KR100832868B1

KR100832868B1 - 절삭공구/내마모성 공구용 표면 피복 부재용 박막

Info

Publication number: KR100832868B1
Application number: KR1020060056535A
Authority: KR
Inventors: 박근우; 황창규; 최용희; 한대석; 조성우
Original assignee: 한국야금 주식회사
Priority date: 2006-06-22
Filing date: 2006-06-22
Publication date: 2008-05-28
Also published as: KR20070121447A

Abstract

초경합금, 써메트, 세라믹 등의 모재로 된 절삭공구 표면에 코팅되는 박막으로서 TiBwCxNyOz(w+x+y+z=1, w, x, y, z≥0) 박막 위에 α-Al2O3 박막을 2~15㎛ 두께로 고온 화학적 증착법으로 코팅함으로써 다결정 α-Al2O3 (012), (104), (110), (113), (024), (116), (124), (030) 결정면 중에서 (110)과 (030) 결정면의 집합계수 TC(110)과 TC(030)는 1.5 이상이면서 동시에 (012), (104), (113), (024), (116), (124) 결정면의 집합계수는 1.0 이하로 형성되어 내마모성과 밀착도가 향상된 절삭공구용 표면 피복부재용 박막을 제공한다.

Description

절삭공구/내마모성 공구용 표면 피복 부재용 박막{Coating materials for a cutting tool/an abrasion resistance tool}

도 1는 본 발명에 따라 제작된 TiBwCxNyOz(w+x+y+z=1, w, x, y, z≥0) 박막 위에 α-Al2O3 박막을 증착한 형상을 보여주는 3000배의 주사전자현미경(SEM) 사진

도 2는 본 발명에 따라 제작된 TiBwCxNyOz(w+x+y+z=1, w, x, y, z≥0) 박막 위에 α-Al2O3 박막의 표면 열균열을 보여주는 360배의 광학 현미경 사진

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

110 :주상정 구조의 TiCN 박막

111 :TiBwCxNyOz(w+x+y+z=1, w, x, y, z≥0) 박막

112 :α-Al2O3 박막

본 발명은 절삭가공용 공구(Indexable Insert)로 사용되는 코팅 초경합금의 코팅 박막에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 절삭공구의 내마모성을 향상시키기 위한 보다 우수한 내마모성을 갖는 경질세라믹 박막과 이들이 코팅된 절삭공구에 관한 것이다.

일반적으로 절삭공구의 유효수명을 향상시키기 위하여, 초경합금의 모재 표면에 화학적 증착법(이하 CVD)으로 제조한 티타늄의 탄화물(이하 TiC), 질화물(이하 TiN), 탄질화물(이하 TiCN)과 알루미나(이하 Al2O3)등의 경질세라믹 코팅박막을 피복한다. 이중 Al2O3를 이용한 코팅절삭공구는 1973년 TiC 박막 위에 0.5∼1.0㎛의 Al2O3 박막을 코팅한 것이 세계 최초이다. TiC 위에 Al2O3가코팅된 절삭공구는 단층 TiC 박막보다 인성이 다소 저하되지만 내마모성이 크게 향상되었다.

또한 절삭공구의 인성을 향상시키기 위해서 유기 CN화합물 전구체(아세토니트릴, CH₃CN)를 이용하여, 800 ~ 900℃에서 코팅하는 중온 화학적 증착법(이하 MT-CVD)에 의한 TiCN 박막이 이용되고 있다. 종래의 TiCN 박막은 TiCl4, CH4, N2, H2 등의 가스 원료를 이용하여 약 1,000 ~ 1,050℃의 고온 화학적 증착법(이하 HT-CVD)으로 증착하던 것에 비해, MT-CVD에 의한 코팅은, TiCl4, CH₃CN, N2, H2를 이용하여 800 ~ 900℃에서 코팅을 실시하였다. MT-CVD에 의해 코팅된 TiCN 박막은 TiC 박막에 비해 박막경도는 다소 낮으나 초경합금에 코팅하여 내마모성의 향상을 얻을 수 있는 충분한 박막 경도를 보유하고 있으며, 결정구조가 기둥모양의 주상정구조(Columnar structure)를 갖고 있어 박막 자체의 인성이 우수하다.

내산화성이 우수한 Al2O3 박막의 경우 1980년대에 Al2O3 박막에 대한 상(Phase) 제어기술 연구에서 알파-알루미나(이하 α-Al2O3)와 카파-알루미나(이하 κ-Al2O3)박막이 각각 주철과 강에 적합하다는 것이 보고된 후, Al2O3 박막 제어기술이 급속히 발전하고 상용화하게 되었다. α-Al2O3의 경우 Al2O3중에서 유일한 안 정상으로 가공 중에 상변화가 발생하지 않고 경도도 가장 우수하기 때문에 고속 절삭조건이 주철 가공에서 탁월한 절삭성능을 나타낸다. κ-Al2O3박막의 경우 열전도도가 α-Al2O3보다 낮아 절삭시 열발생이 많은 강 절삭에서 우수한 내마모성을 나타내는 것으로 분석되었다.

주철 선삭에서 내마모성을 증대하기 위해서 α-Al2O3 박막의 결정면의 우선방위를 제어하기 위한 다양한 방법이 공개되었다.

유럽 특허 제 603144에서는 1단계로 CO2, CO, AlCl3, H2 가스를 공급하고 2단계로 CO2, AlCl3, H2S, H2 가스를 공급함으로써 (012) 결정면이 우선방위로 성장하는 α-Al2O3 박막 제조방법을 공개하였고, 유럽 특허 제 659903에서는 1단계로 CO2, HCl, AlCl3, H2 가스를 공급하고 2단계로 CO2, AlCl3, SF6, HCl, H2 가스를 공급함으로써 (110) 결정면이 우선방위로 성장하고 열균열이 없는 α-Al2O3 박막 제조방법을 공개하였다. 미국 특허 제 5766782에서는 1단계로 CO2, CO, HCl, AlCl3, H2 가스를 공급하고 2단계로 CO2, AlCl3, HCl, H2S, H2 가스를 공급함으로써 (104) 결정면이 우선방위로 성장하는 α-Al2O3 박막 제조방법을 공개하였다. 미국 특허 제 2002/0155325에서는 1단계로 CO2, AlCl3, HCl, H2 가스를 공급하고 2단계로 CO2, AlCl3, ZrCl4, HCl, H2S, H2 가스를 공급함으로써 (300) 결정면이 우선방위로 성장하는 α-Al2O3 박막 제조방법을 공개하였다.

유럽 특허 제 1207216에서는 동일한 α-Al2O3 박막에서도 박막의 두께를 증가시킴에 따라 우선방위가 (012), (104), (116)으로 변화시킬 수 있다고 공개하였 다.

그러나 이들 특허에서는 α-Al2O3 박막의 대표적인 결정면인 (012), (104), (110), (113), (024), (116), (124), (030) 중에서 특정한 결정면이 우선성장하는 것만 공개하였고 나머지 결정면과의 관계에 대해서는 공개하고 있지 않는다.

본 발명의 목적은 따라서 절삭능이 우수한 α-Al2O3 박막을 제공하기 위한 것으로서, Al2O3 상의 핵생성 조건 및 성장 조건을 제어하여 원하는 결정학적 구조를 갖는 다결정 α-Al2O3상을 경질 부재 또는 TiBwCxNyOz(w+x+y+z=1, w, x, y, z≥0) 박막 위에 적층하기 위한 절삭공구 또는 내마모성 공구용 표면 피복부재용 박막을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명은 또한, 강, 스테인레스강, 주철, 특히 일반주철, 구상흑연 주철에 대해 향상된 절삭성능을 가지는 α-Al2O3 박막이 증착된 절삭공구를 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은;

절삭공구 또는 내마모성 공구의 모재 위에 증착되는 다결정 α-Al2O3박막의 (012), (104), (110), (113), (024), (116), (124), (030) 결정면 중에서 (110)과 (030) 결정면의 집합계수 TC(110)과 TC(030)은 1.5 이상이면서 동시에 (012), (104), (113), (024), (116), (124) 결정면의 집합계수는 1.0 이하로 형성되는 피복부재용 박막을 제공한다. 상기에서의 α- Al2O3 박막은 열균열을 갖는다. 본 발명의 α-Al2O3 박막은 X-선 회절분석(XRD)방법으로 (110)과 (030) 방향만 우선 성장하는 특징을 가지고, α-Al2O3 박막에 대한 집합계수(TC : Texture Coefficient)는 다음과 같이 정의된다.

여기서

은 결정면의 회절강도

은 ASTM 표준 분말 회절 자료의 표준 회절강도

은 계산에 사용되는 결정면 수

사용된 결정면

은 (012), (104), (110), (113), (024), (116), (124), (030) 이다.

상기에서 α-Al2O3 박막은 TiBwCxNyOz(w+x+y+z=1, w, x, y, z≥0) 박막 위에 적층됨이 바람직하다.

상기 α-Al2O3 박막은 10 ∼ 300 ㎛ 입자의 α-Al2O3 분말을 이용하여 습식 블라스팅 처리함이 바람직하고, 상기 습식 블라스팅 처리된 피복 절삭공구의 상층 또는 최상층은 -100 ∼ -3500 MPa의 압축 잔류응력이 생성되게 하며 상기 습식 블라스팅 처리된 피복 절삭공구 인선부의 피막 상층 또는 최상층의 표면 거칠기(Ra)는 0.05 ∼ 0.100 ㎛ 임이 되게 함이 바람직하다.

본 발명은 또한, 절삭공구 또는 내마모성 공구의 모재 위에 Ⅳ-A족 금속의 질화물, 탄화물, 탄질화물, 질산화물, 탄산화물, 탄질산화물과 주상정 구조를 가지 는 Ⅳ-A족 금속의 탄질화물, 탄질산화물 중에서 선택된 적어도 하나의 부재를 증착하고, 그 위에 TiBwCxNyOz(w+x+y+z=1, w, x, y, z≥0) 박막을 적층하고, 그 위에 Al2O3, ZrO2, HfO2, Y2O3, AlN, cBN, TiB2로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 부재가 내마모성 공구용 표면에 CVD로 적층되는 피복부재를 제공한다.

여기에서, Al2O3의 상(phase)은 알파(α)인 것이 바람직하고, Al2O3는 다결정 α-Al2O3박막으로 (110)과 (030) 결정면의 집합계수 TC(110)와 TC(030)은 1.5 이상이면서 동시에 (012), (104), (113), (024), (116), (124) 결정면의 집합계수는 1.0 이하로 형성됨이 바람직하다.

또한 상기 공구용 표면피복 부재중 최상의 피복박막은 HT-CVD로 증착된 Ⅳ-A족 금속의 질화물, 탄화물, 탄질화물, 질산화물, 탄산화물, 탄질산화물과 MT-CVD에 의해 증착된 주상정 구조를 가지는 Ⅳ-A족 금속의 탄질화물, 탄질산화물 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 부재를 증착함이 바람직하다.

여기서 상기 최상의 피복박막은 10 ∼ 300 ㎛ 입자의 Al2O3 분말을 이용하여 건식, 또는 습식 블라스팅 처리를 통해 표면 거칠기를 개선하여, 피복 절삭공구 인선부의 피막 상층 또는 최상층의 표면 거칠기(Ra)는 0.05 ∼ 0.100 ㎛ 로 관리하였고, 또한 상기 블라스팅 처리된 피복 절삭공구의 상층 또는 최상층은 -100 ∼ -3500 MPa의 압축 잔류응력이 생성됨이 바람직하다.

따라서 본 발명에 의하면, 초경합금, 써메트, 세라믹 등의 모재로 된 절삭공구 표면에 코팅되는 α-Al2O3 박막을 제공되는데, 여기서 상기 박막의 (110)과 (030) 결정면의 집합계수 TC(110)과 TC(030)은 1.5 이상이면서 동시에 (012), (104), (113), (024), (116), (124) 결정면의 집합계수는 1.0 이하로 형성됨이 바람직하다.

본 발명은, 초경합금 모재표면에 TiCl4, CH4, H2, N2, CO2, CO 원료 가스를 1000 ~ 1100℃의 온도에서 TiCxNyOz(x+y+z=1, x, y, z≥0) 박막을 코팅하던 종래의 HT-CVD에 의한 코팅방식에, 박막조성에 B를 첨가하기 위한 원료로 BCl3를 일정량 공급하는 방식으로, HT-CVD 혹은 MT-CVD에 의한 TiBwCxNyOz(w+x+y+z=1, w, x, y, z≥0) 박막을 제조한다. 이때 박막의 두께는 0.1 ~ 5㎛, 특히 0.1 ~ 3㎛로 함이 바람직하다.

이하에서는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 실시예에서 제시한 자료는 본 발명의 일부에 해당하는 것으로, 본 발명의 범위는 본 실시예에 의해 제한되지 않는다.

<실시예 1>

(A)ISO K05 등급에 해당하는 코팅 절삭공구용 초경합금에 8㎛ 두께의 MT-CVD로 TiCN 박막을 증착하고, 그 위에 본 발명으로 제작된 0.3㎛ 두께의 TiBwCxNyOz(w+x+y+z=1, w, x, y, z≥0) 박막을 증착한 후 5㎛ 두께의 α-Al2O3 박막이 증착되었다.

표.1에 나타낸 바와 같이, X-선 회절분석에서 다결정 α-Al2O3 (110)과 (030) 결정면의 집합계수 TC(110)과 TC(030)은 각각 4.295와 1.892이고 나머지 결정면들의 집합계수 TC는 1.0 이하로 분석되었다.

표.1

결정면	집합계수(TC)
(012)	0.529
(104)	0.050
(110)	4.295
(113)	0.515
(024)	0.383
(116)	0.171
(124)	0.164
(030)	1.892

도 2는 본 발명(A)에서 제작된 박막의 표면을 광학현미경(배율 360배)으로 분석한 것으로 다결정 α-Al2O3 (110)과 (030) 결정면이 우선성장한 박막에서도 열균열이 존재하는 것으로 나타났다.

(B)ISO K05 등급에 해당하는 코팅 절삭공구용 초경합금에 10㎛ 두께의 MT-CVD로 TiCN 박막을 증착하고, 그 위에 종래기술로 제작된 0.5㎛ 두께의 TiCxNyOz(x+y+z=1, x, y, z≥0) 박막을 증착한 후 5㎛ 두께의 α-Al2O3 박막이 증착되었다.

X-선 회절분석에서 다결정 α-Al2O3 (012), (110), (024) 결정면의 집합계수 TC가 1.0 이상이고 나머지 결정면의 집합계수 TC는 0.3으로 분석되었다.(표.2 참조)

표.2

결정면	집합계수(TC)
(012)	1.882
(104)	0.034
(110)	3.593
(113)	0.484
(024)	1.453
(116)	0.111
(124)	0.312
(030)	0.130

C)ISO K05 등급에 해당하는 코팅 절삭공구용 초경합금에 8㎛ 두께의 MT-CVD로 TiCN 박막을 증착하고, 그 위에 4㎛ 두께의 κ-Al2O3 박막이 증착되었다.

A), B), C)의 피복 절삭공구에 대해 10 ∼ 300 ㎛ 입자의 Al2O3 분말을 이용하여 건식, 또는 습식 블라스팅 처리를 통해 표면 거칠기를 개선하여, 피복 절삭공구 인선부의 피막 상층 또는 최상층의 표면 거칠기(Ra)는 0.05 ∼ 0.100 ㎛ 로 관리하였고, 또한 상기 블라스팅 처리된 피복 절삭공구의 상층 또는 최상층은 -100 ∼ -3500 MPa의 압축 잔류응력이 생성되도록 관리하였다.

종래 기술(B, C)과 본 발명(A)의 Al2O3 박막에 대한 미소경도를 분석하였다. Fischer사 미소경도(microhardness) 측정기(Fischerscope H100C XYp)을 이용하여 300mN 하중에서 측정하였다. 표.3에 제시한 바와 같이 종래 기술(B, C)에 의해 제작된 박막의 경도는 각각 19.0, 17.6 GPa이고 본 발명(A)에 의해 제작된 박막의 경도는 22.5 GPa으로 종래기술 대비 향상된 경도값을 나타내었다.

표.3

	시료구분	미소경도(300mN)
본 발명	A	22.5 GPa
종래기술	B	19.0 GPa
종래기술	C	17.6 GPa

종래 기술(B, C)과 본 발명(A) 피복 절삭공구에 대해 절삭성능 평가를 동일 시간인 10분 동안 동일한 피가공물을 가공하여, 공구의 여유면에 발생하는 마모량을 측정하고 인선부에서의 박막 박리된 부분의 분율을 분석하여 비교하였다. 표.4의 결과를 보면, 종래 기술(B, C)와 비교하여 본 발명(A)으로 제작된 경우 내치핑성 및 내마모성이 향상된 것을 확인할 수 있다.

▶ 절삭 테스트 조건

절삭조건 : V = 400m/min, f = 0.3mm/rev, d=2.0mm, 습식가공

피가공물 : GC25(직경 300mm, 길이 600mm) 외경가공

공구형번 : CNMG120408 - GR

표.4

	시료구분	인선부 박리율(%)	공구 여유면 마모량(mm)
본 발명	A	0	0.110
종래기술	B	20	0.135
종래기술	C	50	0.178

<실시예 2>

(D)ISO P10 등급에 해당하는 코팅 절삭공구용 초경합금에 10㎛ 두께의 MT-CVD로 TiCN 박막을 증착하고, 그 위에 본 발명으로 제작된 0.5㎛ 두께의 TiBwCxNyOz(w+x+y+z=1, w, x, y, z≥0) 박막을 증착한 후 5㎛ 두께의 α-Al2O3 박막이 증착되었다.

표.5에 나타낸 바와 같이, X-선 회절분석에서 다결정 α-Al2O3 (110)과 (030) 결정면의 집합계수 TC(110)과 TC(030)은 각각 3.756과 2.3386이고 나머지 결정면들은 1.0 이하로 분석되었다.

표.5

결정면	집합계수(TC)
(012)	0.704
(104)	0.063
(110)	3.756
(113)	0.405
(024)	0.466
(116)	0.146
(124)	0.123
(030)	2.338

E)ISO P10 등급에 해당하는 코팅 절삭공구용 초경합금에 7㎛ 두께의 MT-CVD로 TiCN 박막을 증착하고, 그 위에 1.5㎛ 두께의 TiC, 3㎛ 두께의 κ-Al2O3 박막이 증착되었다.

D), E)의 피복 절삭공구에 대해 피복 절삭공구에 대해 10 ∼ 300 ㎛ 입자의 Al2O3 분말을 이용하여 건식, 또는 습식 블라스팅 처리를 통해 표면 거칠기를 개선하여, 피복 절삭공구 인선부의 피막 상층 또는 최상층의 표면 거칠기(Ra)는 0.05 ∼ 0.100 ㎛ 로 관리하였고, 또한 상기 블라스팅 처리된 피복 절삭공구의 상층 또는 최상층은 -100 ∼ -3500 MPa의 압축 잔류응력이 생성되도록 관리하였다.

종래 기술(E)과 본 발명(D) 피복 절삭공구에 대해 절삭성능 평가를 동일 시간인 30분 동안 동일한 피가공물을 가공하여, 공구의 여유면에 발생하는 마모량을 측정하고 인선부에서의 박막 박리된 부분의 분율을 분석하여 비교하였다. 표.6의 결과를 보면, 종래 기술(E)과 비교하여 본 발명(D)으로 제작된 경우 내치핑성 및 내마모성이 향상된 것을 확인할 수 있다.

▶ 절삭 테스트 조건

절삭조건 : V = 250m/min, f = 0.25mm/rev, d=2.0mm, 습식가공

피가공물 : SCM440(직경 300mm, 길이 600mm) 외경가공

공구형번 : CNMG120408 - HM

표.6

	시료구분	인선부 박리율(%)	공구 여유면 마모량(mm)
본발명	D	0	0.143
종래기술	E	27	0.232

상기와 같이 본 발명에 따르면 절삭공구 위에 TiBwCxNyOz(w+x+y+z=1, w, x, y, z≥0) 박막을 0.1~5㎛ 두께로 증착하고, 그 위에 α-Al2O3 박막을 2~15㎛ 두께로 증착함으로써 다결정 α-Al2O3 (012), (104), (110), (113), (024), (116), (124), (030) 결정면 중에서 (110)과 (030) 결정면의 집합계수 TC(110)과 TC(030)는 1.5 이상이면서 동시에 (012), (104), (113), (024), (116), (124) 결정면의 집합계수는 1.0 이하로 형성되어 내마모성과 밀착도를 크게 개선시킬 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

절삭공구 또는 내마모성 공구의 모재 위에 고온 화학적 증착법에 의해 증착되는 표면 피복 부재용 박막으로서 다결정 α-Al2O3 박막의 (012), (104), (110), (113), (024), (116), (124), (030) 결정면 중에서 (110)과 (030) 결정면의 집합계수 TC(110)과 TC(030)은 1.5 이상이면서 동시에 (012), (104), (113), (024), (116), (124) 결정면의 집합계수는 1.0 이하로 형성되고, 상기 α-Al2O3 박막은 열균열을 가지며 TiBwCxNyOz (w+x+y+z=0, w, x, y, z>0) 박막 위에 적층되는 것임을 특징으로 하는 절삭공구 또는 내마모성 공구용 표면 피복부재용 박막. 여기서 집합계수(TC)는 다음과 같이 정의된다:

여기서

은 결정면의 회절강도

은 ASTM 표준 분말 회절 자료의 표준 회절강도

은 계산에 사용되는 결정면 수

사용된 결정면
은 (012), (104), (110), (113), (024), (116), (124), (030) 이다.
제 1항에 있어서, 상기 α-Al2O3 박막은 10 ∼ 300 ㎛ 입자의 α-Al2O3 분말을 이용하여 습식 블라스팅 처리한 것임을 특징으로 하는 절삭공구 또는 내마모성 공구용 표면 피복 부재용 박막.
제 1항에 있어서, 상기 습식 블라스팅 처리된 피복 절삭공구의 상층 또는 최상층은 -100 ∼ -3500 MPa의 압축 잔류응력이 생성된 것을 특징으로 하는 절삭공구 또는 내마모성 공구용 표면 피복 부재용 박막.
제 3항에 있어서, 상기 습식 블라스팅 처리된 피복 절삭공구 인선부의 피막 상층 또는 최상층의 표면 거칠기(Ra)는 0.05 ∼ 0.100 ㎛ 임을 특징으로 하는 절삭공구 또는 내마모성 공구용 표면 피복 부재용 박막.
절삭공구 또는 내마모성 공구의 모재 위에 Ⅳ-A족 금속의 질화물, 탄화물, 탄질화물, 질산화물, 탄산화물, 탄질산화물과 주상정 구조를 가지는 Ⅳ-A족 금속의 탄질화물, 탄질산화물 중에서 선택된 적어도 하나의 부재를 증착하고, 그 위에 TiBwCxNyOz (w+x+y+z=0, w, x, y, z>0)을 적층하고, 그 위에 Al2O3, ZrO2, HfO2, Y2O3, AlN, cBN, TiB2로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 부재를 화학적 증착법에 의해 적층한 것을 특징으로 하는 절삭공구 또는 내마모성 공구용 표면 피복부재.
제 5항에 있어서, 상기 Al2O3의 상(phase)은 알파(α)임을 특징으로 하는 절 삭공구 또는 내마모성 공구용 표면피복 부재.
제 5항에 있어서, 상기 Al2O3는 다결정 α-Al2O3박막으로 (012), (104), (110), (113), (024), (116), (124), (030) 결정면 중에서 (110)과 (030) 결정면의 집합계수 TC(110)과 TC(030)은 1.5 이상이면서 동시에 (012), (104), (113), (024), (116), (124) 결정면의 집합계수 TC는 1.0 이하로 형성되고 상기 α-Al2O3 박막은 열균열을 가지는 것을 특징으로 하는 절삭공구 또는 내마모성 공구용 표면 피복부재