KR880002067B1 - 내마모성 및 내소성 변형성이 우수한 표면 반응층을 가지는 고속 절삭용 서멧트팁 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

[발명의 명칭]

내마모성 및 내소성 변형성이 우수한 표면 반응층을 가지는 고속 절삭용 서멧트팁 및 그 제조방법

[발명의 상세한 설명]

본 발명은 특히 내마모성 및 내열소성 변형성이 우수한 표면 반응층을 가지고 고속 절삭용으로서 사용하였을 때 우수한 절삭 성능을 발휘하는 서멧트 팁(Cermatj Tip) 및 그 제조방법에 관한 것이다.

종래부터 Ti의 탄화물 및 질화물(이하 TiC 및 TiN로 표시)의 어느 것 또는 쌍방으로 된 경질상 형성성분을 주성분으로 함유하는 서멧트는, 탄화텅그스텐(이하 WC로 표시함)으로 된 경질상 성분을 주성분으로 하여 함유하는 초경합금에 비교하여 내마모성이 우수하기 때문에 고속절삭용 팁으로 광범히 사용되어 왔다.

그러나 이들 서멧트팁도 절삭가공의 고능률화에 대한 요망에는 충분히 대응할 수 없는 것이다.

그러므로 이러한 요망에 대처할 목적으로 고속절삭이 가능한 재료로서 산화알미늄(이하 Al₂O₃로 표시함)을 주성분으로 한 세락믹이 개발되었으나, 이 세라믹은 금속 결합재를 함유하지 아니하므로 인성이 낮은 결점이 있고, 그 용도가 고속 다듬질 절삭에 한정된 것이 현실이다.

또한 고속 절삭용으로서 상기한 WC 기초 경합금 기체의 표면에 TiC, TiN 산화티탄(이하 TiO_x라 표시함) 및 이들의 2종 이상의 고용체, 다시 Al₂O₃로 되는 군중의 1종의 단층 또는 2종 이상의 복층을 피복한 표면 피복 WC 기초 경합금 팁도 제안되어 널리 보급되어 있으나, 전기한 표면 피복층이 형성에 있어서는, 통상 반응가스로서 4염화티탄, 메탄가스, 수소 가스 및 질소 가스 등을 사용하는 화학증착법이 적용되기 때문에 장치가 커질 뿐 아니라 원가가 높아지고, 더욱이 4염화티탄이 분해하여 발생하는 염소가스에 의한 구조부재의 부식 및 염소가스의 누설방지등 보안관리상의 문제가 있다.

또 상기 표면 피복 WC 기초 경합금팁에 있어서는, 이를 화학증착법에 의하여 제조한 경우 표면 피복층 직하의 기체면부에 탈탄층이 형성됨을 피할수 없고, 이 탈탄층이 원인으로 팁 자체의 인성이 저하되며, 충분한 절삭성능을 나타내지 못한다.

본 발명자들은 상술한 관점으로부터 팁기체 표면에 종래의 화학증착법 및 물리증착법 등에 의한 표면 피복층을 형성하는 수단에 의하지 않고 실용적으로 가장 널리 채용되고 있는 고속 절삭 속도범위, 즉 절삭 속도 150∼250m/min 부근에서 우수한 내마모성 및 내소성 변형성을 나타내고, 인성에 있어서도, 우수한 절삭용팁을 개발하고자 연구를 행한 결과,

(a) 소정 배합조성의 압분체를 압력 10^-1torr 이하의 고진공 분위기중에서 진공소결하여, 철족 금속 중의 1종 또는 2종 이상, 또는 철족 금속 중의 1종 또는 2종 이상과, Cr족 금속 및 Al 중의 1종 또는 2종 이상(단 Cr족 금속 및 Al의 결합상 전체의 비율은 0.5-50용량%)으로 된 결합상 형성 성분 10-35용량%, 주기율표의 4a, 5a 및 6a족 금속의 탄화물, 질화물 또는 산화물 및 이들 2종 이상의 고용체로 되는 군(단 TiC와 TiN는 제외) 중의 1종 또는 2종 이상(이하 이들을 총칭하여 금속탄, 질화물이라함)으로 된 경질상 형성성분 5-40%용량%, 나머지 TiC 및 TiN[단 TiN/(TiC+TIN)의 용적비 0.2-0.6]으로 된 경질상 형성성분 및 불가피 불순물로 된 조성을 가지는 서멧트 팁을 성형하면 이 결과 서멧트팁에는 진공소결 중에 생긴 탈질소 현상에 의하여 비금속 성분(주로 N 성분)이 감속된 표면층이 형성되는 사실.

(b) 상기 비금속 성분 감소의 표면층을 가지는 서멧트팁을 N₂가스를 함유하는 분위기 중 1100-1300℃의 온도에서 가열처리하므로서 상기 시멧트팁의 표면층을 0.5-20.0μm의 평균층 두께로 Ti와 Ti를 제외한 주기율표의 4a, 5a 및 6a 족 금속중의 1종 또는 2종 이상과의 복합 금속 탈질화물로 된 반응층으로 하면 이 결과의 표면 반응층에 있어서는 절삭 성능상 유해한 유리타소가 존재하지 않고, 가열 존재한다 하여도 약간이며, 더구나 이 표면 반응층은 상기한 종래 표면 피복 WC 기초 경합금팁의 화학증착법에 의한 표면 피복층에 비하여 우수한 내마모성 및 내소성 변형성을 가지며, 팁내부와의 부착강도가 현저히 높고, 그리고 표면 반응층 직하에 탈탄취화(脫炭脆化)층이 형성되지 않고 경질상 형성성분이 분위기 중의 N₂가스와의 반응에 의하여 미세하고 균일히 분산된 것으로 되므로 팁자체의 인성이 전혀 저하되지 아니한다는 사실 또한 표면 반응층이 엷은 경우에는 오히려 인성이 향상한다는 사실, 또 상기의 표면 반응층은 팁 표면의 탈질소층이 분위기 중의 N₂와 반응식(Ti, M)(C N)_1-a+

N₂→(Ti, M)(C N)(단 M는 Ti를 제외한 주기율 표의 4a, 5a 및 6a족 금속중의 1종 또는 2종 이상, a는 탈질소량) 에 의하여 반응하여 형성되는 것이며 조성식 (T, M)(Cx,Ny) (단 어느 것이나 몰비로 0.5

X

0.4, 0.6

Y

0.95)를 가짐이 소망스럽다는 것

(c) 그리고 상기 평균층 두께 0.5∼20.0μ m의 표면 반응층을 가지는 서멧트팁을 표면 반응층에 유리탄소가 석출되지 않은 경우는 CO가스를 함유하는 분위기 중에서, 한편 표면 반응층에 유리 탄소가 석출되어 있는 경우는 CO₂가스 또는 CO₂가스와 CO가스를 함유하는 분위기 중에서 1100∼1300℃의 온도로 가열하여 전기한 표면 반응층의 상층부를 0.2∼10.0μ m의 평균층 두께로 Ti와 Ti를 제외한 주기율표의 4a, 5a 및 6a족 금속중의 1종 또는 2종 이상과의 복합금속 탄질 산화물로 되는 외층(단 하부층, 즉 내층으로서 잔류하는 전기한 복합금속 탄질화물의 평균층 두께 0.2∼15.0μ m로 함)으로 하면 상기 표면 반응층의 내마모성 및 내소성 변형성이 일층 향상된다는 것 또한 상기 복합 금속 탄질화물은 조성식;

(Ti,M)(C_xNy O₂), (단 모두 몰비로 0.3

X

0.6, 0.2

Y

0.7, 0.05

Z

0.4)을 가지는 것이 바람직하다는 것.

이상 (a)∼(c)에 기술한 지식을 얻은 것이다.

본 발명은 상기에서 얻은 지식에 근거하여 이루어진 것으로, 이하 서멧트팁 본체의 성분조성, 표면 반응층의 평균층 두께 및 제조 조건을 상기한 바와 같이 한정한 이유를 설명한다.

[A 시멧트팁 본체의 성분조성]

(a) 결합상 형성성분

결합상을 구성하는 철족 금속에는 서멧트 팁 본체의 인성을 향상시키는 작용이 있으나, 그 함유량이 10용량% 미만에서는 소망하는 인성을 확보할 수 없고, 한편 35용량%를 초과 함유하면 서멧트팁 본체의 내마모성을 저하하게 되므로 그 함유량은 10-35용량%로 정한다.

(b) 금속탄, 질, 산화물

이들 성분에는 서멧트팁 본체의 내소성 변형성을 향상시키고, 6a족 금속중 Mo 및 W의 탄화물에는 더욱 인성을 향상시키는 작용이 있으나, 그 함유량이 5용량% 미만에서 상기 작용에 소망 효과를 얻을 수 없고, 한편 40용량%를 초과 함유하면 서멧트 본체의 내마모성을 저하하고 그리고 내마모성이 우수한 표면 반응층을 형성할 수 없게 되므로 그 함유량은 5∼40용량%로 정한다.

(c) TiN/(TiC+TiN)

그 용적비가 0.2 미만에서는 상대적으로 TiN의 함유량이 과소하여 진공소결시 팁본체 표면층의 탈질소량이 작고, 이 결과 후공정의 가열처리에 의하여 형성된 표면 반응층에 다량의 유리 탄소가 존재하게 되어 우수한 내마모성과 인성을 확보할 수 없게 되고, 한편 그 용량비가 0.6을 초과하면 상대적으로 TiN의 량이 과다하게 되어 팁 본체의 표면이 거칠어지고 팁의 정밀도를 저하할뿐 아니라 내마모성 및 인성을 저하시키게 되므로 그 용적비를 0.2∼0.6으로 정한다.

[B.표면 반응층의 평균층 두께]

표면 반응층에 있어서의 외층 및 내층의 평균층 두께가 각기 0.2μ m 미만에서는 소망의 우수한 내마모성과 내소성 변헝성을 확보할 수가 없고, 한편 외층에 있어서는 10.0μ m 내층에서는 15.0μ m를 각기 초과하고, 그리고 그 합계 평균층 두께가 20.0를 초과하는 경우에는 팁 본체 자체의 인성이 저하되므로 각 평균층 두께를 외층 0.2∼10.0μ m, 내층 0.2∼15.0μ m로 하고 합계 평균 두께를 0.5∼20.0μ m로 정한다.

[C.제조조건]

(a) 진공 소결시의 분위기 압력

10^-1torr를 초과한 높은 분위기 압력에서 진공 소결할 경우 팁 본체의 표면층에 있어서의 비금속성분(주로 N성분)의 감소량이 불충분하고, 이 결과 후공정의 가열처리에서 소망의 특성을 가지는 표면 반응층을 형성할 수 없으므로 진공소결시의 분위기 압력을 10^-1torr 이하로 정한다.

(b) 가열처리에 있어서의 반응 온도

그 온도가 1100℃ 미만에서는 표면 반응층 형성속도가 늦어, 비능률적이고 한편 1300℃ 이상에서는 표면 반응층이 심히 거칠어지고 팁의 정밀도를 유지할 수 없을뿐 아니라 인성이 현저히 저하되므로 그 반응 온도를 1100-1300℃로 한다. 또한 본 발명의 팁에 있어서, 불가피 불순물로서 O₂, B 및 Si 등을 함유하여도 그 함유량이 각각 2용량% 이하이면 팁 특성에 하등 영향을 미치지 않는다.

다음으로 본 발명의 서멧트 팁 및 그 제조법을 실시예에 의하여 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

원료분말로서 평균입자경 1.5μ m를 가지는 TiC분말 1.0μ m를 가지는 Tin분말 1.0μ m의 TaC분말 1.2μ m의 WC분말 0.8μ m의 Mo분말 2.5μ m의 Ni분말, 및 1.2μ m의 Co분말을 준비하고, 이들 원료 분말을 소정배합 조성으로 배합하여, 통상의 조건으로 혼합한 후 압분체를 성형하고, 이를 10^-2torr의 고진공 분위기 중 온도 1450℃에 1.5시간 유지하여 진공 소결하여 TiC 45%, TiN 25%, TaC 5%, WC 5%M, Mo 10%, Ni 4%, Co 6%[TiN/(TiC+TiN)=0.36]로 된 조성(이상 용량%)을 가지는 서 멧트 팁 본체를 성형하고 이를 JIS규격 SNP 432에 정한 형상으로 연마한 후 각각 제 1 표에 표시된 조건에서 가열처리하므로서, 동 제 1 표에 표시된 조성(조성은 반응층의 중앙부) 및 평균층 두께의 표면 반응층을 가지는 본 발명 팁 1-7 및 비교팁 1-2를 각각 제조하였다.

그리고 비교 팁 1-2는 본 발명 범위 밖의 조건에서 제조된 것이다.

다음으로 이 결과 얻어진 본 발명 팁 1-7 및 비교 팁 1-2 그리고 시판의 TiC-Ni-Mo계 서멧트 팁(종래 팁 1이라함) 및 평균층 두께 6μ m의 TiC층과 Al₂O₃층으로 2중 피복된 표면 피복 WC 기초 경합금 팁(종래 팁 2라함)에 대하여 피절삭재 SNCM-8(경도 H_B240), 절삭속도 260m/min, 송출 0.375mm/rev, 절삭 깊이 2.0mm, 절삭 시간 10분의 조건에서의 연속 절삭시험 및 피절삭재 SNCM-8(경도 H_B280), 절삭속도 150m/min, 송출 0.33mm/rev, 절삭깊이 2mm, 절삭시간 3분의 조건에서 단속 절삭시험을 행하여 전기한 연속 절삭시험에서는 팁의 날의 후랭크 마모와 크레타 마모를 측정하고, 또 단속 절삭시험에서 시험 절삭날의 수 10개 중의 결손날수를 조사 하였다.

이 실험결과를 제 1 표에 표시한다.

[제 1 표]

제 1 표에 표시된 결과로부터 본 발명 팁 1-7은 모두 종래 팁 1, 2에 비하여 매우 우수한 인성, 내마모성 및 내소성 변형성을 가짐이 명백하다.

이에 대하여 표면 반응층 형성시의 가열온도 및 외층과 내층 중 어느 것의 평균층 두께가 본 발명 범위를 초과하는 비교 팁 1, 2에 있어서는 인성이 현저히 낮은 것으로 된다.

[실시예 2]

실시예 1에서 사용한 원료 분말에다 평균 입도 1.0μ m를 가지는 NbC분말, 1.5μ m의 ZrC분말, 1.2μ m의 Mo₂C분말 및 1.0μ m의 TaN분말을 사용하여 이들을 제 2 표에 표시된 배합비율로 배합하고 혼합한 후 JIS규격 SNMG 432의 형상으로 프레스하고 다음으로 각각 제 2 표에 표시된 압력의 진공 분위기 중 온도 1450℃에 1.5시간 유지하는 조건으로 진공 소결하여 실질적으로 배합 조성과 동일의 조성을 가지는 본 발명 팁 본체 8-16 및 비교 팁 본체 3-6을 형성하고 계속하여 동일 진공 소결로에서 각기 제 3 표에 표시된 표면반응층 형성 조건으로 처리하여 제 3 표에 표시된 조성 및 평균층 두께의 표면반응층을 가지는 본 발명 팁 8-16 및 비교 팁 3-6을 각각 제조하였다.

[제 2 표]

(*인;본 발명 범위 외)

[제 3 표]

비교 팁 3-6은 모두 팁 본체의 조성이 본 발명 범위를 벗어난 것이며 그 성분 함유량에는 *인을 표시하였다. 또 비교 팁 3, 4는 표면반응층 내와 그 직하에 유리탄소가 석출되어 있고, 또 비교 팁 5는 팁 표면이 심히 거칠어져 있는 것이었다.

다음으로 본 발명 팁 8-16 및 비교 팁 3-6에 대하여 연속 절삭시험 및 단속 절삭시험을 행하였다.

연속 절삭시험은 피절삭재 SNCM-B(경도 H_B240) 절삭속도 210m/min, 송출 0.36mm/ rev, 절삭깊이 2.0mm, 절삭시간 10분의 조건으로 행하고 팁날의 후랭크마모와 그래타마모를 측정하고 또 단속 절삭시험은 피절삭재 SNCM-8(경도 H_B280), 절삭속도 130m/min, 송출 0.3mm/rev, 절삭깊이 2mm, 절삭시간 3분의 조건으로 행하여 시험날의 수의 10개 중 결손날수를 조사하였다.

제 2 표 및 제 3 표에 표시된 결과로부터 본 발명 팁 8-16는 모두 내마모성 및 인성이 우수하고 양호한 절삭성능을 발휘 함에 대하여 비교 팁 3-6에서 보는 바와 같이 팁 본체의 조성이 본 발명 범위를 벗어난 것은 팁 자체의 내마모성과 인성이 현저히 저하되고 절삭성능이 낮은 것으로 됨이 명백하다.

[실시예 3]

팁 본체의 조성을 용량%로 TiC 26.5%, TiN 20%, TaC 10%, WC 15%, Mo 10%, Ni 5.5%, Co 11%, Al 2%(TiN/(TiC+TiN)=0.43로 한 이외는 실시예 1과 동일 조건으로 팁 본체를 성형하고 이를 각각 제 4 표에 표시된 표면 반응층 성형 조건으로 가열처리를 행하므로서 반응층 중앙부의 조성 및 평균층 두께의 표면 반응층을 가지는 본 발명 팁 17-21 및 비교 팁 7-9를 각각 제조하였다.

또한 비교 팁 7-9은 가열 온도가 본 발명의 범위를 벗어나고 비교 팁 7.8을 표면 반응층을 단층 형성조건으로 제조된 것이다.

다음으로 이 경로가 얻어진 본 발명 팁 17-21 및 비교 팁 7-9과 다시 비교의 목적으로 가열처리를 행하지 않은, 즉 표면 반응층을 갖지 않는 상기 팁 본체(이하 비교 팁 10이라함) JIS 규격 PIO급의 WC 기초 경합금 팁(이하 종래 팁 3이라함) 및 TiC층과 TiN층을 7μ m의 평균 두께로 2종 피복한 표면 피복 초경합금 팁(이하 종래 팁 4라함)에 대하여 피절삭재 SNCM-8(경도 H_B240) 절삭속도 150m/min, 송출 0.475mm/rev, 절삭깊이 2.0mm, 절삭시간 15분의 조건에서의 연속 절삭시험 및 피절삭재 SNCM-8(경도 H_B280) 절삭속도 110m/min, 송출 0.375mm/rev, 절삭깊이 2mm 절삭시간 3분의 조건에서 단속절삭시험을 각각 행하였다. 이 시험결과를 제 4 표에 종합 표시하였다.

[제 4 표]

제 4 표에서 명백한 바와 같이 본 발명 팁 17-21은 모두 종래 팁 3, 4에 비하여 우수한 내마모성과 인성을 가지는데 대하여 비교 팁 7-9는 표면 반응층의 평균 두께가 본 발명의 범위를 벗어난 엷은 것이고, 또 비교 팁 7, 8은 단층 형성이며 또 비교 팁 10은 표면 반응층이 존재하지 아니하므로 모두 인성은 거의 동등하나, 내마모성이 낮은 것이다.

이상과 같이 본 발명에 의하면 대규모 장치를 필요함로 하지 않고, 또한 보안관리상 하등의 문제점 발생이 없고, 내마모성 및 인성이 우수하고 그리고 내열소성 변형성도 우수한 서멧트 팁을 저렴하게 제조할 수 있고, 이 서멧트 팁을 절삭용 특히 고속절삭용으로 사용한 경우에 현저히 우수한 절삭 성능을 발휘하는 것으로 등 공업상 유용한 효과를 가지는 것이다.

Claims (2)

1. 철족 금속 중 1종 또는 2종 이상, 혹은 철족 금속 중의 1종 또는 2종 이상과 크롬족 금속 및 Al 중의 1종 또는 2종 이상(단 크롬족 금속 및 Al의 결합상 전체에 점하는 비율 0.5∼∼50 용량%)으로 되는 결합상 형성성분 10-35용량%, 주기율표 4a, 5a 및 6a족 금속의 탄화물, 동 4a 및 5a족 금속의 질화물 및 이들의 2종 이상의 고용체로 된 군(단 TiC과 TiN는 제외)중 1종 또는 2종 이상으로 된 경질상 형성성분 5-40용량%를 함유하고, 나머지가 탄화티탄 및 질화티탄[단 TiN/(TiC+TiN)의 용적비 0.2+0.6]으로 된 경질상 형성성분과 나머지 불가피 불순물로 된 조성을 가지는 서멧트 팁 본체의 표면층을 Ti층과 Ti를 제외한 주기율표의 4a, 5a 및 6a족 금속 중의 1종 또는 2종 이상과의 복합 금속 탄질화물로 되고 그리고 평균층 두께 0.2-15.0μ m를 가지는 내층과 Ti와 Ti를 제외한 주기율표의 4a, 5a 및 6a족 금속 중의 1종 또는 2종 이상과의 복합금속 탄질화물로 되고, 평균층 두께 0.2-10μ m를 가지는 외층과의 2중 반응층(단 합계 평균층 두께0.5-20.0μ m)으로 구성됨을 특징으로 한 내마모성 및 내소성 변형성이 우수한 표면 반응층을 가지는 고속 절삭용 서멧트 팁.
2. 압력 10^-1torr 이하의 고진공 분위기 중에서 진공 소결하므로서 철족 금속 중의 1종 또는 2종 이상 또는 철족 금속 중의 1종 또는 2종 이상과 Cr족 금속 및 Al 중의 1종 또는 2종 이상(단 크롬족 금속 및 Al의 결합상 전체에 점하는 비율 0.5∼50용량%)으로 되는 결합상 형성성분 10∼35용량% 주기율표의 4a, 5a 및 6a족 금속의 탄화물 등 4a 및 5a족 금속의 질화물 및 이들의 2종 이상의 고용체로 된 군(단 TiC와 TiN는 제외)중의 1종 또는 2종 이상으로 된 경질상 형성성분 5-40용량%를 함유하고 나머지가 탄화티탄 및 질화티탄[단 TiN/(TiC+TiN)의 용량비 0.2-0.6]으로 된 경질상 형성성분 및 나머지 불가피 불순물로 된 조성을 가지는 서멧트 팁 본체를 형성하며, 다음으로 질소를 함유하는 분위기 중 1100-1300℃의 온도에서 가열처리하므로서 Ti와 Ti를 제외한 주기율표 4a, 5a 및 6a족 금속 중의 1종 또는 2종과의 복합 금속 탄질화물로서 되고 그리고 평균층 두께 0.5-20.0μ m를 가지는 표면 반응층의 하부층이 내층으로 되는 표면 반응층을 형성한 후 전기한 질소함유 분위기를 CO가스 및 CO₂가스의 어느 하나 또는 쌍방을 함유하는 분위기로 바꾼 상태에서 동일하게 1100-1300℃의 온도로 가열 처리하므로서 전기 표면 반응층의 상부층을 Ti와 Ti를 제외한 주기율표의 4a, 5a 및 6a 족 금속 중의 1 또는 2종 이상과의 복합 금속탄, 질, 산화물로 되고 평균층 두께 0.2-10.0μ m를 가지는 외층(단 내층의 평균층 두께 0.2-15.0μ m)로 함을 특징으로 한 내마모성 및 내소성 변형성이 우수한 표면 반응층을 가지는 고속 절삭용 서멧트 팁의 제조방법.