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1. WO2020111658 - INSERT DE COUPE POUR DES MATÉRIAUX DIFFICILES À DÉCOUPER

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명세서

발명의 명칭

기술분야

1   2  

배경기술

3   4   5   6   7   8  

발명의 상세한 설명

기술적 과제

9   10  

과제 해결 수단

11   12   13   14   15  

발명의 효과

16   17  

도면의 간단한 설명

18   19  

발명의 실시를 위한 최선의 형태

20   21   22   23   24   25   26   27   28   29   30   31   32   33   34   35  

발명의 실시를 위한 형태

36   37   38   39   40   41   42   43   44   45   46   47   48   49   50   51   52   53   54   55   56   57  

청구범위

1   2   3   4   5   6  

도면

1  

명세서

발명의 명칭 : 난삭재용 절삭 인써트

기술분야

[1]
본 발명은 인코넬이나 티타늄과 같이 열전도도가 낮은 난삭재의 가공에 적합하게 사용될 수 있는 PVD 세라믹 박막 코팅 절삭 인써트에 관한 것이다.
[2]

배경기술

[3]
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.
[4]
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 제어가 많이 사용되어 왔다.
[5]
ISO 피삭재 분류상 S 영역에 해당되는 인코넬, 티타늄(Ti) 합금 등은 경도와 인장강도가 높으면서 열전도도가 낮아 매우 가공이 어려운 난삭재에 해당된다. 일반적으로 난삭재의 가공에서는 절삭공구 절미를 향상시키는 날카로운 인선 형태를 적용하는데, 이 구성은 높은 경도를 가지면서 동시에 용착성이 있는 난삭재의 저속가공에서 구선 인선을 최소화하기 위한 선택이다.
[6]
그런데, 실제 열전도도가 매우 낮은 난삭재의 절삭가공에서는 날카로운 절삭 인써트의 날끝에 가공열이 집중되기 때문에 용착에 의한 날끝의 파괴를 효과적으로 막기가 매우 어려운 실정이다. 이러한 이유로, 일반적으로 난삭재 가공용 절삭 인써트에 절삭가공 시 열차단 효과, 내마모성 향상 효과, 초경합금 모재와의 용착을 막기 위해 세라믹 물질을 코팅한다.
[7]
한편, 세라믹 물질이 코팅된 절삭 인써트를 난삭재 가공에 사용한 후, 날끝의 손상 부위를 자세히 관찰하면, 세라믹 박막의 뜯김과 부서짐 손상이 발생하면서 모재와의 용착 및 급속마모가 진행되는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 난삭재용 절삭 인써트의 수명을 증가시키기 위해서는 절삭 가공시 발생하는 세라믹 박막의 뜯김과 부서짐 손상을 억제할 수 있는 것이 중요하다.
[8]

발명의 상세한 설명

기술적 과제

[9]
본 발명의 해결 과제는 난삭재 가공시 절삭 인써트의 날끝 부위에서 발생하는 세라믹 박막의 소성변형을 억제하고 모재의 용착을 억제함으로써, 수명을 연장시킬 수 있는 절삭 인써트를 제공하는데 있다.
[10]

과제 해결 수단

[11]
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명은, 임의의 부분을 주사전자현미경을 이용하여 2만배로 관찰하였을 때, 1.5㎛×1.5㎛(가로×세로)의 면적이 내부에 들어가는 Co 조직의 면적이 전체 Co 조직 면적의 10% 이하이고, 하기 [식 1]에 의해 구해지는 SMS 값이 50 ~ 80%인 초경합금 모재와, 상기 초경합금 모재 상에 형성된 두께 0.4 ~ 1.5㎛의 세라믹 박막을 포함하는, 난삭재용 절삭 인써트를 제공한다.
[12]
[식 1]
[13]
SMS = 소결체의 포화자화값×100/TMS
[14]
(TMS = 2010×Co의 질량비)
[15]

발명의 효과

[16]
본 발명에 따른 절삭 인써트는, 내소성변형성이 향상되고 용착이 잘 일어나지 않도록 제어된 미세조직을 구비한 초경합금 모재와 밀착도와 경도가 강화된 얇은 세라믹 박막의 조합을 통해, 고온, 고압하의 절삭 인써트의 날끝에서 발생하는 세라믹 박막의 손상과 모재의 용착을 억제하여, 난삭재 가공에 사용되는 절삭 인써트의 수명을 크게 향상시킬 수 있다.
[17]

도면의 간단한 설명

[18]
도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 절삭 인써트의 절삭 시험 후의 상태를 나타낸 것이다.
[19]

발명의 실시를 위한 최선의 형태

[20]
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.
[21]
난삭재의 가공 시에, 고온, 고압하의 절삭 인써트의 날끝에서 미세한 소성변형이 발생하고, 이러한 미세한 소성변형에 의해 세라믹 박막이 부서지며, 이로 인해 노출된 모재 부분에서 급격한 용착이 일어나 큰 용착 탈락으로 이어져, 결과적으로 인선 손상을 초래한다. 특히, 부절인부 박막이 마모된 후에 모재와 피삭재 간의 용착 현상이 가공 조도(roughness)를 악화시켜 절삭 인써트의 수명을 단축시키는 주요한 원인이 된다.
[22]
본 발명에 따른 절삭 인써트는, 임의의 부분을 주사전자현미경을 이용하여 2만배로 관찰하였을때, 1.5㎛×1.5㎛(가로×세로)의 면적이 내부에 들어가는 Co 조직의 면적이 전체 Co 조직 면적의 10% 이하이고, 하기 [식 1]에 의해 구해지는 SMS 값이 50 ~ 80%인 초경합금 모재와, 상기 초경합금 모재 상에 형성된 두께 0.4 ~ 1.5㎛의 세라믹 박막을 포함하는 것을 특징으로 한다.
[23]
[식 1]
[24]
SMS = 소결체의 포화자화값×100/TMS
[25]
(TMS = 2010×Co의 질량비)
[26]
본 발명은, 모재로 SMS 값이 50 ~ 80%인 초경합금을 사용함으로써 내소성변형성을 향상시켜 세라믹 박막의 부서짐을 억제하고, 동시에 모재를 구성하는 Co의 미세 조직을 1.5㎛×1.5㎛(가로×세로)의 면적이 내부에 들어가는 Co 조직의 면적이 전체 Co 조직 면적의 10% 이하가 되도록 하여 세라믹 박막이 변형에 의해 부서지더라도 용착이 쉽게 발생하지 않도록 하였다. 또한 초경합금 모재에 형성되는 세라믹 박막의 두께를 얇게 형성하였다. 이러한 여러 구성의 조합을 통해, 난삭재 가공용 절삭 인써트의 수명을 크게 향상시킬 수 있다.
[27]
상기 초경합금 모재는, Co 4 ~ 8중량%, 텅스텐(W)를 제외한 주기율표 중 4족, 5족, 6족 금속에서 선택되는 1종 이상의 금속의 탄화물, 탄질화물, 탄산질화물 또는 이들의 혼합물을 포함하는 입성장억제제와 희토류 원소의 합이 5중량% 이하, 나머지 WC와 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
[28]
상기 Co는 주경질상인 WC를 잡아주는 바인더 역할을 하는 것으로, Co 함량이 증가함에 따라 인성이 증가하고 함량이 감소함에 따라 인성이 감소하는 경향을 보인다. Co함량이 4중량% 미만일 경우 모재의 인성이 부족하게 되고, Co 함량이 8중량%를 초과하게 될 경우, 내소성변형성이 낮아지므로, 4 ~ 8중량%가 바람직하다.
[29]
상기 입성장억제제는 5중량%를 초과할 경우 WC와 바인더와의 결합력이 떨어져 외부로부터 받는 충격에 의해 WC와 바인더 간의 균열발생이 쉽게 일어나기 때문에 공구수명을 저하시킬 수 있기 때문에, 입성장억제제는 5중량% 이하로 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 입성장억제제의 함량이 0.1중량% 미만일 경우 입성장억제 효과의 감소와 고온 내소성변형성이 감소할 수 있으므로, 0.1중량% 이상으로 포함하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기 초경합금에는 고용강화 효과를 갖도록 하는 희토류 원소를 1종 이상 선택적으로 포함할 수 있으며, 이 경우 입성장억제제와 희토류 원소의 합이 5중량% 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다. 희토류 원소로는 예를 들어 루테늄(Ru), 가돌리늄(Gd), 레늄(Re) 등이 사용될 수도 있다.
[30]
상기 불가피한 불순물이란, 원료 및 제조과정에서 의도하지 않게 혼입되는 불순물로, 0.1중량% 이하, 바람직하게는 0.01중량% 이하가 되도록 한다.
[31]
상기 초경합금 모재는, 기계적 물성을 저하시키는 델타(δ) 상과 프리카본(free carbon) 상과 같은 비정상 조직을 실질적으로 포함하지 않는 것이 바람직하다.
[32]
상기 초경합금 모재와 세라믹 박막간의 밀착도는 스크레치 테스터로 75N 이상을 유지하는 것이 바람직하다. 밀착도는 상기 범위 이상이면 본 발명에서 목적하는 효과를 달성할 수 있으므로, 그 상한값은 특별히 제한하지 않는다.
[33]
상기 세라믹 박막의 경도는 절삭가공 시의 미세 소성변형을 억제하기 위하여, 30GPa 이상인 것이 바람직하다.
[34]
상기 세라믹 박막은 PVD법으로 형성되는 Ti 1-a-bAl aMe bN(Me은 Si, W, Nb, Mo, Ta, Hf, Zr, Y 중에서 선택되는 적어도 1종, 0.3≤a≤0.7, 0≤b≤0.1)을 포함하는 1층 이상으로 이루어질 수 있다.
[35]

발명의 실시를 위한 형태

[36]
본 발명의 실시예에 따른 절삭공구에 사용된 모재인 초경합금은 다음과 같은 공정을 통해 제조하였으며, 본 발명의 실시예에 따른 모재와의 비교를 위하여 다양한 조성 및 공정에 따른 초경합금을 함께 제조하였다.
[37]
이를 위해, 먼저 아래 표 1의 조성을 갖도록 초경합금 제조용 원료분말을 제조하였다.
[38]
상기와 같이 준비된 원료분말에 초경 볼과 유기용매를 첨가하여 13시간 혼합 분쇄 이후 건조해 혼합분말을 얻었다. 얻어진 혼합분말을 가지고 CNMA120408(한국야금)의 형번의 금형으로 2ton/㎠의 압력으로 프레스를 수행하여 성형체를 제조하였다.
[39]
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 소정의 냉각 속도로 냉각시킨 후, 이후 자연 냉각시키는 방법으로 소결공정을 수행하였다.
[40]
[표1]
순번 WC 모재 조성(중량%) A(㎛) B (%) SMS(%) 박막두께(㎛) 비고
입도4.5 입도2.5 입도1.0 Co Cr3C2
1 92.8 6 1.2 3.2 72% 62 0.6 비교예
2 42.8 50 6 1.2 2.4 63% 61 0.6 비교예
3 92.8 6 1.2 1.9 48% 62 0.7 비교예
4 70 22.8 6 1.2 1.4 9% 62 0.6 실시예
5 22.8 70 6 1.2 1.1 3% 60 0.7 실시예
6 92.8 6 1.2 0.7 1% 61 0.7 실시예

[41]
상기 표 1에서, 'A(㎛)'는 소결후 Co 조직 내에 삽입 가능한 내접 직경에서 최대의 크기를 의미한다. 'B(%)'는 소결후 Co 조직에 있어서, 1.5㎛×1.5㎛(가로×세로)의 면적이 내부에 들어가는 Co 조직의 면적이 전체 Co 조직 면적에서 차지하는 비율을 의미한다. '입도 4.5'는 제조에 사용된 출발 분말의 평균입도가 4.5㎛임을 의미한다. '입도 2.5'는 제조에 사용된 출발 분말의 평균입도가 2.5㎛임을 의미한다. '입도 1.0'은 제조에 사용된 출발 분말의 평균입도가 1.0㎛임을 의미한다.
[42]
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, WC 입도의 조절을 통해, 소결후 Co 조직에 있어서, 1.5㎛×1.5㎛(가로×세로)의 면적이 내부에 들어가는 Co 조직의 면적이 전체 Co 조직 면적에서 차지하는 비율을 제어할 수 있다. 비교예(시편번호 No.1 ~ 3)의 경우, 상기 비율이 48% 이상이 되나, 실시예(시편번호 No.4 ~ 5)의 경우, 상기 비율이 10% 미만으로 이루어져 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 초경합금의 미세조직은, 1.5㎛×1.5㎛(가로×세로)의 면적이 내부에 들어가는 조대한 Co 조직이 거의 없는 상태로 제어되었다.
[43]
한편, 초경합금의 SMS는 60 ~ 62%를 유지함으로써, 내소성변형성이 일정 수준 이상이 되도록 유지하였으며, 델타상이나 프리카본과 같은 비정상 조직은 확인되지 않았다.
[44]
이상과 같이 제조된 총 6종의 초경합금 모재의 표면에, 상기 표 1과 같이, 상용화된 PVD법을 사용하여, 0.6 ~ 0.7㎛가 되도록 두께를 제어하여, Ti 0.46Al 0.52Si 0.02N 박막을 코팅하였고, 상기 박막의 밀착도는 95N가 되도록 하였다.
[45]
[46]
절삭 성능 평가
[47]
이상과 같이 세라믹 박막이 형성된 절삭 인써트를 다음과 같은 조건으로 내마모성을 평가하였으며, 그 결과를 아래 표 2에 정리하였다.
[48]
- 피삭재: Inconel 718, Φ100
[49]
- Vc(절삭속도): 50mm/min
[50]
- fn(이송속도): 0.25mm/rev
[51]
- ap(절입깊이): 2.0mm
[52]
- 건/습식: 습식(wet)
[53]
[표2]
순번 4분 가공 후 조도(Ra;㎛) 비고
1 2.6 비교예
2 2.4 비교예
3 1.9 비교예
4 0.9 실시예
5 0.8 실시예
6 0.8 실시예

[54]
도 1에서 확인되는 바와 같이, No.1 ~ No.2에 따른 절삭 인서트의 경우, 2분간 정도의 가공에도 용착 현상이 나타나기 시작하고 이어지는 가공에서 용착부분이 조대해지는 현상이 나타났다. 또한, No.3에 따른 절삭 인서트는 3분 간의 가공에서 용착 현상이 나타나기 시작하고 이어지는 가공에서 마찬가지로 용착부분이 커지는 현상이 나타났다. 이에 따라, 4분 가공후의 No.1 ~ No.3에 따른 절삭 인서트의 가공 조도는 1.9 ~ 2.6㎛ 수준으로 좋지 않은 상태를 나타내었다.
[55]
이에 비해, 본 발명의 실시예인 No.4 ~ No.6에 따른 절삭 인서트는, 4분간의 가공에도 용착 현상이 거의 관찰되지 않았고, 가공 조도도 0.8 ~ 0.9㎛ 수준으로 양호하게 나타났다.
[56]
즉, 본 발명의 실시예에 따른 절삭 인써트는 인코넬과 같은 난삭재 가공에 우수한 절삭 성능을 발휘할 수 있음을 알 수 있다.
[57]
본 발명은 대한민국 산업통상자원부와 한국산업기술평가관리원으로부터 지원받은 미래성장동력사업의 "항공·에너지 플랜트 고경도 내열합금 가공용 코팅초경/cBN/세라믹스 공구 개발과제"(과제고유번호 10067065)를 수행하여 이루어졌다.

청구범위

[청구항 1]
임의의 부분을 주사전자현미경을 이용하여 2만배로 관찰하였을때, 1.5㎛×1.5㎛(가로×세로)의 면적이 내부에 들어가는 Co 조직의 면적이 전체 Co 조직 면적의 10% 이하이고, 하기 [식 1]에 의해 구해지는 SMS 값이 50 ~ 80%인 초경합금 모재와, 상기 초경합금 모재 상에 형성된 두께 0.4 ~ 1.5㎛의 세라믹 박막을 포함하는, 난삭재용 절삭 인써트. [식 1] SMS = 소결체의 포화자화값×100/TMS (TMS = 2010×Co의 질량비)
[청구항 2]
제1항에 있어서, 상기 초경합금 모재는, Co 4 ~ 8중량%, 텅스텐(W)를 제외한 주기율표 중 4족, 5족, 6족 금속에서 선택되는 1종 이상의 금속의 탄화물, 탄질화물, 탄산질화물, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 입성장억제제와 희토류 원소의 합이 5중량% 이하, 나머지 WC와 불가피한 불순물을 포함하는 초경합금인, 난삭재용 절삭 인써트.
[청구항 3]
제1항에 있어서, 상기 초경합금 모재는, 델타 또는 프리카본과 같은 비정상 조직이 없는, 난삭재용 절삭 인써트.
[청구항 4]
제1항에 있어서, 상기 초경합금 모재와 세라믹 박막간의 밀착도는 스크레치 테스터로 75N 이상인, 난삭재용 절삭 인써트.
[청구항 5]
제1항에 있어서, 상기 세라믹 박막의 경도는 30GPa 이상인, 난삭재용 절삭 인써트.
[청구항 6]
제1항에 있어서, 상기 세라믹 박막은, PVD법으로 형성되는 Ti 1-a-bAl aMe bN(Me은 Si, W, Nb, Mo, Ta, Hf, Zr, Y 중에서 선택되는 적어도 1종, 0.3≤a≤0.7, 0≤b≤0.1)을 포함하는 1층 이상으로 이루어진, 난삭재용 절삭 인써트.

도면

[도1]