KR940000279B1 - Cutting tool for making a surface hard alloy and method for forming the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 내마모성, 내열성 및 내부식성을 필요로 하는 절삭공구에 관한 것으로, 특히 서메트(Cermet) 또는 초경합금이 기본 모재인 드로우어웨이 인서트(Throwaway Insert)에 고경도물질을 피복하여 선삭, 또는 밀링가공용 절삭공구로서 우수한 성능을 발휘할 수 있는 표면 경질합금 피복층이 형성된 절삭공구에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to cutting tools requiring wear resistance, heat resistance, and corrosion resistance, and particularly for turning or milling by coating a hard material on a drawaway insert in which cermet or cemented carbide is the basic substrate. The present invention relates to a cutting tool having a surface hard alloy coating layer capable of exhibiting excellent performance as a cutting tool.
일반적으로 사용되고 있는 절삭공구는 WC기 초경합금과 Ti(C)N을 주체로 한 서메트가 널리 이용되고 있다.Cutting tools commonly used are cermets mainly composed of WC-based cemented carbide and Ti (C) N.
상기 WC기 초경합금이 단점은 절삭가공시에 500-1100℃의 공구열을 받게 되는데, 이때 이 고온에 의해 경도가 약하게 되어 소성변형이 생김으로써, 절삭저항이 증대되어 공구의 수명이 짧아지기도 한다.The disadvantage of the WC-based cemented carbide is to receive a tool heat of 500-1100 ℃ during cutting, the hardness is weakened by this high temperature, plastic deformation occurs, the cutting resistance is increased to shorten the life of the tool.
따라서, 이러한 고온 경도에서의 취약성을 개선하기 위하여 고온경도가 우수한 Ti(C)N를 주체로 제조중에 질소를 함유시킴으로써, 입도가 미세하여 지며 경도가 증가되는 서메트가 개발되어 많이 이용되고 있는 실정이다.Therefore, in order to improve the fragility in the high temperature hardness, Ti (C) N, which is excellent in high temperature hardness, mainly contains nitrogen during manufacturing, so that a cermet having a fine grain size and increasing hardness has been developed and used a lot. to be.
또, 상기 WC기 초경합금에 내마모성, 내열성 및 내부식성을 향상시키는 것을 목적으로 일본 특허공개 평성 2-224532호에 개제된 바와 같이 WC기 초경합금의 표면으로 Ti, Zr, Hf의 탄화물, 질화물, 탄질화물, 탄산화물, 탄질산화물, Al2O3중 1종의 단층, 또는 2종 이상의 복층으로 무기 화합물인 TiCl4을 사용물질로 하여 그 피복층 두께를 0.5-20mm(500-20000μ)의 평균두께로 형성토록 하는 것이 알려진 바 있다.In addition, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-224532 for the purpose of improving wear resistance, heat resistance, and corrosion resistance of the WC-based cemented carbide, carbides, nitrides, carbonitrides of Ti, Zr, and Hf are formed on the surface of the WC-based cemented carbide. , A single layer of carbonate, carbonitride, Al 2 O 3 , or two or more types of layers, using TiCl 4 as an inorganic compound, and forming a coating layer having a thickness of 0.5-20 mm (500-20000 μ). It is known to do so.
이들 피복제품을 제조하기 위하여는 고온화학증착법(HT-CVD), 또는 물리증착법(PVD)등이 채용되고 있다.In order to manufacture these coating products, high temperature chemical vapor deposition (HT-CVD), physical vapor deposition (PVD) and the like are employed.
이 고온화증착법은 1,000℃ 내외의 고온하에서 피복하는 것이다.This high temperature evaporation method coat | covers at high temperature of about 1,000 degreeC.
따라서, 확산현상에 의하여 피복막박과 기재(Sub-strate)와의 접착강도가 큰 잇점이 있는 반면, 고온으로 인하여 조직 변형이 발생하여, 조직이 취약하게 되는 단점이 있어 공구로 사용시에 열변형이나 조직변화가 생기기 쉬어 기재가 취약화 되는 등의 결점이 있었다.Therefore, the adhesive strength between the coating film foil and the substrate (Sub-strate) due to the diffusion phenomenon has a great advantage, while the tissue deformation occurs due to the high temperature, there is a disadvantage that the structure becomes weak, so that the heat deformation or structure when used as a tool There are some drawbacks such as weakening of the substrate due to change easily.
즉, 고온화학증착법의 경우에 최대의 단점이 인성저하라고 할 수 있는데 이는 서메트 박막의 형성이 고온에서 이루어져서 기재의 변화를 유발시키기 때문이다.That is, in the case of the high temperature chemical vapor deposition method, the biggest disadvantage is that the toughness is reduced because the formation of the cermet thin film is made at a high temperature to cause a change in the substrate.
이 고온화학증착법으로 처리된 피복층을 주사전자현미경으로 관찰할 경우 결정질의 구조를 가지고 있음을 볼 수 있다.When the coating layer treated by the high temperature chemical vapor deposition was observed with a scanning electron microscope, it can be seen that it has a crystalline structure.
그러므로, 이 결정경계에서 균열에 의해 파소되는 조직의 취약성을 갖게 되는 것이다.Therefore, in this crystal boundary, the fragility of the tissue destroyed by the cracks is obtained.
한편, 물리증착법은 500℃ 이하의 저온에서 탄화티탄이나, 질화티탄, 또는 탄질화티탄을 피복하는 방법인데, 고온화학증착법과 비교하여 열변형이나 조직변화가 일어나는 것은 적으나 피복박막과 기재와의 접착강도가 떨어지는 결점이 있었다.On the other hand, physical vapor deposition is a method of coating titanium carbide, titanium nitride, or titanium carbonitride at a low temperature of 500 ° C. or lower. Although thermal deformation and tissue change occur less than high temperature chemical vapor deposition, There was a drawback of poor adhesive strength.
따라서, 이들 모두 사용상의 용도가 선삭용으로 한정되어 있다.Therefore, the use on both of these uses is limited to turning.
본 발명의 목적은 물리증착법의 단점인 기재와 피복박막간의 밀착성 저하와, 고온화학증착법의 단점인 과도한 기재의 인성저하등을 해소하고, 기재의 인성을 그대로 유지할 수 있도록 한 표면 경질합금이 형성된 절삭공구를 제공하는데 있다.An object of the present invention is to cut the adhesion between the substrate and the coating film, which is a disadvantage of the physical vapor deposition method, and to reduce the toughness of the excessive substrate, which is a disadvantage of the high temperature chemical vapor deposition, and to maintain the toughness of the substrate. To provide a tool.
본 발명의 다른 목적은 기재와 피복재의 사이에 강력한 결합력을 갖도록 한 표면 경질합금이 형성된 절삭공구를 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a cutting tool in which a surface hard alloy is formed to have a strong bonding force between a substrate and a coating material.
본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위하여 초경합금이나 질소함유 서메트로 된 개지의 표면에 600-850℃에서 이루어지는 저온화학증착법에 의하여 TiCN, Tic, TicN 및 Al2O3중 선택된 1종 또는 2종 이상의 저온처리피복층을 형성하는 것을 특징으로 한다.The present invention is one or two or more selected from TiCN, Tic, TicN and Al 2 O 3 by a low temperature chemical vapor deposition method made at 600-850 ℃ on the surface of the cemented carbide or nitrogen-containing cermet to achieve the above object A low temperature treatment coating layer is formed.
본 발명에서 채용하는 저온화학증착법은, 고온화학증착법과 반응원리는 동일하나, 반응매체로서 CH3CN로 된 유기 탄질성분을 이용하여 약 500~900℃의 온도에서 기재상에 탄질화물(TiCN)을 증착시키는 방법이다.The low temperature chemical vapor deposition method employed in the present invention is the same as the high temperature chemical vapor deposition method, but deposits carbonitride (TiCN) on a substrate at a temperature of about 500 to 900 ° C. using an organic carbonaceous component of CH 3 CN as a reaction medium. This is how you do it.
이의 반응은 다음의 반응식과 같이 이루어진다.Its reaction takes place as in the following reaction formula.
[반응식][Scheme]
이 반응식에서 보는 바와 같이 피복공정에서 첨가되는 사용물질로 유기화합물인 CH3CN가 투입되어, 피복물질의 CN기 공급원으로 작용되도록 한다.As shown in this scheme, CH 3 CN, an organic compound, is added to the used material added in the coating process to act as a CN group source of the coating material.
상기 피복박막층의 두께는 1-15㎛로 하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게로는 3~10㎛로 하는 것이 좋다.It is preferable that the thickness of the said coating thin film layer is 1-15 micrometers, More preferably, it is 3-10 micrometers.
또한, 피복박막의 구성에 있어서 TiCN의 박막 두께는 단독 또는 복합층에서 적어도 1㎛ 이상이고, 특히 복합층에서는 70% 이상을 점유하여야만 한다.In addition, in the structure of a coating thin film, the thin film thickness of TiCN is 1 micrometer or more in a single layer or a composite layer, and it must occupy 70% or more especially in a composite layer.
그리고 박막 전체의 두께는 15㎛ 이하여야 한다.And the thickness of the whole thin film should be 15 micrometers or less.
따라서, 종래와 같이 500μ 이상의 두꺼운 피복층을 형성할 경우 나타나는 수명저하 현상, 즉 절삭가공시에 세라막의 막질에 받은 충격을 기재에 전달하지 못하고, 피복층이 파괴되면 동시에 기재에 미소균열이 발생되는 등의 원인으로 공구의 수명이 저하되는 현상을 미연에 방지할 수가 있는 것이다.Therefore, as a result of the conventional art, when the thick coating layer of 500 μm or more is formed, the life degradation phenomenon, that is, the impact of the film quality of the ceramic film during the cutting process cannot be transmitted to the substrate, and when the coating layer is broken, microcracks are generated at the same time. It is possible to prevent the phenomenon that the life of the tool decreases as a cause.
이와 같은 본 발명의 표면 피복경질합금 소재는, 피복박막과 기재간의 밀착도에 있어서 물리증착법에 의한 것에 비하여 보다 우수한 성능을 발휘하며, 고온화학증착법에 의한 인성의 저하를 최대한으로 막을 수 있어 기존의 서메트 보다 내마모성이 우수하고, 전적으로 고온화학증착법에 의한 제품 보다 인성이 우수한 절삭공구를 얻을 수 있다.The surface-coated hard alloy material of the present invention exhibits better performance than that of the physical vapor deposition method in the degree of adhesion between the coating thin film and the substrate, and can prevent the deterioration of toughness by the high temperature chemical vapor deposition method to the maximum. It is possible to obtain a cutting tool that is more abrasion-resistant than a mat and wholly superior in toughness to products by high temperature chemical vapor deposition.
이러한 본 발명의 효과는 항자력을 측정하여 금속상의 자기력 평균 자유행정의 변화량으로 명백히 밝힐 수 있었다.This effect of the present invention can be clearly seen as the amount of change in the mean free stroke of the magnetic force on the metal by measuring the coercive force.
절삭시 공구의 수명을 나타내는 내마모성을 측정하기 위하여 본 발명에서는 마이크로 비커스 경도를 측정한 결과 고온화학증착법에 비하여 높게 나타났으며, 이는 내마모성은 단순히 막질의 경도 뿐만 아니라, 내부 압축응력과도 밀접한 관계가 있다는 것을 고려하면 적어도 박막과 모재와의 밀착도가 고온화학증착법에서와 동일한 정도라고 할 수 있는 것이다.In the present invention, the micro-Vickers hardness was measured in order to measure the wear resistance which indicates the life of the tool during cutting. The hardness was higher than that of the high temperature chemical vapor deposition method, and the wear resistance was not only related to the hardness of the film but also to the internal compressive stress. Considering that there is at least the degree of adhesion between the thin film and the base material is the same as in the high temperature chemical vapor deposition method.
본 발명의 저온화학증착법에 의한 박막의 파단면 조직은 전형적인 주상정조직을 보여주고 있으나, 고온화학증착법과 물리증착법에 의한 제품의 파단면의 조직은 무정형을 나타내고 있다.Although the fracture surface structure of the thin film by the low temperature chemical vapor deposition method of the present invention shows a typical columnar structure, the structure of the fracture surface of the product by the high temperature chemical vapor deposition method and the physical vapor deposition method is amorphous.
이하 본 발명의 실시예를 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[실시예]EXAMPLE
WC 150중량%, TiC 35중량%, TiN 15중량%, TaC 10중량%, 기타 25중량%의 조성으로 통상적인 제조방법에 의하여 ISO 규격 P10-P20의 서메트분말을 제조하였다.The cermet powder of ISO standard P10-P20 was prepared by a conventional manufacturing method in a composition of 150 wt% WC, 35 wt% TiC, 15 wt% TiN, 10 wt% TaC, and 25 wt%.
이 시료를 이용하여 본 발명에 의한 절삭공구와 고온화학증착법에 의한 절삭공구 및 물리증착법에 의한 절삭공구를 제작하고, 이들의 특성을 비교 측정하여 그 결과를 표 1과 표 2에 표시하였다.Using this sample, the cutting tool according to the present invention, the cutting tool according to the high temperature chemical vapor deposition method, and the cutting tool according to the physical vapor deposition method were prepared, and their characteristics were compared and measured, and the results are shown in Tables 1 and 2.
[표 1]TABLE 1
[표 2]TABLE 2
위의 표 1 및 2에서 알 수 있는 바와 같이, 시료의 자기적 성질을 알아보기 위한 항자력 측정에서 CERMET≥PVD=본 발명(MT-CVD)〉HT-CVD순으로 나타났다.As can be seen in Tables 1 and 2 above, in the magnetic force measurement to determine the magnetic properties of the sample, CERMET ≧ PVD = Invention (MT-CVD)> HT-CVD.
또, 항절력값은 CERMET〉PVD〉MT-CVD〉HT-CVD 순으로 나타났다.In addition, the drag force values were in the order of CERMET> PVD> MT-CVD> HT-CVD.
이는 인성에 있어서 본 발명(MT-CVD)의 효과를 알 수 있는 것으로 박막의 형성온도가 낮을수록 기재의 조직변화가 적음을 알 수 있다.This indicates the effect of the present invention (MT-CVD) in toughness, and the lower the formation temperature of the thin film, the less the change in the structure of the substrate.
또한, 공구의 인성을 알아보기 위하여 위에서의 조건과 동일한 공정으로 IMSERT(형번 : SNGN120408)을 제작하여 시험한 결과를 다음 표 3에 나타냈다.In addition, in order to determine the toughness of the tool, IMSERT (Model No .: SNGN120408) was manufactured and tested in the same process as in the above conditions.
[표 3]TABLE 3
※ 보기 ○ : 20초 이상에서 파손(1점)※ Example ○: Damage for more than 20 seconds (1 point)
△ : 2초 이상 20초 미만에서 파손(0.5점)(Triangle | delta): Damage | damage in more than 2 second and less than 20 second (0.5 point)
× : 2초 이내 파손(0점)×: damage within 2 seconds (0 point)
위 표 3에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명이 고온화학증착법에 의한 것에 비하여 인성면에서 우수한 것으로 나타났다.As can be seen in Table 3, the present invention was shown to be excellent in toughness compared to the high temperature chemical vapor deposition method.
이 결과는 위 표 1 및 2에서와 동일한 결과이다.This result is the same as in Tables 1 and 2 above.
한편 공구의 내마모성을 알아보기 위하여 위에서의 조건과 동일한 공정으로 인서트(형번 : SNGN120408)을 제작하여 시험한 결과를 아래의 표 4 및 5에 나타냈다.On the other hand, in order to determine the wear resistance of the tool, the insert (model number: SNGN120408) manufactured and tested in the same process as the above conditions are shown in Tables 4 and 5 below.
[표 4]TABLE 4
[표 5]TABLE 5
위의 표 4에서의 시험 조건은 다음과 같다.The test conditions in Table 4 above are as follows.
홀 더 : FNI1R-44AHolder: FNI1R-44A
인서트 : SNGN120408Insert: SNGN120408
워 크 : SCM440(Hs530)Work: SCM440 (Hs530)
V=220m/min, f=0.37mm/rev, d=1.5mmV = 220 m / min, f = 0.37 mm / rev, d = 1.5 mm
위의 표 4에서 보듯이 본 발명은 내마모성에 있어서도 가장 우수함을 알 수 있다.As shown in Table 4 above it can be seen that the present invention is also excellent in wear resistance.
상술한 표 4의 조건에서 절삭속도만을 250m/min으로 하고 나머지는 동일한 조건으로 내마모성을 시험한 결과를 표 5에 나타냈다.Table 5 shows the results of testing the abrasion resistance under the same conditions with only the cutting speed of 250 m / min under the conditions of Table 4 described above.
위의 표 5에서의 시험조건은 다음과 같다.The test conditions in Table 5 above are as follows.
홀 더 : FNI1R-44AHolder: FNI1R-44A
인서트 : SNGN120408Insert: SNGN120408
워 크 : SCM440(Hs530)Work: SCM440 (Hs530)
V=250m/min, f=0.37mm/rev, d=1.5mmV = 250 m / min, f = 0.37 mm / rev, d = 1.5 mm
위의 표 5에서 보듯이 절삭속도 250m/min에서는 본 발명의 것이 고온화학증착법에 의한 것과 동일한 성능을 발휘함을 알 수 있다.As shown in Table 5 above, it can be seen that the cutting speed of 250 m / min exhibits the same performance as that of the high temperature chemical vapor deposition method.
또, 이 저온화학증착법에 의해 형성된 피복층의 결정구조를 X-선 회절기로 조사할 경우 비정질(Amorphoue)과 거의 같은 고조를 가지고 있으며, 파단면상이 수지형상(Columnar Structure)을 가지고 있어 조직이 치밀하고 결정경계가 없어 인성이 우수하다는 것을 알 수 있다.In addition, when the crystal structure of the coating layer formed by this low temperature chemical vapor deposition method is irradiated with an X-ray diffractometer, it has almost the same height as amorphous, and the fracture surface has a columnar structure, resulting in a dense structure. It can be seen that the toughness is excellent because there is no crystal boundary.
그리고, 상기한 바와 같이 저온화학증착법에 의한 저온처리 피복층을 기재의 표면에 1차로 형성한 그 표면에 TiC, TiCN, Al2O3중 1종 또는 2종 이상을 고온화학증착법에 의해 피복한 고온처리피복층을 복수로 형성하는 것도 좋다.As described above, a high temperature at which one or two or more of TiC, TiCN, and Al 2 O 3 is coated by high temperature chemical vapor deposition on the surface of which the low temperature treatment coating layer by low temperature chemical vapor deposition is primarily formed on the surface of the substrate. It is also possible to form a plurality of treatment coating layers.
이 경우 전체 피복두께는 15㎛를 넘지 않는 범위내에서 수행되어야 효과적이며, 고온화학증착법은 종래와 같이 1,000℃ 내외의 고온하에서 피복처리하게 되는 것은 동일하다.In this case, the total coating thickness is effective to be carried out within a range not exceeding 15㎛, and the high temperature chemical vapor deposition method is the same as the coating treatment at a high temperature of about 1,000 ℃ as in the prior art.
따라서, 고온처리피복층이 갖는 특성으로 기재의 인성저하 현상을 저온처리피복층이 그 사이에 형성되는 결과로 미연에 방지하게 되는 것이다.Therefore, the lowering of the toughness of the substrate due to the characteristics of the high temperature coating layer is prevented as a result of the formation of the low temperature coating layer therebetween.
이상과 같이 본 발명에 의하면 물리증착법의 단점인 기재와 피복박막간의 밀착성 저하와 고온화학증착법의 단점인 과도한 기재의 인성저하등을 해소하고 개재의 인성을 그대로 유지할 수 있으므로 내마모성, 내열성 및 내부식성이 우수한 공구를 제공할 수 있는 것이다.As described above, according to the present invention, the adhesiveness between the substrate and the coating thin film, which is a disadvantage of the physical vapor deposition method, and the toughness of the excessive substrate, which is a disadvantage of the high temperature chemical vapor deposition method, can be eliminated and the toughness of the interposition can be maintained as it is, so that the wear resistance, heat resistance and corrosion resistance It can provide excellent tools.
그리고, 그 용도로 선삭은 물론 각종 공작기계 중에서 특히 밀링과 같이 단속작업이 반복되는 특성을 갖는 용도에서 기계적 충격을 신속히 기재에 전달하여 막질, 즉 피복층의 파괴를 억제하여야 하는 용도에 매우 적합하게 이용될 수 있는 등의 유용한 발명인 것이다.In addition, it is well suited for applications in which the mechanical impact is rapidly transmitted to the substrate to suppress the film quality, that is, the coating layer, in turning, as well as in a variety of machine tools, particularly in applications with repeated intermittent operations such as milling. It is a useful invention such as can be.
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