KR102436934B1

KR102436934B1 - 피복 절삭 공구 및 피복 절삭 공구의 제조 방법

Info

Publication number: KR102436934B1
Application number: KR1020150106081A
Authority: KR
Inventors: 라르스 욘손; 로베르트 필레말름; 리나 로그스트룀
Original assignee: 산드빅 인터렉츄얼 프로퍼티 에이비
Priority date: 2014-07-29
Filing date: 2015-07-27
Publication date: 2022-08-25
Also published as: RU2015131332A3; KR20160014541A; RU2015131332A; JP6842233B2; EP2987890A1; JP2016030330A; US9758859B2; BR102015018142B1; BR102015018142A2; EP2987890B1; CN105312600A; US20160032444A1; RU2695686C2

Abstract

본 발명은, 기재 및 상기 기재상의 코팅을 포함하는 피복 절삭 공구로서, 상기 코팅은 Ti_xZr_yAl_(1-x-y)N 으로 이루어지는 층을 포함하고, 0<x≤0.3, 0.2≤y≤0.8 및 0.1≤(1-x-y)≤0.7 인 피복 절삭 공구에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 그러한 피복 절삭 공구의 제조 방법, 및 피복 절삭 공구를 형성하는 절삭 인서트에 관한 것이다.

Description

피복 절삭 공구 및 피복 절삭 공구의 제조 방법{A COATED CUTTING TOOL AND A METHOD OF PRODUCING A COATED CUTTING TOOL}

본 발명은, 기재 및 기재상의 코팅을 포함하는, 칩형성 기계가공과 같은 금속 기계가공용의 피복 절삭 공구, 및 그러한 피복 절삭 공구에 관한 것이다.

절삭 인서트, 밀링 공구, 드릴링 공구 등과 같은 절삭 공구들은 금속과 같은 재료의 칩형성 기계가공에 사용될 수도 있다. 이러한 공구들은 초경합금, 입방정 질화붕소 또는 고속도강과 같은 내구성 재료로 흔히 제조된다. 공구의 특성, 예를 들어, 마모 특성을 향상시키기 위해, 이러한 공구들은 일반적으로 표면 코팅을 구비한다. 이러한 코팅들은 화학적 (CVD) 또는 물리적 (PVD) 기상 증착을 이용하여 공구에 증착될 수도 있다.

지금까지는, 상이한 유형의 표면 코팅들, 예를 들어 TiN, TiAlN 이 사용되어 왔다. 피복 절삭 공구에 의한 금속 기계가공중에는, 공구의 절삭 에지 근방의 온도가 기계가공된 재료의 전단 및 마찰로 인해 증가한다. 따라서, 온도는 코팅에서 매우 높게, 예를 들어 1100 ℃ 이상으로 될 수 있다. 입방정 TiAlN 은 통상적으로 800-900 ℃ 에서 입방정 TiN 및 입방정 AlN 으로 분해되고, 그 이후에 입방정 AlN 은 약 1000 ℃ 에서 덜 바람직한 상인 육방정 섬유아연석 (wurtzite) AlN 으로 변환된다. EP 2628826 A1 에는, ZrAlN 및 TiN 의 교대 층들로 된 다층 코팅이 개시되어 있다. 이러한 유형의 코팅은 그러한 고온에 노출되더라도 높은 경도를 제공하기 위해 코팅의 높은 열적 안정성을 제공하도록 개발되었다.

고온에 노출되었을 때에 향상된 특성을 갖는 표면 코팅을 추가로 개발하려고 하고 있다. 특히, 상승된 온도에서 덜 바람직한 상들, 예를 들어 육방정 AlN 상들로 분해될 가능성이 낮은 코팅을 제공하는 것이 바람직하다. 따라서, 상승된 온도에서 비교적 안정적인 조성물을 갖는 코팅을 구비하는 피복 절삭 공구를 제공하려고 하고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 기계가공 작업 동안에 개선된 특성을 가진 피복 절삭 공구를 제공하는 것이다. 특히, 상승된 온도에서 더욱 안정적인 조성물을 갖는 코팅을 구비한 절삭 공구를 제공하는 것을 목적으로 한다.

따라서, 본 발명은, 기재 및 상기 기재상의 코팅을 포함하는 피복 절삭 공구로서, 상기 코팅은 Ti_xZr_yAl_(1-x-y)N 으로 이루어지는 층을 포함하고, 0<x≤0.3, 0.2≤y≤0.8 및 0.1≤(1-x-y)≤0.7 인 피복 절삭 공구에 관한 것이다.

상기 코팅의 조성은, AlN 이 상승된 온도에서 덜 바람직한 상들, 예를 들어 육방정 AlN 상들로 분해될 가능성을 감소시킨다. 따라서, 상승된 온도, 특히 약 1100 ℃ 의 온도에서 더욱 안정적인 코팅 조성물이 얻어진다.

코팅은, Ti_xZr_yAl_(1-x-y)N 으로 이루어지고 x≥0.05, 바람직하게는 x≥0.1 인 층을 포함할 수도 있다. 코팅은, Ti_xZr_yAl_(1-x-y)N 으로 이루어지고 x≤0.25, 바람직하게는 x≤0.2 인 층을 포함할 수도 있다. 그럼으로써, 조성물의 안정성이 더욱 증가된다.

코팅은, Ti_xZr_yAl_(1-x-y)N 으로 이루어지고 y≤0.6, 바람직하게는 y≤0.4 인 층을 포함할 수도 있다. 그럼으로써, 여기에 개시된 이점들을 갖는 조성물이 낮은 함량의 Zr 로 얻어질 수도 있다.

코팅은, Ti_xZr_yAl_(1-x-y)N 으로 이루어지고 y≥0.3 또는 y≥0.4 인 층을 포함할 수도 있다. 그럼으로써, 조성물의 안정성이 더욱 증가된다. Zr 함량이 높은 조성물은 TiN, AlN 및 ZrN 이 분리될 수도 있는 스피노달 분해 프로세스에 대해 더 양호한 저항성을 제공할 수도 있다.

Ti_xZr_yAl_(1-x-y)N 으로 된 층은 입방 결정 구조를 가질 수도 있다. 그럼으로써, 수명 및 마모 특성과 같은 절삭 공구의 절삭 특성이 향상될 수도 있다.

Ti_xZr_yAl_(1-x-y)N 으로 된 층은 주상 미세구조를 가질 수도 있다. 그럼으로써, 코팅의 크레이터 마모에 대한 저항성 및 코팅의 경도가 향상될 수도 있다. 대안적으로, Ti_xZr_yAl_(1-x-y)N 으로 된 층은 나노-결정 또는 비정질 구조를 가질 수도 있다.

Ti_xZr_yAl_(1-x-y)N 으로 된 층의 X선 회절도는 (200) 면의 지배적인 피크를 가질 수도 있다; 즉 (200) 피크는 XRD 회절에서 가장 높은 피크일 수도 있다. 그럼으로써, 결정 입자들은 코팅 층의 성장 방향에 있어서 (200) 방향으로 주로 배향된다.

Ti_xZr_yAl_(1-x-y)N 으로 된 층은 PVD, 즉 아크 증발 또는 스퍼터링에 의해 증착될 수도 있다. 그럼으로써 층은 압축 응력을 가져서 코팅 층의 인성을 향상시킬 수도 있다. 아크 증발에 의해 증착 속도가 향상될 수도 있고, 이온화의 정도가 향상될 수도 있어서, 더 조밀한 층들, 향상된 접착성 및 기재상에서의 코팅 층의 향상된 기하학적 커버리지를 수득할 수 있다.

Ti_xZr_yAl_(1-x-y)N 으로 된 층은 숏트 연결에서 자기장 선들이 타겟 표면으로부터 애노드로 유도되는 것을 가능하게 하는 캐소드, 애노드 및 자기 수단을 포함하는 아크 증착 소스를 이용하여 증착될 수도 있다. 이러한 아크 증착 소스는 문헌 US 2013/0126347 A1 에 또한 기재되어 있다. 그럼으로써 층은 청구된 조성 범위에 걸쳐 입방정 결정 구조 및 주상 미세구조를 가질 수도 있다. US 2013/0126347 A1 은 챔버에서의 이온화 상태가 코팅 파라미터들, 즉 증착율 및 코팅 품질을 향상시킬 수도 있음을 교시하고 있다.

코팅은 접착층 및 이 접착층의 상부의 Ti_xZr_yAl_(1-x-y)N 으로 된 층을 포함할 수도 있다. 일 실시형태로서, 코팅은 접착층 및 이 접착층의 상부의 Ti_xZr_yAl_(1-x-y)N 으로 된 층만으로 이루어질 수도 있다. 접착층은 바람직하게는 1-200 nm, 예컨대 5-10 nm 범위의 두께를 가지는 Ti, TiN, Cr, CrN 또는 임의의 다른 전이 금속 또는 전이 금속 질화물로 된 층을 수도 있다.

코팅은 로크웰 압입 시험으로 평가했을 때, 적어도 50 kg, 바람직하게는 적어도 100 kg, 더 바람직하게는 적어도 150 kg 의 접착강도를 가질 수도 있다. 접착성은 VDI 3198 에 기재된 바와 같이 로크웰 C 압입 시험 절차로부터 평가될 수도 있지만, 압입 하중은 50-150 kg 범위 내에서 변화될 수도 있다. VDI 3198 에 기재된 바와 같이 코팅이 기준에 따른 압입 시험을 통과하는 압입 하중은 따라서 코팅의 접착 강도로서 취할 수도 있다.

코팅은 TiN, TiAlN, TiSiN, TiSiCN, TiCrAlN 및 CrAlN, 또는 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상의 층들을 더 포함하는 다층 코팅일 수도 있다. 코팅은 Ti, Al, Cr, Si, V, Nb, Ta, Mo 및 W 로 이루어지는 군으로부터 선택된 제 1 요소 및 B, C, N 및 O 로 이루어지는 군으로부터 선택된 제 2 요소를 적어도 포함하는 조성을 가지는 하나 이상의 층들을 포함할 수도 있다. 코팅은 0.5 ㎛ 초과 및 20 ㎛ 미만, 바람직하게는 0.5 ㎛ 초과 및 10 ㎛ 미만의 두께를 가질 수도 있다. 그럼으로써 코팅의 특성들은 특정한 적용 요구에 최적화될 수도 있다.

Ti_xZr_yAl_(1-x-y)N 으로 된 층은 5 nm 초과 및 20 ㎛ 미만, 바람직하게는 5 nm 초과 및 10 ㎛ 미만의 두께를 가질 수도 있다. 그럼으로써 코팅은 TiZrAlN 의 하나의 층에 의해 또는 다른 코팅 층들과 TiZrAlN 의 하나 이상의 층들의 조합에 의해 실질적으로 형성될 수도 있다.

기재는 초경합금 또는 다결정 입방정 질화 붕소를 포함할 수도 있다. 이들은 절삭 공구에 적합한 양호한 절삭 특성을 가지는 경질 재료들이다. 절삭 공구는 바람직하게는 금속과 같은 재료의 칩형성 기계가공용으로 사용되는 절삭 인서트, 밀링 공구 또는 드릴링 공구의 형태일 수도 있다.

또 다른 목적은 상승된 온도에서 더욱 안정적인 조성물을 가지는 코팅을 구비한 절삭 공구를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

따라서, 본 발명은 또한, 기재를 제공하는 단계 및 Ti_xZr_yAl_(1-x-y)N 으로 이루어지고 0<x≤0.3, 0.2≤y≤0.8 및 0.1≤(1-x-y)≤0.7 인 층을 포함하는 코팅을 증착시키는 단계를 포함하는 피복 절삭 공구의 제조 방법에 관한 것이다.

층은 PVD, 바람직하게는 아크 증발에 의해 증착될 수도 있다.

층은, 캐소드, 애노드 및 숏트 연결에서 자기장 선들이 타겟 표면으로부터 애노드로 유도되는 것을 가능하게 하는 자기 수단을 포함하는 아크 증착 소스를 이용하여 증착될 수도 있다. 이러한 아크 증착 소스는 문헌 US 2013/0126347 A1 에 또한 기재되어 있다.

도 1 은 청구된 조성물의 예를 나타내는 TiN-ZrN-AlN 의 의사-삼원계 상태도를 도시한다.
도 2 는 본원에 개시된 바와 같은 코팅들의 3 조성물의 X 선 회절도를 도시한다.
도 3 은 2 개의 상이한 조성물의 증착 및 어닐링된 코팅들의 X 선 회절도를 도시한다.

청구범위에 정의된 바와 같은 조성물은, 본 발명의 유리한 효과를 유지하면서 그리고 청구된 범위로부터 일탈하지 않고서, 금속 원소들 Ti, Zr 및 Al, 및/또는 N 중의 어느 것을 치환하는 불가피한 불순물들 (예를 들어 1-3 원자% 미만) 을 포함할 수도 있다. 예를 들어, N 은 1-3 원자% 미만의 레벨에서 원소들 O, C 또는 B 에 의해 치환될 수도 있다.

기재 및 상기 기재상에 있으며 Ti_xZr_yAl_(1-x-y)N 으로 된 층을 포함하는 코팅을 가지는 피복 절삭 공구의 실시형태가 개시된다. 이 층은 텍스트에서 TiZrAlN 층이라 한다. 조성중의 Ti 의 양 (즉, x) 은 0<x≤0.3 의 범위내, 바람직하게는 x≥0.05, 보다 바람직하게는 x≥0.1 이다. 조성중의 Zr 의 양 (즉, y) 은 0.2≤y≤0.8 범위내이다. 조성중의 Al 의 양 (즉, 1-x-y) 은 0.1≤ (1-x-y) ≤0.7 범위내이다. TiZrAlN 층은 입방 결정 구조와 주상 미세구조를 갖는다.

TiZrAlN 층은 초경합금 또는 다결정 입방정 질화 붕소를 포함하는 기재상에서의 아크 증발에 의해 증착된다. 선택적으로, 코팅은 Ti, TiN, Cr 또는 CrN 으로 된 5-10 nm 두께의 접착층 및 이 접착층의 상부의 TiZrAlN 층을 포함한다. 코팅의 두께는 0.5-20 ㎛, 전형적으로는 10 ㎛ 미만이다. TiZrAlN 층은 다층에서의 상이한 층들 사이에 조성 변화를 가지는 다층 코팅에서 하나의 층일 수도 있다. 대안적으로, 코팅은 가능하게는 접착층과 조합하여, TiZrAlN 층으로 이루어질 수도 있다.

코팅의 접착력은 VDI 3198 에 기재된 바와 같은 로크웰 C 압입 시험 절차에 의해 결정될 수도 있지만, 압입 하중은 50-150 kg 사이에서 변할 수도 있다. VDI 3198 에 기재된 바와 같은 기준에 따른 압입 시험을 코팅이 통과하는 압입 하중은 코팅의 접착 강도로서 취해진다. 이 방법을 사용하면, 코팅은 적어도 50 kg, 바람직하게는 적어도 100 kg, 더욱 바람직하게는 적어도 150 kg 의 접착력을 가질 수도 있다.

도 1 에는, TiN-ZrN-AlN 계의 의사-삼원계 다이어그램이 도시되어 있다. 그래프에 나타낸 바와 같이, 그래프의 각 모서리는 순수 성분 TiN, ZrN 및 AlN 에 대응한다. 그래프의 각각의 대향 측에 평행한 각 선은 각 성분의 10 % 구간을 나타낸다.

예

도 1 에서는, 청구된 범위내의 조성물의 3 가지 예들이 개시된다. 각 예에서 TiZrAlN 층의 조성 및 두께는 표 1 에 나타낸다.

[표 1] 샘플 코팅 S1, S2 및 S3

샘플 코팅들은 2 개의 캐소드 어셈블리들에 의해, 즉 하나는 Ti_0.33Al_0.67-타겟을 갖는 것에 의해 그리고 하나는 Zr-타겟을 갖는 것에 의해 모두 증착되었다. 초경합금으로 된 기재들은 증착된 TiZrAlN 층들의 조성의 변화를 수득하기 위하여 증착 챔버에서 상이한 위치들에 배치되었다.

기재들은 어드밴스드 플라즈마 옵티마이저 업그레이드로 Oerlikon Balzer INNOVA System 에서 피복되었다. 기재들은 2 개의 캐소드 어셈블리들이 구비된 진공 챔버내에 넣어졌다. 챔버는 고진공 (10^-2 Pa 미만) 으로 펌핑 다운되었다. 챔버는 챔버내에 위치한 히터들에 의해 350-500 ℃로, 이 특정한 경우에서는 400 ℃ 로 가열되었다. 기재들은 그리고나서 Ar 글로우 방전에서 25분간 에칭되었다. 캐소드들은 챔버들내에서 서로 옆에 배치되었다. 캐소드들 쌍방은, 타겟 표면에서 나와서 애노드에 진입하는 자기장 라인들을 갖는 자기장을 제공하는 시스템 (US 2013/0126347 A1 참조) 과 함께, (US 2013/0126347 A1에 개시된 바와 같이) 그들 주위에 배치된 링형 애노드를 구비하였다. 챔버 압력 (반응 압력) 은 N₂ 가스의 3.5 Pa 로 설정되었고, (챔버 벽들에 대하여) -30 V 의 음 전압이 기재 어셈블리에 인가되었다. 캐소드들은 60분 동안 각각 160 A 에서 아크 방전 모드에서 실행되었다. 2 개의 캐소드들이 상이한 타겟 재료들로부터 증발됨에 따라, 샘플 어셈블리에 조성 구배가 형성되어서, Zr 타겟 근방에 위치한 기재 샘플들은 Zr 이 풍부해졌고, Ti-Al 타겟 근방에 위치한 샘플들은 Ti 및 Al 이 더 풍부해졌다.

샘플의 조성들은 에너지 분산형 X 선 분광기 (EDX) 를 이용하여 판정되었다. S1 의 조성은 Ti_0.30Zr_0.24Al_0.46N 이었고, S2 의 조성은 Ti_0.21Zr_0.48Al_0.31N 이었고, S3 의 조성은 Ti_0.13Zr_0.69Al_0.18N 이었다.

도 2 는 표 1 에 개시된 3 개의 코팅들에 대한 X 선 회절도를 도시한다. 샘플들 모두는 입방 구조의 TiZrAlN 을 나타낸다. 이들 모두는 (200) 면으로부터 지배적인 피크를 갖는다. 이에 더하여, (111), (220) 및 (311) 면들로부터의 피크들을 볼 수 있다. 코팅들 사이의 격자 파라미터들의 변화로 인해 (200) 피크의 위치에서 시프트가 있다.

샘플들은 상승된 온도에서의 거동을 평가하기 위해 열처리되었다. 이는 2 시간 동안 1100 ℃ 에서 어닐링에 의해 수행되었다. 증착된 (as-deposited) 코팅들 및 어닐링된 코팅들의 구조는 Bragg-Brantano 설정으로 X 선 회절에 의해 특징지어졌다. 도 3 은 증착된 그리고 어닐링된 Ti_0.13Zr_0.69Al_0.18N (S3) 및 Ti_0.30Zr_0.24Al_0.46N (S1) 에 대한 X선 회절도를 나타낸다. 증착된 샘플들의 경우, 입방 TiZrAlN 페이즈로부터의 (200)-피크는 S3 에 대해 2θ = 40.8°에서 그리고 S1 에 대해 2θ = 42.08°에서 확인되는 한편, 다른 피크들 ('s' 를 표시함) 은 초경합금 기재에서의 페이즈들로부터 유래한다. S3 의 경우, 어닐링 전후에 있어서 구조에 뚜렷한 변화가 없다. (200) 피크의 작은 피크 시프트는 스트레스 완화에 기여할 수도 있다. 따라서 조성물은 매우 안정하다. S1 코팅의 어닐링 후에, 입방 (200) 피크는 더 낮은 각도에서 (200) 회절 피크에 의한 다른 입방 페이즈의 형성으로 인해 비대칭이다. 이는 ZrN 의 그것에 더 가까운 격자 파라미터를 갖는 페이즈에 상당하다. 따라서 코팅은 주로 입방 미세구조를 갖는다. 따라서 육방정 w-AlN 과 같은 덜 바람직한 페이즈로의 코팅들의 조성의 분해가 낮거나 적어도 느리다.

Claims

기재 및 상기 기재상의 코팅을 포함하는 피복 절삭 공구로서,
상기 코팅은 Ti_xZr_yAl_(1-x-y)N 으로 이루어지는 층을 포함하고, 0<x≤0.3, 0.4≤y≤0.8 및 0.1≤(1-x-y)<0.6 인 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
x≥0.05, 또는 x≥0.1 인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
x≤0.25, 또는 x≤0.2 인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
y≤0.6, 또는 y≤0.4 인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
Ti_xZr_yAl_(1-x-y)N 으로 된 상기 층은 입방 결정 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
Ti_xZr_yAl_(1-x-y)N 으로 된 상기 층은 주상 미세구조를 갖는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
Ti_xZr_yAl_(1-x-y)N 으로 된 상기 층의 X선 회절도는 (200) 면의 지배적인 피크를 갖는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
Ti_xZr_yAl_(1-x-y)N 으로 된 상기 층은 아크 증발 또는 스퍼터링과 같은 PVD 에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 코팅은 접착층 및 상기 접착층의 상부의 Ti_xZr_yAl_(1-x-y)N 으로 된 상기 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 코팅은, 로크웰 압입 시험으로 평가했을 때, 적어도 50 kg, 또는 적어도 100 kg, 또는 적어도 150 kg 의 접착강도를 갖는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 코팅은 TiN, TiAlN, TiSiN, TiSiCN, TiCrAlN 및 CrAlN, 또는 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상의 층들을 더 포함하는 다층 코팅인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 코팅은 0.5 ㎛ 초과 및 20 ㎛ 미만, 또는 0.5 ㎛ 초과 및 10 ㎛ 미만의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
Ti_xZr_yAl_(1-x-y)N 으로 된 상기 층은 5 nm 초과 및 20 ㎛ 미만, 또는 5 nm 초과 및 10 ㎛ 미만의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 기재는 초경합금 또는 다결정 입방정 질화 붕소를 포함하는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 피복 절삭 공구를 형성하는 절삭 인서트.
피복 절삭 공구의 제조 방법으로서,
기재를 제공하는 단계 및
Ti_xZr_yAl_(1-x-y)N 으로 이루어지고 0<x≤0.3, 0.4≤y≤0.8 및 0.1≤(1-x-y)<0.6 인 층을 포함하는 코팅을 증착시키는 단계
를 포함하는 피복 절삭 공구의 제조 방법.
제 16 항에 있어서,
상기 층은 아크 증발에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구의 제조 방법.
제 17 항에 있어서,
상기 층은, 캐소드, 애노드 및 숏트 연결 (short connection) 에서 자기장 선들이 타겟 표면으로부터 상기 애노드로 유도되는 것을 가능하게 하는 자기 수단을 포함하는 아크 증착 소스를 이용하여 증착되는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구의 제조 방법.
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