KR101264992B1 - 경질 코팅막 및 경질 코팅막 피복 가공 공구 - Google Patents

경질 코팅막 및 경질 코팅막 피복 가공 공구 Download PDF

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Abstract

소정 부재의 표면에 형성되고 우수한 내마모성과 내부착성을 갖는 경질 코팅막으로서, 상기 소정 부재의 표면과 접촉하여 형성되는 제 3 층과, 상기 제 3 층 위에 형성되는 제 2 층, 및 상기 제 2 층 위에 형성되어 표면을 이루는 제 1 층으로 구성되는 3층 구조를 포함하며,상기 제 1 층은 (Cr1-a-bBa(SiC)b)(CcOdN1-c-d) 로 만들어지고 (단,SiC 는 탄화규소이고, 또한 a, b, c 및 d 는 0≤a≤0.2, 0.01≤b≤0.2, 0≤c≤0.5 및 0≤d≤0.3 의 범위에 있는 원자비를 각각 나타낸다).상기 제 2 층은 AlCrN 또는 AlCrDN 으로 만들어지며 (단, D 는 원소 주기율표의 IVa 족, Va 족, VIa 족(Cr 은 제외함) 및 Y 중의 1종 원소 또는 SiC(탄화규소)를 포함한다), 그리고 상기 제 3 층은 Al, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr 및 W 중의 1종 이상의 원소를 포함하는 금속의 질화물, 탄질화물 또는 탄화물로 만들어진다.

Description

경질 코팅막 및 경질 코팅막 피복 가공 공구{HARD COATING AND HARD COATING FURNISHED TOOL}
본 발명은 경질 코팅막에 관한 것으로, 특히 우수한 내마모성과 내부착성을 갖는 경질 코팅막에 관한 것이다.
고속도 공구강과 초경 합금 등으로 만들어진 공구 모 부재(공구 모재) 등과 같은 소정 부재의 표면에 경질 코팅막을 형성하기 위한 시도가 지금까지 널리 있어 왔다. 예컨대, 특허 문헌 1 에는, 우수한 내마모성을 갖는 층 A 에 우수한 내부착성을 갖는 층 B 를 형성하는 것이 제안되어 있다. 상기 층 A 는 Ti, Cr, Al 및 Si 등의 질화물 및 탄질화물 등으로 만들어지며, 층 B 는 Ti, Cr, Al 및 Si 등의 산화물 및 붕화물 등으로 만들어진다.
특허 문헌 1 : 일본 공개 특허 공보 제 2007-15106 호
이러한 종래 기술의 경질 코팅막에서 공구 모재 등은 반드시 적절한 결합 강도를 얻을 수 있는 것은 아니었다. 즉, 예컨대, 스테인레스강에 대해 절삭 가공을 수행할 때 또는 부착되기 아주 쉽고 경도가 50HRC 이하인 작업 소재에 대해 절삭 가공을 수행할 때는 조기에 박리 또는 칩핑으로 인한 마모가 발생하는 문제가 생겼다.
본 발명은 위와 같은 문제를 염두에 둔 것으로, 장기간에 걸쳐 우수한 내마모성과 내부착성을 안정적으로 얻기 위해 우수한 내마모성과 내부착성을 갖는 경질 코팅막을 공구 모재에 높은 결합 강도로 형성하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 제 1 양태에 따르면, 소정 부재의 표면에 형성되고 우수한 내마모성과 내부착성을 갖는 경질 코팅막으로서, (a) 상기 소정 부재의 표면과 접촉하여 형성되는 제 3 층과, 이 제 3 층 위에 형성되는 제 2 층, 및 이 제 2 층 위에 형성되어 표면을 이루는 제 1 층으로 구성되는 3층 구조를 포함하며, (b) 상기 제 1 층은 (Cr1-a-bBa(SiC)b)(CcOdN1-c-d) 로 만들어지고 (단, SiC 는 탄화규소이고, 또한 a, b, c 및 d 는 0≤a≤0.2, 0.01≤b≤0.2, 0≤c≤0.5 및 0≤d≤0.3 의 범위에 있는 원자비를 각각 나타낸다). (c) 상기 제 2 층은 AlCrN 또는 AlCrDN 으로 만들어지며 (단, D 는 원소 주기율표의 IVa 족, Va 족, VIa 족(Cr 은 제외함) 및 Y 중의 1종 원소 또는 SiC(탄화규소)를 포함한다), 그리고 (d) 상기 제 3 층은 Al, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr 및 W 중의 1종 이상의 원소를 포함하는 금속의 질화물, 탄질화물 또는 탄화물로 만들어지는 경질 코팅막이 제공된다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 본 발명의 제 1 양태에 따른 경질 코팅막에 있어서, (a) 상기 제 1 층과 제 2 층 사이의 경계부에는, 제 1 층과 제 2 층의 형성 처리의 전환 타이밍을 어긋나게 하여 그 형성 처리가 소정 시간 동안 중복됨으로써 제 1 층과 제 2 층 모두의 조성을 갖는 제 1 층과 제 2 층의 혼합층이 형성되어 있고, (b) 상기 제 2 층과 제 3 층 사이의 경계부에는, 제 2 층과 제 3 층의 형성 처리의 전환 타이밍을 어긋나게 하여 그 형성 처리가 소정 시간 동안 중복됨으로써 제 2 층과 제 3 층 모두의 조성을 갖는 제 2 층과 제 3 층의 혼합층이 형성되어 있다.
본 발명의 제 3 양태에 따르면, 본 발명의 제 1 양태 또는 제 2 양태에 따른 경질 코팅막에 있어서, (a) 상기 제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층의 전체 막두께 (Ttotal) 는 0.05 ∼ 15 ㎛ 의 범위에 있고, (b) 제 1 층의 막두께 (T1) 는 전체 막두께 (Ttotal) 의 1 ∼ 50 % 이고, (c) 제 3 층의 막두께 (T3) 는 전체 막두께 (Ttotal) 의 1 ∼ 25 % 이며, 그리고 (d) 제 2 층의 막두께 (T2) 는 (Ttotal - T1 - T3) 이다.
본 발명의 제 4 양태는 본 발명의 제 1 양태 내지 제 3 양태 중 어느 하나에 있어서의 경질 코팅막으로 피복된 표면을 갖는 공구 모재를 포함하는 경질 코팅막 피복 가공 공구에 관한 것이다.
본 발명의 제 1 양태에 따른 경질 코팅막에서, 제 2 층은 AlCrN 또는 AlCrDN 으로 만들어지며 (단, D 는 원소 주기율표의 IVa 족, Va 족, VIa 족(Cr 은 제외함) 및 Y 중의 1종 원소 또는 SiC(탄화규소)를 포함한다), 이로써 우수한 내마모성이 얻어진다. 제 1 층은 최상부 층에 제공되며 또한 (Cr1-a-bBa(SiC)b)(CcOdN1-c-d) 로 만들어지는데 (단, SiC 는 탄화규소이고, 또한 a, b, c 및 d 는 0≤a≤0.2, 0.01≤b≤0.2, 0≤c≤0.5 및 0≤d≤0.3 의 범위에 있는 원자비를 각각 나타낸다), 이로써 우수한 내부착성이 얻어진다. 경질 코팅막이 형성되는 공구 모재 등의 소정 부재와 제 2 층 사이에 있는 제 3 층은 Al, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr 및 W 중의 1종 이상의 원소를 포함하는 금속의 질화물, 탄질화물 또는 탄화물로 만들어지며, 이로써 증대된 결합 강도가 얻어진다. 이리 하여, 장기간에 걸쳐 우수한 내마모성과 내부착성을 안정적으로 얻을 수 있게 된다. 예컨대, 본 발명의 제 4 양태에 따른 경질 코팅막 피복 가공 공구의 경우에, 스테인레스강을 절삭 가공할 때에도 또는 부착되기 쉽고 50HRC 이하의 경도를 갖는 작업 소재를 절삭 가공할 때에도 박리 및 칩핑으로 인한 마모의 발생이 억제될 수 있다. 또한, 이 결과, 소정의 절삭 성능을 얻을 수 있고 결과적으로 공구 수명이 증가될 수 있다. 특히, 최상부 층에 형성되는 제 1 층은 SiC(탄화규소)를 포함하므로 표면 경도가 증가하고 (예컨대, 3000HV 또는 이상으로), 그리 하여 증가된 표면 경도와 내부착성 및 결합 강도로 인해 내마모성이 현저하게 증가하게 된다. 이리 하여, 특히 고 경도를 갖는 작업 소재를 절삭 가공할 때 우수한 내마모성 증가 효과가 얻어진다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 상기 제 1 층과 제 2 층의 혼합층이 이들 두 층 사이의 경계부에 형성되고, 상기 제 2 층과 제 3 층의 혼합층이 이들 두 층 사이의 경계부에 형성된다. 이 결과, 제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층 사이의 상호 결합 강도가 증대되어 결과적으로 박리 및 칩핑으로 인한 마모의 발생을 억제하는 효과가 더욱 향상된다. 제 1 ∼ 3 층을 아크 이온 도금법과 스퍼터링법 등과 같은 PVD 로 형성할 때, 그러한 혼합층을 포함해서 제 1 ∼ 3 층은 혼합층이 형성되도록 타겟 및/또는 반응 가스의 전환 타이밍을 적절히 결정함으로써 연속적으로 또한 효율적으로 형성될 수 있다.
본 발명의 제 3 양태에 따르면, 상기 제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층의 전체 막두께 (Ttotal) 는 0.05 ∼ 15 ㎛ 의 범위에 있고, 여기서 제 1 층의 막두께 (T1) 는 전체 막두께 (Ttotal) 의 1 ∼ 50 % 이고, 제 3 층의 막두께 (T3) 는 전체 막두께 (Ttotal) 의 1 ∼ 25 % 이며, 제 2 층의 막두께 (T2) 는 (Ttotal - T1 - T3) 이다. 이리 하여, 제 1 층에 의한 내부착성의 개선, 제 2 층에 의한 내마모성의 개선 및 제 3 층에 의한 결합 강도의 개선을 포함하여 다양한 효과를 얻을 수 있다.
도 1 의 (a) 내지 (c) 는 본 발명에 적용되는 엔드밀을 나타내는 것으로, 도 1 의 (a) 는 축선에 수직인 방향에서 본 정면도이고, 도 1 의 (b) 는 선단에서 본 확대 저면도이며, 도 1 의 (c) 는 경질 코팅막이 제공된 절삭부의 표면 부근의 확대 단면도이다.
도 2 는 도 1 에 도시된 엔드밀에 제공된 본 발명의 경질 코팅막의 구체적인 예와, 소정의 조건하에서 이러한 엔드밀을 사용하여 절삭 가공을 수행한 후에 엔드밀의 릴리프면 마모폭(내마모성)을 검사하여 얻은 결과를 나타내는 도면이다.
도 3 은 제 1 층의 원자비와 막두께 등에 있어서 본 발명과는 상이한 비교예의 릴리프면 마모폭(내마모성)을 도 2 와 동일한 절삭 조건하에서 검사하여 얻은 결과를 나타내는 도면이다.
도 4 는 소정의 경질 코팅막이 제공된 시험편을 사용해서 마찰 마모 시험을 수행할 때 사용되는 핀 온 디스크형 마찰 시험기를 도시하는 개념도이다.
도 5 는 도 4 에 나타난 시험기를 사용해서 S45C 로 만들어진 재료에 대해 마찰 마모 시험을 하여 얻은 본 발명의 경질 코팅막의 마모 흔적과 종래 기술의 경질 코팅막의 마모 흔적을 보여주는 사진을 나타낸다.
도 6 는 도 4 에 나타난 시험기를 사용해서 SUS304 로 만들어진 재료에 대해 마찰 마모 시험을 하여 얻은 본 발명의 경질 코팅막의 마모 흔적과 종래 기술의 경질 코팅막의 마모 흔적을 보여주는 사진을 나타낸다.
본 발명은 엔드밀, 탭 및 드릴 등의 회전 절삭 공구와 또한 선삭 공구 등의 비회전식 절삭 공구 또는 전조 공구 등과 같은 다양한 가공 공구의 표면에 형성되는 경질 코팅막에 바람직하게 적용될 수 있다. 본 발명은 또한 절삭 공구 이외의 부재의 표면에 형성되는 경질 코팅막, 예컨대 반도체 장치의 표면 보호막에도 적용될 수 있다. 경질 코팅막을 형성하는 수단은 바람직하게는 아크 이온 도금법, 스퍼터링법 등과 같은 PVD(Physical Vapor Deposition) 법을 포함한다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 제 1, 2 층의 혼합층이 두 층 사이의 경계부에 형성되고 또한 제 2, 3 층의 혼합층이 두 층 사이의 경계부에 형성되지만, 이 혼합층을 제공 안 할 수도 있다. 제 1 층은 제 2 층에 직접 형성되고 제 2 층은 제 3 층에 직접 형성될 수도 있다. 상기 혼합층은 제 1, 2 층 사이의 경계부와 제 2, 3 층 사이의 경계부 중 어느 하나에만 제공될 수도 있다.
본 발명의 제 3 양태에 따르면, 전체 막두께 (Ttotal) 는 0.05 ∼ 15 ㎛ 의 범위에 있다. 전체 막두께 (Ttotal) 가 0.05 ㎛ 보다 작으면, 적절한 성능을 지닌 경질 코팅막을 얻기 어렵고, 전체 막두께 (Ttotal) 가 15 ㎛ 를 초과하면, 절삭 공구의 절삭 팁이 둥글게 되는 등 그 결과 공구 성능이 악화될 수가 있다. 제 1 층의 막두께 T1 은 전체 막두께 (Ttotal) 의 1 ∼ 50 % 의 범위이다. 막두께 T1 이 1% 미만이면, 제 1 층의 내부착성 개선 효과가 적절하게 얻어질 수 없고, 막두께 T1 이 50% 를 초과하면, 제 2 층의 내마모성의 개선이 악화될 수 있다. 또한, 제 3 층의 막두께 T3 는 전체 막두께 (Ttotal) 의 1 ∼ 25% 의 범위에 있다. 막두께 T3 가 1% 미만이면, 제 3 층의 결합 강도 개선 효과가 적절하게 얻어질 수 없고, 막두께 T3 가 25% 를 초과하면, 제 2 층의 내마모성 개선 효과가 악화될 수가 있다.
경질 코팅막 피복 가공 공구를 위한 공구 모재의 예를 들면, 바람직하게는 초경 합금, 고속도 공구강, 서멧, 세라믹, 다결정질 다이아몬드(PCD), 단결정질 다이아몬드, 다결정질 CBN 및 단결정질 CBN 등이 있지만, 다른 공구 모재도 채택가능하다.
[실시 형태]
이하, 본 발명의 실시 형태를 첨부 도면을 참조하면서 설명한다.
도 1 의 (a) ∼ (c) 는 본 발명이 적용되는 경질 코팅막 피복 가공 공구의 일예를 나타내는 볼 엔드밀 (10) 을 도시하는 도면으로, 도 1 의 (a) 는 축선에 수직한 방향에서 본 정면도이고, 도 1 의 (b) 는 선단(도 1 의 (a) 에서 우측)에서 본 확대 저면도이다. 초경 합금으로 만들어진 공구 모재 (12) 는 섕크와 절삭부 (14) 를 포함하며, 이 둘은 일체적으로 형성된다. 절삭부 (14) 는 한쌍의 외주날 (16) 과 한쌍의 볼날 (18) 의 형태로 된 절삭날을 포함하며, 이들 날은 상기 축선에 대해 대칭적으로 형성되어 있어, 축선을 중심으로 회전하면 외주날 (16) 과 볼날 (18) 이 절삭 작업을 수행하게 된다. 절삭날 (14) 은 경질 코팅막 (20) 으로 피복된 표면을 갖고 있다. 도 1 의 (a) 에서 빗금친 부분은 경질 코팅막 (20) 을 나타내고, 도 1 의 (c) 는 경질 코팅막 (20) 으로 피복된 절삭부 (14) 의 표면 부근의 단면도이다. 볼 엔드밀 (10) 은 회전 절삭 공구이며 공구 모재 (12) 는 경질 코팅막 (20) 이 제공되는 소정 부재에 상당한다.
도 1 의 (c) 에서 명확히 알 수 있듯이, 경질 코팅막 (20) 은 제 1 층 (22), 제 2 층 (24) 및 제 3 층 (26) 을 포함하는 3층 구조의 형태이며, 이들 층은 도시된 실시 형태에서 아크 이온 도금 장치를 사용할 때 타켓과 반응 가스를 전환시켜 연속적으로 형성된다. 공구 모재 (12) 의 표면과 접촉하여 형성되는 제 3 층 (26) 은 Al, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr 및 W 중의 1종 이상의 원소를 포함하는 금속의 질화물, 탄질화물 또는 탄화물로 만들어진다. 특히, 도 2 에서 "코팅막 구조" 의 예컨대 "제 3 층" 의 란에 예시되어 있는 바와 같이, 예를 들면 TiN, CrN, TiAlN, TiCrN, TiAlNbN, TiAlZrN, TiAlCrN 및 TiVCrN 등이 있다. 또한, 도 2 에서 "코팅막 구조" 의 란에 있는 각 원소 뒤에 붙어 있는 작은 숫자는 원자비를 나타낸다. 이는 도 3 에도 유사하게 해당된다.
제 3 층 (26) 위에 제공되는 제 2 층 (24) 은 AlCrN 또는 AlCrDN 으로 만들어진다 (단, D 는 원소 주기율표의 IVa 족, Va 족, VIa 족(Cr 은 제외함) 및 Y 중의 1종 원소 또는 SiC(탄화규소)를 포함한다). 특히, 도 2 에서 "코팅막 구조" 의 예컨대 "제 2 층" 의 란에 예시되어 있는 바와 같이, 더 구체적으로는 예를 들어 AlCrN, AlCrHfN, AlCr(SiC)N 또는 AlCrNbN, AlCrMoN 및 AlCrTiN 등이 있다. 제 2 층 (24) 과 제 3 층 (26) 사이의 경계부에는, 양자의 조성을 모두 갖고 있는 혼합층이 약간의 두께(예컨대, 제 2 층 (24) 의 막두께 (T2) 의 10% 이하) 로 형성되어 있지만, 도면에는 생략되어 있다. 이 혼합층은, 제 3 층 (26) 을 형성하기 위한 타겟과 반응 가스로부터 제 2 층 (24) 을 형성하기 위한 타겟과 반응 가스로 전환하는 타이밍을 어긋나게 하고, 제 3 층 (26) 을 형성하기 위한 타겟 및 반응 가스와 제 2 층 (24) 을 형성하기 위한 타겟 및 반응 가스를 소정 시간 동안 중복하여 사용함으로써 제 3 층 (26) 에 연속적으로 형성될 수 있다. 또한, 이러한 조건하에서 제 3 층 (26) 을 형성하기 위한 타겟에 대한 통전(아크 방전)과 반응 가스의 공급이 차단되면, 혼합층으로부터 연속적으로 제 2 층 (24) 으로 전환될 수 있다. 또한, 공통된 반응 가스를 사용하는 경우에는 작업시 통전될 타겟만 전환시키면 된다.
제 1 층 (22), 즉 제 2 층 (24) 위에 형성되고 경질 코팅막 (20) 의 표면을 형성하는 최상부층은 (Cr1-a-bBa(SiC)b)(CcOdN1-c-d) 로 만들어진다 (단,SiC 는 탄화규소이고, 또한 a, b, c 및 d 는 0≤a≤0.2, 0.01≤b≤0.2, 0≤c≤0.5 및 0≤d≤0.3 의 범위에 있는 원자비를 각각 나타낸다). 특히, 도 2 에서 "코팅막 구조" 의 예컨대 "제 1 층" 의 란에 예시된 바와 같이, 더 구체적으로는 예를 들어 CrB(SiC)N, CrB(SiC)ON 및 CrB(SiC)CN 등이 있다. 제 1 층 (22) 과 제 2 층 (24) 사이의 경계부에는 양자의 조성을 모두 갖고 있는 혼합층이 약간의 두께(예컨대, 제 1 층 (22) 의 막두께 (T1) 의 10% 이하) 로 형성되어 있지만, 도면에는 생략되어 있다. 이 혼합층은 제 2 층 (24) 과 제 3 층 (26) 사이의 경계부에 형성되는 혼합층과 동일한 방식으로 연속적으로 형성될 수 있다.
또한, 제 1 층 (22), 제 2 층 (24) 및 제 3 층 (26) 의 조합으로 형성되는 전체 경질 코팅막 (20) 의 전체 막두께 (Ttotal) 는 0.05 ∼ 15 ㎛ 의 범위에 있다. 제 1 층 (22) 의 막두께 (T1) 는 전체 막두께 (Ttotal) 의 1 ∼ 50 % 이고, 제 3 층 (26) 의 막두께 (T3) 는 전체 막두께 (Ttotal) 의 1 ∼ 25 % 이며, 제 2 층 (24) 의 막두께 (T2) 는 (Ttotal - T1 - T3) 이다. 도 2, 3 에 있는 막두께의 란에서 괄호안에 표기된 "%" 가 붙은 각각의 값은 전체 막두께 (Ttotal) 에 대한 비를 나타낸다.
본 실시 형태에서 볼 엔드밀 (10) 의 경질 코팅막 (20) 이 이와 같을 때, 제 2 층 (24) 은 우수한 내마모성이 얻어지게 하는 AlCrN 또는 AlCrDN 으로 만들어진다. 제 1 층 (22) 은 최상부 층에 제공되고 우수한 내부착성이 얻어지게 하는 (Cr1 -a- bBa(SiC)b)(CcOdN1 -c-d) 로 만들어진다. 공구 모재 (12) 와 제 2 층 (24) 사이에 있는 제 3 층 (26) 은 증대된 결합 강도를 얻게 해주는 Al, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr 및 W 중의 1종 이상의 원소를 포함하는 금속의 질화물, 탄질화물 또는 탄화물로 만들어진다. 이리 하여, 장기간에 걸쳐 우수한 내마모성과 내부착성을 안정적으로 얻을 수 있다. 스테인레스강을 절삭 가공할 때에도 또는 50HRC 이하의 경도에서 부착되기 쉬운 작업 소재를 절삭 가공할 때에도 박리 및 칩핑으로 인한 마모의 발생이 억제될 수 있다. 이 결과, 소정의 절삭 성능을 안정적으로 얻을 수 있으면서 양호한 가공면을 얻을 수 있고 결과적으로 공구 수명이 증가될 수 있다.
특히, 최상부 층에 형성되는 제 1 층 (22) 이 SiC(탄화규소)를 포함하므로, 표면 경도가 높아 지게 되고 (예컨대, 3000HV 이상), 결과적으로 내마모성이 개선되고 이 내마모성의 현저한 증가에 동반하여 결합 강도도 개선된다. 이리 하여, 특히 경도가 증가된 작업 소재를 절삭 가공할 때 우수한 내마모성 증가 효과가 얻어진다.
본 실시 형태에 따르면, 제 1 층 (22) 과 제 2 층 (24) 사이의 경계부가 이러한 두 층의 혼합층에 형성되고 제 2 층 (24) 과 제 3 층 (26) 사이의 경계부가 이러한 두 층의 혼합층에 형성된다. 이 결과, 제 1 층 (22), 제 2 층 (24) 및 제 3 층 (26) 사이의 상호 결합 강도가 증대되며 결과적으로 박리 및 칩핑으로 인한 마모의 발생이 억제되는 효과가 더욱 향상된다. 본 실시 형태에서, 제 1 층 ∼ 제 3 층 (22 ∼ 26) 을 아크 이온 도금법으로 형성하므로, 혼합층이 형성되도록 타겟과 반응 가스의 전환 타이밍을 적절히 결정함으로써 그러한 혼합층을 포함하여 제 1 층 ∼ 제 3 층 (22 ∼ 26) 을 연속적으로 또한 효율적으로 형성할 수 있다.
본 실시 형태에 따르면, 제 1 층 ∼ 제 3 층 (22 ∼ 26) 의 전체 막두께 (Ttotal) 는 0.05 ∼ 15 ㎛ 의 범위에 있는데, 제 1 층 (22) 의 막두께 (T1) 는 전체 막두께 (Ttotal) 의 1 ∼ 50 % 이고, 제 3 층 (26) 의 막두께 (T3) 는 전체 막두께 (Ttotal) 의 1 ∼ 25 % 이며, 제 2 층 (24) 의 막두께 (T2) 는 (Ttotal - T1 - T3) 이다. 이리 하여, 제 1 층 (22) 의 내부착성의 개선, 제 2 층 (24) 의 내마모성의 개선 및 제 3 층 (26) 의 결합 강도의 개선을 포함하여 다양한 효과를 적절히 얻을 수 있다.
다음, 초경 합금으로 만들어지고 6mm 의 직경을 갖는 (팁 반경 R = 3) 공구 모재 (12) 를 포함하는 본 실시 형태의 2날형 볼 엔드밀 (10)(청구항 1 내지 3 의 요건을 만족하는 본 발명품에 상당함) 과, 경질 코팅막 (20) 을 형성하는 제 1 층 (22), 제 2 층 (24) 및 제 3 층 (26) 의 유무, 성분, 원자비 및 두께에 있어서 청구항 1 또는 3 의 요건을 만족하지 않는 비교품을 준비하였다. 그런 다음, 아래에 기재된 시험 조건하에서 절삭 가공을 수행하여 210 m 의 길이를 절삭 가공한 결과 얻어지는 볼 날 (18) 의 릴리프면(플랭크면) 마모 폭(mm)을 검사하여 아래에 기재하였다. 도 2 의 모든 항목은 본 발명품을 나타내고 도 3 의 모든 항목은 비교품을 나타내며, 도 3 에서 빗금친 칸은 청구항 1 또는 3 의 요건을 만족하지 않는 항목을 나타낸다. 또한, 합격/불합격의 판정은 두 볼 날 (18) 의 평균값으로 취해진 릴리프면 마모폭 (mm) (허용 범위는 0.1 mm 이하로 설정)을 기준으로 하였다. 더우기, 코팅막 경도 (HV0.025)를 측정하는 것이 꼭 쉬운 것은 아니었기 때문에, 검사는 일부 시험편에 대해서 하였고 기재가 없는 시험편에 대해서는 코팅막 경도의 측정을 생략하였다.
(시험 조건)
·작업 소재: SUS304(JIS 규격에 의한 스테인레스강)
·절삭 방법: 피크(pick) 절삭
·절삭 속도: 217 m/min
·이송 속도: 0.12 mm/t
·절입 깊이: aa = 0.3 mm 및 Pf = 0.6 mm
·절삭 유체: 공기 송풍
도 2 에 도시된 본 발명품은 모두가 허용 범위(0.1 mm 이하)내에 유지된 릴리프면 마모폭을 가졌다. 반대로, 도 3 에 도시된 비교품은 모두가 허용 범위(0.1 mm)를 초과한 릴리프면 마모폭을 가졌거나 절삭 가공중에 칩핑이 발생했으며 절삭 가공을 수행하는데 어려움이 있었는데, 즉 적절한 내구성(공구 수명)이 얻어지지 않았다. 도 2 에 나타난 본 발명품의 코팅막 경도 (HV) 는 3020 ∼ 3210 의 범위에 있으며, 도 3 에 나타난 비교품의 코팅막 경도는 2640 ∼ 2900 의 범위에 있었다. SiC(탄화규소)를 함유하는 최상부 층에서 제 1 층 (22) 을 갖는 본 발명품은 코팅막 경도 (HV) 가 증가했으며, 코팅막 경도 (HV) 의 증가 및 내부착성과 결합 강도의 개선에 의해 내구성이 현저하게 증가하였다.
이들 시험편은 각각 6mm 직경의 기둥형으로 되어 있으며 각 선단 랩핑 (rapping) 면은 R5 의 구면에 형성되어 있다. 또한, 각기 본 발명의 경질 코팅막 (20) 으로 피복된 랩핑면을 갖는 두개의 시험편 및 각기 종래 기술의 AlCrN 만으로 구성된 단일 층의 경질 코팅막으로 피복된 랩핑면을 갖는 두개의 시험편을 각각 준비했다. 그리고 나서, 아래에 기재된 시험 조건하에서 도 4 에 나타난 핀 온 디스크(pin-on-disk)형 시험기를 사용해서 마찰 마모 시험을 수행하여 도 5, 6 에 나타난 결과(마모 흔적의 사진)를 얻었다. 이 경우에 사용된 본 발명의 경질 코팅막 (20) 은 도 2 에 있는 시험편 No.6 에 나타난 것과 동일했으며, Cr0 .80B0.15(SiC)0.05N 으로 구성된 제 1 층 (22), Al0 .65Cr0 .35N 으로 구성된 제 2 층 (24) 및 Ti0 .6Al0 .4N 으로 구성된 제 3 층 (26) 을 가졌으며, 전체 막두께 (Ttotal) 는 3.1 ㎛ 이었으며, 제 1 층 (22) 의 막두께 (T1) = 1.4 ㎛ (45%) 이고, 제 2 층 (24) 의 막두께 (T2) = 1.4 ㎛ (45%) 이며, 제 3 층 (26) 의 막두께 (T3) = 0.3 ㎛ (10%) 이다.
(시험 조건)
·상대재: S45C(JIS 규격에 의한 탄소강) 및 SUS304(JIS 규격에 의한 스테인레스강)
·하중: 0.5N
·선속도: 25 mm/s
·시간: 300s
·실온: 22℃
·습도: 39%
도 5 는 상대재가 S45C 로 만들어진 경우를 나타내고 도 6 은 상대재가 SUS304 로 만들어진 경우를 나타내며, 마모 흔적은 백색 점선으로 각각 둘러싸인 영역으로 나타나 있는데, 본 발명의 시험편은 종래 기술의 시험편 보다 작은 마모 흔적을 갖고 있으며, 또한 본 발명품은 더 우수한 내마모성을 가짐을 알 수 있다. 특히, 상대재가 S45C 로 만들어진 도 5 에서, 도 5b 의 종래기술 시험편에서는 그 시험편에 대한 상대재의 부착과 코팅막의 박리가 나타났다. 반면에, 도 5a 의 본 발명의 시험편에서는 그러한 부착과 박리는 거의 나타나지 않았으며, 그래서 우수한 내마모성과 결합 강도가 얻어진다.
도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태를 상세히 설명했지만, 이 실시 형태들은 단지 예일 뿐이고, 당업자의 지식에 기초하여 본 실시 형태들을 변경 또는 수정해서 본 발명을 다양한 형태로 실시할 수 있다.
본 발명의 경질 코팅막에서 제 2 층은 우수한 내마모성을 얻게 해주는 AlCrN 또는 AlCrDN 으로 만들어진다. 제 1 층은 최상부 층에 제공되고 우수한 내부착성을 얻게 해주는 (Cr1 -a- bBa(SiC)b)(CcOdN1 -c-d) 로 만들어진다. 공구 모재와 제 2 층 사이에 있는 제 3 층은 증대된 결합 강도를 얻게 해주는 Al, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr 및 W 중의 1종 이상의 원소를 포함하는 금속의 질화물, 탄질화물 또는 탄화물로 만들어진다. 이리 하여, 장기간에 걸쳐 우수한 내마모성과 내부착성을 안정적으로 얻을 수 있다. 스테인레스강을 절삭 가공할 때에도 또는 부착되기 쉬운 작업 소재를 절삭 가공할 때에도 박리 및 칩핑으로 인한 마모의 발생이 억제될 수 있다. 이 결과, 소정의 절삭 성능을 안정적으로 얻을 수 있으면서 양호한 가공면을 얻을 수 있다. 본 발명의 경질 코팅막은 절삭 가공을 위한 절 삭 공구 등의 경질 코팅막으로서 바람직하게 채용될 수 있다.
10 : 엔드 밀(경질 코팅막 피복 가공 공구)
12 : 공구 모재(소정 부재)
20 : 경질 코팅막
22 : 제 1 층
24 : 제 2 층
26 : 제 3 층

Claims (5)

  1. 소정 부재의 표면에 형성되고 우수한 내마모성과 내부착성을 갖는 경질 코팅막으로서,
    상기 소정 부재의 표면과 접촉하여 형성되는 제 3 층과, 상기 제 3 층 위에 형성되는 제 2 층, 및 상기 제 2 층 위에 형성되어 표면을 이루는 제 1 층으로 구성되는 3층 구조를 포함하며,
    상기 제 1 층은 (Cr1-a-bBa(SiC)b)(CcOdN1-c-d) 로 만들어지고 (단,SiC 는 탄화규소이고, 또한 a, b, c 및 d 는 0≤a≤0.2, 0.01≤b≤0.2, 0≤c≤0.5 및 0≤d≤0.3 의 범위에 있는 원자비를 각각 나타낸다).
    상기 제 2 층은 AlCrN 또는 AlCrDN 으로 만들어지며 (단, D 는 원소 주기율표의 IVa 족, Va 족, VIa 족(Cr 은 제외함) 및 Y 중의 1종 원소 또는 SiC(탄화규소)를 포함한다), 그리고
    상기 제 3 층은 Al, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr 및 W 중의 1종 이상의 원소를 포함하는 금속의 질화물, 탄질화물 또는 탄화물로 만들어지는 경질 코팅막.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 층과 제 2 층 사이의 경계부에는, 제 1 층과 제 2 층의 형성 처리의 전환 타이밍을 어긋나게 하여 그 형성 처리가 소정 시간 동안 중복됨으로써 제 1 층과 제 2 층 모두의 조성을 갖는 제 1 층과 제 2 층의 혼합층이 형성되어 있고,
    상기 제 2 층과 제 3 층 사이의 경계부에는, 제 2 층과 제 3 층의 형성 처리의 전환 타이밍을 어긋나게 하여 그 형성 처리가 소정 시간 동안 중복됨으로써 제 2 층과 제 3 층 모두의 조성을 갖는 제 2 층과 제 3 층의 혼합층이 형성되어 있는 경질 코팅막.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층의 전체 막두께 (Ttotal) 는 0.05 ∼ 15 ㎛ 의 범위에 있고,
    제 1 층의 막두께 (T1) 는 전체 막두께 (Ttotal) 의 1 ∼ 50 % 이고,
    제 3 층의 막두께 (T3) 는 전체 막두께 (Ttotal) 의 1 ∼ 25 % 이며,
    제 2 층의 막두께 (T2) 는 (Ttotal - T1 - T3) 인 경질 코팅막.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 경질 코팅막으로 피복된 표면을 갖는 공구 모재를 포함하는 경질 코팅막 피복 가공 공구.
  5. 제 3 항에 기재된 경질 코팅막으로 피복된 표면을 갖는 공구 모재를 포함하는 경질 코팅막 피복 가공 공구.
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