KR20190124217A

KR20190124217A - 코팅된 절삭 공구

Info

Publication number: KR20190124217A
Application number: KR1020197023989A
Authority: KR
Inventors: 레이프 오케손; 안데르스 스텐베리; 칼-요한 마데루드; 수산네 노르그렌; 뉘로트 엘리아스 포르스벡; 오케 외스트룬드; 얀 엥크비스트
Original assignee: 산드빅 인터렉츄얼 프로퍼티 에이비
Priority date: 2017-02-28
Filing date: 2018-02-27
Publication date: 2019-11-04
Also published as: RU2019126943A3; RU2019126943A; US11185929B2; EP3366796A1; KR102460331B1; CN110268081B; JP2020514089A; WO2018158245A1; JP7104715B2; RU2758424C2; EP3589768A1; US20210138556A1; CN110268081A

Abstract

본 발명은 WC, 금속 바인더상 및 감마상을 포함하는 초경합금 기재를 가지는 코팅된 절삭 공구에 관한 것으로, 초경합금은 잘 분산된 감마상을 가지고, 또한 초경합금은 감소된 양의 비정상 WC 결정립들을 갖는다. 또한, 코팅된 절삭 공구는 TiCN 및 α-Al₂O₃ 층을 포함하는 CVD 코팅을 가지고, 상기 α-Al₂O₃ 층은 조직 계수 TC(0 0 12) ≥ 7.2 를 나타내고, 비율 I(0 0 12)/I(0 1 14) 은 ≥ 1 이다. 본 발명에 따른 코팅된 절삭 공구는 인성을 유지하면서 소성 변형에 대한 증가된 저항을 갖는다.

Description

코팅된 절삭 공구

본 발명은 기재 및 코팅을 포함하는 금속의 첩 성형 기계가공을 위한 코팅된 절삭 공구에 관한 것이고, 여기에서 코팅된 선삭용 인서트는 강을 기계가공하는데 특히 적합하다.

CVD 코팅을 갖는 감마상이 고갈된 바인더상 풍부 표면 구역을 가지는 초경합금 기재를 갖는 절삭 공구는 선삭 작업의 기술 분야에서 잘 공지되어 있다.

하지만, 인서트와 같은 절삭 공구의 성능을 향상시키기 위한 지속적인 노력이 항상 존재한다. 더 긴 공구 수명은 생산 비용 등의 감소로 이어진다.

소성 변형은 절삭 작업의 마모 메커니즘 중 하나이다. 일반적으로 소성 변형에 대한 저항을 향상시키고자 할 때, 기재의 인성은 감소된다.

본 발명의 일 목적은 인성을 유지하면서 소성 변형에 대한 향상된 저항을 달성하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 인성을 향상시키면서 동시에 소성 변형에 대한 향상된 저항을 달성하는 것이다.

본 발명은 초경합금 기재 및 코팅을 포함하는 코팅된 절삭 공구에 관한 것이다. 초경합금 기재는 WC, 코발트 바인더상 및 감마상을 포함하고, 초경합금 기재는 감마상이 고갈된 바인더상 풍부 표면 구역을 포함하고, 여기에서 표면 구역의 두께는 14 ~ 26 ㎛ 이고, 또한 초경합금은 N 이 80 ㎛² 미만이도록 잘 분산된 감마상을 갖고, 여기에서

이고, 여기에서 X (㎛²) 는 EBSD 분석으로부터 얻어진 누적 플롯에서 0.90 의 누적 상대 면적 (y-축) 에서의 입자 면적 (x-축) 이고, 여기에서 감마상 입자들의 누적 상대 입자 면적 (y-축) 은 입자 면적 (x-축) 에 대해 플로팅된다.

Y 는 보정 계수

이고, 여기에서 면적 분율은 EBSD 분석으로부터 얻어진다.

더욱이,

으로서 규정된 EBSD 분석으로부터 얻어진 비정상 WC 결정립들의 면적 분율은 0 ~ 0.03 이다.

코팅은 α-Al₂O₃ 층을 포함하고, 상기 기재와 상기 α-Al₂O₃ 층 사이에서 코팅은 TiCN 층을 포함하고, 상기 α-Al₂O₃층은 Harris 공식

에 따라 규정된 CuKα방사선 및 θ-2θ 스캔을 사용하여 X-선 회절에 의해 측정된 바와 같은 조직 계수 TC(hkl) 를 나타내고, 여기에서 I(hkl) 는 (hkl) 반사의 측정된 강도 (적분 면적) 이고, I₀(hkl) 는 ICDD's PDF-card No. 00-010-0173 에 따른 표준 강도이고, n 은 연산에 사용된 반사의 개수이고, 사용된 (hkl) 반사는 (1 0 4), (1 1 0), (1 1 3), (0 2 4), (1 1 6), (2 1 4), (3 0 0) 및 (0 0 12) 이고, TC(0 0 12) 는 ≥ 7.2 이고, I(0 0 12)/I(0 1 14) 의 비는 ≥ 1 이다.

본 발명에 따른 초경합금의 특성들은 전자후방산란회절 (EBSD; Electron backscatter diffraction) 을 사용하여 수행된다. EBSD 는, 정의된 거리 (스텝 크기) 만큼 샘플 표면을 가로지르는 빔을 스테핑하고 또한 샘플이 수평에 대해 70˚ 로 틸팅될 때 생성된 회절 패턴으로부터 각 스텝에서 샘플의 상과 결정학적 배향을 결정하는 SEM 방법이다. 이러한 정보는 결정립계들, 상들 및 결정립들의 크기와 상대 위치를 결정하기 위해 결정학적 정보를 사용하여 쉽게 평가될 수 있는 샘플 미세조직의 맵들을 생성하는데 사용될 수 있다.

초경합금은 가능한 한 적은 비정상 WC 결정립들을 가져야 한다. 비정상 WC 결정립은 일반적으로 평균 WC 결정립 크기보다 몇 배 더 큰 WC 결정립을 의미한다. 본원에서 비정상 WC 결정립들의 양은 초경합금 재료의 EBSD 분석으로부터 결정된다.

비정상 WC 결정립들의 면적 분율은, WC 결정립들의 총 면적과 관련하여, WC 결정립들에 대한 평균 면적 (αWC_av) 의 10 배보다 더 큰 WC 결정립들의 면적 분율로서 규정된다.

본 발명에 따라, 비정상 결정립들의 면적 분율은 0 ~ 0.03, 바람직하게는 0 ~ 0.025, 더 바람직하게는 0 ~ 0.02 이다.

입방정 탄화물 및/또는 탄질화물의 고용체인 감마상은 입방정 탄화물 및/또는 탄질화물 및 WC 로부터 소결되는 동안 형성되고, 또한 (W,M)C 또는 (W,M)(C,N) 로서 기재될 수 있고, 여기에서 M 은 Ti, Ta, Nb, Hf, Zr, Cr 및 V 중 하나 이상이다.

본 발명의 일 실시형태에서, 초경합금은 0.5 ~ 2.5 wt%, 바람직하게는 1 ~ 1.5 wt% 의 양으로 NbC 를 포함한다. 더욱이, 초경합금은 2.5 ~ 4.5 wt%, 바람직하게는 3 ~ 4 wt% 의 양으로 TaC 를 포함한다. 더욱이, 초경합금은 1.8 ~ 3.3 wt%, 바람직하게는 2 ~ 3 wt% 의 양으로 TiC 를 포함한다.

감마상의 양은 적합하게는 3 ~ 25 vol%, 바람직하게는 5 ~ 17 vol% 이다. 이는 상이한 방법들로, 예컨대 감마상의 평균 분율을 계산하기 위해 기재 단면의 주사 전자 현미경 (SEM) 의 현미경 사진 또는 광 광학 현미경 (LOM) 의 이미지를 이미지 분석함으로써 측정될 수 있다. 초경합금이 표면 구역에서 구배를 가질 때, 본원에서 주어진 바와 같은 감마상의 양은 벌크로 측정된다. 또한 감마상의 양은 EBSD 분석으로부터 검색될 수 있다.

감마상의 분포는 가능한 한 균일해야 한다. 감마상의 EBSD 분석은 감마상 결정립들이 아닌 감마상 입자들에 대해 수행되었다. EBSD 데이터의 처리를 통해, 입자들 또는 결정립들의 측정 여부를 선택할 수 있다. 결정립은 본원에서 단결정을 의미하는 반면, 입자는 서로 직접 접촉하는 2 개 이상의 결정립들을 의미한다.

본 발명에 따라, 감마상은 제어된 입자 크기로 잘 분포되어 있다.

감마상의 분포는 EBSD 분석에 의해 결정되고, 또한 값 N 에 의해 주어진다:

EBSD 분석으로부터 감마상 입자들의 누적 상대 입자 면적 (y-축) 은 입자 면적 (x-축) 에 대해 플로팅된다. 도 1 이 참고된다. 누적 플롯 (0 ~ 1) 으로부터, 0.90 의 누적 상대 면적 (y-축) 에서의 입자 면적 (x-축), 즉 값 X (㎛²) 가 달성된다. 값이 0.90 에 정확하게 일치하지 않으면, 0.90 미만 및 초과의 2 개의 값들의 평균이 X 로서 사용된다.

값 Y 는 초경합금에서 상이한 양의 감마상을 서로 연관시키기 위한 보정 계수이다. Y 는 입방정 탄화물과 입방정 탄질화물 (감마상) 의 면적 분율을 탄화물과 탄질화물, 즉 WC (육방정) 과 감마상 (입방정) 의 총 양으로 나눈 비율이다. 면적 분율들은 EBSD 데이터로부터 얻어진다.

본 발명에 따라, 감마상 분포, 즉 N 은 적합하게는 80 ㎛² 미만, 바람직하게는 15 ~ 75 ㎛², 더 바람직하게는 35 ~ 70 ㎛² 이다.

표면 구역의 두께는 적합하게는 10 ~ 35 ㎛, 바람직하게는 14 ~ 26 ㎛ 이다. 두께는 감마상이 고갈된 표면 구역과 감마상 함유 벌크 사이의 경계와 기재의 표면 사이에서 측정된다. SEM 또는 LOM 이미지에서, 이러한 경계는 매우 뚜렷하기 때문에 식별하기 쉽다. 표면 구역의 두께의 측정은 바람직하게는 절삭 엣지에 너무 근접하지 않은 편평한 표면에서, 바람직하게는 플랭크면에서 행해져야 한다. 그것은 본원에서 측정들이 절삭 엣지로부터 적어도 0.3 mm 에서 수행되어야 한다는 것을 의미한다.

바인더 풍부는 본원에서 표면 구역 내 바인더상 함량이 벌크 내 바인더상 함량의 적어도 1.3 배이다는 것을 의미한다. 표면 구역 내 바인더상 함량은 적합하게는 표면 구역의 총 두께/깊이의 절반 깊이에서 측정된다. 벌크는 본원에서 표면 구역이 아닌 영역으로서 규정된다. 벌크에서 수행된 모든 측정들은 표면 구역에 너무 근접하지 않은 영역에서 수행되어야 한다. 그것은 본원에서 벌크의 미세조직에 대해 행해진 어떠한 측정들도 표면으로부터 적어도 100 ㎛ 의 깊이에서 수행되어야 한다는 것을 의미한다.

감마상의 고갈은 본원에서 표면 구역이 감마상 입자들을 함유하지 않거나 매우 적은 감마상 입자들을 함유한다는 것을 의미한다.

코발트의 양은 소결된 보디의 5 ~ 17 wt%, 적합하게는 8 ~ 12 wt% 이다.

본 발명의 일 실시형태에서, Cr 이 초경합금 내에 존재하는 경우, Cr 의 일부가 바인더상에 용해된다.

초경합금은 또한 초경합금의 기술 분야에서 통상적인 다른 성분들을 포함할 수 있다. 재활용 재료 (PRZ) 가 사용되는 경우, 그러한 Zr, V, Zn, Fe, Ni 및 Al 이 또한 소량으로 존재할 수 있다.

본 발명에 따른 코팅은 α-Al₂O₃ 층을 포함하고, 상기 기재와 상기 α-Al₂O₃ 층 사이에서 코팅은 TiCN-층을 포함한다. α-Al₂O₃은 Harris 공식

에 따라 규정된 CuKα방사선 및 θ-2θ 스캔을 사용하여 X-선 회절에 의해 측정된 바와 같은 조직 계수 TC(hkl) 를 나타내고, 여기에서 I(hkl) 는 (hkl) 반사의 측정된 강도 (적분 면적) 이고, I₀(hkl) 는 ICDD's PDF-card No. 00-010-0173 에 따른 표준 강도이고, n 은 연산에 사용된 반사의 개수이고, 사용된 (hkl) 반사는 (1 0 4), (1 1 0), (1 1 3), (0 2 4), (1 1 6), (2 1 4), (3 0 0) 및 (0 0 12) 이고, TC(0 0 12) ≥ 7.2, 바람직하게는 ≥ 7.4, 더 바람직하게는 ≥ 7.5, 더 바람직하게는 ≥ 7.6, 가장 바람직하게는 ≥7.7, 그리고 바람직하게는 ≤ 8 이고; I(0 0 12)/I(0 1 14) 의 비는 ≥ 1, 바람직하게는 ≥ 1.5, 더 바람직하게는 ≥ 1.7, 가장 바람직하게는 ≥ 2 이고, I(0 0 12) 는 0 0 12 반사의 측정된 강도 (적분 면적) 이고, I(0 1 14) 는 0 1 4 반사의 측정된 강도 (적분 면적) 이다. I(0 1 14) 보다 크거나 같은 I(0 0 12) 와 조합하여 이러한 높은 TC(0 0 12) 을 갖는 α-Al₂O₃ 층은 이의 예상치 못한 높은 크레이터 및 플랭크 내마모성으로 인해 절삭 공구에서 층으로서 유리한 것으로 나타났다.

α-Al₂O₃ 층은 열적 CVD 로 통상적으로 디포짓된다. HTCVD 는 본원에서 950 ~ 1050 ℃ 의 온도 범위 내의 CVD 프로세스로서 정의되고, MTCVD 는 800 ~ 950 ℃ 의 온도 범위 내의 CVD 프로세스로서 정의된다.

α-Al₂O₃ 층은 적어도 절삭 작업에서 절삭 시에 맞물리게 되는 절삭 공구의 면적을 커버하고, 적어도 크레이터 마모 및/또는 플랭크 마모에 대해 노출된 면적들을 커버한다. 대안적으로, 전체 절삭 공구는 α-Al₂O₃ 층 및/또는 코팅의 임의의 추가의 층으로 코팅될 수 있다.

강한 <0 0 1> 조직은 본원에서 <0 0 1> 결정학적 방향을 따라서 통계적으로 바람직한 성장을 의미하고, 즉 α-Al₂O₃ 결정립들은 기재 표면에 평행한 다른 결정학적 평면들보다 보다 빈번하게 기재 표면에 평행한 (0 0 1) 결정학적 평면으로 성장한다. <h k l> 결정학적 방향을 따르는 바람직한 성장을 표현하기 위한 수단은 각각의 샘플에 대해 측정된 정의된 XRD 반사 세트에 근거하여 Harris 공식 (상기 공식 (1)) 을 사용하여 계산된 조직 계수 TC (h k l) 이다. XRD 반사 강도는 동일한 재료, 즉 α-Al₂O₃ 의 XRD 반사 강도를 나타내지만 예컨대 재료 분말에서 랜덤 배향을 갖는 JCPDF-card 를 사용하여 표준화된다. 결정질 재료의 층의 조직 계수 TC (h k l) > 1 은, 결정질 재료의 결정립들이 적어도 조직 계수 TC 를 결정하기 위한 Harris 공식에서 사용된 XRD 반사와 비교하여 랜덤 분포보다 더 빈번하게 기재 표면에 평행한 (h k l) 결정학적 평면으로 배향된다는 표시이다. 조직 계수 TC (0 0 12) 는 본원에서 <0 0 1> 결정학적 방향을 따르는 바람직한 결정 성장을 나타내기 위해 사용된다. (0 0 1) 결정학적 평면은 α-Al₂O₃ 결정학적 시스템에서 (0 0 6) 및 (0 0 12) 결정학적 평면들에 평행하다.

본 발명의 일 실시형태에서, α-Al₂O₃ 층의 두께는 2 ~ 20 ㎛, 바람직하게는 2 ~ 10 ㎛, 가장 바람직하게는 3 ~ 7 ㎛ 이다.

코팅은 기재와 α-Al₂O₃ 층 사이에 위치된, 바람직하게는 MTCVD 코팅된, TiCN 층을 더 포함한다. TiCN 층의 결정립들은 주상이다. 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 TiCN 층의 두께는 4 ~ 20 ㎛, 바람직하게는 4 ~ 15 ㎛, 가장 바람직하게는 5 ~ 12 ㎛ 이다. TiCN 는 본원에서 Ti(C_x,N_1-x) 을 의미하고, 여기에서 0.2≤x≤0.8, 바람직하게는 0.3≤x≤0.7, 더 바람직하게는 0.4≤x≤0.6 이다. TiCN 의 C/(C+N) 비는 예를 들어 전자 마이크로 프로브 분석으로 측정될 수 있다.

코팅은 TiCN 층의 최외측에 위치되고 α-Al₂O₃ 층에 인접하는 TiN, TiCN, TiCNO 및/또는 TiCO 또는 이들의 조합, 바람직하게는 TiCN 및 TiCNO 을 포함하는 결합층을 추가로 포함한다. 바람직하게는, 결합층은 HTCVD 디포짓된다. 결합층은 TiCN 층과 α-Al₂O₃ 층 사이의 접착력을 강화시키기 위한 것이다. 결합층은 α-Al₂O₃ 층의 디포지션 전에 바람직하게는 산화된다. 상기 결합층의 두께는 바람직하게는 0.5 ~ 2 ㎛, 가장 바람직하게는 1 ~ 2 ㎛ 이다.

본 발명의 일 실시형태에서, α-Al₂O₃ 층과 기재 사이에 위치된 TiCN 층은 Harris 공식 (1) 에 따라 규정된 CuKα방사선 및 θ-2θ 스캔을 사용하여 X-선 회절에 의해 측정된 바와 같은 조직 계수 TC(hkl) 를 나타내고, 여기에서 I(hkl) 는 (hkl) 반사의 측정된 강도 (적분 면적) 이고, I₀(hkl) 는 ICDD's PDF-card No. 42-1489 에 따른 표준 강도이고, n 은 반사의 개수이고, 연산에 사용된 반사는 (1 1 1), (2 0 0), (2 2 0), (3 1 1), (3 3 1), (4 2 0), (4 2 2) 및 (5 1 1) 이고, TC(2 2 0) 은 ≤ 0.5, 바람직하게는 ≤ 0.3, 더 바람직하게는 ≤ 0.2, 가장 바람직하게는 ≤ 0.1 이다. (2 2 0) 으로부터 낮은 강도는 이것이 후속 α-Al₂O₃ 층의 강한 <0 0 1> 조직을 촉진시키는 것으로 보인다는 점에서 유리한 것으로 나타났다. 낮은 TC(2 2 0) 을 달성하는 일 방법은 비교적 높은 레벨로 MTCVD TiCN 디포지션의 초기 부분에서, 바람직하게는 시작 시에 TiCl₄/CH₃CN 의 체적 비율을 조정하는 것이다.

본 발명의 일 실시형태에서, TiCN 층은 TC(4 2 2) ≥ 3, 바람직하게는 ≥ 3.5 를 나타낸다. 본 발명의 일 실시형태에서, TiCN 층은 TC(3 1 1) + TC(4 2 2) ≥ 4, 바람직하게는 ≥ 5, 더 바람직하게는 ≥ 6, 가장 바람직하게는 ≥ 7 을 나타낸다. 이러한 TC 값들은 Harris 공식 (1), ICDD's PDF-card no 42-1489 및 반사 (1 1 1), (2 0 0), (2 2 0), (3 1 1), (3 3 1), (4 2 0), (4 2 2) 및 (5 1 1) 을 사용하여 계산된다.

본 발명의 일 실시형태에서, 코팅된 절삭 공구는 코팅된 절삭 공구들의 기술 분야에서 통상적인 후처리, 예컨대 블라스팅, 브러싱 등을 받게 된다.

절삭 공구는 본원에서 인서트, 바람직하게는 선삭용 인서트를 의미한다.

코팅된 절삭 공구 인서트는 적합하게는 강, 주철 또는 스테인리스 강을 선삭하기 위한 선삭용 인서트이다.

도 1 은 누적 상대 면적 (y-축) 이 입자 면적 (x-축) 에 대해 플로팅되는 누적 플롯을 도시한다.

실시예 1

초경합금 기재들은 우선 에탄올 및 물 (9 wt% 의 물) 의 밀링액에서 (Ta,Nb)C, (Ti,W)C 및 Ti(C,N) 와 함께 재순환된 초경합금 재료 (PRZ) 를 예비 밀링함으로써 제조되었다. 분말과 밀링액 사이의 비율은 슬러리가 밀링 챔버와 홀딩 탱크 사이에서 재순환되는 수평 교반 밀인 Netzsch 의 LMZ10 이라 불리는 교반 밀에서 232 kg 의 분말/80 L 의 밀링액이였다. 슬러리는 650 rpm 에서 30 kWh 의 축적 에너지에 대해 밀링되었다.

PRZ, 즉 재순환 재료의 양은 총 분말 중량의 20 wt% 이다. 표 2 에서, 사용된 PRZ 에 대한 wt% 의 조성, 배치 번호 828 이 나타내어 진다. 나머지 원료는 표 1 의 조성이 얻어지도록 그러한 양으로 첨가된다.

예비 밀링 단계 후에, 800 kg 의 분말/160 L 의 밀링액이 되도록, WC, Co 분말 및 PEG (폴리 에틸렌 글리콜) 이 슬러리에 첨가되었고 또한 밀링액이 슬러리에 첨가되었고, 그런 다음 모든 분말들이 650 rpm 에서 90 kWh 의 축적 에너지에 대해 함께 밀링되었다.

PEG 의 양은 총 건조 분말 중량의 2 wt% 였다 (PEG 는 총 건조 분말 중량에 포함되지 않음).

WC 분말은 Wolfram Bergbau und Hutten AG 에서 구입한 HTWC040 이라 불리는 고온 침탄된 WC 였다. ASTM 밀링 후 평균 입자 크기 (FSSS) 는 3.9 ㎛ 였다.

그런 다음 슬러리는 응집체들로 분무 건조되었고, 그런 다음 응집체들은 그린 보디들을 형성하기 위해 Fette 로부터의 유압 프레스에서 가압 작업을 받게 된다.

그런 다음 그린 보디들은 우선 최대 450 ℃ 에서 H₂ 에서 탈랍 (dewaxing) 을 수행하고, 최대 1350 ℃ 로 진공 가열함으로써 소결되었다. 그 후에, 유동하는 20 mbar 의 Ar 및 20 mbar 의 CO 의 보호 분위기가 도입되고, 그런 다음 1 시간 동안 1450 ℃ 에서 온도를 유지시킨다.

달성된 초경합금은 이후에 본 발명 1 으로 표시된다.

비교를 위해, 기재는 우선 11 시간 동안 종래의 볼 밀에서 모든 원료 분말들을 밀링함으로써 초경합금 기재의 제조에 의해 제조되었고, 즉 예비 밀링은 수행되지 않았다.

원료들은 본 발명 3 와 동일하고, 다른 PRZ 배치 (배치 757) 의 총 분말 중량의 15 wt% 가 사용되었고 (표 2 참조), 7.0 ㎛ 의 ASTM-밀링 후에 평균 입자 크기 (FSSS) 를 갖는 종래의 WC (고온 침탄되지 않음) 이 사용되었다는 차이가 있다. 다른 원료들의 양은 표 1 에 따른 조성이 달성되도록 그러한 양으로 첨가된다.

달성된 초경합금은 이후에 비교예 1 으로 표시된다.

[표 1]

[표 2]

PRZ-분말 (최대 100%) 의 나머지는 미량의 Fe, Ni 및 Al 이다.

달성된 재료들, 즉 본 발명 1 및 비교예 1 모두는 각각 22 및 23 ㎛ 의 두께로 감마상이 고갈된 바인더상 풍부 표면 구역을 갖는다.

그런 다음 초경합금 기재들에는 코팅이 제공되었다. 우선, 초경합금 기재들은 885 ℃ 에서 TiCl₄, CH₃CN, N₂, HCl 및 H₂ 를 사용하는 잘 공지된 MTCVD 기술을 사용함으로써 대략 0.4 ㎛ 의 얇은 TiN-층으로 코팅되었고, 그런 다음 대략 7 ㎛ 의 TiCN 층으로 코팅되었다. TiCN 층의 MTCVD 디포지션의 초기 부분에서 TiCl₄/CH₃CN 의 체적 비율은 6.6 이였고, 3.7 의 TiCl₄/CH₃CN 의 비율을 사용하는 주기가 이어졌다. TiN 및 TiCN 디포지션의 세부 사항은 표 3 에 제시되어 있다.

[표 3] (TiN 및 TiCN 의 MTCVD)

MTCVD TiCN 층의 상부에는, 4 개의 별개의 반응 스텝들로 이루어진 프로세스에 의해 1000 ℃ 에서 디포짓된 1 ~ 2 ㎛ 두께의 결합층이 있었다. 우선, HTCVD TiCN 스텝은 400 mbar 에서 TiCl₄, CH₄, N₂, HCl 및 H₂ 를 사용하고, 그런 다음 제 2 스텝 (TiCNO-1) 은 70 mbar 에서 TiCl₄, CH₃CN, CO, N₂ 및 H₂ 를 사용하고, 그런 다음 제 3 스텝 (TiCNO-2) 은 70 mbar 에서 TiCl₄, CH₃CN, CO, N₂ 및 H₂ 를 사용하고, 및 마지막으로 제 4 스텝 (TiCNO-3) 은 70 mbar 에서 TiCl₄, CO, N₂ 및 H₂ 를 사용한다. 제 3 디포지션 단계 및 제 4 디포지션 단계 동안, 가스 중 일부가 표 4 에 제시된 제 1 시작 레벨 및 제 2 정지 레벨에 의해 표시된 바와 같이 연속적으로 변화되었다. 후속 Al₂O₃ 핵생성의 시작 전에, 결합층은 CO₂, CO, N₂ 및 H₂ 의 혼합물에서 4 분 동안 산화되었다. 결합층 디포지션의 세부 사항은 표 4 에 제시되어 있다.

[표 4] (결합층 디포지션)

결합층의 상부에 α-Al₂O₃ 층이 디포짓되었다. 모든 α-Al₂O₃ 층들이 1000 ℃ 및 55 mbar 에서 2 단계로 디포짓되었다. 제 1 단계는 1.2 vol-% 의 AlCl₃, 4.7 vol-% 의 CO₂, 1.8 vol-% 의 HCl 및 약 0.1 ㎛ 의 α-Al₂O₃ 를 제공하는 나머지 H₂ 를 사용하고, α-Al₂O₃ 층의 제 2 단계는 1.2 % 의 AlCl₃, 4.7 % 의 CO₂, 2.9 % 의 HCl, 0.58 % 의 H₂S 및 나머지 H₂ 를 사용하여 디포짓되었다.

실시예 2 (조직 분석)

XRD 는 전술한 바와 같은 방법에 따라 α-Al₂O₃ 및 TiCN 의 TC 값들을 분석하는데 사용되었다. 층 두께는 1000x 배율에서 각 코팅의 단면을 연구함으로써 광 광학 현미경에서 분석되었고, 양자의 결합층과 초기 TiN 층은 표 5 에서 주어진 TiCN 층 두께 내에 포함된다. 표 5 에서, 상업용 등급 GC4235 인 기준 (비교예 1) 이 또한 포함된다. 본 발명 1 및 비교예 1 의 2 개의 샘플들은 각각 분석되었다. 결과는 표 5 에 제시된다.

[표 5] (두께 및 회절 데이터)

본 발명에 따른 인서트들은 수중 알루미나 슬러리를 사용하여 습식 블라스팅 장비에서 레이크 면에 대해 블라스팅되었고, 절삭 인서트의 레이크 면과 블라스터 슬러리의 방향 사이의 각도는 약 90˚ 였다. 알루미나 그릿들은 F220 이였고, 건 (gun) 에 대한 슬러리의 압력은 1.8 bar 였고, 건에 대한 공기의 압력은 2.2 bar 였고, 면적 단위 당 블라스팅하기 위한 평균 시간은 4.4 초였고, 건 노즐로부터 인서트의 표면까지의 거리는 약 145 mm 였다. 블라스팅의 목적은 코팅 내 잔류 응력과 표면 거칠기에 영향을 주는 것, 그에 따라 후속 선삭 테스트에서 인서트들의 특성들을 향상시키는 것이다.

실시예 3 (미세조직)

기재의 미세조직은 또한 EBSD 에 의해 분석되었다. 60*100 ㎛ 의 4 개의 이미지들이 사용되었다.

인서트들은 다이아몬드 슬러리를 사용하는 기계적 폴리싱을 사용하여 벌크 재료의 단면을 1 ㎛ 의 다이아몬드 사이즈까지 폴리싱한 후 Hitachi E3500 에서 수행된 이온 폴리싱된 단계에 의해 전자 후방산란 회절 (EBSD) 특성화를 위해 준비되었다.

준비된 샘플은 샘플 홀더에 탑재되었고, 주사 전자 현미경 (SEM) 에 삽입되었다. 샘플들은 EBSD 검출기를 향해 그리고 수평면에 대해 70° 로 틸팅되었다. 특성화를 위해 사용된 SEM 은, "고전류" 모드를 적용하는 240 ㎛ 대물렌즈 구경을 사용하고 고진공 (HV) 모드로 작동되는 Zeiss Supra 55 VP 였다. 사용된 EBSD 검출기는 Oxford Instruments "AZtec" 소프트웨어 버전 3.1 을 사용하여 작동되는 Oxford Instruments Nordlys 검출기였다. 폴리싱된 표면에 집중 전자 빔을 적용하고 1000x600 ㎛ 의 측정 지점에 대해 0.1 ㎛ 의 스텝 크기를 사용하여 EBSD 데이터를 순차적으로 획득함으로써 EBSD 데이터가 획득되었다. 이러한 목적을 위해 EBSD 분석을 수행할 때, 이미지들의 개수는 EBSD 데이터가 얻어지는 총 면적이 적어도 12000 ㎛² 이도록 선택되어야 한다.

SEM 설정

가속 전압 20 kV

구경 크기 240 ㎛

고전류 온 (On)

작동 거리 8.5 mm

검출기 삽입 거리 171 mm

참조 상들은 다음과 같았다:

WC (육방정), 59 리플렉터들, Acta Crystallogr., [ACCRA9], (1961), vol.14, pages 200-201

Co (입방정), 68 리플렉터들, Z. Angew. Phys., [ZAPHAX], (1967), vol. 23, pages 245-249

Co (육방정), 50 리플렉터들, Fiz. Met. Metalloved, [FMMTAK], (1968), vol. 26, pages 140-143

입방정 탄화물상, TiC, 77 리플렉터들, J. Matter. Chem. [JMACEP], (2001), vol. 11, pages 2335-2339

이러한 초경합금들이 2 개의 입방정 상들, 즉 Co 바인더상 및 감마상을 포함하므로, 상들이 올바르게 식별되고, 즉 인덱싱이 정확하도록 주의를 기울여야 한다. 이는 여러 방법으로 수행될 수 있고, 일 방법은, 동일 샘플에 대해, EDS 또는 후방산란 이미지를 수행하는 것이고, 이는 상들의 화학 조성에 의존하고, 따라서 비교를 위해 바인더상과 감마상 사이의 차이를 보여준다.

EBSD 데이터는 Oxford Instruments 에 의해 AZtec 에서 수집되었고 또한 HKL Channel5 (HKL Tango version 5.11.20201.0) 에서 분석되었다. 노이즈 감소는 와일드 스파이크를 제거하고 제로 솔루션 엑스트라폴레이션 레벨 5 (zero solution extrapolation level 5) 를 수행함으로써 수행되었다. WC 결정립들은 5 도의 임계 방향 이탈 (misorientation) 각도로 결정되었다. 감마상 결정립들 사이의 결정립계들은 오로지 감마상 입자들이 분석되도록 제거되었다. 이는 Channel 5 에서 90 도로 임계 방향 이탈을 설정함으로써 수행되었다. 4 픽셀 미만의 모든 입자들 (0.04 ㎛²) 은 노이즈로서 제거되었다.

감마상의 분포는 EBSD 분석에 의해 결정되고, 또한 값 N (㎛²) 에 의해 주어진다.

EBSD 분석으로부터 감마상 입자들의 누적 상대 입자 면적 (y-축) 은 입자 면적 (x-축) 에 대해 플로팅된다. 누적 플롯으로부터, 0.90 의 누적 상대 면적 (y-축) 에서의 입자 면적 (x-축), 즉 값 X (㎛²) 가 달성된다. 값이 0.90 에 정확하게 일치하지 않으면, 0.90 미만 및 초과의 2 개의 값들의 평균이 X 로서 사용된다.

값 Y 는 초경합금에서 상이한 양의 감마상을 서로 연관시키기 위한 보정 계수이다. Y 는 입방정 탄화물과 입방정 탄질화물 (감마상) 의 면적 분율을 탄화물과 탄질화물, 즉 WC (육방정) 과 감마상 (입방정) 의 총 양으로 나눈 비율이다. 면적 분율들은 EBSD 데이터로부터 얻어진다:

비교를 위해, 강의 선삭에 적합한 상업용 등급 GC4235 이 동일한 방식으로 또한 분석되었다. GC4235 는 본원에서 비교예 1 로 불린다.

측정 결과는 이하의 표 6 에서 확인할 수 있다.

표 6 에서, 보자력 (Coercivity; Hc) 및 중량 특정 자기 포화 자력 (weight specific magnetic saturation magnetism) 이 주어진다.

보자력 및 중량 특정 자기 포화 자력은 Foerster Koerzimat CS1.096 을 사용하여 측정되었다.

[표 6]

실시예 4 (작동 실시예)

실시예 1 및 본 발명 1 에 따라 제조된 인서트는 건식 조건 하의 면삭 작업 (facing operation) 에서 비교예 1 과 함께 테스트되었다. 작업편 재료는 이하의 조건들을 갖는 강 SS2541 이였다:

Vc 160 m/분

f 0.3 mm/rev

a_p 2 mm

공구 수명 기준: 메인 절삭 엣지에서 Vb≥0.5 mm

결과는 표 7 에 제시되어 있다.

[표 7]

표 7 에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 인서트는 기준에 비해 절삭 엣지의 소성 변형에 대한 향상된 저항을 나타낸다.

실시예 5 (작동 실시예)

실시예 1 및 본 발명 1 에 개시된 인서트는 습식 조건 하의 선삭 작업에서 비교예 1 과 함께 테스트되었다. 작업편은 회전 당 2 회의 간헐적 오케이션 (occasions) 이 있도록 구성된다. 작업편은 이하의 조건들을 갖는 탄소강 SS1312 이였다.

Vc 50 m/분

f 0.6 mm/rev

a_p 1.5 mm

공구 수명 기준: 임의의 다른 주요 마모가 없는 파괴

결과는 이하의 표 8 에 제시되어 있고, 공구 수명은 8 회의 테스트들의 평균이다.

[표 8]

표 8 에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 인서트는 기준에 비해 향상된 인성 거동을 나타낸다.

Claims

초경합금 기재 및 코팅을 포함하는 코팅된 절삭 공구로서,
상기 초경합금 기재는 WC, 코발트 바인더상 및 감마상을 포함하고, 상기 초경합금 기재는 감마상이 고갈된 바인더상 풍부 표면 구역을 포함하고, 상기 표면 구역의 두께는 14 ~ 26 ㎛ 이고, 또한 초경합금은 N 이 80 ㎛² 미만이도록 잘 분산된 감마상을 갖고,

이고, X (㎛²) 는 EBSD 분석으로부터 얻어진 누적 플롯에서 0.90 의 누적 상대 면적 (y-축) 에서의 입자 면적 (x-축) 이고, 감마상 입자들의 누적 상대 입자 면적 (y-축) 은 입자 면적 (x-축) 에 대해 플로팅되고 (plotted), Y 는 보정 계수

이고, 면적 분율은 EBSD 분석으로부터 얻어지고,

으로서 규정된 비정상 WC 결정립들의 EBSD 분석으로부터 얻어진 면적 분율은 0 ~ 0.03 이고,
상기 코팅은 α-Al₂O₃ 층을 포함하고, 상기 기재와 상기 α-Al₂O₃ 층 사이에서 코팅은 TiCN 층을 포함하고, 상기 α-Al₂O₃층은 Harris 공식

에 따라 규정된 CuKα방사선 및 θ-2θ 스캔을 사용하여 X-선 회절에 의해 측정된 바와 같은 조직 계수 TC(hkl) 를 나타내고,
여기에서 I(hkl) 는 (hkl) 반사의 측정된 강도 (적분 면적) 이고, I₀(hkl) 는 ICDD's PDF-card No. 00-010-0173 에 따른 표준 강도이고, n 은 연산에 사용된 반사의 개수이고, 사용된 (hkl) 반사는 (1 0 4), (1 1 0), (1 1 3), (0 2 4), (1 1 6), (2 1 4), (3 0 0) 및 (0 0 12) 이고,
TC(0 0 12) ≥ 7.2, 바람직하게는 ≥ 7.4, 더 바람직하게는 ≥ 7.5, 더 바람직하게는 ≥ 7.6, 가장 바람직하게는 ≥ 7.7 이고,
I(0 0 12)/I(0 1 14) 의 비는 ≥ 1, 바람직하게는 ≥ 1.5, 더 바람직하게는 ≥ 1.7, 가장 바람직하게는 ≥ 2 인, 코팅된 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 감마상의 양은 3 ~ 25 vol% 인, 코팅된 절삭 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 비정상 WC 결정립들의 면적 분율은 0 ~ 0.025 인, 코팅된 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
감마 상 분포 (N) 는 15 ~ 75 ㎛² 인, 코팅된 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 TiCN 층의 두께는 4 ~ 20 ㎛ 인, 코팅된 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 α-Al₂O₃ 층의 두께는 2 ~ 20 ㎛ 인, 코팅된 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코팅은, 상기 TiCN 층의 최외측에 위치되고 상기 α-Al₂O₃ 층에 인접한, TiN, TiCN, TiCNO 및/또는 TiCO 또는 이들의 조합, 바람직하게는 TiCN 및 TiCNO 을 포함하는 결합층을 더 포함하는, 코팅된 절삭 공구.
제 7 항에 있어서,
상기 결합층의 두께는 0.5 ~ 2 ㎛ 인, 코팅된 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 α-Al₂O₃ 층과 상기 기재 사이에 위치된 상기 TiCN 층은 Harris 공식에 따라 규정된 CuKα 방사선 및 θ-2θ 스캔을 사용하여 X-선 회절에 의해 측정된 바와 같은 조직 계수 TC(hkl) 를 나타내고, 여기에서 I(hkl) 는 (hkl) 반사의 측정된 강도 (적분 면적) 이고, I₀(hkl) 는 ICDD's PDF-card No. 42-1489 에 따른 표준 강도이고, n 은 반사의 개수이고, 연산에 사용된 반사는 (1 1 1), (2 0 0), (2 2 0), (3 1 1), (3 3 1), (4 2 0), (4 2 2) 및 (5 1 1) 이고,
TC(2 2 0) 는 ≤ 0.5, 바람직하게는 ≤ 0.3, 더 바람직하게는 ≤ 0.2, 가장 바람직하게는 ≤ 0.1 인 것을 특징으로 하는, 코팅된 절삭 공구.
제 9 항에 있어서,
상기 TiCN 층은 TC(4 2 2) ≥ 3, 바람직하게는 ≥ 3.5 를 나타내는, 코팅된 절삭 공구.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
상기 TiCN 층의 TC(3 1 1) + TC(4 2 2) 는 ≥ 4, 바람직하게는 ≥ 5, 더 바람직하게는 ≥ 6, 가장 바람직하게는 ≥ 7 인, 코팅된 절삭 공구.