Hard coatings are known to improve the performance of cutting tools in aggressive machining applications, such as high speed machining. New superhard Ti-Al-Si-W films, characterized by a nanocomposite nano-sized (Ti,Al,Si)N crystallites embedded in amorphous $Si_3 N_4$ matrix, could be su...
Hard coatings are known to improve the performance of cutting tools in aggressive machining applications, such as high speed machining. New superhard Ti-Al-Si-W films, characterized by a nanocomposite nano-sized (Ti,Al,Si)N crystallites embedded in amorphous $Si_3 N_4$ matrix, could be successfully synthesized on WC-Co substrates by a hybrid coating system of arc ion plating(AIP) and sputtering method. The hardness of Ti-Al-Si-N film increased with incorporation of Si, and had the maximum value ~50 GPa at the Si content of 9 at.%, respectively. And the X-ray diffraction patterns of Ti-Al-Si-N films with various Si content is investigated. In this study, Ti-Al-Si-N coatings were applied to end-mill tools made of WC-Co material by a hybrid coating system. Cutting tests fir the high-hardened material (STD11,$H_R$)C62 and their performances in high speed cutting conditions were studied. Also, the tool wear and tool lift of Ti-Al-Si-N with various si(6, 9, 19) contents were measured.
Hard coatings are known to improve the performance of cutting tools in aggressive machining applications, such as high speed machining. New superhard Ti-Al-Si-W films, characterized by a nanocomposite nano-sized (Ti,Al,Si)N crystallites embedded in amorphous $Si_3 N_4$ matrix, could be successfully synthesized on WC-Co substrates by a hybrid coating system of arc ion plating(AIP) and sputtering method. The hardness of Ti-Al-Si-N film increased with incorporation of Si, and had the maximum value ~50 GPa at the Si content of 9 at.%, respectively. And the X-ray diffraction patterns of Ti-Al-Si-N films with various Si content is investigated. In this study, Ti-Al-Si-N coatings were applied to end-mill tools made of WC-Co material by a hybrid coating system. Cutting tests fir the high-hardened material (STD11,$H_R$)C62 and their performances in high speed cutting conditions were studied. Also, the tool wear and tool lift of Ti-Al-Si-N with various si(6, 9, 19) contents were measured.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 4성분계 Ti-Al-Si-N박막을 아크 이온플래이팅 방법과 스퍼터링(Supptering) 방법을 혼합한 하이브리드 증착시스템(Hybrid deposition system)을 사용하여 코팅공구를 제작하였으며, 실리콘(Si ) 첨가량에 따른 Ti-Al-Si-N 박막의 미세구조와 기계적 특성을 파악하고, 고 경도소재의 고속가공에서 회전수 변화에 따른 공구마멸 및 공구수명을 통한 공구의 성능을 평가하였다.
제안 방법
Ti-Al 합금 타겟을 장착한 arc cathode gun과 Si 타겟을 장착한 DC sputter gune 챔버(chamber)의 양쪽 벽에 위 치하고, 기판 지지대(holder)는 두 타겟 사이의 직선상에 위 치하여 회전이 가능하게 설계되었다. 기판 지지대에서 아크 타겟 사이의 거리는 350mm 이고 스퍼터 타겟과의 거리는 250mm로 고정시켰다.
Ti-Al-N박막에 실리콘(Si:0, 4, 6, 9, 19, 31%)함량에 따른 특성을 조사하기 위해 아크이온플래이팅 방법과 스퍼터링 방법을 혼합한 하이브리드 증착시스템을 사용하여 초경 소재(WC-Co)시편 위에 증착 했다. 사용된 증착 장비에 관한 개략도는 Fig.
XRD분석과 경도실험을 바탕으로 고속가공에서 가공특성을 알아보기 위해 Si 함량이 6%인 Ti-Al-Si-N(39GPa)과 최고경도값을 가진 9%(~50GPa), 그리고, 비정질상이 발생하기 시작한 Si 함량이 19%(~37GPa)인 Ti-Al-Si-N 코팅 공구를 하이브리드 증착시스템에 의해 제작하였다.
절삭시험은 고속머시닝 센터 (Makino V-55, Max 20, 000rpm)로 건식에서 실험하였고, 고속에서 코팅공구의 고온경도와 마멸거동을 관찰하기 위해서 주축회전수를 8000, 12000, 16000rpm으로 변화시키고, 절입과 이송은 일정하게 유지하였다. 공구마멸측정은 여유면(Hank face) 에서 0.2mm(ISO 3002/1)를 기준으로 하여 축방향 절입깊이 내의 절삭날부 3지점을 측정하여 평균하였다. 공구마멸 시편은 고경도 소재인 STD11(HrC 62)를 사용였다.
공구마멸 시편은 고경도 소재인 STD11(HrC 62)를 사용였다. 그리고, 절삭길이에 따른 코팅층의 박리와 절삭공구의 마멸형태 등을 관찰하고, 주축에서 공구홀더를 분리할 때 발생할 수 있는 런아웃 등의 오차를 방지하고, 위치정밀도를 유지하기 위하여 CCD (PULNIX, X200)카메라와 전용지그를 베드에 설치하였다.
시편을 아세톤과 알코올을 사용하여 초음파 세척을 하고 다시 증착 전에 32Pa의 Ar 가스 내에서 600V의 bias voltage를 인가하여 12분간 이온 세정을 행하였다. 또한 챔버 내부의 저항 열히터(resistance heaters)를 사용해 기판을 가열했다.
본 연구에서는 하이브리드 증착시스템을 이용하여 초경 소재에 Ti-Al-Si-N코팅막을 증착시켰고 고경도 소재의 고속 가공에서 성능평가를 실시하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
999%의 Si 타겟을 사용하였다. 시편을 아세톤과 알코올을 사용하여 초음파 세척을 하고 다시 증착 전에 32Pa의 Ar 가스 내에서 600V의 bias voltage를 인가하여 12분간 이온 세정을 행하였다. 또한 챔버 내부의 저항 열히터(resistance heaters)를 사용해 기판을 가열했다.
절삭시험은 고속머시닝 센터 (Makino V-55, Max 20, 000rpm)로 건식에서 실험하였고, 고속에서 코팅공구의 고온경도와 마멸거동을 관찰하기 위해서 주축회전수를 8000, 12000, 16000rpm으로 변화시키고, 절입과 이송은 일정하게 유지하였다. 공구마멸측정은 여유면(Hank face) 에서 0.
대상 데이터
2mm(ISO 3002/1)를 기준으로 하여 축방향 절입깊이 내의 절삭날부 3지점을 측정하여 평균하였다. 공구마멸 시편은 고경도 소재인 STD11(HrC 62)를 사용였다. 그리고, 절삭길이에 따른 코팅층의 박리와 절삭공구의 마멸형태 등을 관찰하고, 주축에서 공구홀더를 분리할 때 발생할 수 있는 런아웃 등의 오차를 방지하고, 위치정밀도를 유지하기 위하여 CCD (PULNIX, X200)카메라와 전용지그를 베드에 설치하였다.
9999%)를 1:3의 비율로 넣어 공정압력을 일정하게 유지하였다. 순도 99.999%의 Ti3Al 타겟과 순도 99.999%의 Si 타겟을 사용하였다. 시편을 아세톤과 알코올을 사용하여 초음파 세척을 하고 다시 증착 전에 32Pa의 Ar 가스 내에서 600V의 bias voltage를 인가하여 12분간 이온 세정을 행하였다.
이론/모형
따라서, 하이브리드 증착시스템으로 얻어진 Ti-Al-Si-N 코팅막의 실리콘 함량에 따른 내부 미세구조와 결정성을 조사하기 위해 CuKa 선을 이용한 X선 회절분석법 (X-ray diffraction, PHI LIPS, X'Pert-MPD System)을사용하였다. 그리고, Berkovich 다이아몬드 압흔이 장착된 컴퓨터 제어 가능한 나노인덴테이션 (nanoindentation, MTS, Nanoindentation )을 사용하여 연속압입방식 (continuous stiffness method: CSM)으로 Ti-Al-Si-N 박막의 깊이에 따른 경도값을 측정하였다.
그리고, 고경도소재의 고속가공에서 공구수명에 큰 영향을 주는 것이 고온경도에 의한 코팅층의 박리와 인선부의 칩핑인데 이는 박막의 미세구조와 경도에 의해 큰 영향을 받게된다. 따라서, 하이브리드 증착시스템으로 얻어진 Ti-Al-Si-N 코팅막의 실리콘 함량에 따른 내부 미세구조와 결정성을 조사하기 위해 CuKa 선을 이용한 X선 회절분석법 (X-ray diffraction, PHI LIPS, X'Pert-MPD System)을사용하였다. 그리고, Berkovich 다이아몬드 압흔이 장착된 컴퓨터 제어 가능한 나노인덴테이션 (nanoindentation, MTS, Nanoindentation )을 사용하여 연속압입방식 (continuous stiffness method: CSM)으로 Ti-Al-Si-N 박막의 깊이에 따른 경도값을 측정하였다.
성능/효과
그리고, (a)와 같이 주축회전수 8000rpm에서, Si 함량이 6%인 Ti-Al-Si-N 코팅공구는 Ti-Al-Si-N(Si:19%)코팅공 구에 비해 약간 안정적인 마멸형태를 나타냈다. 하지만 (b)에서와 같이 Si 함량이 6%인 Ti-Al-Si-N(~37GPa)코팅공 구는 마멸초기에는 Si 함량이 19%인 Ti-Al-Si-N(~39GPa)코팅공구와 유사한 마멸형태를 보이나 주축회전수 12000rpm 에서는 절삭거리 8m 이후부터, 주축회전수 16000rpm에서는 절삭거리 5m 이후에서부터 Ti-Al-Si-N (Si: 19%)보다 급격한 마멸곡선을 나타났다.
1) Si 함량에 따른 Ti-Al-Si-N 코팅층의 경도측정 결과 9%까지는 경도가 급격히 증가하여 약 50GPa로 나타났고 이후 비정질상인 Si'N, 의 영향을 크게 받게 되어 경도값은 다시 감소하였다.
2) 초고경도특성을 가진 Ti-Al-Si-N(Si:9%)코팅공구는 주축회전수에 따라 다른 두 공구에 비해 크게 안정된 마멸형태를 나타냈다.
3) Si 함량이 9%인 Ti-Al-Si-N코팅공구의 마멸은 주축 회전수 변화에 따라 다른 두 공구에 비해서 약 25% ~ 55% 정도 긴 공구수명이 나타났고, 주축회전수가 8000rpm에서 16000rpm로 두배 증가시 공구수명은 25%만 감소하였지만, 다른 두 공구는 45~55%로 공구 수명이 크게 감소하였다.
4) 12000rpm과 16000rpm에서 Si 함량이 19%인 Ti-Al-Si-N 코팅공구는 Ti-Al-Si-N(Si:6%)코팅공보다 낮은 경도를 가졌지만 비정질상으로 인해 보다 높은 공구수명을 나타냈다.
주축회전수의 증가에 따라 공구수명이 25-55% 감소하였다. Si함량이 9%인 Ti-Al-Si-N코팅공구는 다른 두공구에 비해 주축회전수에 따라 약 3A50%이상의 높은 공구수명을 나타냈다. 이것은 Si함량이 9%인 코팅 공구는 박막의 결정상이 비정질 상의 Si3N4 mix속에 나노크기의 (TiAlSi )N 결정상이 박혀 있는 나노복합체로 인해 초고경도특성을 나타내어 고속에서 고온경도가 우수하고 박리로부터 보다 안정적이기 때문에 공구수명이 다른 두 코팅공구보다 크게 향상된 결과이다.
(b)의 사진은 주축회전수 16000rpm, 절삭거리 7m에서 Si 함량이 6%인 Ti-Al-Si-N 코팅공구인선부의 과다칩핑 형상이다. 그리고, Fig. 5에서 Si 함량이 9%인 코팅공구는 절삭속도가 8000rpm에서 16000rpm으로 두배 증가하였으나 공구마멸 은 25%증가하였다. 하지만 Si함량이 6%와 19% 코팅공구는 공구마멸이 45~55%로 크게 악화되었다.
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