Effects of Sand Blasting on TiAlN Coating on WC Hard Metal Alloy Tip

WC위 TiAlN 코팅층에 미치는 Sand Blasting 처리의 영향

Abstract

The effect of the sand blasting before TiAlN coating in the manufacture of WC hard metal alloy tips have been studied. For four different tips, according to the status of processing of the sand blasting and the coating, residual stress measurement by X-ray diffraction and several tests for mechanical properties have been conducted. The results suggest that there was no difference in static mechanical properties, such as hardness, surface roughness and elastic modulus, between two coatings. Furthermore, compressive residual stress was generated equally on their surfaces. Additionally, the compressive residual stress in substrate WC was found to increase greatly when subjected to sand blasting treatment. However, the compressive residual stress decrease after coating regardless of sand blasting treatment. Nevertheless, it is confirmed that the compressive residual stress generated in the coating after sand blasting is less than that in the non-sandblasting coating. This was attributed to the plastic deformation occurring in the WC substrate during coating after sand blasting. In contrast to the scratch test results, sand blasting was assumed to have a negative effect on the adhesion between the coating and substrate. This is because there is a high possibility of microcracks due to plastic deformation in the WC substrate under the coating after sand blasting.

1. 서론

근년의 절삭가공에서는 점점 고정밀화, 고능률화의 요구가 증대되고, 일감도 난삭재인 고강도, 고경도 재료로까지 확대되고 있는 경향이다. 사실 이러한 경향에 부응하기 위하여서는 절삭공구소재 개발도 지속적으로 진행되어야 하나 소재 개발은 많은 시간과 과정을 요하는 문제이다. 한편 절삭공구의 성능이나 가격은 직간접적으로 일감의 생산성이나 정밀도와 밀접한 관계가 있을 수 밖에 없다. 이러한 측면에서 절삭공구의 제조공정 별 최적의 조건 선정이나 부가가치 향상을 위한 연구도 그 의미가 매우 크다 할 수 있다.

현재 바이트 공구로 다양한 소재[1,2]들이 개발되어 있으나 그 중 WC (Tungsten carbide)를 기본으로 하는 초경합금이 널리 알려져 있다. 근년에는 절삭성능이나 수명 향상을 위해 PVD나 CVD 기술과 접목하여 TiAlN 등을 코팅한 피복 초경합금 공구도 개발되어 있다[3-6].

WC 팁은 Co를 결합제로 WC 분말을 성형하고 소결(Sintering)한 뒤 그라인딩(Grinding) 작업과 호닝(Honing) 작업 그리고 랩핑(Lapping) 작업을 거쳐 제작되는 것으로 알려져 있다. 이때 TiAlN 코팅을 하는 경우는 코팅 전 그라인딩 후 생성되는 버(Burr)를 제거하고 표면 청정(Cleaning)과 부착력 향상을 위해 샌드 블라스팅(sand blasting) 작업을 도입하는 것이 일반적이다. 그런데 일부에서 이 샌드 블라스팅 공정 도입 효과에 대한 의구심을 제기하는 것으로 밝혀졌다.

한편 공구강으로 만든 절삭공구의 성능이나 수명은 제조공정에서 발생하는 잔류응력에 많은 영향을 받는 것으로 알려져 있다[7]. 사실 WC 초경합금 공구의 경우도 여러 가공 공정에서 잔류응력이 발생할 뿐만 아니라 TiAlN 피막 코팅 공정에서는 열응력에 의한 잔류응력도 발생하는 것으로 알려져 있다. 그런데 WC 초경합금 공구에 대해서는 이러한 잔류응력과 공구의 성능이나 수명과의 연관성에 관한 정량적인 연구결과는 아직 확인되지 않고 있다. 그렇지만 잔류응력이 취성파괴에 미치는 영향[8,9]을 감안한다면 취성재료인 피복 초경합금 공구의 잔류응력은 코팅층의 강도나 밀착성, 절삭성, 내마모성 등의 성질에 많은 영향을 미칠 것이 분명하다.

이러한 측면에서 본 연구에서는 피복 초경합금 공구 제조 시의 샌드 블라스팅의 영향을 조사하기 위하여 TiAlN PVD 코팅 전후의 샌드 블라스팅 처리 여부에 따른 표면의 잔류응력 평가나 밀착력 시험 등을 실시하고 그 결과를 고찰하였다.

2. 실험방법

본 연구에서는 16 × 16mm, 두께 5mm인 WC (94 wt% WC + 6 wt%Co) 절삭 팁(tip)을 시험편으로 하였다.

소결 후 이들 표면에 대한 그라인딩(grinding) 작업은 휠의 원주속도를 20 m/s로 하고 이송속도 0.1 mm/s, 회전수 5,000 rpm으로 작업하였다. 이후 샌드 블라스팅 작업을 65~88 μm 정도 크기의 Al₂O₃를 물 1 ℓ당 10 g을 넣고 0.1 MPa의 압력으로 행하였다. TiAlN 코팅은 450℃ 에서 이온 플레이팅(Ion plating)으로 처리하였다. 처리 후 코팅층의 두께는 약 4 μm 정도인 것으로 확인되었다.

이를 통해 본 연구에서는 코팅 전 그라인딩 후의 상태(이하 G재), 그라인딩과 샌드 블라스팅을 한 상태(이하 GS재)의 것과 그리고 그라인딩 후 코팅한 상태(이하 GC재), 그라인딩과 샌드 블라스팅 후 코팅한 상태(이하 GSC재)의 것 등 총 4종류의 팁 시편을 준비하였다.

이후 이들에 대해 표면 거칠기 측정, 광학현미경 및 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscopy) 관찰, 스크래치 테스트(scratch test), 왕복동 ball-on-plate식 미끄럼 마모시험, X선 회절분석(XRD, X-ray diffraction), 잔류응력 측정, 나노인덴트 시험(CSM nano-indenting test) 등을 행하였다

특히 잔류응력 측정은 X선을 이용하였다. X선은 Cukα선을 이용하였고 WC의 (103)면과 TiAlN의 (200)면을 스텝 스캔(step scan) 방식으로 측정하였다. 이때 파이(φ) 각도는 가공방향에 대해 0^o , 90^o , 180^o , 270^o의 방향에서 WC의 (103)면에 대해서는 6 프사이(ψ) 각도, TiAlN (200)면에 대해서는 7 프사이(ψ) 각도를 취하였다. 그리고 잔류응력은 sin²ψ법을 이용하여 산출하였다 [10,11]. 이들 X선 응력측정 조건을 Table 1에 요약하였다.

Table 1. Conditions of X-ray diffraction for residual stress measuring

3. 결과 및 고찰

3-1. 표면성상

Fig. 1은 4종류 시편의 표면을 관찰한 SEM 사진을 나타낸 것이다. G 표면이 매우 거친 것이 확인되고 코팅 후의 표면(GC와 GSC) 간에는 큰 차이가 없는 것을 확인할 수 있다. Table 2는 이들 표면의 표면 거칠기를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 표에서 알 수 있듯이 그라인딩 상태(G)는 매우 큰 값을 가지나, 샌드 블라스팅 처리(GS) 후에 현저히 감소한 것을 알 수 있다. 그리고 코팅 후에는 GC의 거칠기가 GSC보다 다소 크지만 샌드 블라스팅의 여부에 따른 차이는 없는 것으로 추정된다.

Fig. 1. SEM micrographs on tip surface.

Table 2. Comparison of roughness measured on several machined surfaces (μm)

* G : substrate surface after grinding,

GC: coating surface after grinding

GS : substrate surface after grinding and sand blasting,

GSC : coating surface after grinding and sand blasting

Table 3은 코팅 후 GC 및 GSC 코팅층에 대한 나노인덴트 시험(C8M nano indentation tester) 결과를 나타낸 것이다. 그 결과, 인덴테이션 경도(Meyer hardness), 비이커스 경도(Vickers hardness) 그리고 탄성계수 등과 같은 대부분의 정적인 기계적 강도 값들도 샌드 블라스팅 처리 여부와 무관한 것으로 밝혀졌다.

Table 3. Results obtained from nano-indentation test on TiAlN coating

Fig. 2는 코팅 전후의 GS재(GS 및 GSC)의 표면 조직을 XRD로 상분석한 결과를 나타낸 것이다. 그 결과, 그라인딩 후 샌드 블라스팅한 표면(GS)에서는 다양한 WC의 회절선들이 관찰되고 있다. 코팅 후 표면(GSC)에서는 코팅층의 TiAlN 회절선들과 함께 WC기판의 회절선들이 관찰되고 있다. 또한 샌드 블라스팅 처리한 G 및 GC의 상 분석 결과도 이와 동일한 것으로 밝혀졌다.

Fig. 2. Pattern of X-ray diffraction on surface of sandblasted WC tip (GS and GSC).

3-2. 잔류응력 변화

Fig. 3은 G 및 GS의 표면에서 가공방향 (φ = 0° 및 180° )과 가공방향에 수직된 방향(φ = 90° 및 270° )에서의 sin2 ψ 선도를 나타낸 것이다. 그 결과 그림에서 알 수 있듯이 G의 경우는 가공방향 즉 φ = 0° 및 φ = 180°의 회절선이 일치하지 않는 스플릿(split) 현상이 관찰되어 가공방향으로는 주응력이 기울어져 있는 상태[12,13]인 것으로 확인되었다. 그러나 샌드 블라스팅 처리한 GS의 경우는 φ와 무관하게 sin2 ψ 선도가 거의 일치하고 있다. 이것은 샌드 블라스팅의 피닝(peening) 효과에 의한 것으로 추정되었다[14]. 이에 반해 가공방향에 수직된 방향들에서는 이러한 현상이 관찰되지 않는다. 그리고 이들 sin²ψ 선도의 기울기는 모두 우하향하는 것으로 밝혀져, WC 표면층의 잔류응력은 모두 압축의 잔류응력이 생성된 것으로 확인되었다.

Fig. 3. Sin²ψ diagram on surface of G and GS before TiAlN coating.

Table 4는 코팅 전 샌드 블라스팅 처리 여부에 따른 표면의 잔류응력 값, 회절선의 반가폭 그리고 회절각에서 산출한 격자상수 값을 비교한 결과이다. 표에서 알 수 있듯이 그라인딩 상태(G)에서 가공방향의 φ 각도에 따른 잔류응력은 φ = 0°에서는 −1,176.8 MPa, φ = 180°에서는 −1,242.0 MPa을 나타내고 있으나 샌드 블라스팅 처리한 GS의 경우는 각각 −1,652.4 MPa, −1,838.4 MPa를 나타내어 샌드 블라스팅 처리에 의해 잔류응력이 크게 증가한 것으로 밝혀졌다. 이것도 전술한대로 샌드 블라 스팅의 피닝 효과에 의한 것으로 추정된다. 그러나 가공 방향에 수직된 방향(φ = 90° 및 270°)에서는 샌드 블라스팅 효과를 거의 확인할 수 없다. 한편 미시적 잔류응력으로 알려진 반가폭[15,16]의 경우는 측정방향 (φ)과 무관하게 샌드 블라스팅 처리한 GS의 값이 큰 것으로 확인된다. 이것은 샌드 블라스팅에 의한 피닝 작용으로 표면에 전위밀도 (dislocation density)가 크게 증가한 것을 반영하는 것으로 추정할 수 있다. 이에 반해 회절면의 격자상수는 거의 차이가 없는 것으로 밝혀졌다.

Table 4. Residual stress, half value breadth and lattice constant measured by X-ray diffraction on surface of G and GS before coating

Table 5는 동일하게 코팅 후 GC 및 GSC 표면에서 측정한 잔류응력, 반가폭, 격자상수 값을 비교한 것이다. 이때 표에는 TiAlN 코팅층에 대한 이들 값들 외에 기판 WC (200)면의 회절선에서 산출된 이들 값들도 함께 나타내었다. 한편 이들의 sin²ψ 선도에서는 Fig. 3의 G표 면에서 관찰된 sin²ψ 선도상의 스플릿 현상은 관찰되지 않았다. 그리고 표에서 보듯이 코팅 후의 코팅층이나 기판의 잔류응력도 모두 압축인 것으로 밝혀졌다. 더욱이 샌드 블라스팅 처리한 GSC의 코팅층이나 기판의 잔류 응력은 GC의 경우와 달리 φ각도와 무관하게 유사한 값을 나타내어 응력의 이방성이 감소하는 것으로 밝혀졌다. 그리고 기판 WC의 잔류응력을 코팅 전(Table 4)과 코팅 후(Table 5)를 비교하면 샌드 블라스팅 처리 여부와 관계없이 코팅 후는 코팅시의 열 작용에 의해 감소하고 있으나 여전히 샌드 블라스팅 처리한 GSC의 잔류 응력이 큰 값을 가지는 것으로 밝혀졌다. 그러나 TiAlN코팅층의 잔류응력은 오히려 샌드 블러스팅 처리하지 않은 GC의 잔류응력이 큰 것으로 확인되었다. 이와 같이 샌드 블라스팅 처리 여부에 따라 코팅층과 기판에서의 잔류응력의 대소가 상반된 상황으로 나타나는 이유는 불명확 하나, 코팅시의 열 작용 때문으로 생각된다. 일반적으로 이온 플레이팅 PVD TiAlN 코팅은 이온화된 증발 물질이 기상의 형태로 기판 위에 부착되는 방식으로 성층이 이루어진다. 그런데 성층 후 냉각과정에서는 코팅층이 수축되므로 이때 발생하는 압축력이 기판에 작용하게 될 것이 분명하다. 그런데 샌드 블라스팅 처리한 기판(GS)은 이미 큰 압축 잔류응력을 가지고 있기 때문에 기판은 소성변형될 것이 분명하다. 이러한 사실은 반가폭의 변화에서 추측할 수 있다. 표에서 보듯이 코팅 후 샌드 블라스팅 처리한 GSC 기판의 반가폭이 0.878° 으로 GC기판의 0.813°보다 큰 것으로 확인되어 이러한 사실을 반영하는 결과로 생각된다. 그리고 코팅층의 반가폭은 이와 반대의 경향을 보이고 있다.

Table 5. Residual stress, half value breadth and lattice constant measured by X-ray diffraction on surface of GC and GSC after coating

한편 이들의 격자상수는 코팅전과 마찬가지로 거의 차이가 없는 것으로 밝혀졌다.

3-3. TiAlN 코팅층의 강도

Fig. 4는 코팅층에 대한 스크래치 시험 후 관찰한 사진을 나타낸 것이다. 파손이 일어난 시점은 (a) GC가 79.15 ± 12.3 N이고 (b) GSC가 68.87 ± 8.25 N인 것으로 확인되었다. 결국 이들 코팅층의 밀착성 차이가 현저하지 않지만 이 결과는 오히려 샌드 브라스팅 처리의 무용론을 시사하는 결과로 생각할 수 있다. 전술한대로 샌드 브라스팅 처리 여부와 무관하게 코팅층의 경도, 탄성정수, 격자상수, 구성상 등은 대부분 유사하지만 샌드 블러스팅 처리한 GSC의 기판은 소성변형이 수반될 수도 있음이 밝혀졌다. 그런데 이들 재료가 모두 취성이 강하다는 사실을 감안한다면 소성변형 시 미세균열 발생의 가능성을 완전히 배재할 수는 없을 것이다. 이러한 측면에서 샌드 블라스팅 처리는 기판에 소성변형을 유발하여 밀착성에 악영향을 미칠 수도 있음을 예측할 수 있다.

Fig. 4. Result of scratch test for GC and GSC surfaces.

코팅층의 내마모성을 비교하기 위해 베어링볼(3/16'')을 상대로 왕복동 ball-on-plate 미끄럼 마모시험을 행하였다. 이때 시험하중은 300 g, 주파수는 2.5 Hz, 스트로크(stroke) 4 mm, 총 미끄럼거리는 500 m로 하였다. Fig. 5 는 시험 후 코팅층과 볼의 마모면을 관찰한 광학현미경 사진을 나타낸 것이다. 그림에서는 TiAlN 코팅층에 마모흔이 관찰되나 사실 전혀 마모발생이 없는 것으로 밝혀졌다. 상대재 볼에 생긴 둥근 마모 흔은 마모에 의해 발생한 것이다. 2회 시험 후 측정한 평균 마모 흔의 직경은 GC가 1.3155 mm (환산 마모 체적 6.34 × 10^-2mm³), 이고 GSC가 1.2465 mm (환산 마모 체적 5.09 × 10^-2mm³)인 것으로 밝혀져 상대 볼의 마모는 GC 쪽이 큰 것으로 밝혀졌다.

Fig. 5. Micrograph of worn trace on GC and GSC coating and the mating ball after reciprotary ball–on–plate wear test.

4. 결론

피복 초경합금 팁 제조 시 TiAlN 코팅 전 샌드 블라스팅 처리 여부가 코팅층의 성상에 미치는 영향을 조사한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 샌드 블라스팅 처리를 하면 기판의 표면 거칠기는 개선되나 코팅 후는 표면 거칠기뿐만 아니라 코팅층의 경도, 탄성정수, 조직 등도 처리 여부와 무관하였다.

2. 샌드 블라스팅 처리는 기판의 압축잔류응력을 크게 증가시키고 응력 이방성을 개선하였다. 이후 코팅된 기판의 잔류응력은 그 처리 여부와 무관하게 감소하는 것이 확인되었으나, 코팅층의 잔류응력은 샌드 블라스팅 처리 기판 위에 코팅된 경우가 오히려 적은 값을 나타내었다. 이것은 기판의 소성변형 발생과 관계된 것으로 생각되었다.

3. 샌드 블라스팅 처리 여부에 따른 코팅층의 밀착성에는 큰 차이가 없는 것으로 밝혀졌으나, 샌드 블라스팅에 의해 발생된 잔류응력에 의해 미세균열 발생의 가능성이 예측되었다.

이상의 결과 샌드 블라스팅 처리의 도입은 재고의 가치가 있고 추가적인 관련 연구가 필요한 사안으로 생각 된다.