KR101590203B1 - 산화물 코팅된 절삭 인서트 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 초경 합금, 서멧, 세라믹, 입방정 질화붕소 기재의 재료 또는 고속강의 경질 합금으로 된 본체를 포함하고 또한 1 개 또는 여러 개의 층을 갖는 경질의 내마모성 코팅이 도포되는 절삭 공구 인서트에 관한 것으로서, 상기 1 개 또는 여러 개의 층 중 적어도 하나는 (Al, Cr)2O3 층이다. 본 발명은 강 및 스테인리스 강의 기계가공에 특히 유용하다. 전체 두께가 2 ~ 20 ㎛ 인 코팅은 1 개 또는 여러 개의 층을 포함하고, 이러한 1 개 또는 여러 개의 층 중 적어도 하나는 코런덤상 결정질 구조 및 0.4 ≤ y ≤ 0.6 인 (Al1 - yCry)2O3 조성을 가진 1 ~ 5 ㎛ 의 두께의 (Al, Cr)2O3 층이다. 상기 (Al, Cr)2O3 층은, 코팅 표면의 법선에 대한 기저면의 경사각 (φ) 또는 예를 들어 전자식 후방 산란 회절장치 (EBSD) 또는 x-선 회절장치 (XRD) 에 의해 결정되는 바와 같이 70°< φ < 90°의 최대 피크에 대한 경사각 (φ) 으로 코팅 표면의 법선 방향으로 회전 대칭인 섬유 텍스쳐를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 초경 합금, 서멧 (cermet), 세라믹, 입방정 질화붕소 기재의 재료 또는 고속강의 경질 합금으로 된 본체 및 바람직하게는 높은 절삭 속도에서 강 및 스테인리스 강의 기계가공에 사용되도록 구성되는 경질의 내마모성 산화물을 포함하는, 칩 제거에 의한 기계가공용 공구에 관한 것이다. 상기 코팅은 1 개 이상의 층으로 구성되고, 이러한 층들 중 적어도 하나의 층은 텍스쳐링 (textured) 물리적 기상 증착된 (PVD) 코런덤상 (corundum phase) 크롬 함유 알루미나 (Al, Cr)2O3 이다.
화학적 기상 증착법 (CVD) 로 형성되는 텍스쳐링 α-Al2O3 층은, 예를 들어 EP 603144, EP 1528125, EP 1477581, EP 659153, EP 1655387, EP 659903, EP 738336, EP 1655388, EP 1655392, US 2007/104945, US 2004/202877 에 기재되어 있다.
EP 1479791 에는 초경 합금 또는 서멧으로 이루어진 절삭 공구 및 경질 코팅이 기재되어 있고; 이 경질 코팅은 전자식 후방 산란 회절장치 (electron back scattering diffraction; EBSD) 에 의해 결정되는 바와 같이, 표면의 법선에 대한 α-Al2O3 기저면의 경사가 0 ~ 10 도의 범위내로 측정되는, 피크가 최대가 되는, CVD 에 의해 형성된 α-Al2O3 층을 포함한다.
EP 744473 에는 PVD 에 의해 생성되는 텍스쳐링 γ-Al2O3 층이 기재되어 있다.
US 5310607 에는 (Al, Cr)2O3 결정질 및 함량이 5 at% 이상인 크롬을 포함하는 경질 코팅이 기재되어 있고, 상기 (Al, Cr)2O3 는 단일 결정질이다. 이 코팅은 900℃ 보다 낮은 온도에서 증착된다. 경질 코팅은 CVD 또는 PVD 공정에 의해 증착된다.
알루미나 코팅된 초경 합금 공구로 강을 기계가공할 때, 절삭날은 상이한 마모 메카니즘, 예를 들어 화학적 마모, 연마 마모, 접착 마모에 따라 또한 절삭날을 따라 형성된 균열에 의한 날 칩핑에 의해 마모된다. 어떠한 마모 메카니즘의 우위 (domination) 는 적용에 의해 결정되며 또한 기계가공된 재료의 특성, 적용된 절삭 파라미터 및 공구 재료의 특성에 따른다. 일반적으로, 모든 공구 특성을 동시에 개선시키는 것은 매우 어렵고, 상업적으로 이용가능한 초경 합금 그레이드 (grades) 는 일반적으로 전술한 마모 유형 중 하나 또는 몇 개에 대하여 최적화되며, 그리하여 특정 적용 분야에 대하여 최적화된다. 이는, 예를 들어 알루미나 층의 텍스쳐를 제어함으로써 달성될 수 있다.
본 발명의 목적은, 강 및 스테인리스 강의 기계가공에 대하여 성능이 향상된, 내마모성 경질 산화물이 코팅된 절삭 공구를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 절삭 공구는 초경 합금, 서멧, 세라믹, 입방정 질화붕소 기재의 재료 또는 고속강의 경질 합금으로 된 본체 및 금속 기계가공 특성이 우수한 코런덤상 (Al, Cr)2O3 의 텍스쳐링 산화물 층을 포함한다.
도 1a 는 a-축선 (100), b-축선 (010) 및 c-축선 (001) 이 표시된 육각형 결정질 구조의 개략도,
도 1b 는 코팅 표면 (S), 육각형 구조 (도 1a 참조) 의 c-축선 (001) 및 코팅 표면에 대한 법선 (n) 의 경사각 (φ) 을 가진 섬유 텍스쳐의 개략도,
도 2 는 진공실 (1), 음극 재료 A (2a), 음극 재료 B (2b), 고정물 (3), 바이어싱용 전력 공급원 (4), 음극 아크 전력 공급원 (5a), 음극 아크 전력 공급원 (5b), 공정 가스용 입구 (6) 및 진공 펌프용 출구 (7) 를 도시하는 증착 챔버의 개략적인 측면도,
도 3 은 본원에 따른 코팅의 파쇄 단면의 2 차 모드에서의 주사식 전자 현미경사진으로서, 본체 (A), 접착층 (B), (Al, Cr)O 층 (C), (Al, Cr)N 층 (D) 및 TiN 층 (E) 인 도면,
도 4 는 텍스쳐링 (Al, Cr)2O3 층의 x-선 회절 패턴을 도시한 도면으로서, 초경 합금의 피크는 실선으로 표시되고, 이러한 피크는 점선으로 표시한 (Al, Cr)2O3 로부터 기인하는 도면,
도 5 에서 A 는 본원에 따른 (Al, Cr)2O3 층의 (001) 극 도면이고, B 는 (001) 극 선도.
도 1b 는 코팅 표면 (S), 육각형 구조 (도 1a 참조) 의 c-축선 (001) 및 코팅 표면에 대한 법선 (n) 의 경사각 (φ) 을 가진 섬유 텍스쳐의 개략도,
도 2 는 진공실 (1), 음극 재료 A (2a), 음극 재료 B (2b), 고정물 (3), 바이어싱용 전력 공급원 (4), 음극 아크 전력 공급원 (5a), 음극 아크 전력 공급원 (5b), 공정 가스용 입구 (6) 및 진공 펌프용 출구 (7) 를 도시하는 증착 챔버의 개략적인 측면도,
도 3 은 본원에 따른 코팅의 파쇄 단면의 2 차 모드에서의 주사식 전자 현미경사진으로서, 본체 (A), 접착층 (B), (Al, Cr)O 층 (C), (Al, Cr)N 층 (D) 및 TiN 층 (E) 인 도면,
도 4 는 텍스쳐링 (Al, Cr)2O3 층의 x-선 회절 패턴을 도시한 도면으로서, 초경 합금의 피크는 실선으로 표시되고, 이러한 피크는 점선으로 표시한 (Al, Cr)2O3 로부터 기인하는 도면,
도 5 에서 A 는 본원에 따른 (Al, Cr)2O3 층의 (001) 극 도면이고, B 는 (001) 극 선도.
본 발명에 따라서, 칩 제거에 의한 기계가공, 특히 강 및 스테인리스 강의 금속 절삭시 유용한 절삭 공구로서, 초경 합금, 서멧, 세라믹, 입방정 질화붕소 기재의 재료 또는 고속강의 경질 합금으로 된 본체를 포함하고, 상기 본체에는 코팅이 증착되며, 상기 코팅은 다음을 포함한다:
- 바람직하게는, 예를 들어 종래 기술에 따라서 바람직하게는 0.5 ㎛ 미만의 TiN 또는 (Al, Cr)N 의 제 1 (최내) 접착층 (도 3 의 B).
- 0.5 ~ 10 ㎛, 바람직하게는 1 ~ 5 ㎛, 가장 바람직하게는 2 ~ 4 ㎛ 의 두께를 가지고 텍스쳐링 칼럼 입자를 가지며 0.4 ≤ y ≤ 0.6, 바람직하게는 y = 0.5 인 (Al1 - yCry)2O3 층. (Al, Cr)2O3 층은 PVD 에 의해 형성되는 코런덤 구조 및 섬유 텍스쳐를 가지며, 이 섬유 텍스쳐는, 코팅 표면의 법선 (도 5 의 A) 에 대한 기저면의 경사각 (φ) (도 1b) 또는 예를 들어 전자식 후방 산란 회절장치 (EBSD) 또는 x-선 회절장치 (XRD) 에 의해 결정되는 바와 같이 70°< φ < 90°, 바람직하게는 80°< φ < 90°인, 극 선도 (도 5 의 B) 에서의 최대 피크에 대한 경사각 (φ) 으로 코팅 표면의 법선 방향으로 회전 대칭이다.
상기 (Al, Cr)O 층은 -4.5 < σ < -0.5 GPa, 바람직하게는 -3.0 < σ < -1.0 GPa 의 압축 응력값을 가진다.
(Al1 - yCry)2O3 에서 성분 y 는, 예를 들어 EDS 또는 WDS 에 의해 결정된다.
상기 본체는, 종래 기술에 따라서 1 ~ 20 ㎛, 바람직하게는 1 ~ 10 ㎛, 가장 바람직하게는 2 ~ 7 ㎛ 의 총 두께로, 예를 들어 TiN, TiC, Ti(C, N), (Al, Cr)N 또는 (Ti, Al)N, 바람직하게는 (Ti, Al)N, (Al, Cr)N 으로 된 내부 단일층 및/또는 다중층 코팅, 및/또는 TiN, TiC, Ti(C, N), (Al, Cr)N 또는 (Ti, Al)N, 바람직하게는 (Ti, Al)N, (Al, Cr)N 으로 된 외부 단일층 및/또는 다중층 코팅으로 추가로 코팅될 수 있다.
본 발명의 층을 증착시키는 방법은, 다음의 조건하에서 합금 또는 복합재 음극의 음극 아크 증발 (cathodic arc evaporation) 을 기초로 하며; (Al, Cr)2O3 층은 (40 at% Al + 60 at% Cr) ~ (60 at% Al + 40 at% Cr) 범위, 바람직하게는 (45 at% Al + 55 at% Cr) ~ (55 at% Al + 45 at% Cr) 범위의 조성을 갖는 Al + Cr 음극을 사용하여 성장된다. 증발 전류는 음극 크기에 따라서 50 A ~ 200 A, 바람직하게는 직경이 63 ㎜ 인 음극을 사용하면 60 A ~ 90 A 이다. 상기 층은 1.0 Pa ~ 5.0 Pa, 바람직하게는 1.0 Pa ~ 2.5 Pa 의 총 압력에서 Ar + O2 분위기, 바람직하게는 순수 O2 분위기에서 성장된다. 바이어스는 -100 V ~ -250 V, 바람직하게는 -125 V ~ -175 V 이다. 증착 온도는 300℃ ~ 550℃, 바람직하게는 350℃ ~ 450℃ 이다.
본 발명은, 또한 75 ~ 600 m/min, 바람직하게는 150 ~ 500 m/min 의 절삭 속도에서, 밀링의 경우에 절삭 속도 및 인서트 형상에 따라서 0.08 ~ 0.5 ㎜, 바람직하게는 0.1 ~ 0.4 ㎜ 의 1 날당 평균 이송량으로, 강 및 스테인리스 강의 기계가공을 위해 전술한 바에 따르는 절삭 공구 인서트를 사용하는 용도에 관한 것이다.
실시예
1
그레이드 A : 10 wt% Co 및 잔부는 WC 조성의 초경 합금 인서트가 사용되었다.
증착하기 전에, 인서트는 알칼리 용액 및 알코올의 초음파 욕에서 세정되었다. 이 시스템은 2.0 × 10-3 Pa 미만의 압력으로 진공되고, 그 후에 인서트가 Ar 이온으로 스퍼터 세정되었다. 먼저, 두께가 0.2 ㎛ 인 TiN 접착층, 그 다음에 두께가 2.5 ㎛ 인 텍스쳐링 (Al, Cr)2O3 층은, 1.5 Pa 의 총 압력 및 약 400℃ 의 증착 온도에서 99.995% 순수 O2 분위기에서, (도 2 의 위치 2a 및 2b 에서) 직경이 63 ㎜ 인 합금화된 (50 at% Al + 50 at% Cr) 음극의 음극 아크 증발에 의해, 3 ㎛ 의 총 코팅 두께까지 성장되었다. 증발 전류는 75 A 이고, 바이어스는 증착시 -150 V 에 유지되었다. 최종적으로, 0.3 ㎛ (Al, Cr)N 및 0.2 ㎛ TiN 으로 이루어진 상부 색상 코팅이 도포되었다.
코팅의 파쇄 단면 SEM 현미경사진에서는, 본체 (A), 접착층 (B), (Al, Cr)O 층 (C), (Al, Cr)N 층 (D) 및 TiN 층 (E) 을 가진 도 3 에 도시되어 있다.
증착된 층 자체의 XRD 패턴은 CuKα-방사선 및 θ-2θ 구성을 사용하여 얻어졌다. 도 4 에서는 텍스쳐링 코런덤상 (Al, Cr)2O3 층을 가진 본원에 따른 코팅의 XRD 패턴을 나타낸다. (Al, Cr)2O3 층으로부터 기인하는 피크는 점선으로 표시되고, 초경 합금의 피크는 실선으로 표시되었다.
증착된 코런덤상 (Al, Cr)2O3 층 자체의 c-축선 (001) 방향 (도 1a 참조) 으로의 EBSD 극 도면 (도 5 의 A) 및 극 선도 (도 5 의 B) 각각은, 코팅 표면의 법선에 대한 기저면의 경사각 (φ) (도 1b 참조) 이 70 ~ 90°인 코팅 표면의 법선 (도 1b 참조) 방향으로의 섬유 텍스쳐 (회전 대칭임) 를 도시하고 있다. 극 선도에서 최대 피크는 90°에 근접한다. EBSD 데이터는, 20 kV 에서 작동되며 또한 HKL Nordlys Ⅱ EBSD 검출기가 장착된 LEO Ultra 55 주사식 전자 현미경을 사용하여 얻어지며 또한 Channel 5 소프트웨어로 산출되었다.
(Al, Cr)2O3 층의 잔류 응력 (σ) 은 sin2ψ 방법을 사용하여 XRD 측정에 의해 산출되었다. 이러한 측정은 (Al, Cr)2O3 (116)-반사에 대한 CrKα-방사선을 사용하여 실시되었다. 잔류 응력값은 프와송비 υ = 0.26 및 영계수 E = 420 GPa 을 사용하여 산출되는 바와 같이 2.4±0.3 GPa 이었다.
(Al1 -yCry)2O3 중 성분 y = 0.61 은 10 kV 에서 작동되는 Thermo Noran EDS 검출기를 갖춘 LEO Ultra 55 주사식 전자 현미경을 사용하여 에너지 분산 분광법 (EDS) 분석에 의해 예측되었다. 데이터는 Noran System Six (Nss 버젼 2) 소프트웨어를 사용하여 산출되었다.
실시예
2
그레이드 B : 종래 기술에 따라서, PVD 에 의해 10 wt% Co 및 잔부는 WC 조성의 초경 합금 인서트상에 3.0 ㎛ Ti0 .34Al0 .66N 층이 증착되었다.
실시예
3
그레이드 C : 종래 기술에 따라서, CVD 에 의해 10 wt% Co 및 잔부는 WC 조성의 초경 합금 인서트상에 3.0 ㎛ Ti(C, N) + 3 ㎛ α-Al2O3 로 구성된 코팅이 증착되었다.
실시예
4
그레이드 D : 5 wt% Co 및 잔부는 WC 조성의 초경 합금 인서트를 사용하여 실시예 1 이 반복되었다.
실시예
5
그레이드 E : 종래 기술에 따라서, PVD 에 의해 5 wt% Co 및 잔부는 WC 조성의 초경 합금 인서트상에 3.0 ㎛ Ti0 .34Al0 .66N 층이 증착되었다.
실시예
6
그레이드 F : 종래 기술에 따라서, CVD 에 의해 5 wt% Co 및 잔부는 WC 조성의 초경 합금 인서트상에 3.0 ㎛ Ti(C, N) + 3.0 ㎛ α-Al2O3 로 구성된 코팅이 증착되었다.
실시예
7
그레이드 A, B 및 C 가 강의 기계가공시에 시험되었다.
상기 시험은 동일한 최대 플랭크 마모에서 중지되었다. 본원에 따른 그레이드에 의하여 내마모성이 훨씬 개선되었다.
실시예
8
그레이드 A, B 및 C 가 스테인리스 강의 기계가공시에 시험되었다.
상기 시험은 동일한 최대 플랭크 마모에서 중지되었다. 본원에 따른 그레이드에 의하여 내마모성이 훨씬 개선되었다.
실시예
9
그레이드 D, E 및 F 가 스테인리스 강의 기계가공시에 시험되었다.
상기 시험은 동일한 최대 플랭크 마모에서 중지되었다. 본원에 따른 그레이드에 의하여 내마모성이 훨씬 개선되었다.
실시예
10
그레이드 D, E 및 F 가 강의 기계가공시에 시험되었다.
상기 시험은 동일한 최대 플랭크 마모에서 중지되었다. 본원에 따른 그레이드에 의하여 내마모성이 훨씬 개선되었다.
Claims (15)
- 초경 합금, 서멧, 세라믹, 입방정 질화붕소 기재의 재료 또는 고속강의 경질 합금으로 된 본체를 포함하고 또한 1 개 또는 여러 개의 층을 갖는 경질의 내마모성 코팅이 도포되는 절삭 공구 인서트로서, 상기 1 개 또는 여러 개의 층 중 적어도 하나는 (Al, Cr)2O3 층인 절삭 공구 인서트에 있어서,
상기 층은 코런덤상 결정질 구조를 가지며 또한 0.5 ~ 10 ㎛ 의 두께 및 섬유 텍스쳐를 가진 0.4 ≤ y ≤ 0.6 인 (Al1-yCry)2O3 조성을 가지며, 상기 섬유 텍스쳐는, 70°< φ < 90°인 코팅 표면의 법선에 대한 기저면의 경사각 (φ) 또는 70°< φ < 90°인 극 선도에서의 최대 피크에 대한 경사각 (φ) 으로 코팅 표면의 법선 방향으로 회전 대칭인 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트. - 제 1 항에 있어서,
상기 코팅 표면의 법선에 대한 기저면의 경사각 (φ) 은 80°< φ < 90°인 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트. - 제 1 항에 있어서,
상기 층은 -4.5 < σ < -0.5 GPa 의 잔류 응력을 갖는 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트. - 제 1 항에 있어서,
상기 층은 PVD 에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트. - 제 1 항에 있어서,
상기 본체는, 종래 기술에 따라서, 1 ~ 20 ㎛ 의 총 코팅 두께로, TiN, TiC, Ti(C, N), (Al, Cr)N 또는 (Ti, Al)N 으로 된, 내부 단일층 코팅, 외부 단일층 코팅 및 다중층 코팅 중 하나 이상으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트. - 제 1 항에 따른 절삭 공구 인서트를 제조하는 방법에 있어서,
음극 아크 증발에 의해, (40 at% Al + 60 at% Cr) ~ (60 at% Al + 40 at% Cr) 범위의 조성을 갖는 Al + Cr 음극을 사용하여, Ar + O2 분위기에서, 음극 크기에 따라서 50 A ~ 200 A 의 증발 전류, 1.0 Pa ~ 5.0 Pa 의 총 압력, -100 V ~ -250 V 의 바이어스, 및 300℃ ~ 550℃ 의 증착 온도에서 (Al, Cr)2O3 층을 증착시키는 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트를 제조하는 방법. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 절삭 공구 인서트는, 75 ~ 600 m/min 의 절삭 속도에서, 밀링의 경우에 절삭 속도 및 인서트의 형상에 따라서 0.08 ~ 0.5 ㎜ 의 1 날당 평균 이송량으로, 강 및 스테인리스 강의 기계가공에 사용되는 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트. - 제 1 항에 있어서,
상기 y = 0.5 인 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트. - 제 1 항에 있어서,
상기 두께는 1 ~ 5 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트. - 제 3 항에 있어서,
상기 잔류 응력은 -3.0 < σ < -1.0 GPa 인 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트. - 제 6 항에 있어서,
상기 Al + Cr 음극의 조성은 (45 at% Al + 55 at% Cr) ~ (55 at% Al + 45 at% Cr) 범위인 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트를 제조하는 방법. - 제 6 항에 있어서,
상기 분위기는 순수 O2 분위기인 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트를 제조하는 방법. - 제 6 항에 있어서,
상기 총 압력은 1.0 Pa ~ 2.5 Pa 인 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트를 제조하는 방법. - 제 6 항에 있어서,
상기 바이어스는 -125 V ~ -175 V 인 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트를 제조하는 방법. - 제 6 항에 있어서,
상기 증착 온도는 350℃ ~ 450℃ 인 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트를 제조하는 방법.
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