KR100986883B1

KR100986883B1 - 경질막 및 경질막 코팅된 공구

Info

Publication number: KR100986883B1
Application number: KR1020070095584A
Authority: KR
Inventors: 겐지 야마모또; 스스무 구지메
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2006-09-21
Filing date: 2007-09-20
Publication date: 2010-10-08
Also published as: JP5096715B2; JP2008073800A; US7695829B2; DE102007039193B4; DE102007039193A1; KR20080027156A; US20080075976A1; CN100584993C; CN101148750A

Abstract

공구의 표면에 도포되는 경질 코팅막이며, 상기 경질 코팅막은 공식 Al_1-a-b-cSi_aMg_bM_c(B_xC_yN_z)로 표현되는 조성을 갖고, 여기서, M은 Nb, V, Zr, Cr, Ti, Cu 및 Y에서 선택된 한 종류 이상의 원소를 나타내고, a, b, c, x, y 및 z는 0≤a≤0.35, 0≤b≤0.2, 0.03≤a+b≤0.5, 0≤c≤0.1, 0.9≤Al+Si+Mg, 0≤x≤0.2, 0≤y≤0.4, 0.5≤z≤1 및 x+y+z=1인 원자비를 나타낸다. 경질 코팅막으로 코팅된 공구는 상술한 바와 같이 한정된다. 경질 코팅막은 개선된 경도, 내산화성 및 인성으로 인해 내마모성이 우수하다. 경질 코팅막은 내마모성을 개선하도록 공구 상에 코팅하기 위해 사용된다.

경질 코팅막, 공구, 경도, 내산화성, 인성, 내마모성

Description

경질막 및 경질막 코팅된 공구 {HARD FILM AND HARD FILM-COATED TOOL}

본 발명은 공구의 표면을 덮는 경질막 및 경질막을 갖는 경질막 코팅된 공구에 관한 것이다.

TiN, TiC, TiCN, TiAlN 등의 경질막으로의 코팅은 칩, 드릴 및 엔드밀과 같은 절단 공구, 프레스, 단조 다이와 같은 지그, 초경 합금(cemented carbide), 서멧(cermet), 고속 절삭강 등으로 제조된 펀치의 내마모성을 개선하는 통상의 방법이다. 이러한 경질막의 전형적인 예는 Al 및 Ti로 구성된 복합 질화막(TiAlN)이다. 우수한 내마모성 때문에, 티타늄 카바이드, 질화물 또는 상술한 탄소 질화물(carbonitride)인 종래의 경질막을 대체하고, 켄치 강(quenched steel)과 같은 경질 재료에 대한 절단 공구 및 고속 절단 공구에 적용된다.

고경도 및 우수한 내마모성으로 특징되는 상술한 TiAlN 코팅막 중 주목할 것은 NaCl 타입의 결정 구조를 갖는 막이며, 이에 따라 고온에서 내산화성이 우수하다(특허 1 참조).

또한, TiAlN 및 추가의 Cr로 구성된 내마모성이 개선된 새로운 코팅막이 제안되고, 추가의 Cr은 증가된 Al 성분, 증가된 경도 및 내산화성에 기여하지만, 고 경도에 대한 암염(rock salt) 결정 구조(큐빅 결정)를 보유한다(특허 2 참조). 지금까지 제안된 다른 코팅막은 개선된 내산화성을 위해 추가 Si 및 B와 TiCrAlN으로 구성된 막(특허 3 참조) 및 개선된 내산화성을 위해 추가 Nb, Si 및 B와 CrAlN으로 구성된 막을 포함한다(특허 4 참조).

특허 1 : 일본 특허 제2644710호 (문단 0011 - 0018)

특허 2 : 일본 미심사 특허 출원 공개 제2003-71610호 (문단 0018 - 0023)

특허 3 : 일본 미심사 특허 출원 공개 제2003-71611호 (문단 0023 - 0029)

특허 4 : 국제 공보 제06/005217호 (3쪽 30 행 내지 9쪽 31행)

상술한 종래의 경질 코팅막은 다음의 문제점이 있다. 특허 1에서, (원자비의 면에서) 최대 함량이 0.75, 특허 2에서 0.765, 특허 3에서 0.9 및 특허 4에서 0.79를 갖는 Al 또는 Al + Si를 포함하는 막은 개선된 내산화성을 갖는다. 그러나, 내산화성에서의 추가적인 개선점이 더 엄격한 조건 하에 사용되는 절삭 공구에 대해 필요하다.

더욱 경질인 작업 재료 및 빠른 절단 속도의 최근 경향으로, TiAlN, TiCrAlN, TiCrAlSiBN, CrAlSiBN, NbCrAlSiBN 등으로 제조된 종래의 경질막보다 내산화성, 인성 및 내마모성이 우수한 경질막에 대한 요구가 증가하고 있다.

본 발명은 이러한 관점에서 이루어진다. 본 발명의 목적은 개선된 경도, 내산화성 및 인성으로 인해 내마모성이 우수한 경질 코팅막을 제공하는 것이며, 본 발명의 다른 목적은 상기 경질 코팅막으로 코팅된 공구를 제공하는 것이다.

본 발명의 제1 태양은 공구의 표면에 도포된 경질 코팅막에 있고, 상기 경질 코팅막은 공식 Al_1-a-b-cSi_aMg_bM_c(B_xC_yN_z)로 표현되는 조성을 갖고, 여기서 M은 Nb, V, Zr, Cr, Ti, Cu 및 Y에서 선택된 한 종류 이상의 원소를 나타내고, a, b, c, x, y 및 z는 0≤a≤0.35, 0≤b≤0.2, 0.03≤a+b≤0.5, 0≤c≤0.1, 0.9≤Al+Si+Mg, 0≤x≤0.2, 0≤y≤0.4, 0.5≤z≤1 및 x+y+z=1인 원자비를 표현한다.

이러한 조성을 갖는 경질 코팅막은 특정 원소의 특정 함량으로 인한 개선된 경도 및 내산화성을 갖는다.

본 발명의 제2 태양은 공구의 표면에 도포된 경질 코팅막에 있고, 상기 경질 코팅막은 하나의 층 위에 다른 층이 교대로 위치된 A 층 및 B 층으로 구성되고, 상기 A 층은 공식 Al_1-a-b-cSi_aMg_bM_c(B_xC_yN_z)로 표현되는 구성을 갖고, 여기서 M은 Nb, V, Zr, Cr, Ti, Cu 및 Y에서 선택된 한 종류 이상의 원소를 나타내고, a, b, c, x, y 및 z는 0≤a≤0.35, 0≤b≤0.2, 0.03≤a+b≤0.5, 0≤c≤0.1, 0.9≤Al+Si+Mg, 0≤x≤0.2, 0≤y≤0.4, 0.5≤z≤1 및 x+y+z=1인 원자비를 표현하고, 상기 B 층은 Al, Si 및 Y와 4a, 5a 및 6a족으로부터 선택된 한 종류 이상의 원소를 가진 N, CN, BN 또는 BCN의 합성물로 구성되고, 상기 A 층 및 B 층의 각각은 2nm 이상 200nm 이하인 두께를 갖는다.

상술된 경질 코팅막은 다층식 구조로 인해 개선된 경도 및 내산화성을 갖고, 상기 A 층은 특정량의 특정 원소로 구성되며, 상기 B 층은 Al, Si 및 Y와 4a, 5a 및 6a족으로부터 선택된 한 종류 이상의 원소를 가진 N, CN, BN 또는 BCN의 합성물로 구성된다.

본 발명의 제3 태양은 본 발명의 제2 태양에서 한정된 경질 코팅막의 변경에 있고, 상기 B 층은 Ti₁ _-m- _nCr_mAl_n(B_oC_pN_q)로 표현되는 조성을 갖고, 여기서 m, n, o, p 및 q 는 0≤m≤0.5, 0.5≤n≤0.75, 0≤1-m-n≤0.5 및 o+p+q=1 인 원자비를 표현한다.

이러한 구조를 갖는 경질 코팅막은 B 층이 특정량에서 특정 원소로 구성되기 때문에 개선된 경도, 내산화성 및 인성을 갖는다.

본 발명의 제4 태양은 본 발명의 상술한 제1 내지 제3 태양에서 한정된 경질 코팅막 중 임의의 하나로 코팅된 공구에 있다.

경질 코팅막으로 코팅된 공구는 개선된 경도, 내산화성 및 인성을 갖는 경질 코팅막으로 인해 개선된 경도, 내산화성 및 인성을 나타낸다.

본 발명에 따르는 경질 코팅막은 특정 원소의 특정 함량으로 인해 개선된 경도 및 내산화성(및 이에 따르는 개선된 내마모성)을 나타낸다.

또한, (A 층 및 B 층을 가진) 층 구조의 경질 코팅막은 개선된 인성뿐만 아니라 개선된 경도 및 내산화성을 갖고, 이에 따라 개선된 내마모성을 나타낸다. 절삭 공구 또는 열간 단조 지그는 고속 절단에 적절하도록 코팅되거나 또는 높은 베어링 강도(bearing strength) 하에 사용된다.

특정량에 특정 원소를 함유한 B 층은 막의 인성, 내산화성 및 경도에서의 개선에 기여한다.

본 발명에 따르는 경질막 코팅된 공구는 개선된 경도, 내산화성 및 인성을 갖는 경질막을 형성하는 표면에 도포된 경질 코팅막으로 인해 개선된 경도, 내산화성, 인성 및 내마모성을 나타낸다. 또한, 연장된 수명을 갖고, 절삭 작동에서의 생산성에 기여한다.

본 발명에 의하면 경도, 내산화성 및 인성이 개선된 경질막 및 이로 코팅된 공구를 얻는 효과가 있다.

다음은 본 발명을 실행하기 위한 최적의 방식이다.

제1 실시예

본 발명은 공구의 표면에 도포된 경질 코팅막에 관한 것이다. 경질 코팅막은 공식 Al_1-a-b-cSi_aMg_bM_c(B_xC_yN_z)로 표현되는 조성을 갖고, 여기서 M은 Nb, V, Zr, Cr, Ti, Cu 및 Y에서 선택된 한 종류 이상의 원소를 나타내고, a, b, c, x, y 및 z는 (각 원소의 함량이 구체적이도록) 이후 한정되는 특정 범위에서의 원자비를 나타낸다.

0.9≤Al+Si+Mg

본 발명에 따라서, 경질 코팅막(이후 단순하게 막으로 언급함)은 주원소로서 Al 및 Si 또는 Mg를 포함하여, 원하는 우수한 내산화성을 갖는다. Al 및 Si 및/또는 Mg[이후 "Al+(Si, Mg)"로 표시함]의 원자비는 0.9 이상이 되어야 한다. Al+(Si, Mg)의 원자비가 0.9 미만인 경우, 막은 개선된 내산화성을 갖지 않는다. 따라서, Al+(Si, Mg)의 원자비는 0.9 이상, 바람직하게는 0.95 이상이 되어야 한다.

0.03≤a+b≤0.5

Al+(Si, Mg)의 원자비는 0.9 보다 커야 하고, 동시에 Si+Mg 의 원자비(a+b)는 0.03 이상, 바람직하게는 0.05 이상이어야 하며, 0.5 이하, 바람직하게는 0.3 이하이어야 한다. 원자비(a+b)가 0.03 미만인 경우, 생성된 막은 경도 및 내산화성이 열악하다. 원자비(a+b)가 0.5 보다 큰 경우, 생성된 막은 경도 및 인성이 열악하다.

0≤a≤0.35 및 0≤b≤0.2

막은 상술한 바와 같이 선택 원소로서 Si 또는 Mg 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

Si의 원자비(a)는 0.35 이하, 바람직하게는 0.3 이하, 더 바람직하게는 0.2 이하가 되어야 한다. Mg의 원자비(b)는 0.2 이하, 바람직하게는 0.1 이하가 되어야 한다. 원자비(a) 및 (b)가 위에서 특정된 것보다 클 때, 생성된 막은 경도 및 인성이 열악하다. Mg는 표면 산화시에 MgO를 형성하고, 이는 내산화성 및 윤활성을 막에 부여한다.

0≤c≤0.1

개선된 경도 및 내산화성을 위해, 막은 상술한 Al, Si 및 Mg에 추가로 (Nb, V, Zr, Cr, Ti, Cu 및 Y 로부터 선택된 한 종류 이상의 원소인) M이 합체된다. 경도 및 내산화성에서의 개선은 통합된 원소에 따라 변한다.

Y는 내산화성을 개선하고, Nb, Ti 및 Zr은 경도를 개선하고, Cr 및 Cu는 내산화성 및 경도를 개선한다. Cu는 막 내에 미세 결정 입자를 생성하고 이로써, 막의 경도를 증가시킨다. 또한, Cu는 N, C 및 B와 반응하지 않고 막 내에 (금속의 형태로) 잔류하여서, 이는 절단 시 (연질 금속으로써) 고온에서 막에 윤활성을 부여한다. M의 초과량은 Al + (Si, Mg)에 대한 원자비를 감소시켜서 내산화성에서의 감소를 가져오기 때문에, M에 대한 원자비(c)는 0.1 이하, 바람직하게는 0.05 이하이어야 한다. 더욱이, M은 선택 원소이며, 따라서 생략될 수 있다.

0≤x≤0.2, 0≤y≤0.4, 0.5≤z≤1 및 x+y+z=1

본 발명에 따르는 막은 필수 원소로서 N을 필요로 하며, 경질 합성물을 형성하기 위해 Al 및 Si와 결합한다. 따라서, 막은 원자비(z)가 0.5 이상의 질화물을 기초로 한다. 막은 B와 결합함으로써 내산화성이 개선되고, 또한 C와 결합함으로써 경도가 개선된다. B에 대한 원자비(x)가 0.2 보다 큰 경우, 생성된 막은 경도가 열악하다. 따라서 B에 대한 원자비는 0.2 이하, 바람직하게는 0.15 이하이어야 한다. C에 대한 원자비(y)가 0.4 보다 큰 경우, 생성된 막은 내산화성이 열악하다. 따라서, C에 대한 원자비는 0.4 이하, 바람직하게는 0.2 이하이어야 한다. 더욱이, B 및 C는 선택 원소이며, 따라서 생략될 수 있다. B, C 및 N에 대한 원자비의 총합은 1이어야 한다.

Si, Mg, M, B 및 C는 상술한 바와 같이 선택 원소이기 때문에, 본 발명에 따르는 경질막은 다음 조성 중 임의의 하나를 가질 수 있다. AlSiMgM(BCN), AlSiMgM(BN), AlSiMgM(CN), AlSiMgMN, AlSiM(BCN), AlSiM(BN), AlSiM(CN), AlSiMN, AlMgM(BCN), AlMgM(BN), AlMgM(CN), AlMgMN, AlSiMg(BCN), AlSiMg(BN), AlSiMg(CN), AlSiMgN, AlSi(BCN), AlSi(BN), AlSi(CN), AlSiN, AlMg(BCN), AlMg(BN), AlMg(CN) 및 AlMgN.

제2 실시예

본 발명의 제2 실시예는 이후 기술한다.

본 발명은 공구의 표면에 도포된 경질 코팅막에 관한 것이며, 상기 경질 코팅막은 하나의 층 위에 다른 층이 교대로 위치된 A층 및 B층으로 구성되고, 상기 A층은 Al_1-a-b-cSi_aMg_bM_c(B_xC_yN_z)로 표현되는 조성을 포함하고, 여기서 M은 Nb, V, Zr, Cr, Ti, Cu 및 Y에서 선택된 한 종류 이상의 원소를 나타내고, a, b, c, x, y 및 z는 원자비를 나타내고, 상기 B층은 Al, Si 및 Y와, 4a, 5a 및 6a족으로부터 선택된 한 종류 이상의 원소를 가진 N, CN, BN 또는 BCN의 합성물로 구성되며, 상기 A층 및 B층은 2nm 이상 200nm 이하의 두께를 갖는다.

본 발명의 제1 실시예에 따르는 AlSiMgM(BCN) 등의 막은 고온에서 내마모성의 개선을 위해 공구의 활주부와 같은 곳에 도포될 수 있다. 그러나, A층 및 B층으로 구성된 다층식 구조를 포함할 때, 경질 코팅막은 우수한 인성뿐만 아니라 우수한 내산화성 및 경도를 나타내고, A층은 AlSiMgM(BCN)으로 제조되고 B층은 Al, Si 및 Y와, 4a, 5b 및 6a족으로부터 선택된 한 종류 이상의 원소를 가진 N, CN, BN 또는 BCN의 합성물로 제조된다. 층 구조의 막은 높은 베어링 강도를 갖는 열간 단조 및 경질 재료의 절단에 도포될 수 있다.

A층 및 B층에 대한 상기 조성 및 두께는 다음의 이유로 정의된다.

A층

A층은 공식 Al_1-a-b-cSi_aMg_bM_c(B_xC_yN_z)로 표현되는 조성을 갖고, 여기서 M은 Nb, V, Zr, Cr, Ti, Cu 및 Y에서 선택된 한 종류 이상의 원소를 나타내고, a, b, c, x, y 및 z는 0≤a≤0.35, 0≤b≤0.2, 0.03≤a+b≤0.5, 0≤c≤0.1, 0.9≤Al+Si+Mg, 0≤x≤0.2, 0≤y≤0.4, 0.5≤z≤1 및 x+y+z=1인 원자비를 표현한다.

A층의 조성은 본 발명의 제1 실시예에 따르는 경질 코팅막에 대해 상술한 바와 같은 동일한 이유에 대해 상기와 같이 정의된다. 따라서, 그 이유에 대한 설명은 반복하지 않는다.

B층

B층은 Al, Si 및 Y와, 4a, 5a 및 6a족으로부터 선택된 한 종류 이상의 원소를 가진 N, CN, BN 또는 BCN의 합성물로 구성된다. 이러한 합성물의 예는 Ti(BCN), Cr(BCN), TiAl(BCN), TiCrAl(BCN), AlCr(BCN), TiCrAlY(BCN), NbAl(BCN) 및 NbCrAl(BCN)을 포함한다. 이들은 단지 예시적이다. 괄호 안의 BCN은 N, CN, BN 및 BCN 중 임의의 것을 나타낸다. 이러한 합성물 중, 0.5 보다 큰 원자비를 갖는 Al을 포함한 합성물은 경도 및 내산화성의 관점에서 바람직하다.

A층 및 B층의 두께 : 2nm 이상 200nm 이하

경질 코팅막을 구성하는 A층 및 B층의 각각은 2nm 이상 200nm 이하의 두께를 가져야 한다. 각각의 층이 2nm 미만의 두께를 갖는 경우, 생성된 막은 인성이 열악하다. 따라서, 각각의 층은 2nm 이상, 바람직하게는 5nm 이상의 두께를 가져야 한다. 반면, 각각의 층이 200nm 보다 큰 두께를 갖는 경우, 층 구조의 막은 인성이 열악하다. 따라서, 각각의 층은 200nm 이하, 바람직하게는 100nm 이하의 두께를 가져야 한다.

B층은 Al, Si 및 Y와, 4a, 5a 및 6a족으로부터 선택된 한 종류 이상의 원소를 가진 N, CN, BN 또는 BCN의 합성물로 구성되며, Ti_1-m-nCr_mAl_n(B_oC_pN_q)로 표현되는 조성을 갖고, 여기서 m, n, o, p 및 q는 0≤m≤0.5, 0.5≤n≤0.75, 0≤1-m-n≤0.5 및 o+p+q=1 인 원자비를 표현한다.

합성물의 예는 TiCrAl(BCN), CrAl(BCN), TiAl(BCN) 등을 포함한다. Al에 대한 원자비(n)는 0.5 이하이고 0.75 이상이어야 하며, Cr 및 Ti에 대한 원자비(m) 및 (1-m-n)는 각각 0.5 이하이어야 한다. 더욱이, Cr 및 Ti는 선택 성분이며, 생략 가능하다. N은 경질 합성물을 형성하는 주요 성분이다. B 및 C는 선택 성분이며, 생략 가능하다.

B층에 대한 상기 조성은 다음의 이유로 정의된다.

0.5≤n≤0.75

B층은 (인성에 역효과를 갖는) Mg 및 Si를 포함하지 않는 합성물로부터 형성 된다. 또한, Al에 대한 원자비(n)가 0.7 이하일 때 B층은 층식 구조의 막에 높은 인성을 부여한다. 반면, Al에 대한 원자비가 0.5 미만인 경우, (높은 내산화성을 갖는 A층과 결합된) 생성된 막은 내산화성이 열악하다. 따라서, Al에 대한 원자비는 0.5 이상, 바람직하게는 0.6 이상이고, 0.75 이하, 바람직하게는 0.7 이하가 되어야 한다.

0≤m≤0.5 및 0≤1-m-n≤0.5

Cr 및 Ti 둘 다 또는 어느 하나는 의도된 목적에 따라 추가될 수 있다. Cr만의 추가는 내산화성에 기여하고, Ti만의 추가는 경도에 기여한다. Cr 및 Ti 둘 다의 추가는 내산화성 및 경도를 개선할 수 있다.

Cr만 추가되었을 때, Cr에 대한 원자비(m)는 0.25 이상 0.5 이하가 되어야 한다. 0.25 미만의 원자비를 갖는 Cr은 막의 결정 구조를 경도 및 내산화성이 열악한 6각 구조로 변환시킨다. Cr에 대한 원자비가 0.5 보다 큰 경우, Al에 대한 원자비는 감소하고 생성된 막은 내산화성이 열악하다. 더욱이, Cr에 대한 원자비는 0.3 이상 0.4 이하인 것이 바람직하다.

Ti만 추가되었을 때, Ti에 대한 원자비(1-m-n)는 0.3 이상 0.5 이하가 되어야 한다. 0.3 미만의 원자비를 갖는 Ti는 막의 결정 구조를 경도가 열악한 6각 구조로 변환시킨다. Ti에 대한 원자비가 0.5 보다 큰 경우, Al에 대한 원자비는 감소하고 생성된 막은 내산화성이 열악하다. 더욱이, Ti에 대한 원자비는 0.35 이상 0.4 이하인 것이 바람직하다.

Ti 및 Cr 둘 다 추가될 때, 이의 원자비는 0.05 이상이 되어야 하고, 양호하 게는 0.1 이상이 되어서, 생성된 막은 원하는 내산화성 및 경도를 갖는다. Cr + Ti 에 대한 원자비는 0.5 이상이 되어야 한다. Cr + Ti 에 대한 원자비가 이 한계를 초과하는 경우, Al에 대한 원자비는 감소하고 생성된 막은 내산화성이 열악하다.

o+p+q = 1

B, C 및 N의 원자비의 총합은 1 이 되어야 한다. 더욱이, B는 내산화성에 기여하고, C는 경도에 기여한다.

Ti, Cr, B 및 C가 상술한 바와 같이 선택 성분이기 때문에, B 층은 다음 조성의 임의의 하나를 가질 수 있다. TiCrAl(BCN), TiCrAl(BN), TiCrAl(CN), TiCrAlN, CrAl(BCN), CrAl(BN), CrAl(CN), CrAlN, TiAl(BCN), TiAl(BN), TiAl(CN) 및 TiAlN.

본 발명에 따르는 경질막 코팅된 공구는 첨부 도면을 참조하여 이후 설명한다. 경질막 코팅된 공구는 그 위에 코팅된 경질막을 갖는 공구이다. 경질막은 본 발명에 따르는 상술한 막이다.

도1은 본 발명에 따르는 경질막 코팅된 공구의 일 예를 도시하는 개략도이다. (a)부분은 경질 재료용 엔드밀을 도시하고, (b)부분은 카피 엔드밀(copying end mill)을 도시한다.

도1의 (a)부분에 도시된 경질막 코팅된 공구의 예는 경질 재료용 엔드밀이며, 이는 팁에서 10.0mm의 직경(D₁), 샹크(shank)에서 10.0mm의 직경(d₁), 50mm의 블레이드 길이(L₁) 및 100mm의 전체 길이(L₂)를 갖는다. 도1의 (b)부분에 도시된 경질막 코팅된 공구의 다른 예는 카피 엔드밀이며, 팁에서 6.0mm의 직경(D₂), 샹크에서 6.0mm의 직경(d₂), 엔드볼(end ball)에 대해 3.0mm의 반경(R), 9mm의 블레이드 길이(L₃) 및 250mm의 전체 길이(L₅)를 갖는다. 이는 단지 예시적이다.

경질 코팅막이 도포되는 공구는 (상술된) 엔드밀, 칩 및 드릴과 같은 절단 공구와, 프레스, 단조 다이 및 천공 다이와 같은 지그를 포함한다. 이는 단지 예시적이며, 임의의 다른 공구도 포함한다. 공구 상의 경질 코팅막은 아크 이온 도금 또는 불균형 마그네트론 스퍼터링에 의해 형성될 수 있다. 이는 단지 예시적이다.

공구를 코팅하기 위한 방법의 예는 이후 기술된다. 임의의 다른 방법도 이용가능하다.

방법은 아크 타입 및 스퍼터 타입의 하나 이상의 증발원을 갖춘 장치를 채용한다. 장치의 음극은 합금 또는 금속의 타겟을 구비한다. 엔드밀(또는 코팅 될 수 있는 다른 임의의 기판)은 회전하는 기판 스테이지의 지지부에 위치된다. 이후, 챔버는 소기된다. 기판은 챔버에 설치된 히터에 의해 550℃로 가열된다. 챔버는 압력이 4Pa로 유지된 채로 질소 가스(또는 C를 포함한 막에 대한 N₂-CH₄ 혼합 가스)가 공급된다. 이 조건 하에, 코팅막은 아크 방전(arc discharging)에 의해 기판의 표면에 형성된다. 아크 타입 및 스퍼터 타입 양쪽의 증발원이 사용되는 곳 에서의 경우, 챔버는 전체 압력이 2.8Pa로 유지된 채로 부피가 1:1인 Ar-N₂(또는 Ar-N₂-CH₄)의 혼합 가스가 공급되고, 증발원 양쪽은 동시에 방전하게 된다. -100V의 바이어스 전압은 기판에 인가된다.

개선된 경도, 내산화성 및 인성을 갖는 경질막으로 코팅하는 것은 공구의 경도, 산화 저하성, 인성 및 내마모성을 개선시킨다. 따라서, 코팅된 공구는 절단 작동의 생산성에 기여한다.

예

본 발명은 다음의 예를 참조하여 더 상세히 설명되고, 이는 그 범위를 제한하려는 것이 아니라 그 범위 내에서 수정될 수 있다.

도2는 본 발명의 예에 사용된 막 형성 장치를 도시하는 개략도이다.

막 형성 장치(1)는 [소기용 배출 구멍(8) 및 가스 공급 구멍(9)을 갖는] 챔버(2), [아크 증발원(3)에 연결된] 아크 전원(4), [스퍼터 증발원(5)에 연결된] 스퍼터 전원(6), 코팅되는 절단 공구와 같이 (도시가 생략된) 기판을 보유하도록 설계된 기판 스테이지(10) 상의 지지부(11), [지지부(11) 및 챔버(2)를 가로질러 음의 바이어스 전압을 인가하는] 바이어스 전원(7)으로 구성된다. 또한, 이는 히터(1), 방전용 DC 전원(13), 필라멘트 가열용 AC 전원(14)을 포함한다. 챔버는 [질소(N₂) 및 메탄(CH₄)과 같은] 막 형성 가스 및 (아르곤과 같은) 희귀 가스(rare gas)가 공급된다. 막 형성 가스의 선택은 형성되는 막에 의존한다.

더욱이, 아크 타입의 증발원(3)은 이온 도금 증발(AIP)을 제공하고, 스퍼터 링용 증발원(5)은 불균형 마그네트론 스퍼터링 증발(UBM)을 제공한다.

예 1

본 예는 하나 이상의 증발원[아크 타입의 증발원(3) 및 스퍼터 타입의 증발원(5)]을 갖는 (도2에 도시된) 막 형성 장치(1)를 사용하여 실행된다. 장치(1)의 음극은 합금 또는 금속의 (도시가 생략된) 타겟을 구비한다. 회전하는 기판 스테이지(10) 상의 지지부(11)는 코팅되는 (도시가 생략된) 기판을 구비한다. 기판은 초경 합금의 칩, (팁에서 10mm의 직경 및 6 개의 블레이드를 구비한) 초경 합금의 절단 실험용 엔드밀 및 백금 포일(길이 30mm, 폭 5mm, 두께 0.1mm)이다. 먼저, 챔버(2)는 소기되고, 이후 기판은 챔버(2)에서 히터(12)에 의해 550℃로 가열된다. 챔버(2)에는 질소 가스(또는 C를 포함한 막에 대한 N₂-CH₄ 혼합 가스)가 공급된다. 챔버(2)의 압력이 4Pa로 유지된 채로, 아크 방전이 시작되어, 표 1 및 2에 도시된 코팅막(약 두께 3㎛)이 기판 상에 형성된다. -100V의 바이어스 전압은 기판에 인가된다.

예1에서, 아크 이온 도금 증발(AIP)은 아크 타입 증발원(3)을 사용하여 실행된다.

생성된 코팅막은 다음의 방법으로 경도, 내산화성 및 내마모성뿐만 아니라 금속 조성에 대해 검사된다.

- 막 조성

초경 합금의 칩 상의 코팅막은 EPMA[전자 탐침 마이크로 분석기(Electron Probe Micro Analyzer)]로 금속 조성에 대해 검사된다.

- 경도

초경 합금의 칩 상의 코팅막은 15초 동안 0.25N의 하중 하에 비커스 경도기(Vickers hardness tester)로 경도에 대해 검사된다. 샘플은 20GPa 보다 크거나 또는 20GPa 보다 작은 경도에 따라 우수 또는 열악으로 평가된다.

- 내산화성

코팅막은 산화가 시작되는 온도를 결정함으로써 내산화성에 대해 검사된다. 이러한 결정은 샘플(백금 포일 상의 코팅막)이 4℃/분의 속도로 건조 공기로 가열 될 때 발생하는 무게 변화를 (열천칭으로) 측정함으로써 실행된다. 산화 시작 온도가 높을수록, 샘플은 기판과의 낮은 반응성으로 인해 내산화성이 좋아진다. 샘플은 1050℃ 보다 크거나 또는 1050℃ 보다 낮은 산화 시작 온도에 따라 내산화성이 우수 또는 열악으로 평가된다.

- 내마모성

엔드밀 상에 형성된 경질 코팅막은 다음의 조건 하에 절단 실험을 실행함으로써 내마모성에 대해 검사된다. 내마모성은 블레이드 플랭크 상의 마모량(마모 폭)으로 표현된다. 마모량(마모 폭)이 적을수록, 내마모성이 우수하다. 샘플은 100㎛ 보다 작거나 또는 100㎛ 보다 큰 마모량에 따라 내마모성이 우수 또는 열악으로 평가된다.

절단 실험 조건

작업편 : SKD11(HRC60)

절단 속도 : 150m/분

공급 : 0.04mm/blade

축방향 절단 : 4.5mm

반경 방향 절단 : 0.2mm

절단 길이 : 50m

이외 : 하향 절삭, 건조 절삭(dry cut) 및 공기 송풍만 사용.

예1에서의 결과는 표1 및 2에 도시된다. 더욱이, "M의 종류" 열에서의 "-"표시는 샘플이 M을 함유하지 않음을 나타낸다.

[표1]

[표2]

표1 및 2에 도시된 바와 같이, 샘플 번호 4 내지 8, 12 내지 16, 19 내지 26, 29 내지 32, 34 내지 36, 48 내지 50 및 52 내지 54는 본 발명의 요구 조건에 부합하는 조성을 갖기 때문에 경도, 내산화성 및 내마모성이 우수하다.

이와 대조적으로, 샘플 번호 1 내지 3은 (TiN, TiAlN 및 TiAlSiN을 기초로 한) 종래의 형태이기 때문에, 우수한 경도에도 불구하고 내산화성 및 내마모성이 열악하다. 샘플 번호 9, 10, 17 및 27은 경도 및 내산화성이 열악하고 따라서 그들이 하한보다 작은 원자비(Si+Mg)를 갖기 때문에 내마모성이 열악하다. 샘플 번호 28은 상한보다 큰 원자비(Si+Mg)를 갖기 때문에 경도 및 내마모성이 열악하다.

샘플 번호 11 및 18은 Si 및 Mg 에 대한 원자비가 상한보다 크기 때문에 경도 및 내마모성이 열악하다. 샘플 번호 33은 내산화성이 열악하고 따라서 M(Cr)에 대한 이의 원자비가 상한보다 크기 때문에 내마모성이 열악하다. 샘플 번호 47은 경도가 열악하고 따라서 B에 대한 이의 원자비가 상한보다 크기 때문에 내마모성이 열악하다. 샘플 번호 51은 내산화성이 열악하고 따라서 C의 원자비가 상한보다 크기 때문에 내마모성이 열악하다. 샘플 번호 55는 경도가 열악하고 따라서 N에 대한 이의 원자비가 하한보다 작기 때문에 내마모성이 열악하다.

예 2

본 예는 하나 이상의 증발원[아크 타입의 증발원(3) 및 스퍼터 타입의 증발원(5)]을 갖는 (도2에 도시된) 막 형성 장치(1)를 사용하여 실행된다. 장치(1)의 음극은 합금 또는 금속의 (도시가 생략된) 타겟을 구비한다. 회전하는 기판 스테이지(10) 상의 지지부(11)는 코팅되는 (도시가 생략된) 기판을 구비한다. 기판은 초경 합금의 칩, (팁에서 10mm의 직경 및 6 개의 블레이드를 구비한) 초경 합금의 절단 실험용 엔드밀 및 백금 포일(길이 30mm, 폭 5mm, 두께 0.1mm)이다. 먼저, 챔버(2)는 소기되고, 이후 기판은 챔버(2)에서 히터(12)에 의해 550℃로 가열된다. 챔버(2)에는 질소 가스(또는 C를 포함한 막에 대한 N₂-CH₄ 혼합 가스)가 공급된다. 챔버(2)의 압력이 4Pa로 유지된 채로, 아크 방전이 시작되어, 코팅막의 A층 및 B층이 기판 상에 교대로 형성된다. A층 및 B층의 전체 두께 및 각 층의 두께는 표3에 도시된다. 아크 타입의 증발원(3) 및 스퍼터 타입의 증발원(5) 양쪽이 동시에 사용되는 경우, 챔버에는 부피비 1:1인 Ar-N₂(또는 Ar-N₂-CH₄) 혼합 가스가 공급된다. 전체 압력은 2.8Pa로 유지된다. 양쪽 증발원은 동시에 방전하도록 허용된다. -100V의 바이어스 전압은 기판에 인가된다.

층 구조의 막을 형성하기 위해, 증발원은 조성이 다른 타겟을 구비하고 기판은 회전하는 지지부(11) 상에 배치된다. 기판은 층 구조의 막이 형성되는 동안 회전된다. 기판 스테이지(10)가 회전할 때, 기판 스테이지(10)와 함께 회전하는 지지부(11) 상에 보유된 기판은 (상이한 조성의 타겟으로 각각 구비된) 증발원을 통과한다. 기판이 증발원 옆으로 통과할 때마다, 타겟 조성에 대응하는 막 층이 형성된다. 이런 방식으로 층 구조의 막이 형성된다. A층 및 B층 각 두께는 (증발량에 대해) 각각의 증발원에 인가되는 전원을 조절함으로써 또는 지지부(11)의 회전 속도를 조절함(회전이 빠를수록 각 층의 두께는 얇아짐)으로써 제어된다. 이런 방식으로, A층 및 B층은 하나의 층 위에 다른 층이 교대로 형성된다.

생성된 코팅막은 인성, 내산화성 및 내마모성뿐만 아니라 금속 조성에 대해 다음의 방식으로 검사된다.

- 막 조성

초경 합금의 칩 상의 코팅막은 EPMA로 금속 조성에 대해 검사된다.

- 인성

초경 합금의 칩 상의 코팅막은 10mm의 거리에 걸쳐 (100N/분의 속도로 증가되는) 0 내지 100N의 하중 하에 (200㎛의 팁 반경을 갖는) 다이아몬드 바늘(stylus)로 긁음으로써 인성에 대해 검사된다. 막에 치핑(chipping)을 발생시키기에 충분히 큰 하중은 치핑 하중(N)으로 정의된다. 막은 80N 보다 크거나 또는 80N 보다 작은 치핑 하중에 따라 인성이 우수 또는 열악으로 평가된다.

- 내산화성

코팅막은 산화가 시작되는 온도를 결정함으로써 내산화성에 대해 검사된다. 이러한 결정은 샘플(백금 포일 상의 코팅막)이 4℃/분의 속도로 건조 공기로 가열될 때 발생하는 무게 변화를 (열천칭으로) 측정함으로써 실행된다. 산화 시작 온도가 높을수록, 샘플은 기판과의 낮은 반응성으로 인해 내산화성이 좋아진다. 샘플은 1100℃ 보다 크거나 또는 1100℃ 보다 낮은 산화 시작 온도에 따라 내산화성이 우수 또는 열악으로 평가된다.

- 내마모성

엔드밀 상에 형성된 경질 코팅막은 다음의 조건 하에 절단 실험을 실행함으로써 내마모성에 대해 검사된다. 내마모성은 블레이드 플랭크 상의 마모량(마모 폭)으로 표현된다. 마모량(마모 폭)이 적을수록, 내마모성이 우수하다. 샘플은 85㎛ 보다 작고, 85 내지 100㎛, 110㎛ 보다 큰 마모량에 따라 내마모성이 우수, 적절 또는 열악으로 평가된다.

예 2에 사용된 작업편은 예1에 사용된 것보다 더욱 경질이다.

절단 실험 조건

작업편 : SKH51(HRC65)

절단 속도 : 100m/분(3183rpm)

절단 깊이 : 5mm

축방향 절단 : 0.2mm

공급 : 0.1mm/blade(1909mm/분)

하향 절삭, 공기 송풍만 사용

절단 길이 : 50m

이외 : 하향 절삭, 건조 절삭 및 공기 송풍만 사용.

예2의 결과는 표3에 도시된다. 더욱이, 표에서 "-" 표시는 샘플이 B층을 포함하지 않는 것을 나타낸다. AIP는 아크 이온 도금 증발을 나타내고, UBM은 불균형 마그네트론 스퍼터링 증발을 나타낸다. 표에서 "경도"는 15초 동안 0.25N의 하중 하에 측정된 초경 합금의 칩 상의 막의 비커스 경도를 표시한다. 측정된 비커스 경도는 층 구조 막에 대한 평균이다.

[표3]

표3에 도시된 바와 같이, 샘플 번호 8 내지 39는 본 발명의 요구 조건에 부합하는 조성을 갖기 때문에 인성, 내산화성 및 내마모성이 우수하다.

더욱이, 샘플 번호 8 내지 17은 본 발명의 제2 태양의 요구 조건에 부합하는 조성을 갖지만, 본 발명의 제3 태양의 요구 조건에는 부합하지 않고, 샘플 번호 18 내지 39는 본 발명의 제3 태양의 요구 조건에 부합하는 조성을 갖는다.

더욱이, 경도, 인성 및 내산화성의 값은 막 층을 구성하는 조성에 따라 변한다.

샘플 번호 5 내지 7은 이들의 A층이 본 발명의 요구 조건에 부합하는 조성을 갖기 때문에 내산화성이 우수하지만, 이들은 B층을 갖지 않기 때문에 샘플 번호 8 내지 39보다 인성이 열악하다. 이들은 TiAlN 및 TiAlSiN을 기초로 하는 종래의 형태인 샘플 번호 1 및 2보다 내마모성이 우수하지만 샘플 번호 8 내지 39보다 열악하다.

이러한 결과는 높은 베어링 강도에서 경질 재료의 절단에 사용될 때, A층 및 B층으로 구성된 경질 코팅막이 A층만으로 구성된 것보다 더 좋은 내마모성을 갖는 것을 알려준다.

이와 대조적으로, 샘플 번호 1 및 2는 이들이 (TiAlN 및 TiAlSiN을 기초로 한) 종래의 형태이기 때문에 인성 및 내산화성이 열악하고 따라서 내마모성이 열악하다. 샘플 번호 3은 A층 및 B층의 두께가 상한보다 크기 때문에 인성 및 내마모성이 열악하다. 샘플 번호 4는 A층 및 B층의 두께가 하한보다 작기 때문에 인성 및 내마모성이 열악하다.

도1a는 본 발명에 따르는 경질막 코팅된 공구의 일 예로 경질 재료용 엔드밀을 도시하는 개략도.

도1b는 본 발명에 따르는 경질막 코팅된 공구의 일 예로 카피 엔드밀을 도시하는 개략도.

도2는 본 발명에 따르는 예에 사용된 막 형성 장치를 도시하는 개략도.

Claims

삭제
공구의 표면에 도포되는 경질 코팅막이며,

상기 경질 코팅막은 하나의 층 위에 다른 층이 교대로 위치되는 A층 및 B층을 포함하고,

상기 A층의 각각은 공식 Al_1-a-bSi_aMg_b(B_xC_yN_z)로 표현되는 조성을 갖고,

여기서, a, b, x, y 및 z는 0≤a≤0.35, 0≤b≤0.2, 0.03≤a+b≤0.5, 0≤x≤0.2, 0≤y≤0.4, 0.5≤z≤1 및 x+y+z=1인 원자비를 나타내고,

상기 B층의 각각은 공식 Ti_1-m-nCr_mAl_n(B_oC_pN_q)로 표현되는 조성을 갖고,

여기서, m, n, o, p 및 q는 0≤m≤0.5, 0.5≤n≤0.75, 0≤1-m-n≤0.5, 0≤o<1, 0≤p<1, 0<q≤1 및 o+p+q=1 인 원자비를 나타내고,

상기 A층 및 B층의 각각은 2nm 이상 200nm 이하의 두께를 갖는, 공구의 표면에 도포되는 경질 코팅막.
삭제
제2항에서 한정된 경질 코팅막으로 코팅된, 공구.
제2항에 있어서, 0≤a≤0.3인, 공구의 표면에 도포되는 경질 코팅막.
제2항에 있어서, 0≤a≤0.2인, 공구의 표면에 도포되는 경질 코팅막.
제2항에 있어서, 0≤b≤0.1인, 공구의 표면에 도포되는 경질 코팅막.
제2항에 있어서, 0≤x≤0.15인, 공구의 표면에 도포되는 경질 코팅막.
제2항에 있어서, 0≤y≤0.2인, 공구의 표면에 도포되는 경질 코팅막.
제2항에 있어서, 0.6≤n≤0.75인, 공구의 표면에 도포되는 경질 코팅막.
제2항에 있어서, 0.5≤n≤0.7인, 공구의 표면에 도포되는 경질 코팅막.