KR102175284B1 - 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 표면에 PVD법으로 형성되는 경질피막으로, 상기 경질피막은 A층과 B층이 1 이상 교대하여 반복적으로 적층되는 교대반복층을 포함하고, 상기 A층은 Ti1-x-ySixMe1yN (0.01≤x≤0.8, 0≤y≤0.5, Me1는 V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Y 중에서 선택된 1종 이상의 원소)으로 이루어지고, 상기 B층은 Me2(CxNy)(x+y=1, 0≤x≤1, 0.01≤y≤1, Me2는 Ti, V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Y, Si 중에서 선택된 1종 이상의 원소)으로 이루어지고, 상기 B층의 내부에는 상기 A층의 물질로 이루어진 다수의 입자가 분산되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 경질피막은, 경질 기체의 표면에 PVD법으로 형성되는 경질피막으로, 상기 경질피막은 A층과 B층이 1 이상 교대하여 반복적으로 적층되는 교대반복층을 포함하고, 상기 A층은 Ti1-x-ySixMe1yN (0.01≤x≤0.8, 0≤y≤0.5, Me1는 V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Y 중에서 선택된 1종 이상의 원소)으로 이루어지고, 상기 B층은 Me2(CxNy)(x+y=1, 0≤x≤1, 0.01≤y≤1, Me2는 Ti, V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Y, Si 중에서 선택된 1종 이상의 원소)으로 이루어지고, 상기 B층의 내부에는 상기 A층의 물질로 이루어진 다수의 입자가 분산되어 있는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 절삭공구에 사용되는 초경합금이나 서멧(cermet)과 같은 경질 기체 상에 형성되는 경질피막과 이의 제조방법에 관한 것이다.
절삭성능 향상 및 수명개선을 위해 초경합금, 서멧, 엔드밀, 드릴류 등의 경질기체 위에 TiN, TiAlN, AlTiN, Al2O3와 같은 경질피막을 증착하는 방식이 사용되고 있다.
구체적으로, 1980년대까지는 절삭공구에 단일 TiN을 코팅하여 절삭성능 및 수명을 향상시키고자 하였으나, 일반적인 절삭가공시 약 600 ~ 700℃ 정도 열이 발생하게 되므로, 1980년대 후반에는 기존의 TiN 보다 경도와 내산화성이 높은 TiAlN으로 코팅기술이 변천되었고, 내마모성 및 내산화성을 더욱 향상시키기 위해 Al을 더 첨가시킨 AlTiN 박막이 개발되었다. AlTiN 박막은 Al2O3 산화층을 형성함으로써, 고온 내산화성을 향상시키는 효과를 얻었으나, AlTiN 박막의 경우에도 Al 함량을 70%이상 첨가하게 되면 h-AlN 상이 형성되어 경도가 감소하는 한계가 있었다.
최근 들어, 피삭재는 점차 고경도화되고 있으며, 열전도도가 낮고 공구와 용착이 심한 난삭재에 대한 절삭가공이 많아지고 있다. 이러한 고경도 피삭재에 대한 고속 절삭가공 및 난삭재에 대한 고속 절삭 가공 시 우수한 절삭성능 및 수명을 얻기 위해서는 기존 단일 박막구조로 대응하기 어려워, 다양한 성질을 갖는 박막을 복합적으로 증착하여 다층 구조를 형성함으로써, 요구되는 물성을 구현하고 있다.
PVD법으로 형성되는 Ti와 Si의 복합질화물로 이루어지는 Ti1-aSiaN(a:0.01∼0.45) 피막은 Ti 성분에 의한 고온 강도와, Si 성분에 의한 고온 경도 및 내열성을 확보할 수 있어, 각종의 강이나 주철 등의 연속 절삭이나 단속 절삭 가공에 이용되고 있다. 그런데, Ti와 Si를 포함하는 복합질화물은 내마모성은 우수하나, PVD 증착시 발생하는 높은 응력 때문에, 절삭가공 시 요구되는 박막간 결합력을 확보하는데 한계가 있다.
이와 관련하여, 하기 특허문헌에는 Ti1-(x＋z)SixBzN(x:0.50~0.70, z:0.01~0.10) 조성으로 이루어지고, 막 두께 방향을 따라서 Si 최고함유점과 Si 최저함유점이 소정간격을 두고 교대로 반복하여 존재하고, 동시에 Si 최고 함유점으로부터 Si 최저함유점, 상기 Si 최저함유점으로부터 Si 최고 함유점으로의 Ti 및 Si의 함유비율이 각각 연속적으로 변화하는 성분 농도 분포 구조를 가지도록 하는 다층 박막 구조가 개시되어 있다. 그러나 이 방법을 통해서도 여전히 박막간의 결합력을 높이는데 한계가 있다.
본 발명의 과제는, 다층 구조를 갖는 경질피막으로, 미세조직의 제어를 통해 박막 간의 결합력을 증가시키고, 다층을 구성하는 박막 물질이 갖는 본연의 성능(내마모성, 내열성, 내산화성)을 유지함과 동시에 내마모성과 내치핑성의 향상을 기대할 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 A층은 Ti1-x-ySixMe1yN (0.01≤x≤0.8, 0≤y≤0.5, Me1는 V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Y 중에서 선택된 1종 이상의 원소)으로 이루어지고, 상기 B층은 Me2(CxNy)(x+y=1, 0≤x≤1, 0.01≤y≤1, Me2는 Ti, V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Y, Si 중에서 선택된 1종 이상의 원소)으로 이루어지고, 상기 B층의 내부에는 상기 A층의 물질로 이루어진 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 드랍렛(droplet)이 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 포함하고, 상기 A층은 Ti1-x-ySixMe1yN (0.01≤x≤0.8, 0≤y≤0.5, Me1는 V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Y 중에서 선택된 1종 이상의 원소)으로 이루어지고, 상기 B층은 Me2(CxNy)(x+y=1, 0≤x≤1, 0.01≤y≤1, Me2는 Ti, V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Y, Si 중에서 선택된 1종 이상의 원소)으로 이루어지는, 절삭공구용 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, 압축응력을 억제하면서 분산강화를 통해 박막의 물성이 향상되도록 하는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 절삭공구용 경질피막의 제조방법에 의하면, A-B 교대 반복 적층 구조에 있어서, B층의 내부에 A층의 물질로 이루어지며 A층과 일체화되고 분산된 다수의 브릿지 구조를 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 경질피막의 구조를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 경질피막의 제조공정을 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 절삭공구용 경질피막은, 경질 기체의 표면에 PVD법으로 형성되고, 상기 경질피막은 A층과 B층이 1회 이상 교대하여 반복적으로 적층되는 교대반복층을 포함하고, 상기 A층은 Ti1-x-ySixMe1yN (0.01≤x≤0.8, 0≤y≤0.5, Me1는 V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Y 중에서 선택된 1종 이상의 원소)으로 이루어지고, 상기 B층은 Me2(CxNy)(x+y=1, 0≤x≤1, 0.01≤y≤1, Me2는 Ti, V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Y, Si 중에서 선택된 1종 이상의 원소)으로 이루어지고, 상기 B층의 내부에는 상기 A층의 물질로 이루어진 다수의 입자가 분산되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 다수의 입자 중에서 적어도 일부는 상기 B층의 하부에 형성된 A층과 일체로 형성되어 있을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 다수의 입자 중에서 적어도 일부는 상기 B층의 하부에 형성된 A층과 일체로 형성됨과 동시에, 상기 B층의 상부에 A층이 형성된 경우 상부에 A층과도 일체로 연결된 브릿지(bridge) 구조를 형성할 수 있다.
또한, 상기 다수의 입자는 상부로 향할수록 크기가 줄어드는 쐐기 형상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 경질 기체는, 탄화텅스텐을 포함하는 초경합금, 탄질화티타늄을 포함하는 서멧, 세라믹, 입방정 질화붕소 또는 다이아몬드일 수 있다.
또한, 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 증착 주기가 짧아 적정 높이의 드랍렛이 생성되기 어렵고, 4㎛ 초과일 경우 다층박막 구성을 통해 얻고자 하는 응력제어 및 인선강화 등의 효과를 기대하기 어려움에 따라 5nm ~ 4㎛ 범위가 바람직하다.
또한, 상기 교대 반복층을 구성하는 B층의 단위 두께는 5nm 미만일 경우 증착 주기가 짧아 두께 제어가 어렵고, 1.5㎛ 초과일 경우 A층의 드랍렛 높이를 초과하여 브릿지 구조를 형성하기 어렵기 때문에, 5nm ~ 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, 상기 A층은 Ti1-x-ySixMe1yN (0.01≤x≤0.8, 0≤y≤0.5, Me1는 V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Y 중에서 선택된 1종 이상의 원소)으로 이루어지는 것이 드랍렛을 형성하는 측면에서 바람직하다.
또한, 상기 B층은 Me2(CxNy)(x+y=1, 0≤x≤1, 0.01≤y≤1, Me2는 Ti, V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Y, Si 중에서 선택된 1종 이상의 원소)으로 이루어지는 것이 박막의 물성을 층가시키는 측면에서 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 경질피막의 제조방법은, 경질 기체의 표면 또는 인접한 부분에 PVD법으로, A층과 B층이 1회 이상 교대하여 반복적으로 적층하여 경질피막을 형성하는 방법으로, (a) 표면에 다수의 드랍렛(droplet)이 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 포함하고, 상기 A층은 Ti1-x-ySixMe1yN (0.01≤x≤0.8, 0≤y≤0.5, Me1는 V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Y 중에서 선택된 1종 이상의 원소)으로 이루어지고, 상기 B층은 Me2(CxNy)(x+y=1, 0≤x≤1, 0.01≤y≤1, Me2는 Ti, V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Y, Si 중에서 선택된 1종 이상의 원소)으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 A층의 성막 과정에 형성되는 박막 표면으로부터 도출된 드랍렛의 최대 높이(H)는 0.02㎛ 미만일 경우 B층의 제어가 어렵고, 1.5㎛ 초과일 경우 전체 박막 두께에 영향을 주므로, 0.02 ~ 1.5㎛ 인 것이 바람직하다.
또한, 상기 드랍렛의 밀도는 단위 면적당 1.0×104 ea/㎟ 미만일 경우 드랍렛의 밀도가 낮아 충분한 브릿지 형성이 어렵고, 5.0×107 ea/㎟ 초과일 경우 표면조도에 영향을 끼치므로, 1.0×104 ea/㎟ ~ 5.0×107 ea/㎟ 인 것이 바람직하다.
또한, 상기 드랍렛의 높이(T)에 대한 B층의 두께(T)의 비(T/H)는 0.1 ~ 0.9 인 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 실시예에 따른 경질 기체는, Co 5~10중량%, WC를 제외한 탄화물 4~15중량%를 포함하고, 나머지 WC와 불가피한 불순물을 포함하는 초경합금 소결체로 이루어진다. 상기 Co는 경질상인 WC를 잡아주는 바인더 역할을 하는 것으로, Co 함량이 증가함에 따라 인성이 증가하고 그 함량이 감소함에 따라 인성이 감소하는 경향을 보인다. Co함량이 5중량% 미만일 경우 인성이 충분하지 못해 단속 가공 시에 파손 빈도가 높아지기 때문에 바람직하지 않고, 10중량%를 초과할 경우 고이송 가공 시에 소성변형을 유발할 수 있어 바람직하지 않다. 상기 불가피한 불순물은 초경합금을 제조하는 원료 또는 제조 공정 중에 불가피하게 혼입되는 불순물로, 1중량% 이하로 유지되어야 하고, 0.1중량% 이하가 바람직하고, 0.01중량% 이하가 보다 바람직하다.
본 발명의 실시예에 있어서, 경질 피막은 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition; PVD)으로 TiSiN계 박막을 형성하고, 이어 MeN계 박막을 형성하는 방법으로 형성하였다.
구체적으로, 코팅에 사용한 타겟으로는 TiSiN계와 MeN계의 아크 타겟을 사용하였으며, 초기 진공압력은 8.5×10-5 Torr 이하로 감압하였고 반응가스로 N2를 주입하였다. 또한, 코팅을 위한 가스압력은 60mTorr 이하, 바람직하게는 40mTorr 이하로 유지하였으며, 코팅 온도는 400 ~ 600℃로 하였고, 코팅시 기판 바이어스 전압은 질화막 코팅시 -20V ~ -100V 인가하였다. 여기서 TiSiN계 박막이 갖는 높은 응력을 해소하기 위해 MeN계층을 드랍렛보다 작은 두께로 증착하여 TiSiN계 드랍렛이 MeN 박막내에 분산된 조직을 구성하였다.
또한, TiSiN계 박막 위에 증착된 MeN층에 메탈 플라즈마에칭 또는 챔버에칭(챔버 내 비활성 Gas에칭)을 실시하여 TiSiN계 드랍렛을 MeN 박막 표면으로 노출시켰다. 이어서 노출된 드랍렛과 같은 조성의 TiSiN계 박막을 반복 증착하여 드랍렛 브릿지 구조를 구성함으로써 도 1과 같은 형상의 다층 피막을 형성하였다. 이때 전체적으로 형성되는 반복다층의 개수는 3 ~ 9개이고, 최종 막 두께가 5㎛ 이하인 것이 바람직하다.
상기와 같은 조건으로 제조한 경질 피막의 박막 구조를 아래 표 1에 나타내었다.
| 구분 | 1층 | 2층 | 2층박막 표면에칭 적용 |
반복 적층 횟수 |
적층구조 | ||
| 조성 | 두께 (㎛) |
조성 | 두께 (㎛) |
||||
| 비교예1 | TiSiN (Ti:Si=90:10) |
2.8 | - | - | - | - | 단일층 |
| 비교예2 | TiSiN (Ti:Si=80:20) |
3.3 | - | - | - | - | 단일층 |
| 비교예3 | TiSiN(Ti:Si=65:25) | 3.1 | - | - | - | - | 단일층 |
| 비교예4 | TiSiN(Ti:Si=50:50) | 3.0 | - | - | - | - | 단일층 |
| 실시예1 | TiSiN (Ti:Si=90:10) |
1.2 | TiN | 0.8 | 적용 | 3회 | 브릿지 다층 |
| 실시예2 | TiSiN (Ti:Si=80:20) |
1.5 | MoN | 0.7 | 적용 | 3회 | 브릿지 다층 |
| 실시예3 | TiSiN (Ti:Si=80:20) |
1.3 | CrN | 0.02 | 적용 | 3회 | 브릿지 다층 |
| 실시예4 | TiSiN(Ti:Si=80:20) | 1.1 | VN | 0.03 | 적용 | 3회 | 브릿지 다층 |
| 비교예5 | TiSiN(Ti:Si=80:20) | 0.97 | TiSiN (Ti:Si=50:50) |
0.11 | - | 3회 | 다층 |
| 비교예6 | TiSiN(Ti:Si=80:20) | 1.3 | TiSiN (Ti:Si=20:80) |
0.06 | - | 3회 | 다층 |
| 실시예5 | TiSiN(Ti:Si=80:20) | 1.4 | TiSiN (Ti:Si=50:50) |
0.11 | 적용 | 3회 | 브릿지 다층 |
| 실시예6 | TiSiN(Ti:Si=80:20) | 1.2 | TiSiN (Ti:Si=20:80) |
0.08 | 적용 | 3회 | 브릿지 다층 |
| 비교예7 | TiSiN(Ti:Si=80:20) | 1.4 | TiSiCrN (Ti:Si:Cr =70:20:10) |
0.11 | - | 3회 | 다층 |
| 비교예8 | TiSiN(Ti:Si=80:20) | 1.1 | TiSiVN (Ti:Si:V =70:20:10) |
0.13 | - | 3회 | 다층 |
| 비교예9 | TiSiN(Ti:Si=80:20) | 0.95 | TiSiMoN (Ti:Si:Mo =70:20:10) |
0.9 | - | 3회 | 다층 |
| 비교예10 | TiSiN(Ti:Si=80:20) | 1.3 | TiSiHfN (Ti:Si:Hf =70:20:10) |
0.85 | - | 3회 | 다층 |
| 비교예11 | TiSiN(Ti:Si=80:20) | 1.2 | TiSiHfN (Ti:Si:Zr =70:20:10) |
0.9 | - | 3회 | 다층 |
| 비교예12 | TiSiVN(Ti:Si:V =70:20:10) |
0.7 | TiSiCrN (Ti:Si:Cr =70:20:10) |
0.4 | 3회 | 다층 | |
| 실시예7 | TiSiN(Ti:Si=80:20) | 1.3 | TiVN (Ti:V=80:20) |
0.12 | 적용 | 3회 | 브릿지 다층 |
| 실시예8 | TiSiCrN(Ti:Si:Cr =70:20:10) |
1.4 | VN | 0.98 | 적용 | 3회 | 브릿지 다층 |
| 실시예9 | TiSiVN(Ti:Si:V =70:20:10) |
1.1 | CrN | 0.11 | 적용 | 3회 | 브릿지 다층 |
| 실시예10 | TiSiZrN(Ti:Si:Zr =70:20:10) |
1.1 | TaN | 0.15 | 적용 | 3회 | 브릿지 다층 |
비교예 1 ~ 12는 TiSiN계 또는 TiSiMeN계 박막으로 본 발명의 실시예 1 ~ 10와 조성이 유사하나, 제2층 박막 증착 후 에칭을 사용하지 않았다. 즉, 적층구조의 측면에서 비교예 1 ~ 12는 본 발명의 실시예 1 ~ 10와 달리 드랍렛을 브릿지 구조를 형성하지 않은 것이다.
경질피막 물성 평가
상기 표 1의 구조로 구성한 복합 다층 피막의 내박리성, 내마모성 및 내치핑성을 다음과 같은 평가조건으로 평가하였다.
(1-1) 내박리성 평가 1 : 인써트 박막 뜯김에 의한 비정상 마모 유무
피삭재: STD11
샘플형번: LPEW040210R
절삭 속도: 75m/min
절삭 이송: 0.4mm/tooth
절삭 깊이: 0.15mm
(1-2) 내박리성 평가 2 : 엔드밀 박막 뜯김에 의한 비정상 마모 유무
피삭재: STAVAX
샘플형번: PRE4080-100-R05
절삭 속도: 200m/min
절삭 이송: 0.05mm/tooth
절삭 깊이: 8mm
이상과 같은 조건으로 내박리성을 평가한 샘플과 그 결과를 아래 표 2에 나타내었다.
| 번호 | 내박리성-1 | 내박리성-2 | ||||
| 피삭재 | 가공길이 (m) |
마모유형 | 피삭재 | 가공길이 (m) |
마모유형 | |
| 비교예1 | STD11 | 125 | 박리,치핑 | STAVAX | 101 | 박리,치핑 |
| 비교예2 | STD11 | 132 | 박리,치핑 | STAVAX | 111 | 박리,치핑 |
| 비교예3 | STD11 | 128 | 박리,치핑 | STAVAX | 95 | 박리,치핑 |
| 비교예4 | STD11 | 95 | 박리,치핑 | STAVAX | 73 | 박리,치핑 |
| 실시예1 | STD11 | 180 | 박리,치핑 | STAVAX | 125 | 박리,치핑 |
| 실시예2 | STD11 | 150 | 박리,치핑 | STAVAX | 129 | 마모,치핑 |
| 실시예3 | STD11 | 165 | 박리,치핑 | STAVAX | 137 | 마모,치핑 |
| 실시예4 | STD11 | 190 | 박리,치핑 | STAVAX | 140 | 박리,치핑 |
| 비교예5 | STD11 | 145 | 박리,치핑 | STAVAX | 123 | 박리,치핑 |
| 비교예6 | STD11 | 122 | 박리,치핑 | STAVAX | 119 | 박리,치핑 |
| 실시예5 | STD11 | 178 | 박리,치핑 | STAVAX | 151 | 박리,치핑 |
| 실시예6 | STD11 | 169 | 박리,치핑 | STAVAX | 138 | 박리,치핑 |
위 표 2에 있어서 TiSiN 박막을 단일층으로 형성한 비교예 1 ~ 4의 경우, 초기 치핑 발생으로 내박리성이 현저하게 떨어지는 것으로 나타났으며, 비교예 5 ~ 6은 TiSiN 박막을 식각 공정 없이 교대반복 적층을 수행한 것으로 비교예 1 ~ 4에 비해 다소 증가한 내박리성을 보이였으나, 브릿지 다층 구조로 이루어진 실시예 1 ~ 6에 비해 내박리성이 낮은 것으로 나타났다. 즉, 본 발명의 실시예들은 상용화된 경질피막에 비해 내박리성이 향상된 것으로 나타났다.
본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 샘플에 대하여 내마모성 평가 조건은 다음과 같다.
(2-1) 내마모성 평가 1 : 엔드밀 여유면 및 경사면 마모
피삭재: STD11
샘플형번: PBE2080-100
절삭 속도: 200m/min
절삭 이송: 0.1mm/tooth
절삭 깊이: 0.2mm
(2-2) 내마모성 평가 2 :인써트 여유면 및 경사면 마모
피삭재: STAVAX
샘플형번: LPMT040210R-MF
절삭 속도: 200m/min
절삭 이송: 0.6mm/tooth
절삭 깊이: 0.3mm
이상과 같은 조건으로 내마모성을 평가한 샘플과 그 결과를 아래 표 3에 나타내었다.
| 번호 | 내마모성-1 | 내마모성-2 | ||||
| 피삭재 | 가공길이 (m) |
마모유형 | 피삭재 | 가공길이 (km) |
마모유형 | |
| 실시예3 | STD11 | 182 | 여유면 마모 | STAVAX | 1.9 | 여유면 마모 |
| 실시예4 | STD11 | 177 | 여유면 마모 | STAVAX | 2.1 | 여유면 마모 |
| 비교예3 | STD11 | 152 | 여유면 마모 | STAVAX | 1.4 | 마모,치핑 |
| 비교예4 | STD11 | 148 | 여유면 마모 | STAVAX | 1.2 | 마모,치핑 |
| 비교예5 | STD11 | 132 | 여유면 마모 | STAVAX | 1.7 | 여유면 마모 |
| 비교예6 | STD11 | 140 | 여유면 마모 | STAVAX | 1.9 | 여유면 마모 |
| 실시예5 | STD11 | 158 | 여유면 마모 | STAVAX | 2.2 | 여유면 마모 |
| 실시예6 | STD11 | 160 | 여유면 마모 |
STAVAX | 2 | 여유면 마모 |
| 비교예11 | STD11 | 130 | 여유면 마모 |
STAVAX | 1.5 | 여유면 마모 |
| 비교예12 | STD11 | 120 | 여유면 마모 |
STAVAX | 1.6 | 여유면 마모 |
| 실시예8 | STD11 | 152 | 여유면 마모 |
STAVAX | 1.7 | 여유면 마모 |
| 실시예9 | STD11 | 149 | 여유면 마모 |
STAVAX | 1.9 | 여유면 마모 |
| 실시예10 | STD11 | 135 | 여유면 마모 |
STAVAX | 1.5 | 여유면 마모 |
상기 표 3에 있어서 비교예 3 ~ 4는 TiSiN 박막을 단일층으로 형성한 것이고, 비교예 5, 6, 11, 12는 TiSiN을 포함하는 다층 피막의 구조이다. 실시예 3 ~ 10은 TiSiN을 포함하는 브릿지 구조의 다층 피막으로, 비교예들에 비해 내마모성이 향상된 것으로 나타났다.
본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 샘플에 대하여 내치핑성 평가 조건은 다음과 같다.
(3-1) 내치핑성평가 :엔드밀절삭날의 R부 및 경계부치핑
피삭재: STD11
샘플형번: PRE4080-100-R05
절삭 속도: 100m/min
절삭 이송: 0.03mm/tooth
절삭 깊이: 8mm
(3-2) 내치핑성평가 :인써트 절삭날의 인선부 경계부치핑
피삭재: KP4M
샘플형번: APMT1604PDSR-MM
절삭 속도: 200m/min
절삭 이송: 0.1mm/tooth
절삭 깊이: 2mm
이상과 같은 조건으로 내치핑성을 평가한 샘플과 그 결과를 아래 표 4에 나타내었다.
| 번호 | 내치핑성-1 | 내치핑성-2 | ||||
| 피삭재 | 가공길이 (m) |
마모유형 | 피삭재 | 가공길이 (km) |
마모유형 | |
| 실시예3 | STD11 | 39 | 치핑 | KP4M | 72 | 용착 마모 |
| 실시예4 | STD11 | 34 | 치핑 | KP4M | 66 | 용착 마모 |
| 비교예3 | STD11 | 30 | 치핑 | KP4M | 50 | 치핑 |
| 비교예4 | STD11 | 28 | 치핑 | KP4M | 38 | 치핑,파손 |
| 비교예5 | STD11 | 20 | 치핑 | KP4M | 25 | 치핑,파손 |
| 비교예6 | STD11 | 18 | 치핑,파손 | KP4M | 32 | 치핑,파손 |
| 실시예5 | STD11 | 32 | 치핑 | KP4M | 62 | 마모,치핑 |
| 실시예6 | STD11 | 34 | 치핑 | KP4M | 58 | 마모,치핑 |
| 비교예7 | STD11 | 29 | 치핑 | KP4M | 49 | 치핑 |
| 비교예8 | STD11 | 23 | 치핑 | KP4M | 55 | 치핑,파손 |
| 비교예9 | STD11 | 22 | 치핑 | KP4M | 38 | 치핑,파손 |
| 비교예10 | STD11 | 26 | 치핑 | KP4M | 39 | 치핑 |
| 비교예11 | STD11 | 21 | 치핑,파손 | KP4M | 52 | 치핑,파손 |
| 비교예12 | STD11 | 28 | 치핑 | KP4M | 60 | 치핑 |
| 실시예7 | STD11 | 37 | 치핑 | KP4M | 72 | 마모,치핑 |
| 실시예8 | STD11 | 33 | 치핑 | KP4M | 79 | 마모,치핑 |
| 실시예9 | STD11 | 40 | 치핑 | KP4M | 69 | 마모,치핑 |
| 실시예10 | STD11 | 36 | 치핑 | KP4M | 53 | 치핑 |
위 표 4에 있어서, 비교예 3 ~ 4는 TiSiN 박막을 단일층으로 형성한 것이고, 비교예 5 ~ 12는 TiSiN을 포함하는 다층 피막 구조를 갖도록 한 것이다. 실시예 3 ~ 10은 TiSiN을 포함하는 브릿지 구조의 다층 피막으로, 비교예 3 ~ 12에 비해 우수한 내치핑성을 보인다.
이상과 같은 결과를 통해, 본 발명의 실시예에 따른 브릿지 구조를 갖는 다층 피막은, 종래의 TiSiN을 포함하는 경질피막의 구조에 비해 향상된 내박리성, 내마모성 및 내치핑성을 구현할 수 있음을 알 수 있다.
Claims (6)
- 경질 기체의 표면에 PVD법으로 형성되는 경질피막으로,
상기 경질피막은 A층과 B층이 1회 이상 교대하여 반복적으로 적층되는 교대반복층을 포함하고,
상기 A층은 Ti1-x-ySixMe1yN (0.01≤x≤0.8, 0≤y≤0.5, Me1는 V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Y 중에서 선택된 1종 이상의 원소)으로 이루어지고,
상기 B층은 Me2(CxNy)(x+y=1, 0≤x≤1, 0.01≤y≤1, Me2는 Ti, V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Y, Si 중에서 선택된 1종 이상의 원소)으로 이루어지고,
상기 B층의 내부에는 상기 A층의 물질로 이루어진 다수의 입자가 분산되어 있으며,
상기 다수의 입자는 상기 A층을 형성하는 과정에 생성된 드랍렛으로 상기 A층의 상면으로부터 B층의 내부로 돌출된 구조를 이루고,
상기 다수의 입자 중에서 적어도 일부는 상기 B층의 하부에 형성된 A층과 일체로 연결되어 있으며,
상기 다수의 입자의 상기 A층의 상면으로부터 B층의 내부로 돌출되는 높이는 0.02 ~ 1.5㎛ 인, 절삭공구용 경질피막. - 삭제
- 제1항에 있어서,
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. - 제1항에 있어서,
상기 경질 기체는, 탄화텅스텐을 포함하는 초경합금, 탄질화티타늄을 포함하는 서멧, 세라믹, 입방정 질화붕소 또는 다이아몬드인, 절삭공구용 경질피막. - 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 포함하고,
상기 A층은 Ti1-x-ySixMe1yN (0.01≤x≤0.8, 0≤y≤0.5, Me1는 V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Y 중에서 선택된 1종 이상의 원소)으로 이루어지고,
상기 B층은 Me2(CxNy)(x+y=1, 0≤x≤1, 0.01≤y≤1, Me2는 Ti, V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Y, Si 중에서 선택된 1종 이상의 원소)으로 이루어지는, 절삭공구용 경질피막의 제조방법. - 제5항에 있어서,
상기 (b) 단계에 있어서, 상기 B층의 성막은 하층에 형성된 A층의 드랍렛의 최고 높이보다 얇은 두께로 수행하는, 절삭공구용 경질피막의 제조방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020180166919A KR102175284B1 (ko) | 2018-12-21 | 2018-12-21 | 절삭공구용 경질피막 및 이의 제조방법 |
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|---|---|---|---|
| KR1020180166919A KR102175284B1 (ko) | 2018-12-21 | 2018-12-21 | 절삭공구용 경질피막 및 이의 제조방법 |
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|---|---|---|---|
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| WO2011152122A1 (ja) * | 2010-05-31 | 2011-12-08 | 株式会社ジェイテクト | 被覆部材およびその製造方法 |
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| JP4367032B2 (ja) | 2003-07-09 | 2009-11-18 | 三菱マテリアル株式会社 | 高速切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆超硬合金製切削工具 |
| KR100818165B1 (ko) * | 2006-02-09 | 2008-04-02 | (주)이온본드 엘트론 | 윤활성과 내마모성이 우수한 다층복합피막의 제조방법 |
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2018
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| WO2011152122A1 (ja) * | 2010-05-31 | 2011-12-08 | 株式会社ジェイテクト | 被覆部材およびその製造方法 |
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