KR102425215B1

KR102425215B1 - 피복 절삭공구 및 그 코팅층 형성방법

Info

Publication number: KR102425215B1
Application number: KR1020220029266A
Authority: KR
Inventors: 김동섭; 안혜민; 박근우
Original assignee: 주식회사 와이지-원
Priority date: 2022-03-08
Filing date: 2022-03-08
Publication date: 2022-07-27
Also published as: US20230286056A1

Abstract

코팅층이 형성된 피복 절삭공구 및 그 코팅층 형성방법이 개시된다. 본 발명의 절삭공구의 코팅층은 기재의 전체 또는 일부에 형성되며, 주상 결정립의 MT-TiCN층과 α-Al₂O₃층을 포함한다. MT-TiCN층은 800℃ ~ 950℃ 범위 내의 화학기상증착법으로 증착된 TiCN으로 조직계수 TC(311) > 1.5 및 TC(422) > 1.5이고 α-Al₂O₃층은 주상 결정립으로 TC(006) > 4이다. 본 발명의 코팅층은 종래와 같이 HT-TiCN층을 사용하지 않으면서도, <001> 결정학적 방향을 따라 강한 배향을 갖는 α-Al₂O₃ 층을 우수한 접착력으로 증착시킴으로써 내-마모성, 내-치핑성이 우수한 코팅층(피복)을 형성할 수 있다.

Description

피복 절삭공구 및 그 코팅층 형성방법{Surface Coated Cutting Tool and Method for Manufacturing Coated Layers}

본 발명은 α-Al₂O₃층을 포함하는 코팅층이 형성된 피복 절삭공구 및 그 코팅층 형성방법에 관한 것이다.

피막 코팅은 피막 소재의 기계적 우수성과 함께, 모재에 대한 우수한 접착력이 필요하다. 우수한 접착력을 확보하기 위해, 종래에도 복수 개의 코팅 층을 중첩하여 증착하는 방법을 사용해 왔다. 피막 소재 중 하나인 α-Al₂O₃는 화학적 안정성과 열적 특성이 좋은 재료로서, α-Al₂O₃ 조직 제어기술을 이용하여 α-Al₂O₃ 조직을 성장시키는 결정학적 방향을 제어함으로써 α-Al₂O₃박막의 기계적 특성을 개선할 수 있다. 종래에 이미 (006), (012), (104), (110), (113), (116) 등의 면 방향으로 조직이 제어된 α-Al₂O₃박막기술이 공지되어 있다. 이 중에서 (006) 배향(Crystallographic Orientation)은 다른 배향보다 기계적으로 우수한 조직 특성이 있으며, 등록특허 제10-1314504호는 그 배향을 위한 기술의 일 예를 개시하고 있다.

α-Al₂O₃박막을 기재 표면에 형성하는 방법으로 종래에 알려진 것은, 모재에 TiN층, MT-TiCN층, HT-TiCN 결합층 및 TiCNO 결합층을 순서대로 적층한 다음, TiCNO 결합층 상에 α-Al₂O₃층을 증착하여 형성하는 방법이다. HT-TiCN층은 α-Al₂O₃층과 MT-TiCN층 사이에 마련된 결합층으로서, 치밀한 등축정 조직이며 주로 N₂와 CH₄가스를 소스(Source)로 사용하여 1000℃이상의 고온에서 증착한다. HT-TiCN 결합층은 MT-TiCN층과 α-Al₂O₃층 간에 우수한 밀착성을 제공하기는 하나, 문제는 HT-TiCN 결합층이 α-Al₂O₃층의 조직을 (104)면 배향으로 유도하는 부수적인 효과가 있기 때문에 α-Al₂O₃층의 (006) 면 배향을 방해한다. 따라서 (006)면 배향을 방해하는 HT-TiCN의 부수적인 효과를 억제하기 위해, 종래기술에서는 TiCNO 결합층의 두께를 증가시켰는데, TiCNO 결합층이 두꺼워지면 HT-TiCN 결합층이 α-Al₂O₃층과의 접착에 작용하는 밀착성이 떨어지기 때문에 결과적으로 공구의 성능과 수명이 나빠진다.

KR 10-1314504 (발명의 명칭: α-알루미나 층을 포함하는 절삭 공구 인서트 및 α-알루미나 층의 제조 방법)

본 발명의 목적은, 강한 (006) 면 배향의 α-Al₂O₃층을 포함하는 코팅층이 형성된 피복 절삭공구 및 α-Al₂O₃층을 우수한 접착력으로 증착할 수 있는 코팅층 형성방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 절삭공구는 기재 및 상기 기재의 상부에 형성되는 코팅층을 포함하며, 코팅층은 상기 기재 측으로부터 순차적으로 형성된, MTCVD 기법으로 형성된 MT-TiCN층, 상기 MT-TiCN층의 표면에 직접 증착된 결합층인 TiCNO층 및 α-Al₂O₃층을 포함한다. 따라서 MT-TiCN층과 α-Al₂O₃층 사이에 HT-TiCN층이 존재하지 않는다.

상기 MT-TiCN층은 주상정(Columnar) 조직이고 조직계수 TC(311) > 1.5 및 TC(422) > 1.5이고 상기 α-Al₂O₃층은 주상 결정립으로 TC(006) > 4인 것이 특징이다. 여기서, 상기 TC(311), TC(422) 및 TC(006)은, Harris 공식인 하기의 수학식으로 정의된다.

상기 I(hkl)는 측정된 (hkl)면의 반사 강도 또는 회절강도이고, 상기 I₀(hkl)는 ICDD의 PDF의 표준강도로서 상기 MT-TiCN층의 조직계수 계산에는 ICDD의 PDF Card No.42-1489의 표준강도를 사용하고 상기 α-Al₂O₃층의 조직계수 계산에는 ICDD의 PDF Card No.42-1212의 표준강도를 사용한다.

n은 조직계수 계산에 사용된 반사면의 개수이고, 상기 MT-TiCN층의 조직계수 계산에 사용된 (hkl) 반사면은 (111), (200), (220), (311) 및 (422)이고, 상기 α-Al₂O₃층의 조직계수 계산에 사용된 (hkl) 반사면은 (012), (104), (110), (006), (113) 및 (116)이다.

실시 예에 따라, 상기 MT-TiCN층은 하부층 및 상부층을 포함하고, 따라서 상기 TiCNO층은 상기 상부층의 표면에 직접 증착된다. 상기 상부층의 증착온도는 상기 하부층의 증착온도보다 1.11 ~ 1.15배 높다. 상기 하부층은 초기에 850℃온도에서 H₂, TiCl₄ 및 CH₃CN을 소스로 사용하고 중기에는 850℃ 온도에서 H₂, N₂, TiCl₄ 및 CH₃CN을 소스로 사용하고, 상기 상부층은 950℃ 온도에서 H₂, N₂, TiCl₄, CH₃CN 및 HCl을 소스로 사용하여 화학기상증착법(CVD)으로 증착한다.

실시 예에 따라, 상기 TiCNO 결합층의 두께는 0.2~1.3 [㎛]인 것이 바람직하고, 상기 α-Al₂O₃층의 두께는 1.5~10 [㎛]이고, 상기 MT-TiCN 층의 두께는 2~12 [㎛]인 것이 바람직하다.

다른 실시 예에 따라, 본 발명의 코팅층은 H₂, N₂ 및 TiCl₄ 혼합 가스를 소스로 사용하여 상기 α-Al₂O₃층의 상면에 형성된 TiN층을 더 포함할 수 있다.

한편, 상기 코팅층의 표면은 다이아몬드 분말을 포함하는 페이스트를 이용하여 브러싱(Brushing) 처리할 수 있다.

코팅층 형성방법

본 발명은 절삭공구의 기재의 전체 또는 일부에 코팅층을 형성하는 방법에도 미친다. 본 발명의 코팅층 형성방법은, 상기 기재의 상면에 TiN층을 증착하는 단계와; 상기 TiN 층에 800℃ ~ 950℃ 범위 내의 화학기상증착법으로 증착된 TiCN의 주상 결정립으로 조직계수 TC(311) > 1.5 및 TC(422) > 1.5인 MT-TiCN층을 증착하는 단계와; 상기 MT-TiCN층의 상면에 TiCNO 결합층을 증착한 다음, H₂, N₂, CO, CO₂를 사용하여 기설정된 시간동안 산화시키는 단계와; 상기 산화된 TiCNO 결합층 상에 주상 결정립으로 TC(006) > 4인 α-Al₂O₃층을 증착하는 단계를 포함한다.

본 발명에 의하면, <001> 결정학적 방향을 따라 강한 (006) 면 배향의 α-Al₂O₃층을 우수한 접착력으로 증착시킴으로써 개선된 내마모성(Wear-Resistance)과 내-치핑성(Chipping Resistance)이 있는 절삭 공구용 박막을 구현할 수 있고 예측 가능한 공구 수명을 가지는 절삭 공구를 제공할 수 있다.

본 발명은 HT-TiCN 결합층을 사용하지 않고 α-Al₂O₃ 소재의 피복이 형성된 절삭공구를 제작하는 방법을 제시함으로써 종래에 비해 더 간단하고 효율적인 방법으로 우수한 기계적 특성의 박막 및 그 박막으로 피복된 절삭공구를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 코팅층의 단면의 구성도,
도 2는 도 1의 코팅층 형성방법의 설명에 제공되는 흐름도,
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 코팅층의 단면의 구성도,
도 4은 본 발명에 따른 평가샘플의 단면의 투과전자현미경 이미지, 그리고
도 5는 광학현미경 이미지로서, (a)는 평가 샘플의 단면 이미지이고 (b)는 제2 비교샘플의 단면 이미지임.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 절삭공구(100)는 기재(101)와 기재(101)의 표면의 전부 또는 일부에 형성된 코팅층(110)을 포함하며, 다양한 형태의 절삭공구에 적용될 수 있다.

기재(101)는 세라믹, 입방정질화붕소(CBN)와 같은 초강화재료나 초경합금 등의 소재로 구현되며, 일반적으로 널리 사용되는 초경합금이 바람직하다. 초경합금은 4-15 wt% Co (바람직하게는, 6-10 wt% Co)와 주기율표의 IV, V 및 VI 족의 금속(바람직하게는 Ti, Nb 및 Ta)의 입방체 탄화물 5-12 vol%를 포함한다.

코팅층(110)은 기재(101)에 형성되며, TiN층(103), MT-TiCN층(105), TiCNO 결합층(107) 및 α-Al₂O₃층(109)이 순서대로 화학기상증착(CVD: Chemical Vapor Deposition) 공법으로 증착된다.

TiN층(103)은 H₂, N₂ 및 TiCl₄ 혼합 가스를 소스(Source)로 사용하여 기재(101)의 상부에 마련된다.

MT-TiCN층(105)은 TiN층(103)의 상면에 H₂, N₂, TiCl₄, CH₃CN 및 HCl가 선택적으로 혼합된 가스를 소스로 사용하여 MTCVD 기법으로 코팅하여 생성한다. 여기서, MTCVD(Medium Temperature Chemical Vapor Deposition. 중간온도 화학증착)는 800℃ ~ 950℃ 의 온도 범위 내의 화학기상증착법으로써 MTCVD 기법으로 코팅된 TiCN 코팅막을 MT-TiCN층(105)이라 한다. MT-TiCN층(105)의 두께는 2~12 [㎛]이며, 바람직하게는 3~9 [㎛]이다. MT-TiCN층(105)이 2㎛보다 얇으면 주상정(Columnar)의 결정적 특성을 충분히 갖추지 못하여 공구의 내치핑성이나 플랭크 마모에 대한 저항성이 저하되고, 12 ㎛를 초과하면 코팅의 박리 및 내치핑성 약화로 인한 공구수명 단축의 우려가 있다. MT-TiCN층(105)은 도 4에서처럼 온도 조건을 달리하여 증착한 하부층(401)과 상부층(403)을 포함한다. 본 발명의 MT-TiCN층(105)의 결정학적 특징은 아래에서 다시 설명한다.

TiCNO 결합층(107)은 H₂, N₂, TiCl₄, CH₃CN, CO 혼합가스를 소스로 사용하여 MT-TiCN층(105) 상면에 형성된다. TiCNO 결합층(107)은 MT-TiCN층(105)과 α-Al₂O₃층(109)을 결합하는 결합층으로서, 종래와 달리 HT-TiCN 층을 사용하지 않고 MT-TiCN층(105)과 α-Al₂O₃층(109)을 결합한다. TiCNO 결합층(107)은 0.2㎛ ~ 1.3㎛의 두께로 생성한다. TiCNO 결합층(107)이 0.2㎛보다 얇으면 α-Al2O3의 높은 (006) T.C 값을 얻기 어렵고, 1.3㎛를 초과하면 하지층과의 밀착도를 저해하여 MT-TiCN(105)과 α-Al₂O₃층(109) 사이 박리를 발생시켜 공구수명 단축의 우려가 있다.

α-Al₂O₃층(109)은 H₂, HCl, AlCl₃, CO₂ 및 H₂S가 선택적으로 혼합된 가스를 소스로 사용하여 TiCNO 결합층(107)의 상면에 형성된다. α-Al₂O₃층(109)은 1.5 ~ 10 [㎛]의 두께로 증착한다. α-Al₂O₃층(109)이 1.5㎛보다 얇으면 가공시 발생하는 고온으로 인한 소성변형을 방지하기 어렵고, 충분한 내마모성을 갖추기 어려워 공구의 수명단축을 초래하고, 10㎛를 초과하면 코팅의 내박리성 및 내치핑성이 약화되어 돌발적인 수명종료를 발생시킨다. 본 발명에서, MT-TiCN층(105)과 α-Al₂O₃층(109)은 주상(柱狀)의 결정립이다.

MT-TiCN층(105)과 α-Al ₂ O ₃ 층(109)의 결정학적 특징

이하에서는, 본 발명의 MT-TiCN층(105)과 α-Al₂O₃층(109)의 결정학적 특징을 XRD(X-ray Diffraction Analysis) 회절패턴을 이용하여 Harris 공식에 따라 구한 집합 조직계수(Texture Coefficient. TC)를 이용하여 정의한다. Harris 공식에 따라 구한 조직계수로 정의할 때, MT-TiCN층(105)은 TC(311) > 1.5 및 TC(422) > 1.5인 특징이 있고, α-Al₂O₃층(109)은 TC(006) > 4인 특징이 있다. Harris 공식은 다음의 수학식 1과 같다.

수학식 1에서, I(hkl)는 측정된 (hkl)면의 반사 강도 또는 회절강도이고, I₀(hkl)는 ICDD의 PDF의 표준강도를 사용한다. MT-TiCN층(105)의 조직계수 계산에는 ICDD의 PDF Card No.42-1489의 표준강도를 사용하고, α-Al₂O₃층(109)의 조직계수 계산에는 ICDD의 PDF Card No.42-1212의 표준강도를 사용한다. ICDD(International Centre for Diffraction Data)의 PDF(Powder Diffraction File)는 표준분말을 기초로 한 데이터로서, 분말회절에 의한 위상 식별(Phase Identification) 및 물질 특성화를 위한 유기 및 무기 회전 데이터베이스이다.

수학식 1에서 n은 조직계수 계산에 사용된 반사면의 개수로서 n>0인 자연수이다.

MT-TiCN층(105)의 조직계수 계산에 사용된 (hkl) 반사면은 (111), (200), (220), (311) 및 (422)이고, 이 조건에서 본 발명의 MT-TiCN층(105)은 TC(311) > 1.5 및 TC(422) > 1.5 를 만족해야 한다. 이를 충족함으로써, MT-TiCN층(105)의 배향은 α-Al₂O₃층(109)의 (006)면 배향을 강하게 촉진할 수 있다. 앞서 설명한 것처럼, MT-TiCN층(105)의 두께는 2~12 [㎛]이며, 바람직하게는 3~9 [㎛]이다.

α-Al₂O₃층(109)의 조직계수 계산에 사용된 (hkl) 반사면은 (012), (104), (110), (006), (113) 및 (116)이고, 본 발명의 α-Al₂O₃층(109)은 TC(006) > 4 를 만족해야 한다. Harris 공식에 따른 조직 계수 TC(hkl)가 1보다 큰 값이면 결정질 재료의 배향이 적어도 표준 분말의 랜덤 배향보다 더 빈번하게 기재의 표면에 평행하게 존재함을 의미하기 때문에, TC(006)가 4보다 크다는 것은 α-Al₂O₃층(109)의 결정학적 배향이 <001> 방향으로 강하게 이루어졌음을 의미한다. α-Al₂O₃층(109)의 강한 (006)면 배향은 <001> 결정학적 방향을 따라 결정의 배향이 이루어진 상태로서, 기재 표면에 평행한 α-Al₂O₃층의 다른 결정학적 평면(Crystallographic Planes)들보다 빈번하게 기재 표면에 평행한 (006) 결정학적 평면으로 성장한 것을 의미한다.

이상의 복합 층으로 구현되는 본 발명의 코팅층(110)은 크레이터 마모(Crater Wear)와 플랭크 마모(Flank Wear)에 대해 강한 저항성을 가지며, MT-TiCN층(105)과 α-Al₂O₃층(109) 사이의 결합력이 우수하여 내-치핑성(Chipping Resistance)이 개선되는 효과가 있다. 무엇보다, 본 발명의 코팅층(110)은 HT-TiCN 층을 사용하지 않기 때문에 배경기술에서 설명한 것처럼 HT-TiCN 층을 사용함에 따라 α-Al₂O₃층(109)의 (006) 면 배향이 방해를 받는 문제점이 제거되었다.

피막(코팅층)의 제조방법

이하, 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시예와 비교예의 샘플 제작 과정을 통해 본 발명의 피막(코팅층)의 제조방법을 설명한다. 코팅층(110)의 제조는 CVD 진공챔버(미도시) 내에서 이루어진다.

<TiN층의 생성: S201>

챔버 내에 기재(101)를 타깃(Target)으로 배치하고 챔버 내부를 H₂, N₂ 및 TiCl₄ 혼합 가스를 소스로 하여 TiN층(103)을 증착한다.

<MT-TiCN층의 증착: S203>

TiN층(103)의 상면에 H₂, N₂, TiCl₄, CH₃CN 및 HCl가 선택적으로 혼합된 가스를 소스로 사용하여 MTCVD 기법으로 MT-TiCN층(105)을 증착한다. MT-TiCN층(105)은 초기에 850℃온도에서 H₂, TiCl₄ 및 CH₃CN을 소스로 사용하고 중기에는 850℃ 온도에서 H₂, N₂, TiCl₄ 및 CH₃CN을 소스로 사용한 하부층(401)을 증착한 다음, 증착 말기에는 950℃에서 H₂, N₂, TiCl₄, CH₃CN 및 HCl을 소스로 사용하여 상부층(403)을 증착한다. 이와 같은 증착 온도의 조정에 의해, MT-TiCN층(105)은 도 4에 도시된 것처럼 850℃로 증착된 하부층(401)과 950℃로 증착된 상부층(403)을 포함하게 되며, 상부층(403)은 온도변화층으로 TiCNO층(107)과의 밀착도를 향상시키는 결합용 층으로서 기능한다.

<TiCNO층의 증착: S205, S207>

MT-TiCN층(105)이 증착되면, H₂, N₂, TiCl₄, CH₃CN, CO 혼합가스를 소스로 사용하여 MT-TiCN층(105)의 상면에 얇은 TiCNO 결합층(107)을 증착한다(S205). TiCNO 결합층(107)이 증착되면 H₂, N₂, CO, CO₂를 사용하여 대략 2분동안 산화시킨다(S207).

<α-Al₂O₃층의 증착: S209>

H₂, HCl, AlCl₃, CO₂ 및 H₂S가 선택적으로 혼합된 가스를 소스로 사용하여 α-Al₂O₃층(109)을 산화시킨 TiCNO 결합층(107) 상면에 증착한다.

<폴리싱: S211>

실시 예에 따라, α-Al₂O₃층(109)을 증착한 후에 다이아몬드 분말을 포함하는 페이스트(Paste)를 이용하여 α-Al₂O₃층(109) 표면을 브러싱(Brushing)하여 면을 폴리싱(Polishing)할 수 있다.

이상의 방법으로 본 발명의 피막(코팅층)의 제조가 수행된다.

실시 예 (도 3)

도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 코팅층(310)은 도 1의 코팅층(110)에 더하여, α-Al₂O₃층(109)의 상면에 증착된 TiN층(301)을 더 포함할 수 있다. α-Al₂O₃층(109)의 상면에 TiN층(301)을 추가로 증착하는 경우, 피막(코팅층) 제조방법은, S209 단계에서 α-Al₂O₃층(109)을 증착한 후에, H₂, N₂ 및 TiCl₄ 혼합 가스를 소스로 하여 α-Al₂O₃층(109) 상에 TiN층(301)을 증착하는 단계를 더 포함한다. S211의 폴리싱 단계는 TiN층(301)을 증착하는 단계 후에 수행되어, TiN층(301)의 표면에, 즉 코팅층의 최상위 층의 표면에서 이루어진다.

TiN층(301)은 박막의 내마모성을 더욱 향상시키는 동시에, TiN층이 노란색을 띄기 때문에 코팅층의 마모 상태를 표시하는 마모 인식층으로써 작용한다.

실시 예 (성능 비교)

본 발명에 의해 형성한 코팅층(110)의 성능을 평가하기 위하여, 인서트를 본 발명에 의해 코팅한 평가샘플과 HT-TiCN 결합층을 사용한 제1 및 제2 비교샘플을 각각 제조하여 아래와 같이 비교하였다. 제1 및 제2 비교샘플에는 HT-TiCN층을 사용하였다.

<평가 샘플>

ISO P15 등급의 초경합금 절삭 공구 기재 상부에, H₂, N₂ 및 TiCl₄를 사용하여 약 0.5 ㎛의 TiN층을 증착하고, TiN층 상면에 H₂, N₂, TiCl₄, CH₃CN 및 HCl을 소스로 사용하여 약 8 ㎛의 MT-TiCN층을 증착하였다. MT-TiCN층의 증착 초기에는 850℃온도에서 H₂, TiCl₄ 및 CH₃CN을 소스로 사용하고, 중기에는 850℃ 온도에서 H₂, N₂, TiCl₄ 및 CH₃CN을 소스로 사용하고, 증착 말기에는 H₂, N₂, TiCl₄, CH₃CN 및 HCl을 소스로 사용하고 증착온도는 950℃로 제어함으로써 MT-TiCN층을 유지하고, HT-TiCN층을 증착하기 위한 HTCVD 공법을 사용하지 않았다. 표 1은 평가샘플의 TiN과 MT-TiCN의 증착 세부조건이다.

	온도 [℃]	압력 [mbar]	H₂ [vol%]	N₂ [vol%]	TiCl₄ [vol%]	CH₃CN [vol%]	HCl [vol%]
TiN	915	200	62.6	36.1	1.3	-	-
TiCN 초기	850	70	96.4	-	2.95	0.65	-
TiCN 중기	850	55	78.9	17.8	2.45	0.85	-
TiCN 말기	950	55	82.1	14.4	2.45	0.62	0.43

1000℃ 55 mbar의 증착조건에서 H₂, N₂, TiCl₄, CH₃CN, CO를 사용하여 0.3 ~ 1㎛ 두께의 TiCNO 결합층(107)을 MT-TiCN층(105)의 상면에 증착하고, H₂, N₂, CO, CO₂를 사용하여 2분간 산화시켰다. 산화 후, 1000℃, 65 mbar의 증착조건에서 α-Al₂O₃층(109)을 두 단계로 증착하였다. 우선, H₂, HCl, AlCl₃, CO₂를 사용하여 초기 α-Al₂O₃을 약 0.2㎛ 두께로 증착하고, H₂, HCl, AlCl₃, CO₂ 및 H₂S를 소스로 사용하여 말기 α-Al₂O₃층을 약 8㎛의 두께로 증착하여, 본 발명의 평가샘플을 제작했다. 표 2는 평가샘플의 TiCNO층과 α-Al₂O₃층의 증착 세부조건이다.

<제1 비교 샘플>

평가샘플과 동일한 기재 상부에, 종래의 방법으로 TiN층, MT-TiCN 층을 증착하고, HTCVD 기법으로 약 1㎛의 HT-TiCN 결합층을 증착하였다. H₂, N₂ 및 TiCl₄를 사용하여 약 0.5 ㎛의 TiN층을 기재에 증착하고, TiN층의 상면에 약 8 ㎛의 MT-TiCN 층과 약 1㎛의 HT-TiCN 층을 순서대로 증착하였다. MT-TiCN층은 850℃온도에서 H₂, TiCl₄ 및 CH₃CN을 초기 소스로 사용하고, H₂, N₂, TiCl₄ 및 CH₃CN을 중기 소스로 사용하였다. TiCN 증착 말기에, H₂, N₂, TiCl₄ 및 CH₄를 소스로 사용하고 HTCVD 공법에 따라 1000℃ 160 mbar 조건에서 약 1㎛의 HT-TiCN 결합층을 MT-TiCN 층의 상면에 증착하였다. 표 3은 제1 비교샘플의 TiN, MT-TiCN 및 HT-TiCN의 증착 세부조건이다.

1000℃ 55 mbar의 증착조건에서 H₂, N₂, TiCl₄, CH₃CN, CO를 사용하여 0.3 ~ 1㎛ 두께의 TiCNO층을 HT-TiCN 층의 상면에 증착하고, H₂, N₂, CO, CO₂를 사용하여 2분간 산화시켰다. 산화 후, 평가샘플과 마찬가지로 1000℃, 65 mbar의 증착조건에서 α-Al₂O₃층을 두 단계로 증착하였다. 우선, H₂, HCl, AlCl₃, CO₂를 사용하여 초기 α-Al₂O₃을 약 0.2㎛ 두께로 증착하고, H₂, HCl, AlCl₃, CO₂ 및 H₂S를 소스로 사용하여 말기 α-Al₂O₃층을 약 8㎛의 두께로 증착하여, 제1 비교샘플을 제작했다. 표 4는 제1 비교샘플의 TiCNO층과 α-Al₂O₃층의 증착 세부조건이다.

<제2 비교 샘플>

평가샘플과 동일한 기재 상부에, 종래의 방법으로 TiN층, MT-TiCN 층을 증착하고, HTCVD 기법으로 약 1㎛의 HT-TiCN 결합층을 증착하였다. H₂, N₂ 및 TiCl₄를 사용하여 약 0.5 ㎛의 TiN층을 기재에 증착하고, TiN층의 상면에 약 8 ㎛의 MT-TiCN 층과 약 1㎛의 HT-TiCN 층을 순서대로 증착하였다. MT-TiCN층은 850℃온도에서 H₂, TiCl₄ 및 CH₃CN을 초기 소스로 사용하고, H₂, N₂, TiCl₄ 및 CH₃CN을 중기 소스로 사용하였다. TiCN 증착 말기에, H₂, N₂, TiCl₄ 및 CH₄를 소스로 사용하고 HTCVD 공법에 따라 1000℃ 160 mbar 조건에서 약 1㎛의 HT-TiCN 결합층을 MT-TiCN 층의 상면에 증착하였다. 표 5는 제2 비교샘플의 TiN, MT-TiCN 및 HT-TiCN의 증착 세부조건이다.

제2 비교샘플의 TiCNO층과 α-Al₂O₃층의 증착 세부조건은 제1 비교샘플과 동일하다. 다만, 제2 비교샘플의 TiCNO층의 두께를 1 ~ 3㎛로 제1 비교샘플에 비해 두껍게 증착하였다. 표 6은 제2 비교샘플의 TiCNO층과 α-Al₂O₃층의 증착 세부조건이다.

도 4는 본 발명에 따른 평가샘플의 단면의 투과전자현미경(TEM: Transmission Electron Microscope) 분석 이미지로서, MT-TiCN층(105)에 TiCNO 결합층(107)이 바로 증착되어 있고, TiCNO 결합층(107) 위에 α-Al₂O₃층(109)이 증착되어 있음을 알 수 있다. MT-TiCN층(105)과 α-Al₂O₃층(109) 사이에 HT-TiCN층이 없다. MT-TiCN층(105)에는 온도변화층인 상부층(403)이 보이며, 하부층(401)과 상부층(403)이 모두 주상정(Columnar) 조직인 것을 확인할 수 있다.

도 5는 평가 샘플의 일부와 제2 비교샘플의 일부를 상호 비교하기 위해 대조하여 배치한 이미지로서, (a)는 평가 샘플의 광학 현미경으로 촬영한 이미지이고 (b)는 제2 비교샘플의 단면을 광학현미경으로 분석한 이미지이다. 도 5의 (a)의 평가샘플에는 HT-TiCN층을 볼 수 없고, 도 5의 (b)의 제2 비교샘플에는 종래기술에서 설명한 HT-TiCN층이 α-Al2O3층과 MT-TiCN층 사이에 보인다.

<조직계수 분석>

코팅층의 조직분석에는 PANalytical의 X선 회절 장비 모델 X’pert를 활용하였으며, Bragg Brentano HD(이하, BBHD)와 PIXcel 3D가 장착된 검출기(Detector)를 사용하여 분석하였다. XRD 전극물질은 구리(Cu)이며 분석을 위해 45 kV전압과 40 mA의 Cu-Kα 파장을 이용했다. 분석을 위해서 1/2˚ 안티스캐터 슬릿 및 1/8˚ 다이버전스, 10mm 마스크를 장착한 BBHD를 사용하였고, 검출기에는 1/2 솔라슬릿을 체결하여 사용하였다. 분석은 θ-2θ 방법으로 20˚내지 145˚의 2θ각에 대해 실시하였다. 분석은 적절한 시료의 높이와 평형을 맞춘 상태에서 시료의 플랭크면에 대하여 행해졌다.

배경제거, Cu-Kα2 스트리핑 및 데이터의 프로파일 피팅(Profile fitting)을 포함하는 분석은 PANalytical의 HighScore Plus 프로그램을 사용하였다. 프로그램을 통해 도출된 데이터는 Harris 공식(수학식 1)에 적용하여 조직계수를 계산하였다. 박막은 2θ각에 따라 X-ray가 침투하는 경로의 길이가 달라 벌크 샘플과는 달리 조직계수 계산시 박막의 선형 흡수 계수가 고려되어야 하므로, 프로파일 피팅 곡선에 대한 피크의 적분면적 강도에 박막 수정이 적용되었다. α-Al₂O₃ 층이 최상위 층이 아니면, XRD 측정에 영향이 없는 화학적 에칭(Etching) 및 블라스팅(Blasting) 등의 방법으로 α-Al₂O₃ 층의 상부층을 제거한 후 분석을 진행할 수 있다.

전술한 분석방식에 따라 본 발명의 평가샘플, 제1 비교샘플 및 제2 비교샘플의 α-Al₂O₃ 층과 MT-TiCN 층의 조직계수는 표 7과 같다.

표 7에 의하면, 평가 샘플의 MT-TiCN 층은 TC(311) > 1.5 및 TC(422) > 1.5을 만족하고, α-Al₂O₃층도 TC(006) > 4를 만족함을 알 수 있다. 따라서 본 발명의 방법을 사용하여, 강한 (006)면 배향의 α-Al₂O₃층을 획득할 수 있음을 알 수 있다.

<두께 분석>

평가샘플, 제1 비교샘플 및 제2 비교샘플의 단면 조직을 1000x 배율의 광학현미경으로 분석하여 각 코팅층의 두께를 측정하였다. 표 8은 1000x 배율의 광학현미경으로 측정한 각 코팅층의 두께이다. 표 8을 참조하면, 평가샘플은 HT-TiCN층이 형성되지 않았으며. α-Al₂O₃층(109)는 충분한 두께로 증착되었음을 알 수 있다.

<평가샘플과 비교샘플의 성능 비교>

(1)절삭 성능평가: 내마모성 평가

○ 샘플형번: CNMG120408

○ 절삭조건: Vc 300m/min, F 0.3mm/rev, Ap 2mm

○ 피삭재: SCM440

다음의 표 9는 메인 절삭 엣지(Edge)에서 Vb>0.25mm 이상이 되는 것을 수명종료의 기준으로 측정한 공구의 수명을 비교한 표로서, 평가샘플이 제1 및 제2 비교샘플에 비해 플랭크 마모에 대해 저항성을 기준으로 측정한 공구 수명이 더 길게 나타남을 알 수 있고, 따라서 기계적 강성이 더 우수함을 알 수 있다. 여기서, Vb는 플랭크 마모임.

	평균 공구수명 (분)
평가샘플	21
제1 비교샘플	15
제2 비교샘플	18

(2)절삭 성능평가 : 내치핑성 평가

○ 샘플형번: CNMG120408

○ 절삭조건: Vc 160m/min, F 0.15~0.2mm/rev, Ap 1.5mm

○ 피삭재: S45C

다음의 표 10은 별도의 파손이나 마모없이 치핑이 발생하는 것을 기준으로 측정한 공구의 수명으로서, 평가 샘플이 제1 비교샘플과 비슷하고 제2 비교샘플보다 긴 공구수명으로 측정되었다. 따라서 본 발명에 따라 제작된 코팅층(110)의 MT-TiCN층(105)과 α-Al₂O₃층(109) 사이의 결합력이 우수하여 내-치핑성이 개선되는 효과가 있음을 알 수 있다.

	평균 공구수명 (분)
평가샘플	10
제1 비교샘플	11
제2 비교샘플	7

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

Claims

기재와, 상기 기재의 표면 전부 또는 일부에 형성되는 코팅층을 포함하는 절삭공구로서,
상기 코팅층은, 상기 기재 측으로부터 순차적으로 형성된, MTCVD 기법으로 형성된 MT-TiCN층, 상기 MT-TiCN층의 표면에 직접 증착된 결합층인 TiCNO층 및 α-Al₂O₃층을 포함하고,
상기 MT-TiCN층은 주상정(Columnar) 조직이고 조직계수 TC(311) > 1.5 및 TC(422) > 1.5이고 상기 α-Al₂O₃층은 주상 결정립으로 TC(006) > 4이며,
여기서, 상기 TC(311), TC(422) 및 TC(006)은, Harris 공식

로 정의되고,
상기 I(hkl)는 측정된 (hkl)면의 반사 강도 또는 회절강도이고,
상기 I₀(hkl)는 ICDD의 PDF의 표준강도로서 상기 MT-TiCN층의 조직계수 계산에는 ICDD의 PDF Card No.42-1489의 표준강도를 사용하고 상기 α-Al₂O₃층의 조직계수 계산에는 ICDD의 PDF Card No.42-1212의 표준강도를 사용하며,
n은 조직계수 계산에 사용된 반사면의 개수이고,
상기 MT-TiCN층의 조직계수 계산에 사용된 (hkl) 반사면은 (111), (200), (220), (311) 및 (422)이고, 상기 α-Al₂O₃층의 조직계수 계산에 사용된 (hkl) 반사면은 (012), (104), (110), (006), (113) 및 (116)인 것을 특징으로 하는 절삭공구.
제1항에 있어서,
상기 MT-TiCN층은 하부층 및 상부층을 포함하고,
상기 상부층의 증착온도는 상기 하부층의 증착온도보다 1.11 ~ 1.15배 높은 것을 특징으로 하는 절삭공구.
제2항에 있어서,
상기 하부층은 초기에 850℃온도에서 H₂, TiCl₄ 및 CH₃CN을 소스로 사용하고 중기에는 850℃ 온도에서 H₂, N₂, TiCl₄ 및 CH₃CN을 소스로 사용하고,
상기 상부층은 950℃ 온도에서 H₂, N₂, TiCl₄, CH₃CN 및 HCl을 소스로 사용하여 화학기상증착법(CVD)으로 증착한 것을 특징으로 하는 절삭공구.
제2항에 있어서,
상기 TiCNO 결합층의 두께는 0.2~1.3 [㎛]인 것을 특징으로 하는 절삭공구.
제3항에 있어서,
상기 α-Al₂O₃층의 두께는 1.5~10 [㎛]이고, 상기 MT-TiCN 층의 두께는 2~12 [㎛]인 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코팅층의 표면은 다이아몬드 분말을 포함하는 페이스트를 이용하여 브러싱(Brushing) 처리된 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코팅층은, H₂, N₂ 및 TiCl₄ 혼합 가스를 소스로 사용하여 상기 α-Al₂O₃층의 상면에 형성된 TiN층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제7항에 있어서,
상기 코팅층의 표면은 다이아몬드 분말을 포함하는 페이스트를 이용하여 브러싱(Brushing) 처리된 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
절삭공구의 기재의 표면 전체 또는 일부에 코팅층을 형성하는 방법에 있어서,
상기 기재의 상면에 TiN층을 증착하는 단계;
상기 TiN 층에 800℃ ~ 950℃ 범위 내의 화학기상증착법으로 증착된 TiCN의 주상 결정립으로 조직계수 TC(311) > 1.5 및 TC(422) > 1.5인 MT-TiCN층을 증착하는 단계;
상기 MT-TiCN층의 상면에 TiCNO 결합층을 증착한 다음, H₂, N₂, CO, CO₂를 사용하여 기설정된 시간동안 산화시키는 단계; 및
상기 산화된 TiCNO 결합층 상에 주상 결정립으로 TC(006) > 4인 α-Al₂O₃층을 증착하는 단계를 포함하고,
여기서, 상기 TC(311), TC(422) 및 TC(006)은

로 정의되고,
상기 I(hkl)는 측정된 (hkl)면의 반사 강도 또는 회절강도이고,
상기 I₀(hkl)는 ICDD의 PDF의 표준강도로서 상기 MT-TiCN층의 조직계수 계산에는 ICDD의 PDF Card No.42-1489의 표준강도를 사용하고 상기 α-Al₂O₃층의 조직계수 계산에는 ICDD의 PDF Card No.42-1212의 표준강도를 사용하며,
n은 조직계수 계산에 사용된 반사면의 개수이고,
상기 MT-TiCN층의 조직계수 계산에 사용된 (hkl) 반사면은 (111), (200), (220), (311) 및 (422)이고, 상기 α-Al₂O₃층의 조직계수 계산에 사용된 (hkl) 반사면은 (012), (104), (110), (006), (113) 및 (116)인 것을 특징으로 하는 절삭공구의 코팅층 형성방법.
제9항에 있어서,
상기 MT-TiCN층은 하부층 및 상부층을 포함하고,
상기 상부층의 증착온도는 상기 하부층의 증착온도보다 1.11 ~ 1.15배 높은 것을 특징으로 하는 절삭공구의 코팅층 형성방법.
제10항에 있어서,
상기 하부층은 초기에 850℃온도에서 H2, TiCl4 및 CH3CN을 소스로 사용하고 중기에는 850℃ 온도에서 H2, N2, TiCl4 및 CH3CN을 소스로 사용하고,
상기 상부층은 950℃ 온도에서 H2, N2, TiCl4, CH3CN 및 HCl을 소스로 사용하여 화학기상증착법(CVD)으로 증착한 것을 특징으로 하는 절삭공구의 코팅층 형성방법.
제10항에 있어서,
상기 TiCNO 결합층의 두께는 0.2~1.3 [㎛]인 것을 특징으로 하는 절삭공구의 코팅층 형성방법.
제12항에 있어서,
상기 α-Al₂O₃층의 두께는 1.5~10 [㎛]이고, 상기 MT-TiCN 층의 두께는 2~12 [㎛]인 것을 특징으로 하는 절삭공구의 코팅층 형성방법.
제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코팅층의 표면을 다이아몬드 분말을 포함하는 페이스트를 이용하여 브러싱(Brushing) 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭공구의 코팅층 형성방법.
제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
H2, N2 및 TiCl4 혼합 가스를 소스로 사용하여 상기 α-Al2O3층의 상면에 TiN층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭공구의 코팅층 형성방법.
제15항에 있어서,
상기 코팅층의 표면을 다이아몬드 분말을 포함하는 페이스트를 이용하여 브러싱(Brushing) 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭공구의 코팅층 형성방법.