KR101297298B1

KR101297298B1 - 절삭공구용 코팅층

Info

Publication number: KR101297298B1
Application number: KR1020110053757A
Authority: KR
Inventors: 조성우; 김한성; 이동열; 한대석; 서영호; 안선용; 박동복
Original assignee: 한국야금 주식회사
Priority date: 2011-06-03
Filing date: 2011-06-03
Publication date: 2013-08-16
Also published as: DE112011101379T5; CN103403222A; CN103403222B; WO2012165696A1; KR20120134669A; US8999532B2; US20130149527A1

Abstract

본 발명은 모재 위에 CVD법으로 하부에서부터 TiN층, TiCN층, 결합층, 알루미나(Al₂O₃)층, 커버층의 순으로 적층 형성한 경질 코팅층으로서 커버층의 조성을 조절함으로써 블라스팅 작업과 같은 별도의 추가 공정을 적용하거나 CVD와 PVD의 혼용공정을 사용하지 않고도 코팅층의 표면잔류응력을 압축응력으로 유지할 수 있고 동시에 커버층을 내마모층으로도 활용할 수 있어, 절삭성능을 개선할 수 있는 절삭공구용 코팅층에 관한 것이다.
본 발명에 따른 코팅층은 모재의 표면에 화학기상증착(CVD)법으로 형성되는 코팅층으로서, 상기 모재의 상부에 형성되고 α상(phase)으로 이루어지며, 주상정(columnar crystal) 조직과 등축정(equiaxed cryatal) 조직이 혼합된 복합조직으로 이루어진 알루미나층과, 상기 알루미나층의 상부에 형성되며, Al_xTi_ySi_zCr_wN (여기서, x+y+z+w=1, x≥0.75, y≥0.2, 0≤z≤0.06, 0≤w≤0.08)으로 이루어지는 커버층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

절삭공구용 코팅층 {COATED LAYER FOR CUTTING TOOLS}

본 발명은 초경합금 모재 위에 형성되는 경질 코팅층에 관한 것으로, 보다 상세하게는 모재 위에 CVD법으로 하부에서부터 TiN층, TiCN층, 결합층, 알루미나(Al₂O₃)층, 커버층의 순으로 적층 형성한 경질 코팅층으로서 종래 커버층으로 널리 사용되어 온 TiN/TiCN층과 다른 조성의 커버층을 통해 블라스팅 작업과 같은 별도의 추가 공정을 적용하거나 CVD와 PVD의 혼용공정을 사용하지 않고도 코팅층의 표면잔류응력을 압축응력 상태로 유지할 수 있으며 동시에 커버층을 내마모층으로도 활용할 수 있어, 절삭성능을 개선할 수 있는 경질 코팅층에 관한 것이다.

초경합금 절삭공구용 경질 코팅층에 널리 사용되어 온 TiCN 박막은 TiCl₄, CH₄ 및 N₂로의 반응가스들을 이용하여 약 1000℃ 정도의 고온에서 반응시켜 형성하는데, 이 과정에서 초경합금 모재로부터 탄소(C)가 TiCN 박막으로 확산하여 모재와 TiCN 박막의 계면에 Co₃W₃C 또는 Co₆W₆C 등과 같은 취성이 강한 경질상이 형성되어 절삭공구의 인성을 저하시키는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서 MTCVD(Moderate Temperature Chemical Vapor Deposition, 이하 'MTCVD'라 함)를 이용한 TiCN 박막의 형성방법이 제안되었는데, 이 방법은 TiCN 형성 시, TiCl₄와 탄소(C), 질소(N)의 소스로 CH₃CN을 사용하여 증착 온도를 약 750 ~ 850℃ 수준으로 낮춤으로써 TiCN 박막을 형성할 때, 초경합금 모재로부터 탄소(C)가 확산되는 것을 억제하여 취성이 강한 Co₃W₃C 또는 Co₆W₆C 과 같은 경질 상이 발생하는 것을 제어함으로써, 코팅 후 형성된 TiCN 박막이 내마모성뿐만 아니라 인성을 갖도록 한데 특징이 있다.

위와 같은 MTCVD TiCN 박막은 그 위에 결합층을 형성한 후 알루미나층과 같은 산화물을 형성한 다층구조로 상용화되어 최근 선삭 및 밀링용 절삭공구에 보편적으로 사용되고 있다.

그리고 절삭 가공 중에는 절삭공구(인서트)와 가공물 간의 마찰로 인하여 박막의 마모와 함께 열이 발생하는데, 모재로부터 MTCVD TiCN층, 결합층, 알루미나 (Al₂O₃)층과 같은 순서의 적층 구조를 갖는 다층박막에서 최상층인 알루미나(Al₂O₃)층의 상부에는 추가로, 절삭공구의 사용 여부를 확인할 수 있게 하거나 또는 타사 제품과의 식별을 위하여 커버층을 형성한다.

그런데, 상기와 같은 전형적인 절삭공구용 CVD 코팅층의 응력상태는, 도 1에 도시된 바와 같이, 알루미나층까지 표면잔류응력이 인장응력상태로 되기 때문에, 잔류응력의 영향으로 내마모 코팅층에 쉽게 파손될 수 있어 절삭가공시 코팅층의 수명이 저하되는 문제점이 있다.

이와 관련하여, 종래에는 블라스팅 처리와 같은 별도의 공정을 사용하여 코팅층의 표면에 압축잔류응력을 부가하거나, CVD법으로 알루미나층 등을 형성한 후 PVD법으로 커버층을 코팅하여 압축잔류응력 상태가 되도록 하는 방법이 시도되어 왔다.

그런데, 블라스팅 공정은 별도의 공정이 추가되는 문제점이 있고, CVD와 PVD의 혼용공정도 작업이 번거로울 뿐 아니라 CVD층과 PVD층 간의 결합력이 좋지 않아 코팅층의 물성이 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 종래의 절삭공구용 경질 코팅층의 문제점을 해결하기 위해 연구개발된 것으로서, CVD법 만으로 모든 코팅이 가능하고 CVD법으로 코팅을 한 후 코팅층의 표면잔류응력이 압축응력상태를 유지할 수 있으며 커버층을 일정 부분 내마모용으로도 사용할 수 있어, 공구수명을 연장시킬 수 있는 절삭공구용 코팅층을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명은, 모재의 표면에 화학기상증착(CVD)법으로 형성되는 코팅층으로서, 상기 모재의 상부에 형성되고 α상(phase)으로 이루어지며 주상정(columnar crystal) 조직과 등축정(equiaxed cryatal) 조직이 혼합된 복합조직으로 이루어진 알루미나층과, 상기 알루미나층의 상부에 형성되며, Al_xTi_ySi_zCr_wN (여기서, x+y+z+w=1, x≥0.75, y≥0.2, 0≤z≤0.06, 0≤w≤0.08)으로 이루어지는 커버층을 포함하는 절삭공구용 코팅층을 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 절삭공구용 코팅층에 있어서, 상기 w는 커버층의 식별력을 높이기 위해서는 0.01 ~ 0.06인 것이 보다 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 절삭공구용 코팅층에 있어서, 상기 알루미나층의 하부에는 CVD법으로 형성되며 TiC_xO_yN_z(x, y 및 z는 0.4≤x≤0.5, 0.3≤y≤0.4, 0.15≤z≤0.25이며, 동시에 x+y+z=1 을 만족하는 것)로 이루어진 결합층이 형성되고, 상기 결합층은 두께방향으로 성장한 1차 침상조직과, 상기 1차 침상조직의 표면에서 다시 침상 형태로 성장한 2차 침상조직을 갖는 유사 수지상 구조로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 절삭공구용 코팅층에 있어서, 상기 알루미나층은 하기 [식 1]에 의해 구해지는 각 결정면의 집합계수(Texture Coefficient) 중, TC(024)가 2.0 이상이고, TC(116)은 1.8 미만이며, TC(012), TC(104), TC(110), TC(113)은 모두 1.3 미만이다.

[식 1]

TC(hkl) = I(hkl)/Io(hkl) × {(1/n)×ΣI(hkl)/Io(hkl)}^-1

I(hkl) : 결정면의 회절강도

Io(hkl) : ASTM 표준 분말 회절 자료의 표준 회절강도

n : 계산에 사용되는 결정면 수

(hkl) : (012), (104), (110), (113), (024), (116)

또한, 본 발명에 따른 절삭공구용 코팅층에 있어서, 상기 알루미나층의 상부에는 0중량% 초과 0.05중량% 이하의 함량으로 붕소(B)가 도핑될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 절삭공구용 코팅층에 있어서, 상기 커버층의 두께는 1.5㎛ ~ 3.5㎛인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 절삭공구용 코팅층의 경우, CVD법으로 코팅을 한 후 코팅층의 표면잔류응력이 압축응력 상태가 되기 때문에, 종래와 같이 블라스팅 처리나 PVD법을 혼용하는 방법을 사용하지 않아도 되기 때문에 간소화된 공정으로 공구수명을 연장시킬 수 있게 한다.

또한, 본 발명에 따른 커버층은, 타제품과 식별력을 부여함은 물론, 75원자% 이상의 알루미늄을 포함하고 있어, 절삭가공 중에 알루미늄이 공기 중의 산소와 결합하여 알루미늄 산화물을 형성할 수 있어, 부분적으로 내마모층으로도 기능할 수 있어, 추가적인 절삭성능의 향상을 기대할 수 있다.

도 1은 종래의 CVD법으로 형성한 코팅층의 두께에 따른 응력상태를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 코팅층의 결합층의 미세조직을 보여주는 SEM 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 코팅층의 알루미나층의 미세조직을 보여주는 SEM 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예(Al85)에 따라 형성한 코팅층의 두께에 따른 응력상태를 보여주는 도면이다.
도 5는 커버층의 Al 함량에 따른 코팅층의 표면잔류응력의 측정결과를 보여주는 그래프이다.
도 6은 커버층의 Al 함량에 따른 코팅층의 파손율의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 7은 커버층의 두께에 따른 코팅층의 표면잔류응력의 변화를 보여주는 그래프이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.

본 발명에 따른 절삭공구용 코팅층은, 모재의 표면에 화학기상증착(CVD)법으로 형성되며, 상기 모재의 상부에 형성되고 α상(phase)으로 이루어지며, 주상정(columnar crystal) 조직과 등축정(equiaxed cryatal) 조직이 혼합된 복합조직으로 이루어진 알루미나층과, 상기 알루미나층의 상부에 형성되며, Al_xTi_ySi_zCr_wN (여기서, x+y+z+w=1, x≥0.75, y≥0.2, 0≤z≤0.06, 0≤w≤0.08)으로 이루어지는 커버층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 절삭공구용 코팅층은 종래의 CVD 알루미나 코팅층과 비교할 때 다음과 같은 차이가 있다.

첫째로, 본 발명에 따른 코팅층은 커버층으로 종래의 TiN/TiCN층 대신에 Al을 다량 함유하는 Al_xTi_ySi_zCr_wN층을 형성한 것을 특징으로 한다.

PVD법으로는 Al_xTi_ySi_zCr_wN층은 상 분리 없이 Al의 함량을 0.65 이상 함유시키기 어려웠으나, LPCVD법을 사용할 경우 Al의 함량을 0.75 이상으로 높게 함유시킬 수 있다. 본 발명과 같이 Al_xTi_ySi_zCr_wN층을 커버층으로 사용하게 되면, 기존의 블라스팅 공정이나 CVD-PVD 혼용공정을 사용할 필요없이, 코팅층의 표면잔류응력을 압축상태로 만들 수 있다. 따라서 인장 상태의 코팅층에 비해 절삭공구의 수명을 개선할 수 있게 된다. 또한, Al_xTi_ySi_zCr_wN층에 포함된 Al은 절삭가공 시 산화되어 알루미나와 유사한 역할을 하게 되어, 단순히 장식적 또는 식별적인 역할에 추가하여 내마모층으로도 일정 부분 기여할 수 있어, 공구의 수명을 보다 연장시킬 수 있다. 상기 Al의 함량이 0.75 미만일 경우, 충분한 압축잔류응력과 내산화성 향상을 기대할 수 없기 때문에 0.75 이상으로 하는 것이 바람직하다.

한편 Al을 다량 함유시킨 Al_xTi_ySi_zCr_wN층이 절삭가공 시 장시간 고온에 노출되면 fcc 결정구조로부터 Al 또는 Ti 성분으로 상 분리가 발생할 수 있고 이러한 상 분리는 고온경도의 저하로 이어져 절삭성능을 저하시키는 문제를 일으킬 수 있는데, 본 발명에서는 Si와 Cr의 첨가를 통해 고온경도의 저하를 보전하며, 이와 동시에 커버층에 독특한 컬러를 부여하여 장식적 또는 식별적 용도로도 사용될 수 있게 한다.

상기 Si은 TiAlN계 박막에 첨가되어 TiAlN 내에서 나노 스케일의 Si₃N₄로 상 분리되어 수많은 계면을 형성하고 이로 인한 강화 효과를 통해 상온경도 및 고온경도를 향상시키는 성분으로, 그 함량이 0.06을 초과하여 첨가될 경우 Si 단일상 또는 비정질 Si₃N₄이 많이 형성되어 물성이 떨어지기 때문에 0.06 이하로 첨가되는 것이 바람직하며, 소량이 첨가되어도 소정의 효과를 기대할 수 있으나, 상기한 고온강화 효과를 충분히 얻기 위해서는 0.01 이상으로 첨가되는 것이 보다 바람직하다.

상기 Cr은 Si와 같이 TiAlN계에 첨가되어 고용강화 효과에 의한 고온 경도향상과 함께 특유의 컬러(밝은 회색)를 부여할 수 있게 하는 성분으로, 0.01 미만으로 첨가될 경우 그 효과가 미미하고, 0.07을 초과하여 첨가될 경우 Cr이 격자 내에 고용된 상태로 존재하지 못하기 때문에 0.07 이하로 첨가되는 것이 바람직하며, 0.01 ~ 0.06으로 첨가되는 것이 보다 바람직하다.

둘째로, 본 발명에 따른 코팅층은 α-알루미나층의 미세조직이, 종래의 주상정 단일조직으로 이루어진 조직과 달리, 주상정 조직과 등축정 조직이 혼합된 복합조직으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이와 같이 복합조직으로 이루어진 α-알루미나층은 종래의 주상정 단일조직으로 이루어진 것에 비해, 충격이 발생하는 단속가공에서 공구수명을 보다 연장시키는 효과를 얻을 수 있게 한다. 또한, 상기 α-알루미나층 박막의 형성시에 BCl₃의 형태로 붕소(B)를 상부에만 일부 도핑하는데, 이는 알루미나 형성시 상부에 도핑되는 붕소(B)가 알루미나의 결정조직을 하부 주상정 조직, 상부 등축정 조직의 혼합조직으로 변화시키는 작용을 하기 때문이다. 붕소(B)의 부분 도핑으로 형성된 α-Al₂O₃ 표면는 주상정 조직의 패싯(facet) 형상에서 육각 판상형으로 변화하고 이는 코팅층의 절삭성능에 영향을 미친다. 한편, 붕소의 도핑량이 0.05중량%를 초과할 경우 붕소화합물을 형성하여 코팅층의 절삭성능을 오히려 저하시킬 수 있기 때문에, 0.05중량% 이하로 도핑하는 것이 바람직하다.

셋째로, 본 발명에 따른 코팅층은, 결합층의 미세조직이 수직 및 수평으로 돌출한 다수의 돌출부를 구비한 유사 수지상(dendrite) 구조를 갖기 때문에 이 위에 형성되는 α-Al₂O₃ 층은 결합층과 물리적으로 강한 결합력을 가질 수 있어, 결합력의 저하로 인한 절삭공구의 성능 저하를 막을 수 있다. 한편, 결합층의 조성범위가 본 발명에서 한정한 범위 내에 있지 않은 경우에는 유사 수지상 구조가 잘 형성되지 않으므로, 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다.

[실시예]

본 발명의 실시예에 따른 경질 코팅층은 초경합금, 서멧(cermet) 또는 세라믹 등으로 이루어진 모재에 적용될 수 있는데, 본 발명의 실시 예에서는 초경합금으로 제조된 인써트를 사용하여, TiN층, MT-TiCN층, TiC_xO_yN_z 결합층, 알루미나층, Al_xTi_ySi_zCr_wN층 순으로 코팅층을 형성하였다.

(1) TiN층

TiN은 초경합금 모재 위에 최 내층으로써 형성되는 층이며, 850~900℃의 온도에서 약 5.4vol% TiCl₄와 55.8vol% H₂, 38.8vol% N₂를 유입하며 150~200mbar의 압력을 유지하며 약 2.2㎛ 두께로 형성하였다.

(2) MT-TiCN층

상기 TiN 층 상에 주상정 조직을 갖는 TiCN층을 MTCVD 법으로 형성하였으며 증착온도는 약 850~900℃를 유지하고 반응가스로써 약 47% H₂, 40% N₂, 12% TiCl₄, 1% CH₃CN을 유입하였고, 70~90mbar의 증착압력을 유지하며 약 7~8㎛ 두께로 형성하였다.

(3) 결합층

상기 MT-TiCN층 상에 결합층으로 TiC_xO_yN_z (x, y 및 z는 0.4≤x≤0.5, 0.3≤y≤0.4, 0.15≤z≤0.25이며, 동시에 x+y+z=1 을 만족하는 것)의 조성을 갖는 박막을 형성한다. TiC_xO_yN_z층의 증착은 약 1000℃, 100 ~ 150mbar의 증착 온도와 압력하에서, 반응가스(75% H₂, 19% N₂,3.0% CH₄, 2.0% CO, 1.5% TiCl₄)를 유입하는 조건으로 실시하며, 본 발명의 실시예에서 형성한 박막을 TEM으로 분석한 결과 도 1에 보여지는 바와 같이 1차 침상이 형성되고 그 1차 침상의 표면에 다시 2차 침상이 형성된 2중 침상구조의 유사 수지상의 미세조직으로 이루어졌으며, TEM EDS로 분석한 결과 박막의 조성은 TiC_0.43N_0.36O_0.21였다.

(4) 알루미나층

상기 결합층 상에 형성하는 알루미나층은 (024)면이 우성성장하며 주상정과 등축정이 복합된 결정구조를 갖는 α-Al₂O₃ 층을 형성한다. 알루미나층의 증착 조건은 2단계로 나누어지는데, 1단계는 약 1000 ~ 1005℃, 55 ~ 75mbar의 증착 온도 및 압력하에서 약 78%의 H₂와 3.5%의 CO₂, 0.28%의 H₂S와 3 ~ 4%의 HCl를 유입하며 동시에 Al₂O₃ 생성에 필요한 AlCl₃ 발생장치에는 335℃의 반응온도를 유지하고, 10.4%의 H₂와 5%의 HCl을 유입함으로써 일정한 두께의 Al₂O₃를 형성한 후, 다시 2단계로 1단계와 동일한 Al₂O₃ 증착 공정 중에 0.1 ~ 0.25%의 BCl₃를 유입하여, α-Al₂O₃ 층의 미세조직이 주상정의 상부에 등축정이 형성된 2상 혼합조직이 되도록 하였다. 이와 같은 과정을 통해 형성된 α-Al₂O₃층의 우선성장방향을 XRD로 분석하고 결정면의 집합계수를 하기 식 1로 산출한 결과, 산출한 결과, 하기 표 1에 나타낸 바와 같이, (024) 방향으로 우선성장하고 있음이 확인되었다.

[식 1]

TC(hkl) = I(hkl)/Io(hkl) × {(1/n)×ΣI(hkl)/Io(hkl)}^-1

I(hkl) : 결정면의 회절강도

Io(hkl) : ASTM 표준 분말 회절 자료의 표준 회절강도

n : 계산에 사용되는 결정면 수

(hkl) : (012), (104), (110), (113), (024), (116)

본 발명의 알루미나층 XRD 분석결과

(hkl)	(012)	(104)	(110)	(113)	(024)	(116)
TC	1.123	0.278	0.496	0.611	2.338	1.154

즉, 본 발명에 따른 알루미나층의 TC(024)가 2.0 이상이고, TC(116)은 1.8 미만이며, TC(012), TC(104), TC(110), TC(113)은 모두 1.3 미만이었다.

(5) AlTiSiCrN층

이상과 같이 2상 혼합조직으로 형성된 알루미나층의 상부에는 LPCVD법을 사용하여, 하기 표 2와 같은 조성을 갖는 6종류의 Al_xTi_ySi_zCr_wN층을 형성하였다.

이때, AlTiN을 형성하기 위한 반응가스로서는 H₂, NH₃, TiCl₄ 및 AlCl₃를 사용하였다. 이중 AlCl₃는 별도의 생성장치를 사용하여 H₂, HCl, Al칩(chip)의 화학반응으로 제조하였고, 고온 경도와 내산화성 향상을 위해 첨가되는 Si은 SiCl₄용액을 기화시켜 LPCVD 반응로에 유입시키는 방법을 통해 박막 내에 첨가하였다. 또한, 고온경도 향상을 위해서 선택적으로 첨가되는 Cr은 별도의 발생장치에서 700℃ 정도의 온도를 유지하며 Cr칩과 H₂ 및 HCl의 화학반응을 통해 CrCl₄를 형성한 후 LPCVD 반응로에 유입시키는 방법을 통해 박막 내에 첨가하였다. 박막 형성 시 증착 온도는 750 ~ 850℃로 하였으며, 증착 압력은 20 ~ 150mbar를 유지하였다. 이와 같은 공정을 통해 두께 약 1.7㎛로 형성한 커버층은 하기 표 2와 같다.

종류	커버층 조성	코팅 조건 (800℃, 50mbar)	비고
Al65	Al₀ _.64Ti₀ _.29Si₀ _.04Cr₀ _.03N	H₂, NH₃, AlCl₃/TiCl₄=3.0, 2.0ml/min SiCl₄, 1.0 l/min CrCl₄	비교예
Al70	Al₀ _.71Ti₀ _.22Si₀ _.04Cr₀ _.03N	H₂, NH₃, AlCl₃/TiCl₄=3.4, 2.0ml/min SiCl₄, 1.0 l/min CrCl₄	비교예
Al75	Al₀ _.74Ti₀ _.19Si₀ _.04Cr₀ _.03N	H₂, NH₃, AlCl₃/TiCl₄=3.8, 2.0ml/min SiCl₄, 1.0 l/min CrCl₄	실시예
Al80	Al₀ _.79Ti₀ _.14Si₀ _.04Cr₀ _.03N	H₂, NH₃, AlCl₃/TiCl₄=4.2, 2.0ml/min SiCl₄, 1.0 l/min CrCl₄	실시예
Al85	Al₀ _.84Ti₀ _.09Si₀ _.04Cr₀ _.03N	H₂, NH₃, AlCl₃/TiCl₄=4.6, 2.0ml/min SiCl₄, 1.0 l/min CrCl₄	실시예
Al90	Al₀ _.89Ti₀ _.06Si₀ _.03Cr₀ _.02N	H₂, NH₃, AlCl₃/TiCl₄=5.0, 2.0ml/min SiCl₄, 1.0 l/min CrCl₄	실시예

이상과 같이 제조한 코팅층 중 Al85의 잔류응력을 두께방향을 따라 측정한 결과, 도 4에서 확인되는 바와 같이, 표면으로부터 약 10㎛까지, 즉 알루미나층까지 압축응력상태로 되어 있음이 확인되었다.

또한, 상기 표 2의 모든 코팅층의 표면잔류응력을 측정한 결과, 도 5에서 보여지는 바와 같이, Al의 함량이 0.75 미만일 경우 인장상태를 나타내며, Al의 함량이 0.75일 경우 거의 잔류응력이 없는 상태로 유지되며, Al의 함량이 0.8 이상이 되면 압축상태가 됨을 알 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 커버층의 두께에 따른 절삭성능의 차이를 확인하기 위하여, 상기 표 2의 Al85의 조성과 유사한 조성을 갖는 커버층을 하기 표 3과 같은 두께로 형성하였다.

종류	커버층 조성	박막 두께 (㎛)	비고
1	Al75 (Al₀ _.74Ti₀ _.19Si₀ _.04Cr₀ _.03N)	1.0	비교예
2		1.5	비교예
3		2.0	실시예
4		2.5	실시예
5		3.0	실시예
6		3.5	실시예

이상과 같이 제조한 코팅층의 절삭성능을 평가하기 위하여, 열화학적 마모 및 산화에 의한 마모가 발생하는 절삭 가공을 다음과 같은 조건으로 실시하였다.

- 피삭재 : SCM 440 실린더(직경 300㎜×길이 600㎜, 4개의 그루브 포함)

- 절삭속도(Vc) : 230m/min

- 이송속도(fn) : 0.3mm/rev

- 절입량(ap) : 1.5mm

- 가공방식 : 습식 가공

- 가공시간 : 각 샘플 종류 당 30분

이상과 같은 절삭 가공조건을 통해 절삭공구의 파손율을 측정하였는데, 파손율은 동일한 종류의 샘플을 20개 준비하여 샘플당 30분 가공을 실시할 때, 샘플의 인선 파손빈도를 확인하는 것이며 30분 가공 후 인선에 치핑 및 파손이 없으면 정상, 30분 가공 후 인선에 치핑 및 파손이 있으면, 파손으로 판정하였으며, 구체적으로 파손율은 하기 식 2로 구하였다. 그리고 이와 같은 평가를 Al65 ~ Al90의 총 6종류에 대하여 평가하였다.

[식 2]

파손율(%) = (파손 샘플수 / 총 샘플 수) × 100

도 6은 커버층의 Al 함량에 따른 코팅층의 파손율의 변화를 보여주는 그래프이다. 도 6에서 확인되는 바와 같이, 커버층에서 Al의 함량이 증가할수록 표면잔류응력은 압축상태가 강화되고, 그에 따라 파손율로 Al 급격하게 감소함을 알 수 있다. Al함량이 원자%로 75% 이상일 때에 양호한 파손율을 나타냄을 알 수 있다.

도 7은 커버층의 두께에 따른 코팅층의 표면잔류응력의 변화를 보여주는 그래프이다. 도 7에서 확인되는 바와 같이, 두께가 1.5㎛ 미만일 경우, 코팅층의 압축잔류응력이 0.8GPa 미만이 되어 충분하지 않고, 두께가 3.0㎛를 초과할 경우 커버층의 부분적인 박리가 일어나므로, 커버층의 두께는 1.5 ~ 3.0㎛가 바람직하다.

Claims

모재의 표면에 화학기상증착(CVD)법으로 형성되는 코팅층으로서,
상기 모재의 상부에 형성되고 α상(phase)으로 이루어지며, 주상정(columnar crystal) 조직과 등축정(equiaxed cryatal) 조직이 혼합된 복합조직으로 이루어진 알루미나층과,
상기 알루미나층의 상부에 형성되며, Al_xTi_ySi_zCr_wN (여기서, x+y+z+w=1, x≥0.75, y≥0.2, 0≤z≤0.06, 0≤w≤0.08)으로 이루어지는 커버층을 포함하고,
상기 알루미나층의 하부에는 CVD법으로 형성되며 TiC_xO_yN_z(x, y 및 z는 0.4≤x≤0.5, 0.3≤y≤0.4, 0.15≤z≤0.25이며, 동시에 x+y+z=1 을 만족하는 것)로 이루어진 결합층이 형성되고,
상기 결합층은 두께방향으로 성장한 1차 침상조직과 상기 1차 침상조직의 표면에서 다시 침상 형태로 성장한 2차 침상조직을 갖는 유사 수지상 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 절삭공구용 코팅층.
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제 1 항에 있어서,
상기 알루미나층은 하기 [식 1]에 의해 구해지는 각 결정면의 집합계수(Texture Coefficient) 중, TC(024)가 2.0 이상이고, TC(116)은 1.8 미만이며, TC(012), TC(104), TC(110), TC(113)은 모두 1.3 미만인 것을 특징으로 하는 절삭공구용 코팅층.
[식 1]
TC(hkl) = I(hkl)/Io(hkl) × {(1/n)×ΣI(hkl)/Io(hkl)}^-1
I(hkl) : 결정면의 회절강도
Io(hkl) : ASTM 표준 분말 회절 자료의 표준 회절강도
n : 계산에 사용되는 결정면 수
(hkl) : (012), (104), (110), (113), (024), (116)
제 1 항에 있어서,
상기 알루미나층의 상부에는 0중량% 초과 0.05중량% 이하의 함량으로 붕소(B)가 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 코팅층.
제 1 항에 있어서,
상기 커버층의 두께는 1.5㎛ ~ 3.5㎛인 것을 특징으로 하는 절삭공구용 코팅층.