cBN 절삭공구 수명 향상을 위한 TiN 코팅막 제조

Abstract

우주항공소재 및 난삭재의 가공을 위하여 초경합금 공구가 이용되고 있다. 공구의 재료로써 다이아몬드 다음으로 높은 경도를 가지고 있는 cBN은 열적 안정성 또한 우수하여 다양한 연구가 진행되고 있다. PcBN 초경공구로써 사용 시 미세금형 가공 및 비철계 금속까지도 가공 가능하며, 초기 cBN 합성 시 생성된 B2O3막으로 인해 산화 저항성이 우수해 고온 작업에도 적용이 가능하다. 단일 물질로서 인성이 약하여 소결체를 제조 후 용접하여 사용되며, 소결체 제조시 cBN 분말과 소결첨가제 (TiN, TiC, AlN)를 혼합하여 초고온고압 소결을 통해 제작된다. 그러나 이러한 소결첨가제만으로는 강도와 경도 증진이 한계가 있었다. cBN간의 직접결합과 소결첨가제가 cBN 계면으로부터의 탈락현상으로 인하여 고속 절삭조건에서 사용 중 마모가 발생되었다. 따라서 cBN 입자표면에 소결첨가제 중 하나인 TiN을 코팅하여 내마모성을 증진 시키는 연구가 진행되었다.

본 논문은 PcBN 절삭공구의 내마모성 증진을 위하여 졸-겔법, LPD법에 의하여 cBN 표면에 TiN을 코팅하였다. TTIP을 이용한 졸-겔법으로 cBN 표면에 나노사이즈의 비정질 TiOx 입자가 코팅되었으며, 진공로의 95% N2 – 5% H2 분위기에서 온도가 올라감에 따라 TiOx → TiO2 rutile → Ti4O7 → TiN으로의 상전이가 확인되었다. 소결 온도 1200 ℃에서 TiN 코팅층과 Ti2O3 잔유물이 형성되었으며, Ti 코팅층은 온도조건과 관계없이 균일하게 도포되었다. 최종적으로 TiN이 코팅된 PcBN 공구를 제작하여 내마모성 테스트 결과 공구의 수명이 약 1.4배 늘어난 것이 확인되었다. 그러나 TTIP를 이용한 졸-겔법의 경우 cBN 표면에 티타늄 산화물 생성 시 응집성이 강하여, cBN 표면에서 이종핵생성이 발생하지 않고, 단일 물질로써 결정화 되어 큰 경도 증진을 이루지 못하였다.

TiF4을 이용한 LPD 법으로 cBN 표면에 나노사이즈의 결정질 TiOx (TiO2 anatase phase)가 코팅되었으며, 균일하게 도포한 코팅막 형성이 확인되었다. 진공로의 95% N2 – 5% H2 분위기에서 온도가 올라감에 따라 TiOx → TiO2 rutile → Ti4O7 → TiN으로의 상전이가 확인되었다. 소결 온도 1200 ℃에서 단일상의 TiN 코팅층이 확인되었으며, Ti 산화물은 질소로의 완전한 환원이 확인되었다. 제조된 TiN이 코팅된 cBN 분말로 PcBN 공구를 제작하였으며, 중절삭 조건에서 내마모성 시험을 실시하였다. 공구 평균시간과 절삭거리가 코팅되지 않은 PcBN 공구에 비하여 약 4배 늘어났으며, 이는 본 연구가 성공적으로 제조 설계되었음을 시사한다.