KR102318298B1 - 절삭공구용 경질피막 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 입자 성장 방향을 제어하여 연강, 스테인리스강 및 내열합금 등의 가공 시에 발생하는 크랙(물리적 크랙, 열적 크랙, 미세 치핑)의 전파를 효율적으로 차단할 수 있는 절삭공구용 경질피막에 관한 것이다.
본 발명에 따른 절삭공구용 경질피막은, 절삭공구의 모재의 표면에 PVD법으로 형성되며, 전체 두께가 0.5 ~ 10㎛로 이루어지고, 제1층과 제2층이 2회 이상 교대 반복하여 적층된 구조로 이루어진 교대 반복층을 포함하며, 상기 제1층은 모재 표면에 평행인 방향에 대해 70 ~ 110°의 각도를 가지도록 성장한 주상정 구조(Columnar structure)를 가지는 단층 구조로 이루어지고, 상기 제2층은 등축정 구조(equi-axied crystal)를 가지며 모재 표면에 평행하게 성장한 2층 이상의 다층 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

Description

절삭공구용 경질피막 {HARD FILM FOR CUTTING TOOLS}
본 발명은 입자 성장 방향을 제어하여 연강, 스테인리스강 및 내열합금 등의 가공 시에 발생하는 크랙(물리적 크랙, 열적 크랙, 미세 치핑)의 전파를 효율적으로 차단하여 절삭공구의 수명을 연장하는 절삭공구용 경질피막에 관한 것이다.
산업이 점차 정밀화, 고속화 및 대량 생산화됨에 따라 절삭공구에 대한 절삭성능 향상 및 수명개선이 요구되고 있다.
절삭가공 시에는 약 900℃ 이상의 고열이 피삭재와 마찰되는 인써트 선단에 국부적으로 발생하는데, 내산화성과 내마모성이 우수한 경질피막을 인써트의 절삭면에 형성할 경우 절삭공구의 수명을 현저하게 연장시킬 수 있다.
이를 위해, 초경합금, 써메트, 엔드밀, 드릴류 등의 모재 위에, 통상, TiN, TiAlN, AlTiN, AlCrN, Al2O3와 같은 내마모성, 내산화성, 또는 내충격성 등의 특성을 갖는 물질의 단층 또는 2이상의 물질이 2층 이상 적층된 다층의 경질피막을 형성한다.
그런데, 피삭재가 점차 고경도화되고 난삭화되고 있어, 물성이 상이한 2종 이상의 박막을 규칙적으로 반복 적층하는 방법을 통해, 절삭성능을 높이고자 하는 시도가 많아지고 있다. 예를 들어, 하기 특허문헌에는 물리증착법(PVD)에 의해, 초경 합금공구인 인서트, 엔드밀, 드릴 혹은 서멧트 공구 위에 하지층을 증착시키고, 연속적으로 내충격성과 내치핑성을 향상시키기 위해 교대 반복적으로 적층되는 구조를 통해, 절삭성능을 향상시키는 박막구조가 개시되어 있다.
상기한 반복 적층 구조를 통해 내마모성과 내산화성이 향상된 경질피막을 얻을 수 있었으나, 연강, 스테인리스강 및 내열합금 등의 가공 시에 발생하는 크랙(물리적 크랙, 열적 크랙, 미세 치핑)의 전파를 효율적으로 차단하는데는 여전히 한계가 있다.
한국등록특허공보 제876366호
본 발명의 과제는 절삭공구에 형성되는 경질피막 내의 크랙(crack) 전파를 최소화하여, 절삭공구의 인선의 손상 방지 및 마모 발생을 억제하여 공구의 수명을 향상시키는 절삭공구용 경질피막을 제공하는데 있다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 절삭공구의 모재의 표면에 PVD법으로 형성되는 경질피막으로, 상기 경질피막은 전체 두께가 0.5 ~ 10㎛로 이루어지고, 제1층과 제2층이 2회 이상 교대 반복하여 적층된 구조로 이루어진 교대 반복층을 포함하며, 상기 제1층은 모재 표면에 평행인 방향에 대해 70 ~ 110°의 각도를 가지도록 성장한 주상정 구조(Columnar structure)를 가지는 단층 구조로 이루어지고, 상기 제2층은 등축정 구조(equi-axied crystal)를 가지며 모재 표면에 평행하게 성장하는 2층 이상의 다층 구조를 가지는 것을 특징으로 하는, 절삭공구용 경질피막을 제공한다.
본 발명에 따른 절삭공구용 다층경질 박막은, 모재의 표면에 대해 대략 수직한 방향으로 성장하는 주상정의 제1층과, 모재의 표면에 대해 대략 수평한 방향으로 2층 이상 형성된 박층으로 이루어진 제2층이 교대 반복적을 적층된 교대반복층을 포함하고 있어, 절삭 가공 시에 요구되는 내마모성과 경질피막에 가해지는 전단응력에 대한 저항성을 가짐과 동시에 경질피막 내의 크랙 전파를 효율적으로 억제할 수 있어, 절삭공구의 인선의 손상 방지 및 마모 발생을 억제하여, 결과적으로 절삭공구의 수명을 향상시키는 효과를 얻는다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 절삭공구용 PVD 경질피막의 단면 구조를 개략적으로 보여주는 그림이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나 다음에 예시하는 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예들에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다. 또한 첨부된 도면에서 막 또는 영역들의 크기 또는 두께는 발명의 이해를 위하여 과장된 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에 따른 절삭공구용 경질피막은, 절삭공구를 구성하는 모재의 표면에 PVD법으로 형성되며, 전체 두께가 0.5 ~ 10㎛로 이루어지고, 제1층과 제2층이 2회 이상 교대 반복하여 적층된 구조로 이루어진 교대 반복층을 포함하며, 상기 제1층은 모재 표면에 평행인 방향에 대해 70 ~ 110°의 각도를 가지도록 성장한 주상정 구조(Columnar structure)를 가지는 단층 구조로 이루어지고, 상기 제2층은 등축정 구조(equi-axied crystal)를 가지며 모재 표면에 평행하게 성장하는 2층 이상의 다층 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 모재로는 초경합금(WC-Co 합금), 써멧(cermet), 세라믹, 입방정 질화붕소(cBN)와 같이 절삭공구에 사용될 수 있는 특성을 갖는 모재라면 특별히 제한 없이 사용될 수 있다.
상기 경질피막의 두께는 0.2㎛ 미만으로 매우 얇게 할 경우 절삭공구에 요구되는 기본적인 특성을 충족하기 어렵고, 10㎛ 초과일 경우 박리가 발생할 가능성이 크므로, 0.2 ~ 10㎛를 유지하는 것이 바람직하며, 보다 바람직한 두께는 1.0 ~ 8㎛이며, 가장 바람직한 두께는 1.5 ~ 6㎛이다.
상기 제1층의 두께는 100nm 미만일 경우 주상정 구조의 생성이 어렵고 6㎛ 초과일 경우 박리가 발생할 가능성이 크므로, 100nm ~ 6㎛를 유지하는 것이 바람직하다.
상기 제2층의 두께는 100nm 미만일 경우 등축정 구조의 생성이 어렵고 6㎛ 초과일 경우 박리가 발생할 가능성이 크므로, 100nm ~ 6㎛를 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2층의 경우, 모재의 표면에 대해 평행하게 성장된 등축정으로 이루어지면서, 2층 이상으로 형성되는 것이 바람직하다. 이때 각층은 인접한 층과 조성이 다르게 형성되거나 동일 내지 유사한 조성을 가지면서 공정 조건의 차이를 통해 물성에 차이가 있게 형성될 수 있다. 등축정이면서도 모재의 표면에 대해 평행하게 다층으로 적층된 박층은 크랙이 두께방향으로 전파되는 것을 효율적으로 억제할 수 있다.
또한, 상기 제2층에서 모재의 표면에 대해 평행하게 성장된 것의 의미는, 등축정 조직을 갖는 나노미터 두께의 박층을 2층 이상 적층하는 의미로, 각각의 박층의 두께는 100nm 미만일 경우 등축정 구조의 생성이 어렵고 3㎛ 초과일 경우 박막의 두께가 두꺼워져 박리가 발생하므로, 100nm ~ 3㎛를 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 모재와 1층 사이 또는 1층과 2층사이에는 연결층이 형성될 수 있으며, 상기 연결층은 TiN, TiAlN, AlCrN 으로 이루어질 수 있다. 상기 연결층은 모재와 제1층, 제1층과 제2층간 충분한 결합력을 가지도록 한다.
또한, 상기 제1층과 제2층은 MeCxNyOz(0≤x≤0.6, 0.01≤y≤1, 0≤z≤0.6, x+y+z=1, Me는 전이원소를 포함한 1B ~ 8B 그리고 3A ~ 6A족의 원소 중에서 선택된 1종 이상)으로 이루어지고, 상기 제1층과 제2층의 조성은 바람직하게 상이할 수 있다.
또한, 상기 주상정 구조의 평균 어스팩트비(aspect ratio)는 2 미만일 경우 코팅층에 부하되는 전단응력에 저항하기 어려우므로, 3 이상인 것이 바람직하며, 4 이상이 보다 바람직하다.
또한, 상기 교대반복층의 상부에도 추가로 다른 물질로 이루어진 1층 이상의 박막이 형성될 수 있다.
[실시예]
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 절삭공구용 PVD 경질피막의 단면 구조를 개략적으로 보여주는 그림이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 제조되는 경질피막은 모재 상에 형성되는 하지층과 상기 하지층 상에 형성되는 교대반복층을 포함하는 구조를 가진다.
경질피막의 제조
본 발명의 실시예에서는 초경합금으로 이루어진 모재 표면에 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition: PVD)인 아크 이온 플레이팅 법을 이용하여, 도 1과 같은 구조를 갖는 경질피막을 형성하였다.
구체적으로, 코팅에 사용한 타겟으로는 AlTi와 TiAl과 AlCr의 아크타겟을 사용하였으며, 초기 진공압력은 85×10-5 Torr 이하로 감압하였으며, 반응가스로 N2를 주입하였다. 또한, 코팅을 위한 가스압력은 60mTorr 이하, 바람직하게는 40mTorr 이하로 유지하였으며, 코팅 온도는 500~550℃로 하였고, 코팅 시 기판 바이어스 전압은 -20V~-150V으로 인가하였다. 상기 코팅조건은 장비 특성 및 조건에 따라 달라질 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 상기한 코팅조건을 이용하여, 전단응력에 대한 저항성을 가지며 단일층으로 이루어진 제1층과 크랙전파 억제를 위한 교대반복층(2층)이 교대반복적으로 적층하여 형성된다. 이때, 제1층과 제2층은 하기 표 1과 같은 적층주기(횟수)로 교대적층하여 형성되었다.
코팅은 코팅로의 내부에 코팅용 타겟을 서로 마주보도록 4면으로 배치하고 피코팅물이 코팅로내 중앙에서 코팅용 타겟을 향하여 회전시킨 후, 코팅용 타겟에 고전류를 인가하여 코팅용 타겟을 증발시키고 증발된 타겟 물질을 코팅로 내에 주입된 질소가스와 반응시켜 회전중인 피코팅물의 표면에 코팅층을 형성되도록 제어하였다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 경질피막은, 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition: PVD)을 이용하므로, 박막 두께는 최대 20㎛ 정도까지 적용이 가능하다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 경질 모재의 표면 위에 본 발명의 실시예에 따른 경질피막을 형성하도록 되어 있으나, 경질 모재와 본 발명의 실시예에 따른 경질피막의 사이에 추가로 다른 피막층이 형성될 수도 있다.
하기 표 1에는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제조된 경질피막을 구성하는 박막의 조성, 제1층을 구성하는 주상정의 어스팩트비, 제2층의 적층 구조 및 적층 두께와 적층 구조에 대해 정리하였다.
번호 주상정층(1층) 나노다층(2층) 증착
구조		 전체
박막
두께		 비고
A층
박막 조성		 A층
두께		 A층
어스팩트비		 B층
박막조성		 C층
박막조성		 2층(B+C)
두께
1-1 TiN 3.0㎛ 1:1 - - - 단일층 3.0㎛ 비교예
1-2 TiAlN
(Ti:Al=5:5)		 4.1㎛ 1:1 - - - 단일층 4.1㎛ 비교예
1-3 AlTiN
(Al:Ti=6:4)		 4.0㎛ 1:1 - - - 단일층 4.0㎛ 비교예
1-4 AlCrN
(Al:Cr=7:3)		 3.5㎛ 1:1 - - - 단일층 3.5㎛ 비교예
2-1 TiAlN
(Ti:Al=5:5)		 0.9㎛ 2:1 TiAlN
(Ti:Al=5:5)		 AlTiN
(Al:Ti=6:4)		 0.3㎛ A/B/C/B/C
/A/B/C/B/C
/A/B/C/B/C		 3.6㎛ 실시예
2-2 TiAlN
(Ti:Al=5:5)		 1.0㎛ 2:1 TiAlN
(Ti:Al=5:5)		 AlCrN
(Al:Cr=7:3)		 0.3㎛ 3.9㎛ 실시예
2-3 TiAlN
(Ti:Al=5:5)		 1.0㎛ 5:1 TiAlN
(Ti:Al=5:5)		 AlTiN
(Al:Ti=6:4)		 0.4㎛ 4.2㎛ 실시예
2-4 TiAlN
(Ti:Al=5:5)		 0.9㎛ 5:1 TiAlN
(Ti:Al=5:5)		 AlCrN
(Al:Cr=7:3)		 0.4㎛ 3.9㎛ 실시예
3-1 AlTiN
(Al:Ti=6:4)		 1.0㎛ 2:1 AlTiN
(Al:Ti=6:4)		 TiAlN
(Ti:Al=5:5)		 0.4㎛ A/B/C/B/C
/A/B/C/B/C
/A/B/C/B/C		 4.2㎛ 실시예
3-2 AlTiN
(Al:Ti=6:4)		 1.1㎛ 2:1 AlTiN
(Al:Ti=6:4)		 AlCrN
(Al:Cr=7:3)		 0.3㎛ 4.2㎛ 실시예
3-3 AlTiN
(Al:Ti=6:4)		 0.9㎛ 5:1 AlTiN
(Al:Ti=6:4)		 TiAlN
(Ti:Al=5:5)		 0.3㎛ 3.6㎛ 실시예
3-4 AlTiN
(Al:Ti=6:4)		 0.9㎛ 5:1 AlTiN
(Al:Ti=6:4)		 AlCrN
(Al:Cr=7:3)		 0.4㎛ 3.9㎛ 실시예
4-1 AlCrN
(Al:Cr=7:3)		 1.0㎛ 2:1 AlCrN
(Al:Cr=7:3)		 TiAlN
(Ti:Al=5:5)		 0.4㎛ A/B/C/B/C
/A/B/C/B/C
/A/B/C/B/C		 4.2㎛ 실시예
4-2 AlCrN
(Al:Cr=7:3)		 0.9㎛ 2:1 AlCrN
(Al:Cr=7:3)		 AlTiN
(Al:Ti=6:4)		 0.5㎛ 4.2㎛ 실시예
4-3 AlCrN
(Al:Cr=7:3)		 1.0㎛ 5:1 AlCrN
(Al:Cr=7:3)		 TiAlN
(Ti:Al=5:5)		 0.4㎛ 4.2㎛ 실시예
4-4 AlCrN
(Al:Cr=7:3)		 0.9㎛ 5:1 AlCrN
(Al:Cr=7:3)		 AlTiN
(Al:Ti=6:4)		 0.3㎛ 3.6㎛ 실시예
내마모성 평가
상기 표 1에 따라 제조된 경질피막의 내크랙성을 평가하기 위하여, 아래 (1) 및 (2)의 2가지 조건으로 밀링가공 절삭성능을 평가하였으며, 절삭성능 평가조건은 다음과 같다.
(1) 터닝 단면가공
피삭재: SM45C 탄소강 4구홈
샘플형번 : CNMG120408(ISO)
절삭 속도: 150m/min
절삭 이송: 0.2mm/tooth
절삭 깊이: 1.5mm
(2) 밀링 숄더링 가공
피삭재: SCM440 합금강
샘플형번 : APMT1704EDSR(ISO)
절삭 속도: 200 m/min
절삭 이송: 0.3 mm/tooth
절삭 깊이: 2 mm
상기 절삭조건들은 가공 특성상 단속 빈도가 높아 크랙의 발생 및 전파가 쉽게 일어나는 조건이므로, 박막의 내크랙성을 평가하는데 적합하다. 하기 표 2는 상기 절삭조건을 통해 수행된 절삭성능 평가결과를 정리한 것이다.
번호 터닝 단면 가공 밀링 가공 비고
가공길이
(m)		 500m가공시
Vb 마모량
(mm)		 가공길이
(m)
1-1 90 파손 6 비교예
1-2 720 1.42 12 비교예
1-3 720 1.45 15 비교예
1-4 630 1.52 12 비교예
2-1 810 1.29 15 실시예
2-2 810 1.23 15 실시예
2-3 900 0.81 18 실시예
2-4 900 0.92 18 실시예
3-1 720 1.22 18 실시예
3-2 720 1.33 15 실시예
3-3 990 0.70 21 실시예
3-4 990 0.76 21 실시예
4-1 810 1.09 15 실시예
4-2 810 1.14 15 실시예
4-3 990 0.77 21 실시예
4-4 990 0.82 18 실시예
표 2에 나타난 것과 같이, 본 발명에 따른 경질피막을 구비한 절삭공구를 사용하여 터닝 단면 가공을 수행한 경우, 비교예에 비해 가공 길이도 길어지며, 500m 가공시 Vb 마모량이 크게 줄어드는 것을 알 수 있다. 밀링 가공을 수행한 경우에도 대부분 가공 길이가 증가하는 것을 보여준다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 경질피막은, 절삭 가공 시에 요구되는 내마모성과 경질피막에 가해지는 전단응력에 대한 저항성을 가짐과 동시에 경질피막 내의 크랙 전파를 효율적으로 억제할 수 있어, 절삭공구의 인선의 손상 방지 및 마모 발생을 억제하여, 결과적으로 절삭공구의 수명을 향상시키는 효과를 얻는다.

Claims (5)

  1. 절삭공구의 모재의 표면에 PVD법으로 형성되는 경질피막으로,
    상기 경질피막은 전체 두께가 0.5 ~ 10㎛로 이루어지고,
    제1층과 제2층이 2회 이상 교대 반복하여 적층된 구조로 이루어진 교대 반복층을 포함하며,
    상기 제1층은 모재 표면에 평행인 방향에 대해 70 ~ 110°의 각도를 가지도록 성장한 주상정 구조(Columnar structure)를 가지는 단층 구조로 이루어지고, 상기 제2층은 등축정 구조(equi-axied crystal)를 가지며 모재 표면에 평행하게 성장한 2층 이상의 다층 구조를 가지고,
    상기 제1층과 제2층은 MeCxNyOz(0≤x≤0.6, 0.01≤y≤1, 0≤z≤0.6, x+y+z=1, Me는 전이원소를 포함한 1B ~ 8B 그리고 3A ~ 6A족의 원소 중에서 선택된 1종 이상)으로 이루어지고, 상기 제1층과 제2층의 조성은 상이한 것을 특징으로 하는, 절삭공구용 경질피막.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 교대 반복층의 하부에는 하지층이 형성되며,
    상기 하지층은 TiN, TiAlN, 또는 AlCrN인 것을 특징으로 하는, 절삭공구용 경질피막.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1층 또는 제2층의 두께는 상기 전체 두께를 유지하는 범위 내에서 100nm ~ 6㎛ 내로 조절되는, 절삭공구용 경질피막.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 주상정 구조의 평균 어스팩트비는 2 이상인, 절삭공구용 경질피막.
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