KR102265210B1 - 인성이 향상된 절삭공구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 ISO 피삭재 분류 중 S그레이드의 난삭재 가공에도 잘 깨어지지 않는 경질피막을 구비한 절삭공구에 관한 것이다.
본 발명에 따른 절삭공구는, 모재 상에 경질피막이 형성된 것으로, 테스트 온도 750℃, 하중 3N, 선형속도 30cm/s, 반경 3.3mm, 대응볼 스틸, 테스트 시간 25분, 테스트 거리 300m의 조건으로 상기 절삭공구에 대해 수행된 고온마찰마모 평가 후에, 상기 경질피막이 마모 트렉에 남아 있으면서, 마모 트랙의 폭이 300㎛이고, 마모 트랙의 깊이가 2㎛ 이상인 것을 특징으로 한다.

Description

인성이 향상된 절삭공구 {CUTTING TOOLS HAVING IMPROVED TOUGHNESS}

본 발명은 ISO 피삭재 분류 중 S그레이드의 난삭재 가공에도 잘 깨어지지 않는 향상된 인성을 가지는 경질피막을 구비한 절삭공구에 관한 것이다.

금속의 절삭 가공에 사용되는 내마모성 공구나 절삭 공구의 모재로는, 주로 초경합금(WC-Co 합금), TiC나 Ti(C,N) 등을 경질재로 사용하고 Co, Ni, Fe를 바인더로 사용한 써메트(cermet), 기타 세라믹 또는 고속도강 등이 사용된다.

이중, 초경합금은 경질의 텅스텐 탄화물(WC) 입자가 인성이 우수한 코발트(Co), 니켈(Ni) 또는 철(Fe)과 같은 바인더 금속에 분산되어 있는 복합재료로, 경도가 높고 인성이 강하여 절삭공구용 모재로 널리 사용되고 있다. 이러한 절삭공구용 모재의 내마모성, 인성, 고온특성과 같은 기계적 물성을 향상시키기 위하여, 탄화바나듐(VC)과 같은 결정립 성장 억제 물질을 첨가하여 미립조직을 얻거나, 소결체 표면에 바인더 금속의 농도를 감소시키거나 부화시키는 것과 같은 미세조직 제어 방법이 많이 사용되어 왔다.

ISO 피삭재 분류상 S 그레이드에 해당되는 인코넬, 티타늄(Ti) 합금 등은 경도와 인장강도가 높으면서 열전도도가 낮아 매우 가공이 어려운 난삭재에 해당된다. S 그레이드 피삭재의 경우, 낮은 열전도도, 높은 경도 및 인장강도로 인해, 절삭공구의 수명이 타 피삭재에 비해 매우 짧아지는 특징이 있다.

절삭가공별로 보면, 상기 난삭재의 선삭 가공 시에는 인선부의 구성인선 발생 후 박막 뜸김 및 부서짐이 발생하여 모재와의 용착 및 급속마모에 의해 수명이 종료된다.

이에 비해, 밀링 가공 시에는 주로 경계 치핑에 의해 수명이 종료된다. 예를 들어 인코넬 가공 시에는 발생하는 높은 열에 의해 코팅막이 산화되고, 산화된 코팅막의 취화에 의해 대량 박막 손상이 발생하여 대량 치핑(경계치핑)이 발생하는 것으로 보이며, 이러한 현상은 특히 내충격성이 필요한 밀링 가공에서 두드러지게 나타난다.

대한민국 등록특허공보 제10-1859644호

본 발명의 과제는 내산화성이 우수하며 난삭재의 가공 시에도 잘 깨어지지 않는 특성을 갖는 경질피막이 형성된 절삭공구를 제공하는데 있다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 모재 상에 경질피막이 형성된 절삭공구로, 테스트 온도 750℃, 하중 3N, 선형속도 30cm/s, 반경 3.3mm, 대응볼(counterpart ball) 스틸(steel), 테스트 시간 25분, 테스트 거리 300m의 조건으로 상기 절삭공구에 대해 수행된 고온마찰마모 평가 후에, 상기 경질피막이 마모 트렉에 남아 있으면서, 마모 트랙의 길이가 300㎛이고, 마모 트랙의 깊이가 200㎛ 이상인, 절삭공구를 제공한다.

본 발명에 따른 절삭 인써트는 내소성변형성이 향상된 모재와, 낮은 응력을 갖는 산화물층을 포함하는 1층 또는 2층 이상의 다층 구조를 갖는 경질피막의 조합을 통해, 고온, 고압하의 절삭 인써트의 인선에서 발생하는 경질피막의 뜯김이나 부서짐을 억제하여, 난삭재 가공에 사용될 때 절삭 인써트의 수명을 크게 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 절삭 인써트의 고온마모평가 시험 후의 상태를 이미지 분석기로 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 비교예 1에 따라 제조된 절삭 인써트의 고온마모평가 시험 후의 상태를 이미지 분석기로 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 비교예 2에 따라 제조된 절삭 인써트의 고온마모평가 시험 후의 상태를 이미지 분석기로 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 절삭 인써트의 절삭성능 평가 결과를 나타내는 이미지이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.

본 발명에 따른 인성이 향상된 절삭공구는, 모재 상에 경질피막이 형성되고, 테스트 온도 750℃, 하중 3N, 선형속도 30cm/s, 반경 3.3mm, 대응볼 스틸, 테스트 시간 25분, 테스트 거리 300m의 조건으로 상기 절삭공구에 대해 수행된 고온마찰마모 평가 후에, 상기 경질피막이 마모 트렉에 남아 있으면서, 마모 트랙의 폭이 300㎛이고, 마모 트랙의 깊이가 2㎛ 이상인 것을 특징으로 한다.

즉, 일정한 조건으로 고온마찰마모 평가 후에, 마모트랙의 깊이가 2㎛ 이상인 상태에서 경질피막이 마모 트랙에 남아 있을 정도로 인성이 향상되어, 인코넬과 같은 난삭재 가공 시에 대량의 치핑(경계치핑)이 발생하는 것을 억제하여, 특히 내충격성이 필요한 밀링 가공 시의 절삭공구의 수명을 현저하게 연장시킬 수 있다.

또한, 상기 경질피막의 두께가 1㎛ 미만일 경우 절삭가공에 요구되는 내마모성 등의 성능을 얻기 어렵고, 두께가 4㎛ 초과일 경우 미세 소성변형이 발생하여 절삭 인써트의 수명이 저하되므로, 1 ~ 4㎛가 바람직하며, 보다 바람직한 두께는 2 ~ 3㎛이다.

또한, 상기 경질피막의 잔류응력이 -700MPa 보다 작거나 -1300MPa 보다 클 경우에는 인코넬과 같은 난삭재 가공 시에 절삭성능이 저하될 수 있으므로, 상기한 수준의 압축 잔류응력을 갖는 것이 바람직하다.

또한, 상기 모재로는 초경합금, 써멧(cermet), 고속도강, cBN, 세라믹 또는 다이아몬드를 포함하는 소결체로 이루어지는 것과 같이 절삭공구에 적용되는 다양한 경질모재가 사용될 수 있다.

또한, 상기 모재는 초경합금으로 이루어질 수 있고, 상기 초경합금으로 이루어진 모재는 바람직하게, Co 8 ~ 12중량%, 텅스텐(W)를 제외한, 주기율표 중 4족, 5족, 6족에서 선택되는 1종 이상의 금속의 탄화물, 탄질화물, 탄산질화물, 또는 이들의 혼합물 5중량% 이하, 나머지 WC를 포함할 수 있다.

상기 Co는 주경질상인 WC를 고정하는 바인더 역할을 하는 것으로, Co 함량이 증가함에 따라 인성이 증가하고 그 함량이 감소함에 따라 인성이 감소하는 경향을 보인다. Co함량이 8중량% 미만일 경우 모재의 인성이 부족하게 되고, Co 함량이 12중량%를 초과할 경우 내소성변형성이 낮아지므로, 8 ~ 12중량%가 바람직하다.

상기 주기율표 중 4족, 5족, 6족에서 선택되는 1종 이상의 금속의 탄화물, 탄질화물, 탄산질화물, 또는 이들의 혼합물이 5중량%를 초과할 경우 WC와 바인더와의 결합력이 떨어져 외부로부터 받는 충격에 의해 WC와 바인더 간의 균열발생이 쉽게 일어나기 때문에 공구수명을 저하시킬 수 있기 때문에, 5중량% 이하로 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 물질의 함량이 0.1중량% 미만일 경우 입성장 억제 효과의 감소와 고온 내소성변형성이 감소할 수 있으므로, 0.1중량% 이상으로 포함하는 것이 보다 바람직하다.

상기 모재와 경질피막 간의 밀착도는 스크레치 테스터로 75N 이상을 유지하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 100N 이상을 유지하는 것이다. 밀착도는 상기 범위 이상이면 본 발명에서 목적하는 효과를 달성할 수 있으므로, 그 상한값은 특별히 제한하지 않는다.

상기 초경합금으로 이루어진 모재는 바람직하게 하기 [식 1]에 의해 구해지는 SMS 값이 75 ~ 90%일 수 있다.

[식 1]

SMS = 소결체의 포화자화값×100/TMS

(TMS = 2010×Co의 질량비)

본 발명에 따른 절삭 인써트는, 모재로 SMS 75 ~ 90% 수준의 초경합금을 사용함으로써 비교적 높은 내소성변형성을 유지하고, 동시에 모재에 형성되는 경질피막의 두께를 얇게 형성함으로써, 고온, 고압하의 절삭 인써트의 인선에서 미세한 소성변형이 발생하는 것을 억제한다.

또한, 상기 경질피막은 바람직하게 Al, Cr 및 Si의 질화물을 적어도 1층 포함할 수 있다.

[실시예]

본 발명의 실시예에 따른 절삭공구에는 초경합금으로 이루어진 모재를 사용하였다.

모재는 평균입도 0.8㎛인 WC와 10중량%의 Co 분말을 준비하고, 상기와 같이 준비된 원료 분말에 초경 볼과 유기용매를 첨가하여 13시간 혼합 분쇄한 후에 건조하여 혼합분말을 얻었다. 얻어진 혼합분말을 가지고 CNMG120408-VP4(한국야금)의 형번의 금형으로 2ton/㎠의 압력으로 프레스를 수행하여 성형체를 제조하였다.

다음으로, 600℃에서 탈지(dewaxing) 공정을 수행하여, 성형체 제조과정에 투입된 유기 바인더 성분을 제거한 후, 불활성 가스 분위기에서 소결온도 1450℃, 소결시간 1 ~ 2시간의 조건으로 소결을 진행하고, 600℃까지 불활성 가스 분위기에서 10 ~ 15℃/분의 냉각속도로 냉각시킨 후, 이후 자연냉각시키는 방법으로 소결공정을 수행하였다. 이상과 같이 제조된 초경합금 소결체의 SMS를 측정한 결과, 79.1이었다.

이와 같이 준비된 초경합금 모재의 표면에, 물리적 기상 증착법(PVD)인 AIP(Arc ion plating)를 이용하여 다층 경질 피막을 형성한다.

구체적으로, AlCr 및 AlCrSi 타겟을 사용하여, 초기 진공압력을 8.5×10^-5 Torr 이하로 감압하였으며, 반응 가스로는 N₂를 주입하였다. 또한, 코팅을 위한 가스 압력은 50mTorr 이하, 바람직하게는 40mTorr 이하로 유지하였으며 코팅 온도는 400 ~ 600℃로 하였고, 코팅시 기판 바이어스 전압은 -20V ~ 150V로 인가하였다.

이러한 방법을 통해 상기 초경합금 모재 상에 먼저 Al_0.7Cr_0.3N 박막을 두께 1.7㎛로 형성한 후, 상기 AlCrN 박막 상에 아래 표 1의 조성을 갖는 AlCrSiN 박막을 두께 0.7㎛로 형성하였다.

[비교예 1]

AlTi 및 AlTiSi 타겟을 사용하고 초기 진공압력은 8.5×10^-5 Torr 이하로 감압하였으며 반응 가스로는 N₂를 주입하였다. 또한, 코팅을 위한 가스 압력은 50mTorr 이하, 바람직하는 40mTorr 이하로 유지하였으며 코팅 온도는 400 ~ 600℃로 하였고, 코팅시 기판 바이어스 전압은 -20V ~ 80V로 인가하였다.

이러한 방법을 통해 실시예 1과 동일한 모재 상에, 먼저 Ti_0.4Al_0.6N 박막을 두께 1.8㎛로 형성한 후, 상기 AlTiN 박막 상에 아래 표 1의 조성을 갖는 AlTiSiN 박막을 두께 0.8㎛로 형성하였다.

[비교예 2]

AlCr 및 AlCrSi 타겟을 사용하고, 초기 진공압력은 8.5×10^-5 Torr 이하로 감압하였으며, 반응 가스로는 N₂를 주입하였다. 또한, 코팅을 위한 가스 압력은 50mTorr 이하, 바람직하게는 40mTorr 이하로 유지하였으며 코팅 온도는 400 ~ 600℃로 하였고, 코팅시 기판 바이어스 전압은 -20V ~ 80V로 인가하였다.

이러한 방법을 통해 상기 초경합금 모재 상에 먼저 Al_0.7Cr_0.3N 박막을 두께 1.7㎛로 형성한 후, 상기 AlCrN 박막 상에 아래 표 1의 조성을 갖는 AlCrSiN 박막을 두께 0.8㎛로 형성하였다.

이상과 같이 제조된 실시예, 비교예 1 및 비교예 2의 경질피막의 조성, 두께, 경도, 잔류응력 및 밀착력을 평가한 결과를 아래 표 1에 나타내었다.

	적층 구조	메인층의 조성 (원자%)	두께 (㎛)	경도 (GPa)	잔류응력 (MPa)	밀착력 (N)
비교예1	AlTiN/ AlTiSiN	Ti42.4 Al56.1 Si1.5 N	2.61	41.8± 4.7	-1398±237	100N 이상
비교예2	AlCrN/ AlCrSiN	Cr33.81Al62.88Si3.31N	2.52	45.2± 3.5	-1914±151	100N 이상
실시예	AlCrN/ AlCrSiN	Cr36.42Al60.58Si3N	2.36	42.6± 1.5	-1032±282	100N 이상

상기 표 1에 나타난 것과 같이, 실시예의 경우 비교예 1과 유사한 경도와 두께를 가지면서, 잔류응력이 상대적으로 낮다. 또한, 실시예의 경우 비교예인 Ti계 박막에 비해 상대적으로 내산화성이 우수하다.

또한, 실시예는 비교예 2와 비교할 때, 유사한 경도를 가지고, 적층구조와 메인층의 조성 두께 등이 거의 유사함에 비해, 잔류응력은 비교예 2에 비해 상당히 낮은 값을 가지는 차이가 있다.

고온마찰평가

실시예, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 절삭 인써트에 대해 다음과 같은 조건으로 고온마찰평가를 수행하였다.

- 테스트 온도: 750℃

- 하중(load): 3N

- 선형속도(linear speed): 30cm/s

- 반경(radius): 3.3mm

- 대응볼(counterpart ball): 스틸(steel)

- 테스트 시간: 25분

- 테스트 거리: 300m

도 1 내지 도 3은 각각 본 발명의 실시예, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 절삭 인써트의 고온마모평가 시험 후의 상태를 이미지 분석기로 분석한 결과를 나타낸 것이다.

도 1에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 절삭 인써트의 경우, 마모 트랙의 폭이 300㎛이고, 마모 트랙의 깊이가 2㎛ 이상으로 형성되면서도 경질피막이 마모 트렉에 남아 있는 것을 알 수 있다. 이는 본 발명의 실시예에 따른 경질피막이 향상된 인성을 가짐을 의미한다.

이에 비해, 도 2에 나타난 것과 같이, 비교예 1에 따라 제조된 절삭 인써트의 경우, 고온마모테스트 후에 마모 트랙의 깊이가 2㎛ 이상 형성되지 않음을 알 수 있다.

또한, 도 3에 나타난 것과 같이, 비교예 2에 따라 제조된 절삭 인써트의 경우, 실시예와 동일한 적층 구조와 유사한 조성을 가지나, 고온마모테스트 후에 마모 트랙의 깊이가 2㎛ 이상 형성되지 않음을 알 수 있다.

절삭성능평가

이상과 같이 경질피막이 형성된 절삭 인써트를 다음과 같은 조건으로 내마모성을 평가하였으며, 그 결과를 도 4 및 표 2에 정리하였다.

- 피삭재: Inconel 718 (HRC 40)

- Vc(절삭속도): 35mm/min

- fz(이송량): 0.11mm/tooth

- ap(절입량): 2.0mm

- ae(절삭폭): 3.1mm

- 건/습식: 습식(wet)

	총합 제거량 (㎤)
비교예1	93
비교예2	111.6
실시예	130.2

도 4에서 확인되는 바와 같이, 비교예 1의 경질피막은 총합 제거량이 93㎤에서 대량박리 및 대량 치핑이 발생하여 수명이 종료되었다. 비교예 2의 경질피막은 총합 제거량이 111.6㎤에서 수명이 종료되었다. 이에 비해, 본 발명의 실시예는 총합 제거량이 130.2㎤에서 수명이 종료되었다.

본 발명의 실시예의 경우, 경질피막에 포함된 Cr계의 높은 내산화성으로 인해 가공부위 주변의 박막이 안정되고, 또한 낮은 잔류응력으로 인해 박막의 자체 인성이 향상되어 절삭 가공중 발생하는 모재의 소성변형에서도 대량 박리되지 않고 모재에 붙어 있는 상태로 가공이 진행되어 절삭 성능을 향상시키는 것으로 나타났다.

Claims (5)

1. 모재 상에 경질피막이 형성된 절삭공구로,
   상기 모재는, Co 8 ~ 12중량%, 텅스텐(W)를 제외한, 주기율표 중 4족, 5족, 6족에서 선택되는 1종 이상의 금속의 탄화물, 탄질화물, 탄산질화물, 또는 이들의 혼합물 0중량% 초과 5중량% 이하, 나머지 WC를 포함하고, 하기 [식 1]에 의해 구해지는 SMS 값이 75 ~ 90%이며,
   상기 경질피막은 Al과 Cr질화물로 이루어진 층과, 상기 층 상에 Al, Cr 및 Si의 질화물로 이루어진 층으로 이루어지고, 상기 경질피막의 두께는 1 ~ 4㎛이고, 잔류응력은 -700MPa ~ -1300MPa이고,
   테스트 온도 750℃, 하중 3N, 선형속도 30cm/s, 반경 3.3mm, 대응볼 스틸, 테스트 시간 25분, 테스트 거리 300m의 조건으로 상기 절삭공구에 대해 수행된 고온마찰마모 평가 후에, 상기 경질피막이 마모 트렉에 남아 있으면서, 마모 트랙의 폭이 300㎛이고, 마모 트랙의 깊이가 2㎛ 이상인, 절삭공구.
   [식 1]
   SMS = 소결체의 포화자화값×100/TMS
   (TMS = 2010×Co의 질량비)
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