KR101579039B1 - 절삭공구용 경질피막 - Google Patents

절삭공구용 경질피막 Download PDF

Info

Publication number
KR101579039B1
KR101579039B1 KR1020150046688A KR20150046688A KR101579039B1 KR 101579039 B1 KR101579039 B1 KR 101579039B1 KR 1020150046688 A KR1020150046688 A KR 1020150046688A KR 20150046688 A KR20150046688 A KR 20150046688A KR 101579039 B1 KR101579039 B1 KR 101579039B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
tialn
layer
alcrn
altin
thin layer
Prior art date
Application number
KR1020150046688A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20150043264A (ko
Inventor
박제훈
안승수
이성구
안선용
김영흠
Original Assignee
한국야금 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국야금 주식회사 filed Critical 한국야금 주식회사
Priority to KR1020150046688A priority Critical patent/KR101579039B1/ko
Publication of KR20150043264A publication Critical patent/KR20150043264A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101579039B1 publication Critical patent/KR101579039B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0641—Nitrides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B27/00—Tools for turning or boring machines; Tools of a similar kind in general; Accessories therefor
    • B23B27/14—Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/04—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
    • C23C28/044—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material coatings specially adapted for cutting tools or wear applications

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)

Abstract

본 발명은 초경합금과 같은 경질모재 상에 인접하여 형성되는 경질피막으로 나노 다층구조로 이루어져 있어, 내산화성과 내마모성이 향상된 경질피막에 관한 것이다.
본 발명에 따른 경질피막은, 모재 상에 형성되는 경질피막으로, 상기 경질피막은 제1층과 제2층이 2회 이상 교대로 적층된 구조를 포함하고, 상기 제1층은 Ti1-aAla (0.3≤a≤0.7) 조성의 TiAl질화물로 이루어지고, 상기 제2층은 두께가 3nm~20nm인 박층A, 박층B, 박층C, 박층D를 포함하는 나노 다층구조 또는 이 나노 다층구조가 2 이상 반복되는 구조로 이루어지고, 상기 박층A는 Al1-b-cTibSic (0.3≤b≤0.7, 0≤c≤0.1) 조성의 AlTiSi 질화물로 이루어지고, 상기 박층B와 박층D는 Ti1-dAld (0.3≤d≤0.7) 조성의 TiAl 질화물로 이루어지고, 상기 박층C는 Al1-eCre (0.3≤e≤0.7) 조성의 AlCr 질화물로 이루어지고, 상기 박층A와 상기 박층B는 Al의 함량이 상이하며, 상기 제1층의 질소함량이 제2층의 질소함량에 비해 많은 것을 특징으로 한다.

Description

절삭공구용 경질피막 {HARD COATING FILM FOR CUTTING TOOLS}
본 발명은 절삭공구에 사용되는 초경합금이나 서멧(cermet)과 같은 경질모재 상에 형성되는 경질피막에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 초경합금과 같은 경질모재 상에 인접하여 형성되는 하부층과 상기 하부층 상에 형성되는 상부층이 교대적층되는 구조로 이루어지며, 상기 상부층은 다시 박층A, 박층B, 박층C 및 박층D를 포함하는 나노 다층구조 또는 이들의 반복적층 구조로 이루어져 있어, 종래의 다층 박막 구조에 비해 인성과 내마모성이 모두 향상된 경질피막에 관한 것이다.
산업이 점차 정밀화, 고속화 및 대량 생산화됨에 따라 절삭공구에 대한 절삭성능 향상 및 수명개선이 요구되고 있다. 특히, 고경도 피삭재에 대한 고속 절삭가공 및 열전도도가 낮은 난삭재에 대한 절삭가공시에는 약 900℃ 이상의 고열이 피삭재와 마찰되는 인써트 선단에 국부적으로 발생하는데, 내산화성과 내마모성이 우수한 경질피막을 인써트의 절삭면에 형성함으로써, 절삭공구의 수명을 높일 수 있다.
종래부터 절삭성능 향상 및 수명개선을 위해 초경합금, 써메트, 엔드밀, 드릴류 등의 모재 위에, TiN, Al2O3, TiAlN, AlTiN, AlCrN 등 내마모성, 내산화성, 또는 내충격성 등을 구비한 단일층 경질피막 또는 이들이 2층 이상 적층된 다층 경질피막을 형성함으로써, 고경도 피삭재 또는 난삭재에 대한 요구에 대응하여 왔다.
그런데, 피삭재가 점차 고경도화되고 있고, 열전도도가 낮고 공구와 용착이 심한 난삭재에 대한 가공 수요도 높아지고 있어, 신규한 물성을 갖는 박막 조성의 개발이나 단순한 다층구조만으로 상기한 수요에 대응하기가 점점 어려워지고 있다.
이에 따라, 최근에는 물성이 상이한 2종 이상의 나노 레벨의 박막을 규칙적으로 반복 적층하는 방법을 통해, 절삭성능을 높이고자 하는 시도가 많아지고 있다.
예를 들어, 한국등록특허공보 제876366호에는, 물리증착법(PVD)에 의해, 초경 합금공구인 인서트, 엔드밀, 드릴 혹은 서멧트 공구위에 밀착력 향상 및 (200)면의 결정배향을 위해 하지층을 증착시키고, 연속적으로 내충격성과 내치핑성을 향상시키기 위해 중간층인 (Ti,Al)N 다층박막을 증착시킨 후, 최상층을 TiAlN 또는 AlTiSiN으로 이루어지며, 상호 조성이 다른 A층, B층, C층 및 D층으로 이루어지고 이들이 교대로 적층되는 구조를 통해, 최상층의 내마모성과 내산화성을 향상시킨 박막구조가 개시되어 있다.
상기와 같은 다층 구조를 통해 내마모성 및 내산화성을 향상시킬 수 있으나, 내마모성, 내충격성(인성), 내치핑성 등 절삭작업에 요구되는 다양한 특성들을 개선하기 위해서는 새로운 구조의 경질피막의 개발이 요구된다.
이를 위해 본 발명자들은 한국등록특허공보 제1284766호에 개시된 바와 같이, 모재 표면에 형성되는 경질피막으로, 상기 경질피막은 제1층과 제2층이 교대로 적층된 구조를 포함하고, 상기 제1층은 Al1-xCrxN(0.3≤x≤0.7)으로 이루어지고, 상기 제2층은 두께가 3nm~20nm인 박층A, 박층B, 박층C, 박층D를 포함하는 나노 다층구조 또는 이 나노 다층구조가 2회 이상 반복적층되는 구조로 이루어지고, 상기 박층A는 Al1-a-bTiaSibN(0.3≤a≤0.7, 0≤b≤0.1)로 이루어지고, 상기 박층B와 박층D는 Ti1-xAlxN(0.3≤x≤0.7)로 이루어지고, 상기 박층C는 Al1-zCrzN(0.3≤z≤0.7)으로 이루어지고, 상기 박층A와 상기 박층B는 Al의 함량이 상이한 것을 특징으로 하는 절삭공구용 경질피막을 제시한 바가 있다.
상기한 구조를 통해 인성(내충격성), 내치핑성, 윤활성 등이 향상된 경질피막을 얻을 수 있었으나, 내마모성 측면에서는 보다 향상된 경질피막이 요구되고 있다.
본 발명은 인성(내충격성), 내치핑성, 윤활성 등이 전반적으로 향상되면서 특히 내마모성이 상당히 개선되어 절삭공구의 수명을 보다 늘릴 수 있는 절삭공구용 경질피막을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 모재 상에 형성되는 경질피막으로, 상기 경질피막은 제1층과 제2층이 2회 이상 교대로 적층된 구조를 포함하고, 상기 제1층은 Ti1-aAla (0.3≤a≤0.7) 조성의 TiAl질화물로 이루어지고, 상기 제2층은 두께가 3nm~20nm인 박층A, 박층B, 박층C, 박층D를 포함하는 나노 다층구조 또는 이 나노 다층구조가 2회 이상 반복 적층되는 구조로 이루어지고, 상기 박층A는 Al1-b-cTibSic (0.3≤b≤0.7, 0≤c≤0.1) 조성의 AlTiSi 질화물로 이루어지고, 상기 박층B와 박층D는 Ti1-dAld (0.3≤d≤0.7) 조성의 TiAl 질화물로 이루어지고, 상기 박층C는 Al1-eCre (0.3≤e≤0.7) 조성의 AlCr 질화물로 이루어지고, 상기 박층A와 상기 박층B는 Al의 함량이 상이하고, 상기 제1층의 질소함량이 제2층의 질소함량에 비해 많은 것을 특징으로 하는 절삭공구용 경질피막을 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 경질피막에 있어서, 상기 제1층의 금속성분 대비 총질소함량은 (TiAl)1-xNx (0.4≤x≤0.6)이고, 상기 제2층의 금속성분 대비 총질소함량은 (AlTiCrSi)1-yNy (0.1≤y≤0.5)일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 경질피막에 있어서, 상기 제1층과 제2층의 교대적층시 질소함량의 차이가 일정한 주기로 제어될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 경질피막에 있어서, 상기 제2층의 두께에 대한 제1층의 두께의 비(T1/T2)가 0.1 이상 1.0 미만이고, 제1층과 제2층의 교대 적층 구조의 두께가 1.0㎛~20.0㎛일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 경질피막에 있어서, 상기 나노 다층구조는 박층A-B-C-D의 순으로 적층되는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 절삭공구용 다층경질 박막은, 종래와 달리 교대반복적층되는 단일층을 TiAlN계 단일층으로 함으로써, 종래에 비해 내마모성이 향상된 경질피막을 얻을 수 있다.
또한, 단일층으로 이루어지는 제1층의 질소함량이 다층박막으로 이루어지는 제2층의 질소함량에 높게 설정하고, 이것이 주기적으로 반복되도록 함으로써, 내충격성, 내치핑성, 윤활성 등은 물론, 특히 내마모성이 향상되어 다양한 절삭환경에서 절삭공구의 절삭수명이 연장된다.
도 1은 본 발명에 따른 경질피막의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 코팅층을 형성하기 위한 코팅로 내의 타겟과 피코팅재의 배치를 설명하기 위한 개략도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나 다음에 예시하는 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예들에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다. 또한 첨부된 도면에서 막 또는 영역들의 크기 또는 두께는 발명의 이해를 위하여 과장된 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 절삭공구용 PVD 경질피막의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 경질피막은 모재 상에 형성되는 제1층(하부층)과 상기 제1층 상에 형성된 제2층(내마모층)이 2층 이상 교대로 적층된 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 제1층은 인성(내충격성) 향상을 주목적으로 하는 박막으로, 그 조성은 Ti1-aAla (0.3≤a≤0.7) 조성의 TiAl질화물로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 절삭가공을 하게 되면 절삭공구에는 고온 및 고압 환경이 형성되는데, 상기 Al의 함량(a)이 0.3 미만일 경우, TiN-fcc 구조에서 Al의 고용강화의 효과가 줄어들어 상기 고온 및 고압 환경에서 원자간 슬립이 쉽게 발생하여 마모 및 치핑이 잘 발생하게 되므로 공구수명이 줄어들고, 0.7을 초과할 경우 fcc-TiAlN에서 hcp-AlTiN으로 결정구조가 변하여 취성이 증가하여 내마모성이 저하되고, 치핑 및 파손 등이 생기기 쉬워 공구수명이 줄어들므로, Al의 함량(a)은 0.3~0.7이 바람직하다.
또한, 상기 제1층의 단위 두께는 0.01㎛~10㎛가 바람직하다.
상기 제2층은 내마모성 향상을 주목적으로 하는 박막으로, 층두께가 3nm~20nm인 박층A, 박층B, 박층C, 박층D를 포함하는 나노 다층구조 또는 이 나노 다층구조가 2회 이상 반복적층되는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 일반적으로 나노다층의 주기가 감소할수록 전위의 생성과 이동이 억제됨에 따라 박막이 강화되는데, 박층의 두께가 3nm 미만으로 너무 얇을 경우 전위의 생성과 이동을 억제하는 나노다층간의 경계가 불분명해지면서 두 층간의 상호확산에 의해 혼합 영역(mixing zone)이 형성되어 경도 및 탄성계수가 저하되므로 3nm 미만이 되지 않도록 하는 것이 좋고, 20nm를 초과할 경우 전위의 생성이 쉬워지고 전위의 이동이 쉬워지게 되므로 경도 및 탄성계수가 저하되고 또한 불일치(misfit) 전위의 형성에 의해 정합 변형에너지가 감소되어 강화 효과 감소 현상이 수반되므로, 3nm~20nm가 바람직하다. 상기 박층의 적층구조는 A/B/C/D, A/D/C/B, B/A/D/C, D/A/C/B 등 다양한 형태로 적층될 수 있으며, 제1층과 C층이 접하지 않고, A층과 C층의 사이에 B층 또는 D층이 개재된 형태가 가장 바람직하다.
또한, 상기 박층A는 Al1-b-cTibSic (0.3≤b≤0.7, 0≤c≤0.1) 조성의 AlTiSi 질화물로 이루어지는 것이 바람직한데, 이는 Ti의 함량(b)이 0.3 미만일 경우 육방정 B4구조의 상(phase) 형성으로 취성이 증가하여 내마모성이 저하되며 공구의 수명이 짧아지게 되고, 0.7 초과일 경우 원자반경이 Ti에 비해 작은 Al이 치환되어 고용되는 양이 줄어들어 박막의 경도 및 내마모성이 저하되고 절삭가공시 고온의 환경에서 TiO2 산화물 형성이 용이해져 박막 내부의 Ti원소가 외부로 확산되어 Ti원소 고갈에 따른 고온경도 저하를 초래할 수 있기 때문이다. 또한 상기 박층A에는 Si이 선택적으로 0.1 이하로 포함될 수 있는데, 이는 Si이 0.1 이하로 소량(적정량) 첨가될 경우, 비정질의 Si3N4 상이 결정질의 AlTiN 상의 입계를 따라 형성되어 결정질 상의 입자를 미세화시키므로 경도 및 내마성이 향상되기 때문이다. 그리고 고온절삭가공시 비정질의 Si3N4 상이 SiO2 산화물을 형성하여 내부원소의 외부확산을 막아주는 역할을 함으로써 절삭공구의 수명을 향상시킬 수 있다. 그러나 Si의 함량(c)이 0.1을 초과할 경우 비정질의 Si3N4 상이 증가하여 자체 경도가 저하되며 또한 결정질의 AlTiN 상의 입자 미세화 효과가 낮아지기 때문에 내마모성을 저하시키는 원인이 될 수 있기 때문이다.
또한, 상기 박층B 및 박층D는 Ti1-dAld (0.3≤d≤0.7) 조성의 TiAl 질화물로 이루어지는 것이 바람직한데, 이는 Al의 함량(d)이 0.3 미만일 경우 원자반경이 Ti에 비해 작은 Al이 치환되어 고용되는 양이 줄어들어 박막의 경도 및 내마모성이 저하되고 절삭가공시 고온의 환경에서 TiO2 산화물 형성이 용이해져 박막 내부의 Ti원소가 외부로 확산되어 Ti원소 고갈에 따른 고온경도 저하를 초래할 수 있고, 0.7 초과일 경우 육방정 B4구조의 상(phase) 형성으로 취성이 증가하여 내마모성이 저하되며 공구의 수명이 짧아질 수 있기 때문이다.
또한, 상기 박층C는 Al1-eCre (0.3≤e≤0.7) 조성의 AlCr 질화물로 이루어지는 것이 바람직한데, 상기 Cr의 함량(e)이 0.3 미만일 경우 절연성이 높아져 장비의 특성상 DC 증착이 어려우며, fcc-AlCrN이 아닌 hcp-AlCrN의 형성으로 취성이 증가하여 내마모성이 저하되며 공구의 수명이 짧아지게 되고, 0.7을 초과할 경우 조대한 박막조직을 형성함과 동시에 절삭가공과 같은 고온이 수반되는 작업시 Cr2N의 편석이 형성되어 내마모성이 저하되며 공구의 수명이 짧아지게 되므로, Cr의 함량(x)은 0.3~0.7이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 경질피막은 상기 모재에 인접한 하부층(제1층)과 나노다층(제2층)을 이루는 질화물에 있어서, 하부층(제1층)의 질소 함량이 나노다층(제2층)의 질소 함량에 비해 높게 설정한 상태(바람직하게는 제1층의 질소함량이 제2층에 비해 원자%로 10% 이상)에서 반복적층 구조를 형성한 것을 다른 특징으로 한다. 이를 통해, 인성의 큰 저하 없이 내마모성을 주 목적으로 하는 나노다층(제2층)의 금속성분의 함량을 보다 높일 수 있어 경질피막 전체의 내마모성을 개선할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 인성(내충격성) 향상을 위해 모재에 인접한 하부층(제1층)으로 TiAl 질화물을 두고, 내마모층 향상을 위해 박층A, B, C 및 D를 포함하는 나노다층(제2층) 구조를 구비하고, 하부층과 내마모층을 교대 반복하여 적층하며, 제1층과 제2층의 질소함량을 다르게 조절함으로써, 경질 피막 전체가 인성, 내마모성은 물론 내치핑성 및 윤활성도 향상될 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 나노다층(제2층)을 TiAlN, AlTiN, AlCrN계 피막의 조합으로 하면서, 각 층간의 조성 제어를 통해 내마모성의 향상을 도모한 것을 다른 특징으로 한다.
상기 박층A와 상기 박층B 사이의 Al의 함량이 상이해야 하며, Al 함량의 차이는 0.1 이상을 유지하는 것이 바람직한데, 이는 Al함량 차이가 0.1 미만일 경우 나노다층 간의 조성변화에 따른 탄성계수차이가 크지 않아 박막의 강화효과 감소 현상을 가져오기 때문이며, 전술한 박층A와 박층B의 조성에 대한 수치한정 이유를 고려할 때 Al 함량의 차이는 0.1~0.2를 유지하는 것이 좋다.
또한, 상기 제2층의 두께에 대한 제1층의 두께의 비(T1/T2)는 0.1 이상 1.0미만으로 유지하는 것이 바람직하다. 그 이유는 박막에 충격이 가해져 크랙이 발생하였을 때 경질층인 제2층과 연질층인 제1층의 반복교대적층으로 크랙이 심층으로 전파되는 것을 지연시키는 효과가 있는데, 제1층의 두께가 제2층의 두께에 비해 지나치게 얇을 경우(0.1 미만일 경우) 크랙의 전파 지연효과가 떨어지고, 제1층의 두께가 제 2층의 두께에 비해 두꺼울 경우(1.0 이상일 경우) 크랙이 심층으로 전파되는 것을 지연시키는 효과는 크나 연질층인 제1층이 두꺼워짐에 따라 박막 전체의 내마모성이 저하될 수 있기 때문이다.
또한, 제1층과 제2층의 교대 적층한 경질피막의 두께는 1.0㎛~20.0㎛인 것이 바람직하다.
[실시예]
본 발명의 실시예에서는 초경합금, 써메트, 고속도강, 엔드밀, 드릴류 등을 포함하는 경질 모재 표면 위에 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition: PVD)인 아크 이온 플레이팅 법을 이용하여, 도 1과 같은 구조를 갖는 박막을 코팅하였다.
구체적으로, 코팅에 사용한 타겟으로는 AlTi와 TiAl과 AlCr의 아크타겟을 사용하였으며, 초기 진공압력은 8.5×10-5Torr 이하로 감압하였으며, 반응가스로 N2를 주입하였다. 또한, 코팅을 위한 가스압력은 30mTorr 이하, 바람직하게는 20m Torr 이하로 유지하였으며, 코팅 온도는 400~550℃로 하였고, 코팅 시 기판 바이어스 전압은 -20V~-150V으로 인가하였다. 상기 코팅조건은 장비 특성 및 조건에 따라 달라질 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 상기한 코팅조건을 이용하여, 인성층인 단일층과 내마모층인 나노다층을 반복적으로 교대적층하였는데, 여기서, 단일층(인성층)은 Ti1-xAlxN막으로, 나노다층(내마모층)은 단위층(박층A) AlyTi1-yN 막과 단위층(박층B) TizAl1-zN 막과 단위층(박층C)Al1-xCrxN 막과 단위층(박층D)TizAl1-zN 막을 각각, 하기 표 1과 같은 적층주기(횟수)로 교대적층하여, 경질박막을 얻었다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 단일층(인성층)과 박층A, 박층B, 박층C, 박층D로 이루어지는 나노다층(내마모층)을 형성할 때, 인성층이 내마모층에 비해 질소함량이 많아지도록 제어하였다. 이때 질소함량의 제어는 압력으로 제어되는 코팅로 내에 코팅 도중에 공정가스로 주입되는 질소의 함량을 지속적으로 제어하는 방법을 통해 이루어진다.
구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 코팅로의 내부에 코팅용 타겟을 서로 마주보도록 4면으로 배치하고 피코팅물이 코팅로내 중앙에서 코팅용 타겟을 향하여 회전시킨 후, 코팅용 타겟에 고전류를 인가하여 코팅용 타겟을 증발시키고 증발된 타겟 물질을 코팅로 내에 주입된 질소가스와 반응시켜 회전중인 피코팅물의 표면에 코팅층을 형성시킬 경우, 본 발명의 실시예에서는 단일층 증착 시에는 주입되는 질소 함량을 높이고, 나노다층을 증착시킬 때는 주입되는 질소함량을 단일층에 비해 줄이는 방법을 통해, 형성되는 단일층과 나노다층에 포함되는 질소의 함량이 다르게 되도록 제어하였다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 경질피막은, 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition: PVD)을 이용하므로, 박막 두께는 최대 20㎛ 정도까지 적용이 가능하다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 경질 모재의 표면 위에 본 발명의 실시예에 따른 경질피막을 형성하도록 되어 있으나, 경질 모재와 본 발명의 실시예에 따른 경질피막의 사이에 추가로 다른 피막층이 형성될 수도 있다.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 박막과의 비교를 위하여, 총 4종류의 경질 피막을 형성하였다.
이중 시편번호 1~4는 각각 TiAlN, AlTiN, AlCrN의 단일층으로 이루어진 경질피막을 약 4㎛ 두께로 형성한 것이며, 이는 다층 경질피막과의 물성을 비교하기 위한 것이다. 또한, 시편번호 5~8은 각가 TiAlN/AlCrN을 약 18~20회 정도 교대반복 적층하여 약 4㎛ 두께의 경질피막을 형성한 것이며, 이는 단일층 피막과, 단일층과 다층피막의 교대반복 적층한 구조와의 비교를 위한 것이다. 또한, 시편번호 9 및 10은 AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN과 같이 4개의 박층을 교대반복 적층하여 약 4㎛ 두께의 경질피막을 형성한 것이며, 이는 단일층 피막과, 단일층과 다층피막의 교대반복 적층한 구조와의 비교를 위한 것이다. 또한, 시편번호 11 및 12는 TiAlN 단일층과, AlTiN/AlCrN/TiAlN의 3개 박층으로 이루어진 다층구조의 교대반복 적층을 통해 약 4㎛ 두께의 경질피막을 형성한 것이며, 이는 본 발명의 실시예에 따른 TiAlN 단일층과, 4개 박층으로 이루어진 다층구조의 교대반복 적층 구조와의 비교를 위한 것이다. 또한, 시편번호 13은 본 발명의 실시예와 동일한 적층구조를 가지나, 제1층과 제2층의 질소함량의 차이가 본 발명과 상이한 경우, 경질피막의 물성차이를 비교하기 위한 것이다.
구분 시편 박막구조
단일층 나노다층
단일층
(타겟조성비)		 두께
(㎛)		 나노다층(타겟조성비) 두께
(㎛)		 적층주기
(횟수)		 총두께
(㎛)		 적층
구조



비교예		 1 TiAlN
(5:5)		 4.2 - - - 4.2 단일
2 AlTiN
(67:33)		 4.1 - - - 4.1 단일
3 AlCrN
(5:5)		 4.2 - - - 4.2 단일
4 AlCrN
(7:3)		 4.2 - - - 4.2 단일
5 - - TiAlN(5:5)/AlCrN(7:3) 4.3 20 4.3 다층
6 - - AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3) 4.2 19 4.2 다층
7 - - TiAlN(5:5)/AlCrN(5:5) 4.2 18 4.2 다층
8 - - AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5) 4.3 19 4.3 다층
9 - - AlTiN(67:33)/TiAlN(5:5)/
AlCrN(5:5)/TiAlN(5:5)		 4.0 18 4.0 다층
10 - - AlTiN(67:33)/TiAlN(5:5)/
AlCrN(7:3)/TiAlN(5:5)		 4.2 19 4.2 다층
11 TiAlN(5:5) 0.07 AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3)/
TiAlN(5:5)		 0.16 20 4.1 단일/
다층
12 TiAlN(67:33) 0.07 AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3)/
TiAlN(5:5)		 0.17 19 4.3 단일/
다층
13 TiAlN(5:5) 0.16 AlTiN(67:33)/TiAlN(5:5)/
AlCrN(7:3)/TiAlN(5:5)		 0.17 19 4.3 단일/
다층
14 AlCrN(5:5) 0.16 AlTiN(67:33)/TiAlN(5:5)/
AlCrN(5:5)/TiAlN(5:5)		 0.17 20 4.3 단일/
다층
15 AlCrN(7:3) 0.18 AlTiN(67:33)/TiAlN(5:5)/
AlCrN(7:3)/TiAlN(5:5)		 0.14 19 4.1 단일/
다층
16 AlCrN(5:5) 0.06 AlTiN(67:33)/TiAlN(5:5)/
AlCrN(5:5)/TiAlN(5:5)		 0.16 19 4.0 단일/
다층
17 AlCrN(7:3) 0.06 AlTiN(67:33)/TiAlN(5:5)/
AlCrN(7:3)/TiAlN(5:5)		 0.17 20 4.1 단일/
다층


실시예		 18 TiAlN(5:5) 0.16 AlTiN(67:33)/TiAlN(5:5)/
AlCrN(5:5)/TiAlN(5:5)		 0.17 19 4.3 단일/
다층
19 TiAlN(67:33) 0.18 AlTiN(67:33)/TiAlN(5:5)/
AlCrN(5:5)/TiAlN(5:5)		 0.14 20 4.1 단일/
다층
20 TiAlN(5:5) 0.06 AlTiN(67:33)/TiAlN(5:5)/
AlCrN(7:3)/TiAlN(5:5)		 0.16 20 4.1 단일/
다층
21 TiAlN(67:33) 0.06 AlTiN(67:33)/TiAlN(5:5)/
AlCrN(7:3)/TiAlN(5:5)		 0.17 19 4.1 단일/
다층
하기 표 2에서는 상기 21개 샘플에 대한 각 층의 EDX 분석 결과를 나타내었다. 하기 표 2에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 질화물의 경우, 전술한 방법을 통해, 제1층(단일층)의 질화물이 제2층(다층구조)의 질화물에 비해 원자%로 10% 이상 질소가 더 함유되도록 제어되었다.
구분 샘플 박막구조 박막조성
(EDX, at%)
단일층
(타겟조성비)		 나노다층(타겟조성비) Al Ti Cr N
비교예 1 TiAlN(5:5) - 27.1 28.9 - 44
2 AlTiN(67:33) - 37.4 19.4 - 43.2
3 AlCrN(5:5) - 26.6 - 28.9 44.5
4 AlCrN(7:3) - 35.8 - 18.5 45.7
5 - TiAlN(5:5)/AlCrN(7:3) 32.4 14 9.5 44.1
6 - AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3) 35.2 9.5 9.4 45.9
7 - TiAlN(5:5)/AlCrN(5:5) 26.6 13.8 13.9 45.7
8 - AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5) 30.7 8.6 14.6 46.1
9 - AlTiN(67:33)/TiAlN(5:5)/AlCrN(5:5)/TiAlN(5:5) 28 18.3 7.2 46.5
10 - AlTiN(67:33)/TiAlN(5:5)/AlCrN(7:3)/TiAlN(5:5) 32.1 18 4.1 45.8
11 TiAlN(5:5) AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)/TiAlN(5:5) 29.3 10.7 14 46
12 TiAlN(67:33) AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3)/TiAlN(5:5) 34.4 11.1 8.1 46.4
13 TiAlN(5:5) 29.0 28.0 43.0
AlTiN(67:33)/TiAlN(5:5)/AlCrN(7:3)/TiAlN(5:5) 30.6 20.3 4.1 45.0
14 AlCrN(5:5) 25.9 28.3 45.8
AlTiN(67:33)/TiAlN(5:5)/AlCrN(5:5)/TiAlN(5:5) 29.2 17.1 7.1 46.6
15 AlCrN(7:3) 37.1 17.5 45.4
AlTiN(67:33)/TiAlN(5:5)/AlCrN(7:3)/TiAlN(5:5) 30.9 17.8 5 46.3
16 AlCrN(5:5) - 25.5 - 27.7 46.8
- AlTiN(67:33)/TiAlN(5:5)/AlCrN(5:5)/TiAlN(5:5) 29.6 18.1 6.8 45.5
17 AlCrN(7:3) - 37.8 - 17.1 45.1
- AlTiN(67:33)/TiAlN(5:5)/AlCrN(7:3)/TiAlN(5:5) 31.7 18.5 4.4 45.4
실시예 18 TiAlN(5:5) 28.0 27.0 45
AlTiN(67:33)/TiAlN(5:5)/AlCrN(5:5)/TiAlN(5:5) 37.1 22.7 8.6 31.6
19 TiAlN(67:33) 37.5 18.5 44
AlTiN(67:33)/TiAlN(5:5)/AlCrN(5:5)/TiAlN(5:5) 36.1 23.5 9.8 30.6
20 TiAlN(5:5) 28.0 27.0 44.5
AlTiN(67:33)/TiAlN(5:5)/AlCrN(7:3)/TiAlN(5:5) 40.1 22.5 5.1 32.3
21 TiAlN(67:33) 36.0 18.0 46.2
AlTiN(67:33)/TiAlN(5:5)/AlCrN(7:3)/TiAlN(5:5) 37.9 21.3 4.8 36.0
박막의 미소경도 및 마찰계수 평가
이상과 같이 제조한 총 21개의 경질피막의 경도를 평가하기 위하여, 열처리로를 이용하여 900℃에서 약 30분의 조건으로 열처리를 한 후, 열처리 전과 후의 경질피막의 미소경도를 대해 Fischerscope(HP100C-XYP; 독일 HELMUT FISCHER GMBH, ISO14577)를 사용하여 측정하였다.
<미소경도 테스트 조건>
Load: 30mN
Unload: 30mN
Load time: 10sec
Unload time: 10sec
Creep time: 5sec
또한, CETR UMT-2 micro-tribometer를 사용하여 ball-on-disc 테스트를 통해 sliding 거리(ball(재질 Si3N4, 직경 4mm, 경도 HV50g1600)의 60회 회전)에 따른 마찰계수를 측정하였다.
<마찰계수 테스트 조건>
온도: 20~25℃
상대습도: 50~60%
회전속도: 318rpm(10m/min)
또한, 박막의 내크랙성(인성)을 확인하기 위해 30kgf 하중의 다이아몬드 압흔을 적용하여 박막에 생성된 크랙의 길이를 측정하였다.
하기 표 3은 상기한 평가결과를 나타낸 것이다.
구분 샘플 박막구조 상온경도
(GPa),
(25℃),
열처리 無		 열화경도
(GPa)
(900℃, 30min)		 마찰
계수
(COF)		 크랙길이
(30kgf 하중, ㎛)
단일층 나노다층
비교예 1 TiAlN - 32.4 24 0.7 64
2 AlTiN - 35.5 29 0.72 65
3 AlCrN - 31.1 27 0.3 46
4 AlCrN - 29.5 25.5 0.33 46
5 - TiAlN/AlCrN 35.4 32.4 0.5 58
6 - AlTiN/AlCrN 36.7 34.3 0.48 59
7 - TiAlN/AlCrN 34.8 32.1 0.41 58
8 - AlTiN/AlCrN 36 34.1 0.44 58
9 - AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 38.5 36.5 0.6 60
10 - AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 38.8 36.8 0.65 64
11 TiAlN AlTiN/AlCrN/TiAlN 36.5 34.8 0.42 52
12 TiAlN AlTiN/AlCrN/TiAlN 36.2 32.7 0.46 53
13 TiAlN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 36.5 35.2 0.41 58
14 AlCrN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 37.3 36.1 0.35 51
15 AlCrN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 37.5 36.1 0.36 51
16 AlCrN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 37.9 36.4 0.41 48
17 AlCrN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 38.1 36.7 0.43 49
실시예 18 TiAlN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 38.9 37.7 0.42 52
19 TiAlN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 39.2 38.2 0.41 51
20 TiAlN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 38.3 37.1 0.39 50
21 TiAlN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 38.8 37.5 0.41 51
상기 표 3에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 경질피막의 경도가 가장 높은 편이며, 고온에서 열화도 거의 발생하지 않음을 알 수 있다. 또한, 마찰계수의 측면에서도 AlCrN 단일층으로 이루어진 경질피막에 비해서는 다소 높으나, 나머지 경질피막에 비해서는, 본 발명의 실시예에 따른 경질피막이 낮음을 알 수 있다. 또한, 박막의 인성을 나타내는 크랙길이에서도 AlCrN 단일층으로 이루어진 것과, AlCrN 단일층과 다층구조의 반복적층한 시편16 및 17을 제외한 나머지 모든 경질피막에 비해 동등 이상의 인성을 나타냄을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 경질피막은 경도와 인성을 겸비한 것임을 알 수 있다.
내마모성 평가
상기 표 1에 따라 제조된 경질피막의 내마모성을 평가하기 위하여, 2가지 조건으로 밀링가공 절삭성능 평가결과를 나타내었으며, 그 첫번째 절삭성능 평가조건은 다음과 같다.
피삭재: 탄소강(SM45C,탄소강 밀링가공)
샘플형번 : SPKN1504EDSR(ISO)
절삭 속도: 200m/min
절삭 이송: 0.3mm/tooth
절삭 깊이: 2mm
상기 절삭시험은 탄소강의 가공시 생성되는 칩의 용착 및 점착마모가 주요 마모경향으로, 박막의 윤활성(마찰계수)이 절삭성능에 미치는 가장 영향이 큰 변수라고 할 수 있다.
하기 표 4는 상기 탄소강 밀링가공시험 결과를 나타낸 것이다.
구분 샘플 박막구조 절삭수명
(가공거리,m)		 수명종료 원인
단일층 나노다층
비교예 1 TiAlN - 7.8 파손
2 AlTiN - 8 치핑
3 AlCrN - 2.5 치핑
4 AlCrN - 2.5 치핑
5 - TiAlN/AlCrN 10 치핑
6 - AlTiN/AlCrN 10 파손
7 - TiAlN/AlCrN 10 파손
8 - AlTiN/AlCrN 10 파손
9 - AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 13.6 치핑
10 - AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 14.1 파손
11 TiAlN AlTiN/AlCrN/TiAlN 12.1 과대마모
12 TiAlN AlTiN/AlCrN/TiAlN 12.2 과대마모
13 TiAlN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 14.9 정상마모
14 AlCrN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 14.8 정상마모
15 AlCrN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 15 정상마모
16 AlCrN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 16.8 정상마모
17 AlCrN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 17 정상마모
실시예 18 TiAlN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 15 정상마모
19 TiAlN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 15.1 정상마모
20 TiAlN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 15.1 정상마모
21 TiAlN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 14.8 정상마모
상기 표 4에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 경질피막은 높은 경도와 낮은 마찰계수를 겸비하고 있어, 모두 정상마모로 수명이 종료되었으나, 비교예 1~12의 시편은, 각각 파손, 치핑, 과대마모 등의 비정상마모로 수명이 종료되었다.
이어서, 상기 표 1의 조건으로 제조된 경질피막의 합금강에 대한 밀링가공 절삭성능을 평가하기 위하여 다음과 같은 조건으로 절삭성능을 평가하였다.
피삭재: 합금강(SCM440,합금강 밀링가공)
샘플형번 : SPKN1504EDSR(ISO)
절삭 속도: 200m/min
절삭 이송: 0.3mm/tooth
절삭 깊이: 2mm
일반적으로 합금강의 가공 시에는 기계적인 마찰마모가 주요 마모경향으로, 이는 박막의 내마모성(경도, 내산화성)이 큰 변수라고 할 수 있다.
하기 표 5는 상기 합금강 밀링가공시험 결과를 나타낸 것이다.
구분 샘플 박막구조 절삭수명
(가공거리,m)		 수명종료 원인
단일층 나노다층
비교예 1 TiAlN - 3 과대마모
2 AlTiN - 3.1 과대마모
3 AlCrN - 1 과대마모에 의한
파손
4 AlCrN - 0.8 과대마모에 의한
파손
5 - TiAlN/AlCrN 2.1 과대마모에 의한
파손
6 - AlTiN/AlCrN 2.2 과대마모에 의한
파손
7 - TiAlN/AlCrN 2.1 과대마모에 의한
파손
8 - AlTiN/AlCrN 2.2 과대마모에 의한
파손
9 - AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 4.5 치핑
10 - AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 4.8 치핑
11 TiAlN AlTiN/AlCrN/TiAlN 8.0 과대마모
12 TiAlN AlTiN/AlCrN/TiAlN 7.1 과대마모
13 TiAlN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 10.0 과대마모
14 AlCrN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 9.5 과대마모
15 AlCrN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 10.0 과대마모
16 AlCrN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 9.5 과대마모
17 AlCrN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 9.8 과대마모
실시예 18 TiAlN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 13.0 정상마모
19 TiAlN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 13.5 정상마모
20 TiAlN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 13.0 정상마모
21 TiAlN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 13.2 정상마모
상기 표 5에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 경질피막은 합금강을 대상으로 하는 절삭성능 시험에서 모두 정상마모로 수명이 종료하였으나, 비교예 1~17에 따른 경질피막은 모두 비정상적인 과정을 통해 수명이 종료되어, 본 발명에 비해 절삭수명이 현저하게 낮음을 알 수 있다.
인성 평가
상기 표 1에 따라 제조된 경질피막의 실제 절삭환경에서의 인성을 평가하기 위하여, 밀링가공 내충격 절삭성능 평가결과(단속평가)를 다음과 같은 조건으로 평가하였다. 평가는 인써트가 파손될 때까지 진행하였다.
피삭재: 합금강(SCM440,합금강 3조 격판 밀링가공)
샘플형번 : SPKN1504EDSR(ISO)
절삭 속도: 200m/min
절삭 이송: 0.2mm/tooth
절삭 깊이: 2mm
하기 표 6은 상기 합금강 3조 격판 밀링가공시험 결과를 나타낸 것이다.
구분 샘플 박막구조 절삭수명
(가공거리,m)
단일층 나노다층
비교예 1 TiAlN - 2.9
2 AlTiN - 2.8
3 AlCrN - 0.8
4 AlCrN - 1
5 - TiAlN/AlCrN 3.2
6 - AlTiN/AlCrN 3
7 - TiAlN/AlCrN 3.2
8 - AlTiN/AlCrN 3.5
9 - AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 4.1
10 - AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 3.2
11 TiAlN AlTiN/AlCrN/TiAlN 7.1
12 TiAlN AlTiN/AlCrN/TiAlN 7.1
13 TiAlN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 8.5
14 AlCrN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 8.6
15 AlCrN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 8.1
16 AlCrN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 8.6
17 AlCrN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 9.3
실시예 18 TiAlN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 8.5
19 TiAlN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 8.8
20 TiAlN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 8.9
21 TiAlN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 8.2
상기 표 6에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 경질피막과, 본 발명의 실시예와 유사한 적층구조를 갖는 비교예 13~17은 절삭수명거리가 8m 이상으로 동등한 수준을 나타내며, 이러한 절삭수명은 타 경질피막에 비해 현저하게 우수한 것임을 알 수 있다.
윤활성 및 내치핑성 평가
상기 표 1에 따라 제조된 경질피막의 드릴링 가공 특성을 비교하기 위하여, 먼저 탄소강에 대한 드릴링가공 절삭성능을 다음과 같이 평가하였다. 일반적으로 드릴링 가공은 밀링가공에 비해 절삭속도가 낮고 습식조건에서 실시하므로 가공 인써트의 윤활성(내용착성)과 내치핑성이 매우 중요하다. 이중 탄소강의 드릴링가공 시에는 용착에 의한 마모 및 치핑에 의한 수명종료가 가장 큰 변수이다.
피삭재: 탄소강(SM45C,탄소강 드릴링가공)
샘플형번 : SPMT07T208/XOMT07T205(인덱서블 드릴 인써트, 20Ф-5D)
절삭 속도: 150m/min
절삭 이송: 0.1mm/rev
절삭 깊이: 90mm(관통)
하기 표 7은 상기 탄소강 드릴링가공 시험 결과를 나타낸 것이다.
구분 샘플 박막구조 절삭수명
(hole: 20-90mm)		 수명종료원인
단일층 나노다층
비교예 1 TiAlN - 52 용착/과대마모
2 AlTiN - 52 용착/치핑
3 AlCrN - 16 과대마모
4 AlCrN - 10 과대마모
5 - TiAlN/AlCrN 80 치핑
6 - AlTiN/AlCrN 80 용착/치핑
7 - TiAlN/AlCrN 80 과대마모
8 - AlTiN/AlCrN 82 과대마모
9 - AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 104 치핑
10 - AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 104 용착/치핑
11 TiAlN AlTiN/AlCrN/TiAlN 190 과대마모
12 TiAlN AlTiN/AlCrN/TiAlN 185 과대마모
13 TiAlN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 230 정상마모
14 AlCrN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 230 정상마모
15 AlCrN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 230 정상마모
16 AlCrN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 256 정상마모
17 AlCrN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 256 정상마모
실시예 18 TiAlN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 230 정상마모
19 TiAlN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 230 정상마모
20 TiAlN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 256 정상마모
21 TiAlN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 256 정상마모
상기 표 7에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 경질피막은 모두 정상마모로 수명이 종료되었고, 본 발명의 실시예와 유사한 적층구조를 갖는 비교예 13~17도 본 발명과 동일하게 정상마모로 수명이 종료되었다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 경질피막은 탄소강의 드릴링 가공에도 적합하게 사용될 수 있음을 알 수 있다.
다음으로, 상기 표 1에 따라 제조된 경질피막의 합금강에 대한 드릴링 가공 특성을 비교하기 위하여, 다음과 같은 조건으로 절삭시험을 수행하였다. 합금강의 드릴링 가공 시에는 인써트 최외측의 기계적인 마찰마모 및 최내측의 치핑에 의한 수명종료가 가장 큰 변수이다.
피삭재: 합금강(SCM440,합금강 드릴링가공)
샘플형번 : SPMT07T208/XOMT07T205(인덱서블 드릴 인써트, 20Ф-5D)
절삭 속도: 150m/min
절삭 이송: 0.1mm/rev
절삭 깊이: 90mm(관통)
하기 표 8은 상기 합금강 드릴링가공 시험 결과를 나타낸 것이다.
구분 샘플 박막구조 절삭수명
(hole: 20-90mm)		 수명종료원인
단일층 나노다층
비교예 1 TiAlN - 56 과대마모
2 AlTiN - 56 과대마모
3 AlCrN - 2 과대마모에
의한
파손
4 AlCrN - 2 과대마모에
의한
파손
5 - TiAlN/AlCrN 15 과대마모
6 - AlTiN/AlCrN 11 과대마모
7 - TiAlN/AlCrN 12 과대마모에
의한
파손
8 - AlTiN/AlCrN 15 과대마모
9 - AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 80 치핑
10 - AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 42 치핑
11 TiAlN AlTiN/AlCrN/TiAlN 85 과대마모
12 TiAlN AlTiN/AlCrN/TiAlN 90 과대마모
13 TiAlN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 104 과대마모
14 AlCrN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 104 과대마모
15 AlCrN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 104 과대마모
16 AlCrN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 104 과대마모
17 AlCrN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 104 과대마모
실시예 18 TiAlN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 156 정상마모
19 TiAlN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 156 정상마모
20 TiAlN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 156 정상마모
21 TiAlN AlTiN/TiAlN/AlCrN/TiAlN 156 정상마모
상기 표 8에서 확인되는 바와 같이, 합금강에 대한 드릴링 절삭시험에서는 본 발명의 실시예에 따른 경질피막을 제외한 모든 경질피막에서는 비정상적으로 수명이 종료되었음을 알 수 있다.
이상과 같은 다양한 절삭시험결과를 통해, 본 발명의 실시예에 따른 경질피막은, 인성(내충격성), 내치핑성, 윤활성 등이 전반적으로 향상되면서 특히 내마모성이 상당히 향상되어, 다양한 절삭조건에서도 개선된 수명특성을 얻을 수 있음이 확인되었다.

Claims (4)

  1. 모재 표면에 형성되는 경질피막으로,
    상기 경질피막은 제1층과 제2층이 2회 이상 교대로 적층된 구조를 포함하고,
    상기 제1층은 Ti1-aAla (0.3≤a≤0.7) 조성의 TiAl 질화물로 이루어지고,
    상기 제2층은 두께가 3nm~20nm인 박층A, 박층B, 박층C, 박층D를 포함하는 나노 다층구조 또는 이 나노 다층구조가 2회 이상 반복 적층되는 구조로 이루어지고,
    상기 박층A는 Al1-b-cTibSic (0.3≤b≤0.7, 0≤c≤0.1) 조성의 AlTiSi 질화물로 이루어지고,
    상기 박층B와 박층D는 Ti1-dAld (0.3≤d≤0.7) 조성의 TiAl 질화물로 이루어지고,
    상기 박층C는 Al1-eCre (0.3≤e≤0.7) 조성의 AlCr 질화물로 이루어지고,
    상기 박층A와 상기 박층B는 Al의 함량이 상이하며,
    상기 제1층의 질소함량이 제2층의 질소함량에 비해 10원자% 이상 많고,
    상기 제1층의 금속성분 대비 총질소함량은 (TiAl)1-xNx (0.4≤x≤0.6)이고,
    상기 제2층의 금속성분 대비 총질소함량은 (AlTiCrSi)1-yNy (0.1≤y≤0.5)인 것을 특징으로 하는 절삭공구용 경질피막.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1층과 제2층의 교대적층시 질소함량의 차이가 일정한 주기로 제어되는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 경질피막.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2층의 두께에 대한 제1층의 두께의 비(T1/T2)가 0.1 이상 1.0 미만이고, 제1층과 제2층의 교대 적층 구조의 두께가 1.0㎛~20.0㎛인 것을 특징으로 하는 절삭공구용 경질피막.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 나노 다층구조는 박층A-B-C-D의 순으로 적층되는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 경질피막.
KR1020150046688A 2015-04-02 2015-04-02 절삭공구용 경질피막 KR101579039B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150046688A KR101579039B1 (ko) 2015-04-02 2015-04-02 절삭공구용 경질피막

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150046688A KR101579039B1 (ko) 2015-04-02 2015-04-02 절삭공구용 경질피막

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020130107733 Division 2013-09-09 2013-09-09

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150043264A KR20150043264A (ko) 2015-04-22
KR101579039B1 true KR101579039B1 (ko) 2015-12-18

Family

ID=53036041

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150046688A KR101579039B1 (ko) 2015-04-02 2015-04-02 절삭공구용 경질피막

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101579039B1 (ko)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10583493B2 (en) 2015-04-27 2020-03-10 Tungaloy Corporation Coated cutting tool
WO2017022501A1 (ja) * 2015-08-03 2017-02-09 株式会社タンガロイ 被覆切削工具
BR112018004352B1 (pt) * 2015-09-04 2022-06-28 Osg Corporation Revestimento rígido e membro coberto com revestimento rígido
ES2777798T3 (es) * 2015-09-04 2020-08-06 Osg Corp Revestimiento duro y elemento recubierto con un revestimiento duro
JP6222675B2 (ja) 2016-03-28 2017-11-01 住友電工ハードメタル株式会社 表面被覆切削工具、およびその製造方法
JP6507399B2 (ja) * 2017-03-28 2019-05-08 株式会社タンガロイ 被覆切削工具
KR102074132B1 (ko) * 2017-12-28 2020-02-06 한국야금 주식회사 절삭공구용 경질피막
KR20200021692A (ko) 2018-08-21 2020-03-02 주식회사 동방수산 해삼 가공장치 및 방법
JP7081466B2 (ja) * 2018-12-03 2022-06-07 株式会社タンガロイ 穴あけ加工用被覆切削工具
KR102497483B1 (ko) 2020-12-17 2023-02-08 한국야금 주식회사 절삭공구용 경질피막
KR20230102644A (ko) 2021-12-30 2023-07-07 한국야금 주식회사 절삭공구용 경질피막

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100900529B1 (ko) 2008-07-16 2009-06-02 한국야금 주식회사 내마모성과 인성이 우수한 복합 다층경질 박막

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100900529B1 (ko) 2008-07-16 2009-06-02 한국야금 주식회사 내마모성과 인성이 우수한 복합 다층경질 박막

Also Published As

Publication number Publication date
KR20150043264A (ko) 2015-04-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101579039B1 (ko) 절삭공구용 경질피막
US9855608B2 (en) Hard coating film for cutting tools
KR101351845B1 (ko) 절삭공구용 경질피막
KR101284766B1 (ko) 절삭공구용 경질피막
CN108977808B (zh) 多层氮化物硬涂层
KR101753104B1 (ko) 절삭공구용 경질피막
KR101351843B1 (ko) 절삭공구용 경질피막
BRPI0717566B1 (pt) peça de trabalho com revestimento duro, seu processo de fabricação, e método para fabricar dispositivo
JP3719731B2 (ja) 被覆切削工具・被覆耐摩工具
EP1764174A1 (en) Surface-coated cutting tool having film with compressive stress intensity distribution
KR20170008295A (ko) 적층형 경질 피막 및 절삭 공구
KR20180038009A (ko) 경질 피막 및 경질 피막 피복 부재
WO2007111293A1 (ja) 切削工具およびその製造方法
KR20190081387A (ko) 절삭공구용 경질피막
JP3001849B2 (ja) 被覆硬質工具
US9273388B2 (en) Hard film for cutting tool
KR101179255B1 (ko) 절삭공구 공구용 피막
KR20210081519A (ko) 절삭공구용 경질피막
KR20100130752A (ko) 절삭공구용 ｐｖｄ 다층막
KR102112084B1 (ko) 절삭공구용 경질피막
KR102200647B1 (ko) 절삭공구용 경질피막 및 이의 제조방법
KR20150126648A (ko) 가공 공구용 경질 피막 및 경질 피막 피복 금속 가공 공구
JP7110352B2 (ja) 硬質被膜および硬質被膜被覆部材
US8465852B2 (en) Oxide film, oxide film coated material and method for forming an oxide film
KR102497483B1 (ko) 절삭공구용 경질피막

Legal Events

Date Code Title Description
A107 Divisional application of patent
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20171206

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20181226

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20191219

Year of fee payment: 6