KR100305315B1 - 다이아몬드 막이 코팅된 절삭공구 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다이아몬드 막이 코팅된 절삭공구 및 그 제조방법에 관한 것으로, 초경 모재에 탈탄열처리와 탄화열처리작업을 실시하여 비정상입자성장이 일어남에 따라 초경모재의 표면조도가 증가되도록 한 다음, 그와 같이 표면조도가 증가된 초경모재의 표면에 다이아몬드막을 증착하여 다이아몬드 막의 밀착력을 향상시키는 방법으로, 이와 같은 다이아몬드 막의 밀착력 향상방법을 이용하면 모재의 타탄화물 및 Co의 함량과, 초경입자의 크기 제한없이 우수한 인성과 절삭에 문제가 없는 접착력을 갖는 다이아몬드 막이 코팅된 절삭공구를 제작하는 것이 가능하다.

Description

다이아몬드 막이 코팅된 절삭공구 및 그 제조방법{DIAMOND COATED CUTTING TOOLS AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 다이아몬드 막이 코팅된 절삭공구 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 다양한 조성의 초경모재에 증착되는 다이아몬드 막이 난삭재를 가공할 수 있는 우수한 밀착력을 갖도록 하는데 적합한 다이아몬드 막이 코팅된 절삭공구 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 기계가공이 힘든 난삭재로는 Al-Si 합금, CU등의 비철금속과 복합재료 및 흑연, 고분자 복합소재, 요업체등의 반소결체등이 있으며, 이러한 난삭재들을 가공하는데 있어서, 현존하는 물질중 가장 높은 경도 값을 보이는 다이아몬드를 이용하는 것이 필수적이라고 보아야 할 것이다. 현재 초경 인서트(insert)에 소결 다이아몬드인 블랭크(blank)를 브레이징하여 사용되는 소결 다이아몬드공구(polycrystalline diamond cutting tools, PCD)는 자동차엔진소재인 Al-Si 합금등의 가공에 널리사용되고는 있으나, 제작이 힘들고, 단가가 비싸며, 형상이 단순하여 인서트형태의 공구사용에 그치고 있다. 그리고 절삭시 피삭제의 칩 형상을 조절하는 칩 브레커(chip breaker)의 제작이 매우 힘들고, 복잡한 형상의 공구인 앤드밀(endmil), 드릴(drill), 리이머(reamer) 등의 제작이 매우 힘들어서 소결 다이아몬드 공구의 광범위한 응용이 매우 곤란한 상황이다.

상기와 같은 점을 고려해볼때 다이아몬드 막을 모재에 기상으로 증착하는 방법을 이용하면 앞서 열거한 소결 다이아몬드 공구의 단점을 완전히 해결할 수 있을것이다. 즉, 일정형상으로 가공한 모재(칩 브레커 형의 인서트, 그릴, 앤드밀 등) 위에 다이아몬드 막을 증착하면, 증착되는 다이아몬드 막부분은 완전히 다이아몬드 구조를 가지므로 소결 다이아몬드공구 이상의 내마모성을 보이고, 제작비용을 현저히 낮출 수 있으므로, 이러한 장점을 구현하기 위하여 많은 연구개발이 진행되고 있다.

텅스텐 카바이드(Tungsten carbide, WC) 입자와 코발트(cobalt, Co) 결합재로 이루어진 초경소재는 가장 이상적인 코팅공구의 모재이다. 결합재인 Co는 무게비로 20%까지 혼합되며, 인성 및 내마모성 등 기계적 특성을 조절하기 위하여 TiC, TaC, NaC, VC 등이 수%에서 수십%까지 혼합된다. 이 소재는 공구의 사용에 적합한 인성을 가지고 있어 현재 대부분의 코팅공구에 가장 적합한 모재로 사용되고 있으며, 이러한 특성을 지닌 초경모재에 다이아몬드 막을 코팅한 공구 및 그 제작방법을 개발하는 것이 매우 중요하다.

다이아몬드 막을 코팅하는 여러 종류의 화학증착방법(Chemical Vapor Deposition, CVD)이 제안되고 있는데, 그 예로 핫 필라멘트 화학증착법(hot filament CVD), 마이크로 웨이브 플라즈마 화학증착법(microwave plasma CVD), 작류 플라즈마 화학증착법(DC plasma CVD), 작류 아크-젯 화학증착법(DC arc-jet CVD)등이 있으며, 다이아몬드의 코팅에는 메탄(methane, CH₄)등이 탄화수소와 수소의 혼합기체를 플라즈마나 열에너지로 분해하여 이루어진다. 이러한 방법을 이용하여 초경모재에 다이아몬드를 증착할 경우 가장 큰 문제는 다이아몬드 막을 증착하는 방법에 관계없이 다이아몬드 막과 모재의 접착력이 매우 약하다는 것이다. 다이아몬드가 코팅된 공구를 절삭에 사용할 경우 피삭제가 가공됨에 따라 다이아몬드 층은 점진적으로 마모가 진행되어야 하나 접착력이 약한 다이아몬드 막이 모재에서 마모가 완전이 진행되기 전에 미리 박리되는 현상(premature flaking)이 관찰된다. 이러한 현상을 방지하지 못하면 다이아몬드 코팅공구는 공구로써의 역할을 하지 못하게 되므로, 다이아몬드 막과 초경모재의 접착력을 증진시켜서 공구의 사용시 다이아몬드 막이 박리되는 것을 방지할 수 있는 방법의 개발이 선행되어야 할 것이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 다이아몬드 막과 초경모재의 접착력을 증진시키기 위한 여러가지 방법들이 제안되었다. 이들방법은 초경모재에 결합재로 들어있는 Co 상의 영향을 배제하는 방법과, 다이아몬드 막과의 기계적 결합력을 증진시키기 위한 초경모재와의 계면조도를 증진시키려는 방법에 기초하고 있다. Co는 다이아몬드와 흑연의 변태 촉매로 작용하므로 다이아몬드의 증착시 다이아몬드의 흑연화를 촉진하여 접착강도의 저하를 유발한다. 따라서, Co의 영향을 배제하는 것이 다이아몬드 코팅공구에 필수적으로 요구된다.

상기와 같은 점을 고려하여 제안된 하나의 방법은 초경 표면부의 Co 상을 일정 깊이 부식시켜서 Co의 영향을 배제하고, 초경입자를 무라카미(Murakami)용액등으로 부식시켜서 표면의 초경입자가 돌출되게 하여 기계적 결합을 증진시키는 방법이다. Co 상의 부식과 더불어 초경입자의 부식은 초경입자가 모재 표면에 돌출되게 하고, 또 표면에 미세한 굴곡을 형성시켜서 다이아몬드 코팅시 모재와 다이아몬드와의 기계적 결합력을 증진시키는 역할을 한다. 이러한 방법에 의하여 다이아몬드막의 접착력은 록크웰 A 압흔시험으로 60 kg 에서 100 kg 까지 증진시킬 수 있다. 다이아몬드막의 코팅시 Co의 영향을 완전히 배제하기 위해서 필요한 Co 층의 부식두께는 표면에서 부터 2-15 μm 정도이다. 따라서 표면에서 부식깊이 까지는 결합제인 Co상이 있던 부분은 3차원으로 연결된 기공으로 남게 된다. 이러한 기공의 존재는 절삭시 모재 표면의 기계적강도를 저하시키므로 다이아몬드의 박리를 유발하고, 일정한 절삭수명을 기대할 수 없게 한다. 실제 상품화되어 있는 다이아몬드 코팅 절삭공구의 성능시험을 하여보면, 절삭성능이 상당히 산포를 보여주고 있고, 특히 단속절삭이나 Si 함량이 큰 AL 합금의 경우에는 다이아몬드 막의 박리가 심함을 알 수 있었다.

다른 하나의 방법은 진공 또는 불활성기체 분위기에서 열처리에 의하여 표면의 Co 상 농도를 현저히 낮추어주는 방법과, 모재 표면의 초경입자를 탄화시켜 미세화 시키거나 입자성장시켜서 모재표면부의 초경입자크기를 증가시켜 다이아몬드 막과의 기계적 결합력을 증진시키는 방법들이다. 미국특허 5,623,256에서는 질소나 수소분위기에서의 열처리를 통하여 초경입자 표면의 Co를 쉽게 증발시키고, 또한 진공로 내의 탄소분위기를 이용하여 Co 탄화물을 형성시켜 패시베이션(passivation)시키는 방법을 사용하고 있다. 또한 열처리시 초경입자의 입자성장이 일어나게 되는데 이는 다이아몬드의 접착력증진에 사용될 수 있다고 하였다. 미국특허 5,068,148에서는 초경모재를 최종형태로 연마할때 모재표면의 초경입자가 깨진 상태로 존재하는데 이 위에 다이아몬드를 코팅하므로 다이아몬드 막의 접착력을 저하시킨 다고 하였다. 이를 개선하기 위하여 모재를 진공이나 비산화분위기의 1000℃에서 1600℃ 사이에서 열처리 하는데, 깨진 초경입자가 녹아서 모재 표면에 입자성장된 초경입자가 생성되고, 따라서 다이아몬드 막의 접착력을 증가시켰다. 그러나, 이 특허에서는 Co상의 영향을 배제하기 위하여 열처리 방법과 함께 부식방법을 채택하여 표면 Co층을 제거하였다. 1996년 12월에 등록된 미국특허 5,585, 176은 앞서 설명한 특허 5,623,256 및 5,068,148과 유사하게 초경모재를 질소분위기에서 1510℃로 열처리하여 표면부 초경입자의 크기를 증가시켜 표면조도를 25-40 μinchs로 증가시킨 후 다이아몬드를 코팅하여 22-100μm 두께의 접착력이 우수한 다이아몬드 코팅공구를 제작할 수 있음을 제안하였다. 이 방법으로 다이아몬드 막의 접착력이 록크웰 A 압흔시험에 의해 100 kg까지 박리없이 견디는 것으로 나타났다. 또한 이 방법으로는 부식의 경우와는 달리 Co 결합상이 있던 자리가 기공으로 존재하지 않으므로 계면부 모재의 강도 저하도 방지할 수 있다. 그러나 미국특허 5,585,176에서 제시한 예를 보면, 모재의 표면입자 크기는 표면부만 아니라 내부 입자의 크기도 증가하여 1-11μm의 분포를 보이며, 열처리 시간도 2-3시간 이상이 소요된다. 따라서 모재 내부의 입자성장을 피할 수 없다. 열처리 중 모재 내부의 입자크기가 변하면 모재 자체의 기계적 특성의 변화를 가져온다. 따라서 모재의 기계적 특성이 변하지 않도록 미세구조 변화를 유발시키지 않기 위하여, 가능한 낮은 온도에서 빠른 시간내에 원하는 표면입자만의 성장을 일으킬 수 있어야 한다. 또한, 미국특허 5,585,176의 경우 적용가능한 모재의 조성에 상단한 제한이 있는데, 우선 WC-Co에 첨가된 타탄화물 형성원소의 경우에 Ti, Ha, Ta, Nb, V, Mo, Cr이 전부 1중량% 이하로 되어 있다. 이는 이들 첨가물이 일정 조성 이상 존재할 경우에 입자성장이 어려워 원하는 표면의 입자성장을 기대할 수 없기 때문이다. 또한 Co의 농도가 7% 이하가 효과적인 것으로 제한되어 있다.

현제까지 제시된 다이아몬드 코팅 초경공구의 밀착력 증진 방법의 한계를 현재 생산되고 있는 제품의 사양 및 성능과 비교하여 정리하면, 가장 큰 문제는 첫번째로, 아직 코팅에 사용할 수 있는 초경모재에 제약이 있다는 것이다. 단속절삭등 공구의 사용조건이 보다 가혹해 지면서 인성이 좋은 공구가 필요하다. 따라서 Co 조성이 보다 큰 10% 내지 15% 조성의 초경모재의 사용이 요구된다. 그런데 현재까지 제시된 밀착력 증진은 초경모재의 Co조성이 7% 이하인 C2 그레이드(grade)에 국한되어 있다. 두번째로, 앞에서 지적하였 듯이 초경에 첨가된 타탄화물의 농도의 제한이 있다는 것과 타탄화물의 조성에 따라 부식방법이나 열처리 방법 등에 따라서 모두 밀착력이 크게 변한다는 것이다. 따라서 같은 C2 그레이드 내에서도 적용할 수 있는 모재의 재종에 제한을 받는다. 세번째로, 모재의 초경입자의 크기에 따라 큰 영향을 받는다. 현재의 방법으로는 초경입자의 크기가 1μm 이상인 모재의 경우만이 적용 가능하다. 따라서 서브마이크론(submicron) 크기의 초경입자로 구성된 마이크로 그레인(micrograin) 초경모재에 적용가능한 방법이 필요하다.

이러한 점들을 고려해 볼때, 많은 연구자들의 연구노력에 의하여 다이아몬드와 초경모재와의 접착력을 향상시키는 방법들이 연구되어 왔으나, 아직도 모재의 타탄화물 함유량 및 Co 함량의 제약없이, 그리고 모재 초경입자 크기의 제약없이 우수한 인성을 유지하면서 절삭에 문제가 없는 우수한 접착력을 갖는 다이아몬드막이 코팅된 공구의 제조기술은 개발하지 못했었다.

상기와 같은 점을 감안하여 안출한 본 발명은 모재의 타탄화물 및 Co의 함량과, 초경입자의 크기 제한없이 우수한 인성과 절삭에 문제가 없는 충분한 접착력을 갖도록 하는데 적합한 다이아몬드 막이 코팅된 절삭공구 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다

도 1은 본 발명에서 실험한 초경모재의 조성 및 초경입자의 크기를 보인 표.

도 2는 도 1의 표에서 1번부터 5번까지의 시편을 1400℃에서 수소로 30분 이후, 메탄으로 30분간 열처리한 후의 입자크기를 비교한 표.

도 3은 도 1의 표에서 5번 조성을 갖는 모재를 1400℃, 1 torr에서 열처리한 다이아몬드의 표면조직으로, (3a)는 수소 30분-메탄 30분으로 열처리한 경우이고, (3b)는 수소 1시간으로 열처리한 경우.

도 4는 1400℃, 1 torr에서 수소 30분-메탄 30분으로 열처리한 시편의 표면으로 부터 Co농도 변화곡선.

도 5는 도 1의 표에서 5번 조성을 갖는 모재에 다이아몬드 코팅된 시편을 150 kg 의 인덴터(indenter)로 압흔한 흔적.

도 6은 도 1의 표에서 4번 조성을 갖는 모재의 중앙부(6a)와 가장자리부(6b)의 입자형상변화.

도 7은 도 1의 표에서 8번 조성을 갖는 모재를 1410℃에서 수소 10분-메탄 10분 열처리하여 비정상입자성장층이 형성된 상태의 사진.

도 8은 Al-18.5%Si 피삭제를 절삭속도 500 m/min, 이송속도 0.2 mm/rev, 절삭깊이 0.5 mm의 습식조건으로 가공하였을때 다이아몬드 코팅공구의 절삭거동.

도 9는 정수압성형한 WC-13%Co 피가공재를 절삭한 후의 (9a) 소결다이아몬드 공구와, (9b)다이아몬드코팅공구의 인선.

상기와 같은 점을 감안하여 개발된 본 발명은 초경모재의 표면에 4~10μm 크기의 입자로 이루어진 비정상입자성장층이 형성되어 있고, 그 비정상입자성장층의 외측면에 일정두께의 다이아몬드 막이 증착되어 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 막이 코팅된 절삭공구가 제공된다.

또한, 소정형상으로 초경모재를 가공한 다음, 그 가공된 초경모재의 표면에 다이아몬드 막을 증착하는 순서로 제조되는 절삭공구의 제조방법에 있어서, 상기와 같이 증착을 실시하기 전에 가공된 초경모재를 탈탄분위기에서 Co₃W₃C 조성의 η상이 될때까지 열처리하여 초경모재의 표면을 탈탄시키는 탈탄공정과, 그와 같이 표면이 탈탄된 초경모재를 탄화분위기에서 열처리하여 탈탄된 모재표면의 초경입자가 탄화되면서 4~10μm 크기로 비정상입자성장이 일어나도록 하는 탄화공정을 순차적으로 실시하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 막이 코팅된 절삭공구의 제조방법이 제공된다.

상기 비정상입자성장이라 함은 입자의 성장이 정상적인 오스왈드 라이프닝(Ostwald ripening) 이론에 따라 서서히 진행되지 못하고, 일부 입자들이 비정상적으로 빠른 속도로 진행하는 것을 말하며, 이러한 비정상입자성장 이론은 WC가 탈탄되어 η상이 된후, 다시 탄화분위기가 되면 용이하게 발생되며, 이와 같은 이론에 근거하여 탈탄과 탄화분위기를 기상으로 부터 만들어주면 입자크기가 1~3μm 미만인 모재의 표면부에만 입자크기가 4~10μm크기의 비정상입자성장이 발생되도록 할 수 있다.

상기 탈탄과정에서는 수소분위기를 사용하여 초경입자의 탄소가 수소와 반응하여 탄화수소로 되면서 탈탄되고, 연속적으로 메탄등의 탄화수소 분위기 하에서 열처리하여 탄화분위기에서 탈탄된 입자가 비정상입자성장되게 된다.

이하, 상기와 같은 본 발명 절삭공구에 증착되는 다이아몬드 막의 밀착력 향상방법의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

일반적으로 절삭공구는 소결후에 최종규격을 맞추기 위하여 또는 인선부의 조도를 줄이기 위하여 공구의 상면과 측면을 연마한다. 따라서 초경모재의 표면은 초경입자가 깨진 상태이거나 연마시 연마된 초경파편이 Co상과 서로 엉켜서 모재의 표면에 붙은 상태로 되어 있다. 따라서 이 위에 바로 다이아몬드를 증착하게 되면 연마시 붙은 초경파편이 모재에서 떨어져 나가게 된다. 본 발명에서는 표면입자의 비정상입자성장시 초경파편이 자동소멸되므로 별도의 제거공정이 필요하지 않다.

본 발명에서 사용된 모재는 경도가 높은 탄화물입자와 이들을 상호결합해주는 금속결합재로 이루어진 시멘티드 카바이드(cemented carbide)를 사용한다. 탄화물계는 육방정탄화물인 WC계에 국한되지 않고, 입방정탄화물계인 TiC계, TAC계 등 비정상입자성장이 일어나는 모든 탄화물계에 적용된다. 금속결합상은 탄화물계의 종류에 따라, Co계, Ni계, Fe계 등을 사용한다. 본 발명에서는 이중 인성이 가장 좋아서 대부분 코팅공구의 모재로 사용되는 WC-Co계, 시멘티드 카바이드를 사용하여 설명한다.

Co 결합상의 조성은 1%에서 20%까지 가능한데, 본 발명에서 주로 채택한 조성은 크게 3종류로 일반적으로 사용되는 C2 그레이드인 Co 7% 이하의 재종이 한 부류이고, Co가 9-11%인 재종이 다른 한 부류 그리고 마지막으로 Co가 14-17%인 재종이 한 부류이다. 또한 첨가된 Ti, Ta, Nb, Cr, Hf, Zr 등 타탄화물 형성원소는 미국특허 5.585,176에서 한계로 삼았던 1%를 경계로 1-10%의 조성과 10-15%의 조성범위를 선택하였다. 본 방법은 이들의 첨가량에 크게 구애받지 않는데, 본 발명에서는 기존의 기술과 일반적으로 사용되는 공구의 재종에 기초하여 대표적으로 앞서 분류한 세 부류에 해당하는 모재를 선택하여 설명하였다. 사용한 모재의 사양은 도 1의 표와 같다.

초경공구는 다양한 형태로 소결 또는 가공되는데 본 발명에서는 이중 칩 브레이커가 없는 SPGN 120308 형과 칩 브레이커가 있는 CCGT 120408 형의 모재를 사용하였다. 모재는 기존의 초경공구 회사에서 판매되는 공구를 사용하였다. 모재는 소결된 상태 그대로 사용하거나 또는 연마 및 표면 브러싱 등의 공정을 거친 상태로 사용하기도 한다. 본 발명의 방법은 소결상태나 연마한 상태 등 표면처리 상태가 무관하게 적용된다.

본 발명에서 다이아몬드코팅공구를 제작하는 공정은 크게 4단계로 나뉘어진다. 첫번째 단계는 초경모재 표면의 화학적 상태를 변화시키기 위한 탈탄열처리 과정이고, 두 번째 단계는 변화된 화학적 상태를 이용하여 비정상입자 성장을 일으키기 위한 탄화열처리 과정이다. 세번째 단계는 다이아몬드 코팅시 핵형성을 용이하게 하기 위한 모재표면처리과정 그리고 마지막으로 다이아몬드코팅과정을 들 수 있다.

첫번째 단계인 초경모재의 표면화학상태를 변화시키는 탈탄과정은 다음과 같다.

WC-Co의 상태도를 보면 WC, W₂C, κ상, θ상, η상 등 여러 구조의 WC 화합물이 존재한다. 이중 비정상입자성장과 연관된 상은 η상으로 그 조성은 Co₃W₃C이다. 초경합금은 액상소결에 의해 제작되는데 소결시 탄소함량이 일정함량에 미달한 경우에 η상이 생성되게 되고 초경합금의 기계적특성을 저하시킨다. 또한 η상이 초경합금의 비정상입자성장을 유발한다는 것은 잘 알려진 사실이다. 따라서 인위적으로 η 상을 형성시켜 줌으로서 비정상입자성장을 유도할 수 있다. η상은 탄소함량미달에 따른 삼성분계 화합물의 생성이므로 초경 표면부에 η상의 형성을 유도하기 위해서는 탄소의 농도를 낮출 수 있는 화학적분위기를 형성시켜야 한다. 소결체 표면부에 이러한 분위기를 만들어 주는 것은 소결체와 접하고 있는 기체분위기를 변화시키는 것으로 가능하다. 소결체의 탄소는 수소 및 산소와 반응하여 CH₄등의 탄화수소화하거나, CO와 CO₂를 형성하여 소결체 표면의 탄소농도를 저하시킨다. 따라서 이러한 기체분위기하에서 열처리하게 되면 소결체의 표면층에서 η상이 형성된다.

일반적으로 초경합금의 소결에 사용되는 진공로는 진공로 내벽이나, 단열용 흑연 팰트(felt)에 잔류공기나 수분등을 함유하고 있다. 소결 전 진공을 뽑은 후에도 이들 분순물이 남아 있고 이들은 소결중 분위기를 CO의 환원분위기로 만들어 준다. 따라서 소결체를 진공 중에서 열처리하는 경우에도 소결체 표면에 탈탄의 진행을 기대할 수 있다. 그러나 이러한 방법에 의한 탈탄은 진공로내의 불순물의 함량이 일정하지 않아 항상 일정한 탈탄정도를 기대할 수 없게 하므로, 재현성 있는 공정관리에 문제를 야기시킨다. 또한 초경공구의 형상에 따라 국부적으로 입자성장에 상당한 차이를 유발한다. 예로 SPGN형의 모재의 경우 상면의 중앙부보다 모서리부에서 입자성장이 과도하게 진행된다. 이러한 문제는 칩 브레이커를 갖는 복잡한 형상이나 드릴과 같은 3차원형의 모재의 경우 더욱 심각한 문제를 야기한다. 따라서 일정하게 탈탄반응을 유도할 수 있도록 분위기를 조성할 필요가 있다.

인위적인 탈탄분위기는 수소나 산소를 첨가함으로서 조성할 수 있다. 따라서 소결체내의 탄소가 수소나 산소와 반응하고 소결체의 탄소농도는 감소하게 된다. 이러한 반응에 의하여 소결체 표면에 η상이 형성된다. 탈탄반응에 있어 산소보다 수소가 탈탄의 정도를 조절하기 용이하다. 또한 산소를 사용할 경우 진공로의 발열체인 흑연과의 반응으로 진공로의 유지에도 문제를 야기한다. 수소의 유량은 별 영향을 미치지 않는데 분당 1--100cc의 유량을 사용하였다. 탈탄의 속도는 열처리 압력에 크게 의존하고 압력은 0.5 torr에서 상압까지 가능한데 압력이 증가함에 따라 탈탄반응이 매우 촉진된다. 1기압하에서 탈탄반응은 매우 빠르게 진행되어 조절이 불가능하였고, 0.5 torr에서 5 torr 사이가 가장 적당한 압력 범위로 나타났다. 탈탄온도는 1300-1500℃ 범위가 적당하고, 온도가 높을수록 반응이 촉진된다. 가장바람직한 온도 범위는 1350-1450℃이다. 탈탄시간은 15분에서 1시간 사이가 적당한데, 타탄화물의 양이 클 수록 , Co농도가 클수록 시간이 길어지며 온도가 낮을수록 또 압력이 낮을수록 시간이 길어진다. 일예로 도1의 표에서 시편번호 2의 시편 경우에 10μm 크기의 표면입자를 성장시키는데 필요한 탈탄조건은 온도 1425℃, 압력 2torr인 경우에 30분에 해당한다. 수소만 사용하는 경우에도 소결체의 조성에 따라 비정상입자의 성장이 관찰된다. 그 이유는 진공로에 사용되는 단열용 흑연 팰트(felt)의 탄소분말이 날아 다니며 소결체 표면과 반응하여 탄소의 공급원으로 작용하여 탄화분위기를 만들어주기 때문으로 판단된다. 그러나 수소분위기 하에서 비정상입자성장이 관찰되는 소결체는 타탄화물이 1% 미만으로 첨가된 조성에 한한다. 시편의 위치에 따른 입자성장의 불균일성 문제는 진공에 의한 처리 보다 상당히 개선되나, 시편의 재종에 따라 2배까지의 크기 차이를 보인다. 보다 심각한 문제는 이 조성범위에서도 몇 재종에서는 비정상입자성장이 소결체의 모서리 부분에서 발생하지 않는 경우가 많다는 것이다. 따라서 항상 일정한 처리가 불가능하게 된다. 따라서 보다 적극적인 탄화과정에 의한 비정상입자성장공저의 채택이 불가피하다.

수소에 의한 탈탄반응이 끝난후 바로 메탄을 흘려 탄화반응을 유도하는 경우 모재의 재종(Co 의 함량 및 타탄화물의 함량)과 무관하게 표면의 입자성장을 일으킬 수 있고, 또한 모재의 형상에 관계없이 균일한 크기로 입자를 성장시킬 수 있다. 이 것이 본 발명이 가장 큰 장점이다. 메탄의 유량 및 열처리 조건은 수소를 이용한 탈탄조건과 유사하다. 탈탄과정에서 소결체 표면입자는 비정상입자성장을 하게 되며 모재의 부위에 관계없이 균일한 입자성장을 하게 된다. 이때 표면입자의성장속도는 소결체의 조성(타탄화물의 농도, Co의 농도)에 따라 차이가 있다. 타탄화물이 많을 수록 또한 Co의 농도가 클수록 성장속도는 늦어진다. 앞의 두 공정과 비교하여 이공정이 갖는 또 하나의 장점은 표면입자가 10μmm 이상으로 성장하는 경우에도 초경입자의 형상을 유지하면서 성장한다는 것이다. 앞의 두 방법에서는 이정도의 크기에서는 초경입자의 형상이 마치 서로 합체(agglomeration)된 것 같이 변화하여 목적한 계면 결합효과를 기대하기 힘들게 한다. 대표적인 비정상입자성장에 의한 소결체의 표면구조는 제 3도와 같다. 제 3도 (a)는 수소-메탄처리를 하여 성장시킨 경우 표면의 초경입자가 잘 발달된 형상을 하고 있고, 제 3도의 (b)는 진공 또는 수소로만 처리한 경우의 매우 변형된 형태의 입자형상을 보여분다. 두 경우 모두 X-ray로 분석한 결과 WC 입자임을 알 수 있는데, 다이아몬드 막과의 결합력의 관점에서는 제 3도의 (a) 보다 바람직하다. 이러한 탈탄과 탄화과정을 통하여 소결체 표면에 균일한 비정상입자성장을 발생시킬 수 있으며, 성장된 입자의 크기는 코팅할 다이아몬드 막의 두께에 따라 적절한 선택이 요구된다.

탈탄과 탄화과정과 함께 소결체 표면의 Co농도의 감소도 수반되는데 제 4도는 1 torr, 1400℃에서 수소 30분-메탄 30분의 조건으로 열처리한 시편의 표면으로 부터의 Co 농도변화곡선이다. 표면의 Co 농도가 현저히 줄었음을 볼 수 있다. 탈탄과 탄화과정 중에 소결체 내부의 입자 크기 변화는 관찰되지 않았다. 사용한 소결체의 입자크기는 1-3μm 범위에 들어 있는데 탈탄 및 탄화 후에도 같은 입자 크기를 유지하고 있어 소결체 내부의 입자성장은 진행되지 않는 것으로 판단된다. 따라서 본 발명에 의한 공정에서 소결체의 기계적 특성 변화는 수반되지 않아, 코팅후에도 모재의 기계적 특성을 그대로 유지할 수 있는 장점을 가지고 있다.

열처리가 끝난 소결체는 다이아몬드의 핵형성을 용이하게 하기 위하여 다이아몬드 분말로 전처리하게 된다. 전처리는 초음파처리, 스크랫치처리 등 기존의 모든 방법이 사용될 수 있는데 초음파 처리가 가장효과적인 것으로 나타났다. 초음파 처리는 아세톤(aceton)에 0.5μm 이하의 다이아몬드 분말을 넣고 소결체를 담근후 2분에서 10분 사이로 행한다. 처리된 소결체는 디아이 워터(DI water)에 3분씩 두번 세척한 후 아세톤으로 다시 3분간 세척하여 질소로 날려 말린다.

그런 다음 소결체에 다이아몬드를 증착시킨다. 다이아몬드의 증착은 마이크로웨이브 플라즈마 화학증착법(microwave PACVD), 핫-필라멘트 화학증착법(hot-filament CVD), 직류 아크-젯 화학증착법(DC arc-jet CVD) 등 다이아몬드를 증착할 수 있는 모든 방법이 사용될 수 있다. 다이아몬드의 증착온도는 에미시비티(emissivity)를 0.43으로 하여 옵티컬 피로미터(optical pyrometer)로 측정하였을때 850-950℃가 적당하다. 증착온도의 선택은 다이아몬드의 증착속도와 코팅하려고 하는 다이아몬드의 두께에 의존한다. 증착온도가 증가할수록 다이아몬드의 증착속도가 증가하는 대신, 소결체 내부의 Co의 표면확산에 의한 계면반응의 가능성이 증가하므로, 이들을 고려한 적절한 선택이 필요하다.

이렇게 하여 코팅된 다이아몬드 막은 우수한 밀착력을 갖는다. 제 5도는 도 2의 표에서 5번 조성의 모재를 1 torr, 1400℃에서 수소 30분-메탄 30분 처리한 후, 30μm 두께의 다이아몬드 막을 코팅한 시편을 최대 하중인 150 Kg의 록크웰 인덴터(Rockwell indenter)로 압흔한 흔적을 보여준다. 다이아몬드 막은 모재와의 박리없이 압흔 흔적만이 관찰되고 있다. 따라서 이 방법에 의하여 밀착력은 매우 증진되었음을 알 수 있다.

본 발명의 구체적인 내용은 다음의 실시예에서 보다 명확히 설명될 것이다.

실시예 1

본 실시예에서는 수소나 진공처리만 하는 경우 모재표면의 입자성장 예를 모재의 타탄화물 함유정도와 Co의 함유정도에 따라 설명한다. 도 1의 표에서 Co의 농도가 7% 이하의 조성 중 타탄화물이 1% 이하인 1번,2번,3번,4번 재종을 수소분위기로 열처리하는 경우 모재 표면의 입자 성장이 관찰된다. 제6도는 도1의 표에서 4번 조성 모재를 1400℃에서 30분간 수소분위기에서 열처리한 후의 표면조직으로 (a)는 시편의 중앙부분 (b)는 가장자리 인선부분에 해당한다. 중앙부분은 2-3μm 이었던 초경입자가 결정형을 잘 유지하며 10μm 크기로 성장하였음을 볼 수 있으나, 인선부는 결정형태를 분간하기 힘들다. 이것은 시편의 중앙부분에 비해 가장자리 부분의 입자의 성장속도가 크기 때문으로 조성에 무관하게 수소나 진공하에서 열처리할 경우 나타나는 현상이다. 이와 같이 모재의 부위에 따라 입자의 성장양상이 다르게 나타나고, 또 입자의 성장속도도 재현성없게 나타나게 되는데 이러한 방법으로는 다이아몬드 막과의 균일한 밀착력을 기대하기 힘들고 제품의 생산공정에 적용하기 힘들다. 또한 타탄화물이 1% 이하인 경우에도 타탄화물의 양이 증가함에 따라 입자성장속도나 균일성이 감소하는 것으로 나타났다. 입자의 성장이 비정상입자성장에 기인하는 것이므로 탄소분위기에 의한 재탄화분위기를 형성시켜 주지 않으면 표면의 입자성장을 유발시키기 힘들다. 수소나 진공하에서 입자성장이 일어나는 것은 사용한 진공로가 흑연발열체를 사용하고 주위에 흑연 단열재를 사용하여 분위기에 탄소원이 존재하기 때문이다. 동일한 조건에서 탄소원이 없는 진공분위기나 수소분위기하에서는 같은 재종의 모재를 열처리 하였을때 표면초경입자의 성장이 일어나지 않음을 확인하였다.

실시예 2

도 1의 표에서 1번에서 5번까지의 시편을 수소분위기에서 열처리하여 탈탄시킨 후 다시 메탄분위기에서 탄화시켰다. 도 2의 표는 1400℃에서 1 torr의 수소분위기에서 30분간 열처리한 후 다시 메탄분위기에서 30분간 열처리한 경우의 시편 중앙부와 가장자리부의 초경입자크기를 측정한 결과이다. 시편의 중앙부와 가장자리부의 입자는 약 10μm로 일정하게 성장하였음을 알 수 있다. 그리고 입자의 성장거동은 타탄화물의 함량 2%까지 Co의 함량 7% 까지는 큰 차이를 보이지 않았다.따라서 수소를 이용한 탈탄공정과 메탄을 이용한 탄화공정이 초경표면 입자의 성장에 매우 효과적이고 재현성있는 방법임을 확인하였다.

이렇게 처리한 모재에 다이아몬드를 증착하였다. 열처리 후 모재에 다이아몬드 증착시 핵형성을 촉진하기 위하여 , 아세톤에 0.5μm 이하의 크기를 갖는 다이아몬드 입자가 포함된 용액에 넣어 3분간 초음파 처리를 하였다. 처리가 끝난 시편을 디아이 워터와 아세톤에 세척한 후 질소로 잔류 아세톤을 날려 제거하였다. 다이아몬드 막의 증착은 마이크로웨이브 플라즈마화학증착방법을 이용하여 시도하였다. 증착조건은 7% 메탄을 함유한 수소기체와 4000W의 마이크로 웨이브 출력, 90 torr의 압력, 그리고 950℃의 증착온도이었다. 증착시간은 7시간으로 이때 다이아몬드막의 두께는 30μm이었다.

위의 시편을 록크웰 인덴테이션하여 박리유무를 조사하였다. 도 5와 같이 압흔 흔적만 관찰되고 박리의 흔적은 보이지 않았다. 따라서 본 실시예에 따른 방법이 밀착력을 증진시키는데 매우 효과적임을 확인할 수 있었다.

실시예 3

본 실시예는 본 발명이 모재의 타탄화물 함량과 무관하게 원하는 효과를 얻을 수 있음을 보여준다. 도 1의 표에서 8번 모재는 Co가 10%, 타탄화물이 20% 함유된 것으로 기존에 제시된 방법으로는 밀착력이 우수한 다이아몬드막의 코팅이 힘든 재종이다. 그러나 이러한 재종도 탈탄과 탄화공정을 이용하면 쉽게 원하는 조건으로 표면입자성장을 일으킬 수 있다. 그런데 타탄화물 함량이 많은 경우보다 높은 열처리 온도의 유지가 필요하다. 실시예 2와 동일한 온도조건에서 처리하게 되면 입자의 성장은 매우 미미하게 일어난다. 열처리 시간을 각각 45분으로 증가시킨 경우에도 입자의 성장은 관찰되지 않았다. 그런데 열처리 온도를 1410℃로 증가시키게 되면 뚜렷한 입자성장이 관찰된다. 제 7도는 1 torr의 압력으로 1410℃에서 10분간의 수소 열처리와 10분간의 메탄 열처리한 모재의 파단면을 보여준다. 입자의 크기의 시편의 위치에 관계없이 일정한 것으로 나타났다. 타탄화물의 함량이 많은 경우 특징적인 것은 성장한 판상 초경입자의 두께가 얇아진다는 것이다.

실시예 4

Co의 함량이 큰 모재의 경우 광산용 공구 등으로 사용되는데, 항절력이 요구되는 경우에 필요한 조성이다. 이 경우 표면경도나 내마모성이 부여되면 공구의 성능이 한층 배가되므로 다이아몬드의 코팅이 매우 중요하다. Co의 함량이 크므로 다이아몬드의 증착이 어렵고 또한 밀착력 확보를 위한 표면입자의 기존 방법으로는 해결이 힘들다. 본 발명에 의하여 Co의 함량이 15%인 도1의 표에서의 9번 모재의 경우도 탈탄과 탄화공정을 통해 쉽게 표면의 입자성장을 일으킬 수 있었다. 1400℃의 온도에서 수소에서 30분간 탈탄하고 메탄에서 30분간 탄화열처리 하였다. 초경입자의 크기는 약 20μm 정도로 성장하였다. 타탄화물을 다량 함유한 경우 보다 Co 함량이 많은 경우가 표면입자의 비정상입자성장이 용이하게 진행되었다.

실시예 5

기존의 방법에서는 서브 미크론(sub-micron) 입자들로 이루어진 초경의 표면입자성장은 보도되어 있지 않다. 본 발명의 경우 실시예 1-4와 같은 방법을 통해 열처리 온도를 20-50℃ 증가시키고, 열처리 시편의 표면부를 화학적 부식을 통해 Co를 적당량 제거하는 방법을 통해 효과적인 표면부의 입자성장이 가능하였다. 우선, 열처리 온도를 1450℃로 증가하여 수소와 메탄을 사용한 경우 1시간 열처리에 의해 4-7μm 크기의 WC 입자성장을 이룰 수 있었다. Co가 함량이 15% 이상의 경우는 H₂O₂+H₂SO₄용액에 30초에서 2분간 식각시켜 적당량의 Co를 제거하고 실시예 1-4와 동일한 방법으로 열처리를 통해 손쉽게 입자성장을 이룰 수 있다.

절삭시험결과

앞서 제작한 시편을 이용하여 절삭시험을 수행하였다. 절삭에 사용한 시편은 도 1의 표에서 모재조성 1번, 2번과 5번에 해당하고, 다이아몬드 막의 두께는 20μm, 30μm, 40μm를 코팅한 것이다. 코팅된 시편 모두 150 Kg의 하중으로 압흔하였을때 박리가 일어나지 않았다. 모재의 형상은 SPGN 120308형과 SPGN 120312형을 선택하였고, 피삭재는 Al-18.5%Si 조성의 원통이었다. 절삭조건은 절삭속도 500 m/min, 이송속도 0.2mm/rev, 절삭깊이 0.5mm, 1mm이었는데 습식절삭과 건식절삭을 수행하였다. 도 8은 도 1의 표에서 조성 1번에서 4번까지의 SPGN 120308에 30μm의 다이아몬드막을 코팅한 공구의 습식절삭시험결과이다. 다이아몬드는 마이크로웨이브 플라즈마 화학증착에 의하여 7%의 메탄을 함유한 수소분위기하에서 950℃상태에서 11.5시간 증착하였다. 이경우 절삭깊이는 1mm 이었다. 공구는 정상적인 마모에 의해 절삭이 진행된 것을 볼 수 있고, 27분 마모후에도 초경모재는 들어 나지 않았다. 4시편 모두 약 0.004mm/min의 비슷한 마모속도를 보여주고 있으며 절삭에 아무 문제없이 사용할 수 있는 공구의 성능을 보여준다. 27분 가공후 피삭제의 조도는 1.4-1.6μm로 측정되었다. 이러한 표면조도는 다이아몬드 막의 두께가 얇아질 수록 감소되는데, 두께가 30μm의 경우에 조도는 1.0-1.2μm의 범위를 보여준다. 이러한 조도의 변화는 막이 두꺼워짐에 따라 다이아몬드 입자의 결정면이 발달하여 다이아몬드막 표면조도가 증가함에 기인하는 것으로 두께를 얇게 하거나 다이아몬드 표면의 재핵형성에 의하여 다이아몬드 막의 표면조도를 개선하면 훨씬 줄일 수 있다.

또한, 정수압성형(cold isotatic pressing)한 초경소재(WC-13%Co)를 다이아몬드 코팅한 인서트(insert)로 절삭하여 공구의 성능을 소결다이아몬드 공구(PCD)와 비교하였다. 절삭속도는 180m/min, 이송속도는 0.75-1.25mm/rev이었다. 피가공재의 크기는 높이 200mm이고, 직경이 500mm 이었다. 절삭성능은 일정갯수의 피가공재를 가공한 후 공구인선의 마모양상을 비교하였다. 사용한 공구는 RCMT 1204형이며 다이아몬드 막의 두께는 20μm이었다. 도 9는 10개의 피가공재를 가공한 후의 소결다이아몬드 공구의 일선부위를 보인 사진(a)와 40개의 피가공재를 가공한 다이아몬드 코팅공구의 인선부위를 보인 사진(b)를 보여준다. PCD공구의 경우 인선부에 미소한 칩핑(chipping)이 발생하며 공구의 마모가 진행하는 것을 볼 수 있다. 그러나 다이아몬드 코팅공구의 경우는 40개를 가공한 후에도 전혀마모가 관찰되지 않았다. CIP 초경소재의 경우는 다이아몬드 코팅공구가 매우 우수한 성능을 발휘함을 확인할 수 있었다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명 다이아몬드 막이 코팅된 절삭공구 및 그 제조방법은 초경모재를 탈탄분위기에서 η상이 될때까지 열처리하여 초경모재의 표면을 탈탄시키는 탈탄공정을 실시하고, 그와 같이 표면이 탈탄된 초경모재를 탄화분위기에서 열처리하여 탈탄된 모재표면의 초경입자가 탄화되면서 비정상입자성장이 일어나도록 하는 탄화공정을 실시한 다음, 그와 같은 모재의 표면에 다이아몬드 막을 증착함으로서, 비정상입자성장이 일어나서 모재의 표면조도가 증가된 상태에서 다이아몬드 막을 증착하게 되어 증착막의 밀착력이 향상되는 효과가 있다. 또한, 이러한 다이아몬드 막의 증착방법에 의하여 절삭성능이 우수한 절삭공구를 생산할 수 있는 효과가 있다.

Claims (11)

1. 초경모재의 표면에 4~10μm크기의 입자로 이루어진 비정상입자성장층이 형성되어 있고, 그 비정상입자성장층의 외측면에 일정두께의 다이아몬드 막이 증착되어 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 막이 코팅된 절삭공구.
2. 제 1항에 있어서, 상기 초경모재는 WC계, TiC계, TaC계 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 막이 코팅된 절삭공구.
3. 제 2항에 있어서, WC계 모재의 경우에 Co의 함량은 16% 이내인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 막이 코팅된 절삭공구.
4. 제 2항 또는 제3항에 있어서, 상기 WC계 모재의 경우에 타탄화물의 함량은 20% 이내인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 막이 코팅된 절삭공구.
5. 제 1항에 있어서, 상기 다이아몬드 막의 두께는 10-100μm인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 막이 코팅된 절삭공구.
6. 소정형상으로 초경모재를 가공한 다음, 그 가공된 초경모재의 표면에 다이아몬드 막을 증착하는 순서로 제조되는 절삭공구의 제조방법에 있어서, 상기와 같이 증착을 실시하기 전에 가공된 초경모재를 탈탄분위기에서 Co₃W₃C 조성의 η상이 될때까지 열처리하여 초경모재의 표면을 탈탄시키는 탈탄공정과, 그와 같이 표면이 탈탄된 초경모재를 탄화분위기에서 열처리하여 탈탄된 모재표면의 초경입자가 탄화되면서 4~10μm 크기로 비정상입자성장이 일어나도록 하는 탄화공정을 순차적으로 실시하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 막이 코팅된 절삭공구의 제조방법.
7. 제 6항에 있어서, 상기 초경모재는 비정상입자성장이 가능한 WC계, TiC계, TaC계의 모재중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 막이 코팅된 절삭공구의 제조방법.
8. 제 7항에 있어서, 상기 WC계 모재의 경우에 Co의 함량은 16% 이내인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 막이 코팅된 절삭공구의 제조방법.
9. 제 6항 또는 제7항에 있어서, 상기 WC계 모재의 경우에 타탄화물의 함량은 20% 이내인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 막이 코팅된 절삭공구의 제조방법.
10. 제 6항에 있어서, 상기 다이아몬드 막의 두께는 10-100μm인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 막이 코팅된 절삭공구의 제조방법.
11. 제 6항에 있어서, 상기 탈탄공정에서는 수소나 진공 또는 산소분위기를 이용하여 열처리하고, 탄화공정에서는 메탄과 같은 탄화수소분위기를 이용하여 열처리하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 막이 코팅된 절삭공구의 제조방법.