KR101818280B1 - 다층 코팅을 포함하는 절삭 공구 - Google Patents

다층 코팅을 포함하는 절삭 공구 Download PDF

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Abstract

본원은 메인 본체와 상기 메인 본체에 도포된 다층 코팅을 포함하는 절삭 공구에 관한 것이다. 상기 메인 본체에, 티타늄 알루미늄 질화물 (TiAlN), 티타늄 알루미늄 규소 질화물 (TiAlSiN), 크롬 질화물 (CrN), 알루미늄 크롬 질화물 (AlCrN), 알루미늄 크롬 규소 질화물 (AlCrSiN), 및 지르코늄 질화물 (ZrN) 로부터 선택되는 경질 재료의 제 1 층 A 를 도포하고, 상기 제 1 층 A 위에 바로 규소 질화물 (Si3N4) 의 제 2 층 B 를 도포한다.

Description

다층 코팅을 포함하는 절삭 공구 {CUTTING TOOL COMPRISING MULTILAYER COATING}
본원은 메인 본체 및 이 메인 본체에 도포된 다층 코팅을 포함하는 절삭 공구에 관한 것이다.
절삭 공구는, 예를 들어 경질 금속, 서멧 (cermet), 강 또는 고속도 강으로 형성된 메인 본체와, 수명을 증가시키거나 또한 절삭성을 개선하기 위해서 메인 본체에 도포된 단일층 또는 다층 경질 재료 코팅을 포함한다. 경질 재료 코팅을 도포하기 위해 CVD 공정들 (화학적 기상 증착) 및/또는 PVD 공정들 (물리적 기상 증착) 을 사용한다.
WO 96/23911 에는, 다수의 개별 층들을 구비하는 다층 내마모성 코팅을 포함하는 절삭 공구가 기재되어 있고, 경질 금속 재료를 포함하는 개별 층은 메인 본체에 바로 도포되며 그리고 다른 개별 층들은 그 위에 배열되어, 개별 층들은 3 개의 다른 각각의 개별 층들을 포함하는 주기적으로 반복하는 복합재를 형성하고, 이 개별 층들 각각은 2 개의 상이한 금속 경질 재료층 및 공유결합 경질 재료층을 포함한다. 일 실시형태에서는, 티타늄 질화물 및 티타늄 탄화물의 2 개의 개별 층들 및 공유결합 경질 재료 붕소 탄화물을 함유하는 개별 층을 포함하는 3 층 복합재가 바람직한 것으로 기재되어 있다. 여기에서는, 내마모성 코팅이 적어도 3 개의 공유결합 경질 재료층부를 포함하도록 되어 있고 그리하여 적어도 9 개의 개별 층들을 포함하는 것으로 기재되어 있다. 바람직하게는, 메인 본체에 증착된 제 1 개별 층은, 강 또는 경질 금속의 메인 본체에 잘 접착되는 것으로 여겨지는 티타늄 질화물 또는 티타늄 탄화물의 층이다. 게다가, 공유결합 경질 재료의 개별 층들에 대해서는, 특히 바람직하게는 붕소 탄화물, 규소 탄화물, 규소 질화물, 붕소 질화물, 사이알론 (Sialon) (규소 및 알루미늄 산질화물의 혼합 결정질), 탄소 등이 특정된다. 하지만, 경질 금속 재료, 티타늄 질화물 및 티타늄 탄화물을 포함하는 전술한 개별 층들은 마모로부터 보호하는 면에서 오늘날의 요건을 만족하지 못하는 것으로 알려졌다. 티타늄 탄화물은 명백하게 경질이지만 내마모성 층을 위해서는 너무 취성이다. 티타늄 질화물은 티타늄 탄화물보다 더 연성이고 또한 덜 취성이다. 티타늄 탄화물 또한 티타늄 질화물 둘 다는 고온 부하를 포함하는 용도에 부적합한 내온성을 가진다. 금속을 가공할 때 칩들 (chips) 및 절삭물들 (cuttings) 안으로의 열분산도 또한 부적절하다.
본 발명의 목적은, 메인 본체와, 이 메인 본체상의 선행 기술에 비하여 개선 접착성 및 필적하거나 더 양호한 경도 및 개선된 내마모성을 가진 보다 양호한 고온 특성을 가지는 다층 코팅을 포함하는 절삭 공구를 제공하는 것이다.
메인 본체와 상기 메인 본체에 도포된 다층 코팅을 포함하는 절삭 공구로서, 상기 메인 본체에, 티타늄 알루미늄 질화물 (TiAlN), 티타늄 알루미늄 규소 질화물 (TiAlSiN), 크롬 질화물 (CrN), 알루미늄 크롬 질화물 (AlCrN), 알루미늄 크롬 규소 질화물 (AlCrSiN), 및 지르코늄 질화물 (ZrN) 로부터 선택되는 경질 재료의 제 1 층 A 를 도포하고, 상기 제 1 층 A 위에 바로 규소 질화물 (Si3N4) 의 제 2 층 B 를 도포하는 절삭 공구에 의해 상기 목적이 달성된다.
선행 기술로부터 알려진 예를 들어 TiC 또는 TiN 등의 금속 경질 재료 층과 비교해보면, 제 1 질화물 층 A 는 현저하게 개선된 내온성을 가지고 또한 동시에 TiC 의 경도에 필적가능하면서도 동일한 취성을 갖지 않는 높은 경도를 가진다. 규소 질화물 (Si3N4) 의 제 2 층은, 경질이고 또한 내마모성을 가지며, 제 1 질화물 층 A 와 조합하여 내마모성 코팅을 통하여 메인 본체로의 열 전달을 매우 효과적으로 방지하고, 그럼으로써 절삭 공구에 의한 금속 가공시 칩들 및 절삭물들로의 개선된 열 분산성을 향상시킨다. 열 전달의 방지는, 경질 내마모성 층으로서 매우 흔히 사용되는 알루미늄 산화물에 의한 바와 같이, 규소 질화물에 의해 유사하게 효과적으로 유발된다. 추가로, 규소 질화물 (Si3N4) 의 제 2 층 B 는 심지어 고온에서도 매우 높은 내산화성을 가진다.
본원의 특히 바람직한 실시형태에 있어서, 경질 재료의 제 1 층 A 는 메인 본체에 바로 도포된다. 특히, 제 1 층 A 가 TiAlN 을 포함하면, 규소 질화물과 메인 본체 사이에 특히 양호한 접착성이 생긴다.
본원의 다른 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 제 2 층 B 위에 적어도 하나의 다른 층 A 및 층 B 의 주기적으로 반복된 연속물 (periodically repeated succession) 을 도포하고, 상기 층 A 및 층 B 의 주기적으로 반복된 연속물의 층 A 는 또한 티타늄 알루미늄 질화물 (TiAlN), 티타늄 알루미늄 규소 질화물 (TiAlSiN), 크롬 질화물 (CrN), 알루미늄 크롬 질화물 (AlCrN), 알루미늄 크롬 규소 질화물 (AlCrSiN), 및 지르코늄 질화물 (ZrN) 로부터 선택되지만 상기 제 1 층 A 의 경질 재료와는 상이할 수 있다. 바람직하게는, 상기 층 A 는 각각 티타늄 알루미늄 질화물 (TiAlN) 이고, 상기 층 B 는 각각 규소 질화물 (Si3N4) 이다.
본원의 다른 바람직한 실시형태에 있어서, 경질 재료 층 B 의 규소 질화물 (Si3N4) 은 무정형이다. 무정형 규소 질화물은 놀랍게도 높은 경도 레벨을 가지면서 동시에 양호한 내마모성 및 양호한 내온성을 가진다.
경질 재료 층 B 의 규소 질화물 (Si3N4) 은 각각 최대 20 원자%, 바람직하게는 최대 5 원자% 의 통상 또는 비통상적인 불순물 또는 도핑 원소들을 포함할 수 있다. 이러한 통상 또는 비통상적인 불순물 또는 도핑 원소들은 바람직하게는 산소, 탄소, 붕소, 갈륨 및 비소로부터 선택된다.
본원의 매우 특히 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 제 1 층 A 의 경질 재료는 티타늄 알루미늄 질화물 (TiAlN) 이다. TiAlN 은 규소 질화물 (Si3N4) 의 제 2 층 B 와 조합하여 특히 유리한 것으로 증명되었다. TiAlN 은 최대 5 중량% 로 TiAlN 층에 포함될 수 있는 TiAlSiN 처럼 면심입방 결정 격자를 가진다.
본원의 다른 실시형태에 있어서, 상기 층 A 및 상기 층 B 또는 상기 층 A 및층 B 의 주기적으로 반복되는 복합재 위에 알루미늄 산화물, 알루미늄 크롬 산화물, 크롬 산화물, 지르코늄 질화물, 티타늄 질화물 및 알루미늄 금속으로부터 선택되는 적어도 하나의 다른 경질 재료 층 또는 금속 층이 도포되고, 상기 모든 경질 재료는 선택적으로 1 개 이상의 다른 원소들로 도핑될 수 있다.
본원의 변형예에 있어서, 상기 층 A 및 상기 층 B 위에 알루미늄 산화물을 포함하는 적어도 하나의 다른 경질 재료 층이 도포되고, 그 위에 지르코늄 질화물, 티타늄 질화물 또는 알루미늄 금속의 다른 층이 도포된다.
상기 층 A 및 상기 층 B 위에 도포될 수 있는 다른 층들은 기본적으로 공지되어 있다. 알루미늄 산화물은, 예를 들어 매우 경질 및 양호한 내마모성 층이고, 또한 유사하게 알루미늄 크롬 산화물 및 크롬 산화물이다. 지르코늄 질화물과 비교해보면, 티타늄 질화물 및 알루미늄 금속은 통상적으로 최외부 층의 형태로 절삭 공구를 착색하고 또한 절삭 공구의 용도를 위한 인디케이터 층 (indicator layers) 으로서 사용된다.
바람직하게는, 본원에 따른 다층 코팅은 2 ~ 10 ㎛, 바람직하게는 3 ~ 6 ㎛ 범위의 전체 층 두께를 가진다. 바람직하게는, 상기 메인 본체에 바로 도포되는 상기 제 1 층 A 는 0.5 ~ 4 ㎛, 바람직하게는 1 ~ 3 ㎛ 범위의 층 두께를 가진다. 바람직하게는, 선택적으로 존재하는 다른 층 A 는 비교해보면 0.2 ~ 2 ㎛, 바람직하게는 0.3 ~ 1 ㎛ 범위의 층 두께를 가진다. 바람직하게는, 상기 층 B 는 0.2 ~ 5 ㎛, 바람직하게는 0.3 ~ 3 ㎛, 특히 바람직하게는 0.5 ~ 1 ㎛ 범위의 층 두께는 가진다. 과도하게 큰 층 두께를 가지면, 일반적으로 층내의 과도하게 큰 기계적 응력으로 인해 부서질 위험이 있다. 과도하게 작은 층 두께를 가지면, 각각의 개별 층이 이로부터 원하는 기능을 수행하지 못하거나 또는 이를 적절하게 수행하지 못하는 위험이 있다.
바람직하게는, 본원에 따른 코팅에서 상기 층 A 및 상기 층 B 는 PVD 공정들에 의해 메인 본체에 도포된 층이고, 상기 층 A 는 바람직하게는 아크 기상 증착 (arc PVD) 에 의해 도포되고, 상기 층 B 는 마그네트론 스퍼터링, 특히 듀얼 마그네트론 스퍼터링 또는 HIPIMS (high power impulse magnetron sputtering) 에 의해 도포된다.
본원에 따른 절삭 공구의 메인 본체는 바람직하게는 경질 금속, 서멧, 강 또는 고속도 강 (HSS) 으로 제조된다.
본 발명의 신규한 코팅은 절삭 공구의 내마모성, 수명 및 절삭성을 향상시키고 그리고/또는 적합화하는 광범위한 범위의 가능한 옵션을 제공한다. 절삭 공구상의 코팅의 내마모성, 안정성, 및 절삭성은, 예를 들어 절삭 공구의 메인 본체의 재료, 코팅에서의 층들의 연속성, 특성 및 조성, 다양한 층들의 두께, 및 특히 절삭 공구로 실시되는 절삭 작업의 특성 등의 다양한 인자에 따른다. 가공할 작업물의 특성, 예를 들어 고온 생성 또는 부식성 냉각 유체의 사용 등의 가공 작업시의 다른 조건 및 각각의 가공 공정에 따라서 하나의 동일한 절삭 공구에 상이한 내마모성 레벨이 제공될 수 있다. 추가로, 각각의 가공 작업에 따라서, 더 큰 범위 또는 더 적은 범위로, 공구의 사용 기간, 즉 공구의 수명에 영향을 줄 수 있는 다양한 종류의 마모들간의 구별을 하게 된다. 따라서, 절삭 공구에서의 다른 개발 및 개선에서는 항상 공구 특성이 개선되고 또한 선행 기술에 비하여 필적가능한 조건에서 평가되는지를 고려하게 된다.
본원에 따른 메인 본체와 다층 코팅을 구비한 본원에 다른 절삭 공구에서의 실질적인 개선은, 선행 기술에 비하여 개선된 메인 본체상의 코팅의 접착성, 더 양호한 고온성, 더 양호한 경도 및 개선된 내마모성이다.
본원에 따른 코팅에 의해 관찰되는 다른 놀라운 효과는, 전체 코팅의 열전도성 저감이다. 코팅의 열전도성 저감으로 놀랍게도 달성되는 것은, 절삭 금속 및 복합재에서의 상기 절삭 공구의 사용시 매우 긍정적인 효과이다. 저감된 열전도성으로 인해 내열충격성이 개선되고, 그럼으로써 메인 본체의 재료, 특히 경질 금속의 콤브 균열 강도 (comb cracking strength) 를 증가시킨다.
본원에 따른 어떠한 실시형태에 대하여 본원에 기재된 모든 개별 특징들은, 기술적으로 의미있고 가능한 한, 본원에 따른 실시형태들의 모든 다른 개시된 특징들과 조합될 수 있고 또한 이러한 조합은 본원의 설명에 기재되어 있는 것이 자명하다. 보다 더 양호한 판독성을 위해서 본원에서는 모든 가능한 조합에 대하여 개별적으로 나타내지 않았다.
본 발명의 다른 장점, 특징 및 실시형태는 이하의 실시예에 의해 설명된다.
PVD 코팅 설치물 (플렉시코팅; Hauzer Techno Coating) 에 있어서, 경질 금속 메인 본체들에는 다층 PVD 코팅이 형성되었다. 메인 본체의 기하학적 형상은 SEHW120408 또는 ADMT160608-F56 (DIN-ISO 1832 에 따름) 이었다. 층들의 증착 전에, 상기 설치물은 1×10-5 mbar 로 진공배기되었고, 경질 금속 표면은 170 V 바이어스 전압에서 아르곤 이온으로 에칭시킴으로써 세척되었다.
실시예 1
층 A : TiAlN
PVD-공정 : 아크 기상 증착 (Arc-PVD)
대상물 : Ti/Al (33/67 원자%), 둥근 소스 (63 ㎜ 직경)
증착 : 온도: 500℃;
기화기 전류: 65 암페어;
3.2 Pa N2 압력, 50 볼트 기재 바이어스 전압
층 B : Si3N4
PVD-공정 : 듀얼 마그네트론 스퍼터링
대상물 : 직사각형 Si 소스 (80 ㎝ × 20 ㎝)
증착 : 온도: 500℃;
6 W/㎝2;
200 sccm N2;
0.5 Pa Ar 압력, 90 볼트 기재 바이어스 전압
구조물 : X-레이 무정형
결합 성질 : XPS 에 따른 공유결합
층 연속물 : 메인 본체/2.5 ㎛ TiAlN/ 0.6 ㎛ Si3N4.
비교예 1
다르게는 실시예 1 의 증착 파라미터로 추가의 규소 질화물 층 B 의 증착없이 3.3 ㎛ 두꺼운 TiAlN 층을 증착하였다.
42CrMo4-강 (강도: 950 MPa) 을 포함하는 작업물상에서의 밀링 시험에서, 실시예 1 및 비교예 1 의 절삭 공구들을 비교하였다. 절삭 속도 vc = 235 m/min 및 날 이송량 (tooth advance) f2 = 0.2 ㎜ 에서 윤활제를 냉각시키지 않고 다운컷 밀링 (downcut milling) 을 실시하였다. 4800 ㎜ 의 밀링 이동 후에, 평균 마모 마크 폭 VB ㎜ (주절삭날에서) 으로서 릴리프 표면상에서 마모를 측정하였다.
이하의 마모 마크 폭 VB 을 볼 수 있다:
Figure 112013019296386-pct00001

실시예 2
TiAlN 의 층 및 Si3N4 의 층 B 는 실시예 1 과 동일한 PVD 공정들 및 동일한 파라미터들로 증착되었다.
층 연속물 : 메인 본체/2.5 ㎛ TiAlN/0.6 ㎛ Si3N4/0.3 ㎛ TiAlN/
0.1 ㎛ Si3N4/0.3 ㎛ TiAlN/0.1 ㎛ Si3N4
비교예 2
비교예 1 과 동일하지만 4.0 ㎛ 두꺼운 TiAlN 층을 증착하였다.
절삭 속도 vc = 283 m/min 및 날 이송량 f2 = 0.3 ㎜ 로 실시예 1 에서와 같이 실시한 밀링 시험에서, 이하의 마모 마크 폭 VB 을 볼 수 있다:
Figure 112013019296386-pct00002

Claims (12)

  1. 메인 본체와 상기 메인 본체에 도포된 다층 코팅을 포함하는 절삭 공구로서,
    상기 메인 본체에, 티타늄 알루미늄 질화물 (TiAlN), 티타늄 알루미늄 규소 질화물 (TiAlSiN), 크롬 질화물 (CrN), 알루미늄 크롬 질화물 (AlCrN), 알루미늄 크롬 규소 질화물 (AlCrSiN), 및 지르코늄 질화물 (ZrN) 로부터 선택되는 경질 재료의 제 1 층 A 를 바로 도포하고,
    상기 제 1 층 A 위에 바로 무정형 규소 질화물 (Si3N4) 의 제 2 층 B 를 도포하고,
    상기 메인 본체에 바로 도포되는 상기 제 1 층 A 는 0.5 ~ 4 ㎛ 범위의 층 두께를 가지고, 상기 제 2 층 B 는 0.2 ~ 5 ㎛ 범위의 층 두께는 가지고,
    상기 제 2 층 B 위에 적어도 하나의 다른 층 A 및 층 B 의 주기적으로 반복된 연속물 (periodically repeated succession) 을 도포하고,
    상기 다른 층 A 및 층 B 의 주기적으로 반복된 연속물의 상기 층 A 는 또한 티타늄 알루미늄 질화물 (TiAlN), 티타늄 알루미늄 규소 질화물 (TiAlSiN), 크롬 질화물 (CrN), 알루미늄 크롬 질화물 (AlCrN), 알루미늄 크롬 규소 질화물 (AlCrSiN), 및 지르코늄 질화물 (ZrN) 로부터 선택되고, 상기 제 1 층 A 의 경질 재료와는 상이하거나 동일하고,
    상기 다른 층 A 및 층 B 의 주기적으로 반복된 연속물의 상기 층 B 는 무정형 규소 질화물 (Si3N4) 이고,
    상기 다른 층 A 및 층 B 의 주기적으로 반복된 연속물의 상기 층 A 는 0.2 ~ 2 ㎛ 범위의 층 두께를 가지고,
    상기 다른 층 A 및 층 B 의 주기적으로 반복된 연속물의 상기 층 B 는 0.2 ~ 5 ㎛ 범위의 층 두께를 가지고,
    상기 다층 코팅은 2 ~ 10 ㎛ 범위의 전체 층 두께를 가지는 것을 특징으로 하는, 절삭 공구.
  2. 제 1 항에 있어서,
    경질 재료 층 B 의 규소 질화물 (Si3N4) 은 각각 최대 20 원자% 의 통상 또는 비통상적인 불순물 또는 도핑 원소를 함유하는 것을 특징으로 하는, 절삭 공구.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 층 A 의 경질 재료는 티타늄 알루미늄 질화물 (TiAlN) 인 것을 특징으로 하는, 절삭 공구.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 다른 층 A 및 층 B 의 주기적으로 반복된 연속물 위에 알루미늄 산화물, 알루미늄 크롬 산화물, 크롬 산화물, 지르코늄 질화물, 티타늄 질화물 및 알루미늄 금속으로부터 선택되는 적어도 하나의 추가적인 경질 재료 층 또는 금속 층이 도포되는 것을 특징으로 하는, 절삭 공구.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 다른 층 A 및 층 B 의 주기적으로 반복된 연속물 위에 알루미늄 산화물의 적어도 하나의 추가적인 경질 재료 층이 도포되고, 그 위에 지르코늄 질화물, 티타늄 질화물 또는 알루미늄 금속의 추가적인 층이 도포되는 것을 특징으로 하는, 절삭 공구.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 다층 코팅은 3 ~ 6 ㎛ 범위의 전체 층 두께를 가지는 것을 특징으로 하는, 절삭 공구.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 다른 층 A 및 층 B 의 주기적으로 반복된 연속물의 상기 층 A 는 0.3 ~ 1 ㎛ 범위의 층 두께를 가지는 것을 특징으로 하는, 절삭 공구.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 층 B 는 0.3 ~ 3 ㎛ 범위의 층 두께는 가지는 것을 특징으로 하는, 절삭 공구.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 층 A 및 상기 층 B 는 PVD 공정들에 의해 메인 본체에 도포된 층들이고,
    상기 층 A 는 아크 기상 증착 (arc PVD) 에 의해 도포되고 그리고/또는 상기 층 B 는 마그네트론 스퍼터링에 의해 도포되는 것을 특징으로 하는, 절삭 공구.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 메인 본체는 경질 금속, 서멧 (cermet), 강 또는 고속도 강 (HSS) 으로 제조되는 것을 특징으로 하는, 절삭 공구.
  11. 삭제
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