KR101227337B1 - 공구용 다층 경질 재료 코팅층 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공구의 내마모성을 개선시키기 위해 다층 구조를 갖는 기계 가공용 공구에 대한 다층 경질 재료 코팅층에 관한 것이며, 상기 코팅층은 적어도 하나의 (AlyCr1-y)X 층(0.2 ≤ y ≤ 0.7)(여기서, X는 원소 N, C, B, CN, BN, CBN, NO, CO, BO, CNO, BNO, CBNO 중 하나, 바람직하게는 N 또는 CN이다), 및/또는 (TizSi1-z)X 층(0.99 ≥ z ≥ 0.7)을 포함한다. 경질 재료 코팅층은 (AlCrTiSi)X 혼합층, 연속해서 추가의 (TizSi1-z)X 층, 연속해서 추가의 (AlCrTiSi)X 혼합층, 연속해서 추가의 (AlyCr1-y)X 층의 순서를 갖는 적어도 하나의 층 스택을 추가로 포함한다.
Figure R1020077025092
다층 코팅층, 경질 재료, 층 스택, 치핑

Description

공구용 다층 경질 재료 코팅층{Multi-Layered Hard Material Coating for Tools}
본 발명은 치핑(chipping) 기계 가공을 위한 -특히 드릴 가공을 위한- 공구(경질 금속 및 고속도강)용 다층 경질 재료 코팅층에 관한 것이다.
1 a) 일련의 다수 상이한 알루미늄 크롬 나이트라이드 또는 알루미늄 크롬 카보나이트라이드, 및 티탄 규소 나이트라이드 또는 티탄 규소 카보나이트라이드 층을 갖는 경질 재료 코팅된 공구.
1 b) 일련의 다수 상이한 알루미늄 크롬 나이트라이드 또는 알루미늄 크롬 카보나이트라이드, 및 티탄 규소 나이트라이드 또는 티탄 규소 카보나이트라이드 층을 갖는 공구, 특히 절삭 공구 및 성형 공구(드릴, 밀링 커터, 나사 탭 드릴, 나사 제조기, 호브(hob), 맨드릴, 매트릭스, 딥 드로잉 맨드릴 등)뿐만 아니라 이들 공구의 사용.
1 c) 일련의 다수 상이한 알루미늄 크롬 나이트라이드 또는 알루미늄 크롬 카보나이트라이드, 및 티탄 규소 나이트라이드 또는 티탄 규소 카보나이트라이드 층의 제한된 층 구조를 갖는 제조 방법.
유럽 특허 제1174528호에는 공구에 대한 일련의 다수의 개별 층들로 이루어진 코팅층이 기재되어 있는데, 여기서 제1층은 원소 Ti, Al 및/또는 Cr의 나이트라이드, 카바이드, 카보나이트라이드, 보라이드, 옥사이드 등으로 이루어지고, 제2층은 적어도 하나의 Si 및 주기율표 Ⅳa족, Ⅴa족 및 Ⅵa족 원소의 나이트라이드, 카바이드, 카보나이트라이드, 보라이드, 옥사이드 등으로 이루어진다. 이러한 코팅층의 장점으로서 상부 층 내의 Si에 의해 내마모성 및 산화 방지성이 현저히 개선되는 것으로 제시된다. 특히 Cr-Si에 기초하는 커버 층은 지속 수명에 있어서 개선되었다. 하부 층으로서 TiAlN-층, CrAlN-층 및 TiN-층이 선택된다.
유럽 특허 제1422311호에는 Al-Cr-(Si)-O에 기초하는 경질 재료 층이 기재되며, 상기 층은 나이트라이드, 카바이드, 옥사이드, 보라이드 등으로서 구성될 수 있다. 적은 양의 산소 함량(1 내지 25 원자%)이 층 내에 함유되는 것은 모든 층들에 대해 적용된다. 또한, 추가의 경질 재료 층이 상기 발명에서 언급된 코팅층에 도포될 수 있는 것으로 언급된다. 본 문헌에서는 예로서, 특히 Ti-Si-N, Ti-B-N, Cr-Si-N 등이 제시된다. 본 문헌에서는 이러한 발명의 장점으로서, 특히 산소 또는 규소와 산소에 대한 적은 양의 수용이 언급되는데, 이는 더욱 높은 경도뿐만 아니라 개선된 내마모성 및 고온 산화 방지성을 유도하기 때문이다.
유럽 특허 제1219723호에는 Ti-Al-Cr-X-N에 기초하는 코팅층이 제안되며, 여기서 X는 Si, B 및/또는 C를 나타낼 수 있다. 이러한 코팅층의 장점으로서 종래의 코팅층에 비해 내마모성이 개선된 것으로 제시된다. 또한, 상기 문헌의 목적에 따 르면 적어도 Ti, Al 및 Cr로 이루어져야 하는 것으로 기재되어 있다.
[종래 기술의 단점]
종래 기술(Ti-Al-N에 기초하는 코팅층)에 따른 경질 재료 코팅층은 최적화된 신규한 (Al1 - xCrxX)-(Ti1 - ySiy)X(여기서 X는 N 또는 CN이다) 경질 재료 층보다 짧은 지속 수명을 갖는다.
또한, 종래 기술에 따른 코팅층은, Al-Cr-N 코팅층의 경우 고온에서 비활성 기체 대기(예를 들어 아르곤 대기)하에 코팅층의 분해가 이미 약 900℃에서 시작되는 단점을 포함한다. 이러한 열처리 단계가 산소 대기하에 수행되면, 상기 분해 단계는 더욱 높은 온도 범위로 이동한다. 치핑 과정에서 연속적인 단계를 고려하는 경우, 공구의 표면과 제품 사이의 접촉면에서 (부분적으로 1000℃를 초과하는) 국부적으로 매우 높은 온도가 발생한다. 코팅층의 표면에서 산소가 전혀/거의 안정하게 작용할 수 없을 정도로 상기 접촉면이 충분히 큰 경우, 입방체의 CrN은 육방 정계의 Cr2N으로 붕괴되고 더욱 높은 온도의 후속 단계에서 금속 Cr로 붕괴된다. 이러한 코팅층의 분해 과정은 코팅층의 조기 마모를 유도한다.
[발명의 목적]
본 발명의 목적은 종래 기술의 단점이 방지하고, 예를 들어 치핑 공구, 절삭 및 성형 공구 또는 기계 가공 장치 및 성형 장치용 부품과 같은 코팅된 제품들의 지속 시간을 개선시켜야 한다. 또한, 본 발명의 목적은 코팅층들의 증착 방법, 특히 언급된 제품들 상에 코팅층들의 증착 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 본 발명에 따라 청구범위 제1항에 따른 경질 재료 코팅층에 의해 또는 청구범위 제12항에 따른 코팅층을 갖는 공구에 의해 달성된다. 또한, 본 발명에 따른 실시예는 종속항들에 제시된다.
본 발명에서는, 사용되는 동안 코팅층의 급속한 분해(마모)를 방지하는 코팅층의 특수한 다층 구조가 제시된다. 이러한 다층 구조에 의해 더욱 높은 온도에서 AlCrN-코팅층 내의 CrN 부분의 분해 및 후속 확산이 방지되거나 최소한 지연된다.
Al-Cr-(X)-N/Ti-Si-N 경질 층들의 증착을 위해, 예를 들어 유럽 특허 제1186681호의 도 3 내지 도 6, 명세서 컬럼 7의 18줄 내지 컬럼 9의 25줄에 기술된 바와 같이 발쩌스(Balzers)사의 RCS(Rapid Coating System) 타입의 공업용 코팅 설비가 사용된다. 또한, 정제된 공구 제품은 각각의 직경에 따라 이중 회전식 기판 캐리어 상에, 또는 50 mm 미만의 직경에 대해서는 삼중 회전식 기판 캐리어 상에 고정되고, 두 개의 용융 금속 야금에 의해 제조된 Ti-Si-타겟 및 네 개의 분말 금속 야금에 의해 제조된 Al-Cr-(X)-합금으로 이루어진 타겟은 코팅 설비의 벽들에 제공된 6개의 음극 아크 전원 내에 배치된다. 이러한 경우 타겟 배치의 기하 구조는 실질적으로 RCS-설비의 8각형 평면에 의해 결정되며, 상기 설비에서 서로 대면하여 배치된 두 개의 가열 세그먼트(segments)는 8각형의 각 변(segment)을 각각 아크 음극을 갖는 세 개의 연속된 세그먼트들로 구성된 두 개의 그룹으로 분리시킨다. 이러한 방법에서, 각 SiTi-타겟은 세 개의 연속된 세그먼트들로 구성된 상기 두 개의 그룹에서 서로 대면하여 위치하는 각각의 중간 세그먼트에 배치된다. 그러나 또한, 상기 층들을 제조하기 위한 다른 타겟 배치도 가능하다. 원칙적으로 상기 층들은, 예를 들어 단일 회전식 또는 다중 회전식 기판 고정 장치의 동일한 코팅층 높이에서와 같이 기하 구조적으로 동등한 위치에서 적어도 두 개의 아크 음극을 포함하는 모든 설비에서 증착될 수 있다. 당업자에게 공지된 바와 같이, 예를 들어 당업자는 각각의 설비 유형에 따라 타겟의 배치에 의해 또는 각각의 기판 운동의 조절 또는 회전 조절 또는 제품 회전의 각속도의 조절에 의해 개별 층들의 층 두께에 또는 위치에 영향을 미칠 수 있다.
이어서, 우선 제품들은 설비에 제공된 복사 가열 장치 내에서 약 500℃의 온도에 제공된 다음, 표면은 Ar 대기하에 -100 내지 -200 V의 DC-바이어스 전압의 인가에 의해 0.2 Pa의 압력에서 Ar 이온에 의한 에칭 정제 과정에 제공된다.
이후 3 kW 출력을 사용하는 4개의 Al-Cr-전원의 작동 및 약 5분 동안 -50 V의 기판 바이어스의 전압 인가에 의해 약 0.2 ㎛ 두께의 Al-Cr-N 경질층이 증착된다. 이어서, 의도적으로 다중 코팅층이 형성되는데, 우선 4개의 Al-Cr-전원에 대해 추가로 2개의 Ti-Si-전원이 마찬가지로 각각 3 kW로 스위치 온되고 약 1분 동안 공동으로 작동된다. 연속해서 4개의 Al-Cr-전원이 스위치 오프되고 오로지 Ti-Si-N 코팅층이 약 3분 동안 증착된다. 그리고 나면, 다시 4개의 Al-Cr-전원이 약 1분 동안 스위치 온된다. 후속적으로 다시 Ti-Si-전원이 스위치 오프되고 오로지 Al-Cr-N 코팅층이 추가로 5분 동안 증착된다. 상기 층 스택을 위한 이러한 순서는 본 발명의 범주 내에서 증착 과정 중에 여러 차례 수행된다. 이어서, 오로지 Ti-Si-전원으로만 제조되는 커버 층이 약 0.5 ㎛의 두께로 도포된다. 또한, 대안적으로 더욱 두꺼운 AlCrN 커버층이 도포될 수도 있다. 모든 층들은 순수하게 질소 대기에서 약 3 Pa의 압력 및 약 50 V의 마이너스 기판 바이어스 전압에서 증착된다. 기본적으로 프로세스 압력은 각각의 상기 층들에서 0.5 내지 약 8 Pa의 영역, 바람직하게는 0.8 내지 5 Pa로 설정될 수 있으며, 나이트라이드계 층에 대해서는 오로지 질소 대기 또는 질소와 비활성 기체, 예를 들면 아르곤으로 이루어진 혼합 대기가 사용되고, 카보나이트라이드계 층에 대해서는 필요한 경우 비활성 기체가 혼합될 수 있는 탄소 함유 기체와 질소로 이루어진 혼합기체가 사용된다. 이에 상응하게, 산소 또는 붕소 함유 층들의 증착을 위해, 산소 또는 붕소 함유 기체가 공지된 바와 같이 혼합될 수 있다.
층의 타겟 조성, 층의 결정 구조 및 접착 상태는 표 1에 도시된다. 타겟 성능, 마이너트 기판 바이어스 전압, 프로세스 압력 및 온도와 같은 프로세스 파라미터들은 표 2에 요약된다.
본 발명에 따른 제품들의 특징에 따르면, 입방체의 (AlyCr1-y)X 층(여기서, X는 N 또는 CN, 바람직하게는 N이고, y는 0.2 ≤ y < 0.7, 바람직하게는 0.3 ≤ y ≤ 0.5이다)과, 입방체의 (TizSi1-z)X 층(여기서, X는 N 또는 CN, 바람직하게는 N이고, z는 0.99 ≥ z ≥ 0.7, 바람직하게는 0.97 ≥ z ≥ 0.85이다)이 교호로 증착되며[참조 도 1의 (a)], 이러한 경우, 적어도 하나의 층 스택 및 적어도 하나의 추가의 (AlyCr1-y)X 층 또는 (TizSi1-z)X 층이 도포된다. 이러한 층 구조는 두 개의 층에서 평균 입자 크기가 약 5 내지 150 nm, 바람직하게는 10 내지 120 nm인 마이크로 결정 형태이다. 코팅층을 위해 유리하게, 순수한 (AlyCr1-y)X 층과 (TizSi1-z)X 층 사이에 추가의 중간층이 제공되며, 모든 층 전원들이 중간층과 더불어 (AlyCr1-yTizSi1-z)X 층이 증착된다[참조 도 1의 (b)]. 이러한 중간층들은 필요한 경우 개별 층 시스템의 순서 또는 조성과 특성에 따라, 개별 층들 사이의 개선된 접착을 위해 작용할 수 있다. 코팅 설비의 기하 구조적 타겟 배치 때문에, 상기 중간층의 증착 중 제품의 회전으로 인해 매우 섬세한 층을 갖는 다층 구조가 추가로 증착되는데, 언제나 Al-Cr 및 Ti-Si에 기초하는 개별 타겟들이 코팅층을 위해 사용되기 때문이다. 이러한 중간층 내에서 개별 층의 폭은 수 나노미터의 범위에서 변경된다.
바람직한 다층 시스템을 구성할 수 있는 다른 실시예는, 도 1의 (c)와 유사하게 코팅층 전원들의 주기적인 스위치 온 또는 스위치 오프에 의해 수행될 수 있다. 여기서, 전체적인 증착 과정 동안 코팅층 재료를 위한 코팅층 전원들은, 두 개의 코팅층 재료를 갖는 코팅층 전원들이 주기적으로 스위치 온되는 동안 진행된다. 이러한 경우, Arc 전원의 공동 작동 중에 위에서 언급된 바와 같은 추가의 다층 구조가 생성될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 특징에 따르면, 위에서 기술된 층 스택을 증착시키기 위한 방법이 수행된다. 다층 구조는 코팅층 전원들의 의도적인 스위치 온 또는 스위치 오프에 의해 달성된다. 또한, 다층 구조는 코팅 설비 내에서 이후 기술되는 제품의 회전 또는 운동에 의해 수득된다.
실시예 1에서 층 또는 층 스택에 있어서 한정된 수를 갖는 코팅층들이 비교되며, 이러한 경우 층 스택은 각각 AlCrTiSiN 층, 연속해서 TiSiN 층, 연속해서 AlCrTiSiN 층, 연속해서 AlCrN 층으로 이루어진 층 순서로 구성된다. 종래 기술에 따라 증착된, 실험 번호 1에서 시험된 층에 비해, 본 발명에 따른 코팅층에 의해 개선된 지속 시간이 달성될 수 있음을 분명히 확인할 수 있다. 또한, AlyCr1-yN 및 TizSi1-zN으로 이루어진 개별 층들의 최적의 층 두께는 필요한 지속 시간의 연장을 위해 중요하다는 것을 분명히 확인할 수 있다. 이러한 층 두께는 AlyCr1-yN의 경우 75 nm 내지 200 nm, 바람직하게는 120 nm 내지 170 nm이고, TizSi1-zN의 경우 50 nm 내지 150 nm, 바람직하게는 70 nm 내지 120 nm이다. 이러한 실시예의 범주 내에서 상기 층 두께는, 모든 실험에 대해 약 4 ㎛의 비교 가능한 전체 층 두께가 수득될 수 있도록 코팅 시간에 걸쳐 변경되었다. 이러한 실험을 위해, 층 구조는 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이 선택되었다. 모든 코팅층 전원들이 사용되는 층들은 각각의 실험을 위해 변경되지 않았고 개별 층 두께는 각각 약 20±10 nm로 제공되었다.
기본적으로 매우 다양한 제품들이 AlyCr1 - yN/TizSi1 - zN 다층 코팅층으로 유리하게 코팅될 수 있다. 이에 대한 예는 회전식 기계 가공 처리 및 밀링 기계 가공 처리를 위한 밀링 커터, 호브, 볼 헤드 밀링 커터, 평면 밀링 커터, 프로파일 밀링 커터, 드릴, 나사 탭 드릴, 브로치(broach), 리머(reamer) 및 커팅 인서트 팁(cutting insert tip)과 같은 절삭 공구들, 또는 예를 들어 맨드릴, 매트릭스, 딥 드로잉 링, 이젝터 코어(ejector core) 또는 나사 제조기와 같은 성형 공구들이다. 또한, 예를 들어 금속 사출 성형 합금, 합성 수지 또는 열가소성 플라스틱을 위한 사출 성형 공구, 특히 플라스틱 성형 부품 또는 CD 또는 DVD 등과 같은 데이터 저장 매체의 제조를 위해 사용되는 사출 성형 공구는, 유리하게 상기 유형의 층으로 보호될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 코팅층에 의해 다양한 공구들에 대한 모든 적용에 있어 항상 개선된 결과가 달성되는 것은 아니더라도, 예를 들어 실시예에 제시된 바와 같은 특정한 적용 분야의 경우, 지금까지 공지된 층들보다 적어도 실질적으로 더욱 높은 내마모성이 달성될 수 있다.
또한, 다음의 층 시스템에서 타겟 조성 및 코팅층의 파라미터가 다음과 같이 선택되는 경우, 즉 X가 N, C, B, CN, BN, CBN, NO, CO, BO, CNO, BNO, CBNO, 바람직하게는 N 또는 CN이고, y가 0.2 ≤ y ≤ 0.7, 바람직하게는 0.40 ≤ y ≤ 0.68이고, z가 0.99 ≥ z ≥ 0.7, 바람직하게는 0.95 ≥ z ≥ 0.85인 경우, AlyCr1-yX/TizSi1-zX 다층 코팅층의 원칙적으로 유사한 특성에 기초하여 마모 특성의 개선이 기대될 수 있다.
AlyCr1-yN/TizSi1-zN 다층 코팅층의 층 특성은, 원소 주기율표의 Ⅳb족, Ⅴb족 및/또는 Ⅵb족들 중 하나 이상의 그룹으로부터 추가의 화학 원소들 또는 규소의 합금으로 개선시킬 수 있다. 특히 유리하게, AlyCr1-y-mMmN 층의 층 스택 내의 합금일 수 있으며, 여기서 m은 0 ≤ m ≤ 0.25, 바람직하게는 0 ≤ m ≤ 0.15이다. 특히 유리하게는 M에 대한 원소가 W, V, Mo, Nb 및 Si이다(이에 대해 실시예 5 참조).
층 시스템의 층 특성은, 층 스택에 또는 경질 층의 외부쪽 마감 커버 층에 추가의 슬라이딩 층을 도포하여 추가로 개선될 수 있다. 이러한 슬라이딩 층 시스템은 적어도 하나의 금속 또는 적어도 하나의 금속 카바이드 및 분산 탄소 MeC/C로 구성될 수 있으며, 이러한 경우 금속은 주기율표 Ⅳb족, Ⅴb족 및/또는 Ⅵb족 및/또는 규소이다. 예를 들어 1000 내지 1500 HV의 조절 가능한 경도를 갖는 WC/C-커버 층이 특히 적합하며, 이러한 층은 탁월한 삽입 특성을 나타낸다. 또한, CrC/C-층은 약간 높은 마찰 계수에서 유사한 특성을 나타낸다.
이러한 방식으로 코팅된 심공 드릴에서, 드릴 홈의 제조 후 이미 절삭면의 추가의 슬라이딩 삽입부가 확립될 수 있는데, 이러한 슬라이딩 삽입부는 지금까지는 비용이 많이 드는 기계적 처리에 의해서만 이루어져 왔다. 이로써, 절삭 너트를 따라 절삭 이동이 개선되고 드릴 과정 중에 마찰 토크가 최소화된다. 또한, 이러한 특성은 전체적으로 특히 슬라이딩 응력, 마찰 응력 또는 롤링 응력을 갖는 구성 부품의 적용 분야에 대해, 특히 결함 윤활 또는 건식 진행하에, 또는 동시에 코팅되지 않은 상대 본체가 보호되어야 하는 경우 특히 흥미롭다.
마감 슬라이딩 층을 형성하기 위한 다른 가능한 층은 금속을 함유하지 않는 다이아몬드와 유사한 탄소층, 또는 MoSx 층, WSx 층 또는 티탄을 함유하는 MoSx 층 또는 MoWx 층이다.
슬라이딩 층은 언급된 바와 같이, 다음 시스템에 직접 또는 추가의 경질 층의 도포 후에 도포되어, 가능한 한 층 결합의 양호한 접착을 유도한다. 이러한 경우 접착층은 금속, 나이트라이드, 카바이드, 카보나이트라이드로 이루어질 수 있거나 경사층으로 이루어질 수 있다.
예를 들어 WC/C 층 또는 CrC/C 층은 스퍼터링(sputtering) 또는 아킹(arcing) Cr 경질 층 또는 Ti 경질 층의 도포 이후, 탄소를 함유하는 기체를 가하면서 유리하게 WC 타겟의 스퍼터링에 의해 제조될 수 있다. 이러한 경우 층 내에서 유리 탄소의 더욱 높은 함량을 달성하기 위해, 탄소를 함유하는 기체의 함량은 시간에 따라 상승된다.
도 1은 다양한 층의 변형을 도시한 도면이다. 도 1의 (a) 내지 (c)에는 다층 코팅층이 어떻게 구성될 수 있는지에 대한 세 개의 변형예가 도시된다.
도 2는 도 1의 층 스택 구조를 또 다른 방법으로 도시한 도면이다.
이제, 다양한 절삭 가공 처리에 사용되는 본 발명에 대한 유리한 적용예가 예시적으로 기술된다.
실시예 1:
내부 냉각식 HM-드릴을 사용하는 강철 내 드릴 가공
공구: 냉각 채널을 갖는 경질 금속 드릴
직경 D = 6.8 mm
제품: 강철 DIN 1.1191 (Ck45)
드릴 가공 파라미터: 절삭 속도 Vc = 120 m/min
톱니 전진 속도 fz = 0.2 mm/회전
드릴 홈 깊이 z = 34 mm (5xD)
냉각: 유액 5%
프로세스: 포켓 홀
마모 기준: 모서리 마모 VB = 0.2 mm
실험 번호 층 두께
[㎛] 		지속 길이**
[m]
1 AlCrN + TiSiN 3.9 54.3
2 AlCrN + 2 x 층 스택 1* + TiSiN 4.2 43.9
3 AlCrN + 4 x 층 스택 1* + TiSiN 3.9 65.2
4 AlCrN + 8 x 층 스택 1* + TiSiN 4.0 76.2
5 AlCrN + 12 x 층 스택 1* + TiSiN 4.0 54.3
6 AlCrN + 15 x 층 스택 1* + TiSiN 3.9 43.9
* (1x) 층 스택은 1회의 "AlCrTiSiN + TiSiN + AlCrTiSiN +AlCrN"의 순서에 상응함.
** 여기서 모서리 마모 VB = 0.2 mm가 달성됨.
실시예 1은 상이한 수의 층 스택이 각각 동일한 AlCrN 접착층, 및 TiSiN 커버 층으로 도포되어 코팅된 HM 드릴의 지속 시간의 비교를 나타낸다. TiSiN 층 및 AlCrN 층의 코팅 시간은 각각 최종적으로 비교 가능한 전체 층 두께를 수득하기에 맞게 조정된다. 전체 지속 시간에 있어서의 최적 상태는 실험 번호 4에서 전체 층 수 37을 갖는 실험에서 나타나며, 실험 번호 1로부터의 종래 기술에 비해 분명한 개선을 나타낸다.
실시예 2:
내부 냉각식 HM-드릴을 사용하는 강철 내 드릴 가공
공구: 냉각 채널을 갖는 경질 금속 드릴
직경 D = 6.8 mm
제품: 강철 DIN 1.1191 (Ck45)
드릴 가공 파라미터: 절삭 속도 Vc = 120 m/min
톱니 전진 속도 fz = 0.2 mm/회전
드릴 홈 깊이 z = 34 mm (5xD)
냉각: 유액 5%
프로세스: 포켓 홀
마모 기준: 모서리 마모 VB = 0.2 mm
실험 번호
VB = 0.2 mm에서의 지속 길이 (단위:미터)
6(TiAlN/TiN 다층) 32.3
8(TiAlN 개별 층) 32.3
9(AlCrN 개별 층) 65.9
10 AlCrN + 8 x 층 스택 1* + TiSiN 76.2
실시예 2는 코팅된 HM 드릴의 지속 시간의 비교를 나타낸다. 여기서도 마찬가지로, TiAlN/TiN 다층 및 TiAlN 단일 층 코팅층의 산업적으로 사용되는 경질 재 료 층에 비해 AlCrN/TiSiN 다층을 사용하여 공구 지속 시간이 개선될 수 있었다.
실시예 3:
내부 냉각식 HM-드릴을 사용하는 강철 내 드릴 가공
공구: 냉각 채널을 갖는 경질 금속 드릴
직경 D = 6.8 mm
제품: 강철 DIN 1.1191 (Ck45)
드릴 가공 파라미터: 절삭 속도 vc = 120 m/min
톱니 전진 속도 fz = 0.2 mm/회전
드릴 홈 깊이 z = 23.8 mm (3.5xD)
냉각: 유액 5%
프로세스: 포켓 홀
마모 기준: 모서리 마모 VB = 0.15 mm
실험 번호 VB = 0.15 mm에서의 지속 길이 (단위:미터)
11 (TiAlN/TiN 다층) 46.1
12 (TiAlN 단일 층) 42.3
13 (AlCrN) 22.6
14 AlCrN + 8 x 층 스택 1* + TiSiN 61.5
실시예 3은 코팅된 HM 드릴의 지속 시간의 비교를 나타낸다. 여기서도 마찬가지로, Ti-Al-N에 기초하는 산업적으로 사용되는 층에 비해 AlCrN/TiSiN 다층 코 팅층은 공구 지속 시간이 개선될 수 있었다.
실시예 4:
내부 냉각식 HM-드릴을 사용하는 주조 철 내 드릴 가공
공구: 냉각 채널을 갖는 경질 금속 드릴
직경 D = 6.8 mm
제품: 연철 GGG-50(유럽 철강 및 합금 규격 EN-GJS-500-7)을 갖는 주조 철
드릴 가공 파라미터: 절삭 속도 vc = 200 m/min
톱니 전진 속도 fz = 0.3 mm/회전
드릴 홈 깊이 z = 34 mm (5xD)
냉각: 유액 5%
프로세스: 포켓 홀
마모 기준: 모서리 마모 VB = 0.1 mm
실험 번호 VB=0.1mm에서의 지속 길이 (단위:미터)
15 (TiAlN/TiN 다층) 57.1
16 (TiAlN 단일 층) 142.8
17 (AlCrN) 185.6
18 AlCrN + 8 x 층 스택 1* + TiSiN 199.9
실시예 4는 코팅된 HM 드릴의 지속 시간의 비교를 나타낸다. 여기서도 마찬가지로, TiAlN/TiN 다층 코팅층 및 TiAlN 단일 층 코팅층의 산업적으로 사용되는 경질 재료 층에 비해 AlCrN/TiSiN 다층 코팅층을 사용하여 공구 지속 시간이 개선 될 수 있었다.
실시예 5:
내부 냉각식 HM-드릴을 사용하는 강철 내 드릴 가공
공구: 냉각 채널을 갖는 경질 금속 드릴
직경 D = 6.8 mm
제품: 강철 DIN 1.1191 (Ck45)
드릴 가공 파라미터: 절삭 속도 vc = 120 m/min
톱니 전진 속도 fz = 0.2 mm/회전
드릴 홈 깊이 z = 34 mm (5xD)
냉각: 유액 5%
프로세스: 포켓 홀
마모 기준: 모서리 마모 VB = 0.2 mm
실험 번호 Al
원자%		 Cr
원자% 		M
원자% 		층 두께
[㎛]		 VB = 0.2 mm에서의 지속 길이
(단위:미터)
19 AlCrWN + 8 x 층 스택 2* + TiSiN 70 28 2 3.8 65.8
20 AlCrWN + 8 x 층 스택 2* + TiSiN 70 25 5 3.4 59.3
21 AlCrNbN + 8 x 층 스택 2* + TiSiN 70 25 5 3.8 57.8
22 AlCrMoN + 8 x 층 스택 2* + TiSiN 70 25 5 4.8 61.2
23 AlCrVN + 8 x 층 스택 2* + TiSiN 70 25 5 4.2 68.0
24 AlCrSiN + 8 x 층 스택 2* + TiSiN 70 25 5 4.0 54.4
* (1x) 층 스택 2는 1회의 "AlCrMTiSiN + TiSiN + AlCrMTiSiN + AlCrMN"의 층 순서에 상응하며, 여기서 M은 각각 원소 W, Nb, Mo, V 또는 Si 중 하나를 나타낸다.
실시예 5는 다층 시스템이 상이한 화학적 조성을 갖지만 동일한 커버층(TiSiN)으로 증착된, 본 발명에 따라 코팅된 HM 드릴의 지속 시간의 비교를 나타낸다. 화학적 조성으로서 타겟 조성은 변경되며, 이러한 경우 Al은 일정하게 유지되고 Cr은 부분적으로 제3 원소에 의해 대체된다. 층 증착 시 프로세스 파라미터는 다른 실험들과 마찬가지로 동일하게 유지된다.
또한, 도 1의 (c)와 유사하게 AlCr 전원 또는 AlCrM 전원, 또는 TiSi 전원 또는 전원들이 일정하게 작동되고 각각 다른 전원 또는 전원들이 필요에 따라 스위치 온되는 경우, 상응하는 층 스택이 제조될 수 있다. 특히, 위에서 언급된 4 AlCr 또는 AlCrM 전원의 일정한 작동 시, 증착 속도는 상승될 수 있고 예를 들어 g다음의 층 시스템이 증착된다:
(AlCrTiSi)X 다층,
연속해서 추가의 (AlyCr1 -y)X 층,
연속해서 추가의 (AlCrTiSi)X 혼합층,
연속해서 추가의 (AlyCr1 -y)X 층.
[도면의 설명]
도 1은 다양한 층의 변형을 도시한 도면이다. 도 1의 (a) 내지 (c)에는 다 층 코팅층이 어떻게 구성될 수 있는지에 대한 세 개의 변형예가 도시된다.
도 1의 (a)에는 선명한 접합부를 갖는 층들의 순서가 도시된다. 층 시스템(2)은 제2 층 시스템(1)상에 직접 증착된다. 이러한 과정은 원하는 전체 측 두께에 도달할 때까지 반복된다. 마지막 층으로서 커버 층(3)이 더욱 큰 층 두께로 증착될 수 있다.
도 1의 (b)에는 개별 층들 사이에 혼합층(4)이 증착되며, 혼합층에서 두 개의 층 시스템은 동시에 도포된다. 또한 여기서도, 마지막 개별 층으로서 커버 층이 추가로 도포될 수 있다. 상기 혼합층은 슬라이딩 접합 층으로서 얇거나, 일정한 층 조성의 영역으로 더욱 두껍게 구성될 수 있다. 이러한 층은, 예를 들어 다음과 같은 조성을 포함할 수 있다: Al = 40.7 원자%, Cr = 21.2 원자%, Ti = 32.8 원자% 및 Si = 5.3 원자%. 이러한 조성은, Al = 70 원자% 및 Cr = 30 원자%의 조성을 갖는 AlCr 타겟 및 Ti =85 원자% 및 Si = 15 원자%의 조성을 갖는 TiSi 타겟이 동시에 작동되는 경우에 형성된다. 이러한 경우, 일반적으로 일정한 조성을 갖는 혼합층의 조성이 다음과 같은 영역에서 설정된다:
(Al1 -a-b- cCraTibSic)X
상기식에서, a는 0.18 ≤ a ≤ 0.48이고, b는 0.28 ≤ b ≤ 0.4이고, c는 0.004 ≤ c ≤ 0.12이다. 알루미늄 함량은 유리하게 10 원자%를 초과하여 유지된다. 위에서 언급된 바와 같이 다른 원소들이 추가로 첨가되는 경우, 상응하는 효과를 달성하기 위해서는 각각의 원소에 따라 0.5 내지 1 원자%의 최소 농도 및 15 내지 20 %의 최대 농도가 첨가되어야 한다.
도 1의 (c)에서는, 층 시스템(5)이 전체 코팅 시간 동안 도포되고 제2 층 시스템이 상응하는 코팅층 전원의 스위치 온에 의해 주기적으로 혼합됨으로써 다층 코팅층이 증착된다.
도 2는 도 1의 층 스택 구조를 또 다른 표현방식으로 도시한 도면으로서, x-축은 시간의 경과에 따른 각 코팅소스들(active coating sources)을 나타내며, y-축은 각 코팅소스들의 활성도(avtivity of the coating sources)를 여기에 적용된 전류의 함수로 나타낸 것이다.
표 1
시도 결정 구조 타겟 조성 층 두께
[㎛]

 접착
타겟 1 타겟 2
Al 원자% Cr 원자% M 원자% Ti 원자% Si 원자%
A B1 70 30 - 85 15 4.0 HF1
B B1 70 28 W=2 85 15 3.8 HF1
C B1 70 25 W=5 85 15 3.4 HF1
D B1 70 25 Nb=5 85 15 3.8 HF1
E B1 70 25 V=5 85 15 4.8 HF1
F B1 70 25 Mo=5 85 15 4.2 HF1
G B1 70 25 Si=5 85 15 4.0 HF1
표 2
시도
P타겟 Al-Cr-M
[kW]		 P타겟 Ti-Si
[kW]		 U기판
[V]		 PN2
[Pa]		 온도
[℃]
A 3 3 -50 3 500
B 3 3 -50 3 500
C 3 3 -50 3 500
D 3 3 -50 3 500
E 3 3 -50 3 500
F 3 3 -50 3 500
G 3 3 -50 3 500

Claims (16)

  1. (AlyCr1-y)X 층(0.2 ≤ y ≤ 0.7)(여기서, X는 원소 N, C, B, CN, BN, CBN, NO, CO, BO, CNO, BNO, CBNO 중 하나) 및 (TizSi1-z)X 층(0.99 ≥ z ≥ 0.7)으로부터 선택되는 적어도 하나의 층을 포함하는 공구의 내마모성을 개선시키기 위한 다층 구조를 갖는 경질 코팅층으로서,
    상기 경질 코팅층은 (AlCrTiSi)X 혼합층, 연속해서 (TizSi1-z)X 층, 연속해서 (AlCrTiSi)X 혼합층 및 (AlyCr1-y)X 층의 조성을 갖는 적어도 하나의 층 스택(stack)을 추가로 포함하며,
    상기 층 스택의 층들은 (AlyCr1-y)X 층이 75 nm 내지 200 nm, (TizSi1-z)X 층이50 nm 내지 150 nm, (AlCrTiSi)X 혼합층이 10 nm 내지 30 nm의 층 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 경질 코팅층.
  2. 제1항에 있어서, 상기 (AlyCr1-y)X 층, 상기 적어도 하나의 층 스택의 (AlyCr1-y)X 층 및 (AlCrTiSi)X 혼합층 각각은 원소 주기율표의 Ⅳb족, Ⅴb족 및 Ⅵb족에 속하는 원소들로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 추가적인 원소 또는 규소를 포함하는 것을 특징으로 하는 경질 코팅층.
  3. 제1항에 있어서, 상기 (AlyCr1-y)X 층 및 상기 적어도 하나의 층 스택의 (AlyCr1-y)X 층은 0.5 내지 25 원자%의 추가적인 원소 또는 규소를 포함하며, 상기 추가적인 원소 및 규소의 농도 설정은 (AlCrTiSi)X 혼합층들에도 설정되는 것을 특징으로 하는 경질 코팅층.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 경질 코팅층은 일련의 복수의 층 스택을 포함하는 것을 특징으로 하는 경질 코팅층.
  6. 제5항에 있어서, 상기 경질 코팅층은 4개, 8개 또는 12개의 층 스택을 포함하는 것을 특징으로 하는 경질 코팅층.
  7. 제1항에 있어서, 상기 (AlyCr1-y)X 층은 공구에 또는 접착층에 직접 증착되는 것을 특징으로 하는 경질 코팅층.
  8. 제1항에 있어서, (AlyCr1-y)X 커버 층 또는 (TizSi1-z)X 커버 층은 경질 층의 최외곽층을 형성하는 것을 특징으로 하는 경질 코팅층.
  9. 제1항에 있어서, 추가의 슬라이딩 층이 경질 층에 증착되는 것을 특징으로 하는 경질 코팅층.
  10. 제1항에 있어서, 층 스택의 구조는 (AlCrTiSi)X 혼합층, 연속해서 또 다른 (AlyCr1-y)X 층, 연속해서 또 다른 (AlCrTiSi)X 혼합층, 연속해서 또 다른 (AlyCr1-y)X 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 경질 코팅층.
  11. 삭제
  12. 제1항에 따른 경질 코팅층을 포함하는 공구로서, 상기 공구는 기계 가공 및 성형 조립을 위한 구성 부품, 공작기계, 치핑 공구, 절삭 공구 또는 성형 공구 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 공구.
  13. 삭제
  14. 제 1항에 있어서, 상기 X는 N 또는 CN인 것을 특징으로 하는 경질 코팅층.
  15. 제6항에 있어서, 상기 경질 코팅층은 8개의 층 스택을 포함하는 것을 특징으로 하는 경질 코팅층.
  16. 제12항에 있어서, 상기 공구는 드릴인 공구.
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