KR101737707B1

KR101737707B1 - 절삭공구용 경질피막

Info

Publication number: KR101737707B1
Application number: KR1020150180850A
Authority: KR
Inventors: 강재훈; 이동열; 안진우; 조성우; 안선용
Original assignee: 한국야금 주식회사
Priority date: 2015-12-17
Filing date: 2015-12-17
Publication date: 2017-05-29
Also published as: WO2017104958A1

Abstract

본 발명에 따른 경질피막은, 모재 상에 형성되는 하부층과, 이 하부층 상에 형성되는 계면층과, 상기 계면층 상에 형성된 상부층을 포함하고, 상기 하부층은 TiCN층을 포함하여 이루어지고, 상기 계면층은, 상기 하부층 상에 순차적으로 형성되는, Ti_1-aAl_aC_xN_yO_z(0.1≤a≤0.5, x+y+z=1, y＞0, z＞0)층과 TiO_x(1≤x≤2)층을 포함하고, 상기 상부층은 상기 계면층 상에 순차적으로 형성되는, 제1층, 제2층 및 제3층을 포함하고, 상기 제1층은 TC(012) 또는 TC(024)가 1.5 초과이거나 TC(110)이 1.5 초과인 주상정 알파-알루미나층을 포함하고, 상기 제2층은 상기 계면층과 동일한 구조로 이루어지고, 상기 제3층은 TC(006)이 1.5 초과인 주상정 알파-알루미나층을 포함한다.

Description

절삭공구용 경질피막 {HARD COATED LAYER FOR CUTTING TOOLS}

본 발명은 절삭공구용 모재 상에 형성되는 경질피막에 관한 것으로, 보다 구체적으로 α-Al₂O₃층을 형성함에 있어서 우선성장방위를 다르게 한 다층으로 형성하고 이들 간에 적합한 계면층을 배치함으로써, 종래의 α-Al₂O₃층을 포함하는 절삭공구용 경질피막에 비해, 우수한 내윤활성(우수한 밀착력), 내마모성 및 내치핑성을 구현할 수 있는 경질피막에 관한 것이다.

일반적으로 절삭공구로 사용되는 초경합금은 마모 저항성을 높이기 위해 그 표면에 경질피막층을 형성한 후 사용되는데, 상기 경질피막은 화학기상증착법(이하, 'CVD'라 함) 또는 물리기상증착법(이하, 'PVD'라 함)을 통해 형성된다.

한편, 절삭공구의 인선은 고경도 재료의 고속가공 시, 약 1000℃의 고온환경에 노출되고, 가공물과의 접촉으로 인한 마찰과 산화로 마모가 발생할 뿐 아니라, 단속과 같은 기계적 충격도 받게 된다. 그러므로 절삭공구는 적절한 내윤활성, 내마모성, 및 내치핑성과 같은 특성이 요구된다.

이를 위해, 절삭공구용 경질피막은 일반적으로 단층 또는 다층의 비산화물계 박막이나, 우수한 내산화성을 갖는 산화물계 박막 또는 이들의 혼합층으로 구성되며, 상기 비산화물계 박막의 예로는 TiN, TiC, TiCN 등과 같은 주기율표상 4족, 5족, 6족 금속원소의 탄화물, 질화물, 탄질화물이 있고, 산화물계 박막의 예로는 대표적으로 α-Al₂O₃가 있다.

이중, α-Al₂O₃는 고온에서 안정한 상(Phase)이기 때문에 절삭가공 중에 상 변태가 발생하지 않고 비교적 우수한 내마모성을 발휘하기 때문에 절삭공구용 피막에 많이 사용되고 있는 물질이다.

이러한 α-Al₂O₃의 내마모성에 큰 영향을 끼치는 인자는 α-Al₂O₃ 결정립의 크기와 α-Al₂O₃ 결정립의 이방성(anisotropy)으로 알려져 있다. 그리고 α-Al₂O₃ 결정립의 이방성(anisotropy)을 제어하는 것과 관련하여, 결정구조를 형성함에 있어서, (110)면, (012)면, (104)면, (006)면 등으로 우선성장시키는 방법이 알려져 있다.

이중, (006)면으로 우선성장시킨 α-Al₂O₃박막의 경우, α-Al₂O₃의 연성파괴를 억제하고 내소성변형성을 향상시켜, 강(steel)의 절삭 가공 시 인서트의 상면 마모(crater wear, K_T wear)가 줄어들고 공구수명이 대폭 향상될 수 있어, 최근 절삭공구에 널리 적용되고 있다.

그런데 (006)면으로 우선성장시킨 α-Al₂O₃박막의 경우, 그 하부층과의 결합력이 낮은 문제점이 있어, 내윤활성, 내마모성 및 내치핑성을 동시에 향상시키기에는 어려운 점이 있다.

이와 관련하여, 하기 특허문헌에는 알루미나층을 다층으로 형성하고, 알루미나층 사이에 결합층을 형성함으로써, 연성과 균열전파 억제성과 함께 필링(peeling)을 억제할 수 있는 경질피막이 개시되어 있다.

그러나 특허문헌에 개시된 것과 같은 방법으로도 (006)면으로 우선성장시킨 알루미나층을 다층으로 형성하더라도 내윤활성, 내마모성 및 내치핑성을 동시에 향상시키기에는 한계가 있다.

한국공개특허공보 제2009-7020473호

본 발명은 (006)면으로 우선성장시킨 α-Al₂O₃박막을 포함하면서도, 내윤활성, 내마모성 및 내치핑성을 동시에 향상시킬 수 있어 절삭공구에 적용하였을 때, 절삭공구의 수명을 증가시킬 수 있는 경질피막을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명은, 모재 상에 형성되는 하부층과, 이 하부층 상에 형성되는 계면층과, 상기 계면층 상에 형성된 상부층을 포함하고, 상기 하부층은 TiCN층을 포함하여 이루어지고, 상기 계면층은, 상기 하부층 상에 순차적으로 형성되는, Ti₁ _- _aAl_aC_xN_yO_z(0.1≤a≤0.5, x+y+z=1, y＞0, z＞0)층과 TiO_x(1≤x≤2)층을 포함하고, 상기 상부층은 상기 계면층 상에 순차적으로 형성되는, 제1층, 제2층 및 제3층을 포함하고, 상기 제1층은 아래 식 1로 표현되는 TC(012) 또는 TC(024)가 1.5 초과이거나 TC(110)이 1.5 초과인 주상정 알파-알루미나층을 포함하고, 상기 제2층은 상기 계면층과 동일한 구조로 이루어지고, 상기 제3층은 아래 식 1로 표현되는 TC(006)이 1.5 초과인 주상정 알파-알루미나층을 포함하는, 절삭공구용 경질피막을 제공한다.

[식 1]

TC(hkl) = I(hkl)/Io(hkl){1/n∑I(hkl)/Io(hkl)}^-1

(여기서, I(hkl) = (hkl) 반사강도, Io(hkl) = JCPDS 카드 46-1212에 따른 표준 강도, n= 계산에 사용된 반사의 횟수, (hkl) 반사는 (012), (104), (110), (006), (113) 및 (116)을 사용하는 것)

본 발명에 따른 절삭공구용 경질피막은, 하부층과 계면층과 상부층을 포함하는 경질피막으로, 상부층은 결정면에 있어서 (012), (024)면 또는 (110)면으로 우선성장된 α-Al₂O₃층과, (006)면으로 우선성장된 α-Al₂O₃층을 상기 구조의 계면층을 개재하여 적층되도록 함으로써, 기존의 (006)면으로 배향한 α-Al₂O₃층을 포함하여 이루어지는 경질피막에 비해, 강, 주철가공 시 우수한 내윤활성 및 내마모성, 내치핑성을 구현한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 경질피막의 단면 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 경질피막의 BSE 분석 결과를 나타낸 것이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.

본 발명자들은 결정구조에 있어서 (006)면으로 우선성장시킨 α-Al₂O₃박막을 사용하면서도, 내치핑성, 내마모성, 내윤활성과, 내산화성을 동시에 향상시킬 수 있는 경질피막에 대해 연구한 결과, (012), (024)면 또는 (110)면으로 우선성장시킨 α-Al₂O₃박막을 하부에 배치하고, Ti_1-aAl_aC_xN_yO_z(0.1≤a≤0.5, x+y+z=1, y＞0, z＞0)층과 TiO_x(1≤x≤2)층이 순차적으로 형성된 계면층을 사이에 두고 그 상부에 (006)면으로 우선성장시킨 α-Al₂O₃박막으로 이루어진 경질피막을 배치한 다층 구조로 할 경우, (006)면으로 우선성장시킨 α-Al₂O₃박막만으로 이루어진 경질피막의 단점을 줄이면서 동시에 (006)면으로 우선성장시킨 α-Al₂O₃박막의 장점을 그 이상으로 구현할 수 있음을 밝혀내고 본 발명에 이르게 되었다.

본 발명에 따른 경질피막은, 도 1에 도시된 바와 같이, 모재 상에 형성되는 하부층과, 이 하부층 상에 형성되는 계면층과, 상기 계면층 상에 형성된 상부층을 포함하고, 상기 하부층은 TiCN층을 포함하여 이루어지고, 상기 계면층은, 상기 하지층 상에 순차적으로 형성되는, Ti_1-aAl_aC_xN_yO_z(0.1≤a≤0.5, x+y+z=1, y＞0, z＞0)층과 TiO_x(1≤x≤2)층을 포함하고, 상기 상부층은 상기 계면층 상에 순차적으로 형성되는, 제1층, 제2층 및 제3층을 포함하고, 상기 제1층은 아래 식 1로 표현되는 TC(012) 또는 TC(024)가 1.5 초과이거나 TC(110)이 1.5 초과인 주상정 α-Al₂O₃층을 포함하고, 상기 제2층은 상기 계면층과 동일한 구조로 이루어지고, 상기 제3층은 아래 식 1로 표현되는 TC(006)이 1.5 초과인 주상정 α-Al₂O₃층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

[식 1]

TC(hkl) = I(hkl)/Io(hkl){1/n∑I(hkl)/Io(hkl)}^-1

상기 하부층은 바람직하게 상기 모재 상에 순차적으로 MT-TiCN층과 상기 MT-TiCN층 상에 형성된 HT-TiCN층을 포함하여 이루어질 수 있다. 여기서, MT-TiCN(Moderate temperature-TiCN)층이란 중고온의 750~900℃에서 TiCl₄가스와 CH₃CN을 포함하는 가스를 이용하여 화학증착반응(CVD)으로 티타늄탄질화물(TiCN)층을 증착시키는 것을 말하며, HT-TiCN(High temperature-TiCN)층이란 고온의 900~1010℃에서 TiCl₄가스와 CH₄와 N₂를 포함하는 가스를 이용하여 화학증착반응(CVD)으로 티타늄탄질화물(TiCN)층을 증착시키는 것을 말한다.

상기 하부층의 총 두께는 3㎛ 미만일 경우, 주철이나 강, 스테인레스 등의 선삭, 밀링 가공 시 상면 크레이터 내마모성이 부족하고, 20㎛ 초과일 경우 인장응력을 가지는 CVD MT-TiCN층이 너무 두꺼워져서 전체적으로 인성이 부족해진다. 그러므로, 3~20㎛가 바람직하고, 6~12㎛가 보다 바람직하다.

상기 하부층과 모재 사이에는 바람직하게 Ti와 N을 포함하는 하지층이 추가로 형성하거나 또는 Ti와 N층을 포함하는 하지층이 없을 수도 있다.

TiN의 하지층을 형성할 경우, 그 두께가 0.1~1㎛, 바람직하게 0.1~0.6㎛로 구성할 수 있다. 이는 상기 하지층의 두께가 0.1㎛ 미만일 경우, WC-Co 계의 초경합금에서 탄소함량이 안정상의 임계점 이하로 탄소가 부족할 경우 코팅중에 탄소가 표면으로 확산되어 탈탄되는 현상이 발생하여 박막과 모재 표면층 사이에서 표면에 델타상(탄소가 부족하여 WC-Co 내에 생기는 이상조직)이 생성되는 것을 막는데 충분하지 못할 수 있고, 두께가 1㎛ 이상으로 증착될 경우 TiN(9.31×10^-6K^-1)층은 WC(3.81×10^-6K^-1)-Co 계의 초경합금모재와 MT-TiCN(8.1×10^-6K^-1)층과의 열팽창 계수 차이가 있기 때문에 TiN층의 두께가 1㎛ 이상일 경우, 박막의 밀착력을 저하시키는 요인이 되는 것을 방지하기 위한 것이다.

상기 계면층을 구성하는 Ti₁ _- _aAl_aC_xN_yO_z(0.1≤a≤0.5, x+y+z=1, y＞0, z＞0)층은, 상기 하부층에 접하는 부분은 Ti₁ _- _aAl_aC_xN_yO_z(0.1≤a≤0.3, x+y+z=1, y＞0, z＞0)층과 같이 Al 함량이 상대적으로 적은 층(이하, 'TiAlCNO층')과, 상기 TiO_x층에 접하는 부분은 Ti₁ _- _aAl_aC_xN_yO_z(0.3≤a≤0.5, x+y+z=1, y＞0, z＞0)층과 같이 Al 함량이 상대적으로 많은 층(이하, 'AlTiCNO층')으로 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 본 발명에서 TiAlOCN 또는 TiAlCON으로 언급되는 물질은 TiCN 내 Al과 O의 고용체를 의미한다. 상기 TiAlCNO층과 AlTiCNO층은 각각 그 두께가 0.1~0.5㎛, 바람직하게 0.1~0.3㎛로 구성할 수 있다. 또한, TiO_x층은 그 두께가 0.05~0.3㎛, 바람직하게 0.05~0.2㎛로 구성할 수 있다.

상기 계면층의 총 두께는 0.3~0.6㎛가 바람직한데, 계면층의 총두께가 0.2㎛ 미만일 경우 MT-TiCN층과 α-Al₂O₃층에서 계면층이 HT-TiCN의 표면층에 충분히 증착해서 α-Al₂O₃박막과의 강한 결합을 할 수 없기에 밀착력이 약해 박막의 우수한 내박리성을 얻기 힘들다. 반면에 계면층의 총 두께가 1㎛를 초과할 경우에도 계면층이 과대하게 HT-TiCN의 표면층에 형성되어 오히려 MT-TiCN층과 α-Al₂O₃층의 밀착력을 저하시키게 되는 원인이 된다.

상기 상부층을 구성하는 제1층의 α-Al₂O₃층의 TC(012) 또는 TC(024)와, TC(110)이 1.5 초과가 되도록 우선성장된 조직이 아닐 경우, 본 발명에 따른 효과를 얻기 어려우므로, 1.5 초과인 것이어야 하고, 2.0 이상이 바람직하고, 3.0 이상이 보다 바람직하다.

상기 제1층, 제3층의 α-Al₂O₃층은 그 두께가 0.5~7㎛인 것이 바람직한데, 이는 0.5㎛ 미만일 경우, 박막의 내산화성 및 내마모성이 크게 감소한다. 이는 α-Al₂O₃층은 박막경도가 30~34GPa 정도로 26~30GPa인 TiCN층보다 높아서 내마모성에 큰 영향을 주며, α-Al₂O₃층은 고온에서 상변태가 일어나지 않는 안정한 산화물로 내산화성 향상에 중요한 역할을 하기 때문에 그 역할을 감당할 임계 하한치 이상의 두께가 증착되어야 할 필요가 있다.

일반적으로 α-Al₂O₃층의 전체 두께가 15㎛ 미만인 것이 인성적으로는 가장 적합한 두께이다. α-Al₂O₃층의 전체 두께가 15㎛ 이상일 경우, α-Al₂O₃층은 산화물로 TiCN 박막 대비 취성이 크므로, 최적화된 인성을 갖기 위해서는 α-Al₂O₃층의 전체에 대한 최적화된 두께가 필요하다. 그러므로 상기 제2층의 α-Al₂O₃층두께를 고려할 경우, 상기 제1층과 제3층의 α-Al₂O₃층은 그 두께는 각각 0.5~7㎛인 것이 바람직하다. 그러므로 제1층과 제3층의 총 합의 두께는 1~15㎛ 미만일 때 가장 좋은 내산화성과 내결손성을 얻을 수 있다.

상기 상부층을 구성하는 제2층은 상기 계면층과 동일한 구조와 두께를 갖는 것이 바람직하다.

상기 상부층을 구성하는 제3층의 α-Al₂O₃층의 TC(006)이 1.5이 초과가 되도록 우선성장된 조직이 아닐 경우, 본 발명에 따른 효과를 얻기 어려우므로, 제3층의 TC(006)은 1.5 초과이어야 하고, 2.0 이상이 바람직하고, 3.0 이상이 보다 바람직하다.

상기 제1층 및 제3층을 구성하는 알루미나층에 있어서, TC(104), TC(113), TC(116)은 1.3 이상일 경우, 본 발명에서 구현하고자 하는 물성을 구현하기 어려우므로, 1.3 미만이 바람직하고, 1.0 미만이 보다 바람직하다.

상기 제1층의 두께가, 제1층과 제3층을 결합하는 계면층 역할을 하는 제2층의 두께에 비해 동등 이상인 바람직하다. 제2층의 두께가 지나치게 두꺼우면 내마모성이 충분해지지 않기 때문이다.

상기 제1층 및 제3층이, 상기 제2층을 개재하여 반복 적층된 구조, 다시 말해 제1층-제2층-제3층-제2층-제1층-제2층-제3층… 과 같이 반복적으로 적층된 구조를 채용할 수도 있다. 이 경우, 경질피막을 구성하는 상부층의 두께방향으로의 물성 편차를 고르게 함으로써, 보다 향상된 절삭성능을 구현할 수 있다.

상기 모재는, 초경합금, 써멧(cermet), 입방정질화붕소(CBN), 고속도강과 같은 다양한 경질재료가 사용될 수 있으며, 모재 상에 형성되는 경질피막의 특성을 고려할 때, 초경합금이 가장 바람직하다.

이때, 초경합금은, Ta, Nb, Ti, 및 Cr 중에서 선택된 1종 이상의 탄화물 또는 탄질화물 0.1~7중량%와, Co 5~12중량%와, 나머지 WC와 불가피한 불순물을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명품을 강, 주철가공류에 적용할 경우 상기 경질피막의 총 두께는 총 두께가 15~25㎛인 것이 바람직한데, 이는 총 두께가 15㎛ 미만일 경우 MT-TiCN층과 HT-TiCN층의 두께 및 제1층 및 제3층 α-Al₂O₃층의 두께가 적어서 내마모성 및 내크레이터성이 부족하고, 25㎛ 초과일 경우 MT-TiCN층과 HT-TiCN층의 두께 및 제1층 및 제3층 α-Al₂O₃층의 두께가 너무 클 경우 박막의 취성이 증가하여 내결손성이 약해지는 문제가 있기 때문이다.

[실시예]

본 발명의 실시예로 하기 표 1과 같이, CVD법을 사용하여 실시예 1~실시예 12에 따른 경질피막을 형성하였다. 또한, 본 발명의 실시예들과의 비교를 위하여 비교예 1~비교예 4에 따른 경질피막을 형성하였다.

이때, 하부층의 아래에 형성되는 하지층 TiN은 공정분압 100~200mbar, 공정온도 850~1000℃에서 TiCl₄ 가스와 N₂와 H₂의 가스를 이용하여 화학증착반응(CVD)으로 티타늄질화물(TiN)층을 증착시키는 방법으로 형성하였다.

또한, 하부층 중 MT-TiCN층은 공정분압 60~80mbar, 공정온도 750~900℃에서 TiCl₄가스와 CH₃CN과 N₂와 H₂와 HCl 가스를 이용하여 화학증착반응(CVD)으로 티타늄탄질화물(TiCN)층을 증착시키는 방법으로 형성하였고, HT-TiCN층은 공정분압 100~500mbar, 공정온도 900~1010℃에서 TiCl₄가스와 CH₄와 N₂와 H₂와 HCl의 가스를 이용하여 화학증착반응(CVD)으로 티타늄탄질화물(TiCN)층을 증착시키는 방법으로 형성하였다.

계면층은 TiAlCNO층과 AlTiCNO층, 그리고 TiO₂층으로 구분되며, TiAlCNO층은 공정분압 100~150mbar, 공정온도 900~1010℃에서 TiCl₄와 AlCl₃와 CO나 CO₂와 CH₄와 N₂와 H₂의 가스를 이용하여 화학증착반응(CVD)으로 티타늄알루미나탄질산화물(TiAlCNO)층을 증착시키는 방법이며, AlTiCNO층은 공정분압 100~150mbar, 공정온도 900~1010℃에서 TiCl₄와 AlCl₃와 CO나 CO₂와 CH₄와 N₂와 H₂의 가스를 이용하는데 AlCl₃의 가스량을 1.5배 이상 증가시켜 화학증착반응(CVD)으로 Al함량이 보다 증가한 티타늄알루미나탄질산화물(AlTiCNO)층을 증착시키는 방법이며, TiO₂층은 공정분압 100~150mbar, 공정온도 900~1010℃에서 CO나 CO₂와 H₂의 가스를 이용하여 계면층 최외각에 티타늄 산화층을 화학증착반응(CVD)으로 증착시키는 방법으로 형성하였다.

제1층은 공정분압 50~80mbar, 공정온도 1000~1050℃에서 AlCl₃의 가스와 CO₂나 CO, HCl, H₂S, H₂의 가스를 이용하여 (012)면, (024)면이나 (110)면의 우선방위를 가진 α-Al₂O₃층을 형성하였다. (012)면, (024)면과 (110)면의 우선방위는 3~5L 범위의 HCl의 유량 제어를 통해 우선방위를 가진 α-Al₂O₃층을 형성하였다.

제2층은 상기 계면층과 동일한 방법으로 형성하였다.

제3층은 공정분압 50~80 mbar, 공정온도 1000~1050℃에서 AlCl₃의 가스와 CO₂나 CO, HCl, H₂S,H₂의 가스를 이용하여 (006)면의 우선방위를 가진 α-Al₂O₃층을 형성하였다. (006)면의 우선방위를 가진 α-Al₂O₃층은 100~600ml범위의 H₂S 유량 및 1~3L 범위의 HCl 가스의 유량을 제어방법으로 형성하였다.

비교예 3의 (104)면으로 우선성장한 α-Al₂O₃층은 공정분압 50~80mbar, 공정온도 1000~1050℃에서 AlCl₃의 가스와 CO₂나 CO, HCl, H₂S 가스를 이용하여 (104)면 우선방위를 가진 α-Al₂O₃층을 형성하였다. (104)면의 우선방위를 가진 α-Al₂O₃층은 HCl 가스의 유량을 제어방법으로 형성하였다.

비교예 4의 (006)면으로 우선성장한 α-Al₂O₃층은 실시예들의 제3층과 동일한 방법으로 형성하고 두께만 다르게 하였다.

시편	하지층	중간층		계면층	제1층		제2층	제3층
	TiN	MT- TiCN	HT- TiCN	TiAlCNO/ AlTiCNO/ TiO₂	α-Al₂O₃층		TiAlCNO/ AlTiCNO/ TiO₂	α-Al₂O₃층
	두께 (㎛)	두께 (㎛)	두께 (㎛)	두께 (㎛)	우선 방위	두께 (㎛)	두께 (㎛)	우선 방위	두께 (㎛)
실시예1	0.3	7.5	0.2	0.5	(012)(024)	3	0.5	(006)	3
실시예2	0.5	8	0.2	0.5	(012)(024)	3	0.5	(006)	4.8
실시예3	0.6	7.8	0.2	0.5	(012)(024)	5	0.5	(006)	3
실시예4	0.5	8.3	0.2	0.5	(012)(024)	5	0.5	(006)	4.5
실시예5	0	11	0.2	0.5	(012)(024)	3	0.5	(006)	3
실시예6	0	10.5	0.2	0.5	(012)(024)	3	0.5	(006)	4.8
실시예7	0	11.5	0.2	0.5	(012)(024)	5	0.5	(006)	3
실시예8	0	10	0.2	0.5	(012)(024)	5	0.5	(006)	5.1
실시예9	0.3	11	0.2	0.5	(110)	3	0.5	(006)	3
실시예 10	0.5	8	0.2	0.5	(110)	3	0.5	(006)	4.5
실시예 11	0.3	11	0.2	0.5	(110)	5	0.5	(006)	3.5
실시예 12	0.4	10	0.2	0.5	(110)	5	0.5	(006)	5.5
비교예1	0.5	10	0.2	0.5	(012)(024)	8.5	-	-	-
비교예2	0.6	10	0.2	0.5	(110)	9	-	-	-
비교예3	0.7	9	0.2	0.5	(104)	9.4	-	-	-
비교예4	0.5	10	0.2	0.5	(006)	9.2	-	-	-

표 1에서, (006)은 TC(006)이 1.5 초과인 것을 의미하고, TiAlCNO/AlTiCNO/ TiO₂의 두께 0.5㎛는 TiAlCNO의 두께가 0.2㎛, AlTiCNO의 두께가 0.2㎛, TiO₂의 두께가 0.1㎛로 각각 형성되어 총 두께가 0.5㎛인 것을 의미한다.

도 2는 본 발명에 따른 경질피막의 BSE 분석 결과를 나타낸 것이다. 왼쪽의 BSE 분석 결과에서 보면 제 1층의 α-Al₂O₃층과 제 3층의 α-Al₂O₃층이 제 2층의 계면층을 경계로 2층 구조로 형상되어 있는 것을 확인할 수 있다. 오른쪽의 BSE 분석 결과에서 보면 TiCN층과 계면층인 TiAlCNO/AlTiCNO/TiO₂이 제 1층의 α-Al₂O₃층과 제 3층의 α-Al₂O₃층과 구분되는 것을 확인할 수 있다. 이는 BSE 분석은 원자핵과 충돌하여 산란하는 전자량을 분석하는 것으로 Al₂O₃층의 Al 원자와 TiCN층의 Ti원자의 원자량 차이로 나타나는 이미지 분석 결과이기 때문이다. 그러므로, 도 2에서는 본 발명품과 같이 α-Al₂O₃층의 다층구조를 명확하게 알 수 있다.

하기 표 2는 상기 표 1에서 제1층과 제3층을 구성하는 층의 TC를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 각각의 제 1층과 제 3층을 구성하는 Al₂O₃층의 TC가 다르기 때문에 표 2와 같이 우선방위가 중첩된 2 종류의 TC가 분석된다. 제 1층은 (006) Al₂O₃층이 형성되지 않는 (012), (024)의 Al₂O₃층과 (110)의 Al₂O₃층으로 구성되어 있지만, 제 3층에서 (006) Al₂O₃층이 형성되어 박막 전체의 Al₂O₃층의 TC를 분석하였을 때 표 2와 같은 중첩된 TC 결과를 얻을 수 있다.

시편	제1층		제3층
	α-Al₂O₃층		α-Al₂O₃층
	우선방위	TC	우선방위	TC
실시예1	(012)	1.4	(006)	1.8
실시예1	(024)	1.5	(006)	1.8
실시예2	(012)	1.7	(006)	2.9
실시예2	(024)	1.4	(006)	2.9
실시예3	(012)	1.3	(006)	1.8
실시예3	(024)	1.6	(006)	1.8
실시예4	(012)	1.4	(006)	2.4
실시예4	(024)	1.8	(006)	2.4
실시예5	(012)	1.5	(006)	1.6
실시예5	(024)	1.7	(006)	1.6
실시예6	(012)	1.4	(006)	2.7
실시예6	(024)	1.8	(006)	2.7
실시예7	(012)	1.5	(006)	1.8
실시예7	(024)	1.7	(006)	1.8
실시예8	(012)	1.4	(006)	2.6
실시예8	(024)	1.6	(006)	2.6
실시예9	(110)	1.5	(006)	1.4
실시예10	(110)	1.8	(006)	3.8
실시예11	(110)	3.5	(006)	1.5
실시예12	(110)	4.5	(006)	3.1
비교예1	(012)	2.7	-	-
비교예1	(024)	2.1	-	-
비교예2	(110)	3.5	-	-
비교예3	(104)	3.6	-	-
비교예4	(006)	4.5	-	-

표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예 1~8은 제1층은 (012), (024)면으로 우선성장된 것이고, 제3층은 (006)면으로 우선성장된 것이고, 실시예 9~12는 제1층은 (110)면으로 우선성장된 것이고, 제3층은 (006)면으로 우선성장된 것이다.

비교예 1의 경우, (012), (024)면으로만 우선성장된 α-Al₂O₃층만을 구비한 경질피막이고, 비교예 2는 (110)면으로만 우선성장된 α-Al₂O₃층만을 구비한 경질피막이며, 비교예 3은 (104)면으로만 우선성장된 α-Al₂O₃층만을 구비한 경질피막이고, 비교예 4는 (006)면으로만 우선성장된 α-Al₂O₃층만을 구비한 경질피막이다.

이상과 같이 제조된 α-Al₂O₃층의 밀착력과 경도를 비교 측정하였다. 이때, 밀착력은 제이앤엘 테크사(J&L Tech사) 스크레치 테스터(Scratuch tester, 모델명:JLSTOLL)를 사용하여 스크레치 테스트 방법으로 밀착력을 측정하였고, Fischerscope(HP100C-XYP; 독일 HELMUT FISCHER GMBH, ISO14577)를 사용하여 미소경도테스트 결과를 나타내었다. 그리고, 미소경도 테스트 조건은 다음과 같다.

<스크래치 테스트 조건>

- 하중 : 0~150N

- 스크래치 길이 : 10.00(mm)

- 스크래치 속도 : 0.17mm/s

<미소 경도 테스트 조건>

- 하중 : 100mN

- 언로드(unload) : 100mN

- 하중시간 : 10초

- 언로드(unload) 시간 : 10초

- 크립(creep) 시간 : 5초

하기 표 3은 상기 표 1의 실시예 및 비교예들을 구성하는 α-Al₂O₃층의 입도와 경도를 측정한 결과를 나타낸 것이다.

시편	제1층 α-Al₂O₃층			제3층 α-Al₂O₃층
시편	우선방위	입도 (㎛)	경도 (GPa)	우선방위	입도 (㎛)	경도 (GPa)
실시예1	(012),(024)	0.62	30.4	(006)	0.78	32.4
실시예2	(012),(024)	0.62	30.1	(006)	0.76	31.9
실시예3	(012),(024)	0.78	30.8	(006)	0.74	32.3
실시예4	(012),(024)	0.75	30.5	(006)	0.78	32.4
실시예5	(012),(024)	0.56	30.5	(006)	0.75	32.5
실시예6	(012),(024)	0.54	30.6	(006)	0.82	32.4
실시예7	(012),(024)	0.73	30.0	(006)	0.75	32.1
실시예8	(012),(024)	0.68	30.1	(006)	0.77	32.5
실시예9	(110)	0.54	31.2	(006)	0.85	31.9
실시예10	(110)	0.53	32.1	(006)	0.87	32.1
실시예11	(110)	0.66	31.4	(006)	0.83	32.4
실시예12	(110)	0.69	31.5	(006)	0.87	32.0
비교예1	(012),(024)	0.78	30.2	-	-	-
비교예2	(110)	0.67	31.2	-	-	-
비교예3	(104)	0.64	31.4	-	-	-
비교예4	(006)	0.72	32.8	-	-	-

상기 표 3에 나타난 바와 같이, (012),(024)면으로 우선성장된 α-Al₂O₃층의 경도는 30.0~30.8GPa 수준이고, (110)면으로 우선성장된 α-Al₂O₃층의 경도는 31.2~32.1GPa 수준으로 (012),(024)면으로 우선성장된 것에 비해 다소 높았고, (006)면으로 우선성장된 α-Al₂O₃층은 대략 32GPa로 다른 결정면으로 우선성장된 것에 비해 높았다.

시편	밀착력(N)
실시예1	125
실시예2	119
실시예3	124
실시예4	114
실시예5	132
실시예6	112
실시예7	123
실시예8	118
실시예9	123
실시예10	121
실시예11	124
실시예12	115
비교예1	124
비교예2	125
비교예3	116
비교예4	94

상기 표 4에 나타난 바와 같이 본 발명의 실시예 1~12에 따른 경질피막은 밀착력이 112~132N으로, (012),(024)면으로 우선성장되거나, (110)면으로 우선성장되거나, (104)면으로 우선성장된 것과 유사한 수준으로 나타내었다.

그러나 (006)면으로 우선성장된 것에 비해 훨씬 향상된 밀착력을 나타냄을 알 수 있다.

다음으로, 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 경질피막에 대해 내마모 시험과 인성 시험을 다음과 같은 조건으로 수행하였다.

<주철 내마모 시험>

- 가공방식 : 선삭

- 피삭재 : GCD600 (연속가공)

- Vc(절삭속도) : 400mm/min

- fn(이송속도) : 0.35mm/min

- ap(절입깊이) : 2.5mm, 습식(wet)

<주철 인성 시험>

- 가공방식 : 선삭

- 피삭재 : GCD450-4구 (홈가공)

- Vc(절삭속도) : 380mm/min

- fn(이송속도) : 0.35mm/min

- ap(절입깊이) : 1.5mm, 습식(wet)

아래 표 5는 상기 내마모 시험 및 인성 시험의 결과를 나타낸 것이다.

시편	주철가공 (FCD450, 내마모)		주철가공 (FCD450-4구 홈가공, 인성)
시편	초	수명경향	초	수명경향
실시예1	460	정상마모	480	미세치핑
실시예2	450	정상마모	490	미세치핑
실시예3	480	정상마모	450	치핑
실시예4	510	정상마모	460	박리+치핑
실시예5	480	정상마모	490	미세치핑
실시예6	490	정상마모	470	미세치핑
실시예7	480	정상마모	480	치핑
실시예8	530	정상마모	490	치핑
실시예9	510	정상마모	460	미세치핑
실시예10	510	정상마모	430	미세치핑
실시예11	510	정상마모	430	미세치핑
실시예12	540	정상마모	420	박리+치핑
비교예1	340	과대마모	440	치핑
비교예2	360	마모	450	치핑
비교예3	380	마모	460	치핑
비교예4	420	마모	430	박리+치핑

상기 표 5에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예 1~12에 따른 경질피막의 인성은 비교예 1~4에 따른 경질피막과 유사한 수준을 나타냄을 알 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예 1~12에 따른 경질피막의 내마모성은 비교예 1~3에 비해 우수하고, (006)만으로 우선성장된 α-Al₂O₃층에 비해서도 높은 수준을 나타낸다.

즉, 본 발명의 실시예 1~12에 따른 경질피막은 (006)에 비해 밀착성과 내마모성이 우수하고, (012),(024) 및 (104), (110)만으로 우선성장된 α-Al₂O₃층에 비해 현저하게 우수한 내마모성을 나타낸다.

Claims

모재 상에 형성되는 하부층과, 이 하부층 상에 형성되는 계면층과, 상기 계면층 상에 형성된 상부층을 포함하고,
상기 하부층은 TiCN층을 포함하여 이루어지고,
상기 계면층은, 상기 하부층 상에 순차적으로 형성되는, Ti_1-aAl_aC_xN_yO_z(0.1≤a≤0.5, x+y+z=1, y＞0, z＞0)층과 TiO_x(1≤x≤2)층을 포함하고,
상기 상부층은 상기 계면층 상에 순차적으로 형성되는, 제1층, 제2층 및 제3층을 포함하고,
상기 제1층은 아래 식 1로 표현되는 TC(012) 또는 TC(024)가 1.5 초과이거나 TC(110)이 1.5 초과인 주상정 알파-알루미나층을 포함하고,
상기 제2층은 상기 계면층과 동일한 구조로 이루어지고,
상기 제3층은 아래 식 1로 표현되는 TC(006)이 1.5 초과인 주상정 알파-알루미나층을 포함하는, 절삭공구용 경질피막.
[식 1]
TC(hkl) = I(hkl)/Io(hkl){1/n∑I(hkl)/Io(hkl)}^-1
(여기서, I(hkl) = (hkl) 반사강도, Io(hkl) = JCPDS 카드 46-1212에 따른 표준 강도, n= 계산에 사용된 반사의 횟수, (hkl) 반사는 (012), (104), (110), (006), (113) 및 (116)을 사용하는 것)
제1항에 있어서,
상기 모재와 상부층 사이에 추가로 Ti와 N을 포함하는 하지층이 형성된, 절삭공구용 경질피막.
제1항에 있어서,
상기 Ti_1-aAl_aC_xN_yO_z(0.1≤a≤0.5, x+y+z=1, y＞0, z＞0)층 중 상기 하부층에 접하는 부분의 Al 함량이 상기 TiO_x층에 접하는 부분의 Al 함량보다 적은, 절삭공구용 경질피막.
제1항 또는 제2항에 있어서,
TC(104), TC(113), TC(116)은 1.3 미만인, 절삭공구용 경질피막.
제1항 또는 제2항에 있어서,
제1층의 두께가 제2층의 두께에 비해 동등 이상인, 절삭공구용 경질피막.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1층과 제3층이, 상기 제2층을 개재하여 반복 적층된, 절삭공구용 경질피막.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 모재는, Ta, Nb, Ti, 및 Cr 중에서 선택된 1종 이상의 탄화물 또는 탄질화물 0.1~7중량%와, Co 5~12중량%와, 나머지 WC와 불가피한 불순물을 포함하고, 상기 경질피막의 총 두께가 15~25㎛인, 절삭공구용 경질피막.