KR102208344B1 - 선택된 열전도율을 갖는 경질 재료 층 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기판 표면 상에 침착되고 교번하는 층들 A 및 B를 포함하는 다층화된 층 구조를 갖는 경질 재료 층 시스템과 관련되며, 이때 A 층들이 원자 백분율로 MeApAOnANmA의 조성을 가지고 B 층들이 원자 백분율로 MeBpBOnBNmB의 조성을 가지며, A 층들의 열전도율이 B 층들의 열전도율보다 더 크고, MeA 및 MeB이 각각 그룹 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W 및 Al로부터의 적어도 하나의 금속을 포함하고, pA는 MeA의 원자 백분율을 나타내고 pB는 MeB의 원자 백분율을 나타내며 pA=pB가 참이고, nA는 A 층들 내의 산소 농도를 원자 백분율로 나타내고 nB는 B 층들 내의 산소 농도를 원자 백분율로 나타내며 nA＜nB이 참이며, mA는 A 층들 내의 질소 농도를 원자 백분율로 나타내고 mB는 B 층들 내의 질소 농도를 원자 백분율로 나타내며 pA(nA+mA)=pB/(nB+mB)이 참이다.

Description

선택된 열전도율을 갖는 경질 재료 층{HARD MATERIAL LAYERS WITH SELECTED THERMAL CONDUCTIVITY}
본 발명은 사전결정된 열전도율을 갖는 적어도 하나의 산화질화물 경질 재료 층을 구비하는 경질 재료 층 시스템(hard material layer system)에 관한 것이다. 본 발명은 또한 특히 니켈-기반 및/또는 티타늄-기반 합금과 같이 기계가공이 어려운 재료들을 칩-제거 기계가공 하기에 적합할 수 있는 선택된 열전도율을 갖는 산화질화물 경질 재료 층들을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
알루미늄-기반 재료 또는 저-합금 강(low alloyed steel) 및 비합금 강(unalloyed steel)에 비교하여, Ti-기반 합금은 뚜렷하게 더 낮은 열전도율을 가진다. 또한, Ti-기반 재료들의 인장 강도가 뚜렷하게 더 높다. λ=4 내지 16 W/mK의 낮은 열전도율로 인해서, 기계가공에서의 칩 생성 프로세스 동안 열 소멸이 중요한 역할을 한다. 예를 들어, Ti-기반 재료들을 기계가공 할 때, 동등한 프로세스 파라미터를 갖는 CK45를 기계가공 할 때와 비교하여 툴에 약 30% 더 많은 에너지가 더 들어간다. 이것은 절단 툴에 대한 열 부하를 증가시키고 따라서 툴 마모를 촉진한다. 반대로, Ti-기반 재료들을 기계가공 하기 위한 기술적 파라미터들이 감소되어 다른 재료들을 기계가공 할 때보다 T-기반 재료들을 기계가공 할 때의 생산성 및 그에 따른 효율성이 뚜렷하게 낮다.
인코넬(Inconel)과 같은 Ni-기반 재료들은 높은 열 안정성을 가지며 따라서 특히 터빈 건설에서 종종 만나게 된다. 또한, 이 재료는 극도의 고온에서조차도 충분한 강도를 가진다.
Ti-기반 및 Ni-기반 재료들을 기계가공 할 때 칩-제거 기계가공 프로세스의 일반적으로 높은 필요조건으로 인해서, 기술적 파라미터들이 비교적 낮고 따라서 생산성 및 효율성 또한 낮다.
또한, 칩-제거 기계가공 프로세서에서 발생하는 높은 열 부하는 빗과 같은(comb-like) 에지 금 형성(edge crack formation) 및/또는 크레이터 마모(crater wear)를 야기하고, 이것은 기계가공 툴의 활성 표면 상의 연마 마모 메커니즘을 더욱 촉진한다. 재료에 따라서 절단 재료의 연마 마모 및 플라스틱 변형 또한 관찰된다.
또한, 현재의 테스트는 순수한 AlCrN-기반 층 시스템 및 순수한 AlTiN-기반 층 시스템이 코팅되지 않은 기판의 표면과 유사한 마모 메커니즘을 겪는다는 것을 나타내며, 그 결과로서 두 개의 층 시스템들 중 어떤 것도 뚜렷한 장점을 획득하지 않는다.
종래 기술에 따르면, 그럼에도 일부 산화질화물-기반 경질 재료 층들이 기계가공이 어려운 재료들의 칩-제거 기계가공에 매우 적합한 것으로 고려된다.
예를 들어, 특허 JP2012192513A는 티타늄-기반 합금과 같이 기계가공이 어려운 재료들의 습식 칩-제거 기계가공에서의 더 높은 성능을 가능하게 하는 코팅을 갖는 칩-제거 기계가공을 위한 코팅된 절단 툴을 개시한다. 코팅은 내부 층 및 외부 층으로 구성되고; 내부 층은 0.5와 3.4㎛ 사이의 층 두께를 갖는 티타늄 및 알루미늄으로 구성된 산화질화물 층이고 외부 층은 0.8과 4.0㎛ 사이의 층 두께를 갖는 티타늄 및 알루미늄으로 구성된 질화물 층이다. 산화질화물 층은 층 두께를 가로질러 분포되며 0.1과 1.5㎛ 사이의 지름을 갖는 미세공극(micropore)들을 구비한다. 또한, 이러한 산화 층의 조성은 다음의 원자 백분율 식에 대응한다: (Ti1 - xAlx)N1 - yOy, 이때 x는 0.4와 0.75 사이이고 y는 0.1과 0.4 사이이다.
특허 JP2009167498A 또한 산화질화물 에지 층에 관련된다. 이 경우에서, 산화질화물 에지 층들은 5 내지 30㎛의 층 두께를 갖는 기판의 양극 산화에 의해 생산된다. 이것은 또한 초과 내부 압축 응력으로 인한 층 스폴링(spalling)의 위험을 감소시킨다. 이러한 층들의 조성은 다음의 식에 의해 원자 백분율로 정의된다: (Me1-aXa)α(N1 -x- yCxOy), 이때 Me는 주기율 내의 원소들의 그룹들 4a, 5a 및 6a 중에서 선택된 하나 이상의 원소이고, X는 그룹 Al, Si, B 및 S 중에서 선택된 하나 이상의 원소이며, 이때 0.10≤a≤0.65, 0≤x≤10 및 0≤y≤10 및 0.85≤α≤1.25이다. 또한, 이러한 유형의 에지 층들은 면심입방구조를 가져야만 한다.
그러나, 종래 기술은 사전결정된 열전도율을 갖는 PVD 산화질화물 경질 재료 층들이 제조될 수 있는 방식과 관련된 방법들에 대해서는 개시하지 않는다.
본 발명의 목적은 사전결정된 열전도율을 갖는 산화질화물 경질 재료 층들을 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 방법은 이러한 산화질화물 경질 재료 층들을 포함하는 경질 재료 층 시스템을 제공하는 것이다. 바람직하게는, 이러한 경질 재료 층들이 기계가공이 어려운 재료들을 칩-제거 기계가공 하기에 특히 매우 적합할 수 있도록 산화질화물 경질 재료 층들이 특히 고온에서 더 높은 마모 저항을 가져야만 한다.
특히, 본 발명의 목적은 높은 열 안정성, 감소된 열전도율, 열전도율의 증가된 이방성(anisotropy) 및 결과적으로 연장된 수명을 갖는 코팅을 생산하는 것을 가능하게 하고, 따라서 기계가공이 어려운 재료들의 칩-제거 기계가공에서의 생산성을 증가시키는 것을 가능하게 하는 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 목적은 청구항 제1항에 기술된 바와 같이 사전결정된 열전도율을 갖는 산화질화물 경질 재료 층들을 제조하기 위한 방법이 제공된다는 점에서 달성된다. 본 발명은 또한 청구항 제2항 내지 제10항에 따른 경질 재료 층 시스템들의 제조, 청구항 제11항에 따른 코팅된 툴의 제공 및 청구항 제12항에 따른 그것의 이용에 관련된다.
본 발명에 따르면, 사전결정된 열전도율을 갖는 경질 산화질화물 층들이 특히 PVD 기술을 이용하여 제조될 수 있다. PVD 기술이라는 용어는 코팅 재료가 코팅되도록 기상(gas phase)을 통해 기판 표면에 수송되는 표면 마감 방법을 포함한다. 대부분의 경우에서, 개별적인 방법들이 도입된 에너지의 유형에 의존하여 기화, 스퍼터링 및 이온 도금으로 분할된다. 그 결과 이러한 방법들은 소정의 하위방법들 및 변형으로 분해될 수 있다. 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering) 및/또는 아크 증발(arc evaporation)과 같은 PVD 방법들이 사용시에 강력한 마찰학적 응력을 겪는 코팅 구성요소 및 툴 표면들에 대해 잘 확립되어왔다.
본 발명에 따르면, 경질 재료 층 내의 열전도율이 영향을 받으며, 따라서 층 침착 프로세스 동안의 산소 첨가를 통해 원하는 바와 같이 조정된다.
기본적인 관계들이 상세하게 연구될 티타늄 산화질화물(TiaOcNb -c) 및 크로뮴 산화질화물(CrdOfNe -f)의 두 층 시스템들과 함께 예시로서 아래에 기술될 것이다:
순수한 티타늄 질화물(TiaNb) 또는 순수한 크로뮴 질화물(CrdNe)로부터 시작하여, 제어된 산소 첨가를 통해, 큐빅 상과 층 내의 원자 백분율로 비금속 원소들의 백분율에 대한 금속 원소들의 백분율(금속/비금속) 모두를 보유하는 것이 가능하다. 이것은 산소가 1:1 비율로 격자 내의 질소에 대해 교환되기 때문에 가능하다. EDX 및 XRD 측정의 이용을 통해 이러한 관계를 증명하는 것이 가능하다.
원하는 열전도율이 획득될 수 있을 때까지 산화질화물 층 내의 산소 백분율이 계속하여 증가되도록 산소의 첨가가 종래의 흐름 제어기를 통해 제어되었다.
본 발명에 따르면, 산화질화물 층 내의 산소 백분율은 바람직하게는 30at.%의 값을 초과해서는 안된다.
록웰 압입가공(Rockwell indentation), 마이크로-압입가공, 래스터 전자 현미경법(raster electron microscopy; REM) 및 X-선 회절 분석(XRD; 실온 및 상승 온도 모두에서 수행된 테스트들)을 통해서, 층 속성들이 층 접착제, 층 경도, 탄성률, 층 형태학(layer morphology), 입자 크기, 상 분포(phase distribution) 및 구조적 안정성에 대해 뚜렷하게 변화하지 않았음을 나타내는 것이 가능하였으며, 즉 "설정" 포지티브(성능-관련) 층 속성들이 0 내지 30 at.% 층 조성 범위 내의 O2의 첨가에 의해 뚜렷하게 변화되지 않는다. 테스트된 층들의 열전도율이 케이힐(Cahill) 방법을 이용하여 결정되었다.
0 내지 30 at.% O2 층 조성 범위 내의 O2의 첨가가 층의 열전도율에 대해 뚜렷한 영향을 가진다.
도 1 및 도 2는 층 시스템 Ti-O-N 및 Cr-O-N에 대한 층 내의 산소 함유량과 (층 표면으로부터 측정된) 층의 열전도율 사이의 관계를 도시한 도면.
이러한 실험을 위해서, 아크 침착 PVD 기술을 이용하여 층들이 침착되었다. 코팅 프로세스 동안의 기판 온도 및 코팅 챔버 내의 총 압력이 대략 450℃ 및 2Pa로 상응하여 일정하게 유지되었다. 질소 및 산소는 질화물 및 산화질화물 층들의 침착을 위해 반응성 기체로서 상응하게 사용되었다.
두 시스템 모두에 있어서, 이러한 관계는 도 1 및 2에 나타내어진 바와 같이 "상수 산란 모델(constant scattering model)"에 의해 수학적으로 기술될 수 있다. 이것은 이러한 관계의 일반적인 적용가능성을 나타낸다. 이 경우에서 O2를 첨가하는 것은 산란 단면적(scattering cross-section)을 변화시키며, 즉 O2의 첨가로 격자 진동(포논(phonon))의 전파를 방해하는 격자 결함 증가가 발생한다.
질화물에서 질소를 산소로 대체하는 것은 서로 다른 반지름, 서로 다른 원자가 전자의 수 및 더 높은 음전성(electron negativity)으로 인해 재료 구조 내의 상당한 무질서를 발생시킨다. 가능한 결함은 빈 격자 위치, 격자 간 위치(interstitial position) 점유, 격자 전위(lattice dislocation) 및 격자 왜곡을 포함한다. 이러한 결함들은 모두 결정 구조 내의 포논의 전파에 부정적인 영향을 미치며, 따라서 재료의 열전도율을 잠재적으로 감소시킨다. 전체로서, 산소 원자가 대체로 생산하는 열전도율에 대한 모든 결함들의 영향이 산소의 포논 산란 단면적으로 지칭된다. 재료의 결정 구조가 근본적으로 변화하지 않고 질화물에 더하여 추가적인 산화물 상(phase)이 생산되지 않는 한, 일정한(산소 함유량에 대해 독립적인) 산란 단면적의 존재를 가정하는 것이 가능하다. 이것은 산소 함유량에 의해 열전도율을 조정하는 것을 가능하게 한다. 함수 관계는 다음의 식에 의해 기술되며:
κ(χ)=κ0/(1+α·χ)
이때 κ(χ)는 재료의 산소-의존적 열전도율이고, κ0은 무산소 재료 내의 열전도율이고, χ는 산소 농도를 나타내며, α는 산란 단면적을 포함하는 파라미터이다. 파라미터 α를 찾기 위해서, 서로 다른 산소 함유량을 갖는 일련의 샘플들이 생산되어 열전도율이 측정되어야만 한다. 데이터에 대한 함수 κ(χ)의 채택은 α를 산출한다.
특히, 본 발명은 Si, B, W, Nb, Y, Mo, Ni와 같은 다른 합금 원소들과의 조합을 고려하여, Ti-기반 및 Ni-기반 합금의 칩-제거 기계가공을 위해 바람직하게는 0 내지 30 at.% O2 범위 내의, 특히 바람직하게는 3 내지 25 at.% O2 범위 내의 제어된 O2 함유량을 갖는 알루미늄이 풍부한 AlTiN-기반 및 AlCrN-기반 코팅을 이용하는 것을 제안한다.
O2의 제어된 첨가는 층 내에서 선택된 열전도율 양상을 생산함으로써 특정 응용에 대해서 이러한 층 시스템들을 최적화하도록 사용된다. 바람직하게는, 층에 직교하는 열전도율이 최소화되고(가능한 한 낮아짐) 층에 평행한 열전도율이 최대화되며(가능한 한 높아짐), 즉 열전도율의 이방성이 최대화된다.
O2 농도는 층 시스템의 기계적, 화학적 및 구조적 성질들이 뚜렷하게 변화되거나 부정적인 영향을 받도록 너무 높아서는 안된다.
바람직하게는, 20 GPa보다 크거나 더욱 바람직하게는 30 GPa보다 더 큰 층 시스템의 경도(hardness)가 획득된다.
본 발명의 일 실시예는 층 두께의 방향에서 누진되는 층 내의 산소 농도를 갖는 Ti-Al-N-O 또는 Cr-Al-N-O로 구성된 층 시스템이다.
본 발명의 다른 실시예는 상승 및 감소된 산소 농도를 갖는 몇몇 층들이 다층 구조로서 교번하는 방식으로 침착되는 층 시스템이다.
누진의 사용은 다음과 같이 이해될 수 있다: O2 함유량이 요구사항에 따라 기판 표면에 대해 직교하게 변화된다.
다층 시스템의 사용은 다음과 같이 이해될 수 있다: O2가 풍부한 AlTiN 층이 무산소 AlTiN 층에 이어지며 그에 따라 선택적으로 기판에 평행한 열전도율을 증가시키고 기판에 직교하는 열 전도율을 감소시킨다. 그 결과는 칩 내로의, 즉 층/기판 시스템 밖으로의 최적화된 열 소멸이다.
다층 시스템의 사용은 또한 다음과 같이 이해될 수 있다: Si, B, W, Nb, Y, Mo 및 Ni와 같은 다른 합금 원소들과의 조합을 고려하는 동시에 전술된 설명에 따른 열전도율의 이방성을 최적화하기 위한, 각각 O2를 갖거나 갖지 않는 AlCrN 및 AlTiN의 교번하는 시퀀스.
특히, 본 발명은 진공 챔버 내의 PVD 기술에 의해 금속 산화질화물 경질 재료 층들을 제조하기 위한 방법과 관련되고; 경질 재료 층은 원자 백분율로 MepOnNm의 조성을 가지며, 이때 p+n+m=100%이고, 사전결정된 열전도율을 가진다. 본 발명에 따른 일 방법은 다음과 같이 수행될 수 있다:
a. 금속 산화질화물 경질 재료 층의 금속 원소들이 적어도 하나의 표적으로부터의 물리적 기상 침착에 의해 침착되고; 표적은 Me을 함유하고 Me는 그룹 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W 및 Al으로부터의 적어도 하나의 금속이고 바람직하게는 Me는 또한 그룹 Y, Ni, B 및 Si으로부터의 적어도 하나의 원소를 포함하며; 표적은 다양한 프로세스들을 이용하여 적어도 세 개의 층의 침착을 위해 사용되지만, 활성 기체의 조성을 제외하면 동일한 프로세스 파라미터들을 사용한다.
b. 질소는 O2-conc1 = n1 = 0의 원자 백분율의 산소 농도를 갖는 금속 질화물 층 Mep1On1Nm1인 제1 기준 층의 침착을 위한 활성 기체로서 사용되며, 이때 제1 기준 층은 일정한 기판 온도 Ts 및 일정한 전체 코팅 압력 P를 가지고 침착된다.
c. 질소 및 산소는 최대 30%의 O2-conc3 = n3의 원자 백분율, 바람직하게는 O2-conc3이 20% 내지 30%인 산소 농도를 갖는 금속 산화질화물 층 Mep3On3Nm3인 제3 기준 층의 침착을 위한 반응성 기체로서 사용되었으며, 이때 제3 기준 층이 제1 기준 층의 침착으로서 동일한 상수 기판 온도 Ts 및 동일한 상수 전체 코팅 압력 P를 가지고 침착되고 p1=p3이며 p1/(m1+n1)=p3/(m3+n3)이다.
d. 질소 및 산소는 O2-conc1보다 크고 O2-conc3보다 작으며, 바람직하게는 O2-conc1이 5% 내지 20%인 O2-conc2 = n2의 원자 백분율의 산소 농도를 갖는 금속 산화질화물 층 Mep2On2Nm2인 제2 기준 층의 침착을 위한 반응성 기체로서 사용되었으며, 이때 제2 기준 층이 제1 및 제3 기준 층의 침착으로서 동일한 상수 기판 온도 Ts 및 동일한 상수 전체 코팅 압력 P를 가지고 침착되고 p1=p3=p2이며 p1/(m1+n1)=p3/(m3+n3)=p2/(m2+n2)이다.
e. 제1, 제2 및 제3 기준 층들의 열전도율이 각 층의 층 표면으로부터 시작하여 측정된다.
f. 제1, 제2 및 제3 기준 층들의 열전도율 및 산소 농도의 측정된 값들이 아래의 형태의 상관관계를 확립하도록 사용되며:
κ(χ)=κ0/(1+α·χ)
이때 κ(χ)는 경질 재료 층 시스템 Me-O-N의 산소-의존적 열전도율이고, κ0은 제1 기준 층 내의 열전도율이고, χ는 산소 농도를 나타내며, α는 산란 단면적을 포함하고 함수 κ(χ)를 데이터에 적응시킴으로써 획득된 파라미터이다.
g. 사전결정된 열전도율이 획득되는 MepOnNm 경질 재료 층 내의 산소 농도를 계산하기 위해 상관관계가 사용되고 이 계산은 단계 h 내에서 코팅 프로세스가 수행되어야만 하는 반응성 기체의 농도에 관해 수행된다.
h. 사전결정된 열전도율을 갖는 MepOnNm 경질 재료 층이 단계 g에서 결정된 값에 따라 먼저 적응되어야만 하는 반응성 기체의 산소 농도를 제외하고 기준 층들과 동일한 프로세스 파라미터를 가지고 침착된다.
본 발명은 또한 기판 표면 상에 침착된 경질 재료 층 시스템들과 관련되며 전술된 방법에 따라 생산된 적어도 하나의 MepOnNm 경질 재료 층을 포함한다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 경질 재료 층 시스템의 MepOnNm 경질 재료 층이 입방 구조를 포함하며, 바람직하게는 Me이 적어도 대부분 티타늄 및 알루미늄 또는 크로뮴 및 알루미늄을 포함한다.
바람직하게는, Al에 대한 Ti의 원자 백분율, 즉 Ti/Al 또는 Al에 대한 Cr의 원자 백분율, 즉 Cr/Al이 1보다 작다.
본 발명에 따른 경질 재료 층 시스템의 특정 실시예는 층 두께의 적어도 부분을 가로질러 누진되는 산소 농도를 가진다.
본 발명에 따른 경질 재료 층 시스템의 특히 바람직한 실시예는 교번하는 조성 MeApAOnANmA을 갖는 A 층들 및 조성 MeBpBOnBNmB을 갖는 B 층들을 구비하는 다층 구조에 걸쳐 층 두께의 적어도 일 부분을 가지고, 이때 MeA = MeB, pA=pB, nA＜nB이며, pA/(nA+mA)=pB/(nB+mB)이다.
경질 재료 층 시스템의 전술된 실시예의 바람직한 변화가 A 층들에 의해 특징지어지며, 이때 na=0이다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 경질 재료 층 시스템이 기판 표면에 평행한 열전도율이 기판 표면에 대해 직교한 열전도율보다 더 크도록 생산된다.
특정 응용들에 있어서, 예를 들어 소정의 재료들의 칩-제거 기계가공 및 형성을 위해서, 본 발명에 따른 경질 재료 층 시스템의 사용이 적어도 20GPa보다 더 크고 바람직하게는 30GPa보다 더 큰 경도를 갖는 것이 특히 바람직하다. 임의의 구성요소 및 툴에는 또한 본 발명에 따른 경질 재료 층 시스템이 제공될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 코팅을 갖는 코팅된 칩-제거 기계가공 툴이 Ni-기반 및 Ti-기반 합금과 같은 기계가공이 어려운 재료들의 칩-제거 기계가공을 위해 매우 유망하다.
특히, 본 발명은:
- 기판 표면 상에 침착되고 교번하는 층들 A 및 B를 포함하는 다층화된 층 구조를 갖는 경질 재료 층 시스템과 관련되며, 이때 A 층들이 원자 백분율로 MeApAOnANmA의 조성을 가지고 B 층들이 원자 백분율로 MeBpBOnBNmB의 조성을 가지며,
a. A 층들의 열전도율이 B 층들의 열전도율보다 더 크고,
b. MeA 및 MeB이 각각 그룹 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W 및 Al로부터의 적어도 하나의 금속을 포함하고,
c. pA는 MeA의 원자 백분율을 나타내고 pB는 MeB의 원자 백분율을 나타내며 pA=pB이 참이고,
d. nA는 A 층들 내의 산소 농도를 원자 백분율로 나타내고 nB는 B 층들 내의 산소 농도를 원자 백분율로 나타내며 nA＜nB이 참이고,
e. mA는 A 층들 내의 질소 농도를 원자 백분율로 나타내고 mB는 B 층들 내의 질소 농도를 원자 백분율로 나타내며, pA(nA+mA)=pB/(nB+mB)이 참이다.
- 전술된 실시예에 따른 경질 재료 층 시스템으로서, MeA 및/또는 MeB가 그룹 Si, B, W, Nb, Y, Mo 및 Ni로부터의 적어도 하나의 다른 원소를 포함한다.
- 전술된 실시예들 중 하나의 실시예에 따른 경질 재료 층 시스템으로서, MeA = MeB이다.
- 전술된 실시예들 중 하나의 실시예에 따른 경질 재료 층 시스템으로서, pA+nA+mA = pB+nB+mB = 100%라는 사실을 고려하여 5%≤nB≤30%이다.
- 전술된 실시예들 중 하나의 실시예에 따른 경질 재료 층 시스템으로서, nA=0%이다.
- 전술된 실시예들 중 하나의 실시예에 따른 경질 재료 층 시스템으로서, 층 경도 및 탄성률과 관련하여, 바람직하게는 층 형태학 및/또는 입자 크기 및/또는 상 분포 및/또는 구조적 안정성에도 관련하여 A 층들이 B 층들과 뚜렷하게 다르지 않도록 nA 및 nB가 선택된다.
- 전술된 실시예들 중 하나의 실시예에 따른 경질 재료 층 시스템으로서, 기판 표면에 평행한 경질 재료 층 시스템의 열전도율이 기판 표면에 직교한 경질 재료 층 시스템의 열전도율보다 더 크다. 바람직하게는, 경질 재료 층 시스템의 경도가 20GPa보다 크고, 더욱 바람직하게는 30GPa보다 크다.
- 전술된 실시예들 중 하나의 실시예에 따른 경질 재료 층 시스템으로서, 적어도 다층화된 층 구조가 입방 구조를 가진다.
- 전술된 실시예들 중 하나의 실시예에 따른 경질 재료 층 시스템으로서, MeA 및/또는 MeB가 적어도 대부분 금속 알루미늄 및/또는 티타늄 또는 금속 알루미늄 및/또는 크로뮴을 포함한다.
- 전술된 실시예들 중 하나의 실시예에 따른 경질 재료 층 시스템으로서, 알루미늄에 대한 티타늄의 원자 백분율, 즉 Ti/Al 또는 알루미늄에 대한 크로뮴의 원자 백분율, 즉 Cr/Al인 농도 비율이 1보다 작다.
- 전술된 실시예들 중 하나의 실시예에 따른 경질 재료 층 시스템으로서, 적어도 하나의 A 층 또는 하나의 B 층이 누진되는 산소 농도를 가로지르는 층 두께의 적어도 일 부분을 포함하거나 또는 경질 재료 층 시스템이 바람직하게는 상단 층으로서 누진된 산소 농도를 가로지르는 층 두께의 적어도 일 부분을 포함하는 유형 MepOnNm의 적어도 하나의 추가 경질 재료 층을 구비하며, 이때 n≥0, Me = MeA 및 p = pA 또는 Me = MeB 및 p = pB이다.
- 구성요소 또는 툴, 바람직하게는 전술된 실시예들 중 하나의 실시예에 따른 경질 재료 층 시스템으로 코팅된 칩-제거 기계가공 툴.
- 기계가공이 어려운 재료들, 바람직하게는 Ni-기반 및/또는 Ti-기반 합금들의 칩-제거 기계가공을 위한 전술된 실시예들 중 하나의 실시예에 따른 경질 재료 층 시스템을 구비하는 칩-제거 기계가공을 위한 코팅된 절단 툴의 사용.
- 사전결정된 산소-의존적인 열전도율, 즉 사전결정된 산소-의존적인 열 컨덕턴스를 갖는 유형 MepOnNm의 금속 산화질화물 경질 재료 층을 제조하기 위한 방법으로서,
a. MepOnNm 층이 기판 온도 Ts 및 기판 표면 상으로의 코팅 압력 P를 가지고 반응성 기체를 포함하는 대기 내의 적어도 하나의 표적으로부터 물리적 기상 침착에 의해 진공 코팅 챔버 내에서 침착되고,
b. 질소 및 산소가 반응성 기체로서 사용되고,
c. 표적이 Me를 포함하고,
d. Me가 그룹 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W 및 Al로부터의 적어도 하나의 금속이고 Me가 바람직하게는 그룹 Y, Ni, B 및 Si로부터의 적어도 하나의 원소를 포함하며, 여기에서
e. 상관관계 κ(χ)=κ0/(1+α·χ)에 의해 이전에 계산되었던 산소 농도 값이 유지되어 층 침착 동안 MepOnNm 층 내의 사전결정된 산소-의존적 열전도율이 설정되도록 MepOnNm 층의 침착 동안 진공 코팅 챔버 내의 산소 농도가 제어되며, 이때:
i. κ(χ)는 층 침착 동안 진공 코팅 챔버 내의 산소 농도를 유지하는 동시에 생성되는 MepOnNm 층의 산소-의존적 열전도율이고,
ii. χ는 층 침착 동안의 진공 코팅 챔버 내의 산소 농도를 나타내고,
iii. κ0는 제1 기준 층 Mep0On0Nm0의 열전도율이며, 이때 n0=0%이고 Mep0On0Nm0은 반응성 기체로서 산소를 사용하지 않고 대신 질소만을 이용하여 MepOnNm의 침착과 관련해 전술된 것과 동일한 프로세스 파라미터들을 가지고 침착된다.
iv. α는 산란 단면적을 포함하고 적어도 하나의 추가 제2 기준 층 Mep1On1Nm1 및 하나의 추가 제3 기준 층 Mep2On2Nm2 층의 실험 데이터에 위에서 표시된 상관관계를 적응시킴으로써 획득되는 파라미터이며, 이때 Mep1On1Nm1 및 Mep2On2Nm2는 진공 코팅 챔버 내에서 서로 다른 산소 농도를 이용하는 것을 제외하면 MepOnNm의 침착에 대해 전술된 것과 동일한 프로세스 파라미터들을 가지고 침착되며, p0+n0+m0 = p1+n1+m1 = p2+n2+m2 = 100%이고, m1 및 m2가 0보다 크고, p0=p1=p2이며, p0/(n0+m0)=p1/(n1+m1)=p2/(n2+m2)라는 사실을 고려하여, 바람직하게는 Mep1On1Nm1이 층 n1 내에 5%와 20% 사이의 원자 백분율의 산소 농도를 발생시키는 진공 코팅 챔버 내의 산소 농도를 이용해 침착되는 동시에 Mep2On2Nm2이 층 n2 내에 20%와 30% 사이의 원자 백분율의 산소 농도를 발생시키는 산소 농도를 이용해 침착된다.
바람직하게는 진공 코팅 챔버 내의 산소 농도가 특히 MepOnNm 층의 침착 동안 산소 흐름을 조정함으로써 제어된다.

Claims (15)

  1. 기판 표면 상에 침착되고 교번하는 층들 A 및 B를 포함하는 다층화된 층 구조를 갖는 경질 재료 층 시스템으로서,
    상기 A 층들이 원자 백분율로 MeApAOnANmA의 조성을 가지고 상기 B 층들이 원자 백분율로 MeBpBOnBNmB의 조성을 가지며,
    a. 상기 A 층들의 열전도율이 상기 B 층들의 열전도율보다 더 크고,
    b. MeA 및 MeB이 각각 그룹 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W 및 Al로부터의 적어도 하나의 금속을 포함하고,
    c. pA는 MeA의 원자 백분율을 나타내고 pB는 MeB의 원자 백분율을 나타내며 pA=pB가 참이고,
    d. nA는 상기 A 층들 내의 산소 농도를 원자 백분율로 나타내고 nB는 상기 B 층들 내의 산소 농도를 원자 백분율로 나타내며 nA＜nB이 참이고,
    e. mA는 상기 A 층들 내의 질소 농도를 원자 백분율로 나타내고 mB는 상기 B 층들 내의 질소 농도를 원자 백분율로 나타내며 pA(nA+mA)=pB/(nB+mB)이 참이고,
    f. MeA = MeB이며,
    g. pA+nA+mA = pB+nB+mB = 100%라는 사실을 고려하여 5%≤nB≤30%인 것을 특징으로 하는, 경질 재료 층 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    MeA 및 MeB가 그룹 Si, B, W, Nb, Y, Mo 및 Ni로부터의 적어도 하나의 다른 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는, 경질 재료 층 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    nA=0%인 것을 특징으로 하는, 경질 재료 층 시스템.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    층 경도 및 탄성률과 관련하여, 상기 A 층들이 상기 B 층들과 뚜렷하게 다르지 않도록 nA 및 nB가 선택되는 것을 특징으로 하는, 경질 재료 층 시스템.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기판 표면에 평행한 상기 경질 재료 층 시스템의 열전도율이 상기 기판 표면에 직교한 상기 경질 재료 층 시스템의 열전도율보다 더 큰 것을 특징으로 하는, 경질 재료 층 시스템.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 경질 재료 층 시스템의 경도가 20GPa보다 큰 것을 특징으로 하는, 경질 재료 층 시스템.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    적어도 상기 다층화된 층 구조가 입방 구조를 갖는 것을 특징으로 하는, 경질 재료 층 시스템.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    MeA 및 MeB가 금속 알루미늄 및/또는 티타늄 또는 금속 알루미늄 및/또는 크로뮴을 포함하는 것을 특징으로 하는, 경질 재료 층 시스템.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    알루미늄에 대한 티타늄의 원자 백분율, 즉 Ti/Al 또는 알루미늄에 대한 크로뮴의 원자 백분율, 즉 Cr/Al인 농도 비율이 1보다 작은 것을 특징으로 하는, 경질 재료 층 시스템.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    적어도 하나의 A 층 또는 하나의 B 층이 누진되는 산소 농도를 가로지르는 층 두께의 적어도 일 부분을 포함하거나 또는 경질 재료 층 시스템이 상단 층으로서 누진된 산소 농도를 가로지르는 층 두께의 적어도 일 부분을 포함하는 유형 MepOnNm의 적어도 하나의 추가 경질 재료 층을 구비하며, 이때 n≥0, Me = MeA 및 p = pA 또는 Me = MeB 및 p = pB인 것을 특징으로 하는, 경질 재료 층 시스템.
  13. 제1항 또는 제2항에 따른 경질 재료 층 시스템으로 코팅된 구성요소 또는 칩-제거 기계가공을 위한 절단 툴.
  14. 제13항에 있어서,
    기계가공이 어려운 재료들의 칩-제거 기계가공에 사용되는 것을 특징으로 하는 절단 툴.
  15. 사전결정된 산소-의존적 열전도율, 즉 사전결정된 산소-의존적 열 컨덕턴스를 갖는 유형 MepOnNm의 금속 산화질화물 경질 재료 층을 제조하기 위한 방법으로서,
    a. 상기 MepOnNm 층이 기판 온도 Ts 및 기판 표면 상으로의 코팅 압력 P를 가지고 반응성 기체를 포함하는 대기 내의 적어도 하나의 표적으로부터의 물리적 기상 침착(physical gas phase deposition)에 의해 진공 코팅 챔버 내에서 침착되고,
    b. 질소 및 산소가 반응성 기체로서 사용되고,
    c. 상기 표적이 Me를 포함하고,
    d. Me가 그룹 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W 및 Al로부터의 적어도 하나의 금속이고 Me가 그룹 Y, Ni, B 및 Si로부터의 적어도 하나의 원소를 포함하는 금속 산화질화물 경질 재료 층을 제조하기 위한 방법에 있어서,
    e. 상관관계 κ(χ)=κ0/(1+α·χ)에 의해 이전에 계산되었던 산소 농도 값이 유지되어 상기 층 침착 동안 상기 MepOnNm 층 내의 상기 사전결정된 산소-의존적 열전도율이 설정되도록 상기 MepOnNm 층의 침착 동안 상기 진공 코팅 챔버 내의 산소 농도가 제어되며, 여기에서:
    i. κ(χ)는 상기 층 침착 동안 상기 진공 코팅 챔버 내의 산소 농도를 유지하는 동시에 생성되는 MepOnNm 층의 산소-의존적 열전도율이고,
    ii. χ는 상기 층 침착 동안의 상기 진공 코팅 챔버 내의 산소 농도를 나타내고,
    iii. κ0는 제1 기준 층 Mep0On0Nm0의 열전도율이고, 이때 n0=0%이고 Mep0On0Nm0은 반응성 기체로서 산소를 사용하지 않고 대신 질소만을 이용하여 MepOnNm의 침착과 관련해 전술된 것과 동일한 프로세스 파라미터들을 가지고 침착되며,
    iv. α는 산란 단면적(scattering cross-section)을 포함하고 적어도 하나의 추가 제2 기준 층 Mep1On1Nm1 및 하나의 추가 제3 기준 층 Mep2On2Nm2의 실험 데이터에 위에서 표시된 상관관계를 적응시킴으로써 획득되는 파라미터이며, 이때 Mep1On1Nm1 및 Mep2On2Nm2는 상기 MepOnNm의 침착에 대해 전술된 것과 동일한 프로세스 파라미터들을 가지고 침착되지만, 상기 진공 코팅 챔버 내에서 서로 다른 산소 농도를 이용하며, p0+n0+m0 = p1+n1+m1 = p2+n2+m2 = 100%이고, m1 및 m2가 0보다 크고, p0=p1=p2이며, p0/(n0+m0)=p1/(n1+m1)=p2/(n2+m2)라는 사실을 고려하여, Mep1On1Nm1이 층 n1 내에 5%와 20% 사이의 원자 백분율의 산소 농도를 발생시키는 상기 진공 코팅 챔버 내의 산소 농도를 이용해 침착되는 동시에 Mep2On2Nm2이 층 n2 내에 20%와 30% 사이의 원자 백분율의 산소 농도를 발생시키는 산소 농도를 이용해 침착되는 것을 특징으로 하는, 금속 산화질화물 경질 재료 층을 제조하기 위한 방법.
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