KR20010033219A

KR20010033219A - 코팅된 소결탄화물 절삭 공구 및 다이아몬드를 사용한이의 코팅방법

Info

Publication number: KR20010033219A
Application number: KR1020007006615A
Authority: KR
Inventors: 미쿠스마리안; 라이네크인그리드
Original assignee: 레나르트 태퀴스트; 산드빅 악티에볼라그
Priority date: 1997-12-18
Filing date: 1998-12-18
Publication date: 2001-04-25
Also published as: EP1042527A1; EP1042527B1; DE69829076T2; ATE289365T1; US6447912B1; IL136362A; SE9704742D0; IL136362A0; JP2002508449A; WO1999031292A1; DE69829076D1

Abstract

본 발명에 따르면, 하나 이상의 내마모층을 갖는 소결 탄화물체가 제공되며, 이 본체는 소결 탄화물 내에, 적용 층에 인접한 구역을 함유하고, 특정 배향을 갖는 삼각형 WC 소판을 함유한다. 다른 결합제 상 구배도 가능하다. 이 본체는 특히 CVD 다이아몬드층을 적용할 때 적합하다.

Description

코팅된 소결탄화물 절삭 공구 및 다이아몬드를 사용한 이의 코팅 방법{COATED CEMENTED CARBIDE CUTTING TOOL AND METHOD OF COATING IT WITH DIAMOND}

소결탄화물의 내마모 코팅은, 기계적 부착을 일부 포함하는(즉, 거친 표면으로 인하여 적용 코팅이 기계적으로 고정된다.) 몇가지 메카니즘을 통해 부착된다.우수한 기계적 부착을 위하여 몇가지 방법이 제시되었다.(EP-A-500 283 참조) 다이아몬드 층의 경우에 부착시키기가 특히 어려운데, 결합제 금속이 존재하여 부착을 어렵게 하기 때문이다. 소결 탄화물에 다이아몬드층을 잘 부착시키기 위해서는, 표면 영역으로부터 결합제 금속을 에칭해내는 것이 일반적인 방법이다.(EP-A-0 500 253 참조) 그러나, 이런 경우에, 느슨하게 결합되어 있는 탄화물 그레인 때문에 부착이 잘 되지 않을 가능성이 증가한다. 다른 방법에서는, 결합제 상의 표면 영역을 비우기(deplete) 위하여 에타 상(eta phase) 함유체(US 4,843,039)를 탄화 소결(carburising sintering)한다. 이러한 처리를 통하여, 특정 인성(toughness)이 요구되는 절삭에 별로 적합하지 못한, 비교적 부서지기 쉬운 표면 영역 및 부서지기 쉬운 코어가 얻어진다.

또 다른 다이아몬드 코팅용 소결 탄화물의 제조 방법이 WO 95/15258호에 개시되어 있으며, 이에 따르면 N₂함유 대기에서 열처리를 통하여 거친 표면을 얻는다. 이와 같이 표면을 처리하면 결합제 상이 없다. 그러나, WO 95/15258에 개시된 바와 같이 열처리하는 동안, 표면에서 뿐 아니라 본체(body)에서도 일반적으로 그레인이 성장하여, 구조 내에 큰 WC-그레인이 형성된다.

US 4,830,886호에는, CVD 공정 후에 TiCN-층을 통하여 에타상 층을 탄화함으로써, TiCN 층의 CVD 증착동안 형성되어진 에타상 층을 없애는 방법이 개시되어 있다.

EP-A-759 480호에는 삼각형의 WC-소판(WC-platelets)을 함유하는 소결 탄화체가 개시되어 있다. 이 소판은 삼각형 표면이 본체의 표면과 평행하게 배향된다. 이 본체는 인성이 개선되는 것으로 알려져 있다.

US 5,100,703호에는 다이아몬드-코팅된 소결체가 개시되어 있으며, 이 소결체는, 주로 W₂C 및 WC 혼합물 및 불가피한 불순물로 구성되며 경상(hard phase)인 소결체 표면에 침착되어 있는 다이아몬드 및/또는 다이아몬드-형 탄소 필름을 포함하여 이루어진다.

본 발명자들은 놀랍게도, 소결 탄화물체 표면 영역에서, 초기 탈탄화(decarburization) 또는 탈탄화 + 중성 가스 대기 또는 진공에서의 열처리를 통하여 에타 상 함유 표면 영역을 얻은 후, 상기 영역을 완전한 재탄화(recarburization)하여 에타상을 WC+Co로 완전히 변환시킴으로써, WC 그레인의 배향, 크기 및 형태의 변화를 제어할 수 있다는 것을 알아내었다.[에타 상은 일반적으로 W-Co-C를 M₆C 또는 M₁₂C(M=W 및 Co 및/또는 Fe 및/또는 Ni, 예를 들어, M₁₂C=Co₆W₆C 및 M₆C=Co₃W₃C, W₄Co₂C) 비율로 포함하여 이루어지는 탄소 함량이 낮은 탄화물의 일반명이다.] WC 그레인 형태는 삼각형 소판(triangular platelets)이다. 소판 함유 영역은 다른 결합제 상 구배 구역과 결합될 수 있다. 이어서 증착된 내마모성 코팅은 이 본체에 매우 잘 부착되는 것으로 밝혀졌다.

도 1a는 삼각형 WC 소판을 도시한 것으로, L은 길이, T는 두께, 및 A는 측변이 L이고 두께가 T인 직사각형 영역이고,

도 1b는 본체 표면에 대한 소판의 배향을 도시한 것으로,

α는 A 면의 법선과 표면 평면 간의 각이며, 소판의 삼각형쪽 평면에서 측정한 것이고,

β는 A 표면의 법선과 표면 평면 간의 각이며, 소판의 삼각형 표면에 대하여 직각인 평면에서 측정한 것이고,

도 2a는, 탈탄화하여 에타 상, 또는 W+Co₇W₆, 또는 W+에타상을 반드시 함유하는 표면 구역 A1과, 이 구역에 인접하고 소량의 에타 상(및, 아마도 WC 및/또는 Co)을 함유하는 선택적인 구역 A2를 얻은, 본 발명에 따른 본체를 나타낸다. 구역 A3는 에타상을 함유하지 않고 A1, A2 구역보다 결합제 상 함량이 감소되어 있으며, 구역 B4는 본체 중 영향을 받지 않는 부분을 나타낸다.),

도 2b는 B1 구역이 WC 소판을 함유하는 탄화 후의 본체를 나타내며, 내부 구역 B2 및 B3는 다른 결합제 상 구배를 포함하여 이루어지고, 구역 B4는 본체 중 영향을 받지 않는 부분을 나타내고,

도 3a는 본 발명에 따른 비코팅 WC-Co 소결탄화물 표면의 주사 전자 현미경(scanning electron micrograph) 사진(3000X)이고,

도 3b는 다이아몬드 층이 코팅된 도 3a과 동일한 본체의 단면의 주사 전자 현미경 사진(3000X)이고,

도 4a는 본 발명에 따른, 도 3a과 다른 결합제 상 분포를 갖는, 비코팅 WC-Co 소결 탄화물 표면의 주사 전자 현미경 사진(3000X)이고,

도 4b는 도 4a 본체의 단면의 주사 전자 현미경 사진(1750X)이고,

도 5a는 본 발명에 따른 WC-Co-감마상 그레이드의 비코팅 소결 탄화물 표면의 주사 전자 현미경 사진(3000X)이고,

도 5b는 도 5a의 본체 단면의 주사 전자 현미경 사진(1500X)이고,

도 6a 내지 6d는 탄화 처리 후 얻어지는, 다양한 결합제 상 분포의 예와 구역 B1 내지 B4의 위치를 나타낸 것이다.

본 발명의 일 실시형태에서, 소결 탄화물체는 우선 탈탄화되어 Co₆W₆C, Co₃W₃C, A1+A2와 같은 에타상 표면 구역이 형성된다. 이러한 에타 상 함유 표면 구역은 두께가 3 내지 100㎛이며, 적어도 부분적으로 상호 연결된 에타상으로 구성된다. 이 구역에서 에타상의 양은 〉60 체적%이다.

바람직한 실시형태에서, 표면 구역 A1은 WC 상을 함유하지 않는다.

이 본체를 H₂+H₂O와 같은 탈탄화 대기 중에서 900 내지 1350℃, 바람직하기는 950 내지 1250℃의 온도로 가열하여 탈탄화한다. 처리 시간은 1 내지 10 시간이 바람직하다. 낮은 온도-950 내지 1000℃에서 탈탄화하면, 에타상을 포함하여 이루어지는 탈탄화된 구역의 두께가 처리체의 전체 표면에서 좀 더 균일하다. 높은 온도-1200 내지 1250℃에서 탈탄화하면, 본체의 평평한 면보다 가장자리 및 모퉁이에서 에타상을 포함하는 탈탄화 구역이 두껍다.

탄화 열처리 전에, 표면 구역에 W, Co₇W₆과 같은 에타상 이외의 다른 상이 존재하면 에타 상으로 전환시킨다. 이는, 1050 내지 1350℃의 승온 및 중성 가스 대기 또는 진공 중에서의 별도의 열처리 단계로 실시할 수 있으며, 이 때 W 및 Co₇W₆상은 소결 탄화물에 존재하는 탄소와 반응하여 에타상, 바람직하기는 M₆C 상을 형성한다.

다른 방법으로는, 본체를 산화할 수 있으며, 바람직한 처리는 다음 단계를 포함하여 이루어진다.

1 단계: 공기, CO₂또는 O₂, 바람직하기는 공기 중에서 500 내지 900℃로 열처리하여 WO₃또는 CoWO₄와 같은 산화물을 형성시킨다.

2 단계(선택적): 예를 들어 H₂를 포함하여 이루어지는 환원 대기하에서 500 내지 900℃로 열처리하여 산화물을 예를 들어 W 및 Co₇W₆와 같은 금속으로 변환시킨다.

3 단계: 진공 또는 Ar에서 에타 상이 형성되도록 1000 내지 1400℃로 열처리한다.

이러한 산화 처리는 WC-Co 그레이드, 또는 감마 상 함량이 낮은(〈3wt%) 그레이드에 더욱 적합한데, 안정한 Ti, Ta 및 Nb 산화물을 형성하기 때문이다.

탈탄화 처리를 통하여 에타 상(또는 W 및 Co₇W₆)으로 구성되는 표면 구역 A1이 얻어진다. 에타상 및 WC 를 함유하는 구역 A2도 존재한다. A2 는 A1보다 에타 상의 양이 적다. 탈탄화를 약하게 실시하면 A1은 존재하지 않고 A2만이 존재한다.

탈탄화된 구역이 주로 에타상을 포함하여 이루어지는 경우, 본 발명은 초기 탈탄화에 이어서 탄화 단계를 포함하여 이루어진다. 이 단계에서, 에타상은 WC+Co로 완전히 변환된다. 탄화 처리는, H₂중 CH₄0.5 내지 10%, 바람직하기는 2 내지 4% 대기에서, 에타상의 두께에 따라 20분 내지 10 시간동안, 바람직하기는 대기압 및 1275 내지 1340℃, 바람직하기는 1320 내지 1340℃의 온도로 열처리하는 단계를 포함하여 이루어진다. 바람직한 공정에는, ZrO₂-Y₂O₃코팅을 갖는 그래파이트 지지체 또는 탄소가 없는 지지체 상에서 소결 탄화물체를 탄화하는 단계가 포함된다. 그래파이트 지지체가 사용되고, 탈탄화된 구역이 W상을 포함하여 이루어지는 경우, 그래파이트 지지체를 탄소원으로 사용하여 W상은 WC로 직접 변환된다. 이러한 경우에, 탄화 전에 에타 상이 존재하지 않으므로, WC 소판은 형성되지 않는다.

바람직하게 H₂+ CH₄가스 대기에서 탄화 열처리하면, 두께 100㎛ 이하, 바람직하기는 5 내지 50㎛의 표면 구역 B1가 얻어지며, 이 구역은 본질적으로 삼각형 WC 소판을 포함한다. 이 소판의 크기는 주로 A1 및 A2의 두께에 달려있다. A1+A2가 크면 소판은 커진다.

WC 소판은 어느 정도까지 부분적으로 서로 상호-성장한다. WC 소판은 소결 탄화물체 표면의 30% 이상, 바람직하기는 50% 이상, 더욱 바람직하기는 75% 이상 존재한다.

WC 소판의 30% 이상, 바람직하기는 50% 이상은 길이(L): 두께(T)의 비율이 2:1 보다 크고, 더욱 바람직하기는 3:1보다 크다. 소판의 평균 크기는 길이 L〈=50㎛, 바람직하기는 L〈=10㎛, L〉=2㎛이다. WC 소판은 길이의 1/5 내지 4/5가 표면 레벨 위로 튀어나와 있는 것이 바람직하다.

바람직한 실시형태에서, 대다수의 WC 소판은, 도 1b에서 정의되는 바와 같은 각 α 및 β가 소판의 30% 이상에서 90 ±45°이내가 되도록 배향된다.

XRD 회절 측정에 기초하여 텍스추어 계수(Texture Coefficient, TC)는 다음과 같이 정의할 수 있다.

[단, 상기 식에서 I(hkl)= (hkl) 반사에 대한 측정 강도

I(hkl)=ASTM 표준 분말에 대한 표준 강도이고,

패턴 회절 데이터

n=계산에 사용된 반사 수, (hkl)

사용되는 WC 반사는 001, 100, 101, 110, 002, 111, 200, 102

또한, 텍스추어 계수 비율(TCR)는 TCR(100:001)=TC(100):TC(001)로 정의될 수 있다.

본 발명에 따르면, 무작위로 관련된 10개 이상의 본체로부터 계산한 평균 TC 텍스추어 계수 비 TCR(100:001)는, 1.75보다 크고, 바람직하기는 2.0보다 크고, 더욱 바람직하기는 2.5보다 크며, 가장 바람직하기는 3.0보다 크다.

수 개의 결합제 상 구배가 가능하다.

제 1 실시형태에서, 폭 5 내지 50㎛의 A1+A2를 갖는 에타상 함유체를 사용하여, 1200 내지 1330℃에서 0.5 시간동안 진공중에 처리한 후 1330 내지 1375℃, 0.2 시간 내지 1 시간동안 CH₄+H₂대기에서 처리함으로써, 결합제 상 구배를 얻는다. 탄화 처리 후, 결합제 상 함량은 구역 B1에서 명목상 함량의 〈20%로부터, 구역 B2에서 〈70%까지 증가하고, 또한 구역 B3에서 명목상 결합제 상 함량보다 최대 〉10%까지 증가한다. B1+B2+B3의 총 두께는 25내지 500㎛이다. 결합제 상 분포의 예는 도 6a에 도시한다.

다른 바람직한 실시형태에서는, 폭 5 내지 20㎛의 A1+A2를 갖는 본질적으로 화학량론적인 WC-Co체를 사용하여, 1200 내지 1330℃에서 1/2시간동안 진공 중에 열처리한 후, 1320 내지 1340℃에서 0.2 내지 1시간동안 CH₄+H₂중에 열처리한다. 탄화체에 대한 결합제 상 함량은, B1에서 명목상 함량의 〈20%로부터, B2에서 명목상 결합제 상 함량의 〉10%까지, 및 B3에서 5 내지 300㎛의 거리에서 명목상 결합제상 함량보다 5 내지 10% 적을 때까지 증가한다. 결합제 상 분포의 예는 도 6b에 도시한다.

또다른 바람직한 실시형태에서는, 그래파이트가 없을 때까지 화학량론적 탄소 함량을 갖는 WC-Co체를 사용하여, 1200 내지 1330℃에서 0.5 시간동안 진공 중에 처리한 후, 1320 내지 1340℃에서 0.2 내지 1 시간동안 CH₄+H₂중에 열처리한다. A1+A2는, 본질적으로 화학량론적 탄소 함량 또는 이보다 약간 낮은 본체에 대하여 15 내지 60㎛이고, 그래파이트가 없는 본체에 대해서는 10 내지 40㎛이다. B1+B2에서, 결합제상 함량은 최대 명목상 결합제 상 함량보다 10% 이상이다. B3에서, 결합제 상 합량은 명목상 Co 함량보다 10% 적다. 결합제 상 분포의 예는 도 6c에 도시한다.

또다른 바람직한 실시형태에서는, 탄소 함량이 본질적으로 화학량론 또는 이보다 약간 낮은 화학량론적 WC-Co에 해당하는 본체를 사용하여, 1320 내지 1340℃에서 0.1 내지 5 시간동안 CH₄+H₂중에 열처리한다. A1+A2는 두께 5 내지 15㎛ 이다. B1의 결합제 상 함량은 명목상 Co 함량의 〈20%이다. B2 및 B3에서 Co 함량은 명목상 Co 함량보다 다소 적거나 같다. B2+B3는 300㎛ 두께 이하이다. 결합제 상 분포의 예는 도 6d에 도시한다.

본 발명에 따른 본체는 공지의 모든 코팅 방법을 사용하여 내마모 코팅으로 코팅한다.

본 발명에 따른 다이아몬드 코팅체의 경우, 다이아몬드층과, 원소 B, Si, Al, C, N 또는 이의 조합물, 바람직하기는 Al 및 C 중 어느 것과 결합한 결합제 금속을 함유하는 본체 사이의 구역에, 상이 존재할 수 있다. 바람직한 실시형태에서, 상기 구역은 상 CoAl, Co₃AlC_0.5을 포함한다.

WC 소판의 크기는 코팅 두께에 따라 선택해야 한다. 평균 소판 크기 L은 코팅 두께의 〈1/2이 바람직하다.

WC 그레인 크기는 〈10㎛이 바람직하고, 1 내지 5㎛가 가장 바람직하다. 결합제 상 함량은 4 내지 12wt%가 되어야 한다. 결합제 상은 다음 원소 Co, Ni 및 Fe 중 하나 이상을 함유하여야 한다.

WC 소판을 성장시키기에 적합한 본체는, WC-Co, WC-Co-에타 상, WC-Co-그래파이트 및 WC-Co-큐빅 상 탄화물, 에타 상 또는 그래파이트를 포함하거나 포함하지 않는 탄질화물(carbonitrides)카본 나이트레이트(일반적으로 Ti, Ta, Nb의 고용상)를 함유하는 소결 탄화물로 구성될 수 있다. WC-Co-에타 상을 포함하여 이루어지는 본체가 사용되는 경우, 탄화 열처리 후 표면 근처에 에타상이 없는 구역이 30 내지 600㎛ 두께로 형성될 것이다. 그러나, 본체 내부는 에타상 함유 코어를 포함하여 이루어진다. 5 내지 50㎛의 Co가 풍부한 표면 구역을 가지며, 탈탄화 처리 전에 소결된 감마상 함유 그레이드 구배를 사용할 수도 있다. 외부 공급원(CH₄)으로부터의 탄소를 사용하여 탄화할 때 WC 소판이 더욱 쉽게 형성되며, CH₄외에도, 다른 탄소-수소 구성 가스를 사용할 수 있다. 그러나, 경우에 따라서는, 내부 탄소 공급원을 사용하여 WC 소판을 형성할 수도 있다.

실시예 1

절삭 공구 인서트 SPUN120308 WC-6wt-% Co, 20 vol-% 에타 상을 2분동안 공기 중에서 850 내지 900℃로 산화하였다. 인서트 표면의 X-선 회절 분석으로 WO₃및 CoWO₄상의 존재를 확인하였다. 이어서, 인서트를 1300℃에서 0.5 시간동안 진공 중에 열처리하여 에타상 포함 구역을 얻고, 최종적으로 1시간동안 1330℃에서 2% CH₄+H₂로 구성되는 대기 중에 탄화(carburize)하였다. 인서트 표면은 본질적으로 크기 L이 2.5 내지 5㎛ 이내인 WC 소판으로 구성되었다. 절삭 가장자리(cutting edge)의 위치에서, Co 함량은, 표면에서 〈0.5 wt-% 수준으로부터, 약 300㎛의 깊이에서 명목상 Co 함량보다 최대 40%까지 증가하였다. Co 분포는 도 6a에 도시된 것과 유사하였다. 에타 상이 없는 구역은 200 내지 450㎛ 두께였다.

표면에서 측정한 WC 텍스추어 계수 비 TCR(100:001)는 3.77로 밝혀졌다.

같은 에타 상 함량을 갖는 기준 인서트(reference insert), WC-6 wt-% Co를 1300℃에서 0.5 시간동안 진공 중에 열처리하고, 이어서 1시간동안 1330℃에서 H+CH₄대기 중에 US 4,843,039호에 따라 탄화하였다. WC 텍스추어 계수 비는 TCR(100:001)=1.43이었다.

각 그룹으로부터의 인서트를 DC 아크 플라즈마 CVD 코팅 공정에 따라 약 8㎛ 두께의 다이아몬드 코팅으로 코팅하였다.

실시예 1의 각 그룹 중 5개의 인서트를 하기 조건에서 기계 가공 시험하였다.

재료 : Al 18%Si

길이 회전, 습식 절삭

v=300m/min

f=0.1mm/rev

a=1.5mm

이 시험에서, 본 발명에 따른 인서트는 어떤 가시적인 마모 없이 9분동안 유지된 반면, 기준 인서트는 7분 후에 코팅 마모가 나타났다.

실시예 2

절삭 공구 인서트 VCGX160412 WC-6 wt-% Co-25 vol-% 에타상을 3분간 공기 중에 850 내지 900℃로 산화하였다. 표면의 X-선 회절 분석으로 WO₃및 CoWO₄상의 존재를 확인하였다. 이어서, 인서트를 1300℃에서 0.5 시간동안 진공 중에 열처리한 후, 1시간동안 1330℃에서 H+CH₄대기 중에 탄화하였다. 표면은 본질적으로 크기 L=6 내지 10㎛인 WC 소판으로 구성되었다. 절삭 가장자리에서 Co 함량은 표면에서 〈0.5 wt-% 수준으로부터, WC 소판으로 구성되는 표면 구역 밑 약 300㎛의 깊이에서 명목상 Co 함량보다 최대 25%까지 증가하였다. WC 텍스추어 계수 비는 TCR(100:001)=25.2 였다.

인서트를 DC 아크 CVD 플라즈마법을 사용하여 20㎛ 두께의 다이아몬드층으로 코팅하였다.

기준 인서트는 실시예 1에서와 같이 제조하였고, TCR(100:001)=1.43이었다.

인서트를 하기 조건에서 기계 가공 시험하였다.

재료 : Al 9%Si

베어링 성분에 면함, 습식 절삭

rpm=2500m/분

f=0.25mm/rev

a=3mm

이 시험에서, 본 발명에 따른 인서트는 어떤 가시적인 마모 없이 15 성분에 유지된 반면, 기준 인서트는 8 성분 후에 박리(flaking)가 나타났다.

실시예 3

에타 상이 없는 WC-6wt-% Co 그레이드의 절삭 공구 인서트 VCGX160412를 950℃에서 H₂+H₂O 대기 중에 6시간동안 탈탄화하였다. 인서트 표면의 X-선 회절 분석으로 W, Co₇W₆, Co₆W₆C 및 WC 상의 존재를 확인하였다. 인서트를 1300℃에서 0.5 시간동안 진공 중에 열처리하여 W 및 Co₇W₆상을 에타상으로 변환한 후, 0.5시간동안 1330℃에서 2 vol-% CH₄를 함유하는 CH₄+H₂대기 중에 탄화된 WC 소판을 얻었다. 인서트 표면의 Co 함량을 더욱 감소시키기 위하여, 인서트를 전기화학적으로 에칭하였다.

금속학적 검사에 따르면, 표면은 본질적으로 크기 L=3 내지 7㎛ 인 WC 소판으로 구성되었다. Co 분포는 도 6b에 도시된 것과 유사하였다. WC 텍스추어 계수 비 TCR(100:001)=14였다.

기준 인서트는, 1) 실시예 1과 같이 제조하여 TCR(100:001)=1.43, 2) 2.5wt-% Co 그레이드를 사용하여 US 4,843,039호에 따라 제조하여 TCR(100:001)=1.25였다.

각 그룹으로부터의 10개의 인서트를 DC 아크 CVD 플라즈마법에 따라 약 20㎛ 의 층두께로 다이아몬드 코팅하였다.

이 인서트를 하기 조건에서 기계 가공 시험하였다.

재료 : Al 9%Si, 경화된 것

베어링 성분에 면함, 습식 절삭

rpm=2500m/분

f=0.7mm/rev

a=3mm

이 시험에서, 본 발명에 따른 인서트는 어떤 가시적인 마모 또는 크래킹(cracking) 없이 10 성분이 유지된 반면, 두 형태의 기준 인서트는 4 성분 이하 후에 노우스 크래킹(nose cracking)이 나타났다.

실시예 4

탈탄화 및 탄화 단계를 제외하고는 실시예 3과 같이 절삭 공구 인서트를 제조하였다. 3시간동안 950℃에서 H₂+H₂O 대기 중에 탈탄화하였다. 탄화는 20분간 1330℃에서 2 vol-% CH₄함유 H₂+CH₄대기 중에 실시하였다. WC 소판의 평균 길이는 L=2 내지 4㎛였고, TCR(100:001)=6.0이었다. 마그네트론 스퍼터링 PVD 공정에서 약 20㎛ 두께 TiAlN 코팅을 사용하여 인서트를 코팅하였다.

두개의 기준물을 제조하였다. 제 1 기준물은 기준 번호 1로 실시예 1의 기준물과 동일한 그레이드로 제조하였다. 제 2 기준물은 기준 번호 2로 에타 상이 없는 WC-6 wt-% Co 조성을 갖는 그레이드로 제조하였으며, 탈탄화 및 탄화 처리를 하지 않았다. WC 텍스추어 계수비는 TCR(100:001)=0.58이었다.

본 발명에 따른 인서트는 코팅 부착이 우수한 반면, 기준 번호 1 및 2에서는 코팅이 자연스럽게 박리되었다.

실시예 5

실시예 4에 따라 스타일 N151.2-300-5E의 절삭 공구 인서트 5개를 제조하되, 적용층은 10㎛ CVD TiN-Ti(C,N)-TiN이었다.

본 발명에 따른 인서트에서 부착이 개선되었다. 인서트를 다음 파라미터를 사용하여 절삭 공구 수명 시험하였다.

재료: SS2343

바의 그루빙(Grooving of bar)

v=300m/분

f=0.2mm/rev

습식 절삭

본 발명에 따른 인서트는 30 그루브 기계 가공 후 가장자리-선 박리가 관찰된 반면, WC-6wt-% Co 그레이드 상에 동일한 층을 적용하여 제조한 기준 인서트는 10 그루브의 기계 가공 후에 박리가 관찰되었다.

실시예 6

에타 상 및 그래파이트가 없는 WC-6wt-% Co 그레이드의 절삭 공구 인서트를 1250℃에서 H₂+H₂O 대기 중에 4시간동안 탈탄화하였다. 인서트 표면의 X-선 회절 분석을 통하여 에타 상(Co₆W₆C 및 H₂+CH₄)의 존재를 확인하였다. 인서트를 1시간동안 1330℃에서 2 vol-% CH₄함유 H₂+CH₄대기 중에 탄화하였다(진공 중에 탄화 온도까지 가열). 인서트 표면은 WC 소판 및 Co 로 구성되었다. 인서트 표면에서, Co 함량은 절삭 가장자리에서 측정되었을 때 명목상 Co 함량의 〉50%였다. WC 소판의 평균 길이는 L=5 내지 10㎛였다. WC 소판 함유 Co 풍부 구역은 약 40㎛였다. Co 분포는 도 6c에서와 유사하였다.

WC 텍스추어 계수 TCR(100:001)=61.6이었다.

인서트는 전기화학적으로 에칭되었다.

인서트는 10㎛ CVD TiCN+5㎛ Al₂O₃로 코팅되었다.

실시예 7

에타 상 및 그래파이트가 없는 WC-6wt-% Co 그레이드의 절삭 공구 인서트를 10시간동안 950℃에서 H₂+H₂O 대기 중에 탈탄화하였다. X-선 회절 분석을 통하여 W, Co₇W₆및 에타 상(Co₆W₆C)의 존재를 확인하였다. 인서트를 1330℃에서 진공 중에 열처리한 후 1330℃에서 0.5 동안 2 vol-% CH₄함유 대기 중에 탄화하였다. 인서트 표면은 50 vol-% 이상의 WC 소판을 함유하였다. WC 소판의 평균 길이는 5 내지 10㎛였다. 인서트 표면의 Co 함량은 명목상의 Co 함량의 〈5% 였다. Co 분포는 도 6d에서와 유사하였다. WC 텍스추어 계수 TCR(100:001)=4.15이었다.

기준 인서트는 동일한 그레이드로 제조하되, 실시예 7에서와 같이 탈탄화 및 탄화 처리하였다. WC 텍스추어 계수 TCR(100:001)=1.23였다.

각 그룹의 10개의 인서트는 DC 아크 CVD 플라즈마법을 사용하여 층 두께 18㎛로 다이아몬드 코팅되었다.

실시예 8

그래파이트가 없는 WC-6wt-% Co 그레이드의 절삭 공구 인서트를 950℃에서 H₂+H₂O 대기 중에 4시간동안 탈탄화하였다. 인서트 표면의 X-선 회절 분석을 통하여 W, Co₇W₆, Co₆W₆C 및 WC 상의 존재를 확인하였다. 인서트를 0.5시간동안 1300℃에서 진공 중에 열처리하고, 이어서 1시간동안 1330℃에서 H₂+CH₄대기 중에 탄화하였다. 표면은 크기 L=5-10㎛의 30-40 vol-% WC 소판으로 구성되었다. 구역 B1(도 2b 참고)의 Co 함량은 명목상 수치의 〉100%였으며, 이 구역의 폭은 50㎛였다. 텍스추어 계수비 TCR(100:001)=11.2이었다. 인서트는 7㎛ 두께의 TiN+Ti(C,N)+5㎛ Al₂O₃로 코팅되었다.

실시예 9

에타상 또는 그래파이트가 없는 86 wt-% WC, 5.8 wt-% Co, 3.5wt-% TiC, 2.3 wt-% TaC 및 3.5 wt-% NbC 조성의 절삭 공구 인서트를 1250℃에서 H₂+H₂O 대기 중에 4시간동안 탈탄화하였다. X-선 회절 분석을 통하여 W, Co₇W₆, 에타상 및 큐빅 탄화물 상(감마상)의 존재를 확인하였다. 인서트를 0.5시간동안 1330℃에서 진공 중에 열처리하고, 이어서 1시간동안 1330℃에서 2vol-% CH₄함유 H₂+CH₄대기 중에 탄화하였다. 절삭 가장자리는 본질적으로 크기 L=10-20㎛의 WC 소판으로 구성되었다. 소량의 감마 상 및 Co가 표면에 존재하였다. 표면에 가까운 25㎛ 두께 구역, B1 내에 Co는 명목상 Co 함량의 〉50%로 풍부하였다. WC 텍스추어 계수비 TCR(100:001)=23.6이었다. 인서트는 10㎛ TiN-Ti(C,N)층+8㎛ Al₂O₃층으로 코팅되었다.

본 발명은, 내마모 코팅 전에 소결 탄화물을 열처리함으로써 얻어지는, 성질이 개선된 코팅된 소결 탄화물(cemented carbide) 절삭 공구에 관한 것이다. 본 발명은 특히 다이아몬드 코팅체에 관한 것이다. 그러나, 이 방법은 CVD- 또는 PVD 내마모 코팅과 같은 다른 내마모 코팅에 사용할 수도 있다.

Claims

하나 이상의 내마모층으로 코팅되어 있는 4 내지 12 wt-% 결합제 상을 함유하는 소결 탄화물체로서, 이 본체는 두께 100㎛ 이하의 표면 구역을 함유하고, 이의 텍스추어 계수비 TCR(100:001)가 〉1.75, 바람직하기는 〉2.0, 더욱 바람직하기는 〉2.5, 가장 바람직하기는 〉3.0인 삼각형 WC 소판을 본질적으로 함유하는 것을 특징으로 하는 소결 탄화물체.
제 1항에 있어서, 상기 WC 소판은 길이 L 대 두께 T의 비가 〉2:1, 바람직하기는 〉3:1, 가장 바람직하기는 〉5:1이며, 길이의 평균 크기가 L〈=30㎛, 바람직하기는 L〈=10㎛이고 2㎛보다 크며, 바람직하기는 상기 소판은 이의 길이의 1/5 내지 4/5까지 표면 레벨 위로 튀어나오는 것을 특징으로 하는 소결 탄화물체.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 평균 결합제 상 함량이, 구역 B1에서 명목상의 결합제상 함량의 〈20%로부터, 50 내지 500㎛ 깊이의 구역 B3에서 명목상 결합제 상 함량보다 최대 〉10%까지 증가하는 것을 특징으로 하는 소결 탄화물체.
제 1항 내지 제 3항 중의 어느 한 항에 있어서, 결합제 상 함량이, 구역 B1에서 명목상 결합제 상 함량의 〈20%로부터, 구역 B2에서 명목상 결합제 상 함량 이상까지 증가한 후, 5 내지 500㎛ 깊이의 구역 B3에서 명목상 결합제 상 함량의 최소 〉50% 까지 감소하는 것을 특징으로 하는 소결 탄화물체.
제 1항 내지 제 3항 중의 어느 한 항에 있어서, 결합제 상 농도가 구역 B1에서 명목상 결합제 상 함량의 〉20%이고, 폭 5 내지 100㎛의 구역 B2에서 최대 명목상 결합제상 함량의 +50 vol-% 가 존재하는 것을 특징으로 하는 소결 탄화물체.
제 1항내지 제 3항 중의 어느 한 항에 있어서, 구역 B1에서 결합제 상 농도가 명목상 결합제 상 함량의 〈20%이고, 폭 0 내지 500㎛의 구역 B2 및 B3에서는 Co 수준이 명목상 결합제 상 함량의 ±10% 이내인 것을 특징으로 하는 소결 탄화물체.
제 1항 내지 제 5항 중의 어느 한 항에 있어서, 적용 외층이 CVD 다이아몬드 층인 것을 특징으로 하는 소결 탄화물체.
제 6항에 있어서, 원소 B, Si, Al, C, N 또는 이의 조합물 중 어느 것, 바람직하게는 Al 및 C와 결합된 결합제 금속, 바람직하기는 CoAl, Co₃AlC_0.5상을 함유하는 탄화물체 및 다이아몬드 층 사이의 구역에 상이 존재하는 것을 특징으로 하는 소결 탄화물체.
소결 탄화물의 한 표면 구역이 탄화물체의 나머지와 다른, 다이아몬드 코팅된 소결 탄화물체의 제조 방법으로서,

소결 탄화물체를

- 탈탄화하여, 두께 3 내지 100㎛이고, 적어도 일부가 상호연결된 에타 상의 〉60 체적%를 포함하여 이루어지는 에타 상(또는 W+Co₇W₆상) 함유 표면 구역을 형성하고, 탈탄화 처리 후 W 및 Co₇W₆상이 존재하는 경우, W 및 Co₇W₆상을 에타상으로 변환시키는 추가의 열처리 단계를 통하여 에타상을 얻고, 이어서,

- 재탄화하여, 에타상을 WC+Co 로 완전히 변환시키는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 코팅된 소결 탄화물체의 제조 방법.
제 9항에 있어서, 본체를 H₂+H₂O와 같은 탈탄화 대기 중에 1 내지 10시간동안 900 내지 1350℃, 바람직하기는 950 내지 1250℃의 온도로 가열하여 탈탄화하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 9항에 있어서, 탈탄화 처리는

1 단계: 공기, CO₂또는 O₂, 바람직하기는 공기 중에서 WO₃또는 CoWO₄와 같은 산화물이 형성도록 T=500 내지 900℃로 처리하고,

2 단계(선택적): 예를 들어 H₂를 포함하여 이루어지는 환원 대기 중에 T=500 내지 900℃로 처리하여, 산화물을 예를 들어 W 및 Co₇W₆와 같은 금속으로 변환시키고,

3 단계: 에타 상이 형성되도록 진공 또는 Ar 중에 T=1000 내지 1400℃로 처리하고, 그 결과, 에타 상+WC 또는 에타상 만으로 구성되는 표면 구역 A1, 구역 A1과 상대적으로 다른 양의 에타상+WC를 함유하는 선택적 구역 A2를 얻는 일련의 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
제 9항 내지 11항 중의 어느 한 항에 있어서, 10분 내지 10 시간동안, H₂중의 0.5 내지 10%, 바람직하기는 2 내지 4% CH₄대기 중에, 바람직하기는 대기압 하, 1250 내지 1340℃, 바람직하기는 1315 내지 1330℃의 온도에서 본체를 탄화하는 것을 특징으로 하는 방법.