KR20230102643A - 경질 피막을 가지는 절삭공구 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 내마모성과 내치핑성이 모두 우수한 경질 피막을 가지는 절삭 공구를 제공하는 것을 목적으로 한다. 상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 절삭공구는 경질 모재 및 상기 경질 모재 상에 형성되는, Ti(1-x)SixN(0.05<x≤0.30)의 조성을 가지는 제 1 피막을 포함하고, 상기 제 1 피막은 인선 중심으로부터 500㎛ 이내의 플랭크면에서 원자 기준 Si의 함량을 FSi, 인선 중심으로부터 500㎛ 이내의 레이크면에서 원자 기준 Si의 함량을 RSi라 할때, 0.5＜FSi/(FSi+RSi)≤0.6를 만족할 수 있다.
Description
본 발명은 절삭공구에 사용되는 초경합금, 써멧, 세라믹, 입방정 질화붕소와 같은 경질모재 상에 형성되는 경질 피막에 관한 것으로, 특히 상부에 Ti(1-x)SixN으로 이루어지는 경질 피막을 포함하고, 경질 피막의 Si 함량이 부분별 다르게 분포하는 경질 피막에 관한 것이다.
고경도강과 같이 HRC기준 50 이상의 경도를 가지는 고경도의 피삭재를 가공하기 위한 공구에서는 절삭성능 향상 및 수명 향상을 위해 초경합금, 서멧(cermet), 엔드밀, 드릴류 등의 경질기체 위에 각종 세라믹스로 이루어지는 경질 피막의 기술이 채용되고 있다.
경질 피막 중 특히 Ti와 Si의 복합 질화물 피막은 우수한 내마모성 및 내열성을 가지고 있어 고경도강 등의 절삭 가공에 있어 우수한 내구성을 발휘할 수 있게 된다. 하지만, 이러한 Ti(1-x)SixN 경질 피막에서 Si는 함량이 높은 경우 내마모성은 우수하지만 내치핑성이 저하되고, 반대로 함량이 낮은 경우 내마모성이 저하되고 내치핑성이 향상되는 특성을 가지게 된다.
이러한 상반 특성의 문제를 해결하기 위해 종래 기술에서는 Ti와 Si 이외에 Al 등을 추가로 복합화하는 조성의 피막을 이용하였으나 이는 Ti(1-x)SixN 층에 비해 내치핑성이 향상될 수는 있지만 순수한 Ti(1-x)SixN에 비해 내마모성이 낮은 문제가 있다.
본 발명은 내마모성과 내치핑성이 모두 우수한 경질 피막을 가지는 절삭 공구를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 절삭공구는 경질 모재 및 상기 경질 모재 상에 형성되는, Ti(1-x)SixN(0.05<x≤0.30)의 조성을 가지는 제 1 피막을 포함하고, 상기 제 1 피막은 인선 중심으로부터 500㎛ 이내의 플랭크면에서 원자 기준 Si의 함량을 FSi, 인선 중심으로부터 500㎛ 이내의 레이크면에서 원자 기준 Si의 함량을 RSi라 할때, 0.5＜FSi/(FSi+RSi)≤0.6를 만족할 수 있다.
또한, 상기 제 1 피막에서 상기 인선으로부터 2mm이상 떨어진 부분에서의 원자 기준 Si의 함량을 CSi라 할때, 상기 인선 중심으로부터 500㎛ 이내의 플랭크면에서 원자 기준 Si의 함량인 FSi와의 관계에서, 0.7≤FSi/CSi≤0.9를 더 만족할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 절삭공구는 상기 경질 모재와 상기 제 1 피막 사이에 제 2 피막을 더 포함하고, 상기 제 2 피막은 Al(1-a-b-c)TiaCrbMecN(Me는 B, Si, Zr, V, Mn, Nb, Mo, Ta, W 중 어느 하나이며, 0<(1-a-b-c), 0≤a≤0.6, 0≤b≤0.5, 0≤b≤0.15)의 조성을 가지고, Ti와 Cr 중 하나 이상을 반드시 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 절삭공구에서 상기 제 1 피막의 두께가 0.5~3㎛ 범위이고, 상기 제 2 피막의 두께는 1~6㎛ 범위일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 절삭공구에서 상기 제 2 피막의 경질 모재 측에는 분산된 금속상이 존재하고, 상기 금속상은 상기 제 2 피막의 조성에 포함되는 금속 원소가 60원자% 이상일 수 있다
본 발명에 따라 부위별로 요구되는 특성을 만족시킬 수 있는 경질 피막이 형성된 절삭공구를 제공할 수 있게 되어 절삭공구의 내마모 특성과 수명을 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 내마모성이 우수하면서 동시에 내치핑성이 우수한 경질 피막을 가지는 절삭공구를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 일 실시예에서 경질 모재 상에 제 1 및 제 2 피막이 형성된 절삭공구를 설명하는 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 일 실시예에서 제 2 피막의 단면에 대한 주사전자현미경 이미지이다.
도 2는 본 발명에 따른 일 실시예에서 제 2 피막의 단면에 대한 주사전자현미경 이미지이다.
이하 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 절삭공구는, 경질 모재 및 경질 모재 상에 형성되는, Ti(1-x)SixN(0.05<x≤0.30)의 조성을 가지는 제 1 피막을 포함하고, 상기 제 1 피막은 인선 중심으로부터 500㎛ 이내의 플랭크면에서 원자 기준 Si의 함량을 FSi, 인선 중심으로부터 500㎛ 이내의 레이크면에서 원자 기준 Si의 함량을 RSi라 할때, 0.5＜FSi/(FSi+RSi)≤0.6를 만족할 수 있다.
절삭공구의 내마모성과 수명을 향상시키기 위해 경질 모재 상에 형성되는 경질 피막은 내마모성뿐만 아니라 내치핑성도 중요한 요구 특성 중 하나이다. 내치핑성이 떨어지면 결국 절삭공구의 수명이 줄어들기 때문이다. 본 발명에서 상부 피막으로 형성되는 Ti(1-x)SixN층은 Si 함량에 따라 내마모성과 내치핑성이 서로 상반적인 특성을 가지게 되어 적당한 함량에서 조화를 이루고자 하는 시도가 많았다.
하지만, 이러한 내마모성과 내치핑성도 절삭공구의 부분별로 더 중요시되는 특성이 서로 다르게 될 수 있는데, 절삭공구의 플랭크면에서는 내마모성이 더 중요시되는 반면에 레이크면에서는 내열성과 내치핑성이 더 중요하게 된다. 따라서, Si의 함량을 플랭크면의 요구 특성에 맞추게 되면 내마모성은 우수하지만 레이크면에서 내열성과 내치핑성이 떨어지게 되어 공구의 수명에 악영향을 미치게 된다. 반대로, Si의 함량을 내열성과 내치핑성이 중요한 레이크면에 맞추게 되면 플랭크면에서 내마모성이 떨어져 공구의 절삭 성능이 떨어지고 공구의 수명도 악화시키게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명에서는 플랭크면과 레이크면에서의 Si 함량을 서로 다르게 함으로써 절삭공구의 부위별 요구되는 상이한 특성을 만족시키고, 이에 따라 공구의 절삭 성능과 수명을 높일 수 있게 된다. 이를 위해 제 1 피막에서 Si의 조성비는 내마모성과 내치핑성이 어느 정도 조화를 이룰 수 있는 0.05<x≤0.30의 범위에 있으면서, 동시에 내마모성이 더 중요한 플랭크면에서의 Si 함량이 내치핑성이 더 중요한 레이크면에서의 Si함량 보다 더 높게 함으로써 절삭공구의 부분별 요구되는 상이한 특성을 함께 만족시킬 수 있게 된다. 한편 플랭크면과 레이크면의 Si 함량 차이를 너무 크게 하면 내마모성과 내치핑성의 균형이 무너지게 되어 오히려 절상 공구의 수명에 악영향을 미칠 수 있다. 따라서 플랭크면에서 Si의 원자%를 FSi라하고 레이크면에서 Si의 원자%를 RSi라할 때 0.5＜FSi/(FSi+RSi)≤0.6를 만족하는 것이 바람직하다.
플랭크면과 레이크면에서 상이한 Si 조성을 가지는 범위는 인선 중심으로부터 각각 500㎛이내이다. 이 영역은 실제 가공에서 피삭재와 접촉할 가능성이 높은 면적으로 특히 미세한 특성의 제어가 필요한 부분이기 때문이다.
한편, 제 1 피막에서 인선 중심에서 가까운 부분과 먼 부분과의 사이에도 Si의 함량을 조절하는 것이 필요한데, 가까운 부분은 특히 절삭물과의 마찰로 인해 내치핑성이 중요하게 된다. 따라서 인선에서 먼 쪽에서보다는 Si의 함량이 적은 것이 바람직하다.
이를 위해 본 발명에서는 제 1 피막에서 상기 인선으로부터 2mm이상 떨어진 부분에서의 원자 기준 Si의 함량을 CSi라 할때, 상기 인선 중심으로부터 500㎛ 이내의 플랭크면에서 원자 기준 Si의 함량인 FSi와의 관계에서, 0.7≤FSi/CSi≤0.9를 더 만족할 수 있다.
FSi의 함량이 상기 비율보다 더 작게 되면 인선에서 가까운 부분에서의 내마모성이 너무 낮고 상기 비율보다 더 크면 내치핑성의 향상이 없기 때문에 상기 범위가 바람직하고, 더 바람직하게는 0.7~0.8 범위이다.
또한, 본 발명에서 제공할 수 있는 절삭공구에서 상기 상기 경질 모재와 상기 제 1 피막 사이에 제 2 피막을 더 포함하고, 상기 제 2 피막은 Al(1-a-b-c)TiaCrbMecN(Me는 B, Si, Zr, V, Mn, Nb, Mo, Ta, W 중 어느 하나이며, (1-a-b-c)>0, 0≤a≤0.6, 0≤b≤0.5, 0≤b≤0.15)의 조성을 가지고, Ti와 Cr 중 하나 이상을 반드시 포함하게 된다.
Al과 Ti 또는 Cr을 포함하는 질화물 박막은 내마모성이 우수할 뿐만 아니라 내열성과 내치핑성이 우수한 피막으로 알려져 있다. 이러한 조성의 제 2 피막을 내마모성이 우수한 Ti(1-x)SixN 조성의 제 1 피막 아래에서 경질 모재와의 사이에 배치함으로써 내마모성이 우수하지만 내치핑성 등이 상대적으로 떨어지는 제 1 피막의 내치핑성을 보완할 수 있게 된다.
제 2 피막은 Al, Ti 및 Cr 외에도 B, Si, Zr, V, Mn, Nb, Mo, Ta, W 중 어느 하나의 금속 원소를 가질 수 있다. 이들 금속 원소의 조절을 통해 제 2 피막의 내마모성, 내치핑성, 내열성 등이 크게 향상될 수 있다.
제 2 피막에서 a, b, c는 금속 원소인 Al, Ti, Cr, Me의 조성비를 결정하게 되는데, Al의 조성이 큰 경우 내마모성, 내산화성 및 윤활성이 더 우수하나 Al 함량이 너무 높아질 경우 치핑성이 증가하는 문제가 있어, Ti와 Cr의 함량은 0≤a≤0.6, 0≤b≤0.5인 것이 바람직하다.
기타원소는 Zr, B 등 첨가를 통해 제 2 피막의 내치핑성, 내열성, 내마모성 등을 향상시킬 수 있으나, 함량이 높을 경우 비정질상의 증가로 잔류응력 증가의 원인으로 작용할 수 있기 때문에 기타원소인 Me의 함량은 0~0.15인 것이 바람직하다.
본 발명에서 상술한 제 1 피막의 두께는 0.5~3㎛ 범위이고, 상기 제 2 피막의 두께는 1~6㎛ 범위일 수 있다.
상층에 형성되어 내마모성을 부여하는 기능이 큰 제 1 피막은 0.5㎛ 미만에서는 충분한 내마모성을 부여하기 어렵고 3㎛을 초과하면 내부응력이 커질 우려가 있다.
한편, 제 2 피막은 1㎛ 미만에서는 충분히 내마모성을 보완하기 어렵고 6㎛을 초과하면 내부응력이 커져 오히려 치핑성이 높아질 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 제 2 피막의 경질 모재 측에는 분산된 금속상이 존재하고, 상기 금속상은 상기 하부 피막의 조성에서의 금속 원소가 60원자% 이상일 수 있다.
제 2 피막의 형성에 있어서 경질 모재와의 접촉 면에 아일랜드 형태로 분산되는 금속상이 형성되도록 함으로써 제 2 피막과 경질 모재와의 결합력을 향상시킬 수 있다. 분산된 금속상은 제 2 피막의 조성에 포함되는 금속 원소가 60원자%이상인 금속상일 수 있다.
이러한 금속상은 제 2 피막에 앵커링 효과를 부여함으로써 제 2 피막과 경질 모재와의 결합력을 강화시키고 결과적으로 제 1 피막 및 제 2 피막을 포함하는 경질 피막 전체의 모재와의 결합력을 강화시킬 수 있게 된다.
본 발명에 따른 절삭공구의 개략도를 도 1에서 나타내었다. 경질 모재(10) 상에 제 2 피막(30)이 형성되고 그 위에 다시 제 1 피막(20)이 형성된다. 제 1 피막(20)에서는 인선 중심(24)으로부터 500㎛ 범위내의 플랭크면 부분(21)에서의 Si 함량(Fsi)과 레이크면 부분(22)에서의 Si 함량(Rsi)이 서로 다르게 되어 0.5＜FSi/(FSi+RSi)≤0.6 범위에 있게 된다.
또한, 인선에서 먼 부분(23)에서의 Si 함량(CSi)에 대한 인선에서 가까운 플랭크면 부분(21)에서의 Si함량(FSi)의 비율인 FSi/CSi는 0.7~0.9 범위에 있게 된다.
한편, 제 2 피막에서는 경질 모재 측에 분산된 금속상(31)이 형성될 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기에서 설명되는 실시예에 한정되지는 않는다.
[실시예]
본 발명의 실시예에서는 초경합금으로 이루어진 모재 표면에 2가지의 표면처리(이온 봄바드먼트(Ion Bombardment))와 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition, PVD)인 아크 이온 플레이팅 법을 이용하여, 도 1에 도시된 것과 같이 제 2 피막과 제 1 피막으로 구성된 경질피막을 형성하였다.
구체적으로, 코팅에 사용한 타겟으로는 Ti, Cr, TiAl, AlCr, TiSiN의 아크 타겟을 사용하였으며, 상기 모재를 습식 마이크로 블라스팅 및 초순수로 세척한 뒤 건조한 상태에서 코팅로 내 회전 테이블 상의 중심축에서 반경 방향으로 소정 거리 떨어진 위치에 원주를 따라 장착하고 코팅로 내 초기 진공압력을 8.5×10-5 Torr 이하로 감압하였다.
온도를 400 ~ 600℃로 가열한 후 Ar 가스 분위기 하에서 상기 회전 테이블 상에서 자전하면서 회전하는 모재에 Ar 가스 분위기 하에서 바이어스(bias) 전압을 -400 ~ -200V을 인가하여 30 ~ 90분간 Ar 이온 봄바드먼트(Ion Bombardment)를 수행하였다. 그 후, -1000 ~ -600V의 바이어스 전압을 인가 하고, 아크타겟(Ti, Cr 중 하나)에 아크 전류 70 ~ 150A를 공급하여 1~20분간 금속(반금속 포함) 이온 봄바드먼트(Ion bombardment)를 수행하였다. 금속 이온 봄바드먼트는 Ar 이온 봄바드먼트 수행 전에 이루어질 수도 있다. 코팅을 위한 가스압력은 50mTorr 이하 바람직하게는 40mTorr 이하로 유지하여 하부층인 제 2 피막 및 상부층인 제 1 피막을 성막하였다.
제 2 피막은 TiAl, AlCr 및 TiSi 타겟을 사용하여 바이어스 전압 -100 ~ -30V, 아크 전류 100 ~ 150A, 반응가스로 N2를 주입하여 압력 20 ~ 40mtorr 조건으로 성막하였다.
상기 제 1피막은 TiSi 타겟을 사용하여 -150 ~ -50V 펄스형 바이어스 전압을 인가하고 또한 50~90% 듀티사이클 및 20~40 kHz 범위의 주파수를 이용하여 성막하였다.
상기한 조건으로 본 발명의 실시예와 비교예를 제조하였으며, 이에 해당되는 경질 피막의 조건, 두께에 대한 기본 정보를 아래 표 1에 나타내었다. 코팅조건은 장비특성 및 조건에 따라 달라질 수 있다.
| 구분 | 제 2 피막 | 제 1 피막 | ||||||
| 타겟 1 (조성비) |
타겟 2 (조성비) |
두께 (um) |
타겟 (조성비) |
바이어스 | 두께 (um) |
|||
| 주파수 (kHz) |
듀티사이클 (%) |
전압 (V) |
||||||
| 실시예 1 | TiAl (50:50) |
- | 3.2 | TiSi (80:20) |
30 | 80 | -70 | 1.5 |
| 실시예 2 | TiAl(50:50) | - | 3.5 | TiSi (85:15) |
30 | 75 | -100 | 1.2 |
| 실시예 3 | TiAl(50:50) | - | 4.0 | TiSi (90:10) |
30 | 70 | -120 | 0.8 |
| 실시예 4 | TiAl(50:50) | AlCr (70:30) |
3.5 | TiSi (75:25) |
30 | 80 | -50 | 1.8 |
| 실시예 5 | TiAl(50:50) | AlCr (70:30) |
3.6 | TiSi (80:20) |
30 | 80 | -70 | 1.6 |
| 실시예 6 | TiAl(50:50) | AlCr (70:30) |
3.8 | TiSi (85:15) |
25 | 70 | -100 | 1.1 |
| 실시예 7 | AlCr(70:30) | - | 3.0 | TiSi (75:25) |
30 | 70 | -90 | 1.4 |
| 실시예 8 | AlCr(70:30) | - | 2.9 | TiSi (80:20) |
25 | 65 | -120 | 1.5 |
| 실시예 9 | AlCr(70:30) | TiSi (90:10) |
2.5 | TiSi (90:10) |
20 | 60 | -150 | 1.2 |
| 실시예 10 | AlCr(70:30) | TiSi (90:10) |
2.8 | TiSi (90:10) |
25 | 65 | -130 | 1.5 |
| 비교예 1 | TiAl(50:50) | - | 3.3 | TiSi (80:20) |
- | - | -70 | 1.2 |
| 비교예 2 | TiAl(50:50) | - | 3.6 | TiSi (85:15) |
- | - | -100 | 1.0 |
| 비교예 3 | TiAl(50:50) | - | 3.9 | TiSi (90:10) |
- | - | -120 | 0.7 |
| 비교예 4 | TiAl(50:50) | AlCr (70:30) |
3.5 | TiSi (75:25) |
- | - | -50 | 1.6 |
| 비교예 5 | TiAl(50:50) | AlCr (70:30) |
3.8 | TiSi (80:20) |
- | - | -70 | 1.6 |
| 비교예 6 | TiAl(50:50) | AlCr (70:30) |
3.6 | TiSi (85:15) |
- | - | -100 | 1.0 |
| 비교예 7 | AlCr(70:30) | - | 3.0 | TiSi (75:25) |
- | - | -90 | 1.2 |
| 비교예 8 | AlCr(70:30) | - | 3.0 | TiSi (80:20) |
- | - | -120 | 1.4 |
| 비교예 9 | AlCr(70:30) | TiSi (90:10) |
2.6 | TiSi (90:10) |
- | - | -150 | 1.0 |
| 비교예 10 | AlCr(70:30) | TiSi (90:10) |
2.8 | TiSi (90:10) |
- | - | -130 | 1.3 |
표 1의 조건에 따라 만들어진 샘플에 대해서 부위별 Si함량을 측정하였다. 표 1에 따른 실시예와 비교예의 경질 피막의 단면을 SEM(Scanning Electron Microscope) 15,000배율로 분석하고 EDS(Energy Dispersive Spectrometer)로 조성을 분석하여, 500㎛ 이내의 플랭크면에서 원자 기준 Si의 함량을 FSi, 인선 중심으로부터 500㎛ 이내의 레이크면에서 원자 기준 Si의 함량을 RSi, 인선 중심으로부터 2mm 이외의 Si함량을 CSi라고 했을 때의 결과 및 를 하기 표 2에 나타내었다.(이때의 Si 함량은 비금속을 제외한 함량이다.)
| 구분 | FSi (at.%) |
RSi (at.%) |
CSi (at.%) |
FSi/(FSi+RSi) | FSi/CSi |
| 실시예 1 | 16.0 | 14.8 | 19.4 | 0.519 | 0.82 |
| 실시예 2 | 11.7 | 11.1 | 15.1 | 0.513 | 0.77 |
| 실시예 3 | 7.6 | 6.9 | 10.3 | 0.524 | 0.74 |
| 실시예 4 | 21.3 | 21.0 | 24.9 | 0.503 | 0.86 |
| 실시예 5 | 16.2 | 14.4 | 19.8 | 0.529 | 0.82 |
| 실시예 6 | 11.7 | 9.8 | 15.0 | 0.544 | 0.78 |
| 실시예 7 | 20.0 | 17.5 | 25.1 | 0.533 | 0.80 |
| 실시예 8 | 15.0 | 13.6 | 20.7 | 0.524 | 0.72 |
| 실시예 9 | 7.2 | 5.4 | 10.5 | 0.571 | 0.69 |
| 실시예 10 | 7.6 | 6.2 | 10.3 | 0.551 | 0.74 |
| 비교예 1 | 15.0 | 15.3 | 20.8 | 0.495 | 0.72 |
| 비교예 2 | 10.4 | 10.0 | 15.1 | 0.509 | 0.69 |
| 비교예 3 | 6.7 | 6.0 | 10.4 | 0.528 | 0.64 |
| 비교예 4 | 20.8 | 20.8 | 24.3 | 0.499 | 0.85 |
| 비교예 5 | 15.4 | 16.0 | 19.7 | 0.490 | 0.78 |
| 비교예 6 | 10.4 | 10.2 | 15.3 | 0.504 | 0.68 |
| 비교예 7 | 18.0 | 18.4 | 25.0 | 0.495 | 0.72 |
| 비교예 8 | 13.4 | 13.1 | 19.9 | 0.506 | 0.67 |
| 비교예 9 | 6.0 | 5.7 | 10.2 | 0.513 | 0.59 |
| 비교예 10 | 6.2 | 6.3 | 10.3 | 0.496 | 0.60 |
실시예의 경우 EDS로 분석 결과 제 1 피막의 Si 함량이 0.5＜FSi/(FSi+RSi)≤0.6와 0.7≤FSi/CSi≤0.9를 만족하는 것을 확인할 수 있었으며, 이와 같이 형성된 경질 피막의 내마모성과 내치핑성을 다음과 같은 조건으로 평가하였다.
(1) 2날 볼 엔드밀(Ball Endmill) 가공
피삭재: 열처리 SKD11 (지름: 300mm*200mm*100mm)
피삭재 경도: HRC60~63
샘플형번: PBE2080-100
RPM: 5570 회/min
절삭이송: 0.12 mm/tooth
절삭깊이(축방향): 0.4mm
절삭깊이(반경방향): 0.5mm
절삭유: 미사용
(2) 2날 볼 엔드밀(Ball Endmill) 가공
피삭재: 열처리 SKD61 (지름: 300mm*200mm*100mm)
피삭재 경도 : HRC50~55
샘플형번: PBE2100-100
RPM: 6685 회/min
절삭이송: 0.14 mm/tooth
절삭깊이(축방향): 0.6mm
절삭깊이(반경방향): 0.6mm
절삭유: 미사용
상기와 같이 2가지의 조건으로 평가한 가공 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
| 구분 | 열처리 SKD11 가공 결과 | 열처리 SKD61 가공 결과 | ||
| 가공길이 (mm) |
마모유형 | 가공길이 (mm) |
마모유형 | |
| 실시예 1 | 102 | 마모/치핑 | 550 | 마모/치핑 |
| 실시예 2 | 102 | 마모/치핑 | 560 | 마모/치핑 |
| 실시예 3 | 96 | 마모/치핑 | 590 | 마모/치핑 |
| 실시예 4 | 96 | 마모/치핑 | 530 | 마모/치핑 |
| 실시예 5 | 120 | 마모/치핑 | 580 | 마모/치핑 |
| 실시예 6 | 114 | 마모/치핑 | 590 | 마모/치핑 |
| 실시예 7 | 84 | 마모/치핑 | 550 | 마모/치핑 |
| 실시예 8 | 90 | 마모/치핑 | 580 | 마모/치핑 |
| 실시예 9 | 96 | 마모/치핑 | 600 | 마모/치핑 |
| 실시예 10 | 90 | 마모/치핑 | 620 | 마모/치핑 |
| 비교예 1 | 42 | 치핑/파손 | 430 | 마모/치핑 |
| 비교예 2 | 30 | 치핑/파손 | 450 | 마모/치핑 |
| 비교예 3 | 30 | 치핑/파손 | 500 | 마모/치핑 |
| 비교예 4 | 42 | 치핑/파손 | 580 | 마모/치핑 |
| 비교예 5 | 60 | 치핑/파손 | 480 | 마모/치핑 |
| 비교예 6 | 54 | 치핑/파손 | 380 | 마모/치핑 |
| 비교예 7 | 36 | 치핑/파손 | 450 | 마모/치핑 |
| 비교예 8 | 30 | 치핑/파손 | 400 | 마모/치핑 |
| 비교예 9 | 24 | 치핑/파손 | 300 | 마모/치핑 |
| 비교예 10 | 42 | 치핑/파손 | 350 | 마모/치핑 |
상기 절삭 성능 평가 결과와 같이 실시예 1 ~ 10은, 비교예 1 ~ 10 보다 우수한 공구 수명을 나타내었다. 특히, SKD11 가공길이가 현저히 증가하면서 SKD61 가공길이도 향상된 결과를 보여주었다. 이를 통해 플랭크면과 레이크면의 Si 함량 차이를 통해 내마모와 내치핑성을 보완하여 공구의 수명이 향상됨을 확인할 수 있었다.
또한, 본 발명의 경우 코팅 전단계인 표면처리 공정(이온 봄바드먼트)에 의해 도 2와 같은 금속상을 확인할 수 있으며, 이에 대한 실시예와 비교예의 조건을 아래 표 4에 나타내었다.
| 구분 | 이온 봄바드먼트 | 제 2피막 | 제 1피막 | |||||||
| Ar | 금속 | 타겟 (조성비) |
두께 (um) |
타겟 (조성비) |
바이어스 | 두께 (um) |
||||
| 시간 (min) |
타겟 | 시간 (min) |
주파수 (kHz) |
듀티 사이클 (%) |
전압 (V) |
|||||
| 실시예 11 | 60 | Ti | 15 | TiAl (50:50) |
3.2 | TiSi (80:20) |
30 | 80 | -70 | 1.2 |
| 실시예 12 | 60 | Cr | 10 | AlCr(70:30) | 3.0 | TiSi (80:20) |
30 | 80 | -70 | 1.3 |
| 비교예 11 | - | - | - | TiAl(50:50) | 3.1 | TiSi (80:20) |
30 | 80 | -70 | 1.2 |
| 비교예 12 | 60 | - | - | TiAl(50:50) | 3.2 | TiSi (80:20) |
30 | 80 | -70 | 1.1 |
| 비교예 13 | 60 | - | - | AlCr(70:30) | 3.0 | TiSi (80:20) |
30 | 80 | -70 | 1.2 |
상기 본 발명의 실시예와 비교예의 경질 피막의 단면을 SEM 15,000배율로 분석하여 금속 조직의 유무를 확인하고 EDS 조성 분석 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
| 구분 | 금속조직 유무 | 금속 조직의 EDS 조성 분석 결과 [at.%] | |||||
| Ti | Al | Cr | Co | W | N | ||
| 실시예 11 | 있음 | 82.36 | 5.40 | - | 5.10 | 5.47 | 1.67 |
| 실시예 12 | 있음 | - | 13.65 | 72.68 | 5.13 | 5.78 | 2.76 |
| 비교예 11 | 없음 | - | - | - | - | - | - |
| 비교예 12 | 없음 | - | - | - | - | - | - |
| 비교예 13 | 없음 | - | - | - | - | - | - |
상기 본 발명의 실시예의 경우 EDS 분석 결과 금속 이온 봄바드먼트에 사용한 아크타겟 원소가 60 at% 이상 포함된 값을 가지 금속 조직이 있는 것을 확인하였으며, 이와 같이 형성된 경질 피막의 내박리성 평가를 다음과 같은 조건으로 평가하였다.
(3) 2날 볼 엔드밀(Ball Endmill) 가공
피삭재: STAVAX (지름: 300mm*200mm*100mm)
피삭재 경도 : HRC48~50
샘플형번: PBE2100-100
RPM: 4775 회/min
절삭이송: 0.15 mm/tooth
절삭깊이(축방향): 0.6mm
절삭깊이(반경방향): 0.6mm
절삭유: 사용
상기와 같이 조건으로 평가한 가공 결과를 하기 표 6에 나타내었다.
| 구분 | STAVAX 가공 결과 | |
| 가공길이 (mm) |
마모유형 | |
| 실시예 11 | 600 | 정상 마모 |
| 실시예 12 | 680 | 정상 마모 |
| 비교예 11 | 320 | 피막 뜯김/마모/파손 |
| 비교예 12 | 520 | 레이크면 피막 뜯김/마모/파손 |
| 비교예 13 | 550 | 레이크면 피막 뜯김/마모/파손 |
상기 절삭 성능 평가 결과와 같이 실시예 11 ~ 12는, 비교예 11 ~ 13 보다 우수한 공구 수명을 보여준다. 특히 레이크면의 뜯김 현상이 줄어들어 정상 마모로 공구의 수명이 종료되었다. 이를 통해 코팅 전 표면처리를 통해 내박리성이 향상됨을 확인할 수 있다.
Claims (5)
- 경질 모재; 및
상기 경질 모재 상에 형성되는, Ti(1-x)SixN(0.05<x≤0.30)의 조성을 가지는 제 1 피막을 포함하고,
상기 제 1 피막은 인선 중심으로부터 500㎛ 이내의 플랭크면에서 원자 기준 Si의 함량을 FSi, 인선 중심으로부터 500㎛ 이내의 레이크면에서 원자 기준 Si의 함량을 RSi라 할때, 0.5＜FSi/(FSi+RSi)≤0.6를 만족하는, 절삭공구. - 제 1 항에 있어서
상기 제 1 피막에서 상기 인선으로부터 2mm이상 떨어진 부분에서의 원자 기준 Si의 함량을 CSi라 할때, 상기 인선 중심으로부터 500㎛ 이내의 플랭크면에서 원자 기준 Si의 함량인 FSi와의 관계에서, 0.7≤FSi/CSi≤0.9를 더 만족하는, 절삭공구. - 제 1 항에 있어서,
상기 경질 모재와 상기 제 1 피막 사이에 제 2 피막을 더 포함하고,
상기 제 2 피막은 Al(1-a-b-c)TiaCrbMecN(Me는 B, Si, Zr, V, Mn, Nb, Mo, Ta, W 중 어느 하나이며, 0<(1-a-b-c), 0≤a≤0.6, 0≤b≤0.5, 0≤b≤0.15)의 조성을 가지고, Ti와 Cr 중 하나 이상을 반드시 포함하는, 절삭공구. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 피막의 두께는 0.5~3㎛ 범위이고, 상기 제 2 피막의 두께는 1~6㎛ 범위인, 절삭공구. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 2 피막의 경질 모재 측에는 분산된 금속상이 존재하고, 상기 금속상은 상기 제 2 피막의 조성에 포함되는 금속 원소가 60원자% 이상일 수 있다.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210192939A KR20230102643A (ko) | 2021-12-30 | 2021-12-30 | 경질 피막을 가지는 절삭공구 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210192939A KR20230102643A (ko) | 2021-12-30 | 2021-12-30 | 경질 피막을 가지는 절삭공구 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230102643A true KR20230102643A (ko) | 2023-07-07 |
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ID=87155069
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020210192939A KR20230102643A (ko) | 2021-12-30 | 2021-12-30 | 경질 피막을 가지는 절삭공구 |
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| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20230102643A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102638088B1 (ko) * | 2023-09-08 | 2024-02-19 | 한국야금 주식회사 | 경질피막이 형성된 절삭공구 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6155940U (ko) | 1984-09-18 | 1986-04-15 |
-
2021
- 2021-12-30 KR KR1020210192939A patent/KR20230102643A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6155940U (ko) | 1984-09-18 | 1986-04-15 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102638088B1 (ko) * | 2023-09-08 | 2024-02-19 | 한국야금 주식회사 | 경질피막이 형성된 절삭공구 |
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