KR102372121B1

KR102372121B1 - H-aln 및 ti1-xalxcynz 층들을 구비한 코팅된 절삭 공구

Info

Publication number: KR102372121B1
Application number: KR1020187029760A
Authority: KR
Inventors: 디르크 슈틴스; 토르슈텐 만스
Original assignee: 발터 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2022-03-07
Also published as: US11247276B2; KR20180130520A; EP3436619A1; US20190111497A1; CN108884562A; EP3436619B1; WO2017167980A1; JP2019511378A

Abstract

초경합금, 서멧, 세라믹, 강 또는 입방정 질화붕소의 기판 및 다층의 내마모성 코팅으로 구성된 코팅된 절삭 공구로서, 다층의 내마모성 코팅은 5 ~ 25 ㎛ 의 총 두께를 가지고 화학 기상 증착 (CVD) 또는 중온 화학 기상 증착 (MT-CVD) 에 의해 성막된 내화 코팅 층들을 포함하고, 다층의 내마모성 코팅은 적어도 한 쌍의 층들 (a, b) 을 포함하고 층 (b) 은 층 (a) 의 바로 위에 성막되고, 층 (a) 은 육방 결정 구조 (h-AlN) 및 10 ㎚ ~ 750 ㎚ 의 두께를 가지는 질화 알루미늄 층이고, 층 (b) 은 일반식 Ti_1-xAl_xC_yN_z 로 나타낸 각각 티타늄 알루미늄 질화물 또는 티타늄 알루미늄 탄질화물의 층이고, 0.4 < x < 0.95, 0 ≤ y ≤ 0.10 이고 0.85 < z < 1.15 이고, 0.5 pm ~ 15 pm 의 두께를 가지고, 층 (b) 의 Ti_1-xAl_xC_yN_z 의 적어도 90% 는 면심 입방정 (fcc) 결정 구조를 갖는다.

Description

H-ALN 및 TI1-XALXCYNZ 층들을 구비한 코팅된 절삭 공구

본 발명은 초경합금, 서멧, 세라믹, 강 또는 입방정 질화붕소의 기판 및 화학 기상 증착 (CVD) 또는 중온 화학 기상 증착 (MT-CVD) 에 의해 상기 기판에 성막된 다층의 내마모성 코팅으로 구성되고 TiAlN 또는 TiAlCN 의 적어도 하나의 층을 포함하는 절삭 공구 인서트에 관한 것이다.

절삭 공구들의 내마모성은 종종 보통 CVD 또는 PVD 기법들에 의해 성막된 경질 내화 코팅들에 의해 개선된다. 다결정질 구조의 코팅들은 기판 표면에 대한 우선적 결정 배향 (섬유 텍스처) 으로 성장하는 것으로 알려져 있다. 우선적 결정 배향 (섬유 텍스처) 은 코팅 조성, 핵 형성 및 성막 조건들, 성막 표면 등과 같은 여러 인자들에 의존할 수도 있다. 코팅의 우선적 결정 배향은 코팅된 절삭 공구의 기계적 및 절삭 특성들에 대한 큰 영향을 미칠 수도 있다. 예를 들어, 결정 평면들 {001} 이 기판 표면에 수직으로 성장하는 우선적 결정 배향을 갖는 α-Al₂O₃ 코팅들은 많은 절삭 용도들에서 우수한 특성들을 보이는 것으로 설명되었다.

우선적 결정 배향 (섬유 텍스처) 은, 운동학적 또는 열역학적 이유들 때문에 특정한 결정 방향들에 따른 성장 (성장 텍스처) 에 유리할 수도 있는 층 성장 조건들에 의해 유도될 수도 있고, 또는 그것은 하부 층 또는 기판의 결정 배향 또는 구조 (에피택시에 의한 텍스처) 에 의해 유도될 수도 있다. 특히 Ti(C,N), TiAl(C,N) 또는 α-Al₂O₃ 과 같은 가장 통상적으로 도포된 코팅 층 조성물들에 대해, 적절한 프로세스 조건들을 선택함으로써 CVD 코팅들에서 우선적 결정 배향 (섬유 텍스처) 의 제어가 확립된다. 우선적 결정 배향 (섬유 텍스처) 을 결정하는 파라미터들은 반응성 가스들 및/또는 촉매 가스들의 선택 및 유동 비들일 수도 있다.

JP2014-128837 은, 고속 단속 절삭에서 개선된 안티-치핑 (anti-chipping) 특성들 및 결함 저항을 발휘하는 것으로 설명되는 표면-코팅된 절삭 공구를 개시한다. 경질 코팅은 CVD 에 의해 성막되고 (Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y) 층을 포함하고 0.80 ≤ x ≤ 0.95 이고 0.005 ≤ y ≤ 0.05 이다. (Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y) 층은 1 ~ 20 ㎛ 의 총 두께를 가지고, 그것은 0.50 ≤ x≤ 0.70 및 0.005 ≤ y ≤ 0.05 의 낮은 Al 함량의 복수의 1 ~ 10 ㎚ 의 얇은 (Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y) 단편 (fragmentation) 층들에 의해 상기 층의 두께를 따라 중단된다. 단편 층들은 층 두께 방향으로 1 ㎛ 층 두께당 10 ~ 50 개 층들의 밀도로 존재하고, 상기 층들은 프로세스 가스 혼합물에서 알루미늄 전구체들 AlCl₃ 및 Al(CH₃)₃ 의 낮은 농도들의 펄스 적용에 의해 CVD 성막 프로세스에서 획득된다. 단편 층들의 효과는 (Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y) 층의 주상 결정립 성장을 중단하고, 이 중단은 코팅 특성들의 이방성을 제한하고 유리한 기계적 거동을 유발하도록 되어 있다. (Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y) 층은 입방정 결정 구조를 갖는다.

WO 2014/034730 은 교번 (Ti_1-xAl_x)(C_yN_1-y) 층들 (A, B) 로 이루어진 CVD 경질 코팅 층을 갖는 절삭 공구를 개시하고, A 층들은 0.70 ≤ x≤ 0.80 이고 0.0005 ≤ y ≤ 0.005 의 조성, 평균 결정립 폭 W ≤ 0.1 ㎛ 및 결정립 길이 L ≤ 0.1 ㎛ 를 가지고, B 층들은 0.85 ≤ x ≤ 0.95 이고 0.0005 ≤ y ≤ 0.005 의 조성, 평균 결정립 폭 0.1 ㎛ ≤ W ≤ 2.0 ㎛ 및 결정립 길이 0.5 ㎛ ≤ L ≤ 5.0 ㎛ 를 가지고, 교번 적층 구조의 최상단 층은 A 층이다. 바람직한 실시형태에서, 두 층들은 전자 후방산란 회절 (EBSD) 측정들에 의해 결정된 대로 육방정 및 입방정 상들의 혼합물로 구성되고, 상기 A 층은 ≥ 50 % 의 입방정/(입방정 + 육방정) 상의 표면적 분율을 가지고, 상기 B 층은 ≥ 50 % 의 육방정/(입방정 + 육방정) 상의 비를 갖는 더 높은 표면적 분율의 육방정 상으로 구성된다.

미심사 일본 특허 출원 JP 2002-273607 A 는 교번하는 TiCN 및 AlN 층들의 CVD 다층 코팅을 개시하고, TiCN 층들은 MT-CVD 프로세스에 의해 성장되고 (422) 또는 (311) 텍스처의 우선적 성장 배향을 갖는다. AlN 중간층들 (interlayers) 을 부가하면 코팅의 내산화성 및 내균열성을 향상시킨다고 한다. AlN 층의 상에 대한 정보는 제공되지 않는다. 두 층들은 바람직하게 주상 미세 구조를 갖는다. AlN 층들은 MT-TiCN 층들의 텍스처를 변경하지 않고, 그것들은 TiCN 층들의 결정립 미세화 (refinement) 를 유도하지 않는 것 같다.

본 발명의 목적은, 단속 절삭에서 마모에 대해 향상된 저항, 특히 절삭 에지로부터 코팅의 연마 마모 및 치핑에 대한 향상된 저항을 가지는 보다 미세한 결정립이 있는 평활한 표면 코팅을 구비한 코팅된 절삭 공구를 제공하는 것이다.

본 발명은 초경합금, 서멧, 세라믹, 강 또는 입방정 질화붕소의 기판 및 다층의 내마모성 코팅으로 구성된 코팅된 절삭 공구를 제공하고, 상기 다층의 내마모성 코팅은 5 ~ 25 ㎛ 의 총 두께를 가지고 화학 기상 증착 (CVD) 또는 중온 화학 기상 증착 (MT-CVD) 에 의해 성막된 내화 코팅 층들을 포함하고, 상기 다층의 내마모성 코팅은 적어도 한 쌍의 층들 (a, b) 을 포함하고 층 (b) 은 층 (a) 의 바로 위에 성막되고,

- 층 (a) 은 육방 결정 구조 (h-AlN) 및 10 ㎚ ~ 750 ㎚ 의 두께를 가지는 질화 알루미늄의 층이고,

- 층 (b) 은, 0.4 ≤ x ≤ 0.95, 0 ≤ y ≤ 0.10 이고 0.85 ≤ z ≤ 1.15 인, 일반식 Ti_1-xAl_xC_yN_z 로 나타내고, 0.5 ㎛ ~ 15 ㎛ 의 두께를 가지는 티타늄 알루미늄 질화물 또는 티타늄 알루미늄 탄질화물의 층이고, 층 (b) 의 Ti_1-xAl_xC_yN_z 의 적어도 90% 는 면심 입방정 (fcc) 결정 구조를 갖는다.

TiAlCN 및 TiAlN 층들은, 특히 금속 가공을 위한 절삭 공구들의 내마모성 및 절삭 특성들을 개선하는데 유용한 경질 내화 코팅 층들로서 일반적으로 공지되었다. 하지만, TiAlCN 또는 TiAlN 층이 너무 얇다면, 그것은 보다 빠르게 마모될 것이고 내마모성 및 절삭 특성들에 대해 이로운 영향을 발휘하지 못할 수도 있다. 다른 한편으로는, TiAlCN 또는 TiAlN 층 성장이 CVD 성막 중 너무 두껍다면 그것은 내마모성 및 절삭 특성들을 손상시키는 원치 않는 상들 및 미세 구조를 발생시킬 수 있고, 결정립도들이 커져서 코팅으로부터 결정립들의 찢김으로 인해 원치 않는 경도 특성들 또는 불균등한 마모 진화를 유발할 수도 있다.

이제, 본 발명자들은 코팅에 한 쌍 이상의 층들 (a, b) 을 얻도록 본원에서 규정된 유형의 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (b) 아래에 육방 결정 구조 (h-AlN) 를 가지는 질화 알루미늄의 층 (a) 을 성막함으로써 TiAlCN 또는 TiAlN 층들을 포함하는 경질 코팅들의 특성들이 개선될 수 있음을 발견하였다. 그리하여, 코팅의 최외측 내마모성 층은 바람직하게 상단 코팅 층으로서 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (b) 이다. 대안예로서, 하나 이상의 얇은 상단 코팅 층들은, 이러한 절삭 공구들의 최외측 표면 상에 윤활 및/또는 장식 및/또는 마모 표시 상단 층으로서 보통 적용되는 예를 들어 약 0.5 ㎛ 두께의 얇은 TiN 층과 같은 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (b) 의 상부에 성막될 수도 있다.

본 발명의 코팅은, 절삭 공구의 원하는 특성들에 따라, 하나의 단일 쌍의 h-AlN 층 (a) 및 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (b) 또는 순차적인 여러 쌍들의 h-AlN 층들 (a) 및 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층들 (b) 을 포함할 수도 있다.

본 발명은 기판 표면과 제 1 쌍의 층들 (a, b) 사이 그리고/또는 쌍들의 층들 (a, b) 사이에 추가 경질 내화 층들을 포함하는 실시형태들을 포함한다. 이하 더 상세히 논의되는 것처럼, 본 발명에서 제 1 쌍의 층들 (a, b) 의 제 1 h-AlN 층 (a) 바로 아래에 그리고 기판 표면 사이에 적어도 하나의 추가 경질 내화 층이 제공된다. 이러한 추가 경질 내화 층은 바람직하게 주상 또는 등축 결정 모폴로지, 바람직하게 주상 결정 모폴로지를 가지는 TiAlCN, TiAlN, TiCN 및 TiN 으로부터 선택될 수도 있다. TiAlCN, TiAlN, TiCN 및 TiN 으로부터 선택된 추가 경질 내화 층은 본원에서 텍스처 계수 (TC) 로 특징짓는 동일하거나 상이한 바람직한 결정 성장 배향 (섬유 텍스처) 을 가질 수도 있다.

본 발명의 발명자들은, 놀랍게도, 제 1 쌍의 층들 (a, b) 의 제 1 h-AlN 층 (a) 바로 아래에 그리고 기판 표면 사이에 제공된 추가 경질 내화 층이 동일하거나 상이한 바람직한 결정 성장 배향 (섬유 텍스처) 을 가지든지 상관없이 그리고 이 추가 경질 내화 층이 주상 또는 등축 결정 모폴로지를 가지든지 상관없이, 하나 또는 여러 쌍들의 h-AlN 층들 (a) 및 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층들 (b) 내에서 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (b) 이 바람직한 결정 성장 배향 (섬유 텍스처), 바람직하게 {111} 텍스처를 가지고 생성될 수 있음을 발견하였다.

이론에 얽매이지 않으면서, 발명자들은, 육방정 질화 알루미늄 (h-AlN) 의 층 (a) 을 제공하면 CVD 프로세스에서 원하는 면심 입방정 (fcc) 결정 구조에서 고도로 성장하는 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (b) 의 핵 형성을 위한 고 밀도의 핵 형성 부위들을 제공하는 것으로 상정한다. 또한, 발명자들은, 육방정 질화 알루미늄 (h-AlN) 의 층 (a) 을 제공함으로써 전체 코팅의 특성들을 개선하도록 원하는 결정 성장 배향 (섬유 텍스처) 및 미세 구조를 갖는 미세 결정립의 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (b) 을 제조할 수 있다는 점을 발견하였다. 또한, h-AlN 층 (a) 바로 아래에 제공된 추가 경질 내화 층에 육방정 질화 알루미늄 (h-AlN) 의 층 (a) 을 제공하면 추가 경질 내화 층으로부터 h-AlN 층 (a) 위의 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (b) 으로 바람직한 결정 성장 배향 (섬유 텍스처) 의 변화, 예를 들어 추가 경질 내화 층에서 {200} 또는 {422} 텍스처로부터 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (b) 에서 {111} 텍스처로 변화를 허용한다는 점을 발견하였다.

동시에, 또한 놀랍게도, 육방정 h-AlN 층 (a) 및 면심 입방정 (fcc) Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (b) 의 매우 다른 결정 대칭에도 불구하고, 층들 (a, b) 사이와 또한 층 (a) 과 육방정 h-AlN 층 (a) 아래에 성막된 추가 경질 내화 층 사이 본딩 및 접착은 매우 양호하다는 점을 발견하였다. 이것은 예를 들어 fcc TiCN 과 능형 (rhombohedral) α-Al₂O₃ 과 같은 다른 결정 대칭들의 공지된 다른 층들 사이 본딩 및 접착은 꽤 불만족스럽다는 점이 종래 기술로부터 지식 면에서 예상할 수 없다.

발명자들은 또한 육방정 질화 알루미늄 (h-AlN) 의 층 (a) 을 제공함으로써 하부면 조도의 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (b) 의 매우 평활한 표면 구조를 달성할 수 있다는 점을 발견하였다. 이것은 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (b) 에 대해 달성된 덜 두드러진 표면 패싯들 및 결정 성장 배향 (섬유 텍스처) 과 관련 있는 것으로 상정된다.

본 발명의 일 실시형태에서 코팅된 절삭 공구의 다층의 내마모성 코팅은 하나의 단일 쌍의 h-AlN 층 (a) 및 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (b) 및 h-AlN 층 (a) 바로 아래의 적어도 하나의 추가 경질 내화 층을 포함한다. h-AlN 층 (a) 은, Ti_1-xAl_xC_yN_z 층이 하부 경질 내화 층에서 에피택셜 성장하는 것을 방지하는 핵 재형성 층으로서 작용하는 것으로 상정된다. 이것은 유리한 효과를 이끈다. 추가 경질 내화 층의 결정립 성장은 h-AlN 층 (a) 에 의해 중단되고, 따라서, Ti_1-xAl_xC_yN_z 결정립들의 성장은 h-AlN 층 (a) 에서, 각각, 개시되거나 핵 형성되고 추가 내화 층의 결정립들로부터 계속되지 않는다. 그러므로, Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (b) 뿐만 아니라 추가 경질 내화 층의 결정립도들이 제한되고 비교적 작게 유지된다. 또한, h-AlN 층 (a) 으로 인해 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (b) 은 추가 경질 내화 층에서 에피택셜 방식으로 성장하지 않고, 따라서, Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (b) 은 추가 경질 내화 층과 다른 우선적 결정 배향 (텍스처) 으로 성장될 수 있다. 이것은 다른 원하는 우선적 결정 배향들로 하부 추가 내화 층 및 상부 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (b) 양자를 성장시킬 가능성을 제공한다. 이것은 개별 층들의 우선적 결정 배향의 측면에서 코팅 특성들의 최적화를 허용한다.

예를 들어, Ti_1-xAl_xC_yN_z 코팅들의 fcc 상에서 탄성 이방성은 화학 조성에 따라 크게 변하는 것으로 알려져 있다. 영 계수 비 E ¹¹¹ /E ¹⁰⁰ 은 TiN (x=0) 에 대해 약 0.7 로부터 AlN (x=1) 에 대해 2.1 까지 지속적으로 증가하여서 [F. Tasnadi 외, Applied Physics Letters 97, 231902 (2010)] 순수한 TiN 또는 Ti-풍부 Ti_1-xAl_xN 코팅들은 {100} 우선적 결정 배향 (텍스처) 을 가질 때 우수한 내마모성을 가지는 것으로 기대되고, 반면에 Al-풍부 또는 순수한 AlN 코팅들에 대해 더 양호한 내마모성이 {111} 우선적 결정 배향 (텍스처) 의 경우에 기대된다. 따라서, 본 발명은 다른 내마모성 층들의 최적의 결정 텍스처들을 조합한 텍스처-엔지니어드 다층 내마모성 코팅들을 발생시킬 가능성을 열어준다.

본 발명의 다른 실시형태에서, 코팅된 절삭 공구의 다층의 내마모성 코팅은 일련의 두 쌍 이상의 h-AlN 층들 (a) 및 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층들 (b) 을 포함한다. 바람직하게, 코팅된 절삭 공구의 다층의 내마모성 코팅은 일련의 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 또는 10 쌍의 층들 (a, b) 을 포함한다. 바람직하게, 제 1 h-AlN 층 (a) 바로 아래에, 즉 기판 표면과 제 1 쌍의 층들 (a, b) 사이에 적어도 하나의 추가 경질 내화 층이 제공된다. 일련의 여러 쌍들의 층들 (a, b) 을 제공함으로써, Ti_1-xAl_xC_yN_z 층은 심지어 보다 높은 전체 코팅 두께들에서 비교적 작은 평균 결정립도를 유지하여서, 예컨대 큰 결정립들을 빼냄으로써 내마모성 및 절삭 특성들을 손상시키는 조대한 결정립이 있는 미세 구조의 형성을 방지한다. 동시에, 다수 쌍들의 층들 (a, b) 의 두께와 대략 동일한 두께의 단일 층으로서 성막된 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (b) 과 비교해, 덜 두드러진 표면 패싯들을 갖는 하부면 조도의 외부 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (b) 의 평활한 표면 구조가 달성된다.

본 발명에 따르면, 각각의 h-AlN 층들 (a) 의 두께는 10 ㎚ ~ 750 ㎚ 의 범위 내에 있다. h-AlN 층(들) (a) 이 너무 얇다면, 기판 또는 바로 아래 추가 경질 내화 층이 또한 입방정 구조를 가질 때 AlN 코팅 층이 AlN 의 준안정성 입방정 상에서 몇 나노미터에 대해 계속 성장하므로 원하는 육방정 상이 형성되지 않을 수도 있다. h-AlN 층(들) (a) 이 너무 두껍다면, 총 전체 코팅은 육방정 상의 연성으로 인해 내마모성이 더 낮을 수도 있다. 보다 바람직하게, h-AlN 층(들) (a) 의 두께는 10 ㎚ ~ 400 ㎚, 바람직하게 25 ㎚ ~ 250 ㎚, 가장 바람직하게 40 ㎚ ~ 100 ㎚ 이다.

본 발명에 따르면, 각각의 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층들 (b) 의 두께는 0.5 ㎛ ~ 15 ㎛ 이다. 바람직하게, 각각의 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층들 (b) 의 두께는 1 ㎛ ~ 8 ㎛ 이다. Ti_1-xAl_xC_yN_z 층들 (b) 이 너무 얇다면, h-AlN 층들 (a) 의 입방정 상 대 육방정 상의 전체 비는 너무 낮아지고 육방정 상의 연성으로 인해 내마모성이 저하된다. 또한 원하는 성장 텍스처는 너무 얇은 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (b) 에서 충분히 진화하지 않을 수도 있다. Ti_1-xAl_xC_yN_z 층들 (b) 이 너무 두껍다면 각각의 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층들 (b) 의 결정립도는 너무 커져서 취성 거동 및 불균등한 마모를 이끌 수도 있다.

본 발명의 다른 실시형태에서, 층 (b) 이 층 (a) 바로 위에 성막된 각 쌍의 층들 (a, b) 내에서 h-AlN 층 (a) 의 두께 대 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층들 (b) 의 두께의 두께 비는 0.01 내지 0.5 의 범위 내에 있다. 두께 비가 너무 낮다면, h-AlN 층 (a) 은 너무 얇아져서 하부 기판을 충분히 덮지 않고 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (b) 의 성장을 위한 핵 형성 부위들을 제공하는 구조를 발생시키지 못할 수도 있다. 비가 너무 높다면, 육방정 상의 연성으로 인해 내마모성이 저하된다.

본 발명의 다른 실시형태에서, h-AlN 층들 (a) 은 5 at.-% 미만, 바람직하게 2.5 at.-% 미만, 가장 바람직하게 1 at.% 미만의 염소 함량 또는 2 ~ 3 at.-% 의 염소 함량을 갖는다. h-AlN 층들 (a) 에서 염소 함량의 기원 및 효과에 관한 이론에 얽매이지 않으면서, 발명자들은 h-AlN 층들 (a) 의 성막에서 보통 관찰되는 높은 성장률 및 비교적 낮은 프로세스 온도로 인해, 염소가 결정립계들 또는 다른 결정학적 결함들에서 코팅의 미세 결정립 구조에 포함되는 것으로 믿는다. 미세 결정립 구조가 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (b) 의 성장을 위한 핵 재형성 효과를 얻고자 하는 경우에, h-AlN 층들 (a) 에서 너무 높은 염소 함량은 층의 연화를 이끌 것이다. 따라서, 전체 코팅은 h-AlN 층들 (a) 에 대해 상기 지정된 범위의 염소 함량을 가지는 것이 유리하다. 그리고, 당업자는 적은 수의 실험들에 의해 원하는 염소 함량을 달성하는 프로세스 조건들을 설정하는 방법을 알거나 발견할 것이다.

본 발명의 다른 실시형태에서, 층 (b) 이 층 (a) 의 바로 위에 성막된 상태에서 한 쌍의 층들 (a, b) 내에서 상기 (b) 유형의 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층들은 주상 결정립 모폴로지 및 텍스처 계수 TC (111) > 1.8 로 특징짓는 바람직한 결정 성장 배향을 가지고, 상기 TC (111) 은 다음과 같이 규정되고:

여기에서

I(111) = (111) 반사의 측정된 강도

I ₀ (111) = 적용된 JCPDF-카드 00-046-1200 번에 따른 표준 분말 회절 데이터의 (111) 반사의 표준 강도

I(hkl) _i = (hkl) _i 반사의 측정된 강도

I ₀ (hkl) _i = 적용된 JCPDF-카드 00-046-1200 번에 따른 표준 분말 회절 데이터의 (hkl) _i 반사의 표준 강도

n = 계산에 사용된 반사 수 (여기에서: n = 4)

(hkl) _i 사용된 (hkl) _i 반사는: (111), (200), (220) 및 (311) 이다.

본 발명에 따른 Al-풍부 화학 조성을 갖는 (b) 유형의 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층들의 탄성 이방성은, 탄성 계수가 <111 > 결정 방향을 따라 가장 높고, {111] 텍스처의 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층들이 우수한 내마모성을 보이도록 되어 있다. 특히, 발명자들은 {111} 텍스처의 층들이 열 균열 발생에 대한 우수한 저항을 보이는 것을 발견하였다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 다층의 내마모성 코팅은 기판 표면과 제 1 쌍의 층들 (a, b) 사이에, 즉 (a) 유형의 제 1 h-AlN 층 아래에 적어도 하나의 추가 경질 내화 층을 포함할 수도 있다. 본 발명의 바람직한 실시형태에서, 다층의 내마모성 코팅은 티타늄 질화물 (TiN), 티타늄 탄질화물 (TiCN), 티타늄 알루미늄 질화물 (TiAlN) 및 티타늄 알루미늄 탄질화물 (TiAlCN) 로 구성된 군에서 선택된 층을 포함하고, 상기 층은 (a) 유형의 제 1 h-AlN 층 바로 아래에 성막되고 바람직하게 주상 결정립 모폴로지를 갖는다. 본 발명의 다층의 내마모성 코팅에서 쌍을 이룬 층들 (a, b) 과 추가 경질 내화 층의 조합은 본 기술분야의 당업자가 특정 목적을 위해, 예컨대 {211} 텍스처의 MT-TiCN 층들의 높은 연마 마모 저항과 열 충격에 대해 (b) 유형의 {111} 텍스처의 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층들의 저항을 조합하기 위해 코팅들을 설계할 수 있도록 허용한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 (a) 유형의 제 1 h-AlN 층 바로 아래에 성막된 상기 언급된 추가 경질 내화 층은 TiAlN, TiAlCN, TiN 또는 TiCN 층이고 텍스처 계수 TC (200) > 1.8 로 특징짓는 바람직한 결정 성장 배향을 가지고, 상기 TC (200) 은 다음과 같이 규정되고:

여기에서

I(200) = (200) 반사의 측정된 강도

I ₀ (200) = 상기 층이 TiAlN 또는 TiAlCN 층일 때 적용된 JCPDF-카드 00-046-1200 번에 따른, 그리고 상기 층이 TiN 또는 TiCN 층일 때 JCPDF 카드 00-42-1489 번에 따른 표준 분말 회절 데이터의 (200) 반사의 표준 강도

I(hkl) _i = (hkl) _i 반사의 측정된 강도

I ₀ (hkl) _i = 상기 층이 TiAlN 또는 TiAlCN 층일 때 적용된 JCPDF-카드 00-046-1200 번에 따른, 그리고 상기 층이 TiN 또는 TiCN 층일 때 JCPDF 카드 00-42-1489 번에 따른 표준 분말 회절 데이터의 (hkl) _i 반사의 표준 강도

n = 계산에 사용된 반사 수 (여기에서: n = 4)

추가 경질 내화 층으로서 TiAlN, TiAlCN, TiN 또는 TiCN 층은 {200} 텍스처와 연관된 유리한 기계적 특성을 가지고, {111} 텍스처의 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (b) 과 조합된다면, 그것은 코팅의 우수한 전반적인 특성을 제공한다.

본 발명의 다른 실시형태에서, 상기 제 1 h-AlN 층 (a) 바로 아래에 성막된 상기 언급된 추가 경질 내화 층은 티타늄 탄질화물 (TiCN) 의 층이고 텍스처 계수 TC (422) > 1.8 로 특징짓는 바람직한 결정 성장 배향을 가지고, 상기 TC (422) 는 다음과 같이 규정되고:

여기에서

I(422) = (422) 반사의 측정된 강도

I ₀ (422) = 적용된 JCPDF-카드 00-42-1489 번에 따른 표준 분말 회절 데이터의 (422) 반사의 표준 강도

I(hkl) _i = (hkl) _i 반사의 측정된 강도

I ₀ (hkl) _i = 적용된 JCPDF-카드 00-42-1489 번에 따른 표준 분말 회절 데이터의 (hkl) _i 반사의 표준 강도

n = 계산에 사용된 반사 수 (여기에서: n = 5)

(hkl) _i 사용된 (hkl) _i 반사는: (111), (200), (220), (311) 및 (422) 이다.

추가 경질 내화 층으로서 사용된다면, {211} 텍스처를 갖는 TiCN 층은 특히 연속 절삭 작동들에서 연마 마모 저항에 대해 유리한 특성들을 가지고, 우수한 내마모성을 가지는 {111} 텍스처의 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층들과 조합된다면, 그것은 절삭 공구에 열기계적 충격들을 가하는 작동들에서 유리한 특성들을 제공한다.

본 발명의 다른 실시형태에서, 상기 (a) 유형의 제 1 h-AlN 층 바로 아래에 성막된 상기 언급된 추가 경질 내화 층은 티타늄 알루미늄 질화물 (TiAlN) 또는 티타늄 알루미늄 탄질화물 (TiAlCN) 의 층이고 텍스처 계수 TC (111) > 1.8 로 특징짓는 바람직한 결정 성장 배향을 가지고, 상기 TC (111) 은 다음과 같이 규정되고:

여기에서

I(111) = (111) 반사의 측정된 강도

I(hkl) _i = (hkl) _i 반사의 측정된 강도

n = 계산에 사용된 반사 수 (여기에서: n = 4)

본 발명의 이 실시형태는, 동일한 재료의 단일 층보다 작은 결정립들을 가지면서, 코팅 재료의 기계적 특성들의 이방성으로 인해 우수한 내마모성을 가지는 복수의 {111} 텍스처의 티타늄 알루미늄 질화물 (TiAlN) 또는 티타늄 알루미늄 탄질화물 (TiAlCN) 층들을 갖는 코팅을 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에서, (a) 유형의 제 1 h-AlN 층(들)은 0.1 at.-% 미만의 W 함량, 및/또는 0.1 at.-% 미만의 Co 함량, 및/또는 0.5 at.-% 미만의 Ti 함량, 바람직하게 0.3 at.-% 미만의 Ti 함량을 갖는다.

본 발명에 따르면, 층들 (b) 의 각각의 Ti_1-xAl_xC_yN_z 의 적어도 90% 는 면심 입방정 (fcc) 결정 구조를 갖는다. 하지만, 층 (b) 의 Ti_1-xAl_xC_yN_z 의 적어도 95%, 또는 적어도 97% 가 면심 입방정 (fcc) 결정 구조를 갖는 것이 더욱 더 바람직하다.

부적절한 프로세스 조건들을 선택했을 때, 층 (b) 의 Ti_1-xAl_xC_yN_z 는, fcc 구조보다 더 연성이어서 더 불량한 내마모성을 가지는 상당한 양의 육방정 상으로 성막될 수도 있다. 따라서 성막된 대로의 상태에서 거의 100% 의 면심 입방정 (fcc) 결정 구조를 갖는 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층들 (b) 을 가지는 것이 바람직하다.

h-AlN 층 (a) 아래 추가 경질 내화 층이 TiAlN, TiAlCN, TiN 또는 TiCN 층이라면, 본 출원의 발명자들은 투과 전자 현미경에서 전자 회절에 의해 또는 h-AlN 의 {001} 평면들이 바로 아래 층의 {001} 평면들에 평행하게 배향된 HR-TEM 이미지들의 FFT 들에 의해 관찰되었다. 바로 아래 층의 이러한 {001} 평면들은 보통 기판 표면에 평행하게 또는 층 성장 방향에 수직으로 각각 배향되지 않는다. 예를 들어, 추가 경질 내화 층이 {111} 텍스처를 갖는 바람직한 성장 배향을 갖는, 즉 결정 평면 {111} 이 기판 표면에 평행하게 성장하는 TiAlN 또는 TiAlCN 이라면, {001} 결정 평면들이 {111} 결정 평면들과 약 54.7°의 각도를 포함하고, {001} 결정 평면들 (패싯들) 은 추가 경질 내화 층의 끝을 이룬다. 그리고, fcc 구조의 추가 경질 내화 층이 {200}, {422} 또는 {111} 텍스처를 갖는지 관계 없이, h-AlN 층 (a) 위 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (b) 이 바람직하게 {111} 텍스처로, 즉 경질 내화 층에 대해 비에피택셜 관계로 성장될 수 있다. 따라서, 발명자들은 h-AlN 층 (a) 이 아래 경질 내화 층과 h-AlN 층 (a) 위 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (b) 사이 에피택시를 파괴하기에 유용하고, 동시에, Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (b) 의 성장을 위한 고 밀도의 핵 재형성 부위들을 제공하는 것을 발견하였다.

도면들은 이하 설명된 실시예들에 따라 준비된 샘플들의 SEM 현미경 사진들을 보여준다.

도 1a 및 도 1b 는 (본 발명에 따른) 샘플 #1 의 단면도 (도 1a) 및 표면 상의 상면도 (도 1b) 의 SEM 현미경 사진들을 보여준다.
도 2a 및 도 2b 는 (본 발명에 따른) 샘플 #2 의 단면도 (도 2a) 및 표면 상의 상면도 (도 2b) 의 SEM 현미경 사진들을 보여준다.
도 3a 및 도 3b 는 (본 발명에 따른) 샘플 #3 의 단면도 (도 3a) 및 표면 상의 상면도 (도 3b) 의 SEM 현미경 사진들을 보여준다.
도 4a 및 도 4b 는 (비교예) 샘플 #4 의 단면도 (도 4a) 및 표면 상의 상면도 (도 4b) 의 SEM 현미경 사진들을 보여준다.
도 5a 및 도 5b 는 (본 발명에 따른) 샘플 #5 의 단면도 (도 5a) 및 표면 상의 상면도 (도 5b) 의 SEM 현미경 사진들을 보여준다.
도 6a 및 도 6b 는 (비교예) 샘플 #6 의 단면도 (도 6a) 및 표면 상의 상면도 (도 6b) 의 SEM 현미경 사진들을 보여준다.

정의 및 방법

섬유 텍스처 및 텍스처 계수 TC

본원에서 사용된 대로 그리고 일반적으로 증기 성막에 의해 제조된 얇은 필름들과 관련하여 사용될 때, 용어 "섬유 텍스처" 또는 "텍스처" 는 각각 성장된 결정립들의 배향을 랜덤 배향과 구별한다. 3 가지 유형들의 텍스처들은 보통 얇은 필름들 및 코팅들로 다음과 같이 구별된다: (i) 결정립들이 바람직한 배향을 가지지 않을 때 랜덤 텍스처; (ⅱ) 일 세트의 기하학적으로 등가의 결정 평면들 {h k l} 이 기판에 우선적으로 평행하게 배향된 것으로 발견되도록 코팅 내 결정립들이 배향되고, 이 평면에 수직이어서 우선적으로 기판에 수직으로 배향된 섬유 축선 둘레에서 결정립들의 회전 자유도가 있는 섬유 텍스처; 및 (ⅲ) 평면내 정렬이 기판에 대한 결정립의 모든 3 개의 축선들을 고정한, 단결정 기판들 상의 에피택셜 정렬 (또는 평면내 텍스처).

결정의 결정 평면은 Miller 지수들, h k l 로 규정된다. 바람직한 성장, 즉 일 세트의 기하학적으로 등가의 결정 평면들 {h k l} 이 우선적으로 기판에 평행하게 배향되는 것으로 발견되는 것을 표현한 수단은, 각각의 샘플에서 측정된 규정된 세트의 XRD 반사들을 기반으로 하리스 (Harris) 식을 사용해 계산된 텍스처 계수 TC (h k l) 이다. XRD 반사들의 강도들은 동일한 재료, 예컨대 TiCN 이지만, 재료 분말에서처럼 랜덤 배향을 갖는 XRD 반사들의 강도들을 나타내는 JCPDF-카드를 사용해 표준화된다. 결정형 재료로 된 층의 텍스처 계수 TC (h k l) > 1 은, 적어도 텍스처 계수 TC 를 결정하기 위해서 하리스 식에 사용된 XRD 반사들과 비교해, 결정형 재료의 결정립들이 랜덤 분배에서보다 더 빈번하게 기판 표면에 평행한 {h k l} 결정 평면을 가지고 배향된 것을 나타낸다.

X-선 회절 (XRD) 측정들

CuKα-방사선을 사용해 GE Sensing and Inspection Technologies 의 XRD3003 PTS 회절계에서 X-선 회절 측정들이 수행되었다. X-선 튜브는 40 ㎸ 및 40 ㎃ 로 초점에서 가동되었다. 고정된 크기의 측정 구경을 갖는 폴리카필러리 (polycapillary) 조준 렌즈를 사용하는 평행 빔 광학 장치가 일차 측에서 사용되어서 샘플의 코팅된 면을 통한 X-선 빔의 스필 오버 (spill over) 를 피하도록 샘플의 조사 영역이 규정되었다. 이차 측에서 0.4° 의 발산을 갖는 솔러 (Soller) 슬릿 및 25 ㎛ 두께의 Ni K_β 필터를 사용하였다. 0.04°의 증분 및 4 초의 계수 시간과 20° < 2θ < 155° 의 각도 범위 내에서 대칭 θ ~ 2θ 스캔이 수행되었다. XRD 미가공 데이터에서 얇은 필름 흡수에 대한 강도 보정은 벌크 재료에서 자연 침투 깊이와 대조적으로 층의 제한된 두께를 고려한 모든 샘플들에 적용되었다. 또한 TC 들이 계산되는 층 위에 부가적 층이 성막된 샘플들에 대해 흡수 보정이 적용되었다. 끝으로 K_α2 스트리핑 (Rachinger 방법), 5 개의 측정 점들에 대한 배경 제거 (background subtraction) 및 파라볼릭 피크피트 (parabolic peakfit) 가 적용되었다. 따라서, 본원에 나타낸 임의의 XRD 피크 강도들은 이와 같이 보정된 강도들을 의미한다. 텍스처 계수들 TC(hkl) 의 계산을 위해 하리스에 의한 형식 [Harris, G. B., Philosophical 매거진 시리즈 7, 43/336, 1952, 113 ~ 123 페이지] 이 적용되었다. 본원에서 보정된 순 피크 강도들 (l _corr ) 은 TiN 또는 TiCN 층들에 대한 PDF-카드 00-42-1489 및 TiAlN 또는 TiAlCN 층들에 대한 PDF-카드 00-046-1200 으로부터 취한 상대 강도들 (I _pdf ) 과 상관관련이 있다.

투과 전자 현미경 (TEM) EDS 분석

300 ㎸ 의 가속 전압에서 전계 방출 캐소드를 갖는 FEI Titan 80-300 현미경에서 투과 전자 현미경적 (TEM) 분석들이 수행되었다. EDS 분석들을 위해 Oxford Inca EDS 시스템이 사용되었다. TEM 을 위한 샘플들의 제조는, 표면에서 얇은 단면 피스를 절단하고 충분한 전자 투명도까지 샘플을 얇게 하기 위해서 조합된 FIB/SEM 장비를 사용하는 인 사이튜 리프트 아웃 (in-situ lift-out) 기법에 의해 이루어졌다.

전자 후방산란 회절 (EBSD) 에 의한 결정 구조 결정

층 (b) 의 Ti_1-xAl_xC_yN_z 의 면심 입방정 (fcc) 결정 구조의 비율은 샘플들의 폴리싱된 단면들에 대한 EBSD 분석에 의해 결정되었다. 폴리싱이 다음 절차에 따라 수행되었다: 연마 디스크 Struers Piano 220 및 물을 사용한 6 분의 연마; Struers 9 ㎛ MD-Largo 다이아몬드 서스펜션을 사용한 3 분의 폴리싱; Struers 3 ㎛ MD-dac 다이아몬드 서스펜션을 사용한 3:40 분의 폴리싱; Struers 1 ㎛ MD-Nap 다이아몬드 서스펜션을 사용한 2 분의 폴리싱; 0.04 ㎛ 평균 입도를 갖는 Struers OP-S 콜로이드성 실리카 서스펜션을 사용하는 적어도 12 분의 화학 폴리싱. SEM/EBSD 분석 전 시편들은 에탄올에서 초음파 세정되었고 탈자되었다. (전형적으로 2.5 ㎸ 의 가속 전압 및 3 ~ 10 ㎜ 의 작동 거리들에서 Everhart-Thornley 이차 전자 검출기를 사용한) FE-SE 에서 이와 같이 제조된 시편들의 검사는 면심 입방정 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층들의 결정립들이 평평한 표면으로 폴리싱되어서, 뚜렷한 배향 대비를 보여주고, 반면에 h-AlN 또는 fcc-Ti_1-xAl_xC_yN_z 층들의 결정립계들에서 석출된 h-AlN 의 층들은 fcc-상 결정립들보다 상당히 더 강하게 에칭되고, 따라서 코팅의 이 부분들의 표면은 fcc 상보다 낮고, 평평한 표면을 갖지 않는다. 이런 토포그래피로 인해, h-AlN 으로 구성된 코팅의 부분들은 이하 설명된 EBSD 분석에서 불량한 EBSD 패턴들을 제공할 것이다.

EBSD 분석은, 약 12 ㎜ 작동 거리에서 폴리싱된 샘플들 표면에 대한 전자 빔의 70° 입사 각도로 고 전류 모드에서 작동하는 15 ㎸ 가속 전압 및 60 ㎛ 또는 120 ㎛ 구경을 사용해 전계 방출 캐소드를 갖는 Zeiss SUPRA40VP 주사형 전자 현미경 (SEM) 에서 수행되었다. EBSD 검출기는 EDAX Digiview 카메라였고, TSL OIM 데이터 수집 7 및 TSL OIM 분석 7 소프트웨어 패키지들은, 각각, 데이터 수집 및 분석을 위해 사용되었다. EBSD 맵들을 위한 전형적인 취득 및 프로세싱 파라미터들은 다음과 같다: 맵 크기는 기판 표면에 평행한 약 25 ㎛ 의 길이로 선택되었고 코팅의 전체 두께는 ≤ 0.15 ㎛ 스텝 크기 및 측정 점들의 육각형 그리드를 사용해 커버되었다. 4x4 또는 8x8 비닝 (binning) 및 선택적으로 동적 배경 제거는 20 ~ 100 프레임/초에 대응하는 노출 시간을 사용해 카메라 사진에서 수행되었다. 하지만, 대체로, 전술한 제조 절차는 배경 제거 절차들을 수행하지 않으면서 충분한 품질을 갖는 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층들의 회절 패턴들을 제공한 샘플들을 생산하였다. 회절 패턴의 인덱싱은 허프 변환 (Hough transformation) 에 의해 수행되었다. 이와 같이 기록된 데이터 점들은 > 0.2 의 평균 신뢰도 지수 (CI) 로 이상적으로 인덱싱되어야 한다. CI 는 회절 패턴의 자동화된 인덱싱 중 TSL OIM 분석 7 소프트웨어에 의해 계산된다.

제 1 단계에서, EBSD 맵은 분석될 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (b) 의 데이터 점들만 얻도록 잘라낸다. 제 2 단계에서, 5° 의 결정립 공차 각도 및 5 개의 데이터 점들의 최소 결정립도를 적용하는 결정립 CI 표준화가 실시된다. 제 3 단계에서, 필터 CI > 0.1 을 적용한 이렇게 발생된 데이터 세트의 분할이 실시되고, 즉 결정립 CI 표준화 후, 더 낮은 신뢰도 지수를 가지는 모든 데이터 점들이 무시된다. 비 (CI 표준화 및 필터링 후 fcc 상으로서 인덱싱된 데이터 점들의 수/잘라낸 맵에서 데이터 점들의 총 수) 는 분석된 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 내에서 fcc 상의 면적 비 (면적-% 로 제공) 에 대응한다. 하지만, 결정립계들에서 패턴 중첩 및 토포그래피는 fcc 상 Ti_1-xAl_xC_yN_z 로부터 획득된 EBSD 패턴들의 불량한 인덱싱을 이끌기 때문에, 이렇게 획득된 값들은 층에서 fcc 상의 최소 분율을 나타내고, 실제 분율은 더 높다. 전형적으로 XRD 및 SEM 이 h-AlN 을 나타내지 않고, 따라서 실제로 약 100% fcc 상으로 구성된 Ti_1-xAl_xC_yN_z 코팅들에서, 전술한 EBSD 측정 및 프로세싱 방법은 fcc 상으로 인덱싱된 EBSD 맵의 > 95 면적-% 를 발생시킨다.

CVD 코팅들

1250 ㎜ 높이 및 325 ㎜ 외부 직경을 가지는, 반경 방향 유동 반응기, 유형 Bernex BPX 325S 에서 CVD 코팅들이 제조되었다. 충전 트레이들에 대한 가스 유동은 중앙 가스 튜브로부터 반경 방향이었다.

실시예들

샘플 제조

본 발명에 따른 그리고 비교예들의 절삭 공구들의 제조를 위해 초경합금 절삭 공구 기판 보디들 (조성: 90.5 wt-% WC, 1.5 wt-% TaC + NbC 및 8.0 wt-% Co; 기하학적 구조: SEHW1204AFN) 은 1250 ㎜ 의 높이 및 325 ㎜ 의 직경을 가지는 실린더형 CVD 반응기, 유형 Bernex BPX 325S 에서 코팅되었다.

기판 보디들에 대한 가스 유동은 제 1 및 제 2 전구체 가스 스트림들, PG1 및 PG2 를 사용해 중앙 가스 분배 튜브로부터 반경 방향으로 안내되었다. 제 1 전구체 가스 스트림, PG1 은 원하는 코팅의 제조에 필요할 때까지 가스들 AlCl₃, TiCl₄, CH₃CN, N₂ 및 수소 H₂ 를 포함하고, 제 2 전구체 가스 스트림, PG2 는 원하는 코팅의 제조에 필요할 때까지 NH₃ 및 H₂ 를 포함한다. 제 1 및 제 2 전구체 가스 스트림들, PG1 및 PG2 는 분리되어 반응기로 도입되어서 반응 구역으로 진입 직전, 즉 가스 분배 튜브의 출구 뒤에서 조합되었다.

다른 층 유형들의 성막을 위한 실험 조건들은 다음 표 1 에 제공된다.

다른 층 시퀀스들을 갖는 코팅들이 제조되었다. 다음 표 2 는 본 발명에 따른 샘플들 및 비교 샘플들의 개별 층들의 층 유형들, 층 시퀀스들, 성막 시간들, 두께들, 섬유 텍스처들 및 텍스처 계수들을 보여준다.

표 2 에서:

L1 = 기판 보디 표면 바로 상부의 제 1 층

L2 = 제 1 h-AlN 층 (a) 바로 아래의 층

L(a) = 유형 h-AlN 의 층 (a)

L(b) = 유형 Ti_1-xAl_xC_yN_z 의 층 (b)

n.d. = 미결정

* = 모든 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층들에 대한 정수 TC(hkl)

EDS 분석이 TEM 샘플들 및 AlN 층, 층 (a) 에서 이루어졌다. 샘플들 #1, #2 및 #3 에서 W 및 Co 의 측정가능한 함량은 발견되지 않았다. Ti 함량은 샘플 #1 에서 < 0.3 at.-% 이었고, 샘플 #2 에서 0.14 at.-% 이었고 샘플 #3 에서 < 0.5 at.-% 이었다. Cl 함량은 샘플 #1 에서 2.9 at.-% 이었고, 샘플 #2 에서 2.6 at.-% 이었고 샘플 #3 에서 2.2 at.-% 이었다.

절삭 테스트들

샘플들 1 내지 6 의 절삭 공구 인서트들을 사용한 밀링 작동들이 다음 조건들 하에 수행되었다:

가공물 재료: 강 DIN 42CrMo4

냉각수: 없음

치형부당 이송: f_z = 0.2 ㎜

절삭 깊이: a_p = 3 ㎜

절삭 속도: v_c = 283 m/분

설정 각도: k = 45°

주 절삭 에지에서 최대 플랭크 마모, V_Bmax 의 발생 및 콤 균열 수가 800 ㎜ 스텝들에서 4000 ㎜ 의 밀링 거리에 대해 관찰되었다. 다음 표 3 은 밀링 거리에 대한 V_Bmax 의 발생을 보여준다. 밀링 테스트에서 본 발명 (샘플 5) 에 따른 코팅을 갖는 절삭 공구는 비교예보다 상당히 더 높은 플랭크 마모에 대한 저항을 보여주었다.

Claims

초경합금, 서멧, 세라믹, 강 또는 입방정 질화붕소의 기판 및 다층의 내마모성 코팅으로 구성된 코팅된 절삭 공구로서,
상기 다층의 내마모성 코팅은 5 ~ 25 ㎛ 의 총 두께를 가지고 화학 기상 증착 (CVD) 또는 중온 화학 기상 증착 (MT-CVD) 에 의해 성막된 내화 코팅 층들을 포함하고,
상기 다층의 내마모성 코팅은 적어도 한 쌍의 층들 (a, b) 을 포함하고 층 (b) 은 층 (a) 의 바로 위에 성막되고,
- 층 (a) 은 육방 결정 구조 (h-AlN), 및 5 at.-% 미만, 또는 2.5 at.-% 미만, 또는 1 at.% 미만 또는 2 ~ 3 at.-% 의 염소 함량과 10 ㎚ ~ 750 ㎚ 의 두께를 가지는 질화 알루미늄의 층이고,
- 층 (b) 은, 0.4 ≤ x ≤ 0.95, 0 ≤ y ≤ 0.10 이고 0.85 ≤ z ≤ 1.15 인, 일반식 Ti_1-xAl_xC_yN_z 로 나타내고, 0.5 ㎛ ~ 15 ㎛ 의 두께를 가지는 티타늄 알루미늄 질화물 또는 티타늄 알루미늄 탄질화물의 층이고, 층 (b) 의 Ti_1-xAl_xC_yN_z 의 적어도 90% 는 면심 입방정 (fcc) 결정 구조를 가지고,
- 상기 다층의 내마모성 코팅은 티타늄 질화물 (TiN), 티타늄 탄질화물 (TiCN), 티타늄 알루미늄 질화물 (TiAlN) 및 티타늄 알루미늄 탄질화물 (TiAlCN) 로 구성된 군에서 선택된 층을 포함하고, 상기 층은 (a) 유형의 제 1 h-AlN 층 바로 아래에 성막되고 주상 결정립 모폴로지를 가지는, 코팅된 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 다층의 내마모성 코팅은 한 쌍의 층들 (a, b) 을 포함하고,
또는
상기 다층의 내마모성 코팅은 일련의 두 쌍 이상의 층들 (a, b), 또는 일련의 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 또는 10 쌍의 층들 (a, b) 을 포함하는, 코팅된 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
(a) 유형의 h-AlN 층(들)의 두께는 10 ㎚ ~ 400 ㎚, 또는 25 ㎚ ~ 250 ㎚, 또는 40 ㎚ ~ 100 ㎚ 인, 코팅된 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
(b) 유형의 fcc-Ti_1-xAl_xC_yN_z 층(들)의 두께는 1 ㎛ ~ 8 ㎛ 인, 코팅된 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
층 (b) 이 층 (a) 의 바로 위에 성막된 상태에서 각 쌍의 층들 (a, b) 내에서 (a) 유형의 h-AlN 층(들)의 두께 대 (b) 유형의 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층(들)의 두께의 두께 비는 0.01 ~ 0.5 의 범위 내에 있는, 코팅된 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
층 (b) 이 층 (a) 의 바로 위에 성막된 상태에서 한 쌍의 층들 (a, b) 내에서 (b) 유형의 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층(들)은 주상 결정립 모폴로지 및 텍스처 계수 TC (111) > 1.8 로 특징짓는 바람직한 결정 성장 배향을 가지고, 상기 TC (111) 은 다음과 같이 규정되고:

여기에서
I(111) = (111) 반사의 측정된 강도
I ₀ (111) = 적용된 JCPDF-카드 00-046-1200 번에 따른 표준 분말 회절 데이터의 (111) 반사의 표준 강도
I(hkl) _i = (hkl) _i 반사의 측정된 강도
I ₀ (hkl) _i = 적용된 JCPDF-카드 00-046-1200 번에 따른 표준 분말 회절 데이터의 (hkl) _i 반사의 표준 강도
n = 계산에 사용된 반사 수 (여기에서: n = 4)
(hkl) _i 사용된 (hkl) _i 반사는: (111), (200), (220) 및 (311) 인, 코팅된 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
(a) 유형의 제 1 h-AlN 층 바로 아래에 성막된 층은 텍스처 계수 TC (200) > 1.8 로 특징짓는 바람직한 결정 성장 배향을 가지고, 상기 TC (200) 은 다음과 같이 규정되고:

여기에서
I(200) = (200) 반사의 측정된 강도
I₀(200) = 상기 층이 TiAlN 또는 TiAlCN 층일 때 적용된 JCPDF-카드 00-046-1200 번에 따른, 그리고 상기 층이 TiN 또는 TiCN 층일 때 JCPDF 카드 00-42-1489 번에 따른 표준 분말 회절 데이터의 (200) 반사의 표준 강도
I(hkl)_i = (hkl)_i 반사의 측정된 강도
I₀(hkl)_i = 상기 층이 TiAlN 또는 TiAlCN 층일 때 적용된 JCPDF-카드 00-046-1200 번에 따른, 그리고 상기 층이 TiN 또는 TiCN 층일 때 JCPDF 카드 00-42-1489 번에 따른 표준 분말 회절 데이터의 (hkl)_i 반사의 표준 강도
n = 계산에 사용된 반사 수 (여기에서: n = 4)
(hkl)_i 사용된 (hkl)_i 반사는: (111), (200), (220) 및 (311) 인, 코팅된 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
(a) 유형의 제 1 h-AlN 층 바로 아래에 성막된 층은 티타늄 탄질화물 (TiCN) 의 층이고 텍스처 계수 TC (422) > 1.8 로 특징짓는 바람직한 결정 성장 배향을 가지고, 상기 TC (422) 는 다음과 같이 규정되고:

여기에서
I(422) = (422) 반사의 측정된 강도
I₀(422) = 적용된 JCPDF-카드 00-42-1489 번에 따른 표준 분말 회절 데이터의 (422) 반사의 표준 강도
I(hkl)_i = (hkl)_i 반사의 측정된 강도
I₀(hkl)_i = 적용된 JCPDF-카드 00-42-1489 번에 따른 표준 분말 회절 데이터의 (hkl)_i 반사의 표준 강도
n = 계산에 사용된 반사 수 (여기에서: n = 5)
(hkl)_i 사용된 (hkl)_i 반사는: (111), (200), (220), (311) 및 (422) 인, 코팅된 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
(a) 유형의 제 1 h-AlN 층 바로 아래에 성막된 층은 티타늄 알루미늄 질화물 (TiAlN) 또는 티타늄 알루미늄 탄질화물 (TiAlCN) 의 층이고 텍스처 계수 TC (111) > 1.8 로 특징짓는 바람직한 결정 성장 배향을 가지고, 상기 TC (111) 은 다음과 같이 규정되고:

여기에서
I(111) = (111) 반사의 측정된 강도
I₀(111) = 적용된 JCPDF-카드 00-046-1200 번에 따른 표준 분말 회절 데이터의 (111) 반사의 표준 강도
I(hkl)_i = (hkl)_i 반사의 측정된 강도
I₀(hkl)_i = 적용된 JCPDF-카드 00-046-1200 번에 따른 표준 분말 회절 데이터의 (hkl)_i 반사의 표준 강도
n = 계산에 사용된 반사 수 (여기에서: n = 4)
(hkl)_i 사용된 (hkl)_i 반사는: (111), (200), (220) 및 (311) 인, 코팅된 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
층 (b) 의 Ti_1-xAl_xC_yN_z 의 적어도 95%, 또는 적어도 97% 가 면심 입방정 (fcc) 결정 구조를 가지는, 코팅된 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
(a) 유형의 상기 제 1 h-AlN 층(들)의 W 함량은 0.1 at.-% 미만인, 코팅된 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
(a) 유형의 상기 제 1 h-AlN 층(들)의 Co 함량은 0.1 at.-% 미만인, 코팅된 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
(a) 유형의 상기 제 1 h-AlN 층(들)의 Ti 함량은 0.5 at.-% 미만, 또는 0.3 at.-% 미만인, 코팅된 절삭 공구.