KR102172847B1 - 절삭공구용 경질피막 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 절삭공구에 사용되는 초경합금이나 서멧(cermet)과 같은 경질모재상에 형성되는 경질피막에 관한 것이다.
본 발명에 따른 경질피막은, 경질 기체의 표면 또는 근접하여 PVD법으로 형성되고, 상기 경질피막은 A층과 B층이 1회 이상 교대하여 반복적으로 적층되는 교대반복층을 포함하고, 상기 B층의 내부에, 상기 A층의 물질로 이루어지는 다수의 입자가 분산되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

절삭공구용 경질피막 및 이의 제조방법 {A HARD LAYER FOR CUTTING TOOLS AND MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 절삭공구에 사용되는 초경합금, 서멧, 세라믹, 입방정 질화붕소와 같은 경질모재 상에 형성되는 경질피막에 관한 것이며, 보다 상세하게는 경질모재 상에 인접하여 형성되는 질화막과 산화막의 복합다층으로, 질화막은 입방정 구조의 AlTiN계 또는 AlCrN계이며, 산화막은 입방정 구조의 γ-Al2O3로 이루어지며, 상기 질화막과 산화막의 결합력을 향상시키는 기술에 관한 것이다.
절삭공구의 인선은 고경도 재료의 고속가공 시, 약 1000℃의 고온환경에 노출되고, 가공물과의 접촉으로 인한 마찰과 산화로 마모가 발생할 뿐아니라, 단속과 같은 기계적 충격도 받게 된다. 그러므로 절삭공구는 적절한 내마모성과 인성을 갖는 것이 필수적으로 요구된다.
이와 같이 절삭공구에 요구되는 내마모성과 인성을 부여하기 위하여, 일반적으로 절삭공구로 사용되는 초경합금의 표면에는 화학기상증착법(이하, 'CVD'라 함) 또는 물리기상증착법(이하, 'PVD'라 함)을 통해 형성된 경질박막을 형성한다.
이러한 경질박막은, 단층 또는 다층의 비산화물계 박막(예: TiN, TiC, TiCN)이나, 우수한 내산화성을 갖는 산화물계 박막(예: Al2O3) 또는 이들의 혼합층으로 구성되며, 상기 비산화물계 박막의 예로는 TiN, TiC, TiCN 등과 같은 주기율표상 4, 5, 6족 금속원소의 탄화물, 질화물, 탄질화물이 있고, 산화물계 박막의 예로는 대표적으로 α-Al2O3, κ-Al2O3, γ-Al2O3 등이 있다.
그런데, Al2O3와 같은 산화막 증착시에는 산화막의 절연특성으로 인해 적층 두께와 횟수가 제한적이고, 질화막과 산화막은 조성 및 물성이 상이하여, 질화막과 산화막의 장점을 활용하기 위한 복합 다층 구조의 경질피막은 박막 사이에 양호한 결합력을 확보하는데 한계가 있어, 내마모성과 내치핑성의 저하로 절삭공구용 경질피막으로서의 적용 가치가 저하되는 문제점이 있다.
대한민국공개특허공보 제2000-0072535호
본 발명의 과제는, 질화막과 산화막이 복합다층 구조로 이루어지며, 산화막의 형성이 안정적으로 이루어지며, 질화막과 산화막의 결합력이 향상되어, 절삭공구에 절용되었을 때, 절삭공구의 절삭수명을 연장시킬 수 있는 경질피막과 이의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면은, 경질 기체의 표면에 PVD법으로 형성되는 경질피막으로, 상기 경질피막은 A층과 B층이 1회 이상 교대하여 반복적으로 적층되는 교대반복층을 포함하고, 상기 B층의 내부에, 상기 A층의 물질로 이루어지는 다수의 입자가 분산되어 있는, 절삭공구용 경질피막을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 측면은, 경질 기체의 표면 또는 인접한 부분에 PVD법으로, A층과 B층이 1회 이상 교대하여 반복적으로 적층하여 경질피막을 형성하는 방법으로, (a) 표면에 다수의 드랍렛이 형성되도록 A층을 성막하는 단계; (b) 상기 A층 상에 B층을 성막하는 단계; (c) 상기 B층을 식각하여, 상기 다수의 드랍렛 중의 적어도 일부가 노출되도록 하는 단계; (d) 상기 식각된 B층 상에 표면에 다수의 드랍렛이 형성되도록 A층을 성막하는 단계; 및 상기 (a) ~ (d) 단계를 1회 이상 교대 반복하는 단계;를 포함하는, 경질피막의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 절삭공구용 경질피막은, A-B 형태로 교대 반복하여 적층되는 다층 구조를 가지며, B층의 내부에 A층과 연결된 다수의 입자가 분산되도록 함으로써(특히 B층의 내부에 상부 및 하부의 A층과 연결된 브릿지 구조를 형성함으로써), 박막 간의 밀착력이 향상되고, 분산강화를 통해, 경질피막의 물성이 향상되도록 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 경질피막의 제조방법에 의하면, 질화막의 증착시 쐐기형 드랍렛을 다량 형성한 후, 드랍렛 높이 수준의 두께로 산화막을 증착한 뒤에 식각공정을 통해 질화막의 드랍렛을 산화막 표면으로 돌출시킴으로서 전기 전도도를 유지하고 향상시켜 다음 질화막 증착시 보다 안정적으로(바이어스 설정값 즉각 도달, 안정적 유지) 증착 공정이 이루어지도록 한다. 또한, 상기 과정을 반복하여 연속적인 미세조직 또는 산화물 분산강화(ODS; Oxide Dispersion Strengthening) 효과를 갖도록 하는 복합다층 구조의 경질피막을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 경질피막의 구조를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 경질피막의 제조공정을 나타낸 것이다.
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 발명에 따른 경질피막은, 경질 기체의 표면에 PVD법으로 형성되고, 상기 경질피막은 A층과 B층이 1회 이상 교대하여 반복적으로 적층되는 교대반복층을 포함하고, 상기 B층의 내부에, 상기 A층의 물질로 이루어지는 다수의 입자가 분산되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 A층은 입방정의 AlaTi1-a-bMebN(0.3≤a≤0.7, 0≤b≤0.1, Me는 V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Y 중에서 선택된 1종 이상의 원소) 또는 AlxCr1-x-yMeyN(0.3≤x≤0.7, 0≤y≤0.1, Me는 V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Y 중에서 선택된 1종 이상의 원소)로 이루어지는 것이 내마모성과 내치핑성 간의 균형 및 드랍렛 형성 측면에서 바람직하고, 상기 B층은 입방정의 γ-Al2O3를 포함하는 것이 내산화성을 향상시키고, 복합 다층에 의한 강화 효과 측면에서 바람직하다.
상기 다수의 입자 중에서 적어도 일부는 상기 B층의 하부에 형성된 A층과 일체로 연결되어 있을 수 있다.
상기 다수의 입자 중에서 적어도 일부는 상기 B층의 하부에 형성된 A층과 일체로 연결됨과 동시에, 상기 B층의 상부에 A층이 형성된 경우 상부에 A층과도 일체로 연결된 브릿지 구조를 형성할 수 있다.
상기 다수의 입자는 상부로 향할수록 크기가 줄어드는 쐐기 형상일 수 있다.
상기 경질 기체는, 탄화텅스텐을 포함하는 초경합금, 탄질화티타늄을 포함하는 서멧, 세라믹, 질화붕소 또는 다이아몬드로 이루어질 수 있다.
상기 교대반복층의 전체 두께는 0.5㎛ 미만일 경우, 박막 본연의 특성을 발휘하기 어렵고, 10㎛ 초과일 경우, PVD공법에 의한 박막의 제조특성상 박막에 축적되는 압축응력이 박막의 두께 및 시간에 비례하는 것을 감안했을 때 박리의 위험성이 커지므로 두께는 0.5 ~ 10㎛ 범위가 바람직하고, 보다 바람직한 두께는 2 ~ 8㎛이다.
또한, 상기 교대반복층을 형성하는 A층의 단위 두께는 5nm 미만일 경우, 박막 본연의 내마모 특성을 발휘하기 어렵고, 적정 크기의 드랍렛이 형성되지 못하며, 5.0㎛ 초과일 경우 압축응력 증가에 따른 경도 및 탄성계수의 증가로 박리 또는 산화막과의 결합력이 현저히 떨어지게 되므로, 5nm ~ 5.0㎛ 범위가 바람직하다.
또한, 상기 교대반복층을 형성하는 B층의 단위 두께는 2nm 미만일 경우 박막 본연의 내산화 특성을 발휘하기 어렵고, 1.5㎛ 초과일 경우 코팅로 내 장비 전반에 산화(포이즈닝)로 인한 절연화가 진행되어 더 이상의 산화물층 증착이 어려워질 뿐만 아니라 상기 A층의 드랍렛 크기를 초과하여 식각공정 후에도 드랍렛이 표면으로 돌출되지 못할 수 있으므로, 2nm ~ 1.5㎛ 범위가 바람직하다.
또한, 상기 교대반복층은, A-B로 이루어진 2층, A-B-A로 이루어진 3층, A-B-A-B로 4층 및 그 이상의 마이크로 다층(단위층의 두께가 1㎛ 이상인 경우) 또는 나노다층(단위층의 두께가 1㎛ 미만인 경우) 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 경질피막의 제조방법은, 경질 기체의 표면에 PVD법으로, A층과 B층이 1회 이상 교대하여 반복적으로 적층하여 경질피막을 형성하는 방법으로, (a) 표면에 다수의 드랍렛이 형성되도록 A층을 성막하는 단계; (b) 상기 A층 상에 B층을 성막하는 단계; (c) 상기 B층을 식각하여, 상기 다수의 드랍렛 중의 적어도 일부가 노출되도록 하는 단계; (d) 상기 식각된 B층 상에 표면에 다수의 드랍렛이 형성되도록 A층을 성막하는 단계; 및 상기 (a) ~ (d) 단계를 1회 이상 교대 반복하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 경질피막의 제조방법에 있어서, 상기 A층의 성막 과정에 형성되는 박막 표면으로부터 돌출된 드랍렛의 최대 높이(H)는 0.02㎛ 미만일 경우 높은 전기 저항으로 전기 전도가 원활히 이루어지지 못하며, 산화막 두께 또한 적정 범위 이하로 낮아지고, 1.5㎛ 초과일 경우 형성되는 드랍렛 크기의 다양화(크기 분포 증가)로 전기 전도가 균일하게 이루어지지 못하며, 산화막 두께 또한 적정 범위 이상으로 높아지므로, 0.02 ~ 1.5㎛ 인 것이 바람직하다.
또한, 상기 드랍렛의 밀도는 단위 면적당 1.0×104 ea/㎟ 미만일 경우 전기 전도 효과가 낮으며, 드랍렛에 의해 분산된 산화물의 크기 또는 면적이 증가하므로 분산 강화 효과가 크지 않으며, 5.0×107 ea/㎟ 초과일 경우 드랍렛에 의해 분산된 산화물의 크기 또는 면적이 줄어들어 박막 본연의 특성이 감소하므로, 1.0×104 ea/㎟ ~ 5.0×107 ea/㎟ 인 것이 바람직하다.
또한, 박막의 표면에 형성된 드랍렛의 높이(T)에 대한 B층의 두께(T)의 비(T/H)는 0.1 ~ 0.9인 것이 바람직하다.
또한, 상기 드랍렛의 형성 및 높이는 상기 A층 박막의 증착시 질소 함량 및 캐소드 전류 등을 통해 제어될 수 있다.
또한, 상기 (b) 단계에 있어서, 상기 B층의 성막은 하층에 형성된 A층의 드랍렛의 최고 높이보다 얇은 두께로 수행하는 것이, B층의 내부에 A층의 물질로 이루어진 브릿지(bridge) 구조를 형성하기 용이하므로 바람직하다.
[실시예]
경질피막의 제조
본 발명의 실시예에서는 초경합금, 서멧, 고속도강, cBN 또는 다이아몬드를 포함하는 소결체로 이루어지는 경질 모재 표면 위에 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition; PVD)인 반응성 펄스 마그네트론 스퍼터링을 이용하여, 40kHz 이상의 바이폴라 파워 서플라이 프리퀀시(supply frequency)가 적용되며, 450 ~ 600℃의 공정온도를 적용하여 도 1과 같은 구조를 갖는 다층 피막을 형성한다.
본 발명의 실시예에 따른 다층 피막에 있어서, 경질모재와 접하는 최하층에는 질화물층이 형성되고, 순차적으로 산화물과 질화물이 교대 반복하여 형성되며, 전체적으로 형성되는 반복 적층 횟수는 2 ~ 9회가 바람직하다.
코팅에 사용한 타겟으로는 AlTi 또는 AlCr의 아크 타겟과 Al의 스퍼터 타겟을 사용하였으며, 초기 진공압력은 8.5×10-5 Torr 이하로 감압하였으며, 반응가스로 N2와 O2를 주입하였다. 또한, 코팅을 위한 가스압력은 50mTorr 이하, 바람직하게는 40mTorr 이하로 유지하였으며, 코팅 온도는 400 ~ 600℃로 하였고, 코팅시 기판 바이어스 전압은 질화막 코팅시 -20V ~ -100V, 산화막 코팅시 -100 ~ -150V으로 인가하였다. 상기 코팅조건은 장비특성 및 조건에 따라 달라질 수 있다.
구체적으로, 모재는 평균 입도 0.8㎛의 WC와 10wt.%의 Co 함량으로 이루어진 초경합금을 사용하였다. 또한, AlTiN 또는 AlCrN 박막은, AlTi(60at.% / 40.at.%) 또는 AlCr(64at.% / 36at.%) 타겟을 사용하여, 바이어스 -40 V, 아크 전류 100A, N2 압력 2.66Pa의 조건으로 성막하였다. 또한, Al2O3 박막은, Al 99.9at.% 타겟을 사용하여, 바이어스 -125V(단극 펄스 ,45kHz), 스퍼터 전력 20KW, 반응가스로 O2와 Ar을 주입, 압력 0.5Pa의 조건으로 성막하였다. 또한, 식각은 전자 방출 소스로 텅스텐 필라멘트를 사용하여, 바이어스 -200V (단극 펄스, 40kHz), Ar 유량 50sccm, 시간 10분의 조건으로 수행하였다.
상기와 같은 조건으로 제조한 경질피막의 박막 구조, 반복 적층 횟수, 총 두께 및 박막 경도를 아래 표 1에 나타내었다.
구분 번호 박막 구조 1회 두께
(㎛)		 반복 적층 횟수
(회)		 총 두께
(㎛)		 박막 경도
(GPa)
비교예 1 AlTiN계 단일층 구조
1-1 AlTiN(60:40) 4.1 - 4.1 34.2
1-2 AlTiVZrN(54:36:5:5) 4.3 - 4.3 34.8
1-3 AlTiNbMoN(54:36:5:5) 4.0 - 4.0 35.5
1-4 AlTiHfTaN(56.4:37.6:3:3) 3.8 - 3.8 34.8
1-5 AlTiWYN(56.4:37.6:3:3) 3.8 - 3.8 35.9
2 AlCrN계 단일층 구조
2-1 AlCrN(64:36) 3.9 - 3.9 31.1
2-2 AlCrVZrN(57.6:32.4:5:5) 4.0 - 4.0 32.0
2-3 AlCrNbMoN(57.6:32.4:5:5) 4.1 - 4.1 32.4
2-4 AlCrHfTaN(60.2:33.8:3:3) 3.9 - 3.9 32.0
2-5 AlCrWYN(60.2:33.8:3:3) 4.0 - 4.0 33.0
3 AlTiN/Al2O3 교대반복다층 비브릿지 구조
3-1 AlTiN(60:40)/Al2O3 1.0 4 4.0 31.5
3-2 AlTiVZrN(54:36:5:5)/Al2O3 0.9 4 3.7 32.3
3-3 AlTiNbMoN(54:36:5:5)/Al2O3 0.8 4 3.6 32.4
3-4 AlTiHfTaN(56.4:37.6:3:3)/Al2O3 0.9 4 3.8 31.9
3-5 AlTiWYN(56.4:37.6:3:3)/Al2O3 0.9 4 3.8 33.8
4 AlCrN/Al2O3 교대반복다층 비브릿지 구조
4-1 AlCrN(64:36)/Al2O3 0.9 4 3.7 30.3
4-2 AlCrVZrN(57.6:32.4:5:5)/Al2O3 1.0 4 4.0 32.5
4-3 AlCrNbMoN(57.6:32.4:5:5)/Al2O3 0.9 4 3.9 31.0
4-4 AlCrHfTaN(60.2:33.8:3:3)/Al2O3 0.9 4 3.6 31.9
4-5 AlCrWYN(60.2:33.8:3:3)/Al2O3 0.8 4 3.8 31.8
실시예 5, 6 AlTiN/Al2O3 교대반복다층 브릿지 구조
5-1 AlTiN(60:40)/Al2O3 1.8 2 3.6 32.4
5-2 AlTiVZrN(54:36:5:5)/Al2O3 1.8 2 3.8 32.3
5-3 AlTiNbMoN(54:36:5:5)/Al2O3 2.0 2 4.0 32.9
5-4 AlTiHfTaN(56.4:37.6:3:3)/Al2O3 1.9 2 3.8 33.5
5-5 AlTiWYN(56.4:37.6:3:3)/Al2O3 1.9 2 3.9 33.0
6-1 AlTiN(60:40)/Al2O3 0.9 4 3.7 33.4
6-2 AlTiVZrN(54:36:5:5)/Al2O3 1.0 4 4.0 34.0
6-3 AlTiNbMoN(54:36:5:5)/Al2O3 1.0 4 4.0 33.9
6-4 AlTiHfTaN(56.4:37.6:3:3)/Al2O3 0.9 4 3.8 33.1
6-5 AlTiWYN(56.4:37.6:3:3)/Al2O3 0.9 4 4.0 34.2
7, 8 AlCrN/Al2O3 교대반복다층 브릿지 구조
7-1 AlCrN(64:36)/Al2O3 1.9 2 3.9 29.9
7-2 AlCrVZrN(57.6:32.4:5:5)/Al2O3 1.9 2 3.8 30.8
7-3 AlCrNbMoN(57.6:32.4:5:5)/Al2O3 2.2 2 4.3 31.2
7-4 AlCrHfTaN(60.2:33.8:3:3)/Al2O3 2.1 2 4.2 31.8
7-5 AlCrWYN(60.2:33.8:3:3)/Al2O3 1.9 2 4.0 32.0
8-1 AlCrN(64:36)/Al2O3 0.9 4 3.7 31.5
8-2 AlCrVZrN(57.6:32.4:5:5)/Al2O3 0.9 4 3.8 32.5
8-3 AlCrNbMoN(57.6:32.4:5:5)/Al2O3 0.8 4 3.8 32.1
8-4 AlCrHfTaN(60.2:33.8:3:3)/Al2O3 0.9 4 3.9 31.9
8-5 AlCrWYN(60.2:33.8:3:3)/Al2O3 0.8 4 3.7 32.0
경질피막 물성 평가
상기 표 1의 구조로 구성한 복합 다층 피막의 내박리성, 내마모성 및 내치핑성을 다음과 같은 평가조건으로 평가하였다.
(1) 내박리성 평가 : 박막 뜯김에 의한 비정상 마모 유무
피삭재: SM45C
샘플형번: SNMX1206ANN-MM
절삭 속도: 200m/min
절삭 이송: 0.2mm/tooth
절삭 깊이: 2mm
(2) 내마모성 평가 : 인써트 여유면 및 경사면 마모
피삭재: SCM440
샘플형번: SNMX1206ANN-MM
절삭 속도: 250m/min
절삭 이송: 0.2mm/tooth
절삭 깊이: 2mm
(3) 내치핑성 평가 : 인써트 절삭날의 노즈 R부 및 경계부 치핑
피삭재: STS316L
샘플형번: APMT1604PDSR-MM
절삭 속도: 150m/min
절삭 이송: 0.2mm/tooth
절삭 깊이: 10mm
이상과 같은 조건으로 평가한 결과를 아래 표 2에 나타내었다.
번호 내박리성 내마모성 내치핑성 비고
번호 가공길이
(mm)		 마모유형 가공길이
(mm)		 마모유형 가공길이
(mm)		 마모유형 비고
1-1 1300 박막뜯김,
과대마모		 2200 과대마모,
파손		 300 R부치핑 비교예
1-2 1000 박막뜯김,
과대마모		 2200 과대마모,
치핑		 300 R부치핑 비교예
1-3 1100 박막뜯김,
과대마모		 2200 과대마모,
치핑		 350 경계치핑 비교예
1-4 1050 박막뜯김,
치핑		 1800 과대마모,
파손		 250 R부치핑 비교예
1-5 1200 박막뜯김,
과대마모		 1800 과대마모,
파손		 250 R부치핑 비교예
2-1 1500 박막뜯김,
과대마모		 1000 과대마모,
파손		 200 경계치핑 비교예
2-2 1500 박막뜯김,
과대마모		 1200 과대마모,
치핑		 200 경계치핑 비교예
2-3 1450 박막뜯김,
과대마모		 1200 과대마모,
치핑		 200 경계치핑 비교예
2-4 1600 박막뜯김,
과대마모		 1000 과대마모,
파손		 250 R부치핑 비교예
2-5 1300 박막뜯김,
치핑		 1050 과대마모,
파손		 200 경계치핑 비교예
3-1 800 박막뜯김 2900 과대마모 400 R부치핑 비교예
3-2 850 박막뜯김 2900 과대마모 400 R부치핑 비교예
3-3 650 박막뜯김 2950 과대마모 350 R부치핑 비교예
3-4 700 박막뜯김 2400 치핑 350 R부치핑 비교예
3-5 800 박막뜯김 2250 치핑 400 R부치핑 비교예
4-1 1100 박막뜯김 1500 과대마모 350 경계치핑 비교예
4-2 1000 박막뜯김 1500 과대마모 350 경계치핑 비교예
4-3 1100 박막뜯김 1500 과대마모 350 경계치핑 비교예
4-4 900 박막뜯김 1450 치핑 400 R부치핑 비교예
4-5 950 박막뜯김 1450 치핑 350 R부치핑 비교예
5-1 2400 정상마모 4800 정상마모 900 경계치핑 실시예
5-2 2550 정상마모 4600 정상마모 800 경계치핑 실시예
5-3 2400 정상마모 4800 정상마모 900 경계치핑 실시예
5-4 2100 정상마모 4850 정상마모 900 경계치핑 실시예
5-5 2400 정상마모 4500 정상마모 950 경계치핑 실시예
6-1 2900 정상마모 5200 정상마모 1200 정상마모 실시예
6-2 2850 정상마모 5100 정상마모 1100 정상마모 실시예
6-3 3000 정상마모 5300 정상마모 1100 정상마모 실시예
6-4 2900 치핑 5000 정상마모 1300 정상마모 실시예
6-5 2950 정상마모 5000 정상마모 1200 정상마모 실시예
7-1 2000 정상마모 3400 과대마모 750 경계치핑 실시예
7-2 2100 정상마모 3450 과대마모 750 경계치핑 실시예
7-3 2050 정상마모 3700 정상마모 750 경계치핑 실시예
7-4 1700 정상마모 3300 과대마모 850 경계치핑 실시예
7-5 1950 정상마모 3550 정상마모 850 경계치핑 실시예
8-1 2800 정상마모 3900 정상마모 1000 정상마모 실시예
8-2 2600 정상마모 3900 정상마모 1100 정상마모 실시예
8-3 2550 정상마모 3550 과대마모 1050 정상마모 실시예
8-4 2400 정상마모 3800 정상마모 900 경계치핑 실시예
8-5 2600 정상마모 3900 정상마모 1000 정상마모 실시예
상기 표 2에서 확인되는 바와 같이, 실시예에 해당하는 샘플 No.5 ~ 8은 비교예에 비해 내박리성, 내마모성, 내치핑성이 우수하다.
특히, 비교예 샘플 No.3, 4는 실시예 샘플 No.6, 8과 동일한 적층 구조임에도 불구하고, 브릿지 구조가 적용되지 않았다는 점만으로 내박리성, 내마모성, 내치핑성에 있어서 현저한 차이를 보이고 있어, 본 발명에 따른 브릿지 구조가 질화막과 산화막 간의 결합력 향상, 경도 및 인성의 향상 효과를 가지게 함을 알 수 있다.
실시예 중에서 반복 적층 횟수가 4회인 샘플 No. 6, 8이 반복 적층 횟수가 2회인 샘플 No.5, 7에 비해 내박리성, 내마모성, 내치핑성이 전반적으로 약간 더 우수하며, 이는 교대 반복 적층에 따른 경도 향상 및 균열 전파 억제 효과인 것으로 유추된다.
한편, 동일한 박막 구조에서 금속(Me) 원소의 종류 및 함량에 따른 가공길이의 차이는 크지 않으며, 마모유형 면에서 일부 다른 경향을 보임을 알 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 조성, 경도 및 적층 구조를 갖는 경질피막이, 종래의 질화막과 산화막을 복합화한 경질피막에 비해 향상된 내박리성, 내마모성 및 내치핑성을 구현할 수 있다.

Claims (8)

  1. 경질 기체의 표면에 PVD법으로 형성되는 경질피막으로,
    상기 경질피막은 A층과 B층이 1회 이상 교대하여 반복적으로 적층되는 교대반복층을 포함하고,
    상기 B층의 내부에, 상기 A층의 물질로 이루어지는 다수의 입자가 분산되어 있으며,
    상기 다수의 입자 중에서 적어도 일부는 상기 B층의 하부에 형성된 A층과 일체로 연결됨과 동시에, 상기 B층의 상부에 A층이 형성된 경우 상부에 A층과도 일체로 연결된 브릿지 구조를 형성한, 절삭공구용 경질피막.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 A층은 입방정의 AlaTi1-a-bMebN(0.3≤a≤0.7, 0≤b≤0.1, Me는 V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Y 중에서 선택된 1종 이상의 원소) 또는 AlxCr1-x-yMeyN(0.3≤x≤0.7, 0≤y≤0.1, Me는 V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Y 중에서 선택된 1종 이상의 원소)로 이루어지고,
    상기 B층은 입방정의 γ-Al2O3를 포함하는, 절삭공구용 경질피막.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 입자 중에서 적어도 일부는 상기 B층의 하부에 형성된 A층과 일체로 연결되어 있는, 절삭공구용 경질피막.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 경질 기체는, 탄화텅스텐을 포함하는 초경합금, 탄질화티타늄을 포함하는 서멧, 세라믹, 질화붕소 또는 다이아몬드로 이루어진, 절삭공구용 경질피막.
  6. 경질 기체의 표면 또는 인접한 부분에 PVD법으로, A층과 B층이 1회 이상 교대하여 반복적으로 적층하여 경질피막을 형성하는 방법으로,
    (a) 표면에 다수의 드랍렛이 형성되도록 A층을 성막하는 단계;
    (b) 상기 A층 상에 B층을 성막하는 단계;
    (c) 상기 B층을 식각하여, 상기 다수의 드랍렛 중의 적어도 일부가 노출되도록 하는 단계;
    (d) 상기 식각된 B층 상에 표면에 다수의 드랍렛이 형성되도록 A층을 성막하는 단계; 및
    상기 (a) ~ (d) 단계를 1회 이상 교대 반복하는 단계;를 포함하는, 경질피막의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 A층은 입방정의 AlaTi1-a-bMebN(0.3≤a≤0.7, 0≤b≤0.1, Me는 V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Y 중에서 선택된 1종 이상의 원소) 또는 AlxCr1-x-yMeyN(0.3≤x≤0.7, 0≤y≤0.1, Me는 V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Y 중에서 선택된 1종 이상의 원소)로 이루어지고,
    상기 B층은 입방정의 γ-Al2O3를 포함하는, 경질피막의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 (b) 단계에 있어서, 상기 B층의 성막은 하층에 형성된 A층의 드랍렛의 최고 높이보다 얇은 두께로 수행하는, 절삭공구용 경질피막의 제조방법.
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