KR101461230B1 - 코팅된 절삭 공구 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, PVD 코팅이 도포되는 초경합금 또는 서멧 본체를 포함하는 금속 기계가공용 코팅 절삭 공구에 있어서, 상기 PVD 코팅은 2.0 - 20 ㎛ 의 두께를 가지며, 상기 코팅은 제 1 (Mec1, Mec2)(C, N, O) 층 (c), 제 2 (Med1, Med2)(C, N) 층 (d), 및 제 1 층 (c) 과 제 2 층 (d) 사이에 배치되는 (Mee1, Mee2)(C, N, O) 층 (e) 을 포함하며, 제 1 층 (c) 에서, Mec1 은 전이 금속인 Ⅳ족 - Ⅵ족의 원소, Al 및 Si 중 1 종 이상이며, Mec2 는 전이 금속인 Ⅳ족 - Ⅵ족의 원소와 Y 중 1 종이며, 제 1 층의 두께는 1.0 - 4.5 ㎛ 이고, 제 2 층 (d) 에서, Med1 은 전이 금속인 Ⅳ족 - Ⅵ족의 원소, Al 및 Si 중 1 종 이상이며, Med2 는 전이 금속인 Ⅳ족 - Ⅵ족의 원소와 Y 중 1 종이며, 제 2 층의 두께는 0.5 - 4.5 ㎛ 이고, 층 (e) 에서, Mee1 은 전이 금속인 Ⅳ족 - Ⅵ족의 원소, Al 및 Si 중 1 종 이상이며, Mee2 는 전이 금속인 Ⅳ족 - Ⅵ족의 원소와 Y 중 1 종이며, 이 층 (e) 의 두께는 0.1 - 1.0 ㎛ 이고, 층 (e) 의 두께는 제 1 층 (c) 과 제 2 층 (d) 의 가장 얇은 부분의 두께의 0.5 배 미만이며, 층 (e) 은 제 1 층 (c) 및 제 2 층 (d) 과 상이한 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 금속 기계가공용 코팅 절삭 공구 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

코팅된 절삭 공구{COATED CUTTING TOOL}
본 발명은 공구의 우수한 내모마성 및 엣지 칩핑에 대한 인성과 저항을 수반하는 초경합금체 또는 서멧 및 내화물 코팅을 갖는 선삭, 밀링 또는 드릴링용 유지시스템, 또는 중실 공구, 예컨대 드릴 또는 엔드밀에 사용하는 인서트 등의 금속 기계가공용 코팅된 절삭 공구에 관한 것이다.
금속 절삭 산업에서는, 공구 수명의 증가와 더불어 더 빠른 절삭 속도 및 이송량에 대한 요구와 함께 생산성의 증가에 대해 언제나 노력하고 있다. 이들 요구 조건을 충족시키기 위해서, 공구의 인성 및 내마모성의 개선에 크게 중점을 두고 공구 재료에 대한 개발이 이루어지고 있다.
물리적 기상 증착법 (PVD) 또는 화학적 기상 증착법 (CVD) 에 의한 내마모 코팅 증착에 의해, 코팅되지 않은 공구에 비해 내마모성이 현저히 증가될 수 있다.
최적화된 두꺼운 균질의 PVD 층 코팅을 적용함으로써 코팅된 절삭 공구의 중요한 개선이 이루어진다. 그러나, 층 두께를 증가시킴으로써, 내마모성의 긍정적인 효과가 절삭 공구의 신뢰성을 떨어뜨리는 코팅의 층간분리 (delamination) 및 인성의 감소와 같은 문제점이 증가하는 부정적인 효과에 의해 균형이 깨지게 된다.
절삭 공구는 일반적으로 작업물로부터 칩을 분리하는 1 종 이상의 절삭날을 갖는다. 절삭날은 공구의 양면, 레이크면 및 여유면으로 분리된다. 이 절삭날은 종종 칩핑으로 인한 문제 또는 파단되는 문제점이 있다. 이는 코팅된 공구에서 존재할 수 있거나 또는 예컨대 중간 절삭 과정의 결과로서 유래되는 코팅 내의 크랙을 발생시킬 수 있다.
파단 또는 칩핑에 대한 저항성은 공구 인성에서 겪을 수 있는 것이며, 이는 코팅의 선택 및 코팅의 미세조직의 제어에 의해 영향을 받을 수 있다.
미세조직 제어의 예로는 다성분 조성의 층상의 초격자 (laminar superlattice) 코팅, 예컨대 EP 0 701 982 및 EP 0 592 986 에 개시된 바와 같은 주기적인 TiN + VN, TiN + NbN 또는 TiN + AlN 박층 구조이다.
EP 0 983 393 은 대안적인 금속 질화물 또는 탄화물 층의 불규칙적인 다중층 코팅을 개시하고 있는데, 다중층 미세조직은 균질의 코팅에 비해 증가된 코팅 인성을 제공한다.
코팅의 인성이 증가되기는 하지만, 코팅된 공구의 가장 흔한 파손 유형중 1 종는 절삭날의 파단 및 칩핑과 관련되어 있다.
본 발명의 목적은 균질층 코팅의 내마모성과 다중층 코팅의 인성 모두를 갖는 코팅된 절삭 공구를 제공하는 것이다. 본 발명의 또다른 목적은 이전에 얻을 수 있던 것보다 코팅 두께가 더 두꺼운 코팅된 절삭 공구를 제공하여, 이에 의해 공구의 인성을 감소시키지 않고 내마모성을 더 증가시키는 것이다.
금속 질화물, 금속 탄질화물, 금속 산화물 또는 금속 카르보옥시질화물 (carbooxynitride) 의 제 1 층, 금속 질화물 또는 금속 탄질화물의 제 2 층 및 이 두층 사이에 배치되는 금속 질화물, 금속 탄질화물, 금속 산화물 또는 금속 카르보옥시질화물층을 포함하며, 상기 두 층 사이에 배치되는 층은 제 1 및 제 2 층과 상이한 조성을 가지며 또한 그 두층보다 얇은 PVD 코팅을 갖춘 절삭 공구에서, 에지 칩핑이 억제됨을 알아냈다. 따라서, 주어진 금속 절삭 작업에서 벌크 인성 또는 절삭날 보호를 손상시키지 않고, 경질이며 더욱 내마모성이 있는 본체 및 더 두꺼운 코팅을 사용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 부착성이고 경질이며 내마모성이 있는 PVD 코팅 (b) 이 도포되는 초경합금 또는 서멧 본체 (a) 를 포함하며 2.0 - 20 ㎛, 바람직하게는 3.0 - 8.0 ㎛ 의 두께를 가지는 금속 기계가공용 코팅 절삭 공구에 있어서, 상기 코팅은 제 1 경질의 내마모성 내화물(Mec1, Mec2)(C, N, O) 층 (c), 제 2 경질의 내 마모성 내화물(Med1, Med2)(C, N) 층 (d), 및 제 1 층 (c) 과 제 2 층 (d) 사이에 배치되는 (Mee1, Mee2)(C, N, O) 층 (e) 을 포함하며, 제 1 층 (c) 에는 원소 C, N, O 중 1 종 이상이 존재하며, Mec1 및 Mec2 는 상이한 원소이며, Mec1 은 주기율표상 전이 금속인 Ⅳ족 - Ⅵ족의 원소, Al 및 Si 중 1 종 이상이며, 바람직하게는 Al, Zr, V, Nb, Si 및 Ti 이며, 더욱 바람직하게는 Al 및 Si 중 1 종 이상이며, 가장 바람직하게는 Al 이고, Mec2 는 전이 금속인 Ⅳ족 - Ⅵ족의 원소와 Y 중 1 종이며, 바람직하게는 Zr, V, Nb, Y 또는 Ti 이며, 더욱 바람직하게는 Zr, V, Nb 또는 Ti 이며, 가장 바람직하게는 Zr 또는 Ti 이며, 제 1 층의 두께는 1.0 - 4.5 ㎛, 바람직하게는 2.0 - 3.0 ㎛이고, 제 2 층 (d) 에는 원소 C, N 중 1 종 이상이 존재하며, Med1 및 Med2 는 상이한 원소이며, Med1 은 주기율표상 전이 금속인 Ⅳ족 - Ⅵ족의 원소, Al 및 Si 중 1 종 이상이며, 바람직하게는 Al, Zr, V, Nb, Si 및 Ti 이며, 더욱 바람직하게는 Al 및 Si 중 1 종 이상이며, 가장 바람직하게는 Al 이고, Med2 는 주기율표상 전이 금속인 Ⅳ족 - Ⅵ족의 원소와 Y 중 1 종이며, 바람직하게는 Zr, V, Nb, Y 또는 Ti 이며, 더욱 바람직하게는 Zr, V, Nb 또는 Ti 이며, 가장 바람직하게는 Zr 또는 Ti 이며, 제 2 층의 두께는 0.5 - 4.5 ㎛, 바람직하게는 1.0 - 2.0 ㎛이고,
상기 층 (e) 에서 Mee1 은 선택적으로 존재하며, 원소 C, N, O 중 1 종 이상 이 존재하며, Mee1 및 Mee2 는 상이한 원소이며, Mee2 에 대한 Mee1 의 원자분율은 0 - 0.3 이며, 바람직하게는 0 - 0.2 이며, 더 바람직하게는 0 - 0.05 이며, 가장 바람직하게는 0 이며, 즉 Mee2(C, N, O) 층이고, Mee1 은 주기율표상 전이 금속인 Ⅳ족 - Ⅵ족의 원소, Al 및 Si 중 1 종 이상이며, 바람직하게는 Al, Zr, V, Nb, Si 및 Ti 이며, 더욱 바람직하게는 Al 또는 Si 중 1 종 이상이며, 가장 바람직하게는 Al 이고, Mee2 는 주기율표상 전이 금속인 Ⅳ족 - Ⅵ족의 원소와 Y 중 1 종이며, 바람직하게는 Zr, V, Nb, Y 또는 Ti 이며, 더욱 바람직하게는 Zr, V, Nb 또는 Ti 이며, 가장 바람직하게는 Zr 또는 Ti 이며, 층 (e) 의 두께는 0.1 - 1.0 ㎛, 바람직하게는 0.1 - 0.7 ㎛이고, 층 (e) 의 두께는 제 1 층 (c) 과 제 2 층 (d) 의 가장 얇은 부분의 두께의 0.5 배 미만, 바람직하게는 0.3 배 미만, 가장 바람직하게는 0.2 배 미만이며, 층 (e) 은 제 1 층 (c) 및 제 2 층 (d) 과 상이한 조성을 가지며, Mec1 및 Med1에 대한 Mee1 의 원자분율은 바람직하게는 각각 0 - 0.9 이며, 더 바람직하게는 0 - 0.7 이며, 가장 바람직하게는 0 - 0.5 인 것을 특징으로 하는 금속 기계가공용 코팅 절삭 공구를 제공한다.
바람직한 일 실시예에서, Mec1 과 Med1 는 동일한 원소이다.
다른 바람직한 실시예에서, Mec2 과 Med2 는 동일한 원소이다.
또다른 바람직한 실시예에서, Mec2 , Med2 및 Mee2 는 동일한 원소이다.
바람직한 일 실시예에서, 제 1 층 (c) 은 Mec1 은 Al 이며, Mec2 는 Ti 이고, Mec2 에 대한 Mec1 의 원자분율은 0.8 - 2.0 이며, 바람직하게는 1.0 - 1.8 이며, 가장 바람직하게는 1.3 - 1.5 인 (Mec1 ,Mec2) N 층이며, 제 2 층 (d) 은 Med1 은 Al 이며, Med2 는 Ti 이고, Med2 에 대한 Med1 의 원자분율은 1.0 - 2.0 이며, 바람직하게는 1.2 - 1.8 이며, 가장 바람직하게는 1.4 - 1.6 인 (Med1 ,Med2) N 층이며, 층 (e) 은 Mee2 가 Ti 인 (Mee2) N 층이다.
다른 바람직한 실시예에서, 제 1 층 (c) 은 Mec1 은 Si 이며, Mec2 는 Ti 이고, Mec2 에 대한 Mec1 의 원자분율은 0.02 - 0.40 이며, 바람직하게는 0.05 - 0.20 인 (Mec1 ,Mec2) N 층이며, 제 2 층 (d) 은 Med1 은 Si 이며, Med2 는 Ti 이고, Med2 에 대한 Med1 의 원자분율은 0.02 - 0.50 이며, 바람직하게는 0.05 - 0.30 인 (Med1, Med2) N 층이며, 층 (e) 은 Mee2 가 Ti 인 (Mee2) N 층이다.
또다른 바람직한 실시예에서, 제 1 층 (c) 은 Mec1 은 AlSi 이며, Mec2 는 Ti 이고, Mec2 에 대한 Mec1 의 원자분율은 0.8 - 2.0 이며, 바람직하게는 1.0 - 1.8 이며, 가장 바람직하게는 1.2 - 1.5 인 (Mec1 ,Mec2) N 층이며, 제 2 층 (d) 은 Med1 은 AlSi 이며, Med2 는 Ti 이고, Med2 에 대한 Med1 의 원자분율은 1.0 - 2.0 이며, 바람직하게는 1.2 - 1.8 이며, 가장 바람직하게는 1.4 - 1.6 인 (Med1 ,Med2) N 층이며, 층 (e) 은 Mee2 가 Ti 인 (Mee2) N 층이다. 이 실시예에서, 제 1 층 및 제 2 층 모두는 (AlySizTi1 -y-z) N 층으로 언급될 수 있다 (단, 0.45≤ y + z ≤ 0.67, z ≤0.10).
다른 실시예에서, 제 1 또는 제 2 층에 인접하게, 제 1 층과 제 2 층 사이에 층 (예컨대, e', 도 2 참조) 이 존재하도록 제 1 층 (c) 과 제 2 층 (d) 사이에 층 (e) 이 존재하게 제 1 및/또는 제 2 층을 포함하는 추가의 순서를 더 포함한다.
다른 실시예에서, 본체는 추가로 0.05 - 1.0 ㎛ 두께의 Me(C, N, O) 예비 코팅층(여기서, Me 는 바람직하게는 Ti 임) 을 포함한다.
다른 실시예에서, 본체는 내마모성을 개선하고, 외형 또는 마모의 검출을 위해 총 두께 0.05 - 1.0 ㎛ 의 추가의 외부 층, 예컨대, 1 종 이상의 C, N 및 O 가 존재하는 Me (C, N, O), 바람직하게는 Me가 Ti 인 Me(C, N) 으로 된 최외각 코팅으로 코팅된다.
다른 실시예에서, 제 1 층 및 제 2 층 모두의 결정 구조는 FCC 입방 구조, 바람직하게는 입자 크기가 50 ㎚ 미만, 바람직하게는 40 ㎚ 미만의 입방정 암염 구조의 정자 (crystallite) 를 포함한다. 층 (e) 은 성장 방향에 수직하게 40 ㎚ 초과, 바람직하게는 50 ㎚ 초과이며, 성장 방향에 평행하게 100 ㎚ 를 초과하는 정자 입자 크기를 가지며, 즉, 주상정 성장 (columnar growth) 이며, 가장 바람직하게는 두께 전체에 걸쳐 성장 방향으로 신장하며, 입방정 구조의 정자를 포함하는 결정 구조를 갖는다.
놀랍게도, 공구 특성의 특별한 개선이 특정 조합 층의 두께 및 조성으로 이루어지며, 이러한 조합으로, 제 1 층과 제 2 층 사이에 끼워진 층이 예상치 못하게 낮은 값의 잔류 응력을 가짐을 알았다.
일 실시예에서, 층 (e) 은 절대값으로 600 ㎫ 미만, 바람직하게는 300 ㎫ 미만, 더욱 바람직하게는 120 ㎫ 미만의 압축 또는 인장 잔류 응력을 갖는다.
다른 실시예에서, 제 2 층 (d) 은 1000 ㎫ 초과이며, 바람직하게는 1800 - 3500 ㎫ 인 잔류 압축 응력을 갖는다.
다른 실시예에서, 제 1 층 (c) 및 제 2 층 (d) 은 1000 ㎫ 초과이며, 바람직하게는 1800 - 3500 ㎫ 인 잔류 압축 응력을 갖는다.
다른 실시예에서, 제 2 층 (d) 은 1000 ㎫ 초과이며, 바람직하게는 1800 - 3500 ㎫ 인 잔류 압축 응력을 가지며, 층 (e) 은 절대값으로 600 ㎫ 미만이며, 바람직하게는 300 ㎫ 미만, 더욱 바람직하게는 120 ㎫ 미만의 압축 또는 인장 잔류 응력을 갖는다.
또다른 실시예에서, 제 1 층 (c) 및 제 2 층 (d) 은 1000 ㎫ 초과이며, 바람직하게는 1800 - 3500 ㎫ 인 잔류 압축 응력을 가지며, 층 (e) 은 절대값으로 600 ㎫ 미만이며, 바람직하게는 300 ㎫ 미만, 더욱 바람직하게는 120 ㎫ 미만의 압축 또는 인장 잔류 응력을 갖는다.
바람직한 일 실시예에서, 상기 절삭 공구는 선삭, 밀링 또는 드릴링용의 절삭 공구 인서트이다.
다른 바람직한 실시예에서, 상기 절삭 공구는 중실 초경합금 드릴 또는 엔드 밀이다.
본 발명에 따르면, 코팅된 절삭 공구의 제조 방법에 있어서, 공지된 PVD 법에 의해 두께가 2.0 - 20 ㎛ 이며, 바람직하게는 3.0 - 8.0 ㎛ 인 경질의 내마모성코팅이 적층되는 초경합금 또는 서멧 본체를 제공하는 단계를 포함하며, 상기 코팅은, 제 1 경질의 내마모성 내화물 (Mec1, Mec2)(C, N, O) 층 (c), 제 2 경질의 내마모성 내화물 (Med1, Med2)(C, N) 층 (d), 및 제 1 층 (c) 과 제 2 층 (d) 사이에 배치되는 (Mee1, Mee2)(C, N, O) 층 (e) 을 포함하며, 제 1 층 (c) 에는 원소 C, N, O 중 1 종 이상이 존재하며, Mec1 및 Mec2 는 상이한 원소이며, Mec1 은 주기율표상 전이 금속인 Ⅳ족 - Ⅵ족의 원소, Al 및 Si 중 1 종 이상이며, 바람직하게는 Al, Zr, V, Nb, Si 및 Ti 이며, 더욱 바람직하게는 Al 및 Si 이며, 가장 바람직하게는 Al 이고, Mec2 는 주기율표상 전이 금속인 Ⅳ족 - Ⅵ족의 원소와 Y 중 1 종이며, 바람직하게는 Zr, V, Nb, Y 또는 Ti 이며, 더욱 바람직하게는 Zr, V, Nb 또는 Ti 이며, 가장 바람직하게는 Zr 또는 Ti 이며, 제 1 층의 두께는 1.0 - 4.5 ㎛, 바람직하게는 2.0 - 3.0 ㎛이고, 제 2 층 (d) 에는 원소 C, N 중 1 종 이상이 존재하며, Med1 및 Med2 는 상이한 원소이며, Med1 은 주기율표상 전이 금속인 Ⅳ족 - Ⅵ족의 원소, Al 및 Si 중 1 종 이상이며, 바람직하게는 Al, Zr, V, Nb, Si 및 Ti 이며, 더욱 바람직하게는 Al 및 Si 이며, 가장 바람직하게는 Al 이고, Med2 는 주기율표상 전이 금속인 Ⅳ족 - Ⅵ족의 원소와 Y 중 1 종이며, 바람직하게는 Zr, V, Nb, Y 또는 Ti 이며, 더욱 바람직하게는 Zr, V, Nb 또는 Ti 이며, 가장 바람직하게는 Zr 또는 Ti 이며, 제 2 층의 두께는 0.5 - 4.5 ㎛, 바람직하게는 1.0 - 2.0 ㎛이고, 층 (e) 은 Mee1 이 선택적으로 존재하며, 원소 C, N, O 중 1 종 이상이 존재하며, Mee1 및 Mee2 는 상이한 원소이며, Mee2 에 대한 Mee1 의 원자분율은 0 - 0.3 이며, 바람직하게는 0 - 0.2 이며, 더 바람직하게는 0 - 0.05 이며, 가장 바람직하게는 0 이며, 즉 Mee2(C, N, O) 층이고, Mee1 은 주기율표상 전이 금속인 Ⅳ족 - Ⅵ족의 원소, Al 및 Si 중 1 종 이상이며, 바람직하게는 Al, Zr, V, Nb, Si 및 Ti 이며, 더욱 바람직하게는 Al 및 Si 중 1 종 이상이며, 가장 바람직하게는 Al 이고, Mee2 는 주기율표상 전이 금속인 Ⅳ족 - Ⅵ족의 원소와 Y 중 1 종이며, 바람직하게는 Zr, V, Nb, Y 또는 Ti 이며, 더욱 바람직하게는 Zr, V, Nb 또는 Ti 이며, 가장 바람직하게는 Zr 또는 Ti 이며, 층의 두께는 0.1 - 1.0 ㎛, 바람직하게는 0.1 - 0.7 ㎛이고, 층 (e) 의 두께는 제 1 층 (c) 과 제 2 층 (d) 의 가장 얇은 부분의 두께의 0.5 배 미만이며, 바람직하게는 0.3 배 미만, 가장 바람직하게는 0.2 배 미만이며, 층 (e) 은 제 1 층 (c) 및 제 2 층 (d) 과 상이한 조성을 가지며, Mec1 및 Med1 에 대한 Med1 의 원자분율은 각각 0 - 0.9 이며, 바람직하게는 0 - 0.7 이며, 가장 바람직하게는 0 - 0.5 이다.
바람직한 실시예에서, 본체는 소망하는 금속 원자비를 이루도록 적절한 조성을 가지며 전체 장입물을 균질하게 코팅하도록 되어 있는 금속 증발원 (Mec1 + Mec2, Med1 + Med2, Mee1 + Mee2) 을 포함하는 반응성 아크 증발식 PVD 장비를 사용하는 코팅장치에서 PVD 코팅 공정을 받게 된다. 증발원은 예컨대, 각각의 타겟이 균질하게 전체 장입물을 코팅하도록 배치된 3 개의 단일 타겟일 수 있으며, 대안으로는, 6 개의 증발원이, 각 쌍이 균질하게 전체 장입물을 코팅하도록 쌍으로 배치될 수 있다. 코팅장치가 비워지고, 본체면으로부터 잉여의 바인더 상을 제거해서 공구를 더 깨끗하게 하고, 공구의 표면을 조절하기 위해서 가열 및 플라즈마 에칭의 단계가 후속된다. 반응 가스의 분압을 유지하면서 금속을 증발하는 것에 의해, 상기 가스는 질화물, 탄질화물, 산화물 또는 카르보옥시질화물층이 적층되는지의 여부에 따라 코팅장치에서의 순수 질소, 탄화수소, 산소 또는 이들 가스의 혼합물중에서 적절하게 선택되며, 활성 증발원 및 증발 속도를 적절히 선택해 사용하여, 다음과 같은 층이 증착된다;
사용되는 장비에서 아크 전류가 50 - 200 A, 바람직하게는 120 - 160 A이며, 반응성 가스 압력이 3 - 50 μbar, 바람직하게는 5 - 32 μbar 이며, 증착 온도는 400 - 700 ℃, 바람직하게는 550 - 650 ℃ 이며, 기재의 바이어스 전압이 -150 내지 -300 V, 바람직하게는 -170 내지 -230 V 인 공정 파라미터로 상기 제 1 (Mec1, Mec2)(C, N, O) 층 (c) 을 적층하고,
사용되는 장비에서 아크 전류가 50 - 200 A, 바람직하게는 120 - 160 A이며, 반응성 가스 압력이 3 - 50 μbar, 바람직하게는 5 - 32 μbar 이며, 증착 온도는 400 - 700 ℃, 바람직하게는 550 - 650 ℃ 이며, 기재의 바이어스 전압이 -50 내지 -140 V, 바람직하게는 -80 내지 -120 V 인 공정 파라미터로 상기 제 2 (Med1, Med2)(C, N) 층 (d) 을 적층하고,
사용되는 장비에서 아크 전류가 80 - 210 A, 바람직하게는 140 - 190 A 이며, 반응성 가스 압력이 5 - 50 μbar, 바람직하게는 15 - 35 μbar 이며, 증착 온도는 400 - 700 ℃, 바람직하게는 550 - 650 ℃ 이며, 기재의 바이어스 전압이 -30 내지 -150 V, 바람직하게는 -70 내지 -120 V 인 공정 파라미터로 상기 (Mee1, Mee2)(C, N, O) 층 (e) 을 적층한다.
공정 작업시 문제가 발생할 정도로 적층된 코팅이 전기 절연되는 경우, 아크 공급원의 펄스식 파워 작동이 사용될 수 있다. 게다가, 기재 상에 절연 코팅되는 경우, 기재 바이어스의 펄스식 파워 작동이 적용될 수 있다. 또한, 코팅은 마그네트론 스퍼터링, 듀얼 마그네트론 스퍼터링, 또는 펄스식 마그네트론 스퍼터링 또는 고 임펄스 동력 펄스식 마그네트론 스퍼터링, 또는 이들의 조합 등의 다른 PVD 방법에 의해 적층될 수 있다.
예 1
ISO-형식 CNMG120408 의 선삭용 코팅되지 않은 절삭 공구 WC-10% Co 인서트를 깨끗하게 하여, 다음과 같은 PVD 코팅 처리를 하였다. 이 인서트는 6 개의 금속 증발원을 포함하는 반응 아크 증발식 PVD 장비에 장착되며, 쌍으로 배치되었다. 이 인서트는 인서트를 균질하게 코팅시키기 위해서 3중 회전되었다. 한 쌍의 증발기는 Ti 금속 타겟을 가지며, 나머지 2 쌍은 Al/Ti 조성의 원자비가 2 인 AlTi 합금 타겟을 갖는다. 챔버가 비워지며, 그 후 인서트 표면으로부터 잉여의 바인더 상을 제거함으로써 공구를 더 깨끗이하고, 그 표면을 조절하기 위해 가열 및 플라즈마 에칭의 단계가 후속되었다. 코팅장치 내의 질소의 분압을 유지하면서, 활성 증발원 및 증발 속도의 적절한 선택을 사용하는 금속 증발에 의해, TiN 및 (Ti, Al)N 합금층이 600°에서 증착되었다. 증착 단계 중의 처리 조건은 하기와 같다.
층 타겟 시간
[분]		 아크 전류
[A]		 바이어스전압
[V]		 압력
[μbar]
c 4×AlTi 130 140 -200 10
e 2×Ti 25 170 -100 30
d 4×AlTi 65 140 -100 10
이와 같이 제조되어 코팅된 인서트가 금속조직학적으로 분석되었다. 이 인서트를 절단하여 단면이 준비되고, 다이아몬드 지립 (grit) 에 의한 폴리싱 및 기계적 그라인딩이 후속되었다. 표 2 에 나타낸 코팅의 두께는 절삭날로부터 0.2 ㎜ 초과, 1.0 ㎜ 미만 떨어져 있는 인서트의 여유면 측에서 측정된다.
코팅 및 기재의 파단 부분은 도 1 의 SEM 현미경사진에서 볼 수 있다.
X 선 회절법, 더욱 구체적으로는 sin2Ψ법 ("Residual Stress Measurement by Diffraction and Interpretation" I.C. Noyan, J.B. Cohen 저, Springer-Verlag, New York, 1987(페이지 117- 130)) 이 3 층의 잔류 응력을 판정하기 위해 사용되었다. 그 결과는 도 2 에 기재되어 있다.
EDS 분광계가 장착된 박막 투과 전자 현미경 (Oxford Instruments, Link ISIS) 이 3 층의 입자 크기 및 4 포인트 분석의 평균으로서 Al/Ti 원자비를 결정하기 위해서 사용되었다 (도 2 참조).
층 코팅 형식 두께
[㎛]		 Al/Ti 원자비 입자 크기
[㎚]		 잔류응력
[㎫]
c (Ti, Al) N 2.4 1.34 35 -2400＊
e TiN 0.2 0 주상정
75 × 150		 -80
d (Ti, Al)N 1.6 1.56 30 -2300
＊c 층과 동일 조성 및 두께를 가지며, 동일한 조건 하에서 적층되는 단일 층 코팅을 측정하여 평가됨. c 층의 잔류 응력은 e 및 d 층의 적층후 대체로 동일한 응력 레벨로 유지되는 것으로 기대된다.
예 2
예 1 의 인서트는 표 3 에 따른 파라미터를 사용하여 추가로 끼워지는 제 2 형식의 층을 적층하는 코팅 처리를 받았다.
층 타겟 시간
[분]		 아크 전류
[A]		 바이어스전압[V] 압력
[μbar]
c 4×AlTi 130 140 -200 10
e 2×Ti 25 170 -100 30
d 4×AlTi 65 140 -150 10
e' 2×Ti 25 170 -100 30
d' 4×AlTi 65 140 -100 10
코팅의 파단부가 도 2 의 SEM 현미경사진에 나타나 있다.
이들 인서트는 예 1 과 동일한 방법을 사용하여 분석되었다. 그 결과를 표 4 에 나타낸다.
층 코팅 형식 두께
[㎛]		 Al/Ti 원자비 입자 크기
[㎚]		 잔류응력
[㎫]
c (Ti, Al) N 2.4 1.34 35 -2400＊
e TiN 0.2 0 주상정
75 × 150		 -100＊
d (Ti, Al) N 1.6 1.56 30 -2100＊
e' TiN 0.2 0 주상정
75 × 150		 -80
d' (Ti, Al) N 1.6 1.56 30 -2300
＊해당 층과 동일 조성 및 두께를 가지며, 동일한 조건 하에서 적층되는 단일 층 코팅을 측정하여 평가됨. 층의 잔류 응력은 e 및 d 층의 적층후 대체로 동일한 응력 레벨로 유지되는 것으로 기대된다.
예 3
예 1 에 따른 코팅은 직경 10 ㎜ 의 솔리드 탄화물 볼 노우즈드 엔드밀에 4.2 ㎛ 두께로 적층되었다. 동일한 초경합금 조성의 유사한 엔드밀은 Al/Ti 원자 분율이 2.0 이고, 두께가 2.9 ㎛ 인 종래 기술의 (Ti, Al)N 단일층 코팅에 의해 코팅되었다. 이들 2 개의 엔드밀은 건식 밀링 기계가공 시험, 경도가 HRC 58 인 1.2379 강을 모방 밀링 (copymilling) 하여 평가되었다. 절삭 속도는 170 m/분이며, 이송 속도는 0.12 ㎜/이(tooth) 이고, 또한 맞물림은 ap = ae = 0.2 ㎜ 이었다. 0.40 ㎜ 의 최대 마모가 이루어졌을 때까지의 공구 수명 (밀링 거리 (m)) 이 표 5 에 나타나 있다. 그 결과는 본 발명의 코팅이 매우 경한 강에서 극도로 요구되는 밀링시에 우수한 성능을 가짐을 나타낸다.
코팅된 솔리드 탄화물
엔드밀의 시험		 상업적 코팅 본 발명에 따른 코팅
공구 수명 시험 1 (m) 250 500
공구 수명 시험 2 (m) 250 350
공구 평균 수명 (m) 250 425
예 4
예 3 에 따른 엔드밀이 다이 및 몰드 적용을 위해 2 개의 동일한 공구를 기계가공하는 추가의 시험을 받았다. 이러한 적용에서, 날의 보호와 인성은 필수적이다. 경험한 바와 같이, 선례에 따를 수 있는 에지 칩핑 및 공구 벌크 파단의 우려가 증가하기 때문에, 예 3 에 기재된 것과 같이 종래 기술의 코팅의 두께를 3.0 ㎛ 를 초과하여 늘리는 것은 위험하다.
시험 형식 : 직경 6 ㎜ 볼 노우즈 엔드밀을 사용하는 몰드의 마무리
공구 요구조건 : 공구 수명(일부품 완료)
296(분) 초과
작업부재 : Uddeholm Orvar Supreme, HRC
절삭 속도(rpm) : 12500 rpm
이 (tooth) 이송량(fZ)(㎜/에지) : 0.08 ㎜
맞물림 (ap/ae)(㎜) : 0.07/0.1 ㎜
냉각 방식 : 건식
시판중인 공구는 절삭날의 인성으로 인해 요구되는 공구 수명을 맞추지 못하지만, 본 발명의 공구는 절삭날에 마모 또는 파손을 거의 주지 않고 작업을 마무리한다. 그 결과 본 발명의 공구의 양호한 내마모성뿐만 아니라 시판중인 공구에 비해 온전한 절삭날을 양호하게 유지할 수 있는 능력도 나타낸다. 게다가, 이 시험은 공구의 교체없이 완전한 부품을 기계가공할 수 있는 아주 중대한 고객 가치를 나타낸다.
도 1 및 도 2 는 본 발명에 따른 예시적인 코팅 절삭 공구의 파단부의 주사 전자 현미경 (SEM) 을 통해 본 마이크로 그래프를 나타낸다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
a : 초경합금체 b : 코팅
c : 제 1 층 d : 제 2 층
e : c 층과 d 층 사이에 끼워진 층
d' : 제 2 층
e' : d 층과 d' 층 사이에 끼워진 층

Claims (12)

  1. PVD 코팅이 도포되는 초경합금 또는 서멧 본체를 포함하는 금속 기계가공용 코팅 절삭 공구에 있어서,
    상기 PVD 코팅은 2.0 - 20 ㎛ 의 두께를 가지며,
    상기 코팅은,
    제 1 (Mec1, Mec2)(C, N, O) 층 (c),
    제 2 (Med1, Med2)(C, N) 층 (d), 및
    상기 제 1 층 (c) 과 상기 제 2 층 (d) 사이에 배치되는 (Mee1, Mee2)(C, N, O) 층 (e) 을 포함하며,
    상기 제 1 층 (c) 에는 원소 C, N, O 중 1 종 이상이 존재하고, Mec1 및 Mec2 는 상이한 원소이며, 상기 Mec1 은 전이 금속인 Ⅳ족 - Ⅵ족의 원소, Al 및 Si 중 1 종 이상이며, 상기 Mec2 는 전이 금속인 Ⅳ족 - Ⅵ족의 원소와 Y 중 1 종이며, 상기 제 1 층의 두께는 1.0 - 4.5 ㎛이고,
    상기 제 2 층 (d) 에는 원소 C, N 중 1 종 이상이 존재하며, Med1 및 Med2 는 상이한 원소이며, 상기 Med1 은 전이 금속인 Ⅳ족 - Ⅵ족의 원소, Al 및 Si 중 1 종 이상이며, 상기 Med2 는 전이 금속인 Ⅳ족 - Ⅵ족의 원소와 Y 중 1 종이며, 상기 제 2 층의 두께는 0.5 - 4.5 ㎛이고,
    상기 층 (e) 에서 Mee1 은 선택적으로 존재하며, 원소 C, N, O 중 1 종 이상이 존재하며, Mee1 및 Mee2 는 상이한 원소이며, Mee2 에 대한 Mee1 의 원자분율은 0 - 0.3 이며, 즉 Mee2(C, N, O) 층이고, 상기 Mee1 은 전이 금속인 Ⅳ족 - Ⅵ족의 원소, Al 및 Si 중 1 종 이상이며, 상기 Mee2 는 전이 금속인 Ⅳ족 - Ⅵ족의 원소와 Y 중 1 종이며, 상기 층 (e) 의 두께는 0.1 - 1.0 ㎛이고,
    상기 층 (e) 의 두께는 상기 제 1 층 (c) 과 상기 제 2 층 (d) 의 가장 얇은 부분의 두께의 0.5 배 미만이며,
    상기 층 (e) 은 상기 제 1 층 (c) 및 상기 제 2 층 (d) 과 상이한 조성을 갖고,
    상기 층 (e) 은 절대값으로 600 ㎫ 미만의 압축 또는 인장 잔류 응력을 갖고,
    상기 제 2 층 (d) 은 1000 ㎫ 초과인 잔류 압축 응력을 갖는 것을 특징으로 하는 금속 기계가공용 코팅 절삭 공구.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 층 (e) 의 두께는 상기 제 1 층 (c) 과 상기 제 2 층 (d) 의 가장 얇은 부분의 두께의 0.3 배 미만인 것을 특징으로 하는 금속 기계가공용 코팅 절삭 공구.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 층 (e) 의 두께는 상기 제 1 층 (c) 과 상기 제 2 층 (d) 의 가장 얇은 부분의 두께의 0.2 배 미만인 것을 특징으로 하는 금속 기계가공용 코팅 절삭 공구.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 Mec1 및 Med1에 대한 Mee1 의 원자분율은 각각 0 - 0.9 인 것을 특징으로 하는 금속 기계가공용 코팅 절삭 공구.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 층 (c) 은 Mec1 은 Al 이며, Mec2 는 Ti 이고, Mec2 에 대한 Mec1 의 원자분율은 0.8 - 2.0 인 (Mec1 ,Mec2) N 층이며, 상기 제 2 층 (d) 은 Med1 은 Al 이며, Med2 는 Ti 이고, Med2 에 대한 Med1 의 원자분율은 1.0 - 2.0 인 (Med1 ,Med2) N 층이며, 상기 제 1 층 (c) 과 상기 제 2 층 (d) 사이의 상기 층 (e) 은 Mee2 가 Ti 인 (Mee2) N 층인 것을 특징으로 하는 금속 기계가공용 코팅 절삭 공구.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 층 (c) 은 Mec1 은 Si 이며, Mec2 는 Ti 이고, Mec2 에 대한 Mec1 의 원자분율은 0.02 - 0.40 인 (Mec1 ,Mec2) N 층이며, 상기 제 2 층 (d) 은 Med1 은 Si 이며, Med2 는 Ti 이고, Med2 에 대한 Med1 의 원자분율은 0.02 - 0.50 인 (Med1 ,Med2) N 층이며, 상기 층 (e) 은 Mee2 가 Ti 인 (Mee2) N 층인 것을 특징으로 하는 금속 기계가공용 코팅 절삭 공구.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 층 (c) 은 Mec1 은 AlSi 이며, Mec2 는 Ti 이고, Mec2 에 대한 Mec1 의 원자분율은 0.8 - 2.0 인 (Mec1 ,Mec2) N 층이며, 상기 제 2 층 (d) 은 Med1 은 AlSi 이며, Med2 는 Ti 이고, Med2 에 대한 Med1 의 원자분율은 1.0 - 2.0 인 (Med1 ,Med2) N 층이며, 상기 층 (e) 은 Mee2 가 Ti 인 (Mee2) N 층인 것을 특징으로 하는 금속 기계가공용 코팅 절삭 공구.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅은, 상기 제 1 및 상기 제 2 층 사이층이 상기 제 1 층 또는 상기 제 2 층에 인접하도록 상기 제 1 및 상기 제 2 층 사이층이 그 사이에 존재하게 상기 제 1 및/또는 상기 제 2 층을 포함하는 추가의 시퀀스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 기계 가공용 코팅 절삭 공구.
  9. 코팅된 절삭 공구의 제조 방법에 있어서, 공지된 PVD 법에 의해 두께가 2.0 - 20 ㎛ 인 경질의 내마모성 코팅이 적층되는 초경합금 또는 서멧 본체를 제공하는 단계를 포함하며, 상기 코팅은,
    제 1 (Mec1, Mec2)(C, N, O) 층 (c),
    제 2 (Med1, Med2)(C, N) 층 (d), 및
    상기 제 1 층 (c) 과 상기 제 2 층 (d) 사이에 배치되는 (Mee1, Mee2)(C, N, O) 층 (e) 을 포함하며,
    상기 제 1 층 (c) 에는 원소 C, N, O 중 1 종 이상이 존재하며, Mec1 및 Mec2 는 상이한 원소이며, 상기 Mec1 은 전이 금속인 Ⅳ족 - Ⅵ족의 원소, Al 및 Si 중 1 종 이상이며, 상기 Mec2 는 전이 금속인 Ⅳ족 - Ⅵ족의 원소와 Y 중 1 종이며, 상기 제 1 층의 두께는 1.0 - 4.5 ㎛이고,
    상기 제 2 층 (d) 에는 원소 C, N 중 1 종 이상이 존재하며, Med1 및 Med2 는 상이한 원소이며, 상기 Med1 은 전이 금속인 Ⅳ족 - Ⅵ족의 원소, Al 및 Si 중 1 종 이상이며, 상기 Med2 는 전이 금속인 Ⅳ족 - Ⅵ족의 원소와 Y 중 1 종이며, 상기 제 2 층의 두께는 0.5 - 4.5 ㎛이고,
    상기 층 (e) 에서 Mee1 은 선택적으로 존재하며, 원소 C, N, O 중 1 종 이상이 존재하며, Mee1 및 Mee2 는 상이한 원소이며, Mee2 에 대한 Mee1 의 원자분율은 0 - 0.3 이며, 즉 Mee2(C, N, O) 층이고, 상기 Mee1 은 전이 금속인 Ⅳ족 - Ⅵ족의 원소, Al 및 Si 중 1 종 이상이며, 상기 Mee2 는 전이 금속인 Ⅳ족 - Ⅵ족의 원소와 Y 중 1 종이며, 상기 층 (e) 의 두께는 0.1 - 1.0 ㎛이고,
    상기 층 (e) 의 두께는 상기 제 1 층 (c) 과 상기 제 2 층 (d) 의 가장 얇은 부분의 두께의 0.5 배 미만이며,
    상기 층 (e) 은 상기 제 1 층 (c) 및 상기 제 2 층 (d) 과 상이한 조성을 갖고,
    상기 층 (e) 은 절대값으로 600 ㎫ 미만의 압축 또는 인장 잔류 응력을 갖고,
    상기 제 2 층 (d) 은 1000 ㎫ 초과인 잔류 압축 응력을 갖는 것을 특징으로 하는 코팅된 절삭 공구의 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    금속 증발원 (Mec1 + Mec2, Med1 + Med2, Mee1 + Mee2) 을 포함하는 반응성 아크 증발식 PVD 장비를 사용하여,
    사용되는 장비에서 아크 전류가 50 - 200 A 이며, 반응성 가스 압력이 3 - 50 μbar 이며, 증착 온도는 400 - 700 ℃ 이며, 기재의 바이어스 전압이 -150 내지 -300 V 인 공정 파라미터로 상기 제 1 (Mec1, Mec2)(C, N, O) 층 (c) 을 적층하고,
    사용되는 장비에서 아크 전류가 50 - 200 A 이며, 반응성 가스 압력이 3 - 50 μbar 이며, 증착 온도는 400 - 700 ℃ 이며, 기재의 바이어스 전압이 -50 내지 -140 V 인 공정 파라미터로 상기 제 2 (Med1, Med2)(C, N) 층 (d) 을 적층하고,
    사용되는 장비에서 아크 전류가 80 - 210 A 이며, 반응성 가스 압력이 5 - 50 μbar 이며, 증착 온도는 400 - 700 ℃ 이며, 기재의 바이어스 전압이 -30 내지 -150 V 인 공정 파라미터로 상기 (Mee1, Mee2)(C, N, O) 층 (e) 을 적층하는 것을 특징으로 하는 코팅된 절삭 공구의 제조 방법.
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