KR101471257B1 - 절삭공구용 다층박막과 이를 포함하는 절삭공구 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수 나노미터 ~ 수십 나노미터 두께의 미세 박막이 교대로 적층된 다층박막으로 품질편차가 적고 우수한 내마모성을 구현할 수 있는 절삭공구용 다층박막에 관한 것이다.
본 발명에 따른 다층박막은, 박층A, 박층B, 박층C 및 박층D로 이루어진 단위다층박막이 2회 이상 적층된 절삭공구용 다층박막으로, 상기 박층 간의 탄성계수(k)는, kA>kB,kD>kC 이거나 kC>kB,kD>kA 이고, 상기 박층 간의 격자상수(L)는, LA,LC>LB,Ld 이거나 LB,Ld>LA,LC 이며, 상기 격자상수(L)의 최대값과 최소값의 차이가 20% 이내인 것을 특징으로 한다.

Description

절삭공구용 다층박막과 이를 포함하는 절삭공구 {MULTILAYERED THIN LAYER FOR CUTTING TOOLS AND CUTTING TOOLS COMPRISING THE SAME}
본 발명은 절삭공구용 다층박막에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 수 나노미터 ~ 수십 나노미터 두께의 초격자 박막이 A-B-C-D 또는 A-B-C-B의 형태로 적층된 다층박막으로 품질편차가 적고 우수한 내마모성을 구현할 수 있는 절삭공구용 다층박막에 관한 것이다.
고경도 절삭공구 소재의 개발을 위해 1980년대 후반부터 TiN 기반의 다양한 다층막 시스템이 제안되었다.
일례로 TiN이나 VN을 수 나노미터 두께로 교대로 반복 적층시켜 다층막을 형성하면, 각각의 단일 층의 격자상수의 차이에 불구하고 막 사이에 정합 계면을 이루어 하나의 격자상수를 갖는 이른바 초격자를 이루는 코팅을 하게 되면, 각각의 단일 막이 갖는 일반적인 경도의 2배 이상의 높은 경도를 구현할 수 있어, 이러한 현상을 절삭공구용 박막에 적용하기 위한 다양한 시도가 있어 왔다.
이러한 초격자 코팅에 사용되는 강화기구로는 Koehler's model, Hall-Petch 관계, Coherency strain model 등이 있으며, 이들 강화기구는, A와 B 물질의 교대 증착시 A와 B의 격자상수 차이, 탄성계수 차이 그리고 적층 주기의 제어를 통해 경도를 증가시키는 것이다.
일반적으로 두 물질의 교대 적층을 통해서는 상기 강화기구 중에 2가지 이상을 적용하는 것이 어렵고, 특히 로트(lot) 내는 물론 로트 간 다층박막의 적층 주기의 편차가 심한 양산 조건 하에서는 우수한 내마모성을 갖는 다층박막을 균일한 품질로 생산하기 어려운 문제점이 있다.
이에 따라, 종래에는 도 1에 보인 바와 같이, 하기 특허 문헌에 개시된 바와 같이, 2 이상의 물질의 교대 적층을 통해 다층박막을 형성할 경우, 탄성계수의 주기와 격자상수의 주기가 일치하도록 적층하는 것이 일반적인데, 이 경우 전술한 여러 가지 강화기구를 동시에 활용하기 어려워, 다층박막의 내마모성을 향상시키는데 한계가 있었다.
미국 특허등록특허 제5,700,551호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 초격자로 이루어진 다층박막을 형성함에 있어서, 다층박막의 격자상수와 탄성계수의 주기를 조절하여 2 이상의 박막 강화기구가 작용하도록 함으로써, 내마모성이 종래의 초격자 코팅에 비해 향상된 절삭공구용 다층박막과, 이 다층박막이 형성된 절삭공구를 제공하는데 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명은, 박층A, 박층B, 박층C 및 박층D로 이루어진 단위다층박막이 2회 이상 적층된 절삭공구용 다층박막으로, 상기 박층 간의 탄성계수(k)의 관계는, kA>kB,kD>kC 이거나 kC>kB,kD>kA 이고, 상기 박층 간의 격자상수(L)의 관계는, LA,LC>LB,LD 이거나 LB,LD>LA,LC 이며, 상기 격자상수(L)의 최대값과 최소값의 차이가 20% 이내인 것을 특징으로 하는 절삭공구용 다층박막을 제공한다.
본 발명에 따른 다층박막에 있어서, 상기 다층박막의 성장방향에 따라 변화하는 격자상수 평균 주기(λL)는, 상기 다층박막의 성장방향에 따라 변화하는 탄성계수 평균 주기(λk)의 1/2일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 다층박막에 있어서, 상기 단위다층박막의 두께는 4~50nm일 수 있고, 보다 바람직하게는 10~30nm일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 다층박막에 있어서, 상기 박층B과 박층D은 동일한 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명은 상기한 절삭공구의 표면에 상기 다층박막을 형성한 절삭공구를 제공한다.
본 발명에 의하면, 4층 이상의 단위다층박막을 적층한 박막을 다시 2층 이상 반복 적층하여 초격자 다층박막을 형성할 때, 단위다층박막의 적층주기에 따른 탄성계수와 격자상수의 적층주기의 변화를 도 2와 같이 제어함으로써, 2가지 이상의 강화기구가 다층박막에 작용하도록 하여, 한 가지의 강화기구가 작용하는 다층박막에 비해 품질 편차가 적고, 내마모성이 보다 향상된 절삭공구용 다층박막을 제공할 수 있게 된다.
도 1은 종래의 초격자 다층박막의 탄성계수와 격자상수의 주기의 관계를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 초격자 다층박막의 탄성계수와 격자상수 주기와의 관계를 나타낸 것이다.
도 3은 (Ti1 - xAlx)N계 박막의 Al 함량에 따른 격자상수의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따라 형성한 다층박막과 비교예에 따라 형성한 다층박막의 절삭성능시험 결과를 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따라 형성한 다층박막과 비교예에 따라 형성한 다층박막의 절삭성능시험 결과를 나타낸 사진이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 기초로 본 발명을 보다 상세하게 설명하나, 본 발명이 하기 실시예에 제한되는 것은 아니다.
본 발명자들은 단위다층박막을 적층함에 있어서, 탄성계수와 격자상수의 주기를 일치시키지 않고, 다르게 조절할 경우, 특히 적층된 초격자 박막에 2 이상의 강화기구(즉, Koehler's model 기구와 Hall-Petch 관계 기구)가 원활하게 작용될 수 있어, 다층박막의 내마모성을 향상시킴은 물론, 양산 시 한 가지 강화기구가 주로 작용하는 다층박막에 비해 품질편차가 작아짐을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명에 따른 다층박막은, 박층A, 박층B, 박층C 및 박층D으로 이루어진 단위다층박막이 순차 적층된 박막이, 2층 이상 반복 적층된 절삭공구용 다층박막으로, 상기 단위다층박막을 이루는 박층 간의 탄성계수(k)의 관계는, kA>kB,kD>kC 이거나 kC>kB,kD>kA 이고, 상기 단위다층박막을 이루는 박층 간의 격자상수(L)의 관계는, LA,LC>LB,LD 이거나 LB,LD>LA,LC 이며, 상기 격자상수(L)의 최대값과 최소값의 차이가 20% 이내인 것을 특징으로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 초격자 다층박막의 탄성계수와 격자상수 주기와의 관계의 일 예를 나타낸 것이다. 도 2에 보여진 바와 같이, 본 발명에 따른 초격자 다층박막은 도 1과 상이하게, 탄성계수의 주기(청색)는 격자상수의 주기(적색)의 2배 정도이며, 이에 따라 탄성계수와 격자상수의 주기가 일치하지 않는 것을 알 수 있다.
탄성계수와 관련된 Koehler 모델에서는 A박막의 두께와 B 박막의 두께가 충분히 작아져 전위의 생성이 어려워지는 임계 두께인 원자 층 100개 정도인 20~30nm 이하에서 강화효과가 발생하는 것으로 설명하고 있다. 반면 격자상수 차이로 인해 구분되어지는 물질의 주기를 설명하는 Hall-petch 모델에서는 보다 낮은 수준인 수 nm 주기에서의 강화효과가 발생하는 것으로 설명하고 있다. 본 발명은 상기 2가지 강화효과가 발생할 수 있도록 탄성계수의 주기와 격자상수의 주기가 상호 불일치하도록 조절한 것이다.
또한, 상기 격자상수(L)의 최대값과 최소값의 차이가 20%를 초과할 경우, 초격자를 형성하기 어려우므로, 20% 이내에서 가능한 차이가 발생하도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 다층박막은 단위다층박막이 4개의 층으로 이루어진 것을 대상으로 하며, 각 단위다층박막의 적층순서는 A-B-C-D 또는 A-B-C-B의 순으로 이루어질 수 있다. 즉, 제2층과 제4층은 서로 다른 물질로 이루어지거나, 동일한 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 탄성계수의 평균 주기와 격자상수의 평균 주기는 서로 상이하면 본 발명의 범위에 포함되며, 바람직하게는 상기 탄성계수의 평균 주기가 상기 격자상수의 평균 주기의 2배일 수 있다.
[실시예]
4개의 단위다층박막으로 이루어진 박막을 2층 이상 반복 적층한 초격자 다층박막을 형성함에 앞서, 각 단위다층박막의 탄성계수를 확인하기 위해 단층박막을 증착하여 각 단위다층박막을 구성하는 박막의 탄성계수를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
단위다층박막의 증착은 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition: PVD)의 인 아크 이온 플레이팅 법을 사용하였으며, 증착은 초기 진공압력 8.5×10-5Torr 이하로 감압하고 반응가스로 N2를 주입하였으며, 증착시 반응가스 압력은 40mTorr 이하(바람직하게는 10~35m Torr), 온도는 400~600℃, 기판 바이어스 전압은 -30 ~ -150V인 조건으로 실시하였다.
박막 타겟 조성
(원자%)		 탄성계수(k)
(GPa)
TiN Ti = 99.9 416
TiAlN Ti : Al = 75 : 25 422
TiAlN Ti : Al = 50 : 50 430
AlTiN Ti : Al = 33 : 67 398
CrN Cr = 99.9 475
CrAlN Cr : Al = 50 : 50 367
AlCrN Cr : Al = 30 : 70 403
AlCrSiN Cr : Al : Si = 30 : 65 : 5 338
또한, 다층박막을 구성하는 각 단위다층박막의 격자상수는 단층박막을 형성한 후 XRD분석을 통해 구할 수 있으나, 본 발명의 실시예에서는 기존에 실험과 이론적으로 구해진 원자 및 이온, 공유결합의 반경 값을 활용하여 구하였다. 구체적으로, 격자상수는 공유결합의 반경값을 원자비에 따라 정량적으로 B1 HCP 구조에 적용하는 방식으로 계산하여 구하였다.
또한, 도 3에 나타난 바와 같이, (Ti1 - xAlx)N계 박막의 경우, Al의 함량이 증가함에 따라 격자상수는 대략 선형적으로 감소하는 경향을 나타므로, (Ti1 - xAlx)N계 박막의 격자상수는 하기 식 1을 통해 구할 수 있다.
[식 1]
격자상수: a=4.24Å-0.125xÅ (x는 Al의 몰비)
실시예 1
본 발명의 실시예 1에서는 TiAlN계 박막을 본 발명에 따른 방법으로 다층박막을 형성한 경우와 종래의 방법으로 다층박막을 형성한 경우를 대비하였다.
다층박막의 적층구조 및 조성은 하기 표 2와 같이 실시하였고, 격자상수의 평균 주기가 5~10nm이며, 탄성계수의 주기가 10~20nm 되도록 4층의 단위다층박막으로 이루어진 박막을 총 180회 반복 적층하여, 최종 박막 두께 2.6~3.2㎛ 인 다층박막을 얻었다. 이때, 다층박막을 증착한 기재로는 한국야금의 P30 재종인 A30을 활용하였으며, 형번은 SPKN1504EDSR을 사용하였다.
박막 타겟 A B C D 비고
1-1 조성 Ti:Al=50:50 Ti:Al=75:25 Ti:Al=33:67 Ti:Al=75:25 실시예
격자상수 423 442.5 409.7 442.5
탄성계수 430 422 398 422
1-2 조성 Ti:Al=33:67 Ti:Al=33:67 Ti:Al=75:25 Ti:Al=75:25 비교예
격자상수 409.7 409.7 442.5 442.5
탄성계수 398 398 422 422
1-3 조성 Ti:Al=33:67 Ti:Al=75:25 Ti:Al=33:67 Ti:Al=75:25 비교예
격자상수 409.7 442.5 409.7 442.5
탄성계수 398 422 398 422
1-4 조성 Ti:Al=33:67 Ti:Al=33:67 Ti:Al=50:50 Ti:Al=50:50 비교예
격자상수 409.7 409.7 423 423
탄성계수 398 398 430 430
1-5 조성 Ti:Al=33:67 Ti:Al=50:50 Ti:Al=33:67 Ti:Al=50:50 비교예
격자상수 409.7 423 409.7 423
탄성계수 398 430 398 430
상기 표 2에서 격자상수의 단위는 Å이고, 탄성계수의 단위는 GPa임
이상과 같이 증착된 다층박막의 절삭성능평가는 피삭재로 SKD11(가로:100mm, 세로:300mm)을 사용하였으며, 절삭조건은 속도 250m/min, 날당 이송 0.2mm/tooth, 절입 2mm, 건식 조건에서 실시하였으며, 900mm 가공 후 마모상태를 비교하는 방식으로 수행하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다.
도 4에서 확인되는 바와 같이, SKD11 가공시 마모는 주로 경사면 마모 위주로 진행되는 것을 알 수 있으며, 실시예 1-1의 경우, 비교예 1-2 ~ 1-5에 비해, 경사면 마모가 개선된 것을 확인할 수 있다.
실시예 2
본 발명의 실시예 2에서는 AlCr계 박막을 본 발명에 따른 방법으로 다층박막을 형성한 경우와 종래의 방법으로 다층박막을 형성한 경우를 대비하였다.
다층박막의 적층구조 및 조성은 하기 표 3과 같이 실시하였고, 격자상수의 평균 주기가 5~10nm이며, 탄성계수의 주기가 10~20nm 되도록 4층의 단위다층박막으로 이루어진 박막을 총 180회 반복 적층하여, 최종 박막 두께 2.3~2.6㎛ 인 다층박막을 얻었다. 이때, 다층박막을 증착한 기재로는 KFC사 K44UF 소재에 형번은 BE2060을 사용하였다.
박막 항목 A B C D 비고
2-1 조성 Cr:Al:Si=
30:65:5		 Cr:Al=50:50 Cr:Al=30:70 Cr:Al=50:50 실시예
격자상수 393.8 402 382.7 402
탄성계수 338 367 403 367
2-2 조성 Cr=99.9 Cr:Al=30:70 Cr:Al=50:50 Cr:Al=30:70 실시예
격자상수 420 382.7 402 382.7
탄성계수 475 403 367 403
2-3 조성 Cr:Al=30:70 Cr:Al=50:50 Cr:Al=30:70 Cr:Al=50:50 비교예
격자상수 382.7 402 382.7 402
탄성계수 403 367 403 367
상기 표 3에서 격자상수의 단위는 Å이고, 탄성계수의 단위는 GPa임
이상과 같이 증착된 다층박막의 절삭성능평가는 피삭재로 SM45C(가로90mm, 세로:300mm)를 사용하였으며, 절삭조건은 속도 250m/min, 날당 이송 0.2mm/tooth, 절입 2mm, 건식 조건에서 실시하였으며, 12000mm 가공 후 마모상태를 비교하였고, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예 2-1 및 2-2는 비교예 2-3에 비해, 개선된 경사면 및 여유면 마모형태를 보여준다.
즉, 본 발명에 따라 탄성계수와 격자상수의 주기를 제어하여 적층한 초격자 다층박막이 그렇지 않은 경우에 비해, 향상된 내마모 특성을 나타냄을 알 수 있다.

Claims (5)

  1. 박층A, 박층B, 박층C 및 박층D로 이루어진 단위다층박막이 2회 이상 적층된 절삭공구용 다층박막으로,
    상기 박층 간의 탄성계수(k)의 관계는, kA>kB,kD>kC 이거나 kC>kB,kD>kA 이고,
    상기 박층 간의 격자상수(L)의 관계는, LA,LC>LB,LD 이거나 LB,LD>LA,LC 이며,
    상기 격자상수(L)의 최대값과 최소값의 차이가 20% 이내인 것을 특징으로 하는 절삭공구용 다층박막.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다층박막의 성장방향에 따라 변화하는 격자상수 평균 주기(λL)는, 상기 다층박막의 성장방향에 따라 변화하는 탄성계수 평균 주기(λk)의 1/2인 것을 특징으로 하는 절삭공구용 다층박막.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 단위다층박막의 두께는 4~50nm인 것을 특징으로 하는 절삭공구용 다층박막.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 박층B와 박층D는 동일한 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 절삭공구용 다층박막.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 다층박막이 형성된 절삭공구.
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