KR100706583B1 - 기재와 다이아몬드 피막 사이에 위치하는 중간층을 포함한다이아몬드 피복부재 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 초경합금(cemented carbide)으로 된 기재, 다이아몬드 피막, 그리고 상기 기재와 상기 다이아몬드 피막 사이에 위치하는 중간층을 포함하는 다이아몬드 피복부재에 있어서, 이 중간층은 고용체로 구성되며, 이 고용체는 알루미늄 질화물과 주기율표상 Ⅳa, Ⅴa 및 Ⅵa족 중 어느 하나에 속하는 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 피복부재에 관한 것이다. 상기 중간층은 TiAlN, CrAlN 및 VAlN 중 어느 하나로 되는 것이 바람직하다. 상기 기재는 초미립자 초경합금(super-fine particle cemented carbide)으로 형성되는 것이 바람직하다.
다이아몬드 피복부재
Description
이하의 현재 바람직한 본 발명의 실시예에 관한 상세한 설명 및 첨부된 도면을 통해, 본 발명에 대한 상기의 사항 및 그 밖의 목적, 특징, 이점, 기술적ㆍ산업적 중요성을 보다 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 1a 는 본 발명에 따라 제조된, 엔드 밀 형태로 된 다이아몬드 피복부재의 정면도.
도 1b 는 다이아몬드 피막과 기재 사이에 위치한 중간층을 도시한 것으로서, 도 1a 에 도시된 엔드 밀의 인부(cutting teeth portion)에 대한 단면도.
도 2 는 도 1a 에 도시된 상기 엔드 밀을 제조하기 위한 공정을 예시하는 공정계통도.
도 3 은 도 2 에 도시된 상기 제조 공정 중 다이아몬드 피막을 형성하는 단계(S4)에 사용되는 마이크로파 플라즈마 CVD 장치의 예를 보여주는 개략도.
도 4 는 본 발명자들이 행한 내구성 시험에 사용된, 6 종류의 엔드 밀의 시험품 1 ~ 6 을 보여 주는 표.
도 5 는 상기 내구성 시험이 행하여질 때의 절삭 조건을 보여 주는 표.
도 6 은 상기 내구성 시험의 결과를 보여 주는 그래프.
도 7a 및 7b 는 다이아몬드 압자가 규정된 하중으로 표면상에 떨어진 후, 시험품 1 과 5 의 개개 표면 위에 형성된 흔적들을 보여 주는 사진들.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 엔드 밀 12 : 공구 기재 14 : 인부 15 : 자루부
16 : 다이아몬드 피막 18 : 중간층 20 : 마이크로파 플라즈마 CVD 장치
22 : 반응로 24 : 마이크로파 발생 장치 26 : 가스 공급 장치
28 : 진공 펌프 30 : 전자코일 32 : 테이블 36 : 지지 부재
38 : 관찰창 40 : 석영 유리판 42 : 압력계
본 발명은 일반적으로 다이아몬드 피복부재에 관한 것으로, 특히, 코발트 함량이 많은 초미립자 초경합금의 기재에 대해서, 다이아몬드 피막이 충분히 높은 밀착력으로 피복되어 있는 다이아몬드 피복부재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
엔드 밀, 탭 및 드릴과 같은 절삭공구의 한 형태로서, 초경합금의 공구 기재가 다이아몬드 피막으로 피복된, 다이아몬드 피복공구가 제안되어 있다. 700 ~ 1000℃의 높은 온도하에 CVD(chemical vapor deposition)법 또는 다른 방법에 의해 상기 공구 기재에 다이아몬드 피막을 형성하는 공정에서는, 높은 온도로 인해 초경합금에 함유된 코발트가 석출되어 다이아몬드 피막의 입자가 흑연화된다 (graphitized). 이러한 다이아몬드 입자의 흑연화는, 다이아몬드 피막이 공구 기재에 결합되는 부착력 또는 결합력을 감소시켜 바람직하지 않다. 상기 공구 기재로부터의 코발트 석출을 피하기 위해서는, 보통 공구 기재를 산처리하는데, 공구 기재에 다이아몬드 피막을 형성하기 이전에 황산 또는 질산과 같은 적당한 산을 이용하여 기재의 표면에 인접한 코발트를 제거하게 된다. 그러나, 코발트 함유량이 많은 초미립자 초경합금으로 된 기재의 경우에는, 기재 표면에 인접한 코발트가 기재로부터 완전히 제거된다 하더라도, 다이아몬드 피막이 가열되는 동안, 기재 안에 포함된 코발트가 다량으로 기재의 표면에 석출된다. 따라서, 기재에 대한 다이아몬드 피막의 결합력이 감소되는 것을 피할 수 없고, 코발트 함유량이 많기 때문에 여타의 초경합금보다 본질적으로 인성(toughness)이나 비취성 (unbrittleness)의 정도가 더 높으며, 특히 주철이나 다른 경질 재료를 가공하는 절삭공구의 기재 재료로 유용하게 사용되는 초미립자 초경합금을 공구 기재로 사용하는 것이 불가능하게 된다.
JP-B2-6-951(1994년에 공고된 일본특허공보)호에는 기재, 결정질 다이아몬드 피막, TiC 또는 다른 재료로 된 중간층 및 비결정질 탄화 (carbonized) 구조로 된 층을 포함하는 다이아몬드 피복부재가 개시되어 있다. 이 다이아몬드 피복부재에 있어서, 중간층은 기재 위에 놓이고, 상기 비결정질 탄화 구조층은 중간층과 다이아몬드 피막 사이에 위치하도록 중간층 위에 놓여진다. 이 배열은, 코발트 함량이 많은 초미립자 초경합금을 기재의 재료로 사용할 수 있게 한다.
그러나, 상기 다이아몬드 피복부재를 제조하는데 있어서는 결정질 다이아몬드 피막을 형성하기 이전에, 비결정질 탄화 구조층을 중간층 위에 형성하는 단계를 수행할 필요가 있다. 이러한 추가적인 단계는 성가신 작업을 요구하며 제조비용을 상승시킨다.
다이아몬드 피복공구가 절삭 공구의 형태가 되는 경우 뿐만 아니라, 피삭재를 소성 변형시켜 원하는 형상으로 가공하는 냉간성형 공구와 같은 다른 기계가공공구의 형태가 되는 경우에도, 상기의 결점이나 문제점들을 접하게 된다.
따라서, 본 발명의 제 1 목적은, 코발트 함량이 많은 초미립자 초경합금으로 된 기재의 경우에도, 충분한 고강도로 다이아몬드 피막이 기재에 밀착되는 다이아몬드 피복부재를 제공하는 것이다. 이러한 제 1 목적은 아래에 기술된 제 1 발명 내지 제 11 발명 중 어느 하나에 따라 달성될 수 있다.
본 발명의 제 2 목적은, 코발트 함량이 많은 초미립자 초경합금으로 된 기재의 경우에도, 충분한 고강도로 다이아몬드 피막이 기재에 밀착되는 다이아몬드 피복부재를 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 이러한 제 2 목적은 아래에 기술된 제 12 발명과 제 13 발명 중 어느 하나에 따라 달성될 수 있다.
제 1 발명은 다이아몬드 피복부재를 제공하는 것으로서, 초경합금(cemented carbide)으로 된 기재, 다이아몬드 피막, 그리고 상기 기재와 상기 다이아몬드 피막 사이에 위치하는 중간층을 포함한 다이아몬드 피복부재에 있어서, 이 중간층이 고용체로 구성되며, 이 고용체가 알루미늄 질화물과 주기율표상 Ⅳa, Ⅴa 및 Ⅵa족 중 어느 하나에 속하는 금속을 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명의 다이아몬드 피복부재는 상기 기재 및 이 기재를 덮는 다층 피막으로 구성된다고 해석될 수 있으며, 이 다층 피막은 상기 다이아몬드 피막을 외층으로 하고 상기 중간층을 내층으로 한다. 다시 말해서, 상기 다이아몬드 피막과 중간층은, 기재를 덮는 다층 피막을 제공하기 위해 상호 협력하는 것으로도 해석될 수 있다. 또한, 상기 중간층은 매개층으로도 불릴 수 있다.
제 2 발명은, 제 1 발명에서 한정된 다이아몬드 피복부재에 있어서, 상기 다이아몬드 피막이 상기 중간층과 접촉하여 유지되는 것을 특징으로 한다. 상기 발명이 속하는 기술분야에서 논하였듯이, 종래에 중간층과 다이아몬드 피막 사이에 위치하여 제공되던 비결정질 탄화 구조층이 없이, 상기 결정질 다이아몬드 피막은 직접 중간층의 외면에 놓여진다.
제 3 발명은, 제 1 발명 또는 제 2 발명에서 한정된 상기 다이아몬드 피복부재에 있어서, 상기 중간층이 TiAlN (알루미늄 티타늄 질화물), CrAlN (알루미늄 크롬 질화물) 및 VAlN (알루미늄 바나듐 질화물) 중의 어느 하나를 포함하고, 물리적 증착법에 따라 상기 기재의 표면에 형성되는 것을 특징으로 한다. TiAlN은 알루미늄 질화물과 Ti를 포함하는 고용체를 의미하는 것으로 해석될 수 있고, CrAlN은 알루미늄 질화물과 Cr을 포함하는 고용체를 의미하는 것으로 해석될 수 있으며, VAlN은 알루미늄 질화물과 V를 포함하는 고용체를 의미하는 것으로 해석될 수 있다.
제 4 발명은, 제 1 발명 내지 제 3 발명 중 어느 하나에서 한정된 상기 다이아몬드 피복부재에 있어서, 상기 기재가 WC(tungsten carbide)를 주성분으로 하는 초미립자 초경합금으로 만들어지고, 또한 이 초미립자 초경합금이 3 ~ 25 wt%의 코발트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
제 5 발명은, 제 4 발명에서 한정된 상기 다이아몬드 피복부재에 있어서, 상기 초미립자 초경합금 내의 코발트 함유량이 5 ~ 10 wt%인 것을 특징으로 한다.
제 6 발명은, 제 4 발명에서 한정된 상기 다이아몬드 피복부재에 있어서, 상기 초미립자 초경합금이, 평균 지름 1㎛ 이하의 입자로 된 경질상(hard phase)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
제 7 발명은, 제 1 발명 내지 제 6 발명 중 어느 하나에서 한정된 상기 다이아몬드 피복부재에 있어서, 상기 기재의 표면이, 거칠기 곡선(roughness curve)의 최대높이 Ry가 0.5㎛ ~ 2㎛인 거칠기 곡선을 갖도록 상기 기재가 표면상에 요철을 갖는 것을 특징으로 한다.
제 8 발명은, 제 7 발명에서 한정된 상기 다이아몬드 피복부재에 있어서, 상기 중간층이 거칠기 곡선을 갖는 기재의 표면과 접촉하여 유지되고, 상기 중간층의 두께가 0.5㎛ 내지 5㎛인 것을 특징으로 한다.
제 9 발명은, 제 1 발명 내지 제 8 발명 중 어느 하나에서 한정된 상기 다이아몬드 피복부재에 있어서, 상기 다이아몬드 피막의 두께가 5㎛ 내지 20㎛인 것을 특징으로 한다.
제 10 발명은, 제 1 발명 내지 제 9 발명 중 어느 하나에서 한정된 상기 다이아몬드 피복부재에 있어서, 상기 다이아몬드 피복부재가, 피삭재(workpiece)의 가공을 위해 피삭재를 따라 움직이는 기계가공 공구인 것을 특징으로 한다.
제 11 발명은, 제 10 발명에서 한정된 상기 다이아몬드 피복부재에 있어서, 상기 기계가공 공구가 엔드 밀인 것을 특징으로 한다.
제 12 발명은, (a) 초경합금으로 된 기재, (b) 다이아몬드 피막, 그리고 (c) 상기 기재와 상기 다이아몬드 피막 사이에 위치하는 중간층으로 이루어진 다이아몬드 피복부재를 제조하는 방법에 있어서, 이 방법이, 상기 기재의 표면을 조면화하여 조면에 요철이 형성되게 하는 조면화 단계와 물리적 증착법에 따라 TiAlN, CrAlN 및 VAlN 중 어느 하나로 상기 중간층을 형성하여, 이 중간층이 상기 요철을 갖는 상기 기재의 조면과 접촉하여 유지되도록 하는 중간층 형성 단계, 그리고 화학적 증착법에 따라 상기 다이아몬드 피막을 형성하여, 상기 다이아몬드 피막이 상기 중간층의 외면과 접촉하여 유지되도록 하는 다이아몬드 피막 형성 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
제 13 발명은, 제 12 발명에서 한정된 상기 방법에 있어서, 상기 기재의 표면이 규정된 표면 조도를 갖도록 조면 처리되어 요철을 갖는 것을 특징으로 하고, 기재 표면의 요철이 중간층의 외면에 요철을 발생시키도록, 상기 기재 표면의 규정된 표면 조도를 기초로 하여 상기 중간층의 두께를 결정한다.
본 발명의 상기 다이아몬드 피복부재는, 엔드 밀, 드릴, 탭, 쓰레딩 다이(threading die), 선반절삭이나 밀링 작업용 공구 홀더에 부착되는 교환가능한 인서트(incert), 피삭재를 소성변형시켜 원하는 형상으로 성형하는 냉간성형 공구 그리고 피삭재에 대해 상대 운동하면서 피삭재를 가공하는 여타의 기계가공 공구들과 같은 다이아몬드 피복 기계가공 공구가 될 수 있다. 또한, 본 발명의 상기 다이아몬드 피복부재는 이러한 기계가공 공구 이외의 다른 것이 될 수도 있다. 본 발명의 상기 다이아몬드 피복부재로 구성되는 상기 기계가공 공구는 특히, 경질재료로 된 피삭재를 가공하는데 유용하게 이용되고 현저히 향상된 내구성을 보여 줄 수 있다.
본 발명의 상기 기술적 이점들은, 특히, 기재가 코발트 함유량이 많은 초미립자 초경합금으로 된 경우에 향유될 수 있다. 그러나, 본 발명의 원리는 기재가 통상의 초경합금으로 된 다이아몬드 피복부재에도 적용될 수 있다.
상기 중간층은 TiAlN, CrAlN 및 VAlN 중의 하나를 포함하는 것이 바람직하나 TiAlN을 포함하는 것이 보다 바람직하다. 상기 기재가, 예컨대, 그 기재 표면을 조면화하여 그 면 위에 요철을 갖는 경우, 기재 표면의 요철이 중간층의 외면에 요철을 주도록, 기재 표면의 표면 조도를 기초로 하여 중간층의 두께를 결정한다. 이 경우, 상기 중간층의 외면이 상기 기재 표면과 동일한 거칠기 곡선을 가질 필요는 없다. 다시 말해서, 상기 중간층의 외면 요철이 상기 기재 표면의 요철과 동일한 윤곽을 가질 필요는 없다. 상기 기재 표면의 거칠기 곡선은 최대 높이 Ry가 0.5㎛ 내지 2㎛인 것이 바람직하고, 상기 중간층의 두께는 0.5㎛ 내지 5㎛인 것이 바람직하다. 상기 다이아몬드 피막 두께의 최적 범위는 중간층의 재료 및 중간층 외면의 표면 거칠기에 따라 변하지만, 상기 다이아몬드 피막 두께는 5㎛ 내지 20㎛인 것이 바람직하고, 10㎛ 내지 15㎛인 것이 보다 바람직하다.
제 12 발명의 조면화 단계에 있어서, 상기 기재 표면은 전해연마 (electrolytic polishing)를 하거나 SiC 또는 다른 재료로 만들어진 연마 입자로 샌드블라스팅 (sandblasting)을 하여 조면처리되는 것이 바람직하다.
제 12 발명의 상기 중간층 형성 단계에 있어서, 상기 중간층은 스퍼터링 (sputtering), 이온 플레이팅(ion plating), 여타 진공증착법과 같은 PVD법에 따라 형성된다. 그러나, 상기 중간층은 이를 형성하는 재료에 따라 다른 피복법에 의해 형성될 수 있다.
제 12 발명의 상기 다이아몬드 피막을 형성하는 단계에 있어서, 상기 다이아몬드 피막은 마이크로파 플라즈마 CVD법 및 고온 필라멘트 CVD법 등과 같은 CVD법에 따라 형성되는 것이 바람직하다. 그러나, 이 단계는 고주파 플라즈마 CVD법과 같은 다른 방법을 사용하여 수행될 수도 있다.
< 바람직한 실시 형태 >
도 1a 는 본 발명에 따라 제조된, 엔드 밀(10) 형태로 된 다이아몬드 피복부재의 정면도이다. 상기 엔드 밀(10)은, 대개 원통형이며 초미립자 초경합금으로 형성된 공구 기재(모재)(12)를 포함하는데, 초미립자 초경합금은 WC를 주성분으로 하고 또한 5 ~ 10 wt%의 코발트를 포함한다. 이 초미립자 초경합금은, 평균 지름이나 크기가 1 ㎛ 이하인 입자로 구성되는 경질상을 포함한다. 상기 공구 기재(12)는, 서로가 일체로 형성된 인부(14, cutting teeth portion)와 자루부(15, shank portion)를 갖는다. 나선상 홈(helical flutes)과 절삭날(cutting teeth)이 형성되어 있는 상기 인부(14)는 다이아몬드 피막(16)으로 피복된 면을 갖는다. 도 1a 에서, 사선부는 상기 다이아몬드 피막(16)이 피복된 표면 부분을 표시한다. 절삭날(cutting teeth) 각각은 외주 측면(peripheral flank face), 바닥 또는 선단 측면(bottom or end flank face), 그리고 상기 나선상 홈에 해당하는 경사면(rake face)을 가지고, 따라서 절삭날 각각에는 외주 절삭날(peripheral cutting edge), 바닥 또는 선단 절삭날(end cutting edge)이 형성되어 있다. 상기 선단 절삭날이 경사면과 선단 측면의 교선으로 규정되는 한편, 상기 외주 절삭날은 경사면과 외주 측면의 교선으로 규정된다.
또한, 상기 엔드 밀(10)은 상기 기재(12)와 상기 다이아몬드 피막(16) 사이에 위치한 중간층(18)을 포함한다. 상기 엔드 밀(10) 인부(14)에 대한 반지름 방향의 외부 단면도인 도 1b 에서 도시된 바와 같이, 상기 중간층(18)의 내면 및 외면은, 상기 공구 기재(12) 및 상기 다이아몬드 피막(16)과 각각 접촉하여 유지된다.
도 2 는 상기 엔드 밀(10)을 제조하기 위한 공정을 예시하는 공정 계통도이다. 상기 제조 공정은, 상기 공구 기재(12)를 형성하기 위해 초미립자 초경합금 봉이 연마 작업, 다른 기계가공 또는, 연마작업과 다른 기계가공을 받게 되는 기재 준비 단계(S1)에서부터 개시된다. 이어서, 상기 중간층(18) 및 상기 다이아몬드 피막(16)이 상기 공구 기재(12)에 부착 또는 밀착되는 힘을 증가시키기 위해, 상기 공구 기재(12)의 인부(14) 표면을 거칠게 하는 조면화 단계(S2)가 수행된다. 이 조면화 단계(S2)는 예를 들면, 전해 연마 또는 다른 화학적 부식 처리에 의하여, 또는 적당한 연마 입자로 샌드블라스팅 처리를 하여 수행되고, 따라서 상기 조면은, 최대 높이 Ry 가 0.5㎛ 내지 2㎛인 거칠기 곡선을 갖게 된다.
이어서, 상기 공구 기재(12)로부터 코발트를 제거하기 위한 산처리 또는 다른 처리 없이, 이온 플레이팅법 또는 다른 PVD법에 따라 상기 공구 기재(12)의 인부(14)의 조면 위에 TiAlN으로 된 상기 중간층(18)을 형성하기 위해서, 중간층 형성 단계(S3)가 수행된다. 이 경우, 상기 중간층(18)의 형성은 400 ~ 500℃의 온도에서 실행된다. 그러나, 이 온도는 상기 다이아몬드 피막 형성이 실행되는 온도인 700 ~ 1000℃ 보다는 낮다. 게다가, 상기 PVD법에서, 상기 인부(14)의 표면은 이와 충돌하는 발생이온에 의해 충격을 받는다. 따라서, 상기 중간층(18)을 형성하는 과정에 있어서, 상기 중간층(18)과 상기 공구 기재(12)의 부착력 또는 밀착력을 감소시킬 정도로까지 상기 공구 기재(12)로부터 코발트가 석출될 위험은 없다. 상기 중간층(18)은 예컨대, 약 2 ~ 5㎛의 규정된 두께를 갖도록 형성된다. 상기 중간층(18)의 두께는, 상기 공구 기재(12)의 표면에 형성된 요철이 상기 중간층(18)의 외면에, 도 1b 에 도시된 바와 같은 적당한 표면조도의 요철을 주도록, 상기 공구 기재(12)의 표면 조도에 따라 정해진다.
상기 중간층 형성 단계(S3) 이후, 도 3 에 도시된 바와 같은 마이크로파 플라즈마 CVD 장치(20)를 이용하여 상기 중간층(18)의 외면에 다이아몬드 입자가 생성, 성장되는 다이아몬드 피막 형성 단계(S4)가 실시되고, 따라서 상기 중간층(18)은 상기 다이아몬드 피막(16)으로 피복된다. 상기 다이아몬드 피막(16)은 예컨대, 5 ~ 15㎛의 규정된 두께를 갖도록 형성되고, 이러한 두께에서 다이아몬드 피막(16)은 요구되는 정도의 내마모성을 가질 수 있게 된다. 상기 다이아몬드 피막(16)은, 상기 요철 및 상기 중간층(18)의 외면에 형성된 용적(비교적 작은 요철)에 의해 증가된 힘으로 상기 중간층에 결합 또는 밀착된다. 다시 말해서, 상기 중간층(18)과 상기 다이아몬드 피막(16) 사이에 비결정질 탄화 구조층을 제공하지 않아도, 상기 다이아몬드 피막(16)은 충분한 힘으로 상기 중간층(18) 또는 상기 공구 기재(12)에 밀착된다.
도 3 의 상기 마이크로파 플라즈마 CVD 장치(20)는 원통형 노(tubular furnace) 또는 반응로(22), 마이크로파 발생 장치(24), 가스 공급 장치(26), 진공 펌프(28) 및 전자코일(30)을 포함한다. 또한, 상기 장치(20)는 상기 원통형 반응로(22) 내에 위치하는 테이블(32), 이 테이블(32) 위에 위치하는 지지 부재 (36)를 포함한다. 복수의 공구 기재(12)들은, 상기 다이아몬드 피막(16)으로 피복될 각각의 공구 기재(12)의 인부(14)가 자루부(15)보다 위쪽에 위치하도록, 상기 지지 부재(36)에 의해 지지된다. 상기 마이크로파 발생장치(24)는 예컨대, 약 2.45 GHz의 주파수를 갖는 마이크로파를 생성하기 위한 것이다. 상기 마이크로파가 상기 반응로(22) 내로 유입되면 각 공구 기재(12)는 가열되고, 가열된 기재 (12)의 인부(14)의 표면 온도는, 원통형 반응로(22)의 상부 벽을 관통하여 형성된 관찰창(38)에 제공된 복사 온도계에 의해 검출된다. 상기 마이크로파 발생 장치(24)에 공급되는 전력은, 피드백 방식으로 즉, 검출 온도를 나타내는 대표 신호를 기초로 제어되므로, 상기 검출 온도는 규정된 온도와 일치하게 된다. 석영 유리판(40, silica glass plate)은 상기 원통형 반응로(22)의 상부에 제공되어, 상기 공구 기재(12)들은 상기 유리판(40)을 통해 관찰될 수 있고, 상기 진공 펌프(28)에 의해 형성된 상기 원통형 반응로(22) 내의 진공 상태는 상기 유리판 (40)에 의해 유지될 수 있다.
상기 가스 공급 장치(26)는, 상기 원통형 반응로(22) 내로 유입되는 메탄( CH₄), 수소( H₂) 및 일산화탄소( CO )와 같은 원료가스를 공급하기 위한 것이다. 상기 가스 공급 장치(26)는, 상기 원료가스로 채워진 가스 실린더, 상기 원료가스의 유량을 제어하기 위한 유량제어밸브 및 상기 원료가스의 유량을 측정하기 위한 유량계를 포함한다. 상기 진공 펌프(28)는 상기 반응로(22) 내의 가스를 흡입하여 상기 반응로(22) 내의 압력을 감소시키기 위한 것이다. 상기 진공 펌프(28) 모터에 공급되는 전류는, 압력계(42)에 의해 검출되는 실제의 압력치가 규정된 압력치와 일치하도록 피드백 방식으로 제어된다. 상기 전자코일(30)은, 상기 원통형 반응로(22)의 외주면을 둘러 싸도록 원통형 반응로(22)의 외주측에 위치하는 환상체로 구성된다.
상기 다이아몬드 피막 형성 단계(S4)는 핵결합 단계와 결정 성장 단계로 구성된다. 상기 핵결합 단계에 있어서, 메탄과 수소의 유량은 개개의 규정치로 제어되는 한편, 상기 마이크로파 발생 장치(24)는, 상기 공구 기재(12)의 표면 온도가 700℃ 내지 900℃의 규정된 범위가 되도록 제어된다. 또한, 상기 진공 펌프(28)는 상기 반응로(22) 내의 압력이 2.7 ×10²Pa 내지 2.7 ×10³Pa의 규정된 범위가 되도록 작동된다. 상기 메탄과 수소의 유량, 상기 공구 기재(12)의 온도, 상기 반응로(22) 내의 압력은 개개의 규정치에서 0.1 ~ 2.0 시간동안 유지되어, 핵층 (nucleus layer) 이 상기 중간층(18)의 외면에 결합된다. 본 명세서에서 사용된 "핵층"이라는 용어는 다수의 핵들이 집합된 층을 의미하는 것으로 해석될 수 있다.
상기 핵결합 단계 이후, 공급된 가스 내의 메탄 농도가 1% 내지 4%의 규정된 범위가 되도록, 상기 메탄과 수소의 유량이 제어되는 결정 성장 단계가 실시된다. 상기 마이크로파 발생 장치(24)는, 상기 중간층(18)의 외면 온도가 800℃ 내지 900℃의 규정된 범위가 되도록 제어된다. 상기 진공 펌프(28)는 상기 반응로(22) 내의 압력이 1.3 ×10³Pa 내지 6.7 ×10³Pa의 규정된 범위가 되도록 작동된다. 상기 메탄의 농도, 상기 중간층(18)의 외면 온도 및 상기 원통형 반응로(22) 내의 압력은 규정된 시간동안 개개의 규정된 수치로 유지되고, 이에 의하여, 상기 다이아몬드 결정들은, 규정된 두께의 다이아몬드 피막(16)을 형성하기 위해, 상기 핵층으로부터 성장한다. 상기 다이아몬드 피막(16)은, 상기 핵결합 단계와 상기 결정 성장 단계를 반복하여 수행함으로써, 성장한 다이아몬드 미소결정으로 된 개개의 복수층으로 구성될 수 있다.
전술한 바와 같이 제조된 엔드 밀(10)에 있어서, TiAlN으로 구성되는 중간층(18)은 공구 기재(12)의 조면 위에 놓이도록 제공되고, 이 중간층(18)은 상기 다이아몬드 피막(16)으로 피복된다. 상기 중간층(18)을 상기 공구 기재(12)의 표면에 제공하기 때문에, 비결정질 탄화 구조로 구성된 층이 없는 경우라도 상기 다이아몬드 피막(16)은, 충분히 큰 밀착력으로 상기 중간층(18)을 통해 상기 공구기재(12)에 밀착될 수 있다. 이러한 배열은 상기 엔드 밀(10)의 구성을 단순화하고, 그에 따라 상기 엔드 밀(10)의 제조 비용을 절감하는데 기여한다. 상기 밀착력은 소위 "용적(droplets)" 에 의해 증가되는 것으로 추정되는데, 즉 용적은, 예를 들어 상기 중간층(18)이 물리적 증착(PVD)법에 따라 TiAlN으로 된 경우에, 그 외면에 형성되기 쉬운 작은 요철이다. 즉, 상기 다이아몬드 피막(16)과 접촉하여 유지될 수 있는 상기 중간층(18)의 외면 면적을 증가시키기 위해서 그리고 이 중간층이 다이아몬드 피막(16)과 요철에 의해 맞물릴 수 있도록 하기 위해서, 상기 작은 요철과 공구 기재(12)의 조면은 상호 협력한다.
또한, 공구 기재(12)와 다이아몬드 피막(16) 사이에 위치한 중간층(18)은, 이 중간층(18) 및 다이아몬드 피막(16)이 형성되는 동안, 상기 공구 기재(12) 안에 함유된 코발트가 기재(12)로부터 석출되는 것을 방지하는데 기여함으로써, 상기 중간층(18) 및 상기 공구 기재(12)에 대한 다이아몬드 피막(16)의 밀착력 감소 위험이 회피되고, 이에 따라 상기 다이아몬드 피막(16)을 형성하기 이전에 상기 공구 기재(12)로부터 코발트를 제거하기 위한 산처리 또는 여타의 처리가 불필요하게 된다. 즉, 상기 중간층(18)과 다이아몬드 피막(16)은, 상기 공구 기재(12)가 보통의 초경합금으로 된 경우 뿐만 아니라 코발트 함유량이 많은 초미립자 초경합금으로 된 경우에도, 충분히 큰 밀착력으로 상기 공구 기재(12)에 밀착될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따라 제조된 엔드 밀(10)에 있어서, 상기 초미립자 초경합금은 상기 공구 기재(12)를 형성하기 위한 재료로 사용될 수 있고, 따라서 상기 엔드 밀(10)은, 상기 다이아몬드 피막(16)의 높은 내마모성과 초미립자 초경합금으로 형성된 상기 공구 기재(12)의 높은 비취성(unbrittleness)으로 인하여 현저히 향상된 내구성을 가져, 주철이나 실리콘 함량이 많은 알루미늄 합금 주물과 같은 경질 재료로 된 피삭재를 가공하거나 절삭하는데 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명에 의해 제공되는 기술적 이점들, 특히 본 발명의 기계가공 공구의 내구성 향상을 확인하기 위해서, 엔드 밀 각각이 두 개의 절삭날 및 도 4 의 상기 표에 설시된 바와 같은 구조를 갖는 여섯 개의 엔드 밀을 이용하여 테스트를 하였다. 상기 여섯 개의 엔드 밀 중, 시험품 1 ~ 4 각각은 본 발명에 따라 제작되었고, 시험품 5 ~ 6 각각은 중간층을 포함하지 않았다.
도 4 의 표로부터 명백하듯이, 시험품 1, 2 및 6 각각은 초미립자 초경합금으로 된 공구 기재를 구비하는 한편, 시험품 3, 4 및 5 각각은 통상의 초경합금으로 된 공구 기재를 구비했다. 시험품 1 ~ 4 각각은 다이아몬드 피막 및 상기 공구 기재와 상기 다이아몬드 피막 사이에 위치한, TiAlN으로 형성된 중간층을 포함하는 반면, 시험품 5, 6 각각은 중간층을 포함하지 않아 다이아몬드 피막이 직접 상기 공구 기재 위에 놓여졌다. 시험품 1 ~ 4 각각에 있어서, 상기 공구 기재의 표면은, 상기 중간층 및 상기 다이아몬드 피막을 형성하기 이전에 전해연마를 하거나 SiC로 된 연마용 입자로 샌드블라스팅을 하여 조면화되었다. 시험품 5, 6 각각에 있어서, 상기 공구 기재의 표면은 전해연마에 의해 조면화된 후, 다이아몬드 피막을 형성하기 이전에 상기 공구 기재로부터 코발트를 제거하기 위한 산처리를 받게 되었다. 시험품 1 내지 3, 5 및 6 각각의 다이아몬드 피막의 두께는 10㎛인 반면, 시험품 4 의 경우는 14㎛ 였다. 시험품 1 ~ 6 각각의 인부의 지름은 10mm 였다.
사용된 두 개의 피삭재 중 하나는 A7075(aluminum)으로 만들어졌고, 다른 하나는 ADC12(aluminum die cast)로 만들어졌다. 두 개의 피삭재들은 도 5 의 표에 나타난 바와 같은 절삭 조건 하에 각 시험품으로 절삭되었다. 상기 표의 "절삭 깊이" 란에 있는 "aa" 와 "ar"은, 각각 상기 엔드 밀을 축방향으로 바라 볼 때 의 절삭 깊이와 반경방향으로 바라볼 때의 절삭 깊이를 나타낸다. 표 안의 "D"는 각 엔드 밀의 인부의 지름을 나타낸다. 표 안의 "이송 속도"는 곧 날당 이송량[= (분당 이송량)/(분당 회전수) ×(공구의 날수)]을 나타낸다. 각각의 절삭 동안, 상기 날당 이송량은 0.025 mm/tooth 씩 점점 증가되었다.
상기 테스트에서, 우선 상기 피삭재인 A7075의 측면이 각 시험품에 의해 4.2m만큼 절삭되었다. 둘째로, 동일한 피삭재에 대하여 각 시험품에 의해 4.8m만큼 홈 절삭이 되었다. 상기 측면 절삭과 홈 절삭을 행한 후, 시험품 1 내지 6 중 어느 것도 손상을 입지 않았다. 마지막으로, 상기 피삭재 ADC12의 측면이 각 시험품에 의해 절삭되었다. 이러한 ADC12의 측면 절삭에 있어서, 시험품 1 과 4 는 절삭거리가 65m가 될 때까지 어떤 손상도 입지 않은 반면, 시험품 2, 3, 5 및 6 은, 이러한 시험품들에 의해 상기 ADC12의 측면을 절삭한 누적거리가 도 6 의 그래프에 나타난 각각의 값에 이른 경우 더 이상 절삭 작업을 계속할 수 없었다. 다시 말해서, 시험품 1 과 4 는, 상기 ADC12의 측면절삭이 65m에 달한 후에도 사용가능하지만, 시험품 2, 3, 5 및 6 은 도 6 의 그래프에 나타난 바와 같이 상기 절삭거리가 각각 30m, 37m, 44m 그리고 23m에 달하였을 때, 상기 공구 기재들로부터 다이아몬드 피막이 제거되어 수명이 다하게 되었다.
도 6 의 그래프로부터 명백하듯이, 본 발명에 따라 제작된 시험품 1 은, 통상의 초경합금 기재에 코발트 제거처리(산처리)를 하고 다이아몬드로 피복한 시험품 5 에 비해서, 최소한 약 50% 향상된 내구성을 나타내었다. 이 결과는, 상기 공구 기재가 초미립자 초경합금으로 만들어진 경우라도, 상기 중간층을 제공하는 것이 충분히 큰 힘으로 상기 공구 기재에 결합 또는 밀착되는데 효과적임을 보여 주었다. 또한, 시험품 3 과 4 에 나타난 결과로부터 명백하듯이, 적당한 두께의 다이아몬드 피막은 공구의 수명을 향상시키는데 효과적임을 보여 주었다.
JIS Z 2245 규정에 따른 로크웰 경도 시험기를 이용하여, 시험품 1 과 5 에 또 다른 테스트가 행해졌다. 이 테스트에서, 테스트하중 588.4N 의 다이아몬드 압자가 시험품 1 과 5 각각의 표면 위로 떨어졌다. 도 7a 와 7b 는, 상기 다이아몬드 압자가 이 시험품들의 표면 위로 떨어진 후, 이들 각각에 국부적인 다이아몬드 피막제거를 가져 온 자국을 촬영한 사진들이다. 이들 형상으로부터 명백하듯이, 시험품 1 의 표면 위에 형성된 상기 자국이 시험품 5 의 표면 위에 형성된 것에 비해 작았다. 다시 말해서, 시험품 1 이 시험품 5 의 경우보다, 상기 공구 기재에 대한 상기 다이아몬드 피막의 밀착력이 더 큼을 보여 주었다.
본 발명에 대한 현재의 바람직한 실시예가 위에서 예시되었으나, 본 발명은 상기 예시된 실시예의 상세한 설명에 국한되지 않고, 다양한 다른 변화, 변형이나 개선과 함께 구체화될 수 있고, 이러한 것들은 하기 청구항에서 한정된 본 발명의 요지나 범위를 벗어나지 않는다면 당해 기술분야의 당업자들에게 적용될 수 있다.
제 1 발명 내지 제 11 발명 중 어느 하나에서 한정된 상기 다이아몬드 피복부재에 있어서, 상기 중간층은 상기 알루미늄 질화물과 주기율표상 Ⅳa, Ⅴa 및 Ⅵa족 중 어느 하나에 속하는 금속(예를 들어 Ti, Cr 및 V)을 포함하는 고용체로 구성된다. 이와 같이 제조된 중간층을 상기 기재의 표면에 제공하기 때문에, 상기 다이아몬드 피막은, 비결정질 탄화 구조를 갖는 층이 없는 경우라도 충분히 큰 부착력 또는 밀착력으로 상기 중간층을 통해 상기 기재에 밀착될 수 있다. 이러한 배열은 상기 다이아몬드 피복부재의 제조를 단순화하고, 그에 따라 상기 다이아몬드 피복부재의 제조 비용을 절감하는데 기여한다. 상기 밀착력은 소위 "용적(droplets)" 에 의해 증가되는 것으로 추정되는데, 용적은, 예를 들어 상기 중간층이 물리적 증착법(PVD)에 따라 TiAlN로 된 경우에, 그 외면에 형성되기 쉬운 작은 요철이다. 즉, 상기 작은 요철은, 다이아몬드 피막과 접촉하여 유지될 수 있는 중간층의 외면 면적을 증가시키고, 중간층이 그의 요철로 다이아몬드 피막과 결합되도록 하는데 효과적이다.
또한, 공구 기재(12)와 다이아몬드 피막(16) 사이에 위치한 중간층(18)은, 이 중간층(18) 및 다이아몬드 피막(16)이 형성되는 동안, 상기 공구 기재(12) 안에 함유된 코발트가 기재(12)로부터 석출되는 것을 방지하는데 기여함으로써, 상기 중간층(18) 및 상기 공구 기재(12)에 대한 다이아몬드 피막(16)의 밀착력 감소 위험이 회피되고, 이에 따라 상기 다이아몬드 피막(16)을 형성하기 이전에 상기 공구 기재(12)로부터 코발트를 제거하기 위한 산처리 또는 여타의 처리가 불필요하게 된다. 즉, 상기 중간층과 다이아몬드 피막은, 상기 기재가 보통의 초경합금으로 된 경우 뿐만 아니라 코발트 함유량이 많은 초미립자 초경합금으로 된 경우에도 충분히 큰 밀착력으로 상기 기재에 밀착될 수 있다. 따라서, 본 발명의 상기 다이아몬드 피복부재에 있어서, 초미립자 초경합금은 상기 기재를 형성하기 위한 재료로 사용될 수 있다. 기계가공 공구가 상기 초미립자 초경합금으로 된 기재를 포함하는 다이아몬드 피복부재로 구성되는 경우에, 그 기계가공 공구는 다이아몬드 피막의 높은 내마모성과 초미립자 초경합금의 높은 비취성(unbrittleness)으로 인하여 현저히 향상된 내구성을 가져, 주철이나 실리콘 함량이 많은 알루미늄 합금 주물과 같은 경질 재료로 된 피삭재를 가공하거나 절삭하는데 유용하게 사용될 수 있다.
제 12 발명과 제 13 발명 중 어느 하나에서 한정된 상기 제조방법은, 실질적으로 제 1 발명 내지 제 11 발명 중 어느 하나에서 한정된 다이아몬드 피복부재와 동일한 기술적 이점을 제공한다.
Claims (5)
- 초경합금(cemented carbide)으로 된 기재, 다이아몬드 피막, 그리고 상기 기재와 상기 다이아몬드 피막 사이에 위치하는 중간층을 포함한 다이아몬드 피복부재에 있어서, 상기 중간층이 TiAlN, CrAlN 및 VAlN 중 어느 하나로 PVD법에 의해 상기 기재의 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 피복부재.
- 제 1 항에 있어서, 상기 다이아몬드 피막은 상기 중간층과 접촉하여 유지되는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 피복부재.
- 삭제
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 기재는, WC를 주성분으로 하고 코발트 함유량이 3 ~ 25%wt인 초미립자 초경합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 피복부재.
- (a) 초경합금으로 된 기재, (b) 다이아몬드 피막, 그리고 (c) 상기 기재와 상기 다이아몬드 피막 사이에 위치하는 중간층으로 이루어진 다이아몬드 피복부재를 제조하는 방법에 있어서,상기 기재의 표면을 조면화하여 조면에 요철이 형성되게 하는 조면화 단계,물리적 증착법에 따라 TiAlN, CrAlN 및 VAlN 중 어느 하나로 상기 중간층을 형성하여, 이 중간층이 상기 요철을 갖는 상기 기재의 조면과 접촉하여 유지되도록 하는 중간층 형성 단계, 그리고화학적 증착법에 따라 상기 다이아몬드 피막을 형성하여, 상기 다이아몬드 피막이 상기 중간층의 외면과 접촉하여 유지되도록 하는 다이아몬드 피막 형성 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 다이아몬드 피복부재 제조방법.
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Patent event code: PA02012R01D Patent event date: 20050518 Comment text: Request for Examination of Application Patent event code: PA02011R01I Patent event date: 20011029 Comment text: Patent Application |
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Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20060823 Patent event code: PE09021S01D |
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Termination category: Default of registration fee Termination date: 20170309 |