KR20010062076A - 피복된 ｐｃｂｎ 절삭 공구 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 소입강(hardened steel)을 정밀 기계가공하는 데 사용할 수 있는 피복된 소결체를 제공한다.
피복된 PCBN 절삭 공구는 CBN을 35용적% 이상 85용적% 이하로 함유하는 기판과 당해 기판 위에 형성된 경질 피막을 포함한다. 경질 피막은 원소 주기율표의 4a, 5a, 6a족 원소 그룹 및 Al로부터 선택된 원소 1종 이상과 C, N 및 O의 그룹으로부터 선택된 원소 1종 이상으로 이루어진 화합물 층 1개 이상을 포함한다. 층의 두께는 0.3㎛ 이상 10㎛ 이하이다. 경질 피막의 중앙선 평균 조도는 0.1㎛ 이하이다.

Description

피복된 ＰＣＢＮ 절삭 공구{Coated PCBN cutting tools}
본 발명은 기판으로서 주로 입방정(立方晶) 질화붕소(boron nitride)를 포함하는 소결체(이후 CBN 소결체)를 사용하는 절삭 공구에 있어서의 개선에 관한 것이다. CBN 소결체는 다결정상 CBN을 의미하며 PCBN으로 약칭한다. 특히, 본 발명은 내마모성과 고정밀 기계 가공성이 개선된, 피복된 PCBN 절삭 공구에 관한 것이다.
PCBN 절삭 공구의 표면을 TiN과 같은 여러가지 내마모성 층으로 피복시켜 CBN 소결체의 내마모성을 개선하는 방법이 제안되어 있다 (즉, JP-A-1-96083 및JP-A-1-96084). 또한, 기판과 피막간의 접착성과 피막의 내구성을 향상시키기 위하여, 이온 에칭법으로 기판(CBN 소결체)의 표면을 상당히 거칠게 한 다음, 피복시키는 것이 또한 제안되어 있다(즉, JP-A-7-18415).
그러나, 접착성을 향상시키기 위하여 기판의 표면을 거칠게 하여 사용할 경우, 피복된 표면 또한 거칠게 되어 내절삭성이 증가되므로 박리되기 쉽다.
작업의 표면 조도는, 말단 절삭 단면부의 형태가 작업물 상에 재현되기 때문에, 말단 절산 단면부의 형태에 따른다. 도 3은 작업물(30)을 인서트(insert)로 절삭할 경우 경사면(31)의 방향으로부터 바라본 확대된 1층 평면도이다.
도 3에서 화살표는 절삭시 인서트 공급 방향을 나타낸다. 여기서 말단 절삭 단면부(33)는 작업물의 최종 마무리된 표면을 형성하는 절삭 단면의 일부이다. 도 3에서 점선은 인서트의 마모분을 나타낸다. (34)는 측면 절삭 단면부이다.
거칠게 피복시킨 인서트를 사용할 경우, 인서트의 표면이 작업물 상에 재현되기 때문에, 작업물의 표면 조도는 초기 절삭 단계부터 거칠게 된다. 특히, 말단 절삭 단면부가 비균질하게 마모되어 노치 웨어(notch wear)가 생성되는 경우, 마무리된 표면이 짧은 절삭 시간내에 거칠게 된다.
따라서, 본 발명의 주 목적은 통상의 인서트와 비교하여 상당히 긴 공구 사용 기간 동안 높은 정밀도와 고품질의 기계 가공된 작업물을 수득할 수 있는 인서트용의 피복된 CBN 소결체를 제공하는 것이다.
도 1은 CBN 소결체를 사용한 절삭 공구를 나타내는 투시도이다.
도 2는 본 발명에 따르는 경질 피막을 제조하기 위한 이온-도금 장치의 양태를 설명하는 것이다.
도 3은 말단 절삭 단부와 측면 절삭 단부를 나타내는 설명도이다.
도 4는 실시예 4의 샘플 번호 4-1과 4-2의 단면도이다.
본 발명은 말단 절삭 단면부에서의 평활 마모(smooth wear)가 작업물의 표면 조도의 증가를 조절함에 의해, 공구 사용 기간을 길게하고 높은 정밀도로 기계 가공을 할 수 있다는 지식을 근거로 한다. 본 발명의 목적은 전술한 피복재, 두께 및 표면 조도를 갖는 피복된 PCBN 절삭 공구에 의해 성취된다.
본 발명은 피복된 PCBN 절삭 공구 및 CBN 35 내지 85용적%를 포함하는 CBN 소결체에 관한 것이다. 경질 피막은 원소 주기율표의 4a, 5a, 6a족 원소 및 Al로 이루어진 그룹으로부터 선택된 원소 1종 이상과 C, N 및 O으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 원소 1종 이상으로 이루어져 있다. 상기 피막의 두께는 바람직하게는 0.3㎛ 내지 10㎛이다. 상기 피복된 표면의 표면 조도는 중앙선 평균 조도인 Ra가 0.2㎛ 이하이다.
소적(droplet)으로 불리어지는 거대 입자가 경질 피막 중에 함유될 수 있기 때문에, Ra는 상기와 같은 경질 피막의 표면 조도를 평가함에 있어 바람직하다. 본 발명자들은 경질 피막이 평활한 경우, 말단 절삭 경계부가 평활하게 마모됨을 발견하였다. 상기와 같이 평활하게 마모되는 것은 말단 절삭 경계부에서 측면 마모 (flank wear)와 노치 웨어 (notch wear)를 조정할 수 있다는 것을 의미한다.
(기판)
CBN을 35 내지 85용적% 포함하는 CBN 소결체를 기판으로 사용한다. 기판의강도는 상기 CBN 함량 조건하에서의 내마모성에 필적한다.
기판의 결합제는 원소 주기율표의 4a, 5a, 6a족 원소의 질화물, 탄화물, 붕화물 및 산화물, 및 이들의 고체 용액으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 것 1종 이상과 AlN, AlB2, Al2O3및 이들의 고체 용액으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 것 1종 이상으로 이루어져 있다. 결합제의 성분은 기판의 강도와 내마모성을 향상시키도록 선택한다. 달리 언급하지 않는 한, 기판은 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
기판 중에 포함된 CBN의 평균 입자 직경은 4.0㎛ 이하인 것이 바람직하다. 본 발명의 재료의 강도는 CBN 소결체의 강도에 따른다. 평균 직경이 4.0㎛ 이하인 CBN 입자는 결합재 분말과의 반응을 촉진하며, CBN 소결체의 강도를 증가시키므로, 본 발명의 재료의 강도를 향상시킨다. 본 발명에서는 2종의 기판이 있다. 첫번째 기판은 도 1에 나타낸 바와 같이 CBN 소결체로만 이루어져 있다. 다른 것은 도 4에 나타낸 바와 같이 CBN 소결체와 시멘트화 탄화물로 이루어져 있다.
기판은 4GPa 이상의 압력과 1000℃ 이상의 온도에서 고압 장치를 사용하여 제조하는 것이 바람직하다. 상세한 제조 방법과 CBN 소결체의 특성에 대해서는 JP-A-53-77811에 기재되어 있다.
(경질 피막)
경질 피막은 원소 주기율표의 4a, 5a, 6a족 원소 및 Al로 이루어진 그룹으로부터 선택된 원소 1종 이상과 C, N 및 O로 이루어진 그룹으로부터 선택된 원소 1종 이상으로 이루어진 화합물로부터 선택된다. 이들 화합물은 충분한 경도와 높은 내마모성을 갖는다.
본 발명자들은 작업물을 피복된 PCBN 절삭 공구로 절단할 경우, 말단 절삭 경계부(33)와 측면 절삭 단면부(34)의 중심부 근처에 위치하는 측면에서 마모가 발생하여 단면부로 퍼져나감을 발견하였다. 그 결과 경질 피막은 말단 절삭 경계부에 남아있게 된다. 나머지 경질 피막은 또한 CBN 입자와 결합재 입자가 작업물의 표면 조도에 영향을 주는 말단 절삭 경계부에서 CBN 소결체로부터 떨어지는 것을 방지한다. 나머지 경질 피막은 또한 노치 웨어가 발생하는 것을 방지한다. 즉, 나머지 경질 피막은 말단 절삭 경계부에 평활성인 마모 상태로 남아 있으며, 장시간 동안 높은 정밀도의 기계 가공성을 유지한다.
본 발명 재료의 개선된 내마모성은 절삭력 증가, 작업물 표면의 웨이빙 (waving) 현상, 피막의 박리 및 마모의 진전을 방지한다. 또한 양호한 내마모성은 공구 사용기간과 기계가공 정밀도를 향상시킨다.
경질 피막용으로 바람직한 재료의 예를 들면, TiN, TiCN, TiAlN, Al2O3, ZrN, ZrC, CrN, VN, HfN, HfC 및 HfCN이 있다. "말단 절삭 경계부에서의 평활적 마모와 고정밀 기계가공"의 효과는 상기 바람직한 물질을 포함하는 경질 피막에 의해 성취될 수 있다. 특히 TiN 또는 TiAlN 층은 이런 효과를 크게 개선시킨다. 본 발명은 경질 피막으로서 TiN 층을 사용하여 경제적으로 수행하였다.
단일층 및 다층 둘다 경질 피막의 구조물로서 사용될 수 있다. 다층 중에서 1개 이상의 층은 본 발명의 바람직한 재료로부터 선택되어야 한다.
피막의 두께는 0.3 내지 10㎛ 범위에서 선택된다. 말단 절삭 경계부에서의 평활적 마모의 바람직한 효과는 0.3㎛ 보다 더 얇은 범위에서는 수득될 수 없다. 10㎛ 보다 더 두꺼울 경우, 경질 피막에서의 잔류 응력이 기판과 경질 피막간의 접착 강도를 감소시킨다. 다층의 경우, 두께는 전체 두께를 의미한다.
Ra로 표시되는 층의 중앙선 평균 조도는 본 발명에서 0.2㎛ 이하이며, 0.1㎛ 이하인 것이 바람직하다. Ra의 중앙선 평균 조도는 JIS B 0601 표준을 기초로 측정한다. 측정 길이는 후술하는 실시예에서 0.8㎜로 고정하지만, 길이는 측정 대상에 따라서 임의적이다. 측정 길이로 0.8㎜를 채택할 수 없는 경우, 0.8㎜ 보다 더 짧은 길이를 측정 길이로 채택할 수 있다.
기판과 피막 두 표면 중 적어도 한 표면을 연마하여 경질 피막의 표면 조도를 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직하다. 경질 피막의 표면 조도가 기판의 표면 조도에 따르기 때문에, 경질 피막의 Ra가 0.2㎛ 이하의 범위가 되도록 기판의 Ra가 0.2㎛ 이하인 것이 바람직하다. 기판의 표면을 더욱 평활성이 되도록 연마할 경우, 경질 피막의 표면 조도가 개선된다. 결과적으로, 연마한 기판을 갖는 인서트를 사용함으로써 높은 정밀도의 기계 가공이 가능하게 된다. 연마 수단에는 어떠한 제한도 없다. 예를 들어, 별개의 연마제를 회전 브러쉬의 표면에 도포한 다음, 브러쉬를 기판 또는 경질 피막의 표면에 문지른다.
피막을 기판의 적어도 일부 위에 형성시키는 것이 바람직하다. 피막은 절삭과 관련된 하나 이상의 표면 위에 형성된다. 절삭과 관련된 표면은 적어도 경사면, 측면 및 네가티브 랜드면 (negative land face)으로부터 선택된 표면이다. 경사면에서부터 측면까지 또는 경사면에서부터 네가티브 랜드면을 따라 측면까지의 분획인 것이 더욱 중요하다. 피막을 작업물과의 접촉 영역과 인근 지역에 형성시키는 것이 특히 바람직하다.
경질 피막을 형성시키기 위한 방법으로서 공지된 피복 기술을 사용할 수 있다. 경질 피막은 스퍼터링(sputtering)과 이온-도금법과 같은 물리적 증착 (PVD) 기술 및 플라스마-CVD와 같은 화학적 증착 (CVD) 기술로 제조할 수 있다. 평활 경질 피막을 형성시키기 위해서는 아크(Arc) 이온-도금법이 특히 바람직하다. 아크 이온-도금법은 JP-A-10-68071에 기재되어 있다.
(기재로의 기판의 접착)
기판을 땜납으로 기재에 접착시킬 경우, 땜납이 Ti를 함유하고 융점이 650℃ 초과인 것이 바람직하며, 융점이 700℃ 초과인 것이 더욱 바람직하다. CBN 소결체의 기판이 값비싼 고압 소결 장치로 생산되기 때문에, 상기 기판 또한 비싸다. 낮은 단가로 인서트를 생산하기 위하여, 기판과 기재를 땜납으로 접착시켜 인서트를 제작하는 것이 고려될 수 있다. 기판은 절삭에 기여하는 부분만으로 구성되며 기재는 삽입물의 나머지 부분으로 구성된다. 접착시킨 인서트를 충분한 접착 강도를 갖는 경질 층으로 피복시키기 위해서는, 기판과 기재가 고온에서 경질층을 피복시키는 동안 서로 미끄러지지 않도록 하는 것이 필수적이다. 한편, 경질층을 650℃이상, 더욱 바람직하게는 500℃ 미만의 온도에서 피복시킬 경우, 경질 피막이 충분한 접착 강도를 갖게 됨을 발견하였다. 따라서, 기판을 기재에 접착시키기 위해서는 땜납의 융점이 650℃ 초과인 것이 필수적이다. 기판을 650℃ 초과 내지 땜납의 융점 미만의 온도 범위에서 피복시킬 경우, 기판과 기재간의 미끄러짐 현상이 또한 방지된다. 상기와 같은 고온에서 기판과 기재간에 충분한 접착 강도를 수득하기 위해서는, 땜납의 융점이 700℃ 초과이어야 한다.
기재 물질은 시멘트화 탄화물, 세라믹, 써밋(cermet) 및 철계 금속으로 이루어진 그룹으로부터 선택한다. 시멘트화 탄화물이 강성이고 고강도 재료이기 때문에 기재 재료로 바람직하다.
Ti가 땜납 중에 함유되어 있는 경우, 땜납의 표면이 피막과 반응하기 때문에 피막의 접착 강도가 기판과 기재 사이의 접착 부분에서 향상된다.
상기 설명된 바와 같이, 본 발명의 인서트는 강력한 기판, 평활 피막을 가지며 말단 절삭 경계부에서 평활하게 마모되므로, 장기간의 공구 사용 기간 동안 정밀한 기계 가공에서 인서트로 사용할 수 있다.
실시예
본 발명의 양태를 이후 설명한다. 피막의 두께는 이들 양태에서 주사형 전자 현미경(SEM)을 사용하여 인서트의 단면부를 직접 관찰하여 측정한다. 본 발명의 피복된 PCBN 절삭 공구는 이들 예로 제한되는 것은 아니다.
<실시예 1>
TiN, Ti 및 Al의 분말을 포트(pot)와 시멘트화 탄화물로 된 볼을 사용하여 혼합하여 결합제 분말을 수득한다. 결합제 분말을 CBN 분말과 혼합하고 생성된 분말 혼합물을 Mo 컨테이너에 포장하여 1400℃에 5 GPa (50 kb)의 압력하에서 20분간 소결시킨다. 생성된 소결 기판(21)을 기재(22)에 땜납으로 접착시키고 도 1에 나타낸 바와 같이 절삭 공구용 인서트로 성형시킨다 (SNGN 120408의 형태). TiN 층을 인서트의 표면상에 공지된 이온 도금 기술로 침착시킨다. 샘플 번호 1-1 내지 1-4를 표 1에 나타낸 바와 같이 제조한다. 도 2는 침착 장치의 양태를 설명하는 것이다. 상기 장치는 진공 챔버내 반대면에 위치하는 다수의 타겟 (2)와 (3) 및 양 타겟의 중앙에 회전축을 갖는 테이블(4)를 갖는다. 원통형 인서트 홀더(5)는 테이블(4) 위에 고정되어 있으며 인서트(6)를 인서트 홀더(5)에서 유지시킨다. 진공 챔버는 설정된 압력으로 조정하고 설정된 가스를 공급하기 위한 가스 주입구와 배출구를 갖는다. 배출구는 진공 펌프에 연결되어 있다.
인서트를 가열기(10)로 설정된 온도로 가열할 수 있다. 각각의 타겟(2, 3)은 타겟 재료를 증발시키기 위한 진공-아크용 전기 방전류를 조정하는 전기 발전기(7)과 (8)에 연결되어 있다. 인서트 홀더는 기판으로 바이어스 전압을 공급하기 위한 전기 바이어스 발전기(9)에 연결되어 있다. 진공 챔버를 7 x 10-3Pa의 압력으로 배기시킨 후, 아르곤(Ar) 가스를 도입시켜 0.1Pa의 압력을 발생시키고 이때 인서트를 가열기(10)를 사용하여 400℃로 가열하며 -1,000V의 전기 바이어스 전압하에서 세정한다. 이어서 인서트의 표면을 금속 이온으로 인서트의 온도가 500℃로 상승할 때까지 세정하는 데 이때 금속 타겟(2, 3)은 진공-아크 전기 방전기를 사용하여 증발시키고 이온화시킨다.
이어서, N2, H2, Ar, CH4, 및 C2H2중 1종 이상을 진공 챔버(1) 속으로 도입시켜 챔버(1)의 압력을 2Pa에서 유지시킨다. 금속 타겟(2, 3)을 진공-아크 방전기를 사용하여 증발 및 이온화시켜 인서트를 경질 피막으로 피복시킨다. -20 내지 -500V의 바이어스 전압을 인서트 홀더에 인가한다.
피복 조건이 상이한 비교 실시예 1-5 내지 1-10과 피복시키지 않은 비교 실시예 1-11 내지 1-12를 제조한다.
경질 피막의 표면 조도는 피복전에 기판의 연마 정도로 조절한다. 직경이 5 내지 8㎛인(#2000에 상당) 다이아몬드 연마제가 도포되어 있는 회전 브러쉬를 문질러 기판을 연마한다.
생성된 인서트는 절삭 시험으로 평가한다. 경도가 HRC61인 원형 SCM415 (JIS 표준) 강철 봉을 절삭 속도 160m/분, 절삭 심도 0.1㎜, 공급 속도 0.8㎜/rev에 건식 상태에서 이의 가장자리를 따라 절삭한다. 결과를 표 1에 요약하였다. 초기 표면 조도 Rz(㎛)는 1분 절단 후 작업물의 표면 조도이다. 피막의 내구성을 작업물의 표면 조도가 3.2㎛의 Rz에 도달하였을 때의 시간으로 평가한다. Rz는 JIS B 0601을 기준으로 하는 10점 평균 조도이다. 본 명세서의 표 1 및 다른 섹션에서 3.2z는 작업물을 Rz로 평가시 표면 조도가 3.2㎛임을 의미한다.
생성된 소결체의 X-선 회절 패턴으로 CBN, TiN, TiB2, (AlB2), AlN 및 소량의 WC와 Al2O3가 존재하는 것으로 밝혀졌다. 혼합된 분말중 Al과 산소가 반응하여 Al2O3를 생성시킴을 제시하는 것이다.
샘플 1-1 내지 1-4는 표 1에 나타낸 바와 같이 평활 피막을 갖는다. 인서트 표면 조도가 재현되기 때문에, 작업물의 초기 표면 조도는 양호하다. 또한 피막은 높은 내마모성을 가지며, 따라서, 본 발명에 의해 장기간의 표면 조도와 고정밀 기계 가공성이 수득된다.
대조적으로, 비교 실시예의 샘플 1-5와 1-6은 거친 표면 조도를 갖는다. 인서트 표면 조도가 재현되기 때문에, 작업물의 초기 표면 조도가 거칠다. 결과적으로 둘다 표면 조도의 내구성이 짧다.
CBN 소결체 경질 피막 절삭 시험
CBN(용적%) 재료 표면조도 Ra(㎛) 두께(㎛) 초기표면 조도Rz(㎛) 표면조도 (3.2z) 내구성(분) 평가
실시예 1-1 40 TiN 0.15 3.0 1.32 60 양호
1-2 55 TiN 0.15 3.0 1.45 70 양호
1-3 65 TiN 0.11 3.1 1.35 75 양호
1-4 75 TiN 0.14 3.0 1.46 65 양호
비교실시예 1-5 55 TiN 0.35 2.9 2.48 20 불량
1-6 55 TiN 0.48 3.0 3.05 15 불량
1-7 55 TiN 0.18 10.3 2.10 35 좋지않음
1-8 55 TiN 0.16 0.2 1.47 45 좋지않음
1-9 25 TiN 0.16 3.0 2.05 10 불량
1-10 90 TiN 0.14 3.1 1.93 15 불량
1-11 55 없음 0.12* 0 1.30 45 좋지않음
1-12 65 없음 0.15* 0 1.41 40 좋지않음
CBN 소결체: 평균 CBN 입자 직경: 1.5㎛CBN 소결체: 접착 재료 분말 (중량%); TiN0.7 : Al = 75:25땜납의 조성 (중량%): 70-Ag, 28-Cu, 2-Ti (융점 780-800℃)*CBN 소결체의 표면 조도
비교 실시예의 샘플 1-7의 피막은 너무 두껍고, 결과적으로 피막의 응력이 높아 박리되기 쉽다. 비교 실시예의 샘플 1-8의 피막은 너무 얇아, 피막의 내마모성이 불량하고 표면 조도의 내구성이 짧다.
비교 실시예의 샘플 1-9의 기판은 CBN 함량이 너무 낮아, 절삭 단면이 강도면에서 불량하고 깨지기 쉽다. 이는 표면 조도의 내구성을 짧게 만든다.
비교 실시예의 샘플 1-10의 기판은 CBN 함량이 너무 높아, 기판의 마모가 신속하게 이루어지고 표면 조도의 내구성이 짧다.
비교 실시예 1-11 및 1-12는 피막을 갖지 않으므로, 불량한 내마모성이 표면 조도의 내구성을 짧게 만든다.
<실시예 2>
실시예 1의 공정을 반복하여 본 발명의 샘플 2-1 내지 2-4, 2-8 및 2-11을 제조한다. 비교 실시예의 샘플 2-2 내지 2-7, 2-9, 2-10 및 2-12를 또한 제조한다. CBN 함량 및 기판중 접착상의 조성은 본 실시예에서 다양하다.
생성된 피복 인서트를 사용하여 실시예 1에서와 동일한 조건하에서 절삭 시험을 수행한다. 결과를 표 2에 요약한다.
CBN 소결체 경질 피막 절삭 시험
CBN (용적%) 접착 재료 분말의 조성 (중량%) 표면 조도 Ra(㎛) 표면조도(3.2z)의 내구성(분) 평가
실시예 2-1 40 75:TiN0.7, 25:Al 0.15 60 양호
2-1 55 75:TiN0.7, 25:Al 0.15 70 양호
2-3 65 75:TiN0.7, 25:Al 0.11 75 양호
2-4 75 75:TiN0.7, 25:Al 0.14 65 양호
비교 실시예 2-5 25 75:TiN0.7, 25:Al 0.16 10 불량
2-6 90 75:TiN0.7, 25:Al 0.14 15 불량
2-7 25 60:TiC0.8, 40:TiAl3 0.13 10 불량
실시예 2-8 55 60:TiC0.8, 40:TiAl3 0.13 50 양호
비교 실시예 2-9 90 60:TiC0.8, 40:TiAl3 0.16 20 불량
2-10 25 45:Co, 30:Al, 13:WC, 12: 0.12 15 불량
실시예 2-11 55 45:Co, 30:Al, 13:WC, 12: 0.13 40 양호
비교 실시예 2-12 90 45:Co, 30:Al, 13:WC, 12: 0.17 30 좋지않음
CBN 소결체: 평균 CBN 입자 직경: 1.5 (㎛)땜납의 조성 (중량%): 70-Ag, 28-Cu, 2-Ti (융점 780-800℃)경질 피막: TiN경질 피막의 두께: 3.0 (㎛)
생성된 소결 기판의 X-선 회절 패턴으로 샘플 2-1 내지 2-4 및 비교 실시예 2-5 및 2-6에는 CBN, TiN, TiB2(AlB2), AlN 및 소량의 WC 및 Al2O3가 존재하는 것으로 밝혀졌다. CBN, TiC, AlN, TiB2, (AlB2) 및 소량의 WC 및 Al2O3가 샘플 2-8 및 비교 실시예 2-7 및 2-9에서 발견되었다. 또한 CBN, CoWB, Co2W2B, AlN, AlB2, TiN, WC 및 소량의 Al2O3가 샘플 2-11 및 비교 실시예 2-10 및 2-12에서 발견되었다. 이는 혼합된 분말 중에서 Al과 산소가 반응하여 Al2O3를 생성시킴을 제시하는 것이다.
샘플 2-1 내지 2-4, 2-8 및 2-11은 장기간의 표면 조도 내구성을 나타내며, CBN 기판의 내마모성과 파괴내성이 탁월하기 때문에, 정밀 기계가공에 사용될 수 있다.
한편, 비교 실시예 2-5 내지 2-7, 2-9, 2-10 및 2-12의 기판은 내마모성과 강성이 불량하다. 따라서, 이들은 부서짐과 마모의 진전으로 인하여, 소입강 절삭을 위한 표면 조도의 내구성이 짧다.
<실시예 3>
실시예 1의 공정을 반복하여 본 발명의 샘플을 제조한다. 비교 실시예 3-5, 3-6, 3-9 및 3-10을 또한 제조한다. 기판의 표면 조도와 기판중에 포함된 CBN 입자의 평균 직경은 본 실시예에서 다양하다.
CBN 소결체 경질 피막 절삭 시험
CBN의 평균직경(㎛) 표면조도 Ra(㎛) 표면조도 Ra(㎛) 초기 표면조도 Rz (㎛) 표면조도 (3.2z)내구성(분) 평가
실시예 3-1 0.3 0.11 0.11 1.28 65 양호
3-2 0.8 0.12 0.14 1.30 70 양호
3-3 1.5 0.12 0.15 1.35 75 양호
3-4 3.8 0.13 0.16 1.34 65 양호
비교 실시예 3-5 5.0 0.14 0.25 1.88 40 좋지않음
3-6 6.0 0.16 0.30 2.01 30 좋지않음
실시예 3-7 1.5 0.04 0.08 1.13 85 매우양호
3-8 1.5 0.08 0.09 1.17 80 매우양호
비교 실시예 3-9 1.5 0.24 0.29 2.50 15 불량
3-10 1.5 0.51 0.56 3.05 5 불량
CBN 소결체: 접착 재료 분말 (중량%): TiN0.7:Al = 75:25CBN 소결체: CBN 함량 55 (용적%)땜납의 조성 (중량%): 70-Ag, 28-Cu, 2-Ti (융점 780-800℃)경질 피막: TiN경질 피막의 두께: 3.0 (㎛)
절삭 시험은 생성된 피복 인서트를 사용하여 실시예 1에서와 동일한 조건하에서 수행한다. 결과를 표 3에 나타낸다.
생성된 소결체의 X-선 회절 패턴으로 CBN, TiN, TiB2, (AlB2), AlN 및 소량의 WC, Al2O3가 존재하는 것으로 밝혀졌다. Al2O3는 혼합된 분말중 Al과 산소의 화합물인 것으로 생각된다.
표 3의 결과는 다음을 나타낸다. 샘플 3-1 내지 3-4는 평활 피막을 가지며, 따라서 인서트의 재현인 작업물의 초기 표면 조도가 탁월하다.
이들 샘플을 장기간의 표면 조도 3.2z 내구성을 가지며, 경질 피막의 내마모성이 높기 때문에 정밀 기계가공에 사용될 수 있다.
샘플 3-7 및 3-8 중 기판의 표면 조도는 다른 샘플 보다 더 평활성이기 때문에, 피막의 표면 조도도 더욱 평활성이다. 따라서 이들 샘플은 초기 표면 조도가 탁월하고 작업물의 표면 조도 (3.2z) 내구성이 탁월하다.
대조적으로, 보다 큰 CBN 입자의 평균 직경을 갖는 비교 실시예 3-5 및 3-6의 기판의 표면 조도는 작지만, CBN 입자상에서의 경질 피막과 접착 상의 성장 속도의 차이가 상기 층 위에 나타난다. 그러므로, 경질 피막의 표면 조도가 거칠고 표면조도(3.2z)의 내구성이 짧다. 비교 실시예 3-9 및 3-10은 다음과 같이 밝혀졌다. 기판의 표면 조도가 클 경우, 경질 피막의 표면 조도가 증가하고 표면 조도 (3.2z)의 지속기간이 단축된다.
<실시예 4>
샘플 4-1 및 4-2와 비교 실시예 4-3 및 4-4의 기판을 제조한다. 상기 기판은 도 4에 나타낸 바와 같이 CBN 소결체와 시멘트화 탄화물의 2층이다. CBN 소결체를 피복전에 다양한 조성과 융점을 갖는 땜납을 사용하여 기재에 접착시킨다. 이어서 이들을 실시예 1에서와 동일한 방법으로 두께 3.0㎛의 TiN 층으로 피복시킨다. 기재 상에서 기판의 미끄러짐 현상 및 땜납과 피막의 접착 강도를 본 실시예에서 조사한다. 결과를 또한 표 4에 나타낸다.
생성된 소결체의 X-선 회절 분석으로 CBN, TiN, TiB2, (AlB2), AlN 및 소량의 WC, Al2O3가 존재하는 것으로 밝혀졌다. 결합제 분말 제조와 기판의 소결 단계중Al이 산화되어 Al2O3가 된 것으로 생각된다.
비교 실시예 4-4의 소결체와 기재는 융점이 600℃인 땜납제가 피복 도중 온도가 상승함에 따라 용융되기 때문에 접착 영역에서 미끄러지는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 상기 샘플을 절삭 인서트로 사용될 수 없다. 비교 실시예 4-3에서 사용된 땜납제의 융점은 650℃이며 Ti를 포함하지 않는다. CBN 기판과 기재의 접착 영역에서 약간의 미끄러짐 현상이 발견되었다. 한편, 융점이 700℃ 초과인 땜납제로 접착시킨, 본 발명의 샘플 4-1 및 4-2에서는 기판과 기재의 접착 영역에서 미끄러짐 현상이 없었다.
땜납이 Ti를 함유하지 않는, 비교 실시예 4-3 및 4-4에서는 CBN 기판과 기재 사이의 접착 영역의 땜납 폰드(pond)에서 피막이 박리된다. 한편, 땜납이 Ti를 함유하는 실시예 4-1 및 4-2에서는, 땜납의 표면에서 Ti와 TiN이 반응하여 접착 강도를 증가시키기 때문에, 피막이 박리되지 않는다. 땜납 중 Ti 양이 많으면 많을수록, 피막과 땜납의 접착 강도는 더 강해진다.
땜납 조사
땜납의 조성 (중량%) 융점 (℃) 접착 영역의미끄러짐 땜납과 피막간의 접착강도
실시예 4-1 70:Ag, 28:Cu, 2:Ti 780-800 매우 우수 양호
4-2 50:Cu, 25:Ti, 25:Zr 810-860 매우 우수 매우 우수
비교 실시예 4-3 49:Ag, 23:Zn, 16:Cu, 7.5:Mn, 4.5:Ni 650 좋지않음 불량
4-4 40:Ag, 21.5:Zn, 19.7:Cu, 18.8:Cd 600 불량 불량
CBN 소결체: 접착 재료 분말 (중량%): TiN0.7:Al = 75:25CBN 소결체: CBN 함량 55 (용적%)CBN 소결체: 평균 CBN 입자 직경: 1.5㎛경질 피막: TiN경질 피막의 두께: 3.0 (㎛)
<실시예 5>
실시예 1의 공정을 반복하여 5-1 내지 5-8의 예비-피복 샘플을 제조한다. 비-피막을 갖는 비교 실시예 5-9를 또한 제조한다. 단일층 및 다중층과 같은 피막의 구조와 조성을 실시예 5에서 평가한다. 표 5에서 "제1층"은 기판면에 위치하며 "제3층"은 상기 피막의 표면에 위치한다.
절삭 시험은 생성된 인서트를 사용하여 실시예 1에서와 동일한 조건하에서 수행한다.
생성된 소결체의 X-선 회절 분석으로 CBN, TiN, TiB2, (AlB2), AlN 및 소량의 WC, Al2O3가 존재하는 것으로 밝혀졌다. 결합제 분말 제조와 기판의 소결 단계중 Al이 산화되어 Al2O3가 된 것으로 생각된다.
샘플 5-1 내지 5-8 모두 표 5에 나타낸 바와 같은 평활 피막을 갖기 때문에, 인서트는 피막의 재현인 초기 표면 조도에 있어서 탁월하다. 이들 샘플이 장시간의 지속기간의 3.2z 표면 조도를 가지며 이들 피막의 내마모성이 높기 때문에 정밀 기계가공에 사용될 수 있다. 샘플 5-1 내지 5-5는 TiN 또는 TiAlN의 층 1개 이상을 함유하기 때문에, 피막의 마모가 균일하고 평활하다. 따라서, 이들 샘플을 보다 긴 내구성의 3.2z 표면 조도를 갖는다.
경질 피막 절삭 시험
제1층 제2층 제3층 표면조도 Ra (㎛) 표면(3.2z) 조도의내구성(분) 평가
실시예 5-1 TiN(3㎛) 없음 없음 0.15 70 매우 우수
5-2 TiN(2㎛) TiAlN(1㎛) 없음 0.19 70 매우 우수
5-3 TiN(0.5㎛) TiC(1㎛) TiN(1.5㎛) 0.14 75 매우 우수
5-4 TiN(2㎛) TiC(1㎛) 없음 0.18 70 매우 우수
5-5 TiN(1㎛) TiCN(1㎛) TiN(1㎛) 0.14 65 매우 우수
5-6 Ti(0.5㎛) TiC(2.5㎛) 없음 0.15 55 양호
5-7 TiN(0.5㎛) TiAlN(2㎛) TiCN(0.5㎛) 0.18 60 양호
5-8 Ti(0.5㎛) TiN(0.5㎛) TiAlN(2㎛) 0.17 65 매우 우수
비교 실시예 5-9 없음 없음 없음 0.12* 45 좋지 않음
CBN 소결체: 접착 재료 분말 (중량%): TiN0.7:Al = 75:25CBN 소결체: CBN 함량 55 (용적%)CBN 소결체: 평균 CBN 입자 직경: 1.5㎛땜납의 조성 (중량%): 70-Ag, 28-Cu, 2-Ti (융점 780-800℃)* CBN 소결체의 표면 조도
본 발명의 피복된 PCBN 절삭 공구는, 기판 강도가 높고, 경질 피막이 평활하여, 절삭시 말단 절삭 경계부를 평활하게 연마시킬 수 있으므로, 소입강을 고 정밀도로 장시간의 수명으로 기계가공할 수 있다.

Claims (7)

  1. 입방정 질화붕소(cubic boron nitride:CBN)를 35용적% 이상 85용적% 이하로 함유하는 기판(a)과
    원소 주기율표의 4a, 5a, 6a족 원소 및 Al의 그룹으로부터 선택된 원소 1종 이상과 C, N 및 O로부터 선택된 원소 1종 이상으로 이루어진 1개 이상의 화합물 층을 포함하며 기판 위에 위치하는 경질 피막(b)을 포함하며,
    경질 피막의 두께(c)가 0.3㎛ 이상 10㎛ 이하이고,
    경질 피막의 중앙선 평균 조도 Ra(d)가 0.2㎛ 이하인, 피복된 PCBN 절삭 공구.
  2. 제1항에 있어서, 기판이 원소 주기율표의 4a, 5a, 6a족 원소의 질화물, 탄화물, 붕소화물 및 산화물과 이들의 고체 용액의 그룹으로부터 선택된 것 1종 이상과 AlN, AlB2, Al2O3및 이들의 고체 용액으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 것 1종 이상을 포함하는 접착재(bonding material)를 함유하는, 피복된 PCBN 절삭 공구.
  3. 제1항에 있어서, 기판 중의 CBN 입자의 평균 직경이 4.0㎛ 이하인, 피복된 PCBN 절삭 공구.
  4. 제1항에 있어서, Ti를 함유하고 융점이 650℃를 초과하는 땜납을 사용하여, 기판을 시멘트화 탄화물, 세라믹, 써밋(cermet) 및 철계 금속의 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 기재에 접착시킨, 피복된 PCBN 절삭 공구.
  5. 제1항에 있어서, 경질 피막이 하나 이상의 TiN 층을 함유하는, 피복된 PCBN 절삭 공구.
  6. 제1항에 있어서, 경질 피막이 하나 이상의 TiAlN의 층을 함유하는, 피복된 PCBN 절삭 공구.
  7. 제1항에 있어서, 경질 피막의 중앙선 평균 조도가 0.1㎛ 이하인, 피복된 PCBN 절삭 공구.
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