KR102074132B1

KR102074132B1 - 절삭공구용 경질피막

Info

Publication number: KR102074132B1
Application number: KR1020170181807A
Authority: KR
Inventors: 김경일; 안승수; 박제훈; 김범식; 박성모; 권진한
Original assignee: 한국야금 주식회사
Priority date: 2017-12-28
Filing date: 2017-12-28
Publication date: 2020-02-06
Also published as: KR20190079818A

Abstract

본 발명은 절삭공구를 구성하는 경질모재 상에 형성되어 절삭공구의 특성을 개선하는 경질피막으로, 경질모재 상에 인접하여 형성되는 단일층 구조의 하부층과 상기 하부층 상에 형성되는 마이크로(내지 나노) 다층 구조의 상부층을 포함하는, 경질피막에 관한 것이다.
본 발명에 따른 절삭공구용 경질피막은, 경질모재 상에 형성되는 것으로, 상기 경질모재 상에 PVD법으로 형성되며, 상기 경질피막은 상기 경질모재 상에 형성되는 제1층과, 제1층 상에 제2층이 적층된 구조를 포함하고, 상기 제1층은 0.1~10㎛의 두께를 가지고, 상기 제2층은 박층A, 박층B, 박층C를 포함하고, 상기 박층B가 박층A와 박층C 사이에 배치되어 2회 이상 반복하여 적층되는 다층 구조로 이루어지고, 박층A는 Ti_1-a-bSi_aMe_bN (0.0001≤a≤0.2, 0≤b≤0.7, Me는 전이원소를 포함한 1B~8B족, 3A~6A족의 원소중 하나)으로 이루어지고, 박층B는 Ti_1-c-dSi_cMe_dN (0.001≤c≤0.3, 0≤d≤0.7, Me는 전이원소를 포함한 1B~8B족, 3A~6A족의 원소중 하나)으로 이루어지고, 박층C는 Ti_1-e-fSi_eMe_fN (0.003≤e≤0.4, 0≤f≤0.7, Me는 전이원소를 포함한 1B~8B족, 3A~6A족의 원소중 하나)으로 이루어지고, 상기 박층A, 박층B 및 박층C에 포함되는 Si의 함량이 상이한 것을 특징으로 한다.

Description

절삭공구용 경질피막 {HARD FILM FOR CUTTING TOOLS}

본 발명은 절삭공구에 사용되는 초경합금, 써멧, 세라믹, 입방정 질화붕소와 같은 경질모재 상에 형성되는 경질피막에 관한 것이며, 보다 상세하게는 경질모재 상에 인접하여 형성되는 단일층 구조의 하부층과 상기 하부층 상에 형성되는 마이크로(내지 나노) 다층 구조의 상부층을 포함하는, 경질피막에 관한 것이다.

고경도 절삭공구 소재의 개발을 위해 1980년대 후반부터 TiN 기반의 다양한 다층막 시스템이 제안되었다.

일례로 TiN이나 VN을 수 나노미터 두께로 교대로 반복 적층시켜 다층막을 형성하면, 각각의 단일 층의 격자상수의 차이에 불구하고 막 사이에 정합 계면을 이루어 하나의 격자상수를 갖는 이른바 초격자를 이루는 코팅을 하게 되면, 각각의 단일 막이 갖는 일반적인 경도의 2배 이상의 높은 경도를 구현할 수 있어, 이러한 현상을 절삭공구용 박막에 적용하기 위한 다양한 시도가 있어 왔다.

이러한 초격자 코팅에 사용되는 강화기구로는 Koehler's model, Hall-Petch 관계, Coherency strain model 등이 있으며, 이들 강화기구는, A와 B 물질의 교대 증착시 A와 B의 격자상수 차이, 탄성계수 차이 그리고 적층 주기의 제어를 통해 경도를 증가시키는 것이다.

최근에는, 예를 들어 특허문헌 1에 개시된 바와 같이, AlTiN, TiAlN, AlTiMeN(여기서, Me는 금속원소)와 같은 다양한 조성의 질화물을 교대 반복적층시켜 단일 막에 비해 훨씬 향상된 물성을 구현하는 다양한 나노 다층구조를 구비한 절삭공구용 경질피막이 제안되고 있다.

또한, 특허문헌 2에 개시된 바와 같이, 베이스층 상에 형성된 마모 방지층의 결합력을 향상시키기 위하여, 베이스층 상에 크롬 함유 기능성층을 배치하여 베이스층과 마모 방지층 간의 결합력을 향상시킴으로써, 절삭공구의 수명을 향상시키는 기술이 제안되고 있다.

1. 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0123238호 2. 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0059193호

본 발명의 과제는 경질피막을 구성하는 나노 다층구조를 이루는 복수의 단위층들의 증착 과정에 발생하는 층간 압축응력을 제어하여 형성되는 피막의 밀착력을 향상시킴으로써, 절삭공구의 내마모성과 내박리성을 개선하는데 있다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 경질모재 상에 PVD법으로 형성되는 경질피막으로, 상기 경질피막은 상기 경질모재 상에 형성되는 제1층과, 제1층 상에 제2층이 적층된 구조를 포함하고, 상기 제1층은 0.1~10㎛의 두께를 가지고, 상기 제2층은 박층A, 박층B, 박층C를 포함하고, 상기 박층B가 박층A와 박층C 사이에 배치되어 2회 이상 반복하여 적층되는 다층 구조로 이루어지고, 박층A는 Ti_1-a-bSi_aMe_bN (0.0001≤a≤0.2, 0≤b≤0.7, Me는 전이원소를 포함한 1B~8B족, 3A~6A족의 원소중 하나)으로 이루어지고, 박층B는 Ti_1-c-dSi_cMe_dN (0.001≤c≤0.3, 0≤d≤0.7, Me는 전이원소를 포함한 1B~8B족, 3A~6A족의 원소중 하나)으로 이루어지고, 박층C는 Ti_1-e-fSi_eMe_fN (0.003≤e≤0.4, 0≤f≤0.7, Me는 전이원소를 포함한 1B~8B족, 3A~6A족의 원소중 하나)으로 이루어지고, 상기 박층A, 박층B 및 박층C에 포함되는 Si의 함량이 상이한, 절삭공구용 경질피막를 제공한다.

본 발명에 따른 경질피막은, 3개의 박층이 2회 이상 반복하여 적층되는 나노 다층구조의 도입을 통해 단일 막에 비해 훨씬 향상된 물성을 구현함과 동시에, 나노 다층구조를 구성하는 물질의 증착 과정에 발생하는 층간 압축응력이 피막의 밀착력을 향상시키는 방향으로 제어함으로써, 경질피막의 내마모성과 내박리성을 현저하게 개선할 수 있다. 이를 통해, 본 발명에 따른 경질피막을 적용한 절삭공구의 수명이 현저하게 연장될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 경질피막의 구조를 설명하기 위한 도면이다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명자들은 Ti, Si를 포함하는 질화물로 이루어진 경질피막의 내마모성과 내박리성을 향상시키기 위해 연구한 결과, Ti와 Si를 포함하는 질화물을 3개의 박층으로 구분하여 반복하여 적층하고, 동시에 3개의 박층의 Si 함량을 다르게 제어하여 층간 밀착력을 향상시킴으로써, 내마모성과 내박리성을 향상시킬 수 있음을 밝혀내고, 본 발명에 이르게 되었다.

본 발명에 따른 경질피막은, 도 1에 도시된 바와 같이, 경질모재 상에 형성되며, 상기 경질모재에 인접하여 형성되는 제1층과, 제1층 상에 제2층이 적층된 구조를 포함한다.

상기 경질모재는, 초경합금, 써멧, 세라믹 및 입방정 질화붕소 중에서 선택된 1종일 수 있으나, 절삭공구용 모재로 사용되는 것이라면 특별히 제한되지 않는다.

제1층은 경질모재와 제2층 사이에 요구되는 물성(예를 들어, 인성)을 부여할 수 있는 층이라면 특별히 제한없이 사용될 수 있다.

제1층은 바람직하게, Ti와 Al을 포함하는 질화물 또는 탄질화물 또는 Al과 Cr을 포함하는 질화물로 이루어질 수 있다. Ti와 Al을 포함하는 질화물 또는 탄질화물은 예를 들어, Al_1-a-bTi_aM_b(C_1-xN_x)(M은 Si, W, Nb, Mo, Ta, Hf, Zr, Y으로 선택되는 적어도 1종, 0.3≤a≤0.7, 0≤b≤0.1, 0＜x≤1)으로 이루어질 수 있고, Al과 Cr을 포함하는 질화물은 예를 들어, Al_1-a-bCr_aM_bN(M은 Si, W, Nb, Mo, Ta, Hf, Zr, Y으로 선택되는 적어도 1종, 0.3≤a≤0.7, 0≤b≤0.1)으로 이루어질 수 있다.

제2층은 박층A, 박층B, 박층C를 포함하고, 상기 박층B가 박층A와 박층C 사이에 배치되어 2회 이상 반복하여 적층되는 나노 다층구조로 이루어진다.

또한, 상기 박층A, 박층B 및 박층C에 포함되는 Si의 함량은 서로 상이하게 구성된다.

또한, 박층A는 Ti_1-a-bSi_aMe_bN (0.0001≤a≤0.2, 0≤b≤0.7, Me는 전이원소를 포함한 1B~8B족, 3A~6A족의 원소중 하나)로 이루어지고, 박층B는 Ti_1-c-dSi_cMe_dN (0.001≤c≤0.3, 0≤d≤0.7, Me는 전이원소를 포함한 1B~8B족, 3A~6A족의 원소중 하나))로 이루어지고, 박층C는 Ti_1-e-fSi_eMe_fN (0.003≤e≤0.4, 0≤f≤0.7, Me는 전이원소를 포함한 1B~8B족, 3A~6A족의 원소중 하나))으로 이루어질 수 있다.

상기 박층A에 있어서, Si의 함량이 0.0001 미만이면 내마모성이 떨어지고, 0.2 초과이면 내박리성이 감소하므로, 0.0001~0.2가 바람직하며, 보다 바람직한 범위는 0.01~0.2이다.

상기 박층B에 있어서, Si의 함량이 0.001 미만이면 내마모성이 떨어지고, 0.3 초과이면 내박리성이 감소하므로, 0.001~0.3이 바람직하며, 보다 바람직한 범위는 0.05~0.25이다.

상기 박층C에 있어서, Si의 함량이 0.003 미만이면 내마모성이 떨어지고, 0.4 초과이면 내박리성이 감소하므로, 0.003~0.4가 바람직하며, 보다 바람직한 범위는 0.1~0.4이다.

또한, 상기 박층A, 박층B, 박층C에 있어서, Me는 선택적으로 포함될 수 있는 원소인데 0.7을 초과할 경우, 다른 구조로 상변태가 일어나므로 0.7 이하로 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 박층A, 박층B, 박층C는 상기 제1층 상에 순차적으로 A-B-C-B... 또는 C-B-A-B...의 형태로 적층될 수 있다.

또한, 상기 제1층의 두께는 0.1㎛ 미만일 경우 공구 내마모성 증가 효과가 없고, 10㎛ 초과일 경우 증착이 어려우므로, 0.1 ~ 10㎛ 범위에 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2층의 두께는 0.1㎛ 미만일 경우 공구 내마모성 증가 효과가 없고, 10㎛ 초과는 증착이 어려우므로, 0.1 ~ 10㎛ 범위에 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 박층A, 박층B, 박층C의 각각의 두께는 10nm 미만일 경우 공구 내마모성 증가 효과를 충분히 얻을 수 없고, 5㎛ 초과일 경우, 마이크로(나노) 다층 구조의 효과를 얻기 어렵기 때문에, 10nm ~ 5㎛ 범위가 바람직하고, 보다 바람직한 범위는 10nm ~ 500nm이다.

[실시예]

경질 모재 표면 위에 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition: PVD)인 아크 이온 플레이팅 법을 이용하여, 경질 피막을 증착하였다.

본 발명의 실시예에서, 경질 모재는 WC-Co(10wt%) 합금을 사용하였다.

상기 경질 모재의 표면에는 TiAl(5:5) 타겟을 사용하여 형성하였으며, 이때 초기 진공압력은 1.0×10^-4Torr 이하로 감압하였으며, 질화물 성장을 위해 반응가스로 N₂를 주입하였다. 코팅을 위한 가스압력은 30mTorr 이하이며, 바람직하게는 20mTorr 이하이며, 코팅 온도는 400~550℃로 하였으며, 코팅 시 기판 바이어스 전압은 -30~-90V으로 인가하여, 단일막 구조로 이루어진 두께 약 1.0㎛의 TiAlN으로 이루어진 제1층을 형성하였다.

상기 제1층 상에는 TiSi(9:1), TiSi(8:2), TiSi(8.5:1.5)의 아크 타겟을 사용하여, 나노 다층구조를 갖는 제2층을 형성하였다.

나노 다층구조의 피막의 형성에 있어서, 초기 진공압력은 1.0×10^-4Torr 이하로 감압하였으며, 질화물 성장을 위해 반응가스로 N₂를 주입하였다. 코팅을 위한 가스압력은 30mTorr 이하이며, 바람직하게는 20mTorr 이하이며, 코팅 온도는 400~550℃로 하였으며, 코팅 시 기판 바이어스 전압은 -30~-90V으로 인가하였다.

본 발명의 실시예에서는 이상과 같은 공정 조건으로 PVD 피막을 형성하였으나, 공정 조건은 장비 특성 및 조건에 따라 달라질 수 있다.

나노 다층구조는 제1층 상에, 박층A-박층B-박층C-박층B-박층A...와 같이, 박층A와 박층C 사이에 박층B가 개재하도록 3개층을 단위로 하여 2회 이상 복수 적층하는 방식으로 형성하였다. 구체적으로는 아래 표 1과 같은 조성(조성은 우측에서 좌측의 순으로 적층됨)과 적층 주기로 최종 박막 두께는 약 1.5㎛가 되는 4가지의 실시예 1~4에 따른 경질 피막을 형성하였다.

아래 표 1에 나타낸 바와 같이, 100nm 이상의 두께로 적층하는 것은 편의상 '마이크로 다층'으로 규정하고, 100nm 미만의 두께로 적층한 것은 '나노 다층'으로 구분하였다.

[비교예]

본 발명의 실시예 1~4에 따른 경질피막과의 비교를 위하여, 5가지의 비교예에 따른 경질 피막을 제조하였다.

비교예 1의 경우, 본 발명의 실시예와 동일한 경질 모재 상에 제1층을 형성한 후, 제1층 상에, 아래 표 1과 같은 조성을 갖는 TiAlN층을 형성하였다.

비교예 2의 경우, 본 발명의 실시예와 동일한 경질 모재 상에 제1층을 형성한 후, 제1층 상에, 아래 표 1과 같은 조성을 갖는 TiAlSiN 층을 형성하였다.

비교예 3~5의 경우, 본 발명의 실시예와 동일한 경질 모재 상에 제1층을 형성한 후, 제1층 상에, 아래 표 1과 같은 조성을 갖는 TiSiN 층을 각각 형성하였다.

제2층의 증착조건 및 두께

구분	샘플	박막 조성	박막 상세 구조 (사용 타겟 조성)	적층주기 (㎚)	박막 두께 (㎛)
비교예	1	TiAlN	단일층 TiAlN(5:5)	-	1.8
	2	TiAlSiN	단일층 TiAlSiN(63:32:5)	20	2.0
	3	TiSiN	단일층 TiSiN(9:1)	-	1.6
	4	TiSiN	단일층 TiSiN(8.5:1.5)	-	1.6
	5	TiSiN	단일층 TiSiN(8:2)	-	1.5
실시예	6	TiSiN	나노다층 TiSiN(90:10)/TiSiN(85:15)/TiSiN(80:20)	20	1.5
	7	TiSiN	마이크로다층 TiSiN(90:10)/TiSiN(85:15)/TiSiN(80:20)	100	1.5
	8	TiSiVN	나노다층 TiSiVN(85:10:5)/TiSiVN(80:15:5)/TiSiVN(75:20:5)	20	1.5
	9	TiSiVN	마이크로다층 TiSiVN(85:10:5)/TiSiVN(80:15:5)/TiSiVN(75:20:5)	100	1.5

아래 표 2는 상기와 같은 조건으로 증착하여 형성한 제2층 경질피막의 성분을 EDX로 분석한 결과를 나타낸 것이다.

제2층의 EDX 분석 결과

구분	샘플	박막 조성	박막 상세 구조 (사용 타겟 조성)	박막조성 (EDX, at%)
구분	샘플	박막 조성	박막 상세 구조 (사용 타겟 조성)	N	Ti	Si	Al	V
비 교 예	1	TiAlN	단일층TiAlN(5:5)	43.5	24.4	-	32.1	-
	2	TiAlSiN	단일층TiAlSiN(63:32:5)	38.9	24.8	1.2	24.8	-
	3	TiSiN	단일층TiSiN(9:1)	46.0	40.3	7.4	-	-
	4	TiSiN	단일층TiSiN(8.5:1.5)	45.4	39.7	8.6	-	-
	5	TiSiN	단일층TiSiN(8:2)	45.1	39.1	10.1	-	-
실시예	1	TiSiN	나노다층 TiSiN(9:1)/TiSiN(8.5:1.5)/TiSiN(8:2)	45.9	33.6	8.68	-	-
	2	TiSiN	마이크로다층 TiSiN(9:1)/TiSiN(8.5:1.5)/TiSiN(8:2)	45.9	38.9	8.35	-	-
	3	TiSiVN	나노다층 TiSiVN(85:10:5)/TiSiVN(80:15:5)/TiSiVN(75:20:5)	48.1	41.3	7.6	-	3
	4	TiSiVN	마이크로다층 TiSiVN(85:10:5)/TiSiVN(80:15:5)/TiSiVN(75:20:5)	46.8	42.9	7.8	-	2.5

표 2에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 경질 피막을 구성하는 제2층의 나노 다층구조의 박막은, 전체적으로 볼 때, 비교예 3 및 4와 유사한 조성을 갖는 것을 알 수 있다.

이에 비해, 비교예 2는 본 발명의 실시예에 비해 Si 함량이 낮고, 비교예 5는 Si 함량이 다소 높음을 알 수 있다.

미소 경도 시험 결과

아래 표 3은 상기와 같이 얻은 경질 피막에 대하여, XRD(X'pert pro; 네덜란드 PANALYTICAL)를 사용하여 측정한 박막 응력 측정 결과와, Fischerscope (HP100C-XYP; 독일 HELMUT FISCHER GMBH, ISO14577)를 사용하여 측정한 미소경도 측정 결과를 나타낸 것이다.

구분	샘플	박막 조성	박막 상세 구조 (사용 타겟 조성)	박막경도 (Gpa)	응력 (Gpa)
비 교 예	1	TiAlN	단일층 TiAlN(5:5)	32.4	-2.9±0.5
	2	TiAlSiN	나노다층 TiAlN(5:5)/TiAlSiN(63:32:5)	38.9	-3.2±0.5
	3	TiSiN	단일층 TiSiN(9:1)	45.2	-5.4±0.8
	4	TiSiN	단일층 TiSiN(8.5:1.5)	48.6	-6.1±0.8
	5	TiSiN	단일층 TiSiN(8:2)	51.2	-6.6±0.89
실시예	1	TiSiN	나노다층 TiSiN(9:1)/TiSiN(8.5:1.5)/TiSiN(8:2)	49.1	-3.07±0.5
	2	TiSiN	마이크로다층 TiSiN(9:1)/TiSiN(8.5:1.5)/TiSiN(8:2)	48.9	-3.4±0.2
	3	TiSiVN	나노다층 TiSiVN(85:10:5)/TiSiVN(80:15:5)/TiSiVN(75:20:5)	46.6	-4.01±0.7
	4	TiSiVN	마이크로다층 TiSiVN(85:10:5)/TiSiVN(80:15:5)/TiSiVN(75:20:5)	45.0	-4.2±0.8

표 3에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1~4에 따른 경질피막의 응력은 3.07~4.2GPa 수준의 압축응력을 나타내었으며, 이러한 압축응력은 Si 함량이 더 많은 비교예 5는 물론, 유사한 비교예 3 및 4에 비해서도 낮은 수준임을 알 수 있다.

즉, 내박리성의 측면에서 본 발명의 실시예 1~4에 따른 경질 피막이 비교예 3~5에 비해 더 나은 결과를 얻었다.

또한, 본 발명의 실시예 1~4에 따른 경질피막은 비교예 1 및 2에 비해 더 나은 경도를 나타내므로 내마모성이 우수하고, 유사한 Si 함량을 갖는 비교예 3 및 4와 유사한 수준의 경도를 나타내므로, 우수한 내마모성과 함께 향상된 내박리성을 구현할 수 있는 것임을 알 수 있다.

Claims

경질모재 상에 PVD법으로 형성되는 경질피막으로,
상기 경질피막은 상기 경질모재 상에 형성되는 제1층과, 제1층 상에 제2층이 적층된 구조를 포함하고,
상기 제1층은 0.1~10㎛의 두께를 가지고,
상기 제2층은 박층A, 박층B, 박층C를 포함하고, 상기 박층B가 박층A와 박층C 사이에 배치되어 2회 이상 반복하여 적층되는 다층 구조로 이루어지고,
박층A는 Ti_1-a-bSi_aMe_bN(0.0001≤a≤0.2, 0≤b≤0.7, Me는 전이원소를 포함한 1B~8B족, 3A~6A족의 원소중 하나)으로 이루어지고,
박층B는 Ti_1-c-dSi_cMe_dN(0.001≤c≤0.3, 0≤d≤0.7, Me는 전이원소를 포함한 1B~8B족, 3A~6A족의 원소중 하나)으로 이루어지고,
박층C는 Ti_1-e-fSi_eMe_fN(0.003≤e≤0.4, 0≤f≤0.7, Me는 전이원소를 포함한 1B~8B족, 3A~6A족의 원소중 하나)으로 이루어지고,
상기 박층A, 박층B 및 박층C에 포함되는 Si의 함량이 상이하고,
상기 박층B의 Si의 함량은 박층A의 Si 함량과 박층C의 Si 함량의 사이 값을 가지고,
상기 박층A, 박층B, 박층C는 상기 제1층 상에 A-B-C-B의 형태로 적층되는, 절삭공구용 경질피막.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 제1층은 Al_1-a-bTi_aM_b(C_1-xN_x)(M은 Si, W, Nb, Mo, Ta, Hf, Zr, Y으로 선택되는 적어도 1종, 0.3≤a≤0.7, 0≤b≤0.1, 0＜x≤1)으로 이루어지는, 절삭공구용 경질피막.
제1항에 있어서,
상기 제2층의 두께는 0.1 ~ 10㎛ 이며,
상기 박층A, 박층B, 박층C의 두께는 각각 10nm ~ 5㎛인, 절삭공구용 경질피막.