의 Co와, 0 내지 5 중량%의 입방탄화물, 입방탄질화물 또는 그 혼합물과, 잔부 WC을 포함한다. 또한, 절삭 인서트의 기재는 입방탄화물, 입방탄질화물 또는 그 혼합물이 존재하지 않는 0 내지 10 ㎛ 두께의 표면 구역을 가지고, 기재의 표면에는 TiC_xN_y를 포함하는 적어도 하나의 하지층과, 알파상 Al₂O₃를 포함하는 최상부층을 포함하는 코팅층이 총 두께 10 내지 35 ㎛으로 형성된다.

하나 이상의 경사면과 하나 이상의 여유면에서, TiC_xN_y층의 두께는 4 내지 20 ㎛이고, 조성은 0.3 ≤ x ≤ 0.6, 0.4 ≤ y ≤ 0.8 (x+y=0.8 내지 1.1, x와 y는 유리수)이며, 전자현미경(SEM)으로 TiC_xN_y층 결정립을 관찰하였을 때, 주상정(柱狀晶)의 단축 방향 평균 크기가 100 ㎚ 내지 800 ㎚이다.

또한, 하나 이상의 경사면과 하나 이상의 여유면에서, Al₂O₃층은 코팅 초기부터 알파상이며, 알파상 Al₂O₃층의 두께는 4 내지 15 ㎛이고, X선 회절법으로 측정하였을 때, 전체 알파상 Al₂O₃층에 대해 (006) 방향의 집합조직계수가 4.5 내지 6.9 로 가장 높고, (110) 방향의 집합조직계수가 두 번째로 높고, (006) 방향과 (0012) 방향의 회절 강도 비율((006)/(0012))은 0.6 내지 2.0이다. 집합조직계수는, TC(hkl)=(I(hkl)/I₀(hkl))·((1/n)(n)Σ(n=1)((I(hkl)/I₀(hkl)))^-1로 계산되고, I(hkl) = 측정된 (hkl) 회절빔의 강도, I₀(hkl)= JCPDS 번호 46-1212의 표준 회절빔의 강도, n = 계산에 사용된 회절빔의 개수이며, 계산에 사용된 (hkl) 회절면은 (012), (104), (110), (006), (113), (116) 그리고 (300)으로 규정된다.

또한, 본 발명의 절삭 인서트의 기재는, 5 내지 7 중량%의 Co와, 0 내지 3 중량%의 입방탄화물, 입방탄질화물 또는 그 혼합물과, 잔부 WC을 포함하고, 입방탄화물, 입방탄질화물 또는 그 혼합물이 존재하지 않는 0 내지 5 ㎛ 두께의 표면 구역을 가질 수 있다.

X선 회절법으로 본 발명의 절삭 인서트의 코팅층 전체의 평균 응력을 측정하였을 때, 하나 이상의 경사면에서 알파상 Al₂O₃층의 전체 잔류 응력은 -300 내지 150 MPa이고, TiC_xN_y층의 전체 잔류 응력은 150 내지 450 MPa이며, 알파 Al₂O₃층의 잔류 응력 값과 TiC_xN_y층의 잔류 응력 값은 ± 20 %의 오차율 범위 내에서 비례하는 값을 가진다.

또는, X선 회절법으로 본 발명의 절삭 인서트의 코팅층 전체의 평균 응력을 측정하였을 때, 하나 이상의 여유면에서 알파상 Al₂O₃층의 전체 잔류 응력은 200 내지 500 MPa이고, TiC_xN_y층의 전체 잔류 응력은 300 내지 600 MPa이며, 알파 Al₂O₃의 잔류 응력 값과 TiC_xN_y층의 잔류 응력 값은 ± 20 %의 오차율 범위 내에서 비례하는 값을 가진다.

본 발명의 절삭 인서트의 TiC_xN_y층의 두께는 6 내지 15 ㎛이고, 조성은 0.3 ≤ x ≤ 0.6, 0.4 ≤ y ≤ 0.8 (x+y=0.8 내지 1.1, x와 y는 유리수)이며, 전자현미경(SEM)으로 TiC_xN_y층 결정립을 관찰하였을 때, 주상정(柱狀晶)의 단축 방향 평균 크기가 200 ㎚ 내지 600 ㎚이다.

본 발명의 절삭 인서트의 코팅층의 적층 방향과 수직인 방향으로 절삭 인서트 단면을 관찰하였을 때, 도5와 같이 TiC_xN_y층과 알파상 Al₂O₃층 사이에 있는 결합층의 최상단에서 상하로 각각 1.5 ㎛씩 이격되도록 선 두 개를 절삭 인서트 기재의 결합층의 표면을 따라 그었을 때, 두 선 사이에 존재하는 기공들의 장축 길이의 합은, 가상의 100 ㎛ 직선 길이에서 0 내지 40% 범위를 가진다.

본 발명의 절삭 인서트의 알파상 Al₂O₃층의 (006) 방향의 집합조직계수는 5 내지 6.7이다. 본 발명의 절삭 인서트의 알파상 Al₂O₃층의 (006) 방향의 집합조직계수는, 알파상 Al₂O₃층의 두께가 2 ㎛ 이하인 영역에서는, 4 이하의 값을 가진다.

X선 회절법 중 θ - 2θ 방법으로(normal scan) 본 발명의 절삭 인서트의 알파상 Al₂O₃층을 측정하였을 때, 알파상 Al₂O₃의 (006) 면과 (0012) 면의 강도비((006)/(0012))는 0.9 내지 1.5이다.

본 발명의 절삭 인서트의 경사면에서 50 × 50 ㎛ 크기의 영역 10개를 무작위로 선정하여 원자력현미경으로(AFM) 측정하였을 때, 알파상 Al₂O₃ 표면의 평균 거칠기는 0.01 내지 0.1 ㎛의 범위에 있다. 또는, 본 발명의 절삭 인서트의 경사면에서 50 × 50 ㎛ 크기의 영역 10개를 무작위로 선정하여 원자력현미경으로(AFM) 측정하였을 때, 알파상 Al₂O₃ 표면의 평균 거칠기는 0.02 내지 0.07 ㎛의 범위에 있다.

본 발명의 절삭 인서트에서는, 입방정 탄화물 또는 탄질화물의 공핍층이 매우 얇거나 없는 기재 위에, 주상정의 단축 방향 평균 크기가 100 ㎚ 내지 800 ㎚의 값을 갖고, 탄소에 비해 질소의 비율이 동등 이상인 TiC_xN_y층을 형성함으로써, TiC_xN_y의 주상정의 미세화를 통해 경도 및 파괴인성을 향상시키고, 충분한 질소 함량을 통해 내산화성을 향상시킴으로써, TiC_xN_y층의 물리적, 화학적 특성을 종래보다 크게 개선시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 TiC_xN_y층 위에는, 기공이 없거나 극소량만 존재하고, 비표면적이 커서 차후 형성될 알파상 Al₂O₃층과의 기계적 결합력이 강할 뿐만 아니라, 주철 및 흑연구상화 주철의 가공에 최적인 우선 배향 방향을 갖는 알파상 Al₂O₃층을 형성시킬 수 있는, 결합층을 형성함으로써, TiC_xN_y층과 알파상 Al₂O₃층 간의 상온 결합강도가 증진됨과 동시에, 절삭이 진행되는 고온에서도 두 층 사이의 미끄러짐 현상 및 급작스러운 파괴를 방지하여, 절삭시 코팅층의 박리를 방지하고 공구의 수명을 증가시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 절삭 인서트에서는, 주철 및 흑연구상화 주철에 가장 적합한, 알파상 Al₂O₃층의 최상층 부분은 (006) 방향이 주로 존재하고 기재 쪽으로 내려갈수록 (110) 방향이 혼재되는 양이 많아지는, (006) 방향과 (110) 방향이 혼재된 알파상 Al₂O₃층을 형성시키고, 또한 하지층을 이루는 TiC_xN_y의 인장 응력은 감소시키면서 알파상 Al₂O₃층 표면의 거칠기를 최소화함으로써, 피삭물의 표면 미끌어짐 효과를 극대화시키고 코팅층의 수직 방향으로 발생하는 균열을 방지하여, 종래에 제조되었던 절삭 공구보다 안정적이고 증가된 수명을 갖고, 더 가혹한 조건에서도 긴 수명이 보장되고 피삭물의 가공시간을 단축할 수 있는 절삭공구의 인서트를 제공할 수 있다.

도1은 본 발명에 따른 절삭 인서트의 코팅층 단면을 나타내는 전자현미경사진이다.
도2a 내지 도2e는 알파상 Al₂O₃층을 최상부로부터 결합층까지 제거해가면서, 알파상 Al₂O₃층 두께에 따른 집합조직계수를 X선 회절을 통해 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도3은 TiC_xN_y 주상정의 결정립을 보여주는 전자현미경사진이다.
도4는 도3에 나타난 TiC_xN_y 주상정의 결정립의 경계면을 선으로 나타낸 도면이다.
도5는 TiC_xN_y층의 일부, Al₂O₃층의 일부, 그리고 TiC_xN_y층과 Al₂O₃층 사이의 결합층을 보여주는 전자현미경사진이다.

본 발명의 절삭 인서트는 도1에 도시되어 있는 것처럼, 절삭 인서트의 기재(E) 위에 하지층은 TiC_xN_y층(B)으로 구성되고, 최외각층은 알파상 Al₂O₃층(C)으로 구성된다. TiC_xN_y층(B)과 알파상 Al₂O₃층(C) 사이에는 결합층(D)이 존재한다.

본 발명의 절삭 인서트의 기재는 4 내지 8 중량%, 바람직하게는 5 내지 7 중량%의 Co와, 0 내지 5 중량%, 바람직하게는 0 내지 3 중량%, 그리고 가장 바람직하게는 0 내지 2 중량%의 입방탄화물, 입방탄질화물 또는 그 혼합물과, 잔부 WC을 포함한다. 본 발명의 절삭 인서트의 기재에서, 입방탄화물, 입방탄질화물 또는 그 혼합물이 존재하지 않는 표면 구역은, 0 내지 10 ㎛, 바람직하게는 0 내지 6 ㎛, 가장 바람직하게는 0 내지 2 ㎛ 두께를 가진다.

본 발명의 절삭 인서트의 TiC_xN_y층은, 도3 및 도4에 도시되어 있는 것처럼, 기둥 형태의 결정립인 주상정(柱狀晶)으로 이루어지고, 주상정의 단축 방향의 평균 크기는 100 ㎚ 내지 800 ㎚, 바람직하게는 200 ㎚ 내지 600 ㎚의 값을 가진다. 예컨대, 도3 및 도4에 도시되어 있는 단면의 가로 폭(점선)의 길이는 16000nm인데, 이 점선에 걸리는 TiC_xN_y 주상정의 수는 44개이다. 따라서, 도3 및 도4에 도시된 예에서 주상정의 단축 방향의 평균 크기는 16000nm/44 = 364nm이다.

본 발명에서는 TiC_xN_y층을 형성할 때에, 기공 발생과 경도 감소를 유발할 수 있는 CO가스 및 다른 원소의 첨가를 배제함으로써, TiC_xN_y내의 탄소 함량이 높을 때 발생하는 내산화성의 감소를 막고, 코팅 온도, 기체의 순도 및 기체의 분압만을 조절하여 코팅을 한다. 한편, 이 때 발생하는 코팅 부착력 감소의 문제를 해결하기 위해, 본 발명에서는 코팅전 기재의 표면에 전처리를 할 수 있다.

이에 따라, 본 발명에서는 TiC_xN_y층이 0.3 ≤ x ≤ 0.6, 0.4 ≤ y ≤ 0.8 (x+y=0.8 내지 1.1, x와 y는 유리수)의 조성을 가져서, 이미 상용화되어 있는 절삭 인서트의 TiC_xN_y층보다 질소의 비율이 높다. 이러한 조성을 얻기 위해, 본 발명에서는 절삭 인서트의 기재 위에 먼저 TiC_xN_y (x ≤ 0.2, y ≥ 0.8) 조성의 삽입층을 형성시킬 수 있으며, 삽입층의 500 ㎚의 두께에서 관찰했을 때 결정립은 미세한 등방 형태를 가지고, 결정립 평균 크기는 100 ㎚ 미만, 바람직하게는 50 ㎚ 미만의 값을 가진다.

이처럼, 본 발명에서는 TiC_xN_y 주상정의 미세화를 통해 경도 및 파괴인성을 향상시키는 동시에, 충분한 질소 함량을 통해 내산화성을 향상시킴으로써, TiC_xN_y층의 물리적, 화학적 특성이 종래보다 크게 개선시킬 수 있다.

한편, 본 발명의 TiC_xN_y 주상정의 크기는, 코팅층의 표면을 매끄럽게 폴리싱(polishing)한 후, 전계 방출형 전자현미경 또는 쇼트키 타입의 전자현미경을 이용하여 5 Kev 이하의 전압으로 Back Scattering Mode로 측정하거나, 샘플 표면에서 저각으로 채널링(channeling)되어 발산되는 전자를 검출하는 검출기를 사용하여 측정할 수 있다. 이 때, 적어도 30개 이상의 주상정이 보이는 배율에서, 무작위로 10개 이상의 주상정을 선택하여 크기를 측정한다. 본 발명의 실시예에서는 Jeol사의 JSM-7600F 전자현미경의 Low Angle Back Scattering 검출기를 이용하여 측정하였다.

도5에 도시되어 있는 것처럼, TiC_xN_y층과 알파상 Al₂O₃층 사이의 결합층은, 상부가 날카로운 말단을 가지는 반원의 렌즈 형태가 연속적으로 배열된 형상을 이룬다. 도5는 결합층을 포함하는 코팅층의 단면을 도시하는데, 결합층에서 각각의 반원 렌즈 형태는 그 말단 또는 중간에서 서로 만나지 않으며, 이러한 형상은 그 위에 형성되는 알파상 Al₂O₃층의 코팅 시에 공극이 형성되지 않게 하여, TiC_xN_y층과 알파상 Al₂O₃층의 결합 강도를 극대화시킨다. 또한, TiC_xN_y층과 Al₂O₃층 사이에 있는 결합층의 상부를 연결한 선은, 코팅층 표면과 평행한 가상의 직선에 비해 적어도 3배 이상 길게 형성된다.

알파상 Al₂O₃층은 950 내지 1050℃, 30 내지 150 millibar 범위의 통상적인 조건에서 AlCl₃, CO₂ 가스 및 운반기체(carrier gas)를 이용하여 형성하는데, (006)과 (110)의 우선 배향 방향을 지니도록 형성된다. 도2는 최외각층으로 형성된 알파상 Al₂O₃층의 두께에 따른 X선 회절 결과를 나타낸다. 여기서, 전체 알파 Al₂O₃층의 집합조직계수를 계산하면 (006)이 가장 높은 값을 가지고 (110)이 두 번째로 높은 값을 가진다. 이는 냉각시 결합층과 알파상 Al₂O₃의 응력을 최소화하고, 알파상 Al₂O₃층 자체의 응력을 감소시킴으로써, 절삭시 알파상 Al₂O₃층 코팅의 박리를 최소화한다.

보다 구체적으로, 도2a부터 도2e에서 확인되는 것처럼, 초기 알파상 Al₂O₃는 a축인 (110) 방향이 우세하고, 코팅의 두께가 두꺼워질수록 c축인 (006) 방향이 서서히 우세해진다. 알파상 Al₂O₃층의 총 두께의 1/2 이상이 되는 두께부터는, 총 알파상 Al₂O₃의 집합조직계수를 계산했을 때, (006) 방향의 집합조직계수가 (110) 방향의 집합조직계수보다 높다. 이러한 형태의 코팅은, 알파상 Al₂O₃의 냉각시 발생되는 알파상 Al₂O₃의 자체 응력을 감소시키는 삽입층을 가지는 코팅과 같고, 초기부터 높은 수준의 일방향 또는 두 개 이상의 유사 방향이 높은 수준에 있는 코팅보다는 응력의 흐트러짐이 좋다.

또한, 알파상 Al₂O₃층의 (006) 방향과 (0012) 방향의 회절 강도 비율((006)/(0012))은 0.6 내지 2.0이다. (006) 방향과 (0012) 방향의 강도비는, 회절 강도의 측정이 시작되는 각도에서 끝나는 각도까지 입사빔의 조사각과 회절빔을 검출하는 검출각이 같은 각도로 움직이는 θ-2θ의 일반적인 X선 회절 조건에서 구한다.

위와 같이 형성되는 다층의 코팅층은, 평균 열팽창계수가 초경화합물인 기재보다 크기 때문에, 코팅 후 냉각 시 인장 응력을 가지게 된다. 인장 응력을 낮추거나 없애기 위해, 습식 샌드 블라스팅(wet sand blasting), 건식 샌드 블라스팅(dry sand blasting), 브러싱(brushing), 폴리싱(polishing), 레이저 처리(laser treatment), 숏 피닝(short peening), 바렐 연마(barrel machining), 화학 에칭(chemical etching), 그리고 그러한 방법을 조합한 방법을 수행할 수 있으며, 바람직하게는 건식 또는 습식 샌드 블라스팅과 폴리싱 또는 브러싱의 조합이 사용된다.

이러한 표면처리는 코팅층에 형성된 인장 응력을 낮추거나 없애는 동시에, 표면의 평탄화에도 기여한다.

알파상 Al₂O₃와 TiC_xN_y 코팅층의 잔류 응력은 ASTM No. E 1426-98의 "Standard Test Method for Determining the Effective Elastic Parameter for X-Ray Diffraction Measurements of Residual Stress"과 1987년 I.C. Noyan, J.B. Cohen 의 "Residual Stress Measurement by Diffraction and Interpretation", Springer-Verlag, New York 의 p.117 - 130에 개시된 sin²ψ 방법을 이용한 X선 회절법을 응용하여 평가되었다.

CuKα 방사선의 회절을 이용하여 평면의 인서트 표면에서 X선이 회절되는 각의 sin²ψ 범위가 0 - 1 (ψ=90°)의 등 간격을 갖고, 6 - 11개의 ψ 각도를 가지는 측면각을 사용하는 것이 권장된다. 2축 응력 상태를 확인하기 위해 샘플이 수평에서 회전하여 고정된 상태에서 양, 음의 ψ 각도로 기울이면서 측정한다. 오일러 크래들의 경우 이는 다른 ψ 각도 값에 대하여 Φ = 0°, 45°, 90°, 180°, 225°, 270°에서 샘플을 측정하여 이루어진다. 상기의 설명에서 ψ각은 X-선의 입사빔 방향과 샘플의 평면에서 직각을 이루는 각의 변환각으로 일반적인 오일러 크래들의 경우 0° 내지 90°의 각을 가지며 Φ각의 경우 샘플의 수평면이 회전하는 회전각이다.

본 발명의 알파상 Al₂O₃층과 TiC_xN_y층의 잔류 응력은 알파상 Al₂O₃의 (024)면과 TiCN의 (422)면에서 XRD를 이용하여 sin²ψ 방법으로 측정한다. 잔류 응력 측정은 Φ = 0°, 45°, 90°, 180°, 225°, 270° 에서 ψ 각도를 0 내지 70°에서 등각으로 7 등분하거나 0 내지 80°에서 8등분 하여 ψ 각도를 기울이며 측정한다. 코팅층 잔류 응력은 Panalytical 사의 Xpert Stress 와 같은 상용 소프트웨어를 사용하여 계산할 수 있다. 이 경우 TiC_xN_y층은 영률 E = 480 GPa, Poisson 비 ν = 0.20의 파라미터를 사용하고, 알파상 Al₂O₃층은 E = 381 GPa, Poisson 비 ν = 0.22의 파라미터를 사용하여 잔류 응력을 측정한다. 2축 응력 상태의 경우 인장 응력은 얻어진 2축 응력의 평균값으로 계산된다.

후술하는 실시예에서는, 상기에서 기술된 본 발명의 방법으로 제작한 절삭 인서트 및 종래기술의 절삭 인서트를 가지고 피삭물에 대한 가공을 실시하여, 내마모성, 인성, 그리고 절삭 인서트의 수명을 조사하였다. 그 결과, 본 발명의 기술로 제작한 절삭 인서트가 종래의 절삭 인서트에 비해 뛰어난 절삭 성능을 보였다.

후술하는 실시예에 제시된 자료는, 본 발명을 나타내는 예시적인 사항에 해당하는 것으로서, 본 발명의 범위 및 사상은 본 실시예들에 의해 제한되지 않는다.

[실시예 1]

본 특허에서 전술된 특징을 가지는 TiC_xN_y층 및 Al₂O₃층을 얻기 위한 통상적인 조건으로 표1과 같은 제조조건을 사용한다. 또한 TiC_xN_y 층을 코팅하기 전 초경기재와의 반응을 제어하기 위해 0.5 내지 1 ㎛의 TiN층을 삽입하며 이때 삽입되는 TiN층은 TiCl₄와 N₂ gas 비가 1:4인 조건에서 잔부 기체는 H₂로 하여 850 내지 925 ℃에서 형성한다. 또한 TiC_xN_y층과 Al₂O₃층 사이의 결합층은 측면에서 보았을 때 0.5 내지 1 ㎛의 침상형으로 가스의 양을 N₂ = 1 내지 7 %, CO = 0.4 내지 4 %, CH₄ = 4 내지 9 %, TiCl₄ = 0.4 내지 3.1 % 그리고 잔부 기체는 H₂로 하여 990 내지 1035 ℃의 온도 범위에서 형성한다.

[표 1]

[실시예 2]

실시예 2에서는 본 발명의 실험예 A, B와, 종래기술의 비교예 C, 그리고 본 발명과 종래기술을 혼합한 비교예 D, E의 절삭 인서트를 아래 표1과 같이 제작하였다. 절삭 성능을 정확하게 비교하기 위해, TiC_xN_y층의 총 두께는 9 ± 1 ㎛로, 알파상 Al₂O₃층의 총 두께는 6 ± 1 ㎛로 일치시켰으며, 응력과 표면 거칠기는 본 발명의 실험예 A와 동일한 조건으로 제작하였다.

[표 2]

표2에서 볼 수 있듯이, 본 발명의 실험예 A, B는 TiC_xN_y의 주상정의 단축 방향 평균 크기가 본 발명의 범위인 100 ㎚ 내지 800 ㎚ 내에 있고, TiC_xN_y의 질소 함량도 탄소 함량보다 많으며, Al₂O₃층에서 첫 번째로 높은 (006) 방향의 집합조직계수도 본 발명의 범위인 4.5 내지 6.9에 포함되고, Al₂O₃층에서 두 번째로 높은 집합조직계수도 (110) 방향이다. 반면, 종래기술의 비교예 C는 TiC_xN_y의 주상정의 단축 방향 평균 크기가 본 발명의 범위인 100 ㎚ 내지 800 ㎚로부터 벗어나 있고, TiC_xN_y의 탄소 함량도 질소 함량보다 많으며, Al₂O₃층에서 첫 번째 높은 (006) 방향의 집합조직계수도 본 발명의 범위인 4.5 내지 6.9 로부터 벗어나 있다. 유사하게, 본 발명과 종래기술을 혼합한 비교예 D는 TiC_xN_y의 주상정의 단축 방향 평균 크기 및 TiC_xN_y의 탄소 함량, 비교예 E는 Al₂O₃층에서 첫 번째 높은 집합조직계수가 본 발명의 범위에서 벗어나 있다.

[실시예 3]

본 발명의 실험예 A, B와, 종래기술의 비교예 C, 그리고 본 발명과 종래기술을 혼합한 비교예 D, E의 절삭 인서트의 마모 성능 및 인성 평가를 위해, 회주철 및 흑연구상화주철에 대해 아래 4가지 조건으로 절삭 성능 평가를 실시하였다. 각 실험예, 비교예마다 10개의 인서트를 사용하여 실험을 수행하였고, 10개 인서트의 절삭 성능의 평균으로 각 실험예 및 비교예들을 평가하였다.

[조건 1]

공구 형상: CNMA 120408 (No Chip-Breaker)

피삭재: GC300, 직경 200㎜,

절삭속도: V=400 m/min, 이송거리: f=0.3㎜/rev, 절삭깊이=2.0㎜

가공조건: 습식가공, 단면 가공

성능평가방법: 최대마모량/0.25㎜ 및 Al₂0₃층이 박리되는 가공횟수

[조건 2]

공구 형상: CNMA 120408 (No Chip-Breaker)

피삭재: GC300, 직경 200㎜, 4 flute 단속

절삭속도: V=400m/min, 이송거리: f=0.3㎜/rev, 절삭깊이=2.0㎜

가공조건: 습식가공, 단면 가공

성능평가 방법: 최대마모량/0.25㎜ 및 Al₂0₃층이 박리되는 가공횟수

[조건 3]

공구 형상: CNMA 120408 (No Chip-Breaker)

피삭재: GCD500, 직경 200 ㎜

절삭속도: V=210m/min, 이송거리: f=0.3㎜/rev, 절삭깊이=2.0㎜

가공조건: 습식가공, 단면 가공

[조건 4]

공구 형상: CNMA 120408 (No Chip-Breaker)

피삭재: GCD500, 직경 200 ㎜, 4 flute 단속

절삭속도: V=210m/min, 이송거리: f=0.3㎜/rev, 절삭깊이=2.0㎜

가공조건: 습식가공, 단면 가공

[표 3]

표 3에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실험예 A 및 B의 절삭 인서트가, 종래기술의 비교예 C, 그리고 본 발명과 종래기술을 혼합한 비교예 D, E의 절삭 인서트에 비해, 조건 1 내지 조건 4의 절삭 성능 평가 모두에서 마모 및 인성이 월등히 향상되었음을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 실험예들은 최대 마모량 도달까지의 가공 횟수나, Chipping 시작점까지의 가공횟수가 모두 현저히 높다. 또한, 흑연구상화 주철의 가공 시, 본 발명의 실험예 A 및 B가 Al₂O₃층의 박리를 현저하게 억제시킴을 알 수 있다.

[실시예 4]

실시예 4에서는 본 발명의 실험예 A의 절삭 인서트와, 회주철 및 흑연구상화 주철가공에 쓰이는 종래기술의 경쟁사 절삭 인서트에 해당하는 비교예 F, G, H, I, J의 특성치를 표4와 같이 측정하였다.

[표 4]

위 표4에서 비교예 F, G, H는 여유면 최상층의 종류가 본 발명과 상이할 뿐만 아니라, Al₂O₃층에서 첫 번째 높은 집합조직계수도 본 발명의 범위에서 벗어나 있다. 비교예 I는 알파상 Al₂O₃층에 있어서 본 발명과 동일한 (006) 방향 및 (110) 방향을 우선 배향 방향으로 하고 있으나, (006) 방향의 집합조직계수가 본 발명에서 벗어나 있다. 비교예 J는 (006) 방향의 집합조직계수가 본 발명의 범위에 포함되지만, Al₂O₃층에서 두 번째 높은 집합조직계수가 본 발명의 (110) 방향이 아니고, (006) 방향과 유사 방향인 (104) 방향이어서, 본 발명과는 구성이 다름을 알 수 있다.

[실시예 5]

실시예 5에서는 본 발명의 실험예 A와, 종래기술의 비교예 F 내지 J의 절삭 인서트의 마모 성능 및 인성 평가를 위해, 회주철 및 흑연구상화주철에 대해 실시예 3과 동일한 4가지 조건으로 절삭 성능 평가를 실시하였다. 각 실험예, 비교예마다 10개의 인서트를 사용하여 실험을 수행하였고, 10개 인서트의 절삭 성능의 평균으로 각 실험예 및 비교예들을 평가하였다.

[표 5]

위 표5에 나타난 본 발명의 실험예 A와 종래기술의 경쟁사 절삭 인서트(F, G, H, I, J)의 절삭 성능을 살펴보면, 본 발명의 실험예 A의 절삭 인서트의 마모 성능 및 인성이, 다른 모든 경쟁사 제품들보다 모든 부문에서 우수한 성능을 보이는 것을 알 수 있다. 특히, 절삭 결과 중 흑연구상화 주철의 가공에서 전체 코팅층 및 기재의 chipping 저항성이 탁월하며, 본 발명의 실험예에서는 가공 도중 발생되는 Al₂O₃의 박리 현상이 현저하게 억제됨을 알 수 있다.

[실시예 6]

표면 응력 값이 흑연구상화주철 가공 수명에 어떤 영향을 미치는지 확인하기 위해, 본 발명의 실험예 A와 동일한 알파상 Al₂O₃ 집합조직계수를 가지지만, 알파상 Al₂O₃ 경사면의 응력이 본 발명과 다른 절삭 인서트에 대해 절삭 성능을 평가하였다. 절삭 성능 평가는 실시예 3의 조건 3 및 조건 4와 동일한 조건으로 수행하였다.

[표 6]

위 표6에서 알 수 있는 것처럼, 알파상 Al₂O₃ 경사면의 잔존 응력이 0을 기준으로 ±300을 벗어날 때, 조건 3의 가공 중 chipping이 발생하고 전반적으로 절삭 성능이 저하됨을 알 수 있다. 또한, 잔존 응력이 0에 가까울수록 절삭 성능이 우수하다는 점을 알 수 있다.

이상의 실시예 2 내지 6의 실험 결과를 살펴보면, 본 발명의 절삭 인서트에 관한 조건을 모두 만족시켜야만, 주철 및 흑연구상화 주철의 선삭 가공시 공구의 수명을 결정하는 척도가 되는 공구의 마모, 코팅층의 박리, 공구의 치핑 및 파손을 최소화하는 절삭 인서트를 제공할 수 있다는 점을 알 수 있다.

Claims

하나 이상의 경사면과 하나 이상의 여유면을 포함하는 절삭 인서트이며,
상기 절삭 인서트의 기재는, 4 내지 8 중량%의 Co와, 0 내지 5 중량%의 입방탄화물, 입방탄질화물 또는 그 혼합물과, 잔부 WC을 포함하고,
상기 절삭 인서트의 기재는 입방탄화물, 입방탄질화물 또는 그 혼합물이 존재하지 않는 0 내지 10 ㎛ 두께의 표면 구역을 가지고, 상기 기재의 표면에는 TiC_xN_y를 포함하는 적어도 하나의 하지층과, 알파상 Al₂O₃를 포함하는 최상부층을 포함하는 코팅층이 총 두께 10 내지 35 ㎛로 형성되며,
상기 하나 이상의 경사면과 하나 이상의 여유면에서,
TiC_xN_y층의 두께는 4 내지 20 ㎛이고, 조성은 0.3 ≤ x ≤ 0.6, 0.4 ≤ y ≤ 0.8 (x+y=0.8 내지 1.1, x와 y는 유리수)이며, 전자현미경(SEM)으로 TiC_xN_y층 결정립을 관찰하였을 때, 주상정(柱狀晶)의 단축 방향 평균 크기가 100 ㎚ 내지 800 ㎚이고,
상기 하나 이상의 경사면과 하나 이상의 여유면에서,
Al₂O₃층은 코팅 초기부터 알파상이며, 알파상 Al₂O₃층의 두께는 4 내지 15 ㎛이고, X선 회절법으로 측정하였을 때, 전체 알파상 Al₂O₃층에 대해 (006) 방향의 집합조직계수가 4.5 내지 6.9 로 가장 높고, (110) 방향의 집합조직계수가 두 번째로 높고, (006) 방향과 (0012) 방향의 회절 강도 비율((006)/(0012)) 은 0.6 내지 2.0이며,
상기 집합조직계수는,
TC(hkl)=(I(hkl)/I₀(hkl))·((1/n)(n)Σ(n=1)((I(hkl)/I₀(hkl)))^-1로 계산되고,
I(hkl)= 측정된 (hkl) 회절빔의 강도;
I₀(hkl)= JCPDS 번호 46-1212의 표준 회절빔의 강도,
n= 계산에 사용된 회절빔의 개수이며,
계산에 사용된 (hkl) 회절면은 (012), (104), (110), (006), (113), (116) 그리고 (300)으로 규정되는, 절삭 인서트.
제1항에 있어서,
상기 절삭 인서트의 기재는, 5 내지 7 중량%의 Co와, 0 내지 3 중량%의 입방탄화물, 입방탄질화물 또는 그 혼합물과, 잔부 WC을 포함하고, 입방탄화물, 입방탄질화물 또는 그 혼합물이 존재하지 않는 0 내지 5 ㎛ 두께의 표면 구역을 가지는, 절삭 인서트.
제1항에 있어서,
X선 회절법으로 코팅층 전체의 평균 응력을 측정하였을 때, 하나 이상의 경사면에서 알파상 Al₂O₃층의 전체 잔류 응력은 -300 내지 150 MPa이고, TiC_xN_y층의 전체 잔류 응력은 150 내지 450이며, TiC_xN_y층의 잔류 응력 값은 알파 Al₂O₃층의 잔류 응력 값과 ± 20 %의 오차율 범위 내에서 비례하는 값을 갖는, 절삭 인서트.
제1항에 있어서,
X선 회절법으로 코팅층 전체의 평균 응력을 측정하였을 때, 하나 이상의 여유면에서 알파상 Al₂O₃층의 전체 잔류 응력은 200 내지 500 MPa이고, TiC_xN_y층의 전체 잔류 응력은 300 내지 600 MPa이며, TiC_xN_y층의 잔류 응력 값은 알파 Al₂O₃층의 잔류 응력 값과 ± 20 %의 오차율 범위 내에서 비례하는 값을 갖는, 절삭 인서트.
제1항에 있어서,
TiC_xN_y층의 두께는 6 내지 15 ㎛이고, 조성은 0.3 ≤ x ≤ 0.6, 0.4 ≤ y ≤ 0.8 (x+y=0.8 내지 1.1, x와 y는 유리수)이며, 전자현미경(SEM)으로 TiC_xN_y층 결정립을 관찰하였을 때, 주상정(柱狀晶)의 단축 방향 평균 크기가 200 ㎚ 내지 600 ㎚인, 절삭 인서트.
제1항에 있어서,
코팅층의 적층 방향과 수직인 방향으로 절삭 인서트 단면을 관찰하였을 때, TiC_xN_y층과 알파상 Al₂O₃층 사이에 있는 결합층의 최상단에서 상하로 각각 1.5 ㎛씩 이격되도록 선 두 개를 절삭 인서트 기재의 결합층의 표면을 따라 그었을 때, 두 선 사이에 존재하는 기공들의 장축 길이의 합이, 가상의 100 ㎛ 직선길이에서 0 내지 40% 범위를 가지는, 절삭 인서트.
제1항에 있어서,
알파상 Al₂O₃층의 (006) 방향의 집합조직계수가 5 내지 6.7인, 절삭 인서트.
제1항에 있어서,
알파상 Al₂O₃층의 (006) 방향의 집합조직계수는, 알파상 Al₂O₃층의 두께가 2 ㎛ 이하인 영역에서 4 이하의 값을 갖는, 절삭 인서트.
제1항에 있어서,
X선 회절법 중 θ - 2θ 방법으로(normal scan) 측정하였을 때, 알파상 Al₂O₃의 (006) 면과 (0012) 면의 강도비((006)/(0012))가 0.9 내지 1.5 인, 절삭 인서트.
제1항에 있어서,
절삭 인서트의 경사면에서 50 × 50 ㎛ 크기의 영역 10개를 무작위로 선정하여 원자력현미경으로(AFM) 측정하였을 때, 알파상 Al₂O₃ 표면의 평균 거칠기가 0.01 내지 0.1 ㎛의 범위에 있는, 절삭 인서트.
제1항 또는 제9항에 있어서,
절삭 인서트의 경사면에서 50 × 50 ㎛ 크기의 영역 10개를 무작위로 선정하여 원자력현미경으로(AFM) 측정하였을 때, 알파상 Al₂O₃ 표면의 평균 거칠기가 0.02 내지 0.07 ㎛의 범위에 있는, 절삭 인서트.