KR101699557B1

KR101699557B1 - 코팅 시스템, 코팅된 워크피스 및 이를 제조하는 방법

Info

Publication number: KR101699557B1
Application number: KR1020117001873A
Authority: KR
Inventors: 마르쿠스 레히탈러
Original assignee: 오를리콘 서피스 솔루션스 아크티엔게젤샤프트, 페피콘
Priority date: 2008-07-09
Filing date: 2009-07-03
Publication date: 2017-01-24
Also published as: CN102149844B; RU2011104495A; EP2310549A1; WO2010003902A1; EP2310549B1; JP5640004B2; KR20110033248A; TWI450998B; US8491989B2; US20110111193A1; CN102149844A; PL2310549T3; TW201033390A; BRPI0915451A2; JP2011527383A; ES2658849T3; MX2011000331A; RU2528930C2; HUE038152T2; PT2310549T

Abstract

본 발명의 코팅 시스템은 실질적으로 하기 화학식 1의 물질로 구성된 유형 A의 층인 유형 A의 하나 이상의 층; 및 실질적으로 하기 화학식 2의 물질로 구성된 유형 B의 층인 유형 B의 하나 이상의 층을 포함한다.
화학식 1
(Al_yCr_1-y)X
화학식 2
(Al_uCr_1-u-v-wSi_vMe_w)X
상기 화학식에서,
X는 N, CN, BN, NO, CNO, CBN, BNO 및 CNBO로 구성된 군 중의 하나를 나타내고,
Me는 W, Nb, Mo 및 Ta로 구성된 군 중의 하나 또는 상기 군의 성분들 중의 둘 이상의 혼합물을 나타내며,
y, u, v 및 w는 금속상 부분의 화학양론조성을 나타낸다.
상기 유형 A의 층 대 상기 유형 B의 층의 두께비가 1 초과이다. 워크피스는 상기 코팅 시스템을 포함한다. 이를 통해서, 광범위한 상이한 적용을 위해 사용될 수 있는 마모-방지 코팅 시스템이 제공되며, 상기 코팅 시스템 및 워크피스는 광범위한 상이한 적용에 사용될 수 있다. 코팅 시스템은 2개의 유형의 타겟을 사용하는 PVD 공정으로 매우 효과적으로 증착될 수 있으며, 그 중 하나의 유형의 타겟은 유형 A의 층을 증착시키는 동안 및 유형 B의 층을 증착시키는 동안 활성이다.

Description

코팅 시스템, 코팅된 워크피스 및 이를 제조하는 방법{COATING SYSTEM, COATED WORKPIECE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 코팅된 워크피스(coated workpieces) 및 그의 제조에 관한 것이다. 보다 특히, 본 발명은 마모 방지 코팅에 의한 워크피스의 마모 방지 및 상기 코팅의 증착에 관한 것이다.

TiAlN 코팅은 마모 방지 적용을 위한 물리적 기상 증착(PVD) 코팅으로서 널리 사용되고 있다. AlCrN 시스템은 경도 및 고열 경도와 같은 우수한 기계적 특성, 및 코팅된 부품의 우수한 적용 수명을 결과하는 열적 및 마찰공학적 특성을 나타내는 것으로 보고되어 있다. 당해 기술분야에서 통상적으로 이해되듯이, 화학양론지수는 명시적으로 인용되지 않으며, 예를 들어 AlCrN은 보다 엄밀하게는 (Al_yCr_1-y)N(0 < y < 1)을 나타낸다.

미국특허 제7,226,670호는 (Al_yCr_1-y)X[여기서, X는 N, C, B, CN, BN, CBN, NO, CO, BO, CNO, BNO 또는 BNCO이다.]로 구성된 하나 이상의 필름을 포함하는 필름 층의 시스템으로 코팅된 워크피스를 개시하고 있으며, 상기 워크피스는 탁월한 마모 방지 성능을 보여주는, 밀링 공구, 호브(hob), 볼 노즈 밀(ball nose mill), 평판형 또는 프로파일링(profiling) 커터, 클리어링 공구(clearing tool), 리머(reamer), 터닝 및 밀링을 위한 인서트, 다이 또는 사출 금형이다.

미국특허 제7,348,074호는 10층의 패켓(packet)을 갖는 다층 구조로 이루어진 코팅 컨셉을 개시한다. 이러한 컨셉은 드릴링 적용에 있어서 양호한 성능을 나타낸다.

미국특허출원 제2008/0229891호는 물질로서 (TiAl)X[여기서, X는 N, CN, CNO 또는 NO이다.] 또는 (AlCr)X[여기서, X는 N, CN, CNO 또는 NO이다.]를 포함하는 하나 이상의 층 A 및 (AlCrSiMe)X[여기서, X는 N, CN, CNO 또는 NO이고 Me는 Nb, Mo, Ta 또는 W를 나타낸다.]를 갖는 하나 이상의 층 B를 포함하는 다층 코팅을 개시한다. 또한, 상기 미국특허출원 제2008/0229891호는 상기 하나 이상의 층 B의 구조가 2개 이상의 상이한 결정질 상으로 구성되도록 설계된다. 이것은 예를 들어 등축정계 및 육방정계 상 부분일 수 있다.

상기 미국특허출원 제2008/0229891호에서는 추가적으로 층 A와 층 B의 두께비가 1을 상회하는 층 A와 층 B의 두께비의 경우 열등한 성능을 나타내는 경향이 있다는 점에서 중요한 이슈임이 개시되어 있다.

이러한 모든 선행기술의 코팅은 다소 특별한 적용을 위한 양호한 마모 방지 성능을 나타낸다. 따라서 광범위한 상이한 적용을 위한 마모 방지 코팅을 제공할 필요성은 여전히 존재한다.

발명의 요약

따라서, 본 발명의 하나의 목적은 전술한 결점을 갖지 않는 코팅 시스템을 생성하는 것이다. 특히, 광범위한 상이한 적용을 위해 사용될 수 있는 코팅 시스템이 제공된다. 또한, 각각의 코팅된 워크피스 및 이러한 워크피스를 제조하는 방법이 제공된다.

본 발명의 또 다른 목적은 개선된 마모 방지 및/또는 내마모 특성을 제공하는 코팅 시스템, 상응하게 코팅된 워크피스 및 상기 워크피스를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 매우 광범위한 적용을 위한 연장된 공구 수명을 제공하는, 코팅 워크피스용 코팅 시스템, 상응하게 코팅된 워크피스 및 상기 워크피스를 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 여기서, 상기 적용은 제한되지는 않지만 드릴링, 밀링, 리밍, 터닝(turning), 탭핑(tapping), 트레딩(threading) 및 호빙(hobbing) 적용을 비롯한 연속적 및 차단된 절삭 적용을 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 코팅 워크피스용 코팅 시스템, 상응하게 코팅된 워크피스 및 상기 워크피스를 제조하는 방법을 제공하는 것으로, 상기 워크피스는 철금속 및 비철금속 뿐만 아니라 복합물질과 같은 각종 물질로 제조될 수 있는 기계가공 부품용 워크피스이다.

본 발명의 또 다른 목적은 코팅 워크피스용 코팅 시스템, 상응하게 코팅된 워크피스 및 상기 워크피스를 제조하는 방법을 제공하는 것으로, 상기 워크피스는 다양한 작업조건 예를 들어 워크피스, 건조 코팅, 에멀젼 및/또는 액체 냉각제를 사용한 절삭, 최소량 윤활(minimal quantity lubrication)(MQL)로 절삭 및 기상 냉각제로 절삭하에서 사용될 수 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 코팅 워크피스용 코팅 시스템, 상응하게 코팅된 워크피스 및 상기 워크피스를 제조하는 방법을 제공하는 것으로, 상기 워크피스는 드릴, 엔드밀, 인서트, 또는 호브이다.

본 발명의 또 다른 목적은 코팅 워크피스용 코팅 시스템, 상응하게 코팅된 워크피스 및 상기 워크피스를 제조하는 방법을 제공하는 것으로, 상기 워크피스 기판은 강, 특히 고속도강, 초경합금, 등축정계 질화붕소, 서밋(cermet) 또는 세라믹 물질로 구성된다.

본 발명의 또 다른 목적은 코팅 워크피스용 코팅 시스템, 상응하게 코팅된 워크피스 및 상기 워크피스를 제조하는 방법을 제공하는 것으로, 상기 워크피스는 철 물질 및 비철 물질, 바람직하게는 경화강(hardened steel), 풀림 강(annealed steel), 합금강, 저탄소강, 스테인레스강, 티탄계 합금, 니켈계 합금 및 복합물질 중의 하나 이상, 바람직하게는 대부분의 기계가공에 있어서의 적용에 적당하다.

본 발명의 또 다른 목적은 코팅 워크피스용 코팅 시스템, 상응하게 코팅된 워크피스 및 상기 워크피스를 제조하는 방법을 제공하는 것으로, 상기 코팅은 특히 경도, 고열경도 및 내산화성에 관한 탁월한 기계적 및 열적 특성을 가진다.

본 발명의 또 다른 목적은 코팅 워크피스용 코팅 시스템, 상응하게 코팅된 워크피스 및 상기 워크피스를 제조하는 방법을 제공하는 것으로, 상기 코팅은 저온 및 고온 적용 조건에서의 탁월한 작업편 보호능을 제공한다.

본 발명의 또 다른 목적은 코팅된 워크피스, 특히 시간-효과적으로 실시될 수 있는 전술한 워크피스를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 코팅된 워크피스, 특히 전술한 워크피스를 제조하는 방법을 제공하는 것으로, 상기 방법은 그의 실시가 특히 간단하다. 하기 상세한 설명 및 실시양태로부터 추가적인 목적이 드러난다.

상기 목적 중 하나 이상은 적어도 부분적으로는 특허청구범위에 따른 코팅 시스템, 워크피스 및/또는 방법에 의해서 달성된다.

코팅 시스템은 필수적으로 하기 화학식 1의 물질로 구성된 하나 이상의 층 A를 포함하는 다층 코팅이다.

화학식 1

(Al_yCr_1-y)X

상기 화학식 1에서,

X는 N, CN, BN, NO, CNO, CBN, BNO 또는 CNBO이고,

y는 금속상 부분의 화학양론조성을 나타낸다.

상기 다층 코팅은 추가적으로 필수적으로 하기 화학식 2의 물질로 구성된 하나 이상의 층 B를 포함하는 것으로 제안된다.

화학식 2

(Al_uCr_1-u-v-wSi_vMe_w)X

상기 화학식 2에서,

X는 N, CN, BN, NO, CNO, CBN, BNO 또는 CNBO이고,

u, v, w는 금속상 부분의 화학양론조성을 나타낸다.

이를 통해서, 광범위한 상이한 적용을 위해 사용될 수 있는 마모-방지 코팅 시스템이 제공될 수 있다.

상기 y는 보다 엄밀하게는 및 당해 기술분야에서 동의하는 바와 같이, 예를 들어 0 < y < 1의 수를 나타내고, 또한 보다 엄밀하게는 및 당해 기술분야에서 동의하는 바와 같이, 상기 u는 0 < u < 1의 수를 나타내며, 상기 v는 0 < v < 1의 수를 나타내며, 상기 w는 0 < w < 1의 수를 나타내되, u + v + w는 1이다. 또한 보다 엄밀하게는 및 당해 기술분야에서 동의하는 바와 같이, 상기 X의 화학양론적 값은 항상 1이다. 즉, X가 하나 초과의 화학원소를 포함하는 경우 이들 원소의 화학양론지수의 합은 1이다. 예를 들어 X가 BNO인 경우 X는 B_1-a-bN_aO_b[여기서, a 및 b는 각각 0 < a < 1 및 0 < b < 1이다.]을 나타낸다.

한 양태에 있어서, 층 A 대 층 B의 두께비는 1 초과, 보다 바람직하게는 약 1.5 초과인 것이 구현된다. 이를 통해서, 특히 양호한 마모-방지 특성이 달성될 수 있다. 유형 B의 얇은 층과 조합된 유형 A의 두꺼운 층이 탁월한 결과를 수득한다.

상기 양태들 하나 이상과 결합될 수 있는 한 양태에 있어서, 상기 유형 B의 하나 이상의 층은 2개 이상의 결정질 상을 포함하도록 설계되며, 보다 특히 상기 유형 B의 하나 이상의 층은 실질적으로 정확히 2개의 결정질 상을 포함한다.

이러한 양태에 있어서, 상기 유형 B의 하나 이상의 층의 제 1 결정질 상은 등축정계 상이며 상기 유형 B의 하나 이상의 층의 제 2 결정질 상은 육방정계 상이다.

이러한 경우 특정한 양태에 있어서, 육방정계 상 함량은 상기 유형 B의 하나 이상의 층의 층 부피의 50% 미만, 보다 특히 5 내지 40%의 양이다.

상기 양태들 하나 이상과 결합될 수 있는 한 양태에 있어서, 상기 유형 A의 하나 이상의 층은 필수적으로 등축정계 구조이다.

상기 양태들 하나 이상과 결합될 수 있는 한 양태에 있어서, 상기 유형 A의 하나 이상의 층의 금속 부분의 화학양론조성은 0.5 < y < 0.7로 특징지워진다.

상기 양태들 하나 이상과 결합될 수 있는 양태에 있어서, 상기 유형 B의 하나 이상의 층의 금속 부분의 화학양론조성은 0.5 < u < 0.7, 0.01 < v < 0.15 및 0.002 < w < 0.1, 보다 특히 w < 0.05로 특징지워진다.

상기 양태들 하나 이상과 결합될 수 있는 양태에 있어서, 유형 B의 층은 유형 A의 층 위에 직접 증착된다.

상기 양태들 하나 이상과 결합될 수 있는 양태에 있어서, 유형 B의 층은 유형 A의 제 1 층과 유형 A의 제 2 층 사이에 개재된다.

상기 양태들 하나 이상과 결합될 수 있는 양태에 있어서, 유형 A의 층 및 유형 B의 층은 주기(period)를 형성하며, 상기 코팅 시스템은 다중의 상기 주기를 갖는 코팅 시스템이다.

상기 양태들 하나 이상과 결합될 수 있는 양태에 있어서, 상기 코팅 시스템은 또 다른 층, 특히 기능성 층을 형성하는 상기 다른 층을 포함한다. 예를 들어 상기 다른 층은 점착층, 보다 특히 기판 위에, 더욱 특히 유형 A의 제 1 층 바로 아래에 직접 증착된 것이거나, 또는 예를 들어 상기 다른 층은 상부층이다. 즉, 상기 층은 최종적인 층으로서 증착되며, 특히 장식성의 상부층이다.

본 발명에 따르는 워크피스는 본 발명에 따른 코팅 시스템을 포함한다. 워크피스는 코팅 시스템과 마찬가지의 이점을 갖는다.

(실제로 가능한 양태의 목록인) 한 양태에 있어서, 상기 워크피스는 공구, 기계가공공구, 밀링 공구, 절삭공구, 터닝 공구, 탭핑 공구, 트레딩 공구, 리머, 엔드 밀, 드릴, 절삭 인서트, 기어 절삭 공구, 인서트, 호브, 클리어링 공구, 터닝 및 밀링을 위한 인서트로 구성된 군 중의 하나 이상이다.

상기 양태들 하나 이상과 결합될 수 있는 (실제로 가능한 양태의 목록인) 양태에 있어서, 상기 워크피스는 철 금속, 비철 금속, 복합물질, 초경합금, 서밋, 등축정계 질화붕소, 세라믹 물질, 강, 고속도강으로 구성된 군 중의 하나 이상으로 실질적으로 제조된 본체를 갖는다.

한 양상에 있어서, 본 발명은 코팅된 워크피스의 제조방법, 보다 특히는 코팅 시스템, 더욱 특히는 별도의 증착공정에서 뿐만 아니라 하나의 증착공정 내에서 본 발명에 따른 코팅 시스템의 합성을 허용하는 PVD(물리적 기상 증착) 방법을 포함한다.

코팅된 워크피스의 제조방법은, (a) 유형 A의 하나 이상의 층을 상기 워크피스 위에 증착시키는 단계; 및 (b) 상기 유형 A와는 상이한 유형 B의 하나 이상의 층을 상기 워크피스 위에 증착시키는 단계를 포함하되, 상기 유형 A의 하나 이상의 층은 유형 X의 n_X 타겟을 사용하여 증착시키고 상기 유형 B의 하나 이상의 층은 상기 유형 X와는 상이한 유형 Y의 n_Y 타겟을 사용하는 동시에 상기 유형 X의 n_Xy타겟을 사용하여 증착시키고, 상기 n_X, n_Y 및 n_Xy는 1 이상의 정수이고 상기 유형 X의 타겟의 하나 이상은 단계 (a) 및 단계 (b) 둘 다의 공정동안 활성이다. 이러한 방식으로 현저하게 단축된 증착시간을 실현할 수 있다. 하나 이상의 타겟은 유형 B의 층의 증착 및 유형 A의 증착 둘 다의 공정동안 활성일 수 있다. 이것은 또한 공정 안정성의 측면에서 유리할 수 있다. 증착은 짧은 시간에 수행될 수 있으며 증착단계는 진공의 중단 없이 동일한 진공 챔버에서 실시될 수 있다.

한 양태에 있어서, n_X≥n_Xy를 적용한다.

한 양태에 있어서, n_X=n_Xy를 적용한다. 이 경우 상기 유형 A의 하나 이상의 층의 증착도중 활성인 유형 X의 모든 타겟 또한 상기 유형 B의 하나 이상의 층의 증착도중 활성이다.

상기 양태들 하나 이상과 결합될 수 있는 방법의 양태에 있어서, 유형 A의 층은 실질적으로 (Al_yCr_1-y)X[여기서, X는 N, CN, BN, NO, CNO, CBN, BNO 및 CNBO로 구성된 군 중의 하나를 나타내며, y는 금속상 부분의 화학양론조성을 의미한다.]으로 구성되고, 유형 B의 층은 실질적으로 (Al_uCr_1-u-v-wSi_vMe_w)X[여기서, X는 N, CN, BN, NO, CNO, CBN, BNO 또는 CNBO로 구성된 군 중의 하나를 나타내고, Me는 W, Nb, Mo 및 Ta으로 구성된 군 중의 하나 또는 상기 군의 성분들 중 둘 이상을 의미하며, u, v 및 w는 금속상 부분의 화학양론조성을 나타낸다.]로 구성된다.

상기 양태들 하나 이상과 결합될 수 있는 방법의 양태에 있어서, 상기 유형 A의 층 대 상기 유형 B의 층의 두께비는 1 초과, 특히 1.5 초과이다. 즉, 단계 (a) 및 단계 (b)는 특히 약 1.5 초과의 계수로 유형 B의 층의 두께 보다 크다.

상기 양태들 하나 이상과 결합될 수 있는 방법의 양태에 있어서, 상기 유형 X의 타겟은 Al 및 Cr을 포함하고, 유형 Y의 타겟은 Al, Cr, Si, 및 상기 유형 B의 층에 제공된 Me를 포함한다. 상기 양태들 하나 이상과 결합될 수 있는 방법의 양태에 있어서, 단계 (a) 및 (b)는 물리적 기상 증착공정, 특히 음극 아크 증발공정을 이용하여 실시된다.

상기 양태들 하나 이상과 결합될 수 있는 방법의 양태에 있어서, 증착공정은 650℃ 초과, 바람직하게는 약 500℃ 이하의 증착온도 및/또는 0.5 내지 10Pa, 바람직하게는 2Pa 초과의 총괄 가스 압력, 및/또는 40 내지 200V의 바이어스 전압 및/또는 상기 유형 A의 하나 이상의 층의 증착도중 바이어스 전압이 다층 구조에서 상기 유형 B의 하나 이상의 층의 증착도중 보다 낮은 것에 의해서 특징지워진다.

본 발명은 본 발명에 따른 상응 코팅 시스템 및 워크피스의 특징부를 갖는 방법 등을 포함한다.

상기 방법의 이점은 상응 코팅 시스템 및 워크피스 등의 이점에 대응한다.

추가적인 양태 및 이점은 종속청구항 및 그의 특징으로부터 나타난다.

본 발명은 하기에서 실시양태 및 도면에 의해서 더욱 구체적으로 기술된다.
도 1은 본 발명의 실시양태에 따른 코팅의 구조를 보여주는 SEM(주사전자현미경) 사진이다.
도 2는 각각 유형 A 및 유형 B의 단일층의 XRD(X선 회절) 패턴을 도시한 것이다.
도 3은 예시적으로 형성된 진공 증착 챔버의 도식화된 상세도를 상면도로 나타낸 것이다.
도 4는 예시적으로 형성된 진공 증착 챔버의 도식화된 상세도를 상면도로 나타낸 것이다.
도 5는 코팅 시스템의 층 구조를 도시한 것이다.
도 6은 코팅 시스템의 층 구조를 도시한 것이다.
도 7은 코팅 시스템의 층 구조를 도시한 것이다.
도 8은 예시적으로 형성된 진공 증착 챔버의 도식화된 상세도를 상면도로 나타낸 것이다.
도 9는 도 8에 도시된 진공 증착 챔버에 도시될 수 있는 바와 같은 추가적인 상부층(예를 들어 장식성 상부층)을 포함하는 코팅 시스템의 층 구조를 도시한 것이다.
도면 및 그의 설명에 사용된 참조부호는 참조부호의 목록에 요약되어 있다. 기술된 양태는 실시예로서의 의미를 지니며 그에 의해서 발명이 제한되지는 않는다.

하기에서 본 발명은 일부 응용 실시예와 관련하여 보다 구체적으로 기술될 것이다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 하나의 가능한 목적은 매우 넓은 적용 범위를 위한 탁월한 보호 내마모성을 보여주는 코팅 시스템(또는 약칭하여 "코팅"이라 함)을 제공하는 것이다. 종래 코팅에 비해 본 발명에 따른 코팅의 우울성을 입증하기 위해서 본 발명자들은, 먼저 다수의 종래기술의 코팅을 본 발명에 따르는 다수의 상이한 코팅과 함께, 그것들이 어떻게 제조되는지를 기술함으로써 소개한다.

이어서, 본 발명자들은 가령 연질, 풀림 또는 경질 물질의 드릴링 또는 밀링과 같은 적용을 나타내는 매우 상이한 기계가공 조건을 갖는 상이한 적용 실시예를 논의하고, 종래기술의 코팅과 비교할 때 본 발명에 따른 코팅의 성능을 논의할 것이다.

하기 코팅은 모두 아크 증발 장치에서 음극 아크 증발법을 이용하여 합성되었다. 워크피스를 적당한 아크 증발 장치의 챔버(진공 챔버)에 위치시킨다. 코팅 장치에서 예를 들어 표 1에 나타낸 것으로 타겟을 사용한다.

표 1은 6개의 샘플(코팅) 각각에 대해서 사용된 타겟의 원소 조성(원자%) 및 각각 증착된 층들의 원소 조성을 나타낸다. 최종적으로, 표 1은 4개의 상이한 적용(적용 1 내지 4)에 대한 적용시험결과를 보여준다.

층 두께는 마모-방지 코팅을 위한 통상적인 두께 범위이다. 코팅 시스템의 총괄 두께는 통상적으로는 약 20㎛를 초과하지 않게 된다.

샘플 1, 2 및 3은 당해 기술분야 공지의 코팅이다. 종래기술의 코팅 1은 표 1에 나타낸 바와 같이 Al 70% 및 Cr 30%의 조성을 갖는 6개의 동등한 AlCr 타겟으로 증착된 AlCrN의 단일층을 기술한다. 증착은 기판에서 3.5Pa의 가스 압력 및 -40 내지 -100V의 바이어스 전압에서 순수한 N₂-분위기 속에서 수행된다.

종래기술의 코팅 2는 실시예 1과는 상이하게 4개의 AlCr 타겟 및 2개의 TiSi 타겟을 사용하여 수행하였다. 타겟의 조성은 표 1에 나타나 있다. 증발은 기판에서 약 500℃에서 3.5Pa의 압력 및 -40V의 바이어스 전압에서 순수한 N₂-분위기 속에서 수행되었다. 종래기술의 코팅 2는 AlCrN의 기저층, 이어서 10개의 층 패키지(AlCrN, TiSiN, AlCrTiSiN) 및 TiSiN 상부층을 갖는 다층 코팅으로서 합성되었다.

종래기술의 코팅 3은 표 1에서 대응하는 라인에서 언급된 조성을 갖는 4개의 AlCrSiW 타겟 및 2개의 TiAl 타겟을 사용하여 증착되었다. 먼저, TiAlN 지지체 층을 증착시킨 다음, AlCrSiWN 주요층을 증착시켰다. 주요층과 지지체 층 사이의 두께 관계는 1 : 2.5의 범위이다. 증발은 3.5Pa에서 순수한 N₂-분위기 속에서 수행되었으며, 바이어스 전압은 기판에서 약 600℃에서 -40 내지 -100V 사이에서 조정되었다.

코팅 4, 5 및 6의 증착은 표 1에 나타낸 바와 같은 각각의 타겟 조성을 사용하여 질소 분위기 속에서 500℃의 증착온도 및 4Pa의 전체압력에서 실시되었다. 3개의 코팅은 모두 제 1 층("층 I" 또는 "유형 A의 층" 또는 "층 A"라고도 함) 및 제 2 층("층 II" 또는 "유형 B의 층" 또는 "층 B"라고도 함)을 포함한다.

코팅 4는 본 발명의 제 1 양태에 따르는 코팅이다. 여기서, 제 1 층에 대해서는 X-타겟 칼럼에서 표 1에서 나타낸 조성을 갖는 4개의 AlCr 타겟이 사용되었으되, 그 샘플에 대해 -40 내지 -100V의 낮은 바이어스 전압이 인가되었다. 이것은 일정하거나 또는 가변적일 수 있다. 제 2 층에 대해서는 4개의 AlCr 타겟 및 또한 Y-타겟 칼럼에서 표 1에 표시된 바와 같은 조성을 갖는 2개의 AlCrSiW 타겟이 사용되었으나, 그 샘플에 대해-100 내지 -200V의 높은 바이어스 전압이 인가되었다. 제 2 층의 증착도중 바이어스 전압의 절대값은 50V 이상, 또는 바람직하게는 제 1 층의 증착도중의 바이어스 전압 보다 높은 100V이었다. 선택된 바이어스와 함게 Al의 생성된 농도는, 제 2 층(층 B, 보다 엄밀하게는 유형 B의 층)이 2개의 결정질 상(통상적으로는 등축정계 및 육방정계)을 포함하는 본 발명의 특정한 양태에 대해 위에서 기술한 제 2 층에서 육방정계 상의 부분을 유도한다.

코팅 5는 본 발명의 제 2 양태에 따른 코팅이다. 코팅 4에 비해 높은 텅스텐 함량을 가지되, 알루미늄 함량은 크게 감소하지 않고 여전히 60% 상회를 유지한다(표 1 참조).

이와 대조적으로, 코팅 6은 60% 이하의 알루미늄 백분율을 나타낸다. 텅스텐은 사용되지 않았다. 즉 타겟은 텅스텐을 함유하지 않는다(표 1 참조). 이러한 구성에서는 육방정계 부분이 실현되지 않았다.

표 1의 마지막 4개의 칼럼은 상이한 적용 시험의 결과를 나타낸다.

적용 시험 nr 1("appln 1"이라 함)은 아래와 같다:

밀링 조건:

(밀링대상) 워크피스: DIN 1.2344 (45 HRC)

절삭 공구: 4날 엔드밀, Φ10mm, 마이크로 그레인 카바이드 등급

절삭 속도: 120mmin^-1

공급 속도: 0.1mm/tooth

절삭의 방사방향 깊이: 0.5mm

절삭의 축방향 깊이: 10mm

냉각제: 윤활제 6% 에멀젼

밀링 조작: 사이드 밀링

단일 패스의 길이: 15m

수명의 엔드(end): 각각의 단일 패스 후 마모 측정: 수명의 엔드에 대한 기준: 단일 패스의 엔드에서 V_bmax＞120㎛

적용 시험 nr 2("appln 2"라 함)은 아래와 같다:

밀링 조건:

(밀링대상) 워크피스: DIN 1.1191 (190 HB)

절삭 공구 (코팅됨): 4날 엔드밀, Φ10mm, 마이크로 그레인 카바이드 등급

절삭 속도: 400mmin^-1

공급 속도: 0.2mm/tooth

절삭의 방사방향 깊이: 0.5mm

절삭의 축방향 깊이: 10mm

냉각제: 건식 절삭

밀링 조작: 사이드 밀링

단일 패스의 길이: 50m

수명의 엔드: 각각의 단일 패스 후 마모 측정: 수명의 엔드에 대한 기준: 단일 패스의 엔드에서 V_bmax＞120㎛

적용 시험 nr 3("appln 3"이라 함)은 아래와 같다:

밀링 조건:

(밀링대상) 워크피스: DIN GGG50

절삭 공구 (코팅됨): 2날 드릴, Φ6mm, 마이크로 그레인 카바이드 등급

절삭 속도: 120mmin^-1

공급 속도: 0.25mm/tooth

절삭의 깊이: 6×직경

냉각제: 내부 냉각-윤활제 6% 에멀젼

밀링 조작: 드릴링

단일 패스의 길이: 500개의 홀

수명의 엔드: 각각의 단일 패스 후 마모 측정: 수명의 엔드에 대한 기준: 단일 패스의 엔드에서 V_bmax＞250㎛

적용 시험 nr 4("appln 4"라 함)은 아래와 같다:

밀링 조건:

(밀링대상) 워크피스: DIN 1.2344 (52 HRC)

절삭 공구 (코팅됨): 2날 볼노즈 엔드밀, Φ10mm, 마이크로 그레인 카바이드 등급

절삭 속도: 147mmin^-1

공급 속도: 0.15mm/tooth

절삭의 방사방향 깊이: 4mm

절삭의 축방향 깊이: 0.8mm

냉각제: 압축 공기

밀링 조작: 사이드 밀링

단일 패스의 길이: 15m

수명의 엔드: 각각의 단일 패스 후 마모 측정: 수명의 엔드에 대한 기준: 단일 패스의 엔드에서 V_bmax＞200㎛

V_bmax는 당해 기술분야에서 통용되는 바와 같이 최대 허용가능한 플랭크 마모를 나타낸다.

표 1의 마지막 4개의 칼럼으로부터 알 수 있듯이, 코팅 4 및 5는 모든 적용 시험에서 최상 및 두번째로 좋은 결과를 나타낸다. 따라서, 이들 코팅은 광범위한 적용에 응용될 수 있을 뿐만 아니라 각종 워크피스 위에 증착될 수 있다.

또한, 제 1 적용 시험, 제 3 시험 및 제 4 시험과 관련된 표 1에서의 칼럼으로부터 알 수 있듯이, 비-종래기술의 코팅은 종래기술의 코팅 보다 현저히 우수한 결과를 제공한다.

코팅 4 및 5를 제조하는데 필요한 코팅 시간(즉, 270분)은 코팅 2(340분) 및 코팅 3(410분)을 제조하는데 필요한 시간 보다 상당히 짧으며 또한 코팅 1의 코팅 시간(즉, 240분)의 범위 내에 있다. 기본적으로는 제 2 층(표 1에서 층 II와 관련하여 언급된 층 B)에 대해 행해진 것과 상이한 타겟의 겸용에 기인한다. 타겟 X는 전체적인 증착공정동안 (적어도 층 I(층 A) 또는 층 II(층 B)가 층착되는 한) 활성일 수 있지만, 타겟 Y는 층 II(층 B)가 증착되는 경우에만 (타겟 X에 더하여) 활성화된다.

도 1은 본 발명의 양태에 따르는 코팅의 구조를 보여주는 SEM(주사전자현미경) 사진을 도시한다. 이로부터 알 수 있듯이, 도 1에서의 코팅 시스템의 총괄 두께는 약 3㎛이고, 층 A 대 층 B의 두께비는 약 2이다.

도 2는 유형 A 및 유형 B 각각의 단일층들의 XRD(X선 회절) 패턴을 도시한다. 육방정계 상은 육방정계 결정립의 작은 입자 크기를 나타내는 낮은 강도이지만 높은 평균을 갖는 피크를 보여준다.

도 3은 예시적으로 형성된 진공 증착 챔버의 도식화된 상세도를 상면도로 나타낸 것이다. 유형 Y 2개와 유형 X 4개의 6개의 타겟이 표시된다. 코팅되는 워크피스는 원 및 원형 화살표로 표시된 샘플 캐러셀(carousel) 위에 배치된다. 6개의 워크피스가 직사각형으로서 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 구성은 위에서 논의한 코팅 4, 5 또는 6과 같은 코팅을 제조하는데 적합하다.

도 4는 도 3의 방식으로 예시적으로 형성된 진공 증착 챔버의 도식화된 상세도를 상면도로 나타낸 것이다.

도 5는 코팅 시스템의 층 구조를 도시한다. 코팅 시스템은 (도 5에 대쉬된(dashed)) 기판에 증착된 유형 A의 층 및 상기 유형 B의 층으로 구성되며, 이것은 위에서 논의한 코팅 4, 5 및 5의 경우이다(표 1 참조). 또한 층 A는 층 B 보다 두껍다. 유형 A를 증착시킴에 있어서 유형 X의 타겟이 활성화되며, 층 B를 증착시킴에 있어서 상기 유형 X의 타겟 및, 또한, 유형 Y의 타겟이 활성화되며, 이는 또한 도 3 및 4를 참조한다. 또한, 타겟의 2개의 유형 X 및 Y를 사용하는 경우 제 3 유형의 층, 즉 유형 Y의 하나 이상의 타겟을 단독으로 사용하여 증착되는 유형 C의 층을 증착시킬 수 있다. 이러한 층은 층 A와 기판 사이에 정렬되어 점착층을 형성하거나 또는 층 B의 상부에 침착되어 상부층 예를 들어 장식성 상부층을 형성할 수 있다.

도 6은 코팅 시스템의 층 구조를 도시한다. 이러한 경우에 있어서, 코팅 시스템은 유형 A의 층 및 유형 B의 층 각각의 3개의 쌍으로 구성되며, 하나의 유형 A 및 하나의 유형 B는 반복적으로 일어나는 하나의 층 주기를 형성한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 각각의 층 주기에서 층 A의 두께는 층 B의 두께 보다 큰 것을 제공할 수 있다.

도 7은 코팅 시스템의 층 구조를 도시한다. 이러한 경우에 있어서, 기판에는 3개의 층이 제공된다. 하나의 층 B는 2개의 층 A에 개재된다.

도 8은 도 3 및 4의 방식으로 예시적으로 형성된 진공 증착 챔버의 도식화된 상세도를 상면도로 나타낸 것이다. 이러한 경우에 있어서, 3가지 유형의 타겟, 즉 유형 X, 유형 Y 및 유형 Z가 제공된다. 이것은 2개 또는 3개 모두의 타겟 유형을 적어도 부분적으로는 동시에 사용하면서 3개의 상이한 층 유형 또는 평탄한 4개의 상이한 층 유형을 증착시키는 것을 허용한다. 또한 각각의 타겟 유형을 단독으로 사용하는 것을 고려하는 경우 7개의 상이한 층 유형까지 증착시킬 수 있으며 동일한 유형의 하나 이상의 타겟을 활성화 및 탈활성화시키는 것을 고려하는 경우 더 많은 상이한 층 유형을 증착시킬 수 있다. 간단한 경우에 있어서 도 8에 도시된 구성이 도 9에 도시된 코팅 시스템을 증착시키는데 사용될 수 있다.

도 9는 도 8에 도시된 것과 같이 구성된 진공 증착 챔버에서 증착될 수 있는 추가적인 상부층(예를 들어 장식성 상부층)을 포함하는 코팅 시스템의 층 구조를 도시한다. 예를 들어 층 A를 증착시키기 위해서는 타겟 X만이 활성화되고, 층 B를 증착시키기 위해서는 타겟 X 및또한 타겟 Y가 활성화되며, 층 D를 증착시키기 위해서는 예를 들어 타겟 Z만이 활성화되거나 또는 하나 또는 다른 타겟 둘 다의 하나 이상의 타겟과 타겟 Z의 일부 조합이 활성화된다.

Claims

하기 화학식 1의 물질로 구성된 유형 A의 층인 유형 A의 하나 이상의 층; 및
하기 화학식 2의 물질로 구성된 유형 B의 층인 유형 B의 하나 이상의 층을 포함하되,
상기 유형 A의 층 대 상기 유형 B의 층의 두께비가 1 초과의 것인
코팅 시스템:
화학식 1
(Al_yCr_1-y)X
화학식 2
(Al_uCr_1-u-v-wSi_vMe_w)X
상기 화학식에서,
X는 N, CN, BN, NO, CNO, CBN, BNO 및 CNBO로 구성된 군 중의 하나를 나타내고,
Me는 W, Nb, Mo 및 Ta로 구성된 군 중의 하나 또는 상기 군의 성분들 중의 둘 이상의 혼합물을 나타내며,
y, u, v 및 w는 금속상 부분의 화학양론조성을 나타내며,
0 <y, u, w, v <1 이다.
제 1 항에 있어서,
상기 두께비가 1.5 초과인 코팅 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 유형 B의 하나 이상의 층이 2개 이상의 결정질 상을 포함하는 코팅 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 유형 B의 하나 이상의 층이 등축정계 상 및 육방정계 상을 포함하는 코팅 시스템.
제 4 항에 있어서,
상기 육방정계 상의 상기 유형 B의 하나 이상의 층의 함량이 상기 유형 B의 하나 이상의 층의 50부피% 미만인 코팅 시스템.
제 4 항에 있어서,
상기 육방정계 상의 상기 유형 B의 하나 이상의 층의 함량이 상기 유형 B의 하나 이상의 층의 5부피% 초과이고 상기 유형 B의 하나 이상의 층의 40부피% 미만인 코팅 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 유형 A의 하나 이상의 층이 등축정계 구조인 코팅 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
0.5＜y＜0.7인 코팅 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
0.5＜u＜0.7이고 0.01＜v＜0.15이며 0.002＜w＜0.1인 코팅 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 유형 B의 하나 이상의 층이 상기 유형 A의 하나 이상의 층에 직접 증착되는 것인 코팅 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
유형 A의 제 1 층과 유형 A의 제 2 층 사이에 개재된 유형 B의 층을 포함하는 코팅 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
다중 층 주기를 포함하되, 하나의 층 주기가 유형 A의 하나의 층 및 유형 B의 하나의 층에 의해 형성되는 것인 코팅 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 의한 코팅 시스템을 포함하는 워크피스.
제 13 항에 있어서,
상기 워크피스가 공구, 기계가공공구, 밀링 공구(milling tool), 절삭공구, 터닝 공구(turning tool), 탭핑 공구(tapping tool), 트레딩 공구(threading tool), 리머(reamer), 엔드 밀(end mill), 드릴, 절삭 인서트(cutting insert), 기어 절삭 공구, 인서트(insert), 호브(hob), 클리어링 공구(clearing tool), 터닝 및 밀링을 위한 인서트로 구성된 군 중의 하나 이상인 워크피스.
제 13 항에 있어서,
상기 워크피스가 철 금속, 비철 금속, 복합물질, 초경합금, 서밋(cermet), 등축정계 질화붕소, 세라믹 물질, 강 및 고속도강으로 구성된 군 중의 하나 이상으로 제조된 본체를 갖는 것인 워크피스.
(a) 유형 A의 하나 이상의 층을 워크피스 위에 증착시키는 단계; 및
(b) 상기 유형 A와는 상이한 유형 B의 하나 이상의 층을 상기 워크피스 위에 증착시키는 단계를 포함하되,
상기 유형 A의 하나 이상의 층은 유형 X의 n_X 타겟을 사용하여 증착시키고,
상기 유형 B의 하나 이상의 층은 상기 유형 X와는 상이한 유형 Y의 n_Y 타겟을 사용하는 동시에 상기 유형 X의 n_Xy타겟을 사용하여 증착시키며,
상기 n_X, n_Y 및 n_Xy는 1 이상의 정수이고 상기 유형 X의 타겟의 하나 이상은 단계 (a) 및 단계 (b) 둘 다의 공정동안 활성인 것인,
코팅된 워크피스의 제조방법에 있어서, 유형 A의 층은 하기 화학식 1의 물질로 구성되고,
유형 B의 층은 하기 화학식 2의 물질로 구성되며,
상기 유형 A의 층 대 상기 유형 B의 층의 두께비가 1 초과인 코팅된 워크피스의 제조방법:
화학식 1
(Al_yCr_1-y)X
화학식 2
(Al_uCr_1-u-v-wSi_vMe_w)X
상기 화학식에서,
X는 N, CN, BN, NO, CNO, CBN, BNO 및 CNBO로 구성된 군 중의 하나를 나타내고,
Me는 W, Nb, Mo 및 Ta로 구성된 군 중의 하나 또는 상기 군의 성분들 중의 둘 이상의 혼합물을 나타내며,
y, u, v 및 w는 금속상 부분의 화학양론조성을 나타내며
0 <y, u, w, v <1 이다.
삭제
삭제
제 16 항에 있어서,
상기 유형 X의 타겟이 Al 및 Cr을 포함하고, 유형 Y의 타겟이 Al, Cr, Si, 및 상기 유형 B의 층에 제공된 상기 Me를 포함하는 것인, 코팅된 워크피스의 제조방법.
제 16 항에 있어서,
단계 (a) 및 (b)가 물리적 기상 증착공정을 이용하여 수행되는 것을 포함하는 코팅된 워크피스의 제조방법.
제 16 항에 있어서,
단계 (a) 및 (b)를 수행하는 동안 상기 워크피스를 650℃ 미만의 온도에서 유지시키는 것을 포함하는 코팅된 워크피스의 제조방법.
제 16 항에 있어서,
단계 (a) 및 (b)를 수행하는 동안 상기 워크피스를, 0.5Pa 내지 10Pa의 전체 기체 압력으로 반응성 기체 분위기에 노출시키는 것을 포함하는 코팅된 워크피스의 제조방법.
제 22 항에 있어서,
상기 반응성 기체 분위기가 우세적으로 N을 포함하는 코팅된 워크피스의 제조방법.
제 16 항에 있어서,
단계 (a) 및 (b)를 수행하는 동안 40 내지 200V의 바이어스 전압을 상기 워크피스에 인가하는 것을 포함하는 코팅된 워크피스의 제조방법.
제 16 항에 있어서,
단계 (a)를 수행하는 동안 바이어스 전압을 상기 워크피스에 인가하고 단계 (b)를 수행하는 동안 높은 바이어스 전압을 상기 워크피스에 인가하는 것을 포함하는 코팅된 워크피스의 제조방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
0.5＜u＜0.7이고 0.01＜v＜0.15이며 0.002＜w＜0.1인 코팅 시스템.
제 16 항에 있어서,
상기 유형 A의 층 대 상기 유형 B의 층의 두께비가 1.5 초과인 코팅된 워크피스의 제조방법.
제 16 항에 있어서,
단계 (a) 및 (b)가 음극 아크 증발공정을 이용하여 수행되는 것을 포함하는 코팅된 워크피스의 제조방법.
제 16 항에 있어서,
단계 (a) 및 (b)를 수행하는 동안 상기 워크피스를 500℃ 이하의 온도에서 유지시키는 것을 포함하는 코팅된 워크피스의 제조방법.
제 16 항에 있어서,
단계 (a) 및 (b)를 수행하는 동안 상기 워크피스를 2Pa 초과 10Pa 이하의 전체 기체 압력으로 반응성 기체 분위기에 노출시키는 것을 포함하는 코팅된 워크피스의 제조방법.