KR970005418B1 - 절삭 공구류의 내마모성, 절삭성을 향상시키기 위한 플라즈마 이온 질화 처리 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

절삭 공구류의 내마모성, 절삭성을 향상시키기 위한 플라즈마 이온 질화 처리 방법

본 발명은 플라즈마 이온 질화 처리 방법에 대한 것으로, 보다 상세하게는 공작 기계류에 사용되는 드릴, 엔드밀, 커터 등의 산업용 및 건설 장비용 절삭 공구류의 내마모성 및 절삭성을 향상시키기 위해 공구류의 표면에 이온질화 경화층을 형성하는 절삭 공구류의 내마모성 및 절삭성을 향상시키기 위한 플라즈마 이온 질화 처리 방법에 대한 것이다.

일반적으로, 드릴, 엔드밀, 커터 등의 절삭 공구류의 절삭성과 내마모성을 향상시키기 위해, 절삭부 단부 모서리 부분을 열처리하거나, 코팅층을 형성하는 등 표면처리하는 방법이 사용되었으나, 열처리하는 경우, 550℃ 이하에서 템퍼링(Tempering)처리하여야 하므로 Hv가 940 이하인 경도를 얻으므로 경도 향상에 한계가 있었다.

또한, 드릴, 엔드밀, 커터 등의 절삭 공구류의 내마모성 및 절삭성을 향상시키기 위한, 처리 방법으로는 질화티타늄 코팅 방법이나 세라믹 코팅 방법이 일반적으로 사용되었는데, 공구의 표면에 5-30㎛ 정도 두께의 코팅층을 형성하는 것이나, 코팅층이 얇아 사용 수명이 한계가 있으며, 모재 표면과의 내박리성이 약하며 강한 압력이 가해지면 코팅 조직이 깨지는 등 문제점이 존재하고, 공구류의 표면에 코팅 처리 작업을 실시하기 전에 피처리물 표면을 극히 정밀하게 세정하지 않으면 안되는 등 여러 문제가 있었다.

그리고, 종래의 절삭 공구류의 내마모성과 절삭성을 향상시키기 위한 질화 처리 방법에서는 공구류의 단부 모서리 부분에 인성과 경도를 동시에 부여하는 것이 곤란하여 경도만 향상되어 취약하므로 용이하게 파손되어 적용이 이루어지지 아니하였으며, 진공 분위기로 경도를 향상시키기 위해 질소 : 수소 혼합비가 5 : 5 나 8 : 2 정도로 질소의 함유량이 많은 분위기에서 작업하였으나, 뾰족한 부위에서는 인성이 낮아 칼날 등의 부위에는 적용이 곤란하였으며, 쌍극(Bi-Polar) 또는 단극(Uni-Polar) 형상으로 1KHz 이상의 주파수를 제어할 수 있는 시스템이 없어서 인성 향상이 곤란하여 이러한 질화 처리 방법은 실용화되지 못하였다.

따라서, 본 발명은, 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 공구류의 표면 입자의 결속 조직 사이로 질소 입자를 침투 확산시켜 경화층의 두께를 증대시킴으로써 절삭부위의 내마모성과 절삭성을 향상시키고 공구류의 표면 이물질이나 기름만 제거한 상태로 그대로 진공로에 장입하여 입자화된 질소가스를 플라즈마를 이용하여 금속 표면에 침투 확산시킴으로써 단시간내에 내마모성과 절삭성을 향상시키며, 금속 변태점 및 템퍼링 온도 이하의 저온에서 처리하므로 변형이 없는 절삭 공구류의 내마모성 및 절삭성을 향상시키기 위한 플라즈마 이온 질화 처리 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

제1도는 본 발명은 실시하기 위하여 사용되는 플라즈마 이온 질화 처리 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 진공로 2 : 피처리물

3 : 온도감지 적외선 카메라 4 : 진공펌프

5 : 냉각장치 6 : 가스조절밸브

7 : 가스공급원 8 : 전원입력부

9 : 직류 및 교류 공급원 10 : 적치대(음극)

11a,11b : 양극 12 : 제어장치

13 : 투시창

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 공구 소재를 열처리하고 연마가공하여 완성된 공구 제품을 진공로에 장입하고, 진공로내 진공도를 1-8Torr로 형성하고 전압을 500-550V로 설정하며, Ar과 H₂혼합 가스 분위기에서 스퍼터링 크리닝을 실시하여 제품 표면을 세정하고, 제품의 세정을 완료한 후 진공로내의 진공도가 1-6Torr이고 공급 전압이 400-500V이고 피처리물의 온도를 450-530℃로 하여 N₂-H₂혼합 가스 또는 N₂-H₂-Ar 혼합가스를 정량 투입하고 플라즈마를 발생시켜 이온 질화처리를 실시하여 제품 표면에서 심부로 2-100㎛의 이온 질화경화층을 형성하며, 이후 진공로내에 Ar 가스를 주입하여 후처리하고, 저진공 상태에서 제품을 진공로내에서 약 50℃로 냉각하는 것을 특징으로 하는 절삭 공구류의 내마모성 및 절삭성을 향상시키기 위한 플라즈마 이온 질화 처리 방법을 제공한다.

이하에서는 본 발명의 절삭 공구류의 내마모성 및 절삭성을 향상시키기 위한 플라즈마 이온 질화 처리 방법을 상세하게 설명한다.

본 발명의 플라즈마 이온 질화 처리 공정은 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같은 단지 예로서의 플라즈마 이온 질화 처리 장치에 의해 실시되는데, 이를 설명하면 다음과 같다.

(1)은 피처리물(2)이 내부에 장입되어 적치되는 진공로이며, 이 진공로(1)에는 진공로 내부에 진공을 공급할 진공펌프(4)가 연결되고, 진공로(1) 내부에 플라즈마를 발생하기 위한 전원(9)이 연결되는데, 이 전원(9)의 음극은 피처리물 적치대(10)에 접속되고 그에 인접하여 양극(11a)에 배치된다. 이 전원(9)은 외부 전력 공급원에 입력부(8)를 통해 접속된다. 또한, 음극이 접속된 적치대(10)의 대향측에도 양극(11b)에 배치되어 제어 장치(12)에 전기적으로 연결된다.

진공로(1)에는 도 1 도시와 같이, 가스 공급원(7)이 또한 가스 조절 밸브(6)를 통해 연결되어 각 공정 단계 진행에 따라 진공로(1) 내부에 분위기 가스용 혼합가스를 공급하며, 진공로(1)에는 또한 플라즈마 질화 처리가 완료된 피처리물(2)을 냉각하기 위한 냉각 장치(5)가 연결되며, 진공로(1)의 측부에는 투시창(13)이 장착되어 이를 통해 진공로(1) 내부의 온도를 감지하기 위한 온도 감지 적외선 카메라(3)가 이 투시창(13)에 인접하여 설치되며, 이 카메라(3)는 제어 장치(12)에 전기적으로 접속된다.

본 발명의 플라즈마 이온 질화 처리 방법에서는 우선, SKH강, SKS강, SKD강 등으로 된 공구 소재를 퀘엔칭(Quenching)하고 580-650℃ 범위의 온도에서 템퍼링하여 인성을 향상시키고 경도를 저하시킨 후, 연마가공하여 드릴이나, 커터 등의 절삭 공구를 완성한다.

여기서, SKH 강은 텅스턴계 고속도강으로 18% W, 4% Cr, 1% V, 0.8% C, 및 잔여량의 Fe와 불가피한 불순물로 이루어진 것을 대표적인 것으로 하며, SKS 강은 절삭용이나 내충격용 또는 내마모불변형용 합금 공구강으로 일예로 SKS 3 강은 C : 0.90-1.00%, Si : 0.35% 미만, Mn : 0.90-1.20%, Cr : 0.50-1.00%, W : 0.50-1.00% 및 잔여량의 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지며, SKD 강은 내마모불변형용이나 열간가공용 합금공구강으로, 일예로 SKD 1 강은 C : 1.80-2.40%, Si : 0.40% 미만, Mn : 0.60% 미만, Cr : 12.00-15.00%, 잔여량의 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 강이다.

이어서, 도 1 도시와 같은 구조의 플라즈마 이온 질화 처리 장치에 공구류를 장입하여 공구 표면을 스퍼터링(Sputtering)하여 크리닝(Cleaning)처리하여 공구 표면의 불순물을 완전하게 제거한다. 이는 공구의 날조직 표면에 형성된 불균질 경질 부분의 탄화물 등의 입자를 제거하기 위한 것인데, 탄화물 등의 불순물 위에 질화처리하는 경우 공구가 상대적으로 충격에 약하기 때문이다. 이때 분위기가스는 1 : 1 정도로 혼합된 Ar-H₂혼합가스이며, 장치 내부는 1-8Torr의 진공압력이고 전압은 500-550V이다. 처리 시간은 강종에 따라 다르나 일반적으로 승온후 약 60분간 실시한다.

이어서 스퍼터링 크리닝이 완료된 상태에서 진공로 내부에 1 : 1 내지 3 : 7로 혼합된 N_{2 -} H₂혼합가스 또는 2 : 7 : 1로 혼합된 N₂-H₂-Ar 혼합가스를 정량 투입하고 피처리물의 온도를 450-530℃로 가열한 후 진공 압력(도)을 1-6Torr로 유지하고 전압을 400-500V로 조절하여 플라즈마를 진공로 내부에 발생시켜 질소를 이온화(＋ 이온)하여 약 1-5시간 동안 질화처리하여 공구 표면에 질소를 침투시켜 확산시킴으로써 공구 표면에서 심부로 2-100㎛ 두께의 FeN 및 Fe_2-3N 질화층을 형성시킨다. 이때 공급되는 전원은 바이-폴라(Bi-Polar) 또는 유니-폴라(Uni-polar) 형식의 1KHz 이상의 짧은 주기를 갖는 파형이며, 이온 질화의 원리는 피처리물을 - 전기를 띠게 하고 질소의 양이온을 피처리물에 돌진시켜 금속의 표면 조직 속으로 침투 확산시켜 FeN 및 Fe_2-3N 이온 질화경화층을 형성하는 것이다.

여기에서 가스 혼합비, 진공도, 전압, 온도, 처리 시간 등을 조절하여 절삭 공구의 날끝 두께, 날각도, 및 전처리후의 표면 경도에 따라 이온 질화경화층 두께를 조절한다.

이어서, 표면에 이온 질화경화층을 형성하도록 질화처리된 날 부위가 극히 날카로운 드릴 등의 공구 등의 피처리물을 진공로 내에 유지시킨채 Ar, H₂혼합가스를 주입하여 플라즈마 분위기에서 약 30분 내지 1시간 정도 후처리하여 준다.

그리고, 후처리를 완료후, 진공로 내부에서 플라즈마 분위기의 저진공 상태에서 제품을 냉각하여 50℃ 정도일때 제품을 진공로에서 인출한다. 이러한 냉각은 온도가 높은 상태에서 제품을 인출하면 표면이 산화되어 제품의 색이 변하거나 금속 조직의 수축 등으로 경도에 영향을 미치므로 이를 방지하기 위하여 실시한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 플라즈마 이온 질화 방법에서 각 공정의 수치 한정 이유를 이하에서 설명한다.

스퍼터링 크리닝 단계에서 진공도 1-8Torr로 한정하는 것은 진공도가 낮으면 이온 숫자가 너무 많아 공구류의 날과 날 사이에서 이온간의 자체 충돌 현상이 발생하며, 균질한 스퍼터링 크리닝 효과가 얻어지지 않기 때문이다.

또한, 플라즈마 이온 질화 처리 단계에서 혼합가스의 비는 공구류의 칼날 부위의 두께에 따라 가늘수록 N₂함유량을 적게(최저 20%) 혼합하며, 공구류의 소재에 따라서도 달라진다.

상기 공정에서 진공도를 1-6Torr로 한정하는 것은 상기 스퍼터링 크리닝 단계에서 진공도를 한정한 것과 동일한 이유이며, 온도 한정 이유는 530℃ 이상이면 깨지기 쉬운 브리틀(Brittle)한 ε상이 증가하기 때문이며, 450℃ 이하에서는 질화 처리가 거의 진행되지 않기 때문이다. 또한, 공급 전압을 400-500V로 한정한 것은 500V 이상에서는 이온의 확산 속도가 상대적으로 빨라지나 공구류의 날부위가 뾰족하므로 이온의 분포가 고르지 못하며, 400V 이하에서는 이온의 운동 에너지가 너무 낮으므로 침투 확산이 효과적이지 못하기 때문이다.

그리고, 플라즈마 이온 질화 단계에서 이온 질화경화층의 두께가 2-100㎛로 한정되는 것은, 2㎛ 이하에서는 질화 효과가 미약하며 100㎛ 이상에서는 너무 경해서 공구류의 날끝 부위가 깨지기 쉽기 때문이다. 따라서, 날끝 부위의 두께에 따라 상기 두께 범위에서 적절하게 조절된다.

본 발명 조건에 따라 제조된 공구류 등의 제품에서 생성된 이온 질화경화층의 조직은 γ상 조직이 805 이상이고, ε 또는 γ상 조직은 20% 이하로 강력한 내마모성과 내충격성을 보이는 복합상을 형성한다.

이하에서는 실시예와 관련하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

(실시예)

본 실시예에서 실시재 1-3은 SKS 강으로 제조된 공구류를 피처리물로 하여 본 발명 범위내의 플라즈마 이온 질화 처리 조건으로 공구류 표면에 질화층을 형성한 실시예이며, 실시재 4-6은 SKH 강으로 제조된 공구류를 피처리물로 하여 본 발명 범위내의 플라즈마 이온 질화 처리 조건으로 공구류 표면에 질화층을 형성한 실시예이다. 비교재 1-3은 각각 공규류의 소재는 SKS 강이나 SKH 강으로 하였으나, 플라즈마 이온 질화 처리 조건이 본 발명의 조건 범위를 벗어나는 조건으로 플라즈마 이온 질화 처리한 경우의 예이며, 종래재 1-2는 SKS 강, SKH 강으로 각각 제조된 공구류를 종래 표면 처리 방법인 질화티타늄 코팅 처리 방법으로 코팅층을 형성한 경우 및 세라믹 코팅층을 형성한 경우 및 세라믹 코팅층을 형성한 경우의 예이며, 종래재 3은 초경합금으로 공구류를 제조하여 표면에 질화층이나 코팅층을 형성하지 아니한 제품의 경우이다. 실시재 1 내지 6 및 비교재 1 내지 3의 시편을 얻기 위한 이온 질화 처리 시간은 승온후 1시간 정도 유지하면서 동일한 조건으로 실시하였다.

본 실시예에서 SKH 강의 성분 조성은 18% W, 4% Cr, 1% V, 0.8% C, 및 잔여량의 Fe와 불가피한 불순물로 이루어진 텅스턴계 고속도 강을 예로 하며, SKS 강은 C : 0.90-1.00%, Si : 0.35% 미만, Mn : 0.90-1.20%, Cr : 0.50-1.00%, W : 0.50-1.00%, 및 잔여량의 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 SKS 3 강을 예로 하였다. 또한, 초경합금은 W : 72-78%, Ti : 10-15%, Co : 5-6%, C : 7-9%, 잔여량의 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 Si 강을 예로 하였다.

표 1에서는 상기 조성의 시료 강을 대상으로 각각 실시한 공정 조건을 나타내며, 표 2에서는 얻어진 공구류 제품의 기계적 성질을 내마모성, 경도 및 절삭성을 평가한 결과를 나타내었다.

상기 표 2의 기계적 성질의 판정으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 경우, 드릴, 탭, 커터 날 등의 조직 자체를 날 크기 두께에 따라 2-100㎛ 두께로 새로운 이온 질화경화층으로 변환시킨 것이므로 절삭성이 양호하며, 상대적으로 내충격성 및 내마모성이 양호한 것으로 나타났으나, 비교재의 경우는 절삭성 면에서 사용중 날 부위에 실시재 4 내지 6에 비해 빠르게 미세 크랙이 발생하였으며, 종래재의 경우 표면 경화층의 경도는 본원 발명의 이온 질화경화층 보다 높으나 코팅층이 얇고 코팅 처리전의 초극 세정 작업시 이물질, 먼지 등을 완벽하게 제거하지 못할 경우 날 부위의 코팅층이 날 부위의 코팅층이 사용중 박리되거나 크랙이 용이하게 발생하였다. 또한, 초경합금의 경우 탄력성이 약하여 직경에 비해 기장이 긴 드릴이나 탭 등의 경우 사용할 때 종종 부러지는 단점을 보이며, 소재의 가격이 고가이고 공구로의 제작 공정이 복잡하여 어려우며 제작 비용이 많이 드는 등 단점이 있다.

상기 설명한 바와 같은 본 발명의 플라즈마 이온 질화 처리 방법에 의하면, 드링, 엔드밀 커터, 탭 등의 절삭 공구류의 주된 소재인 SKH 9, SKH 55 등의 SKH 강종 및 SKS 3 등의 SKS 강종, M 42 등의 강종으로 제조된 절삭 공구류를 저온 진공 상태에서 플라즈마 질화처리하여 질소 입자를 피처리물의 표면 입자 조직 사이에 강한 플라즈마 전압을 이용하여 계속적으로 침투 확산시킴으로써 조밀하고 내마모성이 강한 고경도의 이온 질화경화층 조직을 얻을 수 있어서 초경합금으로 제조된 공구와 거의 같은 정도의 고경도의 공구류를 제조할 수 있으며, 이로써 초경합금 공구 보다 더 우수한 탄력성을 얻을 수 있어서 공구의 부러짐이 없고, 공구 몸체부가 종래의 공구강으로 제조된 공구 보다 모재 자체를 고온에서 템퍼링하였으므로 더 높은 인성을 보유하여 부러짐이 없으며, 상대적으로 저렴한 소재를 사용하여 초경합금과 동일한 효과를 내므로 초경합금으로 제작된 공구들 보다 가격도 월등히 저렴하며, 공구 제작 공정이 간단하여 제조 단가가 저렴하고 다양한 형태로 제조할 수 있으며, 제품 수명 및 절삭성이 향상되는 등 유용한 효과가 얻어진다.

Claims (1)

1. 공구 소재를 퀘엔칭하고 템퍼링하여 열처리하고 연마가공하여 제조한 공구 제품을 진공로(1)에 장입하고, 진공로내 진공도를 1-8Torr로 형성하고 전압을 500-550V로 설정하며 Ar과 H₂의 혼합 가스 분위기에서 스퍼터링 크리닝(Sputtering Cleaning)을 실시하여 제품 표면을 세정하고, 제품의 세정을 완료한 후 진공로내의 진공도가 1-6Torr이고 공급 전압이 400-500V이고 피처리물의 온도를 450-530℃로 하여 N₂-H₂혼합가스 또는 N₂-H₂-Ar 혼합가스를 정량 투입하고 플라즈마를 발생시켜 이온 질화처리를 실시하여 제품 표면 조직 자체에 2-100㎛의 이온 질화경화층을 형성하며, 이 후 진공로내에 Ar, H₂혼합가스를 주입하여 후처리하고, 저진공 상태에서 제품을 진공로내에서 약 50℃로 냉각하는 것을 특징으로 하는 절삭 공구류의 내마모성 및 절삭성을 향상시키기 위한 플라즈마 이온 질화 처리 방법.