KR102009687B1 - Cutting tools coated with hard film - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초경합금의 조성 및 미세조직 제어와 경질피막의 미세조직 제어를 통해, 고온 내산화성과 열크랙에 대한 저항성을 구비하여, 개선된 수명을 갖는 절삭공구에 관한 것이다.
본 발명에 따른 절삭공구는, 초경합금으로 이루어진 모재와 상기 모재의 적어도 일 부분에 형성된 경질피막을 포함하고, 상기 모재는, 5.5~10중량%의 Co와, WC를 제외한 4~15중량%의 탄화물과, 나머지 WC 및 불가피한 불순물을 포함하고, 상기 WC의 평균입도가 0.8~3㎛이고, 상기 모재의 표면에는 CFL(Cubic phase Free Layer)층이 5㎛ 미만의 두께로 형성되어 있고, 상기 경질피막은, 단층 또는 2층 이상의 다층 구조로 이루어지고, PVD법으로 형성된 TiaAlbMecC1-xNxOy(0.3≤a≤0.6, 0.4≤b≤0.7, 0≤c≤0.1, 0.5≤x≤1, 0≤y≤0.5, Me는 4a, 5a, 6a족, Si, B, S로부터 선택되는 1종 이상)로 이루어진 층을 포함하고, 상기 절삭공구의 경사면의 인선부로부터 5~50㎛ 범위에 위치하는 피막 표면의 입도가 1㎛ 이상인 드랍렛(droplet) 중 종횡비가 1.5 이하인 입자의 비율이 50% 이상인 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a cutting tool having an improved service life, having high temperature oxidation resistance and resistance to thermal cracks, through controlling the composition and microstructure of the cemented carbide and controlling the microstructure of the hard coating.
The cutting tool according to the present invention includes a base material made of cemented carbide and a hard coating formed on at least a portion of the base material, wherein the base material is 5.5 to 10 wt% of Co and 4 to 15 wt% of carbide except WC. And, including the remaining WC and unavoidable impurities, the average particle size of the WC is 0.8 ~ 3㎛, the CFL (Cubic phase Free Layer) layer is formed on the surface of the base material to a thickness of less than 5㎛, the hard film Is composed of a single layer or a multilayer structure of two or more layers, and formed by PVD method, Ti a Al b Me c C 1-x N x O y (0.3 ≦ a ≦ 0.6, 0.4 ≦ b ≦ 0.7, 0 ≦ c ≦ 0.1, 0.5≤x≤1, 0≤y≤0.5, Me includes at least one selected from 4a, 5a, 6a, Si, B, S), and 5 from the edge of the inclined surface of the cutting tool. It is characterized in that the proportion of particles having an aspect ratio of 1.5 or less is 50% or more among droplets having a particle size of 1 μm or more on the surface of the film located in the range of ˜50 μm. The.
Description
본 발명은 초경합금으로 이루어진 모재에 경질피막이 형성된 절삭공구에 관한 것으로, 구체적으로는 초경합금의 조성 및 미세조직 제어와 경질피막의 미세조직 제어를 통해, 고온 내산화성과 열크랙에 대한 저항성을 구비하여, 개선된 수명을 갖는 절삭공구에 관한 것이다.The present invention relates to a cutting tool in which a hard film is formed on a base material made of cemented carbide, specifically, the composition and the microstructure of the cemented carbide and the control of the microstructure of the hard film, having high temperature oxidation resistance and resistance to heat cracking, A cutting tool having an improved lifespan.
절삭공구에 사용되는 초경합금은 WC를 포함하는 경질상을 Co로 대표되는 금속의 바인더로 결합시킨 복합재료로 대표적인 분산형 합금이며, 그 기계적 특성은 기본적으로 WC 경질상의 입도와 Co 결합금속상의 양에 의존하며, 특히 경도와 인성은 상호 반비례하는 관계에 있다. 한편, 절삭가공 방법이나 피삭재에 따라 절삭공구용 초경합금에 요구되는 특성도 달라지며, 이에 따라 초경합금의 기계적 특성을 제어하기 위한 다양한 시도가 행해져 왔다.Cemented carbide used in cutting tools is a composite material that combines a hard phase containing WC with a binder of a metal represented by Co, and is a representative dispersed alloy, and its mechanical properties are basically based on the particle size of the WC hard phase and the amount of Co-bonded metal phase. In particular, hardness and toughness are inversely related to each other. On the other hand, depending on the cutting method and the workpiece, the characteristics required for the cemented carbide for cutting tools also vary, and various attempts have been made to control the mechanical properties of cemented carbide.
또한, 초경합금의 표면에는 전술한 고온산화, 열충격, 마모 등에 대응하여 절삭공구의 수명을 연장하기 위하여, 경질피막이 형성된다.In addition, a hard film is formed on the surface of the cemented carbide in order to prolong the life of the cutting tool in response to the above-described high temperature oxidation, thermal shock, abrasion, and the like.
강(steel)은 스테인리스강이나 주철에 비해 상대적으로 우수한 피삭 특성을 나타낸다. 그러나 생산성 향상을 위해 일반적으로 고속 절삭 가공을 수행하기 때문에, 절삭공구의 표면은 높은 열에 노출되어, 산화에 의한 화학적인 마모 양상을 통해 수명이 종료된다.Steel exhibits relatively good machinability compared to stainless steel or cast iron. However, since high-speed cutting is generally performed to improve productivity, the surface of the cutting tool is exposed to high heat, ending its life through chemical wear patterns caused by oxidation.
또한, 기계 부품류와 같이 단속이 심한 피가공물의 경우, 반복적인 열 충격이 절삭 공구에 가해지기 때문에, 주로 열크랙에 의한 파손을 통해 절삭공구의 수명이 종료된다.In addition, in the case of workpieces with severe interruptions, such as mechanical parts, since repeated thermal shock is applied to the cutting tool, the life of the cutting tool is mainly ended due to breakage due to thermal cracking.
특허문헌에는 TiaAlbNbdMe(C1-xNx) 피막의 절삭성능을 향상시키기 위하여, 여유면에는 입경이 300㎚ 이하인 미세 액적(droplet)이 절삭면보다 다량 존재하게 하고, 여유면에 존재하는 입경이 1000㎚ 이상인 조대 액적의 평균 조성이 절삭면에 존재하는 상기 조대 액적의 평균 조성에 비하여 Nb의 함유 비율이 높게 함으로써, 절삭수명을 향상시키는 기술이 개시되어 있다.In the patent literature, in order to improve the cutting performance of the Ti a Al b Nb d Me (C 1-x N x ) film, a fine droplet having a particle diameter of 300 nm or less is present on the clearance surface than the cutting surface, and the clearance surface The technique of improving the cutting life is disclosed by the fact that the average composition of the coarse droplets having a particle size of 1000 nm or more is higher than the average composition of the coarse droplets present on the cutting surface.
본 발명은 고온산화 환경에 의한 산화를 억제하고, 단속이 심한 피가공물의 가공 시에 발생하는 열충격에 의한 열크랙을 억제하여, 절삭공구의 수명을 향상시키는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.An object of the present invention is to solve the problem of suppressing oxidation due to a high temperature oxidation environment, suppressing thermal cracking due to thermal shock generated during processing of a severely interrupted workpiece, and improving the life of a cutting tool.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 초경합금으로 이루어진 모재와 상기 모재의 적어도 일 부분에 형성된 경질피막을 포함하는 절삭공구로, 상기 모재는, 5.5~10중량%의 Co와, WC를 제외한 4~15중량%의 탄화물과, 나머지 WC 및 불가피한 불순물을 포함하고, 상기 WC의 평균입도가 0.8~3㎛이고, 상기 모재의 표면에는 CFL(Cubic phase Free Layer)층이 5㎛ 미만의 두께로 형성되어 있고, 상기 경질피막은, 단층 또는 2층 이상의 다층 구조로 이루어지고, PVD법으로 형성된 TiaAlbMecC1-xNxOy(0.3≤a≤0.6, 0.4≤b≤0.7, 0≤c≤0.1, 0.5≤x≤1, 0≤y≤0.5, Me는 4a, 5a, 6a족, Si, B, S로부터 선택되는 1종 이상)로 이루어진 층을 포함하고, 상기 절삭공구의 경사면의 인선부로부터 5~50㎛ 범위에 위치하는 피막 표면의 입도가 1㎛ 이상인 드랍렛(droplet) 중 종횡비가 1.5 이하인 입자의 비율이 50% 이상인 절삭공구를 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention is a cutting tool including a base material made of cemented carbide and a hard film formed on at least a portion of the base material, wherein the base material is 5.5 to 10% by weight of Co and 4 to excluding WC. 15 wt% of carbide, the remaining WC and inevitable impurities, the average particle size of the WC is 0.8 ~ 3㎛, CFL (Cubic phase Free Layer) layer is formed on the surface of the base material less than 5㎛ thickness The hard coating is formed of a single layer or a multilayer structure of two or more layers, and formed by PVD method, Ti a Al b Me c C 1-x N x O y (0.3 ≦ a ≦ 0.6, 0.4 ≦ b ≦ 0.7, 0 ≤ c ≤ 0.1, 0.5 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 0.5, Me comprises at least one layer selected from 4a, 5a, 6a group, Si, B, S), the inclined surface of the cutting tool The proportion of particles having an aspect ratio of 1.5 or less in droplets having a particle size of 1 μm or more on the surface of the film located in the range of 5 to 50 μm from the edge of Provide cutting tools greater than 0%.
본 발명에 따른 공구는 내산화성과 열크랙을 억제하여 절삭공구의 수명을 연장시킬 수 있다.The tool according to the present invention can prolong the life of the cutting tool by suppressing oxidation resistance and heat cracking.
도 1은 인선부 주위에 형성된 드랍렛의 종횡비를 설명하기 위한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 절삭공구의 CFL의 두께를 측정방법을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 형성된 경질피막의 주사전자현미경 이미지이다.
도 4는 드랍렛의 입도 및 장단비를 이미지 분석기를 사용하여 측정하는 과정을 나타낸 것이다.
도 5는 반응 압력과 피막의 입도, 경도, 및 코팅 두께(상면/측면)을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 6 및 7은 비교예에 따른 경질피막의 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 8 및 9는 실시예에 따른 경질피막의 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다.1 is for explaining the aspect ratio of the droplets formed around the edge portion.
Figure 2 shows a method of measuring the thickness of the CFL of the cutting tool according to an embodiment of the present invention.
3 is a scanning electron microscope image of the hard film formed according to the Examples and Comparative Examples of the present invention.
Figure 4 shows the process of measuring the particle size and long-term ratio of the droplet using an image analyzer.
Figure 5 shows the results of measuring the reaction pressure and the particle size, hardness, and coating thickness (top / side) of the film.
6 and 7 show the results of XRD analysis of the hard coating according to the comparative example.
8 and 9 show the results of XRD analysis of the hard coating according to the embodiment.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, when a part is said to "include" a certain component, this means that it may further include other components, except to exclude other components unless otherwise stated.
본 발명에 따른 절삭공구는, 초경합금으로 이루어진 모재와 상기 모재의 적어도 일 부분에 형성된 경질피막을 포함하는 절삭공구로, 상기 모재는, 5.5~10중량%의 Co와, WC를 제외한 4~15중량%의 탄화물과, 나머지 WC 및 불가피한 불순물을 포함하고, 상기 WC의 평균입도가 0.8~3㎛이고, 상기 모재의 표면에는 CFL(Cubic phase Free Layer)층이 5㎛ 미만의 두께로 형성되어 있고, 상기 경질피막은, 단층 또는 2층 이상의 다층 구조로 이루어지고, PVD법으로 형성된 TiaAlbMecC1-xNxOy(0.3≤a≤0.6, 0.4≤b≤0.7, 0≤c≤0.1, 0.5≤x≤1, 0≤y≤0.5, Me는 4a, 5a, 6a족, Si, B, S로부터 선택되는 1종 이상)로 이루어진 층을 포함하고, 상기 절삭공구의 경사면의 인선부로부터 5~50㎛ 범위에 위치하는 피막 표면의 입도가 1㎛ 이상인 드랍렛(droplet) 중 종횡비가 1.5 이하인 입자의 비율이 50% 이상인 것을 특징으로 한다.The cutting tool according to the present invention is a cutting tool including a base material made of cemented carbide and a hard coating formed on at least a portion of the base material, wherein the base material is 5.5 to 10% by weight of Co and 4 to 15 weight except WC. It contains% carbide, the remaining WC and unavoidable impurities, the average particle size of the WC is 0.8 ~ 3㎛, the CFL (Cubic phase Free Layer) layer is formed on the surface of the base material to a thickness of less than 5㎛, The hard coating is composed of a single layer or a multilayer structure of two or more layers, and formed by PVD method, Ti a Al b Me c C 1-x N x O y (0.3 ≦ a ≦ 0.6, 0.4 ≦ b ≦ 0.7, 0 ≦ c ≤ 0.1, 0.5 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 0.5, Me includes at least one selected from 4a, 5a, 6a group, Si, B, S) edges of the inclined surface of the cutting tool The proportion of particles having an aspect ratio of 1.5 or less is 50% or more among droplets having a particle size of 1 μm or more on the surface of the film located in the range of 5 to 50 μm from the portion. The features.
초경합금 모재Cemented carbide substrate
본 발명에 따른 초경합금 절삭공구를 구성하는 모재는 초경합금 소결체로 이루어지며, Co 5.5~10중량%, WC를 제외한 탄화물 4~15중량%를 포함하고, 나머지 WC와 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.The base material constituting the cemented carbide cutting tool according to the present invention is made of cemented carbide sintered body, including Co 5.5 ~ 10% by weight, carbide 4 ~ 15% by weight except WC, and may contain the remaining WC and unavoidable impurities.
상기 Co는 경질상인 WC를 잡아주는 바인더 역할을 하는 것으로, Co 함량이 증가함에 따라 인성이 증가하고 그 함량이 감소함에 따라 인성이 감소하는 경향을 보인다. Co함량이 5.5중량% 미만일 경우 인성이 충분하지 못해 단속 가공 시에 파손 빈도가 높아지기 때문에 바람직하지 않고, 10중량%를 초과할 경우 고이송 가공 시에 소성변형을 유발할 수 있어 바람직하지 않다.The Co serves as a binder to hold the hard phase WC, and the toughness increases as the Co content increases and the toughness decreases as the content decreases. If the Co content is less than 5.5% by weight, it is not preferable because the toughness is insufficient and the breakage frequency increases during intermittent processing, and if it exceeds 10% by weight, plastic deformation may be caused during high feed processing, which is not preferable.
상기 탄화물은 Cr3C2와 같은 금속 탄화물을 포함하며, 소결과정에서 WC 입자의 성장을 억제하는 역할을 하며, 그 함량이 4중량% 미만일 경우 절삭공구 경사면의 빠른 마모를 초래하고, 15중량%를 초과할 경우 열크랙 형성 빈도가 높아지므로, 4~15중량%로 포함되는 것이 바람직하다.The carbide contains a metal carbide, such as Cr 3 C 2, and serves to inhibit the growth of WC particles during the sintering process, if the content is less than 4% by weight, it causes rapid wear of the cutting tool slope, 15% by weight If it exceeds the heat crack formation frequency is high, it is preferably included in 4 to 15% by weight.
상기 불가피한 불순물은 초경합금을 제조하는 원료 또는 제조 공정 중에 불가피하게 혼입되는 불순물로, 1중량% 이하로 유지되어야 하고, 0.1중량% 이하가 바람직하고, 0.01중량% 이하가 보다 바람직하다.The unavoidable impurities are raw materials for producing cemented carbide or impurities inevitably incorporated in the manufacturing process, and should be maintained at 1 wt% or less, preferably 0.1 wt% or less, and more preferably 0.01 wt% or less.
상기 WC의 평균입도는 0.8㎛ 미만일 경우 절삭 가공 시 빠른 경사면 마모(Crater wear)를 유발하고, 3㎛ 초과일 경우 모재 경도가 낮아져 여유면 마모(Flank wear)가 빨라지게 되므로, 0.8~3㎛ 범위가 바람직하다.When the average particle size of the WC is less than 0.8㎛, it causes a fast wear of the surface during the cutting process (Crater wear), if it exceeds 3㎛ the base material hardness is lowered, so that the flank wear (Flank wear) is faster, 0.8 ~ 3㎛ range Is preferred.
상기 모재의 표면에는 큐빅(cubic)상의 탄화물 및 탄질화물이 존재하지 않는 CFL(Cubic phase Free Layer)층이 5㎛ 이상의 두께로 형성되어 있을 경우 절삭공구 경사면의 빠른 마모를 초래하므로, 5㎛ 미만이 바람직하고, CFL층이 형성되어 있지 않는 것이 보다 바람직하다.When the Cubic phase free layer (CFL) layer having no cubic carbide and carbonitride layer is formed on the surface of the base material with a thickness of 5 μm or more, the wear surface of the cutting tool may be rapidly worn, and therefore, less than 5 μm. It is preferable that the CFL layer is not formed.
경질피막Hard coating
상기 경질피막은, 단일층 또는 2층 이상의 다층 구조로 형성될 수 있으며, PVD법(물리기상증착법)으로 형성된 TiaAlbMecC1-xNxOy(0.3≤a≤0.6, 0.4≤b≤0.7, 0≤c≤0.1, 0.5≤x≤1, 0≤y≤0.5, Me는 4a, 5a, 6a족, Si, B, S로부터 선택되는 1종 이상)로 이루어진 층이 주층(경질피막 물성을 실질적으로 좌우하는 층)으로 이루어질 수 있다. 이때, 필요에 따라 주층 외의 다른 층이 형성될 수 있다.The hard coating may be formed of a single layer or a multilayer structure of two or more layers, and Ti a Al b Me c C 1-x N x O y (0.3 ≦ a ≦ 0.6, 0.4 formed by PVD method (physical vapor deposition)). ≤ b ≤ 0.7, 0 ≤ c ≤ 0.1, 0.5 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 0.5, Me is a layer consisting of at least one selected from group 4a, 5a, 6a, Si, B, S) Hard film properties). In this case, other layers other than the main layer may be formed as necessary.
상기 TiaAlbMecC1-xNxOy 층을 형성할 경우, 드랍렛(droplet)이 생성되는데, 도 1에 도시된 바와 같이, 절삭공구의 경사면의 인선부로부터 5~50㎛ 범위에 위치하는 입도 1㎛ 이상의 드랍렛(droplet) 입자의 50% 이상의 종횡비(장단비)가 1.5 초과일 경우, 피막의 인선부 치핑 및 박리 발생 빈도가 높아져 단속 가공 시에 빠른 수명 종료를 유발할 수 있으므로, 입도 1㎛ 이상의 드랍렛(droplet) 입자의 50% 이상의 종횡비(장단비)가 1.5 이하로 유지되는 것이 바람직하다.When forming the Ti a Al b Me c C 1-x N x O y layer, a droplet is generated, as shown in Figure 1, 5 ~ 50㎛ from the edge of the inclined surface of the cutting tool If the aspect ratio (long-term ratio) of 50% or more of the droplet particles having a particle size of 1 μm or more in the range is more than 1.5, the frequency of chipping and peeling of the edge of the film becomes high, which may cause a rapid end of life during interrupted processing. Therefore, it is preferable that an aspect ratio (long ratio) of 50% or more of the droplet particles having a particle size of 1 µm or more is maintained at 1.5 or less.
또한, 상기 경질피막의 총 두께는 5㎛ 미만일 경우 빠른 경사면 마모를 유발하여 강(steel)용 공구로 부적절하고, 20㎛ 초과일 경우 박리 및 치핑이 발생하기 쉬우므로 5~20㎛인 것이 바람직하다.In addition, when the total thickness of the hard film is less than 5㎛ is caused by the inclined surface wear is not suitable as a tool for steel (steel), if it is more than 20㎛ is preferably 5 ~ 20㎛ because peeling and chipping is likely to occur. .
또한, 상기 절삭공구는 인써트를 포함할 수 있고, 상기 PVD법으로 형성된 TiaAlbMecC1-xNxOy 층은 XRD 분석 시, (200)면이 인써트 표면의 법선방향에서 30°~60° 방향으로 우선성장한 것이 바람직하다. 이때, 상기 각도는 모재 표면의 법선과의 (200)면 방향이 이루는 내각을 의미한다.In addition, the cutting tool may include an insert, and the Ti a Al b Me c C 1-x N x O y layer formed by the PVD method has a (200) plane of 30 in the normal direction of the insert surface during XRD analysis. It is preferable to first grow in the direction of ° ~ 60 °. At this time, the angle means the internal angle formed by the (200) plane direction with the normal of the base material surface.
상기 PVD법으로 형성된 TiaAlbMecC1-xNxOy 층은 2~5Pa 이하의 반응압력에서 형성되는 것이 본 발명에 따른 미세조직을 구현하는데 용이하며, 2Pa 미만일 경우 도 5에 나타난 바와 같이 인써트의 측면 대비 상면의 박막 두께 비율이 약 70% 미만으로 얇아져 절삭가공 시 빠른 상면 마모를 유발하며 측면과 상면의 응력 불균일을 초래하여 20㎛ 미만의 박막 두께에서 박리를 유발할 수 있다, 반응압력이 5Pa를 초과할 경우 박막표면의 압축응력이 낮아지며 인써트의 경도 및 내 소성 변형성(H3/E2)이 저하 되므로 상기 공정 조건으로 제조되는 것이 바람직하다.The Ti a Al b Me c C 1-x N x O y layer formed by the PVD method is formed at a reaction pressure of 2 to 5 Pa or less, and it is easy to implement a microstructure according to the present invention. As shown, the thin film thickness ratio of the top surface to the side of the insert is thinned to less than about 70%, causing rapid top surface wear during cutting and causing stress unevenness of the side and top surface, which may cause peeling at a thickness of less than 20 μm. When the reaction pressure exceeds 5Pa, the compressive stress on the surface of the thin film is lowered and the hardness and plastic deformation resistance (H 3 / E 2 ) of the insert are lowered.
[초경 합금][Carbide alloy]
아래 표 1과 같이 준비된 출발원료는 배합 외팔보가 용기(jar) 내에 있어 강제 분쇄효과가 있는 어트리션밀(attrition mill)을 사용하여 동일하게 8시간 동안 배합하였다.Starting materials prepared as shown in Table 1 below were blended for 8 hours using an attrition mill having a forced grinding effect because the compound cantilever is in a jar.
배합시 출발원료와 용기 전체 부피의 30 vol% 해당하는 총경 볼을 혼합/분쇄 매체로 사용하였고 30 vol% 해당하는 에탄올을 도와주는 솔벤트로 적용하였다. 배합한 슬러리를 스프레이 드라이어를 통하여 조립화한 후 CNMG120408-HM 형태(마름모꼴 형상)로 프레스하여 형압체를 만든 후 1350~1450℃의 온도에서 60~120분간 진공 소결로에서 소결하였다.When mixing, 30 vol% of the total diameter ball of the starting material and the total volume of the vessel was used as a mixing / grinding medium, and 30 vol% of the ethanol was applied as a solvent to assist the ethanol. The blended slurry was granulated through a spray dryer, pressed into a CNMG120408-HM form (lozenge shape) to form a compact, and then sintered in a vacuum sintering furnace for 60 to 120 minutes at a temperature of 1350 to 1450 ° C.
이러한 과정을 통해 제조한 소결체의 상,하면을 연삭하고 호닝을 실시한 후 PVD 방식으로 첫 번째 층으로 약 4㎛ 두께의 TiAlN(Al:Ti=5:5), 두번째 층으로 약 4㎛ 두께의 AlTiN(Al:Ti=67:33)을 코팅하였으며 증착시 코팅은 아크 이온플래이팅 방식의 코팅로를 이용 하였으면 케소드 전류는 120A, Pulsed Bias -40V, duty Cycle 70%, 주파수 40kHz의 조건에서 실시하였다.After grinding the upper and lower surfaces of the sintered body manufactured through this process and honing, TiAlN (Al: Ti = 5: 5) having a thickness of about 4 μm as the first layer and AlTiN having a thickness of about 4 μm as the first layer were obtained by PVD. (Al: Ti = 67: 33) was coated and the coating was carried out under the conditions of the arc current plating method using a cathode current of 120A, Pulsed Bias -40V,
CFL층의 분석은 도 2와 같이 소결체의 단면을 경면처리(폴리싱)한 후 광학현미경으로 CFL층의 두께를 분석하였고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.In the analysis of the CFL layer, as shown in FIG. 2, the surface of the sintered body was mirror-polished (polished), and the thickness of the CFL layer was analyzed by an optical microscope, and the results are shown in Table 1 below.
이러한 방식으로 최종 제작된 절삭공구의 절삭시험은 SM45 재질의 4각 각재 모양의 피삭재를 사용하여, 절삭속도를 300m/min, 200m/min, 이송 속도를 0.25mm/rev, 절삭깊이를 1.5mm로 하여 단면 가공을 실시하였으며, 과대마모 및 파손이 발생할 때까지 가공 횟수를 대비하는 방법으로 평가하였다.The cutting test of the cutting tool finally made in this way uses a square shaped workpiece made of SM45 material, cutting speed 300m / min, 200m / min, feed rate 0.25mm / rev and cutting depth 1.5mm. Section processing was carried out, and the evaluation was made by comparing the number of times until excessive wear and damage occurred.
(㎛)CFL
(Μm)
(wt%)Co
(wt%)
150Vc =
150
250Vc =
250
(㎛)Granularity
(Μm)
표 1에서 확인되는 바와 같이, 5.5~10중량%의 Co와, WC를 제외한 4~15중량%의 탄화물을 포함하고, WC의 평균입도는 0.8~3㎛이고, CFL층은 5㎛ 미만의 두께를 갖는 초경합금으로 이루어진 절삭공구(실시예 1~10)의 물성이 TiAlN계 또는 AlTiN계 경질피막을 형성하였을 때, 본 발명의 실시예 범위에 속하지 않은 절삭공구(비교예 1~12)에 비해 우수한 절삭 성능을 나타냄을 알 수 있다.As confirmed in Table 1, 5.5 to 10% by weight of Co and 4 to 15% by weight of carbides excluding WC, the average particle size of WC is 0.8 to 3㎛, CFL layer is less than 5㎛ thickness When the physical properties of the cutting tool (Examples 1 to 10) made of a cemented carbide having a TiAlN-based or AlTiN-based hard film were formed, they were superior to those of the cutting tools (Comparative Examples 1 to 12) not belonging to the embodiment range of the present invention. It can be seen that the cutting performance.
[경질 피막][Hard film]
상기 표 1의 결과에 기초하여, 실시예 8의 배합비를 갖는 원료로 제작된 CNMG120408-HM 형태(마름모꼴 형상)의 초경합금 소재를 이용하여 박막 조건별 성막 테스트를 실시하였다.Based on the results of Table 1 above, a film forming test for each thin film condition was performed using a cemented carbide material of CNMG120408-HM type (lozenge shape) manufactured from a raw material having a blending ratio of Example 8.
주층은 박층A, 단일층 또는 박층A와 박층B를 교대 적층하는 방식으로 제작하였다. 박층A는 아크이온 플래이팅 방식으로 제작되었으며, 박층B는 Sputtering 방식으로 제작되었다.The main layer was produced by alternately laminating thin layer A, single layer, or thin layer A and thin layer B. Thin layer A was fabricated by arc ion plating, and thin layer B was produced by sputtering.
각각의 성막조건은 아래 표 2에 나타내었다. 표 2의 조건으로 제작된 박막의 분석 결과 및 절삭성능평가 결과를 아래 표 3에 나타내었다.Each deposition condition is shown in Table 2 below. The analysis results and cutting performance evaluation results of the thin films manufactured under the conditions of Table 2 are shown in Table 3 below.
이때 박막의 두께는 파단면을 SEM을 통해 분석하는 방식으로 측정하였으며, 드랍렛의 장단 비율은 도 3의 이미지를 도 4에 나타난 바와 같이 이미지 분석 소프트웨어를 횔용하여 1㎛ 이상의 드랍렛을 필터링하여 장단비를 분석하는 방식으로 측정하였다.At this time, the thickness of the thin film was measured by analyzing the fracture surface through SEM, and the short and short ratios of the droplets were determined by filtering the droplets of 1 μm or more using image analysis software as shown in FIG. 4. Danbi was measured by analyzing.
또한, XRD 분석을 통해, 박막의 반응압력(0.5Pa~5Pa) 변화에 따른 배향성 변화를 측정하였으며, 그 결과를 도 6 내지 9에 나타내었다.In addition, through the XRD analysis, the change in the orientation according to the change in the reaction pressure (0.5Pa ~ 5Pa) of the thin film was measured, the results are shown in Figures 6 to 9.
이와 같이 주층이 형성된 절삭공구의 절삭시험은 SCM45 재질의 4각 각재 모양의 피삭재를 사용하여, 절삭속도를 200m/min, 300m/min, 이송 속도를 0.25mm/rev, 절삭깊이를 1.5mm로 하여 단면 가공을 실시하였으며, 과대마모 및 파손이 발생할 때까지 가공 횟수를 대비하는 방법으로 평가하였다.The cutting test of the cutting tool formed with the main layer was made using SCM45 square shaped workpiece, cutting speed 200m / min, 300m / min, feed speed 0.25mm / rev, cutting depth 1.5mm. Section processing was carried out and evaluated by comparing the number of processing until excessive wear and damage occurred.
압력
(Pa)reaction
pressure
(Pa)
도 5는 반응 압력과 피막의 입도, 경도, 코팅 두께(상면/측면)을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 도 5에서 확인되는 바와 같이, 공정 압력이 2Pa 미만일 경우 인써트의 측면 대비 상면의 박막 두께 비율이 약 70% 미만으로 얇아져 절삭가공 시 빠른 상면 마모를 유발하며 측면과 상면의 응력 불균일을 초래하여 20㎛ 미만의 박막 두께에서 박리를 유발할 수 있다, 반응압력이 5Pa를 초과할 경우 박막표면의 압축응력이 낮아지며 인써트의 경도 및 내 소성 변형성(H3/E2)이 저하되므로 상기 공정 조건으로 제조되는 것이 바람직함을 알 수 있다.Figure 5 shows the results of measuring the reaction pressure and the particle size, hardness, coating thickness (top / side) of the film. As shown in FIG. 5, when the process pressure is less than 2 Pa, the ratio of the thickness of the upper surface to the side of the insert is thinned to less than about 70%, causing rapid wear of the upper surface during cutting and causing stress unevenness on the side and the upper surface of 20 μm When the reaction pressure exceeds 5 Pa, the compressive stress on the surface of the thin film is lowered, and the hardness and plastic deformation resistance (H 3 / E 2 ) of the insert are lowered. It can be seen that it is preferable.
또한, 도 8 및 도 9에서 확인되는 바와 같이, XRD 분석 결과, 비교예(도 6 및 도 7 참조)와 달리, 본 발명의 실시예에 따라 형성된 표 2의 경질피막의 경우, (200)면이 인써트 표면의 법선방향에서 30°~60° 방향으로 우선성장한 상태를 나타내었다.In addition, as confirmed in FIGS. 8 and 9, as a result of XRD analysis, unlike the comparative example (see FIGS. 6 and 7), in the case of the hard coating of Table 2 formed according to the embodiment of the present invention, the (200) plane The state of growth in the direction of 30 ° to 60 ° from the normal direction of the insert surface is shown.
종횡비 1.5
이하 분율Droplet
Aspect ratio 1.5
Fraction below
(㎛)Thin film thickness
(Μm)
위 표 3에서 확인되는 바와 같이, 실시예 2-1~2-17에 따른 경질피막과 같이 입도 1㎛ 이상의 드랍렛의 종횡비가 1.5 이하인 것이 50% 이상인 것(즉, 큰 드랍렛의 종횡비를 1.5 이하로 유지하는 분율을 최대화한 것)이 그렇지 않은 것(비교예 2-1~2-8)에 비해 향상된 절삭 성능을 나타내었다.As confirmed in Table 3 above, the aspect ratio of the droplets of 1 μm or more in particle size of 1.5 μm or more, such as the hard coating according to Examples 2-1 to 2-17, is 50% or more (that is, the aspect ratio of large droplets of 1.5 is 1.5). Maximizing the fraction to be kept below) showed improved cutting performance compared to the other (Comparative Examples 2-1 to 2-8).
즉, 본 발명의 실시형태에 따른 초경합금 모재에 상기 절삭공구의 경사면의 인선부로부터 5~50㎛ 범위에 위치하는 피막 표면의 입도가 1㎛ 이상인 드랍렛(droplet) 중 종횡비가 1.5 이하인 입자의 비율이 50% 이상으로 형성된 경질피막이 형성될 경우, 그렇지 않은 것에 비해 향상된 절삭 성능을 구현할 수 있다.That is, the ratio of particles having an aspect ratio of 1.5 or less among droplets having a particle size of 1 μm or more on the surface of the coating film positioned in the range of 5 to 50 μm from the edge of the inclined surface of the cutting tool to the cemented carbide base material according to the embodiment of the present invention. When the hard film formed with this 50% or more is formed, it is possible to implement improved cutting performance compared to the other.
Claims (4)
상기 모재는, 5.5~10중량%의 Co와, WC를 제외한 4~15중량%의 탄화물과, 나머지 WC 및 불가피한 불순물을 포함하고,
상기 WC의 평균입도가 0.8~3㎛이고,
상기 모재의 표면에는 CFL(Cubic phase Free Layer)층이 5㎛ 미만의 두께로 형성되어 있고,
상기 경질피막은, 단층 또는 2층 이상의 다층 구조로 이루어지고,
PVD법으로 형성된 TiaAlbMecC1-xNxOy(0.3≤a≤0.6, 0.4≤b≤0.7, 0≤c≤0.1, 0.5≤x≤1, 0≤y≤0.5, Me는 4a, 5a, 6a족, Si, B, S로부터 선택되는 1종 이상)로 이루어진 층을 포함하고,
상기 절삭공구의 경사면의 인선부로부터 5~50㎛ 범위에 위치하는 피막 표면의 입도가 1㎛ 이상인 드랍렛(droplet) 중 종횡비가 1.5 이하인 입자의 비율이 50% 이상인, 경질피막이 형성된 절삭공구.Cutting tool comprising a base material made of cemented carbide and a hard film formed on at least a portion of the base material,
The base material contains 5.5 to 10% by weight of Co, 4 to 15% by weight of carbides, excluding WC, and the remaining WC and unavoidable impurities,
The average particle size of the WC is 0.8 ~ 3㎛,
The CFL (Cubic phase Free Layer) layer is formed on the surface of the base material to a thickness of less than 5㎛,
The hard coating is made of a single layer or a multilayer structure of two or more layers,
Ti a Al b Me c C 1-x N x O y formed by PVD (0.3≤a≤0.6, 0.4≤b≤0.7, 0≤c≤0.1, 0.5≤x≤1, 0≤y≤0.5, Me Comprises a layer consisting of at least one selected from Groups 4a, 5a, 6a, Si, B, and S),
And a hard film having a hard film having a proportion of 1.5 or less of an aspect ratio of 1.5 or less among droplets having a particle size of 1 μm or more on the surface of the film positioned in the range of 5 to 50 μm from the edge of the inclined surface of the cutting tool.
상기 경질피막의 총 두께는 5~20㎛인, 경질피막이 형성된 절삭공구.The method of claim 1,
The total thickness of the hard film is 5 ~ 20㎛, cutting tool formed hard film.
상기 절삭공구는 인써트를 포함하고,
상기 PVD법으로 형성된 TiaAlbMecC1-xNxOy 층은 XRD 분석 시, (200)면이 인써트 표면의 법선방향에서 30°~60° 방향으로 우선성장한, 경질피막이 형성된 절삭공구.The method of claim 2,
The cutting tool comprises an insert,
The Ti a Al b Me c C 1-x N x O y layer formed by the PVD method has a hard film-cutting in which (200) planes are preferentially grown in the direction of 30 ° to 60 ° from the normal direction of the insert surface during XRD analysis. tool.
상기 PVD법으로 형성된 TiaAlbMecC1-xNxOy 층은 2Pa 이상 5Pa 이하의 반응압력에서 형성된, 경질피막이 형성된 절삭공구.The method of claim 3,
The Ti a Al b Me c C 1-x N x O y layer formed by the PVD method is formed at a reaction pressure of 2Pa or more and 5Pa or less.
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