공구강의 PVD 및 CVD 코팅

템퍼링 온도가 공정을 결정하는 이유

코팅은 그 아래의 강이 공구를 구매할 때의 경도를 유지할 때만 도움이 됩니다. CVD는 고온 공정이므로 모든 공구강에서 템퍼링 온도보다 높게 위치하며, 코팅 적용 후 공구를 두 번째로 템퍼링해야 합니다. 이 두 번째 템퍼링은 코팅을 조정하면서 기재를 연화시키지 않도록 선택해야 합니다. PVD는 반대로 작동합니다. 완전히 경화된 고속도강 공구가 사이클 내내 경도를 유지할 만큼 낮은 온도에서 증착되므로, PVD가 밀링 커터, 드릴, 탭 및 호브의 기본 코팅 경로가 되었습니다.

화학 기상 증착

CVD는 진공 챔버에서 수행되며, 공구 표면에서 반응하는 가스로부터 코팅을 형성합니다. 크롬, 산화알루미늄, 탄화티타늄, 탄화크롬, 질화철 및 질화티타늄이 모두 코팅 재료로 사용되어 왔습니다. 공정 온도는 일반적으로 800 °C (1472 °F) 이상입니다. TiC와 TiN은 고속도강, 냉간 가공강 및 열간 가공강에 일반적으로 사용되는 두 가지 내마모성 코팅이며, 이들이 증착되는 코팅 두께는 2~20 µm (0.0001~0.001 in.)입니다. CVD 코팅이 방어하는 마모 메커니즘은 경도를 통한 연삭 마모입니다. 출처는 한 가지 공정 주의사항을 추가합니다. 코팅의 염소 함량은 5% 미만으로 유지해야 합니다. 그 수준을 초과하면 코팅의 내마모성이 저하되기 때문입니다.

출처에서 CVD 코팅이 성공적으로 이루어진다고 나열한 공구강은 AISI A, S, D, H, M 및 T 유형입니다. 합금량이 낮은 S 등급과 모든 W 및 O 등급은 오스테나이트화 온도가 공정에 비해 너무 낮기 때문에 적절하게 코팅하기 어렵거나 불가능합니다.

물리 기상 증착

PVD도 진공 챔버에서 작동하며, 200~550 °C (400~1025 °F)에서 TiC 또는 TiN을 공구강에 플라즈마 보조 증착하는 방식에 의존합니다. 이 온도 범위가 PVD를 고속도강의 코팅 경로로 만드는 이유입니다. CVD 온도는 공구를 작업 경도 이하로 떨어뜨리기 때문입니다. 공구강 마모는 TiC 또는 TiN을 CVD로 적용하든 PVD로 적용하든 거의 같은 비율로 감소하여 마모가 2~6배 줄어들므로, 공정 선택은 내마모성이 아니라 온도와 비용을 기준으로 이루어집니다.

출처의 두 가지 측정 결과는 이득 중 얼마나 많은 부분이 경도가 아닌 마찰인지를 보여줍니다. H13 핀에 적용된 TiN 코팅은 핀 온 디스크 시험에서 마찰 계수를 0.7에서 0.2 미만으로 감소시켰습니다. D3 공구강에 대한 수정된 ASTM G65-10 마모 시험에서는 TiN 코팅된 시편의 마모가 코팅되지 않은 시편 마모의 4~23% 사이인 것으로 나타났으며, 이는 시편의 초기 표면 거칠기에 따라 달라집니다.

코팅된 공구의 표면 거칠기 상태

동일한 연구에서 Sundquist와 동료들은 현장에서 놓치는 조건을 발견했습니다. TiN 코팅은 공구의 표면 거칠기가 코팅 두께보다 미세할 때만 공구 수명을 늘릴 수 있습니다. 코팅보다 깊은 스크래치가 생기도록 연삭된 공구는 연삭 자국의 마루에 코팅이 남고 골에는 코팅이 없으며, 코팅은 마루에서 먼저 마모되거나 떨어져 나갑니다. 코팅 전에 공구를 더 미세하게 연삭 및 연마하는 것이 코팅을 공구 수명으로 전환시키는 방법이며, 두 현장의 동일한 공구 두 개가 같은 코팅에서 매우 다른 이득을 보일 수 있는 이유입니다.

PVD 코팅 절삭 공구의 공구 수명

표 5는 고속도강 공구 세트에 대해 재연삭 전 가공된 공작물 수를 보여주며, 각 공구는 코팅 없이 그리고 코팅 후에 실행되었습니다. 이득은 공작물 재료가 절삭하기 가장 어려운 곳에서 가장 큽니다. 6061-T6 알루미늄을 절삭하는 M7 엔드밀은 166개에서 1500개로, 30~33 HRC의 1050 강을 절삭하는 탭은 60~70개에서 750~800개로, 303형 스테인리스강을 절삭하는 브로치 인서트는 100,000개에서 300,000개로 증가했습니다. 표의 두 공구는 TiN 이외의 코팅을 사용합니다. 1045 강을 절삭하는 T15 성형 공구는 TiC로 코팅되고, 저탄소강을 절삭하는 M2 절단 공구는 TiC-TiN 조합으로 코팅됩니다.

출처: ASM Handbook Volume 5, Surface Engineering의 Specialty Steels의 Surface Engineering 표 5.

수치가 전제하는 것

모든 행은 출처에 이를 제공한 작업장 또는 실험실의 실무이므로, 공구당 공작물 수는 참고 기준점일 뿐 보증이 아닙니다. 절삭 속도, 이송, 냉각제, 공작 기계 강성 및 공작물 재료의 상태가 모두 그 수치를 변화시킵니다. 코팅 공구는 또한 비코팅 공구가 부담하지 않는 하나의 비용을 가지고 있습니다. 각 재연삭은 절삭날에서 코팅을 제거하므로, 수명 이점을 유지하려면 공구를 재코팅해야 하며, 이는 전환을 하기 전에 공구 비용에 반영되어야 합니다. 이 표를 어려운 공작물 재료에서 코팅이 이득이 된다는 증거로 사용한 다음, 초도품에서 절삭 데이터를 설정하십시오.

출처: ASM Handbook, Volume 5, Surface Engineering, ASM International, 1994.