KR100726141B1

KR100726141B1 - 절삭공구 인써트

Info

Publication number: KR100726141B1
Application number: KR1020060124026A
Authority: KR
Inventors: 이성구; 오세웅; 안선용; 박근우
Original assignee: 한국야금 주식회사
Priority date: 2006-12-07
Filing date: 2006-12-07
Publication date: 2007-06-13

Abstract

상면과 측면의 조성이 다른 초경합금 및 써메트 인써트 절삭공구를 제공한다.

본 발명에 따르면, 인써트 절삭공구의 측면부의 결합금속으로 사용되는 철족금속(Co, Ni, Fe 등)의 함량을 인써트 절삭공구의 상면(또는 하면) 결합금속 함량의 110-1000%로 분포시킴으로써 절삭 작업시 용착 및 소성변형을 방지하고 동시에 경계부 치핑을 억제하여 절삭공구 인써트의 공구수명을 향상시킬 수 있다. 또한 절삭공구 인써트의 측면의 결합금속 함량이 상면보다 많아 절삭공구 인써트의 측면이 상면보다 상대적으로 밝은 색상을 나타내어 절삭공구 인써트의 마모정도를 쉽게 판정할 수 있는 장점도 있다.

Description

절삭공구 인써트{An insert for cutting tool}

본 발명은 절삭공구 인써트에 관한 것이다. 절삭공구로 사용되는 초경합금 또는 써메트 합금에서 액상소결을 가능하게 하는 결합제로 철계 금속인 Co, Ni, Fe 등을 사용한다. 상기 철계 결합금속들은 초경합금과 써메트의 주 원료인 WC, TiCN 등 보다 융점이 낮고 젖음성이 우수하여 소결시 가장먼저 액상으로 상 변화되어 용해-재석출을 통한 소결합성을 가능케 하는 매개체 역할을 한다.

이런 결합금속들은 절삭공구의 물성 측면에서 초경 절삭공구의 주 원료인WC, TiCN등 보다 경도가 낮아 절삭공구의 인성을 향상시키는 역할을 하지만, 절삭온도(대략 800-1000℃)에서 일부 액상화되어 눅진눅진해지는 특성으로 소성변형 및 용착을 일으켜 결과적으로 절삭공구 인써트의 수명을 감소시키는 작용을 한다. 또한 실제 절삭 공정을 실시하지는 않지만 절삭시 지지대 역할을 하는 인써트의 측면부는 금속결합상 함량이 낮을 경우 인선 경도가 높아져 절삭 작업시 경계부 손상을 초래하기도 한다.

한편, 초경합금과 써메트의 표면 색상은 표면부의 조성과 조도에 따라 달라지기 때문에 표면 색상을 제어는 위해서는 출발 조성과 소결방법을 변경이 필요하 다. 조성 측면에서 표면 색상을 결정짓는 가장 큰 요소는 결합금속의 함량으로 표면부 결합금속 함량이 많을수록 밝은 은색을 나타내고, 결합금속 함량이 적으면 진회색을 띤다.

현재 상용화 되어있는 인써트 절삭공구는 상기와 같은 특성을 고려하여 인써트 상면과 측면의 조성(특히 결합상 함량)을 적절히 유지하는 방법으로 제작되고 있다. 그러나 상면과 측면의 조성이 동일하면 상기 언급한 두종류 문제점(상면 용착 및 경계부 치핑)을 완전히 해소하여 절삭공구 인써트의 수명을 최대로 증가시키기 어렵다. 또한 상면과 측면의 조성이 동일하면 상면과 측면의 색상이 유사하여 진회색이나 흑색의 표면색상을 가질 경우 인써트 절삭공구의 마모정도를 쉽게 파악하지 못하는 단점도 있다.

한편, 미합중국 특허 제 US 2002/0039521호에서는 상면과 측면의 색상을 다르게 구성하는 코팅 절삭공구 인써트가 제시되어있는데, 본 발명에서는 코팅하지 않은 초경합금 및 써메트 절삭공구를 제공하고 이를 모재로 사용한 절삭공구 인써트만을 공개하고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점 및 과제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 상면과 측면의 조성이 다른 인써트 절삭공구를 제공함에 그 목적이 있다. 본 발명에 따르면 인써트의 상면은 결합금속의 함량이 적도록 구성하고 인써트 측면부는 결합금속 함량을 상대적으로 많게 구성하여 절삭작업시 용착 및 경계부 치핑에 의한 공구수명 단축을 방지하고, 또한 상기와 같은 상면과 측면의 조성, 특히 결합 상 함량 차이는 상면보다 측면의 색상을 밝게 하여 절삭 작업시 공구 마모 정도를 쉽게 판정할 수 있는 장점도 있게 된다.

상기의 목적을 달성하기 위해서 본 발명은, 써메트 또는 초경절삭공구 인써트로서 상면부와 측면부의 결합상 함량이 서로 다른 절삭공구 인써트를 제공한다. 상기에서 상기 인써트 측면부 결합상 함량은 상면부 결합상 함량의 110~1000%임이 바람직하고, 상기 인써트의 측면부가 상면부보다 밝은 색상임이 바람직하다.

또한 상기 써메트 인써트는 전체 중량 중 40~75%의 Ti의 탄화물, 질화물, 탄질화물과 5~20%의 철족 금속(Fe, Ni, Co) 결합상이 주 성분이며, 주요 첨가제로서 10-25% 탄화 텅스텐(WC)이 포함되고 물성향상을 위한 부첨가제로 Mo, Nb, Zr, Ta의 탄화물, 질화물, 탄질화물의 1종 이상이 총 10~15%의 조성을 혼합하여 이를 통상의 써메트 소결조건으로 소결한 써메트 인써트를 제공한다.

또한 상기 초경인써트는, 전체 중량 중 70-94%의 WC와 5-15%의 철족금속(Fe, Ni, Co)에 1-15%의 부첨가제(Ti, Ta, Nb, Zr, Mo의 탄화물, 질화물, 탄질화물의 1종이상)가 함유된 조성을 혼합하고 이를 통상의 초경합금 소결공정으로 소결한 초경 인써트 소결체를 제공한다.

상기에서 제공된 써메트와 초경 인써트 상부면과 측면부의 결합상 함량차이는 측면부 결합상 함량이 상면부 결합상 함량의 110~1000%로 함이 바람직한데, 이는 상부면은 절삭가공시 용착에 의한 공구손상을 방지하고 측면부는 상면부보다 결함상 함량을 높게 하여 상대적으로 높은 인성 및 밝은 색상을 가져 경계부 치핑 방 지와 마모확인 용이성을 갖게 하는 최적의 조건이다.

상기에서의 인써트 상면부와 측면부의 결합상 조성은 각 해당부위 표면으로부터 100㎛ 이내 깊이까지 성분을 XRF, XRD, SEM-EDX, GDOES 등의 성분 분석기를 이용해 분석한 결과를 의미한다.

상기와 같은 결합상의 함량차이는 소결공정에서 제어하거나 동일함량으로 제조한 후 상면부를 가공하여 만들어도 무방한데, 인써트 상면부를 가공하는 방법으로는 인써트의 상면부 소결면을 고압의 액상 또는 고상 메디아(MEDIA)를 이용한 두드림, 상압에서 고상 메디아를 이용한 두드림, 솔(BRUSH)을 이용한 연마, 페이스트나 연마천, 연삭휠(탄성 숫돌)을 이용한 가공, 또는 레이저나 이온 빔 조사 등으로 표면 처리 방법 등이 있다.

상기 언급한 방법으로 제조된 써메트 인써트는 일반 상용 써메트 인써트에 비해 상면의 저 결합상 함량에 의해 절삭 작업시 용착이 방지되고, 측면의 다량 결합상 존재에 의해 경계부 치핑이 방지되며 상면보다 측면이 밝은 색상을 나타내어 마모 정도를 쉽게 판단할 수 있는 장점을 갖게 된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 써메트/초경 인써트 및 그 제조 방법에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기 써메트의 조성에서 Ti의 탄화물, 질화물, 탄질화물은 40% 미만이면 써메트의 장점인 경도가 현저히 저하되고, 75%를 초과하면 소결체의 진성 인성이 매우 열악하여 절삭인성 향상을 꾀하기 어렵다. 또한, 철족 금속 결합상이 5% 미만이면 액상소결시 액상 부피비의 부족으로 치밀한 소결체를 얻기 어려우며, 20%를 초 과하면 절삭시 내마모성의 급격한 저하를 초래한다. 주요 첨가제로 사용하는 탄화텅스텐은 써메트의 소결성 개선에 따른 인성 품질에 영향을 미치는데 그 함량이 10% 미만이면 소결성 개선 효과가 떨어지고, 25%를 초과하면 미세조직상 녹지 않은WC 결정립이 잔존하여 써메트 합금공구의 절삭성능에 악영향을 미친다. 부첨가제로 첨가하는Mo, Nb, Zr, Ta의 탄화물, 질화물, 탄질화물은 각기 배합의 조합정도에 따라 소결체의 물성특성에 서로 다른 영향을 끼치는데 그 총 합이 15%를 초과하는 경우 Ti 보다 열악한 자체 물성에 의해 소결체 전체 물성을 저하시키게 된다. 부첨가제의 총 합이 10% 미만이면 상온경도 및 강도 등의 물성개선 효과가 떨어져 절삭공구 소재로써 부적합하게 된다.

상기 초경 조성에서 WC 함량이 70% 미만이면 타탄화물 과대첨가에 의한 취성유발이나 금속결합상 과대첨가에 의한 소성변형을 피하기 어렵고, WC 함량이 94% 초과이면 금속 결합상의 적심성 한계에 의해 치밀화된 합금을 얻기가 어렵다. 비슷한 맥락으로 금속 결합상이 5% 미만이면 액상소결시 액상 부피비의 부족으로 치밀한 소결체를 얻기 어려우며, 15%를 초과하면 절삭시 내마모성의 급격한 저하를 초래한다. 부첨가제로첨가하는 Mo, Nb, Zr, Ta, Ti의 탄화물, 질화물, 탄질화물은 소결중 적심성 개선에 의한 소결성 개선 및 입성장 억제효과, 고온물성 개선의 목적으로 첨가되는데, 총 첨가량이 1% 미만이면 그 효과가 미미하여 첨가의 목적이 상쇄되고, 총 첨가량이 15%를 초과하면 전체 합금경도를 크게 상승시켜 취성을 유발하게 된다.

이상의 방법으로 얻어진 써메트와 초경 인써트 소결체에서 인써트 상면부 소 결면을 고압의 액상 또는 고상 메디아(MEDIA)를 이용한 두드림, 상압에서 고상 메디아를 이용한 두드림, 솔(BRUSH)을 이용한 연마, 페이스트나 연마천, 연삭휠(탄성 숫돌)을 이용한 가공, 또는 레이져나 이온 빔 조사 등의 방법으로 표면 처리하여 인써트 상면부의 결합상을 제거함으로써 본 발명에서 제시하는 인써트 절삭공구가 완성된다. 인써트 상면부의 표면처리 조건 및 표면처리 시간의 변경으로 인써트 상면부 결합금속 제거량을 제어할 수 있는데, XRF를 이용한 분석에서 인써트 상면부 대비 측면부의 결합금속 함량이 110% 미만이면 인써트 상면부와 측면부의 조성적 차별이 적어 본 발명의 효과를 나타내지 않으며, 앞서 언급된 소결방법으로 써메트 내부 대비 외부의 결합상 함량을 10배 이상 제조할 수 없기 때문에 표면처리 시간을 아무리 증가시키더라도 인써트 상면부 대비 측면부의 결합금속 함량이 1000%를 초과하지 못한다.

[실시예]

본 발명의 실시예에 따르면 먼저 본 발명자들은 소결 후 소결체의 표면으로부터 내부 방향으로 1mm 연삭 후 XRF 조성분석결과(표 1의 "소결 후 내부조성"부분) 표 1과 같이 나오도록 써메트 인써트 절삭공구를 제작하였고, 인써트 상면부 소결면을 고압의 액상 메디아(MEDIA)를 이용한 두드림 처리를 이용하여 상면과 측면의 결합상 함량이 다른(표 1의 "결합상 함"부분) 써메트 절삭공구 인써트를 제작하였다. 아래와 같은 방법으로 절삭시험을 실시하여 결과를 표 2에 나타내었다.

내마모성 평가 절삭조건

피삭재 :S20C 절삭속도 : 210m/min

이송(공급) : 0.3mm/rev 절삭깊이 : 1.5mm

절삭 인써트 형상: CNMG20408

평가 : 측면 마모량(Frank wear. VB) 0.2mm 도달까지 시간 측정

표 1.

	소결 후 내부 조성(wt%)								결합상 합(wt%)
	W	Ti	Ta	Mo	Nb	Zr	Co	Ni	상면	측면	비율
비교1	11	52	2	9	5	3	9	9	20	51	255%
비교2	30	45	5	3	2	1	8	6	15	55	367%
비교3	23	50	5	3	2	1	8	8	15	15	100%
비교4	18	59		2	8		8	5	13	13	100%
비교5	18	59		2	8		8	5	38	40	105%
발명1	18	59		2	8		8	5	13	40	308%
발명2	15	58	4	4	2	1	8	8	17	65	382%
발명3	17	60			10		13		14	60	429%

# 결합상 합의 비율 항은 측면 결합상 함량/상면 결합상 함량*100(%)를 의미함.

표 2

	내마모성 평가 결과
비교1	3분 가공 후 절손 - 소결성 저하에 의한 합금내 기공 발생
비교2	5분 가공 후 소성변형 발생 및 절손
비교3	10분 가공 후 경계부 치핑
비교4	10분 가공 후 경계부 치핑
비교5	10분 가공 후 용착에 의한 치핑
발명1	120분 정상마모로 종료
발명2	100분 정상마모로 종료
발명3	120분 정상마모로 종료

상기 테스트 결과와 같이 부첨가제 함량이 15%를 초과한 비교 1번과 WC 함량이 25%를 초과한 비교 2번은 각각 기공과 경도 부족으로 조기 종료되었으며, 냉각 불활성 가스를 적용하지 않은 비교 3번 시료와 냉각 불활성 가스 압력이 낮아 표면 부에 결합상 기어나옴이 적은 4번 시료는 경계부 치핑에 의해 수명이 조기 종료되었다. 또한 표면처리를 적절히 실시하지 않아 상면과 측면의 결합상 함량이 유사한 비교 5번 시료도 용착에 의해 수명이 조기 종료되었다. 반면, 본 발명에 속하는 발명 1-3번 시료는 정상적인 마모로 우수한 수명을 나타낸 것을 확인할 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명에 의하면 써메트 또는 초경절삭공구인써트의 상면부와 측면부의 결합상 함량을 달리함으로써 용착에 의한 공구의 수명단축과 측면부의 결합상 함량이 높음으로서 경계부 치핑을 방지할 수 있어서 인써트 절삭공구의 수명을 향상시킬 수 있고 결합상 함량이 높은 측면이 상대적으로 밝은 특징을 나타냄으로써 마모구별이 용이한 절삭공구 인써트를 제공할 수 있게 된다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

써메트 또는 초경절삭공구 인써트로서, 상기 인써트 측면부 결합상 함량은 상면부 결합상 함량의 110~1000%임을 특징으로 하는 절삭공구 인써트.
삭제
제1항에 있어서, 상기 인써트의 측면부가 상면부보다 밝은 색상임을 특징으로 하는 절삭공구 인써트.
제1항에 있어서, 상기 인써트 상면부와 측면부의 결합상 조성은 각 해당부위 표면으로부터 100㎛이내 깊이까지 성분을 XRF, XRD, SEM-EDX, GDOES 등의 성분 분석기를 이용해 분석한 결과임을 특징으로 하는 절삭공구 인써트.
제1항에 있어서, 상기 써메트 인써트는, 중량비로 40~75%의 Ti의 탄화물, 질화물, 탄질화물과 5~20%의 철족 금속(Fe, Ni, Co) 결합상을 주성분으로 하고, 주요 첨가제로 10-25% 탄화 텅스텐(WC)과 물성향상을 위한 부첨가제로 Mo, Nb, Zr, Ta의 탄화물, 질화물, 탄질화물의 1종 이상이 총 10~15% 혼합하여 제조됨을 특징으로 하는 절삭공구 인써트.
제1항에 있어서, 상기 초경 인써트는 70 ~ 94%의 WC ; Fe, Ni, Co 중 1종 이상의 철족 금속 5 ~ 15 중량 % ; 그리고 Ti, Ta, Nb, Zr, Mo의 탄화물, 질화물, 탄질화물 중 1종 이상의 첨가제 1 ~ 15 중량 %의 조성으로 혼합하여 제조됨을 특징으로 하는 절삭공구 인써트.
삭제