KR20230015780A - 강철합금 절삭공구 및 고정밀 리니어 액츄에이터의 제조방법 - Google Patents
강철합금 절삭공구 및 고정밀 리니어 액츄에이터의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 초경합금 절삭공구 제조방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 화학적 기상 증착 방법에 의한 층 증착 및 이온 플라즈마 진공-아크 증착의 방법에 의한 최종 층 증착을 포함하여 초경합금 절삭공구에 결합 코팅을 적용하는 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 초경합금 절삭공구 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 결합된 PVD/CVC/PVD 코팅을 적용한 피복된 강철합금 절삭공구 및/또는 고정밀 리니어 액츄에이터의 제조방법에 관한 것이다.
화학적 증기 증착(Chemical Vapor Deposition; CVD) 및 물리적 증기 증착Physical Vapor Deposition; PVD) 공정은 절삭 공구의 작업 표면에 내마모성 코팅을 적용하는 데 널리 사용되며, 각각의 장단점 및 선호하는 적용 분야가 있다.
CVD 방법을 사용하면 기판에 대한 높은 접착력, 밀도 및 조성 균질성을 가진 코팅을 얻을 수 있다. 이러한 코팅의 특징적인 구조는 등축 그레인으로 연속 절단 조건에서 작업하는 데 더 적합하다. 동시에, 기상 CVD 공정의 구현을 위해서는 상대적으로 높은 온도와 지속 시간이 필요하며, 이는 결국 탈탄화, 경질 합금 및 "코팅 기판" 계면에서 취성의 형성 원인이 된다. 또한, TiC, TiN, Ti(C, N)을 기반으로 한 카바이드 베이스와 코팅의 열팽창률 차이로 인해 제품에 잔류 열 인장 응력이 형성되어 공구의 피로 저항이 감소한다. 이 모든 것은 코팅된 공구의 강도를 감소시키고 특히 고하중 절단 작업, 교대 하중이 구현되는 공정 및 기계 가공이 어려운 재료 절단의 경우 효율성을 감소시킨다.
PVD 코팅은 특징적인 기둥 구조와 압축 응력의 실현을 일반적으로 고려하여 높은 경도와 함께 충분한 점도가 필요한 경우 교번 하중 조건에서 작업하는 데 더 적합하다.
CVD / PVD 코팅 증착 공정을 결합하면 코팅의 구조와 특성을 보다 효율적이고 원하는 대로 제어할 수 있으므로, 결합된 방법의 단점을 크게 줄이면서 장점의 상당 부분을 통합할 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 연속(선삭) 및 단속 절단(밀링) 작업에서 제안된 코팅으로 절삭 공구의 내구성을 높이고, 선삭 및 밀링 모두에 적용 영역을 확장하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 초경합금 절삭공구에 대한 내구성을 증진시키는 것을 목적으로 하며, 구체적으로 화학적 증기 증착법 및 물리적 증기 증착법을 이용하여 피복된 초경합금 절삭공구를 제조하는 것에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 초경합금 절삭공구의 제조방법은, 화학적 증기 증착법 및 물리적 증기 증착법을 적용할 수 있다.
구체적으로, 본 발명은 절삭공구에 화학적 기상 증착법으로 제1 코팅층을 형성하고, 상기 코팅층이 형성된 절삭공구에 물리적 기상 증착법으로 제2 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는, 초경합금 절삭공구의 제조방법이다.
여기서, 상기 화학적 기상 증착법은 층 증착법으로 티타늄 탄화물, 티타늄 탄질화물 및 티타늄 질화물로 구성된 TiCl4-N2-H2 CVD 코팅층을 형성하는 것이 가능하다.
그리고, 상기 물리적 기상 증착법은 이온 플라즈마 진공-아크 증착법으로 질화 티타늄층을 형성하는 것일 수 있다.
또한, 상기 이온 플라즈마 진공-아크 증착법은 티타늄 카바이드, 크롬 카바이드, 코발트, 니켈, 철, 몰리브덴, 황 및 텅스텐 카바이드로 이루어진 혼합물을 300-400rpm의 속도로 40-80℃의 온도에서 120-900초 동안 회전시키면서 혼합하는 것이 가능하다.
본 발명자들은 물리적 및 화학적 공정 제어 조항에 대한 과학적 연구를 기반으로 화학 열처리 방법을 적용한 다양한 기하학적 복잡성을 가진 제품에 보호 코팅을 생산하기 위한 첨단 기술 및 장비를 개발하였다.
화학적 열처리(HTO)는 산화환원 반응의 결과로 제품 또는 공작물의 표면에 고체 또는 다공성 산화막을 생성하는 과정이다. 화학 열처리는 주로 보호 및 장식 코팅의 생산뿐만 아니라 하드 코어 제품 표면의 절연층 형성에 사용될 수 있다.
코팅의 형성은 결정 핵의 금속 표면이 나타나는 것으로 시작된다. 금속 산화물이 덮으면서, 용액의 영향, 철의 용해 속도 및 코팅 형성으로부터 분리된다. 코팅 두께는 단결정의 핵 생성 및 성장 과정의 상대적인 속도에 따라 달라진다. 고속에서 첫 번째 프로세스는 결정 핵의 수를 빠르게 증가시키고 병합하여 얇은 연속 코팅을 형성한다. 핵 생성 속도가 상대적으로 작으면 성장에 유리한 조건을 만들고 두꺼운 두께의 산화물 코팅을 형성한다.
화학 열처리 공정은 회의 조건과 처리 된 강철의 구성에 따라 다르다. 산화제의 농도가 높으면 산화물 결정핵의 형성 속도가 증가하므로 얇은 두께의 코팅이 형성되고 용액으로 통과되는 금속의 양이 감소한다. 산화제의 농도를 낮추면 코팅 두께의 성장을 촉진하지만, 너무 적은 함량으로 얻어지는 필름은 기계적으로 깨지기 쉽고 쉽게 지워진다. 산화제의 농도를 증가시키면 초기에 피막 형성 과정의 속도가 증가한다.
상기 화학 열처리로 보호 코팅을 얻는 과정에는 하기와 같은 1 내지 6의 단계를 포함할 수 있다.
1. 탈지
2. 플러싱
3. 화학 열처리
4. 플러싱
5. 건조
6. 함침 억제제
본 발명의 다른 실시형태는, 상기한 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는, 초경합금 절삭공구이다.
본 명세서에서 '초경합금'은 강철합금과 유사한 용어로 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 대상이 되는 절삭공구는 실제로 절삭 가능한 공구이거나 또는 일반적인 절삭공구에 사용되거나 절삭공구와 관련하여 사용되거나 절삭공구의 기능을 서포트할 수 있는 다른 공구들을 포괄적으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 절삭공구는 액츄에이터, 리니어 액츄에이터, 또는 고정밀 리니어 액츄에이터일 수 있다.
그래서, 상기한 제조방법을 액츄에이터에 적용하면 제1 코팅층 및 제2 코팅층이 형성된 고정밀 리니어 액츄에이터를 제조하는 것이 가능하다.
본 발명에 따라 피복된 초경합금 절삭공구는 화학적 증기 증착법 및 물리적 증기 증착법을 적용한 것으로, 기존 보다 내구성이 향상된 절삭공구를 제공할 수 있다.
도 1은 Plasma electrolytic oxidation (PEO)에 대한 모식도이다.
도 2는 Plasma electrolytic oxidation (PEO)에 대한 관련 그래프이다.
도 3은 경질 아노다이징(anodizing)과 PEO 코팅의 비교를 나타낸 것이다.
도 4는 PEO 처리에 따른 단면도(cross section)를 나타낸 것이다.
도 2는 Plasma electrolytic oxidation (PEO)에 대한 관련 그래프이다.
도 3은 경질 아노다이징(anodizing)과 PEO 코팅의 비교를 나타낸 것이다.
도 4는 PEO 처리에 따른 단면도(cross section)를 나타낸 것이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
<실시예 1> 화학적 기상 증착법(CVD)
1.1) 초경 절삭 인서트의 표면은 최대 1.2-1.3 keV의 에너지로 Cr 이온 흐름에 예비적으로 노출되며, 이는 ~ -1kV의 음전위를 기판에 공급함으로써 처리된다. 상기 처리는 이온 충격의 "스퍼터링" 효과로 인해 코팅과 기판 사이의 전이 영역의 결함을 크게 줄인다.
1.2) 아크-PVD 방법(이온-플라즈마 진공-아크 증착)을 사용하여 ~ 0.5μm 두께의 크롬 장벽 층이 경합금 도구 베이스에 적용된다. 그 목적은 CVD 공정 중 기판과 코팅 사이의 상호 확산 공정을 차단하는 기능에 의해 결정되며, 그 결과 코팅-기판 인터페이스에서 취성 η-상(Co3W3C)의 형성과 함께 카바이드 기판의 탈탄화, 절삭 공구의 취화로 이어진다.
1.3) TiCl4-CH4-H2 및 TiCl4-N2-H2의 기상 기체상으로부터 1020-1050℃의 온도에서 표준 CVD 기술에 의한 증착은 티타늄 탄화물, 티타늄 탄질화물 및 티타늄 질화물로 구성된 TiCl4-N2-H2 CVD 코팅 층이다.
1.4) 질소 반응 가스 환경(PN2=10-3 Pa)에서 Ti(BT1) 음극에 아크(I = 120A, U = 20V) ~ -160V의 음의 바이어스 전위가 기판에 인가된다. 기판에 적용된 음의 바이어스 전위가 -160V로 증가하면 코팅 증착 중 코팅 증착과 스퍼터링의 두 가지 프로세스가 경쟁하기 시작한다. 이것은 코팅 재료의 입자 성장과 그 구조의 개선에 대한 결정학적 방향의 지속적인 변화로 이어진다.
예비적으로 CVD 코팅의 표면층은 최대 1.1-1.2 keV의 에너지로 금속 플라즈마(Ti 이온) 흐름에 노출되어 표면 돌출부, 결함있는 코팅층 형태의 가능한 응력 집중 장치를 제거하고 잔류 인장 응력을 줄인다.
<실시예 2> 물리적 기상 증착법 (PVD) - 아크 진공 코팅 방법
합금 카바이드 화합물의 기능성 코팅이 있는 마찰 공학 제품 및 금속 절단 도구 생산에서 진공-아크 증착으로 코팅을 적용하는 방법. 기술적 결과는 마모 및 부식성 하중에 노출되는 동안 코팅의 내마모성, 내구성 및 내식성을 증가시키는 것이다.
진공 아크 코팅 방법은 분말 혼합물을 준비하고 블랭크를 압착하여 대상 음극을 제조하고 진공 소결하고 코팅을 형성하여 대상 음극을 진공 아크 증발시키는 것을 포함한다는 기술적 결과가 달성된다. 제품 및 분말은 티타늄 카바이드, 크롬 카바이드, 코발트, 니켈, 철, 몰리브덴, 황 및 텅스텐 카바이드로 구성 요소, 질량의 비율로 분말 혼합물을 만드는 데 사용된다.
각 재료(물질)별 질량 %는 하기와 같다.
크롬 카바이드 Cr2 C3 0.5-20,
티타늄 카바이드 TiC 0.5-20,
실리콘 카바이드 SiC 0.3-10,
코발트 Co 8-12,
니켈 Ni 0.5-5,
철 Fe≤0,1,
몰리브덴 Mo≤0.1,
황 S ≤0.1,
텅스텐 카바이드 WC 나머지.
300-400rpm의 속도로 40-80℃의 온도에서 120-900초 동안 회전시키면서 혼합된 것을 혼합물 4-12 질량에 도입한다. 30-40rpm의 속도 및 24-35℃의 온도에서 10-12분 동안 교반하면서 가소제, 50-300미크론의 과립 크기로 과립화하고 90-110℃의 온도에서 건조시키고, 공극률이 <1%가 되도록 20-40초 동안 30-35MPa의 가압된다.
진공 소결은 두 단계로 수행된다. 먼저 공작물을 900-1000°C의 온도로 100분 동안 가열하고 5-12분 동안 유지한 다음 1450-1600°C의 온도로 130분 동안 가열하고 인큐베이션한다. 120분 동안 800°C로 먼저 60분 동안 냉각한 다음 오븐과 함께 실온으로 코팅 적용은 제품을 430-450°C의 온도로 가열, 진공 점화-아크 방전, 진공 아크의 음극 스폿의 형성, 음극 스폿을 제어하는 자기장의 형성 및 코팅을 적용하는 과정에서 형성된 자기장의 곡률 변화를 포함한다.
혼합물의 분말 입자 크기가 미크론이라는 점에서 기술적 결과도 달성된다. 크롬 카바이드 1-4 미크론, 티타늄 카바이드 1-4 미크론, 실리콘 카바이드 3-5 미크론, 코발트 1-2.5 미크론, 니켈 1-2, 5 미크론, 철 1-2.5 미크론, 몰리브덴 1-2, 5 미크론, 황 최대 5 미크론, 텅스텐 카바이드-입자 0.8-1 미크론의 50%, 입자 0.4-0.6 미크론의 50%; 이소프로필 알코올은 가소제로 사용된다. 음극 지점을 제어하는 자기장의 형성과 그 곡률의 변화는 자기 회로에 동축으로 위치한 다른 방향의 두 자기 코일의 공급 전류 비율을 1:1에서 1:0.2로 변경하여 수행된다.
대상 음극의 제조를 위한 분말 혼합물의 정성적 조성과 성분의 비율은 경도의 증가, 연마 및 수중 연마 마모에 대한 사용으로 얻은 코팅의 저항성, 내마모성 및 내마모성을 제공하고, 마찰률을 줄인다. 결과적으로 마찰률이 0.01이고 마모율이 0.5 x 10-8 mm3/Nm인 내마모성 및 내식성 코팅이 얻어진다.
제조결과
본 발명의 구현에서 기술적 결과는 화학적 기상 증착 방법에 의한 층 증착 및 이온 플라즈마 진공-아크 증착의 방법에 의한 최종 층 증착을 포함하여 절단 카바이드 도구에 결합 코팅을 적용하는 방법에 의해 달성된다.
초기에 언급된 도구의 표면은 크롬 이온 및 이온 플라즈마 진공 아크 증착 방법으로 수정되는 반면, 크롬 장벽 층이 적용된 다음 티타늄 카바이드, 티타늄 탄소 질화물 및 티타늄 질화물로 구성된 층이 화학 기상 증착에 의해 증착된 층으로 적용되고 티타늄 이온으로 개질 처리가 수행되고, 이온 플라즈마 진공 아크 증착 방법에 의해 증착된 마감 층은 네거티브인 경우 질화 티타늄 층이 적용된다.
질화 티타늄의 성장. 입자의 결정학적 방향의 변화로 인해 나노 구조가 형성되어 증착된 표면에 150-160V의 전위가 적용된다.
티타늄 질화물의 PVD 코팅의 최종 층의 증착은 100nm 미만의 결정자 크기를 가진 나노 구조 형성에 도움이 되는 조건에서 수행되며, 이는 결정 간 경계의 성장, 및 개시 과정과 취성 균열의 성장의 차단으로 인해 높은 경도 (~30GPa)와 점도를 결정한다.
상기에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 기술적 특징이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이다.
Claims (5)
- 절삭공구에 화학적 기상 증착법으로 제1 코팅층을 형성하고,
상기 코팅층이 형성된 절삭공구에 물리적 기상 증착법으로 제2 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는, 초경합금 절삭공구의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 화학적 기상 증착법은 층 증착법으로 티타늄 탄화물, 티타늄 탄질화물 및 티타늄 질화물로 구성된 TiCl4-N2-H2 CVD 코팅층을 형성하는 것을 특징으로 하는, 초경합금 절삭공구의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 물리적 기상 증착법은 이온 플라즈마 진공-아크 증착법으로 질화 티타늄층을 형성하는 것을 특징으로 하는, 초경합금 절삭공구의 제조방법.
- 제 3항에 있어서,
상기 이온 플라즈마 진공-아크 증착법은 티타늄 카바이드, 크롬 카바이드, 코발트, 니켈, 철, 몰리브덴, 황 및 텅스텐 카바이드로 이루어진 혼합물을 300-400rpm의 속도로 40-80℃의 온도에서 120-900초 동안 회전시키면서 혼합하는 것을 특징으로 하는, 초경합금 절삭공구의 제조방법.
- 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따른 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는, 초경합금 절삭공구.
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