KR100991355B1

KR100991355B1 - 절삭공구 / 내마모성 공구용 표면 피복부재용 박막

Info

Publication number: KR100991355B1
Application number: KR1020080044592A
Authority: KR
Inventors: 조성우; 한대석; 최용희; 안선용
Original assignee: 한국야금 주식회사
Priority date: 2008-05-14
Filing date: 2008-05-14
Publication date: 2010-11-02
Also published as: KR20090118669A

Abstract

절삭공구의 내마모성을 향상시키기 위한 보다 우수한 내마모성을 갖는 표면 피복부재용 박막과 이들이 코팅된 절삭공구가 개시된다. 본 발명에 의하면 절삭공구 또는 내마모성 공구의 모재 위에 고온 화학적 증착법에 의해 증착되는 표면 피복 부재용 박막으로서 다결정 α-Al₂O₃ 박막의 (012), (104), (110), (311), (024), (116) 결정면 중에서 (110) 결정면의 집합계수 TC(110)는 1.5 이상이면서 동시에 (012), (104), (311), (024), (116) 결정면의 집합계수는 1.0 이하로 형성되고, 상기 α-Al₂O₃ 박막은 열균열을 가지며 TiMe_wC_xN_yO_z(Me=Zr, Hf, w+x+y+z=1, w, x, y, z≥0) 박막 위에 적층되며 상기 α-Al₂O₃는 0<B<0.05wt%로 B를 함유하는 절삭공구 또는 내마모성 공구용 표면 피복부재용 박막을 제공함으로써 그 목적이 달성된다.

Description

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

본 발명은 절삭가공용 공구(Indexable Insert)로 사용되는 코팅 초경합금의 코팅 박막에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 절삭공구의 내마모성을 향상시키기 위한 보다 우수한 내마모성을 갖는 표면 피복부재용 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. 이 중 Al₂O₃를 이용한 코팅절삭공구는 1973년 TiC 박막 위에 0.5~1.0㎛의 Al₂O₃ 박막을 코팅한 것이 세계 최초이다. TiC 위에 Al₂O₃가 코팅된 절삭공구는 단층 TiC 박막보다 인성이 다소 저하되지만 내마모성이 크게 향상되었다.

그리고 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 보고 된 후, Al₂O₃ 박막 제어기술이 급속히 발전하고 상용화 되었다. α-Al₂O₃의 경우 Al₂O₃ 중에서 유일한 안정상으로 가공 중에 상변화가 발생하지 않고 경도도 가장 우수하기 때문에 고속 절삭조건인 주철 가공에서 탁월한 절삭성능을 나타낸다. κ-Al₂O₃ 박막의 경우 열전도도가 α-Al₂O₃보다 낮아 절삭 시 열 발생이 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, H₂가스를 공급하고 2단계로 CO₂, AlCl₃, ZrCl₄, HCl, H₂S, H₂ 가스를 공급함으로써 (300) 결정면이 우선방위로 성장하는α-Al₂O₃ 박막 제조방법을 공개하였다.

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

그러나 이들 특허에서는 α-Al₂O₃ 박막의 대표적인 결정면인 (012), (104), (110), (311), (024), (116) 중에서 특정한 결정면이 우선성장하는 것만 공개하였 고 나머지 결정면과의 관계에 대해서는 공개하고 있지 않는다.

또한 이들과 관련된 종래기술로는 EP1655387, US5863640, US5980988, US5702828, EP1231295, 대한민국 특허출원 10-2007-10050 호 등이 있으나 본 발명이 추구하고자 하는 보론(B)이 도핑된 α-Al₂O₃ 박막관한 것은 찾기 어렵다.

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 TiMe_wC_xN_yO_z(Me=Zr, Hf, w+x+y+z=1, w, x, y, z≥0) 박막 위에 BCl₃를 도핑하여 표면거칠기, 내마모성, 내치핑성 및 윤활성을 향상시키기 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 CVD α-Al₂O₃코팅 중 BCl₃를 도핑함으로서 CVD α-Al₂O₃내부에 B가 함유되는 박막이 증착된 절삭공구를 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은;

절삭공구 또는 내마모성 공구의 모재 위에 증착되는 다결정 α-Al₂O₃박막의 (012), (104), (110), (311), (024), (116) 결정면 중에서 (110) 결정면의 집합계수 TC(110)는 1.5 이상이면서 동시에 (012), (104), (311), (024), (116) 결정면의 집합계수TC(110)는 1.0 이하로 형성되며, 상기 α-Al₂O₃박막은 BCl₃가 도핑되어 Al₂O₃ 내부에 0.05wt% 이하의 B를 함유하는 표면 피복부재용 박막을 제공한다. 상기에서의 α- Al₂O₃ 박막은 열균열을 갖는다. 본 발명의 α-Al₂O₃ 박막은 X-선 회절분석(XRD)방법으로 (110) 방향이 우선 성장하는 특징을 가지거나 또는 TC(012)나 TC(104)가 1.5이상일 수도 있고, B가 도핑된 α-Al₂O₃는 입자모양이 다면체(facet) 구조에서 육각판상형 입자형태로 변환되며, 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), (311), (024), (116) 이다.

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

상기 α-Al₂O₃ 박막은 10~300㎛ 입자의 α-Al₂O₃ 분말을 사용하여 습식블라스팅 처리함이 바람직하다.

또한 상기에서 보론(B)의 함량을 0.05wt% 이하로 하는 이유는 그 이상이 되면 B가 도핑되는 수준이 아니라 알루미늄 보레이트 및 보론 옥사이드와 같은 화합물을 형성할 가능성이 높아지기 때문이다. 이는 BCl₃가스 유량을 85㎖/min(6시간)으로 한 후 분석하였을 때 α-Al₂O₃ 내의 B함량이 0.05wt% 정도로 확인된 것으로도 알 수 있다.

본 발명은 또한, 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 TiMe_wC_xN_yO_z(Me=Zr, Hf, 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.

상기에서 B의 도핑은 B가 BCl₃가스 형태로 α-Al₂O₃ 코팅 공정 중 반응로에 동시에 유입되어 이루어지고, α-Al₂O₃의 코팅온도는 1000~1050℃이며, 코팅압력은 65mbar이고 반응가스는 H₂, CO₂, AlCl₃ 또는 H₂S 중에서 선택하여 1종 이상 사용한다.

또한 상기에서의 BCl₃의 유량은 80~90㎖/min으로 약 6시간 유입됨이 바람직하다.

여기에서, Al₂O₃의 상(phase)은 알파(α)인 것이 바람직하고, Al₂O₃는 다결정 α-Al₂O₃박막으로 (110) 결정면의 집합계수 TC(110)는 1.5 이상이면서 동시에 (012), (104), (311), (024), (116) 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 Al₂O₃ 분말을 이용하여 건식, 또는 습식 블라스팅 처리하여 표면 거칠기를 개선함이 바람직하다.

따라서 본 발명에 의하면, 초경합금, 써메트, 세라믹 등의 모재로 된 절삭공구 표면에 코팅되는 α-Al₂O₃ 박막을 제공되는데, 여기서 상기 박막의 (110) 결정면의 집합계수 TC(110)는 1.5 이상이면서 동시에 (012), (104), (311), (024), (116) 결정면의 집합계수는 1.0 이하로 형성됨이 바람직하나, 본 발명에서는 B가 도핑된 α-Al₂O₃가 종래의 α-Al₂O₃와 다르기 때문에 TC(012) 또는 TC(104)가 1.5이상인 경우도 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 Me(Zr, Hf)를 첨가하기 위한 원료로 ZrCl₄, HfCl₄를 일정량 공급하는 방식으로, HT-CVD 혹은 MT-CVD에 의한 TiMe_wC_xN_yO_z(Me=Zr, Hf, w+x+y+z=1, w, x, y, z≥0) 박막을 제조한다. 이때 박막의 두께는 1~20㎛로 함이 바람직하다.

또한 본 발명에서의 박막의 표면거칠기 Ra는 0.15~0.4㎛가 바람직한데, 이는 표면조도분석기에 의한 Ra값이 0.19~0.34㎛의 범위로 확인된 것에 따른 것이다.

상기와 같은 본 발명에 의하면 다 결정 α-Al₂O₃ 상의 경질부재 또는 TiMe_wC_xN_yO_z(Me=Zr, Hf, w+x+y+z=1, w, x, y, z≥0) 박막 위에 BCl₃를 도핑함으로서 B가 도핑됨에 따라 종래 α-Al₂O₃ 보다 표면조도인 거칠기가 향상되고 이로 인해 내마모성, 윤활성 및 내치핑성이 향상된 절삭공구/내마모성 공구를 제공할 수 있게 된다.

이하에서는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

<실시 예 1>

(A) ISO K10 등급에 해당하는 코팅 절삭공구용 초경합금에 8μm 두께의MT CVD로 TiCN 박막을 증착하고, 그 위에 본 발명으로 제작된 0.5μm 두께의 TiMe_wC_xN_yO_z(Me=Zr, Hf w+x+y+z=1, x,y,z,w≥0) 박막을 증착한 후, 5μm 두께의 보론이 도핑된 α-Al₂O₃ 박막이 증착되었다.

표 1에 나타낸 바와 같이 X선 회절 분석에서 다결정 α-Al₂O₃ 박막의 (110) 결정면의 집합계수 TC(110)은 5.0이었고 나머지 결정면들은 1.0이하로 분석되었다.

(표 1)

결정면	집합계수(TC)
(012)	0.36
(104)	0.02
(110)	5.00
(311)	0.16
(024)	0.40
(116)	0.07

도 2는 본 발명(A)에서 제작된 박막의 표면을 SEM(배율 100배)로 관찰한 것으로 보론이 도핑된 (110) 결정면이 우선성장한 다결정 α-Al₂O₃ 박막에서도 열균열이 존재하는 것으로 확인되었다.

(B) ISO K10 등급에 해당하는 코팅 절삭공구용 초경합금에 10μm 두께의MT CVD로 TiCN 박막을 증착하고 그 위에 본 발명으로 제작된 0.5μm 두께의 TiMe_wC_xN_yO_z(Me=Zr, Hf w+x+y+z=1, x,y,z,w≥0) 박막을 증착한 후, 종래 기술로 제작된 보론이 도핑되지 않은 5μm 두께의 α-Al₂O₃ 박막이 증착되었다.

표 2에 나타낸 것과 같이 X선 회절분석에서 다결정 α-Al₂O₃ 박막의 집합계수는 TC(110)의 경우 4.73, 그 외 TC(012), (104), (311), (024), (116)은 모두 1 이하로 나타났다.

(표 2)

결정면	집합계수(TC)
(012)	0.44
(104)	0.03
(110)	4.73
(311)	0.19
(024)	0.39
(116)	0.06

(C) ISO K10 등급에 해당하는 코팅 절삭공구용 초경합금에 8μm 두께의MT CVD로 TiCN 박막을 증착하고 종래 기술로 제작된 0.5μm 두께의 TiCxNyOz(x+y+z=1, x,y,z≥0) 박막을 증착한 후, 종래 기술로 제작된 5μm 두께의 α-Al₂O₃ 박막이 증착되었다.

표 3에 나타낸 것과 같이 X선 회절분석에서 다결정 α-Al₂O₃ 박막 (012), (104), (110), (024), (116) 결정면의 집합계수 TC가 1.0 이상이고 (311) 결정면의 TC는 0.3으로 분석되었다.

(표 3)

결정면	집합계수(TC)
(012)	1.34
(104)	1.40
(110)	1.89
(311)	0.30
(024)	1.01
(116)	2.06

(B), (C)의 피복 절삭공구에 대하여 200 메쉬(mesh)의 Al₂O₃ 분말을 이용하여 건식, 또는 습식 블라스팅 처리를 실시하여 표면거칠기를 개선하였고, (A)는 표 면처리를 실시하지 않았다.

종래 기술(B), (C)와 본 발명(A)의 α-Al₂O₃ 박막에 대한 미소경도를 측정하였다. Fischer사 미소경도(micro hardness) 측정기(Fischerscope H100C XYp)를 이용하여 100mN의 하중에서 측정하였다. 표4에 제시한 바와 같이 종래 기술 (B), (C)에 의해 제작된 박막의 경도는 각각 33.5, 30.1 GPa이고, 본 발명(A)에 의해 제작된 보론이 도핑된 α-Al₂O₃ 박막의 경도는 38.3GPa로 종래 기술로 제작된 α-Al₂O₃ 박막과 비교할 때, 경도가 향상되었다.

(표 4)

	시료구분	미소경도(GPa)
본발명	(A)	38.3
보론도핑 α-Al₂O₃ TC(110)=5.0
종래기술	(B)	33.5
α-Al₂O₃ TC(110)=5.0
종래기술	(C)	30.1
α-Al₂O₃

종래 기술(B), (C)와 본 발명(A) 피복 절삭공구에 대해 절삭성능 평가를 실시하였고 실시조건은 (A), (B), (C) 샘플로 동일한 피삭재를 각각 5분 동안 가공하여 공구의 여유면에 발생하는 마모량을 측정하고 인선부에서의 공구의 여유면 마모량(V_B)을 분석하여 비교하였다. 표 5의 결과를 보면, 종래 기술 (B), (C)와 비교하여 본 발명(A)으로 제작된 경우 내마모성이 향상된 것을 확인할 수 있다.

▶ 절삭 테스트 조건 :

절삭조건 : V_C=450m/min, fn=0.3mm/rev, ap=2.5mm, 습식가공

가공물재질 : GC25 (직경 300mm, 길이 500mm)

공구형번 : CNMG120408-GR

(표 5)

	시료구분	V_B (mm)
본발명	(A)	0.113
보론도핑 α-Al₂O₃ TC(110)=5.0
종래기술	(B)	0.155
α-Al₂O₃ TC(110)=5.0
종래기술	(C)	0.234
α-Al₂O₃

도 1은 본 발명에 의해 B가 도핑된 육각판상형을 갖는 α(110)의 상면부 3000배 SEM사진.

도 2는 본 발명(A)에 의해 제조된 박막표면의 100배 SEM사진.

Claims

절삭공구 또는 내마모성 공구의 모재 위에 고온 화학적 증착법에 의해 증착되는 표면 피복 부재용 박막으로서 다결정 α-Al₂O₃ 박막의 (012), (104), (110), (311), (024), (116) 결정면 중에서 (110) 결정면의 집합계수 TC(110)는 1.5 이상이면서 동시에 (012), (104), (311), (024), (116) 결정면의 집합계수는 1.0 이하로 형성되고, 상기 α-Al₂O₃ 박막은 열균열을 가지며 TiMe_wC_xN_yO_z(Me=Zr 또는 Hf, w+x+y+z=1, w, x, y, z≥0) 박막 위에 적층되며 상기 α-Al₂O₃는 0<B<0.05wt%로 B를 함유함을 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), (311), (024), (116)이다.
제 1항에 있어서, 상기 α-Al₂O₃의 두께는 1~20㎛이며 육각판상형의 입자형태임을 특징으로 하는 절삭공구 또는 내마모성 공구용 표면 피복부재용 박막.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 박막의 표면 거칠기 Ra는 0.15~0.4㎛임을 특징으로 하는 절삭공구 또는 내마모성 공구용 표면 피복부재용 박막.
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