KR20220115563A

KR20220115563A - 절삭 공구

Info

Publication number: KR20220115563A
Application number: KR1020227019580A
Authority: KR
Inventors: 안드레아스 블롬크비스트; 호세 루이스 가르시아; 에리크 홀름스트룀
Original assignee: 에이비 산드빅 코로만트
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2020-12-17
Publication date: 2022-08-17
Also published as: CN114845828A; WO2021122966A1; BR112022011733A2; US20230037384A1; EP4076798A1; JP2023511489A

Abstract

본 발명은 초경합금의 기재를 포함하는 절삭 공구에 관한 것으로서, 초경합금은 금속 바인더 내의 경질 성분으로 구성된다. 경질 성분은 WC 를 포함하고, 초경합금 내의 WC 함량은 80 ~ 93 중량% 이다. 초경합금은 Ni 및 Al 를 포함하고, Ni 함량이 3 ~ 13 중량% 이고, Co/Ni 중량비 < 0.33 이며, Fe/Ni 중량비 < 0.25이고, Cr/Ni 중량비 < 0.25 이며, 0.02 < Al/(Ni + Co + Fe) 중량비 < 0.1 이다. 내균열성 (W) 은 비커스 경도 압입부에 인가되는 하중과 비커스 경도 압입부의 코너들에 형성된 균열의 총 균열 길이의 비로 규정된다. 경사면에서의 경도 H(경사) 와 경사면에서의 내균열성 W(경사) 의 곱은 H(경사)*W(경사) > 5000 HV100*N/㎛ 이다.

Description

절삭 공구

본 발명은 초경합금의 절삭 공구에 관한 것으로서, 초경합금은 금속 바인더 및 WC 를 포함하는 경질 성분을 포함한다. 절삭 공구의 표면 영역의 내균열성은 절삭 공구의 벌크 영역에서의 내균열성보다 높다.

금속 절삭 적용을 위한 절삭 공구는 일반적으로 초경합금의 기재를 포함한다. 초경합금은 높은 경도 및 높은 인성을 모두 보여주는 재료이며, 절삭 적용시의 성능이 수십 년간 성공적이었다. 절삭 공구의 성능을 더 향상시키기 위해, 내마모성 코팅으로 공구를 코팅하는 것이 알려져 있다. 또한, 습식 블라스팅, 건식 블라스팅, 에지 브러싱 및/또는 연마와 같은 단계들을 포함하는, 후처리라고 불리는 공정에서 절삭 공구를 처리하는 것이 알려져 있다. 이러한 후처리 공정은 전형적으로 절삭 공구의 표면 거칠기 및/또는 절삭 공구의 표면 영역에서의 잔류 응력을 변화시킨다.

초경합금의 쇼트 피닝의 효과는 Wang 등에 의해 "Effect of shot peening on the residual stresses and microstructure of tungsten cemented carbide", Materials and Design 95, 2016 년, 159-164 쪽에 기재되어 있다. 압축 잔류 응력이 Co 및 WC 모두에서 표면층에서 유도되는 것으로 나타났다.

절삭 공구의 수명 및 성능을 개선하여, 생산 시간을 절약하고, 절삭 공구의 파손에 따른 고장 위험을 줄일 필요가 지속적으로 있다. 또한, 초경합금에서 Co 의 양을 감소시키고, 금속 절삭 성능에서 전통적인 Co 함유 초경합금과 경쟁할 수 있는 대안적인 초경합금을 찾을 필요가 있다.

본 발명의 목적은 금속 절삭 적용시 내마모성이 개선된 절삭 공구를 제공하는 것이며, 또한 이의 제조 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 절삭날에서 코팅의 칩핑에 대한 높은 저항을 갖는 절삭 공구를 제공하는 것이다. 다른 목적은 절삭날의 칩핑 및/또는 절삭 공구의 파손에 대한 증가된 저항을 갖는 선삭 공구를 제공하는 것이다.

이러한 목적들 중 적어도 하나는 청구항 1 에 따른 절삭 공구 및 청구항 14 에 따른 방법으로 달성된다. 바람직한 실시형태들은 종속 청구항들에 열거된다.

본 발명은 초경합금 기재를 포함하는 절삭 공구에 관한 것이고, 상기 초경 합금은 금속 바인더 내의 경질 성분으로 이루어지고, 경질 성분은 WC 를 포함하며, 초경합금 내의 WC 함량은 80 ~ 93 중량% 이며, 초경합금은 Ni 및 Al 을 포함하며, 초경합금은 Ni 함량이 3 ~ 13 중량% 이고, Co/Ni 의 중량비 < 0.33 이며, Fe/Ni 의 중량비 < 0.25 이고, Cr/Ni 중량비 < 0.25 이며, 0.02 < Al/(Ni + Co + Fe) 의 중량비 < 0.1 이며, 상기 절삭 공구는 경사면, 플랭크면 및 이들 사이의 절삭날을 포함하며, 내균열성 (W) 은 다음과 같이 규정되고,

P 는 비커스 경도 압입부의 하중 100*9.81 N 이고,

는 비커스 경도 압입부의 코너에 형성된 각 균열의 평균 균열 길이 [㎛] 이며, 경사면에서의 경도 H(경사) 와 경사면에서의 내균열성의 곱은 H(경사)*W(경사) > 5000 HV100*N/㎛, 바람직하게는 > 10000 HV100*N/㎛, 더욱 바람직하게는 > 15000 HV100*N/㎛ 이다.

보통 초경합금 재료와 같은 대부분의 기술적 복합 재료에 대해, 인성의 증가는 경도의 감소와 연관된다. 절삭 공구 적용을 위한 인성 및 내소성 변형성 (즉, 경도) 의 조합을 표현하는 일 방법은, 경도 (H) 및 내균열성 (W) 의 곱, 즉 H*W 를 만드는 것이다. H*W 가 높을수록, 절삭 공구의 균열 형성과 소성 변형 둘 다에 대한 저항이 높아진다. 예상외로, 보존되거나 증가된 경도와 조합된 매우 높은 내균열성이 본 발명의 공정에 의해 달성될 수 있다는 것이 발견되었다. 이러한 특성은 공구의 내마모성을 증가시키는데 기여하기 때문에 금속 절삭 공구에 유리하다.

본 발명의 일 실시형태에서, 초경합금은 x 중량% Ni, y 중량% Fe 및 z 중량% Co 를 포함하고, 5 < x + y + z < 10 이다. 바인더 함량의 이러한 범위 내의 초경합금은 절삭 공구 적용을 위한 인성 및 내소성 변형성의 양호한 조합을 갖는다. 금속 절삭 적용에 따라서, 바인더의 양은 당업자에 의해 최적화될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 금속 바인더는 감마 프라임 상들을 포함한다. 감마 프라임 상의 공간 그룹은 바람직하게는 Pm-3m 이고, 바람직하게는 L1₂ 결정 구조를 갖는다. 순수한 Ni 의 높은 크리프 속도를 극복하기 위해, Al 의 목표 첨가는 감마 프라임 상들을 석출시키도록 설정된다. 이는 인성 및 내소성 변형성의 조합을 향상시키는 것으로 입증되었다. 무질서한 금속 바인더에서의 전위는 Burgers 벡터의 길이의 차이로 인해 금속간 감마 프라임 상들 상에 고정될 것이다. 감마 프라임 상은 입방정 조직이다. 감마 프라임 상들 또는 감마 프라임 결정립들 또는 감마 프라임 석출물들은 SEM 현미경사진에서 볼 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 감마 프라임 상의 평균 결정립 크기는 직경이 10 ~ 1000 nm, 바람직하게는 15 ~ 600 nm 이다. 결정립 크기는 평균 선형 절편 방법을 사용하여 기재의 단면의 이미지에서 측정된다. 감마 프라임 상의 결정립 크기는, 전위 고정 효과 (dislocation pinning effect) 가 재료를 강화시키도록 선택되었다. 이 범위에서 결함의 생성과 조정 사이의 최적화가 얻어진다. 이러한 효과로부터 이득을 얻기 위해, 상들의 크기는 당업자에 의해 최적화될 수 있다. 감마 프라임 상의 크기는, 크기를 감소시키는 Cr 을 첨가하는 것과 같은 여러 대안적인 방식들로 조정될 수 있다. 크기는 또한 소결 후 초경합금의 냉각에 의존한다. 매우 빠른 냉각은 매우 작은 감마 프라임 상들을 초래할 수 있다. 감마 프라임 상들의 크기는 너무 긴 냉각 시간이 크기를 변경하지 않도록 포화된다.

본 발명의 일 실시형태에서, 초경합금 내의 금속 바인더는 10 ~ 75 체적% 감마 프라임 상, 바람직하게는 15 ~ 35 체적% 를 포함한다. 감마 프라임 상의 양 또는 분율은 Al/(Ni + Co + Fe) 비를 변화시킴으로써 조정될 수 있어서, 더 높은 비가 감마 프라임 상의 더 많은 양 또는 분율을 초래한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 감마 프라임 상은 Ni₃Al 을 포함한다. 바람직하게는, 감마 프라임은 Cr, Co, Fe, Ta, Ti, Hf, W, Mo, V, Mn, Si, Cu 와 같은 원소들의 용해도를 갖는 Ni₃Al 을 포함한다. 감마 프라임 상의 크기, 형태 및 특성을 조정하기 위해 추가 원소들을 사용할 수 있다. 각 원소의 영향은 통상의 기술자가 추정하여 특정 적용에 최적화될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 절삭 공구의 경사면의 경도는 H(경사) 이고, 절삭 공구의 벌크 영역의 경도는 H(벌크) 이며, 0.90 < H(경사)/H(벌크) < 1.10 이다. 표면 상의 높은 내균열성은 경도를 낮춤으로써 달성될 수 있지만, 이는 절삭 공구 수명 동안 부정적일 수 있는 내소성 변형성을 낮출 것이다. 절삭 공구의 벌크 및 경사면의 높은 정합 경도 (conform hardness) 를 갖는 것이 유리하다.

본 발명의 일 실시형태에서, 절삭 공구의 경사면 상에서 측정된 내균열성 (W) 은 W(경사) 이고, 절삭 공구의 플랭크면 상에서 측정된 W 는 W(플랭크) 이며, W(경사)/W(플랭크) > 5, 바람직하게는 > 8, 더 바람직하게는 > 10 이다. 금속 절삭 동안 형성되는 균열은, 일반적으로 절삭 공구의 경사측 상에서 발생하며, 이에 따라서 경사면 상의 양호한 내균열성은 금속 절삭 적용에 유리하다. 또한, 절삭 공구 제조 공정은, 경사면만이 쇼트 피닝되고 그리고 플랭크측이 균열이 약간 덜 중요한 경우에 비교적 단순할 것이다.

본 발명의 일 실시형태에서, 절삭 공구의 경사면 상에서 측정된 내균열성 (W) 은 W(경사) 이고, 절삭 공구의 벌크 영역 상에서 측정된 W 는 W(벌크) 이며, W(경사)/W(벌크) > 5, 바람직하게는 > 8, 더 바람직하게는 > 10 이다. 금속 절삭 동안 형성되는 균열은, 일반적으로 절삭 공구의 경사측 상에서 발생하며, 이에 따라서 경사면 상의 양호한 내균열성은 금속 절삭 적용에 유리하다. 균열은 벌크가 아닌 절삭 공구의 표면에 주로 나타나기 때문에, 표면 영역에서의 높은 내균열성이 유리하다.

본 발명의 일 실시형태에서, 절삭 공구의 경사면 상의 표면 영역에서 측정된 압축 잔류 응력은 1500 MPa 초과, 바람직하게는 2000 MPa 초과, 더욱 바람직하게는 2200 MPa 초과이며, WC 의 (2 1 1) 반사를 사용하는 sin²ψ-방법 및 X-선 회절로 응력 측정이 실시된다. 압축 잔류 응력은 균열의 형성을 억제한다. 따라서, 경사면 상의 압축 잔류 응력을 증가시키는 것은 금속 절삭 적용시에 절삭 공구의 공구 수명을 연장시킬 것이다.

본 발명의 일 실시형태에서, 초경합금은 Ni 함량이 8 ~ 12 중량% 이고, Co/Ni 중량비 < 0.05 이며, Fe/Ni 중량비 < 0.05이고, Cr/Ni 중량비 < 0.02 이며, 0.04 < Al/(Ni + Co + Fe) 중량비 < 0.07 이다. 이들 조성물은 적합한 경도와 조합하여 높은 인성을 요구하는 금속 절단 적용에 적합하다.

일 실시형태에서, Fe/Ni 의 중량비는 0.02 미만이다.

본 발명의 일 실시형태에서, 초경합금은 Ni 함량이 8 ~ 12 중량% 이고, Co/Ni 중량비 < 0.05 이며, Fe/Ni 중량비 < 0.05 이고, Cr/Ni 중량비 < 0.08 이며, 0.04 < Al/(Ni + Co + Fe) 중량비 < 0.07 이다. 이들 조성은 적합한 경도와 조합하여 높은 인성을 요구하는 적용에 적합하다.

본 발명의 일 실시형태에서, 초경합금 내의 WC 의 평균 입자 크기는 0.2 ~ 10 ㎛, 바람직하게는 0.3 ~ 5 ㎛, 더욱 바람직하게는 0.5 ~ 2 ㎛ 이다. WC 결정립 크기의 이러한 범위는 금속 절삭 인서트를 목적으로 하는 초경합금에 최적이다. 결정립 크기는 평균 선형 절편 방법을 사용하여 기재의 단면의 이미지에서 측정된다. 금속 절삭 적용에 따라서, WC 결정립 크기는 당업자에 의해 최적화될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 초경합금은 Ti, Nb, Ta, Mo, W, Re, Ru 중 하나 이상을 포함한다. 이들 원소들은 추가의 고용체 또는 입자 강화를 위해 사용될 수 있다.

본 발명은 초경합금 기재를 포함하는 절삭 공구를 처리하는 방법에 관한 것이고, 상기 초경 합금은 금속 바인더 내의 경질 성분으로 이루어지고, 경질 성분은 WC 를 포함하며, 초경합금 내의 WC 함량은 80 ~ 93 중량% 이며, 초경합금은 Ni 및 Al 을 포함하며, 초경합금은 Ni 함량이 3 ~ 13 중량% 이고, Co/Ni 의 중량비 < 0.33 이며, Fe/Ni 의 중량비 < 0.25 이고, Cr/Ni 중량비 < 0.25 이며, 0.02 < Al/(Ni + Co + Fe) 의 중량비 < 0.1 이며, 상기 절삭 공구 (1) 는 경사면 (2), 플랭크면 (3) 및 그 사이의 절삭날을 포함하며, 쇼트 피닝은 적어도 상기 경사면 (2) 상에서 수행되고, 상기 방법은 절삭 공구의 경사면을 쇼트 피닝하는 단계를 포함한다. 쇼트 피닝은 경도를 유지하면서 표면의 내균열성을 증가시켜, 경도와 내균열성의 조합을 향상시킨다.

본 발명의 일 실시형태에서, 쇼트 피닝은 100 ~ 600℃, 바람직하게는 200 ~ 550℃, 더욱 바람직하게는 300 ~ 500℃ 의 온도에서 수행된다. 본 발명의 쇼트 피닝은 일 실시형태에서 상승된 온도에서 수행되고, 이 온도는 본원에서 쇼트 피닝되는 재료 (절삭 공구의 일부) 가 쇼트 피닝 동안 있는 온도로 규정된다. 유도 가열, 저항 가열, 고온 표면/오븐에서의 예열, 레이저 가열 등과 같은, 절삭 공구 부분의 상승된 온도를 생성하기 위해 여러 가지 방법이 사용될 수 있다. 절삭 공구는 대안적으로 쇼트 피닝 단계 이전에 별도의 단계에서 가열될 수 있다.

온도는 온도를 측정하기에 적합한 임의의 방법에 의해 기재 상에서 적절하게 측정된다. 바람직하게는, 적외선 온도 측정 디바이스가 사용된다.

쇼트 피닝을 받는 기재의 일부는 상기 온도에 있다. 예기치 않게, 가열될 때 쇼트 피닝하도록 절삭 공구를 처리하면 절삭 공구의 수명을 증가시키는 중요한 특성인 표면 영역에서의 내균열성을 증가시키는 것을 발견하였다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 절삭날의 적어도 일부의 에지 라운딩처리 (ER) 는 10 ㎛ 내지 50 ㎛, 바람직하게는 20 ㎛ 내지 40 ㎛ 이다. 놀랍게도, 본 발명의 방법에 따라 제조된 절삭 공구들은 이러한 ER 로 절삭 공구에 대해 잘 수행되고 있는 것으로 밝혀졌다.

도 1 은 경사면 (2), 플랭크면 (3) 및 이들 사이에 제공된 절삭날을 구비한 절삭 공구 인서트 (1) 의 일반도이다.
도 2 는 에지 라운딩처리 (ER) 가 표시되고 또한 절삭날의 폭 (A) 이 개략적으로 도시된 절삭날의 단면의 일반도이다.
도 3 ~ 도 4 는 본 발명 1 의 절삭 공구의 초경합금의 단면의 SEM 현미경사진이다. 감마 프라임 상은 바인더 상에서 회색 정사각형으로 볼 수 있다.
도 5 ~ 도 6 은 본 발명 2 의 절삭 공구의 초경합금의 단면의 SEM 현미경사진이다. 감마 프라임 상은 바인더 상에서 회색 정사각형으로 볼 수 있다.
도 7 은 도 5 의 복사본이지만, 감마 프라임 상이 흑색으로 표시되어 있다.
도 8 은 도 6 의 복사본이지만, 감마 프라임 상이 흑색으로 표시되어 있다.

정의들

"초경합금" 은, 연속 금속 바인더 내에 분산된 경질 성분들을 포함하거나 연속 금속 바인더 내에 매립된 골격 (skeleton) 을 형성하는 재료이다. 경질 성분들은 주로 WC 를 포함한다. 이러한 종류의 재료는 경질 성분으로부터의 높은 경도와 금속 바인더로부터의 높은 인성을 조합하는 특성을 가지며, 금속 절삭 공구용 기재 재료로서 적합하다.

본원에서 초경합금의 "조성" 또는 "함량" 은 초경합금 기재 내의 평균 조성 또는 평균 함량을 의미한다. 예를 들어, 기재의 표면으로부터 벌크를 향해 15 ~ 30 ㎛ 와 같은 표면 영역에서의 구배는, 국부적으로 더 높은 금속 바인더 함량으로, 절삭 공구가 적어도 수 mm 치수이기 때문에 절삭 공구의 초경합금 기재의 평균 조성을 변경하지 않는다.

초경합금의 "금속 바인더" 는 소결 중에 금속 바인더에 용해되는 원소들, 예컨대 WC 로부터 유래하는 W 및 C 를 포함할 수 있다. 존재하는 어떠한 유형의 경질 성분들에 따라, 다른 원소들도 바인더에 용해될 수 있다.

본원에서 "절삭 공구" 는 인서트, 엔드 밀 또는 드릴과 같은 금속 절삭 적용을 위한 절삭 공구를 의미한다. 적용 영역은 선삭, 밀링 또는 드릴링일 수 있다.

"ER" 은 에지의 날카로움 (sharpness) 을 나타내기 위해 의도된 에지 라운딩처리의 값이다. ER 의 더 큰 값은 절삭날의 더 거친 형상을 나타내는 반면, ER 의 더 작은 값은 예리한 절삭날을 나타낸다.

ER 은 다음에 따라서 계산된 값으로 규정된다:

- 절삭 공구를 베어링 표면 또는 절삭 공구의 해당 표면의 평평한 표면 상에 놓는다.

- 예를 들어 절삭 공구 (1) 의 플랭크면 (3) 을 따라 측정하도록 에지와 접촉하면서, 상기 평평한 표면에 수직인 절삭 공구의 측면을 따라 제 1 평면을 정렬한다.

- 제 2 평면을 상기 평평한 표면과 평행하게 정렬하고 교차점에서 상기 제 1 평면과 교차하며, 상기 제 2 평면은 접촉점에서 측정하도록 에지와 접촉하고, 예를 들어 상기 제 2 평면은 절삭 공구 (1) 의 경사면 (2) 을 따라 정렬된다.

값 "ER" 은 제 1 평면과 제 2 평면 사이의 교차점과 에지에 가까운 제 1 평면과 절삭 공구 사이의 접촉점 사이의 거리와 동일하다 (도 2 참조).

본원에서 "쇼트 블라스팅" 은 마멸 결정립을 사용하는 공정을 의미하며, 전형적으로 연마 마멸에 의해 처리된 표면으로부터 재료가 제거된다. 쇼트 블라스팅은 절삭 공구 분야에서 잘 알려져 있으며, 예를 들어 절삭 공구 상의 코팅에 잔류 응력을 도입하는 것으로 알려져 있다.

본원에서 "쇼트 피닝" 은, 비마멸성이고 전형적으로 둥근 형상을 갖는, 비드 등의 입자들을 포함하는 매체로 절삭 공구의 표면이 충격 (bombarded) 된다는 것을 의미한다. 매체는 산화물, 강 또는 초경합금과 같은 경질 재료의 비드일 수 있다.

본원에서 "벌크" 라는 용어는 절삭 공구의 최내부 부분 (중심) 을 의미한다.

본원에서 "표면 영역" 이라는 용어는 본원에 개시된 쇼트 피닝 공정에 의해 영향을 받는 기재의 외부를 의미한다.

본 발명의 추가 실시형태들

본 발명의 일 실시형태에서, 쇼트 피닝은 세라믹 비드, 바람직하게는 ZrO₂, SiO₂ 및 Al₂O₃ 을 포함하는 비드들로 수행된다.

본 발명의 일 실시형태에서, 쇼트 피닝은 약 50 ~ 200 ㎛ 의 직경의 비드들로 수행된다. 비드들이 너무 크면 절삭날을 손상시킬 위험이 커진다. 비드가 너무 작으면, 매체로부터 기재로 전달되는 에너지 및 충격은 덜 두드러진다. 쇼트 피닝 동안 비드로부터의 충격 또는 에너지는 너무 높지 않아야 하는데, 이는 절삭 공구의 표면 및 절삭날을 손상시킬 위험을 증가시키기 때문이다. 비드로부터의 충격 또는 에너지는, 너무 낮으면 기술적 효과가 달성되지 않을 것이기 때문에 너무 낮지 않아야 한다. 비드들이 너무 크면 절삭날을 손상시킬 위험이 커진다. 비드가 너무 작으면, 매체로부터 기재로 전달되는 에너지 및 충격은 덜 두드러진다. 비드의 적절한 크기는 비드의 재료와 관련되며, 당업자에 의해 선택될 것이다.

본 발명의 일 실시형태에서, 초경합금은 Ti, Ta, Nb, Hf, Zr, V 및 Cr 로부터 선택된 하나 이상의 원소들의 입방정 탄화물 및/또는 탄질화물의 고용체인, 종종 감마상이라고 하는 입방정 상을 더 포함한다. 입방정 상의 양은, 면적% 로, 적절하게는 2 내지 25%, 바람직하게는 3 내지 15% 이다. 이는 상이한 방법으로 측정될 수 있지만, 한가지 방법은 감마상의 평균 분율을 계산하기 위하여 기재 단면의 주사 전자 현미경 (SEM) 의 현미경사진 또는 광 광학 현미경 이미지를 이미지 분석하는 것이다.

본 발명의 일 실시형태에서, 초경합금은 입방정 상 및 입방정 상이 고갈된 표면 구역에 풍부한 바인더 상을 포함한다. 표면 구역의 두께는 적절하게는 2 내지 100 ㎛, 바람직하게는 3 내지 70 ㎛, 보다 바람직하게는 8 내지 35 ㎛ 이다. 두께는 기재 단면의 SEM 또는 LOM 이미지에 대해 측정함으로써 결정된다. 이러한 측정은, 참값 (true value) 을 얻기 위하여, 기재 표면이 적절하게 평평한 영역, 즉 에지에 근접하지 않는 영역에서, 절삭날 또는 노즈 등으로부터 적어도 0.3 mm 에서 수행되어야 한다. 표면 구역과 벌크 사이의 경계는 SEM 또는 LOM 이미지에서 기재 단면을 관찰할 때 일반적으로 상당히 구분되는 입방정 상의 부재/존재에 의해 결정된다. 두께는 표면 구역과 벌크 사이의 경계와 표면 사이의 거리에 의해 결정된다. 본원에서 바인더가 풍부하다는 것은, 표면 구역 내의 바인더 상 함량이 벌크 내의 바인더 상 함량의 적절하게는 1.05 내지 1.65 배, 바람직하게는 1.1 내지 1.5 배인 것을 의미한다. 표면 구역 내의 바인더 상 함량은 적절하게는 총 두께의 절반 깊이/표면 구역의 깊이에서 측정된다. 벌크에서 수행된 모든 측정들은 표면 구역에 너무 근접하지 않은 영역에서 수행되어야 한다. 그것은 본원에서 벌크의 미세조직에 대해 행해진 어떠한 측정들도 표면으로부터 적어도 200 ㎛ 의 깊이에서 수행되어야 한다는 것을 의미한다.

입방정 상이 고갈된 표면 구역은, 본원에서 표면 구역이 입방정 상 입자들을 함유하지 않거나 매우 적은 입방정 상 입자들, 즉 0.5 면적% 미만을 함유한다는 것을 의미한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 절삭 공구에는 코팅이 제공된다. 코팅은 착색 층 또는 내마모성 코팅일 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 코팅의 두께는 2 ~ 20 ㎛, 바람직하게는 5 ~ 10 ㎛ 이다.

본 발명의 일 실시형태에서, 코팅은 CVD 코팅 또는 PVD 코팅이고, 바람직하게는 상기 코팅은 TiN, TiCN, TiC, TiAlN, Al₂O₃ 및 ZrCN 으로부터 선택된 하나 이상의 층들을 포함한다. 코팅은 바람직하게는 TiCN 층 및 Al₂O₃ 층을 포함하는 CVD 코팅이다.

본 발명의 일 실시형태에서, 초경합금 기재에는, 적절하게는 Al, Si 및 주기율표에서 4 족, 5 족 및 6 족으로부터 선택된 하나 이상의 원소들의 질화물, 산화물, 탄화물 또는 이들의 혼합물인 내마모성 PVD 코팅이 제공된다.

본 발명의 일 실시형태에서, 절삭 공구는 경사면, 플랭크면 및 이들 사이의 절삭날을 포함하고, 상기 쇼트 피닝은 적어도 경사면 상에서 수행된다. 경사면 피닝은, 절삭 작업 동안 작업 재료가 절삭 공구에 부딪치는 경사면에 있고, 이에 따라서 기재에 영향을 미치는 피닝 동안의 메카니즘이 기재의 관련 영역 또는 체적에 적용된다는 점에서 유리하다. 많은 절삭 공구의 기하학적 형상들에 대해 동시에 여러 개의 절삭날들을 처리하기 때문에 경사면에서 쇼트 피닝을 적용하는 것이 더 유리하다.

본 발명의 일 실시형태에서, 쇼트 피닝은 가열된 절삭 공구 상에서 수행되고, 상기 방법은 절삭 공구가 가열되는 쇼트 피닝 이전의 단계를 포함한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 방법은 상기 절삭 공구의 적어도 일부를 쇼트 블라스팅하는 단계를 더 포함한다. 바람직하게는, 상기 부분은 적어도 절삭날의 섹션 또는 절삭날에 가까운 영역을 포함한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 쇼트 블라스팅 단계는 쇼트 피닝에 후속하여 수행된다. 쇼트 피닝 동안의 열은, 코팅에서의 잔류 응력 유도와 같은, 쇼트 블라스팅으로부터의 일부 긍정적 효과를 감소시킬 수 있어서, 쇼트 블라스팅 전에 쇼트 피닝을 수행하도록 선택함으로써, 둘 다에서 긍정적 효과가 유지될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 쇼트 블라스팅 및 쇼트 피닝은 절삭 공구의 동일한 부분들 상에서 수행된다. 이는, 예를 들어 절삭 공구의 보다 효과적인 로딩으로 인해 대규모의 생산 중에 유리하다.

본 발명의 일 실시형태에서, 피닝은 절삭 공구의 표면에 수직인 쇼트 방향으로 수행된다. 수직 쇼트 피닝은, 가열된 쇼트 피닝이 이 방향으로 있을 때, 충돌된 기재의 깊이가 가장 크다는 점에서 유리하다.

본 발명의 일 실시형태에서, 절삭 공구 (1) 는 인서트, 바람직하게는 밀링 인서트이다.

본 발명에 따른 쇼트 피닝 공정은, 또한 예를 들어 브러싱, 연마, 습식 블라스팅, 건식 블라스팅 등과 같은 절삭 공구를 제조하는 기술 분야에 공지된 다른 공정 단계와 조합될 수 있다.

실시예

이제, 본 발명의 예시적인 실시형태가 더 상세하게 개시되고 참조 실시형태와 비교된다. 절삭 공구 (인서트) 를 제조하고 분석하였다.

샘플 준비

표 1 에 따른 원료로 기재들을 형성하여, 초경합금의 절삭 공구를 준비하였다. 93.9 중량% 의 Ni 및 5.3 중량% 의 Al 로 이루어진 예비 합금화된 NiAl 분말을 사용하였다. WC 의 평균 입자 크기 (FSSS) 는 5.5 ~ 6.3 ㎛ 이었다. 각 원료의 양은 전체 건조 분말 중량에 기반을 두었다. 혼합, 밀링, 분무 건조, 가압 및 소결을 포함하는 통상적인 방법에 따라 기재들을 제조하였다. 밀링은 Co 함유 밀링 본체들을 갖는 밀에서 수행되었고, 분말 내에 Co 를 남기고, 소결된 초경합금 내에 약 0.02 중량% 의 Co 함량을 생성하였다. 인서트 유형의 절삭 공구 CNMG120408-PM 가 형성되었다.

감마 프라임 상 석출물의 크기는 SEM 현미경사진에서 평균 선형 절편 방법에 의해 측정되었다. 본 발명 1 에서 감마 프라임 상 석출물 크기의 평균은 150 nm 이었고, 본 발명 2 에서는 75 nm 이었다. 각 감마 프라임 상의 크기의 측정은 등가 원형 방법을 사용하여 이루어졌다. 감마 프라임 상의 체적 분율을 SEM 현미경사진에서 분석하였다. 본 발명 1 에 대해서, 금속 바인더 내의 체적 분율은 23 체적% 이었고, 30 nm 보다 큰 모든 상들이 계산되었다 (도 7 참조). 본 발명 2 에 대해서, 금속 바인더 내의 체적 분율은 17 체적% 이었고, 30 nm 보다 큰 모든 상들이 계산되었다 (도 8 참조).

소결 후, 2 가지 유형의 절삭 공구들을 500℃ 에서 쇼트 피닝하여, 본 발명 1 ~ 본 발명 2 를 형성하였다.

쇼트 피닝은 AUER Manual Blasting Cabinet ST 700 PS 장비에서 수행하였다. 구형이고 평균 직경이 약 100 ㎛ 인 세라믹 비드의 블라스팅 매체인, 매체 Microblast®B120 를 사용하였다. 세라믹 비드의 결정립 크기는 63 ~ 125 ㎛ 이었다. 세라믹 비드는 60 ~ 70% ZrO₂, 28 ~ 33% SiO₂ 및 10% 미만의 Al₂O₃ 의 조성을 갖는다. 쇼트 건 압력을 5 bar 로 설정하고, 작업 시간을 20 초로 설정하고, 노즐 직경을 8 mm 로 설정하고, 이격 (stand-off) 거리를 100 mm 로 하였다. 피닝은 절삭 공구의 경사면에 수직으로 적용되었다. 가열된 쇼트 피닝의 경우에, 쇼트 피닝 전에 절삭 공구를 유도 코일 가열기로 가열하고, 절삭 공구의 온도를 온도 센서로 측정하였다. 유도 가열기는 Rimac 유도 가열기, 1.5 kW 였다.

이러한 후처리 후 절삭 공구의 절삭날은 약 ER 40 ㎛ 이었다.

비커스 측정

절삭 공구의 경사면과 절삭 공구의 단면 상에 비커스 압입부가 형성되었다. 비커스 압입부는 플랭크면들에서도 형성될 수 있다.

균열 길이 측정을 위한 적합한 표면을 달성하기 위해 샘플들의 경사면을 부드럽게 연마하였다. 샘플을 종이에 0.25 ㎛ 다이아몬드 페이스트를 사용하여 연마하거나 손으로 연마하거나, 중간 속도 및 35 g 하중의 Gatan Inc. Dimple Grinder model 656 을 사용하여 20 mm 직경의 펠트 휠 상에 0.25 ㎛ 다이아몬드 페이스트를 사용하여 연마하였다. 연마는 후속의 균열 길이 측정을 위해 충분히 연마된 영역을 드러내는 표면이 달성될 때까지 수행하였다.

다이아몬드 휠을 사용하여 경사면에 대해 수직으로 인서트를 절삭하고, 이어서 종이 상의 오일에 분산된 9 ㎛ 다이아몬드, 이어서 오일에 분산된 1 ㎛ 다이아몬드를 사용하여 연마함으로써 벌크 샘플을 준비하였다.

연마된 샘플의 비커스 경도는 프로그램가능한 경도 시험기, KB Prueftechnik GmbH 로부터의 KB30S 을 사용하여 측정되었다. 측정은 Euro Products Calibration Laboratory, UK 에 의해 발행된 시험 블록을 사용하여 HV100 에 대해 보정되었다. 비커스 경도는 ISO EN6507 에 따라 측정되었다.

비커스 경도 측정은 경도 시험기를 프로그래밍하여 특정 위치에서 압입을 수행함으로써 수행되었다. 그런 후 지정된 하중을 사용하여 압입이 수행되었다. 적어도 2 개의 평행한 HV100 압입부는 적어도 1.5 mm 의 서로 거리를 두고 만들어졌고, 제시된 결과는 평균값이다.

비커스 압입부의 각 코너에서의 균열의 길이를 분석하고, 카메라 및 컴퓨터를 갖는 Olympus BX51M 광 광학 현미경에서 측정하였다. 시편과 카메라는 비커스 압입부의 대각선이 컴퓨터 스크린 상에서 수평이고 수직이 되도록 배향되었다. 적어도 100 배의 배율을 사용하였다. 균열의 팁을 찾기 어려웠다면, 측정 전 균열의 팁을 위치시키기 위해 배율을 더 높게 적용하였다. 각각의 압입부의 2 개의 대각선을 측정하고, 균열을 각각의 압입부 코너로부터 균열 팁까지 압입부의 연장된 대각선에 대한 투영으로서 측정하였다.

경도, 균열 길이 및 내균열성은 표 2 에 나타내었다.

2 개의 본 발명에서 벌크의 내균열성은 본 발명 1 에 대해서 2.08 이고, 본 발명 2 에 대해서 1.36 이다. 따라서, 2 개의 본 발명들에 대한 W(경사)/W(벌크) 는 본 발명 1 에 대해 15.2 이고, 본 발명 2 에 대해 10.4 이다.

잔류 응력 측정

X-선 회절은 소위 Sin²ψ-방법을 통해 전술한 샘플들에서 잔류 응력을 결정하기 위해 사용되었다. 이 방법에서, 격자 간격 (d) (및 그에 따른 변형률) 의 시프트는 샘플 경사 각도 (ψ) 의 함수로서 측정된다. 잔류 응력은 변형률 대 sin²ψ곡선의 선형 기울기로부터 얻어진다. 잔류 응력은 X-선 탄성 상수를 사용하여 변형률 값으로부터 변환된다.

XRD 측정은 IμS Microfocus Source (CuK_α 방사선, λ = 1.5418 Å) 가 장착된 Davinci 설계를 가진 Bruker Discover D8 회절계, Vantec-500 영역 검출기 및 ¼ Eulerian 크래들에서 수행되었다. 117.32°2θ 에 위치한 WC 의 (2 1 1) 반사를 변형률 측정에 사용하였다. 잔류 응력 측정은 1 내지 4 개의 각도 방향, φ: 0°, 90°, 180°, 270° 로 수행되었고, 각각의 φ-방향에 대해서 10 개의 등거리 ψ-각도 (0° - 50°) 이 측정되었고, 측정 시간 400 s 이다. 1.0 mm 직경의 시준기를 모든 측정에 사용하였다.

그 결과 잔류 응력은 WC 에 대한 X-선 탄성 상수, Bragg peak (2 1 1) 를 사용하여 변형률 데이터로부터 얻어졌다. X-선 탄성 상수는 프아송비 υ = 0.191 및 영률 = 717.360 GPa 로부터 계산되었다.

샘플을 접착 테이프로 샘플 홀더에 장착하였다.

XRD 데이터를 소프트웨어 DIFFRAC EVA (Bruker) 및 High Score Plus (Malvern Panalytical) 로 분석하였다. 잔류 응력 분석에는 소프트웨어 LEPTOS 7 (Bruker) 을 사용하였다.

잔류 응력을 표 3 에 제시한다.

다양한 예시적인 실시형태들과 관련하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 개시된 예시적인 실시형태들로 한정되지 않고, 반대로 첨부된 청구항들 내에서 다양한 수정 및 균등 배치를 포함하려는 것임을 이해하여야 한다. 또한, 본 발명의 임의의 개시된 형태 또는 실시형태는 설계 선택의 일반적인 문제로서 임의의 다른 개시되거나 설명되거나 제안된 형태 또는 실시형태에 통합될 수 있다는 것을 인식하여야 한다. 따라서, 여기에 첨부된 청구항들의 범위에 의해 제시된 바에 의해서만 제한되려는 것이다.

Claims

초경합금 기재를 포함하는 절삭 공구로서,
상기 초경 합금은 금속 바인더 내의 경질 성분으로 이루어지고,
상기 경질 성분은 WC 를 포함하며, 상기 초경합금 내의 WC 함량은 80 ~ 93 중량% 이며,
상기 초경합금은 Ni 및 Al 을 포함하며, 상기 초경합금은 Ni 함량이 3 ~ 13 중량% 이고, Co/Ni 의 중량비 < 0.33 이며, Fe/Ni 의 중량비 < 0.25 이고, Cr/Ni 중량비 < 0.25 이며, 0.02 < Al/(Ni + Co + Fe) 의 중량비 < 0.1 이며,
상기 절삭 공구 (1) 는 경사면 (2), 플랭크면 (3) 및 상기 경사면과 상기 플랭크면 사이의 절삭날을 포함하며,
내균열성 (W) 은 다음과 같이 규정되고,

P 는 비커스 경도 압입부의 하중 100*9.81 N 이고,
는 비커스 경도 압입부의 코너에 형성된 각 균열의 평균 균열 길이 [㎛] 이며,
상기 경사면에서의 경도 H(경사) 와 상기 경사면에서의 내균열성의 곱은 H(경사)*W(경사) > 5000 HV100*N/㎛, 바람직하게는 > 10000 HV100*N/㎛, 더욱 바람직하게는 > 15000 HV100*N/㎛ 인, 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 초경합금은 x 중량% Ni, y 중량% Fe 및 z 중량% Co 를 포함하고, 5 < x + y + z < 10 인, 절삭 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 금속 바인더는 감마 프라임 상을 포함하고, 바람직하게는 상기 감마 프라임 상의 평균 결정립 크기는 직경이 10 ~ 1000 nm 이고, 더욱 바람직하게는 상기 감마 프라임 상의 평균 결정립 크기는 15 ~ 600 nm 인, 절삭 공구.
제 3 항에 있어서,
상기 감마 프라임 상은 Ni₃Al 을 포함하는, 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 절삭 공구의 상기 경사면의 경도는 H(경사) 이고, 상기 절삭 공구의 벌크 영역의 경도는 H(벌크) 이며, 0.90 < H(경사)/H(벌크) < 1.10 인, 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 절삭 공구의 상기 경사면 상에서 측정된 내균열성 (W) 은 W(경사) 이고, 상기 절삭 공구의 상기 플랭크면 상에서 측정된 W 는 W(플랭크) 이며, W(경사)/W(플랭크) > 5, 바람직하게는 > 8, 더 바람직하게는 > 10 인, 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 절삭 공구의 상기 경사면 상에서 측정된 내균열성 (W) 은 W(경사) 이고, 상기 절삭 공구의 벌크 영역 상에서 측정된 W 는 W(벌크) 이며, W(경사)/W(벌크) > 5, 바람직하게는 > 8, 더 바람직하게는 > 10 인, 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 절삭 공구의 상기 경사면 상의 표면 영역에서 측정된 압축 잔류 응력은 1500 MPa 초과, 바람직하게는 2000 MPa 초과, 더욱 바람직하게는 2200 MPa 초과이며, WC 의 (2 1 1) 반사를 사용하는 sin²ψ-방법 및 X-선 회절로 응력 측정이 실시되는, 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초경합금은 Ni 함량이 8 ~ 12 중량% 이고, Co/Ni 중량비 < 0.05 이며, Fe/Ni 중량비 < 0.05 이고, Cr/Ni 중량비 < 0.02 이며, 0.04 < Al/(Ni + Co + Fe) 중량비 < 0.07 인, 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초경합금은 Ni 함량이 8 ~ 12 중량% 이고, Co/Ni 중량비 < 0.05 이며, Fe/Ni 중량비 < 0.05 이고, Cr/Ni 중량비 < 0.08 이며, 0.04 < Al/(Ni + Co + Fe) 중량비 < 0.07 인, 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초경합금 내 WC 의 평균 결정립 크기는 0.2 ~ 10 ㎛, 바람직하게는 0.2 ~ 5 ㎛ 인, 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초경합금은 Ti, Nb, Ta, Mo, W, Re, Ru 중 하나 이상을 포함하는, 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 절삭날의 적어도 일부의 에지 반경 (ER) 은 10 ㎛ 내지 50 ㎛, 바람직하게는 20 ㎛ 내지 40 ㎛ 인, 절삭 공구.
초경합금 기재를 포함하는 절삭 공구를 처리하는 방법으로서,
상기 초경 합금은 금속 바인더 내의 경질 성분으로 이루어지고, 상기 경질 성분은 WC 를 포함하며, 상기 초경합금 내의 WC 함량은 80 ~ 93 중량% 이며,
상기 초경합금은 Ni 및 Al 을 포함하며, 상기 초경합금은 Ni 함량이 3 ~ 13 중량% 이고, Co/Ni 의 중량비 < 0.33 이며, Fe/Ni 의 중량비 < 0.25 이고, Cr/Ni 중량비 < 0.25 이며, 0.02 < Al/(Ni + Co + Fe) 의 중량비 < 0.1 이며,
상기 절삭 공구 (1) 는 경사면 (2), 플랭크면 (3) 및 상기 경사면과 상기 플랭크면 사이의 절삭날을 포함하며,
쇼트 피닝은 적어도 상기 경사면 (2) 상에서 수행되고,
상기 방법은 상기 절삭 공구의 상기 경사면을 쇼트 피닝하는 단계를 포함하는, 절삭 공구를 처리하는 방법.
제 14 항에 있어서,
상기 쇼트 피닝은 100 ~ 600℃ 의 온도에서 수행되는, 절삭 공구를 처리하는 방법.