KR20210138230A

KR20210138230A - 스프레이코팅 방식을 이용한 고경도 커팅 툴 제조방법

Info

Publication number: KR20210138230A
Application number: KR1020200056283A
Authority: KR
Inventors: 이무헌
Original assignee: 이무헌
Priority date: 2020-05-12
Filing date: 2020-05-12
Publication date: 2021-11-19

Abstract

본 발명은 에너지·자원의 효율성 증대를 위해 고Si-Al합금, CFRP 등의 복합재료 등과 같은 기존 절삭공구로는 가공하기 어려운 고강도·초경량 소재의 수요증가에 따라 이를 가공할 수 있는 기술로서 보다 자세하게는 스프레이 코팅 방식을 이용하여, 고강도의 탄소체를 표면에 코팅시킴으로서 기판과 코팅층 사이의 밀착력과 핵생성 밀도를 높여 코팅 공구의 수명을 향상하고 평탄한 표면 코팅을 얻어 정밀 가공에 표면 경도와 수명이 향상된 고경도 커팅툴 제조방법을 제공하는 것에 있다.

Description

스프레이코팅 방식을 이용한 고경도 커팅 툴 제조방법{omitted}

본 발명은 에너지·자원의 효율성 증대를 위해 고Si-Al합금, CFRP 등의 복합재료 등과 같은 기존 절삭공구로는 가공하기 어려운 고강도·초경량 소재의 수요증가에 따라 이를 가공할 수 있는 기술로서 보다 자세하게는 스프레이 코팅 방식을 이용하여, 고강도의 탄소체를 표면에 코팅시킴으로서 기판과 코팅층 사이의 밀착력과 핵생성 밀도를 높여 코팅 공구의 수명을 향상하고 평탄한 표면 코팅을 얻어 정밀가공에 표면 경도와 수명이 향상된 고경도 커팅툴 제조방법을 제공하는 것에 있다.

최근 항공/우주 및 자동차 등 첨단 주력산업을 중심으로 티타늄 및 복합재료와 같은 초경량 고경도의 난삭 소재의 비중이 급격히 증가함에 따라 난삭재의 고효율·친환경 가공기술이 급격히 대두되고 있다. 유럽, 일본 및 미국 등 선진국에서는 난삭재 및 신소재 가공과 관련된 정부차원의 프로그램을 운용하며 가공 기술 개발에 주력하고 있고, 최근 선진 공구 메이커들은 공구, 소재, 코팅 및 공정 등 난삭재와 관련된 최적의 툴링 솔루션을 개발하여 제공하고 있다. 난삭재(難削材)는 고강성 및 초경량 등 기계적 성질이 우수한 반면, 절삭이 어려운 소재로 분류되는 재료들로 내열성, 내식성 및 내마모성이 우수한 티타늄과 인코넬 등과 같은 신소재부터 알루미늄 합금과 같이 일반적으로 사용하고 있는 소재도 사용 목적에 따라 난삭재로 분류되기도 한다. 한편, 난삭재 가공 시에는 공구마모가 빠르고 절삭온도 및 절삭저항이 크며, 표면조도가 크고 절삭칩이 날에 융착하는 현상이 발생하며, 특히, 티타늄 및 그 합금의 경우 내열성, 내식성 및 내마모성이 우수하고 열전도도와 전기전도도가 다른 금속에 비하여 낮기 때문에 가공 시 공구의 온도가 높아지고 공구의 마모가 빠르게 진행되어 공구파손이 쉽게 발생한다. 또한 국내 공구업체는 공구 원자재의 해외수입 의존도가 매우 높고 영세하여 주로 초경 엔드밀과 코팅공구에 집중하고 있어 해외 선진국과의 격차가 있으며, 원천기술 부족으로 글로벌 트렌드에 발빠르게 대응하지 못하고 있는 현실이다. 대한민국특허 10-2012-0113790에서는 중실형 바디 표면의 일 부분 상에 증착되고 멀티레이어 구성에서 물리적 증기 증착 방법에 의해 증착된 Al-Cr-B-N 개별 레이어를 포함하는 멀티레이어 코팅 시스템에 관한 것으로, 적어도 멀티레이어 코팅시스템의 전체 두께의 일 부분에서 Al-Cr-B-N 개별 레이어는 Ti-Al-N 개별 레이어와 조합되고, Al-Cr-B-N 및 Ti-Al-N 개별 레이어는 교대로 상하로 증착되고, Al-Cr-B-N 개별 레이어의 두께는 Ti-Al-N 개별 레이어의 두께보다 더 두꺼우며, 이에 의해 멀티레이어 코팅 시스템의 잔류 응력은 대응하는 유사한 Al-Cr-B-N 모너레이어 코팅의 잔류 응력에 비해 상당히 낮은 코팅방법을 개시하였으나, 경도 및 표면강도에 대한 결과가 없어 코팅 특성 결과를 나타내지 않은 단점을 가지고 있다.

한편, 대한민국 특허 10-2014-0082402에서는 다이아몬드 입자의 핵성장을 억제시켜 미세한 다이아몬드 입자를 형성하였으며, 다이아몬드의 SP3와 SP2 구조의 함량비을 제어 및 표면전처리 기술을 적용하여 표면면조도 및 마찰계수를 기존 다이아몬드 코팅 대비 향상시키는 기술을 통해 알루미늄 합금(두랄루민) 이나 탄소섬유판(CFRP, Carbon-fiber- reinforced polymer) 가공에서 DLC 코팅막 대비 우수한 절삭성능 및 수명을 확보하였으며, 다이아몬드 코팅막 대비 절삭가공 조도를 크게 향상시키는 코팅방법을 개시하였으나, 표면 경도 확보에 대한 언급이 없다는 단점이 있다.

대한민국특허 10-2012-0113790 대한민국 특허 10-2014-0082402

본 특허에서는 상기 문제를 해결하고 난삭재 및 정밀가공이 가능한 고강도, 고경도 절삭공구 제조를 위해 스프레이코팅방법을 통해 탄소 소재를 코팅할 수 있는 방법을 제공함에 있다.

본 특허에서는 탄소소재, 즉, 흑연, 그래핀, 탄소나노튜브 등을 이용하여, 절삭공구 표면에 스프레이 코팅방식에 의한 표면 도포를 통해, 기판과 코팅층 사이의 밀착력과 핵생성 밀도를 높여 코팅 공구의 수명을 향상하고 평탄한 표면 코팅을 얻어 정밀가공에 표면 경도와 수명이 향상된 고경도 커팅툴 제조방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명에 의해 제조된 절삭공구는 간단한 코팅방법을 통해 대량 생산이 가능하고, 탄소체 코팅에 의한 절삭공구 표면 코팅이 안정화 될 뿐만 아니라, 기판과 코팅층 사이의 밀착력과 핵생성 밀도를 높여 코팅 공구의 수명을 향상하고 평탄한 표면 코팅을 얻어 정밀가공에 표면 경도와 수명이 기존 절삭공구에 비해 30% 향상된 절삭공구 개발이 가능하다.

[도 1] 도1은 본 발명에 의해 제조된 절삭공구 표면의 탄소 입자 및 모재의 전자현미경 사진
[도 2] 도3은 본 발명에 의해 제조된 절삭공구의 기존 소재와의 마모량 비교

탄소체 즉, 흑연 혹은 그래핀, 혹은 탄소나노튜브 혹은 이들 중 하나 이상의 복합 탄소체를 가소성 폴리머에 복합화하여 전구체를 제조한 후, 고르게 분산되어 있는 탄소체 폴리머를을 이용하여, 절삭공구 표면에 스프레이 코팅방식에 의한 표면 도포를 통해, 절삭공구 표면 코팅이 안정화 될 뿐만 아니라, 기판과 코팅층 사이의 밀착력과 핵생성 밀도를 높여 코팅 공구의 수명을 향상하고 평탄한 표면 코팅을 얻어 정밀가공에 표면 경도와 수명이 기존 절삭공구에 비해 30% 향상된 절삭공구 개발이 가능하다. 이를 위해 먼저 전구체를 제조한 후, 전구체를 스프레이 코팅에 의해 절삭공구 표면에 방사하여 고강도 고경도의 절삭공구 제조가 가능하다.

이 때의 탄소체가 함유되어 있는 폴리프로필렌의 사이즈는 1~100um가 바람직하며 보다 바람직하게는 30~80um가 바람직하다. 사이즈가 1um이하일 경우, 폴리프로필렌 가격이 증가하여 경쟁력이 없으며, 100um이상일 경우 폴리프로필렌이 너무 두꺼워져 표면의 탄소전구체 입자가 내부로 방사될 가능성이 있기 때문에 제어하도록 한다. 한편, 이 때의 스프레이 동시 방사속도는 250~1000rpm이 바람직하며 보다 바람직하게는 400~700이 바람직하다. 스프레이 방사속도가 250rpm이하인 경우, 방사속도가 느려져 탄소 전구체 입자가 고르게 분산되지 않고 뭉치게 되는 단점을 가지고 있으며, 1000rpm이상인 경우 속도가 너무 빨라져 탄소 전구체 입자의 분산이 용이하지 않고 방사시 흩어날릴 경우가 생기기 때문에 제어하도록 한다. 한편, 사용되는 탄소 전구체 입자의 사이즈는 두께 60nm 이하의 탄소체를 사용하는 것이 바람직하며, 농도는 50~300ppm의 탄소체를 사용하는 것이 바람직하다. 두께가 60nm이상의 탄소체를 사용할 경우, 탄소체가 가진 경도 상승효과를 기대할 수 없으며, 농도가 50ppm이하일 경우 경도 상승 효과가 미미하며, 300ppm이상인 경우, 경제성 문제가 있어 사용하지 않도록 한다. 이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

동일한 사이즈의 폴리프로필렌 30um이 방사될 때 탄소전구체 입자의 크기가 다른 4개의 샘플을 준비하고, 동일한 속도로 분사되는 스프레이 방식의 복합방사 속도 500rpm으로 탄소 전구체 함량이 각각, 300~30ppm인 흑연 전구체를 준비하여 방사한 후, 건조하고 절삭공구의 표면 경도를 비커스 경도계를 통해 측정하였다. 한편, 다음으로, 상기 본 발명 공구 1~4 및 비교예 공구 1~4 에 대해, 다음의 조건에서 탄소강의 절삭 가공 시험을 실시하였다.

피삭재 : JIS·S45C 의 환봉,

절삭 속도 : 200 m/min,

절삭 깊이 : 2.0 mm,

이송 : 0.2 mm/rev,

절삭 시간 : 3 분

절삭 가공 시험 후의, 각각의 공구의 마모 상태에 대해 관찰을 실시하고, 플랭크면 마모량의 측정을 실시하였다.

도 2

Claims

탄소 전구체 입자가 도포된 폴리프로필렌을 스프레이 복합 코팅 방식을 통해 절삭공구 표면을 코팅하고, 이 때, 탄소전구체 입자의 크기는 두께가 60nm이하이며, 농도가 50~300ppm의 탄소전구체 입자를 코팅하는 방법
상기 1항에서, 폴리프로필렌의 두께는 1~100um인 폴리프로필렌을 사용하는 방법
상기 1항에서 스프레이 동시 방사속도는 250~1000rpm인 코팅 방법