KR101386292B1 - 코팅된 드릴과 이를 제조하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초경합금 또는 고속도 강 기재와 코팅을 포함하는 트위스트 드릴에 관한것으로서, 이 코팅은,
- 상기 드릴의 실질적으로 전체 작용부를 덮는 다층 구조를 갖는 제 1 층 시스템과,
- 상기 드릴의 선단 영역만을 덮는 다층 구조를 갖는 제 2 층 시스템을 포함한다.
본 발명에 따른 드릴은 드릴의 재조정시 양호한 내마모성과 향상된 특성을 갖는다.
본 발명은 본 발명에 따른 드릴의 제조 방법에도 관한 것이다.
트위스트 드릴, 다층 구조, 내마모성

Description

코팅된 드릴과 이를 제조하는 방법{COATED DRILL AND A METHOD OF MAKING THE SAME}
본 발명은 제 1 및 제 2 층 시스템으로 코팅된 금속 가공용 트위스트 드릴에 관한 것이며, 제 1 층 시스템은 트위스트 드릴의 실질적으로 전체 작용부에 걸쳐 적층되어 있으며, 제 2 층 시스템은 트위스트 드릴의 선단 영역에만 적층되어 있다. 본 발명은 본 발명에 따른 그러한 트위스트 드릴을 제조하는 방법에도 관한 것이다.
흔히, 경질재로 트위스트 드릴을 코팅하여 내마모성을 향상시킴으로써 공구 수명이 길어진다. 절삭이 일어나는 트위스트 드릴의 선단 영역은 고 내마모성을 갖는 것이 유리하고, 트위스트 드릴의 다른 부분은 예를 들어 칩 이송을 증진시키기 위해 작은 마찰력과 매끈함의 특성을 갖는 것이 유리하다. 칩 이송은 드릴링된 깊이가 공칭 직경에 비해 상대적으로 클 때 특히 중요하다. 몇 몇의 경우에, 칩 플루트 (chip flute) 를 코팅함으로써, 코팅되지 않은 드릴에 비해 칩 이송이 저하될 수 있다. 그러므로, 트위스트 드릴의 상이한 부분들에 대해 최적의 특성을 달성시키는 것은 어려울 수 있으며, 이를 달성하기 위한 몇 차례의 시도가 있었다.
특히 원통형 랜드를 따라 코팅되는 트위스트 드릴에 적용되는 다른 문제점 은, 피팅 (pitting) 또는 피팅 마모에 관한 것이며, 원통형 랜드와 일반적으로 드릴 코너에 인접한 영역에서의 내마모성 코팅의 스폴링 (spalling) 을 포함한다.
피팅은 적층된 코팅의 스폴링 뿐만 아니라 트위스트 드릴로부터의 기재의 일부도 포함한다. 처음 드릴이 사용될 때, 드릴의 수명을 결정하는 영역인 주 절삭날과 경사면 (rake face) 은 피팅에 의해 영향을 받지 않기 때문에 문제되지 않는다. 코너와 주 절삭날로부터 작은 간격을 두고 피팅이 나타난다. 그러나, 드릴이 재조정될 때, 흔히 길이가 어느 정도 줄어들게 되며 이로써 마모 영역이 절삭 영역에 근접하게 되어 피팅은 재조정된 드릴의 수명에 해로울 수 있다. 초경합금 트위스트 드릴은 매우 비싸기 때문에 이 드릴은 여러번 절삭되고 재연마되고 재코팅될 필요가 있으며, 따라서 이를 가능하게 하기 위해 피팅은 최소화되어야 한다.
최근, 일반적으로 다층 구조를 가지며 주 절삭날과 경사면의 마모 보호성에 대해 특히 유용한 새로운 유형의 경질 코팅이 개발되어 왔다. 그러나, 불행히도, 그러한 코팅은 심각하게 상기 피팅을 형성하는 경향이 있다.
EP 0 983 393 B 는, 절삭날의 경도를 향상시키고 내마모성을 향상시키는 비주기성 다층 코팅을 기술한다. 그러한 코팅의 실시예에는 나노미터 범위의 개별적인 두께, 3 ㎚ ~ 100 ㎚ 의 두께를 갖는 TiN 과 (Ti,Al)N 층이 교번되어 있다.
JP 7237046A 는 드릴에 코팅을 적층시키는 방법을 기술하고, 여기서 드릴 본체의 나머지 부분에 비해 선단 영역에서 코팅은 더 두꺼워진다. 이 두께의 차 이는 느슨한 맞춤 금속 원통으로 드릴을 부분적으로 덮어서 발생되며 이로 인해 드릴 선단으로부터 멀리서 적층되는 재료의 양은 점차적으로 더 감소한다.
US 6,688,817 B2 는 단지 선단에 연마재를 가함으로써 즉, 표면을 거칠게하기 위해 마이크로블라스팅 작업을 함으로써 전처리되는 드릴을 기술한다. 그 후에, 실질적으로 전체 드릴이 경질재로 코팅된다. 코팅 후에 코팅된 드릴은 드릴의 나머지 부분에 비해 드릴 선단상에 더 큰 표면 거칠기를 갖는다.
DE 196 02 030A 는 선단만 코팅되고 드릴의 나머지 부분은 코팅되지 않은 드릴을 기술한다. 코팅은 TiN, (Ti,Al)N 또는 Ti(C,N) 일 수 있다.
본 발명의 목적은, 트위스트 드릴의 선단 영역이 양호한 내마모성을 가지고 그의 다른 부분은 양호한 칩 이송 특성을 갖는 트위스트 드릴을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 재연마 및 재코팅을 포함하는 재조정에 대해 매우 적합한 트위스트 드릴을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 피팅 (fitting) 형성이 덜 되는 경향이 있는 트위스트 드릴을 제공하는데 있다.
상기 목적들은, 트위스트 드릴의 전체 작용부에 제 1 층 시스템이 적층되고 트위스트 드릴의 선단 영역에만 제 2 층 시스템이 적층되어 있는 트위스트 드릴을 제공함으로써 달성될 수 있다. 제 2 층 시스템이 상대적으로 국소부를 덮을 뿐 만 아니라, 기재에 직접적으로 적층되지 않고 제 1 층 시스템상에 적층되기 때문에, 피팅 형성을 피할 수 있으며, 이로써 제 2 층 시스템이 스폴링되더라도, 제 1 층 시스템은 영향을 받지 않는다.
도 1 과 도 2 는 트위스트 드릴과 그 선단 영역의 개략도를 나타낸다.
1 - 작용부
2 - 선단 영역
3 - 칩 플루트 (flute)
4 - 원통형 랜드 (가장자리)
5 - 주 절삭 날
6 - 코너
7 - 경사면
본 발명은 바람직하게는 초경합금 또는 고속도강의 기재 본체와 2 층 시스템을 포함하는 코팅을 갖는 코팅된 트위스트 드릴에 관한 것이다. 트위스트 드릴의 실질적으로 전체 작용부에 제 1 층 시스템이 적층되어 있으며, 제 2 층 시스템은 트위스트 드릴의 선단 영역에만 적층되어 있다. 선단 영역은 드릴의 선단으로부터, 드릴의 기저를 향하여 드릴 직경의 0.30 배 ~ 1.5 배의 거리에 이르는 영역으로 규정된다.
드릴은 0.50 ㎜ ~ 35 ㎜ 의 직경, 더 바람직하게는 2.0 ㎜ ~ 25 ㎜ 의 직경을 갖는 것이 바람직하다.
제 1 층 및 제 2 층 시스템 양자는 다층 시스템이며, 제 1 층 및 제 2 층 시 스템은 각각의 층의 두께와 평균 화학적 조성에 있어서 동일할 수도 있고 또는 상이할 수 있다. 여기서, 다층 구조란 적어도 5 개, 바람직하게는 적어도 10 개의 개별적인 층을 포함하는 구조를 의미한다. 그러나, 다층 구조는 최대 수 천개의 개별적인 층을 포함할 수도 있다.
각각의 층 시스템은 비주기성, 주기성 또는 이들의 조합일 수 있다. 층 시스템의 개별적인 층의 두께는 0.5 ㎚ ~ 200 ㎚ 일 수 있다.
제 1 층 및 제 2 층 시스템의 적당한 전체 두께는 코팅의 화학적 조성과 드릴의 정확한 형상에 의해 결정된다.
일 실시형태에서, 주변면에서 측정되는 제 1 층 시스템의 전체 두께는 0.5 ㎛ ~ 5 ㎛, 바람직하게는 0.5 ㎛ ~ 3 ㎛ 이다.
다른 실시형태에서, 주변면에서 측정되는 제 2 층 시스템의 전체 두께는 0.5 ㎛ ~ 5 ㎛, 바람직하게는 0.5 ㎛ ~ 3 ㎛ 이다.
다른 실시형태에서, 주변면에서 측정되는 제 2 층 시스템의 전체 두께는 3 ㎛ ~ 7 ㎛, 바람직하게는 5 ㎛ ~ 7 ㎛ 이다.
일 실시형태에서, 제 1 및/또는 제 2 층 시스템은 전체 층 시스템에 걸쳐서 또는 층 시스템의 하나 이상의 구역에 있어서 비주기성 구조를 포함할 수 있다.
비주기성이라는 것은, 다층 구조에서의 특정 개별적인 층의 두께가 바로 밑에 있는 개별적인 층의 두께에 의존하지 않으며, 특정 개별적인 층 위의 개별적인 층에도 어떠한 관련이 없는 것으로 이해한다. 그러므로, 다층 구조는 연속된 개별적인 층 두께에 있어서 어떠한 반복적인 주기성을 갖지 않는다.
다층 구조에서의 각각의 개별적인 층의 조성은 두께가 얇아서 인접 층의 포함없이는 용이하게 측정될 수 없다. 측정할 수 있는 것은 전체 다층 구조에 걸친 평균 조성이다. 그러나, 각각의 개별적인 층의 조성은 적층시 개별적인 층을 위해 사용되는 원료인 타겟의 조성으로부터 판단될 수 있으나 이는 정확한 조성을 제공하는 것은 아니다. 개별적으로 분석될 수 있게 충분한 두께로 더 두꺼운 층이 적층될 때, 적층된 층의 조성은 타겟 재료의 조성과 비교하여 몇 퍼센트는 다를 수 있다. 이러한 이유로, 이하에 서술하는 본 발명에 따른 다층 구조의 개별적인 층의 어떠한 조성은 적층 시에 사용되는 타겟의 조성으로부터 판단된다.
제 1 및/또는 제 2 층 시스템에 비주기성 구역이 존재한다면, 비주기성 구역내의 각각의 개별적인 층의 두께는 비주기성 특성으로 인하여 다양할 것이다. 그러나, 개별적인 층의 두께는 0.5 ㎚ 보다는 크지만 100 ㎚ 보다는 작고, 바람직하게는 1 ㎚ 보다는 크지만 50 ㎚ 보다는 작으며, 가장 바람직하게는 2 ㎚ 보다는 크지만 30 ㎚ 보다는 작다. 그러한 다층 구조에서의 10 개의 연속층의 합은 300 ㎚ 미만인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시형태에서, 제 1 및/또는 제 2 층 시스템이 적어도 2 개, 바람직하게는 적어도 5 개의 비주기성 다층 구조를 포함하고, 이 비주기성 다층 구조에는 주기적으로 더 두꺼운 균일층이 교대로 있다. 비주기성 다층 구조에서의 개별적인 층의 두께는 바람직하게는 0.5 ㎚ ~ 100 ㎚, 더 바람직하게는 1 ㎚ ~ 50 ㎚, 그리고 가장 바람직하게는 2 ㎚ ~ 30 ㎚ 이다. 균일 층의 두께는 바람직하게는 25 ㎚ ~ 200 ㎚, 더 바람직하게는 50 ㎚ ~ 120 ㎚ 이다.
제 1 층 및/또는 제 2 층 시스템의 개별적인 층은 질화금속을 포함하며, 1 종 이상의 금속 원소가, 티타늄 (Ti), 알루미늄 (Al), 실리콘 (Si), 크롬 (Cr), 니오브 (Nb), 하프늄 (Hf), 바나듐 (V), 탄탈 (Ta), 몰리브덴 (Mo), 지르코늄 (Zr), 텅스텐 (W), 바람직하게는 티타늄 (Ti), 알루미늄 (Al), 실리콘 (Si), 크롬 (Cr) 에서 선택된다.
본 발명의 일 실시형태에서, 제 1 및/또는 제 2 층 시스템의 평균 화학량론은, 예를 들어 마이크로프로브 또는 EDS 에 의해 트위스트 드릴의 주변면에서 측정되는 경우에, (TiaAlbSicCrd)N 이고, 여기서 0 < a < 0.90, 0.10 < b < 0.70, 0 ≤ c < 0.15, 0 ≤ d < 0.30 그리고 a + b + c + d = 1 이다.
본 발명의 일 실시형태에서, 제 1 층 시스템은 비주기성 다층 구조로서, 이구조는 다른 Ti 함량을 갖는 다양한 (Ti, Al)N 층을 포함하고, 층 시스템의 평균 화학적 조성은 (TixAl1-x)N 이며, 여기서 0.30 < x < 0.70, 바람직하게는 0.40 < x < 0.60 이다.
본 발명의 다른 실시형태에서, 제 1 층 시스템은 적어도 2 개, 바람직하게는 적어도 5 개의 비주기성 다층 구조를 포함하며, 이 구조는 다른 Ti 함량을 갖는 다양한 (Ti,Al)N 층을 포함하며, 비주기성 다층 구조에는 (Ti,Al)N 의 균일층이 반복적으로 교번되어 있다. 균일층의 조성은 (TiyAl1-y)N 이며, 여기서 0.35 < y < 0.65, 바람직하게는 0.40 < y < 0.60 이고, 다층 구조의 평균 조성은 (TizAl1-z)N 이고 여기서 0.50 < z < 0.90, 바람직하게는 0.70 < z < 0.90 이다.
본 발명의 다른 실시형태에서, 제 2 층 시스템은 비주기성 다층 구조이며, 이 구조는 다른 Ti 함량을 갖는 다양한 (Ti,Al)N 층을 포함하며, 층 시스템의 평균 화학적 조성은 (TixAl1-x)N 이고 여기서 0.30 < x < 0.70, 바람직하게는 0.40 < x < 0.60 이다.
본 발명의 다른 실시형태에서, 제 2 층 시스템은 비주기성 또는 주기성 (Ti, Si)N + (Al, Cr)N 의 다층 구조이며, 개별적인 층의 두께는 0.5 ㎚ ~ 200 ㎚ 이며 평균 화학적 조성은 (TiaAlbSicCrd)N 이고 여기서 0.30 < a < 0.75, 바람직하게는 0.40 < a < 0.65 이며, 0.20 < b < 0.45, 바람직하게는 0.20 < b < 0.35 이며, 0 < c < 0.15, 바람직하게는 0.02 < c < 0.10, 0.02 < d < 0.25, 바람직하게는 0.05 < d < 0.20 그리고 a + b + c + d = 1 이다.
본 발명의 일 실시형태에서, 제 2 층 시스템은 비주기성 다층 구조이며, 이 구조는 다른 Ti 함량을 갖는 다양한 (Ti,Al)N 층을 포함하며, 개별적인 층의 두께는 0.5 nm ~ 30 nm 이며, 평균 화학적 조성은 (TikAl1-k)N 이며 여기서 0.50 < k < 0.90 이고 바람직하게는 0.70 < k < 0.90 이다.
여러가지 이유로 다른 색상을 갖는 제 1 및 제 2 층 시스템을 제공하는 것은 유리하다. 우선, 제 2 층 시스템의 다른 색상이 마모 검출에 있어서 유리할 수 있다. 선단 영역은 드릴의 다른 부분에 비해 넓게 마모되기 때문에, 가시적 마모 검출이 매우 유리하다. 가시적 검출은 또한 피팅을 겪게 되는 영역에서 유리하다. 재조정시 마모된 더 넓은 영역을 제거해야 하기 때문에, 가시적 검출 을 용이하게 하는 색상이 바람직하다.
또한 재조정시 다른 색상은 다른 이점을 준다. 일반적으로 드릴의 전체 작용부에 걸쳐 단 하나의 두꺼운 기능적 코팅을 갖는 드릴을 재코팅할 때, 전체 코팅 두께는 각각의 재코팅을 위해 증가한다. 가장자리의 증가된 코팅의 두께가 코너로부터 짧은 거리를 두고 가장자리에서의 마모를 증가시킨다. 그러므로, 드릴이 여러번의 재조정을 거치면, 드릴은 심각한 마모를 제거하기 위해 실질적으로 더 짧은 길이로 절단되어야 할 것이다. 본 발명에 따르면, 제 2 층 시스템은 선단 영역에만 가해지는데, 이 선단 영역은 재조정시에 부분적으로 절삭되며, 따라서 선단 영역이 샤프트를 향한 드릴 상방으로 이동된다. 이로써, 제 1 층 시스템으로만 코팅된 부분이 선단 영역에 진입하고 이 부분은 초기에 빌드-업이 없으므로, 코팅의 빌드-업이 느려지게 된다. 가장자리에서의 마모는 코팅의 두께에 의존하기 때문에, 빌드-업이 덜 할수록 마모가 더 적어진다. 이는, 본 발명에 따른 드릴이 마모부를 제거하기 위해 재조정시 종래 드릴만큼 절단되지 않아도 되고 따라서 여러번 재조정될 수 있다는 것을 의미한다. 따라서 재조정시, 코팅의 빌드-업을 모니터링하기 위해 제 1 및 제 2 층 시스템이 다른 색상을 갖는 것은 매우 유리하다.
제 1 및 제 2 층 시스템의 색상은, 특정 고유 색상을 갖는 코팅을 선택하거나 또는 특정한 색상을 제공하는 얇은 정상층 (top layer) 을 적층함으로써 달성될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 제 1 층 시스템은 또한 바람직하게는 Ti1-xAlxN 의 0.1 ㎛ ~ 1 ㎛ 의 충분한 두께의 정상층을 더 포함하며, 여기서 0.40 ≤ x ≤ 0.70 이며, 바람직하게는 Ti0.33Al0.67N 또는 Ti0.50Al0.50N 이며 가시적인 흑색의 고유 색상을 제공한다.
본 발명의 다른 실시형태에서, 제 2 층 시스템은 제 1 층 시스템보다 더 밝은 색상을 갖는 정상층을 포함하며, 이는 바람직하게는 Ti0.75Al0.25N, Ti0.84Al0.16N, Ti0.90Si0.10N 또는 TiN 의 바람직하게 0.1 ㎛ ~ 1 ㎛ 의 충분한 두께를 갖고 가시적인 청동 또는 황색의 고유 색상을 제공한다.
본 발명은 또한 코팅된 트위스트 드릴을 제조하는 방법에도 관한 것이다. 이 방법은 바람직하게는 초경합금 또는 고속도강의 바람직하게는 0.5 ㎜ ~ 35 ㎜, 더 바람직하게는 2 ㎜ ~ 25 ㎜ 의 직경을 갖는 트위스트 드릴의 형상을 기재 본체에 제공하는 것을 포함한다. 상기 기재상에 2 개의 층 시스템이 종래 PVD 기술을 이용하여 적층되며, 제 1 층 시스템은 실질적으로 전체 작용부에 걸쳐 적층되고 제 2 층 시스템은 드릴의 선단 영역에만 적층된다.
제 1 및 제 2 층 시스템은 개별적인 층의 두께와 화학적 조성에 있어서 동일하거나 또는 다를 수 있다. 각각의 층 시스템은 비주기성, 주기성, 또는 이들의 조합일 수 있다. 층 시스템의 개별적인 층이, 두께가 0.5 ㎚ ~ 200 ㎚ 가 되도록 적층되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시형태에서, 제 1 및/또는 제 2 층 시스템은, 제 1 및/또는 제 2 층 시스템이 전체 층 시스템에 걸쳐서 또는 층 시스템의 하나 이상의 구역에 있어서 비주기성 구조를 포함하도록 하여 적층된다.
층 시스템에 상기 구역이 존재하는 경우에, 비주기성 구조는, 적층 공정에서 개별적인 층 타겟으로부터 셔터를 무작위로 개폐함으로써 또는 상기 타겟을 무작위로 스위치-온 및 스위치-오프함으로써 얻는다. 다른 고려할 만한 방법은 상기 타겟의 전방에서 코팅될 기재를 무작위로 회전 또는 이동시키는 것이다. 이는 바람직하게 비주기성 구조를 얻기 위해 배치된 3 폴드 회전 기재 테이블에 기재를 위치시킴으로써 이루어진다. 3 폴드 회전은 회전 속도 및 시계 또는 반시계의 회전 방향에 대해 조정될 수 있다. 이로써 비주기성 구역이 비주기성 특성으로 인해 다양한 두께를 갖는 개별적인 층을 포함한다.
비주기성 구조는, 개별적인 층의 두께가 0.5 ㎚ 보다 크지만 100 ㎚ 보다는 작고, 바람직하게는 1 ㎚ 보다는 크지만 50 ㎚ 보다는 작고, 가장 바람직하게는 2 ㎚ 보다는 크지만 30 ㎚ 보다는 작도록 하여 적층되는 것이 바람직하다. 그러한 다층 구조에서의 10 개의 연속층의 합은 300 ㎚ 미만이다.
본 발명의 일 실시형태에서, 제 1 및/또는 제 2 층 시스템은, 제 1 및/또는 제 2 층 시스템이 더 두꺼운 균일층들이 주기적으로 번갈아 있는 적어도 2 개, 바람직하게는 적어도 5 개의 비주기성 다층 구조를 포함하도록 하여 적층된다. 비주기성 다층 구조에서의 개별적인 층의 두께는 바람직하게 0.5 ㎚ ~ 100 ㎚, 더 바람직하게는 1 ㎚ ~ 50 ㎚, 가장 바람직하게는 2 ㎚ ~ 30 ㎚ 이다. 균일층의 두께는 바람직하게는 25 ㎚ ~ 200 ㎚, 더 바람직하게는 50 ㎚ ~ 120 ㎚ 이다.
제 1 층 시스템의 적층 후에, 트위스트 드릴의 부분을 기밀 맞춤 금속 원통안으로 배치시켜 보호하여, 제 2 층 시스템의 적층을 위해 선단 영역만을 노출시킨다. 선단 영역은 드릴의 선단으로부터 드릴의 기저를 향하여 드릴의 직경의 0.3 배 ~ 1.5 배의 거리까지의 영역으로 규정된다.
금속 원통은 트위스트 드릴에 기밀 맞춤되어 금속 원통의 내부에서의 적층을 피할 뿐만 아니라 제 2 층 시스템에 대해 선명하고 가시적인 경계선을 갖는다. 이로써 드릴의 각 지점에 전체 코팅 두께의 양호한 제어가 제공된다.
마지막으로, 드릴은 예를 들어 습식 블라스팅, 건식 블라스팅, 연마, 연삭, 브러싱 등에 의해 매끄러운 표면을 얻을 수 있게 후처리되는 것이 바람직하다.
제 1 및 제 2 층 시스템의 적당한 전체 두께는 코팅의 화학적 조성과 드릴의 정확한 형상에 의해 결정된다.
일 실시형태에서, 주변면에서 측정되는 제 1 층 시스템의 전체 두께는 0.5 ㎛ ~ 5 ㎛, 바람직하게는 0.5 ㎛ ~ 3 ㎛ 이다.
다른 실시형태에서, 주변면에서 측정되는 제 2 층 시스템의 전체 두께는 0.5 ㎛ ~ 5 ㎛, 바람직하게는 0.5 ㎛ ~ 3 ㎛ 이다.
다른 실시형태에서, 주변면에서 측정되는 제 2 층 시스템의 전체 두께는 3 ㎛ ~ 7 ㎛, 바람직하게는 5 ㎛ ~ 7 ㎛ 이다.
일 실시형태에서, 제 1 층 시스템의 적층 후에, 드릴이 습식 블라스팅을 이용하여 중간의 후처리 작업을 거친다.
본 발명에 있어서 대부분의 PVD 기술이 이용될 수 있다. 그러나, 제 1 층 및 제 2 층 시스템은, N2 또는 N2 + Ar 의 혼합 가스 분위기에서 티타늄 (Ti), 알루미늄 (Al), 실리콘 (Si), 크롬 (Cr), 니오브 (Nb), 하프늄 (Hf), 바나듐 (V), 탄탈 (Ta), 몰리브덴 (Mo), 지르코늄 (Zr) 또는 텅스텐 (W), 바람직하게는 티타늄 (Ti), 알루미늄 (Al), 실리콘 (Si), 크롬 (Cr) 또는 이들의 혼합물에서 선택된 1 종 이상의 금속 원소의 합금의 2 쌍 또는 3 쌍의 아크 타겟을 사용하는 음극 아크 증착을 이용하여 적층되는 것이 바람직하다.
일 실시형태에서, 적층시 사용되는 타겟은, 예를 들어 마이크로프로브 또는 EDS 에 의해 트위스트 드릴의 주변면에서 측정되는 경우에 제 1 및/또는 제 2 층 시스템의 평균 화학량론이 (TiaAlbSicCrd)N 이고, 여기서 0 < a < 0.90, 0.10 < b < 0.70, 0 ≤ c < 0.15, 0 ≤ d < 0.30 그리고 a + b + c + d = 1 가 되도록 선택된다.
본 발명의 일 실시형태에서, 제 1 층 시스템은, 제 1 층 시스템이 다른 Ti 함량을 갖는 다양한 (Ti,Al)N 층을 포함하는 비주기성 다층 구조를 가지며, 층 시스템의 평균 화학적 조성이 (TixAl1-x)N 이고 여기서 0.30 < x < 0.70, 바람직하게는 0.40 < x < 0.60 이 되도록 적층된다.
본 발명의 다른 실시형태에서, 제 1 층 시스템은, 제 1 층 시스템이 다른 Ti 함량을 갖는 다양한 (Ti, Al)N 층을 포함하는, 적어도 2 개, 바람직하게는 적어도 5 개의, 비주기성 다층 구조를 포함하며, 비주기성 다층 구조에는 (Ti,Al)N 의 균일층이 반복적으로 교번되도록 적층된다. 균일층의 조성은 (TiyAl1-y)N 이며, 여 기서 0.35 < y < 0.65, 바람직하게는 0.40 < y < 0.60 이며, 다층 구조의 평균 조성은 (TizAl1-z)N 이며 여기서 0.50 < z < 0.90, 바람직하게는 0.70 < z < 0.90 이다.
본 발명의 다른 실시형태에서, 제 2 층 시스템은, 제 2 층 시스템이 다른 Ti 함량을 갖는 다양한 (Ti,Al)N 층을 포함하는 비주기성 다층 구조를 포함하고, 층 시스템의 평균 화학적 조성은 (TixAl1-x)N 이며 여기서 0.30 < x < 0.70, 바람직하게는 0.40 < x < 0.60 이 되도록 적층된다.
본 발명의 다른 실시형태에서는, 제 2 층 시스템은, 제 2 층 시스템이 비주기성 또는 주기성의 (Ti,Si)N + (Al,Cr)N 의 다층 구조를 포함하고, (TiaAlbSicCrd)N 의 평균 화학적 조성을 갖는 개별적인 층의 두께는 0.5 ㎚ ~ 200 ㎚ 이며, 여기서 0.30 < a < 0.75, 바람직하게는 0.40 < a < 0.65, 0.20 < b < 0.45, 바람직하게는 0.20 < b < 0.35, 0 < c < 0.15, 바람직하게는 0.02 < c < 0.10, 0.02 < d < 0.25, 바람직하게는 0.05 < d < 0.20 그리고 a + b + c + d = 1 이 되도록 적층된다.
본 발명의 다른 실시형태에서, 제 2 층 시스템은, 제 2 층 시스템이 비주기성 다층 구조를 포함하고, 이 구조는 다른 Ti 함량을 갖는 다양한 (Ti,Al)N 층을 포함하며, 개별적인 층의 두께는 0.5 ㎚~ 30 ㎚ 이고, 평균 화학적 조성은 (TikAl1-k)N 이고 여기서 0.50 < k < 0.90, 바람직하게는 0.70 < k < 0.90 이 되도록 적층된다.
다른 실시형태에서는, 제 1 층 시스템상에 바람직하게 0.1 ㎛ ~ 1 ㎛ 의 충분한 두께의 정상층이 적층된다. 정상층은 Ti1-xAlxN 의 조성을 가지며, 여기서 0.40 ≤ x ≤ 0.70, 바람직하게는 Ti0.33Al0.67N 또는 Ti0.50Al0.50N 이며 가시적인 흑색의 고유 색상을 제공한다.
다른 실시형태에서는, 제 2 층 시스템상에, 제 1 층 시스템보다는 더 밝은 색상을 갖는, 바람직하게는 0.1 ㎛ ~ 1 ㎛ 의 충분한 두께의 정상층이 적층된다. 정상층은 바람직하게 Ti0.75Al0.25N, Ti0.84Al0.16N, Ti0.90Si0.10N 또는 TiN 의 조성을 가지며, 가시적인, 청동 또는 황색의 고유 색상을 제공한다.
실시예 1 (본 발명예)
본 발명에 따른 8 ㎜ 코팅된 드릴이, 10 wt-% Co 와 잔부 WC 의 조성을 갖는 초경합금 드릴에 반응 PVD 아크 방출 증착을 사용하여, 모두 비주기성 다층 구조를 갖는 제 1 및 제 2 층 시스템을 적층시킴으로써 제조되었다. 드릴을 비주기성 구조를 갖기 위해 배치된 3 폴드 회전 기재 테이블상에 장착시켜, 1 과 2 의 2 개의 아크 타겟으로부터 다층 구조를 증착시켰다. 아크 증착이 Ar + N2 분위기에서 수행되었다. 제 1 층 시스템의 적층후에, 드릴은 습식 블라스팅 처리되었다. 제 2 층 시스템을 적층하기 전에, 드릴의 일부가 원통에 의해 보호되어 드릴의 선단 영역만이 제 2 층 시스템으로 코팅되었다. 선단 영역은 선단으로부터 그리고 대략 선단으로부터 10 ㎜ 의 영역이었다. 2 개의 아크 타겟의 조성과 제 1 및 제 2 층 시스템의 평균 조성은 표 1 에 나타나 있다.
다층 구조는 비주기성을 갖는 즉 비 반복적 두께를 갖는 연속된 개별적인 층을 포함하였다. 단면 전자 전송 현미경 검사에 따르면, 개별적인 질화층 두께가 2 ㎚ ~ 30 ㎚ 이고 각 층 시스템에서 층의 전체 갯수는 100 을 초과하였다.
표 1
드릴 No. 층 시스템 타겟1 타켓2 평균 화학적 조성 두께 (㎛)
1
(본 발명예)
 제 1 Ti0.75Al0.25 Ti0.33Al0.67 Ti0.50Al0.50N 1.2
제 2 Ti0.75Al0.25 Ti0.33Al0.67 Ti0.50Al0.50N 6.6
실시예 2 (참고예)
8 ㎜ 코팅된 드릴이 제조되었고, 여기서 드릴은 드릴의 전체 작용부에 걸쳐 1 층 시스템만이 코팅되어 있거나 또는 드릴의 선단 부분만을 덮는 1 층 시스템으로 코팅되었다. 양자의 층 시스템은 비주기성 다층 구조를 갖고 10 wt-% Co 와 잔부 WC 의 조성을 갖는 초경합금 드릴에 반응 PVD 아크 방출 증착을 이용하여 적층되었다. 드릴은 비주기성 구조를 갖기 위해 배치된 3 폴드 회전 기재 테이블상에 장착시켜, 2 개의 아크 타겟으로부터 다층 구조를 증착시켰다. 증착은 Ar + N2 가스 혼합물에서 수행되었다.
선단 영역은 선단으로부터 그리고 선단으로부터 약 10 ㎜ 의 영역이었다. 2 개의 아크 타겟의 조성과 층 시스템의 평균 조성은 표 2 에 나타나 있다.
다층 구조는 비주기성을 갖는 즉 비 반복적 두께를 갖는 연속된 개별적인 층을 포함하였다. 단면 전자 전송 현미경 검사에 따르면, 개별적인 질화층 두께가 2 ㎚ ~ 30 ㎚ 이고 각 층 시스템에서 층의 전체 갯수는 100 을 초과하였다.
표 2
드릴 No. 층 시스템 타겟 1 타겟 2 평균 화학적 조성 두께
(㎛)
참고예 1 제 1 Ti0.75Al0.25 Ti0.33Al0.67 Ti0.50Al0.50N 1.2
제 2 - - -
참고예 2
 제 1 - - -
제 2 Ti0.75Al0.25 Ti0.33Al0.67 Ti0.50Al0.50N 6.6
실시예 3
실시예 1 에 따라 제조된 드릴은 실시예 2 의 참고예 1 과 비교되었다. 각각의 드릴 타입의 2 개 드릴은 드릴 작업시 이하의 절삭 조건에서 시험되었다.
작업물 재료: 공구 강, 42CrMo4
작업: 드릴링
Vc m/min: 130
이송 mm/rev: 0.30
Vf mm/min: 1460
t1 ㎜: 20
비고: 습식 조건, 유제 6 %
이하에 결과가 나타나 있다. 공구 수명 트레블은 2 개의 시험의 평균이다.
표 3
드릴 타입 No. 공구 수명 트레블 (m)
1 (본 발명예) 55
참고예 1 31
실시예 4
본 발명에 따라 제조된 드릴은 참고예 2 와 비교되었다. 각각의 드릴 타입의 2 개 드릴은 드릴 작업시 이하의 절삭 조건에서 시험되었다.
작업물 재료: 공구 강, 42CrMo4
작업: 드릴링
Vc m/min: 130
이송 mm/rev: 0.30
Vt mm/min: 1460
t1 mm 20
비고: 습식 조건, 유제 6 %
이하에 결과가 나타나 있다. 공구 수명 트레블은 2 개의 시험의 평균이다.
표 4
드릴 타입 No. 공구 수명 트레블 (m)
1 (본 발명예) 55
참고예 2 40
실시예 5
본 발명에 따라 제조된 드릴은 드릴링 작업의 유형에 적합한 비교예 1 과 비교예 2 의 2 개의 다른 경쟁사의 드릴과 비교되었다. 드릴 타입의 2 개의 각 드릴은 드릴 작업시 이하의 절삭 조건에서 시험되었다.
작업물 재료: 공구 강, 55NiCrMoV6
작업: 드릴링
Vc m/min: 140
이송 mm/rev: 0.30
Vt mm/min: 1573
t1 mm 38
비고: 습식 조건, 유제 6 %
이하에 결과가 나타나 있다. 공구 수명 트레블은 2 개의 시험의 평균이다.
표 5
드릴 타입 No. 공구 수명 트레블 (m)
1 (본 발명예) 58
비교예 1 13
비교예 2 22

Claims (15)

  1. 초경합금 또는 고속도 강 기재와 코팅을 포함하는 트위스트 드릴에 있어서, 이 코팅은,
    - 상기 드릴의 전체 작용부를 덮는 다층 구조를 갖는 제 1 층 시스템과,
    - 상기 드릴의 선단 영역만을 덮는 다층 구조를 갖는 제 2 층 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 트위스트 드릴.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 드릴의 선단 영역은 선단으로부터, 드릴의 기저를 향하여 드릴 직경의 0.3 배 ~ 1.5 배의 거리로 규정되는 것을 특징으로 하는 트위스트 드릴.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 층 시스템 및 제 2 층 시스템은 질화금속을 포함하며, 금속 원소는 티타늄 (Ti), 알루미늄 (Al), 실리콘 (Si), 크롬 (Cr), 니오브 (Nb), 하프늄 (Hf), 바나듐 (V), 탄탈 (Ta), 몰리브덴 (Mo), 지르코늄 (Zr), 텅스텐 (W) 및 이들의 혼합물에서 선택되는 것을 특징으로 하는 트위스트 드릴.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 층 시스템의 두께는 0.5 ㎛ ~ 5 ㎛ 이고, 제 2 층 시스템의 두께는 3 ㎛ ~ 7 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 트위스트 드릴.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 층 시스템 및/또는 제 2 층 시스템은 비주기성 구조를 갖는 하나 이상의 구역을 포함하는 것을 특징으로 하는 트위스트 드릴.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 비주기성 구조에서의 개별적인 층의 두께는 0.5 ㎚ 보다 크지만 100 ㎚ 보다 작은 것을 특징으로 하는 트위스트 드릴.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 비주기성 구조에서의 개별적인 층의 두께는 1 ㎚ 보다 크지만 50 ㎚ 보다 작은 것을 특징으로 하는 트위스트 드릴.
  8. 트위스트 드릴을 제조하는 방법에 있어서,
    - 초경합금 또는 고속도강 기재를 제공하는 단계와,
    - PVD 기술을 이용하여 드릴의 전체 작용부에 다층 구조를 갖는 제 1 층 시스템을 적층하는 단계와,
    - PVD 기술을 이용하여 드릴의 선단 영역에 다층 구조를 갖는 제 2 층 시스템을 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 트위스트 드릴 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 드릴의 일부는, 제 2 층 시스템을 적층하기 전에, 기밀 맞춤 원통에 의해 보호되는 것을 특징으로 하는 트위스트 드릴 제조 방법.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 드릴의 선단 영역은 선단으로부터, 드릴 직경의 0.3 배 ~ 1.5 배의 거리로 규정되는 것을 특징으로 하는 트위스트 드릴 제조 방법.
  11. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 층 시스템 및 제 2 층 시스템은, 티타늄 (Ti), 알루미늄 (Al), 실리콘 (Si), 크롬 (Cr), 니오브 (Nb), 하프늄 (Hf), 바나듐 (V), 탄탈 (Ta), 몰리브덴 (Mo), 지르코늄 (Zr), 또는 텅스텐 (W) 또는 이들의 혼합물에서 선택된 금속 원소의 합금의 아크 타겟을 사용하는 음극 아크 증착을 사용하여 적층되는 것을 특징으로 하는 트위스트 드릴 제조 방법.
  12. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 층 시스템의 두께는 0.5 ㎛ ~ 5 ㎛ 이고, 제 2 층 시스템의 두께는 3 ㎛ ~ 7 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 트위스트 드릴 제조 방법.
  13. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 제 1 층 시스템 및/또는 제 2 층 시스템은 비주기성 구조를 갖는 하나 이상의 구역을 포함하는 것을 특징으로 하는 트위스트 드릴 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 비주기성 구조에서의 개별적인 층의 두께는 0.5 ㎚ 보다 크지만 100 ㎚ 보다 작은 것을 특징으로 하는 트위스트 드릴 제조 방법.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 비주기성 구조에서의 개별적인 층의 두께는 1 ㎚ 보다는 크지만 50 ㎚ 보다는 작은 것을 특징으로 하는 트위스트 드릴 제조 방법.
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