KR100673637B1 - PVD Al₂O₃으로 코팅된 절삭공구의 제조방법 - Google Patents

PVD Al₂O₃으로 코팅된 절삭공구의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR100673637B1
KR100673637B1 KR1020017000109A KR20017000109A KR100673637B1 KR 100673637 B1 KR100673637 B1 KR 100673637B1 KR 1020017000109 A KR1020017000109 A KR 1020017000109A KR 20017000109 A KR20017000109 A KR 20017000109A KR 100673637 B1 KR100673637 B1 KR 100673637B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
substrate
range
layer
pulse
magnetron sputtering
Prior art date
Application number
KR1020017000109A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20010053389A (ko
Inventor
쉴러지크프리트
고에딕케클라우스
피에트츠케프레트
치비트츠키올라프
스외스트란트마츠
룽베르크뵈른
Original Assignee
산드빅 인터렉츄얼 프로퍼티 에이비
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 산드빅 인터렉츄얼 프로퍼티 에이비 filed Critical 산드빅 인터렉츄얼 프로퍼티 에이비
Publication of KR20010053389A publication Critical patent/KR20010053389A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100673637B1 publication Critical patent/KR100673637B1/ko

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34Sputtering
    • C23C14/35Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
    • C23C14/354Introduction of auxiliary energy into the plasma
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34Sputtering
    • C23C14/3435Applying energy to the substrate during sputtering
    • C23C14/345Applying energy to the substrate during sputtering using substrate bias
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/0021Reactive sputtering or evaporation
    • C23C14/0036Reactive sputtering
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/0021Reactive sputtering or evaporation
    • C23C14/0036Reactive sputtering
    • C23C14/0042Controlling partial pressure or flow rate of reactive or inert gases with feedback of measurements
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/08Oxides
    • C23C14/081Oxides of aluminium, magnesium or beryllium
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34Sputtering
    • C23C14/35Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/54Controlling or regulating the coating process
    • C23C14/541Heating or cooling of the substrates
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/04Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
    • C23C28/044Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material coatings specially adapted for cutting tools or wear applications
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C30/00Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process
    • C23C30/005Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process on hard metal substrates
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23BTURNING; BORING
    • B23B2228/00Properties of materials of tools or workpieces, materials of tools or workpieces applied in a specific manner
    • B23B2228/10Coatings

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Chemical Treatment Of Metals (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Diaphragms For Electromechanical Transducers (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)
  • Formation Of Various Coating Films On Cathode Ray Tubes And Lamps (AREA)

Abstract

본 발명은 코팅제 및 기판으로 이루어진 코팅된 절삭공구의 제조방법으로서, 미세 입자, 결정질 γ-Al2O3 로 이루어진 하나 이상의 내화물 층이 10 내지 100 kHz로 설정된 펄스 주파수에서 희박 가스 및 반응성 가스의 혼합물 중에서 펄스된 마그네트론 스퍼터링에 의해 진공 중에서 반응성 마그네트론 스퍼터링에 의해 움직이는 기판에 증착되는 것을 특징으로 하는 제조방법에 관한 것이다. 이 증착은 10W/cm2 이상으로 설정된 평균 시간의 마그네트론 표적 전력 밀도에서 고정 배열된 기판에 대해 1nm/s 이상의 속도로 일어난다. 기판 온도는 400 내지 700℃의 범위에서 설정되고, 각각의 개별 기판 상에 충돌하는 입자의 흐름은 주기적으로 중단된다.

Description

PVD Al₂O₃으로 코팅된 절삭공구의 제조방법{METHOD OF MAKING A PVD Al2O3 COATED CUTTING TOOL}
본 발명은 반응성 마그네트론 스퍼터링 기술을 사용하여 금속 기계가공용 절삭공구 상에 하나 이상의 미세 결정 γ-Al2O3 층을 증착하는 개선된 방법에 관한 것이다.
예를 들어, 금속 기계가공에 사용되는 초경합금(cemented carbide) 절삭공구에, 주기율표의 Ⅳ, Ⅴ 및 Ⅵ족의 전이금속 또는 규소, 붕소 및 알루미늄에서 선택되는 금속을 가진 금속 산화물, 탄화물 또는 질화물의 얇고, 경질인 표면층들을 적용하여 공구 모서리의 내마모성을 상당히 증가시킬 수 있다는 것이 공지되어 있다. 일반적으로, 코팅 두께는 1 내지 15㎛로 다양하고, 이러한 코팅을 증착시키는 가장 범용적 기술은 PVD 및 CVD(화학적 증착)이다. 또한, 금속 탄화물 및 질화물의 층들의 상부에 Al2O3와 같은 순수 세라믹층을 적용하여 절삭공구의 성능을 향상시킬 수 있다는 것이 공지되어 있다(미국 특허 제 5,674,564호, 제 5,487,625호).
알루미나층으로 코팅된 초경합금 절삭공구는 20년 이상 시판되어 왔다. 일반적으로 사용되는 CVD 기술은 반응성 가스 분위기에서 승온 상태로 유지된 기판 표면에 물질을 증착시키는 단계를 포함한다. Al2O3은 산소 원자가 hcp(육방밀집)을 이루는 "
Figure 112001000246399-pct00001
-계열"로 불리는
Figure 112001000246399-pct00002
(알파), κ(카파) 및 χ(카이) 그리고 산소 원자가 fcc(면심입방)을 이루는 "γ-계열"로 불리는 γ(감마), θ(쎄타), η(에타) 및 δ(델타)와 같은 여러 다른 상으로 결정화된다. 통상의 CVD 온도인 1000°-1050℃에서 초경합금에 증착된 CVD 코팅에서 가장 자주 발견되는 Al2O3 상은 안정한 알파 및 준안정한 카파상이나, 때때로 준안정한 쎄타상도 관찰된다.
Figure 112001000246399-pct00003
-, κ- 및/또는 θ-상의 CVD Al2O3 코팅제는 입자 크기가 0.5-5㎛이고, 우수한 마면(well-facetted)의 입자 구조를 갖는 완전한 결정이다.
약 1000℃의 고유의 높은 증착 온도는 초경합금 기판 상의 CVD Al2O3 코팅의 총 응력이 늘어나게 하여, 총 응력중 기판과 코팅제 사이의 열팽창계수의 차이에 의한 열응력이 지배적으로 되고, 증착 공정에서 유래하고, 압축성인 고유압력이 보다 적어지게 된다. 인장응력이 Al2O3의 파괴 한계를 넘어, 코팅에 광범위하게 균열이 생길 수 있으며, 이에 따라 예를 들어, 냉각제 유체내의 부식성 화학 약품이 코팅 내의 균열을 확산 통로로 이용할 수 있는 습식 기계가공에서 절삭 모서리의 성능을 떨어뜨릴 수 있다.
일반적으로 CVD-코팅 공구는 다양한 강철 및 주철을 건식 또는 습식 절삭 조건 하에서 기계가공하는 경우, 우수한 성능을 나타낸다. 그러나, 예를 들어, 드릴링, 절단 및 스레딩(threading) 및 날카로운 절삭 모서리가 필요한 다른 조작에서와 같은 PVD-코팅 공구가 더욱 적합한 많은 절삭 조작 또는 기계가공 조건이 존재한다. 이러한 절삭 조작을 종종 "PVD 코팅 공구 적용 영역"으로 칭한다.
플라즈마 보조 CVD 기술(PACVD)은, 열적 CVD 온도에 비하여 낮은 기판 온도에서 코팅의 증착을 가능하게 하여 열응력 지배성을 피할 수 있다. 균열이 없는 얇은 Al2O3 PACVD 막이 450-700℃의 기판 온도에서 초경합금 위에 증착되었다(DE 41 10 005; DE 41 10 006; DE 42 09 975). Al2O3 증착용 PACVD 공정은 AlCl3 등의 할로겐화-Al과 CO2 등의 산소 공여체 사이의 반응을 포함하는데, 이 화학반응의 불완전성 때문에 염소가 Al2O3 코팅에 상당량 트랩되어, 그 함유량이 3.5% 정도가 될 수 있다. 더욱이, 이 PACVD Al2O3 코팅은 일반적으로 결정질 알파- 및/또는 감마-Al2 O3 상 외에도, 고함량의 할로겐 불순물과 결합하여 상기 코팅의 화학적 및 기계적 특성을 저하시켜서 코팅물질을 공구물질로서 부적합하게 만드는 상당량의 무정형 알루미나로 구성되어 있다.
본 발명의 분야는 특히 금속 기계가공에 사용되는 PVD Al2O3로 코팅된 절삭공구 분야에 관한 것이다.
절삭공구에 내화성 박막을 생성할 수 있는 몇몇의 PVD 기술이 있는데, 가장 확립된 방법은 이온 플레이팅, DC- 및 RF- 마그네트론 스퍼터링, 아크 방전 증발, IBAD(이온 빔 보조 증착), 및 활성 반응성 증발(Activated Reactive Evaporation; ARE)이다. 각 방법은 나름대로의 장점이 있고, 생성된 코팅에서 미세구조/입자 크 기, 경도, 응력 상태, 고유 응집력 및 하부 기판에 대한 접착력과 같은 고유 특성은 선택된 특정 PVD 방법에 따라 달라질 수 있다. 초기 PVD Al2O3 증착은 400-500℃의 일반적인 PVD 온도에서 시도하였는데, 이는 절삭공구에 적용할 경우, 주목할만한 내마모성의 향상을 제공하지 않는 무정형의 알루미나층이 증착되는데 그쳤다. HF 다이오드- 또는 마그네트론 스퍼터링에 의한 PVD 증착에서는 기판 온도가 1000℃로 높게 유지된 경우에만, 결정질
Figure 112001000246399-pct00004
-Al2O3가 증착되었다{Thornton and Chin, Ceramic Bulletin, 56(1977)504}. 또한, Al2O3 증착에 ARE 방법을 적용한 경우, 1000℃부근의 기판 온도에서 충분히 조밀하고 경질인 Al2O3 코팅이 이루어졌다{Bunshah and Schramm, Thin Solid Films, 40(1977)211}.
DD 252 205 및 DE 195 18 779에 개시된 양극(bipolar) 펄스 DMS 기술(이중 마그네트론 스퍼터링)의 발명으로, Al2O3과 같은 절연층의 증착 기회가 확대되었고, 또한 이 방법으로 500 내지 800℃ 범위의 기판 온도에서 결정질 Al2O3 층의 증착이 가능하게 되었다. 양극 이중 마그네트론 시스템에서, 두 마그네트론은 번갈아 애노드 및 캐소드로 작용하며, 따라서, 긴 공정시간 내내 금속성 애노드를 보존한다. 충분히 높은 주파수에서, 절연층에서의 가능한 전기 충전이 억제되고, 문제가 될 수 있는 현상인 "전호형성(arcing)"이 제한될 것이다. 따라서, DE 195 18 779 에 의하면, DMS 스퍼터링 기술로 800℃이하의 기판 온도에서 고품질과 양호한 접착력을 갖는, 결정질
Figure 112005023088673-pct00005
-Al2O3 박막의 증착 및 생성이 가능하다. 또한,
Figure 112005023088673-pct00006
-입자의 일반적인 크기가 0.2 내지 2㎛ 범위인 "
Figure 112005023088673-pct00007
-Al2O3 층"은 또한 Al2O3 다형의 "γ-계열"로부터의 감마(γ)상을 부분적으로 포함할 수 있다. 코팅에서 γ-입자의 크기는
Figure 112005023088673-pct00008
-입자의 크기보다 훨씬 작다. γ-Al2O3 입자 크기는 일반적으로 0.05 내지 0.1㎛의 범위이다. γ 및
Figure 112005023088673-pct00009
-상의 변형이 모두 관찰되는 Al2O3 층에서, γ-Al2O3 상은 (440)-조직으로 바람직한 성장 오리엔테이션을 보여준다. DE 42 09 975에 개시된 PACVD와 같은 종래 기술 플라스마 보조 증착 기술과 비교하여, 신규한 펄스 DMS 스퍼터링 증착 방법은 Al2O3 코팅에 할로겐 원자(예를 들어, 염소)와 같은 불순물이 혼입되지 않는다는 결정적이고 중요한 이점을 가진다.
본 발명에 따르면, 400 내지 700℃, 바람직하게는 500 내지 600℃의 기판 온도에서, 경질이고 내마모성인 γ-Al2O3 층을 펄스된 마그네트론 스퍼터링을 사용하여 터닝(스레딩 및 절단), 밀링 및 드릴링과 같은 금속 기계가공용 절삭공구에 증착하는 개선된 방법이 제공된다. 상기 절삭공구는 초경합금, 서멧, 세라믹, 고속도강과 같은 경질 물질 또는 입방 질화붕소 및/또는 다이아몬드와 같은 초경질 물질의 바디를 포함하여 이루어진다. γ-Al2O3 층은 입자 크기가 0.1㎛ 이하인 고품질, 조밀, 미세 입자 결정질 Al2O3 로 구성되고, 이들은 실질적으로 균열 및 할로겐 불순물이 없다.
γ-Al2O3 층은 하나 이상의 내화 화합물 층으로 구성된 내마모성 코팅에 포함될 수 있으며, 여기서, γ-Al2O3 층은 바람직하게는 가장 외층 및 가장 내부층(들)이 공구바디와 Al2O3 층 사이에서 존재하는 경우, Ti, Nb, Hf, V, Ta, Mo, Zr, Cr, W 및 Al에서 선택된 금속 원소를 가진 금속 질화물, 탄화질화물 및/또는 탄화물로 구성된다.
당해 기술분야의 상태와 대조적으로, 본 발명에 따른 γ-Al2O3 층은 공구의 절삭 모서리에 매우 매끄러운 다듬면(surface finish)을 제공하여, 종래 기술의
Figure 112001000246399-pct00014
-Al2O3 코팅 공구와 비교하여, 기계가공될 공작물의 다듬면을 또한 향상시킨다. 매우 매끄러운 다듬면은 코팅의 매우 미세한 결정으로부터 기인할 수 있다. 또한, "γ-Al2O3" 층은 부분적으로 θ, δ및 η등의 "γ-계열"로부터의 다른 상을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 미세 입자의 결정질 γ-Al2O3는 [440]-방향에서 강하게 조직된다. 조직 계수(Texture Coefficient:TC)는 다음 식으로 정의될 수 있다.
Figure 112001000246399-pct00011
상기 식에서,
I(hkl)= (hkl) 반사의 측정 강도
I0(hkl)= ASTM 표준 분말 패턴 회절 데이타로부터의 표준 강도
n= 계산에 사용된 반사 회수
사용된 (hkl)반사는: (111), (311), (222), (400) 및 (440)이고, TC(hkl)>1인 경우, [hkl]-방향에 조직이 있다. TC(hkl) 값이 클수록, 조직이 뚜렷해진다. 본 발명에 따르면, (440) 결정면 세트에 대한 TC는 1.5보다 크다.
본 발명에 따른 매우 미세 입자 γ-Al2O3 코팅 초경합금 절삭공구가 강철 또는 주철의 기계가공에 사용될 때, 종래 기술과 비교하여 몇가지 중요한 향상점이 관찰된다. 놀랍게도, 더 거칠고 열역학적으로 안정한
Figure 112001000246399-pct00012
-Al2O3 상을 어떤 부분을 함유하지 않는 PVD γ-Al2O3는 어떤 금속 기계가공 조작에서 1000℃ 부근의 온도에서 증착된 더 거친 CVD
Figure 112001000246399-pct00013
-Al2O3 코팅에서 발견되는 내마모성과 동등한 내마모성을 나타낸다. 더욱이, 미세 입자 PVD γ-Al2O3 코팅은 종래 기술의 PVD 코팅보다 상당히 좋은 내마모성을 나타낸다. 이로써, 절삭 기능을 상당히 향상시키고 PVD 코팅된 공구의 공구 수명을 연장시킬 가능성이 열리게 된다. 또한, 증착 온도가 낮아 고속도강 공구에 PVD γ-Al2O3 코팅을 증착시키는 것이 가능하게 될 것이다.
본 발명에 따른 γ-Al2O3 코팅 절삭공구의 모서리를 부드러운 습식발파 공정에 의해 처리하거나 미국 특허 제 5,861,210호에 개시된 바와 같이, 예를 들어, SiC계 브러쉬로 모서리를 브러싱하면 절삭 기능이 더 향상될 것으로 예상된다.
본 발명에 따른 코팅의 총 두께는 0.5 내지 20㎛, 바람직하게는 1 내지 15㎛의 범위이고, 비-Al2O3 층(들)의 두께는 0.1 내지 10㎛, 바람직하게는 0.5 내지 5㎛의 범위이다. 또한, 미세 입자 γ-Al2O3 코팅은 절삭공구 기판에 직접 증착될 수 있고, 상기 γ-Al2O3의 두께는 0.5 내지 15㎛, 바람직하게는 1 내지 10㎛의 범위이다. 마찬가지로, Ti, Nb, Hf, V, Ta, Mo, Zr, Cr, W 및 Al 에서 선택된 금속 원소를 갖는 금속 질화물 및/또는 탄화물의 다른 층도 Al2O3 층의 상부에 증착될 수 있다.
본 발명에 따른 γ-Al2O3 층은 400 내지 700℃, 바람직하게는 500 내지 600℃의 기판 온도에서, 알루미늄 표적 및 하나 이상의 희박 가스 및 하나 이상의 반응성 가스, 바람직하게는 아르곤 및 산소의 혼합물을 사용하여 펄스된 마그네트론 스퍼터링에 의해 증착된다. 펄스된 마그네트론 스퍼터링 공정을 시행하는데 바람직한 해결법은 이중 마그네트론 시스템(Dual Magnetron System: DMS)을 사용하는 것이다. 또한, 본 발명에 따른 공정은 각각의 개별 기판에 충돌(impinging)하는 입자의 흐름을 주기적으로 중단시키는 것을 특징으로 한다. 이 흐름은 중성자, 이온, 전자, 광자 등으로 구성된다. 이러한 중단으로 재핵형성(renucleation) 공정이 일어나 γ-Al2O3 층의 매우 미세한 입자 구조가 나타나게 된다. 상기 흐름의 주기적 중단을 실현하는 용이한 방법 중 하나는 원통형 바스킷 아치에 고정된 기판을 마그네트론 앞에서 회전시켜, 기판이 플라즈마 증착 구역의 외부 및 내부로 움직이게 하는 것이다. 상기 주기적 중단의 빈도는 분당 0.1 내지 10번이다. 충돌 입자의 흐름의 중단 기간은 전체 기간의 10% 이상이다. 이와 달리, 충돌 입자 흐름의 주기적 중단은 비주기적으로도 일어난다. 공정의 또다른 특징은, 반응성 가스의 유량이 산화물로 완전히 피복된 표적 전극들 사이의 방전연소의 임피던스의 150% 내지 250%에 해당하는 마그네트론 방전 임피던스 값으로 세팅된다는 것이다. 이렇게 표적이 완전히 산화물로 피복된 상태는 철저하게 감소된 증착 속도 및 플라즈마의 광 방출 스펙트럼에서의 산소 라인의 존재를 통해 알 수 있다. 또한, γ-Al2O3 층의 미세구조 및 상 조성은 증착하는 동안 기판에 양극 펄스된 바이어스 전압을 적용하여 개선할 수 있다. 이 양극 바이어스 전압은 하나 이상의 파라미터 전압 레벨 및 펄스 기간에 관한 극성 모두에 대해 비대칭인 것이 바람직하다. 이에 따라, 성장하는 절연층의 주기적 방전에 이온 및 전자의 교차 흐름이 필요하다. 1-5 kHz 범위의 주파수에서 바이어스 전압 레벨은 20 내지 200, 바람직하게는 50 내지 100 V인 것이 바람직하다. 증착 배열의 기하학적 상태에 따라, 파라미터 전압 레벨 및 펄스 기간에 관해 비대칭 바이어스 펄스화가 유용할 수 있다. 이 경우에 포지티브 극성 기간은 네거티브 극성 기간보다 상당히 짧거나 길어야 동등해야 한다. 바람직하게는, 펄스 바이어스 주파수는 100 Hz 내지 10 Hz의 범위이고, 1 kHz 내지 5kHz의 범위가 바람직하고, 기판의 포지티브 극성 기간은 길어야 네거티브 극성 기간과 동일하거나 5 내지 20배 짧은 것이 바람직하다.
Ti, Nb, Hf, V, Ta, Mo, Zr, Cr, W 및 Al에서 선택된 금속 원소를 가진 금속 질화물 및/또는 탄화물 및/또는 탄화질화물을 포함하여 이루어지는 본 발명에 기재된 층(들)은 PVD-기술, CVD- 및/또는 MTCVD-기술(Medium Temperature Chemical Vapor Deposition)에 의해 증착될 수 있다.
실시예 1
A) 이온 플레이팅 기술에 의해 약 2㎛ TiN-층으로 코팅된, 10 중량%의 Co 및 WC 잔량의 조성을 갖는 R166.0G-16MM01-150 형의 상업적으로 이용가능한 초경합금 스레딩 삽입물.
B) A)에서 TiN 코팅된 공구는 펄스된 마그네트론 스퍼터링 기술을 사용한 별도의 실험에서 1㎛ 미세 입자 γ-Al2O3 층으로 코팅되었다. 증착 온도는 650℃로 설정하였다. 아르곤 및 산소로 구성된 가스 혼합물의 총 압력은 1.5μbar로 설정하였다. 반응성 마그네트론 방전의 작동 포인트는, 방전 임피던스가, 사용된 DMS의 산화물로 완전히 피복된 표적 전극으로 측정된 임피던스의 200%로 설정된 것과 같은 모드에서 산소 유량으로 조절하였다. 증착하는 동안 DMS 앞에서 기판 및 실드(shield)의 배열을 회전시켜, 각각의 개별 기판에 대해 입차 흐름을 주기적으로 중단하였다. 증착 공정 동안, 양쪽 극성에 대해 직사각형의 양극 펄스된 바이어스 전압 50 V 및 5 kHz의 주파수를 기판에 적용하였다.

Claims (18)

  1. 미세 입자의 결정질 γ-Al2O3로 구성된 하나 이상의 내화물층이 10 내지 100 kHz로 설정된 펄스 주파수에서 희박 가스 및 반응성 가스의 혼합물 중에서 펄스된 마그네트론 스퍼터링에 의해 진공 중에서 반응성 마그네트론 스퍼터링에 의해 움직이는 기판에 증착되고, 이를 통해, 증착이 10 W/cm2 이상으로 설정된 평균시간 내에 마그네트론 표적 전력 밀도에서 고정 배열된 기판에 대해 1 nm/s 이상의 속도로 일어나고, 기판 온도는 코팅되는 공구바디의 물질에 따라 400 내지 700℃의 범위에서 설정되며, 각 개별 기판 상에 충돌하는 입자의 흐름이 주기적으로 중단되는 것을 특징으로 하는 코팅 및 기판으로 이루어진 코팅된 절삭공구의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 희박 가스가 아르곤인 것을 특징으로 하는 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 반응성 가스가 산소인 것을 특징으로 하는 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 충돌 입자의 흐름의 주기적 중단이 분당 0.1 내지 분당 10번 범위의 빈도로 주기적으로 일어나는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  5. 제 1항 또는 제 4항에 있어서, 상기 충돌 입자의 흐름 중단 기간이 전체 기간의 10% 이상인 것을 특징으로 하는 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 충돌 입자의 흐름의 주기적 중단이 비주기적으로 일어나는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  7. 제 1항 내지 제 4항 중의 어느 한 항에 있어서, 양극 펄스된 바이어스 전압을 상기 기판에 적용하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 적용된 양극 바이어스 전압이 하나 이상의 파라미터 전압 레벨 및 펄스 기간에 관한 양쪽 극성에 대해 비대칭인 것을 특징으로 하는 제조방법.
  9. 제 7항에 있어서, 각 펄스에서 바이어스 전압의 최대치가 20V 내지 200V의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  10. 제 7항에 있어서, 펄스 바이어스 주파수가 100 Hz 내지 10 kHz의 범위에 있고, 기판의 포지티브 극성 기간이 길어야 네거티브 극성 기간과 동등한 것을 특징으로 하는 제조방법.
  11. 제 1항에 있어서, 반응성 가스의 유량이 마그네트론 방전의 임피던스가 산화물로 완전히 피복된 표적 전극 사이의 방전연소의 임피던스의 150% 내지 250% 사이에 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 Al2O3 층이 마그네트론 스퍼터링 장치의 캐소드 및 애노드로서 교대로 스위치되는 Al 표적을 갖는 두 마그네트론의 스퍼터링에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  13. 제 9항에 있어서, 추가적인 비-Al2O3 층이 또한 PVD 공정(물리적 증착)에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  14. 제 11항에 있어서, 모든 층들, Al2O3 및 비-Al2O3 층(들)이 진공 중단 없이 동일한 코팅 장치에서 증착되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  15. 제 9항에 있어서, 추가적인 비-Al2O3 층이 CVD 공정(화학적 증착)에 의해 적용되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  16. 미세 입자의 결정질 γ-Al2O3로 구성된 하나 이상의 내화물층이 20 내지 50 kHz로 설정된 펄스 주파수에서 희박 가스 및 반응성 가스의 혼합물 중에서 펄스된 마그네트론 스퍼터링에 의해 진공 중에서 반응성 마그네트론 스퍼터링에 의해 움직이는 기판에 증착되고, 이를 통해, 증착이 10 W/cm2 이상으로 설정된 평균시간 내에 마그네트론 표적 전력 밀도에서 고정 배열된 기판에 대해 1 nm/s 이상의 속도로 일어나고, 기판 온도는 코팅되는 공구바디의 물질에 따라 500 내지 600℃의 범위에서 설정되며, 각 개별 기판 상에 충돌하는 입자의 흐름이 주기적으로 중단되는 것을 특징으로 하는 코팅 및 기판으로 이루어진 코팅된 절삭공구의 제조방법.
  17. 제 7항에 있어서, 각 펄스에서 바이어스 전압의 최대치가 50V 내지 100V의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  18. 제 7항에 있어서, 펄스 바이어스 주파수가 1 kHz 내지 5 kHz의 범위에 있고, 기판의 포지티브 극성 기간이 길어야 네거티브 극성 기간보다 5 내지 20배 짧은 것을 특징으로 하는 제조방법.
KR1020017000109A 1999-05-06 2000-05-03 PVD Al₂O₃으로 코팅된 절삭공구의 제조방법 KR100673637B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SE9901650-3 1999-05-06
SE9901650A SE520716C2 (sv) 1999-05-06 1999-05-06 En process för tillverkning av ett skärverktyg belagt med aluminiumoxid

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20010053389A KR20010053389A (ko) 2001-06-25
KR100673637B1 true KR100673637B1 (ko) 2007-01-23

Family

ID=20415500

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020017000109A KR100673637B1 (ko) 1999-05-06 2000-05-03 PVD Al₂O₃으로 코팅된 절삭공구의 제조방법

Country Status (12)

Country Link
US (1) US6451180B1 (ko)
EP (1) EP1097250B1 (ko)
JP (1) JP4975906B2 (ko)
KR (1) KR100673637B1 (ko)
CN (1) CN1304458A (ko)
AT (1) ATE308629T1 (ko)
BR (1) BR0006060A (ko)
DE (1) DE60023628T2 (ko)
IL (1) IL140511A0 (ko)
PL (1) PL193249B1 (ko)
SE (1) SE520716C2 (ko)
WO (1) WO2000068452A1 (ko)

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE519921C2 (sv) * 1999-05-06 2003-04-29 Sandvik Ab PVD-belagt skärverktyg och metod för dess framställning
US6689450B2 (en) * 2001-03-27 2004-02-10 Seco Tools Ab Enhanced Al2O3-Ti(C,N) multi-coating deposited at low temperature
EP1541707B1 (en) 2002-08-09 2012-10-17 Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho METHOD FOR PREPARING ALUMNA COATING FILM HAVING a-TYPE CRYSTAL STRUCTURE AS PRIMARY STRUCTURE
DE10244438B4 (de) * 2002-09-24 2007-02-22 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verbundkörper mit einer verschleißmindernden Oberflächenschicht, Verfahren zu seiner Herstellung sowie Verwendung des Verbundkörpers
DE10303428A1 (de) * 2003-01-29 2004-08-05 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren und Einrichtung zur plasmaaktivierten Schichtabscheidung durch Kathodenzerstäubung nach dem Magnetron-Prinzip
CN100409983C (zh) * 2003-10-30 2008-08-13 上海交通大学 整体式硬质合金旋转刀具金刚石涂层制备装置
SE529855C2 (sv) * 2005-12-30 2007-12-11 Sandvik Intellectual Property Belagt hårdmetallskär och sätt att tillverka detta
JP5013053B2 (ja) * 2006-08-24 2012-08-29 株式会社ブリヂストン タンタル酸化物膜の成膜方法
SE533395C2 (sv) * 2007-06-08 2010-09-14 Sandvik Intellectual Property Sätt att göra PVD-beläggningar
JP2009035784A (ja) 2007-08-02 2009-02-19 Kobe Steel Ltd 酸化物皮膜、酸化物皮膜被覆材および酸化物皮膜の形成方法
JP2009120912A (ja) 2007-11-15 2009-06-04 Kobe Steel Ltd 硬質皮膜を備えた耐摩耗性部材
CN104302804B (zh) * 2012-12-26 2016-10-26 伍尚华 一种采用物理气相沉积工艺在氮化硅切削刀具表面制备Al2O3涂层及其复合涂层的方法
DE102014104672A1 (de) 2014-04-02 2015-10-08 Kennametal Inc. Beschichtetes Schneidwerkzeug und Verfahren zu seiner Herstellung
CN104962873A (zh) * 2015-07-17 2015-10-07 广东工业大学 一种制备多晶氧化铝硬质涂层的方法
JP6515387B2 (ja) * 2015-09-15 2019-05-22 日本製鉄株式会社 超硬工具及びその製造方法
CN111279011B (zh) * 2017-11-07 2023-04-28 瓦尔特公开股份有限公司 沉积Al2O3的PVD工艺和具有至少一层Al2O3的被涂覆过的切削工具
CN113322442B (zh) * 2021-06-03 2022-11-01 哈尔滨工业大学 一种抗原子氧性能优异的γ-三氧化二铝薄膜的制备方法

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE252205C (ko)
CH540991A (fr) 1971-07-07 1973-08-31 Battelle Memorial Institute Procédé pour augmenter la résistance à l'usure de la surface d'une pièce en "métal dur"
DE59201616D1 (de) 1991-03-27 1995-04-13 Krupp Widia Gmbh Verbundkörper, verwendung des verbundkörpers und verfahren zu seiner herstellung.
SE9101953D0 (sv) 1991-06-25 1991-06-25 Sandvik Ab A1203 coated sintered body
DE4209975A1 (de) 1992-03-27 1993-09-30 Krupp Widia Gmbh Verbundkörper und dessen Verwendung
DE69319531T2 (de) 1992-10-12 1999-04-15 Sumitomo Electric Industries Ultradünnes Filmlaminat
SE501527C2 (sv) 1992-12-18 1995-03-06 Sandvik Ab Sätt och alster vid beläggning av ett skärande verktyg med ett aluminiumoxidskikt
JP2999346B2 (ja) * 1993-07-12 2000-01-17 オリエンタルエンヂニアリング株式会社 基体表面被覆方法及び被覆部材
SE509201C2 (sv) 1994-07-20 1998-12-14 Sandvik Ab Aluminiumoxidbelagt verktyg
US5700551A (en) 1994-09-16 1997-12-23 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Layered film made of ultrafine particles and a hard composite material for tools possessing the film
DE19518781C1 (de) 1995-05-22 1996-09-05 Fraunhofer Ges Forschung Vakuumbeschichteter Verbundkörper und Verfahren zu seiner Herstellung
DE19518779C1 (de) 1995-05-22 1996-07-18 Fraunhofer Ges Forschung Verbundkörper aus vakuumbeschichtetem Sinterwerkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung
DE19544584A1 (de) * 1995-11-30 1997-06-05 Leybold Ag Vakuumbeschichtungsanlage mit einem in der Vakuumkammer angeordneten Tiegel zur Aufnahme von zu verdampfendem Material
DE19546826C1 (de) * 1995-12-15 1997-04-03 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren und Einrichtung zur Vorbehandlung von Substraten
SE520795C2 (sv) * 1999-05-06 2003-08-26 Sandvik Ab Skärverktyg belagt med aluminiumoxid och process för dess tillverkning

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Surface and coatings technology 86-87권, 1996.12.15 *

Also Published As

Publication number Publication date
EP1097250A1 (en) 2001-05-09
WO2000068452A1 (en) 2000-11-16
JP4975906B2 (ja) 2012-07-11
US6451180B1 (en) 2002-09-17
ATE308629T1 (de) 2005-11-15
JP2002544379A (ja) 2002-12-24
KR20010053389A (ko) 2001-06-25
SE9901650L (sv) 2000-11-07
BR0006060A (pt) 2001-03-20
PL193249B1 (pl) 2007-01-31
DE60023628T2 (de) 2006-06-08
PL345385A1 (en) 2001-12-17
SE520716C2 (sv) 2003-08-12
IL140511A0 (en) 2002-02-10
SE9901650D0 (sv) 1999-05-06
CN1304458A (zh) 2001-07-18
EP1097250B1 (en) 2005-11-02
DE60023628D1 (de) 2005-12-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100673636B1 (ko) Pvd 코팅된 절삭공구 및 이의 제조방법
KR100673637B1 (ko) PVD Al₂O₃으로 코팅된 절삭공구의 제조방법
RU2210622C2 (ru) Способ нанесения мелкозернистых покрытий из оксида алюминия на режущие инструменты
EP1029105B1 (en) PVD Al2O3 COATED CUTTING TOOL
JP5238687B2 (ja) 被覆物
KR20100017702A (ko) Pvd 코팅을 만들기 위한 방법
US9822438B2 (en) Coated cutting tool and method for the production thereof
JP2011127165A (ja) 被膜、切削工具および被膜の製造方法
JP2012228735A (ja) 耐摩耗性に優れる被覆工具およびその製造方法
JP2011127164A (ja) 被膜、切削工具および被膜の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
N231 Notification of change of applicant
N231 Notification of change of applicant
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20121226

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20131218

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20141230

Year of fee payment: 9

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20151217

Year of fee payment: 10

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20161220

Year of fee payment: 11

LAPS Lapse due to unpaid annual fee