KR930010709B1 - 우수한 내마모성을 갖는 표면 피복 경질 부재 - Google Patents

우수한 내마모성을 갖는 표면 피복 경질 부재 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

[발명의 명칭]
우수한 내마모성을 갖는 표면 피복 경질 부재
[발명의 상세한 설명]
[본 발명의 기술 분야]
본 발명은 내마모성을 개선 향상시키기 위하여, 경질 피복층이 절삭 공구들 및 내마모성 공구들과 같은 각종 경질 부재들의 기재(substrate)표면에 제공되는, 표면 피복 경질 부재에 관한 것이다.
[발명의 기술적 배경]
절삭 공구들 및 내마모성 공구들을 포함하는 각종 내마모성 부분들과 같은 경질 부재는 일반적으로 탄화 텅스텐(WC)기등의 초경합금, 탄화티탄(TiC)계등의 각종 써어메트(cermets) 및 고속도강등의 강철 또는 경질 합금으로 이루어진다.
경질 부재의 내마모성을 개선 향상시키기 위해서, Ti, Hf 또는 Zr의 탄화물, 질화물 또는 탄질화물 또는 Al 산화물의 1 또는 2이상 층들이 경질 피복층으로 PVD 또는 CVD법에 의해 경질 부재의 표면상에 형성되는, 표면 피복 경질 부재가 개발되어, 최근에 실용화되었다.
그러나, 상술된 표면 피복 경질 부재들에 있어서도 내마모성이 충분하다고 말할 수 없으며, 특히 엔드 밀(end mills) 또는 쓰로우어웨이 인서트(throwaway inserts)와 같은 절삭 공구 또는 내마모성 공구들은 내마모성이 부족하기 때문에 수명이 짧아졌다.
이러한 입장에서, 본 발명은 종래의 것보다 우수한 내마모성을 갖는, 특히 절삭 공구 또는 내마모성 공구용으로 적합한 피복 경질 부재를 제공하기 위한 목적으로 이루어졌다.
[발명의 개시]
즉, 본 발명에 따른 표면 피복 경질 부재는 특히 경질 부재로 이루어지는 기재상에 Hf와 Al합금의 탄화물, 질화물 및 탄질화물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 부재로 이루어진 0.5~10㎛두께의 경질 피복층을 갖는 것을 특징으로 한다.
경질 피복층은 기재의 전표면상에, 또는 단지 내마모성을 요하는 부분의 표면상에만 제공될 수 잇다. 경질 피복층의 형성방법은 잘 알려진 방법, 예를들면 스퍼터링(sputtering)법, 이온도금법, CVD법등이 사용될 수 있다.
잘 알려진 기술로서, 경질 피복층으로 보통 사용되는 Hf의 탄화물, 질화물 및 탄질화물은 각각 기재로서의 경질 부재에 대해 높은 부착강도 및 Ti의 탄화물, 질화물 및 탄질화물과 비슷한 정도의 우수한 내산화성을 가지나, 고온경도 및 내마모성이 좋지 않다. 반면에, Al의 탄화물, 질화물 및 탄질화물은 Hf 또는 Ti의 탄화물, 질화물, 탄질화물보다 기재에 대한 부착강도, 내산화성 및 경도가 다소 떨어진다.
경질 부재들 상의 각종 경질 피복층에 대하여 내마모성 및 부착강도에 관해 연구한 결과, Hf와 Al합금의 탄화물, 질화물 및 탄질화물은 결정 입자가 Hf단독의 탄화물, 질화물 및 탄질화물보다 더 미세하게 되어, 크게 향상된 내마모성을 제공함이 발견되었다. 더욱이, 절삭공구 또는 내마모성 공구로서 이러한 경질 피복층을 갖는 표면 피복 경질 부재를 사용하여 고속 절삭을 수행할 때에, 인선 온도의 상승에 기인한 고온에서 매우 높은 경도를 갖는 Al2O3의 생성 때문에 고속 절삭에서도 내마모성이 저하되지 않음이 발견되었다.
Hf-Al합금의 탄화물, 질화물 및 탄질화물로 이루어지는 경질 피복층은 단층 또는 다층중의 어느 하나로 제공될 수 있으며, 층의 두께는 0.5~10㎛가 바람직하며, 0.5~8㎛가 특히 바람직하다. 만일 층의 두께가 0.5㎛보다 작으면, 내마모성이 향상되지 않으며, 만일 10㎛보다 크면 층에서의 잔유응력이 증가되고 부착강도가 저하된다.
그러나, Hf-Al합금의 탄화물, 질화물, 탄질화물로 이루어지는 경질 피복층은 Hf 또는 Ti의 탄화물, 질화물 및 탄질화물보다 기재에 대한 부착강도와 내산화성이 다소 떨어진다.
따라서, 탄화물, 질화물 및 탄질화물의 적어도 하나로 이루어지는 부착강화층이 기재표면과 경질 피복층 사이에 직접 형성되면, 경질 피복층의 부착력이 크게 향상될 수 있다. 이 경우에, 부착 강화층의 두께가 0.5㎛보다 작으면 부착력이 향상되지 않으며, 5㎛를 넘으면, 부착력은 더욱 향상되지 않는다.
고온에서의 내산화성이 요구되는 경우에도, Hf 또는 Ti의 탄화물, 질화물 및 탄질화물의 적어도 하나로 이루어지는 표면층을 상술된 경질 피복층의 표면상에 형성하여, 고온에서의 우수한 내산화성 및 내마모성을 얻는다. 표면층의 두께가 0.5㎛보다 작으면, 내마모성이 향상되기 어렵고, 2㎛를 넘으면, 또한 내마모성의 향상을 이룰수 없다.
피복층들, 즉 경질 피복층, 부착 강화층 및 표면층의 형성을 보통으로 사용되는 방법들, 예를들면 PVD법과 CVD법에 의해 행해질 수 있으나, 스퍼터링(sputtering)법과 이온도금법과 같은 PVD법이 기재의 강도를 용이하게 유지시킬 수 있다는 점에서 보다 바람직하다.
[실시예 1]
기재로서 JIS규격 P30(상세하게는, WC-20wt% TiC-10wt% Co)의 조성과 JIS SNG 432형상의 초경합금으로 만들어진 절삭 인서트를 사용하고, 그의 표면을 이하 설명될 진공 아크 방전을 사용하는 이온도금법에 의해 다음 표 1에 도시된 각각의 피복층들로 피복하여, 본 발명의 표면 피복 절삭 인서트의 샘플들을 얻었다.
즉, 상술된 절삭 인서트와 타게트로서 Ti, Hf, HfAl 또는 Hf3Al을 피막 형성 장치에 장착하고, 인서트를 1×10-2torr 진공도의 Ar가스 분위기에 놓은 다음, -2000V의 전압을 가해 씻어내고, 500℃로 가열한 후, Ar가스를 배출시켰다. 피막형성 장치 안으로 N2가스와 NH4가스의 하나 또는 모두를 300cc/분의 비율로 도입하는 동안에, 상술된 타게트를 진공 아크 방전에 의해 증발 및 이온화시키고, 표 1에 도시된 각각의 피복층들을 절삭 인서트의 표면 상에 형성하였다.
비교를 위해, 상술된 것과 동일한 조성 및 형상의 절삭 인서트 표면에 상술된 것과 동일한 피막 형성장치와 진공 아크 방전을 사용하는 이온도금법에 의해 TiC,TiN 및 TiCN의 피복층들을 개별적으로 또는 결합해서 피복하여, 표 1에 도시된 것과 같은 종래의 표면 피복 절삭 인서트들의 샘플들을 얻었다.
[표 1]
(주의) * 종전기술(이후에 유사하게 정의됨)
상술된 바와 같이 제조된 표면 피복 절삭 인서트들의 각 샘플들에 대해 표 2에 도시된 조건들 하에서 연속 절삭 시험 및 단속 절삭 시험을 행하였다. 전자의 시험에서, 플랭크 마모폭과 인선의 크레이터(crater)깊이를 측정하고, 마모상태를 관찰하고, 후자의 시험에서 이송률의 한계를 측정하였다.
[표 2]
상술된 절삭 시험들의 결과들이 표 3에 도시되어 있다.
[표 3]
이들 결과로부터, 본 발명의 표면 피복 절삭 인서트들의 샘플들 번호 1~20이 연속 절삭 시험 및 단속 절삭 시험 모두에서 종래의 표면 피복 절삭 인서트들의 샘플들 번호 21~24보다 우수한 내마모성, 인성 및 인선 내파손성을 갖는다는 것을 분명히 알 수 있다. 특히, 샘플들 번호 7~20은 기재에 대하여 보다 높은 부착강도를 나타내며, 샘플들 번호 13~20은 표면층들의 보다 높은 내산화성에 따라 보다 향상된 내마모성을 갖는다.
[실시예 2]
JIS규격 P30(상세하게는, WC-20wt% TiC-10wt% Co)의 조성 및 JIS SNG 432형상의 초경합금으로 만들어진 절삭 인서트를 사용하고, 그의 표면을 이하 설명될 진공 아크 방전을 사용하는 이온도금법에 의해 다음 표 4에 도시된 각각의 피복층들로 피복하였다.
즉, 상술된 절삭 인서트와 타게트로서 HfAl 또는 Hf3Al을 피막 형성 장치에 장착하고, 인서트를 1×10-2torr 진공도의 Ar가스 분위기에 놓은 다음, -2000V의 전압을 가해 씻어내고, 500℃로 가열한 후, Ar가스를 배출시켰다. 피막 형성 장치 안으로 N2가스 및 CH4가스의 하나 또는 300cc/분의 비율로 도입하는 동안에, 상기 타게트 HfAl 또는 Hf3Al을 진공 아크 방전에 의해 증발 및 이온화시키고 경질 피복층을 절삭 인서트 표면상에 형성시켜, 표 4에 도시된 피복된 절삭 인서트들의 각 샘플들을 제조하였다.
경질 피복층들을 갖는 각각의 표면 피복 절삭 인서트들의 샘플들에 대해 표 1에 도시된 조건들하에서 연속 절삭 시험(플랭크 마모폭과 인선의 크레이터 깊이의 측정) 및 단속 절삭 시험(이송률의 한계 측정)을 행하여, 표 4에 도시된 결과들을 얻었다.
[표 4]
(주의) 샘플번호 25-29 : 본 발명에 따라 피복된 절삭인서트.
상술된 결과들로부터, 본 발명의 절삭 인서트 샘플이 종래의 표면 피복 절삭 인서트와 비교할 때 우수한 성질들, 즉 연속 절삭 시험에서 보다 높은 내마모성 및 단속 절삭 시험에서 종래와 같은 인성을 갖는다는 것을 알 수 있다.
[산업상 이용 가능성]
본 발명에 따라, 신규의 피복층을 가지므로써 종래의 것보다 더 우수한 내마모성이 주어진 표면 피복 경질 부재가 제공된다.
그러므로, 절삭 공구 및 내마모성 공구에 대해 본 발명의 표면 피복 경질 부재를 사용하면, 우수한 절삭 성능이 오랜 기간동안 유지될 수 있다.

Claims (4)

  1. 하프늄(Hf)과 알루미늄(Al)의 탄화물, 질화물, 및 탄질화물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 부재로 이루어지는 적어도 하나의 경질 피복층이 기재의 표면상에 제공되는, 내마모성이 우수한 표면 피복 경질 부재.
  2. Hf와 Al합금의 탄화물, 질화물 및 탄질화물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 부재로 이루어지고, 0.5~10㎛의 두께를 갖는 경질 피복층이 경질 부재로 이루어지는 기재의 표면상에 제공되는, 내마모성이 우수한 표면 피복된 경질 부재.
  3. 제 1 항에 있어서, 기재와 경질 피복층 사이에서, Hf 또는 Al의 탄화물, 질화물, 및 탄질화물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 부재로 이루어지고 0.5~5㎛의 두께를 갖는 부착 강화층이 기재의 표면상에 직접 형성되는, 내마모성이 우수한 표면 피복 경질 부재.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, Hf 또는 Ti의 탄화물, 질화물 및 탄질화물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 부재로 이루어지고 0.5~2㎛의 두께를 갖는 표면층이 경질 피복층의 표면상에 제공되는, 내마모성이 우수한 표면 피복 경질 부재.
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