KR20200121885A - 초경합금 및 이것을 사용한 피복공구, 절삭공구 - Google Patents

초경합금 및 이것을 사용한 피복공구, 절삭공구 Download PDF

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Abstract

본 개시의 초경합금은 W와 C를 함유하는 경질상과, 입방정의 Co를 함유하는 결합상을 함유한다. 상기 결합상은 Zr을 함유하고 있고, Co의 격자정수가 3.5575Å를 초과하고, 3.5600Å 미만이다. 또한, 본 개시의 피복공구는 상술의 초경합금의 표면에 위치하는 피복층을 갖는다. 또한 본 개시의 절삭공구는 제1단으로부터 제2단을 향해서 연장되고, 상기 제1단측에 포켓을 갖는 홀더와, 상기 포켓에 위치하는 상술의 피복공구를 구비한다.

Description

초경합금 및 이것을 사용한 피복공구, 절삭공구
본 개시는 초경합금 및 이것을 사용한 피복공구, 절삭공구에 관한 것이다.
WC를 경질상으로서 함유하는 초경합금은 엔드밀 등에 이용되고 있다. 특허문헌 1에서는 WC와 결합상으로서 Co를 사용하고, Co의 함유량을 3∼10중량%로 하고, Co의 격자정수를 3.565∼3.575Å의 범위로 제어함으로써 칼날끝이 고온이 되는 특수한 절삭 조건하에서 만족스러운 공구수명을 달성할 수 있는 것이 기재되어 있다.
또한 특허문헌 2에서는 Co의 격자정수를 3.524∼3.545Å의 범위로 제어함으로써 고속 프라이스 절삭에 적합한 절삭공구를 제공할 수 있는 것이 기재되어 있다.
일본 특허공개 평 11-207515호 공보 일본 특허공개 평 7-112313호 공보
본 개시의 초경합금은 W와 C를 함유하는 경질상과, 입방정의 Co를 함유하는 결합상을 함유한다. 상기 결합상은 Zr을 함유하고 있고, 상기 Co의 격자정수가 3.5575Å를 초과하고, 3.5600Å 이하이다. 또한 본 개시의 피복공구는 상기 초경합금의 표면에 위치하는 피복층을 갖는다. 또한 본 개시의 절삭공구는 제1단으로부터 제2단을 향해서 연장되고, 상기 제1단측에 포켓을 갖는 홀더와, 포켓에 위치하는 상기 피복공구를 구비한다.
도 1은 본 개시의 피복공구의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 개시의 피복공구의 표면 부근을 나타내는 단면 확대도이다.
도 3은 본 개시의 절삭공구의 일례를 나타내는 평면도이다.
본 개시의 초경합금은 W와 C를 함유하는 경질상과, 입방정의 Co를 함유하는 결합상을 함유한다. 상기 결합상은 Zr을 함유하고 있고, Co의 격자정수가 3.5575Å를 초과하고, 3.5600Å 이하이다.
상기 구성을 갖는 초경합금은 고온에 있어서의 소성 변형이 작다. 또한 경도가 높고, 공구로서 사용하는데에 적합하다. 본 개시의 초경합금은 종래, 치핑이 발생하기 때문에 꺼려지고 있었다. Co의 격자정수가 3.5575Å를 초과하고, 3.5600Å 이하인 영역에 있어서도, Co가 Zr을 함유함으로써 고온에 있어서의 소성 변형이 작고, 과도한 치핑의 발생도 없다.
또, Zr은 결합상인 Co에 고용되어 있고, 이 고용에 의해, Co의 격자정수가 변화된다. 이 고용을 확인하기 위해서는 예를 들면 초경합금의 단면에 있어서, Co를 주성분으로 하는 결합상을 관찰하고, EDX 등으로 Co와 Zr이 결합상에 포함되어 있는 것을 확인하면 좋다.
상세한 이유는 불분명하지만, Co가 Zr을 함유하는 것이, 종래, 부적당하다고 인식되어 있었던 격자정수에 있어서도, 소성 변형을 억제할 수 있었던 요인이다라고 생각된다.
또한 Co의 격자정수는 3.5580∼3.5595Å이어도 좋다. 이러한 범위로 하면, 고온에 있어서의 소성 변형이 더욱 작다.
본 개시의 초경합금에 포함되는 경질상은 예를 들면, WC 입자이다. 경질상은 90질량% 이상의 WC와, 나머지가 그 밖의 고용원소를 포함하고 있어도 좋다. 고용원소로서는 Al이나 Cr 등을 들 수 있다. 경질상의 함유량은 80∼95질량%로 하면 좋다. 이 범위로 하면, 공구로서 사용하기 위해서 적합한 경도를 갖는다.
또한 본 개시의 초경합금은 Zr을 ZrC 환산으로 0.75∼1.0질량% 함유하고 있어도 좋다. 이러한 범위로 하면, 초경합금의 소성 변형이 작다.
또한 본 개시의 초경합금은 Ti를 TiC 환산으로 1.0∼3.0질량% 함유하고 있어도 좋다. 이러한 구성으로 함으로써, 결합상의 고온특성이 향상되므로, 고속가공에 있어서도 소성 변형하기 어려워진다. Ti는 TiC 환산으로 2.0∼3.0질량% 함유하고 있어도 좋다.
또한 본 개시의 초경합금은 Ta를 TaC 환산으로 0.1∼5.0질량% 함유하고 있어도 좋다. 이러한 구성으로 함으로써, 결합상의 고온특성이 향상되므로, 고속가공에 있어서도 소성 변형하기 어려워진다. Ta는 TaC 환산으로 1.0∼3.0질량% 함유하고 있어도 좋다.
본 개시의 초경합금은 나머지로서 결합상인 Co를 함유하고 있다.
상술한 바와 같이, 본 개시의 초경합금은 고온에 있어서의 소성 변형이 작다. 그리고, 경질상을 함유함으로써, 경도가 높다. 이러한 특성에 의해, 본 개시의 초경합금은 피복공구의 기체로서 적합하다.
본 개시의 피복공구는 초경합금의 표면에 위치하는 피복층을 갖고 있다. 도 1은 본 개시의 피복공구의 일례를 나타내는 사시도이다. 본 개시의 피복공구(1)는 도 1에 나타내는 예에 있어서는 주면이 개략 사각형상의 판형상이다. 단, 이 형상에 한정되는 것은 아니다. 도 1에 있어서의 상면은 레이크면이며, 도 1에 있어서의 측면은 플랭크면이다. 그리고, 상면과 측면의 교차 모서리부에 절삭날(7)이 형성되어 있다. 바꿔 말하면, 레이크면과 플랭크면이 교차하는 능선의 적어도 일부에 위치하는 절삭날(7)을 갖고 있다.
피복공구(1)에 있어서는 레이크면의 외주의 전체가 절삭날(7)로 되어 있어도 좋지만, 피복공구(1)는 이러한 구성에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 사각형의 레이크면에 있어서의 1변만, 또는 부분적으로 절삭날(7)을 갖는 것이어도 좋다.
피복공구(1)의 크기는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 레이크면의 1변의 길이가 3∼20mm 정도로 설정된다. 또한 피복공구(1)의 두께는 예를 들면 3∼20mm 정도로 설정된다.
또한 도 1에 있어서의 상면으로부터 하면에 걸쳐서, 관통구멍(17)을 갖고 있어도 좋다.
본 개시의 피복공구(1)는 도 2에 나타내듯이, 본 개시의 초경합금으로 이루어지는 기체(3)의 표면에 피복층(5)을 갖고 있다. 기체(3)의 표면에 위치하는 피복층(5)은 PVD나 CVD에 의해 형성할 수 있다.
피복층(5)은 다층이어도 좋고, 예를 들면 기체(3)쪽으로부터 순차적으로 TiCN층(5a)과 Al2O3층(5b)을 갖는 것이어도 좋다. 또한 피복층(5)은 기체(3)쪽으로부터 순차적으로 TiN층(도면에는 나타내지 않는다)과 TiCN층(5a)과 Al2O3층(5b)을 갖는 것이어도 좋다. 본 개시의 피복공구(1)는 소성 변형이 작은 초경합금을 기체(3)로서 사용하고, 또한 피복층(5)을 가짐으로써 고속가공에 적합하다. 또, 피복층(5)은 기체(3)의 전면을 덮을 필요는 없고, 적어도 기체(3)의 표면의 일부를 덮고 있으면 좋다. 특히, 절삭날(7)로서 사용하는 영역의 표면을 덮고 있으면 좋다.
본 개시의 절삭공구에 대해서 도면을 사용하여 설명한다. 본 개시의 절삭공구(101)는 도 3에 나타내듯이, 예를 들면 제1단(도 3에 있어서의 상단)으로부터 제2단(도 3에 있어서의 하단)을 향해서 연장되는 봉형상체이다. 절삭공구(101)는 도 3에 나타내듯이, 제1단측(선단측)에 포켓(103)을 갖는 홀더(105)와, 포켓(103)에 위치하는 상기 피복공구(1)를 구비하고 있다. 절삭공구(101)는 피복공구(1)를 구비하고 있기 때문에, 장기에 걸쳐 안정된 절삭가공을 행할 수 있다.
포켓(103)은 피복공구(1)가 장착되는 부분이며, 홀더(105)의 하면에 대해서 평행한 착좌면과, 착좌면에 대해서 경사하는 구속 측면을 갖고 있다. 또한 포켓(103)은 홀더(105)의 제1단측에 있어서 개구되어 있다.
포켓(103)에는 피복공구(1)가 위치하고 있다. 이 때, 피복공구(1)의 하면이 포켓(103)에 직접적으로 접하고 있어도 좋고, 또한 피복공구(1)와 포켓(103) 사이에 시트(도면에 나타내지 않는다)가 끼워져 있어도 좋다.
피복공구(1)는 레이크면 및 절삭날(7)로서 사용되는 부분의 적어도 일부가 홀더(105)로부터 바깥쪽으로 돌출하도록 홀더(105)에 장착된다. 본 실시형태에 있어서는 피복공구(1)는 고정 나사(107)에 의해 홀더(105)에 장착되어 있다. 즉, 피복공구(1)의 관통구멍(9)에 고정 나사(107)를 삽입하고, 이 고정 나사(107)의 선단을 포켓(103)에 형성된 나사구멍(도면에 나타내지 않는다)에 삽입해서 나사부끼리를 나사결합시킴으로써 피복공구(1)가 홀더(105)에 장착되어 있다.
홀더(105)의 재질로서는 강, 주철 등을 사용할 수 있다. 이들 부재 중에서 인성이 높은 강을 사용해도 좋다.
본 실시형태에 있어서는 소위 선삭가공에 사용되는 절삭공구(101)를 예시하고 있다. 선삭가공으로서는 예를 들면 내경가공, 외경가공 및 홈형성 가공 등을 들 수 있다. 또, 절삭공구(101)로서는 선삭가공에 사용되는 것에 한정되지 않는다. 예를 들면 전삭가공에 사용되는 절삭공구에 상기 실시형태의 피복공구(1)를 사용해도 좋다.
이하에, 본 개시의 초경합금의 제조 방법에 대해서 설명한다.
원료분말로서, WC 분말, Co 분말, ZrC 분말, TiC 분말을 준비한다. 원료분말의 평균 입경은 0.1∼10㎛의 범위에서 적당하게 선택하면 좋다.
WC 분말은 80∼92.5질량%로 하면 좋다. 또한 ZrC 분말은 0.5∼2.0질량%로 하면 좋다. TiC 분말은 1.0∼4.0질량%의 범위로 하면 좋다. NbC 분말은 0∼5질량%로 하면 좋다. TaC 분말은 0∼5질량%로 하면 좋다. 그리고, 잔부를 Co 분말로 하면 좋다. 또한 소망에 의해 NbC 분말, TaC 분말을 첨가해도 좋다.
이들의 원료분말을 혼합하고, 성형한 후, 탈바인더 처리를 행하고, 진공, 아르곤 분위기 및 질소 분위기 등의 비산화성 분위기 중에서 1450∼1600℃의 온도에서 30∼180분간 소성함으로써 본 개시의 초경합금이 얻어진다.
이 초경합금을 피복공구의 기체의 형상으로 하고, 그 표면에 피복막을 형성함으로써, 본 개시의 피복공구가 된다.
또, CVD법으로 피복층을 형성함으로써 피복공구의 슬라이딩성이나 내마모성이 향상된다. CVD법으로 형성하는 피복층으로서는 초경합금의 표면에, 초경합금쪽으로부터 순차적으로 TiCN층을 3∼15㎛, Al2O3층을 1∼15㎛ 형성하면 좋다.
또한 초경합금의 표면에, 초경합금쪽으로부터 순차적으로 TiN층을 0.1∼1.5㎛, TiCN층을 3∼15㎛, Al2O3층을 1∼15㎛ 형성하면 좋다.
이상, 본 개시의 초경합금, 그것을 사용한 피복공구, 절삭공구에 대해서 설명했지만, 본 개시는 상기 예 이외에도 여러가지 변경을 행해도 좋다.
실시예
이하, 본 개시의 실시예를 구체적으로 설명한다.
WC 분말, Co 분말, ZrC 분말, TiC 분말, TaC 분말, Cr 분말을 소정의 비율로 혼합하고, 제작한 성형체를 1520℃의 온도에서 2시간 유지해서 소성하고, 표 1에 나타내는 조성의 초경합금을 제작했다. 또, 각각의 조성은 소결체에 포함되는 원소를 표 1의 화합물로 환산해서 나타내고 있다. 원료분말의 평균 입경은 각각 WC:3㎛, Co:1.5㎛, TiC, ZrC, TaC, Cr:1㎛였다. 그리고, 초경합금에 포함되는 Co의 결정상을, XRD를 이용하여 특정했다. 또한, 아울러 Co의 격자정수의 고용체상을 평가했다. 얻어진 초경합금에 포함되는 Co의 결정상은 모두 입방정이었다. 또, 시료 No. 1에서는 ZrC를 사용하지 않고, Cr을 첨가했다. 각 시료의 격자정수를 표 1에 나타낸다.
Figure pct00001
또한 초경합금의 고온특성을 평가했다. 초경합금의 고온특성은 하기 조건의 고온 크리프 시험으로 평가했다. 고온 크리프 시험의 변위량을 표 1에 나타낸다. 이 고온 크리프 시험의 결과는 소성 변형량이 클수록 마이너스의 수치가 커진다. 따라서, 소성 변형이 작은 경우에는 측정값의 절대값이 0에 가깝다. 소성 변형이 큰 경우에는 측정값의 절대값이 크다.
<고온 크리프 시험>
·온도:900℃
·하중:9kN
·분위기:아르곤
·평가 방법:하중을 가해서 4시간 유지했을 때의 변위량을 측정했다
또한 표 1에 나타내는 조성으로 CNMG120408형상의 샘플을 작성하고, 초경합금측으로부터 순차적으로 TiN막을 0.5㎛, TiCN막을 7㎛, Al2O3막을 5㎛의 두께로 각각 성막하고, 피복공구를 제작하고, 하기의 조건으로 절삭시험을 행했다.
<절삭시험>
(1)내결손성 평가
·절삭조건
·가공 형태:선삭
·절삭속도:300m/min
·이송:0.3mm/rev
·절입:1.5mm
·피삭재:SCM440 4개 홈형성 φ200 환봉
·가공 상태:WET
·평가 항목:결손이 발생할 때까지의 충격 횟수
(2)내마모성 평가
·절삭조건
·가공 형태:선삭
·절삭속도:300m/min
·이송:0.3mm/rev
·절입:2.0mm
·피삭재:SCM435 φ200 환봉
·가공 상태:WET
·평가 항목:플랭크면 마모폭이 0.3mm가 될 때까지의 절삭시간
Co의 격자정수가 3.5575Å를 초과하고, Zr을 함유하지 않는 시료 No. 1은 크리프 시험 변위량이 크고, 소성변위가 컸다. 또한 결손도 비교적 빨리 발생하고, 마모량도 컸다.
Co의 격자정수가 3.5575Å 미만인 시료 No. 2는 크리프 시험 변위량의 절대값이 크고, 결손이 비교적 빨리 발생했다. 또한 마모량도 컸다.
Co의 격자정수가 3.5600Å를 초과한 시료 No. 7은 크리프 시험 변위량의 절대값은 작았지만, 결손이 비교적 빨리 발생했다. 또한 마모량도 컸다.
한편, Co가 Zr을 함유하고, Co의 격자정수가 3.5575Å를 초과하고, 3.5600Å 이하인 시료 No. 3∼6은 소성변위가 작고, 결손이 비교적 늦게 발생했다. 또한 마모량도 작았다.
이상, 본 개시의 실시형태에 대해서 설명했지만, 본 개시는 상기 실시형태에 한정되지 않고, 본 개시의 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서, 각종 개량 및 변경을 행해도 좋다.
1: 피복공구
3: 기체
5: 피복층
5a: TiCN층
5b: Al2O3층
17: 관통구멍
101: 절삭공구
103: 포켓
105: 홀더
107: 고정 나사

Claims (7)

  1. W와 C를 함유하는 경질상과, 입방정의 Co를 함유하는 결합상을 함유해서 이루어지는 초경합금으로서,
    상기 결합상은 Zr을 함유하고 있고, 상기 Co의 격자정수가 3.5575Å를 초과하고, 3.5600Å 이하인 초경합금.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 Co의 격자정수는 3.5580∼3.5595Å인 초경합금.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 Zr을 ZrC 환산으로 1.0∼1.5질량% 함유하고 있는 초경합금.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 초경합금의 표면에 위치하는 피복층을 갖는 피복공구.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 피복층은 상기 초경합금쪽으로부터 순차적으로 TiCN층과 Al2O3층을 갖는 피복공구.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 피복층은 상기 초경합금쪽으로부터 순차적으로 TiCN층과 TiN층과 Al2O3층을 갖는 피복공구.
  7. 제1단으로부터 제2단을 향해서 연장되고, 상기 제1단측에 포켓을 갖는 홀더와,
    상기 포켓에 위치하는 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 피복공구를 구비한 절삭공구.
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